WO2022158343A1 - 温度測定装置、体温計、温度測定方法及び温度減衰測定方法 - Google Patents

Abstract

高速応答性が実現可能であり、被測定体の温度を短時間で高精度及び高確度で計測することができる温度測定装置、体温計、温度測定方法及び温度減衰測定方法を提供する。　温度を感知する感温部（４１）と、感温部（４１）を被測定体に接触させることにより、温度を測定可能な感温部（４１）に設けられた測定用の温度センサ（１）と、感温部（４１）を被測定体に接触させたときから、温度センサ（１）の初期温度との差異を温度センサ（１）が検知した時間及びその時の温度センサ（１）の計測温度を検出し、差異を検知した時間から、一定時間後の時間及びその時の温度センサ（１）の計測温度を検出する温度検出手段と、差異を検知した時間及び一定時間後の時間、その時の計測温度から感温部（４１）が被測定体に接触した時間を推定する推定手段と、温度検出手段及び推定手段の出力情報に基づいて計測温度を推定する熱伝導解析手段と、を具備する。

Description

温度測定装置、体温計、温度測定方法及び温度減衰測定方法

　本発明は、温度測定装置、体温計、温度測定方法及び温度減衰測定方法に関する。

　従来、産業分野や医療分野においては、物体の表面温度を高精度、高確度及び高速応答性をもって計測することが望まれている。

　例えば、被測定体として生体の体温を計測する一般家庭用の電子体温計が普及している。このような電子体温計における体温の測定時間は、脇下で計る場合、実測式においては、１０分程度の時間を必要とする。

　また、予測式と呼ばれる電子体温計がある。この予測式の電子体温計は、温度の上昇が停止する平衡温度を予測して、温度を表示するものであり、１分～２分程度で測定が可能となっている。このように計測時間を短時間とする構成や方法がいろいろ提案されている。

特公平７－１１１３８３号公報 特許第３５５８３９７号公報 特許第３９２０６６２号公報 特許第４９４９６４８号公報 特開２０１６－２１７８８５号公報

　しかしながら、短時間と雖も計測時間を費やすのは、測定者にとって煩わしく負担となる場合が多い。

　本発明の実施形態は、一層の高速応答性が実現可能であり、被測定体の温度を短時間で高精度及び高確度で計測することができる温度測定装置、体温計、温度測定方法及び温度減衰測定方法を提供することを目的とする。
　また、他の目的は、例えば、生体の皮膚癌等の診断に有効な方法を提供することにある。

　本発明の実施形態による温度測定装置は、温度を感知する感温部と、前記感温部を被測定体に接触させることにより、温度を測定可能な前記感温部に設けられた測定用の温度センサと、前記感温部を被測定体に接触させたときから、前記測定用の温度センサの初期温度との差異を前記測定用の温度センサが検知した時間及びその時の前記測定用の温度センサの計測温度を検出し、前記差異を検知した時間から、一定時間後の時間及びその時の前記測定用の温度センサの計測温度を検出する温度検出手段と、前記差異を検知した時間及び一定時間後の時間、その時の計測温度から前記感温部が被測定体に接触した時間を推定する推定手段と、前記温度検出手段及び推定手段の出力情報に基づいて計測温度を推定する熱伝導解析手段と、を具備することを特徴とする。このような温度測定装置は、体温計に好適に用いることができる。

　かかる実施形態の温度測定装置により、高速応答性が実現可能であり、被測定体の温度を短時間で高精度及び高確度で計測することができる。なお、温度測定装置は、生体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表面温度を測定する場合においても適用可能であり、被測定体が格別限定されるものではない。

　本発明の実施形態による温度測定方法は、温度を感知する感温部と、前記感温部を被測定体に接触させることにより、温度を測定可能な前記感温部に設けられた測定用の温度センサとを備え、前記感温部を被測定体に接触させたときから、前記測定用の温度センサの初期温度との差異を前記測定用の温度センサが検知した時間及びその時の前記測定用の温度センサの計測温度を検出する第１の検出ステップと、前記差異を検知した時間から、一定時間後の時間及びその時の前記測定用の温度センサの計測温度を検出する第２の検出ステップと、前記差異を検知した時間及び一定時間後の時間、その時の計測温度から前記感温部が被測定体に接触した時間を推定する接触時間推定ステップと、第１の検出ステップと第２の検出ステップで検出した時間及び計測温度並びに前記接触時間推定ステップで推定した時間から、非定常熱伝導解析によって被測定体の温度を推定する温度推定ステップと、を具備することを特徴とする。

　また、本発明の実施形態による温度測定方法は、温度を感知する感温部と、前記感温部を被測定体に接触させることにより、温度を測定可能な前記感温部に設けられた測定用の温度センサとを備え、非定常熱伝導解析によって被測定体の温度を推定し、その後、少なくとも前記推定された温度まで測定用の温度センサを加熱し、前記感温部と被測定体とを熱的平衡状態として被測定体の温度を計測することを特徴とする。
　かかる実施形態による温度測定方法により、被測定体の温度を短時間で計測することができる。

　また、本発明の実施形態による温度減衰測定方法は、感温部を被測定体に接触させるステップと、測定用の温度センサに一定電力の第１の熱パルスを印加するステップと、第１の熱パルスの印加停止後の一定時間に測定用の温度センサの温度減衰特性を検出するステップと、測定用の温度センサに前記第１の熱パルスより時間幅の長い一定電力の第２の熱パルスを印加するステップと、第２の熱パルスの印加停止後の一定時間に前記測定用の温度センサの温度減衰特性を検出するステップと、を具備することを特徴とする。

　かかる実施形態の温度減衰測定方法により、例えば、生体の表皮部分から真皮中に至るまでの温度減衰特性を検出して熱伝導率を算出することにより、非侵襲で患部の診断を行うことができる。

　本発明の実施形態によれば、一層の高速応答性が実現可能であり、被測定体の温度を短時間で高精度及び高確度で計測することができる温度測定装置、体温計、温度測定方法及び温度減衰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温度測定装置の要部を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は分解斜視図である。 同温度測定装置の要部を示す断面図である。 温度センサを示す断面図である。 温度センサの基本的な接続状態を示す結線図である。 温度測定装置を示すブロック構成図である。 温度測定時の各部の温度を示すグラフである。 温度測定時の皮膚内部の温度分布を示すグラフである。 被測定体と測定用の温度センサとの接触面の温度を示す説明用のグラフである。 温度測定の動作を示す機能ブロック図である。 測定用の温度センサを加熱する状態を示すグラフである。 加熱後の皮膚内部の温度分布を示すグラフである。 温度測定における温度センサの動作を示す説明図である。 温度減衰測定における温度センサの動作を示す説明図である 温度測定装置を体温計に適用した例を示す斜視図である。

　以下、本発明の実施形態に係る温度測定装置について図１乃至図５を参照して説明する。図１は、温度測定装置の要部を模式的に示す斜視図及び分解斜視図であり、図２は、温度測定装置の要部を模式的に示す断面図である。また、図３は、温度センサを示す断面図であり、図４は、温度センサの基本的な接続状態を示す結線図であり、図５は、温度測定装置を示すブロック構成図である。なお、図１及び図２においてはリード線等の配線関係の図示は省略している。各図では、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。

　図１及び図２に示すように温度測定装置１０は、測定用の温度センサ１と、保護加熱用の温度センサ２と、ヒートシンク３と、これら各構成要素が収容されるパイプ状の外郭４と、各構成要素を制御する制御処理部５（図５参照）とを備えている。

　測定用の温度センサ１は、後述する保護加熱用の温度センサ２と基本的に同じ仕様及び特性を有している。測定用の温度センサ１は、薄膜感温素子であり、薄膜サーミスタである。測定用の温度センサ１は、図３を併せて参照して示すように、素子基板１１と、この基板１１上に形成された導電層１２と、薄膜素子層１３と、保護絶縁層１４とを備えている。また、この測定用の温度センサ１は、熱伝導性が良好な材料、例えば、アルミニウム等で形成された配設板１５上に配設されている。

　素子基板１１は、略長方形状をなしていて、絶縁性のアルミナ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、ジルコニア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の一面（図示上、上側）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。基板１１は極薄で厚さ寸法が２００μｍ以下で、具体的には５０μｍ～２００μｍ、好ましくは１５０μｍ以下に形成されている。
　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。

　導電層１２は、配線パターンを構成するものであり、基板１１上に形成されている。導電層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。また、基板１１の両端部には、導電層１２と一体的に、導電層１２と電気的に接続された一対の電極部１２ａが形成されている。

　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、前記導電層１２の上に、スパッタリング法等によって成膜して導電層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及び導電層１２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、前記電極部１２ａには、金属製のリード線１２ｂが接合されて電気的に接続されている。具体的には、リード線１２ｂは、例えば、コンスタンタンやハステロイ（登録商標）のような熱伝導率が低い材料から形成されていて、その熱伝導率は５Ｗ/ｍ・Ｋ～２５Ｗ/ｍ・Ｋが好ましい。これらは半田等のろう材を使うことによって、又はレーザー溶接によって接続することができる。さらに、リード線１２ｂの線径は、φ２０μｍ～φ１００μｍ程度であることが好ましい。このようにリード線１２ｂを構成することで、リード線１２ｂによるサーミスタの熱容量及び熱放散量を小さくし、高感度で、かつ熱応答性を向上することができる。

　測定用の温度センサ１が配設される配設板１５は、略円形状をなしていて、外郭４の先端部に配設されている。したがって、測定用の温度センサ１は外郭４の先端部に配設されることとなる。配設板１５は、熱伝導性が良好なアルミニウム等の材料で形成され、測定用の温度センサ１に高速熱応答性をもって伝熱が可能なように熱容量が小さくなっている。具体的には、配設板１５の寸法は、φ０．７ｍｍ～φ１．７ｍｍであり、厚さ寸法は０．０８ｍｍ～０．１５ｍｍ、好ましくはφ１．２ｍｍ、厚さ寸法は０．１ｍｍ程度に形成されている。

　保護加熱用の温度センサ２は、薄膜感温素子であり、薄膜サーミスタである。測定用の温度センサ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、測定用の温度センサ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。
　保護加熱用の温度センサ２は、素子基板２１と、この基板２１上に形成された導電層２２と、薄膜素子層２３と、保護絶縁層２４とを備えている。

　保護加熱用の温度センサ２は、測定用の温度センサ１と同様に、熱伝導性が良好な材料、例えば、アルミニウム等で形成された配設板２５上に配設されている。配設板２５は、略円形状をなしていて、外郭４の先端部であって、テーパ状に拡径する外郭４の内径に沿うように配設されている。したがって、配設板２５の外形寸法は、測定用の温度センサ１が配設される配設板１５より大きく形成され、測定用の温度センサ１とは断熱層Ｓ_１を介して熱交換可能であり、外郭４の長手方向に沿って後端部側に配置されている。

　具体的には、配設板２５の寸法は、φ１ｍｍ～φ２ｍｍであり、厚さ寸法は０．０８ｍｍ～０．１５ｍｍ、好ましくはφ１．５ｍｍ、厚さ寸法は０．１ｍｍ程度に形成されている。

　断熱層Ｓ_１は気体層であり、具体的には空気層であり、断熱層Ｓ_１の層厚寸法は０．０５ｍｍ～１ｍｍ、好ましくは０．５ｍｍの微小間隔に設定されている。このように層厚寸法を設定することにより、測定用の温度センサ１からの熱が保護加熱用の温度センサ２に伝わるのを抑制して、適度な断熱性能を保ちつつ、測定用の温度センサ１と保護加熱用の温度センサ２との熱交換を可能にして双方の温度を等しくすることができる。

　なお、断熱層Ｓ_１は、空気層が好ましいが、不活性ガスの窒素やアルゴン等の気体層であってもよく、また、断熱材によって構成することもできる。さらに、保護加熱用の温度センサ２の薄膜素子層２３側が、測定用の温度センサ１と対向するように配置してもよい。

　保護加熱用の温度センサ２の後端側には、ヒートシンク３が配設されている。ヒートシンク３は円柱形状をなしていて、所定の熱伝導率及び電気的絶縁性を確保できるアルミナ材料によって形成されている。ヒートシンク３は、φ１．８ｍｍ、長さ寸法が４．５ｍｍであり、外郭４の内径に嵌合するように配設されている。なお、ヒートシンク３の後端面に、ヒートシンク３と熱的に結合するように図示しない温度制御素子としてのペルチェ素子を配置するのが好ましい。この場合、ヒートシンク３を一定の低い温度にして、環境温度を低下させ、延いては測定用の温度センサ１を被測定体の温度より一定温度低い温度状態に保つことが可能となる。

　また、保護加熱用の温度センサ２とヒートシンク３との間には断熱層Ｓ_２が介在している。断熱層Ｓ_２は、前述の断熱層Ｓ_１と略同様に構成されていて、空気層であり、断熱層Ｓ_２の層厚寸法は０．０５ｍｍ～１ｍｍ、好ましくは０．５ｍｍの間隔に設定されている。なお、断熱層Ｓ_２は、空気層が好ましいが、不活性ガスの窒素やアルゴン等の気体層であってもよく、また、断熱材によって構成することもできる。

　外郭４は、全体形状がパイプ状のカバー部材であり、その先端から後端側へ向かってテーパ状に拡径する部位を有して形成されている。既述のように、外郭４の先端部には測定用の温度センサ１、保護加熱用の温度センサ２及びヒートシンク３が収容されて組み込まれていて、外郭４の先端部は温度を感知する感温部４１でありプローブとして機能するようになっている。

　具体的には、外郭４は、アクリル樹脂等の合成樹脂から形成されており、厚さ寸法は０．０８ｍｍ～０．１５ｍｍ、好ましくは０．１ｍｍ程度に形成されている。また、先端部の外径はφ１．４ｍｍ、テーパ状に拡径する部位の長さ寸法は１．５ｍｍ程度に形成されている。なお、測定用の温度センサ１が設けられた配設板１５が外郭４における先端部の内面に貼着されている。

　したがって、感温部４１を被測定体に接触させた場合、被測定体の熱を厚さ寸法の薄い外郭４及び配設板１５を経て、測定用の温度センサ１としての薄膜サーミスタへ高感度で、かつ高速熱応答性をもって伝熱させることができる。

　制御処理部５（図５参照）には、感温部４１から後端側へ導出されるリード線が接続されるようになっている。詳しくは、制御処理部５には、保護加熱用の温度センサ２が配設される配設板２５やヒートシンク３に形成される図示しないリード線通過孔を通過して、後端側へ導出されるリード線が接続される。

　図４は、温度センサＲthの基本的な接続状態を示しており、測定用の温度センサ１及び保護加熱用の温度センサ２の温度測定のための結線図である。電源Ｖに直列に温度センサＲthと制限抵抗器としての固定抵抗器Ｒとが接続され、温度センサＲthと固定抵抗器Ｒとの中間に出力端子が接続されている。出力端子の電圧を出力電圧Ｖoutとして測定し、この測定結果に基づいて温度センサＲthが感知した温度を計測する。
　次に、図５を参照して温度測定装置１０のブロック構成について説明する。

　本実施形態では、全体の制御を制御処理部５であるマイクロコンピュータ（以下、「マイコン」という）が所定のプログラムを実行して情報を処理するようになっている。マイコンは、概略的には、演算部及び制御部を有するＣＰＵ５１と、記憶手段であるＲＯＭ５２及びＲＡＭ５３と、入出力制御手段５４とから構成されている。そして、入出力制御手段５４には、電源回路５５が接続されている。また、電源回路５５には、図４に示す回路が接続されている。

　電源回路５５は、前記電源Ｖを含んでいて、電源Ｖの電圧を各温度センサＲthに印加して温度センサＲthに電力を供給制御する機能を有している。具体的には、マイコンの記憶手段に格納されたプログラムによって電源回路５５における電源からの供給電力が制御される。出力電圧Ｖoutは、マイコンに入力され、演算処理されて電源回路５５へフィードバックされたり、計測出力として計測出力部O/Pに出力されたりして処理される。計測出力部O/Pは、表示手段や印刷手段である。さらに、入出力制御手段５４には、入力部I/Pが接続されている。入力部I/Pは、例えばスイッチやキーボード等の入力手段であり、必要に応じ温度、電圧値や時間等の情報を入力して設定できるようになっている。
　次に、温度測定装置１０の動作を、被測定体の温度を測定する場合及び温度の減衰を測定する場合について図６乃至図１３を参照して説明する。
［温度測定］
（１）測定方法

　図６乃至図１２を参照して温度測定の測定方法について説明する。本実施形態は、図１及び図２に示す感温部４１の構成に基づいた伝熱モデルを用いて、１次元の非定常熱伝導解析により被測定体である皮膚の温度、例えば体温を測定する例を示している。温度測定は、高速応答性を重視して瞬時的に皮膚の温度を計測する第１フェーズと、皮膚と感温部とが短時間で熱的平衡状態になるように測定用の温度センサを加熱する第２フェーズとにより行われる。なお、これらの動作は主として図５に示す制御処理部５のプログラムによって実行される。
　（第１フェーズ）
　第１フェーズは、計測温度を推定し予測する予測フェーズであり、以下のように実行される。

　感温部４１（測定用の温度センサ１）を皮膚表面としての接触面に接触させたときから、感温部４１が皮膚に接触する前における測定用の温度センサ１の初期温度とこの測定用の温度センサ１の初期温度との差異を測定用の温度センサ１が検知した時間（t_１）及びその時の測定用の温度センサ１の計測温度を検出する。

　次いで、測定用の温度センサ１の温度をモニターし、差異を検知した時間（t_１）から一定時間後の時間（t_２）及びその時の測定用の温度センサ１の計測温度を検出する。

　検出結果である２つの時間（t_１）及び（t_２）その時の計測温度から感温部４１が皮膚に接触した時間（ｔ_０）を推定する。これらの時間（t_１）、（t_２）及び（ｔ_０）並びに計測温度から皮膚の温度を推定し計測する。
　具体的には、非定常熱伝導解析に基づく下記の熱伝導方程式の式（１）によって皮膚の温度を推定し計測する。

　Ｔ_ｓは測定用の温度センサが皮膚に接触した直後の皮膚表面と測定用の温度センサ表面との接触面の温度、ρ、ｃ、ｋは皮膚と測定用の温度センサにおける接触部位の材料の密度、比熱、熱伝導率であり、例えば、ρ_１は皮膚の密度、ρ_２は測定用の温度センサにおける接触部位の材料の密度を示している。また、Ｔ_１は皮膚の初期温度、Ｔ_２は測定用の温度センサの初期温度を示している。したがって、添え字「s」は接触面、「1」は皮膚、「2」は測定用の温度センサであることを表している。

　ここでρ、ｃ、ｋは皮膚と測定用の温度センサにおける接触部位の材料の固有の値であり、Ｔ_２は測定用の温度センサの初期温度であり温度計測前に検出可能である。したがって、接触直後の接触面の温度Ｔ_ｓが分かれば、皮膚の初期温度Ｔ_１を求めることができ、皮膚の温度を推定し計測することができる。

　図６及び図７は伝熱モデルを用いて、熱伝導の数値シミュレーションや熱応答性の実験を行い解析した結果の一例を示しており、図６は温度測定時の各部の温度を示すグラフであり、図７は温度測定時の皮膚内部の温度分布を示すグラフである。また、図８は被測定体と測定用の温度センサとの接触面の温度を模式的に示す説明用のグラフであり、図９は、温度測定の動作を示す機能ブロック図である。なお、以降において指し示す構成要素が明確である場合、その符号を適宜省略している。　

　図６において、横軸は時間ｔ（ｓ）、縦軸は温度Ｔ（℃）を示している。ここで各曲線は感温部が皮膚に接触した時間ｔ_０を基点とした場合の温度変化を示しており、Ｔ_１は皮膚の温度、Ｔ_ｓは皮膚表面と測定用の温度センサ表面との接触面の温度、Ｔ_ｄは皮膚と測定用の温度センサとが接している差分要素の温度、Ｔ_２は測定用の温度センサの温度である。

　測定用の温度センサの初期温度を２０℃とする。その温度センサがｔ＝ｔ_０で温度３７℃の皮膚表面に接触したとする。詳細を後述するように測定用の温度センサは、それと等温度に保たれた保護加熱用の温度センサによって、後端側は断熱状態に保たれている。

　測定用の温度センサ、すなわち、感温部が皮膚表面に接触したとき、皮膚温度より低い感温部が接触したために皮膚表面と感温部表面との接触面の温度は２８．５℃に低下する。感温部が皮膚表面に接触したときから１０ｍｓ後に測定用の温度センサの温度は０．７℃上昇する。この時間をt_１とする。その後１０ｍｓで測定用の温度センサの温度は２．７℃上昇する。この時間をt_２とする。測定用の温度センサの初期温度が計測されていればその変化量と時間t_１、t_２から、測定用のセンサが皮膚に接触した時間ｔ_０が推定できる。また、これらのデータと非定常熱伝導解析から、皮膚表面の初期温度、つまり、皮膚温度を２０ｍｓで推定できる。

　図７は皮膚内部の温度分布を示しており、横軸は皮膚表面からの位置（ｍ）、縦軸は温度（℃）を示している。各曲線は感温部が皮膚に接触した時間ｔ_０から経過した時点における温度変化を示しており、経過時間が長くなるに従い曲線のカーブが緩やかになることが分かる。

　次に、上述の熱伝導方程式の式（１）における接触面の温度Ｔ_ｓの推定について図８を参照して説明する。図８において、横軸は時間ｔ、縦軸は温度Ｔ_ｓ（ｔ）を示している。時間t_１における接触面の温度Ｔ_ｓ（t_１）から、その後の時間t_２における接触面の温度Ｔ_ｓ（t_２）を把握する。これらを繋ぐ極微小な温度勾配をなす延長線上において、測定用のセンサが皮膚に接触した時間ｔ_０の時点が、測定用の温度センサが皮膚に接触した直後の皮膚表面と測定用の温度センサ表面との接触面の温度Ｔ_ｓ＝Ｔ_ｓ（ｔ_０）として推定できる。

　なお、接触面の温度Ｔ_ｓ（t_１）及びＴ_ｓ（t_２）は、時間t_１及びt_２における測定用の温度センサの計測温度に基づいて、実験データや数値解析の評価結果等の推定要素情報から推定され取得できる。また、接触した時間ｔ_０についても推定要素情報から推定され取得できる。この推定要素情報は、予め制御処理部５の記憶手段に格納されて演算処理されるようになっている。

　したがって、接触直後の接触面の温度Ｔ_ｓが推定でき、前記非定常熱伝導解析に基づく式（１）によって皮膚の初期温度Ｔ_１を求めることができ、皮膚の温度を推定し計測することが可能となる。

　また、前述のように測定用の温度センサ１の温度と保護加熱用の温度センサ２との温度が等しくなるように制御されている。すなわち、感温部４１（測定用の温度センサ１）を被測定体としての皮膚に接触させたとき、保護加熱用の温度センサ２の電気抵抗を、測定用の温度センサ１の電気抵抗と等しくなるように制御処理部５により制御する。そして、保護加熱用の温度センサ２を、測定用の温度センサ１の温度と等しい温度に発熱させる。これにより、皮膚の表面の温度と測定用の温度センサ１の温度と保護加熱用の温度センサ２との温度とが等しくなるため、測定用の温度センサ１から保護加熱用の温度センサ２に、また、皮膚の表面から測定用の温度センサ１へ熱が移動するのを防ぐことができる。

  このように、温度測定装置１０は、測定用の温度センサ１に対する保護加熱用の温度センサ２を適切な層厚寸法の断熱層Ｓ_１を介して設け、皮膚の表面から測定用の温度センサ１及びリード線等へ沿って流入する熱を相殺し、損失する熱量を最小限に抑えることが可能となり、被測定体の状態を変化させることなく温度を測定することができる。

　以上のように本実施形態の温度測定装置１０（図９参照）は、制御処理部５に温度検出手段、推定手段及び熱伝導解析手段を備えて、制御処理部５で推定要素情報が演算処理される。つまり、温度測定装置１０は、感温部４１（測定用の温度センサ１）を被測定体としての皮膚表面に接触させたときから、測定用の温度センサ１の初期温度との差異を測定用の温度センサ１が検知した時間t_１及びその時の測定用の温度センサ１の計測温度を検出し、前記差異を検知した時間t_１から一定時間後の時間t_２及びその時の測定用の温度センサ１の計測温度を検出する温度検出手段と、前記差異を検知した時間t_１及び一定時間後の時間t_２、その時の計測温度から感温部４１が皮膚に接触した時間ｔ_０を推定する推定手段と、前記温度検出手段及び推定手段の出力情報に基づいて計測温度を推定する熱伝導解析手段と、を備えて構成されている。

　また、本実施形態の温度測定方法は、温度を感知する感温部４１と、前記感温部４１を被測定体に接触させることにより、温度を測定可能な前記感温部４１に設けられた測定用の温度センサ１とを備え、前記感温部４１を被測定体に接触させたときから、前記測定用の温度センサ１の初期温度との差異を前記測定用の温度センサ１が検知した時間t_１及びその時の前記測定用の温度センサ１の計測温度を検出する第１の検出ステップと、前記差異を検知した時間t_１から、一定時間後の時間t_２及びその時の前記測定用の温度センサ１の計測温度を検出する第２の検出ステップと、前記差異を検知した時間t_１及び一定時間後の時間t_２、その時の計測温度から前記感温部４１が被測定体に接触した時間ｔ_０を推定する接触時間推定ステップと、第１の検出ステップと第２の検出ステップで検出した時間t_１、t_２及び計測温度並びに前記接触時間推定ステップで推定した時間ｔ_０から、非定常熱伝導解析によって被測定体の温度を推定する温度推定ステップと、を具備している。

　したがって、温度測定装置１０を例えば、体温計に適用する場合、第１フェーズによって瞬時に温度の計測可能であり、測定者にとって著しく負担が軽減される。
　（第２フェーズ）
　第２フェーズは、第１フェーズに続いて皮膚と感温部とが短時間で熱的平衡状態になるように測定用の温度センサを加熱する加熱フェーズである。

　第１フェーズによって大まかな皮膚の初期温度が推定できることになるが、高精度な温度計測は難しい。そこで、第１フェーズにおける熱伝導数値解析によって、皮膚内部の温度分布が図７に示すように分かるので、それを積分することによって時間t_２までに、皮膚から測定用の温度センサ１に流入した熱量が計算できる。その熱量と、測定用の温度センサ１を推定された皮膚温度Ｔ_１まで加熱する熱量を瞬間的に測定用の温度センサ１に加えることによって、測定用の温度センサ１の周りの温度を急速に一様にする。皮膚は瞬間的に加熱されるが瞬時に周りと同一温度になり、測定用の温度センサ１で正確な皮膚温度の計測が可能となる。

 感温部４１が皮膚温度よりも低いため、感温部４１を皮膚に接触させた瞬間に皮膚温度が低下する。そのまま皮膚温度が回復するのを待機すると数秒かかってしまうこととなる。感温部４１が皮膚に接触して下がった温度を補うように測定用の温度センサ１を発熱させ加熱することにより、極短時間で温度平衡状態を作り出すことができる。
　したがって、第２フェーズでは、少なくとも熱伝導解析手段によって推定された計測温度まで測定用の温度センサ１を加熱する加熱手段を有している。

　図１０及び図１１において、図１０は、時間的に図６に継続するグラフであり、測定用の温度センサを加熱する状態を示しており、図１１は加熱後の皮膚内部の温度分布を示すグラフである。

　図１０に示すように各曲線は時間t_２＝２０ｍｓを基点とした温度変化を示しており、Ｔ_２は測定用の温度センサの温度、Ｔ_ｓは皮膚表面と測定用の温度センサ表面との接触面の温度である。時間t_２＝２０ｍｓを基点として、数ｍｓの間、測定用の温度センサを加熱しその後加熱を停止する。また、測定用の温度センサの温度と保護加熱用の温度センサとの温度が等しくなるように制御して損失する熱量を最小限に抑えている。

　具体的には、初期温度２０℃の感温部（測定用の温度センサ）が温度３７℃の皮膚表面に接触してから２０ｍｓ後に測定用の温度センサの加熱を始め、数ｍｓの間、１ｍｍ^２ 当たり７４ｍＷのパワーを供給して加熱する。加熱終了直後は測定用の温度センサの温度は６０℃まで上昇するが、その後測定用の温度センサと皮膚の温度は熱的平衡状態となり等しくなる。この間、測定用の温度センサの温度と保護加熱用の温度センサとの温度は同じ温度に制御され後端側への熱漏洩が防止される。したがって、約１秒以内で皮膚と測定用の温度センサが等温となり短時間で熱的平衡状態となって高精度な温度計測が可能となる。

　図１１は皮膚内部の温度分布を示しており、横軸は皮膚表面からの位置（ｍ）、縦軸は温度（℃）を示している。各曲線は測定用の温度センサを加熱した時間t_２から経過した時点における温度変化を示しており、経過時間が長くなるに従い曲線のカーブが緩やかになり、皮膚表面からの位置に関して短時間で一様の温度になることが分かる。

　したがって、第２フェーズの温度測定方法は、第１フェーズで非定常熱伝導解析によって被測定体の温度が推定された後、少なくとも前記推定された温度まで測定用の温度センサ１を加熱し、前記感温部４１と被測定体とを熱的平衡状態として被測定体の温度を計測するものである。

　以上のように測定用の温度センサ１を加熱するので従来の温度計に比し被測定体としての皮膚温度の計測時間を短縮でき、また、保護加熱用の温度センサによって損失する熱量を最小限に抑えることができ、１０ｍKオーダーの高精度の温度計測が可能となる。
（２）実施例

　図１２を参照して温度測定の具体的な実施例について説明する。図１２は測定用の温度センサ及び保護加熱用の温度センサの動作の概略を示す説明図である。図１２中、「表」は時間の進行に伴う測定用の温度センサ及び保護加熱用の温度センサの動作の工程を示し、「グラフ」は時間の進行に伴う測定用の温度センサ及び保護加熱用の温度センサの温度変化を示している。

　また、グラフにおいて、横軸は時間ｔ（ｍｓ）、縦軸は温度Ｔ（℃）を示し、Ｔ_２（t_１）は測定用の温度センサの時間t_１における温度、Ｔ_２（t_２）は測定用の温度センサの時間t_２における温度、Ｔ_ｓは皮膚表面と測定用の温度センサ表面との接触面の温度、Ｔ_１は皮膚の温度（推定又は計測温度）を示している。なお、設定された解析条件は、被測定体としての皮膚の温度を３５℃一定とし、環境温度を３３℃としている。

　図１２に示すようにステップ１では、温度測定装置１０の電源を投入し装置を起動する。ステップ２では、測定用の温度センサ１で温度をモニタリングし、保護加熱用の温度センサ２を発熱させて感温部４１の先端が例えば、皮膚の温度付近の３３℃で一定となるまでプレヒーティングする。これにより計測時間を短縮できる。ステップ３では、感温部４１を皮膚に接触させて計測、診断を開始する。

　ステップ４では、測定用の温度センサ１で温度をモニタリングし、測定用の温度センサ１の温度と保護加熱用の温度センサ２との温度が等しくなるように制御する。したがって、保護加熱用の温度センサ２によって損失する熱量を最小限に抑えることができる。ステップ５では、測定用の温度センサ１の温度Ｔ_２（t_１）を計測し記録する。ステップ６では、測定用の温度センサ１の温度Ｔ_２（t_２）を計測し記録し、前述の第１フェーズによって皮膚の温度Ｔ_１を推定し計測する。また、この推定結果に基づいて測定用の温度センサ１を加熱する印加電力を決定する。以降は前述の第２フェーズが実行される。

　ステップ７では、測定用の温度センサ１に決定された電力を供給し、測定用の温度センサ１を加熱する。保護加熱用の温度センサ２は測定用の温度センサ１の温度に追随するように変化する。これにより皮膚と測定用の温度センサ１との熱的平衡状態を短時間で作り出すことができる。ステップ８では、測定用の温度センサ１で温度をモニタリングする。保護加熱用の温度センサ２は測定用の温度センサ１の温度に追随するようになる。ステップ９では、測定用の温度センサ１は、皮膚温度Ｔ_１と熱的平衡状態となって高精度な温度が計測される。
　以上のように本実施例によれば、被測定体としての皮膚の温度を短時間で、かつ高精度で計測することができる。
［温度減衰測定］

　一例として、被測定体の生体組織における皮膚癌や臓器癌の状態を診断する温度減衰測定方法について図１３を参照して説明する。温度の減衰測定は、いわゆる熱パルス減衰法によって被測定体の熱伝導率を推定するものである。

　図１３は上述の［温度測定］の（第２フェーズ）における熱的平衡状態以降の動作を示しており、図１３中、「表」は時間の進行に伴う測定用の温度センサ及び保護加熱用の温度センサの動作の工程を示し、「グラフ」は時間の進行に伴う測定用の温度センサ及び保護加熱用の温度センサの温度変化を示している。また、グラフにおいて、横軸は測定時間ｔ（ｓ）、縦軸は温度センサの測定温度Ｔ（℃）を示している。なお、測定用の温度センサ及び保護加熱用の温度センサは同期して動作するようになっている。

　本実施形態では、一定電力の短時間熱パルスと長時間熱パルスとの時間が異なる複数の熱パルスを測定用の温度センサ１に供給し、所定の温度で発熱させる。その後、測定用の温度センサ１で被測定体の表面の温度変化を測定し、その加熱後の温度減衰から熱伝導率を算出する。この場合、保護加熱用の温度センサ２も測定用の温度センサ１と同様に発熱させる。

　癌組織は、代謝や血流等の生物活性が健常組織より大きく、熱を与えたときに奪われるエネルギーが増えるので、見かけ上測定される熱伝導率が高くなり、癌組織の体積が大きくなるほど見かけ上の熱伝導率が高くなることが確認されている。したがって、患部の温度減衰より推定した見かけ上の熱伝導率を測定することにより腫瘍の診断が可能となる。具体的には、短時間熱パルスを患部に与え、その温度減衰より推定した見かけ上の熱伝導率から表皮部分の癌活性の状態を測定し、同様に長時間熱パルスを患部に与え、その温度減衰による熱伝導率から真皮中の癌活性の状態を測定する。真皮中の癌活性の状態の測定では、熱浸透深さが大きくなったとしても、表皮の影響は大きいので、より深部の組織の情報を含む見かけ上の熱伝導率を測定するようにする。

　図１３に示すようにステップ１では、測定用の温度センサ１で温度をモニタリングしている。ステップ２では、測定用の温度センサ１に、第１の熱パルスとして時間幅数ｍｓの一定電力、例えば３ｍJの短時間熱パルス（ショートパルス）を印加する。この場合、熱的に保護加熱用の温度センサ２は測定用の温度センサ１に追随するようになる。

　ステップ３では、印加停止後の一定時間、すなわち、数秒間、測定用の温度センサ１をモニタリングして温度減衰特性を検出して熱伝導率を計算する。次いで、ステップ４では、測定用の温度センサ１に、第２の熱パルスとして、前記第１の熱パルスより時間幅の長い時間幅数秒の一定電力、例えば３ｍJの長時間熱パルス（ロングパルス）を印加する。同様にこのとき、熱的に保護加熱用の温度センサ２は測定用の温度センサ１に追随するようになる。

　ステップ５では、印加停止後の一定時間、すなわち、数秒間、測定用の温度センサ１をモニタリングして温度減衰特性を検出して熱伝導率を計算する。そして、以上のステップ３及びステップ５の熱伝導率の計算結果やその熱伝導率に基づく診断結果を出力する。

　したがって、温度減衰測定方法の主要な工程は、感温部４１を被測定体に接触させるステップと、測定用の温度センサ１に一定電力の第１の熱パルスを印加するステップと、第１の熱パルスの印加停止後の一定時間に測定用の温度センサ１の温度減衰特性を検出するステップと、測定用の温度センサ１に前記第１の熱パルスより時間幅の長い一定電力の第２の熱パルスを印加するステップと、第２の熱パルスの印加停止後の一定時間に前記測定用の温度センサ１の温度減衰特性を検出するステップと、を備えている。

　以上のような温度減衰測定方法によれば、生体の表皮部分から真皮中に至るまでの温度減衰特性を検出して熱伝導率を算出することにより、非侵襲で患部の診断を行うことができる。

　次に、図１４を参照して上記のような温度測定装置１０を体温計に用いた一例について説明する。本例は、生体の体温を測定する一般家庭用の電子体温計を示している。

　電子体温計６は、本体ケース６１を備えていて、その本体ケース６１の一端側からは棒状の測温部６２が延出されている。測温部６２の先端には金属製のセンサキャップ６３が設けられている。さらに、本体ケース６１には表示部６４や操作スイッチ６５が配設されている。

　このような電子体温計６の本体ケース６１内には、電源としての電池や既述の制御処理部５が内蔵されており、また、センサキャップ６３内には感温部４１が配設されている。

　したがって、本例の電子体温計６によれば、上記温度測定装置１０が有する効果を奏することができ、体温を短時間で、かつ高精度で計測することができる。特に、第１フェーズの温度測定方法により、瞬時的に体温の計測を行うことができる。

　なお、前述してきた本発明の温度測定装置、体温計、温度測定方法及び温度減衰測定方法は、生体の温度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表面温度を測定する場合においても適用可能である。

　本発明は、上記各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・・・・・・測定用の温度センサ
２・・・・・・保護加熱用の温度センサ
３・・・・・・ヒートシンク
４・・・・・・外郭
５・・・・・・制御処理部
６・・・・・・電子体温計
１１・・・・・基板
１２・・・・・導電層
１２ａ・・・・電極部
１２ｂ・・・・リード線
１３・・・・・薄膜素子層
１４・・・・・保護絶縁層
１５・・・・・配設板
４１・・・・・感温部
５１・・・・・ＣＰＵ
５２・・・・・ＲＯＭ
５３・・・・・ＲＡＭ
５４・・・・・入出力制御手段
５５・・・・・電源回路
６１・・・・・本体ケース
６２・・・・・測温部
６３・・・・・センサキャップ
６４・・・・・表示部
６５・・・・・操作スイッチ
Ｓ_１、Ｓ_２・・・断熱層

Claims (12)

1. 　温度を感知する感温部と、
   　前記感温部を被測定体に接触させることにより、温度を測定可能な前記感温部に設けられた測定用の温度センサと、
   　前記感温部を被測定体に接触させたときから、前記測定用の温度センサの初期温度との差異を前記測定用の温度センサが検知した時間及びその時の前記測定用の温度センサの計測温度を検出し、前記差異を検知した時間から、一定時間後の時間及びその時の前記測定用の温度センサの計測温度を検出する温度検出手段と、
   　前記差異を検知した時間及び一定時間後の時間、その時の計測温度から前記感温部が被測定体に接触した時間を推定する推定手段と、
   　前記温度検出手段及び推定手段の出力情報に基づいて計測温度を推定する熱伝導解析手段と、
   　を具備することを特徴とする温度測定装置。
2. 　少なくとも前記熱伝導解析手段によって推定された計測温度まで、測定用の温度センサを加熱する加熱手段を具備することを特徴とする請求項１に記載の温度測定装置。
3. 　前記測定用のセンサと断熱層を介して熱交換可能に配置され、前記測定用の温度センサと温度が等しくなるように制御される保護加熱用の温度センサを具備することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の温度測定装置。
4. 　前記測定用の温度センサ及び保護加熱用の温度センサは、薄膜サーミスタであることを特徴とする請求項３に記載の温度測定装置。
5. 　前記測定用の温度センサ及び保護加熱用の温度センサは、基板と、この基板上に形成された導電層及び薄膜素子層とを有し、前記基板の厚さ寸法は２００μｍ以下に形成されていることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の温度測定装置。
6. 　前記測定用の温度センサ及び保護加熱用の温度センサは、同じ仕様及び特性のものであることを特徴とする請求項３乃至請求項５のいずれか一項に記載の温度測定装置。
7. 　前記断熱層は、空気層であり、層厚寸法は０．０５ｍｍ～１ｍｍに形成されていることを特徴とする請求項３乃至請求項６のいずれか一項に記載の温度測定装置。
8. 　温度を測定可能な前記測定用の温度センサを備える温度測定装置であって、前記測定用の温度センサに一定電力の第１の熱パルスを印加するとともに前記測定用の温度センサに前記第１の熱パルスより時間幅の長い一定電力の第２の熱パルスを印加するように制御することを特徴とする請求項１乃至請求７のいずれか一項に記載の温度測定装置。
9. 　請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の温度測定装置を用いた体温計。
10. 　温度を感知する感温部と、前記感温部を被測定体に接触させることにより、温度を測定可能な前記感温部に設けられた測定用の温度センサとを備え、
    　前記感温部を被測定体に接触させたときから、前記測定用の温度センサの初期温度との差異を前記測定用の温度センサが検知した時間及びその時の前記測定用の温度センサの計測温度を検出する第１の検出ステップと、
    　前記差異を検知した時間から、一定時間後の時間及びその時の前記測定用の温度センサの計測温度を検出する第２の検出ステップと、
    　前記差異を検知した時間及び一定時間後の時間、その時の計測温度から前記感温部が被測定体に接触した時間を推定する接触時間推定ステップと、
    　第１の検出ステップと第２の検出ステップで検出した時間及び計測温度並びに前記接触時間推定ステップで推定した時間から、非定常熱伝導解析によって被測定体の温度を推定する温度推定ステップと、
    　を具備することを特徴とする温度測定方法。
11. 　温度を感知する感温部と、前記感温部を被測定体に接触させることにより、温度を測定可能な前記感温部に設けられた測定用の温度センサとを備え、
    　非定常熱伝導解析によって被測定体の温度を推定し、その後、少なくとも前記推定された温度まで測定用の温度センサを加熱し、前記感温部と被測定体とを熱的平衡状態として被測定体の温度を計測することを特徴とする温度測定方法。
12. 　請求項１１に記載の温度測定方法を備え、
    感温部を被測定体に接触させるステップと、
    測定用の温度センサに一定電力の第１の熱パルスを印加するステップと、
    第１の熱パルスの印加停止後の一定時間に測定用の温度センサの温度減衰特性を検出するステップと、
    測定用の温度センサに前記第１の熱パルスより時間幅の長い一定電力の第２の熱パルスを印加するステップと、
    第２の熱パルスの印加停止後の一定時間に前記測定用の温度センサの温度減衰特性を検出するステップと、
    　を具備することを特徴とする温度減衰測定方法。

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