JP5187581B2 - バイオメトリクスセンサ - Google Patents

Description

本願発明は、災害現場に漂う臭気を分析することによって生存者を検出する装置、被測定者の体臭を分析することによって医療診断を実施する装置、認証対象者の体臭等の臭いの特徴を判定することによって電子機器のセキュリティを確保する装置に使用されるバイオメトリクスセンサに関している。

従来より、災害現場では生存者を発見するために救助犬が使われており、大きな成果を挙げている。しかし、救助犬は訓練が必要であり寿命もあることから、災害現場において生存者を発見する方法を機械化することが求められている。

また、体調の具合で体臭が変わることは、我々がよく経験することであり、医療診断を実施する手段として体臭データを用いるために、体臭の数値化が求められている。

さらに、近年の情報化社会の発展に伴い、各種情報の管理におけるセキュリティを高めるため、より高い信頼性で且つ利便性に優れた個人認証システムが必要とされている。

上記の技術分野は本願発明と関連するが、以下、その事例として認証システムにバイオメトリクスセンサを適用する場合について説明する。

現在、個人の認証方法としては、パスワードやＩＤカードを用いたものが一般的である。しかし、これらの認証方法では、情報の紛失・盗難・偽造といった危険性が伴い、情報管理上のセキュリティという観点から見ると不十分と言える。そこで、これらの危険性が無いバイオメトリクスを用いた認証方法が現在注目されている。

バイオメトリクスとは、身体的特徴や行動的特徴など「個人に固有の情報」を利用して人物を認識する技術のことである。現在、バイオメトリクスセンサといえば、指紋や虹彩、静脈パターンを利用したものが一般的であり、広く実用化されている。

一般に、体臭には個人に固有の「匂い型」が存在することが知られている。例えば、P.Wallanceは、掌から発散される体臭によって、ヒトが他のヒトの個体を区別し得ることを報告しており、遺伝及び食事によって体臭原因物質の種類が影響され得ることを示唆している（Physiology & Behavior, vol. 19, pp.577-579, Pergamon Press and Brain Research Publ., 1977）。これは、ＭＨＣ（主要組織適合抗原複合体）型により、体臭中の有機酸類、アルコール類の構成比が異なるためである。第１３図にＭＨＣ型の違いにより構成比が異なることが報告されている物質とその構造式を示す。

［公知例１］
本願発明に比較的近い公知例としては、本願発明の発明者らの開発した疎水基パターン認識センサがある（小出、益永、林、都甲、「バイオメトリクスのための匂い物質の疎水基パターン検出」、平成１７年度電気関係学会九州支部連合大会、２３０頁、０５−２Ｐ−１９）。これは、匂い物質を吸着するための疎水基吸収認識部として、油滴を使用し、蛍光分析法により油滴中の蛍光プローブの蛍光強度変化を観測するものである。上記蛍光プローブとして、ジフェニルヘキサトリエンが用いられている。

公知例１は油滴を使用し、該油滴に吸着した匂い物質を検出するものであるが、本願発明は、以下に説明するように、液体を使用しない点で公知例１に対して相違する。

［公知例２］
また、特開２０００−１４８９８５号公報には、個人認証システムが開示され、入力すべき情報として、体臭を含めた生体情報を用いても良い旨記載されている。しかし、この文献には、体臭等の入力装置の構成について具体的な記載がない。

［公知例３］
また、特開２００５−１２９０３２号公報には、バイオメトリクス認証システムが開示されている。しかし、この文献には、匂いを認証情報として入力とするための具体的な構成についての記載がない。

［公知例４］
また、Amy C. Eklundらは、変性高速液体クロマトグラフィー（ＤＨＰＬＣ）法によりHutterite集団のサンプルの分析を行っている。そして、その分析結果に基づいて、ヒト白血球抗原（ＨＬＡ）に関連する嗅覚のレセプター遺伝子の多様化が「超対立遺伝子」を形成しており、ＨＬＡに関連する臭気型の多様性が見出され得ることを報告している（Human Immunology 61,711-717(2000))。この文献も、上記公知例１と同様に、液状のサンプルが使用されている点で、本願発明と相違する。

特開２０００−１４８９８５号公報 特開２００５−１２９０３２号公報

P.Wallanc, Physiology & Behavior, vol. 19, pp.577-579, Pergamon Press and Brain Research Publ., 1977 小出、益永、林、都甲、「バイオメトリクスのための匂い物質の疎水基パターン検出」、平成１７年度電気関係学会九州支部連合大会、２３０頁、05-2Ｐ-19 Amy C. Eklund et. al., Human Immunology 61,711-717(2000)

また、従来の一般的なバイオメトリクスセンサの場合、例えば、個人を認証する際にセンサに指や目、掌を近づけなければならないため、認証を受ける際に手間がかかる等の短所がある。そこで、本願発明の目的は、リモートで生体情報を測定することによって認証を受ける者の手間を省くことができるという利点を有する、臭気や体臭を利用するバイオメトリクスセンサを提供することにある。

この発明では、認証対象者がセンサに極度に接近したり触れたりする必要がなくなる。

上記目的を達成するために、本願発明の第１の発明によれば、被測定者の近傍の空気を入力する吸入部と、吸入した空気に含まれる特定のガス成分を分子サイズに基づいて選択的に通過させ或いは吸着させ、または吸入した空気に含まれる特定のガス成分を強塩基性物質膜を設けた物質或いは強酸性物質膜を設けた物質に吸着させることで選択的に通過させ或いは吸着させる分子篩部と、該分子篩部を通過したガスの構成成分、或いは、上記選択的に該分子篩部を通過または該分子篩部に吸着させた特定のガス成分が分子篩部を通過したガス中に残存する濃度を検出するガス検出部と、該ガス検出器の検出結果と予め保存した検出結果とを比較するデータ処理部と、を備えるバイオメトリクスセンサが提供される。

本願発明の第２の発明は、上記第１の発明の構成を有し、電子装置に用いる個人認証システムに用いられるバイオメトリクスセンサであって、上記被測定者が認証対象者であり、上記の分子篩部が有機酸類、アルコール類或いはアミン類を吸着して他のガス成分を放出するものであり、上記ガス検出部は、放出されたガス成分から予め決められたガス成分を選択的に検出するものであり、上記データ処理部は、演算部及び記憶部とを備え、上記認証対象者ごとの有機酸類、アルコール類或いはアミン類の構成比を予め保存した検出結果から得られた構成比と比較して認証対象者についての判定或いは確率的判定を行なうものである。

本願発明の第３の発明は、上記第２の発明の構成において、上記分子篩部が、上記有機酸類、アルコール類或いはアミン類を分子サイズの違いで分離するガス用フィルタ、或いは、酸性官能基またはアミノ基の有無により分離するガス用フィルタを用いて構成され、上記ガス検出部として匂検出器が用いられる、ことを特徴としている。

本願発明の第４の発明は、上記第３の発明の構成において、分子サイズの違いで分離するガス用フィルタが、分子サイズに依存する吸着量を持つ物質に吸着させる濾過器を異なる分子サイズ毎にそれぞれ並列させた構成を持ち、上記の酸性官能基或いはアミノ基の有無により分離するガス用フィルタが、表面に強塩基性物質膜を設けた物質或いは強酸性物質膜を設けた物質に吸着させることで濾過するものであり、上記ガス検出部と上記濾過器のそれぞれとを個別に接続する切換部とを備える、ことを特徴としている。

上記した本願発明のバイオメトリクスセンサは、認証対象者がセンサに極度に接近したり触れたりする必要が無く、リモートで生体情報を測定することができるので、生存者の探索や医療診断に容易に利用出来る。

また、本願発明のバイオメトリクスセンサによれば、電子装置の個人認証システムに用いた場合、認証対象者についての判定或いは確率的判定の結果をその電子装置に伝送することで、認証結果を活用することができるので、他の認証方式と併用することで、情報管理のセキュリティを高めることができる。

第１図は、本願発明のバイオメトリクスセンサを適用する認証システム１の全体像を示すブロック図である。 第２図は、本願発明のバイオメトリクスセンサを示すブロック図である。 第３図は、有機酸類やアルコール類の匂い物質を分子サイズの違いと酸性官能基の有無により分離、検出する匂い分離・検出装置を示すブロック図である。 第４図は、第３図の匂い分離・検出装置に用いられる酸化物半導体センサのエタノールの感度特性を示すグラフである。 第５図は、第３図の匂い分離・検出装置を実際に用いて得られた１００ｐｐｍペンタノールの吸着時間−センサ抵抗のデータを示すグラフである。 第６図は、第３図の匂い分離・検出装置を用いて、１００ｐｐｍエタノール単一成分をサンプルとして測定したときの結果を示すグラフである。 第７図は、第３図の匂い分離・検出装置を用いて、１００ｐｐｍペンタノール単一成分をサンプルとして測定したときの結果を示すグラフである。 第８図は、第３図の匂い分離・検出装置を用いて、１００ｐｐｍ酢酸単一成分をサンプルとして測定したときの結果を示すグラフである。 第９図は、第３図の匂い分離・検出装置を用いて、エタノール・ペンタノールの２成分混合サンプルについての検出例を示すグラフである。 第１０図は、第３図の匂い分離・検出装置を用いて、エタノール・ペンタノール・酢酸の３成分混合サンプルについての検出例を示すグラフである。 第１１図は、第３図の匂い分離・検出装置を用いて、アルカリビーズの流路を用いて、サンプル分子中の酸性官能基の有無に基づいて酸性物質を分離できることを示すグラフであり、サンプルが１００ｐｐｍエタノールの場合と１００ｐｐｍ酢酸の場合で、匂いセンサ１２が示すサンプル中の酸性物質濃度を算出したものである。 第１２図は、被験者Ａ、Ｂの体臭測定結果を示すグラフである。 第１３図は、ＭＨＣ型の違いにより構成比が異なることが報告されている物質名とそれらの構造式を示す。 第１４図（ａ）は、結晶性ゼオライトによる分子篩の模式図である。第１４図（ｂ）は、無孔性ガラスビーズに強塩基である水酸化ストロンチウムを被覆したものの模式図である。第１４図（ｃ）は、アミン類を吸着するチオール膜の場合の模式図である。 第１５図（ａ）は、体臭のサンプルガス１について匂いセンサ１２が示す抵抗値のグラフである。 第１５図（ｂ）は、体臭のサンプルガス２について匂いセンサ１２が示す抵抗値のグラフである。 第１５図（ｃ）は、体臭のサンプルガス３について匂いセンサ１２が示す抵抗値のグラフである。 第１５図（ｄ）は、体臭のサンプルガス４について匂いセンサ１２が示す抵抗値のグラフである。 第１５図（ｅ）は、体臭のサンプルガス５について匂いセンサ１２が示す抵抗値のグラフである。 第１５図（ｆ）は、体臭のサンプルガス６について匂いセンサ１２が示す抵抗値のグラフである。 第１５図（ｇ）は、体臭のサンプルガス７について匂いセンサ１２が示す抵抗値のグラフである。 第１５図（ｈ）は、体臭のサンプルガス８について匂いセンサ１２が示す抵抗値のグラフである。 第１６図（ａ）は、抵抗値の極小値とガス用フィルタとの対応関係を示すグラフである。 第１６図（ｂ）は、第１６図（ａ）に関し、センサの抵抗値の時間変化を示す応答曲線（Ｒ）とセンサの基準値曲線（Ｒ０）との関係を示すグラフである。 第１６図（ｃ）は、第１６図（ｂ）に基づいて求められた、サンプルガスに含まれるにおい物質の相対濃度を示すグラフである。 第１７図（ａ）は、第１５図（ａ）に基づいて算出された、体臭のサンプルガス１に含まれる匂い物質の相対濃度を示すグラフである。 第１７図（ｂ）は、第１５図（ｂ）に基づいて算出された、体臭のサンプルガス２に含まれる匂い物質の相対濃度を示すグラフである。 第１７図（ｃ）は、第１５図（ｃ）に基づいて算出された、体臭のサンプルガス３に含まれる匂い物質の相対濃度を示すグラフである。 第１７図（ｄ）は、第１５図（ｄ）に基づいて算出された、体臭のサンプルガス４に含まれる匂い物質の相対濃度を示すグラフである。 第１７図（ｅ）は、第１５図（ｅ）に基づいて算出された、体臭のサンプルガス５に含まれる匂い物質の相対濃度を示すグラフである。 第１７図（ｆ）は、第１５図（ｆ）に基づいて算出された、体臭のサンプルガス６に含まれる匂い物質の相対濃度を示すグラフである。 第１７図（ｇ）は、第１５図（ｇ）に基づいて算出された、体臭のサンプルガス７に含まれる匂い物質の相対濃度を示すグラフである。 第１７図（ｈ）は、第１５図（ｈ）に基づいて算出された、体臭のサンプルガス８に含まれる匂い物質の相対濃度を示すグラフである。 第１８図は、体臭のサンプルガス１乃至８に関して、アルカリビーズを経由する流路を用いた場合における匂いセンサの抵抗値のデータを除き、体臭のサンプルガスのデータを主成分分析することにより得られたグラフである。

以下に、この発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明においては、同じ機能あるいは類似の機能をもった装置に、特別な理由がない場合には、同じ符号を用いるものとする。

第１図は、本願発明を適用する認証システム１の全体像を示すブロック図である。例えば、電子装置がパーソナルコンピュータの場合は、ＩＤ番号とパスワードをキーボードから入力して、予め登録したものとの比較・判定を行なって、登録者である場合にはパーソナルコンピュータへのアクセスを許可する、ということが行なわれている。ＩＤ番号とパスワードのほかには、指紋、虹彩、網膜、指紋などのパターンが使われる場合がある。また、声紋やＤＮＡパターンを使うという提案もある。また、例えば、電子装置が自動車の始動に係わるコントローラの場合は、鍵の有無での認証に加えて、指紋認証を行なってから、エンジンの始動が可能になるシステムがあることが知られている。

本願発明は、認証対象者の体臭等の臭気の特徴を抽出して、認証に用いるものである。他の認証方式と併用することで、セキュリティ効果が増すことは明らかである。第２図は、本願発明のバイオメトリクスセンサ２０を示すブロック図である。該バイオメトリクスセンサ２０は、吸入部２、匂検出部３、データ処理部４から成る。

まず、匂いを収集するために、認証対象者の近傍の空気が吸入部２からバイオメトリクスセンサ２０内に吸入される。次に、吸入された空気に含まれる有機酸類及びアルコール類の検出を上記匂検出部３で行なう。この検出結果は、認証対象者の分類に用いることができる。その検出結果は、絶対値としては変動するが、他のガス成分に対する相対値としては一定であるので、有機酸類とアルコール類の構成比が算出される。また、この構成比については、データベースのアーカイブとして例えばＩＤ番号などの他の指標と共にデータ処理部４に予め登録しておく。このデータベースを用いて、他の入力、例えば識別（ＩＤ）番号から該当者の探索を行なう。この登録データと検出結果との差異が予め許容された範囲にあって妥当なものであるならば、そのデータの該当者が認証対象者であるとの判定をデータ処理部４で行なう。データ処理部４は、比較・判定を行なう演算部４１と、データを保存する記憶部（ストレージ）４２を含む。動作を許可する信号として、上記電子装置５に演算部４１による判定結果を伝送することで、認証結果を活用する。

つまり、登録メンバーであることが確認できれば、電子装置５の使用が許されることになる。ここで、電子装置５は、認証装置の認証結果を受けて、使用を許可する機能あるいは何らかのデータにアクセスすることを許可する機能をもったものである。上記データ処理部４は、独立した装置により構成する代わりに、電子装置５におけるプログラムとして構成することもできる。

この様に本願発明は、上記の「匂い型」を測定することでバイオメトリクスを行なうものである。つまり、以下に示す様に、この「匂い型」の原因である有機酸類、アルコール類を分子サイズの違いと酸性官能基の有無によって分離して検出し、これらの匂い物質の構成比を測定することにより、匂いによるバイオメトリクスを行なうものである。

第３図に、有機酸類やアルコール類の匂い物質を分子サイズの違いと酸性官能基の有無により分離、検出する匂い分離・検出装置の例を示す。本願発明のバイオメトリクスの吸入部、分子篩部及びガス検出部は、第３図の匂い分離・検出装置によって構成することができる。第３図の匂い分離・検出装置の分子篩部は、本願発明のバイオメトリクスの分子篩部に相当し、モレキュラーシーブ６（登録商標）（関東化学社製）及びアルカリビーズ７（信和化工社製）で構成されている。本願発明のバイオメトリクスの吸入部に相当する吸入部１４から吸入された空気は、モレキュラーシーブ６あるいはアルカリビーズ７を通過する。分子サイズによる分離にはモレキュラーシーブ６を用い、酸性官能基による分離にはアルカリビーズ７による吸着が用いられている。

ここで、モレキュラーシーブとは、結晶性ゼオライトのことで、規則正しい細孔をもつアルミノケイ酸塩である。第１４図（ａ）にその模式図を示す。この細孔は分子オーダーのサイズであるため、モレキュラーシーブは特定分子サイズの吸着サイトを持つナノ構造であって、その細孔径により物質を選択的に吸着する分子ふるいの機能を持っている。第３図の匂い分離・検出装置の分子篩部を構成するモレキュラーシーブ６は、製品区分が３Ａ、４Ａ、５Ａ、１３Ｘの４種類で構成されている。尚、「Ａ」はおおよその空孔の大きさの単位（オングストローム）を表しており、３Ａ、４Ａ、５Ａ、１３Ｘのモレキュラーシーブは、それぞれ直径約３Å、４Å、５Å、１０Åの細孔を持ち、特定分子サイズの吸着サイトを持つナノ構造を有する。例えば、３Ａのモレキュラーシーブでは３Å未満の物質はモレキュラーシーブの細孔内に吸着し、トラップされてしまうが、３Å以上の物質は細孔内に入り込むことができないため、トラップされない。４Ａのモレキュラーシーブでは４Å未満の物質は吸着することができるが、４Å以上の物質は吸着することができない。つまり、分子サイズが３〜４Åである化学物質は、３Ａと４Ａのモレキュラーシーブへの吸着を比較することで検出することができる。

上記モレキュラーシーブ６とともに分子篩部を構成するアルカリビーズ７は、無孔性ガラスビーズに強塩基である水酸化ストロンチウムを被覆したもので、酸のみを選択的に吸着することができる。第１４図（ｂ）にその模式図を示す。従って、有機酸は捕集されるが、酸でないアルコールは捕集されない。また、第１４図（ｃ）は、Ａｕ等の金属表面を被覆するチオール膜の末端カルボキシル基に、アミン類が吸着される状態を示したものである。このように、アルカリビーズ７には、特定官能基と相互作用する末端を有する単分子膜が形成されている。

第３図の匂い分離・検出装置を構成する主たる流路８はテフロン（登録商標）等のフッ素樹脂性のチューブによって構成され、モレキュラーシーブ６とアルカリビーズ７は流路中のカラム（φ４．０ｍｍ、長さ５０ｍｍ）に封入されている。ガス流量をどの流路系においても一定に保つため、ポンプ１３の前にマスフローコントローラ９を挿入してガス流量の制御を行なう。それぞれの流路に設置された電磁弁１１の開閉の制御は制御装置１０（コンピュータ）を用いて行なう。電磁弁１１の開閉を制御することで流路を変えて、匂い物質を分子サイズ１０Å以上、５Å以上、４Å以上、３Å以上のいずれかのガス成分に濾過することができる。そして、後述する匂いセンサ１２の応答を比較することにより、分子サイズ３〜４Å、４〜５Å、５〜１０Åの匂い物質がサンプル中にどれだけ含まれているかを測定できる。また、アルカリビーズ７への流路を用いることで、酸性官能基を含む分子かどうかを測定できる。

分離した匂い物質の検出は、匂いセンサ１２によって行われる。該匂いセンサ１２は本願発明のバイオメトリクスのガス検出部に相当し、第３図の匂い分離・検出装置においては、酸化物半導体型匂いセンサ（ＦＩＧＡＲＯ ＴＧＳ２６００）が用いられている。この酸化物半導体型匂いセンサは、高温に熱した酸化物半導体に可燃性ガスが吸着すると電気抵抗が変わることを利用した酸化物半導体ガスセンサである。該センサの抵抗値はデジタルマルチメータで測定される。

ここで、匂い物質の検出には、上記酸化物半導体ガスセンサの他に、電解質に匂い物質を拡散させる電気化学インピーダンス式ガスセンサ、接触電位差の変化を検出する電気化学式ガスセンサ、分子選択性のある膜を振動子表面に形成した水晶振動子（ＱＣＭ）センサ、或いは表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）の共鳴周波数が表面状態で変化することを利用したセンサ等を用いることができる。

酸化物半導体ガスセンサは体臭測定において十分な感度を持つが、有機ガスに対するセンサ自体の分子選択性は低い。匂いセンサ１２として用いられた酸化物半導体センサのエタノールの感度特性を第４図に示す。感度特性は測定物質ごとに異なるため、測定対象が明らかでない場合は抵抗値の変化をガス濃度に変換することができない。以下に示す特性評価では、エタノール以外のサンプルや複数の物質が混在した場合での測定を行なっているため、測定ガスをエタノールと仮定したときの濃度（エタノール換算濃度）をサンプルガス濃度の目安として算出した。

［特性評価試験］
（１）単一の匂い成分の分子サイズによる分離性能の評価
１００ｐｐｍのエタノール、ペンタノール、酢酸それぞれの単一成分サンプルを調製し、これらのサンプルを用いて、第３図に示す匂い分離・検出装置について、分子サイズによる分離性能を評価した。表１に測定物質の化学式、分子サイズを示す。

（２）複数の匂い成分の分子サイズによる分離性能の評価
また、エタノールとペンタノールがそれぞれ１００ｐｐｍになるように調製した２成分混合サンプル、エタノールとペンタノール、酢酸がそれぞれ１００ｐｐｍになるように調製した３成分混合サンプルを用いて、第３図の匂い分離・検出装置について、分子サイズによる分離性能を評価した。

（３）酸性官能基の有無による分離性能の評価
また、１００ｐｐｍに調製されたエタノール及び酢酸の単一サンプルで、アルカリビーズを用いて、酸性官能基の有無による分離を検証した。

（４）体臭測定性能の評価
また、ヒトの匂いをサンプリングし、測定を行なった。各被験者が一晩着用したＴシャツをサンプルバッグ中に封入し、６０℃で２時間加熱し濃縮したガスをサンプルとして測定した。実験は、被験者Ａ及びＢのサンプルに対しそれぞれ３回ずつ測定を行ない、その平均を算出することによって行った。

尚、上記（１）〜（４）の特性評価を適切に行うため、まず、装置のパラメータを次のように決定した。１００ｐｐｍの匂い物質測定時を基準として、カラム内に充填するモレキュラーシーブ量を０．３０ｇ、空気の流量を１３０ｍｌ／ｍｉｎに固定した。設定した条件のもと、各サンプルガスを１００秒間吸着し、そのときのセンサ抵抗の時間変化を測定した。

第５図に実際に得た１００ｐｐｍペンタノールの吸着時間−センサ抵抗のデータを示す。用いた酸化物半導体ガスセンサは、清浄な空気中ではおよそ２０ｋルの抵抗値を示す。第５図において、カラムを通さず、サンプルガスがそのままセンサまでたどり着く流路系によって得られた応答曲線を「なし」、３Ａ、４Ａ、５Ａ、１３Ｘのモレキュラーシーブがそれぞれ充填されたカラムを通る各流路系での応答曲線をそれぞれ「３Ａ」、「４Ａ」、「５Ａ」、「１３Ｘ」と表示した。カラムを通さない「なし」の応答曲線の場合、サンプルガスは邪魔されることなくガスセンサ表面に到達するので、センサ抵抗値の変化はサンプル吸着開始直後から始まり、急激に減少していることが観測された。

これに対し、カラムを通す流路系では、匂い物質がモレキュラーシーブに吸着しない場合は、匂い物質はカラムを通り抜けガスセンサまで到達するため抵抗値が減少する。しかし、カラムを通る各流路系での応答曲線は、いずれも「なし」の流路系の場合と比較すると応答が遅く、緩やかな減衰を示している。これは、詰まったカラムを通すことでサンプルガスの進路が物理的に阻害されているためと考えられる。匂い物質がモレキュラーシーブに吸着する場合、匂い物質はモレキュラーシーブ細孔内にトラップされるため、ガスセンサまでたどり着けず、抵抗値に変化は現れない。

上記（１）〜（４）の特性評価において、ガスセンサ抵抗の初期値（ｔ＝０ｓ）と匂い物質応答後の値（ｔ＝１００ｓ）を読み取り、第３図のエタノール応答特性を用いて匂い物質のエタノール換算濃度を求めることにより、匂い物質の測定を行った。

［特性評価試験の結果］
（１）分子サイズによる分離性能の評価結果（単一サンプル）
１００ｐｐｍエタノール、ペンタノール、酢酸それぞれの単一成分をサンプルとして測定したときの結果をそれぞれ第６図〜第８図に示す。第６図〜第８図（ａ）図は、３Ａ、４Ａ、５Ａ、１３Ｘのモレキュラーシーブがそれぞれ充填された各カラムをそれぞれ通過させた場合のセンサ応答から求めたエタノール換算濃度を「３Ａ」、「４Ａ」、「５Ａ」、「１３Ｘ」として示した。第６図〜第８図（ｂ）は、各分子サイズ間に含まれる匂い物質の濃度を示し、第６図〜第８図（ａ）のデータに基づいて算出されたものである。

前述のように、モレキュラーシーブ「４Ａ」は、３〜４Åの分子サイズを有する化学物質をトラップするが、モレキュラーシーブ「３Ａ」は３Å以上の分子サイズの化学物質をトラップできない。そのため、３〜４Åの分子サイズを有する化学物質のサンプル中における含有量は、第６図〜第８図（ａ）の「３Ａ」の値から「４Ａ」の値を差し引くことによって求めることができる。同様にして、第６図〜第８図（ｂ）の４〜５Å、５〜１０Åの分子サイズを有する化学物質の濃度を算出した。

第６図（ｂ）に示されるエタノール換算濃度の結果を見ると、４〜５Åの間の化学物質の濃度が高いことが分かる。実際、エタノールの分子サイズは表１で示したとおり４．０８Åであり、本願発明の匂い分離・検出装置により分子サイズによる分離ができていることが分かる。ここで注意すべきことは、エタノールは３Ａの細孔より大きいため、３Ａではトラップされないと考えると、３Ａのモレキュラーシーブが充填されたカラムを経由しても、サンプルガスのガス濃度は変わらず、ガスセンサ応答は１００ｐｐｍを示すはずである。しかし、第６図（ａ）の３Ａにおいてガスセンサ応答が１００ｐｐｍを示していないのは、モレキュラーシーブの細孔ではなくその表面にエタノールがある程度吸着してしまうためであると考えられる。ガス成分の表面吸着はいずれのモレキュラーシーブにおいても非特異的に起こると考えられ、差分を計算する際に相殺される。そのため、第６図（ｂ）の結果は、ガス成分の表面吸着による影響を受けない。

同様に第７図（ｂ）のペンタノール（分子サイズ６。３４Å）の場合では５〜１０Åの間の化学物質の濃度が高くなっており、第８図（ｂ）の酢酸（分子サイズ３。１６Å）の場合では３〜４Åの間の化学物質の濃度が高くなっている。よって、第３図の匂い分離・検出装置は、単一成分のサンプルでは分子サイズにより匂い物質を分離、検出できていると言える。

（２）分子サイズによる分離性能の評価結果（混合サンプル）
第９図（ａ）及び（ｂ）にエタノール・ペンタノールの２成分混合サンプル、第１０図（ａ）及び（ｂ）にエタノール・ペンタノール・酢酸の３成分混合サンプルに対する結果を示す。第９図（ｂ）に示すように、第６図（ｂ）のエタノール単独の測定結果と比べて５〜１０Åの成分の濃度が高く、また第７図（ｂ）のペンタノールのみの場合と比べて４〜５Åの成分の濃度が高いことが分かる。つまり５〜１０Åの部分ではペンタノールが、４〜５Åの部分ではエタノールがそれぞれ独立して検出できていることが分かる。また、第１０図（ｂ）を見ると、第９図（ｂ）のエタノール・ペンタノール混合サンプルの場合と比べて３〜４Åの成分の濃度が高いことが分かり、酢酸が検出できていると言える。これらの結果より、第３図の匂い分離・検出装置は、混合サンプルにおいても分子サイズに基づく分離、検出を行う機能を充分備えていることが確認できた。

（３）酸性官能基の有無による分離性能の評価結果
アルカリビーズの流路を用いて、サンプル分子中の酸性官能基の有無に基づいて、第３図の匂い分離・検出装置が有する、酸性物質を分離する機能を検証した結果を第１１図に示す。第１１図は、１００ｐｐｍに調製されたエタノール及び酢酸のそれぞれ単一サンプルについて、匂いセンサ１２が示す各サンプル中の酸性物質濃度を算出した結果を示す。匂いセンサ１２は有機酸である酢酸に対して良好に応答し、高い酸性物質濃度が示されているが、酸でないエタノールに対して応答していない。よって、第３図の匂い分離・検出装置は、酸性物質の分離及び検出機能を充分備えていることが確認できた。

（４）体臭測定性能の評価結果
第１２図に被験者Ａ、Ｂの体臭測定結果を示す。被験者Ａでは４〜５Åの匂い物質濃度が他の分子サイズの濃度より低いのに対し、被験者Ｂでは逆の結果が得られた。これは個人に特有な一種の匂いのパターンとみなすことができ、「匂い型」が反映されていると期待できる。この結果から、第３図の匂い分離・検出装置は、個人によって体臭を構成する匂い物質の構成比が異なることを分析する機能を備えることが確認できたので、この装置を用いて、本願発明のバイオメトリクスセンサを構成することができる。

上記したように、モレキュラーシーブ、アルカリビーズを用いて匂い分離・検出装置を作製した。生体の体臭の「匂い型」に大きく関わっていると考えられている有機酸類、アルコール類の単一成分サンプル、混合成分サンプルのいずれに対しても分子ふるい機能が有効に発揮され、各サイズの分子と酸の検出に成功した。更に、第３図の匂い分離・検出装置を用いてヒトの匂いを実際に測定し、個人によって異なる匂いパターンが存在することを示すことができた。

上記構成例において、分子篩部は、アルカリビーズと４種のモレキュラーシーブから成る全体で５種のガス用フィルタのチャネルで構成されている。実際の匂い測定は種々のガス成分を検出する必要があるので、更に多種のガス用フィルタを組み合わせて、ガス用フィルタのチャネル数を検出対象のガス成分に応じて増やすことができる。また、アルカリビーズは酸の吸着能が弱いため、アルカリビーズの充填量を増やすことにより、分子篩部の有機酸類に対する分離性能を高めることができる。

また、近年、アミン系の受容体である第２の嗅覚レセプターの発見が報告されており、アミンも個体の識別に重要な役割を果たしている可能性もある。しかし、アミンの場合でも、第３図のモレキュラーシーブ６或いはアルカリビーズ７の代わりに、金等の金属表面に単分子膜として形成されたチオール膜（第１４図（ｃ））を用いて、第３図の匂い分離・検出装置を構成し、本願発明のバイオメトリクスセンサの分子篩部を構成することができる。

このように、本願発明のバイオメトリクスセンサを構成する分子篩部は、分析対象となる空気に応じて、当該空気中に含まれる特定のガス成分を選択的に通過させ或いは吸着する目的で、複数の種類から成るガス用フィルタを組み合わせることによって構成することができる。

［匂いによる個人認証試験］
本願発明は、認証対象者の体臭等の臭気の特徴を抽出して、認証に用いることができる機能を有する。そこで、第３図の匂い分離・検出装置を用いて、下記のように個人認証試験を行った。

（１）サンプルガスの捕集
まず、無臭のＴシャツを用意する。そして、被験者Ａ〜Ｅに一晩そのＴシャツを着て過ごしてもらう。それによって各Ｔシャツに被験者Ａ〜Ｅの体臭がそれぞれ付着する。その後、着用後の各Ｔシャツをそれぞれ個別のサンプルバッグ内に封入し、オーブンを用いて約６０℃で２時間加熱することにより、Ｔシャツに付着した各被験者のにおい物質を揮発させて、気体としてサンプルバック内に充填した。このようにして、８種類のサンプルガスを捕集した。

尚、個人認証試験の再現性について調べるために、上記８種類のサンプルガスのうち、被験者Ａの体臭についてサンプル１〜３を調製し、被験者Ｂの体臭についてサンプル４、５を調製した。各被験者と捕集されたサンプルガスとの対応関係を示す。

（２）試験方法
各サンプルガスをガス用フィルタへ吸着させる時間を２０秒とし、その前後において４００秒間、流路８中に無臭の空気を流通させることで匂いセンサ１２に吸着したにおい物質を洗浄し、匂いセンサ１２を基準状態へ回復させた後、流路を切り換えて、他のガス用フィルタにサンプルガスを吸着させた。尚、流路の切り換えは次の順序で行い、サンプルガス１〜８を使用して、匂いセンサ１２の抵抗値を測定した。

匂いセンサ１２の洗浄 → ガス用フィルタを通さずにサンプルガスを流通 → 匂いセンサ１２の洗浄 → アルカリビーズ７のみに吸着 → 匂いセンサ１２の洗浄 → モレキュラーシーブ３Ａのみに吸着 → 匂いセンサ１２の洗浄 → モレキュラーシーブ３Ａ及びアルカリビーズ７に吸着 → 匂いセンサ１２の洗浄 → モレキュラーシーブ４Ａのみに吸着 → 匂いセンサ１２の洗浄 → モレキュラーシーブ４Ａ及びアルカリビーズ７に吸着 → 匂いセンサ１２の洗浄 → モレキュラーシーブ５Ａのみに吸着 → 匂いセンサ１２の洗浄 → モレキュラーシーブ５Ａ及びアルカリビーズ７に吸着 → 匂いセンサ１２の洗浄 → モレキュラーシーブ１３Ｘのみに吸着 → 匂いセンサ１２の洗浄 → モレキュラーシーブ１３Ｘ及びアルカリビーズ７に吸着 → 匂いセンサ１２の洗浄

サンプルガス１〜８に関するセンサ１２の抵抗値の変化を第１５図（ａ）〜（ｈ）に示す。

（３）試験結果の解析
匂いセンサ１２ににおい物質が触れることによって匂いセンサ１２の抵抗値は減少し、無臭の空気で匂いセンサ１２を洗浄することによって抵抗値は増大する。そのため、第１５図（ａ）〜（ｈ）に示すように、抵抗値の時間変化において、多数の極小値が見出される。これらの抵抗値の極小値は、サンプルガスを吸着させるガス用フィルタへの流路に対応する。抵抗値の極小値とガス用フィルタとの対応関係を第１６図（ａ）に示す。尚、第１６図（ａ）以降の図面において、アルカリビーズ７及びモレキュラーシーブ３Ａ、４Ａ、５Ａ、１３Ｘをそれぞれ"ＡＢ"、"３Å"、"４Å"、"５Å"、"１０Å"と示す。また、吸着させるガス用フィルタがモレキュラーシーブ及びアルカリビーズである場合、"３Å＋ＡＢ"等と示す。

第１５図（ａ）〜（ｈ）に示された各極小値の値に基づいて、以下の計算方法によって、におい物質の相対濃度を求めることができる。
まず、第１５図（ａ）〜（ｈ）のそれぞれにおいて、無臭空気の導入からサンプルガスの導入に切り換える直前の抵抗値を定める。次に、第１５図（ａ）〜（ｈ）のそれぞれにおいて、定められた抵抗値点を滑らかな連続曲線で結び、この曲線をセンサの基準値曲線Ｒ０とする。センサの抵抗値の時間変化を示す応答曲線（Ｒ）とセンサの基準値曲線（Ｒ０）との関係を第１６図（ｂ）に示す。

匂いセンサの抵抗値をｒ、該抵抗値ｒに対応する基準値曲線（Ｒ０）上の基準値をｒ₀としたとき、気体の濃度ｃの対数ｌｏｇ（ｃ）は、ｌｏｇ（ｒ₀／ｒ）の絶対値に比例する。ここで、ｒ及びｒ₀の決定方法が問題となるが、グラフの一点のみから導かれる気体の濃度はノイズに弱い。よって、センサの抵抗値の各極小値の前後の抵抗値ｒに関し、（ｒ₀／ｒ）の平均値を算出する。そして、該平均値について次式により対数値を算出する。

尚、ｔ₁は、着目している抵抗値の極小値が示されたサンプルガスの導入が開始された時間であり、ｔ₂は、そのサンプルガスの導入終了直後に行われる無臭空気の流通が開始された時間である。

匂いセンサの抵抗値における各極小値は、サンプルガスが導入された流路、すなわち、サンプルガスが導入されたガス用フィルタに関する抵抗値に対応している。第１６図（ｃ）は、第１６図（ｂ）に基づき（１）式から求められた、サンプルガスに含まれる匂い物質の相対濃度ｚを示すグラフである。第１６図（ｃ）において、ｚが大きいほど、ガス用フィルタに対応する分子サイズの匂い物質が検出されており、その濃度が高いことを示す。第１７図（ａ）から第１７図（ｈ）は、それぞれ第１５図（ａ）から第１５図（ｈ）に基づいて算出された、体臭のサンプルガス１から８に含まれる匂い物質の相対濃度ｚを示すグラフである。

サンプルごとに気体成分は異なるため、第１７図（ａ）から第１７図（ｈ）に示されるように各サンプルのｚは異なる分布となる。そして、同一人物の体臭は特定の気体分布を持つために、匂い物質の相対濃度ｚの分布を比べることで個人を見分けることが可能となる。

上記８つのサンプルに対し、アルカリビーズを経由する流路を用いた場合における匂いセンサの抵抗値のデータを除き、匂い物質の相対濃度ｚのデータを主成分分析することにより、第１８図の結果を得た。第１８図の横軸及び縦軸は、サンプルガスの第一主成分（ＰＣ１）及び第二主成分（ＰＣ２）の大きさをそれぞれ示す。尚、ＰＣ１及びＰＣ２の寄与率は、それぞれ０．９２１１４及び０．０５３５５であった。

ＰＣ１及びＰＣ２は、そのデータの変動の分散を最大とする変数を主成分分析によって決定し、次のような線形変換によって得られた。
ＰＣ１＝ａ１１×（匂いデータ１）＋・・・＋ａ１５×（匂いデータ５）
ＰＣ２＝ａ２１×（匂いデータ１）＋・・・＋ａ２５×（匂いデータ５）

本試験の場合、匂いデータ１はモレキュラーシーブなしの流路からのデータ、匂いデータ２はモレキュラーシーブ３Åのデータ、匂いデータ３はモレキュラーシーブ４Åのデータ、匂いデータ４はモレキュラーシーブ５Åのデータ、匂いデータ５はモレキュラーシーブ１０Åのデータとした。

ａ１１、ａ１２、ａ１３、ａ１４、ａ１５は、それぞれ、０．３０２５４４６３、−０．８１７６４３４４、０．０５３７２０８４、−０．０２４８５４７５、０．４８６２３２７２と決定された。また、ａ２１、ａ２２、ａ２３、ａ２４、ａ２５は、それぞれ、−０．１１８１４８０１、−０．０３３３４８４６、０．８１２８５７４４、−０．５６０３４６０６、−０．１０１０１４９１と決定された。このようにして得られた値を第１８図に示す。

第１８図において、符号１乃至符号８は各サンプルガス１乃至８を表しており、距離が近いサンプルほど、それらのサンプルにおけるｚの分布が互いに近いことを示す。第１８図より、同じ被験者から採取したサンプルは近い位置に存在していることが分かる。そして、各被験者のｚ分布はそれぞれ異なっていることが分かる。この結果は、本願発明が、認証対象者の体臭等の臭気の特徴を抽出して認証に用い得る機能を有することを示すもの
である。

上記においては、本願発明を認証システムに適用する場合について説明したが、災害時に生存者を探索する場合は、データ処理部に予め保存するデータとして災害時のデータを用いる。災害時のデータとは、各個人のデータではなく、血液の匂いとか水浴できないときの体臭等で、人間と他の動物等との区別をつけ易い点に注目したデータである。また、医療診断に用いる場合には、疾患ごとの口臭や体臭データをデータ処理部に予め保存しておく。また、被測定者の健康時の口臭や体臭データを保存しておいて、これらの臭気データと診断の際に実測した口臭或いは体臭データと比較することによって、被測定者の健康状態を判断することができる。

以上に説明したように、本願発明のバイオメトリクスセンサは、被測定者の近傍の空気中に含まれる特定のガス成分を選択的に検出し、該検出結果と予め保存した検出結果とを比較する。そのため、本願発明のバイオメトリクスセンサは、リモートで生体情報を測定することができるので、生存者の探索や医療診断に容易に利用出来る。また、本願発明のバイオメトリクスセンサは、他の認証方式と併用して電子装置の個人認証システムに用いることにより情報管理のセキュリティを高めることができる。

１ 認証システム
２ 吸入部
３ 匂検出部
４ データ処理部
５ 電子装置
６ モレキュラーシーブ
７ アルカリビーズ
８ 流路
９ マスフローコントローラ
１０ 制御装置
１１ 電磁弁
１２ 酸化物半導体型匂いセンサ
１３ ポンプ
１４ 吸入部
２０ バイオメトリクスセンサ

Claims (2)

1. 被測定者の近傍の空気を入力する吸入部と、
   吸入した空気に含まれる特定のガス成分を分子サイズに基づいて選択的に通過させ或いは吸着させ、または吸入した空気に含まれる特定のガス成分を強塩基性物質膜を設けた物質或いは強酸性物質膜を設けた物質に吸着させることで選択的に通過させ或いは吸着させる分子篩部と、
   該分子篩部を通過したガスの構成成分、或いは、上記選択的に該分子篩部を通過または該分子篩部に吸着させた特定のガス成分が分子篩部を通過したガス中に残存する濃度を検出するガス検出部と、
   該ガス検出器の検出結果と予め保存した検出結果とを比較するデータ処理部と、を備え、
   上記の分子篩部が有機酸類、アルコール類或いはアミン類を吸着して他のガス成分を放出するものであり、
   上記ガス検出部は、放出されたガス成分から予め決められたガス成分を選択的に検出するものであり、
   上記分子篩部が、上記有機酸類、アルコール類或いはアミン類を分子サイズの違いで分離するガス用フィルタ、或いは、酸性官能基またはアミノ基の有無により分離するガス用フィルタを用いて構成され、
   分子サイズの違いで分離するガス用フィルタが、分子サイズに依存する吸着量を持つ物質に吸着させる濾過器を異なる分子サイズ毎にそれぞれ並列させた構成を持ち、
   上記の酸性官能基或いはアミノ基の有無により分離するガス用フィルタが、表面に強塩基性物質膜を設けた物質或いは強酸性物質膜を設けた物質に吸着させることで濾過するものであり、
   上記ガス検出部と上記濾過器のそれぞれとを個別に接続する切換部とを備ることを特徴とする、バイオメトリクスセンサ。
2. 被測定者の近傍の空気を入力する吸入部と、
   吸入した空気に含まれる特定のガス成分を分子サイズに基づいて選択的に通過させ或いは吸着させ、または吸入した空気に含まれる特定のガス成分を強塩基性物質膜を設けた物質或いは強酸性物質膜を設けた物質に吸着させることで選択的に通過させ或いは吸着させる分子篩部と、
   該分子篩部を通過したガスの構成成分、或いは、上記選択的に該分子篩部を通過または該分子篩部に吸着させた特定のガス成分が分子篩部を通過したガス中に残存する濃度を検出するガス検出部と、
   該ガス検出器の検出結果と予め保存した検出結果とを比較するデータ処理部と、を備え、
   電子装置に用いる個人認証システムに用いられるバイオメトリクスセンサであって、
   上記被測定者が認証対象者であり、
   上記の分子篩部が有機酸類、アルコール類或いはアミン類を吸着して他のガス成分を放出するものであり、
   上記ガス検出部は、放出されたガス成分から予め決められたガス成分を選択的に検出するものであり、
   上記データ処理部は、演算部及び記憶部とを備え、上記認証対象者ごとの有機酸類、アルコール類或いはアミン類の構成比を予め保存した検出結果から得られた構成比と比較して認証対象者についての判定或いは確率的判定を行なうものであり、
   上記分子篩部が、上記有機酸類、アルコール類或いはアミン類を分子サイズの違いで分離するガス用フィルタ、或いは、酸性官能基またはアミノ基の有無により分離するガス用フィルタを用いて構成され、
   上記ガス検出部として匂検出器が用いられ、
   分子サイズの違いで分離するガス用フィルタが、分子サイズに依存する吸着量を持つ物質に吸着させる濾過器を異なる分子サイズ毎にそれぞれ並列させた構成を持ち、
   上記の酸性官能基或いはアミノ基の有無により分離するガス用フィルタが、表面に強塩基性物質膜を設けた物質或いは強酸性物質膜を設けた物質に吸着させることで濾過するものであり、
   上記ガス検出部と上記濾過器のそれぞれとを個別に接続する切換部とを備えることを特徴とする、バイオメトリクスセンサ。

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