JP6349713B2 - 内部温度センサ - Google Patents

Description

本発明は、測定対象物の内部温度を測定するための内部温度センサに関する。

深部体温を測定する装置として、非加熱型の簡易型深部体温計等と称されている装置（以下、非加熱型深部体温計と表記する；特許文献１〜３参照）が存在している。

以下、図１６を用いて、非加熱型深部体温計による深部体温の基本的な測定（算出）原理を説明する。

非加熱型深部体温計による深部体温の測定時には、図１６（ａ）に示してあるように、比較的に面積の広い断熱材の上下面にそれぞれ温度センサを取り付けた熱流束センサが、体表面に密着される。

ここで、深部体温をＴｂ、外気に接触している側の断熱材表面の温度をＴａ、体表面に接触している断熱材表面の温度をＴｔ、非発熱体である皮下組織の熱抵抗値をＲ１、断熱材の熱抵抗値をＲ２と表記すると、図１６（ａ）に示してある熱回路は、図１６（ｂ）に電気回路として表せることになる。

また、体表面に密着させた熱流束センサの各部の温度が安定すると、非発熱体を単位時間に通過する熱量と断熱材を単位時間に通過する熱量とが等しくなるため、以下の（１）式が成立する。
（Ｔｂ−Ｔｔ）／Ｒ１＝（Ｔｔ−Ｔａ）／Ｒ２ …（１）

従って、以下の（２）式により、深部体温Ｔｂを算出できることになる。
Ｔｂ＝Ｔｔ＋（Ｔｔ−Ｔａ）・Ｒ１／Ｒ２ …（２）

非加熱型深部体温計は、上記原理で深部体温Ｔｂを算出するものとなっている。

特開２００２−３７２４６４号公報 特開２０１２−１５４８５９号公報 特開２００７−２１２４０７号公報

非加熱型深部体温計によれば、熱流補償法を応用した深部体温測定装置よりも小型、低価格、低消費電流に出来る。ただし、既存の非加熱型深部体温計は、温度差を断熱材をはさんだ２つの温度センサを用いて測定するものとなっており、温度センサの精度から断熱材はある程度断熱性が大きく無ければ温度差が取れない。そのため、熱容量が大きくなり、深部体温の安定した測定結果を得るために、短くても５分程度の時間を要するものである。また、断熱性の大きな断熱材が熱流を乱すため、測定精度がさほど高くないものとなっている。

本発明は、上記現状に鑑みてなされたものであり、測定対象物の内部温度を、精度及び応答性がより良い形で測定できる内部温度センサを提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明の内部温度センサは、
測定対象物の内部温度の測定時に、その一方の面を測定対象物の表面に接触させる基材と、
基材の他方の面上に設けられた、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）プロセスにより製造された熱流束センサであって、第１測温部及び第２測温部を有し、第１測温部と第２測温部との間の温度差を検出するサーモパイルが形成されている薄膜部を含み、基材を介して流入する測定対象物からの熱を第２測温部に伝導する熱伝導性部材により、第１測温部と基材との間に、熱伝導性部材より熱伝導性が悪い空間が存在し、且つ、基材に対して平行となるように、薄膜部が支持された熱流束センサと、
基材の熱伝導性部材と接触している部分の温度又は薄膜部の第２測温部の温度を測定するための温度センサと、
を備える。

すなわち、本発明の内部温度センサは、ＭＥＭＳプロセスにより製造された熱流束センサ（つまり、小型であるが故に熱容量が小さい熱流束センサ）を備える。また、本発明の内部温度センサが備える熱流束センサは、サーモパイルにより温度差を測定するものであるが故に、温度差の測定精度が高いものとなっている。従って、本発明の内部温度センサによれば、測定対象物の深部温度を、従来のセンサを用いた場合よりも、精度及び応答性が良い形で測定できることになる。

尚、本発明に係る熱流束センサの第１測温部と基材との間の “熱伝導性部材より熱伝
導性が悪い空間”は、空気等の気体がその内部に存在する空間であっても、その内部が真空の空間であっても、その内部に、熱伝導性が悪い非気体の樹脂などが充填される空間であっても良い。

本発明の内部温度センサを実現するに際しては、熱流束センサの薄膜部として、第１測温部からの放熱を促すための放熱促進構造を含むものを採用しておくことが好ましい。何故ならば、放熱促進構造を含む薄膜部を採用しておけば、より高精度に測定対象物の深部温度を測定できることになるからである。尚、第１測温部からの放熱を促すための放熱促進構造を含む薄膜部には、例えば、第１測温部の上面（基材と対向しない側の面）側に、基板側の部分から放射される赤外線を吸収して上方（基材と反対側の方向）に放出する赤外線吸収・放射層が形成されている薄膜部がある。また、第１測温部の上面が平面（鏡面）だと、下方からの赤外線が第１測温部の上面で反射されてしまうので、第１測温部の上面に凹凸が形成されている薄膜部も、第１測温部からの放熱を促すための放熱促進構造を含む薄膜部として機能することになる。

また、熱流束センサ及び温度センサの周囲の空気を固定しておいた方が、深部温度の測定結果を安定させることが出来る。従って、本発明の内部温度センサを実現する際には、熱流束センサと温度センサとを覆うハウジングを付加しておくことが好ましい。

また、熱流束センサの薄膜部に、薄膜部の基材と対向しない側の面に向けて照射された赤外線を反射して当該赤外線による前記薄膜部の加熱を防止する赤外線反射構造を含めておけば、ハウジングを設けなくても、深部温度の測定結果を安定させることが出来る。

さらに、ハウジングの内面に赤外線吸収体を配置しておけば、ハウジング内の温度をより安定化することが出来る。また、ハウジングとして、赤外線及び電磁波を反射する外面を有するものを採用しておけば、ハウジング内の温度をさらに安定化することが出来ると共に、電磁波が内部温度の測定結果に悪影響を与えないようにすることが出来ることにな
る。

内部温度センサのハウジングとしては、熱流束センサ及び温度センサを囲む側壁部と、側壁部の開口部側の端面に設けられた断熱材と、断熱材を介して側壁部に対して取り付けられた、側壁部の開口部を覆う天板とを含むものを採用しておくことが出来る。また、当該ハウジングの天板を、表面積を大きくして放熱性を向上させたヒートシンク又は放熱板としておくことが出来る。また、内部温度センサに、薄膜部の第１測温部からの熱を天板に伝達するための部材を付加しておくことも出来る。

本発明の内部温度センサは、熱流束センサの出力と温度センサの出力とをそのまま出力するセンサとして実現することも出来るものである。ただし、各センサが出力する信号は低レベルの信号なので、各センサの出力をそのまま出力すると、ノイズの影響で正確な内部温度を算出できない恐れがある。そのため、内部温度センサには、各センサの出力を増幅する増幅器を搭載しておくことが好ましい。さらに、そのような増幅器と共に、当該増幅器により増幅された熱流束センサの出力と温度センサの出力とに基づき、測定対象物の内部温度を算出する演算部を付加しておけば、外部装置で測定対象物の内部温度を算出しなくても良い内部温度センサを実現できることになる。

本発明に係る内部温度センサによれば、測定対象物の内部温度を、従来のセンサを用いた場合よりも精度及び応答性が良い形で測定することが出来る。

図１は、本発明の第１実施形態に係る内部温度センサの概略構成図である。 図２は、熱流束センサの上面図である。 図３は、熱流束センサの図２におけるＢ−Ｂ線断面図である。 図４は、熱流束センサの図２におけるＡ−Ａ線断面図である。 図５は、熱流束センサの図２におけるＣ−Ｃ線に沿った要部概略断面図である。 図６は、熱流束センサの図２におけるＡ−Ａ線に沿った概略断面図である。 図７は、内部温度センサによる内部温度の測定原理の説明図である。 図８は、内部温度算出処理の流れ図である。 図９は、内部温度算出処理時に、係数ｋ、ａの値を算出するために使用される値の説明図である。 図１０は、本発明の第２実施形態に係る内部温度センサの概略構成図である。 図１１は、本発明の第３実施形態に係る内部温度センサの概略構成図である。 図１２は、第３実施形態に係る内部温度センサが備える熱流束センサの上面図である。 図１３Ａは、各実施形態に係る内部温度センサに採用できる主基板の説明図である。 図１３Ｂは、各実施形態に係る内部温度センサに採用できる主基板の説明図である。 図１４は、各実施形態に係る内部温度センサに採用できる熱流束センサの構成の説明図である。 図１５は、天板等として使用できる部材の説明図である。 図１６は、既存の非加熱型深部体温計による深部体温の測定原理の説明図である。

《第１実施形態》
図１に、本発明の第１実施形態に係る内部温度センサ２０の概略構成を示す。

図示してあるように、本実施形態に係る内部温度センサ２０は、主基板２１と、主基板２１上に配設されたセンサ基板２２、演算回路２３及びターミナル２４とを、備える。また、内部温度センサ２０は、センサ基板２２上に配設された熱流束センサ３０及びＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）４０と、熱流束センサ３０及びＡＳＩ
Ｃ４０を覆うハウジング５０とを、備える。

この内部温度センサ２０は、主基板２１の下面を測定対象物（人体や装置）の表面に接触させることにより、当該測定対象物の内部温度を測定することが出来るセンサである。尚、上記説明及び以下の説明において、或る部材の下面、上面とは、それぞれ、当該部材の図１における下側、上側の面のことである。

主基板２１は、ＡＳＩＣ４０、演算回路２３、ターミナル２４間の配線が形成されている基板である。この主基板２１は、熱伝導性が良いもの（熱抵抗が小さなもの）であることが好ましい。また、熱伝導性が良いものであっても、主基板２１の厚さが厚いと、内部温度の測定に時間がかかるようになる。従って、主基板２１の厚さは、極力薄いことが望まれる。

主基板２１上のターミナル２４は、内部温度センサ２０用の計測装置からの電源線及び信号線が接続されるターミナルである。ここで、内部温度センサ２０用の計測装置とは、信号線を介して内部温度センサ２０と通信を行うことにより内部温度センサ２０から内部温度の測定結果を取得し、取得した測定結果の表示や記録を行う機能や、電源線を介して内部温度センサ２０に電力を供給する機能を有する装置のことである。

熱流束センサ３０は、いわゆるＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）プロセス（高アスペクト比エッチングプロセスを含む半導体プロセス）により製造された小型の温度差センサである。図１には、簡略化した形で示してあるが、この熱流束センサ３０は、図２〜図４に示したような構成を有している。尚、これらの図のうち、図２は、熱流束センサ３０の一例の上面図であり、図３、図４は、それぞれ、図２に示した熱流束センサ３０の図２におけるＢ−Ｂ線、Ａ−Ａ線に沿った断面図である。

すなわち、熱流束センサ３０は、例えば、５５０μｍ角の薄膜部３１（図２参照）と、薄膜部３１の下面の周部から下方に延びた、シリコンからなる，およそ４００μｍ長（３９６．２μｍ長）の支持部３５（図３，４参照）とを備える。熱流束センサ３０が備える薄膜部３１の内部には、Ｐ型ポリシリコンとＮ型ポリシリコンとで構成された複数の熱電対を直列に接続したサーモパイル３２が形成されている。図２及び図３から明らかなように、薄膜部３１内のサーモパイル３２は、薄膜部３１の図２における左右方向の中心部分である第１測温部と、薄膜部３１の支持部３５上の部分である第２測温部との間の温度差を測定できるように形成されている。尚、薄膜部３１の周部の下方には、熱伝導率が大きいシリコンからなる，ロの字状の支持部３５が存在している。従って、図２に示してある２つの第２測温部を、温度が等しい部分として取り扱うことが出来る。

熱流束センサ３０の薄膜部３１は、サーモパイル３２（Ｐ型ポリシリコン、Ｎ型ポリシリコン、各部を接続する配線等）以外の部分に熱伝導率が比較的に悪い材料を用いることにより形成される。すなわち、薄膜部３１は、全体的な熱伝導率が比較的に小さくなるように形成される。

具体的には、熱流束センサ３０は、例えば、図５及び図６に示したような構造を有するように製造される。図５は、熱流束センサ３０の図２におけるＣ−Ｃ線に沿った要部概略断面図であり、図６は、熱流束センサ３０の図２におけるＡ−Ａ線に沿った概略断面図である。

これらの図から明らかなように、熱流束センサ３０の薄膜部３１は、サーモパイル３２以外の部分に熱伝導率が悪いＳｉＯ_２を用いて形成されるものとなっている。

尚、図５及び図６において、サーモパイル３２上に示されているＴｉＮ層は、薄膜部３１の中央部（第２測温部以外の部分、下方が空間となっている部分）の下方部分の各所から上方向に熱が放出されることを促すための赤外線吸収・放射層として設けられているものである。この赤外線吸収・放射層は、熱流束センサ３０の必須構成要素ではない。ただし、赤外線吸収・放射層を設けない場合、熱流束センサ３０によって検出される温度差ΔＴが通常小さくなる。そして、その結果として、内部温度の測定精度が若干低下する（詳細は後述）ので、熱流束センサ３０の薄膜部３１には、赤外線吸収・放射層を設けておくことが好ましい。

図１に戻って、熱流束センサ３０の説明を続ける。

ＡＳＩＣ４０は、温度センサ４１を内蔵した集積回路である。ＡＳＩＣ４０は、熱流束センサ３０の出力及び温度センサ４１の出力を増幅する機能と、増幅後の各出力をデジタルデータ化する機能とを有している。尚、本実施形態に係る熱流束センサ３０のＡＳＩＣ４０は、絶対温度に比例した電圧を出力する ＰＴＡＴ(Proportional To Absolute Temperature) 電圧源（つまり、温度計として機能する電圧源）を含む回路である。すなわち、ＡＳＩＣ４０は、ＰＴＡＴ電圧源の構成要素が温度センサ４１として機能する回路となっている。また、ＡＳＩＣ４０は、各センサの出力をチョッパアンプにより増幅する回路ともなっている。

熱流束センサ３０及びＡＳＩＣ４０が配設されるセンサ基板２２は、熱流束センサ３０の支持部３５の下面の温度を、温度センサ４１で測定できるようにするために設けられている高熱伝導性の部材である。換言すれば、センサ基板２２は、熱流束センサ３０の支持部３５が固定される部分の温度と、温度センサ４１により温度が測定される部分の温度とを一致させるために設けられている部材となっている。従って、主基板２１として、熱伝導度が十分に大きな部材を用いる場合には、センサ基板２２を設けることなく、熱流束センサ３０及びＡＳＩＣ４０を主基板２１に直接搭載することが出来る。

演算回路２３は、ＡＳＩＣ４０によりデジタルデータ化された熱流束センサの出力及び温度センサの出力に基づき、測定対象物の内部温度を算出して出力する回路である。詳細については後述するが、この演算回路２３としては、通常、算出した内部温度をターミナル２４から出力（送信）する回路か、算出した内部温度を内部のメモリに出力（記憶）する回路が使用される。

ハウジング５０は、主として、熱流束センサ３０及び温度センサ４１（ＡＳＩＣ４０）の周囲の空気を固定することにより両センサの出力を安定させることと、熱流束センサ３０に上方から赤外線が入射されることを防止することとを目的として設けられている、熱流束センサ３０及び温度センサ４１のケースである。

図１に示してあるように、本実施形態に係るハウジング５０は、熱流束センサ３０及び温度センサ４１（ＡＳＩＣ４０）を囲む筒状の側壁部５１と、当該側壁部５１の開口部に断熱材５２を介して取り付けられた天板５３と、側壁部５１の内面を覆うように配置され
た赤外線吸収体５４とにより構成されている。尚、側壁部５１としては、通常、直径が１ｃｍ程度かそれ以下の部材が使用される。

詳細（理由／原因）は不明であるが、各種実験から、ハウジング５０の側壁部５１とセンサ基板２３との間の熱伝導性を良くすると、ハウジング５０内の温度の安定性が向上することが分かっている。そのため、ハウジング５０の側壁部５１は、熱伝導性接着剤（例えば、銀ペースト）等を用いることによって、センサ基板２２に対して固定しておくことが好ましい。

ハウジング５０の側壁部５１及び天板５３の構成材料は、ハウジング５０内外の空気の出入、ハウジング５０内への赤外線の流入を防止できるものであれば良い。ただし、電磁波によっても熱流束センサ３０及び温度センサ４１の出力は変動し得る。そのため、側壁部５１及び天板５３の構成材料は、外部からの電磁波の流入も防止できる材料、つまり、金属や導電性を有する非金属であることが好ましい。また、天板５３上面は赤外線反射率が高い方が、ハウジング５０内の温度が安定する。従って、ハウジング５０の天板５３としては、赤外線の反射率が高い材料（例えば、アルミニウム）製の部材や、赤外線の反射率が比較的に低い材料（例えば、ＳＵＳや非金属）製の部材の上面に赤外線の反射率が高い材料からなる薄板を貼り付けた部材を用いておくことが好ましい。また、天板は内部に露出する下面が赤外線吸収体となっていることが好ましい。

ハウジング５０の断熱材５２は、断熱性を有する部材であれば良い。従って、断熱材５２としては、一般に断熱材として使用されている材料（発泡ウレタン等）を使用することが出来る。ハウジング５０の赤外線吸収体５４は、赤外線を吸収しやすい部材であれば良い。赤外線吸収体５４としては、例えば、黒色の樹脂を使用することが出来る。

次に、内部温度センサ２０による内部温度の測定原理を説明する。

まず、基板２１及び２２の熱抵抗値が、“０”と見なせる（測定対象物の非発熱部の熱抵抗値よりも十分に小さい）場合を考える。この場合、内部温度センサ２０による測定対象物の内部温度の測定時には、図７の（ａ）に模式的に示してあるような形で各部間を熱（実線／波線矢印）が移動する熱回路が形成されることになる。この熱回路は、図７の（ｂ）に示した電気回路として表せるものであるが、当該電気回路におけるＩ_ｈ’の値は、Ｒ４＞＞Ｒ２である（Ｒ４の値が、Ｒ２の値に比べて非常に大きい）場合、Ｉ_ｈの値とほぼ一致する。そして、熱流束センサ３０の薄膜部３１の第２測温部は空気と接しているため、内部温度センサ２０（熱流束センサ３０）については、Ｒ４＞＞Ｒ２が成立する。

従って、測定対象物に接触させた内部温度センサ２０が熱平衡状態になると、熱流束センサ３０の薄膜部３１内を第２測温部側から第１測温部側に向かって単位時間内に流れる熱量Ｑ１と、熱流束センサ３０の支持部３５に非発熱体（測定対象物）側から単位時間内に流入する熱量Ｑ２とがほぼ一致することになる。

さらに、内部温度センサ２０が熱平衡状態になっている場合、Ｑ１、Ｑ２は、それぞれ、以下の（３）、（４）式により算出できる。
Ｑ１＝（Ｔｈ−Ｔｌ）／Ｒ２ …（３）
Ｑ２＝（Ｔｂ−Ｔｒ）／Ｒｘ …（４）
尚、Ｔｈ、Ｔｌは、それぞれ、第２測温部の温度、第１測温部の温度であり、Ｔｒは、温度センサ４１により測定される、支持部３５の下端の温度（非発熱体表面の温度）である。

そして、Ｑ１≒Ｑ２であり、Ｔｈ−Ｔｌ＝ΔＴなのであるから、内部温度センサ２０が
熱平衡状態となっている場合、以下の（５）式がほぼ成立することになる。
ΔＴ／Ｒ２ ＝（Ｔｂ−Ｔｒ）／Ｒｘ …（５）

この（５）式は、以下の（６）式と同値である。
Ｔｂ ＝ Ｔｒ＋（Ｒｘ／Ｒ２）ΔＴ …（６）

そして、（６）式中の“Ｒｘ／Ｒ２”値は、内部温度センサ２０の構造（各部のサイズ、各部の構成材料等）と測定対象物とにより、適切な値が一意に定まる値である。従って、熱流束センサ３０及び温度センサ４１によってそれぞれ測定された温度差ΔＴ及び温度Ｔｒとから、上記（６）式により内部温度Ｔｂを算出できることになる。

また、基板２１及び２２の熱抵抗値が“０”と見なせない場合には、（６）式中のＲｘを、“Ｒｘ＋基板２１及び２２の熱抵抗値”（以下、Ｒｘ′と表記する）に置き換えた以下の（７）式でＴｂを算出できることになる。
Ｔｂ ＝ Ｔｒ＋（Ｒｘ′／Ｒ２）ΔＴ …（７）

この（７）式中の“Ｒｘ′／Ｒ２”値も、内部温度センサ２０の構造と測定対象物とにより、適切な値が一意に定まる値である。従って、基板２１及び２２の熱抵抗値が“０”と見なせない場合にも、温度差ΔＴ及び温度Ｔｒから内部温度Ｔｂを算出することが出来る。

尚、“Ｒｘ′／Ｒ２”値や“Ｒｘ／Ｒ２”値として使用すべき値は、いずれも、以下の（８）式の誤差が最小となるｋ値である。
Ｔｂ ＝ Ｔｒ＋ｋΔＴ …（８）

そして、そのようなｋ値は、例えば、内部温度を変えた測定対象物（又は測定対象物を模した物体）のΔＴ、Ｔｒの測定を内部温度センサ２０を用いて何回か行い、その結果に基づき、最小二乗法等によって求めることが出来る。従って、本内部温度センサ２０は、基板２１及び２２の熱抵抗値が“０”と見なせるか否かを考慮することなく、内部温度Ｔｂの算出式（（８）式）を決定することが出来るものとなっていることになる。

ここで、薄膜部３１内に形成されているＴｉＮ層（図５及び図６における“ＴｉＮ”）について補足説明を行っておくことにする。

上記した（８）式から明らかなように、本実施形態に係る内部温度センサ２０は、熱流速センサ３０により測定されるΔＴ値が大きくなるようにしておいた方が、感度が向上するものである。そして、図７から明らかなように、第１測温部からの上方への放熱量がより大きくなるようにしておいた方が、ΔＴ値が大きくなるし、第１測温部からの上方への放熱量をより大きくするためには、熱放出を促すための赤外線吸収・放射層を設けておくことが有効である。そのため、薄膜部３１の第１測温部及びその近傍の部分に、ＴｉＮ層を設けているのである。

尚、第１測温部からの上方への放熱量を促すことは、第１測温部の上面に微小な凹凸を形成することによっても実現できる。従って、赤外線吸収・放射層を設ける代わりに、第１測温部の上面に微小な凹凸を形成しておいても、第１測温部に赤外線吸収・放射層を設けると共に、第１測温部の上面に微小な凹凸を形成しておいても良い。

以下、演算回路２３（図１）について説明する。

内部温度センサ２０に使用（搭載）する演算回路２３は、温度差ΔＴと温度Ｔｒとから
内部温度Ｔｂを算出できる回路であれば良い。

従って、演算回路２３として、『温度差ΔＴと温度Ｔｒとから、予め設定されているｋ値を用いて（８）式により内部温度Ｔｂを算出する回路』を使用することが出来る。また、演算回路２３として、そのような回路にｋ値の変更を受け付ける機能を付加した回路（ターミナル２４を介してｋ値の変更を指示するコマンドが入力されると当該コマンドに従ってｋ値を変更する回路）を使用することも出来る。

さらに、演算回路２３として、所定の条件が満たされたときに、図８に示した手順の内部温度測定処理を開始する回路を使用することも出来る。尚、所定の条件としては、『ターミナル２４に所定のコマンドが入力された』といった条件や、『温度Ｔｒ（温度センサ４１により測定された温度）が上昇し始めた』（つまり、基板２１の下面が測定対象物に接触した）といった条件を採用することが出来る。

図８に示してあるように、この内部温度測定処理を開始した演算回路２３は、まず、Ｔｒ値及びΔＴ値を、連続的に（周期的に）、測定する処理（ステップＳ１０１）を行う。この処理としては、通常、内部温度センサ２０が熱平衡に達する前に終了する処理（例えば、ΔＴ値の変化率が既定値以下となったときに終了する処理）が行われる。尚、既に説明した構成から明らかなように、ステップＳ１０１にて実際に行われる処理は、Ｔｒ値（温度センサ４１による温度の測定結果）を表しているデータと、ΔＴ値（熱流速センサ３０による温度差の測定結果）を表しているデータとを、連続的にＡＳＩＣ４０から収集する処理である。

ステップＳ１０１の処理を終えた演算回路２３は、Ｔｒ値及びΔＴ値の測定結果（ＡＳＩＣ４０から収集したデータ群）に基づき、以下に示す『熱平衡に達する前にも成立する内部温度Ｔｂの算出式』の係数ｋ，ａの値を算出する処理（ステップＳ１０２）を行う。
Ｔｂ ＝ Ｔｒ＋ｋΔＴ＋ａ（ｄＴｒ／ｄｔ） …（９）

具体的には、このステップＳ１０２にて、演算回路２３は、以下の処理を行う。

演算回路２３は、まず、ステップＳ１０１の処理時に収集した測定結果の中から、異なる時刻ｔ１，ｔ２，ｔ３（ｔ１＜ｔ２＜ｔ３）に測定された３つの測定結果（Ｔｒ値とΔＴ値のペア）を選択する。以下、時刻ｔｍ（ｍ＝１〜３）に測定されたＴｒ値、ΔＴ値のことを、それぞれ、Ｔｒ_ｍ、ΔＴ_ｍと表記する。

次いで、演算回路２３は、時刻ｔ１におけるｄＴｒ／ｄｔ値（以下、ｄＴｒ_１／ｄｔと表記する）、時刻ｔ２におけるｄＴｒ／ｄｔ値（以下、ｄＴｒ_２／ｄｔと表記する）及び時刻ｔ３におけるｄＴｒ／ｄｔ値（以下、ｄＴｒ_３／ｄｔと表記する）を算出する。

尚、上記したＴｒ_１〜Ｔｒ_３、ΔＴ_１〜ΔＴ_３の選択方法は、特に限定されない。ただし、図９に例示してあるように、値が近い２Ｔｒ値や２ΔＴ値が存在しないように、Ｔｒ_１〜Ｔｒ_３、ΔＴ_１〜ΔＴ_３を選択しておくことが好ましい。何故ならば、そのようにＴｒ_１〜Ｔｒ_３、ΔＴ_１〜ΔＴ_３を選択しておけば、ｋ値及びａ値を精度良く算出できるからである。

Ｔｒ_１〜Ｔｒ_３、ΔＴ_１〜ΔＴ_３の選択及びｄＴｒ_１／ｄｔ〜ｄＴｒ_３／ｄｔの算出を終えた演算回路２３は、以下の連立方程式を解くことにより、ｋ値及びａ値を算出する処理を行う。
Ｔｂ ＝ Ｔｒ_１＋ｋΔＴ_１＋ａ（ｄＴｒ_１／ｄｔ）
Ｔｂ ＝ Ｔｒ_２＋ｋΔＴ_２＋ａ（ｄＴｒ_２／ｄｔ）
Ｔｂ ＝ Ｔｒ_３＋ｋΔＴ_３＋ａ（ｄＴｒ_３／ｄｔ）

より具体的には、演算回路２３は、上記３式から求められたａ値の算出式及びｋ値の算出式のそれぞれに、Ｔｒ_１〜Ｔｒ_３、ΔＴ_１〜ΔＴ_３及びｄＴｒ_１／ｄｔ〜ｄＴｒ_３／ｄｔを代入することによって、ｋ値及びａ値を算出する処理を行う。

上記のような手順でｋ値及びａ値を算出した演算回路２３は、ステップＳ１０２の処理を終了する。そして、演算回路２３は、Ｔｒ値及びΔＴ値を測定する処理（ステップＳ１０３）と、ｋ値及びａ値として算出値を設定した内部温度Ｔｂの算出式（（９）式）に測定したＴｒ値及びΔＴ値を代入することにより内部温度Ｔｂを算出して出力する処理（ステップＳ１０４）とを繰り返す状態となる。

尚、ステップＳ１０４の処理は、算出した内部温度Ｔｂをターミナル２４から出力（送信）する処理であっても、算出した内部温度Ｔｂを、計測装置（ターミナル２４を介して内部温度センサ２０と接続される装置）がアクセス可能な演算回路２３内のメモリに出力（記憶）する処理であっても良い。

以上、説明した処理手順から明らかなように、図７に示した手順の内部温度算出処理は、熱平衡に達する前にも成立する内部温度Ｔｂの算出式（（９）式）を用いて内部温度Ｔｂを算出するものであると共に、当該算出式の係数ａ、ｋの値を自動的に算出するものとなっている。従って、この内部温度算出処理を実行できる演算回路２３を用いておけば、測定対象物が何であっても、熱平衡状態に達する前に正確な内部温度Ｔｂを測定できる内部温度センサ２０を実現できることになる。

以上、説明したように、本実施形態に係る内部温度センサ２０が備える熱流束センサ３０は、小型であるが故に、熱容量が小さいもの（つまり、各部の温度が短時間で安定するもの）となっている。また、熱流束センサ３０は、サーモパイル３２により温度差を測定するものであるが故に、温度差の測定精度が高いものともなっている。

さらに、縦型のサーモパイルを製造するのは困難であるが、サーモパイル３２のような横型のサーモパイルは容易に製造することが出来る。そして、横型のサーモパイル３２を備えた熱流束センサ３０によって測定されるΔＴを用いても、上記したように、測定対象物の内部温度Ｔｂを測定（算出）することが出来る。

従って、本実施形態に係る内部温度センサ２０を用いておけば、測定対象物の内部温度を、応答性良く、正確に測定できることになる。尚、図２〜４に示したサイズの熱流束センサ３０を搭載した内部温度センサ２０については、各種実験結果から、長くても３分待てば測定結果が安定することが確認できている。

《第２実施形態》
図１０に、本発明の第２実施形態に係る内部温度センサ２０ｂの概略構成を示す。
この内部温度センサ２０ｂは、上記した第１実施形態に係る内部温度センサ２０と共通する部分が多いものである。そのため、以下では、内部温度センサ２０と異なる部分を中心に、内部温度センサ２０ｂの構成及び機能を説明することにする。

図１０に示してあるように、内部温度センサ２０ｂは、主基板２１と、主基板２１上に配設されたセンサ基板２２、演算回路２３及びターミナル２４と、センサ基板２２上に配設された熱流束センサ３０及びＡＳＩＣ４０とを、備える。これらの部材／回路は、いずれも、内部温度センサ２０が備える同一名称／符号の部材／回路と同じものである。

また、内部温度センサ２０ｂも、熱流束センサ３０及びＡＳＩＣ４０を覆うためのハウジング５０ｂを備えている。ただし、内部温度センサ２０ｂのハウジング５０ｂは、図示してあるように、ハウジング５０（図１参照）の天板５３をヒートシンク５５に変えたものとなっている。

さらに、内部温度センサ２０ｂの熱流束センサ３０上には、第２測温部保温構造３６が配設されている。図８には、簡略化した形で示してあるが、この第２測温部保温構造３６は、第１測温部に対向する部分と周部以外の部分が凹んだ形状を有する部材となっている。

そして、内部温度センサ２０ｂの第２測温部保温構造３６とヒートシンク５５とは、熱伝導性の良い材料（例えば、アルミニウム）製の高熱伝導性部材３７によって接続される。

要するに、この第２実施形態に係る内部温度センサ２０ｂは、第１測温部の温度が外気温と一致するように、且つ、第２測温部が保温されるように（第２測温部からの上方への放熱量が過度に大きくならないように）、内部温度センサ２０を変形／改良したものとなっている。

従って、内部温度センサ２０ｂを用いておけば、内部温度センサ２０を用いた場合よりも、測定対象物の内部温度を高精度に測定できることになる。

《第３実施形態》
以下、図１１を用いて、本発明の第３実施形態に係る内部温度センサ２０ｃの構成を、上記した内部温度センサ２０、２０ｂと異なる部分を中心に説明する。

図１１に示してあるように、本実施形態に係る内部温度センサ２０ｃのセンサ基板２２上には、熱流束センサ３０ｃと、ＡＳＩＣ４０ｃとが配設されている。

ＡＳＩＣ４０ｃは、上記したＡＳＩＣ４０から温度センサ４１（温度センサ４１として機能するダイオード及び抵抗）を取り除いたものに相当する集積回路である。熱流束センサ３０ｃは、図１２に模式的に示してあるように、温度センサ４１（ＡＳＩＣ４０から取り除いたダイオード等）が形成された薄膜部３１ｃを有するセンサである。要するに、熱流束センサ３０ｃは、第２測温部の温度を直接測定できるように、熱流束センサ３０を改良したものとなっている。尚、詳細説明は省略するが、温度センサ４１により測定される温度が第２測温部の温度であっても、上記した（８）式又は（９）式により内部温度Ｔｂを算出することが出来る。従って、この内部温度センサ２０ｃには、内部温度センサ２０と同様に、温度差ΔＴと温度Ｔｒとから、予め設定されているｋ値を用いて（８）式により内部温度Ｔｂを算出する演算回路２３、内部温度測定処理（図８）を実行できる演算回路２３等を搭載しておくことが出来る。

また、図１１と図１０とを比較すれば明らかなように、内部温度センサ２０ｃが備えるハウジング５０ｃは、ハウジング５０ｂのヒートシンク５５を、比較的に大面積の放熱板５６に変えたものとなっている。さらに、内部温度センサ２０ｃは、高熱伝導性部材３７を、熱伝導性の良い軟質素材５８（例えば、伝熱性シリコーンゴムやシリコーングリース）によって、熱流束センサ３０ｃの薄膜部３１の第１測温部（図２参照）に接続した構成を有している。

以上、説明したように、本実施形態に係る内部温度センサ２０ｃが備える熱流束センサ３０ｃも、熱容量が小さいが故に、各部の温度が短時間で安定するものであると共に、サ
ーモパイル３２により温度差を測定するものであるが故に、温度差の測定精度が高いものとなっている。

従って、本実施形態に係る内部温度センサ２０ｃを用いておいても、測定対象物の内部温度を、応答性良く、正確に測定できることになる。

《変形形態》
上記した各実施形態に係る内部温度センサ（２０、２０ｂ、２０ｃ）は、各種の変形を行うことが出来るものである。例えば、内部温度センサ２０ｃ（図１１）を、放熱板５６の代わりにヒートシンク５５を備えたセンサに変形することが出来る。また、内部温度センサ２０、２０ｂを、熱流束センサ３０及びＡＳＩＣ４０ではなく、熱流束センサ３０ｃ及びＡＳＩＣ４０ｃを備えたセンサに変形することが出来る。

また、図１３Ａに模式的に示してあるように、主基板２１として、熱流束センサ３０及びＡＳＩＣ４０を搭載する部分を薄くしたものを採用することも出来る。さらに、主基板２１の平均的な熱抵抗を下げるために、図１３Ｂに模式的に示したように、主基板２１に複数のスルーホールを形成し、形成した各スルーホール内に金属２９を充填しておくことも出来る。

また、Ａｌ層等の赤外線反射層を反射面を上側にして薄膜部内、第１、第２測温部上に形成しておくことも出来る。ただし、赤外線反射層により熱が伝導し、薄膜部３１の第１測温部と第２測温部の温度差が少なくなってしまったのでは、センサとしての性能が悪くなってしまう。そのため、赤外線反射層は、熱電導率が低い材料により形成しておくことが好ましい。また、比較的に熱電導率が高い材料で赤外線反射層を形成する場合には、図１４に模式的に示したように、第２測温部側と中央部（第１測温部）側とに分けた形で赤外線反射層を形成しておくことが望ましい。また、第２測温部の赤外線反射膜は下側にも反射面を設けると保温効果により、高精度化が期待できる。尚、図１４に示したような構造を採用しておけば、薄膜部３１の上面に向けて外部から照射された赤外線を反射して当該赤外線による薄膜部３１の加熱を防止することが出来る。従って、当該構造は、内部温度センサ２０を、ハウジング５０を備えないセンサとして実現する場合に、特に有効な構造であるということが出来る。

各実施形態に係る内部温度センサを、演算回路２３を備えていないセンサ（ＡＳＩＣ４０、４０ｃの出力をそのまま出力するセンサ）や、熱流束センサ３０、３０ｃ、温度センサ４１の出力そのまま出力するセンサに変形することも出来る。ただし、熱流束センサ３０、３０ｃ、温度センサ４１の出力そのまま出力すると、ノイズの影響を受けやすくなる。そのため、内部温度センサには、各センサの出力を増幅する増幅器を搭載しておくことが好ましい。

演算回路２３を、各センサによる時系列的な温度差、温度の測定結果に基づき、熱伝導方程式を解くことにより、測定対象物の内部温度を算出する回路に変形することも出来る。

また、内部温度センサ２０の各部のサイズは、適宜変更することが出来る。例えば、図１に示した内部温度センサ２０は、断熱材５２、天板５３が比較的に薄いものとなっている。ただし、断熱材５２や天板５３の厚さは特に限定されないので、例えば、図１５に示したように、断熱材５２として厚い発泡ウレタンを用い、天板５３として厚い導電フォーム上に赤外線反射板としてのアルミ箔を貼り付けたものを用いることも出来る。

熱流束センサ３０の薄膜部３１下に、熱伝導性の悪い物質を挿入（充填）しておくこと
も出来る。さらに、ハウジング５０内に空気以外の気体を封入しておくことも、ハウジング５０内を真空にしておくことも出来る。

２０，２０ｂ，２０ｃ 内部温度センサ
２１ 主基板
２２ センサ基板
２３ 演算回路
２４ ターミナル
２９ 金属
３０，３０ｃ 熱流束センサ
３１，３１ｃ 薄膜部
３２ サーモパイル
３５ 支持部
３６ 第２測温部保温構造
３７ 高熱伝導性部材
４０，４０ｃ ＡＳＩＣ
４１ 温度センサ
５０，５０ｂ，５０ｃ ハウジング
５１ 側壁部
５２ 断熱材
５３ 天板
５４ 赤外線吸収体
５５ ヒートシンク
５６ 放熱板
５８ 軟質素材

Claims (9)

1. 測定対象物の内部温度の測定時に、その一方の面を前記測定対象物の表面に接触させる基材と、
   前記基材の他方の面上に設けられた、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）プロセスにより製造された熱流束センサであって、第１測温部及び第２測温部を有し、前記第１測温部と前記第２測温部との間の温度差を検出するサーモパイルが形成されている薄膜部を含み、前記基材を介して流入する前記測定対象物からの熱を前記第２測温部に伝導する熱伝導性部材により、前記第１測温部と前記基材との間に空間が存在し、且つ、前記基材に対して平行となるように、前記薄膜部が支持された熱流束センサと、
   前記基材の前記熱伝導性部材と接触している部分の温度又は前記薄膜部の前記第２測温部の温度を測定するための温度センサと、
   を備え、
   前記熱流束センサの前記薄膜部は、前記第１測温部からの放熱を促すための放熱促進構造を含む
   ことを特徴とする内部温度センサ。
2. 測定対象物の内部温度の測定時に、その一方の面を前記測定対象物の表面に接触させる基材と、
   前記基材の他方の面上に設けられた、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）プロセスにより製造された熱流束センサであって、第１測温部及び第２測温部を有し、前記第１測温部と前記第２測温部との間の温度差を検出するサーモパイルが形成されている薄膜部を含み、前記基材を介して流入する前記測定対象物からの熱を前記第２測温部に伝導する熱伝導性部材により、前記第１測温部と前記基材との間に空間が存在し、且つ、前記基材に対して平行となるように、前記薄膜部が支持された熱流束センサと、
   前記基材の前記熱伝導性部材と接触している部分の温度又は前記薄膜部の前記第２測温部の温度を測定するための温度センサと、
   を備え、
   前記熱流束センサの前記薄膜部は、前記薄膜部の前記基材と対向しない側の面に向けて照射された赤外線を反射して当該赤外線による前記薄膜部の加熱を防止する赤外線反射構造を含む
   ことを特徴とする内部温度センサ。
3. 測定対象物の内部温度の測定時に、その一方の面を前記測定対象物の表面に接触させる基材と、
   前記基材の他方の面上に設けられた、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）プロセスにより製造された熱流束センサであって、第１測温部及び第２測温部を有し、前記第１測温部と前記第２測温部との間の温度差を検出するサーモパイルが形成されている薄膜部を含み、前記基材を介して流入する前記測定対象物からの熱を前記第２測温部に伝導する熱伝導性部材により、前記第１測温部と前記基材との間に空間が存在し、且つ、前記基材に対して平行となるように、前記薄膜部が支持された熱流束センサと、
   前記基材の前記熱伝導性部材と接触している部分の温度又は前記薄膜部の前記第２測温部の温度を測定するための温度センサと、
   前記熱流束センサと前記温度センサとを覆うハウジングと、
   を、備え
   前記ハウジングの内面に赤外線吸収体が配置されている、
   ことを特徴とする内部温度センサ。
4. 前記ハウジングの外面は赤外線及び電磁波を反射する
   ことを特徴とする請求項３に記載の内部温度センサ。
5. 測定対象物の内部温度の測定時に、その一方の面を前記測定対象物の表面に接触させる基材と、
   前記基材の他方の面上に設けられた、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）プロセスにより製造された熱流束センサであって、第１測温部及び第２測温部を有し、前記第１測温部と前記第２測温部との間の温度差を検出するサーモパイルが形成されている薄膜部を含み、前記基材を介して流入する前記測定対象物からの熱を前記第２測温部に伝導する熱伝導性部材により、前記第１測温部と前記基材との間に空間が存在し、且つ、前記基材に対して平行となるように、前記薄膜部が支持された熱流束センサと、
   前記基材の前記熱伝導性部材と接触している部分の温度又は前記薄膜部の前記第２測温部の温度を測定するための温度センサと、
   前記熱流束センサと前記温度センサとを覆うハウジングと、
   を備え、
   前記ハウジングは、前記熱流束センサ及び前記温度センサを囲む側壁部と、前記側壁部の開口部側の端面に設けられた断熱材と、前記断熱材を介して前記側壁部に対して取り付けられた、前記側壁部の開口部を覆う天板とを含む
   ことを特徴とする内部温度センサ。
6. 前記天板が、ヒートシンク又は放熱板であることを特徴とする請求項５に記載の内部温度センサ。
7. 前記薄膜部の前記第１測温部からの熱を前記天板に伝達するための部材をさらに備える
   ことを特徴とする請求項５又は６に記載の内部温度センサ。
8. 前記熱流束センサの出力と前記温度センサの出力とを増幅する増幅器をさらに備える
   ことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の内部温度センサ。
9. 前記増幅器により増幅された前記熱流束センサの出力と前記温度センサの出力とに基づき、前記測定対象物の内部温度を算出する演算部をさらに備える
   ことを特徴とする請求項８に記載の内部温度センサ。