(57)【要約】【課題】  高感度、低コスト、高精度の揮発性有機物センサを提供する。【解決手段】  揮発性有機物センサは、第１の状態から、所定の揮発性有機物と接触することによって第２の状態に変化する指標物質と、指標物質の温度を制御する温度制御部と、第１波長の光を指標物質に照射する第１発光デバイスと、第１波長と異なる第２波長の光を指標物質に照射する第２発光デバイスと、指標物質からの反射光又は透過光を受光して電気信号を出力する受光デバイスと、第１発光デバイスから指標物質に第１波長の光を照射し、受光デバイスで指標物質からの反射光又は透過光を受光して出力される第１電気信号を観測し、第２発光デバイスから指標物質に第２波長の光を照射し、受光デバイスで指標物質からの反射光又は透過光を受光して出力される第２電気信号を観測し、第１及び第２電気信号とに基づいて指標物質が第１状態であるか第２状態であるかを判別し、評価対象のガス中における揮発性有機物の有無を評価する制御部とを備える。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の状態から、所定の揮発性有機物と接触することによって第２の状態に変化する指標物質と、
前記指標物質の温度を制御する温度制御部と、
第１波長の光を前記指標物質に照射する第１発光デバイスと、
前記第１波長と異なる第２波長の光を前記指標物質に照射する第２発光デバイスと、
前記指標物質からの反射光又は透過光を受光して電気信号を出力する受光デバイスと、
前記第１発光デバイスから前記指標物質に前記第１波長の光を照射し、前記受光デバイスで前記指標物質からの反射光又は透過光を受光して出力される第１電気信号を観測し、前記第２発光デバイスから前記指標物質に前記第２波長の光を照射し、前記受光デバイスで前記指標物質からの反射光又は透過光を受光して出力される第２電気信号を観測し、前記第１電気信号と前記第２電気信号とに基づいて前記指標物質が前記第１状態であるか前記第２状態であるかを判別し、評価対象のガス中における前記揮発性有機物の有無を評価する制御部と
を備えることを特徴とする揮発性有機物センサ。
【請求項２】
前記受光デバイスは、電圧を印加することによって前記第１波長及び前記第２波長より長波長の光を発光する発光ダイオードとして機能することを特徴とする請求項１に記載の揮発性有機物センサ。
【請求項３】
前記指標物質は、前記第２の状態の前記指標物質からの反射光又は透過光のスペクトルが、前記第１の状態の前記指標物質からの反射光又は透過光のスペクトルと比較して、前記第１波長又は前記第２波長の少なくとも一方の波長で異なる光強度を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の揮発性有機物センサ。
【請求項４】
前記第１波長及び前記第２波長の両方と異なる第３波長の光を前記指標物質に照射する第３発光デバイスであって、前記第１状態及び前記第２状態の両方で、前記第３波長の光について前記指標物質からの反射光又は透過光を受光して前記受光デバイスから出力される第３電気信号が実質的に同一である第３発光デバイスをさらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の揮発性有機物センサ。
【請求項５】
前記第１発光デバイス及び前記第２発光デバイスの少なくとも一方は、発光ダイオードであることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の揮発性有機物センサ。
【請求項６】
前記第１発光デバイス及び前記第２発光デバイスの少なくとも一方は、エレクトロルミネッセンス素子であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の揮発性有機物センサ。
【請求項７】
前記第１発光デバイス、前記第２発光デバイス、及び前記受光デバイスは、前記第１及び第２発光デバイスからの光を前記指標物質で反射し、前記指標物質からの反射光を前記受光デバイスで受光するように配置されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の揮発性有機物センサ。
【請求項８】
前記第１発光デバイス、前記第２発光デバイス、及び前記受光デバイスは、前記第１及び第２発光デバイスからの光が前記指標物質を透過し、前記指標物質からの透過光を前記受光デバイスで受光するように配置されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の揮発性有機物センサ。
【請求項９】
複数の異なる指標物質を含み、前記複数の発光デバイス、及び前記受光デバイスの対象となる指標物質を変える位置決め治具をさらに備え、さらに、該複数の異なる指標物質を用いたそれぞれの測定結果に基づいて、前記評価対象のガスを評価することを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の揮発性有機物センサ。
【請求項１０】
前記指標物質を収納し、前記指標物質に前記評価対象のガスを接触させる容器をさらに備えることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の揮発性有機物センサ
【請求項１１】
前記指標物質は、ナイルレッド、金属ポルフィリン、メチルレッドの群から選ばれる少なくとも一つであることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の揮発性有機物センサ。
【請求項１２】
第１指標物質を含む第１組の請求項１から１０のいずれか一項に記載の前記揮発性有機物センサと、
第２指標物質を含む第２組の請求項１から１０のいずれか一項に記載の前記揮発性有機物センサと
を備え、
前記第２指標物質による測定結果を用いて前記第１指標物質による測定結果を較正し、前記評価対象のガスを評価することを特徴とする揮発性有機物センサ。
【請求項１３】
指標物質を含む請求項１から８、又は１０のいずれか一項に記載の前記揮発性有機物センサを複数備え、それぞれ含む指標物質がお互いに異なり、それぞれの有機物センサの測定結果に基づいて、前記評価対象のガスを評価することを特徴とする揮発性有機物センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス中の揮発性有機物を検出する揮発性有機物センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の揮発性有機物（ＶＯＣ）センサでは、ガス中の濃度測定する化学物質と反応して吸収スペクトルが変化する物質を塗布した試験紙の色変化を評価するために、白色光を試験紙に照射し、その反射光を３色の受光デバイスたとえばＣＣＤやフォトダイオードで受光して、試験紙の色変化を評価するものがあった（例えば、非特許文献１を参照。）。
【０００３】
【非特許文献１】学会論文集  電気学会全国大会、２００３年、３−１１１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような揮発性有機物センサにあっては、受光デバイスとして複数の高価な光倍増管、ＣＣＤ、フォトダイオードを用いているため、揮発性有機物センサ自体も高価となる。なお、高価という意味は、デバイス出力電圧または電流を計測するための電流評価回路や電圧評価回路も含む。
【０００５】
本発明の目的は、低コストの揮発性有機物センサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る揮発性有機物センサは、第１の状態から、所定の揮発性有機物と接触することによって第２の状態に変化する指標物質と、
前記指標物質の温度を制御する温度制御部と、
第１波長の光を前記指標物質に照射する第１発光デバイスと、
前記第１波長と異なる第２波長の光を前記指標物質に照射する第２発光デバイスと、
前記指標物質からの反射光又は透過光を受光して電気信号を出力する受光デバイスと、
前記第１発光デバイスから前記指標物質に前記第１波長の光を照射し、前記受光デバイスで前記指標物質からの反射光又は透過光を受光して出力される第１電気信号を観測し、前記第２発光デバイスから前記指標物質に前記第２波長の光を照射し、前記受光デバイスで前記指標物質からの反射光又は透過光を受光して出力される第２電気信号を観測し、前記第１電気信号と前記第２電気信号とに基づいて前記指標物質が前記第１状態であるか前記第２状態であるかを判別し、評価対象のガス中における前記揮発性有機物の有無を評価する制御部と
を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明に係る揮発性有機物センサによれば、指標物質を所定温度に保持しながら、互いに異なる発光中心波長の２つの発光デバイスを順次発光させて指標物質に照射し、指標物質からの反射光又は透過光を１つの受光デバイスで順次受光して得られる第１電気信号と第２電気信号とに基づいて指標物質が第１状態又は第２状態のうちのいずれの状態であるかを判別し、揮発性有機物の有無を安定して精度よく評価できる。これにより、低コストであって高精度の揮発性有機物センサを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の実施の形態に係る揮発性有機物センサについて添付図面を用いて以下に説明する。なお、図面において、実質的に同一の部材には同一の符号を付している。
【０００９】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る揮発性有機物センサ１０の構成を示す概略図である。この揮発性有機物センサ１０は、７個の発光デバイス１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ、１ｇとしてそれぞれ異なる発光中心波長を有する７個の発光ダイオードと、１個の受光デバイス２である発光ダイオードと、指標物質３としてのナイルレッドと、該指標物質３を収納する測定セル６と、測定セル６に評価対象のガスを導く配管５と、ガスを導入するためのポンプ４と、測定セル６内の指標物質３を一定の設定温度に制御する温度制御部７と、位置決め治具８と、制御部９とからなる。図２は、７つの発光デバイスと１つの受光デバイスとの位置関係を示す概略的な平面図である。７つの発光デバイスは１つの受光デバイス２を中心とした円弧状に配置されている。測定セル６は透明ガラスからなる。なお、発光デバイス及び受光デバイスである発光ダイオードは、すべて測定セル６の外部に配置されているが、各発光デバイス１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ、１ｇからの光は測定セル６を透過し、指標物質３で一部反射され、受光デバイス２に至る。位置決め治具８は、各発光デバイス及び受光デバイス２と指標物質３との相対位置を可変あるいは固定するものである。制御部９は、各発光デバイスの発光タイミングを制御すると共に、受光デバイス２の出力から、指標物質３が揮発性有機物に曝される前の状態か、曝された後の状態のいずれであるかを判別し、評価対象のガスに該揮発性有機物が含まれるか否かを評価する。
【００１０】
図３は、指標物質３のナイルレッドの分子式を示す図である。ナイルレッドは、揮発性有機物（ＶＯＣ）であるトリエチルアミンなどと相互作用することにより、わずかに色が変化する。図４は、ナイルレッドおよび希薄なトリエチルアミンと接触させたトリエチルアミンのスペクトルを示す。グラフからは分かりにくいが、トリエチルアミンとの反応前には吸収ピークは波長５１０ｎｍ近傍にあったが、反応後はわずかに短波長側へシフト（すなわち図では左方向に移動）した。その結果、波長５００ｎｍよりも短波長側の吸光度が少し上がり、長波長側の吸光度が少し上昇した。発光デバイス１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ、１ｇに用いる発光ダイオードとして、発光中心波長が４０５ｎｍ（紫）、４７０ｎｍ（青）、５７０ｎｍ（緑）、５９５ｎｍ（黄）、６３０ｎｍ（橙）、６４０ｎｍ（赤）、８８０ｎｍ（赤外）である７つの発光ダイオードを選択した。受光デバイス２に用いる発光ダイオードとしては、上記各発光デバイスの発光中心波長と同等かより長い波長のものであれば用いることができる。この受光デバイス２には発光中心波長が９６０ｎｍの発光ダイオードを用いた。
【００１１】
この揮発性有機物センサ１０では、発光デバイス１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ、１ｇのみならず受光デバイス２にも発光ダイオードを用いている。これにより、発光デバイス及び受光デバイスの調達コストや基板への装着コスト等を下げることができると共に、消費電力を下げることができる。また、受光デバイスが高感度なため発光デバイスの発光量を小さくすることができ、指標物質の光劣化を小さくできる。
【００１２】
なお、発光デバイスには、発光ダイオードに限られず、エレクトロルミネッセンス素子を用いてもよい。また、受光デバイスには、発光ダイオードに限られず、フォトダイオードを用いてもよい。
【００１３】
以下に、この揮発性有機物センサ１０による揮発性有機物の評価について説明する。
（ａ）まず、指標物質３のナイルレッドを、溶媒であるクロロホルムに濃度が０．５ｍｇ／ｍｌとなるように溶解し、その溶液をシリカプレート上に滴下し、直径約２ｃｍになるように広げ、風乾して、紫色のスポットを得た。このスポット状の指標物質３を含むシリカプレートを測定セル６内の温度制御部７の上に載置した。
（ｂ）次に、評価対象の揮発性有機物に、２−プロパノール、アセトアルデヒド、トリエチルアミン、酢酸を用い、参照用のサンプルガスとして、上記揮発性有機物をそれぞれ別々に空気中に２５０ｐｐｍ、５００ｐｐｍの濃度で含むものを用意した。
（ｃ）発光デバイス１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ、１ｇを、図２の平面図に示すように、受光デバイス２を中心として周囲に配置し、これらと指標物質３との相対位置を位置決め治具８によって固定する。
（ｄ）温度制御部７で指標物質３の温度をほぼ２５℃に制御しながら、ポンプ４によって、上記参照用のサンプルガスを配管５を介して測定セル６内に導入した。
（ｅ）各発光デバイス１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ、１ｇの発光ダイオードを時間間隔を空けて順次発光させて指標物質３からの反射光を受光デバイス２で受光し、出力される電気信号を順次測定した。
（ｆ）各発光デバイス１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ、１ｇに対応する受光デバイス２の出力の結果について、上記参照用サンプルガスのうち、空気中の各揮発性有機物の濃度が２５０ｐｐｍの場合の評価結果（曝露前後の応答変化（％））を表１に示す。また、空気中の各揮発性有機物の濃度が５００ｐｐｍの場合の評価結果（曝露前後の応答変化（％））を表２に示す。この結果から、各揮発性有機物について７つの発光デバイスによる応答の組合せがそれぞれ固有の組み合わせであることがわかる。
（ｇ）そこで、評価対象の揮発性有機物を含有するガスについて、７つの発光デバイスによる応答の組合せを得て、上記４つの揮発性有機物の各組合せと比較することによって、４つの揮発性有機物のいずれであるか、あるいはその混合物であるかについて評価できる。さらに、評価対象のガスに含まれる４つの揮発性有機物のそれぞれの濃度についても評価できる。
【００１４】
【表１】
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【００１５】
【表２】
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【００１６】
図５は、表１の空気中のガス濃度が２５０ｐｐｍの場合の曝露前後の応答変化（％）を示す棒グラフである。このグラフから分かるように、４種の揮発性有機物に対する曝露前後の応答変化は全く異なっている。また、応答変化の程度は、表１及び表２を参照すると、揮発性有機物の濃度に依存することがわかる。すなわち、この揮発性有機物センサを使うことによって、低コストで揮発性有機物の定性評価及び定量評価ができる。
【００１７】
従来のように、指標物質３の温度制御を行わない場合には、導入する大気の温度によって指標物質３の温度が変動するので、出力値が変動してしまい、受光デバイス２からの出力値から揮発性有機物の濃度を推定することが困難であった。この揮発性有機物センサ１０では、指標物質３を所定温度に保持する温度制御部７を備える。そこで、この揮発性有機物センサによって、揮発性有機物を精度よく評価できる。なお、指標物質３の温度を上げた場合には安定なデータになる時間が早くなったが、濃度に対する応答量が小さくなった。
【００１８】
また、揮発性有機物センサ１０において、サンプルガスに加湿を行う加湿装置又は除湿を行う除湿装置等の湿度制御部をさらに設けてもよい。この場合、指標物質３が水分子に対して感受性を持つ場合に、水分子の影響を小さくすることができる。加湿装置には、水分子透過膜、水によるバブリング装置など、除湿装置には、冷却管、乾燥剤（酸化カルシウムなど）充填管などを用いることができる。
【００１９】
なお、上記の揮発性有機物は、悪臭物質でもあるので、この揮発性有機物センサは、悪臭センサとして用いることができる。その場合、においの感じ方は各個人で異なるという主観的な面もあるので、揮発性有機物質の濃度と臭い強度の関係をあらかじめデータベースとして、この揮発性有機物センサ内のメモリに記憶させておいてもよい。あるいは、該データベースを外部装置に記憶させておき、必要に応じて取得してもよい。この揮発性有機物センサの評価値と該データベースとを比較することにより、悪臭度を客観的に評価する悪臭センサとして用いることができる。
【００２０】
なお、上記の４つの揮発性有機物（２−プロパノール、アセトアルデヒド、トリエチルアミン、酢酸）は、悪臭物質である、アルコール類（ブタノールなど）、アルデヒド類（ホルムアルデヒドなど）、アミン類、有機酸（酪酸など）の代表として用いたものであり、これらに限定するものではない。この揮発性有機物センサは、上記４物質以外の悪臭物質の評価にも用いることができる。
【００２１】
なお、受光デバイス２の発光ダイオードの出力評価回路としては、ＴＡＬＡＮＴＡ、第６３巻、Ｉｓｓｕｅ  １、第１６７頁−第１７３頁、２００４年５月に示される方法を用いることができる。この方法について以下に説明する。まず、受光デバイス２としての発光ダイオードには発光時とは逆のバイアスを印加しておく。それにより、発光部の半導体を挟む２つの電極に電荷が蓄積され、発光ダイオードはコンデンサーとして働く。半導体に光が照射されると、受光した光強度に応じた抵抗値を持つため、半導体を通して蓄積された電荷が移動して減少する。その結果、２電極間の電圧は下がる。例えば、最初に逆バイアスとして５Ｖ印加し、その後、一定の電圧、例えば、１．７Ｖまで低下するまでの時間（減衰時間）を計測する。この減衰時間は半導体の抵抗、すなわち受光した光強度に依存する。そこで、減衰時間を計ることによって受光した光強度を定量的に得ることができる。
【００２２】
実施の形態２
本発明の実施の形態２に係る揮発性有機物センサは、実施の形態１に係る揮発性有機物センサと比較すると、指標物質３として、ナイルレッドに代えて、メチルレッド、ライハルト色素、あるいはコバルトポルフィリン、鉄ポルフィリン等の金属錯体を用いる点で相違する。指標物質３には、５，１０，１５，２０−テトラキス（ペンタフルオロフェニル）２１Ｈ，２３Ｈ−ポルフィリン鉄（ＩＩＩ）を用いる。これは、Ｆｅ（ＴＰＦＰ）と略称される。指標物質３のスポットの調製は、ナイルレッドと同様にして行うことができる。図６に、実施の形態１と同様な方法で、揮発性有機物としてトリエチルアミンおよび酢酸を含むサンプルガスを評価した結果を示す。この揮発性有機物センサによって、図６のグラフに示すように、揮発性有機物のトリエチルアミンと酢酸を識別することができる。
【００２３】
実施の形態３．
本発明の実施の形態３に係る揮発性有機物センサは、実施の形態１に係る有機物センサを実質的に二組備えているものと考えることができる。この揮発性有機物センサでは、２つの指標物質を用いる。第１指標物質には、実施の形態１の指標物質のナイルレッドを用い、第２指標物質には、実施の形態２の指標物質のＦｅ（ＴＰＦＰ）を用いる。臭い物質（揮発性有機物）として、酢酸または２−プロパノールまたはトリエチルアミンの２５０ｐｐｍ混入の空気を用いる。
【００２４】
この揮発性有機物センサによって、実施の形態１と同様な実験を行ったところ、第１指標物質のナイルレッドによって、トリエチルアミンと他の２物質を識別でき、第２指標物質のＦｅ（ＴＰＦＰ）によって、酢酸と他の２物質をそれぞれ識別できた。そこで、第１指標物質のナイルレッドと第２指標物質のＦｅ（ＴＰＦＰ）の両方の結果から、酢酸、２−プロパノール、トリエチルアミンの３物質を識別することができた。また、このように指標物質を２種類以上用いて得た評価データを用いて悪臭度の判断を精度よく行うことができる。
【００２５】
なお、上記各実施の形態に係る揮発性有機物センサでは、発光デバイスには発光ダイオードを用いているが、これに限られない。例えば、発光デバイスとして、広い波長域の光、例えば、白色ＬＥＤ、白熱灯、蛍光灯等の白色光を発光するデバイスと所定の波長域の光のみを通過させるバンドパスフィルタとを組み合わせたものを用いてもよい。このように発光デバイスとして白色光を発光するデバイスとバンドパスフィルタとを組み合わせることによって、所望の発光中心波長を有する発光デバイスを簡易に構成することができる。なお、白色光を発光する１つの白色光発光デバイスと、シャッタとバンドパスフィルタとを組み合わせてもよい。この場合、シャッタを順次開閉することで発光デバイスを順次発光させることができる。これにより、所望の発光中心波長を有する発光デバイスを簡易に構成することができる。
【００２６】
また、以上の実施の形態において、本発明に係る揮発性有機物センサは、出力と濃度等との間の変換用データを格納するメモリや変換のための演算処理装置を備えていてもよい。さらに、変換用データを記憶する外部記憶装置から通信によって該変換用データを取得するかあるいは、演算結果を外部に送る発信器やアンテナ等の通信手段をさらに備えてもよい。またさらに、この揮発性有機物センサは、乾電池、蓄電池、太陽電池等の電源、データや演算結果を表示する表示装置を備えていてもよい。また、必要に応じて、演算結果に基づいて警報するアラーム装置、さらに、アラーム装置にアラーム設定値を入力するキー等を併せて備えていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施の形態１による揮発性有機物センサを示す概略図である。
【図２】図１の発光デバイス及び受光デバイスの位置関係を示す概略平面図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係るよる揮発性有機物センサに用いる指標物質のナイルレッドの化学構造式である。
【図４】本発明の実施の形態１による揮発性有機物センサに用いる指標物質のスペクトル及びスペクトル変化を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態１における表１の結果を示すグラフである。
【図６】本発明の実施の形態２における結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２８】
１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ、１ｇ  発光デバイス、２  受光デバイス、３  指標物質、４  ポンプ、５  配管、６  測定セル、７  温度制御装置、８  位置決め治具、９  制御部、１０  揮発性有機物センサ
【図１】
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【図２】
2006250890.tif 000006
【図３】
2006250890.tif 000007
【図４】
2006250890.tif 000008
【図５】
2006250890.tif 000009
【図６】
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