JP2018004519A - 体温計及びそれを用いた体温測定システム - Google Patents

Abstract

【課題】小型で持ちやすく、人体表面（具体的には額）から放射される赤外線の波長から体温を測定する非接触体温計を提供する。【解決手段】人間の前頭部との距離を測定し、所定の距離を検出したら警報を発する手段と、額にて発する赤外線の波長を、非接触計測する体温計測センサ手段（サーモパイル）と、測定時の外気温度を検知し、体温計測センサ信号の補正処理をする手段（サーミスタ）と、計測した体温を表示する手段と、計測データを発信する手段と、ＣＰＵを有する制御部と、電源部とを備え、非接触により体温計測する。【選択図】図６

Description

本発明は、人体の温度を測る体温計に関する。

従来、体温を測るのに水銀を用いた体温計が永く用いられて来た。そして、現在ではサーミスタを用いた電子式のデジタル表示のものが普及してきている。近年では感染症などの早期発見のために空港などでのサーモグラフィーによる非接触での体温の監視などにみられるように、病院や学校、職場、家庭などでも衛生上から素早く、非接触で検温することが求められるようになって来ている。このような需要に対応するため特許文献１，２が挙げられる。

特開２０１５−１６６７４３号公報 特開２０１５−１４６８４８号公報

前記特許文献１において、周囲の浮遊物体からの迷ＩＲ（赤外線）信号を除去することと、ＩＲセンサを囲むＩＲ温度計の内部構成部品からの迷放射線に影響されないＩＲセンサを有する赤外線体温計の技術に関するものである。前記特許文献２において、赤外線体温計は、距離センサが、光Ｌを発する光源と、光源の光Ｌを人体側に投射する投射レンズと、受光センサと、予め定めた距離に本体部が位置されると、人体から得られる光Ｌの戻り光ＬＲを、受光センサに受光させる受光レンズとを備えており、人体に非接触で体温を測定する赤外線体温計である。

以上述べた従来の赤外線体温計においては、内部構成部品に複雑で精密な部品からなる高価な体温計であった。
本発明は、このような従来の構成が有していた問題を解決しようとするものであり、小型で持ちやすく、人体表面（具体的には額）から放射される赤外線の波長から体温を測定する非接触体温計を提供することを目的とする。

本発明において上記目的を達成するための（１）に係る発明は、人間の前頭部との距離を測定し、所定の距離を検出したら警報を発する手段と、額にて発する赤外線の波長を、非接触計測する体温計測センサ手段と、測定時の外気温度を検知し、体温計測センサ信号の補正処理をする手段と、計測した体温を表示する手段と、計測の精度を±０．２℃以内とする手段と、計測データを発信する手段と、ＣＰＵを有する制御部と、電源部とを備えた非接触により体温計測することを特徴とする体温計であり、（２）に係る発明は、前記（１）により計測される体温が±０.２℃の範囲で正しく測定できることを特徴とする請求項１に記載の体温計であり、（３）に係る発明は、前記（１）、（２）に記載された体温計の発する計測データを受信し、該データを蓄積し管理するコンピュータを備えた非接触により体温を計測する体温計測システムである。

本発明によれば、非接触により高精度の体温計測が可能であり、しかも、小形軽量で廉価な体温計であり、病院や学校、職場、家庭などでも衛生上から素早く、非接触で検温することが可能な体温計を提供できる。

頭部の解析モデルを示す。 図２（ａ）は鼻部分の、図２（ｂ）は額部分の、図２（ｃ）は眉間部分の、図２（ｄ）は顔部分の温度分布を示す。 頭部のカットラインを示す。 カットライン上の温度分布を示す。 図５（ａ）は脳の温度を３９.０℃としたときの温度分布の全体と拡大表示を示し、図５（ｂ）は脳の温度を３６.５℃としたときの温度分布の全体と拡大表示を示す。 非接触体温計のセンサ回路のブロック図を示す。 センサ回路の出力の周波数特性を示す。 １０ｋＨｚのホワイトノイズを重畳したときの１Ｈｚの信号（下段）とセンサ出力（上段）を示す。 １ｋＨｚの正弦波を重畳したときの１Ｈｚの信号（下段）とセンサ出力（上段）を示す。 １ｋＨｚの正弦波を重畳したときの１Ｈｚの信号の周波数特性を示す。 １ｋＨｚの正弦波を重畳したときの１Ｈｚの信号のセンサ出力の周波数特性を示す。 センサ回路の動作として制御信号（上段）による出力（下段）の様子を示す。 サーモパイル素子の外観と等価回路を示す。 サーミスタの温度と抵抗値の関係を示す。 温度計の斜視図を示す。 黒体炉（上側の黒い筐体）に実施例の体温計を設定し、温度測定する様子を示す。 放射イミュニティ試験の様子を示す。

つぎに、本発明に係る体温計の実施例について図面を参照して具体的に説明する。

本実施例では、人体より発生する赤外線をサーモパイル素子により測定し、非接触で検温を行う体温計の発明を行った。検温は体内の温度と等しい脳の温度が外部に現れる額について測定を行う装置である。具体的には、脳の温度が額に伝導するときの温度の変化を大気の外気温も考慮した頭部の伝熱シミュレーションを行い、臨床試験の結果との温度差を補正することにより高精度な温度分布の推定を可能とし、サーモパイル素子による温度測定の回路については電子回路シミュレーション技術を活用して動作や周波数特性、ノイズ除去の効果等の検討を行った。また、サーモパイル素子は外気温との関係で出力電圧が変化することから、サーモパイル素子の特性を含めたセンサ信号の補正の検討を行った。そして、赤外線方式の距離ユニットにより額が適切な位置になると出力信号が得られ、警報を発して測定の安定化を行っている。体温計１の外観斜視図を図１５に示す。

（頭部の熱伝導シミュレーション）
（解析モデル）
人の額の温度は脳の体温が熱伝導により現れていると考えられる。本実施例では脳、頭部、外気の３つの領域を設定し、脳と外気の温度により、頭部の温度がどのように変化するか汎用の有限要素法シミュレーションソフトＣＯＭＳＯＬを用いて解析を行った。脳の形状により頭部内部の温度分布も変化し、それにより額等の頭部表面の温度分布も変化する。脳、頭部、外気から構成される頭部の解析モデルを図１に示す。図１を参照して、中心部に脳を含む頭部が設定されており、その外側の球体内部が解析領域である。

（解析結果）
頭部の熱伝導シミュレーションによる温度分布の結果を図２（ａ）〜図２（ｄ）に示す。脳は３９℃（３１２．１５Ｋ）、外気温２５℃（２９８．１５Ｋ）で、頭部に液体、外気に空気を設定したときの顔に水平な断面で、頭部の前面から背面に位置を変化させたときの温度分布である。即ち、図２（ａ）は鼻部分の、図２（ｂ）は額部分の、図２（ｃ）は眉間部分の、図２（ｄ）は顔部分の温度分布を示す。そして、表示温度は３５℃から３９℃の範囲を凡例のカラーバーで色分けされている。温度の最も高い部分が額のところに分布している。実際の体温計での測定は、眉間から３ｃｍ上方の位置を中心に直径２．５ｃｍの円内で行われる。図２（ｂ）及び図２（ｃ）からほぼその付近で最大温度が面で分布していることが分かる。

頭部の温度分布をより詳しく調べるために、眉間と鼻を通る断面内で頭部を貫くカットライン上の温度変化を検討した。頭部のカットラインを図３に示す。即ち、図３に温度測定を行う額の位置の３ｃｍ±１．２５ｃｍをラインで示す。カットラインを頭部の上下方向に０ｃｍから５ｃｍの範囲で０.５ｃｍステップおきでのカットライン上の温度分布を図４に示す。脳内の部分は温度が３９℃で一定となっている。図４を参照して、黒丸で示された分布は３ｃｍと３ｃｍ±１ｃｍの位置のものである。３ｃｍ±１ｃｍの位置の温度は３８.２１℃〜３８.４８℃で、脳の３９℃から０.５℃〜０.８℃低くなっていることが分かる。これから、体温の測定では直径２.５ｃｍの範囲で最大の値を用いることで、脳と額との温度差を０.５℃程度に出来ることが分かる。シミュレーションは簡単なモデルによるものであり臨床試験による測定結果と概ね１℃の温度差がみられる。この温度差を補正することにより高精度な温度分布の推定が行える。

外気温は２５℃で一定として、脳の温度を３９.０℃と３６.５℃としたときの温度分布の様子を図５に示す。即ち、図５（ａ）は脳の温度を３９.０℃としたときの温度分布の全体と拡大表示を示し、図５（ｂ）は脳の温度を３６.５℃としたときの温度分布の全体と拡大表示を示す。

（センサ回路のシミュレーション）
（センサ回路）
本実施例では体温の測定用に非接触の温度センサであるサーモパイル型赤外センサを利用した。サーモパイルセンサは、物体から放射される赤外線を受けると入射エネルギー量に応じた熱起電力を発生する熱型の赤外線センサである。ここでは、センサ回路の動作と周波数特性、ノイズ低減効果等について、汎用のＳＰＩＣＥ回路シミュレータＬＴｓｐｉｃｅを用いて解析を行った。

回路シミュレータで検討を行った非接触体温計のセンサのブロック回路を図６に示す。サーモパイル素子の出力に対するセンサ出力の周波数特性を図７に示す。図７を参照して、１Ｈｚ以下では約５８ｄＢ（８００倍）の増幅率で、３０Ｈｚ以下では４０ｄＢ（１００倍）以上となっていることが分かる。また、３０Ｈｚ以上のノイズは１/１０以上の減衰、１００Ｈｚ以上では１/１００以上の減衰となることが分かる。

次に、このセンサ回路のノイズ低減効果を確認するために、サーモパイル素子の出力を１Ｈｚの正弦波として、１０ｋＨｚのホワイトノイズを重畳したときの１Ｈｚの信号（下段）とセンサ出力（上段）を図８に示す。また、１ｋＨｚの正弦波を重畳したときの１Ｈｚの信号（下段）とセンサ出力（上段）の周波数特性を図９に、１ｋＨｚの正弦波を重畳したときの１Ｈｚの信号の周波数特性を図１０に、そして、１ｋＨｚの正弦波を重畳したときの１Ｈｚの信号のセンサ出力の周波数特性を図１１に示す。これ等から、１Ｈｚの信号と１ｋＨｚのノイズは、センサ回路により−１０ｄＢのレベル差が−８８ｄＢになり、ノイズの低減効果が確認できる。レベルと増幅率の関係をまとめて表１に示す。

また、センサ回路の動作として制御信号（上段）による出力（下段）の様子を図１２に示す。スイッチ信号によりサーモパイルに掛かるバイアス電圧が変化し、それに応じて出力が変化する。図１２では矩形波により制御し、矩形波のバイアスにサーモパイルからの正弦波が重畳された出力となっている。

（センサ信号の補正）
サーモパイル素子の外観と等価回路を図１３に示す。実施例で用いた素子は、電圧を発生させるサーモパイルと素子の温度を測定するためのサーミスタが組み込まれたもので、４つの電極を持っている。
サーモパイルは対象物の温度に対応した電圧が出力されるが、その電圧はそのときの素子の温度により変化する。そのため、サーモパイルに組み込まれているサーミスタにより素子の温度を測定し、電圧値に対応した適切な温度に補正する必要がある。サーモパイルの素子温度と出力電圧と対応する対象物の温度の関係を表２に示す。また、サーミスタの温度と抵抗値の関係を図１４に示す。本実施例に用いたセンサ回路では、固定抵抗とサーミスタで分圧された電圧値を測定し、換算した抵抗値を用いて温度を求めている。

（ＥＭＣ試験と動作の確認）
本実施例の非接触体温計に対して、黒体炉により、設定温度が正しく測定、表示されるか確認を行った。図１６に黒体炉（上側の黒い筐体）に実施例の体温計を設定し、温度測定する様子を示す。その結果、目標の±０.２℃の範囲で正しく測定できていることが確認された。
また、静電気試験及び電波照射の放射イミュニティ試験による測定値の変化等の耐性試験を実施し、問題のないことを確認した。図１７に放射イミュニティ試験の様子を示す。

さて、前記したように、体温計１の外観斜視図を図１５に示す。図１５を参照して、体温計１は、カバー下枠２内に、センサ回路や制御用ＣＰＵ回路等も含めた４層の電子回路基板が収納され、その上方からカバー上枠３が所定の位置に、ネジ（図示せず）にて固着されている。前記カバー下枠２の下方には電源となる単４乾電池の出し入れ可能な開口が設けられ、その電源着脱用開口部に設けられている開閉蓋４が、従来技術により着脱可能に取り付けられている。そして、前記カバー上枠３には、電源スイッチ７、体温測定用スイッチ８と、温度表示パネル９とを備えている。左方側面には、赤外線導入用の開口部１０がもうけられている。

以上のことから、本発明に係る体温計の実施例によれば、人の額から体温を測定する非接触の体温計を提供するために、赤外線を利用したサーモパイル素子を用いて対象物の温度を±０.２℃の精度で測定できることが確認できた。体温と等しい脳の温度と額に現れる温度との関係について、熱伝導シミュレーションによる解析を行い臨床試験の結果を考慮して測定された温度を補正することより高精度に体温を測定できることが分かった。また、センサ回路やＥＭＣ試験と動作の確認も実施し、ハード的には問題ないことが確認され、人の額から体温を測定する非接触の体温計の提供することができる。

なお、本発明にかかる実施例について具体的に説明した、これら実施例に限定されるものではないことは勿論であり、また、本発明は上述の発明の実施例に限らず本発明の要旨を逸脱することなくその他種々の構成を採り得ることは可能である。

病院や学校、職場、家庭などでも衛生上から素早く、非接触で検温することが求められる体温計の製造、販売業界に貢献できる。

１‥‥体温計、
２‥‥カバー下枠、
３‥‥カバー上枠、
４‥‥電源着脱用開口部に設けられている開閉蓋、
７‥‥電源スイッチ、
８‥‥体温測定用スイッチ、
９‥‥温度表示用パネル、
１０‥‥赤外線導入用の開口部。

Claims (3)

1. 人間の前頭部との距離を測定し、所定の距離を検出したら警報を発する手段と、額にて発する赤外線の波長を、非接触計測する体温計測センサ手段と、測定時の外気温度を検知し、体温計測センサ信号の補正処理をする手段と、計測した体温を表示する手段と、計測データを発信する手段と、ＣＰＵを有する制御部と、電源部とを備えた非接触により体温計測することを特徴とする体温計。
2. 前記請求項１により計測される体温が±０.２℃の範囲で正しく測定できることを特徴とする請求項１に記載の体温計。
3. 前記請求項１，２に記載された体温計の発する計測データを受信し、該データを蓄積し管理するコンピュータを備えた非接触により体温を計測する体温計測システム。