JP2006258520A - 電子体温計用プローブ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明を解決する課題は、短時間で正確に表面および深部体温を測定できる電子体温計用プローブを提供する。
【解決手段】筒状ハウジングの先端部に嵌合した有底金属パイプ内壁面に、２つの薄膜感熱素子が形成された基板を垂直に配置し、前記基板の一側面が前記内壁面に接触するように固定し、前記２つの薄膜感熱素子間の熱流束を測定し、その測定値から熱伝導方程式を用いて人体表面及び内部の温度を熱平衡を待つことなく早く正確に予測する。
【選択図】 図３

Description

本発明は被測定物体、特に人体の表面から深部まで任意の場所の温度を熱流測定によって予測するための電子体温計プローブ先端部に配置する薄膜サーミスタからなる温度センサの構造に関するものである。

従来の体温測定を含む温度測定法は、熱伝導、熱対流、熱放射によるもので、温度センサが被測定物体と熱平衡になることが必要であった。このために被測定物体の熱伝導性が悪い場合には、熱平衡に至るまでに相当の時間がかかり、測定時間を短縮しようとすれば測定精度が犠牲になってしまう欠点があった。

人体の体表面温度は、人体表面からの熱放散があるために深部温度よりも低い温度であるが、熱放散を完全に防ぐことができれば表面温度と等しくなると考えられる。そこで上記のような欠点を解消し、人体表面に接触させることで深部温度を測定できる体温計が開発された。

特表２００１−５２２４６６号公報には熱流測定による方法が提案されている。図５には、このような配列されたセンサが挿入されたプローブの先端部分の概略断面図が示されており、第１温度センサ１０、第２温度センサ１１がフレキシブル・プリント基板上にフォトエッチングして形成され、前記基板が断熱部材１２として前記第１温度センサ１０と第２温度センサ１１間に配置されている。このように形成された２つのセンサを巻回または折り畳んでプローブ内に挿入し第１温度センサ１０を金属ケース１３の内壁面に熱的に接触させる。図に示された装置において、プローブの金属ケース先端部を人体表面に接触させたときに、断熱部材を介した第１温度センサ１０と第２温度センサ１１の温度測定値から、熱伝導方程式を用いて体深部の温度を算出するものである。即ち、熱伝導方程式によって、人体と第１温度センサ間、及び第１温度センサと第２温度センサ間で測定される熱流によって人体深部の温度を計算するもので、熱流測定は熱平衡を待つ必要がないために人体の正確な温度を速やかに測定できる特徴があるというものである。
特表２００１−５２２４６６号公報

このような従来の熱流測定法によるプローブ先端部の構造は、図５に示されるように、断熱部材を介して第１温度センサ１０及び第２温度センサ１１を平行に配列したフレキシブル基板の第１温度センサ１０がプローブの金属ケース１３内壁面に熱的に接触するように、巻回または折り畳んでプローブ内に挿入しなければならず、体温計プローブのような形状が小さくプローブ内部の狭い部分への引出線の引き回しや、金属ケース内への前記基板を巻回して配置固定する作業は非常に難しく、組み立て作業中に引出線を断線させてしまうなど作業効率が悪く不良品が多くなる欠点があった。

また、フレキシブル基板上に形成した第１温度センサ及び第２温度センサを、図５に示すように巻回または折り畳んで金属ケース内に挿入して使用することは、各センサに応力がかかるために、電気的性能における長期的な信頼性に劣る欠点がある。

本発明の電子体温計用プローブは、（ａ）人体と第１温度センサ間、（ｂ）第１温度センサと第２温度センサ間の熱流束測定によって体表面から体深部までの任意の場所の温度を計算するものである。以下に、熱伝導方程式による体深部の温度予測アルゴリズムについて説明する。熱源を含まない一次元熱伝導方程式は下記（１）式で表すことができる。

式（１）において、熱流の入口Ｘ（ｉｎ）と出口Ｘ（ｏｕｔ）における熱流束の差は第１温度センサと第２温度センサ間のギャップをΔｘとすると（２）式になる。

ここで、一次元の熱流束ｑは（３）式となる。

差分法を用いると（２）式は次のように書き表せる。

Ｘ（ｉｎ）とＸ（ｏｕｔ）に一定距離Δｘ離して配置された第１温度センサと第２温度センサにおいて、第１温度センサが物体に熱的接触することによる熱流の移動による温度変化は近似的に（５）式ように表せる。

ここで、Ｔ（Ｂ）は物体の温度、Ｔ（ｓ１）、Ｔ（ｓ２）はそれぞれ第１温度センサ及び第２温度センサの温度、ａ（ｉｎ）及びａ（ｏｕｔ）は上式からそれぞれ以下のように表せる。

上式から［Ｘ（ｉｎ）＋Ｘ（ｏｕｔ）］／２の位置における温度上昇は、物体から入る熱ａ（ｉｎ）×［Ｔ（Ｂ）−Ｔ（ｓ１）］からプローブから出る熱ａ（ｏｕｔ）×［Ｔ（ｓ１）−Ｔ（ｓ２）］を差し引いたものとして定義できる。本発明の電子体温計用プローブは、熱平衡を待たずに熱流束に相当する測定温度によって、未知のＴ（Ｂ）、ａ（ｉｎ）及びａ（ｏｕｔ）を上式から求めるものである。

本発明は、上記した課題を解決するためになされたものであり、請求項１の発明は、筒状ハウジング先端部に嵌合された有底金属パイプ内に温度センサを挿入固定した熱流束測定によって体温を予測できる電子体温計用プローブにおいて、前記温度センサが一枚の基板上に形成された２つの薄膜感熱素子からなり、前記２つの薄膜感熱素子が載置された基板を前記有底金属パイプの内壁面に垂直に配置し、前記基板の一側面部分が前記内壁面に接触するように固定することによって、前記有底金属パイプの内壁面と前記２つの薄膜感熱素子が載置された基板間が熱的に結合されるように構成したことを特徴とする電子体温計用プローブである。

また、請求項２の発明は、前記温度センサが、ランドと引出端子部が形成された配線パターンを有する細長いプリント配線板と、前記プリント配線板一端のランド部分に電気的に接続した前記２つの薄膜感熱素子とから構成されたことを特徴とする請求項１に記載の電子体温計用プローブである。

また、請求項３の発明は、前記２つの薄膜感熱素子が、一枚の基板上にそれぞれ独立して並べて形成されたことを特徴とする請求項１、２に記載の電子体温計用プローブである。

また、請求項４の発明は、前記基板の一側面部分が前記有底金属パイプの内壁面に樹脂または接着剤で固定されたことを特徴とする請求項１、２、３に記載の電子体温計用プローブである。

本発明の電子体温計用プローブは、筒状ハウジング先端部に嵌合された有底金属パイプ内に挿入された２つの薄膜感熱素子が載置された一枚の基板を前記有底金属パイプの内壁面に垂直に配置し、前記基板の一側面部分が前記内壁面に接触するように固定することによって、前記有底金属パイプの内壁面と前記２つの薄膜感熱素子が載置された基板間が熱的に結合されるように構成することで、金属パイプ内壁面に接触した前記基板の一側面から入った熱流が基板内を伝達するときに、前記基板表面に形成された２つの薄膜感熱素子間に温度差が生じる。この２つの薄膜感熱素子で測定された測定値を熱伝導方程式にあてはめ、体深部の温度を予測できるし、体表面の温度も熱平衡を待つことなく従来の体温計よりも早く予測することが可能である。

また、本発明の電子体温計用プローブに使用する温度センサとして、配線パターンが形成された細長いプリント配線板の一端上に、一枚の基板上に形成された２つの薄膜感熱素子を配置固定し、前記２つの薄膜感熱素子の出力を配線パターンを通して前記プリント配線板の他端に形成された出力端子部から取り出すように構成することによって、有底金属パイプが嵌合された筒状ハウジング内に前記薄膜感熱素子をマウントしたプリント配線板を簡単に挿入できると共に、前記プリント配線板の挿入によって有底金属パイプ内壁面に前記基板の一側面部分を垂直に配置させ、そして前記内壁面に接触固定させることが容易となり、さらに前記プリント配線板は有底金属パイプ及び筒状ハウジングの断面形状に合わせてあるので、従来に比べ作業が簡単となり量産性に優れている。

また、一枚の基板の一表面上に２つの薄膜感熱素子がそれぞれ独立して並べて形成されたセンサチップを使用することによって、前記基板の一端面で受熱した熱流が基板内および基板と２つの薄膜感熱素子を構成する感熱膜間へスムースに伝達されるために、熱応答性のばらつきが小さくて精度の高い温度検知ができる。

また、前記第一の薄膜感熱素子が形成されている基板の側面が、体温計プローブの有底金属パイプの内壁面に接触するように挿入することで、有底金属パイプからの熱流を薄膜感熱素子に正確に伝達することができる。

さらに、前記２つの薄膜感熱素子が形成された基板の一側面部分を前記有底金属パイプの内壁面に樹脂または接着剤で固着することにより、体温計プローブを使用するときの振動や衝撃によって、有底金属パイプの内壁面と２つの薄膜感熱素子を構成する基板との熱的な接触不良が生じにくくなり、正確な温度計測ができる。

以下に本発明に係る電子体温計用プローブの実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は本発明の電子体温計用プローブに使用するプリント配線板の形状構造を示す。１はポリイミド樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリエステル樹脂等からなるフィルム状の基板で、基板表面には導体箔からなる配線パターン２が形成されている。配線パターン２の一端には、薄膜感熱素子の電極部と電気的に接続するためのランド３が形成され、前記ランド３から前記プリント配線板１の配線パターン２の他端側に薄膜感熱素子５の出力を取り出し、後段の電子回路に接続される出力端子４が形成されている。前記プリント配線板１は、前記ランド３部分と前記出力端子４部分を残して、必要に応じて配線パターン部分を絶縁被覆するための図示しないカバーコートを施しても良い。図の点線で示した部分は薄膜感熱素子５が載置固定され、各ランド３と前記薄膜感熱素子５の電極部６と導電性接着剤またはハンダで電気的接続がなされる。薄膜感熱素子５は、一側面部分が後述する有底金属パイプ８の内壁面に接触できるようにプリント配線板１から若干はみ出すようにセットすると良い。尚、プリント配線板は、開示したいわゆるフレキシブルプリント配線板に限らず、１０〜２００μｍの厚みのガラス布基材エポキシ樹脂、ガラス布基材ポリイミド樹脂、ガラス・ガラス不織布複合基材エポキシ樹脂等で形成された配線板や多層プリント配線板、アルミナ、ジルコニア等で形成されたセラミックス配線板等を用いても良い。

図２は本発明に使用される２つの薄膜感熱素子５が形成されたセンサチップの一例を示す斜視図である。前記薄膜感熱素子５は第１温度センサ５１ａおよび第２温度センサ５２ａからなる。そして前記薄膜感熱素子５は、アルミナ、ジルコニア、石英、ムライト、ステアタイト、シリコンなどの一枚の基板７上の一主表面に、白金、クロム、金等の単層または多層薄膜からなる電極部６がパターン形成される。電極部６間にはスパッタ法あるいはＣＶＤ法を用いて厚さが０．１μｍ〜１μｍ程度の図示しない絶縁被膜がパターン形成される。この絶縁膜は基板７と後述する感熱膜を構成する材料組成の一部が熱拡散することを防止するもので、使用する材料組成によっては必ずしも必要ではない。この絶縁被膜上に、ＳｉＣ、マンガン、コバルト、ニッケル等の遷移金属酸化物からなる感熱膜５１、５２をスパッタリング等の公知の薄膜形成技術によってパターン形成する。感熱膜５１、５２が形成された後、必要に応じて感熱膜５１、５２を保護するためのパッシベーション膜として、例えば、酸化珪素、窒化シリコン膜、またはオキシナイトライドシリコン膜等の図示しない保護絶縁膜を形成してもよい。このように形成されたサーミスタ薄膜からなる感熱膜５１、５２から構成された第１温度センサ５１ａおよび第２温度センサ５２ａの間は一定距離離して両者間に熱勾配を生じさせるようにすることが好ましい。電極部６と感熱膜５１、５２の薄膜の構成は上記に限定されるものではなく、例えば、基板上にまず感熱膜、さらにその上に電極部を形成した構造、あるいは基板上に感熱膜−電極部−感熱膜のように電極部が感熱膜によって挟まれた積層構造、一対の電極部の対向部分をくし歯状に形成する等、目的、用途に応じて最適な構造を選択すればよいことはもちろんである。また、第１温度センサ５１ａおよび第２温度センサ５２ａ間の距離も最適な熱勾配を形成するように設計することができる。

図３は、２つの薄膜感熱素子５が載置固定されたプリント配線板１を有底金属パイプ８内に挿入固定した状態を示す本発明電子体温計用プローブの先端部分の部分拡大図である。９は、体温計用プローブの筒状ハウジングである。有底金属パイプ８は前記筒状ハウジング９の先端部分に嵌合固定されており、前記２つの薄膜感熱素子５が載置されたプリント配線板１の先端部分を前記有底金属パイプ８の底部まで挿入することによって、前記２つの薄膜感熱素子５の第１温度センサ５１ａが形成された基板７の一側面が前記有底金属パイプの内壁面に接触するように構成されている。この場合、前記有底金属パイプ８の内壁面と薄膜感熱素子５の基板の側面部分を樹脂または接着剤で固着することによって、体温計プローブを使用するときの振動や衝撃によって、有底金属パイプの内壁面と２つの薄膜感熱素子を構成する基板との熱的な接触不良を回避できる。

なお、図３はプリント配線板上に薄膜感熱素子を載置した温度センサを用いて構成された電子体温計用プローブについて述べたが、プリント配線板を用いないで薄膜感熱素子５の一側面を有底金属パイプ８の内壁面に直接接着剤または樹脂で固定し、前記薄膜感熱素子５の第１温度センサ５１ａ及び第２温度センサ５２ａのそれぞれの電極部６から引出線を取り出した構造としても良いことはもちろんである。

図４（ａ）、（ｂ）は、熱流束による測定原理を模式的に示したものである。図３に示すプローブの有底金属パイプ先端部を人体表面に接触させたときに、図４において金属パイプの内壁面を通して、前記内壁面に接触している基板７の側面から基板内を通って熱流が伝達される。この熱流によって、２つの薄膜感熱素子のひとつで金属パイプに接近して形成された第１温度センサ５１ａの温度が上昇し、さらに金属パイプから遠く離れた第２温度センサの温度も基板内を伝達された熱流によって上昇する。このときの第１温度センサと第２温度センサの温度測定値の関係は図４（ｂ）のようになる。熱流測定では、このときの第１温度センサと第２温度センサの温度測定値とその変化量を測定することで、物質内を移動する熱量の流れと物質の温度変化の関係を表す熱伝導方程式によって体深部の温度を算出することができる。もちろん、予測アルゴリズムを変更することによって体深部だけでなく、体表面を含む任意の場所の温度を予測することができる。熱流束測定は熱平衡を待つ必要がなく短時間で人体の正確な温度を従来よりも早く測定できる特徴がある。

上述した例は、体温計用温度センサに適用するための実施例を示したが、これらに限定されるものではなく、一般的な温度検知として用いる測温用温度センサとして利用することができる。

本発明プローブに使用するプリント配線板の平面図。 本発明プローブの温度センサに用いる薄膜感熱素子の一例を示す斜視図。 本発明プローブの先端部分の要部拡大断面図。 熱流の測定原理を説明するための模式図。 従来の熱流測定法によるプローブ先端部の断面図。

符号の説明

１ プリント配線板
２ 配線パターン
３ ランド
４ 出力端子
５ 薄膜感熱素子
５１、５２ 感熱膜
５１ａ 第１温度センサ
５２ａ 第２温度センサ
６ 電極部
７ 基板
８ 有底金属パイプ
９ 筒状ハウジング

Claims (4)

1. 筒状ハウジング先端部に嵌合された有底金属パイプ内に温度センサを挿入固定した熱流束測定によって体温を予測する電子体温計用プローブにおいて、前記温度センサが基板上に形成された２つの薄膜感熱素子からなり、前記２つの薄膜感熱素子が載置された基板を前記有底金属パイプの内壁面に垂直に配置し、前記基板の一側面部分が前記内壁面に接触するように固定することによって、前記有底金属パイプの内壁面と前記２つの薄膜感熱素子が載置された基板間が熱的に結合されるように構成したことを特徴とする電子体温計用プローブ。
2. 前記温度センサが、ランドと引出端子部が形成された配線パターンを有する細長いプリント配線板と、前記プリント配線板一端のランド部分に電気的に接続した前記２つの薄膜感熱素子とから構成されたことを特徴とする請求項１に記載の電子体温計用プローブ。
3. 前記２つの薄膜感熱素子が、一枚の基板上にそれぞれ独立して並べて形成されたことを特徴とする請求項１、２に記載の電子体温計用プローブ。
4. 前記基板の一側面部分が前記有底金属パイプの内壁面に樹脂または接着剤で固定されたことを特徴とする請求項１、２、３に記載の電子体温計用プローブ。
   

Images