特開 2025-123906 検出器、及び検出方法

(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】P2025123906

(43)【公開日】2025-08-25

(54)【発明の名称】検出器、及び検出方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 5/02 20060101AFI20250818BHJP

【ＦＩ】

G01N5/02 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2024019682

(22)【出願日】2024-02-13

(71)【出願人】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(71)【出願人】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(74)【代理人】

【識別番号】110001519

【氏名又は名称】弁理士法人太陽国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】田村 伸一

(72)【発明者】

【氏名】勝野 高志

(72)【発明者】

【氏名】溝下 倫大

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 敏一

(72)【発明者】

【氏名】東 周

(72)【発明者】

【氏名】川端 久美子

(72)【発明者】

【氏名】水野 文明

(57)【要約】

【課題】互いに分子量が接近している第１気体と第２気体から構成された混合気体から、第１気体の濃度を精度よく検出する。
【解決手段】検出器１は、互いに分子量が接近している第１気体と第２気体から構成される第１混合気体が導入されるサンプルガス導入口２と、水晶振動子４Ｄ上に形成された吸着膜４Ａを有する検出素子４と、第１気体を吸着する吸着材３Ｃ、及び吸着材３Ｃに吸着した第１気体を脱着させる脱着装置３Ｄを含み、第２気体を第１気体との分子量差が異なる第３気体に交換する交換機構３と、を備え、吸着膜４Ａに吸着した第３気体の吸着量と、交換機構３によって第２気体を第３気体に交換した後の第１気体と第３気体から構成される第２混合気体の吸着膜４Ａへの吸着量との差分に応じて変化する検出素子４の水晶振動子４Ｄの周波数変化量を第１気体の濃度として検出する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

濃度の検出対象である第１気体と、前記第１気体との分子量差が予め定めた値未満である第２気体から構成される第１混合気体が導入される導入口と、
水晶振動子上に形成された吸着膜を有する検出素子と、
前記導入口と前記検出素子との間に設けられ、前記導入口から導入された前記第２気体を、前記第１気体を含まず、かつ、前記第１気体との分子量差が前記予め定めた値以上異なる第３気体に交換する交換機構と、
を備え、
前記吸着膜に吸着した前記第３気体の吸着量と、前記交換機構によって前記第２気体を前記第３気体に交換した後の前記第１気体と前記第３気体から構成される第２混合気体の前記吸着膜への吸着量との差分に応じて変化する前記検出素子の水晶振動子の周波数変化量を前記第１気体の濃度として検出する
検出器。

【請求項2】

前記交換機構は、前記第１気体を吸着する吸着材と、
前記第３気体が導入された場合に前記吸着材に吸着した前記第１気体を前記吸着材から脱着させ、前記第２混合気体を生成する脱着装置と、
を備えた請求項１に記載の検出器。

【請求項3】

前記第１気体がエチレンであり、
前記吸着膜が多孔質材料によって構成された
請求項１又は請求項２に記載の検出器。

【請求項4】

前記多孔質材料が金属有機構造体である
請求項３に記載の検出器。

【請求項5】

前記第２気体が窒素、乾燥空気、及び空気の何れかであり、前記第３気体が二酸化炭素、アルゴン、ヘリウム、及び酸素の何れかである
請求項４に記載の検出器。

【請求項6】

濃度の検出対象である第１気体と、前記第１気体との分子量差が予め定めた値未満である第２気体から構成される第１混合気体が導入される導入口と、
水晶振動子上に形成された吸着膜を有する検出素子と、
前記導入口と前記検出素子との間に設けられた機構であって、前記第１気体を吸着する吸着材、及び前記吸着材に吸着した前記第１気体を前記吸着材から脱着させる脱着装置を含み、前記導入口から導入された前記第１混合気体に含まれる前記第２気体を、前記第１気体を含まず、かつ、前記第１気体との分子量差が前記予め定めた値以上異なる第３気体に交換する交換機構と、
を備えた検出器を用いて、
前記導入口から導入された前記第１混合気体によって前記第１気体が前記吸着材に吸着した後、前記交換機構に導入された前記第３気体が前記吸着膜に接触するように前記交換機構を制御することにより前記第３気体を前記吸着膜に吸着させると共に、前記交換機構への前記第３気体の導入中に前記脱着装置を制御し、前記第１気体を前記吸着材から脱着させることによって前記第１気体と前記第３気体から構成される第２混合気体を生成して前記第２混合気体を前記吸着膜に吸着させ、
前記吸着膜に吸着した前記第３気体の吸着量と、前記吸着膜に吸着した前記第２混合気体の吸着量との差分に応じて変化する前記検出素子の水晶振動子の周波数変化量から、前記第１気体の濃度を検出する処理をコンピュータが実行する
検出方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、気体の検出器、及び検出方法に関する。

【背景技術】

【0002】

複数種類の気体を含む混合気体、例えばにおいを発する第１気体と無臭の第２気体を含む混合気体から第１気体の濃度を検出して、混合気体におけるにおいの強さを測定するにおいセンサが存在する。

【0003】

例えば特許文献１には、におい成分を捕集管で捕集した後、捕集管をヒーターで加熱してにおい成分を捕集管から脱離させた状態で捕集管にキャリアガスを供給することによって、におい成分をセンサで検出する識別装置が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００２－２２６９４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

こうしたにおいセンサでは、第１気体の吸着量と混合気体の吸着量との差分から第１気体の濃度、すなわち、におい成分の濃度を測定する。

【0006】

通常、においセンサは大気中で用いられることから、第２気体として窒素ガスや空気が用いられることが多いが、第１気体と第２気体の分子量差が接近している場合、においセンサにおける第１気体の吸着量と混合気体の吸着量との差分が小さくなってしまい、第１気体の濃度の検出精度が低下することがある。

【0007】

本開示は、上記事情に鑑みてなされたものであり、互いに分子量が接近している第１気体と第２気体の混合気体のみを用いて第１気体の濃度を検出する場合と比較して、第１気体の濃度を精度よく検出することができる検出器、及び検出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】

【0008】

第１態様に係る検出器は、濃度の検出対象である第１気体と、前記第１気体との分子量差が予め定めた値未満である第２気体から構成される第１混合気体が導入される導入口と、水晶振動子上に形成された吸着膜を有する検出素子と、前記導入口と前記検出素子との間に設けられ、前記導入口から導入された前記第２気体を、前記第１気体を含まず、かつ、前記第１気体との分子量差が前記予め定めた値以上異なる第３気体に交換する交換機構と、を備え、前記吸着膜に吸着した前記第３気体の吸着量と、前記交換機構によって前記第２気体を前記第３気体に交換した後の前記第１気体と前記第３気体から構成される第２混合気体の前記吸着膜への吸着量との差分に応じて変化する前記検出素子の水晶振動子の周波数変化量を前記第１気体の濃度として検出する。

【0009】

第２態様に係る検出器は、第１態様に係る検出器において、前記交換機構は、前記第１気体を吸着する吸着材と、前記第３気体が導入された場合に前記吸着材に吸着した前記第１気体を前記吸着材から脱着させ、前記第２混合気体を生成する脱着装置と、を備える。

【0010】

第３態様に係る検出器は、第１態様又は第２態様に係る検出器において、前記第１気体がエチレンであり、前記吸着膜が多孔質材料によって構成される。

【0011】

第４態様に係る検出器は、第３態様に係る検出器において、前記多孔質材料が金属有機構造体である。

【0012】

第５態様に係る検出器は、第４態様に係る検出器において、前記第２気体が窒素であり、前記第３気体が二酸化炭素である。

【0013】

第６態様に係る検出方法は、濃度の検出対象である第１気体と、前記第１気体との分子量差が予め定めた値未満である第２気体から構成される第１混合気体が導入される導入口と、水晶振動子上に形成された吸着膜を有する検出素子と、前記導入口と前記検出素子との間に設けられた機構であって、前記第１気体を吸着する吸着材、及び前記吸着材に吸着した前記第１気体を前記吸着材から脱着させる脱着装置を含み、前記導入口から導入された前記第１混合気体に含まれる前記第２気体を、前記第１気体を含まず、かつ、前記第１気体との分子量差が前記予め定めた値以上異なる第３気体に交換する交換機構と、を備えた検出器を用いて、前記導入口から導入された前記第１混合気体によって前記第１気体が前記吸着材に吸着した後、前記交換機構に導入された前記第３気体が前記吸着膜に接触するように前記交換機構を制御することにより前記第３気体を前記吸着膜に吸着させると共に、前記交換機構への前記第３気体の導入中に前記脱着装置を制御し、前記第１気体を前記吸着材から脱着させることによって前記第１気体と前記第３気体から構成される第２混合気体を生成して前記第２混合気体を前記吸着膜に吸着させ、前記吸着膜に吸着した前記第３気体の吸着量と、前記吸着膜に吸着した前記第２混合気体の吸着量との差分に応じて変化する前記検出素子の水晶振動子の周波数変化量から、前記第１気体の濃度を検出する処理をコンピュータが実行する方法である。

【発明の効果】

【0014】

本開示によれば、互いに分子量が接近している第１気体と第２気体の混合気体のみを用いて第１気体の濃度を検出する場合と比較して、第１気体の濃度を精度よく検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】検出器の構成例を示す図である。

【図2】水晶振動子の発振周波数の変化と、吸着膜に吸着したガスの吸着量との関係例を示す図である。

【図3】エチレンを含んだサンプルガスに含まれるベースガスの種類に応じた検出素子の周波数変化量｜Δｆ｜の例を示す図である。

【図4】制御装置における電気系統の要部構成例を示す図である。

【図5】制御装置によって実行される検出処理の流れの一例を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、本実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、同じ構成要素及び同じ処理には全図面を通して同じ符号を付与し、重複する説明を省略する。図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。

【0017】

図１は、本開示に係るにおい成分の検出器１の構成例を示す図である。検出器１は、におい成分を含む混合気体からにおい成分の濃度を検出するセンサであり、「においセンサ」とも称される。以降では、濃度の検出対象であるにおい成分を「目的ガス」、目的ガスと共に存在する無臭の気体を「ベースガス」、目的ガスとベースガスから構成される混合気体を「サンプルガス」という。なお、特定の種類の気体を表すのではなく、気体全般を表す場合には単に「ガス」という。

【0018】

目的ガスは本開示における第１気体の一例であり、ベースガスは本開示における第２気体の一例であり、サンプルガスは本開示における第１混合気体の一例である。

【0019】

図１に示すように、検出器１は、サンプルガス導入口２、交換機構３、検出素子４、中間流路５、バルブ６、排出口７、制御装置８、及び発振回路９を含む。

【0020】

まず、検出器１の構成の概要について説明する。

【0021】

サンプルガス導入口２は、サンプルガスを検出器１に導入するための導入口である。サンプルガス導入口２は交換機構３に接続され、サンプルガス導入口２から導入されたサンプルガスは交換機構３に流入する。

【0022】

交換機構３は、サンプルガスに含まれるベースガスを他の気体に交換する機構を有する。ベースガスの交換に用いられる気体を「交換ガス」という。また、交換機構３によってベースガスが交換ガスに置き換えられたサンプルガスを「交換サンプルガス」という。

【0023】

交換ガスは本開示における第３気体の一例であり、交換サンプルガスは本開示における第２混合気体の一例である。

【0024】

交換機構３と検出素子４とは中間流路５で接続され、中間流路５には中間流路５を開閉するためのバルブ６が設けられている。

【0025】

検出素子４は、交換機構３から中間流路５を通じて流入する交換サンプルガスに含まれる目的ガスの濃度を検出する。検出素子４には排出口７が取り付けられており、検出素子４を通過したガスは排出口７から大気に排出される。

【0026】

次に、交換機構３におけるガス交換の原理について詳細に説明する。

【0027】

図１に示すように、交換機構３には、サンプルガスに含まれている目的ガスを吸着する吸着材３Ｃが備えられ、サンプルガス導入口２から導入されたサンプルガスが吸着材３Ｃを通過することによって、サンプルガスに含まれている目的ガスが吸着材３Ｃに吸着する。目的ガスは吸着材３Ｃに吸着されるため、吸着材３Ｃを通過したサンプルガスには目的ガスが取り除かれベースガスが残る。

【0028】

一方、サンプルガスが吸着材３Ｃを通過した後の交換機構３の流路下流側の空間には、ベースガス排出口３Ｂが設けられている。したがって、バルブ６によって中間流路５が閉じられている場合、サンプルガスに含まれていたベースガスはベースガス排出口３Ｂから大気に排出される。交換機構３内のベースガスがベースガス排出口３Ｂから排出された後、バルブ６が開けられ、交換機構３から検出素子４へのガスの流路が確保される。バルブ６の開閉制御は、例えば制御装置８によって実行される。

【0029】

また、サンプルガスが吸着材３Ｃを通過する前の交換機構３の流路上流側に位置する空間には、交換ガス導入口３Ａが設けられている。したがって、サンプルガス導入口２からのサンプルガスの導入を停止した後、交換ガス導入口３Ａから交換ガスを導入すれば、交換機構３内部が交換ガスで充填され、交換ガスが中間流路５を通じて検出素子４に到達する。

【0030】

一方、交換機構３内部が交換ガスで充填された状態において、吸着材３Ｃに吸着した目的ガスを吸着材３Ｃから脱着させる脱着装置３Ｄを稼働させると、目的ガスと交換ガスとから構成される混合ガス、すなわち、サンプルガスに含まれていたベースガスが交換ガスに置き換えられた交換サンプルガスが生成され、交換サンプルガスが中間流路５を通じて検出素子４に到達する。

【0031】

このようにして、交換機構３によって目的ガスを含むサンプルガスのベースガスが交換ガスに交換される。

【0032】

なお、脱着装置３Ｄには吸着材３Ｃを加熱することによって吸着材３Ｃから目的ガスを脱着させるヒーターが用いられるが、脱着装置３Ｄは、吸着材３Ｃから目的ガスを脱着させることができるものであればどのような装置であってもよく、ヒーターに限られない。説明の便宜上、脱着装置３Ｄの一例であるヒーターに対して、脱着装置３Ｄと同じ符号“３Ｄ”を付して「ヒーター３Ｄ」と表すことにする。ヒーター３Ｄのオンオフ制御は図１に示した制御装置８によって実行される。

【0033】

次に、検出素子４における目的ガスの濃度の検出原理について説明する。

【0034】

図１に示すように、検出素子４は、電極４Ｂ及び水晶結晶４Ｃから構成された水晶振動子４Ｄ、並びに、水晶振動子４Ｄ上に形成された吸着膜４Ａを含む。検出素子４の吸着膜４Ａにガスが吸着すると、ガスの吸着量に応じて水晶振動子４Ｄの発振周波数が変化する。水晶振動子４Ｄの発振周波数と、吸着膜４Ａに吸着したガスの吸着量との関係は、（１）式に示すＳａｕｅｒｂｒｅｙの式によって表される。

【0035】

【数1】

【0036】

（１）式において、Δｆは水晶振動子４Ｄの周波数変化量、ｎは奇数次高調波、ｆ_０は基本周波数、Ａは吸着膜４Ａの面積、ρ_ｑは水晶結晶４Ｃの密度、μ_ｑは水晶結晶４Ｃの剛性度、Δｍは吸着膜４Ａに吸着したガスの質量変化量を表す。

【0037】

図２は、（１）式に基づく水晶振動子４Ｄの発振周波数の変化と、吸着膜４Ａに吸着したガスの吸着量との関係例を示す図である。図２の横軸は時間の経過を表し、縦軸は、水晶振動子４Ｄの基準発振周波数に対する周波数変化量Δｆを表す。

【0038】

時刻ｔ１において吸着膜４Ａにガスが吸着すると吸着膜４Ａの質量が増加するため、Δｍが増加することによって周波数変化量Δｆが減少する。一方、時刻ｔ２において吸着膜４Ａからガスが脱着すると吸着膜４Ａの質量が減少するため、Δｍが減少することによって周波数変化量Δｆが増加する。

【0039】

したがって、検出素子４は、吸着膜４Ａに目的ガスを吸着させた前後の水晶振動子４Ｄの発振周波数をそれぞれ制御装置８に通知する。

【0040】

制御装置８は、各々の発振周波数の差分である周波数変化量Δｆから吸着膜４Ａに吸着したガスの質量変化量Δｍを算出して目的ガスの濃度を検出する。なお、水晶振動子４Ｄの発振は発振回路９によって行われる。検出素子４は発振回路９を内蔵してもよい。また、図１に示した検出器１は、必ずしも制御装置８を含む必要はなく、制御装置８を検出器１から独立させてもよい。

【0041】

吸着膜４Ａは目的ガスを吸着しやすいように多孔質材料によって構成される。具体的には、吸着膜４Ａに金属有機構造体（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｆｒａｍｅｗｏｒｋ：ＭＯＦ）が用いられる。具体的には、ＵｉＯ－６６、ＺＩＦ－８、ＭＯＦ－５、ＭＯＦ－７４、及びＨＫＵＳＴ－１と、これらの構造体を構成する金属元素をＣｏ^２＋、Ｎｉ^２＋、Ｃｕ^２＋、Ｚｎ^２＋、Ａｌ^３＋、Ｍｎ^２＋、Ｆｅ^２＋、Ｆｅ^３＋、Ｃｒ^３＋、及びＣｒ^６＋等に変更したＭＯＦが用いられる。更に、上記に示したＭＯＦにアミノ基、カルボシル基、スルホ基といった官能基を付与したＭＯＦを用いてもよい。

【0042】

なお、吸着膜４Ａは金属有機構造体に限定されず、ゼオライト、活性炭、メソポーラスシリカ、多孔性配位高分子（Ｐｏｒｏｕｓ Ｃｏｏｄｉｎａｔｉｏｎ Ｐｏｌｙｍｅｒ：ＰＣＰ）、シリカゲル、共有結合性有機構造体（Ｃｏｖａｌｅｎｔ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｆｒａｍｅｗｏｒｋ：ＣＯＦ）、粘土鉱物、及び多孔金属を用いてもよい。

【0043】

ここで、検出器１から交換機構３を取り除き、サンプルガス導入口２を検出素子４に直接接続した検出器（「比較検出器」という）を用いてサンプルガスに含まれる目的ガスの濃度を検出する例について検討する。具体的に説明するため、サンプルガスに含まれる目的ガスをエチレンであり、ベースガスを窒素（“Ｎ_２”と表す場合もある）とする。

【0044】

エチレンの分子量は２８．０１［ｇ／ｍｏｌ］であり、窒素の分子量は２８．０５［ｇ／ｍｏｌ］であるため、エチレンと窒素との間には０．０４［ｇ／ｍｏｌ］の分子量差しかない。また、エチレン及び窒素は、共に物理吸着によって検出素子４の吸着膜４Ａに吸着するため、化学吸着によって吸着膜４Ａに吸着する場合よりも、吸着膜４Ａに質量の変化が伝わりにくい傾向が見られる。したがって、吸着膜４Ａにおける窒素の吸着量と、サンプルガスの吸着量との差分が小さくなるため、比較検出器では水晶振動子４Ｄの発振周波数が検出限界未満の値しか変化せず、エチレンの濃度を検出することができない場合がある。

【0045】

一方、交換機構３を有する図１に示した検出器１では、サンプルガス導入口２からエチレンと窒素から構成されるサンプルガスを導入してエチレンを吸着材３Ｃに吸着させた後、ベースガス排出口３Ｂから窒素を排出し、窒素の代わりにベースガスとなる交換ガスを交換ガス導入口３Ａから導入する。例えば交換ガスには二酸化炭素（“ＣＯ_２”と表す場合もある）が用いられる。交換ガスは本開示における第３気体の一例である。

【0046】

交換機構３への二酸化炭素の導入によって検出素子４の吸着膜４Ａに二酸化炭素が吸着した後に脱着装置３Ｄを稼働させれば、検出素子４の吸着膜４Ａにエチレンと二酸化炭素から構成される交換サンプルガスが吸着することになる。二酸化炭素の分子量は４４．０１［ｇ／ｍｏｌ］であり、エチレンの分子量に比べて１６．００［ｇ／ｍｏｌ］も大きい。

【0047】

したがって、吸着膜４Ａにおける二酸化炭素の吸着量と、交換サンプルガスの吸着量との差分が、窒素の吸着量と、サンプルガスの吸着量との差分よりも大きくなるため、水晶振動子４Ｄの周波数変化量Δｆが大きくなり、エチレンの濃度を検出できるようになる。

【0048】

なお、交換ガスに二酸化炭素を用いる場合、他の多孔質材料よりも二酸化炭素を吸着しやすいＭＯＦの一例であるＵｉＯ－６６を吸着膜４Ａに用いることが好ましい。

【0049】

上記の例では交換ガスに二酸化炭素を用いたが、このように交換ガスには目的ガスを含まず、かつ、目的ガスとの分子量差が予め定めた値以上異なる気体を用いる。具体的には、目的ガスとの分子量差が±１［ｇ／ｍｏｌ］以上ある気体を交換ガスに用いれば、目的ガスの濃度を検出できるようになる。

【0050】

図３は、目的ガスであるエチレンを含んだサンプルガスに含まれるベースガスの種類に応じた検出素子４の周波数変化量｜Δｆ｜の例を示す図である。図３の横軸はベースガスのモル質量［ｇ／ｍｏｌ］を表し、縦軸は検出素子４の基準発振周波数に対する周波数変化量Δｆを表す。また、図３の点Ｐ１、点Ｐ２、点Ｐ３、点Ｐ４、及び点Ｐ５は、それぞれ窒素、空気、酸素、二酸化炭素、及びアセトン蒸気をベースガスに用いた場合の検出素子４の周波数変化量｜Δｆ｜を表す。演算子｜Δｆ｜は、周波数変化量Δｆの絶対値を表す。

【0051】

図３に示すように、エチレンとの分子量差が±１［ｇ／ｍｏｌ］未満である窒素及び空気をベースガスに用いた場合、検出素子４の周波数変化量｜Δｆ｜は０付近を示す。一方、エチレンとの分子量差が±１［ｇ／ｍｏｌ］以上である酸素、二酸化炭素、及びアセトン蒸気をベースガスに用いた場合、検出素子４の周波数変化量｜Δｆ｜はエチレンの濃度の検出が可能となる大きさを示す。したがって、検出器１でサンプルガスに含まれるエチレンの濃度を検出する場合、例えば酸素、二酸化炭素、及びアセトン蒸気の何れかの気体を交換ガスとして用いることができる。更に、アルゴン及びヘリウムの何れかの気体もエチレンとの分子量差が±１［ｇ／ｍｏｌ］以上であるため、交換ガスとして用いることができる。ただし、酸素及びアセトン蒸気は可燃性を有するため、検出器１でサンプルガスに含まれるエチレンの濃度を検出する場合、他の気体より入手しやすく不燃性である二酸化炭素を用いることが好ましい。なお、湿度が予め定めた値（例えば３０％）以下となる空気を特に「乾燥空気」というが、乾燥空気もエチレンとの分子量差が±１［ｇ／ｍｏｌ］未満となる気体であり、ベースガスとして用いられる場合がある。したがって、乾燥空気をベースガスに用いた場合にも、検出素子４の周波数変化量｜Δｆ｜は０付近を示すことになる。

【0052】

こうした検出器１の制御装置８は、例えばコンピュータ１０を用いて構成される。

【0053】

図４は、コンピュータ１０を用いた制御装置８における電気系統の要部構成例を示す図である。

【0054】

コンピュータ１０は、制御装置８の機能を担うプロセッサの一例であるＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）１０Ａ、ＣＰＵ１０Ａの一時的な作業領域として使用されるＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）１０Ｂ、コンピュータ１０を検出器１の制御装置８として機能させる検出プログラムを記憶する不揮発性メモリ１０Ｃ、及び入出力インターフェース(「Ｉ／Ｏ」という)１０Ｄを備える。ＣＰＵ１０Ａ、ＲＡＭ１０Ｂ、不揮発性メモリ１０Ｃ、及びＩ／Ｏ１０Ｄはバス１０Ｅを介して各々接続されている。

【0055】

不揮発性メモリ１０Ｃは、不揮発性メモリ１０Ｃに供給される電力が遮断されても記憶した情報が維持される記憶装置の一例であり、例えば半導体メモリが用いられるがハードディスクを用いてもよい。例えばコンピュータ１０の電源がオフされる毎に消去されると困るデータは不揮発性メモリ１０Ｃに記憶される。不揮発性メモリ１０Ｃは必ずしもコンピュータ１０に内蔵されている必要はなく、例えばメモリカードのように、コンピュータ１０に着脱可能な可搬型の記憶装置であってもよい。また、コンピュータ１０は、例えばＩ／Ｏ１０Ｄに接続された通信ユニット（図示省略）を通じて接続された外部装置（図示省略）の不揮発性メモリを不揮発性メモリ１０Ｃとして用いてもよい。

【0056】

一方、Ｉ／Ｏ１０Ｄには、例えばヒーター３Ｄ、検出素子４、バルブ６、及びユーザインタフェース装置（「ＵＩ装置」という）１１が接続される。

【0057】

ＵＩ装置１１は、例えばボタン操作等によってユーザからの指示を受け付けると共に、検出した目的ガスの濃度等の情報を表示する画面を備えた装置である。

【0058】

したがって、ＣＰＵ１０Ａは、Ｉ／Ｏ１０Ｄを経由してヒーター３Ｄ及びバルブ６の制御を行うと共に、検出素子４から水晶振動子４Ｄの発振周波数を取得し、検出した目的ガスの濃度をＵＩ装置１１に表示する。なお、ＣＰＵ１０Ａは、Ｉ／Ｏ１０Ｄに接続された通信ユニットを経由してＵＩ装置１１に接続してもよい。

【0059】

次に、検出器１の動作について説明する。図５は、例えば検出器１の電源がオンになった場合に、制御装置８のＣＰＵ１０Ａによって実行される検出処理の流れの一例を示すフローチャートである。

【0060】

検出処理を規定する検出プログラムは、例えば図４に示したコンピュータ１０の不揮発性メモリ１０Ｃに予め記憶されている。制御装置８のＣＰＵ１０Ａは、不揮発性メモリ１０Ｃに記憶される検出プログラムを読み込み、検出処理を実行する。

【0061】

なお、ここではエチレンと窒素から構成されたサンプルガスからエチレンの濃度を検出する例を用いて検出器１の動作を説明する。交換ガスには一例として二酸化炭素を用いる。

【0062】

ステップＳ１０において、ＣＰＵ１０Ａはバルブ６を閉じる制御を行う。これにより、中間流路５が遮断される。

【0063】

ステップＳ２０において、ＣＰＵ１０Ａは、サンプルガス導入口２からサンプルガスの導入が開始されたか否かを判定する。ＣＰＵ１０Ａは、例えばＵＩ装置１１を通じてユーザからサンプルガス導入開始指示を受け付けた場合に、サンプルガスの導入が開始されたと判定すればよい。サンプルガス導入開始指示を受け付けていない場合には、例えばステップＳ２０の判定処理を繰り返し実行して、サンプルガス導入開始指示を受け付けるまで待機する。一方、サンプルガス導入開始指示を受け付けた場合にはステップＳ３０に移行する。

【0064】

交換機構３へのサンプルガスの導入に伴い、吸着材３Ｃにエチレンが吸着される。また、ステップＳ１０の処理によって中間流路５は遮断されているため、交換機構３に導入されたサンプルガスに含まれる窒素がベースガス排出口３Ｂから排出される。

【0065】

ステップＳ３０において、ＣＰＵ１０Ａは、サンプルガスの導入が終了したか否かを判定する。ＣＰＵ１０Ａは、例えばＵＩ装置１１を通じてユーザからサンプルガス導入終了指示を受け付けた場合に、サンプルガスの導入が終了したと判定すればよい。サンプルガス導入終了指示を受け付けていない場合には、例えばステップＳ３０の判定処理を繰り返し実行して、サンプルガス導入終了指示を受け付けるまで待機する。一方、サンプルガス導入終了指示を受け付けた場合にはステップＳ４０に移行する。

【0066】

ステップＳ４０において、ＣＰＵ１０Ａは、バルブ６を開ける制御を行う。これにより、交換機構３と検出素子４とが中間流路５によって接続される。

【0067】

ステップＳ５０において、ＣＰＵ１０Ａは、交換ガス導入口３Ａから二酸化炭素の導入が開始されたか否かを判定する。ＣＰＵ１０Ａは、例えばＵＩ装置１１を通じてユーザから交換ガス導入開始指示を受け付けた場合に、二酸化炭素の導入が開始されたと判定すればよい。交換ガス導入開始指示を受け付けていない場合には、例えばステップＳ５０の判定処理を繰り返し実行して、交換ガス導入開始指示を受け付けるまで待機する。一方、交換ガス導入開始指示を受け付けた場合にはステップＳ６０に移行する。

【0068】

ステップＳ４０の処理によって中間流路５が開いているため、交換機構３に導入された二酸化炭素は検出素子４に到達する。

【0069】

したがって、ステップＳ６０において、ＣＰＵ１０Ａは、吸着膜４Ａに吸着した二酸化炭素の吸着量に応じて変化する水晶振動子４Ｄの発振周波数を検出素子４から取得し、ＲＡＭ１０Ｂに記憶する。

【0070】

ステップＳ７０において、ＣＰＵ１０Ａは、ヒーター３Ｄに対して電源を入れる制御を行う。これにより、吸着材３Ｃからエチレンが脱着し、交換機構３においてエチレンと二酸化炭素の混合気体が生成される。すなわち、サンプルガスにおけるベースガスが窒素から二酸化炭素に交換された交換サンプルガスが生成される。

【0071】

中間流路５は開いた状態となっているため、交換機構３によって生成された交換サンプルガスは検出素子４に到達する。

【0072】

したがって、ステップＳ８０において、ＣＰＵ１０Ａは、吸着膜４Ａに吸着した交換サンプルガスの吸着量に応じて変化する水晶振動子４Ｄの発振周波数を検出素子４から取得し、ＲＡＭ１０Ｂに記憶する。

【0073】

ステップＳ９０において、ＣＰＵ１０Ａは、ステップＳ６０の処理によって取得した発振周波数と、ステップＳ８０の処理によって取得した発振周波数との差分によって表される周波数変化量Δｆから、（１）式に示したＳａｕｅｒｂｒｅｙの式を用いて吸着膜４Ａに吸着したガスの質量変化量Δｍを算出し、サンプルガスに含まれていたエチレンの濃度を検出する。ＣＰＵ１０Ａは、検出したエチレンの濃度を、例えばＵＩ装置１１に表示する。以上により、図５に示した検出処理を終了する。

【0074】

このように本開示の検出器１によれば、サンプルガス導入口２と検出素子４との間に交換機構３を設け、サンプルガスにおけるベースガスを交換ガスに交換する。したがって、目的ガスとベースガスとの分子量差が±１［ｇ／ｍｏｌ］未満しかないサンプルガスであっても、ベースガスを目的ガスとの分子量差が±１［ｇ／ｍｏｌ］以上ある交換ガスに交換できるため、サンプルガスに含まれる目的ガスの濃度を検出することができる。

【0075】

なお、分子量差が±１［ｇ／ｍｏｌ］未満しかないガスの組み合わせとしては、エチレンと二酸化炭素の他、例えばメチルアミン(３１．１０［ｇ／ｍｏｌ］）と酸素(３２．００［ｇ／ｍｏｌ］）、及びアセトアルデヒド(４４．０５［ｇ／ｍｏｌ］）と二酸化炭素（４４．０１［ｇ／ｍｏｌ］）の各組み合わせが存在する。検出器１は、こうした各組み合わせから構成されるサンプルガスのにおい成分（メチルアミン及びアセトアルデヒド）も検出することができる。

【0076】

更に、一酸化炭素（２８．０１［ｇ／ｍｏｌ］）と窒素（２８．０５［ｇ／ｍｏｌ］）から構成されるサンプルガスのように、におい成分を含まないサンプルガスからも何れか一方のガスの濃度を検出することもできる。

【0077】

この他、上記で列挙していない目的ガスとベースガスとの分子量差が±１［ｇ／ｍｏｌ］未満しかない組み合わせによって構成されたサンプルガスに対しても、ベースガスを交換することによって、検出器１がサンプルガスに含まれる何れか一方の種類のガスの濃度を検出できることは言うまでもない。

【0078】

なお、エチレン以外のガスの濃度を検出する場合、濃度の検出対象となるガスを吸着する吸着材３Ｃを交換機構３に備えることになる。

【0079】

図１に示した検出器１は、ガスの流れに対して吸着材３Ｃよりも上流側の交換機構３に交換ガス導入口３Ａが設けられているが、吸着材３Ｃよりも下流側で、かつ、吸着材３Ｃから検出素子４の吸着膜４Ａに至るまでの間の流路に交換ガス導入口３Ａを設けてもよい。

【0080】

また、必ずしもバルブ６を中間流路５に設ける必要はなく、中間流路５に接続する交換機構３及び検出素子４の何れか一方の接続部にバルブ６を設けてもよい。すなわち、交換機構３及び検出素子４の何れか一方がバルブ６を含んでもよい。

【0081】

また、図１に示した検出器１は、交換機構３にサンプルガスを導入するサンプルガス導入口２と、交換機構３に交換ガスを導入する交換ガス導入口３Ａとを有するが、サンプルガス導入口２と交換ガス導入口３Ａとを共通にして、同じ導入口から交換機構３にサンプルガスと交換ガスを導入してもよい。

【0082】

また、図１に示した検出器１は、サンプルガスに含まれるベースガスを排出するベースガス排出口３Ｂと、検出素子４を通過したガスを排出する排出口７とを有するが、ベースガス排出口３Ｂを設けずに、排出口７からガスを排出してもよい。この場合、必ずしもバルブ６及び中間流路５を設ける必要はなく、交換機構３と検出素子４を隣り合わせて接続すればよい。制御装置８は、サンプルガスが検出素子４を通過しているときの発振周波数は取得せず、交換ガスが交換機構３に導入された後から図５に示したステップＳ６０～Ｓ９０の各処理を実行すればよい。

【0083】

以上、実施形態を用いて本開示について説明したが、本開示は実施形態に記載の範囲には限定されない。本開示の要旨を逸脱しない範囲で実施形態に多様な変更又は改良を加えることができ、当該変更又は改良を加えた形態も本開示の技術的範囲に含まれる。例えば、本開示の要旨を逸脱しない範囲で図５に示した検出処理の内部順序を変更してもよい。

【0084】

実施形態では、一例として検出器１における検出処理をソフトウェアで実現する形態について説明したが、図５に示した検出処理のフローチャートと同等の処理を、例えばＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）、又はＰＬＤ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ）に実装し、ハードウェアで処理させるようにしてもよい。この場合、検出処理をソフトウェアで実現した場合と比較して、処理の高速化が図られる。

【0085】

このように、検出器１のＣＰＵ１０Ａを例えばＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ、ＰＬＤ、ＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、及びＦＰＵ（Ｆｌｏａｔｉｎｇ Ｐｏｉｎｔ Ｕｎｉｔ）といった特定の処理に特化した専用のプロセッサに置き換えてもよい。

【0086】

また、実施形態における検出器１のＣＰＵ１０Ａの動作は、１つのＣＰＵ１０Ａによって実現される形態の他、複数のＣＰＵ１０Ａによって実現されてもよい。更に、実施形態における検出器１のＣＰＵ１０Ａの動作は、それぞれ物理的に離れた位置に存在する複数のＣＰＵ１０Ａの協働によって実現されるものであってもよい。

【0087】

また、上述した実施形態では、検出器１のＣＰＵ１０Ａが読み込む検出プログラムが不揮発性メモリ１０Ｃにインストールされている形態について説明したが、これに限定されるものではない。本実施形態に係る検出プログラムは、コンピュータ１０で読み取り可能な記憶媒体に記録された形態で提供することも可能である。例えば検出プログラムを、ＣＤ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｃ）－ＲＯＭ、又はＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ）－ＲＯＭ等の光ディスクに記録した形態で提供してもよい。また、検出プログラムをＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）メモリやメモリカード等の可搬型の半導体メモリに記録した形態で提供してもよい。不揮発性メモリ１０Ｃ、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭ、ＵＳＢ、及びメモリカードは非一時的（ｎｏｎ－ｔｒａｎｓｉｔｏｒｙ）記憶媒体の一例である。

【0088】

更に、検出器１は、通信回線に接続される外部装置から検出プログラムをダウンロードするようにしてもよい。この場合、検出器１のＣＰＵ１０Ａは、外部装置からダウンロードした検出プログラムを読み込んで検出処理を実行する。

【0089】

なお、以上の実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。

【0090】

（付記１）
濃度の検出対象である第１気体と、前記第１気体との分子量差が予め定めた値未満である第２気体から構成される第１混合気体が導入される導入口と、
水晶振動子上に形成された吸着膜を有する検出素子と、
前記導入口と前記検出素子との間に設けられ、前記導入口から導入された前記第２気体を、前記第１気体を含まず、かつ、前記第１気体との分子量差が前記予め定めた値以上異なる第３気体に交換する交換機構と、
を備え、
前記吸着膜に吸着した前記第３気体の吸着量と、前記交換機構によって前記第２気体を前記第３気体に交換した後の前記第１気体と前記第３気体から構成される第２混合気体の前記吸着膜への吸着量との差分に応じて変化する前記検出素子の水晶振動子の周波数変化量を前記第１気体の濃度として検出する
検出器。

【0091】

（付記２）
前記交換機構は、前記第１気体を吸着する吸着材と、
前記第３気体が導入された場合に前記吸着材に吸着した前記第１気体を前記吸着材から脱着させ、前記第２混合気体を生成する脱着装置と、
を備えた付記１に記載の検出器。

【0092】

（付記３）
前記第１気体がエチレンであり、
前記吸着膜が多孔質材料によって構成された
付記１又は付記２に記載の検出器。

【0093】

（付記４）
前記多孔質材料が金属有機構造体である
付記３に記載の検出器。

【0094】

（付記５）
前記第２気体が窒素、乾燥空気、及び空気の何れかであり、前記第３気体が二酸化炭素、アルゴン、ヘリウム、及び酸素の何れかである
付記１～付記４の何れか１つに記載の検出器。

【0095】

（付記６）
濃度の検出対象である第１気体と、前記第１気体との分子量差が予め定めた値未満である第２気体から構成される第１混合気体が導入される導入口と、
水晶振動子上に形成された吸着膜を有する検出素子と、
前記導入口と前記検出素子との間に設けられた機構であって、前記第１気体を吸着する吸着材、及び前記吸着材に吸着した前記第１気体を前記吸着材から脱着させる脱着装置を含み、前記導入口から導入された前記第１混合気体に含まれる前記第２気体を、前記第１気体を含まず、かつ、前記第１気体との分子量差が前記予め定めた値以上異なる第３気体に交換する交換機構と、
を備えた検出器を用いて、
前記導入口から導入された前記第１混合気体によって前記第１気体が前記吸着材に吸着した後、前記交換機構に導入された前記第３気体が前記吸着膜に接触するように前記交換機構を制御することにより前記第３気体を前記吸着膜に吸着させると共に、前記交換機構への前記第３気体の導入中に前記脱着装置を制御し、前記第１気体を前記吸着材から脱着させることによって前記第１気体と前記第３気体から構成される第２混合気体を生成して前記第２混合気体を前記吸着膜に吸着させ、
前記吸着膜に吸着した前記第３気体の吸着量と、前記吸着膜に吸着した前記第２混合気体の吸着量との差分に応じて変化する前記検出素子の水晶振動子の周波数変化量から、前記第１気体の濃度を検出する処理をコンピュータが実行する
検出方法。

【符号の説明】

【0096】

１ 検出器
２ サンプルガス導入口
３ 交換機構
３Ａ 交換ガス導入口
３Ｂ ベースガス排出口
３Ｃ 吸着材
３Ｄ 脱着装置（ヒーター）
４ 検出素子
４Ａ 吸着膜
４Ｂ 電極
４Ｃ 水晶結晶
４Ｄ 水晶振動子
５ 中間流路
６ バルブ
７ 排出口
８ 制御装置
９ 発振回路
１０ コンピュータ
１０Ａ ＣＰＵ
１０Ｂ ＲＡＭ
１０Ｃ 不揮発性メモリ
１０Ｄ Ｉ／Ｏ
１０Ｅ バス
１１ ＵＩ装置
Δｆ 周波数変化量
Δｍ 質量変化量

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】