JPH01119729A - 超音波による非接触温度／圧力検知方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は超音波を用いて被測定物体中に位置せしめた温
度／圧力センサの共振周波数を検出することによって、
非接触にて温度／圧力を測定する方法に関する。

（従来技術） 近年生物学、医学上の研究、特にガンの治療等を目的と
して生体内各部の温度或は圧力を測定する為長期間生体
内に埋込んだ無電源センサと生体外の測定器との間を有
線にて接続することなくして゛測定する方法が提案され
ている。

上述の測温又は圧力測定方法としては第２図（ａ）　Ｋ
示す如くアンテナ・コイルＬ１に水晶振動子Ｘと超音波
トランスデユーサＳ軸とを接続したセンサを生体内の所
望の位置に外科的に埋込み生体外から所要周波数の電磁
エネルギを照射り該エネルギを前記アンテナ・コイルＬ
１を介して前記水晶振動子Ｘに与え該振動子がこれに共
掻する際の電流によって前記超音波トランスデユーサＳ
Ｗを駆動制御する際発生する超音波を生体外から観測す
る方法がある（特願昭６０−０２１５４２　参照） この際使用する温度又は圧力測定装置としては第２図（
ｂｌに示すものが一般的である。

即ち同図に於いてＳＥＮは前記第２図（ａｔに示したセ
ンサであって、その水晶振動子Ｘは８ＭＨｚ近傍に直列
共振点をもちこれと閉ループをなす如くアンテナコイル
Ｌ１と超音波トランスデユーサＳＷを接続してセンサと
したものであシ、これを生体内の所要部に埋め込むと共
に該センサに接近した生体表面にアンテナコイルＬ！を
位置せしめこれに８ＭＨｚ　　近傍の電磁波を発生する
可変周波数発振器１と周波数計２からなる送信部と超音
波マイクロホン３．高周波増幅器４及びレベルメータ６
などを含んで受信部を構成する。

測定にあたっては可変周波数発振器１の出力をアンテナ
コイルＬ２を介して上述のセンサＳＥＮに照射すると共
に該センサの超音波トランスデユーサＳＷから発する超
音波をマイクロホン３によって受信しその電気信号を高
周波アンプ４に於いて所要レベルまで増幅したのちレベ
ルメータ６によって監視する更にこの状態にて前記可変
周波数発振器１の発振周波数を変化し前記レベルメータ
の読みが最大となる点をみつければこのときの照射電磁
波周波数が上述のセンサの水晶振動子の共振周波数とな
る。（第２図（ｃｌ参照）。

従って、上述のセンサＫｍｌ込んだ水晶振動子Ｘの共振
周波数と温度又は圧力との関係が既知であれば生°体内
の温度又は圧力を正確に測定することができる。

しかしながら、上述した如く外部から電磁波ｌ照射し、
センサからの超音波を検出する方法では、必然的にセン
サの構成が複雑となってその小型化に限界がある。

即ち、このためのセンサには最低アンテナコイルと、水
晶振動子及び超音波トランスデユーサとが不可欠となυ
形状が大型とならざるを得ない。

更に、電磁波を利用するものであるから、他の電子機器
殊にガンの温熱治療等に用いる電磁加温装置等からの強
力な電磁波を受けて誤動作する虞れがある。

又、生体内は導電成分を有するから電磁波の吸収即ち減
衰が大きく、センサコイルと外部アンテナコイルとの距
離を大きくできないと云う問題があった。

電磁波を用いず、超音波のみによって動力炉、核燃料炉
の冷却水等の温度を計測する方法が析案されているが、
（特開昭５９．−１００８３１）この方法は、前記冷却
水等の流動力によって超音波センサに機械的機動を与え
、これが発する超音波信号を抽出するから、生体内の如
く超音波センサに撮動を与える媒体が存在しない環境で
は使用することができない。

（発明の目的） 同一出願人はこれらの問題を解決するためにセンナに電
磁波の代シに超音波を照射して温度／圧力を測定するの
に有用なるセンサを既に提案している（％願昭６ｌ−２
１１８８８）。

本発明は上述した従来の温度圧力測定に於けろ問題点を
解決するためになされたものであって１例えば同一出願
人が既に出願済みの温度／圧力センサを用いることによ
って、電磁波を用いることなく、シかもセンサの形状が
小型で済み、かつ高感度な超音波による非接触温度／圧
力検知方法を提供することを目的とする。

（発明の概要） ・　この目的を達成する手段として１本発明に於いては
用いδセンサとして温度又は圧力により共振周波数が変
化すると共に超音波に応答してその共振周波数の超音波
を発生する超音波トランスデユーサの機能をもりた圧電
振動子又は機械振動子を用い、該センサに超音波を照射
しかつその応答信号としての超音波周波数を検出すると
と忙よりて所望物の温度／圧力を測定するように構成す
るものである。

（実施例） 以下２図示した実施例に基づいて本発明の詳細な説明す
るが、それに先だち９本発明の理解を助けるために、同
一出願人が提案した七ンサについて詳しく説明する。

従来の水晶振動子に代表される機械振動体は共撮尖鋭度
Ｑ値をできるだけ大きくする為、該Ｑ値の劣化の主たる
原因である支持部からの音響エネルギの漏洩を減らすべ
く振動％位の最も少ない部分を支持部に選ぶのが一般的
であったのに対し、同一出願人は先の提案に於いて係る
振動子はその音響エネルギの一部をその支持部を通して
容器に伝えることによって超音波の受授を行なうよう圧
した。

即ち、その具体的構造は第３図（ａｌに示す如く、音叉
型水晶振動子７のベース高（Ｈ）とペース底部（Ｄ）の
比Ｈ／Ｄをおよそ３以下となるようにする。このように
することによって音響エネルギーの一部を撮動子７の保
持部８７Ｉｔ経て容器９へと伝えることが可能となる。

同図（ｂｌは前記Ｈ／Ｄと漏洩エネルギとの関係を示す
実験結果の図であって、第３図（ａｌに示したセンサの
振動子７に所要の励振電極を設は電気的に励振し、その
音響漏洩エネルギをマイクロホンで測定したものである
。

以上の実験結果から第１図（ａｌ　Ｋ示す様に構成した
センサは外部から超音波エネルギを印加することによっ
て振動子７を励振し、電極を介して電気信号を取シ出す
ことも可能であるし、又超音波を容器９を介して再放射
させることも可能であシこの場合前記振動子７に電極を
安しないことは自明であろう。

本発明は以上説明したような超音波によって励振され、
それが共振する周波数の超音波を発する如きセンサを用
いて温度／圧力を測定するものである。

第１図（ａｌは本発明の一実施例を示すシステム構成図
である。

同図に於いてＭは超音波信号を送信しかつ受信するため
のマイクロホンであって、その入出力信号を切替スイッ
チＳＷを経て一方の受信信号ヲバンドバスフィルタＦＩ
Ｌに、又該ＦＩＬの出力を位相比較器ＰＤと電圧制御発
掘器■ＣＯとを含むフィードバックループＰＬＬに入力
し更に、前記電圧制御発振器ＶＣＯの出力を周波数カウ
ンタｆ　、　ｃｏｕｎｔと前記切替スイッチＳＳの送信
端とに夫々入力する。

又、この切替スイッチ５ｖｆ−はタイミング回路ＴＩＭ
Ｅによって制御し、所定時間毎に送信側。

受信側に交互に切替えるものとする。

この装置を用いて１例えば生体内等に位置せしめた温度
又は圧力センサ５ＤＮＳの共振周波数を検出し、もって
その温度／圧力を測定する方法を説明する。

第１図（ｂｌは各部の信号波形を説明する図であって、
まずタイミング回路ＴＩＭＥは同図８）Ｋ示す如く所定
周期の矩形波信号を発生し、切替スイッチ８％を送信Ｔ
と受信Ｒとに交互に切替えろ。

一方フェーズロックルーズブロックＰＬＬ中の電圧制御
発掘器ＶＣＯの出力の一部は前記切替スイッチＳＳ＃−
の送信端部Ｔを介してマイクロホンＭに伝達し、該マイ
クロホンによりて超音波信号として同図（ｂ）（ロ）に
示すように断続的にセンサ５ＥＮＳに照射する。センサ
５ＥＮＳは第３図に示したように構成したものであυ超
音波信号によって内部の振動子が励振されて、同図（ハ
）に示す如く前記印加した超音波が停止した後も一定時
間残響振動として超音波信号を発する。

従って、切替スイッチＳ弄が受信側Ｒに接続される間、
同図に）に示す超音波残置成分がマイクロホンＭにて電
気信号に変換されてフィルタＦＩＬを介゛してフェーズ
ロック・ループＩ）ＬＬに至る。

フェーズロックループＰＬＬは周知の如く。

フィルタＦＩＬを介して入力する信号とフィードバック
せしめた電圧制御発振器■ＣＯ出力との位相差が零とな
るように該ＶＣＯ発掻発液周波数動的に制御するもので
おるから、このとき得られるＶＣＯ出力は前記センサ８
ＥＮＳから抽出した超音波信号周波数と一致したものと
なる。

この際の超音波信号周波数はセンサ自身の自己共振周波
数となυ、この共振周波数が温度に依存して変化するよ
う構成しておけば、該センサからの超音波信号周波数を
検出することによって被測定物の温度を検知することが
できる。

同、前記ＰＬＬに於いて、フィルタＦＩＬからの入力信
号が途切れる期間があって、その間位相比較器Ｐ、Ｄ出
力が生ぜず、フィードバック・ループを形成しなくなる
不具合を生ずるが、この対策として当該期間に切替スイ
ッチＳＷの送信端Ｔの信号を一部フィルタＦＩＬに漏洩
させるとか、或は■ＣＯ制御電圧を当該期間直前の値に
固定することを行なえばよいであろう。

このような方法によれば、生体内等被測定物中の温度を
電磁波を用いろことなく、超音波のみによって測定する
ことが可能となる。

同、上述した実施例では、センサ５ＥＮＳに照射する超
音波を断続する場合を示したが９本発明はこの方法に限
らず、各種変形が可能である。

例えば、センサに照射する超音波を連続なものとし、か
つその周波数をセンサの共振周波数帯と異ならしめてお
けば、これに応答するセンサからの超音波を連続して検
出することができる。

但し、この場合、前記マイクロホンＭを送受信別々に設
けたシ、或は１個のマイクロホンを方向性結合器を介し
て使用すること等の対応が必要であろうこと云うまでも
ない。

この際、ガン患部を温熱加療する手段が、超音波を用い
るものである場合等はこれを前記センサ励振用超音波と
して利用することもできよう。

更に、前記センサとして圧力感知用ベローズに連結した
圧力センサを用いれば、同様に圧力を測定しうろこと明
らかである。

又、前記センサは上述した例に限らず、よシ強力な超音
波応答を得ろために第４図（ａｌに示す如く、水晶振動
子Ｘと超音波トランスデユーサＳＴとをループ状に接続
したもの或は同図（ｂｌの如く、更に両者間をインピー
ダンスマツチング用トランスＴで接続したものとしても
よい。

（発明の効果） 本発明は以上説明したように温度／圧力センサに超音波
を照射し直接そのセンサの共振周波数の超音波信号を得
るようにしたものであるから、電磁波信号を用いろこと
なく非接触にて温度／圧力を測定することができ、電磁
波ノイズの多い環境下であっても正確に測定をすること
ができろ。

更に、液体あるい°は生体内等では超音波伝搬特性に優
れた物質に於いては電磁波に較べ飛躍的にセンサと外部
装置との距離を大きくすることができろ。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａｌ　、　（ｂｌは本発明の一実施例を示す測
定装置のブロック図及び波形図、第２図（ａｌ　（ｂｌ
　（ｃｌは従来の温度計１定装置を示すブロック図、セ
ンサ構成図及びセンサの特性図、第３図は同一出願人が
既に提案したセンサ構造図及び寸法と超音波漏洩エネル
ギ量との関係を示す図、第４図（ａｔ（ｂｌは本発明に
於いて用いろセンサの他の実施例を示す回路図である。 ５ＥＮＳ・・・・・・・・・センサ、Ｍ・・・・・・・
・マイクロホン、　　　　ＳＷ・・・・・・・・・切替
スイッチ。 ＰＬＬ・・・・・・・・・フェーズロック・ルーフ。 ｆ、ｃｏｕｎｔ・・・・・・・・・周波数カウンタ。 ＴＩＭＥ−・・・・・・・・タイミング回路。 特許出願人　　東洋通信機株式会社 第　　１　　図 （とλン ｃ３ （ｂ） ？−図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. １．共振周波数が温度／圧力に依存する圧電振動子セン
   サ又は機械振動子センサを被測定物中に位置せしめると
   共に，該センサに外部から超音波信号を印加し，これに
   応答して返送される前記センサからの超音波の周波数を
   検出することによって前記被測定物の温度／圧力を検知
   したことを特徴とする超音波による非接触温度／圧力検
   知方法。
2. ２．前記センサに印加する超音波信号を断続せしめ，断
   の間に前記センサからの応答信号を検出することを特徴
   とした特許請求の範囲第１項記載の超音波による非接触
   温度／圧力検知方法。