JP2019120561A - センサモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】検出精度を向上する。【解決手段】センサモジュール１０は、第１流路８０ａ及び第２流路８０ｂの下流側に配置され、第１流路８０ａ及び第２流路８０ｂの開閉状態を選択的に切り替える切替部３０と、切替部３０の下流側に配置され、第１成分を検出するセンサ部４０と、センサ部４０の下流側に配置され、流体を下流側へ引き込むポンプ部６０と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、センサモジュールに関する。

従来、流体中の特定の物質を検出するセンサモジュールが知られている。例えば、特許文献１には、ガス導入部と、ガス検出部とを備えたガス成分検出装置が開示されている。

特開２０１０−２４９５５６号公報

このようなセンサモジュールでは、検出対象の物質の測定精度を向上させることが求められている。

本開示の一実施形態に係るセンサモジュールは、切替部と、センサ部と、ポンプ部とを備える。前記切替部は、第１流路及び第２流路の下流側に配置され、前記第１流路及び前記第２流路の開閉状態を選択的に切り替える。前記センサ部は、前記切替部の下流側に配置され、第１成分を検出する。前記ポンプ部は、前記センサ部の下流側に配置され、流体を下流側へ引き込む。

本開示の一実施形態に係るセンサモジュールは、測定精度を向上できる。

本開示の一実施形態に係るセンサモジュールの概略図である。 図１のセンサモジュールの概略構成を示す機能ブロック図である。 流体の流れの一例を模式的に示す図である。 流体の流れの一例を模式的に示す図である。

以下、本開示に係る実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本開示の一実施形態に係るセンサモジュール１０の概略図である。センサモジュール１０は、例えば筐体２０を備える。筐体２０内には、センサモジュール１０が備える各機能部が収納されている。センサモジュール１０には、流体が供給される。センサモジュール１０は、検査対象の流体（被検流体）と、比較対象となる流体（対照流体）とに基づき、被検流体中に含まれる検出対象成分である第１成分の濃度を算出できる。本明細書において、以下、流体が供給される側を上流側、流体が排出される側を下流側とも表現する。

センサモジュール１０は、筐体２０内部に、切替部３０と、センサ部４０と、測定部５０と、ポンプ部６０とを備える。センサモジュール１０において、切替部３０と、センサ部４０と、測定部５０と、ポンプ部６０とは、１つの流路７０において、この順で上流側から配置されている。流路７０は、例えばチューブ等の管状の部材により構成される。切替部３０には、さらに第１流路８０ａと第２流路８０ｂとが、上流側に接続されている。センサモジュール１０には、第１流路８０ａ及び第２流路８０から内部に流体が供給され、ポンプ部６０の下流側から外部に流体が排出される。

第１流路８０ａには、被検流体が供給される。第２流路８０ｂには、対照流体が供給される。第１流路８０ａ及び第２流路８０ｂは、例えばチューブ等の管状の部材により構成される。

切替部３０は、第１流路８０ａ及び第２流路８０ｂの開閉状態を選択的に切り替える。すなわち、切替部３０は、第１流路８０ａと第２流路８０ｂとのいずれか一方を、選択的に流路７０に接続することができる。従って、切替部３０により、第１流路８０ａが流路７０に接続されている場合、第２流路８０ｂは流路７０に接続されていない。この場合、流路７０には、第１流路８０ａを介して被検流体が供給される。一方、切替部３０により、第２流路８０ｂが流路７０に接続されている場合、第１流路８０ａは流路７０に接続されていない。この場合、流路７０には、第２流路８０ｂを介して対照流体が供給される。切替部３０は、例えば、第１流路８０ａ又は第２流路８０ｂを切替え可能なバルブを含んで構成されていてよい。

センサ部４０は、複数の反応部を有していてよい。反応部は、例えば膜状である。反応部は、特定の成分に反応する。複数の反応部のうち少なくともいずれかは、検出対象成分である第１成分に反応する。すなわち、複数の反応部のうち少なくともいずれかは、検出対象成分を検出する。反応部は、流体に含まれる特定の成分を吸着することによって変形する。反応部は、例えばポリスチレン、クロロプレンゴム、ポリメチルメタクリレート又はニトロセルロース等の材料により構成される。反応部は、特定の成分との反応に応じた信号を出力する。この信号は、例えば電圧値として出力される。

測定部５０は、センサモジュール１０に供給される流体に関する所定の性質又は条件を測定可能なセンサを含んで構成される。流体に関する所定の性質又は条件は、センサ部４０における流体の検出精度に影響を与え得る性質又は条件であってよい。流体に関する所定の性質又は条件は、例えば流体の温度及び湿度のいずれかを含んでよい。本明細書では、流体に関する所定の性質又は条件は、流体の温度及び湿度であるとして、以下説明する。この場合、測定部５０は、例えば温湿度計を含んで構成されていてよい。温湿度計は、従来公知の方式で流体の温度及び湿度を測定するものであってよい。ただし、センサモジュール１０は、必ずしも測定部５０を備えていなくてもよい。センサモジュール１０は、測定部５０を備えていなくとも、検出対象成分の濃度を算出することができる。

ポンプ部６０は、センサモジュール１０に供給される流体を上流側から下流側へ引き込み、センサモジュール１０の外部へ排出する。すなわち、ポンプ部６０の吸引により、第１流路８０ａ又は第２流路８０ｂからセンサモジュール１０に供給された流体は、切替部３０、センサ部４０、測定部５０、及びポンプ部６０を通って、センサモジュール１０の外部に排出される。ポンプ部６０は、流体の引込量を制御することができる。ポンプ部６０による流体の引込量の制御により、例えば流路７０内を流れる流体の流速が制御される。ポンプ部６０は、例えば、流路７０内の流体の流速の変化を抑制するように、流体の引込量を制御してよい。ポンプ部６０は、例えばピエゾポンプを含んで構成されていてよい。ポンプ部６０は、１つのポンプを含んで構成されていてよい。ポンプ部６０は、複数のポンプを含んで構成されていてもよい。この場合、複数のポンプは、流体の流れに対して並列に配置されていてよい。

センサモジュール１０は、筐体２０内に、電子回路基板をさらに備えていてよい。電子回路基板は、後述するセンサモジュール１０の制御部及び記憶部等を実装する。

図２は、図１のセンサモジュール１０の概略構成を示す機能ブロック図である。図２のセンサモジュール１０は、制御部９１と、記憶部９２と、切替部３０と、センサ部４０と、測定部５０と、ポンプ部６０と、を備える。

切替部３０は、制御部９１から制御信号を受信し、制御信号に基づいて、第１流路８０ａと第２流路８０ｂとの切り替えを行う。これにより、流路７０には、被検流体又は対照流体のいずれかが供給される。

センサ部４０は、各反応部からの出力された信号を制御部９１に送信する。

測定部５０は、測定した情報の信号を制御部９１に送信する。

ポンプ部６０は、制御部９１から制御信号を受信し、制御信号に基づいて、流体を下流側へ引き込む。ポンプ部６０は、制御信号に応じた引込量で流体を引き込む。

制御部９１は、センサモジュール１０の各機能ブロックをはじめとして、センサモジュール１０の全体を制御及び管理するプロセッサである。制御部９１は、制御手順を規定したプログラムを実行するＣＰＵ（Central processing Unit）等のプロセッサで構成される。このようなプログラムは、例えば、記憶部９２、又はセンサモジュール１０に接続された外部の記憶媒体等に格納される。

制御部９１は、センサ部４０から出力される信号に基づき、被検流体中における検出対象成分の濃度を算出する。制御部９１は、さらに、測定部５０から出力される信号に基づいて、被検流体中における検出対象成分の濃度を算出してもよい。流体の性質又は条件により、センサ部４０の各反応部における検出対象成分の反応性が変化し得る。制御部９１は、このように測定部５０から出力される信号に基づいて被検流体中における検出対象成分の濃度を算出する場合、反応性を考慮して検出対象成分の濃度を算出できる。そのため、検出対象成分の濃度の算出精度が向上し得る。

記憶部９２は、半導体メモリ又は磁気メモリ等で構成され得る。記憶部９２は、各種情報、及び／又はセンサモジュール１０を動作させるためのプログラム等を記憶する。記憶部９２は、ワークメモリとして機能してもよい。

次に、制御部９１による、切替部３０の制御と、検出対象成分の濃度の算出の詳細について説明する。

第１流路８０ａには、被検流体（サンプルガス）が供給される。ここでは、一例として、被検流体が人間の呼気である場合について説明する。ただし、被検流体は、人間の呼気に限られず、任意の検査対象の流体とすることができる。被検流体が人間の呼気である場合、検出対象成分は、例えば、アセトン、エタノール又は一酸化炭素等である。検出対象成分も、ここで挙げた例に限られない。被検流体には、第２成分であるノイズ成分（ノイズガス）が含まれる。ノイズ成分は、検出対象成分以外の成分である。ノイズ成分には、例えば、酸素、二酸化炭素、窒素及び水蒸気等、検出対象成分以外の全ての成分が含まれる。

第２流路８０ｂには、対照流体（リフレッシュガス）が供給される。対照流体は、例えば検出対象成分を略含まない流体であってよい。ここで、検出対象成分を略含まないとは、検出対象成分を全く含まない場合の他、被検流体における検出対象成分の含有量に対し、対照流体における検出対象成分の含有量が、極めて少なく、実質的に含んでいないと考えてよい程度である場合も含まれることを意味する。被検流体が人間の呼気である場合、対照流体として、例えば空気を使用することができる。ただし、対照流体は空気に限られない。対照流体には、酸素、二酸化炭素、窒素及び水蒸気等のノイズ成分が含まれる。

制御部９１は、ポンプ部６０の引込量を一定とし、一定の時間間隔ごとに、切替部３０を、第１流路８０ａと第２流路８０ｂとで切り替える。一定の時間間隔は、例えば被検流体の種類又は性質等に応じて適宜定められてよい。ここでは、一例として、一定の時間間隔が５秒間であるとして説明する。従って、制御部９１は、流路７０に接続される流路を、５秒ごとに、第１流路８０ａと第２流路８０ｂとで切り替えるように、切替部３０を制御する。

図３及び図４は、流体の流れの一例を模式的に示す図である。図３は、流路７０に第１流路８０ａが接続された場合の一例を示す。図４は、流路７０に第２流路８０ｂが接続された場合の一例を示す。すなわち、ここで説明する例では、図３の状態と、図４の状態とが、５秒ごとに交互に繰り返される。図３及び図４における矢印は、流体の流れる方向を示す。

図３に示すように、流路７０に第１流路８０ａが接続されている場合、ポンプ部６０の引き込みにより、被検流体が第１流路８０ａからセンサ部４０に供給される。この場合、センサ部４０の各反応部が、被検流体中に含まれる成分と反応する。各反応部は、検出対象成分とノイズ成分とを含む被検流体の成分に応じた信号（第１信号）を出力する。

図４に示すように、流路７０に第２流路８０ｂが接続されている場合、ポンプ部６０の引き込みにより、対照流体が第２流路８０ｂからセンサ部４０に供給される。この場合、センサ部４０の各反応部が、対照流体中に含まれる成分と反応する。各反応部は、ノイズ成分を含む対照流体の成分に応じた信号（第２信号）を出力する。

第１信号及び第２信号は、センサ部４０がそれぞれ被検流体及び対照流体と反応することにより制御部９１に供給された信号である。そして、被検流体及び対照流体は、いずれもノイズ成分を含む。そのため、第１信号及び第２信号とも、センサ部４０に供給される流体に含まれるノイズ成分に対しては、同様の反応性が反映されている。

これに対し、検出対象成分については、被検流体が検出対象成分を含んでいるのに対し、対照流体は検出対象成分を略含まない。そのため、第１信号は、検出対象成分に対する反応性が反映された信号であるのに対し、第２信号は、検出対象成分に対する反応性が実質的に反映されていない信号であると言える。そのため、センサ部４０から出力される第１信号と第２信号との差分は、実質的に被検流体に含まれる検出対象成分の濃度であると考えることができる。制御部９１は、この差分に基づき、検出対象成分の濃度を算出することができる。

本開示に係るセンサモジュール１０は、流路７０に設けられたポンプ部６０により流体を引き込んで、センサ部４０に流体を供給する。センサ部４０に供給される流体は、切替部３０により、第１流路８０ａと第２流路８０ｂとを切り替えることにより、被検流体と対照流体とが切り替えられる。そのため、センサ部４０に供給される流体が被検流体であるか対照流体かであるかにかかわらず、同一のポンプ部６０により、流体が下流側に引き込まれる。仮に、被検流体を供給するポンプと対照流体を供給するポンプとが異なる場合、各ポンプの性能の相違等によって、被検流体の供給量と対照流体の供給量とに差が発生する場合がある。しかしながら、本開示に係るセンサモジュール１０は、１つのポンプ部６０により、センサ部４０に供給される流体が制御されるため、供給する流体ごとに異なるポンプを用いる場合と比較して、より安定してセンサ部４０に流体を供給することができる。これにより、センサ部４０に対する、被検流体と対照流体との供給される条件が等しくなりやすい。そのため、センサ部４０は、より等しい条件下で被検流体と対照流体とを検出しやすくなる。従って、センサモジュール１０によれば、検出対象成分の測定精度を向上可能である。

上述したセンサモジュール１０において、第１流路８０ａ及び第２流路８０ｂは、流体の流れ方向に垂直な断面の面積が、略等しくてもよい。ここで、断面の面積が略等しいとは、第１流路８０ａと第２流路８０ｂとにおける流体に対する抵抗の差異が実質的に無視できる程、第１流路８０ａと第２流路８０ｂとの、流れ方向に垂直な断面の面積の差が小さい場合を含む。第１流路８０ａと第２流路８０ｂとの断面の面積が略等しいことにより、流体に対する抵抗が実質的に等しいため、切替部３０が流路の切替えを行っても、ポンプ部６０が一定量で流体の引き込みを行っている場合、センサ部４０に供給される流体の流量が等しくなりやすい。そのため、センサ部４０は、より等しい条件下で被検流体と対照流体とを検出しやすくなり、検出対象成分の測定精度が向上し得る。

上述したセンサモジュール１０は、センサ部４０に供給される流体の流量を測定する流量計をさらに備えていてもよい。流量計は、流路７０において、センサ部４０に供給される流体の流量を測定可能な位置に配置されていてよく、例えば、切替部３０とポンプ部６０との間に配置されていてよい。流量計は、測定した流量に関する信号を制御部９１に送信する。制御部９１は、流量計から受信した信号に基づいて、ポンプ部６０による流体の引込量の制御を行ってよい。制御部９１は、流量計によって検出される、第１流路８０ａから供給される被検流体の流量と、第２流路８０ｂから供給される対照流体の流量との差が小さくなるように、ポンプ部６０を制御してよい。このように、流量計でセンサ部４０に供給される流体の流量を測定し、測定結果に基づいてポンプ部６０を制御することにより、センサ部４０に供給される被検流体の流量と対照流体の流量とを、より同一の流量に近づけやすくなる。これにより、センサ部４０は、より等しい条件下で被検流体と対照流体とを検出しやすくなり、検出対象成分の測定精度が向上し得る。

上述したセンサモジュール１０において、切替部３０とセンサ部４０とは、近接して配置されていてよい。ここで、近接して配置されているとは、切替部３０及びセンサ部４０の大きさに対して、切替部３０とセンサ部４０とを接続する流路の長さが所定の長さよりも短いことをいう。切替部３０とセンサ部４０とは、流路７０を介さずに直接接続されていてもよい。つまり、切替部３０の下流端と、センサ部４０の上流端とは、直接接合されていてよい。切替部３０とセンサ部４０との距離が短いほど、切替部３０において第１流路８０ａと第２流路８０ｂとの切替えを行った後に、切替え後の流体がセンサ部４０に届くまでにかかる時間が短くなる。そのため、切替部３０とセンサ部４０との距離が短いほど、切替部３０による切替えからセンサ部４０における流体中の成分の検出までのタイムラグを小さくすることができる。

上述したセンサモジュール１０は、切替部３０により、被検流体と対照流体という２種類の流体の供給の切替えを行うものである。しかしながら、センサモジュール１０に供給される流体は、必ずしも２種類でなくてもよい。センサモジュール１０に供給される流体は、３種類以上であってもよい。この場合、センサモジュール１０は、複数の切替部を備えていればよい。例えば、センサモジュール１０に３種類の流体を供給する場合、第１流路８０ａ又は第２流路８０ｂのいずれかに追加の切替部が１つ配置され、当該追加の切替部の上流側において流路が分岐していればよい。これにより、切替部３０と追加の切替部とにおける流路の切替えを行うことによって、３種類の流体をセンサ部４０に供給することができる。

上述したセンサモジュール１０では、制御部９１が被検流体中における検出対象成分の濃度を算出すると説明した。しかしながら、検出対象成分の濃度の算出は、必ずしもセンサモジュール１０が備える制御部９１によって実行されなくてもよい。例えば、検出対象成分の濃度の算出は、センサモジュール１０に接続される外部の情報処理装置により実行されてもよい。外部の情報処理装置は、例えばコンピュータ装置等であってよい。この場合、センサモジュール１０は、外部の情報処理装置と通信を行うための通信インタフェースを備えていてよい。センサモジュール１０は、例えば当該通信インタフェースを介して、有線で外部の情報処理装置と通信可能に接続される。センサモジュール１０は、センサ部４０から出力される信号を、外部の情報処理装置に送信する。外部の情報処理装置は、センサモジュール１０から受信した信号に基づいて、検出対象成分の濃度の算出を行うことができる。センサモジュール１０と外部の情報処理装置とは、必ずしも有線で接続されていなくてもよい。センサモジュール１０と外部の情報処理装置とは、無線で接続されていてもよい。

制御部９１は、検出対象成分の濃度の算出において、センサ部４０から出力される信号に基づくデータの一部を用いなくてもよい。例えば、制御部９１は、切替部３０による流路の切替えの直後の所定時間のデータを、検出対象成分の濃度の算出に用いなくてもよい。切替部３０は、機械的に第１流路８０ａと第２流路８０ｂとを切り替えるため、流路の切替え直後のデータには、切替えによるノイズが含まれる場合がある。制御部９１は、流路の切替えの直後の所定時間のデータを検出対象成分の濃度の算出に用いないことにより、ノイズが含まれ得るデータを除いて、検出対象成分の濃度を算出できる。これにより、検出対象成分の測定精度が向上し得る。検出対象成分の濃度の算出に使用しないデータの長さ、すなわち上記所定時間は、供給される流体の性質及び／又は切替部３０の仕様等に基づいて、適宜決定されてよい。

センサ部４０は、切替部３０による流路の切替え中に流れる流体に基づく検出対象成分の検出を行わなくてもよい。切替部３０による流路の切替え中は、第１流路８０ａから供給される被検流体と、第２流路８０ｂから供給される対象流体とが混合された流体が、流路７０を通ってセンサ部４０に供給される可能性がある。従って、切替部３０による流路の切替え中に流路７０に流れ込む流体に関して検出対象成分の検出を行わないことにより、制御部９１による被検流体に含まれる検出対象成分の濃度の算出精度が向上し得る。制御部９１は、切替部３０による流路の切替え中に流れる流体に基づく検出対象成分の検出を行わないよう、センサ部４０を制御してよい。

センサ部４０は、切替部３０による流路の切替え完了後から所定時間の間に流れる流体に基づく検出対象成分の検出を行わなくてもよい。切替部３０による流路の切替え完了後から所定時間の間は、第１流路８０ａから供給される被検流体と、第２流路８０ｂから供給される対象流体とが混合された流体が、流路７０を通ってセンサ部４０に供給される可能性がある。従って、切替部３０による流路の切替え完了後から所定時間の間に流路７０に流れ込む流体に関して検出対象成分の検出を行わないことにより、制御部９１による被検流体に含まれる検出対象成分の濃度の算出精度が向上し得る。制御部９１は、切替部３０による流路の切替え完了後から所定時間の間に流れる流体に基づく検出対象成分の検出を行わないよう、センサ部４０を制御してよい。所定時間は、切替部３０の仕様、切替部３０からセンサ部４０までの流路７０の長さ等に応じて、適宜定められてよい。

上述したセンサモジュール１０は、多様な用途に使用することができる。上記実施形態で説明したように、被検流体が人間の呼気である場合、センサモジュール１０により、人間の呼気に含まれる所定の成分の濃度を算出できる。算出された濃度は、例えば人体に関する状態の推定に応用し得る。人体に関する状態の推定は、例えば人体における病気の進行の度合い又は人体の健康状態等である。

センサモジュール１０は、例えば食品から発生する所定のガス成分の検出に使用できる。検出したガス成分の濃度は、食品のクオリティの推定に応用し得る。食品のクオリティは、食品に関する性質又は品質等であり、例えば食品の鮮度、食べごろ、熟成度、腐敗の度合い等を含んでよい。センサモジュール１０は、その他にも、例えば機器から発生する所定のガス成分の検出等、多様な用途に使用できる。

本開示を諸図面及び実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形及び／又は修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形及び／又は修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各構成部等に含まれる機能等は論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の構成部を１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。

１０ センサモジュール
２０ 筐体
３０ 切替部
４０ センサ部
５０ 測定部
６０ ポンプ部
７０ 流路
８０ａ 第１流路
８０ｂ 第２流路
９１ 制御部
９２ 記憶部

Claims (14)

1. 第１流路及び第２流路の下流側に配置され、前記第１流路及び前記第２流路の開閉状態を選択的に切り替える切替部と、
   前記切替部の下流側に配置され、第１成分を検出するセンサ部と、
   前記センサ部の下流側に配置され、流体を下流側へ引き込むポンプ部と、
   を備える、センサモジュール。
2. 前記第１流路は、前記切替部に、前記流体として前記第１成分を含む被検流体を供給可能であり、
   前記第２流路は、前記切替部に、前記流体として前記第１成分とは異なる第２成分を含む対照流体を供給可能である、
   請求項１に記載のセンサモジュール。
3. 前記第１流路及び前記第２流路はそれぞれの流れ方向に垂直な断面の面積が等しい、請求項１又は請求項２に記載のセンサモジュール。
4. 前記ポンプ部は前記流体の引込量を制御する、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のセンサモジュール。
5. 前記切替部と前記ポンプ部との間に配置され、前記流体の流量を測定する、流量計をさらに備える、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載のセンサモジュール。
6. 前記ポンプ部は、測定された前記流量に基づいて前記引込量を制御する、請求項５に記載のセンサモジュール。
7. 前記センサ部と前記ポンプ部との間に配置され、前記流体の温度及び湿度の少なくともいずれかを測定する、測定部をさらに備える、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載のセンサモジュール。
8. 前記ポンプ部は、１つのポンプからなる、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載のセンサモジュール。
9. 前記ポンプ部は、複数のポンプを含む、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載のセンサモジュール。
10. 前記複数のポンプは並列配置されている、請求項９に記載のセンサモジュール。
11. 前記切替部と前記センサ部とは近接して配置している、請求項１乃至請求項１０のいずれか一項に記載のセンサモジュール。
12. 前記切替部の下流端と前記センサ部の上流端とが直接接合している、請求項１乃至請求項１１のいずれか一項に記載のセンサモジュール。
13. 前記センサ部は、前記切替部による切替え中に流れる前記流体に基づく前記第１成分の検出を行なわない、請求項１乃至請求項１２のいずれか一項に記載のセンサモジュール。
14. 前記センサ部は、前記切替部による切替え完了後から所定時間の間に流れる前記流体に基づく前記第１成分の検出を行なわない、請求項１乃至請求項１２のいずれか一項に記載のセンサモジュール。

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