WO1999013300A1 - Mass sensor and mass detection method - Google Patents

Description

明 細 質量センサおよび質量検出方法 技術分野

本発明は、 ナノグラム （1 0— ⁹ g ) オーダーの微小質量を測定する質量センサ、 例えば、 細菌、 ウィルス、 原虫等の微生物を検出するための質量センサ （免疫セ ンサ） や、 水分や有毒物質あるいは味覚成分等の特定化学物質の検出に使用され る質量センサ （水分計、 ガスセンサ、 味覚センサ） と質量検出方法に関し、 特に、 これら被検出体とのみ反応して被検出体を捕捉する捕捉物質を塗布した振動板の 質量変化に基づく共振周波数の変化を測定することで、 被検出体の質量を測定す る目的に好適に使用される質量センサおよび質量検出方法に関する。

また、 本発明の質量センサは、 上述のように、 振動板に塗布された捕捉物質の 質量変化を測定する、 すなわち、 間接的な振動板の質量変化を測定することに限 られず、 振動板自体の質量変化に基づく共振周波数の変化を検知することも、 当 然可能であるため、 蒸着膜厚計や露点計としても用いられる。

さらに、 直接的あるいは間接的に振動板の質量を変化させることがなくとも、 共振周波数の変化を起こさせる環境に置く、 すなわち、 真空度や粘性、 温度等の 異なる気体や液体等の媒体環境下に置くことによって、 真空計や粘性計、 温度セ ンサとしても使用することができる。

このように、 本発明の質量センサは、 その実施の形態により、 種々の用途があ る力 振動板および振動板を含む共振部の共振周波数の変化を測定するという基 本的な測定原理は同じものである。 背景技術

近年の科学技術、 医療技術の進歩と、 抗生物質や化学薬品等の新たに開発され る薬品により、 これまで治療が困難とされていた種々の病気についての治療が可 能となってきている。 一方で、 こうした医療文明に慣れた特に先進国においては、 人間の免疫抵抗力が低下し、 従来、 人間に危害を及ぼすことのなかった物質ゃ微 生物により種々の病気が発病するようになってきている。

病気と呼ばれるもののうち、 細菌やウィルス、 原虫といった微生物に起因する 病気については、 これらの病原体を見つけ出し、 それがいかなる種類のものかを 明らかにし、 さらに、 どのような薬剤に感受性があるかを決定する微生物検査が、 病気の治療に必要不可欠である。

現在では病状からおおよその原因、 病原体の種類を推測することが可能である ため、 微生物検査の第一段階では、 病気の種類によって血液等の種々の検体が選 ばれ、 検体中に存在する病原体を形態学的にあるいは、 検体中に存在する抗原あ るいは病原体の特異代謝産物 （毒素や酵素等） を免疫化学的に確認している。 こ の過程は、 細菌検査で行われている塗抹、 染色、 鏡検の作業であり、 最近は、 こ の段階で蛍光抗体染色や酵素抗体染色等により、 即時同定が可能となってきてい る。

また、 近年、 ウィルスの検出に用いられているウィルス血清検査法は、 患者の 血清中に出現する特異免疫抗体を証明する方法であり、 例えば、 試験血液へ補体 を加えることによって、 補体がその血液中の抗原もしくは抗体と反応して抗原も しくは抗体の細胞膜へ付着するか、 ある 、は細胞膜を破壊することにより抗体も しくは抗原の存在を決定する補体結合反応が例として挙げられる。

病状が従来に見られない新たなもので、 その病気がこれまでに未発見な新たな 病原体によるものである極めて特殊な場合を除けば、 微生物等による病気の治療 においては、 上述した微生物検査により、 早期に病原体を発見することで、 適当 な処置を施すことができ、 病状が悪化することなく病人を回復に導くことが可能 となる。

し力、しな力 ら、 上述した塗抹、 染色、 鏡検等の方法では、 微生物の量により検 出が困難な場合が多々あり、 必要に応じて検体を寒天培地等で培養するといった 時間を要する処理を行う必要がある。 また、 ウィルス血清検査法においては、 原 則として、 急性期と恢復期の両者について測定し、 その抗体量の動きから判定す る必要があり、 早期診断という観点から時間的な問題がある。

ところで、 上述した補体結合反応にみられるように、 被検出体たる特定の微生 物とのみ反応して被検出体を捕捉する捕捉物質と被検出体が反応した場合には、 非常に小さ 、が被検出体の質量の分だけ捕捉物質の質量が増加する。 このような 質量増加は、 特定のガス物質や臭い成分等の化学物質とその捕捉物質との関係に おいても同様であり、 さらに、 質量変化のない基板自体を捕捉物質と見立てて、 その基板に特定物質が析出、 付加等した場合にもあてはまる。 反対に、 捕捉物質 等に捕捉されていた被検出体が脱離するような反応が起こつた場合には、 捕捉物 質等の質量が微小に減少することとなる。

このような微小質量の変化を検出する方法として、 例えば、 米国特許 N o . 4 7 8 9 8 0 4には、 図 2 7に示されるように、 水晶振動子 8 1の対向する面に電 極 8 2 . 8 3を形成し、 この電極 8 2 · 8 3に何らかの物質が外部から付着した ときの電極面の面方向の水晶振動子 8 1の厚みすベり振動の共振周波数の変化を 利用して、 その質量変化を検出する質量センサ 8 0が開示されている。 そして、 このような質量センサ 8 0は、 基本的に、 水晶振動子 8 1の質量負荷の変化に基 づく共振周波数の変化を測定するものであるため、 例えば、 蒸着膜の膜厚や膜成 長を計測するための蒸着膜厚計あるいは水分計等としても使用が可能と考えられ る。

しかし、 このような水晶振動子 8 1を用いた場合には、 外部からの物質の付着 部と共振周波数の検出部とは同じ部位となるため、 例えば、 検体の温度あるいは 温度変化により質量センサ 8 0自体の圧電特性が変化した場合には、 共振周波数 が一定せず、 また、 検体が導電性溶液の場合には質量センサ 8 0をそのまま検体 に浸潰すると、 電極間の短絡を引き起こすために常に、 樹脂コーティング等の絶 縁処理を施さなければならないといつた不具合が生ずる。 発明の開示

本発明は上述した微小質量センサの問題点に鑑みてなされたものであり、 本発 明によれば、 以下に記す第 1から第 6の質量センサが提供される。

まず、 第 1の質量センサとして、 検出板の少なくとも一方の平板面上の少なく とも一部に圧電素子が配設され、 少なくとも 1枚の薄板状の振動板の一側面が、 当該振動板の平板面と当該検出板の平板面とが互 、に直交するように当該検出板 の一側面に接合され、 当該検出板の他の一側面がセンサ基板に接合されて、 当該 検出板と当該振動板および当該圧電素子から共振部が形成されてなることを特徴 とする質量センサ、 が提供される。

また、 第 2の質量センサとして、 連結板と振動板とが互いの側面において接合 され、 検出板が、 当該振動板と当該連結板との接合方向と直交する方向において、 当該連結板と互いの側面において接合され、 当該検出板の少なくとも一方の平板 面上の少なくとも一部に圧電素子が配設され、 当該連結板と当該検出板の少なく とも一部の側面が、 センサ基板側面に接合されて、 当該振動板と当該連結板と当 該検出板および当該圧電素子から共振部が形成されてなることを特徴とする質量 センサ、 が提供される。

さらに、 第 3の質量センサとして、 連結板と振動板とが互いの側面において接 合され、 2枚の検出板が、 当該振動板と当該連結板との接合方向と直交する方向 において、 当該連結板を挟持するように当該連結板と互し、の側面において接合さ れ、 少なくとも一方の当該検出板の少なくとも一方の平板面上の少なくとも一部 に圧電素子が配設され、 当該連結板と当該各検出板の少なくとも一部の側面が、 センサ基板の側面に接合されて、 当該振動板と当該連結板と当該各検出板および 当該圧電素子から共振部が形成されてなることを特徴とする質量センサ、 が提供 される。

ここで、 第 3の質量センサにおいては、 連結板を介して対向する各検出板にお いて、 一方の検出板の少なくとも一方の平板面に圧電素子が配設され、 他方の検 出板には、 この他方の検出板と当該連結板との接合方向に垂直な方向に 1以上、 好ましくは複数のスリツ 卜が形成されていることが好ましい。 また、 連結板を介 して対向する各検出板の少なくとも同方向の平板面にそれぞれ圧電素子が配設さ れ、 一方の検出板に配設された圧電素子における圧電膜の分極方向と、 他方の検 出板に配設された圧電素子における圧電膜の分極方向とが、 互いに連結板に対し て逆向きとすることが好ましい。

次に、 第 4の質量センサとして、 直接には接合されない連結板と検出板とが、 振動板との接合方向が互いに平行となるように、 当該振動板とそれぞれ側面にお I、て接合され、 当該連結板および当該検出板がセンサ基板の一側面に接合され、 当該検出板の少なくとも一方の平板面上の少なくとも一部に圧電素子が配設され て、 当該振動板と当該連結板と当該検出板および当該圧電素子から共振部が形成 されてなることを特徴とする質量センサ、 が提供される。

第 5の質量センサとして、 2枚の連結板によって、 振動板を互いの側面で接合 して挟持したもの力、'、 センサ基板に設けられた凹部の側部側面の間に跨設され、 2枚の検出板が、 当該各連結板が当該振動板を挟持する方向と直交する方向にお いて、 それぞれ当該各連結板と当該凹部の底部側面に跨設され、 当該各検出板の 少なくとも一方の平板面上の少なくとも一部に圧電素子が配設されて、 当該振動 板と当該各連結板と当該各検出板および当該圧電素子から共振部が形成されてな ることを特徴とする質量センサ、 が提供される。

ここで凹部とは、 対向する側面とそれら側面を接続する底部側面とからなるも のをいうカ、 本発明においては、 必ずしも底部側面は一平面である必要はなく、 底部側面に窪みを設けたり、 あるいは逆に突起部を設ける等、 振動板の振動や共 振周波数の測定に影響を及ぼさない限りにおいて、 種々に形状を変更することが できるものをいう。

さらに、 第 6の質量センサとして、 2枚の連結板によって、 振動板を互いの側 面で接合して挟持したものが、 センサ基板に設けられた貫通孔に跨設され、 少な くとも複数の検出板が、 当該各連結板が当該振動板を挟持する方向と直交する方 向において、 当該各連結板と当該貫通孔の側面との間もしくは当該振動板と当該 貫通孔の側面との間に跨設され、 少なくとも 1枚の当該各検出板の少なくとも一 方の平板面上の少なくとも一部に圧電素子が配設されて、 当該振動板と当該各連 結板と当該各検出板および当該圧電素子から共振部が形成されてなることを特徴 とする質量センサ、 が提供される。

ここで第 6の質量センサにあっては、 連結板もしくは振動板を介して対向する 各対の検出板において、 一方の検出板の少なくとも一方の平板面に圧電素子を配 設した場合には、 他方の検出板にはこの他方の検出板と連結板との接合方向に垂 直な方向に 1以上、 好ましくは複数のスリツトを形成することが好ましい。 また、 連結板もしくは振動板を介して対向する各検出板の少なくとも同方向の平板面に それぞれ圧電素子を配設した場合には、 一方の検出板に配設された圧電素子にお ける圧電膜の分極方向と、 他方の検出板に配設された圧電素子における圧電膜の 分極方向とを、 互いに連結板もしくは振動板に対して逆向きとすることが好まし い。

これら第 2〜第 6の質量センサにおいては、 連結板と振動板および検出板がお 互いに接合されるときに同一板平面を形成する、 すなわち、 これらの部材がほぼ 同一の厚みを有することが好ましい。 また、 検出板が、 連結板およびセンサ基板 により形成される凹部に嵌合され、 接合されている構造とすることも好ましい。 このため、 振動板と連結板および検出板が、 1枚の振動プレートから一体的に形 成され、 センサ基板が振動プレートとベースプレートを積層して、 一体的に形成 されていることが好ましい。

また、 連結板における一方の平板面もしくは両平板面に、 バネ板が貼合され、 そのパネ板が、 センサ基板もしくはバネ板補強部に接合されていることが好まし い。 このとき、 このパネ板が、 接着剤等を用いて貼合した構造ではなく、 振動プ レートとべ一スプレー卜との間に嵌挿されて一体化される中間プレートと一体的 に形成され、 もしくは、 振動プレートと一体的に形成されるパネ板補強部と一体 的に形成され、 さらに、 連結板とも一体的に形成されていることが好ましい。 な お、 このようなバネ板は、 連結板が複数枚あるときは、 連結板とパネ板が接合さ れた形状が同じになるようにすることが好ましい。 また、 バネ板に貼合され、 か つ、 センサ基板の側面に接合された補強板を設けることも好ましく、 ここで、 補 強板は、 バネ板およびセンサ基板と一体的に形成されていることが好ましい。 次に、 上述した本発明に係る全ての質量センサは、 振動板に被検出体とのみ反 応じて被検出体を捕捉する捕捉物質を塗布し、 捕捉物質に被検出体が捕捉されて いない状態、 および捕捉物質に被検出体が捕捉された後の状態における共振部の 共振周波数の変化を圧電素子により測定することにより、 捕捉された被検出体の 質量を測定する用途に好適に使用される。

そして、 これらの質量センサには、 共振部がセンサ基板に少なくとも 2箇所以 上設けられ、 1つの共振部における振動板には捕捉物質を塗布せずに参照用の共 振部とすることが好ましく、 他方、 各共振部に種類の異なる捕捉物質を塗布する、 すなわち、 1つのセンサ内に 2種類以上の異なる捕捉物質が別々に塗布された複 数の共振部を設けることもまた好ましい。 ここで、 共振部を 2箇所以上設けて各 共振部からの信号を積算することによりダイナミックレンジを大きくすることも できる。 そして、 このような共振部はセンサ基板内部に任意形状の貫通孔を形成 し、 この貫通孔の内周面に形成してもよい。

また、 1つの圧電素子を 2分割し、 一方を駆動用として用い、 他方を検出用と して用いると、 検出感度を高めることができ好ましい。 さらに、 圧電素子を 1つ の共振部に対して 2箇所配設し、 一方の圧電素子を駆動用として用い、 他方の圧 電素子を検出用として用いることにより検出感度を高めることも好ましい。 した がって、 1つの共振部に対して 2箇所配設された圧電素子のそれぞれを、 さらに 2分割してもよく、 この場合は、 駆動用と検出用とを組み合わせた圧電素子が、 2箇所に配設されることとなる。

さらに、 検体が導電性溶液である場合には、 質量センサを浸潰させた場合に、 振動板はその溶液に浸潰されるが圧電素子はその溶液に浸漬されないように、 セ ンサ基板上の振動板と圧電素子との中間位置に一対の電極からなる位置センサを 設けると、 質量センサを好適な位置に設置できるため、 好ましい。 また、 この圧 電素子および圧電素子の電極とこの電極に接続する電極リ一ドを樹脂あるし、はガ ラス等からなる絶縁コ一ティング層により被覆することで、 検体が導電性溶液で ある場合でも、 電極等の短絡を防止することも可能である。 さらに、 絶縁コ一テ イング層表面に、 導電性部材からなるシールド層を形成すると、 外部からの電磁 波等のノィズを減少させることが可能となり、 好ましい。

上述した本発明の質量センサを構成するセンサ基板、 振動板、 連結板、 検出板、 バネ板は、 安定化ジルコニァあるいは部分安定化ジルコニァを用いて一体的に形 成されていることが好ましく、 圧電素子の圧電膜としては、 ジルコン酸鉛、 チタ ン酸鉛、 マグネシゥムニオブ酸鉛からなる成分を主成分とする材料が好適に使用 される。 また、 振動板、 連結板、 検出板もしくはバネ板の形状をレーザ加工や機 械加工により トリ ミングして形状を調整することにより、 共振部の共振周波数の 調整や共振部の感度の調節、 振動の検出に不要な他の振動モードの抑制が行われ る。 さらに、 圧電素子における電極を、 レーザ加工もしくは機械加工して、 圧電 素子の有効電極面積を調整することも、 好ましい。

なお、 本願における圧電という語意は、 圧電作用ならびに電歪作用を含むもの とし、 例えば、 圧電素子と称するものには電歪素子が含まれ、 また、 圧電セラミ ックスには電歪セラミックスも含まれることを意味する。

次に、 本発明によれば、 上述した種々の質量センサの構造に応じた質量検出方 法が提供され、 まず、 少なくとも 1枚の薄板状の振動板の一側面が、 当該振動板 の平板面を検出板の圧電素子を配した平板面に直交するようにして、 当該検出板 の一側面に接合され、 当該検出板の他の一側面がセンサ基板に接合されてなる質 量センサにおいて、 当該振動板が、 当該振動板と当該検出板との接合面を固定面 として、 当該固定面の中心を垂直に貫通する垂直軸を中心として、 当該振動板の 側面に垂直かつ当該垂直軸に垂直な方向に振り子状に振動する 0モード揺れ振動、 もしくは、 当該垂直軸を中心として、 当該振動板の側面に垂直、 力、つ、 当該垂直 軸に垂直な方向への揺れが当該振動板の側面に平行な方向の揺れをともないなが ら振り子状に振動する øモード揺れ振動、 あるいは、 当該振動板の当該垂直軸方 向における振動、 の少なくともいずれかの振動に基づく共振周波数を、 当該圧電 素子により測定することを特徴とする質量センサの質量検出方法、 が提供される。 このような質量センサの質量検出方法は、 その構成から上述した本発明による 第 1の質量センサにおける質量検出方法として好適に採用される。

また、 本発明によれば、 連結板と振動板とが互いの側面において接合され、 少 なくとも 1枚の検出板が当該振動板と当該連結板との接合方向と直交する方向に おいて当該連結板と互いの側面において接合され、 当該連結板と当該検出板の少 なくとも一部の側面が当該センサ基板側面の一部に接合された、 少なくとも 1個 以上の圧電素子を有する質量センサにおいて、 当該振動板が、 当該連結板と当該 センサ基板との接合面を固定面として、 当該固定面の中心を垂直に貫通する垂直 軸を中心として、 当該振動板の側面に垂直、 かつ、 当該垂直軸に垂直な方向に振 り子状に振動する 0モード揺れ振動、 もしくは、 当該垂直軸を中心として、 当該 振動板の側面に垂直かつ当該垂直軸に垂直な方向への揺れが当該振動板の側面に 平行な方向の揺れを伴いながら振り子状に振動する øモ一ド揺れ振動、 の少なく ともいずれかの振動に基づく共振周波数を当該圧電素子により測定することを特 徴とする質量センサの質量検出方法、 が提供される。

このような質量センサの質量検出方法は、 その構成から上述した本発明による 第 2および第 3の質量センサにおける質量検出方法として好適に採用される。 さらに、 本発明によれば、 2枚の連結板によって、 振動板を互いの側面で接合 して挟持したものが、 センサ基板に設けられた凹部の側部側面もしくは貫通孔に 跨設され、 少なくとも複数の検出板が、 当該各連結板が当該振動板を挟持する方 向と直交する方向において、 当該各連結板と当該凹部の底部側面もしくは当該貫 通孔の側面との間あるし、は当該振動板と当該凹部の底部側面もしくは当該貫通孔 の側面との間に跨設されてなる少なくとも 1個の圧電素子を有する質量センサに おいて、 当該振動板が、 当該連結板と当該センサ基板との接合面を固定面として、 当該固定面の中心を垂直に貫通する垂直軸を中心として、 当該振動板の側面に垂 直、 かつ、 当該垂直軸に垂直な方向に振り子状に振動する 0モード揺れ振動、 も しくは、 当該垂直軸を中心として、 当該振動板の側面に垂直、 かつ、 当該垂直軸 に垂直な方向への揺れが当該振動板の側面に平行な方向の揺れをともないながら 振り子状に振動する øモード揺れ振動、 もしくは、 当該垂直軸を中心として、 当 該振動板の側面に垂直な方向であって、 力、つ、 当該垂直軸に垂直な方向に平行に 振動する揺れ振動、 または、 当該振動板の平板面内における回転振動、 の少なく ともいずれかの振動に基づく共振周波数を当該圧電素子により測定することを特 徴とする質量センサの質量検出方法、 が提供される。

このような質量センサの質量検出方法は、 その構成から上述した本発明による 第 5および第 6の質量センサにおける質量検出方法として好適に採用されるが、 検出板が連結板としての機能をも有する構造である第 4の質量センサにおいても、 好適に用いることができる。

上述の通り、 本発明の質量センサによれば、 質量センサ内に設けられた共振部 の共振周波数の変化という具体的な数値により、 確実にしかも短時間の間に振動 板に生じた微小質量の変化を知ることができ、 さらに、 測定操作が容易であると いう利点を有している。 したがって、 共振部の共振周波数を変化させる環境下に おくことによって、 種々の物理量や化学量を測定することが可能である。 例えば、 振動板の直接の質量変化を利用する蒸着膜厚計や露点計、 振動板の置かれた真空 度や粘性あるし、は温度といった環境を利用する真空計や粘性計ある 、は温度セン サ、 そして、 特に、 検体中における微生物や化学物質等の被検出体と選択的に反 応する捕捉物質を振動板に塗布し、 その質量変化を利用した被検出体の存在の有 無とその質量の測定に好適に用いることができる。 図面の簡単な説明

図 1は、 本発明の質量センサの一実施形態を示し、 （a ) 〜 （d ) はそれぞれ 振動板の位置と配置数を変えた実施形態の斜視図である。

図 2は、 本発明の質量センサに配設される圧電素子の一実施形態を示す斜視図 である。

図 3は、 本発明の質量センサに配設される圧電素子の別の実施形態を示す斜視 図である。

図 4は、 本発明の質量センサに配設される圧電素子のさらに別の実施形態を示 す斜視図であ.る。

図 5は、 本発明の質量センサの別の実施形態を示し、 （ a ) は平面図であり、 ( b ) は 0モード揺れ振動の説明図であり、 （c ) は øモード揺れ振動の説明図 である。

図 6は、 本発明の質量センサのさらに別の実施形態を示す平面図である。 図 7は、 本発明の質量センサのさらに別の実施形態を示し、 （a ) は平面図で あり、 （b ) 〜 （e ) は断面図である。

図 8は、 本発明の質量センサの駆動に関する説明図である。

図 9は、 本発明の質量センサのさらに別の実施形態を示し、 （a ) 、 （b ) は 平面図であり、 （c ) は断面図である。

図 1 0は、 本発明の質量センサのさらに別の実施形態を示す平面図である。 図 1 1は、 本発明の質量センサのさらに別の実施形態の外観を示す平面図であ る。

図 1 2は、 図 1 1記載の質量センサにおけるセンサ部の構造を示す平面図であ o

図 1 3は、 図 1 2記載の質量センサにおけるセンサ部の構造を示す斜視図であ る。

図 1 4は、 図 1 2記載の質量センサにおけるセンサ部の構造を示す別の斜視図 である。

図 1 5は、 本発明の質量センサのさらに別の実施形態を示す平面図である。 図 1 6は、 本発明の質量センサのさらに別の実施形態を示す平面図である。 図 1 7は、 本発明の質量センサのさらに別の実施形態を示し、 （a ) は平面図 であり、 （b ) は断面図である。

図 1 8は、 本発明の質量センサのさらに別の実施形態を示す平面図である。 図 1 9は、 本発明の質量センサのさらに別の実施形態を示し、 （a ) は平面図 であり、 （b ) 〜 （d ) は断面図である。

図 2 0は、 本発明の質量センサのさらに別の実施形態を示す平面図である。 図 2 1は、 本発明の質量センサのさらに別の実施形態を示す平面図である。 図 2 2は、 本発明の質量センサのさらに別の実施形態を示し、 （a ) 〜 （d ) および （f ) は検出板を連結板に接合した種々の構造を示した平面図であり、 ( e ) は検出板を振動板に接続した構造を示す平面図である。

図 2 3は、 本発明の質量センサの作製に用いられるセンサ基板用のグリーンシ

―卜の加工例を示す平面図である。

図 2 4は、 本発明の質量センサの作製の際に調整することが好ましい寸法形状 を示す説明図である。

図 2 5は、 本発明の質量センサの圧電素子の加工方法の一例を示す説明図であ る。

図 2 6は、 本発明の質量センサの作動特性を示す説明図である。

図 2 7は、 従来の微小質量センサの基本構造を示す断面図である。

図 2 8は、 従来の水晶摩擦真空計の水晶振動子の構造を示す斜視図である。 発明を実施するための最良の形態

以下、 本発明の実施形態について、 特に、 特定の被検出体とのみ反応してその 被検出体を捕捉する捕捉物質を振動板に塗布して用いる質量センサを中心に、 図 面を参照しながら説明する。

但し、 本発明には上述したように他に多くの用途があるため、 本発明が以下の 説明に限定されるものではないことはいうまでもない。 図 1 ( a ) は本発明の質量センサ 5 O Aの一実施形態を表す斜視図であり、 検 出板 5 1の少なくとも一方の平板面上には、 第一電極 5 2、 圧電膜 5 3、 第二電 極 5 4からなる圧電素子 5 5が設けられている。 なお、 圧電素子 5 5は、 検出板 5 1の両平面に設けてもよく、 第一および第二電極 5 2 · 5 4は、 周波数測定機 器等に接続するために使用される電極リード （図示せず） と接続される。

そして、 薄板状の振動板 5 6力 振動板 5 6の平板面と検出板 5 1の平板面と が互いに直交するように検出板 5 1の一側面に接合される。 ここで、 検出板 5 1 の側面とは、 圧電素子 5 5が配設される検出板 5 1の平板面と垂直な平面、 すな わち厚み方向の平面をいい、一側面とはその側面の一部をいう。 さらに検出板 5 1の他の側面、 ここでは振動板 5 6が接合された反対側の側面がセンサ基板 4 9 に接合されて、 振動板 5 6と検出板 5 1および圧電素子 5 5から共振部が形成さ れ、 質量センサ 5 0 Aが形成されている。

ここで、 振動板とは主に質量変化を起こさせる場もしくは受ける場であって、 後述する種々のモードで振動する要素をいい、 連結板とは振動板とセンサ基板な らびに検出板とを連結する要素をいい、 検出板とは振動板の動きよつて歪みを生 じ、 表面に配設した圧電素子等の検知素子にその歪みを伝達し、 もしくはその逆 に圧電素子等の駆動素子が発生する歪みないし振動を振動板に伝達する要素をい うものとする。 また、 センサ基板は、 共振部を保持すると共に、 測定装置へ取り 付けるための種々の電極端子を配設し、 実際の使用においてハンドリングに供さ れる要素をいう。

このような質量センサ 5 O Aの使用方法として、 例えば、 振動板 5 6に被検出 体とのみ反応してその被検出体を捕捉する捕捉物質を塗布し、 この振動板 5 6を 検体たる液体に浸潰し、 もしくは特定ガス等の気体雰囲気にさらして、 圧電素子 5 5により質量センサ 5 O Aの共振周波数の変化を測定する方法、 もしくは振動 板 5 6を検体たる液体に浸潰させた後に気体中で振動板 5 6を乾燥させて共振周 波数を測定する方法等が挙げられる。 なお、 このような被検出体の一例としては 病気の原因となる抗原を、 また、 捕捉物質してはこの抗原に対する抗体をそれぞ れ挙げることができる。

ここで、 質量センサ 5 O Aの共振周波数は、 共振部の質量、 特に振動板 5 6の 質量に依存して変化する。 すなわち、 振動板 5 6に被検出体が捕捉されていない 状態での共振部の共振周波数と、 被検出体が捕捉された後での共振部の共振周波 数とは、 捕捉された被検出体の質量の分に依存して異なる値を示す。 したカって、 この共振周波数の変化を圧電素子 5 5を用いて測定することにより、 振動板 5 6 に塗布された捕捉物質に捕捉された被検出体の質量を測定することが可能となる。 これと同じ原理により、 質量センサ 5 O Aは、 振動板 5 6の質量が初期状態か ら減少するような場合において、 その減少量を測定するために使用することも可 能である。 例えば、 塗布した捕捉物質が何らかの原因で剥離したときや、 振動板 5 6の材料自体の微小腐食や特定溶液に対する微小溶解量を調べる場合、 あるい は振動板 5 6に捕捉物質ではなく特定の化学物質を塗布して、 その化学物質の蒸 発、 溶解等による変化量を測定する目的にも好適に使用することができる。

このような質量センサ 5 O Aの構造は、 簡単には、 少なくとも 1枚の薄板状の 振動板 5 6の一側面が、 振動板 5 6の平板面を検出板 5 1の圧電素子 5 5を配し た平板面に直交するようにして、 検出板 5 1の一側面に接合され、 検出板 5 1の 他の一側面がセンサ基板 4 9に接合されてなる、 と表現することができるカ^ こ こで、 質量センサ 5 0 Aにおいて共振周波数の測定に用いられる振動板の振動モ 一ドとしては、 図 1 ( a ) 中の振動板 5 6と検出板 5 1との接合面を固定面とし て、 振動板 5 6がこの固定面の中心を垂直に貫通する垂直軸 （Y軸） を中心とし て、 振動板 5 6の側面に垂直な方向であって、 かつ、 Y軸に垂直な方向、 すなわ ち X軸方向に振り子状に振動する 0モード揺れ振動 （以下、 「0モード」 という） もしくは、 Y軸を中心として、 振動板 5 6の側面に垂直かつ Y軸に垂直な方向、 すなわち X軸方向への振り子状の振動であって、 しかも、 Y軸から離れるにした がって振動板 5 6の側面に平行な方向 （Z軸方向） へ大きくなる揺れを伴う 0モ ード揺れ振動 （以下、 「øモード」 という） 、 あるいは、 Y軸方向における振動 のうち、 少なくともいずれかの振動に基づく共振部の共振周波数を測定すること が好ましい。

なお、 これらの各種の変位モードは、 振動板 5 6の変位方向がそれぞれ前述し た方向に支配的であることを意味しているものであって、 記された方向以外の方 向成分を完全に排除しているものではない。 このことは、 以下、 種々の実施の形 態について説明する際に、 変位モードについて言及する場合にも同様に言えるこ とである。

ところで、 これら Sモード、 0モードについては、 後述する質量センサ 3 0と 同等であるので、 質量センサ 3 0に関する説明において詳細に解説することとす るが、 これらの振動モードは、 振動板 5 6の側面を利用した剛体モードであるこ と力、ら、 特に、 振動板 5 6もしくは質量センサ 5 O A全体を液体に浸潰して用い る場合に好適に用いられる。

また、 質量センサ 5 O Aを気体中で用いる場合には上記の振動モードに加え、 さらに図 1 ( a ) 中の Z軸方向への屈曲が支配的である曲げモードも有効に用い ることができる。 また、 曲げモードにおいては、 液体中での使用にあっては液体 からの粘性、 密度の影響が上記 0モード、 øモードに比べて大きいが、 共振周波 数を測定して質量変化を知ることはできる。 こうして、 振動板 5 6のこれら上述 の振動に起因して圧電膜 5 3に誘発される電圧を検出することにより、 振動板 5 6の共振周波数変化、 すなわち質量変化を知ることが可能となる。

さて、 上述した質量センサ 5 O Aの作動原理を用い、 図 1 ( a ) と同様に機能 する質量センサの実施形態として、 図 1 〔b ) 〜 （d ) に示すものを例示するこ とができる。 図 1 ( b ) に示した質量センサ 5 0 Bは、 図 1 ( a ) における 1枚 の振動板 5 6を 2枚平行に検出板 5 1の一側面に取り付けたものであり、 このよ うに振動板 5 6を複数枚配設することで、 ダイナミックレンジを向上させること が可能となる。

なお、 複数の振動板 5 6と検出板 5 1との接合位置は、 検出板 5 1におけるセ ンサ基板 4 9と検出板 5 1との接合側面以外の側面であれば特に限定されない。 また、 少なくとも 1枚の振動板 5 6が配設されていればよいので、 例えば、 図 1 ( c ) に示す質量センサ 5 0 Cのように、 振動板 5 6を検出板 5 1の側面のうち 検出板 5 1とセンサ基板 4 9との接合側面に垂直な側面において接合してもよく、 さらに、 図 1 ( d ) に示す質量センサ 5 0 Dのように対向する一対の側面に各 1 計 2枚の振動板 5 6を設けて、 質量センサ 5 0 Bと同様にダイナミックレンジの 向上を図ることもできる。

このとき、 振動板 5 6の検出板 5 1との接続位置を、 検出板 5 1のセンサ基板 4 9からなるベく離れた端部近傍とすると、 0モード、 øモードの Q値 （尖鋭値、 以下、 「Q値」 と記す） を大きくとることができる、 すなわち、 振動板 5 6の振 幅を大きくとることができ、 検出感度が向上するので、 好ましい。 なお、 上記図

1 ( a ) 〜図 1 ( d ) の質量センサ 5 0 A〜 5 0 Dの実施形態を任意に組み合わ せることができることはいうまでもない。

上述した質量センサ 5 0 A〜5 0 Dに配設される圧電素子 5 5の形態としては、 図 2に示す第一電極 5 2、 圧電膜 5 3、 第二電極 5 4が層状に形成された積層型 が代表的であるが、 図 3に示すような検出板 5 7上に圧電膜 5 8を配し、 圧電膜

5 8上部に第一電極 5 9と第二電極 6 0とカ、 一定幅の隙間部 6 1を形成した櫛 型構造を有する圧電素子 6 2 Aを用いることもできる。 なお、 図 3における第一 電極 5 9と第二電極 6 0は、 検出板 5 7と圧電膜 5 8との接続面の間に形成され てもかまわない。 さらに、 図 4に示すように、 櫛型の第一電極 5 9と第二電極 6 0との間に圧電膜 5 8を埋設するようにした圧電素子 6 2 Bも好適に用いられる。 ここで、 図 3および図 4に示した櫛型電極を用いる場合には、 ピッチ 6 3を小 さくすることで、 測定感度を上げることが可能となる。 このような図 2〜図 4記 載の圧電素子は、 後述する本発明の質量センサ全てに適用することができる。 さて、 質量センサ 5 0 A〜5 0 Dを用いて、 上述したように質量測定等を行う ことが可能であるが、 このような構造では、 振動板 5 6の面積が小さくならざる を得ず、 このため捕捉物質を塗布する面積が小さくなり、 また、 蒸着膜厚を測定 するときには質量変化が小さい等、 検出感度を高める点で限界がある。 さらに、 振動板 5 6に反りや湾曲が生ずる可能性があり、 加えて、 振動板 5 6のみが振動 するモードが強く現れるおそれもある。 そこで、 図 5 ( a ) に示す構造に変形し て用いると、 これらの問題が解決され、 好ましい。

すなわち、 図 5 ( a ) は本発明の質量センサの別の実施形態を示す平面図であ り、 質量センサ 3 0においては、 振動板 3 1と連結板 3 3とが互いの側面におい て接合され、 検出板 3 2が振動板 3 1と連結板 3 3との接合方向である Y軸方向 と直交する方向、 すなわち X軸方向において、 連結板 3 3と互いの側面において 接合されている。 そして、 検出板 3 2の少なくとも一方の平板面上の少なくとも 一部には圧電素子 3 5が配設されて、 検出部 3 6が構成され、 振動板 3 1カ^ セ ンサ基板 3 4と直接に接合されることなく、 連結板 3 3と検出板 3 2の少なくと も一部の側面が、 センサ基板 3 4側面に接合されている。 こうして、 振動板 3 1 と連結板 3 3と検出板 3 2および圧電素子 3 5から共振部が形成されて、 質量セ ンサ 3 0が形成されている。

ここで、 振動板 3 1と連結板 3 3および検出板 3 2は、 必ずしも同一の厚みを 有することを必要としないが、 好ましくは、 同一平板面を形成するように同じ厚 みを有し、 さらに好ましくは一体的に形成される。 そして、 このような振動板 3 1と連結板 3 3および検出板 3 2の厚みや接合に関する条件は、 後述する全ての 本発明に係る質量センサにおいても同様に適用される。 さらに、 連結板 3 3およ び検出板 3 2の側面は、 センサ基板 3 4と好ましくは一体的に形成される。 このような質量センサ 3 0の構造は、 簡単には、 連結板 3 3と振動板 3 1とが 互いの側面において接合され、 少なくとも 1枚の検出板 3 2カ^ 当振動板 3 1と 連結板 3 3との接合方向と直交する方向において、 連結板 3 3と互いの側面にお いて接合され、 連結板 3 3と検出板 3 2の少なくとも一部の側面が、 センサ基板 3 4側面の一部に接合された、 少なくとも 1個以上の圧電素子を有する質量セン サ、 と表現することができ、 質量センサ 3 0においては、 振動板 3 1が X軸と Y 軸の両方に垂直な Z軸方向 （図示せず） に屈曲するように振動する曲げモード、 あるいは Y軸を基軸として回転するように振動する軸回転モード、 もしくは、 振 動板 3 1が振動板 3 1の平板面内において Y軸を中心として Y軸と一定角度 0を なすように X軸方向に振り子状に振動する 0モード、 さらには、 Y軸を中心とし た X軸方向への振り子状の振動であり、 かつ、 Y軸から離れるにしたがって振動 板 3 1の側面に平行な Z軸方向 （図示せず） の揺れの成分が大きくなるように振 動する 0モ一ドの少なくともいずれかの振動モ一ドを利用することができる。 ここで、 上記 モードおよび øモードについてさらに詳細に説明する。 図 5

( b ) は、 0モードの説明図であり、 図 5 ( a ) の質量センサ 3 0を図 5 ( a ) 中の矢視 A A、 すなわち、 X軸上 Y軸方向からみた振動板 3 1の位置の変化の様 子を示している。 ここで、 振動板 3 1の上部端面 3 1 Fは、 振動していない状態 では位置 P 1にあるカ^ 前述の通り、 0モードにおいては、 振動板 3 1は振動板 3 1の平板面内、 すなわち、 X— Y平面内において Y軸を中心として Y軸と一定 角度 0をなすように X軸方向に振り子状に振動する。 このとき、 矢視 A Aにおい ては、 振動板 3 1の上部端面 3 1 Fの動きは、 X軸上の位置 P 2と位置 P 3との 間を往復移動する振動として表すことができ、 この振動運動を 0モードと定義す る。

次に、 図 5 ( c ) は 0モードの説明図であり、 図 5 ( b ) 同様に、 図 5 ( a ) 中の矢視 A Aから見た振動板 3 1の位置の変化の様子を示している。 ここでも振 動板 3 1の上部端面 3 1 Fは、 振動していない状態では位置 P 1にある。 前述の 通り、 0モードにおいては、 振動板 3 1は、 Y軸を中心として X軸方向へ振り子 状に振動するとともに、 Y軸から離れるにしたがって振動板 3 1の側面に平行な Z軸方向の揺れの成分が大きくなるように振動する。 すなわち、 矢視 A Aにおけ る振動板 3 1の上部端面 3 1 Fの動きは、 Z軸上の一点を中心 0とし、 位置 P 1 を通る円弧軌道 S上の位置 P 4と位置 P 5間を往復する振動として表される。 こ のときの、 振動板 3 1と中心 0とを結ぶ直線と Z軸とのなす角が øであり、 上記 振動モードを øモードと定義する。

さて、 これらの各種モードの振動により、 圧電素子 3 5の圧電膜に伸縮応力あ るいは橈み応力がかかり、 その応力の大きさに応じた電圧が発生する。 このとき の振動板 3 1と連結板 3 3および検出部 3 6からなる共振部の共振周波数を圧電 素子 3 5により測定する。 ここで共振部の共振周波数は、 主に振動板 3 1の質量 の変化に伴って変化することから、 振動板 3 1に何らかの物質が付着し、 あるい は離脱等して振動板 3 1の質量が変化した場合に、 前述した質量センサ 5 0 A〜 5 0 Dと同様にして、 その質量変化を共振部の共振周波数の変化から求めること ができる。 なお、 圧電素子 3 5を検出板 3 2の両平板面にそれぞれ配設し、 これ らの検出する信号を比較演算処理することにより、 ダイナミックレンジを大きく とることが可能となる。 さらに、 この場合、 一方の圧電素子 3 5を振動板 3 1の 駆動用 （励振用） に用い、 他方の圧電素子 3 5を検出用 （受振用） に用いること により、 検出感度を向上させることができる。

ここで、 さらに、 図 5 ( a ) において、 1つの圧電素子 3 5を、 Y軸方向に 2 つの圧電素子 3 5 A · 3 5 Bが形成するように配設し、 圧電素子 3 5 Aを駆動用 に使用し、 圧電素子 3 5 Bを検出用に用いると、 検出感度を向上させることがで き、 好ましい。 なお、 このような圧電素子 3 5の分割形成は、 1つの圧電素子 3 5を配設した後に、 レーザ加工等により分割する方法、 あるいは圧電素子 3 5を 配設する際に、 最初から分割して配設する方法のいずれを用いてもよい。 これら 複数の圧電素子の配設とそれぞれの圧電素子 3 5の分割および使用方法は、 本発 明に係る全ての質量センサに適用することができる。

さて、 前述の曲げモードを利用して振動板 3 1を液体に浸潰して共振周波数を 測定する場合には、 振動板 3 1は振動板 3 1の面積の大きさに応じて液体からの 抵抗を受け、 振動板 3 1の微小質量変化をとらえ難くなる欠点がある。 しかし、 検体が気体の場合にはこの抵抗が小さいために曲げモ一ドを用いることができる 力べ、 このときには、 振動板 3 1の Y軸方向の長さと X軸方向の長さを短くとるこ とが好ましい。

また、 Y軸を中心軸とする回転モードにおいては、 連結板 3 3の幅 （X軸方向 の幅） を振動板 3 1へ延長した部分の振動板 3 1の Y軸近傍での振動板 3 1の質 量変化は、 振動板 3 1の回転振動にほとんど影響をおよぼさず、 また、 振動板 3 1の左右端における同じ質量変化よりも回転振動に寄与しないことから、 振動板 3 1において質量変化が起こる位置によって測定感度に問題が生ずる。 この場合、 図 6に示す質量センサ 3 O Aのように、 振動板 3 1の形状を凹型とし、 Y軸近傍 の面積を小さくすることで測定誤差を小さくすることができる。 ここで、 質量変 化が同じで、 付着位置での測定誤差を小さくするためには、 寸法 を短くし、 ダ ィナミックレンジを上げるためには寸法 H ₂を長くすることが好ましい。

これに対し、 0モードもしくは øモードを用いた場合には、 検体が液体、 気体 であるかの別を問わず、 図 5に示した寸法 H ₃、 H ₄を短くすることで、 付着物質 の振動板 3 1への付着位置による影響を小さくすることができ、 しかも、 振動板 3 1の厚みが薄いために密度や粘性等の影響が小さく、 また、 振動板 3 1は剛体 モードとして動作するために温度変化に強く、 最も検出感度と対環境性に優れた ものとなる。 したがって、 本発明の質量センサにおいては 0モードもしくは 0モ ードを用いることが好ましい。

次に、 本発明においては、 連結板における一方の平板面もしくは両平板面に、 パネ板が貼合され、 このバネ板がセンサ基板もしくはバネ板補強部に接合されて いる構造も好適に採用できる。 図 7 ( a ) は、 前述した質量センサ 3 0にパネ板 3 8およびバネ板補強部 3 9を配設した実施形態たる質量センサ 4 O Aの平面図 である。 また、 図 7 ( b ) 〜 （e ) は、 バネ板 3 8およびバネ板補強部 3 9の配 設例を示す Y軸における X軸方向から見た種々の断面図を示している。

バネ板 3 8は連結板 3 3の少なくとも一方の平板面に接合されるが、 その幅は、 図 7 ( a ) に示されるように連結板 3 3よりも狭くともよいが、 連結板 3 3の幅 と同じとすることが好ましい。 また、 連結板 3 3の両平板面に同じ材質からなる バネ板 3 8を配設するときにはそれらの形状を同じくすることが好ましいが、 バ ネ板 3 8の材質を連結板 3 3の各平板面で異ならしめるときには、 各バネ板 3 8 を同形状とする必要はなく、 各バネ板 3 8のヤング率等を考慮して、 適宜好適な 形状に設定することができる。

このようなバネ板 3 8は、 原則としてセンサ基板 3 4とも接合されるカ^ この とき連結板 3 3のセンサ基板 3 4との接合位置により、 パネ板補強部 3 9の配設 の必要性の有無が判断される。 すなわち、 図 7 ( b ) · ( c ) に示すように、 ノく ネ板 3 8が直接にセンサ基板 3 4に接合できるような位置に連結板 3 3が接合さ れている場合には、 センサ基板 3 4がバネ板補強部 3 9の機能を兼ねるためにバ ネ板補強部 3 9を別途設ける必要はない。 またこのとき、 バネ板 3 8は、 連結板 3 3の一方の平板面にのみ配設してもよい。

し力、しなカ ら、 図 7 ( d ) に示されるように、 連結板 3 3がセンサ基板 3 4の 端部に接合されている場合には、 バネ板 3 8 Aについてはセンサ基板 3 4カバネ 板補強部 3 9の機能を兼ねるが、 バネ板 3 8 Bについては、 バネ板 3 8 Bを支持 する部位としてパネ板補強部 3 9を設けることが好ましい。 なお、 図 7 ( e ) に 示すように、 連結板 3 3がセンサ基板 1 2端部に接合されている場合であっても、 センサ基板 1 2に接合することができるバネ板 3 8 Aのみを設け、 バネ板 3 8 B を設けない場合には、 バネ板補強部 3 9は必要ではない。

こうして、 パネ板 3 8を設けることにより、 共振部の機械的強度が高められる。 また、 これにより連結板 3 3および振動板 3 1の薄肉化が図れ、 液体中での測定 における共振ピークの減衰が少なくなるといった利点がある。 さらに、 連結板 3 3の両平板面にバネ板 3 8を設けた場合には、 圧電素子 3 5により振動板 3 1を 励振させるときに、 連結板 3 3とバネ板 3 8から構成されるバネ部の重心点を励 振できるため、 振動板 3 1が 0モードに揺れやすくなり、 好ましい。

ここで、 図 7 ( c ) 、 ( d ) に示した実施形態における X軸上 Y軸方向から見 た断面図をそれぞれ図 8 ( a ) 、 ( b ) に示すが、 図 8 ( a ) においては、 圧電 素子 3 5は、 バネ板 3 8 Aとバネ板 3 8 Bおよび連結板 3 3の中心 0を X軸方向 に励振できるために、 振動板 3 1および共振部全体が X軸方向の Sモードに揺れ やすくなる。 これに対し、 図 8 ( b ) の場合には、 バネ板 3 8 Aとバネ板 3 8 B および連結板 3 3の中心 0が連結板 3 3上にないために、 バネ板 3 8 A自体の有 する剛性に起因して回転モ一ドが抑制されているにもかかわらず、 圧電素子 3 5 による X軸方向の駆動力 （矢印 S ! ) は、 中心◦に対して回転力 （矢印 S ₂ ) とし て加わり、 回転モードが生じ易くなる。

前述のように、 バネ板 3 8を設けた場合には、 さらに図 9の質量センサ 4 0 B に示すように、 バネ板 3 8に貼合され、 かつ、 センサ基板 3 4の側面に接合され るような補強板 4 1を設けることも好ましい。 なお、 図 9 ( a ) 、 （b ) は、 質 量センサ 4 0 Bを表裏それぞれの面からみた正面図を示し、 図 9 ( c ) は、 図 9 ( b ) 中の X軸における Y軸方向から見た断面図を示したものである。 ここで、 補強板 4 1は、 連結板 3 3に取り付けられたバネ板 3 8 Aに貼合され、 かつ、 セ ンサ基板 3 4の直角に切り欠けられた側面に接合されている。 さらに、 補強板 4 1は、 バネ板 3 8およびセンサ基板 3 4と一体的に形成されていることが好まし い。

このような構造とすることにより、 振動板 3 1は 0モードおよび øモ一ドにお いて共振し易くなるため、 Q値の減衰が小さくなり、 検出感度が向上するといつ た利点がある。 そのため、 特に、 液体中での測定に好適に使用することができる。 なお、 上述したパネ板は、 連結板が構成部材として使用されている本発明に係 る全ての質量センサに適用されるものであることはいうまでもなく、 このバネ板 は後述する本発明の質量センサの製造方法に記されるように、 振動プレートとべ —スプレートとの間に嵌挿されて一体化される中間プレートと一体的に形成され、 もしくは、 振動プレートと一体的に形成されるバネ板補強部と一体的に形成され、 さらに、 各連結板とも一体的に形成されていることが好ましい。 また、 上述した質量センサ 3 0等における振動板 3 1の平板面の形状は図 5 ( a ) や図 7 ( a ) 、 図 9に示したような長方形に限定されるものではなく、 図 1 0 ( a ) - ( c ) の質量センサ 3 0 B〜3 0 Dに示されるように、 円形、 三角 形、 逆凹型をはじめ、 多角形や楕円形、 長円形等の種々の任意の形状のものを用 いることが可能である。 そして振動板 3 1は、 図 1 0 ( d ) の質量センサ 3 0 E に示されるように、 Y軸について対称となるように連結板 3 3と接合されなくと もよい。 このように振動板 3 1の形状を任意に選択することができることもまた、 本発明の全ての質量センサに適用される。

次に、 上述した質量センサ 3 0にバネ板を一枚のみ貼合し、， センサ基板内に組 み込んだ質量センサの実施形態を図 1 1に示す。 ここで、 質量センサ 1において、 上述したバネ板とバネ板補強部および補強板を形成することや、 振動板の形状を 任意に変更することが可能なことはいうまでもない。

図 1 1は、 質量センサ 1を振動プレート 3側からみた平面図であり、 質量セン サ 1は左右対称の形状となるように設計されている。 なお、 振動プレート 3は後 述するべ一スプレート 1 5および中間プレート 1 7とともにセンサ基板 2を構成 している。 そして、 センサ基板 2に設けられた孔部 8は質量センサ 1のパッケ一 ジングおよび製造工程において利用されるァライメン卜マークとして設けられる ものであり、 後述する振動板 1 9と連結板 2 0および検出板 2 1と圧電素子 2 5、 さらにバネ板 1 8からなる共振部 2 6カ、 一方を参照用等として使用する目的か ら 2箇所に設けられている。 なお、 1つの質量センサ 1に形成される共振部 2 6 の数を参照用を含めて 2箇所以上とすることにより、 各共振部 2 6からの信号を 積算してダイナミックレンジを大きくとることが可能となる。

また、 位置センサ電極 4 · 5は、 質量センサ 1を水溶液等の導電性を有する検 体に浸潰させたときに、 検体によって導通し、 質量センサ 1の浸漬位置を検出す るものである。 検体が導電性を有する場合には、 位置センサ電極 4 · 5の水平方 向に形成されたパターンから上部を検体に浸漬させ、 位置センサ電極 4 · 5力応 答した位置より深くは質量センサ 1を検体に浸漬させないようにすることにより、 後述する圧電素子 2 5 (図 1 1には示さず） における第二電極 2 4および第一電 極 2 2とこれらの電極からそれぞれ引き出される電極リード 9 · 1 0の短絡を防 止することができる。 なお、 位置センサ電極 4 · 5の一端部には端子部 6 · 7が、 電極リード 9 · 1 0の一端部には端子部 1 1 · 1 2がそれぞれ設けられており、 これら端子部がそれぞれの検出装置の端子等に接続される。

但し、 圧電素子 2 5および電極リード 9 · 1 0を絶縁樹脂等でコ一ティングし た場合には、 質量センサ 1を導電性の検体に浸潰させた場合でも圧電素子 2 5お よび電極リード 9 · 1 0が短絡することがないので、 位置センサ電極 4 · 5およ び端子部 6 · 7は設けなくともよい。

図 1 2は図 1 1におけるセンサ部 1 3のべ一スプレート 1 5側、 つまり、 図 1 1における振動プレート 3の裏面側からみた拡大平面図であり、 また、 図 1 3は 図 1 2に示した切欠部 1 6近傍の斜視図である。 なお、 センサ部 1 3とは、 質量 センサ 1内に設けられた共振部 2 6とその周辺のセンサ基板 2からなる質量セン サ部分を指す。

図 1 2および図 1 3に示されるように、 ベ一スプレート 1 5には凹型形状の切 欠部 1 6を有する貫通孔 1 4が設けられている。 また、 ベ一スプレート 1 5と重 なる中間プレート 1 7にも同様の切欠部 1 6が形成されているカ、 中間プレート 1 7においては、 切欠部 1 6の底辺の中央部から貫通孔 1 4の中心に向かう略角 柱状のバネ板 1 8が形成されている。 ただし、 この中間プレー卜 1 7およびバネ 板 1 8は、 必ずしも必要ではなく、 共振部 2 6の強度や質量センサ 1の検出感度 の調整といった必要性に応じて質量センサ 1を構成する部材として用いられるも のである。

振動プレート 3の切欠部 1 6には、 バネ板 1 8に接合される連結板 2 0と、 連 結板 2 0の上端辺部に接合され、 ノくネ板 1 8とは接合されない振動板 1 9が形成 されている。 さらに、 振動プレート 3の切欠部 1 6において、 検出板 2 1が連結 板 2 0の一方の側面と切欠部 1 6の対向する側面との間に跨設されている。

図 1 4には図 1 2に示した切欠部 1 6近傍を振動プレート 3側からみた斜視図 を示す。 検出板 2 1の振動プレート 3側の表面には、 第一電極 2 2、 圧電膜 2 3、 第二電極 2 4をこれらの順に積層して形成した圧電素子 2 5が配設され、 さらに、 第二電極 2 4は電極リード 9と、 第一電極 2 2は電極リード 1 0と接続されてい る。 こうして、 検出板 2 1と圧電素子 2 5とから検出部 2 9が構成され、 パネ板 1 8、 振動板 1 9、 連結板 2 0および検出部 2 9から共振部 2 6が構成される。 ここで、 質量センサ 1においては、 検出板 2 1の一方の平板面上に圧電素子 2 5が配設されているだけであるが、 圧電素子 2 5は検出板 2 1の両平板面に配設 してもよく、 この場合には、 検出部 2 9の構造が対称性を有するようになるので、 検出板 2 1の剛性を合わせることができる。

また、 質量センサ 1においては、 図 1 3に示されているように、 検出板 2 1と 振動プレート 1 9における切欠部 1 6の下辺部に間隙部 2 7が形成されているが、 図 1 5に示される質量センサ 4 2のように、 この間隙部 2 7を形成しないように して検出板 2 1を、 振動プレート 1 6における切欠部 1 6の下辺部に接合された 構造とする、 すなわち、 検出板 2 1力、 連結板 2 0およびセンサ基板 2により形 成される凹部に嵌合され、 接合されている構造とすると、 連結板 2 0および Zま たはバネ板 1 8から構成されるパネ部の屈曲を抑制でき、 圧電素子 2 5に加わる 応力を大きくすることができるので好ましい。

さて、 上述した質量センサ 1においては、 センサ基板 2内に設けた貫通孔 1 4 の周囲を利用してセンサ部 1 3を設けているが、 センサ部 1 3は、 もちろん、 セ ンサ基板 2の外周部、 例えば、 図 1 1における上辺部に設けても構わない。 しか しな力 ら、 図 1 1〜 1 4に示したセンサ部 1 3の構造から明らかなように、 薄板 状の振動板 1 9は切欠部 1 6から突出した位置に設けられることが多いことから、 質量センサ 1の取り扱い時に振動板 1 9を破損しないようにする等、 外的な衝撃 から共振部 2 6を保護することを考え、 図 1 1に示したように、 センサ基板 2の 内部にセンサ部 1 3を設ける構造を採用することが好ましい。 また、 このような 構造は後述する質量センサ 1の製造工程を容易にすることからも好まし 、。

次に、 上述した質量センサ 1におけるセンサ部 1 3に代替することのできる種 々の質量センサの実施形態について説明する。 図 1 6 ( a ) は本発明の別の実施 形態である質量センサ 4 3 Aを示す平面図である。 質量センサ 4 3 Aは、 連結板 2 0と振動板 1 9とが互いの側面において接合され、 2枚の検出板 2 1 A · 2 1 Bカ、 振動板 1 9と連結板 2 0との接合方向と直交する方向において、 連結板 2 0を挟持するようにして連結板 2 0と互し、の側面にぉ 、て接合され、 さらに各検 出板 2 1 A · 2 1 B力、'、 図 1 5に示した質量センサ 4 2における検出板 2 1と同 様に、 センサ基板 2とも接合されて 3辺で支持 ·固定された構造を有しており、 この 3辺支持により高感度化が図られている。 但し、 各検出板 2 1 A · 2 1 Bは、 連結板 2 0とセンサ基板 2により形成される凹部の下辺とは、 必ずしも接合され る必要はない。

そして、 少なくとも一方の検出板の少なくとも一方の平板面上の少なくとも一 部に、 第一電極と圧電膜および第二電極からなる圧電素子が配設されるカ、 図 1 6においては、 検出板 2 1 A · 2 1 Bの両平板面に、 圧電素子 2 5 A〜2 5 D力 配設されており、 振動板 1 9と連結板 2 0と検出板 2 1 A · 2 1 Bおよび圧電素 子 2 5 A〜2 5 Dから共振部が形成される。 但し、 圧電素子 2 5 A〜2 5 Dは、 全てを配設しなければならないものではなく、 検出板 2 1 Aもしくは 2 1 Bの任 意の場所に任意の数だけ設けてもよい。

この質量センサ 4 3 Aのように、 複数の圧電素子 2 5 A〜2 5 Dを設けると、 各検出板 2 1 A · 2 1 Bにおける剛性を合わせることができるのみでなく、 各圧 電素子 2 5 A〜 2 5 Dからの信号を積算、 演算等することにより、 0モード、 φ モードの Q値を上げ、 回転モードの Q値を下げることができるので、 共振周波数 の測定をより高精度に行うことができるようになる。 さらに、 各圧電素子 2 5 A 〜2 5 Dのうち、 少なくとも 2つを配設した場合には、 一方を駆動用として用い、 他方を検出用として用いると、 検出感度を向上させることができる。 ここで、 質 量センサ 3 0において圧電素子 3 5を圧電素子 3 5 A · 3 5 Bに分割したように、 これらの圧電素子 2 5 A〜 2 5 Dを、 それぞれ同様に分割して用いると、 検出感 度の向上が図られ、 好ましい。

また、 検出板 2 1 A · 2 1 Bの同じ向きの平板面に、 例えば、 それぞれ圧電素 子 2 5 A · 2 5 Cが配設され、 これら圧電素子 2 5 Aと 2 5 Cにおける圧電膜の 分極方向を、 互いに逆向きとする構成をとることも、 出力電荷の向上に寄与し、 好ましい。 もちろん、 検出板 2 1 A · 2 1 Bの両方の平板面においてこのような 構成とすることも好ましい。 さらに、 図 1 6 ( b ) に示す質量センサ 4 3 Bのよ うに、 圧電素子 2 5 A〜2 5 Dの少なくとも一つ、 例えば、 圧電素子 2 5 C · 2 5 Dの少なくとも一方向を 3辺支持の一辺もしくは二辺に重ねる構造とすると、 高感度化でき、 好ましい。 但し、 この場合でも、 圧電素子 2 5 A〜 2 5 Dは、 連 結板 2 0およびバネ板を設けた場合のそのバネ板には重ならないようにすること が必要である。

ここで、 質量センサ 4 3 A · 4 3 Bにバネ板を貼合した場合においては、 質量 センサ 4 0 Bのようにバネ板補強部あるし、は補強板を設けることが可能であり、 例えば、 補強板については、 パネ板に貼合され、 力、つ、 補強板の側面が、 検出板 2 1 A · 2 1 Bとセンサ基板 2との接合面たるセンサ基板 2の側面 （切欠部 1 6 の横側面） 、 および連結板 2 0とセンサ基板 2との接合面たるセンサ基板 2の側 面 （切欠部 1 6の底部側面） の 3辺において接合されるように形成する。 これに より、 0モードの Q値を向上させることができ、 かつ、 圧電素子の屈曲モード

(センサ基板と連結板との間で曲がるモ一ド） の共振周波数を高くすることがで き、 さらに、 Sモードの高周波数化が図れ、 高感度化が図れるので、 好ましい。 また、 図 1 6 ( c ) に示した質量センサ 4 3 Cは、 質量センサ 4 3 Aにおける 連結板 2 0の長手方向中央部にスリット 4 8を設けた実施形態を示したものであ る。 スリット 4 8は空洞であり、振動板 1 9の 0モード、 øモ一ドでの振動を起 こり易くし、 共振周波数の認識を容易にする機能を有する。 また後述するように、 連結板 2 0の質量を減少させ、 検出感度を向上させる機能をも有する。 さらに、 パネ板を設ける際に、 バネ板をこのような空洞を有する形として連結板と一体化 してもよい。

さて、 図 1 6 ( a ) に示すように 1箇所の共振部に検出板を 2箇所設ける場合 には、 図 1 7 ( a ) に示すように、 各検出板 2 1 A · 2 1 Bの長さ N iと N ₂なら びに幅 と M₂とを変えて、 一方の面積を広く取ることで振動板 1 9の駆動力を 上げ、 一方を狭く取ることで、 モード、 øモードの Q値を上げることができる。 さらに、 図 1 7 ( b ) は図 1 7 ( a ) の X軸における Y軸方向から見た断面図で あるが、 各検出板 2 1 A · 2 1 Bの幅 M iと M₂を変えることにより、 圧電素子 2 5 A · 2 5 Bと検出板 2 1 A · 2 1 Bとで決定される検出板 2 1 A · 2 1 Bの屈 曲変位振動 （図 1 7 ( b ) 中の矢印 G ) の固有振動数をそれぞれ f ,、 f ₂と変え、 例えば、 一方を駆動用圧電素子、 他方を検出用圧電素子とすることにより、 Sモ ード、 0モードの Q値を大きくさせたり、 感度を上げることができる。 また、 固 有振動数 f ！と f ₂のいずれか小さい方の圧電素子を駆動用に、 大きい方の圧電素 子を故障診断用に用いることも可能となる。

図 16あるいは図 17に示したように、 1箇所の共振部に検出板を 2箇所ほど 設けた場合には、 さらに、 図 1 8に示すように、 一方の検出板、 例えば、 検出板 21 Bに圧電素子 25 C · 25 Dの少なくとも 1つを設け、 他方の検出板 21 A において、 検出板 21 Aと連結板 20との接合方向に垂直な方向にスリット 28 が形成されている構造とすることもまた、 好ましい。 このような構造とすること で、 回転モードの振動を抑えることができ、 0モード、 øモードの Q値を大きく 取ることができるようになると共に、 共振点のずれを大きくして共振周波数の変 化幅の絶対値を大きくとることができるようになる。 なお、 スリット 28は 1箇 所のみ設けてもよいが、 複数箇所設けると前述した効果が顕著に得られ、 好まし い。

次に、 図 19 ( a ) は、 図 16 ( a ) 記載の質量センサ 43 Aの形態を、 セン サ基板 2の貫通孔 14に形成した実施形態である質量センサ 43Dの平面図を示 しており、 図 19 (b) は、 図 19 (a) 中の破線 AAにおける断面図を示して いる。 質量センサ 43Dにおいては、 2個の圧電素子 25Α · 25 Cが配設され ており、 圧電素子 25 A · 25 Cにはそれぞれ電極リード 9 · 10が設けられて いる。 そして圧電素子 25 A · 25 Cおよび電極リード 9 · 10を覆うように絶 縁コ一ティング層 65が形成されている。 この絶縁コ一ティング層 65により、 質量センサ 43Dの共振部を導電性の検体に浸潰させた場合であっても、 圧電素 子 25A · 25 Cおよび電極リード 9 · 10の短絡が防止される。

また、 質量センサ 43Dには、 絶縁コ一ティング層 65を覆うように、 導電性 部材からなるシールド層 66が形成されており、 シーノレド層 66はスルーホール 67を通じてセンサ基板 2の両面に形成されている。 0. l ngオーダーの微小 質量を検出する場合においては、 外部からの電磁波を遮断し、 共振周波数の判定 誤差を小さくする上で、 センサ基板 2から計測器への配線は勿論のこと、 センサ 基板 2上の配線部分 （圧電素子 25A · 25 C、 電極リード 9 · 10) について もシールドすることが好ましし、。

シールド層 66の配設の形態としては、 図 19 (b) に示されるように、 セン サ基板 2を挟み込むように形成する形態の他、 図 19 (c) の断面図に示される ように、 センサ基板 2上の配線部分のみを囲う形態や、 図 1 9 ( d ) に示すよう に、 配線部分を上部片側のみでシールドする形態が挙げられる力、 中でも、 図 1 9 ( b ) 、 （c ) に示すような配線部分全体をシールドする形態が好ましい。 な お、 図 1 9 ( a ) においては、 スルーホール 6 7を用いてセンサ基板 2の各面に 形成されたシールド層 6 6が導通しているが、 センサ基板 2の側面を利用して、 この導通を図ってもよい。 これら、 絶縁コーティング層 6 5およびシールド層 6 6の形成に好適に用いられる材料の詳細につし、ては、 質量センサに使用される材 料について後述する際、 併せて説明することとする。

図 2 0は、 本発明のさらに別の質量センサの実施形態を示す平面図であり、 図 2 0 ( a ) に示す質量センサ 4 4 Aにおいては、 連結板 2 0と検出板 2 1とは直 接に接合されることなく、 連結板 2 0と検出板 2 1カ、 それぞれ振動板 1 9との 接合方向が互いに平行となるようにして、 振動板 1 9とそれぞれ側面において接 合され、 振動板 1 9がセンサ基板 2に接合されることなく、 連結板 2 0および検 出板 2 1力 センサ基板 2の側面に接合されている。 すなわち、 検出板 2 1は連 結板 2 0としての機能をも有する。

そして、 検出板 2 1の少なくとも一方の平板面上の少なくとも一部に圧電素子 2 5が配設されて、 振動板 1 9と連結板 2 0と検出板 2 1および圧電素子 2 5か ら共振部が形成されている。 これに対し、 図 2 0 ( b ) に示した質量センサ 4 4 Bは、 2枚の検出板 2 1 A · 2 1 Bを連結板 2 0の両側に配し、 各検出板 2 1 A • 2 1 Bのそれぞれに圧電素子 2 5 A · 2 5 Bを配設している。

このような質量センサ 4 4 A · 4 4 Bにおいては、 振動板 1 9の振動は、 振動 板 1 9の平板面内で起こりやすくなるため、 0モードでの測定に適し、 振動板 1 9の回転モードの振動が抑えられる。 また、 振動板 1 9の振動が直接に検出板を 介して圧電素子 2 5に伝達されるため、 検出感度が高くなる利点がある。

続いて、 図 2 1 ( a ) 〜 （c ) は、 本発明のさらに別の質量センサの実施形態 を示す平面図である。 先ず、 図 2 1 ( a ) に示す質量センサ 4 5 Aにおいては、 振動板 7 2が 2枚の連結板 7 4 A · 7 4 Bにより挟持されるようにして互いの側 面において接合され、 各連結板 7 4 A · 7 4 Bの側面が、 センサ基板 7 0の凹部 7 6の側面に跨設されている。 ここで凹部 7 6は、 例えば、 質量センサ 1におい て形成されている切欠部 1 6と同様のものであり、 したがって、 図 1 1に示した センサ基板 2の外周部やセンサ基板 2に設けられた貫通孔 1 4と同様にして、 セ ンサ基板 7 0側面等に形成されてもよい。

そして、 検出板 7 3 A · 7 3 B力 各連結板 7 4 A · 7 4 Bが振動板 7 2を挟 持する方向、 すなわち Y軸方向と直交する方向において、 それぞれ各連結板 7 4 A · 7 4 Bと凹部 7 6の底部側面に跨設され、 さらに、 各検出板 7 3 A · 7 3 B の少なくとも一方の平板面上に圧電素子 7 5 A · 7 5 Bが配設されて、 振動板 7 2と各連結板 7 4 A · 7 4 Bと各検出板 7 3 A · 7 3 Bおよび圧電素子 7 5 A · 7 5 Bから共振部が形成されている。

質量センサ 4 5 Aの構造は、 簡単には、 振動板 7 2が 2枚の連結板により挟持 されるようにして互いの側面において接合され、 各連結板 7 4 A · 7 4 Bの側面 が、 センサ基板 7 0に設けられた貫通孔もしくは間隙の側面に跨設され、 少なく とも複数の検出板 7 3 A · 7 3 B力 各連結板 7 4 A · 7 4 Bが振動板 7 2を挟 持する方向と直交する方向において、 各連結板 7 4 A · 7 4 Bと貫通孔もしくは 間隙との側面に跨設されてなる少なくとも 1個の圧電素子を有する質量センサ、 と表すことができる。

このような質量センサ 4 5 Aにおいては、 各連結板 7 4 A · 7 4 Bとセンサ基 板 7 0との接合面を固定面として、 振動板 7 2がその固定面の中心を垂直に貫通 する垂直軸、 すなわち Y軸を中心として、 振動板 7 2の側面に垂直かつ Y軸に垂 直な方向、 すなわち X軸方向に振り子状に振動する 0モード揺れ振動、 もしくは、 振動板 7 2が Y軸を中心として X軸方向への揺れが振動板 7 2の側面に平行な方 向、 すなわち Z軸方向 （図示せず） の揺れをともないながら振り子状に振動する øモード揺れ振動、 もしくは Y軸を中心として X軸方向に振動する揺れ振動、 も しくは、 振動板 7 2の平板面内における回転振動、 の少なくともいずれかの振動 に基づく共振部の共振周波数を、 検出板 7 3 A · 7 3 Bに設けた圧電素子 7 5 A • 7 5 Bにより測定することが可能である。

なお、 後述する質量センサ 4 6 A〜4 6 Fの構造も、 簡単には、 質量センサ 4 5 A〜4 5 Cと同様に表現され、 質量センサ 4 6 A〜4 6 Fにおける質量検出方 法も、 質量センサ 4 5 A〜4 5 Cと同様である。 但し、 質量センサ 4 6 A〜4 6 Fでは、 検出板の数を 4枚と多くし、 また、 実施形態として、 少なくとも複数の 検出板 7 3 A〜7 3 Dカ^ 各連結板 7 4 A · 7 4 Bが振動板 7 2を挟持する方向 と直交する方向において、 振動板 7 2と貫通孔もしくは間隙の側面に跨設される 構造等が追加される。

したがって、 振動板 7 2および検出板 7 3 A · 7 3 Bは、 図 2 1中の矢印 の 方向、 すなわち、 Y軸を中心として振動板 7 2の平板面に平行な方向であって、 かつ、 Y軸に垂直な方向、 すなわち X軸方向で振動させるため、 振動板 7 2の 0 モ一ドと同様に剛体モードとして、 振動板 7 2は安定的に矢印 Kの方向に振れる ようになる。 また、 振動板 7 2の曲げモードが抑制される利点もある。 なお、 振 動板 7 2の形状は図 2 1 ( a ) 〜 （c ) に示した長方形に限定されず、 図 1 0に 示した任意形状の振動板を採用することができ、 また、 図 2 1 ( b ) に示される 質量センサ 4 5 Bのように振動板 7 2は、 任意の位置において各連結板 7 4 A · 7 4 Bと接合されていてもよい。 さらに、 図 2 1 ( c ) に示される質量センサ 4 5 Cのように、 各検出板 7 3 A · 7 3 Bは、 図 1 5に示した質量センサ 4 2にお ける検出板 2 1と同様に、 各連結板 7 4 A · 7 5 Bとセンサ基板 7 0によって 3 辺で支持 ·固定されていてもよい。 なお、 質量センサ 4 5 Bには、 質量センサ 1 の位置センサ電極 4 · 5と同様の位置センサ 7 7が設けられている。

次に、 図 2 2 ( a ) 〜 （f ) の平面図に示す本発明のさらに別の実施形態であ る質量センサ 4 6 A〜4 6 Fにおいては、 振動板 7 2が 2枚の連結板 7 4 A · 7 4 Bにより挟持されるようにして互いの側面において接合され、 各連結板 7 4 A • 7 4 Bの側面が、 貫通孔を有するセンサ基板 7 0の貫通孔 7 1の側面に跨設さ れ、 少なくとも複数の検出板、 ここでは検出板 7 3 A〜 7 3 D力、'、 各連結板 7 4 A · 7 4 Bが振動板 7 2を挟持する方向と直交する方向において、 各連結板 7 4 A · 7 4 Bと貫通孔 7 1との側面もしくは振動板 7 2と貫通孔 7 1との側面に跨 設されている。

さらに、 少なくとも 1枚の検出板 7 3 A〜7 3 Dの少なくとも一方の平板面上 に圧電素子 7 5 A〜7 5 Dが配設されて、 振動板 7 2と各連結板 7 4 A · 7 4 B と各検出板 7 3 A〜7 3 Dおよび圧電素子 7 5 A〜7 5 Dから共振部が形成され ている。 図 2 2 (a) 〜 （ f ) の各図について質量センサ 4 6 A〜4 6 Fをみてみると、 図 2 2 (a) に示した質量センサ 4 6 Aにおいては、 図 2 1に示した質量センサ 4 5 A〜4 5 Cの構造と比較して、 振動板 7 2の Y軸回りの回転が、 検出板 7 3 A · 7 3 Bにより抑制される。 また、 検出板 7 3 A · 7 3 Bに図 1 Ίと同様のス リッ ト 2 8を設けると、 振動板 7 2は矢印 K方向へ振動しやすくなり、 好ましい。 図 2 2 (b) の質量センサ 4 6 Bは、 図 2 2 (a) における各検出板 7 3 A〜 7 3 Dの全ての同一方向を向いている面に、 圧電素子 7 5 A〜7 5 Dを配設した ものである。 これにより、 振動板 7 2の K方向への振幅を増大させ、 粘性の小さ し、物質はもちろん、 粘性の高 、物質中での測定に好適に用いることができるよう になる。 なお、 このとき圧電素子 7 5 Aと 7 5 C、 7 5 Bと 7 5 Dの各圧電膜の 分極方向は互いに逆とする方がよい。 さらに、 圧電素子 7 5 A〜 7 5 Dは、 各検 出板 7 3 A〜7 3 Dの両面に設けてもよい。

図 2 2 ( c ) の質量センサ 4 6 Cは、 図 2 2 (a ) 、 (b) における検出板 7 3 A〜7 3 Dのセンサ基板 7 0と対向する一辺がセンサ基板 7 0と接合されるよ うに形成されている実施形態を示している。 このような構造とすると、 図 1 5に 示した質量センサ 4 2の構造で得られる効果を図 2 2 ( a) , (b) の効果に付 与することができるようになる。

また、 図 2 2 (d) の質量センサ 4 6 Dは、 振動板 7 2の中心である X軸と Y 軸の交点について点対称な位置にある検出板 7 3 B · 7 3 Cにそれぞれ圧電素子 7 5 B · 7 5 Cを配設したものである。 ここでの共振周波数の検出は、 X軸と Y 軸の交点を中心とした 方向 （図 2 2 (d) 中の矢印の方向） への振動が支配的 な剛体モードを利用するため、 検出板 7 3 A · 7 3 Dは必ずしも形成しなくとも よい。 また、 検出板 7 3 A · 7 3 Dを形成した場合には、 検出板 7 3 A · 7 3 D にスリッ トあるいは圧電素子 7 3 A · 7 3 Dを設けても良い。 このときには、 圧 電素子 7 5 Aと 7 5 D、 7 5 Bと 7 5 Cの各組において、 各圧電膜の分極方向を 同一とすることが好ましい。

図 2 2 ( e) の質量センサ 4 6 Eは、 振動板 7 2に検出板 7 3 A〜 7 3 Dを接 合させたものであり、 圧電素子 75 A〜7 5 Dの配置状態は、 図 2 2 ( b ) の場 合と同様である。 このような構造としても、 矢印 K方向への振動板 7 2の振動を 検知することが可能である。 さらに、 図 2 2 ( f ) に示した質量センサ 4 6 Fは、 各連結板 7 4 A · 7 4 Bの一方の幅を広く し、 他方の幅を狭くすることで、 0モ 一ドと 0モ一ドで揺れやすくなる構造を有している。

このように、 本発明の質量センサにおいては、 種々の形状を選択することがで きる力、'、質量センサの作製に使用される材料については、 これら個々の質量セン ザにおいて変わるところはない。 そこで、 次に、 上述した質量センサ 1を例に、 本発明の質量センサを構成する各部材ならびに形状について説明する。 先ず、 セ ンサ基板 2、 振動板 1 9、 連結板 2 0、 検出板 2 1、 バネ板 1 8は、 好適にはセ ラミックからなることが好ましく、 例えば、 安定化もしくは部分安定化されたジ ルコニァ、 アルミナ、 マグネシア、 窒化珪素等を用いることができる。 このうち、 安定化もしくは部分安定化ジルコニァは、 薄板においても機械的強度が大きいこ と、 靭性が高いこと、 圧電膜ゃ電極材との反応性が小さいことから最も好適に採 用される。

なお、 センサ基板 2の材料等として、 前記安定化もしくは部分安定化ジルコ二 ァを使用する場合には、 少なく とも、 検出板にアルミナあるいはチタニア等の添 加物を含有させて構成すると好ましい。

センサ基板 2における振動プレート 3、 中間プレー卜 1 7、 ベ一スプレート 1 5、 および振動板 1 9、 連結板 2 0、 バネ板 1 8、 検出板 2 1のそれぞれについ ては、 必ずしも同一の材料から構成される必要はなく、 設計に応じて前述した各 種セラミック材料を組み合わせて用いることが可能ではあるが、 同一の材料系の ものを用いて一体的に構成することが、 各部の接合部の信頼性の確保や製造工程 の簡略化等の見地から好ましい。

但し、 バネ板 1 8を連結板 2 0の両平板面に形成する場合には、 圧電素子 2 5 が配設される面側に形成されるバネ板については、 圧電素子 2 5と同じ構造を有 するものをバネ板として形成して用いることもできる。 この場合には、 バネ板を 圧電素子 2 5と同時に形成することができるので、 製造工程上、 好ましい。 但し、 バネ板として形成された圧電素子については、 電極を電極として用いない。

さて、 質量センサ 1は、 0 . 1ナノグラム （n g ) オーダーの質量検出を主な 目的としている力、 この目的のためには、 振動板 1 9の厚みは 3〜 2 0 程度 とすることが好ましく、 好適には 5〜 1 5 程度に設定され、 このときのべ一 スプレート 1 5の厚みは操作性を考慮し、 適宜決められる。

バネ板 1 8を設ける場合には、 連結板 2 0の片面あるいは両面に貼合するいず れの場合であっても、 厚さは 1 0〜2 2 0 m、 幅 1 0 0〜 5 0 0 z mが好適で あり、 バネ板 1 8のァスぺクト比 （幅 Z厚み） は、 0 . 4〜5 0の範囲とするこ とが好ましい。 さらに、 液体中での質量センサ 1の使用による振動振幅の減衰を 考慮すると、 厚みが 1 0〜7 0 mで幅が 1 0 0〜5 0 0〃m、 ァスぺク ト比力 1 . 4〜5 0とすることが好ましい。 さらに好ましい設定範囲は、 厚みは 1 0〜 7 0〃m、 幅が 1 0 0〜3 0 0〃m、 ァスぺク ト比が 1 . 4〜3 0である。 なお、 バネ板補強部を必要とする場合のバネ板補強部の厚さは、 そのバネ板補強部に接 合されるバネ板の厚さと同じとすることが好ましい。

これに対し、 バネ板 1 8を設けずに連結板 2 0をバネ板として利用することも 可能である。 この場合には、 中間プレー卜 1 7を設けなくともよいが、 センサ基 板 2の機械的強度を保っために、 中間プレート 1 7の厚み分ほどべ一スプレート 1 5を厚くするとよい。

圧電素子 2 5における圧電膜 2 3としては、 膜状に形成された圧電セラミック スが好適に用いられるが、 電歪セラミックスあるいは強誘電体セラミックスであ つてもよい。 また、 分極処理が必要な材料でも、 必要でない材料であってもよい。 圧電膜 2 3として用いるセラミックスとしては、 例えば、 ジルコン酸鉛、 チタ ン酸鉛、 マグネシウムニオブ酸鉛、 ニッケルニオブ酸鉛、 亜鉛ニオブ酸鉛、 マン ガンニオブ酸鉛、 アンチモンスズ酸鉛、 マンガンタングステン酸鉛、 コバルト二 ォブ酸鉛、 チタン酸バリウムが挙げられるが、 これらは単独で、 あるいは、 これ らのいずれかを組み合わせた成分を含有するセラミックスとして用いてもよい。 本発明においては、 ジルコン酸鉛とチタン酸鉛およびマグネシウムニオブ酸鉛か らなる成分を主成分とする材料が好適に用いられるが、 これは、 このような材料 が高 ί、電気機械結合係数と圧電定数を有することに加え、 後述する圧電膜の焼結 時におけるセンサ基板部材との反応性が小さく、 所定の組成のものを安定に形成 することができることによる。

さらに、 上記圧電セラミックスに、 ランタン、 カルシウム、 ストロンチウム、 モリブデン、 タングステン、 バリウム、 ニオブ、 亜鉛、 ニッケル、 マンガン、 セ リウム、 力ドミゥム、 クロム、 コノくルト、 アンチモン、 鉄、 イツ トリウム、 タン タル、 リチウム、 ビスマス、 スズ等の酸化物を単独で、 もしくはこれらいずれか を組み合わせて、 あるいはこれら元素の他の化合物を適宜、 添加したセラミック スを用いてもよい。 例えば、 ジルコン酸鉛とチタン酸鉛およびマグネシウムニォ ブ酸鉛を主成分とし、 これにランタンゃストロンチウムを含有するセラミックス を用いることもまた好ましく、 さらに、 マンガンを加えたものは圧電材料の機械 的品質係数が大きく、 センサの構造面からだけでなく、 材料面からも Q値を大き くすることができ、 好ましい。

一方、 圧電素子 2 5における第一電極 2 2および第二電極 2 4は、 室温で固体 であって導電性の金属で構成されていることが好ましく、 例えば、 アルミニウム、 チタン、 クロム、 鉄、 コバルト、 ニッケル、 銅、 亜鉛、 ニオブ、 モリブデン、 ル テニゥ厶、 パラジウム、 ロジウム、 銀、 スズ、 タンタル、 タングステン、 イリジ ゥム、 白金、 金、 鉛等の金属単体あるいはこれらのいずれかを組み合わせた合金 が用いられ、 さらに、 これらに圧電膜 2 3あるいは検出板 2 1と同じ材料を分散 させたサ一メッ 卜材料を用いてもよい。

なお、 実際の第一電極 2 2および第二電極 2 4の材料選定は、 圧電膜 2 3の形 成方法に依存して決定される。 例えば、 検出板 2 1上に第一電極 2 2を形成した 後、 第一電極 2 2上に圧電膜 2 3を焼成により形成する場合には、 第一電極 2 2 は、 圧電膜 2 3の焼成温度においても変化しない白金等の高融点金属を使用する 必要があるが、 圧電膜 2 3を形成した後に圧電膜 2 3上に形成される第二電極は、 低温で電極形成を行うことができるので、 アルミニゥム等の低融点金属を使用す ることができる。

また、 圧電素子 2 5を一体焼成して形成することもできるが、 この場合には、 第一電極 2 2および第二電極 2 4の両方を圧電膜 2 3の焼成温度に耐える高融点 金属としなければならない。 一方、 図 3に示した圧電素子 6 2 Aのように、 圧電 膜 5 8上に第一および第二電極 5 9 · 6 0を圧電膜 5 8の形成後に形成する場合 には、 双方を同じ低融点金属を用いて形成することができるが、 圧電素子 6 2 A を同時焼成する場合には、 やはり第一電極 2 2および第二電極 2 4の両方を高融 点金属としなければならない。 このように、 第一電極 2 2および第二電極 2 4は、 圧電膜 2 3の焼成温度に代表される圧電膜 2 3の形成温度、 圧電素子 2 5の構造 に依存して、 適宜、 好適なものを選択すればよい。 なお、 電極リード 9 · 1 0の 形成材料や形成方法は、 圧電素子 2 5の第一電極 2 2および第二電極 2 4と同様 である。

ところで、 圧電膜 2 3の面積を広げると出力電荷が増加するために感度が上が るが、 センササイズが大きくなるという問題を生ずるため、 適宜、 好適な大きさ に設定することが好ましい。 また、 圧電膜 2 3の厚みを薄くすると感度が向上す るが、 その一方で、 剛性が低下するといつた問題が生ずるため、 好ましくは、 検 出板 2 1と圧電膜 2 3との厚みの合計は、 1 5〜5 0 mとなるように設定され る。

続いて、 圧電素子 2 5ならびに電極リード 9 · 1 0上に、 図 1 9に示した質量 センサ 4 3 Dのような絶縁コーティング層 6 5を形成する場合には、 その材料と して、 絶縁性のガラスもしくは樹脂が用いられるが、 質量センサ 1の性能を上げ るためには、 絶縁コーティング材としてガラスよりも樹脂を用いることが好まし く、 化学的安定性に優れたフッ素樹脂、 例えば、 四フッ化工チレン樹脂系テフ口 ン （デュポン （株） 製のテフロン P T F E ) 、 四フッ化エチレン ·六フッ化プロ ピレン共重合体樹脂系テフロン （テフロン F E P ) 、 四フッ化工チレン 'パ一フ ロロアルキルビニルエーテル共重合体樹脂系テフロン （テフロン P F A ) 、 P T F E Z P F A複合テフロン等が好適に用いられる。 また、 これらのフッ素樹脂よ りも耐食性、 耐候性等に劣るが、 シリコーン樹脂 （中でも熱硬化型のシリコーン 樹脂） も好適に用いられる他、 エポキシ樹脂、 アクリル樹脂等も目的に応じて使 用することができる。 なお、 圧電素子 2 5ならびにその近傍と、 電極リード 9 · 1 0ならびにその近傍とで、 それぞれ異なる材料を用いて、 絶縁コ一ティング層 6 5を形成することも好ましい。 さらに、 絶縁性樹脂に無機 ·有機充填材を添加 し、 共振部の剛性を調整することも好ましい。

絶縁コ一ティング層 6 5を形成した場合に、 絶縁コ一ティング層 6 5上に形成 されるシールド層 6 6の材料としては、 金、 銀、 銅、 ニッケル、 アルミニウム等 の種々の金属が好適に用いられるが、 他にも上述した圧電素子 2 5における第一 電極 2 2等に用いられる全ての金属材料を用いることができる。 また、 金属粉末 を樹脂と混合してなる導電性ペーストを用いることもできる。

次に、 本発明の質量センサの使用方法について、 質量センサ 1を免疫センサと して用いた場合を例に説明する。 2箇所に設けられたセンサ部 1 3の一方を検出 センサ部 1 3 Dとし、 検出センサ部 1 3 Dの振動板には、 検出したい病原体ウイ ルス等の被検出体とのみ反応して被検出体を捕捉する捕捉物質を塗布する。 例え ば、 被検出体として抗原、 捕捉物質として抗体の組み合わせが挙げられ、 ヒト血 清アルブミン /抗ヒ卜血清アルブミン抗体、 ヒ卜免疫グロプリン /抗ヒト免疫グ ロブリン抗体等を例示することができる。 これに対し、 他方のセンサ部 1 3は参 照センサ部 1 3 Rとして、 その振動板には捕捉物質を塗布しないものとする。 そして、 各センサ部 1 3 D · 1 3 Rのいずれも、 同じ検体中に浸漬あるいは載 置されることとなる。 したがって、 検体は多くの場合、 液体や気体といった流体 であるため、 各センサ部 1 3 D · 1 3 Rからの信号を比較することで、 流体の種 類や流れ、 温度といつた検体の物理的特性ある t、は検査環境の影響を受けること なく、 検査を行うことが可能となる。

また、 この質量センサ 1を、 例えば、 導電性を有する液体の検体に浸潰した場 合には、 位置センサ電極 4 · 5が短絡する位置まで質量センサ 1を検体に浸潰す ると、 各センサ部 1 3 D · 1 3 Rにおける振動板 1 9は検体に浸潰される力^ 検 出部 2 9は検体により短絡することがない。 但し、 圧電素子 2 5と電極リード 9 • 1 0が絶縁性の樹脂やガラスにより、 絶縁コ一ティングされている場合には、 質量センサ 1の端子部 1 1 · 1 2等以外の部分を検体に浸潰させることができる。 こうして、 検体中の被検出体が捕捉物質と反応して捕捉されると、 検出センサ 部 1 3 Dの振動板 1 9の質量が大きくなり、 この振動板 1 9の質量増加にともな つて共振部 2 6の共振周波数が変化する。 したがって、 反対に、 共振部 2 6の共 振周波数の変化を調べることによって、 振動板 1 9に被検出体が捕捉されたか否 力、、 すなわち、 被検出体カ検体中に存在したか否かを判断し、 増加した質量の大 きさを測定することができるようになる。

なお、 このような 2箇所に設けられたセンサ部 1 3をそれぞれ検出センサ部 1 3 D、 参照センサ部 1 3 Rとして用いる使用方法においては、 場合によって参照 センサ部 1 3 Rにおける共振部、 すなわち、 振動板と連結板、 検出板、 圧電素子、 バネ板にテフロンコーティングを行うと、 参照センサ部 1 3 Rへの被検出体の付 着を防止することができ、 より高精度な測定が可能となる。 また、 同様に検出セ ンサ部 1 3 Dにおいても、 振動板 1 9以外にテフロンコ一ティングすることで、 振動板 1 9上のみで被検出体を確実に捕らえることができ、 高感度化が図れ、 好 ましい。 さらに、 高価な抗体等の捕捉物質を必要な箇所だけに塗布するために、 振動板 1 9を除くセンサ基板 2全体へテフロンコーティングをすると、 コスト面 で好ましい。

また、 質量センサ 1においては、 質量センサ 1を液体等の検体に浸漬して用い る場合、 あるいは振動板 1 9に捕捉物質を塗布するために振動板を捕捉物質に浸 潰させる場合には、 2つのセンサ部 1 3が両方同時に検体に浸漬され易いように、 2つのセンサ部 1 3カ、 図 1 1中、 センサ基板 2の横方向 （水平方向） に配置さ れた構造を取っている。

しかし、 2つのセンサ部 1 3をセンサ基板 2の縦方向 （上下方向） に配設する、 つまり、 検出センサ部 1 3 Dが先に液体等に浸潰され、 参照センサ部 1 3 Rが液 体等に浸漬されないような位置に配設すると、 検出センサ部 1 3 Dの部分のみを 捕捉物質に浸漬して塗布する一方、 参照センサ部 1 3 Rについては、 テフロンコ —ティング等せずに温度補正センサ等のセンサとして使用し、 捕捉物質に浸潰せ ず、 つまり捕捉物質を塗布しないように処理することが簡単に行える。

但し、 こうして検出センサ部 1 3 Dにのみ捕捉物質を塗布した質量センサ 1で あっても、 実際の質量測定にあたっては、 各センサ部 1 3 D · 1 3 Rを同じ環境 下におくこと力必要である。 また、 質量センサ 1全体を導電性の液体に浸潰して 用いる場合には、 各センサ部 1 3 R . 1 3 Dにおける圧電素子 2 5と電極リード 9 · 1 0を絶縁コーティングしておく'必要があることはいうまでもない。

なお、 同一の捕捉物質を各センサ部 1 3 D · 1 3 Rの各振動板に塗布して、 各 センサ部 1 3 D · 1 3 Rの信号を積算することで、 ダイナミックレンジを大きく するような使用方法も可能である。 さらに、 参照センサ部 1 3 Rを参照用とせず に、 検出センサ部 1 3 Dと異なる捕捉物質を塗布して使用することも可能である。 こうした各使用方法での質量センサ 1における共振周波数の変化の測定に当た つては、 前述したように、 0モードもしくは øモードの共振周波数を検出するこ とが好ましい。 つまり、 例えば、 図 1 4に示したように、 振動板 1 9が、 振動板 1 9の平板面内においてバネ板 1 8および連結板 2 0を軸とした 0モ一ドの揺れ 振動を起こすときに、 その動きは検出板 2 1へ伝達され、 検出板 2 1に屈曲振動 が生じ、 検出板 2 1表面上の圧電素子 2 5における平板状の圧電膜 2 3には伸縮 振動が生じて圧電膜 2 3の電気機械結合係数 k ₃ , (圧電定数 d _{3 1} ) に基づく一定 の電圧が発生する。 なお、 圧電素子 2 5が、 櫛型電極構造を有するものの場合に は、 k _{3 3} ( d _{3 3}) に基づいて一定の電圧が発生する。 なお、 øモードを用いた場 合も同様である。

逆に、 第二電極 2 4および第一電極 2 2を通して圧電膜 2 3に交流電圧をかけ た場合には、 圧電膜 2 3には d _{3 1}あるいは d _{3 3}により伸縮振動が生じて検出板 2 1が屈曲運動を起こし、 振動板 1 9の質量に応じて振動板 1 9の振動角 0が変化 して、 ある周波数のときに共振現象が生ずる。 したがって、 この共振周波数の変 化を調べることは振動板 1 9の質量変化の有無を調べることとなり、 振動板 1 9 に被検出体が捕捉されたか否かを判断することが可能となる。 なお、 圧電素子 2 5を検出板 2 1の両平板面に 2箇所設けて、 得られる信号を比較演算することに より、 ノイズを減少させ、 他の振動モードの影響を排除し、 検出精度を向上させ ることが可能となる。

ここで、 質量センサ 1の検出感度をより向上させるためには、 共振部 2 6の共 振周波数の変化を大きくすることが必要であるが、 このための 1の手段として、 振動板 1 9とバネ板 1 8との質量比を制御する方法が挙げられる。 バネ板 1 8を 薄くして質量を軽くし、 振動板 1 9との質量比 （振動板 1 9の質量/パネ板 1 8 の質量） 力大きくなるほど検出感度カ垧上する。

しかしながら、 バネ板 1 8を薄くして軽量化するにしたがって、 バネ板 1 8の 剛性が低下するため、 振動板 1 9の厚みと面積を考慮に入れつつ、 バネ板 1 8お よび連結板 2 0の剛性が確保される範囲内で、 この質量比 （振動板 1 9の質量 Z (バネ板 1 8の質量 +連結板 2 0の質量） ） が 0 . 1以上が好ましいが、 振動板 1 9の面積を考慮し、 適宜、 好適な比率にすることが好ましい。 但し、 これらの 質量比は、 前述したパネ板 1 8についての厚さと幅およびァスぺクト比の条件を 満たす範囲内で設定されることが好ましい。 なお、 前述した図 1 6 ( c ) 記載の 質量センサ 4 3 Cは、 この 1つの例である。

また、 検出感度を向上させる別の手段として、 振動板 1 9を薄く して被検出体 との質量比 （被検出体の質量 Z振動板 1 9の質量） を大きくする、 すなわち、 振 動板 1 9の質量変化割合を大きくする方法が挙げられる。 さらに、 振動板 1 9を 薄くするときに、 質量を変えず表面積が大きくなるようにすると、 捕捉物質を塗 布する面積が大きくなりより多くの被検出体を捕捉することができるようになり、 検出感度を向上させることができる。

続いて、 本質量センサ 1の他の用途について説明する。 まず、 振動板 1 9に塗 布する捕捉物質として、 水分吸着材を用いた場合には、 質量センサ 1を水分計と して使用することができる。 また、 振動板 1 9に捕捉物質として特定のガス成分 や有機物質、 無機物質を吸着する吸着材を塗布することにより、 ガスセンサ、 臭 気センサ、 味覚センサ等として使用することができる。 さらに、 振動板 1 9の温 度を制御して結露させると、 振動板 1 9の質量が増大したときの温度から露点を 計測する露点計としても使用することができる。

また、 本質量センサ 1は、 膜厚計として使用することができる。 対象となる膜 には、 真空中等で形成されるスパッタ膜ゃ C V D膜、 気体中で形成される L B膜 や液体中で形成される電着膜等が含まれる。 すなわち、 これらの膜形成を行う際 に、 質量センサ 1の振動板 1 9もしくは共振部 2 6を同じ膜形成環境に置くと、 振動板 1 9もしくは共振部 2 6に膜が形成されることによって質量が変化し、 共 振周波数が変化するので、 形成された膜厚や膜の成長速度を計測することが可能 となる。

従来、 このような膜厚計としては、 図 2 7に示したものと同等の水晶振動子 8 0の膜厚変化時のすべり方向共振周波数の変化を検出する水晶蒸着膜厚計が知ら れているが、 振動子自体を蒸着雰囲気中で使用するため、 温度変化や不純物の衝 突等によるノイズ、 真空圧の変化の影響を大きく受けるという問題がある。

これに対し、 蒸着膜厚計として質量センサ 1を Sモードにより使用すると、 検 出部 2 9が剛体モードであるために温度変化に強く、 振動板 1 9が 3〜2 0 と薄いために不純物が衝突する確率が小さくなる利点があり、 さらに検出部 2 9 とバネ板 1 8および連結板 2 0を一定雰囲気に保ち易い構造を採ることができる ため、 水晶振動子 8 0を用いた場合と比較して、 測定精度の向上を図ることが可 能となる。

さらに、 質量センサ 1は、 振動板 1 9を液体に浸潰させたときに、 流体に横波 のずれ波を引き起こして粘性波の進入長の部分の質量負荷を受ける粘性計として も使用することができる。

これに対し、 このような粘性計としてもまた、 水晶振動子 8 0のすベり方向共 振周波数の変化を検出する水晶粘性計が用いられている力 水晶振動子 8 0自体 を液体中に浸潰させるため、 温度変化や液体中の不純物の衝突等のノイズの影響 を受け易い欠点がある。

一方、 粘性計として質量センサ 1を 0モードにより用いた場合には、 検出部 2 9とバネ板 1 8および連結板 2 0を液体に浸漬させる必要がなく、 また、 検出部 2 9が剛体モードであるために温度変化に強く、 振動板 1 9が 3〜2 0 / mと薄 いために不純物が衝突する確率が小さくなることから、 測定精度の向上が図られ る。

さらにまた、 水晶振動子は、 真空中では気体分子の摩擦や気体の粘性摩擦によ り電気抵抗が変化するため、 摩擦真空計として用いられるが、 この真空計は結果 的に水晶振動子の質量負荷効果による周波数変化を測定するものであるので、 基 本的な測定原理が同じである本発明の質量センサ 1もまた、 真空計として用いる ことができる。

水晶振動子を用いた摩擦真空計においては、 図 2 8に示すように、 音叉型に形 成した振動子 9 0を X軸方向に振動させたときの抵抗値の変化を検出するもので ある力、 振動子 9 0の厚み を薄くすることが困難であり、 したがって、 検出感 度の向上が困難であるという問題がある。 これに対し、 質量センサ 1においては、 振動板 1 9の厚みを 3〜 2 0 とする薄膜化が容易であり、 Θモ一ドを利用す ることで、 検出感度の向上を図ることが可能となる。

加えて、 質量センサ 1は、 振動板 1 9の曲げモードを用いる、 すなわち、 曲げ モード時のヤング率変化を共振周波数の変化として検出することにより、 温度セ ンサとしても使用することが可能である。 このように、 質量センサ 1は多種多様なセンサとして使用することができるが、 その基本的な測定原理は、 振動板 1 9への質量負荷に基づく共振部 2 6の共振周 波数の変化を測定しているというものである。 そのため、 異なる機能を有するセ ンサ部 1 3を 1つの質量センサ 1内に複数設けることが容易であり、 例えば、 温 度センサや真空計、 粘性センサとしての機能を質量センサ 1としての使用に併用 すること、 すなわち、 質量センサ 1へ温度補正や真空度または粘性補正を行うた めの参照用センサを組み込むことが容易であり、 このような場合には、 形状の異 なる複数の各用途別のセンサを集合させて用いる必要がないため、 測定位置への センサの組み込み、 取扱いや測定のための計測機器等の設備コスト等の点におい ても有利である。

次に、 質量センサ 1を例として、 本発明の質量センサの作製方法について説明 する。 センサ基板材料としてはジルコニァ等のセラミックスが好適に使用され、 セラミックス粉末にバインダ、 溶剤、 分散剤等を添加混合してスラリーを作製し、 これを脱泡処理後、 リバ一スロールコ一夕一法、 ドクターブレード法等の方法に より所定の厚みを有する振動プレート用、 中間プレート用およびべ一スプレー卜 用のそれぞれのグリーンシートあるいはグリーンテ一プを作製する。

次に、 それぞれのグリーンシート等を金型あるいはレーザ等を用いて、 例えば、 図 2 3に示すように、 中間プレート 1 7には貫通孔 1 4とバネ板 1 8が形成され、 ベ一スプレート 1 5には貫通孔 1 4が形成された所定形状に打ち抜き加工し、 作 製した振動プレート 3、 中間プレー卜 1 7およびべ一スプレート 1 5用グリーン シ一トをこれらの順序で少なくとも各 1枚ずつ積層、 焼成により一体化してセン サ基板を作製する。 ここで、 これらのグリーンシ一卜等の積層を行うに際して、 積層位置決めのために各グリーンシ一卜には孔部 8が形成される。 なお、 図 2 3 に示したグリーンシートの形状は、 図 1 1に示した質量センサ 1のセンサ部 1 3 の形成を分かりやすいように簡略ィ匕したものである。

ここで、 振動プレート 3についても、 貫通孔 1 4や振動板 1 9等をグリーンの 状態で形成することは可能である力 一般に、 振動プレート 3は 2 0 m以下と 薄いために、 振動プレート 3内に形成する振動板 1 9と連結板 2 0および検出板 2 1の焼結後の平坦性、 寸法精度等を確保するためには、 後述するレーザ加工等 でセンサ基板 2の形成および圧電素子 2 5の配設後に所定形状とすることが好ま しい。

振動プレート 3上の検出板 2 1が形成される部分に第一電極 2 2、 圧電膜 2 3、 第二電極 2 4からなる圧電素子 2 5を配設する方法としては、 金型を用いたプレ ス成形法またはスラリー原料を用いたテープ成形法等によって圧電膜 2 3を成形 し、 この焼成前の圧電膜 2 3を振動プレート 3上の検出板 2 1が形成される部分 に熱圧着で積層し、 同時に焼結してセンサ基板 2と圧電膜 2 3とを同時に作製す る方法がある。 但し、 この場合には、 電極 2 2 · 2 4は後述する膜形成法により、 センサ基板 2ある 、は圧電膜 2 3に予め形成しておく必要がある。

圧電膜 2 3の焼成温度は、 これを構成する材料によって適宜定められるが、 一 般には、 8 0 0 °C〜 1 4 0 0 °Cであり、 好ましくは 1 0 0 0。C〜 1 4 0 0。Cであ る。 この場合、 圧電膜 2 3の組成を制御するために、 圧電膜 2 3の材料の蒸発源 の存在化に焼結することが好ましい。 なお、 圧電膜 2 3の焼成とセンサ基板 2と の焼成を同時に行う場合には、 両者の焼成条件をマッチングすることが必要とな る。

一方、 膜形成法を用いた場合には、 焼結したセンサ基板 2における検出板 2 1 形成位置に、 スクリーン印刷法、 デイツビング法、 塗布法等の厚膜形成法、 ィォ ンビーム法、 スパッタリング法、 真空蒸着、 イオンプレーティング法、 化学気相 蒸着法 （C V D ) 、 メツキ等の各種薄膜形成法により、 圧電素子 2 5を配設する ことができる。 このうち、 本発明においては、 圧電膜 2 3を形成するにあたり、 スクリーン印刷法やディッビング法、 塗布法等による厚膜形成法が好適に採用さ れる。 これは、 これらの手法は、 平均粒径 0 . 0 1〜5 、 好ましくは 0 . 0 5〜3 の圧電セラミックスの粒子を主成分とするペーストゃスラリーを用い て圧電膜 2 3を形成することができ、 良好な圧電作動特性が得られる。

例えば、 作製したセンサ基板 2を所定条件にて焼成した後、 振動プレート 3の 表面の所定位置に第一電極 2 2を印刷、 焼成し、 次いで圧電膜 2 3を印刷、 焼成 し、 さらに、 第二電極 2 4を印刷、 焼成して圧電素子 2 5を配設する。 そして、 形成された各電極 2 2 · 2 4を測定装置に接続するための電極リード 9 · 1 0を 印刷、 焼成する。 ここで、 例えば、 第一電極 2 2として白金 （P t ) を、 圧電膜 2 3としてはジルコン酸チタン酸鉛 （P Z T ) を、 第二電極 2 4としては金 （A u ) を、 さらに電極リード 9 · 1 0として銀 （A g ) 等の材料を使用すると、 焼 成工程における焼成温度力逐次低くなるように設定されるので、 ある焼成段階に おいて、 それより以前に焼成された材料の再焼結が起こらず、 電極材等の剥離や 凝集といつた不具合の発生を回避することが可能となる。

なお、 適当な材料を選択することにより、 圧電素子 2 5の各部材と電極リード 9 · 1 0を逐次印刷して、 一回で一体焼成することも可能であり、 圧電膜 2 3を 形成した後に低温で各電極等を設けることもできる。 また、 圧電素子 2 5の各部 材と電極リード 9 · 1 0はスパッタ法ゃ蒸着法等の薄膜法によって形成してもか まわず、 この場合には、 必ずしも熱処理を必要としない。

こうして圧電素子 2 5を膜形成法によって形成することにより、 接着剤を用い ることなく圧電素子 2 5と検出板 2 1とを一体的に接合、 配設することができる ため、 信頼性、 再現性に優れ、 集積化が容易であることから、 特に好ましい。 こ こで、 さらに圧電膜 2 3に適当なパターンを形成してもよく、 その形成方法とし ては、 例えば、 スクリーン印刷法やフォ トリソグラフィ一法、 あるいはレーザ加 工法、 またはスライシング、 超音波加工等の機械加工法を用いることができる。 次に、 作製されたセンサ基板の所定位置に振動板 1 9等を形成する。 ここで、 Y A Gレーザの第 4次高調波を用いた加工により、 振動プレート 3を切り出し加 ェして不要部分を除去することが好ましい。 こうして、 例えば、 図 1 1あるいは 図 1 2に示されるような振動板 1 9や検出板 2 1といったセンサ基板 2と一体的 に接合される部位を残しながら貫通孔 1 4を形成することができ、 このとき、 振 動板 1 9等の形状を調整することで、 所定の共振周波数に調整し、 検出できる被 検出体の質量範囲を定めることが可能である。

ここで、 図 2 4に示すように、 振動板 1 9の長さを L。から へ短くするよう に振動板 1 9の一部を切削、 削除すると、 共振点を高くすることができ、 一方、 バネ板 1 8および連結板 2 0の幅を t。から t ,へ狭くすると、 共振点を下げるこ とが可能となる。 したがって、 これらの組み合わせにより、 共振点の調整を行う ことができる。 さらに、 振動板 1 9の幅を W。から へ狭めることにより、 回転 モードを抑制し、 0モードの Q値を大きくすること、 および付着質量が同じ場合 でも付着位置による共振周波数の変動差を小さくすることが可能となる。

さらに、 図 2 5に示すように、 第一電極 2 2を上部電極、 第二電極 2 4を下部 電極として、 その中間に圧電膜 2 3を形成した圧電素子 2 5を一度配設した後、 上部電極を Y A G第 4次高調波レーザ、 機械加工等により除去して圧電素子の有 効電極面積を調整して、 検出感度の調整を行うことができる。 なお、 圧電素子 2 5の構造が、 図 3あるいは図 4に示されるような櫛型構造である場合には、 一方 のあるし、は両方の電極の一部を除去すればょ 、。

こうした共振部の加工においては、 上記の Y A G第 4次高調波レーザを用いた 加工以外にも、 Y A Gレーザおよび Y A Gレーザの第 2次または第 3次高調波、 エキシマレ一ザ、 C 0 ₂レーザ等によるレーザ加工、 電子ビーム加工、 ダイシング 加工 （機械加工） など、 共振部の大きさと形状に適した種々の加工方法を適用す ることができる。

また、 センサ基板 2は、 上述したグリーンシートを用いた作製方法の他に、 成 形型を用いた加圧成形法ゃ铸込成形法、 射出成形法等を用いて作製することもで きる。 これらの場合においても、 焼成前後において、 切削や研削加工、 レーザ加 ェ、 プレス加工による打ち抜き、 あるいは超音波加工等の機械加工により加工が 施され、 所定形状の質量センサ 1が得られる。

こうして作製された質量センサ 1における圧電素子 2 5ならびに電極リード 9 • 1 0上に、 図 1 9に示した質量センサ 4 3 Dのように絶縁コーティング層 6 5 を形成する場合には、 ガラスもしくは樹脂を用いて、 スクリーン印刷法、 塗布法、 スプレー法等によって形成することができる。 ここで、 材料としてガラスを用い る場合には、 質量センサ 1自体をガラスの軟化温度程度まで昇温する必要があり、 また硬度が大きいので振動を阻害するおそれがあるが、 樹脂は柔らかく、 しかも 乾燥程度の処理で済むことから、 樹脂を用いることが好ましい。 なお、 絶縁コ一 ティング層 6 5として用いられる樹脂として、 フッ素樹脂あるいはシリコーン樹 脂が好適に用いられる旨は既に述べたが、 これらの樹脂を用いる場合には、 下地 のセラミックスとの密着性を改善する目的で、 使用する樹脂とセラミックスとの 種類に応じたプライマ一層を形成し、 その上に絶縁コ一ティング層 6 5を形成す ることが好ましい。 次に、 絶縁コ一ティング層 6 5上に形成されるシールド層 6 6の形成は、 絶縁 コ一ティング層 6 5が樹脂からなる場合には、 焼成処理を行うことが困難なため、 導電性部材として種々の金属材料を用いる場合には、 スパッ夕法等の加熱を要し ない方法を用いて行われ、 一方、 金属粉末と樹脂からなる導電性ペーストを用い る場合には、 スクリーン印刷法、 塗布法等を好適に用いることができる。 なお、 絶縁コ一ティング層 6 5をガラスで形成した場合には、 ガラスが流動しない温度 以下で、 金属ペーストをスクリーン印刷等し、 焼成することも可能である。

最後に、 振動板 1 9もしくは共振部 2 6全体に捕捉物質等を塗布して質量セン サ 1が完成する。 そして、 共振周波数の測定は、 インピーダンスアナライザゃネ ッ 卜ワークアナライザを用いて行ったり、 あるいは S I N S WE E P方式や、 外 部から超音波等で加振して伝達関数測定をすることで行う。 さらに、 共振周波数 値の変化を見れば、 振動板 1 9等における質量変化を測定することができる。 以下、 本発明を実施例により説明するが、 本実施例が本発明を限定するもので はないことはいうまでもない。

図 1 1に示される構造の質量センサを作製するにあたり、 酸化イツ トリウムで 部分安定化したジルコニァを用いて、 厚みの異なる振動プレートと中間プレート およびべ一スプレートのグリーンシートを作製し、 所定形状に加工した後、 これ らの順に積層、 熱圧着して 1 4 5 0 °Cで一体焼結した。 次に、 検出板が形成され る振動プレート上の所定位置に、 第一電極、 圧電膜、 第二電極からなる圧電素子 およびこれらの電極に接続する電極リードをスクリーン印刷法により形成した。 なお、 第一電極としては白金を、 圧電膜にはジルコン酸鉛、 チタン酸鉛、 マグネ シゥムニオブ酸鉛を主成分とする材料を、 第二電極には金を、 電極リードには銀 を使用した。

続いて、 図 1 2に示されるセンサ部 1 3における貫通孔、 振動板、 検出板が形 成されるように Y A Gレーザ （第 4次高調波、 波長： 2 6 6 n m) を用いて加工 し、 質量センサ 1を作製した。 ここで、 振動プレートの厚みは 7 m、 中間プレ ―卜の厚みは 6 5 m、 ベ一スプレー卜の厚みは 1 5 0 z mであり、 振動板の大 きさは、 0 . 5 mm x 0 . 3 mmとした。 振動板上の質量変化は、 振動板の片面全体に金を 0 . 3 mの厚さで形成した 後、 前記 Y A Gレーザで 1 0 ^ m 0のスポットパターンを複数個形成することに よつて質量を減少させる方向に変化させた。 このときの共振周波数を加工前後で 観測し、 図 2 6に示した結果を得た。 本結果より、 本発明による質量センサは、 ナノオーダ一の質量の変動に応じた共振周波数の変化を示すこと力く確認された。 以上、 本発明の質量センサについて、 共振部の振動を検出し、 電気信号に変換 する装置として、 圧電作用を利用する圧電膜を用いた圧電変換装置を中心に説明 してきた。 しかしながら、 このような振動の信号変換装置は、 圧電作用を利用す るものには限定されず、 電磁誘導作用を利用するもの、 静電容量変化を利用する もの、 光の入射変化を利用するもの、 電気抵抗変化を利用するもの、 焦電作用を 利用するもの等で構成してもよい。

例えば、 電磁誘導を利用するものとしては、 検出板に設けられるコイルと、 こ のコィルに流れる電気信号を検出する電気回路と、 当該コィルに磁場を形成する 磁石 （電磁石であってもよい） とを有するものが挙げられる。 この場合、 共振部 とともにコイルが振動する際に、 電磁誘導によりコイルに電流が流れ、 この電流 を電気回路が検出する。 また、 静電容量変化を利用するものは、 検出板の表面に 設けた一対の電極と、 この電極に挟まれた誘電体と、 電極に接続する電子回路を 有し、 この特定の空間に荷電される静電容量を電子回路により検出するものが挙 げられる。

光の入射変化を利用するものには、 光ダイォ一ド等の共振部に投光するデバィ スと、 共振部で反射した光量を測定するデバイス （受光部） とを有するものがあ る。 この受光部には光センサ等を用いることができ、 共振部が振動するにしたが つて共振部で反射する光量が変化し、 その受光部でその入射光量の変化が測定さ れる。

また、 電気抵抗変化を利用するものには、 大きく分けて導体を使用するもの、 半導体を使用するものが挙げられる。 このうち、 導体を使用するものは、 共振部 の表面に設けた導体と、 この導体に接続する電気回路を有し、 共振部とともに導 体が振動する際に振動により導体が歪み、 抵抗が変化するので、 電気回路でこの 抵抗変化を検出するものである。 一方、 半導体を使用するものは、 この導体の代 わりに半導体を用いたものである。

焦電作用を利用するものは、 検出板の表面に設けた一対の電極とその間に形成 された焦電体ならびに電極に接続する電子回路および熱源からなり、 振動による 焦電流を電子回路により検出するものが挙げられる。

これらの振動の信号変換装置は、 前述した圧電素子の代わりに設置される他、 共振部の励振と受振とを異なる信号変換装置、 例えば、 励振を圧電変換装置、 受 振を静電容量式変換装置で構成することも可能である。 また、 励振 ·受振装置の 配置は、 設けた検出板の数によっても適宜、 好適な配置を選択することができ、 例えば、 検出板が 1枚の場合にはその平面内に、 検出板を 2枚設けた場合には各 検出板の両平面、 あるいは各検出板に分けて励振 ·受振装置を配置させてもよい。 産業上の利用可能性

上述の通り、 本発明の質量センサおよび質量検出方法によれば、 振動板上で起 こる種々の微小質量の変化、 すなわち、 振動板への質量負荷の変化を簡単に、 正 確に、 しかも短時間で行うことができるという優れた効果を奏する。 したがって、 種々の被検出体を捕捉する物質を振動板に塗布した場合には、 多様な化学物質や 細菌、 ウィルス等の微生物の検出を簡単に短時間で行うことができるガスセンサ、 味覚センサ、 臭気センサ、 免疫センサ、 水分計として使用することができ、 この ような捕捉物質を塗布しない場合においては、 膜厚計、 粘性計、 真空計、 温度計 等として用いることが可能である。 しかも、 染色法に代わる免疫センサとして、 あるいは臭気センサ、 味覚センサとして使用した場合には、 人間の感覚に依存し て判断されることがないので、 検査の信頼性を向上させることができる。

また、 本発明の質量センサは、 共振周波数の検出において、 検体の温度や検体 温度による質量センサ自体の材質の特性変化による変化の影響が小さく、 その構 成により、 0 . 1ナノグラム （n g ) の微小量まで測定することが可能であり、 微量物質の検出に効果を発揮する。

さらに、 本発明の質量センサは、 上述した多種多様な用途に使用することがで きるにもかかわらず、 質量負荷を受ける振動板を含む共振部の共振周波数の変化 を測定するという基本的な測定原理に基づし、て測定が行われるため、 異なる機能 を有する共振部を 1つの質量センサ内に複数設けることが容易に行える特徴を有 する。 したがって、 各種の別個の複数をセンサを用いる必要がないため、 測定位 置へのセンサの組み込み、 取扱いや測定のための計測機器等の設備コスト、 さら には、 製造設備の集約と共有による低コスト化が図れるといった極めて優れた効 果を奏する。

Claims

請 求 の 範 囲

1 . 検出板の少なくとも一方の平板面上の少なくとも一部に圧電素子が配設され、 少なくとも 1枚の薄板状の振動板の一側面が、 当該振動板の平板面と当該検出 板の平板面とが互いに直交するように当該検出板の一側面に接合され、

当該検出板の他の一側面がセンサ基板に接合されて、

当該検出板と当該振動板および当該圧電素子から共振部が形成されてなること を特徴とする質量センサ。

2 . 連結板と振動板とが互いの側面において接合され、

検出板が、 当該振動板と当該連結板との接合方向と直交する方向において、 当 該連結板と互いの側面において接合され、

当該検出板の少なくとも一方の平板面上の少なくとも一部に圧電素子が配設さ れ、

当該連結板と当該検出板の少なくとも一部の側面が、 センサ基板側面に接合さ れて、

当該振動板と当該連結板と当該検出板および当該圧電素子から共振部が形成さ れてなることを特徴とする質量センサ。

3 . 連結板と振動板とが互いの側面において接合され、

2枚の検出板が、 当該振動板と当該連結板との接合方向と直交する方向におい て、 当該連結板を挟持するように当該連結板と互いの側面において接合され、 少なくとも一方の当該検出板の少なくとも一方の平板面上の少なくとも一部に 圧電素子が配設され、

当該連結板と当該各検出板の少なくとも一部の側面力 センサ基板の側面に接 合されて、

当該振動板と当該連結板と当該各検出板および当該圧電素子から共振部が形成 されてなることを特徴とする質量センサ。

4. 一方の検出板の少なくとも一方の平板面に当該圧電素子が配設され、 他方の 検出板には当該他方の検出板と当該連結板との接合方向に垂直な方向に 1以上の スリッ 卜が形成されていることを特徴とする請求の範囲第 3項記載の質量センサ _c

5 . 当該各検出板の少なくとも同方向の平板面にそれぞれ当該圧電素子が配設さ れ、 一方の検出板に配設された当該圧電素子における圧電膜の分極方向と、 他方 の検出板に配設された当該圧電素子における圧電膜の分極方向とカ^ 互いに逆向 きであることを特徴とする請求の範囲第 3項または第 4項記載の質量センサ。

6 . 直接には接合されない連結板と検出板とカ、 振動板との接合方向が互いに平 行となるように、 当該振動板とそれぞれ側面におし、て接合され、

当該連結板および当該検出板がセンサ基板の一側面に接合され、

当該検出板の少なくとも一方の平板面上の少なくとも一部に圧電素子が配設さ れて、

当該振動板と当該連結板と当該検出板および当該圧電素子から共振部が形成さ れてなることを特徴とする質量センサ。

7 . 2枚の連結板によって、 振動板を互いの側面で接合して挟持したものが、 セ ンサ基板に設けられた凹部の側部側面の間に跨設され、

2枚の検出板が、 当該各連結板が当該振動板を挟持する方向と直交する方向に おいて、 それぞれ当該各連結板と当該凹部の底部側面に跨設され、

当該各検出板の少なくとも一方の平板面上の少なくとも一部に圧電素子が配設 されて、

当該振動板と当該各連結板と当該各検出板および当該圧電素子から共振部が形 成されてなることを特徴とする質量センサ。

8 . 2枚の連結板によって、 振動板を互いの側面で接合して挟持したものが、 セ ンサ基板に設けられた貫通孔に跨設され、

少なくとも複数の検出板が、 当該各連結板が当該振動板を挟持する方向と直交 する方向において、 当該各連結板と当該貫通孔の側面との間もしくは当該振動板 と当該貫通孔の側面との間に跨設され、

少なくとも 1枚の当該各検出板の少なくとも一方の平板面上の少なくとも一部 に圧電素子が配設されて、

当該振動板と当該各連結板と当該各検出板および当該圧電素子から共振部が形 成されてなることを特徴とする質量センサ。

9 . 当該各連結板もしくは当該振動板を介して対向する各対の当該各検出板にお いて、 一方の検出板の少なくとも一方の平板面に当該圧電素子が配設され、 他方 の検出板には、 当該他方の検出板と当該各連結板もしくは当該振動板との接合方 向に垂直な方向に、 1以上のスリツ卜が形成されていることを特徴とする請求の 範囲第 8項記載の質量センサ。

1 0 . 当該各連結板もしくは当該振動板を介して対向する各対の当該各検出板の 少なくとも同方向の平板面にそれぞれ当該圧電素子が配設され、

一方の検出板に配設された当該圧電素子における圧電膜の分極方向と、 他方の 検出板に配設された当該圧電素子における圧電膜の分極方向と力く、 互いに逆向き であることを特徴とする請求の範囲第 8項または第 9項記載の質量センサ。

1 1 . 当該振動板と当該連結板および当該検出板が、 互いの接合により同一平板 面を形成していることを特徴とする請求の範囲第 2〜 1 0項のいずれか一項に記 載の質量センサ。

1 2 . 当該検出板が、 当該連結板および当該センサ基板により形成される凹部に 嵌合され、 接合されていることを特徴とする請求の範囲第 2〜 1 1項のいずれか 一項に記載の質量センサ。

1 3 . 当該振動板と当該各連結板および当該各検出板が、 1枚の振動プレートか ら一体的に形成され、 当該センサ基板が当該振動プレートとべ一スプレートを積 層して、 一体的に形成されてなることを特徴とする請求の範囲第 2〜 1 2項のい ずれか一項に記載の質量センサ。

1 4 . 当該連結板の一方の平板面もしくは両平板面に、 バネ板が貼合され、 当該 バネ板が、 当該センサ基板もしくはバネ板補強部に接合されてなることを特徴と する請求の範囲第 2〜 1 3項のいずれか一項に記載の質量センサ。

1 5 . 当該パネ板が、 当該振動プレートと当該べ一スプレー卜との間に嵌挿され て一体化される中間プレートと一体的に形成され、 もしくは当該振動プレートと 一体的に形成されるパネ板補強部と一体的に形成されつつ、 当該各連結板と一体 的に形成されてなることを特徴とする請求の範囲第 1 4項記載の質量センサ。

1 6 . 当該パネ板に貼合され、 力、つ、 当該センサ基板の側面に接合された補強板 を有することを特徴とする請求の範囲第 1 4項または第 1 5項記載の質量センサ _c

1 7 . 当該補強板が、 当該バネ板および当該センサ基板と一体的に形成されてな ることを特徴とする請求の範囲第 1 6項記載の質量センサ。

1 8 . 当該振動板の少なくとも一部に被検出体とのみ反応して当該被検出体を捕 捉する捕捉物質が塗布され、 当該捕捉物質に当該被検出体が捕捉されていない状 態および当該捕捉物質に当該被検出体が捕捉された後の状態における当該共振部 の共振周波数を、 当該圧電素子で測定し、

測定された共振周波数の変化から捕捉された当該被検出体の質量を測定するこ とを特徴とする請求の範囲第 1〜 1 7項のいずれか一項に記載の質量センサ。

1 9 . 当該共振部が当該センサ基板に少なくとも 2箇所以上設けられ、 少なくと も 1箇所の共振部における振動板には当該捕捉物質が塗布されていないことを特 徴とする請求の範囲第 1 8項記載の質量センサ。

2 0 . 当該共振部が当該センサ基板に少なくとも 2箇所以上設けられ、 当該共振 部の振動板の少なくとも一部に、 それぞれ異なる当該捕捉物質を塗布してなるこ とを特徴とする請求の範囲第 1 8項または第 1 9項記載の質量センサ。

2 1 . 当該共振部が当該センサ基板に少なくとも 2箇所以上設けられ、 当該各共 振部からの信号を積算することで、 ダイナミックレンジを大きくとることを特徴 とする請求の範囲第 1〜 2 0項の 、ずれか一項に記載の質量センサ。

2 2 . 当該センサ基板内部に任意形状の貫通孔を形成し、 当該貫通孔の内周面に 当該共振部を形成したことを特徴とする請求の範囲第 1〜 2 1項のいずれか一項 に記載の質量センサ。

2 3 . 1つの当該圧電素子を 2分割し、 一方を駆動用として用い、 他方を検出用 として用いることを特徴とする請求の範囲第 1〜 2 2項のいずれか一項に記載の 質量センサ。

2 4 . 当該圧電素子を 1つの共振部に対して 2箇所配設し、 当該一方の圧電素子 を駆動用として用い、 当該他方の圧電素子を検出用として用いることを特徴とす る請求の範囲第 1〜 2 3項のいずれか一項に記載の質量センサ。

2 5 . 当該センサ基板上の当該振動板と当該圧電素子との中間位置に一対の電極 力、らなる位置センサが設けられていることを特徴とする請求の範囲第 1〜 2 4項 の 、ずれか一項に記載の質量センサ。

2 6 . 当該圧電素子および当該圧電素子の電極に導通する電極リードが、 樹脂ま たはガラスからなる絶縁コ一ティング層により被覆されていることを特徴とする 請求の範囲第 1 ~ 2 5項の!、ずれか一項に記載の質量センサ。

2 7 . 当該樹脂がフッ素樹脂もしくはシリコーン樹脂であることを特徴とする請 求の範囲第 2 6項記載の質量センサ。

2 8 . 当該絶縁コーティング層の表面上に、 さらに導電性部材からなるシールド 層が形成されていることを特徴とする請求の範囲第 2 6項または第 2 7項記載の 質量センサ。

2 9 . 当該センサ基板、 当該振動板、 当該連結板、 当該検出板および当該パネ板 が、 安定化ジルコニァあるいは部分安定化ジルコニァからなることを特徴とする 請求の範囲第 1〜 2 8項の! ^、ずれか一項に記載の質量センサ。

3 0 . 当該圧電素子における圧電膜が、 ジルコン酸鉛、 チタン酸鉛、 マグネシゥ ムニォブ酸鉛からなる成分を主成分とする材料からなることを特徴とする請求の 範囲第 1〜 2 9項のいずれか一項に記載の質量センサ。

3 1 . 当該振動板、 当該連結板、 当該検出板もしくは当該パネ板の少なくともい ずれかの形状が、 レーザ加工もしくは機械加工によりトリミングして寸法調整さ れたものであることを特徴とする請求の範囲第 1〜3 0項のいずれか一項に記載 の質量センサ。

3 2 , 当該圧電素子における電極がレーザ加工もしくは機械加工され、 当該圧電 素子の有効電極面積が調整されたものであることを特徴とする請求の範囲第 1〜 3 1項のいずれか一項に記載の質量センサ。

3 3 . 少なくとも 1枚の薄板状の振動板の一側面が、 当該振動板の平板面を検出 板の圧電素子を配した平板面に直交するようにして、 当該検出板の一側面に接合 され、 当該検出板の他の一側面がセンサ基板に接合されてなる質量センサにおい て、

当該振動板が、 当該振動板と当該検出板との接合面を固定面として、 当該固定 面の中心を垂直に貫通する垂直軸を中心として、 当該振動板の側面に垂直かつ当 該垂直軸に垂直な方向に振り子状に振動する 0モード揺れ振動、 もしくは、 当該垂直軸を中心として、 当該振動板の側面に垂直、 かつ、 当該垂直軸に垂直 な方向への揺れが当該振動板の側面に平行な方向の摇れをともないながら振り子 状に振動する øモード揺れ振動、 あるいは、

当該振動板の当該垂直軸方向における振動、

の少なくともしヽずれ力、の振動に基づく共振周波数を、 当該圧電素子により測定 することを特徴とする質量センサの質量検出方法。

3 4 . 連結板と振動板とが互いの側面において接合され、 少なくとも 1枚の検出 板が当該振動板と当該連結板との接合方向と直交する方向において当該連結板と 互いの側面において接合され、 当該連結板と当該検出板の少なくとも一部の側面 が当該センサ基板側面の一部に接合された、 少なくとも 1個以上の圧電素子を有 する質量センサにおいて、

当該振動板が、 当該連結板と当該センサ基板との接合面を固定面として、 当該固定面の中心を垂直に貫通する垂直軸を中心として、 当該振動板の側面に 垂直、 かつ、 当該垂直軸に垂直な方向に振り子状に振動する 0モード揺れ振動、 もしくは、

当該垂直軸を中心として、 当該振動板の側面に垂直かつ当該垂直軸に垂直な方 向への揺れが当該振動板の側面に平行な方向の揺れを伴いながら振り子状に振動 する 0モード揺れ振動、

の少なくともいずれかの振動に基づく共振周波数を当該圧電素子により測定す ることを特徴とする質量センサの質量検出方法。

3 5 . 2枚の連結板によって、 振動板を互いの側面で接合して挟持したものが、 センサ基板に設けられた凹部の側部側面もしくは貫通孔に跨設され、 少なくとも 複数の検出板が、 当該各連結板が当該振動板を挟持する方向と直交する方向にお いて、 当該各連結板と当該凹部の底部側面もしくは当該貫通孔の側面との間ある し、は当該振動板と当該凹部の底部側面もしくは当該貫通孔の側面との間に跨設さ れてなる少なくとも 1個の圧電素子を有する質量センサにおいて、

当該振動板が、 当該連結板と当該センサ基板との接合面を固定面として、 当該固定面の中心を垂直に貫通する垂直軸を中心として、 当該振動板の側面に 垂直、 かつ、 当該垂直軸に垂直な方向に振り子状に振動する 0モード揺れ振動、 もしくは、

当該垂直軸を中心として、 当該振動板の側面に垂直、 かつ、 当該垂直軸に垂直 な方向への揺れが当該振動板の側面に平行な方向の揺れをともないながら振り子 状に振動する øモード揺れ振動、 もしくは、

当該垂直軸を中心として、 当該振動板の側面に垂直な方向であって、 かつ、 当 該垂直軸に垂直な方向に平行に振動する揺れ振動、 または、

当該振動板の平板面内における回転振動、

の少なくと 、ずれかの振動に基づく共振周波数を当該圧電素子により測定す ることを特徴とする質量センサの質量検出方法。