JP6428398B2 - 内部温度測定装置及び熱抵抗測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、表面近傍に非発熱体が存在する測定対象物の内部温度を測定するための内部温度測定装置と、測定対象物の表面近傍に存在する非発熱体の熱抵抗を測定するための熱抵抗測定装置とに関する。

深部体温（人体の内部温度）測定するための方法としては、体表面から熱流が流出しない状態を形成して深部体温を測定する方法と、体表面から流出する熱流の大きさを検知してその検知結果から深部体温を測定（算出）する方法とがある。

前者の方法（例えば、特許文献１参照）で深部体温を測定する場合には、図１５に模式的に示したように、断熱材の上下面にそれぞれ温度センサが取り付けられた熱流束センサにヒータを重ねたセンサモジュールが、体表面上に配置される。そして、両温度センサの温度差がなくなるように、ヒータの発熱量（温度）が制御され、同一値となった両温度センサの温度が、深部体温とされている。

後者の方法としては、図１６（Ａ）に示した構成のセンサモジュールを使用するもの（例えば、特許文献２参照）と、図１６（Ｂ）に示した構成のセンサモジュールを使用するもの（例えば、特許文献３参照）とが知られている。

図１６（Ａ）に示したセンサモジュール（断熱材の上下面にそれぞれ温度センサが取り付けられた１つの熱流束センサ）を用いる場合、断熱材の上面側の温度センサにより測定される温度Ｔａ、断熱材の下面側の温度センサにより測定される温度Ｔｔとから、以下の（α）式により深部体温Ｔｂが算出される。

Ｔｂ＝（Ｔｔ−Ｔａ）Ｒｘ／Ｒ１＋Ｔｔ …（α）
ここで、Ｒ１、Ｒｘとは、それぞれ、断熱材の熱抵抗、皮下組織の熱抵抗のことである。

すなわち、図１６（Ａ）に示したセンサモジュールを用いる内部温度算出方法は、基本的には、Ｒ１及びＲｘの値として固定値を使用するものとなっている。ただし、Ｒｘ値は、場所による違いや個人差がある値であるため、Ｒｘ値として固定値を用いて上記式により算出した深部体温Ｔｂには、用いたＲｘ値と実際のＲｘ値との差に応じた測定誤差が含まれることになる。そのため、Ｔｔ、Ｔａの時間変化を測定して、測定結果からＲｘを算出することも行われている（特許文献２参照）。

図１６（Ｂ）に示したセンサモジュールを用いて内部温度を算出する場合、断熱材の熱抵抗が異なる２つの熱流束センサのそれぞれによって、体表面からの熱流束を表す温度差が測定される。断熱材の熱抵抗が異なる２つの熱流束センサにより温度差を測定すれば、以下の２式を得ることが出来る。

Ｔｂ＝（Ｔｔ−Ｔａ）Ｒｘ／Ｒ１＋Ｔｔ …（β）
Ｔｂ＝（Ｔｔ′−Ｔａ′）Ｒｘ／Ｒ２＋Ｔｔ′ …（γ）
ここで、Ｔａ、Ｔａ′とは、それぞれ、図１６（Ｂ）において左側、右側に示してある熱流束センサの上面側の温度センサにより測定される温度のことである。Ｔｔ、Ｔｔ′とは、それぞれ、図１６（Ｂ）において左側、右側に示してある熱流束センサの下面側の温度センサにより測定される温度のことである。Ｒ１、Ｒ２とは、図１６（Ｂ）に示してあ
るように、各熱流束センサの断熱材の熱抵抗のことである。

Ｒ１及びＲ２が既知数である場合、上記２式中の未知数は、ＲｘとＴｂだけである。従って、（β）及び（γ）式から、Ｔｂを求めることが出来る。図１６（Ｂ）に示したセンサモジュールを用いて内部温度を算出する場合、この原理により、深部体温Ｔｂが測定（算出）されている。

特開２００２−２０２２０５号公報 特開２００２−３７２４６４号公報 特開２００７−２１２４０７号公報

一般に、図１５に示したセンサモジュールを用いた場合よりも、図１６（Ａ）、（Ｂ）に示したセンサモジュールを用いた場合の方が、短時間のうちに、深部体温Ｔｂを得ることが出来る。ただし、図１６（Ａ）、（Ｂ）に示したセンサモジュールは、Ｔｂの算出に必要な情報を、複数の温度センサにて得るものとなっている。そして、温度センサの精度は、さほど高いものではないため、図１６（Ａ）、（Ｂ）に示したセンサモジュールには、熱抵抗及び熱容量が大きな断熱材が使用されており、その結果として、既存のセンサモジュールは、応答性が悪い（安定した、深部体温の測定結果が得られるまでに要する時間が長い）ものとなっている。

サーモパイルを備えたＭＥＭＳデバイスを温度差の測定に使用すれば、深部体温を測定するためのモジュールの熱抵抗及び熱容量が大きく減少するため、応答性がより良い形で深部体温を測定することが可能となる。ただし、サーモパイルを備えたＭＥＭＳデバイスを用いて、深部体温等の測定対象物の内部温度を精度良く測定（算出）できる技術、及び、サーモパイルを備えたＭＥＭＳデバイスを用いて、測定対象物の表面近傍に存在する非発熱体の熱抵抗を精度良く測定（算出）できる技術は、未だ実現されていないのが現状である。

そこで、本発明の課題は、サーモパイルを備えたＭＥＭＳデバイスが用いられた、測定対象物の内部温度を精度良く測定（算出）できる内部温度測定装置と、サーモパイルを備えたＭＥＭＳデバイスが用いられた、測定対象物の表面近傍に存在する非発熱体の熱抵抗を精度良く測定（算出）できる熱抵抗測定装置とを、提供することにある。

サーモパイルを備えたＭＥＭＳデバイスが用いられた、測定対象物の内部温度や熱抵抗を精度良く測定（算出）できる装置を実現すべく、鋭意、研究を行った所、発明者らは、サーモパイルの出力等を増幅するためにＭＥＭＳデバイスの近傍に設けられている増幅回路からの熱流が、測定対象物の内部温度や測定対象物の熱抵抗（測定対象物の表面近傍に存在する非発熱体の熱抵抗）の測定（算出）精度に悪影響を与えていることを見出した。

本発明の内部温度測定装置及び熱抵抗測定装置は、上記知見に基づき想到されたものであり、それぞれ、以下の構成を有する。

本発明の内部温度測定装置は、表面近傍に非発熱体が存在する測定対象物の内部温度を測定するための、内部温度の測定時に前記測定対象物の表面に所定の接触面を接触させて使用する装置であって、一方の面が前記接触面として機能する基材と、前記基材の他方の面上に配置されたＭＥＭＳデバイスであって、板状の天面部と、前記天面部を、前記基材の前記他方の面に対して支持する、前記天面部に至る１つ以上の空洞が設けられている支持部と、前記天面部の、異なる部分間の温度差を測定する第１サーモパイル及び第２サーモパイルとを含むＭＥＭＳデバイスと、前記基材の前記他方の面上又は前記ＭＥＭＳデバイスの前記天面部上に配置された熱源と、内部温度の算出時に使用する基準温度を測定する温度センサと、前記第１サーモパイルにより測定された温度差と、前記第１サーモパイルにより測定された温度差から前記第２サーモパイルにより測定された温度差を減じた値とを用いて、前記ＭＥＭＳデバイスの前記天面部に前記熱源からのみ熱流が流入している
場合に前記第１サーモパイルにより測定される温度差を推定する温度差推定手段と、前記温度差推定手段により推定された温度差を用いて前記非発熱体の熱抵抗を算出する熱抵抗算出手段と、前記熱抵抗算出手段により算出された熱抵抗と前記第１サーモパイルにより測定された温度差及び／又は前記第２サーモパイルにより測定された温度差と前記温度センサにより測定された基準温度とを用いて、前記測定対象物の内部温度を算出する内部温度算出手段と、を備える。

また、本発明の熱抵抗測定装置は、測定対象物の表面近傍に存在する非発熱体の熱抵抗を測定するための、前記非発熱体の熱抵抗の測定時に前記測定対象物の表面に所定の接触面を接触させて使用する装置であって、一方の面が前記接触面として機能する基材と、前記基材の他方の面上に配置されたＭＥＭＳデバイスであって、板状の天面部と、前記天面部を、前記基材の前記他方の面に対して支持する、前記天面部に至る１つ以上の空洞が設けられている支持部と、前記天面部の、異なる部分間の温度差を測定する第１サーモパイル及び第２サーモパイルとを含むＭＥＭＳデバイスと、前記基材の前記他方の面上又は前記ＭＥＭＳデバイスの前記天面部上に配置された熱源と、前記第１サーモパイルにより測定された温度差と、前記第１サーモパイルにより測定された温度差から前記第２サーモパイルにより測定された温度差を減じた値とを用いて、前記ＭＥＭＳデバイスの前記天面部に前記熱源からのみ熱流が流入している場合に前記第１サーモパイルにより測定される温度差を推定する温度差推定手段と、前記温度差推定手段により推定された温度差に基づき、前記非発熱体の熱抵抗を算出する熱抵抗算出手段と、を備える。

すなわち、本発明の内部温度測定装置及び熱抵抗測定装置は、測定対象物の内部温度や測定対象物の熱抵抗の測定精度に悪影響を与える熱流（つまり、熱源からの熱流）のみが、ＭＥＭＳデバイスの天面部に流入している場合に第１サーモパイルにより測定される温度差を推定し、その推定結果を用いて、測定対象物の熱抵抗を算出する構成を有している。そのため、本発明の内部温度測定装置及び熱抵抗測定装置により算出される測定対象物の熱抵抗は、精度が高いものとなる。そして、精度が高い熱抵抗を用いて内部温度を算出すれば、算出される内部温度の精度も高くなる。従って、上記構成を採用しておけば、サーモパイルを備えたＭＥＭＳデバイスが用いられた、測定対象物の内部温度／熱抵抗を精度良く測定（算出）できる内部温度／測定装置を実現できる。

本発明の内部温度測定装置の基材は、単一の部材であっても、複数の部材が組み合わされた部材（例えば、生体適合性を有する絶縁性フィルムと他部材の積層体）であっても良い。また、本発明の内部温度測定装置の熱源は、基材の上面（ＭＥＭＳデバイスが配置されている側の面）やＭＥＭＳデバイスの天面部の上面に意図的に追加されたものであっても、『前記基材の前記他方の面上に配置された、前記第１サーモパイル及び前記第２サーモパイルの出力を増幅する集積回路』であっても良い。

また、熱源は、熱を発生させることと熱の発生を停止させることが可能な熱源であっても、内部温度測定装置の動作中は、熱の発生をＯＮ／ＯＦＦできないものであっても良い。前者の熱源を採用する場合には、消費電力を低減するために、内部温度測定装置に、前記温度差推定手段により前記温度差が推定される場合にのみ、前記熱源に熱を発生させる
熱源制御手段を、付加しておいても良い。

また、内部温度測定装置に、ＭＥＭＳデバイスが、第３サーモパイルを備えた部分であって、前記第３サーモパイルにより測定される温度差が、前記第１サーモパイルにより測定される温度差から前記第２サーモパイルにより測定される温度差を減じた値と一致するように構成された部分を含むものであり、前記温度差推定手段が、前記第１サーモパイルにより測定された温度差から前記第２サーモパイルにより測定された温度差を減じた値として、前記第３サーモパイルにより測定された温度差を使用して、前記場合に前記第１サーモパイルにより測定される温度差を推定する手段である構成を採用しておいても良い。このような構成を採用しておけば、熱抵抗の算出に使用される『前記第１サーモパイルにより測定された温度差から前記第２サーモパイルにより測定された温度差を減じた値』と同じ値を、第３サーモパイルにより実測できることになる。そして、一般に、１つのサーモパイルによる温度差の測定結果の方が、２つのサーモパイルによる温度差の測定結果の差よりも精度が高くなる。従って、上記構成を採用しておけば、熱抵抗をより精度良く算出することが可能となる。

本発明によれば、サーモパイルを備えたＭＥＭＳデバイスが用いられた、測定対象物の内部温度、熱抵抗を精度良く測定（算出）できる内部温度測定装置、熱抵抗測定装置を提供することができる。

図１は、本発明の第１実施形態に係る内部温度測定装置の構成の説明図である。 図２は、内部温度測定装置が備えるパッケージの斜視図である。 図３は、パッケージ内に配置されるＭＥＭＳチップの構成の説明図である。 図４は、第１実施形態に係る内部温度測定装置の使用例の説明図である。 図５は、第１実施形態に係る内部温度測定装置の他の使用例の説明図である。 図６は、（１）式及び（２）式の導出法の説明図である。 図７は、（２）式の導出法の説明図である。 図８は、（１）式及び（２）式の導出法の説明図である。 図９は、第１実施形態に係る内部温度測定装置に関する実験結果の説明図である。 図１０は、第１実施形態に係る内部温度測定装置のセンサモジュールのΔＴ_１とΔＴ″との間の関係（図１０（Ａ））、センサモジュールのΔＴ_１のオフセットとＲｘ値との間の関係（図１０（Ｂ））の説明図である。 図１１は、第２実施形態に係る内部温度測定装置に用いられているＭＥＭＳチップの構成の説明図である。 図１２は、第１実施形態に係る内部温度測定装置のＭＥＭＳチップの変形例の説明図である。 図１３は、第２実施形態に係る内部温度測定装置のＭＥＭＳチップの変形例の説明図である。 図１４は、第１実施形態に係る内部温度測定装置の変形例の説明図である。 図１５は、体表面から熱流が流出しない状態を形成して深部体温を測定する方法の説明図である。 図１６は、体表面から流出する熱流の大きさを検知してその検知結果から深部体温を測定（算出）する方法の説明図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

《第１実施形態》
まず、図１〜図３を用いて、本発明の第１実施形態に係る内部温度測定装置の構成を説明する。図１は、第１実施形態に係る内部温度測定装置の構成の説明図である。図２は、内部温度測定装置が備えるパッケージ１１の斜視図であり、図３は、パッケージ１１内に配置されるＭＥＭＳチップ２０の構成の説明図である。

図１に示してあるように、本実施形態に係る内部温度測定装置は、センサモジュール１０とプリント回路板３０とを備える。センサモジュール１０は、内部温度の算出に使用する値（本実施形態では、温度と２つの温度差）を測定するモジュールである。内部温度測定装置は、このセンサモジュール１０の下面（図１における下側の面）を内部温度の測定対象物（人体等）の表面に接触させて使用される。

図１に示してあるように、センサモジュール１０は、パッケージ１１とＭＥＭＳチップ２０とＡＳＩＣ２６とを備えている。パッケージ１１は、ＭＥＭＳチップ２０及びＡＳＩＣ２６のケースである。パッケージ１１は、対向する２つの側面から複数のリード１３が突出するように、モールド成形（インサート成形）によって製造されている。

より具体的には、図２に示してあるように、パッケージ１１は、樹脂製の略有底四角筒状の筐体１２を有している。パッケージ１１の筐体１２の対向する側壁１２ａ、１２ｂのそれぞれには、筐体１２の下面と所定の間隔をもって側壁１２ａ／１２ｂを貫通する複数のリード１３が設けられている。プリント回路板３０（詳細は後述）のプリント配線板３１には、パッケージ１１を挿入可能な開口部（図１参照）が設けられており、各リード１３の、筐体１２下面との間の間隔は、プリント配線板３１の開口部にセンサモジュール１０の底部側を挿入したときに、センサモジュール１０の下面がプリント回路板３０（プリント配線板３１）の下面から突出するように定められている。

筐体１２の底部の中央部分１４は、高熱伝導性の材料（本実施形態では、金属）で構成されている。センサモジュール１０のＭＥＭＳチップ２０及びＡＳＩＣ２６は、高熱伝導性の材料で構成された中央部分１４（以下、伝熱パッド１４と表記する）に配置されている。尚、ＭＥＭＳチップ２０及びＡＳＩＣ２６は、通常、熱伝導性の良い接着剤（銀ペースト等）を用いて、伝熱パッド１４上に固定される。

ＭＥＭＳチップ２０（図１）は、ＭＥＭＳ技術を用いて製造された小型な温度差センサ（熱流束センサ）である。

以下、図３（Ａ）、（Ｂ）を用いて、ＭＥＭＳチップ２０の構成を説明する。尚、図３（Ａ）は、ＭＥＭＳチップ２０の上面図であり、図３（Ｂ）は、ＭＥＭＳチップ２０の、図３（Ａ）におけるＸ−Ｘ線断面図である。また、ＭＥＭＳチップ２０に関する以下の説明において、上、下、左、右とは、図３（Ａ）における上、下、左、右のことである。

図３（Ｂ）に示してあるように、ＭＥＭＳチップ２０は、天面部２１と支持部２２とを備える。天面部２１は、シリコン基板上に半導体プロセスを用いて形成される積層体である。支持部２２は、天面部２１を形成したシリコン基板を裏面側からエッチングすることにより形成される、平面視においてロの字の部分である。以下、天面部２１の、裏面側に支持部２２が存在していない部分のことを、メンブレン部と表記する。また、支持部２２の、図３（Ａ）における各一点鎖線枠２５内の部分のことを、脚部２３と表記する。

図３（Ａ）に示してあるように、メンブレン部の左右方向の中心は、ＭＥＭＳチップ２０の左右方向の中心よりも左側に位置している。そのため、ＭＥＭＳチップ２０の右側の脚部２３の幅（左右方向の長さ）は、左側の脚部２３の幅よりも広くなっている。

天面部２１の内部には、Ｐ型ポリシリコンとＮ型ポリシリコンとを組み合わせた熱電対を直列接続したサーモパイル２４ａ、２４ｂが設けられている。図３（Ａ）、（Ｂ）に示してあるように、サーモパイル２４ａは、メンブレン部の左右方向の途中の部分（天面部２１の左右方向のほぼ中央部に相当する部分；以下、冷接点部と表記する）と、天面部２１の、左側の脚部２３上の部分との間の温度差を測定できるように配置されている。また、サーモパイル２４ｂは、冷接点部と、天面部２１の、右側の脚部２３上の部分との間の温度差を測定できるように配置されている。

また、図示は省略してあるが、ＭＥＭＳチップ２０の天面部２１の上面には、各サーモパイル２４（２４ａ、２４ｂ）の電極が設けられている。

ＡＳＩＣ２６（図１）は、入出力用の複数の電極が、その上面に設けられている集積回路である。ＡＳＩＣ２６は、温度センサを内蔵している。また、ＡＳＩＣ２６は、温度センサの出力及びＭＥＭＳチップ２０の各サーモパイル２４の出力を増幅する機能と、増幅後の各出力をデジタルデータ化する機能とを有している。このＡＳＩＣ２６としては、例えば、絶対温度に比例した電圧を出力するＰＴＡＴ(Proportional To Absolute Temperature)電圧源（つまり、温度計として機能する電圧源）を備え、ＰＴＡＴ電圧源の構成要素が温度センサとして機能する集積回路が使用される。

センサモジュール１０は、上記のようなＡＳＩＣ２６及びＭＥＭＳチップ２０をパッケージ１１（筐体１２）の伝熱パッド１４上に配置し、ＭＥＭＳチップ２０とＡＳＩＣ２６との間と、リード１３とＡＳＩＣ２６との間とを、ワイヤ・ボンディングにより電気的に接続したものとなっている。

プリント回路板３０（図１）は、演算回路３２ａ等の各種デバイス３２（抵抗、コンデンサ等）をプリント配線板３１上に実装したユニットである。このプリント回路板３０には、内部温度測定装置用の制御装置からの電源線及び信号線が接続されるターミナルが設けられている。ここで、内部温度測定装置用の制御装置（以下、単に、制御装置と表記する）とは、信号線を介して内部温度測定装置（演算回路３２ａ）との間で通信を行うことにより内部温度測定装置から内部温度の測定結果を取得する機能、取得した測定結果の表示や記録を行う機能、電源線を介して内部温度測定装置に電力を供給する機能等を有する装置のことである。尚、制御装置は、内部温度測定装置と同じ筐体内に収容されているものであっても、そのようなものでなくても良い。

プリント回路板３０の演算回路３２ａは、センサモジュール１０（ＭＥＭＳチップ２０、ＡＳＩＣ２６）による温度差、温度の測定結果から、測定対象物の内部温度を算出して出力する回路である。この演算回路３２ａの機能については後述するが、演算回路３２ａは、１つのデバイス（マイクロコントローラ等）であっても、複数のデバイス（例えば、ＣＰＵとＲＯＭとＲＡＭ）が組み合わされたものであっても良い。

既に説明したように、プリント回路板３０のプリント配線板３１には、センサモジュール１０を挿入できる形状の開口部が設けられている。この開口部の周囲には、開口部に挿入されたセンサモジュール１０の各リード１３と対向するように、複数のランドが設けられている。そして、本実施形態に係る内部温度測定装置は、プリント配線板３１上に、センサモジュール１０を各種デバイス３２と共に表面実装することにより製造した装置となっている。

ここで、本実施形態に係る内部温度測定装置の利用法を簡単に説明しておくことにする。

本実施形態に係る内部温度測定装置は、測定環境が、上方からセンサモジュール１０に光（赤外線等）が入射せず、センサモジュール１０の上方の空気温度が安定している環境である場合には、図１に示した状態のままで使用することが出来るものである。ただし、測定環境が、そのようなものであることは少ない。そして、上方からセンサモジュール１０に光が入射する場合や、センサモジュール１０の上方の空気温度が変化する場合には、内部温度測定装置による内部温度の測定精度が低下してしまう。そのため、内部温度測定装置は、通常、図４に模式的に示してあるように、センサモジュール１０の開口部（上面）を、開口部以上のサイズの蓋部１５で覆った状態で使用される。

また、センサモジュール１０は、上方の空気温度が低い方が感度が高くなるモジュールである。従って、センサモジュール１０の開口部を蓋部１５で覆う場合には、図４に示してあるように、蓋部１５の下面に、赤外線を吸収する部材１６を設けておいても良い。また、放熱性が良い形状を有する蓋部１５、例えば、放熱フィンを備えた蓋部１５や、面積が、センサモジュール１０の開口部の面積の数倍ある蓋部１５を採用しておいても良い。

また、図５に模式的に示してあるように、蓋部１５を設けることなく、内部温度測定装置のセンサモジュール１０の下面以外の部分を、筐体１８で囲っておいても良い。尚、この場合も、筐体１８の、センサモジュール１０の開口部上の部分に、赤外線を吸収する部材１６を設けておくことにより、内部温度測定装置の感度を向上させることが出来る。

さらに、内部温度測定装置により人体の深部体温を測定する場合には、センサモジュール１０の下面に、生体適合性を有する絶縁性のフィルムや樹脂部材等を固定しておいても良い。また、測定対象物との間の熱的接触性を良好なものとするために、下面が、中央部分が下方に突出した曲面状になるように、または、下面に曲面からなる凸構造が複数存在するように、センサモジュール１０を製造しておいても良い。

以下、本実施形態に係る内部温度測定装置による内部温度の測定手順を説明する。尚、以下では、測定対象物の表面近傍に存在する非発熱体の熱抵抗のことを、測定対象物の熱抵抗と表記する。

本実施形態に係る内部温度測定装置は、センサモジュール１０の出力に基づき、測定対象物の熱抵抗Ｒｘを算出し、算出した熱抵抗Ｒｘを用いて、センサモジュール１０の出力から内部温度Ｔｂを算出する装置として構成されている。そのため、演算回路３２ａは、内部温度測定装置用の制御装置から、熱抵抗算出指示と内部温度算出指示とを受け付けられるように、構成（プログラミング）されている。

熱抵抗算出指示を受け付けた場合、演算回路３２ａは、まず、サーモパイル２４ａによる温度差の測定結果ΔＴ_１とサーモパイル２４ｂによる温度差の測定結果ΔＴ′_１とを、センサモジュール１０から取得して前回の測定結果と比較する処理を周期的に行う状態となる。そして、演算回路３２ａは、ΔＴ_１及びΔＴ′_１の変化量が所定量以下となったことを検出した際に、熱抵抗算出処理を行う。

演算回路３２ａが行う熱抵抗算出処理は、最も最近取得した１組のΔＴ_１及びΔＴ′_１に基づき、ＡＳＩＣ２６からの熱流Ｉａを考慮して測定対象物の熱抵抗Ｒｘを算出する処理である。

この熱抵抗算出処理時には、例えば、以下の（１）式が用いられる。

この（１）式の詳細については後述するが、Ｒ１は、ＭＥＭＳチップ２０のメンブレン部の、サーモパイル２４ａが設けられている部分の左右方向の熱抵抗である。Ｒ２は、メンブレン部の、サーモパイル２４ｂが設けられている部分の左右方向の熱抵抗である。Ｒｉｒは、メンブレン部の冷接点部と、冷接点部の上方（遠方）の空気中の、その温度Ｔａｉｒがほぼ一定となっている部分との間の熱抵抗である。ΔＴ″は、ΔＴ_１からΔＴ′_１を減じた値であり、Ａは、左側の脚部２３の幅と右側の脚部２３の幅の和を、左側の脚部２３の幅で割った値である。

熱抵抗Ｒｘの算出を終えた演算回路３２ａは、算出した熱抵抗Ｒｘを内部に記憶してから、熱抵抗の算出が完了した旨を示す情報を制御装置に送信する。そして、演算回路３２ａは、熱抵抗算出指示に対する処理を終了する。

演算回路３２ａは、内部温度算出指示を受け付けた場合には、まず、サーモパイル２４ａ、２４ｂによる温度差の測定結果ΔＴ_１及びΔＴ′_１と温度センサ（ＡＳＩＣ２６）による温度の測定結果Ｔｒとを、センサモジュール１０から取得して前回の測定結果と比較する処理を周期的に行う状態となる。そして、演算回路３２ａは、各測定結果の変化量が所定量以下となったことを検出したときに、内部温度算出処理を行う。

演算回路３２ａが行う内部温度算出処理は、最も最近取得したΔＴ_１、又はΔＴ′_１及びＴｒと、内部に記憶している熱抵抗Ｒｘとに基づき、ＡＳＩＣ２６からの熱流Ｉａを考慮して測定対象物の内部温度Ｔｂを算出する処理である。

この内部温度算出処理時には、例えば、以下の（２）式（詳細は後述）が用いられる。

内部温度算出処理を終えた演算回路３２ａは、算出した内部温度Ｔｂを制御装置に送信してから、内部温度算出指示に対する処理を終了する。

以下、測定対象物が人体である場合を例に、上記した（１）、（２）式の内容（意味）を説明する。

既に説明したように（図１参照）、センサモジュール１０のＭＥＭＳチップ２０及びＡＳＩＣ２６は、熱伝導性が良い伝熱パッド１４上に配置されている。そして、ＡＳＩＣ２６は、定熱流源として機能するものである。従って、図６（Ａ）に示してあるような、人体の皮下組織上にセンサモジュール１０の下面が接触している状態は、図６（Ｂ）に示した熱回路によって表すことが出来る。尚、図６（Ｂ）及び以下の説明において、ｋとは、右側の脚部２３の幅を左側の脚部２３の幅で割った値（＝Ａ−１）のことである。また、Ｔｔ、Ｔｔ′とは、それぞれ、サーモパイル２４ａ、２４ｂの温接点の温度のことである
。

図６（Ｂ）から明らかなように、サーモパイル２４ａにより測定される温度差ΔＴ_１は、定熱流源からの定熱流Ｉａに起因して生ずる温度差ΔＴ_０と、人体の深部からの熱流に起因して生ずる温度差ΔＴの和となる。同様に、サーモパイル２４ｂにより測定される温度差ΔＴ′_１は、定熱流源からの定熱流Ｉａに起因して生ずる温度差ΔＴ′_０と、人体の深部からの熱流に起因して生ずる温度差ΔＴ′の和となる。

従って、ΔＴ、ΔＴ′について、それぞれ、以下の（３）、（４）式が成立する。

また、サーモパイル２４ａの冷接点の温度と、サーモパイル２４ｂの冷接点の温度は、共に、ＭＥＭＳチップ２０の冷接点部（図３参照）の温度である。従って、サーモパイル２４ａの温接点の温度Ｔｔと、サーモパイル２４ｂの温接点の温度Ｔｔ′の差Ｔ″について以下の（５）式が成立する。

また、図７（Ａ）に示したように、サーモパイル２４ａが設けられている部分を通過する熱流は、熱抵抗Ｒｘの皮下組織及び左側の脚部２３を介して熱源から流入した熱流Ｉ１である。そして、サーモパイル２４ａが設けられている部分を通過する熱経路のみについての熱回路は、図７（Ｂ）に示したものとなる。従って、人体の深部からの熱流Ｉ（熱流Ｉ中の、左側の脚部２３を通る熱流Ｉ１）に起因して生ずる温度差ΔＴとサーモパイル２４ａが設けられている部分の熱抵抗Ｒ１とサーモパイル２４ａの温接点の温度Ｔｒとが分かれば、上記した（２）式により、Ｔｂを求めることが出来る。

同様に、人体の深部からの熱流Ｉに起因して生ずる温度差ΔＴ′とサーモパイル２４ｂが設けられている部分の熱抵抗Ｒ２とサーモパイル２４ｂの温接点の温度Ｔｒ′とが分かれば、以下の（６）式により、Ｔｂを求めることが出来る。

また、（３）式を用いて（１）式からΔＴを消去すれば、以下の（７）式が得られ、（４）式を用いて（６）式から、ΔＴ′を消去すれば、以下の（８）式が得られる。

そして、これらの式を組み合わせてＴｂを消去すれば、以下の（９）式が得られる。

さらに、上記した（５）式と、伝熱パッドが低熱抵抗であるためΔＴ_０≒ΔＴ′_０という関係式を用いて、（９）式を整理すると、以下の（１０）を得ることが出来る。

そして、ＭＥＭＳチップ２０のＲ１，Ｒ２は、皮下組織のＲｘ等よりも２桁程度小さな値であるため、（１０）式におけるΔＴ″の係数は、Ｒ１／（Ｒ２−Ｒ１）で近似することができる。従って、以下の（１１）式により、ΔＴ_０を、ΔＴ_１とΔＴ″（＝ΔＴ_１−ΔＴ′_１）とから算出できることになる。

ここで、ＭＥＭＳチップ２０の上方の空気温度Ｔａｉｒと内部温度Ｔｂとが一致している場合を考える。この場合、図８に示してあるように、サーモパイル２４ａ、２４ｂにより、定熱流源（ＡＳＩＣ２６）からの定熱流Ｉａに起因して生ずる温度差ΔＴ_０、ΔＴ′_０が測定されることになる。

そして、ΔＴ_０＝Ｒ１・Ｉａ１、ΔＴ′_０＝Ｒ２・Ｉａ２、ΔＴ_０≒ΔＴ′_０という関係式が成立する。尚、Ｉａ１、Ｉａ２とは、図８に示してあるように、メンブレン部の、サーモパイル２４ａ、サーモパイル２４ｂが設けられている部分を左右方向に流れる熱流の大きさのことである。

従って、図８に示した熱回路から、ΔＴ_０に関する以下の（１２）式を得ることができる。

この（１２）式は、以下の（１３）式と同値の式である。

上記した（１）式は、（１１）式を用いて、この（１３）式中のΔＴ_０を消去した式となっている。従って、（１）式により、ＡＳＩＣ２６からの熱流Ｉａを考慮した形で測定対象物の熱抵抗Ｒｘを算出できることになる。

また、上記した（２）式中のΔＴ（＝ΔＴ_１−ΔＴ_０）及びＲｘは、ＡＳＩＣ２６からの熱流Ｉａを考慮して算出された値である。従って、（２）式により、ＡＳＩＣ２６からの熱流Ｉａを考慮した形で測定対象物の内部温度Ｔｂを算出できることになる。

そして、上記手順で内部温度Ｔｂを算出すると、サーモパイル２４ａ、２４ｂによる測定された温度差ΔＴ_１、ΔＴ′_１から特許文献記載のものと同様の原理で内部温度Ｔｂを算出した場合よりも、内部温度Ｔｂを精度良く算出できることが様々な実験結果から確認できている。

具体的には、例えば、図９に示した実験結果が得られている。

この図９に、◆で示してある誤差は、厚さが２，４又は６ｍｍのシリコーンゴムを載置したステージ上にセンサモジュール２０を配置し、ステージ温度とＴａｉｒとシリコーンゴム厚の組合せが異なる各種条件にて上記手順で算出したＴｂの誤差（Ｔｂの算出結果−ステージ温度）である。また、図９に、×で示してある誤差は、センサモジュール２０の出力から、特許文献記載のものと同様の原理で、ＡＳＩＣ２６からの熱量を考慮することなく、算出したＴｂの誤差である。

このように、上記手順で内部温度Ｔｂを算出すると、ＡＳＩＣ２６からの熱量を考慮しない場合よりも、内部温度Ｔｂを精度良く算出できる。そして、ＭＥＭＳチップ２０は、熱容量が小さなデバイスなのであるから、上記手順で内部温度Ｔｂが測定（算出）されるようにしておけば、正確な内部温度Ｔｂを短時間で測定できる内部温度測定装置を実現することが出来る。

ここで、上記した（１）、（２）式について、補足説明を行っておくことにする。

（１）式及び（２）式は、いずれも、センサモジュール２０の出力以外の値（Ｒ１値，Ｒ２値）が必要とされる式である。当然、Ｒ１値、Ｒ２値等を予め求めて演算回路３２ａに設定しておくことにより、熱抵抗Ｒｘや内部温度Ｔｂの算出が、上記した（１）式又は（２）式をそのまま用いて行われるようにしておいても良い。ただし、Ｒ１値やＲ２値は、簡単に求められる値ではない。

そして、センサモジュール２０のΔＴ_１とΔＴ″との間には以下の（１４）式が成立する。

尚、この（１４）式は、（１１）式と（１２）式とを組み合わることにより得られるものである。

（１４）式から明らかなように、センサモジュール２０のΔＴ_１とΔＴ″の間には、線形関係がある。また、ΔＴ_１のオフセット（ΔＴ″が“０”であるときのΔＴ_１の値）は、Ｒｘの関数となっている。

図１０に示したように、実際の実験結果によっても、センサモジュール２０のΔＴ_１とΔＴ″の間には線形関係があること（図１０（Ａ））、ΔＴ_１のオフセットがＲｘの関数となる（Ｒｘ値に依存して変化する）こと（図１０（Ｂ））が確認されている。尚、図１０（Ａ）は、厚さが２，４又は６ｍｍのシリコーンゴムを載置したステージ上に配置したセンサモジュール２０のΔＴ_１とΔＴ″との間の関係を示した図である。図１０（Ｂ）は、図１０（Ａ）に示したΔＴ_１とΔＴ″との間の関係から求めたΔＴ_１のオフセットに対して、各関係の測定時に用いたシリコーンゴムの熱抵抗Ｒｘをプロットした図である。また、図１０（Ｂ）における２ｍｍ、４ｍｍ等は、測定時に用いたシリコーンゴムの厚さである。

図１０（Ａ）から明らかなように、センサモジュール２０のΔＴ_１とΔＴ″の間には、決定係数Ｒ^２が０．９９９８以上の線形関係がある。また、ΔＴ_１のオフセットと、Ｒｘとの間にも線形関係がある。

従って、各種条件におけるΔＴ_１とΔＴ″の測定結果から、熱抵抗Ｒｘ、内部温度Ｔｂの算出に最小限必要とされる値（“Ｒ１／（Ｒ２−Ｒ１）”等）のみを求めておき、（１）、（２）式を、“Ｒ１／（Ｒ２−Ｒ１）”等の代わりに、求めた値が用いられた式としておいても良い。

《第２実施形態》
以下、本発明の第２実施形態に係る内部温度測定装置について、上記した第１実施形態に係る内部温度測定装置と異なる部分を中心に説明する。

本実施形態に係る内部温度測定装置は、第１実施形態に係る内部温度測定装置のＭＥＭＳチップ２０を、図１１に示したＭＥＭＳチップ２０′に置き換えて、演算回路３２ａの演算手順を若干変更した装置である。

まず、図１１を用いて、ＭＥＭＳチップ２０′について説明する。尚、図１１（Ａ）は、ＭＥＭＳチップ２０′の上面図であり、図１１（Ｂ）は、ＭＥＭＳチップ２０′の断面図である。また、ＭＥＭＳチップ２０′に関する以下の説明において、上、下、左、右とは、図１１（Ａ）における上、下、左、右のことである。

図１１（Ａ）に示してあるように、ＭＥＭＳチップ２０′は、全体的な形状が左右対象となっているデバイスである。ＭＥＭＳチップ２０′の右半分は、ＭＥＭＳチップ２０と同構成を有している。そして、ＭＥＭＳチップ２０′の左半分には、『サーモパイル２４ａにより測定される温度差ΔＴ_１−サーモパイル２４ｂにより測定される温度差ΔＴ′_１』と同じ値が測定できるように配置されたサーモパイル２４ｃが設けられている。

要するに、ＭＥＭＳチップ２０′は、サーモパイル２４ａにより測定される温度差ΔＴ_１からサーモパイル２４ｂにより測定される温度差ΔＴ′_１を減じた値（つまり、ΔＴ″）を、サーモパイル２４ｃにより測定できるように構成されている。

そして、本実施形態に係る内部温度測定装置の演算回路３２ａは、ΔＴ″が必要とされる場合（（１）式参照）に、ΔＴ_１とΔＴ′_１とからΔＴ″を算出することなくサーモパイル２４ｃの出力を使用するように、第１実施形態に係る内部温度測定装置の演算回路３２ａを改良したものとなっている。

以上の説明から明らかなように、本実施形態に係る内部温度測定装置では、ΔＴ_１とΔＴ′_１とからΔＴ″が算出されるのではなく、ΔＴ″が実測される。そのため、本実施形
態に係る内部温度測定装置におけるΔＴ″は、第１実施形態に係る内部温度測定装置におけるΔＴ″よりも精度が高いものとなる。そして、その結果として、本実施形態に係る内部温度測定装置は、第１実施形態に係る内部温度測定装置よりも内部温度Ｔｂの算出精度が高い装置として機能する。

《変形形態》
上記した第１，第２実施形態に係る内部温度測定装置は、各種の変形を行うことが出来るものである。例えば、熱抵抗算出処理を、最も最近取得した複数組のΔＴ_１及びΔＴ′_１から各温度差の平均値を算出し、算出した各平均値を、（１）式に代入することによって熱抵抗Ｒｘを算出する処理に変形しても良い。また、内部温度算出処理を同様に変形しても良い。

ＭＥＭＳチップ２０を、図１２に示したような構成を有するものに変形して、２つのサーモパイル２４（２４ａ又は２４ｂ）の和又は平均値が、ΔＴ_１又はΔＴ′_１として使用されるようにしておいても良い。尚、ＭＥＭＳチップ２０を、サーモパイル２４が、サーモパイル２４ａ、サーモパイル２４ｂ、サーモパイル２４ａ、サーモパイル２４ｂの順に並んだものに変形することも出来る。ただし、図１２に示したような構成、すなわち、左右対称の構成を採用しておいた方が、左側の脚部２３下と右側の脚部２３下とに温度差がある環境で使用した場合の内部温度Ｔｂの算出精度の低下の程度を、少量に収めることが出来る。

同様に、ＭＥＭＳチップ２０′も、例えば、図１３に示したような構成を有するものに変形することが出来る。さらに、各サーモパイル２４（２４ａ、２４ｂ、２４ｃ）の数がより多いものに、ＭＥＭＳチップ２０、２０′を変形しても良い。

また、Ｒｘの算出精度を高めるために、図１４に模式的に示したように、ＭＥＭＳチップ２０の上面上（天面部２１上）などに、幾つか（図１４では、２つ）のヒータ２８を設けておいても良い。尚、ヒータ２８の天面部２１上における位置は、特に限定されないが、ＭＥＭＳチップ２０のメンブレン部（天面部２１の一部）は、通常、外力により壊れやすいものとなる。従って、天面部２１上にヒータ２８を設ける場合、ヒータ２８の全体又は大部分が、メンブレン部ではない天面部２１上に位置するようにしておくことが好ましい。ただし、メンブレン部の機械的強度が高い場合には、ヒータ２８の全体が、メンブレン部上に位置するようにしておいても良い。また、ヒータ２８を、天面部２１内に設けておいても良い。

また、ヒータ２８を設ける場合には、消費電力を低減するために、演算回路３２ａを、Ｒｘの算出時のみにヒータ２８に通電する制御を行う回路として構成しておいても良い。

さらに、（２）式の代わりに、以下の（２′）式を用いても良い。

また、|ΔＴ−ΔＴ₁|値（ΔＴとΔＴ₁の差の絶対値）は、ΔＴよりも十分に小さな値となり、|ΔＴ′−ΔＴ′₁|値も、ΔＴ′よりも十分に小さな値となる。従って、ΔＴ値の
代わりにΔＴ₁値を用いた（２）式により、内部温度Ｔｂを算出しても、ΔＴ′値の代わ
りにΔＴ′₁値を用いた（２′）式により、内部温度Ｔｂを算出しても良い。

内部温度測定装置のパッケージ１１（筐体１２）の形状を、上記形状とは異なる形状（有底四角筒状以外の有底角筒状、有底円筒状、有底楕円筒状等）としておいても良い。また、上記技術は、ＭＥＭＳチップ２０が配置されている部材によらず適用できるものである。従って、内部温度測定装置を、パッケージ１１が用いられていない装置（ＭＥＭＳチップ２０がプリント配線板３０上に配置されている装置等）に変形しても良い。

１０ センサモジュール
１１ パッケージ
１２，１８ 筐体
１２ａ、１２ｂ 側壁
１３ リード
１４ 伝熱パッド
１５ 蓋部
２０ ＭＥＭＳチップ
２１ 天面部
２２ 支持部
２３ 脚部
２４，２４ａ，２４ｂ サーモパイル
２６ ＡＳＩＣ
３０ プリント回路板
３１ プリント配線板
３２ デバイス
３２ａ 演算回路

Claims (6)

1. 表面近傍に非発熱体が存在する測定対象物の内部温度を測定するための、内部温度の測定時に前記測定対象物の表面に所定の接触面を接触させて使用する内部温度測定装置であって、
   一方の面が前記接触面として機能する基材と、
   前記基材の他方の面上に配置されたＭＥＭＳデバイスであって、板状の天面部と、前記天面部を、前記基材の前記他方の面に対して支持する、前記天面部に至る１つ以上の空洞が設けられている支持部と、前記天面部の、異なる部分間の温度差を測定する第１サーモパイル及び第２サーモパイルとを含むＭＥＭＳデバイスと、
   前記基材の前記他方の面上又は前記ＭＥＭＳデバイスの前記天面部上に配置された熱源と、
   内部温度の算出時に使用する基準温度を測定する温度センサと、
   前記第１サーモパイルにより測定された温度差と、前記第１サーモパイルにより測定された温度差から前記第２サーモパイルにより測定された温度差を減じた値とを用いて、前記ＭＥＭＳデバイスの前記天面部に前記熱源からのみ熱流が流入している場合に前記第１サーモパイルにより測定される温度差を推定する温度差推定手段と、
   前記温度差推定手段により推定された温度差を用いて前記非発熱体の熱抵抗を算出する熱抵抗算出手段と、
   前記熱抵抗算出手段により算出された熱抵抗と前記第１サーモパイルにより測定された温度差及び／又は前記第２サーモパイルにより測定された温度差と前記温度センサにより測定された基準温度とを用いて、前記測定対象物の内部温度を算出する内部温度算出手段と、
   を備えることを特徴とする内部温度測定装置。
2. 前記熱源が、前記基材の前記他方の面上に配置された、前記第１サーモパイル及び前記第２サーモパイルの出力を増幅する集積回路である
   ことを特徴とする請求項１に記載の内部温度測定装置。
3. 前記熱源が、熱を発生させることと熱の発生を停止させることが可能な熱源であり、
   前記温度差推定手段により前記温度差が推定される場合にのみ、前記熱源に熱を発生させる熱源制御手段を、さらに備える
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の内部温度測定装置。
4. 前記ＭＥＭＳデバイスは、第３サーモパイルを備えた部分であって、前記第３サーモパイルにより測定される温度差が、前記第１サーモパイルにより測定される温度差から前記第２サーモパイルにより測定される温度差を減じた値と一致するように構成された部分を含み、
   前記温度差推定手段は、前記第１サーモパイルにより測定された温度差から前記第２サーモパイルにより測定された温度差を減じた値として、前記第３サーモパイルにより測定された温度差を使用して、前記場合に前記第１サーモパイルにより測定される温度差を推定する
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の内部温度測定装置。
5. 前記温度差推定手段、前記熱抵抗算出手段及び前記内部温度算出手段として機能する演算回路が、前記基材とは異なる部材上に設けられている
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の内部温度測定装置。
6. 測定対象物の表面近傍に存在する非発熱体の熱抵抗を測定するための、前記非発熱体の熱抵抗の測定時に前記測定対象物の表面に所定の接触面を接触させて使用する熱抵抗測定装置であって、
   一方の面が前記接触面として機能する基材と、
   前記基材の他方の面上に配置されたＭＥＭＳデバイスであって、板状の天面部と、前記天面部を、前記基材の前記他方の面に対して支持する、前記天面部に至る１つ以上の空洞が設けられている支持部と、前記天面部の、異なる部分間の温度差を測定する第１サーモパイル及び第２サーモパイルとを含むＭＥＭＳデバイスと、
   前記基材の前記他方の面上又は前記ＭＥＭＳデバイスの前記天面部上に配置された熱源と、
   前記第１サーモパイルにより測定された温度差と、前記第１サーモパイルにより測定された温度差から前記第２サーモパイルにより測定された温度差を減じた値とを用いて、前記ＭＥＭＳデバイスの前記天面部に前記熱源からのみ熱流が流入している場合に前記第１サーモパイルにより測定される温度差を推定する温度差推定手段と、
   前記温度差推定手段により推定された温度差に基づき、前記非発熱体の熱抵抗を算出する熱抵抗算出手段と、
   を備えることを特徴とする熱抵抗測定装置。