WO2008038829A1 - Dispositif de détection - Google Patents

Description

明細書

感知装置

技術分野

【0 0 0 1】

本発明は、 試料が吸着されることにより固有振動数が変わる圧電振動子を備え た感知センサを用い、 前記圧電振動子の固有振動数の変化に基づいて試料の吸着 を感知する感知装置に関する。 背景技術

【0 0 0 2】

微量な物質を感知する手法として水晶振動子を用いた感知装置が知られている 。 この感知装置は、 水晶振動子の表面に感知対象物を吸着するための吸着層を形 成して水晶センサを構成し、 感知対象物が水晶振動子、 詳しくは吸着層に付着す るとその固有振動数がその付着量に応じて変化することを利用して感知対象物の 有無あるいはその濃度を測定するものであり、 その応用範囲が広く、 装置として も簡易な構成である上、 感度が高いことから極微量な物質でも測定できるといつ た利点がある。 例えば特許文献 1では、 血液、 尿などに含まれる疫病マーカ物質 の分析を行うにあたって、 水晶センサを用いれば、 高価で大型の自動分析装置を 必要とする免疫ラテックスキットに代わる有効な手法であることが記載されてい る。

【0 0 0 3】

そして本発明者は、 水晶センサの適用対象として、 例えば環境汚染物質である ダイォキシンや P C Bあるいは血液中の疫病マーカなどを検討しているが、 この 手法により高精度に対象物質を測定できれば画期的である。 何故なら現状では例 えばダイォキシンを測定する手法としては、 ガスクロマトグラフ質量分析計を用 いる方法及び E L I S A法 （適用酵素免疫測定法） が知られているが、 ガスクロ マトグラフ質量分析計は装置価格が極めて高く、 このため分析コストもかなり高 いものになっており、 更に分析に長い期間を必要とするとするし、 E L I S A法 は、 ガスクロマトグラフ質量分析計に比べて装置価格、 分析価格が低く、 分析に 要する時間も短いが、 分析精度が低 、という課題がある。

水晶振動子を用いた感知装置は、 水晶振動子に感知対象物質を吸着する、 例え ば抗体抗原反応を起こす抗体からなる吸着層を形成し、 この水晶振動子に発振回 路を接続すると共に発振回路の発振周波数を測定する周波数計測部を設けて主要 部が構成される。 一方水晶振動子の発振周波数の適切な領域を決めるために種々 の感知対象物について実験を重ねたところ、 ある種の感知対象物については適切 な周波数領域であっても、 別の感知対象物では適切でない場合があることが分か り、 このため水晶振動子の発振周波数を 1つに決めずに、 複数の発振周波数の中 から、 例えば少なくとも 2つの発振周波数の中から発振周波数を選択できるよう にすることが実製品として好ましい。

【0 0 0 4】

また、 周波数を測定する手法としては、 特許文献 2に記載されているように、 水晶振動子の発振周波数そのものを測定するよりも基準周波数との差をとつてそ の差周波数の周波数変化を測定すれば、 発振周波数よりも遙かに小さな周波数が 計測対象となるので有利であることが記載されている。 更にこの特許文献 2には 、 発振周波数が互いに異なるセンサ振動子を用い、 各センサ振動子の発振周波数 f r l〜f r nとこれらに夫々対応する基準周波数 f l〜f nとの差をサンプリ ング回路で検出し、 各チャンネルをセレクタで切り替えて演算装置に取り込む構 成が記載されている。

【0 0 0 5】

ところでこの種の感知装置の用途によっては、 水晶センサが差し込まれる発振 回路側のュニットと測定系を含む装置本体側とを分離し、 これらを例えばケープ ルを介して着脱自在とすることが好ましい場合がある。 しかしながらこのような 装置においては、 発振周波数と基準周波数との差を用いて測定を行う手法を採用 し難い。 その理由は、 使用する水晶センサの発振周波数に応じて基準周波数を選 択しなければならないが、 特に発振回路ュニット毎に発振周波数が割り当てられ ていて、 発振回路ュニットを交換することで発振周波数を変更する装置において は、 装置本体側ではどの発振周波数が用いられているのかを知ることができない からである。 なお発振回路ユニットと装置本体とを 1対 1の関係にすればこのよ うな課題はなくなるが、 コスト的にもスペース上からも現実的な製品とは言い難 レ、。

特許文献 1

特開 2 0 0 1— 8 3 1 5 4号公報：段落 0 0 0 2、 0 0 0 4 特許文献 2

特開平 6—2 4 1 9 7 2号公報 発明の開示

【0 0 0 6】

本発明はこのような事情の下になされたものであり、 試料の吸着により固有振 動数が変わる水晶振動子などの圧電振動子を用いた感知装置において、 発振回路 ユニットと測定部を含む装置本体とが別体でありかつ発振回路ュ-ットを交換す ることで発振周波数を変更することのできる装置を提供することを目的とする。

【0 0 0 7】

本発明は、 試料が吸着されることにより固有振動数が変わる圧電振動子を備え た感知センサを用い、 前記圧電振動子の固有振動数の変化に基づいて試料の吸着 を感知する感知装置において、

前記感知センサが接続され、 当該感知センサの圧電振動子を発振させるための 発振回路を含む発振回路ユニットと、

この発振回路ュニットと着脱自在に接続され、 前記発振回路の発振出力の周波 数に関する信号を測定するための測定部を含む装置本体と、

この装置本体にて前記発振回路ュ-ットからの周波数信号ラインが複数に分岐 されてなる複数のチャンネルと、 これらチャンネルに夫々設けられ、 前記発振回 路の発振周波数に夫々対応する通過特性を備えた複数のパンドパスフィルタと、 を有する周波数分別回路と、

前記複数のチヤンネノレのうち選択されたチヤンネルを前記測定部に接続するた めのスィツチ部と、

前記複数のパンドパスフィルタの出力側における信号レベルを夫々検出するた めの複数のレベル検出回路と、 これら複数のレベル検出回路にて夫々検出されたレベル検出値をしきい値と比 較し、 しきい値以上のレベル検出値が出力されたチャンネルを測定部に接続する ようにスィツチ部を制御すると共に、 当該チヤンネルに対応する周波数信号の周 波数に応じて前記測定部を制御する制御部と、 を備えたことを特徴とする。 測定部は、 前記発振回路の発振出力の周波数に関する信号を測定するものであ るが、 「周波数に関する信号」 とは、 周波数信号の例えば周波数あるいは信号レ ベルである。

前記圧電振動子は、 圧電片の表面に設けられた電極と、 この電極の表面に形成 され、 感知対象物を吸着するための吸着層と、 を備え、 感知対象物の吸着により 固有振動数が変わるものである。

【0 0 0 8】

この発明は、 例えば以下のような態様を採用することができる。

ィ. 前記測定部は、 複数の基準周波数から選択された基準周波数と発振回路か らの周波数信号の周波数との差分を取り出し、 差分対応する周波数に関する信号 を測定するものであり、

前記制御部は、 しきい値以上のレベル検出値が出力されたチヤンネルに対応す る周波数信号の周波数に応じて、 複数の基準周波数から基準周波数を選択するよ うに構成されている。

口. 制御部は、 バンドパスフィルタの出力側における信号レベルを検出すると きには、 信号レベルを検出しようとするチャンネルを前記測定部に接続するよう にスィツチ部を制御する。

ハ. 前記発振回路ュニットと装置本体とはケーブル例えば同軸ケーブルを介し て着脱自在に接続される。

二. 装置本体側には、 前記周波数分別回路の入力側の周波数信号ラインに直流 電圧を給電するための給電用ラインが接続され、

前記発振回路ュ-ット側には、 前記発振回路の出力側に前記直流電圧を取り出 すための電源ラインが接続され、

前記給電用ライン及ぴ前記電源ラインには、 各々発振出力の通過を阻止するた めにローパスフィルタが設けられ、 前記周波数信号ラインにおける給電用ラインの接続点とバンドパスフィルタと の間、 及び周波数信号ラインにおける前記電源ラインの接続点と発振回路との間 には、 各々直流電圧の通過を阻止するためのハイパスフィルタが設けられ、 装置本体側の直流電圧を周波数信号ラインを介して発振回路側に供給する。

【0 0 0 9】

本発明によれば、 試料の吸着により固有振動数が変わる圧電振動子例えば水晶 振動子を用いた感知装置において、 発振回路ュニットと測定部を含む装置本体と を別体とする構成を採用するにあたり、 装置本体側に発振回路の発振周波数に夫 々対応する通過特性を備えた複数のバンドパスフィルタを設けて周波数信号を分 別し、 分別された周波数信号のレベルを検出するようにしている。 このためこの 信号レベルの検出値に基づいてどのチャンネル （バンドパスフィルタ） の信号レ ベルがしきい値以上であるかを把握でき、 発振周波数を知ることができる。 その 結果、 当該チャンネルを測定部に接続するようにスィツチ部を制御すると共に、 当該チヤンネルに対応する周波数信号の周波数に応じて前記測定部を制御するこ と、 例えば周波数信号と基準周波数信号との差の周波数を取り出して周波数に関 する信号 （例えば周波数や位相） を測定するにあたり、 発振出力に応じた基準周 波数を選択することができる。 図面の簡単な説明

【0 0 1 0】

図 1は、 本発明に係る感知装置の実施の形態の外観を示す斜視図である。

図 2は、 上記実施の形態に用いられる水晶センサを示す斜視図である。

図 3は、 上記実施の形態の全体の回路構成を示すプロック回路図である。

図 4は、 レベル検出回路及ぴ制御部を示すブロック図である。

図 5は、 上記実施の形態の動作の一部を示すフローチャートである。

図 6は、 上記実施の形態の一部の回路の周波数通過特性を示す特性図である 図 7は、 上記実施の形態の一部の回路の周波数通過特性を示す特性図である 図 8は、 上記実施の形態の一部の回路の周波数通過特性を示す特性図である 図 9は、 測定部の一例を示すブロック図である。 図 1 0は、 図 9に示す回路ブロックの一部を示す構成図である。

図 1 1は、 図 9に示すブロック図により取り出された回転べクトルを示す説明図 である。

図 1 2は、 測定部の他の例を示すプロック図である。 発明を実施するための最良の形態

【0 0 1 1】

以下に本発明に係る感知装置の実施の形態を説明する。 この感知装置は、 図 1 及び図 3に示すように、 発振回路ュニット 1 0と装置本体 2 0とを備えており、 発振回路ュ-ット 1 0はケーブル例えば同軸ケーブル 3 0により装置本体 2 0に 着脱自在に接続できるようになつている。

発振回路ュ-ット 1 0は、 筐体 1 1内に発振回路 1 2とこの発振回路 1 2の共 振周波数 （後述の水晶振動子の主振動周波数） の信号を通過させるためのパンド パスフィルタ (帯域フィルタ) 1 3とハイパスフィルタ 1 4と、 を備えている。

【0 0 1 2】

また発振回路ュニット 1 0には感知センサである水晶センサ 1が着脱自在に接 続される。 水晶センサ 1は、 公知であるため図 2にその一例の外観だけ示してお く 1 ー且側が接続端子をなす配線基板であるプリント基板 1 0 1の上にゴムシ ート 1 0 2を重ね、 このゴムシート 2 2に設けられた凹部を塞ぐように圧電振動 子である水晶振動子が設けられ、 更にゴムシート 1 0 2の上から上蓋ケース 1 0 3を装着して構成されている。 上蓋ケース 1 0 3には、 試料溶液の注入口 1 0 4 と試料溶液の観察口 1 0 5とが形成され、 注入口 1 0 4から試料溶液が注入され 、 水晶振動子の上面側の空間に試料溶液が満たされることになる。 水晶振動子の 下面側ほ前記凹部により気密空間とされ、 これによつてランジュバン型の水晶セ ンサが構成されることになる。

この水晶振動子は、 水晶片の両面に励振電極が形成され、 更にこの励振電極の 表面に感知対象物を吸着するとめの吸着層が形成されている。 この吸着層として は、 例えば感知対象物がたんぱく質などの抗原である場合には、 抗原抗体反応に よるその抗原を捕捉するための抗体が用いられる。 【0 0 1 3】

装置本体 2 0は、 例えば L E Dの表示文字により測定結果例えば周波数あるレヽ は周波数の変化分などを表示する表示部 2 0 1などが前面に設けられた筐体 2 1 内に回路が収納されている。 この回路は、 発振回路 1 2からの周波数信号の信号 ラインに沿ってハイパスフィルタ 2 2と、 周波数を分別するための複数例えば 3 つのバンドパスフィルタ （帯域フィルタ） 2 3 a〜2 3 cを並列に接続してなる 周波数分別回路 2 3とが設けられ、 各バンドパスフィルタ 2 3 a〜 2 3 cの出力 側の各々には、 アンプ 2 4及びローパスフィルタ 2 5の直列回路が接続されてい る。 また周波数分別回路 2 3により 3つに分岐された信号ラインをチャンネルと 呼ぶことにすると、 各チャンネルの下流端 （ローパスフィルタ 2 5の出力端） を 、 測定部である周波数計測部 4に切り替え接続するスィツチ部 5が設けられてい る。

【0 0 1 4】

前記バンドパスフィルタ 2 3 a〜2 3 cは、 使用される発振回路ュニット 1 0 の発振周波数に夫々対応する周波数の信号を選択的に通過させるためのものであ り、 例えば発振回路ュニット 1 0として 9 MH z、 3 0 MH z及ぴ 6 0 MH zの 3つの発振回路が選択して使用されるとすると、 これら周波数に対応したものが 用意される。

【0 0 1 5】

ここで装置本体 2 0及ぴ発振回路ュ-ット 1 0の電源に関して述べておく。 発 振回路ュニット 1 0内の回路に供給される直流電圧 + V c cは、 ローパスフィル タ 2 6を介してハイパスフィルタ 2 2の入力側の信号ラインに接続されている。 一方発振回路ュニット 1 0においては、 ハイパスフィルタ 1 4の出力側の信号ラ インから分岐して、 ローパスフィルタ 1 5が介揷された電源ライン 1 6が形成さ れている。 1 7、 2 7はパリスタである。 このような構成とすれば、 装置本体 2 0側の直流電圧が信号ラインに重畳され、 同軸ケーブル 3 0の芯線を介して発振 回路ュ-ット 1 0内に送られ、 ハイパスフィルタ 1 4により発振回路 1 2側には 送られず、 ローパスフィルタ 1 5を通して直流電圧 + V c cが得られる。 従って 発振回路ュ-ット 1 0では、 この直流電圧 + V c cを発振回路 1 2などに供給す ることができ、 直流電源を搭載しなくて済み、 構成が簡単になる。 なお同軸ケー ブル 3 0の外側導体は発振回路ュ-ット 1 0及び装置本体 2 0にて接地されてい る。

【0 0 1 6】

また装置本体 2 0においては、 既述の各チャンネル毎にアンプ 2 4の出力側の 信号レベル （振幅） を検出するためのレベル検出部 6が設けられている。 このレ ベル検出部 6は、 図 4に示すようにアンプ 2 4の直流カツトをするためのコンデ ンサ 6 1、 検波器 6 2及ぴアナログ ディジタル （A/D) 変換器 6 3を備えて おり、 ここで検出された信号レベルはコンピュータからなる制御部 7に入力され る。

【0 0 1 7】

制御部 7は、 C P U 7 1、 ワークメモリ 7 2及び周波数の測定に必要な一連の 処理を行うためのプログラム 7 3を備えている。 なおプログラム 7 3は実際には R OMに格納されているが、 記載を簡略ィ匕してある。 前記プログラムは、 3つの チヤンネルを周波数計測部 4に順次接続し、 接続されたチヤンネルのレベル検出 値をしきい値と比較し、 レベル検出値がしきい値以上であればそのチヤンネルを 周波数計測部 4に接続するようにスィツチ部 5を制御すると共に、 そのチヤンネ ルに対応する周波数に応じた計測ができるように制御信号を出力するためのステ ップが組まれている。

なお各チャンネルの信号レベルを検出するときには、 当該チャンネルを周波数 計測部 4に接続しておくことが好ましい。 その理由は、 当該チャンネルの出力端 をオープンにした状態で信号レベルを検出すると、 この検出を行うときの終端ィ ンピーダンスの値と周波数計測部 4にて周波数が計測されるときの終端ィンピー ダンスの値とが異なってしまうので、 信号レベルの検出の正確性が低くなるから である。

【0 0 1 8】

前記周波数計測部 4は、 この例では後述のように発振回路ュニット 1 0力 らの 周波数信号の周波数と基準周波数信号の周波数との差に相当する周波数信号に基 づいてデジタル処理により周波数の変化分を求めるようにしており、 基準周波数 信号は、 使用される発振回路ュニット 1 0の発振周波数に応じて使い分ける必要 がある。 このため前記プログラムは、 レベル検出値がしきい値以上であるチャン ネルを把握することにより、 周波数信号がいずれのバンドパスフィルタ 2 3 a〜 2 3 cの帯域に相当する周波数であるかが分かる。 即ち装置本体 2 0に接続され ている発振回路ュ-ット 1 0の発振周波数が分かる。 このためその周波数に応じ た基準周波数を選択するための制御信号、 例えば 3つの基準周波数出力部のうち のいずれを有効にするかの制御信号を出力する。

【0 0 1 9】

次に上述の実施の形態の作用について説明する。 先ず装置本体 2 0側で電源を 投入することにより装置本体 2 0の内部回路に直流電圧が供給されると共にその 直流電圧が同軸ケーブル 3 0を介して既述のように発振回路ュニット 1 0側に供 給される。 ここで例えば発振回路ユニット 1 0としては 9 MH z、 3 0 MH z及 び 6 O MH zの 3種類のものが使用可能であるとし、 今 9 MH zの発振回路ュ- ット 1 0が装置本体 2 0に接続されているものとし、 この発振回路ュニット 1 0 に 9 MH zの水晶センサ 1が差し込まれたとする。 そして例えば基準値を求める ために感知対象物が含まれない溶液を水晶センサ 1内に注入し、 水晶振動子 2 4 を発振させる。 この溶液は純水であってもよいし、 あるいはその他の溶液であつ てもよい。

【0 0 2 0】

このときプログラム 7 3は、 図 5に示すようにステップが進行する。 今、 説明 の便宜上、 9 MH zのパンドパスフィルタ 2 3 aが設けられているチャンネルを チャンネル。 h 1、 3 O MH zのパンドパスフィルタ 2 3 bが設けられているチ ャンネルをチヤンネル c h 2、 6 O MH zのパンドパスフィルタ 2 3 cが設けら れているチャンネルをチャンネル c h 3とする。 先ずスィツチ部 5によりチャン ネル c h 1を選択して周波数計測部 4に接続し （ステップ S 1 ) 、 そのチャンネ ル c h 1の周波数信号が安定するまでの時間例えば 1秒間が経過した後 （ステツ プ S 2 ) 、 当該チャンネル c h 1の信号レベルを検出してしきい値以上力否かを 判定する （ステップ S 3及ぴ S 4 ) 。 信号レベルがしきい値以上であれば、 表示 部 2 0 1の L E Dを点灯する （ステップ S 5 ) 。 つまりこの場合には、 チャンネ ル c h 1のバンドパスフィルタ 2 3 aの通過帯域が 9 MH zであるから、 発振回 路ュニット 1 0の発振周波数は 9 MH zであることが分かり、 周波数計測部 4に おいて 9 MH zの測定を行うための基準周波数である 1 O MH zの基準周波数が 選択されて周波数の計測が行われる。 この計測例に関しては説明の煩雑化を避け るためにここでは詳しく述べない。

【0 0 2 1】

こうして周波数の計測が行われるとその計測結果、 この例では発振回路ュニッ ト 1 0からの周波数信号の周波数と基準周波数との周波数差が表示部 2 0 1に表 示され、 L E Dを点灯することにより作業者が確認することができる。 図 5のフ ローでは測定に関しては記載していないため、 表示 L E Dの点灯後、 再度チャン ネル c h 1の信号レベルの検出、 判定 （ステップ S 6、 S 7 ) を行い、 レベルが しきい値以上であればステップ S 5〜S 7が繰り返される。 なお測定が終了して 水晶センサ 1が取り外されると、 ステップ S 7から抜けて表示部 2 0 1を消灯し (ステップ S 8 ) 、 ステップ S 1に戻る。

【0 0 2 2】

一方チャンネル c h 1の信号レベルがしきい値よりも低い場合には、 スィッチ 部 5にてチャンネル c h 1からチャンネル c h 2に切り替わり、 同様のステップ が行われる。 即ち、 ステップ 2 0にてチャンネル c h 2の信号レベルがしきい値 以上と判定されれば、 発振回路ュュット 1 0の発振周波数が 3 0 MH zであるこ とが分かり、 周波数計測部 4において 3 O MH _Zの測定を行うための基準周波数 である 3 1 MH zの基準周波数が選択されて周波数の計測が行われ、 同様にして 表示部 2 0 1に計測結果が表示される。

またステップ 2 0にてチャンネル c h 2の信号レベルがしきい値よりも低いと 判定されれば、 スィッチ部 5にてチャンネル c h 2力 らチャンネル c h 3に切り 替わり、 同様のステップが行われる。 そしてステップ S 3 0にてチャンネル c h 2の信号レベルがしきい値よりも低いと判定されれば、 ステップ S 1に戻る。 こ の場合には、 9 MH z、 3 0 MH z、 6 O MH zのいずれの周波数信号もそのレ ベルがしきい値を下回っており、 言い換えればこのことは水晶センサ 1に不具合 が生じていることになる。 このとき表示部 2 0 1は点灯しないため、 オペレータ は異常が発生していることを認識できる。 この例では不具合を知らせる手法とし て、 表示部 2 0 1を消灯したままという手段を採用しているが、 表示部 2 0 1を 点灯して異常の表示をする手法、 異常ランプを点灯する手法、 異常ブザーを鳴動 する手法などであってもよい。

【0 0 2 3】

上記のように感知対象物が含まれない溶液を設定した量だけ水晶センサ 1内に 入れて周波数の測定が行われた後、 感知対象物の測定を行おうとする試料溶液を 、 前記溶液が入っている水晶センサ 1に注入し、 試料溶液を入れた後の水晶セン サ 1の水晶振動子の発振周波数を求める。 例えば 9 MH zの水晶センサ 1が使用 されているとしたら、 図 5のステップ S 5〜S 7が繰り返されている間に周波数 の計測が行われ、 表示部 2 0 1に周波数が表示される。 そして試料溶液を入れた ことによる周波数の変化分を求め、 例えば検量線を用いることにより、 水晶セン サ 1内の感知対象物の濃度が分かり、 その結果試料溶液中の感知対象物の濃度が 分かる。

【0 0 2 4】

ここで回路中の通過特 1"生について確認した結果を図 6〜図 8に示しておく。 図 6は、 図 3に示す回路において、 9 . 2 MH zの水晶センサ 1を用い、 周波数分 別部 2 3にてこの周波数に対応するパンドパスフィルタの出力端における通過特 性を示している。 また図 7は、 同様に 3 0 . 8 MH zの水晶センサ 1を用いた場 合に、 対応するバンドパスフィルタの出力端における通過特性を示している。 こ の結果から、 例えば 9 . 2 MH zの発振回路ユニット 1 0と 3 0 . 8 MH zの発 振回路ュ-ット 1 0とを使い分けようとしたとき、 周波数分別部 2 3の出力側で は、 両周波数におけるレベルの差が十分に大きいので、 しきい値を設定すること で、 信号レベルの高低を確実に判断することができることがわかる。

また図 8は、 9 . 2 MH zの発振回路ユニット 1 0において、 信号ラインと電源、 ライン 1 5との分岐点（ハイパスフィルタ 1 4の出力側）の通過特性を示している 。 この結果から、 装置本体 2 0から供給される直流電圧は電源ライン 1 5側に供 給され、 また発振出力は電源ライン 1 5側に回りこんでいないことが分かる。

【0 0 2 5】 上述の実施の形態によれば、 発振回路ュニット 1 0と装置本体 2 0とを別体と する構成を採用するにあたり、 装置本体 2 0側に発振回路 1 2の発振周波数に夫 々対応する通過特性を備えた複数この例では 3つのパンドパスフィルタ 2 3 a〜 2 3 cを設けて周波数信号を分別し、 分別された周波数信号のレベルを検出する ようにしている。 このためこの信号レベ^/の検出値に基づいてどのチャンネル （ バンドパスフィルタ 2 3 a〜2 3 c ) の信号レベルがしきい値以上であるかを把 握でき、 その結果発振回路ユニット 1 0の発振周波数を知ることができる。 その 結果、 当該チャンネルを測定部に接続するようにズィツチ部を制御すると共に、 周波数計測部 4で用いられる、 発振出力に応じた基準周波数を設定することがで き、 周波数の計測を行うことができる。 従って発振回路ユニット 1 0と装置本体 2 0とを別体とし、 複数種類の周波数の中から感知対象物に適正な周波数の発振 回路ュニット 1 0を選択できる一方、 装置本体 2 0については各発振回路ュ-ッ ト 1 0に対して共通化することができる。

また上述の実施の形態では、 水晶センサ 1として水晶振動子に吸着層が設けら れたものが使用されているが、 吸着層が設けられていない水晶センサ 1であって も本発明を適用できる。 例えば水晶センサの開発段階、 あるいは研究時において 、 吸着層例えばある種の抗体が水晶振動子の電極の表面にどのくらいの量が付着 するのかといったことを調べる場合にも本発明を適用できる。

【0 0 2 6】

本発明では、 上述のように 3種類の発振回路ュニット 1 0が利用できることに 限らず、 2種類あるいは 4種類以上の発振回路ュエツト 1 0の中から選択して装 置本体 2 0に接続できる装置として構成してもよい。 また周波数計測部 4では、 周波数を直接計測することに限らず、 周波数信号の位相を検出して、 結果として 周波数を検出するようにしてもよレ、。

【0 0 2 7】

ここで周波数計測部 4の一例を図 9に示す。 図 9において、 8 1は基準ク口ッ ク発生部であり、 前記スィツチ部 5からの周波数信号をサンプリングするために 周波数の安定性が極めて高い周波数信号であるクロック信号を出力する。 8 2は A/D (アナログ/ディジタル） 変換器であり、 前記周波数信号を基準クロック 発生部 81からのクロック信号によりサンプリングしてそのサンプリング値をデ ィジタル信号として出力する。 前記周波数信号の周波数を f cとサンプリング周 波数 （クロック信号の周波数） f sとについては、 例えば f cが 9MHzであれ ば f sが 10MHzに設定される。 この場合、 A/D変 61からのディジタ ル信号である出力信号で特定される周波数信号の基本波は 1 MH zの正弦波とな る。 なおここでいう 9MHz、 1MH zとは詳しくいえば 9. 2MHz、 0. 8 MHzであるが、 便宜上略解して記述している。

【0028】

A//D変換器 82の後段には、 キャリアリムーブ 83及ぴローパスフィルタ 8 4がこの順に設けられている。 キヤリアリムーブ 83及びローパスフィルタ 84 は、 AZD変換器 82からのディジタル信号により特定される例えば 1 MHzの 正弦波信号の周波数と、 直交検波に用いられる正弦波信号の周波数との差の周波 数で回転する回転べクトルを取り出すために用いられている。

【0029】

回転べクトルを取り出す作用をわかりやすく説明するために、 A/D変換器 8 2からのディジタノレ信号により特定される正弦波信号を Acos (coOt + θ) とす る。 一方、 キャリアリムーブ 83は、 図 10に示すように前記正弦波信号に対し て cos (wOt) を掛け算する掛け算部 83 aと前記正弦波信号に対して一 sin ( coOt) を掛け算する掛け算部 83 bとを備えている。 即ちこのような演算をす ることにより直交検波される。 掛け算部 83 aの出力及び掛け算部 83 bの出力 は夫々 (2) 式及び (3) 式により表される。

【0030】

Acos (ωθ t + Θ ) * cos (ωθ t )

= 1 / 2 · Acos Θ + 1 / 2 {cos (2 ωθ t ) • cos Θ +sin (2coOt) · sin0 } …… （2)

Acos (ωθ t + Θ ) - -sin (ωθ t)

= 1/2 · Asin0一 1/2 {sin (2 o)0 t ) - cos Θ +cos (2 ωθ t ) - sin0 } …… （3)

従って掛け算部 83 aの出力及ぴ掛け算部 83 bの出力を夫々ローパスフィル タ 84 a及ぴ 84 bを通すことにより、 2 co 0tの周波数信号は除去されるので 、 結局ローパスフィルタ 84からは 1/2 · Acos0と 1 2 · Asin0とが取り 出される。

【003 1】

そして Acos (ωθΐ + θ) で表される正弦波信号の周波数が変化すると、 Aco s (ωθί + Θ) は Acos (ωθί + θ +ω1 t) となる。 ただし ωΐは ωθよりも十 分小さいものとする。 従って 1/2 · Acos 0は 1 2 · Acos (θ +ω1 t) と なり、 1/2 · Asin0は 1ノ2 · Asin (θ +ω1 t) となる。 即ち、 ローパス フィルタ 84から得られた出力は、 正弦波信号 [Acos (ωθί + Θ) ] の周波数 の変化分 ωΐΖ 2 πに対応する信号である。 つまりこれらの値は、 A/D変換器 8 2からのディジタル信号により特定される正弦波信号の周波数と直交検波に用 いた正弦波信号の周波数 ωθΖ 2 πとの差の周波数で回転する回転するべクトル を複素表示したときの実数部分 （I) 及び虚数部分 （Q) である。

【0032】

図 1 1はこの回転べクトルを表した図であり、 この回転べクトルは角速度が ω 1である。 従って前記正弦波信号の周波数が変化しなければ、 col tはゼロである からこの回転べクトルの回転速度はゼロである力 水晶振動子 24に感知対象物 質が吸着されて水晶振動子の周波数が変化し、 これにより前記正弦波信号の周波 数が変化すると、 その変化分に応じた回転速度で回転することになる。

【0033】

ところで感知対象物質が存在しないときの水晶振動子の発振周波数に対応する 角速度が直交検波に用いた正弦波信号の角速度に一致することはかなり稀である こと力、ら、 実際には、 感知対象物質が存在しないときの水晶振動子の発振周波数 に対応する回転べクトルの角速度と感知対象物質が存在するときの水晶振動子の 発振周波数に対応する回転べクトルの角速度とを夫々求め、 その角速度の差が求 められる。 この回転ベクトルの角速度の差は、 水晶振動子に感知対象物質が吸着 したことによる水晶振動子の周波数の変化分に対応する値である。

【0034】

以上において、 測定部としては上述のようなディジタル処理を行う構成に限ら ず、 既述の特許文献 2などにも記載されているように、 スィッチ部からの周波数 信号の周波数例えば 9 MH zと基準周波数発生部 9 1の基準周波数信号の基準周 波数例えば 1 0 MH zとの周波数差をへテロダイン検波器 9 2により取り出し、 その周波数差の周波数信号の周波数を計測する回路であってもよい。

Claims

請求の範囲

1 . 試料が吸着されることにより固有振動数が変わる圧電振動子を備えた感知 センサを用い、 前記圧電振動子の固有振動数の変化に基づいて試料の吸着を感知 する感知装置において、

前記感知センサが接続され、 当該感知センサの圧電振動子を発振させるための 発振回路を含む発振回路ュニットと、

この発振回路ュニットと着脱自在に接続され、 前記発振回路の発振出力の周波 数に関する信号を測定するための測定部を含む装置本体と、

この装置本体にて前記発振回路ュニットからの周波数信号ラインが複数に分岐 されてなる複数のチャンネルと、 これらチャンネルに夫々設けられ、 前記発振回 路の発振周波数に夫々対応する通過特性を備えた複数のバンドパスフィルタと、 を有する周波数分別回路と、

前記複数のチヤンネルのうち選択されたチヤンネルを前記測定部に接続するた めのスィツチ部と、

前記複数のバンドパスフィルタの出力側における信号レベルを夫々検出するた めの複数のレベル検出回路と、

これら複数のレベル検出回路にて夫々検出されたレベル検出値をしきい値と比 較し、 しきい値以上のレベル検出値が出力されたチヤンネルを測定部に接続する ようにスィツチ部を制御すると共に、 当該チャンネルに対応する周波数信号の周 波数に応じて前記測定部を制御する制御部と、 を備えたことを特徴とする感知装 置。

2 . 前記圧電振動子は、 圧電片の表面に設けられた電極と、 この電極の表面に 形成され、 感知対象物を吸着するための吸着層と、 を備え、 感知対象物の吸着に より固有振動数が変わるものであることを特徴とする請求項 1記載の感知装置。

3 . 前記測定部は、 複数の基準周波数から選択された基準周波数と発振回路か らの周波数信号の周波数との差分を取り出し、 その周波数差に関する信号を測定 するものであり、

前記制御部は、 しきい値以上のレベル検出値が出力されたチヤンネルに対応す る周波数信号の周波数に応じて、 複数の基準周波数から基準周波数を選択するよ うに構成されていることを特徴とする請求項 1記載の感知装置。

4. 制御部は、 パンドパスフィルタの出力側における信号レベルを検出すると きには、 信号レベルを検出しようとするチャンネルを前記測定部に接続するよう にスィツチ部を制御することを特徴とする請求項 1記載の感知装置。

5 . 前記発振回路ュニットと装置本体とはケーブルを介して着脱自在に接続さ れることを特徴とする請求項 1記載の感知装置。

6 . 装置本体側には、 前記周波数分別回路の入力側の周波数信号ラインに直流 電圧を給電するための給電用ラィンが接続され、

前記発振回路ュ-ット側には、 前記発振回路の出力側に前記直流電圧を取り出 すための電源ラインが接続され、

前記給電用ライン及ぴ前記電源ラインには、'各々発振出力の通過を阻止するた めにローパスフィルタが設けられ、

前記周波数信号ラインにおける給電用ラインの接続点とパンドバスフィルタと の間、 及び周波数信号ラインにおける前記電源ラインの接続点と発振回路との間 には、 各々直流電圧の通過を阻止するためのフィルタが設けられ、

装置本体側の直流電圧を周波数信号ラインを介して発振回路側に供給すること を特徴とする請求項 1記載の感知装置。