JP2005091240A - 気体センサユニット、気体センサユニット内蔵携帯電話機およびヘッドホン型測定器 - Google Patents

Abstract

【課題】 高精度で小型化が可能な気体センサユニット、気体センサユニット内蔵携帯電話機およびヘッドホン型測定器を提供する。
【解決手段】 気体を取り入れる空間部と、中赤外光３１を発光する発光部１と、発光部１と同じ基板４上に形成され、空間部において気体中の物質によって吸収され光量が変化した中赤外光３１を受光する受光部２と、受光部２が受光した光量から気体中の物質の成分量を検知する信号処理部３と、紫外光を発光して空間部を殺菌する殺菌部１３とを備える。空間部を囲い込む囲い込み部、発光部１で発光された中赤外光３１の幅を縮小させる縮小部、または、拡大させる拡大部を備えてもよい。発光部１は、波長の異なった中赤外光３１を発光する複数の発光素子を備え、受光部２は、複数の発光素子の各波長に対応した中赤外光３１を受光する複数の受光素子を備える構成でもよい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、気体中の各種物質の成分量を検知するための気体センサユニットおよび気体センサユニットが内蔵された携帯機器に関する。

気体中の各種物質の成分量を検知するための気体センサユニットとして様々なものが提案されている（例えば、特許文献１〜２参照）。
中赤外域における周波数には分子振動における振動数と一致するものが多く、その受発光素子は気体センサとして用いることができる。中赤外レーザ光が空間を通る間に気体中に含まれる各種物質の吸収を受け、光量が減衰する。例えば、歯周病があると、その人の口臭にはアンモニア、メチルメルカプタン、インドールなどの臭気物質が存在する。従って、光量の減衰特性からその人の病気を推定することができ、歯周病発見用口臭センサとして適用することができる。また、アルコールセンサなどにも適用できる。

上記特許文献１に開示されたバイオセンサでは、ガラス基板表面の表層部に表面プラズモン共鳴現象を利用した基質の測定に必要な導波形レンズ、光導波路、クラッド等のすべての光学デバイス、および、光量の検出に用いるＣＣＤ撮像素子を備え付ける。よって、各光学デバイスを剛性の高い部材で固定したりする必要がなく、各光学デバイスの相対的な位置関係をセンサ完成後に調整する必要がない。

また、上記特許文献２に開示された表面プラズモンセンサでは、誘電体ブロック、光源、光学系、および光検出手段が、誘電体ブロック上の金属膜が外部雰囲気に接触し得る状態にして防水構造の筺体内に収容されているので、この筺体を液体試料中に浸漬するだけの操作で、試料が金属膜に接触する状態となる。

図８は、従来技術に係る非侵襲型センサである中赤外センサモジュールの断面図である。中赤外センサモジュール１３０において、量子カスケードレーザ１０１の発した波長９．６μｍの中赤外光は、反射面１０７で反射し、ＺｎＳｅ光学素子１２１に入る。この中赤外光はＺｎＳｅ光学素子１２１の内部を、全反射を繰り返しながら進行する。中赤外レーザ光１３１がＺｎＳｅ光学素子１２１で全反射する際、ＺｎＳｅ光学素子１２１との界面の近傍にエバネッセント波１３２としてしみ出す。

エバネッセント波とは、屈折率の異なる界面で光が全反射する際に、界面からしみ出す光である。エバネッセント波の強度は、界面からの距離に依存しており、指数関数的に減衰する。このエバネッセント波が、気体中の各種物質と共鳴するため、そのエネルギ（光量）の変化を測定することで気体中の物質の成分量を検出することができる。
気体中の各種物質と共鳴した中赤外レーザ光１３１は、最終的に受光素子１０２に入射する。入射光は、Ｓｉ基板１０４上の信号処理集積回路１０３にて信号処理される。なお、Ｓｉ基板１０４は、銅ヒートシンク１１８上の銀ペースト１０６上に配置されており、また、電極１０８、金ワイヤー１０９を介してリード電極１１０に接続されている。また、中赤外センサモジュール１３０は、ＺｎＳｅ光学素子１２１以外は樹脂パッケージ１０５で覆われている。
特開平０７−２２５１８５号公報 特開２００１−６６２４８号公報

しかしながら、従来の技術では、以下に述べる問題がある。
上記特許文献１および２に開示された従来の気体センサユニットは、大型であり運搬性が良好ではないという問題がある。日常生活において手軽に持ち歩くことができ、いつでもどこでも容易に測定できる測定器が望ましいのは当然のことである。
また、図８で説明を行ったエバネッセント波を用いた気体センサユニットは小型であり、固体内部の情報を測定する目的には適してはいるが、気体に対する吸収は少ないため、気体中の各種物質の成分量の測定精度が著しく劣化するという問題がある。

そこで、本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、高精度で小型化が可能な気体センサユニットおよび気体センサユニット内蔵携帯機器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る気体センサユニットは、気体中の物質の成分量を検知する気体センサユニットであって、前記気体を取り入れる空間部と、中赤外光を発光する発光手段と、前記発光手段と同じ基板上に形成され、前記空間部において前記気体中の物質によって吸収され光量が変化した前記中赤外光を受光する受光手段と、前記受光手段が受光した前記光量から前記気体中の物質の成分量を検知する信号処理手段とを備えることを特徴とする。これにより、空間導波光として中赤外光が直接気体中の各種成分によって吸収を受けるので、エバネッセント光を用いる方法と比べてパワーが強まり、測定精度が向上する。

さらに、紫外光を発光して前記空間部を殺菌する殺菌手段を備えることを特徴とする。殺菌手段は、紫外LEDや紫外ELなどが使用できる。紫外光を測定空間に照射することにより、測定空間に残存する被測定気体が分解し、測定空間がクリーニングできる。これにより、被測定物の急激な変化への対応や、正しい零点調整（初期化）、および精度の高い測定を実現できる。

さらに、前記空間部を囲い込む囲い込み手段を備えることを特徴とする。これにより、被測定気体が散逸しなくなること、囲い込んだ壁の内側を鏡にして中赤外光を囲い込み鏡で反射させること、および、測定経路が長くなることで、さらに測定精度が向上する。
さらに、前記発光手段で発光された前記中赤外光の幅を縮小させる縮小手段を備えることを特徴とする。中赤外光が狭まることで、少数の気体分子による吸収が増え、少数の気体分子に対する測定精度が向上する。また、微細吸収スペクトルがわかる。

また、前記発光手段で発光された前記中赤外光の幅を拡大させる拡大手段を備えることを特徴とする。中赤外光が広がることで、多数の気体分子による吸収が増え、多数の気体分子に対する測定精度が向上する。また、多種の気体分子の特性が得られる。

さらに、前記発光手段は、波長の異なった前記中赤外光を発光する複数の発光素子を備え、前記受光手段は、前記複数の発光素子の各波長に対応した前記中赤外光を受光する複数の受光素子を備えることを特徴とする。複数の発光素子と受光素子を用いることで測定感度が向上する。また、これらの発光および受光波長が異なることにより、単一の波長の中赤外光を用いて計測する方法よりも多くの情報を得ることができる。さらに、複数の波長での吸収度合が得られ、一度に測定可能な項目が増え、さらには医療診断時間を短縮できる。

また、携帯電話機またはヘッドホン型測定器に前記気体センサユニットを備えることを特徴とする。これにより、まるで携帯電話機で通話している、あるいは、ヘッドホンで音楽を聴いているかのような自然な形で測定動作が行えるため、いつでもどこでも人目を気にせず測定ができる。

本発明によれば、高精度で小型化が可能な気体センサユニット、および、気体センサユニットを内蔵した携帯機器を実現することができるので、その実用的価値は極めて高い。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る気体センサユニットの断面図である。気体センサユニット３０において、量子カスケードレーザ１から水平に発した波長９．６μｍの中赤外レーザ光３１は、反射面７で反射して上方に進行し、コリメート機能付ミラー１１で再び水平方向に進行方向を変え、空間部に照射される。中赤外レーザ光３１は、空間部を通る間に気体中の各種成分により吸収され、光量の減衰を受ける。

その後、中赤外レーザ光３１は、ミラー１２により下方に進行方向が変化し、最終的に受光素子２に入射する。入射光の光量の情報は、Ｓｉ基板４上の信号処理集積回路３にて信号処理され、その光量のレベルを検知することで気体中の各種成分量が測定される。なお、Ｓｉ基板４は、銅ヒートシンク１８上の銀ペースト６上に配置されており、また、電極８、金ワイヤー９を介してリード電極１０に接続されている。また、気体センサユニット３０は、空間部以外は樹脂パッケージ１０５で覆われており、サイズは全体で１０ｍｍ程度という小型で実現されている。

例えば、被測定者が息をこの気体センサユニット３０に吹きかけ、被測定者の口臭のもととなる臭気物質があれば、その臭気物質により減衰を受ける。被測定者が歯周病に罹っていると、呼気の中にアンモニア、メチルメルカプタン、インドールなどの臭気物質が存在する。受光した中赤外光の減衰特性を解析することで臭気物質量、さらに被測定者の病気をも推定できる。また、アルコール量を測定するセンサユニットなどとしても適用できる。

このような方式で測定することで、従来のエバネッセント波を用いる気体センサユニットと比べてパワーが強まり、測定精度が向上する。
また、中赤外レーザ光３１が通過する空間部を殺菌するため、紫外発光体１３である紫外ＬＥＤが上部の空間部に対して紫外光を発光する。紫外光を測定空間に照射することにより、測定空間に残存する被測定気体が分解し、測定空間がクリーニングできる。これにより、被測定物の急激な変化への対応や、正しい零点調整（初期化）、および精度の高い測定を実現できる。

以上のように、本発明の実施の形態における気体センサユニットによれば、高精度で小型化が可能な気体センサユニットを実現することができる。
なお、紫外発光体としては紫外ＥＬなどを使用してもよい。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２では、気体センサユニットに囲いをつけて測定空間を囲い込むところが実施の形態１と異なる。

図２は、本発明の実施の形態２に係る気体センサユニットの断面図である。気体センサユニット３４は、図１に示される気体センサユニット３０の上部に囲い１５を設置し、レーザ光３１が通過して気体中の各種成分の吸収を受ける測定空間１９を覆う構造を有している。これにより、被測定気体が散逸しなくなり、測定精度が向上する。また、囲い１５の内側を鏡にし、中赤外光を囲い込んで鏡で反射させること、および、測定経路が長くなることにより、多数の気体分子による吸収が増えるので、さらに測定精度が上がる。

以上のように、本発明の実施の形態における気体センサユニットによれば、高精度で小型化が可能な気体センサユニットを実現することができる。

（実施の形態３）
本発明の実施の形態３では、中赤外レーザ光の幅が実施の形態１と異なる。
図３は、本発明の実施の形態３に係る気体センサユニットの上面図である。気体センサユニット３６では、コリメート機能付ミラー２１によりレーザ光３２の幅が狭くなっている。気体中の各種成分の吸収を受けたレーザ光３２は、ミラー２２により下方に進行方向を変え、受光素子に入射する。このように中赤外光の幅が狭まることで、少数の気体分子による吸収が増え、少数の気体分子に対する測定精度が向上する。また、微細吸収スペクトルも測定可能となる。

図４は、本発明の実施の形態３に係る気体センサユニットの上面図である。気体センサユニット３７では、凸面ミラー２３によりレーザ光３３の幅が広くなっている。気体中の各種成分の吸収を受けたレーザ光３３は、凹面ミラー２４により下方に進行方向を変え、受光素子に入射する。中赤外光の幅が広がることで、多数の気体分子による吸収が増え、多数の気体分子に対する測定精度が向上する。また、多種の気体分子の特性も測定できる。

以上のように、本発明の実施の形態における気体センサユニットによれば、高精度で小型化が可能な気体センサユニットを実現することができる。

（実施の形態４）
本発明の実施の形態４では、発光部と受光部に、波長の異なる複数の発光素子と受光素子を用いる点が実施の形態１と異なる。

図５は、本発明の実施の形態４に係る気体センサユニットの断面図である。気体センサユニット３８では、量子カスケードレーザ１ａ、１ｂおよび１ｃが発した互いに波長の異なる中赤外レーザ光３１ａ、３１ｂおよび３１ｃが、反射面７ａ、７ｂおよび７ｃで反射し、ガラス１４を通過した後、測定空間に入る。測定空間は、囲い１６で囲われており、被測定気体は気体挿入口１７から挿入され、測定空間内に留まる。また、囲い１６の内側は鏡になっており、各発光素子から発光された中赤外レーザ光３１ａ、３１ｂおよび３１ｃを反射させることで、実施の形態１よりも測定経路を長くしている。経路を長くすることで、多数の気体分子による吸収が増えるので測定精度が向上する。

また、複数の発光素子と受光素子を用いることで、一つの発光素子と受光素子を用いる方法よりも測定感度が向上する。さらに、多数の波長での吸収が得られ、測定可能な項目が増えるため、医療診断時間を従来よりも短縮できる。
以上のように、本発明の実施の形態における気体センサユニットによれば、高精度で高感度な気体センサユニットを実現することができる。
なお、反射は多重反射であってもよい。

（実施の形態５）
図６は、本発明の実施の形態５に係る気体センサユニットを内蔵した携帯電話機の外観図である。気体センサユニット内蔵携帯電話機２５０は、気体センサユニット３０、スピーカ２２２、マイク２２３、操作部２２５、および表示部２２６を備えている。気体センサユニット３０は、マイク２２３の近傍に配置されている。気体センサユニット３０は、小型で軽量のため、このように携帯電話機に内蔵することができる。

測定は、ユーザが操作部２２５のボタンを操作したり、マイク２２３に向かって測定開始を告げる音声を入力したりすることで開始される。測定の開始を認識した携帯電話機２５０は、気体センサユニット３０を通電し、測定を行う。測定結果は、表示部２２６に表示され、または、合成された音声がスピーカ２２２を通して流れることにより、ユーザが即座に確認できる。

呼気中の臭気物質の成分量を測定するには気体センサユニット３０にユーザが口を近づける必要があるが、このように携帯電話機に内蔵すれば、まるで携帯電話機で通話しているかのような自然な形で測定動作が行えるため、いつでもどこでも人目を気にせず容易に測定ができる。

（実施の形態６）
図７は、本発明の実施の形態６に係る気体センサユニットを内蔵したヘッドホン型測定器の外観図である。気体センサユニット内蔵ヘッドホン型測定器５０の口元に伸びた部分には、ユーザの呼気中の臭気物質の成分量が容易に検知できるように気体センサユニット３０が備え付けられている。気体センサユニット３０は小型で軽量のため、このように簡便に内蔵することができる。

測定は、ヘッドホン型測定器５０を装着したユーザが、気体センサユニット３０の近傍に設置されたマイクに向かって測定開始を告げる音声を入力することで開始される。測定の開始を認識したヘッドホン型測定器５０は、気体センサユニット３０を通電し、測定を行う。測定結果は、合成された音声がヘッドホンを通して流れることにより、ユーザが即座に確認できる。また、ヘッドホンからは測定手順等に関する各種の指示ガイドも聞こえるようにしているため、測定に不慣れなユーザでも正確な測定が可能である。

また、ヘッドホンで音楽等を聴いているかのような自然な形で測定動作が行えるため、いつでもどこでも人目を気にせず測定ができる。
以上、本発明に係る気体センサユニットについて、実施の形態に基づいて説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されない。例えば、発明の形態５と６では本発明に係る気体センサユニットを携帯電話機とヘッドホン型測定器に内蔵したが、ＰＤＡ(Personal Digital Assistant)や携帯型音楽再生機器等の他の形態の機器に内蔵してももちろんよい。

本発明に係る気体センサユニットは、アルコールセンサや口臭センサ等として有用である。また、アルコールセンサや口臭センサを内蔵した携帯電話機やヘッドホン型測定器等として有用である。

本発明の実施の形態１に係る気体センサユニットの断面図である。 本発明の実施の形態２に係る気体センサユニットの断面図である。 本発明の実施の形態３に係る気体センサユニットの上面図である。 本発明の実施の形態３に係る気体センサユニットの上面図である。 本発明の実施の形態４に係る気体センサユニットの断面図である。 本発明の実施の形態５に係る気体センサユニットを内蔵した携帯電話機の外観図である。 本発明の実施の形態６に係る気体センサユニットを内蔵したヘッドホン型測定器の外観図である。 従来技術に係る気体センサユニットの断面図である。

符号の説明

１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１０１ 量子カスケードレーザ
２、２ａ、２ｂ、２ｃ、１０２ 受光素子
３、１０３ 信号処理集積回路
４、１０４ Ｓｉ基板
５、１０５ 樹脂パッケージ
６、１０６ 銀ペースト
７、７ａ、７ｂ、７ｃ、１０７ 反射面
８、１０８ 電極
９、１０９ 金ワイヤー
１０、１１０ リード電極
１１、２１ コリメート機能付ミラー
１２、２２ ミラー
１３ 紫外発光体
１４ ガラス
１５、１６ 囲い
１７ 気体挿入口
１８、１１８ 銅ヒートシンク
１９ 測定空間
２３ 凸面ミラー
２４ 凹面ミラー
３０、３４、３６、３７、３８、１３０ 気体センサユニット
３１、３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３２、３３、１３１ レーザ光
５０ 気体センサユニット内蔵ヘッドホン型測定器
１２１ ＺｎＳｅ光学素子
１３２ エバネッセント波
２２２ スピーカ
２２３ マイク
２２５ 操作部
２２６ 表示部
２５０ 気体センサユニット内蔵携帯電話機

Claims (8)

1. 気体中の物質の成分量を検知する気体センサユニットであって、
   前記気体を取り入れる空間部と、
   中赤外光を発光する発光手段と、
   前記発光手段と同じ基板上に形成され、前記空間部において前記気体中の物質によって吸収され光量が変化した前記中赤外光を受光する受光手段と、
   前記受光手段が受光した前記光量から前記気体中の物質の成分量を検知する信号処理手段とを備える
   ことを特徴とする気体センサユニット。
2. さらに、紫外光を発光して前記空間部を殺菌する殺菌手段を備える
   ことを特徴とする請求項１記載の気体センサユニット。
3. さらに、前記空間部を囲い込む囲い込み手段を備える
   ことを特徴とする請求項１または２記載の気体センサユニット。
4. さらに、前記発光手段で発光された前記中赤外光の幅を縮小させる縮小手段を備える
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の気体センサユニット。
5. さらに、前記発光手段で発光された前記中赤外光の幅を拡大させる拡大手段を備える
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の気体センサユニット。
6. 前記発光手段は、波長の異なった前記中赤外光を発光する複数の発光素子を備え、
   前記受光手段は、前記複数の発光素子の各波長に対応した前記中赤外光を受光する複数の受光素子を備える
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の気体センサユニット。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の前記気体センサユニットを備えた携帯電話機。
8. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の前記気体センサユニットを備えたヘッドホン型測定器。
   
   

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