今回は、ガスセンサー・においセンサーについて調べてみました。ガスセンサー・においセンサーは、うまく活用すると、食・ヘルスケアから重工業まで幅広い分野で活用できる興味深い技術です。
なお、記事の中で、為替レート（ドル・円）は2022年8月4日時点のものをベースに計算しています。
（Source: https://pixabay.com/ja/photos/要約-煙-バックグラウンド-69124/）
ガスセンサーとにおいセンサーの違い
はじめに、少しややこしい、ガスセンサーとにおいセンサーの違いについて整理します。まず、「ガス」とは「気体」であり、物質の状態の1つです。その中には、人間にとってにおいがするガスも、しないガスも存在します。例えば、こちらのサイトには、刺激臭がするガスとしてCl₂（塩素）やNO₂（二酸化窒素）、腐卵臭（腐敗した卵のにおい）がするガスとしてH₂S（硫化水素）、特異臭がするガスとしてO₃（オゾン）が挙げられています。
（Source: https://kimika.net/m1kitaiseishitsu.html）
ちなみに、「におい」とは「におい物質が微粒子状あるいはガス状となった状態」を指します。人間の鼻腔の嗅粘膜には嗅細胞がありますが、嗅細胞を構成する嗅覚受容体がにおい物質を補足しています。
一方、多くのウェブサイトで、ガスセンサーとにおいセンサーは、明確に違いが定義されておらず、関係性が曖昧となっています。
まず、「ガス」が集合として最も大きく、その中に「においがするガス」「においがしないガス」もあれば、「人体に有害なガス」「人体に無害なガス」もあります。文字通りに考えると、「においがする・しない」「人体に有害・無害」に関係なく、ガスセンサーは「ガス分子を検知するセンサー」、においセンサーは「におい分子を検知するセンサー」ということになります。
ただし、「においセンサー」について説明するウェブサイトの中には、においセンサーを「主観的な人間に代わって、客観的に、においの評価を行うセンサー」と定義づけているものがあります。このような文脈でにおいセンサーが説明される場合、においセンサーは「におい分子を検知するセンサー」としてだけではなく、「においを構成する複数のにおい分子の種類・量を同定し、人間のようにパターン認識するセンサー」として期待されることになります。
一方で、多くの場合、ガスセンサーは「特定のガスの有無・量を検知するセンサー」として説明されます。こういった説明方法の違いは、それぞれのセンサーのニーズの違いからきていると考えられます。
基本的に、ガスセンサーは「人体や環境にとって有害なガスが対象空間に存在するか」を知るために用いられることが多いです。例えば、CO（一酸化炭素）が空間に存在するか知ることで、人間を危険から守る対策ができるかもしれません。そのため、ガスセンサーの利用シーンとして多く登場するのは、重工業分野（石油化学・製鉄等）あるいは一般家庭です。厚生労働省が毎年発表している化学物質による災害発生事例をご参考ください。
においセンサーは、有害ガスの検知よりも、「においをヒントに何かの異常のきっかけを探る」役割が、期待されています。例えば、こちらのサイトでは、食品の品質管理（受入原料の品質をにおいの異常からチェックする等）や医療診断（患者の呼気からガンの有無を検査する等）が例示されています。こういった「においから何かの異常のきっかけを探る」というのは、これまで人間を含む生物が得意としてきたところですが、この能力を機械的に再現しようとする動きが進んでおり、まさに「においセンサー」に対する期待の高まりと関わっています。
ガスの中には「においがするガス、しないガス」「人体に有害なガス、無害なガス」さまざまありますが、「人体に有害で、においがする」あるいは「人体に有害で、においがしない」ガスには、どのような種類があるのか、調べてみました。
理研計器株式会社のホームページで、48種の有害ガスが公開されていましたので、そちらを参考にしつつ、1つ1つのガスについて、「インターネット上で記載されているにおい」を付記しています。
（Source: https://product.rikenkeiki.co.jp/contents/aboutgas/ を参考に作成）
48種のうち、無臭と書かれていたのが3種（一酸化窒素、一酸化炭素、過酸化水素）です。これらのガスは最も危険なタイプで、人間がにおいを通じて異常を感じることなく、人体に悪影響を及ぼします。
また、においがする有害物質については、「においの説明のレパートリーが少ない」点が興味深く感じられました。48種のうち、無臭の3種、不明（記載なし）の4種を除く41種は、ほとんどが「刺激臭」と書かれていました。ただ、「刺激臭」という言葉からは、具体的にどのようなにおいがするのかはほとんどわからないと思います。「コーヒーのにおい」「ごま油のにおい」と言われれば想像できますが、まだそうしたラベリングができないにおいが世の中にはたくさんあるようです。
においセンサーは、においをデジタル信号として扱い、データベースに照合しながら、におい分子の種類・量を明らかにします。こうした技術の進展により、これまで主観的な部分が大きかった「においの表現」が標準化されていくかもしれません。
少し長くなってしまいましたが、次の章から、どのようにガス分子やにおい分子の検知を行っているのか、ご紹介していきます。
ガスセンサーの原理
まず、ガスセンサーの原理をご説明します。ガスセンサーには大きく分けて3タイプ存在します。光学センサー、固体センサー、電気化学センサーです。
【光学センサー】
特定のガス分子が特定の波長の電磁波を吸収する特性を利用した方式です。代表的なものに、NDIR方式とTDLAS方式があります。
NDIR方式（Non Dispersive InfraRed＝非分散型赤外線吸収方式）
特定のガス分子が赤外線を吸収する特性を利用した方式です。赤外線光源から発せられた赤外線は、ガス分子が存在する空間を通過して、赤外線センサーにキャッチされます。入力と出力の赤外線量の差から、通過過程でどれくらい赤外線がガス分子に吸収されたかわかります。ガス濃度が高いほど、赤外線がガス分子に多く吸収され、赤外線の出力が小さくなります。
赤外線を吸収するガス分子には有用である一方、H₂（水素）やO₂（酸素）等、赤外線を吸収しないガス分子は検知が難しくなります。
赤外線を吸収する分子と吸収しない分子の違いがこちらのサイトで説明されています。基本的に、赤外線を吸収するのは多原子分子の分子振動が原因で、H₂やO₂は赤外線を吸収しませんが、地球温暖化効果があると言われているCO₂（二酸化炭素）やCH₄（メタン）は、赤外線を吸収します。NDIR方式の検知可能なガス濃度はおよそppm（100万分の1）レベルです。
TDLAS方式（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy＝半導体レーザー吸収法）
半導体レーザーを用いて、ガス分子によって異なる光吸収スペクトル強度を測定することで、ガス濃度を測定する方式です。
CO、CO₂、NH₃（アンモニア）等のガス分子は固有の光吸収スペクトルを持ちますが、このスペクトルに収まる波長の光を照射するとガス分子が光を吸収する、という特徴を利用します。TDLAS方式の検知可能なガス濃度はおよそppm（100万分の1）レベルです。
【固体センサー】
半導体方式
熱せられた酸化金属表面に吸着している酸素が、ガス分子と反応することによりセンサー抵抗値が変化する特性を利用した方式です。量産性が高く、比較的安価と言われています。一方、酸化金属表面の酸素とガス分子を吸着させるため、CO₂等の化学的に安定したガス分子の検知には不向きと言われています。
（Source: https://www.figaro.co.jp/technicalinfo/principle/mos-type.html）
接触燃焼式
可燃性ガス分子に反応する素子（検知片）と反応しない素子（補償片）の抵抗値の差を利用してガス濃度を検知する方式です。検知片が可燃性ガス分子に曝されて抵抗値が上昇しますが、それによって生じる電圧差を測定します。こちらは可燃性ガス分子の検知しかできません。
（Source: https://www.figaro.co.jp/technicalinfo/principle/catalytic-type.html）
熱伝導方式
検知したいガス分子の熱伝導率の違いを利用してガス濃度を検知する方式です。コイルによって加熱された素子にガス分子が触れると、ガス分子固有の熱伝導率に応じた素子の温度変化に比例して、素子を構成するコイルの抵抗値も変化します。
化学反応を伴わないため、触媒の劣化が少なく、長期的に安定使用できる一方、雰囲気ガスと比べて熱伝導率の差が少ないガス分子については検知ができません。
焦電方式
焦電セラミックスの温度変化に応じて表面の電荷が増減する現象を利用した方式です。
半導体方式・接触燃焼方式・熱伝導方式・焦電方式等の固体センサーは、光学センサーに比べて検知精度が低く、濃度が低いガス分子を検知できないことがある一方、その分コストも安い傾向があります。また、いずれのセンサーも検知できないガス分子が存在します。
【電気化学センサー】
電気化学方式
酸化還元反応を利用した方式。検知したいガス分子が、電極で酸化反応を起こしてイオンと電子を発生させます。イオンは電解液、電子は外部回路を経由して対電極に移動して還元反応が起こります。外部回路を流れる電流の大きさがガス濃度に比例するため、電流値をモニタリングすることでガス濃度を算出することができます。
（Source: https://www.akm.com/jp/ja/products/co2-sensor/tutorial/types-mechanism/#:~:text=のガスセンサー-,電気化学方式,還元反応が起こります%E3%80%82）
においセンサーの原理
次は、においセンサーの原理をご紹介します。現時点で、においセンサーの代表的な方式としては4つ挙げられています。
【半導体方式】
基本的な原理はガスセンサーの半導体方式と同じです。におい分子が半導体表面の酸素と吸着する時に変化する抵抗値を計測することで、におい分子の濃度を導出します。金属酸化物半導体が一般的ですが、有機半導体を用いた方式も存在します。
酸化物半導体は香料等の有機化合物に対して感度が低く、有機半導体を用いることで有機化合物のにおい識別が可能になります。
【水晶振動子方式】
水晶振動子に貼り付けられた感応膜がにおい分子を捕集すると、振動子の共振周波数が低下しますが、その周波数の低下量を計測することでにおい分子の濃度を導出する方式です。感応膜には、天然脂質あるいは合成脂質が用いられます。感応膜を貼ったセンサーを複数同時に用いると、複数のにおい分子を識別することができます。
【FETバイオセンサー方式】
FETはField Effect Transistor（電界効果トランジスタ）の略称です。トランジスタの絶縁膜上に固定されたプローブ分子が、吸着したガス分子の電荷を検知し、その電荷に起因する電気信号を解析することで、ガス分子の成分・濃度を導出することができます。
【MSS方式】
MSSはMembrane-type Surface stress Sensor（膜型表面応力センサー）の略称です。感応膜にガス分子が吸着した際に応力が発生しますが、応力によって変化する電気抵抗を分析してガス分子の成分・濃度を導出することができます。
（Source: https://mss-forum.com/about/）
世界のガスセンサー・においセンサースタートアップ
これまで、ガスセンサー・においセンサーの種類や原理についてご紹介してきました。ここからは、世界でガスセンサー・においセンサーを開発するスタートアップをご紹介します。創業年が新しい順に並べていきます。
SmartNanotubes Technologies
創業年：2020年
地 域：ドイツ
概 要：
同社はカーボンナノチューブを用いたにおいセンサーを開発しています。ppb（10億分の1）レベルでにおい分子を検知できることに加え、動作時のエネルギー消費量が1μW（マイクロワット）と非常に小さい点が特徴です。センサーが分析したにおいパターンはデータベースに蓄積されていき、使えば使う分だけ素早くパターン認識することができるようになります。
SmartNanotubes Technologiesは、創業から現在までに、累計270万ドル（≒4億円）を調達しています。事業会社は、Duotec（ドイツの電子機器メーカー）が株主兼製造パートナーとして参画しています。
NanoScent
創業年：2017年
地 域：イスラエル
概 要：
同社は、VOCIDというにおい検知サービスを提供しています。NanoScentは独自特許に基づいたセンサーを利用しており、50ppbレベルの低濃度ガスを検知することができます。ホームページによると、同社の小型センサーは、ソース・ドレイン、そしてソース・ドレイン間に入ったナノ粒子から構成されているようです。ガスがナノ粒子に結びついた時に変化する電気抵抗を読み取り、におい分子の構成・濃度を導出します。
NanoScentは、創業から現在までに、累計1,000万ドル（≒13億円）を調達しています。事業会社は、住友化学株式会社が株主として参画しています。2019年に公表された住友化学の出資プレスリリースには、住友化学が注力するヘルスケア事業に、においセンサーを利用していくと書かれています。具体的には、人間の排泄物のにおいから体調変化や病気の兆候を読み取り、その日の体調に適した食事・薬等を提案するというソリューションが例として挙げられています。また、同プレスリリースには、工場や街中での有害物質検知も期待されるアプリケーションとして挙げられています。
Indrio Technologies
創業年：2016年
地 域：アメリカ
概 要：
同社はZephyr（ゼファー、と読みます。ギリシャ語で「そよ風」の意。）というセンサーを開発しています。ホームページには、「レーザーベース」と書かれており、光学センサーを用いているようです。以下の図は利用例の1つですが、ガス配管付近に設置されています。
（Source: https://indriotech.com/products.html）
平均消費電力は17W、電池式で、検知可能なガス濃度は1ppbレベルだそうです。光学センサーでありながら1ppbレベルということは、従来の光学センサーに比べると1,000倍近く高精度な検知が可能ということになります。技術の詳細については明かされていません。
Indrio Technologiesは、創業から現在までに、累計150万ドル（≒2億円）を調達しています。投資家は公開されていません。
AerNos
創業年：2016年
地 域：アメリカ
概 要：
同社は、AerIoTというガスセンサーを開発しています。ホームページによると、同社はナノ物質（こちらのウェブサイトを見ると、カーボンナノチューブを用いていると思われます。）を基板上に積層し、電気回路をつくっています。ガス分子がナノ物質に触れると、電気抵抗が変化し、ガス濃度を検出することができます。原理的には半導体方式、あるいはMSS方式が近いかもしれません。
同社は主なユースケースとして環境モニタリング、特に有害ガスの検知を紹介しています。前半でご紹介した無臭の有害ガス（O₃、NO₂等）を、ppbレベルで複数同時に検知できると書かれています。
AerNosの資金調達状況については、情報が公開されておらず、株主についても不明です。
ボールウェーブ
創業年：2015年
地 域：日本
概 要：
同社は、「ボールSAWセンサー」というコア技術を用いて、高感度なガスセンサーを開発しています。SAWはSurface Acoustic Wave（弾性表面波）の略で、固体表面に振動エネルギーを集中させて伝播する性質を有しています。
水晶玉の表面で励振された波は水晶玉表面を多重周回しますが、その周回軌道上に設置された感応膜にガス分子が吸着すると、表面波の伝播速度に変化が生じます。通常、ガス分子の存在によって生じる電波速度の変化量はわずかなのですが、表面波が多重周回することによって変化量がn倍になるため、微量の変化でも検知可能となります。
（Source: https://www.ballwave.jp/technology/bwtechnologies.php）
同社のホームページによれば、水素ガスの検知について、ボールSAWセンサーは、FETバイオセンサーの10倍、電気化学方式の1,000倍の感度を有しているそうです。
ボールウェーブには、豊田合成株式会社、JA三井リース株式会社、夏目光学株式会社等が株主として参画しています。
Aryballe
創業年：2014年
地 域：フランス
概 要：
同社は、2018年に初回製品「NeOsePro」を販売開始。NeOseProにはバイオセンサーが用いられており、検知したにおい分子を500種類以上のにおい分子データベースと照合し、機械学習によってパターン認識する仕組みとなっています。
Aryballeは、創業から現在までに、累計1,800万ドル（≒24億円）調達しています。旭化成株式会社、Hyundai Motor Company、Samsung、International Flavors & Fragrances等が株主として参画しています。
資本業務提携を結ぶ自動車メーカーは、においの検知・制御を通じて乗車客の顧客体験向上を狙っているようです。こちらの記事には、車内のにおいを検知して人間にとって心地の良い香料を充満させる、過熱部品から生じるにおいを検知して事故の兆候を検知する、等の利用シーンが例示されています。
アロマビット
創業年：2014年
地 域：日本
概 要：
同社は創業以来、ホームページで「におい分子が吸着し周波数の変化を感知」と書かれているように、【水晶振動子方式】を採用してきました。しかし、2019年には「（水晶振動子方式では）より小型化・低コスト化が求められるスマートフォンやハイボリューム市場を目指すのは困難」であることから、【シリコンCMOS方式】の開発に着手することを発表しました。
水晶振動子方式はサイズ0.5cm × 2.0cmで感応膜数5であるのに対し、シリコンCMOS方式はサイズ1mm × 1mmで感応膜数1,200を達成できる可能性があるそうです。同社は、2021年1月に6mm × 3mmのシリコンCMOS方式の製品を販売開始しました。
アロマビットには、ソニーグループ株式会社、日本たばこ産業株式会社、セイコーエプソン株式会社、京セラ株式会社が株主として参画しています。
（Source: https://www.aromabit.com/service01/）
スタートアップのご紹介は以上です。
各社のユースケースを調べていくと、重工業分野（石油化学・製鉄プロセスで発生する有害ガスの検知）、食品分野（受入時あるいは出荷時のにおい品質チェック）、ヘルスケア分野（呼気や体臭から疾患・健康状態をチェック）が多いようです。
また、建設分野での利用もいくつか見られました。例えば、住宅におけるホルムアルデヒドの問題です。ホルムアルデヒドは、合板や塗料に含まれる有機化合物で、室内空気汚染源の1つです。日本では、2003年の建築基準法で使用量に制限が設けられましたが、2003年以前の建築物には注意が必要です。ホルムアルデヒドには独特のにおい（ツンとする不快なにおい）があると言われており、ガスセンサー・においセンサーで検知し、換気を促すことができるかもしれません。
以前ブログで取り上げたワイヤレス給電技術に関しても当てはまることですが、こうした技術は一概に「これが最も優れている」とは言いづらい側面があります。というのも、ガスセンサー・においセンサーは、用途に応じてサイズ・消費電力・コスト・検知可能ガス等の要求スペックが変わってくるためです。例えば、チップ上に載せる素子の数に応じて検知可能なガスの種類も増えますが、その分サイズや消費電力も大きくなります。石油化学プラントで有害なガスを検知したい場合、無害なガスを検知する必要はありません。同じように、車内でにおいを検知したい場合、無臭のガスを検知する必要はありません。
対象空間で顧客に提供したい価値に応じて、最適なセンサーを選択することが重要です。例えば、居室内で、住人の健康を守るのか、住人がリラックスできる雰囲気を作るのかによって、利用すべきセンサーは変わります。前者の場合、居室内で発生し得る有害ガスをリストアップし、検知可能なガスセンサーを選択します。後者の場合、居室のにおいを分析し、住人が心地よいと感じるにおいに変わるようなレコメンドを出すセンサーが適しているかもしれません。
このあたりは、各社が検知可能なガスや価格について全てを公開しているわけではありませんので、個別に相談しながら最適なものを見つけていく必要がありそうです。
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