JP2003083815A

JP2003083815A - 非接触温度測定装置と温度センサ

Info

Publication number: JP2003083815A
Application number: JP2001274631A
Authority: JP
Inventors: Takefumi Kurosaki; 武文黒崎; Takeshi Oshima; 剛大島
Original assignee: Toyo Communication Equipment Co Ltd
Current assignee: Toyo Communication Equipment Co Ltd
Priority date: 2001-09-11
Filing date: 2001-09-11
Publication date: 2003-03-19

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、金属容器或いは大きなタンクなど
の内部温度を、超音波を利用しワイヤレスにて温度測定
する装置及びこれに用いるセンサを提供することを目的
とする。【解決手段】温度の変動に応じて共振周波数が変化す
る圧電振動子と該圧電振動子を発振させる為の発振回路
とを容器内に収納したセンサを、被測定体中に位置せし
め，超音波トランスジューサを含むプローブを介して前
記センサから送出される超音波振動を受信して前記セン
サの共振周波数を検知し，もって前記被測定体の温度を
測定するよう構成したことを特徴とする非接触温度測定
装置である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は超音波を用いて被測定物
体中に位置せしめた温度又は圧力センサの共振周波数を
検出することによって，非接触にて温度を測定する装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガン細胞部分を高周波電磁波等で加熱し
消滅する温熱療法が知られているが，この際加熱部分の
正確な温度管理が不可欠である。このための温度測定手
段として，センサと計測機器本体との間のケーブルを不
要とした非接触温度測定装置が種々の観点から便利であ
る。この温度測定方法としては電磁波を用いた「温度測
定装置」（特開58−190736号公報）がある。

【０００３】この方法は，共振周波数が温度依存性をも
った水晶振動子にアンテナコイルを付加したものをセン
サとして非測定体内部に埋め込み，このセンサに間欠的
に電磁波を照射すると共に，電磁波照射を停止する間の
前記センサの残響信号を外部プローブにて抽出してその
周波数を検知するものである。

【０００４】しかしながら，人体をはじめとして生体内
部は電磁波吸収の大きい成分で満されており，センサへ
照射し又はセンサから発する電磁エネルギの減衰が多く
電磁波を情報伝搬媒体として利用する限り受動的センサ
による測定では，センサと外部プローブの離間距離を大
きくとれないと云う問題があった。

【０００５】同一出願人はこの問題を解決する手段とし
て，電磁波に代り，超音波を利用した測温手段を提案し
ている（特願昭62−277980「超音波による非接触温度／
圧力検知方法」又は特開昭61−211888「超音波利用温度
／圧力センサ」）。

【０００６】この方法は前記センサとして超音波応答に
優れた水晶振動子を用い，これに外部から超音波エネル
ギを間欠的に照射すると共に，照射停止期間に前記セン
サがその残響振動によって発する超音波を抽出して周波
数を知り温度を測定するものである。この手法によれば
従来の電磁波を用いた方式に比べてセンサと外部測定機
器との離間距離をはかるに大きくすることができるか
ら，より体内深部の測温が可能となる。

【０００７】この測定装置を簡単に説明すれば，第８図
（ａ）に示すように，被測定体内部に埋めた水晶振動子
センサ近傍に超音波トランスジューサを含むプローブM
を配置し，該プローブには切替スイッチSWと，その出力
端に接続したフィルタFILとフェーズロックループPLL
と，周波数COUNTとタイマ回路TIMEとを具え，前記PLL出
力の一部をスイッチSWに入力するよう構成した測定回路
を接続する。

【０００８】同図（ｂ）は上記測定回路ブロックの動作
を説明するための信号波形図で，（イ）はタイマTIMEか
ら出力されるパルス信号が高電位の間PLLからの高周波
信号出力がスイッチSWを介してプローブMに供給され，
同周波数の超音波に変換されて同図（ロ）に示す如く間
欠的に前記センサSENSに照射される。

【０００９】一方，センサSENSでは前記超音波信号に共
振して振幅が序々に増大して所定振幅値に達するがプロ
ーブMからの超音波が停止してもその慣性により指定時
残響振動して一定時間超音波を発生する（同図ハ）。

【００１０】又，前記プローブMはマイクロホンとして
も作用し，送信入力が無い間センサSENSの残響信号を電
気信号に変換し切替スイッチSWに導く。

【００１１】一方，スイッチSWは制御パルスが低電位の
間，前記プローブMからの信号をフィルタFILを介してPL
Lに伝達し,PLLでは内部の位相比較器PDにおいて電圧制
御発振器VCO出力と前記フィルタFILからの信号との位相
比較を行ない，両者が同位相即ち，同一周波数になるよ
うにVCO周波数を制御してロックインする。

【００１２】従ってロックインした状態においてPLL出
力周波数をカウンタCOUNTにて測定すれば前記センサSEN
Sの共振周波数を知ることができ，センサの共振周波数
と温度との関係が既知であれば被測定体内部の温度を検
知することができる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、生体内
の温度測定以外にも温度測定のワイヤレス化を望む声は
多いものの、上記のような手法ではこの要求に応じきれ
ないという問題があった。即ち、金属容器内の温度測定
については、金属が電磁波を遮蔽するため、電磁波を利
用した手法は採用することができない。

【００１４】又、外部から超音波エネルギを間欠的に照
射し、センサの残響振動によって発する超音波を抽出す
るという手法は、生体内の温度測定のようにプローブと
センサ間の距離が高々数十センチと比較的短い場合には
有効であるが、センサの残響振動による超音波では大き
な液槽内の温度管理などに用いる場合、超音波の伝搬路
が長いため途中で減衰して抽出することができなかっ
た。

【００１５】本発明は、金属容器或いは大きなタンクな
どの内部温度を、超音波を利用しワイヤレスにて温度測
定する装置及びこれに用いる温度センサを提供すること
を目的とするものである。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明は上述した課題を
解決するために、請求項１に記載の発明では温度の変動
に応じて共振周波数が変化する圧電振動子と該圧電振動
子を発振させる為の発振回路とを容器内に収納したセン
サを、被測定体中に位置せしめ，超音波トランスジュー
サを含むプローブを介して前記センサから送出される超
音波振動を受信して前記センサの共振周波数を検知し，
もって前記被測定体の温度を測定するよう構成したもの
であり、請求項２に記載の発明では前記プローブから出
力される信号を入力とする位相比較器とローパス・フィ
ルタと電圧制御発振器とをループ接続したフェーズロッ
クループ回路を有し，前記電圧制御発振器から出力され
る信号の発振周波数に基づき前記センサの共振周波数を
検知するものであり、請求項３に記載の発明では低周波
発振器から出力される低周波信号を用いて電圧制御発振
器から出力される信号に対し周波数変調または位相変調
を施す変調手段と、該変調手段からの変調信号と前記プ
ローブから出力される信号とを混合しビート信号を生成
するミキサと、前記ビート信号を入力とする狭帯域フイ
ルタと、狭帯域フイルタから出力される信号に含まれる
AM歪成分を抽出する為のAM復調手段と、前記低周波信号
に基づいて前記AM復調手段の出力を同期検波する同期検
波手段と、該同期検波手段から出力される信号のデュー
ティ比に基づいて前記電圧制御発振器を制御する手段と
を備え、前記電圧制御発振器から出力される信号の周波
数に基づき前記センサの共振周波数を検知するよう構成
したものであり、請求項４に記載の発明では前記検波手
段が前記低周波信号に基づいて前記AM復調手段の出力を
同期検波する同期検波手段としたものであり、請求項５
に記載の発明では温度の変動に応じて共振周波数が変化
する圧電振動子と該圧電振動子を発振させる為の発振回
路とを容器内に収納すると共に、前記圧電振動子の機械
的振動エネルギの一部を前記容器に伝搬せしめることに
よって、前記容器外部への超音波振動の送出を容易なら
しめたものである。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下本発明を図面に示した実施の
形態に基づいて詳細に説明する。図１（ａ）は本発明に
係る非接触水晶温度測定装置の一実施形態例を示すブロ
ック図である。

【００１８】同図において、１は水晶温度センサであ
り、周囲温度に応じて共振周波数が変化する水晶振動子
２と該水晶振動子２を発振させる為の発振回路３とを容
器内に収納して構成したものである。図２は水晶温度セ
ンサ１のより詳細な構成例を説明する図であって、
（ａ）は容器に封入した様子を示す外観斜視図であり、
（ｂ）は容器を外したときの内部構造を示す斜視図であ
る。

【００１９】同図において水晶振動子２は音叉型の水晶
振動子であって、その表面には水晶振動子２の振動を励
起する為に電極が形成されている。この水晶振動子２は
円盤状をした金属製のベース４の一方面に配置されてい
る。このベース４には上下面を貫通するハーメチック端
子５，５を備えており、水晶振動子２の表面に形成され
た電極とハーメチック端子５，５とは導電性接着剤等に
よって導通固定されている。そして、ベース４の水晶振
動子２側は振動子側容器７により封止される。

【００２０】一方、前記ベース４の他方面には前記水晶
振動子２を発振させるための発振回路３を構成する電子
部品（図示しない）と発振回路を駆動する為のバッテリ
（図示しない）を搭載したプリント基板６が配置され、
前記ハーメチック端子５，５と半田等によって導通固定
されている。そして、ベース４のプリント基板６側は発
振回路側容器８により封止されている。

【００２１】ここで、前記音叉型水晶振動子２を、基部
の高さ(Ｈ)と基部の幅(Ｄ)の比H/Dがおよそ３以下とな
るように構成する。このようにすることによって音響エ
ネルギーの一部を水晶振動子２からベース４を経て容器
７へと伝えることが可能となる。

【００２２】こうして構成した水晶温度センサ１は、自
ら発振するものであるから、従来の残響振動によって発
生する超音波を利用するものと比べて、格段に強力な超
音波を外部に送出することができる。

【００２３】そして、図１（ｂ），（ｃ）に示すよう
に、この水晶温度センサ１を被測定対象物であるタンク
９内の所要の位置に配置し、タンク９の外壁には超音波
トランスジューサを含むプローブMを設置する。プロー
ブMからの出力信号は、信号レベルを増大する為の増幅
器AMPを介してプローブMの出力信号から余計なノイズを
除去する為のバンドパスフィルタBPFに供給される。バ
ンドパスフィルタBPFを通過した信号はフェーズロック
ループ回路PLLの位相比較器PDに入力される。位相比較
器PDはフェーズロックループ回路PLLの出力信号とプロ
ーブMからの出力信号との位相比較を行い、両者の位相
差に応じた電圧を所謂ループフイルタとして機能するロ
ーパスフイルタLPFに出力する。ローパスフィルタLPFか
らの出力電圧は、電圧制御発振器VCOの制御端子に供給
され、フェーズロックループ回路PLLは前記２つの位相
が同位相となるように電圧制御発振器VCOを制御してロ
ックするよう動作する。

【００２４】つまり、フェーズロックループ回路PLLの
出力周波数は、水晶温度センサ１の発振周波数に相当
し、この周波数を周波数カウンタCOUNTにより検出し、
水晶温度センサ１の発振周波数とその周囲温度との既知
の関係からタンク９内の温度を演算器により演算し、そ
の結果を表示器にて表示する。

【００２５】以上の構成により、比較的大きなタンクで
あっても、超音波を利用して非接触にて温度測定をする
ことが可能となる。

【００２６】図３は本発明の第２の実施形態を示すブロ
ック図である。尚、図１と同一の機能を呈するブロック
については同一の符号を付し、その説明を省略する。

【００２７】この実施形態の先の実施形態との違いは、
水晶温度センサ１の発振周波数を捉えるための周波数検
出回路部分にある。

【００２８】プローブMからの出力信号が増幅器AMPを介
してバンドパスフィルタBPFに供給されるまでは図１の
ものと同じである。バンドパスフィルタBPFを通過した
信号はミキサ１０に入力され、ミキサ１０の出力は狭帯
域且つ急峻な通過帯域特性を有する水晶バンドパスフィ
ルタXtalBPFに供給され、その出力はAM検波器AM-DETを
介して同期検波回路１１へと出力される。同期検波回路
１１は電圧制御発振器VCOの出力周波数より充分に低周
波の正弦波信号を出力する低周波発振器AF-OSCからの正
弦波信号に基づき同期検波をする回路である。同期検波
回路１１から出力される矩形波信号はデューティー比検
出回路１２に供給され、デューティー比検出回路１２は
そのデューティ比に応じた電圧を電圧制御発振器VCOの
制御端子へと供給する。また、電圧制御発振器VCOの出
力信号はFM変調器１３にて低周波発振器AF-OSCからの正
弦波信号によりFM変調が施されミキサ１０へと供給され
る。ミキサ１０は電圧制御発振器VCOの出力信号にFM変
調を施した信号とプローブMからの出力信号とのビート
信号を生成し、前記水晶バンドパスフィルタXtalBPFに
供給する。

【００２９】以上の構成を有する周波数検出回路部分の
動作を、各部の信号波形を示す図４を参照しながら説明
する。

【００３０】電圧制御発振器VCOの出力信号（発振周波
数をf0とする）は、FM変調器１３にて低周波発振器AF-O
SCから供給されるf0より低周波の正弦波信号（図４
(a)）によりFM変調tが施され、該FM変調波（図４(b)：
周波数をf0´とする）とプローブMからの出力信号（周
波数をfsとする）とのビート信号（周波数はf0´- fs）
がミキサ１０にて生成される。

【００３１】ミキサ１０から出力されたビート信号は、
上述したとおりFM変調を受けたものであるので所定の共
振周波数fpを通過域とする狭帯域且つ急峻な水晶バンド
パスフィルタXtalBPFを通過することによりAM変調歪を
受ける。

【００３２】ここで、水晶バンドパスフィルタXtalBPF
によるAM変調歪について図５を用いて説明する。

【００３３】前記低周波の正弦波信号の周波数を80Hz、
水晶バンドパスフィルタXtalBPFの共振周波数fpを20MH
z、ビート信号の周波数が20MHz±2KHzの範囲で変動する
と仮定するとき、ビート信号の周波数が水晶バンドパス
フィルタXtalBPFの共振特性曲線上をその共振点fpを含
んでこれよりΔfだけ低い点イ、fpと同一の点ロ、Δfだ
け高い点ハの３つの点に位置する場合のAM変調歪はそれ
ぞれ同図矢印で示す様な波形を呈する。この歪はfpの上
下において180゜位相が異なりビート信号の周波数がfp
と一致した時に前記AM変調歪波形は正弦波となる。

【００３４】図６(c)、(d)、(e)は、水晶バンドパスフ
ィルタXtalBPFの出力波形を示す図であり、それぞれ図
５に示したイ、ロ、ハに対応する。

【００３５】更にこれをAM検波器AM-DETにてAM検波する
と図６(f)、(g)、(h)に示す如く、AM変調成分が抽出さ
れる。

【００３６】このようにして復調した波形を同期検波回
路１１にて、前記低周波の正弦波信号を基準として同期
検波した後、波形整形して図７(i)、(j)、(k)に示す如
く、それぞれのAM変調歪に対応した矩形波を得る。この
矩形波のデューティー比をデューティー比検出回路１２
により検出し。デューティ比が１：１となるよう制御す
ることによってプローブMからの出力信号の周波数を検
出することができるのである。

【００３７】実際にはデューティ比が１：１となった時
の電圧制御発振器VCOの出力周波数をf0と水晶バンドパ
スフィルタXtalBPFの共振周波数fpとの差がプローブMか
らの出力信号の周波数fs（＝ f0 − fp）となる。

【００３８】このように閉ループを構成することにより
ビート信号の周波数を水晶バンドパスフィルタXtalBPF
の共振点に自動的に調整することが可能となる。

【００３９】尚、第２の実施形態においては同期検波を
用いたが、これに限らず通常のAM検波を用いてもよい。

【００４０】この第２の実施形態に係るロックループ系
は、周知のフェーズロックループPLLと比較して次の様
な特徴を有する。

【００４１】即ち、従来のPLLは、閉ループ中で信号の
位相差を検出しこれを直流電圧に変換してサーボ系を構
成するものであり、一般に位相情報を抽出するには大き
いレベルの信号を要するのに対し、本発明はFM波に生ず
るAM変調を抽出するものであるから比較的低レベルの信
号であってもこれが可能となる。

【００４２】又、本願発明の水晶温度センサは、振動子
のみならず発振回路とバッテリとを容器内に同梱した自
律型センサであるから、従来のように外部から電磁波や
超音波を照射して駆動電力を供給する必要がなく、これ
らよりも強力な超音波振動を発信することが可能とな
る。ところが、センサは工場で封止された状態で出荷さ
れることになるので、出荷時点では既に発振回路は動作
しておりバッテリの消耗が始まることになる。

【００４３】そこで、例えば、センサの電源部に、リー
ドリレー（スイッチ）を用いてセンサの近傍に磁石があ
るときは低消費電力駆動状態（若しくは動作停止）に、
磁石が離れると通常の発振動作をするよう制御する回路
を追加する。工場では磁石付きのケースにセンサを梱包
し、このケースに収めたままユーザーに提供するように
すれば、ユーザーがケースからセンサを取り出したとき
に初めて通常動作を開始するのでバッテリの無用な消耗
を防止することができる。

【００４４】更に、被測定対象物に磁石が使用されてい
る場合は、上記の制御回路は使えないので、センサ容器
に電極を設け、ユーザーが容器の外部から所定の電圧を
流すと内部の導電パターンが焼き切れるようにしてお
き、これをもって低消費電力駆動状態（若しくは動作停
止）から通常の発振動作に移行するような制御回路を用
いれば良い。

【００４５】尚、以上の実施例では本発明を音叉型水晶
振動子を感温素子として用いたものを例に説明したが、
本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、圧電
セラミックを棒状に加工した振動子を感温素子として用
いるなど、他の圧電振動子を感温素子としたものであっ
ても同様の効果が得られることは言うまでもない。

【００４６】又、電圧制御発振器VCOの出力信号にFM変
調を施す例を示したが、これをPM変調に置き換えても同
様に動作することは言うまでもない。

【００４７】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成した
ことにより、生体内の温度測定のみならず、大きなタン
ク内のように測定点がプローブから遠い場合や、電磁波
の通らない金属容器内を測定する場合であっても、超音
波を利用しワイヤレスにて高精度に温度測定をする上で
著しい効果を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）はそれぞれ本発明に係る非接触温度測定
装置の一実施例を説明するブロック図であり、（ｂ），
（ｃ）は温度センサの設置例を示す図である。

【図２】（ａ）、（ｂ）はそれぞれ本発明に係る温度セ
ンサの構成を示す外観図と内部構造図である。

【図３】本発明に係る非接触温度測定装置の他の実施例
を説明するブロック図である。

【図４】（ａ）、（ｂ）はそれぞれ図３中の（ａ）、
（ｂ）における信号波形図である。

【図５】水晶バンドパスフィルタXtalBPFによるAM変調
歪を説明する図である。

【図６】（ｆ）〜（ｈ）はそれぞれ図３中の（ｆ）〜
（ｈ）における信号波形図である。

【図７】（ｉ）〜（ｋ）はそれぞれ図３中の（ｉ）〜
（ｋ）における信号波形図である。

【図８】（ａ）は従来の非接触温度測定装置の構成例を
説明するブロック図であり、（ｂ）はセンサとプローブ
との間の信号波形図である。

【符号の説明】

１・・・水晶温度センサ、２・・・水晶振動子、３・・
・発振回路、４・・・金属製ベース、５・・・ハーメチ
ック端子、７、８・・・容器、９・・・タンク、１０・
・・ミキサ、１１・・・同期検波回路、１２・・・デュ
ーティー比検出回路、１３・・・FM変調器、M・・・プ
ローブ、PD・・・位相比較器、LPF・・・ローパスフィ
ルタ、VCO・・・電圧制御発振器、XtalBPF・・・水晶バ
ンドパスフィルタ、AF-OSC・・・低周波発振器、AM-DET
・・・AM検波器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】温度の変動に応じて共振周波数が変化する
圧電振動子と該圧電振動子を発振させる為の発振回路と
を容器内に収納したセンサを、被測定体中に位置せし
め，超音波トランスジューサを含むプローブを介して前
記センサから送出される超音波振動を受信して前記セン
サの共振周波数を検知し，もって前記被測定体の温度を
測定する非接触温度測定装置。
【請求項２】前記プローブから出力される信号を入力と
する位相比較器とローパス・フィルタと電圧制御発振器
とをループ接続したフェーズロックループ回路を有し，
前記電圧制御発振器から出力される信号の発振周波数に
基づき前記センサの共振周波数を検知することを特徴と
する請求項１に記載の非接触温度測定装置。
【請求項３】低周波発振器から出力される低周波信号を
用いて電圧制御発振器から出力される信号に対し周波数
変調または位相変調を施す変調手段と、該変調手段から
の変調信号と前記プローブから出力される信号とを混合
しビート信号を生成するミキサと、前記ビート信号を入
力とする狭帯域フイルタと、狭帯域フイルタから出力さ
れる信号に含まれるAM歪成分を抽出する為のAM復調手段
と、該AM復調手段の出力を検波する検波手段と、該検波
手段から出力される信号のデューティ比に基づいて前記
電圧制御発振器を制御する手段とを備え、前記電圧制御
発振器から出力される信号の周波数に基づき前記センサ
の共振周波数を検知することを特徴とする請求項１に記
載の非接触温度測定装置。
【請求項４】前記検波手段が前記低周波信号に基づいて
前記AM復調手段の出力を同期検波する同期検波手段であ
ることを特徴とする請求項３に記載の非接触温度測定装
置。
【請求項５】温度の変動に応じて共振周波数が変化する
圧電振動子と該圧電振動子を発振させる為の発振回路と
を容器内に収納すると共に、前記圧電振動子の機械的振
動エネルギの一部を前記容器に伝搬せしめることによっ
て、前記容器外部への超音波振動の送出を容易ならしめ
たことを特徴とする温度センサ。