JP2015535599A - 改良された光学システムを有する医療温度計 - Google Patents

Abstract

湾曲ミラーおよび放射線センサを有する医療温度計が開示されている。放射線センサは、ミラーが、放射線入射口を通過してミラーに対する角度範囲外で向かう放射線をセンサから離して反射し、放射線入射口を通過してミラーに対する角度範囲内で向けられる放射線をセンサに向けて反射する構成で、筐体にミラーに対して配置される。

Description

本明細書は、２０１２年１１月１９日に出願された米国仮出願第６１／７２８，００３の優先権を主張し、当該出願の開示内容を全て援用するものである。

本発明は、一般に、温度測定のための装置に関し、より具体的には、迷放射線の影響を削減するためにミラーを組み込んだ医療用非接触赤外線温度計に関する。

熱放射線温度計または赤外線（ＩＲ）温度計は、測定象物に物理的に接触することなく温度を測定することができる装置である。したがって、この種の温度計は、しばしば「非接触」又は「遠隔」温度計と称される。ＩＲ温度計において、対象の温度は、対象の表面からおのずと放射されるＩＲ放射線の強度を検出することによって得られる。０℃と１００℃の間の対象では、略３から４０マイクロメートルまでの波長を有する放射線を検出するＩＲセンサの使用が必要である。一般に、この範囲のＩＲ放射線は、熱放射線と呼ばれる。

ＩＲ温度計の一例は、人間または動物の耳道の周囲組織および鼓膜の非接触温度測定を行うことができる「瞬間耳」医療温度計である。瞬間耳温度計は、その内容が全て本明細書に援用されるフレイデンへの米国特許第４，７９７，８４０によって例証されている。他の例には、その内容が全て本明細書に援用されるクラウスらへの米国特許第６，７８９，９３６によって例証されている表面皮膚温度（例えば、額の皮膚表面温度）を測定する医療温度計が含まれる。

対象の表面温度をそのＩＲ放射線放射に基づいて測定するために、ＩＲ放射線は、検出されて、処理に適する電気信号に従来の電子回路によって変換される。ＩＲ放射線を検出する作業は、ＩＲセンサまたはＩＲ検出器によって成される。

従来の熱ＩＲセンサは、一般に、赤外線透過窓または赤外線透過フィルタを有する筐体、および少なくとも１つの検出素子を有し、検出素子は、対象の表面から放出されＩＲセンサのＩＲ窓を通過して検出素子を通る熱放射線エネルギー流束Φに反応する。ＩＲセンサは、検出素子と測定対象の間に存在する正味のＩＲ流束Φを表す電気信号を生成するように機能する。周知のように、電気信号は、適切なデータ処理によって対象温度に関連付けることができる。

熱流束Φは、検出素子の表面温度Ｔ_ｓおよび対象の表面温度Ｔ_ｂ（ケルビンで測定される）の２つの温度の関数である。理論上、プランクの法則は、熱平衡において黒体によって放射される特定波長を有する電磁エネルギー量を表している。ＩＲ温度計の光学システムで決定してもよい幅広い光学スペクトル域では、２つの温度Ｔ_ｓ、Ｔ_ｂと流束Φの関係は、４次放物線に近似することができる。この近似は、ステファン−ボルツマンの法則として知られている。

ε_ｂおよびε_ｓは、それぞれ対象および検出素子の表面放射率であり、σはステファン−ボルツマン定数であり、κはＩＲ温度計の校正の間に測定によって決定してもよい光学定数である。

対象の真の温度Ｔ_ｂとセンサ温度Ｔ_ｓの差が比較的小さい場合、式（１）は以下のように近似できる。

ＩＲ温度計の目的は、式（２）の逆数からＴ_ｂｃとして算出してもよい、対象の表面温度Ｔ_ｂを測定することである。

理想的には、算出された温度Ｔ_ｂｃは、真の温度Ｔ_ｂに等しくなければならない。実際には、これらの温度は、例えば、測定誤差または校正傾向の結果として異なることがある。温度Ｔ_ｂｃを算出するためには、ＩＲ流束Φの大きさおよびＩＲ検出素子の表面温度Ｔ_ｓの大きさの２値の決定が必要であることが式（３）から見て取れる。温度計算の精度は、式（３）における右側のすべての変数の測定精度に依存する。第１被加数Ｔ_ｓは、多くの公知技術によって、例えば、サーミスタまたはＲＴＤ温度センサを使用することによって、非常に高い精度で測定可能である。第２の被加数は、特に一般に未知のおよび予測不可能な、対象の放射率ε_ｂの値に起因して、より問題を含む可能性がある。例えば、医療温度測定においては、ふく射率ε_ｂは、皮膚特性および皮膚形状によって定義される皮膚放射率である。皮膚放射率は、例えば、０．９３から０．９９の範囲であってもよい。

放射率が精度にどのように影響を及ぼすかを決定するために、式（２）の偏導関数は以下のように算出してもよい。

偏導関数は、対象の未知の放射率ε_ｂに起因して測定誤差を表す。式（４）は、Ｔ_ｓがＴ_ｂに接近するにつれて、誤差がゼロに近づくことを示す。したがって、Ｔ_ｂがＴ_ｓに略等しいときには、誤差は小さい。このように、誤差を最小化するために、ＩＲセンサの温度Ｔ_ｓを実際の対象の温度Ｔ_ｂにできるだけ近くなるように維持することが望ましい。瞬間耳温度計に関して、例えば、その内容が全て本明細書に援用されるＦｒａｄｅｎへの米国特許第５，６４５，３４９は、温度Ｔ_ｓおよびＴ_ｂを互いに近接させるための被加熱検出素子を教示している。あるいは、その内容が全て本明細書に援用されるクラウスらへの米国特許第７，０１４，３５８は、ＩＲセンサ筐体を温める加熱素子を教示している。加えて、その内容が全て本明細書に援用される米国特許出願公開第ＵＳ２０１１／０２２８８１１は、温度Ｔ_ｂに加熱されるシールドを使用して迷放射線からセンサを保護することを教示している。

温度が表面から測定される際に、不要な発生源から放射した、ＩＲセンサで受ける放射線の量を最小限にすることが重要である。不要放射線または迷放射線を捕らえる機会を最小限にする１つの方法は、ＩＲ温度計の光学視野を狭くすることである。１つの手法は、野村らへの米国特許第５，１７２，９７８（一端に集光レンズ、他端にＩＲ検出器を取り付けたレンズ鏡胴を有する放射温度計）、および、リドリーらへの米国特許第５，６５５，８３８（多素子フォーカスレンズ、接眼鏡、ビームスプリッタおよびＩＲ検出器を有する放射温度計）によって例証されているＩＲレンズを使用して光学視野を狭くすることであり、それぞれは内容が全て本明細書に援用される。

漂遊対象からの流束を捕らえる機会を最小化する他の手法は、ＩＲ温度計のユーザがＩＲ温度計の視野を視覚化するのを補助するためにミラーを使用することである。この手段は、その内容が全て本明細書に援用されるエベレストへの米国特許第４，４９４，８８１によって例証されている。

これらの手法は、センサの視野から望ましくない放射線の発生源の一部を除去することができるが、ＩＲセンサの視野内にあってその視野内の所望の対象領域の外側から放射する放射線の発生源を除去するさらなる利点があればよい。

本発明の各種実施形態に係る非接触ＩＲ温度計は、特に、センサ表面を有するＩＲ放射線センサであって、所望の波長範囲を有する放射線だけを透過させてもよいセンサの視野に配置されるフィルタに結合してもよいＩＲ放射線センサと、形状において放物線状または略放物線状でもよく、楕円放物線面に基づく表面および曲率を有してもよいミラーであって、センサがミラーの焦点にまたはその近くに配置され、フィルタがセンサとミラーの間に配置されるミラーと、センサの直接の視野の外側にある開口であって、ミラーによってフィルタと開口の間に放射線経路を設ける開口と、を有する。各種実施形態において、それらの当業者によって理解されるだろうが、様々な更なる相関性を有する半導体装置上の部材としてセンサを含めることができる。加えて、各種実施形態において、センサ表面の中心はミラーの焦点又はその近くに位置してもよく、センサの表面はミラーの基線に関して様々な角度に配向してもよく、全放射線のパーセンテージとして決定または解釈してもよいセンサに達する迷放射線の量が更に最小化される。各種実施形態において、ミラーの基線とミラー表面の法線の間の角度は、約２５°と３５°の間である。他の実施形態において、この角度は、約３１．５°である。各種実施形態において、開口は、カバーされあるいは隣接して配置されて特定の望ましくない波長の放射線が通過するのを防止することができる保護窓および／またはフィルタを有してもよい。

本発明の前述および他の特徴は、本発明の例示的実施形態の以下の詳細な説明および図面からより容易に理解されるであろう。

図１は、本発明の実施形態に係るＩＲ温度計の断面図である。

図２は、本発明の実施形態に係るＩＲ温度計の断面図である。

図３は、本発明の実施形態に係るＩＲ温度計の断面図である；

図４は、本発明の実施形態に係るＩＲ温度計の断面図である。

図５は、本発明の実施形態に係るＩＲ温度計の断面図である；

図６は、本発明の実施形態に係るＩＲ温度計の断面図である；

図７は、本発明の実施形態に係るＩＲ温度計の断面図である；

遠隔ＩＲ温度計が開示され、遠隔ＩＲ温度計は、特に、放物線状または略放物線状のミラーと、フィルタ部材およびセンサ部材を有するＩＲ放射線センサアセンブリと備えている。センサ部材は、ミラーの焦点の近傍に位置する表面に幾何中心点を有する表面を備える。センサ部材は、中心点の回りにさまざまな角度で配向されてもよい。本発明の各種実施形態に係る要旨を例示するために、各種実施形態のいくつかのこれらに限定されない例を後述する。したがって、本発明の範囲は、請求項およびそれらの均等物の範囲だけによって定義され、例示の実施形態によって制限されないと解されるべきである。

図１は、放射線入射口を有する遠隔ＩＲ温度計１０内部にあるミラー２０及びセンサアセンブリ３０の実施形態の概略断面図を示し、放射線入射口は、例えば、保護窓および／またはフィルタ５５を備え、保護窓および／またはフィルタ５５に覆われ、あるいは、保護窓および／またはフィルタ５５に隣接して配置されてもよい開口１６である。ミラー２０は、対称軸５２の近傍のまたは対称軸５２に沿って焦点５０を定義するように、放物線状または略放物線状の形状であってもよく（あるいは、それ自体が放物線状または略放物線状の形状であり）、対称軸５２は、ミラーの放物線状または略放物線状の曲率５８によって定義され、ミラーの基部または頂点におけるミラーの接線であるミラーの基線５４に垂直である。放物線の一般的な式はｙ＝ａｘ^２＋ｂｘ＋ｃであり、ａおよびｂは放物線形状を定義する定数であり、ｃは原点に関して放物線の頂点の位置を定義する定数である。各種実施形態では、ａは、例えば、約０．０１と２．０の間、または、約０．０７と０．０９の間、より具体的には、約０．５、０．０８または０．０７９９であってもよい。各種実施形態において、ｂは、例えば、約−２．０と２．０の間、または、約−０．０２と−０．０１の間、より具体的には、約１．０、−０．０２または−０．０１５であってもよい。ｃの定義が原点と関連するので、また、ｃが放物線の形状に影響を及ぼさないので、当業者はｃが本願明細書において開示される本発明の各種実施形態を実施するために定義される必要はないと認識するであろう。各種実施形態において、対応する焦点が、対応する頂点より高いさまざまな位置で、対称軸上に位置してもよいように、ａおよびｂは選択される。各種実施形態では、対称軸５２は、開口１６に対して名目上垂直である。各種実施形態でおいて、対称軸５２は、開口１６の下部を通っていてもよい。他の実施態様において、対称軸５２は、開口１６の下を通っていてもよい。各種実施形態において、ミラー表面は、これまで記載されている放物線のいずれかを対称軸５２について移動または回転させることによって定義される。他の実施形態において、ミラーは、また、楕円放物線面の式、例えば、ｚ／ｇ＝ｘ^２／ｄ^２＋ｙ^２／ｆ^２によって表されてもよい曲率および表面を有していてもよく、ｄおよびｆはｘ／ｚおよびｙ／ｚ面における湾曲度合いを定義する定数であり、ｇは尺度定数である。

センサアセンブリ３０は、ミラーの焦点５０の近傍に配置される幾何中心点４４を有する検出表面４２を有するセンサ部材３２を少なくとも備える。図１に示すように、中心点４４は、焦点５０に配置される。表面４２は、表面４２が少なくともミラー２０の一部に対向するように、さまざまな角度α（表面４２の法線とミラーの基線５４との間に形成される）に配向されてもよい。各種実施形態において、センサアセンブリ３０は、センサ部材３２に隣接する、または、センサ部材３２に当接するフィルタ部材４０をまた有していてもよい。フィルタ部材４０を含むセンサアセンブリ３０がＩＲ温度計１０に用いられるときに、フィルタ部材４０はセンサ部材３２とミラー２０の間に配置されてもよい。

各種実施形態において、開口１６がミラー２０の照準線上にあるように、ミラー２０は温度計１０の内部に配置される。そのように配置されたミラー２０は、開口１６の視野にある対象１４の一部から発されて、開口１６、および、保護窓および／またはフィルタ５５を通過した放射線をセンサアセンブリ３０に向けて反射してもよい。

ミラー２０に入射し、表面４２に向かう、すなわち、センサが検出する放射線量は、角度αの関数である。ミラーが放物線状の形状、曲率または表面を有する実施形態を含む各種実施形態において、αが約２５°及び３５°の間となるように、表面４２が配向されてもよい。例えばミラーが約．０７９９のａ、約−０．０１５のｂによって定義される放物形状を有する各種実施形態において、αは約３１．５°に設定されてもよい。これらの実施形態では、センサ部材３２は、対称軸５２に平行な線の上または下において約５度より小さいａ角度でミラー２０に接近する放射線をまず受ける。このような角度範囲は、放射線角度範囲と呼ぶことがある。逆に言えば、ミラーの形状および表面４２のサイズが与えられた場合、これらより大きい角度で向けられた放射線が表面４２に交差しまたは表面４２に到達する経路に沿ってミラーによって反射されないので、センサ部材３２は、対称軸５２に平行な線の上または下において約６度より大きい放射線角度範囲でミラー２０に接近する放射線のうち最少量な部分またはわずかな部分だけを受ける。説明のために、図２は、対称軸５２に平行な方向でミラー２０に指向する放射線を表す。ミラーはこの放射線の大部分または全てを反射し、そして放射線はフィルタ部材４０を通過して中心点４４の近くのセンサ表面４２に当たる。図３は、対称軸５２に平行な線より上に約５度で指向する放射線を表す。ミラーはこの放射線を反射し、そして放射線はフィルタ部材４０を通過してセンサ部材３２の右縁の近くの表面４２に当たる。図４は、対称軸５２に平行な線の下に約５度で指向する放射線を表す。ミラーはこの放射線を反射し、そして放射線はフィルタ部材４０を通過してセンサ部材３２の左縁の近くのセンサ表面４２に当たる。図５は対称軸５２に平行な線より上に約６度で指向する放射線を表し、図６は対称軸５２に平行な線の下に約６度で指向する放射線を表す。これら後者２つの場合において、ミラーは放射線を反射し、そして放射線はフィルタ部材素４０を通過するが、反射された放射線は、右（図５）には離れ過ぎて、左（図６）には離れ過ぎて離れて入り、センサ部材３２に当たらない。図７は、対称軸５２に平行な線の下に約１２度で指向する放射線を表し、反射された放射線がセンサ部材３２に当たらないことをより明らかに示している。したがって、これらおよび他の実施形態においてミラーを選択的に位置させることによって、開口１６の前に配置された表面の一部から放射しない望ましくない放射線は、この放射線が所望の放射線角度範囲外に向けられるように、センサ部材３２から離れるように反らされてもよい。同様に、センサ部材３２は、この望ましくない放射線を検出しない。しかしながら、センサ部材３２は、開口１６の前に配置された表面の一部から放射する所望の放射線が所望の放射線角度範囲内で指向してセンサ部材３２に到達するので、この放射線を検出できる。このようにして、意図された対象以外の対象から放射する迷放射線がセンサに達して検出されることを防止できる。

各種実施形態において、フィルタ部材４０は、例えば、約７．５μｍと１３．５μｍの間の波長を有する放射線を表面４４に到達させるシリコン製の赤外線帯域通過型フィルタであってもよい。このようなフィルタは、例えば、可視光および遠赤外光がセンサに達してセンサの出力に影響を及ぼすことを防止する。加えて、このようなフィルタは、センサに到達する所望の波長範囲の放射線、例えば、ＩＲ放射線等の強度を減らすために用いてもよく、センサの精度および再現性を改良することがある。ある種の実施形態では、フィルタを通ってセンサに到達する放射線の強度は、ミラーから反射して、フィルタに到達する放射線の１／７である。本願明細書に記載されている各種実施形態において用いてもよいセンサのこれに限定されない例は、エクセリタステクノロジー社によって製造された品番ＴＰｉＳ １Ｔ １２５２である。

本発明の各種実施形態が具体的に示され、記載されているが、形態及び詳細のさまざまな変更が、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、なされてもよいことは当業者には理解されるであろう。したがって、これらの実施形態は本発明をこれに限定する例ではなく、本発明は請求の範囲およびそれらの均等物の範囲のみによって定義されると解すべきである。

Claims (32)

1. 放射線入射口を有する筐体と、
   前記筐体に配置される軸を有するミラーと、
   放射線センサであって、前記ミラーが、前記放射線入射口を通過して前記軸に対する放射線角度範囲外で向かう放射線を前記センサから離して反射するような位置で、前記筐体に前記ミラーに対して配置される放射線センサと、
   を備えることを特徴とする医療温度計。
2. 前記ミラーの形状が式ｙ＝ａｘ^２＋ｂｘ＋ｃで定義される放物線状であり、ａは０でなく、前記放物線形状が、頂点、前記頂点で前記放物線形状に接する基線、前記ミラーの前記軸と同一直線上の対称軸、および焦点を有することを特徴とする請求項１に記載の医療温度計。
3. ａは約０．０１と２．０の間、ｂは約−２．０と２．０の間であることを特徴とする請求項２に記載の医療温度計。
4. 前記放射線センサは、中心点を有する検出表面を有し、前記中心点が前記焦点に略配置されることを特徴とする請求項１に記載の医療温度計。
5. 前記検出表面の法線は前記基線から約２５°と３５°の間の角度を有することを特徴とする請求項４に記載の医療温度計。
6. ａは約０．０７と０．０９の間、ｂは約−０．０２と−０．０１の間であることを特徴とする請求項２に記載の医療温度計。
7. 前記放射線センサは、中心点を有する検出表面を有し、前記中心点が前記焦点に略配置されることを特徴とする請求項６に記載の医療温度計。
8. 前記検出表面の法線は前記基線から約３１°と３２°の間の角度を有することを特徴とする請求項７に記載の医療温度計。
9. 前記軸に対する前記放射線角度範囲が約−５°から５°であることを特徴とする請求項８に記載の医療温度計。
10. 前記軸に対する前記放射線角度範囲が約−５°から５°であることを特徴とする請求項１に記載の医療温度計。
11. 前記ミラーと前記放射線センサの間であって、前記放射線センサの視野に位置するフィルタをさらに備え、前記フィルタは、所定の波長範囲を有する放射線のみを通すことが可能であることを特徴とする請求項１に記載の医療温度計。
12. 前記フィルタは、約７．５μｍと約１３．５μｍの間の波長を有する放射線のみを通すことが可能であることを特徴とする請求項１１に記載の医療温度計。
13. 頂点、焦点領域、および、前記基線を有する湾曲ミラーであって、前記基線が前記頂点で前記ミラーに接する湾曲ミラーと、
    検出表面に中心点を有し、前記中心点が少なくとも前記焦点領域に略配置され、前記検出表面の法線が前記基線に関して検出角度で配向される放射線センサと、を備え、
    前記センサが前記ミラーによって反射される放射線を検出するように構成されることを特徴とする医療温度計。
14. 前記検出角度が鋭角であることを特徴とする請求項１３に記載の医療温度計。
15. 前記ミラーが少なくとも略放物線状であることを特徴とする請求項１３に記載の医療温度計。
16. 前記ミラーの形状が式ｙ＝ａｘ^２＋ｂｘ＋ｃで定義される放物線状であり、ａは０でなく、さらに、前記焦点領域は焦点であり、前記放物線形状が、対称軸、及び前記ミラーの前記頂点と一致する放物頂点を有することを特徴とする請求項１５に記載の医療温度計。
17. ａは約０．０１と２．０の間、ｂは約−２．０と２．０の間であることを特徴とする請求項１６に記載の医療温度計。
18. 前記検出角度が３０°と３５の間であることを特徴とする請求項１３に記載の医療温度計。
19. 放射線入射口をさらに有し、前記ミラーが、前記放射線入射口を通過して前記対称軸に対する放射線角度範囲間に向かわない放射線を前記放射線センサから離れるように反射するように構成されることを特徴とする請求項１３に記載の医療温度計。
20. ａは略０．０７と０．０９間、ｂは略−０．０２と−０．０１の間であることを特徴とする請求項１６に記載の医療温度計。
21. 前記検出角度が約３１°と３２°の間であることを特徴とする請求項２０に記載の医療温度計。
22. 放射線入射口をさらに有し、前記ミラーが、前記放射線入射口を通過して前記対称軸に対する放射線角度範囲間に向かわない放射線を前記放射線センサから離れるように反射するように構成されることを特徴とする請求項２１に記載の医療温度計。
23. 前記対称軸からの前記放射配向角度範囲が約−５°と５°の間であることを特徴とする請求項２２に記載の医療温度計。
24. 前記ミラーと前記放射線センサの間であって、前記放射線センサの視野に位置するフィルタをさらに備え、前記フィルタは、所定の波長範囲を有する放射線のみを通すことが可能であることを特徴とする請求項１３に記載の医療温度計。
25. 前記フィルタは、約７．５μｍと約１３．５μｍの間の波長を有する放射線のみを通すことが可能であることを特徴とする請求項２４に記載の医療温度計。
26. 式ｙ＝ａｘ^２＋ｂｘ＋ｃで定義される放物線状ミラーであって、ａは約０．０７と０．０９の間であり、ｂは約−０．０２と−０．０１の間であり、対称軸、頂点、前記頂点で前記ミラーに接する基線、および焦点を有する放物線状ミラーと、
    検出表面に中心点を有する放射線センサであって、前記中心点が前記焦点に配置され、前記検出表面の法線は前記基線から３０°と３３°の間で配向される放射線センサと、を備え、
    前記センサは前記ミラーによって反射される放射線を検出するように構成されることを特徴とする請求項１に記載の医療温度計。
27. 放射線入射口をさらに有し、前記ミラーが、前記放射線入射口を通過して前記対称軸に対する約−５°と５°の間に向かわない放射線を前記放射線センサから離れるように反射するように構成されることを特徴とする請求項２６に記載の医療温度計。
28. 放射線入射口を有する筐体と、前記筐体に配置される軸を有するミラーと、放射線センサと、を備える医療温度計の使用方法であって、
    対象に対して前記温度計を配置し、
    前記対象に前記放射線入射口を向け、
    前記放射線入射口を通過して前記軸に対する放射線角度範囲外で向かう放射線が前記放射線センサから離れるように前記ミラーによって反射することを特徴とする医療温度計の使用方法。
29. 前記ミラーが式ｙ＝ａｘ^２＋ｂｘ＋ｃで定義される放物線形状を有し、ａは０でなく、前記放物線形状が、焦点、頂点、及び前記ミラーの前記軸と同一直線上の対称軸を有することを特徴とする請求項２８に記載の方法。
30. ａは約０．０７と０．０９の間、ｂは約−０．０２と−０．０１の間であることを特徴とする請求項２９に記載の方法。
31. 前記放射線センサは、中心点を有する検出表面を有し、前記中心点が前記焦点に略配置されることを特徴とする請求項２８に記載の方法。
32. 前記軸に対する前記放射線角度範囲が約−５°から５°であることを特徴とする請求項２８に記載の方法。

Images