WO2013027831A1

WO2013027831A1 - 肌温度検出装置及び空気調和装置

Info

Publication number: WO2013027831A1
Application number: PCT/JP2012/071467
Authority: WO
Inventors: 政宗武田; 孝荒川; 康太山田; 大澤　悟
Original assignee: マスプロ電工株式会社
Priority date: 2011-08-24
Filing date: 2012-08-24
Publication date: 2013-02-28
Also published as: JP2013044476A

Abstract

　肌温度検出装置は、測定対象者から放射されたマイクロ波帯の熱雑音を受信し、増幅・検波する受信ユニット（受信部２ａ～２ｄ及び選択スイッチ１０）と、受信ユニットからの出力を、測定対象者の肌温度を表す検出信号として処理する信号処理部（Ａ／Ｄ変換回路１２及び空調制御回路１４）と、を備える。受信ユニットの受信周波数帯域は、受信ユニットと測定対象者の肌との間に配置される障害物の種類に応じて設定される。

Description

肌温度検出装置及び空気調和装置

関連出願の相互参照

　本国際出願は、２０１１年８月２４日に日本国特許庁に出願された日本国特許出願２０１１－１８２７８５号に基づく優先権を主張するものであり、日本国特許出願２０１１－１８２７８５号の全内容を本国際出願に援用する。

　本発明は、測定対象者の肌温度を非接触で検出するのに好適な肌温度検出装置及びこの装置を備えた空気調和装置に関する。

　従来、人の肌温度を検出し、その検出した肌温度から温冷感を推定して、空調空気の温度や送風量を制御する空気調和装置が知られている（例えば、特許文献１～３参照）。
　また、この種の空気調和装置において、肌温度の検出には、熱電対や抵抗温度計等からなる温度センサ、若しくは、サーモグラフィーやサーモパイル等からなる赤外線センサが利用されている。

特開２００６－１９４５４０号公報特開２００８－２４１１３５号公報特開２０１０－１５９８８７号公報

　ところで、上記のように肌温度の検出に利用されるセンサの内、温度センサは、測定対象者の肌に直接接触させる必要があるため、測定対象者に負担を強いることになり、使い勝手が悪い。

　このため、肌温度の検出には、測定対象者の肌に接触させることなく温度測定を行うことのできる赤外線センサを用いることが望ましい。
　しかしながら、赤外線センサは、測定対象者の肌（換言すれば皮膚）から放射（若しくは反射）される赤外線を検出するものであるため、測定対象者との間に衣服等の遮蔽物があると、肌温度を検出することができないという問題がある。

　本発明の一側面においては、測定対象者との間に衣服等の障害物があっても、測定対象者の肌温度を非接触に検出することのできる肌温度検出装置を提供することが望ましい。

　本発明の第１局面における肌温度検出装置は、
　測定対象者から放射されたマイクロ波帯の熱雑音を受信し、増幅・検波する受信ユニットと、
　該受信ユニットからの出力を、測定対象者の肌温度を表す検出信号として処理する信号処理部と、
　を備え、前記受信ユニットの受信周波数帯域は、当該受信ユニットと測定対象者の肌との間に配置される障害物の種類に応じて設定されている。

　また、本発明の第２局面は、第１局面における肌温度検出装置において、前記受信ユニットの受信周波数帯域は、前記マイクロ波帯のＸバンド、Ｋｕバンド、Ｋバンド、及びＫａバンドの中の一つに設定されている。

　また、本発明の第３局面は、第１局面若しくは第２局面における肌温度検出装置において、
　前記受信ユニットは、
　測定対象者から放射されたマイクロ波帯の熱雑音を受信可能で、受信周波数帯域が互いに異なる複数の受信部と、
　前記複数の受信部の中から、前記熱雑音の受信に用いる受信部を選択するための選択スイッチと、
　を備えている。

　また次に、本発明の第４局面における空気調和装置は、
　上述した第１局面、第２局面又は第３局面の肌温度検出装置と、
　空調空気を生成して送出する空調空気生成・送出部と、
　前記肌温度検出装置にて検出された測定対象者の肌温度を一つのパラメータとして、前記空調空気生成・送出部から送出される空調空気の温度若しくは送風量を制御する空調制御部と、
　を備えている。

　本発明の第１局面における肌温度検出装置によれば、受信ユニットが、測定対象者から放射されたマイクロ波帯の熱雑音を受信し、受信信号を増幅及び検波すると共に、信号処理部が、受信ユニットからの出力を、測定対象者の肌温度を表す検出信号として処理する。

　そして、受信ユニットの受信周波数帯域は、受信ユニットと測定対象者の肌との間に配置される障害物の種類に応じて設定される。
　以下、この理由について説明する。

　まず、人体からは赤外線だけでなく、マイクロ波帯の熱雑音も放射されており、マイクロ波帯の熱雑音は、赤外線のように衣服等の障害物で遮断されることはない。
　このため、肌温度を非接触で検出する際には、従来のような赤外線センサを用いるよりも、本発明のように、マイクロ波帯の熱雑音を受信する受信ユニットを用いるとよい。

　一方、マイクロ波帯の熱雑音から肌温度を検出する場合、その検出に用いる熱雑音は、測定対象者の皮膚の内、温度受容体（温覚、冷覚）のある深さ３００μｍ付近の部位（以下、最適部位という）から放射されたものがよい。

　これは、最適部位に温度変化に敏感な細胞があり、最適部位から放射された熱雑音の信号レベル（換言すれば、最適部位の温度）を測定できれば、測定対象者の温冷感を正確に推定できるからである。

　しかし、測定対象者から放射される熱雑音は、最適部位から放射された熱雑音だけではないので、測定対象者から放射された全熱雑音の中から、最適部位から放射された熱雑音を抽出するのは困難である。

　そこで、本願発明者らは、受信ユニットにて受信される全熱雑音中、最適部位からの熱雑音が含まれる割合が最も高くなる条件を見つけるために、後述の実験を行った。
　その結果、受信ユニットの受信周波数帯域を調整すれば、最適部位からの熱雑音の割合が最も多くなる受信信号を得ることができ、しかも、その受信周波数帯域は、測定対象者の肌と受信ユニットとの間の障害物の種類（特に厚み）によって変化することが分かった。

　このため、本発明では、その実験結果に基づき、受信ユニットの受信周波数帯域を、受信ユニットと測定対象者の肌との間に配置される障害物の種類に応じて設定するようにしているのである。

　従って、本発明の肌温度検出装置によれば、測定対象者の肌温度（詳しくは、皮膚の内部で温度受容体（温覚、冷覚）のある最適部位の温度）を、障害物からの影響を抑制しつつ、より精度よく検出することができるようになる。

　次に、本発明の第２局面における肌温度検出装置においては、受信ユニットの受信周波数帯域が、マイクロ波帯のＸバンド、Ｋｕバンド、Ｋバンド、及びＫａバンドの中の一つに設定される。

　これは、上記実験結果から、測定対象者の肌と受信ユニットとの間の障害物（衣服等）が薄いほど、最適受信周波数帯域が高くなり、
　ａ）厚みが０．２ｍｍ程度の薄手の衣服の場合、最適周波数帯域は２６ＧＨｚ～４０ＧＨｚのＫａバンド、
　ｂ）厚みが１ｍｍ程度の厚手の衣服の場合、最適周波数帯域は１８ＧＨｚ～２６ＧＨｚのＫバンド、
　ｃ）衣服と障害物とを合わせた厚みが５ｍｍ程度の障害物の場合、最適周波数帯域は１２ＧＨｚ～１８ＧＨｚのＫｕバンド若しくは８ＧＨｚ～１２ＧＨｚのＸバンド、
　となることが分かったためである。

　従って、第２局面の肌温度検出装置によれば、受信ユニットの受信周波数帯域を、ａ）～ｃ）の使用条件に応じて設定することで、測定対象者の肌温度（詳しくは、皮膚の内部で温度受容体（温覚、冷覚）のある最適部位の温度）を、良好に検出することができる。

　次に、本発明の第３局面における肌温度検出装置においては、受信ユニットが、受信周波数帯域が互いに異なる複数の受信部と、その複数の受信部の中から熱雑音の受信に用いる受信部を選択するための選択スイッチとを備える。

　このため、第３局面の肌温度検出装置によれば、熱雑音を受信するのに用いる受信部を、選択スイッチを介して、当該装置の使用条件（詳しくは、測定対象者の肌と受信ユニットとの間の障害物の種類（特に厚み））に応じて選択することができる。

　従って、第３局面の肌温度検出装置によれば、測定対象者の肌温度（詳しくは、皮膚の内部で温度受容体（温覚、冷覚）のある最適部位の温度）を良好に検出することができるようになる。

　なお、選択スイッチは、当該装置の使用者が手動で切換可能な手動スイッチにて構成してもよく、或いは、切換信号に従い自動で切換可能な電子スイッチにて構成してもよい。
　そして、選択スイッチを電子スイッチにて構成した場合、例えば、検出温度の変化等から当該装置の使用条件（つまり、障害物の種類）を特定して、電子スイッチを自動で切り替える切換制御手段を設けるようにしてもよい。

　一方、本発明の第４局面における空気調和装置は、上述した本発明の第１局面、第２局面又は第３局面の肌温度検出装置と、空調空気を生成して送出する空調空気生成・送出部と、を備える。

　そして、空調制御部が、肌温度検出装置にて検出された測定対象者の肌温度を一つのパラメータとして、空調空気生成・送出部から送出される空調空気の温度若しくは送風量を制御する。

　従って、第４局面の空気調和装置によれば、肌温度検出装置にて検出された肌温度から、測定対象者の温冷感を検知して、空調空気の温度や送風量を最適に制御することが可能となる。

実施形態の空気調和装置全体の構成を表す概略構成図である。空調制御回路において肌温度の検出信号に基づき実行される空調制御処理を表すフローチャートである。図２の空調制御処理による肌温度変化を表すタイムチャートである。実験に利用した人体モデルを表す説明図である。障害物がないときに人体モデル内で熱雑音が減衰してゆく様子をシミュレーションした結果を表す説明図である。薄手の服があるときに人体モデル内で熱雑音が減衰してゆく様子をシミュレーションした結果を表す説明図である。厚手の服があるときに人体モデル内で熱雑音が減衰してゆく様子をシミュレーションした結果を表す説明図である。厚手の服と他の障害物があるときに人体モデル内で熱雑音が減衰してゆく様子をシミュレーションした結果を表す説明図である。図５のシミュレーション結果に基づく熱雑音の比率計算結果を表す説明図である。図６のシミュレーション結果に基づく熱雑音の比率計算結果を表す説明図である。図７のシミュレーション結果に基づく熱雑音の比率計算結果を表す説明図である。図８のシミュレーション結果に基づく熱雑音の比率計算結果を表す説明図である。図９～図１２の比率計算に用いた肌温度変化の条件を説明する説明図である。

　２ａ～２ｄ…受信部、１０…選択スイッチ、１２…Ａ／Ｄ変換回路、１４…空調制御回路、１６…空調空気生成・送出部、２０…受信素子、２２…入力増幅回路、２４…検波回路、２６…出力増幅回路。

　以下に本発明の実施形態を図面と共に説明する。
　図１に示すように、本実施形態の空気調和装置には、測定対象者から放射されたマイクロ波帯の熱雑音を受信し、受信信号を増幅及び検波する受信部として、受信周波数帯域がＫａバンド、Ｋバンド、Ｘバンド、及びＫｕバンドにそれぞれ設定された４種類の受信部２ａ～２ｄ（２ｂ、２ｃ：図示略）が備えられている。

　これら４種類の受信部２ａ～２ｄからの出力の一つは、選択スイッチ１０を介して、測定対象者の肌温度を表す検出信号として選択され、Ａ／Ｄ変換回路１２に入力される。
　Ａ／Ｄ変換回路１２は、選択スイッチ１０を介して入力される検出信号をＡ／Ｄ変換して、空調制御回路１４に入力するためのものであり、空調制御回路１４は、その入力された検出信号を一つのパラメータとして、空調空気生成・送出部１６を制御する。

　すなわち、空調制御回路１４は、ＣＰＵ１４ａ、ＲＯＭ１４ｂ、ＲＡＭ１４ｃ等を中心とする周知のマイクロコンピュータにて構成されている。
　そして、空調制御回路１４は、Ａ／Ｄ変換回路１２から入力される肌温度の検出信号や、各種環境センサ（図示せず）にて検出された周囲の環境状態（温度、湿度等）に基づき、空調空気生成・送出部１６を制御する。

　また、空調空気生成・送出部１６は、外気を加熱・冷却するための熱交換器や、周囲の空気を熱交換器に導入し、熱交換器を通過した空調空気を排出させる送風器を備えた周知のものである。

　そして、空調制御回路１４においては、ＣＰＵ１４ａがＲＯＭ１４ｂに記憶された制御プログラムに従い各種演算処理を実行することにより、空調空気の温度や送風量を演算し、その演算結果に従い、空調空気生成・送出部１６を駆動制御する。

　次に、受信部２ａ～２ｄは、受信、増幅及び検波する熱雑音の周波数帯域が異なるだけで、その構成要素は同じである。
　すなわち、受信部２ａ～２ｄは、それぞれ、受信素子２０、入力増幅回路２２、検波回路２４、及び、出力増幅回路２６を備える。

　ここで、受信素子２０は、測定対象者から放射された上記各周波数帯域（Ｋａバンド、Ｋバンド、Ｘバンド、Ｋｕバンド）の熱雑音を受信するものであり、入力増幅回路２２は、受信素子２０と、受信素子２０からの受信信号を増幅する。

　また、検波回路２４は、入力増幅回路２２にて増幅された受信信号を検波し、出力増幅回路２６は、検波回路２４からの出力（検波信号）を増幅する。
　このため、各受信部２ａ～２ｄからは、上記各周波数帯域（Ｋａバンド、Ｋバンド、Ｘバンド、及びＫｕバンド）における熱雑音の信号レベルに対応した検波信号（電圧信号）が出力される。

　そして、空調制御回路１４には、選択スイッチ１０及びＡ／Ｄ変換回路１２を介して、その検波信号の一つが、測定対象者の肌温度を表す検出信号として入力される。
　選択スイッチ１０は、測定対象者等の使用者が手動操作で切り換えるように構成されている。

　そして、その選択スイッチ１０の操作部には、上記各受信部２～８の選択位置毎に、測定対象者と受信素子２０との間に存在する障害物（衣服等）の種類を表す文字若しくは図形が記載されている。

　これは、使用者が、測定対象者と受信素子２０との間に存在する障害物（衣服等）の種類に応じて、肌温度の検出に用いる受信部を適性に選択できるようにするためである。
　なお、文字や図形で標記する障害物の種類としては、例えば、測定対象者が着用している衣服の厚みや、その衣服とは別に他の障害物が存在するときの障害物の厚み若しくは材質が挙げられる。

　次に、図２は、空調制御回路１４にて肌温度の検出信号に基づき実行される空調制御処理を表すフローチャートである。
　この空調制御処理は、空調制御回路１４において、他のセンサ信号に基づく空調制御処理と共に繰り返し実行される処理であり、処理が開始されると、まずＳ１１０（Ｓはステップを表す）にて、Ａ／Ｄ変換回路１２を介して肌温度検出信号を取り込む。

　次に、続くＳ１２０では、その取り込んだ肌温度検出信号に基づき測定対象者の変化量を求め、その変化量は、予め設定された閾値を超えているか否かを判断する。
　そして、Ｓ１２０にて、肌温度変化量は閾値を超えていないと判断すると、当該空調制御処理を一旦終了する。

　一方、Ｓ１２０にて、肌温度変化量は閾値を超えたと判断すると、Ｓ１３０に移行して、肌温度は上昇しているか否かを判断する。
　そして、Ｓ１３０にて、肌温度は上昇していると判断すると、Ｓ１４０にて、空調空気生成・送出部１６に対し空調空気の冷却指令を出力し、当該空調制御処理を一旦終了する。

　また、Ｓ１３０にて、肌温度は上昇していない（換言すれば、低下している）と判断すると、Ｓ１５０にて、空調空気生成・送出部１６に対し空調空気の加熱指令を出力し、当該空調制御処理を一旦終了する。

　このように構成された本実施形態の空気調和装置によれば、測定対象者の衣服や、測定対象者と受信部２ａ～２ｄとの間の障害物の影響を受けることなく、測定対象者の肌温度を検出することができる。

　また、選択スイッチ１０を介して、測定対象者と受信部２ａ～２ｄとの間の障害物の種類に応じて、肌温度の検出に用いる受信部を選択することで、肌温度の検出精度を高めることができる。

　そして、肌温度による空調制御処理では、検出した肌温度の変化に応じて空調空気を冷却・加熱させることから、測定対象者の肌温度が図３に点線で示すように大きく変化するのを防止することができる。

　つまり、図３は、測定対象者が立っている状態からベッドに寝たときの肌温度変化を表しており、点線は、肌温度による空調制御を実施しないときの肌温度変化を表し、実線は、図２に示した本実施形態の空調制御を実施したときの肌温度変化を表す。

　この図から明らかなように、肌温度は、定常状態では０．５°Ｃ～１．０°Ｃ程度の範囲で揺らいでいる。そして、測定対象者がベッドに寝ると、ベッドに熱を奪われるので、肌温度は、一時的に大きく低下し、その後、体温によるベッドの加熱に伴い、肌温度はベッド温と共に上昇する。

　このような肌温度の変化に対し、本実施形態では、上記空調制御処理により、肌温度の変化に応じて空調空気を冷却・加熱するので、測定対象者の肌温度変化を抑制して、測定対象者の快適性を向上することができる。

　次に、本実施形態において、肌温度を検出するための受信部として、受信周波数帯域が互いに異なる４種類の受信部２ａ～２ｄを用意し、選択スイッチ１０にて、その内の何れか一つを選択するようにしている理由について、説明する。

　まず、マイクロ波帯の熱雑音から肌温度を検出する場合、その検出に用いる熱雑音は、測定対象者の皮膚の内、温度受容体（温覚、冷覚）のある深さ３００μｍ付近の部位（最適部位）から放射されたものがよい。

　しかし、測定対象者から放射された全熱雑音の中から、最適部位から放射された熱雑音を抽出するのは困難である。
　そこで、受信ユニットにて受信される全熱雑音中、最適部位からの熱雑音が含まれる割合が最も高くなる条件を見つけるために、図４に示す人体モデルを構築し、以下の実験（シミュレーション）を行った。

　すなわち、まず、図４に示す人体モデルに対し、１ＧＨｚ～１００ＧＨｚの周波数で実験用に設定した２３種類の周波数の平面波を入射し、各周波数の平面波が、人体の皮膚・脂肪・筋肉を通って減衰して行く様子をシミュレーションし、人体の深さ位置毎の電力密度を求めた。

　なお、この電力密度は、人体モデルから１０ｍｍ手前の空気中での平面波の電力を１としたとき、空気と皮膚の間、皮膚と脂肪の間、脂肪と筋肉の間、の各境界点で生じる反射を考慮した。

　その測定結果を、図５に示す。なお、図５において、右上欄に記載の数値は、１ＧＨｚ～１００ＧＨｚの平面波の周波数を表す。
　また、皮膚と空気との間に、下記ａ）～ｃ）の障害物があることを想定して、上記と同様の測定を行った。

　ａ）厚みが０．２ｍｍの薄手の衣服がある場合。
　ｂ）厚みが１ｍｍの厚手の衣服がある場合。
　ｃ）厚手の衣服と障害物があり、その厚みが５ｍｍである場合。

　その測定結果を、図６～図８に示す。
　次に、上記各条件下でのシミュレーション結果を利用し、上記周波数毎に、人体モデルから放射される理論上の熱雑音Ｔtotal と、皮膚表面から３００μｍの位置（詳しくは２５０μｍ～３５０μｍの位置）から放射される理論上の熱雑音Ｔ300 との比を求めた。

　なお、この演算は、アンテナ（受信素子）等で受信可能な熱雑音（電力）Ｐは、放射率をｅ、受信帯域幅をＢ、皮膚表面からの深さｚに対する絶対温度をＴ（ｚ）、ボルツマン定数をｋとすると、次式（１）のように記述できることから、

次式（２）のように、人体モデルから放射される理論上の熱雑音Ｔtotalと、皮膚表面から３００μｍの位置から放射される理論上の熱雑音Ｔ300 とをそれぞれ求め、その比を求めることにより行った。

　また、上記比の演算は、外気の影響により肌温度（皮膚温度）が変化することを考慮し、皮膚温度が一定（３６°Ｃ）であるときと、図１３に丸数字で示す下記１～６の条件で皮膚温度が変化するときの、合計７つの条件下で行った。

　条件１：定常的に冷え込み
　条件２：外部からの冷却後
　条件３：外部からの冷却前
　条件４：外部からの加温時
　条件５、条件６：その他１、２
　その結果を、図９～図１２に示す。なお、図９～図１２は、図５～図８のシミュレーション結果に対応する。

　そして、図９～図１２の演算結果から、人体から放射される熱雑音において、温度受容体（温覚、冷覚）のある深さ３００μｍ付近の部位（最適部位）から放射される熱雑音の比率が最も多くなる周波数は、衣服等の障害物が厚くなるほど低くなり、
　ａ）薄手の服を想定した場合は、マイクロ波の内でも、Ｋａバンド（２６ＧＨｚ～４０ＧＨｚ）で比率が最も高くなり、
　ｂ）厚手の服を想定した場合は、Ｋバンド（１８ＧＨｚ～２６ＧＨｚ）で比率が最も高くなり、
　ｃ）厚手の服と遮蔽物を想定した場合は、Ｘバンド（８ＧＨｚ～１２ＧＨｚ）若しくはＫｕバンド（１２ＧＨｚ～１８ＧＨｚ）で比率が最も高くなることがわかった。

　従って、上記実施形態のように、肌温度を検出するための受信部として、選択スイッチ１０を利用して上記４つの受信部２ａ～２ｄの中から任意のものを選択できるようにすればよい。

　つまり、このようにすれば、使用者は、測定対象者の衣服や障害物の有無に応じて、肌温度を検出するのに最も適した受信部を設定できるようになり、肌温度の検出精度を高め、延いては、空調制御をより最適に実施することができることになる。

　なお、本実施形態においては、受信部２ａ～２ｄ及び選択スイッチ１０が、本発明の受信ユニットに相当し、Ａ／Ｄ変換回路１２及び空調制御回路１４が、本発明の信号処理部に相当する。また、空調制御回路１４は、本発明の空調制御部としても機能する。

　以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内にて、種々の態様を採ることができる。
　例えば、上記実施形態では、４つの受信部２ａ～２ｄを備えた空気調和装置について説明したが、この受信部の数や、各受信部の受信周波数帯域は、肌温度検出装置としての受信部の使用条件に応じて、適宜設定すればよい。

Claims

　測定対象者から放射されたマイクロ波帯の熱雑音を受信し、増幅・検波する受信ユニットと、
　該受信ユニットからの出力を、測定対象者の肌温度を表す検出信号として処理する信号処理部と、
　を備え、前記受信ユニットの受信周波数帯域は、当該受信ユニットと測定対象者の肌との間に配置される障害物の種類に応じて設定されていることを特徴とする肌温度検出装置。
　前記受信ユニットの受信周波数帯域は、前記マイクロ波帯のＸバンド、Ｋｕバンド、Ｋバンド、及びＫａバンドの中の一つに設定されていることを特徴とする請求項１に記載の肌温度検出装置。
　前記受信ユニットは、
　測定対象者から放射されたマイクロ波帯の熱雑音を受信可能で、受信周波数帯域が互いに異なる複数の受信部と、
　前記複数の受信部の中から、前記熱雑音の受信に用いる受信部を選択するための選択スイッチと、
　を備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の肌温度検出装置。
　請求項１～請求項３の何れか１項に記載の肌温度検出装置と、
　空調空気を生成して送出する空調空気生成・送出部と、
　前記肌温度検出装置にて検出された測定対象者の肌温度を一つのパラメータとして、前記空調空気生成・送出部から送出される空調空気の温度若しくは送風量を制御する空調制御部と、
　を備えたことを特徴とする空気調和装置。