JP5679437B2

JP5679437B2 - 匂い濃縮装置

Info

Publication number: JP5679437B2
Application number: JP2011044812A
Authority: JP
Inventors: 中本　高道; 高道中本; 康史横式
Original assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Current assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Priority date: 2011-03-02
Filing date: 2011-03-02
Publication date: 2015-03-04
Anticipated expiration: 2031-03-02
Also published as: JP2012181123A

Description

本発明は、匂い濃縮装置に関する。

匂いセンサの感度を高める手法として、濃縮管がある（非特許文献１参照）。従来の濃縮管は、濃縮材に匂いを吸着させて、蓄積した匂いを加熱して脱着させることによって匂いを濃縮する。

Y. Sasaya, T. Nakamoto, "Study of Halitosis-Substance Sensing at Low Concentration Using an Electrochemical Sensor Array Combined with a Preconcentrator", IEEJ Trans. SM 126, 292 (2006)

しかし、かかる濃縮装置は、匂いの濃縮に時間がかかるため、匂い成分を短時間で濃縮する技術が望まれている。

本発明は、前記した事情に鑑みて創作されたものであり、匂い成分を短時間で濃縮することが可能な匂い濃縮装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明の匂い濃縮装置は、匂い成分を含有する気体が貯蔵される貯蔵部と、前記貯蔵部から排出された前記気体を冷却して前記匂い成分を凝縮する冷却部と、前記冷却部に設けられ、前記匂い成分の凝縮によって生成された液体が吸着する感応膜と、前記感応膜に吸着された前記液体を霧化又は気化する霧化又は気化部と、を備えることを特徴とする。

かかる構成によると、冷却によって凝縮した匂い成分を霧化して濃縮するので、匂い成分を短時間で濃縮することができる。

前記霧化又は気化部は、前記感応膜に吸着された前記液体を霧化する弾性表面波素子又は超音波振動子であってもよく、前記感応膜に吸着された前記液体を加熱することによって気化するヒータであってもよい。

前記匂い成分は、低揮発性匂い成分であってもよい。

本発明によれば、匂い成分を短時間で濃縮することができる。

（ａ）は本発明の参考形態に係る匂い濃縮装置を示す模式図である。図１のＳＡＷ素子を示す模式図である。本発明の参考形態に係る匂い濃縮装置の動作例を説明するための図であり、周波数シフトの経時変化を示すグラフである。（ａ）は冷却段階を示す模式図であり、（ｂ）は霧化段階を示す模式図である。本発明の参考形態に係る匂い濃縮装置の動作例を説明するための図であり、周波数シフトの経時変化を示すグラフである。本発明の参考形態に係る匂い濃縮装置の動作例を説明するための図であり、濃縮時間と周波数シフトとの関係を示す分布図である。本発明の実施形態に係る匂い濃縮装置を示す模式図である。本発明の実施形態に係る匂い濃縮装置の動作例を説明するための図であり、周波数シフトの経時変化を示すグラフである。

以下、本発明の参考形態及び実施形態について、適宜図面を参照しながら説明する。同様の部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

＜参考形態＞
まず、本発明の参考形態に係る匂い濃縮装置について、図１及び図２を参照して説明する。図１（ａ）に示すように、本発明の参考形態に係る匂い濃縮装置１は、複数の貯蔵部１１Ａ，１１Ｂと、電磁弁１２と、濃縮器１３と、表面弾性波（ＳＡＷ：Surface Acoustic Wave）素子１４と、ペルチェ素子１５と、ファン１６と、検出器１７と、水晶振動子（ＱＣＭ：Quarts Crystal Microbalance）センサ１８と、流量計１９と、ポンプ２０と、コンピュータ３０と、クロックシンセサイザ４０と、制御部５０と、駆動回路６１と、発振回路６２と、を備える。

貯蔵部１１Ａは、乾燥空気を貯蔵する気密容器（バッグ）であり、貯蔵部１１Ｂは、匂い成分（香気成分ともいう）を含有する気体を貯蔵する気密容器（バッグ）である。これら貯蔵部１１Ａ，１１Ｂは、パイプを介して電磁弁１２と気体流通可能に接続されている。本参考形態では、匂い成分は、揮発性、好ましくは低揮発性の匂い成分であり、例えば、１−ブタノール等が好適に利用可能である。

電磁弁１２は、貯蔵部１１Ａ，１１Ｂと濃縮器１３との間に設けられた三方弁であり、貯蔵部１１Ａと濃縮器１３とを気体流通可能に接続する第一の状態と、貯蔵部１１Ｂと濃縮器１３とを気体流通可能に接続する第二の状態と、を切換可能である。

濃縮器１３は、パイプを介して電磁弁１２と気体流通可能に接続されており、貯蔵部１１Ａ又は貯蔵部１１Ｂから排出された気体が一時的に貯留される気密容器である。

ＳＡＷ素子１４は、霧化又は気化部の一例であり、表面の液体に弾性表面波を伝搬することによって、液体中に縦波を生じさせ、液体を霧化する。本参考形態に係るＳＡＷ素子１４は、濃縮器１３内に設けられており、制御部５０による制御によって、ＳＡＷ素子１４上の液体Ｌを霧化する（図４（ｂ）参照）。本参考形態では、ＳＡＷ素子１４の一例として、共振周波数６０．９［ＭＨｚ］）の素子が用いられる。

図２に示すように、ＳＡＷ素子１４は、一対の櫛型電極１４ａ，１４ａと、櫛型電極１４ａ，１４ａの背後に設けられたリフレクタ１４ｂ，１４ｂと、櫛型電極１４ａ，１４ａ間に設けられた金電極１４ｃと、をニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）基板の基板本体１４ｄ上に備えており、櫛型電極１４ａ，１４ａに電圧が印加されると、金電極１４ｃ上の液体に図２の左右方向に振動する弾性表面波を伝搬する。かかる弾性表面波は、アコースティックストリーミング現象によって、表面の液体を霧化又は気化することができる。

図１に戻り、ペルチェ素子１５は、冷却部の一例であり、貯蔵部１１Ｂから排出された気体を冷却して匂い成分を凝縮し、液体に変える。本参考形態では、ペルチェ素子１５は、濃縮器１３内の気体を冷却してＳＡＷ素子１４の下部にＳＡＷ素子１４と一体的に設けられている。

ファン１６は、冷却作用によって加熱したペルチェ素子１５に送風してペルチェ素子１５を排熱する。本参考形態では、ファン１６は、ペルチェ素子１５の下部にペルチェ素子１５と一体的に設けられている。すなわち、ＳＡＷ素子１４、ペルチェ素子１５及びファン１６は、一体的に設けられて匂い濃縮素子を構成しており、ペルチェ素子１５及びファン１６は、濃縮器１３外に設けられている。

検出器１７は、パイプを介して濃縮器１３に気体流通可能に接続されており、濃縮器１３から排出された気体が一時的に貯留される気密容器である。なお、濃縮器１３及び検出器１７は、一体化された単一の容器であってもよく、この場合には、ＳＡＷ素子１４及び後記するＱＣＭセンサ１８は、前記した単一の容器内に収容される。

ＱＣＭセンサ１８は、検出器１７内に設けられたセンサであり、水晶振動子の電極表面に物質が吸着するとその質量に応じて共振周波数が変動する（下がる）性質を利用し極めて微量な質量変化を計測する質量センサである。ＱＣＭセンサ１８は、検出器１７内に設けられており、匂い成分の吸着によって変動した共振周波数を発振回路６２を介して制御部５０へ出力する。すなわち、匂い成分の濃度変化が、共振周波数の変化として発振回路６２を介して制御部５０へ出力される。本参考形態では、ＱＣＭセンサ１８の一例として、共振周波数２０［ＭＨｚ］、ＡＴ−ＣＵＴ、感応膜として信和加工株式会社製のｓｉｐｏｎａｔｅＤＳ−１０を用いたセンサが用いられる。

流量計１９は、検出器１７から排出された気体の流量を検出して表示する。

ポンプ２０は、パイプを介して検出器１７と気体流通可能に接続されており、気体を吸引することによって、貯蔵部１１Ａ（又は貯蔵部１１Ｂ）→濃縮器１３→検出器１７→ポンプ２０という気体の流れを作り出す。本参考形態では、ポンプ２０の一例として、ＫＮＦ社製のＮ８６ＫＮ．１８が用いられる。

すなわち、貯蔵部１１Ａ，１１Ｂ、濃縮器１３、検出器１７及びポンプ２０は、パイプによって気体流通可能に接続されており、電磁弁１２は、貯蔵部１１Ａ，１１Ｂと濃縮器１３との間に設けられており、流量計１９は、検出器１７とポンプ２０との間に設けられている。本参考形態において、ユーザは、流量計１９によって検出された流量が一定（例えば、２００［ｍｌ／ｍｉｎ］）となるように、手動操作にてポンプ２０の駆動状態を調整する。なお、流量計１９及びポンプ２０の配置は、図示した位置に限定されない。

コンピュータ３０は、キーボード、マウス等からなる入力部と、ディスプレイ、スピーカ等からなる出力部と、入力部及び出力部を制御する制御部と、からなり、ユーザによる入力部の操作に応じて電磁弁１２、ＳＡＷ素子１４、ペルチェ素子１５及びファン１６の駆動を制御するための信号を生成して制御部５０へ出力する。

クロックシンセサイザ４０は、ＳＡＷ素子１４に弾性表面波を発生するための特定の周波数の矩形波を生成し、制御部５０へ出力する。

制御部５０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory、ＲＯＭ（Read-Only Memory）、入出力回路等を内部に有するＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）であり、コンピュータ３０との通信インタフェースであるＵＡＲＴ（Universal Asynchronous Receiver-Transmitter）５１と、ＡＮＤ部５２と、周波数カウンタ５３と、を備える。

制御部５０は、コンピュータ３０からの信号に基づいて、駆動回路６１を介して電磁弁１２、ペルチェ素子１５及びファン１６の駆動を制御するとともに、クロックシンセサイザ４０によって生成された矩形波をＳＡＷ素子１４へ出力することによって、ＳＡＷ素子１４の駆動を制御する。

また、制御部５０の周波数カウンタ５３は、ＱＣＭセンサ１８から出力された共振周波数を発振回路６２を介して取得し、取得された共振周波数をカウントし、ＵＡＲＴ５１を介してコンピュータ３０へ出力する。

＜第一の動作例＞
続いて、本発明の参考形態に係る匂い濃縮装置１の動作原理を確認するための動作例について、匂い成分を有する気体の代わりに水蒸気を含む空気を用いた場合を例にとり、図３及び図４を参照して説明する（適宜図１参照）。

まず、ユーザは、手動操作にてポンプ２０の駆動を開始し、ポンプ２０が駆動した状態で、コンピュータ３０は、ユーザの操作に基づいて電磁弁１２の切換信号を制御部５０へ出力する。制御部５０は、切換信号に基づいて電磁弁１２を第一の状態とすることによって、乾燥空気を濃縮器１３へ供給する（図３の時刻０〜２９［ｓ］）。

続いて、コンピュータ３０は、ユーザの操作に基づいてファン１６の駆動開始信号及び電磁弁１２の切換信号を制御部５０へ出力する。制御部５０は、駆動開始信号に基づいてファン１６の駆動を開始するとともに、切換信号に基づいて電磁弁１２を第二の状態とすることによって、乾燥空気に代えて、水蒸気を含む空気を濃縮器１３へ供給する（図３の時刻２９〜１４８［ｓ］）。

続いて、コンピュータ３０は、ユーザの操作に基づいてペルチェ素子１４の駆動開始信号を制御部５０へ出力する。制御部５０は、駆動開始信号に基づいてペルチェ素子１４の駆動を開始することによって、貯蔵部１１Ｂから排出されて濃縮器１３に供給された、水蒸気を含む空気を冷却して凝集する（図３の時刻１４８〜１７６［ｓ］）。凝集によって生成された液体（ここでは、水）は、図４（ａ）に示すように、ＳＡＷ素子１４上に貯まる。

ここで、周波数シフトの絶対値が減少する理由について説明する。濃縮器１３内の水蒸気がペルチェ素子１４によって冷却されて凝縮すると、濃縮器１３内の空気に含まれる水蒸気が減少し、水蒸気が減少した空気が検出器１７へ供給されることとなる。よって、ＱＣＭセンサ１８に吸着する水蒸気が減少するためにＱＣＭセンサ１８の共振周波数が大きくなり、周波数シフトの絶対値が減少したものと考えられる。

続いて、ユーザは、手動操作にてクロックシンセサイザ４０の駆動を開始し、コンピュータ３０は、ユーザの操作に基づいて矩形波の出力開始信号を制御部５０へ出力する。制御部５０は、出力開始信号に基づいて、クロックシンセサイザ４０によって生成された矩形波をＳＡＷ素子１４へ出力してＳＡＷ素子１４を駆動することによって、凝集によって生成された液体Ｌを霧化する（図３の時刻１７６〜３２８［ｓ］）。霧化した匂い成分の液体Ｌは、図４（ｂ）に示すように、水蒸気を含む空気に混じり、パイプを介して下流側の検出器１７へ供給される。

ここで、周波数シフトの絶対値が増大する理由について説明する。ＳＡＷ素子１４上に凝集した水がＳＡＷ素子１４によって霧化すると、濃縮器１３内に水の霧が発生し、水蒸気に加えて水の霧を含む空気が検出器１７へ供給されることとなる。よって、ＱＣＭセンサ１８に水の霧が吸着するためにＱＣＭセンサ１８の共振周波数が小さくなり、周波数シフトの絶対値が増大したものと考えられる。

霧化の最中、コンピュータ３０は、ペルチェ素子１５の駆動停止信号を制御部５０へ出力し、制御部５０は、駆動停止信号に基づいてペルチェ素子１５の駆動を停止する（図３の時刻２１４［ｓ］）。

ここで、周波数シフトの絶対値がさらに増大するのは、冷却停止によってＳＡＷ素子１５上の水が霧化しやすくなったためであると考えられる。冷却停止後から約３０［ｓ］後に、周波数シフトの絶対値の最大値が得られ、かかる最大値は、水蒸気を含む空気を濃縮しなかった場合の周波数シフトの絶対値よりも大きい。

続いて、霧化の最中において、コンピュータ３０は、電磁弁１２の切換信号及びファン１６の駆動停止信号を制御部５０へ出力し、制御部５０は、切換信号に基づいて電磁弁１２を第一の状態とすることによって、乾燥空気を濃縮器１３へ供給し（図３の時刻２６２〜３２８［ｓ］）、駆動停止信号に基づいてファン１６の駆動を停止する（図３の時刻２６２［ｓ］）。

続いて、ユーザは、手動操作にてクロックシンセサイザ４０の駆動を停止し（図３の時刻３２８［ｓ］）、ＳＡＷ素子１４による霧化が終了する。

＜第二の動作例＞
続いて、本発明の参考形態に係る匂い濃縮装置１の動作原理を確認するための動作例について、匂い成分を有する気体として１−ブタノールを用いた場合を例にとり、図５及び図６を参照して説明する（適宜図１参照）。ここで、濃縮時間は、ペルチェ素子１５による冷却を開始してから、１−ブタノールの供給を停止して乾燥空気の供給を開始するまでの時間である。

本動作例では、乾燥空気の供給開始→１−ブタノールの供給開始→乾燥空気の供給開始→霧化開始及び冷却停止の順となるように、電磁弁１２、ＳＡＷ素子１４、ペルチェ素子１５、ファン１６、ポンプ２０及びクロックシンセサイザ４０の駆動が制御される。図５は、ペルチェ素子１５による濃縮時間を１２０［ｓ］、１８０［ｓ］、３００［ｓ］とした場合の周波数シフトの経時変化を示すグラフであり、図６は、濃縮時間と周波数シフトとの関係を示す分布図である。１−ブタノールの供給開始、ペルチェ素子１５の駆動開始（濃縮開始）、ＳＡＷ素子１４の駆動開始（霧化開始）のタイミングは、図６の各プロットにおいて同一であり、ＳＡＷ素子１４は、ペルチェ素子１５の駆動停止時に駆動開始される。

図５及び図６を参照すると、濃縮時間が長いほど、周波数シフトの絶対値が増大することがわかり、濃縮時間を変化させることで匂い成分の濃縮度合いを調整することが可能であることがわかる。

＜実施形態＞
続いて、本発明の実施形態に係る匂い濃縮装置について、前記した参考形態に係る匂い濃縮装置１との相違点を中心に説明する。図７に示すように、本発明の実施形態に係る匂い濃縮装置は、ＳＡＷ素子１４の金電極１４ｃ上に設けられた感応膜７１を備える。

感応膜７１は、例えば、ＱＣＭセンサ１８にも用いられているリポポリマであり、金電極１４ｃに結合されたジスルフィド結合を有するＰＤＰ基７１ａと、ＰＤＰ基７１ａに結合されたＰＥＧ（PolyEthylene Glycol）７１ｂと、ＰＥＧ７１ｂに結合されたリン脂質７１ｃと、を備えており、リン脂質７１ｃの先端部の二つの（ＣＨ_２）_１６ＣＨ_３に、凝縮した匂い成分が吸着する。

＜第三の動作例＞
続いて、本発明の実施形態に係る匂い濃縮装置の動作例について、匂い成分を有する気体として１−ブタノールを用いた場合を例にとり、図８を参照して説明する（適宜図１参照）。

まず、ユーザは、手動操作にてポンプ２０の駆動を開始し、ポンプ２０が駆動した状態で、コンピュータ３０は、ユーザの操作に基づいて電磁弁１２の切換信号を制御部５０へ出力する。制御部５０は、切換信号に基づいて電磁弁１２を第一の状態とすることによって、乾燥空気を濃縮器１３へ供給する（図８の時刻０〜６０［ｓ］）。

続いて、コンピュータ３０は、ユーザの操作に基づいてファン１６の駆動開始信号及び電磁弁１２の切換信号を制御部５０へ出力する。制御部５０は、駆動開始信号に基づいてファン１６の駆動を開始するとともに、切換信号に基づいて電磁弁１２を第二の状態とすることによって、乾燥空気に代えて、１−ブタノールを濃縮器１３へ供給する（図８の時刻６０〜１８０［ｓ］）。

続いて、コンピュータ３０は、ユーザの操作に基づいてペルチェ素子１４の駆動開始信号を制御部５０へ出力する。制御部５０は、駆動開始信号に基づいてペルチェ素子１４の駆動を開始することによって、貯蔵部１１Ｂから排出されて濃縮器１３に供給された、１−ブタノールを冷却して凝集する（図８の時刻１８０〜３００［ｓ］）。凝集によって生成された液体（ここでは、１−ブタノール）は、ＳＡＷ素子１４上に貯まる。

続いて、ユーザは、手動操作にてクロックシンセサイザ４０の駆動を開始し、コンピュータ３０は、ユーザの操作に基づいて矩形波の出力開始信号、ペルチェ素子１５の駆動停止信号及び電磁弁１２の切換信号を制御部５０へ出力する。制御部５０は、出力開始信号に基づいて、クロックシンセサイザ４０によって生成された矩形波をＳＡＷ素子１４へ出力してＳＡＷ素子１４を駆動することによって、凝集によって生成された液体を霧化し、駆動停止信号に基づいてペルチェ素子１５の駆動を停止し、切換信号に基づいて電磁弁１２を第一の状態とすることによって、１−ブタノールに代えて乾燥空気を濃縮器１３へ供給する（図８の時刻３００〜４２０［ｓ］）。

続いて、ユーザは、手動操作にてクロックシンセサイザ４０の駆動を停止するとともに、コンピュータ３０は、ファン１６の駆動停止信号を制御部５０へ出力し、制御部５０は、駆動停止信号に基づいてファン１６の駆動を停止し、ＳＡＷ素子１４による霧化が終了する（図８の時刻４２０〜６００［ｓ］）。

図８を参照すると、感応膜７１がある方が、感応膜７１がないよりも周波数シフトの絶対値の最大値が大きくなることがわかる。

本発明の参考形態に係る匂い濃縮装置１は、冷却によって凝縮した匂い成分を霧化して濃縮するので、匂い成分を短時間で濃縮することができる。

また、本発明の実施形態に係る匂い濃縮装置は、凝縮した匂い成分が感応膜７２に吸着するので、霧化の際に匂い成分をより効率的に濃縮することができる。

以上、本発明の参考形態及び実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜設計変更可能である。例えば、霧化又は気化部として、ＳＡＷ素子１４に代えて、表面の液体に超音波を伝搬することによって、液体中に振動を生じさせ、液体を霧化する超音波振動子を用いたり、表面の液体を加熱することによって、液体を気化するヒータを用いたりすることができる。ここで、ヒータとして、ペルチェ素子１５に冷却時とは逆方向に電圧を印加することによって、当該ペルチェ素子１５をヒータとして利用することもできる。また、冷却中のＳＡＷ素子１４の共振周波数をセンサとしてのネットワークアナライザが検出して制御部５０の周波数カウンタ５３へ出力することによって、ＳＡＷ素子１４の共振周波数の周波数シフトの絶対値の大きさに基づいて匂いの濃縮度合いを検知することができるようになり、ＱＣＭセンサ１８及び発振回路６２を省略することができる。

１匂い濃縮装置
１１Ｂ貯蔵部
１４ＳＡＷ素子（霧化又は気化部）
１５ペルチェ素子（冷却部）
７１感応膜

Claims

匂い成分を含有する気体が貯蔵される貯蔵部と、
前記貯蔵部から排出された前記気体を冷却して前記匂い成分を凝縮する冷却部と、
前記冷却部に設けられ、前記匂い成分の凝縮によって生成された液体が吸着する感応膜と、
前記感応膜に吸着された前記液体を霧化又は気化する霧化又は気化部と、
を備えることを特徴とする匂い濃縮装置。
前記霧化又は気化部は、前記感応膜に吸着された前記液体を霧化する弾性表面波素子又は超音波振動子である
ことを特徴とする請求項１に記載の匂い濃縮装置。
前記霧化又は気化部は、前記感応膜に吸着された前記液体を加熱することによって気化するヒータである
ことを特徴とする請求項１に記載の匂い濃縮装置。
前記匂い成分は、低揮発性匂い成分である
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の匂い濃縮装置。