JP5723421B2 - 電子鼻装置 - Google Patents

Description

本発明は、電子鼻装置に関する。

従来の電子鼻は、多くが検査や工業の用途に応用されている。故に、その体積は大きく、且つ一般家庭や商業用途に適していない。

小型の電子鼻は、ガス貯留型電子鼻(中華民国特許第５３７８７９号)、従動型電子鼻（中華民国特許第Ｍ３０５６６９号）、直列流計型電子鼻（中華民国特許公開番号第２０１２１９００９号）に大別される。

ガス貯留型電子鼻は、ガス貯留空間と複雑な空気管路システムにより安定した気流を生成し検測する。

従動型電子鼻は、外力が浸透していない気体（トイレの臭いなど）を検測することができない。

直列流計型電子鼻は、電子鼻中に、流量センサを追加して、不安定な気流を補う必要がある。

中華民国特許第５３７８７９号 中華民国特許第Ｍ３０５６６９号 中華民国特許公開番号第２０１２１９００９号

本発明の目的の一つは、流量計を使用せずに検測できる電子鼻装置を提供することである。
本発明の目的の他の一つは、安定した気流検知効果を有する電子鼻装置を提供することである。

本発明の実施例は、流量検知型電子鼻のファン制御回路を改良し、ブラシレスモータの励磁と逆起電力との関係を利用して空気流量を推算し、主動吸気型電子鼻の構造を簡略化し、更に電子鼻の応用の普及を促進する。

本発明は、少なくとも、ファンモジュールと、気体分子検知モジュールと、制御ユニットと、出力ユニットとを含む。

ファンモジュールは、少なくとも、制御装置と、気体推進機構を含み、空気を主動吸入して気体分子検知モジュールが検測するようにする。

気体分子検知モジュールは、少なくとも、所定の気体分子を結合可能な化合物が変換機上に被覆された装置で構成する気体分子検知装置を含む。

制御ユニットは、モータ制御ユニットと、気体検知装置制御ユニットと、演算ユニットを含む。モータ制御ユニットは、モータ励磁回路と逆起電力検測回路を含む。気体検知装置制御ユニットは、検知装置励磁回路と反応検測回路を含む。制御ユニットは、ファンモジュールを制御し、演算結果を取得するために気体分子検知モジュールを検知させる。

出力ユニットは、制御ユニットからの検知データを計算して演算結果を取得する演算ユニットを含み、演算結果に基づいて指示信号をユーザーへ出力する、又はホストへ相容れる指示を行うことができる。

本発明の実施例の電子鼻装置の概略図である。 本発明の実施例の逆起電力検測回路の概略図である。 本発明の実施例のファン回転速度と空気流量の関係図である。

＜実施例＞
図1Ａは、本発明の実施例の電子鼻装置の概略図である。図1Ａに示すように、本発明の電子鼻装置１００は、少なくとも、ファンモジュール１０１と、気体分子検知モジュール１０２と、制御ユニット１０３と、出力ユニット１０４とを含む。

ファンモジュール１０１は、少なくとも、制御装置１０１aと、気体推進機構１０１bを含み、空気を主動吸入して気体分子検知モジュール１０２に検測させる。制御装置１０１aはファンモジュール１０１を停止させるものである。気体推進機構１０１bは、気体を推進して気流を生成するものである。実施例において、制御装置１０１aはアクチュエータである。

気体分子検知モジュール１０２は、少なくとも、所定の気体分子に対し反応し電気信号の変化（電圧、電流、周波数、位相等）を生成する気体分子検知装置を含む。実施例において、気体分子検知装置は、所定の気体分子を結合可能な化合物が変換機上に被覆された装置で構成するものである。

制御ユニット１０３は、モータ制御ユニット１０３aと、気体検知装置制御ユニット１０３bとを含む。モータ制御ユニット１０３aは、ファンモジュール１０１のモータを制御するものである。モータ制御ユニット１０３aは、モータ励磁回路１０３a１と逆起電力検知回路１０３a２を含む。モータ励磁回路１０３a１はファンモジュール１０１のモータを駆動するものである。逆起電力検知回路１０３a２はファンモジュール１０１のモータを検知して逆起電力を生成するものである。気体検知装置制御ユニット１０３bは気体分子検知モジュール１０２を制御するものである。気体検知装置制御ユニット１０３bは、検知装置励起回路１０３b１と反応検知回路１０３b２を含む。検知装置励起回路１０３b１は気体分子検知モジュール１０２を駆動するものである。反応検知回路１０３b２は気体分子検知モジュール１０２の検知結果を検知するものである。制御ユニット１０３は、ファンモジュール１０１を制御し、演算結果を取得するために気体分子検知モジュール１０２を検知させる。

出力ユニット１０４は、制御ユニット１０３からの検知データを計算して演算結果を取得する演算ユニットを含み、出力ユニットは演算結果に基づいて指示信号をユーザーへ出力する、又はホストへ相容れる指示を行うことができる。

実施例において、上記変換器は、圧電水晶振動子、表面弾性波、電気化学、光ファイバ、表面プラズモン共鳴又は金属酸化膜半導体であってもよい。

実施例において、被覆された所定化合物は、所定気体分子と結合可能な化合物であり、ZnO、NiO、Fe₂O₃、TiO₂、CdSnO₃、SnO₂、WO₃、Au nanoparticle、WO₃+SnO₂、WO₃+ZnO、TiO₂+ZnO、 WO₃+Fe₂O₃ hybrid nanoparticle、CYS-LYS-ARG-GLN-HIS-PRO-GLY-LYS-ARG-CYS、LYS-ARG-GLN-HIS-PRO-GLY-LYS-ARG(KRQHPGKR) 、LYS-ARG-GLN-HiS-PRO-GLY(KRQHPG)、HAC01-Acid、TN-Ammonia、DH31-Amine-acid、P1-Aromatic、A1N-Amine-Mercaptans、A5N-Mercaptans、インドール（Indole）又はアンモニア（Ammonia）と結合可能なその他の如何なる化合物、陰イオン又は陽イオン受容体（レセプタ）、或いはペプチド及びそれに対応する抗体であってもよい。

実施例において、インドール又はアンモニアと結合可能なペプチドは、いろいろな結合方法で匂いを識別する物質を捕らえるタンパク質特定ドメイン（protein domain）（ペプチドを含む）であり、機能性評価を行うことができる。実施例において、タンパク質特定ドメインはタンパクマトリックスに由来する。タンパクマトリックスは、疎水性相互作用タンパク（hydrophobic interaction protein）、水素結合タンパク（hydrogen bonding protein）、又は植物ホルモン結合タンパク（plant hormone binding protein）などの特定ドメインと組み換え型機能の同族の物質（recombinant functional homologous）とを含む。

実施例において、タンパクマトリックスは、オーキシン応答―輸送阻害剤応答タンパク質1（transport inhibitor response 1-like protein （TIR1 -like protein））。

実施例において、上述の制御装置１０１aは、直流ブラシレスモータ、又はステッピングモータ、又は交流誘導モータ、又は三相交流同期モータであってもよい。

実施例において、前記気流推進機構は、ファンブレード、又はプロペラ、又はタービンであってもよい。

実施例において、前記出力ユニット１０４は、発光ダイオード又はタングステンランプ又はレーザのような光信号インジケータであってもよい。

実施例において、前記出力ユニット１０４は、液晶ディスプレイ又は有機ELディスプレイのような画像ディスプレイ装置であってもよい。

上記出力ユニット１０４は、ブザー又はスピーカのような音声信号インジケータであってもよい。

実施例において、前記出力ユニット１０４は、ブルートゥース又はワイファイのような無線通信インターフェースであってもよい。

実施例において、前記出力ユニット１０４は、USB, UART, SPIのような有線通信インターフェースであってもよい。

そのうち、ファンモジュール１０１は、気流を発生させ、その磁気コイルの逆起電力は、推進機構（プロペラ等）と空気感の作用力と関係し、それにより、励磁電流、回転速度、逆起電力の大きさから気流を算出する。図1Ｂに示すように、逆起電力検測回路は、三つのスイッチＡ、Ｂ及びＣと、三つのコイルと、三つのダイオードを含む。モータの回転子は永久磁石です。モータの固定子は三つのコイルを有する。図1Ｂに示すように、三つのスイッチＡ、Ｂ及びＣを順番に入れることによって、回転の磁場を生成して回転子を回転させる。

三つのスイッチＡ、Ｂ及びＣが切られており回転子が回転している場合、レンツの法則によれば、コイルの磁束は、回転子の回転に応じて誘導電流を生成し、コイルの両端で逆起電力である誘導された電力を生成する。

ファラデーの電磁誘導の法則によれば、誘導電力（induction electromotive）の大きさは、磁束の量の変化に正比例する。即ち、逆起電力の大きさからモータの回転速度を算出することができる。先立って、固定速度でモータを動作させてその逆起電力の大きさを記録する。そうすると、動作中では、検出された逆起電力から回転速度を算出することができる。
上記のように、前記励磁電流、回転速度、逆起電力等の関連の情報により、所定単位内の気流流量を算出する。

そして、気体分子検知モジュール１０２が生成した信号は、更に気流流量を介して検測される真の分子含有量として校正される。実施例において、気体分子検知モジュール１０２が校正した補償気流流量の質量変化ｍ_calと、気体分子が捕らえられた後のタンパク質特定ドメインの質量変化Δｍとの方程式は、以下の通りである。
ｍ_cal=K*Δｍ/Ｋ... (1)
そのうち、Δｍは気体分子が捕らえられた後のタンパク質特定ドメインの質量変化である。
Ｖは逆起電力である。
Ｋは、メカニズムデザインに依存する気流流量の常数である。
m_calは補償気流流量の質量変化である。

それから、m_cal /Mで気体検知装置制御ユニットが捕らえる気体分子の量を取得して、検測される真の分子含有量を生成することができる。そのうち、Mは目標の気体の分子量である。

このように、本発明の電子鼻装置は匂いを精密に検知する機能を有する。尚、主動吸気の電子鼻の構造を簡略化して、電子鼻を幅広い分野に応用できる。

＜応用例1＞
アンモニアとチオールを検知可能な電子鼻を公共トイレに取付けることにより、トイレの臭気をモニタリング可能であり、更に、中央監視ホストによって、清掃するように清掃員に自動的に通知する又は自動的に芳香剤を噴出し、リアルタイムでトイレの衛生環境を維持する。

＜応用例２＞
アンモニアとチオールを検知可能な電子鼻をペット又は赤ちゃんのおむつに固定し、定時に自動的にペットが排泄をしたか否かをモニタリングして、更に、飼い主又は親におむつの交換を指示することができる。

＜応用例3＞
老人介護センターで、アンモニアとチオールを検知可能な電子鼻を成人用おむつに固定して、おむつの交換が必要か否かを自動的にモニタリングし、又指示信号の発信、又は中央監視ホストへ通知して、さらに、介護員に交換を指示する。このように、介護員が定期的に調べなければならないという手間が省けるとともに、看護を受ける者にとっても自尊心が尊重される。

図２は、本発明の実施例のファン回転速度と空気流量の関係図である。図２に示すように、ファンの励磁、逆起電力、空気流量の関係は以下の通りである。所定ファンの直径の下、空気流量とファン回転速度は正比例となる。

直流ブラシレスモータは、ある所定コイルの逆起電力信号を検知することにより、直接ファンの回転速度を測定でき、モータ制御装置は、状況に応じて、定速定流に制御するか又は回転速度データを直接、後に続く演算にフィードバックできる。

以上において、実施例により本発明を説明したが、本発明の範囲をこれに制限するものではなく、本発明の本質を逸脱しない限り、当業者が行う各種変形又は変更もまた本発明の特許請求の範囲内である。

電子鼻装置１００
制御装置１０１a
気体推進機構１０１b
モータ制御ユニット１０３a
モータ励磁回路１０３a１
逆起電力検知回路１０３a２
気体検知装置制御ユニット１０３b
検知装置励起回路１０３b１
反応検知回路１０３b２
ファンモジュール１０１
気体分子検知モジュール１０２
制御ユニット１０３
出力ユニット１０４

Claims (8)

1. 複数コイルを含むモータと、空気を推進して気流を生成する気体推進機構を含み、前記空気を主動吸入するファンモジュールと、
   所定の気体分子を結合可能な化合物が変換器上に被覆された気体分子検知装置を含み、検知した前記所定の気体分子によって電気信号の変化を生成する気体分子検知モジュールと、
   モータ励磁回路と逆起電力検測回路を含むモータ制御ユニットと、気体検知装置制御ユニットとを含み、前記ファンモジュールを制御し、これにより、検知データを取得するために前記気体分子検知モジュールを検知させる制御ユニットと、
   前記制御ユニットからの前記検知データを計算して演算結果を取得する演算ユニットを含み、前記演算結果に基づいて指示信号をユーザー又はホストに出力する出力ユニットと、
   を含む電子鼻装置であって、
   前記逆起電力検測回路は、前記複数コイルの両端で逆起電力を生成し、
   前記演算ユニットは、前記逆起電力の大きさから前記気流の流量を算出し、前記気流の流量を利用して前記検知データを校正することを特徴とする電子鼻装置。
2. 被覆された所定の気体分子の結合可能な化合物は、匂いを識別する物質を捕らえるタンパク質特定ドメインであることを特徴とする請求項１記載の電子鼻装置。
3. 被覆された所定の気体分子の結合可能な化合物は、インドール（Indole）又はアンモニア（Ammonia）と結合可能な化合物、或いはペプチド及びそれに対応する抗体であることを特徴とする請求項１記載の電子鼻装置。
4. 前記変換器は、圧電水晶振動子、表面弾性波、電気化学、光ファイバ、表面プラズモン共鳴又は金属酸化膜半導体であり、
   前記モータは、直流ブラシレスモータ、又はステッピングモータ、又は交流誘導モータ、又は三相交流同期モータであり、
   前記気流推進機構は、ファンブレード、又はプロペラ、又はタービンであり、
   前記出力ユニットは、光信号インジケータ、画像ディスプレイ装置、音声信号インジケータ、無線通信インターフェース、又は有線通信インターフェースであることを特徴とする請求項１記載の電子鼻装置。
5. 前記逆起電力検測回路は、前記複数のコイルに対応する複数のスイッチを含み、
   前記ファンモジュールの前記モータの回転子は永久磁石であり、
   前記ファンモジュールの前記モータの固定子は前記複数のコイルを有し、
   そのうち、前記逆起電力検測回路は、前記複数のスイッチを順番に入れることによって、回転の磁場を生成して前記回転子を回転させ、
   前記複数のスイッチが遮断され、かつ前記回転子が回転している場合、前記複数のコイルの磁束は、前記回転子の回転に応じて誘導電流を生成し、前記複数のコイルの両端で前記逆起電力を生成することを特徴とする請求項１記載の電子鼻装置。
6. 前記演算ユニットは、更に、前記モータ励磁回路の励磁電流、前記回転子の回転速度、前記逆起電力の大きさにより前記気流の流量を算出することを特徴とする請求項５記載の電子鼻装置。
7. おむつの匂いを検知することに適用することを特徴とする請求項５記載の電子鼻装置。
8. 前記逆起電力の大きさは、前記磁束の量の変化に正比例し、検出された前記逆起電力の大きさによって前記モータの前記回転子の回転速度を算出することを特徴とする請求項５記載の電子鼻装置。