(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物との物理的な接触を検出する接触検出装置であって、
変調された熱流を提供するヒータと、
前記変調された熱流に応じて変調されたヒート信号を生成するヒート信号生成部と、
生成された前記変調されたヒート信号に依存して、前記物理的な接触の有無を少なくとも示す接触検知信号を生成する接触判断部と
を有し、前記接触判断部は、前記変調されたヒート信号を復調して復調信号を生成し、該復調信号に依存する前記接触検知信号を作成する復調部を有する、接触検出装置。
【請求項２】
前記ヒータが、電源に接続された熱抵抗により実現されている、請求項1記載の接触検出装置。
【請求項３】
前記電源が、変調された電流を前記熱抵抗に提供する、請求項2記載の接触検出装置。
【請求項４】
前記電源が、変調された電圧を前記熱抵抗に提供する、請求項2記載の接触検出装置。
【請求項５】
前記復調部は、前記変調された熱流と同じ位相で、前記変調されたヒート信号を復調する、請求項1記載の接触検出装置。
【請求項６】
前記復調部が、
前記変調されたヒート信号の内の定常的な成分を判別し、前記変調されたヒート信号の内の該定常的な成分を前記変調されたヒート信号から除去し、第1の変動信号を生成する第1の算出部と、
前記第1の変動信号と、前記変調されたヒート信号と同相である第2の変動信号とを乗算し、中間信号を生成する乗算部と、
前記中間信号を平均化し、復調信号を生成する平均値算出部と
を有する、請求項1記載の接触検出装置。
【請求項７】
前記接触判断部が、前記復調信号を閾値と比較し、比較結果に応じた前記接触検知信号を生成する比較器を有する、請求項1記載の接触検出装置。
【請求項８】
当該接触検出装置が前記ヒータを制御するコントローラを更に有し、制御された前記ヒータからの前記変調された熱流が前記熱抵抗の所定の一連の温度変化を示すようにする、請求項2記載の接触検出装置。
【請求項９】
前記ヒータが定常的な熱流を提供するようにも形成されている、請求項1記載の接触検出装置。
【請求項１０】
接触検出装置及び対象物の間の物理的な接触を検出する該接触検出装置の動作方法であって、
変調された熱流を提供し、
前記変調された熱流に依存する変調されたヒート信号を生成し、
前記変調された熱流を復調することで復調信号を生成し、
前記変調されたヒート信号に依存する前記物理的な接触の有無を少なくとも示す接触検知信号を前記復調信号に依存して生成するステップ
を有する、接触検出装置の動作方法。
【請求項１１】
請求項1記載の接触検出装置を有する診断装置。
【請求項１２】
対象物と接触検出装置との間の物理的な接触を検出するために前記接触検出装置を制御するコンピュータ上で動作するコンピュータプログラムであって、請求項1記載の接触検出装置に請求項10記載の動作方法を実行させる、コンピュータプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は接触検出装置、接触検出装置の動作方法、及び接触検出装置を含む診断装置等に関する。本発明は更にコンピュータプログラムにも関連する。
【背景技術】
【０００２】
欧州特許出願EP176913A1は熱流又はヒートフローを取得（捕獲、保存又はキャプチャ）するマイクロセンサを開示している。マイクロセンサはヒートコレクタ壁及びヒートシンクを有し、ヒートコレクタ壁及びヒートシンクは分散した熱接合特性(distributed  thermal  junctions)を有する平坦な金属層によって隔てられている。ヒートシンクは熱流速(ヒートフラックス)を案内する多孔質基板により形成されており、高いゼーベック電圧(Seebeck  voltage)が2つの熱接合部各々の間に生じるようにする。ゼーベック電圧波温度を表す。開示されているマイクロセンサは、例えば800℃のような高温を測定する際に主に使用される必要がある。マイクロセンサは物理的な接触を検出する接触センサとしても使用可能である。マイクロセンサと対象物との間で物理的な接触があり、対象物がマイクロセンサの温度と異なる温度を示す場合、所定の条件の下で電圧変化が生じる。この電圧変化を検出して接触を検出することが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】欧州特許出願公開第1767913号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の課題は、接触検出装置と対象物との間の物理的な接触を検出する接触検出装置における信頼性を改善することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一形態による接触検出装置は、
対象物との物理的な接触を検出する接触検出装置であって、
変調された熱流を提供するヒータと、
前記変調された熱流に応じて変調されたヒート信号を生成するヒート信号生成部と、
生成された前記変調されたヒート信号に依存して、前記物理的な接触の有無を少なくとも示す接触検知信号を生成する接触判断部と
を有する接触検出装置である。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】接触検出装置と対象物との間の物理的な接触を検出する本発明の第1形態による接触検出装置を概略的及び例示的に示す図。
【図２】本発明の第1形態による接触検出装置のヒータを概略的及び例示的に示す図。
【図３】本発明の第1形態による接触検出装置の接触検出部を概略的及び例示的に示す図。
【図４】本発明の第2形態による接触検出装置と対象物との間の物理的な接触を検出する接触検出装置の動作方法を示す例示的なフローチャート。
【図５】本発明の第3形態による診断装置を概略的及び例示的に示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
本発明の第1形態において、対象物との物理的な接触を検出する接触検出装置は、
変調された熱流を提供するヒータと、
前記変調された熱流に応じて変調されたヒート信号を生成するヒート信号生成部と、
生成された前記変調されたヒート信号に依存して、前記物理的な接触の有無を少なくとも示す接触検知信号を生成する接触判断部と
を有する接触検出装置である。
【０００８】
対象物が接触センサと同じ温度を示していた場合、上記の従来の接触センサは対象粒と接触センサとの間の物理的な接触を検出することに失敗してしまう点に、本発明は着目している。接触センサ及び対象物双方が同じ温度を示していた場合、物理的な接触は熱の流れの変化を生じさせず、従って例えば測定電圧及び測定温度に変化はない。この場合、物理的な接触は検出されないままになってしまう。
【０００９】
上記の従来の接触センサによる接触検出法は周囲の温度の変化によって間違いを起こしてしまうという点にも、本発明は着目している。周囲温度が大きく変わると、接触センサの部分の温度が変わり、接触センサが接触を誤って示してしまうおそれがある。
【００１０】
従って従来技術による接触センサは信頼性に欠ける。
【００１１】
本発明の第1形態による接触検出装置のヒータは、変調された熱流(ヒートフロー)を提供するので、接触検出装置の少なくとも温度感知接触面は変調された温度を示す。従って、接触検出装置が対象物に物理的に接触すると、変調されたヒート信号に影響を及ぼす変調された熱流量が変化する確率が増えることが保証され：人の膚又は肌のような対象物が接触検出装置に触れると、変調された熱流の一部が対象物に流れる、或いは対象物から到来する追加的な熱流が、ヒータによる変調された熱流に加わる。
【００１２】
ヒート信号生成部は変調された熱流に依存して変調されたヒート信号を生成するので、変調された熱流に変化が生じると、変調されたヒート信号も変動又は逸脱する。変調されたヒート信号に影響を及ぼす変調された熱流は、接触検出装置の温度感知接触面の温度が対象物の温度と相違していた場合に変化するというだけではない：本発明は、接触検出装置が対象物に物理的に接触した場合に、ヒータによる熱容量全体も変化するという更なる認識にも基づいている。従って、変調された熱流の波形(例えば、変調された熱流の位相及び/又は変調された熱流の振幅)を規定するパラメータも変化する。従って、変調された熱流に依存して生じた変調されたヒート信号の変化は、対象物と接触検出装置との間の物理的な接触が生じていることを、ほぼ確実に示す。
【００１３】
接触判断部は、好ましくは変調されたヒート信号のずれ(変化又は逸脱)等を検出することで、変調されたヒート信号に依存して物理的な接触を示す接触検知信号を生成する。対象物の温度が変調された熱流に符合して変化することはほとんど生じないし、対象物及び接触検出装置の間の物理的な接触が全体的な熱容量を変化させないこともほとんど生じないので、本発明の第1形態による接触検出装置及び対象物の間の物理的な接触の有無の判断も確実になる。接触検知信号は物理的な接触の有無を少なくとも示す。好ましくは、接触検知信号の大きさは、接触の質のような接触に関する別のパラメータを特徴付ける。
【００１４】
好ましくはヒータは変調された熱流を周期的に提供する。変調された熱流の変化の速度は、周囲の温度の一般的な温度変化の速度よりも速い。好ましい形態において、変調された熱流の周期は約1Hzである。
【００１５】
ヒータが提供する変調された熱流は任意の波形を利用して提供されもよく、例えば、周期的な矩形波信号、正弦波信号、のこぎり波信号、パルス変調信号又は疑似ランダム信号等が使用されてもよい。特に、ヒータが提供する変調された熱流は、上記の波形を二乗したものと仮定することができる。
【００１６】
ヒータにより提供される熱流は変調されているので、有効な熱流は低く維持され、接触検出装置又は接触検出装置の一部によるかなりの自己加熱を避けることが好ましい。これは接触検出装置の低消費電力化を図る観点から有利である。
【００１７】
好ましくは、ヒート信号生成部は温度計である。好ましくは温度計は接触検出装置の温度感知接触面の温度を測定する。この場合、変調されたヒート信号は測定された温度である。
【００１８】
好ましい形態において、ヒート信号生成部は、変調されたヒート信号122として、変調された熱流に依存する変調された電気信号を生成する熱電対列(thermopile)である。
【００１９】
別の好ましい形態において、ヒート信号生成部は、変調されたヒート信号として、変調された熱流に依存する変調された電気信号を生成する熱電対(thermocouple)である。
【００２０】
別の好ましい形態において、接触検出装置のヒータは、電源に接続された熱抵抗により実現されている。
【００２１】
本明細書において、「熱抵抗(thermal  resistor)」という用語は、サーミスタや抵抗温度計等のような正又は負の温度係数を有する温度依存性の全ての種類の抵抗を指すことが、理解される必要がある。
【００２２】
好ましい形態において、電源に接続されている熱抵抗はサーミスタである。これは非常に小さなサイズ及び安価なコスト等の点で有利である。例えば、サーミスタは僅かなコストで近似的に(0.5mm)3のサイズを有する。従って有利なことに接触検出装置は他の装置と統合又は一体化されてもよい。サーミスタは正又は負の温度係数を示す。
【００２３】
好ましくは、熱抵抗は接触検出装置の温度感知接触面に接続されている。
【００２４】
この形態において、変調されたシート信号は、例えば、熱抵抗の測定された電圧、熱抵抗を通じて流れる測定された電流、熱抵抗の測定された電力消費量、熱抵抗の測定された抵抗値又は熱抵抗の測定された温度等とすることができる。変調されたヒート信号を生成するヒート信号生成部は、電圧計、電流計、電力計又は温度計等のような各自適切な測定装置によって実現される。
【００２５】
熱抵抗器の自己加熱が望まれない場合、実効的な熱流を低く維持することが有利である。これは、接触検出装置の低消費電力化の観点からも有利である。別の例において、実効的な熱流が高く維持され、熱抵抗の温度が対象物(接触検出装置との物理的な接触が検出される対象物)の温度よりも高くなりがちであるようにしてもよい。これも接触検出装置の信頼性を向上させる。
【００２６】
接触検出装置のヒータの電源は、変調された電流を熱抵抗に提供することが好ましい。熱抵抗に与えられる変調電流は変調された熱流に影響する。この例の場合、ヒート信号生成部により生成される変調されたヒート信号は、熱抵抗の測定された電圧とすることができる。この形態は、熱抵抗に直接接続される簡易な電流源によりヒータを構築することができるので、更に小型化されたサイズをもたらす等の点で有利である。
【００２７】
或いは、電源が、変調された電圧を熱抵抗に提供することも好ましい。ある一連の変調された熱流を生成する際、変調された電流ではなく、変調された電圧を熱抵抗に与えることが有利である。なぜなら、一般に電圧源は実現する際に複雑でないからである。この例の場合、変調されたヒート信号は測定された電流でもよいし、測定された電圧でもよい。後者の場合、実質的に一定の定常的な抵抗値の抵抗器が熱抵抗に直列に接続され、熱抵抗の電圧が電圧源により供給される変調された電圧と等しくならないようにすることが好ましい。
【００２８】
接触検出装置の全ての実施形態に関し、接触判断部は、前記変調されたヒート信号を復調して復調信号を生成し、該復調信号に依存する前記接触検知信号を作成する復調部を有することが好ましい。
【００２９】
本発明の第1の形態による接触検出装置のこの好ましい形態は、周囲温度の影響が少なくなること、及び接触検出装置の信頼性が更に向上すること等の利点を有する。生成された復調信号は、変調された熱流を特徴付けるパラメータを示す復元された情報を有し、そのパラメータは変調された熱流の振幅、位相又はデューティサイクル、或いは周期的な変調された熱流の周期(周波数)等である。例えば、周期的な変調された熱流の周期は、周囲温度の変化率とはかなり相違し、復調信号は実質的に周囲温度から独立している。従って接触判断部は、周囲温度ではなく、変調された熱流に専ら依存する信号のみから接触検知信号を出力する。従って接触検出装置の信頼性が増加する。
【００３０】
好ましくは、復調部は、変調された熱流と同じ位相で、変調されたヒート信号を復調する。この好ましい形態は、周囲温度の影響を更に減少させる利点を有する。更にこの形態は簡易な復調関数(low  complex  demodulation  function)を適用できるという利点がある。この場合において、接触判断部は、例えば、同相又は直交同期検出、整合フィルタ、周波数領域分析(例えば、高速フーリエ変換、離散コサイン変換)又はシングルートン抽出等によりノイズ中の信号を検出することで、変調された熱流の位相を検出してもよい。
【００３１】
更に好ましい形態において、接触検出装置の接触判断部の復調部は、
前記変調されたヒート信号の内の定常的な成分を判別し、前記変調されたヒート信号の内の該定常的な成分を前記変調されたヒート信号から除去し、第1の変動信号を生成する第1の算出部と、
前記第1の変動信号と、前記変調されたヒート信号と同相である第2の変動信号とを乗算し、中間信号を生成する乗算部と、
前記中間信号を平均化し、復調信号を生成する平均値算出部とを有する。
【００３２】
接触検出装置の接触判断部の復調部に関するこの好ましい形態は、復調された信号が周囲の温度変化から実質的に独立していることを保証する具体例である。ヒータが供給する変調された熱流HFDC(t)は例えば次式(1)のように表現できる。
【００３３】
HFDC(t)=HF0+A1・sin(ω)+E1(t)      (1)
ここで、HF0は変調された熱流のうち実質的に変動しない成分(non-altering  component)であり、A1・sin(ω)は変動する成分又は交流成分(altering  component)であり、A1は変動成分の振幅を表し、ωは変動成分の周波数を表し、tは時間を表す。E1(t)は一般的な副次的な影響(common  side  effects)による誤差の項を表す。例えば、変調された熱流が正弦波電流を生成することで提供される場合、その誤差項は正弦波の二乗に比例する。
【００３４】
しかしながらヒータが提供する変調された熱流は正弦波形以外の他の任意の波形でもよく、例えば、周期的な矩形波信号、のこぎり波信号、パルス変調信号又は疑似ランダム信号等が使用されてもよい。特に、ヒータが提供する変調された熱流は、上記の波形を二乗した性質を有すると仮定できる。
【００３５】
数式(1)の変調された熱流の場合、ヒート信号生成部は次式(2)に従って変調されたヒート信号HSDC(t)を生成する。
【００３６】
HSDC(t)=HS0(Tamb,Tobj)+A2(Cobj)・sin(ω)+E2(t)      (2)
ここで、HS0は周囲の温度Tambに実質的に依存する成分である。この成分は、接触検出装置が対象物に物理的に接触すると、対象物の温度Tobjにも依存するようになる。変調されたヒート信号の変動成分は、A2(Cobj)・sin(ω)という項により特徴付けられる。変動成分の振幅A2は対象物の位置に依存し、対象物が接触検出装置に接触しているか否かによって異なる。物理的な接触は、ヒータによる全体的な熱容量を変化させる。対象物が接触検出装置に接触していた場合、ヒータによる全体的な熱容量は対象物の熱容量Cobjに依存することになる。対象物のこの熱容量Cobjも対象物の温度Tobjに依存する。ヒート信号生成部が、変調された熱流に依存して変調されたヒート信号を生成する場合、変調されたヒート信号の一部に誤差項E2(t)が残る。
【００３７】
接触判断部の復調部の中の第1の算出部は、変調されたヒート信号の定常的な成分HSCONSTを判別し、その定常的な成分HSCONSTを変調されたヒート信号HSDC(t)から除去し、次の数式(3)に従って第1の変動信号HSACを生成する。
【００３８】
HSAC=HSDC-HSCONST      (3)
従って第1の変動信号HSACは周囲の温度から実質的に独立している。好ましくは、変調されたヒート信号の定常的な成分は、変調されたヒート信号の時間平均化された成分である。
【００３９】
接触判断部の復調部の中の乗算部は、第1の変動信号HSACと第2の変動信号又は交流信号とを乗算し、中間信号HSINTERを生成し、その第2の変動信号は変調された熱流と同相であり、例えば中間信号は次式(4)のように表現できる。
【００４０】
HSINTER=HSAC・sin(ωt)        (4)
好ましくは、接触判断部は変調された熱流の位相を検出することで第2の変動信号を判別し、その場合において、例えば、同相又は直交同期検出、整合フィルタ、周波数領域分析(例えば、高速フーリエ変換、離散コサイン変換)又はシングルートン抽出等によりノイズ中の信号を検出することで、第2の変動信号を判別してもよい。あるいは、第2の変動信号は接触検出装置の位相検出部により提供されてもよい。
【００４１】
平均値算出部は、好ましくは次式(5)のように中間信号HSINTERをローパスフィルタでフィルタリングすることで、中間信号HSINTERを平均化し、復調信号HSDEMODを生成する。
【００４２】
HSDEMOD=LPF(HSINTER)      (5)
ここで、LPFはローパスフィルタリング又は低域フィルタリングの機能による処理を表す。好ましい形態において、平均値算出部は移動平均化フィルタである。別の好ましい形態において、平均値算出部はバタワースフィルタ(butterworth  filter)である。これら双方のフィルタのカットオフ周波数は変調された熱流の周波数より低いことが好ましく、例えばその値は周期的な変調された熱流の周波数値の半分に近似的に等しい。生成された復調信号HSDEMODは接触検知信号を判別するのに非常に適している。なぜなら、接触検出装置及び対象物の間に物理的な接触が生じると、その値は大きく変化するからである。接触判断部は例えば比較器又はコンパレータを用いて接触通知信号を決定又は生成する。
【００４３】
接触判断部は、復調信号を閾値と比較し、比較結果に応じた接触検知信号を生成する比較器を有することが好ましい。
【００４４】
好ましくは、接触検知信号は、復調信号の値が閾値未満であった場合には物理的な接触があることを示し、復調信号の値が閾値より大きかった場合には物理的な接触がないことを示す。あるいは別の好ましい例として、接触検知信号は、復調信号の値が閾値未満であった場合には物理的な接触がないことを示し、復調信号の値が閾値より大きかった場合には物理的な接触がないことを示してもよい。有利なことに、変調されたヒート信号の性質及び閾値の定義に依存して、第1及び第2の上記の2つの選択肢が使用可能である。
【００４５】
この形態において、復調信号が閾値に等しい場合、接触検知信号は物理的接触があること又は物理的接触がないことの何れかを示すように、接触判断部は動作してもよい。
【００４６】
閾値は予め決められた固定的な閾値でもよいし、或いは変動する閾値でもよい。好ましくは、閾値は、生成された変調された熱流及び/又は接触判断部の復調部の復調機能に依存して決定される。これは、変調されたヒート信号の突然の変化が接触判断部により検出可能になるという利点を有する。従って接触検出装置100の信頼性が更に改善される。
【００４７】
別の好ましい形態において、接触検出装置はヒータを制御するコントローラを更に有し、制御されたヒータからの変調された熱流が熱抵抗の所定の一連の温度変化を示すようにしてもよい。
【００４８】
例えば、コントローラは比例積分(proportional  integral)コントローラである。例えば電源は比例積分制御による電流源又は電圧源により実現される。コントローラはヒータの中に統合又は一体化されてもよいし、或いはヒータとは別に外部に設けられてもよい。
【００４９】
この形態において、ヒート信号生成部は好ましくは電力消費測定部であり、変調されたヒート信号としてヒータの電力消費量の値を生成する。対象物に接触すると、熱抵抗の温度は変化又は逸脱する。コントローラがヒータを制御する場合、ヒータの電力消費は、温度の変化が減少するように、熱抵抗の温度変化とは反対に変化する。従って、測定された電力消費量は、接触検知信号を出力するのに適した変調されたヒート信号である。
【００５０】
接触検出装置の更に有利な形態においては、ヒータが定常的な熱流を提供するようにも形成されている。
【００５１】
この形態において、接触検出装置のヒータは加熱に関する一次機能(primary  function)を有する。実質的に定常的な熱流が変わらないように、定常的な熱流に変調が加えられる。従って加熱に関する一次機能は抑制されず、接触検出装置は対象物と加熱装置との間の物理的な接触を検知したままである。
【００５２】
第1形態の接触検出装置は、物理的な接触を検出する任意の技術分野において使用されてよい。
【００５３】
本発明の第2形態における方法は、接触検出装置の動作方法であり、
変調された熱流を提供し、
前記変調された熱流に依存する変調されたヒート信号を生成し、
前記変調されたヒート信号に依存して、前記物理的な接触の有無を少なくとも示す接触検知信号を生成するステップ
を有する動作方法である。
【００５４】
本発明の第3形態においては、本発明の第1形態による接触検出装置を含む診断装置が提供される。
【００５５】
これは、診断装置と対象物の間の物理的な接触が診断装置の接触検出装置により確認された後に、対象物の診断を実行することができる、という利点を有する。この利点は臨床診断の分野において特に有利である。
【００５６】
一例として、本発明の第3形態による診断装置は、温度センサのような医療装置(特に、人体温度センサ)とすることができる。例えば、温度センサが対象物に適切に取り付けられ、対象物の温度が測定される場合にのみ、温度センサが機能する。従ってこれは温度センサが物理的な接触の有無を示す接触検出装置を有する場合に有利である。
【００５７】
別の例において、診断装置は例えばベッドや椅子のような装置又は器具の上に居ることを検出する占有検出装置(occupancy  detection  device)でもよい。
【００５８】
診断装置の好ましい形態において、接触検出装置から出力される接触検知信号は、診断装置のスイッチを操作するために使用される。診断装置のスイッチは、好ましくは、診断装置の他の処理手段を活性化又は非活性化するために使用される。
【００５９】
本発明の第4形態において、対象物と接触検出装置との間の物理的な接触を検出するためのコンピュータプログラムが提供され、コンピュータプログラムが接触検出装置を制御するコンピュータ上で動作する際に、そのコンピュータプログラムは、第1形態(例えば、出願時請求項1)の接触検出装置に、第2形態(例えば、出願時請求項11)の動作方法を実行させるプログラムコード手段を有する。
【００６０】
第1形態(例えば、出願時請求項1)による接触検出装置、接触検出装置を動作させる第2形態(例えば、出願時請求項11)による方法、第3形態(例えば、出願時請求項12)による診断装置、及び第4形態(例えば、出願時請求項13)によるコンピュータプログラムは、特に出願時の従属請求項に規定されているような同一又は類似する形態を有する。
【００６１】
本発明による上記の好ましい形態は任意の方法で組み合わせて使用することが可能である。
【実施例１】
【００６２】
本発明に関する上記及びその他の形態は以下の詳細な説明を参照することで更に明らかになるであろう。
【００６３】
図1は、接触検出装置100と対象物800との間の物理的な接触を検出する本発明の第1形態による接触検出装置100を概略的及び例示的に示す。接触検出装置100は変調された熱流又はヒートフロー(modulated  heat  flow)112を提供するヒータ110を有する。好ましくはヒータ110は周期的な変調されたヒートフロー112を提供する。変調されたヒートフロー112の変化率又は変動速度は、周囲温度の一般的な変動速度よりも大きいことが好ましい。ヒータ110により提供される変調されたヒートフロー112は任意の形状にすることが可能であり、例えば、周期的な四角形の波形の信号、正弦波信号、のこぎり波信号、パルス変調された信号、又は疑似ランダム信号等を利用してもよい。特に、ヒータ110により提供される変調されたヒートフロー112の形状は、上記の波形の二乗であるように想定されていてもよい。
【００６４】
変調されたヒートフロー122に起因して、接触検出装置100の少なくとも温度感知接触面(temperature  sensitive  contact  surface)111は、変調された温度Tmodであるとする。Tobjという温度を示す対象物800が接触すると、接触検出装置100から対象物800へ又は対象物800から接触検出装置100へ熱が流れるので、温度差ΔT=|Tobj-Tmod|に起因して、変調されたヒートフロー112の量(変調された熱流量)に変化が引き起こされる。変化する温度は変動成分と実質的に変動しない成分とを有する。変動成分は変調されたヒートフロー112に起因し、実質的に変動しない成分は時間平均された温度変化に起因する。対象物800の温度が変調されたヒートフロー112に符合して変化することは先ずあり得ないので、ヒートフローの変化は、対象物800との接触が生じていることをほぼ確実に示す。
【００６５】
例えば、ヒータ110は、電源114に接続された抵抗温度計又はサーミスタのような熱抵抗器116により実現可能であり、この点については図2を参照しながら詳細に説明される。図1において、接触検出装置100のうち対象物800に直面するハウジング表面は、温度感知接触面111と言及される。しかしながら接触検出装置100のハウジングの任意の部分が温度感知接触面111を形成してもよい。
【００６６】
接触検出装置100はヒート信号生成部120を更に有し、ヒート信号生成部120は変調されたヒートフロー112に依存して変調されたヒート信号122を生成する。従って変調された熱流量(ヒートフロー112の量)の変化は変調されたヒート信号122の変化を招く。
【００６７】
変調されたヒート信号122に影響を及ぼす変調されたヒートフロー112は、接触検出装置100の温度感知接触面111の温度が対象物800の温度Tobjと相違していた場合に変化するというだけではなく、本発明は、接触検出装置100が対象物800に物理的に接触した場合に、ヒータ110による熱容量全体も変化するという更なる認識に基づく。従って、変調されたヒートフロー112の形状(例えば、変調されたヒートフロー112の位相及び/又は変調されたヒートフロー112の振幅)を規定するパラメータも変化する。従って、変調されたヒートフロー112に依存して生じた変調されたヒート信号122の変化は、対象物800と接触検出装置100との間の物理的な接触が生じていることを、ほぼ確実に示す。
【００６８】
ヒート信号生成部120は、例えば、ヒータ110の熱抵抗116の電圧を測定する測定装置により実現することができる。この場合、変調されたヒート信号122は測定された電圧ということになる。
【００６９】
ヒート信号生成部120は、接触検出装置100の温度感知接触面111の温度を測定する温度計とすることも可能である。この場合、変調されたヒート信号122は測定された温度ということになる。
【００７０】
別の好ましい形態において、ヒート信号生成部120は、変調されたヒート信号122として、変調されたヒートフロー112に依存する変調された電気信号を生成する熱電対列(thermopile)である。
【００７１】
更に別の好ましい形態において、ヒート信号生成部120は、変調されたヒート信号122として、変調されたヒートフロー112に依存する変調された電気信号を生成する熱電対(thermocouple)である。
【００７２】
そして、接触検出装置100は好ましくは変調されたヒート信号122における偏差(deviation)を検出することで接触検知信号を判定する接触判定部130を有し、接触検知信号は、生成された変調されたヒート信号122に依存して物理的な接触の有無を少なくとも示す。
【００７３】
対象物800の温度が変調されたヒートフロー112に符合して変化することはほとんど生じないので、変調されたヒート信号122の変動はほぼ信頼できる。更に、ヒータ110による熱容量全体に対して、物理的な接触が変化を生じさせないことも先ずあり得ない。全体的な熱容量に対する変化も、変調されたヒート信号の変化に影響を及ぼす。従って、接触検出装置100及び対象物800の間の物理的な接触の有無の判断も確実になる。従って接触検出装置100の信頼性を向上させることができる。
【００７４】
図2は、本発明の第1形態による接触検出装置100のヒータ100を概略的及び例示的に示す。この例の場合、ヒータ110は電源114及び熱抵抗116により実現されている。本明細書において、「熱抵抗(thermal  resistor)」という用語は、サーミスタや抵抗温度計等のような正又は負の温度係数を有する温度依存性の全ての種類の抵抗を指す。
【００７５】
好ましい形態において、電源114に接続されている熱抵抗16はサーミスタ116である。これは非常に小さなサイズ及び安価なコスト等の点で有利である。例えば、サーミスタ116は僅かなコストで近似的に(0.5mm)3のサイズを有する。従って有利なことに接触検出装置100は他の装置と統合又は一体化されてもよい。サーミスタ116は正又は負の温度係数を示す。サーミスタ116は一般的にはセラミック又はポリマにより形成されている。抵抗温度計は一般的には非常に純粋な金属で形成されている。好ましくは熱抵抗116は接触検出装置100の温度感知接触面111に接続されている。
【００７６】
好ましくは、電源114は変調された電流又は変調された電圧を熱抵抗116にぞれぞれ提供する電流源又は電圧源である。熱抵抗116による電力の散逸は、変調された熱流(ヒートフロー)112を表す。変調されたヒートフロー112は、熱抵抗116の抵抗(電気抵抗)に直接的に比例する。熱抵抗116の抵抗は熱抵抗116の温度の関数でもある。熱抵抗116は正又は負の温度係数を示す。接触検出装置100が対象物800に接すると、温度変化により対象物800と接触検出装置100との間で熱がやりとりされ、熱抵抗116の抵抗値を増減させ、従ってそれに応じて電圧又は電流を増減させ、ひいては生成されたヒートフローを変化させる。
【００７７】
温度変化は物理的な接触の有無を検出する際の必須要件ではないことに留意を要する。対象物との物理的な接触に起因する全体的な熱容量の変化から、変調されたヒート信号122が変動する。この全体的な熱容量の変化は、変調されたヒートフロー112の変化を示し、これが変調されたヒート信号122に影響するようにしてもよい。
【００７８】
好ましい形態において、電源114は変調された電流を提供する電流源である。変調されたヒート信号122は好ましくは熱抵抗116の測定電圧であり、この場合ヒート信号生成部120は電圧計である。
【００７９】
代替的な好ましい形態において、電源114は変調された電圧を提供する電圧源である。変調されたヒート信号122は好ましくは熱抵抗116の測定電流であり、この場合ヒート信号生成部120は電流計である。この形態の場合、ヒート信号生成部120は電圧計であってもよい。この場合、実質的に一定の抵抗である追加的な抵抗器が熱抵抗116に直列に接続されていることが好ましい。
【００８０】
有利なことに、所望の変調されたヒートフロー112の形状に依存して、電流源又は電圧源が使用されてよい。
【００８１】
別の好ましい形態において、電源114が接触検出装置100のコントローラ117により制御され、制御されたヒータ110が提供する変調されたヒートフロー112が、熱抵抗116の時間経過に対する所定の温度変化をもたらすようにしてもよい。例えば、コントローラ117は比例積分(proportional  integral)を行うコントローラ117である。例えば電源114は比例積分制御による電流源又は電圧源により実現される。コントローラ117はヒータの中に統合又は一体化されてもよい。或いはコントローラ117はヒータとは別に外部に設けられてもよい。
【００８２】
この形態において、ヒート信号生成部120は好ましくは電力消費測定部であり、変調されたヒート信号122としてヒータ110の電力消費量の値を生成する。対象物800に接触すると、熱抵抗116の温度は変化又は逸脱する。コントローラ117がヒータ110を制御する場合に、ヒータ110の電力消費は温度検出部の温度変化とは反対に変化し、温度の変化が減少するようにする。従って、測定された電力消費量は、接触検知信号132を出力するのに適した変調されたヒート信号122である。
【００８３】
図3は、本発明の第1形態による接触検出装置100の接触検出部又は接触判断部130を概略的及び例示的に示す。接触判断部は、変調されたヒート信号122を復調して復調信号139を生成する復調部を有し、復調信号139に依存して接触検知信号132を判定する。
【００８４】
本発明の第1の形態による接触検出装置100のこの好ましい形態は、周囲温度の影響が少なくなること、及び接触検出装置100の信頼性が更に向上すること等の利点を有する。生成された復調信号139は、変調されたヒートフロー112を特徴付けるパラメータを示す復元された情報を有し、そのパラメータは変調されたヒートフロー112の振幅、位相又はデューティサイクル、或いは周期的な変調されたヒートフローの周期(周波数)等である。例えば、周期的な変調されたヒートフロー112の周期は、周囲温度の変化率とはかなり相違し、復調信号139は実質的に周囲温度から独立している。従って接触判断部130は、周囲温度ではなく、変調されたヒートフロー112にのみ依存する信号のみから接触検知信号132を出力する。従って接触検出装置100の信頼性が増加する。
【００８５】
好ましい形態において、復調部134は第1の算出部131を有し、第1の算出部131は変調されたヒート信号122の定常的な成分を判別し、変調されたヒート信号122の定常的な成分を変調されたヒート信号から除去し、第1の変動信号又は交流信号136.1を生成する。好ましくは、その定常的な成分は時間平均された成分である。
【００８６】
ヒータ110が供給する変調されたヒートフローHFDC(t)(112)は例えば次式(1)のように表現できる。
【００８７】
HFDC(t)=HF0+A1・sin(ω)+E1(t)      (1)
ここで、HF0は変調されたヒートフロー112のうち実質的に変動しない成分であり、A1・sin(ω)は変動する成分であり、A1は変動成分の振幅を表し、ωは変動成分の周波数を表し、tは時間を表す。E1(t)は一般的な副次的な影響(common  side  effects)による誤差の項を表す。例えば、変調されたヒートフロー112が正弦波電流を生成することで提供される場合、その誤差項は正弦波の二乗に比例する。
【００８８】
しかしながらヒータ110が提供する変調されたヒートフロー112は正弦波形以外の他の任意の波形でもよく、例えば、周期的な矩形波信号、のこぎり波信号、パルス変調信号又は疑似ランダム信号等が使用されてもよい。特に、ヒータ110が提供する変調されたヒートフロー112は、上記の波形を二乗したものと仮定することができる。
【００８９】
数式(1)の変調されたヒートフロー112の場合、ヒート信号生成部120は次式(2)に従って変調されたヒート信号HSDC(t)(122)を生成する。
【００９０】
HSDC(t)=HS0(Tamb,Tobj)+A2(Cobj)・sin(ω)+E2(t)      (2)
ここで、HS0は周囲の温度Tambに実質的に依存する成分である。この成分は、接触検出装置100が対象物800に物理的に接触すると、対象物の温度Tobjにも依存するようになる。変調されたヒート信号122の変動成分は、A2(Cobj)・sin(ω)という項により特徴付けられる。変動成分の振幅A2は対象物800の位置に依存し、対象物が接触検出装置100に接触しているか否かによって異なる。物理的な接触は、ヒータ110による全体的な熱容量を変化させる。対象物800が接触検出装置100に接触していた場合、ヒータ110による全体的な熱容量は対象物800の熱容量Cobjに依存することになる。対象物800のこの熱容量Cobjも対象物800の温度Tobjに依存する。ヒート信号生成部120が、変調されたヒートフロー112に依存して変調されたヒート信号122を生成する場合、変調されたヒート信号122の一部に誤差項E2(t)が残る。
【００９１】
接触判断部130の復調部134の中の第1の算出部131は、変調されたヒート信号122の定常的な成分HSCONSTを判別し、その定常的な成分HSCONSTを変調されたヒート信号HSDC(t)(122)から除去し、次の数式(3)に従って第1の変動信号HSAC(136.1)を生成する。
【００９２】
HSAC=HSDC-HSCONST      (3)
従って第1の変動信号HSAC(136.1)は周囲の温度から実質的に独立している。
【００９３】
復調部134は乗算部133を更に有する。接触判断部130の復調部134の中の乗算部133は、第1の変動信号HSAC(136.1)と第2の変動信号又は交流信号136.2とを乗算し、中間信号HSINTER(138)を生成し、その第2の変動信号136.2は変調されたヒートフロー112と同相であり、例えば中間信号は次式(4)のように表現できる。
【００９４】
HSINTER=HSAC・sin(ωt)        (4)
好ましくは、接触判断部130は変調されたヒートフロー112の位相を検出することで第2の変動信号136.2を判別し、その場合において、例えば、同相又は直交同期検出、整合フィルタ、周波数領域分析(例えば、高速フーリエ変換、離散コサイン変換)又はシングルートン抽出等によりノイズ中の信号を検出する手段を利用しもよい。或いは、第2の変動信号136.2は接触検出装置100の位相検出部141により提供されてもよい。
【００９５】
そして、復調部134は平均値算出部135を更に有する。平均値算出部135は、好ましくは次式(5)のように中間信号HSINTER(138)をローパスフィルタでフィルタリングすることで、中間信号HSINTER(38)を平均化し、復調信号HSDEMOD(139)を生成する。
【００９６】
HSDEMOD=LPF(HSINTER)      (5)
ここで、LPFはローパスフィルタリング又は低域フィルタリングの機能による処理を表す。好ましい形態において、平均値算出部135は移動平均化フィルタである。別の好ましい形態において、平均値算出部135はバタワースフィルタ(butterworth  filter)である。これら双方のフィルタのカットオフ周波数は変調されたヒートフロー112の周波数より低いことが好ましく、例えばその値は周期的な変調されたヒートフロー112の周波数値の半分に近似的に等しい。生成された復調信号HSDEMOD(139)は接触検知信号132を判別するのに非常に適している。なぜなら、接触検出装置100及び対象物800の間に物理的な接触が生じると、その値は大きく変化するからである。
【００９７】
好ましくは、接触検出装置100は復調信号139と閾値とを比較する比較器を更に有し、比較結果に依存する接触検知信号132を決定する。好ましくは、接触検知信号132は、復調信号139の値が閾値未満であった場合には物理的な接触があることを示し、復調信号139の値が閾値より大きかった場合には物理的な接触がないことを示す。あるいは別の好ましい例として、接触検知信号132は、復調信号139の値が閾値未満であった場合には物理的な接触がないことを示し、復調信号139の値が閾値より大きかった場合には物理的な接触がないことを示してもよい。有利なことに、変調されたヒート信号122の性質及び閾値の定義に依存して、第1及び第2の上記の2つの選択肢が使用可能である。
【００９８】
この形態において、復調信号139が閾値に等しい場合、接触検知信号132は物理的接触があること又は物理的接触がないことの何れかを示すように、接触検知信号132を作成することができる。
【００９９】
閾値は予め決められた固定的な閾値でもよいし、或いは変動する閾値でもよい。好ましくは、閾値は、生成された変調されたヒートフロー112及び/又は接触判断部130の復調部134の復調機能に依存して決定される。これは、変調されたヒート信号122の突然の変化が接触判断部130により検出可能になるという利点を有する。従って接触検出装置100の信頼性が更に改善される。
【０１００】
図4に示す方法に従って、本発明の第1形態による接触検出装置100及び対象物800の間の物理的な接触を検出する接触検出装置100は動作してもよい。第1ステップ410において、変調されたヒートフロー112が提供される。これは電源114に接続された熱抵抗116を用いて実行されてもよく、その電源114は変調された電流又は変調された電圧を供給する。好ましくは変調されたヒートフロー112が周期的に提供され、変調されたヒートフロー112の変化の速度は一般的な周囲の温度の変化の速度より速いことが好ましい。
【０１０１】
提供される変調されたヒートフロー112は任意の形状をとることができ、例えば、周期的な矩形波信号、正弦波信号、のこぎり波信号、パルス変調信号又は疑似ランダム信号等の信号の形状に基づくことができる。特に、ヒータ110により提供される変調されたヒートフロー112の信号形状は上記の信号の二乗の性質を有していてもよい。
【０１０２】
変調されたヒートフロー112に起因して、接触検出装置100の温度感知接触面111は、変調温度Tmodを示すものとする。Tobjの温度を示す対象物800と接触すると、接触検出装置100から対象物800へ又は対象物800から接触検出装置100へ熱が流れるので、温度差ΔT=||が変調されたヒートフロー112の量を変化させる。この温度差は変動成分(又は交流成分)及び実質的に変動しない成分を含む。変動成分又は交流成分は変調されたヒートフロー112により生じ、実質的に変動しない成分は時間平均された温度差を表す。対象物800の温度が変調されたヒートフロー112に符合して変化することは起こりにくいので、ヒートフローの変化は、対象物800に接触していることをほぼ確実に示す。
【０１０３】
第2ステップ420において、変調されたヒートフロー112に依存して変調されたヒート信号122が生成される。これは、温度計を利用して、変調されたヒート信号122として温度信号を生成することで行われてもよい。従って変調されたヒートフロー112の量が変化すると、変調されたヒート信号122の変化に影響する。
【０１０４】
第3ステップ430において、変調されたヒート信号122に依存して、物理的な接触の有無を少なくとも示す接触検知信号132が決定される。好ましくはこのステップは変調されたヒート信号122における偏差(deviation)を検出することで行われる。
【０１０５】
対象物800の温度が変調されたヒートフロー112に符合して変化することは起こりにくいので、変調されたヒート信号122の偏差は接触の有無として信頼できる。
【０１０６】
変調されたヒート信号122に影響を及ぼす変調されたヒートフロー112は、接触検出装置100の温度感知接触面111の温度が対象物800の温度Tobjと相違していた場合に変化するというだけではなく、本発明は、接触検出装置100が対象物800に物理的に接触した場合に、変調されたヒートフローによる熱容量全体も変化するという更なる認識に基づく。従って、変調されたヒートフロー112の形状(例えば、変調されたヒートフロー112の位相及び/又は変調されたヒートフロー112の振幅)を規定するパラメータも変化する。
【０１０７】
従って、変調されたヒートフロー112に依存して生じた変調されたヒート信号122の変化は、対象物800と接触検出装置100との間の物理的な接触が生じていることを、ほぼ確実に示す。従って、接触検出装置100及び対象物800の間における物理的な接触の存否の判定が確実に行われる。
【０１０８】
図5は、本発明の第3形態による診断装置500を概略的及び例示的に示す。診断装置は本発明の第1形態による接触検出装置100を有する。
【０１０９】
これは、診断装置と対象物の間の物理的な接触が診断装置の接触検出装置により確認された後に、対象物の診断を実行することができる、という利点を有する。この利点は臨床診断の分野において特に有利である。
【０１１０】
一例として、本発明の第3形態による診断装置500は、温度センサのような医療装置(特に、人体温度センサ)とすることができる。例えば、温度センサが対象物に適切に取り付けられ、対象物の温度が測定される場合にのみ、温度センサが機能する。従ってこれは温度センサが物理的な接触の有無を示す接触検出装置100を有する場合に有利である。
【０１１１】
別の例において、診断装置500は例えばベッドや椅子のような装置又は器具の上に居ることを検出する占有検出装置(occupancy  detection  device)でもよい。
【０１１２】
診断装置500の好ましい形態において、接触検出装置100から出力される接触検知信号132は、診断装置500のスイッチ510を操作するために使用される。診断装置500のスイッチ510は、好ましくは、診断装置の他の処理手段520を活性化又は非活性化するために使用される。
【０１１３】
上記の形態において、復調信号を生成するために所定の数式が使用される。接触検知信号は復調信号に依存して決定される。別の形態において、復調信号を生成するために他の数式が使用されてもよい。
【０１１４】
上記の実施形態において、接触判断部の所定の処理手段が上記の数式による処理を実行する。他の形態において、これらの処理手段が復調信号を生成するために別の数式による処理を実行する。特に、接触判断部は代替的な構成及び/又は代替的な一群の処理手段を有し、上記の実施形態に関して説明したような接触検知信号を決定してもよい。
【０１１５】
上記の形態において、接触検知信号は物理的な接触の有無を少なくとも示す。他の形態において、接触検知信号は、スイッチを操作することのような他の目的に使用される。
【０１１６】
本明細書、特許請求の範囲及び図面を参照することで、本発明を実現する際に、上記の実施形態に対する他の変形例が当業者に理解されかつ使用され得る。
【０１１７】
各図の要素の配置は主に説明を明確にするためになされており、本発明による製品の一部の実際の幾何学的寸法に関連するものではないことが、理解されなければならない。
【０１１８】
特許請求の範囲において、「有する(comprising)」という用語は他の要素やステップを排除するわけではなく、「或る」又は「ある」という語は複数個存在することを排除するわけではない。
【０１１９】
特許請求の範囲に示されている複数の処理を1つの手段(ユニット又は装置)が実行してもよい。ある複数の事項がそれぞれ異なる従属請求項に示されているというただそれだけでは、それら複数の事項を有利に組み合わせて使用できないことを示すことにはならない。
【０１２０】
特許請求の範囲における如何なる参照符号も(存在する場合)、本発明の範囲を限定するように解釈してはならない。
【０１２１】
本発明は接触検出装置と対象物との物理的な接触を検出する接触検出装置、接触検出装置の動作方法、接触検出装置を含む診断装置及びコンピュータプログラムに関連する。本発明は接触センサの信頼性を改善することを意図している。接触検出装置は、変調されたヒートフローを提供するヒータを有する。変調されたヒート信号は変調されたヒートフローに依存して生成される。対象物に物理的に接触すると、変調されたヒートフローを変化させ、これは変調されたヒート信号に影響する。ヒートフローは変調されているので、変調されたヒート信号の変化は或る程度確実になる。接触検出装置の接触判断部は、好ましくは変調手段により、変調されたヒート信号に基づいて物理的な接触の有無を少なくとも示す接触検知信号を出力する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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