特許 6981560 物質検出システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6981560

(24)【登録日】2021年11月22日

(45)【発行日】2021年12月15日

(54)【発明の名称】物質検出システム

(51)【国際特許分類】

   G01N 5/02 20060101AFI20211202BHJP

【ＦＩ】

   G01N5/02 A

【請求項の数】12

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2021-31704(P2021-31704)

(22)【出願日】2021年3月1日

(65)【公開番号】特開2021-165730(P2021-165730A)

(43)【公開日】2021年10月14日

【審査請求日】2021年3月1日

(31)【優先権主張番号】特願2020-66890(P2020-66890)

(32)【優先日】2020年4月2日

(33)【優先権主張国】JP

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】592028846

【氏名又は名称】Ｉ−ＰＥＸ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100095407

【弁理士】

【氏名又は名称】木村 満

(74)【代理人】

【識別番号】100162259

【弁理士】

【氏名又は名称】末富 孝典

(74)【代理人】

【識別番号】100165489

【弁理士】

【氏名又は名称】榊原 靖

(74)【代理人】

【識別番号】100146916

【弁理士】

【氏名又は名称】廣石 雅紀

(72)【発明者】

【氏名】緒方 健治

(72)【発明者】

【氏名】黒木 省吾

【審査官】 福田 裕司

(56)【参考文献】

【文献】 特開平１１−２７１２０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−２００５４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−０４８５８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−３０４２４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１９−１９４５６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−３１８１８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１８−１７３３１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 中国特許出願公開第１０７０８５０７９（ＣＮ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１７／１５３４８８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００７−２１８７０４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ５／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

気体が通過する複数の流路が形成され、前記流路それぞれに前記気体に含まれる物質に反応する感応膜が配置されているセンサ部と、
流入した前記気体の流れを一様に抑制して前記流路それぞれに送る整流部と、
前記整流部に前記気体を流入させる駆動部と、
を備え、
前記駆動部は、前記気体の流れにおいて、前記整流部よりも上流に配置され、流入する前記気体を前記整流部に吹き出す第１のポンプを備え、
前記第１のポンプは、前記物質の非検出時には外部からの前記気体の前記整流部への流入を制限し、
前記感応膜が、前記流路の一部を塞ぐ振動梁に設けられ、前記気体の流れに対向するように設けられており、
前記流路は、前記振動梁の前後において前記気体が流れる方向が同じで、かつ、前記気体の流れに直交する断面が均一となるように構成されている、
物質検出システム。

【請求項2】

前記整流部は、
前記流路に送られる前記気体の流量及び流速の少なくとも一方が前記流路間で均一化されるように、前記気体の流れを整流する、
請求項１に記載の物質検出システム。

【請求項3】

前記整流部は、
前記気体が流入する第１の整流路と、
前記第１の整流路から流出した気体を互いに異なる方向に送る複数の枝路を有する第２の整流路と、
前記流路毎に設けられ、前記第２の整流路から流出した気体を前記流路に送る複数の第３の整流路と、
を備える、
請求項１又は２に記載の物質検出システム。

【請求項4】

前記第３の整流路は、互いに形状及び大きさが同一であり、
前記第２の整流路の形状は、前記第３の整流路に供給される前記気体の流量及び流速の少なくとも一方が前記第３の整流路間で同じとなるように規定されている、
請求項３に記載の物質検出システム。

【請求項5】

前記整流部は、
第１の基板と、前記第１の基板に貼り合わされる第２の基板とを備え、
前記第１の整流路は、前記第１の基板に形成され、
前記第２の整流路は、前記第１の基板及び前記第２の基板の少なくとも一方に形成され、
前記第３の整流路は、前記第２の基板に形成されている、
請求項３又は４に記載の物質検出システム。

【請求項6】

前記流路は、形状及び大きさが互いに同じである、
請求項１から５のいずれか一項に記載の物質検出システム。

【請求項7】

前記駆動部は、
前記気体の流れにおいて、前記整流部よりも下流に配置され、前記センサ部から前記気体を引き込んで排出する第２のポンプを備える、
請求項１から６のいずれか一項に記載の物質検出システム。

【請求項8】

前記センサ部と、前記気体の流れにおいて前記センサ部よりも下流に配置された前記駆動部との間に、複数の前記流路からそれぞれ排出される前記気体を１つにまとめる排出路が設けられている、
請求項７に記載の物質検出システム。

【請求項9】

検出時における前記駆動部の駆動時間が一定である、
請求項１から８のいずれか一項に記載の物質検出システム。

【請求項10】

前記振動梁は、両端が前記流路の内壁に固定されている、
請求項１から９のいずれか一項に記載の物質検出システム。

【請求項11】

前記センサ部は、前記振動梁の振動周波数の変化を示す信号を出力する、
請求項１から１０のいずれか一項に記載の物質検出システム。

【請求項12】

外部からの前記気体を流入する流入口を有し、前記流入口から流入した前記気体を内部に収容する前記センサ部、前記整流部及び前記駆動部に送るハウジングを備え、
前記流入口に、交換可能なフィルタが取り付けられている、
請求項１から１１のいずれか一項に記載の物質検出システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、物質検出システムに関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、感応膜に対して物質が吸着又は脱離した時に生じる共振周波数の変化量に基づいて、物質を検出する物質検出システムとしての化学センサデバイスが開示されている。この化学センサデバイスは、それぞれが異なる物質に対して脱吸着特性を示す感応膜が設けられた複数の振動子を備えている。各振動子は、圧電基板を備えており、交流電圧が印加されて圧電基板が変形することで加振される。物質が感応膜に吸着又は脱離すれば、各振動子の共振周波数が変化する。これにより、物質の検出が可能になる。

【0003】

この化学センサデバイスを用いれば、複数の物質から構成される匂いを検出することが可能である。各感応膜の反応値のパターン、すなわち匂いを構成する複数の物質の構成比に基づいて、気体に含まれる匂いが特定される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００９−２０４５８４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、上述の化学センサデバイスは、各感応膜への気体の当たり方によって、感応膜間で検出結果にばらつきが生じる場合がある。例えば、気体の当たり方が緩やかな感応膜は、物質と良く反応して反応値が大きくなる一方、気体の流れが強すぎて気体の当たり方が強い感応膜は、反応値が小さくなる。このような感応膜間における反応のばらつきは、その反応値の検出結果のばらつきとなって現れ、各感応膜の反応値のパターンによる匂いの特定の妨げとなる。

【0006】

本発明は、上記実情の下になされたものであり、感応膜間における検出結果のばらつきを低減することができる物質検出システムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記目的を達成するために、本発明の第１の観点に係る物質検出システムは、
気体が通過する複数の流路が形成され、前記流路それぞれに前記気体に含まれる物質に反応する感応膜が配置されているセンサ部と、
流入した前記気体の流れを一様に抑制して前記流路それぞれに送る整流部と、
前記整流部に前記気体を流入させる駆動部と、
を備え、
前記駆動部は、前記気体の流れにおいて、前記整流部よりも上流に配置され、流入する前記気体を前記整流部に吹き出す第１のポンプを備え、
前記第１のポンプは、前記物質の非検出時には外部からの前記気体の前記整流部への流入を制限し、
前記感応膜が、前記流路の一部を塞ぐ振動梁に設けられ、前記気体の流れに対向するように設けられており、
前記流路は、前記振動梁の前後において前記気体が流れる方向が同じで、かつ、前記気体の流れに直交する断面が均一となるように構成されている。

【0008】

この場合、前記整流部は、
前記流路に送られる前記気体の流量及び流速の少なくとも一方が前記流路間で均一化されるように、前記気体の流れを整流する、
こととしてもよい。

【0009】

また、前記整流部は、
前記気体が流入する第１の整流路と、
前記第１の整流路から流出した気体を互いに異なる方向に送る複数の枝路を有する第２の整流路と、
前記流路毎に設けられ、前記第２の整流路から流出した気体を前記流路に送る複数の第３の整流路と、
を備える、
こととしてもよい。

【0010】

前記第３の整流路は、互いに形状及び大きさが同一であり、
前記第２の整流路の形状は、前記第３の整流路に供給される前記気体の流量及び流速の少なくとも一方が前記第３の整流路間で同じとなるように規定されている、
こととしてもよい。

【0011】

前記整流部は、
第１の基板と、前記第１の基板に貼り合わされる第２の基板とを備え、
前記第１の整流路は、前記第１の基板に形成され、
前記第２の整流路は、前記第１の基板及び前記第２の基板の少なくとも一方に形成され、
前記第３の整流路は、前記第２の基板に形成されている、
こととしてもよい。

【0012】

前記流路は、形状及び大きさが互いに同じである、
こととしてもよい。

【0015】

前記駆動部は、
前記気体の流れにおいて、前記整流部よりも下流に配置され、前記センサ部から前記気体を引き込んで排出する第２のポンプを備える、
こととしてもよい。

【0016】

前記センサ部と、前記気体の流れにおいて前記センサ部よりも下流に配置された前記駆動部との間に、前記流路からそれぞれ排出される前記気体を１つにまとめる排出路が設けられている、
こととしてもよい。

【0017】

検出時における前記駆動部の駆動時間が一定である、
こととしてもよい。

【0018】

前記振動梁は、両端が前記流路の内壁に固定されている、
こととしてもよい。
前記センサ部は、前記振動梁の振動周波数の変化を示す信号を出力する、
こととしてもよい。

【0019】

外部からの前記気体を流入する流入口を有し、前記流入口から流入した前記気体を内部に収容する前記センサ部、前記整流部及び前記駆動部に送るハウジングを備え、
前記流入口に、交換可能なフィルタが取り付けられている、
こととしてもよい。

【発明の効果】

【0020】

本発明によれば、物質が含まれる気体の流れを一様に抑制して複数の流路に送る整流部を備えているので、流路毎に設けられた感応膜への気体の当たり方を均一化することができるようになる。この結果、感応膜間における検出結果のばらつきを低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】本発明の実施の形態１に係る物質検出システムの構成を示す断面図である。

【図2】図１の物質検出システムの動作を示すタイミングチャートである。

【図3】本発明の実施の形態２に係る物質検出システムの構成を示す分解斜視図である。

【図4】図３の物質検出システムの斜視断面図である。

【図5】図４の物質検出システムを構成する整流部の分解斜視断面図である。

【図6】図５の整流部における流路の上面図である。

【図7】図６のＡ−Ａ線断面図である。

【図8】本発明の実施の形態３に係る物質検出システムの構成を示す分解斜視図である。

【図9】図８の物質検出システムの斜視断面図である。

【図10】本発明の実施の形態４に係る物質検出システムの構成を示す分解斜視図である。

【図11】図１０の物質検出システムの斜視断面図である。

【図12】整流部における流路の他の例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。各図面においては、同一又は同等の部分に同一の符号を付す。

【0023】

実施の形態１
本発明の実施の形態１について説明する。図１に示すように、本実施の形態に係る物質検出システム１は、気体Ｆに含まれる物質を検出する。この物質検出システム１は、例えば、気体Ｆに含まれる匂いを構成する物質を検出するために用いられる。物質検出システム１は、センサ部１０と、駆動部１１と、整流部１２と、を備える。

【0024】

本実施の形態では、センサ部１０が気体Ｆの流れの最下流に位置している。センサ部１０は、互いに仕切られて形成される複数の流路２０を有している。流路２０は、それぞれ気体Ｆが通過可能な貫通孔であり、この貫通孔によって形成される空間が、気体Ｆが通過する流路２０となる。流路２０は、互いの形状及び大きさが同じである。図１では、流路２０が２つだけ示されているが、流路２０は、３つ以上設けられていてもよい。

【0025】

センサ部１０において、流路２０のそれぞれには、気体Ｆに含まれる物質に反応する感応膜２１が配置されている。感応膜２１は、対象となる物質に反応すると、その質量が増加する。感応膜２１と反応する物質は、流路２０毎に異なっている。なお、本実施の形態では、感応膜２１は、物質に反応すると質量が増加することが想定されているが、本発明はこれには限られない。対象となる物質が付着している感応膜２１の水分が、乾燥した気体によって取り除かれて質量が減少するものを感応膜２１として用いてもよい。また、感応膜２１として、対象となる物質と反応して消耗し、質量が減る膜を用いてもよい。

【0026】

流路２０には、その一部を塞ぐ振動梁２２が設けられている。感応膜２１は、流路２０に張り出す振動梁２２上に設けられている。振動梁２２は、流路２０を形成する側壁に少なくとも一端が固定されている。物質と反応しやすくするため、感応膜２１は、気体Ｆの流れの上流側を向いている。

【0027】

振動梁２２には、例えば圧電素子が固定されている。振動梁２２には、圧電素子に電圧を印加する駆動電極と、振動梁２２の振動により、圧電素子の振動レベルを検出可能な検出電極とが設けられている。駆動電極を介して正弦波状に変動する電圧が印加されて圧電素子が伸縮すると、その伸縮により振動梁２２が振動する。検出電極では、その振動レベルに応じた電圧が検出される。

【0028】

感応膜２１が気体Ｆに含まれる物質と反応すると、感応膜２１の質量が増加又は減少する。これにより、振動梁２２の振動周波数、例えば共振周波数が変化する。センサ部１０は、感応膜２１毎に、この振動周波数の変化を示す信号を出力する。この変化に基づいて、感応膜２１と反応した物質、すなわち気体Ｆに含まれる物質を検出することが可能となる。

【0029】

なお、本実施の形態に係る物質検出システム１は、携帯可能な小型の機器とすることができる。このような機器は、スマートフォン等の別の電子機器と電気的に接続される。物質検出システム１は、接続された電子機器から電力が供給されるとともに、電子機器からの指令により、気体Ｆに含まれる物質を検出する。

【0030】

駆動部１１は、気体Ｆの流れにおいて最上流に配置されている。駆動部１１は、気体Ｆを引き込んで吹き出すポンプである。本実施の形態では、駆動部１１は、気体Ｆの流れにおいて、整流部１２よりも上流に配置されている。駆動部１１は、整流部１２に気体Ｆを流入させる。本実施の形態では、駆動部１１は、流入する気体Ｆを整流部１２に吹き出す。

【0031】

駆動部１１は、駆動の開始及び終了を制御可能である。駆動部１１の駆動時間Ｔ（図２参照）は、検出時において一定とすることができる。

【0032】

整流部１２は、気体Ｆの流れにおいて、駆動部１１とセンサ部１０との間に設けられている。整流部１２は、駆動部１１から吹き出す気体Ｆを流入する。整流部１２は、流入した気体の流れを一様に抑制して流路２０のそれぞれに送る。ここで、一様に抑制とは、流路２０間で気体Ｆの流れが互いに均一又は均等とみなせるように気体Ｆの流れを制限することをいう。整流部１２は、流路２０のそれぞれに送られる気体Ｆの流量及び流速が均一化されるように、気体Ｆの流れを整流する。

【0033】

整流部１２における整流路は、３つの部分に分かれている。すなわち、整流部１２は、第１の整流路としての流入孔３１と、第２の整流路としての分岐路３２と、第３の整流路としての複数の流出孔３３と、を備える。

【0034】

最上流の流入孔３１は、貫通孔である。流入孔３１の一方端、すなわち上流端は、駆動部１１の吹き出し口に合わせて配置されている。流入孔３１は、駆動部１１から吹き出された気体Ｆを流入する。

【0035】

分岐路３２は、流入孔３１の他方端、すなわち下流端と連通している。分岐路３２は、流入孔３１から見て、２つの方向に枝別れしている。すなわち、分岐路３２には、２つの枝路３２ａが設けられている。２つの枝路３２ａは、流入孔３１の下流端から流出した気体Ｆを互いに異なる方向に送る。なお、分岐路３２が枝別れする方向は２つには限られない。

【0036】

流出孔３３は、流路２０毎に設けられた貫通孔である。流出孔３３は、各枝路３２ａと流路２０とを連通している。流出孔３３は、枝路３２ａから流出した気体Ｆを流路２０に送る。流出孔３３は、互いに形状及び大きさが同一である。また、分岐路３２の形状は、流出孔３３のそれぞれに供給される気体Ｆの流量及び流速が同じとなるように規定されている。図１に示すように、流入孔３１と、枝路３２ａと、流出孔３３は、仮想中心線ＣＬに対して対称となっているため、流出孔３３のそれぞれに供給される気体Ｆの流量及び流速は同じとなる。

【0037】

また、部材の観点からすれば、整流部１２は、第１の基板４０と、第１の基板４０に貼り合わされる第２の基板４１とを備えている。流入孔３１は、第１の基板４０に形成されている。また、分岐路３２は、第２の基板４１における第１の基板４０と接する部分に形成されている。分岐路３２は、第２の基板４１に形成された溝が、第１の基板４０により塞がれて形成されている。流出孔３３は、第２の基板４１に形成されている。

【0038】

なお、分岐路３２は、第１の基板４０の第２の基板４１に接する部分に形成するようにしてもよい。また、分岐路３２は、第１の基板４０に形成された溝部分と、第２の基板４１に形成された溝部分とが、貼り合わされて形成されるようにしてもよい。また、分岐路３２については、第１の基板４０、第２の基板４１でなく、第１の基板４０と第２の基板４１との間に挟まれて貼り付けられる第３の基板に形成するようにしてもよい。

【0039】

また、センサ部１０に形成された流路２０のそれぞれは、形状及び大きさが同じである。流出孔３３と流路２０とは、継ぎ目のない一体化した貫通孔となっている。これにより、気体Ｆを通し易くすることができる。

【0040】

次に、本発明の実施の形態１に係る物質検出システム１の動作について説明する。

【0041】

図２に示すように、まず、時刻ｔ１において、駆動部１１は、気体Ｆの吹き込みを開始する。この時刻ｔ１から、駆動部１１は、流入した気体Ｆを、整流部１２の流入孔３１に流入させる。流入孔３１に供給された気体Ｆは、分岐路３２に流入する。これにより、気体Ｆは、流れの方向が変わり、分散した状態で、流出孔３３に流入する。すなわち、分岐路３２により、流入孔３１に流入した気体Ｆの流れが一様に抑制される。気体Ｆは、流れが抑制された状態で、２つに均等に分かれて、その流量及び流速が流出孔３３間で同じとなるように、各流出孔３３に流入する。

【0042】

一方の流出孔３３に流入した気体Ｆと、他方の流出孔３３に流入した気体Ｆとは、同じ流速、同じ流量でセンサ部１０の流路２０に供給される。気体Ｆに感応膜２１に反応する物質が含まれていれば、感応膜２１が物質に反応し、感応膜２１の質量が変化する。流路２０に供給された気体Ｆは、感応膜２１に当たった後、流路２０から排出される。

【0043】

時刻ｔ１から駆動時間Ｔ経過後の時刻ｔ２において、駆動部１１は、気体Ｆの吹き込みを終了する。これにより、物質検出システム１内部の気体Ｆの流れが停止する。気体Ｆが流れる駆動時間Ｔは一定であるため、１回の測定について、物質検出システム１内を流れる気体Ｆの流量は同じとなる。

【0044】

吹き込み終了後、時刻ｔ３において、センサ部１０から出力される各感応膜２１が設けられた振動梁２２の振動周波数の変化を示す信号が出力され、その信号に基づいて、気体Ｆに含まれる物質が検出される。各流路２０の感応膜２１で反応する物質の量の割合は、気体Ｆに含まれる匂いを構成する物質の割合に等しくなるため、検出された物質から構成される匂いを正確に特定することができる。

【0045】

実施の形態２
次に、本発明の実施の形態２について説明する。図３及び図４に示すように、本実施の形態に係る物質検出システム１は、センサ部１０に設けられた流路２０の数が、上記実施の形態１に係る物質検出システム１と異なっている。本実施の形態では、流路２０の数は１０である。すなわち、感応膜２１の数は１０である。

【0046】

本実施の形態に係る物質検出システム１は、センサ部１０、駆動部１１及び整流部１２の他、ハウジング１３Ａ、１３Ｂを備えている。この物質検出システム１は、気体Ｆの流れに対して、駆動部１１、整流部１２及びセンサ部１０の順に並んでいることは、上記実施の形態１に係る物質検出システム１と同じである。

【0047】

ハウジング１３Ａ、１３Ｂは、物質検出システム１の筐体であり、センサ部１０、駆動部１１及び整流部１２を収容する。ハウジング１３Ａには、気体Ｆの流入口１３ａが設けられている。流入口１３ａから流入した気体Ｆが、整流部１２、センサ部１０及び駆動部１１に送られる。流入口１３ａには、交換可能なフィルタが取り付けられている。このフィルタは、気体Ｆの流入に伴う異物の混入を防いでいる。また、ハウジング１３Ｂには、気体Ｆの排出口１３ｂが設けられている。なお、本実施の形態に係る物質検出システム１は、内部フレーム１５を備えている。内部フレーム１５とハウジング１３Ｂは、整流部１２及びセンサ部１０を内部で狭持している。

【0048】

図５に示すように、整流部１２は、第１の基板４０と、第１の基板４０に貼り合わされる第２の基板４１とを備えている。流入孔３１は、第１の基板４０に形成されている。また、分岐路３２は、第２の基板４１における第１の基板４０と接する部分に形成されている。流出孔３３は、第２の基板４１に形成されている。図５に示すように、第２の基板４１に形成された分岐路３２に相当する溝の深さは、流出孔３３に連通する部分以外は均一である。

【0049】

図６及び図７に示すように、分岐路３２には、２本の枝路３２ａと、両端部３２ｂと、枝路３２ｃとが設けられている。２本の枝路３２ａは、互いに平行に延びている。この枝路３２ａのそれぞれの中央部と、流入孔３１とが連通している。駆動部１１から吹き出された気体Ｆは、流入孔３１から枝路３２ａに流入する。気体Ｆは、枝路３２ａの両端部３２ｂへ向かって流れた後、両端部３２ｂから分岐する枝路３２ｃに流入し、その枝路３２ｃの端部、すなわち下流端に至る。枝路３２ｃの下流端は、流出孔３３に連通しており、気体Ｆは、流出孔３３を介して、センサ部１０の流路２０へ送られる。

【0050】

分岐路３２の形状は、流出孔３３のそれぞれに供給される気体Ｆの流量及び流速が同じとなるように規定されている。なお、図６に示すように、流出孔３３の中には、２つの枝路３２ｃの合流地点に設けられているものがある。合流地点に向かって設けられた２つの枝路３２ｃの幅は、他の枝路３２ｃの幅の半分となっている。これにより、すべての流出孔３３に流れる気体Ｆの流量を均一にしている。

【0051】

流出孔３３は、流路２０毎に設けられている。流出孔３３は、分岐路３２と流路２０とを連通している。流出孔３３のそれぞれは、形状及び大きさが同一である。

【0052】

上述のような物質検出システム１の動作は、上記実施の形態１に係る物質検出システム１と同じである。まず、駆動部１１の電源をオンして、気体Ｆの吹き込みを開始する。ハウジング１３Ａの流入口１３ａから流入した気体Ｆは駆動部１１に引き込まれ、駆動部１１は、流入した気体Ｆを整流部１２の流入孔３１に流入させる。流入孔３１に供給された気体Ｆは、分岐路３２に流入する。

【0053】

分岐路３２の枝路３２ａでは、気体Ｆの流れの方向が変更され、気体Ｆは、両端部３２ｂへ進む。両端部３２ｂに進んだ気体Ｆは、さらに枝路３２ｃを進んで、流出孔３３に到達する。すなわち、枝路３２ａにより、気体Ｆは、流速が抑制された状態で、枝分かれして、その流量及び流速が流出孔３３間で同じとなるように、各流出孔３３に流入する。

【0054】

各流出孔３３に流入した気体Ｆは、同じ流速、同じ流量でセンサ部１０の流路２０に供給される。流路２０に供給された気体Ｆは、感応膜２１に当たった後、流路２０から排出される。

【0055】

このように、本実施の形態に係る物質検出システム１であれば、各感応膜２１に気体Ｆを均一な流量及び流速で当てることができるので、各感応膜２１での反応値の割合を正確に測定することが可能となる。

【0056】

また、本実施の形態では、気体Ｆに含まれる１０個の物質を検出可能となる。このようにすれば、気体Ｆに含まれる複数の匂いを検出することも可能となる。各感応膜２１に流れる気体Ｆの流量及び流速は均一であるため、検出された物質に基づいて、気体Ｆに含まれる匂いの比率も正確に求めることができるようになる。

【0057】

また、本実施の形態のように、整流部１２では、気体Ｆの流れを分散させるだけでなく、合流する部分を設けることも可能である。いずれにしても、センサ部１０の各流路２０に流れ込む気体Ｆの流れが均一化されていればよい。整流部１２の整流路は、気体Ｆの流体シミュレーションの結果に基づいて決定することができる。

【0058】

実施の形態３
次に、本発明の実施の形態３について説明する。図８及び図９に示すように、本実施の形態に係る物質検出システム１は、気体Ｆの流れに対する構成要素の並び順が、上記実施の形態２に係る物質検出システム１と異なる。

【0059】

本実施の形態では、整流部１２、センサ部１０及び駆動部１１の順に並んでいる。すなわち、駆動部１１は、気体Ｆの流れにおいて、整流部１２及びセンサ部１０よりも下流に配置され、センサ部１０から気体Ｆを引き込んで排出する。

【0060】

また、本実施の形態では、センサ部１０と駆動部１１との間に、流路２０のそれぞれから排出される気体Ｆを１つにまとめる排出路１４が設けられている。排出路１４の排出路は、気体Ｆの流れに対して、整流部１２の整流路と全く逆の構成となっている。このようにすれば、駆動部１１の吸引力に、場所によってばらつきがあったとしても、複数の流路２０における、気体Ｆの流量及び流速を均一化することができる。

【0061】

しかしながら、駆動部１１の吸引力にばらつきがなければ、排出路１４は設けられていなくてもよい。また、排出路１４の構成は、整流部１２と逆の構成でなくてもよい。複数の流路２０各々から流出した気体Ｆを１つにまとめる構造となっていればよい。

【0062】

なお、本実施の形態に係る物質検出システム１は、内部フレーム１５、１６を備えている。内部フレーム１５，１６は、整流部１２、センサ部１０及び排出路１４を内部で狭持している。

【0063】

上述のような物質検出システム１の動作について説明する。まず、駆動部１１の電源をオンして、気体Ｆの引き込みを開始する。ハウジング１３Ａの流入口１３ａから流入した気体Ｆは整流部１２の流入孔３１に流入する。流入孔３１に流入した気体Ｆは、さらに、分岐路３２に流入する。

【0064】

分岐路３２の枝路３２ａでは、気体Ｆの流れの方向が変更され、気体Ｆは、両端部３２ｂへ進む。両端部３２ｂに進んだ気体Ｆは、さらに枝路３２ｃを進んで、流出孔３３に到達する。すなわち、枝路３２ａにより、気体Ｆは、流速が抑制された状態で、枝分かれして、その流量及び流速が流出孔３３間で同じとなるように、各流出孔３３に流入する。

【0065】

各流出孔３３に流入した気体Ｆとは、同じ流速、同じ流量でセンサ部１０の流路２０に供給される。流路２０に供給された気体Ｆは、感応膜２１に当たった後、流路２０から排出される。流路２０から排出された気体Ｆは、排出路１４でまとめられた後、駆動部１１、ハウジング１３Ｂの排出口１３ｂを経て排出される。

【0066】

このように、本実施の形態に係る物質検出システム１であれば、各感応膜２１に気体Ｆを均一な流量及び流速で当てることができるので、各感応膜２１での反応値の割合を正確に測定することが可能となる。

【0067】

実施の形態４
次に、本発明の実施の形態４について説明する。図１０及び図１１に示すように、本実施の形態に係る物質検出システム１は、駆動部１１が、整流部１２の上流と下流との双方に設けられている点が、上記実施の形態と異なっている。

【0068】

この物質検出システム１では、駆動部１１、整流部１２、センサ部１０及び駆動部１１の順に並んでいる。駆動部１１は、第１のポンプ１１Ａと、第２のポンプ１１Ｂとを備えている。第１のポンプ１１Ａは、気体Ｆの流れにおいて、整流部１２よりも上流に配置され、流入する気体Ｆを整流部１２に吹き出す。第２のポンプ１１Ｂは、気体Ｆの流れにおいて、整流部１２よりも下流に配置され、センサ部１０から気体Ｆを引き込んで排出する。

【0069】

なお、本実施の形態でも、内部フレーム１５，１６は、整流部１２、センサ部１０及び排出路１４を内部で狭持している。内部フレーム１５の上流に第１のポンプ１１Ａが配置され、内部フレーム１６の下流に第２のポンプ１１Ｂが配置されている。

【0070】

第１のポンプ１１Ａと、第２のポンプ１１Ｂとは協調して動作する。第１のポンプ１１Ａは、ハウジング１３Ａの流入口１３ａから気体Ｆを引き込んで、整流部１２へ吹き出す。整流部１２で流れが一様に抑制された気体Ｆは、センサ部１０の複数の流路２０に入り込んで、気体Ｆに検出対象となっている物質が含まれていれば、感応膜２１（図１参照）で検出される。

【0071】

一方、第２のポンプ１１Ｂは、流路２０内の気体Ｆを、排出路１４を介して引き込んで、ハウジング１３Ｂの排出口１３ｂから外部に排出する。

【0072】

上流の第１のポンプ１１Ａと下流の第２のポンプ１１Ｂとを両方備えることにより、吸引力を高めることができる。また、１つのポンプの吸引力を低減して、製品コストを下げることも可能となる。

【0073】

なお、流路２０内の気体Ｆの圧力が、外部の気圧に維持されるように、第１のポンプ１１Ａの吸引力と、第２のポンプ１１Ｂの吸引力とを制御するようにしてもよい。例えば、整流部１２、センサ部１０又は排出路１４等に気圧センサを備え、気体Ｆの圧力が外部の気圧より高くなったことが気圧センサで検出されれば、第１のポンプ１１Ａの吸引力を弱くするか、第２のポンプ１１Ｂの吸引力を強くする。また、気体Ｆの圧力が外部の気圧より低くなったことが気圧センサで検出されれば、第１のポンプ１１Ａの吸引力を強くするか、第２のポンプ１１Ｂの吸引力を弱くするようにしてもよい。

【0074】

このように、整流部１２の上流と下流の双方に設けられた第１のポンプ１１Ａ及び第２のポンプ１１Ｂによって、流入する気体Ｆの流れを調整することにより、センサ部１０の流路２０内の各感応膜２１（図１参照）への気体Ｆの当たり方を均一化したままで、流路２０内の気体Ｆの状態を制御することができる。例えば、第１のポンプ１１Ａによる気体Ｆの流入量を第２のポンプ１１Ｂによる気体Ｆの排出量よりも大きくして、気体Ｆを感応膜２１の周囲に溜め込むことができるし、第１のポンプ１１Ａによる気体Ｆの流入量を第２のポンプ１１Ｂによる気体Ｆの排出量よりも小さくして、感応膜２１の周囲の気体Ｆの量を少なくしたりすることができる。

【0075】

以上詳細に説明したように、上記実施の形態によれば、物質が含まれる気体Ｆの流れを一様に抑制して流路２０のそれぞれに送る整流部１２を備えている。このため、流路２０毎に設けられた感応膜２１への気体Ｆの当たり方を同じようにすることができる。この結果、感応膜２１間における検出結果のばらつきを低減することができる。

【0076】

上記実施の形態では、整流部１２は、流路２０のそれぞれに送られる気体Ｆの流量及び流速が均一化されるように、気体Ｆの流れを整流する。このようにすれば、気体Ｆの当たり方を、感応膜２１間で、極力均一化することができる。この結果、感応膜２１間における検出結果のばらつきを低減することができる。

【0077】

しかしながら、整流部１２は、気体Ｆの流量又は流速のいずれかを均一化すればよい。このようにしても、感応膜２１の間における検出結果のばらつきをある程度低減することができる。

【0078】

また、整流部１２は、気体Ｆを流入する流入孔３１と、流入孔３１と連通し、複数の分岐を有する分岐路３２と、分岐路３２と流路２０のそれぞれとを連通するために流路２０毎に設けられた複数の流出孔３３と、を備える。このようにすれば、流出した気体Ｆの流れを抑制した後に分岐させて複数の流路２０に送ることが可能となる。

【0079】

また、流出孔３３のそれぞれは、形状及び大きさが同一であり、分岐路３２の形状は、流出孔３３のそれぞれに供給される気体Ｆの流量及び流速が同じとなるように規定されている。このようにすれば、気体Ｆの流量及び流速を均一化することができる。

【0080】

なお、整流部１２の分岐路３２は、上記実施の形態に係るものには限られない。例えば、図１２に示すように、放射状に形成されたものを採用するようにしてもよい。図１２に示す流路においても、放射状に形成された分岐路３２の断面の形状及び大きさを同じとして、その中を流れる気体Ｆの流量及び流速を均一化するのが望ましい。

【0081】

また、整流部１２は、第１の基板４０と、第１の基板４０に貼り合わされる第２の基板４１とを備えている。また、流入孔３１は、第１の基板４０に形成され、分岐路３２は、第１の基板４０及び第２の基板４１の少なくとも一方に形成されている。また、流出孔３３は、第２の基板４１に形成されている。このようにすれば、２つの基板で、複雑な流路を有する整流部１２を簡単に製造することが可能となる。

【0082】

なお、上記実施の形態では、整流部１２を、例えばセラミック製とすることができる。整流部１２がセラミック製である場合には、全ての流路、すなわち流出孔３１、分岐路３２及び流出孔３３を、一体的に製造することが可能である。

【0083】

また、上記実施の形態によれば、流路２０のそれぞれは、形状及び大きさが同じである。このようにすれば、各流路２０に流入する気体Ｆの流量及び流速を同じにすることで、流路２０内の気体Ｆの状態を同じとすることができる。

【0084】

駆動部１１は、気体Ｆの流れにおいて、整流部１２よりも上流に配置されていてもよいし、下流に配置されていてもよい。また、駆動部１１は、上流と下流の双方に配置されていてもよい。

【0085】

なお、上記実施の形態では、駆動部１１は、気体Ｆの流れにおいてセンサ部１０の上流に配置された場合、気体Ｆからセンサ部１０を保護する保護部としての機能も果たすことができる。また、駆動部１１は、堅牢であるため、検出時においても、検出していない時においても、外力からセンサ部１０及び整流部１２を保護する役割を果たすことができる。

【0086】

また、上記実施の形態３によれば、センサ部１０と駆動部１１との間に、流路２０のそれぞれから排出される気体Ｆを１つにまとめる排出路１４が設けられている。このようにすれば、各流路２０から排出される気体Ｆの流量及び流速を均一化することができる。

【0087】

また、上記実施の形態によれば、検出時における駆動部１１の駆動時間Ｔが一定である。このようにすれば、複数回行われる測定の間において、気体Ｆの流量及び流速を、可能な限り均一化することができる。

【0088】

また、上記実施の形態２に係る物質検出システム１によれば、外部からの気体Ｆを流入する流入口１３ａを有するハウジング１３Ａを備えている。この流入口１３ａには、交換可能なフィルタが取り付けられている、このようにすれば、内部への異物の進入を防いでポンプの故障等を防止することができる。また、フィルタの種類によっては、内部への細菌等の進入を防ぐことができ、清潔さを保つことができる。また、フィルタを交換することにより、物質検出システム１の汚染を防止することができる。

【0089】

なお、上記実施の形態では、感応膜２１の種類を２種類又は１０種類としたが、本発明はこれには限られない。感応膜２１の種類は、２種類以上であればよい。

【0090】

また、上記実施の形態では、流路２０を貫通孔とした。しかしながら、本発明はこれには限られない。例えば、流路２０は、気体Ｆの流入口１３ａと、排出口１３ｂとが、対向していなくてもよい。

【0091】

なお、上記実施の形態では、駆動部１１をポンプとしたが、ポンプの種類は限られない。装置全体を小型化する場合には、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いた小型のポンプを用いるのが望ましい。また、駆動部１１として羽根が回転して気体Ｆを送るファンを用いてもよい。

【0092】

また、上記実施の形態では、感応膜２１への気体Ｆの当たり方を感応膜２１間で同じとしたが、本発明はこれには限られない。感度の低い感応膜２１が設けられた流路２０については、気体Ｆが長時間止まるような形状、例えば、他の流路２０に比べ気体Ｆの流速が遅くなるような形状とするようにしてもよい。

【0093】

整流部１２の整流路は、上記実施の形態のものに限られない。分岐と合流を繰り返すような形状であってもよいし、網の目のような形状であってもよい。また、流入孔３１と、流出孔３３との間に、薄く広い空間を設けるだけでもよい。

【0094】

また、上記実施の形態に係る物質検出システム１は、感応膜２１が設けられた振動梁２２の振動周波数の変化に基づいて、気体Ｆに含まれる物質を検出した。しかしながら、本発明はこれに限られない。感応膜２１への物質の脱着による他の特性の変化で、物質を検出するものを用いてもよい。例えば、感応膜２１が取り付けられた構造体の物理特性として、屈折率、蛍光強度、温度の変化に基づいて、物質を検出するようにしてもよい。さらに、感応膜２１を含む電気回路の物理特性として、電気伝導度、抵抗値、インピーダンス、電位差、キャパシタンスの変化に基づいて、物質を検出するようにしてもよい。

【0095】

上記実施の形態に係る物質検出システム１は、スマートフォン等の電子機器に接続されて使用されるものを想定している。しかしながら、本発明はこれには限られない。物質検出システム１は、バッテリを有し、単独で使用可能な機器であってもよい。

【0096】

また、上記実施の形態に係る物質検出システム１は、携帯可能なタイプを想定している。しかしながら、本発明はこれには限られない。物質検出システム１は、特定の場所に備え付けのものであってもよい。

【0097】

センサ部１０及び整流部１２は、ＭＥＭＳ技術を用いて一体化して製造するようにしてもよい。駆動部１１についても同様である。

【0098】

また、上記実施の形態に係る物質検出システム１の構成要素の材質については特に制限はない。しかしながら、感応膜２１以外は、気体Ｆと反応することのない材質、例えば樹脂等で構成されているのが望ましい。駆動電極及び検出電極等、金属で構成されている部分については、酸化等することのないように、皮膜で覆うようにしてもよい。

【0099】

この発明は、この発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この発明を説明するためのものであり、この発明の範囲を限定するものではない。すなわち、この発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。

【産業上の利用可能性】

【0100】

本発明は、気体に含まれる複数の物質の検出に適用することができる。

【符号の説明】

【0101】

１ 物質検出システム、１０ センサ部、１１ 駆動部、１１Ａ 第１のポンプ、１１Ｂ 第２のポンプ、１２ 整流部、１３Ａ，１３Ｂ ハウジング、１３ａ 流入口、１３ｂ 排出口、１４ 排出路、１５，１６ 内部フレーム、２０ 流路、２１ 感応膜、２２ 振動梁、３１ 流入孔、３２ 分岐路、３２ａ 枝路、３２ｂ 両端部、３２ｃ 枝路、３３ 流出孔、４０ 第１の基板、４１ 第２の基板、Ｆ 気体、ＣＬ 仮想中心線

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】