JP2008191139A - 物理量測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電磁波を局所的に照射し、被測定材料内部まで電磁波を浸透させることができる物理量測定装置を得る。
【解決手段】所望の物理量が変化する被測定材料と密接し、被測定材料に電磁波を送信して反射電磁波を受信するアンテナ放射素子１０と、アンテナ放射素子１０の共振周波数を測定する共振周波数測定手段２０と、共振周波数測定手段２０によって測定される共振周波数を記憶する共振周波数記憶部３０と、記憶された変化前の共振周波数と変化後の共振周波数から被測定材料の所望の物理量の変化分を計算する変化分計算手段４０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、所望の物理量が変化する被測定材料の物理量変化分を測定することができる物理量測定装置に関し、特に、ミリ波を用いた非浸襲血糖値測定に適用できる物理量測定装置に関する。

従来の物理量測定装置において、アンテナ放射素子は、単独で共振し、被測定材料から適当に離して用いられる構造となっている（例えば、特許文献１参照）。このような構造を有する物理量測定装置は、被測定材料の表面に電磁波を照射することにより、被測定材料の物理量変化分を検出している。

特開２００１-０２１６６４号公報

しかしながら、従来技術には次のような課題がある。
従来の物理量測定装置において、アンテナ放射素子は、上述したように、単独で共振し、被測定材料から適当に離して用いられる。このため、被測定材料の表面にしか電磁波が照射されず、被測定材料内部の微少な物理量変化分を検出できないという課題がある。

特に、非浸襲血糖値測定を行う場合には、血液中のグルコース濃度変化により人体（指）の比誘電率が変化することから、その変化量を測定し、グルコース濃度を算出するため、指内部に電磁波を浸透させる必要がある。

さらに、血液中のグルコース濃度変化による人体（指）の微少な比誘電率変化分を検出するためには、電磁波を局所的に照射する必要がある。

本発明は上述のような課題を解決するためになされたもので、電磁波を局所的に照射し、被測定材料内部まで電磁波を浸透させることができる物理量測定装置を得ることを目的とする。

本発明に係る物理量測定装置は、所望の物理量が変化する被測定材料と密接し、被測定材料に電磁波を送信して反射電磁波を受信するアンテナ放射素子と、アンテナ放射素子の共振周波数を測定する共振周波数測定手段と、共振周波数測定手段によって測定される共振周波数を記憶する共振周波数記憶部と、共振周波数記憶部に記憶された変化前の共振周波数と変化後の共振周波数から被測定材料の所望の物理量の変化分を計算する変化分計算手段とを備えるものである。

本発明によれば、所望の物理量が変化する被測定材料と密接して電磁波の送受信を行うことで共振するアンテナ放射素子を備えることにより、電磁波を局所的に照射し、被測定材料内部まで電磁波を浸透させることができる物理量測定装置を得ることができる。

以下、本発明の物理量測定装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における物理量測定装置の構成を示すブロック図である。この物理量測定装置は、送受信アンテナ１０、共振周波数測定手段２０、共振周波数記憶部３０、および変化分計算手段４０で構成される。

次に、本実施の形態１の物理量測定装置の動作を説明する。送受信アンテナ１０は、所望の物理量が変化する被測定材料に密接しており、被測定材料に対して電磁波を送信し、反射電磁波を受信するアンテナ放射素子である。すなわち、所望の物理量が変化する被測定材料を伴うことで共振するアンテナ放射素子である。

共振周波数測定手段２０は、送受信アンテナ１０により受信された電磁波の共振周波数を測定する。さらに、共振周波数測定手段２０は、測定した共振周波数を共振周波数記憶部３０に順次記憶させる。そして、変化分計算手段４０は、共振周波数記憶部３０に記憶された変化前の共振周波数と変化後の共振周波数から被測定材料の所望の物理量の変化分を計算する。

例えば、変化分計算手段４０は、変化前後の２つの共振周波数の値から被測定材料の所望の物理量の変化分を算出できる数式あるいはデータをあらかじめ記憶しておくことにより、所望の物理量の変化分を計算することができる。

以上のように、実施の形態１によれば、送受信アンテナを、所望の物理量が変化する被測定材料に密接させることにより、電磁波を被測定材料の内部に浸透させることが可能となる。さらに、密接する位置を調整することにより、電磁波を局所的に照射することが可能となる。この結果、被測定材料内部の微少な物理量変化分を精度よく検出することができる。

実施の形態２．
図２は、本発明の実施の形態２における物理量測定装置の構成を示すブロック図である。本実施の形態２における図２の構成は、先の実施の形態１における図１の構成と比較すると、所定の共振周波数からの変化分と所望の物理量の変化分とを関連付ける情報データがあらかじめ記憶されている情報データ記憶部５０をさらに備えている点が異なっている。

次に、本実施の形態２の物理量測定装置の動作を説明する。送受信アンテナ１０、共振周波数測定手段２０、および共振周波数記憶部３０の動作は、先の実施の形態１と同様である。

本実施の形態２における物理量測定装置は、所定の共振周波数からの変化分と所望の物理量の変化分とを関連付ける情報データがあらかじめ記憶されている情報データ記憶部５０を有している。そして、変化分計算手段４０は、共振周波数記憶部３０に記憶された変化前の共振周波数と変化後の共振周波数、および情報データ記憶部５０に記憶された情報データに基づいて、共振周波数の変化分に対応する被測定材料の所望の物理量の変化分を計算することができる。

ここで、所定の共振周波数からの変化分と所望の物理量の変化分とを関連付ける情報データとは、例えば、Ｎ（Ｎは自然数）通りの共振周波数ｆ（１）〜ｆ（Ｎ）からの、Ｍ（Ｍは自然数）通りの周波数の変化分Δｆ（１）〜Δｆ（Ｍ）として関連付けられたＮ×Ｍ通りの所望の物理量の変化分Δｐ（１、１）〜Δｐ（Ｎ、Ｍ）に関するデータに相当する。

また、所望の物理量の変化分は、共振周波数ｆ（ｎ）（ｎ＝１〜Ｎ）と周波数の変化分Δｆ（ｍ）（ｍ＝１〜Ｍ）だけから一意に決まるものには限定されない。例えば、温度、湿度等に代表されるような環境パラメータをさらに加味して、環境パラメータごとに個別の情報データを情報データ記憶部５０に記憶させておくことも可能である。

具体的な計算例としては、このような情報データに対して、変化前後の共振周波数による補間処理等を施すことにより、変化前の共振周波数からの共振周波数の変化分に対応する所望の物理量の変化分を計算することができる。

以上のように、実施の形態２によれば、先の実施の形態１の効果に加え、所定の共振周波数からの変化分と所望の物理量の変化分とを関連付ける情報データを用いることにより、計測される変化前後の共振周波数の値に基づいて、被測定材料内部の微少な物理量変化分を精度よく検出することができる。

実施の形態３．
本発明の実施の形態３では、先の実施の形態２の具体例として、被測定材料を人体（指）とし、所望の物理量を比誘電率とした場合について説明する。図３は、本発明の実施の形態３における物理量測定装置の構成を示すブロック図である。本実施の形態３における図３の構成は、基本的には先の実施の形態２における図２の構成と同等であり、情報データ記憶部５１に記憶された情報データが異なっている。

近年、食生活の変化に起因する糖尿病患者が急増している。糖尿病管理のためには、自己血糖値測定が必要であるが、現在普及している自己血糖値測定器は、直接採血し検査することが必要である。しかしながら、採血の過程において、苦痛や不快感があり、患者に対し精神的かつ経済的負担を与えている。

最近、このような採血に伴う苦痛を解消しながら、容易に自己血糖値測定が可能な非浸襲血糖値測定器が開発されている。

非浸襲血糖値測定器の動作原理は、血液中のグルコース濃度変化により人体（指）の比誘電率が変化することから、その変化量を測定し、グルコース濃度を算出することである。今まで報告された非浸襲血糖値測定方法では、遠赤外線を用いるなどの例があるが、未だ実用化されていない。そこで、本願発明では、ミリ波帯域での非浸襲血糖値測定方法を提案する。

次に、ミリ波帯域での非浸襲血糖値測定方法で用いる、人体の比誘電率変化分測定方法の動作原理を説明する。本実施の形態３における物理量測定装置は、共振周波数を周波数領域で測定するものであり、ネットワークアナライザなどを用いる。ネットワークアナライザなどで測定した周波数ごとの入力端反射係数から送受信アンテナ１０の共振周波数を求めることができる。

次に、本実施の形態３の物理量測定装置の動作を説明する。送受信アンテナ１０は、所望の物理量が変化する被測定材料である人体（指）に密接しており、人体（指）に対して電磁波を送信し、反射電磁波を受信するアンテナ放射素子である。すなわち、所望の物理量である比誘電率が変化する人体（指）を被測定材料として伴うことで共振するアンテナ放射素子である。

共振周波数測定手段２０は、送受信アンテナ１０により受信された電磁波の共振周波数を測定する。さらに、共振周波数測定手段２０は、測定した共振周波数を共振周波数記憶部３０に順次記憶させる。ここで、人体（指）の比誘電率が変化した場合には、伴っている送受信アンテナ１０の共振周波数が変化することとなる。

そして、本実施の形態３における物理量測定装置は、所定の共振周波数からの変化分と人体の比誘電率の変化分とを関連付ける情報データが、例えば、関数・表などの形式であらかじめ記憶されている情報データ記憶部５１を有している。そして、変化分計算手段４０は、共振周波数記憶部３０に記憶された変化前の共振周波数と変化後の共振周波数、および情報データ記憶部５１に記憶された情報データに基づいて、共振周波数の変化分に対応する比誘電率変化分を計算することができる。

ここで、本実施の形態３における情報データの一例としては、所定の共振周波数からの共振周波数変化分と、個人（ユーザ）の比誘電率変化分と、環境パラメータとを関連付けたものとすることができる。これにより、ユーザごとに適切な比誘電率変化分を求めることができる。

図４は、本発明の実施の形態３における人体（指）の比誘電率の変化に対する送受信アンテナの共振周波数の変化を示した図である。この図４において、実線は、人体の比誘電率が基準値（変化量０％）である場合の送受信アンテナ１０の反射特性の一例を示しており、共振周波数は３０．８５ＧＨｚである。

これに対して、破線は、人体の比誘電率が基準値の１．１倍（変化量１０％）である場合の送受信アンテナ１０の反射特性の一例を示しており、共振周波数は３０．６ＧＨｚである。人体の比誘電率の変化量が１．１倍である場合には、送受信アンテナ１０の共振周波数は０．８％程度変化することが確認できる。すなわち、共振周波数の測定結果の変化量から、人体の比誘電率の変化量が求められることとなる。

図５は、本発明の実施の形態３の物理量測定装置において、送受信アンテナ１０をパッチアンテナとした場合の詳細図である。図５に示すパッチアンテナは、パッチ導体６１、誘電体基板６２、給電点６３、給電線路６４、および地導体６５で構成される。パッチアンテナ１０と人体（人）を密接させて共振周波数の変化を測定することにより、人体の比誘電率の変化量を高精度に求めることができる。

以上のように、実施の形態３によれば、本発明の物理量測定装置を非浸襲血糖値測定に適用することが可能であり、血液中のグルコース濃度変化による人体（指）の微少な比誘電率変化分を検出することができる。

実施の形態４．
本発明の実施の形態４では、先の実施の形態１〜３を構成する送受アンテナの周囲に、被測定材料を伴う状態で、アンテナ素子の共振周波数を含む特定の周波数帯の電磁波の伝搬を遮断する特性を有する構造を、さらに配置している。これにより、アンテナ素子の不要放射を抑圧でき、効率よく被測定材料内部にまで電波を浸透させることができる。このような構造を、以降「電磁波遮断構造」と称し、その構成および効果を詳細に説明する。

本発明の実施の形態４では、電磁波遮断構造の一例として、枠状構造について説明する。図６は、本発明の実施の形態４の物理量測定装置において、送受信アンテナ１０をパッチアンテナとし、パッチアンテナの周囲に枠状構造の電磁波遮断構造をさらに備えた第１の例の詳細図である。

枠状構造は、第１金属板６６および複数の第１接続導体６７で構成される。そして、図６に示すように、第１金属板６６と地導体６５とを導通させる第１接続導体６７が、間隔６８でアンテナ素子の外周囲を一周するように設けられたことを特徴とする。また、図６（ｂ）の横断面図内の破線で示された円は、地導体６５、第１金属板６６、および第１接続導体６７から形成されるショートスタブ形成部７０である。

次に、本実施の形態４の物理量測定装置の「電磁波遮断構造」を構成する枠状構造の動作について説明する。送受信アンテナ１０をパッチアンテナとした場合には、パッチ導体６１から放射する電磁波の一部が、誘電体基板６２近傍をアンテナ外部に向かって伝搬する表面波モードに結合し、測定材料内部に浸透する電磁波を減じる問題がある。

そこで、このような問題を解決するために、本実施の形態４では、枠状構造からなる「電磁波遮断構造」をさらに設けている。枠状構造を構成する第１金属板６６の端面と第１接続導体６７との距離６９は、パッチアンテナから送信される電磁波の、誘電体基板６２内における波長のおよそ１／４倍となっている。なお、この距離６９は、波長の１／４の奇数倍にしてもよい。

ショートスタブ形成部７０は、パッチ導体６１から送信される電磁波に対して１／４波長ショートスタブとして動作する。この結果、パッチ導体６１に対向する第１金属板６６の端面に磁気壁が形成される。これにより、表面波は、第１金属板６６の端面で反射されるため、外部への伝搬を抑えることができる。

なお、図６では、パッチ導体６１の周りを取り囲むように複数の第１接続導体６７を１列に配置したが、このような配置に限定されるものではない。図７は、本発明の実施の形態４の物理量測定装置において、送受信アンテナ１０をパッチアンテナとし、パッチアンテナの周囲に枠状構造の電磁波遮断構造をさらに備えた第２の例の詳細図である。図７に示すように、複数の第１接続導体６７を２列（１周目７１と２周目７２に相当）設けてもよく、さらに３列以上設けてもよい。

このように、複数の第１接続導体６７を複数列設けた場合には、パッチ導体６１から誘電体基板６２に沿って外側に伝搬する不要なモードをさらに抑圧できる。この結果、より効率よく被測定材料内部にまで電波を浸透させることができる。

また、図６ではパッチ導体６１の周りを取り囲むように枠上構造を１列に配置したが、このような配置に限定されるものではない。図８は、本発明の実施の形態４の物理量測定装置において、送受信アンテナ１０をパッチアンテナとし、パッチアンテナの周囲に枠状構造の電磁波遮断構造をさらに備えた第３の例の詳細図である。図８に示すように、枠上構造を２列（１周目７１と２周目７２に相当）設けてもよく、さらに３列以上設けてもよい。

このように、枠状構造を複数列設けた場合にも、パッチ導体６１から誘電体基板６２に沿って外側に伝搬する不要なモードをさらに抑圧できる。この結果、より効率よく被測定材料内部にまで電波を浸透させることができる。

以上のように、実施の形態４によれば、送受アンテナの周囲に電磁波遮断の効果を有する枠状構造を配置することで、送受アンテナの表面波を抑圧でき、効率よく被測定材料内部にまで電波を浸透させることができる。

実施の形態５．
先の実施の形態４では、電磁波遮断構造の一例として、枠状構造について説明した。本実施の形態５では、枠状構造とは別の電磁波遮断構造の一例として、マッシュルーム構造について説明する。図９は、本発明の実施の形態５の物理量測定装置において、送受信アンテナ１０をパッチアンテナとし、パッチアンテナの周囲にマッシュルーム構造の電磁波遮断構造をさらに備えた第１の例の詳細図である。

個々のマッシュルーム構造９３は、第２金属板９１、および第２金属板９１に対応して設けられた第２接続導体９２で構成され、複数個設けられている。そして、図９に示すように、第２金属板９１と地導体６５とを導通させる第２接続導体９２が、間隔６８でアンテナ素子１０の外周囲に設けられたことを特徴とする。

次に、本実施の形態５の物理量測定装置の「電磁波遮断構造」を構成するマッシュルーム構造９３の動作について説明する。送受信アンテナ１０をパッチアンテナとした場合には、パッチ導体６１から放射する電磁波の一部が、誘電体基板６２中や誘電体基板６２と測定材料との間を伝搬する表面波と化し、測定材料内部に浸透する電磁波を減じる問題がある。

そこで、このような問題を解決するために、本実施の形態５では、マッシュルーム構造９３からなる「電磁波遮断構造」をさらに設けている。マッシュルーム構造９３は、上部に測定試料が装荷された状態において、第２金属板９１の上面近傍に磁気壁が形成されるように設計されている。したがって、パッチ導体６１から表面波モードに結合して伝搬する信号は、磁気壁上は伝搬することができないため、マッシュルーム構造９３で反射されて外部には伝搬しない。

なお、図９では、パッチ導体６１の周りを取り囲むようにマッシュルーム構造９３を２列に配置したが、このような配置に限定されるものではない。マッシュルーム構造９３を、１列だけ設ける、あるいは３列以上設けることも可能である。

特に、１列よりも多くの列を設けた場合には、パッチ導体６１から誘電体基板６２に沿って外側に伝搬する不要なモードをさらに抑圧できる。この結果、より効率よく被測定材料内部にまで電波を浸透させることができる。

また、図９ではマッシュルーム構造９３の配列方向を規定していないが、配列方向を規定することもできる。図１０は、本発明の実施の形態５の物理量測定装置において、送受信アンテナ１０をパッチアンテナとし、パッチアンテナの周囲にマッシュルーム構造の電磁波遮断構造をさらに備えた第２の例の詳細図である。

この図１０の構成では、給電点６３がＹ軸上に配置されており、パッチ導体６１の中心と給電点６３の中心とを結ぶ方向で規定される送受アンテナ１０の偏波方向１０１がＹ軸と重なる。従って、この図１０の場合には、Ｙ軸に対して平行な方向にそれぞれが配列されている複数のマッシュルーム構造９３は、偏波方向１０１に対しても平行に配列されていることとなる。

パッチ導体６１から放射される不要な表面波は、送受アンテナ１０の偏波方向１０１によく結合し伝搬する。このため、送受アンテナ１０の偏波方向１０１に平行にマッシュルーム構造９３を配列したことにより、パッチ導体６１から誘電体基板６２に沿って外側に伝搬する不要なモードをさらに抑圧できる。この結果、より効率よく被測定材料内部にまで電波を浸透させることができる。

以上のように、実施の形態５によれば、送受アンテナの周囲に電磁波遮断の効果を有するマッシュルーム構造を配置し、送受アンテナの偏波方向と平行になるようにマッシュルーム構造を配列することで、先に実施の形態４と比較して、送受アンテナの表面波をさらに抑圧でき、より効率よく被測定材料内部にまで電波を浸透させることができる。

本発明の実施の形態１における物理量測定装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態２における物理量測定装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態３における物理量測定装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態３における人体（指）の比誘電率の変化に対する送受信アンテナの共振周波数の変化を示した図である。 本発明の実施の形態３の物理量測定装置において、送受信アンテナをパッチアンテナとした場合の詳細図を示した図である。 本発明の実施の形態４の物理量測定装置において、送受信アンテナをパッチアンテナとし、パッチアンテナの周囲に枠状構造の電磁波遮断構造をさらに備えた第１の例の詳細図である。 本発明の実施の形態４の物理量測定装置において、送受信アンテナをパッチアンテナとし、パッチアンテナの周囲に枠状構造の電磁波遮断構造をさらに備えた第２の例の詳細図である。 本発明の実施の形態４の物理量測定装置において、送受信アンテナをパッチアンテナとし、パッチアンテナの周囲に枠状構造の電磁波遮断構造をさらに備えた第３の例の詳細図である。 本発明の実施の形態５の物理量測定装置において、送受信アンテナをパッチアンテナとし、パッチアンテナの周囲にマッシュルーム構造の電磁波遮断構造をさらに備えた第１の例の詳細図である。 本発明の実施の形態５の物理量測定装置において、送受信アンテナをパッチアンテナとし、パッチアンテナの周囲にマッシュルーム構造の電磁波遮断構造をさらに備えた第２の例の詳細図である。

符号の説明

１０ 送受信アンテナ（アンテナ放射素子）、２０ 共振周波数測定手段、３０ 共振周波数記憶部、４０ 変化分計算手段、５０ 情報データ記憶部、５１ 情報データ記憶部、６１ パッチ導体、６２ 誘電体基板、６３ 給電点、６４ 給電線路、６５ 地導体、６６ 第１金属板、６７ 第１接続導体、７０ ショートスタブ形成部、９１ 第２金属板、９２ 第２接続導体、９３ マッシュルーム構造（電磁波遮断構造）。

Claims (9)

1. 所望の物理量が変化する被測定材料と密接し、前記被測定材料に電磁波を送信して反射電磁波を受信するアンテナ放射素子と、
   前記アンテナ放射素子の共振周波数を測定する共振周波数測定手段と、
   前記共振周波数測定手段によって測定される共振周波数を記憶する共振周波数記憶部と
   前記共振周波数記憶部に記憶された変化前の共振周波数と変化後の共振周波数から被測定材料の所望の物理量の変化分を計算する変化分計算手段と
   を備えることを特徴とする物理量測定装置。
2. 請求項１に記載の物理量測定装置において、
   所定の共振周波数からの変化分と前記所望の物理量の変化分とを関連付ける情報データがあらかじめ記憶された情報データ記憶部をさらに備え、
   前記変化分計算手段は、前記共振周波数記憶部に記憶された変化前の共振周波数と変化後の共振周波数、および前記情報データ記憶部に記憶された前記情報データに基づいて、共振周波数の変化分に対応する被測定材料の所望の物理量の変化分を計算する
   ことを特徴とする物理量測定装置。
3. 請求項２に記載の物理量測定装置において、
   前記情報データ記憶部は、所定の共振周波数と前記所望の物理量に相当する比誘電率の変化分とを関連付ける情報データがあらかじめ記憶されており、
   前記変化分計算手段は、前記共振周波数記憶部に記憶された変化前の共振周波数と変化後の共振周波数、および前記情報データ記憶部に記憶された前記情報データに基づいて、共振周波数の変化分に対応する前記比誘電率の変化分を計算する
   ことを特徴とする物理量測定装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の物理量測定装置において、
   前記被測定材料と密接することで前記アンテナ放射素子から送信される電磁波を遮断し、前記アンテナ放射素子の周囲を囲むように配置された電磁波遮断構造をさらに備えることを特徴とする物理量測定装置。
5. 請求項４に記載の物理量測定装置において、
   前記電磁波遮断構造は、誘電体基板と、前記誘電体基板の一方の面に前記アンテナ放射素子を囲むように形成された枠状導体と、前記誘電体基板の他方の面に形成された地導体と、前記枠状導体と前記地導体を接続するように設けられた接続導体とから構成され、
   前記接続導体は、前記アンテナ放射素子を囲むように列状に複数設けられる
   ことを特徴とする物理量測定装置。
6. 請求項５に記載の物理量測定装置において、
   前記接続導体は、前記アンテナ放射素子に対向する前記枠状導体の端部から前記接続導体までの距離が、前記アンテナ放射素子から送信される電磁波の、前記誘電体基板内における波長の１／４の奇数倍となるように配置されることを特徴とする物理量測定装置。
7. 請求項５または６に記載の物理量測定装置において、
   前記枠状導体は、前記アンテナ放射素子を囲むように多重に設けられることを特徴とする物理量測定装置。
8. 請求項４に記載の物理量測定装置において、
   前記電磁波遮断構造は、誘電体基板と、前記誘電体基板の一方の面に形成されたパッチ導体と、前記誘電体基板の他方の面に形成された地導体と、前記パッチ導体と前記地導体を接続するように設けられた接続導体とからなる単位構造を、周期的に配列することにより構成されることを特徴とする物理量測定装置。
9. 請求項８に記載の物理量測定装置において、
   前記周期的に配列された前記単位構造のそれぞれは、前記アンテナ放射素子から送信される電磁波の偏波方向と平行となるように配列されることを特徴とする物理量測定装置。

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