JP2004530900A - 誘電率に基づいた温度測定及び関連する方法 - Google Patents

Abstract

材料（３２）の温度を測定する方法は、誘電率が温度の関数として判明している材料内の一つの既知の成分のみが、材料（３２）の誘電率に実質的に寄与する少なくとも一つの周波数（３６）のそれぞれで、材料（３２）の誘電率の実数部分及び虚数部分の少なくとも一つを測定すること、及び既知の成分の温度、従って材料（３２）の温度を決定するために、少なくとも一つの周波数のそれぞれにおいて測定された誘電率の実数部分及び虚数部分の少なくとも一つ、及び既知の成分の誘電率

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、温度を決定するための、特に材料の複素誘電率の測定から材料の温度を決定するための方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
温度測定が、膨大な範囲の作業及び処理に必要とされており、数多くの種類の装置が、異なる用途、温度範囲、環境状態、に対する温度測定のために使用されている。通常は、材料の温度を測定するための非侵襲性の装置により、材料の表面での又は付近での、材料の温度が測定される。一般的に、材料の内部温度を測定することは、材料の内部領域に侵入して接触すること及び内部領域の温度を測定することを必要とする。温度を簡便且つ正確に測定するために、新しい代替方法及び装置が必要とされている。
【０００３】
材料の特性を決定するためには、材料の複素誘電率の測定値を使用することが良く知られており、様々な方法及び装置が材料の誘電率を測定するために知られている。例えば、組成又は水の含有量を決定するために誘電率を測定すること、及び重合の割合をモニターするために誘電率の測定値を使用することが知られている。参照として本明細書に組み込まれているＰＣＴ公開ＷＯ９９／５８９６５には、油の特性を評価するために誘電体分光学を使用する例が記述されている。この刊行物には、コンデンサを通過するように油を流すことによる誘電率の測定及びコンデンサの電気容量の測定について記述されている。参照として本明細書に組み込まれている米国特許５７４４９７１には、材料から反射してくる電磁波により材料の誘電率を測定するプローブについて記述されている。このプローブの発明者は、プローブが、塗装の厚みの調査に使用でき、又、領域内の塗料が酸性化しないように塗装領域に塗られたメタノールがどれだけ急速に気化するか測定するために使用できることを示唆している。
【０００４】
材料の誘電率は材料の温度に依存することが、一般的に良く知られている。有意な結果を提供するために、材料の特性を決定するために材料の誘電率を測定する分析或いはテスト方法では、一般的に既知である且つ慎重に制御された温度で測定が実施される。例えば、ＷＯ９９／５８９６５に記述された油の特性を決定するための方法では、油の誘電率は、コントロールされた温度範囲に亘る温度の関数として決定される。
【０００５】
しかしながら、誘電率の測定により複数の異なる材料の特性を決定すること及び誘電率の値が温度に依存することが知られているものの、誘電率の測定によって材料の温度を決定することは世の中に知られていないと思われる。加えて、材料の温度を決定するために材料の誘電率の測定を使用することが実用的であることは、まだ知られていない。
【０００６】
材料の誘電率は、一般的に、材料及びその中にある不純物を組成する成分のタイプ並びに相対量の複雑な関数である。上記で記述されたＷＯ９９／５８９６５では、例えば、油の誘電率の実数部分に対する虚数部分の比率は、油の酸の含有率及び油の水の含有率の関数にできる。このように、温度が測定される材料の正確な成分はしばしば不明であるので、材料の誘電率の測定値を如何にして材料の温度に関連付けるかは明らかになっていない。
【０００７】
加えて、材料の誘電率を測定することは、一般的に、材料に、しばしば高周波数で、電場を変化させることを含む。材料の誘電率は、一般的に、加えられる場の周波数の関数であるだけでなく、加えられる場は材料のエネルギーを損失させ且つ材料を加熱する傾向がある。材料の誘電率を測定する行為そのものが、材料の持つ温度を変化させる傾向があるので、誘電率の測定によって材料の温度の測定を試みることが有利であることは明らかになっていない。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明の一側面では、物体の（一般的に複素）誘電率を決定することにより、物体の温度を測定する方法を提供することに関係がある。ここで使用される用語“誘電率（dielectric permittivity）”、“誘電率（permittivity）”は、実数で8.85Ｘ10^-12Ｆ／ｍに等しい自由空間の誘電率と相関性がある材料の複素誘電率を示す。
【０００９】
本発明のいくつかの実施形態の側面は、材料の温度を決定するために、材料の一つの既知の成分の誘電率を決定することに関係がある。本発明の様々な実施形態によれば、一つの既知の成分の誘電率は、一つの成分のみが材料の誘電率に寄与する周波数をもつ材料の誘電率を測定することにより、決定される。
【００１０】
上述のごとく,材料の誘電率は、誘電率の測定で使用される加えられる場の周波数の関数であり、及び一般的にいくつかの特別な周波数では、材料の異なる成分の数が、誘電率に寄与する。しかしながら、いくつかの材料に関しては、以下“指標成分（indicator component）”と称する実質的に一つの成分のみが材料の誘電率に寄与する、以下“隔離周波数（isolation frequencies）”と称する周波数の範囲が、見出されてている。指標成分の誘電率の温度依存性が既知と仮定すると、決定された誘電率は材料の温度の決定に使用できる。
【００１１】
しかしながら、隔離周波数における材料の誘電率は、隔離周波数に関連する指標成分の誘電率の関数であるだけではなく、材料内の指標成分の濃度の関数でもある。一般的に濃度は既知でないので、本発明の実施形態によれば、材料の誘電率の測定値間の比率は、材料の温度の決定に使用される。本発明の実施形態によれば、比率は、指標成分の２つの異なる隔離周波数における、誘電率の実数部分と虚数部分間の比率である。本発明の実施形態によれば、比率は、指標成分の同じ隔離周波数における誘電率の実数部分と虚数部分間の比率である。比率は、指標成分の濃度とは無関係であり及び材料の指標成分の誘電率の温度依存性が既知である場合、比率の温度依存性は既知となる。
【００１２】
多くの材料に対しての適切な指標成分は、本発明の実施形態によれば、多くの材料に様々な量で偏在し且つ全ての生物の成分である水である。水は電磁場と相互作用するダイポール分子（dipolar molecule）であり且つそれが見出される材料の誘電率に寄与する。加えて、一般的に、水が見出される材料の誘電率に実質的に水のみが寄与する、加えられる電磁場の周波数範囲を、見出すことができる。
【００１３】
材料内のダイポール分子の誘電緩和時間は、材料に加えられる電場の方向に分子が並べられる時間と相関性がある。分子の“誘電緩和周波数（dielectric relaxation frequency）”は、誘電緩和時間の逆数であるものとする。加えられる電場は、材料内の分子の誘電緩和周波数よりも実質的に大きい周波数をもつので、分子は電場方向の変化に追従しない且つ分子はこのように周波数で材料の誘電率に実質的に寄与しない。
【００１４】
液体状態であり及び他の分子と結合しない水は、その大きさ及び重さが比較的小さい為、一般的に、例えば、血液内のリンパ球のような、より大きい又は重い分子、又は比較的大きい組成の物質よりも実質的に大きい誘電緩和周波数をもつ。このように、一般的に“自由水（free water）”と称される液体である“非結合（unbound）”水の誘電緩和周波数に近い周波数では、自由水は一般的且つ実質的に、自由水が見出される材料の誘電率に寄与する唯一のダイポール分子である。本発明の実施形態によれば、水はこのように、材料の温度の測定に使用するのに、簡便且つ実質的に“万能”な指標成分である。一般的に、誘電緩和周波数は、およそ２０ＧＨｚのオーダーをもつ。“結合水（bound water）”又は“水和水（hydrate water）”と称されるより重い分子と結合した水は、一般的に１０^８Ｈｚから約１０^９Ｈｚまでの間で変動する緩和周波数を持つ。
【００１５】
本発明の実施形態によれば、材料の表面領域の温度は、表面領域で材料の誘電率を測定することによって、測定される。材料の指標成分の少なくとも一つの隔離周波数での電磁波は、表面領域に入射するように方向づけられる。入射波は材料の表面領域で反射され、その反射された電磁波の強度及び位相が測定される。測定された強度及び位相は、前記少なくとも一つの隔離周波数のそれぞれについて、材料の複素誘電率を決定するために使用される。誘電率は、表面領域又は付近での材料の温度の決定に使用される。
【００１６】
本発明の実施形態によれば、材料の内部温度は、材料の誘電率の虚数部分を測定することにより決定される。材料の指標成分の少なくとも一つの隔離周波数で電磁波は、表面領域に入射するように、方向づけられる。材料を通過する各入射波からのエネルギー量が測定される。与えられた隔離周波数で測定される伝達エネルギー量は、材料を通過する伝達エネルギーの経路長に沿った、隔離周波数における材料の誘電率の虚数部分の平均値の関数であり、これを決定するために使用される。少なくとも一つの隔離周波数それぞれに対して決定される誘電率の虚数部分は、伝達エネルギーの経路長に沿った、材料の平均内部温度を決定するために使用される。
【００１７】
誘電率の測定中に場が実質的に材料の温度を変化させないために、本発明のいくつかの実施形態の側面は材料の誘電率の測定に使用される加えられる場のエネルギーを制限することに関する。
【００１８】
本発明のいくつかの実施形態の側面は、材料の誘電率及びそれによる温度の決定に使用される電磁場による材料の加熱に対して、材料の測定値を修正することに関する。
【００１９】
決定された誘電率の虚数部分は、誘電率の測定中に材料内の場によって堆積されたエネルギーを推測するために使用される。堆積されたエネルギー、材料の密度及び比熱の量は、測定中の材料の加熱量の推測及び誘電率から決定された材料の温度の修正に使用される。
【００２０】
次のことからなる材料の温度を測定する方法が本発明の実施形態により提供される:
誘電率が温度の関数として判明している材料内の一つの既知の成分のみが、材料の誘電率に実質的に寄与する少なくとも一つの周波数のそれぞれで、前記材料の誘電率の実数部分及び虚数部分の少なくとも一つを測定すること、及び
前記既知の成分の温度、従って前記材料の温度を決定するために、前記少なくとも一つの周波数のそれぞれにおいて測定された誘電率の実数部分及び虚数部分の少なくとも一つ、及び前記既知の成分の誘電率の温度依存性を使用すること。
【００２１】
さらに、温度を決定するために測定される誘電率の実数部分及び虚数部分の少なくとも一つを使用することは、前記少なくとも一つの周波数と同じ周波数で測定される誘電率の実数部分と虚数部分間の比率の値を決定すること、及び前記比率の値から温度を決定すること、からなる。
【００２２】
選択的又は付加的には、前記少なくとも一つの周波数はさらに第一の周波数及び第二の周波数からなり、温度を決定するために測定される誘電率の実数部分及び／又は虚数部分を使用することは、前記第一の周波数での誘電率の実数部分又は虚数部分と前記第二の周波数での誘電率の実数部分又は虚数部分との比率の値を決定すること及び前記比率の値から温度を決定することからなる。
【００２３】
本発明のいくつかの実施形態によれば、少なくとも一つの周波数それぞれで材料の誘電率の実数部分及び／又は虚数部分を決定することは材料の表面付近の誘電率を測定すること、及び温度を決定することは表面領域の近傍での又は近傍内での材料の温度を決定することからなる。
【００２４】
さらに、表面領域付近での誘電率の実数部分及び／又は虚数部分を測定することは、前記表面領域に入射する電磁波に対しての前記表面領域の反射率を測定すること、及び前記反射率から、前記表面領域近傍での又は近傍内での材料領域の誘電率の実数部分及び／又は虚数部分を決定することからなる。
【００２５】
本発明の実施形態により材料の複数の表面領域それぞれの温度を測定すること、及び材料の表面温度マップを作成するために、前記複数の表面領域で決定される温度を使用することからなる方法が、本発明の実施形態によれば、さらに提供される。
【００２６】
本発明のいくつかの実施形態によれば、前記少なくとも一つの周波数それぞれで誘電率の実数部分及び／又は虚数部分を測定することは材料の内部の誘電率の実数部分及び／又は虚数部分を測定すること、及び温度を決定することは材料の内部温度を決定すること、からなる。
【００２７】
さらに、材料の内部の誘電率の実数部分及び／又は虚数部分を測定することは、材料によって反射される電磁波及び材料に入射する電磁波のエネルギーが材料を通り抜けて伝達されるエネルギー量を測定すること、及び反射及び伝達されるエネルギーから材料の内部の誘電率の虚数部分の平均値を決定すること、からなる。
【００２８】
選択的もしくは付加的には、材料の内部の誘電率の実数部分及び／又は虚数部分を測定することは、下記のことからなる：材料に入射するように電磁波を方向づけること；入射波が材料によって反射された電磁波の振幅及び位相を測定すること；材料を介して伝達される入射波から発生する電磁波の振幅及び位相を測定すること；及び前記測定された振幅及び位相から材料の内部の誘電率の実数部分及び／又は虚数部分の平均値を決定すること；
【００２９】
本発明の実施形態によれば、さらには、次の方法が提供される、本発明の実施形態により材料の複数の内部位置での材料の内部温度を決定すること、及び材料の内部領域の温度マップを作成するために、前記複数の内部位置で決定された温度を使用すること、からなる方法。
【００３０】
本発明の実施形態によれば、誘電率の実数部分及び／又は虚数部分の測定にかかる時間内に、入射波から材料に吸収されるエネルギー量が材料の温度を実質的に変化させないために、入射する電磁波のパワーを制限することからなる。
【００３１】
さらに、温度変化率が一秒間に摂氏約０．０５度未満になるように、前記パワーが決定されてもよい。よる。さらに、温度変化率が一秒間に摂氏約０．０２度未満になるように、前記パワーが決定されてもよい。
【００３２】
本発明の実施形態によれば、材料の温度を決定することは、入射する電磁波から材料に吸収されるエネルギーが誘電率の実数部分及び／又は虚数部分の測定中に材料の温度を変化させることによって、温度変化量を見積もること、及び温度を決定するために前記見積もられた温度変化量を使用することからなる。
【００３３】
本発明の実施形態によれば、前記材料の既知の成分は、他の分子と結合しないダイポール分子である。さらに、前記ダイポール分子は、水でもよい。
【００３４】
さらに、前記少なくとも一つの周波数は、およそ１０^１０から５０X１０^１０の範囲の周波数でもよい。
【００３５】
本発明の実施形態によれば、さらには、次の方法が提供される、材料に吸収される放射量を決定するための方法は以下のことからなる：本発明によれば、一回目及び二回目の測定の間に放射によって材料を照射すること、本発明により、一回目及び二回目の測定で材料の温度を測定すること、及び放射によって材料に吸収されるエネルギー量の決定のために、一回目の測定で測定された温度と二回目の測定で測定された温度との温度差を使用すること、からなる材料に吸収される放射量を決定するための方法。
【００３６】
放射は、電磁波放射でもよい。電磁波放射は、光でもよい。光は、ＩＲ光でもよい。放射は、音響放射でもよい。
【００３７】
本発明の実施形態によれば、さらには、次の方法が提供される、方法は、本発明の実施形態により複数の材料領域それぞれにおける材料に吸収される放射量を決定すること、及び材料による放射吸収の空間マップを提供するために複数の領域における前記放射吸収量を使用することからなる。
【００３８】
本発明の実施形態によれば、さらには、次の方法が提供される、本発明の実施形態により材料に吸収される放射量を決定すること、吸収されるエネルギー量から、放射に対しての前記成分の吸収係数を決定すること、及び決定された吸収係数及び前記成分の既知の吸収断面積から材料内の前記成分の濃度を決定すること、からなる材料の成分を分析する方法。
【００３９】
本発明の実施形態によれば、さらには、次の方法が提供される、材料内の成分の濃度をマッピングする方法は、本発明の実施形態により、材料の複数の領域で成分を分析すること、及び位置の関数として材料の濃度をマッピングするために、前記複数の領域における前記分析を使用することからなる。
【００４０】
本発明の実施形態によれば、さらには、次の方法が提供される、材料の温度を決定するための方法は、材料の複数の既知の成分それぞれについて誘電率が温度の関数として判明及び前記複数の既知の成分の他の成分に対する成分濃度が判明している、前記複数の既知の成分のみが、材料の誘電率に実質的に寄与する少なくとも一つの周波数のそれぞれで、前記材料の誘電率の実数部分及び虚数部分の少なくとも一つを測定すること、及び
前記材料の温度を決定するために、前記少なくとも一つの周波数のそれぞれにおいて測定された誘電率の実数部分及び虚数部分の少なくとも一つ、及び前記既知の成分の誘電率の温度依存性を使用すること、からなる。
【００４１】
本発明の実施形態によれば、さらには、次の方法が提供される、材料に吸収される放射量を決定するための方法は、一回目と二回目の測定の間に放射によって材料を照射すること、
既知の成分それぞれについて誘電率が温度の関数として判明及び前記既知の成分の他の成分に対する成分濃度が判明している、材料内の前記既知の成分のみが、材料の誘電率に実質的に寄与する少なくとも一つの周波数のそれぞれで、一回目と二回目の温度における材料の誘電率の実数部分及び虚数部分の少なくとも一つを測定すること、及び
一回目と二回目の温度差を決定するために、少なくとも一つの周波数それぞれにおける一回目と二回目の測定での誘電率の実数部分及び虚数部分の少なくとも一つ、及び前記少なくとも一つの既知の成分それぞれの誘電率の温度依存性、及びそれらの相対的な濃度を使用すること、からなる。
【００４２】
本発明のいくつかの実施形態によれば、前記材料は、生体の組織である。
【００４３】
本発明のいくつかの実施形態によれば、前記生体の組織は、耳である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４４】
図１は、生態系で一般に発見されている分子や組織の種類に対応する誘電緩和周波数を模式的に示す。誘電緩和周波数は、軸２０に沿って示されている。軸２０の下側に軸方向に伸びた境界線２２があり、分子又は組織の種類の名前が付けられている。それぞれの境界線２２は、境界線を名付ける分子又は組織の種類特有の誘電緩和周波数を示す。分子又は組織は、その誘電緩和周波数以下の周波数に見られる材料の誘電率に寄与する。誘電緩和周波数より上の周波数については、材料の誘電率への分子又は組織の寄与は急激に減少し、誘電緩和周波数よりも実質的にかなり大きい周波数については、誘電率への寄与は実質的に０になる。
【００４５】
図１に見られるように液体の形態をとる水は、生態系に一般に発見されている分子又は組織の中で最も高い誘電緩和周波数を持つ。同様に、水が存在する非生物性の材料についても、水は一般に他の材料の成分や組織の誘電緩和周波数よりも大きい誘電緩和周波数を持つ。従って、水が存在する多くの材料についても、水の誘電緩和周波数の範囲の周波数では、材料の誘電率は主に水の誘電率となる。本発明の実施形態では、これらの材料にとって水は材料の温度を測定するのに格好な指標成分である。材料内の水の隔離周波数は、水の誘電緩和周波数の範囲に降下した周波数である。
【００４６】
水の誘電特性は良く知られており、周波数“ω”と温度“Ｔ”の関数である水の複素誘電率“ε^＊（ω，Ｔ）”は、比較的正確にε^＊（ω，Ｔ）＝ε‘（ω，Ｔ）＋ｉε“（ω，Ｔ）＝ε∞＋(εｓ−ε∞)／（１＋ｉετ（Ｔ））と近似される。ここでｉは虚数ｉを示す。ε^＊（ω、Ｔ）に関する表現で、εｓは、ω＝０に対するε^＊（ω，Ｔ）の“静的”な値であり、ε∞はω＝∞に対するε^＊（ω，Ｔ）の値であり、及びε^＊（ω，Ｔ）は誘電緩和時間τ（Ｔ）の間、温度Ｔに依存する。τ（Ｔ）の温度依存性に関して様々な理論モデルが知られている、そして純水の温度の関数としてτ（Ｔ）の値が表にされている。τの逆数は、温度Ｔにおける水の誘電緩和周波数である。図２Ａと２Ｂは、 ２．５ＧＨｚ，１０ＧＨｚ及び２０ＧＨｚの“隔離”周波数における水の複素誘電率ε^＊（ω，Ｔ）の実数部分ε‘（ω，Ｔ）及び虚数部分ε“（ω，Ｔ）それぞれを温度の関数としたグラフである。
【００４７】
上述のごとく、水の隔離周波数では、水を含む材料の誘電率は、水の誘電率の関数であるだけではなく,材料中の水の濃度の関数でもある。本発明の実施形態によれば、したがって、材料の誘電率の測定値及び水の誘電率の既知の値から材料の温度を決定するために、濃度に関係しないε^＊（ω，Ｔ）の関数は材料の測定された誘電率から決定される。関数の温度依存性は、材料の温度を決定するために使用される。
【００４８】
ε^＊ｍａｔ（ω、Ｔ）は材料の複素誘電率を示し及び材料は水を濃度“ｋ”ｇ／ｍ^３としてもつものとする。一般的に水の隔離周波数では,ε^＊ｍａｔ（ω、Ｔ）は、ｋε^＊（ω、Ｔ）に等しいことが予測される。したがって, 本発明の実施形態によれば、ε^＊ｍａｔ（ω、Ｔ）の実数と虚数部分間の測定比は、濃度に関係しないε^＊（ω、Ｔ）の適切な関数の決定及び温度の決定に用いることができる。
【００４９】
例えば、同じ周波数でのε^＊ｍａｔ（ω、Ｔ）の実数と虚数部分間の比は、その周波数におけるε^＊（ω、Ｔ）の実数と虚数部分間の比を決定し、及び既知のε^＊（ω、Ｔ）の値から材料の温度を決定するために用いることができる。同様に、異なる周波数でのε^＊ｍａｔ（ω、Ｔ）の実数及び／又は虚数部分間の比は、それらの周波数における対応するε^＊（ω、Ｔ）の実数及び／又は虚数部分間の比を決定し、及び、本発明の実施形態によれば、材料の温度の決定に用いることができる。
【００５０】
図３Ａは、ε^＊（ω，Ｔ）の実数部分であるＲｅ［ε^＊（２０，Ｔ）］と、２．５ＧＨｚにおけるε^＊（ω，Ｔ）の虚数部分であるＲｅ［ε^＊（２．５，Ｔ）］の比率“Ｒ２０／Ｒ２．５”＝Ｒｅ［ε^＊（２０，Ｔ）］／Ｒｅ［ε^＊（２．５，Ｔ）］を、０−６０℃の温度範囲で温度の関数としたグラフである。グラフから、比率は温度の一次関数であることが理解できる、そして材料のＲ２０／Ｒ２．５の値が判れば、材料の温度を決定することができる。
【００５１】
今のところ材料の誘電率の実数部分を決定するために利用可能なセンサーは、０．１％の精度でε‘（ω，Ｔ）を決定できる。比率Ｒ２０／Ｒ２．５は、したがって約０．１４％まで決定でき、材料の温度は約０．１５℃まで決定できる。
【００５２】
図３Ｂは、２０ＧＨｚにおけるε^＊（ω，Ｔ）の実数部分であるＲｅ［ε^＊（２０，Ｔ）］と、ε^＊（ω，Ｔ）の虚数部分であるＩｍ［ε^＊（２０，Ｔ）］の比率“Ｒ２０／Ｉ２０”＝Ｒｅ［ε^＊（２０，Ｔ）］／Ｉｍ［ε^＊（２０，Ｔ）］を、０−６０℃の温度範囲で温度の関数としたグラフである。図３Ｃは、２０ＧＨｚにおけるε^＊（ω，Ｔ）の実数部分と１０ＧＨｚにおけるε^＊（ω，Ｔ）の虚数部分の比率“Ｉ２０／Ｉ１０”を温度の関数としたグラフである。グラフから、本発明の実施形態によれば、材料を決定するためのＲ２０／Ｉ２０及びＩ２０／Ｉ１０は、材料の温度を決定するためにも使用できることが理解できる。
【００５３】
ところが、材料の誘電率の虚数部分及び／又は誘電率の実数部分は、本発明の実施形態によれば、材料の温度を決定するために使用されるが、材料の誘電率の虚数部分に関しては、誘電率を測定する現在の方法は約０．５％だけの測定精度しか提供しないことに留意すべきである。結果として、Ｒ２０／Ｉ２０又はＩ２０／Ｉ１０を使用する温度測定の精度は、一般的にＲ２０／Ｒ２．５を使用する温度測定の精度以下となる。例えば、Ｒ２０／Ｉ２０を使用して、及びＩｍ［ε^＊（２０，Ｔ）］は約０．５％の精度及びＲｅ［ε^＊（２０，Ｔ）］は約０．１％の精度で測定されるものと仮定して、３０℃付近の温度に対する温度測定の精度は約０．１℃となる。他方では、比率Ｒ２０／Ｒ２．５の使用によって、３０℃付近の温度は０．０４℃の精度で決定することができる。温度測定の精度は、複数の異なる周波数で誘電率の実数及び／又は虚数部分の適切な比率から温度を決定することにより改善できることに留意すべきである。
【００５４】
図４は、本発明の実施形態による、水の濃度をもつ材料３２の表面領域３０の温度の測定について説明するための概略図である。米国特許５７４４９７１に記載されたような適切なプローブ３４が、少なくとも１つの水の隔離周波数で、表面領域３０に入射する波線３６で表わされる電磁波を生成するために使用される。入射波３６が表面領域３０により反射された、破線状の波線３８によって表わされる反射波のエネルギーは、既知の方法を使用して反射波の振幅及び位相を測定するプローブ３４によって検知される。
【００５５】
プローブ３４内のプロセッサー(図示されていない) は、入射波３６を特徴づける隔離周波数ωでの、表面領域３０の反射率“Ｒ（ω）"を決定するために、反射波３８の振幅及び位相の測定値を使用する。反射率は、表面領域３０における材料３２の誘電率ε^＊（ω，Ｔ）の値を決定するために順番に使用される。例えば、入射波３６が表面領域３０に垂直であると仮定すると、領域３０の誘電率は、通常の式Ｒ（ω） = ［１−ε^＊ｍａｔ（ω，Ｔ）０．５］／［１＋ε^＊ｍａｔ（ω，Ｔ）０．５］による反射率から決定できる。上記で議論されたように、少なくとも１つの隔離周波数における、誘電率ε^＊ｍａｔ（ω，Ｔ）の実数及び／又は虚数部分の適切な比率は、表面領域３０の温度を決定するために使用される。
【００５６】
本発明の実施形態によれば、入射波３６の強度は、領域の誘電率が測定されている間、表面領域３０が加熱されるのを防ぐために制限される。
【００５７】
全ての材料３２によって反射されない入射波３６のエネルギーは、表面領域３０から材料３２内部に向かって、波３６の1つの吸収長さ“ｄ（ω）”とほぼ等しい深さの材料３２の領域に、全て吸収されると仮定する。この仮定の下で、反射波３８内に反射されていない入射波３６からのエネルギーは、ほぼｄ（ω）ｃｍ^３に等しい、表面領域３０の１平方センチメートル当たりの材料の体積を加熱する。材料の密度は"ρ"で表されるものとし且つ材料の比熱は"J"で表されるものとする。それから表面領域３０の温度Ｔは、ｄＴ／ｄｔ＝Ｐｉｎ（１−｜Ｒ（ω)２｜）／（ｄ（ω）ρＪ）で近似される入射波にさらされる間中、時間変化率ｄＴ／ｄｔをもつ。ここでＰｉｎは入射波３６の強度である。
【００５８】
材料３２の比熱Ｊは水の比熱と等しい、ρは約１ｇｍ／ｃｍ^３、入射波の周波数は２０ＧＨｚ、波は温度測定を妨害しないと仮定して、ｄＴ／ｄｔは０．０２℃／ｓ以下となる必要がある。波の吸収長ｄ(ω)は、式ｄ(ω)=λｏ(ω)/[２πＩｍ（ε^＊（ω，Ｔ）０．５）］で見積もられる。ここでλｏ(ω)は、入射波３６の自由空間での波長である。ω＝２０ＧＨｚ、温度は約３５℃、ｄ(ω)≒０．１ｃｍ及び|Ｒ(ω)２|≒０．６５とする。それからｄＴ／ｄｔがｄＴ／ｄｔ≦０．０２℃／ｓの関係を満たすためには、Ｐｉｎは、Ｐｉｎ≦２４ミリワット／ｃｍ^２の関係を満足しなければならない。
【００５９】
本発明のいくつかの実施形態によれば、温度の測定値は、表面３０の温度の測定中に入射波３６によって材料３２内に堆積されるエネルギーがあるため、補正される。ε^＊ｍａｔ（ω，Ｔ）の虚数部分は、表面３０の温度の測定中に波３６によって材料３２内に堆積されるエネルギーを推測するために使用される。堆積されたエネルギーの量は、ε^＊ｍａｔ（ω，Ｔ）の測定中における材料３２の加熱量を推測するために使用され、及びε^＊ｍａｔ（ω，Ｔ）によって決定された表面３０の温度を、補正する。例えば、本発明のいくつかの実施形態によれば、ε^＊ｍａｔ（ω，Ｔ）の虚数部分は、測定中に表面３０から吸収長ｄ(ω)だけ材料の内部に広がった材料３２の領域に堆積されるエネルギーを推測するために使用される。推測された堆積されるエネルギー量、比熱、及び材料３２の密度は、測定中に領域がどれだけ加熱されたか推測するために使用される。加熱量は、ε^＊ｍａｔ（ω，Ｔ）から決定された表面３０の温度を補正するために使用される。
【００６０】
図５は、本発明の実施形態による、水の濃度を持つ材料４０の内部温度の測定について説明するための概略図である。
【００６１】
本発明の実施形態によれば、適切な電源、回路、ネットワーク分析器（図示されず）及び２つのアンテナを備えたプローブ４２が、材料４０の内部温度を決定するために使用される。ストリップアンテナ又はホーンアンテナ又は水の隔離周波数で電磁波を放射及び／又は受信するのに適切な他のアンテナが、実質的にアンテナの間に材料４０の体積領域４６を挟み込むように、配置される。
【００６２】
プローブ４２内の電源及び回路は、少なくとも一つの水の隔離周波数で、あるアンテナから別のアンテナ４４に向けて放射される電磁波を生成する。既知の方法を用いた回路分析器が、放射された波が材料４０によって反射される波の及び放射された波が材料４０を透過して伝達される波の、振幅及びさらに位相を決定する。反射及び伝達される波の振幅及び位相から、回路分析器は体積領域４６の平均誘電率ε^＊ｍａｔ（ω，Ｔ）を決定する。少なくとも一つの水の隔離周波数での、誘電率ε^＊ｍａｔ（ω，Ｔ）の実数部分及び／又は虚数部分の適切な比率は、体積領域の平均内部温度である体積領域４６の平均温度を決定するために使用される。
【００６３】
例えば、本発明のいくつかの実施形態によれば、回路分析器は、反射及び伝達される波の振幅及びエネルギー、及び測定された放射波から体積４６に吸収されたエネルギー量の値のみを決定する。吸収されたエネルギー量は、体積領域４６におけるε^＊ｍａｔ（ω，Ｔ）の虚数部分の平均値を求めるのに使用される。水の２つの隔離周波数間に於けるε^＊ｍａｔ（ω，Ｔ）の虚数部分の平均値間の比率は、体積領域４６の平均内部温度を決定するのに使用される。材料４４の異なる領域にアンテナ４４を動かすことにより及びアンテナ４４に類似したアンテナのペアの列を位置決めすることにより、材料４４の異なる領域の内部温度が決定され、及び材料４４の熱のマップが提供されることに留意すべきである。同様に、図４に示されるプローブ３４を動かす事により又は材料３２の表面の反対側に複数のプローブ３４を位置決めすることにより、材料の異なる表面領域３０の表面温度が決定され、及び材料４４の熱のマップが提供される。
【００６４】
本発明のいくつかの実施形態によれば、誘電率による温度の測定は、光に対しての材料の吸収係数を決定するために使用される。材料は、一回目と二回目の測定の間に適切な波長の光によって照射される。本発明の実施形態によれば、材料の温度は、材料が光によってどれくらい加熱されたか決定するために、一回目と二回目の測定での誘電率の測定により測定される。加熱の量は、光に対しての材料の吸収係数を決定するために使用される。
【００６５】
光に対しての材料の吸収係数の測定により材料の成分を分析することは、既に知られている。一般的に、分析を実施するために、材料の吸収係数が複数の異なる波長で測定される。例えば、参照として本明細書に組み込まれるＶ．クリフトによる米国特許５４５２７１６には、血糖値を分析するために複数の波長で血液の吸収係数を測定することが記載されている。本発明の実施形態によれば、誘電率による温度の測定から決定された、光に対しての材料の吸収係数は、材料の成分を分析することに使用される。
【００６６】
上記の議論が、光に対しての材料の吸収係数の測定について述べているのに対して、本発明のいくつかの実施形態によれば、同様の方法が、別のタイプの放射に対しての吸収係数を決定するために使用される。材料に吸収されるいくつかのタイプの放射に対しての実質的な吸収係数が、同様に決定される。例えば、本発明のいくつかの実施形態によれば、音響放射に対しての吸収係数が、誘電率による温度測定から決定されてもよい。
【００６７】
上記の記述においては、材料の温度は、材料の指標成分の少なくとも一つの隔離周波数の決定により及び少なくとも一つの隔離周波数での材料の誘電率の決定により、測定される。本発明のいくつかの実施形態によれば、隔離周波数は、どの材料の複数の既知の指標成分が材料の誘電率に寄与するか及びどの材料の別の成分が誘電率に寄与しないかによって、決定される。材料の温度は、本発明の実施形態によれば、少なくとも一つの隔離周波数で、材料の誘電率の少なくとも一つの実数部分又は虚数部分を測定することにより、各指標成分それぞれの誘電率の既知の依存性から決定できる。複数の指標成分に対応する隔離周波数での誘電率の測定は、一つの指標成分に対応する隔離周波数での誘電率の測定が温度を決定することに使用される方法と同様に、温度を決定することに使用される。しかしながら、複数の指標成分の隔離周波数の場合には、既知の成分の相対的な濃度が、隔離周波数での材料の誘電率の温度への依存性を決定するために、知られるべきである。
【００６８】
本発明の実施形態によれば、誘電率の測定から温度を決定することは、様々な異なるタイプの材料の温度の決定に応用できることが注目されるべきである。特に、誘電体の温度測定は、本発明の実施形態によれば、生体組織の温度の測定に使用できる。例えば、本発明の実施形態によれば、人間の温度が、人間の耳の領域の誘電率の測定により測定できる。又は、本発明の実施形態によれば、癌に対する超音波、高熱又は低熱治療を受けている人間の体の領域の温度を測定することに使用できる。
【００６９】
本出願の明細書と請求項において、 “備える（comprise）”、“含む（include）”、“有する（have）”の各動詞およびその活用形は、各動詞の一つあるいは複数の目的語が、必ずしも部材（members）、構成物（components）、要素（elements）、もしくは単数あるいは複数の動詞の主語の部分（parts）を完全に列挙したものではない。
【００７０】
実施形態の詳細な記述を用いて本発明を説明してきたが、これらの記載は、例証として提供されているものであり、本発明の範囲を限定することを意図するものではない。記載された実施形態は、様々な特徴を備えるが、発明の全ての実施形態でそれらの特徴全てが必要な訳ではない。本発明のいくつかの実施形態は、いくつかの特徴のみ、または特徴のいくつかの可能な組合せを利用する。当業者は、記述された実施形態の変形および記述された実施形態において指摘された特徴の組合せとは別の組み合わせを有する本発明の実施態様を思いつくであろう。本発明の範囲は、添付の請求項によってのみ限定される。
【００７１】
下記は、本発明の実施形態の例を記載したものであり、ここに添付した図面を参照しながら読まれるべきものである。図面において、１以上の図面に現れる同一の構造、要素又は部分は、通常、それらが現れる全ての図面において同じ符号を付されている。図面に示されている部品及び特徴の寸法は、説明の便利と明瞭のために選択されたもので必ずしも実寸ではない。図面は、以下に列挙されている。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
下記は、本発明の実施形態の例を記載したものであり、ここに添付した図面を参照しながら読まれるべきものである。図面において、１以上の図面に現れる同一の構造、要素又は部分は、通常、それらが現れる全ての図面において同じ符号を付されている。図面に示されている部品及び特徴の寸法は、説明の便利と明瞭のために選択されたもので必ずしも実寸ではない。図面は、以下に列挙されている。
【図１】図１は、生態系で一般的に発見されている分子や物質の構造に対応する誘電緩和周波数を模式的に示す。
【図２】図２Ａと２Ｂは、異なる３つの隔離周波数における、水の誘電率の実数部分及び虚数部分のグラフである。
【図３Ａ】図３Ａは、本発明の実施形態による、材料の温度を決定するために使用される、２０ＧＨｚでの、水の誘電率の実数部分と虚数部分との比率を、温度の関数として表したグラフである。
【図３Ｂ】図３Ｂは、本発明の実施形態による、材料の温度を決定するために使用される、２０ＧＨｚ及び２．５ＧＨｚでの、水の誘電率の実数部分と虚数部分との比率を、温度の関数として表したグラフである。
【図３Ｃ】図３Ｂは、本発明の実施形態による、材料の温度を決定するために使用される、２０ＧＨｚでの水の誘電率の実数部分と、１０ＧＨｚでの誘電率の虚数部分との比率を、温度の関数として表したグラフである。
【図４】図４は、本発明の実施形態による、材料の表面領域の温度の決定について説明するための概略図である。
【図５】図５は、本発明の実施形態による、材料の内部温度の決定について説明するための概略図である。

Claims (29)

1. 誘電率が温度の関数として判明している材料内の一つの既知の成分のみが、材料の誘電率に実質的に寄与する少なくとも一つの周波数のそれぞれで、前記材料の誘電率の実数部分及び虚数部分の少なくとも一つを測定すること、及び
   前記既知の成分の温度、従って前記材料の温度を決定するために、前記少なくとも一つの周波数のそれぞれにおいて測定された誘電率の実数部分及び虚数部分の少なくとも一つ、及び前記既知の成分の誘電率の温度依存性を使用すること、
   からなる材料の温度を測定する方法。
2. 温度を決定するために測定される誘電率の実数部分及び虚数部分の少なくとも一つを使用することは、前記少なくとも一つの周波数と同じ周波数で測定される誘電率の実数部分と虚数部分間の比率の値を決定すること、及び前記比率の値から温度を決定すること、
   からなる請求項１に記載の方法。
3. 前記少なくとも一つの周波数は第一の周波数及び第二の周波数からなり、温度を決定するために測定される誘電率の実数部分及び／又は虚数部分を使用することは、前記第一の周波数での誘電率の実数部分又は虚数部分と前記第二の周波数での誘電率の実数部分又は虚数部分との比率の値を決定すること及び前記比率の値から温度を決定すること、
   からなる請求項１に記載の方法。
4. 少なくとも一つの周波数それぞれで材料の誘電率の実数部分及び／又は虚数部分を決定することは材料の表面付近の誘電率を測定すること、及び温度を決定することは表面領域の近傍での又は近傍内での材料の温度を決定すること、
   からなる請求項１に記載の方法。
5. 表面領域付近での誘電率の実数部分及び／又は虚数部分を測定することは、前記表面領域に入射する電磁波に対しての前記表面領域の反射率を測定すること、及び前記反射率から前記表面領域近傍での又は近傍内での材料領域の誘電率の実数部分及び／又は虚数部分を決定すること、
   からなる請求項４に記載の方法。
6. 請求項４に記載の方法により材料の複数の表面領域それぞれの温度を測定すること、及び材料の表面温度マップを作成するために、前記複数の表面領域で決定される温度を使用すること、
   からなる方法。
7. 前記少なくとも一つの周波数それぞれで誘電率の実数部分及び／又は虚数部分を測定することは材料の内部の誘電率の実数部分及び／又は虚数部分を測定すること、及び温度を決定することは材料の内部温度を決定すること、
   からなる請求項１に記載の方法。
8. 材料の内部の誘電率の実数部分及び／又は虚数部分を測定することは、材料によって反射される電磁波及び材料に入射する電磁波のエネルギーが材料を通り抜けて伝達されるエネルギー量を測定すること、及び反射及び伝達されるエネルギーから材料の内部の誘電率の虚数部分の平均値を決定すること、
   からなる請求項７に記載の方法。
9. 材料の内部の誘電率の実数部分及び／又は虚数部分を測定することは、
   材料に入射するように電磁波を方向づけること、
   入射波が材料によって反射された電磁波の振幅及び位相を測定すること、
   材料を介して伝達された入射波から発生する電磁波の振幅及び位相を測定すること、及び
   前記測定された振幅及び位相から材料の内部の誘電率の実数部分及び／又は虚数部分の平均値を決定すること、
   からなる請求項７に記載の方法。
10. 請求項５または７に記載の方法により材料の複数の内部位置での材料の内部温度を決定すること、及び材料の内部領域の温度マップを作成するために、前記複数の内部位置で決定された温度を使用すること、
    からなる方法。
11. 誘電率の実数部分及び／又は虚数部分の測定にかかる時間内に、入射波から材料に吸収されるエネルギー量が材料の温度を実質的に変化させないために、入射する電磁波のパワーを制限すること、
    からなる請求項５または７に記載の方法。
12. 温度変化率が一秒間に摂氏約０．０５度未満になるように、前記パワーが決定される、
    請求項１１に記載の方法。
13. 温度変化率が一秒間に摂氏約０．０２度未満になるように、前記パワーが決定される、
    請求項１１に記載の方法。
14. 材料の温度を決定することは、入射する電磁波から材料に吸収されるエネルギーが誘電率の実数部分及び／又は虚数部分の測定中に材料の温度を変化させることによって、温度変化量を見積もること、及び温度を決定するために前記見積もられた温度変化量を使用すること、
    からなる請求項５または７に記載の方法。
15. 前記材料の既知の成分は、他の分子と結合しないダイポール分子である、
    請求項１に記載の方法。
16. 前記ダイポール分子は、水である、
    請求項１５に記載の方法。
17. 前記少なくとも一つの周波数は、およそ１０^１０から５０X１０^１０の範囲の周波数である、
    請求項１６に記載の方法。
18. 一回目及び二回目の測定の間に放射によって材料を照射すること、
    いずれかの先行請求項に記載の方法により、一回目及び二回目の測定で材料の温度を測定すること、及び
    放射によって材料に吸収されるエネルギー量の決定のために、一回目の測定で測定された温度と二回目の測定で測定された温度との温度差を使用すること、
    からなる材料に吸収される放射量を決定するための方法。
19. 前記放射は、電磁波放射である、
    請求項１８に記載の方法。
20. 前記電磁波放射は、光である、
    請求項１９に記載の方法。
21. 前記光は、ＩＲ光である、
    請求項２０に記載の方法。
22. 前記放射は、音響放射である、
    請求項１８に記載の方法。
23. 請求項１８に記載の方法により複数の材料領域それぞれにおける材料に吸収される放射量を決定すること、及び材料による放射吸収の空間マップを提供するために複数の領域における前記放射吸収量を使用すること、
    からなる方法。
24. 請求項１５または１８に記載の方法により、材料に吸収される放射量を決定すること、
    吸収されるエネルギー量から、放射に対しての前記成分の吸収係数を決定すること、及び
    決定された吸収係数及び前記成分の既知の吸収断面積から材料内の前記成分の濃度を決定すること、
    からなる材料の成分を分析する方法。
25. 請求項２４に記載の方法により、材料の複数の領域で成分を分析すること、及び
    位置の関数として材料の濃度をマッピングするために、前記複数の領域で前記分析を使用すること、
    からなる材料内の成分の濃度をマッピングする方法。
26. 材料の複数の既知の成分それぞれについて誘電率が温度の関数として判明及び前記複数の既知の成分の他の成分に対する成分濃度が判明している、前記複数の既知の成分のみが、材料の誘電率に実質的に寄与する少なくとも一つの周波数のそれぞれで、前記材料の誘電率の実数部分及び虚数部分の少なくとも一つを測定すること、及び
    前記材料の温度を決定するために、前記少なくとも一つの周波数のそれぞれにおいて測定された誘電率の実数部分及び虚数部分の少なくとも一つ、及び前記既知の成分の誘電率の温度依存性を使用すること、
    からなる材料の温度を測定する方法。
27. 一回目と二回目の測定の間に放射によって材料を照射すること、
    既知の成分それぞれについて誘電率が温度の関数として判明及び前記既知の成分の他の成分に対する成分濃度が判明している、材料内の前記既知の成分のみが、材料の誘電率に実質的に寄与する少なくとも一つの周波数のそれぞれで、一回目と二回目の温度における材料の誘電率の実数部分及び虚数部分の少なくとも一つを測定すること、及び
    一回目と二回目の温度差を決定するために、少なくとも一つの周波数それぞれにおける一回目と二回目の測定での誘電率の実数部分及び虚数部分の少なくとも一つ、及び前記少なくとも一つの既知の成分それぞれの誘電率の温度依存性、及びそれらの相対的な濃度を使用すること、
    放射によって材料に吸収されるエネルギー量の決定のために前記温度差を使用すること、
    からなる材料に吸収される放射量を決定するための方法。
28. 前記材料は、生体の組織である、
    請求項１、１８、２６又は２７のいずれかに記載の方法
29. 前記生体の組織は、耳である、
    請求項２８に記載の方法。

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