特開 2023-66196 検出装置、気体分析装置及び検出装置の使用方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023066196

(43)【公開日】2023-05-15

(54)【発明の名称】検出装置、気体分析装置及び検出装置の使用方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 27/624 20210101AFI20230508BHJP

   H01J 49/16 20060101ALI20230508BHJP

【ＦＩ】

G01N27/624

H01J49/16 800

【審査請求】未請求

【請求項の数】14

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021176776

(22)【出願日】2021-10-28

(71)【出願人】

【識別番号】000006747

【氏名又は名称】株式会社リコー

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】氏本 勝也

(72)【発明者】

【氏名】丹 国広

(72)【発明者】

【氏名】窪田 進一

(72)【発明者】

【氏名】岸川 準

【テーマコード（参考）】

2G041

【Ｆターム（参考）】

2G041CA02

2G041DA10

2G041EA05

2G041GA29

2G041KA03

(57)【要約】

【課題】検出感度を向上することができる検出装置、気体分析装置及び検出装置の使用方法を提供する。
【解決手段】検出装置は、コロナ放電により気体をイオン化するイオン化部と、前記イオン化部によりイオン化されたイオンの一部を選択的に透過させるイオンフィルタと、前記イオン化部によりイオン化され、かつ前記イオンフィルタを透過したイオンが衝突するイオン検出電極と、前記コロナ放電により生じたイオンの一部を選択的に排出する排出部と、を有する。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

コロナ放電により気体をイオン化するイオン化部と、
前記イオン化部によりイオン化されたイオンの一部を選択的に透過させるイオンフィルタと、
前記イオン化部によりイオン化され、かつ前記イオンフィルタを透過したイオンが衝突するイオン検出電極と、
前記コロナ放電により生じたイオンの一部を選択的に排出する排出部と、
を有することを特徴とする検出装置。

【請求項2】

前記排出部は、
前記イオンフィルタに形成された第１排気口と、
前記排出部に形成され、前記第１排気口に連通する第２排気口と、
を有することを特徴とする請求項１に記載の検出装置。

【請求項3】

前記イオン化部は、
放電針と、
前記第１排気口の内側に設けられた接地電極と、
を有することを特徴とする請求項２に記載の検出装置。

【請求項4】

前記排出部から排出されるイオンを前記第１排気口に誘導する誘導部を有することを特徴とする請求項２又は３に記載の検出装置。

【請求項5】

支持層と、前記支持層の上に形成された絶縁層と、前記絶縁層の上に形成された活性層と、を備えた積層体を有し、
前記誘導部は、前記支持層及び前記絶縁層に形成され、
前記イオンフィルタは、前記活性層に形成されていることを特徴とする請求項４に記載の検出装置。

【請求項6】

前記積層体は、前記活性層をシリコン層とするシリコン・オン・インシュレータ基板であることを特徴とする請求項５に記載の検出装置。

【請求項7】

前記イオン化部は、
放電針と、
前記放電針よりも前記イオンフィルタ側に設けられた接地電極と、
を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の検出装置。

【請求項8】

前記イオンフィルタは、互いに対向する第１電極及び第２電極を有し、前記第１電極と前記第２電極との間を通過するイオンの移動度を制御することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の検出装置。

【請求項9】

前記排出部から排出されるイオンは、ＮＯ_ｘ ^－であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の検出装置。

【請求項10】

前記排出部から、前記コロナ放電により生じたＮＯ_ｘの分子も排出されることを特徴とする請求項９に記載の検出装置。

【請求項11】

便器に備えられる気体分析装置であって、
大便から発せられる気体を前記気体として用い、前記大便から発せられる気体の分析を行う請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の検出装置を有することを特徴とする気体分析装置。

【請求項12】

コロナ放電により気体をイオン化するイオン化部と、
前記イオン化部によりイオン化されたイオンの一部を選択的に透過させるイオンフィルタと、
前記イオン化部によりイオン化され、かつ前記イオンフィルタを透過したイオンが衝突するイオン検出電極と、
を有する検出装置の使用方法であって、
前記気体を供給せずに、前記イオン化部によりコロナ放電を生じさせる工程と、
前記コロナ放電により生じたイオンの一部を選択的に排出する工程と、
前記コロナ放電により生じたイオンの他の一部を、前記イオンフィルタを通じて前記イオン検出電極に衝突させる工程と、
前記イオン検出電極に接続されたイオン電流検出回路を用いて、前記イオン検出電極で発生した電流を検出する工程と、
前記イオン電流検出回路による検出の結果に応じて、前記イオン電流検出回路の設定を調整する工程と、
を有することを特徴とする検出装置の使用方法。

【請求項13】

前記排出するイオンは、ＮＯ_ｘ ^－であることを特徴とする請求項１２に記載の検出装置の使用方法。

【請求項14】

前記コロナ放電により生じたＮＯ_ｘの分子を、前記ＮＯ_ｘ ^－と共に排出する工程を有することを特徴とする請求項１３に記載の検出装置の使用方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、検出装置、気体分析装置及び検出装置の使用方法に関する。

【背景技術】

【0002】

電界非対称波形イオン移動度分光分析（Field Asymmetric Ion Mobility Spectrometry：ＦＡＩＭＳ）システムによる分子の検出及び分析について種々の検討が行われている。ＦＡＩＭＳシステムは、非対称の交流信号が印加される１対の電極を備えたイオンフィルタを有しており、イオン化した気体の分子をイオンフィルタに流すと、その移動度の差によって選別される。イオンフィルタを通過したイオンをイオン検出電極に衝突させ、イオン検出電極で発生した電流を検出することで、気体の成分を特定できる。

【0003】

気体の分子をイオン化する方法として、コロナ放電を用いる方法が提案されている。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

従来、コロナ放電によりイオン化した気体の分子をＦＡＩＭＳシステムに用いた場合、十分な検出感度が得られない。

【0005】

本発明は、検出感度を向上することができる検出装置、気体分析装置及び検出装置の使用方法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】

【0006】

開示の技術の一態様によれば、検出装置は、コロナ放電により気体をイオン化するイオン化部と、前記イオン化部によりイオン化されたイオンの一部を選択的に透過させるイオンフィルタと、前記イオン化部によりイオン化され、かつ前記イオンフィルタを透過したイオンが衝突するイオン検出電極と、前記コロナ放電により生じたイオンの一部を選択的に排出する排出部と、を有する。

【発明の効果】

【0007】

開示の技術によれば、検出感度を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】イオンフィルタの一例におけるイオンの移動の軌跡を示す図である。

【図2】イオンの移動度の電界強度依存性を示す図である。

【図3】イオンフィルタで発生する電界波形の一例を示す図である。

【図4】第１実施形態に係る検出装置を示す模式図である。

【図5】第１実施形態におけるイオナイザ、イオンフィルタ及びイオン検出電極を示す断面図である。

【図6】図３に示す電界波形の一例を実現するための非対称電圧波形の一例を示す図である。

【図7】図３に示す電界波形の一例を実現するための非対称電圧波形の他の一例を示す図である。

【図8】第２実施形態におけるイオナイザ、イオンフィルタ及びイオン検出電極を示す断面図である。

【図9】第３実施形態におけるイオナイザ、イオンフィルタ及びイオン検出電極を示す断面図である。

【図10】第４実施形態におけるイオナイザ、イオンフィルタ及びイオン検出電極を示す断面図である。

【図11】第５実施形態に係るトイレ装置を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、本開示の実施形態について添付の図面を参照しながら説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複した説明を省くことがある。

【0010】

（イオン検出装置）
まず、ＦＡＩＭＳシステムに用いられるイオンフィルタの構成及び基本原理について説明する。図１は、イオンフィルタの一例におけるイオンの移動の軌跡を示す図である。図２は、イオンの移動度の電界強度依存性を示す図である。図３は、イオンフィルタで発生する電界波形の一例を示す図である。

【0011】

図１に示すように、イオンフィルタ１２０Ａは、互いに対向する第１電極１２１Ａ及び第２電極１２２Ａを有する。イオンフィルタ１２０Ａの後段に、例えばイオン検出電極１３０Ａが配置される。

【0012】

イオン検出電極１３０Ａには、イオン電流検出回路が接続される。イオン検出電極１３０Ａに衝突したイオンの量に応じて電流が発生し、この電流がイオン電流検出回路により検出される。なお、ここでは、ＸＹＺ３次元直交座標系を用い、被分析分子の進行方向を＋Ｚ方向とし、第１電極１２１Ａから第２電極１２２Ａが見える方向を＋Ｙ方向とし、＋Ｙ方向及び＋Ｚ方向に直交する方向を＋Ｘ方向とする。

【0013】

イオンは、電界Ｅの環境下では次の（１）式で示される移動速度Ｖで移動する。ここで、Ｋは、該イオンの移動度である。
Ｖ＝Ｋ×Ｅ ・・・ （１）

【0014】

ところで、イオンの移動度には電界強度依存性がある。そして、この電界強度依存性は、イオンの種類によって異なっている。図２には、一例として、種類が異なる３つのイオン（イオン１１、イオン１２、イオン１３）における移動度の電界強度依存性が示されている。なお、図２では、分かりやすくするため、各イオンの移動度が電界強度０で等しくなるように正規化されている。

【0015】

３つのイオン（イオン１１、イオン１２、イオン１３）の移動度は、電界強度が９ｋＶ／ｃｍ以下の低電界強度ではほぼ変化なしである。電界強度が約１０ｋＶ／ｃｍから増すにつれてイオンの種類固有の特性が移動度に現れる。イオン１１の移動度は、電界強度が増加するに従って大きく増加し、正の高電界（Ｅｍａｘ）で最大となる。イオン１２の移動度は電界強度によらずほとんど変化しない。イオン１３の移動度は、緩やかに減少する。このように三者三様の特性を示している。イオンフィルタ１２０Ａは、低電界強度での移動度と高電界強度での移動度との違いを利用してイオンの選別を行う。

【0016】

図１には、イオンフィルタ１２０Ａの第１電極１２１Ａと第２電極１２２Ａとの間における３つのイオン（イオン１１、イオン１２、イオン１３）の移動の軌跡が示されている。なお、ここでは、分かりやすくするため、便宜的に、第１電極１２１Ａ及び第２電極１２２Ａを導電体でできた平行平板としている。

【0017】

第１電極１２１Ａと第２電極１２２Ａとの間に発生する電界の波形を非対称電界波形とすることによって、任意のイオン（図１では、イオン１２）のみをイオン検出電極１３０Ａに到達させることができる。

【0018】

図３には、第１電極１２１Ａと第２電極１２２Ａとの間に発生させる電界波形の一例が示されている。この電界波形は、正の高電界（Ｅｍａｘ）と負の低電界（Ｅｍｉｎ）を交互に繰り返している。そして、高電界の期間（ｔ１）は低電界の期間（ｔ２）よりも短く、ｔ１とｔ２との比は１：３～１：５である。このように電界波形は、上下に関して非対称である。この非対称電界波形は、時間平均電界が零であり、次の（２）式が成り立つように設定されている。
｜Ｅｍａｘ｜×ｔ１＝｜Ｅｍｉｎ｜×ｔ２ ・・・ （２）

【0019】

すなわち、図３における領域２１の面積と領域２２の面積が一致するように設定されている。

【0020】

なお、以下では、次の（３）式に示されるように、｜Ｅｍａｘ｜×ｔ１の値、及び｜Ｅｍｉｎ｜×ｔ２の値をβとする。
｜Ｅｍａｘ｜×ｔ１＝｜Ｅｍｉｎ｜×ｔ２＝β ・・・ （３）

【0021】

ところで、高電界の期間（ｔ１）に、イオンがＹ軸方向に関して移動する速度（Ｖｕｐ）は、次の（４）式で示される。ここで、Ｋ（Ｅｍａｘ）は、高電界（Ｅｍａｘ）のときのイオンの移動度である。
Ｖｕｐ＝Ｋ（Ｅｍａｘ）×｜Ｅｍａｘ｜ ・・・ （４）

【0022】

例えば、｜Ｅｍａｘ｜が約１０ｋＶ／ｃｍ以上の場合、３つのイオン（イオン１１、イオン１２、イオン１３）では、イオン毎に移動度が異なるので、３つのイオンの移動速度（Ｖｕｐ）は三者三様に異なる。すなわち、図１に示されるように、高電界の期間（ｔ１）では、３つのイオンの移動軌跡の傾斜は互いに異なっている。

【0023】

そして、高電界の期間（ｔ１）に、イオンがＹ軸方向に関して移動した距離である変位（ｙｕｐ）は、次の（５）式で示される。
ｙｕｐ＝Ｖｕｐ×ｔ１ ・・・ （５）

【0024】

一方、低電界の期間（ｔ２）に、イオンがＹ軸方向に関して移動する速度（Ｖｄｏｗｎ）は、次の（６）式で示される。ここで、Ｋ（Ｅｍｉｎ）は、低電界（Ｅｍｉｎ）のときのイオンの移動度である。
Ｖｄｏｗｎ＝－Ｋ（Ｅｍｉｎ）×｜Ｅｍｉｎ｜ ・・・ （６）

【0025】

例えば、｜Ｅｍｉｎ｜が約５ｋＶ／ｃｍ以下の場合、３つのイオン（イオン１１、イオン１２、イオン１３）では、移動度がほぼ同一であるので、３つのイオンの移動速度（Ｖｄｏｗｎ）はほぼ同一である。すなわち、図１に示されるように、低電界の期間（ｔ２）では、３つのイオンの移動軌跡の傾斜はほぼ同じである。

【0026】

そして、低電界の期間（ｔ２）に、イオンがＹ軸方向に関して移動した距離である変位（ｙｄｏｗｎ）は、次の（７）式で示される。
ｙｄｏｗｎ＝Ｖｄｏｗｎ×ｔ２ ・・・ （７）

【0027】

非対称電界波形の１周期（Ｔ）内では、イオンは、＋Ｚ方向に移動しつつ、期間（ｔ１）の間に＋Ｙ方向に移動し、期間（ｔ２）の間に－Ｙ方向に移動する。

【0028】

そこで、図１に示されるように、ジグザグ運動を繰り返しながら第１電極１２１Ａに向かうもの（イオン１１）と、ジグザグ運動を繰り返しながら第２電極１２２Ａに向かうもの（イオン１３）と、＋Ｙ方向の変位と－Ｙ方向の変位とが釣り合い、イオン検出電極１３０Ａに向かうもの（イオン１２）とに分類される。

【0029】

ところで、非対称電界波形における１周期（Ｔ）での、イオンのＹ軸方向に関する平均変位（ΔｙＲＦ）は、次の（８）式で表される。
ΔｙＲＦ＝ｙｕｐ＋ｙｄｏｗｎ
＝Ｋ（Ｅｍａｘ）×｜Ｅｍａｘ｜×ｔ１－Ｋ（Ｅｍｉｎ）×｜Ｅｍｉｎ｜×ｔ２
・・・ （８）

【0030】

そして、上記（８）式は、上記（３）式を用いて次の（９）式のように表すことができる。
ΔｙＲＦ＝β｛Ｋ（Ｅｍａｘ）－Ｋ（ｍｉｎ）｝ ・・・ （９）

【0031】

ここで、Ｋ（Ｅｍａｘ）－Ｋ（ｍｉｎ）をΔＫとおくと、上記（９）式は次の（１０）式のように表される。
ΔｙＲＦ＝βΔＫ ・・・ （１０）

【0032】

βは第１電極１２１Ａと第２電極１２２Ａとの間に印加される非対称電界で決まる定数である。そこで、非対称電界波形の１周期（Ｔ）あたりのイオンのＹ軸方向に関する変位は、低電界（Ｅｍｉｎ）での移動度と高電界（Ｅｍａｘ）での移動度の差分であるΔＫに依存する。

【0033】

キャリアガスだけがイオンをＺ軸方向に移送させると仮定すると、イオンが第１電極１２１Ａと第２電極１２２Ａとの間に滞在しているときの、該イオンのＹ軸方向に関する変位（Ｙ）は、次の（１１）式で示される。ここで、ｔｒｅｓは、イオンが第１電極１２１Ａと第２電極１２２Ａとの間に滞在している平均時間（平均イオン滞在時間）である。

【0034】

【数1】

【0035】

平均イオン滞在時間ｔｒｅｓは、次の（１２）式で表される。ここで、Ａはイオンフィルタ１２０Ａにおけるイオンパスの断面積、ＬはＺ軸方向に関する電極の長さ（電極深さ）、Ｑはキャリアガスの容積流量である。Ｖはイオンフィルタ１２０Ａの容積（＝Ａ×Ｌ）である。

【0036】

【数2】

【0037】

上記（１１）式は、上記（１２）式及び上記（３）式を用いて、次の（１３）式のように表すことができる。ここで、Ｄは非対称電界波形のデューティであり、Ｄ＝ｔ１／Ｔである。

【0038】

【数3】

【0039】

非対称電界波形における高電界（Ｅｍａｘ）、イオンフィルタ１２０Ａにおけるイオンパスの容積（Ｖ）、非対称電界波形のデューティ（Ｄ）、及びキャリアガスの容積流量（Ｑ）について、すべてのイオン種に対して同一の値を用いると、上記（１３）式から、変位（Ｙ）は、イオン種固有の低電界（Ｅｍｉｎ）での移動度と高電界（Ｅｍａｘ）での移動度との差分ΔＫに比例することがわかる。

【0040】

なお、図１ではイオン１２の変位（Ｙ）が最小であり、イオン１２のみがイオン検出電極１３０Ａに到達しているが、デューティ（Ｄ）を変化させることによってイオン１２とは異なるΔＫを有するイオンをイオン検出電極１３０Ａに到達させることができる。さらに、デューティ（Ｄ）を小刻みに変化させていくことで、ΔＫが異なる様々なイオンの有無や量を検出することができる。

【0041】

デューティ（Ｄ）を一定としながら、高電界（Ｅｍａｘ）と低電界（Ｅｍｉｎ）との差である分散電圧（ＶＤＦ）を変化させることでも、ΔＫが異なる様々なイオンの有無や量を検出することができる。

【0042】

また、非対称電界波形に低強度のＤＣ電界を重畳することで、ΔＫが異なる様々なイオン種を検出することができる。この方法によると、期間（ｔ１）及び期間（ｔ２）でのＹ軸方向に関する変位量を変化させることができる。そこで、第１電極１２１Ａ又は第２電極１２２Ａに接触せずにイオン検出電極１３０Ａに到達することができるイオン種を連続的に変えることができる。なお、非対称電界波形に重畳するＤＣ電界は補償電圧（compensation voltages：ＣＶ）とよばれている。この方法では、補償電圧を掃引してΔＫが異なる様々なイオン種の有無や量を検出する。

【0043】

前述の分散電圧及び補償電圧を様々な値で組み合わせた条件でイオン検出量のデータを取ることによって、様々なイオン種の有無をより正確に分析することが可能となる。

【0044】

ところで、イオン検出電極１３０Ａに到達する前に第１電極１２１Ａ又は第２電極１２２Ａに接触したイオンは、中和されてイオンでなくなり検出されない。

【0045】

このように、イオンフィルタ１２０Ａを用いてイオンを選択的にイオン検出電極１３０Ａに到達させることができる。

【0046】

（第１実施形態）
次に、第１実施形態について説明する。第１の実施形態は、ＦＡＩＭＳシステムを応用した検出装置に関する。図４は、第１実施形態に係る検出装置を示す模式図である。図５は、第１実施形態におけるイオナイザ、イオンフィルタ及びイオン検出電極を示す断面図である。

【0047】

図４及び図５に示すように、第１実施形態に係る検出装置１００は、イオナイザ１１０と、イオンフィルタ１２０と、イオン検出電極１３０と、筐体１４０と、排出部１５０とを有する。イオナイザ１１０、イオンフィルタ１２０及びイオン検出電極１３０は筐体１４０に収容されている。筐体１４０の入口１４１から出口１４２に向けて、イオナイザ１１０、イオンフィルタ１２０及びイオン検出電極１３０がこの順に並んで配置されている。検出装置１００は、更に、イオン電流検出回路１６１と、非対称波形信号発生回路１６２と、補償電圧発生回路１６３とを有する。

【0048】

イオンフィルタ１２０は、矩形板状の形状を有し、第１電極１２１と、第２電極１２２とを備える。第１電極１２１及び第２電極１２２の材料は、例えば、金属又は不純物により導電性を付与された半導体である。第１電極１２１及び第２電極１２２は、櫛歯状に交互に配置されており、板面に平行な方向で互いに対向している。第１電極１２１と第２電極１２２との間には、例えば１０μｍ～５０μｍ程度の隙間が存在する。板面に垂直な方向から見たときのイオンフィルタ１２０の中心に円筒状の第１開口１５１が形成されている。第１開口１５１の直径は、例えば１ｍｍ程度である。第１開口１５１は、第１電極１２１及び第２電極１２２の両方にわたって形成されている。第１開口１５１は第１排気口の一例である。

【0049】

第１電極１２１及び第２電極１２２に、非対称波形信号発生回路１６２及び補償電圧発生回路１６３が接続されている。非対称波形信号発生回路１６２は、図３に示す非対称電界波形の一例を実現するための非対称電圧波形の信号を第１電極１２１及び第２電極１２２に供給する。第１電極１２１には、非対称波形信号発生回路１６２から信号Ｐ１が供給され、第２電極１２２には、非対称波形信号発生回路１６２から信号Ｐ２が供給される。補償電圧発生回路１６３は、オフセット電圧及び補償電圧を第１電極１２１及び第２電極１２２に供給する。第１電極１２１には、補償電圧発生回路１６３から信号ＣＶ１が供給され、第２電極１２２には、補償電圧発生回路１６３から信号ＣＶ２が供給される。

【0050】

ここで、非対称電圧波形の信号について説明する。図６は、図３に示す電界波形の一例を実現するための非対称電圧波形の一例を示す図である。図６に示す例では、電圧が一定（ここでは０Ｖ）の信号Ｐ１を第１電極１２１に供給し、図３の非対称波形電界と等しい周期Ｔ、パルス幅ｔ１、ｔ２を有する高周波波形信号Ｐ２を第２電極１２２に供給する。高周波波形信号Ｐ２の振幅は、Ｅｍａｘ～Ｅｍｉｎに対応するＶｍａｘ～－Ｖｍｉｎである。

【0051】

図４に示すように、信号Ｐ１及びＰ２はコンデンサを介して、それぞれ第１電極１２１及び第２電極１２２に供給される。このため、非対称電圧波形の交流成分だけが第１電極１２１及び第２電極１２２に伝えられる。また、信号ＣＶ１及びＣＶ２は抵抗を介して、それぞれ第１電極１２１及び第２電極１２２に供給される。従って、第１電極１２１に印加される信号の平均電圧は信号ＣＶ１の電圧となり、第２電極１２２に印加される信号の平均電圧は信号ＣＶ２の電圧となる。

【0052】

イオナイザ１１０は、コロナ放電によりサンプルガスをイオン化させる。サンプルガスは、検出対象の気体分子を含む気体である。イオナイザ１１０は、放電針１１１と、接地電極１１２とを有する。放電針１１１は、イオンフィルタ１２０よりも入口１４１側に配置されている。接地電極１１２は第１開口１５１の内側に設けられている。接地電極１１２と第１開口１５１の内壁との間に隙間が存在する。放電針１１１と接地電極１１２とを通る直線は、イオンフィルタ１２０の板面に略垂直である。検出装置１００は、放電針１１１に電圧を印加する電源１６４を有する。電源１６４から放電針１１１に電圧を印加することで、放電針１１１と接地電極１１２との間にコロナ放電が生じる。コロナ放電が生じると、周囲の窒素ガス及び酸素ガスから、ＮＯ_ｘ、ＮＯ_ｘ ^－及びＯＨ^－が発生する。このとき、イオンフィルタ１２０の板面に平行な方向において、ＮＯ_ｘ及びＮＯ_ｘ ^－は接地電極１１２の近傍の領域１１３に集中して発生し、ＯＨ^－は接地電極１１２から若干離れた領域１１４に集中して発生する。第１開口１５１は、イオンフィルタ１２０の板面に垂直な方向から見たときに、領域１１３と重なり、また、領域１１４が第１開口１５１の外側に位置するように形成されている。イオナイザ１１０はイオン化部の一例である。

【0053】

イオン検出電極１３０は、矩形板状の形状を有する。板面に垂直な方向から見たときのイオン検出電極１３０の中心に円筒状の第２開口１５２が形成されている。第２開口１５２は第１開口１５１に連通する。第２開口１５２の直径は、例えば１ｍｍ程度である。第２開口１５２は第２排気口の一例である。第１開口１５１及び第２開口１５２が排出部１５０に含まれる。

【0054】

イオン電流検出回路１６１は、イオン検出電極１３０に接続されている。イオン電流検出回路１６１は、イオン検出電極１３０に衝突したイオンの量に応じて発生する電流の大きさを検出する。

【0055】

第１実施形態に係る検出装置１００では、入口１４１からサンプルガスが筐体１４０内に導入される。筐体１４０内に導入されたサンプルガスはイオナイザ１１０によりイオン化される。イオンフィルタ１２０の作用により、イオン化されたサンプルガス（イオン）の一部がイオン検出電極１３０に到達し、イオン検出電極１３０に衝突したイオンの量に応じて電流が発生し、この電流がイオン電流検出回路１６１により検出される。従って、サンプルガスに含まれる検出対象の気体分子（例えば硫化水素）のイオンのみがイオンフィルタ１２０を透過するように制御することで、検出対象の気体分子の量を特定することができる。また、サンプルガスは出口１４２から外部に排出される。

【0056】

ここで、サンプルガスのイオン化について説明する。上述のように、コロナ放電によってＮＯ_ｘ、ＮＯ_ｘ ^－及びＯＨ^－が発生する。ＯＨ^－のプロトン親和力は、ＮＯ_ｘ ^－のプロトン親和力よりも大きい。このため、ＯＨ^－がサンプルガスからプロトンを引き抜き、サンプルガスが負イオン化する。この結果、ＯＨ^－はＨ_２Ｏ等の分子となる。一方、ＮＯ_ｘ ^－はサンプルガスからプロトンを引き抜きにくく、ＮＯ_ｘ ^－はイオンのまま存在する。従って、ＮＯ_ｘ ^－は検出対象の気体分子の検出に寄与しない。

【0057】

また、検出装置１００を用いた実際の測定の前には、検出装置１００に接続されるイオン電流検出回路１６１の較正が行われる。この較正の際には、サンプルガスを供給せず、かつイオンフィルタ１２０を動作させずにコロナ放電を生じさせる。そして、このコロナ放電で発生したイオンがイオン検出電極１３０に衝突したときにイオン電流検出回路１６１により検出される電流が極力大きくなるように、イオン電流検出回路１６１の設定を調整する。

【0058】

較正の際に、ＮＯ_ｘ ^－がイオン検出電極１３０に衝突すると、ＮＯ_ｘ ^－の量をも反映した調整が行われることとなる。特に、ＮＯ_ｘ ^－の量が支配的であると、実質的にＮＯ_ｘ ^－の量の検出に適した調整が行われることとなる。この場合、実際の測定の際には、イオンフィルタ１２０によってＮＯ_ｘ ^－がイオン検出電極１３０に衝突しないようにしても、検出対象の気体分子の量に応じた電流は小さくなってしまい、検出対象の気体分子の量を高感度で検出することができない。

【0059】

そこで、イオン電流検出回路１６１の較正では、排出部１５０を用いてＮＯ_ｘ ^－を出口１４２から排出し、できるだけＮＯ_ｘ ^－がイオン検出電極１３０に衝突しないようにする。すなわち、較正の際には、コロナ放電によってＮＯ_ｘ ^－が発生するものの、第１開口１５１及び第２開口１５２を通じてＮＯ_ｘ ^－をイオン検出電極１３０に衝突させずに筐体の１４０の出口１４２まで移動させ、排出する。その一方で、コロナ放電で発生したＯＨ^－を、イオンフィルタ１２０を通じてイオン検出電極１３０に衝突させ、ＯＨ^－がイオン検出電極１３０に衝突したときに発生する電流をイオン電流検出回路１６１により検出する。そして、この状態で、イオン電流検出回路１６１により検出される電流が極力大きくなるように、イオン電流検出回路１６１の設定を調整する。例えば、イオン電流検出回路１６１における電流／電圧変換のゲインと、デジタル－アナログ変換のダイナミックレンジ及び分解能とを調整する。この調整は、主として、ＯＨ^－の量に応じて行われることとなる。上記のように、サンプルガスのイオン化はＯＨ^－によって行われる。このため、イオン電流検出回路１６１の設定は、ＯＨ^－によってイオン化されたサンプルガス（イオン）の量の検出に適するように調整される。従って、実際の測定の際には、検出対象の気体分子の量を高感度で検出することができる。

【0060】

また、実際の測定の際に、コロナ放電により生じたＮＯ_ｘとＯＨ^－によってイオン化されたサンプルガス（イオン）とが混ざり合うと、イオン化されたサンプルガス（イオン）にＮＯ_ｘがプロトンを付与して、サンプルガス（イオン）が中性化されることがある。本実施形態では、コロナ放電により生じたＮＯ_ｘも排出部１５０から排出されるため、コロナ放電により生じたＮＯ_ｘとＯＨ^－によってイオン化されたサンプルガス（イオン）とが混ざり合いにくい。このため、サンプルガス（イオン）の中性化を抑制し、中性化に伴う検出感度の低下を抑制することもできる。

【0061】

なお、非対称電圧波形の信号は図６に示す例に限定されない。図７は、図３に示す電界波形の一例を実現するための非対称電圧波形の他の一例を示す図である。図７に示す例では、図３の非対称波形電界と等しい周期Ｔ、パルス幅ｔ１、ｔ２を有する高周波波形信号Ｐ１を第１電極１２１に供給し、図３の非対称波形電界と等しい周期Ｔ、パルス幅ｔ１、ｔ２を有する高周波波形信号Ｐ２を第２電極１２２に供給する。高周波波形信号Ｐ１の振幅は、Ｖｍｉｎ／２～－Ｖｍａｘ／２であり、高周波波形信号Ｐ２の振幅は、Ｖｍａｘ／２～－Ｖｍｉｎ／２である。このような非対称電圧波形の信号を用いても図３に示す電界波形の一例を実現することができる。

【0062】

（第２実施形態）
次に、第２実施形態について説明する。第２実施形態は、主として、接地電極の構成の点で第１実施形態と相違する。図８は、第２実施形態におけるイオナイザ、イオンフィルタ及びイオン検出電極を示す断面図である。

【0063】

図８に示すように、第２実施形態では、接地電極１１２が第１開口１５１及び第２開口１５２の内側に設けられている。接地電極１１２と第１開口１５１の内壁との間に隙間が存在し、接地電極１１２と第２開口１５２の内壁との間にも隙間が存在する。

【0064】

他の構成は第１実施形態と同様である。

【0065】

第２実施形態によっても第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

【0066】

なお、接地電極１１２が第２開口１５２の内側に設けられ、第１開口１５１の内側に設けられていなくてもよい。

【0067】

（第３実施形態）
次に、第３実施形態について説明する。第３実施形態は、主として、イオンフィルタの構成の点で第１実施形態と相違する。図９は、第３実施形態におけるイオナイザ、イオンフィルタ及びイオン検出電極を示す断面図である。

【0068】

図９に示すように、第３実施形態では、イオンフィルタ１２０がＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレータ）基板３１０に設けられている。ＳＯＩ基板３１０は、支持層３２０と、絶縁層３３０と、活性層３４０とを有する。絶縁層３３０が支持層３２０の上に形成され、活性層３４０が絶縁層３３０の上に形成されている。支持層３２０は、例えば、導電性を備えたシリコン基板である。絶縁層３３０は、例えば、シリコン酸化層である。活性層３４０は、例えば、導電層を備えたシリコン層であり、活性層３４０にイオンフィルタ１２０が形成されている。ＳＯＩ基板３１０は積層体の一例である。

【0069】

第１開口１５１に連通する第３開口１５３が絶縁層３３０に形成され、第３開口１５３に連通する第４開口１５４が支持層３２０に形成されている。また、第１電極１２１と第２電極１２２との間の隙間に連通する第５開口１５５が絶縁層３３０に形成され、第５開口１５５に連通する第６開口１５６が支持層３２０に形成されている。第３開口１５３及び第４開口１５４は誘導部の一例である。

【0070】

接地電極１１２は、第１開口１５１、第３開口１５３及び第４開口１５４の内側に設けられている。接地電極１１２と第１開口１５１の内壁との間に隙間が存在し、接地電極１１２と第３開口１５３の内壁との間に隙間が存在し、接地電極１１２と第４開口１５４の内壁との間に隙間が存在する。

【0071】

ＳＯＩ基板３１０は、例えば、ＮＯ_ｘ及びＮＯ_ｘ ^－が集中して発生する領域１１３の一部又は全部が第４開口１５４の内側に位置し、ＯＨ^－が集中して発生する領域１１４の一部又は全部が第６開口１５６の内側に位置するように、配置される。

【0072】

他の構成は第１実施形態と同様である。

【0073】

第３実施形態によっても第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、支持層３２０により、ＮＯ_ｘ ^－及びＮＯ_ｘと、ＯＨ^－とを互いに分離しやすい。このため、ＮＯ_ｘ ^－をよりイオン検出電極１３０に到達させにくくすることができ、また、ＮＯ_ｘとＯＨ^－とをより混ざり合いにくくすることができる。従って、検出感度を更に向上することができる。

【0074】

なお、検出対象とする気体分子の測定の際には、支持層３２０に一定の電圧を印加することが好ましい。支持層３２０に一定の電圧を印加することで、イオン化したサンプルガスを第１電極１２１と第２電極１２２との間の隙間に誘導しやすくなる。

【0075】

接地電極１１２が、第１開口１５１、第２開口１５２、第３開口１５３及び第４開口１５４の内側に設けられていてもよい。

【0076】

（第４実施形態）
次に、第４実施形態について説明する。第４実施形態は、主として、接地電極の構成の点で第３実施形態と相違する。図１０は、第４実施形態におけるイオナイザ、イオンフィルタ及びイオン検出電極を示す断面図である。

【0077】

図１０に示すように、第４実施形態では、絶縁層３３０が電極支持部３３１を有する。電極支持部３３１は第３開口１５３の内側に設けられている。そして、接地電極１１２が電極支持部３３１に支持されて第４開口１５４の内側に設けられている。電極支持部３３１と第３開口１５３の内壁との間に隙間が存在し、接地電極１１２と第４開口１５４の内壁との間に隙間が存在する。

【0078】

他の構成は第３実施形態と同様である。

【0079】

第４実施形態によっても第３実施形態と同様の効果を得ることができる。

【0080】

（第５実施形態）
次に、第５実施形態について説明する。第５実施形態は、気体分析装置を備えたトイレ装置に関する。図１１は、第５実施形態に係るトイレ装置を示す断面図である。

【0081】

第５実施形態に係るトイレ装置２００は、図１１に示すように、便器本体２１０と、コントロールパネル２３０と、便座２４０とを有する。便座２４０は便器本体２１０の上に載置される。

【0082】

便器本体２１０は、大便用の第１便鉢部２１１と、小便用の第２便鉢部２１２と、第１便鉢部２１１と第２便鉢部２１２とを区切る壁部２１３とを有する。第１便鉢部２１１の底部に大便用の便器排水路２１６が接続され、第２便鉢部２１２の底部に小便用の便器排水路２１８が接続されている。便器排水路２１６及び２１８は、便器本体２１０の底部に設けられた合流部２１９において互いに接続されている。

【0083】

便器排水路２１６は、合流部２１９と第１便鉢部２１１の底部との間にＵ字状の封水貯留部ｖ１５を有し、便器排水路２１８は、合流部２１９と第２便鉢部２１２の底部との間にＵ字状の封水貯留部２１７を有する。封水貯留部２１５、２１７のそれぞれに封水が貯留される。便器排水路２１６は、更に、封水貯留部２１５と第１便鉢部２１１の底部との間に設けられ、大便を保持する保持部２１４を有する。保持部２１４は、例えば、鉛直上方を向く水平面２１４Ａを有し、水平方向に延びる。保持部２１４は、例えば、便座２４０の座面に略平行な面を有してもよい。保持部２１４は、例えば、便器排水路２１６の第１便鉢部２１１につながる開口に略平行な面を有してもよい。

【0084】

便器本体２１０は、第１便鉢部２１１の上端近傍に、第１便鉢部２１１の内面を洗浄する水等の洗浄液を排出する洗浄液ノズル２２１を有し、第２便鉢部２１２の上端近傍に、第２便鉢部２１２の内面を洗浄する水等の洗浄液を排出する洗浄液ノズル２２２を有する。

【0085】

コントロールパネル２３０は、吸引装置２３１と、分析装置２３２と、出力装置２３３と、制御装置２３４とを備える。

【0086】

吸引装置２３１には管２２３を介して、可動式の吸入ヘッド２２０が接続されている。吸入ヘッド２２０は、例えば、便器本体２１０の縁の上の第１位置と、第１便鉢部２１１の上端の中央近傍の第２位置との間に移動可能である。

【0087】

分析装置２３２は、吸引装置２３１によって吸引された気体の組成を分析する。分析装置２３２は、第１～第４実施形態のいずれかに係る検出装置を備える。

【0088】

出力装置２３３は、分析装置２３２による分析の結果を出力する。出力装置２３３は、例えば表示装置を備える。出力装置は、記憶媒体に出力結果を記憶させてもよく、無線又は有線の通信により外部機器に分析結果を送信してもよい。

【0089】

制御装置２３４は、吸引装置２３１、分析装置２３２及び出力装置２３３を制御する。

【0090】

トイレ装置２００を用いて排便が行われると、壁部２１３により区切られた大便用の第１便鉢部２１１、小便用の第２便鉢部２１２に、それぞれ大便、小便が導かれる。なお、排便行為の際には、吸入ヘッド２２０は便器本体２１０の縁の上の第１位置に配置しておく。第２便鉢部２１２に導かれた小便は、第２便鉢部２１２の内面に沿って封水貯留部２１７まで落下する。一方、第１便鉢部２１１に導かれた大便は、第１便鉢部２１１の内面に沿って落下するが、封水貯留部２１５に達する前に保持部２１４の水平面２１４Ａ上に保持される。そして、保持部２１４に保持された大便から発せられる気体は第１便鉢部２１１内に拡散していく。

【0091】

大便から発せられる気体が第１便鉢部２１１内に拡散した状態で、制御装置２３４を動作させると、吸入ヘッド２２０を第１便鉢部２１１の上端の中央近傍の第２位置に移動させ、吸引装置２３１が気体の吸引を開始する。すなわち、吸引装置２３１は、大便から発せられ、第１便鉢部２１１内に拡散した気体を、吸入ヘッド２２０及び管２２３を介して吸引する。そして、分析装置２３２が、吸引装置２３１によって吸引された気体に含まれるガスを分析し、出力装置２３３が、分析装置２３２による分析の結果を出力する。分析装置２３２による分析が終了すると、吸引装置２３１による気体の吸引を終了し、吸入ヘッド２２０を第１位置に移動させる。分析装置２３２は、例えば、気体に含まれるアンモニア等の化学物質の濃度を分析する。

【0092】

その後、洗浄液ノズル２２１から水を排出することで、第１便鉢部２１１が洗浄され、大便が封水貯留部２１５に導かれ、合流部２１９から外部に排出される。また、洗浄液ノズル２２２から水を排出することで、第２便鉢部２１２が洗浄され、小便が合流部２１９から外部に排出される。

【0093】

第５実施形態によれば、小便から発せられる気体の影響を受けずに、大便から発せられる気体の分析を行うことができる。また、第１便鉢部２１１と第２便鉢部２１２とが区切られていたとしても、大便が封水中に落下した状態で大便から発せられる気体を分析しようとする場合、大便から発せられた気体が封水に溶け込んだり、封水から発せられた気体が混入したりする。従って、大便が封水中に落下していると、大便から発せられた気体を高精度で分析することは困難である。これに対し、第５実施形態では、大便が保持部２１４に保持された状態で吸引装置２３１による吸引と、分析装置２３２による分析とが行われる。このため、第５実施形態によれば、封水の影響を抑制しながら、大便から発せられた気体を高精度で分析することができる。すなわち、大便から発せられた気体を、その成分比及び濃度の変化を抑制しながら、回収して高精度で分析することができる。そして、この分析結果を用いることで、被験者の体調を高精度で管理し、病気の早期発見に貢献することができる。分析装置２３２は気体分析装置の一例である。

【0094】

以上、好ましい実施の形態等について詳説したが、上述した実施の形態等に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。

【符号の説明】

【0095】

１００ 検出装置
１１０ イオナイザ
１１１ 放電針
１１２ 接地電極
１２０ イオンフィルタ
１２１ 第１電極
１２２ 第２電極
１３０ イオン検出電極
１５０ 排出部
１５１ 第１開口
１５２ 第２開口
１６１ イオン電流検出回路
２００ トイレ装置
２３２ 分析装置

【先行技術文献】

【特許文献】

【0096】

【特許文献1】特許第５８２２２９２号

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】