JP7204396B2

JP7204396B2 - 温度閾値センサ、温度閾値検知装置及び温度閾値検知システム

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Publication number: JP7204396B2
Application number: JP2018176332A
Authority: JP
Inventors: 智仁川嶋
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2018-09-20
Filing date: 2018-09-20
Publication date: 2023-01-16
Anticipated expiration: 2038-09-20
Also published as: JP2020046354A

Description

本発明は温度閾値センサ、温度閾値検知装置及び温度閾値検知システムに関する。

近年、簡易な構造の温度閾値センサ、温度閾値検知装置及び温度閾値検知システムが求められている。

特開2008-164587号公報

本発明の本実施形態は、簡易な構造の温度閾値センサ、温度閾値検知装置及び温度閾値検知システムを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本実施形態の温度閾値センサでは、共振回路と、共振回路の表面を覆う第１の被覆部材と、共振回路の裏面を覆う第２の被覆部材と、共振回路に接する固体有機材料と、誘電体材料を有する。誘電体材料は第１、及び第２の被覆部材の狭間に位置し、誘電体材料は固体有機材料と接し、誘電体材料は前記固体有機材料における、共振回路と接している面と異なる面で前記固体有機材料と接する。
また、上記の課題を解決するために、本実施形態の温度閾値センサはでは、共振回路と、共振回路の表面を覆う第１の被覆部材と、共振回路の裏面を覆う第２の被覆部材と、共振回路に接する固体有機材料と、第１、及び第２、及び第３の分離器を有する。第１、及び第２、及び第３の分離器は第１、及び第２の被覆部材の狭間に位置し、第１の分離器は共振回路と固体有機材料の間に位置し、第２の分離器は固体有機材料と誘電体材料の間に位置し、第１、及び第２の分離器は取り外せる構造を有し、第３の分離器は誘電体材料と接する。

本実施形態に係る温度閾値センサの断面図である。本実施形態に係る温度閾値センサの平面図である。本実施形態に係る共振回路の平面図である。本実施形態に係る共振回路の平面図である。本実施形態に係る共振回路の平面図である。本実施形態に係る温度閾値センサの断面図の別の例である。本実施形態に係る温度閾値センサの平面図の別の例である。本実施形態に係る温度閾値センサの断面図の別の例である。本実施形態に係る温度閾値センサの平面図の別の例である。本実施形態に係る温度閾値センサの周波数と信号強度の特性図である。本実施形態に係る温度閾値検知装置の構成を示すブロック図である。本実施形態に係る温度閾値検知システムの構成を示すブロック図である。

以下、発明を実施するための本実施形態について説明する。

以下、図面を参照しつつ、実施の形態について例示をする。なお、各図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさや比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。

なお、本願明細書と図面において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

（第１の実施形態）図１ａ、１ｂは、本実施形態に係る温度閾値センサ１０の断面図、平面図である。図１ａは、図１ｂの破線Ａにおける断面図である。図１ａ、１ｂに示すように、温度閾値センサ１０は、共振回路１１、共振回路１１の表面を覆う第１の被覆部材１２ａと、共振回路１１の裏面を覆う第２の被覆部材１２ｂ、固体有機材料１３、誘電体材料１４を有する。

図２ａ、２ｂ、２ｃは本実施形態に係る共振回路２１の平面図である。図２ａ、２ｂ、２ｃに示すように、共振回路２１は、正方形または長方形の薄い金属板に貫通した溝を掘ったもの、もしくはプリンターで紙やプラスチック、フィルムなどに回路を印刷したものである。上記どちらの場合も、共振回路２１の材料としては、例えば、CuやAl、Feといった導電性を有する金属を用いることができる。特に、導電性が高いCu、または加工しやすいAlが好ましい。

共振回路１１が電磁波を受信すると、共振回路１１は少なくとも反射または共振のいずれかを起こす。共振回路１１の挙動は受信した電磁波の周波数に依存する。

共振回路１１に対し、あらかじめ設定した範囲の周波数の電磁波を受信し電磁波の周波数に対する信号強度が極小となる場合、この周波数を共振周波数と定義する。共振回路１１に用いられる金属板は、形状が変化するだけでなく別の物質に接しても共振周波数は変化する。

共振回路１１は、第１、及び第２の被覆部材１２ａ、１２ｂの狭間に位置する。固体有機材料１３は、共振回路１１と接し、誘電体材料１４は、固体有機材料１３に隣接して設けられる。固体有機材料１３が融解した場合、固体有機材料１３と、固体有機材料１３に隣接する誘電体材料１４とが混合し、誘電体材料１４が共振回路１１に接する。

第１、及び第２の被覆部材１２ａ、１２ｂのうち少なくとも片方は、薄い板状の物質であり、材料としては、例えば、ポリエチレンテレフタラート（PET）や、ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）、ガラス、エポキシ樹脂、雲母、石英、セロファン、ゴムといった常温常圧において比誘電率が10以下の物質を用いることができる。

本実施形態では、共振回路１１に別の物質が接する場合、共振周波数が変化する。誘電体材料１４が共振回路１１に接することで、共振回路１１の共振周波数が変化し、固体有機材料１３が融解したことを検知できる。

電磁波を遮蔽するような物質を第１、及び第２の被覆部材１２ａ、１２ｂとして用いた場合、共振周波数が正しく検知できない恐れがある。そのため、第１、及び第２の被覆部材１２ａ、１２ｂは薄い板状の物質であり、材料としては、常温常圧において比誘電率が10以下の物質を用いることが好ましい。

固体有機材料１３は、共振回路１１と接し、誘電体材料１４は、固体有機材料１３に隣接して設けられる。固体有機材料１３の材料としては、例えば、ペンタデカン，ヘキサデカン，1-ヘプタデカンなどの脂肪族炭化水素、ミリスチン酸エチル，ミリスチン酸ブチル，カプロン酸メチル，カプリン酸メチル，ラウリン酸エチルなどのエステル類といった、常温常圧において液体または固体である物質を用いることができる。（特に、融点が定まるよう固体有機材料１３は不純物のない純物質が好ましい。）

固体有機材料１３が融解した場合、共振回路１１に誘電体材料１４が接し、共振回路１１の共振周波数が変化する。融点は物質固有の値であり、温度閾値センサ１０の温度が固体有機材料１３の融点超えると融解する。固体有機材料１３は、融点の異なる別の物質を代わりに用いることで、異なる温度の温度閾値センサ１０として使用することができる。

誘電体材料１４は、固体有機材料１３に隣接して設けられる。誘電体材料１４の材料としては、例えば、水やエタノールといった、常温常圧において液体または固体であり、常温常圧において比誘電率が10以上の物質を用いることができる。特に、常温常圧において比誘電率が20以上の物質を用いることが好ましい。

一般に物質の共振周波数は、材質及び形状が大きく影響する。共振回路１１に用いられる金属板は、形状が変化するだけでなく別の物質に接しても共振周波数は変化する。なお誘電体と接触する場合、その接触する物質の比誘電率が高いほど共振回路１１の共振周波数は大きく変化し、比誘電率が高い代表的な物質としては水やエタノールなどが挙げられる。

共振回路１１及び誘電体材料１４に接する固体有機材料１３は、融点に達すると融解する。あらかじめ誘電体材料１４に（乳化剤などの）界面活性剤を混合しておくことで、固体有機材料１３が融解した場合、固体有機材料１３と誘電体材料１４が混合しやすくなる。固体有機材料１３の融解及び、固体有機材料１３と誘電体材料１４の混合によって、誘電体材料１４が共振回路１１に接することになる。

図６は本実施形態に係る温度閾値検知装置１００の構成を示すブロック図である。図６に示すように、温度閾値検知装置１００は、送信部１０１、制御部１０２、受信部１０３、検知部１０４、判断部１０５を有する。

送信部１０１は、ある範囲の周波数の電磁波を送信する。この場合、一定時間ごとに電磁波を送信するよう制御部１０２が送信部１０１に指示をする。この電磁波を送信部１０１が送信することで共振回路１１は少なくとも反射または共振のいずれかを起こす。共振回路１１から反射された電磁波を受信部１０３が受信する。受信した電磁波は検知部１０４に伝達され、ある範囲の電磁波の周波数に対する信号強度が極小の値を取る場合、その周波数が共振周波数であると、検知部１０４が検知する。検知した共振周波数が前回の共振周波数と比較してあらかじめ定めたしきい値の範囲を超えて変化した場合に、固体有機材料１３が融解し、共振回路１１に誘電体材料１４が接したことを検知したと判断部１０５が判断する。固体有機材料１３が融解し、共振回路１１に誘電体材料１４が接したことを検知したと制御部１０２に伝達し、温度閾値検知装置１００の使用者に知らせるため、制御部１０２が検知信号を発する。検知信号は、例えば少なくとも光または音または画面表示または振動のいずれかを用いることができる。

図７は本実施形態に係る温度閾値検知システム２００の構成を示すブロック図である。図７に示すように、温度閾値検知システム２００は、温度閾値センサ１０と温度閾値検知装置１００を有する。この温度閾値センサ１０と温度閾値検知装置１００は電磁波を介して交信することができる。この場合、一定時間ごとに電磁波を送信するよう温度閾値検知装置１００の制御部１０２が送信部１０１に指示をする。制御部１０２からの指示に従い、温度閾値検知装置１００の送信部１０１は、電磁波を送信する。共振回路１１は送信されたある範囲の電磁波の周波数に応じて少なくとも反射または共振のいずれかを起こす。反射された電磁波を温度閾値検知装置１００の受信部１０３が受信し、ある範囲の電磁波の周波数に対する信号強度が極小の値を取る場合、検知部１０４がその周波数を共振周波数と検知する。ある範囲とは、例えば、共振周波数となりうる周波数の範囲をあらかじめ測定しておき、共振周波数が含まれる範囲の周波数を指す。検知した共振周波数が前回の共振周波数と比較してあらかじめ定めたしきい値の範囲を超えて変化した場合に、固体有機材料１３が融解し、共振回路１１に誘電体材料１４が接したことを検知したと判断部１０５が判断する。判断部１０５は固体有機材料１３が融解し、共振回路１１に誘電体材料１４が接したことを検知したと制御部１０２に伝達し、制御部１０２は、温度閾値検知装置１００の使用者に知らせるため、制御部１０２が検知信号を発する。検知信号は、例えば少なくとも光または音または画面表示または振動のいずれかを用いることができる。

共振回路１１が電磁波を受信した場合、共振回路１１は少なくとも反射または共振のいずれかを起こす。共振回路１１の挙動は受信した電磁波の周波数に依存する。共振回路１１に対し送信部１０１から周波数の異なる電磁波を送信する。共振回路１１に送信した電磁波が反射し、その反射した電磁波の周波数に対する信号強度を受信部１０３にて受信する。共振回路１１から反射した電磁波の周波数が共振周波数の場合、受信部１０３にて受信する電磁波の周波数に対する信号強度は減少する。共振周波数の電磁波を送信した後も周波数の異なる電磁波を送信し続けると、再び共振回路１１に送信した電磁波の周波数に対する信号強度は増加する。すなわち、共振回路１１に対し送信部１０１から周波数の異なる電磁波を送信した場合、電磁波の周波数に対する信号強度は、その周波数が共振周波数において減少するため、電磁波の周波数に対する信号強度を観測することで共振回路１１の共振周波数を特定することができる。

図５は本実施形態に係る温度閾値センサ１０の周波数と信号強度の特性図である。図５に共振回路１１に送信した電磁波の周波数に対する信号強度の関係を示す。実線は共振回路１１に誘電体材料１４が接してないときの関係、破線は共振回路１１に誘電体材料１４が接しているときの特性を示したものである。どちらの場合も共振周波数において電磁波の周波数に対する信号強度は減少する。共振回路１１に誘電体材料１４が接しているときの共振周波数と、共振回路１１に誘電体材料１４が接してないときの共振周波数は異なっている。従って、共振周波数を観測することによって共振回路１１に誘電体材料１４が接しているかどうかを判断することができる。

本実施形態によれば、共振回路１１を用いて、共振周波数を観測することで共振回路１１に誘電体材料１４が接触の有無を判断することができる。すなわち、温度上昇を検知できる。また温度閾値センサ１０の共振回路１１に外部機器へ通信するための電源等を使用しないことから、簡易な構造の温度閾値センサ１０を提供することができる。

（第２の実施形態）図３ａ、３ｂは本実施形態に係る温度閾値センサ３０の断面図、平面図の別の例である。図３ａは、図３ｂの破線Ｂにおける断面図である。図３ａ、３ｂに示すように、温度閾値センサ３０は、共振回路３１、第１、及び第２の被覆部材３２ａ、３２ｂ、固体有機材料３３、誘電体材料３４、第１、及び第２、及び第３の分離器３５ａ、３５ｂ、３５ｃを有する。共振回路３１、第１、及び第２の被覆部材３２ａ、３２ｂ、固体有機材料３３、誘電体材料３４については、第１の実施形態の共振回路１１、第１、及び第２の被覆部材１２ａ、１２ｂ、固体有機材料１３、誘電体材料１４と同様である。第１の実施形態に係る温度閾値センサ１０と異なる点は、温度閾値センサ３０が第１、及び第２、及び第３の分離器３５ａ、３５ｂ、３５ｃを有することである。

第１、及び第２、及び第３の分離器３５ａ、３５ｂ、３５ｃは、第１、及び第２の被覆部材３２ａ、３２ｂの狭間に位置する。さらに第１の分離器３５ａは、共振回路３１と固体有機材料３３の間に位置し、第２の分離器３５ｂは、固体有機材料３３と誘電体材料３４の間に位置し、第３の分離器３５ｃは、誘電体材料３４と接する。第１、及び第２の分離器３５ａ、３５ｂは共振回路３１から取り外すことができる。第１、及び第２、及び第３の分離器３５ａ、３５ｂ、３５ｃは、材料としては、例えば、ポリエチレンテレフタラート（PET）や、ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）、ガラス、エポキシ樹脂、雲母、石英、セロファン、ゴムといった常温常圧において比誘電率が10以下の物質を用いることができる。

本実施形態では、共振回路３１に別の物質が接する場合、共振周波数が変化する。誘電体材料３４が共振回路３１に接することで、共振回路３１の共振周波数が変化し、固体有機材料３３が融解したことを検知できる。

電磁波を遮蔽するような物質を第１、及び第２、及び第３の分離器３５ａ、３５ｂ、３５ｃとして用いた場合、共振周波数が正しく検知できない恐れがある。そのため、第１、及び第２、及び第３の分離器３５ａ、３５ｂ、３５ｃは、材料としては、常温常圧において比誘電率が10以下の物質を用いることが好ましい。

本実施形態の温度閾値センサ３０は、温度が固体有機材料３３の融点に達することで固体有機材料３３が融解し、温度閾値センサ３０がしきい値を超えた温度上昇を検知したと判断する。

温度閾値センサ３０を使用する場合、使用する環境の温度に合わせて固体有機材料３３を選択するため、常温常圧において液体を用いる場合がある。第１、及び第２、及び第３の分離器３５ａ、３５ｂ、３５ｃを有さない温度閾値センサ３０を使用する場合、常に固体有機材料３３の融点以下を保ち続けながら保存する必要があり、手間と時間がかかる状態は好ましいとはいえない。さらに、使用する前に一度でも固体有機材料３３の融点以上の温度になった場合、固体有機材料３３が融解し共振回路３１と誘電体材料３４が接するため、温度閾値センサ３０として使用することができなくなる。これらを防ぐために、本実施形態では、温度閾値センサ３０を使用する前では、共振回路３１、固体有機材料３３、誘電体材料３４が互いに触れないよう第１、及び第２の分離器３５ａ、３５ｂがこれらの間に位置する。固体有機材料３３が常温常圧において液体を用いる場合においても、第１、及び第２の分離器３５ａ、３５ｂの存在により、常温常圧において液体の固体有機材料３３は共振回路３１及び誘電体材料３４とは接さず、混合しない。すなわち、温度閾値センサ３０を使用する前に固体有機材料３３の融点以下の温度を保ち続けながら保存する必要がなく、使用する直前に固体有機材料３３の融点以下の温度に冷却し、冷却後に第１、及び第２の分離器３５ａ、３５ｂを取り外すことで使用することができる。第１、及び第２の分離器３５ａ、３５ｂを取り外した場合、共振回路３１、固体有機材料３３、誘電体材料３４は、互いに接することが可能となる。固体有機材料３３の融点以下の温度では、共振回路３１と誘電体材料３４の間に存在する固体有機材料３３によって、共振回路３１と誘電体材料３４が互いに接しない。固体有機材料３３の融点以上の温度では固体有機材料３３が融解し、共振回路３１と誘電体材料３４は接することが可能となる。さらにあらかじめ誘電体材料３４に（乳化剤などの）界面活性剤を混合しておくことで、固体有機材料３３が融解した場合、固体有機材料３３と誘電体材料３４が混合しやすくなる。以上により、固体有機材料３３の融解及び、固体有機材料３３と誘電体材料３４の混合によって、誘電体材料３４が共振回路３１に接し、温度閾値センサ３０として使用することができる。

例えば、冷凍食品や医療用医薬品等は、ある一定の温度以下で保存、運搬する必要な場合がある。しかし、なんらかの原因により温度が上昇し上記製品の品質に影響があったとしても、再度冷却された場合途中で温度上昇があった製品と、一定温度以下を保ち続けた製品を外観から判別するのは容易ではない場合がある。

本実施形態の温度閾値センサ３０は、固体有機材料３３が融解すると、誘電体材料３４と混合し共振回路３１に誘電体材料３４が接するため、再度冷却し固体有機材料３３の融点を下回っても共振回路３１の共振周波数は変化前の値には戻らない。そのため、温度閾値センサ３０の共振周波数を観測することで、しきい値を超えた温度上昇があったかどうかを容易に判断することができる。

さらに、本実施形態の温度閾値センサ３０は、第１、及び第２、及び第３の分離器３５ａ、３５ｂ、３５ｃを有することにより、固体有機材料３３が常温常圧において液体の場合においても、保存する環境を選ばずに温度閾値センサ３０を用いることができる。

さらに、本実施形態では、外部機器へ通信するための電源等が必要ないため、コンパクトな形状にすることが可能であり、様々な製品に対して温度閾値センサ３０を用いて温度の管理をすることができる。

（第３の実施形態）図４ａ、４ｂは本実施形態に係る温度閾値センサ４０の断面図、平面図の別の例である。図４ａは、図４ｂの破線Ｃにおける断面図である。図４ａ、４ｂに示すように、温度閾値センサ４０は、共振回路４１、第１、及び第２の被覆部材４２ａ、４２ｂ、固体有機材料４３、誘電体材料４４、第１、及び第２、及び第３の分離器４５ａ、４５ｂ、４５ｃを有する。共振回路４１、第１、及び第２の被覆部材４２ａ、４２ｂについては、第１の実施形態の共振回路１１、第１、及び第２の被覆部材１２ａ、１２ｂと同様である。第１の実施形態に係る温度閾値センサ１０と異なる点は、温度閾値センサ４０が第１、及び第２、及び第３の分離器４５ａ、４５ｂ、４５ｃを有し、固体有機材料４３、誘電体材料４４が共振回路４１全体を囲っておらず、一部のみに位置していることである。

本実施形態における温度閾値センサ４０において、共振周波数が変化したとき共振回路４１に誘電体材料４４が接していると判断するため、固体有機材料４３に隣接する誘電体材料４４の量が、共振回路４１表面に接するだけの十分な量がなくても、共振回路４１側面に誘電体材料４４が接することができれば温度上昇が検知できるほど十分に共振周波数が変化する。

従って、必ずしも固体有機材料４３、誘電体材料４４が共振回路４１全体を囲っておらず、一部のみに位置していることでよい。

以上のように本発明の本実施形態は、簡易な構造の温度閾値センサ１０、温度閾値検知装置１００及び温度閾値検知システム２００を提供することができる。

なお、本発明は、上述の本実施形態のみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明のいくつかの本実施形態を説明したが、これらの本実施形態は、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。これら新規な本実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら本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。

１１、２１、３１、４１・・・共振回路
１２ａ、２２ａ、３２ａ、４２ａ・・・第１の被覆部材
１２ｂ、２２ｂ、３２ｂ、４２ｂ・・・第２の被覆部材
１３、３３、４３・・・固体有機材料
１４、３４、４４・・・誘電体材料
３５ａ、４５ａ・・・第１の分離器
３５ｂ、４５ｂ・・・第２の分離器
３５ｃ、４５ｃ・・・第３の分離器
１０１・・・送信部
１０２・・・制御部
１０３・・・受信部
１０４・・・検知部
１０５・・・判断部
１０、３０、４０・・・温度閾値センサ
１００・・・温度閾値検知装置
２００・・・温度閾値検知システム

Claims

共振回路と、
前記共振回路の表面を覆う第１の被覆部材と、
前記共振回路の裏面を覆う第２の被覆部材と、
前記共振回路に接する固体有機材料と、
誘電体材料を有し、
前記誘電体材料は、前記第１、及び第２の被覆部材の狭間に位置し、
前記誘電体材料は、前記固体有機材料と接し、
前記誘電体材料は、前記固体有機材料における、前記共振回路と接している面と異なる面で、前記固体有機材料と接する、
温度閾値センサ。
共振回路と、
前記共振回路の表面を覆う第１の被覆部材と、
前記共振回路の裏面を覆う第２の被覆部材と、
前記共振回路に接する固体有機材料と、
第１、及び第２、及び第３の分離器を有し、
前記第１、及び第２、及び第３の分離器は、前記第１、及び第２の被覆部材の狭間に位置し、
さらに前記第１の分離器は、前記共振回路と前記固体有機材料の間に位置し、
前記第２の分離器は、前記固体有機材料と前記誘電体材料の間に位置し、
前記第１、及び第２の分離器は、取り外せる構造を有し、
前記第３の分離器は、前記誘電体材料と接する、
温度閾値センサ。
前記固体有機材料は、常温常圧において液体または固体である
請求項１または２記載の温度閾値センサ。
前記誘電体材料は、常温常圧において比誘電率が２０以上の物質である
請求項１ないし３のいずれか一項に記載の温度閾値センサ。
電磁波を送信する送信部と、
請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の温度閾値センサの共振回路から反射された電磁波を受信する受信部と、
受信した電磁波の周波数に対する信号強度が極小の値を取る周波数を共振周波数とする検知部と、
前記共振周波数があらかじめ定めたしきい値の範囲を超えて変化した場合に、温度が上昇したと判断する判断部と、
を備える温度閾値検知装置。
一定時間ごとに電磁波を送信するよう前記送信部に指示をする制御部を有し、
前記判断部は、受信した電磁波の共振周波数が前回に受信した電磁波の共振周波数と比較して、あらかじめ定めたしきい値より大きく変化した場合に、温度が上昇したと判断し、
温度が上昇したことを前記制御部に伝達する、
請求項５に記載の温度閾値検知装置。
前記判断部が、温度が上昇したと判断した場合に、前記制御部が検知信号を発する請求項６に記載の温度閾値検知装置。
前記検知信号は、光または音または画面表示のいずれかである請求項７に記載の温度閾値検知装置。
請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の温度閾値センサと、
請求項５ないし請求項８のいずれか一項に記載の温度閾値検知装置と、
を有する温度閾値検知システム。