JP2008076144A - 電子温度計 - Google Patents

Abstract

【課題】物体の外部から内部の温度を簡易的に測定する電子温度計が求められている。たとえば、疾病時の進行状況あるいは回復状況をモニターするために、体温の上下を連続的にかつ容易にモニターで来る様な電子温度計が必要である。そこで頭部や腕などに巻き付けるなどの装着方法で、皮膚表面から体深部温度が測定できる連続的な体温モニターでき、さらに構造が簡単で家庭用体温計として利用できる安価な電子温度計を提供する。
【解決手段】保持部材に固定された２つの温度差測定手段と、それぞれの温度差測定手段のすくなくとも一部分の温度を測定する温度測定手段と、２つの温度差測定手段を通過する熱の外気への放熱量に違いが出るよう制御を行う放熱制御手段と、計測した全ての温度と温度差を用いて演算を行い深部温度に換算する演算手段と、深部温度を表示する表示手段とを有するものとした。
【選択図】図１

Description

本発明は電気的センサを用いた電子温度計に関し、さらには深部温度を簡易的にかつ連続的に測定できる電子温度計に関する。

一般的にあるものの温度を測定する場合、温度センサは測定対象物に接触させセンサの温度が測定対象物とほぼ等しくなったとき、センサの出力を読み取るという方法で行う。但しこの場合、温度センサは対象物の表面温度を測定しているにすぎないため、熱源が測定対象物の内部にある場合は、ほとんどの場合表面温度は内部の温度とは異なるため外部より内部測定するのは非常に難しい。その代表的な例が人間の体温測定であり、体温計は内部温度に近い値を表面でも得られるようなシステムを利用している。

そこで、体温測定を例にとって従来の電子温度計について説明する。体温を測定する電子温度計である体温計は古くは水銀体温計の時代から概略棒状の形体を有し、その先端を腋の下あるいは舌下に挟み、所定の時間を経て先端部の温度を体温とほぼ一致させることで、測定を行ってきた。この行為は一般的に定着され、サーミスタ温度計を用いた電子体温計にその方式が変化しても、体温計の形態としてはあまり変化していない。

体温計の使い道はと言えば、当然ながら疾病等により体温が上昇したときにおける、病状の把握の一つとして利用することが最も多いわけであるが、病気の時にはその進行あるいは回復をモニターするために、一日に何度も体温の測定をすることが多い。しかし、従来の体温計は腋の下などに挟んで測定することから、出し入れが面倒なことや姿勢の維持などから病人には苦痛である。

そこで体に装着しておけば、連続的にモニターできるような体温計があれば、複数回の測定の負担は大きく軽減できる。ただし、それも腋の下などに挟むものであれば、その負担は変わらないことから、例えば皮膚に貼り付けるあるいは腕、足、頭部などに巻き付けることで、その機能が果たせるものが必要となる。

例えば通常のサーミスタなどの温度センサを皮膚に貼り付けたらどうであろうか。さきに述べたように確かに皮膚温は測定できるが、皮膚は体温より温度の低い外気に触れているために、一般的に体深部の温度よりもだいぶ低下しているため、病状把握のための体温測定には利用することは出来ない。

これに対して、考えられたのが深部温度計である。これは体表面に熱流計を設置するとともにヒーターを備え、体深部からの熱流がゼロになるようヒーター温度を上昇させ、その時のヒーター温度を測定することで体深部温度に換算するというものである。これを用いれば体表面から体深部温度を測定できるため、従来の体温計のような煩わしさはない。しかし、ヒーターを利用するため、電力が大きいことや制御が複雑なことから、装置が大型で高価になり、汎用的に利用出来るものではない。

そこで、同様な原理を利用し、ヒーターを使わずに汎用的な体深部温度計を作ろうということが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。従来の体深部温度計の測定原理を図７に示した。図７（Ａ）に示したように、体表面にある大きさの断熱材４１を接触させ、その上下の温度を測定する。一般に体温より外気温の方が低いことから、体深部より熱流Ｑは断熱材４１および放熱板３１を通り、外部に放出される。その時各部の温度は、体深部温度Ｔｂ＞体表面温度Ｔ３＞放熱部温度Ｔ１となる。

温度が定常状態になり、体深部から一定量の熱流Ｑが流れ出ているとすると、
［式１］ Ｑ＝ΔＴｂλ１ｈ１＝ΔＴ１λ２ｈ２
ΔＴｂ＝Ｔｂ−Ｔ３
ΔＴ１＝Ｔ３−Ｔ１
λ１：体内の熱伝導率
λ２：断熱材の熱伝導率
ｈ１：皮膚から測定温度部位までの深さ
ｈ２：断熱材の厚さ
が得られる。

この時、Ｔ１、Ｔ３は測定から判明し、またλ２ｈ２は既知の材料を選択することで、代入することが出来る。さらに、λ１とｈ１が分かれば、体深部温度は推定可能であるが、従来例では一般的な数値を使って計算をしているため、測定部位や人によっての誤差が大きく実使用は難しい。

そこでさらに改善した提案をしているものがある（たとえば特許文献２参照）。測定系としては先の従来例と同じように、図７（Ａ）に示したごとく、体表面に断熱材４１を配置し、その上下の温度を測定するというものである。しかし、この２つ目の従来例では、温度の経時的な変化を測定している。この経時変化を含んだ式は、次のようになる。
［式２］ Ｔｂ＝Ｔ３＋（ｈ１／λ１）Ｑ＋（ｈ１² ／２α）（ｄＴ３／ｄｔ）
α：温度伝導率

得られた式においても、ＱとＴ３は図７（Ａ）の様に体表面での測定により、得ることが出来るが、その他の未知数がいくつかある。ただし、この様に微分項まで式に入れて複数回の温度測定をしてその変化を追うことで、複数の式が連立できるようになり、未知数を複数含んでいてもＴｂつまりは体深部温度を導くことが出来る。
特開昭６１−１２００２６号公報（図１） 特開２００２−３７２４６４号公報（図１）

この様に従来の方法では体内から体表面へ通過する熱流を体表面に装着した熱流計で測定し、また体表面温度を測定し、それを時分割で追うことによって、体深部の温度に換算することが出来る。これは温度変化が大きな測定初期に向いていることから、短時間測定には効果的である。

しかし、体温計の温度が上昇し定常状態に近づくと時間変化が小さくなるために誤差が生じやすくなり、連続的な体深部温度測定には必ずしも向いていない。つまり、連続測定のような定常状態での測定では、時間的な温度変化は非常に小さくなるため、２次の項は役に立たなくなり式１で導くのと同じことになってしまう。この様なことから、従来の熱流センサを１個配した体深部温度計は、定常状態での測定という目的では使用することは出来ない。

そこで、本発明の目的は上記の問題を解決し、熱流が定常状態に達しても安定して体深部温度を測定でき、体表面に装着したまま連続的な体温モニターが可能となる電子温度計を提供することにある。

上記の目的を達成するために本発明の電子温度計においては下記に記載する手段を採用
する。

保持部材に固定された２つの温度差測定手段と、それぞれの温度差測定手段のすくなくとも一部分の温度を測定する温度測定手段と、２つの温度差測定手段を通過する熱の外気への放熱量に違いが出るよう制御を行う放熱制御手段と、計測した全ての温度と温度差を用いて演算を行い深部温度に換算する演算手段と、深部温度を表示する表示手段とを有することを特徴とする。

温度差測定手段は、断熱材とその両面に配した２つの温度測定手段からなり、好ましくは２つの温度差測定手段には、共通化した１つの断熱材を利用する、あるいは温度差測定手段が熱電対を複数内部に含む熱電素子であることが好ましい。

また放熱制御手段は、温度差測定手段に取り付ける放熱板である、あるいは放熱制御手段は、温度差測定手段の放熱側における外気の対流を制御することからなることがより好ましい。

本発明の電子温度計は、たとえば体温計として利用した場合、簡単な構造で実際の体温に近い体深部温度をモニターできるものであると共に、温度計の温度が上昇した定常状態での測定を可能にしていることから、長時間連続的に体温を測定できるものである。

構造的には、従来のように腋の下に挟んだりする必要がないため、取り扱いが面倒で無く、腕や頭などでの測定を可能にしている。

さらに、大きな電源や測定装置を必要としないことから、安価な家庭用の連続式体深部温度計を実現することが出来る。

本発明の電子温度計を使うことで、病気での体温の上下をリアルタイムにモニターできることから、病気の進行や回復状況を管理、監視するのに非常に有用である。特に体温の変化が急激であり、また一定の姿勢を保持しにくい、また自分で判断の出来ない幼児への利用は効果的である。また、本発明の電子温度計は体温測定だけでなく、たとえば電子部品内部の発熱モニターや壁面内部の温度モニターなど、各種領域での簡易的な内部温度観測への応用が期待できる。

まず初めに、本発明の電子温度計の測定原理について図７（Ｂ）を用い、体温計として利用する場合を例にとって説明する。図のように、本発明の電子温度計では、同じ材質の２つの断熱材４１、４２が体表面１近傍に配されており、その上下の温度を測定している。

従来例で説明したように、体深部２からの熱流は断熱材を通過して外気に放出されるため、体深部２の熱流と断熱材を通る熱流は同じである。ただし、この時それぞれの断熱材４１、４２に取り付けた放熱板３１、３２は大きさなどが異なり、外気への放熱効率が違う。そこで図７（Ｂ）では大きい方の放熱板３２での熱流Ｑ２の方がＱ１に比べ大きくなる。これによって、２つの断熱材４１、４２の両端に現れる温度には違いが生じる。

つまり、次の２つの式が得られることになる。
［式３］ ΔＴｂ１λ１ｈ１＝ΔＴ１λ２ｈ２
［式４］ ΔＴｂ２λ１ｈ１＝ΔＴ２λ２ｈ２
ΔＴｂ１＝Ｔｂ−Ｔ３ ΔＴｂ２＝Ｔｂ−Ｔ４
ΔＴ１＝Ｔ３−Ｔ１ ΔＴ２＝Ｔ４−Ｔ２
λ１：体内の熱伝導率
λ２：断熱材の熱伝導率
ｈ１：皮膚から測定温度部位までの深さ
ｈ２：断熱材の厚さ

この２つの式を利用することで、未知数である熱伝導率と断熱深さ（厚さ）は削除することが可能となり、最終的に体深部温度Ｔｂを導き出す式が得られる。
［式５］ Ｔｂ＝（ΔＴ２Ｔ３−ΔＴ１Ｔ４）／（ΔＴ２−ΔＴ１）
＝（ΔＴ２Ｔ１−ΔＴ１Ｔ２）／（ΔＴ２−ΔＴ１）
［第１の実施形態］

続いて、図１を用いて本発明の電子温度計についての第１の実施形態について説明する。ただし図１は電子温度計の温度測定にかかわる部分のみを示した、要部断面図である。本発明の電子温度計にはプラスチック製の板状材料などからなる断熱性の保持部材１０を備え、そこに各種の部品がそれぞれ２個ずつ装着されている。

まず、２つの温度差測定手段１１、１２が、保持部材１０に固定されている。それぞれの温度差測定手段１１、１２はプラスチック材料などの断熱材４１、４２を中心として、その上下に温度測定手段２１、２２、２３、２４を装着して形成されている。温度測定手段にはサーミスタなどの温度センサを用いており、２つの断熱材４１、４２と４つの温度測定手段２１、２２、２３、２４はそれぞれ同じ材質、同じ形状で作られている。つまり温度差測定手段１１、１２はどちらも同じ熱定数を有していることになる。

さらに、温度差測定手段１１、１２には放熱制御手段３０が備えられている。ここでは放熱制御手段３０として熱伝導性の良い金属あるいはセラミックスを利用した放熱板３１、３２を利用している。この測定系を皮膚に接することによって、保持部材１０を通ってきた熱は温度差測定手段１１、１２を通過する。温度差測定手段１１、１２に含まれる断熱材４１、４２は当然ながら熱抵抗があるため皮膚に近い側の温度と放熱側の温度には差が生じる。この温度差は温度測定手段２１、２３、２２、２４の温度データから読み取ることが出来る。放熱制御手段３０は、温度差測定手段の放熱側における外気の対流を制御している。

そして、放熱制御手段３０の放熱板３１、３２は大きさが異なることから、両者の放熱量に違いが生じ、つまりは温度差測定手段１１、１２を通過する熱量が異なることであり、両者の温度差に違いが出る。この２つの温度差と温度データを利用し、先に述べた式５を利用することで、体深部温度を検出することが出来る。

さらに、図２にはシート状に組み立てた本発明の電子温度計の断面図を示した。柔軟性のあるプラスチックシート状の保持部材１０に温度差測定手段１１、１２は接着されている。温度差測定手段１１、１２の周囲には断熱シート９４が配置されており、温度差測定手段１１、１２を通過する熱の横方向への放散を抑えるようにしている。さらに、断熱シート９４の上には保護シート９１が取り付けられている。ただし保護シート９１は放熱板３１、３２の部分だけはくりぬかれており、温度差測定手段１１、１２を通過した熱が外部へ放散しやすいように作られている。

また、保持部材１０と保護シート９１の間には電気的回路系からなる演算手段９２が備えられており、温度測定手段２１、２２、２３、２４からの電気信号を入手し温度に換算し、さらに体深部温度を算出している。また、保護シート９１から外部に露出する形で、表示手段９３が備えられており、演算で得られた体温データを表示する。その他、各要素
をつなぐリード線、各要素に必要な電源系、その他スイッチ系なども当然必要であるが、図示はしていない。

さらに、本発明の電子温度計の外観略図を図３に示した。本発明の電子温度計はシート状の材料に保持されていることから、ベルトのような外観を有している。この体温計はたとえば頭部（額での測定）、腹部、腕部などに巻き付けることで、長時間安定して体深部温度をモニターすることが出来る。

測定結果の一例を示す。実際に使用した材料は、保持部材１０には厚み０．１ｍｍのＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）シートを用い、断熱材４１、４２には厚み０．２ｍｍのＰＥＴを利用した。また、温度測定手段２１、２２、２３、２４には全て１ｍｍ×０．５ｍｍ×０．５ｍｍの大きさのチップサーミスタを用い、ＰＥＴ材に貼り付けた。また、放熱板３１、３２には３ｍｍ角と５ｍｍ角の大きさの異なる窒化アルミの板を用い、チップサーミスタに貼り付け保持した。このセンサを額に接触させ、温度が安定するまで数分待ち、その後ほぼ定常状態にて温度測定をした。

その結果は、図７（Ｂ）で示した記号で表すと、Ｔ１＝３４．５９８℃、Ｔ２＝３４．６５３℃、Ｔ３＝３４．８７４℃、Ｔ４＝３４．９２１℃となり、ΔＴ１＝０．２７６℃、ΔＴ２＝０．２６８℃となる。これらの数字を用いて式５により体深部温度を計算すると、Ｔｂ＝３６．５９℃となり、体温が測定できていることが分かった。

さらに図４に示したように温度差測定手段１１、１２に含まれる断熱材４３については、共通化して１つにしても良い。この様にすることにより、材質がより均一化されるため熱的特性が安定化する。また、たとえばこの断熱材４３はＦＰＣ（フレキシブルプリントサーキット）と兼用することにより、図４の様に温度測定手段や演算手段９２あるいは表示手段９３をすべてハンダ付け等によりＦＰＣ上で配線することも可能になる。これによりリード配線が無くなり、信頼性が増すと共に製造が容易になる。
［第２の実施の形態］

つづいて、第２の実施の形態について図５を用いて説明する。この実施形態においても、保持部材１０、温度差測定手段１１、１２、温度測定手段２１、２２、２３、２４、放熱板３１、３２、保護シート９１を備えることは第１の実施の形態と同じである。ただし、ここでは保護シート９１の形状、配置が異なっている。

本実施の形態では、保護シート９１は１つの放熱板３１は完全に覆っており、他方の放熱板３２は外部に露出する形態となっている。これによって、１つの放熱板３１の周囲の空気は対流が非常に小さくなっている。それにより、放熱板３１からの放熱効率は外気に直接触れている他方の放熱板３２より小さくなることから、２つの温度差測定手段１１、１２に流れる熱流に違いが生じ、第１の実施の形態と同じように式５を利用して体深部温度を測定することが可能となる。つまり、本実施の形態では、保護シート９１が放熱制御手段を兼ねることになる。また、この場合は放熱板３１、３２の大きさは同じでもかまわない。
［第３の実施の形態］

さらに第３の実施の形態について図６を用いて説明する。ただし図６も電子温度計の温度測定にかかわる部分のみを示した、要部断面図である。本実施の形態の電子温度計でもプラスチック製の板状材料などからなる断熱性の保持部材１０を備え、そこに各種の部品がそれぞれ２個ずつ装着されている。

まず、２つの温度差測定手段１１、１２が、保持部材１０に固定されている。ここで、
温度差測定手段１１、１２には熱電素子を利用している。熱電素子は複数の熱電対が集積したもので、一般的にはペルチェ素子として市販されているものがある。熱電素子に含まれる熱電対は、その温接点と冷接点が図６の中では上下の位置に配置されており、上下方向の温度差を直接検出することが出来る。

２つの温度差測定手段１１、１２の上には温度測定手段２１、２２がそれぞれ装着されており、さらにその上に熱伝導性の良い金属あるいはセラミックスを利用した、大きさの異なる放熱板３１、３２が放熱制御手段３０としてそれぞれ備えられている。やはり温度差測定手段１１、１２と温度測定手段２１、２２はそれぞれ同じ材質、同じ形状で作られており、どちらも同じ熱定数を有していることになる。

この測定系を皮膚に接することによって、保持部材１０を通ってきた熱は温度差測定手段１１、１２を通過する。温度差測定手段１１、１２である熱電素子もある程度熱抵抗が大きいため、皮膚に近い側の温度と放熱側の温度には差が生じる。この温度差は温度差測定手段２１、２３から出力される電圧から直接読み取ることが出来る。

そして、放熱制御手段３０の放熱板３１、３２は大きさが異なることから、両者の放熱量に違いが生じ、つまりは温度差測定手段１１、１２を通過する熱量が異なることであり、両者の温度差に違いが出る。この２つの温度差と温度データを利用し、先に述べた式５を利用することで、体深部温度を検出することが出来る。

第３の実施の形態では、温度差測定手段１１、１２に熱電素子を利用することで、直接電圧から温度差が読み取れるため、誤差が小さくなり精度が良くなる。また、測定する皮膚の近くに配置でき、その間に余分な温度センサや接着材を含まなくなるので、２つの温度差測定手段１１、１２の間で、熱抵抗のロット差が出にくくなり、さらに測定精度を高めることが可能となる。

以上の実施の形態において、放熱制御手段３０としての放熱板３１、３２の大きさを変えるという方法を述べたが、温度差測定手段１１、１２のどちらか片方は直接放熱するようにして、放熱板３１、３２はどちらか片方のみを使って、放熱に差をつけることも可能である。

保持部材１０と温度差測定手段１１、１２とは、温度差測定手段１１、１２と皮膚の間の熱抵抗が一定になるように接着等で固定しているが、熱抵抗の安定が保てれば強固な固定をする必要はない。ただし、その時は保護シート９１やＦＰＣを利用した断熱材４３などが固定する役目を果たすことになる。またさらに、温度差測定手段１１、１２は固定部材から、底面を露出させるなどして出来る限り皮膚に近づけることで、測定精度を増すことが出来る。その時、温度差測定手段１１、１２の底面には保護の面から金属板やセラミックス板などを接合した方がよい。

本発明の第１の実施形態における電子温度計の測定部を示した要部断面図である。 本発明の第１の実施形態における電子温度計の全体構成を含めた要部断面図である。 本発明の実施の形態における電子温度計の外観図である。 本発明の第１の実施形態における電子温度計の断熱材にＦＰＣ基板を利用したものの要部断面図である。 本発明の第２の実施形態における電子温度計の測定部を示した要部断面図である。 本発明の第３の実施形態における電子温度計の測定部を示した要部断面図である。 従来技術と本発明の電子温度計の測定原理図である。

符号の説明

１ 皮膚
２ 体深部
１０ 保持部材
１１、１２ 温度差測定手段
２１、２２、２３、２４ 温度測定手段
３０ 放熱制御手段
３１、３２ 放熱板
４１、４２ 断熱材
９１ 保護シート
９２ 演算手段
９３ 表示手段
９４ 断熱シート

Claims (7)

1. 保持部材に固定された２つの温度差測定手段と、前記２つの温度差測定手段を通過する熱の外気への放熱量に違いが出るよう制御を行う放熱制御手段と、計測した温度と温度差を用いて演算を行い深部温度に換算する演算手段と、前記深部温度を表示する表示手段とを有する電子温度計。
2. 前記温度差測定手段のすくなくとも一部分の温度を測定する温度測定手段とを有することを特徴とする請求項１に記載の電子温度計。
3. 前記温度差測定手段は、断熱材と該断熱材に接する温度測定手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の電子温度計。
4. 前記２つの温度差測定手段には、共通化した断熱材を利用することを特徴とする請求項３に記載の電子温度計。
5. 前記温度差測定手段は、熱電対を複数内部に含む熱電素子であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の電子温度計。
6. 前記放熱制御手段は、前記温度差測定手段に取り付ける放熱板であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の電子温度計。
7. 前記放熱制御手段は、前記温度差測定手段の放熱側における外気の対流を制御することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の電子温度計。
   
   
   

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