JP2017131541A - 熱流センサー及び検出単位体 - Google Patents
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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。
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。
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。
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。
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。
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)Φq(x,y)[W/m2]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Av(図4を参照)や、伝熱素子320の厚さ(z方向の高さ)dv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[m2]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Ah(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dh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)Av´を広げ、厚さdv´を薄くする。dv´を薄くすれば、側面Ah´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/(m2・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Φq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Φq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Φq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Φqは、血管111の中心線113上で最大となる。したがって、熱流束Φq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Φq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Φq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)
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。
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