(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
a)二個以上の電極及び感応膜を有し、該感応膜に試料成分が付着すると電極間の抵抗値が変化するセンサと、
b)該センサと直列に接続された可変抵抗と、
c)該可変抵抗とセンサとを挟んで両端に所定電圧を印加する電圧源と、
d)前記センサと可変抵抗との接続点の電圧値を検出する電圧検出手段と、
e)前記センサと可変抵抗との接続点の電圧値をアナログ／デジタル変換してセンサ出力とするＡ／Ｄ変換手段と、
f)におい測定を行なう毎又は所定時間経過毎に試料の測定に先立って、前記電圧検出手段の検出値が前記Ａ／Ｄ変換手段の入力電圧のフルスケールの１／２となるように前記可変抵抗の抵抗値を調整する校正手段と、
を備えることを特徴とするにおい測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスセンサの一種であるにおいセンサを一乃至複数個使用して試料ガスに含まれるにおい成分を測定するにおい測定装置に関する。本発明のにおい測定装置は、食品や香料の品質検査、悪臭公害の定量検知、焦げ臭検知による火災警報機、更には、人物の追跡、識別、認証や薬物検査等の犯罪捜査等の、幅広い分野に利用が可能である。
【０００２】
【従来の技術】
においセンサは、空気（又は供給された試料ガス）中に含まれるにおい成分がセンサの感応面に付着することにより生ずる該センサの物理的変化を電気的（又は光学的）に測定するものである。においセンサとしては、酸化物半導体を用いたものや導電性高分子を用いたものが知られている。
【０００３】
例えば、導電性高分子から成る感応膜を備えたにおいセンサでは、におい物質に含まれる各種成分の分子が感応膜に付着すると、該分子の直接的又は間接的な関与により導電性高分子の導電率が変化する。そこで、感応膜を挟んで設けた電極間の抵抗値の変化を測定することによりにおい物質の検知を行なう。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この種のにおいセンサは、同一のプロセスによって製造しても初期的な抵抗値のばらつきが大きい。そのため従来のにおい測定装置では、一般に知られているブリッジ回路を利用してセンサの抵抗値を測定する構成とし、センサを当該装置に装着する際にブリッジ回路の抵抗のバランス調整を行なうことによって、センサの初期的な抵抗のばらつきを吸収するようにしている。
【０００５】
ところが、この種のにおいセンサの抵抗値は、周囲温度、抵抗値を読み取るために印加される電圧による発熱、試料ガスの流量等の測定条件によって変動する。また、経時変化や使用履歴等の要因により大きくドリフトする。このため、たとえ初期的にブリッジ回路のバランス調整を行なっても、その後の測定時にバランスが最良の状態であるとは限らない。また上記ドリフトはかなり大きいので、長期的にはブリッジ回路のバランスは確実に崩れてしまう。このようにブリッジ回路のバランスが崩れると抵抗測定のＳ／Ｎ比が劣化し、正確なにおい検知に支障をきたすこととなる。
【０００６】
このため、におい測定装置では定期的なブリッジ回路の校正が不可欠であるが、従来の装置では微妙なバランス調整を手動で行なわなければならず、使用者自身が正確な校正を行なうことは困難であった。その結果、外部（例えば装置メーカー等）の保守要員に校正を依頼せねばならず、大きなコストを要していた。また、このような定期的な校正作業を必要とするため、装置を長期間連続的に使用することができず、測定に大きな制約が生じていた。
【０００７】
本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、においセンサの抵抗値の測定条件等による変動やドリフトの影響を受けずに、常に高いＳ／Ｎ比をもって測定を行なうことができるにおい測定装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために成された本発明のにおい測定装置は、
a)二個以上の電極及び感応膜を有し、該感応膜に試料成分が付着すると電極間の抵抗値が変化するセンサと、
b)該センサと直列に接続された可変抵抗と、
c)該可変抵抗とセンサとを挟んで両端に所定電圧を印加する電圧源と、
d)前記センサと可変抵抗との接続点の電圧値を検出する電圧検出手段と、
e)前記センサと可変抵抗との接続点の電圧値をアナログ／デジタル変換してセンサ出力とするＡ／Ｄ変換手段と、
f)におい測定を行なう毎又は所定時間経過毎に試料の測定に先立って、前記電圧検出手段の検出値が前記Ａ／Ｄ変換手段の入力電圧のフルスケールの１／２となるように前記可変抵抗の抵抗値を調整する校正手段と、
を備えることを特徴としている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明に係るにおい測定装置では、センサと可変抵抗とによりハーフブリッジ回路を構成し、センサと可変抵抗との接続点から検出信号を取り出す。この構成では、センサと可変抵抗とが同一の抵抗値であるときに検出信号のＳ／Ｎ比は最良となる。そこで、校正手段は、例えば、電圧源により印加する所定電圧をＡ／Ｄ変換手段の入力電圧のフルスケールに設定しておき、におい測定の開始直前に、電圧検出手段の検出値が所定電圧の１／２に最も近くなるように可変抵抗を調整する。可変抵抗は、例えば複数の抵抗を並列に配列した抵抗アレイと、該抵抗を切り替えるアナログスイッチとを組み合わせたものとし、該スイッチの切替えを外部から設定することにより抵抗値の調整が可能なものとする。この場合、可変抵抗の調整が終了したときそのスイッチの切替えの設定により可変抵抗の抵抗値がわかる。におい測定の際には電圧検出手段の検出値が変化するから、その検出値、上記可変抵抗の抵抗値、及び上記所定電圧に基づいてセンサの抵抗値を計算することができる。
【００１０】
【発明の効果】
このように本発明に係るにおい測定装置では、高い頻度でもって最良のＳ／Ｎ比で測定が行なえるように抵抗のバランスが調整される。このため、常にセンサの抵抗値を高精度に測定することができ、ひいてはにおいの検知をより正確に行なうことができる。また、バランス調整は人手を煩わすことなく自動的に行なわれるので、保守要員等に校正作業を依頼する必要がなく、測定コストを削減することができるとともに、校正作業に時間を要せず、長時間の連続的な測定も可能になる。
【００１１】
【実施例】
以下、本発明に係るにおい測定装置の一実施例を図１及び図２を参照して説明する。図１は本実施例のにおい測定装置の流路を中心とする構成図、図２はにおいセンサの電極間の抵抗変化を測定する抵抗測定部の構成図である。
【００１２】
まず図１により、このにおい測定装置の構成を説明する。純粋な窒素ガスを充填した窒素ガス容器１０のガス出口に設けられた定圧バルブ１１の出口側の流路は、それぞれニードルバルブ１３、１５を備える二本の第１及び第２なる窒素ガス流路１２、１４に分岐される。試料ガス流路１６と第１窒素ガス流路１２とは、三方バルブ１７により選択的に六方バルブ（６ポート２ポジションバルブ）１８のポートａに接続される一方、第２窒素ガス流路１４は六方バルブ１８のポートｄに接続されている。六方バルブ１８のポートｃとポートｆとの間には、加熱用のヒータ２０が付設された捕集管１９が接続されている。この捕集管１９には、測定対象の試料成分に応じて、例えば、カーボン系吸着剤やそのほかの適宜の吸着剤が充填される。
【００１３】
六方バルブ１８のポートｂは、三方バルブ２１により、第１排出流路２２又はニードルバルブ２４とポンプ２５とが備えられた第２排出流路２３に選択的に接続される。六方バルブ１８のポートｅは複数のにおいセンサ２６を備えるフローセル２７に接続され、その下流側はバルブ３０と逆止弁３１とが備えられた第３排出流路２９となっている。複数のにおいセンサ２６の検出信号はそれぞれ信号処理部３４に入力されており、後述のような処理が行なわれる。においセンサ２６の個数は２以上の任意の数とすることができるが、ここではｃｈ１〜ｃｈ１６の番号を付された１６個のにおいセンサ（各においセンサをセンサチャンネルと呼ぶ）を設置している。また、フローセル２７は、温度調整部２８により所定温度範囲で温度が自由に設定できるようになっている。
【００１４】
制御部３２には操作部３３が付設されており、所定のプログラムに従って後述のように、三方バルブ１７、２１、六方バルブ１８、ポンプ２５、ヒータ２０、温度調整部２８等を制御している。なお、各流路の配管材料としては、試料成分の吸着が少ないＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）チューブを利用することが望ましい。
【００１５】
次に、上記におい測定装置の動作を詳述する。まず、制御部３２は、試料ガス流路１６が六方バルブ１８のポートａに接続されるように三方バルブ１７を切り替えるとともに、六方バルブ１８のポートｂが第２排出流路２３に接続されるように三方バルブ２１を切り替える。また、図１に破線で示す接続状態に六方バルブ１８を切り替え、ポンプ２５を作動させる。すると、ポンプ２５の吸引力により、試料ガス流路１６に導入された試料ガスは三方バルブ１７及び六方バルブ１８を介して捕集管１９を通り（図１中の左から右方向）、更に六方バルブ１８、三方バルブ２１、ニードルバルブ２４を通って第２排出流路２３の出口から排出される。この試料ガスは、例えば清浄空気に測定対象の試料成分（におい成分）を含むものである。このときヒータ２０には通電されないので捕集管１９はほぼ常温に維持され、試料ガスが捕集管１９を通過する際に試料ガスに含まれる試料成分は吸着剤に吸着される。
【００１６】
一方、窒素ガス容器１０のガス出口のガス圧は高くなっているので、第２窒素ガス流路１４を通して供給される窒素ガスは六方バルブ１８を介してフローセル２７に流通し、第３排出流路２９の出口から排出される。窒素ガスの流量は、ニードルバルブ１５の開度により適宜に調節される。これにより、においセンサ２６は常時窒素ガス雰囲気中に保持される。
【００１７】
所定時間、捕集管１９に試料ガスを流通させた後、制御部３２は、三方バルブ１７を切り替えて第１窒素ガス流路１２を六方バルブ１８のポートａに接続するとともに、三方バルブ２１を切り替えて六方バルブ１８のポートｂを第１排出流路２２に接続する。すると、試料ガスに代わって、窒素ガス容器１０より供給された窒素ガスが、第１窒素ガス流路１２−三方バルブ１７−六方バルブ１８−捕集管１９−六方バルブ１８−三方バルブ２１を通り、第１排出流路２２の出口から排出される。これにより、捕集管１９を含む上記流路内部に残っている試料ガスは、窒素ガスにより外部へ押し出される。このとき、捕集管１９は常温に維持されるので、先に吸着剤に吸着された試料成分はそのまま残る。一方、フローセル２７には窒素ガスが流通され続けるので、各においセンサ２６は窒素ガス雰囲気中に保たれる。
【００１８】
所定時間、捕集管１９に窒素ガスを流通させた後、制御部３２は、六方バルブ１８を図１に実線で示す接続状態に切り替える。すると、第２窒素ガス流路１４−六方バルブ１８−捕集管１９−六方バルブ１８−フローセル２７−第３排出流路２９という流路が形成される。この状態でヒータ２０に通電を開始し、捕集管１９を急速に加熱する。これにより、捕集管１９内の吸着剤に吸着していた試料成分は吸着剤から離脱し、それ以前とは逆方向（図１中で右から左方向）に流通する窒素ガスに乗ってフローセル２７まで運ばれる。このとき、フローセル２７は温度調整部２８により約４０℃に保たれる。試料成分を含む窒素ガスがフローセル２７を通ると、各においセンサ２６の感応膜に試料成分が吸着され、その特性に応じてにおいセンサ２６の電極間の電気抵抗が変化する。
【００１９】
この電気抵抗の変化は、図２に示す抵抗測定部４０にて測定される。センサ２６と可変抵抗４１とは直列に接続され、その両端には直流電圧Ｖｄが印加されている。センサ２６と可変抵抗４１との接続点４２はバッファアンプ４３を介してＡ／Ｄ変換部４４に接続され、接続点４２の電圧値Ｖｏに応じたデジタル値が演算処理部４５及び校正部４６に入力される。可変抵抗４１は、複数の抵抗から成る抵抗アレイ４１１と該抵抗を切り替えるアナログスイッチ４１２とアナログスイッチ４１２の切替えを制御するデコーダ４１３とから構成されており、デコーダ４１３に与えられたデジタル制御値に応じて抵抗値が変化するようになっている。
【００２０】
上記構成の抵抗測定部４０では、以下のような手順で抵抗変化を測定する。まず、におい物質の検知に先立って校正処理を実行する。すなわち、制御部４７は校正部４６に校正処理の開始を指示する。校正部４６は、可変抵抗４１に与えるデジタル制御値を順次変えることによりその抵抗値Ｒｖを変化させる。可変抵抗４１の抵抗値Ｒｖが変化すると接続点４２の電圧値Ｖｏは変化するから、校正部４６はＡ／Ｄ変換部４４より入力された信号により、電圧Ｖｄに対する電圧値Ｖｏが所定比率に最も近くなるような抵抗値Ｒｖを探す。適切な抵抗値Ｒｖをより速く見つけるために、二分法等の適宜の探索アルゴリズムを利用してもよい。上記条件に適合する抵抗値Ｒｖが見い出されたならば、そのときのデジタル制御値を維持する。これにより校正動作が終了する。このとき、センサ２６の抵抗値Ｒｓと可変抵抗４１の抵抗値Ｒｖとはほぼ同一になっており、接続点４２の電圧値Ｖｏを最良のＳ／Ｎ比でもって測定できる状態となっている。
【００２１】
演算処理部４５は、上記デジタル制御値により抵抗値Ｒｖを知ることができるから、その抵抗値Ｒｖ、電圧値Ｖｄ及び出力電圧値Ｖｏから次の(1)式により抵抗値Ｒｓを計算することができる。
Ｒｓ＝Ｒｖ・Ｖｏ／（Ｖｄ−Ｖｏ）        …(1)
【００２２】
最良のＳ／Ｎ比を与える上記所定比率は、本実施例の場合、
【数１】
0003849265.tif 000002
の条件より、
Ｖｏ＝（１／２）Ｖｄ
となる。
【００２３】
そこで、上記校正動作に引き続いてにおい物質を含むガスがフローセル２７に流され始めると、演算処理部４５は、所定時間間隔毎に出力電圧値Ｖｏを得て上記(1)式により抵抗値Ｒｓを計算する。これにより、におい物質によるにおいセンサ２６の抵抗変化を精度よく求めることができる。
【００２４】
なお、Ａ／Ｄ変換部４４のフルスケールに対する入力電圧値がＶｄとなるように設定しておけば、Ａ／Ｄ変換部４４の初期的な出力デジタル値はフルスケールの約１／２となる。これにより、におい物質の検知によって抵抗値Ｒｓが減少又は増加のいずれの方向に変動しても、フルスケールを越えるような電圧がＡ／Ｄ変換部４４に入力されることを防止でき適切な測定が行なえる。
【００２５】
また、可変抵抗４１の抵抗調整範囲は、予めセンサ２６の抵抗値の経時変化等を想定して適宜のものを選んでおくことが好ましい。通常、抵抗調整範囲が広い可変抵抗では抵抗値の調整ステップが粗くなり校正の精度が劣化する。従って、実用的には、適度に広い抵抗調整範囲を有する可変抵抗を選択し、上記の如き校正動作が不可能になった場合にはセンサ２６の寿命であると看做してセンサ２６自体を交換する等の処置を行なうとよい。
【００２６】
なお、上記校正動作は或る一個の試料を測定する毎に行なうことが好ましいが、例えば連続的に複数の試料を測定する場合には、所定時間が経過する毎に適当な機会に校正動作を実行するようにしてもよい。
【００２７】
また、上記実施例はセンサ２６に直流電流を流してその電極間の抵抗値を測定する構成であるが、センサ２６に方形波又はサイン波等の交流電流を流して、電極間のインダクタンス成分やキャパシタ成分等のインピーダンスを測定する構成とすることもできる。
【００２８】
更に、電圧値を測定する代わりに、可変抵抗をセンサと並列に接続し、センサに流れる電流を電流／電圧変換アンプ等を用いて測定する構成とすることもできる。
【００２９】
また、図１の如く複数のにおいセンサ２６を用いたにおい測定装置であって、検知原理の相違する複数種類のにおいセンサを組み合わせたにおい測定装置では、酸化物半導体膜や導電性高分子膜によるにおいセンサ等、特に経時ドリフトの大きなにおいセンサに対してのみ上記校正動作を行なう機能をもたせるようにしてもよい。
【００３０】
なお、上記実施例は一例であって、本発明の趣旨の範囲で適宜変形や修正を行なえることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施例であるにおい測定装置の流路を中心とする構成図。
【図２】  本実施例のにおい測定装置における抵抗測定部の構成図。
【符号の説明】
２６…においセンサ
４０…抵抗測定部
４１…可変抵抗
４１１…抵抗アレイ
４１２…アナログスイッチ
４１３…デコーダ
４２…接続点
４３…バッファアンプ
４４…Ａ／Ｄ変換部
４５…演算処理部
４６…校正部
【図１】
0003849265.tif 000003
【図２】
0003849265.tif 000004