JPWO2017064784A1 - 水分検出素子、ガス検出装置及び呼気検査システム - Google Patents

Abstract

小型かつ応答性能のよい水分検出素子（１）、ガス検出装置及び呼気検査システムを提供するため、水分検出素子（１）は、絶縁性の材料で構成される絶縁部（４）と、電圧が印加される印加電極（２）と、印加電極（２）に印加された電圧によって、絶縁部（４）に付着した水分子を介した電気経路に流れる電流に応じた電圧信号を検出する検出電極（３）と、を有することを特徴とする。

Description

本発明は、呼気中の水分を検出する水分検出素子、ガス検出装置及び呼気検査システムの技術に関する。

飲酒運転による事故を根絶するため、事業用自動車の運転者に対して、アルコール検査を行うことが義務付けられている。

ここで、従来のアルコール検査装置は被検者の呼気を導入することで、該呼気に含まれるアルコール濃度を測定するものである。このアルコール検査装置において、呼気は、人が吹き込んだものでなくてもよいので、自分の呼気の代わりに外気等を吹き込むことで、なりすまし等が発生するおそれがある。

このようななりすまし防止のため、アルコール検査装置に導入された空気が呼気であることを検査する必要がある。人の呼気は、外気と異なり水蒸気が飽和状態となっているため、アルコール検査装置に導入された空気の水蒸気量を測定する、すなわち水分を測定することで、導入された空気が人の呼気であるか否かを判定することができ、なりすましを防止することができる。

このような水分測定装置として、例えば、特許文献１に記載の静電容量式湿度センサが開示されている。特許文献１には、「雰囲気中の湿度変化を静電容量の変化によって検出する静電容量式湿度センサであって、湿度に応じて誘電率の変化する感湿膜が形成された、容量値と該容量値の湿度変化に対する傾きが互いに異なる第１センサ素子と第２センサ素子を有してなり、前記第１センサ素子と第２センサ素子が、それぞれ、絶縁膜を介した半導体基板上の同一平面において、該半導体基板の別位置に形成される半導体素子の配線工程を用いて形成され、互いの櫛歯が噛み合って対向するように離間して配置された一対の櫛歯状電極を備える櫛歯電極型の容量素子であり、前記第１センサ素子と第２センサ素子が、直列接続され、前記感湿膜が、前記半導体基板における前記半導体素子の配線の保護膜を介して、前記第１センサ素子と第２センサ素子におけるそれぞれの一対の櫛歯状電極を覆うようにして、前記半導体基板上に形成され、前記第１センサ素子と第２センサ素子が、いずれも、前記半導体基板、前記絶縁膜、前記一対の櫛歯状電極、前記保護膜および前記感湿膜で構成されてなり、前記一対の櫛歯状電極における櫛歯間隔が、前記第１センサ素子と第２センサ素子とで異なることを特徴とする静電容量式湿度センサ」が開示されている（請求項１参照）。

また、例えば、特許文献２に記載のイオン検出センサも開示されている。特許文献２には、「筐体内が大気圧環境下であって、当該筐体内に、イオンビームを発生するイオン源と、当該イオンビームを通過させる開口部を有する対向電極と、外気を筐体内に導入する導入手段と、当該導入手段によって筐体内に導入された外気と前記イオンビームとが反応して、重力方向に偏向されるイオンを検出する検出電極とを有し、前記対向電極よりも前記イオンビームの照射方向における下流側であり、かつ前記対向電極の開口部よりも下側に排気手段を備えることを特徴とするイオン検出装置」が開示されている（請求項１参照）。

特許第４４５５２８６号明細書 特許第５２５４４３２号明細書

しかしながら、特許文献１に記載の技術は、乾湿膜を用いているため水分を検知し、さらに水分の測定が終了するまでに１分程度の時間がかかるという課題がある。そのため、人が呼気を発している間に判定を行うことが困難であるという課題がある。
また、特許文献２に記載の技術は出力が小さいため、出力の増幅を行う必要があり、消費電力が大きくなるという課題がある。
また、特許文献１に記載の技術及び特許文献２に記載の技術は、小型化が困難であるという課題もある。市場では、様々な利用事例に適したモバイルタイプの検査端末のニーズが高まっており、今後モバイル化への対応が必要となることからも、水分測定装置の小型化は必須である。

このような背景に鑑みて本発明がなされたのであり、本発明は、小型かつ応答性能のよい水分検出素子、ガス検出装置及び呼気検査システムを提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明は、絶縁性の材料で構成される絶縁部と、電圧が印加される印加部と、前記印加部に前記印加された電圧によって、前記絶縁性の材料の表面に付着した水分子を介した電気経路に流れる電流に応じた電圧信号を出力する出力部と、を有することを特徴とする。
その他の解決手段については、実施形態中において適宜記載する。

本発明によれば、小型かつ応答性能のよい水分検出素子、ガス検出装置及び呼気検査システムを提供することができる。

本実施形態に係る水分検出素子の構造を示す図であり、（ａ）は水分検出素子の原理を示す模式図を示し、（ｂ）は水分検出素子の上面模式図を示している。 本実施形態に係る水分検出素子が水分を検出する原理を説明するための図であり、（ａ）は水分付着前における水分検出素子の原理を示す模式図であり、（ｂ）は水分付着前における水分検出素子の等価回路であり、（ｃ）は水分付着後における水分検出素子の原理を示す模式図であり、（ｄ）は水分付着後における水分検出素子の等価回路である。 比較例における水分検出素子と、本実施形態に係る水分検出素子の大きさを比較するための図である。 比較例におけるイオン検出センサと、本実施形態に係る水分検出素子の出力の比較を示す図である。 本実施形態に係る水分検出素子の特性を説明する図であり、（ａ）は周波数特性を示し、（ｂ）は電極の長さに対する特性を示し、（ｃ）は応答特性を示し、（ｄ）は比較例としての公知技術の応答特性を示す。 本実施形態に係る低温タイプ及び高温タイプの水分検出素子の例を示す図であり、（ａ）は水分検出素子の上面図を示し、（ｂ）は低温タイプの水分検出素子の原理を示す模式図を示し、（ｃ）は高温タイプの水分検出素子の原理を示す模式図を示す。 本実施形態に係る低温タイプ及び高温タイプの水分検出素子の別の例を示す図であり、（ａ）は水分検出素子の上面図を示し、（ｂ）は低温タイプの水分検出素子の原理を示す模式図を示し、（ｃ）は高温タイプの水分検出素子の原理を示す模式図を示す。 絶縁部における凹凸構造の形成方法を示す図であり、（ａ）は加工処理を示し、（ｂ）はアモルファス処理を示し、（ｃ）はプリント処理を示す。 本実施形態に係る水分検出素子の別の例を示す図である。 平面配置構造を有する呼気センサの例を示す図である。 同軸構造を有する呼気センサの例を示す図であり、（ａ）は呼気センサの外観斜視図を示し、（ｂ）は呼気センサの上面図を示し、（ｃ）は基板部の構造を示し、（ｄ）はガスセンサが取り付けられる箇所における構造を示し、（ｅ）はガスセンサの取付方向についての別の例を示す図である。 モバイルタイプの呼気検査装置の例を示す図である。 ステアリングホイールに組み込まれた呼気検査装置の例を示す図である。 本実施形態に係る呼気検査システムの機能ブロックの例を示す図である。 本実施形態に係る計測制御装置の構成例を示す機能ブロック図である。 本実施形態に係る解析装置の構成例を示す機能ブロック図である。 本実施形態に係る呼気検出処理の手順を示すフローチャートである。 出力電圧の時間変化を示すグラフである。 本実施形態に係るガス検出処理の手順を示すフローチャート（その１）である。 本実施形態に係るガス検出処理の手順を示すフローチャート（その２）である。 ガスセンサが出力する出力信号の時間変化を示すグラフである。

次に、本発明を実施するための形態（「実施形態」という）について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図面において、同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。また、各図面において、共通の要素には共通の符号を付して説明を省略する。

［水分検出素子］
（水分検出素子の構造）
図１は、本実施形態に係る水分検出素子の構造を示す図であり、（ａ）は水分検出素子の原理を示す模式図を示し、（ｂ）は水分検出素子の上面模式図を示している。
図１（ａ）に示すように、水分検出素子（水分検出部）１は交流電源５に接続され、交流電源５によって印加電圧Ｖｉが印加される印加電極（印加部）２と、水分の検出時に電位Ｖｏを検出する検出電極（出力部）３と、絶縁部４とを有している。
絶縁部４は、親水性の絶縁物の基板で構成されており、具体的には、絶縁性金属酸化物等、少なくとも表面が酸化物で構成されている。なお、絶縁部４の形状は基板状でなくてもよい。
図１（ａ）に示すように、検出電極３と、印加電極２との間には絶縁部４が介在している。ここで、絶縁部４は凹凸のある構造を有している。絶縁部４における凹凸の構造については後記する。

（水分検出原理）
図２は、本実施形態に係る水分検出素子が水分を検出する原理を説明するための図であり、（ａ）は水分付着前における水分検出素子の原理を示す模式図であり、（ｂ）は水分付着前における水分検出素子の等価回路であり、（ｃ）は水分付着後における水分検出素子の原理を示す模式図であり、（ｄ）は水分付着後における水分検出素子の等価回路である。
なお、図２（ａ）及び図２（ｃ）で示される各構成は、図１（ａ）に示されている各構成と同様であるので、同一の符号を付して説明を省略する。

図２（ａ）で示されるように、水分付着前では、検出電極３及び印加電極２とは絶縁部４とで接続されているので、検出電極３と、印加電極２との間は通電されていない。従って、印加電極２には交流電圧が印加されているが、検出電極３から電圧は検出されない。

そして、水分が水分検出素子１の絶縁部４に付着すると、図２（ｃ）に示すように、水分子１１が絶縁部４に付着する。これにより、検出電極３と、印加電極２とは、水分子１１をパスとして通電するようになる。すると、検出電極３から印加電極２に加えられた電圧が検出（出力）される。検出（出力）された電圧に基づき水分検出素子１は水分を検出する。

次に、水分の付着前及び付着後における水分検出素子１の等価回路２０の変化を比較する。
水分の付着前では、図２（ｂ）に示すような等価回路２０ａとなっている。ここで、コンデンサＣ１は絶縁部４を示すコンデンサである。なお、検出電極３及び印加電極２の間の距離は十分におおきいので、コンデンサＣ１の静電容量は小さな値（≪１）となる。従って、図２（ｂ）に示す等価回路２０ａの容量リアクタンスは大きな値となり、検出電極３及び印加電極２の間は、ほとんど通電していない状態となっている。
ちなみに、コンデンサＣａ及び抵抗Ｒａで構成される回路は大気の等価回路である。

ここで、呼気に含まれる水分が付着すると、図２（ｂ）に示す等価回路２０ａは、図２（ｄ）に示す等価回路２０ｂとなる。等価回路２０ｂにおいて、抵抗Ｒｂ及びコンデンサＣ２で示される回路２１は水分子１１の等価回路である。
図２（ｃ）に示すように、水分（水分子１１）が絶縁部４に付着すると、図２（ｄ）に示すように水分子１１に由来する抵抗Ｒｂ及びコンデンサＣ２が生じ、これらの抵抗Ｒｂ及びコンデンサＣ２によってインピーダンスが変化（低下）する。この結果、検出電極３と印加電極２との間が通電状態となり、検出電極３から電圧を検出することができる。このように、水分（水分子１１）が絶縁部４に付着することによる水分検出素子１のインピーダンス変化を利用して、呼気中の水分を検出することで、応答性を高くすることができる。

なお、図１（ｂ）に示すように、検出電極３及び印加電極２は、櫛歯形の形状を有している。そして、検出電極３及び印加電極２は、絶縁部４上で、互いの櫛歯がかみ合って対向するように離間して設置されている。このようにすることで、水分付着部（反応部位）の面積を大きくすることができる。

例えば、特許文献１に記載の静電容量式湿度センサは、空気中の湿度を測定することを目的としている。
これに対し、本実施形態に係る水分検出素子１は、高湿度（ほぼ、飽和状態）の呼気の検出を目的としている。従って、空気中の水分量を測定することを目的とせず、高湿度の空気（呼気）を検出できればよい。

本実施形態に係る水分検出素子１は、図１に示すように、検出電極３と、印加電極２との間に絶縁部４が介在している構成となっている。そして、図２（ｃ）に示すように、呼気に含まれる水分子１１が絶縁部４に付着することで、この水分子１１をパスとして通電が行われる。これにより、検出電極３で出力電圧が検出される。従って、本実施形態に係る水分検出素子１は、水分子１１が付着できるほどの広さの絶縁部４があればよく、小型化を実現することができる。

また、水分（水分子１１）が絶縁部４に付着する前は、出力電圧はほぼ０であるのに対し、水分（水分子１１）の付着後では出力電圧をほぼＶｉ（印加電圧）とすることができる。これにより、優れたＳ／Ｎ（Signal/Noise）比を実現することができる。

なお、水分検出素子１において、前記したように絶縁部４の表面は凹凸のある構造を有している。このように、絶縁部４の表面が凹凸を有することにより、絶縁部４の表面積を増やすことができる。すなわち、絶縁部４の表面が凹凸を有することにより、より多くの水分子１１を付着させることができ、出力電圧を増加させることができ、高感度化を図ることができる。
さらに、絶縁部４が、少なくとも表面が、親水性の高い酸化物（金属酸化物）で構成されるようにすることで、水分を付着させやすくすることができる。

（小型化）
図３は、比較例における水分検出素子と、本実施形態に係る水分検出素子の大きさを比較するための図である。適宜、図１を参照する。
比較例における水分検出素子であるイオン検出センサＡは、特許文献２に記載のイオン検出装置を利用したものである。
なお、図３において、イオン検出センサＡと、本実施形態に係る水分検出素子１の大きさの比率は、実際の比率と同じものにしてある。なお、本実施形態に係る水分検出素子１は評価用のＵＳＢ(Universal Serial Bus)端子に設置している一例を示している。

また、電源印加電極Ａ４に電圧が印加され、カウンタ電極Ａ５でイオン化された水クラスタ量を検出することで、呼気導入口Ａ１から試料（呼気）からイオン検出センサＡの筺体内に導入され、イオン検出センサＡの筺体内に滞留する呼気中の水クラスタ量を検出する。その後、排気ファン部Ａ３によって、イオン検出センサＡの筺体内に滞留している呼気が排出される。

このように、イオン検出センサＡは、イオン検出センサをケースに収納する構成となっているため、呼気検出後、次の呼気を導入するまでの間に排気を行う必要がある。従って、イオン検出センサＡは、呼気検出後、呼気を排気するための排気ファン部Ａ３を備える必要がある。

図３に示すように、本実施形態に係る水分検出素子１は、比較例のイオン検出センサＡと比較して、１／１０以下にまで小型化することができる。これは、本実施形態に係る水分検出素子１が、絶縁部４に付着した水分子１１（図２参照）をパスとして印加電極２と、検出電極３間に通電する電圧を測定するものであるため、呼気を滞留させる必要がなく、筺体を必要としないためである。
このように、本実施形態に係る水分検出素子１は小型化を実現することで、モバイル装置に組み込む等、様々な使用目的に応じた形状で利用可能となり、適用範囲を広くすることができる。

また、本実施形態に係る水分検出素子１は、絶縁部４に付着した水分（水分子１１）をパスとした通電を検出するため、わずかな水分でも検出することができる。そして、検出に必要な水分がわずかですむことから、検出後、水分がすぐに（数秒程度）蒸発することにより、イオン検出センサＡのように筺体内の呼気を排出する必要がない。従って、本実施形態に係る水分検出素子１は、呼気を排出するための排気ファン部Ａ３を備える必要がなく、イオン検出センサＡより小型化を実現することができる。

そして、イオン検出センサＡは、呼気を排出する必要があることから、測定終了後、すぐに次の測定を行うことが困難である。なお、特許文献１に記載の静電容量式湿度センサも、乾湿膜から水分が離脱し、定常状態に戻るまでに時間がかかるため、測定終了後、すぐに次の測定を行うことが困難である。このように、イオン検出センサＡや、特許文献１に記載の静電容量式湿度センサでは、高頻度で繰り返し使用する用途には不向きである。

これに対し、本実施形態に係る水分検出素子１は、前記したように、検出後、水分がすぐに蒸発するため、測定終了後、すぐに次の測定を行うことができる。

また、本実施形態に係る水分検出素子１は、図１に示すように印加電圧として交流電圧を用いている。このようにすることで、本実施形態に係る水分検出素子１は高速化を図ることができる。すなわち、印加電圧として直流電圧を用いると、図２（ｄ）に示す等価回路２０のコンデンサＣ１，Ｃ２成分による電圧の立ち上がりの遅れが生じ、検出の遅れが生じる。これに対し、印加電圧として交流電圧を用いると、コンデンサＣ１，Ｃ２成分の影響が小さくなるため、検出の遅れが小さくなる。特に、印加電圧としての交流電圧の周波数として、数１０Ｈｚ以上の周波数を用いることで、検出を高速化することができる。

さらに、本実施形態に係る水分検出素子１は、呼気導入前では電流が流れないので、電力が消費されることがない。これに対し、特許文献１に記載の静電容量式湿度センサは、呼気が導入されていないときでも、乾湿膜に電流を流す必要がある。このように、本実施形態に係る水分検出素子１は省電力化を実現することができる。従って、本実施形態に係る水分検出素子１はモバイル用途に適している。

また、本実施形態に係る水分検出素子１において、絶縁部４に付着した水分（水分子１１）を介して流れる電流は数ｎＡもしくは数ｐＡ程度でよい。従って、本実施形態に係る水分検出素子１は、省電力化を実現することができる。これは、水分付着前において、出力電圧Ｖｏが、ほぼ０なので、数ｎＡもしくは数ｐＡ程度の電流でも検出可能であるためである。これに対して、特許文献１に記載の静電容量式湿度センサは、前記したように呼気が導入されていないときでも、乾湿膜に電流を流す必要がある。従って、出力電圧は呼気が導入されていないときの電流より大きな電流を流す必要がある。

そして、特許文献１に記載の静電容量式湿度センサは、乾湿膜への水蒸気の吸着により湿度を検出しているため、検出時間がかかり、人が呼気を吐く間に水分を検出するのが困難である。これは、特許文献１に記載の静電容量式湿度センサが、湿度を正確に測ろうとしているためである。

これに対し、本実施形態に係る水分検出素子１は絶縁部４に付着した水分（水分子１１）をパスとする電流による電圧を検出するため、検出時間を大幅に短縮することができ、被検者が呼気を吐く間に水分を検出することができる。つまり、本実施形態に係る水分検出素子１は、特許文献１に記載の静電容量式湿度センサのように湿度を正確に測ろうとせず、単に導入された空気に十分な水分が含まれているか否かを判定するものである。

（出力特性）
図４は、比較例におけるイオン検出センサと、本実施形態に係る水分検出素子の出力の比較を示す図である。なお、図４において、比較例におけるイオン検出センサとは特許文献２に記載のイオン検出センサである。
図４において、縦軸が出力電圧を示し、横軸が時間（ｓｅｃ）を示している。
そして、図４において、波形５１（実線）が特許文献２に記載のイオン検出センサの出力を示し、波形５２（破線）が本実施形態に係る水分検出素子１の出力を示す。
図４に示すように、特許文献２に記載のイオン検出センサの出力（波形５１）と比べて、本実施形態に係る水分検出素子１の出力（波形５２）の方が格段に大きい。

このように、特許文献２に記載のイオン検出センサは出力が小さく、アンプ等によって増幅する必要があり、アンプのための電力が必要であることから、大きな電力を消費する。
これに対し、図４に示すように、本実施形態に係る水分検出素子１は、特許文献２に記載のイオン検出センサより、１桁以上大きな値を出力することができる。
本実施形態に係る水分検出素子１は、このように大きな値を出力することができるため、アンプを必要とせず、省電力化や、小型化を実現することができる。

図５は、本実施形態に係る水分検出素子の特性を説明する図であり、（ａ）は周波数特性を示し、（ｂ）は電極の長さに対する特性を示し、（ｃ）は応答特性を示し、（ｄ）は比較例としての公知技術の応答特性を示す。
まず、図５（ａ）において、横軸は印加される交流電圧の周波数（Ｈｚ）を示し、縦軸が印加電圧（Ｖｉ）に対する出力電圧（Ｖｏ)の比（Ｖｏ／Ｖｉ）を示している。
図５（ａ）に示すように、水分子１１（図２参照）等に由来するインピーダンスの影響で印加電圧Ｖｉより出力電圧Ｖｏがやや小さくなっているものの、ほとんどの周波数において安定して印加電圧（Ｖｉ）≒出力電圧（Ｖｏ)となっている（Ｖｏ／Ｖｉ≒１）。

また、図５（ｂ）では、横軸が検出電極３における検出部分の全長Ｗを示し、縦軸が出力電圧のＳ／Ｎ比を示している。ここで、検出部分の全長Ｗは、図１に示す検出電極３の検出部分の長さＬに、印加電極２又は検出電極３の櫛歯本数Ｎから１マイナスした値を乗算したものである。
図５（ｂ）に示すように、検出部分の全長Ｗが大きくなるに従ってＳ／Ｎ比が大きくなっている。これは、検出部分の全長Ｗが長くなるにつれて、出力電圧Ｖｏを検出する面積が大きくなり、これに伴って、ノイズが相対的に低くなるためである。このように、印加電極２及び検出電極３の形状を櫛歯状とし、印加電極２及び検出電極３において、互いの櫛歯がかみ合うように離間して配置されるようにすることで、検出部分の全長Ｗを長くすることができ、高いＳ／Ｎ比を実現することができる。

図５（ｃ）では、横軸が時間（ｓｅｃ）を示し、縦軸が印加電圧（Ｖｉ）に対する出力電圧（Ｖｏ)の比（Ｖｏ／Ｖｉ）を示している。
これに対し、例えば、比較例の技術（特許文献１のように乾湿膜を用いて湿度を計測する技術）の応答特性を示す図５（ｄ）では、横軸が時間を示し、縦軸が乾湿膜に流れるイオン電流に基づく湿度を示している。なお、本実施形態における水分検出素子１では交流電圧が出力されるため、実際には、出力波形は後記する図１８のような波形となるのだが、図５（ｄ）との比較をしやすくするため、図５（ｃ）では直流的に示している。従って、図５（ｃ）は、出力される交流電圧のピーク値の変化としてとらえてもよい。
なお、図５（ｃ）において時刻ｔ１は、水分検出素子１が呼気導入開始されたと判定した時刻であり、時刻ｔ２は呼気導入が終了した時刻である。そして、時刻ｔ３は、出力電圧Ｖｉが呼気導入前の状態にほぼ戻った時刻である。
また、図５（ｄ）において時刻ｔ１ａは、比較例の技術において、呼気導入が開始されたと判定した時刻であり、時刻ｔ２ａは呼気導入が終了した時刻である。なお、図５（ｄ）では、呼気導入開始から５秒以上経過しても出力電圧Ｖｉが呼気導入前の状態に戻っていないことがわかる。

図５（ｄ）に示す比較例に比べて、図５（ｃ）に示す本実施形態に係る水分検出素子１の方が、呼気導入後の応答がはやいことが分かる。
これは、図２（ｂ）及び図２（ｄ）に示すように、本実施形態に係る水分検出素子１は、水分子１１が絶縁部４に付着することによる、インピーダンスの変化によって検出電極３が電圧を検出する。このように、本実施形態に係る水分検出素子１は、優れた応答性を実現することができる。
なお、図１（ｂ）に示す印加電極２と、検出電極３における櫛歯間隔を調節することで応答時間を調節することもできる。

また、図５（ｄ）において、呼気導入の開始から、呼気導入の終了までの時間は、図５（ｃ）と同程度であるが、図５（ｄ）では本来の呼気の湿度である湿度１００％には程遠い。従って、比較例において、本来の呼気の湿度である湿度１００％になるまでは、さらに呼気を導入し続けなければならない。このため、比較例の技術では、人が自然に呼気を吐く数秒間で、十分な測定を行うことが困難である。
これに対し、本実施形態に係る水分検出素子１は、図５（ｃ）に示すように、図５（ｄ）よりも立ち上がりがするどく、短時間（およそ１秒未満）でピークに達している。すなわち、本実施形態に係る水分検出素子１は、比較例の技術に対して応答性がよい。また、ピーク時の出力電圧Ｖｏは、ほぼ印加電圧Ｖｉの値となっている（Ｖｏ／Ｖｉ≒１）。
このように、本実施形態に係る水分検出素子１は、短い時間で呼気の測定を十分に行うことができる。

さらに、呼気導入後においても、図５（ｄ）に示す比較例に比べて、図５（ｃ）に示す本実施形態に係る水分検出素子１の方が、短い時間で呼気導入前の状態に戻ることが分かる。これは、比較例の技術が、乾湿膜に水分が吸着することによって、乾湿膜に流れるイオン電流に基づくため、呼気導入前の状態に戻る反応に遅れが生じるためである。

これに対し、本実施形態に係る水分検出素子１は、前記したように絶縁部４に水分（水分子１１）が付着することによる通電に基づいて水分を検出する。従って、呼気導入後、短い時間での応答が可能である。また、絶縁部４に付着する水分は微量であるので、呼気導入終了後、水分は即座に蒸発する。
図５（ｄ）に示すように、比較例では呼気導入前の状態に戻る速度が遅い。従って、比較例の技術では、再測定が可能な状態になるまで３０秒〜１分程度かかる。
これに対し、本実施形態に係る水分検出素子１は、図５（ｃ）に示すように、呼気導入開始から、出力電圧Ｖｉが呼気導入前の状態に戻るまで、およそ３秒である。このように、本実施形態に係る水分検出素子１では、呼気導入が終了すると、即座に呼気導入前の状態に戻ることができるため、すぐに次の検査を始めることができる。

（凹凸構造）
図６は、本実施形態に係る低温タイプ及び高温タイプの水分検出素子の例を示す図であり、（ａ）は水分検出素子の上面図を示し、（ｂ）は低温タイプの水分検出素子の原理を示す模式図を示し、（ｃ）は高温タイプの水分検出素子の原理を示す模式図を示す。
本実施形態に係る水分検出素子１は、前記したように絶縁部４が凹凸構造を有している。
この凹凸構造は、図６に示すように低温環境下（所定の温度以下の環境下）で使用する低温タイプと、高温環境下（所定の温度以上の環境下）で使用する高温タイプとで区別することができる。
すなわち、図６（ｂ）に示すように低温タイプの水分検出素子１ａは、高温タイプの水分検出素子１ｂより絶縁部４ａの凹凸を小さくし、逆に高温タイプでは図６（ｃ）に示すように低温タイプより絶縁部４ｂの凹凸を大きくしている。
高温では飽和水蒸気量が大きくなるため、呼気の湿度（相対湿度）が低くなる。このため、高温タイプでは、絶縁部４ｂの凹凸を大きくすることで、水分（水分子１１（図２参照））が付着しやすいようにしている。このようにすることで、呼気の湿度が低い高温環境下でも適切に動作する水分検出素子１ｂを提供することができる。

逆に、低温では飽和水蒸気量が小さくなるため、呼気の湿度（相対湿度）が高くなる。このような状態では、高温タイプのように絶縁部４の凹凸を大きくすると、水分（水分子１１）が付着しすぎることになる。このため、低温タイプの水分検出素子１ａでは、絶縁部４ａの凹凸を小さくすることで、高温タイプの水分検出素子１ｂよりも水分（水分子１１）が付着しにくいようにしている。このようにすることで、呼気の湿度が高くなる低温環境下でも、適切に動作する水分検出素子１ａを提供することができる。

また、図６（ａ）に示すように、低温タイプの水分検出素子１ａと、高温タイプの水分検出素子１ｂとに、交流電源５から交流電圧を印加している。このような構成とすることで、低温環境下及び高温環境下のいずれでも使用できる水分検出素子１を提供することができる。

なお、図６の例では、絶縁部４の凹凸の大きさを低温タイプ及び高温タイプの２種類としたが、３種類以上としてもよい。すなわち、体温タイプから高温タイプとなるにつれて、凹凸を大きくすることで、低温タイプと、高温タイプの中間の温度に適した絶縁部４を有する水分検出素子１が提供されてもよい。なお、環境気温に応じて、低温タイプの水分検出素子１ａと、高温タイプの水分検出素子１ｂとを切替可能としてもよい。

ここで、絶縁部４の凹凸は図６に示すような山形としてもよいし、図７に示すような突起状としてもよい。あるいは、ランダムな形状にする等、山形や突起状以外の形状で絶縁部４の凹凸が形成されてもよい。
図７は、本実施形態に係る低温タイプ及び高温タイプの水分検出素子の別の例を示す図であり、（ａ）は水分検出素子の上面図を示し、（ｂ）は低温タイプの水分検出素子の原理を示す模式図を示し、（ｃ）は高温タイプの水分検出素子の原理を示す模式図を示す。
なお、図７（ｂ）に示す小さい突起状の凹凸を有する絶縁部４ｃを備えた低温タイプの水分検出素子１ｃと、図７（ｃ）に示す大きい突起状の凹凸を有する絶縁部４ｄを備える高温タイプの水分検出素子１ｄとに、図７（ａ）に示すように交流電源５から印加電圧（交流電圧）が印加されている。

（凹凸構造の形成方法）
図８は、絶縁部における凹凸構造の形成方法を示す図であり、（ａ）は加工処理を示し、（ｂ）はアモルファス処理を示し、（ｃ）はプリント処理を示す。
絶縁部４の凹凸は、図８（ａ）に示されるように、破線で示している状態から、絶縁部４が削られる加工処理で形成されてもよいし、図８（ｂ）に示されるように、アモルファス処理で絶縁部４が形成されてもよいし、図８（ｃ）に示されるように、平らな基板上に凹凸がプリントされるプリント処理で絶縁部４が形成されてもよい。なお、図８（ｂ）に示すアモルファス処理で形成された絶縁部４は、なめらかな表面を有しているようにみえるが、実際には結晶単位の凹凸が存在している。

（変形例）
図９は、本実施形態に係る水分検出素子１の別の例を示す図である。なお、図９において、図１と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
図９に示す水分検出素子１Ｃ（１）では、印加電極２ａ（２）及び検出電極３ａ（３）が渦巻き状となっている。このように、検出電極３及び印加電極２は、図１に示すような櫛歯となっていなくてもよい。

［呼気センサ］
次に、水分検出素子１を利用した呼気センサについて説明する。
（平面配置構造）
図１０は、平面配置構造を有する呼気センサの例を示す図である。
図１０に示す平面配置構造を有する呼気センサ（ガス検出装置）１００ａ（１００）では、平面構造を有する回路基板の中心に水分検出素子１が配置され、水分検出素子１の周囲に小型の各種ガスセンサ（ガス検出部）１０１が配置されている。水分検出素子１は、図１及び図６、図７、図９のいずれかに示すものである。
水分検出素子１の周囲に配置されるガスセンサ１０１は、一酸化炭素用のガスセンサ１０１ａ、一酸化窒素用のガスセンサ１０１ｂ、アルコール用のガスセンサ１０１ｃ、アセトアルデヒド用のガスセンサ１０１ｄ、アセトン用のガスセンサ１０１ｅ、水素用のガスセンサ１０１ｆ等を含んで構成される。なお、アルコールには種々の物質が含まれるが、本実施例では、一例として、エタノールを用いて説明する。

ちなみに、一酸化炭素用のガスセンサ１０１ａは喫煙の有無、一酸化窒素用のガスセンサ１０１ｂは喘息の有無、アルコール（エタノール）用のガスセンサ１０１ｃは飲酒の有無（呼気中のアルコールの有無）、アセトアルデヒド用のガスセンサ１０１ｄはアルコールの代謝物であり悪酔いの有無、アセトン用のガスセンサ１０１ｅは糖尿病の有無、水素用のガスセンサ１０１ｆは消化器系の異常の有無等を検出できる。なお、ここで「有無」とは、呼気中に所定量以上の成分が含まれているか否か等である。

図１０では、６種類のガスセンサ１０１を有した構成となっているが、これらのすべてを備える必要はなく、目的に応じて１種類又は数種類のガスセンサ１０１を有する構成としてもよい。あるいは、目的に応じて使用するガスセンサ１０１が切替可能な構成となっていてもよい。さらに、図１０に示す例で用いられているガスセンサ１０１に限らず、例えば、二酸化炭素用のガスセンサ１０１等が配置されてもよい。

（同軸構造）
図１１は、同軸構造を有する呼気センサの例を示す図であり、（ａ）は呼気センサの外観斜視図を示し、（ｂ）は呼気センサの上面図を示し、（ｃ）は基板部の構造を示し、（ｄ）はガスセンサが取り付けられる箇所における構造を示し、（ｅ）はガスセンサの取付方向についての別の例を示す図である。
図１１（ａ）及び図１１（ｂ）に示すように、呼気センサ１００ｂ（１００）では中心に棒状の印加電極１１２（２）が配置され、印加電極１１２の周囲に筒状の検出電極１１３（３）が配置されている。印加電極１１２と、検出電極１１３とは、１つ以上（図１１の例では４つ）の板状の基板部１２０で接続されている。基板部１２０では、図１１（ｃ）に示すように、棒状の印加電極１１２に接続されている印加電極板１２２及び筒状の検出電極１１３に接続されている検出電極板１２３を有している。印加電極板１２２及び検出電極板１２３は櫛歯状の構造を有しており、図１（ｂ）の印加電極２及び検出電極３のように印加電極板１２２及び検出電極板１２３における櫛歯が互いにかみ合うように離間して設置されている。また、印加電極板１２２及び検出電極板１２３の間には絶縁部１２４（４）が介在している。このような構成は、図１で示される構成と同様であるので、ここでは詳細な説明を省略する。

呼気は筒状の検出電極１１３の内側に導入され、基板部１２０の絶縁部１１４に呼気中の水分（水分子１１（図２参照））が付着する。これにより、基板部１２０の印加電極板１２２と、検出電極板１２３が付着した水分（水分子１１）を介して通電することにより、呼気中の水分を検出することができる。

また、図１１（ａ）に示すように、筒状の検出電極１１３の外側側面には、各種のガスセンサ１０１ａ〜１０１ｆ（１０１）が設置される。ここで、ガスセンサ１０１ａ〜１０１ｆは、図１０に示すガスセンサ１０１ａ〜１０１ｆと同様のものである。なお、ここでは、６種類のガスセンサ１０１を有した構成となっているが、これらのすべてを備える必要はなく、目的に応じて１種類又は数種類のガスセンサ１０１を有する構成としてもよい。あるいは、目的に応じて使用するガスセンサ１０１が切替可能な構成となっていてもよい。さらに、図１０に示す例で用いられているガスセンサ１０１に限らず、二酸化炭素用のガスセンサ１０１等が配置されてもよい。

図１１（ｄ）は、ガスセンサ１０１が取り付けられている箇所において、ガスセンサ１０１を取り外したときにおける検出電極１１３を示す図である。
図１１（ｄ）に示すように、筒状の検出電極１１３において、ガスセンサ１０１の設置箇所に対応する箇所に貫通孔１３１が設けられている。検出電極１１３の内側に導入された呼気は、この貫通孔１３１から外側に向かおうとする。この際、貫通孔１３１に設けられているガスセンサ１０１が呼気に含まれるガス成分を検出する。
図１１（ａ）〜（ｄ）に示すような構成とすることにより、呼気センサ２０１そのものを筒状にすることができるので、確保するスペースの形状を多様化することができる。

なお、呼気センサ１００ｂの軸方向に複数のガスセンサ１０１が設置されているが、図１１（ｅ）に示すように各種ガスセンサ１０１が検出電極１１３の周方向に設置されている呼気センサ１００ｃとしてもよい。なお、図１１（ｅ）におけるガスセンサ１０１は、図１１（ａ）におけるガスセンサ１０１ａ〜１０１ｆである。このとき、筒状の検出電極１１３において、ガスセンサ１０１に対応する箇所には図１１（ｄ）と同様に貫通孔１３１が設けられている。図１１（ｅ）に示すような構成とすることで、呼気センサ１００ｃの軸方向の長さを短くすることができる。

図１０及び図１１に示すように、水分検出素子１と、ガスセンサ１０１とを組み合わせることにより、呼気中の水分を検出することができる。これにより、呼気ではない空気を呼気センサ１００に導入することによるなりすましを検出することができる。
なお、本実施形態に用いられるガスセンサ１０１は、可能な限り小型であることが望ましい。

［呼気検査装置］
次に、図１２及び図１３を参照して、本実施形態に係る呼気センサ１００を備えた呼気検査装置の例を示す。
（モバイルタイプ）
図１２は、モバイルタイプの呼気検査装置の例を示す図である。
図１２に示す呼気検査装置２０１ａ（２０１）は、例えば、名刺サイズの大きさを有する。
呼気検査装置２０１ａは、呼気導入口２０２ａ及び表示部２０３を有している。呼気検査装置２０１ａの内部には呼気センサ１００（図１０及び図１１参照）が搭載されている。
すなわち、呼気導入口２０２ａから呼気検査装置２０１ａの内部に導入された呼気は、内部の呼気センサ１００によって呼気及びガスの検出が行われる。そして、呼気検査装置２０１ａによる検査結果が表示部２０３に表示される。

水分検出素子１を小型化できることにより、呼気検査装置２０１ａを小型化することができる。このように呼気検査装置２０１ａを小型化することで、家庭用として使用することができたり、自転車に装着したりすることで、気軽に使用できるヘルスケア用品を提供することができる。

なお、呼気検査装置２０１ａの内部に搭載される呼気センサ１００は、図１０に示す呼気センサ１００ａであることが望ましいが、図１１に示す呼気センサ１００ｂでもよい。
図１１に示す呼気センサ１００ｂが用いられる場合、呼気導入口２０２ａが図１１に示す呼気センサ１００ｂの端部に直接接続された構成となっていてもよい。このような構成とすることで、呼気検査装置２０１のサイズを、さらに小さくすることができる。

（ステアリングホイール）
図１３は、ステアリングホイールに組み込まれた呼気検査装置の例を示す図である。
図１３に示す呼気検査装置２０１ｂ（２０１）では、ステアリングホイール２１１の内部に呼気センサ１００が組み込まれている。ステアリングホイール２１１のリング部には、図１３に示すように呼気導入口２０２ｂが設けられている。呼気導入口２０２ｂからステアリングホイール２１１のリング部の内部に導入された呼気中の水分及びガスは、リング部の内部に設けられている呼気センサ１００によって検出される。

図１３のステアリングホイール２１１の内部に設けられる呼気センサ１００は、図１１に示す呼気センサ１００ｂが好ましいが、図１０に示す呼気センサ１００ａとしてもよい。
図１１に示す呼気センサ１００ｂを用いれば、呼気センサ１００ｂの端部同士を結合させてリング状とすることで、呼気センサ１００ｂそのものをステアリングホイール２１１のリング部とすることができる。これにより、ステアリングホイール２１１と呼気センサ１００とを一体化することができる。この結果、別装置として呼気センサ１００を設置する必要がなくなり、呼気センサ１００を設置するためのスペースを確保する必要がなくなる。

図１０及び図１１に示すように、水分検出素子１の周囲にガスセンサ１０１を配置することで、水分検出素子１で導入された呼気の水分が十分であるか否かを判定することができ、導入された空気が本当に呼気であるか否かを確かめるとともに、呼気中における各種ガスを測定することができる。

［呼気検査システム］
図１４は、本実施形態に係る呼気検査システムの機能ブロックの例を示す図である。
呼気検査システムＺは、呼気検出装置３００と、解析装置５００と、送信装置６０１と、記憶装置６０２とを含む。
呼気検出装置３００は、呼気センサ１００及び計測制御装置４００を有している。呼気センサ１００は、水分検出素子１と、ガスセンサ１０１とを有しているが、図１０、図１１で説明済みであるので、ここでの説明を省略する。
計測制御装置４００は、交流電源５の周波数を変換して出力する。
また、呼気検出装置３００は、水分検出素子１や、ガスセンサ１０１から入力されたアナログ信号を、Ａ／Ｄ（Analog/Digital）変換器３０１ａ，３０１ｂでディジタル信号に変換して解析装置５００へ出力する。

解析装置５００は、呼気センサ１００における水分検出素子１から出力電圧を取得するとともに、ガスセンサ１０１から検出信号を取得する。そして、解析装置５００は、水分検出素子１から取得した出力電圧や、ガスセンサ１０１から取得した検出信号等を基に、呼気中におけるガスの含有率を解析する。なお、本実施形態では、解析装置５００が呼気センサ１００から出力電圧及び検出信号を取得するとしているが、これに限らず、計測制御装置４００が呼気センサ１００から出力電圧及び検出信号を取得し、解析装置５００へ取得した出力電圧及び検出信号をわたすようにしてもよい。

記憶装置６０２は、データベースサーバ等であり、解析装置５００が水分検出素子１から取得した出力電圧や、ガスセンサ１０１から取得した検出信号を検査時刻とともに保持したり、解析装置５００による解析結果を保持したりする。
送信装置６０１は、解析装置５００による解析結果（ドライバの状態に関する情報等）を図示しない中央情報センタに通知する。

（計測制御装置）
図１５は、本実施形態に係る計測制御装置の構成例を示す機能ブロック図である。
計測制御装置４００は、メモリ４０１、ＣＰＵ（Central Processing Unit）４０２、入力装置４０３、ＡＣ／ＡＣインバータ回路４０４、交流端子４０５、ＡＣ／ＤＣコンバータ回路４０６及び直流端子４０７を有する。
メモリ４０１には、プログラムがＣＰＵ４０２によって実行されることで、制御部４１１が具現化している。
制御部４１１は、入力装置４０３を介して入力された情報に基づいてＡＣ／ＡＣインバータ回路４０４や、ＡＣ／ＤＣコンバータ回路４０６に指示を送る。

ＡＣ／ＡＣインバータ回路４０４は、制御部４１１から送られた指示に基づいて、交流電源５から入力された交流電圧の周波数及び電圧を変換し、交流端子４０５へ出力する。交流端子４０５には、水分検出素子１が接続される。
また、ＡＣ／ＤＣコンバータ回路４０６は、制御部４１１から送られた指示に基づいて、交流電源５から入力された交流電圧の電圧を変換し、さらに交流電流を直流電流に変換して直流端子４０７へ出力する。直流端子４０７には、ガスセンサ１０１が接続される。

なお、図１５に示す計測制御装置４００の構成は一例であり、図１５に示す構成に限らない。例えば、水晶発振器を用いて交流信号（交流電圧）を発生させてもよい。

（解析装置）
図１６は、本実施形態に係る解析装置の構成例を示す機能ブロック図である。
解析装置５００は、例えば、ＰＣ（Personal Computer）であり、メモリ５０１、ＣＰＵ５０２、送受信装置５０３、表示装置５０４、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）等の記憶装置５０５等を有している。
メモリ５０１には、記憶装置５０５に格納されているプログラムがロードされ、ＣＰＵ５０２によって実行されることで、処理部５１１、及び処理部５１１を構成する水分測定処理部５１２、ガス測定処理部５１３、判定処理部５１４が具現化されている。
水分測定処理部５１２は、水分検出素子１から送られた信号を基に呼気に含まれる水分の測定に関する処理を行う。
ガス測定処理部５１３は、ガスセンサ１０１から送られた信号を基に呼気に含まれる各種ガスの測定に関する処理を行う。
判定処理部５１４は、ガス測定処理部５１３の測定結果に基づいて、例えば、被検者が飲酒をしていないか否かの判定を行う。

なお、呼気検査システムＺで、ガスの測定を行わない場合は、ガス測定処理部５１３を省略可能である。

なお、図１４に示す呼気検査システムＺでは、呼気検出装置３００、解析装置５００、送信装置６０１及び記憶装置６０２をそれぞれ別の装置としているが、これに限らず、呼気検出装置３００、解析装置５００、送信装置６０１及び記憶装置６０２のうち、少なくとも２つが１つの装置となっていてもよい。
例えば、図１２に示す呼気検査装置２０１ａは、呼気検出装置３００、解析装置５００、送信装置６０１及び記憶装置６０２のすべてを備えていてもよい。
また、図１３に示す呼気検査装置２０１ｂは、呼気検出装置３００の部分だけを備え、解析装置５００、送信装置６０１及び記憶装置６０２の部分を車両中の別の場所に備えるようにしてもよい。

［フローチャート］
次に、図１７〜図２１を参照して、本実施形態に係る呼気検査システムＺの処理手順を示す。適宜、図１３〜図１６を参照する。
（呼気検出処理）
図１７は、本実施形態に係る呼気検出処理の手順を示すフローチャートである。
まず、ユーザが呼気検査システムＺの電源をＯＮとする（Ｓ１０１）ことにより、印加電極２に交流電圧（印加電圧）が印加される（Ｓ１０２）。なお、印加される交流電圧は計測制御装置４００の交流端子４０５から出力されるものである。
その後、被検者が呼気導入口に呼気を導入することで、呼気導入が開始される（Ｓ１０３）。
そして、水分測定処理部５１２が、水分検出素子１からの出力電圧Ｖｏの測定を開始することで水分測定が開始される（Ｓ１０４）。この際、水分測定処理部５１２は、時刻０から時刻ｔ０までの電圧値を現在の出力電圧からオフセット値として差し引くことで出力電圧Ｖｏを算出するものとする。

その後、水分測定処理部５１２は、水分検出素子１からの出力電圧Ｖｏが第１の閾値Ｖｔｈ１以上となったか否かを判定する（Ｓ１１１）。
ステップＳ１１１の結果、水分検出素子１からの出力電圧Ｖｏが第１の閾値Ｖｔｈ１未満である場合（Ｓ１１１→Ｎｏ）、呼気強度不足として、被検者に呼気導入を継続させる（Ｓ１１２）。そして、水分測定処理部５１２はステップＳ１１１に処理を戻す。
ステップＳ１１１の結果、出力電圧Ｖｏが第１の閾値Ｖｔｈ１以上である場合（Ｓ１１１→Ｙｅｓ）、水分測定処理部５１２は、水分検出素子１からの出力電圧Ｖｏが第２の閾値Ｖｔｈ２以上となったか否かを判定する（Ｓ１１３）。なお、第１の閾値Ｖｔｈ１＜第２の閾値Ｖｔｈ２である。また、出力電圧Ｖｏは、実際には交流電圧となるので、水分測定処理部５１２は、出力電圧ピークが第２の閾値Ｖｔｈ２以上となった回数が所定回数を超えたか否かによって、「出力電圧Ｖｏが第１の閾値Ｖｔｈ２以上となったか否か」を判定する。このことは、後記して説明する。

ステップＳ１１３の結果、出力電圧Ｖｏが第２の閾値Ｖｔｈ２未満である場合（Ｓ１１３→Ｎｏ）、呼気強度不足として、被検者に呼気導入を継続させる（Ｓ１１４）。そして、水分測定処理部５１２はステップＳ１１３に処理を戻す。
ステップＳ１１３の結果、出力電圧Ｖｏが第２の閾値Ｖｔｈ２以上である場合（Ｓ１１３→Ｙｅｓ)、水分測定処理部５１２は、呼気強度が十分であると判定する（Ｓ１２１）。その後、被検者は呼気導入を終了する（Ｓ１２２）。このとき、呼気検出装置３００は、ブザーや、音声や、画面表示等で呼気導入を終了させる旨を被検者に通知する。

図１８は、出力電圧の時間変化を示すグラフである。
図１８において、横軸は時間（ｓｅｃ）を示し、縦軸は出力電圧（任意単位）を示している。なお、図５（ｃ）及び図１８では、異なる試験におけるデータが用いられているため、各事象の時刻が異なっているが、ほぼ同様の特性を示している。
まず、時刻ｔ０で被検者が呼気導入を始めると（図１７のステップＳ１０３）、出力電圧が上昇し始め、時刻ｔ１１で出力電圧が第１の閾値Ｖｔｈ１を超える（図１７のステップＳ１１１；Ｙｅｓ）。また、時刻ｔ０は図５（ｃ）の時刻ｔ１に相当する。
その後、出力電圧は上昇し続け、時刻ｔ１２で出力電圧ピークが１５回、第２の閾値Ｖｔｈ２を超える（図１７のステップＳ１１３；Ｙｅｓ）。このときの回数は任意に決めることができる。この回数は、周波数により異なるが、出力電圧が第１の閾値Ｖｔｈ１を超えた後、おおよそ１秒から３秒に相当するピーク数とする。
ちなみに、第２の閾値Ｖｔｈ２は、導入された空気（呼気）中に水分が含まれていることが確認されるのに十分な出力電圧である。
その後、時刻ｔ１３で被検者は呼気導入を終了する（図１７のステップＳ１２２）。なお、時刻ｔ１３は図５（ｃ）の時刻ｔ２に相当する。

（ガス検出処理）
図１９及び図２０は、本実施形態に係るガス検出処理の手順を示すフローチャートである。図１９及び図２０に示す処理では図１７に示す処理が利用されている。なお、図１９及び図２０では、検出するガスがアルコールである場合を示しているが、アルコール以外のガスも同様の手順で検出することができる。実際のアルコール検出では、アルコール以外に、代謝物であるアセトアルデヒド、呼気中の濃度が約１０ｐｐｍと高い水素をガス測定の対象とし、アルコール、アセトアルデヒド及び水素のガス濃度を基に、アルコールのガス濃度が算出される。このようにすることで、正確なアルコールのガス濃度を算出することが可能となる。ここでも、この手法を用いることとし、ガスセンサ１０１として、アルコール用のガスセンサ１０１ｃ、アセトアルデヒド用のガスセンサ１０１ｄ及び水素用のガスセンサ１０１ｆが使用される。以下、アルコール用のガスセンサ１０１ｃ、アセトアルデヒド用のガスセンサ１０１ｄ及び水素用のガスセンサ１０１ｆの各ガスセンサ１０１をガスセンサ１０１ｃ、１０１ｄ、１０１ｆと称する。また、図１９及び図２０のフローチャートで、図１７と同様の処理については同一のステップ番号を付す。
まず、ユーザが呼気検査システムＺの電源をＯＮとする（図１９のＳ１０１）ことにより、印加電極２に交流電圧が印加される（Ｓ１０２）。なお、印加される交流電圧は計測制御装置４００の交流端子４０５から出力されるものである。
その後、被検者が呼気導入口に呼気を導入することで、呼気導入が開始される（Ｓ１０３）。
そして、水分測定処理部５１２が、水分検出素子１からの出力電圧Ｖｏの測定を開始することで水分測定が開始される（Ｓ１０４）。この際、水分測定処理部５１２は、時刻０から時刻ｔ０までの電圧値を現在の出力電圧からオフセット値として差し引くことで出力電圧Ｖｏを算出するものとする。

その後、水分測定処理部５１２は、水分検出素子１からの出力電圧Ｖｏが第１の閾値Ｖｔｈ１以上となったか否かを判定する（Ｓ１１１）。
ステップＳ１１１の結果、出力電圧Ｖｏが第１の閾値Ｖｔｈ１未満である場合（Ｓ１１１→Ｎｏ）、水分測定処理部５１２は呼気強度不足として、被検者に呼気導入を継続させる（Ｓ１１２）。そして、処理部５１１はステップＳ１１１に処理を戻す。
ステップＳ１１１の結果、出力電圧Ｖｏが第１の閾値Ｖｔｈ１以上である場合（Ｓ１１１→Ｙｅｓ）、ガス測定処理部５１３はガスセンサ１０１ｃ，１０１ｄ，１０１ｆからの出力測定（ガス測定）を開始する（Ｓ２０１）。
その後、水分測定処理部５１２は、水分検出素子１からの出力電圧Ｖｏが第２の閾値Ｖｔｈ２以上となったか否かを判定する（Ｓ１１３）。出力電圧Ｖｏが第２の閾値Ｖｔｈ２以上となったか否かの判定手法は、図１７のステップＳ１１３と同様である。

ステップＳ１１３の結果、出力電圧Ｖｏが第２の閾値Ｖｔｈ２未満である場合（Ｓ１１３→Ｎｏ）、呼気強度不足として、被検者に呼気導入を継続させる（Ｓ１１４）。そして、水分測定処理部５１２はステップＳ１１３に処理を戻す。
ステップＳ１１３の結果、出力電圧Ｖｏが第２の閾値Ｖｔｈ２以上である場合（Ｓ１１３→Ｙｅｓ)、水分測定処理部５１２は、呼気強度が十分であると判定し（Ｓ１２１）、処理部５１１は呼気導入を終了する（Ｓ１２２）とともに、ガス測定処理部５１３はガスセンサ１０１ｃ，１０１ｄ，１０１ｆからの出力測定（ガス測定）を終了する（Ｓ２１１）。

その後、ガス測定処理部５１３は、ガスセンサ１０１ｃ，１０１ｄ，１０１ｆからの出力開始から出力終了までの出力曲線からガスセンサ１０１ｃ，１０１ｄ，１０１ｆの飽和出力信号（ガス飽和出力信号）を算出する（Ｓ２２１）。
さらに、ガス測定処理部５１３は、ステップＳ２２１で算出したアルコール、アセトアルデヒド及び水素の各ガス飽和出力信号を基に、差分進化法により飽和状態でのアルコール、アセトアルデヒド及び水素の各ガス濃度（飽和ガス濃度）を算出する（Ｓ２２２）。このように、複数の飽和ガス濃度を基に、差分進化法を用いて、あるガスの飽和ガス濃度を算出することで、精度の高い飽和ガス濃度を算出することができる。

そして、判定処理部５１４は、ステップＳ２２２で算出した各飽和ガス濃度のうち、アルコールの飽和ガス濃度（アルコール濃度）が基準値以上であるか否かを判定する（図２０のＳ２２３）。
ステップＳ２２３の結果、ステップＳ２２２で算出したアルコールの飽和ガス濃度（アルコール濃度）が基準値未満である場合（Ｓ２２３→Ｎｏ）、判定処理部５１４は、被検者が飲酒をしていないと判定する（Ｓ２２４）。
ステップＳ２２３の結果、ステップＳ２２２で算出したアルコールの飽和ガス濃度（アルコール濃度）が基準値以上である場合（Ｓ２２３→Ｙｅｓ）、判定処理部５１４は、被検者が飲酒をしていると判定する（Ｓ２２５）。

図２１は、ガスセンサが出力する出力信号の時間変化を示すグラフである。図２１において、縦軸が出力信号（Ｖ）を示し、横軸は時間（ｓｅｃ）を示している。
図２１における時刻ｔ１１は、図１８における時刻ｔ１１である。すなわち、図２１では、時刻ｔ１１において水分検出素子１からの出力電圧がＶｔｈ１を超えたことを示している。そして、ガス測定処理部５１３は、水分検出素子１からの出力電圧がＶｔｈ１を超えた時刻ｔ１１において、ガス測定を開始する（図１９のステップＳ２０１）。なお、呼気導入の検知前にガスセンサ１０１が反応し始めているため、時刻ｔ１１は原点よりやや＋側にある。

そして、図２１における時刻ｔ１２は、図１８における時刻ｔ１２である。すなわち、図２１では、時刻ｔ１２において出力信号がＳ１に到達し水分検出素子１からの出力電圧がＶｔｈ２を超えたことを示している。そして、ガス測定処理部５１３は、時刻ｔ１２においてガス測定を終了すると（図１９のＳ２１１）、ガス測定処理部５１３は、時刻ｔ１２の時点でのガスセンサ１０１からの出力信号Ｓ１を基に飽和出力信号Ｓ２を推測する。なお、ガスの出力信号は所定のトレンドで上昇していくので、時刻ｔ１１と、時刻ｔ１２と、出力信号Ｓ１と、から飽和出力信号Ｓ２を推測することができる。呼気導入開始から飽和出力信号Ｓ２の算出までの時間はおよそ３秒である。

また、上記以外の方法として、以下のような手法が用いられてもよい。ガスセンサ１０１におけるセンサ部分の周囲には図示しないカバーが設けられていることが多い。このカバー内の空間が小さくなると、導入するガス量が少なくてもカバー内の空間が導入したガスと同じ濃度になる。すなわち、ガスセンサ１０１におけるカバー内空間のサイズが小さくなるにつれ、飽和するまでの時間が短くなる。従って、ガスセンサ１０１におけるカバー内空間のサイズが小さい場合、図２１に示すように、出力信号Ｓ１から飽和出力信号Ｓ２を推測することなく、ガス測定処理部５１３は、飽和出力信号Ｓ２を直接取得するようにしてもよい。アルコール検知の場合、ガス測定処理部５１３は、呼気導入後、３〜５秒待機した後、測定対象であるアルコール用のガスセンサ１０１ｃの出力信号がピーク値に達した時に、アセトアルデヒド用のガスセンサ１０１ｄ及び水素用のガスセンサ１０１ｆの出力信号を取得する。そして、ガス測定処理部５１３は、それぞれのガスセンサ１０１ｃ，１０１ｄ，１０１ｆから直接取得した飽和信号強度を基に、差分進化法をベースとした濃度計算により、アルコール、アセトアルデヒド及び水素の正確なガス飽和濃度を算出してもよい。

なお、時刻ｔ１１から時刻ｔ１２までは１〜２秒程度である。すなわち、１〜２秒程度の測定でガス測定を行うことができ、大幅な時間短縮を可能とする。
このように、本実施形態の水分検出素子１を利用した呼気検査システムＺによれば、大変短い時間にガス（例えば、アルコール）の検査を行うことができる。

なお、本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明したすべての構成を有するものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

また、前記した各構成、機能、各部４１１，５１１〜５１４、記憶装置５０５等は、それらの一部又はすべてを、例えば集積回路で設計すること等によりハードウェアで実現してもよい。また、図１５及び図１６で示すように、前記した各構成、機能等は、ＣＰＵ等のプロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、図１４に示すようにＨＤＤ６０２に格納すること以外に、メモリや、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の記録装置、又は、ＩＣ（Integrated Circuit）カードや、ＳＤ（Secure Digital）カード、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）等の記録媒体に格納することができる。
また、各実施形態において、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしもすべての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には、ほとんどすべての構成が相互に接続されていると考えてよい。

１，１ａ〜１ｄ，１Ｃ 水分検出素子（水分検出部）
２，２ａ，１１２ 印加電極（印加部）
３，３ａ，１１３ 検出電極（出力部）
４，４ａ〜４ｄ，１１４ 絶縁部
５ 交流電源
１１ 水分子
２０ａ，２０ｂ 等価回路
２１ 水分子の等価回路
１００，１００ａ，１００ｂ 呼気センサ（ガス検出装置）
１０１，１０１ａ〜１０１ｆ ガスセンサ（ガス検出部）
１２０ 基板部
１２２ 印加電極板
１２３ 検出電極板
１３１ 貫通孔
２０１，２０１ａ，２０１ｂ 呼気検査装置
２０２ａ，２０２ｂ 呼気導入口
２０３ 表示部
２１１ ステアリングホイール
３００ 呼気検出装置
３０１ａ，３０１ｂ Ａ／Ｄ変換器
４００ 計測制御装置
４０３ 入力装置
４０４ ＡＣ／ＡＣインバータ回路
４０５ 交流端子
４０６ ＡＣ／ＤＣコンバータ回路
４０７ 直流端子
５００ 解析装置
５０３ 送受信装置
５０４ 表示装置
５１１ 処理部
５１２ 水分測定処理部
５１３ ガス測定処理部
５１４ 判定処理部
６０１ 送信装置
６０２ 記憶装置
Ｃ１，Ｃ２，Ｃａ コンデンサ
Ｒａ 抵抗
Ｚ 呼気検査システム

Claims (14)

1. 絶縁性の材料で構成される絶縁部と、
   電圧が印加される印加部と、
   前記印加部に前記印加された電圧によって、前記絶縁性の材料の表面に付着した水分子を介した電気経路に流れる電流に応じた電圧信号を出力する出力部と、
   を有することを特徴とする水分検出素子。
2. 前記絶縁部は、
   少なくとも表面に酸素原子が配置した構造で構成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の水分検出素子。
3. 前記絶縁部は、
   絶縁性金属酸化物である
   ことを特徴とする請求項２に記載の水分検出素子。
4. 前記絶縁部は、
   前記水分子が付着する面に凹凸が設けられている
   ことを特徴とする請求項１に記載の水分検出素子。
5. 前記絶縁部の凹凸は、
   所定の温度以上の環境下で用いられる場合、前記所定の温度以下の環境下で用いられるものよりも、前記絶縁部の凹凸の大きさが大きい
   ことを特徴とする請求項４に記載の水分検出素子。
6. 前記印加部に印加される電圧は、交流電圧である
   ことを特徴とする請求項１に記載の水分検出素子。
7. 棒状の形状を有する第１の電極と、
   前記第１の電極を内包する筒状の形状を有する第２の電極と、
   前記第１の電極と、前記第２の電極と、に接続される板状部と、
   を有し、
   前記板状部は、
   前記絶縁性の物質と、前記印加部と、前記出力部と、
   を有し、
   前記印加部及び前記出力部の一方が、前記第１の電極に接続され、
   前記印加部及び前記出力部の他方が、前記第２の電極に接続されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の水分検出素子。
8. 絶縁性の材料で構成される絶縁部と、
   電圧が印加される印加部と、
   前記印加部に前記印加された電圧によって、前記絶縁性の材料の表面に付着した水分子を介した電気経路に流れる電流に応じた電圧信号を出力する出力部と、
   前記出力に基づき水分を検出する水分検出部と、を備えるとともに、
   前記水分検出部の周囲に設置され、所定の種類のガスの濃度を測定するガス測定部
   を備えることを特徴とするガス検出装置。
9. 前記ガス測定部は、
   アルコール濃度を測定するアルコール測定部、一酸化炭素濃度を測定する一酸化炭素測定部、一酸化窒素濃度を測定する一酸化窒素測定部、アセトン濃度を測定するアセトン測定部、アセトアルデヒド濃度を測定するアセトアルデヒド測定部及び水素濃度を測定する水素測定部のうち、少なくとも１つである
   ことを特徴とする請求項８に記載のガス検出装置。
10. 絶縁性の材料で構成される絶縁部と、
    電圧が印加される印加部と、
    前記印加部に前記印加された電圧によって、前記絶縁性の材料に付着した水分子を介した電気経路に流れる電流に応じた電圧信号を出力する出力部と、
    前記出力に基づき水分を検出する水分検出部と、を備えるとともに、
    呼気が導入される呼気導入部と、
    前記水分検出部の周囲に設置され、所定の種類のガスの濃度を測定するガス測定部と、
    を有すことを特徴とする呼気検査システム。
11. 前記水分検出部、前記ガス測定部及び前記呼気導入部が、携帯端末に設置されている
    ことを特徴とする請求項１０に記載の呼気検査システム。
12. 前記水分検出部及び前記ガス測定部及び前記呼気導入部が、ステアリングホイールに設置されている
    ことを特徴とする請求項１０に記載の呼気検査システム。
13. 前記水分検出部から第１の信号を取得し、前記ガス測定部から第２の信号を取得し、前記第１の信号及び前記第２の信号を解析する解析部
    を有し、
    前記解析部は、
    前記水分検出部から取得した信号が第１の閾値を超えると、前記ガス測定部から信号を取得することを開始し、
    前記水分検出部から取得した信号が、前記第１の閾値より大きい第２の閾値を超えると、前記ガス測定部から信号を取得することを停止し、
    前記ガス測定部から信号を取得することを開始したときの前記第２の信号の信号値と、前記ガス測定部から信号を取得することを停止したときの前記第２の信号の信号値と、を基に、前記呼気中における前記ガスの飽和濃度を算出する
    ことを特徴とする請求項１０に記載の呼気検査システム。
14. 前記ガスは、アルコール、アセトアルデヒド及び水素であり、
    前記解析部は、
    前記アルコール、アセトアルデヒド及び水素の飽和濃度を基に、被検者における飲酒の有無を判定する
    ことを特徴とする請求項１３に記載の呼気検査システム。

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