JP7022164B2 - センサパッケージおよびセンサモジュール - Google Patents

Description

本発明は、センサパッケージおよびセンサモジュールに関するものである。

空間中のニオイを検出するために、流路配管内にセンサとして機能する水晶振動子を配置した計測装置が知られている（特許文献１参照）。ニオイは、分子単体、または複数の異なる分子からなる分子群に対して生物が知覚するものであり、ニオイの検出のために複数のセンサを用いることが知られている（特許文献２参照）。

特開２０１２－２６９１号公報 国際公開２０１８／２１１６４２号

複数のセンサを流路内に配置した構成において、応答性の向上が求められている。

従って、上記のような従来技術の問題点に鑑みてなされた本開示の目的は、応答性を向上するセンサパッケージおよびセンサモジュールを提供することにある。

上述した諸課題を解決すべく、第１の観点によるセンサパッケージは、
直線状の第１の方向に沿って流体を流動させる内部流路を内部に有する容器と、
前記第１の方向に沿って並ぶように前記内部流路に位置し、流体中の検出対象成分を検出する複数のセンサと、を備え、
前記内部流路の一部を画定する底面に平行且つ前記第１の方向に垂直な第２の方向における、該底面の両側において、前記第１の方向に延びる段部が形成される。

また、第２の観点によるセンサモジュールは、
第１流路および第２流路の下流側に配置され、前記第１流路および前記第２流路の開閉状態を選択的に切替える切替部と、
前記切替部の下流側に配置され、直線状の第１の方向に沿って流体を流動させる内部流路を内部に有する容器と、前記第１の方向に沿って前記内部流路に位置し、流体中の検出対象成分を検出する複数のセンサと、を有し、前記内部流路の一部を画定する底面に平行且つ前記第１の方向に垂直な第２の方向における、該底面の両側において、前記第１の方向に延びる段部が形成されるセンサパッケージと、
前記センサ部の下流側に配置され、流体を下流側へ引込むポンプ部と、を備える。

上記のように構成された本開示に係るセンサパッケージおよびセンサモジュールによれば、応答性が向上する。

本実施形態に係るセンサモジュールの概略図である。 図１のセンサパッケージの第２の方向に垂直な面の断面を示す斜視図である。 図２の内部流路を示す斜視図である。 図２の主要部分の第１の方向に垂直な面の断面図である。 図２の内部流路を示す、センサパッケージを底面の法線方向から見た透視図である。 図２の内部流路の変形例を示す斜視図である。 図２のセンサの外観を示す斜視図である。 図２のセンサモジュールの第１の方向に垂直な面の断面図である。 図１のセンサモジュールの概略構成を示す機能ブロック図である。 流体の流れの一例を模式的に示す図である。 流体の流れの一例を模式的に示す図である。 実施例１の内部流路のサイズを説明するための透視図である。 実施例１の内部流路のサイズを説明するための断面図である。 実施例１の内部流路の各位置における滞留時間の分布図である。 実施例１の内部流路における、第２の方向における中央位置および検出部に重なる位置、ならびに第１の方向における検出部に重なる位置の流速分布図である。 実施例１の内部流路における、第２の方向における中央位置および検出部に重なる位置、ならびに第１の方向における検出部に重なる位置の圧力分布図である。 実施例１の内部流路における、流体の流入側から流出側まで順番に並ぶ検出部の、流入開始からの経過時間に対するガスの割合を示すグラフである。 実施例および比較例の内部流路における、流体の流入側から流出側まで順番に並ぶ検出部へのガスの到達時間を示す表である。 実施例２の内部流路の各位置における滞留時間の分布図である。 実施例２の内部流路における、第２の方向における中央位置および検出部に重なる位置、ならびに第１の方向における検出部に重なる位置の流速分布図である。 実施例２の内部流路における、第２の方向における中央位置および検出部に重なる位置、ならびに第１の方向における検出部に重なる位置の圧力分布図である。 実施例２の内部流路における、流体の流入側から流出側まで順番に並ぶ検出部の、流入開始からの経過時間に対するガスの割合を示すグラフである。 実施例３の内部流路の各位置における滞留時間の分布図である。 実施例３の内部流路における、第２の方向における中央位置および検出部に重なる位置、ならびに第１の方向における検出部に重なる位置の流速分布図である。 実施例３の内部流路における、第２の方向における中央位置および検出部に重なる位置、ならびに第１の方向における検出部に重なる位置の圧力分布図である。 実施例３の内部流路における、流体の流入側から流出側まで順番に並ぶ検出部の、流入開始からの経過時間に対するガスの割合を示すグラフである。 比較例１の流路の概念的な構造を示す図である。 図２７の第１のｃ字型連結管の外観図である。 図２７の第２のｃ字型連結管の外観図である。 図２７のｚ字型連結管の外観図である。 図２７のｌ字型連結管の外観図である。 図２７の屈曲管の外観図である。 比較例１の流路の各位置における滞留時間の分布図である。 比較例１の流路の各位置における流速分布図である。 比較例１の流路の各位置における圧力分布図である。 比較例１における検出部の位置を示す概念図である。 比較例１の流路における、流体の流入側から流出側まで順番に並ぶ検出部の、流入開始からの経過時間に対するガスの割合を示すグラフである。

以下、本開示に係る実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本開示の一実施形態に係るセンサパッケージ１０を含むセンサモジュール１１の概略図である。センサモジュール１１は、例えば筐体１２を備える。筐体１２内には、センサモジュール１１が備える各機能部が収納されている。センサモジュール１１には、流体が供給される。センサモジュール１１は、検査対象の流体（被検流体）と、比較対象となる流体（対照流体）とに基づき、被検流体中に含まれる検出対象成分である第１成分の濃度を算出できる。本明細書において、以下、流体が供給される側を上流側、流体が排出される側を下流側とも表現する。

センサモジュール１１は、筐体１２内部に、切替部１３と、センサパッケージ１０と、測定部１４と、ポンプ部１５とを備える。センサモジュール１１において、切替部１３と、センサパッケージ１０と、測定部１４と、ポンプ部１５とは、１つの流路１６において、この順で上流側から配置されている。流路１６は、例えばチューブなどの管状の部材により構成される。切替部１３には、さらに第１流路１７ａと第２流路１７ｂとが、上流側に接続されている。センサモジュール１１には、第１流路１７ａおよび第２流路１７ｂから内部に流体が供給され、ポンプ部１５の下流側に接続される第３流路１７ｃから外部に流体が排出される。

第１流路１７ａには、被検流体が供給される。第２流路１７ｂには、対照流体が供給される。第３流路１７ｃには、排気流体が排気される。第１流路１７ａ、第２流路１７ｂ、および第３流路１７ｃは、例えばチューブなどの管状の部材により構成される。

切替部１３は、第１流路１７ａおよび第２流路１７ｂの開閉状態を選択的に切替える。すなわち、切替部１３は、第１流路１７ａと第２流路１７ｂとのいずれか一方を、選択的に流路１６に接続することができる。従って、切替部１３により、第１流路１７ａが流路１６に接続されている場合、第２流路１７ｂは流路１６に接続されていない。この場合、流路１６には、第１流路１７ａを介して被検流体が供給される。一方、切替部１３により、第２流路１７ｂが流路１６に接続されている場合、第１流路１７ａは流路１６に接続されていない。この場合、流路１６には、第２流路１７ｂを介して対照流体が供給される。切替部１３は、例えば、第１流路１７ａまたは第２流路１７ｂを切替え可能なバルブを含んで構成されていてよい。

図２に示すように、センサパッケージ１０は、容器１８および複数のセンサ１９を有する。センサパッケージ１０は、さらに、ヒータ２０を備えてよい。

容器１８は、内部流路２１を内部に有する。内部流路２１は、直線状の第１の方向ｄ１に沿って流体を流動させる。図３に示すように、内部流路２１は、例えば、第１の方向ｄ１に沿って延びる筒状内壁によって画定される主要部分２２を有してよい。図４に示すように、内部流路２１の一部は、例えば、平面状の底面ｂｓによって画定されてよい。内部流路２１の一部は、例えば、底面ｂｓに対向する平面状の天面ｔｓによって画定されてよい。

底面ｂｓおよび天面ｔｓの間隔ｇｖは、後述するセンサ１９の高さの１．５倍以上３倍以下であってよい。１．５倍以上であることにより、流体を十分に流動させる空間が確保される。また、１．５倍以上であることにより、圧力分布が均一化されセンサ１９の出力が安定する。３倍以下であることにより、センサパッケージ１０の不必要な大型化が防がれる。また、３倍以下であることにより、流速の低下を低減し得る。本実施形態においては、底面ｂｓおよび天面ｔｓの間隔ｇｖは、センサ１９の高さの２倍である。したがって、本実施形態において、底面ｂｓに固定されるセンサ１９各々と、天面ｔｓとの間隔は、センサ１９各々の高さと同じである。

主要部分２２の一部は、底面ｂｓに垂直且つ第１の方向ｄ１に平行な側面ｓｓ１によって画定されてよい。側面ｓｓ１は、底面ｂｓに平行且つ第１の方向ｄ１に垂直な第２の方向ｄ２における、底面ｂｓの両端において底面ｂｓに連結してよい。側面ｓｓ１は、第２の方向ｄ２における、天面ｔｓの両端において天面ｔｓに連結してよい。両側面ｓｓ１の間隔、言換えると、内部流路２１の第２の方向ｄ２における幅ｗ１は、後述するセンサ１９の幅の１．５倍以上３倍以下であってよい。１．５倍以上であることにより、流体を十分に流動させる空間が確保される。また、１．５倍以上であることにより、圧力分布が均一化され、センサ１９の出力が安定する。流速の低下を低減し得る。３倍以下であることにより、センサパッケージ１０の不必要な大型化が防がれる。また、３倍以下であることにより、流速の低下を低減し得る。本実施形態においては、内部流路２１の幅ｗ１は、センサ１９の幅の２倍である。

主要部分２２において、少なくとも一方の側面ｓｓ１には第１の方向ｄ１に延びる段部２３が形成されていてよい。本実施形態においては、両側面ｓｓ１に段部２３が形成されている。段部２３の天面ｔｓに対向する面ｓ１にはセンサ１９と電気的に接続するための段部電極５３が設けられていてよい。底面ｂｓからの段部２３の高さは、後述するセンサ１９の高さ以上であってよい。両側面ｓｓ１に形成される段部２３間の第２の方向ｄ２における幅ｗ２は、後述するセンサ１９の幅の１．１倍以上１．５倍以下であってよい。１．１倍以上であることにより、流体を十分に流動させる空間が確保される。また、１．１倍以上であることにより、圧力分布が均一化され、センサ１９の出力が安定する。１．５倍以下であることにより、センサパッケージ１０の不必要な大型化が防がれる。また、第２の方向ｄ２におけるセンサ１９および段部２３の天面ｔｓに対向する面が連続することにより、流速の低下を低減するための空間が確保される。

図５に示すように、内部流路２１の第１の方向ｄ１における両端は、底面ｂｓの法線方向から見て、内部流路２１の中心から離れるほど先細りの形状であってよい。容器１８には、当該先細り形状の先端近傍に、流出入口２４が形成されていてよい。主要部分２２が、主要部分２２の第１の方向ｄ１における両端において、流出入部分２５に連結されることによって、内部流路２１が前述の先細りの形状を有していてよい。

流出入部分２５は、主要部分２２と同じ底面ｂｓおよび天面ｔｓを有してよい。または、図６に示すように、流出入部分２５は、主要部分２２と同じ天面ｔｓを有し、主要部分２２の底面ｂｓと平行な、より天面ｔｓに近い底面を有してよい。当該底面は段部２３の天面ｔｓに対向する面と連続してよい。図５に示すように、流出入部分２５は、主要部分２２の側面ｓｓ１から第２の方向ｄ２における内方に屈折または屈曲した側面ｓｓ２を有してよい。流出入部分２５は、底面ｂｓの法線方向から見て、第１の方向ｄ１に延びる直線を軸に線対称な形状であってよい。流出入部分２５は、底面ｂｓの法線方向から見て、底辺において主要部分２２に連通する略二等辺三角形状であってよい。本実施形態において、流出入部分２５は、底面ｂｓの法線方向から見て、略直角二等辺三角形状である。

流出入部分２５の両側面ｓｓ２の間の角度は、６０°以上１２０°以下であってよい。流出入部分２５の両側面ｓｓ２の間の角度が６０°以上であれば、センサパッケージ１０の大型化が防がれる。また、流出入部分２５の両側面ｓｓ２の間の角度が１２０°以下であれば、内部流路２１に流入する流体が主要部分２２に向かうにつれ徐々に第２の方向ｄ２に広がり得、流速および内圧の第２の方向ｄ２における均等化に寄与し得る。

図４に示すように、流出入口２４は、底面ｂｓに垂直な筒状の内周壁面によって画定されてよい。２つの流出入口２４は、天面ｔｓに位置してよい。流出入口２４は、センサモジュール１１において流路１６に連通される。流出入口２４を含む蓋部２７の上面は平坦なため、例えば、蓋部２７と対向する流路１６とは、Ｏリングを介して気密良く接続できるため、流路１６から流出入口２４へ流体を漏れなく流すことができる。

図２に示すように、容器１８は、本体部２６および蓋部２７によって構成されていてよい。本体部２６は、主要部分２２の底面ｂｓおよび両側面ｓｓ１と流出入部分２５の底面ｂｓおよび両側面ｓｓ２によって画定される窪を有してよい。蓋部２７は、流出入口２４が形成されていてよい。本体部２６の窪を蓋部２７で覆うことにより、内部流路２１が形成されてよい。

容器１８は、セラミック、プラスチック、金属等によって形成されていてよい。本実施形態において、容器１８が、セラミックで形成される場合、流体の吸着や容器１８からの脱ガスを抑制できる。

ヒータ２０は、内部流路２１およびセンサ１９を加熱してよい。ヒータ２０は、容器１８に内層されていてよい。ヒータ２０は、内部流路２１の底面ｂｓ側に位置してよい。本実施形態において、ヒータ２０は本体部２６に内層されている。ヒータ２０は、例えば、セラミックヒータである。

センサ１９では、長さ方向、幅方向、および高さ方向が定められていてよい。図７に示すように、センサ１９は、長さ方向、幅方向、および高さ方向の中の２方向の組合せの平面を有する直方体形状であってよい。センサ１９の高さ方向の一端側の面に、検出部２８およびセンサ電極５５が設けられていてよい。以後、検出部２８およびセンサ電極５５が設けられる面を検出面ｄｓと呼ぶ。センサ電極５５は、検出面上でセンサ１９の幅方向の少なくとも一端近傍あるいは両端に位置してよい。検出部２８は複数であってよく、長さ方向および幅方向に沿って並ぶように配置されていてよい。本実施形態において、センサ１９には長さ方向および幅方向に沿って並ぶ４つの検出部２８が設けられる。センサ１９は、長さ方向および幅方向の長さが等しくてよい。複数のセンサ１９の大きさ、言換えると、長さ方向、幅方向、および高さ方向の長さは等しくてよい。

複数のセンサ１９は、容器１８の内部流路２１において、第１の方向ｄ１に沿って並ぶように、位置している。複数のセンサ１９は、底面ｂｓに位置するように固定されてよい。図８に示すように、本明細書において、底面ｂｓにおいて位置するとは、センサ１９の検出面ｄｓの裏面が底面ｂｓに接することを意味する。センサ１９は、長さ方向が第１の方向ｄ１に平行且つ幅方向が第２の方向ｄ２に平行になるように、底面ｂｓに設けられてよい。センサ電極５５は、当該センサ電極５５に対して第２の方向に位置する段部電極５４に接続配線５６を用いて接続される。第１の方向ｄ１において互いに隣接する２つのセンサ１９の間隔は、センサ１９の長さの０．１倍以上１．０倍以下であることが好ましい。０．１倍以上であることにより、センサ１９の間の流体の滞留を抑制し、内部流路２１内における流体の置換時間を速め、センサ１９の実装マージンの空間が確保され得る。１．０倍以下であることにより、流速の低下を低減し、センサパッケージ１０の不必要な大型化が防がれる。

検出部２８は、例えば、膜状である。検出部２８は、特定の成分に特に大きく反応する。複数のセンサ１９における検出部２８のうち少なくともいずれかは、検出対象成分である第１成分に特に大きく反応する。すなわち、複数のセンサ１９における検出部２８のうち少なくともいずれかは、流体中の検出対象成分を検出する。検出部２８は、例えば、流体に含まれる特定の成分を吸着することによって信号を出力する。検出部２８は、例えば、ポリスチレン、クロロプレンゴム、ポリメチルメタクリレートまたはニトロセルロースなどの高分子材料、および酸化スズまたは酸化インジウムなどの半導体材料などにより構成される。検出部２８は、特定の成分との反応に応じた信号を出力する。この信号は、例えば電圧値として出力される。

図１において、測定部１４は、センサモジュール１１に供給される流体に関する所定の性質または条件を測定可能なセンサを含んで構成される。流体に関する所定の性質または条件は、センサパッケージ１０における流体の検出精度に影響を与え得る性質または条件であってよい。流体に関する所定の性質または条件は、例えば流体の温度および湿度のいずれかを含んでよい。本明細書では、流体に関する所定の性質または条件は、流体の温度および湿度であるとして、以下説明する。この場合、測定部１４は、例えば温湿度計を含んで構成されていてよい。温湿度計は、従来公知の方式で流体の温度および湿度を測定するものであってよい。測定部１４で測定した流体の温度および湿度より、検出部２８の信号を補正することもできる。ただし、センサモジュール１１は、必ずしも測定部１４を備えていなくてもよい。センサモジュール１１は、測定部１４を備えていなくとも、検出対象成分の濃度を算出することができる。

ポンプ部１５は、センサモジュール１１に供給される流体を上流側から下流側へ引込み、センサモジュール１１の外部へ排出する。すなわち、ポンプ部１５の吸引により、第１流路１７ａまたは第２流路１７ｂからセンサモジュール１１に供給された流体は、切替部１３、センサパッケージ１０、測定部１４、およびポンプ部１５を通って、第３流路１７ｃを介してセンサモジュール１１の外部に排出される。ポンプ部１５は、流体の引込量を制御することができる。ポンプ部１５による流体の引込量の制御により、例えば流路１６内を流れる流体の流速が制御される。ポンプ部１５は、例えば、流路１６内の流体の流速の変化を抑制するように、流体の引込量を制御してよい。ポンプ部１５は、例えばピエゾポンプを含んで構成されていてよい。ポンプ部１５は、１つのポンプを含んで構成されていてよい。ポンプ部１５は、複数のポンプを含んで構成されていてもよい。この場合、複数のポンプは、流体の流れに対して並列に配置されていてよい。

図９に示すように、センサモジュール１１は、筐体１２内に、電子回路基板をさらに備えていてよい。電子回路基板は、後述するセンサモジュール１１の制御部２９および記憶部３０などを実装する。

図９は、図１のセンサモジュール１１の概略構成を示す機能ブロック図である。図９のセンサモジュール１１は、制御部２９と、記憶部３０と、切替部１３と、センサパッケージ１０と、測定部１４と、ポンプ部１５と、を備える。

切替部１３は、制御部２９から制御信号を受信し、制御信号に基づいて、第１流路１７ａと第２流路１７ｂとの切替えを行う。これにより、流路１６には、被検流体または対照流体のいずれかが供給される。

センサパッケージ１０は、各センサ１９との入出力信号を制御部２９とに送受信する。

測定部１４は、測定した情報の信号を制御部２９と送受信する。

ポンプ部１５は、制御部２９から制御信号を受信する。ポンプ部１５は、制御信号に基づいて、流体を下流側へ引込む。ポンプ部１５は、制御信号に応じた引込量で流体を引込む。

制御部２９は、センサモジュール１１の各機能ブロックをはじめとして、センサモジュール１１の全体を制御および管理するプロセッサである。制御部２９は、制御手順を規定したプログラムを実行するＣＰＵ（Central processing Unit）などのプロセッサで構成される。このようなプログラムは、例えば、記憶部３０、またはセンサモジュール１１に接続された外部の記憶媒体などに格納される。

制御部２９は、センサパッケージ１０から出力される信号に基づき、被検流体中における検出対象成分の濃度を算出してもよい。制御部２９は、さらに、測定部１４から出力される信号に基づいて、被検流体中における検出対象成分の濃度を算出してもよい。流体の性質または条件により、センサパッケージ１０の各センサ１９における検出対象成分の反応性が変化し得る。制御部２９は、このように測定部１４から出力される信号に基づいて被検流体中における検出対象成分の濃度を算出する場合、反応性を考慮して検出対象成分の濃度を算出できる。そのため、検出対象成分の濃度の算出精度が向上し得る。

記憶部３０は、半導体メモリまたは磁気メモリなどで構成され得る。記憶部３０は、各種情報、および／またはセンサモジュール１１を動作させるためのプログラムなどを記憶する。記憶部３０は、ワークメモリとして機能してもよい。

次に、制御部２９による、切替部１３の制御と、検出対象成分の濃度の算出の詳細について説明する。

第１流路１７ａには、被検流体（サンプルガス）が供給される。ここでは、一例として、被検流体が人間の呼気である場合について説明する。ただし、被検流体は、人間の呼気に限られず、任意の検査対象の流体とすることができる。被検流体が人間の呼気である場合、検出対象成分は、例えば、アセトン、エタノールまたは一酸化炭素などである。検出対象成分も、ここで挙げた例に限られない。被検流体には、第２成分であるノイズ成分（ノイズガス）が含まれる。ノイズ成分は、検出対象成分以外の成分である。ノイズ成分には、例えば、酸素、二酸化炭素、窒素および水蒸気など、検出対象成分以外の全ての成分が含まれる。

第２流路１７ｂには、対照流体（リフレッシュガス）が供給される。対照流体は、例えば検出対象成分を略含まない流体であってよい。ここで、検出対象成分を略含まないとは、検出対象成分を全く含まない場合の他、被検流体における検出対象成分の含有量に対し、対照流体における検出対象成分の含有量が、極めて少なく、実質的に含んでいないと考えてよい程度である場合も含まれることを意味する。被検流体が人間の呼気である場合、対照流体として、例えば空気を使用することができる。ただし、対照流体は空気に限られない。対照流体には、酸素、二酸化炭素、窒素および水蒸気などのノイズ成分が含まれる。

制御部２９は、ポンプ部１５の引込量を一定とし、一定の時間間隔ごとに、切替部１３を、第１流路１７ａと第２流路１７ｂとで切替える。一定の時間間隔は、例えば被検流体の種類または性質などに応じて適宜定められてよい。ここでは、一例として、一定の時間間隔が５秒間であるとして説明する。従って、制御部２９は、流路１６に接続される流路を、５秒ごとに、第１流路１７ａと第２流路１７ｂとで切替えるように、切替部１３を制御する。

図１０、１１は、流体の流れの一例を模式的に示す図である。図１０は、流路１６に第１流路１７ａが接続された場合の一例を示す。図１１は、流路１６に第２流路１７ｂが接続された場合の一例を示す。すなわち、ここで説明する例では、図１０の状態と、図１１の状態とが、５秒ごとに交互に繰り返される。図１０、１１における矢印は、流体の流れる方向を示す。

図１０に示すように、流路１６に第１流路１７ａが接続されている場合、ポンプ部１５の引込みにより、被検流体が第１流路１７ａからセンサパッケージ１０に供給される。この場合、センサパッケージ１０の各センサ１９における各検出部２８が、被検流体中に含まれる成分と反応する。各センサ１９は、検出対象成分とノイズ成分とを含む被検流体の成分に応じた信号（第１信号）を出力する。

図１１に示すように、流路１６に第２流路１７ｂが接続されている場合、ポンプ部１５の引込みにより、対照流体が第２流路１７ｂからセンサパッケージ１０に供給される。この場合、センサパッケージ１０の各センサ１９が、対照流体中に含まれる成分と反応する。各センサ１９は、ノイズ成分を含む対照流体の成分に応じた信号（第２信号）を出力する。

第１信号および第２信号は、センサパッケージ１０がそれぞれ被検流体および対照流体と反応することにより制御部２９に供給された信号である。そして、被検流体および対照流体は、いずれもノイズ成分を含む。そのため、第１信号および第２信号とも、センサパッケージ１０に供給される流体に含まれるノイズ成分に対しては、同様の反応性が反映されている。

これに対し、検出対象成分については、被検流体が検出対象成分を含んでいるのに対し、対照流体は検出対象成分を略含まない。そのため、第１信号は、検出対象成分に対する反応性が反映された信号であるのに対し、第２信号は、検出対象成分に対する反応性が実質的に反映されていない信号であると言える。そのため、センサパッケージ１０から出力される第１信号と第２信号との差分は、実質的に被検流体に含まれる検出対象成分の濃度であると考えることができる。制御部２９は、この差分に基づき、検出対象成分の濃度を算出することができる。

以上のような構成の本実施形態のセンサパッケージ１０は、第１の方向ｄ１に沿って流体を流動させる内部流路２１を有する容器１８と、第１の方向ｄ１に沿って並ぶように内部流路２１に位置し、流体中の検出対象成分を検出する複数のセンサ１９と、を有する。このような構成により、センサパッケージ１０は、内部流路２１における流体の滞留を全体的に低減させ、滞留時間を短縮し得る。それゆえ、センサパッケージ１０は、センサパッケージ１０への流体の流入後の各センサ１９の応答性を向上し得る。センサパッケージ１０は、各センサ１９の応答性が向上するので、複数のセンサ１９各々の検出対象成分の組合せによるニオイを高い検出精度で検出し得る。また、上述の構成を有するセンサパッケージ１０では、内部流路２１における圧力が均等化されるので、複数のセンサ１９への圧力の違いによる検出誤差を低減させる。したがって、センサパッケージ１０はニオイの検出精度をさらに向上させ得る。

また、本実施形態のセンサパッケージ１０では、複数のセンサ１９は平面状の底面ｂｓに位置する。このような構成により、センサパッケージ１０は、底面ｂｓとセンサ１９の検出面ｄｓとが連続する平面とならずに、検出面ｄｓに対して陥没した段差を生じさせている。この段差により、検出面ｄｓと天面ｔｓとの間の流体の流速を均質化させ得る。このような作用は理論付けられているわけではないが、以下のように推定されている。流体は粘性を有するので、全面が平面である面に沿って流動する流体は、当該面近傍における流速が低下するものと考えられる。一方で、上述のセンサパッケージ１０のように、検出面ｄｓに対して陥没した段差を有する面に沿って流動する流体は当該陥没した段差により検出部２８が形成される面近傍における流速の低下が抑制され、検出面ｄｓと天面ｔｓとの間の流体の流速が均質化され得ると考えられる。

また、本実施形態のセンサパッケージ１０では、内部流路２１の第１の方向ｄ１における両端は、底面ｂｓの法線方向から見て、内部流路２１の中心から離れる程先細りの形状であり、容器１８には内部流路２１の両端における先細りの形状の先端近傍に、流出入口２４が形成されている。このような構成により、センサパッケージ１０は、内部流路２１の第２の方向ｄ２における圧力および流体の濃度を均等化させ得る。したがって、センサパッケージ１０は、ニオイの検出精度をさらに向上させ得る。

また、本実施形態のセンサパッケージ１０では、流出入口２４は、底面ｂｓに垂直な筒状の内周壁面によって画定されている。このような構成により、センサパッケージ１０は、流出入口２４から内部流路２１に流入する流体を底面ｂｓに衝突させ得るので、内部流路２１全域における圧力を均等化させ得る。また、このような構成により、センサパッケージ１０では、センサ１９の側面と、段部２３の側面と、底面ｂｓとに囲まれた空間に流体が流れやすくなる。また、このような構成により、センサパッケージ１０では、センサ１９の間と底面ｂｓとに囲まれた空間に流体が流れやすくなる。これらの結果、センサパッケージ１０は、流体の滞留を抑制し、流体の第１の方向ｄ１に沿った流速を増加させ得る。

また、本実施形態のセンサパッケージ１０では、容器１８は、窪を有する本体部２６、および流出入口２４が形成されている蓋部２７を含んで構成され、窪を蓋部２７で覆うことにより内部流路２１が形成される。このような構成により、センサパッケージ１０は、簡易な方法で製造され得る。

また、本実施形態のセンサパッケージ１０では、容器１８はセラミックによって形成される。このような構成により、センサパッケージ１０は、容器１８本体の液化または気化などにより流体中に容器１８の成分が混入することを抑制させ得る。したがって、センサパッケージ１０は、検出対象成分の検出精度の低下を抑制し得る。

また、本実施形態のセンサパッケージ１０は、ヒータ２０を備える。したがって、センサパッケージ１０では、ヒータ２０を用いて内部流路２１およびセンサ１９を加熱することにより、内部流路２１およびセンサ１９に吸着した流体が脱離し、内部流路２１がリフレッシュされ得る。また、センサパッケージ１０では、ヒータ２０により内部流路２１内の温度の変動を低減するので、被検流体の温度変化に関わらず、検出対象成分の検出精度の低下を抑制し得る。

また、本実施形態のセンサパッケージ１０では、第２の方向ｄ２における底面ｂｓの両側において、第１の方向ｄ１に延びる段部２３が形成されている。このような構成により、センサパッケージ１０は、センサ１９の検出面ｄｓと天面ｔｓとの間の流体をより集め、流速を高め、流体到達時間を速めている。また、センサパッケージ１０では、接続配線５６を検出部２８よりも第２の方向ｄ２における側面ｓｓ１側に配置することにより、検出部２８上に流体をスムーズに流せ、検出部２８上の流体の流速を高めることができる。一方で、上述のセンサパッケージ１０のように、センサ１９の検出面と天面ｔｓの間において、側面ｓｓ１がセンサ１９から第２の方向ｄ２に沿って離れて位置している。それゆえ、センサパッケージ１０は、検出部２８が形成される面および天面ｔｓとの間において、第２の方向ｄ２における端部周辺での流体の流速の低下が抑制され、第２の方向ｄ２の位置の違いによる流速の差を低減し得る。なお、側面ｓｓ１全体をセンサ１９から離すと、内部流路２１の容積の増加により全体的に流速が低下する。一方で、上述の構成によれば、センサパッケージ１０は、側面ｓｓ１全体をセンサ１９から離していないので、全体的な流速低下を抑制しながら、検出精度の向上に寄与する領域における流速の差を低減し得る。

また、本実施形態のセンサパッケージ１０では、底面ｂｓに対する段部２３の高さは、センサ１９の高さ以上である。このような構成により、センサパッケージ１０は、段部２３と天面ｔｓの間の空間を狭くすることによりセンサ１９上に多くの流体を流し、流速を高める。その結果、センサパッケージ１０は、流体の滞留時間を短縮し、各センサ１９の各検出部２８の検出時間差を短くし得るので、検出精度を向上させる。

また、本実施形態のセンサパッケージ１０では、検出部２８が出力する信号をセンサパッケージ１０外に送信するために、センサ電極５５および段部電極５４を接続配線５６で接続する。この配線構造により、接続配線による流体の流速低下を抑制し、検出精度を向上させる。

また、本実施形態のセンサモジュール１１は、流路１６に設けられたポンプ部１５により流体を引込んで、センサパッケージ１０に流体を供給する。センサパッケージ１０に供給される流体は、切替部１３により、第１流路１７ａと第２流路１７ｂとを切替えることにより、被検流体と対照流体とが切替えられる。そのため、センサパッケージ１０に供給される流体が被検流体であるか対照流体かであるかにかかわらず、同一のポンプ部１５により、流体が下流側に引き込まれる。仮に、センサパッケージ１０に被検流体を供給するポンプと対照流体を供給するポンプとが異なる場合、各ポンプの性能の相違などによって、被検流体の供給量と対照流体の供給量とに差が発生する場合がある。しかしながら、本実施形態のセンサモジュール１１は、１つのポンプ部１５により、センサパッケージ１０に供給される流体が制御されるため、供給する流体ごとに異なるポンプを用いる場合と比較して、より安定してセンサパッケージ１０に流体を供給することができる。これにより、センサパッケージ１０に対する、被検流体と対照流体との供給される条件が等しくなりやすい。そのため、センサパッケージ１０は、より等しい条件下で被検流体と対照流体とを検出しやすくなる。従って、センサモジュール１１によれば、検出対象成分の測定精度を向上可能である。

以下に、実施例および比較例によって本開示をさらに詳細に説明するが、本開示はこれらに限定されるものではない。

［定常流体解析および非定常流体解析］
以下に示す実施例および比較例について、定常流体解析および非定常流体解析が行われた。定常流体解析および非定常流体解析には、ＡＮＳＹＳ Ｆｌｕｅｎｔ １９．２（ＡＮＳＹＳ社製）が用いられた。定常流体解析および非定常流体解析に用いる気体は空気とし、密度を１．２２５ｋｇ／ｍ^３（１気圧、１５℃）、粘度を１．７８９×１０^－５Ｐａ・ｓ、流入量を３０ｃｍ^３／ｍｉｎとした。

（実施例１）
図１２、１３に示すように、主要部分の第１の方向における長さをａ１＝９．２０ｍｍ、両側面の間隔をａ２＝３．８０ｍｍ、底面および天面の間隔をａ３＝１．４６ｍｍ、底面からの段部の高さをａ４＝１．１５ｍｍ、および両側面に形成される両段部の間隔をａ５＝２．７０ｍｍ、ならびに主要部分の第１の方向における両端における流出入部分の両側面の間の角度をａ６°＝９０°とする実施例１の内部流路をモデル化した。さらに、当該モデルにおいて、実施例１の内部流路内に、第１の方向に沿って、３つの直方体状のセンサを第１の方向に沿って底面上に配置した。直方体状のセンサの長さ、幅、および高さは、ｂ１＝２．１ｍｍ、ｂ２＝２．１ｍｍ、およびｂ３＝０．７３ｍｍであった。当該モデル内で、センサの長さ方向および幅方向が内部流路の第１の方向および第２の方向に平行になるよう、各センサを配置した。当該モデル内で、各センサは、第１の方向において、主要部分の第１の方向における一方の端から、各センサの端部がｃ１＝０．４６ｍｍ、ｃ２＝３．５６ｍｍ、ｃ３＝６．６６ｍｍに位置するように各センサを配置した。検出部をセンサの中心から第１の方向および第２の方向にｃ４＝０．４ｍｍ変位させた位置に配置した。

実施例１の内部流路に対して、上述の条件で一方の流出入口から気体を流入させる場合の、滞留時間、流速分布、圧力分布、およびガス到達時間を計算した。滞留時間を図１４に示した。図１４において、１秒未満の滞留時間を非表示とした。第２の方向における中央位置および検出部に重なる位置、ならびに第１の方向における検出部に重なる位置の流速分布を図１５に示した。第２の方向ｄ２における中央位置および検出部に重なる位置、ならびに第１の方向における検出部に重なる位置の圧力分布を図１６に示した。流体の流入側から流出側まで順番に並ぶ検出部の、図１２に示す位置におけるガスの流入開始後の時間に対する置換ガスの割合を図１７に示した。図１２に示す位置におけるガスの到達時間を図１８に示した。図１８において、ガスの流入開始後に置換ガスの割合が８０％になる時間をガス到達時間（ｓ）として示した。

（実施例２）
図１３に示すように、主要部分の底面からの段部の高さをａ４＝０．７３ｍｍとすること以外は実施例１の内部流路と同じである実施例２の内部流路をモデル化した。

実施例２の内部流路に対して、上述の条件で一方の流出入口から気体を流入させる場合の、滞留時間、流速分布、圧力分布、およびガス到達時間を計算した。滞留時間を図１９に示した。図１９において、１秒未満の滞留時間を非表示とした。第２の方向における中央位置および検出部に重なる位置、ならびに第１の方向における検出部に重なる位置の流速分布を図２０に示した。第２の方向ｄ２における中央位置および検出部に重なる位置、ならびに第１の方向における検出部に重なる位置の圧力分布を図２１に示した。流体の流入側から流出側まで順番に並ぶ検出部の、図１２に示す位置にガスの流入開始後の時間に対する置換ガスの割合を図２２に示した。図１２に示す位置におけるガスの到達時間（ｓ）を図１８に示した。

（実施例３）
図１３に示すように主要部分の底面および天面の間隔をａ３＝１．１０ｍｍ、および底面からの段部の高さをａ４＝０．７３ｍｍとし、図６に示すように流出入部分の底面を容器の天面に対向する段部の面に連続させること以外は実施例１の内部流路と同じである実施例３をモデル化した。

実施例３の内部流路に対して、上述の条件で一方の流出入口から気体を流入させる場合の、滞留時間、流速分布、圧力分布、およびガス到達時間を計算した。滞留時間を図２３に示した。図２３において、１秒未満の滞留時間を非表示とした。第２の方向における中央位置および検出部に重なる位置、ならびに第１の方向における検出部に重なる位置の流速分布を図２４に示した。第２の方向ｄ２における中央位置および検出部に重なる位置、ならびに第１の方向における検出部に重なる位置の圧力分布を図２５に示した。流体の流入側から流出側まで順番に並ぶ検出部の、図１２に示す位置におけるガスの流入開始後の時間に対する置換ガスの割合を図２６に示した。図１２に示す位置におけるガスの到達時間（ｓ）を図１８に示した。

（比較例１）
図２７に示すように、第１のチャンバ３１、第２のチャンバ３２、第３のチャンバ３３、第４のチャンバ３４、第５のチャンバ３５、第１のｃ字型連結管３６、第２のｃ字型連結管３７、ｚ字型連結管３８、ｌ字型連結管３９、および屈曲管４０を用いて、比較例１の流路をモデル化した。

第１のチャンバ３１、第２のチャンバ３２、および第３のチャンバ３３を、内径ｅ１＝３．０ｍｍ、高さｅ２＝０．７ｍｍの円筒状に設計した。第４のチャンバ３４を、内径ｅ３＝４．０ｍｍ、高さｅ４＝０．７ｍｍの円筒状に設計した。第５のチャンバ３５を、内径ｅ５＝４．２ｍｍ、高さｅ６＝１．０ｍｍの円筒状に設計した。

図２８に示すように、第１のｃ字型連結管３６を、直線状に延びる本体部４１、および本体部４１の長手方向の両端において長手方向に垂直な同じ方向に同じ長さで延びる連結部４２を有する形状に設計した。本体部４１の長さをｆ１＝１０ｍｍにした。連結部４２の長さをｆ２＝２．５ｍｍとした。第１のｃ字型連結管３６の内径をｆ３＝１ｍｍにした。図２９に示すように、第２のｃ字型連結管３７を、直線状に延びる本体部４３、および本体部４３の長手方向の両端において長手方向に垂直な同じ方向に同じ長さで延びる連結部４４を有する形状に設計した。本体部４３の長さをｆ４＝４．２ｍｍにした。連結部４４の長さをｆ５＝２ｍｍとした。第２のｃ字型連結管３７の内径をｆ３＝１ｍｍにした。

図３０に示すように、ｚ字型連結管３８を、直線状に延びる本体部４５、ならびに本体部４５の長手方向の両端において長手方向に垂直な逆の方向に延びる長尺連結部４６および短尺連結部４７を有する形状に設計した。本体部４５の長さをｆ６＝７．５ｍｍにした。長尺連結部４６の長さをｆ７＝６．０ｍｍとした。短尺連結部４７の長さをｆ８＝２．５ｍｍとした。ｚ字型連結管３８の内径をｆ３＝１．０ｍにした。図３１に示すように、ｌ字型連結管３９を、直線状に延びる本体部４８、および本体部４８の長手方向の一端において長手方向に垂直な方向に延びる連結部４９を有する形状に設計した。本体部４８の長さをｆ９＝９．５ｍｍにした。連結部４９の長さをｆ７＝６．０ｍｍとした。ｌ字型連結管３９の内径をｆ３＝１．０ｍｍにした。図３２に示すように、屈曲管４０を、直線状に延びる本体部５０、本体部５０の一端において長手方向に垂直な方向に延びる連結部５１、他端において長手方向に垂直な方向に屈曲する屈曲部５２、および屈曲部５２の他端から直線状に延びる流入口部５３を有する形状に設計した。本体部５０に対する連結部５１の屈折方向と、屈曲部５２の屈曲方向とは、垂直となるように設計した。本体部５０の長さはｆ１０＝２５ｍｍとした。連結部５１の長さはｆ１１＝２．５ｍｍとした。屈曲部５２の、曲率半径はｆ１２＝２．５ｍｍ、屈曲角度は９０°にした。流入口部５３の長さはｆ１３＝５．０ｍｍにした。屈曲管４の内径をｆ３＝１．０ｍｍにした。

図２７に示すように、比較例１の流路のモデルでは、第１のチャンバ３１、第２のチャンバ３２、および第３のチャンバ３３を第３の方向ｄ３に沿って、底面が同一平面状に位置するように順番に配置した。当該モデルでは、第４のチャンバ３４を、第３のチャンバ３３の底面に平行且つ第３の方向ｄ３に垂直な第４の方向ｄ４、および第３のチャンバ３３の底面の法線方向ｄ５に変位させて、第４のチャンバ３４の底面が第３のチャンバ３３の底面に平行となるように配置した。当該モデルでは、第５のチャンバ３５を、第４のチャンバ３４に対して第３の方向ｄ３、および第４のチャンバ３４に対して第３のチャンバ３３の底面の法線方向ｄ５の逆方向に変位させて、第５のチャンバ３５の底面が第４のチャンバ３４の底面に垂直になるように配置した。

比較例１の流路のモデルでは、第１のチャンバ３１および第２のチャンバ３２を、連結部４２が第１のチャンバ３１の底面に垂直になるように、第１のｃ字型連結管３６で連結した。当該モデルでは、第２のチャンバ３２および第３のチャンバ３３を、連結部４２が第２のチャンバ３２の底面に垂直になるように、第１のｃ字型連結管３６で連結した。当該モデルでは、第３のチャンバ３３および第４のチャンバ３４を、長尺連結部４６および短尺連結部４７が第３のチャンバ３３の底面に垂直になるように、ｚ字型連結管３８で連結した。短尺連結部４７を第３のチャンバ３３に連結した。当該モデルでは、第４のチャンバ３４および第５のチャンバ３５を、本体部４８が第５のチャンバ３５の底面に垂直且つ連結部４９が第４のチャンバ３４の底面に垂直になるように、ｌ字型連結管３９で連結した。当該モデルでは、第１のチャンバ３１および第２のｃ字型連結管３７を、連結部４２が第１のチャンバ３１の底面に垂直且つ連結部４４と直線状になり、さらに連結部４２が第３の方向ｄ３の逆方向に延びるように、第１のｃ字型連結管３６で連結した。当該モデルでは、第２のｃ字型連結管３７の一方の連結部４４に、屈曲管４０の連結部５１を直線状に連続するように接続した。

比較例１の流路のモデルでは、第１のチャンバ３１における、第３の方向ｄ３および第４の方向ｄ４に沿って４つの検出部が、第１のｃ字型連結管３６の連結部４２の接続位置に対向するように、センサを配置した。当該モデルでは、第２のチャンバ３２における、第３の方向ｄ３および第４の方向ｄ４に沿って４つの検出部が、第１のｃ字型連結管３６の連結部４２の接続位置に対向するように、センサを配置した。当該モデルでは、第３のチャンバ３３における、第３の方向ｄ３および第４の方向ｄ４に沿って４つの検出部が、第１のｃ字型連結管３６の連結部４２の接続位置に対向するように、センサを配置した。

比較例１の流路に対して、上述の条件で一方の流出入口から気体を流入させる場合の滞留時間、流速分布、圧力分布、およびガス到達時間を計算した。滞留時間を図３３に示した。図３３において、１秒未満の滞留時間を非表示とした。流速分布を図３４に示した。圧力分布を図３５に示した。流体の流入側から流出側まで順番に並ぶ検出部の、図３６に示す位置におけるガスの到達時間を図３７に示した。

本開示を諸図面および実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形および／または修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形および／または修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各構成部などに含まれる機能などは論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の構成部を１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。

１０ センサパッケージ
１１ センサモジュール
１２ 筐体
１３ 切替部
１４ 測定部
１５ ポンプ部
１６ 流路
１７ａ 第１流路
１７ｂ 第２流路
１７ｃ 第３流路
１８ 容器
１９ センサ
２０ ヒータ
２１ 内部流路
２２ 主要部分
２３ 段部
２４ 流出入口
２５ 流出入部分
２６ 本体部
２７ 蓋部
２８ 検出部
２９ 制御部
３０ 記憶部
３１ 第１のチャンバ
３２ 第２のチャンバ
３３ 第３のチャンバ
３４ 第４のチャンバ
３５ 第５のチャンバ
３６ 第１のｃ字型連結管
３７ 第２のｃ字型連結管
３８ ｚ字型連結管
３９ ｌ字型連結管
４０ 屈曲管
４１ 本体部
４２ 連結部
４３ 本体部
４４ 連結部
４５ 本体部
４６ 長尺連結部
４７ 短尺連結部
４８ 本体部
４９ 連結部
５０ 本体部
５１ 連結部
５２ 屈曲部
５３ 流入口部
５４ 段部電極
５５ センサ電極
５６ 接続配線
ｂｓ 底面
ｄ１ 第１の方向
ｄ２ 第２の方向
ｄ３ 第３の方向
ｄ４ 第４の方向
ｄ５ 底面の法線方向
ｄｓ 検出面
ｓｓ１ 主要部分の側面
ｓｓ２ 流出入部分の側面
ｓ１ 天面に対向する面
ｔｓ 天面
ｗ１ 内部流路の幅
ｗ２ 両側面に形成される段部の幅

Claims (11)

1. 直線状の第１の方向に沿って流体を流動させる内部流路を内部に有する容器と、
   前記第１の方向に沿って並ぶように前記内部流路に位置し、流体中の検出対象成分を検出する複数のセンサと、を備え、
   前記内部流路の一部を画定する底面に平行且つ前記第１の方向に垂直な第２の方向における、該底面の両側において、前記第１の方向に延びる段部が形成される
   センサパッケージ。
2. 請求項１に記載のセンサパッケージにおいて、
   前記複数のセンサは、前記内部流路の一部を画定する平面状の底面に位置する
   センサパッケージ。
3. 請求項２に記載のセンサパッケージにおいて、
   前記内部流路の前記第１の方向における両端は、前記底面の法線方向から見て、該内部流路の中心から離れる程先細りの形状であり、
   前記容器には、前記内部流路の両端における先細りの形状の先端近傍に、流出入口が形成されている
   センサパッケージ。
4. 請求項３に記載のセンサパッケージにおいて、
   前記流出入口は、前記底面に垂直な筒状の内周壁面によって画定される
   センサパッケージ。
5. 請求項３または４に記載のセンサパッケージにおいて、
   前記容器は、窪を有する本体部、および前記流出入口が形成されている蓋部を含んで構成され、
   前記窪を前記蓋部で覆うことにより、前記内部流路が形成される
   センサパッケージ。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載のセンサパッケージにおいて、
   前記容器は、セラミックによって形成されている
   センサパッケージ。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載のセンサパッケージにおいて、
   前記内部流路を加熱するヒータを、さらに備える
   センサパッケージ。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載のセンサパッケージにおいて、
   前記底面に対する前記段部の高さは、前記複数のセンサの高さ以上である
   センサパッケージ。
9. 請求項１から８のいずれか１項に記載のセンサパッケージにおいて、
   前記内部流路の前記第２の方向における幅は、前記複数のセンサそれぞれの前記第２の方向における幅の１．５倍以上３倍以下である
   センサパッケージ。
10. 請求項１から９のいずれか１項に記載のセンサパッケージにおいて、
    前記複数のセンサ各々と、前記内部流路の一部を画定する天面との間隔は、前記複数のセンサそれぞれの高さと同じである
    センサパッケージ。
11. 第１流路および第２流路の下流側に配置され、前記第１流路および前記第２流路の開閉状態を選択的に切替える切替部と、
    前記切替部の下流側に配置され、直線状の第１の方向に沿って流体を流動させる内部流路を内部に有する容器と、前記第１の方向に沿って前記内部流路に位置し、流体中の検出対象成分を検出する複数のセンサと、を有し、前記内部流路の一部を画定する底面に平行且つ前記第１の方向に垂直な第２の方向における、該底面の両側において、前記第１の方向に延びる段部が形成されるセンサパッケージと、
    前記センサパッケージの下流側に配置され、流体を下流側へ引込むポンプ部と、を備える
    センサモジュール。

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