JP2014098639A - 接触式内部温度計 - Google Patents

Abstract

【課題】接触式内部温度計において、迅速でかつ連続の測定を可能とする。
【解決手段】本発明に係る接触式内部温度計１００は、第１の温度センサと第１の熱抵抗体が積層され、測定面２０に熱的に結合される第１の温度センサ積層体３１と、第２の温度センサと第２の熱抵抗体が積層され、測定面２０に熱的に結合される第２の温度センサ積層体４１と、環境温度を測定する環境温度センサ５０と、非定常状態における複数の測定結果から、前記第１の温度センサの定常状態における第１の予測温度及び前記第２の温度センサの定常状態における第２の予測温度を予測し、前記第１の予測温度、前記第２の予測温度及び前記環境温度より定常状態における前記第１の熱抵抗体の第３の予測温度及び前記第２の熱抵抗体の第４の予測温度を算出し、これら第１乃至第４の予測温度に基づいて測定対象物の内部温度を算出するコントローラと、を有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、接触式内部温度計に関する。

様々な状況において、測定対象物の表面温度ではなく、その内部温度を迅速・正確かつ簡便（すなわち、非侵襲）に測定したいとの要求が存在している。そのような要求の代表的なものとして、人体を含む生体の体温測定が挙げられる。しかしながら、生体の内部温度（深部体温などと称されることもある）、すなわち、血流により概ね恒温に保たれていると考えられる程度の生体内部の温度を測定するのは通常困難である。測定対象が人体の場合、一般的には、舌下や脇の下など熱が外部に逃げにくい場所に温度計を保持し、温度計と人体とが熱平衡状態となってからの温度計の読みを体温として採用することが多いが、熱平衡状態が得られるまでに５分から１０分程度と長時間を要し、また得られる体温は必ずしもその内部温度と一致するとは限らない。このため、かかる方式は、乳幼児やある種の傷病患者等、長時間の体温測定が困難な対象への適用が困難な場合があり、また、精密な体温管理を行うに足る精度の高い体温を得るのは難しい。

そこで、人体の内部温度を迅速・正確に測定するための温度計として、体表面に接触する第１の温度センサと、第１の温度センサに対し断熱材を挟んで配置される第２の温度センサからなるセンサの組を用いて、各温度センサにおける温度測定結果から内部温度を求めるものが提案されている。

例えば、特許文献１には、１組のセンサの対を用いて、非定常状態において熱伝達方程式を数学的に解くことにより、測定対象物の内部温度を予測する高速精密温度測定装置が記載されている。

また、特許文献２には、２組のセンサの組を用い、第２の温度センサ（中間センサ）と外気との間にさらに断熱材を配置し、各センサの組を通過する熱流束の値を異なるものとした体温計が開示されている。同文献記載の体温計では、定常状態における各センサの出力から測定対象物の内部温度を算出する。

特許第３９３５９１５号公報 特許第４６００１７０号公報

上述の特許文献１のように、１組のセンサの組を用いて非定常状態で内部温度を予測する方法では、確かに短時間での測定が可能であるものの、例えば一度測定を行った直後など、センサの組が十分に昇温している状況で続けざまに測定を行おうとすると、センサの組が定常状態に達してしまい、測定を行い得なくなる場合がある。このようなときには、センサの組が自然放熱により十分に温度が下がるまで長時間待たなければならなかった。

一方、特許文献２のように、定常状態で内部温度を算出する方法では、連続での測定には特段の支障はないものの、最初（例えば、体温計が室温にある場合など）の測定においては、センサの組が定常状態となるまで相当の時間を有するため、迅速な測定は難しい。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、接触式内部温度計において、迅速でかつ連続の測定を可能とすることである。

なお、ここまでの記載は接触式内部温度計の代表的な例として人体の内部温度を測定する体温計について主に説明したが、本発明が対象とする接触式内部温度計はこれに限定されるものでなく、生物・無生物問わず非侵襲にてその内部温度を測定する必要があるいかなる測定対象物にも適用可能である。

上記課題を解決すべく本出願において開示される発明は種々の側面を有しており、それら側面の代表的なものの概要は以下のとおりである。

（１）測定対象物の内部温度を算出するため前記測定対象物の被測定面に接触させる測定面と、第１の温度センサと第１の熱抵抗体が積層され、前記測定面に前記第１の温度センサ又は前記第１の熱抵抗体が熱的に結合される第１の温度センサ積層体と、第２の温度センサと第２の熱抵抗体が積層され、前記測定面に前記第２の温度センサ又は前記第２の熱抵抗体が熱的に結合される第２の温度センサ積層体と、前記第１の温度センサ積層体及び前記第２の温度センサ積層体がおかれた環境温度を測定する環境温度センサと、前記第１の温度センサ及び前記第２の温度センサの定常状態における予測温度並びに前記環境温度センサにより測定された環境温度に基づいて前記測定対象物の内部温度を算出するコントローラであって、前記第１の温度センサの非定常状態における複数の測定結果から、前記第１の温度センサの定常状態における第１の予測温度を予測し、前記第２の温度センサの非定常状態における複数の測定結果から、前記第２の温度センサの定常状態における第２の予測温度を予測し、前記第１の予測温度及び前記環境温度より定常状態における前記第１の熱抵抗体の温度である第３の予測温度を算出し、前記第２の予測温度及び前記環境温度より定常状態における前記第２の熱抵抗体の温度である第４の予測温度を算出し、前記第１の予測温度、前記第２の予測温度、前記第３の予測温度及び前記第４の予測温度に基づいて前記内部温度を算出するコントローラと、を有する接触式内部温度計。

（２）（１）において、前記第１の熱抵抗体は前記測定面に熱的に結合された第３の温度センサであり、前記第２の熱抵抗体は前記測定面に熱的に結合された第４の温度センサである接触式内部温度計。

（３）（１）又は（２）において、前記第３の予測温度は、前記第１の温度センサ積層体に依存する定数Ｃ_１に関する下記数１により算出し、前記第４の予測温度は、前記第２の温度センサ積層体に依存する定数Ｃ_１に関する下記数２により算出する接触式内部温度計。

ただし、Ｔ_ｃ１は前記第１の予測温度、Ｔ_ｃ２は前記第２の予測温度、Ｔ_ｃ３は前記第３の予測温度、Ｔ_ｃ４は前記第４の予測温度、Ｔ_ｅは前記環境温度である。

（４）（２）の接触式内部温度計において、前記第３の予測温度及び前記第４の予測温度を算出する際に用いる定数Ｃ_１及びＣ_２を求める方法であって、

より定数Ｃ_１及びＣ_２を求める方法。ただし、Ｔ_ｃ１は定常状態において前記第１の温度センサにより測定された温度、Ｔ_ｃ２は定常状態において前記第２の温度センサにより測定された温度、Ｔ_ｃ３は定常状態において前記第３の温度センサにより測定された温度、Ｔ_ｃ４は定常状態において前記第４の温度センサにより測定された温度、Ｔ_ｅは前記環境温度である。

（５）（２）又は（３）において、前記コントローラは、前記第１の温度センサ積層体及び前記第２の温度センサ積層体が定常状態にあることを検出した場合、前記第１の温度センサにより測定された温度、前記第２の温度センサにより測定された温度、前記第３の温度センサにより測定された温度、及び前記第４の温度センサにより測定された温度に基づいて前記内部温度を算出する接触式内部温度計。

（６）（１）乃至（３）及び（５）のいずれかにおいて、前記コントローラは、前記第１の温度センサの非定常状態における温度Ｔ_１及び前記第２の温度センサの非定常状態における温度Ｔ_２の温度変化が次の式：

に従うものとして、複数の測定結果から定数Ａ_１、Ｂ_１、Ａ_２及びＢ_２を求め、ｔに任意の値又は∞を代入することにより前記第１の予測温度及び前記第２の予測温度を予測する接触式内部温度計。ただし、ｔは時間、Ｔ_ｅは前記環境温度である。

（７）（１）乃至（３）、（５）及び（６）のいずれかにおいて、前記第１の温度センサ積層体、前記第２の温度センサ積層体及び前記環境温度センサが配置される空間を換気する換気機構を有する接触式内部温度計。

上記（１）又は（２）の側面によれば、接触式内部体温計において、迅速でかつ連続の測定が可能となる。

上記（３）又は（４）の側面によれば、温度を予測する際に用いる定数を温度センサ積層体の個体ごとに校正でき、製造時誤差を排除した精度の高い測定が可能となる。

上記（５）の側面によれば、温度センサ積層体が定常状態となった場合にも、定常状態における熱伝導方程式に基づいて正しく内部温度を算出できる。

上記（６）の側面によれば、非定常状態における複数の温度測定結果から、定常状態における温度を予測できる。

上記（７）の側面によれば、環境温度の変動による影響を排除し、精度の高い測定が可能となる。

本発明の実施形態に係る接触式内部温度計を背面側から見た外観図である。 本発明の実施形態に係る接触式内部温度計を測定面側から見た外観図である。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線による接触式内部温度計の概略断面図である。 図３における測定ヘッド近傍の拡大断面図である。 接触式内部温度計の温度測定部の概略の回路図である。 第１の温度センサの温度を測定する際のコンデンサの充電電圧の変化を示すグラフである。 第１の温度センサ積層体と第２の温度センサ積層体の変形例を示す図である。 第１の温度センサ積層体と第２の温度センサ積層体の別の変形例を示す図である。 環境温度センサの固定方法の例を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る接触式内部温度計１００を背面側から見た外観図、図２は同実施形態に係る接触式内部温度計１００を測定面側から見た外観図である。なお、本明細書にて接触式内部温度計とは、温度計であって、測定対象表面に接触させることにより内部温度を測定する温度計を意味している。また、内部温度とは、測定対象の表面温度でなく、その内部であって、実質的に恒温熱源と考えられる部位の温度を意味している。ここで、実質的に恒温熱源と考えられるとは、測定対象内部の熱容量が大きい場合や、測定対象内部に常に熱が供給される結果、接触式内部温度計による測定がその温度に実用上の影響を及ぼさないと考えられることを意味している。たとえば、測定対象が生体である場合には、血流により体幹より常に熱が供給されることとなるので、後者に該当する。

本実施形態で示す接触式内部温度計１００は、図示の通り携帯式であり、ケース１の先端に測定ヘッド２が取り付けられている。測定ヘッド２はケース１から突き出すように設けられており、その先端はおおむね平坦な測定面２０となっている。そして、かかる測定面２０を測定対象物の被測定面、例えば皮膚に接触させることによりその内部温度を計測する。測定面２０の表面には、略円形の第１のプローブ３０及び第２のプローブ４０が図２に示すように、接触式内部温度計１００の長手方向に沿って直列に配置されている。なお、これら第１のプローブ３０及び第２のプローブ４０の配置は任意であり、その配置方向は必ずしも接触式内部温度計１００の長手方向に沿ったものでなくともよい。

ケース１の測定面２０の反対側の面である背面１０には、ランプ１１、表示部１２、ブザー１３が設けられている。以降、本明細書では、測定面２０が向く方向を測定面側、その反対方向である背面が向く方向を背面側と称する。また、ケース１は長く伸び丸みを帯びた形状をしており、使用者が手に持つグリップ１４を形成している。図２に見られるように、ケース１のグリップ１４の測定面側には電池蓋１５が設けられ、内部に接触式内部温度計１００の電源となる電池を収容するようになっている。また、ケース１の適宜の位置、ここでは図２に示した位置に吸気穴１６が、測定ヘッド２の側面に排気穴２１が設けられ、それぞれの内部空間が外気と連通するようになされている。ケース１と測定ヘッド２は、支持環５により接続されている。

なお、図１及び図２に示した接触式内部温度計１００のデザインは一例である。かかるデザインは、その主たる用途や市場性等を考慮の上適宜変更して差し支えない。また、各構成部品の配置は、その機能を損なわない範囲で任意に選択してよい。

図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線による接触式内部温度計１００の概略断面図である。ケース１は、好ましくはＡＢＳ樹脂等任意の合成樹脂製の中空の成形品であり、接触式内部温度計１００を構成する各種部品をその内部に一体に収容する。グリップ１４内には、電池６及び回路基板１７が収容されている。回路基板１７上には、その上に図示しないコントローラをはじめとする各種の電子部品が実装されており、電池６からの電力供給を受けて、電力を必要とする全ての部品への電力を供給するとともにその動作を制御している。電池６は、図示のものは市販の単４型（米国ではＡＡＡと称される）乾電池であるが、その形式は任意のものであってよく、ボタン型、角型等の形状や、１次電池・２次電池の別も任意であってよい。なお、各部品と回路基板１７とを電気的に接続する配線は、図示が煩雑となるため省略している。

ランプ１１は、好ましくは多色発光可能な発光ダイオードであり、接触式内部温度計１００の状態を使用者に通知するために点灯するものである。表示部１２は、本実施形態では液晶表示装置であり、接触式内部温度計１００の測定結果を図１に示すような態様で使用者に通知するためのものである。もちろん、表示部１２にはこのほかにも任意の情報、例えば、電池６の残量等を表示するようにしてよい。あるいは、接触式内部温度計１００の状態を併せて表示するようにして、ランプ１１を省略してもよい。ブザー１３は、本実施形態では一般的な電子ブザーであり、ビープ音により接触式内部温度計１００の状態を使用者に通知するためのものである。なお、ブザー１３の形式も又任意であり、スピーカを備えるようにして、音声あるいはメロディ等による通知をするようにしてもよい。あるいは、ランプ１１及び／又は表示部１２による通知のみとして、ブザー１３を省略してもよい。

また、ケース１内部には隔壁１８が設けられており、ケース１内部をグリップ空間１９ａとヘッド空間１９ｂとに仕切っている。隔壁１８には開口が設けられており、かかる開口を塞ぐようにブロア７が取り付けられている。ブロア７の機能については後述する。

ケース１の先端部には、支持環５を介して測定ヘッド２が取り付けられる。支持環５は、好ましくはシリコンゴム或いはその発泡体等の弾力を有し且つ断熱性に優れた材料で形成され、測定ヘッド２のケース１に対する若干の動きを許容するとともに、測定ヘッド２からケース１への伝熱を遮断するようになっている。これは、測定面２０を測定対象物に接触させる際に、測定面２０が確実に測定対象物に密着するようにするためと、測定ヘッド２からケース１へと熱が流出することによる測定誤差の発生を防止するためである。しかしながら、支持環５は必須の構成でなく、測定面２０と測定対象物との密着に問題がなく、また測定ヘッド２が十分に熱伝導率の低い材質であり実用上問題ない場合には、これを省略し、測定ヘッド２を直接ケース１に固定する又は両者を一体に形成するなどしてもよい。また、支持環５の形状も環状に限定されるものでなく、任意の形状のものを用いてよい。

測定ヘッド２は、形状が安定しており、熱伝導率が低く、かつ比熱の小さい材質で形成することが好ましく、例えば、硬質発泡ウレタンや硬質発泡塩化ビニルが好適に用いられる。しかしながら、この点についても実用上の問題がなければ材質は特に限定されるものでなく、任意でよい。

測定ヘッド２の測定面２０には第１のプローブ３０及び第２のプローブ４０に対応する位置にそれぞれ開口が設けられており、各プローブが測定面２０からわずかに突出するように取り付けられている。各プローブは、熱伝導率の高い材質であることが好ましく、本実施形態では金属製である。なお、各プローブの材質は耐腐食性を備えていることが好ましく、金属材料では、アルミニウムやステンレスが好適である。なお、上述の通り、測定ヘッド２自体は熱伝導率が低い材質から構成されるため、第１のプローブ３０及び第２のプローブ４０は、互いに熱的に隔離されることとなる。

第１のプローブ３０の背面側には、第１の温度センサ積層体３１が設けられ、両者は互いに熱的に結合している。また、第２のプローブ４０の背面側には、第２の温度センサ積層体４１が設けられており、両者は互いに熱的に結合している。第１の温度センサ積層体３１及び第２の温度センサ積層体４１の詳細については後述する。なお、温度センサ積層体は、本実施形態では第１の温度センサ積層体３１及び第２の温度センサ積層体４１の２つを設けているが、誤差の分散あるいは故障時のバックアップ目的で、プローブ及び温度センサ積層体を３つ以上設けるようにしてもよい。また、第１の温度センサ積層体３１と第２の温度センサ積層体４１が配置される空間には、第１の温度センサ積層体３１と第２の温度センサ積層体４１がおかれた環境温度を測定する環境温度センサ５０が配置されている。なお、環境温度センサ５０を固定する構造については後述するものとし、同図ではその図示を省略している。

図４は、図３における測定ヘッド２近傍の拡大断面図である。ここでは、図３の支持環５より背面側に位置する部材は図示を省略している。

同図に詳細に示されるように、第１の温度センサ積層体３１は、背面側に配置された第１の温度センサ３１ａと、測定面２０側に配置され、第１のプローブ３０と接触し熱的に結合される第３の温度センサ３１ｂとが積層された構造となっている。第１の温度センサ３１ａと第３の温度センサ３１ｂの間には、熱流路を形成する第１の熱抵抗３１ｃが挟まれている。また、第２の温度センサ積層体４１も第１の温度センサ積層体３１と同様の構造となっており、背面側に配置される第２の温度センサ４１ａと測定面側に配置され、第２のプローブ４０に接触し熱的に結合する第４の温度センサ４１ｂが積層され、その間に第２の熱抵抗４１ｃが挟まれている。従って、測定面２０を測定対象物に接触させると、測定対象物から熱が第１のプローブ３０及び第２のプローブ４０に伝わり、その熱はそれぞれ第１の温度センサ積層体３１については第３の温度センサ３１ｂ、第１の熱抵抗３１ｃ、第１の温度センサ３１ａを順番に通過し、第２の温度センサ積層体４１については第４の温度センサ４１ｂ、第２の熱抵抗４１ｃ、第２の温度センサ４１ａを順番に通過して大気に放散されることになる。

各温度センサの形式は特に限定するものではないが、本実施形態ではサーミスタである。それぞれの温度センサは、回路基板１７（図３参照）に図示しない配線により接続されており、各温度センサにおける温度を測定できるようになっている。

ここで、理解を容易にするため、非定常状態における接触式内部温度計１００の内部温度の測定動作を説明する前に、第１の温度センサ積層体３１及び第２の温度センサ積層体４１が定常状態となった場合における、内部温度の測定方法を説明する。

定常状態は、第１の温度センサ積層体３１及び第２の温度センサ積層体４１の温度変化がなくなった状態であり、被測定面から大気へと、第１の温度センサ積層体３１及び第２の温度センサ積層体４１のそれぞれを通る熱流束が生じている。このとき、内部温度Ｔ_ｂは、第１の温度センサ３１ａにおける定常状態での温度をＴ_ｃ１、第２の温度センサ４１ａにおける定常状態での温度をＴ_ｃ２、第３の温度センサ３１ｂにおける定常状態での温度をＴ_ｃ３、第４の温度センサ４１ｂにおける定常状態での温度をＴ_ｃ４、第１の熱抵抗３１ｃと第２の熱抵抗４１ｃの熱抵抗値の比をＫとすると、次式

により求められる。なお、このとき数７の分母が０とならないよう、熱抵抗３１ｃと熱抵抗４１ｃの熱抵抗値を異なるものとする等の工夫がなされる。

しかしながら、先に述べたように、第１の温度センサ積層体３１及び第２の温度センサ積層体４１が定常状態となるには相当の時間を要する。この時間は、測定対象物の温度や各プローブ、温度センサ積層体の熱容量や材質によって異なるため一概に言えないが、現時点で通常の手段により入手できる小型のサーミスタを温度センサとして用い、測定対象物を人体とした場合、概ね６０秒から１００秒程度以上の時間が必要である。

そこで、測定時間を短縮するため、第１の温度センサ３１ａ、第２の温度センサ４１ａ、第３の温度センサ３１ｂ及び第４の温度センサ４１ｂの定常状態での温度Ｔ_ｃ１、Ｔ_ｃ２、Ｔ_ｃ３及びＴ_ｃ４を、非定常状態における過渡的な温度変化に基づいて予測することを考える。

４つの温度センサのうち、代表として第１の温度センサ３１ａについて熱収支方程式を考えると、次のようになる。

ここで、ｃ_１、ρ_１、Ｖ_１、Ｔ_１及びＳ_１はそれぞれ、第１の温度センサ３１ａの密度、比熱、体積、温度及び放熱面積であり、ｔは時間である。

この数８の微分方程式の一般解はＡ_１、Ｂ_１を定数として次の形になる。

ここで、異なるｔについて複数回Ｔ_１を測定することにより、定数Ａ_１、Ｂ_１の値を定めることができる。このようにして数９が得られたならば、定常状態における第１の温度センサ３１ａの温度Ｔ_ｃ１は、その温度変化が十分小さくなると考えられる程度の任意の大きな値又は∞をｔに代入することにより予測できる。

第２の温度センサ４１ａ、第３の温度センサ３１ｂ及び第４の温度センサ４１ｂについても同様であり、それらの非定常状態における温度を示す式はそれぞれ、

となる。なお、数９乃至数１２における添字１乃至４はそれぞれ、第１の温度センサ３１ａ乃至第４の温度センサ４１ｂを意味している。また、数９乃至数１２は理論式であるが、これに換えて適宜の実験式を用いるようにしてもよい。

これら数９乃至数１２を用いたＴ_ｃ１乃至Ｔ_ｃ４の予測は、非定常状態における測定結果であるＴ_１乃至Ｔ_４の測定点数を増加させるにつれてその精度が向上するという性質を有している。ところが、Ｔ_１乃至Ｔ_４、すなわち、第１の温度センサ３１ａ乃至第４の温度センサ４１ｂの温度の測定は、単一のコントローラを用いる限り、同時に実行することができず、順番に実行せざるを得ない。さらに、第１の温度センサ３１ａ乃至第４の温度センサ４１ｂに加え、基準抵抗の抵抗値を測定する必要があるため、測定に要する時間は、１点の測定に要する時間に、温度センサの数に基準抵抗の分の１を加えた数（＝５）と、繰り返し測定回数を乗じたものとなる。例えば１点の測定当たり０．３ｓの時間を要し、繰り返し測定回数を１０回とすると、
０．３［ｓ］×５×１０＝１５［ｓ］
となり、測定には１５秒を要することとなってしまう。

この理由を図５及び図６を用いて簡単に説明する。図５は、接触式内部温度計１００の温度測定部の概略の回路図である。温度測定部は、コントローラ６０に、第１の温度センサ３１ａ乃至第４の温度センサ４１ｂ、環境温度センサ５０、充電時抵抗６１及び、基準抵抗６２を接続したものとなっている。また、各抵抗はコンデンサ６３を介し、接地される。さらに、各抵抗のコンデンサ６３側の配線は、コントローラ６０内部に設けられたコンパレータ６４に接続される。充電時抵抗６１はＦＥＴ６５を介して電源電圧Ｖｃｃに、また、第１の温度センサ３１ａ乃至第４の温度センサ４１ｂ、環境温度センサ５０及び充電時抵抗６１はそれぞれＦＥＴ６６を介して接地される。ＦＥＴ６５のオン／オフは充電信号ＣＳにより、ＦＥＴ６６のオン／オフは個別に放電信号ＤＳにより制御される。コンパレータ６４には、電源電圧Ｖｃｃより低い値である参照電圧Ｖｒｅｆが入力される。コンパレータ６４からの出力は、タイマカウンタ６７に入力される。

図５の回路により、代表として第１の温度センサ３１ａの温度を測定するときを考える。図６は、第１の温度センサ３１ａの温度を測定する際のコンデンサ６３の充電電圧（すなわち、コンパレータ６４に入力される電圧）の変化を示すグラフである。同グラフの縦軸は電圧Ｖ、横軸は時間ｔである。

まず、時刻ｔ_０において充電信号ＣＳにより、ＦＥＴ６５をオンとする。このとき、放電信号ＤＳにより、ＦＥＴ６６は全てオフとされているため、コンデンサ６３は電源電圧Ｖｃｃまで充電される。なお、このとき用いる充電時抵抗６１の抵抗値は、基準抵抗６２や各温度センサの抵抗値より十分低いものとされており、コンデンサ６３への充電が速やかに行われる。

時刻ｔ_１で、充電信号ＣＳによりＦＥＴ６５をオフとし、放電信号ＤＳにより、第１の温度センサ３１ａに接続されたＦＥＴ６６のみをオンとしてコンデンサ６３に蓄積された電気を放電する。これにより、充電電圧は図６に示したように降下し、参照電圧Ｖｒｅｆを下回った時点でコンパレータ６４の出力が反転する。

このときの放電速度は第１の温度センサ３１ａの抵抗値により変化するので、放電を開始した時刻ｔ_１からコンパレータ６４の出力が反転する時刻ｔ_２までの放電時間Δｔをタイマカウンタ６７により計測する。測定時誤差を排除するため、同様の計測を所定の回数、例えば１５回行い平均値をとる等して、第１の温度センサ３１ａについての放電時間Δｔ_１が得られる。この計測に要する時間は、例えば充電におよそ１０ｍｓ、放電におよそ１０ｍｓが必要であり、計測の繰り返し数が１５回であれば３００ｍｓを要することとなる。

同様の計測を温度依存のない基準抵抗６２に対して行い、基準抵抗６２についての放電時間Δｔ_ｒｅｆを測定すると、第１の温度センサ３１ａの抵抗値Ｒ_１は、基準抵抗６２の抵抗値Ｒ_ｒｅｆを用いて、

として求められ、このＲ_１より現在の第１の温度センサ３１ａの温度測定値Ｔ_１が得られる。

他の温度センサについても、測定の精度を担保するため、第１の温度センサ３１ａと共通の基準抵抗６２、共通のコンデンサ６３を用いなければならず、そのため、複数の温度センサによる計測を並列で同時に実行することはできない。

そこで、本実施形態の接触式内部温度計１００では、第１の温度センサ積層体３１の温度センサのいずれか一方（すなわち、第１の温度センサ３１ａ又は第３の温度センサ３１ｂ）、第２の温度センサ積層体４１の温度センサのいずれか一方（すなわち、第２の温度センサ４１ａ又は第４の温度センサ４１ｂ）に加え、環境温度センサ５０による計測のみで内部温度Ｔ_ｂを測定するようにしている。このようにすれば、測定に要する時間は、計測に係る温度センサの数に基準抵抗の分の１を加えた数（＝３）と繰り返し測定回数の積に、さらに環境温度センサ５０の測定回数である１を加え、１点の測定に要する時間に乗じたものとなる。先ほどの例と同様に１点の測定に要する時間を０．３ｓとし、繰り返し測定回数を１０回とすると、
０．３［ｓ］×（３×１０＋１）＝９．３［ｓ］
となり、測定時間は９．３秒で済むことになる。なお、環境温度センサ５０はすでに定常状態にあると考えられるため、繰り返しの測定は不要である。

この測定の原理を説明する。発明者の知見によれば、定常状態において、第１の温度センサ積層体３１及び第２の温度センサ積層体４１それぞれについて、Ｃ_１及びＣ_２を定数としたときに次の関係が成り立っている。

このことは、定数Ｃ_１が既知であれば、定常状態における第１の温度センサ３１ａの温度Ｔ_ｃ１及び第３の温度センサ３１ｂの温度Ｔ_ｃ３のいずれか一方と環境温度Ｔ_ｅを測定することにより、第１の温度センサ３１ａの温度Ｔ_ｃ１及び第３の温度センサ３１ｂの温度Ｔ_ｃ３の他方は測定することなく数１４により算出でき、同様に、定数Ｃ_２が既知であれば、定常状態における第２の温度センサ４１ａの温度Ｔ_ｃ２及び第４の温度センサ４１ｂの温度Ｔ_ｃ４のいずれか一方と環境温度Ｔ_ｅを測定することにより、第２の温度センサ４１ａの温度Ｔ_ｃ２及び第４の温度センサ４１ｂの温度Ｔ_ｃ４の他方は測定することなく数１５により算出できる、ということを意味している。

したがって、接触式内部温度計１００のコントローラにあらかじめＣ_１及びＣ_２を記憶させておくことにより、第１の温度センサ３１ａ及び第３の温度センサ３１ｂのいずれか一方並びに第２の温度センサ４１ａ及び第４の温度センサ４１ｂのいずれか一方における測定を省略できるのである。

本実施形態に係る接触式内部温度計１００では、非定常状態において、第１の温度センサ３１ａ及び第２の温度センサ４１ａにおける温度の計測を行うものとしている。すなわち、コントローラは、次のように動作することにより、内部温度Ｔ_ｂを算出し測定する。
ステップ１：非定常状態において、第１の温度センサ３１ａの温度を複数回、例えば１０回測定し、その結果から数９を用いて定常状態における第１の温度センサ３１ａの温度である第１の予測温度Ｔ_ｃ１を予測する。
ステップ２：非定常状態において、第２の温度センサ４１ａの温度を複数回、例えば１０回測定し、その結果から数１０を用いて定常状態における第２の温度センサ４１ａの温度である第２の予測温度Ｔ_ｃ２を予測する。
ステップ３：定常状態にある環境温度センサにより環境温度Ｔ_ｅを測定する。
ステップ４：数１４より定常状態における第１の熱抵抗体の温度である第３の予測温度Ｔ_ｃ３を算出する。
ステップ５：数１５より定常状態における第２の熱抵抗体の温度である第４の予測温度Ｔ_ｃ４を算出する。
ステップ６：数７より、内部温度Ｔ_ｂを算出する。

以上の説明より明らかなように、接触式内部温度計１００の非定常状態における内部温度の測定においては、第３の温度センサ３１ｂ及び第４の温度センサ４１ｂは、温度センサとしては機能しておらず、単なる熱抵抗体である（これをそれぞれ、第１の熱抵抗体及び第２の熱抵抗体と呼びかえてもよい）。このことは、前述の数１４及び数１５における定数Ｃ_１及びＣ_２の値が既知であれば、第１の熱抵抗体及び第２の熱抵抗体をサーミスタ等の温度センサとする必要はなく、適宜の材料を用いた単なる熱抵抗体であってもよいということを意味している。

例えば、図７に示すように、第１の温度センサ積層体３１を第１の温度センサ３１ａと第１の熱抵抗体３１ｄを積層したものとし、第１の熱抵抗体３１ｄを第１のプローブ３０と熱的に結合させ、第２の温度センサ積層体４１を第２の温度センサ４１ａと第２の熱抵抗体４１ｄを積層したものとし、第２の熱抵抗体４１ｄを第２のプローブ４０と熱的に結合させたものとしてもよい。或いは、図８に示すように、第１の温度センサ３１ａを第１のプローブ３０と熱的に結合させ、第２の温度センサ４１ａを第２のプローブ４０と熱的に結合させるようにしてもよい。図７に示した第１の温度センサ積層体３１と、図８に示した第２の温度センサ積層体４１を組み合わせても、その逆に、図７に示した第２の温度センサ積層体４１と、図８に示した第１の温度センサ積層体３１を組み合わせてもよい。

しかしながら、図７及び図８に示した構造は、定数Ｃ_１及びＣ_２の値が事前に十分な精度で確定でき、また温度センサ積層体を製造した際の個体ごとの定数Ｃ_１及びＣ_２の値のばらつきが実用上問題ない範囲に収まる状況において採用すべきものである。接触式内部温度計１００に要求される内部温度の測定精度が高く、温度センサ積層体の個体ごとの特性の差異を考慮すべきである場合には、図４に示したように、第３の温度センサ３１ｂ及び第４の温度センサ４１ｂを用いる構成を採用するとよい。

この理由は、第３の温度センサ３１ｂ及び第４の温度センサ４１ｂにおける測定結果を使用することにより、定数Ｃ_１及びＣ_２の値の校正ができるからである。すなわち、接触式内部温度計１００の測定面２０を任意の恒温熱源に接触させた状態で、第１の温度センサ積層体３１及び第２の温度センサ積層体４１の温度変化がない定常状態となるのを待ち、その後、第１の温度センサ３１ａの温度Ｔ_ｃ１、第２の温度センサ４１ａの温度Ｔ_ｃ２、第３の温度センサ３１ｂの温度Ｔ_ｃ３、第４の温度センサ４１ｂの温度Ｔ_ｃ４及び、環境温度Ｔ_ｅを測定し、前述の数１４及び数１５に代入することにより、定数Ｃ_１及びＣ_２の値を正確に求めることができるのである。コントローラには、新たに得られたＣ_１及びＣ_２の値を記憶させる。これにより、温度センサ積層体の個体ごとの特性を反映させ、より正確な内部温度の測定結果が得られるようになる。

なお、この定数Ｃ_１及びＣ_２の値の校正は、温度センサ積層体の個体ごとの特性を反映させる目的で、接触式内部温度計１００の製造時に行うほか、他の任意のタイミングで行ってもよい。例えば、温度センサ積層体の経年劣化等に伴う特性の変化を反映させるため、あらかじめ定められた期間ごと或いは測定回数ごとに行ってもよいし、周辺環境（例えば気温）の変化を反映させるため季節毎に行う等してもよい。そのため、コントローラは、使用者からの指示等に従い、前述した定数Ｃ_１及びＣ_２の値の校正動作を行うようになっていてもよい。

また、図４に示す第３の温度センサ３１ｂ及び第４の温度センサ４１ｂを用いる構成であれば、第１の温度センサ積層体３１及び第２の温度センサ積層体４１が定常状態になっている場合には、数７により、各温度センサの測定結果から直接内部温度Ｔ_ｂを算出することができる。したがって、コントローラは、第１の温度センサ積層体３１及び第２の温度センサ積層体４１が定常状態であることを検出したならば、数１４及び数１５を用いることなく数７より内部温度Ｔ_ｂを算出するようになっていてよい。定常状態の検出は、第１の温度センサ３１ａの温度Ｔ_１及び第２の温度センサ４１ａの温度Ｔ_２を一定時間ごとに測定し、温度変化があらかじめ定められた閾値以下であることによりおこなってよい。なお、この温度Ｔ_１及び温度Ｔ_２の一定時間ごとの測定は、数９及び数１０による温度Ｔ_ｃ１及び温度Ｔ_ｃ２の予測のために行う測定と兼ねてよい。

続いて、環境温度センサ５０を固定する構造について述べる。環境温度センサ５０は、図３に示すように、第１の温度センサ積層体３１及び第２の温度センサ積層体４１がおかれる環境温度を測定するものであり、その配置や個数は特に限定されない。例えば、環境温度センサ５０の個数を１つとして、第１の温度センサ積層体３１及び第２の温度センサ積層体４１とは独立にＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｐｒｉｎｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔｓ）上に設け、回路基板１７に接続するとともに、環境温度センサ５０を例えば測定ヘッド２に設けた適宜の支持構造上に固定する等してもよい。

あるいは、図９に示すように、第１の温度センサ３１ａ及び第３の温度センサ３１ｂを両面に実装し、第１の温度センサ積層体３１を構成しているＦＰＣ３１ｅの延長部分の途中に環境温度センサ５０を実装するようにしてもよい。ＦＰＣ３１ｅの延長部分は、さらに回路基板１７まで延びて接続される。もちろん、環境温度センサ５０は、第２の温度センサ積層体４１の側に設けてもよい。或いは、第１の温度センサ積層体３１の側と第２の温度センサ積層体４１の側の両方に設けてもよい。その場合には、環境温度Ｔ_ｅは、２つの環境温度センサ５０のいずれか片方の測定結果を用いるか、若しくは両方の測定結果の平均値を用いるかして測定するとよい。

続いて、本実施形態に係る接触式内部温度計１００を用いて内部温度を測定する手順、すなわち測温動作の手順を図１乃至４を参照しつつ説明する。

手順１：接触式内部温度計１００の測定面２０を測定対象物に接触させる。

手順２：回路基板１７に搭載されたコントローラにより、測温動作が開始される。なお、この測温動作の開始は、第１の温度センサ３１ａ又は第２の温度センサ４１ａ或いはその両方により測定される温度の上昇を検知することにより自動的に行ってもよいし、図示しない押ボタン等のスイッチを使用者が操作することにより行ってもよい。このとき、コントローラはブザー１３によるビープ音により測定を開始したことを使用者に通知する。同時に、ランプ１１を任意の色、例えば赤色に点灯し、使用者に測定面２０を測定対象物に接触させたまま維持するよう促す。また、このとき、コントローラは、ブロア７を作動させ、ヘッド空間１９ｂを換気する。この動作により、第１の温度センサ積層体３１及び第２の温度センサ積層体４１を通過してヘッド空間１９ｂ内の空気に伝達された熱によりヘッド空間１９ｂ内の気温が上昇することによる環境温度の変動を防止する。

手順３：コントローラは、前述した方法により測定対象物の内部温度Ｔ_ｂを算出し、図１に示したように表示部１２に表示する。また、ブザー１３によるビープ音の発生、並びに、ランプ１１を先ほどの色とは異なる任意の色、例えば緑色に点灯することにより、使用者に測定が終了したことを通知する。なお、算出された内部温度Ｔ_ｂは、本実施形態では表示部１２に表示することにより使用者に通知することとしているが、これに限られず、接触式内部温度計１００に設けたメモリに蓄積したり、接触式内部温度計１００の外部の機器に有線又は無線にて出力したりしてもよい。この場合には、表示部１２は必ずしも必須の構成ではない。また、算出された内部温度Ｔ_ｂを表示する際に、かかる内部温度Ｔ_ｂが非定常状態における測定により得られたのか、定常状態における測定により得られたのかを示すようにしてもよい。

なお、以上の説明では、使用者への測定開始及び測定終了の各種通知をいずれもブザー１３によるビープ音及びランプ１１の点灯により行ったが、これらの通知の方法はここで例示したものに限定されない。特に、ビープ音についてはこれを省略し、或いは使用者の設定によりこれを発声しないこととしてもよい。音声を用いず、ランプ１１の点灯のみにより使用者に各種の通知を行うようにすると、例えば測定対象が就寝中の乳児である場合に、乳児の睡眠を妨げることなく測定が可能である等好ましい場合がある。もちろん、ランプ１１の点灯をどのようにするか、例えば発光色をどのように選択するかは任意である。また、発色光によらず、ランプ１１を点滅させたり、発光光の強度を変化させたり、あるいはランプ１１を複数設けておき、その点灯数や位置を違えることにより使用者に各種通知を行うようにしてもよい。さらに前述したように、ランプ１１でなく、表示部１２により使用者に各種通知を行ってもよい。

なお、以上の説明では、コントローラはブロア７を測温動作中に作動させるものとしているが、これに換え、例えば測温動作の終了ごとに一定時間動作させる等してもよい。本実施形態では、ブロア７は図１のグリップ空間１９ａからヘッド空間１９ｂへと流れる気流を発生させる。そのため、ブロア７により誘起される空気の流れは、図中矢印に示すように、吸気穴１６から吸い込まれ、ブロア７を通過し、第１の温度センサ積層体３１及び第２の温度センサ積層体４１の近傍を通過して排気穴２１から排出されるものとなる。従って、本実施形態のブロア７、吸気穴１６及び排気穴２１は協働してヘッド空間１９ｂを換気する換気機構を構成することになる。

なお、換気機構の構成はどのようなものであってもよく、ブロア７、吸気穴１６及び排気穴２１の配置は任意である。また、吸排気の向きを逆にしてもよい。また、ブロア７の形式は特に限定されず、一般的なファンであってもよいし、圧電素子を利用したマイクロブロアであってもよい。あるいは、換気性能に問題がなければ、ブロア７を省略し、吸気穴１６及び排気穴２１のみにより換気機構を構成しても差し支えない。

以上説明した実施形態に示した具体的な構成は例示として示したものであり、本明細書にて開示される発明をこれら具体例の構成そのものに限定するものではない。当業者はこれら開示された実施形態に種々の変形、例えば、各部材あるいはその部分の形状や数、配置等を適宜変更してもよく、本明細書にて開示される発明の技術的範囲は、そのようになされた変形をも含むものと理解すべきである。

１ ケース、２ 測定ヘッド、５ 支持環、６ 電池、７ ブロア、１０ 背面、１１ ランプ、１２ 表示部、１３ ブザー、１４ グリップ、１５ 電池蓋、１６ 吸気穴、１７ 回路基板、１８ 隔壁、１９ａ グリップ空間、１９ｂ ヘッド空間、２０ 測定面、２１ 排気穴、３０ プローブ、３１ 第１の温度センサ積層体、３１ａ 第１の温度センサ、３１ｂ 第３の温度センサ、３１ｃ 第１の熱抵抗、３１ｄ 第１の熱抵抗体、３１ｅ ＦＰＣ、４０ 第２のプローブ、４１ 第２の温度センサ積層体、４１ａ 第２の温度センサ、４１ｂ 第４の温度センサ、４１ｃ 第２の熱抵抗、４１ｄ 第２の熱抵抗体、５０ 環境温度センサ、６０ コントローラ、６１ 充電時抵抗、６２ 基準抵抗、６３ コンデンサ、６４ コンパレータ、６５ ＦＥＴ、６６ ＦＥＴ、６７ タイマカウンタ、１００ 接触式内部温度計。

Claims (7)

1. 測定対象物の内部温度を算出するため前記測定対象物の被測定面に接触させる測定面と、
   第１の温度センサと第１の熱抵抗体が積層され、前記測定面に前記第１の温度センサ又は前記第１の熱抵抗体が熱的に結合される第１の温度センサ積層体と、
   第２の温度センサと第２の熱抵抗体が積層され、前記測定面に前記第２の温度センサ又は前記第２の熱抵抗体が熱的に結合される第２の温度センサ積層体と、
   前記第１の温度センサ積層体及び前記第２の温度センサ積層体がおかれた環境温度を測定する環境温度センサと、
   前記第１の温度センサ及び前記第２の温度センサの定常状態における予測温度並びに前記環境温度センサにより測定された環境温度に基づいて前記測定対象物の内部温度を算出するコントローラであって、
   前記第１の温度センサの非定常状態における複数の測定結果から、前記第１の温度センサの定常状態における第１の予測温度を予測し、
   前記第２の温度センサの非定常状態における複数の測定結果から、前記第２の温度センサの定常状態における第２の予測温度を予測し、
   前記第１の予測温度及び前記環境温度より定常状態における前記第１の熱抵抗体の温度である第３の予測温度を算出し、
   前記第２の予測温度及び前記環境温度より定常状態における前記第２の熱抵抗体の温度である第４の予測温度を算出し、
   前記第１の予測温度、前記第２の予測温度、前記第３の予測温度及び前記第４の予測温度に基づいて前記内部温度を算出するコントローラと、
   を有する接触式内部温度計。
2. 前記第１の熱抵抗体は前記測定面に熱的に結合された第３の温度センサであり、
   前記第２の熱抵抗体は前記測定面に熱的に結合された第４の温度センサである
   請求項１に記載の接触式内部温度計。
3. 前記第３の予測温度は、前記第１の温度センサ積層体に依存する定数Ｃ_１に関する下記数１により算出し、
   前記第４の予測温度は、前記第２の温度センサ積層体に依存する定数Ｃ_１に関する下記数２により算出する請求項１又は２に記載の接触式内部温度計。
   

   

   

   ただし、Ｔ_ｃ１は前記第１の予測温度、Ｔ_ｃ２は前記第２の予測温度、Ｔ_ｃ３は前記第３の予測温度、Ｔ_ｃ４は前記第４の予測温度、Ｔ_ｅは前記環境温度である。
4. 請求項２に記載の接触式内部温度計において、前記第３の予測温度及び前記第４の予測温度を算出する際に用いる定数Ｃ_１及びＣ_２を求める方法であって、
   

   

   

   より定数Ｃ_１及びＣ_２を求める方法。
   ただし、Ｔ_ｃ１は定常状態において前記第１の温度センサにより測定された温度、Ｔ_ｃ２は定常状態において前記第２の温度センサにより測定された温度、Ｔ_ｃ３は定常状態において前記第３の温度センサにより測定された温度、Ｔ_ｃ４は定常状態において前記第４の温度センサにより測定された温度、Ｔ_ｅは前記環境温度である。
5. 前記コントローラは、前記第１の温度センサ積層体及び前記第２の温度センサ積層体が定常状態にあることを検出した場合、前記第１の温度センサにより測定された温度、前記第２の温度センサにより測定された温度、前記第３の温度センサにより測定された温度、及び前記第４の温度センサにより測定された温度に基づいて前記内部温度を算出する請求項２又は３に記載の接触式内部温度計。
6. 前記コントローラは、前記第１の温度センサの非定常状態における温度Ｔ_１及び前記第２の温度センサの非定常状態における温度Ｔ_２の温度変化が次の式：
   

   

   

   に従うものとして、複数の測定結果から定数Ａ_１、Ｂ_１、Ａ_２及びＢ_２を求め、ｔに任意の値又は∞を代入することにより前記第１の予測温度及び前記第２の予測温度を予測する請求項１乃至３及び５のいずれかに記載の接触式内部温度計。
   ただし、ｔは時間、Ｔ_ｅは前記環境温度である。
7. 前記第１の温度センサ積層体、前記第２の温度センサ積層体及び前記環境温度センサが配置される空間を換気する換気機構を有する請求項１乃至３、５及び６のいずれかに記載の接触式内部温度計。

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