JP5750478B2

JP5750478B2 - イオン検出装置

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Publication number: JP5750478B2
Application number: JP2013162867A
Authority: JP
Inventors: 坂入　実; 実坂入
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Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2009-10-13
Filing date: 2013-08-06
Publication date: 2015-07-22
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Description

本発明は、大気圧下におけるイオン検出を基本とした、検出装置に関する。また、この呼吸検出技術を基盤とした、自動車などの移動体における飲酒運転防止装置及び居眠り運転防止装置に関する。さらに、プラントにおけるセンサー、非接触の機器インターフェイス、呼吸訓練装置、呼気発電装置に関する。

従来の呼気検出、呼気中アルコール検出、居眠り検出などの技術分野においては、目的とする物質をイオン化して真空中に存在する質量分析部により検出する方法がある。
特許文献１に開示されている方法は、エレクトロスプレー法と呼ばれるイオン化法により発生した微小液滴を、真空中のセカンドチャンバーに導入して、そのチャンバー内で上方から導入されたガスとの衝突により脱溶媒化を促進し、脱溶媒化したイオンを質量分析するという方法である。

特許文献２に開示されている方法は、真空下のスキマーコーンおよび或いは後続のイオン収束レンズ系のレンズ電極に流入する、大気圧下で生成したイオンの電流を検出し、そのイオン電流が一定になるように電極の印加電圧を制御するものである。

特許文献３に記載の方法は、真空中で発生したイオンを大きく偏向して電極に衝突させ、光学系のクリーニングを行うものである。

特許文献４に記載の方法は、真空中に導入するイオンを、空気力学的に収束する方法である。

特許文献５に記載の方法は、真空中で効率的にイオンをトラップするためのイオントラップ型質量分析計に関するものである。

特許文献６に記載の方法は、大気圧イオン化法を用いたタンデム型質量分析計において、検出信号のＳＮ比を改善するための方法である。上記いずれの場合においても、イオンを真空中に導入して検出することが大きな前提となっている。

ＵＳ６２７８１１１号公報特開平０７−３２５０２０号公報特開２００３−２５７３２８号公報特表２００６−５１０９０５号公報特表２０００−５１０６３８号公報ＵＳ２００４０３１９１７号公報

上記のいずれの方法でも、生成したイオンを分析するために高真空下で動作する質量分析計を用いている。質量分析計を用いると、イオンの質量数を測定でき高精度の分析が可能となる。しかし、質量分析計のように、磁場や電場の中で、イオンを質量数毎に正確に分離させるには、目的とするイオンが中性分子と衝突しイオン軌道が変化する、あるいは衝突により目的とするイオンが分解することをできるだけ避ける必要があり、質量分析計内部は１０^−２Ｐａ以下の高真空にして存在する中性分子の数を大幅に減少させることが必要である。また、目的とするイオンを高感度に検出するには、２次電子増倍管などのように、高電圧を印加して電子の増幅作用を利用するため、高真空にしておかないとこの検出器部分で放電が発生し、イオンが検出できなくなるというのも、質量分析計を高真空にする理由のひとつである。そのため、ターボ分子ポンプ、ロータリポンプなどの真空排気系を設けるため、装置が大型化するという大きな問題があった。

従来技術においては、磁場、電場の中で、イオンを質量数毎に分離するために、ターボ分子ポンプなどの真空排気系を設けざるを得ず、装置が大型化していた。このとき、イオンに働く力は磁場や電場による力であり、重力は関係しない。

ここで、イオンを検出する部分を大気圧下で動作させ、イオンに働く力を、電場による力だけでなく、大気圧下で動作させる際に特徴となる、空気抵抗、浮力、重力の作用を使用することによって、これまでとは異なる方法でイオンの分離を行う分析方法を提供することが可能となる。当該分析方法は、大気圧下で動作させることから、ターボ分子ポンプのような大型の真空排気系は不要となり装置を大幅に小型化でき、課題を解決することができる。また、イオンに対する電場による力と重力による作用を効果的に使用する分析法を提供するために、重力とは異なる方向に電場の力を作用させイオンを分離する（例えば、重力と電場による力の方向が９０度異なるなど）ことが有効となる。さらに、大気圧下で動作させてイオンを検出する場合、同様の構造を持つ検出部を複数並べて、検出感度を向上させることが容易となる。なお、イオン検出には、大気圧で動作する微小電流計を用いれば良い。

一方、従来の質量分析計ではあるレベルの真空に達してから試料を導入しなければならないが、大気圧下で動作する装置では電源を投入すればすぐに試料を導入して測定を開始することができる。

簡便な方法で外気を検出することができると、空間的制約がある場所において呼気検知することが可能となる。例えば、自動車の車内において呼気中アルコール検査に基づく飲酒運転防止、呼気の非接触計測による居眠り運転防止を行うことができる。
また、非接触で機器操作を実現するためのインターフェイスを提供できる。さらに、プラントにおけるセンサー、非接触の機器インターフェイス、呼吸訓練装置、呼気発電装置にも展開できる。

本発明の装置の構成図本発明の装置における、電荷を持つ水クラスターの半径による重力方向の速度と重力と垂直の電界方向の速度の計算値本発明の装置における、電荷を持つ水クラスターの半径による検出電極に到達するまでの時間本発明の装置における、呼吸の検出の電圧依存性本発明の装置における、呼吸の検出の距離依存性本発明の装置における、ポンプによる排気の効果本発明の装置における、２層型検出電極方式による呼気センサー本発明の装置における、２層型検出電極方式の構成図本発明の装置における、別の角度からの２層型検出電極方式の構成図本発明の装置における、２層型検出電極方式の電極、電源の構成図本発明の装置における、口による呼吸の検出法本発明の装置における、口による呼吸の検出例本発明の装置における、鼻による呼吸の検出例本発明の装置における、多層型検出電極方式の構成図本発明の装置における、別の角度からの多層型検出電極方式の構成図本発明の装置における、多層型検出電極方式の電極、電源の構成図本発明の装置における、呼気アルコールセンサーの構成図本発明の装置における、呼気アルコールセンサーの構成図本発明の装置における、呼気アルコールセンサーの構成図本発明の２層型検出電極方式において、アルコールセンサーを複数配置した例本発明の多層型検出電極方式において、アルコールセンサーを複数配置した例本発明の装置を収めたセンサーボックス本発明において、呼気アルコールセンサーをコラムに設置した例本発明における、呼気アルコールセンサーの使用例本発明における、呼気アルコールセンサーの使用例本発明における、呼気とアルコールの同時検出例本発明における、呼気とアルコール強度の時間変化の検出例本発明の装置を用いた場合のエンジン始動のアルコール検出アルゴリズム本発明の装置を用いた場合の走行中のアルコール検出アルゴリズム本発明の装置を用いた場合の検査モードにおけるアルコール検出アルゴリズム本発明の装置において、なりすまし防止用検出電極を用いた場合の例本発明の装置において、なりすまし防止用検出電極を用いた場合のアルコール検出アルゴリズム本発明の装置において、風速センサーを設けた場合の例本発明の装置において、風速センサーを設けた場合の例本発明の装置において、風速センサーを設けた場合の呼気検出アルゴリズム本発明の装置における、居眠り防止センサー本発明の装置における、居眠り防止センサーの検出原理本発明の装置を用いた場合の欠伸、頭の傾きの検出例本発明の装置を用いた場合の居眠り検出法本発明の装置を用いた場合の居眠り検出アルゴリズム本発明における交通システムの例本発明における交通システムの例本発明における鉄道システムの例本発明における移動体乗務員の生体リズム可視化センサーの例本発明を用いた場合の無呼吸による呼気ピーク欠損、荒い呼吸の検出例本発明におけるプラント用センサーの例本発明における湿度の検出例本発明における機器インターフェイス本発明の装置を用いた場合の機器操作コマンド本発明における機器インターフェイスの例本発明の装置において、絶縁材の電極カバーを設けた場合の例本発明の装置において、絶縁材の電極カバーを設けた場合の効果の例本発明の装置において、絶縁材の電極カバーを設けた場合の静電ポテンシャルの計算例本発明において、呼気センサーを、呼気導入部、呼気伝達部、呼気検出部に分割した構成図本発明において、呼気センサーを、呼気導入部、呼気伝達部、呼気検出部に分割した際の呼気検出例本発明における、呼気センサーにつばをつけた構成図本発明の装置において、呼気センサーにつばをつけた効果の例本発明における、人等の動きを検出する動体検知センサーの構成図本発明において、人の移動を検出した例本発明における動体検知センサーの設置例

本実施例では、非接触で非侵襲に外気である呼気を検出する例を示す。呼気中には、約３７℃における飽和蒸気圧レベルの水が含まれることから、呼気中の水は実質的に水クラスターとなって体外に出される。このとき、水クラスター中に、正の電荷を持つ水クラスターと負の電荷を持つ水クラスターが存在すると、電界により分離することができる。

このとき、一方の電圧印加電極に高電圧を印加し対向する検出電極を電流計に接続した平行平板電極中に、呼気中の水クラスターを導入すると、印加した電圧と同じ極性を持つクラスターのみが電界により偏向し、検出電極に補足され電流が検出される。すなわち、電圧印加電極に正の電圧を印加すると、検出電極には正の電荷を持つ水クラスターが捕捉され正の電流が検出される。一方、電圧印加電極に負の電圧を印加すると、検出電極には負の電荷を持つ水クラスターが捕捉され負の電流が検出される。この電流の時間変化を計測することによって、呼気を間接的に計測することができる。
通常の呼気のクラスターでは、その全体の電流量を計測すると電流量はほぼ零であることから、正の電荷を持つ水クラスターと負の電荷を持つ水クラスターは呼気中ではほぼ同数存在すると考えられる。

この計測手段を、図1（ａ）に示す。高圧電源３ａによって、電圧印加電極１ａと検出電極２ａの間に電位差を設ける。このとき、電圧印加電極１ａと検出電極２ａとの間に、水クラスターを含む呼気を、図１（ａ）の紙面に垂直な方向から紙面に向かって導入すると、電荷も持つ水クラスターには、図１（ｂ）に示すように、空気抵抗、浮力、重力、電界による力が働く。これらの力の関係によって、電圧印加電極１ａに正の電圧を印加すると、正の電荷を持つ水クラスターのみが偏向し検出電極２ａに衝突して正の電流が検出される。一方、電圧印加電極１ａに負の電圧を印加すると、負の電荷を持つ水クラスターのみが偏向し検出電極２ａに衝突して負の電流が検出される。従って、図１(a)に示すように、偏向して検出電極２ａに衝突するのは、ある径を持つ径の小さな電荷を持つ水クラスター５であり、径の大きな電荷を持つ水クラスター６は検出電極２ａに衝突せず検出されない。

検出電極２ａで検出された電流は、微小電流計４ａで増幅後、電圧に変換され、データ処理部７ａに転送される。このデータは、データ処理部７ａにあるインターフェイス９ａを介して、内部メモリ１０ａ、あるいは外部メモリ１１ａに記憶される。記憶されたデータは、データ処理部７ａにあるＣＰＵ８ａの制御により、あるアルゴリズムに基づいて、スピーカ１２ａで音を出したり、表示器１３ａに結果を表示することができる。また、電位差の設定等、印加電圧の設定等の制御についても当該データ処理部より制御することが可能である。

以上の過程を理解するには、電荷を持つ水クラスターの重力方向の運動と、重力と直角方向の運動を解析する必要がある。まず、電荷を持つ水クラスターの重力方向の運動について解析する。

小さな水クラスターに働く空気抵抗は、ストークスによって球の半径ｒと重力方向の球の速度ｖ_ｇに比例することが求められている。その大きさは、空気の粘性率ηを用いて次式で表される。

空気抵抗の大きさ＝６πηｒｖ_ｇ
また、空気による浮力の大きさはその物体が排除した空気に働く重力と等しいので、半径ｒの球の場合、空気の密度ρ_ｆ，重力加速度ｇを用いて
空気による浮力の大きさ＝（４／３）πｒ^３ρ_ｆｇ
と表される。従って，質量ｍの水クラスターが重力方向に働く運動方程式は、
ｍ・（ｄｖｇ／ｄｔ）＝（４／３）πｒ^３ρ_ｐｇ−６πηｒｖ_ｇ−（４／３）πｒ^３ρ_ｆｇ
と表される。ここで、ρ_ｆは水の密度である。１気圧、２５℃で空気中を落下する水滴を考えると、水の密度ρ_ｐ＝９９７．０４ｋｇ／ｍ^３、空気の密度ρ_ｆ＝１．１８４３ｋｇ／ｍ^３、空気の粘性率η（２５℃）＝０．００００１８２、重力加速度ｇ＝９．８０７ｍ／ｓ^２、となる。ｖ_ｇが正であれば、時間が経過するにつれて加速度は０となり、空気中の水クラスターは一定速度で等速運動をするようになる。この速度の終末速度ｖ_ｇ０は上式をゼロと置くことにより次式となる。

ｖ_ｇ０＝２ｒ^２（ρ_ｐ−ρ_ｆ）ｇ／（９η）
次に、電荷を持つ水クラスターの重力方向と直角方向の運動について解析する。電荷を持つ水クラスターの電荷をｑとすると、電場の大きさがＥのとき、電荷を持つ水クラスターに対して重力方向と直角方向に運動するときの運動方程式は次式となる。

ｍ・（ｄｖｔ／ｄｔ）＝ｑＥ−６πηｒｖ_ｔ
従って、このときの終末速度ｖ_ｔ０は、
ｖ_ｔ０＝ｑＥ／（６πηｒ）
となる。ここで、電荷ｑ＝１．６０２１×１０^−１９Ｃ（Ａ・ｓ）である。電界は、例えば、距離１０ｍｍの電圧印加電極と検出用電極間に１０００Ｖを印加したとすると、電界Ｅ＝１０００００Ｖ／ｍとなる。

ここで、１気圧、２５℃で、空気中の水クラスターの場合を考える。水の密度ρ_ｐ＝９９７．０４ｋｇ／ｍ^３、空気の密度ρ_ｆ＝１．１８４３ｋｇ／ｍ^３、空気の粘性率η＝０．００００１８２、重力加速度ｇ＝９．８０７ｍ／ｓ^２、電荷ｑ＝１．６０２１×１０^−１９Ｃ（Ａ・ｓ）、電界Ｅ＝１０００００Ｖ／ｍとして、水クラスターの半径ｒ（μｍ）によるｖ_ｇ０（ｍ／ｓ）とｖ_ｔ０（ｍ／ｓ）の変化を計算すると、図２のようになる。

電圧印加電極１ａと検出電極２ａの距離を１０ｍｍ、検出電極２ａとして縦４０ｍｍ、幅１５ｍｍの大きさの場合、電荷１．６０２１×１０^−１９Ｃを持つ半径ｒ（μｍ）の電荷を持つ水クラスターが中心の２０ｍｍの位置から落下する間に、偏向して検出電極２ａに衝突して検出されるには、検出時間として１０秒程度を考えると、ｒとして、検出電極からの位置が１ｍｍのときに約０．５μｍ以下、３ｍｍのときに約０．１５μｍ以下、５ｍｍのときに約０．１μｍ以下であることが、図３からわかる。

図４には、電圧印加電極１ａと検出電極２ａの距離を１０ｍｍとした場合に、印加する電圧による、呼気（風速１〜３０ｍ／ｓｅｃ程度の呼気を数秒導入）により検出される電圧の変化を示した。ここでは、呼気中の電荷を持つ水クラスターにより検出された電流を最終的に電圧に変換している。上記の解析からわかるように、印加する電圧が高いほど検出される電荷を持つクラスターは増える、すなわち電流量が増えるが、電極間の放電の問題からその上限は決まる。ここでは、１２００ｖまで印加したデータを示しているが、電圧として１０００Ｖ、すなわち電界強度１０００００Ｖ／ｍ程度で十分な電流量が得られる。

図５には、電圧印加電極１ａと検出電極２ａの端から口までの距離による、呼気（風速１〜３０ｍ／ｓｅｃ程度の呼気を数秒導入）により検出される電圧の変化を示している。ここでは、呼気中の電荷を持つ水クラスターにより検出された電流を最終的に電圧に変換している。当然のことながら、距離が近いほど検出される電圧が高く、特に１０ｃｍ以内では大きく電圧が変化していることがわかる。

図６には、呼気（風速１〜３０ｍ／ｓｅｃ程度の呼気を数秒導入）による呼気ピークの検出された電圧の、印加電極１ａと検出電極２ａの間の領域の排気依存性を示している。ここでは、呼気中の電荷を持つ水クラスターにより検出された電流を最終的に電圧に変換している。この領域を排気することは、呼気ピークのテーリングを少なくする、すなわち、一呼吸の分解能を持たせるという観点から重要である。通常、排気速度が０．１から１０Ｌ／ｍｉｎのダイアフラムポンプを用いている。なお、図１に示すように、電圧印加電極１ａと検出電極２ａとの間は開放系の領域であるので、上記程度排気速度のポンプで吸引してもこの領域の圧力は大気圧となっている。

基本的な発明は図１に示したとおりであるが、電荷を持つ水クラスターの検出に、検出電極の両側の面を用いることは、検出される信号量を増やすという観点から有効である。その例を図７、図８、図９、図１０に示した。図９は、図８を異なる方向（ポンプ排気口１３ｂにおける断面図）からみた図である。図７に示す呼気センサー１４の中には、電圧印加電極１ｂ、１ｃと検出電極２ｂが配置されており、呼気を導入する側には、感電防止のためにメッシュ状板１５ａが設けられている。また、呼気を導入するタイミングを知らせるために、呼気導入開始ランプ１６と呼気導入停止ランプ１７を設けることは有効である。通常、呼気導入の時間は数秒である。また、呼気を導入するタイミング、停止するタイミングを知らせるのはブザーでもよい。

図８には、検出電極の両側から、呼気中の電荷を持つ水クラスターを検出する場合の電極の配置を示している。検出電極２ｂの両側の面に対向するように、電圧印加電極１ｂ、１ｃを電極支え１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ、１８ｅ、１８ｆを介して呼気センサーケース１９ａ内に配置し、しかもこの空間内を排気するポンプ排気口２０ａ、２０ｂを設けている。図１０に示すように、電圧印加電極１ｂ、１ｃには同じ極性の電圧を印加することになる。異なる極性の電圧を印加してしまうと、正の電荷を持つクラスターと負の電荷を持つクラスターとで電流が相殺されてしまうことになるからである。検出電極２ｂで検出された電流は、図９に示すように、ケーブル支え２１ａにより支えられた検出電極用ケーブル２２ａを介して、微小電流計に送られ、電圧に変換される。図１０に示すように、検出電極２ｂで検出された電流は、微小電流計４ｂで増幅後、電圧に変換され、データ処理部７ｂに転送される。このデータは、データ処理部７ｂにあるインターフェイス９ｂを介して、内部メモリ１０ｂ、あるいは外部メモリ１１ｂに記憶される。記憶されたデータは、データ処理部７ａにあるＣＰＵ８ａの制御により、あるアルゴリズムに基づいて、スピーカ１２ｂで音を出したり、表示器１３ｂに結果を表示することができる。

図１１に、呼気を呼気センサー１４に、非接触で吹き込む様子を示した。呼気センサーケーブル２３には、検出電極用ケーブルに加えて、電圧印加電極用ケーブル、排気用のポンプの管などが入っている。

口からの呼気（風速１〜３０ｍ／ｓｅｃ程度の呼気を数秒導入）を、呼気センサー１４に２０秒程度の間隔で導入して得られる一連の呼気ピークを図１２に示した。ここでは、得られたピークを呼気ピークと呼ぶこととする。呼気の強度を完全に制御することができないので、強度の変化が観測されているものの、本発明の呼気センサーにより安定に呼気ピークが観測されていることがわかる。また、図１３に示すように、呼気センサー１４を鼻に近づけ、鼻からの呼気を観測することもできる。この場合は通常の呼吸を連続して計測した場合であるが、呼気ピークのひとつが一回の呼吸に対応しており、一連の呼吸が安定に観測されている。ちなみに、呼気の場合、正の電荷を持つ水クラスターと負の電荷を持つ水クラスターが同程度発生するので、どちらの場合でも同様の結果が得られる。図１２、図１３に示した実験では、電圧印加電極には−１０００Ｖを印加し、負での電荷を持つ水クラスターを計測している。

図７の考え方をさらに発展させると、図１４、図１５、図１６に示すような多層型呼気センサーが可能である。図１４の場合は、図７の２層型呼気センサーを３組用いた場合の例である。図１５は、図１４を異なる方向（多層型用ポンプ排気口２８ｂにおける断面図）からみた図である。多層型呼気センサーケース２７内における多層型用検出電極２４ａ、２４ｂ、２４ｃに対して、多層型用電圧印加電極２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄを対向するように配置し、これらの電極を多層型用電極支え２６ａ、２６ｂにより支える。これらの空間は、多層型用ポンプ排気口２８ａ、２８ｂにより排気される。図１６に、多層型用検出電極２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、多層型用電圧印加電極２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄにおける電圧の印加の仕方を示した。すなわち、多層型用電圧印加電極２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄには、同じ極性の電圧を印加する。この多層構造は基本的に何層でも問題なく、呼気を離れた位置から観測する必要がある場合には、拡散した呼気を大面積で計測できることになり有利となる。しかも、多層構造では、多層型用電圧印加電極と多層型用検出電極との距離を短くできるので、２層構造に比較すると、多層構造型用電圧印加電極に印加する電圧は低くてすむというメリットがある。多層型検出電極２４ａ、２４ｂ、２４ｃで検出された電流は、微小電流計４ｃで増幅後、電圧に変換され、データ処理部７ｃに転送される。このデータは、データ処理部７ｃにあるインターフェイス９ｃを介して、内部メモリ１０ｃ、あるいは外部メモリ１１ｃに記憶される。記憶されたデータは、データ処理部７ｃにあるＣＰＵ８ｃの制御により、あるアルゴリズムに基づいて、スピーカ１２ｃで音を出したり、表示器１３ｃに結果を表示することができる。

本発明を用いると、自動車などの移動体における呼気アルコールセンサー２９ａ、２９ｂ、２９ｃに利用可能である。本発明を自動車に利用する場合について、図７に示す２層構造型に基づいて、図１７（呼気センサー部の後ろにアルコールセンサー部を配置した構造）、図１８（呼気センサー部と並列にアルコールセンサー部を配置した構造）、図１９（アルコールセンサー部を呼気センサー部の前に配置した構造）に示した。

まず、呼気センサー部の後ろにアルコールセンサー部を配置した構造を示す図１７について説明する。呼気アルコールセンサー２９ａの呼気センサーケース１９ｂには、検出電極２ｃ、電圧印加電極１ｄ、１ｅを設け、両電極には数百ボルトの電圧（検出電極２ｃ、電圧印加電極１ｄ、１ｅの距離が１０ｍｍのとき、１０〜１５００ボルト程度である）を印加する。一方、呼気センサーケース１９ｂの後ろに配置されたアルコールセンサーケース３０ａ内には、半導体センサーなどのアルコールセンサーヘッド３２ａを設けている。アルコールセンサーヘッド３０ａには、半導体センサーではなく燃料電池方式など、別方式のセンサーを使用することも可能である。このような呼気アルコールセンサーの構成にすると、呼気センサー部とアルコールセンサー部を一体化することが容易であり、また、呼気を導入する側から呼気アルコールセンサーをみると呼気センサー部だけとなり装置をコンパクトにできるというメリットがある。また、図２０（２層構造型の場合）、図２１（多層構造型の場合）に示すように、アルコールセンサーヘッドを２個以上の複数配置してアルコールの検出感度を向上できるというメリットがある。

次に、呼気センサー部と並列にアルコールセンサー部を配置した構造を示す図１８について説明する。呼気アルコールセンサー２９ｂには、検出電極２ｄ、電圧印加電極１ｆ、１ｇを設け、両電極には数百ボルトの電圧（検出電極２ｄ、電圧印加電極１ｆ、１ｇの距離が１０ｍｍのとき、１０〜１５００ボルト程度である）を印加する。一方、アルコールセンサー部は、半導体センサーなどのアルコールセンサーヘッド３２ｂを、呼気センサーケース２９ｂの前面パネルの呼気アルコール導入口３３の直後に設けている。この呼気アルコール導入口３３は、図１８のように、メッシュ状板１５ｃの横でも良いし、上でも下でも良い。アルコールセンサーヘッド３０ａには、半導体センサーではなく燃料電池方式など、別方式のセンサーを使用することも可能である。このような呼気アルコールセンサーの構成にすると、アルコールが呼気センサー内部で拡散された後に検出するという方式に比較してアルコールピークがシャープになるというメリットがある。

最後に、アルコールセンサー部を呼気センサー部の前に配置した構造を示す図１９について説明する。呼気アルコールセンサー２９ｃには、検出電極２ｅ、電圧印加電極１ｈ、１ｉを設け、両電極には数百ボルトの電圧（検出電極２ｄ、電圧印加電極１ｆ、１ｇの距離が１０ｍｍのとき、１０〜１５００ボルト程度である）を印加する。一方、アルコールセンサー部は、半導体センサーなどのアルコールセンサーヘッド３２ｂを、呼気センサーの前面に設けている。アルコールセンサーヘッド３０ａには、半導体センサーではなく燃料電池方式など、別方式のセンサーを使用することも可能である。このような呼気アルコールセンサーの構成にすると、アルコールが呼気センサー内部で拡散された後に検出するという方式に比較してアルコールピークがシャープになるというメリットに加え、アルコールの検出感度が向上するというメリットがある。

図２２は、呼気アルコールセンサー２９ｅを、呼気アルコールセンサーケース３４ａ、３４ｂに収納する場合を示している。この呼気アルコールセンサーケース３４ａ、３４ｂは、台座３５を通して、図２３に示すように、コラムカバー３６上に設置される。台座３５において、呼気アルコールセンサーケース３４ａ、３４ｂの運転者に対する角度を可変にしておくことは重要である。呼気アルコールセンサーケース３４ａ、３４ｂの設置場所の一例は、図２３（ａ）、図２３（ｂ）に示すように、ステアリングホイール３７の後ろにあるコラムカバー３６の上である。

実際の呼気アルコールセンサーの使用では、図２４に示すように、呼気アルコールセンサーケース３４ａ、３４ｂをコラムカバーからはずして呼気を導入することも可能である。また、しかし、走行中での検査を考えると、コラムカバー３６に呼気アルコールセンサーケース３４ａ、３４ｂ設置したままで使用することは有効である。この場合、図２５（ａ）、図２５（ｂ）に示すように、運転者の呼気がステアリングホイール３７の上半分の隙間から、呼気アルコールセンサーケース３４ａ、３４ｂ内にある呼気アルコールセンサー２９ｅに到達することになる。図４に示すように、呼気ピーク強度の距離依存性があることから、図２５（ｂ）のように、呼気アルコールセンサーケース３４ａ、３４ｂ内の呼気アルコールセンサー２９ｅと口との距離を毎回一定にすべく、額をステアリングホイール３７にのせて、呼気アルコールセンサーケース３４ａ、３４ｂ内の呼気アルコールセンサー２９ｅめがけて呼気を吐き出すようにすることは安定したデータを取得する観点から重要である。また、このときの口と呼気アルコールセンサー２９ｅとの距離を、呼気ピーク強度が大きく変化する２０ｃｍ以内に位置させることは、なりすまし（飲酒していない人が、離れた位置から代わりに呼気を吐き出す）を防ぐ意味でも重要である。これは、離れた位置からでは、どんなに強く呼気を吐き出しても呼気ピーク強度が弱いためである。

図２６に、図１７の構成を用いて、飲酒した人による、呼気ピークとこれに連動するアルコールピークの例を示した。このとき、アルコールピークは正負を逆に表示している。このように、アルコールピークと呼気ピークを比較しやすいように、データ処理装置等に備えられた画面表示部にいずれかの正負を逆転させて表示できるように表示制御することも可能である。

これは、アルコール濃度１１％のワインを３６０ｍｌ摂取して１時間後の呼気測定による結果である。このように、呼気ピークを検出した上でアルコールピークを検出することは、単なるアルコール（エタノール）を検出しているのではなく、呼気中アルコールを検出していることを示す上で重要な指標となる。この特性を用いると、同乗者がアルコールを飲んで車内にアルコール（エタノール）を吐き出しても、それに由来するアルコール（エタノール）によるバックグランドと区別することが可能となる。

図２６では呼気ピークのピークトップとアルコールピークのピークトップの位置が少しずれているが、これは呼気ピークとアルコールピークの検出の時間的な差の問題であり、逆に、この時間差を考慮した上で両者のタイミングが一致しているかを判断すればよい。図１７に示したような構成を用いると、呼気ピークのピークトップとアルコールピークのピークトップの時間的な差は、０．１〜５秒程度におさまることになる。また、呼気ピークとアルコールピークの立ち上がり時間はほぼ一致しており、この情報も活用することはできる。

この検出の時間差の閾値を予めデータ処理装置等の制御部に記憶させておくことで、検出時間差以内にピークがそれぞれあった場合には、本人の呼気と判定し、閾値外にピークが合った場合には、なりすまし等本人以外の外気等の可能性があるため、この場合には、再度検出を実行するか、警告等を表示させるようにすることも可能である。上記の閾値は、上述した０．１〜５秒程度に限らず、任意に設定することが可能であることは言うまでも無い。

また、本発明を呼気アルコールセンサーに用いた場合の特徴を図２７に示した。飲酒していない段階、あるいは完全にアルコールが代謝された段階では（図中の時間０分、１２００分における値）、観測される呼気ピークは強い（電圧が高い）ものの、飲酒後数時間の間、呼気中にアルコールが含まれる段階では、呼気ピークの強度は弱くなっている。飲酒していない段階での呼気ピーク強度は人による違いがあるが、飲酒していない段階の呼気ピーク強度をそれぞれの人で計測しておけば、呼気ピーク強度を計測するだけでも飲酒しているかどうかの目安を得ることができる。また、アルコールセンサーに比較すると、呼気ピークはアルコールによる影響を長い時間受けるので、飲酒の履歴をみる上でも都合が良い。

本発明を用いた場合の、エンジンスタート時の飲酒チェックのアルゴリズムを図２８に示した。エンジンスタート後、運転者には、すぐに呼気アルコールセンサー２９ｅに向かって数秒間吐き出してもらう。このとき、運転者とステアリングホイール３７の間に第３者が割り込めないように、呼気アルコールセンサー２９ｅに運転者の口を近づけてもらい、強い呼気ピークを検出するようにしておく。この際、ステアリングホイール３７に、あるいは近傍に指静脈認証装置を設けておき、運転者がステアリングホイール３７を握っているかどうかを判断するロジックを組み込むことも有効である。

呼気ピーク検出についてある閾値を設けておき、この値を上回らない場合は、再度呼気を吐き出してもらう。呼気ピーク強度が十分の場合には、アルコールチェックに入り、アルコール（エタノール）が全く検出されない場合には、シフトレバーを可動状態などにして走行可能とする。アルコール（エタノール）が検出された場合には、呼気ピークの検出とアルコールピークの検出のタイミングが一致しているかを判断する。一致しない場合には、シフトレバーを可動状態などにして走行可能とする。一致した場合は、車内スピーカー等から音ないし飲酒状態でないかを確認する音声を発したり、車内モニターに表示をしたりといった警告や、シフトレバーをロックしたり、エンジンを停止したりして、走行できないようにするように、自動車に設けられた制御部により各部を制御する。その上で、検査モードに入り飲酒運転の最終確認を行う。

この装置の有効性は、走行状態でもアルコールチェックを行うことができる点にある。このときのアルゴリズムを図２９に示した。走行中、アルコールセンサーを稼動させておき、常に、あるいは一定時間毎に、アルコールが検出されるかどうかをチェックする。アルコールが検出されない場合には、そのまま走行続行となるが、アルコールが少しでも検出された場合には、運転者に、呼気アルコールセンサー２９ｅ向かって呼気を強く吐き出してもらう。図２６の場合と同様に、呼気ピークの強度に閾値を設けておき、呼気ピークとアルコールピークのタイミングが一致したら（例えば、呼気ピークのピークトップとアルコールピークのピークトップの時間的な差が５秒以内など）、ハザードランプを点滅させるなどしてまわりの車の注意を喚起すると同時に、安全な場所に停車するように運転者を誘導する。その上で、検査モードに入り飲酒運転の最終確認を行う。以上のように、センサーに直接呼気を導入するアルコールチェック方式に比較すると、本発明は簡単な操作で走行中のアルコールチェックを行うことができる。

図３０には、自動車停車時の検査モードのアルゴリズムを示した。額をステアリングホイール３７につけて、運転者の口と呼気アルコールセンサー２９ｅの距離を固定化し、何度か呼気を吐き出してもらう。あらかじめ、呼気ピーク面積と既知濃度のアルコールピーク面積との関係をデータベース化しておけば、得られた呼気ピークとアルコールピークの検出結果から、呼気中のアルコール濃度を推定することができる。この結果を記憶手段に記録に残しておけば、飲酒運転の証拠のひとつとなる。

以上のようなアルコールチェックは、自動車の運転者に限らず、電車の運転手、飛行機のパイロットなど移動体の操作者に適用できることは言うまでもない。また、プラントの運転者に適用することも有効である。

図２３に示した例に加えて、呼気アルコールセンサー２９ｅをステアリングホイール３７横のダッシュボード上につけることも可能である。このような位置に呼気アルコールセンサー２９ｅを配置することによって、同乗者によるなりすまし（アルコールを飲んでいない同乗者が運転者に代わりアルコール検査を受けること）を大幅に低減できる。特に、窓側ダッシュボード上は有効である。ただし、ステアリングホイール３７横のダッシュボード上につける場合は、エンジン始動時のアルコール検査が主体となる。さらに、呼気アルコールセンサー２９ｅをステアリングホイール３７（中、あるいは周囲）に設けることも可能である。

また、図１７、図１８、図１９に示した呼気アルコールセンサー２９ａ、２９ｂ、２９ｃにおいて、呼気センサー部とアルコールセンサー部からの時系列データを、データ処理部の内部メモリ、あるいは外部メモリに保存できるようにすると、そのデータログから、呼気アルコールが検出された時刻と呼気アルコールの量を詳細に解析することが可能となる。また、データ処理部の内部メモリ、外部メモリの時系列データを、通信モジュールをして情報センターに集めるようにすることも、呼気アルコールが検出された時刻と呼気アルコールの量の解析の点から有効である。

本発明を用いると、呼気アルコールセンサーにおいて、なりすまし（飲酒していない人がかわりに呼気をセンサーに向かって吐き出すことこと）をより低減できる。図３１に示した例は、２層構造の場合の例であるが、図７に示した場合と異なり、中心にあるふたつに分割された検出電極２ｆ、２ｇが電圧印加電極１ｉ、１ｊより長くなっている。なりすましの一例は、隣に座っている同乗者が隣からセンサーに向かって呼気を吐き出す場合であるが、図３０に示した構造の場合、図面で左から斜めに呼気を吐き出すと、長くなった検出電極２ｆにあたり、呼気を吐き出した側と反対側の部分（図３０の、検出電極２ｇと電圧印加電極１ｊで囲まれた部分）には呼気が導入されにくく、検出電極２ｇで検出される電流は、検出電極２ｆで検出される電流よりも低くなる。通常、前面から呼気を吐き出せば両者の電流量はほぼ一定である。このように、通常の呼気による電流値との比較により、このようななりすましのケースを検出することができる。このときの検出アルゴリズムを図３２に示した。また、中心にある検出電極をふたつに分割しないで全体の電流を計測し、呼気を斜めから導入する場合には通常よりも検出される電流が低くなる性質を利用してもよい。

多層構造にした場合でも、中心にある検出電極を少し前面に出すことによって２層構造の場合と同様な効果がることは言うまでもない。

呼気の強さは訓練によってある程度安定化できるが、図３３のように、呼気センサー２９ｇの一部に風速センサー３９ａを設け、風速がある範囲に入った呼気ピークだけを使用するようにすることもできる。図３３は、風速計用導入口３８を呼気センサー２９ｇの前面パネルに設けた場合を示し、図３４は、呼気センサー２９ｈの後ろに設置した場合を示している。前者では、呼気の直接の風速が計測できるというメリットがあるのに対して、後者ではセンサー全体がコンパクトになるというメリットがある。

風速センサーには、加熱した電熱線に風が当たると熱が奪われる現象を利用した熱線式風速センサーなどを用いることができる。風速がある範囲にある場合のアルゴリズムを図３５に示した。

本発明を用いると、自動車などの移動体における居眠り運転防止装置にも利用可能である。図３６は、居眠り防止センサー４０ａの一例を示したものである。図３７は、居眠り検出の原理、図３８は、本発明を用いて、欠伸や頭の傾きに伴う呼気ピーク検出の変化を示したものである。通常の呼吸をしていて欠伸をしたくなると、欠伸をする前に呼気ピークに変化が生じ始め（呼気ピークが小さくなる傾向がある）、欠伸によってその間は完全に呼気ピークが欠落することになる。また、図３７に示すように、眠気におそわれて頭が傾きはじめると呼気ピークが小さくなり、頭が大きく傾くことによって呼気ピークが欠落する。このように居眠り防止センサー４０ａによって得られた信号にもとづく呼気ピークの算出や、時間的な呼気ピークの変動を検知するのは制御部であっても良いし、別途演算手段を設けても良いし、外部接続される演算装置であっても良い。

この特性を利用すると、居眠り運転防止を行うことができる。図２５に示すように、本発明による居眠り防止センサー４０ａをステアリングホイール３７のコラムカバー３６上に配置した場合を考える。この場合には、図３９（ａ）に示すように、呼気ピークが観測される。個別にある閾値を設定し、それ以下の数値をゼロとすると、図３９（ｂ）に示すような波形になる。呼気ピーク間でゼロとなる時間（ゼロクロス時間）は、呼吸が安定していれば、ほぼある時間（この場合はＴ_１である）となる。このような場合に、欠伸が
でたり、頭が大きく傾くと呼気ピークの間隔（Ｔ）が長くなる。そこで、Ｔがある数値（Ｔ_１より大きい数値）より大きくなった場合に、警告を出すようにする。警告の種類としては、警告ランプの点滅、警告音、警告用の運転席振動、警告用の香りなど、多様なものが考えられる。

図４０に示したのは、居眠り防止運転のアルゴリズムの一例である。この場合、眠気を感じたらこの居眠り運転防止運転モードをオンにする設定としている。この後、常にゼロクロス時間をモニターしておき、第１閾値より長くなったら、第１段階の警告(警告ランプの点滅、警告音)を行い、さらに第２閾値より長くなったら、第２段階の警告（警告用の振動、警告用の香り）を行うようにしておく。警告の回数がある回数を超えた場合には、“安全な場所ですぐに休憩をとってください”などのメッセージを出して、運転者の休憩をすすめることになる。

図４０に示したアルゴリズムは、呼吸という無意識の脳活動に注目したものであるが、これでは居眠り運転による事故を回避するには時間的に間に合わない場合がある。そこで、意識下の脳活動をアルゴリズムに組み込むこともできる。本発明の特徴を生かした意識下の脳活動としては、呼吸訓練法として医学的に認知されている、口すぼめ呼吸がある。これは、軽く口を閉じて鼻から息を吸い、口をすぼめた状態で息を吐き出す方法である。居眠り防止運転モードをオンにした後、運転者に口すぼめ呼吸を開始させる。口すぼめ呼吸による呼気ピークが閾値を下回った場合には、図４０に示したように警告を出すというものである。これは、眠気により、意識下の脳活動が低下することを利用したものであり、無意識の脳活動による通常の呼吸を検出する場合より、時間的に早い段階で眠気を検知することができ、居眠り運転による事故を防ぐという観点から望ましい。

ただし、図２５に示すように、本発明による居眠り防止センサー４０ａをステアリングホイール３７近くに配置した場合、ステアリングホイール３７を大きく切ると呼気検出は困難となるので、この場合の呼気ピークの変動は無視する必要がある。従って、本発明による居眠り防止センサー４０ａでは、ステアリングホイール駆動情報と連動させる必要がある。飲酒していないで眠気におそわれやすいのが、高速道路のような直線的で単調な運転の場合が多いことを考えると、本発明は居眠り運転防止にも有効である。
図３６には、居眠り防止センサー４０ａに、警告用の香りカプセル４１ａ、４２ｂ、４３ｃを設けた例を示している。この方法で居眠りが検出された場合には、香りカプセル４１ａ、４１ｂ、４１ｃから発生したやや強い刺激臭（メントールなど）を運転者に向かって、空気導入口３０を介して空気ポンプにより刺激臭を含む空気流を発生させ、運転者を覚醒させることになる。以上のような居眠り防止は、自動車の運転手に限らず、電車の運転手、飛行機のパイロットなど移動体の操作者に適用できることは言うまでもない。また、プラントの運転者に適用することも有効である。

本発明を用いると、図４１のように、安全な交通システムに使用できる。本発明による飲酒運転防止センサーと居眠り運転防止センサーを搭載した車からの情報を、他のＧＰＳ情報などとともに、ＧＰＳ通信モジュールを介して情報センターに集め、その情報を配信することにより、警察車両による検査、他の車両への注意喚起を行うことができる。また、図４２のように、呼気アルコールセンサーを搭載した車が、走行中にアルコールが検出された場合、ハザードランプを点滅したり警告音を出すことにより、他の車両への注意を喚起したり、ミリ波レーダーにより前走車、後走車との距離が一定の距離以下にならないように、車両自体を制御することは有効である。

本発明を用いると、鉄道車両のような移動体における乗務員の生体リズム監視に使用できる。一般に、図４３に示すように、鉄道システムでは、現場レベルの情報を中央で収集し、安全な運行管理を実施している。この中に、図４４のように、鉄道の運転者に生体リズム可視化センサー４３を設けることにより、図４５のように、運転者の生体リズムを取得することができる。無呼吸症候群による呼吸停止などを明確に観測することができ、運行管理に有効である。

本発明を用いると、図４６のように、プラントにおけるセンサーとしても活用できる。例えば、図４６（ａ）に示す水処理プラントにおいては、非常に長い配管４５を介して、水をユーザーに届けるが、途中の配管の亀裂などによる水漏れを早い段階で検出できれば、安全なプラント運転を実施できる。本発明のようなプラント用センサー４４ａを配管４５に連続して設けておくと、図４６（ｂ）のように、ある個所で亀裂４６により水漏れが起こった場合、配管４５近傍で湿度の急激な変化が起こり、この変化をプラント用センサー４４ｂにより高感度に検出することができる。図４７は、従来の湿度計とプラント用センサー４４ｂによる計測値の比較を示したものであるが、非常に高い相関があり、これは、プラント用センサー４４ｂにより水漏れを検出できることを示している。さらに、従来の湿度計と比較すると応答性が速く感度が高いため、早い段階での検出が可能である。また、配管を通る物質に従って、図１７のアルコールセンサー部に設けたセンサーの種類を変え
ることにより、多様な物質を計測することができる。

本発明を用いると、図４８のように、非接触で機器を操作するための機器インターフェイス４７ａにも利用可能である。すなわち、呼気センサー部で呼気を検出し、その呼気の有無によって、データ処理部７ｊにおいて、リレーなどの外部機器とのインターフェイス４８を駆動させれば外部の機器操作が可能となる。図４９（ａ）は呼気１回を検出した例を示している。このとき、得られる信号値に対して閾値を設定しておき、この閾値以上の信号値が検出された場合には、機器の電源をオンになるように設定しておくと、非接触で機器を操作するためのインターフェイスとして利用できる。本発明による呼気ピークは数秒程度で信号強度が減衰するので、応答性も良い。

機器用のインターフェイスのコマンドとしては、図４９に示す例が考えられる。図４９（ａ）は呼気１回の場合、図４９（ｂ）は呼気２回の場合、図４９（ｃ）は呼気３回の場合であるが、これは呼気の回数で異なるコマンドに対応させる場合である。また、図４９（ｄ）のように、呼気を複数回吐いて閾値を越えた時間で、異なるコマンドに対応させることもできる。さらに、図４９（ｅ）に示すように、異なる強度の呼気の組み合わせ（この場合は、強い呼気と弱い呼気の組み合わせ）を用いて、異なるコマンドに対応させることができる。

図４８のような本発明を用いた機器インターフェイス４７ａを用いると、（１）自動車などの移動体において、携帯電話を用いて通話をする際に、通話のオン・オフ、ボリュームのアップ・ダウンなどを行う場合、（２）病院などの医療機関において、衛生上での観点から、非接触で機器操作をしたい場合、（３）手の不自由な方、あるいは高齢者が自宅で機器操作を行う場合（テレビのスイッチ、ライトのスイッチなど）、などいろいろな利用場面がある。なお、高齢者にとって、このような呼吸に基づく機器インターフェイスを用いて機器操作を日常的に行うことは、一定レベル以上の呼吸を繰り返すことになるので健康にとってもよい。また、このような機器インターフェイス４７ａによる操作の履歴を記録しておくと、ひとりで暮している高齢者の見守りサービスも可能となる。すなわち、機器インターフェイスによる操作が一定時間行われない場合には、近親者に連絡するなどのサービスである。

図５０（ａ）は、パソコンの操作の例（特に、電源のオン、オフ操作や、両手でキーボードを打っている場合の別の操作の付加など）、図５０（ｂ）は、料理などで手がふさがっている場合の操作の例（電話の対応、他の家電製品の操作など）、図５０（ｃ）は、体の不自由な方の操作補助（ベッドの操作、デジタル機器の操作）を行う例である。

同一の湿度の空気を導入した場合の応答性を考えると、連続した呼吸の際のピーク強度の差を検出し、そのピーク差の変動を演算部や制御部で解析することによって、口と検出器との距離の変動に加えて、呼吸の質（腹式呼吸か、胸式呼吸かによる呼気の湿度の差）を表している。当該ピーク差を利用すればユーザーの状態を把握することが可能となり、別に設けられる外部接続機器等を用いてモニター等に呼吸の現状を表示させ、更に理想の呼吸状態を予め記憶されるメモリ等から読み出して表示するようにすると、呼吸訓練法、あるいは呼吸の質を得点化する呼吸ゲームに活用することができる。

図１、図７あるいは図１７に示した装置を用いて、指から発生する液体、気体を検出することも可能である。特に、指からの汗を導入して、生成した水クラスターを呼気アルコールセンサー２９ａと同様な装置に導入すると、指からの汗の導入を検出した上で、アルコールが簡便に検出できる。このとき、指静脈認証と組み合わせることにより、個人を識別した上でアルコールを検出できることになり、飲酒運転防止に効果がある。

具体的には指認証装置において、指を設置する設置部に生体表面から出る水分が検出可能なように開口部を設ければ良いが、図１７に示す呼気センサー部の、側面ではなく上部に設ける構成とすればよい。このとき、指の撮像に必要な光や、カメラが影響されない位置に光源や撮像部を配置する必要がある。その配置は、例えば、光源を指よりも上方に配置し、指設置部における開口部の直下に撮像部を配置する構成や、光源からの光が全て検出電極に遮光されないように対向配置させたりすることが挙げられる。この配置に限らず、光源と撮像部、検出電極の配置は、光源から指に向かう光を全て遮光しなければよい。また、指認証装置に使用する指と、本発明によるセンサーに用いる指が異なる場合には、指認証装置と本発明によるセンサーを並列に置くことも可能である。

特に、図１４に示すような多層型呼気センサーでは、呼気からの電荷を持つ水クラスターから電流を取得できるので、呼気発電に利用することも可能である。例えば、図４４のように、多層型呼気センサーを口あるいは鼻の近くに位置させることにより、継続して電流を得ることができる。蓄電技術と組み合わせることにより、大規模なオフィスでは発電インフラとして機能させることができる。

高電圧が印加される電圧印加電極と、生成した電流を検出する検出電極に対して、感電防止の観点からメッシュ状板を配置することは、図７に記載した。しかし、メッシュ状板を設けると、呼気の一部がメッシュ状板で反射し、呼気がメッシュ状板を通過する際の抵抗となる。特に、呼気センサーと、口あるいは鼻との距離が離れた状態で呼気を導入する場合にはその影響が無視できなり、検出精度に影響する可能性も考えられる。

そこで、図５１に示すように、電圧印加電極１ｓと検出電極２ｋとの間をオープンとして呼気が導入されやすいようにし、しかも、感電防止の観点から、呼気導入側の電圧印加電極１ｓと検出電極２ｋの一部を絶縁材の電極カバー４９ａ、４９ｂで被覆する方法が考えられる。この図では、電圧印加電極１ｓと検出電極２ｋとの距離が１０ｍｍ、電圧印加電極１ｓと検出電極２ｋの呼気導入側を絶縁材で２ｍｍ程度被覆し、結果として、呼気を導入する口の幅が６ｍｍ程度となっている一例を示している。

このような構造にすることのメリットはもうひとつある。図５２は、電圧印加電極と検出電極の距離を１０ｍｍとし、電圧印加電極に１０００Ｖを印加した場合に、（ａ）絶縁材の電極カバーがある場合と（ｂ）絶縁材の電極カバーがない場合の呼気ピーク強度の差を示している。このとき、呼気センサーと口との距離は８ｃｍ程度である。絶縁材の電極カバーがある場合のほうが、強度が強いことがわかる。この理由は以下のように考えることができる。

図５３は、電圧印加電極と検出電極の距離を１０ｍｍとし、電圧印加電極に１０００Ｖを印加した場合の、静電ポテンシャル（図では、１００Ｖ毎に等電位線を示している）を示している。図５３（ａ）は、絶縁材の電極カバーがある場合、図５３（ｂ）は、絶縁材の電極カバーがない場合である。絶縁材の電極カバーがない場合には、等電位線が電極外側に大きく漏れ出しているのに対し、絶縁材の電極カバーがある場合は、その漏れ出しが小さい。このことは、絶縁材の電極カバーがある場合には、水クラスターが平行平板電界中に取り込まれてから、短い時間で強い電界の力を受けることを示している。本発明における、水クラスターから電荷を持つ水クラスターが生成する現象が、静電霧化現象（液体表面の電界が大きくなると、表面に働く静電気力によって電気流体力学的に不安定になり、液滴が多数の帯電液滴を発生する現象）に類似の現象であるとすると、短い時間で電界の影響を受ける方が帯電液滴の生成効率が良いことが予想される。すなわち、図５１のように、電圧印加電極１ｓと検出電極２ｋの呼気導入側に絶縁材の電極カバー４９ａ、４９ｂを設け、短い時間で強い電界の力を受けることの効果が理解できる。
一方、光センサーを用いて、電圧印加電極と検出電極との間に、指や物が入った場合には高電圧が遮断されるようにすると、さらに安全であることは言うまでもない。

呼気センサーは小型にすることが可能であるので、図４４に示すように、ヘッドセットに設置し、生体リズム可視化センサーとして活用することが可能となる。しかし、このようなヘッドセットに呼気センサーを設置する場合には、長時間の計測に耐えられるように、ヘッドセットに設置する部品をできるだけ軽量化する必要がある。

これを解決する方法として、図５４のように、呼気センサーを、呼気導入部５０、呼気伝達部５１、呼気検出部５２に分離する方法がある。呼気導入部５０は、口径１０ｍｍ程度の短い管（あるいは、Ｌ字管）、呼気伝達部５１は、柔らかく容易に変形するチューブ（例えば、内径１から２０ｍｍ程度のシリコンチューブなど）である。呼気検出部５２は呼気センサーとほぼ同じ構造をしているが、呼気伝達部５１のチューブが接続され、呼気が直接導入されるようになっている。呼気導入部５０から導入された呼気を、呼気伝達部５１のチューブを通して伝達する場合、チューブ内に空気だけが充填されている場合には、呼気そのものがチューブを通過する時間が必要となり、リアルタイム計測はできない。しかし、あらかじめチューブ内に呼気もしくは呼気と同等の湿度を有する気体を充填しておくと、呼気そのものが伝達媒体となって、呼気導入部５０からの呼気の変化をほぼリアルタイムで計測することが可能となる。呼吸の変化が、呼気（実質的には、湿度の高い空気）が媒体となって、縦波としてチューブ内を伝搬するためである。

図５５には、呼気導入部５０、呼気伝達部５１、呼気検出部５２による、鼻からの呼気計測の例を示した。このとき、呼気伝達部５１のチューブの内径は１０ｍｍ程度である。図５５（ａ）に示すように、呼気伝達部５１のチューブ内での縦波の減衰により、チューブの長さが長くなると検出される呼気ピークの強度は低下するが、図５５（ｂ）に示すように、チューブの長さが１５０ｃｍあっても鼻からの呼気が計測可能である。呼気伝達部に用いるチューブの長さは内径を１０ｍｍ程度とした場合、数百ｃｍ程度は使用可能である。

以上のように、呼気センサーは３つの部分に分割でき、呼気導入部は簡単にヘッドセットに装着できるので、図４４の生体リズム可視化以外にも、利用の仕方は大きく広がる。例えば、ある新商品や新広告を評価する際のマーケティングへの応用である。最近では、ＭＲＩ装置を用いたマーケットリサーチも行われているが、詳細な脳機能計測はできるものの、装置が高価であり、同時に複数の評価を行うことは難しい。それに対して、図５４に示すような呼気センサーは、被験者にヘッドセットをセットし、自然な鼻からの呼吸を計測しながら、新商品や新広告などをみた際の呼吸の変化を捉えるものであるので、同時に多くの被験者の計測が可能となり、結果として、呼吸の変化が同期するかどうかで評価が可能となり、評価のための新しい指標になりえる。

口、あるいは鼻と呼気センサーとの距離が離れた状態で、呼気を導入する場合には、呼気は空気中の分子を衝突して拡散する。この場合には、簡単に、捕集する仕組みが必要となる。

このために、呼気センサー１４ｄに、捕集手段であるつば５３ａを設けることは有効である。図５６には、その一例を示した。図５６（ｂ）は、図５６（ａ）を上から見た断面図であるが、つばは呼気センサー１４ｄの本体から数ｃｍ飛び出た形状となっている。通常は、つば部分を折りたたんでおき、使用する場合に広げるようにしても良い。図５７には、（ａ）つばをつけた場合と、（ｂ）つばをつけていない場合の、呼気ピークの強度差を示した。つばをつけた場合の方が、観測される呼気ピークの強度が強く、呼気捕集のために、つばをつけることが有効であることがわかる。また図示しないが、捕集機構として呼気センサー周辺に呼気が集まる様に吸気させる吸気部を単独、もしくはつば５３ａに設けるようにしても良い。なお、このつば５３ａは通常接地しておく。

呼気センサーは、基本的に呼気を計測するものであるが、微小電流計における増幅率を大幅に上げると、物体のわずかな動きも検出することが可能となる。わずかに空気の流れが変化すると、呼気センサーにおける水クラスターの検出効率が変化することを利用するものであり、動体検知センサーというべきものである。さらに、動体検知センサー５４ａに、接地されていない、つば５３ｂを設けると、つば５３ｂと検出電極との間でコンデンサーが形成され、人のような電荷を有する物体が近づくと誘導電流が誘起され、検出電極でその電流も検出可能となる。このセンサーでは、電圧印加電極と検出電極の配置を工夫することにより、物体の動く方向も検出することができる。図５８に、右から、電圧印加電極１ｔ、検出電極２ｌ、電圧印加電極１ｕ、検出電極２ｍの、４枚の電極、そしてつば５３ｂを配置した、動体検知センサー５４ａの例を示した。なお、この実施例では、つばを持つ形状の場合を示しているが、つばを持たない平板状であっても良いことは言うまでもない。また、図５８中には、つば５３ｂを接地する場合（呼気センサーの場合）としない場合（動体検知センサーの場合）を簡単に切り替えるための切り替えスイッチ５８を示した。

検出例として、動体検知センサー５４ａに対して、図５８に示した矢印のような２方向の動きを検出した結果を図５９に示した。これは、動体検知センサー５４ａから１ｍ程度離れたところを、（ａ）人が毎秒１メートル程度のスピードで、左から右に通過した場合と、（ｂ）人が毎秒１メートル程度のスピードで、右から左に通過した場合に得られる波形である。電圧印加電極には、１０００Ｖを印加し、図５１に示すような絶縁材の電極カバーを用いた。３回同じことを繰り返しているので、それぞれ３個のピークが得られている。図５８のような電極の配置の場合、人が（ａ）左から右に、あるいは（ｂ）右から左に通過すると、図５９に示すような、時系列の第１ピーク、第２ピーク、第３ピーク、第４ピークが観測される。このとき、第１ピークは、左から右への移動の場合より、右から左への移動の場合の方が大きいのに対し、第４ピークでは、右から左への移動の場合より、左から右への移動の場合の方が大きい。すなわち、第１ピークと第４ピークを比較することによって、どの方向の移動かを特定することができる。人の検出には光センサーなども使用されるが、移動方向も特定できるのが本発明の大きな特徴である。

このような特性を生かすと、いろいろな応用が考えられる。図６０（ａ）は、今後増えると予想される、独居高齢者宅への応用例である。動体検知に高感度で、移動の方向も確認できる、本発明の動体検知センサーを、家における主要な場所（玄関、食卓、トイレ、風呂場、寝室など）に設置すれば、高齢者のプライバシーを保ったまま、高齢者の生活を見守ることができる。一日の生活パターンはある程度決まっているので、それぞれのセンサーが定期的に反応しなければ生活反応がないということで、独居高齢者宅をチェックすることになる。

一方、図６１（ｂ）に示すように、博物館など重要な公共施設における展示品の盗難防止にも活用できる。夜間など、展示品に近づく、あるいは展示品を動かすことによっても、センサーが高感度に反応するので盗難防止に有効である。さらに、図６０（ｃ）のように、ゲートにも使用できる。発光部と受光部が必要な光センサーと異なり、本発明における動体検知センサーは片側にセンサーを配置するだけで検出可能であると同時に、動く方向も検出できるので入室か退室かを判断できる。

さらに、図２５に示すように、車の中に設置しておくと、ドライバーが座席に座る際の信号をつかまえて着座センサーとしても使用できるし、車の所有者以外の人間がドアを開けた場合には警告音がなるようにして盗難防止としても活用できる。

上記の検出例においては、動体検知センサー内で時系列のピークを比較する例を挙げたが、これに限らずセンサーによって検知した結果を取得して波形を算出し、当該波形から得られる時系列のピーク値を比較する演算部を有する演算装置とを有線または無線にて接続するように構成しても良い。当該演算装置に表示装置を接続しておけば、リアルタイムで検出波形をモニタリングできる。動体検知センサー単独の場合、演算装置と接続された場合の双方において、好ましくは比較結果に対して上記例の様な動きの有無、移動方向等を検知するために一定の閾値を設けておき、当該閾値を超えたときに警告を発するように警告装置をセンサー、演算装置の少なくともいずれか一方に設けるようにしても良い。

このような構成とすることで、呼気検知のみでなく体動センサーとして用いることも可能となる。

本発明は、非接触で非侵襲の呼気検出に利用可能である。自動車などの移動体における飲酒運転防止装置、居眠り運転防止装置にも利用可能である。また、非接触で機器を操作するためのインターフェイスにも利用可能である。さらに、呼吸訓練法、分析の前処理としても使用できる。

１ａ・・電圧印加電極
１ｂ・・電圧印加電極
１ｃ・・電圧印加電極
１ｄ・・電圧印加電極
１ｅ・・電圧印加電極
１ｆ・・電圧印加電極
１ｇ・・電圧印加電極
１ｈ・・電圧印加電極
１ｉ・・電圧印加電極
１ｊ・・電圧印加電極
１ｋ・・電圧印加電極
１ｌ・・電圧印加電極
１ｍ・・電圧印加電極
１ｎ・・電圧印加電極
１ｏ・・電圧印加電極
１ｐ・・電圧印加電極
１ｑ・・電圧印加電極
１ｒ・・電圧印加電極
１ｓ・・電圧印加電極
１ｔ・・電圧印加電極
１ｕ・・電圧印加電極
２ａ・・検出電極
２ｂ・・検出電極
２ｃ・・検出電極
２ｄ・・検出電極
２ｅ・・検出電極
２ｆ・・検出電極
２ｇ・・検出電極
２ｈ・・検出電極
２ｉ・・検出電極
２ｊ・・検出電極
２ｋ・・検出電極
２ｌ・・検出電極
２ｍ・・検出電極
３ａ・・高圧電源
３ｂ・・高圧電源
３ｃ・・高圧電源
４ａ・・微小電流計
４ｂ・・微小電流計
４ｃ・・微小電流計
４ｄ・・微小電流計
４ｅ・・微小電流計
４ｆ・・微小電流計
４ｇ・・微小電流計
４ｈ・・微小電流計
５・・径の小さな電荷を持つ水クラスター
６・・径の大きな電荷を持つ水クラスター
７ａ・・データ処理部
７ｂ・・データ処理部
７ｃ・・データ処理部
７ｄ・・データ処理部
７ｅ・・データ処理部
７ｆ・・データ処理部
７ｇ・・データ処理部
７ｈ・・データ処理部
７ｉ・・データ処理部
７ｊ・・データ処理部
８ａ・・ＣＰＵ
８ｂ・・ＣＰＵ
８ｃ・・ＣＰＵ
８ｄ・・ＣＰＵ
８ｅ・・ＣＰＵ
８ｆ・・ＣＰＵ
８ｇ・・ＣＰＵ
８ｈ・・ＣＰＵ
８ｉ・・ＣＰＵ
８ｊ・・ＣＰＵ
９ａ・・インターフェイス
９ｂ・・インターフェイス
９ｃ・・インターフェイス
９ｄ・・インターフェイス
９ｅ・・インターフェイス
９ｆ・・インターフェイス
９ｇ・・インターフェイス
９ｈ・・インターフェイス
９ｉ・・インターフェイス
９ｊ・・インターフェイス
１０ａ・・内部メモリ
１０ｂ・・内部メモリ
１０ｃ・・内部メモリ
１０ｄ・・内部メモリ
１０ｅ・・内部メモリ
１０ｆ・・内部メモリ
１０ｇ・・内部メモリ
１０ｈ・・内部メモリ
１０ｉ・・内部メモリ
１０ｊ・・内部メモリ
１１ａ・・外部メモリ
１１ｂ・・外部メモリ
１１ｃ・・外部メモリ
１１ｄ・・外部メモリ
１１ｅ・・外部メモリ
１１ｆ・・外部メモリ
１１ｇ・・外部メモリ
１１ｈ・・外部メモリ
１１ｉ・・外部メモリ
１１ｊ・・外部メモリ
１２ａ・・スピーカー
１２ｂ・・スピーカー
１２ｃ・・スピーカー
１２ｄ・・スピーカー
１２ｅ・・スピーカー
１２ｆ・・スピーカー
１２ｇ・・スピーカー
１２ｈ・・スピーカー
１２ｉ・・スピーカー
１２ｊ・・スピーカー
１３ａ・・表示器
１３ｂ・・表示器
１３ｃ・・表示器
１３ｄ・・表示器
１３ｅ・・表示器
１３ｆ・・表示器
１３ｇ・・表示器
１３ｈ・・表示器
１３ｉ・・表示器
１３ｊ・・表示器
１４ａ・・呼気センサー
１４ｂ・・呼気センサー
１４ｃ・・呼気センサー
１４ｄ・・呼気センサー
１５ａ・・メッシュ状板
１５ｂ・・メッシュ状板
１５ｃ・・メッシュ状板
１５ｄ・・メッシュ状板
１５ｅ・・メッシュ状板
１５ｆ・・メッシュ状板
１５ｇ・・メッシュ状板
１６・・呼気導入開始ランプ
１７・・呼気導入停止ランプ
１８ａ・・電極支え
１８ｂ・・電極支え
１８ｃ・・電極支え
１８ｄ・・電極支え
１８ｅ・・電極支え
１８ｆ・・電極支え
１９ａ・・呼気センサーケース
１９ｂ・・呼気センサーケース
１９ｃ・・呼気センサーケース
１９ｄ・・呼気センサーケース
１９ｅ・・呼気センサーケース
２０ａ・・ポンプ排気口
２０ｂ・・ポンプ排気口
２０ｃ・・ポンプ排気口
２０ｄ・・ポンプ排気口
２０ｅ・・ポンプ排気口
２０ｆ・・ポンプ排気口
２０ｇ・・ポンプ排気口
２０ｈ・・ポンプ排気口
２１ａ・・ケーブル支え
２１ｂ・・ケーブル支え
２１ｃ・・ケーブル支え
２２ａ・・検出電極用ケーブル
２２ｂ・・検出電極用ケーブル
２２ｃ・・検出電極用ケーブル
２３・・呼気センサーケーブル
２４ａ・・多層型用検出電極
２４ｂ・・多層型用検出電極
２４ｃ・・多層型用検出電極
２５ａ・・多層型用電圧印加電極
２５ｂ・・多層型用電圧印加電極
２５ｃ・・多層型用電圧印加電極
２５ｄ・・多層型用電圧印加電極
２６ａ・・多層型用電極支え
２６ｂ・・多層型用電極支え
２７・・多層型用呼気センサーケース
２８ａ・・多層型用ポンプ排気口
２８ｂ・・多層型用ポンプ排気口
２８ｃ・・多層型用ポンプ排気口
２８ｄ・・多層型用ポンプ排気口
２９ａ・・呼気アルコールセンサー
２９ｂ・・呼気アルコールセンサー
２９ｃ・・呼気アルコールセンサー
２９ｄ・・呼気アルコールセンサー
２９ｅ・・呼気アルコールセンサー
２９ｆ・・呼気アルコールセンサー
２９ｇ・・呼気アルコールセンサー
２９ｈ・・呼気アルコールセンサー
３０ａ・・アルコールセンサーケース
３０ｂ・・アルコールセンサーケース
３０ｃ・・アルコールセンサーケース
３０ｄ・・アルコールセンサーケース
３０ｅ・・アルコールセンサーケース
３０ｆ・・アルコールセンサーケース
３０ｇ・・アルコールセンサーケース
３０ｈ・・アルコールセンサーケース
３０ｉ・・アルコールセンサーケース
３０ｊ・・アルコールセンサーケース
３０ｋ・・アルコールセンサーケース
３０ｌ・・アルコールセンサーケース
３０ｍ・・アルコールセンサーケース
３０ｋ・・アルコールセンサーケース
３１ａ・・アルコールセンサー用ケーブル
３１ｂ・・アルコールセンサー用ケーブル
３１ｃ・・アルコールセンサー用ケーブル
３１ｄ・・アルコールセンサー用ケーブル
３２ａ・・アルコールセンサーヘッド
３２ｂ・・アルコールセンサーヘッド
３２ｃ・・アルコールセンサーヘッド
３２ｄ・・アルコールセンサーヘッド
３２ｅ・・アルコールセンサーヘッド
３２ｆ・・アルコールセンサーヘッド
３２ｇ・・アルコールセンサーヘッド
３３・・呼気アルコール導入口
３４ａ・・呼気アルコールセンサーケース
３４ｂ・・呼気アルコールセンサーケース
３５・・台座
３６・・コラムカバー
３７・・ステアリングホイール
３８・・風速計用導入口
３９ａ・・風速計ヘッド
３９ｂ・・風速計ヘッド
４０ａ・・居眠り防止センサー
４０ｂ・・居眠り防止センサー
４１ａ・・香りカプセル
４１ｂ・・香りカプセル
４１ｃ・・香りカプセル
４２・・空気導入口
４３・・生体リズム可視化センサー
４４ａ・・プラント用センサー
４４ｂ・・プラント用センサー
４５・・配管
４６・・亀裂
４７ａ・・機器インターフェイス
４７ｂ・・機器インターフェイス
４７ｃ・・機器インターフェイス
４７ｄ・・機器インターフェイス
４８・・外部機器とのインターフェイス
４９ａ・・電極カバー
４９ｂ・・電極カバー
５０・・呼気導入部
５１・・呼気伝達部
５２・・呼気検出部
５３ａ・・つば
５３ｂ・・つば
５４ａ・・動体検知センサー
５４ｂ・・動体検知センサー
５４ｃ・・動体検知センサー
５５・・食卓
５６・・展示品
５７・・ゲート
５８・・スイッチ

Claims

筐体内が大気圧環境下であって、
呼気導入口を備えた筺体と、
前記筺体内であって前記呼気導入口を挟むように設けられた検出電極及び電圧印加電極と、
前記電圧印加電極に対して電圧を印加する電源部と、
前記筺体内に導入された呼気を、前記電源部から前記電圧印加電極に印加された電圧により生じた電界と重力により分離偏向して前記検出電極により電流値として計測する電流計と、
前記筺体内に導入された呼気のアルコールを検出するアルコール検出部と、
前記電流計で計測された呼気信号値と前記アルコール検出部で検出されたアルコール信号値とを処理する信号処理部と、を有することを特徴とする呼気アルコール検出装置。
前記信号処理部は、前記呼気信号値のピークトップと前記アルコール信号値のピークトップとの検出時間差についての閾値に関する情報を有し、計測された検出時間差が前記閾値以内の場合に呼気を導入した対象とアルコール検出された対象とが同一と判断することを特徴とする請求項１に記載の呼気アルコール検出装置。
前記信号処理部は、前記呼気信号値のピーク面積と、既知濃度のアルコールについての前記アルコール信号値のピーク面積との関係に関する情報を有し、計測された呼気信号値とアルコール信号値とから呼気中のアルコール濃度を推定することを特徴とする請求項１に記載の呼気アルコール検出装置。
前記筺体内を排気する排気部を備えたことを特徴とする請求項１に記載の呼気アルコール検出装置。
前記アルコール検出部は、前記筺体の前記呼気導入口のある側とは反対側に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の呼気アルコール検出装置。
前記検出電極と前記電圧印加電極の組を２組備え、前記２組のそれぞれの前記検出電極は、前記電圧印加電極よりも長く、前記電圧印加電極よりも前記筐体内の内側に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の呼気アルコール検出装置。