特許 7246049 感知装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-03-16

(45)【発行日】2023-03-27

(54)【発明の名称】感知装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 5/02 20060101AFI20230317BHJP

【ＦＩ】

G01N5/02 A

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2019098699

(22)【出願日】2019-05-27

(65)【公開番号】P2020193846

(43)【公開日】2020-12-03

【審査請求日】2022-04-25

(73)【特許権者】

【識別番号】000232483

【氏名又は名称】日本電波工業株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】503361400

【氏名又は名称】国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構

(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

(72)【発明者】

【氏名】塩原 毅

(72)【発明者】

【氏名】柳澤 祐希

(72)【発明者】

【氏名】中川 昭平

(72)【発明者】

【氏名】宮崎 英治

(72)【発明者】

【氏名】土屋 佑太

【審査官】福田 裕司

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１８－０８０９４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－２５７３９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－２０３００７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１０３７５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１４／０２６０５６６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１６／０２１１１９１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０２０－１３９７８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】B.E.Wood et al.，Quartz crystal microbalance (QCM) flight measurements of contamination on the MSX satellite，SPIE，Vol.2864，pp.187-194

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ５／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

気体である被感知物質を圧電振動子に吸着させ、当該圧電振動子の温度を変化させて被感知物質を脱離させ、圧電振動子の発振周波数の変化と前記温度との関係に基づいて、被感知物質を感知する感知装置において、
前記圧電振動子を保持した基板と、
前記基板と接する位置に設けられ、前記圧電振動子の温度を変化させるための熱電素子部と、
前記基板と接する位置とは反対側から前記熱電素子部を支持する支持板と、
前記熱電素子部を支持する面とは反対側の面と接触するように前記支持板が固定され、前記支持板を介して前記熱電素子部に対する給熱と排熱との少なくとも一方を行うためのベース部と、を備え、
前記基板と熱電素子部と支持板とが一体化され、前記ベース部から着脱自在な感知モジュール部を構成していることを特徴とする感知装置

【請求項2】

前記ベース部には、圧電振動子を発振させるための発振回路を収容した収容空間が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の感知装置。

【請求項3】

前記圧電振動子と接続された電極、及び前記発振回路に接続された電極の間に着脱自在に設けられ、前記圧電振動子と、前記発振回路と、の電気的な接続、非接続を切り替える導電部材を備えることを特徴とする請求項２に記載の感知装置。

【請求項4】

前記ベース部は、当該ベース部の冷却、加熱の少なくとも一方を行うための冷却／加熱部に接続されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の感知装置。

【請求項5】

前記基板と、前記熱電素子部と、は、金属ナノ粒子を介して互いに接続され、前記熱電素子部と、前記支持板と、は、金属ナノ粒子を介して互いに接続されたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の感知装置。

【請求項6】

前記ベース部と、前記支持板と、の間に熱伝導シートが設けられたことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載の感知装置。

【請求項7】

前記基板及び前記熱電素子部の接続部分と、前記熱電素子部及び前記支持板の接続部分と、は、各々一方を他方に嵌合させて位置決めがされる嵌合構造であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一項に記載の感知装置。

【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】

ガス中に含まれる物質を感知する感知センサとして、水晶振動子を用いたＱＣＭ（Quartz crystal microbalance）が知られている。このようなＱＣＭを利用した物質の感知手法の一つとして、水晶振動子にガスを付着させた後、当該水晶振動子の温度を低温の状態から徐々に上げて、当該水晶振動子に付着したガスを脱離させる手法が知られている。

【0003】

当該手法においては、このガス脱離前後の周波数変化量を測定することでガスの付着量が測定され、ガスが脱離する際の温度を検出することでガスの成分が特定される。上記の水晶振動子の温度変更を能動的に行うためにペルチェ素子を内蔵したものが知られており、このようにＱＣＭとガスを離脱させるための温度調節手段とを組み合わせた感知装置は、ＴＱＣＭ（Thermoelectric QCM）とも呼ばれる。

【0004】

このようなＴＱＣＭにおいて、近年では、測定感度の向上のため水晶振動子の加熱、冷却性能のばらつきを抑えることが求められている。また温度調節部や水晶振動子の発振回路などを備え、構造が複雑化したＴＱＣＭであっても、メンテナンス性の高い装置構成となっていることが好ましい。

【0005】

なお特許文献１には、この感知センサは、水晶振動子センサと、ペルチェ素子と、伝熱材と、を上方からこの順で積層した構成が記載されている。しかしながら水晶振動子の加熱、冷却性能のばらつきや装置のメンテナンスには、着目しておらず本発明の課題を解決する構成は開示されていない。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開２００５－２５７３９４号公報

【発明の開示】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

本発明は、このような事情に基づいてなされたものであり、圧電振動子の加熱冷却のばらつきを抑制しつつメンテナンスが簡単な感知装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の感知装置は、気体である被感知物質を圧電振動子に吸着させ、当該圧電振動子の温度を変化させて被感知物質を脱離させ、圧電振動子の発振周波数の変化と前記温度との関係に基づいて、被感知物質を感知する感知装置において、
前記圧電振動子を保持した基板と、
前記基板と接する位置に設けられ、前記圧電振動子の温度を変化させるための熱電素子部と、
前記基板と接する位置とは反対側から前記熱電素子部を支持する支持板と、
前記熱電素子部を支持する面とは反対側の面と接触するように前記支持板が固定され、前記支持板を介して前記熱電素子部に対する給熱と排熱との少なくとも一方を行うためのベース部と、を備え、
前記基板と熱電素子部と支持板とが一体化され、前記ベース部から着脱自在な感知モジュール部を構成していることを特徴とする。

【発明の効果】

【0009】

本発明は、圧電振動子を保持した基板と、前記圧電振動子の温度を変化させるための熱電素子部と、前記熱電素子部を支持する支持板とを、予め一体的に構成し、熱電素子部に対する給熱と排熱との少なくとも一方を行うためのベース部から着脱自在な感知モジュール部としている。そのため基板や熱電素子部を個別に組み合わせて感知装置を構成する場合の組み立て誤差による、冷却加熱性能のばらつきを抑えることができると共にメンテナンスが容易になる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の実施形態に係る感知装置の縦断側面図である。

【図2】前記感知装置の一部を拡大した縦断側面図である。

【図3】前記感知装置におけるセンサモジュールの着脱を示す説明図である。

【図4】前記感知装置が設けられた感知システムの縦断側面図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

本発明の一実施形態のＴＱＣＭである感知装置１について、図１の縦断側面図を参照して説明する。感知装置１は、ベース部２、回路基板３、水晶振動子４と、ペルチェ素子部６及びカバー９を備えている。またこの例では、水晶振動子４と、ペルチェ素子部６とは、感知モジュール部であるセンサモジュール１００として構成されている。感知装置１の構造の概略を述べると、ベース部２にセンサモジュール１００及びカバー９が各々支持され、カバー９によってベース部２上のセンサモジュール１００が覆われる。カバー９は開口しており、水晶振動子４にガスを供給可能に構成されている。

【0012】

水晶振動子４を発振させるための回路基板３は、ベース部２の内部に収納される。この感知装置１は、ペルチェ素子部６によって、水晶振動子４の温度を例えば－８０℃～１２５℃の範囲内で変更できるように構成されている。ベース部２は水晶振動子４の発振周波数を感知装置１の外部装置へ取り出すと共に、ペルチェ素子部６が水晶振動子４を冷却するにあたり発生する熱を排熱するための冷却部７１に接続できるように構成されている。

【0013】

ベース部２は、例えばニッケル鍍金がされた銅により構成されており、ベース本体２１と蓋部２２とにより構成されている。ベース本体２１は平面視円形なブロックとして構成されており、高い伝熱性が得られるように例えば一体成形されている。当該ベース本体２１の一面側（上面側）の中央部は当該一面側に突出し、平面視円形の突起部２３として構成されており、当該突起部２３の一面は平坦面２３Ａとして構成されている。平坦面２３Ａには２つの長穴２０が図１を正面に見て左右に離れて開口している。長穴２０は、図１を正面に見て紙面と直交する方向に向かって伸びている。ベース本体２１の他面側の中央部には凹部１９が形成されており、上記の長穴２０は当該凹部１９内に開口している。ところで以下の説明では特に記載無い限り、突起部２３の突出方向を上方向、２つの長穴２０の配列方向を左右方向、図１に直交する方向を前後方向とする。ただしこの方向については説明の便宜上付すものであり、ここで示す方向となるように使用時の感知装置１の方向が限られるものでは無い。

【0014】

ベース部２を構成する蓋部２２は、ベース本体２１の下方側（一方側）から上記の凹部１９を塞いで上記の回路基板３などを収容する密閉された収容空間２５を形成する。回路基板３は基板３１と、基板３１の上面側の中央部、下面側の中央部に各々設けられた集積回路３２と、を備えている。集積回路３２はシリコン製の半導体素子によって構成されており、水晶振動子４に接続されて当該水晶振動子４を発振させる発振回路を含む。基板３１の上面側の左右の各端部には、上下方向に伸びる筒状のソケット３３が複数ずつ、前後方向に並べて形成される。ソケット３３は導電性であり、各集積回路３２と電気的に接続された電極に相当する。

【0015】

また、各ソケット３３の位置は、後述の当該ソケット３３に差し込まれるピン５３の位置に対応する。基板３１においては、このソケット３３の孔と重なるように孔が厚さ方向に穿孔されており、ソケット３３に差し込まれたピン５３は、基板３１を貫通できるように構成されている。また、基板３１には図示しないケーブルの一端が接続されるように構成され、当該ケーブルの他端は、ベース部２の板状体２６の凹部２２Ａへ引き出され、外部の本体部と接続するための図示しないコネクタに接続される。

【0016】

ところで収容空間２５には、回路基板３の他に２つのスペーサー３５及び２つのガイド部材３７が収納される。これらのスペーサー３５及びガイド部材３７は、ベース部２から回路基板３への伝熱を抑制する断熱部であり、熱伝導率が低い材料例えばテフロン（登録商標）により構成される。スペーサー３５は、回路基板３の基板３１の左右の各端部の下方に配置され、ガイド部材３７は当該基板３１の左右の各端部の上方に配置される。ガイド部材３７は、当該ガイド部材３７を上下方向に貫通する複数の貫通孔３８を備えており、当該貫通孔３８は前後方向に配列されている。貫通孔３８の下部側には上記のソケット３３が挿入される。

【0017】

既述のようにベース部２のベース本体２１と蓋部２２とが互いに固定されることで、ガイド部材３７の上面、下面は収容空間２５の天井面２５Ａ、基板３１の上面に夫々密着し、且つスペーサー３５の上面、下面は基板３１の下面、支持突起２９に夫々密着するように、基板３１の左右の端部はガイド部材３７及びスペーサー３５によって挟み込まれる。それにより収容空間２５におけるガイド部材３７、スペーサー３５、基板３１の各位置が固定される。このように各部材が固定された際に、基板３１の上面側の集積回路３２は収容空間２５の天井面２５Ａから離れ、基板３１の下面側の集積回路３２は、ベース部２の板状体２６から離れる。

【0018】

続いてセンサモジュール１００の構成についてセンサモジュール１００を拡大した図２も参照して説明する。センサモジュール１００は、水晶振動子４が設けられたセンサ部５と、水晶振動子４を加熱冷却して温度を変化させるペルチェ素子部６と、センサ部５及びペルチェ素子部６を支持し、ベース部２に着脱するための支持板１０とを備えている。
センサ部５は、その中央部に上記の水晶振動子４を保持するＬＴＣＣ（Low Temperature Co-fired Ceramics）製の基板５０を備えている。当該基板５０の上面には、水晶振動子４の下面側の励振電極４３を収納する概ね楕円形の凹部５１が形成されており、水晶振動子４の周縁部は、当該凹部５１の開口縁部に支持されている。また、この基板５０の上面には、水晶振動子４の温度を検出するための温度検出部５２が設けられている。また基板５０の下面の中央部には、後述のペルチェ素子部６の位置決めをするための、ペルチェ素子６３の上面の形状に対応した矩形の凹部状のキャビティ５０ａが形成されている。

【0019】

水晶振動子４は、例えばＡＴカットされた圧電片である円板状の水晶片４０を備えている。水晶片４０の上面側及び下面側には、夫々金（Ａｕ）により構成された励振電極４１、４３が設けられる。励振電極４１、４３は、水晶片４０を挟んで互いに重なるように配置される。励振電極４１、４３の周の一部は水晶片４０の縁部へ引き出されて、図示しない引き出し電極を形成している。

【0020】

温度検出部５２及び上記の各励振電極４１、４３から延出される引き出し電極については、基板５０に形成される図示しない配線パターンや基板５０に設けられる図示しない導電性部材を介して、棒状の導電部材であるピン５３の上端部に電気的に接続されている。このピン５３は、基板５０の左右の端部に複数ずつ設けられて、前後方向に配列されており、当該基板５０を貫通すると共に当該基板５０の垂直下方に長く伸び出している。なおこの実施の形態では、ピン５３は、温度検出部５２及び各励振電極４１、４３に接続された引き出し電極から着脱自在に構成されている。そして、当該ピン５３は、ベース部２の長穴２０、ガイド部材３７の貫通孔３８、ソケット３３の孔、基板３１の孔、スペーサー３５の孔３６に順に挿通される。また、ピン５３がソケット３３に差し込まれることで、回路基板３に接続された電極であるソケット３３とピン５３とが電気的に接続され、センサ部５の水晶振動子４及び温度検出部５２と回路基板３とが電気的に接続される。また、ピン５３をソケット３３から引き抜くことにより、センサ部５側と回路基板３とが非接続状態に切り替わる。

【0021】

本例のペルチェ素子部６は、各々角型に構成された２つのペルチェ素子６３、６４を備え、ペルチェ素子６３の下面及びペルチェ素子６４の上面が、高熱伝導性接着剤などを介して互いに密着固定された上下に２段の構成となっている。ペルチェ素子６３、６４は、その上面及び下面のうちの一方の面が放熱面（加熱面）、他方の面が冷却面であり、ペルチェ素子６３、６４へ供給される電流の方向が切り替えられることによって放熱面と冷却面とが互いに切り替えられて、センサ部５の冷却と加熱とを行うことができる。センサ部５を冷却する際にはペルチェ素子６３、６４共にその上面が冷却面となり、その下面が放熱面となる。センサ部５を加熱する際にはペルチェ素子６３、６４共にその上面が放熱面となり、その下面が冷却面となる。また、下段側のペルチェ素子６４の上面は、上段側のペルチェ素子６３の下面よりも大きく形成されており、当該ペルチェ素子６４の上面の中央部にペルチェ素子６３の下面が配置される。ペルチェ素子部６は、本実施の形態の熱電素子部に相当する。

【0022】

支持板１０は、ニッケル鍍金が施された円板状の銅板で構成され、上面の中央部には、ペルチェ素子部６の位置決めをするための、ペルチェ素子６４の下面の形状に対応した矩形の凹部状のキャビティ１０ａが形成されている。またキャビティ１０ａの左右には、夫々前述のピン５３が通過するスリット１１が各々形成されている。
さらに支持板１０におけるキャビティ１０ａの前後の周縁には、各々センサモジュール１００をベース部２に固定するためのネジ部材２４が挿入される孔部１２が周方向に離間して２か所づつ形成されている。孔部１２は、支持板１０の中心部を通り前後に伸びる直線に対して左右で対称な位置となるように配置されている。

【0023】

そして図２に示すようにペルチェ素子部６の上面がセンサ部５の下面のキャビティ５０ａに挿入されて位置決めがされる。ペルチェ素子部６と、センサ部５とは、例えば、銀ナノ粒子ペーストなどの金属ナノ粒子ペースト９０により固定される。またペルチェ素子部６の下面が支持板１０の上面のキャビティ１０ａに挿入されて位置決めがされ、ペルチェ素子部６と、支持板１０とについても既述の金属ナノ粒子ペースト９０により固定される。

【0024】

本例のセンサモジュール１００において、基板５０とペルチェ素子部６と支持板１０とは、金属ナノ粒子ペースト９０を介して一体化されている。なお、本例において、センサモジュール１００の「一体化」とは、基板５０、ペルチェ素子部６及び支持板１０が感知装置１に対して一体的に装着、取り外し可能であれば足り、これらの部材５０、６、１０を互いに分離することが困難な程度に接着固定されていることを必須の要件とするものではない。
また、このようにペルチェ素子部６の上面及び下面をセンサ部５及び支持板１０に挿入して位置決めがされることからセンサ部５及びペルチェ素子部６の接続部分と、ペルチェ素子部６及び支持板１０の接続部分と、は、各々一方を他方に嵌合させて位置決めがされる嵌合構造といえる。

【0025】

上記の構成を備えるセンサモジュール１００の着脱について図３を参照して説明する。なお図３は、図２の感知装置１を上下方向に伸びる鉛直軸周りに９０°回転させた状態を示している。センサモジュール１００をベース部２に固定するにあたっては、ベース部２の上面にグラファイトシートなどの熱伝導シート８が配置される。さらに図３（ａ）に示すように熱伝導シート８の上面にセンサモジュール１００の下面（支持板１０の下面）が載置され、孔部１２がベース部２に形成されたネジ孔２ａに揃うように配置される。この時支持板１０に形成されたスリット１１がベース部２の長穴２０に揃う。図３では、ピン５３を取り外した状態で示しているが、ピン５３をセンサモジュール１００に取り付けた状態、あるいは下端をソケット３３に挿入した状態であってもよい。

【0026】

さらにセンサモジュール１００は、各孔部１２に上面側からネジ部材２４が挿入されてベース部２に固定される。その後ピン５３がセンサモジュール１００に取り付けられると共に、既述のようにピン５３の下方側がソケット３３に挿入される。これにより励振電極４１、４３及び温度検出部５２と、回路基板３側とが電気的に接続される。
そして、ベース部２及びセンサモジュール１００の上面側からカバー９を取り付け、後述の感知システム内に設置することにより、感知装置１が使用可能な状態となる。

【0027】

一方、センサモジュール１００を交換する場合には、例えばピン５３を取り外し、続いて各ネジ部材２４を取り外すことで、センサモジュール１００をベース部２から取り外すことができる。なおネジ部材２４の着脱を容易にするために、センサ部５の面積の小型化や、センサ部５における孔部１２の上方に貫通孔や切り欠きを設けるといった構成としてもよい。

【0028】

続いてカバー９について説明する。このカバー９は、上記の水晶振動子４の上面側の励振電極４１にガスを導入できるように構成され、ベース部２にセンサモジュール１００を取り付けた後、センサモジュール１００の周囲を覆うように設けられる。カバー９は有天井の起立した円筒として構成されており、当該カバー９の下端部はベース部２の突起部２３の側周面を囲み、当該ベース部２に係合される。そして、カバー９の天井部には円形の開口部６１が、既述した励振電極４１に重なるように開口している。開口部６１の開口縁は下方へと延伸されて、下方に向かうにつれて開口径が次第に小さくなる筒状のガイド６２を形成する。ガイド６２の下端は、水晶振動子４の表面からわずかに、例えば０．５ｍｍ離間している。

【0029】

図４は、感知装置１を用いた感知システムを示している。感知システムは、真空容器７０を備え、真空容器７０は、その側面のうちの一面が感知装置１を冷却するための冷却部７１として構成されている。そして感知装置１は、図４に示すように真空容器７０内において、冷却部７１にベース部２が固定され、開口部６１が水平方向を向くように取り付けられる。冷却部７１は例えば冷媒が流通する流路７１ａを備えたチラーにより構成され、凹部７２及び凹部７２の開口縁部を冷却できるように構成されている。これにより感知装置１は、ベース部２を介して、その全体が冷却される。このように冷却部７１の熱は、ベース部２を介して、ペルチェ素子部６に熱伝導されることから、ベース部２は、ペルチェ素子部６に対する給排熱を行うと言える。なおベース部２は、ペルチェ素子部６に対して給熱と排熱との一方を行う構成でも良い。

【0030】

真空容器７０の内部には感知装置１の開口部６１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、この台部７３は加熱機構７４により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。

【0031】

また感知装置１を冷却部７１に取り付けたときに、既述のコネクタに設けられる図示しない電極と、凹部７２内に設けられる図示しない電極とが互いに接続される。これにより感知装置１は図示しない感知システムの本体部に電気的に接続され、冷却部７１により冷却可能になる。そして既述のコネクタの電極と、凹部７２内の電極とが互いに接続されることで、集積回路３２が外部の本体部と電気的に接続され、水晶振動子４の発振周波数を取得できるように構成されている。またペルチェ素子部６に対して電流を供給できるように構成されると共に、温度検出部５２で検出される水晶振動子４の温度が取得できるように構成される。そして当該温度検出部５２にて検出された水晶振動子４の温度に基づいて、ペルチェ素子部６へ供給される電流の向き及び供給電力を調整して、水晶振動子４の温度を調整する。これにより水晶振動子４の温度を所定の温度から所定の速度で昇温させることができる。

【0032】

この感知システムにおいては、台部７３に試料７７を支持させた後、真空容器７０を閉じ、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により例えば１２５℃に加熱する。これにより、試料７７に含まれる被感知物質であるガスが昇華し、真空容器７０内に放出される。一方、冷却部７１に冷却媒体を供給すると共に、ペルチェ素子部６により温度を調整し、水晶振動子４を、例えば－８０℃に冷却する。これにより、試料７７の加熱により発生したガスが開口部６１を介して感知装置１内に進入し励振電極４１に付着する。

【0033】

この時水晶振動子４の質量変化により水晶振動子４の発振周波数が変化し、被感知物質を検出することができる。さらに発振周波数の取得を行いながらペルチェ素子６３、６４により温度を調節し、水晶振動子４を例えば１℃／分の速度で昇温させる。この水晶振動子４の昇温により、励振電極４１に付着した被感知物質が脱離すると、発振周波数が大きく変化する。感知システムのユーザーは、発振周波数の経時変化を示すグラフから、発振周波数が変化するタイミングを読み出し、この変化したタイミングに基づいて当該変化が起きた温度を特定し、さらにはその温度に基づいて被感知物質の種類を特定することができる。

【0034】

本実施の形態に係る感知システムの特徴について述べる。本実施の形態に係る感知システムにおいては、センサ部５、ペルチェ素子部６及び支持板１０を一体化したセンサモジュール１００として構成し、ベース部２に簡単に着脱できるように構成している。ここで従来の感知システムにおいては、ペルチェ素子部６の上方にセンサ部５を接着せずに配置し、センサ部５をベース部２から伸びる支柱に締め付けて固定することにより、ペルチェ素子部６を挟み込んで、センサ部５と密着させていた。

【0035】

そのため感知装置１を組み立てるときのセンサ部５の支柱への締め付け具合によりペルチェ素子部６と、センサ部５との密着性に差が生じ、個々の感知システム間のセンサ部５とペルチェ素子部６との密着性の差による水晶振動子４の冷却性能の差が生じることがあった。

【0036】

さらに従来の感知システムにおいては、ペルチェ素子部６をベース部２に、例えばはんだなどにより固定していた。このような従来の感知システムにおいては、例えばセンサ部５やペルチェ素子部６などに故障が発生したときには、装置全体を交換する必要があった。
本実施の形態に係る感知システムにおいては、予めセンサ部５とペルチェ素子部６とを密着させて固定したモジュールとして構成している。そのため個々の感知システムを組み上げるときに、センサ部５とペルチェ素子部６との間の密着性に差が生じにくく、感知システム間の冷却性能の差が小さくなる。

【0037】

また感知システムの部品例えばセンサ部５に故障が発生したときにも、センサモジュール１００単位で交換することができる。さらにはセンサモジュール１００をネジ部材２４により固定しているため、ベース部２に対して着脱しやすく交換が容易である。

【0038】

上述の感知システムは、センサ部５と、ペルチェ素子部６と、を支持板１０と一体化したセンサモジュール１００を備えている。そのためセンサ部５と、ペルチェ素子部６とを組み立てるときの設置誤差による感知装置１毎の冷却加熱性能のばらつきを抑制することができる。また支持板１０をベース部２に対して着脱自在に構成することでセンサモジュール１００に故障が発生したときにもセンサモジュール１００単位で着脱することができ、簡単に交換することができる。

【0039】

またセンサモジュール１００を設置するときにセンサ部５と回路基板３とを電気的に接続する必要がある。上述の実施の形態では、導電性部材のピン５３を用い、ピン５３をソケット３３に挿入して機械的に接続することでセンサ部５と回路基板３とを電気的に接続している。そのためセンサモジュール１００を設置したときに、センサ部５と回路基板３との電気的な接続も簡単になる。
またセンサ部５の周縁を支柱に固定する構造の場合には、各支柱に対してネジ部材により締め付ける力の差により、センサ部５の基板５０に歪ませる力が生じることがあり基板５０が破損することがある。本実施の形態では、センサ部５の下面中央をペルチェ素子部６により保持するため基板５０の歪みを抑制できる。

【0040】

また本実施の形態に係るセンサモジュール１００はセンサ部５の基板５０内にヒータ回路を埋設してもよい。これによりペルチェ素子部６のみを設けた構成に比べて水晶振動子を加熱冷却する温度帯域を広くすることができる。例えば圧電振動子の温度を変化させて圧電振動子に被感知物質を吸着脱離させて被感知物質を感知する感知システムとしては、冷却媒体として、液体窒素を用いるＣＱＣＭが知られている。このようなＣＱＣＭは、実施の形態で示したＴＱＣＭとは異なる温度帯域で使用するが、センサモジュール１００の使用温度帯域を広げることでセンサモジュール１００を、ＴＱＣＭとＣＱＣＭとの間で共用することができる。

【0041】

また本実施の形態に係るセンサモジュール１００においては、センサ部５及び支持板１０に夫々、ペルチェ素子部６の上面及び下面に対応するキャビティ５０ａ、１０ａを形成している。そのためセンサ部５とペルチェ素子部６との接続部分、及びペルチェ素子部６と、支持板１０との接続部分が常に同じ箇所での接続となる。従って水晶振動子４に対するペルチェ素子部６及びベース部２の位置ずれに起因する感知装置１の加熱冷却性能の誤差を抑制することができる。

【0042】

さらに上述の実施の形態においては、センサ部５とペルチェ素子部６とを接続するにあたって金属ナノ粒子ペースト９０を用いている。そのためセンサ部５とペルチェ素子部６と間の熱伝導率が高くなっている。またペルチェ素子部６と支持板１０との接続にも金属ナノ粒子ペースト９０を用いることで同様にペルチェ素子部６と支持板１０と間の熱伝導率を高めることができる。
また本実施の形態に係る感知システムは、ベース部２を冷却部７１に接触させて冷却することにより水晶振動子４を冷却することから支持板１０とベース部２との間に熱伝導シート８を設け、ベース部２とセンサモジュール１００との間の熱伝導率を高めることが好ましい。また冷却部７１に代えて感知装置１を加熱する加熱部を設けてもよい。あるいはベース部２を加熱すると共に冷却することもできるように構成してもよい。

【0043】

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、変更されてもよい。例えば、ペルチェ素子は１つのみ設けられてもよいし、３段以上の多段に設けられていてもよい。また、水晶振動子について検出精度を高めるために反応電極及び参照電極を設けて発振周波数Ｆ１、Ｆ２が取得できる構成とし、当該発振周波数Ｆ１、Ｆ２に基づいて検出を行ってもよい。

【符号の説明】

【0044】

１ 感知装置
２ ベース部
５ センサ部
６ ペルチェ素子部
１０ 支持板

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】