JP4737726B2 - 振動子、振動子アレイ、及び電子機器 - Google Patents
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Description
f0(MHz)=1670/水晶板厚(μm)
Mと周波数変化量Δfの関係は次のSauerbreyの式で表されることが知られている。
が吸着膜に吸着しても周波数変化量が僅かであり、対象物質の検出が容易ではないという問題がある。
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的の一つは検出感度を高めた振動子を提供することにある。
また、本発明の振動子は、厚みすべり振動モードで振動する振動体と、前記振動体の第1の面における、第1の領域に形成された第1の吸着膜と、前記振動体の前記第1の面と対向する第2の面における、第2の領域に形成された第2の吸着膜と、表面に前記振動体を立設された基板と、を備え、前記振動体は、前記第1の面及び前記第2の面とは異なる第3の面において前記基板に接していることを特徴とする。
れにより、振動体による対象物質の検出感度を高めることが可能となる。
なお、振動体における第1及び第2の領域を、それぞれ第1の面及び第2の面の中央部分を含むものとすることは、上記の振動体を、むらなく振動させることができるため好ましい。
かかる構成によれば、基板上に立設させた振動体の取付け強度を高めることができる。これによって、振動や衝撃を受けたとしても、振動体が基板から外れたり、振動体が破壊されたりする危険性を低くすることができる。
かかる構成によれば、基板に対して傾斜角を持つように振動体を立設することができる。また、基板に溝を形成することなく傾斜面を形成するので、溝を形成するよりも容易に、振動体の取り付け強度を高めた基板、及び基板を含んだ振動子を製造することができる。
かかる構成の振動子アレイによれば、少なくとも上記いずれかの振動子の特徴を有する振動子アレイを構成できるので、例えば振動体による対象物質の検出感度を高めた振動子アレイを提供することができる。
かかる構成の電子機器は、上記説明したそれぞれの本発明の特徴を有しているため、例えば、振動体の検出感度を高めることなどが可能となる。
また、本明細書において「電子機器」は、本明細書に記載の振動子、又は振動子アレイを備えるあらゆる機器を含む。この機器には、ニオイセンサー、アルコールセンサー、麻薬探知機等のセンサーを含む。
また、本明細書における「○○回路(○○は任意の語。)」は、電気的な回路によるものを含むがこれに限定されず、当該回路の機能を果たす物理的手段、又はソフトウェアで実現される機能的手段などをも含む。また、1つの部分が有する機能が2つ以上の物理的又は機能的手段により実現されても、2つ以上の部分の機能が1つの物理的又は機能的手段により実現されても良い。
1.振動子アレイを含むセンサーシステムの構成例
2.振動体と接続された発振回路の構成例
3.振動体の構成例
4.振動体と基板との接続例
(1)実施形態1
(2)実施形態2
(3)実施形態3
5.振動体の配置例
(1)実施形態4
(2)実施形態5
(3)実施形態6
6.まとめ
本発明は振動子及び振動子アレイ等に関するが、本発明の振動子及び振動子アレイは電子機器に含まれるセンサーシステムなどの一部として利用される。センサーシステムにはニオイセンサーやアルコールセンサーなどが含まれる。以下、センサーシステムの構成について、対象物質のニオイを検出するセンサーシステムを例に簡単に説明する。
図1に示すように、本実施形態におけるセンサーシステムは、水晶振動体111と発振回路112とを複数備えた振動子アレイ110、カウンタ回路120、ゲートクロック発生回路130、データ処理回路140、及びデータベース150を含んで構成される。
なお、振動子アレイ110は少なくとも複数の水晶振動体111を含めばよく、必ずしも発振回路112を含む必要はない。
水晶振動体111は、表面と裏面とに励振電極対が形成され、この励振電極対を介して発振回路112に接続されるよう構成されている。
発振回路112は、水晶振動体111に接続されるよう構成される。この発振回路112は、前述の数式1で示される周波数をもつ発振信号を出力する回路である。発振回路112の具体的構成については後述する。
カウンタ回路120は、発振回路112から入力された発振信号と、ゲートクロック発生回路130から入力されたゲートクロックとの関係を特定し、カウント値としてデータ処理回路140へ出力するよう構成される。具体的には、カウンタ回路120は、ゲートクロックの1周期(以下、ゲート時間という)に、発振信号の立ち上がりエッジ又は立ち下がりエッジによって特定されるパルスがいくつ入るかをカウントする。
ゲートクロック発生回路130は、カウンタ回路120にゲートクロックを供給するよう構成される。すなわち、ゲートクロック発生回路130は所定の周波数を有するゲートクロックを生成する機能を有しており、この信号をそれぞれのカウンタ回路120へ送信する。なお、ゲートクロックは発振信号よりも低い周波数を持つ信号である。言い換えれば、ゲートクロックの信号周期は、発振信号よりも長くなっている。具体的には、ゲートクロックの信号周期は0.01μ秒以上1秒未満の時間にすることが好ましいことが経験則から分かっている。
データ処理回路140は、複数のカウンタ回路120から出力されるカウント値に基づいて、それぞれの水晶振動体111が対象物質を吸着したか否かと、吸着した量と、のいずれか一方又は双方を特定するよう構成される。具体的には、それぞれのカウンタ回路120から出力されたカウント値に基づいて、対応する水晶振動体111と発振回路112とで生成した発振信号の周波数を特定する。さらにデータ処理回路140は、発振信号の周波数の時間変化を観測する。そして、データ処理回路140は、発振信号の周波数の変化に基づいて、それぞれの水晶振動体111が物質を吸着したか否か、吸着した場合はどれくらいの量を吸着したのかを、データベース150を参照することによって特定することができる。
データベース150は、ニオイの特定に必要な情報を格納しており、データ処理回路140からの要求に応じて当該情報を送信するよう構成される。ここで、ニオイの特定の必要な情報とは、例えばそれぞれの水晶振動体111における発振信号の周波数変動と、それぞれの水晶振動体111の吸着の対象物質の吸着量との関係を示すテーブルなどである。
まず、基準となる空気(好ましくは活性炭などで処理した無臭の空気)の下で複数の水晶振動体111を発振させ、それぞれの水晶振動体111に接続された発振回路112から出力される発振信号の周波数を計測する。
図2は、振動体111と接続された発振回路112の構成の一例を示す図である。図2に示すように、発振回路112は、インバーター210、帰還抵抗220、付加容量230、240、及び発振信号出力端子250を含む。発振回路112はさらに、水晶振動体111に接続されている。この水晶振動体111と発振回路112との組み合わせは、いわゆるコルピッツ発振回路を構成している。水晶振動体111の第1の励振電極は、インバーター210の入力、帰還抵抗220の第1の端子、及び付加容量230の第1の端子に接続されている。水晶振動体111の第2の励振電極は、インバーター210の出力、帰還抵抗220の第2の端子、付加容量240の第1の端子、及び発振信号出力端子250に接続されている。また、付加容量230の第2の端子及び付加容量240の第2の端子は、いずれも接地されている。なお、水晶振動体111及び帰還抵抗220の端子はいずれも極性を有するものではないため、端子を逆に接続しても動作に影響はない。
次に、本実施形態の振動子アレイで使用する水晶振動体(水晶振動板)の構成について、さらに詳しく説明する。
図3に示すように、水晶振動体111は表面に窪みを有する、いわゆる逆メサ型の振動体であり、表面には励振電極211、及び引き出し電極212を備える。さらに、特定の物質を選択的に吸着する特性を有する吸着膜213が、励振電極211を覆うように形成されている。また、図4に示すように、裏面には窪みは形成されていない。裏面には励振電極221、及び引き出し電極222を備え、励振電極221を覆うように、吸着膜223が形成されている。この吸着膜223は、表面に形成された吸着膜213と同じ物質を吸着する特性を有することが好ましいが、これに限るものではない。励振電極211及び221は、それぞれ表面及び裏面の中央部を含む領域に形成されている。この水晶振動体111はATカットの水晶振動体であり、水晶板の表裏に形成した励振電極間に電圧を印加するといわゆる厚みすべり振動モードで動作する。厚みすべり振動モードとは、振動体を構成する水晶の結晶格子が厚み方向にひずみ、表面と裏面とが交互に相異なる方向に変位することによって所定の周波数で振動するものである。以下、水晶振動体111の表面と裏面とに形成された励振電極211及び221を「励振電極対」と、引き出し電極212及び222を「引き出し電極対」と呼ぶ。
本発明は、上記のとおり説明したセンサーシステムなどに利用される振動子及び振動子アレイであるが、基板上における振動体の設置に大きな特徴がある。以下、振動子アレイの具体的構成について、例を挙げながら説明する。
図5は、本実施形態1での基板上における振動体の第1の設置例を示す模式的な側面図である。
図5に示すように、基板300は複数の水晶振動体111を立設されて構成される。また、基板300は、第1の接続部310、貫通配線320、及び第2の接続部330を含んで構成される。さらに、基板300の裏面には集積回路340が配置されている。
物質の検出感度を高めることが可能となる。
かかる構成の振動子アレイによれば、上記いずれかの振動子の特徴を生かしながら、複数の振動子を必要とする振動子アレイを構成することができ、例えば、対象物質の検出感度を高めた振動子アレイを構成することが可能となる。
なお、以下で説明する振動子を複数備えた振動子アレイを構成することも可能である。
図6は、本実施形態2での基板上における振動体の第2の設置例を示す模式的な側面図である。実施形態2は実施形態1と多くの点で同一であるため、以下では相違点のみについて説明する。以下で具体的に説明しない点については、実施形態2と実施形態1とは同一の構成、機能を有する。
図7は、本実施形態3での基板上における振動体の第3の設置例を示す模式的な側面図である。実施形態3は実施形態1と多くの点で同一であるため、以下では相違点のみについて説明する。以下で具体的に説明しない点については、実施形態3と実施形態1とは同一の構成、機能を有する。
次に、本実施形態における複数の振動体の配置例について、具体的な例を挙げながら説明する。なお、以下で説明する図面は、振動子アレイを基板上部から見た図面である。
図8は、本実施形態4での基板上における振動体の第1の配置を基板上方から見た平面図である。
図8に示すように、基板には複数の水晶振動体111が立設して配置されている。図8に示される水晶振動体111は、いずれも基板に対して垂直に立設されたものの上面を示す。また、図8において、水晶振動体111で吸着する対象物質である気体、液体などの媒体は、流動方向600で示す方向に流動する。さらに、水晶振動体111は、基板上の第1の行610及び第2の行611と、第1乃至第4の列620乃至623との交点にその中心がくるように整列して配置されている。言い換えれば、複数の水晶振動体111は、第1の方向(行方向)、及び第1の方向に垂直な第2の方向(列方向)に並ぶように基板に連設されている。
図9は、本実施形態5での基板上における振動体の第2の配置を基板上方から見た平面図である。実施形態5は実施形態4と類似しているため、以下では相違点のみについて説明する。以下で具体的に説明しない点については、実施形態5と実施形態4とは同一の構成、機能を有する。
図10は、本実施形態6での基板上における振動体の第3の配置を基板上方から見た平面図である。実施形態6は実施形態5と類似しているため、以下では相違点のみについて説明する。以下で具体的に説明しない点については、実施形態6と実施形態5及び実施形態4とは同一の構成、機能を有する。
以上、本発明の実施形態について説明した。
Claims (8)
- 厚みすべり振動モードで振動する振動体と、
前記振動体の第1の面における、第1の領域に形成された第1の吸着膜と、
前記振動体の前記第1の面と対向する第2の面における、第2の領域に形成された第2の吸着膜と、
表面に前記振動体を立設された基板と、を備え、
前記振動体は、前記基板に設けられた傾斜面に立設されて前記第1の面及び前記第2の面とは異なる第3の面において前記基板に接している
ことを特徴とする振動子。 - 前記第1の領域の、前記振動体と前記第1の吸着膜との間に形成された第1の電極と、
前記第2の領域の、前記振動体と前記第2の吸着膜との間に形成された第2の電極と、
をさらに備える
ことを特徴とする請求項1に記載の振動子。 - 前記第1の面の、前記基板と接しかつ前記第1の領域と重ならない第3の領域に形成された第1の電極と、
前記第2の面の、前記基板と接しかつ前記第2の領域と重ならない第4の領域に形成された第2の電極と、をさらに備える
ことを特徴とする請求項1に記載の振動子。 - 前記基板の裏面に取り付けられた、発振回路を含む集積回路をさらに備え、
前記第1の電極及び前記第2の電極のそれぞれは、前記基板を貫通する配線を介して前記集積回路に接続されている
ことを特徴とする請求項2又は3のいずれか1項に記載の振動子。 - 前記振動体は、いずれかの面に窪みを有する逆メサ型の構造である
ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の振動子。 - 請求項1乃至5のいずれか1項に記載の振動子を複数備えた振動子アレイ。
- 前記複数の振動体は、第1の方向への並びが前記第1の方向と垂直な第2の方向に複数行存在するように前記基板に連設されており、隣り合う前記行間では、それぞれの振動体の前記第1の面または前記第2の面に対する法線方向が異なるように配置されている
ことを特徴とする請求項6に記載の振動子アレイ。 - 請求項1乃至5のいずれか1項に記載の振動子、又は請求項6又は7のいずれか1項に記載の振動子アレイを備えた電子機器。
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