ホーム > 特許ランキング > 日本電波工業株式会社
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024100149
(43)【公開日】2024-07-26
(54)【発明の名称】感知センサ
(51)【国際特許分類】
G01N 5/02 20060101AFI20240719BHJP
H03H 9/19 20060101ALI20240719BHJP
【ＦＩ】
G01N5/02 A
H03H9/19 E
【審査請求】未請求
【請求項の数】5
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023003927
(22)【出願日】2023-01-13
(71)【出願人】
【識別番号】000232483
【氏名又は名称】日本電波工業株式会社
(72)【発明者】
【氏名】山口 貴士
【テーマコード（参考）】
5J108
【Ｆターム（参考）】
5J108AA04
5J108AA09
5J108BB02
5J108CC04
5J108CC05
5J108DD02
5J108EE03
5J108FF02
5J108FF09
5J108GG03
5J108GG18
(57)【要約】
【課題】配線基板上にＡＴカットの水晶片を用いた感知素子としての水晶振動子を備える感知センサであって、配線基板と水晶片との熱膨張係数の差の影響を、従来に比べ軽減できる感知センサを提供する。
【解決手段】感知センサ１０は、配線基板１１と、この配線基板上に設けられＡＴカットの水晶片１３ａを用いた感知素子としての水晶振動子１３と、水晶片の配線基板とは反対面である第１面１３ｂ側に設けられ、前記第１面に被検査液を接触させるための流路形成部材１５と、を備える感知センサである。然も、水晶片として、第１面が平坦で、第１面の反対面である第２面１３ｃに第１面側に凹んだ凹部１３ｄを有し、かつ、凹部底面と第１面との対向領域の少なくとも一部を振動部１３ｅとしているメサ型水晶片を用いている。
【選択図】図３
【解決手段】感知センサ１０は、配線基板１１と、この配線基板上に設けられＡＴカットの水晶片１３ａを用いた感知素子としての水晶振動子１３と、水晶片の配線基板とは反対面である第１面１３ｂ側に設けられ、前記第１面に被検査液を接触させるための流路形成部材１５と、を備える感知センサである。然も、水晶片として、第１面が平坦で、第１面の反対面である第２面１３ｃに第１面側に凹んだ凹部１３ｄを有し、かつ、凹部底面と第１面との対向領域の少なくとも一部を振動部１３ｅとしているメサ型水晶片を用いている。
【選択図】図３
【特許請求の範囲】
【請求項1】
配線基板と、この配線基板上に設けられＡＴカットの水晶片を用いた感知素子としての水晶振動子と、前記水晶片の前記配線基板とは反対面である第１面側に設けられ、前記第１面に被検査液を接触させるための流路形成部材と、を備える感知センサにおいて、
前記水晶片として、前記第１面が平坦で、前記第１面の反対面である第２面に前記第１面側に凹んだ凹部を有し、かつ、前記凹部底面と前記第１面との対向領域の少なくとも一部を振動部としているメサ型水晶片を用いたことを特徴とする感知センサ。
前記水晶片として、前記第１面が平坦で、前記第１面の反対面である第２面に前記第１面側に凹んだ凹部を有し、かつ、前記凹部底面と前記第１面との対向領域の少なくとも一部を振動部としているメサ型水晶片を用いたことを特徴とする感知センサ。
【請求項2】
前記メサ型水晶片は、平面視で長方形状であり、前記凹部も平面視で長方形状であり、かつ、長辺が水晶のＺ軸に対し－５０～５０度の範囲のメサ型の水晶片であることを特徴とする請求項１に記載の感知センサ。
【請求項3】
前記メサ型水晶片は、平面視で長方形状であり、前記凹部も平面視で長方形状であり、かつ、長辺が水晶のＺ軸に対し－４５～－１５度の範囲、又は、１５～４５度の範囲のメサ型水晶片であることを特徴とする請求項１に記載の感知センサ。
【請求項4】
前記凹部の底面の少なくとも一部領域に、励振用電極の一方を設けてあり、
この励振用電極から前記凹部を囲う土手部の天面の一部に引出電極を引き出してあり、
前記天面の前記引出電極が引き出してある部分に、導電性接着剤の侵入を促すための凹凸部を設けてあることを特徴とする請求項１に記載の感知センサ。
この励振用電極から前記凹部を囲う土手部の天面の一部に引出電極を引き出してあり、
前記天面の前記引出電極が引き出してある部分に、導電性接着剤の侵入を促すための凹凸部を設けてあることを特徴とする請求項１に記載の感知センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、厚み滑りモードで振動する水晶振動子を用いた感知センサに関する。
【背景技術】
【0002】
水晶振動子を利用した感知センサの一例が、例えばこの出願の出願人に係る特許文献１、特許文献２に開示されている。この感知センサは、配線基板と、この配線基板上に設けた感知素子としての水晶振動子と、この水晶振動子の配線基板とは反対側に設けられ、この水晶振動子に被検査液を接触させる流路形成部材と、を備えている。前記水晶振動子は、平面形状が円形状の平板のＡＴカットの水晶片と、この水晶片の一方の面に互いは並んで設けられた第１電極及び第２電極と、他方の面に設けられ第１電極及び第２電極に対向する共通電極と、を備えた構造になっている。すなわち、１つの水晶片上に２つの水晶振動子を備えた構造になっている。然も、例えば共通電極の、第１電極及び第２電極の一方の電極と対向する領域上に、感知対象物を特異的に吸着する吸着膜を設けてあり、それ以外の領域に感知対象物が付着し難い阻害膜を設けるか（特許文献１の段落１５、図４）、又は電極膜のままとしてある（特許文献２の段落１５、図５）。
【0003】
この感知センサでは、流路形成部材に供給される被検査液中に、感知対象物例えば特定のウィルス等が入っていた場合、感知対象物は吸着膜に特異的に付着するので、吸着膜を設けてある側の水晶振動子の振動周波数は低下する。一方、阻害膜を設けてある側の、又は電極膜のままの水晶振動子の振動周波数は変化しない。従って、被検査液を投入した際の上記２つの水晶振動子の振動周波数を監視することで、感知対象物を感知できる（特許文献１の段落３７、特許文献２の段落２４等）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開２０１８－８７７２０号公報
【特許文献2】特開２０２２－１１３５４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
上記した感知センサでは、流路形成部材を水晶片に押し付けて被検査液の液密性を確保している。従って、流路形成部材を水晶片に押し付けた状態では、水晶片は配線基板に押し付けられた状態になる。しかしながら、上記した従来の感知センサの場合、用いている水晶片は、平板状のものであるため（特許文献１の図４等、特許文献２の図５等）、配線基板と水晶片との熱膨張係数の違い等によって、水晶片に歪みが生じる場合や、反りが生じる場合があるという問題点があった。水晶片に歪みや反りが生じると、感知センサの測定信頼性を低下させる一因になるので、改善が望まれる。特許文献１、特許文献２各々では、配線基板の水晶片と対応する所定箇所に貫通孔を設け水晶片と配線基板との接触を避けること（特許文献１の段落１４、特許文献２の段落１６）、特許文献２では、歪みを抑制するパッドを設けることの対策が記載されている（特許文献２の請求項１等）が、他の改善手段も望まれる。
この出願は上記の点に鑑みなされたものであり、従ってこの発明の目的は、配線基板上にＡＴカットの水晶片を用いた感知素子としての水晶振動子を備える感知センサであって、配線基板と水晶片との熱膨張係数の差の影響等を、従来に比べ軽減できる感知センサを提供することにある。
この出願は上記の点に鑑みなされたものであり、従ってこの発明の目的は、配線基板上にＡＴカットの水晶片を用いた感知素子としての水晶振動子を備える感知センサであって、配線基板と水晶片との熱膨張係数の差の影響等を、従来に比べ軽減できる感知センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0006】
この目的の達成を図るため、この発明によれば、配線基板と、この配線基板上に設けられＡＴカットの水晶片を用いた感知素子としての水晶振動子と、前記水晶片の前記配線基板とは反対面である第１面側に設けられ、前記第１面に被検査液を接触させるための流路形成部材と、を備える感知センサにおいて、
前記水晶片として、前記第１面が平坦で、前記第１面の反対面である第２面に前記第１面側に凹んだ凹部を有し、かつ、前記凹部底面と前記第１面との対向領域の少なくとも一部を振動部としているメサ型水晶片を用いたことを特徴とする。
前記水晶片として、前記第１面が平坦で、前記第１面の反対面である第２面に前記第１面側に凹んだ凹部を有し、かつ、前記凹部底面と前記第１面との対向領域の少なくとも一部を振動部としているメサ型水晶片を用いたことを特徴とする。
【0007】
この発明を実施するに当たり、前記メサ型水晶片は、平面視で長方形状であり、前記凹部も平面視で長方形状であり、かつ、長辺が水晶のＺ軸に対し－５０～５０度の範囲のメサ型の水晶片であることが好ましい。このように所定形状かつ所定角度の水晶片を用いると、そうしない場合に比べ、水晶片に対する外部応力の影響をより軽減できる。
【0008】
この発明を実施するに当たり、前記メサ型水晶片は、平面視で長方形状であり、前記凹部も平面視で長方形状であり、かつ、長辺が水晶のＺ軸に対し－４５～－１５度の範囲、又は、１５～４５度の範囲のメサ型水晶片であることがより好ましい。このように所定形状かつ所定角度の水晶片を用いると、そうしない場合に比べ、水晶片に対する外部応力の影響を、より一層軽減できる。
【0009】
この発明を実施するに当たり、前記凹部の底面の少なくとも一部領域に、励振用電極の一方を設けてあり、この励振用電極から前記凹部を囲う土手部の天面の一部に引出電極を引き出してあり、前記天面の前記引出電極が引き出してある部分に、導電性接着剤の侵入を促すための凹凸部を設けてあることが好ましい。
【発明の効果】
【0010】
この発明の感知センサによれば、水晶片として、第１面が平坦で、第２面側に凹部を持つ所定のメサ型水晶片を用いているため、被検査液は水晶片の平坦面である第１面では水晶片に良好に接するので、被検査液の水晶片への接触を良好に行える。然も、当該水晶片は、凹部を設けてある第２面側、具体的には凹部の土手部の天面で、配線基板に接触する。従って、配線基板と水晶片との熱膨張係数の違いよって、配線基板及び又は水晶片が多少反ったとしても、反りの振動部への影響は、平板状の水晶片を配線基板に直接接触させていた従来構造に比べ、軽減できる。
また、水晶片として所定のメサ型水晶片を用いているので、凹部を囲う土手部が振動部の補強部としての役割をも示すので、平板状の水晶片を用いていた従来構造に比べ、水晶振動子の強度を高めることができる。
また、水晶片として所定のメサ型水晶片を用いているので、凹部を囲う土手部が振動部の補強部としての役割をも示すので、平板状の水晶片を用いていた従来構造に比べ、水晶振動子の強度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】実施形態の感知センサ１０の分解斜視図である。
【図2】実施形態の感知センサ１０の外観図である。
【図3】主に実施形態の感知センサ１０に備わるメサ型水晶片１３ａを用いた水晶振動子１３を説明するための斜視図である。
【図4】試作した２種類の感知センサの温度に対する周波数変化のヒステリシスを説明するための図である。
【図5】試作結果に基づいて水晶片の結晶軸に対する好ましい位置をシミュレージョンした結果を説明するための図である。
【図6】主に、実施形態の感知センサ１０に備わる配線基板１１を説明するための斜視図である。
【図7】他の実施形態の感知センサの、特にメサ型水晶片を説明するための斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、図面を参照してこの発明の感知センサの実施形態について説明する。なお、説明に用いる各図はこの発明を理解できる程度に概略的に示してあるにすぎない。また、説明に用いる各図において、同様な構成成分については同一の番号を付して示し、その説明を省略する場合もある。また、以下の説明中で述べる形状、寸法、材質等はこの発明の範囲内の好適例に過ぎない。従って、本発明は以下の実施形態のみに限定されるものではない。
【0013】
１． 感知センサの全体構造
先ず、図１及び図２を参照して、実施形態の感知センサ１０の全体構造について説明する。図１は、実施形態の感知センサ１０の分解斜視図、図２は外観図である。なお、この実施形態は、本発明の特徴であるメサ型水晶片を特許文献１に開示された感知センサに適用した例である。
実施形態の感知センサ１０は、配線基板１１、感知素子としての水晶振動子１３、流路形成部材１５、被検査液吸収部材１７、上ケース１９及び下ケース２１を備えている。
先ず、図１及び図２を参照して、実施形態の感知センサ１０の全体構造について説明する。図１は、実施形態の感知センサ１０の分解斜視図、図２は外観図である。なお、この実施形態は、本発明の特徴であるメサ型水晶片を特許文献１に開示された感知センサに適用した例である。
実施形態の感知センサ１０は、配線基板１１、感知素子としての水晶振動子１３、流路形成部材１５、被検査液吸収部材１７、上ケース１９及び下ケース２１を備えている。
【0014】
配線基板１１は、この場合、配線１１ａ、外部接続端子１１ｂ、高さ調整部材１１ｃ及び櫛歯状の端子部１１ｄを備えている。
配線基板１１自体は、例えばガラスエポキシ基板等の任意の材料で構成できる。
配線基板１１の配線１１ａは、詳細は後述するが、一端が水晶振動子１３の励振用電極１３ｆ、１３ｇの引出電極１３ｈ，１３ｉに接続され、他端が外部接続端子１１ｂに接続されている。
配線基板１１の外部接続端子１１ｂは、感知センサ１０と、外部の発振回路や任意の測定器等（図示せず）とを接続するものである。なお、発振回路を、配線基板１１上に設ける場合があっても良い。その場合は、外部接続端子１１ｂは任意の測定装置との接続に使用する。
配線基板１１の高さ調整部材１１ｃは、配線１１ａの高さｈ１（図６参照）と同じか、ほぼ同じ高さｈ２（図６参照）を有するものであり、水晶振動子１３で用いているメサ型水晶片１３ａを配線基板から配線の高さｈ１だけ浮かして、メサ型水晶片１３ａの櫛歯状の端子部１１ｄに接する部分と配線基板１１との間に空隙１１ｅ（図６（B）参照）を生じさせるものである。
櫛歯状の端子部１１ｄは、水晶振動子１３の励振用電極１３ｇの引出電極１３ｈ（詳細は後述する）と、配線１１ａとを導電性接着剤２３（図３（C）参照）によって接続する際に、導電性接着剤２３を、メサ型水晶片１３ａの櫛歯状の端子部１１ｄに接する部分の空隙１１ｅ（図６（B）参照）下へ侵入し易くして、配線１１ａと励振用電極１３ｇの引出電極１３ｈとの接続を確保するものである。
配線基板１１自体は、例えばガラスエポキシ基板等の任意の材料で構成できる。
配線基板１１の配線１１ａは、詳細は後述するが、一端が水晶振動子１３の励振用電極１３ｆ、１３ｇの引出電極１３ｈ，１３ｉに接続され、他端が外部接続端子１１ｂに接続されている。
配線基板１１の外部接続端子１１ｂは、感知センサ１０と、外部の発振回路や任意の測定器等（図示せず）とを接続するものである。なお、発振回路を、配線基板１１上に設ける場合があっても良い。その場合は、外部接続端子１１ｂは任意の測定装置との接続に使用する。
配線基板１１の高さ調整部材１１ｃは、配線１１ａの高さｈ１（図６参照）と同じか、ほぼ同じ高さｈ２（図６参照）を有するものであり、水晶振動子１３で用いているメサ型水晶片１３ａを配線基板から配線の高さｈ１だけ浮かして、メサ型水晶片１３ａの櫛歯状の端子部１１ｄに接する部分と配線基板１１との間に空隙１１ｅ（図６（B）参照）を生じさせるものである。
櫛歯状の端子部１１ｄは、水晶振動子１３の励振用電極１３ｇの引出電極１３ｈ（詳細は後述する）と、配線１１ａとを導電性接着剤２３（図３（C）参照）によって接続する際に、導電性接着剤２３を、メサ型水晶片１３ａの櫛歯状の端子部１１ｄに接する部分の空隙１１ｅ（図６（B）参照）下へ侵入し易くして、配線１１ａと励振用電極１３ｇの引出電極１３ｈとの接続を確保するものである。
【0015】
水晶振動子１３は、感知素子としての役割を担うものであり、本発明の特徴であるメサ型水晶片を含むものである。水晶振動子１３については、後述の第２項において詳細に説明する。
【0016】
流路形成部材１５は、水晶片１３ａの第１の面に被検査液を接触させるためのもので、この場合、被検査液を一時的に溜める流路部１５ａ、この流路部１５ａに被検査液を注入する注入口１５ｂ、及び、流路部１５ａの被検査液を回収する回収口１５ｃを備えている。回収口１５ｃに、被検査液吸収部材１７の先端口１７ａを接続する。
流路形成部材１５は、例えばシリコンゴム等の変質し難くかつ液密性に優れる弾性体で構成することが好ましい。また、被検査液吸収部材１７は、例えば、液体吸収性を有した任意好適な材料、例えばスポンジ等で構成することが好ましい。流路形成部材１５及び被検査液吸収部材１７の詳細な構造は、例えば特許文献１に記載の構造を流用できる。
流路形成部材１５は、例えばシリコンゴム等の変質し難くかつ液密性に優れる弾性体で構成することが好ましい。また、被検査液吸収部材１７は、例えば、液体吸収性を有した任意好適な材料、例えばスポンジ等で構成することが好ましい。流路形成部材１５及び被検査液吸収部材１７の詳細な構造は、例えば特許文献１に記載の構造を流用できる。
【0017】
上ケース１９及び下ケース２１は、配線基板１１、水晶振動子１３、流路形成部材１５、及び、被検査液吸収部材１７を収容するもので、例えばプラスチック等の任意好適な材料で構成してある。なお、この場合、上ケース１９は、被検査液を注入するための開口部１９ａを備えている。開口部１９ａは、流路形成部材１５の注入口１５ｂに対応する位置に設けてある。
【0018】
上ケース１９及び下ケース２１間に、配線基板１１、水晶振動子１３、流路形成部材１５、及び、被検査液吸収部材１７を収容し、上ケース１９及び下ケース２１を所定通りに接合することによって、図２に示す感知センサ１０を構成できる。
この感知センサ１０は、図２に示したように、配線基板１１の外部接続端子１１ｂを含む一部分が、上ケース１９及び下ケース２１から出ていて、図示しない発振回路又は任意の測定装置に接続できる。
この感知センサ１０は、図２に示したように、配線基板１１の外部接続端子１１ｂを含む一部分が、上ケース１９及び下ケース２１から出ていて、図示しない発振回路又は任意の測定装置に接続できる。
【0019】
２． 水晶振動子及びメサ型水晶片
次に、本発明の特徴である感知素子としての水晶振動子のメサ型水晶片について説明する。図３（Ａ）～（Ｃ）は、その説明図である。特に図３（Ａ）は、配線基板１１と、水晶振動子１３と、流路形成部材１５とが積層されている様子を示した要部斜視図、図３（Ｂ）は、水晶振動子１３の特にメサ型水晶片１３ａの構造を説明する要部斜視図、図３（Ｃ）は、感知センサ１０の、図３（Ａ）のＰ－Ｐ線に沿う断面図である。
この発明の感知センサ１０は、感知素子としての水晶振動子１３に備わる水晶片１３ａとして、特に図３（Ｂ）に示したように、第１面１３ｂが平坦で、第１面１３ｂの反対面である第２面１３ｃに第１面１３ｂ側に凹んだ凹部１３ｄを有し、かつ、凹部１３ｄ底面と第１面１３ｂとの対向領域の少なくとも一部を振動部１３ｅとしているメサ型水晶片を用いている。
次に、本発明の特徴である感知素子としての水晶振動子のメサ型水晶片について説明する。図３（Ａ）～（Ｃ）は、その説明図である。特に図３（Ａ）は、配線基板１１と、水晶振動子１３と、流路形成部材１５とが積層されている様子を示した要部斜視図、図３（Ｂ）は、水晶振動子１３の特にメサ型水晶片１３ａの構造を説明する要部斜視図、図３（Ｃ）は、感知センサ１０の、図３（Ａ）のＰ－Ｐ線に沿う断面図である。
この発明の感知センサ１０は、感知素子としての水晶振動子１３に備わる水晶片１３ａとして、特に図３（Ｂ）に示したように、第１面１３ｂが平坦で、第１面１３ｂの反対面である第２面１３ｃに第１面１３ｂ側に凹んだ凹部１３ｄを有し、かつ、凹部１３ｄ底面と第１面１３ｂとの対向領域の少なくとも一部を振動部１３ｅとしているメサ型水晶片を用いている。
【0020】
メサ型水晶片の平面形状や凹部の平面形状は、設計に応じて任意に選択できるが、この実施形態では、メサ型水晶片１３ａは、平面視で長方形状であり、凹部１３ｄも平面視で長方形状としてある。このような形状の方が他の形状より、後述するシミュレージョン結果によれば、温度変化に対する周波数変化を小さくできて好ましい。
振動部１３ｅの厚さｔ（図３（Ｃ）参照）は、水晶振動子１３に要求される振動周波数に応じた厚さにする。水晶片１３ａ全体の厚さＴ（図３（Ｃ）参照）は、Ｔ＞ｔであるが、水晶片１３ａの反りを抑制できる厚み等を考慮した適正な厚さにする。これに限られないが、例えば、Ｔ≧２ｔとすることが出来る。水晶片１３ａの全体の大きさ、すなわち、長辺寸法及び短辺寸法、並びに、凹部１３ｄの長辺寸法及び短辺寸法は、感知センサに要求される仕様を考量して決める。
振動部１３ｅの厚さｔ（図３（Ｃ）参照）は、水晶振動子１３に要求される振動周波数に応じた厚さにする。水晶片１３ａ全体の厚さＴ（図３（Ｃ）参照）は、Ｔ＞ｔであるが、水晶片１３ａの反りを抑制できる厚み等を考慮した適正な厚さにする。これに限られないが、例えば、Ｔ≧２ｔとすることが出来る。水晶片１３ａの全体の大きさ、すなわち、長辺寸法及び短辺寸法、並びに、凹部１３ｄの長辺寸法及び短辺寸法は、感知センサに要求される仕様を考量して決める。
【0021】
メサ型水晶片１３ａの凹部１３ｄの底面に、励振用電極の一方の電極である第１電極１３ｆａと第２電極１３ｆｂとを並列配置してある。また、メサ型水晶片１３ａの第１面１３ｂの、上記第１電極１３ｆａと第２電極１３ｆｂと対向する領域に、励振用電極の他方の電極である共通電極１３ｇを配置してある。第１電極１３ｆａと第２電極１３ｆｂ各々から凹部１３ｄを囲う土手部の側壁を経由して土手部の天面の一部分に引出電極１３ｈを設けてある。また、共通電極１３ｇから第１面１３ｂの端に至るように引出電極１３ｉを設けてある。これら引出電極１３ｈ、１３ｉは、配線基板１１の配線１１ａに、この場合、導電性接着剤２３（図３（Ｃ）参照）によって接続してある。
共通電極１３ｇの第１電極１３ｆａ又は第２電極１３ｆｂと対向する領域に、吸着膜１３ｚを設けてある。なお、共通電極、第１電極、第２電極をメサ型水晶片１３ａの対向する主面のどちらに設けるかは任意であり、上記の例の逆でも良い。
この実施形態の場合、第１電極１３ｆａと第２電極１３ｆｂ各々は、平面視で、両端の輪郭が半円となっている長方形状のものとしてあり、共通電極１３ｇも平面視で一端の輪郭が第１電極及び第２電極と同様に半円となっている音叉状のものとしている。ただし、これら電極の形状は他の好適な形状でも良い。
共通電極１３ｇの第１電極１３ｆａ又は第２電極１３ｆｂと対向する領域に、吸着膜１３ｚを設けてある。なお、共通電極、第１電極、第２電極をメサ型水晶片１３ａの対向する主面のどちらに設けるかは任意であり、上記の例の逆でも良い。
この実施形態の場合、第１電極１３ｆａと第２電極１３ｆｂ各々は、平面視で、両端の輪郭が半円となっている長方形状のものとしてあり、共通電極１３ｇも平面視で一端の輪郭が第１電極及び第２電極と同様に半円となっている音叉状のものとしている。ただし、これら電極の形状は他の好適な形状でも良い。
【0022】
３．メサ型水晶片の水晶結晶軸に対する位置の検討
次に、メサ型水晶片の水晶の結晶軸に対する位置の好適な範囲を検討した結果について説明する。
３－１．試作
メサ型水晶片の水晶の結晶軸に対する位置の好適な範囲を検討するための第１試作として、外形形状が平面視で長方形状であり、凹部も平面視で長方形状であるメサ型水晶片であって、かつ、長辺が水晶のＺ軸に対し平行であるメサ型水晶片、すなわちＺ寸法がＸ寸法よりも長いメサ型水晶片を形成し、このメサ型水晶片を用いて第１試作の感知センサ１を作成した。
また、メサ型水晶片の水晶の結晶軸に対する位置の好適な範囲を検討するための第２試作として、外形形状が平面視で長方形状であり、凹部も平面視で長方形状であるメサ型水晶片であって、かつ、長辺が水晶のＸ軸に対し平行であるメサ型水晶片、すなわちＸ寸法がＺ寸法よりも長いメサ型水晶片を形成し、このメサ型水晶片を用いて第２試作の感知センサ１を作成した。
なお、第１試作及び第２試作いずれも、水晶の結晶軸に対する方向が異なる以外は、メサ型水晶片の長辺寸法、短辺寸法は同じとしている。
次に、メサ型水晶片の水晶の結晶軸に対する位置の好適な範囲を検討した結果について説明する。
３－１．試作
メサ型水晶片の水晶の結晶軸に対する位置の好適な範囲を検討するための第１試作として、外形形状が平面視で長方形状であり、凹部も平面視で長方形状であるメサ型水晶片であって、かつ、長辺が水晶のＺ軸に対し平行であるメサ型水晶片、すなわちＺ寸法がＸ寸法よりも長いメサ型水晶片を形成し、このメサ型水晶片を用いて第１試作の感知センサ１を作成した。
また、メサ型水晶片の水晶の結晶軸に対する位置の好適な範囲を検討するための第２試作として、外形形状が平面視で長方形状であり、凹部も平面視で長方形状であるメサ型水晶片であって、かつ、長辺が水晶のＸ軸に対し平行であるメサ型水晶片、すなわちＸ寸法がＺ寸法よりも長いメサ型水晶片を形成し、このメサ型水晶片を用いて第２試作の感知センサ１を作成した。
なお、第１試作及び第２試作いずれも、水晶の結晶軸に対する方向が異なる以外は、メサ型水晶片の長辺寸法、短辺寸法は同じとしている。
【0023】
これら第１試作の感知センサ及び第２試作の感知センサ各々を温度槽に入れて槽内温度を変化させて水晶振動子の周波数温度特性であって、温度を上昇させその逆に温度を戻したときの温度特性の差すなわちヒステリシス特性を調べた。
図４はその結果を示す図であり、図４（Ａ）は第１試作のヒステリシス特性、図４（Ｂ）は第２試作のヒステリシス特性である。いずれの図も、横軸に温度をとり、縦軸にある周波数で正規化した周波数変化率（ｐｐｍ）をとって示してある。
図４（Ａ）及び（Ｂ）を比較することで明らかなように、第１試作の方が第２試作に比べて、ヒステリシス特性が平坦に近く良好であることが分かる。すなわち、長辺が水晶のＺ軸に対し平行であるメサ型水晶片の方が、長辺が水晶のＺ軸に対し平行であるメサ型水晶片より、ヒステリシス特性が良好になる、すなわち周波数温度特性が温度の上昇及び下降に対しい変わり難いことが分かる。
図４はその結果を示す図であり、図４（Ａ）は第１試作のヒステリシス特性、図４（Ｂ）は第２試作のヒステリシス特性である。いずれの図も、横軸に温度をとり、縦軸にある周波数で正規化した周波数変化率（ｐｐｍ）をとって示してある。
図４（Ａ）及び（Ｂ）を比較することで明らかなように、第１試作の方が第２試作に比べて、ヒステリシス特性が平坦に近く良好であることが分かる。すなわち、長辺が水晶のＺ軸に対し平行であるメサ型水晶片の方が、長辺が水晶のＺ軸に対し平行であるメサ型水晶片より、ヒステリシス特性が良好になる、すなわち周波数温度特性が温度の上昇及び下降に対しい変わり難いことが分かる。
【0024】
３－２．シミュレーション
上記の第１試作及び第２試作の結果から、メサ型水晶片の水晶の結晶軸に対するさらに好ましい位置を有限要素法によるシミュレーションによって検討した。シミュレーションに用いたモデルは、第１試作及び第２試作で用いたメサ型水晶片の形状を基に作成した。
このシミュレーション結果を図５に示した。なお、図５（Ａ）は、面内回転角θを説明する図、図５（Ｂ）は、横軸にモデルの長辺が水晶のＺ軸と成す角度θ、すなわち水晶片を水晶のＹ軸を回転中心として面内回転させた角度θ、をとり、縦軸にある周波数で正規
化した周波数変化率（ｐｐｍ）をとって示してある。
この図５（Ｂ）から明らかなように、平面視で長方形状であり、凹部も平面視で長方形状であるメサ型水晶片の場合、長辺が水晶のＺ軸に対し－５０～５０度の範囲のものであると、そうで無いものに比べ、周波数変化率が小さくなることが分かる。
さらに、平面視で長方形状であり、凹部も平面視で長方形状であるメサ型水晶片の場合、長辺が水晶のＺ軸に対し－４５～－１５度の範囲、又は、１５～４５度の範囲のものであると、周波数変化率は一層小さくなることが分かる。
上記の第１試作及び第２試作の結果から、メサ型水晶片の水晶の結晶軸に対するさらに好ましい位置を有限要素法によるシミュレーションによって検討した。シミュレーションに用いたモデルは、第１試作及び第２試作で用いたメサ型水晶片の形状を基に作成した。
このシミュレーション結果を図５に示した。なお、図５（Ａ）は、面内回転角θを説明する図、図５（Ｂ）は、横軸にモデルの長辺が水晶のＺ軸と成す角度θ、すなわち水晶片を水晶のＹ軸を回転中心として面内回転させた角度θ、をとり、縦軸にある周波数で正規
化した周波数変化率（ｐｐｍ）をとって示してある。
この図５（Ｂ）から明らかなように、平面視で長方形状であり、凹部も平面視で長方形状であるメサ型水晶片の場合、長辺が水晶のＺ軸に対し－５０～５０度の範囲のものであると、そうで無いものに比べ、周波数変化率が小さくなることが分かる。
さらに、平面視で長方形状であり、凹部も平面視で長方形状であるメサ型水晶片の場合、長辺が水晶のＺ軸に対し－４５～－１５度の範囲、又は、１５～４５度の範囲のものであると、周波数変化率は一層小さくなることが分かる。
【0025】
４． 引出電極と配線との接続
次に、メサ型水晶片の引出電極と配線基板の配線との接続に関する好ましい構造例について説明する。
配線基板上に水晶片を接続する構造の場合、メサ型水晶片は配線基板になるべく平坦に接続した方が、配線基板と水晶との接触面積を広くできるため、メサ型水晶片に対する歪みや反りの影響が小さいと考えられる。それを可能とする構造として、例えば、以下の２つの構造がある。
４－１．第１の構造例
図６は、その第１の例を説明する図である。特に、図６（Ａ）は、配線基板１１のメサ型水晶片との接続領域を拡大して示した斜視図、図６（Ｂ）は、配線基板１１を、図６（Ａ）のＱ－Ｑ線に沿って切った断面図、図６（Ｃ）は、配線基板１１とメサ型水晶片１３ａとを、導電性接着剤２３で接続した部分の斜視図である。
図６に示した第１の構造例では、配線基板１１のメサ型水晶片１３ａの第２面に接する領域であって、メサ型水晶片１３ａの引出電極１３ｈを設けた以外の領域に、配線１１ａの高さｈ１と同じか又はほぼ同じ高さｈ２を持った高さ調整部材１１ｃを備えている。然も、配線１１ａのメサ型水晶片１３ａと接続される側の端部は櫛歯状の端子部１１ｄとしてある。そのため、第１の構造例では、図６（Ｂ）に示したように、櫛歯状の端子部１１ｄの櫛歯の間に空隙１１ｅが生じている。
次に、メサ型水晶片の引出電極と配線基板の配線との接続に関する好ましい構造例について説明する。
配線基板上に水晶片を接続する構造の場合、メサ型水晶片は配線基板になるべく平坦に接続した方が、配線基板と水晶との接触面積を広くできるため、メサ型水晶片に対する歪みや反りの影響が小さいと考えられる。それを可能とする構造として、例えば、以下の２つの構造がある。
４－１．第１の構造例
図６は、その第１の例を説明する図である。特に、図６（Ａ）は、配線基板１１のメサ型水晶片との接続領域を拡大して示した斜視図、図６（Ｂ）は、配線基板１１を、図６（Ａ）のＱ－Ｑ線に沿って切った断面図、図６（Ｃ）は、配線基板１１とメサ型水晶片１３ａとを、導電性接着剤２３で接続した部分の斜視図である。
図６に示した第１の構造例では、配線基板１１のメサ型水晶片１３ａの第２面に接する領域であって、メサ型水晶片１３ａの引出電極１３ｈを設けた以外の領域に、配線１１ａの高さｈ１と同じか又はほぼ同じ高さｈ２を持った高さ調整部材１１ｃを備えている。然も、配線１１ａのメサ型水晶片１３ａと接続される側の端部は櫛歯状の端子部１１ｄとしてある。そのため、第１の構造例では、図６（Ｂ）に示したように、櫛歯状の端子部１１ｄの櫛歯の間に空隙１１ｅが生じている。
【0026】
この第１の構造例の場合、メサ型水晶片１３ａの第２面は高さ調整部材１１ｃと接触するので、メサ型水晶片１３ａと配線基板とは、高さ調整部材１１ｃが無い場合に比べて、平坦な状態で接触できる。然も、メサ型水晶片１３ａを配線基板１１に接続する際に、導電性接着剤２３をメサ型水晶片１３ａの側面から塗ると、導電性接着剤２３は、櫛歯状の端子部１１ｄの空隙１１ｅに侵入し、メサ型水晶片１３ａの引出電極１３ｈに接続する。よって、メサ型水晶片１３ａと配線基板とを、平坦な関係で接続できると共に、導電性接着剤２３の引出電極１３ｈとの接続も良好に行える。
この第１の構造例は、特許文献２においても例示されている構造であるが、メサ型水晶片１３ａを用いる本発明の場合は、メサ型水晶片１３ａの凹部１３ｄを囲う土手部の天面を、高さ調整部材１１ｃに接触させるため、特許文献２の場合に比べ、より有効な構造と言える。
この第１の構造例は、特許文献２においても例示されている構造であるが、メサ型水晶片１３ａを用いる本発明の場合は、メサ型水晶片１３ａの凹部１３ｄを囲う土手部の天面を、高さ調整部材１１ｃに接触させるため、特許文献２の場合に比べ、より有効な構造と言える。
【0027】
４－２．第２の構造例
図７は、メサ型水晶片の引出電極と配線基板の配線との第２の接続構造例を説明する図である。特に、図７（Ａ）は、メサ型水晶片１３ａの第２の例の特徴部分を示した斜視図、図７（Ｂ）は、図７（Ａ）に示した部分での導電性接着剤の接続の様子を示した斜視図である。
この第２の構造例の場合、凹部１３ｄを囲う土手部の、メサ型水晶片１３ａの引出電極１３ｈを設けた部分と対向する領域に、導電性接着剤の侵入を促すための凹凸部１３ｘを設けてある。すなわち、当該土手部分に第１面１３ｂに向かう方向に凹凸部１３ｘを設けてある。そして、引出電極１３ｈを、凹凸部１３ｘ上に凹凸に倣って設けてある。
この第２の構造例の場合、メサ型水晶片１３ａの第２面は配線基板１１の面に接触する。よって、第１の構造例と同様に、メサ型水晶片１３ａと配線基板１１とは、平坦な状態で接触できる。然も、メサ型水晶片１３ａを配線基板１１に接続する際に、導電性接着剤２３をメサ型水晶片１３ａの側面から塗ると、導電性接着剤２３は、凹凸部１３ｘの凹部に沿って土手部側に侵入し、メサ型水晶片１３ａの引出電極１３ｈに接続する。よって、メサ型水晶片１３ａと配線基板とを、平坦な関係で接続できると共に、導電性接着剤２３の引出電極１３ｈとの接続も良好に行える。この第２の構造例の場合、第１の構造例で必要であった高さ調整部材や櫛歯状の端子を不要にすることができる。
また、上記の第１の構造例、第２の構造例いずれの場合も、特許文献１や特許文献２で配線基板に設けていた貫通孔を不要にすることができる。
図７は、メサ型水晶片の引出電極と配線基板の配線との第２の接続構造例を説明する図である。特に、図７（Ａ）は、メサ型水晶片１３ａの第２の例の特徴部分を示した斜視図、図７（Ｂ）は、図７（Ａ）に示した部分での導電性接着剤の接続の様子を示した斜視図である。
この第２の構造例の場合、凹部１３ｄを囲う土手部の、メサ型水晶片１３ａの引出電極１３ｈを設けた部分と対向する領域に、導電性接着剤の侵入を促すための凹凸部１３ｘを設けてある。すなわち、当該土手部分に第１面１３ｂに向かう方向に凹凸部１３ｘを設けてある。そして、引出電極１３ｈを、凹凸部１３ｘ上に凹凸に倣って設けてある。
この第２の構造例の場合、メサ型水晶片１３ａの第２面は配線基板１１の面に接触する。よって、第１の構造例と同様に、メサ型水晶片１３ａと配線基板１１とは、平坦な状態で接触できる。然も、メサ型水晶片１３ａを配線基板１１に接続する際に、導電性接着剤２３をメサ型水晶片１３ａの側面から塗ると、導電性接着剤２３は、凹凸部１３ｘの凹部に沿って土手部側に侵入し、メサ型水晶片１３ａの引出電極１３ｈに接続する。よって、メサ型水晶片１３ａと配線基板とを、平坦な関係で接続できると共に、導電性接着剤２３の引出電極１３ｈとの接続も良好に行える。この第２の構造例の場合、第１の構造例で必要であった高さ調整部材や櫛歯状の端子を不要にすることができる。
また、上記の第１の構造例、第２の構造例いずれの場合も、特許文献１や特許文献２で配線基板に設けていた貫通孔を不要にすることができる。
【0028】
上述した実施形態では、本発明の特徴であるメサ型水晶片を特許文献１に開示された感知センサに適用した例を説明したが、本発明の特徴であるメサ型水晶片を適用できる感知センサは特許文献１のものに限られず、感知素子として水晶振動子を用いている種々の感知センサに適用できる。
【符号の説明】
【0029】
１０:実施形態の感知センサ １１：配線基板
１１ａ：配線 １１ｂ：外部接続端子
１１ｃ：高さ調整部 １１ｄ：櫛歯状の端子部
１１ｘ：凹凸部
１３：水晶振動子 １３ａ：メサ型水晶片
１３ｂ：第１面 １３ｃ：第２面
１３ｄ：凹部 １３ｅ：振動部
１３ｆａ：第１電極 １３ｆｂ：第２電極
１３ｇ：共通電極 １３ｈ：引出電極
１５：流路形成部材
１７：被検査液吸収部材 １９：上ケース
２１：下ケース ２３：導電性接着剤
１１ａ：配線 １１ｂ：外部接続端子
１１ｃ：高さ調整部 １１ｄ：櫛歯状の端子部
１１ｘ：凹凸部
１３：水晶振動子 １３ａ：メサ型水晶片
１３ｂ：第１面 １３ｃ：第２面
１３ｄ：凹部 １３ｅ：振動部
１３ｆａ：第１電極 １３ｆｂ：第２電極
１３ｇ：共通電極 １３ｈ：引出電極
１５：流路形成部材
１７：被検査液吸収部材 １９：上ケース
２１：下ケース ２３：導電性接着剤
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【手続補正書】
【提出日】2023-11-09
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
配線基板と、この配線基板上に設けられＡＴカットの水晶片を用いた感知素子としての水晶振動子と、前記水晶片の前記配線基板とは反対面である第１面側に設けられ、前記第１面に被検査液を接触させるための流路形成部材と、を備える感知センサにおいて、
前記水晶片として、前記第１面が平坦で、前記第１面の反対面である第２面に前記第１面側に凹んだ凹部を有し、かつ、前記凹部底面と前記第１面との対向領域の少なくとも一部を振動部としているメサ型水晶片を用いたことを特徴とする感知センサ。
前記水晶片として、前記第１面が平坦で、前記第１面の反対面である第２面に前記第１面側に凹んだ凹部を有し、かつ、前記凹部底面と前記第１面との対向領域の少なくとも一部を振動部としているメサ型水晶片を用いたことを特徴とする感知センサ。
【請求項2】
前記メサ型水晶片は、平面視で長方形状であり、前記凹部も平面視で長方形状であり、かつ、長辺が水晶のＺ軸に対し－５０～５０度の範囲のメサ型の水晶片であることを特徴とする請求項１に記載の感知センサ。
【請求項3】
前記メサ型水晶片は、平面視で長方形状であり、前記凹部も平面視で長方形状であり、かつ、長辺が水晶のＺ軸に対し－４５～－１５度の範囲、又は、１５～４５度の範囲のメサ型水晶片であることを特徴とする請求項１に記載の感知センサ。
【請求項4】
前記凹部の底面の少なくとも一部領域に、励振用電極の一方を設けてあり、
この励振用電極から前記凹部を囲う土手部の天面の一部に引出電極を引き出してあり、
前記天面の前記引出電極が引き出してある部分に、導電性接着剤の侵入を促すための凹凸部を設けてあることを特徴とする請求項１に記載の感知センサ。
この励振用電極から前記凹部を囲う土手部の天面の一部に引出電極を引き出してあり、
前記天面の前記引出電極が引き出してある部分に、導電性接着剤の侵入を促すための凹凸部を設けてあることを特徴とする請求項１に記載の感知センサ。
【請求項5】
前記メサ型水晶片は、前記凹部を囲う土手部の天面の一部分に至る引出電極を備え、
前記配線基板の前記メサ型水晶片の前記第２面に接する領域に、前記メサ型水晶片に至る配線であって、前記メサ型水晶片と接続される側の端部が櫛歯状の端子部となっている配線を備え、
前記配線基板の前記メサ型水晶片の第２面に接する領域であって、前記引出電極と対向する以外の領域に、前記配線の高さｈ１と同じか又はほぼ同じ高さｈ２を持った高さ調整部材を備え、
前記櫛歯状の端子部は、前記引出電極と対向する位置に及んでいること
を特徴とする請求項１に記載の感知センサ。
前記配線基板の前記メサ型水晶片の前記第２面に接する領域に、前記メサ型水晶片に至る配線であって、前記メサ型水晶片と接続される側の端部が櫛歯状の端子部となっている配線を備え、
前記配線基板の前記メサ型水晶片の第２面に接する領域であって、前記引出電極と対向する以外の領域に、前記配線の高さｈ１と同じか又はほぼ同じ高さｈ２を持った高さ調整部材を備え、
前記櫛歯状の端子部は、前記引出電極と対向する位置に及んでいること
を特徴とする請求項１に記載の感知センサ。