特許 7371687 物質検出システム及び物質検出方法

(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】2023-10-23

(45)【発行日】2023-10-31

(54)【発明の名称】物質検出システム及び物質検出方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 5/02 20060101AFI20231024BHJP

   G01N 1/00 20060101ALI20231024BHJP

【ＦＩ】

G01N5/02 A

G01N1/00 101R

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2021524762

(86)(22)【出願日】2020-05-22

(86)【国際出願番号】 JP2020020396

(87)【国際公開番号】W WO2020246276

(87)【国際公開日】2020-12-10

【審査請求日】2021-11-11

(31)【優先権主張番号】P 2019103515

(32)【優先日】2019-06-03

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(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】松岡 慶太

【審査官】北条 弥作子

(56)【参考文献】

【文献】特開平０１－２４４３３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１４／０３０５１９１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２００４／０２１００９９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特表２００１－５０７４６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０５６１６８２７（ＵＳ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１４／００３１２６３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】国際公開第２００５／０３１３００（ＷＯ，Ａ２）

【文献】特表２００９－５０９１７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】高野光雄，水晶振動子型においセンサを用いたバラの香りの測定，におい・かおり環境学会誌，日本，2005年，36巻6号，pp.345-355

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ５／０２

Ｇ０１Ｎ １／００

Ｇ０１Ｎ １９／００

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の空間に設置され、対象物質を検出する物質センサと、
前記第１の空間よりも外部との通気性が低く、前記対象物質の濃度が高い第２の空間の気体を前記第１の空間に供給する気体供給部と、
を備え、
前記物質センサは、前記対象物質を付着する物質付着素子を備え、
前記気体供給部は、前記第２の空間に存在する気体を前記第１の空間に吹き出す吹き出し口を備え、
前記吹き出し口から吹き出された気体が、前記物質付着素子に直接当たるように、前記吹き出し口と前記物質付着素子とが互いに対向配置されており、
前記気体供給部は、気体の供給と供給停止とを交互に繰り返す第１の時間と、気体の供給を停止する第２の時間とが繰り返されるように、前記第２の空間に存在する気体を前記第１の空間に間欠的に供給する、
物質検出システム。

【請求項2】

第１の空間に設置され、対象物質を検出する物質センサと、
前記第１の空間よりも前記対象物質の濃度が低い第２の空間の気体を前記第１の空間に供給する気体供給部と、
を備え、
前記物質センサは、前記対象物質を付着する物質付着素子を備え、
前記気体供給部は、前記第２の空間に存在する気体を前記第１の空間に吹き出す吹き出し口を備え、
前記吹き出し口から吹き出された気体が、前記物質付着素子に直接当たるように、前記吹き出し口と前記物質付着素子とが互いに対向配置されており、
前記気体供給部は、気体の供給と供給停止とを交互に繰り返す第１の時間と、気体を供給する第２の時間とが繰り返されるように、前記第２の空間に存在する気体を前記第１の空間に間欠的に供給する、
物質検出システム。

【請求項3】

前記第２の空間が複数設けられ、
前記第２の空間毎に、前記気体供給部が設けられ、
前記第１の空間に気体を供給する前記気体供給部を切り換えつつ、複数の前記第２の空間についてそれぞれ順番に前記対象物質の検出を行う、
請求項１に記載の物質検出システム。

【請求項4】

前記物質センサは、
前記物質付着素子を搭載して振動する振動子を備え、
前記振動子を振動させることにより、前記物質付着素子に付着した前記対象物質を脱離する、
請求項１に記載の物質検出システム。

【請求項5】

前記物質センサは、
前記振動子の周波数特性の変化に基づいて、前記物質付着素子への前記対象物質の付着又は除去を検出する、
請求項４に記載の物質検出システム。

【請求項6】

前記気体供給部は、ポンプである、
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】

前記第１の空間と前記第２の空間とのいずれかに、気体を排出する排出手段が設けられている、
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】

第１の空間よりも外部との通気性が低く、対象物質の濃度が高い第２の空間に存在する気体を前記第１の空間に気体供給部によって供給する第１のステップと、
前記第１の空間に配置された物質センサによって前記対象物質を検出する第２のステップと、
を含み、
前記第１のステップでは、
前記対象物質を付着する前記物質センサに設けられた物質付着素子に対向配置され、前記気体供給部に設けられた吹き出し口から、前記物質付着素子に直接当たるように、前記第２の空間に存在する気体を前記第１の空間に吹き出し、
前記気体供給部は、気体の供給と供給停止とを交互に繰り返す第１の時間と、気体の供給を停止する第２の時間とが繰り返されるように、前記第２の空間に存在する気体を前記第１の空間に間欠的に供給する、
物質検出方法。

【請求項9】

第１の空間よりも対象物質の濃度が低い第２の空間に存在する気体を前記第１の空間に気体供給部によって供給する第１のステップと、
前記第１の空間に配置された物質センサによって前記対象物質を検出する第２のステップと、
を含み、
前記第１のステップでは、
前記対象物質を付着する前記物質センサに設けられた物質付着素子に対向配置され、前記気体供給部に設けられた吹き出し口から、前記物質付着素子に直接当たるように、前記第２の空間に存在する気体を前記第１の空間に吹き出し、
前記気体供給部は、気体の供給と供給停止とを交互に繰り返す第１の時間と、気体を供給する第２の時間とが繰り返されるように、前記第２の空間に存在する気体を前記第１の空間に間欠的に供給する、
物質検出方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、物質検出システム及び物質検出方法に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、物質付着素子の重量の変化によって、その物質付着素子に付着した匂い物質を検知する匂いセンサが開示されている。この種の匂いセンサでは、物質付着素子に付着可能な匂い物質の付着量に限界がある。匂い物質の付着量が限界に達すると、物質付着素子はそれ以上匂い物質を付着することができず、飽和状態となって匂い物質の検出精度が低下する。そこで、匂いセンサでは、物質付着素子から匂い物質を一旦脱離する必要がある。

【0003】

例えば、特許文献１に記載の匂いセンサでは、チャンバー内にサンプルガスを導入し、３００秒間放置した後、空気を３００秒間導入するというサイクルで、サンプルガスを順次導入している。空気を３００秒間導入することで、チャンバー内のサンプルガスを追い出し、リフレッシュさせている（段落０１７０）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特許第６５０８６８９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上述の匂いセンサでは、物質付着素子から匂い物質を脱離するために、チャンバー内のサンプルガスを空気で追い出さなければならない。しかしながら、匂いセンサが、測定対象となるサンプルガスを追い出すことができない環境（例えば、絶えずサンプルガスが発生するような環境）下にある場合には、匂い物質の脱離が不十分となって、匂い物質の検出精度が低下するという不都合がある。

【0006】

本発明は、上記実情の下になされたものであり、対象物質の検出精度の低下を抑制することができる物質検出システム及び物質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】

【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、
第１の空間に設置され、対象物質を検出する物質センサと、
前記第１の空間よりも外部との通気性が低く、前記対象物質の濃度が高い第２の空間の気体を前記第１の空間に供給する気体供給部と、
を備え、
前記物質センサは、前記対象物質を付着する物質付着素子を備え、
前記気体供給部は、前記第２の空間に存在する気体を前記第１の空間に吹き出す吹き出し口を備え、
前記吹き出し口から吹き出された気体が、前記物質付着素子に直接当たるように、前記吹き出し口と前記物質付着素子とが互いに対向配置されており、
前記気体供給部は、気体の供給と供給停止とを交互に繰り返す第１の時間と、気体の供給を停止する第２の時間とが繰り返されるように、前記第２の空間に存在する気体を前記第１の空間に間欠的に供給する。
また、本発明の第２の観点に係る物質検出システムは、
第１の空間に設置され、対象物質を検出する物質センサと、
前記第１の空間よりも前記対象物質の濃度が低い第２の空間の気体を前記第１の空間に供給する気体供給部と、
を備え、
前記物質センサは、前記対象物質を付着する物質付着素子を備え、
前記気体供給部は、前記第２の空間に存在する気体を前記第１の空間に吹き出す吹き出し口を備え、
前記吹き出し口から吹き出された気体が、前記物質付着素子に直接当たるように、前記吹き出し口と前記物質付着素子とが互いに対向配置されており、
前記気体供給部は、気体の供給と供給停止とを交互に繰り返す第１の時間と、気体を供給する第２の時間とが繰り返されるように、前記第２の空間に存在する気体を前記第１の空間に間欠的に供給する。

【0009】

前記第２の空間が複数設けられ、
前記第２の空間毎に、前記気体供給部が設けられ、
前記第１の空間に気体を供給する前記気体供給部を切り換えつつ、複数の前記第２の空間についてそれぞれ順番に前記対象物質の検出を行う、
こととしてもよい。

【0011】

前記物質センサは、
前記物質付着素子を搭載して振動する振動子を備え、
前記振動子を振動させることにより、前記物質付着素子に付着した前記対象物質を脱離する、
こととしてもよい。

【0012】

前記物質センサは、
前記振動子の周波数特性の変化に基づいて、前記物質付着素子への前記対象物質の付着又は除去を検出する、
こととしてもよい。

【0013】

前記気体供給部は、ポンプである、
こととしてもよい。

【0015】

前記第１の空間と前記第２の空間とのいずれかに、気体を排出する排出手段が設けられている、
こととしてもよい。

【0016】

本発明の第３の観点に係る物質検出方法は、
第１の空間よりも外部との通気性が低く、対象物質の濃度が高い第２の空間に存在する気体を前記第１の空間に気体供給部によって供給する第１のステップと、
前記第１の空間に配置された物質センサによって前記対象物質を検出する第２のステップと、
を含み、
前記第１のステップでは、
前記対象物質を付着する前記物質センサに設けられた物質付着素子に対向配置され、前記気体供給部に設けられた吹き出し口から、前記物質付着素子に直接当たるように、前記第２の空間に存在する気体を前記第１の空間に吹き出し、
前記気体供給部は、気体の供給と供給停止とを交互に繰り返す第１の時間と、気体の供給を停止する第２の時間とが繰り返されるように、前記第２の空間に存在する気体を前記第１の空間に間欠的に供給する。
本発明の第４の観点に係る物質検出方法は、
第１の空間よりも対象物質の濃度が低い第２の空間に存在する気体を前記第１の空間に気体供給部によって供給する第１のステップと、
前記第１の空間に配置された物質センサによって前記対象物質を検出する第２のステップと、
を含み、
前記第１のステップでは、
前記対象物質を付着する前記物質センサに設けられた物質付着素子に対向配置され、前記気体供給部に設けられた吹き出し口から、前記物質付着素子に直接当たるように、前記第２の空間に存在する気体を前記第１の空間に吹き出し、
前記気体供給部は、気体の供給と供給停止とを交互に繰り返す第１の時間と、気体を供給する第２の時間とが繰り返されるように、前記第２の空間に存在する気体を前記第１の空間に間欠的に供給する。

【発明の効果】

【0017】

本発明によれば、気体供給部で、物質センサが配置された第１の空間に、第１の空間とは対象物質の濃度が異なる第２の空間の気体を供給することにより、対象物質を検出する物質センサの周囲における対象物質の濃度を、対象物質の検出時には高くし、対象物質の脱離時には低くするように調整する。これにより、物質センサにおける対象物質の付着量が飽和しないようにすることができるので、対象物質の検出精度の低下を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【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模式図である。

【図2】物質センサのヘッダ部の構成を示す図である。

【図3】図１の物質検出システムの制御系の構成を示すブロック図である。

【図4】本発明の実施の形態１に係る物質検出方法を示すフローチャートである。

【図5】本発明の実施の形態１に係る物質検出システムの動作その１を示す模式図である。

【図6】本発明の実施の形態１に係る物質検出システムの動作その２を示す模式図である。

【図7A】本発明の実施の形態１に係る物質検出システムの動作を示す第１のタイミングチャートである。

【図7B】本発明の実施の形態１に係る物質検出システムの動作を示す第２のタイミングチャートである。

【図8】第２の空間が複数ある場合の物質検出システムの構成を示す模式図である。

【図9】本発明の実施の形態２に係る物質検出システムの動作その１を示す模式図である。

【図10】本発明の実施の形態２に係る物質検出システムの動作その２を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

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。なお、本実施の形態で、「空間」とは、匂いが漂う気体が満たされる立体領域、例えば容器、部屋等の内部のことをいう。

【0020】

実施の形態１
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、気体中に含まれる対象物質Ｍを検出する物質センサ２と、気体供給部としてのポンプ３とを備える。対象物質Ｍには、例えば匂いの元となる匂い物質がある。

【0021】

本実施の形態に係る物質検出システム１は、２つの空間を必要とする。第１の空間１０及び第２の空間２０である。第１の空間１０と、第２の空間２０とは、壁３０で仕切られている。物質センサ２は、第１の空間１０に設置される。ポンプ３は、第２の空間２０に存在する気体を第１の空間１０に供給する。

【0022】

なお、図１では、図示のため、第１の空間１０と第２の空間２０が、各辺が１点鎖線で示す直方体として表されている。しかしながら、実際には、第１の空間１０と第２の空間２０とは、それ以上の広がりを持つ空間であってもよい。

【0023】

第１の空間１０は、例えば住居の屋根裏であり、第２の空間２０は、例えば住居の居住空間である。第１の空間１０と第２の空間２０とを比較すると、第１の空間１０の方が、外部との通気性が高くなっており、第２の空間２０の方が、密閉性が高くなっている。したがって、第１の空間１０に検出対象となる物質が送られてきたとしても、その物質は第１の空間１０の外部へ排出又は拡散しやすくなっており、第２の空間２０では、対象物質Ｍがその空間内にとどまり易くなっている。

【0024】

本実施の形態では、第２の空間２０が検出対象であり、この第２の空間２０に対象物質Ｍが存在する可能性がある。この対象物質Ｍは、第２の空間２０から第１の空間１０に送られて検出されるため、第２の空間２０に対象物質Ｍが存在する場合、第１の空間１０における対象物質Ｍの濃度は、第２の空間２０における濃度よりも低くなっている（望ましくは濃度０％）必要がある。

【0025】

なお、第１の空間１０及び第２の空間２０に対象物質Ｍが存在しない場合には、第１の空間１０における対象物質Ｍの濃度は同じ０％であってもよい。すなわち、第１の空間１０及び第２の空間２０の少なくとも一方に対象物質Ｍが存在する場合に、第１の空間１０と第２の空間２０とで、対象物質Ｍの濃度が異なっていればよい。

【0026】

本実施の形態に係る物質検出システム１は、第１の空間１０に配置された物質センサ２を用いて、第２の空間２０の気体中に含まれる対象物質Ｍを検出する。対象物質Ｍの検出のため、ポンプ３は、第２の空間２０に存在する気体を、第２の空間２０から第１の空間１０に送っている。

【0027】

物質検出システム１の構成についてより詳細に説明する。物質センサ２は、ヘッダ部２ａと、センサ本体２ｂと、を備える。ヘッダ部２ａには、貫通孔２ｃが設けられている。この貫通孔２ｃの中を、気体が通過可能となっている。

【0028】

ヘッダ部２ａは、対象物質Ｍに感度がある素子を有する。センサ本体２ｂは、対象物質Ｍが付着しているか否かを示す情報をヘッダ部２ａから検出し、その情報を信号として出力可能な信号回路と、ヘッダ部２ａの素子を制御する制御回路と、を有している。

【0029】

図２に示すように、ヘッダ部２ａは、物質付着素子５ａと、振動子５ｂと、ヘッダ本体部５ｃと、を備える。物質付着素子５ａには、空気中に含まれる対象物質Ｍが付着する。振動子５ｂは、片持ち梁の板状の部材である。振動子５ｂには、電圧印加により面方向に伸縮可能な駆動用圧電素子６ａが片面に形成されている。駆動用圧電素子６ａの伸縮により、振動子５ｂが振動する。また、振動子５ｂには、その振動変位を検出する検出用圧電素子６ｂも片面に形成されている。

【0030】

物質付着素子５ａは、振動子５ｂ上に形成されている。物質付着素子５ａに対象物質Ｍが付着すると、物質付着素子５ａの重量が変化し、結果的に振動子５ｂ全体の重量が変化する。この重量変化により、振動子５ｂの周波数特性が変化する。物質センサ２は、振動子５ｂの周波数特性の変化を監視することにより、対象物質Ｍを検出する。振動子５ｂの周波数特性の変化は、検出用圧電素子６ｂから出力される電圧信号（振動子５ｂの振動周波数（例えば共振周波数又は固有振動数））の変化により観測される。

【0031】

図１に戻り、本実施の形態では、ポンプ３は、吸入口３ａと、ポンプ本体３ｂと、吹き出し口３ｃと、を備える。吸入口３ａは、第２の空間２０に設置されており、ポンプ本体３ｂは、圧力の作用により、吸入口３ａから吸入した気体を、吹き出し口３ｃに送る。吹き出し口３ｃは、物質センサ２のヘッダ部２ａに直接気体を吹きつけるように配置されている。より具体的には、吹き出し口３ｃは、物質付着素子５ａに対向して配置されており、吹き出し口３ｃから吹き出された気体が、物質付着素子５ａに直接当たるように配置されている。

【0032】

また、上述のように、物質センサ２は、物質付着素子５ａに対象物質Ｍが付着することによる振動子５ｂの周波数特性の変化で、対象物質Ｍの存在を検出する。しかしながら、物質付着素子５ａの対象物質Ｍの付着量には限界があり、ある量で飽和状態となる。物質付着素子５ａが飽和状態となると、対象物質Ｍはそれ以上物質付着素子５ａに付着せず、対象物質Ｍを測定することができなくなる。

【0033】

そこで、本実施の形態では、対象物質Ｍの検出後、一定期間、物質付着素子５ａに付着した対象物質Ｍを脱離する。物質付着素子５ａによる対象物質Ｍの脱離は、物質付着素子５ａへの気体の吹き出しを停止しつつ、振動子５ｂを振動させることにより行われる。物質付着素子５ａから対象物質Ｍが脱離すると振動子５ｂの周波数特性が変化するため、物質センサ２は、対象物質Ｍが除去されたことも検出可能である。

【0034】

図３に示すように、物質検出システム１は、制御部５０を備える。制御部５０は、物質センサ２及びポンプ３を制御する。制御部５０は、物質センサ２の駆動用圧電素子６ａに電圧を印加することにより、振動子５ｂを振動させる。物質センサ２は、検出用圧電素子６ｂの出力に基づいて、振動子５ｂの振動周波数を検出する。物質センサ２は、この検出信号を制御部５０に出力する。制御部５０は、その出力に基づいて、振動子５ｂの周波数特性の変化を検出する。

【0035】

さらに、制御部５０は、ポンプ３のオンオフ制御を行う。具体的には、制御部５０は、ポンプ３をオンして第２の空間２０から第１の空間１０に気体を送る。制御部５０は、ポンプ３をオンした状態で、対象物質Ｍの検出を行う。以下では、ポンプ３をオンしつつ振動子５ｂを振動させる動作を、対象物質Ｍの検出動作ともいう。

【0036】

制御部５０がポンプ３をオフすると、第２の空間２０から第１の空間１０への気体の供給が停止する。気体の供給が停止すると、物質付着素子５ａの周辺の対象物質Ｍの濃度が低下する。このとき、対象物質Ｍが物質付着素子５ａから脱離する。以下では、ポンプ３をオフする動作を、対象物質Ｍの脱離動作ともいう。

【0037】

このように、制御部５０は、ポンプ３をオンオフして、対象物質Ｍの検出動作と、対象物質Ｍの脱離動作とを繰り返す間欠制御を行う。

【0038】

次に、本発明の実施の形態に係る物質検出システム１の動作について説明する。この方法では、まず、図４に示すように、第１の空間１０及び第２の空間２０の少なくとも一方に対象物質Ｍが存在する場合に、第１の空間１０とは対象物質Ｍの濃度が異なる第２の空間２０に存在する気体を第１の空間１０に供給する（ステップＳ１；第１のステップ）。続いて、第１の空間１０に配置された物質センサ２によって、対象物質Ｍを検出する（ステップＳ２；第２のステップ）。これにより、第２の空間２０に含まれる対象物質Ｍの検出が行われる。

【0039】

また、図５に示すように、対象物質Ｍの検出動作においては、制御部５０は、ポンプ３をオンする。これによりポンプ３が動作して、第２の空間２０に存在する気体が、第１の空間１０に供給される。これにより、ポンプ３の吹き出し口３ｃから対象物質Ｍを含む気体が吹き出し、物質センサ２の物質付着素子５ａに対象物質Ｍが付着する。対象物質Ｍが付着すると、振動子５ｂの周波数特性が変化する。制御部５０は、駆動用圧電素子６ａに電圧を印加し、振動子５ｂを振動させて、検出用圧電素子６ｂで、振動子５ｂの振動周波数を監視する。物質センサ２は、この振動周波数の変化により、対象物質Ｍを検出する。

【0040】

さらに、図６に示すように、対象物質Ｍの脱離動作においては、制御部５０は、ポンプ３をオフする。これにより、第２の空間２０に存在する気体の第１の空間１０への供給が停止し、ポンプ３の吹き出し口３ｃからの対象物質Ｍを含む気体の吹き出しが停止し、物質センサ２の物質付着素子５ａの周囲に対象物質Ｍが存在しなくなる。この結果、物質付着素子５ａから対象物質Ｍが脱離し、物質付着素子５ａは、対象物質Ｍが付着していない初期状態に戻る。制御部５０は、駆動用圧電素子６ａに電圧を印加し、振動子５ｂを振動させて、物質付着素子５ａからの対象物質Ｍの脱離を促進する。

【0041】

図７Ａに示すように、制御部５０は、時間Ｔａだけポンプ３をオンした後、時間Ｔｂだけポンプ３をオフする処理を周期Ｔで繰り返す。時間Ｔａ、Ｔｂは、例えば２～３秒とすることができる。

【0042】

時間Ｔａが、対象物質Ｍの検出動作を行う時間となる。この時間Ｔａにおいて、制御部５０は、ポンプ３をオンするとともに、振動子５ｂを振動させて、駆動用圧電素子６ａに電圧を印加して、振動子５ｂを振動させつつ、検出用圧電素子６ｂの出力を監視し、振動子５ｂの振動周波数の変化を検出する。時間Ｔａでは、物質付着素子５ａに対象物質Ｍが付着して、振動子５ｂの振動周波数が次第に低くなる。この振動周波数の変化により、対象物質Ｍの存在が検出される。

【0043】

そして、次の時間Ｔｂが、対象物質Ｍの脱離動作を行う時間となる。この時間Ｔｂにおいて、制御部５０は、ポンプ３をオフする。すると、物質付着素子５ａの周囲における対象物質Ｍの濃度が低下して、物質付着素子５ａから対象物質Ｍが脱離する。このときも、制御部５０は、駆動用圧電素子６ａに電圧を印加して、振動子５ｂを振動させる。この振動により、物質付着素子５ａから対象物質Ｍがさらに脱離しやすくなる。この状態で、検出用圧電素子６ｂの電圧信号の出力を監視した場合、図７Ａに示すように、物質付着素子５ａから対象物質Ｍが脱離して、振動子５ｂの振動周波数が上昇する。

【0044】

なお、本実施の形態では、物質付着素子５ａに対象物質Ｍが付着すると、振動子５ｂの振動周波数が下がり、脱離すると振動子５ｂの振動周波数が上がる場合について説明しているが、本発明はこれには限られない。物質付着素子５ａに対象物質Ｍが付着したか否かについては、振動子５ｂの振幅レベルでも判定可能である。例えば、物質付着素子５ａに対象物質Ｍが付着した場合に振動子５ｂの振幅レベルが下がり、物質付着素子５ａから対象物質Ｍが脱離した場合に振動子５ｂの振幅レベルが上がる構成であれば、振幅レベルの違いにより、物質センサ２は、対象物質Ｍが付着したか否かを判定できる。

【0045】

制御部５０は、このようにして、対象物質Ｍの検出動作と、対象物質Ｍの脱離動作とを繰り返す。これにより、物質検出システム１では、物質付着素子５ａによる対象物質Ｍの付着量を飽和させることなく、長期間の対象物質Ｍの検出動作が可能となる。

【0046】

また、本実施の形態では、第１の空間１０から、対象物質Ｍが排出されにくくなっている場合には、第１の空間１０から気体を排出する排出手段としての排出ポンプをさらに設けるようにしてもよい。

【0047】

なお、本実施の形態では、第１の空間１０を、住居の屋根裏とし、第２の空間２０を、住居の居室空間としたが、本発明はこれには限られない。例えば、第１の空間１０を住居の軒下としてもよい。第１の空間１０及び第２の空間２０を建築物によって構成される空間としてもよいし、ある設備又は装置によって構成される空間としてもよい。

【0048】

また、本実施の形態に係る物質検出システム１では、対象物質Ｍの検出のインターバル動作が可能である。図７Ｂに示すように、時間Ｔ１では、時間Ｔａの対象物質Ｍの検出動作と時間Ｔｂの脱離動作とを繰り返し行い、その後の時間Ｔ２では、対象物質Ｍの検出動作と脱離動作とを停止させることができる。このようにすれば、時間Ｔ１において、物質付着素子５ａに付着する対象物質Ｍが残留していた場合でも、その対象物質Ｍを脱離させる余裕を時間Ｔ２で作り出すことができる。時間Ｔ２において、物質付着素子５ａから対象物質Ｍをさらに脱離しやすくするために、制御部５０は、駆動用圧電素子６ａに電圧を印加して、振動子５ｂを振動させてもよい。

【0049】

このように、本実施の形態では、第２の空間２０に含まれる対象物質Ｍの検出を行わない余裕の時間Ｔ２を設けることが可能である。この場合、図８に示すように、第２の空間２０を複数設け、それぞれにポンプ３を設け、複数の第２の空間２０について順番に対象物質Ｍの検出を行うようにしてもよい。すなわち、図７Ｂに示すように、時間Ｔ２で、一方の第２の空間２０での対象物質Ｍの検出を行わない場合には、第１の空間１０に気体を供給するポンプ３を切り替えて、その時間Ｔ２において、他方の第２の空間２０での対象物質Ｍの検出を行うようにしてもよい。このような制御は、第２の空間２０が３つ以上有る場合でも適用可能である。

【0050】

なお、時間Ｔａ、Ｔｂとしては、対象物質Ｍの検出及び脱離に十分な時間を設定する必要がある。また、本実施の形態に係る物質検出システム１では、検出を行わない時間Ｔ２は必須ではない。特に、危険性の高い対象物質Ｍを検出する物質検出システム１では、対象物質Ｍの検出を常時行うようにしておくのが望ましい。

【0051】

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。本実施の形態に係る物質検出システム１の構成は、第２の空間２０でなく、第１の空間１０に存在する対象物質Ｍを検出する。

【0052】

本実施の形態に係る物質検出システム１は、物質センサ２と、気体供給部としてのポンプ３とを備える点は上記実施の形態と同じである。物質センサ２は、第１の空間１０に設置される。ポンプ３は、第２の空間２０に存在する気体を第１の空間１０に供給する。物質センサ２及びポンプ３の詳細な構成も上記実施の形態１と同じである。また、制御部５０によって、物質センサ２及びポンプ３が制御される点も上記実施の形態１と同じである。

【0053】

本実施の形態では、第１の空間１０が検出対象であり、この第１の空間１０に対象物質Ｍが存在する可能性がある。第２の空間２０における気体は、物質付着素子５ａに付着した対象物質Ｍを除去するために第１の空間１０に送られるため、第１の空間１０に対象物質Ｍが存在する場合、第２の空間２０における対象物質Ｍの濃度は、第１の空間１０における濃度よりも低くなっている（望ましくは濃度０％）必要がある。

【0054】

なお、本実施の形態でも、第１の空間１０及び第２の空間２０に対象物質Ｍが存在しない場合には、第１の空間１０における対象物質Ｍの濃度は同じ０％であってもよい。すなわち、第１の空間１０及び第２の空間２０の少なくとも一方に対象物質Ｍが存在する場合に、第１の空間１０と第２の空間２０とで、対象物質Ｍの濃度が異なっていればよい。

【0055】

本実施の形態に係る物質検出システム１は、第１の空間１０に配置された物質センサ２を用いて、第１の空間１０の気体中に含まれる対象物質Ｍを検出する。すなわち、第１の空間１０が測定対象の空間となり、この点、第２の空間２０を測定対象とする上記実施の形態１とは逆になる。

【0056】

本実施の形態でも、制御部５０は、駆動用圧電素子６ａに電圧を印加することにより、振動子５ｂを振動させるとともに、検出用圧電素子６ｂの出力に基づいて、振動子５ｂの振動周波数を検出する。制御部５０は、その出力に基づいて、振動子５ｂの周波数特性の変化を検出する。

【0057】

さらに、本実施の形態でも、制御部５０は、ポンプ３のオンオフ制御を行う。具体的には、制御部５０は、ポンプ３をオフした状態で、対象物質Ｍの検出を行う。以下では、ポンプ３をオフしつつ振動子５ｂを振動させる動作を、対象物質Ｍの検出動作ともいう。

【0058】

制御部５０がポンプ３をオンすると、第２の空間２０から第１の空間１０へ気体が供給される。この気体には、第１の空間１０よりも濃度が低い対象物質Ｍが含まれているため、気体の供給が開始されると、物質付着素子５ａの周辺の対象物質Ｍの濃度が低下する。このとき、対象物質Ｍが物質付着素子５ａから脱離する。以下では、ポンプ３をオンし振動子５ｂを振動させる動作を、対象物質Ｍの脱離動作ともいう。

【0059】

このように、本実施の形態でも、制御部５０は、対象物質Ｍの検出動作と、対象物質Ｍの脱離動作とを繰り返す間欠制御を行う。

【0060】

次に、本発明の実施の形態に係る物質検出システム１の動作について説明する。

【0061】

より詳細には、図９に示すように、対象物質Ｍの検出動作においては、ポンプ３が停止して、第２の空間２０に存在する気体の第１の空間１０への供給が停止し、ポンプ３の吹き出し口３ｃから気体の吹き出しが停止している。この状態では、第１の空間１０内に存在する物質センサ２の物質付着素子５ａに対象物質Ｍが付着する。対象物質Ｍが付着すると、振動子５ｂの周波数特性が変化する。制御部５０は、駆動用圧電素子６ａに電圧を印加し、振動子５ｂを振動させて、検出用圧電素子６ｂで、振動子５ｂの振動周波数を監視する。物質センサ２は、この振動周波数の変化により、対象物質Ｍを検出する。

【0062】

図１０に示すように、対象物質Ｍの脱離動作においては、ポンプ３が動作して、第２の空間２０に存在する気体を、第１の空間１０に供給する。これにより、ポンプ３の吹き出し口３ｃから低い濃度の対象物質Ｍを含む気体が吹き出し、物質センサ２の物質付着素子５ａの周辺における対象物質Ｍの濃度が低下する。この結果、物質付着素子５ａから対象物質Ｍが脱離する。制御部５０は、駆動用圧電素子６ａに電圧を印加し、振動子５ｂを振動させて、物質付着素子５ａからの対象物質Ｍの脱離を促進する。

【0063】

制御部５０は、このようにして、対象物質Ｍの検出動作と、対象物質Ｍの脱離動作とを繰り返す。これにより、本実施の形態に係る物質検出システム１においても、物質付着素子５ａによる対象物質Ｍの付着量を飽和させることなく、連続して対象物質Ｍの検出動作が可能となる。

【0064】

なお、本実施の形態では、物質センサ２の周囲に第２の空間２０からの気体が、一定時間供給されるだけでよい。第２の空間２０から気体が供給される時間は、物質付着素子５ａの対象物質Ｍが脱離するのに十分な時間が確保される。

【0065】

以上詳細に説明したように、上記各実施の形態によれば、ポンプ３で、物質センサ２が配置された第１の空間１０に、第１の空間１０とは対象物質Ｍの濃度が異なる第２の空間２０の気体を供給することにより、対象物質Ｍを検出する物質センサ２の周囲における対象物質Ｍの濃度を、対象物質Ｍの検出時には高くし、対象物質Ｍの脱離時には低くするように調整する。これにより、物質センサ２における対象物質Ｍの付着量が飽和しないようにすることができるので、対象物質Ｍの検出精度の低下を抑制することができる。

【0066】

上記各実施の形態に係る物質検出システム１では、ポンプ３をオン又はオフにして、時間を置くことにより、物質付着素子５ａから物質を脱離させることができるため、例えば、窒素ガスを物質付着素子５ａに与えて対象物質Ｍを脱離させるような特別な機構が不要となる。

【0067】

また、上記各実施の形態によれば、ポンプ３は、物質付着素子５ａに第２の空間２０に存在する気体を間欠的に供給することとした。このようにすれば、物質付着素子５ａが対象物質Ｍに常に暴露されて対象物質Ｍの付着状態が飽和するのを防止することができる。

【0068】

なお、間欠制御は、一定時間で行われたがこれには限られない。検出結果を監視して、振動子５ｂの振動周波数が予め定められた範囲に収束してきたら、検出動作を停止して、対象物質Ｍの脱離動作を行うようにしてもよい。

【0069】

また、上記各実施の形態によれば、ポンプ３の吹き出し口３ｃから吹き出される気体の流路上に物質センサ２の物質付着素子５ａが配置されることとした。このようにすれば、物質付着素子５ａに付着する対象物質Ｍの付着量を増やすことができるので、その検出精度を高めることができる。

【0070】

また、上記各実施の形態では、振動子５ｂを振動させることにより、物質付着素子５ａに付着した対象物質Ｍを脱離した。このようにすれば、より確実かつ短時間に、物質付着素子５ａから対象物質Ｍを脱離することが可能である。

【0071】

また、上記各実施の形態に係る物質検出システム１では、梁状の振動子５ｂを振動させ、その振動子５ｂの周波数特性を検出するものであった。しかしながら、本発明はこれには限られない。例えば、水晶振動子を振動させるものであってもよい。また、物質センサ２は振動子５ｂを有するものにも限られない。物質センサ２は、対象物質Ｍを検出するものであれば適用が可能である。

【0072】

なお、上記各実施の形態では、振動子５ｂを片持ち梁の板状の部材としたが、本発明はこれには限られない。振動子５ｂは、両持ち梁の板状の部材であってもよいし、３つ以上の固定端部を有する梁状の部材であってもよい。また、駆動用圧電素子６ａ及び検出用圧電素子６ｂは、梁の片側でなく、両側に設けられていてもよい。

【0073】

また、上記各実施の形態では、気体供給部は、ポンプ３であった。ポンプ３を用いることにより、物質付着素子５ａへの気体の供給及び停止を俊敏に行うことができる。しかしながら、本発明はこれには限られない。第２の空間２０から第１の空間１０への送風を行う送風ファンであってもよい。

【0074】

上記各実施の形態に係る対象物質Ｍには様々なものがある。例えば、居住空間の生活臭、ペットの匂い、香水、料理の匂い、ゴミの匂い、ものが焼ける匂いなどがある。物質検出システム１の動作は、検出対象となる対象物質Ｍの種類又は検出の目的に応じて適宜調整することができる。時間Ｔａ、Ｔｂ、Ｔ１、Ｔ２は、その最たる例である。

【0075】

なお、上記各実施の形態に係る物質検出システム１は、対象物質Ｍを検出し、その対象物質Ｍの発生を監視するものであった。しかしながら、本発明はこれには限られない。例えば、検出結果を用いて機器を制御するようにしてもよい。例えば、対象物質Ｍが検出されれば、換気扇を回して、第２の空間２０を換気するようにしてもよいし、ものが燃焼したときに発生する対象物質Ｍを検出して、火事の発生を報知するようにしてもよい。

【0076】

なお、上記各実施の形態では、第１の空間１０と第２の空間２０とは、壁３０で仕切られていたが、本発明はこれには限られない。第１の空間１０と第２の空間２０とが十分に離れているか、それぞれの気体が混合するおそれがなければ、壁３０はなくてもよい。基本的には、第１の空間１０と第２の空間２０とでは、対象物質Ｍの濃度が異なっていればよい。より望ましくは、第１の空間１０と第２の空間２０とは、少なくとも一方に対象物質Ｍが存在すればよい。

【0077】

また、上記実施の形態では、対象物質Ｍを１種類としたが、本発明はこれには限られない。対象物質Ｍは、複数種類あってもよい。この場合、対象物質Ｍ毎に物質センサ２を設けるようにすればよい。物質検出システム１は、複数種類の対象物質Ｍによって構成される匂いを検出するようにしてもよい。

【0078】

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、請求の範囲によって示される。そして、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。

【0079】

なお、本願については、２０１９年６月３日に出願された日本国特許出願２０１９－１０３５１５号を基礎とする優先権を主張し、本明細書中に日本国特許出願２０１９－１０３５１５号の明細書、請求の範囲、図面全体を参照として取り込むものとする。

【産業上の利用可能性】

【0080】

本発明は、匂い物質など、空気中に漂う物質や様々なガスを対象物質として、その対象物質の検出に適用することができる。

【符号の説明】

【0081】

１ 物質検出システム、２ 物質センサ、２ａ ヘッダ部、２ｂ センサ本体、２ｃ 貫通孔、３ ポンプ（気体供給部）、３ａ 吸入口、３ｂ ポンプ本体、３ｃ 吹き出し口、５ａ 物質付着素子、５ｂ 振動子、５ｃ ヘッダ本体部、６ａ 駆動用圧電素子、６ｂ 検出用圧電素子、１０ 第１の空間、２０ 第２の空間、３０ 壁、５０ 制御部、Ｍ 対象物質

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7A】

【図7B】

【図8】

【図9】

【図10】