JP4780771B2

JP4780771B2 - 匂いセンシングシステム

Info

Publication number: JP4780771B2
Application number: JP2006138066A
Authority: JP
Inventors: 高道中本; 健治青木; 恒郎大木; 慎吾赤尾; 琢也中務; 教尊中曽
Original assignee: Tokyo Institute of Technology NUC; Toppan Inc
Current assignee: Tokyo Institute of Technology NUC; Toppan Inc
Priority date: 2006-05-17
Filing date: 2006-05-17
Publication date: 2011-09-28
Anticipated expiration: 2026-05-17
Also published as: JP2007309752A

Description

本発明は、匂いの元となる気体分子を高感度に検出し、ロバスト性を向上した匂いセンシングシステムに関する

近年、匂いセンシングシステムが、食品や飲料・化粧品・環境計測等の多くの分野で必要とされている。

例えば、食品や香料などの品質管理においては、通常、いわゆる“鼻の利く専門家”が存在し、この専門家により匂いの異常を検査するための官能検査が実施される。しかし、このような専門家による官能検査は鼻の疲労等により安定した検査結果を得ることが難しい。また、官能検査の専門家を育成するのには長い年月を要するので、検査の必要時に応じて専門家を確保することは困難である。このような理由から、安定した検査結果を得ることができる匂いセンシングシステムの必要性が増してきている。

匂いセンシングシステムは、例えば図２０に示すように、特性の異なる複数のセンサＵ１〜Ｕ３の出力パターンを多変量解析したり、ニューラルネットワーク等を用いたパターン認識をしたりして、匂いの元となる気体分子を特定することにより匂いを識別するものである。なお、パターン認識をする際には、特定の匂いに特異的に応答するセンサを用いるのではなく、生体の嗅細胞と同様に、緩やかな選択性を持ち多数の匂いに応答するセンサを用いる。また、生体の嗅細胞においては、匂いの応答特性の異なる多数の嗅細胞の出力パターンを嗅覚神経系でパターン認識することにより匂い認識が行われる。

匂いセンシングシステムに用いられるセンサとしては、特に水晶振動子ガスセンサが挙げられる（例えば、非特許文献１参照）。水晶振動子ガスセンサは、応答・回復速度が速いので測定時間を短縮することができるからである。また、水晶振動子ガスセンサを用いる他の利点として、人間の感覚とセンサ出力との相関が高いこと、簡便な測定回路で安定に動作すること、信号処理用ディジタルＬＳＩとの整合性が良いこと、といった点が挙げられる。
中本高道、森泉豊栄，"匂いセンシングシステム"，「電子情報通信学会論文誌（Ｃ−Ｉ）」，１９９９年４月，Ｖｏｌ．Ｊ８２−Ｃ−ＩＮｏ．４，ｐ．１５６−１６４

上述したような従来の水晶振動子ガスセンサは、例えば図２１に示すように５０〜２００μｍ程度の薄い水晶板Ｐの上下に銀・金等の金属薄膜電極Ｅが形成され、電極Ｅ上に感応膜Ｍが塗布される。この感応膜Ｍに匂い分子が吸着すると、質量負荷効果が生じる。そこで、水晶振動子ガスセンサでは、質量負荷効果による水晶振動子からの発振周波数の変化に基づいて、匂いの元となる気体分子を識別する。

しかしながら、本発明者らの検討によれば、従来の水晶振動子ガスセンサでは感度が乏しく、その結果、匂いの識別の結果が安定しなかった。また、測定条件により結果が安定せず、ロバスト性が低いものであった。

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、匂いの元となる気体分子を高感度に検出し、ロバスト性を向上した匂いセンシングシステムを提供することを目的とする。

本発明は上記課題を解決するために以下の手段を講じる。

請求項１に対応する発明は、匂いの元となる気体が流入するセンサセルと、前記センサセル内に設けられた複数の弾性表面波素子と、前記各弾性表面波素子からの弾性表面波の検出信号に基づいて、前記センサセル内の匂いを識別する匂識別装置とを備えた匂いセンシングシステムであって、前記各弾性表面波素子は、球状の圧電結晶部材からなり、前記弾性表面波を多重周回させて伝搬可能な伝搬面を有する３次元基材と、前記各弾性表面波素子の伝搬面上に形成され、前記気体の種類に応じて異なる選択性を有する感応膜と、前記匂識別装置から入力される高周波信号に応じた弾性表面波を前記伝搬面に励起する励起手段と、前記励起手段により励起されて前記伝搬面を多重周回する弾性表面波を検出する検出手段とを備え、前記匂識別装置は、前記各感応膜に付着する気体の付着量を示す基準パターン情報を、該気体の種類毎に予め記憶する基準パターン記憶手段と、前記気体を、前記センサセルに流入させるための手段と、前記励起手段に高周波信号を入力して前記弾性表面波を励起するための手段と、前記検出手段により検出される弾性表面波の検出信号を収集する信号収集手段と、前記信号収集手段により収集される検出信号から、前記各感応膜に付着する気体の付着量を示す検出パターン情報を生成する検出パターン生成手段と、前記基準パターン記憶手段により記憶されている基準パターン情報と前記検出パターン生成手段により生成される検出パターン情報とを比較し、前記気体の種類を特定して匂いを識別する匂識別手段とを備え、前記センサセルには、同心円状に前記各弾性表面波素子が配置され、前記センサセルは、前記同心円の中心に前記気体が吸気あるいは排気される噴入あるいは噴出口を有するとともに、前記各弾性表面波素子が配置された同心円より外側に前記気体が排気あるいは吸気される噴出あるいは流入口を有し、前記センサセル内の前記弾性表面波素子の伝搬面が、前記同心円状に配置される前記各弾性表面波素子によって形成される面と平行である匂いセンシングシステムである。

請求項２に対応する発明は、請求項１に対応する匂いセンシングシステムにおいて、前記検出パターン生成手段は、前記弾性表面波を多重周回する際の検出信号の強度減衰量に基づいて、前記気体の付着量を算出する手段をさらに備えた匂いセンシングシステムである。

請求項３に対応する発明は、請求項１または請求項２に対応する匂いセンシングシステムにおいて、前記検出パターン生成手段は、前記弾性表面波を多重周回する際の検出信号の強度減衰量情報に加えて、該弾性表面波の周回速度変化に対応する信号の遅延時間変化または共振周波数変化に基づいて、前記気体の付着量を算出する手段をさらに備えた匂いセンシングシステムである。

請求項４に対応する発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか1項に対応する匂いセンシングシステムにおいて、前記検出パターン生成手段は、前記弾性表面波を多重周回する際の検出信号の位相変化量または共振周波数の変化量に基づいて、前記気体の付着量を算出する手段をさらに備えた匂いセンシングシステムである。

請求項５に対応する発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に対応する匂いセンシングシステムにおいて、前記センサセルは、複数積層されており、積層される境界で接続するセンサセルの前記流入口と噴出口とが接続される匂いセンシングシステムである。

なお、本発明は、各装置の集合体を「システム」として表現したが、これに限らず、各装置毎に「装置」又は「プログラム」として表現してもよく、また、システム又は各装置毎に「方法」として表現してもよい。すなわち、本発明は、任意のカテゴリーで表現可能となっている。

本発明において弾性表面波と称する場合、球形表面あるいは球形の境界にそってエネルギーを集中して伝搬する弾性波全般を指す事とする。例えばセザワ波のように多少エネルギーを球形基材に漏洩しながら伝搬するものや、SH波、また表面に膜を有する場合に伝搬可能なラブ波、あるいは球形の空洞の内壁を伝搬するもの、回廊波も指す事とする。

＜作用＞
従って、本発明は以上のような手段を講じたことにより、以下の作用を有する。

請求項１に対応する発明は、センサセル・複数の球状弾性表面波素子・匂識別装置を備えた匂いセンシングシステムであって、各球状弾性表面波素子は、伝搬面上に、気体の種類に応じて異なる選択性を有する感応膜を備え、匂識別装置は、各感応膜に付着する気体の付着量を示す基準パターン情報を、気体の種類毎に予め記憶する基準パターン記憶手段と、収集される検出信号から各感応膜に付着する気体の付着量を示す検出パターン情報を生成する検出パターン生成手段と、基準パターン情報と検出パターン情報とを比較し、両者が一致するときの基準パターン情報に基づき、気体の種類を特定して匂いを識別する匂識別手段とを備えているので、匂いの元となる気体分子を高感度に検出して、ロバスト性を向上した匂いセンシングシステムを提供することができる。また、請求項１に対応する発明は、センサセルには、同心円状に各弾性表面波素子が配置され、センサセルは、同心円の中心に気体が吸気あるいは排気される噴入あるいは噴出口を有するとともに、前記各弾性表面波素子が配置された同心円より外側に前記気体が排気あるいは吸気される噴出あるいは流入口を有するので、噴出口から噴出される気体が各球状弾性表面波素子に到達するまでの距離を等しくすることができる。また、請求項１に対応する発明において、各球状弾性表面波素子の３次元基材は、球状の圧電結晶部材からなるので、弾性表面波を周回させる伝搬路を形成することができる。

請求項２に対応する発明は、請求項１に対応する作用に加え、検出パターン生成手段は、弾性表面波を多重周回させた後の検出信号の強度減衰量に基づいて、気体の付着量を算出する手段を備えているので、基準パターン情報と一致するか否かを高確度に判定することができる検出パターン情報を生成できる。

請求項３に対応する発明は、請求項１・２に対応する作用に加え、検出パターン生成手段は、弾性表面波を多重周回する際の検出信号の強度減衰量情報に加えて、弾性表面波の周回速度変化に対応する信号の遅延時間変化または共振周波数変化に基づいて、気体の付着量を算出する手段を備えているので、基準パターン情報と一致するか否かを高確度に判定することができる検出パターン情報を生成できる。

請求項４に対応する発明は、請求項１〜３に対応する作用に加え、検出パターン生成手段は、弾性表面波を多重周回する際の検出信号の位相変化量または共振周波数の変化量に基づいて、前記気体の付着量を算出する手段を備えているので、基準パターン情報と一致するか否かを高確度に判定することができる検出パターン情報を生成できる。

請求項５に対応する発明は、請求項１〜４に対応する作用に加え、センサセルは、複数積層されており、積層される境界で接続するセンサセルの流入口と噴出口とが接続されるので、ガスの成分や温度の均一性を向上することができる。

本発明によれば、匂いの元となる気体分子を高感度に検出し、ロバスト性を向上した匂いセンシングシステムを提供できる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

＜第1の実施形態＞
（１−１．構成）
図１は本発明の第１の実施形態に係る匂いセンシングシステム５の構成を示す模式図である。

匂いセンシングシステム５は、センサセル１０と球状弾性表面波素子２０・匂識別装置３０とを備えている。また、匂いセンシングシステム５においては、球状弾性表面波素子２０がセンサセル１０内に設けられ、この球状弾性表面波素子２０からの検出信号に基づいて、センサセル１０内の匂いを匂識別装置３０により識別する。なお、本実施形態において、物品を総括的に説明する場合、単に数字を表記し、個別的に説明する場合、数字に添え字Ａ〜Eを付して表記する。例えば、球状弾性表面波素子を総括的に説明する場合、球状弾性表面波素子２０と表記し、個別的に説明する場合、球状弾性表面波素子２０Ａ〜２０Ｅと表記する。

センサセル１０は、匂いの元となる気体Ｇが流入する容器であり、流入管１１と排気管１２・セル制御部１３とを備えている。さらに、センサセル１０は、球状弾性表面波素子２０Ａ〜２０Ｅを支えるための支持体１４Ａ〜１４Ｅを内部に備えている。

流入管１１は、センサセル１０内部に気体Ｇを流入するものであり、セル制御部１３により制御される。具体的には、円筒形の流入管１１の側面に数個の噴出口があいており、気体Ｇが噴出されるようになっている。

排気管１２は、センサセル１０内の気体を排気するものである。すなわち、流入管１１により流入される気体Ｇがセンサセル１０内に残留しないようにするために、匂いを識別するタイミングに応じて、センサセル１０内の気体を排気するのものである。

セル制御部１３は、センサセル１０を制御するものである。具体的には、流入管１１を介してセンサセル１０内に気体Ｇを流入するタイミングを制御したり、支持体１４を介して球状弾性表面波素子２０との電気信号の入出力を制御したりするものである。なお、セル制御部１３は、後述する匂識別装置３０の制御部３２から流入制御信号や励起制御信号を受けると、各制御を実行する。

支持体１４Ａ〜１４Ｅは、それぞれ球状弾性表面波素子２０Ａ〜２０Ｅをセンサセル１０内に支持するものである。また、各球状弾性表面波素子２０Ａ〜２０Ｅに対し電気信号の伝達を行なう機能を有している。これにより、セル制御部１３からの励起制御信号に基づき、弾性表面波を励起することができる。

球状弾性表面波素子２０は、図２に示すように、３次元基材２１と感応膜２２・すだれ状電極２３とを備える。なお、本実施形態では、５個の球状弾性表面波素子２０Ａ〜２０Ｅを使用する。

３次元基材２１は、弾性表面波を、多重周回させて伝搬可能な伝搬面Ｓを有する球状の部材である。例えば、水晶により３次元基材２１を形成することができる。また、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）・タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）・ランガサイト（Ｌａ_３Ｇａ_５ＳｉＯ_１４）等を用いて形成することもできる。

感応膜２２Ａ〜２２Ｄは、球状弾性表面波素子２０Ａ〜２０Ｄの伝搬面ＳＡ〜ＳＤに形成される有機薄膜である。また、感応膜２２Ａ〜２２Ｄは、気体の種類に応じて異なる選択性を有するものである。具体的には、感応膜２２Ａ〜２２Ｄとして、ＰｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅＧｌｙｃｏｌ１０００（ＰＥＧ１０００），ＳｉｐｏｎａｔｅＤＳ−１０，Ａｐｉｅｚｏｎ−Ｌ，ＴｒｉｃｒｅｓｙｌＰｈｏｓｐｈａｔｅ（ＴＣＰ）がそれぞれ伝搬面ＳＡ〜ＳＤに形成される。他にも、ＰｏｌｙｐｈｅｎｙｌＥｔｈｅｒ，Ｃｅｒｅｂｒｏｓｉｄｅｓ，Ｔｈｅｒｍｏｌ−１，Ｖｅｒｓａｍｉｄ９００，ＥｔｈｙｌＣｅｌｌｕｌｏｓｅを用いることができる。

なお、感応膜２２Ａ〜２２Ｄを形成する際には、スプレイ法を用いることができる。また、霧化器を用いて形成することもできる。霧化器を用いて感応膜を形成すると、スプレイ法よりも薄く均一にコーティングすることができる。霧化器を用いた方法によれば、３次元基材２１を測定治具に固定した状態でコーティングすることができ、コーティング量は、弾性表面波の伝搬速度の遅延から求められる。

なお、球状弾性表面波素子２０Ｅは、参照信号を得るためのものであるので、その伝搬面ＳＥには感応膜を形成しない。

すだれ状電極（励起手段／検出手段）２３は、匂識別装置３０から高周波信号が入力された場合、弾性表面波を伝搬面Ｓに励起する電気音響変換手段である。詳しくは、すだれ状電極２３に高周波の交流電流が流れると、その周波数と電極周期に応じてすだれ状電極２３の電極部が振動し、弾性表面波が発生する。また、すだれ状電極２３は、弾性表面波が伝搬面Ｓを周回する度に検出する。なお、検出した弾性表面波の検出信号Ｓｉｇは、匂識別装置３０の信号収集部３３に送出される。

匂識別装置３０は、基準パターン記憶部３１と制御部３２・信号収集部３３・検出パターン生成部３４・匂識別部３５・出力部３６とを備え、各球状弾性表面波素子２０Ａ〜２０Ｅからの弾性表面波の検出信号に基づいて、センサセル１０内の匂いを識別する。

基準パターン記憶部３１は、各感応膜２２Ａ〜２２Ｄに付着する気体分子の付着量を、基準パターン情報Ｄ１〜Ｄｎとして、気体Ｇ１〜Ｇｎの種類毎に予め記憶しているメモリである。例えば、気体として、アップルの匂いを生じる気体Ｇ１（以下、アップル臭と称する）、パイナップルの匂いを生じる気体Ｇ２（以下、パイナップル臭と称する）、オレンジの匂いを生じる気体Ｇ３（以下、オレンジ臭と称する）を予め準備しておく。そして、図３（Ａ）〜図３（Ｃ）にそれぞれ示すように、アップル臭Ｇ１・パイナップル臭Ｇ２・オレンジ臭Ｇ３の分子が各感応膜２２Ａ〜２２Ｄに付着する付着量を、それぞれアップルの基準パターン情報Ｄ１・パイナップルの基準パターン情報Ｄ２・オレンジの基準パターン情報Ｄ３として記憶する。

制御部３２は、匂識別装置３０の各処理部３１〜３６を制御するとともに、センサセル１０に制御信号を送出するものである。具体的には、センサセル１０のセル制御部１３に流入制御信号を送出することにより、センサセル１０内に気体Ｇを流入させるための制御を行なう機能を有する。また、センサセル１０の制御部１３を介して、弾性表面波素子２０のすだれ状電極２３に高周波信号を入力する制御を行なうことにより弾性表面波を伝搬面Ｓ上に励起する機能を有する。

信号収集部３３は、すだれ状電極２３により検出される弾性表面波の検出信号を収集するものである。また、収集した検出信号Ｓｉｇを検出パターン生成部３４に送出する。

検出パターン生成部３４は、信号収集部３３により収集される検出信号Ｓｉｇから、各感応膜２２Ａ〜２２Ｄに付着する気体分子の付着量を当該感応膜２２Ａ〜２２Ｄの種類毎に示す検出パターン情報Ｄｘを生成するものである。具体的には、弾性表面波を多重周回させた後の検出信号の強度減衰量に基づいて、気体分子の付着量を算出する。例えば、弾性表面波が伝搬面Ｓを５周したときの検出信号の強度が、図４に示すように、気体Ｇの流入前後で波形Ａ１にから波形Ａ２に変化したときに、波形の強度減衰量に基づいて気体の付着量を算出する。また、弾性表面波を多重周回させた後の検出信号の位相変化量に基づいて、気体の付着量を算出することもできる。付着量を算出する際、弾性表面波素子１０Ｅからの検出信号を温度較正に用いることができる。なお、生成された検出パターン情報Ｄｘは、匂識別部３５に送出される。

匂識別部３５は、基準パターン記憶部３１により記憶されている基準パターン情報Ｄ１〜Ｄｎと検出パターン生成部３４により生成される検出パターン情報Ｄｘとを比較し、両者を同一とみなせるときの基準パターン情報から気体Ｇの種類を特定して匂いを識別するものである。パターン認識に際しては、多変量解析による方法と、ニューラルネットワークによる方法とがある。

多変量解析による方法は、各センサについて数種類の値が観測される場合に用いられる解析手法である。例えば、センサＡとセンサＢとの２個のセンサを用い、未知の匂いＷｘが、匂いＷ１と匂いＷ２とのいずれかに属するかを判別する。詳しくは、図５に概念を示すように、匂いＷ１と匂いＷ２とに対するセンサＡおよびセンサＢの応答結果を予め数点記憶しておく。次に、匂いＷｘのセンサＡおよびセンサＢの応答結果を検出する。続いて、匂いＷ１領域の重心からの距離ｄ１と匂いＷ２領域の重心からの距離ｄ２とを求める。そして、距離ｄ１とｄ２とのうち、値の小さい方の匂いに属すると判別する。図５においては、ｄ１＞ｄ２なので、Ｗｘ＝Ｗ２と判別する。

ニューラルネットワークによる方法は、ニューロンと呼ばれる要素が多数結合した回路を用いた解析手法であり、ニューロン同士の結合の強さを最適化することによりパターン認識を行なうものである。例えば、図６に概念を示すように、匂いＷ１の環境下において、ニューラルネットワークによる識別結果が匂いＷ１になるように、ニューロンＮ１〜Ｎ９の結合の強さを変えていく（この作業を「学習」という）。そして、最終的に、匂いＷ１であるとはっきり判断できるようになるまで学習が続けられる。このような学習したニューラルネットワークを用いることによりパターン認識することができる。

なお、パターン認識により特定された気体のデータは、匂い情報として出力部３６に送出される。

出力部３６は、匂識別部３５により識別された匂い情報を出力するものである。

（１−２．動作）
次に、本実施形態に係る匂いセンシングシステム５の動作を図７を用いて説明する。

始めに、制御部３２の制御により、匂いを識別対象である気体Ｇｘが流入管１１から噴出される。これにより、センサセル１０内に気体Ｇｘが充満する（ステップＳ１）。

続いて、制御部３２の制御により、複数の球状弾性表面波素子２０Ａ〜２０Ｅのすだれ状電極２３Ａ〜２３Ｅに高周波信号が入力されて、伝搬面ＳＡ〜ＳＥに弾性表面波が励起される（ステップＳ２）。

励起された弾性表面波が周回し、すだれ状電極２３Ａ〜２３Ｅに到達すると、弾性表面波が電気信号に変換される。変換された電気信号は、検出信号ＳｉｇＡ〜ＳｉｇＥとして、信号収集部３３に送出される。

続いて、信号収集部３３により、検出信号ＳｉｇＡ〜ＳｉｇＥが収集され、検出パターン作成部３４に送出される（ステップＳ３）。

検出パターン作成部３４では、検出信号ＳｉｇＡ〜ＳｉｇＥに基づき、弾性表面波の強度変化が解析される（ステップＳ４）。それから、強度変化に基づいて、各伝搬面ＳＡ〜ＳＤにおける気体Ｇｘの分子の付着量が算出され、検出パターン情報Ｄｘが生成される（ステップＳ５）。そして、生成された検出パターン情報Ｄｘは、匂識別部３５に送出される。

次に、匂識別部３５により、基準パターン記憶部３１に記憶された基準パターン情報Ｄ１〜Ｄｎと検出パターン情報Ｄｘとが比較される（ステップＳ６）。ここでは、ニューラルネットワークによる比較処理が実行される。このような比較処理により、例えば、検出パターン情報Ｄｘと基準パターン情報Ｄ２とが一致するとみなせる場合には、気体Ｇｘは気体Ｇ２であるとして、パイナップル臭であると識別される（ステップＳ７）。

そして、「気体Ｇｘは、パイナップル臭である」等を示す結果情報が出力部３６に出力される（ステップＳ８）。

（１−３．効果）
以上説明したように、本実施形態に係る匂いセンシングシステム５は、センサセル１０・複数の球状弾性表面波素子２０Ａ〜２０Ｄ・匂識別装置３０を備える。そして、各球状弾性表面波素子２０Ａ〜２０Ｄは、伝搬面ＳＡ〜ＳＤ上に、気体Ｇ１〜Ｇｎの種類に応じて異なる選択性を有する感応膜２２Ａ〜２２Ｄを備え、匂識別装置３０は、各感応膜２２Ａ〜２２Ｄに付着する気体Ｇ１〜Ｇｎの付着量を示す基準パターン情報Ｄ１〜Ｄｎを、気体Ｇ１〜Ｇｎの種類毎に予め記憶している基準パターン記憶部３１と、収集される検出信号ＳｉｇＡ〜ＳｉｇＤから各感応膜２２Ａ〜２２Ｄに付着する気体の付着量を示す検出パターン情報Ｄｘを生成する検出パターン生成部３４と、基準パターン情報Ｄ１〜Ｄｎと検出パターン情報Ｄｘとを比較し、両者が一致したときの基準パターン情報Ｄ１〜Ｄｎから気体Ｇ１〜Ｇｎの種類を特定して匂いを識別する匂識別部３５とを備える。このような構成を備えたことにより、匂いセンシングシステム５は、匂いの元となる気体分子を高感度に検出し、ロバスト性を向上することができる。

補足すると、球状弾性表面波素子２０は、球形の圧電基材の表面に円環状の伝搬路Ｓを有ので、伝搬路Ｓに弾性表面波を周回させることにより、非常に長い距離を伝搬する弾性表面波の検出信号Ｓｉｇを得ることができる。それゆえ、弾性表面波の共振周波数の変化から伝搬速度や伝搬に伴う検出信号の強度減衰量を非常に高精度に測定することができる。

例えば、信号幅１ｎｓｅｃのインパルス信号により伝搬面Ｓに弾性表面波を励起させ、空気とアップル臭Ｇ１とをセンサセル１０内に交互に流入させた場合の弾性表面波の強度減衰量は図８のように示される。ここでは、所定の温度が保たれた状態で、伝搬面ＳＡを５周したときの弾性表面波の強度減衰量を示している。図８のａ１〜ａ４は、それぞれアップル臭Ｇ１の濃度１〜４倍したものである。図示されるように、アップル臭Ｇ１の濃度に応じて、強度減衰量が変化することがわかる。なお、このような強度の変化は、伝搬面ＳＡに設けた選択性のある感応膜２２Ａに気体分子が吸着し、当該感応膜２２Ａの弾性物性が変化することにより生じる。また、感応膜２２Ａの弾性物性の変化としては、感応膜自体が柔らかくなる等の変化が生じる。

また、検出パターン生成部３４において、弾性表面波を多重周回させた後の検出信号Ｓｉｇの強度減衰量に基づいて、気体の付着量を算出する。それゆえ、基準パターン情報と一致するか否かを高確度に判定することができる検出パターン情報を生成できる。この結果、ニューロンネットワークにおけるパターン認識のロバスト性を向上することができる。

また、空気とアップル臭Ｇ１とをセンサセル１０内に交互に流入させた場合の弾性表面波の位相変化は図９（ａ）のように示される。図９（ａ）のｂ１〜ｂ４は、それぞれアップル臭Ｇ１の濃度１〜４倍したものである。ここで、弾性表面波の位相は、気体分子が感応膜２２Ａに吸着して伝搬速度が変化することに起因する。それゆえ、この位相変化から弾性表面波の伝搬速度の変化量を測定することができる。これにより、強度の変化だけでなく、伝搬速度の変化も測定することができ、さらに高精度に気体分子の識別が可能となる。具体的には、より広い濃度範囲において、感度の異なる感応膜を用いた場合でも正確に濃度測定ができるようになる。

なお、本実施形態に係る匂いセンシングシステム５は、球状弾性表面波素子２０を用いており、実効的な伝搬長を長くすることができる。そのため、各球状弾性表面波素子２０Ａ〜２０Ｅからなるセンサ部分を小型化でき、センサセル１０を小型化することができる。

また、球状弾性表面波素子２０Ｅには感応膜を形成しておらず、当該素子２０Ｅからの検出信号に基づき温度較正することができ、ロバスト性を向上することができる。

図９（ｂ）は、感応膜ＳｉｐｎａｔｅＤＳ−１０を使用した球状弾性表面波素子に対して、マスカット，２−へキサン，１−ヘキサノール，アミルアセテートを作用するときの、位相の変化率と強度の変化率を２つの軸にとって濃度を変えるときの変化をプロットしたものである。この図９（ｂ）から、マスカット香料については、ある量の濃度の匂いガスを加えたときに位相より強度に対して作用する程度が他の匂いに比較して大きく、これを持って、マスカット香料を識別できることが明らかである。ここでは一種類の感応膜による結果を示しているが、位相情報だけを用いる匂い識別方法より識別能力の高い識別方法を提供できることが明らかである。単一の感応膜を使いながら、位相とは異なる応答特性を感応膜が持つことができることは、実際に使う感応膜の数よりも最大２倍の特性の異なる感応膜を用いた測定に匹敵する情報や識別能力を得ることが理論的には可能である。

本発明はこのように、ＱＣＭなどの従来の計測方法では困難だったために着目してこなかった、強度計測（減衰量計測）を行なうことによる匂い識別が可能で有用なことを主張する。

＜第２の実施形態＞
図１０（ａ）は本発明の第２の実施形態に係るセンサセル１０の構造を示す模式図であり、図１１は図１０（ａ）におけるＡ−Ａ’断面図である。なお、既に説明した部分と同一部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する。また、以下の各実施形態も同様にして重複した説明を省略する。

本実施形態に係るセンサセル１０の流入管１１は、当該流入管１１の中心軸と直交する方向に複数の噴出口を備える。

そして、各弾性表面波素子２０Ａ〜２０Ｅを、流入管１１の中心軸から噴出口に向かう方向であって、当該中心軸を中心とする同一円周上に設置するようにする。

上述した構成によれば、流入管１１の噴出口から噴出される気体Ｇに対して、各球状弾性表面波素子２０Ａ〜２０Ｅが等しい距離に存在する。そのため、各球状弾性表面波素子２０Ａ〜２０Ｅに気体Ｇが到達する前に、その気体Ｇが拡散して濃度が希釈することによる付着量のバラツキの誤差を抑えることができる。この結果、匂いの元となる気体分子を高精度に検出することができ、ロバスト性を向上することができる。

また、図１０（ｂ）に、上記記載のセンサセルを積層したものを示す。図１０（ｂ）においては、３段形状になっているが、下段の排気管は上段のセンサセルの流入管に接続されており、上下２段全てのセンサセルの球状弾性表面波素子に均等にガスがあたる構造となっている。すなわち、簡便小型な構造でありながらセル数を容易に増やす事ができる。

図１０（ｃ）は、隣接するセンサセルの排気管と吸気管の接続において、ガスの成分や温度の均一性を向上する為の混合槽を設けた構造のものを示している。

＜第３の実施形態＞
図１２は本発明の第３の実施形態に係る球状弾性表面波素子２０の感応膜２２をコーティングする装置の概念を示す模式図である。

本実施形態に係る球状弾性表面波素子２０の感応膜２２は、霧化器によりコーティングされるものである。霧化器は、乾燥空気ボンベ・マスフローコントローラ（ＭＦＣ）・メスフラスコ・超音波振動子・コーティングチャンバ・排気ポンプにより構成される。

以下、霧化器により感応膜２２をコーティングする方法を説明する。

（霧化器によるコーティング）
まず、コーティングチャンバＣＣ内に球状弾性表面波素子２０を設置する。

次に、感応膜材料を溶かした溶液を超音波振動子により霧化する。

続いて、霧化した感応膜材料をチューブを用いて、コーティングチャンバＣＣ内に吐出する。この際、コーティングチャンバ内に送り込む乾燥空気の気圧は、０．０６ＭＰａとする。流量は、ＭＦＣを用いて、１５〜２０（ｍｌ／ｍｉｎ）に制御する。霧の吐出されるチューブの先端と球状弾性表面波素子２０との距離は１ｍｍ以下となるように調節する。感応膜材料を霧化するためのメスフラスコＭＦ内には感応膜材料を１．８ｍｌ注入する。溶媒はクロロホルムを用い、濃度を１０ｍｇ／ｍｌに調節する。

（コーティング前後の波形の変化）
次に、コーティングした膜厚（コーティング量）を測定する。コーティング量は、パルサー／レシーバ（超音波工業，ＰＵＬＳＥＲ／ＲＥＣＥＩＶＥＲＸ０２４２）から送られるパルス幅２ｎｓｅｃのインパルス入力に対し、特定の周回数（ここでは４又は５周目の波形）でのインパルス応答波形の遅延をオシロスコープ（ＬｅＣｒｏｙ，９３１４Ｃ）により測定して求める。

例えば、膜材料として、ＳｉｐｏｎａｔｅＤＳ−１０，ＰＥＧ１０００（ＰｏｌｙＥｔｈｙｌｅｎｅＧｌｙｃｏｌ），Ａｐｉｅｚｏｎ−Ｌ，ＴＣＰ（ＴｒｉｃｒｅｓｙｌＰｈｏｓｐｈａｔｅ）の４種類のコーティングした場合、インパルス応答波形の遅延時間は図１３のように示される。５周目の波形において約３０〜５０ｎｓ以上遅延するように感応膜材料をコーティングすると波形の減衰量が著しく増加する。そこで、５周目で５０ｎｓ以下の変化量に留まるように、霧の吐出されるチューブの先端と球状弾性表面波素子２０との距離と霧の発生時間を調整してコーティングを行なう。

上述したコーティング方法により、ＳｉｐｏｎａｔｅＤＳ−１０をコーティングする前後の波形はそれぞれ図１４のｃ１およびｃ２のように示される。ここでは、５周目の波形を示しており、２０〜３０ｎｍ程度の遅延時間が生じる。

また、遅延時間に対する周波数変化は、下式（１）のように表わされる。

Δｆ＝１３８０×（ｘ／ｍ）［Ｈｚ］・・・（１）
この式（１）から、５周目の波形で５０ｎｓの遅延時間が生じた場合、Δｆ＝１３８００（Ｈｚ）となる。

以上説明したように、霧化器を用いることにより、細かい粒子を再現性よく発生させることができ、感応膜を均一にコーティングすることができる。

また、コーティングは測定治具に球状弾性表面波素子２０を固定した状態で行なわないと、再現性よくコーティング量を求める事はできない。これに対し、霧化器を用いれば、球状の３次元基材２１を固定したままコーティングを容易に行なうことができる。

＜実施例＞
次に、本発明に関連する実施例について述べる。

本実施例では、球状弾性表面波素子２０で構成した匂いセンシングシステム５によるアップル臭Ｇ１・パイナップル臭Ｇ２・オレンジ臭Ｇ３の３種類の食品添加フレーバ識別実験について述べる。

図１５は本発明の実施例に係る匂いセンシングシステム５の測定系を示す図である。

匂いセンシングシステム５は、球状弾性表面波素子２０Ａ〜２０Ｅを備えたものである。すなわち、球状弾性表面波素子２０Ａ〜２０Ｄには、それぞれ感応膜として、ＳｉｐｏｎａｔｅＤＳ−１０（ＤＳ−１０），ＰＥＧ１０００，Ａｐｉｅｚｏｎ−Ｌ，ＴＣＰをコーティングした。また、球状弾性表面波素子２０Ｅには、感応膜をコーティングしないようにした。

本実施例では、まず、キャリアガスに室内空気を使用し、１６成分の匂い調合装置を用いて、アップル臭Ｇ１・パイナップル臭Ｇ２・オレンジ臭Ｇ３の順に３段階の濃度でセンサセル１０内に匂いを供給した。流量は、１．５（ｌ／ｍｉｎ）とした。

次に、球状弾性表面波素子２０Ａ〜２０Ｅに、ＲＦバースト信号（１５０ＭＨｚ；持続時間０．４μｓ，繰返し周期１ｍｓ）を入力した。そして、遅延して戻ってきた球状弾性表面波素子の検出信号から周波数の位相と信号の減衰量を測定した。実際の減衰量の測定においては、例えば３０周回目の強度を測定することで代替することが出来る。励起する弾性表面波の強度が同じ場合、減衰量は周回後の強度によっても求めることが出来るからである。なお、５つの素子２０Ａ〜２０Ｅを、時分割で切り替えて順次その位相を測定した。

そして、各素子２０Ａ〜２０Ｅにおける８回の測定結果を平均して平均値を求めた。１つのデータのサンプリング時間は約４ｓとした。

この結果、ＤＳ−１０とＰＥＧ１０００とに対して、それぞれ図１６および図１７に示すような位相変化の応答結果が得られた。図１６・１７では、ベースラインを空気として、空気と各フレーバとを切り替えたときの差をセンサ出力として示している。ＤＳ−１０ではパイナップル臭Ｇ２に対する応答が大きく、ＰＥＧ１０００ではアップル臭Ｇ１に対する応答が大きいことが測定された。すなわち、素子毎に位相変化のパターンが異なることが測定された。また、図中の数字は濃度の倍率を示しており、発生する匂いの濃度に対応して位相変化が大きくなることが測定された。

素子毎の比較を行なうために各素子で得られた位相の３回分の平均値を１周あたりの位相の変化量に換算して規格化すると、図１８に示すような結果が得られる。図１８中添え字の１〜３は各フレーバの濃度に対応しており、例えばapple1〜apple３の順にアップル臭の濃度が濃くなっている。この結果、濃度に関係なく、フレーバごとに応答パターンが異なることが確認された。

さらに、１周あたりに規格化された位相変化量を主成分分析を用いて解析を行なうと、図１９に示すような結果が得られた。主成分分析とは、多次元のデータを情報の損失を最小にして少数の次元の空間に変換する方法である。図１９中のＰＣ１，ＰＣ２はそれぞれ第１主成分，第２主成分を表わす。また、括弧内の数字は各主成分の寄与率である。図１９に示されるように、アップル臭Ｇ１・パイナップル臭Ｇ２・オレンジ臭Ｇ３のそれぞれの点が明確に分かれていることから、３種類の食品添加フレーバを識別できる。

以上説明したように、アップル臭Ｇ１・パイナップル臭Ｇ２・オレンジ臭Ｇ３の各フレーバを濃度に関わらず識別できた。

なお、本実施例においては、位相情報のみの出力に基づく匂いの識別結果を示したが、図８に示したように強度減衰量（強度）の出力によっても匂いの識別結果を得ることができる。すなわち、位相と強度の両方の情報を図６に示した解析ネットワークに入力することにより、位相のみによる識別より高精度に匂い識別を行なわせることもできる。

＜その他＞
なお、本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の第１の実施形態に係る匂いセンシングシステム５の構成を示す模式図である。同実施形態に係る球状弾性表面波素子２０の構成を示す模式図である。同実施形態に係る基準パターン情報の概念を示す図である。同実施形態に係る検出信号の波形を示す図である。多変量解析の概念を示す図である。ニューラルネットワークの概念を示す図である。同実施形態に係る匂いセンシングシステム５の動作を説明するための図である。同実施形態に係る弾性表面波の強度減衰量の例を示す図である。同実施形態に係る弾性表面波の位相変化の例を示す図である。同実施形態に係る感応膜ＳｉｐｎａｔｅＤＳ−１０に対する物質の濃度を変えたときの変化を示す図である。本発明の第２の実施形態に係るセンサセル１０の構造を示す模式図である。同実施形態に係るセンサセルを積層した構造のものを示す図である。同実施形態に係るセンサセルに混合槽を設けた構造のものを示す図である。同実施形態に係るセンサセル１０のＡ−Ａ'断面図である。本発明の第３の実施形態に係る球状弾性表面波素子２０の感応膜２２をコーティングする装置の概念を示す模式図である。同実施形態に係る各感応膜２２Ａ〜２２Ｄのインパルス応答波形の遅延時間を示す図である。同実施形態に係る感応膜をコーティングする前後での波形を示す図である。本発明の実施例に係る匂いセンシングシステム５の測定系を示す図である。同実施例に係るＤＳ−１０における位相変化を示す図である。同実施例に係るＰＥＧ１０００における位相変化を示す図である。同実施例に係る気体分子に対する各素子２０Ａ〜２０Ｄの位相変化量を示す図である。同実施例に係る主成分分析を用いた解析結果を示す図である。従来の匂いセンシングシステムの概念を示す図である。従来の水晶振動子ガスセンサの構成を示す模式図である。

符号の説明

５・・・匂いセンシングシステム、１０・・・センサセル、１１・・・流入管、１２・・・排気管、
１３・・・セル制御部、１４・・・支持体、２０・・・球状弾性表面波素子、２１・・・３次元基材、
２２・・・感応膜、２３・・・すだれ状電極、３０・・・匂識別装置、
３１・・・基準パターン記憶部、３２・・・制御部、３３・・・信号収集部、
３４・・・検出パターン生成部、３５・・・匂識別部、３６・・・出力部、
Ｇ・・・気体、Ｇ１・・・アップル臭、Ｇ２・・・パイナップル臭、Ｇ３・・・オレンジ臭、
Ｓ・・・伝搬面。

Claims

匂いの元となる気体が流入するセンサセルと、
前記センサセル内に設けられた複数の弾性表面波素子と、
前記各弾性表面波素子からの弾性表面波の検出信号に基づいて、前記センサセル内の匂いを識別する匂識別装置と
を備えた匂いセンシングシステムであって、
前記各弾性表面波素子は、
球状の圧電結晶部材からなり、前記弾性表面波を多重周回させて伝搬可能な伝搬面を有する３次元基材と、
前記各弾性表面波素子の伝搬面上に形成され、前記気体の種類に応じて異なる選択性を有する感応膜と、
前記匂識別装置から入力される高周波信号に応じた弾性表面波を前記伝搬面に励起する励起手段と、
前記励起手段により励起されて前記伝搬面を多重周回する弾性表面波を検出する検出手段と
を備え、
前記匂識別装置は、
前記各感応膜に付着する気体の付着量を示す基準パターン情報を、該気体の種類毎に予め記憶する基準パターン記憶手段と、
前記気体を、前記センサセルに流入させるための手段と、
前記励起手段に高周波信号を入力して前記弾性表面波を励起するための手段と、
前記検出手段により検出される弾性表面波の検出信号を収集する信号収集手段と、
前記信号収集手段により収集される検出信号から、前記各感応膜に付着する気体の付着量を示す検出パターン情報を生成する検出パターン生成手段と、
前記基準パターン記憶手段により記憶されている基準パターン情報と前記検出パターン生成手段により生成される検出パターン情報とを比較し、前記気体の種類を特定して匂いを識別する匂識別手段と
を備え、
前記センサセルには、同心円状に前記各弾性表面波素子が配置され、
前記センサセルは、前記同心円の中心に前記気体が吸気あるいは排気される噴入あるいは噴出口を有するとともに、前記各弾性表面波素子が配置された同心円より外側に前記気体が排気あるいは吸気される噴出あるいは流入口を有し、
前記センサセル内の前記弾性表面波素子の伝搬面が、前記同心円状に配置される前記各弾性表面波素子によって形成される面と平行である
ことを特徴とする匂いセンシングシステム。
請求項１に記載の匂いセンシングシステムにおいて、
前記検出パターン生成手段は、前記弾性表面波を多重周回する際の検出信号の強度減衰量に基づいて前記気体の付着量を算出する手段
をさらに備えたことを特徴とする匂いセンシングシステム。
請求項１または請求項２に記載の匂いセンシングシステムにおいて、
前記検出パターン生成手段は、前記弾性表面波を多重周回する際の検出信号の強度減衰量情報に加えて、該弾性表面波の周回速度変化に対応する信号の遅延時間変化または共振周波数変化に基づいて、前記気体の付着量を算出する手段
をさらに備えたことを特徴とする匂いセンシングシステム。
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の匂いセンシングシステムにおいて、
前記検出パターン生成手段は、前記弾性表面波を多重周回する際の検出信号の位相変化量または共振周波数の変化量に基づいて、前記気体の付着量を算出する手段
をさらに備えたことを特徴とする匂いセンシングシステム。
請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の匂いセンシングシステムにおいて、
前記センサセルは、複数積層されており、積層される境界で接続するセンサセルの前記流入口と噴出口とが接続される
ことを特徴とする匂いセンシングシステム。