JP2006300743A - 複数のセンサを利用した化学物質検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数のガス成分の種類と濃度を検出するためには、異なる吸着特性のセンサセルに同じ流量でガスを供給しなければならないが、シリアル式にセンサセルを配置すると、センサ応答に時間差が生じてしまう。また、下流側のセンサセルのセンサ応答が上流側のセンサセルの吸着・放出特性に影響されてしまう。
【解決手段】表面にガス吸着膜を設けた圧電発振子が配置された構成の複数のセンサセル３にガス（Ｇ）を供給するポンプは、駆動力が付与されると回転する回転部材（回転体）１３と、回転部材１３に連動して可動する複数の可動部材（加圧ローラ）１６と、複数の測定対象ガス供給チューブ５にそれぞれ設けられた複数のポンプ室５とで構成され、可動部材１１の可動により複数のポンプ室の容積が同期して増減するので、パラレル式に配置された各センサセル３に測定対象ガス（Ｇ）が同じ流量で同期して供給されることになる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、空気中に存在するガス状化学物質を検出する検出装置に係り、特に、圧電振動子の共振周波数の変化を利用して検出する検出装置に関するものである。

水晶振動子と言った圧電振動子は質量が変化すると質量変化に比例して共振周波数が変化する圧電特性を有しており、従来からこの圧電特性を利用して空気中に存在するガス状化学物質を検出する検出装置はあり、作業環境等の測定に広く用いられている。
検出装置のセンサ素子として代表的な水晶振動子は、図６に示すように、水晶板３１を２枚の電極板３３で挟み、２枚の電極板３３上にそれぞれ感応膜３５（ガス分子吸着膜）を貼り付けた構造になっており、電極板３３にはリード３７がそれぞれ接続されている。水晶振動子はホルダー３９により保持された状態でセル内に配置されてセンサセル４１を構成している。ガス分子を吸着すると水晶振動子の質量が増大して共振振動数の減少を引き起こす。振動数変化と付着物質の質量との関係は、以下のSauerbrey 式と呼ばれる式（数１）で表される。すなわち、電極上での質量変化は振動数変化と比例関係にある。

水晶発振子の検出限界は数 ng cm-2 であり、原子の単分子層吸着をも測定できるほど高感度であることからＱＣＭ（Quartz-crystal microbalance）と呼ばれており、微妙な臭いの検出によく利用されている。

においの原因物質は大部分の場合は複数の成分によって構成されていることから、通常は吸着特性の異なるガス吸着膜を表面に設けた圧電発振子が配置されたセンサセルを複数配置し、これらのセンサ出力結果を基に、構成成分の種類と濃度を算出している。
センサセルを複数配置する場合には各センサセルに測定対象ガス（Ｇ）を同じ流量供給する必要があるため、図７（１）に示すように、センサセル４１をシリアル式に複数配置し、センサセル４１どうしを直列に接続している。
そして、センサ列の最後に定量ポンプ４５を設けることで、各センサセル４１に測定対象ガス（Ｇ）を同じ流量供給している。センサ素子として圧電振動子を用いる場合には、センサの過渡応答（時定数）は、測定対象ガス（Ｇ）の種類だけでなく流量に依存するからである。ここで、定量ポンプ４５とは、一対の吸入孔と送出孔を有し、送出量を一定に制御できるものを想定している。

特開２００４−２３３０６９号公報

しかしながら、上記のシリアル式では各センサセル４１に供給するガスの流量は同じになるが、上流側のセンサセル４１から下流側のセンサセル４１に順番にガスが供給されることになるため、センサ応答に時間差が生じてしまう。
また、上流側のセンサセル４１を通過したガスが隣の下流側のセンサセル４１に供給されることになるため、下流側のセンサセル４１のセンサ応答が上流側のセンサセル４１の吸着・放出特性に影響されてしまう。

一方、図７（２）に示すように、各センサセル４１をパラレル式に配置し、複数のセンサセルにそれぞれ定量ポンプを接続するとなると、複数の定量ポンプが必要になる。定量ポンプは、ガス流量を測定するマスフローメーターからの測定信号に基づいてポンプが作動される構成になっており、通常のポンプに比べて複雑な構成になっていることから、複数の定量ポンプを備えるとなると、検出装置自体のコストが大幅に上昇してしまう。また、センサセル自体の設計の難しい。

それ故、本発明は、複数のセンサセルをパラレル式に配置しても、上記したようなコストやセンサセルの設計上の問題が生じない化学物質検出装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１の発明は、表面にガス吸着膜を設けた圧電発振子が配置された構成の複数のセンサセルと、前記複数のセンサセルにそれぞれパラレル式に接続されて測定対象ガスを供給する複数の測定対象ガス供給チューブと、複数のセンサセルにそれぞれ接続されて測定対象ガスが供給されたときにガスを構成する化学物質の検出情報をなすセンサ出力を計測する複数の解析部と、前記測定対象ガス供給チューブに接続され、測定対象ガスを前記センサセルに向けて送給するポンプとを備え、前記ポンプは駆動力が付与されると変位または回転する変位・回転部材と、前記変位・回転部材に連動して可動する複数の可動部材と、前記複数の可動部材に対応して前記複数の測定対象ガス供給チューブにそれぞれ設けられた複数のポンプ室とで構成され、前記可動部材の可動により前記複数のポンプ室の容積が同期して増減して、各測定対象ガス供給チューブに測定対象ガスを同じ流量で供給することを特徴とする複数のセンサを利用した化学物質検出装置である。

請求項２の発明は、請求項１に記載した化学物質検出装置において、ポンプは測定対象ガス供給チューブの一部を構成する軟質チューブと、前記軟質チューブを保持する円弧状のガイド部材と、前記ガイド部材とで前記測定対象ガス供給チューブを挟むように配置された回転体と、この回転体に間隔をあけて複数個配置され、前記測定対象ガス供給チューブを前記ガイド部材に押し付けるための加圧部材とを有し、前記回転体が駆動回転すると前記加圧部材により前記測定対象ガス供給チューブを順次圧迫して測定対象ガスを送出するように構成された複数チャンネル対応チューブポンプよりなることを特徴とする化学物質検出装置である。

請求項３の発明は、請求項２に記載した化学物質検出装置において、ガイド部材はロータに対して着脱自在なカセットを構成されており、前記カセットは１本または２本以上の弾性チューブを保持していることを特徴とする化学物質検出装置である。

請求項４の発明は、請求項１から３のいずれかに記載した化学物質検出装置において、圧電発振子が水晶発振子であることを特徴とする化学物質検出装置である。

請求項５の発明は、請求項１から４のいずれかに記載した化学物質検出装置において、においを構成する化学物質を検出するのに用いることを特徴とする化学物質検出装置である。

本発明の化学物質検出装置によれば、従来からあるポンプを利用して、パラレル式に配置した複数のセンサに対して同じ流量で測定対象ガスを供給できるため、上記したコストや設計上の問題を解消できる。

本発明の第１の実施の形態に係る化学物質検出装置１の機械・電気構成を図１に示す。
複数のセンサセル３がパラレル式に配置されており、複数のセンサセル３にはそれぞれ測定対象ガス（Ｇ）が流れる測定対象ガス供給チューブ５が接続されている。ガス供給チューブ５は軟質材で構成されている。
複数のセンサセル３には表面にガス吸着膜を設けた圧電発振子、例えば水晶発振子がそれぞれ１個ずつ配置されている。また、複数のセンサセル３は解析部７に接続されており、それぞれの発振子からのセンサ出力（電気信号）は解析部７に与えられる。解析部７では周波数カウンタで振動子の周波数を計測し、さらに通常パーソナルコンピュータ（ＰＣ）で構成される演算処理部での演算処理により測定対象ガス（Ｇ）の種類と濃度が推定されている。

図２に示すように、符号１０は１個のカセット収容チューブを示す。このカセット収容チューブ１０の収容カセットケース１１には円弧状の内周面１２が形成されて収容空間が画定されている。収容カセットケース１１の収容空間にはガス供給チューブ５が挿通され、この内周面１２に沿ってガス供給チューブ５の挿通している中間部分が配置されて保持されている。即ちガイド部材としての機能を担っている。
符号１３は回転体を示し、この回転体１３は外周縁が収容カセットケース１１の内周面１２の近傍に位置するように軸受１４を介して回転軸１５に軸支されている。回転軸１５は図示しないモーターのシャフトに連結されている。回転体１３には、複数（ここでは３個）の加圧ローラ１６（加圧部材）が周方向に等間隔をあけて回転自在に軸支されている。

回転体１３の中心は収容カセットケース１１の内周面１２の曲率中心と一致し、さらに加圧ローラ１６の外周面が収容カセットケース１１の内周面１２に対向している。また、各加圧ローラ１６の外周面はガス供給チューブ５を押圧するのに十分な軸方向長さと直径を有している。
カセット収容チューブ１０は回転軸１５に対して着脱自在になっている。従って、図３に示すように、所望のチェンネル数にあわせて複数のカセット収容チューブ１０を回転軸１５に軸支されることで、チャンネル数を簡単に変えることができる。
また、ガス供給チューブ５は消耗品であるが、カセット収容チューブ１０毎交換することで簡単にガス供給チューブ５の交換を行うことができる。

図示しないモーターを作動させて回転体１３を所定の周速度で回転させると、回転体１３の加圧ローラ１６が収容カセットケース１１の内周面１２との間でガス供給チューブ５を押圧変形しながら公転移動し、これにより、ガス供給チューブ５内を流れる測定対象ガス（Ｇ）がローラ移動方向に圧送されて、周速度に対応した所定流量の測定対象ガス（Ｇ）がガス供給チューブ５を流れる。複数のカセット収容チューブ１０が装着されている場合には、その中に配置されている複数のガス供給チューブ５は全て同期して押圧変形される、即ち、ポンプ室の容積は同期して増減する。従って、それらの収容カセットケース１１に挿通されている複数のガス供給チューブ５に同じ所定流量の測定対象ガス（Ｇ）が流れることになる。

従って、結果として、１つのチューブポンプ９を作動するだけでパラレル式に配置した複数のセンサセル３に同じ流量で、即ち定量性を確保しつつ測定対象ガス（Ｇ）を供給させることができる。
上記のチューブポンプ９では、回転体１３が変位・回転部材としての回転部材に、複数の加圧ローラ１６が複数の可動部材に、測定対象ガスチューブ５がポンプ室にそれぞれ対応している。
上記のチューブポンプ９を含むチューブポンプはいずれもその構造上、いつ停止してもガスが逆流することがないため、測定対象ガス（Ｇ）をセンサセル３に連続して流しながら、センサ出力を検出することも、一定量の測定対象ガス（Ｇ）をセンサセル３に供給した時点で停止して静止状態でセンサ出力を検出することもできる。従って、チューブポンプはガス状化学物質の検出装置に使用するには最も好ましいポンプである。

本発明の第２の実施の形態に係る化学物質検出装置用に使用できる各種ポンプの構成を図４、図５に示す。
図４（１）はベローズ機構のものを、図４（２）はダイヤフラム機構のものを、図４（３）はプランジャ機構のものをそれぞれ模式的に示している。
図４（１）のベローズ機構では、上面中心部に設けられたベローズ１７が可動部材になっており、ベローズ１７の上下方向の直線往復運動によりポンプ室１９の容積が増減する。
図４（２）のダイヤフラム機構では、上面中心部に設けられた凸部２１が可動部材になっており、凸部２１の上下方向の直線往復運動によりポンプ室１９の容積が増減する。
図４（３）のプランジャ機構では、上面中心部に設けられたプランジャ２３が可動部材になっており、プランジャ２３の上下方向の直線往復運動によりポンプ室１９の容積が増減する。
いずれも、ポンプ室１９がベローズ１７等の可動部材の直線往復運動により、容積を増減させる構造になっている。また、いずれも、吸入弁２５と送出弁２７が交互に開閉して、ガスの吸入と排気を交互に行う構成になっている。

図５で、符号２９は変位・回転部材としての一例の変位部材を示す。この変位部材２９は、モーターのシャフトに連結された回転軸の回転運動を直線往復運動に変換する変換機構（図示しない）に接続されており、矢印で示すように上下方向に直線往復運動をする。
変位部材２９の下には、図４（１）〜（３）に示す複数のポンプ室がパラレル式に配置される。ここでは、一例として、図４（１）に示すベローズ機構のポンプ室１９が配置されている。

変位部材２９が上下方向に変位すると、可動部材としての複数のベローズ１７が同期して直線往復運動をするので、複数のポンプ室１９の容積は同期して増減する。
従って、複数のガス供給チューブの吸入チューブを吸入弁２５に接続し、送出チューブを送出弁２７に接続すれば、チューブポンプ９と同様に複数のガス供給チューブに同じ所定流量の測定対象ガス（Ｇ）が流れることになる。
結果として、１つの変位部材２９を変位運動させるだけでパラレル式に配置した複数のセンサセル３に同じ流量で、即ち定量性を確保しつつ測定対象ガス（Ｇ）を供給させることができる。
上記した第２の実施の形態のようにポンプ室を構成すると、化学物質検出装置の小型化が可能である。

以上、本発明の実施の形態について詳述してきたが、具体的構成は、この実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計の変更などがあっても発明に含まれる。
例えば、チューブポンプは第１の実施の形態に記載したものに限定されず、種々の構造のものを使用できる。
また、第２の実施の形態では、同じ機構のポンプ室１９を複数パラレル式に配置しているが、異なる機構のものを配置してもよい。
さらに、第２の実施の形態では、単一の変位部材２９を設けていたが、ベローズ１７等を上下方向に直線運動させるものならばいずれの構造のものでもよい。例えば、ベローズ１７等を電磁石や圧電素子などで駆動させることも考えられる。また、電磁石を使用する場合には一つの電磁石でまとめてベローズ１７等を駆動させれば、ベローズ１７等の動きを同期させ易い。

本発明の化学物質検出装置は、従来からあるポンプを使用して複数のセンサセルをパラレル式に配置したものに同期して同じ流量で測定対象ガスを供給できるので、コストや設計上の問題をクリアした状態で、測定対象ガスが複数の成分からなっていても高精度でガスの種類と濃度を検出でき、複数成分ガスの検出の高精度化の要求に直ちに答えることができる。
実際に本発明の化学物質検出装置を８チャンネル（８本のガス供給チューブ）で設計したところ、図７（２）に示すように設計した場合に比べて、チャンネル当りのコストは１／１０程度にまで下がった。

本発明の第１の実施の形態に係る化学物質検出装置の構成を示す。 図１の検出装置のチューブポンプの模式的断面図である。 図２のチューブポンプの模式的斜視図である。 本発明の第２の実施の形態に係るポンプの構造を説明する模式図である。 本発明の第２の実施の形態に係るポンプの構造を説明する模式図である。 水晶振動子の構造図である。 従来の化学物質検出装置の構成を示す。

符号の説明

１‥‥化学物質検出装置
３‥‥センサセル ５‥‥測定対象ガス供給チューブ
７‥‥解析部 ９‥‥チューブポンプ
１０‥‥カセット収容チューブ １１‥‥収容カセットケース
１２‥‥内周面 １３‥‥回転体
１４‥‥軸受 １５‥‥回転軸
１６‥‥加圧ローラ
１７‥‥ベローズ １９‥‥ポンプ室
２１‥‥凸部 ２３‥‥プランジャ
２５‥‥吸入弁 ２７‥‥送出弁
２９‥‥変位部材
３１‥‥水晶板 ３３‥‥電極板
３５‥‥感応膜 ３７‥‥リード
３９‥‥ホルダー ４１‥‥センサセル

Claims (5)

1. 表面にガス吸着膜を設けた圧電発振子が配置された構成の複数のセンサセルと、前記複数のセンサセルにそれぞれパラレル式に接続されて測定対象ガスを供給する複数の測定対象ガス供給チューブと、複数のセンサセルにそれぞれ接続されて測定対象ガスが供給されたときにガスを構成する化学物質の検出情報をなすセンサ出力を計測する複数の解析部と、前記測定対象ガス供給チューブに接続され、測定対象ガスを前記センサセルに向けて送給するポンプとを備え、
   前記ポンプは駆動力が付与されると変位または回転する変位・回転部材と、前記変位・回転部材に連動して可動する複数の可動部材と、前記複数の可動部材に対応して前記複数の測定対象ガス供給チューブにそれぞれ設けられた複数のポンプ室とで構成され、前記可動部材の可動により前記複数のポンプ室の容積が同期して増減して、各測定対象ガス供給チューブに測定対象ガスを同じ流量で供給することを特徴とする複数のセンサを利用した化学物質検出装置。
2. 請求項１に記載した化学物質検出装置において、ポンプは測定対象ガス供給チューブの一部を構成する軟質チューブと、前記軟質チューブを保持する円弧状のガイド部材と、前記ガイド部材とで前記測定対象ガス供給チューブを挟むように配置された回転体と、この回転体に間隔をあけて複数個配置され、前記測定対象ガス供給チューブを前記ガイド部材に押し付けるための加圧部材とを有し、前記回転体が駆動回転すると前記加圧部材により前記測定対象ガス供給チューブを順次圧迫して測定対象ガスを送出するように構成された複数チャンネル対応チューブポンプよりなることを特徴とする化学物質検出装置。
3. 請求項２に記載した化学物質検出装置において、ガイド部材はロータに対して着脱自在なカセットで構成されており、前記カセットは１本または２本以上の弾性チューブを保持していることを特徴とする化学物質検出装置。
4. 請求項１から３のいずれかに記載した化学物質検出装置において、圧電発振子が水晶発振子であることを特徴とする化学物質検出装置。
5. 請求項１から４のいずれかに記載した化学物質検出装置において、においを構成する化学物質を検出するのに用いることを特徴とする化学物質検出装置。
   

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