JP6596428B2 - 嗅覚システム、匂い識別方法、匂い識別装置、及び、匂い識別プログラム - Google Patents
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Description
このセンサーにおいては、水晶振動子を基板に対して特定の方向で配列させて複数設けることで、検出すべき物質を含む気体が効率よく、また多量にセンサー部と接触することができ、検出効率が向上することが開示されている。
このような構成とすることで、それぞれの粒子が特定の匂い要因と結合したときに、その粒子が発光し、それをCCDカメラなどで捕捉し、可視化できるようになっている。
(1) 被測定物の匂い原因物質群の少なくとも1以上と相互作用する少なくとも2つ以上のセンサーを作用アレイとして含む作用アレイ部と、前記作用アレイから得られる前記相互作用の結果を匂いパターン情報として処理するセンサーデータ処理部と、既知の匂い要因情報および既知の匂い物質のパターン情報からなる匂い情報を格納している匂い要因情報格納部と、及び前記センサーデータ処理部で処理された前記匂いパターン情報と前記匂い要因情報格納部の情報とを参照し、その反応パターンに基づいて前記被測定物の匂いが格納されている前記既知の匂い情報と照合し識別するパターン識別部と、を備える嗅覚システム。
(3)前記センサーが表面弾性波センサーである(1)に記載の嗅覚システム。
(4)前記センサーが電界効果型トランジスタセンサーである(1)に記載の嗅覚システム。
(5)前記センサーが電荷結合素子センサーであることを特徴とする(1)に記載の嗅覚システム
(6)前記センサーが有機導電性ポリマーセンサーである(1)に記載の嗅覚システム。
(8)前記センサーの配列情報を格納するセンサー情報部を更に備えることを特徴とする(1)から(7)いずれか1に記載の嗅覚システム。
(9)測定対象を含むサンプルを取り込むサンプル取得部を更に備えることを特徴とする(1)から(8)のいずれか1に記載の嗅覚システム。
(12)前記センサーが表面弾性波センサーである(10)に記載の匂い識別方法。
(13)前記センサーが電界効果型トランジスタセンサーである(10)に記載の匂い識別方法。
(14)前記センサーが電荷結合素子センサーであることを特徴とする(10)に記載の匂い識別方法。
(15)前記センサーが有機導電性ポリマーセンサーである(10)に記載の匂い識別方法。
(16)前記センサーが、配列変更可能であることを特徴とする(10)から(15)のいずれか1に記載の匂い識別方法。
(18)前記センサーが水晶振動子センサーである(17)に記載の匂い識別装置。
(19)前記センサーが表面弾性波センサーである(17)に記載の匂い識別装置。
(20)前記センサーが電界効果型トランジスタセンサーである(17)に記載の匂い識別装置。
(21)前記センサーが電荷結合素子センサーであることを特徴とする(17)に記載の匂い識別装置。
(22)前記センサーが有機導電性ポリマーセンサーである(17)に記載の匂い識別装置。
(23)前記センサーが、配列変更可能であることを特徴とする(17)から(22)のいずれか1に記載の匂い識別装置。
本発明のシステムは、匂いサンプル、すなわち特定の場所の大気中の匂い要因と相互作用する少なくとも2つ以上のセンサーを含む作用アレイ部と、作用アレイ部で匂い原因物質に反応したパターンを処理するセンサーデータ処理部と、該匂い情報および該匂いの作用パターン情報をあらかじめ格納している匂い要因情報格納部と、及び該センサーデータ処理部で処理されたパターンと匂い要因情報格納部の情報とを参照し、その作用パターンに基づいて該匂いを識別するパターン識別部と、を備える嗅覚システムである。
「匂い原因物質」とは、匂いを構成する特定の分子・化合物を意味する。
「匂い要因」とは、匂い原因物質を複数含み、その匂い特有の構成を有する物質群を言う。
まず鼻から匂い要因が入ると、鼻腔最上部の嗅上皮と呼ばれる特別な粘膜に匂い原因物質が溶け込み感知され、嗅上皮にある嗅細胞が電気信号を発生、電気信号が嗅神経、嗅球、脳(大脳辺縁系)へと伝達し、匂い感覚が起きる。
したがって、「匂い」がどのように鼻と相互作用して特定の情報として検出されるか、を模擬していることを特徴とするセンサーであって、「匂い原因物質」を個別に特定することにより「匂い」を特定するとする従来技術とは原理が異なる。
1a.嗅覚システム
本発明にかかる匂い識別システム100は、サンプル情報取得部110、通信手段120、情報処理部130から構成される。
センサーの数は少なくとも2つ配置させるため、匂い要因に含まれる複数の匂い原因物質をについてそれぞれ特異的に検出することが可能となる。
各センサーにおける検出感度を変える等することで測定対象とする匂い原因物質の濃度等も測定することが可能である。
つまり、サンプル情報取得部110で取得、作用、センサーデータ処理されたサンプル物質に関する情報は、情報手段120を通じて情報処理部130へと送信され、当該システムサーバにおいて当該センサーデータ処理パターンと匂い要因情報格納部112とを参照、もしくはセンサーデータ処理パターンと匂い要因情報格納部112及びセンサー配列情報格納部113の両方の情報とを参照することで、その作用アレイ部132のセンサーにおいて検出された表示パターンとにより、測定対象となる匂い要因の中の特定の匂いを検出し、識別することが可能となる。
1b.センサーアレイ
センサーの例としては、例えば、電気化学センサー、MOS電界効果トランジスターセンサー、金属酸化物半導体センサー、有機導電性ポリマーセンサー、水晶振動子センサー(QCMセンサー)、表面弾性波方式センサー、電荷結合素子センサー等があげられる。
これらのセンサーの中では例えば水晶振動子センサーが好適に用いられる。
本発明のQCM型センサーマルチアレイ200は、水晶基板220、振動部230、振動部表面に設けられた機能膜240、振動を励振電極250(図示せず)から構成されるQCM素子210を複数実装したものであって、異なる機能性膜240を有する一つ以上の複数のQCM素子210を共通基板200上に実装した、マルチアレイQCMセンサーである。
1c.QCM素子
水晶振動子すなわちQCM素子は、電極表面の重量変化を周波数変化として検出する質量センサーとなることは良く知られている。一般的に、図3にあるように、水晶基板320上の片面表面に電極ならびにガスまたは匂い分子などの吸着する機能膜340を配置し、反対側の表面には、励振電極350を配置する構成を有する。
従来から用いられている化学センサーには様々な種類があるが、特にQCMすなわち水晶振動子のような物理的振動検出素子に限っては、デバイスを小型化、つまり、厚みを薄くして電極面積も小さくすると、水晶振動子の共振周波数などが大きくなり、結果として周波数変化率が増えて検出限界がさがるという特性がある。これにより、低濃度の化学物質まで検出できるという特徴がある。
ここで、QCM素子(310)や励振電極(350)は任意の導電性材料で形成することができる。
各水晶振動子の共振周波数が同じ場合は、匂い吸着膜の厚みを変化させることで変化させていることも試みられている。加えて、異なる共振周波数の素子(例えば水晶基板の厚みを変えたオーバートーンモード等)を用いることもできる。
また、共通基板(300)は、インターポーザ基板など多層配線基板であり、水晶基板を励振動させるための励振電極(500)と実装配線、通電するための電極(301)が任意の位置に配置されており、電気的なグラウンドや他の電子回路基板等へ導通するため、例えば302にみられるようなバンプへ結線されている。
水晶振動子に厚さ分布を与えたコンベックス形状(レンズ形状または凸上)として、なお、片面を分離型の励振電極(振動用の電圧を入力する電極)にし、導電性膜は励振電極と反対面の対向する位置に設置する構造とすることができる。
同様に、振動エネルギーの封じ込め効果により、Q値およびコンダクタンスを向上することができ、小型化しても振動エネルギーが低下することなく、外部接触の干渉を受けにくい水晶振動子にすることができる。その結果、S/N比を向上させて高感度化される。
以上、本発明のセンサーアレイの構成について、一例として水晶振動子を用いたセンサーアレイについて説明したが、本発明がこれに限定されるものではないということは言うまでもない。
2.匂い識別方法
2a.匂い識別方法概要
図5は本発明の匂い識別方法の概要を示すフロー図である。
まず、図1に示される本発明の匂い識別システム100のサンプル情報取得部110を、測定対象となる匂い要因に接触させる(ステップ501)。この接触によりサンプル取得部111から匂い要因の分子が取り込まれ、センサーアレイ部112に送られる(ステップ502)。
これら相互作用データのパターンを測定される特定の匂い要因と関連付けされ、センサーアレイ上で反応しているセンサーの位置情報やその相互作用の強弱を含む情報としてセンサーデータ処理を行う(ステップ504)。
ここで、単一の匂い原因物質を検出したい場合には、センサー配列情報を参照しなくとも、匂い原因物質情報のみを参照、照合してその匂い原因物質を特定することも可能である。
2b.具体例
図6は、センサーアレイでの匂い原因物質の相互作用と配列情報を示す模式図である。
図7は、一例としてリンゴとコーヒーの香りを検出、識別するプロセスを示すシステム概念図である。
ここで、本発明のセンサーシステムに実装されている、異なる機能膜が塗布されたQCM素子群601はこれらリンゴもしくはコーヒーに含まれる複数の匂い原因物質に対して異なる相互作用を生じ、それぞれのQCM素子がそれぞれの反応に応じた周波数変化を出力する。
これらの構成(位置情報及び機能膜情報)及びセンサーの製品情報(製品情報(センサーの製造番号、アレイ位置情報(X、Y)、各QCM素子の種類、など)はあらかじめ図1に示すセンサー配列情報格納部132に格納しておく。
この、サンプルの臭気物質と各素子における相互作用とで発生する各素子の周波数変化をデジタルデータとして、センサーデータ処理部113に送り、そこでセンサーデータ処理を施すことで例えば画像データへと変換してセンサーアレイ情報を取得する(ステップ504)。
そして図7に図示するように、出力パターンがリンゴやコーヒーの匂いパターンと近似、もしくは該当すれば、ユーザーに対して、「匂いAはリンゴに似た匂いである」、「匂いBはコーヒーに似た匂いである」と結果を返す。
3.匂い識別装置
このセンサーユニットと、パターン識別ユニットとが、それぞれ図1に示すサンプル情報部110と総合システム部130とに対応しており、各ユニットは一つの装置内に設けても良いし、別個の装置として構成しても良い。これらの例については以下に例示する。
4.システムの利用例
本発明のシステムは、センサーアレイ部を小型化することが可能であるため、サンプル情報取得部をスマートフォン等の携帯デバイスに組み込むことも可能である。その場合は、情報処理部も当該デバイス内に組み込んでも良いし、該情報処理部についてはネットワーク通信手段を介してデバイス外に設けた情報処理部に必要な情報を参照にいく構成としても良い。
センサーアレイの組み込み位置は任意に設定可能であるが、図8では一例としてスマートフォン800のマイク設置部のダクト801の直下(ホームボタンの直下、マイク部品の直下)にセンサーアレイ部802を設けている。この構成では、例えば歯周病や内臓疾患による口腔内トラブルを検知可能なヘルスチェック機能を付与することが可能となる。
4b.嗅覚システムを設けたウエアラブルデバイス
4c.空気清浄機、空調、エアコン等への利用
4d.吸気診断装置等医療用途への応用
110 サンプル情報部
111 サンプル取得部
112 センサーアレイ部
113 センサー素子データ処理部
130 匂い情報総合システム部
132 センサー配列情報格納部
133 匂い要因情報格納部
134 パターン識別部
Claims (20)
- サンプルの匂い要因に含まれる匂い原因物質群の少なくとも1以上と相互作用する少なくとも2つのセンサーを含み、かつ、前記センサーが前記サンプルに応じて選定可能、かつ、配列変更可能である作用アレイ部と、
前記作用アレイ部から得られる前記相互作用の結果を匂いパターン情報として処理するセンサーデータ処理部と、
既知の匂い要因の情報である匂い要因情報および既知の匂い物質のパターン情報からなる既知の匂い情報を格納している匂い要因情報格納部と、
前記作用アレイ部における前記センサーの配列情報を格納するセンサー配列情報部と、
前記匂いパターン情報と前記既知の匂い情報と前記センサーの配列情報とを参照することにより、その相互作用パターンに基づいて前記サンプルの匂いを識別するパターン識別部と、
を備える嗅覚システム。 - 前記センサーが水晶振動子センサーである請求項1に記載の嗅覚システム。
- 前記センサーが表面弾性波センサーである請求項1に記載の嗅覚システム。
- 前記センサーが電界効果型トランジスタセンサーである請求項1に記載の嗅覚システム。
- 前記センサーが電荷結合素子センサーであることを特徴とする請求項1に記載の嗅覚システム。
- 前記センサーが有機導電性ポリマーセンサーである請求項1に記載の嗅覚システム。
- サンプルを取り込むサンプル取得部を更に備えることを特徴とする請求項1から6のうちいずれか1項に記載の嗅覚システム。
- 少なくとも2つのセンサーを含む作用アレイ部とサンプルとを相互作用させること、
前記作用アレイ部から得られる相互作用の結果を匂いパターン情報として処理すること、
処理された前記匂いパターン情報と、既知の匂い要因の情報である匂い要因情報及び既知の匂い物質のパターン情報からなる既知の匂い情報と、を照合すること、並びに
前記照合により匂いを識別すること、を含む匂い識別方法であって、
前記センサーが前記サンプルに応じて選定可能、かつ、配列変更可能であり、
前記センサーの配列情報がセンサー配列情報部に格納されており、
前記匂いパターン情報と前記既知の匂い情報と前記センサーの配列情報とを参照することにより、その相互作用パターンに基づいて前記サンプルの匂いを識別する、匂い識別方法。 - 前記センサーが水晶振動子センサーである請求項8に記載の匂い識別方法。
- 前記センサーが表面弾性波センサーである請求項8に記載の匂い識別方法。
- 前記センサーが電界効果型トランジスタセンサーである請求項8に記載の匂い識別方法。
- 前記センサーが電荷結合素子センサーであることを特徴とする請求項8に記載の匂い識別方法。
- 前記センサーが有機導電性ポリマーセンサーである請求項8に記載の匂い識別方法。
- サンプルの匂い要因に含まれる匂い原因物質群の少なくとも1以上と相互作用する少なくとも2つのセンサーを含み、かつ、前記センサーが前記サンプルに応じて選定可能、かつ、配列変更可能であるセンサーユニットと、
前記センサーユニットから得られる測定結果を匂いパターン情報として処理するセンサーデータ処理ユニットと、
前記センサーユニットにおける前記センサーの配列情報を格納するセンサー配列情報部と、
前記匂いパターン情報と、既知の匂い要因の情報である匂い要因情報及び既知の匂い物質のパターン情報からなる既知の匂い情報と、前記センサーの配列情報と、を参照することにより、その相互作用パターンに基づいて前記サンプルの匂いを識別するパターン識別ユニットと、
を備える匂い識別装置。 - 前記センサーが水晶振動子センサーである請求項14に記載の匂い識別装置。
- 前記センサーが表面弾性波センサーである請求項14に記載の匂い識別装置。
- 前記センサーが電界効果型トランジスタセンサーである請求項14に記載の匂い識別装置。
- 前記センサーが電荷結合素子センサーであることを特徴とする請求項14に記載の匂い識別装置。
- 前記センサーが有機導電性ポリマーセンサーである請求項14に記載の匂い識別装置。
- コンピュータを、
サンプル取得部から取り込まれたサンプルの匂い要因に含まれる匂い原因物質群の少なくとも1以上と相互作用する少なくとも2つのセンサーを含み、かつ、前記センサーが前記サンプルに応じて選定可能、かつ、配列変更可能である作用アレイ部から得られる前記相互作用の結果を匂いパターン情報として処理するセンサーデータ処理部、及び、
前記匂いパターン情報と、匂い要因情報格納部に格納された既知の匂い情報と、センサー配列情報部に格納された前記センサーの配列情報と、を参照することにより、その相互作用パターンに基づいて前記サンプルの匂いを識別するパターン識別部、として機能させる匂い識別プログラムであって、
前記匂い要因情報格納部は、既知の匂い要因の情報である匂い要因情報および既知の匂い物質のパターン情報からなる既知の匂い情報を格納しており、
前記センサー配列情報部は、前記作用アレイ部のセンサー配列情報を格納している、匂い情報識別プログラム。
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