(57)【要約】【課題】計算負荷が小さく、かつ、外乱の影響を受けにくい定常状態の温度予測方法を提供すること。【解決手段】温度センサにおける温度変化を逐次測定するステップと、所定の期間において、前記温度センサの温度の時間積分を求めるステップと、前記所定の期間の開始時点における前記温度センサの温度である初期温度と、前記時間積分に基いて、前記温度センサの定常状態における温度である定常温度を求めるステップと、を有する定常状態の温度予測方法。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
温度センサにおける温度変化を逐次測定するステップと、
所定の期間において、前記温度センサの温度の時間積分を求めるステップと、
前記所定の期間の開始時点における前記温度センサの温度である初期温度と、前記時間積分に基いて、前記温度センサの定常状態における温度である定常温度を求めるステップと、
を有する定常状態の温度予測方法。
【請求項２】
前記定常温度を求めるステップは、前記時間積分にあらかじめ求めた係数を乗じて前記初期温度に加算するステップである、
請求項１記載の温度予測方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の温度予測方法により測定対象物の温度を測定する温度計。
【請求項４】
少なくとも１つの前記温度センサを有する測定子と、
前記温度センサの定常温度を、前記測定対象物の温度として測定するコントローラを備えた
請求項３に記載の温度計。
【請求項５】
複数の前記温度センサを有する測定子と、
複数の前記温度センサの定常温度に基いて、前記測定対象物の内部温度を算出するコントローラを備えた
請求項３に記載の温度計。
【請求項６】
前記測定子は、断熱材を挟み結合された２つの前記温度センサからなる温度センサ積層体を少なくとも２組有する
請求項５に記載の温度計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温度予測方法及び温度計に関する。
【背景技術】
【０００２】
温度を測定する際に、迅速に測定対象物の温度を知りたいとの要求がある。しかしながら、一般的な接触式温度計では、測定子を測定対象物に接触させた後、測定子がその熱により昇温し、平衡状態又は定常状態となるのを待ってから測定するのであり、それには５分から１０分程度と長時間を要していた。
【０００３】
そこで、非定常状態における測定子の温度変化に基いてその平衡状態又は定常状態の温度を予測することが行われている。
【０００４】
例えば、特許文献１には、１組のセンサの組を用いて、非定常状態において熱伝達方程式を数学的に解くことにより、測定対象物の内部温度を予測する高速精密温度測定装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３９３５９１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、これまで利用されていた平衡状態又は定常状態の温度の予測方法は、特許文献１に代表されるように、熱伝導モデルとして熱伝導方程式を与え、温度センサの計測値を用いてこれを解く手法であり、少なくとも３元連立方程式を解かねばならない。そのため、かかる方法を利用する機器には相当の計算処理能力が要求され、また、測定子と測定対象物との接触状態に変化がある等の外乱により測定値に誤差が生じると、予測値が大きく変動するため実用上の精度が低い。
【０００７】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その課題は、計算負荷が小さく、かつ、外乱の影響を受けにくい定常状態の温度予測方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決すべく本出願において開示される発明は種々の側面を有しており、それら側面の代表的なものの概要は以下のとおりである。
【０００９】
（１）温度センサにおける温度変化を逐次測定するステップと、所定の期間において、前記温度センサの温度の時間積分を求めるステップと、前記所定の期間の開始時点における前記温度センサの温度である初期温度と、前記時間積分に基いて、前記温度センサの定常状態における温度である定常温度を求めるステップと、を有する定常状態の温度予測方法。
【００１０】
（２）（１）において、前記定常温度を求めるステップは、前記時間積分にあらかじめ求めた係数を乗じて前記初期温度に加算するステップである、温度予測方法。
【００１１】
（３）（１）又は（２）の温度予測方法により測定対象物の温度を測定する温度計。
【００１２】
（４）（３）において、少なくとも１つの前記温度センサを有する測定子と、前記温度センサの定常温度を、前記測定対象物の温度として測定するコントローラを備えた温度計。
【００１３】
（５）（３）において、複数の前記温度センサを有する測定子と、複数の前記温度センサの定常温度に基いて、前記測定対象物の内部温度を算出するコントローラを備えた温度計。
【００１４】
（６）（５）において、前記測定子は、断熱材を挟み結合された２つの前記温度センサからなる温度センサ積層体を少なくとも２組有する温度計。
【発明の効果】
【００１５】
上記（１）又は（２）の側面によれば、定常状態の温度を予測する際に、計算負荷を小さく、かつ、外乱の影響を受けにくくすることができる。
【００１６】
上記（３）の側面によれば、定常状態の温度を迅速に、小さい計算負荷で測定し、かつ、外乱の影響を受けにくい温度計が得られる。
【００１７】
上記（４）の側面によれば、測定対象物と測定子とが熱平衡状態となった時の平衡温度を迅速に、小さい計算負荷で測定し、かつ、外乱の影響を受けにくい温度計が得られる。
【００１８】
上記（５）又は（６）の側面によれば、測定対象物の内部温度を迅速に、小さい計算負荷で測定し、かつ、外乱の影響を受けにくい温度計が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の基礎となる温度予測方法を説明する図である。
【図２】温度センサを測定対象物に接触させた際の温度センサの温度Ｔの変化を時間に対して示したグラフである。
【図３】本発明の一実施形態である温度計の外観図である。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ線による断面模式図である。
【図５】本発明の一実施形態である温度計の背面側の外観図である。
【図６】本発明の一実施形態である温度計の正面側の外観図である。
【図７】図５のＶＩＩ−ＶＩＩ線による断面模式図である。
【図８】測定子と温度センサ積層体の構造を示す拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の基礎となる温度予測方法を説明する。
【００２１】
図１に示すように、測定対象物１に測定子となる温度センサ２を接触させ、温度センサ２の出力から測定対象物１の温度を測定する場合を考える。このとき、測定対象物１の温度をＴＢ、温度センサ２の温度をＴ、温度センサ２の周囲の環境温度をＴＥ（＜ＴＢ）、測定対象物１から温度センサへの熱流速をＱ１とし、その際の熱抵抗をＫ１、温度センサ２から外部へ放散される熱流速をＱ２とし、その際の熱抵抗をＫ２とし、温度センサ２の初期温度Ｔ０（＜ＴＢ）であるとする。
【００２２】
温度センサ２を測定対象物１に接触させると、測定対象物１から熱が温度センサ２へと流入し、温度センサ２の温度が上昇する。このとき、温度センサ２へと流入する熱流速Ｑ１は、
【００２３】
【数１】
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である。また、温度センサ２から流出する熱流速Ｑ２は、
【００２４】
【数２】
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ここで、Ｔが十分に上昇し、
【００２５】
【数３】
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となると、Ｔの温度変化がなくなる。この状態を定常状態と呼び、このときのＴを定常温度ＴＳとする。なお、この定常状態のうち、
【００２６】
【数４】
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となる状態、すなわち、
【００２７】
【数５】
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の場合を特に、平衡状態と呼ぶ。
【００２８】
定常状態における温度センサ２の出力は定常状態における温度センサ２の温度を示すが、種々の方式により、この定常状態における温度センサ２の温度を知ることにより測定対象物１の温度を求めることができる。しかしながら、温度センサ２が定常状態に達するまでは相当程度の時間を要するため、温度センサ２が定常状態に達する前の温度センサ２の温度Ｔの変化から定常温度ＴＳを予測することを考える。
【００２９】
図２は、温度センサ２を測定対象物１に接触させた際の温度センサ２の温度Ｔの変化を時間に対して示したグラフである。図に示した通り、温度Ｔは、初期温度Ｔ０から時間ｔが経過するにつれて定常温度ＴＳへと漸近していく。ここで、初期温度Ｔ０と定常温度ＴＳとの差をΔＴとし、適当な時間ｔＣを定め、区間０＜ｔ＜ｔＣにおける時間積分Ｓを
【００３０】
【数６】
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としたときに、発明者は、ＳとΔＴとの間にはαを定数として、
【００３１】
【数７】
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なる関係が成り立つことを見出した。なお、時間積分Ｓは、図中示した部分の面積を示すことになる。
【００３２】
この関係を用いれば、温度センサ２における温度Ｔの変化を逐次測定しておき、開始時点ｔ＝０からｔ＝ｔＣまでの期間における温度Ｔについての時間積分Ｓを求めることにより、定常温度ＴＳを次のように、時間積分Ｓに係数αを乗じて初期温度Ｔ０に加算することで求めることができることになる。
【００３３】
【数８】
2015078891.tif 000010
【００３４】
ここで、定数αは温度センサ２と、測定対象物１の性質に応じて定まる値である。したがって、温度センサ２により測定しようとする測定対象物１が定まっている場合には、定数αの値をあらかじめ実験的に求めておくことができる。
【００３５】
ここで、時間積分Ｓは、温度センサ２における温度Ｔの変化を逐次測定しその測定結果を加算するだけで求めることができるので（長方形近似の場合。台形近似、シンプソン近似等、適宜の数値積分における近似法を用いることは差し支えない）、計算負荷が非常に低い。さらに、数値積分においては温度センサ２の測定値に重畳されるホワイトノイズの影響を受けにくいため、測定誤差が軽減されることになる。
【００３６】
時間ｔＣは、測定時のノイズが低減され、また、測定分解能を考慮して、時間積分Ｓの値の精度が確保できる程度の時間とすればよく、温度センサ２が実際に定常状態に達するよりはるかに短い時間とすることができる。そのため、本温度予測方法を用いた温度測定では、極めて短時間での温度測定が可能となる。
【００３７】
続いて、本発明の一実施形態である温度計１００を図３、図４を参照して説明する。
【００３８】
図３は、温度計１００の外観図である。同図に示した温度計１００は、上述の温度予測方法を用いて測定対象物の温度を測定する温度計１００であって、温度センサを有する測定子１０３が測定対象物と熱平衡状態となる時の温度センサの温度を測定対象物の温度として測定するものである。
【００３９】
なお、熱平衡状態では定常温度は測定対象物の温度と等しくなるため、本実施形態の温度計１００は、定常温度を、測定対象物の温度として測定するものである。図示の温度計１００は、一例として、脇下式又は舌下式の体温計として示している。温度計１００の先端に設けられた測定子１０３は金属製のプローブであり、内部にサーミスタである温度センサを収容している。また、温度計１００のボディ１０４の前面には測定結果を表示する液晶表示装置等の表示部１０５が設けられ、測定開始を指示するための押しボタン１０６が後端に設けられている。
【００４０】
図４は図３のＩＶ−ＩＶ線による断面模式図である。測定子１０３内には、測定子１０３と熱的に結合するように温度センサ１０２、ここではサーミスタが設けられており、ＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ  Ｐｒｉｎｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）１０７等の任意の配線により基板１０８上に設けられたコントローラ１０９に接続される。基板１０８には、表示装置１０５のほか、押しボタン１０６の操作を検知するボタンスイッチ１１０も接続され、これら機器は全てコントローラ１０９により制御される。コントローラ１０９をはじめとする電子部品には電池１１１より電力が供給される。ここでは電池１１１は小型のボタン型電池として示したが、その形状や形式には特に限定はない。また、コントローラ１０９はいわゆるマイクロコントローラやＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  Ｓｐｅｃｉｆｉｃ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）等の任意の情報処理装置であればよいが、温度測定に必要な性能をもち、小型・低消費電力でかつ低コストであることが望ましい。
【００４１】
本実施形態に係る温度計１００では、測定子１０３を脇下や舌下に挿入し、押しボタン１０６を押し下げることにより温度測定が開始される。コントローラ１０９は、ボタンスイッチ１１０からの信号により押しボタン１０６の押下げを検知すると、温度センサ１０２の温度を一定周期で所定の時間の間継続して測定し、その結果より上述の温度予測方法により温度センサ１０２の定常温度ＴＳを予測する。そして、ここでは定常温度ＴＳは平衡温度であり、測定対象物の温度に等しいので、表示部１０５に測定結果として表示する。この際、図示しないブザーやＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）等により音や光で測定が終了したことを使用者に通知してもよい。
【００４２】
続いて、本発明の別の一実施形態である温度計２００を図５〜図８を参照して説明する。
【００４３】
図５、図６に示した温度計２００は、上述の温度予測方法を用いて測定対象物の温度を測定する温度計２００であって、温度センサを有する測定子２０３ａ、２０３ｂを測定対象物に接触させ、温度センサが定常状態となった時の温度センサの温度に基いて測定対象物の温度を算出し、測定するものである。
【００４４】
図５は温度計２００の背面側の外観図、図６は温度計２００の正面側の外観図である。温度計２００はボディ２０４から突き出すように設けられた測定ヘッド２１２を測定対象物にあてがい、金属製のプローブである測定子２０３ａ、２０３ｂを測定対象物に接触させて、測定対象内部の温度である深部温を測定するものである。ここでは、一例として、測定対象物は生体、例えば人体であり、測定子２０３ａ，２０３ｂを額等の皮膚に接触させることにより組織内部の温度を測定する深部体温計である。
【００４５】
ボディ２０４の背面には測定結果を表示する液晶表示装置等の表示部２０５と、測定開始を支持するための押しボタン２０６が設けられている。また、ボディ２０４の正面には電池蓋２１３が見えている。
【００４６】
図７は図５のＶＩＩ−ＶＩＩ線による断面模式図である。測定子２０３ａ、２０３ｂの背面には、それぞれ、温度センサ積層体２１４ａ，２１４ｂが熱的に結合するように取り付けられている。温度センサ積層体２１４ａ，２１４ｂは断熱材を挟んで２つの温度センサ、ここではサーミスタが結合されているものである。したがって、図示の例では温度センサは４つ設けられていることになるが、この温度センサの数や配置等は深部温測定の方式に応じて適宜変更してよい。
【００４７】
また、各温度センサは、ＦＰＣ２０７等の任意の配線により基板２０８上に設けられたコントローラ２０９に接続される。基板２０８には、表示装置２０５、押しボタン２０６の操作を検知するボタンスイッチ２１０も接続され、これら機器は全てコントローラ２０９により制御される。コントローラ２０９をはじめとする電子部品には電池２１１より電力が供給される。図示の例では電池２１１は単４型の電池として示したが、その形状や形式には特に限定はない点は先の実施形態と同様である。コントローラ２０９が任意の情報処理装置であってよい点についても同様である。
【００４８】
図８は、測定子２０３ａ、２０３ｂと温度センサ積層体２１４ａ，２１４ｂの構造を示す拡大断面図である。同図に詳細に示されるように、温度センサ積層体２１４ａは、測定子２０３ａ側から順に温度センサ２０２ａ、断熱材２１５ａ、温度センサ２０２ｃが積層されたものであり、温度センサ２０２ａは測定子２０３ａに取り付けられる一方、温度センサ２０２ｃは温度計２００内部の空間に露出している。これにより、測定子２０３ａから流入した熱は温度センサ２０２ａに伝わった後、断熱材２１５ａを通って温度センサ２０２ｃへと流れ、外気へと放散されることになる。温度センサ積層体２１４ｂも同様の構造となっており、測定子２０３ｂに取り付けられた温度センサ２０２ｂ、断熱材２１５ｂ及び空間に露出した温度センサ２０３ｄがこの順に積層されている。ここで、断熱材２１５ａと断熱材２１５ｂの熱抵抗値は異なるものとされており、温度センサ積層体２１４ａを通過する熱流束の大きさと、温度センサ積層体２１４ｂを通過する熱流束の大きさは異なるものとなるようにされている。
【００４９】
温度計２００では、各温度センサ２０２ａ〜２０２ｄの定常温度から測定対象物の深部温を算出し、測定する。この算出方法は公知であるためその導出方法の説明は省略するが、求める深部温をＴＤとし、温度センサ２０２ａの定常温度をＴＳａ、温度センサ２０２ｂの定常温度をＴＳｂ、温度センサ２０２ｃの定常温度をＴＳｃ、温度センサ２０２ｄの定常温度をＴＳｄ、断熱材２１５ａと断熱材２１５ｂの熱抵抗の比をＫとすると、次のように求めることができる。なお、Ｋの値は事前に実験等により求めておく。
【００５０】
【数９】
2015078891.tif 000011
【００５１】
本実施形態に係る温度計２００では、測定子２０３ａ，２０３ｂを測定対象物である額に接触させ、押しボタン２０６を押し下げることにより温度測定が開始される。コントローラ２０９は、ボタンスイッチ２１０からの信号により押しボタン２０６の押下げを検知すると、温度センサ２０２ａ〜２０２ｄの温度を一定周期で所定の時間の間継続して測定し、その結果より上述の温度予測方法により温度センサ２０２ａ〜２０２ｄの定常温度ＴＳａ〜ＴＳｄをそれぞれ予測する。そして、得られた値より深部温ＴＤを計算し、表示部２０５に測定結果として表示する。この際、図示しないブザーやＬＥＤ等により音や光で測定が終了したことを使用者に通知してもよい点については先の実施形態と同様である。
【００５２】
なお、本実施形態に係る温度計２００のように、温度センサ積層体２１４ａ，２１４ｂを使用する場合には、各温度センサ２０２ａ〜２０２ｄの温度の所定の時間における時間積分を必ずしも個別に求めなくともよい。温度センサ積層体２１４ａを代表として説明すると、温度センサ積層体２０２ａに蓄積される熱量ＱＣａは温度センサ２０２ａの温度Ｔａと温度センサ２０２ｃの温度Ｔｃの差の積分に比例する。比例係数をωとすると、次の通りとなる。
【００５３】
【数１０】
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【００５４】
そして、温度センサ２０２ａの初期温度Ｔ０ａからその定常温度ＴＳａまでの温度差をΔＴａ、温度センサ２０２ｂの初期温度Ｔ０ｂからその定常温度ＴＳｂまでの温度差をΔＴｂとすると、時刻ｔＣまでの温度センサ積層体２１４ａへの蓄熱量ＱＣａとΔＴａ、ΔＴｂとの間には、αａ、αｂを定数として次の関係が成り立つ。
【００５５】
【数１１】
2015078891.tif 000013
【００５６】
この関係から、時刻ｔＣまでの所定の期間における、温度センサ積層体２１４ａの温度センサ２０２ａ、２０２ｃの温度差の時間積分からΔＴａ、ΔＴｂを求めることができ、それによりそれぞれの定常温度ＴＳａ、ＴＳｃを予測することができる。温度センサ積層体２１４ｂについても同様である。この方法を用いる場合には、求めなければならない時間積分の数が先に説明した場合より少なくて済むことになる。
【００５７】
以上説明した実施形態に示した具体的な構成は例示として示したものであり、本明細書にて開示される発明をこれら具体例の構成そのものに限定するものではない。当業者はこれら開示された実施形態に種々の変形、例えば、各部材あるいはその部分の形状や数、配置等を適宜変更してもよく、本明細書にて開示される発明の技術的範囲は、そのようになされた変形をも含むものと理解すべきである。
【符号の説明】
【００５８】
１  測定対象物、２  温度センサ、１００  温度計、１０２  温度センサ、１０３  測定子、１０４  ボディ、１０５  表示部、１０６  押しボタン、１０７  ＦＰＣ、１０８  基板、１０９  コントローラ、１１０  ボタンスイッチ、１１１  電池、２００  温度計、２０２ａ，２０２ｂ，２０２ｃ，２０２ｄ  温度センサ、２０３ａ，２０３ｂ  測定子、２０４  ボディ、２０５  表示部、２０６  押しボタン、２０７  ＦＰＣ、２０８  基板、２０９  コントローラ、２１０  ボタンスイッチ、２１１  電池、２１２  測定ヘッド、２１３  電池蓋、２１４ａ，２１４ｂ  温度センサ積層体、２１５ａ，２１５ｂ  断熱材。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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