JP2017131541A - 熱流センサー及び検出単位体 - Google Patents

Abstract

【課題】熱源分布を精度よく測定すること。【解決手段】生体皮膚下の所定の熱源分布を検出するための熱流センサーであって、隣り合う伝熱素子３２０間に断熱材３３０を介在させて面状に配置した複数の伝熱素子３２０と、各伝熱素子３２０の上下温度差に応じた信号を出力する検出部と、を備えた熱流センサーを構成する。また、面状に配置された複数の伝熱素子３２０それぞれの上下温度差に基づいて熱流を測定する熱流センサーの検出単位体であって、伝熱素子３２０と、伝熱素子３２０の周囲に配置された断熱材３３０と、を備えた検出単位体を構成する。【選択図】図３

Description

本発明は、熱源分布を測定するための熱流センサー等に関する。

物体の熱流測定は、例えば、物体の表面に熱流センサーを設置し、熱流センサー内に生じた温度差を検出することで行われる。例えば、特許文献１には、所望の熱抵抗値が設定された熱抵抗体（伝熱材）を放熱面に接触させ、熱抵抗体の両面に生じた温度差を検出して熱流を測定する技術が開示されている。

特開昭６１−１３１２１号公報

しかし、特許文献１の技術を適用して物体表面の所定範囲（以下、「測定面」という）の熱源分布（熱流分布とも言える）を測定しようとすると、次のような問題があった。すなわち、測定面と同等サイズの板状の伝熱材を測定面に接触させ、伝熱材の両面に生じた温度差を検出する構成では、伝熱材中で熱が面方向に拡散して平均化されてしまい、測定面の熱源分布を精度よく測定することができない場合があった。

本発明は、こうした事情に鑑みてなされたものであり、熱源分布を精度よく測定することを目的とする。

上記課題を解決するための第１の発明は、生体皮膚下の所定の熱源分布を検出するための熱流センサーであって、隣り合う伝熱素子間に断熱材を介在させて面状に配置した複数の前記伝熱素子と、各伝熱素子の上下温度差に応じた信号を出力する検出部と、を備えた熱流センサーである。

また、他の発明として、物体に接して前記物体の熱流分布を測定するための熱流センサーであって、隣り合う伝熱素子間に断熱材を介在させて面状に配置した複数の前記伝熱素子と、各伝熱素子の上下温度差に応じた信号を出力する検出部と、を備えた熱流センサーを構成してもよい。

また、他の発明として、面状に配置された複数の伝熱素子それぞれの上下温度差に基づいて熱流を測定する熱流センサーの検出単位体であって、前記伝熱素子と、前記伝熱素子の周囲に配置された断熱材と、を備えた検出単位体を構成してもよい。

第１の発明等によれば、伝熱素子は、隣り合う伝熱素子間に断熱材が介在されて面状に配置されることとなる。そして、この面状に配置された複数の伝熱素子を測定面に接触させ、各伝熱素子の上下温度差を検出することができる。これによれば、隣り合う伝熱素子間の熱伝導が遮断され、伝熱素子中を測定面の法線方向に熱が伝達したことによって生じた当該伝熱素子単体における上下温度差を検出できるので、測定面の熱流分布を精度よく測定することが可能となる。

第２の発明は、前記伝熱素子は熱伝導率が５［Ｗ／ｍ・Ｋ］より大きく、前記断熱材は熱伝導率が０．５［Ｗ／ｍ・Ｋ］より小さい、第１の発明の熱流センサーである。
第２の発明によれば、伝熱素子の熱伝導率を５［Ｗ／ｍ・Ｋ］より大きく、断熱材の熱伝導率を０．５［Ｗ／ｍ・Ｋ］より小さくすることができる。

第３の発明は、前記伝熱素子の上下方向の第１熱抵抗と比較して、隣り合う前記伝熱素子間の第２熱抵抗が大きい構成をなす、第２の発明の熱流センサーである。
また第４の発明は、前記第２熱抵抗が、前記第１熱抵抗の１０倍以上である、第３の発明の熱流センサーである。

第３の発明によれば、伝熱素子の上下方向の第１熱抵抗に対し、隣り合う伝熱素子間の第２熱抵抗を大きくすることができる。その際、第４の発明のように、第２熱抵抗を第１熱抵抗の１０倍以上とすると好適である。

第５の発明は、前記断熱材は可撓性を有する、第１〜第４の何れかの発明の熱流センサーである。
また、第６の発明は、前記断熱材はショア硬さがＡ５０以下である、第１〜第５の何れかの発明の熱流センサーである。

第５の発明によれば、熱流センサーに柔軟性を持たせることができる。その際、第６の発明のように、断熱材のショア硬さをＡ５０以下とすると好適である。

第７の発明は、前記検出部は、前記面状に配置された前記複数の伝熱素子の全部又は一部の下面側を覆う第１面状温度センサー及び上面側を覆う第２面状温度センサーを有する、第１〜第６の何れかの発明の熱流センサーである。

第７の発明によれば、面状に配置した複数の伝熱素子の下面側の温度分布と、当該複数の伝熱素子の上面側の温度分布とから、各伝熱素子の上下温度差を検出することができる。

第８の発明は、前記検出部は、前記伝熱素子毎の上下温度差に応じた信号を出力する測温体を有する、第１〜第６の何れかの発明の熱流センサーである。

第８の発明によれば、各伝熱素子の上下温度差を、伝熱素子毎に設けた測温体によって検出することができる。

電子機器の全体構成例を示す外観図。 熱流センサーの構成例を模式的に示す斜視図。 伝熱部材の構造を示す斜視図。 検出単位体の構造を示す斜視図。 伝熱部材の断面図。 変形例における検出単位体の構造を示す斜視図。 数値解析シミュレーションの前提条件を説明するための図。 本実施形態における第１面状温度センサーの温度分布測定結果を示す図。 本実施形態における第２面状温度センサーの温度分布測定結果を示す図。 第１比較例における第１面状温度センサーの温度分布測定結果を示す図。 第１比較例における第２面状温度センサーの温度分布測定結果を示す図。 第２比較例における第１面状温度センサーの温度分布測定結果を示す図。 第２比較例における第２面状温度センサーの温度分布測定結果を示す図。 電子機器の主要な機能構成例を示すブロック図。 血管位置の検出原理を説明する図。 他の変形例における検出単位体の構造を示す斜視図。 変形例における伝熱部材の構造を示す斜視図。 実装基板を模式的に示す平面図。

以下、本発明の熱流センサー等を実施するための一形態として、ユーザーに装着されて使用される電子機器について説明する。なお、以下説明する実施形態によって本発明が限定されるものではなく、本発明を適用可能な形態が以下の実施形態に限定されるものでもない。また、図面の記載において、同一部分には同一の符号を付す。

図１は、本実施形態における電子機器１の全体構成例を示す外観図である。この電子機器１は、腕時計型のウェアラブル機器として構成され、使用時には、本体ケース１０に設けられたバンド２０をユーザー１００の手首に巻き付けることで皮膚面に装着・固定される。なお、手首に装着する構成に限らず、例えば、頸部、上腕部、足首、胸回り、胴回り等の別の部位に装着する構成としてもよい。

この電子機器１は、本体ケース１０の側面に操作スイッチ１１を備え、本体ケース１０の表面（ユーザー１００に装着した時に外向きになる面）に、タッチパネル１３を備える。また、本体ケース１０の内部には、充電式のバッテリー１５と、制御基板１７と、熱源分布でもある熱流分布を測定するための熱流センサーである熱流分布センサー３０とが内蔵される。なお、図示しないが、その他にも、本体ケース１０の適所において、必要なデータ等を外部装置との間で送受するための通信装置、あるいは当該データ等をメモリーカードに読み書きするためのリーダーライター装置等が適宜設けられる。

バッテリー１５への充電方式は適宜設定できる。例えば、本体ケース１０の背面側に電気接点を別途設け、家庭用電源に接続されたクレードルにセットすることで電気接点を介してクレードル経由で通電・充電される構成でもよいし、非接触式の無線式充電でもよい。

制御基板１７には、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１７１と、ＩＣ（Integrated Circuit）メモリーやハードディスク等の記憶媒体１７３とが搭載されている。その他にも、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、各種集積回路等の必要な電子部品を適宜搭載することができる。電子機器１は、ＣＰＵ１７１が記憶媒体１７３に格納されているプログラムを実行することによって、熱流分布測定や血管位置検出等の各種機能を実現する。

熱流分布センサー３０は、物体（本実施形態では、ユーザー１００の手首の皮膚面）と外環境等との間に生じる熱流を測定するものであり、本体ケース１０の裏面（ユーザー１００に装着した時に皮膚面側になる面）に後述する第１面状温度センサー３１のセンサー面が露出するように配設される。本実施形態の電子機器１は、この熱流分布センサー３０によって第１面状温度センサー３１（図２を参照）と接触する皮膚面の範囲（測定面）の熱流分布を熱源分布とみなして測定し、測定結果から皮膚下を走行する血管の位置を検出する。

図２は、熱流分布センサー３０の構成例を模式的に示す斜視図である。本実施形態の熱流分布センサー３０は、伝熱部材３００と、伝熱部材３００の下面側の全域を覆う第１面状温度センサー３１と、伝熱部材３００の上面側の全域を覆う第２面状温度センサー３３とが互いに接着された層構造を有し、第１面状温度センサー３１と第２面状温度センサー３３とが検出部３５と接続されて構成される。

第１面状温度センサー３１及び第２面状温度センサー３３は、座標系が共通（ｘ−ｙ直交座標系）とされるセンサー面の温度分布を各々測定する公知の温度分布センサーであり、人体の外表面（曲面）に沿って変形可能な弾性或いは可撓性を有する材料を担持媒体（形状保持媒体）として選択すると好適である。

検出部３５は、第１面状温度センサー３１が測定した温度分布と、第２面状温度センサー３３が測定した温度分布とを入力し、測定面の座標（ｘ，ｙ）毎の温度差（上下温度差）を検出結果として出力する。この検出結果は、処理部５５（図１４を参照）に出力される。

図３は、伝熱部材３００の構造を示す斜視図であり、図４は、伝熱部材３００の構成要素である検出単位体３１０の構造を示す斜視図である。図３に示すように、伝熱部材３００は、ｘｙ平面内に所定の位置関係で面状に配置した複数の伝熱素子３２０と、各伝熱素子３２０間に介在させた断熱材３３０とを有する。この伝熱部材３００は、例えば、図４に示す検出単位体３１０をｘ方向とｙ方向とに所定数個ずつ並べて接着した検出単位体３１０の集合体として作製される。個々の検出単位体３１０は、１個の伝熱素子３２０の側面を所定幅ｄ１の断熱材３３０で囲った構造を有する。

あるいは、伝熱部材３００は、板状の断熱材に複数の伝熱素子３２０をその下面及び上面が露出するように埋め込んだものでもよい。この場合は、伝熱素子３２０同士の位置関係が図４の検出単位体３１０を並べた場合と同じになるように、断熱材に対する伝熱素子３２０の埋設位置が調整される。
いずれにせよ、複数の伝熱素子３２０は、隣り合う伝熱素子３２０間に断熱材を介在させて面状に配置した構成をなす。

次に、熱流分布センサー３０を用いた測定面の熱流分布測定の原理について説明する。一般に、大気中に存在する物体は、周囲の物質や他の物体と熱交換をしている。このとき、物体から流出し、あるいは物体に流入する単位時間当たりの熱量を熱流といい、測定面内のある位置（ｘ，ｙ）における熱流束（単位面積当たりの熱流）Φ_ｑ（ｘ，ｙ）［Ｗ／ｍ^２］は、位置（ｘ，ｙ）で起きた外環境等との間の伝達熱によって熱流分布センサー３０内に生じた温度差を検出することで測定できる。これは、物体を伝導する単位面積当たりの熱流が、物体内に存在する温度差に比例するというフーリエの熱伝導の法則に基づく（次式（１））。

上記式（１）において、ｄは伝熱部材３００の厚さ［ｍ］を表し、λは伝熱部材３００の熱伝導率［Ｗ／ｍ・Ｋ］を表す。また、θａ（ｘ，ｙ）−θｂ（ｘ，ｙ）は、伝熱部材３００の両面（下面及び上面）に生じた上下温度差［℃］を表す。本実施形態の熱流分布センサー３０では、第１面状温度センサー３１の位置（ｘ，ｙ）における測定温度がθａ（ｘ，ｙ）に相当し、第２面状温度センサー３３の位置（ｘ，ｙ）における測定温度がθｂ（ｘ，ｙ）に相当する。

ここで重要なのは、上記式（１）のフーリエの熱伝導の法則は、伝熱方向が１方向のときに成り立つ原理式だということある。つまり、熱流分布センサー３０を用いて検出したい上下温度差θａ（ｘ，ｙ）−θｂ（ｘ，ｙ）は、伝熱部材３００中を測定面と垂直な上下方向（ｚ方向；法線方向）に横切る熱伝導に伴う温度差である。そのため、例えば、測定面に熱伝導率が一様な伝熱板を接触させて伝熱板の両面に生じた上下温度差を検出する構成（以下「比較例」という）では、伝熱板中で熱が面方向（ｘｙ平面方向）に拡散して平均化されてしまい、測定面の熱流分布を精度よく測定できない場合があった。

これに対し、本実施形態の伝熱部材３００は、複数の伝熱素子３２０それぞれが間に断熱材３３０を介在させた状態で配列された構造を有するため、比較例の場合に生じたｘｙ平面方向への熱の拡散を抑止し、伝熱素子３２０毎に熱をｚ方向に伝達することができる。したがって、各伝熱素子３２０の上下温度差から測定面の熱流分布を精度よく測定することができる。

次に、伝熱部材３００を構成する伝熱素子３２０及び断熱材３３０を形成するのに好適な素材等について説明する。先ず、伝熱素子３２０は、熱伝導率の大きい素材を用いて形成する。一方、断熱材３３０は、断熱性の高い素材を用いて形成する。好ましくは、熱伝導率が５［Ｗ／ｍ・Ｋ］より大きい伝熱素子３２０と、熱伝導率が０．５［Ｗ／ｍ・Ｋ］より小さい断熱材３３０とを組み合わせるのがよい。

具体的には、伝熱素子３２０は、銅やアルミニウム等の金属、セラミックス、カーボン繊維、グラファイト等を用いて形成する。例えば、銅の熱伝導率は３９８［Ｗ／ｍ・Ｋ］程度、アルミニウムの熱伝導率は２３６［Ｗ／ｍ・Ｋ］程度であり、好適である。また、ゴムに炭素繊維や金属など伝熱性の高いフィラーを分散・含有させて熱伝導性を高めた熱伝導性ゴムを用いてもよい。

一方、断熱材３３０は、発泡ゴム、発泡シリコンゴム、シリコンゴム等を用いて形成する。例えば、シリコンゴムの熱伝導率は０．２［Ｗ／ｍ・Ｋ］程度であり、好適である。また、空気等の気体を断熱材として用い、各伝熱素子３２０間に介在させてもよい。この場合の伝熱部材は、例えば、内部が空洞の板状の筐体に複数の伝熱素子３２０をその上面及び下面が露出するように埋め込んだ構造で実現できる。筐体の素材は、例えば、断熱材３３０の条件に合致する素材とする。あるいは、筐体内を真空にすることで、各伝熱素子３２０間に断熱材（真空断熱材）を介在させる構成でもよい。

また、伝熱部材３００のｚ方向への熱伝導性は、伝熱素子３２０及び断熱材３３０を形成する素材の熱伝導率のみによって定まるものではない。図５等を参照して説明する。図５は、伝熱部材３００の断面図であり、伝熱素子３２０を含む伝熱部材３００のｘｚ断面を示している。なお、図５中では、伝熱素子３２０にハッチングを付している。先ず、伝熱素子３２０についていえば、そのｚ方向への熱伝導性は、測定対象の熱の伝熱面である伝熱素子３２０の下面の面積Ａ_ｖ（図４を参照）や、伝熱素子３２０の厚さ（ｚ方向の高さ）ｄ_ｖの影響を受ける。これらの影響を加味した指標が熱抵抗である。ここで、ある評価対象の部材の熱抵抗Ｒ［Ｋ／Ｗ］は、次式（２）で表される。

上記式（２）において、ｄは評価対象の部材の厚さ［ｍ］を表し、Ａは当該部材の伝熱面の面積［ｍ^２］を表し、λは当該部材の熱伝導率［Ｗ／ｍ・Ｋ］を表す。上記式（２）によれば、伝熱面が広く熱の伝達距離が短いほど熱抵抗Ｒは小さく、熱伝導性は高い。逆に、伝熱面が狭く熱の伝達距離が長いほど熱抵抗Ｒは大きく、熱伝導性は低く（断熱性が高く）なる。したがって、伝熱素子３２０は、上記式（２）のｄ，Ａ，λに該当する値を代入することで求まる第１熱抵抗Ｒｖの値が小さいほど好ましい。

また、本実施形態の伝熱部材３００は、ｘｙ平面方向への熱伝達を抑止するために各伝熱素子３２０間に断熱材３３０を介在させたものであることから、伝熱素子３２０の側面Ａ_ｈ（図４を参照）を伝達面とするｘ方向及びｙ方向の第２熱抵抗Ｒｈが大きいとより好ましい。この場合の厚さｄは、例えば、隣り合う伝熱素子３２０との距離ｄ_ｈとする。

具体的には、第２熱抵抗Ｒｈが第１熱抵抗Ｒｖの１０倍以上であるとより好ましい。これは、伝熱素子３２０のサイズや伝熱素子３２０同士の位置関係を規定することで実現できる。図６は、変形例における検出単位体３１０ａの構造を示す斜視図である。例えば、図４の検出単位体３１０との比較において、図４の検出単位体３１０ａのように伝熱素子３２０ａの下面（伝熱面）Ａ_ｖ´を広げ、厚さｄ_ｖ´を薄くする。ｄ_ｖ´を薄くすれば、側面Ａ_ｈ´も狭くなる。さらに、隣り合う伝熱素子３２０ａとの距離が遠くなるように、伝熱素子３２０ａを囲う断熱材３３１ａの幅ｄ２を広くする。図６の検出単位体３１０ａによれば、図４の検出単位体３１０と比べるとより第１熱抵抗Ｒｖは小さく、第２熱抵抗Ｒｈは大きくなる。

また、本実施形態の熱流分布センサー３０は、電子機器１に内蔵され、ユーザー１００の皮膚面に接触させて使用されることから、皮膚面に密着しやすいようにある程度の柔軟性を有すると使用し易い。そのため、断熱材３３０は、可撓性を有する素材で形成するのが好ましい。伝熱素子３２０を金属で形成した場合でも、断熱材３３０が可撓性を有すれば、伝熱部材３００全体として柔軟性を持たせることができる。したがって、断熱材３３０は、上記した発泡ゴム等の他、合成皮革や皮革等であってもよい。目安としては、断熱材３３０のショア硬さがＡ５０以下であると好適である。

なお、本実施形態では、熱流分布センサー３０は、電子機器１の本体ケース１０に配設される。そのため、本体ケース１０は、熱流分布センサー３０が皮膚面に密着し易いように、かつ、伝熱部材３００（伝熱素子３２０）との間の熱伝達を抑止するために、例えば、熱伝導率が小さく可撓性を有する合成樹脂製等とすると好適である。

ここで、本実施形態の熱流分布センサー３０の定常状態について、熱伝導方程式に基づくＦＥＭ（Finite Element Method：有限要素法）による数値解析シミュレーションを行った解析結果を説明する。

図７は、シミュレーションの前提条件を示す図である。シミュレーション上では、第１面状温度センサー２１と第２面状温度センサー３３とは十分に薄く、熱的に影響を及ぼさないとして仮想的なものとし、物理的な物体としては、熱流分布センサー３０は伝熱部材３００のみを備えることとした。伝熱部材３００は、厚さ（図７のｚ方向）を５［ｍｍ］とし、高さ（図７のｚ方向）５［ｍｍ］の四角柱状の伝熱素子３２０をｘ方向及びｙ方向に１０個×１０個＝計１００個並べて配置した構成とした。伝熱素子３２０の底面は１辺１［ｍｍ］の正方形である。また、ｘ方向及びｙ方向に隣り合う伝熱素子３２０の間隔を０．５［ｍｍ］とし、その間隙を含む伝熱部材３００の伝熱素子３２０以外の要素を断熱材３３０とした。伝熱素子３２０の熱伝導率は５[Ｗ／（ｍ・Ｋ）]、断熱材３３０の熱伝導率は０．０２４１［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］とした。

理解を容易にするために、図７においては、１つの伝熱素子３２０のみについて、伝熱部材３００内の配置を破線で示している。

皮膚５００は平面方向（ｘｙ平面方向）の長さを無限大、厚さ（図７のｚ方向）を１０［ｍｍ］とし、熱伝導率を０．３［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］とした。また、皮膚５００の表面（皮膚５００と伝熱部材３００との接触面）から深さ（図７のｚ負方向）４．７５［ｍｍ］の位置に、ｘ方向に無限大の長さの直径２．５［ｍｍ］の血管５１０の中心が位置することとした。また、血管５１０は、平面視において（ｚ方向の正方向から見て）、伝熱部材３００のｙ方向中央を、ｘ方向に走行するように位置させた。また、血管５１０の温度を３７［℃］とした。

また、環境温度を２４［℃］とし、環境の熱伝達係数ｈを１１［Ｗ／（ｍ^２・Ｋ）］とした。

図８及び図９は、シミュレーション結果を示す図であり、図８が第１面状温度センサー３１により測定された温度分布図、図９が第２面状温度センサー３３により測定された温度分布図を示す。

また、第１比較例として、伝熱部材３００の代わりに、断熱材３３０と同じ熱伝導率で且つ伝熱部材３００と同じ大きさの均質な伝熱材を用いたときのシミュレーションを行った結果が図１０及び図１１である。図１０が第１比較例における第１面状温度センサー３１により測定された温度分布図、図１１が第１比較例における第２面状温度センサー３３により測定された温度分布図である。

また、第２比較例として、伝熱部材３００の代わりに、伝熱素子３２０と同じ熱伝導率で且つ伝熱部材３００と同じ大きさの均質な伝熱材を用いたときのシミュレーションを行った結果が図１２及び図１３である。図１２が第２比較例における第１面状温度センサー３１により測定された温度分布図、図１３が第２比較例における第２面状温度センサー３３により測定された温度分布図である。

図８〜１３の温度分布図は、白色に近づくほど高い温度を、黒色に近づくほど低い温度を示している。

図８及び図９によれば、本実施形態の伝熱部材３００を用いることで、第１面状温度センサー３１及び第２面状温度センサー３３が測定する温度分布のいずれにおいても血管５１０の走行方向に長い温度分布が得られること、すなわち、皮下の血管５１０の情報を反映した高精度な熱流分布を得ることができるのが分かる。

一方、第１比較例の図１０及び図１１によれば、第１面状温度センサー３１では血管５１０の走行方向に長い温度分布が得られているものの、第２面状温度センサー３３ではｘ方向及びｙ方向に熱が拡散し、ｘｙ平面上で中心から同心円状に均等に分布する温度分布が得られている。よって、正しい熱流分布が得られないことが分かる。

また、第２比較例の図１２及び図１３によれば、第１面状温度センサー３１では測定できた温度差が小さく、かろうじて血管５１０の走行方向に長い温度分布が得られているものの、第２面状温度センサー３３ではｘ方向及びｙ方向に熱が拡散し、ｘｙ平面上で一様な温度分布が得られている。よって、正しい熱流分布が得られないことが分かる。

次に、電子機器１の機能構成について、図１４を参照して説明する。図１４に示すように、電子機器１は、熱流分布センサー３０と、操作部５１と、表示部５３と、処理部５５と、記憶部５７とを備える。

操作部５１は、ボタンスイッチ、レバースイッチ、ダイヤルスイッチ等の各種スイッチやタッチパネル等の入力装置によって実現されるものであり、操作入力に応じた操作信号を処理部５５に出力する。例えば、図１の操作スイッチ１１やタッチパネル１３がこれに該当する。

表示部５３は、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）やＥＬディスプレイ（Electroluminescence display）等の表示装置によって実現されるものであり、処理部５５から入力される表示信号をもとに各種画面を表示する。図１では、タッチパネル１３がこれに該当する。この表示部５３には、熱流分布の測定結果や血管位置の検出結果等が表示される。

処理部５５は、電子機器１の各部を統括的に制御する制御装置及び演算装置であり、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＧＰＵ（Graphic Processing Unit）等のマイクロプロセッサーや、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）、ＩＣ（Integrated Circuit）メモリー等で実現される。図１では、制御基板１７のＣＰＵ１７１がこれに該当する。この処理部５５は、熱流分布測定部５５１と、血管位置検出部５５３とを含む。

熱流分布測定部５５１は、熱流分布センサー３０の検出結果から測定面の熱流分布を測定する。本実施形態では、熱流分布測定部５５１は、検出部３５から入力される各伝熱素子３２０の上下温度差をもとに、上記式（１）を用いて測定面の各位置（ｘ，ｙ）における熱流束Φ_ｑを算出する。

血管位置検出部５５３は、測定面の熱流分布から、生体皮膚下の熱源分布として、測定面の皮膚下を走行する血管位置を検出する。ここで、血管位置検出部５５３が行う血管位置の検出原理を説明する。本実施形態の血管位置検出は、橈骨動脈、尺骨動脈、頸動脈等の動脈、手の甲を走行する静脈等、解剖学上皮膚下の比較的浅いところにある血管の位置検出に適している。測定に先立ち、電子機器１は、例えば、手首において皮膚下に橈骨動脈が存在する箇所で位置決めされて装着される。

皮膚下に血管が存在する位置では、その周囲と比べて熱流束Φ_ｑは高くなる。これは、人体の熱が血管を流れる血液により輸送されるためである。したがって、測定面の熱流分布から血管の位置検出が可能である。

図１５は、測定面１１０における血管１１１の位置を示す図であり、併せて、測定面１１０のあるｘ位置を通るラインＬ３上の熱流束Φ_ｑをグラフ化して示している。なお、ここでは、血管１１１の走行方向がｙ方向に沿う向きで電子機器１がユーザー１００に装着されていることを前提とする。図１５に示すように、血管１１１の走行方向に直交する（ｘ方向に沿った）ラインＬ３上の熱流束Φ_ｑは、血管１１１の中心線１１３上で最大となる。したがって、熱流束Φ_ｑが最大となる位置Ｘｃを血管位置として抽出する処理を測定面１１０内のｙ位置毎に行えば、血管１１１の位置を検出することができる。

なお、ラインＬ３上で熱流束Φ_ｑが最大となる位置Ｘｃを基準とする所定範囲Ｒ３内の複数点における熱流束Φ_ｑを用い、次式（３）により血管位置Ｘｃ´を求めてもよい。このようにすれば、血管径が細い場合や、熱流分布の解像度が低い場合でも、血管位置をより正確に検出することができる。
ここで、Ｘは伝熱素子３２０の中心間の距離であり、ａは１，２，３…、である。

図１４に戻る。記憶部５７は、ＲＯＭ（Read Only Memory）やフラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ（Random Access Memory）等の各種ＩＣメモリーやハードディスク等の記憶媒体により実現されるものである。図１では、制御基板１７の記憶媒体１７３がこれに該当する。この記憶部５７には、電子機器１を動作させ、この電子機器１が備える種々の機能を実現するためのプログラムや、このプログラムの実行中に使用されるデータ等が事前に格納され、あるいは処理の都度一時的に格納される。例えば、記憶部５７には、処理部５５を熱流測定部５５１及び血管位置検出部５５３として機能させるためのプログラム５７１が格納される。その他、熱流分布の測定結果や血管位置の検出結果等も格納される。

以上説明したように、本実施形態では、複数の伝熱素子３２０を面状に配置し、隣り合う伝熱素子３２０間に断熱材３３０を介在させて伝熱部材３００を構成した。これによれば、伝熱部材３００中のｘｙ平面方向への熱の拡散を抑止して、伝熱素子３２０毎に熱をｚ方向（上下方向）に伝達させることができる。したがって、各伝熱素子３２０中をｚ方向に熱が伝達したことで各伝熱素子３２０に生じた上下温度差を検出できるので、測定面の熱流分布を精度よく測定できる。

なお、上記した実施形態では、温度分布センサー（第１面状温度センサー３１及び第２面状温度センサー３３）を用いて各伝熱素子３２０の上下温度差を検出する熱流分布センサー３０を例示したが、上下温度差を検出する構成はこれに限定されない。例えば、熱電対やサーミスタ、白金測温抵抗体等の測温体を用いて検出してもよい。図１６は、本変形例における検出単位体３１０ｂの構造を示す斜視図である。図１６に示すように、例えば、伝熱素子３２０毎に、上面側の熱電対３７１と下面側の熱電対３７３とを設け、上下温度差を検出する構成としてもよい。熱電対３７１，３７３が検出した温度に応じた電圧信号の差から、検出部（電圧計）３５ｂが温度差を求め、検出結果として処理部５５に出力する。

また、上記した実施形態では、伝熱素子３２０を四角柱（図３等を参照）として示したが、伝熱素子の形状はこれに限定されるものではない。図１７は、本変形例における伝熱部材３００ｃの構造を示す斜視図である。例えば、図１７に示すように、伝熱素子３２０ｃは円柱状としてもよい。あるいは、その他の形状としてもよいし、繊維状としてもよく、適宜設定してよい。

また、上記した実施形態では、熱流分布測定の結果から皮膚下の血管位置を検出する電子機器１について説明したが、皮膚面の熱流分布は、血管位置検知以外にも、血行や熱に関する人体の諸症状の診断に用いることができる。

第１に、末梢血管疾患がある。例えば、閉塞性動脈硬化症の他、血栓性静脈炎や冷え症といった自律神経機能に関する血行障害等が挙げられる。これらは、抹消の動脈又は静脈血管が閉塞されること、あるいは自律神経機能の低下により生じる血流障害であり、熱を輸送する血流に障害が生じることから、症状として下肢の熱が減少することが知られている。したがって、熱流分布センサー３０を用い、下肢の動脈や静脈上の皮膚の熱流分布を測定することで、測定結果を診断に役立てることができる。

第２に、皮膚炎、関節炎、リンパ節炎等の炎症反応がある。炎症部位は発熱することから、熱流分布センサー３０で得た皮膚面の熱流分布（熱源分布）から、炎症部位の特定が可能と考えられる。

第３に、脂肪腫、神経線維種、あるいは皮膚がん、乳がん、甲状腺がん等、皮膚から浅い深度で発生する悪性腫瘍がある。腫瘍は正常組織の熱反応と異なることから、熱流分布センサー３０で得た皮膚面の熱流分布（熱源分布）を用いた腫瘍位置の特定が期待できる。

現状の医療の現場で上記したような症状を熱的変化から捉える場合には、サーモグラフィー等の赤外線画像撮像装置が用いられている。しかし、サーモグラフィーは、赤外線撮像素子が高価であることに加え、測定時にユーザーを拘束する必要がある点や、被測定体の放射率によっては誤差が大きい点等の問題があった。これに対し、熱流分布センサー３０は、製造コストが安く装置構成が簡便である。また、人体に容易に装着でき、測定時にユーザーが持ち歩くことも可能であることから、利便性も高い。また、皮膚面に接触させて直接熱量を測定するものであるため、サーモグラフィーのような被測定体の放射率に起因する誤差が生じることもない。

また、被測定体の温度を測定することで前述の熱的変化をとらえることも考えられるが、熱流分布センサー３０を用いた熱流分布測定では、温度分布からは把握できない熱現象をとらえることができる。

例えば、人体の表面温度は、血流や組織の発熱以外に、環境の温度や対流の大きさ、衣服の種類等の影響を受けるため、表面温度を測定する場合は、それらの影響を考慮する必要がある。具体例としては、環境温度が３０℃である場合と、２０℃である場合とでは、表面温度が同じであっても、人体の血流による熱輸送量や組織代謝量は異なる。そのため、表面温度のみから血流や代謝の状態を判断することはできない。これに対し、熱流分布センサー３０は、人体から外環境に伝達する熱量を測定することができることから、温度と併せて人体の熱現象をより正しく把握することができる。

また、上記した実施形態では、人体の熱流を測定する場合を説明したが、熱流の測定対象は特に限定されない。測定対象の物体の他の例としては、例えば、実装基板が挙げられる。図１８は、実装基板７０を模式的に示す平面図である。例えば、この実装基板７０の裏面側においてその全域又は一部を覆うように第１面状温度センサー３１のセンサー面を接触させて熱流分布センサー３０を設置すれば、実装基板７０に搭載される電子部品７１〜７５の発熱を個別に検知することができる。

このように実装基板７０の熱流分布（熱源分布）を測定することによれば、上記した診断に利用する場合と同様に、サーモグラフィー等を用いた測定と比べて簡便で利便性が高い。例えば、サーモグラフィーは、閉塞空間での使用に適しておらず、製品内部に搭載して放熱状況を監視する用途としては適用が難しい。また、測定精度が放射率に依存することから、放射率の低い金属部分は適正な測定ができない点や、電子部品の表面放射率によっては測定に誤差が生じる等の問題があった。これに対し熱流分布センサー３０は、閉塞空間でも測定が可能であることから、製品内部に搭載して使用時の放熱状況を監視するのに用いることができ、測定にあたって放射率を意識する必要もない。この場合、実装基板７０の基材が熱流分布センサー３０の機能を兼ね備えていてもよい。

１ 電子機器、３０ 熱流分布センサー、３００ 伝熱部材、３１０，３１０ｂ 検出単位体、３２０ 伝熱素子、３３０ 断熱材、３１ 第１面状温度センサー、３３ 第２面状温度センサー、３５ 検出部、５１ 操作部、５３ 表示部、５５ 処理部、５５１ 熱流分布測定部、５５３ 血管位置検出部、５７ 記憶部、５７１ プログラム

Claims (10)

1. 生体皮膚下の所定の熱源分布を検出するための熱流センサーであって、
   隣り合う伝熱素子間に断熱材を介在させて面状に配置した複数の前記伝熱素子と、
   各伝熱素子の上下温度差に応じた信号を出力する検出部と、
   を備えた熱流センサー。
2. 前記伝熱素子は熱伝導率が５［Ｗ／ｍ・Ｋ］より大きく、
   前記断熱材は熱伝導率が０．５［Ｗ／ｍ・Ｋ］より小さい、
   請求項１に記載の熱流センサー。
3. 前記伝熱素子の上下方向の第１熱抵抗と比較して、隣り合う前記伝熱素子間の第２熱抵抗が大きい構成をなす、
   請求項２に記載の熱流センサー。
4. 前記第２熱抵抗が、前記第１熱抵抗の１０倍以上である、
   請求項３に記載の熱流センサー。
5. 前記断熱材は可撓性を有する、
   請求項１〜４の何れか一項に記載の熱流センサー。
6. 前記断熱材はショア硬さがＡ５０以下である、
   請求項１〜５の何れか一項に記載の熱流センサー。
7. 前記検出部は、前記面状に配置された前記複数の伝熱素子の全部又は一部の下面側を覆う第１面状温度センサー及び上面側を覆う第２面状温度センサーを有する、
   請求項１〜６の何れか一項に記載の熱流センサー。
8. 前記検出部は、前記伝熱素子毎の上下温度差に応じた信号を出力する測温体を有する、
   請求項１〜６の何れか一項に記載の熱流センサー。
9. 物体に接して前記物体の熱流分布を測定するための熱流センサーであって、
   隣り合う伝熱素子間に断熱材を介在させて面状に配置した複数の前記伝熱素子と、
   各伝熱素子の上下温度差に応じた信号を出力する検出部と、
   を備えた熱流センサー。
10. 面状に配置された複数の伝熱素子それぞれの上下温度差に基づいて熱流を測定する熱流センサーの検出単位体であって、
    前記伝熱素子と、
    前記伝熱素子の周囲に配置された断熱材と、
    を備えた検出単位体。