JP3918687B2 - におい測定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、未知のにおい（香気、臭気など全て含む）がどのような種類のにおいであるのか、或いはどの程度の強さのにおいであるのかを測定するにおい測定装置に関する。なお、本発明に係るにおい測定装置は、悪臭測定装置、食品や薬品などの品質検査や品質評価を行う装置など、幅広い分野に適用することが可能である。
【０００２】
【従来の技術】
従来、においの識別や評価は、実際に人間の嗅覚を用いて行われるのが一般的であった。しかしながら、実際に臭いを嗅ぐ人（パネル）の個人差やその日の体調によって嗅覚が変動することを想定する必要があるため、客観的な結果を精度良く得るためには、パネルを一定人数以上確保し、試験場所の環境等にも十分な配慮を必要とする。そのため、手間と時間が膨大なものとなる。また、このような配慮を行っても、人間の嗅覚はにおいに順応するという特性を有しているため、常に一定基準で確定的な判断を下すことは困難であった。
【０００３】
これに対し、近年、におい物質に対して応答するにおいセンサを利用したにおい測定装置が、特許文献１及び特許文献２などに開示されるとともに商品化されている（例えば島津製作所製のＦＦ−１など）。このようなにおい測定装置では、複数のにおいセンサにより取得された検出信号を基に、クラスター分析、主成分分析等の各種多変量解析処理、或いはニューラルネットワークを用いた非線形解析処理などを行って、複数の試料のにおいの離間距離（近い範疇のにおいであるかどうか）を求めることができる。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−３５２０８８号公報
【特許文献２】
特開２００２−２２６９２号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような従来のにおい測定装置は、複数の試料のにおいの類似性や相違性を判断することを主目的としたものであり、１つの試料のにおいの評価を客観的に行いたいような目的にはあまり適さない。また、同じ理由により、複数のにおい測定装置で別々に得られたにおいの測定結果を比較検討するのは困難であるという問題もあった。
【０００６】
また、上記のようなにおい測定装置に使用されるにおいセンサは、一般的に、その応答感度の経時変化が比較的大きい。そのため、従来次のような方法でその感度の補正が行われている。
（１）単一の標準においガスについて一定濃度のガスを校正の標準として測定し、その結果から補正係数等を算出し、においセンサ毎に補正演算を行う。
（２）複数の標準においガスについてそれぞれ一定濃度のガスを校正の標準として測定し、その測定結果の平均値又はその測定値から所定関数により導出した値を用いて補正係数等を算出し、においセンサ毎に補正演算を行う。
【０００７】
しかしながら、においセンサはその特性として不特定多数のにおいガスに対して感度を有しており、また、におい測定装置では殆どの場合、混合成分である未知においを成分分離することなくセンサセルに導入する構成であるため、校正の標準に用いたガス種以外のガス種に対してにおいセンサの感度変動が生じた場合には、上記のような補正が充分には機能せず誤差が大きくなった。更にまた、異なる装置にそれぞれ搭載されているにおいセンサの感度特性の違いに対しても、上記方法による補正は有効に機能しなかった。
【０００８】
本発明はこのような課題を解決するために成されたものであり、その主たる目的は、測定対象の試料が１つであっても、そのにおいの評価を客観性を以て行うことができるにおい測定装置を提供することにある。また、本発明の他の目的は、複数の装置間でにおい測定結果を共有し、においの性質や強さなどの比較を容易に行うことができるにおい測定装置を提供することにある。更に本発明の他の目的は、においセンサの経時変化等による感度変動を的確に補正して、精度の高い測定結果を得ることができるにおい測定装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために成された本発明に係るにおい測定装置は、
a)異なる応答特性を有するｍ（ｍは２以上の整数）個のにおいセンサと、
b)該ｍ個のにおいセンサの検出出力により形成されるｍ次元空間において、ｎ（ｎは２以上の整数）種類の既知の標準においの測定結果により、それぞれ基準においベクトルを作成して保持しておく基準ベクトル取得手段と、
c)前記ｍ次元空間内に未知試料の測定結果による測定点を位置付け、ｎ本の前記基準においベクトルのうちの少なくも２本の基準においベクトルを基準軸としてそれら基準軸に対する前記測定点の相対的な位置関係に基づいて、その未知試料が有する未知においの性質を表現する指標値、又は、未知においの性質を表現する指標値及び該未知においの強さの程度を表現する指標値、を算出する指標値算出手段と、
を備え、前記指標値算出手段は、前記測定点と前記少なくとも２本の基準軸との最短距離をそれぞれ求め、該距離に応じて、前記未知においの性質を表現する指標値として、該未知においの各標準においに対する類似度の比又はそれに相当する値を算出することを特徴としている。
【００１０】
【発明の実施の形態、及び効果】
或る１種の標準においをｍ個のにおいセンサで測定すると、各においセンサからそれぞれ強度信号が出力されるため、ｍ個のデータが得られる。これらは数学的には、ｍ次元におい空間における１つの点（測定点）で表される。或る１種の標準においについて濃度が相違した複数の標準試料をそれぞれ測定すると、その濃度変化に伴ってｍ次元におい空間内での上記測定点は或る方向に移動するから、その測定点を繋ぐ１本のベクトル（本明細書ではこのベクトルを「においベクトル」と呼ぶ）を考えることができる。このにおいベクトルは、そのにおいの種類に特有な向きを有する。本発明に係るにおい測定装置において、基準ベクトル取得手段はｎ種類の標準におい毎にこうしたにおいベクトルを作成し、例えばその基準においベクトルを表現するデータをメモリに格納しておく。
【００１１】
一方、未知試料の測定結果も、上述したようなｎ本の基準においベクトルが形成されたｍ次元空間内において、或る１個の測定点として位置付けられる。上記ｎ本の基準においベクトルのうちの少なくとも２本の基準においベクトルをにおいの基準軸と考え、指標値算出手段は、その複数の基準軸で形成される空間内における未知においの測定点の位置、換言すれば、複数の基準軸に対する測定点の相対的な位置付けに基づいて、未知においの性質を表現する指標値や未知においの強さの程度を表現する指標値を算出する。
【００１２】
なお、ここで「ｎ本の基準においベクトルのうちの少なくとも２本」としているのは、場合によっては、或る標準においが未知においに全く寄与しないことが予めわかっていることがあり、そのときには、寄与しない標準においによる基準においベクトルを始めから除外して考えたほうが精度の向上が図れるためである。また、ここでは、におい成分の濃度変化に対する点の移動の方向性を明確にするために「ベクトル」という文言を用いているが、実際には、におい成分の濃度に対するセンサ出力をｍ次元空間内で表現した曲線（直線となる場合もあり得る）とみることもできる。従って、「基準においベクトル」は単に「基準におい曲線」と言い換えても構わない。
【００１３】
本発明に係るにおい測定装置では、特に、上記指標値算出手段は、測定点と少なくとも２本の基準軸との最短距離をそれぞれ求め、該距離に応じて、前記未知においの性質を表現する指標値として、該未知においの各標準においに対する類似度の比又はそれに相当する値を算出する。
【００１４】
すなわち、単に、測定点と或る１本の基準においベクトル（又は基準軸）との関係に基づいて未知においに寄与するその標準においの類似度を求めるのではなく、複数の基準においベクトルとの相対的な位置関係に基づいて、各標準においに対する類似度の比を求める。これにより、複数の標準においに対するその未知においの位置付けが明確になり、単に各基準においベクトルに対する類似度で表現する場合に比べて、未知においの性質をより的確に且つ正確に表現することができる。
【００１５】
また、本発明に係るにおい測定装置において、指標値算出手段は、嗅覚閾値又はそれに相当する換算基準値を用い、人間の嗅覚特性を反映した類似比又はそれに相当する値を算出する構成とすることができる。ここで、嗅覚閾値とは人間が感知できる最小のにおい強度を表す値であり、におい成分毎に定めることができる。この構成によれば、複数のにおいの比較などを行う場合に、人間の官能評価に近い判断を下すことができる。
【００１６】
このように本発明に係るにおい測定装置によれば、予め複数の標準においを測定しておくことによって、或る１つの未知試料の測定で得られた結果からその未知試料が有する未知においの客観的な評価を行うことができる。それによって、複数の未知のにおいの比較や類似性の判断も行い易くなる。また、においの測定結果はその装置特有のものでなく他の装置でも共有できるので、複数の装置で別々に測定した結果を比較することができ、におい測定の応用範囲が広がる。
【００１７】
また、本発明に係るにおい測定装置では、濃度が既知であるような標準試料の実際の測定により作成される基準においベクトルが、未知試料の位置を示す一種の基準となるので、たとえにおいセンサに感度変動が起こっても、その変動後の測定により基準においベクトルを更新することによって、においセンサの変動要因は吸収され、いわば自動的に校正された状態となる。従って、煩雑で面倒な補正処理を行う必要がなく、常に高い正確性でにおいの性質や強さを評価することができる。また、異なる装置についても各装置で基準においベクトルを頻繁に更新することにより、装置個体差が一層軽減され、においの比較の正確性が一層向上する。
【００１８】
【実施例】
以下、本発明の一実施例であるにおい測定装置について、図面を参照しつつ説明する。図１は本実施例によるにおい測定装置のブロック構成図である。
【００１９】
本実施例のにおい測定装置は、試料を吸引するための吸入口１、吸引した試料に前処理を施す前処理部２、未知試料又は標準におい成分を含む標準試料を測定するための、応答特性が異なる複数（この例では６個）のにおいセンサ３１〜３６を備えたセンサセル３、未知試料又は標準試料をセンサセル３に引き込むためのポンプ４、においセンサ３１〜３６による検出信号を解析処理する信号処理部５、解析処理の出力をディスプレイ画面上に表示する表示部６、本装置全体の動作を制御する制御部７、等から構成される。
【００２０】
前処理部２では、試料に含まれる水分の除去、試料の濃縮／希釈、妨害ガスの除去等が行われる。においセンサ３１〜３６は、例えばにおい成分に応じて抵抗値が変化する酸化物半導体センサであるが、導電性高分子センサや、水晶振動子やＳＡＷデバイスの表面にガス吸着膜を形成したセンサなど、他の検出手法によるセンサでもよい。信号処理部５（及び制御部７）はパーソナルコンピュータを中心に構成され、該コンピュータ上で所定のプログラムを実行することにより、ピーク抽出部５１、ベクトル演算部５２、基準ベクトル記憶部５３、演算処理部５４、嗅覚閾値記憶部５５、等として機能する。
【００２１】
次いで、本実施例のにおい測定装置による測定手順を説明する。本におい測定装置では、予め複数種類のにおい成分をそれぞれ単独で含む標準試料を測定して基準データとして保持しておく。標準試料は、例えばボンベ（気体）、液体、固体から発生する原料ガスを混合・希釈することにより調製される。原料ガスは、常温でガスのものについてはガスボンベに封入しておき、一定量を取り出して使用すればよい。液体の場合はガラス容器等に入れ、所定温度に保ったり窒素ガスをバブリングしたりすることによりにおいを発生させればよい。また、固体のものは、所定温度に保つことによりにおいを発生させればよい。
【００２２】
標準においとしては適宜に選ぶことができるが、例えばトルエン、ｎ−ブタノール、酢酸エチル、トリメチルアミン、メチルメルカプタン、酪酸、ブチルアルデヒドの７種類を使用する。これらはそれぞれ同系列のにおい質群を代表するものとして選定され、トルエンは芳香族系の代表、ｎ−ブタノールはアルコール系の代表、酢酸エチルはエステル系の代表、トリメチルアミンはアミン系の代表、メチルメルカプタンは硫黄系の代表、酪酸は有機酸系の代表、ブチルアルデヒドはアルデヒド系の代表である。但し、これは一例であって、適宜に選べることは前述の通りである。
【００２３】
上記７種類の標準においについて、それぞれ複数段階に濃度を変えて調製した標準試料を吸入口１に供給し、ポンプ４を作動させることにより該標準試料をセンサセル３に引き込む。センサセル３に導入された標準試料がにおいセンサ３１〜３６に接触すると、各においセンサ３１〜３６からそれぞれ異なる検出信号が並列に出力される。信号処理部５においてピーク抽出部５１は、１系統の出力信号の時間的変動の中で極大点（ピークトップ）を捉え、各においセンサ３１〜３６毎に１つずつの検出信号を得る。もちろん、ピークトップを検出信号とするほかに、例えばピーク面積を用いる等、適宜に変形を行うことができる。従って、ピーク抽出部５１では、１個の標準試料に対して全部で６個の測定データＤＳ１，ＤＳ２，ＤＳ３，ＤＳ４，ＤＳ５，ＤＳ６が得られる。６個のにおいセンサ３１〜３６による検出信号をそれぞれ異なる方向の軸として形成される６次元におい空間を考えると、上記６個の測定データは６次元におい空間内の或る１点（ＤＳ１，ＤＳ２，ＤＳ３，ＤＳ４，ＤＳ５，ＤＳ６）で表すことができる。
【００２４】
濃度の相違する同一標準においを含む標準試料による測定点は、上記６次元におい空間において濃度変化に応じて移動するから、ベクトル演算部５２は同一標準においに対して取得された複数の測定点に基づいて１本の基準においベクトルを作成する。そして、上記７種類の標準においを測定することにより、７本の基準においベクトルＳ１〜Ｓ７を算出し、その基準においベクトルを表現するデータを基準ベクトル記憶部５３に格納する。この基準ベクトル記憶部５３に格納されるデータが、未知試料に含まれるにおいの性質や強度などを推算する際の基準データである。また、嗅覚閾値記憶部５５には、各標準においに対応した嗅覚閾値を予め格納しておく。
【００２５】
６次元空間を図示するのは難しいので、ここでは理解を容易にするために、図２に示すような、第１、第２なる２個のにおいセンサの検出信号ＤＳ１，ＤＳ２により形成される２次元におい空間で考えることとする。この２次元におい空間内において、或る１つの標準試料に対する第１、第２においセンサによる２個の測定データは或る１点（ＤＳ１，ＤＳ２）で表され、第１、第２なる２種類の標準においの測定結果は、それぞれ第１、第２基準においベクトルＳ１、Ｓ２として例えば図２に示すように描かれる。
【００２６】
測定対象である未知試料を測定する際には、吸入口１に該未知試料を供給し、ポンプ４を作動させて未知試料をセンサセル３に引き込む。このとき６個のにおいセンサ３１〜３６による出力信号は上述したようにピーク抽出部５１に与えられ、各においセンサ３１〜３６毎に１つずつの検出信号が得られ演算処理部５４へと入力される。
【００２７】
未知試料が有している未知においの成分は不明であるが、その性質や濃度を推算する仮定として、上記７種類の標準においのうちの２種類以上のにおいの合成臭であると仮定する。そして、その仮定の下で、基準ベクトル記憶部５３に格納されている７本の基準においベクトルＳ１〜Ｓ７を利用し、未知においの性質を表す指標値として、各標準においに対する類似度の比（類似比）を算出する。具体的には、例えば次のような方法による。
【００２８】
簡単のために、未知においは第１、第２標準においの合成臭として表現できるものとし、図２に示す２次元におい空間で説明する。未知においを表す測定点Ｐは、２次元におい空間内で図２に示すように位置付けられる。いま、測定点Ｐが基準においベクトルＳ１又はＳ２上に位置していれば、その未知においは第１又は第２標準においであると考えることができる。また、測定点Ｐが基準においベクトルＳ１又はＳ２上に位置していない場合、測定点Ｐが基準においベクトルＳ１、Ｓ２に近いほどその標準においに近い種類のにおいであると考えることができ、逆に距離が遠いほど遠い種類のにおいであると考えることができる。
【００２９】
そこで、ここでは第１、第２基準においベクトルＳ１、Ｓ２をそれぞれ測定点Ｐの位置を表すための第１、第２基準軸とする。そして、測定点Ｐと第１基準軸との最短距離として、測定点Ｐから第１基準においベクトルＳ１への正射影をとったときの該ベクトルＳ１上の点Ｑ１と測定点Ｐとの距離ｄ１を得る。同様に測定点Ｐと第２基準軸との最短距離として、測定点Ｐから第２基準においベクトルＳ２への正射影をとったときの該ベクトルＳ２上の点Ｑ２と測定点Ｐとの距離ｄ２を得る。
【００３０】
このとき、未知においの第１、第２標準においに対する類似度を各距離ｄ１、ｄ２の逆数（１/ｄ１）、（１/ｄ２）と定義し、この類似度の総和を１とするように、次式により第１、第２標準においに対する類似比α１、α２を定義する。
α１＝（１/ｄ１）/［（１/ｄ１）＋（１/ｄ２）］
α２＝（１/ｄ２）/［（１/ｄ１）＋（１/ｄ２）］
ここでα１は未知においに対する第１標準においの寄与割合、α２は未知においに対する第２標準においの寄与割合とみることができる。また、この類似比α１、α２は未知においが１個以上の標準においの混合で表されるとした場合の混合比率に相当する。
【００３１】
なお、上記説明は未知においが２種類の標準においの合成臭であるとした場合の例であるが、３種類以上の標準においの合成臭であると仮定する場合でも、上記と同様にして各標準においの類似比を算出することができることは明らかである。
【００３２】
ところで、各においセンサ３１〜３６において、におい成分の濃度とその検出出力との関係が線形である場合には、においベクトルは図２に示したように直線形状となるが、におい成分の濃度と検出出力との関係が線形でない場合には、においベクトルはｍ次元におい空間内で、図３に示すように例えば湾曲した曲線形状となる。その場合でも、上記趣旨に基づき、未知試料の測定点Ｐから第１、第２基準においベクトルＳ１、Ｓ２までの距離が最短となる各ベクトル上の点Ｑ１、Ｑ２を探索し、その距離ｄ１、ｄ２を求めればよい。
【００３３】
また、演算処理部５４では、次のようにして未知においのにおい強度を求める。図２で説明すると、未知においの測定点Ｐから各標準においベクトルＳ１、Ｓ２に対する正射影をとり、その正射影ベクトルの長さＬ１、Ｌ２に相当する標準においの濃度を、その未知においにおける各標準においの基本濃度として定義する。そして、この各基本濃度にそれぞれ類似比α１、α２を乗じることによって補正した結果を、各標準におい相当の換算濃度とする。すなわち、第１標準におい相当の換算濃度β１及び第２標準におい相当の換算濃度β２は次式で求まる。
β１＝ Ｌ１×α１
β２＝ Ｌ２×α２
【００３４】
更に、この換算濃度β１、β２を、嗅覚閾値記憶部５５に格納してある第１、第２標準においの嗅覚閾値（又は官能試験との対応値）で除することにより、臭気濃度（又は官能相当）の濃度に変換することができる。特に、臭気指数（臭気強度）が既知であるような標準においを用いた場合には、濃度を算出するのみならず、その濃度を臭気指数（臭気強度）に換算することができる。なお、このとき、総合臭気指数（臭気強度）として、最大値モデルを採用する場合には各標準においのうちの最大のものを使用して臭気指数を算出し、一方、総加モデルを採用する場合には各標準においの臭気指数を一旦臭気濃度に換算し、それら全てを加え合わせた後に臭気指数を算出すればよい。
【００３５】
また、上記類似比α１、α２は人間の嗅覚特性が考慮されていないが、上述したように、各標準におい相当の換算濃度を算出した後に、その換算濃度を各標準においの嗅覚閾値で除した値を基に、官能類似比を算出することができる。例えば、或る未知においが標準においＡと標準においＢで構成され、標準においＡ及びＢの相当濃度がいずれも１［ppm］であったとき、標準においＡの嗅覚閾値が１［ppm］、標準においＢの嗅覚閾値閾が２［ppm］であるとすると、標準においＡの官能類似度１に対して、標準においＢの官能類似度は０．５となり、官能上では標準においＡに対しより類似性が高いと評価することができる。
【００３６】
信号処理部５にあって演算処理部５４は上述したような各種の演算処理を実行し、こうして算出した類似比や臭気強度等の値を表示部６の画面上に表示させたり、或いは図示しない印刷部から印刷出力する。
【００３７】
以上述べたように、本実施例によるにおい測定装置では、未知試料の測定結果を複数の標準においに対する類似比で表現することができる。具体的には、例えば或る未知においの測定結果として類似比がα１＝０．８、α２＝０．２と求まり、その未知においの性質を捉え易くなる。また、こうした類似比を導入すると未知においに寄与する濃度の算出精度も向上し、結果的に臭気強度等の指標値の算出精度も向上する。この点については、後で測定例を挙げて説明する。
【００３８】
また、本におい測定装置では、未知においの測定結果を一旦、基準軸に反映させて解析を行うことになるが、基準軸は濃度が既知である標準においの測定結果で更新されるため、においセンサの感度変動を基準軸が吸収する。従って、できるだけ高い頻度で標準においの測定を行い、基準ベクトル記憶部５３に格納してあるデータを最新のものに更新するようにすることによって、においセンサの感度変動を確実に校正して高い精度の測定が行える。
【００３９】
次に、上記実施例のにおい測定装置を用いた測定の一例について説明する。
ここでは、擬似的な未知試料として、図４（Ａ）に示すように、トルエンとブタノールとを所定濃度含有するような２種類の試料（試料名ａ及びｂ）を調製した。なお、トルエンの嗅覚閾値は０．３３、ブタノールの嗅覚閾値は０．０３８である。
【００４０】
上記におい測定装置において、標準においとしてトルエンガス及びブタノールガスの濃度を変えてそれぞれ測定し、その２種類の標準においによる２本の基準においベクトルを作成して、それを表現するデータを基準ベクトル記憶部５３に格納する。次に、上記擬似試料ａ及びｂを同様にそれぞれ測定し、第１、第２基準においベクトルＳ１、Ｓ２であるトルエン軸及びブタノール軸に対する距離とトルエン軸及びブタノール軸上での換算濃度を算出した。その結果を図４（Ｂ）に示す。
【００４１】
そして、この距離と換算濃度とから類似比を求め、トルエン相当濃度、ブタノール相当濃度を推算し、更に臭気濃度と臭気指数とを算出した。その結果を図４（Ｃ）に示す。すなわち、この図４（Ｃ）が上記擬似試料ａ、ｂを本におい測定装置により測定した結果である。図４（Ｃ）の結果と図４（Ａ）に示す実際の臭気指数とを比べると、かなり近い値となっており、本装置によって未知においの臭気指数がかなり正確に求まることが判る。
【００４２】
なお、上記実施例はいずれも本発明の一例であって、本発明の趣旨の範囲で適宜変更や修正を加えることができることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施例によるにおい測定装置のブロック構成図。
【図２】 本発明のにおい測定装置の測定原理の説明図。
【図３】 本発明のにおい測定装置の測定原理の説明図。
【図４】 本実施例のにおい測定装置による測定例の説明図。
【符号の説明】
１…吸入口
２…前処理部
３…センサセル
３１〜３６…においセンサ
４…ポンプ
５…信号処理部
５１…ピーク抽出部
５２…ベクトル演算部
５３…基準ベクトル記憶部
５４…演算処理部
５５…嗅覚閾値記憶部
６…表示部
７…制御部

Claims (2)

1. a)異なる応答特性を有するｍ（ｍは２以上の整数）個のにおいセンサと、
   b)該ｍ個のにおいセンサの検出出力により形成されるｍ次元空間において、ｎ（ｎは２以上の整数）種類の既知の標準においの測定結果により、それぞれ基準においベクトルを作成して保持しておく基準ベクトル取得手段と、
   c)前記ｍ次元空間内に未知試料の測定結果による測定点を位置付け、ｎ本の前記基準においベクトルのうちの少なくも２本の基準においベクトルを基準軸としてそれら基準軸に対する前記測定点の相対的な位置関係に基づいて、その未知試料が有する未知においの性質を表現する指標値、又は、未知においの性質を表現する指標値及び該未知においの強さの程度を表現する指標値、を算出する指標値算出手段と、
   を備え、前記指標値算出手段は、前記測定点と前記少なくとも２本の基準軸との最短距離をそれぞれ求め、該距離に応じて、前記未知においの性質を表現する指標値として、該未知においの各標準においに対する類似度の比又はそれに相当する値を算出することを特徴とするにおい測定装置。
2. 前記指標値算出手段は、嗅覚閾値又はそれに相当する換算基準値を用い、人間の嗅覚特性を反映した類似度の比を又はそれに相当する値を算出することを特徴とする請求項１に記載のにおい測定装置。

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