JP2006033195A - Crystal oscillator and detector - Google Patents

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Mitsuaki Koyama
光明 小山
Takeshi Shiobara
毅 塩原
Shunichi Wakamatsu
俊一 若松
Shigeru Kurosawa
茂 黒澤
Hidenobu Aizawa
秀信 愛澤
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Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
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Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a compact crystal oscillator having low power consumption and satisfactory frequency temperature characteristics. <P>SOLUTION: First and second oscillator 1A, 1B are used as an oscillator comprising a quartz oscillator and an oscillation circuit, and for example a heterodyne detector is provided for taking out a difference in oscillation frequencies from the oscillators 1A, 1B and outputting the frequency signal of the frequency difference. A resonance frequency at the first oscillator 1A differs from that at the second one 1B, and the frequency temperature characteristics are identical with those at the second oscillator 1B. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、水晶発振器、及びこの水晶発振器を用いて感知対象物を感知する感知装置に関する。   The present invention relates to a crystal oscillator and a sensing device that senses a sensing object using the crystal oscillator.

水晶発振器の温度に対する周波数安定性を得るための代表的な構成としては、OCXO(恒温槽付水晶発振器:Oven Controlled Crystal Oscillator)とTCXO(温度補償水晶発振器:Temperature Compensated Crystal Oscillator)とが知られている(非特許文献1)。OCXOは恒温槽によって水晶振動子の周囲温度を一定に保っているため、10−8 〜10−10の高い周波数安定度が得られるが、大型で消費電力が大きいことから、基地局の通信装置などには適しているが、携帯機器に対して適用できないなど、適用範囲が制限されている。またMCXO(高精度基準発生器:Microcomputer Controlled Crystal Oscillator)と呼ばれる水晶発振器も知られており、これは予め調べた水晶振動子の温度特性に基づいてその温度特性がキャンセルされるように出力をコンピュータにより制御するものであって、10−7 〜10−8 の高い周波数安定性が得られるが、OCXOよりも周波数安定度が劣るので適用しがたい。 As a typical configuration for obtaining the frequency stability with respect to the temperature of the crystal oscillator, OCXO (Oven Controlled Crystal Oscillator) and TCXO (Temperature Compensated Crystal Oscillator) are known. (Non-Patent Document 1). Since OCXO keeps the ambient temperature of the crystal unit constant by a thermostatic bath, high frequency stability of 10 −8 to 10 −10 can be obtained. However, the scope of application is limited such that it is not applicable to mobile devices. Also known is a crystal oscillator called MCXO (Microcomputer Controlled Crystal Oscillator), which outputs to a computer so that its temperature characteristics can be canceled based on the temperature characteristics of the crystal resonators examined in advance. Although high frequency stability of 10 −7 to 10 −8 is obtained, the frequency stability is inferior to OCXO, so that it is difficult to apply.

一方TCXOは感温素子を用いた温度補償回路を内蔵することにより広い範囲に亘って良好な周波数温度特性を得るようにしたものであり、消費電力が少なく、小型軽量であり、適用範囲が広い利点がある。しかしながらTCXOは、OCXOほどの高い周波数安定性が得られないので、高い周波数安定性が要求される場合には、適用しがたいという課題がある。   On the other hand, TCXO has a built-in temperature compensation circuit using a temperature sensitive element so as to obtain a good frequency temperature characteristic over a wide range, and has low power consumption, small size and light weight, and wide application range. There are advantages. However, since TCXO cannot obtain frequency stability as high as OCXO, there is a problem that it is difficult to apply when high frequency stability is required.

例えば最近において、溶液中や気体中の微量物質を検出する装置として水晶振動子を用いることが検討されている。これは水晶振動子に微量物質が吸着すると、その発振周波数(共振周波数)が変わることを検出原理としており、特許文献1には、ガスを吸着してそのガス濃度を検出することが記載されている。また特許文献2には、水晶振動子を用いて疫病マーカータンパク質を検出する装置が記載されている。本発明者は、このような測定装置に着目しており、今後種々の分野、例えばダイオキシンなどのppb〜pptレベルの極位濃度を分析対象とする環境汚染物質などについても高感度で検出できるものと期待している。   For example, recently, the use of a crystal resonator as an apparatus for detecting a trace amount substance in a solution or gas has been studied. This is based on the detection principle that the oscillation frequency (resonance frequency) changes when a trace substance is adsorbed to the quartz resonator. Patent Document 1 describes that the gas concentration is adsorbed to detect the gas concentration. Yes. Patent Document 2 describes an apparatus for detecting a plague marker protein using a crystal resonator. The present inventor is paying attention to such a measuring device, and can detect environmental pollutants whose analysis target is a ppb to ppt level concentration concentration in various fields, such as dioxin, with high sensitivity. I expect.

しかし微量物質の検出感度を高めようとすると、周波数の変化分の測定値に温度変化による周波数の変化分が乗ってくるので、検出誤差になってしまう。このため検出精度を高めるためには、水晶発振器の周波数温度特性を向上させることが要求される。こうしたことからTCXOの長所をいかしながら周波数安定性が高い水晶発振器の作製が望まれている。   However, if an attempt is made to increase the detection sensitivity of a trace substance, a change in frequency due to a temperature change is added to the measured value of the change in frequency, resulting in a detection error. For this reason, in order to increase the detection accuracy, it is required to improve the frequency temperature characteristics of the crystal oscillator. For these reasons, it is desired to produce a crystal oscillator with high frequency stability while taking advantage of TCXO.

水晶デバイスの解説と応用:2002年3月 日本水晶デバイス工業会発行(第18頁から20頁)Explanation and application of quartz devices: March 2002 Published by Japan Quartz Device Association (pages 18-20) 特開平6−241972号JP-A-6-241972 特開2001−83154(段落0007、0009及び図1)JP 2001-83154 (paragraphs 0007, 0009 and FIG. 1)

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、良好な周波数温度特性を備えた水晶発振器を提供することにある。更に他の目的は、この水晶発振器を利用することにより、感知対象物を高精度に検出することのできる感知装置を提供することにある。   The present invention has been made under such circumstances, and an object thereof is to provide a crystal oscillator having good frequency temperature characteristics. Still another object is to provide a sensing device capable of detecting a sensing object with high accuracy by using this crystal oscillator.

本発明の水晶発振器は、第1の水晶振動子とこの第1の水晶振動子を発振させるための第1の発振回路とを含む第1の発振部と、
第2の水晶振動子とこの第2の水晶振動子を発振させるための第2の発振回路とを含む第2の発振部と、
前記第1の発振部からの発振周波数と第2の発振部からの発振周波数との差を取り出しその周波数差の周波数信号を出力する手段と、を備え、
前記第1の発振部の発振周波数が前記第2の発振部の発振周波数と異なり、かつ水晶振動子の温度変化に対する第1の発振部の周波数温度特性と第2の発振部の周波数温度特性とが揃っていることを特徴とする。
A crystal oscillator according to the present invention includes a first oscillation unit including a first crystal resonator and a first oscillation circuit for oscillating the first crystal resonator;
A second oscillating unit including a second crystal unit and a second oscillation circuit for causing the second crystal unit to oscillate;
Means for taking out the difference between the oscillation frequency from the first oscillation unit and the oscillation frequency from the second oscillation unit and outputting a frequency signal of the frequency difference;
The oscillation frequency of the first oscillation unit is different from the oscillation frequency of the second oscillation unit, and the frequency temperature characteristic of the first oscillation unit and the frequency temperature characteristic of the second oscillation unit with respect to the temperature change of the crystal resonator It is characterized by having.

第1の発振部及び第2の発振部の各発振周波数の差に関しては、縦軸及び横軸に夫々発振出力電圧及び周波数をとったときの共振曲線において、第1の発振部に係る最大出力電圧の1/21/2以上の値が得られる周波数帯域と第2の発振部に係る最大出力電圧の1/21/2以上の値が得られる周波数帯域とが互いに重ならないことが好ましいが、重ならないことが要件ではない。第1の水晶振動子及び第2の水晶振動子は、共通の水晶片に形成してもよい。即ち、水晶片に弾性的な境界層を設けることにより、水晶片を互いに独立して振動する第1の振動領域と第2の振動領域とに分割し、これら第1の振動領域及び第2の振動領域に各々電極を設けて、第1の水晶振動子及び第2の水晶振動子を構成する。この場合、前記弾性的な境界層は、水晶片の表面部に形成された溝または導電層である。
他の発明は、感知対象物を吸着するための吸着層がその表面に形成された水晶振動子を含む水晶発振器と、この水晶発振器の発振周波数の変化分を測定する手段と、この手段により測定した発振周波数の変化分に基づいて感知対象物を感知する手段と、を備えた感知装置において、
前記水晶発振器として本発明の水晶発振器を用い、第1の水晶振動子及び第2の水晶振動子の一方に前記吸着層が形成されていることを特徴とする。
Regarding the difference between the oscillation frequencies of the first oscillating unit and the second oscillating unit, the maximum output of the first oscillating unit in the resonance curve when the oscillating output voltage and frequency are taken on the vertical axis and the horizontal axis, respectively. it is preferred that the 1/2 1/2 or more frequency bands values are obtained and 1/2 1/2 or more values are obtained frequency band of the maximum output voltage of the second oscillation of the voltage do not overlap each other However, it is not a requirement that they do not overlap. The first crystal unit and the second crystal unit may be formed on a common crystal piece. That is, by providing an elastic boundary layer on the crystal piece, the crystal piece is divided into a first vibration region and a second vibration region that vibrate independently of each other, and the first vibration region and the second vibration region are divided. An electrode is provided in each vibration region to constitute a first crystal resonator and a second crystal resonator. In this case, the elastic boundary layer is a groove or a conductive layer formed in the surface portion of the crystal piece.
In another aspect of the invention, there is provided a crystal oscillator including a crystal resonator on which an adsorption layer for adsorbing a sensing object is formed, a means for measuring a change in the oscillation frequency of the crystal oscillator, and a measurement by this means Means for sensing an object to be sensed based on the amount of change in oscillation frequency,
The crystal oscillator of the present invention is used as the crystal oscillator, and the adsorption layer is formed on one of the first crystal oscillator and the second crystal oscillator.

この感知装置において、水晶発振器の発振周波数の変化分を測定する手段は、周波数をカウントして周波数の変化分を測定する場合、及び周波数の周期を測定して周波数の変化分を求める場合のいずれも該当する。発振周波数の変化分に基づいて感知対象物を感知する手段とは、発振周波数の変化分と感知対象物との濃度との関係式(検量線)を用いて感知対象物の濃度を求める手段などが相当する。   In this sensing device, the means for measuring the change in the oscillation frequency of the crystal oscillator is either when counting the frequency and measuring the change in the frequency, or when measuring the frequency period to obtain the change in the frequency. Also applies. Means for sensing the sensing object based on the change in the oscillation frequency include means for obtaining the concentration of the sensing object using a relational expression (calibration curve) between the change in the oscillation frequency and the concentration of the sensing object. Corresponds.

本発明によれば、水晶振動子の雰囲気温度が変わったときに、第1の発振部及び第2の発振部の両方の発振周波数が同じように変わるので、これらの発振周波数の差を出力とすることにより、温度変化に対する周波数の変化分が小さくなり、良好な周波数温度特性が得られる。   According to the present invention, when the ambient temperature of the crystal resonator changes, the oscillation frequencies of both the first oscillation unit and the second oscillation unit change in the same way. By doing so, the change in the frequency with respect to the temperature change is reduced, and a favorable frequency-temperature characteristic is obtained.

図1は、本発明に係る水晶発振器の実施の形態を示す回路図である。水晶振動子及び発振回路からなる構成部分を発振部と呼ぶことにすると、この水晶発振器は、第1の発振部1Aと、第2の発振部1Bと、これら発振部1A、1Bからの発振周波数の差を取り出しその周波数差の周波数信号を出力する周波数差出力手段をなす混合器であるヘテロダイン検波器2と、を備えている。   FIG. 1 is a circuit diagram showing an embodiment of a crystal oscillator according to the present invention. If a component composed of a crystal resonator and an oscillation circuit is referred to as an oscillation unit, this crystal oscillator includes an oscillation frequency from the first oscillation unit 1A, the second oscillation unit 1B, and the oscillation units 1A and 1B. And a heterodyne detector 2 which is a mixer constituting frequency difference output means for extracting the difference between the two and outputting a frequency signal of the frequency difference.

第1の発振部1Aの構成について述べると、3Aは例えばATカットの水晶振動子である。この水晶振動子3Aには、例えばコルピッツ形の発振回路4Aが直列に接続されている。この発振回路4Aは、第1のインバータ(反転増幅器)41及び第2のインバータ(反転増幅器)42をコンデンサ43を介して直列に接続して構成されている。1段目のインバータ41の入力端及び出力端の間には、バイアスのための抵抗44及びコンデンサ45の並列回路が接続されている。また2段目のインバータ42の入力端及び出力端の間には、帰還抵抗46が接続されている。47は電源部であり、11Aは第1の発振部1Aの出力端である。   The configuration of the first oscillating unit 1A will be described. 3A is an AT-cut crystal resonator, for example. For example, a Colpitts type oscillation circuit 4A is connected in series to the crystal unit 3A. This oscillation circuit 4A is configured by connecting a first inverter (inverting amplifier) 41 and a second inverter (inverting amplifier) 42 in series via a capacitor 43. A parallel circuit of a resistor 44 and a capacitor 45 for bias is connected between the input terminal and the output terminal of the first stage inverter 41. A feedback resistor 46 is connected between the input terminal and the output terminal of the second stage inverter 42. Reference numeral 47 denotes a power supply unit, and 11A denotes an output terminal of the first oscillation unit 1A.

第2の発振部1Bの第2の発振回路4Bは、発振周波数を除いては第1の発振回路4Aと同様の構成であり、その構成部分については、第1の発振回路4Aと同じ符号を用いている。なお3Bは第2の水晶振動子であり、11Bは第2の発振部1Bの出力端である。   The second oscillation circuit 4B of the second oscillation unit 1B has the same configuration as that of the first oscillation circuit 4A except for the oscillation frequency. Used. Note that 3B is a second crystal resonator, and 11B is an output terminal of the second oscillation unit 1B.

第1の発振部1Aの共振周波数は、第2の発振部1Bの共振周波数よりも小さく、かつその周波数温度特性は、第2の発振部1Bの周波数温度特性と揃っている。図2は縦軸及び横軸に夫々利得及び周波数をとり、各発振部1A、1Bの共振曲線(便宜上共振曲線には、対応する発振部の符号を付してある。)を表したグラフである。ここでいう利得とは、発振出力電圧である。各発振部1A、1Bの発振周波数の差つまり水晶振動子3A、3Bの共振周波数の差は、本発明の水晶発振器が適用される機器に応じて決められるものであるが、両者の共振周波数をあまり接近させないことが好ましい。例えば図2では、両者の共振曲線は完全に分離されており、相互に干渉するおそれはないが、発振出力電圧が最大値(ピーク値)の1/21/2以上になる(電力が半分になる)周波数帯域BW1、BW2が互いに重なり、その重なりが大きくなると、各発振部1A、1Bの発振周波数の差をとってこの実施の形態の水晶発振器の出力としたときに、その発振動作が不安定になる場合がある。 The resonant frequency of the first oscillating unit 1A is lower than the resonant frequency of the second oscillating unit 1B, and the frequency-temperature characteristics thereof are aligned with the frequency-temperature characteristics of the second oscillating unit 1B. FIG. 2 is a graph in which the vertical axis and the horizontal axis represent the gain and frequency, respectively, and represent the resonance curves of the oscillation units 1A and 1B (for convenience, the resonance curves are labeled with the corresponding oscillation units). is there. The gain here is an oscillation output voltage. The difference between the oscillation frequencies of the oscillation units 1A and 1B, that is, the difference between the resonance frequencies of the crystal resonators 3A and 3B is determined according to the device to which the crystal oscillator of the present invention is applied. It is preferable not to make it approach too much. For example, in FIG. 2, the resonance curves of the two are completely separated and there is no risk of mutual interference, but the oscillation output voltage is 1/2 1/2 or more of the maximum value (peak value) (the power is half). When the frequency bands BW1 and BW2 overlap each other and the overlap increases, the oscillation operation is obtained when the difference between the oscillation frequencies of the oscillation units 1A and 1B is taken as the output of the crystal oscillator of this embodiment. May become unstable.

この点について本発明者は実験により把握しているが、必ず不安定になるとは言い切れず、また前記周波数帯域BW1、BW2の重なりの程度が大きくなければ、必ずしも発振動作が不安定になるわけではない。従って周波数帯域BW1、BW2が互いに重ならないように各発振部1A、1Bの発振周波数を決めることが好ましいといえるが、重なったからといって本発明が実施できなくなるものではない。   Although the present inventor has grasped this point by experiment, it cannot be said that it is always unstable, and the oscillation operation is not necessarily unstable unless the degree of overlap of the frequency bands BW1 and BW2 is large. is not. Therefore, it can be said that it is preferable to determine the oscillation frequencies of the oscillating units 1A and 1B so that the frequency bands BW1 and BW2 do not overlap each other. However, the overlap does not prevent the present invention from being implemented.

また図3は、発振部1A、1Bの周波数温度特性の一例を示す図であり、両者の周波数温度特性は互いに揃っている。ここでいう「揃っている」とは、完全に両者の周波数温度特性のカーブが一致していることに限定するものではなく、両者の周波数温度特性の差をとったときに、各々単独の周波数温度特性よりも良好になっている場合を意味する。また周波数温度特性とは、水晶振動子3A(3B)と発振回路4A(4B)とが同じ環境に置かれている場合には、発振部1A(1B)が置かれている環境の温度に対する周波数変化に相当するが、例えば後述の感知装置のように水晶振動子3A(3B)と発振回路4A(4B)とが異なる環境に置かれるときには、水晶振動子3A(3B)が置かれている環境の温度に対する発振部1A、(1B)の周波数変化に相当する。   FIG. 3 is a diagram illustrating an example of the frequency temperature characteristics of the oscillating units 1A and 1B, and the frequency temperature characteristics of both are aligned with each other. The term “consistent” here does not limit the frequency temperature characteristic curves of the two to match completely. When the difference between the frequency temperature characteristics of the two is taken, It means the case where it is better than the temperature characteristics. The frequency-temperature characteristic is the frequency with respect to the temperature of the environment where the oscillation unit 1A (1B) is placed when the crystal resonator 3A (3B) and the oscillation circuit 4A (4B) are placed in the same environment. Although this corresponds to a change, for example, when the crystal unit 3A (3B) and the oscillation circuit 4A (4B) are placed in different environments as in a sensing device described later, the environment in which the crystal unit 3A (3B) is placed. This corresponds to a change in the frequency of the oscillating units 1A and (1B) with respect to the temperature.

水晶振動子3A(3B)の構成例について図4に示しておく。図4(A)の例は、例えばATカットの角型の水晶片31の一面及び他面における中央部に弾性的な境界層としての溝部32を一縁から他縁に亘って設けることにより、互いに左右に分割された第1の振動領域33及び第2の振動領域34を形成し、これら第1の振動領域33及び第2の振動領域34の各々の両面に電極35、36(他面側の電極は図4では見えない)を設けて、第1の水晶振動子3A及び第2の水晶振動子3Bを構成したものである。水晶片31に弾性的な境界層を設けて第1の振動領域33及び第2の振動領域34を形成すれば、これら領域33,34は互いに独立して振動することになる。このように第1の水晶振動子3A及び第2の水晶振動子3Bの水晶片を共通化すれば、両者の温度特性が実質同じになるため有効な構成である。   A configuration example of the crystal resonator 3A (3B) is shown in FIG. In the example of FIG. 4A, for example, by providing a groove 32 as an elastic boundary layer from one edge to the other edge at the center of one surface and the other surface of the AT-cut square crystal piece 31, A first vibration region 33 and a second vibration region 34 that are divided into left and right are formed, and electrodes 35 and 36 (on the other surface side) are formed on both surfaces of each of the first vibration region 33 and the second vibration region 34. These electrodes are not visible in FIG. 4), and constitute the first crystal resonator 3 </ b> A and the second crystal resonator 3 </ b> B. If an elastic boundary layer is provided on the crystal piece 31 to form the first vibration region 33 and the second vibration region 34, the regions 33 and 34 vibrate independently of each other. If the crystal pieces of the first crystal unit 3A and the second crystal unit 3B are made common in this way, the temperature characteristics of both are substantially the same, which is an effective configuration.

溝部32としては、水晶片31の両面に設けることに限らず、図4(B)に示すように水晶片31の片面のみに設けるようにしてもよい。また弾性的な境界層としては、図4(C)に示すように水晶片31の中央部において例えば導電層37を全周に亘って形成したものであってもよい。導電層37は必ずしも全周に亘って形成しなくとも、例えば水晶片31の一方の面に形成してもよい。   The grooves 32 are not limited to being provided on both sides of the crystal piece 31 but may be provided only on one side of the crystal piece 31 as shown in FIG. As an elastic boundary layer, for example, a conductive layer 37 may be formed over the entire circumference at the center of the crystal piece 31 as shown in FIG. The conductive layer 37 is not necessarily formed over the entire circumference, but may be formed, for example, on one surface of the crystal piece 31.

第1の発振部1A及び第2の発振部1Bの発振周波数が異なるようにするためには、水晶振動子3A及び水晶振動子3Bの構造が異なるもの例えば図4の水晶片31における第1の振動領域33及び第2の振動領域34の各厚さが異なる構成であってもよいが、水晶振動子3A及び水晶振動子3Bの構造は同じにしておいて、水晶振動子3A及び水晶振動子3Bに夫々例えばコンデンサを直列に接続し、それらコンデンサの容量値を異ならせて共振周波数の値を異ならせるようにしてもよい。   In order to make the oscillation frequencies of the first oscillating unit 1A and the second oscillating unit 1B different, those having different structures of the crystal resonator 3A and the crystal resonator 3B, for example, the first crystal piece 31 in FIG. The thicknesses of the vibration region 33 and the second vibration region 34 may be different, but the crystal resonator 3A and the crystal resonator 3B have the same structure, and the crystal resonator 3A and the crystal resonator 3B are the same. For example, capacitors may be connected in series to 3B, and the capacitance values of these capacitors may be varied to vary the resonance frequency values.

次に上述の実施の形態の作用、効果について説明する。水晶振動子3A(3B)から出力されたパルスは前段のインバータ41により反転され、更にコンデンサ43により反転され、後段のインバータ42に入力される。後段のインバータ42の出力は帰還抵抗46を介してフィードバックされているので、結局コンデンサ43を通過したパルスは、その位相のままインバータ42から出力される。従って水晶振動子3A(3B)から出力されたパルスは発振回路4A(4B)を介して位相が元に戻るので、水晶振動子3A(3B)に発振が起こり、第1の発振部1A及び第2の発振部1Bの発振出力例えば正弦波が夫々出力端11A、11Bに現れる。   Next, operations and effects of the above-described embodiment will be described. The pulse output from the crystal unit 3A (3B) is inverted by the preceding inverter 41, further inverted by the capacitor 43, and input to the succeeding inverter 42. Since the output of the inverter 42 at the subsequent stage is fed back via the feedback resistor 46, the pulse that has passed through the capacitor 43 is output from the inverter 42 as it is. Accordingly, since the phase of the pulse output from the crystal unit 3A (3B) returns to the original state via the oscillation circuit 4A (4B), oscillation occurs in the crystal unit 3A (3B), and the first oscillation unit 1A and the first oscillation unit 1A The oscillating outputs of the two oscillating units 1B, for example, sine waves, appear at the output terminals 11A and 11B, respectively.

これら出力端11A、11Bの発振出力はヘテロダイン検波器2に入力され、ここから両者の周波数差の周波数信号が出力される。   The oscillation outputs of these output terminals 11A and 11B are input to the heterodyne detector 2, from which a frequency signal of the frequency difference between the two is output.

今、図3の周波数温度特性のグラフにおいて、例えば水晶振動子3A(3B)が置かれている雰囲気温度が15℃から40℃に変わったとすると、第1の発振部1Aの発振周波数(共振周波数)が低くなる。ところが第2の発振部1Bの発振周波数(共振周波数)も低くなるので、その周波数差は、15℃のときとあまり変わらなくなる。つまり雰囲気温度が変わったときに、第1の発振部1A及び第2の発振部1Bの両方の発振周波数が同じように変わるので、一方の発振周波数が低くなれば他方の発振周波数も低くなり、一方の発振周波数が高くなれば他方の発振周波数も高くなる。   Now, in the graph of frequency temperature characteristics of FIG. 3, for example, if the ambient temperature in which the crystal resonator 3A (3B) is placed is changed from 15 ° C. to 40 ° C., the oscillation frequency (resonance frequency) of the first oscillation unit 1A. ) Becomes lower. However, since the oscillation frequency (resonance frequency) of the second oscillating unit 1B is also lowered, the frequency difference is not much different from that at 15 ° C. That is, when the ambient temperature changes, the oscillation frequencies of both the first oscillation unit 1A and the second oscillation unit 1B change in the same way, so if one of the oscillation frequencies decreases, the other oscillation frequency also decreases. If one oscillation frequency increases, the other oscillation frequency also increases.

従って両者の周波数差を取ることにより、概略的に言えば、温度変化に対する一方の周波数の変化分から当該変化分とほぼ同じである他方の変化分を差し引くことになるので、両者の周波数温度特性が見えなくなる。即ちこの実施の形態の水晶発振器は、周波数温度特性が良好であり、第1の発振部1A及び第2の発振部1Bの周波数温度特性が一致していれば、温度変化に対する周波数の変化分はゼロになるし、一致していなくても、両者が揃っていることにより単独の周波数温度特性よりも良好になる。そしてこのように2つの発振部1A、1Bの周波数差を取り出すようにして周波数温度特性を改善しているので、OCXOなどのように装置が大掛かりなものではなく、小型であり、また消費電力も小さく、携帯機器をはじめ適用範囲が広い。   Therefore, by taking the frequency difference between the two, roughly speaking, the change in one frequency with respect to the temperature change is subtracted from the change in the other, which is almost the same as the change. Become invisible. That is, the crystal oscillator of this embodiment has good frequency-temperature characteristics. If the frequency-temperature characteristics of the first oscillating unit 1A and the second oscillating unit 1B match, the change in frequency with respect to temperature change is Even if they do not coincide with each other, even if they do not coincide with each other, they are better than the single frequency temperature characteristics. Since the frequency temperature characteristic is improved by taking out the frequency difference between the two oscillating units 1A and 1B in this way, the apparatus is not large, unlike OCXO, and is small in size and power consumption. Small and wide application range including portable devices.

続いて本発明の水晶発振器を用いた感知装置について図5〜図7を参照しながら説明する。この例の水晶発振器の第1の水晶振動子3A及び第2の水晶振動子3Bとしては、図4(A)の構造を採用しており、共通の水晶片に形成されている。なお溝32は図6に示すようにV字型に形成されている。第1の水晶振動子3Aの両面の電極には信号線5Aが各々接続され、信号線5Aは第1の発振回路4Aに接続されている。また第2の水晶振動子3Bの両面の電極には信号線5Bが各々接続され、信号線5Bは第2の発振回路4Bに接続されている。図6には図示の便宜上信号線5A、5Bは記載していない。   Next, a sensing device using the crystal oscillator of the present invention will be described with reference to FIGS. The first crystal resonator 3A and the second crystal resonator 3B of the crystal oscillator of this example employ the structure shown in FIG. 4A and are formed on a common crystal piece. The groove 32 is formed in a V shape as shown in FIG. A signal line 5A is connected to the electrodes on both surfaces of the first crystal unit 3A, and the signal line 5A is connected to the first oscillation circuit 4A. The signal lines 5B are connected to the electrodes on both surfaces of the second crystal unit 3B, and the signal line 5B is connected to the second oscillation circuit 4B. In FIG. 6, the signal lines 5A and 5B are not shown for convenience of illustration.

また第1の水晶振動子3A及び第2の水晶振動子3Bの片面(他面)は例えば樹脂からなる上面開口の容器61により接着剤により封止されており、第1の水晶振動子3A及び第2の水晶振動子3Bの一面は露出している。図6及び図7に示すように、第1の水晶振動子3Aの一面には感知対象物質である例えばダイオキシンを吸着する吸着層62が形成されている。この吸着層62はダイオキシンと反応して捕獲する抗体を含むものである。一方第2の水晶振動子3Bの一面にも、前記吸着層62と同じ厚さでかつ密度が同等のダミー層63が形成されている。このダミー層63は、ダイオキシンを吸着する能力はなく、吸着層62にダイオキシンが捕獲されていないときには水晶振動子3A、3Bの特性が同じになるように設けられたものである。即ちこの例では、水晶振動子3A、3Bは環境が同じであればそれ自体は同じ周波数で振動するように構成されており、これらに接続されるコンデンサの容量を変えることにより共振周波数を異ならせている。   Further, one side (the other side) of the first crystal unit 3A and the second crystal unit 3B is sealed with an adhesive by a container 61 having an upper surface opening made of, for example, resin. One surface of the second crystal unit 3B is exposed. As shown in FIGS. 6 and 7, an adsorption layer 62 that adsorbs, for example, dioxin, which is a substance to be sensed, is formed on one surface of the first crystal unit 3A. This adsorption layer 62 contains an antibody that reacts with and captures dioxins. On the other hand, a dummy layer 63 having the same thickness and the same density as the adsorption layer 62 is also formed on one surface of the second crystal unit 3B. The dummy layer 63 is not capable of adsorbing dioxins, and is provided so that the characteristics of the crystal resonators 3A and 3B are the same when no dioxins are captured by the adsorption layer 62. That is, in this example, the crystal resonators 3A and 3B are configured to vibrate at the same frequency as long as the environment is the same, and the resonance frequency is varied by changing the capacitance of the capacitor connected to them. ing.

このような水晶振動子3A、3Bはランジュバン型水晶振動子と呼ばれ、露出している面に測定雰囲気例えば溶液が接触することになる。図5の例では容器64内の溶液に浸漬して用いられるが、溶液を水晶振動子3A、3Bの一面に垂らすようにしてもよい。   Such crystal resonators 3A and 3B are called Langevin type crystal resonators, and a measurement atmosphere such as a solution comes into contact with the exposed surface. In the example of FIG. 5, it is used by being immersed in the solution in the container 64, but the solution may be hung on one surface of the crystal resonators 3A and 3B.

図5に説明を戻すと、ヘテロダイン検波器2の後段には、ローパスフィルタ71、アンプ72及び周波数信号(パルス)をカウントするカウンタ73が接続されており、カウンタ73の後段にはデータ処理部74が設けられている。   Returning to FIG. 5, the low-pass filter 71, the amplifier 72, and the counter 73 that counts the frequency signal (pulse) are connected to the subsequent stage of the heterodyne detector 2, and the data processing unit 74 is connected to the subsequent stage of the counter 73. Is provided.

次いでこの感知装置の作用について説明する。第1の発振部1A(第1の水晶振動子3Aと第1の発振回路4Aとからなる部位)の発振周波数は例えば31.07MHzとされ、第2の発振部1B(第2の水晶振動子3Bと第2の発振回路4Bとからなる部位)の発振周波数は30MHzとされる。水晶振動子3A、3Bを所定の溶液中例えば超純水に浸漬すると、溶液が水晶面に付着したことにより大気雰囲気よりもわずかに例えば5000Hz程度発振周波数が低くなった状態で発振する。このとき第1の発振回路4Aの発振周波数と第2の発振回路4Bの発振周波数との差に相当する周波数の周波数信号がヘテロダイン検波器2から取り出され、その周波数信号がローパスフィルタ71を介してアンプ72に入力され、ここで増幅されてカウンタ73に入力される。カウンタ73にて周波数信号がカウントされてデータ処理部74にてその周波数が求められる。そしてこの周波数が安定したときにその値をブランク値としてデータ処理部74のメモリに記憶しておく。   Next, the operation of this sensing device will be described. The oscillating frequency of the first oscillating unit 1A (the part made up of the first crystal resonator 3A and the first oscillating circuit 4A) is, for example, 31.07 MHz, and the second oscillating unit 1B (second crystal resonator) The oscillation frequency of the part composed of 3B and the second oscillation circuit 4B is 30 MHz. When the quartz vibrators 3A and 3B are immersed in a predetermined solution, for example, in ultrapure water, the crystal oscillates in a state where the oscillation frequency is slightly lower than that of the atmospheric air by, for example, about 5000 Hz because the solution adheres to the quartz surface. At this time, a frequency signal having a frequency corresponding to the difference between the oscillation frequency of the first oscillation circuit 4A and the oscillation frequency of the second oscillation circuit 4B is extracted from the heterodyne detector 2, and the frequency signal is passed through the low-pass filter 71. The signal is input to the amplifier 72, amplified here, and input to the counter 73. The frequency signal is counted by the counter 73 and the frequency is obtained by the data processing unit 74. When this frequency is stabilized, the value is stored in the memory of the data processing unit 74 as a blank value.

続いて容器64内の溶液中に、感知対象物例えばダイオキシンが含まれている溶液を供給して攪拌すると、前記ダイオキシンが抗ダイオキシン抗体による選択的な分子捕捉により水晶振動子3Aの表面の吸着層62に捕獲され、その吸着量に応じて水晶振動子3Aの共振周波数(固有振動数)がΔfだけ変化する。このためカウンタ73における周波数のカウント値がΔfだけ変化するので、データ処理部74においてこの状態で安定した周波数と先のメモリ内のブランク値に相当する周波数とを比較することにより、Δfが周波数の変化分として求められ、予め求めておいた関係式(検量線)に基づいてダイオキシンの濃度が測定できる。この濃度は例えば図示しない表示部に表示される。なお検出した濃度と予め設定した濃度とを比較して、設定濃度よりも高ければ「有り」、設定濃度よりも低ければ「無し」として出力するようにしてもよい。   Subsequently, when a sensing object, for example, a solution containing dioxin is supplied into the solution in the container 64 and stirred, the dioxin is selectively trapped by the anti-dioxin antibody, and the adsorption layer on the surface of the crystal unit 3A. The resonance frequency (natural frequency) of the crystal resonator 3A changes by Δf in accordance with the amount of adsorption. Therefore, since the count value of the frequency in the counter 73 changes by Δf, the data processing unit 74 compares the stable frequency in this state with the frequency corresponding to the blank value in the previous memory, so that Δf is the frequency. The concentration of dioxin can be measured based on a relational expression (calibration curve) obtained in advance and obtained as a change. This density is displayed on a display unit (not shown), for example. The detected density may be compared with a preset density and output as “present” if the density is higher than the set density and as “absent” if the density is lower than the set density.

以上の実施の形態は、カウンタ73とデータ処理手段74におけるカウンタ値に基づいて周波数の変化分を求める手段とは、発振周波数の変化分を測定する手段に相当し、データ処理手段74において前記変化分と検量線とに基づいて感知対象物の濃度を求める手段は、発振周波数の変化分に基づいて感知対象物を感知する手段に相当する。   In the above embodiment, the means for obtaining the change in the frequency based on the counter value in the counter 73 and the data processing means 74 corresponds to a means for measuring the change in the oscillation frequency. The means for obtaining the concentration of the sensing object based on the minute and the calibration curve corresponds to the means for sensing the sensing object based on the change in the oscillation frequency.

そして測定中において容器64内の温度が変化しても、水晶振動子3A、3Bの共振周波数の差を取り出していることから既に詳述したように周波数の安定度が高いので、温度変化による周波数の変化分は小さい。従って測定感度を高めても、高い精度で感知対象物質を感知することができる。なお感知対象物としては、例えば疫病マーカー蛋白質、伝染病の細菌、PCBなどであってもよい。また液体中の物質を感知することに限られず気体中の物質、例えば毒性のガスを感知したり臭いを感知したりする場合にも適用できる。   Even if the temperature in the container 64 changes during measurement, the difference in resonance frequency between the crystal resonators 3A and 3B is taken out, so that the frequency stability is high as already described in detail. The change of is small. Therefore, even if the measurement sensitivity is increased, it is possible to detect the detection target substance with high accuracy. The sensing object may be, for example, a plague marker protein, an infectious disease bacterium, a PCB, or the like. Further, the present invention is not limited to sensing substances in liquids, and can be applied to sensing substances in gases, for example, toxic gases or smells.

第1の水晶振動子3A及び第2の水晶振動子3Bとして基本波14.4MHzのATカット水晶振動子を用い、これらに夫々20pF及び30pFのコンデンサを負荷容量として接続することにより、発振周波数が互いに異なる第1の発振部1A及び第2の発振部1Bを構成した。これら第1の発振部1A及び第2の発振部1Bを精密に温度を調整できる温度槽に入れて−10℃から60℃までの間の種々の温度について1時間放置後の周波数をカウンタによりカウントした。周波数については、第1の発振部1A及び第2の発振部1Bからの各発振周波数と、これらの差の周波数と、これらの和の周波数と、をカウントした。第1の発振部1A及び第2の発振部1Bからの各発振周波数の絶対値を図8に示し、これらの差の周波数の絶対値を図9に示す。また図8及び図9の周波数を25℃の周波数の温度を基準にした相対値を図10に示す。   By using an AT-cut crystal resonator having a fundamental wave of 14.4 MHz as the first crystal resonator 3A and the second crystal resonator 3B, and connecting a 20 pF capacitor and a 30 pF capacitor as load capacitors, respectively, the oscillation frequency is reduced. The first oscillating unit 1A and the second oscillating unit 1B which are different from each other are configured. The first oscillator 1A and the second oscillator 1B are placed in a temperature vessel in which the temperature can be precisely adjusted, and the frequency after being left for 1 hour at various temperatures between -10 ° C and 60 ° C is counted by a counter. did. Regarding the frequencies, the respective oscillation frequencies from the first oscillating unit 1A and the second oscillating unit 1B, the frequency of the difference between them, and the frequency of their sum were counted. The absolute values of the oscillation frequencies from the first oscillating unit 1A and the second oscillating unit 1B are shown in FIG. 8, and the absolute values of the frequencies of these differences are shown in FIG. FIG. 10 shows relative values based on the frequency of 25 ° C. as the frequency of FIG. 8 and FIG.

この結果から分かるように、第1の発振部1A及び第2の発振部1Bからの各発振周波数における周波数温度特性に比較して、その差の周波数温度特性は大幅に改善されており、1次関数で表されることが分かる。なお
第1の発振部1A及び第2の発振部1Bからの各発振周波数の和については図示していないが、3次曲線となり、周波数温度特性は悪化していた。
As can be seen from this result, compared to the frequency temperature characteristics at each oscillation frequency from the first oscillating unit 1A and the second oscillating unit 1B, the frequency temperature characteristic of the difference is greatly improved. It can be seen that it is expressed as a function. Although the sum of the oscillation frequencies from the first oscillating unit 1A and the second oscillating unit 1B is not shown, it is a cubic curve and the frequency-temperature characteristics are deteriorated.

本発明に係る水晶発振器の実施の形態を示す回路図である。1 is a circuit diagram showing an embodiment of a crystal oscillator according to the present invention. 上記の水晶発振器に用いられる2つの発振部の共振周波数を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the resonant frequency of the two oscillation parts used for said crystal oscillator. 上記の水晶発振器に用いられる2つの発振部の周波数温度特性を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the frequency temperature characteristic of two oscillation parts used for said crystal oscillator. 上記の水晶発振器に用いられる2つの水晶振動子の構成例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structural example of the two crystal oscillators used for said crystal oscillator. 本発明に係る感知装置の実施の形態を示す構成図である。It is a lineblock diagram showing an embodiment of a sensing device concerning the present invention. 上記の感知装置に用いられる水晶振動子の構成例を示す縦断側面図である。It is a vertical side view which shows the structural example of the crystal oscillator used for said sensing apparatus. 上記の感知装置に用いられる水晶振動子の構成例を示す平面図である。It is a top view which shows the structural example of the crystal oscillator used for said sensing device. 本発明の効果を検証するための実験に用いた水晶発振器に組み込まれている2つの発振部の周波数温度特性を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the frequency temperature characteristic of the two oscillation parts incorporated in the crystal oscillator used for the experiment for verifying the effect of this invention. 前記実験に用いた水晶発振器の周波数温度特性を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the frequency temperature characteristic of the crystal oscillator used for the said experiment. 図8及び図9に示される周波数を25℃の温度の周波数を基準にして相対値で表した特性図である。FIG. 10 is a characteristic diagram in which the frequencies shown in FIGS. 8 and 9 are expressed as relative values with respect to a frequency at a temperature of 25 ° C.

符号の説明Explanation of symbols

1A、1B 発振部
2 ヘテロダイン検波器
3A、3B 水晶振動子
31 水晶片
32 溝部
37 導電層
4A、4B 発振回路
41、42 インバータ




1A, 1B Oscillator 2 Heterodyne detector 3A, 3B Crystal resonator 31 Crystal piece 32 Groove 37 Conductive layer 4A, 4B Oscillator circuits 41, 42 Inverter




Claims (5)

第1の水晶振動子とこの第1の水晶振動子を発振させるための第1の発振回路とを含む第1の発振部と、
第2の水晶振動子とこの第2の水晶振動子を発振させるための第2の発振回路とを含む第2の発振部と、
前記第1の発振部からの発振周波数と第2の発振部からの発振周波数との差を取り出しその周波数差の周波数信号を出力する手段と、を備え、
前記第1の発振部の発振周波数が前記第2の発振部の発振周波数と異なり、かつ水晶振動子の温度変化に対する第1の発振部の周波数温度特性と第2の発振部の周波数温度特性とが揃っていることを特徴とする水晶発振器。
A first oscillating unit including a first crystal resonator and a first oscillation circuit for causing the first crystal resonator to oscillate;
A second oscillating unit including a second crystal unit and a second oscillation circuit for causing the second crystal unit to oscillate;
Means for taking out the difference between the oscillation frequency from the first oscillation unit and the oscillation frequency from the second oscillation unit and outputting a frequency signal of the frequency difference;
The oscillation frequency of the first oscillation unit is different from the oscillation frequency of the second oscillation unit, and the frequency temperature characteristic of the first oscillation unit and the frequency temperature characteristic of the second oscillation unit with respect to the temperature change of the crystal resonator A crystal oscillator characterized by
縦軸及び横軸に夫々発振出力電圧及び周波数をとったときの共振曲線において、第1の発振部に係る最大出力電圧の1/21/2以上の値が得られる周波数帯域と第2の発振部に係る最大出力電圧の1/21/2以上の値が得られる周波数帯域とが互いに重ならないことを特徴とする請求項1記載の水晶発振器。 In the resonance curves when the oscillation output voltage and frequency are taken on the vertical axis and the horizontal axis, respectively, the frequency band in which a value of 1/2 1/2 or more of the maximum output voltage related to the first oscillation unit is obtained and the second 2. The crystal oscillator according to claim 1, wherein a frequency band in which a value of 1/2 1/2 or more of the maximum output voltage of the oscillation unit is obtained does not overlap with each other. 水晶片に弾性的な境界層を設けることにより、水晶片を互いに独立して振動する第1の振動領域と第2の振動領域とに分割し、これら第1の振動領域及び第2の振動領域に各々電極を設けて、第1の水晶振動子及び第2の水晶振動子を構成したことを特徴とする請求項1または2記載の水晶発振器。   By providing an elastic boundary layer on the crystal piece, the crystal piece is divided into a first vibration region and a second vibration region that vibrate independently of each other, and the first vibration region and the second vibration region. 3. The crystal oscillator according to claim 1, wherein an electrode is provided to each of the first crystal resonator and the second crystal resonator. 前記弾性的な境界層は、水晶片の表面部に形成された溝または導電層であることを特徴とする請求項3記載の水晶発振器。   4. The crystal oscillator according to claim 3, wherein the elastic boundary layer is a groove or a conductive layer formed in a surface portion of a crystal piece. 感知対象物を吸着するための吸着層がその表面に形成された水晶振動子を含む水晶発振器と、この水晶発振器の発振周波数の変化分を測定する手段と、この手段により測定した発振周波数の変化分に基づいて感知対象物を感知する手段と、を備えた感知装置において、
前記水晶発振器として請求項1ないし4のいずれか一に記載の水晶発振器を用い、第1の水晶振動子及び第2の水晶振動子の一方に前記吸着層が形成されていることを特徴とする感知装置。

















A crystal oscillator including a crystal resonator on which an adsorption layer for adsorbing a sensing object is formed, means for measuring a change in the oscillation frequency of the crystal oscillator, and a change in the oscillation frequency measured by the means A sensing device comprising: means for sensing a sensing object based on minutes;
The crystal oscillator according to any one of claims 1 to 4 is used as the crystal oscillator, and the adsorption layer is formed on one of the first crystal oscillator and the second crystal oscillator. Sensing device.

















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