WO2023228726A1 - 深部温度測定装置及び深部温度測定方法 - Google Patents

深部温度測定装置及び深部温度測定方法 Download PDF

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WO2023228726A1
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thin film
film thermistor
temperature
measurement
layer
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PCT/JP2023/017449
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English (en)
French (fr)
Inventor
勝久 田口
俊幸 野尻
Original Assignee
Semitec株式会社
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    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/01Measuring temperature of body parts ; Diagnostic temperature sensing, e.g. for malignant or inflamed tissue

Definitions

  • the present invention relates to a deep temperature measuring device and a deep temperature measuring method suitable for measuring the deep temperature of a living body as an object to be measured.
  • a deep temperature measuring device that measures the temperature of the deep part of an object to be measured.
  • the object to be measured is a living body of a human or animal
  • the body temperature can be measured separately into the core and the body surface.
  • the core is the internal tissue of the body, and the temperature of the body is determined by the surrounding environment. is not affected by heat dissipation.
  • the body surface is affected by heat exchange with the surrounding environment, and its temperature tends to fluctuate.
  • a temperature sensing element for controlling a heating element and a temperature sensing element for measurement are provided with a heat insulating layer in between, and a state where the temperatures of the temperature sensing element for measurement and the temperature sensing element for control are balanced, a so-called zero heat flux state.
  • a deep temperature measuring device has been proposed that measures deep temperature by applying .
  • the temperature sensing element in conventional deep temperature measuring devices is specifically a chip-type bulk structure NTC thermistor, which has a large heat capacity and has a limited temperature response, making it difficult to expect high-speed response. It is.
  • An object of the embodiments of the present invention is to provide a deep temperature measuring device and a deep temperature measuring method that can measure the deep temperature of an object to be measured with high precision, high accuracy, and high speed response.
  • a deep temperature measuring device includes a temperature sensing part that senses temperature, a thin film thermistor for measurement that can measure temperature by bringing the temperature sensing part into contact with an object to be measured, and the thin film for measurement. a heating element layer that heats the thermistor; and a control thin film that is disposed via the measurement thin film thermistor and a first heat insulating layer and controls the temperature of the heating element layer so that the temperature is equal to that of the measurement thin film thermistor. It is characterized by comprising a thermistor and a second heat insulating layer covering the heating element layer.
  • a deep temperature measuring method includes: a temperature sensing part that senses temperature; a thin film thermistor for measurement capable of measuring temperature by bringing the temperature sensing part into contact with an object to be measured; and the thin film for measurement. a heating element layer that heats the thermistor; and a control thin film that is disposed via the measurement thin film thermistor and a first heat insulating layer and controls the temperature of the heating element layer so that the temperature is equal to that of the measurement thin film thermistor.
  • a thermistor and a second heat insulating layer covering the heat generating layer the step of bringing the temperature sensing section into contact with the object to be measured, and the control thin film thermistor detecting heat radiated from the measurement thin film thermistor.
  • the present invention is characterized by comprising the steps of: detecting a thermal equilibrium state in which the temperature is equal to that of the thin film thermistor; and outputting a measurement result of the deep temperature of the object to be measured.
  • a deep temperature measuring device and a deep temperature measuring method that can measure the deep temperature of an object to be measured with high precision, high accuracy, and high speed response.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a deep temperature measuring device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of the deep temperature measuring device viewed from the measurement temperature sensing element side.
  • FIG. 3 is a plan view showing a measuring temperature sensing element, a heating element layer, and a controlling temperature sensing element for the heating element layer, which are mounted on a wiring board in the same deep temperature measuring device.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a portion taken along line XX in FIG. 1.
  • FIG. FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a portion along the YY line in FIG. 1.
  • FIG. It is a perspective view which expands and shows the temperature sensing element for measurement in the same deep temperature measuring device.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a deep temperature measuring device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of the deep temperature measuring device viewed from the measurement temperature sensing element side.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing the measurement temperature sensing element taken along the line AA in FIG. 6; It is a flowchart showing the operation of the same deep temperature measuring device. It is an explanatory view showing the relationship of thickness dimensions of this embodiment and a comparative example in the same deep temperature measuring device. It is a graph showing the response time in the same deep temperature measuring device.
  • FIGS. 1 to 10 are a perspective view and an exploded perspective view showing the deep temperature measuring device as seen from the measurement temperature sensing element side, and FIG. 3 shows the measurement temperature sensing element and the heating element mounted on the wiring board.
  • FIG. 4 is a schematic partial cross-sectional view taken along the line XX in FIG. 1, and FIG. , is a schematic partial cross-sectional view taken along the YY line.
  • FIG. 6 is an enlarged perspective view of the measurement temperature sensing element
  • FIG. 7 is an enlarged sectional view of the measurement temperature sensing element.
  • FIG. 8 is a flowchart showing the operation of the deep temperature measuring device
  • FIG. 9 is an explanatory diagram showing the relationship between the thickness dimensions of this embodiment and a comparative example in the deep temperature measuring device
  • FIG. 10 is a flow chart showing the operation of the deep temperature measuring device. It is a graph showing the response time of the temperature measuring device.
  • each member may be changed as appropriate in order to make each member a recognizable size for explanation purposes. Further, the same or corresponding parts are given the same reference numerals, and redundant explanations will be omitted.
  • the deep temperature measuring device of this embodiment has a temperature sensing part attached to the body surface, and has a non-invasive, high accuracy, high accuracy, and fast response. It can be measured with .
  • a thin film thermistor is used as a measurement temperature sensing element that senses the temperature of the body surface and a control temperature sensing element that controls the power of a heating element.
  • the deep temperature measuring device 10 is a probe having a temperature sensing part Ts that senses temperature, and includes a thin film thermistor 1 for measurement as a temperature sensing element for measurement, and a temperature sensing element for controlling the heat generating layer.
  • the thin film thermistor 1 for measurement, the thin film thermistor 2 for control, and the heating element layer 3 are mounted on the wiring board 6.
  • a controller 100 having a control processing section for controlling each component is provided, and a probe is connected to the controller 100 via a connector 100a.
  • the overall appearance of the deep temperature measurement device 10 is a thin disk shape, and the approximate total thickness is about 5 mm to 6 mm, and the diameter is about 40 mm to 45 mm.
  • the wiring board 6 is a flexible wiring board (FPC).
  • the wiring board 6 is formed into a substantially circular shape, and has an elongated extension part 61 extending in the radial direction from the outer peripheral end thereof. Further, a terminal portion 62 is formed that extends in the radial direction from the outer peripheral end at an interval of about 90 degrees from the extending portion 61.
  • a connection pad 62a is formed in the terminal portion 62.
  • a plurality of slits 63 are formed in the wiring board 6 from the outer periphery toward the center.
  • the wiring board 6 includes a conductor wiring pattern 64 including the heating element layer 3 formed on the surface of the wiring board 6.
  • a thin film thermistor 1 for measurement is mounted at the tip of the extending portion 61, and a thin film thermistor 2 for control is mounted at the center of the wiring board 6.
  • a narrow spiral wiring pattern 64 that functions as the heat generating layer 3 is formed over substantially the entire area of the wiring board 6 .
  • the wiring board 6 has a thickness of about 0.05 mm, and is made of a film-like material made of, for example, polyimide resin, polyethylene terephthalate (PET) resin, etc. It is composed of an insulating base material 65 and a cover layer 66 made of polyimide film or the like, which is an insulating layer that covers the wiring pattern 64 formed on the surface of the insulating base material 65. Note that the terminal portion 62 is an exposed portion that is not covered by the cover layer 66.
  • PET polyethylene terephthalate
  • the measurement thin film thermistor 1 includes a substrate 11, an electrode layer 12 formed on the surface (lower side in the figure) of the substrate 11, a thin film element layer 13, and a protective insulating layer. It is equipped with 14.
  • the substrate 11 has a substantially rectangular shape and is made of an insulating zirconia material.
  • the material forming the substrate 11 may be ceramics such as aluminum nitride, or semiconductor materials such as silicon or germanium.
  • An insulating thin film is formed on the surface of this substrate 11 by sputtering.
  • the rectangular substrate 11 is extremely thin with a thickness of 0.3 mm or less, preferably 0.25 mm or less, a length of 1.6 mm, and a width of 0.3 mm. It is 8mm.
  • the length and width of the measurement thin film thermistor 1 are also determined by the dimensions of the substrate 11, and are 1.6 mm in length and 0.8 mm in width.
  • a pair of electrode layers 12 are formed on both ends of the substrate 11.
  • the electrode layer 12 is formed by depositing a metal thin film by a sputtering method, and the metal material includes noble metals such as platinum (Pt), gold (Au), silver (Ag), and palladium (Pd). These alloys, for example, Ag--Pd alloy, etc. are applicable.
  • the thin film element layer 13 is a thermistor composition, and is composed of an oxide semiconductor having a negative temperature coefficient.
  • the thin film element layer 13 is formed on the electrode layer 12 by sputtering or the like and is electrically connected to the electrode layer 12.
  • the thin film element layer may be made of an oxide semiconductor having a positive temperature coefficient.
  • the thin film element layer 13 is composed of two or more elements selected from transition metal elements such as manganese (Mn), nickel (Ni), cobalt (Co), and iron (Fe). .
  • the protective insulating layer 14 is formed to cover the thin film element layer 13.
  • the protective insulating layer 14 is a protective glass layer made of borosilicate glass. Furthermore, a wiring pattern 641 extending from the extension portion 61 of the wiring board 6 is joined and electrically connected to the electrode layer 12 by soldering Sd.
  • the thin film element layer 13 and the electrode layer 12 formed on the surface of the substrate 11 are placed on the measurement object side, that is, as shown in FIG. , are arranged and mounted on the wiring board 6 so as to face the body surface side which becomes the contact surface. Therefore, the measurement thin film thermistor 1 is mounted face-down on the wiring board 6.
  • the control thin film thermistor 2 has the function of controlling the power supplied to the heating element layer 3, and is the same element as the measurement thin film thermistor 1, and has the same specifications and characteristics. Therefore, the same or corresponding parts as those of the measurement thin film thermistor 1 are given the same or corresponding symbols, and detailed explanations are omitted.
  • the heating element layer 3 is formed in a narrow, generally spiral pattern from the center to the outer periphery of the wiring board 6.
  • the heating element layer 3 generates heat when electric power is supplied.
  • the first heat insulating layer 4 is made of polyethylene foam that has heat insulating properties and flexibility, and even if the object to be measured is not flat, it can be easily connected to the object to be measured. This has the effect of suppressing the occurrence of gaps.
  • the scale of each member is changed as appropriate for the sake of explanation. For example, it is the relationship between the thickness dimensions of the wiring board 6, the thin film thermistor 1 for measurement, and the thin film thermistor 2 for control. In reality, the thickness of the wiring board 6 is smaller than the thickness of the thin film thermistor 1 for measurement.
  • the first heat insulating layer 4 has a circular shape that is approximately the same size as the wiring board 6, and specifically has a thickness of 3.0 mm and a diameter of 42.0 mm.
  • a soft, flexible, and viscous double-sided adhesive sheet As is provided as an adhesive layer on both sides of the first heat insulating layer 4, and the wiring board 6 is attached to both sides of the first heat insulating layer 4. It is now possible to Specifically, the wiring board 6 is a single board, and a circular portion of the wiring board 6 is placed on one side of the first heat insulating layer 4, and an extending portion 61 of the wiring board 6 is bent to form the first heat insulating layer. It comes to be arranged on the other side of layer 4.
  • the portion where the measuring thin film thermistor 1 is mounted is an exposed portion that is not covered with the cover layer 66.
  • the portion where the control thin film thermistor 2 is mounted is also an exposed portion that is not covered with the cover layer 66. Therefore, the double-sided adhesive sheet As as an adhesive layer comes into direct contact with the measurement thin film thermistor 1 and the control thin film thermistor 2. Specifically, the double-sided adhesive sheet As surrounds the measurement thin film thermistor 1 and the control thin film thermistor 2 due to its viscosity.
  • the length dimension of the measurement thin film thermistor 1 is 1.6 mm, and the width dimension is 0.8 mm. Therefore, the ratio of the length and width of the measurement thin film thermistor 1 to the diameter of the first heat insulating layer 4 is approximately 1:26 for the length and approximately 1:53 for the width. There is. By increasing the ratio in this way, it is possible to ensure sufficient heat insulation. As a result of studying and considering the above configuration, the ratio of the length and width dimensions of the thin film thermistor 1 for measurement and the diameter dimension of the first heat insulating layer 4 is 1:10 or more, preferably 1:26 or more. We found that this setting is desirable because it can be expected to ensure insulation.
  • a second heat insulating layer 5 made of polyethylene foam which also has heat insulating properties and flexibility is placed as an adhesive layer on both sides of the wiring board 6, which is soft and flexible and has viscosity. It is attached via an adhesive sheet As.
  • the thickness dimension of the second heat insulating layer 5 is about 2 mm.
  • the measurement thin film thermistor 1, the control thin film thermistor 2, the wiring board 6, the heating element layer 3, the first heat insulating layer 4, the second heat insulating layer 5, and the double-sided adhesive sheet As are laminated to form a probe.
  • the temperature sensing portion Ts is constituted by the other surface of the first heat insulating layer 4 where the measurement thin film thermistor 1 is located and the measurement thin film thermistor 1.
  • the temperature sensing portion Ts forms a contact surface that comes into contact with the object to be measured (body surface), and can be attached to the object to be measured using a double-sided adhesive sheet As. Such a configuration has the effect of preventing a gap between the object to be measured and the first heat insulating layer 4.
  • the first heat insulating layer 4, the second heat insulating layer 5, the wiring board 6, and the adhesive sheet As as an adhesive layer are all flexible, and the probe as a whole is flexible. Regardless of whether the object to be measured is planar or curved, the temperature-sensitive portion Ts can be brought into contact with the object by following its shape and closely adhering to the object without any gaps using the double-sided adhesive sheet As.
  • the measurement thin film thermistor 1 and the control thin film thermistor 2 are arranged to be separated from each other with the first heat insulating layer 4 interposed therebetween.
  • the thin film thermistor 1 for measurement and the thin film thermistor 2 for control are constituent elements of the substrate 11, thin film element layer 13, etc. of the thin film thermistor 1 for measurement, and the substrate 21, thin film element layer 23, etc. of the thin film thermistor 2 for control. are now located line-symmetrically.
  • the resistance value exhibited by a thermistor depends on the constituent materials of the thermistor, the mixing ratio of the materials, manufacturing conditions, size, and the like. Therefore, the resistance value exhibited by the thermistor tends to vary and there are individual differences. Therefore, it is expected that variations in resistance values can be corrected to reduce the variations and to perform highly reliable temperature measurements.
  • thermistors for example, a standard is set that the variation in resistance value at a room temperature of 25° C. and a resistance value of 10 k ⁇ is within a range of ⁇ 5%. However, when converted to temperature, this results in an error of approximately ⁇ 2.5° C., which greatly impairs the reliability of deep temperature measurement.
  • a deep temperature measuring device equipped with a temperature sensor calibration device is provided.
  • providing the temperature sensor calibration device not only increases the number of parts, but also requires time for calibration, and there is a possibility that the presence of the temperature sensor calibration device may affect the temperature environment.
  • the YSI400 standard (which specifies the resistance value used in the YSI400 series thermistor temperature measuring device) is a standard for medical temperature probes and their connected devices. ). According to the YSI400 standard, the variation in resistance value at a resistance value of 2.2 k ⁇ at a room temperature of 25° C. is defined as ⁇ 0.2%.
  • the variation in resistance value at a resistance value of 10 k ⁇ at a room temperature of 25°C be within a range of less than ⁇ 0.5%, and also in accordance with the YSI400 standard, the resistance value at a room temperature of 25°C is 2. It is more preferable that the variation in resistance value at .2 k ⁇ be within the range of ⁇ 0.2%.
  • a method is applied in which the electrode surface of the thin film thermistor or a part of the thin film thermistor body is trimmed by laser irradiation or sandblasting. .
  • a removal portion for trimming is formed in the electrode layer or thin film element layer of the thin film thermistor.
  • measures may be applied to make the thickness of the thin film thermistor substrate uniform, to make the dicing size uniform when cutting the thin film thermistors from the same wafer, and to sort the manufactured thin film thermistors.
  • FIG. 8 is a flowchart showing an overview of temperature measurement. These operations are mainly executed by a program of a control processing section built into the controller 100.
  • the terminal portion 52 of the probe is connected to the connector 100a led out from the controller 100. Since a release sheet (not shown) is attached in advance to the temperature sensing portion Ts, this release sheet is peeled off.
  • the temperature sensing part Ts is attached and brought into contact with the body surface of the object to be measured, and the deep temperature measuring device 10 is powered on and started (step S1).
  • the deep temperature is transferred to the measuring thin film thermistor 1 (step S2).
  • Heat from the measurement thin film thermistor 1 is radiated via the first heat insulating layer 4.
  • the control thin film thermistor 2 detects this radiated heat (step S3).
  • the heat generation temperature is controlled by the thin film thermistor 2 for control so that power is supplied to the heat generating layer 3 to generate heat. (Step S4).
  • the control thin film thermistor 2 and the heat generating layer 3 are covered with the second heat insulating layer 5, it is possible to suppress heat dissipation due to wind or the like.
  • the measurement thin film thermistor 1 is heated and controlled by the heating element layer 3 so that the temperatures of the measurement thin film thermistor 1 and the control thin film thermistor 2 are equal, and the measurement thin film thermistor 1 and the control thin film thermistor 2 are in a state of thermal equilibrium.
  • the heat flow rate of the first heat insulating layer 4 interposed between the first and second heat insulating layers 4 is controlled to be in a so-called zero heat flux state (step S5). Since the body surface temperature in this thermal equilibrium state, that is, the temperature detected by the measurement thin film thermistor 1 can be estimated as the deep temperature, it is detected that the thermal equilibrium state has been reached (step 6), and the measurement result of the deep temperature of the living body is sent to the controller 100. The information is displayed, recorded, and output (step S7).
  • FIG. 9(a) is a conceptual diagram illustrating the effect of the thickness of the heat insulating layer of this embodiment
  • FIG. 9(b) is a conceptual diagram illustrating the effect of the thickness of the heat insulating layer of the comparative example. It is.
  • a first heat insulating layer 4 and a control thin film thermistor 2 are laminated on a thin film thermistor 1 for measurement.
  • the thickness dimension t of these laminated state is about 3 mm
  • each thickness dimension t 1 and t 2 of the measurement thin film thermistor 1 and the control thin film thermistor 2 including the wiring board 6 is about 0.25 mm. It is. Therefore, the thickness dimension t3 of the first heat insulating layer 4 is approximately 2.5 mm.
  • the measurement thermistor 1a and the control thermistor 2a are chip-type bulk structure thermistors; Each thickness dimension t 1 and t 2 is approximately 0.9 mm. Therefore, the thickness dimension t3 of the first heat insulating layer 4a is approximately 1.2 mm.
  • the thickness dimension t3 of the first heat insulating layer 4 can be increased, and the thermal resistance can be increased, so that the time to reach a thermal equilibrium state can be shortened, and the time to measure the deep temperature can be accelerated. becomes possible.
  • FIG. 10 is a graph showing the response times of this embodiment and a comparative example.
  • a measurement thin film thermistor 1 and a control thin film thermistor 2 are used, and in the conventional comparative example, a chip type bulk structure thermistor is used.
  • the response time from starting the deep temperature measuring device until the end of measuring the deep temperature is 120 seconds in the comparative example and 88 seconds in the present embodiment.
  • the reason for this is that in this embodiment, a thin film thermistor with an extremely thin substrate 11 having a small heat capacity is used, and the thermal resistance is increased by increasing the thickness of the first heat insulating layer 4 due to the use of a thin film thermistor.
  • the thin film element layer 13 and the electrode layer 12 formed on the surface of the substrate 11 are arranged so as to face the body surface side, which is the contact surface of the measurement object. This is thought to be due to the fact that heat can be smoothly transferred from the body surface to the measuring thin film thermistor 1.
  • further performance improvement can be achieved by forming a thin film thermistor on the wiring board 6 without using the board 11.
  • the deep temperature of the object to be measured can be measured with high accuracy, high accuracy, and high speed response.
  • processing means such as trimming to suppress variations in the thin film thermistor 1 for measurement and the thin film thermistor 2 for control, a temperature sensor calibration device is not required, and the deep temperature measuring device 10 is highly accurate and reliable. can be provided.
  • the second heat insulating layer 5 in this embodiment is intended to prevent disturbances such as wind, but by providing an infrared reflective layer on the surface, the effect of suppressing the dissipation of convective heat and radiant heat is further improved. be able to.
  • the deep temperature measuring device and deep temperature measuring method of the present invention described above are suitably applied to measurements of living bodies such as a deep body thermometer, but are not limited thereto. It can also be applied to measuring the deep temperature of objects in the industrial field. For example, it can also be applied to predicting the lifespan of a battery by understanding the temperature information of the positive electrode, etc. inside a secondary battery. .

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Abstract

測定対象物の深部温度を高精度、高確度及び高速応答性をもって計測することができる深部温度測定装置及び深部温度測定方法を提供する。 深部温度測定装置(10)は、温度を感知する感温部(Ts)と、前記感温部(Ts)を測定対象物に接触させることにより、温度を測定可能な計測用薄膜サーミスタ(1)と、前記計測用薄膜サーミスタ(1)を加熱する発熱体層(3)と、前記計測用薄膜サーミスタ(1)と第1の断熱層(4)を介して配置され、前記計測用薄膜サーミスタ(1)と温度が等しくなるように前記発熱体層(3)の温度を制御する制御用薄膜サーミスタ(2)と、前記発熱体層(3)を覆う第2の断熱層(5)と、を具備している。

Description

深部温度測定装置及び深部温度測定方法
 本発明は、測定対象物としての生体の深部温度を測定するのに適する深部温度測定装置及び深部温度測定方法に関する。
 測定対象物の深部の温度を測定する深部温度測定装置が知られている。例えば、測定対象物が人間や動物の生体である場合、生体の体温は、核心部と体表面部とに区別してとらえることができ、核心部は生体内部の組織であり、その温度は周囲環境への熱放散の影響を受けない。これに対し、体表面部は周囲環境との熱交換によって影響を受け、その温度は変動的なものとなり易い。
  測定対象物として生体の体温を測定する場合、被測定者(生体)の病状や状態を確認するためには、核心部の温度を測定し把握することが重要となっている。このため被測定者の安全性や負担の軽減を考慮して非侵襲で核心部の温度を測定する深部体温計が開発されている。
 従来、例えば、断熱層を挟んで発熱体の制御用感温素子と計測用感温素子とを設け、計測用感温素子と制御用感温素子の温度が平衡する状態、いわゆるゼロ熱流束状態を適用して深部温度を測定する深部温度測定装置が提案されている。
特許第5779806号公報 特許第6038890号公報 実公昭54-19899号公報
 しかしながら、従来の深部温度測定装置における感温素子は、具体的には、チップタイプのバルク構造のNTCサーミスタであり、熱容量が大きく温度応答性に限界があり、高速応答性を期待するのは困難である。
 本発明の実施形態は、測定対象物の深部温度を高精度、高確度及び高速応答性をもって計測することができる深部温度測定装置及び深部温度測定方法を提供することを目的とする。
 本発明の実施形態による深部温度測定装置は、温度を感知する感温部と、前記感温部を測定対象物に接触させることにより、温度を測定可能な計測用薄膜サーミスタと、前記計測用薄膜サーミスタを加熱する発熱体層と、前記計測用薄膜サーミスタと第1の断熱層を介して配置され、前記計測用薄膜サーミスタと温度が等しくなるように前記発熱体層の温度を制御する制御用薄膜サーミスタと、前記発熱体層を覆う第2の断熱層と、を具備することを特徴とする。
 かかる実施形態の深部温度測定装置により、測定対象物の深部温度を高精度、高確度及び高速応答性をもって計測することができる。
 本発明の実施形態による深部温度測定方法は、温度を感知する感温部と、前記感温部を測定対象物に接触させることにより、温度を測定可能な計測用薄膜サーミスタと、前記計測用薄膜サーミスタを加熱する発熱体層と、前記計測用薄膜サーミスタと第1の断熱層を介して配置され、前記計測用薄膜サーミスタと温度が等しくなるように前記発熱体層の温度を制御する制御用薄膜サーミスタと、前記発熱体層を覆う第2の断熱層と、を備え、前記感温部を測定対象物に接触させるステップと、前記計測用薄膜サーミスタから放熱される熱を制御用薄膜サーミスタが検知するステップと、前記計測用薄膜サーミスタの検知温度と前記制御用薄膜サーミスタの検知温度との温度差に応じて、前記発熱体層の発熱温度を制御するステップと、前記計測用薄膜サーミスタと前記制御用薄膜サーミスタとの温度が等しくなる熱平衡状態を検出するステップと、前記測定対象物の深部温度の計測結果を出力するステップと、を具備することを特徴とする。
 本発明の実施形態によれば、測定対象物の深部温度を高精度、高確度及び高速応答性をもって計測することができる深部温度測定装置及び深部温度測定方法を提供することができる。
本発明の実施形態に係る深部温度測定装置を示す斜視図である。 同深部温度測定装置を計測用感温素子側から見て示す分解斜視図である。 同深部温度測定装置における配線基板に実装された計測用感温素子、発熱体層及び発熱体層の制御用感温素子を示す平面図である。 図1中、X-X線に沿う模式的な一部を示す断面図である。 図1中、Y-Y線に沿う模式的な一部を示す断面図である。 同深部温度測定装置における計測用感温素子を拡大して示す斜視図である。 図6中、A-A線に沿って計測用感温素子を切断して示す断面図である。 同深部温度測定装置の動作を示すフローチャートである。 同深部温度測定装置における本実施形態と比較例との厚さ寸法の関係を示す説明図である。 同深部温度測定装置における応答時間を示すグラフである。
 以下、本発明の実施形態に係る深部温度測定装置及び深部温度測定方法について図1乃至図10を参照して説明する。図1及び図2は、深部温度測定装置を示す斜視図及び計測用感温素子側から見て示す分解斜視図であり、図3は、配線基板に実装された計測用感温素子、発熱体層及び発熱体層の制御用感温素子を示す平面図であり、図4は、図1中、X-X線に沿う模式的な一部の断面図であり、図5は、図1中、Y-Y線に沿う模式的な一部の断面図である。図6は、計測用感温素子を拡大して示す斜視図であり、図7は、計測用感温素子を拡大して示す断面図である。図8は、深部温度測定装置の動作を示すフローチャートであり、図9は、深部温度測定装置における本実施形態と比較例との厚さ寸法の関係を示す説明図であり、図10は、深部温度測定装置の応答時間を示すグラフである。
 なお、各図では、説明上、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している場合がある。また、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
 本実施形態の深部温度測定装置は、測定対象物としての生体の深部体温を測定するため、体表面に温度を感知する感温部を貼付し、非侵襲で高精度、高確度及び高速応答性をもって計測することができるものである。体表面の温度を感知する計測用感温素子及び発熱体の電力を制御する制御用感温素子として薄膜サーミスタが用いられている。
 図1乃至図5に示すよう深部温度測定装置10は温度を感知する感温部Tsを有するプローブであり、計測用感温素子として計測用薄膜サーミスタ1と、発熱体層の制御用感温素子として制御用薄膜サーミスタ2と、発熱体層3と、第1の断熱層4と、第2の断熱層5とを備えている。計測用薄膜サーミスタ1、制御用薄膜サーミスタ2及び発熱体層3は、配線基板6に実装されている。また、各構成要素を制御する制御処理部を有するコントローラ100が備えられ、プローブがコントローラ100にコネクタ100aを介して接続されるようになっている。
 深部温度測定装置10の全体的な外観は、薄い円盤状であり、概略の総厚寸法は5mm~6mm程度であり、φ40mm~45mm程度の大きさである。
 図3に示すように配線基板6は、可撓性を有するフレキシブル配線基板(FPC)である。配線基板6は、略円形状に形成されていて、その外周端から半径方向に延出する細長い延出部61が形成されている。また、この延出部61と略90度の間隔を空けて外周端から半径方向に延出する端子部62が形成されている。端子部62には、接続パッド62aが形成されている。加えて、配線基板6には、外周から中心部に向かう複数のスリット63が形成されている。
 配線基板6は、配線基板6の表面に形成された発熱体層3を含む導体の配線パターン64を備えている。延出部61の先端部には計測用薄膜サーミスタ1が実装され、配線基板6の中央部には制御用薄膜サーミスタ2が実装されている。また、配線基板6の略全域には、発熱体層3として機能する細幅で渦巻状の配線パターン64が形成されている。
 図4及び図5を併せて参照して示すように、詳しくは、配線基板6は、厚さ寸法が0.05mm程度であり、例えば、ポリイミド樹脂、ポリエチレンテレフタレート(PET)樹脂などからなるフィルム状の絶縁性基材65と、この絶縁性基材65の表面に形成された配線パターン64を被覆する絶縁層であるポリイミドフィルムなどからなるカバー層66とから構成されている。なお、端子部62はカバー層66に被覆されていない露出した部分となっている。
 図6及び図7に示すように計測用薄膜サーミスタ1は、基板11と、この基板11の表面上(図示では下側)に形成された電極層12と、薄膜素子層13と、保護絶縁層14とを備えている。
 基板11は、略四角形状をなしていて、絶縁性のジルコニア材料で形成されている。なお、基板11を形成する材料は、窒化アルミニウム等のセラミックス又は半導体のシリコン、ゲルマニウム等の材料を用いてもよい。この基板11の表面上には、絶縁性薄膜がスパッタリング法によって成膜して形成されている。具体的には、四角形状の基板11は極薄で厚さ寸法が0.3mm以下、好ましくは0.25mm以下に形成されており、長さ寸法は1.6mmであり、幅寸法は0.8mmである。このような極薄の基板11を薄膜サーミスタに用いることで、熱容量が小さくなり高感度で、かつ熱応答性の優れた感温素子の実現が可能となる。なお、計測用薄膜サーミスタ1としての長さ寸法及び幅寸法も基板11の寸法によって定まり、長さ寸法1.6mm、幅寸法0.8mmとなる。
 電極層12は、基板11上の両端部に一対形成されている。電極層12は、金属薄膜をスパッタリング法によって成膜して形成されものであり、その金属材料には、白金(Pt)、金(Au)、銀(Ag)、パラジウム(Pd)等の貴金属やこれらの合金、例えば、Ag-Pd合金等が適用される。
 薄膜素子層13は、サーミスタ組成物であり、負の温度係数を有する酸化物半導体から構成されている。薄膜素子層13は、前記電極層12の上に、スパッタリング法等によって成膜して電極層12と電気的に接続されている。なお、薄膜素子層は、正の温度係数を有する酸化物半導体から構成してもよい。
 前記薄膜素子層13は、例えば、マンガン(Mn)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、鉄(Fe)等の遷移金属元素の中から選ばれる2種又はそれ以上の元素から構成されている。
 保護絶縁層14は、薄膜素子層13を被覆するように形成されている。保護絶縁層14は、ホウケイ酸ガラスによって形成された保護ガラス層である。
 また、前記電極層12には、配線基板6の延出部61から延びる配線パターン641が半田付けSdによって接合されて電気的に接続されている。
 以上のような計測用薄膜サーミスタ1は、図4及び図5を併せて参照して示すように、基板11の表面上に形成された薄膜素子層13及び電極層12が測定対象物側、すなわち、接触面となる体表面側へ向くように配置されて配線基板6に実装される。したがって、計測用薄膜サーミスタ1は、配線基板6にフェースダウン実装されて配置されるようになる。
 制御用薄膜サーミスタ2は、発熱体層3の供給電力を制御する機能を有していて、計測用薄膜サーミスタ1と同じ素子であり、同じ仕様及び特性を有している。したがって、計測用薄膜サーミスタ1と同一又は相当部分には同一又は相当の符号を付し、詳細な説明は省略する。
 図3乃至図5に示すように発熱体層3は、配線基板6の中央部から外周部までに亘って、細幅で概略渦巻状のパターンをなして形成されている。発熱体層3は、電力が供給されることにより発熱する。
 図2、図4及び図5に示すように第1の断熱層4は、断熱性及び可撓性を有する発砲ポリエチレンから形成されていて、測定対象物が平面でなくても、測定対象物との隙間の発生を抑える効果がある。なお、図4及び図5の図示において、説明上、各部材の縮尺を適宜変更して示している。例えば、配線基板6と計測用薄膜サーミスタ1及び制御用薄膜サーミスタ2との厚さ寸法の関係である。実際には計測用薄膜サーミスタ1の厚さ寸法より配線基板6の厚さ寸法が小さくなっている。
 第1の断熱層4は、配線基板6と略同様な大きさの円形状であり、具体的には厚さ寸法が3.0mm、φ42.0mmである。この第1の断熱層4の両面には接着層として柔軟で可撓性を有するとともに粘性を有する両面粘着シートAsが設けられており、配線基板6が第1の断熱層4の両面に貼り付けられるようになっている。詳しくは、配線基板6は一枚基板であり、第1の断熱層4の一面側に配線基板6の円形状部分が配置され、配線基板6の延出部61が折り曲げられて第1の断熱層4の他面側に配置されるようになる。
 また、図4乃至図7に示すように、計測用薄膜サーミスタ1が実装される部分は、カバー層66に被覆されていない露出した部分となっている。同様に制御用薄膜サーミスタ2が実装される部分もカバー層66に被覆されていない露出した部分となっている。したが って、計測用薄膜サーミスタ1及び制御用薄膜サーミスタ2には、接着層としての両面粘着シートAsが直接的に接触するようになる。具体的には、両面粘着シートAsがその粘性により計測用薄膜サーミスタ1及び制御用薄膜サーミスタ2の周囲を囲むような状態となる。
 なお、計測用薄膜サーミスタ1の長さ寸法は1.6mmであり、幅寸法は0.8mmである。したがって、計測用薄膜サーミスタ1の長さ寸法及び幅寸法と第1の断熱層4の径寸法との比率は、長さ寸法については約1:26、幅寸法については約1:53となっている。このように比率を大きくとることにより断熱性の十分な確保が可能となる。以上のような構成を検討考察の結果、計測用薄膜サーミスタ1の長さ寸法及び幅寸法と第1の断熱層4の径寸法との比率は、1:10以上、好ましくは1:26以上に設定することにより断熱性の確保が期待でき、望ましいとの知見を見出した。
 また、配線基板6の一面側には、同様に断熱性及び可撓性を有する発砲ポリエチレンから形成された第2の断熱層5が、接着層として柔軟で可撓性を有するとともに粘性を有する両面粘着シートAsを介して貼り付けられている。因みに、第2の断熱層5の厚さ寸法は2mm程度である。
 以上のように計測用薄膜サーミスタ1、制御用薄膜サーミスタ2、配線基板6、発熱体層3、第1の断熱層4、第2の断熱層5及び両面粘着シートAsが積層されてプローブが構成され、計測用薄膜サーミスタ1が位置する第1の断熱層4の他面側と計測用薄膜サーミスタ1とで感温部Tsが構成される。この感温部Tsは、測定対象物(体表面)に接触する接触面をなすものであり、両面粘着シートAsによって測定対象物に貼付できるようになっている。このような構成とすることで測定対象物と第1の断熱層4との隙間を発生させない効果がある。詳しくは、第1の断熱層4、第2の断熱層5、配線基板6及び接着層としての粘着シートAsは、いずれも可撓性があり、プローブ全体として可撓性を有しているので、測定対象物が平面状であっても曲面状であっても、その形状に沿わせて、かつ両面粘着シートAsによって隙間なく密着させ感温部Tsを測定対象物に接触させることができる。
 また、計測用薄膜サーミスタ1と制御用薄膜サーミスタ2とは、第1の断熱層4を介して隔てて配置される。この場合、計測用薄膜サーミスタ1と制御用薄膜サーミスタ2とは、計測用薄膜サーミスタ1の基板11や薄膜素子層13等と制御用薄膜サーミスタ2の基板21や薄膜素子層23等との構成要素が線対称的に位置されるようになる。
 次に、計測用薄膜サーミスタ1及び制御用薄膜サーミスタ2における抵抗値のばらつき(許容差)について説明する。例えば、サーミスタの示す抵抗値は、サーミスタの構成材料や材料の混合比、製造条件及び大きさ等に依存している。そのため、サーミスタが示す抵抗値は、ばらつきが生じやすく個体差が存在する。したがって、抵抗値のばらつきを補正して、ばらつきを少なくし、信頼性の高い温度測定が行われることが期待されている。
 従来のサーミスタにおいては、例えば室温25℃の抵抗値10kΩにおける抵抗値のばらつきは±5%の範囲内とする基準が設けられている。しかしながら、これは温度に換算すると凡そ±2.5℃の誤差となり、深部温度計測にとって大きく信頼性が損なわれることになる。
 そのため、ばらつきを軽減する手段として、温度センサ校正装置を設けた深部温度測定装置が提供されている。しかし、温度センサ校正装置を設けることは部品数が増加するばかりではなく、校正に時間がかかり、また、温度センサ校正装置の存在が温度環境に影響を与える虞が生じる。
 ところで、医療現場で深部温度測定装置を使用することを想定する場合、YSI400規格(YSI400シリーズのサーミスタ測温体に用いられる抵抗値を定めたもので、広く医療用温度プローブ及びその接続機器の規格として採用されている。)がある。このYSI400規格では、室温25℃の抵抗値2.2kΩにおける抵抗値のばらつきは±0.2%と定められている。
 したがって、少なくともYSI400規格に準拠して、室温25℃の抵抗値10kΩにおける抵抗値のばらつきを±0.5%未満の範囲内にするのが好ましく、また、YSI400規格に従い室温25℃の抵抗値2.2kΩにおける抵抗値のばらつきを±0.2%の範囲内にするのがより好ましい。
 このようなばらつきを抑制する処理手段としては、抵抗値のばらつきを補正する場合、レーザー照射やサンドブラスト法によって、薄膜サーミスタの電極面や薄膜サーミスタ本体の一部を削ってトリミングする方法が適用される。この場合、トリミング用の除去部が薄膜サーミスタの電極層や薄膜素子層に形成されるようになる。
 また、薄膜サーミスタの基板の厚さ寸法の均一化、薄膜サーミスタを同一のウエハーから切削するときのダイシングサイズの均一化や作製された薄膜サーミスタを選別するという手段が適用される場合もある。
 以上のようにばらつきを抑制する処理手段を適用することにより、温度センサ校正装置を不要として、正確度が高く信頼性の高い深部温度測定装置10を提供することができる。
 続いて、深部温度測定装置10の動作を、測定対象物として生体の体温を測定する場合について、図8を参照して説明する。図8は温度測定の概要を示すフローチャートである。これらの動作は主としてコントローラ100に内蔵された制御処理部のプログラムによって実行される。
 まず、プローブにおける端子部52をコントローラ100から導出されているコネクタ100aに接続する。感温部Tsには、図示しない剥離シートが予め貼付されているので、この剥離シートを剥がす。
 次いで、感温部Tsを測定対象物の体表面に貼付し接触させて、深部温度測定装置10に電源を投入して起動する(ステップS1)。深部温度が計測用薄膜サーミスタ1に伝熱される(ステップS2)。計測用薄膜サーミスタ1の熱は第1の断熱層4を介して放熱される。この放熱される熱を制御用薄膜サーミスタ2が検知する(ステップS3)。
 計測用薄膜サーミスタ1の検知温度と制御用薄膜サーミスタ2の検知温度との温度差に応じて、発熱体層3に電力を供給して発熱するよう制御用薄膜サーミスタ2によって発熱温度が制御される(ステップS4)。この場合、制御用薄膜サーミスタ2及び発熱体層3は、第2の断熱層5に覆われているので風等による熱の放散を抑制することができる。
 計測用薄膜サーミスタ1と制御用薄膜サーミスタ2との温度が等しくなるように発熱体層3によって計測用薄膜サーミスタ1が加熱制御され、熱平衡状態、つまり、計測用薄膜サーミスタ1と制御用薄膜サーミスタ2との間に介在する第1の断熱層4の熱流速がいわゆるゼロ熱流束状態となるように制御される(ステップS5)。この熱平衡状態の体表面温度、すなわち、計測用薄膜サーミスタ1の検知温度が深部温度として推定できるので、熱平衡状態になったことを検出し(ステップ6)、生体の深部温度の計測結果をコントローラ100に表示したり記録したりして出力する(ステップS7)。
 次に、図9を参照して断熱層の厚さ寸法による作用を説明する。図9(a)は、本実施形態の断熱層の厚さ寸法による作用を説明する概念図であり、図9(b)は、比較例の断熱層の厚さ寸法による作用を説明する概念図である。
 図9(a)に示すように本実施形態において、計測用薄膜サーミスタ1に第1の断熱層4、制御用薄膜サーミスタ2が積層されている。ここで、これらの積層状態の厚さ寸法tは約3mmであり、配線基板6を含めた計測用薄膜サーミスタ1及び制御用薄膜サーミスタ2の各厚さ寸法t及びtは約0.25mmである。したがって、第1の断熱層4の厚さ寸法tは約2.5mmとなる。
 一方、図9(b)に示す従来の比較例において、積層状態の厚さ寸法tを約3mmとすると、計測用サーミスタ1a及び制御用サーミスタ2aは、チップタイプのバルク構造のサーミスタであり、その各厚さ寸法t及びtは約0.9mmである。したがって、第1の断熱層4aの厚さ寸法tは約1.2mmとなる。
 したがって、本実施形態によれば、第1の断熱層4の厚さ寸法tを大きくでき、熱抵抗を高くすることができるので、熱平衡状態になる時間を短縮でき深部温度の計測時間を速めることが可能となる。
 さらに、図10を参照して深部温度測定装置の応答時間について説明する。図10は、本実施形態及び比較例の応答時間を示すグラフである。本実施形態では、計測用薄膜サーミスタ1及び制御用薄膜サーミスタ2が用いられており、従来の比較例のものでは、チップタイプのバルク構造のサーミスタが用いられている。
 図10に示すように、深部温度測定装置を起動してから深部温度の計測が終了するまでの応答時間は、比較例では120秒、本実施形態では88秒となっている。
 このように本実施形態では、高速応答性をもって計測することができる。この理由は、本実施形態では熱容量の小さい極薄の基板11の薄膜サーミスタを用いていること、薄膜サーミスタを用いることに伴い第1の断熱層4の厚さ寸法を大きくすることで熱抵抗を高くすることができること、及び計測用薄膜サーミスタ1において、基板11の表面上に形成された薄膜素子層13及び電極層12が測定対象物である接触面となる体表面側へ向くように配置されるので、体表面からの熱の移動を円滑に計測用薄膜サーミスタ1へ伝熱できることに起因するものと考えられる。
 また、さらなる性能向上には、基板11を用いないで配線基板6に薄膜サーミスタを形成することにより達成が可能である。
 以上のように本実施形態によれば、測定対象物の深部温度を高精度、高確度及び高速応答性をもって計測することができる。また、計測用薄膜サーミスタ1及び制御用薄膜サーミスタ2のばらつきを抑制するトリミング等の処理手段を適用することにより、温度センサ校正装置を不要として、正確度が高く信頼性の高い深部温度測定装置10を提供することができる。
 なお、本実施形態における第2の断熱層5は風等の外乱影響を防止するものであるが、表面に赤外線反射層を設けることにより、対流熱及び輻射熱の放散を抑制する効果を一層向上することができる。
 前述してきた本発明の深部温度測定装置及び深部温度測定方法は、深部体温計など生体の測定に好適に適用されるが、これに限るものではない。産業分野における物体の深部温度を測定する場合においても適用可能であり、例えば、二次電池の内部にある正極等の温度情報を把握することで電池の寿命を予測する場合にも適用可能である。
 本発明は、上記実施形態の構成に限定されることなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。また、上記実施形態は、一例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
1・・・・・・計測用薄膜サーミスタ
2・・・・・・制御用薄膜サーミスタ
3・・・・・・発熱体層
4・・・・・・第1の断熱層
5・・・・・・第2の断熱層
6・・・・・・配線基板
11、21・・基板
12、22・・電極層
13、23・・薄膜素子層
14、24・・保護絶縁層
61・・・・・延出部
62・・・・・端子部
64・・・・・配線パターン
65・・・・・基材
66・・・・・カバー層
100・・・・コントローラ
As・・・・・接着層
Ts・・・・・感温部

Claims (10)

  1.  温度を感知する感温部と、
     前記感温部を測定対象物に接触させることにより、温度を測定可能な計測用薄膜サーミスタと、
     前記計測用薄膜サーミスタを加熱する発熱体層と、
     前記計測用薄膜サーミスタと第1の断熱層を介して配置され、前記計測用薄膜サーミスタと温度が等しくなるように前記発熱体層の温度を制御する制御用薄膜サーミスタと、
     前記発熱体層を覆う第2の断熱層と、
     を具備することを特徴とする深部温度測定装置。
  2.  前記計測用薄膜サーミスタ及び前記制御用薄膜サーミスタは、基板と、この基板上に形成された薄膜素子層及び電極層を有していて、前記薄膜素子層及び電極層が測定対象物である接触面へ向くように配置されていることを特徴とする請求項1に記載の深部温度測定装置。
  3.  前記計測用薄膜サーミスタ及び前記制御用薄膜サーミスタは、トリミングされて抵抗値が補正されていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の深部温度測定装置。
  4.  前記計測用薄膜サーミスタ及び前記制御用薄膜サーミスタの抵抗値のばらつきは±0.5%未満の範囲内であることを特徴とする請求項3に記載の深部温度測定装置。
  5.  前記計測用薄膜サーミスタにおける前記基板の厚さ寸法は、0.3mm以下であることを特徴とする請求項2に記載の深部温度測定装置。
  6.  前記第1の断熱層及び第2の断熱層は、可撓性を有していることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の深部温度測定装置。
  7.  前記計測用薄膜サーミスタの長さ寸法及び幅寸法と第1の断熱層の径寸法との比率は、1:10以上に設定されていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の深部温度測定装置。
  8.  前記第1の断熱層及び第2の断熱層には、柔軟で可撓性を有する接着層が設けられていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の深部温度測定装置。
  9.  前記第2の断熱層の表面には、赤外線反射層が設けられていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の深部温度測定装置。
  10.  温度を感知する感温部と、前記感温部を測定対象物に接触させることにより、温度を測定可能な計測用薄膜サーミスタと、前記計測用薄膜サーミスタを加熱する発熱体層と、前記計測用薄膜サーミスタと第1の断熱層を介して配置され、前記計測用薄膜サーミスタと温度が等しくなるように前記発熱体層の温度を制御する制御用薄膜サーミスタと、前記発熱体層を覆う第2の断熱層と、を備え、
     前記感温部を測定対象物に接触させるステップと、
     前記計測用薄膜サーミスタから放熱される熱を制御用薄膜サーミスタが検知するステップと、
     前記計測用薄膜サーミスタの検知温度と前記制御用薄膜サーミスタの検知温度との温度差に応じて、前記発熱体層の発熱温度を制御するステップと、
     前記計測用薄膜サーミスタと前記制御用薄膜サーミスタとの温度が等しくなる熱平衡状態を検出するステップと、
     前記測定対象物の深部温度の計測結果を出力するステップと、
     を具備することを特徴とする深部温度測定方法。
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