特許 7543886 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】

(24)【登録日】2024-08-26

(45)【発行日】2024-09-03

(54)【発明の名称】物質検出システム

(51)【国際特許分類】

   G01N 5/02 20060101AFI20240827BHJP

【ＦＩ】

G01N5/02 A

【請求項の数】 13

(21)【出願番号】P 2020203344

(22)【出願日】2020-12-08

(65)【公開番号】P2022090807

(43)【公開日】2022-06-20

【審査請求日】2023-09-11

(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】野田 華代

(56)【参考文献】

【文献】特開２００１－２０１４３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０２０／０６６２９５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１４／０３０５１９１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１２－０１３６２０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ５／００－９／３６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

内部に収容される気体の状態が定常状態となるように前記気体の流入を制限するチャンバと、
前記チャンバに収容された前記気体に含まれる物質を検出する物質センサと、
前記チャンバに前記気体を供給する供給部と、
を備え、
複数の前記物質センサが、前記チャンバの流入口から排出口に向かう前記気体の流動方向に配列されており、
連通孔を有する基板が、前記連通孔が連通するように積層されて、前記チャンバが形成され、
積層された前記基板のうち、複数の前記基板が、前記連通孔としての第１の連通孔の一部を塞ぐ梁を有する第１の基板であり、
前記物質センサは、
前記物質との反応による前記梁の振動周波数の変化に基づいて前記物質を検出し、
積層された前記基板のうち、前記第１の基板を除く複数の前記基板が、前記連通孔としての第２の連通孔が形成された第２の基板であり、
前記第２の基板と前記第１の基板とが、この順に交互に前記流動方向に積層されており、
前記梁には、前記物質と反応する物質反応膜が形成されており、
前記第２の連通孔は、前記物質反応膜に向けて前記気体を流出するようにノズル状に形成されている、
物質検出システム。

【請求項2】

前記流動方向に見たときの前記梁の向きが、前記流動方向に隣接する前記梁同士で異なっている、
請求項１に記載の物質検出システム。

【請求項3】

前記流動方向に見た前記梁の形状が、円柱状の前記第１の連通孔の中心軸に対して回転対称であり、
前記流動方向に隣接する前記梁同士について、前記流動方向に見たときの一方の前記梁の向きが他方の前記梁の向きに対して前記中心軸を中心に回転した向きにある、
請求項２に記載の物質検出システム。

【請求項4】

前記梁は、前記流動方向に見て十字状に形成され、
前記流動方向に隣接する前記梁同士について、一方の前記梁の中心線と他方の前記梁の中心線との前記中心軸で交わる角度が４５度である、
請求項３に記載の物質検出システム。

【請求項5】

前記チャンバが、並列に複数形成されている、
請求項１から４のいずれか一項に記載の物質検出システム。

【請求項6】

複数の前記チャンバそれぞれに流入する前記気体の流れを一様に抑制して送る整流部を備える、
請求項５に記載の物質検出システム。

【請求項7】

前記整流部は、複数の前記チャンバそれぞれに流入する前記気体の流量及び流速の少なくとも一方が均一となるように、前記気体の流れを整流する、
請求項６に記載の物質検出システム。

【請求項8】

複数の前記チャンバは、それぞれ形状及び大きさが同じとなるように形成されている、
請求項５から７のいずれか一項に記載の物質検出システム。

【請求項9】

前記供給部は、ポンプであり、
前記流入口の上流又は前記排出口の下流の少なくとも一方に設けられている、
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】

前記供給部は、ポンプであり、
前記流入口の上流又は前記排出口の下流の両方に設けられている、
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11】

前記チャンバ内に配列された複数の前記物質センサには、同じ物質を検出するものが含まれる、
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】

前記チャンバ内に配列された複数の前記物質センサには、それぞれ異なる物質を検出するものが含まれる、
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13】

前記物質センサは、前記流動方向に向かって大きくなる補正値に基づいて、検出値を補正する、
請求項１から１２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、複数種類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】

【文献】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】

上述のように、気体の匂いは、気体に含まれる複数種類の物質で構成される。そのため、気体の匂いを正確に特定するためには、対応する物質をそれぞれ検出する複数の物質センサが必要となる。この場合、複数の物質センサを配置する領域が必要となり、検出する物質が多くなればなるほど、その領域の面積が増大するという不都合があった。

【0006】

本発明は、上記実情の下になされたものであり、複数の物質センサを配置するために必要な領域の面積を小さく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、本発明に係る物質検出システムは、
内部に収容される気体の状態が定常状態となるように前記気体の流入を制限するチャンバと、
前記チャンバに収容された前記気体に含まれる物質を検出する物質センサと、
前記チャンバに前記気体を供給する供給部と、
を備え、
複数の前記物質センサが、前記チャンバの流入口から排出口に向かう前記気体の流動方向に配列されており、
連通孔を有する基板が、前記連通孔が連通するように積層されて、前記チャンバが形成され、
積層された前記基板のうち、複数の前記基板が、前記連通孔としての第１の連通孔の一部を塞ぐ梁を有する第１の基板であり、
前記物質センサは、
前記物質との反応による前記梁の振動周波数の変化に基づいて前記物質を検出し、
積層された前記基板のうち、前記第１の基板を除く複数の前記基板が、前記連通孔としての第２の連通孔が形成された第２の基板であり、
前記第２の基板と前記第１の基板とが、この順に交互に前記流動方向に積層されており、
前記梁には、前記物質と反応する物質反応膜が形成されており、
前記第２の連通孔は、前記物質反応膜に向けて前記気体を流出するようにノズル状に形成されている。

【0011】

前記流動方向に見たときの前記梁の向きが、前記流動方向に隣接する前記梁同士で異なっている、
こととしてもよい。

【0012】

前記流動方向に見た前記梁の形状が、円柱状の前記第１の連通孔の中心軸に対して回転対称であり、
前記流動方向に隣接する前記梁同士について、前記流動方向に見たときの一方の前記梁の向きが他方の前記梁の向きに対して前記中心軸を中心に回転した向きにある、
こととしてもよい。

【0013】

前記梁は、前記流動方向に見て十字状に形成され、
前記流動方向に隣接する前記梁同士について、一方の前記梁の中心線と他方の前記梁の中心線との前記中心軸で交わる角度が４５度である、
こととしてもよい。

【0014】

前記チャンバが、並列に複数形成されている、
こととしてもよい。

【0015】

複数の前記チャンバそれぞれに流入する前記気体の流れを一様に抑制して送る整流部を備える、
こととしてもよい。

【0016】

前記整流部は、複数の前記チャンバそれぞれに流入する前記気体の流量及び流速の少なくとも一方が均一となるように、前記気体の流れを整流する、
こととしてもよい。

【0017】

複数の前記チャンバは、それぞれ形状及び大きさが同じとなるように形成されている、
こととしてもよい。

【0018】

前記供給部は、ポンプであり、
前記流入口の上流又は前記排出口の下流の少なくとも一方に設けられている、
こととしてもよい。

【0019】

前記供給部は、ポンプであり、
前記流入口の上流又は前記排出口の下流の両方に設けられている、
こととしてもよい。

【0020】

前記チャンバ内に配列された複数の前記物質センサには、同じ物質を検出するものが含まれる、
こととしてもよい。

【0021】

前記チャンバ内に配列された複数の前記物質センサには、それぞれ異なる物質を検出するものが含まれる、
こととしてもよい。

【0022】

前記物質センサは、前記流動方向に向かって大きくなる補正値に基づいて、検出値を補正する、
こととしてもよい。

【発明の効果】

【0023】

本発明によれば、複数の物質センサが、チャンバの流入口から排出口に向かう気体の流動方向に配列されている。このため、複数の物質センサを配置するために必要な領域の面積を小さくすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】本発明の実施の形態１に係る物質検出システムの基本構成を示す模式図である。

【図2】図１の物質検出システムの詳細な構成を示す断面図である。

【図3】図１の物質検出システムを構成する第１の基板の斜視図である。

【図4】図１の物質検出システムを構成する第２の基板の斜視図である。

【図5】整流部の斜視図である。

【図6】（Ａ）は、排出口の側から見た梁の図である。（Ｂ）は、流入口の側から見た梁の図である。

【図7】図１の物質検出システムの他の全体構成その１を示す断面図である。

【図8】図１の物質検出システムの他の全体構成その２を示す断面図である。

【図9】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10】本発明の実施の形態２に係る物質検出システムを構成する梁の配置を示す上面図である。

【図11】（Ａ）は、梁の向きが揃っていたときの気体の流れを示す図である。（Ｂ）は、梁の向きが異なっていたときの気体の流れを示す図である。

【図12】本発明の実施の形態３に係る物質検出システムの基本構成を示す模式図である。

【図13】異なる種類の物質を検出する物質センサの配列を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0025】

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。

【0026】

実施の形態１
まず、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、周囲の気体Ｆに含まれる物質を検出する。検出対象となる物質は、気体Ｆの匂いを構成する物質である。物質検出システム１は、気体Ｆの匂いを構成する複数種類の物質を検出する。物質検出システム１は、チャンバ２と、物質センサ３と、供給部４と、を備える。これらが物質検出システム１の基本構成となる。

【0027】

チャンバ２は、流入口２ａから気体Ｆを流入するとともに排出口２ｂから気体Ｆを排出する。チャンバ２は、内部に収容される気体Ｆの状態が定常状態となるように気体Ｆの流入を制限する気体Ｆの収容室である。ここで、定常状態とは、気体Ｆの流れが常に同じである状態をいう。より具体的には、定常状態とは、気体Ｆの流れの方向、流速及び流量などが一定範囲内にあり、同じ状態であるとみなすことができる状態をいう。チャンバ２内の気体Ｆは、物質の検出時に定常状態であればよい。

【0028】

物質センサ３は、チャンバ２に収容された気体Ｆに含まれる物質を検出する。物質検出システム１は、物質センサ３を複数備えており、各物質センサ３が、それぞれ異なる物質を検出する。複数の物質センサ３は、チャンバ２内において、チャンバ２の流入口２ａから排出口２ｂに向かう気体Ｆの流動方向（以下、単に「流動方向」とする）に配列されている。物質センサ３は、それ自体が、流入口２ａから排出口２ｂまでの気体Ｆの通り道を完全に塞ぐことのない状態でチャンバ２内に設けられている。

【0029】

供給部４は、チャンバ２に気体Ｆを供給する。供給部４は、例えばポンプである。供給部４が稼働すると、チャンバ２内に気体Ｆが流入し、収容される。これにより、複数の物質センサ３が、気体Ｆに含まれる複数の物質を検出し、各物質センサ３が検出した物質の検出結果に相当する信号を出力する。出力された信号に基づいて、気体Ｆに含まれる物質が検出され、検出された物質の組み合わせに基づいて、気体Ｆの匂いが特定される。

【0030】

物質検出システム１の詳細な構成について説明する。図２に示すように、実際には、物質検出システム１は、複数の基板が積層されて構成されている。具体的には、物質検出システム１では、流入口２ａから排出口２ｂに向かう流動方向に、第２の基板６と第１の基板５とが、この順に交互に積層されて構成されている。本実施の形態では、第２の基板６及び第１の基板５の積層数は３である。第１の基板５及び第２の基板６は、同様に積層される基板１１，１２によって保持されている。なお、積層される基板は、流入口２ａから排出口２ｂに向かって、１段目、２段目、３段目と記載する。

【0031】

図３に示すように、第１の基板５には、第１の連通孔５ａが形成されており、図４に示すように、第２の基板６には、第２の連通孔６ａが形成されている。図３では、第１の基板５を排出口２ｂの側から見ており、図４では、１段目の第２の基板６を排出口２ｂの側から見ている。なお、２段目以降の第２の基板６は１段目の第２の基板６と外形が異なる。図２に示すように、第１の基板５と、第２の基板６とは、第１の連通孔５ａと第２の連通孔６ａが連通するように積層されている。第１の連通孔５ａと第２の連通孔６ａとでチャンバ２が形成される。第１の基板５と第２の基板６との間には、チャンバ２から気体Ｆが漏れないようにシール部材（不図示）が挿入されている。

【0032】

複数の第１の基板５には、第１の連通孔５ａの一部を塞ぐ梁７が形成されている。物質センサ３は、第１の基板５に形成されており、梁７をその構成要素の１つとしている。物質センサ３は、物質との反応による梁７の振動周波数、例えば共振周波数の変化に基づいて物質を検出する。

【0033】

このように、チャンバ２内では、流入口２ａから排出口２ｂに向かって第２の連通孔６ａと、梁７が形成された第１の連通孔５ａとが交互に３層ずつ積層された構成となっている。したがって、複数の物質センサ３は、各チャンバ２の流入口２ａから排出口２ｂに向かう流動方向に３列に配列された構成となっている。なお、図２では、チャンバ２の排出口２ｂの位置は、３段目の物質センサ３に対応する梁７が形成された位置となっている。

【0034】

第１の基板５には、第１の連通孔５ａが複数設けられており、第２の基板６には、第２の連通孔６ａが、第１の連通孔５ａの位置に合わせて複数設けられている。したがって、第１の基板５と第２の基板６とを積層することにより、第１の連通孔５ａと第２の連通孔６ａとが連通して、複数のチャンバ２が形成される。物質検出システム１では、複数のチャンバ２が並列に設けられている。本実施の形態では、チャンバ２の数は１０となっている。１０個のチャンバ２は、内部空間の形状及び大きさが同じとなるように形成されている。

【0035】

物質検出システム１は、複数のチャンバ２それぞれに流入する気体Ｆの流れを一様に抑制して送る整流部８を備える。図５に示すように、整流部８は、各チャンバ２の流入口２ａが設けられた１段目の第２の基板６に設けられている。なお、図５は、１段目の第２の基板６を流入口２ａの側、すなわち気体Ｆが流入する側から見ている。

【0036】

整流部８は、複数のチャンバ２それぞれに流入する気体Ｆの流量及び流速の少なくとも一方が均一となるように、気体Ｆの流れを整流する。整流部８には、気体Ｆの流路となる溝部８ａが設けられている。この溝部８ａが形成された面と、基板１０（図２参照）とを貼り合わせることによって、整流部８の流路が形成される。

【0037】

図５に示すように、整流部８は、流入口２ａ、すなわち第２の連通孔６ａに連通している。整流部８には、基板１０の取入口１０ａ（図２参照）を介して、図５の矢印で示す位置に、気体Ｆが流入する。整流部８において、流入した気体Ｆは、枝分かれした流路を介して、各第２の連通孔６ａに送られる。整流部８の流路の形状は、複数の流入口２ａ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設計されている。

【0038】

図６（Ａ）及び図６（Ｂ）に示すように、第１の基板５において、第１の連通孔５ａは、円柱状に形成されており、その中心軸をＯとする。また、第１の連通孔５ａに形成された梁７は、駆動梁７ａと検出梁７ｂとで構成されている。図６（Ａ）は、排出口２ｂの側、すなわち気体Ｆの下流側から梁７を見ており、この面を表面とする。また、図６（Ｂ）は、流入口２ａの側、すなわち気体Ｆの上流側から梁７を見ており、この面を裏面とする。

【0039】

図６（Ａ）に示すように、駆動梁７ａ及び検出梁７ｂの形状は、幅が均一で細長板状であり、駆動梁７ａの幅は、検出梁７ｂの幅よりも広くなっている。駆動梁７ａと検出梁７ｂとは、第１の連通孔５ａの縁の両端に固定されており、その中央で互いに直交している。流入口２ａの側から流動方向に見た梁７の形状は、円柱状の第１の連通孔５ａの中心軸Ｏに対して回転対称、具体的には２回回転対称となっている。

【0040】

梁７には、下部電極層と、圧電素子層とが表面全体に形成されており、その上に駆動電極１５と、検出電極１６とが形成されている。駆動電極１５は、駆動梁７ａの両端に形成されており、検出電極１６は、検出梁７ｂの両端に形成されている。駆動梁７ａ及び検出梁７ｂの幅に合わせて、駆動電極１５の幅も、検出電極１６の幅より広くなっているが、これらの幅は同じであってもよい。

【0041】

駆動電極１５と下部電極層との間に正弦波の電圧信号を印加すると、圧電素子層が伸縮して、駆動梁７ａが上下に振動し、その振動に伴って検出梁７ｂが振動する。検出梁７ｂが振動すると、検出電極１６と下部電極層との圧電素子層にその振動に応じた電圧が発生する。この電圧による信号が、梁７の振動周波数を示す信号として検出される。

【0042】

図６（Ｂ）に示すように、梁７の裏面全体には、物質と反応する物質反応膜９が形成されている。物質反応膜９に物質が付着すると、物質反応膜９の重量が変化する。これにより、梁７の振動周波数が変化する。この振動周波数の一例が共振周波数である。物質センサ３は、検出電極１６と下部電極層との間の電圧信号に基づいて、この梁７の振動周波数の変化を検出する。なお、物質反応膜９は、梁７の裏面全体に形成（塗布）されていなくてもよい。物質反応膜９は、裏面の一部に形成されているだけでもよい。また、物質反応膜９は、梁７の表面に形成されていてもよい。物質反応膜９は、梁７のいずれかに形成されていればよい。

【0043】

物質反応膜９に付着する物質の量が増えれば増えるほど、梁７の振動周波数の変化も大きくなる。物質センサ３は、梁７の振動周波数の変化の大きさに基づいて、物質の量を検出する。

【0044】

図２に示すように、第２の基板６の第２の連通孔６ａは、物質反応膜９に向けて気体Ｆを流出するようにノズル状に形成されている。これにより、物質反応膜９に当たる気体Ｆの量を多くして、物質の検出感度を高めることが可能となる。

【0045】

また、図１では、供給部４は、排出口２ｂの側に設けられるものとした。しかしながら、これには限られない。図７に示すように、供給部４は、チャンバ２の流入口２ａの上流及び排出口２ｂの下流の両方に設けられているようにしてもよいし、図８に示すように、供給部４は、チャンバ２の流入口２ａの上流に設けられるようにしてもよい。

【0046】

なお、図７、図８に示すように、物質検出システム１は、気体取込部２０、環境センサ２１、気体排出部２２及び外部筐体２３をさらに備える。

【0047】

気体取込部２０には、供給部４が組み込まれている。供給部４は、外部から気体Ｆを基板１０の取入口１０ａ（図２参照）に連通する内部空間に引き込む。内部空間には、緩和基板２５が設けられている。緩和基板２５は、供給部４から引き込まれた気体Ｆの流れを緩和し、流量及び流速を安定化させる。

【0048】

気体取込部２０の内部空間に送られる気体Ｆは、基板１０の取入口１０ａ、整流部８（図５参照）を介して各チャンバ２に送られる。各チャンバ２の流入口２ａからチャンバ２内に入った気体Ｆは、３段の物質センサ３（梁７）を経て、各チャンバ２の排出口２ｂから排出される。

【0049】

気体排出部２２にも供給部４を組み込むことができる。供給部４は、各チャンバ２の排出口２ｂから排出された気体Ｆを外部に排出する。排出口２ｂの直上には、環境センサ２１が設けられている。引き込まれた気体Ｆの環境情報、例えば温度、湿度が環境センサ２１によって検出される。環境センサ２１によって検出された環境情報は、物質センサ３で検出された物質の量の補正などに用いられる。

【0050】

外部筐体２３は、気体取込部２０、基板１０、１１、１２、第１の基板５、第２の基板６及び気体排出部２２を収容し、これらを保持する。

【0051】

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。

【0052】

図９に示すように、まず、時刻ｔ１において、供給部４は、気体Ｆの引き込みを開始する。この時刻ｔ１から、気体Ｆが、整流部８を介して各チャンバ２に流入する。時刻ｔ１から駆動時間Ｔ経過後の時刻ｔ２において、供給部４は、気体Ｆの吹き込みを終了する。この時点で、各チャンバ２内の気体Ｆは、定常状態となる。

【0053】

吹き込み終了後、時刻ｔ３において、各物質センサ３は、検出電極１６と下部電極層との間の電圧信号、すなわち梁７の振動周波数の変化を示す信号に基づいて、気体Ｆに含まれる物質を検出する。複数の物質センサ３での検出結果を総合すれば、気体Ｆに含まれる物質の量の検出パターンを得ることができる。この検出パターンは、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。物質の量は、必要に応じて、環境センサ２１で検出された環境情報に基づいて補正される。

【0054】

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、上記実施の形態に係る物質検出システム１の構成と梁７の向き以外は同じである。

【0055】

本実施の形態では、流入口２ａの側から流動方向に見たときの梁７の向きが、流動方向に隣接する梁７同士で異なっている。図１０では、流入口２ａの側から見える梁７が実線で示され、実線で示された梁７の下段に隣接する梁７が破線で示されている。図１０に示すように、流入口２ａの側から見たときに、流入口２ａから排出口２ｂに向かう流動方向に隣接する梁７同士の重なる部分が少なくなるように、流入口２ａの側から流動方向に見たときの一方の梁７の向きが他方の梁７の向きに対して第１の連通孔５ａの中心軸Ｏを中心に回転した向きにある。

【0056】

より具体的には、梁７は、流入口２ａの側から流動方向に見て十字状に形成されている。また、流入口２ａの側から流動方向に見たときに、流動方向に隣接する梁７同士について、図１０に示すように、一方の梁７の中心線ＣＬ１と他方の梁７の中心線ＣＬ２との中心軸Ｏで交わる角度が４５度である。

【0057】

図１１（Ａ）に示すように、流入口２ａから排出口２ｂに向かって流動方向に隣接する梁７の向きが同じである場合、上流側の第１の連通孔５ａを通過した気体Ｆの大部分は、そのまま下流側の第１の連通孔５ａを通過する。したがって、下流側の第１の連通孔５ａに設けられた物質反応膜９に当たる気体の量は少なくなる。

【0058】

一方、図１１（Ｂ）に示すように、気体Ｆの上流側の第１の連通孔５ａを通過した気体Ｆの大部分は、下流側の第１の連通孔５ａに設けられた梁７上の物質反応膜９に当たるようになる。これにより、物質反応膜９に吸着する物質の量を多くして、下段の梁７の物質反応膜９の検出感度を高めることができる。

【0059】

なお、梁７が３段以上配列されている場合であっても、流動方向に隣接する梁７同士で向きを変えるようにすればよい。この場合、梁７の向きは１つ置きに同じであってもよい。

【0060】

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。本実施の形態に係る物質検出システム１の構成は、上記実施の形態１、２に係る物質検出システム１の構成と同じとすることができる。

【0061】

上記実施の形態１では、各チャンバ２内に配列された複数の物質センサ３で検出される物質がすべて異なっていた。しかしながら、本実施の形態では、各チャンバ２内に配列された複数の物質センサ３で検出される物質は、同じである。

【0062】

ここで、図１２に示すように、物質検出システム１が、チャンバ２として、２つのチャンバ２Ａ，２Ｂを有しているものとする。さらに、チャンバ２Ａには、物質センサ３としての３段の物質センサ３Ａ１，３Ａ２，３Ａ３が配列されている。チャンバ２Ａ内において物質センサ３Ａ１，３Ａ２，３Ａ３は、流入口２ａから排出口２ｂに向かう流動方向に、この順に配列されている。また、チャンバ２Ｂには、物質センサ３としての３段の物質センサ３Ｂ１，３Ｂ２，３Ｂ３が配列されている。チャンバ２Ｂ内において、物質センサ３Ｂ１，３Ｂ２，３Ｂ３は、流入口２ａから排出口２ｂに向かう流動方向に、この順に配列されている。

【0063】

物質センサ３Ａ１，３Ａ２，３Ａ３は、同じ物質Ａを検出する。物質センサ３Ｂ１，３Ｂ２，３Ｂ３は、同じ物質Ｂを検出する。このように、同じチャンバ２Ａ，２Ｂ内で同じ物質Ａ，Ｂを検出する物質センサ３Ａ１～３Ａ３、物質センサ３Ｂ１～３Ｂ３を配列するようにすれば、物質Ａ，Ｂの検出もれを防止し、検出精度を向上することができる。

【0064】

気体Ｆの流れを考慮すれば、物質Ａの検出量は、物質センサ３Ａ１，３Ａ２，３Ａ３の順に少なくなる。そこで、物質センサ３Ａ２，３Ａ３で検出された物質Ａの検出量を補正するようにしてもよい。また、気体Ｆの流れを考慮すれば、物質Ｂの検出量は、物質センサ３Ｂ１，３Ｂ２，３Ｂ３の順に少なくなる。そこで、物質センサ３Ｂ２，３Ｂ３で検出された物質Ｂの検出量を補正するようにしてもよい。このように、物質検出システム１では、物質センサ３Ａ１～３Ａ３は、流入口２ａから排出口２ｂに向かうにつれて、すなわち流動方向に向かって大きくなる補正値に基づいて、検出値を補正することができる。物質センサ３Ｂ１～３Ｂ３も同様である。

【0065】

例えば、１段目の物質センサ３Ａ１の感度が８０％であり、２段目の物質センサ３Ａ２の感度が７０％であり、３段目の物質センサ３Ａ３の感度が６０％であるとする。この場合、物質センサ３Ａ２，３Ａ３は、それぞれ補正値を１．１４，１．３３とすることができる。例えば、物質センサ３Ａ２の検出値に補正値１．１４を掛けた値を、物質センサ３Ａ２の最終的な検出値とし、物質センサ３Ａ３の検出値に補正値１．３３を掛けた値を、物質センサ３Ａ３の最終的な検出値とすることができる。

【0066】

もっとも、チャンバ２内に配列された複数の物質センサ３には、同じ物質を検出するものと、異なる物質を検出するものとが混在していてもよい。すなわち、チャンバ２内に配列された複数の物質センサ３には、同じ物質を検出するものが含まれるものとしてもよいし、チャンバ２内に配列された複数の物質センサ３には、それぞれ異なる物質を検出するものが含まれるものとしてもよい。

【0067】

例えば、図１３に示すように、チャンバ２内に配列された複数の物質センサ３（３Ｃ，３Ｄ，３Ｅ）が、それぞれ異なる物質Ｃ，Ｄ，Ｅを検出する場合、物質Ｃを検出する１段目の物質センサ３Ｃの感度が８０％であり、物質Ｄを検出する２段目の物質センサ３Ｄの感度が７０％であり、物質Ｅを検出する３段目の物質センサ３Ｅの感度が６０％であるとする。この場合、２段目の物質センサ３Ｄ及び３段目の物質センサ３Ｅは、それぞれ補正値を１．１４、１．３３とすることができる。例えば、２段目の物質センサ３Ｄの検出値に補正値１．１４を掛けた値を、その物質センサ３Ｄの最終的な検出値とし、物質センサ３Ｅの検出値に補正値１．３３を掛けた値を、その物質センサ３Ｅの最終的な検出値とすることができる。例えば、１段目の物質センサ３Ｃの検出値が４０の場合には、検出値はそのまま４０となり、２段目の物質センサ３Ｄの検出値が５０の場合には、その検出値は５７に補正され、３段目の物質センサ３Ｅの検出値が１０の場合には、その検出値は、１３．３に補正される。このように、物質検出システム１では、物質センサ３（３Ｃ，３Ｄ，３Ｅ）は、流動方向に向かって大きくなる補正値に基づいて、検出値を補正することができる。

【0068】

なお、同じ物質を検出する物質センサ３は、同じチャンバ２内になくてもよい。複数の物質センサ３の検出結果が、どの物質の検出結果であるかがわかっていれば、物質センサ３の配置は自由に設定することが可能である。

【0069】

以上詳細に説明したように、上記実施の形態によれば、それぞれ検出する物質が異なる複数の物質センサ３が、チャンバ２の流入口２ａから排出口２ｂに向かう流動方向に配列されている。このため、物質センサ３を配置するために必要な領域の面積を小さくすることができる。

【0070】

なお、上記実施の形態によれば、流入口２ａから排出口２ｂまでの流動方向に沿った物質センサ３の配列数を３つとした。しかしながら、本発明はこれには限られない。物質センサ３の配列数は２つであってもよいし、４つ以上であってもよい。

【0071】

また、上記実施の形態では、複数の第１の基板５が、第１の連通孔５ａの一部を塞ぐ梁７が形成されており、物質センサ３は、物質との反応による梁７の振動周波数の変化に基づいて物質を検出するものとした。このようにすれば、流入口２ａから排出口２ｂに向かって流動方向に気体Ｆを送るとともに、その途中で、複数の物質センサ３を配列し、気体Ｆに含まれる異なる物質を検出する仕組みを構築することができる。また、このような構成を採用することにより、物質検出システム１を小型かつ薄型なものとすることができる。

【0072】

また、上記実施の形態では、積層された基板のうち、第１の基板５を除く複数の第２の基板６が、第２の連通孔６ａが形成された基板であり、流入口２ａの側から見て流動方向に、第２の基板６と第１の基板５とが、この順に交互に積層されている。このようにすれば、第１の連通孔５ａに形成された梁７周辺の気体Ｆへの当たり方を均一化することができる。このように、第１の基板５の前段に第２の基板６が積層されてチャンバ２が積層されている。しかしながら、各梁７への気体Ｆの当たり方が十分に均一化できる場合には、第２の基板６はなくてもよい。

【0073】

また、上記実施の形態では、梁７には、物質と反応する物質反応膜９が形成されており、第２の連通孔６ａは、物質反応膜９に向けて気体Ｆを流出するようにノズル状に形成されている。このようにすれば、物質反応膜９と物質とが反応しやすくなるため、物質の検出感度を向上することができる。

【0074】

また、上記実施の形態２に係る物質検出システム１では、流入口２ａの側から流動方向に見たときの梁７の向きが、流動方向に隣接する梁７同士で異なっている。このようにすれば、下流の物質センサ３付近にも気体Ｆが当たって物質反応膜９に物質が付着しやすくなるので、物質の検出感度を高めることができる。

【0075】

また、上記実施の形態によれば、流入口２ａの側から流動方向に見た梁７の形状が、円柱状の第１の連通孔５ａの中心軸Ｏに対して回転対称であり、流入口２ａの側から流動方向に見たときに、流動方向に隣接する梁７同士について、流入口２ａの側から流動方向に見たときの一方の梁７の向きが他方の梁７の向きに対して第１の連通孔５ａの中心軸Ｏを中心に回転した向きにある。このようにすれば、下流の物質センサ３付近にも気体Ｆがとどまりやすくなり、その物質反応膜９に物質が付着し易くなるので、物質の検出感度を高めることができる。

【0076】

また、上記実施の形態によれば、梁７は、流入口２ａの側から流動方向に見て十字状に形成されている。また、流入口２ａの側から流動方向に見たときに、梁７同士で、一方の梁７の中心線ＣＬ１と他方の梁７の中心線ＣＬ２との中心軸で交わる角度が４５度である（図１０参照）。このようにすれば、物質センサ３付近に一旦とどまる気体Ｆの量を最大とすることができる。なお、必ずしも回転角度が４５度である必要はない。

【0077】

また、上記実施の形態では、チャンバ２が、並列に複数形成されている。このように、チャンバ２の数を増やすようにすれば、検出可能な物質の種類を増やすことができる。また、このようにすれば、物質センサ３を並列かつ直列に配置することができる。例えば、上記実施の形態では、チャンバ２の数を１０とし、物質センサ３の配列数を３として、物質センサ３の総数を３０個とした。この場合、チャンバ２の数を６とし、物質センサ３の配列数を５としてもよいし、チャンバ２の数を１５とし、物質センサ３の配列数を２としてもよい。このように、チャンバ２の数と、各チャンバ２の物質センサ３の配列数を調整すれば、物質検出システム１の縦、横、高さのサイズを使用用途に応じた適切なものとすることができる。

【0078】

また、上記実施の形態では、複数のチャンバ２それぞれに流入する気体Ｆの流れを一様に抑制して送る整流部８を備える。このようにすれば、各チャンバ２に送られる気体Ｆの流れを定常的なものとすることができるので、各物質センサ３での検出感度のばらつきを抑制することが可能となる。

【0079】

また、上記実施の形態では、整流部８は、複数のチャンバ２それぞれに流入する気体Ｆの流量及び流速の少なくとも一方が均一となるように、気体Ｆの流れを整流する。このようにすれば、各物質センサ３への気体Ｆの当たり具合を均一化することができる。

【0080】

また、複数のチャンバ２は、それぞれ形状及び大きさが同じとなるように形成されている。このようにすれば、各物質センサ３での検出感度のばらつきを抑制することができる。

【0081】

また、上記実施の形態によれば、供給部４は、ポンプであり、流入口２ａの上流又は排出口２ｂの下流の少なくとも一方に設けられている。供給部４の配置は、物質検出システム１に求められる厚み、又は、複数の物質センサ３での検出のばらつき具合によって決定するようにしてもよい。また、供給部４は、チャンバ２毎に設けられるようにしてもよい。

【0082】

また、上記実施の形態では、梁７を、駆動梁７ａと検出梁７ｂとが直交する十字状とした。しかしながら、これには限られない。駆動梁７ａと検出梁７ｂとは交差していればよい。また、駆動梁７ａと検出梁７ｂとは、幅が同じであってもよいし、駆動梁７ａの幅が、検出梁７ｂの幅より狭くてもよい。

【0083】

また、駆動電極１５は、駆動梁７ａの一端に設ければよいし、検出電極１６は、検出梁７ｂの一端に設ければよい。駆動電極１５及び検出電極１６の幅は同じであってもよい。

【0084】

また、梁７は、十字状でなくてもよい。梁７は、第１の連通孔５ａの縁に両端に固定された１本の細長い梁であってもよい。この場合には、駆動電極１５と、検出電極１６とは、梁の両端又は一端に並列に設けるようにすればよい。

【0085】

上記実施の形態では、第１の連通孔５ａの形状を円柱状とした。しかしながら、本発明はこれには限られない。第１の連通孔５ａの形状は、断面が矩形状の多角形状であってもよいし、断面を他の形状としてもよい。

【0086】

また、第２の連通孔６ａの形状をノズル状とした。しかしながら、本発明はこれには限られない。第２の連通孔６ａの形状は、円柱状であってもよいし、断面が矩形状の多角形状であってもよいし、断面を他の形状としてもよい。

【0087】

上記実施の形態では、気体Ｆの匂いを構成する複数種類の物質を検出した。しかしながら、本発明はこれには限られない。気体Ｆに含まれる物質であれば、匂いを構成しない物質の検出にも適用することができる。

【0088】

上述のように、上記実施の形態に係る物質検出システム１は、物質センサ３の実装面積を小さくして、全体を小型化、薄型化することができるため、小さな電子機器に収納することが可能である。例えば、スマートフォン等の情報機器にも物質検出システム１を組み込むことができる。

【0089】

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】

【0090】

本発明は、気体に含まれる物質を検出するのに適用することができる。

【符号の説明】

【0091】

１ 物質検出システム、２，２Ａ，２Ｂ チャンバ、２ａ 流入口、２ｂ 排出口、３，３Ａ１，３Ａ２，３Ａ３，３Ｂ１，３Ｂ２，３Ｂ３，３Ｃ，３Ｄ，３Ｅ 物質センサ、４ 供給部、５ 第１の基板、５ａ 第１の連通孔、６ 第２の基板、６ａ 第２の連通孔、７ 梁、７ａ 駆動梁、７ｂ 検出梁、８ 整流部、８ａ 溝部、９ 物質反応膜、１０ 基板、１０ａ 取入口、１１，１２ 基板、１５ 駆動電極、１６ 検出電極、２０ 気体取込部、２１ 環境センサ、２２ 気体排出部、２３ 外部筐体、２５ 緩和基板、Ｆ 気体

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】