JP3499277B2 - 匂い物質センサと匂い測定装置 - Google Patents

匂い物質センサと匂い測定装置

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【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、圧電振動板、特に水晶
振動子を用い数種類の匂い物質を同時に検出することに
より、匂いの種類を特定する際に有用な匂い物質センサ
と、匂い測定装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】圧電振動子からなる励振用電極上に匂い
物質を吸着する合成脂質膜を塗布し、匂い物質吸着時の
質量変化に伴う周波数変化から、その匂い物質を検出す
るセンサとしては、例えば水晶振動子を用いた匂い物質
センサ等が知られている。 (特開昭63−222248号公報) 図12は1枚の水晶振動板上に一対の励振用電極を設け
てなる匂い物質センサ20の一例を示す図である。この
図で21は水晶片(水晶振動子)、22は水晶片21に
設けられ、匂い吸着物質が塗布されている励振用電極を
示す。水晶片21は導電性接着剤23により水晶片支持
材24に固定されている。
【0003】25は金属ベース、26は水晶片支持材2
4を支持するガラス、27a、27bは電極引き出しリ
ード線であり、いずれかがアース電極とされている。こ
の匂い物質センサ20は励振用電極22に塗布されてい
る吸着物質(合成脂質膜)の、匂い物質の吸着時の周波
数変化から特定の匂い物質を検出することができるよう
になされている
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ところで、この匂い
センサ20は1対の励振電極を設けて、単にその振動
周波数の変化を検出するものであるため、この匂い物質
センサ20では、特定の匂い物質は感知することができ
るが、その検出は単独の、又は数種類の匂いの合計値を
検出することになり、匂い成分を個々に分離して検出す
ることは困難になる。そのため、従来はこのような匂い
物質センサ20を使用して特定の匂いを検出するために
は、匂いに感応する吸着物質を適宜変更しながら数回に
分けて匂いの検出作業を行う必要があった。
【0005】また、使用する匂い物質センサ20の数の
増加にともない電極端子数が増加してしまい、接続作業
が複雑かつ困難になってしまう。さらに、測定時の環境
変化および匂い物質センサ20の温度変化等により測定
が不安定になる場合があり、検出結果に高い信頼性を得
ることができなかった。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明はこのような問題
点を解決するためになされたもので、水晶などからなる
一枚の圧電振動板を例えばスリット等により複数の振動
領域に分割し、この分割された振動領域に対して1対の
第1及び第2の励振電極を設けると共に、各振動領域の
共振周波数が異なるように励振電極の厚みを設定し、こ
の励振電極のそれぞれに対して、匂い物質を吸着する別
種の合成脂質膜を塗布したものである。
【0007】また、このような匂い物質センサの各振動
領域を振動子とするような発振回路を同時に動作しなが
らその周波数変化を検出し、各種の匂いの反応軸をパタ
−ン化して出力することによって、匂いの特定が容易に
なるようにした匂い測定装置を提供するものである。
【0008】
【作用】本発明による匂い物質センサに複数の発振回路
を接続することにより、一個の匂い物質センサに吸着し
た複数の匂い物質の検知信号が各発振回路の出力周波数
の変化として得られ、複数の匂い物質からなる匂いパタ
ーンを認識することができるようになる。
【0009】
【実施例】以下、本発明の匂い物質センサの実施例を説
明する。本実施例では圧電体として水晶を用い、ATカ
ットの水晶素板(以下、水晶片とする)に例えば5組の
励振用電極が形成されている。図1は本実施例の匂い
センサの斜視図である。この図で1は匂い物質セン
サ、2は圧電振動体として用いられる平板状の水晶片、
3a、3b、3c、3d、3eは水晶片2に蒸着されて
いる励振用電極を示し、この励振電極の厚みは例えば金
を蒸着することによって異なる厚みとし、スリット4で
分割されている各振動領域の共振周波数が異なるように
なされている。
【0010】そして後述するように、それぞれに異なる
特性を有する匂い吸着物質(合成脂質膜)が塗布されて
いる。したがって水晶片2はスリット4により隔離して
n個の(実施例では5個)振動領域に分割されているこ
とになり、これらの各振動領域は電気的、音響的的な結
合を低減することにより、匂い物質の測定が安定するよ
うになされている。また、スリット4による放熱効果に
より、匂い物質センサ1の温度が安定し検出結果の信頼
性が向上する。
【0011】5は水晶片2を支持している水晶片支持ベ
ース、6a、6b、6c、6d、6eはそれぞれ同一の
沿え字が付されている励振用電極3a〜3eに接続され
てる電極引き出しリード、7は水晶片2の図示されてい
ない裏面に配されている励振用電極3a〜3eの共通リ
ードである。
【0012】本実施例の匂い物質センサ1の励振用電極
3a〜3eそれぞれの電極面には、吸着物質として例え
ば以下に示す五種類の化合物(A〜E)が一種類ずつ塗
布されている。 A:モノアルキル型二分子膜化合物(全ての匂い物質に
同程度の感度を示す) B:ビニール型高分子化合物(エステル類の匂い物質に
高感度) C:トリアルキル型二分子膜化合物(ハロゲン化物、エ
ステル類、ケトン類、芳香族に高感度) D:ジアルキル型二分子膜化合物(全ての匂い物質に高
感度、特にアルコールに高感度) E:酸アミド重合型高分子化合物(平均的に感度が低い
が、カルボン酸類に高感度)
【0013】なお、上記実施例はスリット4によって励
振用電極3a〜3eがn個に分割されるように構成した
が、例えば図2に示すようにやや大型の水晶片12を使
用して、スリット4、4、4・・・の間隔より広くなる
ような幅Wを介して励振用電極3a〜3eを設けると、
スリット4を省略しても、例えば励振用電極3a〜3e
の面積、及び厚さに対応して、水晶片12の振動領域の
1つ、例えば励振用電極3aが設けられている領域のみ
が、特定の共振周波数を生じるように設定することがで
きるから、この実施例の匂い物質センサでも上記図1の
場合と同様に5種類の共振周波数を設定することがで
き、本発明の匂い物質センサとして利用することも可能
である。
【0014】図3はこのような吸着物質が塗布されてい
る匂い物質センサ1を用いた匂い測定装置の概要を示す
回路ブロック図であり、図1と同一符号は同一部分とす
る。匂い物質センサ1は電極引き出しリード6a〜6
e、及び共通リード7によりn組の発振回路8a、8
b、8c、8d、8eに接続されている。
【0015】なお、各発振回路8a〜8eは、例えば水
晶片2の振動領域を振動子とする汎用のコルピッツ発振
器であり、同じ周波数で発振させると相互に干渉を起こ
し、匂い物質の測定が不安定となる場合があるので、前
記したように例えば励振電極3(a,b,c,d,e)
の厚みを変えて、発振周波数が例えば約10KHz程度の
オフセット周波数を持つように設定することが好まし
い。
【0016】9は上記発振回路8(a,b,c,d,
e)の発振周波数を選択して周波数カウンタ10に供給
するスイッチ、11は匂い物質センサ1の匂い物質吸着
後の発振周波数の変化を検出し、その検出デ−タを分析
して匂いパターンをグラフとして作成及び表示すること
ができる計算ソフトで動作するマイクロコンピュ−タを
備えているパターン検出部を示す。
【0017】匂い物質を検出する場合は、まず前記匂い
物質センサ1を大気中に晒して、その時の発振周波数を
あらかじめ測定しておき、その後、測定対象となる被匂
い物質をセンサに吸着させ測定を行なう。このとき、匂
い物質センサ1の励振用電極3a〜3eは塗布されてい
る吸着物質の特性の違いにより、それぞれ異なる周波数
変化をなし、この周波数変化をパターン化することによ
り、測定した匂い物質の種類を判別することができる。
【0018】これらの吸着物質に対する匂い物質の吸着
量と水晶片2の周波数変化は数式1で示される。
【数1】 但し、数式1において Δf : 周波数変化(Hz) f0 : 水晶片1の共振周波数 N : 水晶片1の周波数定数(ATカット):1.6
7×105 (Hz・cm) P :水晶の密度:2.648(g/cm3 ) ΔW : 吸着質量(g) である。
【0019】本実施例の匂い物質センサ1における匂い
物質吸着時の水晶片2の周波数変化を、上記数式1によ
り求めると、次の数式2に示されているように、例えば
吸着物質が僅か約1ナノグラム(ng)程に対し、約2
Hz程度の周波数変化を示すことがわかる。
【数2】 この周波数変化は吸着した匂い物質の膜厚に比例して変
化するが、例えば図4に示されているように、匂い物質
が吸着を開始してから周波数が変化し始め、例えば約5
分程度で測定前と比較して数2KHZ 程度の周波数変化
が現れる。したがって、この周波数変化を後続のカウン
タで計測して分析することによって、以下に述べるよう
に匂い物質に対応したパタ−ンを求めることができる。
【0020】図5乃至図11は本発明の匂い物質センサ
1により測定された周波数変化量を、A軸、B軸、C
軸、D軸、E軸によりパターン化した匂いパターンの一
例を示すグラフである。A軸〜E軸はそれぞれ励振用電
極3a〜3eによる発振周波数の変化に対応しており、
A軸に示されるモノアルキル型二分子膜化合物に吸着さ
れた匂い物質による周波数変化量を100として示され
ている。
【0021】図5に示されているように、例えばエチレ
ンジアミン、アニリン、トリエチルアミン、N,N−ジ
メチルアニリンの4種類の匂い物質を吸着した場合は、
匂い物質センサ1の励振用電極3a〜3e(A軸〜E
軸)の周波数変化量は所定の時間を経て図示されている
ように変化し、アミン類として特定の匂いパターンを形
成するようになる。また、図6に示されているように、
例えばメタノール、エタノール、IPA、IBA、アリ
ルアルコールの5種類の匂い物質を吸着した場合は、ア
ルコール類として特定の匂いパターンを形成するように
なる。
【0022】同様にして図7は、酢酸エチル、安息香酸
エチル、クロル酢酸エチル、アクリル酸メチルによりエ
ステル類、図8はギ酸、酢酸、プロピオン酸、酪酸によ
りカルボン酸類、図9はMIBK、MEK、シクロヘキ
サノン、アセトン、アセトフェノンによりケトン類、図
10はクロロフォルム、1,2−ジクロロエタン、四塩
化炭素、0−クロロトルエンによりハロゲン化物、図1
1はベンゼン、トルエン、キシレン、エチルベンゼンに
より芳香族の匂いパターンを示したものであり、これら
の匂いパターンにより、匂いの種類を判別することがで
きるようになる。
【0023】なお、図5乃至図11に示した本発明の測
定結果は前記した単独の匂い物質センサ20を数回にわ
たって使用しながら測定した測定値と良く一致してお
り、一つの匂い物質センサ1により同時に複数の匂い物
質の検出を行なった場合でも、従来と同様な検出結果を
得ることができた。
【0024】
【発明の効果】以上、説明したように本発明の匂い物質
センサ、及び匂い測定装置は、一枚の水晶振動子をスリ
ットによりn個の振動領域に分割するか、所定の間隔を
介して振動領域を配し、この各振動領域に励振電極を設
けるようにすると共に、それぞれの励振電極に匂い物質
を吸収する別種の合成脂質膜が塗布されているから、一
つの匂い物質センサで多種類の匂い物質を同時に検出す
ることができるようになる。さらに、前記複数の励振用
電極をそれぞれ個別の発振回路に接続して、同一条件で
発振させるようになし、この発振回路の周波数変化を分
析することによって各匂い物質の特有のパタ−ンが出力
されるようになされているから、各種の匂い物質が混合
しているような雰囲気中でも、正確に匂い物質の分析を
行うことが容易になるという効果がある。また、圧電振
動子にスリットを設けることにより放熱性も向上し、匂
い物質センサの温度が安定するので、検出結果の信頼性
が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例の匂い物質センサの斜視図であ
る。
【図2】本発明の実施例の変型例である匂い物質センサ
の斜視図である。
【図3】実施例の匂い物質センサを用いた匂い検出装置
の一部回路ブロック図である。
【図4】匂い物質吸着時の発振周波数の変化を示す図で
ある。
【図5】実施例の匂い物質センサにより検出されたアミ
ン類の匂いパターンを示す図である。
【図6】実施例の匂い物質センサにより検出されたアル
コール類の匂いパターンを示す図である。
【図7】実施例の匂い物質センサにより検出されたエス
テル類の匂いパターンを示す図である。
【図8】実施例の匂い物質センサにより検出されたカル
ボン酸類の匂いパターンを示す図である。
【図9】実施例の匂い物質センサにより検出されたケト
ン類の匂いパターンを示す図である。
【図10】実施例の匂い物質センサにより検出されたハ
ロゲン化物の匂いパターンを示す図である。
【図11】実施例の匂い物質センサにより検出された芳
香族の匂いパターンを示す図である。
【図12】従来の匂い物質センサの斜視図である。
【符号の説明】
1 匂い物質センサ 2、12 液晶片 3a、3b、3c、3d、3e 励振用電極 4 スリット 5 水晶片支持ベース 6a、6b、6c、6d、6e 電極引き出しリード 7 共通リード 8a、8b、8c、8d、8e 発振回路 9 スイッチ 10 周波数カウンタ 11 パターン検出部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭58−92908(JP,A) 特開 平5−18878(JP,A) 特開 平5−187986(JP,A) 特開 平5−72093(JP,A) 特開 平7−12695(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01N 5/02 H01L 41/00 - 41/26 H03H 9/00 - 9/76 JICSTファイル(JOIS)

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 スリットにより隔離されn個の振動領域
    を有する1枚の水晶振動子と、 上記n個の振動領域の一方の面に設けられ、共通接続さ
    れている第1の励振電極と上記n個の振動領域の他方の面に設けられ、前記n個の
    振動領域が互いに異なる共振周波数となるようにその厚
    みが設定されている第2の励振電極と少なくとも上記第2の励振電極に対しては 、各振動領域
    毎に異なる種類の匂い吸着物質が塗布されていることを
    特徴とする匂い物質センサ。
  2. 【請求項2】 所定の間隔を介してn個の振動領域に分
    割された1枚の水晶振動子と、 上記n個の振動領域の一方の面に設けられ、共通接続さ
    れている第1の励振電極と上記n個の振動領域の他方の面に設けられ、上記n個の
    振動領域が互いに異なる共振周波数となるようにその厚
    みが設定されている第2の励振電極と少なくとも上記第2の励振電極に対しては、各振動領域
    毎に 異なる種類の匂い吸着物質が塗布されていることを
    特徴とするに匂い物質センサ。
  3. 【請求項3】 n個の振動領域を有する1枚の水晶振動
    子と、 上記n個の振動領域の一方の面に設けられ、共通接続さ
    れている第1の励振電極と、 上記n個の振動領域の他方の面に設けられ、各振動領域
    が互いに異なる共振周波数となるようにその厚みが設定
    されている第2の励振電極と、 少なくと、上記第2の各励振電極に塗布されている異な
    る種類の匂い吸着物質と、 上記各n個の振動領域を各々振動子として用いるn個の
    発振回路と、 上記n個の発振回路の出力周波数を計数するカウンタ
    と、 上記カウンタによって検出された周波数変化がn軸の匂
    いパタ−ン図として出力される制御部とを備えているこ
    とを特徴とする匂い測定装置
  4. 【請求項4】上記カウンタは上記n個の発振回路に対し
    てスイッチを介して共通接続されていることを特徴とす
    る請求項3に記載の匂い測定装置
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