(57)【要約】  呼気中の水クラスターを高感度に検出することにより、飲酒運転防止、居眠り運転防止を行う。また、非接触で機器操作を行う。課題：ドライバーを対象とした、飲酒運転防止、居眠り運転防止を行うための、有効な方法がなかった。効果：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。
2010119568.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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することによって偏向されるイオンを検出する検出電極とを有することを特徴とするイオン検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載のイオン検出装置において、
前記対向電極と、前記検出電極との間に電位差を発生させる制御手段を有することを特徴とするイオン検出装置。
【請求項３】
請求項１に記載のイオン検出装置において、
前記イオン源は、針電極と当該針電極に高電圧を印加する手段とを有することを特徴とするイオン検出装置。
【請求項４】
請求項１に記載のイオン検出装置において、
前記筐体内に外気が滞留することを防ぐ排気手段を備えることを特徴とするイオン検出装置。
【請求項５】
請求項１に記載のイオン検出装置において、
前記外気は呼気であることを特徴とするイオン検出装置。
【請求項６】
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、
当該イオンビームの照射軸方向に開口部を有する対向電極と、
呼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することによって偏向されたイオンを検出する検出電極とを備え、
当該検出電極には、前記イオンビームの照射軸上に第一開口部を有し、さらに当該イオンビームの照射軸とは異なる位置に第二開口部を有することを特徴とするイオン検出装置。
【請求項７】
請求項６に記載のイオン検出装置において、
前記第二開口部を通過するイオンを検出するセンサーを有することを特徴とするイオン検出装置。
【請求項８】
請求項７に記載のイオン検出装置において、
前記センサーは、アルコールセンサーであることを特徴とするイオン検出装置。
【請求項９】
請求項６に記載のイオン検出装置において、
前記センサーによって検出される検出信号を元に呼気スペクトルを算出する演算手段を備えることを特徴とするイオン検出装置。
【請求項１０】
請求項９に記載のイオン検出装置において、
前記呼気スペクトルから呼気のピークを特定し、
呼気ピークの時間変化を検出することを特徴とするイオン検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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アルコール検出装置及び居眠り防止装置に関する。さらに、非接触の機器インターフェイス、分析の前処理装置、呼吸訓練装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の呼気検出、呼気中アルコール検出、居眠り検出、機器インターフェイス、分析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。【０００３】
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。【０００４】
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。【０００５】
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。【０００６】
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。【０００７】
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。【０００８】
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。【０００９】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】ＵＳ６２７８１１１
【特許文献２】特開平０７−３２５０２０
【特許文献３】特開２００３−２５７３２８
【特許文献４】特表２００６−５１０９０５
【特許文献５】特表２０００−５１０６３８
【特許文献６】ＵＳ２００４０３１９１７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
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、イオンの質量数が測定でき高精度の分析が可能となるが、質量分析計には１０−４Ｔｏｒｒ以下の高真空が必須となり、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。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
従来技術においては、質量分析計を動作させるために真空排気系を設け装置が大型化していた。【００１３】
ここで、イオンを生成する場所に加えて、イオンを検出する部分も大気圧下で動作させるようにすれば、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。【００１４】
大気圧下でイオンを検出する方法としては、例えば、外気である呼気の検出においては次の方法によって達成することができる。大気圧下において、コロナ放電等によりイオンビームを発生させ、そのイオンビーム中に、呼気からの水クラスターを導入して、イオンビーム中のイオンと反応させて水クラスターイオンを生成させる。大気圧下では、水クラスターイオンには、その重力により下方への運動が加わり、水クラスターイオンビームは結果的に偏向する。従って、偏向した水クラスターイオンビームの電流量を計測することにより、呼気検出を実現することができる。
【発明の効果】
【００１５】
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。【００１６】
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。【００１７】
さらに、分析の前処理装置や呼吸訓練装置への展開も可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の装置の構成図
【図２】本発明の装置の別の角度からの構成図
【図３】本発明の装置における電極、電源の構成図
【図４】本発明の装置における原理図
【図５】本発明の装置における、水クラスターイオン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
【図６】本発明の装置における、水クラスターイオンの半径による偏向距離の計算値
【図７】本発明の装置における、呼吸の検出例
【図８】本発明の装置における、呼吸の検出の距離依存性
【図９】本発明の装置における、空気における湿度依存性
【図１０】本発明の装置を収めたセンサーボックス
【図１１】本発明において、アルコールセンサーを配置した例
【図１２】本発明において、呼気検出部とアルコールセンサー部をケーシングした例
【図１３】本発明において、呼気検出部とアルコールセンサー部をコラムに設置した例
【図１４】本発明において、運転者のアルコールチェックを行う原理図
【図１５】本発明において、コロナ放電用針電極の軸上のアルコールセンサーヘッドの位置を示した図
【図１６】本発明において、コロナ放電用針電極に対して軸をずらしたアルコールセンサーヘッドの位置を示した図
【図１７】本発明において、コロナ放電用針電極に対して軸をずらしたアルコールセンサーヘッドを用いた場合の、呼気とアルコールの同時検出例
【図１８】本発明において、コロナ放電用針電極の軸上にアルコールセンサーヘッドの軸がある場合の、呼気とアルコールの同時検出例
【図１９】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
【図２０】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
【図２１】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
【図２２】本発明の装置を用いた場合の欠伸と頭の傾きによる呼吸変化の検出例
【図２３】本発明の装置を用いた場合の居眠り検出原理
【図２４】本発明の装置を用いた場合の居眠り検出アルゴリズム
【図２５】本発明の装置を用いた場合の居眠り検出アルゴリズム（口すぼめ呼吸）
【図２６】本発明における、香り発生装置
【図２７】本発明の装置を用いた場合の機器操作の原理
【図２８】本発明の装置を用いた場合の機器操作コマンド
【図２９】本発明における機器インターフェイス
【図３０】本発明における機器インターフェイスの例
【図３１】本発明における機器インターフェイスの例
【図３２】本発明における機器インターフェイスの例
【図３３】本発明におけるアルコールの検出例
【発明を実施するための形態】
【００１９】
【実施例１】
【００２０】
本実施例では、非接触で非侵襲に外気である呼気をモニターする例を示す。【００２１】
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、コロナ放電により発生した大気圧下におけるマイクロアンペアレベルのイオンビームに、その側面から呼気を導入すると、イオンビーム中のイオンに水クラスターが反応して水クラスターイオンが生成する。クラスターが付加して重量が増加した水クラスターイオンは、大気圧下における電界中では直進できず、重力により下向きの力が働き、水クラスターイオンビームの一部が大きく偏向する。この偏向したイオンビームの電流量を計測することによって、呼気を間接的にモニターすることができる。【００２２】
イオン源から放出され、偏向したイオンビームの電流量を計測する手段を、図１、図２に示す。図１と、図２は、９０度視点を変えた図である。コロナ放電用針電極ホールダ４とホールダ押え３によって支持されたコロナ放電用針電極２に高電圧を印加すると、対向電極用支え９で支えられた対向電極５との間にコロナ放電が発生し、対向電極５の開口部からイオンビームが引き出される。尚コロナ放電用針電極２への高電圧の印加は制御部を介して行っても良い。【００２３】
コロナ放電用針電極２には、縫い針状の尖った先端部分に加え、タングステンなどの金属材料を機械研磨、あるいは電界研磨したものを使用することが可能である。特に、電界研磨したものは、針電極先端の曲率半径を５０ナノメートル程度にできるので、より低い電圧でコロナ放電を発生させることができ都合が良い。【００２４】
さらに、制御部によって対向電極５と、検出電極用支え１０で支えられた検出電極６の間に電位差を設けるように制御しておくと、発生したイオンビームには対向電極５から検出電極６に向かう力が働く。水クラスターを含む呼気が導入されていない場合には、対向電極５の開口部からのイオンビームは大気中の分子と衝突して円錐状に広がりながらも直進し，その周辺のみが検出電極６に衝突してその一部が検出される。【００２５】
例えば、コロナ放電用針電極２先端から３ｍｍ程度のところに、直径３ｍｍ程度の開口を有する対向電極５を配置し、コロナ放電電流を５マイクロアンペア程度発生させた場合、対向電極５の位置では直径が６ｍｍ程度のイオンビームになっている。この場合、検出電極６では、イオンビームの周辺部分（直径３ｍｍ程度以上、直径６ｍｍ程度までの部分）を検出している。上記のような条件では、検出電極６で検出される電流は数マイクロアンペア以下である。検出電極６の開口部を通過したイオンは、接地されている停止電極７に衝突し、消滅する。この場合、停止電極７を接地しておくことは有効である。また、停止電極７を設けず、開放にしておいても問題はない。【００２６】
一方、対向電極５と検出電極６の間に流れるイオンビームに、水クラスターを多く含む呼気が、図１の紙面に垂直な方向から紙面に向かって導入されると、イオンビームが呼気中の水クラスターと反応して水クラスターイオンとなり、重量の増加により重力方向に力が働いて偏向し、検出電極６に検出されるイオンビームの電流量が呼気を導入していない場合に比較して増加することになる。当然、水クラスターイオンの大きさにより偏向量は異なる。このとき、コロナ放電用針電極２の先端部分の汚染を軽減するために、コロナ放電用針電極２の先端に向かって空気流を発生させることは、イオン源の長寿命化の観点から有効である。そのために、イオン源部排気用継ぎ手２０から小さなポンプで排気するようにしているが、その流量は数ミリリットル／分から数リットル／分のレベルである。また、図１に示すように、呼気による水クラスターが、対向電極５と検出電極６の間、検出電極６と停止電極７の間に滞留しないように、第１排気口用継ぎ手１１、第２排気口用継ぎ手１２からポンプで排気すること（その流量は数ミリリットル／分から数リットル／分のレベルである）、あるいは、この領域を金属板ではなくメッシュ状板で覆い、できるだけ開放系にすることは有効である。さらに、図２に示すように、呼気導入口１４に加え、呼気排出口１５、第２呼気排出口１６を設けることも、モニター内部における水クラスターの滞留を防ぐ意味でも重要である。図２に示す円は、それぞれイオン源排気口１３、第１呼気排出口１８、第２呼気排出口１９を示す。このとき、対向電極５には高電圧が印加されているので、感電防止の観点からも、呼気導入口用メッシュ状板１７ａを設けることは重要である。呼気排出用メッシュ状板１７ｂは、呼気による水クラスターがモニター内部に滞留しないようにするために設けている。【００２７】
以上のことから、本発明によって検出される電流値は、簡単に次式で表されると考えられる。【００２８】
Ｉ＝Ｎ×ｅ×α×β【００２９】
このとき、Ｉ(Ａ)：検出電極６で検出される電流量、Ｎ（個／ｓ）：イオンビームにおける単位時間当たりのイオン数、ｅ＝電荷（ｓ・Ａ）、α（無次元）：呼気中水クラスターが帯電する割合、β（無次元）：生成したクラスターイオンがモニターに検出される割合、である。【００３０】
一般に、呼気ガスの分圧は、Ｎ２５６６．０ｍｇ（７４．５％）、Ｏ２１２０．０ｍｇ（１５．７％）、ＣＯ２２７．０ｍｇ（３．６％）、Ｈ２Ｏ４７．０ｍｇ（６．２％）と言われている。大気では、通常二酸化炭素が含まれず水蒸気も少ないが、気道に入るとすぐに気道の表面を覆う体液にさらされ、肺胞に空気が入る前に、大気は完全に加湿されている。水蒸気の分圧は３７℃では４７ｍｍＨｇであるので、これが肺胞気の水蒸気分圧となる。このような条件下では、環境（温度・湿度）に依存するが、人間が生活する空間を考慮すると、呼気中では水分子は水クラスターになっていると考えられる。【００３１】
一方、正のコロナ放電領域に、上記組成の呼気ガスを導入した場合、以下のような反応が起こると考えられる。【００３２】
Ｎ２＋ｅ＝Ｎ２＋＋２ｅ
Ｎ２＋・＋２Ｎ２＝Ｎ４＋・＋Ｎ２
Ｎ４＋・＋Ｈ２Ｏ＝Ｈ２Ｏ＋・＋２Ｎ２
Ｈ２Ｏ＋＋Ｈ２Ｏ＝Ｈ３Ｏ＋・＋ＯＨ
Ｈ＋（Ｈ２Ｏ）ｎ−１＋Ｈ２Ｏ＋Ｎ２＝Ｈ＋（Ｈ２Ｏ）ｎ＋Ｎ２【００３３】
一般に、Ｈ３Ｏ＋は水分子が水和する毎に、ΔＨn,n-1だけ結合エネルギが付与される。従って、水１分子のプロトン親和力ＰＡは、１６９．３ｋｃａｌ／ｍｏｌｅであるが、２、３、４分子のＰＡは，２０１．３、２２１．３、２３８．３、・・・と増加していく。水２分子のＰＡでさえ２０１．３ｋｃａｌ／ｍｏｌｅという大きな値となり、水クラスターイオンは殆どの含酸素有機化合物を事実上プロトン化できないことになる。従って、呼気をコロナ放電によりイオン化すると、生成するイオンは実質的に水クラスターイオンの集合体になっていると考えられる。水イオンクラスターが示す特徴的な反応が次の置換反応である。【００３４】
Ｈ＋（Ｈ２Ｏ）ｎ  ＋  Ａ  ＝  Ａ＋（Ｈ２Ｏ）ｎ−１Ｂ  ＋  Ｈ２Ｏ【００３５】
このとき、Ａは水以外の分子である。この置換反応は一般に早く、衝突速度で起こることが多く、また、反応熱は並進エネルギとして持ち去られるので、極めてソフトなイオン−分子反応ということができる。【００３６】
図３において、コロナ放電用針電極２と対向電極５の距離Ｌ１＝３ｍｍ、対向電極５の開口径Ｌ２＝３ｍｍ、対向電極と検出電極の距離Ｌ３＝１０ｍｍとした場合、一回の換気量と見なすことができる５×１０−４ｍ３／秒で検出される水クラスターイオンによる電流量は、イオンビーム領域の近傍で導入した場合、コロナ放電電流４μＡのとき約１μＡであるので、αに関しては以下のように推定することができる。【００３７】
α≒０．２５【００３８】
以上を纏めると簡単には、コロナ放電により発生したイオンビームに呼気中の水クラスターが反応し、結果として直進していたイオンビームの一部が重力方向に偏向することによって、呼気中の水クラスターが検出されることにある（図４）。【００３９】
この過程を解析するには、水クラスターイオン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、水クラスターイオンの重力方向の運動について解析する。小さな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ｖｇ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。【００４０】
空気抵抗の大きさ＝６πηｒｖｇ【００４１】
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ρｆ，重力加速度ｇを用いて
空気による浮力の大きさ＝（４／３）πｒ３ρｇｇ
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）πｒ３ρｐｇ−６πηｒｖｇ−（4/3）πｒ３ρｆｇ
と表される。ここで、ρｆ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ρｐ＝９９７．０４ｋｇ／ｍ３、空気の密度ρｆ＝１．１８４３ｋｇ／ｍ３、空気の粘性率η（２５℃）＝０．００００１８２、重力加速度ｇ＝９．８０７ｍ／ｓ２、となる。ｖｇ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ｖｇ０は上式をゼロと置くことにより次式となる。【００４２】
ｖｇ０＝２ｒ２（ρｐ−ρｆ）ｇ／（９η）【００４３】
次に、水クラスターイオンの重力方向と直角方向の運動についてである。水クラスターイオンの電荷をｑとすると、電場の大きさがＥのとき、水クラスターイオン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。【００４４】
ｍ・（ｄｖｔ／ｄｔ）＝ｑＥ−６πηｒｖｔ【００４５】
従って、このときの終末速度ｖｔ０は、
ｖｔ０＝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の引出用電極と検出用電極間に３５０Ｖを印加したとすると、電界Ｅ＝３５０００Ｖ／ｍとなる。【００４６】
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ρｐ＝９９７．０４ｋｇ／ｍ３、空気の密度ρｆ＝１．１８４３ｋｇ／ｍ３、空気の粘性率η＝０．００００１８２、重力加速度ｇ＝９．８０７ｍ／ｓ２、電荷ｑ＝１．６０２１×１０−１９Ｃ（Ａ・ｓ）、電界Ｅ＝３５０００Ｖ／ｍとして、水クラスターの半径ｒによるｖｇ０とｖｔ０変化を計算すると、図５のようになる。例えば、図３において、コロナ放電用針電極２と対向電極５の距離Ｌ１＝３ｍｍ、対向電極５の開口径Ｌ２＝３ｍｍ、対向電極と検出電極の距離Ｌ３＝１０ｍｍとした場合、対向電極５の中心から発生した水クラスターイオンが検出電極６に衝突するためには少なくとも１．５ｍｍの偏向量が必要である。このときの水クラスターイオンの半径は０．２７μｍと推定される（図６参照）。【００４７】
さて、対向電極５の開口部から、電荷１．６０２１×１０−１９Ｃを持つ半径０．１μｍの水クラスターイオンが２．５×１０１２個／秒発生した場合を考える。最初に発生した水クラスターイオンが対向電極５と検出電極６の間をドリフト中に、水クラスターとの結合が複数回起こると、全体の電荷を保ったまま水クラスターイオンの半径が大きくなる。例えば、半径０．１μｍの水クラスターイオンが約４３個結合したとすると、その半径は０．３５μｍに増加し、その際の偏向量は約３．１ｍｍとなる。この場合には，水クラスターイオンと水クラスターとの反応による水クラスターイオンの巨大化により、最初の半径０．１μｍの水クラスターイオンがほぼ全てが検出できることになる。この結果として、μＡレベルの電流が検出されることになる。【００４８】
図７には、本発明を用いた場合の、非接触での呼気の検出例を示している。呼気と吸気に伴う１サイクルがひとつのピーク（ここでは、呼気ピークと呼ぶ）として検出されていることが確認される。これは、被験者の口と呼気導入口１４との距離が１５ｃｍ程度のときのデータである。被験者の口と呼気導入口１４との距離依存性は、図８に示している。距離が５０ｃｍ離れても呼気ピークが明確に検出されており、本手法の非接触性に関する高い性能がわかる。また、本発明において、水クラスターが検出電極６における電流量変化の主要因であることを示すために、水を含むシリンジと水を含まないシリンジを用いて、それぞれ湿度３０％程度の空気流と湿度１８％程度の空気流を繰り返し発生させて検出した場合の差を図９に示した。湿度３０％程度の場合の方が、５００倍程度信号強度が強いことがわかり、これは本発明における検出法において、呼気中の水クラスターの強い関与を示すものである。【００４９】
以上の例では、正のコロナ放電を用いて生成した正のイオンの場合を述べてきたが、負のコロナ放電を用いて生成した負のイオンを用いることができることは言うまでもない。【００５０】
図１０は、アルコール検出を用いるセンサー部１を内蔵したセンサーボックス２６である。センサーボックス用呼気導入口２９から呼気を導入し、結果を表示２７に、数値あるいは色を変えたライトで表示する。スイッチ２９は、このセンサーボックスの電源を入れるためのものである。
【実施例２】
【００５１】
本発明を用いると、自動車などの移動体における飲酒運転防止装置に利用可能である。本発明を自動車に利用する場合の例を、図１１（ａ）、図１１（ｂ）に示した。図１１（ａ）は、呼気モニター部３０と、アルコールセンサー部３１を分割した場合を示しており、図１１（ｂ）は、呼気モニター部３０にアルコールセンサー部３１を合体した場合を示している。呼気モニター部３０には、コロナ放電用針電極２、開口部を有する対向電極５、同じく開口部を有する検出電極６、呼気導入口用メッシュ状板１７ａ、呼気排出口用メッシュ状板１７ｂ、１７ｃを設けており、コロナ放電用針電極２、対向電極５には、コネクター３２ａ、３２ｂを通して電圧が印加されるようになっている。通常、コロナ放電用針電極２には数百ボルトから数ｋＶの電圧（コロナ放電用針電極２と対向電極５の間に、定電流高圧電源を用いて数百ボルトから数ｋＶの電圧を印加し、数μＡの電流を得る）、対向電極には数百ボルトの電圧（対向電極５と検出電極の距離が１０ｍｍのとき、５０〜６００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３１では、半導体センサーなどのアルコールセンサーヘッド３３、センサー用制御基板３４、センサー制御ライン３５、信号ライン３６ａ、出力用の信号ライン３６ｂ、コネクター３２ｃを設けている。アルコールセンサーヘッド３３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できる。【００５２】
図１２は、呼気モニター部３０およびアルコールセンサー部３１を、モニター用ケース３７ａ、３７ｂに収納する場合を示している。このモニター用ケース３７は、台座３８を通して、図１３に示すように、コラムカバー３９上に設置される。台座３８において、多少モニター用ケース３７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。モニター用ケース３７の設置場所のひとつは、図１４（ａ）に示す、ステアリングホイール４０の後ろにあるコラムカバー３９の上である。この場合、図１４（ｂ）に示すように、運転者の呼気がステアリングホイール４０の上半分の隙間から、モニター用ケース３７に到達することになる。従って、図１４で示した例に加えて、ステアリングホイール横のダッシュボード上につけることも可能である。このような位置にセンサーボックス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。【００５３】
図１５に、呼気モニター部の内部の電極構成の一例を示した。コロナ放電用針電極２と対向電極５の間で発生したイオンビームは、対向電極５と検出電極６間に印加された電圧により検出電極方向に加速される。ここで、図１５の紙面に垂直な方向から紙面に向かって数秒間呼気が導入されると、呼気からの水クラスターがイオンと反応して、重量が増加したイオンビームは図１５に示すように重力方向に偏向し、検出電極６に衝突して電流として検出される。このとき、図１５のように、アルコールセンサーヘッド３３をコロナ放電用針電極２の延長上に配置しておくと、呼気中に含まれていたアルコールの一部が検出されることになる。ただし、この場合には、コロナ放電用電極２から発生した大量のイオンが常にアルコールセンサーヘッド３３に導入されるので、アルコールセンサーヘッド３３にダメージを生じさせる場合がある。そこで、図１６に示すように、アルコールセンサーヘッド３３をコロナ放電用針電極２の延長線上から、１ｍｍから２０ｍｍ程度ずらして配置すると（対向電極５と検出電極６の距離が１０ｍｍ程度のとき）、呼気が導入されたときだけ、コロナ放電用針電極２からのイオンビームの一部がアルコールセンサーヘッド３３に導入されることになり、アルコールセンサーの長寿命という観点から都合が良い。【００５４】
図１７に、図１６の構成を用いて検出された場合の、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３３に、運転席の人と同乗している人が、ともに飲酒している場合の例を示している（ただし、当然のことながら、このとき車は走行していない状態である）。図３３（ａ）は、運転席の人の呼気ピークの検出例、図３３（ｂ）は、同乗している人の呼気によるバックグランドと、運転席の人の呼気に連動するアルコールピークの検出例である。図３３（ｂ）のように、飲酒している同乗している人の呼気アルコールによるバックグランドが観測されている状態でも、運転席の人の呼気に連動するアルコールピークが検出されることによって、運転席の人が飲酒していることが容易にわかる。【００５５】
図１７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、これはアルコールセンサーヘッド３３の配置の問題であり、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。その他、アルコールセンサーヘッド３３の位置を、コロナ放電用針電極２の延長線上からずらすことは、アルコールの検出感度にも影響する。図１８には、図１７と同じ条件（アルコール濃度１１％のワインを１８０ｍｌ摂取して２時間後の呼気測定）における、呼気ピークとアルコールピークを示しているが、図１８のアルコールピークは図１７のアルコールピークより低くなっている。呼気中のアルコール分子が、水クラスター中に多く存在しているためである。ちなみに、図１８の場合には、コロナ放電用の針電極２の軸とアルコールセンサーヘッド３３の軸をずらしており、ここでは６ｍｍ程度ずらしている。【００５６】
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１９に示した。エンジンスタート後、運転者には、すぐに呼気をモニター用ケース３７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の間に第３者が割り込めないように、モニター用ケース３７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。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。【００５７】
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２０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、運転者にモニター用ケース３７に向かって呼気を吐き出してもらう。図１９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、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。【００５８】
図２１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３０につけて、運転者の口とモニター用ケース３７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。【００５９】
以上のようなアルコールチェックは、自動車のドライバーに限らず、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、プラントのオペレイターに適用することも有効である。
【実施例３】
【００６０】
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２２は、本発明を用いて、欠伸や頭の傾きに伴う呼気検出の変化を示したもの（ここでは、呼気スペクトルと呼ぶこととする）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スペクトルに変化が生じ始め（呼気に基づくピーク、すなわち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、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。このようにセンサーによって得られた信号にもとづく呼気スペクトルの算出や、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。【００６１】
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１４に示すように、本発明による居眠り運転防止装置をステアリングホイール４０のコラムカバー３９上に配置した場合を考える。この場合には、図２３（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２３（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Ｔ１である）となる。このような場合に、欠伸が出たり、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（Ｔ１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２４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)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（警告音、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。【００６２】
図２４に示したアルゴリズムは、呼吸という無意識下の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、図２５に示すように、意識下の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。呼気ピークが閾値を下回った場合には、図２５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、意識下活動が低下することを利用したものであり、無意識下活動の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。【００６３】
ただし、図１４に示すように、本発明による居眠り運転防止装置をステアリングホイール４０近くに配置した場合、ステアリングホイール４０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運転防止装置では、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２６には、警告香りを出すシステムの例を示したが、コラムカバー３８の近くに、カバー４１で覆われた香り発生装置４２を配置し、上記の方法で居眠りが検出された場合には、やや強い刺激臭を運転者に向かって発生させることは、運転者を覚醒させる点で有効である。【００６４】
以上のような居眠りチェックは、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、プラントのオペレイターに適用することも有効である。
【実施例４】
【００６５】
本発明を用いると、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。図２７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。【００６６】
機器用のインターフェイスのコマンドとしては、図２８に示す例が考えられる。図２８（ａ）は呼気１回の場合、図２８（ｂ）は呼気２回の場合、図２８（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２８（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２８（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。【００６７】
図２９のような本発明を用いた機器インターフェイス４２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。図３０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３１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３２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。
【実施例５】
【００６８】
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。
【実施例６】
【００６９】
図２５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アルコール検出器に導入すると、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。【００７０】
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て当該指の設置面と略平行な方向にイオンビームの光軸を配置し、偏向されるイオンビームを検出するように構成すればよい。このとき、イオンビームによって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。【００７１】
尚、イオンビーム光軸の向きは設置面に対して必ずしも略平行である必要はなく、認証画像の撮影に影響が無いような配置であれば良い。
【実施例７】
【００７２】
図１１に示した装置に加え、液体試料からの気体を連続的に導入する装置を組み合わせると（例えば、シリンジポンプ）、いろいろな気体中の成分が精度良く計測できる。このとき、装置全体を、温度、湿度を制御したボックス中に入れると、粒径分布がほぼ同一のクラスターを常に発生できるようになるので、検出精度は大幅に向上する。上記の実施例では、主に半導体センサーを用いたアルコール検出の場合について述べてきたが、図１１の例では、アルコールセンサー部３１をはずすことができるので、呼気モニター部３０に対して、半導体センサーの種類を変えたり、定電流条件下でのコロナ放電電圧の変化計測、電気伝導度計測など、別の原理の検出器を用いることで、いろいろな種類の物質の測定が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
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。
【符号の説明】
【００７４】
１     センサー部
２     コロナ放電用針電極
３     ホールダ押え
４     コロナ放電用針電極ホールダ
５     対向電極
６     検出電極
７     停止電極
８     センサー部蓋
９     対向電極用支え
１０   検出電極用支え
１１   第１排気口用継ぎ手
１２   第２排気口用継ぎ手
１３   イオン源部排気口
１４   呼気導入口
１５   呼気排出口
１６   第２呼気排出口
１７ａ 呼気導入口用メッシュ状板
１７ｂ 呼気排出口用メッシュ状板
１８   第１呼気排出口
１９   第２呼気排出口
２０   イオン源部排気用継ぎ手
２１   針電極用高圧電源
２２   対向電極用高圧電源
２３   検出電極用増幅器
２４   アルコールセンサー用電源
２５   アルコールセンサー
２６   センサーボックス
２７   表示
２８   センサーボックス用呼気導入口
２９   スイッチ
３０   呼気モニター部
３１   アルコールセンサー部
３２ａ、３２ｂ、３２ｃ      コネクター
３３   アルコールセンサーヘッド
３４   センサー用制御基板
３５   センサー制御ライン
３６ａ、３６ｂ信号ライン
３７ａ、３７ｂモニター用ケース
３８   台座
３９   コラムカバー
４０   ステアリングホイール
４１   カバー
４２   香り発生装置
４３   機器インターフェイス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【国際調査報告】
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