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(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】
(24)【登録日】2023-08-03
(45)【発行日】2023-08-14
(54)【発明の名称】ガス成分計測装置
(51)【国際特許分類】
G01N 27/12 20060101AFI20230804BHJP
G01N 1/28 20060101ALI20230804BHJP
G01N 1/02 20060101ALN20230804BHJP
【ＦＩ】
G01N27/12 A
G01N1/28 L
G01N27/12 L
G01N27/12 P
G01N1/02 W
【請求項の数】
8
(21)【出願番号】P 2018234600
(22)【出願日】2018-12-14
(65)【公開番号】P2019184571
(43)【公開日】2019-10-24
【審査請求日】2021-11-30
(31)【優先権主張番号】P 2018068464
(32)【優先日】2018-03-30
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】314012076
【氏名又は名称】パナソニックＩＰマネジメント株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100109210
【弁理士】
【氏名又は名称】新居 広守
(74)【代理人】
【識別番号】100137235
【弁理士】
【氏名又は名称】寺谷 英作
(74)【代理人】
【識別番号】100131417
【弁理士】
【氏名又は名称】道坂 伸一
(72)【発明者】
【氏名】中村 邦彦
【審査官】黒田 浩一
(56)【参考文献】
【文献】特開平０９－２４３５３７（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２００１／００２７６７８（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開平０５－０９９８６８（ＪＰ，Ａ）
【文献】NAKAMURA, K et al.，Determination of Low Concentration of Multi-target Gas Species Exhaled with the Breath，ECS Transactions，2016年，Volume 75, Issue 16，pp.83-90
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｎ ２７／００－２７／２４
Ｇ０１Ｎ ３３／４９７
Ｇ０１Ｎ １／２８
Ｇ０１Ｎ １／０２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
計測対象である第１のガスを取り込むためのセルと、前記セル内に存在する１又は複数種類の成分ガスに反応するガスセンサと、
前記セル内の湿度を調整する調整器と、
前記セル内の湿度を検知する湿度センサと、
集積回路と、
を備え、
前記集積回路は、
前記第１のガスが前記セル内に取り込まれる前、または前記第１のガスが前記セルから排出された後において、前記湿度センサの検知結果に基づいて、前記セル内の湿度が一定の目標湿度となるように前記調整器を制御し、
前記調整器に対する前記制御によって湿度調整された前記セル内に対する前記ガスセンサの第１の応答値を取得し、
前記第１のガスが前記セル内に取り込まれた後、前記セル内を湿度調整することなく、前記セルに取り込まれた前記第１のガスに対する前記ガスセンサの第２の応答値を取得し、
前記第１の応答値と前記第２の応答値とから、前記第１のガスに含まれる前記１又は複数種類の成分ガスの濃度を判定する、
ガス成分計測装置。
【請求項2】
前記調整器は、少なくとも加湿器または除湿器の何れかと、
前記加湿器または前記除湿器によって加湿または除湿された第２のガスを前記セル内に導入するポンプと、
を備え、
前記集積回路は、前記セル内の前記湿度が前記目標湿度となるように、前記第２のガスの前記セル内への前記導入を制御する、請求項１記載のガス成分計測装置。
【請求項3】
前記加湿器または前記除湿器は、当該ガス成分計測装置の外部の空気を取り込み、前記取り込んだ空気を前記第２のガスとして加湿または除湿する、請求項２記載のガス成分計測装置。
【請求項4】
前記調整器は、前記セル内に導入される前記第２のガスの流れを開閉する開閉器を更に備える、請求項２または３記載のガス成分計測装置。
【請求項5】
前記セルは、第１の開口と、前記第１の開口とは異なる第２の開口と、を含む複数の開口を有し、前記第１のガスは、前記第１の開口から前記セル内に取り込まれ、
前記第２のガスは、前記第２の開口から前記セル内に導入される、
請求項２から４の何れかに記載のガス成分計測装置。
【請求項6】
第１の提示部を更に備え、前記集積回路は、前記調整器に対する前記制御によって前記セル内の前記湿度が前記目標湿度の値に達した場合、ユーザへの所定の提示を前記第１の提示部にさせる、請求項１から５の何れかに記載のガス成分計測装置。
【請求項7】
前記セルに取り込まれる前記第１のガスの流量を検知する流量検知器と、第２の提示部と、を更に備え、
前記集積回路は、前記第１のガスの前記セルへの取り込みが所定の時間に所定の流量で行われるように、前記流量検知器の検知結果に関するユーザへの提示を前記第２の提示部にさせる、請求項１から６の何れかに記載のガス成分計測装置。
【請求項8】
記録媒体を更に備え、前記集積回路は、
前記１又は複数の成分ガスの濃度が既知である学習用ガスが前記セルに取り込まれた場合、前記セルに取り込まれた前記学習用ガスに対する前記ガスセンサの第３の応答値を取得し、
前記学習用ガスが前記セル内に取り込まれる前、または前記学習用ガスが前記セルから排出された後において、前記湿度センサの検知結果に基づいて、前記セル内の湿度が前記目標湿度となるように前記調整器を制御し、
前記調整器に対する制御によって湿度調整された前記セル内に対する前記ガスセンサの第４の応答値を取得し、
前記第３の応答値と、前記第４の応答値と、前記既知の濃度との対応に関する情報を前記記録媒体に記録し、
前記第１の応答値、前記第２の応答値、および前記情報に基づいて、前記判定を行う、請求項１から７の何れかに記載のガス成分計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、ガスセンサを用いて計測対象であるガスに含まれる成分ガスの濃度を計測するガス成分計測装置に関する。
【背景技術】
【0002】
呼気や皮膚ガスは豊富な代謝情報を含み低侵襲に採取できる。これらのガスに含まれる成分ガスの濃度を計測する装置は、病院、職場、家庭等において健康需要に応じた利用シーンで広く活用されることが期待される。これらのガスに含まれる成分ガスの濃度は、例えば、ガスクロマトグラフィによって呼気や皮膚ガスから成分ガスを分離することによって計測できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２００５－２５７３７３号公報
【非特許文献】
【0004】
【文献】K. Nakamura, T. Hosokawa, Y. Morita, M. Nishitani, and Y. Sadaoka, Determination of Low Concentration of Multi-Target Gas Species Exhaled with the Breath, ECS Transactions, 2016, 75(16) 83-90
【文献】K. Suematsu, M. Sasaki, N. Ma, M. Yuasa, and K. Shimanoe, "Antimony-Doped Tin Dioxide Gas Sensors Exhibiting High Stability in the Sensitivity to Humidity Changes", ACS Sens., 2016, 1(7), 913－920
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
本開示の実施形態は、計測対象であるガスに含まれる成分ガスの濃度を簡便かつ高精度に計測できるガス成分計測装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本開示の一態様に係るガス成分計測装置は、計測対象である第１のガスを取り込むためのセルと、前記セル内に存在する１又は複数種類の成分ガスに反応するガスセンサと、前記セル内の湿度を調整する調整器と、前記セル内の湿度を検知する湿度センサと、集積回路と、を備え、前記集積回路は、前記第１のガスが前記セル内に取り込まれる前、または前記第１のガスが前記セルから排出された後において、前記湿度センサの検知結果に基づいて、前記セル内の湿度が所定の範囲内となるように前記調整器を制御し、前記調整器に対する前記制御によって湿度調整された前記セル内に対する前記ガスセンサの第１の応答値を取得し、前記第１のガスが前記セル内に取り込まれた後、前記セルに取り込まれた前記第１のガスに対する前記ガスセンサの第２の応答値を取得し、前記第１の応答値と前記第２の応答値とから、前記第１のガスに含まれる前記１又は複数種類の成分ガスの濃度を判定する。
【発明の効果】
【0007】
本開示の実施形態にかかるガス成分計測装置によれば、計測対象であるガスに含まれる成分ガスの濃度を簡便かつ高精度に計測できるガス成分計測装置が実現される。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】実施の形態１に係る呼気成分計測装置の機能的な構成の一例を示すブロック図
【図2】実施の形態１に係る調湿器の機能的な構成の一例を示すブロック図
【図3】実施の形態１に係る呼気成分計測装置の動作の一例を示すフローチャート
【図4】人工呼気生成装置の一例を説明する図
【図5】実施の形態１に係る湿度調整処理の一例を示すフローチャート
【図6】実施の形態１に係るポンプの動作状況の一例を示すシーケンスチャート
【図7】人工呼気に対するガスセンサの応答値の一例を示すグラフ
【図8】人工呼気に対するガスセンサの応答値の一例を示すグラフ
【図9】人工呼気の導入時間に対するガスセンサの応答値の一例を示すグラフ
【図10】実施の形態１に係る操作ガイド画面の一例を示す図
【図11】実施の形態１に係る計測結果画面の一例を示す図
【図12A】湿度調整の有無に応じたガスセンサの応答値の繰り返し再現性の一例を示すグラフ
【図12B】湿度調整の有無に応じたガスセンサの応答値の繰り返し再現性の一例を示すグラフ
【図12C】湿度調整の有無に応じたガスセンサの応答値の繰り返し再現性の一例を示すグラフ
【図13】実施の形態２に係る呼気成分計測装置の機能的な構成の一例を示す模式図
【図14】ガス濃度とガスセンサの応答値との対応の一例を示す図
【発明を実施するための形態】
【0009】
（本開示の基礎となった知見）
前述したように、ガスクロマトグラフィのための装置は、ガス成分計測装置として家庭や個人へ普及させるには、高価でかつ構成および取り扱いが複雑である。これに対し、半導体式ガスセンサは、安価でかつ構成および取り扱いが簡易である反面、ガス濃度の計測精度は必ずしも十分ではないことがある。
前述したように、ガスクロマトグラフィのための装置は、ガス成分計測装置として家庭や個人へ普及させるには、高価でかつ構成および取り扱いが複雑である。これに対し、半導体式ガスセンサは、安価でかつ構成および取り扱いが簡易である反面、ガス濃度の計測精度は必ずしも十分ではないことがある。
【0010】
半導体式ガスセンサは、金属酸化物を主材としたガスセンサであり、近年、安価に大量に生産され、運転者のアルコール検出器、室内環境モニタ、都市ガスの漏洩警報器等に利用されている。
【0011】
ガス成分計測装置において半導体式ガスセンサの計測対象として想定される呼気中の成分ガスは、体内の脂肪代謝による生成物であるアセトン、飲酒によるアルコール類、口臭の原因となる揮発性硫化化合物、腸内の嫌気性菌由来の水素等、など多種多様である。
【0012】
半導体式ガスセンサの応答値には湿度依存性があり、成分ガスの濃度を高精度に計測するために、この湿度依存性を考慮する必要がある。
【0013】
半導体式ガスセンサの応答値についてより詳細に説明する。
【0014】
半導体式ガスセンサ（単にガスセンサとも言う）は、一般に複数種のガスに対してガス種ごとの感度で反応する。つまり、複数の成分ガスの混合ガスに対するガスセンサの応答値（例えば出力電圧）は、複数の成分ガスの各々の濃度の関数で表される。ここで、ガスセンサの応答値に湿度依存性があるとは、ガスセンサの応答値が、計測対象の成分ガスの濃度だけでなく、水蒸気の濃度にも依存する関数になっていることを意味する。
【0015】
図１４は、ガス濃度とガスセンサの応答値との対応の一例を示す図である。図１４の例では、成分ガスＸ、Ｙ、Ｚの濃度をそれぞれｘ、ｙ、ｚと表記し、ガスセンサＡ、Ｂ、Ｃの応答値ＳＡ、ＳＢ、ＳＣをそれぞれ、関数ｆ１（ｘ，ｙ，ｚ）、ｆ２（ｘ，ｙ，ｚ）、ｆ３（ｘ，ｙ，ｚ）として表記している。
【0016】
関数ｆ１、ｆ２、ｆ３は、例えば、濃度ｘ、ｙ、ｚが既知の複数のサンプルガスをガスセンサＡ、Ｂ、Ｃで計測し、ガスセンサＡ、Ｂ、Ｃの応答値ＳＡ、ＳＢ、ＳＣと当該既知の濃度ｘ、ｙ、ｚとを用いて連立方程式を解くことによって特定される。さらに、関数ｆ１、ｆ２、ｆ３から、その逆関数ｆ１
－１、ｆ２
－１、ｆ３
－１が特定される。
【0017】
計測対象としての呼気に含まれる成分ガスＸ、Ｙ、Ｚの濃度ｘ、ｙ、ｚは、当該呼気に対するガスセンサＡ、Ｂ、Ｃの応答値ＳＡ、ＳＢ、ＳＣにおける逆関数の値ｆ１
－１（ＳＡ，ＳＢ，ＳＣ）、ｆ２
－１（ＳＡ，ＳＢ，ＳＣ）、ｆ３
－１（ＳＡ，ＳＢ，ＳＣ）として求まる。
【0018】
なお、関数および逆関数の表現形式は、特には限定されない。関数および逆関数は、例えば、数式、数表およびニューラルネットなど、どのような形式で表現されてもよい。
【0019】
図１４での理解から、水蒸気を計測対象の成分ガスの１つと考えて、水蒸気の濃度（つまり呼気の湿度）を表す変量を処理することで、水蒸気を含む複数の成分ガスの濃度を正確に判定できると考えられる。
【0020】
前述したように、ガス成分計測装置における計測対象として想定される呼気中の成分ガスは多種多様である。より多くの成分ガスの濃度を計測し、計測結果から多面的にユーザの健康状態を判断することで、より付加価値の高い判断結果が得られる。
【0021】
しかしながら、図１４で説明した考え方に基づいてより多くの成分ガスの濃度を計測することは、関数の変量を増やすことである。関数の変量を増やすと、関数を特定するために必要なサンプル数が増え、サンプルガスの計測に要する時間が増大する。また、関数および逆関数を特定するための計算量も増大する。したがって、時間的および計算量的なコストを抑え、安価でかつ構成および取り扱いが簡易なガス成分計測装置を得るためには、関数の変量は１つでも少ないほうがよい。
【0022】
そこで、本発明者は、鋭意検討の結果、ガスクロマトグラフィによらないガスセンサを用いながら、計測対象であるガスに含まれる成分ガスの濃度を高精度に計測できるガス成分計測装置に想到した。
【0023】
本開示の一態様に係るガス成分計測装置は、計測対象である第１のガスを取り込むためのセルと、前記セル内に存在する１又は複数種類の成分ガスに反応するガスセンサと、前記セル内の湿度を調整する調整器と、前記セル内の湿度を検知する湿度センサと、集積回路と、を備え、前記集積回路は、前記第１のガスが前記セル内に取り込まれる前、または前記第１のガスが前記セルから排出された後において、前記湿度センサの検知結果に基づいて、前記セル内の湿度が所定の範囲内となるように前記調整器を制御し、前記調整器に対する前記制御によって湿度調整された前記セル内に対する前記ガスセンサの第１の応答値を取得し、前記第１のガスが前記セル内に取り込まれた後、前記セルに取り込まれた前記第１のガスに対する前記ガスセンサの第２の応答値を取得し、前記第１の応答値と前記第２の応答値とから、前記第１のガスに含まれる前記１又は複数種類の成分ガスの濃度を判定する。
【0024】
これにより、セル内を所定の範囲内の湿度にした状態での第１の応答値と、計測対象である第１のガスをセル内に導入した状態での第２の応答値とから、第１のガスに含まれる成分ガスの濃度が判定される。水蒸気の濃度を一定とした状態での第１の応答値を基準として用いて、第１のガスに含まれる成分ガスの濃度を判定することができるので、ガスセンサが水蒸気に反応する場合でも水蒸気の影響は一定となり、湿度依存性が小さい判定結果が得られる。その結果、ガスクロマトグラフィによらないガスセンサを用いながら、第１のガスに含まれる成分ガスの濃度を簡便かつ高精度に計測できるガス成分計測装置が実現される。
【0025】
また、例えば、前記調整器は、少なくとも加湿器または除湿器の何れかと、前記加湿器または前記除湿器によって加湿または除湿された第２のガスを前記セル内に導入するポンプと、を備え、前記集積回路は、前記セル内の前記湿度が前記所定の範囲内となるように、前記第２のガスの前記セル内への前記導入を制御してもよい。
【0026】
これにより、加湿または除湿された第２のガスを使うことにより、セル内の湿度を効率よく所定の範囲内に制御できる。
【0027】
また、例えば、前記加湿器または前記除湿器は、当該ガス成分計測装置の外部の空気を取り込み、前記取り込んだ空気を前記第２のガスとして加湿または除湿してもよい。
【0028】
これにより、第２のガスを、外部の空気から簡便に生成することができる。
【0029】
また、例えば、前記調整器は、前記セル内に導入される前記第２のガスの流れを開閉する開閉器を更に備えてもよい。
【0030】
また、例えば、前記セルは、第１の開口と、前記第１の開口とは異なる第２の開口と、を含む複数の開口を有し、前記第１のガスは、前記第１の開口から前記セル内に取り込まれ、前記第２のガスは、前記第２の開口から前記セル内に導入されるとしてもよい。
【0031】
これにより、第１のガスの導入経路と第２のガスの導入経路とを分離して相互の混入を防止できるので、第１のガスに含まれる成分ガスの濃度をより高精度に計測できる。
【0032】
また、例えば、前記ガス成分計測装置は、第１の提示部を更に備え、前記集積回路は、前記調整器に対する前記制御によって前記セル内の前記湿度が前記所定の範囲内の値に達した場合、ユーザへの所定の提示を前記第１の提示部にさせてもよい。
【0033】
これにより、ユーザは、第１の提示部による提示に基づいて、第１のガスの取り込みを開始できるので、ガス成分計測装置の操作性が向上する。
【0034】
また、例えば、前記ガス成分計測装置は、前記セルに取り込まれる前記第１のガスの流量を検知する流量検知器と、第２の提示部と、を更に備え、前記集積回路は、前記第１のガスの前記セルへの取り込みが所定の時間に所定の流量で行われるように、前記流量検知器の検知結果に関するユーザへの提示を前記第２の提示部にさせてもよい。
【0035】
これにより、ユーザは、第２の提示部による提示に基づいて、第１のガスの取り込みを調整できるので、第１のガスに含まれる成分ガスの濃度をより高い精度で計測できる。
【0036】
また、例えば、前記ガス成分計測装置は、記録媒体を更に備え、前記集積回路は、前記１又は複数の成分ガスの濃度が既知である学習用ガスが前記セルに取り込まれた場合、前記セルに取り込まれた前記学習用ガスに対する前記ガスセンサの第３の応答値を取得し、前記学習用ガスが前記セル内に取り込まれる前、または前記学習用ガスが前記セルから排出された後において、前記湿度センサの検知結果に基づいて、前記セル内の湿度が所定の範囲内となるように前記調整器を制御し、前記調整器に対する制御によって湿度調整された前記セル内に対する前記ガスセンサの第４の応答値を取得し、前記第３の応答値と、前記第４の応答値と、前記既知の濃度との対応に関する情報を前記記録媒体に記録し、前記第１の応答値、前記第２の応答値、および前記情報に基づいて、前記判定を行ってもよい。
【0037】
これにより、第１のガスを測定するガスセンサと同じガスセンサで学習用ガスを測定することにより第１のガスの成分ガスの濃度を判定するための情報を得るので、第１のガスに含まれる成分ガスの濃度をより高い精度で計測できる。
【0038】
なお、これらの全般的または具体的な態様は、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラムまたはコンピュータ読み取り可能なＣＤ－ＲＯＭなどの記録媒体で実現されてもよく、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラムまたは記録媒体の任意な組み合わせで実現されてもよい。
【0039】
以下、本開示の一態様に係るガス成分計測装置について、図面を参照しながら具体的に説明する。
【0040】
なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本開示の一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本開示を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
【0041】
（実施の形態１）
実施の形態１に係るガス成分計測装置について、呼気成分計測装置の例を挙げて説明する。
実施の形態１に係るガス成分計測装置について、呼気成分計測装置の例を挙げて説明する。
【0042】
図１は、実施の形態１に係る呼気成分計測装置の機能的な構成の一例を示すブロック図である。図１に示されるように、呼気成分計測装置１００は、センサユニット１、セル２、給排気口３ａ、３ｂ、ポンプ４、バルブ５ａ、５ｂ、調湿器６、ガス導入口７、制御部１０、表示部２０、データ記録部３０およびデータ解析部４０を備える。センサユニット１は、ガスセンサ１ａ、１ｂ、１ｃ、湿度センサ１ｄおよび流量検知器１ｅを有する。
【0043】
ガスセンサ１ａ、１ｂ、１ｃは呼気に含まれるガスＡ、ガスＢ、ガスＣのそれぞれに反応するガスセンサである。ガスＡ、ガスＢ、ガスＣは例えば体内の脂肪代謝による生成物であるアセトンや、飲酒によるアルコール類、口臭の原因となる揮発性硫化化合物、腸内の嫌気性菌由来の水素、喘息マーカとなる一酸化炭素等などである。
【0044】
ガスセンサ１ａは、ガスＡに反応するだけでなく、ガスＢやガスＣにも反応し、さらに湿度（水蒸気の濃度）の影響を受ける。同様に、ガスセンサ１ｂ、１ｃも、それぞれガスＢ、Ｃのみに反応するだけでなく、他のガスにも反応し、さらに湿度（水蒸気の濃度）の影響を受ける。
【0045】
セル２は、呼気を取り込んで保持する容器であり、図１の例では円筒状に表記した。セル２の端部に給排気口３ａおよび３ｂが設けられている。給排気口３ａおよび３ｂは、セル２の内部と外部との間でガスを交換するための開口である。開口がセルに配設される位置は限定されないが、セル内の換気を効率よく行うことを目的とすれば図１のように円筒状のセルの両端部に配設する。一方、セルに配置したガスセンサを給気ガスにゆっくりと反応させ、吸気するガスの短期的な濃度ムラに影響されにくい平均的な濃度をセンサ出力として得ることを目的とすれば、吸気口と排気口はガス流の直線上に配置させず、例えば、一方を円筒状セルの側面に配設し、換気されにくいガス溜まり部をセル内に設けてこのガス溜まり部にガスセンサを配置してもよい。
【0046】
ポンプ４およびバルブ５ａが、給排気口３ａに接続されている。調湿器６およびバルブ５ｂが、給排気口３ｂに接続されている。
【0047】
調湿器６は、呼気を取り込む前にセル内に導入する外部空気の湿度を調整する。ポンプ４、バルブ５ａ、５ｂ、および調湿器６は、セル２内の湿度を調整する調整器の一例である。
【0048】
なお、調湿器６はセル２の外部に配置される形態に限定されない。小型化された調湿器６と、調湿器６で調湿されたガスを調湿器６外に排出するポンプと、をセル２に内包させてもよい。さらに、セル２内の調湿器６の吸気口および／または排気口を開閉するバルブを設けてもよい。すなわち、調湿器６で調湿された外部空気をセル内に導入するのではなく、調湿されていない外部空気をセル２に導入してから、セル２に内包される調湿器６でセル内の湿度を調整してもよい。この場合、セル２内の調湿器６、ポンプおよびバルブが、セル２内の湿度を調整する調整器に対応する。
【0049】
【0050】
除湿器６１は、シリカゲルやモレキュラーシーブ等の乾燥剤が入った筒体である。
【0051】
加湿器６２は、加湿のためのバブリングを行う貯水容器である。
【0052】
バルブ６３ａは、例えば３方向弁であり、外部空気と除湿器６１および加湿器６２の一方とを選択的に連通させる。
【0053】
バルブ６３ｂは、例えば３方向弁であり、除湿器６１および加湿器６２の一方とバルブ５ｂとを選択的に連通させる。
【0054】
調湿器６によれば、除湿器６１および加湿器６２のうち、バルブ６３ａ、６３ｂによって選択される一方を用いて、外部空気を除湿または加湿することができる。なお、調湿器６は、除湿および加湿のうち一方の機能のみを有していてもよい。
【0055】
再び図１を参照して、呼気成分計測装置の説明を続ける。
【0056】
給排気口３ａ、３ｂとセル２との接続部は、図１のように段付き形状には限られない。例えば、セル２の円筒の両端をテーパ状にして給排気口３ａ、３ｂに向けて円筒の内径を徐々に小さくしてもよい。このような構成にすれば、セル２の円筒内部の隅にガスが滞留することを低減でき、円筒の隅に残留しがちなガスの換気時間を短縮できる。
【0057】
バルブ５ａ、５ｂは、それぞれ給排気口３ａ、３ｂにおける給排気を制御する開閉器である。バルブ５ａは、例えば３方向弁であり、呼気を導入するためのガス導入口７およびポンプ４の一方と給排気口３ａとを選択的に連通させる。バルブ５ｂは、例えば３方向弁であり、外部空気および調湿器６の一方端と給排気口３ｂとを選択的に連通させる。調湿器６の他方端は、外部空気に開放されている。
【0058】
セル２の内部には、ガスセンサ１ａ、１ｂ、１ｃ以外に、湿度センサ１ｄおよび流量検知器１ｅが設けられている。流量検知器１ｅは、一例として流量計であってもよい。湿度センサ１ｄは、セル２内の湿度を検知し、流量検知器１ｅは、セル２に取り込まれる呼気の流量を検知する。
【0059】
制御部１０は、各種センサの駆動および測定値の取得、バルブやポンプによるガスフローを制御する。すなわち、制御部１０は、ガスの導入から成分ガスの濃度判定までの一連のシーケンスを司る。制御部１０は、例えば、パーソナルコンピュータで構成されてもよい。
【0060】
表示部２０は、第１の提示部として機能し、セル２内の湿度情報を表示し、また第２の提示部として機能し、セル２内の流量情報を表示する。表示部２０は、例えば、パーソナルコンピュータに接続されたディスプレイで構成されてもよい。
【0061】
データ記録部３０は、呼気を模擬した既知濃度の混合ガス（以下では、人工呼気と称する）をセル２に導入したときの、ガスセンサ１の応答を記憶したデータベースを有する。また、その既知濃度とガスセンサの応答とを数式で関連付けており、その数式を記述する係数等が記録されている。データ記録部３０は、例えば、半導体メモリなどの記録媒体で構成されてもよい。
【0062】
データ解析部４０は、ユーザの呼気に対するガスセンサ１の応答と、データ記録部３０に記憶されている数式とから、呼気に含まれるガスＡ、Ｂ、Ｃの未知濃度を判定する。データ解析部４０は、判定部の一例である。
【0063】
（呼気成分計測装置の動作）
以上のように構成された呼気成分計測装置１００の動作について説明する。
以上のように構成された呼気成分計測装置１００の動作について説明する。
【0064】
【0065】
学習工程（Ｓ１０）では、成分ガスの濃度が既知の人工呼気を生成し（Ｓ１１）、人工呼気に対するガスセンサの応答値を取得し（Ｓ１２～Ｓ１６）、ガスセンサの応答値と成分ガスの濃度との関連を表す対応情報を求めて記録する（Ｓ１７）。ここで、人工呼気は、学習用ガスの一例である。
【0066】
図４は、人工呼気生成装置３００の一例を説明する図である。人工呼気生成装置３００は、既知濃度のガスＡ、Ｂ、Ｃと乾燥空気とを、それぞれマスフローコントローラ３０１で流量調整することにより、人工呼気を生成する。乾燥空気は２つに分岐され、一方は加湿器３０２において水中を介してバブリングされ、加湿空気となる。この加湿空気、他方の乾燥空気、ならびにガスＡ、ＢおよびＣは、流量調整されて１つに混合され、呼気の湿度を模擬した人工呼気として図１のセル２に供給される。マスフローコントローラ３０１での調整によって、ガスセンサ１ａ、１ｂ、１ｃが反応する複数の成分ガスの濃度の異なる組み合わせで、複数種類の人工呼気が生成される。
【0067】
再び図３を参照して、人工呼気をセル２に供給する前に、セル２内の湿度を調整する（Ｓ１２）。
【0068】
ステップＳ１２では、制御部１０は、ポンプ４を駆動し、ポンプ４がセル２内のガスを吸引できるようにバルブ５ａの開放方向を制御する。また、制御部１０は、調湿器６を介さずに外部空気をセル２内に取り込めるように、バルブ５ｂの開放方向を制御する。これによりセル２内を外部空気で換気する。これは、セル内に残留した呼気の成分ガスと水蒸気を排出するためである。
【0069】
次に調湿器６を介して外部空気をセル内に取り込めるようにバルブ５ｂの開放方向を制御する。これにより、さらにセル２内に残留した呼気の成分ガスを排出し、除湿を促進する。調湿器６を介さない換気を省略することも可能である。しかし、調湿器６を介さない換気を行うことにより、除湿時間を低減することができる。これにより、乾燥剤への負荷を低減し、乾燥材の交換頻度を低減することができる。
【0070】
ステップＳ１２により、セル２内の湿度をある一定の湿度に制御することができる。この一定の湿度とは、相対湿度でも絶対湿度でもよい。また、一定の湿度とは、所定の範囲内の湿度であってもよい。
【0071】
ステップＳ１２において、セル２内の湿度を除湿により調整する場合の詳細な手順について説明する。
【0072】
図５は、除湿による湿度調整処理の一例を示すフローチャートである。
【0073】
除湿による湿度調整では、制御部１０は、まず目標湿度Ｈ０とその許容誤差ε（＞０）を設定する（Ｓ３１）。例えば、目標湿度Ｈ０を１０％ＲＨ、許容誤差εを０．５％ＲＨとすれば、セル２内の湿度を、１０±０．５％ＲＨの範囲に調整することになる。
【0074】
湿度センサ１ｄによりセル２内の湿度Ｈを測定する（Ｓ３２）。
【0075】
制御部１０は、測定された湿度Ｈと目標湿度Ｈとの差分Ｈ－Ｈ０が許容誤差εよりも小さく（Ｓ３３でＹＥＳ）かつ許容誤差の負値－εよりも大きければ（Ｓ３４でＹＥＳ）、湿度調整を終了する。
【0076】
Ｈ－Ｈ０≧ε（Ｓ３３でＮＯ）の場合は除湿する必要があるので、制御部１０は、ポンプ４の動作時間Ｔｏｎを設定して（Ｓ３５）、設定した時間Ｔｏｎの間、ポンプ４を動作させる（Ｓ３６）。このとき、給排気口３ｂと除湿器６１とがつながるように、バルブ５ｂ、６３ｂの開放方向が制御される。また給排気口３ａはポンプ４とつながるようにバルブ５ａの開放方向が制御される。これにより、時間Ｔｏｎの間、セル２内に除湿器６１を介して除湿された外部空気が導入され、セル２内の湿度は下がっていく。
【0077】
制御部１０は、時間Ｔｏｎの経過後にポンプ４を停止し、ある定められた時間Ｔｏｆｆの間、セル２内のガスを静置させる（Ｓ３７）。その後、制御部１０は、再び湿度Ｈを取得して、Ｈ－Ｈ０を許容値εと比較する。
【0078】
まだ除湿が足りない場合は、ステップＳ３２からステップＳ３７の同じルーチンを繰り返す。このとき、制御部１０は、ポンプの駆動時間Ｔｏｎを、Ｈ－Ｈ０の値を元に決定する。簡単にはＴｏｎをＨ－Ｈ０の値に比例係数をかけ合わせた値としてもよい。
【0079】
図６は、ポンプ４の動作状況の一例を示すシーケンスチャートである。湿度Ｈが目標湿度Ｈ０に近づくにつれてポンプ４の駆動時間は短くなり、やがて｜Ｈ－Ｈ０｜＜εとなって湿度調整は終了する。
【0080】
なお、上記処理では、Ｔｏｎの時間内ではポンプ４を駆動させたが、ポンプ４を駆動させなくても、セル２内部の空気が除湿器６１につながっていれば、セル２内の湿度は低下していく。ポンプ４を駆動させない処理により、目標湿度Ｈ０まで調整するのに時間がかかるが、静音で湿度調整することが可能である。
【0081】
過度に除湿して目標湿度よりセル内の湿度が下回った場合（ステップＳ３４でＮＯ）、加湿機能がある調湿器６を用いるときは、加湿を行ってもよい。加湿機能がない調湿器を用いるときは、バルブ５ｂの方向性を制御して、給排気口３ｂを外部空気につなげておけば、徐々に外部空気の水蒸気がセル内に入り込み、セル２内の湿度は増加する。湿度Ｈの測定を繰り返してやがてＨ－Ｈ０＞－εを満たして、湿度調整は終了する。
【0082】
再び図３を参照して、学習工程の説明を続ける。
【0083】
制御部１０は、湿度調整が終了したときのガスセンサの応答値を、第３の応答値として取得する（Ｓ１３）。
【0084】
制御部１０は、給排気口３ａをガス導入口７につなげるようにバルブ５ａの開放方向を制御し、給排気口３ｂは外部空気側につなげるようにバルブ５ｂの開放方向を制御する。人工呼気をガス導入口７からセル２に導入し、給排気口３ｂとバルブ５ｂを介して外部に排出する。これにより、人工呼気を、定められた流量で定められた時間だけセル２へ導入する（Ｓ１４）。
【0085】
制御部１０は、人工呼気の導入終了後にセル２内のガスを一定時間静置させ、人工呼気の導入および静置の間に取得されたガスセンサの応答値の最大値を第４の応答値として取得する（Ｓ１５）。
【0086】
制御部１０は、このようにして取得された第３の応答値と第４の応答値とをそれぞれベース値およびピーク値として、ベース値とピーク値との差異（例えば、ベース値とピーク値との差分や比率）を、ガスセンサの実効的な応答値として設定する。これにより、ガスセンサ素子自体の特性のドリフトや、ガスセンサの応答値（例えば、半導体式ガスセンサにおける素子抵抗値）を電圧に変換するアナログ回路のドリフトがある場合、可能な限りこれをキャンセルすることができる。
【0087】
制御部１０は、すべての人工呼気について、ベース値とピーク値とを取得し、ガスセンサの実効的な応答値を求めた後、ガス濃度とガスセンサの実効的な応答値との関連を表す対応情報を求めて、データ記録部３０に対応情報を記録する（Ｓ１７）。対応情報は、例えば、図１４で説明した逆関数ｆ１
－１、ｆ２
－１、ｆ３
－１を表す数式、数表であっもてよく、また、逆関数ｆ１
－１、ｆ２
－１、ｆ３
－１を実行するニューラルネットの構成情報であってもよい。データ記録部３０には、さらに、ガスセンサの応答値のベース値、ピーク値および実効的な応答値が記録されてもよい。
【0088】
ここで、ステップＳ１２において、第３の応答値を取得する前に、セル２内の湿度を一定の目標湿度に調整することの効果について説明する。
【0089】
図７は、人工呼気に対するガスセンサの応答値の一例を示すグラフである。図７において、縦軸は、半導体式ガスセンサ（ＮＩＳＳＨＡエフアイエス製水素センサＳＢ－１９）の人工呼気に対するガスセンサ出力電圧を表し、横軸は時間を表す。
【0090】
図７は、セル２内に対して外部空気による換気と除湿による湿度調整を行い（期間Ｐ１）、一定流量で一定時間人工呼気を導入し（期間Ｐ２）、一定時間セル２内のガスを静置する（期間Ｐ３）処理を６回繰り返した結果を示している。人工呼気は、アセトン１．０ｐｐｍ、エタノール１．２ｐｐｍ、水素２４．８ｐｐｍ、一酸化炭素６．２ｐｐｍ、二酸化炭素２５．４％を混合した相対湿度約７０％の空気である。
【0091】
処理の繰り返しごとに、湿度調整での目標湿度を、６３％ＲＨから１２％ＲＨまで、意図的に下げていった。この湿度範囲は、およそ日本の季節の年間の湿度変化範囲を含んでいる。つまり、図７の結果は、年間を通して、湿度調整を行わずにガスセンサの応答値を取得した場合に見られるガスセンサの応答値を模している。
【0092】
図７より明らかに、湿度の違いでガスセンサの応答電圧のベース値が異なっている。つまり、ガスセンサは湿度依存性を有している。そのため、湿度調整を行わずに取得したベース値とピーク値との差異をガスセンサの応答値の実効値として用いると、応答値の実効値にも湿度依存性が生じることになる。このような温度依存性は、ガスセンサの応答値のベース値を取得する前に、セル２内の湿度をある一定の湿度に調整することで軽減される。
【0093】
例えば、湿度調整における目標湿度を１０％ＲＨとすれば、一年を通して環境湿度はこの値を上回るため、除湿のみでセル２内を１０％ＲＨに調整することができる。湿度調整に要する時間を短縮するならば目標湿度を２０％ＲＨとしてもよい。加湿機能がある調湿器６を用いる場合、加湿により高湿度側に調整してもよい。ただし、加湿機能は必須ではなく、加湿機能を省略することにより、装置の構成が複雑になることを避けることができる。
【0094】
さらには、調湿器６そのものを省略し、あらかじめ湿度を一定にされた空気や、窒素などの不活性ガスを、ボンベやスプレー缶で導入してもよい。ただし、装置の家庭への普及や外出先への携行を想定すると、ボンベやスプレー缶の常備は困難であるため、除湿機能のみを有する調湿器で乾燥空気を得る方法がより実用的である。
【0095】
なお、発明者は、呼気成分の計測にあっては、ピーク値を得るときに、呼気自体を湿度調整する必要がないことも確認している。
【0096】
図８は、アセトンを主たる検出対象とするガスセンサの、アセトンと水蒸気とを含む混合ガスに対する応答値と相対湿度の関係を示している。図８に見られるように、呼気として想定される相対湿度８０％以上の高湿度領域において、ガスセンサの応答は一定であり、かつアセトン１．０ｐｐｍと１．７ｐｐｍの違いは判別できている。
【0097】
つまり、呼気のような高湿度領域では、ガスセンサのアセトンに対する応答値の湿度依存性は小さくなっているので、呼気自体を湿度調整しなくても、得られる応答値のピーク値の湿度依存性は小さい。このような特性は、アセトン以外のガスを主たる検出対象とするガスセンサにおいても、同様に見られる。
【0098】
したがって、ガスセンサの応答値のベース値およびピーク値のうち、ベース値を取得する際にセル内の湿度調整を行うことで、大きな効果を得ることができる。すなわち、湿度が一定に調整された状態でベース値を取得することにより、ガスセンサの湿度依存性を効果的に軽減できる。
【0099】
また、ステップＳ１４において、人工呼気を定められた流量で定められた時間だけセル２へ導入することの効果について説明する。
【0100】
図９は、人工呼気の導入時間に対するガスセンサの応答値の一例を示すグラフである。図９において、縦軸は、ガスセンサの実効的な応答値（ベース値とピーク値との差分）を表し、横軸は人工呼気の導入時間を表す。図９には、成分ガスの濃度が互いに異なる２種類の人工呼気（高濃度人工呼気および低濃度人工呼気）を、２．３Ｌ／分の流量で、４０秒、２０秒、１０秒、５秒、１秒導入した場合の、実効的な応答値を示している。
【0101】
図９から、成分ガスの濃度が互いに異なるいずれの人工呼気でも、吹き込み時間が異なると、ガスセンサの応答値が変動することを示している。また、ガスの導入総量は流量と導入時間との積である。よって、ガスの流量およびガスの導入時間の双方を基準化することにより、ステップＳ１７で有効な対応情報が得られる。
【0102】
以上、学習工程Ｓ１０では、セル内の湿度の調整することによって湿度依存性を軽減したガスセンサの応答値を得て、ガス濃度とガスセンサの実効的な応答値との対応情報を求めることを説明した。また、ガスセンサの応答値には、ガスの導入流量および導入時間への依存性があることを説明した。
【0103】
以下では、実測工程Ｓ２０について、ガスセンサに湿度依存性およびガスの導入流量および導入時間への依存性があることを踏まえて説明する。
【0104】
実測工程Ｓ２０の大部分は、学習工程Ｓ１０の人工呼気を、実際の計測対象の呼気に置き換えて構成されている。ここで、計測対象の呼気は、第１のガスの一例である。
【0105】
再び図３を参照して、ステップＳ２１では、制御部１０は、ポンプ４を駆動し、ポンプ４がセル２内のガスを吸引できるようにバルブ５ａの開放方向を制御する。また、制御部１０は、調湿器６を介さずに外部空気をセル２内に取り込めるようにバルブ５ｂの開放方向を制御する。これによりセル２内を外部空気で換気してセル内に残留した呼気の成分ガスと水蒸気を排出する。
【0106】
次に、制御部１０は、調湿器６を介して外部空気をセル２内に取り込めるようにバルブ５ｂの開放方向を制御する。これにより、さらにセル２内に残留した呼気の成分ガスを排出し、除湿を促進する。ここで、調湿器６において加湿または除湿されてからセル２に取り込まれる外部空気は、第２のガスの一例である。
【0107】
ステップＳ２１で、セル２内の湿度を、学習工程Ｓ１０のステップＳ１２の湿度調整での目標湿度と同一の目標湿度に制御することにより、測定精度を高めることができる。ここで、目標湿度は、相対湿度であってもよいし、絶対湿度であってもよい。また、目標湿度は、所定の範囲内の湿度であってもよい。湿度調整には、学習工程Ｓ１０と同様に、図５の手順を利用し、制御部１０は、セル２内が目標の湿度範囲に到達したとき、湿度調整を終了するとともに、目標湿度範囲に到達したことを、湿度表示部としての表示部２０を介してユーザに通知する。
【0108】
【0109】
制御部１０は、学習工程Ｓ１０における第３の応答値と同様に、湿度調整が終了したときのガスセンサの応答値を、第１の応答値として取得する（Ｓ２２）。第１の応答値を取得し終えると、表示部２０の操作ガイド画面において、調湿中のアイコンが低輝度で表示され、開始のアイコンが高輝度で表示される（Ｓ２３）。これにより、ユーザは、呼気を吹き込むことができるようになったことを認識する。
【0110】
ステップＳ２４では、制御部１０は、給排気口３ａをガス導入口７につなげるようにバルブ５ａの開放方向を制御する。給排気口３ｂは外部空気側につなげるようにバルブ５ｂの開放方向を制御する。ユーザは呼気をガス導入口７からセル２に吹き込み、セル２内に吹き込まれたガスは給排気口３ｂとバルブ５ｂを介して外部に排出される。
【0111】
ユーザが呼気の吹き込みを開始すると、図１０に示すように、表示部２０の操作ガイド画面において、セル２に配置した流量検知器１ｅの値が、リアルタイムにグラフで提示される。操作ガイド画面には、例えば、学習工程Ｓ１０のステップＳ１４での導入流量の±１０％の流量範囲が斜線で示され、ユーザは、吹き込む呼気の流量が当該斜線で示された範囲に入るようにガイドされる。例えば、画面の右側に、「弱く」、「そのまま」、「強く」といったアイコンが配置され、吹き込まれる呼気の流量の増減に伴って、いずれかのアイコンが高輝度で表示されてもよい。
【0112】
ユーザは、提示されるガイドに応じて吹き込み流量を調整し、一定流量で呼気を吹き込むことができる。制御部１０は、呼気の吹き込みに伴う流量検知器１ｅの値の立ち上がりを検出し、検出したタイミングから計時して、ステップＳ１４での導入時間と等しい時間が経過すると、バルブ５ａで呼気のセル２への吹き込みが遮断されるように制御する（Ｓ２５）。
【0113】
このようにして、ステップＳ２４での呼気の吹き込み流量と吹き込み時間は、それぞれ学習工程Ｓ１０のステップＳ１４で人工呼気を導入した際の導入流量および導入時間とできる限り同一となるように制御される。これにより、ガスセンサの応答値の、ガスの導入流量および導入時間に対する依存性を軽減することができる。
【0114】
制御部１０は、呼気の導入終了後にセル２内のガスを一定時間静置させ、呼気の吹き込みおよび静置の間に得られたガスセンサの応答値の最大値を第２の応答値として取得する（Ｓ２６）。
【0115】
制御部１０は、このようにして取得された第１の応答値と第２の応答値とをそれぞれベース値およびピーク値として、ベース値とピーク値との差異（例えば、ベース値とピーク値との差分や比率）を、ガスセンサの実効的な応答値として設定する。
【0116】
制御部１０は、ガスセンサの実効的な応答値と、データ記録部３０に記憶されている対応情報とを用いて、呼気に含まれる成分ガスの濃度を算出する（Ｓ２７）。算出された濃度は、表示部２０に表示される計測結果画面においてユーザに提示される（Ｓ２８）。
【0117】
図１１は、表示部２０に表示される計測結果画面の一例を示す図である。図１１の結果は、具体的には、ガスセンサ１ａをアセトンセンサ（ＮＩＳＳＨＡエフアイエス製ＳＢ－ＡＱ８）、ガスセンサ１ｂを水素センサ（ＮＩＳＳＨＡエフアイエス製ＳＢ－１９）、ガスセンサ１ｃを一酸化炭素センサ（ＦＩＧＡＲＯ製ＴＧＳ５０４２）とし、これら３つのガスセンサで３種の成分ガスの濃度を判定した結果を示している。
【0118】
以上、実測工程Ｓ２０では、セル内の湿度の調整することによって湿度依存性を軽減したガスセンサの応答値を得て、ガスセンサの実効的な応答値と対応情報とからガス濃度を高精度に求めることできる。また、ユーザによる呼気の吹き込み流量および吹き込み時間を、学習工程Ｓ１０での人工呼気の導入流量および導入時間とできる限り同じにすることにより、ガスの導入流量および導入時間に対するガスセンサの応答値の依存性も軽減できる。
【0119】
ここで、実測工程Ｓ２０のステップＳ２１において湿度調整を行うことの効果について、湿度調整を行わない場合、換気のみを行った場合、および除湿による湿度調整を行った場合に得られた、ガスセンサの実効的な応答値を対比して説明する。
【0120】
図１２Ａ、図１２Ｂ、図１２Ｃは、湿度調整の有無に応じたガスセンサの応答値の繰り返し再現性の一例を示すグラフである。図１２Ａ、図１２Ｂ、図１２Ｃにおいて、縦軸はガスセンサの応答値（ピーク値）を表し、横軸は人工呼気のサンプル番号を表す。人工呼気のサンプルは、サンプル番号が大きいほど高い濃度の成分ガスを含んでいる。
【0121】
図１２Ａ、図１２Ｂ、図１２Ｃには、人工呼気のサンプルを、サンプル番号１、２、３、４、５、４、３、２、１の順序で、つまり成分ガスの濃度が上昇し下降する順序で、セル２に導入する処理を３ループ繰り返したときの、ガスセンサの応答値（ピーク値）が示されている。比較のため、図１２Ａでは、ステップＳ２１の湿度調整を省略し、図１２Ｂでは、ステップＳ２１の湿度調整に代えて外部空気による換気のみを行い、図１２Ｃでは、ステップＳ２１において除湿による湿度調整を行った場合の結果が示されている。
【0122】
図１２Ａでは、異なるループ間、および同じループ内でも濃度の上昇時と下降時とで、応答値が大きく異なり、応答値の繰り返し再現性を得ることができなかった。図１２Ｂでは、図１２Ａと比べると、応答値の繰り返し再現性は改善されているが、十分ではない。図１２Ｃでは、異なるループ間、および同じループ内での濃度の上昇時と下降時とで、ほぼ同一の応答値が再現され、実用的な繰り返し再現性が得られた。
【0123】
より詳細に、図１２Ｂの低濃度領域（すなわち、サンプル番号１と２）におけるセンサ応答値のばらつき（すなわち、平均値に対する差分）を図１２Ｄに、同様に図１２Ｃの低濃度領域におけるセンサ応答値のばらつきを図１２Ｅに示した。湿度調整を行った場合の図１２Ｅのほうが換気のみの図１２Ｄに比べてばらつきが低減されているので、湿度調整を行うことでより高い繰り返し再現性を得た。
【0124】
これらの結果から、ステップＳ２１においてセル２内の湿度を一定値に調整することにより、実測工程Ｓ２０で実用的な繰り返し再現性を得ることができる。
【0125】
なお、上述した例では、計測対象であるガスは呼気ガスであるが、本実施形態に係るガス成分計測装置は、皮膚ガスにも適用可能である。この場合も、ガス成分計測装置は、以下に説明する点を除き、上述した呼気成分計測装置と同様の構成を有し、同様に動作する。すなわち、皮膚ガスは呼気ガスと異なり肺のような圧力源がないので、ガス成分計測装置は、例えば、皮膚表面から拡散する微量ガスを、時間をかけて微小容量のセルで受ける構成となる。皮膚ガスの拡散は、図１の流量検知器１ｅを構成する流量センサの検出下限以下の流量となる。この場合、セルへの流量を一定にするには、例えば、ガス導入口７に皮膚を晒し、バルブ５ａをガス導入口７と給排気口３ａとを連通するように駆動させてから一定時間を計測して、連通を遮断する。すなわち、この場合の流量検知器１ｅの機能とはその一定時間を計測する機能のみであってもよい。
【0126】
従って、図３の学習工程Ｓ１０のＳ１４は、流量は用いずに時間管理のみで工程の開始・終了を行ってもよい。同様に、実測工程Ｓ２０のＳ２３では吹込み流量をユーザに提示するのではなく、皮膚をガス導入口７に晒せ、バルブ５ａをガス導入口７と給排気口３ａとを連通するように駆動させてから、学習工程と同じ一定時間までの経過時間をユーザに提示してもよい。また、学習工程Ｓ１０の人工皮膚ガスを生成する工程Ｓ１１は、図４の人工呼気生成装置において混合されたガスの圧力を直接ガス導入口７に導くのではなく、いったんガスバッグ等に捕集し、大気圧同等のガスバッグ内の人工皮膚ガスを導入口７に接続する形態をとってもよい。
【0127】
（実施の形態２）
実施の形態２に係るガス成分計測装置について、歯ブラシおよびそのクレードルに形成された呼気成分計測装置の例を挙げて説明する。
実施の形態２に係るガス成分計測装置について、歯ブラシおよびそのクレードルに形成された呼気成分計測装置の例を挙げて説明する。
【0128】
実施の形態２に係る呼気成分計測装置は、実施の形態１で説明した呼気成分計測装置を、歯ブラシおよびそのクレードルに形成した応用例である。呼気成分計測装置を歯ブラシに形成した理由は、歯ブラシは口にくわえる生活用品であり、呼気を吹き込むという動作に親和性が高いためである。
【0129】
図１３は、実施の形態２に係る呼気成分計測装置の機能的な構成の一例を示す模式図である。図１３に示されるように、呼気成分計測装置２００は、歯ブラシ８と歯ブラシ８を保持するクレードル９とに形成される。以下の説明では、呼気成分計測装置２００の構成要素を、呼気成分計測装置１００において機能的に対応する構成要素の符号と同じ符号で参照する。また、呼気成分計測装置１００で説明した事項と共通する事項については、説明を適宜省略する。
【0130】
歯ブラシ８には、ガスセンサ１ａ、１ｂ、１ｃ、湿度センサ１ｄ、流量検知器１ｅ、セル２、給排気口３ａ、３ｂ、ガス導入口７、制御部１０ａが設けられる。
【0131】
セル２は、歯ブラシ８の把持部の内部空間によって構成され、当該内部空間に、ガスセンサ１ａ、１ｂ、１ｃ、湿度センサ１ｄ、流量検知器１ｅ、および制御部１０ａが配置される。
【0132】
流量検知器１ｅは、セル２内の圧力を検知する圧力センサで構成される。検知された圧力と、歯ブラシ８における呼気に対する流路抵抗の設計値とから、呼気の吹き込み流量が算出される。一般に、ダイアフラム式の圧力センサは、熱線方式や超音波方式にてガスの流量を検出する流量検知器と比べて安価で構成が簡素であり、かつ歯ブラシのような小体積内に収めやすい。
【0133】
ガス導入口７は、歯ブラシ８のブラシ付近に設けられ、歯磨き中に水が歯ブラシ内部に侵入しないように、撥水性を有する微細孔の集合体で形成されている。ガス導入口７から吹き込まれた呼気は、セル２に導入され、給排気口３ｂから排出される。
【0134】
制御部１０ａは、例えば、ワンチップのマイクロコンピュータで構成され、歯ブラシ８がクレードル９から取り外された状態で、各種センサの駆動および測定値の取得を制御する。
【0135】
クレードル９には、ポンプ４、バルブ５ｂ、調湿器６、制御部１０ｂ、表示部２０、データ記録部３０およびデータ解析部４０、オーリング９１が設けられる。
【0136】
調湿器６は、シリカゲルやモレキュラーシーブ等の乾燥剤が入った筒体であり、除湿機能のみを有している。
【0137】
オーリング９１は、歯ブラシ８とクレードル９との間の気密を保持する。
【0138】
制御部１０ｂ、データ記録部３０およびデータ解析部４０は、例えば、ワンチップのマイクロコンピュータで構成される。表示部２０は、例えば、圧電ブザーなどの発音素子や発光ダイオードなどの発光素子で構成される。
【0139】
歯ブラシ８に設けた制御部１０ａとクレードル９に設けた制御部１０ｂとは、例えば、無線通信を介して連動する。呼気成分計測装置２００においては、制御部１０ａと制御部１０ｂとが連動することにより、呼気成分計測装置１００での制御部１０としての機能を果たす。
【0140】
次に、呼気成分計測装置２００の動作の一例について説明する。
【0141】
ここで、人工呼気を測定する前およびユーザの呼気を測定する前に湿度調整するのではなく、人工呼気を測定した後およびユーザの呼気を測定した後で湿度調整してもよい。つまり、湿度調整が人工呼気およびユーザの呼気を測定した後で行われるように、学習工程および実測工程の双方においてガスセンサの応答値をピーク値およびベース値の順で取得する。これにより、歯磨きに際して呼気成分を検出する利用シーンにおいて、ユーザを待たせることなく、ユーザにとっての利便性を向上させることができる。
【0142】
まず、呼気成分計測装置２００による学習工程について説明する。
【0143】
呼気成分計測装置２００による学習工程では、図３の学習工程Ｓ１０のステップＳ１４、Ｓ１５を、ステップＳ１２、Ｓ１３の前に行う。これにより、人工呼気に対するガスセンサの応答値は、ピーク値が先に取得され、湿度調整の後、ベース値が取得される。ステップＳ１７では、取得されたベース値とピーク値との差異をガスセンサの実効的な応答値として、ガス濃度とガスセンサの実効的な応答値との関連を表す対応情報をデータ記録部３０に記録する。
【0144】
ステップＳ１２、Ｓ１３の前に、ステップＳ１４、Ｓ１５を行うことで、ユーザは、湿度調整で待たされることなく人工呼気を測定できる。
【0145】
次に、呼気成分計測装置２００による実測工程について説明する。
【0146】
呼気成分計測装置２００による実測工程は、図３の実測工程Ｓ２０のステップＳ２３～Ｓ２６を、ステップＳ２１、Ｓ２２の前に行うものである。
【0147】
呼気成分計測装置２００による実測工程では、まず、ユーザは歯磨きを終えた後に、ガス導入口７を口内に含み、呼気を吹き込む。ガス導入口７から導入された呼気の成分ガスは、セル２内のガスセンサ１ａ、１ｂ、１ｃで検知される。呼気の吹き込み開始は流量検知器１ｅである圧力センサの応答で検知される。
【0148】
制御部１０ａであるマイクロプロセッサは、吹き込みが開始したことを流量検知器１ｅで検知し、吹込み中に圧力値が定められた一定範囲に入っているか否か、そして定められた一定時間吹き込んだかを、表示部２０を介して、ユーザに知らせる。
【0149】
吹き込み終了後に一定時間、呼気をセル２内に静置する。呼気の吹き込みおよび静置の間に取得されたガスセンサ１ａ、１ｂ、１ｃの応答値の最大値を第２の応答値とする。
【0150】
呼気成分計測装置２００では、給排気口３ａにバルブ５ａやシャッターを設けて、吹き込み後にセル２を外部に対して遮断する代わりに、給排気口３ａの口径を十分に小さくとることで、外部空気の影響を受けずに、ガスセンサ１ａ、１ｂ、１ｃの応答値を取得する。
【0151】
以上の処理が、図３のステップＳ２３～Ｓ２６に対応する。ステップＳ２１、Ｓ２２の前に、ステップＳ２３～Ｓ２６を行うことにより、ユーザは、湿度調整で待たされることなくユーザの呼気を測定できる。
【0152】
次に、ユーザは、歯ブラシ８をクレードル９に戻し、歯ブラシ８の根元の給排気口３ｂとクレードル９の内部とをつなぐ。ポンプ４を起動して、クレードル９の給排気口から外部空気をクレードル内に取り込んで歯ブラシ８に送り、セル２内を一定時間換気する。
【0153】
このとき、セル２内の湿度は湿度センサ４ｄでモニタされる。換気のみで規定の湿度に達しないときは、バルブ５ｂの方向を切り換え、調湿器６を介して外部空気をクレードル９に取り込んで歯ブラシ８に送り、セル２内を定められた湿度に調湿する。
【0154】
湿度調整には、図５の手順を利用する。セル２内が目標の湿度範囲に到達したとき、湿度調整を終了し、ガスセンサの応答値のベース値を、第１の応答値として取得する。第１の応答値が取得されることにより、第１の応答値と第２の応答値との差異により、ガスセンサの実効的な応答値が得られる。
【0155】
以上の処理が、図３のステップＳ２１、Ｓ２２に対応する。
【0156】
最後に、図３のステップＳ２７、Ｓ２８に対応して、呼気の成分ガスの濃度が判定される。呼気成分計測装置２００では、歯ブラシ８とクレードル９との間で無線などの通信手段により、ベース値である第１の応答値とピーク値である第２の応答値とがデータ解析部４０に送られ、データ記録部３０に記録されている対応情報に基づいて、呼気の成分ガスの濃度が判定される。
【0157】
なお、実施の形態２の変形例として、図１３ではクレードル９に設けられているデータ記録部３０、データ解析部４０、制御部１０ｂ、ポンプ４、バルブ５ｂおよび調湿器６を、すべて小型化して、歯ブラシ８内に収めてもよい。
【0158】
本開示において、部の全部又は一部、又は図１および１３に示されるブロック図の機能ブロックの全部又は一部は、半導体装置、半導体集積回路（ＩＣ）、又はＬＳＩ（large scale integration）を含む一つ又は複数の電子回路によって実行されてもよい。ＬＳＩ又はＩＣは、一つのチップに集積されてもよいし、複数のチップを組み合わせて構成されてもよい。ここでは、ＬＳＩやＩＣと呼んでいるが、集積の度合いによって呼び方が変わり、システムＬＳＩ、ＶＬＳＩ(very large scale integration)、若しくはＵＬＳＩ(ultra large scale integration) と呼ばれるものであってもよい。 ＬＳＩの製造後にプログラムされる、Field Programmable Gate Array (FPGA)、又はＬＳＩ内部の接合関係の再構成又はＬＳＩ内部の回路区画のセットアップができるreconfigurable logic deviceも同じ目的で使うことができる。
【0159】
さらに、部の全部又は一部の機能又は操作は、ソフトウエア処理によって実行することが可能である。この場合、ソフトウエアは一つ又は複数の半導体メモリ、光学ディスク、ハードディスクドライブなどの非一時的記録媒体に記録され、ソフトウエアが処理装置（processor）によって実行されたときに、そのソフトウエアで特定された機能が処理装置（processor）および周辺装置によって実行される。本開示の装置は、ソフトウエアが記録されている一つ又は複数の非一時的記録媒体、処理装置（processor）、及び必要とされるハードウエアデバイス、例えばインターフェース、を備えていても良い。
【産業上の利用可能性】
【0160】
本開示のガス成分計測装置は、例えば、安価でかつ構成および取り扱いが簡易な呼気成分計測装置として、例えばヘルスケア分野において広く利用できる。
【符号の説明】
【0161】
１ センサユニット
１ａ、１ｂ、１ｃ ガスセンサ
１ｄ 湿度センサ
１ｅ 流量検知器
２ セル
３ａ、３ｂ 給排気口
４ ポンプ
５ａ、５ｂ、６３ａ、６３ｂ バルブ
６ 調湿器
７ ガス導入口
８ 歯ブラシ
９ クレードル
１０、１０ａ、１０ｂ 制御部
２０ 表示部
３０ データ記録部
４０ データ解析部
６１ 除湿器
６２、３０２ 加湿器
９１ オーリング
１００、２００ 呼気成分計測装置（ガス成分計測装置）
３００ 人工呼気生成装置
１ａ、１ｂ、１ｃ ガスセンサ
１ｄ 湿度センサ
１ｅ 流量検知器
２ セル
３ａ、３ｂ 給排気口
４ ポンプ
５ａ、５ｂ、６３ａ、６３ｂ バルブ
６ 調湿器
７ ガス導入口
８ 歯ブラシ
９ クレードル
１０、１０ａ、１０ｂ 制御部
２０ 表示部
３０ データ記録部
４０ データ解析部
６１ 除湿器
６２、３０２ 加湿器
９１ オーリング
１００、２００ 呼気成分計測装置（ガス成分計測装置）
３００ 人工呼気生成装置
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12A】
【図12B】
【図12C】
【図12D】
【図12E】
【図13】
【図14】