匂いセンサ用球状弾性表面波素子および匂いセンシングシステム
【課題】匂いの元となるガス分子を高感度に検出できるとともに、多種類のガス応答特性の対応できる匂いセンサ用球状弾性表面波素子および匂いセンシングシステムを提供する。
【解決手段】弾性表面波を周回させて伝搬する伝搬面を有する球状基材と、前記球状基材の伝搬面上に形成され、弾性表面波を前記球状基材の伝搬面に励起する電極と、前記球状基材の伝搬面上に形成され、匂いの元となるガス分子を吸着する感応膜とを有し、前記感応膜は脂質とポリマーとが共有結合したリポポリマーを含むことを特徴とする匂いセンサ用球状弾性表面波素子。
【解決手段】弾性表面波を周回させて伝搬する伝搬面を有する球状基材と、前記球状基材の伝搬面上に形成され、弾性表面波を前記球状基材の伝搬面に励起する電極と、前記球状基材の伝搬面上に形成され、匂いの元となるガス分子を吸着する感応膜とを有し、前記感応膜は脂質とポリマーとが共有結合したリポポリマーを含むことを特徴とする匂いセンサ用球状弾性表面波素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、匂いセンサ用球状弾性表面波素子および匂いセンシングシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、匂いセンサが、食品や飲料・化粧品・環境計測などの多くの分野で必要とされている。例えば、食品や香料などの品質管理においては、通常、いわゆる“鼻の利く専門家”により匂いの評価や異常を検査するための官能検査が実施される。しかし、専門家による官能検査は鼻の疲労などにより安定した検査結果を得ることが難しい。また、官能検査の専門家を育成するのには長い年月を要するので、検査の必要に応じて専門家を確保することは困難である。このような理由から、安定した検査結果を得ることができる匂いセンシングシステムの必要性が増してきている。
【０００３】
匂いセンシングシステムは、特性の異なる複数のセンサの出力パターンを多変量解析したり、ニューラルネットワークなどを用いてパターン認識したりして、匂いの元となるガス分子を特定することにより匂いを識別するものである。パターン認識をする際には、特定の匂いに特異的に応答するセンサを用いるのではなく、生体の嗅細胞と同様に、緩やかな選択性を持ち多数の匂いに応答するセンサを用いる。ちなみに、生体の嗅細胞においては、匂いの応答特性の異なる多数の嗅細胞の出力パターンを嗅覚神経系でパターン認識することにより匂い認識が行われる。
【０００４】
人が生活するうえで出会う様々な匂いの原因となるガスの種類は非常に多い。また、同一のガスであっても、人が匂いを感じるときの濃度幅は非常に広い。
【０００５】
匂いセンシングシステムに用いられるセンサとしては、たとえばＱＣＭと呼ばれる水晶振動子ガスセンサが挙げられる（非特許文献１、２参照）。このセンサは、５０〜２００μｍ程度の薄い水晶板の表裏に銀・金などの金属薄膜電極を形成し、電極上に感応膜を塗布した構造を有する。この感応膜に匂い分子が吸着すると、質量負荷効果が生じるため、水晶振動子の発振周波数の変化に基づいて匂いの元となるガス分子を識別することができる。
【０００６】
水晶振動子ガスセンサは、応答・回復速度が速いので測定時間を短縮することができる。また、水晶振動子ガスセンサを用いる他の利点として、人間の感覚とセンサ出力との相関が高いこと、簡便な測定回路で安定に動作すること、信号処理用デジタルＬＳＩとの整合性が良いこと、といった点が挙げられる。しかし、水晶振動子ガスセンサでは感度を上げることが極めて困難である。
【０００７】
また、球状弾性表面波素子を用いて匂い計測を行う場合にも、弾性表面波が減衰することから感度を上げることが困難である。特に、有機材料のようにそれ自体が弾性波に対して大きな減衰率を持つ物質を感応膜として使用する際には、感応膜の厚さを薄くすることで減衰を抑制しなくてはならない。
【０００８】
一方、匂いセンサの感応膜に関しては、単分子膜や自己組織化膜を使用する方法が試みられている。チオール基またはジスルフィド基をもった感応膜分子を溶解した溶液に、金膜を表面に形成した基材を浸漬することで、金とチオール基またはジスルフィド基が選択的に且つ高密度に結合することから感応膜分子が表面で同一方向に配向した感応膜を形成することができる。高密度にしかも分子を配向して形成できることから周囲のガスと接触する側に、感応性を発揮する部位を揃えさせることなどが可能で優れた吸着特性を得ることができる。
【０００９】
しかし、これまで特に弾性波を利用した匂いセンサは、あらかじめ限られた匂いの種類が知られている条件の下に識別を行うものが殆どである。識別すべきガスが特定されていない場合にはより多種類の互いに異なるガス応答特性を持った感応膜を準備する必要がある。そこで、多種類のガス応答特性の対応することが要望されている。
【非特許文献１】中本高道、森泉豊栄，“匂いセンシングシステム”，「電子情報通信学会論文誌（Ｃ−Ｉ）」，１９９９年４月，Ｖｏｌ．Ｊ８２−Ｃ−Ｉ Ｎｏ．４，ｐ．１５６−１６４）
【非特許文献２】"Pegylated lipid as coatings for QCM odor sensors", Sensors and Actuators B, vol. 121, pp. 538-544 (2007)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、匂いの元となるガス分子を高感度に検出できるとともに、多種類のガス応答特性の対応できる匂いセンサ用球状弾性表面波素子および匂いセンシングシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１に係る発明は、弾性表面波を周回させて伝搬する伝搬面を有する球状基材と、前記球状基材の伝搬面上に形成され、弾性表面波を前記球状基材の伝搬面に励起する電極と、前記球状基材の伝搬面上に形成され、匂いの元となるガス分子を吸着する感応膜とを有し、前記感応膜は脂質とポリマーとが共有結合したリポポリマーを含むことを特徴とする匂いセンサ用球状弾性表面波素子である。
【００１２】
請求項２に係る発明は、請求項１に対応する発明であって、前記感応膜は、前記リポポリマーがその末端で前記球状基材の伝搬面上に結合して形成された自己組織化膜であることを特徴とする匂いセンサ用球状弾性表面波素子である。
【００１３】
請求項３に係る発明は、請求項１または２に対応する発明であって、前記球状基材の伝搬面上に金を含む薄膜が形成され、前記リポポリマーは末端のチオール基またはジスルフィド基を介して前記金を含む薄膜に結合していることを特徴とする匂いセンサ用球状弾性表面波素子である。
【００１４】
請求項４に係る発明は、請求項１ないし３のいずれか１項に対応する発明であって、前記脂質は、リン脂質およびスフィンゴ脂質からなる群より選択されることを特徴とする匂いセンサ用球状弾性表面波素子である。
【００１５】
請求項５に係る発明は、請求項１ないし４のいずれか１項に対応する発明であって、前記ポリマーは、ポリエチレングリコール、ポリビニルメチルエーテル、ポリメタクリルアミドおよびポリヒドロキシエチルアクリレートからなる群より選択されることを特徴とする匂いセンサ用球状弾性表面波素子である。
【００１６】
請求項６に係る発明は、複数の請求項１に記載の匂いセンサ用球状弾性表面波素子であって、それぞれ脂質またはポリマーが互いに異なり、匂いの元となるガス分子の種類に応じて互いに異なる応答特性を有する感応膜を有する匂いセンサ用球状弾性表面波素子と、各々の球状弾性表面波素子の電極に高周波信号を入力して弾性表面波を励起する手段と、各々の球状弾性表面波素子の電極により検出される弾性表面波の検出信号に基づき、前記弾性表面波が多重周回する際の検出信号の強度減衰量、検出信号の位相変化量および検出信号の伝搬速度の変化量のうち少なくとも１つを収集する信号収集手段と、前記信号収集手段により収集される検出信号から、前記匂いの識別を算出する手段とを備えたことを特徴とする匂いセンシングシステムである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、匂いの元となるガス分子を高感度に検出できるとともに、多種類のガス応答特性の対応できる匂いセンサ用球状弾性表面波素子および匂いセンシングシステムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明において弾性表面波と称する場合、固体表面あるいは固体境界に沿ってエネルギーを集中して伝搬する弾性波全般を指すこととする。例えばセザワ波のように多少エネルギーを球形基材に漏洩しながら伝搬するものや、ＳＨ波、また表面に膜を有する場合に伝搬可能なラブ波、あるいは球形の空洞の内壁を伝搬するもの、回廊波も含んで指すこととする。
【００１９】
本発明の匂いセンサは、球状弾性表面波素子の表面にリポポリマーの自己組織化膜を形成する。リポポリマーからなる感応膜は、従来の感応膜よりも薄く均一に形成することができるので、弾性表面波の分散による減衰率の増大を避けることができる。また、リポポリマーは、これを構成する脂質および／またはポリマーの種類を容易に変更できるので、多種類のガス応答特性に対応できる。
【００２０】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。
【００２１】
図１は本発明の実施形態に係る匂いセンサ用の球状弾性表面波素子（ボールＳＡＷ）の構成を示す模式図である。図２は球状弾性表面波素子の円周経路における断面図である。
【００２２】
球状基材としての圧電性結晶球１の表面に、弾性表面波を励起するためのすだれ状電極２が形成されている。すだれ状電極２は圧電性結晶球１の結晶方位を考慮して形成されている。すだれ状電極２の単位電極が配列されている方向に沿う圧電性結晶球１の最大外周円に弾性表面波を周回させて伝搬する周回経路が形成される。また、圧電性結晶球１の表面のすだれ状電極２をはずれた領域に、少なくとも弾性表面波の周回経路の幅をカバーする金薄膜３が形成されている。なお、金薄膜３の下地には、圧電性結晶球（水晶球）１との密着性を上げるためにクロム接着層（図示せず）を設けている。この金薄膜３上に脂質とポリマーとが共有結合したリポポリマーを含む感応膜４が形成されている（図１には感応膜を図示していない）。
【００２３】
圧電性結晶球１の材料としては、水晶、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、ランガサイト（Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４）、ランガテイト（Ｌａ３Ｔａ０．５Ｇａ５．５ＳｉＯ１４）などを用いることができる。ＬｉＮｂＯ３やＬｉＴａＯ３などは、１個の結晶球の表面に最大で１０の弾性表面波の周回経路を有し、理論的には９種類の感応特性の違う感応膜を互いに異なる周回経路上に形成することができる。
【００２４】
図３に金薄膜３上に形成された感応膜４の模式図を示す。リポポリマーは、脂質とポリマーとが共有結合し、ポリマーの末端に結合基としてジスルフィド基（またはチオール基）を有する。リポポリマーは、圧電性結晶球（水晶球）１の表面に形成された金薄膜３にジスルフィド基を介して結合している。リポポリマーは脂質部分が凝集して自己組織化して配向性のよい単分子膜を形成している。以下、自己組織化した単分子膜をＳＡＭ（self-assembling monolayer）と表記することがある。なお、金薄膜３上に化学吸着されたリポポリマーの自己組織化膜に対して、さらに他のリポポリマーを物理吸着させてもよい。
【００２５】
圧電性結晶球１の直径と弾性表面波の波長によって決まる所定の電極幅のすだれ状電極２を形成し、図１に示した高周波信号発生器からすだれ状電極２に高周波信号を印加すると、高周波信号に応じた弾性表面波が励起され、周回経路に沿って多重に周回する。励起した弾性表面波は周回するごとにすだれ状電極２を通過し、その際に起電力を発生するので、図１に示した信号解析装置で電気的にその周回の状況を観測することができる。
【００２６】
図４に球状弾性表面波素子の出力信号の模式図を示す。周回ごとに出力される信号の時間を計測すれば、弾性表面波の伝搬速度を求めることができる。また、周回ごと出力される信号の強度を計測すれば、周回に伴い周回面が弾性表面波のエネルギーを吸収する量が求まり、伝搬面のもう一つの弾性特性情報を得ることができる。
【００２７】
そして、周回経路に形成された感応膜４にガス分子が吸着すると、信号出力に変化が生じる。たとえば、ガス分子の吸着により感応膜４が重くなると、弾性表面波の伝搬速度が低下する。また、ガス分子と反応によって感応膜４が硬くなるなど弾性変化を起こすと、弾性表面波の伝搬速度が変化する。これらの変化を検出することによって匂いセンサとしての機能を得ることができる。
【００２８】
球状弾性表面波素子は、平板型の弾性表面波素子とは異なり、圧電性結晶球１の最大外周円に沿った伝搬経路を持つので、反射器を使用することなく弾性表面波を周回数倍の距離だけ伝搬させることができる。信号解析装置による遅延時間や強度の測定精度が同じである場合、周回に応じて変化が重畳されるため、感応膜４の弾性変化をより高感度に測定することできる。
【００２９】
本発明において用いられるリポポリマーの例を下記化学式に示す。
【００３０】
（ａ）のリポポリマーは、ポリマー部分が（ＣＨ２ＣＨ２Ｏ）４５で表されるポリエチレングリコール（ＰＥＧ）、ポリマーの一端の脂質部分が２つのステアロイル基を有するリン脂質、ポリマーの他端の結合部分がジスルフィド基を含むＰＤＰとなっている。以下、このリポポリマーを、１，２−ジステアロイル−ｓｎ−グリセロ−３−フォスフォエタノールアミン−Ｎ−［ＰＤＰ（ポリエチレングリコール）２０００］と称し、ＰＤＰ−ＬＤ２Ｋと表示する。（ａ）のリポポリマーは、結合部分であるＰＤＰ中のジスルフィド基を介して金薄膜に結合する。
【００３１】
（ｂ）のリポポリマーは、ポリマー部分が（ＣＨ２ＣＨ２Ｏ）ｎで表されるポリエチレングリコール（ＰＥＧ）、脂質部分が２つのステアロイル基を有するリン脂質となっている。（ｂ）のリポポリマーは、金薄膜に結合した（ａ）のリポポリマーに物理吸着させることができる。以下、（ｂ）で表されるリポポリマーを、ＰＥＧのおおよその分子量（重合度ｎ）に応じてたとえば以下のように表記する。
【００３２】
ＰＥＧ分子量＝約１０００（ｎ＝ ２２） ＬＤ１Ｋ
ＰＥＧ分子量＝約２０００（ｎ＝ ４５） ＬＤ２Ｋ
ＰＥＧ分子量＝約５０００（ｎ＝１１４） ＬＤ５Ｋ
【化１】
【００３３】
なお、リポポリマーのポリマー部分は、ポリエチレングリコールに限らず、ポリビニルメチルエーテル、ポリメタクリルアミド、ポリヒドロキシエチルアクリレートなどを用いることができる。また、リポポリマーの脂質部分はリン脂質に限らず、スフィンゴ脂質を用いることもできる。
【００３４】
次に、以下のようにして、球状弾性表面波素子の表面に設けた金薄膜の上にリポポリマーを含む感応膜を結合させた。
【００３５】
１）ＰＤＰ−ＬＤ２Ｋを０．２ｍＭの濃度でエタノールに溶解した。
【００３６】
２）金薄膜を設けた球状弾性表面波素子を溶液中に４時間浸した。
【００３７】
３）素子を溶液から取り出し、エタノールに１５分間浸した。
【００３８】
４）素子をエタノールから取り出し乾燥させた。
【００３９】
得られたＰＤＰ−ＬＤ２Ｋを結合させた球状弾性表面波素子を用い、匂い物質である酢酸ブチルに対する応答性を調べた。この試験では、酢酸ブチルの濃度を２５％、５０％、７５％、１００％に変え、１５周目の波形の位相応答を測定した。また、６０秒から１２０秒、２４０秒から３００秒、４２０秒から４８０秒の間に匂い物質を導入し、それ以外の時刻ではキャリアガスで匂い物質を排出した。その結果を図５に示す。図５には、ベースラインの変化が見られるが、これは素子の温度変化の影響によるである。
【００４０】
次に、上記のようにしてＰＤＰ−ＬＤ２Ｋを結合させた球状弾性表面波素子（ＳＡＭという）に加えて、さらにＰＤＰ−ＬＤ２Ｋに対してＬＤ１Ｋを物理吸着させた球状弾性表面波素子（ＳＡＭ＋ＬＤ１Ｋという）を作製した。図６に、リポポリマー形成前の素子の出力信号の強度変化（コーティング前）と、リポポリマーを形成後の出力信号の強度変化（ＳＡＭおよびＳＡＭ＋ＬＤ１Ｋ）を示す。
【００４１】
コーティング前の素子でも周回に伴う信号強度の低下が見られる。これは、水晶球による弾性表面波のエネルギー吸収、空中への弾性表面波エネルギーの漏出、周回経路表面に形成された金薄膜での電流による弾性表面波のエネルギーの熱エネルギーとしての喪失、または測定回路への電気エネルギーとしての漏出による。
【００４２】
また、リポポリマーをコーティング後の素子（ＳＡＭまたはＳＡＭ＋ＬＤ１Ｋ）でも、周回に伴う信号強度の減衰の程度はそれほど顕著ではない。感応膜としてリポポリマー以外の材料を用いた場合には周回に伴う信号強度の低下が顕著であったのと対比すると、感応膜としてリポポリマーを用いることによって信号強度の減衰を抑制できるという効果が得られる。
【００４３】
次に、ＰＤＰ−ＬＤ２Ｋからなる感応膜を有する球状弾性表面波素子（ＳＡＭ）およびＰＤＰ−ＬＤ２Ｋ＋ＬＤ１Ｋからなる感応膜を有する球状弾性表面波素子（ＳＡＭ＋ＬＤ１Ｋ）について、匂い物質であるｎ−ブタノールまたはイソ酪酸の濃度と、５０周回目の出力の位相シフトとの関係を調べた。その結果をそれぞれ図７（ａ）および（ｂ）に示す。
【００４４】
両方の球状弾性表面波素子とも、匂い物質の濃度に対して位相シフトが線形に変化している。また、ＰＤＰ−ＬＤ２Ｋ＋ＬＤ１Ｋからなる感応膜を有する球状弾性表面波素子（ＳＡＭ＋ＬＤ１Ｋ）の方が高感度であることがわかる。
【００４５】
次に、ＰＤＰ−ＬＤ２Ｋを形成した球状弾性表面波素子との比較のために、従来の感応膜であるＳｉｐｏｎａｔｅ ＤＳ−１０をＡＣエレクトロスプレイにより形成した球状弾性表面波素子を作製した。これらの球状弾性表面波素子について、匂い物質であるイソ酪酸の濃度と、出力の位相シフトとの関係を調べた。その結果をそれぞれ図８に示す。
【００４６】
イソ酪酸の濃度は２５％、５０％、７５％、１００％と変化させた。Ｓｉｐｏｎａｔｅ ＤＳ−１０をＡＣエレクトロスプレイにより形成した素子では、周回に伴う信号強度の低下が大きかったため、５周目の出力を測定した。一方、ＰＤＰ−ＬＤ２Ｋを形成した素子では、５０周回目の信号まで十分な強度でその位相シフトを測定できた。このようにＰＤＰ−ＬＤ２Ｋを形成した素子では、従来の素子の１０倍の周回数でも、２倍以上の位相変化で全ての濃度の匂い物質を測定できることがわかった。これは、ＰＤＰ−ＬＤ２Ｋの自己組織化単分子膜からなる感応膜の厚さが薄いため、感応膜の弾性に対するガスの影響が小さいことによると考えられる。
【００４７】
図９に、５種類の自己組織化単分子膜からなる感応膜をそれぞれ有する球状弾性表面波素子について主成分分析を行い、４種類の匂いガス成分の識別を行った結果を示す。図中のＡはブタノール、Ｂは酢酸ヘキシル、Ｃはイソ酪酸、Ｄはヘキサナールである。この図から、各々の匂い物質が明確に識別されていることが明らかである。
【００４８】
図１０に本発明の実施形態に係る匂いセンシングシステムの概略図を示す。
【００４９】
この匂いセンシングシステムは、センサセル１０と、球状弾性表面波素子２０と、匂識別装置３０とを備えている。この匂いセンシングシステムにおいては、球状弾性表面波素子２０がセンサセル１０内に設けられ、この球状弾性表面波素子２０からの検出信号に基づいて、センサセル１０内の匂いを匂識別装置３０により識別する。なお、本実施形態において、部材を総括的に説明する場合には単に数字を表記し、個別的に説明する場合には数字に添え字Ａ〜Ｅを付して表記する。例えば、球状弾性表面波素子を総括的に説明する場合には球状弾性表面波素子２０と表記し、個別的に説明する場合には球状弾性表面波素子２０Ａ〜２０Ｅと表記する。
【００５０】
センサセル１０は匂いの元となるガスＧが流入する容器であり、流入管１１と、排気管１２と、セル制御部１３とを備えている。さらに、センサセル１０は、球状弾性表面波素子２０Ａ〜２０Ｅを支えるための支持体１４Ａ〜１４Ｅを内部に備えている。
【００５１】
流入管１１はセンサセル１０内部にガスＧを流入するものであり、セル制御部１３により制御される。具体的には、円筒形の流入管１１の側面に数個の噴出口があいており、ガスＧが噴出されるようになっている。
【００５２】
排気管１２はセンサセル１０内のガスを排気するものである。すなわち、流入管１１により流入されるガスＧがセンサセル１０内に残留しないようにするために、匂いを識別するタイミングに応じてセンサセル１０内のガスを排気するものである。
【００５３】
セル制御部１３はセンサセル１０を制御するものである。具体的には、流入管１１を介してセンサセル１０内にガスＧを流入するタイミングを制御したり、支持体１４を介して球状弾性表面波素子２０との電気信号の入出力を制御したりするものである。なお、セル制御部１３は、後述する匂識別装置３０の制御部３２から流入制御信号や励起制御信号を受けると、各制御を実行する。
【００５４】
支持体１４Ａ〜１４Ｅはそれぞれ球状弾性表面波素子２０Ａ〜２０Ｅをセンサセル１０内に支持するものである。また、各球状弾性表面波素子２０Ａ〜２０Ｅに対し電気信号の伝達を行なう機能を有している。これにより、セル制御部１３からの励起制御信号に基づき、弾性表面波を励起することができる。
【００５５】
球状弾性表面波素子２０は、図１〜図３に示したように、圧電性結晶球１の表面に、すだれ状電極２、金薄膜３、感応膜４を備える。本実施形態では、５個の球状弾性表面波素子２０Ａ〜２０Ｅを設けているが、球状弾性表面波素子２０Ｅは参照信号を得るためのものであるので、その伝搬面に感応膜を形成しない。
【００５６】
すだれ状電極２は励起手段／検出手段であり、匂識別装置３０から高周波信号が入力されることにより、弾性表面波を伝搬面に励起する。詳しくは、すだれ状電極２に高周波の交流電流が流れると、その周波数と電極周期に応じてすだれ状電極２の単位電極が振動して弾性表面波が発生する。また、すだれ状電極２は、弾性表面波が伝搬面を周回する度にこれを検出する。なお、検出した弾性表面波の出力信号は、匂識別装置３０の信号収集部３３に送出される。
【００５７】
匂識別装置３０は、基準パターン記憶部３１、制御部３２、信号収集部３３、検出パターン生成部３４、匂識別部３５、出力部３６を備え、各球状弾性表面波素子２０Ａ〜２０Ｅからの弾性表面波の検出信号に基づいて、センサセル１０内の匂いを識別する。
【００５８】
基準パターン記憶部３１は、各感応膜２２Ａ〜２２Ｄに付着する気体分子の付着量を、基準パターン情報Ｄ１〜Ｄｎとして、気体Ｇ１〜Ｇｎの種類毎に予め記憶しているメモリである。
【００５９】
制御部３２は、匂識別装置３０の各処理部３１〜３６を制御するとともに、センサセル１０に制御信号を送出するものである。具体的には、センサセル１０のセル制御部１３に流入制御信号を送出することにより、センサセル１０内に気体Ｇを流入させるための制御を行なう機能を有する。また、センサセル１０の制御部１３を介して、弾性表面波素子２０のすだれ状電極２に高周波信号を入力する制御を行なうことにより弾性表面波を伝搬面上に励起する機能を有する。
【００６０】
信号収集部３３は、すだれ状電極２により検出される弾性表面波の検出信号を収集するものである。また、収集した検出信号を検出パターン生成部３４に送出する。
【００６１】
検出パターン生成部３４は、信号収集部３３により収集される検出信号から、各感応膜２２Ａ〜２２Ｄに付着する気体分子の付着量を当該感応膜２２Ａ〜２２Ｄの種類毎に示す検出パターン情報Ｄｘを生成するものである。具体的には、弾性表面波を多重周回させた後の検出信号の強度減衰量に基づいて、気体分子の付着量を算出する。付着量を算出する際、弾性表面波素子１０Ｅからの検出信号を温度較正に用いることができる。なお、生成された検出パターン情報Ｄｘは、匂識別部３５に送出される。
【００６２】
匂識別部３５は、基準パターン記憶部３１により記憶されている基準パターン情報Ｄ１〜Ｄｎと検出パターン生成部３４により生成される検出パターン情報Ｄｘとを比較し、両者を同一とみなせるときの基準パターン情報から気体Ｇの種類を特定して匂いを識別するものである。パターン認識に際しては、多変量解析による方法と、ニューラルネットワークによる方法とがある。
【００６３】
多変量解析による方法は、各センサについて数種類の値が観測される場合に用いられる解析手法である。例えば、センサＡとセンサＢとの２個のセンサを用い、未知の匂いＷｘが、匂いＷ１と匂いＷ２とのいずれかに属するかを判別する。
【００６４】
ニューラルネットワークによる方法は、ニューロンと呼ばれる要素が多数結合した回路を用いた解析手法であり、ニューロン同士の結合の強さを学習により最適化することによりパターン認識を行なうものである。ニューラルネットワークを構成する方法は、コンピュータにソフトウェアを実装する方法と、ハードウェアにより行う方法がある。
【００６５】
なお、パターン認識により特定された気体のデータは、匂い情報として出力部３６に送出される。
【００６６】
出力部３６は、匂識別部３５により識別された匂い情報を出力するものである。
【００６７】
図１１のフローチャートを参照して本実施形態に係る匂いセンシングシステムの動作を説明する。
【００６８】
始めに、制御部３２の制御により、匂いを識別対象である気体Ｇｘが流入管１１から噴出される。これにより、センサセル１０内にガスＧｘが充満する（ステップＳ１）。
【００６９】
続いて、制御部３２の制御により、複数の球状弾性表面波素子２０Ａ〜２０Ｅのすだれ状電極２に高周波信号が入力されて、伝搬面に弾性表面波が励起される（ステップＳ２）。
【００７０】
励起された弾性表面波が周回し、すだれ状電極２に到達すると、弾性表面波が電気信号に変換される。変換された電気信号は、検出信号として信号収集部３３に送出される。続いて、信号収集部３３により検出信号Ａ〜Ｅが収集され、検出パターン作成部３４に送出される（ステップＳ３）。
【００７１】
検出パターン作成部３４では、検出信号に基づき、弾性表面波の強度変化が解析される（ステップＳ４）。それから、強度変化に基づいて、各伝搬面における気体Ｇｘの分子の付着量が算出され、検出パターン情報Ｄｘが生成される（ステップＳ５）。そして、生成された検出パターン情報Ｄｘは、匂識別部３５に送出される。
【００７２】
次に、匂識別部３５により、基準パターン記憶部３１に記憶された基準パターン情報Ｄ１〜Ｄｎと検出パターン情報Ｄｘとが比較される（ステップＳ６）。ここでは、ニューラルネットワークによる比較処理が実行される。このような比較処理により、例えば、検出パターン情報Ｄｘと基準パターン情報Ｄ２とが一致するとみなせる場合には、特定のガスＧｘが識別される（ステップＳ７）。そして、特定のガスＧｘを示す結果情報が出力部３６に出力される（ステップＳ８）。
【００７３】
上記のような測定方法以外でも、センサセルに常にフローを流して、空気と匂いサンプルを切り替えて測定するフロー測定系も可能である。
【００７４】
なお、本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明の実施形態に係る匂いセンサ用の球状弾性表面波素子（ボールＳＡＷ）の構成を示す模式図。
【図２】球状弾性表面波素子の円周経路における断面図。
【図３】金薄膜上に形成された感応膜の模式図。
【図４】本発明に係る球状弾性表面波素子の出力信号の模式図。
【図５】本発明に係る球状弾性表面波素子の酢酸ブチルに対する応答性を示す図。
【図６】リポポリマー形成前の素子の出力信号の強度変化と、リポポリマーを形成後の出力信号の強度変化を示す図。
【図７】本発明に係る球状弾性表面波素子について、ｎ−ブタノールまたはイソ酪酸の濃度と、５０周回目の出力の位相シフトとの関係を示す図。
【図８】本発明に係る球状弾性表面波素子と従来の球状弾性表面波素子について、匂い物質であるイソ酪酸の濃度と出力の位相シフトとの関係を示す図。
【図９】本発明に係る球状弾性表面波素子について、４種類の匂いガス成分の識別を行った結果を示す図。
【図１０】本発明に係る匂いセンシングシステムの概略図。
【図１１】本発明に係る匂いセンシングシステムの動作を示すフローチャート。
【符号の説明】
【００７６】
１…圧電性結晶球、２…すだれ状電極、３…金薄膜、４…感応膜、１０…センサセル、１１…流入管、１２…排気管、１３…セル制御部、１４…支持体、２０…球状弾性表面波素子、３０…匂識別装置、３１…基準パターン記憶部、３２…制御部、３３…信号収集部、３４…検出パターン生成部、３５…匂識別部、３６…出力部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、匂いセンサ用球状弾性表面波素子および匂いセンシングシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、匂いセンサが、食品や飲料・化粧品・環境計測などの多くの分野で必要とされている。例えば、食品や香料などの品質管理においては、通常、いわゆる“鼻の利く専門家”により匂いの評価や異常を検査するための官能検査が実施される。しかし、専門家による官能検査は鼻の疲労などにより安定した検査結果を得ることが難しい。また、官能検査の専門家を育成するのには長い年月を要するので、検査の必要に応じて専門家を確保することは困難である。このような理由から、安定した検査結果を得ることができる匂いセンシングシステムの必要性が増してきている。
【０００３】
匂いセンシングシステムは、特性の異なる複数のセンサの出力パターンを多変量解析したり、ニューラルネットワークなどを用いてパターン認識したりして、匂いの元となるガス分子を特定することにより匂いを識別するものである。パターン認識をする際には、特定の匂いに特異的に応答するセンサを用いるのではなく、生体の嗅細胞と同様に、緩やかな選択性を持ち多数の匂いに応答するセンサを用いる。ちなみに、生体の嗅細胞においては、匂いの応答特性の異なる多数の嗅細胞の出力パターンを嗅覚神経系でパターン認識することにより匂い認識が行われる。
【０００４】
人が生活するうえで出会う様々な匂いの原因となるガスの種類は非常に多い。また、同一のガスであっても、人が匂いを感じるときの濃度幅は非常に広い。
【０００５】
匂いセンシングシステムに用いられるセンサとしては、たとえばＱＣＭと呼ばれる水晶振動子ガスセンサが挙げられる（非特許文献１、２参照）。このセンサは、５０〜２００μｍ程度の薄い水晶板の表裏に銀・金などの金属薄膜電極を形成し、電極上に感応膜を塗布した構造を有する。この感応膜に匂い分子が吸着すると、質量負荷効果が生じるため、水晶振動子の発振周波数の変化に基づいて匂いの元となるガス分子を識別することができる。
【０００６】
水晶振動子ガスセンサは、応答・回復速度が速いので測定時間を短縮することができる。また、水晶振動子ガスセンサを用いる他の利点として、人間の感覚とセンサ出力との相関が高いこと、簡便な測定回路で安定に動作すること、信号処理用デジタルＬＳＩとの整合性が良いこと、といった点が挙げられる。しかし、水晶振動子ガスセンサでは感度を上げることが極めて困難である。
【０００７】
また、球状弾性表面波素子を用いて匂い計測を行う場合にも、弾性表面波が減衰することから感度を上げることが困難である。特に、有機材料のようにそれ自体が弾性波に対して大きな減衰率を持つ物質を感応膜として使用する際には、感応膜の厚さを薄くすることで減衰を抑制しなくてはならない。
【０００８】
一方、匂いセンサの感応膜に関しては、単分子膜や自己組織化膜を使用する方法が試みられている。チオール基またはジスルフィド基をもった感応膜分子を溶解した溶液に、金膜を表面に形成した基材を浸漬することで、金とチオール基またはジスルフィド基が選択的に且つ高密度に結合することから感応膜分子が表面で同一方向に配向した感応膜を形成することができる。高密度にしかも分子を配向して形成できることから周囲のガスと接触する側に、感応性を発揮する部位を揃えさせることなどが可能で優れた吸着特性を得ることができる。
【０００９】
しかし、これまで特に弾性波を利用した匂いセンサは、あらかじめ限られた匂いの種類が知られている条件の下に識別を行うものが殆どである。識別すべきガスが特定されていない場合にはより多種類の互いに異なるガス応答特性を持った感応膜を準備する必要がある。そこで、多種類のガス応答特性の対応することが要望されている。
【非特許文献１】中本高道、森泉豊栄，“匂いセンシングシステム”，「電子情報通信学会論文誌（Ｃ−Ｉ）」，１９９９年４月，Ｖｏｌ．Ｊ８２−Ｃ−Ｉ Ｎｏ．４，ｐ．１５６−１６４）
【非特許文献２】"Pegylated lipid as coatings for QCM odor sensors", Sensors and Actuators B, vol. 121, pp. 538-544 (2007)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、匂いの元となるガス分子を高感度に検出できるとともに、多種類のガス応答特性の対応できる匂いセンサ用球状弾性表面波素子および匂いセンシングシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１に係る発明は、弾性表面波を周回させて伝搬する伝搬面を有する球状基材と、前記球状基材の伝搬面上に形成され、弾性表面波を前記球状基材の伝搬面に励起する電極と、前記球状基材の伝搬面上に形成され、匂いの元となるガス分子を吸着する感応膜とを有し、前記感応膜は脂質とポリマーとが共有結合したリポポリマーを含むことを特徴とする匂いセンサ用球状弾性表面波素子である。
【００１２】
請求項２に係る発明は、請求項１に対応する発明であって、前記感応膜は、前記リポポリマーがその末端で前記球状基材の伝搬面上に結合して形成された自己組織化膜であることを特徴とする匂いセンサ用球状弾性表面波素子である。
【００１３】
請求項３に係る発明は、請求項１または２に対応する発明であって、前記球状基材の伝搬面上に金を含む薄膜が形成され、前記リポポリマーは末端のチオール基またはジスルフィド基を介して前記金を含む薄膜に結合していることを特徴とする匂いセンサ用球状弾性表面波素子である。
【００１４】
請求項４に係る発明は、請求項１ないし３のいずれか１項に対応する発明であって、前記脂質は、リン脂質およびスフィンゴ脂質からなる群より選択されることを特徴とする匂いセンサ用球状弾性表面波素子である。
【００１５】
請求項５に係る発明は、請求項１ないし４のいずれか１項に対応する発明であって、前記ポリマーは、ポリエチレングリコール、ポリビニルメチルエーテル、ポリメタクリルアミドおよびポリヒドロキシエチルアクリレートからなる群より選択されることを特徴とする匂いセンサ用球状弾性表面波素子である。
【００１６】
請求項６に係る発明は、複数の請求項１に記載の匂いセンサ用球状弾性表面波素子であって、それぞれ脂質またはポリマーが互いに異なり、匂いの元となるガス分子の種類に応じて互いに異なる応答特性を有する感応膜を有する匂いセンサ用球状弾性表面波素子と、各々の球状弾性表面波素子の電極に高周波信号を入力して弾性表面波を励起する手段と、各々の球状弾性表面波素子の電極により検出される弾性表面波の検出信号に基づき、前記弾性表面波が多重周回する際の検出信号の強度減衰量、検出信号の位相変化量および検出信号の伝搬速度の変化量のうち少なくとも１つを収集する信号収集手段と、前記信号収集手段により収集される検出信号から、前記匂いの識別を算出する手段とを備えたことを特徴とする匂いセンシングシステムである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、匂いの元となるガス分子を高感度に検出できるとともに、多種類のガス応答特性の対応できる匂いセンサ用球状弾性表面波素子および匂いセンシングシステムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明において弾性表面波と称する場合、固体表面あるいは固体境界に沿ってエネルギーを集中して伝搬する弾性波全般を指すこととする。例えばセザワ波のように多少エネルギーを球形基材に漏洩しながら伝搬するものや、ＳＨ波、また表面に膜を有する場合に伝搬可能なラブ波、あるいは球形の空洞の内壁を伝搬するもの、回廊波も含んで指すこととする。
【００１９】
本発明の匂いセンサは、球状弾性表面波素子の表面にリポポリマーの自己組織化膜を形成する。リポポリマーからなる感応膜は、従来の感応膜よりも薄く均一に形成することができるので、弾性表面波の分散による減衰率の増大を避けることができる。また、リポポリマーは、これを構成する脂質および／またはポリマーの種類を容易に変更できるので、多種類のガス応答特性に対応できる。
【００２０】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。
【００２１】
図１は本発明の実施形態に係る匂いセンサ用の球状弾性表面波素子（ボールＳＡＷ）の構成を示す模式図である。図２は球状弾性表面波素子の円周経路における断面図である。
【００２２】
球状基材としての圧電性結晶球１の表面に、弾性表面波を励起するためのすだれ状電極２が形成されている。すだれ状電極２は圧電性結晶球１の結晶方位を考慮して形成されている。すだれ状電極２の単位電極が配列されている方向に沿う圧電性結晶球１の最大外周円に弾性表面波を周回させて伝搬する周回経路が形成される。また、圧電性結晶球１の表面のすだれ状電極２をはずれた領域に、少なくとも弾性表面波の周回経路の幅をカバーする金薄膜３が形成されている。なお、金薄膜３の下地には、圧電性結晶球（水晶球）１との密着性を上げるためにクロム接着層（図示せず）を設けている。この金薄膜３上に脂質とポリマーとが共有結合したリポポリマーを含む感応膜４が形成されている（図１には感応膜を図示していない）。
【００２３】
圧電性結晶球１の材料としては、水晶、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、ランガサイト（Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４）、ランガテイト（Ｌａ３Ｔａ０．５Ｇａ５．５ＳｉＯ１４）などを用いることができる。ＬｉＮｂＯ３やＬｉＴａＯ３などは、１個の結晶球の表面に最大で１０の弾性表面波の周回経路を有し、理論的には９種類の感応特性の違う感応膜を互いに異なる周回経路上に形成することができる。
【００２４】
図３に金薄膜３上に形成された感応膜４の模式図を示す。リポポリマーは、脂質とポリマーとが共有結合し、ポリマーの末端に結合基としてジスルフィド基（またはチオール基）を有する。リポポリマーは、圧電性結晶球（水晶球）１の表面に形成された金薄膜３にジスルフィド基を介して結合している。リポポリマーは脂質部分が凝集して自己組織化して配向性のよい単分子膜を形成している。以下、自己組織化した単分子膜をＳＡＭ（self-assembling monolayer）と表記することがある。なお、金薄膜３上に化学吸着されたリポポリマーの自己組織化膜に対して、さらに他のリポポリマーを物理吸着させてもよい。
【００２５】
圧電性結晶球１の直径と弾性表面波の波長によって決まる所定の電極幅のすだれ状電極２を形成し、図１に示した高周波信号発生器からすだれ状電極２に高周波信号を印加すると、高周波信号に応じた弾性表面波が励起され、周回経路に沿って多重に周回する。励起した弾性表面波は周回するごとにすだれ状電極２を通過し、その際に起電力を発生するので、図１に示した信号解析装置で電気的にその周回の状況を観測することができる。
【００２６】
図４に球状弾性表面波素子の出力信号の模式図を示す。周回ごとに出力される信号の時間を計測すれば、弾性表面波の伝搬速度を求めることができる。また、周回ごと出力される信号の強度を計測すれば、周回に伴い周回面が弾性表面波のエネルギーを吸収する量が求まり、伝搬面のもう一つの弾性特性情報を得ることができる。
【００２７】
そして、周回経路に形成された感応膜４にガス分子が吸着すると、信号出力に変化が生じる。たとえば、ガス分子の吸着により感応膜４が重くなると、弾性表面波の伝搬速度が低下する。また、ガス分子と反応によって感応膜４が硬くなるなど弾性変化を起こすと、弾性表面波の伝搬速度が変化する。これらの変化を検出することによって匂いセンサとしての機能を得ることができる。
【００２８】
球状弾性表面波素子は、平板型の弾性表面波素子とは異なり、圧電性結晶球１の最大外周円に沿った伝搬経路を持つので、反射器を使用することなく弾性表面波を周回数倍の距離だけ伝搬させることができる。信号解析装置による遅延時間や強度の測定精度が同じである場合、周回に応じて変化が重畳されるため、感応膜４の弾性変化をより高感度に測定することできる。
【００２９】
本発明において用いられるリポポリマーの例を下記化学式に示す。
【００３０】
（ａ）のリポポリマーは、ポリマー部分が（ＣＨ２ＣＨ２Ｏ）４５で表されるポリエチレングリコール（ＰＥＧ）、ポリマーの一端の脂質部分が２つのステアロイル基を有するリン脂質、ポリマーの他端の結合部分がジスルフィド基を含むＰＤＰとなっている。以下、このリポポリマーを、１，２−ジステアロイル−ｓｎ−グリセロ−３−フォスフォエタノールアミン−Ｎ−［ＰＤＰ（ポリエチレングリコール）２０００］と称し、ＰＤＰ−ＬＤ２Ｋと表示する。（ａ）のリポポリマーは、結合部分であるＰＤＰ中のジスルフィド基を介して金薄膜に結合する。
【００３１】
（ｂ）のリポポリマーは、ポリマー部分が（ＣＨ２ＣＨ２Ｏ）ｎで表されるポリエチレングリコール（ＰＥＧ）、脂質部分が２つのステアロイル基を有するリン脂質となっている。（ｂ）のリポポリマーは、金薄膜に結合した（ａ）のリポポリマーに物理吸着させることができる。以下、（ｂ）で表されるリポポリマーを、ＰＥＧのおおよその分子量（重合度ｎ）に応じてたとえば以下のように表記する。
【００３２】
ＰＥＧ分子量＝約１０００（ｎ＝ ２２） ＬＤ１Ｋ
ＰＥＧ分子量＝約２０００（ｎ＝ ４５） ＬＤ２Ｋ
ＰＥＧ分子量＝約５０００（ｎ＝１１４） ＬＤ５Ｋ
【化１】
【００３３】
なお、リポポリマーのポリマー部分は、ポリエチレングリコールに限らず、ポリビニルメチルエーテル、ポリメタクリルアミド、ポリヒドロキシエチルアクリレートなどを用いることができる。また、リポポリマーの脂質部分はリン脂質に限らず、スフィンゴ脂質を用いることもできる。
【００３４】
次に、以下のようにして、球状弾性表面波素子の表面に設けた金薄膜の上にリポポリマーを含む感応膜を結合させた。
【００３５】
１）ＰＤＰ−ＬＤ２Ｋを０．２ｍＭの濃度でエタノールに溶解した。
【００３６】
２）金薄膜を設けた球状弾性表面波素子を溶液中に４時間浸した。
【００３７】
３）素子を溶液から取り出し、エタノールに１５分間浸した。
【００３８】
４）素子をエタノールから取り出し乾燥させた。
【００３９】
得られたＰＤＰ−ＬＤ２Ｋを結合させた球状弾性表面波素子を用い、匂い物質である酢酸ブチルに対する応答性を調べた。この試験では、酢酸ブチルの濃度を２５％、５０％、７５％、１００％に変え、１５周目の波形の位相応答を測定した。また、６０秒から１２０秒、２４０秒から３００秒、４２０秒から４８０秒の間に匂い物質を導入し、それ以外の時刻ではキャリアガスで匂い物質を排出した。その結果を図５に示す。図５には、ベースラインの変化が見られるが、これは素子の温度変化の影響によるである。
【００４０】
次に、上記のようにしてＰＤＰ−ＬＤ２Ｋを結合させた球状弾性表面波素子（ＳＡＭという）に加えて、さらにＰＤＰ−ＬＤ２Ｋに対してＬＤ１Ｋを物理吸着させた球状弾性表面波素子（ＳＡＭ＋ＬＤ１Ｋという）を作製した。図６に、リポポリマー形成前の素子の出力信号の強度変化（コーティング前）と、リポポリマーを形成後の出力信号の強度変化（ＳＡＭおよびＳＡＭ＋ＬＤ１Ｋ）を示す。
【００４１】
コーティング前の素子でも周回に伴う信号強度の低下が見られる。これは、水晶球による弾性表面波のエネルギー吸収、空中への弾性表面波エネルギーの漏出、周回経路表面に形成された金薄膜での電流による弾性表面波のエネルギーの熱エネルギーとしての喪失、または測定回路への電気エネルギーとしての漏出による。
【００４２】
また、リポポリマーをコーティング後の素子（ＳＡＭまたはＳＡＭ＋ＬＤ１Ｋ）でも、周回に伴う信号強度の減衰の程度はそれほど顕著ではない。感応膜としてリポポリマー以外の材料を用いた場合には周回に伴う信号強度の低下が顕著であったのと対比すると、感応膜としてリポポリマーを用いることによって信号強度の減衰を抑制できるという効果が得られる。
【００４３】
次に、ＰＤＰ−ＬＤ２Ｋからなる感応膜を有する球状弾性表面波素子（ＳＡＭ）およびＰＤＰ−ＬＤ２Ｋ＋ＬＤ１Ｋからなる感応膜を有する球状弾性表面波素子（ＳＡＭ＋ＬＤ１Ｋ）について、匂い物質であるｎ−ブタノールまたはイソ酪酸の濃度と、５０周回目の出力の位相シフトとの関係を調べた。その結果をそれぞれ図７（ａ）および（ｂ）に示す。
【００４４】
両方の球状弾性表面波素子とも、匂い物質の濃度に対して位相シフトが線形に変化している。また、ＰＤＰ−ＬＤ２Ｋ＋ＬＤ１Ｋからなる感応膜を有する球状弾性表面波素子（ＳＡＭ＋ＬＤ１Ｋ）の方が高感度であることがわかる。
【００４５】
次に、ＰＤＰ−ＬＤ２Ｋを形成した球状弾性表面波素子との比較のために、従来の感応膜であるＳｉｐｏｎａｔｅ ＤＳ−１０をＡＣエレクトロスプレイにより形成した球状弾性表面波素子を作製した。これらの球状弾性表面波素子について、匂い物質であるイソ酪酸の濃度と、出力の位相シフトとの関係を調べた。その結果をそれぞれ図８に示す。
【００４６】
イソ酪酸の濃度は２５％、５０％、７５％、１００％と変化させた。Ｓｉｐｏｎａｔｅ ＤＳ−１０をＡＣエレクトロスプレイにより形成した素子では、周回に伴う信号強度の低下が大きかったため、５周目の出力を測定した。一方、ＰＤＰ−ＬＤ２Ｋを形成した素子では、５０周回目の信号まで十分な強度でその位相シフトを測定できた。このようにＰＤＰ−ＬＤ２Ｋを形成した素子では、従来の素子の１０倍の周回数でも、２倍以上の位相変化で全ての濃度の匂い物質を測定できることがわかった。これは、ＰＤＰ−ＬＤ２Ｋの自己組織化単分子膜からなる感応膜の厚さが薄いため、感応膜の弾性に対するガスの影響が小さいことによると考えられる。
【００４７】
図９に、５種類の自己組織化単分子膜からなる感応膜をそれぞれ有する球状弾性表面波素子について主成分分析を行い、４種類の匂いガス成分の識別を行った結果を示す。図中のＡはブタノール、Ｂは酢酸ヘキシル、Ｃはイソ酪酸、Ｄはヘキサナールである。この図から、各々の匂い物質が明確に識別されていることが明らかである。
【００４８】
図１０に本発明の実施形態に係る匂いセンシングシステムの概略図を示す。
【００４９】
この匂いセンシングシステムは、センサセル１０と、球状弾性表面波素子２０と、匂識別装置３０とを備えている。この匂いセンシングシステムにおいては、球状弾性表面波素子２０がセンサセル１０内に設けられ、この球状弾性表面波素子２０からの検出信号に基づいて、センサセル１０内の匂いを匂識別装置３０により識別する。なお、本実施形態において、部材を総括的に説明する場合には単に数字を表記し、個別的に説明する場合には数字に添え字Ａ〜Ｅを付して表記する。例えば、球状弾性表面波素子を総括的に説明する場合には球状弾性表面波素子２０と表記し、個別的に説明する場合には球状弾性表面波素子２０Ａ〜２０Ｅと表記する。
【００５０】
センサセル１０は匂いの元となるガスＧが流入する容器であり、流入管１１と、排気管１２と、セル制御部１３とを備えている。さらに、センサセル１０は、球状弾性表面波素子２０Ａ〜２０Ｅを支えるための支持体１４Ａ〜１４Ｅを内部に備えている。
【００５１】
流入管１１はセンサセル１０内部にガスＧを流入するものであり、セル制御部１３により制御される。具体的には、円筒形の流入管１１の側面に数個の噴出口があいており、ガスＧが噴出されるようになっている。
【００５２】
排気管１２はセンサセル１０内のガスを排気するものである。すなわち、流入管１１により流入されるガスＧがセンサセル１０内に残留しないようにするために、匂いを識別するタイミングに応じてセンサセル１０内のガスを排気するものである。
【００５３】
セル制御部１３はセンサセル１０を制御するものである。具体的には、流入管１１を介してセンサセル１０内にガスＧを流入するタイミングを制御したり、支持体１４を介して球状弾性表面波素子２０との電気信号の入出力を制御したりするものである。なお、セル制御部１３は、後述する匂識別装置３０の制御部３２から流入制御信号や励起制御信号を受けると、各制御を実行する。
【００５４】
支持体１４Ａ〜１４Ｅはそれぞれ球状弾性表面波素子２０Ａ〜２０Ｅをセンサセル１０内に支持するものである。また、各球状弾性表面波素子２０Ａ〜２０Ｅに対し電気信号の伝達を行なう機能を有している。これにより、セル制御部１３からの励起制御信号に基づき、弾性表面波を励起することができる。
【００５５】
球状弾性表面波素子２０は、図１〜図３に示したように、圧電性結晶球１の表面に、すだれ状電極２、金薄膜３、感応膜４を備える。本実施形態では、５個の球状弾性表面波素子２０Ａ〜２０Ｅを設けているが、球状弾性表面波素子２０Ｅは参照信号を得るためのものであるので、その伝搬面に感応膜を形成しない。
【００５６】
すだれ状電極２は励起手段／検出手段であり、匂識別装置３０から高周波信号が入力されることにより、弾性表面波を伝搬面に励起する。詳しくは、すだれ状電極２に高周波の交流電流が流れると、その周波数と電極周期に応じてすだれ状電極２の単位電極が振動して弾性表面波が発生する。また、すだれ状電極２は、弾性表面波が伝搬面を周回する度にこれを検出する。なお、検出した弾性表面波の出力信号は、匂識別装置３０の信号収集部３３に送出される。
【００５７】
匂識別装置３０は、基準パターン記憶部３１、制御部３２、信号収集部３３、検出パターン生成部３４、匂識別部３５、出力部３６を備え、各球状弾性表面波素子２０Ａ〜２０Ｅからの弾性表面波の検出信号に基づいて、センサセル１０内の匂いを識別する。
【００５８】
基準パターン記憶部３１は、各感応膜２２Ａ〜２２Ｄに付着する気体分子の付着量を、基準パターン情報Ｄ１〜Ｄｎとして、気体Ｇ１〜Ｇｎの種類毎に予め記憶しているメモリである。
【００５９】
制御部３２は、匂識別装置３０の各処理部３１〜３６を制御するとともに、センサセル１０に制御信号を送出するものである。具体的には、センサセル１０のセル制御部１３に流入制御信号を送出することにより、センサセル１０内に気体Ｇを流入させるための制御を行なう機能を有する。また、センサセル１０の制御部１３を介して、弾性表面波素子２０のすだれ状電極２に高周波信号を入力する制御を行なうことにより弾性表面波を伝搬面上に励起する機能を有する。
【００６０】
信号収集部３３は、すだれ状電極２により検出される弾性表面波の検出信号を収集するものである。また、収集した検出信号を検出パターン生成部３４に送出する。
【００６１】
検出パターン生成部３４は、信号収集部３３により収集される検出信号から、各感応膜２２Ａ〜２２Ｄに付着する気体分子の付着量を当該感応膜２２Ａ〜２２Ｄの種類毎に示す検出パターン情報Ｄｘを生成するものである。具体的には、弾性表面波を多重周回させた後の検出信号の強度減衰量に基づいて、気体分子の付着量を算出する。付着量を算出する際、弾性表面波素子１０Ｅからの検出信号を温度較正に用いることができる。なお、生成された検出パターン情報Ｄｘは、匂識別部３５に送出される。
【００６２】
匂識別部３５は、基準パターン記憶部３１により記憶されている基準パターン情報Ｄ１〜Ｄｎと検出パターン生成部３４により生成される検出パターン情報Ｄｘとを比較し、両者を同一とみなせるときの基準パターン情報から気体Ｇの種類を特定して匂いを識別するものである。パターン認識に際しては、多変量解析による方法と、ニューラルネットワークによる方法とがある。
【００６３】
多変量解析による方法は、各センサについて数種類の値が観測される場合に用いられる解析手法である。例えば、センサＡとセンサＢとの２個のセンサを用い、未知の匂いＷｘが、匂いＷ１と匂いＷ２とのいずれかに属するかを判別する。
【００６４】
ニューラルネットワークによる方法は、ニューロンと呼ばれる要素が多数結合した回路を用いた解析手法であり、ニューロン同士の結合の強さを学習により最適化することによりパターン認識を行なうものである。ニューラルネットワークを構成する方法は、コンピュータにソフトウェアを実装する方法と、ハードウェアにより行う方法がある。
【００６５】
なお、パターン認識により特定された気体のデータは、匂い情報として出力部３６に送出される。
【００６６】
出力部３６は、匂識別部３５により識別された匂い情報を出力するものである。
【００６７】
図１１のフローチャートを参照して本実施形態に係る匂いセンシングシステムの動作を説明する。
【００６８】
始めに、制御部３２の制御により、匂いを識別対象である気体Ｇｘが流入管１１から噴出される。これにより、センサセル１０内にガスＧｘが充満する（ステップＳ１）。
【００６９】
続いて、制御部３２の制御により、複数の球状弾性表面波素子２０Ａ〜２０Ｅのすだれ状電極２に高周波信号が入力されて、伝搬面に弾性表面波が励起される（ステップＳ２）。
【００７０】
励起された弾性表面波が周回し、すだれ状電極２に到達すると、弾性表面波が電気信号に変換される。変換された電気信号は、検出信号として信号収集部３３に送出される。続いて、信号収集部３３により検出信号Ａ〜Ｅが収集され、検出パターン作成部３４に送出される（ステップＳ３）。
【００７１】
検出パターン作成部３４では、検出信号に基づき、弾性表面波の強度変化が解析される（ステップＳ４）。それから、強度変化に基づいて、各伝搬面における気体Ｇｘの分子の付着量が算出され、検出パターン情報Ｄｘが生成される（ステップＳ５）。そして、生成された検出パターン情報Ｄｘは、匂識別部３５に送出される。
【００７２】
次に、匂識別部３５により、基準パターン記憶部３１に記憶された基準パターン情報Ｄ１〜Ｄｎと検出パターン情報Ｄｘとが比較される（ステップＳ６）。ここでは、ニューラルネットワークによる比較処理が実行される。このような比較処理により、例えば、検出パターン情報Ｄｘと基準パターン情報Ｄ２とが一致するとみなせる場合には、特定のガスＧｘが識別される（ステップＳ７）。そして、特定のガスＧｘを示す結果情報が出力部３６に出力される（ステップＳ８）。
【００７３】
上記のような測定方法以外でも、センサセルに常にフローを流して、空気と匂いサンプルを切り替えて測定するフロー測定系も可能である。
【００７４】
なお、本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明の実施形態に係る匂いセンサ用の球状弾性表面波素子（ボールＳＡＷ）の構成を示す模式図。
【図２】球状弾性表面波素子の円周経路における断面図。
【図３】金薄膜上に形成された感応膜の模式図。
【図４】本発明に係る球状弾性表面波素子の出力信号の模式図。
【図５】本発明に係る球状弾性表面波素子の酢酸ブチルに対する応答性を示す図。
【図６】リポポリマー形成前の素子の出力信号の強度変化と、リポポリマーを形成後の出力信号の強度変化を示す図。
【図７】本発明に係る球状弾性表面波素子について、ｎ−ブタノールまたはイソ酪酸の濃度と、５０周回目の出力の位相シフトとの関係を示す図。
【図８】本発明に係る球状弾性表面波素子と従来の球状弾性表面波素子について、匂い物質であるイソ酪酸の濃度と出力の位相シフトとの関係を示す図。
【図９】本発明に係る球状弾性表面波素子について、４種類の匂いガス成分の識別を行った結果を示す図。
【図１０】本発明に係る匂いセンシングシステムの概略図。
【図１１】本発明に係る匂いセンシングシステムの動作を示すフローチャート。
【符号の説明】
【００７６】
１…圧電性結晶球、２…すだれ状電極、３…金薄膜、４…感応膜、１０…センサセル、１１…流入管、１２…排気管、１３…セル制御部、１４…支持体、２０…球状弾性表面波素子、３０…匂識別装置、３１…基準パターン記憶部、３２…制御部、３３…信号収集部、３４…検出パターン生成部、３５…匂識別部、３６…出力部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
弾性表面波を周回させて伝搬する伝搬面を有する球状基材と、
前記球状基材の伝搬面上に形成され、弾性表面波を前記球状基材の伝搬面に励起する電極と、
前記球状基材の伝搬面上に形成され、匂いの元となるガス分子を吸着する感応膜と
を有し、
前記感応膜は脂質とポリマーとが共有結合したリポポリマーを含むことを特徴とする匂いセンサ用球状弾性表面波素子。
【請求項２】
前記感応膜は、前記リポポリマーがその末端で前記球状基材の伝搬面上に結合して形成された自己組織化膜であることを特徴とする請求項１に記載の匂いセンサ用球状弾性表面波素子。
【請求項３】
前記球状基材の伝搬面上に金を含む薄膜が形成され、前記リポポリマーは末端のチオール基またはジスルフィド基を介して前記金を含む薄膜に結合していることを特徴とする請求項１または２に記載の匂いセンサ用球状弾性表面波素子。
【請求項４】
前記脂質は、リン脂質およびスフィンゴ脂質からなる群より選択されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の匂いセンサ用球状弾性表面波素子。
【請求項５】
前記ポリマーは、ポリエチレングリコール、ポリビニルメチルエーテル、ポリメタクリルアミドおよびポリヒドロキシエチルアクリレートからなる群より選択されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の匂いセンサ用球状弾性表面波素子。
【請求項６】
複数の請求項１に記載の匂いセンサ用球状弾性表面波素子であって、それぞれ脂質またはポリマーが互いに異なり、匂いの元となるガス分子の種類に応じて互いに異なる応答特性を有する感応膜を有する匂いセンサ用球状弾性表面波素子と、
各々の球状弾性表面波素子の電極に高周波信号を入力して弾性表面波を励起する手段と、
各々の球状弾性表面波素子の電極により検出される弾性表面波の検出信号に基づき、前記弾性表面波が多重周回する際の検出信号の強度減衰量、検出信号の位相変化量および検出信号の伝搬速度の変化量のうち少なくとも１つを収集する信号収集手段と、
前記信号収集手段により収集される検出信号から、前記匂いの識別を算出する手段と
を備えたことを特徴とする匂いセンシングシステム。
【請求項１】
弾性表面波を周回させて伝搬する伝搬面を有する球状基材と、
前記球状基材の伝搬面上に形成され、弾性表面波を前記球状基材の伝搬面に励起する電極と、
前記球状基材の伝搬面上に形成され、匂いの元となるガス分子を吸着する感応膜と
を有し、
前記感応膜は脂質とポリマーとが共有結合したリポポリマーを含むことを特徴とする匂いセンサ用球状弾性表面波素子。
【請求項２】
前記感応膜は、前記リポポリマーがその末端で前記球状基材の伝搬面上に結合して形成された自己組織化膜であることを特徴とする請求項１に記載の匂いセンサ用球状弾性表面波素子。
【請求項３】
前記球状基材の伝搬面上に金を含む薄膜が形成され、前記リポポリマーは末端のチオール基またはジスルフィド基を介して前記金を含む薄膜に結合していることを特徴とする請求項１または２に記載の匂いセンサ用球状弾性表面波素子。
【請求項４】
前記脂質は、リン脂質およびスフィンゴ脂質からなる群より選択されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の匂いセンサ用球状弾性表面波素子。
【請求項５】
前記ポリマーは、ポリエチレングリコール、ポリビニルメチルエーテル、ポリメタクリルアミドおよびポリヒドロキシエチルアクリレートからなる群より選択されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の匂いセンサ用球状弾性表面波素子。
【請求項６】
複数の請求項１に記載の匂いセンサ用球状弾性表面波素子であって、それぞれ脂質またはポリマーが互いに異なり、匂いの元となるガス分子の種類に応じて互いに異なる応答特性を有する感応膜を有する匂いセンサ用球状弾性表面波素子と、
各々の球状弾性表面波素子の電極に高周波信号を入力して弾性表面波を励起する手段と、
各々の球状弾性表面波素子の電極により検出される弾性表面波の検出信号に基づき、前記弾性表面波が多重周回する際の検出信号の強度減衰量、検出信号の位相変化量および検出信号の伝搬速度の変化量のうち少なくとも１つを収集する信号収集手段と、
前記信号収集手段により収集される検出信号から、前記匂いの識別を算出する手段と
を備えたことを特徴とする匂いセンシングシステム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００９−１０９３４３（Ｐ２００９−１０９３４３Ａ）
【公開日】平成２１年５月２１日（２００９．５．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２８１９２８（Ｐ２００７−２８１９２８）
【出願日】平成１９年１０月３０日（２００７．１０．３０）
【出願人】（０００００３１９３）凸版印刷株式会社 (10,630)
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年５月２１日（２００９．５．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１０月３０日（２００７．１０．３０）
【出願人】（０００００３１９３）凸版印刷株式会社 (10,630)
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【Ｆターム（参考）】
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