(57)【要約】【課題】単一素子のセンサにより呼気の流量及び温湿度を測定し、人の呼気であるか否かを判断する呼気センサ及びそれを用いたアルコール濃度測定装置を提供する。【解決手段】呼気センサは、１つの半導体基板２に設けられ呼気の流路中に設置される第１感温抵抗体３１及び第２感温抵抗体３２と、第１感温抵抗体を第１温度に制御し且つその温度に保つための消費電力に対応する電気量を出力する第１回路と、第１感温抵抗体を第２温度に制御し且つその温度に保つための消費電力に対応する電気量を出力する第２回路と、被検ガスと略同一温度の第２感温抵抗体の抵抗値に対応する電気量を出力する第３回路と、第１感温抵抗体の温度を第２感温抵抗体に対して所定温度だけ高い第４温度に制御し且つその温度に保つための消費電力に対応する電気量を出力する第４回路と、を備える。【選択図】図３
2013246007.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直接吹き込まれる呼気に含まれたアルコール濃度を測定するアルコール濃度測定装置に用いる呼気センサであって、
１つの半導体基板に設けられ、被検ガスの流路中に設置される第１感温抵抗体及び第２感温抵抗体と、
前記第１感温抵抗体を所定の第１温度に制御し、且つ該第１感温抵抗体を該第１温度に保つための消費電力に対応する電気量を出力する第１回路と、
前記第１感温抵抗体を前記第１温度とは異なる所定の第２温度に制御し、且つ該第１感温抵抗体を該第２温度に保つための消費電力に対応する電気量を出力する第２回路と、
前記流路中の前記被検ガスの温度と略同一温度の前記第２感温抵抗体の抵抗値に対応する電気量を出力する第３回路と、
前記第１感温抵抗体の温度を、前記流路中の前記被検ガスの温度と略同一温度の前記第２感温抵抗体に対して所定温度だけ高い第４温度に制御し、且つ該第１感温抵抗体を該第４温度に保つための消費電力に対応する電気量を出力する第４回路と、
を備え、
前記第１回路、前記第２回路及び前記第４回路は、１つのブリッジ回路の構成をスイッチ手段により切替えることによって構成されることを特徴とする呼気センサ。
【請求項２】
前記第１回路、前記第２回路及び前記第４回路のうちの少なくとも１つの出力により前記流路を流れる前記被検ガスの流量を測定する流量測定手段と、
前記被検ガスの流れが停止された後に、前記第１回路と前記第２回路とを切替えてその各出力により前記流路中に残留する前記被検ガスの湿度に対応する湿度対応値を算出する湿度測定手段と、
を備える請求項１記載の呼気センサ。
【請求項３】
前記第１感温抵抗体及び前記第２感温抵抗体は、それぞれ前記半導体基板の一部が除去された基板除去部を覆い且つ自立する絶縁薄膜部材の表面又は内部に形成されている請求項１又は２に記載の呼気センサ。
【請求項４】
前記第１感温抵抗体は、前記第２感温抵抗体に対して前記流路中の下流側に配設される請求項１乃至３のうちのいずれかに記載の呼気センサ。
【請求項５】
請求項２乃至４のうちのいずれかに記載の呼気センサを備えるアルコール濃度測定装置であって、
前記流量測定手段は、更に、所定範囲の流量の前記被検ガスが所定時間連続して流れたことを検知したときは適正流量と判定し、
前記湿度測定手段は、更に、前記湿度対応値が所定範囲である場合には適正湿度と判定し、
呼気の吹込みを促した後に、前記流量測定手段により前記被検ガスの流量を測定して前記適正流量と判定された場合には前記吹込みの停止を促し、前記吹込みが停止された後に、前記湿度測定手段により前記被検ガスの湿度対応値を算出して前記適正湿度と判定された場合には、前記流路から導入された前記被検ガスについてアルコール濃度の測定を可とするセンサ制御手段を備えることを特徴とするアルコール濃度測定装置。
【請求項６】
直接吹き込まれる呼気に含まれたアルコール濃度を測定するアルコール濃度測定装置に用いる呼気センサであって、
１つの半導体基板に設けられ、被検ガスの流路中に設置された、１又は２以上の第１感温抵抗体、及び１又は２以上の第２感温抵抗体と、
いずれかの前記第１感温抵抗体を所定の第１温度に制御し、且つ該第１感温抵抗体を該第１温度に保つための消費電力に対応する電気量を出力する第１回路と、
いずれかの前記第１感温抵抗体を前記第１温度とは異なる所定の第２温度に制御し、且つ該第１感温抵抗体を該第２温度に保つための消費電力に対応する電気量を出力する第２回路と、
前記流路中の前記被検ガスの温度と略同一温度とされたいずれかの前記第２感温抵抗体の抵抗値に対応する電気量を出力する第３回路と、
いずれかの前記第１感温抵抗体の温度を、前記流路中の前記被検ガスの温度と略同一温度とされたいずれかの前記第２感温抵抗体に対して所定温度だけ高い第４温度に制御し、且つ該第１感温抵抗体を該第４温度に保つための消費電力に対応する電気量を出力する第４回路と、
を備えることを特徴とする呼気センサ。
【請求項７】
前記第１回路、前記第２回路及び前記第４回路のうちの少なくとも１つの出力により前記流路を流れる前記被検ガスの流量を測定する流量測定手段と、
前記被検ガスの流れが停止された後に、前記第１回路及び前記第２回路の各出力により前記流路中に残留する前記被検ガスの湿度に対応する湿度対応値を算出する湿度測定手段と、
を備える請求項６記載の呼気センサ。
【請求項８】
前記第１感温抵抗体及び前記第２感温抵抗体は、前記半導体基板の一部が除去された基板除去部を覆い且つ自立する絶縁薄膜部材の表面又は内部に形成されている請求項６又は７に記載の呼気センサ。
【請求項９】
２以上の前記第１感温抵抗体は、１群の抵抗体として前記流路中の前記被検ガスの流れに対して垂直方向に且つ相互に離隔して配設され、前記第２感温抵抗体は、前記１群の抵抗体に対して前記流路中の流れの上流側に配設される請求項６乃至８のうちのいずれかに記載の呼気センサ。
【請求項１０】
請求項７乃至９のうちのいずれかに記載の呼気センサを備えるアルコール濃度測定装置であって、
前記流量測定手段は、更に、所定範囲の流量の前記被検ガスが所定時間連続して流れたことを検知したときは適正流量と判定し、
前記湿度測定手段は、更に、前記湿度対応値が所定範囲である場合には適正湿度と判定し、
呼気の吹込みを促した後に、前記流量測定手段により前記被検ガスの流量を測定して前記適正流量と判定された場合には前記吹込みの停止を促し、前記吹込みが停止された後に、前記湿度測定手段により前記被検ガスの湿度対応値を算出して前記適正湿度と判定された場合には、前記流路から導入された前記被検ガスについてアルコール濃度の測定を可とするセンサ制御手段を備えることを特徴とするアルコール濃度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、吹き込まれた被検ガスが人間の呼気であるか否かを判別するための流量・温湿度センサ、及びそれを用いて飲酒運転防止を図ることができるアルコール濃度測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車の運転については、法規制の強化にもかかわらず、飲酒運転に起因する事故が後を絶たない。このため、運転者の状態をテストし、運転に不適当な状態と判断された場合は自動車の運行を禁止する飲酒運転防止装置が望まれている。既に、一部の国や地域では、違反者を対象に飲酒運転防止装置を設置することが義務付けられている。
飲酒運転防止装置として、直接吹き込まれた運転者の呼気を採取し、呼気に含まれるアルコール濃度を測定するもの（例えば、特許文献１を参照。）や、運転者の呼気を使用しないで、人体の皮膚から発せられる汗中のアルコール濃度を検出するもの（例えば、特許文献２を参照。）等、種々の形態の飲酒運転防止装置が知られており、既に実用に供されているものもある。
これら各種の飲酒運転防止装置のうち、最も代表的な形態は、運転者により直接吹き込まれた呼気中に含まれるアルコール濃度を測定するものである。このような呼気中のアルコール濃度を測定する飲酒運転防止装置においては、呼気中のアルコール濃度の測定精度のみならず、その測定が適正に行われているか否かを検知することが重要である。呼気中のアルコール濃度の正確な測定を阻害する不正手段として、測定に当たって飲酒運転防止装置に人間の呼気を直接吹き込むのではなく、飲酒前に風船等に保存しておいた呼気を導入したり、ポンプによって外気を吹き込んだり、吸着フィルタを介して呼気を吹き込んだりすること等が行われるからである。
このため、飲酒運転防止装置に導入された被検ガスが直接吹き込まれた人間の呼気であるか否かを判別し、然る後にその被検ガス中のアルコール濃度を測定する方法も採用されている。多くの場合、不正手段により飲酒運転防止装置中に導入された被検ガスの温度や湿度が、通常の人間の呼気とは異なる。そこで、飲酒運転防止装置に吹込まれた被検ガスの温度や湿度等を測定することによって、不正な試験であることを検知することも可能になっている（例えば、特許文献３を参照。）。
また、直接吹込み式の飲酒運転防止装置については、欧州規格ＥＮ５０４３６−０１（非特許文献１を参照。）が定められており、その規格中では、吹込まれた被検ガスの量を検知すること、及び飲酒運転防止装置側で検知すべき不正手段が規定されている。それらの検知機能は、流量センサ又は圧力センサと、湿度センサを備えることによって実現することができる。
なお、熱伝導水素センサにおいて気体中の水蒸気濃度すなわち湿度を求める技術が知られている（非特許文献２を参照。）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−６９７４２号公報
【特許文献２】特開２００９−００４０３号公報
【特許文献３】特開２００９−００８４９９号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】ＥＮ５０４３６−０１
【非特許文献２】燃料電池Ｖｏｌ．７、２００７年２月、５７−６１頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記のとおり、直接吹き込まれた呼気に含まれるアルコール（エタノール）濃度を測定するアルコール濃度測定装置においては、呼気中のアルコール濃度を正確に測定するだけではなく、導入された被検ガスが直接吹き込まれた人間の呼気であるか否かを判別し、不正手段を防止することが必要である。アルコール検知の偽装を防止するために、例えば特許文献３に開示されているアルコール検知器においては、呼気及び吸気の通路中に備えた温度センサ、湿度センサにより温度・湿度を計測すると共に、風力センサにより検出される空気の流れが人間のパターンと判断された場合には、アルコールセンサによる検知結果を有効化するようにしている。
しかし、前記アルコール検知器等の従来技術においては、人間の呼気であるかを判別するために温度センサ・湿度センサ、風力センサ等、被検ガスの流路中に複数のセンサを配設しなければならなかった。このため、必要なセンサを構成するための部品数が多くなり、センサを配設するための構造も複雑になるという問題があった。また、不正手段を検知するために、例えば呼気と吸気とを求めたりするのは被検者にとって煩雑であり、人間の呼気であるか否かの判定方法も複雑であった。
飲酒運転防止等のために使用される直接吹込み式のアルコール濃度測定装置では、前記のとおり、吹込まれた被検ガスの流量及び湿度が重要な指標となる。このため、少ない部品数で構成することができ、小型化・高信頼化を図ることができる流量・温湿度センサが求められている。そして、そのような流量・温湿度センサを用いることにより、被検者（運転者）に煩雑な動作を要求することなく流量及び温湿度を測定し、人間の呼気であるか否かを簡単に判別することができるアルコール濃度測定装置が求められている。
【０００６】
本発明は、前記現状に鑑みてなされたもので、単一素子で構成可能なセンサにより被検ガスの流量及び湿度を測定し、その測定値から呼気中のアルコール検査が適正に行われているか否かを判断することができる呼気センサ、及びそれを用いて飲酒運転防止を図ることができるアルコール濃度測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は以下のとおりである。
１．直接吹き込まれる呼気に含まれたアルコール濃度を測定するアルコール濃度測定装置に用いる呼気センサであって、１つの半導体基板に設けられ、被検ガスの流路中に設置される第１感温抵抗体及び第２感温抵抗体と、前記第１感温抵抗体を所定の第１温度に制御し、且つ該第１感温抵抗体を該第１温度に保つための消費電力に対応する電気量を出力する第１回路と、前記第１感温抵抗体を前記第１温度とは異なる所定の第２温度に制御し、且つ該第１感温抵抗体を該第２温度に保つための消費電力に対応する電気量を出力する第２回路と、前記流路中の前記被検ガスの温度と略同一温度の前記第２感温抵抗体の抵抗値に対応する電気量を出力する第３回路と、前記第１感温抵抗体の温度を、前記流路中の前記被検ガスの温度と略同一温度の前記第２感温抵抗体に対して所定温度だけ高い第４温度に制御し、且つ該第１感温抵抗体を該第４温度に保つための消費電力に対応する電気量を出力する第４回路と、を備え、前記第１回路、前記第２回路及び前記第４回路は、１つのブリッジ回路の構成をスイッチ手段により切替えることによって構成されることを特徴とする呼気センサ。
２．前記第１回路、前記第２回路及び前記第４回路のうちの少なくとも１つの出力により前記流路を流れる前記被検ガスの流量を測定する流量測定手段と、前記被検ガスの流れが停止された後に、前記第１回路と前記第２回路とを切替えてその各出力により前記流路中に残留する前記被検ガスの湿度に対応する湿度対応値を算出する湿度測定手段と、を備える前記１．記載の呼気センサ。
３．前記第１感温抵抗体及び前記第２感温抵抗体は、それぞれ前記半導体基板の一部が除去された基板除去部を覆い且つ自立する絶縁薄膜部材の表面又は内部に形成されている前記１．又は２．に記載の呼気センサ。
４．前記第１感温抵抗体は、前記第２感温抵抗体に対して前記流路中の下流側に配設される前記１．乃至３．のうちのいずれかに記載の呼気センサ。
５．前記２．乃至４．のうちのいずれかに記載の呼気センサを備えるアルコール濃度測定装置であって、前記流量測定手段は、更に、所定範囲の流量の前記被検ガスが所定時間連続して流れたことを検知したときは適正流量と判定し、前記湿度測定手段は、更に、前記湿度対応値が所定範囲である場合には適正湿度と判定し、呼気の吹込みを促した後に、前記流量測定手段により前記被検ガスの流量を測定して前記適正流量と判定された場合には前記吹込みの停止を促し、前記吹込みが停止された後に、前記湿度測定手段により前記被検ガスの湿度対応値を算出して前記適正湿度と判定された場合には、前記流路から導入された前記被検ガスについてアルコール濃度の測定を可とするセンサ制御手段を備えることを特徴とするアルコール濃度測定装置。
６．直接吹き込まれる呼気に含まれたアルコール濃度を測定するアルコール濃度測定装置に用いる呼気センサであって、１つの半導体基板に設けられ、被検ガスの流路中に設置された、１又は２以上の第１感温抵抗体、及び１又は２以上の第２感温抵抗体と、いずれかの前記第１感温抵抗体を所定の第１温度に制御し、且つ該第１感温抵抗体を該第１温度に保つための消費電力に対応する電気量を出力する第１回路と、いずれかの前記第１感温抵抗体を前記第１温度とは異なる所定の第２温度に制御し、且つ該第１感温抵抗体を該第２温度に保つための消費電力に対応する電気量を出力する第２回路と、前記流路中の前記被検ガスの温度と略同一温度とされたいずれかの前記第２感温抵抗体の抵抗値に対応する電気量を出力する第３回路と、いずれかの前記第１感温抵抗体の温度を、前記流路中の前記被検ガスの温度と略同一温度とされたいずれかの前記第２感温抵抗体に対して所定温度だけ高い第４温度に制御し、且つ該第１感温抵抗体を該第４温度に保つための消費電力に対応する電気量を出力する第４回路と、を備えることを特徴とする呼気センサ。
７．前記第１回路、前記第２回路及び前記第４回路のうちの少なくとも１つの出力により前記流路を流れる前記被検ガスの流量を測定する流量測定手段と、前記被検ガスの流れが停止された後に、前記第１回路及び前記第２回路の各出力により前記流路中に残留する前記被検ガスの湿度に対応する湿度対応値を算出する湿度測定手段と、を備える前記６．記載の呼気センサ。
８．前記第１感温抵抗体及び前記第２感温抵抗体は、前記半導体基板の一部が除去された基板除去部を覆い且つ自立する絶縁薄膜部材の表面又は内部に形成されている前記６．又は７．に記載の呼気センサ。
９．２以上の前記第１感温抵抗体は、１群の抵抗体として前記流路中の前記被検ガスの流れに対して垂直方向に且つ相互に離隔して配設され、前記第２感温抵抗体は、前記１群の抵抗体に対して前記流路中の流れの上流側に配設される前記６．乃至８．のうちのいずれかに記載の呼気センサ。
１０．前記７．乃至９．のうちのいずれかに記載の呼気センサを備えるアルコール濃度測定装置であって、前記流量測定手段は、更に、所定範囲の流量の前記被検ガスが所定時間連続して流れたことを検知したときは適正流量と判定し、前記湿度測定手段は、更に、前記湿度対応値が所定範囲である場合には適正湿度と判定し、呼気の吹込みを促した後に、前記流量測定手段により前記被検ガスの流量を測定して前記適正流量と判定された場合には前記吹込みの停止を促し、前記吹込みが停止された後に、前記湿度測定手段により前記被検ガスの湿度対応値を算出して前記適正湿度と判定された場合には、前記流路から導入された前記被検ガスについてアルコール濃度の測定を可とするセンサ制御手段を備えることを特徴とするアルコール濃度測定装置。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の呼気センサによれば、第１感温抵抗体及び第２感温抵抗体を１つの半導体基板に設けて被検ガスの流路中に設置すればよいため、単一の素子により検出部を構成することができ、従来に比べてセンサの部品点数を減らし、小型化、高信頼化が可能になる。そして、第１回路、第２回路、第３回路及び第４回路を備え、そのうち第１回路、第２回路及び第４回路は、１つのブリッジ回路の構成をスイッチ手段により切替えることによって構成されるため、極めて簡単で少ない部品数の計測回路により、被検ガスの流量及び温湿度の測定を行うことが可能になる。
本呼気センサを自動車の飲酒運転防止装置に適用すれば、運転開始に際して、アルコール検査に対する不正手段を検知し、適正な検査により測定したアルコール濃度が規定値以下の場合はエンジンの始動を許可し、不正手段を用いた場合や規定値を超える場合にはエンジンの始動を禁止するように制御することが可能になる。
【０００９】
前記第１回路、前記第２回路及び前記第４回路のうちの少なくとも１つの出力により被検ガスの流量を測定する流量測定手段と、被検ガスの流れが停止された後に、第１回路と第２回路とを切替えて、その各出力により流路中に残留する被検ガスの湿度に対応する湿度対応値を算出する湿度測定手段と、を備える場合には、１回の呼気の吹込みに対する一連の制御及び測定によって、その呼気の流量と湿度とを算出することができる。
【００１０】
前記第１感温抵抗体及び前記第２感温抵抗体が、それぞれ前記半導体基板の一部が除去された基板除去部を覆い且つ自立する絶縁薄膜部材の表面又は内部に形成されている場合には、検出部（感温抵抗体部）の熱容量を低減させ、感温抵抗体を発熱させるための消費電力を低減すると共に、速やかに感温抵抗体の温度を変化させることができる。
また、前記第１感温抵抗体は、前記第２感温抵抗体に対して前記流路中の下流側に配設される場合には、第２感温抵抗体の温度が第１感温抵抗体の発熱の影響を受けないようにし、流量及び湿度の測定を正確にすることができる。
【００１１】
いずれかの前記呼気センサを備えるアルコール濃度測定装置であって、呼気の吹込みを促した後に、流量測定手段により被検ガスの流量を測定して適正流量と判定された場合には吹込みの停止を促し、吹込みが停止された後に、湿度測定手段により被検ガスの湿度対応値を算出して適正湿度と判定された場合には、前記流路から導入された被検ガスについてアルコール濃度の測定を可とするセンサ制御手段を備えるアルコール濃度測定装置によれば、単一素子として形成された感温抵抗体を用いるだけで、しかも呼気が１回吹込まれるだけで、その流量及び湿度により人間の呼気であるかどうかを判定することができる。これにより、不正手段を検知して、人間の呼気に対する正確なアルコール濃度の測定が可能になる。
【００１２】
１つの半導体基板に設けられ、被検ガスの流路中に設置された、１又は２以上の第１感温抵抗体及び１又は２以上の第２感温抵抗体と、第１乃至第４回路と、を備える呼気センサによれば、複数の感温抵抗体を１つの半導体基板に設けて被検ガスの流路中に設置すればよいため、単一の素子により検出部を構成することができ、従来に比べてセンサの部品点数を減らし、小型化、高信頼化が可能になる。そして、第１乃至第４回路のそれぞれに接続される感温抵抗体を別個に備えれば、第１乃至第４回路を切り替えることなく、極めて簡単な構成及び制御により、被検ガスの測定を行うことができる。
【００１３】
流量測定手段及び湿度測定手段を備える場合には、１回の呼気の吹込みに対する一連の制御及び測定によって、その呼気の流量と湿度とを算出することができる。
【００１４】
前記第１感温抵抗体及び前記第２感温抵抗体は、前記半導体基板の一部が除去された基板除去部を覆い且つ自立する絶縁薄膜部材の表面又は内部に形成されている場合には、検出部（感温抵抗体部）の熱容量を低減させ、感温抵抗体を発熱させるための消費電力を低減すると共に、速やかに感温抵抗体の温度を変化させることができる。
また、２以上の前記第１感温抵抗体は、１群の抵抗体として前記流路中の被検ガスの流れに対して垂直方向に且つ相互に離隔して配設され、前記第２感温抵抗体は、前記１群の抵抗体に対して流路中の流れの上流側に配設される場合には、第１感温抵抗体が相互に及ぼす発熱の影響を抑制すると共に、第２感温抵抗体の温度が前記１群の抵抗体の発熱の影響を受けないようにし、流量及び湿度の測定を正確にすることができる。
【００１５】
いずれかの前記呼気センサを備えるアルコール濃度測定装置によれば、単一素子として形成された感温抵抗体を用いるだけで、しかも呼気が１回吹込まれるだけで、その流量及び湿度により人間の呼気であるかどうかを判定することができる。これにより、不正手段を検知して、人間の呼気に対する正確なアルコール濃度の測定が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
本発明について、本発明による典型的な実施形態の非限定的な例を挙げ、言及された複数の図面を参照しつつ以下の詳細な記述によって更に説明するが、同様の参照符号は図面のいくつかの図を通して同様の部品を示す。
【図１】本実施形態に係る呼気センサを備えるアルコール濃度測定装置の構成を説明するための模式的なブロック図である。
【図２】本実施形態に係る呼気センサ及びそれを備えるアルコール濃度測定装置の構成を表わすブロック図である。
【図３】半導体基板に設けられた検出部を説明するための模式的な上面図及びそのＡＡ’断面図である。
【図４】半導体基板に設けられた検出部の変形例を説明するための模式的な上面図及びそのＢＢ’断面図である。
【図５】本実施形態に係る呼気センサの回路構成を表わす回路図である。
【図６】前図に示した回路を用いて行う流量測定ステップと湿度測定ステップにおいて、スイッチ手段による回路構成の切り替えを説明するための表である。
【図７】呼気センサの流量測定ステップにおける測定回路（第４回路）の構成を表わす回路図である。
【図８】呼気センサの湿度測定ステップにおいて、第１感温抵抗体を第１温度に制御する間の測定回路（第１回路及び第３回路）の構成を示す回路図である。
【図９】呼気センサの湿度測定ステップにおいて、第１感温抵抗体を第２温度に制御する間の測定回路（第２回路及び第３回路）の構成を示す回路図である。
【図１０】本実施形態に係る呼気センサを使用したアルコール濃度測定装置を、自動車の飲酒運転防止装置として用いる場合の制御方法を表わすフローチャートである。
【図１１】呼気センサの流量測定ステップにおける制御方法を表わすフローチャートである。
【図１２】呼気センサの湿度測定ステップにおける制御方法を表わすフローチャートである。
【図１３】呼気センサの検出部の別の変形例を説明するための模式的な上面図である。
【図１４】前図に示した検出部を用いる呼気センサの回路構成を表わす回路図である。
【図１５】前図に示した回路を用いて行う流量測定ステップと湿度測定ステップにおいて、スイッチ手段による回路構成の切り替えを説明するための表である。
【図１６】実施形態２に係る呼気センサの検出部を説明するための模式的な上面図である。
【図１７】実施形態２に係る呼気センサの回路構成を表わす回路図である。
【図１８】実施形態３に係る呼気センサの検出部を説明するための模式的な上面図である。
【図１９】実施形態３に係る呼気センサの回路構成を表わす回路図である。
【図２０】アルコール濃度測定部を説明するための模式的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図１〜２０を参照しながら本発明の呼気センサ及びアルコール濃度測定装置を詳しく説明する。
本発明の呼気センサは、人に直接呼気を吹き込ませ、その呼気に含まれたアルコール濃度を測定するアルコール濃度測定装置に用いられる。このアルコール濃度測定装置は、例えば、自動車に設置される飲酒運転防止装置として使用することができる。
図１は、本呼気センサを備えるアルコール濃度測定装置の概略構成を模式的に表わしている。アルコール濃度測定装置１００は、図において左側から吹き込まれた呼気１１２の流路１１１を形成する主流管１１０、及びアルコール濃度測定部１２０を備える。本例では、アルコール濃度測定部１２０の入口側は導入管１２１を介して主流管１１０と接続されており、出口側は排気管１２２を介してポンプ１２３と接続されている。このポンプ１２３により、流路１１１を流れる呼気（「被検ガス」という。）の一部がアルコール濃度測定部１２０に導入される。
【００１８】
主流管１１０の管壁の内側には、被検ガスの流量及び温湿度を測定するための呼気センサの検出部１１４（２）が露出するように設置される。通常、人の呼気の吹き込み方には違いがあるため、吹き込み方によって検査部１１４を用いた被検ガスの測定が影響を受ける。この影響を軽減するため、本例では主流管１１０の内壁に狭窄部１１６を設けているが、これに限らず、金網や樹脂製のフィルタ等を設けることによって被検ガスの流れを是正するようにしてもよい。また、本例では、主流管１１０の管壁にヒータ１１５を設けることによって、呼気センサの使用前の結露や凍結を除去し、また呼気による結露を防止すると共に、被検ガスの温度を一定に保つようにしている。
【００１９】
（呼気センサ及びアルコール濃度測定装置の構成）
本呼気センサは、少なくとも、１又は２以上の感温抵抗体を設けた検出部を、被検ガスの流路１１１中に設置して構成される。図２に、２つの感温抵抗体を用いた呼気センサ１を中心とした、アルコール濃度測定装置の構成を表わす。呼気センサ１は、１つの半導体基板に第１感温抵抗体３１及び第２感温抵抗体３２を設けた検出部２と、各感温抵抗体と接続されて少なくとも被検ガスの流量及び湿度を計測するための計測回路４と、を備える。計測回路４は、制御部５に接続することができる。
【００２０】
第１感温抵抗体３１及び第２感温抵抗体３２は、自身の温度変化に伴って抵抗値が変化する感温抵抗体である。第１感温抵抗体３１及び第２感温抵抗体３２は、それぞれ１つ又は２以上とすることができ、計測回路の構成に応じて適宜の数を備えるようにすればよい。
各感温抵抗体の材料は特に制限されないが、抵抗の温度係数（ＴＣＲ）が一定で、且つ抵抗値が扱い易い値である白金（Ｐｔ）が好適である。各感温抵抗体は、１つの半導体基板に薄膜抵抗として形成することができる。また、各感温抵抗体は、半導体基板に形成された欠損部を覆う自立する絶縁薄膜部材の表面、又は絶縁薄膜部材に埋設されて設けられることが好ましい。
発熱させて使用する第１感温抵抗体３１は比較的低抵抗（例えば、１００Ω〜２００Ω程度）、発熱させないように使用する第２感温抵抗体３２は比較的高抵抗（例えば、３ｋΩ〜１０ｋΩ程度）とすることができる。
【００２１】
また、流路１１１中の通常（順方向）の被検ガスの流れ１１２において、第１感温抵抗体３１は第２感温抵抗体３２の下流側に配設される。第１感温抵抗体として２以上の感温抵抗体を備える場合には、それぞれの感温抵抗体の上空を通過した雰囲気は、他のいずれの感温抵抗体の上空も通過しないように設置される。すなわち、この場合、２以上の第１感温抵抗体は、１群の抵抗体として流路中の被検ガスの流れ１１２に対して垂直方向に且つ相互に離隔して配設され、第２感温抵抗体は、前記１群の抵抗体に対して流路中の流れ１１２の上流側に配設される。
【００２２】
計測回路４には、第１回路４１、第２回路４２、第３回路４３及び第４回路４４の４つの電子回路を備える。
第１回路４１は、第１感温抵抗体３１を所定の第１温度（Ｔ１）に制御し、且つ該第１感温抵抗体３１を該第１温度Ｔ１に保つための消費電力（Ｐ１）に対応する電気量Ｅ１を出力するブリッジ回路として構成される。第１温度Ｔ１はブリッジ回路の設計により定めることができる（例えば、２００℃）。
第２回路４２は、第１感温抵抗体３１を前記第１温度Ｔ１とは異なる所定の第２温度（Ｔ２）に制御し、且つ該第１感温抵抗体３１を該第２温度Ｔ２に保つための消費電力（Ｐ２）に対応する電気量Ｅ２を出力するブリッジ回路として構成される。第２温度Ｔ２はブリッジ回路の設計により定めることができる（例えば、３００℃）。
第３回路４３は、流路１１１中の被検ガスの温度（Ｔ３）と略同一温度の第２感温抵抗体３２の抵抗値に対応する電気量Ｅ３を出力するように構成される。すなわち、第３回路４３は被検ガスの温度計測のための回路であり、公知の回路を利用することができる。
第４回路４４は、第１感温抵抗体３１の温度を、流路１１１中の被検ガスの温度Ｔ３と略同一温度の第２感温抵抗体３２に対して所定温度（ΔＴ４）だけ高い第４温度（Ｔ４）に制御し、且つ該第１感温抵抗体３１を該第４温度Ｔ４に保つための消費電力（Ｐ４）に対応する電気量Ｅ４を出力するブリッジ回路として構成される。所定温度ΔＴ４はブリッジ回路の設計により定めることができる（例えば、２００〜３００℃）。
【００２３】
各回路の前記出力Ｅ１〜Ｅ４は、制御部５と接続されている。出力Ｅ１〜Ｅ４は、それぞれの前記消費電力又は前記抵抗値に対応する電気量であればよく、電圧、電流、電力のいずれの出力形式であってもよい。以下の説明及び回路図においては、出力Ｅ１〜Ｅ４として電圧の値を用いるものとする。
【００２４】
前記第１回路４１、第２回路４２及び第４回路４４は、１つのブリッジ回路の構成をスイッチ回路４５により切り替えることによって構成されるようにすることができる。このため、計測回路４に任意のスイッチ素子を用いたスイッチ回路４５を備え、例えば、そのスイッチ回路４５と制御部５に備えられるプログラムとによって、スイッチ手段を構成することができる。スイッチ素子の数やスイッチ回路４５の構成は、第１乃至第４回路の構成に応じて適宜とすることができる。
【００２５】
各前記回路の出力Ｅ１〜Ｅ４は、制御部５によって読み取るように構成することができる。制御部５は、好適には、マイクロプロセッサ及び周辺回路、メモリ（ＲＯＭ、ＲＡＭ）、入出力インターフェース回路等を備えて構成することができる。
呼気センサ１には、流量測定手段５１及び湿度測定手段５２を備えることができる。この流量測定手段５１及び湿度測定手段５２は、主として制御部５に格納されたプログラムによって構成することができる。
流量測定手段５１は、流路１１１に被検ガスの流れがある状態、即ち呼気が吹込まれている状態において、前記出力Ｅ１、Ｅ２及びＥ４のうちの少なくとも１つにより、流路１１１を流れる被検ガスの流量を測定するように構成される。流量測定手段５１は、更に、所定範囲の流量の被検ガスが所定時間連続して流れたことを検知したときは、適正流量と判定するように構成することができる。
湿度測定手段５２は、流路１１１の被検ガスの流れが停止された後に、前記第１回路４１と前記第２回路４２とをスイッチ手段によって切替え、その各出力Ｅ１及びＥ２により、流路１１１中に残留する被検ガスの湿度に対応する値（湿度対応値）を算出するように構成される。湿度測定手段５２は、更に、前記湿度対応値が所定範囲である場合には適正湿度と判定するように構成することができる。
【００２６】
以上のように構成された呼気センサ１と、アルコール濃度測定部１２０と、センサ制御手段５３とを備えて、アルコール濃度測定装置１００を構成することができる。
アルコール濃度測定装置１００には、必要に応じて、図１に示したヒータ１１５、ポンプ１２３、被検ガスの流れを制御するための弁等、周辺部品とのインターフェース回路やそれらの制御手段を設けることができる。また、被検者に対して呼気の吹込みの開始や終了を促すための報知手段を備えることができる。報知手段の構成は問わず、発光器や表示器による表示、音声、音響等、任意の手段を備えることができる。
アルコール濃度測定装置１００を、自動車に設置される飲酒運転防止装置とする場合には、更に、エンジンキーによって起動され、エンジンの始動を許可するためのインターフェース等を備えればよい。
【００２７】
アルコール濃度測定装置１００に備えられるセンサ制御手段５３は、制御部５のハードウェアと、制御部５に格納されたプログラムによって構成することができる。
センサ制御手段５３は、被検者に対して呼気の吹込みを促した後に、前記流量測定手段５１により被検ガスの流量を測定し、適正流量と判定された場合には、吹込みの停止を促すように構成することができる。そして、適正流量と判定され、且つ吹込みが停止された後に、前記湿度測定手段５２により測定を行って前記湿度対応値を算出し、適正湿度と判定された場合には、流路１１１からアルコール濃度測定部１２０に導入された被検ガスについてアルコール濃度の測定を可とするように構成することができる。ここで、「アルコール濃度の測定を可とする」とは、その後にアルコール濃度が測定されるようにアルコール濃度測定装置１００が構成されてもよいし、その流量及び湿度を測定した呼気について既に測定されたアルコール濃度測定値を有効とするように構成されてもよい。
【００２８】
アルコール濃度測定部１２０の方式や構成は、被検ガスに含まれたアルコールを検知できる限り、特に問わない。よく知られている電気化学式、赤外線吸収方式、半導体方式等のアルコール検知器を用いることができる。
その一例として、図２０は、非分散赤外吸収（ＮＤＩＲ）方式のアルコール検知器を模式的に表わした図である。被検ガスは、前記導入管１２１から鏡筒２０１に導入（１２１ａ）され、前記排気管１２２に排出（１２１ｂ）される。被検ガスの流路となる鏡筒２０１内の一端側には発光器２１１が備えられ、発光器２１１の背面側には反射面２０２が形成されている。鏡筒２０１内の他端側に赤外線検知素子２２３及び２２４を備え、各赤外線検知素子はそれぞれ波長選択フィルタ２２１及び２２２を介して発光器２１１の発する光を受光する。発光器２１１からは広い波長域（例えば、可視〜遠赤外）の光が出力されており、波長選択フィルタは一定の波長域の赤外光のみを通過させる。ここで、波長選択フィルタ２２１は、エタノールの吸収波長（例えば、３．４μｍ）を中心とする第１波長域の赤外光のみを通過させ、波長選択フィルタ２２２は、エタノール及び共存するガスの種類では吸収されない波長（例えば、３．９μｍ）を中心とする第２波長域の赤外光のみを通過させるように設計することができる。
【００２９】
そうすると、被検ガス中のアルコール濃度が増すにつれて、エタノールによる第１波長域の赤外光の吸収が増すため、波長選択フィルタ２２１を通過して赤外線検知素子２２３により受光される光量は減少する。一方、第２波長域の赤外光はエタノール濃度によって吸収量が変化することはないため、波長選択フィルタ２２２を通過して赤外線検知素子２２４により受光される光量はエタノール濃度には依存しない。したがって、赤外線検知素子２２４の受光量によって発光器２１１の発光強度の変化等外乱の影響を補償し、赤外線検知素子２２３の受光量によってエタノール濃度を正確に測定することができる。
【００３０】
図３は、半導体基板に設けられた前記検出部２の構成を説明するための模式的な上面図、及びそのＡＡ’断面図である。本例では、第１感温抵抗体３１及び第２感温抵抗体３２がそれぞれ１つの感温抵抗体により構成されているが、その一方又は双方が２以上の感温抵抗体によって構成されてもよい（図１３参照）。
断面図に示されるように、第１感温抵抗体３１及び第２感温抵抗体３２は、検出部２のベースとなる１つの半導体基板２１上において、それぞれ区画された領域に、薄膜状に設けることができる。第１感温抵抗体３１は、第２感温抵抗体３２に対して、前記流路１１１中で被検ガス１１２の通常の流れの下流側に配設される。なお、図中の３１ａ、３１ｂは、第１感温抵抗体３１の電気的な接続端子を示す（他の感温抵抗体とその図面についても、同様に表記する。）。
【００３１】
第１感温抵抗体３１及び第２感温抵抗体３２は、半導体基板２１上に絶縁材料を用いて形成した絶縁薄膜部材２２の表面に形成することができる。また、絶縁薄膜２２上に感温抵抗体３１及び３２を形成し、更に絶縁材料を用いて薄膜２３を形成することにより、絶縁薄膜部材全体（２２及び２３）の中に感温抵抗体を埋設することができる。
また、第１感温抵抗体３１及び第２感温抵抗体３２は、それぞれ半導体基板２１の一部が除去された基板除去部（２１１、２１２）の上に設けることが好ましい。例えば、半導体基板としてシリコン基板を用いる場合、基板除去部２１１等は、シリコンの異方性エッチング等により形成することができる。そして、絶縁薄膜部材（２２、若しくは２２及び２３）は、その基板除去部２１１等を覆い且つ自立するように形成することができる。すなわち、第１感温抵抗体３１及び第２感温抵抗体３２は、その絶縁薄膜部材の表面又は内部に形成されることとなる。
【００３２】
図４は、検出部２の変形例を説明するための上面図及びそのＢＢ’断面図である。本例においては、主流管１１０内に隔壁１１７を設け、感温抵抗体（３１、３２）が設けられた部分のみが被検ガス中に露出されるように、被検ガスの流路１１１内と流路外１１８とが隔壁１１７によって仕切られる構造としている。各感温抵抗体の接続端子３１ａ等は流路外１１８に置くことができる。その他の構造は、図３に示した例と同様とすることができる。
【００３３】
（呼気センサ及びアルコール濃度測定装置の動作）
（１）流量の測定
呼気センサ１の検出部２の少なくとも第１感温抵抗体３１及び第２感温抵抗体３２は、被検ガスの流路１１１中に設置される。そして、前記流量測定手段５１により、被検ガスの流量を測定することができる。
流量測定手段５１は、第１感温抵抗体３１を、被検ガスの温度Ｔ３に対して所定温度ΔＴ４だけ高い温度Ｔ４に制御するか、若しくは所定温度Ｔ１又はＴ２に制御することによって、被検ガスの流量を測定する。そして、一定時間内の流量が規定範囲内である場合には、適正な量の被検ガスが導入された（適正流量）と判断することができる。その規定範囲は、例えば、人の呼気の吹込み動作についての統計的なデータに基づいて予め規定値を定め、制御部５内のメモリに格納しておくことができる。
【００３４】
流量測定手段５１は、第１感温抵抗体３１をその抵抗値を一定に保つブリッジ回路（前記第１、第２又は第４回路）に接続する。これによって、第１感温抵抗体３１は、一定の温度（Ｔ１、Ｔ２、又は被検ガスの温度Ｔ３より一定の温度ΔＴ４だけ高い温度Ｔ４）を保つように駆動される。
その状態では、被検ガスの流量が大きいほど、感温抵抗体を一定の抵抗値に保つために多くの電力（電圧又は電流）が必要となる。また、被検ガスの熱伝導率が高いほど、感温抵抗体の熱は被検ガスに奪われ易い。したがって、この状態で、感温抵抗体を駆動する電力には、温度や湿度によって変化する被検ガスの流量及び熱伝導率に関する情報が含まれている。
【００３５】
第１感温抵抗体３１を駆動する電力は、第１感温抵抗体３１が接続されたブリッジ回路の平衡電圧や平衡電流を計測することによって知ることができる。前記第１回路４１の出力Ｅ１、第２回路４２の出力Ｅ２、及び第４回路４４の出力Ｅ４は、各ブリッジ回路の平衡電圧等とすることができる。そうすると、出力Ｅ１及びＥ２の値により、第１感温抵抗体３１を温度Ｔ１及びＴ２に維持するための電力Ｐ１及びＰ２を算出することができる。また、出力Ｅ４の値により、第１感温抵抗体３１を温度Ｔ４に維持するための電力Ｐ４を算出することができる。
【００３６】
第２感温抵抗体３２は、前記第３又は第４回路に接続され、自己が事実上発熱しない程度の微少な電力により駆動される。これにより、第２感温抵抗体３２の抵抗値は、周囲の被検ガスの温度Ｔ３に対応した値となる。すなわち、第２感温抵抗体３２の温度は被検ガスの温度Ｔ３と略同一に保たれるので、その抵抗値を計測することによって、被検ガスの温度Ｔ３を知ることができる。第３回路４３からは、第２感温抵抗体３２の抵抗値に対応した出力Ｅ３が得られ、それにより被検ガスの温度Ｔ３を算出することができる。
また、第２感温抵抗体３２を第４回路４４に接続したときには、被検ガスの温度Ｔ３と略同一である第２感温抵抗体３２の温度を基準として、それよりも一定温度ΔＴ４だけ高い温度Ｔ４（Ｔ４＝Ｔ３＋ΔＴ４）になるように第１感温抵抗体３１が駆動される。
【００３７】
以上のとおり、被検ガスの温度Ｔ３、第１感温抵抗体３１を温度Ｔ１に保つための電力Ｐ１、第１感温抵抗体３１を温度Ｔ２に保つための電力Ｐ２、及び第１感温抵抗体３１を被検ガスの温度Ｔ３よりΔＴ４だけ高い温度Ｔ４に保つための電力Ｐ４を算出することができる。また、温度Ｔ１、Ｔ２及びΔＴ４は、ブリッジ回路の設計によって定まる一定値とすることができる。
【００３８】
ここで、流路１１１内の被検ガスの質量流量をＦｍとすると、一般的な理論より次の式（式１）が成り立つ。
Ｐ１＝（Ａ１１＋Ａ１２・Ｆｍ１／２）・（Ｔ１−Ｔ３）
Ｐ２＝（Ａ２１＋Ａ２２・Ｆｍ１／２）・（Ｔ２−Ｔ３）
Ｐ４＝（Ａ４１＋Ａ４２・Ｆｍ１／２）・ΔＴ４
上式において、Ａ１１、Ａ１２、Ａ２１、Ａ２２、Ａ４１及びＡ４２は、温度Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、ΔＴ４、及び流路１１１を流れる被検ガスの成分によって定まる定数である。
多くの場合は、次式（式２）が成り立つと見做すことができる。
Ａ１１＝Ａ２１＝Ａ４１、Ａ１２＝Ａ２２＝Ａ４２
また、流路１１１を流れる被検ガスの成分が変化する場合であっても、多くの場合、Ａ１１／Ａ２１、Ａ１２／Ａ２２、Ａ１１／Ａ４１、Ａ１２／Ａ４２の値は、ほぼ一定とすることができる。
【００３９】
したがって、第１感温抵抗体３１を所定温度（Ｔ１、Ｔ２又はＴ４）に保つために必要な電力（Ｐ１、Ｐ２又はＰ４）から、流路１１１を流れる被検ガスの質量流量Ｆｍを算出することができる。
なお、湿度によるＡ１１、Ａ１２、Ａ２１、Ａ２２、Ａ４１及びＡ４２の変化はそれほど大きいものではないので、被検ガスの流れがある状況下では、事実上それらの変化を無視して流量を測定できる。
【００４０】
（２）湿度の測定
次に、呼気の吹込みが停止された後、被検ガスが流路１１１内に滞留している状態で、前記湿度測定手段５２により、被検ガスの測定を行って湿度対応値を算出する。そして、湿度測定手段５２は、算出した湿度対応値が規定範囲内である場合には、被検ガスが適正な湿度（適正湿度）であると判断することができる。その規定範囲は、例えば、人の呼気についての統計的なデータに基づいて規定値を予め定め、制御部５内のメモリに格納しておくことができる。
湿度測定手段５２は、第１感温抵抗体３１を異なる温度Ｔ１及びＴ２にそれぞれ維持するのに必要な電力Ｐ１及びＰ２を求め、被検ガスの湿度に対応する湿度対応値（例えば、Ｐ１とＰ２の比率）を算出する。電力Ｐ１及びＰ２は、第１回路４１及び第２回路４２の出力Ｅ１及びＥ２により、前記同様に求めることができる。
【００４１】
前記式１において、被検ガスに水蒸気が含まれる場合には、水分子の極性が大きいため、水蒸気濃度すなわち湿度が高いほど、前記式２が成り立たなくなる。すなわち、
Ａ１１＝Ａ２１、Ａ１２＝Ａ２２
からのズレが大きくなる。そのズレは、水蒸気濃度すなわち湿度に依存する（非特許文献２を参照)。したがって、Ａ１１、Ａ２１等を求めることによって、被検ガスの湿度に対応する湿度対応値を算出し、その湿度を判断することができる。
【００４２】
被検ガスの流れがない状態では、第１回路及び第２回路のそれぞれに接続されたときの第１感温抵抗体の消費電力をＰ１ｓ及びＰ２ｓとすると、次式（式３）のように表わすことができる。
Ｐ１ｓ＝Ａ１１・（Ｔ１−Ｔ３）
Ｐ２ｓ＝Ａ２１・（Ｔ２−Ｔ３）
このため、Ｐ１ｓ、Ｐ２ｓを測定することによって、Ａ１１、Ａ２１の値の変化を比較的検知し易くなる。Ａ１１及びＡ２１の値を個々に求めて比較してもよいが、多くの場合は、Ｐ１ｓとＰ２ｓの比（Ｐ１ｓ／Ｐ２ｓ）からＡ１１とＡ２１の比（Ａ１１／Ａ２１）を算出し、その値を用いて被検ガスの湿度を求めることができる。
本呼気センサにおいては、被検ガスとして人間の呼気を想定しているため、人間の呼気程度の湿度のガスにおけるＰ１ｓ／Ｐ２ｓの値を調べて制御部５内のメモリに格納しておけば、実際の被検ガスの測定値からＰ１ｓ／Ｐ２ｓの値を計算することにより、その被検ガスが人間の呼気と同等の湿度であるか否かを判別することができる。
【００４３】
（実施形態１）
図５〜９は、呼気センサ１の具体例（実施形態１）を示している。呼気センサ１は、図５に例示する計測回路４によって構成することができる。計測回路４は、２つの回路４ａ及び４ｂからなり、それらの回路構成を切り替えるためのスイッチ回路（スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３）を含んでいる。スイッチＳ１及びＳ２は、第２感温抵抗体３２を回路４ａに接続するか回路４ｂに接続するかを切り替え、スイッチＳ３は、回路４ａ内の抵抗値を変化させるためにオン（接続）、オフ（切断）を切り替えるようにされている。
【００４４】
前記回路４ａは、差動増幅器Ａ１の出力によって制御されるトランジスタＱ１を介して接続される一定の直流電源（＋Ｖ）と、基準電位ＧＮＤとの間に、２つの直列回路が並列に接続されている。その一方の直列回路は、直流電源側から順に、抵抗素子Ｒ１と第１感温抵抗体３１が直列に接続されている。他方の直列回路は、直流電源側から順に、スイッチＳ３がオフ且つスイッチＳ１がｂ側であるときは、抵抗素子Ｒ２、Ｒ３及びＲ５が直列に接続され、スイッチＳ３がオフ且つスイッチＳ１がａ側であるときは、抵抗素子Ｒ２、Ｒ３、第２感温抵抗体３２が直列に接続される。また、スイッチＳ３がオンのときは、抵抗素子Ｒ３にＲ４が並列に接続される。そして、前記一方の直列回路の抵抗素子Ｒ１と第１感温抵抗体３１との間、及び前記他方の直列回路の抵抗素子Ｒ２とＲ３との間、がそれぞれ差動増幅器Ａ１の入力に接続され、ブリッジ回路を構成している。差動増幅器Ａ１の出力Ｅａ（以下、「平衡出力」ともいう。）は、制御部５に読み込み可能とされている。
【００４５】
前記回路４ｂは、差動増幅器Ａ２の出力と基準電位ＧＮＤとの間に抵抗素子Ｒ８及びＲ９が直列に接続され、抵抗素子Ｒ８とＲ９の間が差動増幅器Ａ２の一方の入力に接続されている。また、差動増幅器Ａ２の他方の入力は、抵抗素子Ｒ６を介して直流電源（＋Ｖ）に接続されている。また、差動増幅器Ａ２の前記他方の入力は、スイッチＳ２がａ側であるときは第２感温抵抗体３２を介して基準電位ＧＮＤに接続され、スイッチＳ２がｂ側であるときは抵抗素子Ｒ７を介して基準電位ＧＮＤに接続される。差動増幅器Ａ２の出力Ｅｂは、制御部５に読み込み可能とされている。
【００４６】
図６は、図５に示した回路により流量測定及び湿度測定を行う際のスイッチ回路Ｓ１〜Ｓ３の接続状態を示している。まず、被検ガスの流量測定を行う流量測定工程においては、スイッチＳ１をａ側、Ｓ２をｂ側に接続する。スイッチＳ３は、抵抗素子Ｒ３及びＲ４の設計値により、オン又はオフとすることができる。この状態で、図７に示すように、計測回路４は第４回路４４として構成されることとなる。
この第４回路４４を用いれば、被検ガスの温度Ｔ３と略同一温度の第２感温抵抗体３２の抵抗値により、平衡出力Ｅ４として、温度Ｔ３よりΔＴ４高い温度に第１感温抵抗体３１を保つために必要な電力に対応する電圧値を得ることができる。
【００４７】
次に、被検ガスの湿度測定を行う湿度測定工程においては、スイッチＳ１をｂ側、Ｓ２をａ側に接続する。そして、スイッチＳ３をオンとしたときは、図８に示すように、計測回路４は第１回路４１及び第３回路４３として構成されることとなる。また、スイッチＳ３をオフとしたときは、図９に示すように、計測回路４は第２回路４２及び第３回路４３として構成されることとなる。
図８に示す第１回路４１により、第１感温抵抗体３１は設計により定められる第１温度Ｔ１で発熱するように駆動され、且つその第１温度Ｔ１に保つための電力Ｐ１が供給される。第１回路の出力Ｅ１は、この平衡状態の電力Ｐ１ｓに対応する電圧値となる。
また、図９に示す第２回路４２により、第１感温抵抗体３１は設計により定められる第２温度Ｔ２で発熱するように駆動され、且つその第２温度Ｔ２に保つための電力Ｐ２が供給される。第２回路の出力Ｅ２は、この平衡状態の電力Ｐ２ｓに対応する電圧値となる。
また、図８及び図９に示す第３回路４３に接続された第２感温抵抗体３２の温度は、被検ガスの温度Ｔ３と等しい。そうすると、第３回路４３の出力Ｅ３は、第２感温抵抗体３２の抵抗値に対応する電圧値となるため、出力Ｅ３の値により被検ガスの温度Ｔ３を測定することができる。
【００４８】
以上のように、流路１１１に被検ガスが滞留している状態で、既知の温度Ｔ１及びＴ２、測定された温度Ｔ３の条件の下で、前記Ｐ１ｓ及びＰ２ｓを得ることができるので、その比（Ｐ１ｓ／Ｐ２ｓ）を湿度対応値として算出し、被検ガスの湿度を判断することができる。
【００４９】
（呼気センサ及びアルコール濃度測定装置の制御方法）
図１０は、呼気センサ１を備えたアルコール濃度測定装置１００を自動車の飲酒運転防止装置として用いる場合を例として、その制御方法を表わしている。この制御は、制御部５のハードウェアを用いて、主として制御部５に格納されたプログラム（センサ制御手段５３）により実行するようにすることができる。
最初に、エンジンキーがオンにされる等の起動動作によって、アルコール濃度測定装置１００の電源が投入される（Ｓ１０１）。この初期状態では、エンジンは始動しないようにロックされている。
次に、制御部５内部を初期化すると共に内部タイマーをスタートさせ、計時を開始する（Ｓ１０２）。そして、必要な場合には、装置内部のヒータに通電して所定の温度に到達する等、自己の測定準備が完了するのを待つ（Ｓ１０３）。
【００５０】
測定準備が完了すると、運転者（被検者）に対して、表示、発光、音響、音声など任意の報知手段により、呼気の吹込みを促す（Ｓ１０４）。
そして、流量測定手段５１により、吹き込まれる呼気の流量を測定し、呼気が適正流量であるか否かを判断する（Ｓ１０５）。
吹き込まれた呼気が適正流量であると判定されなかった場合には（Ｓ１０６の「Ｎｏ」）、再度呼気の流量測定を行うようにすることができる。このときは、任意の報知手段により、被検者に対して呼気吹き込み動作をやり直すように促すことができる。
一方、吹き込まれた呼気が適正流量であると判定された場合には（Ｓ１０６の「Ｙｅｓ」）、任意の報知手段により、呼気の吹込み停止を促す（Ｓ１０７）。吹込み停止を促しても被検者が吹き込みを停止するとは限らないので、主流管１１０の入口側にバルブを備え、それを閉じることによって強制的に被検ガスの流れを停止させるようにしてもよい。
また、図示していないが、呼気の吹込み停止を促す直前から、次の湿度測定において適正湿度と判定された直後までの適宜のタイミングで、主流管１１０内の被検ガスの一部をアルコール濃度測定部１２０に導入する。
【００５１】
呼気が適正流量であると判定され、且つ呼気の吹込みが停止された後、湿度測定手段５２により、主流管１１０内に滞留する被検ガスの湿度を測定し、湿度が適正湿度であるか否かを判断する（Ｓ１０８）。
被検ガスが適正湿度であると判定されなかった場合には（Ｓ１０９の「Ｎｏ」）、再度呼気の流量測定から行うようにすることができる。このとき、任意の報知手段により、被検者に対して呼気吹き込み動作をやり直すように促すことができる。
一方、被検ガスが適正湿度であると判定された場合には（Ｓ１０９の「Ｙｅｓ」）、次のアルコール濃度測定に移る。
【００５２】
アルコール濃度測定部１２０に導入された被検ガスについて、アルコール濃度を測定する（Ｓ１１０）。
そして、測定されたアルコール濃度が所定値を超えていた場合には（Ｓ１１１の「Ｎｏ」）、再度呼気の流量測定から行うようにすることができる。このとき、任意の報知手段により、被検者に対して呼気吹き込み動作をやり直すように促すことができる。
一方、測定されたアルコール濃度が所定値以下であった場合には（Ｓ１１１の「Ｙｅｓ」）、エンジンの始動を許可するようにすることができる（Ｓ１１２）。更に、エンジンの始動を監視して（Ｓ１１３）、所定時間内にエンジンが始動された場合には飲酒運転防止装置の処理を終了する。一方、所定時間内にエンジンが始動されなかった場合には、エンジンの始動を禁止して、再び呼気の吹込みからアルコール濃度測定までを行うようにすることができる。
【００５３】
図１１は、前記流量測定ステップ（Ｓ１０５）の制御例を示している。この制御は、流量測定手段５１により、前記流量測定工程（図６参照）に示したようにスイッチ回路を制御して行うことができる。
先ず、スイッチ回路４５により第４回路４４を選択し（Ｓ２１）、第１感温抵抗体３１が所定温度Ｔ４（＝Ｔ３＋ΔＴ４）に上昇するに必要な時間待機する（Ｓ２２）。その後、第４回路の出力Ｅ４の値を読み込む（Ｓ２３）。そして、出力Ｅ４の値を基に、前記式１の関係を利用して被検ガスの流量Ｆｍ（又は流速）を算出する（Ｓ２４）。
次に、求められた流量Ｆｍが、規定範囲であるか否かを判断する（Ｓ２５）。規定範囲は、その流速で呼気が吹き込まれていれば人間の呼気と判定し得る範囲であり、制御部５内のメモリに格納されている既定値と比較して判断することができる。
【００５４】
流量Ｆｍが規定範囲であった場合には、所定時間（例えば、３秒間）継続して流量Ｆｍが規定範囲であったかどうかを判断する（Ｓ２６）。所定時間に満たない場合には、所定間隔（例えば、０．１秒）毎に、流量の測定及び規定範囲であるかの判断（Ｓ２３〜Ｓ２５）を繰り返し行い、その結果を記録する。そして、流量Ｆｍが所定時間継続して規定範囲であった場合には、呼気は適正流量であると判定して（Ｓ２７）、測定を終了する。
一方、前記ステップＳ２５において、流量Ｆｍが適正範囲ではないと判断された場合には、呼気は適正流量ではないと判定して、測定を終了する。
【００５５】
なお、本例では第４回路４４を使用しているが、前記のとおり、流量の測定は第１回路４１又は第２回路４２を使用しても行うことができる。その場合にも、本例と同様の制御方法によって流量Ｆｍを算出し、適正範囲であるかの判断をすることができる。
また、測定した流量から人間の呼気と判定するための手法は、本例に示した手法に限られず、種々変形したり別の手法を適用することが可能である。
【００５６】
図１２は、前記湿度測定ステップ（Ｓ１０８）の制御例を示している。この制御は、湿度測定手段５２により、前記湿度測定工程（図６参照）に示したようにスイッチ回路を制御して行うことができる。湿度測定は、感温抵抗体の周囲の被検ガスの流れがなくなってから行う。
スイッチ回路４５により第３回路４３を選択し（Ｓ３１）、その出力Ｅ３の値を読み込んで記憶する（Ｓ３２）。第３回路４３に組み込まれた第２感温抵抗体３２は、自己が事実上発熱することなく被検ガス中に置かれているため、出力Ｅ３の値は第２感温抵抗体３２の抵抗値に対応しており、よって被検ガスの温度Ｔ３に対応する。なお、この被検ガスの温度Ｔ３の測定は、適宜のタイミングで行うようにすることができる。
【００５７】
また、スイッチ回路４５により第１回路４１を選択し（Ｓ３３）、第１感温抵抗体３１が設計により定められた第１温度Ｔ１になるに必要な時間待機する（Ｓ３４）。これによって、第１感温抵抗体３１は第１温度Ｔ１に制御される。その後、第１回路の出力Ｅ１の値を読み込んで記憶する（Ｓ３５）。出力Ｅ１の値は、第１感温抵抗体３１を第１温度Ｔ１に保つための消費電力Ｐ１ｓに対応する。
また、第２回路４２を選択し（Ｓ３６）、第１感温抵抗体３１が設計により定められた第２温度Ｔ２になるに必要な時間待機する（Ｓ３７）。これによって、第１感温抵抗体３１は第２温度Ｔ２に制御される。その後、第２回路の出力Ｅ２の値を読み込んで記憶する（Ｓ３８）。出力Ｅ２の値は、第１感温抵抗体３１を第２温度Ｔ２に保つための消費電力Ｐ２ｓに対応する。
第１温度Ｔ１における出力Ｅ１の測定と、第２温度Ｔ２における出力Ｅ２の測定は、先後を問わない。また、第１回路４１と第２回路４２とを交互に切り替えることによって、一定の間隔（例えば、０．１秒）毎に、出力Ｅ１とＥ２を測定することができる。
【００５８】
前記各ステップで記憶されている出力Ｅ３、Ｅ１及びＥ２の各値を基に、被検ガスの湿度対応値を算出する（Ｓ３９）。例えば、一定の時間内で測定した出力Ｅ１、Ｅ２及びＥ３の値に基づいて湿度対応値ｈ（例えば、Ｅ１／Ｅ２、Ｐ１ｓ／Ｐ２ｓ、又はそれらから求められる湿度）を算出する。
そして、算出した湿度対応値ｈと、予め制御部５内のメモリに格納してある規定値（ｈ１、ｈ２）とを比較し、規定値の範囲内すなわち人間の呼気に相当する値であるか否かを判断する（Ｓ４０）。湿度対応値ｈが規定範囲であった場合には適正湿度と判定して（Ｓ４１）、湿度測定を終了する。一方、算出された湿度が規定範囲内ではないと判断された場合には、呼気は適正湿度ではないと判定して、測定を終了する。
【００５９】
（実施形態１の変形例）
以上に説明した呼気センサ１は、種々変形して構成することが可能である。例えば、図１３は、前記第１感温抵抗体３１として２つの感温抵抗体３１１及び３１２を備え、前記第２感温抵抗体３２として２つの感温抵抗体３２１及び３２２を備える呼気センサ１１の検出部を表わしている。感温抵抗体３１１と３１２とは流路中の被検ガスの流れ１１２に対して垂直方向に且つ相互に離隔して配設されている。また、感温抵抗体３２１及び３２２は、感温抵抗体３１１及び３１２に対して流路中の流れ１１２の上流側に配設される。
２つの第１感温抵抗体及び２つの第２感温抵抗体は、前記呼気センサ１と同様に、半導体基板の一部が除去された基板除去部を覆い且つ自立する絶縁薄膜部材の表面又は内部に形成することができる。
【００６０】
呼気センサ１１は、図１４に示す計測回路４０１を備えて構成することができる。計測回路４０１は、回路４ａ１及び４ｂ１と、回路４ａ２及び４ｂ２とからなっており、各回路構成を切り替えるためのスイッチ回路（スイッチＳ１１、Ｓ２１、Ｓ１２、Ｓ２２）を含んでいる。このスイッチ回路は、図１５に示すように制御される。
これによって、流量測定工程においては、回路４ａ１又は４ａ２により、前記第４回路４４に相当するブリッジ回路が構成され、その平衡出力として出力Ｅａ１又はＥａ２が得られる。
また、湿度測定工程においては、回路４ａ１及び４ａ２により、前記第１回路４１及び第２回路４２に相当するブリッジ回路が構成され、その平衡出力として出力Ｅａ１及びＥａ２が得られる。また、回路４ｂ１又は４ｂ２により、前記第３回路４３に相当する回路が構成され、その出力として出力Ｅｂ１又はＥｂ２が得られる。
このように構成された呼気センサ１１は、前記呼気センサ１と同様の作用を備えているため、呼気センサ１と同様に被検ガスの流量及び温湿度を測定することができる。
【００６１】
（実施形態２）
本呼気センサは、感温抵抗体及び測定回路を共通に用いることなく構成されてもよい。  図１６は、被検ガスの流路１１１中に設置された、１つの半導体基板２上に５つの感温抵抗体７１〜７５を備える実施形態を示している。本実施形態２においては、検出部に、第１感温抵抗体として７１、７２及び７３の３つの感温抵抗体と、第２感温抵抗体として７４及び７５の２つの感温抵抗体とを備える。このうち、第１感温抵抗体（７１、７２、７３）は、発熱させるため比較的低抵抗（例えば、１００Ω〜２００Ω程度）、第２感温抵抗体（７４、７５）は発熱しないよう使用するため比較的高抵抗（例えば、３ｋΩ〜１０ｋΩ程度）とすることができる。すなわち、実施形態２における感温抵抗体７１〜７３は前記実施形態における第１感温抵抗体３１に相当し、感温抵抗体７４及び７５は前記実施形態における第２感温抵抗体３２に相当する。
【００６２】
各感温抵抗体７１〜７３、７４及び７５は、図３に示した構造と同様に、半導体基板に設けられた欠損部を覆う自立する絶縁薄膜部材の表面か、あるいは該絶縁薄膜部材に埋設された、薄膜抵抗であることが好ましい。
また、通常想定される流路１１１中の被検ガスの流れ方向１１２においては、第１感温抵抗体（７１、７２、７３）のそれぞれの上空を通過した雰囲気は、他のいずれの感温抵抗体の上空も通過しないように設置される。すなわち、感温抵抗体７１と７２と７３は、１群の抵抗体として流路中の被検ガスの流れ１１２に対して垂直方向に且つ相互に離隔して配設され、感温抵抗体７４及び７５は、前記１群の抵抗体に対して流路中の流れ１１２の上流側に配設される。
【００６３】
図１７は、第１回路４１２、第２回路４２２、第３回路４３２及び第４回路４４２からなる計測回路４０２に、前記感温抵抗体７１〜７５を組み込んで構成される呼気センサ１２を表わしている。
第１回路４１２は、感温抵抗体７１を所定の第１温度Ｔ１に制御し、且つ該感温抵抗体を該第１温度に保つための消費電力Ｐ１に対応する電気量Ｅ１を出力する。
第２回路４２２は、感温抵抗体７２を前記第１温度とは異なる所定の第２温度Ｔ２に制御し、且つ該感温抵抗体を該第２温度に保つための消費電力Ｐ２に対応する電気量Ｅ２を出力する。
第３回路４３２は、前記流路中の被検ガスの温度Ｔ３と略同一温度の感温抵抗体７４の抵抗値に対応する電気量Ｅ３を出力する。
第４回路４４２は、感温抵抗体７３の温度を、前記流路中の被検ガスの温度Ｔ３と略同一温度の感温抵抗体７５に対して所定温度ΔＴ４だけ高い第４温度Ｔ４に制御し、且つ該感温抵抗体７３を該第４温度に保つための消費電力Ｐ４に対応する電気量Ｅ４を出力する。
第１回路４１２、第２回路４２２、第３回路４３２及び第４回路４４２は、先の実施形態における第１回路４１、第２回路４２、第３回路４３及び第４回路４４に、それぞれ相当する構成である。各回路を別個に備えるため、各回路の構成に切り替えるためのスイッチ回路（スイッチ手段）は不要となる。
【００６４】
上記の相違に関係する点を除き、実施形態２に係る呼気センサ１２の構成、作用及び制御方法は、前記呼気センサ１と同様である。すなわち、呼気センサ１２は、第１回路４１２、第２回路４２２及び第４回路４４２のうちの少なくとも１つの出力により流路１１１を流れる被検ガスの流量を測定する流量測定手段と、被検ガスの流れが停止された後に、第１回路４１２及び第２回路４２２の各出力により流路中に残留する被検ガスの湿度に対応する湿度対応値を算出する湿度測定手段と、を備えることができる。
また、呼気センサ１２を用いるアルコール濃度測定装置の構成、作用及び制御方法も、前記アルコール濃度測定装置１００の場合と同様である。
【００６５】
（実施形態３）
その他、例えば、ヒータ等を用いて流路１１１に流れる被検ガスの温度Ｔ３が略一定にされている場合には、図１８に示すような１つの感温抵抗体７６と、図１９に示すような１つのブリッジ回路４０３とを用いるだけで、呼気センサ１３を構成することができる。本例においては、呼気の流れがある状態で、スイッチＳ３１をオン又はオフとすることによって、前記第１回路４１又は前記第２回路４２を用いた場合と同様に、その出力Ｅｃによって被検ガスの流量を測定することができる。また、呼気の流れが停止された後、スイッチＳ３１をオン状態とオフ状態とに切り替えて、その各状態における出力Ｅｃを測定することによって、前記第１回路４１と前記第２回路４２とを切り替えて測定した場合と同様に、被検ガスの湿度対応値（湿度）を算出することができる。
【００６６】
尚、本発明においては、以上に示した実施形態に限られず、目的、用途に応じて本発明の範囲内で種々変更した態様とすることができる。
【符号の説明】
【００６７】
１、１１、１２、１３；呼気センサ、２；検出部、２１；半導体基板、２１１、２１２；基板除去部、２２、２３；絶縁薄膜部材、３１；第１感温抵抗体、３２；第２感温抵抗体、４、４０１、４０２、４０３；計測回路、４１、４１２；第１回路、４２、４２２；第２回路、４３、４３２；第３回路、４４、４４２；第４回路、４５；スイッチ回路、５；制御部、５１；流量測定手段、５２；湿度測定手段、５３；センサ制御手段、７１〜７５、７６；感温抵抗体、１００；アルコール濃度測定装置（飲酒運転防止装置）、１１０；主流管、１１１；流路、１１２；呼気の流れ、１１４；呼気センサの検出部、１１５；ヒータ、１１６；狭窄部、１２０；アルコール濃度測定部、１２１；導入管、１２２；排気管、１２３；ポンプ、Ａ１、Ａ２；差動増幅器、Ｑ１；トランジスタ、Ｒ１〜Ｒ９；抵抗素子、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３；スイッチ。
【図１】
2013246007.tif 000003
【図２】
2013246007.tif 000004
【図３】
2013246007.tif 000005
【図４】
2013246007.tif 000006
【図５】
2013246007.tif 000007
【図６】
2013246007.tif 000008
【図７】
2013246007.tif 000009
【図８】
2013246007.tif 000010
【図９】
2013246007.tif 000011
【図１０】
2013246007.tif 000012
【図１１】
2013246007.tif 000013
【図１２】
2013246007.tif 000014
【図１３】
2013246007.tif 000015
【図１４】
2013246007.tif 000016
【図１５】
2013246007.tif 000017
【図１６】
2013246007.tif 000018
【図１７】
2013246007.tif 000019
【図１８】
2013246007.tif 000020
【図１９】
2013246007.tif 000021
【図２０】
2013246007.tif 000022