JPWO2018062503A1

JPWO2018062503A1 - センサモジュール及び検出方法

Info

Publication number: JPWO2018062503A1
Application number: JP2018542944A
Authority: JP
Inventors: 阿部　真一; 真一阿部
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2016-09-30
Filing date: 2017-09-29
Publication date: 2019-07-04
Anticipated expiration: 2037-09-29
Also published as: US11326988B2; US20190250077A1; JP6956097B2; CN109716099A; CN114935467A; WO2018062503A1

Abstract

センサモジュールは、第１成分を検出するセンサ部と、センサ部に、被検流体を供給する第１流路と、センサ部に、被検流体に含まれ第１成分とは異なる第２成分を含む対照流体を供給する第２流路と、を備え、第２流路は、対照流体から第１成分の量を低減する第１フィルタを有する。

Description

関連出願の相互参照

本出願は、日本国特許出願２０１６−１９４４０９号（２０１６年９月３０日出願）の優先権を主張するものであり、当該出願の開示全体を、ここに参照のために取り込む。

本開示は、センサモジュール及び検出方法に関する。

従来、流体中の特定の物質を検出するセンサモジュールが知られている。例えば、特許文献１には、ガス導入部と、ガス検出部とを備えたガス成分検出装置が開示されている。

特開２０１０−２４９５５６号公報

本開示の一実施形態に係るセンサモジュールは、第１成分を検出するセンサ部と、前記センサ部に、被検流体を供給する第１流路と、前記センサ部に、前記被検流体に含まれ前記第１成分とは異なる第２成分を含む対照流体を供給する第２流路と、を備える。前記第２流路は、前記対照流体から前記第１成分の量を低減する第１フィルタを有する。

本開示の一実施形態に係る検出方法は、第１流路に設けられた第１供給部と、第１成分の量を低減する第２フィルタを有する第２流路に設けられた第２供給部と、センサ部と、を備えるセンサモジュールを用いて実行される。前記検出方法は、前記第１供給部を駆動することにより、前記第１流路を介して、被検流体を、前記センサ部に供給するステップと、前記第２供給部を駆動することにより、前記第２流路を介して、前記被検流体に含まれ前記第１成分とは異なる第２成分を含む対照流体を、前記センサ部に供給するステップと、前記センサ部において前記第１成分を検出するステップと、を含む。

本開示の一実施形態に係るセンサモジュールの概略図である。図１のセンサモジュールの概略構成を示す機能ブロック図である。図１のセンサモジュールにおける流体の流れを模式的に示す図である。図２の制御部が実行する処理の一例を示すフローチャートである。センサモジュールの一変形例を示す図である。センサモジュールの一変形例を示す図である。センサモジュールの一変形例を示す図である。

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モジュール１０の概略図である。センサモジュール１０は、例えば筐体２０を備える。図１は、説明のため、筐体２０の一部の面を取り除いた状態で、筐体２０の内部を図示している。センサモジュール１０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第１成分である検出対象成分の濃度を算出する。

センサモジュール１０は、筐体２０内部に、チャンバ３０と、第１供給部４０ａと、第２供給部４０ｂと、第１流路５０ａと、第２流路５０ｂと、第３流路５０ｃと、電子回路基板（以下「基板」と称する）６０とを備える。

チャンバ３０は、内部にセンサ部を備える。チャンバ３０には、第１流路５０ａと第２流路５０ｂと第３流路５０ｃとが接続されている。チャンバ３０には、第１流路５０ａ及び第２流路５０ｂから流体が供給される。チャンバ３０は、第３流路５０ｃから流体を排出する。チャンバ３０内のセンサ部は、複数の反応部を有する。反応部は、例えば膜状である。反応部は、特定の成分に反応する。複数の反応部のうち少なくともいずれかは、検出対象成分に反応する。すなわち、複数の反応部のうち少なくともいずれかは、検出対象成分を検出する。反応部は、流体に含まれる特定の成分を吸着することによって変形する。反応部は、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又はニトロセルロース等の材料により構成される。反応部は、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。

第１供給部４０ａ及び第２供給部４０ｂは、それぞれ第１流路５０ａ及び第２流路５０ｂに取り付けられる。第１供給部４０ａ及び第２供給部４０ｂは、それぞれ被検流体及び対照流体をチャンバ３０に供給する。第１供給部４０ａ及び第２供給部４０ｂは、例えば、それぞれピエゾポンプにより構成される。

第１流路５０ａ及び第２流路５０ｂは、例えばチューブ等の管状の部材により構成される。被検流体は、第１流路５０ａを通してチャンバ３０に供給される。対照流体は、第２流路５０ｂを通してチャンバ３０に供給される。第１流路５０ａ及び第２流路５０ｂは、それぞれフィルタを有する。第１流路５０ａ及び第２流路５０ｂがそれぞれ有するフィルタの詳細については、後述する。

第３流路５０ｃは、例えばチューブ等の管状の部材により構成される。チャンバ３０に供給された流体は、第３流路５０ｃから排出される。

基板６０は、後述するセンサモジュール１０の制御部及び記憶部等を実装する。

図２は、図１のセンサモジュール１０の概略構成を示す機能ブロック図である。図２のセンサモジュール１０は、制御部６１と、記憶部６２と、センサ部３１と、第１供給部４０ａと、第２供給部４０ｂとを備える。

センサ部３１は、上述したようにチャンバ３０内に備えられる。センサ部３１は、各反応部からの出力された信号を制御部６１に供給する。

第１供給部４０ａ及び第２供給部４０ｂは、制御部６１の制御に基づき、所定のタイミングで、それぞれ第１流路５０ａ及び第２流路５０ｂから流体をチャンバ３０に供給する。

制御部６１は、センサモジュール１０の各機能ブロックをはじめとして、センサモジュール１０の全体を制御及び管理するプロセッサである。制御部６１は、制御手順を規定したプログラムを実行するＣＰＵ（Central processing Unit）等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６２、又はセンサモジュール１０に接続された外部の記憶媒体等に格納される。

制御部６１は、センサ部３１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する。制御部６１による、第１供給部４０ａ及び第２供給部４０ｂの制御と、検出対象成分の濃度の算出の詳細については後述する。

記憶部６２は、半導体メモリ又は磁気メモリ等で構成され得る。記憶部６２は、各種情報、及び／又はセンサモジュール１０を動作させるためのプログラム等を記憶する。記憶部６２は、ワークメモリとして機能してもよい。

次に、制御部６１による、第１供給部４０ａ及び第２供給部４０ｂ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。図３は、センサモジュール１０における流体の流れを模式的に示す図である。図３において、第１供給部４０ａ及び第２供給部４０ｂに示される矢印は、第１供給部４０ａ及び第２供給部４０ｂがそれぞれ流体を送る方向を示す。

第１流路５０ａ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、エタノール又は一酸化炭素等である。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、窒素及び水蒸気等、検出対象成分以外の全ての成分が含まれる。

第２流路５０ｂには、対照流体（リフレッシュガス）が供給される。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、窒素及び水蒸気等のノイズ成分が含まれる。対照流体には、検出対象成分が混入している場合がある。対照流体に混入する検出対象成分の量は、例えば対照流体に含まれるノイズ成分と比較して極めて少量である。

第２流路５０ｂは、第１フィルタ７０ａを有する。第２流路５０ｂにおいて、第１フィルタ７０ａは、第２供給部４０ｂよりもチャンバ３０側（下流側）に設けられる。第１フィルタ７０ａは、流体中の検出対象成分を低減する。第１フィルタ７０ａは、例えば、検出対象成分を吸着する部材（吸着材）である。第１フィルタ７０ａとして、例えば活性炭を用いることができる。ただし、第１フィルタ７０ａは、活性炭以外の他の部材により構成されていてもよい。

第１流路５０ａ及び第２流路５０ｂは、第２フィルタ７０ｂを有する。第１流路５０ａ及び第２流路５０ｂにおいて、第２フィルタ７０ｂは、それぞれ第１供給部４０ａ及び第２供給部４０ｂよりもチャンバ３０側（下流側）に設けられる。第２フィルタ７０ｂは、流体中のノイズ成分を低減する。第２フィルタ７０ｂは、例えば、ノイズ成分を吸着する部材（吸着材）である。第２フィルタ７０ｂとして、例えばシリカゲル又はイオン交換樹脂等を用いることができる。ただし、第２フィルタ７０ｂは、シリカゲル及びイオン交換樹脂以外の他の部材により構成されていてもよい。

第１フィルタ７０ａは、第２フィルタ７０ｂよりもノイズ成分を低減する部材であってもよい。図３に示す例では、第２流路５０ｂにおいて、第１フィルタ７０ａは、第２フィルタ７０ｂよりもセンサ部３１を備えるチャンバ３０側（下流側）に設けられる。

制御部６１は、第１流路５０ａからの被検流体の供給と、第２流路５０ｂからの対照流体とが、交互にチャンバ３０に供給されるように、第１供給部４０ａと第２供給部４０ｂとを制御する。すなわち、第１供給部４０ａが被検流体をチャンバ３０に送出している間、第２供給部４０ｂは対照流体をチャンバ３０に送出しない。第２供給部４０ｂが対照流体をチャンバ３０に送出している間、第１供給部４０ａは被検流体をチャンバ３０に送出しない。第１供給部４０ａ及び第２供給部４０ｂによる、チャンバ３０への流体の供給は、制御部６１により例えば一定の時間周期で切り換えられる。

センサモジュール１０の第１流路５０ａに供給された被検流体は、第１供給部４０ａによりチャンバ３０に供給される。被検流体は、チャンバ３０に供給されるに際し、第２フィルタ７０ｂを通過する。このとき、被検流体に含まれるノイズ成分が第２フィルタ７０ｂにより低減される。すなわち、第１流路５０ａからチャンバ３０に供給される流体は、被検流体からノイズ成分が低減された流体である。

センサモジュール１０の第２流路５０ｂに供給された対照流体は、第２供給部４０ｂによりチャンバ３０に供給される。対照流体は、チャンバ３０に供給されるに際し、第２フィルタ７０ｂ及び第１フィルタ７０ａを通過する。このとき、第２フィルタ７０ｂにより、対照流体に含まれるノイズ成分が低減される。第１フィルタ７０ａにより、対照流体に含まれる検出対象成分が低減される。すなわち、第２流路５０ｂからチャンバ３０に供給される流体は、対照流体からノイズ成分と検出対象成分とが低減された流体である。対照流体に含まれる検出対象成分の量がノイズ成分の量と比較して極めて少量である場合には、第１フィルタ７０ａでさらに検出対象成分が低減される。これにより、第１流路５０ａからチャンバ３０に供給される流体と比較して、第２流路５０ｂからチャンバ３０に供給される流体には、実質的に検出対象成分が含まれていないものとみなすことができる。

流体がチャンバ３０に供給されると、センサ部３１により、供給された流体の成分に応じた信号が制御部６１に出力される。第１流路５０ａから流体が供給されている間、センサ部３１は、被検流体からノイズ成分が低減された流体の成分に応じた信号（第１信号）を出力する。第２流路５０ｂから流体が供給されている間、センサ部３１は、対照流体からノイズ成分と検出対象成分とが低減された流体に応じた信号（第２信号）を出力する。第１流路５０ａ及び第２流路５０ｂからチャンバ３０に供給される流体は、いずれも第２フィルタ７０ｂにより、ノイズ成分が低減された流体である点で共通する。従って、この共通する成分については、センサ部３１から同レベルの信号が出力される。これに対し、検出対象成分については、被検流体では低減されていないのに対し、対照流体では第１フィルタ７０ａにより低減されている。そのため、センサ部３１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みなすことができる。

本開示に係るセンサモジュール１０は、第２流路５０ｂにおいて、対照流体から検出対象成分の量を低減する第１フィルタ７０ａを備える。そのため、第１フィルタ７０ａを備えない第１流路５０ａと、第１フィルタ７０ａを備える第２流路５０ｂとから、それぞれ流体が順番にチャンバ３０に供給される。これにより、センサ部３１に、検出対象成分の量が低減されていない被検流体と、検出対象成分の量が低減された対照流体とが供給される。センサ部３１は、供給された流体の成分に応じた信号（第１信号及び第２信号）を出力する。そのため、制御部６１は、センサ部３１から受信した信号の差異に基づき、チャンバ３０に順番に供給される流体の成分の差分を算出できる。このように、センサモジュール１０は、対照流体の検出対象成分の量を低減することにより、第１信号と第２信号との差に、被検流体における検出対象成分の濃度をより正確に反映させることができるため、測定精度を向上できる。

本実施形態において、第１流路５０ａ及び第２流路５０ｂは、ノイズ成分の量を低減する第２フィルタ７０ｂを有することにより、第１流路５０ａ及び第２流路５０ｂからチャンバ３０に供給される流体におけるノイズ成分の条件を揃えやすくなる。そのため、センサモジュール１０によれば、第１信号と第２信号との差において、ノイズ成分の差異による影響を低減させることができるため、測定精度を向上できる。

本実施形態に係るセンサモジュール１０では、第２流路５０ｂにおいて、第１フィルタ７０ａが第２フィルタ７０ｂよりもセンサ部３１側に位置する。そのため、第１フィルタ７０ａに流れ込むノイズ成分の量を減らすことができる。第１フィルタ７０ａ及び第２フィルタ７０ｂは、流体中の成分を吸着するほど、吸着力が低下するが、第２フィルタ７０ｂを第１フィルタ７０ａよりも流体の流れの上流側に配置することにより、第１フィルタ７０ａが吸着し得る成分の量を減らすことができる。そのため第１フィルタ７０ａによるノイズ成分の低減性能を低下させにくくなる。その結果、センサモジュール１０において、第２流路５０ｂからチャンバ３０に供給される流体中の検出対象成分の量が低減された状態を維持しやすくなる。そのため、センサモジュール１０によれば、測定精度を向上できる。

本実施形態に係るセンサモジュール１０では、第２流路５０ｂにおいて、第２供給部４０ｂよりもセンサ部３１側に第１フィルタ７０ａが設けられる。センサモジュール１０では、第１流路５０ａ及び第２流路５０ｂにおいて、それぞれ第１供給部４０ａ及び第２供給部４０ｂよりもセンサ部３１側に第２フィルタ７０ｂが設けられる。そのため、センサモジュール１０が使用されていない場合には、第１供給部４０ａ及び第２供給部４０ｂから第１フィルタ７０ａ及び第２フィルタ７０ｂに外気等の気体が作用しにくくなる。これにより、センサモジュール１０の非使用時における第１フィルタ７０ａ及び第２フィルタ７０ｂによる流体中の成分の吸着を防止しやすくなり、第１フィルタ７０ａ及び第２フィルタ７０ｂによるノイズ成分の低減性能を低下させにくくなる。

図４は、制御部６１が実行する処理の一例を示すフローチャートであり、制御部６１が実行する流体の成分の検出処理の一例を示すフローチャートである。図４のフローの開始時点において、第１供給部４０ａ及び第２供給部４０ｂとも駆動されていないとする。

制御部６１は、第１供給部４０ａを駆動する（ステップＳ１１）。これにより、第１供給部４０ａから被検流体がチャンバ３０に供給される。

被検流体がチャンバ３０に供給されると、センサ部３１により、被検流体の成分に応じた第１信号が出力される。制御部６１は、センサ部３１から出力される第１信号を取得する（ステップＳ１２）。

制御部６１は、第１供給部４０ａの駆動を停止した後、第２供給部４０ｂを駆動する（ステップＳ１３）。これにより、第２供給部４０ｂから対照流体がチャンバ３０に供給される。

対照流体がチャンバ３０に供給されると、センサ部３１により、対照流体の成分に応じた第２信号が出力される。制御部６１は、センサ部３１から出力される第２信号を取得する（ステップＳ１４）。

ステップＳ１１及びＳ１２と、ステップＳ１３及びＳ１４とは、交互に繰り返し実行されてよい。

制御部６１は、第１信号と第２信号との差分を算出することにより、チャンバ３０に供給される流体の成分の差分を算出する（ステップＳ１５）。

上記実施形態では、センサモジュール１０が第１フィルタ７０ａ及び第２フィルタ７０ｂの双方を備える場合について説明したが、センサモジュール１０は、例えば第２フィルタ７０ｂを備えていなくてもよい。この場合、センサモジュール１０は、第２流路５０ｂに第１フィルタ７０ａを備えるが、第２フィルタ７０ｂを備えない。この場合であっても、センサモジュール１０は、対照流体の検出対象成分の量を低減できるため、上述の理由により測定精度を向上できる。

上記実施形態では、第２流路５０ｂにおいて、第１フィルタ７０ａが第２フィルタ７０ｂよりもセンサ部３１側（下流側）に位置する場合の例について説明したが、第１フィルタ７０ａと第２フィルタ７０ｂとの配列は、これに限られない。例えば図５に示すように、第２流路５０ｂにおいて、第２フィルタ７０ｂが第１フィルタ７０ａよりもセンサ部３１側（下流側）に位置してもよい。この配列であっても、第１フィルタ７０ａが対照流体中の検出対象成分の量を低減できるため、上述の理由により測定精度を向上できる。

センサモジュール１０内の各構成は、上記実施形態に限られない。例えば図６に示すように、第１供給部４０ａは、第１流路５０ａにおいて、第２フィルタ７０ｂよりもチャンバ３０側（下流側）に設けられていてもよい。すなわち、第２フィルタ７０ｂは、第１流路５０ａにおいて、第１供給部４０ａに対して、チャンバ３０の反対側（上流側）に設けられていてもよい。同様に、第２供給部４０ｂは、第２流路５０ｂにおいて、第１フィルタ７０ａ及び第２フィルタ７０ｂよりもチャンバ３０側（下流側）に設けられていてもよい。すなわち、第１フィルタ７０ａ及び第２フィルタ７０ｂは、第２流路５０ｂにおいて、第２供給部４０ｂに対して、チャンバ３０の反対側（上流側）に設けられていてもよい。このような構成においては、第１フィルタ７０ａ及び第２フィルタ７０ｂが、第１供給部４０ａ及び第２供給部４０ｂに対して、チャンバ３０の反対側に位置する。そのため、第１フィルタ７０ａ及び第２フィルタ７０ｂによるノイズ成分の低減性能が弱まった場合に、第１フィルタ７０ａ及び第２フィルタ７０ｂの交換がしやすい。

センサモジュール１０は、例えば図７に示すように、再生機構８０を備えていてもよい。再生機構８０は、第１フィルタ７０ａ及び第２フィルタ７０ｂによるノイズ成分の量を低減する性能が弱まった場合に、当該低減する性能を再生可能な機構である。再生機構８０は、例えば第１フィルタ７０ａ及び第２フィルタ７０ｂを加熱することにより再生するものであってよい。再生機構８０は、例えば第１フィルタ７０ａ及び第２フィルタ７０ｂに光を照射することにより再生するものであってよい。再生機構８０は、例えば第１フィルタ７０ａ及び第２フィルタ７０ｂを真空引きにより再生するものであってよい。センサモジュール１０が再生機構８０を有する場合、第１フィルタ７０ａ及び第２フィルタ７０ｂによるノイズ成分の量を低減する性能を容易に再生できるため、センサモジュール１０による検出対象成分の濃度の算出精度を維持しやすくなる。

センサモジュール１０において、再生機構８０は、必ずしも第１フィルタ７０ａ及び第２フィルタ７０ｂの双方に対して作用するように配置されていなくてもよい。例えば、再生機構８０は、第１フィルタ７０ａ及び第２フィルタ７０ｂの少なくともいずれか一方に対して作用するように配置されていてもよい。

上述したセンサモジュール１０は、多様な用途に使用することができる。上記実施形態で説明したように、被検流体が人間の呼気である場合、センサモジュール１０により、人間の呼気に含まれる所定の成分の濃度を算出できる。算出された濃度は、例えば人体に関する状態の推定に応用し得る。人体に関する状態の推定は、例えば人体における病気の進行の度合い又は人体の健康状態等である。

センサモジュール１０は、例えば食品から発生する所定のガス成分の検出に使用できる。検出したガス成分の濃度は、食品のクオリティの推定に応用し得る。食品のクオリティは、食品に関する性質又は品質等であり、例えば食品の鮮度、食べごろ、熟成度、腐敗の度合い等を含んでよい。センサモジュール１０は、その他にも、例えば機器から発生する所定のガス成分の検出等、多様な用途に使用できる。

本開示を諸図面及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及び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、これらの変形及び修正は本開示の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各構成部等に含まれる機能等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センサモジュール
２０筐体
３０チャンバ
３１センサ部
４０ａ第１供給部
４０ｂ第２供給部
５０ａ第１流路
５０ｂ第２流路
５０ｃ第３流路
６０基板
６１制御部
６２記憶部
７０ａ第１フィルタ
７０ｂ第２フィルタ
８０再生機構

Claims

第１成分を検出するセンサ部と、
前記センサ部に、被検流体を供給する第１流路と、
前記センサ部に、前記被検流体に含まれ前記第１成分とは異なる第２成分を含む対照流体を供給する第２流路と、
を備え、
前記第２流路は、前記対照流体から前記第１成分の量を低減する第１フィルタを有する、
センサモジュール。
前記第１フィルタは、前記第２成分よりも前記第１成分の量を低減する、請求項１に記載のセンサモジュール。
前記第１流路及び前記第２流路のそれぞれは、前記第２成分の量を低減する第２フィルタを有する、請求項１又は請求項２に記載のセンサモジュール。
前記第２フィルタは、前記第１成分よりも前記第２成分の量を低減する、請求項３に記載のセンサモジュール。
前記第１フィルタは、前記第２フィルタよりも前記第１成分の量を低減する、請求項３又は請求項４に記載のセンサモジュール。
前記第２流路において、前記第１フィルタは前記第２フィルタよりも下流側に位置する、請求項３乃至請求項５のいずれか一項に記載のセンサモジュール。
前記第２流路において、前記第１フィルタよりも上流側に、前記対照流体を前記センサ部に供給するための供給部を備える、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載のセンサモジュール。
前記第２流路において、前記第１フィルタよりも下流側に、前記対照流体を前記センサ部に供給するための供給部を備える、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載のセンサモジュール。
前記第１フィルタによる前記第１成分の量を低減する機能を再生可能な第１再生機構をさらに備える、請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載のセンサモジュール。
前記第２フィルタによる前記第２成分の量を低減する機能を再生可能な第２再生機構をさらに備える、請求項３乃至請求項６のいずれか一項に記載のセンサモジュール。
第１流路に設けられた第１供給部と、第１成分の量を低減する第２フィルタを有する第２流路に設けられた第２供給部と、センサ部と、を備えるセンサモジュールを準備するステップと、
前記第１供給部を駆動することにより、前記第１流路を介して、被検流体を、前記センサ部に供給するステップと、
前記第２供給部を駆動することにより、前記第２流路を介して、前記被検流体に含まれ前記第１成分とは異なる第２成分を含む対照流体を、前記センサ部に供給するステップと、
前記センサ部において前記第１成分を検出するステップと、
を含む、検出方法。