特開 2025-152098 感知装置

(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】P2025152098

(43)【公開日】2025-10-09

(54)【発明の名称】感知装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 5/02 20060101AFI20251002BHJP

【ＦＩ】

G01N5/02 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2024053835

(22)【出願日】2024-03-28

(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

(74)【代理人】

【識別番号】110002756

【氏名又は名称】弁理士法人弥生特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】茎田 啓行

(57)【要約】

【課題】圧電振動子に付着するガスに含まれる被感知物質を感知するための感知装置において、圧電振動子を安定して発振させて周波数を測定する。
【解決手段】 感知装置は、圧電振動子の発振周波数の変化に基づいて、前記圧電振動子の周囲のガスに含まれると共に当該圧電振動子に付着する被感知物質を感知するための感知装置において、冷却されることで前記被感知物質が付着する圧電振動子と、前記圧電振動子の温度を変更するための温度変更部と、前記圧電振動子を発振させる発振回路を含む集積回路チップが設けられる基板と、前記発振回路から出力される周波数信号を受信して前記圧電振動子の発振周波数を測定する周波数測定部と、前記集積回路チップを加熱するために前記温度変更部とは別個に設けられるヒータと、前記ヒータに供給する電力を変更可能な電力供給部と、を備える。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

圧電振動子の発振周波数の変化に基づいて、前記圧電振動子の周囲のガスに含まれると共に当該圧電振動子に付着する被感知物質を感知するための感知装置において、
冷却されることで前記被感知物質が付着する圧電振動子と、
前記圧電振動子の温度を変更するための温度変更部と、
前記圧電振動子を発振させる発振回路を含む集積回路チップが設けられる基板と、
前記発振回路から出力される周波数信号を受信して前記圧電振動子の発振周波数を測定する周波数測定部と、
前記集積回路チップを加熱するために前記温度変更部とは別個に設けられるヒータと、
前記ヒータに供給する電力を変更可能な電力供給部と、
を備える感知装置。

【請求項2】

前記電力供給部は、前記ヒータに供給する電圧を変更することで前記電力を変更する電圧変更部である請求項１記載の感知装置。

【請求項3】

前記電圧変更部は、前記基板に設けられるレギュレータを介して前記発振回路に電圧を供給し、
前記レギュレータ及び前記ヒータに供給される電圧が共に変更される請求項２記載の感知装置。

【請求項4】

前記ヒータは、前記基板に設けられる請求項３記載の感知装置。

【請求項5】

前記周波数測定部への前記周波数信号の出力状態に応じて前記ヒータに供給する電圧を変更するための制御部が設けられる請求項２ないし４のいずれか一つに記載の感知装置。

【請求項6】

前記周波数信号の出力状態は、当該周波数信号の前記周波数測定部への出力の有無であり、
前記ヒータに印加する電圧を予め設定された初期値から上昇させたときの前記周波数信号の有無に基づいて、前記制御部が前記ヒータに供給する電圧を決定する請求項５記載の感知装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、圧電振動子の周波数変化により被感知物質を感知する感知装置に関する。

【背景技術】

【0002】

例えばガス中に含まれる物質を感知する感知装置として、水晶振動子を用いたＱＣＭ（Quartz crystal microbalance）を利用する装置が知られている。この感知装置では水晶振動子を例えば－１９０℃程度の極低温に冷却することにより水晶振動子にガスを付着させ、続いて水晶振動子の温度を徐々に上げて、水晶振動子に付着したガスを脱離させる。その脱離による発振周波数の変化と、発振周波数の変化が起きた温度とから、ガスの成分の同定や付着量の検出などの分析を行うことができる。

【0003】

特許文献１には、水晶振動子を冷却して感知センサを高感度化する技術が記載されている。また特許文献２には、ＩＣチップが設置される基板を冷却する技術が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１１―２０３００７号公報

【特許文献2】特開２０１２－２２０４５４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上記した感知装置は、測定を行う環境に配置される感知センサを備える。例えばこの感知センサには、上記の水晶振動子の他に集積回路チップが設けられる。水晶振動子との距離が比較的大きくなって発振が不安定になることを防ぐため、水晶振動子を発振させる発振回路は、この集積回路チップに組み込まれることで感知センサ内に設けられる。

【0006】

集積回路チップを構成するシリコン等の半導体は、過度に冷却されるとキャリアの密度が少なくなることで、絶縁性が高まる。従って、被感知物質を付着させるために水晶振動子を冷却するにあたっては、この集積回路チップが過度に冷却されて各回路素子の機能が停止することにより、当該水晶振動子の発振が不可になってしまうことを防止する必要が有る。その一方で、比較的高い温度環境下においては、発振回路の負性抵抗が小さくなることで発振余裕度が低下する。それにより、当該発振回路の動作が不安定または動作不可となってしまうおそれがある。

【0007】

ところで水晶振動子の温度を様々な範囲内で変化させることによってガスの付着、脱離を行い、発振周波数を測定することが検討されている。具体的には上記した－１９０℃程度の温度よりも低い温度を下限とする範囲内で水晶振動子の温度を変更して発振周波数の取得を行うこと、及び－１９０℃よりも高い温度を下限とする範囲内で水晶振動子の温度を変更して発振周波数の取得を行うことが検討されている。従って、感知センサに水晶振動子と共に設けられる発振回路の周囲の温度は、感知センサの使用の度に変化し得ることになる。

【0008】

以上に述べたことから、発振回路の周囲の温度が異なっても水晶振動子を安定して発振させて周波数を測定することができる感知装置が求められている。上記の特許文献１、２には、このような問題を解決できる手法は示されていない。

【0009】

本発明はこのような事情の下になされたものであり、その目的は、圧電振動子に付着するガスに含まれる被感知物質を感知するための感知装置において、圧電振動子を安定して発振させて周波数を測定することができる技術を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明に係る感知装置は、圧電振動子の発振周波数の変化に基づいて、前記圧電振動子の周囲のガスに含まれると共に当該圧電振動子に付着する被感知物質を感知するための感知装置において、
冷却されることで前記被感知物質が付着する圧電振動子と、
前記圧電振動子の温度を変更するための温度変更部と、
前記圧電振動子を発振させる発振回路を含む集積回路チップが設けられる基板と、
前記発振回路から出力される周波数信号を受信して前記圧電振動子の発振周波数を測定する周波数測定部と、
前記集積回路チップを加熱するために前記温度変更部とは別個に設けられるヒータと、
前記ヒータに供給する電力を変更可能な電力供給部と、
を備える。

【発明の効果】

【0011】

本発明の感知装置によれば、圧電振動子に付着するガスに含まれる被感知物質を感知するための感知装置において、圧電振動子を安定して発振させて周波数を測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】実施の形態に係る感知装置を用いた実験装置の縦断側面図である。

【図2】前記感知装置を示すブロック図である。

【図3】前記感知装置の温度調節動作を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0013】

本発明に係る感知装置１の全体構成について図１、図２に基づいて説明する。図１は、ガスに含まれる被感知物質を検知するための一例の実験装置と、当該実験装置に用いられる感知装置１とを示す縦断側面図である。図２は、感知装置１を示すブロック図である。感知装置１は、本体部２と、本体部２に接続できるように構成された感知センサ３と、を備えている。本体部２は、感知センサ３への給電、及び感知センサ３に設けられる水晶振動子４の発振周波数の測定を行う。

【0014】

感知センサ３は、実験装置を構成する真空容器７０内に設けられる。真空容器７０は感知センサ３を冷却可能であり、水晶振動子４に対して、当該真空容器７０内の試料７７から生じるガスを被感知物質として付着及び脱離させることによる実験を行うことができるように構成されている。実験においては感知装置１の測定動作として、この付着及び脱離をなすための水晶振動子４の温度制御に並行した発振周波数の測定が行われる。

【0015】

以後の説明においてはＸＹＺ直交座標系を用い、実験装置に設置される感知センサ３において後述のベース体３２側を下方として、Ｚ軸の方向を上下方向として説明する。ただし、感知センサ３については任意の向きで使用することができ、以下の説明で述べる向きで使用されることに限られない。

【0016】

感知センサ３の全体構成について説明する。図１に示すように感知センサ３は、下方側が開放された円筒状の蓋部３１と、蓋部３１の下方を塞ぐベース体３２と、ベース体３２に取り付けられた基板４０及びセンサ基板５０と、を備えている。

【0017】

ベース体３２は、例えばニッケル鍍金がされた銅により円板状に構成され、実験装置によって極低温まで冷却可能に取り付けられる取付部３３と、取付部３３の上面の中心部に平面形状円形の突出部３４と、を有する。突出部３４には、平面視矩形の凹部３５が形成され、凹部３５の中央部はさらに凹むことで凹部３６を形成している。凹部３６の周縁部上に、断熱部材である板状のスペーサ３７を介して基板４０の周縁部が支持されている。基板４０には、集積回路チップ（ＩＣチップ）４１～４３と、ヒータ４７とが搭載されている。

【0018】

また凹部３６の底部には孔部３６ａが形成され、複数のケーブル６２が孔部３６ａに挿通されている。当該ケーブル６２は基板４０に設けられる配線パターンと、ベース体３２の下部側に設けられるコネクタ６１に設けられる接続端子と、を電気的に接続する導電路をなす。コネクタ６１は図示しない接続部材に差し込まれる。この接続部材に設けられる導電路を介して、コネクタ６１の接続端子は、真空容器７０の外部に設けられる本体部２の接続端子に電気的に接続される。このようにコネクタ６１が差し込まれて、本体部２との電気的接続がなされるので、感知センサ３は本体部２に対して着脱自在である。

【0019】

基板４０の上面の左右の端縁部にはソケット６４が設けられている。そして、ソケット６４上には板状のカバー６５が設けられ、ＩＣチップ４１～４３及びヒータ４７を覆う。ソケット６４に挿通されると共にＺ方向に伸びる複数のピン６６が設けられ、当該ピン６６によってセンサ基板５０がカバー６５の上方に水平な姿勢で支持されている。ピン６６の下端部は基板４０及びスペーサ３７を貫通して、ベース体３２に接続されている。このピン６６は、センサ基板５０を支持する支持部材であると共に導電部材である。

【0020】

センサ基板５０の上面には、凹部５２が形成されている。またセンサ基板５０には、水晶振動子４を加熱するための発熱抵抗で構成されたヒータ５４が埋設されている。圧電振動子である水晶振動子４は、凹部５２の開口を覆う様にセンサ基板５０上に設けられ、例えばＡＴカットの圧電片である円板状の水晶片４ａを備えている。図２に示すように、水晶片４ａの上面側及び下面側には夫々、一対の第１の励振電極（反応電極）４ｂ、４ｃと、一対の第２の励振電極（リファレンス電極）４ｄ、４ｅと、これらに夫々接続された不図示の配線パターンと、が例えば金（Ａｕ）などによって形成されている。

【0021】

水晶片４ａにおいて、第１の励振電極４ｂ、４ｃに挟まれる領域を第１振動領域４０Ａとし、第２の励振電極４ｄ、４ｅに挟まれる領域を第２振動領域４０Ｂとする。この水晶振動子４は、ベース体３２が冷却される際にピン６６及びセンサ基板５０を介した伝熱によって冷却される。その一方で、当該水晶振動子４は、温度変更部であるヒータ５４が昇温することによるセンサ基板５０からの伝熱によって、加熱される。さらに水晶片４ａの上面には、水晶振動子４の温度を検出するための温度センサ５５が設けられており、この温度センサ５５から出力される検出信号に基づいて、本体部２は温度検出を行う。

【0022】

上記した蓋部３１は水晶振動子４及びセンサ基板５０の上方を覆い、且つベース体３２の突出部３４の周囲を囲むように配置されて、蓋部３１とベース体３２とが係合される。蓋部３１の上面部には、すり鉢状の開口部３１ａが形成されている。開口部３１ａに水晶振動子４の上面側の第１の励振電極４ｂが臨み、第２の励振電極４ｄは感知センサ３の外部空間と遮断される。開口部３１ａの下端は、水晶振動子４の表面から０．５ｍｍ離間している。

【0023】

センサ基板５０に形成される配線パターン、ピン６６及びソケット６４からなる導電路を介して、励振電極４ｂ～４ｅ、ヒータ５４、温度センサ５５の各々は、基板４０の配線パターンに電気的に接続されている。そのように導電路が形成されること、及び上記したようにケーブル６２を介して基板４０の配線パターンと本体部２の接続端子とが電気的に接続されることで、ＩＣチップ４１～４３に含まれる各回路素子、ヒータ４７及び温度センサ５５に対して本体部２から給電を行うこと、励振電極４ｂ～４ｅが後述の発振回路４４に電気的に接続されて水晶振動子４が発振すること、発振回路４４からの周波数信号及び温度センサ５５からの検出信号の本体部２への取り出しが可能である。

【0024】

ＩＣチップ４１～４３について詳しく述べる。当該ＩＣチップ４１は半導体、例えばシリコンにより構成されている。例えばＩＣチップ４１には発振回路４４が、ＩＣチップ４２にはレギュレータ４５が、ＩＣチップ４３には２つのスイッチ４８、４９が、夫々形成されている。レギュレータ４５は、本体部２から発振回路４４へ供給される電圧を調整する。

【0025】

上記の基板４０上のヒータ４７は、常温で例えば３００Ω程度の発熱抵抗であり、ＩＣチップ４１～４３に設けられる各回路素子を加熱して、比較的低い温度環境での動作を担保する。ヒータ４７の一端は本体部２とレギュレータ４５とを接続する導電路に接続され、ヒータ４７の他端は接地されている。従って、レギュレータ４５とヒータ４７とは、それぞれ本体部２に対して並列に接続され、同一の電圧が印加される。また、発振回路４４にはレギュレータ４５から、例えば３Ｖの電圧が印加される。

【0026】

スイッチ４８は励振電極４ｂ、４ｄのうちのいずれか一方を発振回路４４に接続し、スイッチ４９は励振電極４ｃ、４ｅのうちのいずれか一方を発振回路４４に接続する。スイッチ４８、４９の動作は互いに同期し、励振電極４ｂ、４ｃが発振回路４４に接続される状態と、励振電極４ｄ、４ｅが発振回路４４に接続される状態と、が時分割で切り替わり、第１振動領域４０Ａ及び第２振動領域４０Ｂが各々振動する。

【0027】

続いて、電力供給部をなす本体部２について説明する。本体部２は、制御部２０と、電源部２１と、周波数測定部２２と、温度検出部２３と、操作部と、表示部と、を備える。電源部２１は、例えば電圧可変レギュレータを備えた電圧変更部として構成され、ヒータ４７及びレギュレータ４５へ電圧を出力し、この出力電圧については変更可能である。従って、ヒータ４７への供給電力及び当該ヒータ４７の発熱量が変化する。

【0028】

また、レギュレータ４５についても、発振回路４４への出力電圧（３Ｖ）と、当該レギュレータ４５へ出力電圧との差分に応じて発熱する。このレギュレータ４５が形成されるＩＣチップ４２は、ヒータ４７と共に、ＩＣチップ４１、４３を加熱し、低温環境下で発振回路４４及びスイッチ４８、４９の動作を担保する役割を果たす。以降の説明では、電源部２１からヒータ４７及びレギュレータ４５への出力電圧をＶ１とする。

【0029】

周波数測定部２２は、発振回路４４からの周波数信号の出力の有無を検出し、周波数信号が出力される場合には、その周波数を測定する。即ち、反応電極側の第１振動領域４０Ａにおける第１の発振周波数Ｆ１と、リファレンス電極側の第２振動領域４０Ｂにおける第２の発振周波数Ｆ２とが、周波数測定部２２によって夫々測定される。温度検出部２３は、温度センサ５５から出力される検出信号から、水晶振動子４の温度を検出する。

【0030】

ところで発明が解決する手段の項目で述べたように、発振回路４４については動作可能な温度範囲内で、より低い温度とすることが水晶振動子４を安定して発振させるために好ましい。制御部２０は、感知装置１の測定動作を行う際に発振回路４４がそのような温度となるように出力電圧Ｖ１を自動設定するためのプログラムを含む。後に詳しく述べるように、制御部２０は出力電圧Ｖ１について、初期電圧Ｖ０から所定の刻み量で段階的に上昇させ、その上昇中の周波数信号の検出の有無に基づいて測定動作時の値を決定する。

【0031】

初期電圧Ｖ０及び刻み量である増加電圧αのデータについて、図示しない本体部２の記憶部に格納される。なお初期電圧Ｖ０は、例えば感知センサ３の構成上、発振回路４４を安定して動作させることが可能な最低電圧とする。一例として、初期電圧Ｖ０は５Ｖであり、増加電圧αは０．５Ｖである。また記憶部には、この出力電圧Ｖ１の自動設定に用いられる、ＩＣチップ４１～４３が動作可能な範囲の下限の温度（動作可能温度Ｔ℃と記載する）以下や出力電圧Ｖ１の上限値である上限電圧Ｖｈのデータについても格納される。Ｔ℃は、例えば－１６０℃程度に設定される。上限電圧Ｖｈは、例えばレギュレータ４５の定格電圧、ヒータ４７の定格電圧及び電源部２１が出力可能な電圧のうちの最も低い値とされ、例えば１２Ｖである。

【0032】

本体部２に設けられる表示部はランプや液晶画面などにより構成され、第１の発振周波数Ｆ１、第２の発振周波数Ｆ２、温度センサ５５による検出温度が夫々表示される。また、後述する出力電圧Ｖ１の設定フローで当該設定が行えない場合に、表示部にその旨が表示される。そして、本体部２における操作部は、ユーザーが操作するスイッチやボタンによって構成され、この操作部に対する所定の操作により、出力電圧Ｖ１の自動設定を行うことができる。

【0033】

実験装置についてさらに説明する。実験装置を構成する真空容器７０の側面は、感知センサ３を冷却するための冷却部７１として構成されている。冷却部７１は、ベース体３２の底部の中央に対向する部分が貫通し、感知センサ３を設置したときに本体部２のコネクタ６１を配置できるように形成されている。また冷却部７１は、例えば液体窒素（Ｎ）などの冷却媒体が流通する流路７１ａを備え、ベース体３２を－１９０℃程度に冷却する。上記のピン６６等を介した熱伝導によって水晶振動子４についても同程度の温度に冷却可能である。

【0034】

真空容器７０の内部には、感知センサ３の開口部３１ａと対向する位置に試料７７を支持するための台部７３が設けられている。この台部７３は、加熱機構７４により試料７７を所定の温度に加熱できるようになっている。真空容器７０は、排気路７５を介して真空排気機構７６に接続され、所定の真空度に真空排気されるように構成されている。

【0035】

感知装置１の測定動作を行う前（即ち、実験を開始する前）に、出力電圧Ｖ１の自動設定を行う。図３は、その自動設定のフローチャートであり、制御部２０により実行される。実験者は、先ず温度センサ５５によって検出される温度が、感知センサ３を設置する環境の温度である－１９０℃程度の温度になっていることを確認した後、自動設定を開始するための所定の操作を、本体部２の操作部に対して行う。電源部２１は、例えば５Ｖである初期電圧Ｖ０を出力電圧Ｖ１として、レギュレータ４５及びヒータ４７に印加する（ステップＳ１）。そして印加開始から所定の時間経過後、発振回路４４から本体部２へ周波数信号が出力されているか否かを判断する（ステップＳ２）。

【0036】

ステップＳ２で周波数信号が出力されていないと判断された場合、温度センサ５５による検出温度が、動作可能温度Ｔ℃以上かどうか判断する（ステップＳ３）。ステップＳ３で検出温度が動作可能温度Ｔ℃以上と判断された場合は、感知装置１の動作不良により計測不可であるものとしてその旨を示す表示を行い（ステップＳ４）、自動設定を終了する。

【0037】

ステップＳ３で検出温度が動作可能温度Ｔ℃未満と判断された場合は、出力電圧Ｖ１＋増加電圧αが上限電圧Ｖｈより高いかどうか判断する（ステップＳ５）。ステップＳ５で、出力電圧Ｖ１＋増加電圧αが上限電圧Ｖｈより高いと判断された場合は、感知装置１の動作不良により計測不可であるものとしてその旨を示す表示を行い（ステップＳ６）、自動設定を終了する。

【0038】

ステップＳ５で出力電圧Ｖ１＋増加電圧αが上限電圧Ｖｈ以下であると判断された場合は、出力電圧Ｖ１をそれまでの電圧からα上昇させる。即ち、ステップＳ５で上限電圧Ｖｈとの比較を行った電圧となるように出力電圧Ｖ１が変更される（ステップＳ７）。それにより、レギュレータ４５及びヒータ４７の温度上昇によってＩＣチップ４１、４３の温度が上昇する。そしてステップＳ１以降のフローが再度、実施される。

【0039】

ステップＳ２で所定の発振回路４４から本体部２へ周波数信号が出力されていると判断された場合は、この判断時の出力電圧Ｖ１が測定動作時に用いられるものとして決定され（ステップＳ８）、自動設定が終了してこの出力電圧Ｖ１が維持される。また、取得される周波数信号から、第１の発振周波数Ｆ１及び第２の発振周波数Ｆ２が測定されて、表示部に表示される。

【0040】

その後、例えば真空容器７０内を所定の真空度に真空排気すると共に、台部７３を加熱機構７４により加熱する。上記の自動設定を行うにあたり、水晶振動子４は冷却されているので、台部７３の加熱により試料７７から生じたガスが開口部３１ａを介して感知センサ３内に進入し、第１の励振電極４ｂに吸着する。その後、実験者が本体部２の操作部から所定の操作を行うと測定動作が開始され、例えば水晶振動子４の検出温度が例えば１℃／１分の速度で昇温するように、センサ基板５０のヒータ５４への給電が制御される。検出温度が所定の温度に至るまで、このような水晶振動子４の昇温が続けられ、このように水晶振動子４の温度制御がなされる間、第１の発振周波数Ｆ１及び第２の発振周波数Ｆ２が本体部によってモニターされる。検出温度が所定の温度に達したら温度上昇及び周波数のモニターが停止し、感知装置１の測定動作が終了する。

【0041】

そして、例えば実験者はこれらの第１の発振周波数Ｆ１及び第２の発振周波数Ｆ２の差分値の経時変化のデータを取得し、このデータから被感知物質の特定を行ったり、吸着量などの算出を行ったりする。上記した第１の発振周波数Ｆ１及び第２の発振周波数Ｆ２の取得中、出力電圧Ｖ１は既述のフローのステップＳ８で決定された値に保たれる。なお、上記したヒータ５４への給電の制御も制御部２０のプログラムにより実施される。

【0042】

上記の例では実験装置の真空容器７０内に感知センサ３を配置しているが、感知センサ３としてはこのような真空容器７０内に限られず、様々な環境に配置することができる。そのような様々な環境に感知センサ３を配置するにあたり、本体部２は出力電圧Ｖ１を変更し、発振回路４４及びスイッチ４８、４９が動作可能な温度であって且つ発振回路４４が過度に高温となることを防止することができる。従って、水晶振動子４を安定して発振させて第１の発振周波数Ｆ１及び第２の発振周波数Ｆ２を測定することができる。その結果として実験の精度を高めることができる。

【0043】

なお、仮に複数の感知センサ３を比較的温度が低い同一環境に設置するものとし、出力電圧Ｖ１が変更不可であり、各感知センサ３に同一の出力電圧Ｖ１が供給されるものとする。この場合であっても、感知センサ３の個体差により、ある感知センサ３では周波数を測定することができ、別の感知センサ３では周波数の測定が不可となる状況が発生し得る。つまり同一の環境に配置される感知センサ３であっても適正な出力電圧Ｖ１は異なり得るので、出力電圧Ｖ１が変更されないとすれば、感知センサ３毎に適正な出力電圧Ｖ１を設定する必要が有る。そのために、装置の製造工程を複雑化させてしまうおそれがある。出力電圧Ｖ１を可変させる感知装置１によれば、そのような製造工程の複雑化を防ぎつつ、各感知センサ３に適正な出力電圧Ｖ１を供給することができる。

【0044】

そして図３で述べたように出力電圧Ｖ１は自動で設定されるので、装置のユーザーの負担が少ない。また、この自動設定は出力電圧Ｖ１を段階的に上昇させ、その上昇を行う度に周波数信号の出力の有無の判断をもって、当該出力電圧Ｖ１が適正か否かの判断がなされるように行われる。そのため、決定される出力電圧Ｖ１が比較的大きい値に決定されることが防止される。従って、水晶振動子４の発振についてより確実に安定させることができる。また、ヒータ４７及びレギュレータ４５による水晶振動子４への熱影響が抑えられるので、水晶振動子４については比較的低い温度になるように冷却することができるので、実験を行うにあたって感知装置１の適用範囲を広くすることができる。ところで上記した増加電圧αは、１回の測定動作で一定とすることに限られず、ステップＳ１以降の一連の判断フローが繰り返されるにあたって変更させてもよい。例えば、繰り返し回数が多くなるにつれて、小さくなるようにしてもよい。

【0045】

また、上記したようにＩＣチップ４１、４３を加熱するにあたり、レギュレータ４５とヒータ４７とは、それぞれ本体部２に対して並列に接続され、本体部２から各々出力電圧Ｖ１が印加されることで発熱する。従って、感知センサ３へ供給する電力を抑えつつ、ＩＣチップ４１、４３が発熱量を大きくして、本体部２による周波数信号の取得を可能にすることができるので、感知装置１の運用コストを抑えることができる。

【0046】

なお発振回路４４、レギュレータ４５、スイッチ４８、４９について、別個のＩＣチップに含まれるものとして示したが、共通のＩＣチップに含まれるようにしてもよい。そしてヒータ４７について、ＩＣチップと別個に設けることに限られず、ＩＣチップに組み込まれた構成とされてもよい。

【0047】

感知センサとしては、感知センサ３と同様な構造を有するものに限らず、例えば異なる発振回路４４の断熱構造を備えていてもよい。また、感知センサ３が設けられる実験装置は、液体窒素の代わりに液体窒素より低温の液体ヘリウムが供給されて、当該感知センサ３を冷却する構成であってもよい。

【0048】

発振回路４４から本体部２への周波数信号の出力の有無に基づいて出力電圧Ｖ１の設定が行われることを説明したが、この周波数信号のレベルを検出し、所定のレベル以下である場合には発振回路４４等の加熱が不十分であるものとして、出力電圧Ｖ１を上昇させるようにしてもよい。つまり、上記のフローのステップＳ２では、検出される周波数信号のレベルが基準値以下であるか否かの判断を行うようにする。このように出力電圧Ｖ１を決定する判断基準となる発振回路４４からの周波数数信号の出力状態としては、周波数信号の有無に限られない。

【0049】

また、出力電圧Ｖ１について自動設定により感知装置１の測定動作時の値が決定されることには限られない。操作部からユーザーの操作で変更可能であるように本体部２が構成され、ユーザーが表示部を見て第１の発振周波数Ｆ１及び第２の発振周波数Ｆ２が取得されているか否かを確認しつつ操作部からの操作を行うことで、測定動作時の値の決定がなされるようにしてもよい。

【0050】

なお測定動作において水晶振動子４の温度を次第に上昇させる例を示したが、そのような温度制御を行うことには限られない。例えば感知センサ３を設置した環境における被感知物質の量の推移を観察するために、水晶振動子４を所定の温度に保ち続けるようにしてもよい。

【0051】

また、ヒータ４７についてはＩＣチップ４１、４３を効率良く加熱するために、これらＩＣチップ４１、４３が搭載される基板４０に設けられることが好ましいが、そのような構成とすることには限られない。例えば基板４０の上方に、当該基板４０に近接する基板を設け、当該基板に設けられていてもよい。このようにヒータ４７は、センサ基板５０のヒータ５４と別個に設けられて、ＩＣチップ４１を加熱するものであればよい。なお、第１の発振周波数Ｆ１及び第２の発振周波数Ｆ２の両方を取得することが好ましいが、第１の発振周波数Ｆ１のみを取得するようにしてもよく、従ってスイッチ４８、４９が設けられない構成であってもよい。それ故に、ヒータ４７としては少なくとも発振回路４４を含むＩＣチップ４１を加熱するものであればよい。

【0052】

また、ヒータ４７についてレギュレータ４５と本体部２とを接続する導電路に接続することには限られず、レギュレータ４５とは独立して電力が供給され、その電力が変更可能である構成とされていてもよい。

【0053】

本実施形態において冷却媒体の流路７１ａは、実験装置の真空容器７０に形成されて感知センサ３に設けられていないが、感知センサ３の例えばベース体３２に設けられていてもよく、水晶振動子４を所望する極低温まで冷却できれば感知センサ３のベース体３２以外の部分を冷却するように配置されていてもよい。また感知センサ３については、当該感知センサ３の外部から水晶振動子４が冷却される構成とすることには限られず、感知センサ３内にペルチェ素子のような水晶振動子４を冷却する機構が組み込まれていてもよく、このペルチェ素子については、センサ基板５０を介して水晶振動子４を冷却することができるように、センサ基板５０の下面に接するように設ければよい。なお、水晶振動子４の加熱する際にもこのペルチェ素子を用いればよく、このようにペルチェ素子を設けた場合は、当該ペルチェ素子が温度変更部に該当する。また、水晶振動子４はペルチェ素子や冷却媒体の流路７１ａの作用によって冷却されることには限られず、感知センサ３が配置される自然環境の温度により冷却されてもよい。この自然環境には、宇宙空間も含まれる。従って感知装置１を使用するにあたり、水晶振動子４を冷却する機構は無くてもよい。

【0054】

なお、今回開示された実施形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。上記の実施形態は、添付の特許請求の範囲及びその趣旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更及び組み合わせがなされてもよい。

【符号の説明】

【0055】

１ 感知装置
２１ 電源部２２ 周波数測定部
４ 水晶振動子
４０ 基板
４１ ＩＣチップ
４３ 発振回路
４７ ヒータ
５４ ヒータ

【図1】

【図2】

【図3】