JP2020012846A - Olfactory sense system, odor identification device, and odor identification method - Google Patents

Olfactory sense system, odor identification device, and odor identification method Download PDF

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Abstract

To provide an olfactory sense system, an odor identification device and an odor identification method, capable of detecting, discriminating and recognizing specific odor simply even in a state where many and unspecified odor-causing substances are mixed.SOLUTION: An odor identification system comprises: an action array unit including at least two or more sensors that interact with an odor-causing substance included in an odor factor in a gas sample; a sensor data processing unit that processes data interacting with the odor factor in the action array unit; an odor factor information storage unit that stores the odor factor and interaction pattern information of the odor factor in advance; and a pattern identification unit that refers to the pattern processed by the sensor data processing unit and the information in the odor factor information storage unit, and then identifies the odor factor on the basis of the interaction pattern.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、匂い自体をパターン化し認識する嗅覚システムおよび匂い識別装置、また匂い識別方法に関する。また、当該システムに用いられるセンサーに関する。更には当該センサーに用いられるデバイスに関する。   The present invention relates to an olfactory system, an odor discriminating apparatus, and an odor discriminating method, which recognize an odor itself by patterning. Further, the present invention relates to a sensor used in the system. Further, the present invention relates to a device used for the sensor.

これまでのところ、匂いは様々な化学物質が同時に複合的に嗅覚細胞に働きかけることで匂い情報(知覚情報)として認識されると考えられている。一方匂いに関するセンシングにおいては、匂いを構成する化学物質群(以下、匂い要因とも言う。)の中から匂いに関係する特定の気体状化学物質を検出し、測定することを目的とするものがほとんどである。   So far, it has been considered that odors are recognized as odor information (perceptual information) by various chemical substances simultaneously acting on olfactory cells. On the other hand, most of the odor sensing is intended to detect and measure a specific gaseous chemical substance related to an odor from a group of chemical substances constituting the odor (hereinafter also referred to as odor factor). It is.

すなわち匂いを構成する化学物質の中から特定したり、個別の匂い原因物質、例えばアンモニア、メルカプタン、アルデヒド、硫化水素やアミンなどの特有の臭気を有する匂い原因物質をその物質を測定することを目的に設計された化学センサー、すなわちアンモニアセンサーや硫化水素センサーなどが用いられることが多い。   In other words, the purpose is to identify from the chemical substances that make up the odor, or to measure individual odor-causing substances, for example, odor-causing substances that have a characteristic odor, such as ammonia, mercaptan, aldehyde, hydrogen sulfide, and amine. In many cases, a chemical sensor designed in such a manner as an ammonia sensor or a hydrogen sulfide sensor is used.

このようなセンサーは特定の分子に対して物理的化学的に選択性を有する表面状態を構成し、その表面に該特定分子が反応あるいは吸着した際の表面状態の変化を利用して、その特定物質を測定したり、吸着カラムなどの化学物質を分離する手段、例えばクロマトグラフィー法などを利用して特定の匂い原因物質を分離後測定するものである。   Such a sensor constitutes a surface state having physicochemical selectivity for a specific molecule, and utilizes a change in the surface state when the specific molecule reacts or is adsorbed on the surface, to specify the specific state. This is a method of measuring a substance or separating a specific odor-causing substance using a means for separating a chemical substance such as an adsorption column, for example, a chromatography method, and then measuring the substance.

このような匂いの原因物質の個別分離測定に利用できるセンサーシステムとしては、検出器部分にはレーザー光の金属ナノ粒子との相互作用で発生する表面プラズモン(SPR)法を利用するもの、半導体シリコン上にソース、ドレイン及びゲート電極を設け、ゲート上に分子選択膜を形成して表面に物質が吸着することを利用した電界効果型トランジスタを用いるもの、表面弾性波の伝搬速度の表面に物質が吸着することによる変化を測定して検出する表面弾性波センサー、水晶振動子の共振周波数が、表面に付着する物質の重量に応じて変動することを利用するQCMセンサーなどがある。   Sensor systems that can be used for individual separation measurement of such odor-causing substances include detectors that use surface plasmon (SPR) generated by the interaction of laser light with metal nanoparticles, semiconductor silicon A source, drain, and gate electrodes are provided on the top, a field effect transistor that utilizes the fact that a substance is adsorbed on the surface by forming a molecular selective film on the gate, and a substance on the surface of the surface acoustic wave propagation velocity There are a surface acoustic wave sensor that measures and detects a change due to adsorption, and a QCM sensor that utilizes the fact that the resonance frequency of a quartz oscillator fluctuates according to the weight of a substance attached to a surface.

既存の匂いセンサーとしては、これらのセンサーシステムにおいて、検出部の表面に物質選択制を有する薄膜を構成し、これにより匂いの原因となっている特定物質を検出するものが一般的である。   As an existing odor sensor, in these sensor systems, a thin film having a material selection system is formed on the surface of a detection unit, and thereby a specific substance causing an odor is detected.

また、高温にした金属酸化物半導体表面における酸素の酸化還元反応に伴うキャリア密度の変化を利用するものも存在するが、このセンサーの場合、表面で還元性物質の酸化反応が生じるためにその表面を物質選択制のある膜などで覆うことができないこと、還元性の物質しか測定できないことなどから、臭気物質としてはアンモニアや硫化水素などの限定された臭気物質にしか有効ではない。   Some sensors use the change in carrier density due to the oxidation-reduction reaction of oxygen on the surface of a metal oxide semiconductor heated to a high temperature. However, in the case of this sensor, since an oxidation reaction of a reducing substance occurs on the surface, Cannot be covered with a film having a material selection system, and only a reducing substance can be measured. Therefore, the odorant is effective only for a limited odorant such as ammonia or hydrogen sulfide.

一方、水晶振動子等を用いたセンサー等においては水晶振動子を複数設けたアレイ型の匂いセンサーが開示されている。(例えば特許文献1参照)
このセンサーにおいては、水晶振動子を基板に対して特定の方向で配列させて複数設けることで、検出すべき物質を含む気体が効率よく、また多量にセンサー部と接触することができ、検出効率が向上することが開示されている。
On the other hand, an array type odor sensor provided with a plurality of quartz oscillators is disclosed as a sensor using a quartz oscillator or the like. (For example, see Patent Document 1)
In this sensor, by arranging a plurality of quartz oscillators arranged in a specific direction with respect to the substrate, the gas containing the substance to be detected can be efficiently contacted with a large amount of gas, and the detection efficiency can be improved. Is disclosed to be improved.

また、非特許文献2では、複数のセンサーを用いて多変量解析を行って匂いの特定を図ろうとしている。この場合、用いられるセンサシステムは予め規定された特定の化学物質を測定する単機能のセンサの組み合わせで構成されるため、匂いを構成する物質が既知の場合には多変量解析により匂いを表現することはできている。   In Non-Patent Document 2, an attempt is made to perform multivariate analysis using a plurality of sensors to specify an odor. In this case, since the sensor system used is composed of a combination of single-function sensors that measure a specific chemical substance defined in advance, if the substance constituting the odor is known, the odor is expressed by multivariate analysis. I can do it.

さらに、上述のような匂いを構成する特定の物質の検出・測定だけでなく、匂い自体を検出・評価することを目的として、極性の異なる分子に応答する複数の発光分子を基板上に塗布し、匂い要因に暴露させると、その匂いに特有のパターンに基板が発光し、これを撮影、記録することで匂いのイメージングを行うという試みも近年なされている(非特許文献3:SCOPEプロジェクト)。   Furthermore, in order to detect and evaluate the odor itself as well as to detect and measure the specific substances that make up the odor as described above, a plurality of luminescent molecules that respond to molecules with different polarities are applied to the substrate. In recent years, an attempt has been made to perform odor imaging by exposing a substrate to a pattern peculiar to the odor when exposed to an odor factor, and photographing and recording this (Non Patent Literature 3: SCOPE project).

この匂いイメージングシステムでは、複数の匂いをそれぞれ認識する化合物と検出のための例えば蛍光性ナノ粒子を組み合わせた粒子を配置したマルチプローブフィルムを用いている。
このような構成とすることで、それぞれの粒子が特定の匂い要因と結合したときに、その粒子が発光し、それをCCDカメラなどで捕捉し、可視化できるようになっている。
This odor imaging system uses a multi-probe film in which particles that combine a compound that recognizes a plurality of odors and, for example, fluorescent nanoparticles for detection are arranged.
With this configuration, when each particle is combined with a specific odor factor, the particle emits light, which can be captured and visualized by a CCD camera or the like.

特許4737726号公報Japanese Patent No. 4737726

株式会社イーノーズインスツルメンツホームページ http://e−nose.co.jp/product00.htmlEnose Instruments Instruments Co., Ltd. http: // e-nose. co. jp / product00. html 東京工業大学研究室紹介誌LANDFALL第39号,p.19−22,2000年4月 (http://silvia.mn.ee.titech.ac.jp/system.html )Tokyo Institute of Technology Laboratory Magazine LANDFALL No. 39, p. 19-22, April 2000 (http://silvia.mn.ee.titletech.ac.jp/system.html) SCOPEプロジェクト (http://o.ed.kyushu−u.ac.jp/SCOPE/Welcome.html)SCOPE project (http://o.ed.kyushu-u.ac.jp/SCOPE/Welcome.html)

しかしながら、このようなセンサーが検出できるのは、例えば電気抵抗値の有無あるいは高低による特定の分子構造を有する物質あるいは規定された物質の組み合わせに関する情報であり、特定できるのはその物質の分子構造や分子量等によって特定される匂いの原因物質(分子)の特定に過ぎないため、その物質の存在の有無を検出することができても、嗅覚試験のような人間の嗅覚を利用して得られる匂い情報を測定結果として検出・識別することは困難である。   However, such a sensor can detect information on a substance having a specific molecular structure or a combination of specified substances based on, for example, the presence or absence of electric resistance or the level of the electric resistance. Since it is merely the identification of the causative substance (molecule) of the odor specified by the molecular weight, etc., even if the presence or absence of the substance can be detected, the odor obtained by using human olfaction such as an olfactory test It is difficult to detect and identify information as a measurement result.

また、特許文献1でも、匂いセンサーとして開示がなされているが、実際には特定の分子に対応する振動周波数の強弱により、その特定の分子の検出及び定量のみが可能となっている。   Patent Document 1 also discloses an odor sensor, but in reality, only the detection and quantification of a specific molecule is possible due to the strength of the vibration frequency corresponding to the specific molecule.

また、非特許文献2に示す多変量解析においては、複数のセンサーに利用される各個別のセンサーが測定する物質は事前に規定される必要が有るため、それぞれのセンサーが想定していない物質により構成される匂いを正確に表現することはできない。   In addition, in the multivariate analysis shown in Non-Patent Document 2, since the substance measured by each individual sensor used for a plurality of sensors needs to be specified in advance, the substance that is not assumed by each sensor may be used. The composed odor cannot be accurately expressed.

すなわち、一般的には匂いは複数の化学物質からなる複雑な構成をとっているため、ある匂いに含まれる特定の被測定物を特定した単一機能センサーを組み合わせただけでは匂い情報を取得表現することは困難であるという問題がある。   In other words, odors generally have a complex configuration consisting of multiple chemical substances, so odor information can be obtained and expressed simply by combining a single-function sensor that identifies a specific DUT contained in a certain odor. There is a problem that it is difficult to do.

このような問題を解消するために上述のSCOPEプロジェクトの方法においては、蛍光物質による発光を捕捉している。しかしながら、発光させるために必要な励起光源やCCDカメラなどが必要となるため、この場合は装置そのものが大掛かりになり、簡単に匂いの特定や識別を行うことが難しい。   In order to solve such a problem, in the method of the above-mentioned SCOPE project, light emission by a fluorescent substance is captured. However, since an excitation light source, a CCD camera, and the like necessary for emitting light are required, in this case, the apparatus itself becomes large-scale, and it is difficult to easily identify and identify an odor.

本発明は、上記課題を鑑み、不特定多数の匂い原因物質の混合状態においても、簡便に特定の匂いとして検出・峻別・認識することが可能な嗅覚システム、匂い識別装置、匂い識別方法を提供することを目的とする。   In view of the above problems, the present invention provides an olfactory system, odor identification device, and odor identification method that can easily detect, distinguish, and recognize a specific odor even in a mixed state of an unspecified number of odor-causing substances. The purpose is to do.

本発明の嗅覚システムは、上記課題を解決するために以下の手段を提供する。
(1) 被測定物の匂い原因物質群の少なくとも1以上と相互作用する少なくとも2つ以上のセンサーを作用アレイとして含む作用アレイ部と、前記作用アレイから得られる前記相互作用の結果を匂いパターン情報として処理するセンサーデータ処理部と、既知の匂い要因情報および既知の匂い物質のパターン情報からなる匂い情報を格納している匂い要因情報格納部と、及び前記センサーデータ処理部で処理された前記匂いパターン情報と前記匂い要因情報格納部の情報とを参照し、その反応パターンに基づいて前記被測定物の匂いが格納されている前記既知の匂い情報と照合し識別するパターン識別部と、を備える嗅覚システム。
The olfactory system of the present invention provides the following means in order to solve the above problems.
(1) An action array section including at least two or more sensors interacting with at least one or more of a group of odor-causing substances of an object as an action array, and odor pattern information indicating a result of the interaction obtained from the action array. A odor factor information storage unit storing odor information comprising known odor factor information and known odor substance pattern information, and the odor processed by the sensor data processing unit A pattern identification unit that refers to the pattern information and the information in the odor factor information storage unit, and matches and identifies the known odor information in which the odor of the measured object is stored based on the reaction pattern. Olfactory system.

(2)前記センサーが水晶振動子センサーである(1)に記載の嗅覚システム。
(3)前記センサーが表面弾性波センサーである(1)に記載の嗅覚システム。
(4)前記センサーが電界効果型トランジスタセンサーである(1)に記載の嗅覚システム。
(5)前記センサーが電荷結合素子センサーであることを特徴とする(1)に記載の嗅覚システム
(6)前記センサーが有機導電性ポリマーセンサーである(1)に記載の嗅覚システム。
(2) The olfactory system according to (1), wherein the sensor is a quartz oscillator sensor.
(3) The olfactory system according to (1), wherein the sensor is a surface acoustic wave sensor.
(4) The olfactory system according to (1), wherein the sensor is a field-effect transistor sensor.
(5) The olfactory system according to (1), wherein the sensor is a charge-coupled device sensor. (6) The olfactory system according to (1), wherein the sensor is an organic conductive polymer sensor.

(7)前記センサーが、配列変更可能であることを特徴とする(1)から(6)のいずれか1に記載の嗅覚システム。
(8)前記センサーの配列情報を格納するセンサー情報部を更に備えることを特徴とする(1)から(7)いずれか1に記載の嗅覚システム。
(9)測定対象を含むサンプルを取り込むサンプル取得部を更に備えることを特徴とする(1)から(8)のいずれか1に記載の嗅覚システム。
(7) The olfactory system according to any one of (1) to (6), wherein the arrangement of the sensor is changeable.
(8) The olfactory system according to any one of (1) to (7), further including a sensor information unit that stores array information of the sensors.
(9) The olfactory system according to any one of (1) to (8), further including a sample acquisition unit that captures a sample including the measurement target.

(10)少なくとも2つのセンサーを含むセンサーアレイとサンプルを相互作用させること、該相互作用したセンサーにおける相互作用情報をセンサーデータ処理すること、該センサーデータ処理した情報と匂い要因情報とを照合すること、及び該照合により匂いを識別すること、を含む匂い識別方法。 (10) Interacting a sample with a sensor array including at least two sensors, processing sensor information of interaction information of the interacted sensors, and collating the sensor data processed information with odor factor information. And identifying the odor by the collation.

(11)前記センサーが水晶振動子センサーである(10)に記載の匂い識別方法。
(12)前記センサーが表面弾性波センサーである(10)に記載の匂い識別方法。
(13)前記センサーが電界効果型トランジスタセンサーである(10)に記載の匂い識別方法。
(14)前記センサーが電荷結合素子センサーであることを特徴とする(10)に記載の匂い識別方法。
(15)前記センサーが有機導電性ポリマーセンサーである(10)に記載の匂い識別方法。
(16)前記センサーが、配列変更可能であることを特徴とする(10)から(15)のいずれか1に記載の匂い識別方法。
(11) The odor identification method according to (10), wherein the sensor is a quartz oscillator sensor.
(12) The odor identification method according to (10), wherein the sensor is a surface acoustic wave sensor.
(13) The odor identification method according to (10), wherein the sensor is a field effect transistor sensor.
(14) The odor identification method according to (10), wherein the sensor is a charge-coupled device sensor.
(15) The odor identification method according to (10), wherein the sensor is an organic conductive polymer sensor.
(16) The odor identification method according to any one of (10) to (15), wherein the arrangement of the sensor is changeable.

(17)測定対象を感知する少なくとも二つのセンサーを含むセンサーユニットと、前記センサーユニットにおける反応のデータ処理するセンサーデータ処理ユニットと、及び前記センサーデータ処理により作製されたセンサーデータパターンにより測定対象を識別するパターン識別ユニットと、を備える匂い識別装置。
(18)前記センサーが水晶振動子センサーである(17)に記載の匂い識別装置。
(19)前記センサーが表面弾性波センサーである(17)に記載の匂い識別装置。
(20)前記センサーが電界効果型トランジスタセンサーである(17)に記載の匂い識別装置。
(21)前記センサーが電荷結合素子センサーであることを特徴とする(17)に記載の匂い識別装置。
(22)前記センサーが有機導電性ポリマーセンサーである(17)に記載の匂い識別装置。
(23)前記センサーが、配列変更可能であることを特徴とする(17)から(22)のいずれか1に記載の匂い識別装置。
(17) A sensor unit including at least two sensors for sensing a measurement target, a sensor data processing unit for processing data of a reaction in the sensor unit, and a measurement target is identified by a sensor data pattern created by the sensor data processing. An odor identification device comprising:
(18) The odor discriminating apparatus according to (17), wherein the sensor is a quartz oscillator sensor.
(19) The odor discriminating apparatus according to (17), wherein the sensor is a surface acoustic wave sensor.
(20) The odor discriminating apparatus according to (17), wherein the sensor is a field effect transistor sensor.
(21) The odor discriminating apparatus according to (17), wherein the sensor is a charge-coupled device sensor.
(22) The odor discriminating apparatus according to (17), wherein the sensor is an organic conductive polymer sensor.
(23) The odor discriminating apparatus according to any one of (17) to (22), wherein the sensor is changeable in arrangement.

(24)測定対象を含むサンプルを取り込むサンプル取得部と、該サンプル中の各匂い要因と相互作用し、配列変更可能な少なくとも2つ以上のセンサーを含む作用アレイ部と、作用アレイ部で匂い要因と相互作用したパターンを処理するセンサーデータ処理部と、該匂い要因情報および該匂い要因の相互作用パターン情報をあらかじめ格納している匂い要因情報格納部と、該反応アレイ部のセンサー配列情報を格納するセンサー配列情報部と、を含み、該センサーデータ処理部で処理されたデータと匂い要因情報格納部の情報及び該センサー配列情報部の情報とを参照し、その相互作用パターンに基づいて該匂い要因を識別するパターン識別部と、を具備する嗅覚システム。   (24) a sample acquisition unit that captures a sample including a measurement target, an action array unit that interacts with each odor factor in the sample, and includes at least two or more sensors whose arrangement can be changed, and an odor factor in the action array unit. A sensor data processing unit that processes a pattern interacting with the odor factor information storage unit that stores the odor factor information and the interaction pattern information of the odor factor in advance, and stores sensor array information of the reaction array unit The sensor data processing unit, and refers to the data processed by the sensor data processing unit, the information in the odor factor information storage unit and the information in the sensor array information unit, and based on the interaction pattern, An olfactory system comprising: a pattern identification unit that identifies a factor.

(25)コンピュータを、測定対象を含むサンプルを取り込むサンプル取得部と、該サンプル中の各匂い要因と相互作用し、配列変更可能な少なくとも2つ以上のセンサーを含む反応アレイ部と、反応アレイ部で匂い要因と相互作用したデータを処理するセンサーデータ処理部と、該匂い要因情報および該匂い要因の相互作用パターン情報をあらかじめ格納している匂い要因情報格納部と、該反応アレイ部のセンサー配列情報を格納するセンサー配列情報部と、を含み、該センサーデータ処理部で処理されたデータと匂い要因情報格納部の情報及び該センサー配列情報部の情報とを参照し、その相互作用パターンに基づいて該匂いを識別するパターン識別部と、を具備する嗅覚システム、として機能させるプログラム。   (25) a computer, a sample acquisition unit for capturing a sample including a measurement target, a reaction array unit including at least two or more sensors capable of changing the arrangement that interact with each odor factor in the sample, and a reaction array unit A sensor data processing unit that processes data interacting with the odor factor, an odor factor information storage unit that stores the odor factor information and the interaction pattern information of the odor factor in advance, and a sensor array of the reaction array unit A sensor array information section for storing information, and referring to the data processed by the sensor data processing section, the information of the odor factor information storage section and the information of the sensor array information section, and based on the interaction pattern thereof. And a pattern identification unit for identifying the odor.

本発明のシステムを用いることで、従来検知識別が困難であった、実際には複数の物質が混合状態となっている環境における特定の「匂い」の検出が可能になる。これにより、従来検出・識別およびその表現が困難であった、不特定の物質群から構成される特定の匂い(該匂いを構成する特定の物質に限るものではない)に関して検出・識別および表現を可能とすることができる。   By using the system of the present invention, it is possible to detect a specific “smell” in an environment where a plurality of substances are actually mixed, which has conventionally been difficult to detect and identify. As a result, detection / identification and expression of a specific odor composed of an unspecified substance group (which is not limited to a specific substance constituting the odor), which has conventionally been difficult to detect / identify and express, are performed. Can be possible.

本発明の嗅覚システムの模式図である。It is a schematic diagram of the olfactory system of the present invention. 本発明の嗅覚システムに用いられるセンサーアレイの概念図である。It is a conceptual diagram of the sensor array used for the olfactory system of this invention. 本発明の嗅覚システムに用いられるセンサーアレイに用いられる水晶振動子の斜視図である。FIG. 2 is a perspective view of a crystal unit used in a sensor array used in the olfactory system of the present invention. 本発明の嗅覚システムに用いられるセンサーアレイに用いられる水晶振動子の断面図である。It is sectional drawing of the crystal oscillator used for the sensor array used for the olfactory system of this invention. 本発明の嗅覚システムの手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the procedure of the olfactory system of this invention. 本発明の嗅覚システムに用いられるセンサーアレイでの匂い原因物質の相互作用と配列情報を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the interaction of the odor causing substance in the sensor array used for the olfactory system of this invention, and sequence information. 本発明の嗅覚システムの使用例としてリンゴとコーヒーの香りを検出、識別するプロセスを示すシステム概念図である。It is a system conceptual diagram which shows the process of detecting and discriminating the smell of apple and coffee as an example of use of the olfactory system of this invention. 本発明の嗅覚システムの使用例として、携帯電話にセンサーアレイ部を組み込んだ模式図である。FIG. 3 is a schematic diagram showing a mobile phone incorporating a sensor array unit as an example of using the olfactory system of the present invention.

以下、本発明の実施形態を説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.

1.嗅覚システム
本発明のシステムは、匂いサンプル、すなわち特定の場所の大気中の匂い要因と相互作用する少なくとも2つ以上のセンサーを含む作用アレイ部と、作用アレイ部で匂い原因物質に反応したパターンを処理するセンサーデータ処理部と、該匂い情報および該匂いの作用パターン情報をあらかじめ格納している匂い要因情報格納部と、及び該センサーデータ処理部で処理されたパターンと匂い要因情報格納部の情報とを参照し、その作用パターンに基づいて該匂いを識別するパターン識別部と、を備える嗅覚システムである。
1. Olfactory system The system of the present invention comprises an odor sample, that is, an action array section including at least two or more sensors interacting with an odor factor in the atmosphere at a specific place, and a pattern in response to an odor-causing substance in the action array section. A sensor data processing unit to be processed, an odor factor information storage unit that stores the odor information and the action pattern information of the odor in advance, and information of the pattern processed by the sensor data processing unit and the odor factor information storage unit And a pattern identification unit that identifies the odor based on the action pattern.

ここで、「匂い」とは、人間あるいはそれを含む生物が嗅覚情報として取得することができる、特定の分子単体もしくは異なるからなる分子群がそれぞれの濃度を持って集合したものを含む。
「匂い原因物質」とは、匂いを構成する特定の分子・化合物を意味する。
「匂い要因」とは、匂い原因物質を複数含み、その匂い特有の構成を有する物質群を言う。
Here, the “smell” includes a specific molecule or a group of different molecules, each of which can be obtained by humans or organisms containing the same as olfactory information, with their respective concentrations.
"Odor-causing substance" means a specific molecule or compound that constitutes an odor.
“Odor factor” refers to a substance group that includes a plurality of odor-causing substances and has a specific configuration of the odor.

一般的に人を含む動物の鼻の嗅覚メカニズムとしては、以下のように説明されうる。
まず鼻から匂い要因が入ると、鼻腔最上部の嗅上皮と呼ばれる特別な粘膜に匂い原因物質が溶け込み感知され、嗅上皮にある嗅細胞が電気信号を発生、電気信号が嗅神経、嗅球、脳(大脳辺縁系)へと伝達し、匂い感覚が起きる。
Generally, the nose olfactory mechanism of animals including humans can be described as follows.
When the odor factor enters from the nose, the odor-causing substance dissolves into the special mucous membrane called the olfactory epithelium at the top of the nasal cavity, and the olfactory cells in the olfactory epithelium generate electrical signals. (The limbic system), causing a sense of smell.

ここで、嗅上皮の粘膜層に広がっている嗅毛には、匂いをキャッチする嗅覚受容体(匂いセンサー)が存在する。そして匂い要因に含まれる一つの匂い原因物質に対していくつかの嗅覚受容体が反応し、匂いを検知する。また、匂いの濃度が変わると、反応する嗅覚受容体の組み合わせが変わり、違う匂いとして感じられる。   Here, olfactory receptors (smell sensors) that catch odors are present in the olfactory hair that has spread to the mucosal layer of the olfactory epithelium. Then, several olfactory receptors react to one odor-causing substance included in the odor factor to detect the odor. Also, when the concentration of the odor changes, the combination of olfactory receptors that react changes, and the odor is perceived as a different odor.

アームアは、異なる分子構造を持つ複数の匂い原因物質が類似した匂いを与えることに着目し、それらの似た匂いを与える分子の外形に少なくとも一部が大変良く似ていることを見出して、嗅覚受容体が分子の概形構造を認識している可能性があることを示唆している。   Armua focused on the fact that multiple odor-causing substances with different molecular structures gave similar odors, and found that at least a part of the molecule giving the similar odor was very similar in appearance. This suggests that the receptor may recognize the general structure of the molecule.

また、外崎肇一著「 「におい」と「香り」の正体」ではそれぞれの匂い原因物質の与える振動数をこれら嗅覚受容体が認識していると説明している。   In addition, Shoichi Tozaki's book, "Identities of" smell "and" scent "" explains that these olfactory receptors recognize the frequency of each odor-causing substance.

このように、嗅覚受容体は匂い原因物質の持つ属性のうち、これまでの化学分析で用いられてきたような分子量、酸化還元電位、官能基とその結合位置などのような化合物を同定できる比較的直接的な情報ではなく、分子の外形情報などの間接的な物質の特性を検出していると考える方が説明がつきやすいと考えられてきた。   In this way, olfactory receptors can identify compounds such as molecular weight, redox potential, and functional groups and their bonding positions, which have been used in chemical analysis, among the attributes of odor-causing substances. It has been thought that it is easier to explain that it is not the direct information but the indirect property of the substance such as the outline information of the molecule.

本発明のシステムでは、上述の通り複数のセンサーを含む作用アレイ部が、この嗅覚受容体のような働きをすることで、様々な匂いの検出及びその濃度の強弱により、複数の匂い原因物質を含む匂いそのものを認識することを可能とするものである。
したがって、「匂い」がどのように鼻と相互作用して特定の情報として検出されるか、を模擬していることを特徴とするセンサーであって、「匂い原因物質」を個別に特定することにより「匂い」を特定するとする従来技術とは原理が異なる。
1a.嗅覚システム
In the system of the present invention, as described above, the action array section including a plurality of sensors acts like this olfactory receptor, thereby detecting a plurality of odors and controlling a plurality of odor-causing substances by controlling the concentration of the odors. This makes it possible to recognize the contained odor itself.
Therefore, it is a sensor that simulates how "smell" interacts with the nose and is detected as specific information, and individually identifies "smell-causing substances" The principle is different from that of the prior art in which the “smell” is specified by the above.
1a. Olfactory system

以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は本発明の匂い識別システムのブロック図である。
本発明にかかる匂い識別システム100は、サンプル情報取得部110、通信手段120、情報処理部130から構成される。
FIG. 1 is a block diagram of the odor identification system of the present invention.
The odor identification system 100 according to the present invention includes a sample information acquisition unit 110, a communication unit 120, and an information processing unit 130.

匂いサンプルの情報を得るために設けられたサンプル情報取得部110では、匂いサンプルを取り込むサンプル取得部111、当該取得したサンプルの物質と相互作用させるセンサーを少なくとも2つ設けたセンサーアレイ部112、及び当該サンプル物質とセンサーアレイ部112における作用状態をセンサーデータ処理するためのセンサーデータ処理部113とを設けている。   The sample information acquisition unit 110 provided for acquiring information on the odor sample includes a sample acquisition unit 111 for capturing an odor sample, a sensor array unit 112 provided with at least two sensors that interact with the substance of the acquired sample, and A sensor data processing unit 113 for processing sensor data of the sample substance and the operation state of the sensor array unit 112 is provided.

通信手段120は、サンプル情報取得部110及び情報処理部130を接続する。例えば直接結線やRS−232、USB、あるいは無線もしくは有線LAN、WiFi等種々ネットワークを確立するための手段を適宜用いることができる。   The communication unit 120 connects the sample information acquisition unit 110 and the information processing unit 130. For example, means for establishing various networks such as direct connection, RS-232, USB, wireless or wired LAN, and WiFi can be used as appropriate.

情報処理部130には、例えば、識別のためのサンプルを取得し、当該データを受信するデータ受信部131、当該受信されたデータと参照するため、あらかじめ匂い要因に関してその匂い情報を格納している匂い要因情報格納部132、同じく匂い要因のデータと参照するために、システムに配置されるセンサーアレイ部に関する情報を格納しておくセンサー配列情報格納部133と、測定対象となっているサンプル情報のセンサーアレイ部112における認識情報パターンをあらかじめ登録しておき、サンプルを測定するときに参照するパターン認識部114、更にはこれらシステム各部とサンプルの情報とを参照することで得られた判定データを表示する表示部115を備えている。   In the information processing unit 130, for example, a data receiving unit 131 that acquires a sample for identification, receives the data, and stores the odor information in advance with respect to the odor factor in order to refer to the received data. An odor factor information storage unit 132, a sensor array information storage unit 133 for storing information on a sensor array unit arranged in the system for referring to the odor factor data; A recognition information pattern in the sensor array unit 112 is registered in advance, and a pattern recognition unit 114 to be referred to when measuring a sample, and further, judgment data obtained by referring to these system units and information of the sample are displayed. The display unit 115 is provided.

本発明のシステムでは、センサーアレイ部112に配置するセンサーを、測定する物質に応じて選定することが可能である。すなわち、検出及び識別する匂い原因物質に特異的な特性を持つセンサーを適宜選択して配置することができる。
センサーの数は少なくとも2つ配置させるため、匂い要因に含まれる複数の匂い原因物質をについてそれぞれ特異的に検出することが可能となる。
各センサーにおける検出感度を変える等することで測定対象とする匂い原因物質の濃度等も測定することが可能である。
In the system of the present invention, it is possible to select a sensor to be arranged in the sensor array unit 112 according to a substance to be measured. That is, a sensor having characteristics specific to the odor-causing substance to be detected and identified can be appropriately selected and arranged.
Since at least two sensors are arranged, it is possible to specifically detect a plurality of odor-causing substances included in the odor factor.
By changing the detection sensitivity of each sensor, the concentration of the odor-causing substance to be measured can be measured.

このような構成により、サンプルとして気体中に存在するあらゆる匂い原因物質について測定が可能となる。更に従来であれば単に匂い要因に含まれている個別の分子の量等からその分子特有の匂いの強弱しか測定できなかったが、センサーの検出パターンの組み合わせから測定した匂い要因を具体的な匂い、つまり複数の匂い原因物質の複合体として識別特定することが可能となる。   With such a configuration, it is possible to measure any odor-causing substance present in the gas as a sample. Furthermore, in the past, it was possible to measure only the strength of the odor peculiar to the molecule simply from the amount of the individual molecule contained in the odor factor, etc. In other words, it is possible to identify and specify a complex of a plurality of odor causing substances.

更に本発明のシステムは、サンプル情報取得部110で得られたサンプル情報データを情報処理部130に送信するための情報通信手段120が設けられている。
つまり、サンプル情報取得部110で取得、作用、センサーデータ処理されたサンプル物質に関する情報は、情報手段120を通じて情報処理部130へと送信され、当該システムサーバにおいて当該センサーデータ処理パターンと匂い要因情報格納部112とを参照、もしくはセンサーデータ処理パターンと匂い要因情報格納部112及びセンサー配列情報格納部113の両方の情報とを参照することで、その作用アレイ部132のセンサーにおいて検出された表示パターンとにより、測定対象となる匂い要因の中の特定の匂いを検出し、識別することが可能となる。
1b.センサーアレイ
Further, the system of the present invention is provided with an information communication unit 120 for transmitting the sample information data obtained by the sample information obtaining unit 110 to the information processing unit 130.
That is, the information on the sample substance that has been obtained, acted on, and processed by the sensor data in the sample information obtaining unit 110 is transmitted to the information processing unit 130 through the information unit 120, and the sensor data processing pattern and the odor factor information stored in the system server. By referring to the unit 112 or by referring to the sensor data processing pattern and the information of both the odor factor information storage unit 112 and the sensor array information storage unit 113, the display pattern detected by the sensor of the action array unit 132 Thereby, it becomes possible to detect and identify a specific odor among odor factors to be measured.
1b. Sensor array

本発明のシステム100のセンサーアレイ部112では、少なくとも2つの匂いセンサーを設けている。配置するセンサーの数は特に限定されることはなく、2個以上配置する構成とすれば良い。   In the sensor array unit 112 of the system 100 of the present invention, at least two odor sensors are provided. The number of sensors to be arranged is not particularly limited, and may be a structure in which two or more sensors are arranged.

従来のいわゆる匂いセンサーというものは、匂い原因物質分子を検出するプローブが一つのものがほとんどであり、そのような場合は、匂い原因物質分子単体の定性的ないしは定量的な測定しかできない。   Most of the conventional so-called odor sensors have only one probe for detecting odor-causing substance molecules. In such a case, only qualitative or quantitative measurement of the odor-causing substance molecules alone can be performed.

これに対し、本発明のシステム100のセンサーアレイ部112は、複数のセンサーを設けている。また、各センサーはそれぞれ、作用させようとする分子に特異的な反応を示す構成をとることができ、また、各対象とする分子への作用の程度を調整することが可能である。   In contrast, the sensor array unit 112 of the system 100 of the present invention has a plurality of sensors. In addition, each sensor can be configured to show a specific reaction to the molecule to be acted on, and the degree of action on each molecule of interest can be adjusted.

このような構成により、本システムのユーザーが検出及び特定を所望するだけの数の物質を検出するに必要な数だけセンサーを設ければ良く、これにより、匂い要因に含まれる複数の匂い原因物質を定量・定性的に測定し、この匂い要因を全体的に識別することが可能となる。   With such a configuration, it is only necessary to provide as many sensors as necessary to detect as many substances as the user of the system desires to detect and specify, and thereby, a plurality of odor-causing substances included in the odor factor are provided. Can be quantitatively and qualitatively measured, and this odor factor can be entirely identified.

すなわち、本発明のセンサーアレイ部112におけるセンサーアレイでは、特定の物質分子に対して特異的に作用するセンサーの数及びその配列やセンサーの種類を、作用した時のアレイ全体における反応パターンを任意にデザインした上で決めることが可能である。そして、その反応パターンをあらかじめ情報処理部110に設けられているセンサー配列情報格納部に格納しておくことで、それぞれの匂い要因に対するセンサーアレイ部112における反応と照合可能となるため、複数の匂い原因物質の集合体を識別でき、それにより従来の匂いセンサーでは実現できなかった匂い原因物質を複数含む匂い要因そのものを識別することが可能になる。   That is, in the sensor array in the sensor array unit 112 of the present invention, the number of sensors that specifically act on a specific substance molecule, the arrangement and the type of the sensor, and the reaction pattern of the entire array when actuated are arbitrarily determined. It can be decided after designing. By storing the reaction pattern in the sensor array information storage unit provided in the information processing unit 110 in advance, it becomes possible to collate the response pattern with the response in the sensor array unit 112 to each odor factor. It is possible to identify the aggregate of the causative substances, thereby making it possible to identify the odor factor itself including a plurality of odor causative substances that cannot be realized by the conventional odor sensor.

ここで用いられるセンサーとしては特に限定されず、その時々の目的等に応じて種々のセンサーを適宜用いることができる。
センサーの例としては、例えば、電気化学センサー、MOS電界効果トランジスターセンサー、金属酸化物半導体センサー、有機導電性ポリマーセンサー、水晶振動子センサー(QCMセンサー)、表面弾性波方式センサー、電荷結合素子センサー等があげられる。
これらのセンサーの中では例えば水晶振動子センサーが好適に用いられる。
The sensor used here is not particularly limited, and various sensors can be appropriately used according to the purpose at that time or the like.
Examples of the sensor include, for example, an electrochemical sensor, a MOS field effect transistor sensor, a metal oxide semiconductor sensor, an organic conductive polymer sensor, a crystal oscillator sensor (QCM sensor), a surface acoustic wave sensor, a charge-coupled device sensor, and the like. Is raised.
Among these sensors, for example, a quartz oscillator sensor is preferably used.

使用可能なセンサーの一例として図2に水晶振動子素子(QCM素子)210を用いたセンサーアレイ200の平面斜視図を示す。
本発明のQCM型センサーマルチアレイ200は、水晶基板220、振動部230、振動部表面に設けられた機能膜240、振動を励振電極250(図示せず)から構成されるQCM素子210を複数実装したものであって、異なる機能性膜240を有する一つ以上の複数のQCM素子210を共通基板200上に実装した、マルチアレイQCMセンサーである。
FIG. 2 is a plan perspective view of a sensor array 200 using a crystal resonator element (QCM element) 210 as an example of a usable sensor.
The QCM type sensor multi-array 200 of the present invention mounts a plurality of QCM elements 210 including a quartz substrate 220, a vibrating part 230, a functional film 240 provided on the vibrating part surface, and a vibration excitation electrode 250 (not shown). This is a multi-array QCM sensor in which one or more multiple QCM elements 210 having different functional films 240 are mounted on a common substrate 200.

図3はQCM素子の斜視図、図4は当該素子の断面図である。
1c.QCM素子
水晶振動子すなわちQCM素子は、電極表面の重量変化を周波数変化として検出する質量センサーとなることは良く知られている。一般的に、図3にあるように、水晶基板320上の片面表面に電極ならびにガスまたは匂い分子などの吸着する機能膜340を配置し、反対側の表面には、励振電極350を配置する構成を有する。
FIG. 3 is a perspective view of the QCM element, and FIG. 4 is a sectional view of the element.
1c. It is well known that a QCM element crystal resonator, that is, a QCM element, is a mass sensor that detects a change in weight on an electrode surface as a change in frequency. Generally, as shown in FIG. 3, an electrode and a functional film 340 for adsorbing gas or odor molecules are disposed on one surface of a quartz substrate 320, and an excitation electrode 350 is disposed on the opposite surface. Having.

励振電極350よりQCM素子310を振動駆動させ、外気に接したQCM素子310の表面にある機能膜340に被測定物質である匂い分子が到達すると、吸着、相互作用してQCM素子310の共振周波数が変化する。その周波数変化を電気的に特定する。
従来から用いられている化学センサーには様々な種類があるが、特にQCMすなわち水晶振動子のような物理的振動検出素子に限っては、デバイスを小型化、つまり、厚みを薄くして電極面積も小さくすると、水晶振動子の共振周波数などが大きくなり、結果として周波数変化率が増えて検出限界がさがるという特性がある。これにより、低濃度の化学物質まで検出できるという特徴がある。
When the QCM element 310 is driven to vibrate by the excitation electrode 350 and the odor molecule as the substance to be measured reaches the functional film 340 on the surface of the QCM element 310 which is in contact with the outside air, the odor molecule is adsorbed and interacts with the resonance frequency of the QCM element 310. Changes. The frequency change is specified electrically.
There are various types of chemical sensors conventionally used. Particularly, in the case of a physical vibration detecting element such as a QCM, that is, a quartz oscillator, the device is downsized, that is, the thickness is reduced and the electrode area is reduced. If the value is also reduced, the resonance frequency of the crystal resonator or the like increases, and as a result, there is a characteristic that the frequency change rate increases and the detection limit decreases. Thereby, there is a feature that even a low concentration of a chemical substance can be detected.

これらの異なる機能膜を用いた複数のQCM素子を任意に共通基板上に実装して配置することで、図2のような本発明のマルチアレイQCM型センサーシステムを得る。各QCM素子の励振用電極は周波数カウンター等に配線され、上述の通り各QCM素子の周波数変化を電気的に特定する。   By arbitrarily mounting and arranging a plurality of QCM elements using these different functional films on a common substrate, a multi-array QCM sensor system of the present invention as shown in FIG. 2 is obtained. The excitation electrode of each QCM element is wired to a frequency counter or the like, and electrically specifies a frequency change of each QCM element as described above.

異なる機能膜を塗布したQCM素子は被測定対象である匂い原因物質に対して、異なる相互作用をする。これら異なる機能膜を設けたセンサーをアレイ上に配置することで、それぞれのQCM素子の周波数変化を検知、分析して、匂い要因を定性及び定量分析することができる。   The QCM elements coated with different functional films interact differently with the odor-causing substance to be measured. By arranging the sensors provided with these different functional films on the array, it is possible to detect and analyze the frequency change of each QCM element, and qualitatively and quantitatively analyze the odor factor.

例えば、より具体的には、共通基板上に配置された異なる機能膜を有する各QCM素子の配列規則としてX軸方向、Y軸方向の情報としてどの臭気物質を吸着して検出するセンサーであるかといったセンサーの配列情報と同QCM素子群の周波数変化(吸着特性や相互左右の度合い)の最低3次元からなる定性的な匂いパターンを得ることができる。
ここで、QCM素子(310)や励振電極(350)は任意の導電性材料で形成することができる。
For example, more specifically, which odor substance is adsorbed and detected as information in the X-axis direction and Y-axis direction as an arrangement rule of each QCM element having different functional films arranged on a common substrate. It is possible to obtain a qualitative odor pattern consisting of at least three dimensions of the sensor array information and the frequency change (adsorption characteristics and mutual left / right degree) of the same QCM element group.
Here, the QCM element (310) and the excitation electrode (350) can be formed of any conductive material.

例としては、金、銀、白金、クロム、チタン、アルミニウム、ニッケル、ニッケル系合金、シリコン、カーボン、カーボンナノチューブなどの無機材料ならびに、ポリピロール、ポリアニリンなどの導電性高分子等有機材料をあげることができる。   Examples include inorganic materials such as gold, silver, platinum, chromium, titanium, aluminum, nickel, nickel-based alloys, silicon, carbon, and carbon nanotubes, and organic materials such as conductive polymers such as polypyrrole and polyaniline. it can.

また、例えば、空間軸方向に微妙に濃度分布や化学修飾により疎水性、親水性などの強さを傾斜させた機能傾斜膜を用いることで、被測定物質である匂い原因物質に対して各アレイを構成する各センサーがそれぞれ少しずつ異なる相互作用をすることができる。   Also, for example, by using a functionally graded film in which the strength such as hydrophobicity or hydrophilicity is slightly sloped by the concentration distribution or chemical modification in the spatial axis direction, each array can be used for the odor-causing substance as the analyte. Can interact slightly differently.

そのほかにも、各振動子の共振周波数を変化させることで、共存する他の振動子から受ける影響、すなわちクロストークを低減することも可能であり、好ましい。共通基板内の各振動子が異なる感度を示すよう任意に設計することが可能である。
各水晶振動子の共振周波数が同じ場合は、匂い吸着膜の厚みを変化させることで変化させていることも試みられている。加えて、異なる共振周波数の素子(例えば水晶基板の厚みを変えたオーバートーンモード等)を用いることもできる。
In addition, by changing the resonance frequency of each vibrator, it is possible to reduce the influence of other coexisting vibrators, that is, crosstalk, which is preferable. Each oscillator in the common substrate can be arbitrarily designed so as to exhibit different sensitivities.
When the resonance frequency of each crystal resonator is the same, it has been attempted to change the thickness by changing the thickness of the odor adsorption film. In addition, elements having different resonance frequencies (for example, an overtone mode in which the thickness of a quartz substrate is changed) can be used.

共通基板の種類としては、シリコン基板、水晶結晶からなる基板、プリント配線基板、セラミック基板、樹脂基板などが用いることができる。
また、共通基板(300)は、インターポーザ基板など多層配線基板であり、水晶基板を励振動させるための励振電極(500)と実装配線、通電するための電極(301)が任意の位置に配置されており、電気的なグラウンドや他の電子回路基板等へ導通するため、例えば302にみられるようなバンプへ結線されている。
As the type of the common substrate, a silicon substrate, a substrate made of quartz crystal, a printed wiring board, a ceramic substrate, a resin substrate, or the like can be used.
The common substrate (300) is a multilayer wiring substrate such as an interposer substrate, and an excitation electrode (500) for exciting the quartz substrate, mounting wiring, and an electrode (301) for energizing are arranged at arbitrary positions. In order to conduct to an electric ground or another electronic circuit board, it is connected to a bump such as that shown at 302.

水晶振動子の形状としては一例として、コンベックス形状がより小型で且つ、振動子内にエネルギーを封じ込め、基板内の各振動子間の干渉を防止し、同時にQ値の向上が見込まれるなど、より好ましい形状である。
水晶振動子に厚さ分布を与えたコンベックス形状(レンズ形状または凸上)として、なお、片面を分離型の励振電極(振動用の電圧を入力する電極)にし、導電性膜は励振電極と反対面の対向する位置に設置する構造とすることができる。
As an example of the shape of the crystal oscillator, the convex shape is smaller, the energy is sealed in the oscillator, interference between the oscillators in the substrate is prevented, and the Q value is expected to improve at the same time. This is a preferred shape.
The quartz oscillator has a convex shape (lens shape or convex top) with a thickness distribution. One side is a separate excitation electrode (electrode for inputting vibration voltage), and the conductive film is opposite to the excitation electrode. It can be configured to be installed at a position facing the surface.

これにより、他の振動モードとの結合を抑制し、振動子にマルチアレー化した際の水晶振動子間の伝播や反射などの干渉を防止することが可能となることが知られている。そのため、より小型化、低容量化する程、振動子間の距離が短くなり効果も大きくなる。
同様に、振動エネルギーの封じ込め効果により、Q値およびコンダクタンスを向上することができ、小型化しても振動エネルギーが低下することなく、外部接触の干渉を受けにくい水晶振動子にすることができる。その結果、S/N比を向上させて高感度化される。
It is known that this makes it possible to suppress coupling with other vibration modes and to prevent interference such as propagation and reflection between crystal vibrators when the vibrator is multi-arrayed. Therefore, as the size and the capacity are reduced, the distance between the transducers is shortened, and the effect is increased.
Similarly, the Q value and the conductance can be improved by the effect of containing vibration energy, and the crystal resonator can be made less susceptible to external contact interference without reducing the vibration energy even if the size is reduced. As a result, the S / N ratio is improved and the sensitivity is increased.

なお、ここで形成されるQCMセンサーは逆メサ型あるいはコンベックス型と呼ばれる構造であると、近接した表面実装が可能であるので、小型化のためには好適である。本実施例では、より小型に適したコンベックス型を例にとっているが、より最適な形状があればそれを選択することが可能である。   Note that the QCM sensor formed here has a structure called an inverted mesa type or a convex type, which can be closely mounted on a surface, and is therefore suitable for miniaturization. In the present embodiment, a convex type suitable for a smaller size is taken as an example, but if there is a more optimal shape, it can be selected.

また、逆メサの凹内にコンベックスを入れ込んだ凸ハイブリッド型も試みられている。また、円形だけでなく楕円形もQCM素子の感度(Q値)向上等が見られ、コスト面等を考慮して、より最適なものを用いれば良い。
以上、本発明のセンサーアレイの構成について、一例として水晶振動子を用いたセンサーアレイについて説明したが、本発明がこれに限定されるものではないということは言うまでもない。
2.匂い識別方法
Also, a convex hybrid type in which a convex is inserted in a concave portion of an inverted mesa has been tried. Further, not only the circular shape but also the elliptical shape can improve the sensitivity (Q value) of the QCM element, and a more optimal one may be used in consideration of cost and the like.
As described above, as an example of the configuration of the sensor array of the present invention, a sensor array using a quartz oscillator has been described, but it is needless to say that the present invention is not limited to this.
2. Smell identification method

次に、本システムで用いられる匂い識別方法に関して説明する。
2a.匂い識別方法概要
図5は本発明の匂い識別方法の概要を示すフロー図である。
まず、図1に示される本発明の匂い識別システム100のサンプル情報取得部110を、測定対象となる匂い要因に接触させる(ステップ501)。この接触によりサンプル取得部111から匂い要因の分子が取り込まれ、センサーアレイ部112に送られる(ステップ502)。
Next, an odor identification method used in the present system will be described.
2a. Odor identifying method Overview Figure 5 is a flow diagram showing an outline of the odor identifying method of the present invention.
First, the sample information acquisition unit 110 of the odor identification system 100 of the present invention shown in FIG. 1 is brought into contact with an odor factor to be measured (step 501). With this contact, molecules of the odor factor are taken in from the sample acquisition unit 111 and sent to the sensor array unit 112 (step 502).

センサーアレイ部112は、少なくとも2つ以上のセンサーが配置されたマルチアレイ構造になっている。ここで、各センサーはそれぞれ目的とする匂い原因物質ごとに特有の程度に相互作用をするようになっており、匂い要因に含まれる様々な匂い原因物質と相互作用するようになっている。このアレイ部分に取り込んだ匂い要因を含む気体を接触させ、それぞれのセンサーが示す相互作用の結果をデータとして取得する(ステップ503)。   The sensor array unit 112 has a multi-array structure in which at least two or more sensors are arranged. Here, each sensor interacts to a specific degree for each target odor-causing substance, and interacts with various odor-causing substances included in the odor factor. The gas containing the odor factor is brought into contact with the array portion, and the result of the interaction indicated by each sensor is obtained as data (step 503).

この相互作用データは、使用するセンサーによるが、例えば発光応答であったり、電気抵抗の変化であったり、あるいは振動周波数の変化である。
これら相互作用データのパターンを測定される特定の匂い要因と関連付けされ、センサーアレイ上で反応しているセンサーの位置情報やその相互作用の強弱を含む情報としてセンサーデータ処理を行う(ステップ504)。
The interaction data is, for example, a light emission response, a change in electric resistance, or a change in vibration frequency, depending on the sensor used.
The pattern of the interaction data is associated with a specific odor factor to be measured, and sensor data processing is performed as information including position information of a sensor reacting on the sensor array and information on the strength of the interaction (step 504).

次に、このセンサーデータ処理された相互作用パターン情報を情報処理部130に送信し、センサー配列情報格納部132及び匂い要因情報格納部133の中のデータを参照して(ステップ505)、該当するパターンを読み出し、匂い要因の識別を行う(ステップ506)。
ここで、単一の匂い原因物質を検出したい場合には、センサー配列情報を参照しなくとも、匂い原因物質情報のみを参照、照合してその匂い原因物質を特定することも可能である。
2b.具体例
Next, the interaction pattern information subjected to the sensor data processing is transmitted to the information processing unit 130, and the data in the sensor array information storage unit 132 and the odor factor information storage unit 133 is referred to (step 505). The pattern is read, and the odor factor is identified (step 506).
Here, when it is desired to detect a single odor-causing substance, it is possible to specify the odor-causing substance by referencing and collating only the odor-causing substance information without referring to the sensor array information.
2b. Concrete example

次に、図5のフロー及び、図6、図7を参照しながら識別方法のフローを具体的に説明する。
図6は、センサーアレイでの匂い原因物質の相互作用と配列情報を示す模式図である。
図7は、一例としてリンゴとコーヒーの香りを検出、識別するプロセスを示すシステム概念図である。
Next, the flow of the identification method will be specifically described with reference to the flow of FIG. 5 and FIGS. 6 and 7.
FIG. 6 is a schematic diagram showing the interaction and sequence information of the odor-causing substances in the sensor array.
FIG. 7 is a system conceptual diagram showing a process of detecting and identifying the aroma of apple and coffee as an example.

本例においても、匂い原因物質の情報のみでも、その匂い要因の検出・識別も可能であるが、上述の通り匂い要因情報及びセンサー情報の両方を参照することにより、例えばセンサー部分の配列情報、センサー構成情報、センサー製品情報等をあらかじめ登録しておいたセンサー関連情報と、匂い要因情報の両方を参照することで、当該センサーを用いた場合の特定のパターンによりデータ処理を行うことが可能となる。   In this example also, only the information on the odor-causing substance can be used to detect and identify the odor-causing factor. By referring to both sensor-related information and sensor information, which have previously registered sensor configuration information and sensor product information, etc., it is possible to perform data processing according to a specific pattern when using the sensor. Become.

この構成であれば、測定する匂い要因情報を、そのセンサーを用いる使用者の個人情報等と関連づけることが可能となる。例えばこの関連情報を個人認証そのほかのセキュリティ技術に応用したり、医療における診断技術へと利用することも可能となり、その用途を拡大することができる。   With this configuration, the odor factor information to be measured can be associated with the personal information of the user who uses the sensor. For example, this related information can be applied to personal authentication and other security technologies, and can also be used for medical diagnosis technology, and its use can be expanded.

まず、ユーザーは本発明の匂い識別システムに、被測定対象となる特定の匂い要因をセンサーに特定させる。本例では、被測定対象は、リンゴならびに珈琲の匂いとし、それぞれを匂いA、匂いBとする。これらの匂いを匂い要因として匂い要因情報格納部に格納しておく。   First, the user causes the odor identification system of the present invention to specify a specific odor factor to be measured by the sensor. In this example, the object to be measured is an odor of apple and coffee, and odor A and odor B, respectively. These odors are stored in the odor factor information storage unit as odor factors.

まず、リンゴとコーヒーの匂い要因を含むサンプルと本システムとを接触させて、サンプルを取得する(ステップ501)。取得されたサンプルの気体は図6のセンサーアレイ部600へと送られ該アレイ部で反応が起こる。
ここで、本発明のセンサーシステムに実装されている、異なる機能膜が塗布されたQCM素子群601はこれらリンゴもしくはコーヒーに含まれる複数の匂い原因物質に対して異なる相互作用を生じ、それぞれのQCM素子がそれぞれの反応に応じた周波数変化を出力する。
First, a sample containing an odor factor of apple and coffee is brought into contact with the present system to obtain a sample (step 501). The obtained sample gas is sent to the sensor array unit 600 in FIG. 6 where a reaction occurs.
Here, the QCM element group 601 coated with different functional films, which is mounted on the sensor system of the present invention, causes different interactions with a plurality of odor-causing substances contained in the apple or coffee, and the respective QCM elements The element outputs a frequency change according to each reaction.

つまり、ある素子群601において、(X1、Yn)の素子群は例えばリンゴの香気成分、すなわち臭気物質である酢酸アミルにと強く相互作用し、その程度はYnのnが大きくなるに従って弱くなっていくものとする。一方(Xn、Y1)の素子群は酢酸ヘキシル等と強く相互作用し、その程度はXnのnが大きくなるに従って弱くなるような機能性膜を有する構成としている。   In other words, in a certain element group 601, the element group of (X1, Yn) strongly interacts with, for example, the aroma component of apple, that is, amyl acetate, which is an odorant, and its degree becomes weaker as n of Yn increases. To go. On the other hand, the element group (Xn, Y1) has a functional film that strongly interacts with hexyl acetate or the like, and the degree of the interaction decreases as n of Xn increases.

また、(X2、Yn)の素子群はコーヒーの香気成分であるカフェインに、(X3、Yn)の素子群はテオフィリンに、(X4、Yn)の素子群はテオブロミンに相対的に強く相互作用する機能性膜を有する構成とする。
これらの構成(位置情報及び機能膜情報)及びセンサーの製品情報(製品情報(センサーの製造番号、アレイ位置情報(X、Y)、各QCM素子の種類、など)はあらかじめ図1に示すセンサー配列情報格納部132に格納しておく。
The element group of (X2, Yn) interacts with caffeine, which is an aroma component of coffee, the element group of (X3, Yn) interacts with theophylline, and the element group of (X4, Yn) interacts with theobromine. It has a configuration having a functional film to be formed.
These configurations (position information and functional film information) and sensor product information (product information (sensor serial number, array position information (X, Y), type of each QCM element, etc.)) are previously stored in the sensor array shown in FIG. It is stored in the information storage unit 132.

このような構成により、それぞれの素子601がその香気成分の濃度に応じて素子配列に相関したQCM素子の振動周波数の変化をパターンとして検出できるという構成になっている。
この、サンプルの臭気物質と各素子における相互作用とで発生する各素子の周波数変化をデジタルデータとして、センサーデータ処理部113に送り、そこでセンサーデータ処理を施すことで例えば画像データへと変換してセンサーアレイ情報を取得する(ステップ504)。
With such a configuration, each of the elements 601 can detect, as a pattern, a change in the vibration frequency of the QCM element that is correlated with the element arrangement in accordance with the concentration of the aroma component.
The frequency change of each element generated by the odor substance of the sample and the interaction between the elements is sent as digital data to the sensor data processing unit 113, where it is converted into, for example, image data by performing sensor data processing. The sensor array information is obtained (Step 504).

この時、一般的なセンサーデータ処理を用いてセンサー出力されたパターンとデータベースの情報を比較する。例えば、一般的なセンサーデータ処理技術としては、2次元バーコードリーダー、顔認識、もしくは指紋認証などの、近似情報処理技術を用いることができる。   At this time, the pattern output from the sensor and information in the database are compared using general sensor data processing. For example, as a general sensor data processing technique, an approximate information processing technique such as a two-dimensional barcode reader, face recognition, or fingerprint authentication can be used.

このようにして、図6に示す各素子601で相互作用があると、その機能膜の相互作用の強さに応じた出力が各素子601からあり、それと同時にそれぞれの素子601の配列情報が出力される。   In this way, when there is an interaction between the elements 601 shown in FIG. 6, an output corresponding to the strength of the interaction of the functional film is output from each element 601 and at the same time, the array information of each element 601 is output. Is done.

この時、例えば本発明のシステムを搭載している電子機器は、ネットワークを介してセンサー配列情報格納部に事前格納されている同センサー素子等の製品情報(製品情報(センサーの製造番号、アレイ位置情報(X、Y)、各QCM素子の種類、など)をネットワーク上に参照しにいき、各QCM素子の周波数変化の出力データと照らし合わせて、匂いパターン(X、Y、QCM出力)を算出することができる。つまり、図7中に示すような、アレイのマトリクスパターンが得られる。   At this time, for example, the electronic device equipped with the system of the present invention transmits the product information (product information (serial number of the sensor, array position, etc.) of the sensor element or the like previously stored in the sensor array information storage unit via the network. Information (X, Y), the type of each QCM element, etc.) is referred to on the network, and the odor pattern (X, Y, QCM output) is calculated by comparing the output data of the frequency change of each QCM element. That is, an array matrix pattern as shown in FIG.

その後ステップ505で上述の相互作用のパターンデータと、臭気物質情報格納部のデータ及びセンサーアレイ部の特性、配列、及び製品としてのセンサー情報等を格納しているセンサー配列情報格納部とを照合・参照することでサンプルに含まれる匂い要因の特定を行う(ステップ506)。
そして図7に図示するように、出力パターンがリンゴやコーヒーの匂いパターンと近似、もしくは該当すれば、ユーザーに対して、「匂いAはリンゴに似た匂いである」、「匂いBはコーヒーに似た匂いである」と結果を返す。
Then, in step 505, the above-mentioned interaction pattern data is compared with the sensor array information storage section which stores the data of the odorant information storage section, the characteristics and arrangement of the sensor array section, and the sensor information as a product. The odor factor contained in the sample is specified by referring to the sample (step 506).
Then, as shown in FIG. 7, if the output pattern is similar to or corresponds to the smell pattern of apple or coffee, the user is told that "smell A is a smell similar to apple" and "smell B is coffee. The smell is similar. "

以上のように、本発明の嗅覚システムは事前格納したセンサーシステムのQCM素子の配列規則情報と出力情報から得た匂い要因との相互作用パターンを取得すると同時に、ネットワーク上に構築された匂い要因情報を格納するデータベースを参照することによって、本発明のセンサーシステムを搭載するユーザーの機器において、簡便にクラウド環境において、匂いの特定ができる。   As described above, the olfactory system of the present invention acquires the interaction pattern between the arrangement rule information of the QCM elements of the sensor system stored in advance and the odor factor obtained from the output information, and at the same time, obtains the odor factor information constructed on the network. By referring to the database storing the odor, the odor can be easily specified in the cloud environment in the device of the user equipped with the sensor system of the present invention.

無論、データベースはユーザーが任意に、匂い対象物を、匂いパターンと共に登録することが可能である。よって、よりセキュアで安全なシステムを設計するこができる。
3.匂い識別装置
Of course, the database allows the user to arbitrarily register the odor target together with the odor pattern. Therefore, a more secure and secure system can be designed.
3. Odor identification device

本発明の匂い識別装置は、上述した嗅覚システム及びその方法を実行するための構成を具備するものである。   An odor discriminating apparatus according to the present invention includes a configuration for executing the above-described olfactory system and its method.

すなわち、測定対象を感知する少なくとも二つのセンサーを含むセンサーユニットと、前記センサーユニットにおける反応のデータ処理するセンサーデータ処理ユニットと、及び前記センサーデータ処理により作製されたセンサーデータパターンにより測定対象を識別するパターン識別ユニットとを備える。
このセンサーユニットと、パターン識別ユニットとが、それぞれ図1に示すサンプル情報部110と総合システム部130とに対応しており、各ユニットは一つの装置内に設けても良いし、別個の装置として構成しても良い。これらの例については以下に例示する。
4.システムの利用例
That is, a sensor unit including at least two sensors for sensing a measurement target, a sensor data processing unit for processing data of a reaction in the sensor unit, and a measurement target are identified by a sensor data pattern created by the sensor data processing. A pattern identification unit.
The sensor unit and the pattern identification unit correspond to the sample information unit 110 and the integrated system unit 130 shown in FIG. 1, respectively. Each unit may be provided in one device, or may be provided as separate devices. You may comprise. These examples are illustrated below.
4. Examples of using the system

4a.嗅覚システムを設けた携帯デバイス
本発明のシステムは、センサーアレイ部を小型化することが可能であるため、サンプル情報取得部をスマートフォン等の携帯デバイスに組み込むことも可能である。その場合は、情報処理部も当該デバイス内に組み込んでも良いし、該情報処理部についてはネットワーク通信手段を介してデバイス外に設けた情報処理部に必要な情報を参照にいく構成としても良い。
4a. Mobile device provided with an olfactory system The system of the present invention can reduce the size of the sensor array unit, so that the sample information acquisition unit can be incorporated in a mobile device such as a smartphone. In that case, the information processing unit may be incorporated in the device, or the information processing unit may be configured to refer to information necessary for the information processing unit provided outside the device via a network communication unit.

図8は、本発明のセンサーアレイ部を内部に組み込んだ携帯デバイスの概要図である。
センサーアレイの組み込み位置は任意に設定可能であるが、図8では一例としてスマートフォン800のマイク設置部のダクト801の直下(ホームボタンの直下、マイク部品の直下)にセンサーアレイ部802を設けている。この構成では、例えば歯周病や内臓疾患による口腔内トラブルを検知可能なヘルスチェック機能を付与することが可能となる。
4b.嗅覚システムを設けたウエアラブルデバイス
FIG. 8 is a schematic diagram of a portable device in which the sensor array unit of the present invention is incorporated.
The installation position of the sensor array can be set arbitrarily. In FIG. 8, for example, the sensor array unit 802 is provided immediately below the duct 801 of the microphone installation unit of the smartphone 800 (immediately below the home button and immediately below the microphone component). . With this configuration, it is possible to provide a health check function capable of detecting an intraoral trouble due to periodontal disease or visceral disease, for example.
4b. Wearable device with olfactory system

当該システムは小型装置に組み込むことが可能であるため、例えば現在市場に出てきそうなウエアラブルデバイスに当該システム又は装置を搭載させることで、匂いセンサーとして利用可能である。例えば眼鏡などにシステムデバイスを搭載すれば、e−noseとして使用可能となるだけでなく、そのほか様々な利用が可能である。
4c.空気清浄機、空調、エアコン等への利用
Since the system can be incorporated in a small device, it can be used as an odor sensor, for example, by mounting the system or the device on a wearable device that is likely to be on the market at present. For example, if a system device is mounted on glasses or the like, it can be used not only as an e-nose but also in various other uses.
4c. Use for air purifiers, air conditioners, air conditioners, etc.

本発明のシステムをエアコン等に用いることで、室内の匂い要因を測定、識別し、それにより必要に応じて空気を清浄するといった処理を行うことが可能となり、より質の高い機能を提供することができる。
4d.吸気診断装置等医療用途への応用
By using the system of the present invention in an air conditioner or the like, it becomes possible to measure and identify indoor odor factors and thereby perform processing such as purifying the air as needed, thereby providing higher quality functions. Can be.
4d. Application to medical use such as inhalation diagnostic device

現在の医療では、呼気に含まれる特定の物質をマーカーとして疾病診断を行うという手法が開発されつつある。このような場合に本発明のシステムを用いれば、複数のマーカー・検出物質を含む呼気においても、その診断精度が向上するということが考えられる。このような診断用途で本システムを用いる場合には、医療機器そのものとして設計・製造し、本発明のシステムを組み込むことも可能であるし、あるいは、上述したような携帯電話・スマートフォンにセンサーアレイ部等を組み込み、センサーアレイ部が取得した情報をサーバーとの通信により、例えば医療機関などでの遠隔診断に用いる、ということも可能である。   In current medical care, a technique for diagnosing a disease using a specific substance contained in breath as a marker is being developed. In such a case, it is conceivable that the use of the system of the present invention will improve the diagnostic accuracy even for breath containing a plurality of markers / detection substances. When this system is used for such a diagnostic application, the system of the present invention can be designed and manufactured as a medical device itself, or the system of the present invention can be incorporated. And the like, and the information acquired by the sensor array unit can be used for remote diagnosis at a medical institution or the like by communication with a server.

それぞれ異なる機能膜を表面に有する複数独立のセンサー素子を一定の規則に従った順番で整列して実装する際、この規則をネットワーク上の任意の場所に、製造情報とともに記録すること、前記規則が、個別製品ごと、製造バッチごと、製造工場ごとなど任意のクラスターからなる製品情報ごとに変更され記録されること、特定の匂いに対する応答パターンをそのパターンを測定した各個別機器に実装されたセンサーの製品情報から当該センサーの配列パターンデータをネットワーク上の任意の場所から読み出し照合して匂いを特定すること、を特徴とする、嗅覚システムが提供される。   When a plurality of independent sensor elements each having a different functional film on the surface are arranged and mounted in an order according to a certain rule, this rule is recorded at an arbitrary place on a network together with manufacturing information, and the rule is It can be changed and recorded for each product information consisting of an arbitrary cluster such as each individual product, each manufacturing batch, each manufacturing factory, and the response pattern for a specific odor can be measured by the sensor mounted on each individual device that measured the pattern. There is provided an olfactory system characterized by reading array pattern data of the sensor from product information from an arbitrary location on a network and collating to identify an odor.

本発明の嗅覚システム、匂い識別方法及び識別装置は、従来の匂いセンサーでは識別までできなかった匂い要因についても全体的に判定識別が可能であるため、不特定多数の匂い原因物質の混合状態においても、それらから構成される匂い要因を検出・認識することが可能となる。それにより、様々なデバイスに匂いセンサーとして用いられるだけでなく、空気清浄機や医療用途などへの応用も可能となる。   The olfactory system, the odor identification method and the identification device of the present invention can determine and identify odor factors that could not be identified by a conventional odor sensor as a whole. Also, it is possible to detect and recognize the odor factor composed of them. Thereby, not only can it be used as an odor sensor in various devices, but also it can be applied to air purifiers, medical uses, and the like.

100 匂い識別システム
110 サンプル情報部
111 サンプル取得部
112 センサーアレイ部
113 センサー素子データ処理部
130 匂い情報総合システム部
132 センサー配列情報格納部
133 匂い要因情報格納部
134 パターン識別部
REFERENCE SIGNS LIST 100 Odor identification system 110 Sample information section 111 Sample acquisition section 112 Sensor array section 113 Sensor element data processing section 130 Total odor information system section 132 Sensor array information storage section 133 Odor factor information storage section 134 Pattern identification section

Claims (1)

被測定物の匂い要因に含まれる匂い原因物質群の少なくとも1以上と相互作用する少な
くとも2つ以上のセンサーを含む作用アレイ部と、
前記作用アレイから得られる前記相互作用の結果を匂いパターン情報として処理するセ
ンサーデータ処理部と、
既知の匂い要因情報および既知の匂い物質のパターン情報からなる匂い情報を格納して
いる匂い要因情報格納部と、
及び前記センサーデータ処理部で処理された前記匂いパターン情報と前記匂い要因情報
格納部の情報とを参照し、その反応パターンに基づいて前記被測定物の匂いが格納されて
いる前記既知の匂い情報と照合し識別するパターン識別部と、を備える嗅覚システム。
An action array unit including at least two or more sensors interacting with at least one or more odor-causing substances included in the odor factor of the measured object;
A sensor data processing unit that processes the result of the interaction obtained from the effect array as odor pattern information,
An odor factor information storage unit that stores odor information including known odor factor information and pattern information of the known odor substance,
And the known odor information in which the odor of the measured object is stored based on the reaction pattern with reference to the odor pattern information processed by the sensor data processing unit and the information in the odor factor information storage unit. And a pattern identification unit for collating and identifying the olfactory system.
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