流量センサ
【課題】小型化が可能であって、かつ、十分な応答速度が得られる小型流量センサを提供することにある。
【解決手段】流量センサ３０がカテーテル１１内に組み込まれている。流量センサ３０はフィルム状基板３１上に形成したヒータ３２と、ヒータ３２に電力を供給する配線３４とからなる。また、フィルム基板３１はカテーテル１１の内壁に沿うように配置されている。また、センサ基板上３１に形成したヒータ３２の熱絶縁を図るために、ヒータ３２の外周部に、熱絶縁用の空洞３３が形成されている。
【解決手段】流量センサ３０がカテーテル１１内に組み込まれている。流量センサ３０はフィルム状基板３１上に形成したヒータ３２と、ヒータ３２に電力を供給する配線３４とからなる。また、フィルム基板３１はカテーテル１１の内壁に沿うように配置されている。また、センサ基板上３１に形成したヒータ３２の熱絶縁を図るために、ヒータ３２の外周部に、熱絶縁用の空洞３３が形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体、液体等の媒体が流れる管内の媒体流量を検出することができる流量センサに関するものであって、特に医療用器具（例えば内視鏡等内）に装着することができる流量センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、体内における疾患をその場観察でき、かつ低侵襲で検査及び治療ができる手段として内視鏡がある。例えば、下記特許文献１では内視鏡を気管に挿入することで呼吸器疾患を診断するという手法が述べられている。
また、半導体微細加工技術を応用展開したマイクロマシニング技術を用いることでマイクロポンプおよび流量センサなどの流体機械を小型化及び集積化する技術が開発されている。例えば、下記特許文献２ではマイクロマシニング技術で作製した小型の片持ち梁構造体を流量センサに適用した例が述べられている。また、下記非特許文献１では管内の流量を計測するために、ホトリソグラフィーで形成したホットワイヤー（ヒータ）を基板表面から立ち上げ、これを管内中央部に設置するという手法が述べられている。また、下記特許文献３では、マイクロマシニング技術で作製した小型のダイアフラム型の流量センサ構造が述べられている。また、下記特許文献４では、フレキシブル基板に形成したヒータを管内壁面に実装し、これにより管内の流量を検出するという手法が述べられている。また、下記特許文献３および下記特許文献５には、ダイアフラム構造を用いて熱絶縁を図るという手法が提案されている。
【０００３】
【特許文献１】特開2005-514081号公報
【特許文献２】特開2002-257606号公報
【非特許文献１】Three dimensional silicon triple-hot-wire anemometer based on polyimide joints、Proceeding of The Eleventh annual international conference on Micro Electro Mechanical Systems、（1998、 pp。93-98）
【特許文献３】特開2000-275076号公報
【特許文献４】特開2007-127538号公報
【特許文献５】特開昭62-43522号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来技術（特許文献１：特開2005-514081）では、内視鏡を気管に入れ、それにより呼吸器疾患を診断するという記述はあるが、内視鏡内に挿入する流量センサに関する記述が一切ない。すなわち、内視鏡内に挿入することができるような流量センサの小型化構造およびそれを実現するための手段が一切述べられていない。
特許文献２（特開2002-257606）、非特許文献１、特許文献３（特開2000-275076）は、工業的な配管内を流れる流量を計測する手段に着目した従来技術である。これらの流量センサは何れもマイクロマシニング技術を用いているためにセンサの小型化が可能であり、センサを管中央部に設置することで管内の流量を計測している。例えば、非特許文献１では、単結晶シリコン基板表面から立ち上げたホットワイヤーを管中央部に設置することで管内の流量を計測している。これらの三つの従来技術は、管内の流れを管中央部に設置したセンサで点情報として計測しているために、曲がり管での流量計測が難しい。このため、上記従来法では曲がりくねった経路からなる気管での流量計測に適用することができない。
特許文献４（特開2007-127538）では、フレキシブル基材にヒータを形成し、このフレキシブル基材を管内壁形状に沿うように管内壁に実装するような構造の流量センサが述べられている。本従来技術は、前記三つの従来技術とは異なり、流量を点ではなく線で検出するために、曲がりくねった配管でも流量を計測できるという特徴がある。しかしながら、元来、その用途は前記三つの従来例同様に、工業用途を目指したものであり、これを気道に挿入して用いるには、センサ構造の小型化をいかに図るかという問題がある。また、ヒータを形成したフレキシブル基板を直接配管内壁に実装しているために、ヒータ基板の熱絶縁が十分に考慮されていない。その結果、本従来技術では熱的な応答性が良くなく、一分間に１０〜２０回の往復呼吸をする肺機能評価をすることが難しいという問題もある。
従来から熱型のセンサに対しては、特許文献３（特開2000-275076）及び特許文献５（特開昭62-43522）に示されているように、ダイアフラム構造を用いて熱絶縁を図るという手法が提案されている。しかしながら、従来の熱絶縁ダイアフラム構造は何れも平面上に形成したヒータに対する構造であり、上記の管内の曲率を有する壁面に沿って実装するような流量センサに対してはそのまま適用することはできない。
以上をまとめて一言で述べると、従来法では、曲がり管計測を前提とした流量センサにおいて、センサの小型化が難しく、また、呼吸を計測するために十分な応答速度が得られないという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上記課題を解決するもので、その目的は、小型化が可能であって、かつ、十分な応答速度が得られる流量センサを提供することにある。更には、その流量センサを例えば内視鏡内に装着することができ、かつ、その内視鏡を肺内に入れることで局所的に呼吸器疾患を診断可能とすることを目的とする。
上記目的に達成するために、本発明では、ヒータを形成したフレキシブル基材を、媒体が流れる管の内壁の形状に沿うように管内壁に実装し、その管内壁を囲む前記ヒータから発生する熱量が媒体により分散される状態を検出することで、管内の媒体流量を測定できる流量センサにおいて、前記ヒータと前記管との間に、前記ヒータから前記管方向に伝わる熱の絶縁を図るため、空洞が形成されていることを特徴とする。上記の流量センサにおいては、前記ヒータの抵抗変化を検出することで、管内の流量を検出するのがこのましい。本構成では、フレキシブル基材を管内壁形状に沿うように管内壁に実装しているために、流量を点ではなく線で検出するために、曲がりくねった配管でも流量を計測できるとともに、ヒータと管との間に熱絶縁用の空洞が形成されているために、ヒータ自体の熱容量で熱に対する応答性が決まり、その結果、１００ミリ秒以下の高速応答を実現できるようになる。
また、他の構成では、一つ以上のヒータ及び一つ以上の検出器を形成したフレキシブル基材を、媒体が流れる管の内壁の形状に沿うように管内壁に実装し、その管内壁を囲む前記ヒータから発生する熱量が媒体により分散される状態を熱検出器が検出することで、管内の媒体流量を測定できる流量センサにおいて、前記ヒータと前記管との間に、前記ヒータから前記管方向に伝わる熱の絶縁を図るため、空洞が形成されていることを特徴とする。上記の流量センサにおいては、前記ヒータを通電加熱し、前記検出器の抵抗値変化を検出することで管内の流量を計測する、もしくは二つ以上設けた前記ヒータの差分信号を検出することで管内の流れを計測することがこのましい。この構成も上記の例と同様に、流量を線で検出し、かつ、ヒータ部分の熱絶縁を図っているために、曲り管での流量を１００ミリ秒以下の高速応答で計測できるようになる。また、本構成では、ヒータが一つ以上もしくは検出器が一つ以上形成されているので、ヒータの差分信号もしくは一つ以上設置した検出器の差分信号を検出することで管内での流れの方向も検出できるようになる。
【０００６】
上記記載の流量センサにおいて、前記流量センサを取り囲む管が熱収縮チューブであることがこのましい。また、熱収縮チューブを用いることでセンサ全体を小型化することを特徴とする。熱収縮チューブを用いた流量センサ実装方法の概略は以下のとおりである。先ず、フィルム基板上に金属薄膜ヒータを形成し流量センサ本体を作製する。その後、フィルム状の流量センサを熱収縮チューブの中に入れる。この場合、熱収縮チューブの大きさは、例えば、内径３ミリメートル、外径３．５ミリメートルと大きく、フィルム状センサを容易に挿入できる。また、熱収縮チューブの一部にはヒータの熱絶縁を図るための空洞形成用スリットが形成されている。次に、熱収縮チューブに熱を加え、チューブを所望の大きさまで収縮させる。このとき、チューブの収縮に伴い、管内に挿入しておいたフィルム状センサは自動的に管内壁に沿うように実装される。再度、センサヒータ外周部における空洞を形成することを目的として、熱収縮チューブを用意し、これの中に、先ほどの工程で形成した熱収縮型流量センサチューブを挿入する。その後、再度、熱を加えて外側の熱収縮チューブを縮小させるとともに、内側のチューブと密着させて、空洞を有する流量センサを形成する。以上のようなプロセスを用いることで、センサの熱絶縁を図りつつ、カテーテル型流量センサの大きさを外径２ミリメートル以下に小型化できる。また、本プロセスは、従来例とは異なり、熱収縮する際に自動的にセンサフィルムが管の内壁に沿うという自己アセンブル手法であり、実装を簡便にするという意味以外にも、更なる小型化にも対応可能であるという特徴もある。
上記記載の流量センサにおいて、前記流量センサが気管支鏡用カテーテル先端部に取り付けられ、前記カテーテルを肺内に挿入し、局所的な肺機能測定をすることを特徴とする。また、局所的な肺機能測定をするときに、前記カテーテル先端部に取り付けたバルーンで前記カテーテルを前記気管支内に固定することがこのましい。本構成では、上記記載の細径（外径2ミリメートル以下）の流量センサを用いているために、気管支鏡カテーテル先端部に容易に取り付けることが可能である。また、局所的な肺機能測定も実現できる。
上記記載の流量センサにおいて、前記流量センサがステント構造に取り付けられ、前記ステント一体型流量センサを配管の中に挿入し、その後、前記ステントで前記流量センサを前記配管内に固定することを特徴とする。また、前記ステント一体型流量センサが気管支鏡用カテーテル先端部に取り付けられ、前記カテーテルを肺の中に挿入し、局所的な肺機能検査により呼吸器疾患の診断をすることを特徴とする。本構成では、上記記載の細径（外径2ミリメートル以下）の流量センサを用いているために、気管支鏡カテーテル先端部に容易に取り付けることが可能である。また、局所的な肺機能測定も実現できる。
上記記載の流量センサにおいて、前記ヒータと三つの既知抵抗とでブリッジ回路が構成される。前記ブリッジ回路は、流れがない状態では平衡状態になっており、流れが発生すると前記ブリッジのバランスが崩れ、その差分信号が演算増幅回路に入力され、前記入力信号に応じた出力信号がヒータセンサへと反映され、その結果、前記ヒータの温度が常に一定に保たれることを特徴とする。本方式では流れにより発生する演算増幅回路の出力波形を検出することで流量を換算する。本方式の最も大きな特徴は、フィードバック機構によりヒータの温度が常に一定に保たれるようになり、その結果、流れに対するセンサの追従性が格段に向上することである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明を実施するための最良の形態をより詳細に説明する。
本発明の内視鏡用流量センサの使用概念を図１に示す。肺１における疾患部位を検出するとともに、その局所的な機能を評価するために、先ず、大きさ１センチメートル程度の内視鏡１０を口から挿入する。その後、内視鏡を気管支２患部付近まで挿入した後、内視鏡１０の先端部から内視鏡の外径より小さい流量センサ３０を含むカテーテル１１を伸ばし、より末端の気管支に挿入し、局所的な場所における肺機能評価を行う。なお、内視鏡１０の大きさは内視鏡内に挿入する処置具の種類などに応じて決定するのが望ましい。
本発明の具現化した内視鏡用流量センサ３０の構造を図２に示す。
局所場における肺機能を評価するための流量センサ３０がカテーテル１１内に組み込まれており、かつ、カテーテル１１が内視鏡１０内に設けた一つのルーメン１２に配置されている。内視鏡にはレンズやライト等の内視鏡光学系１４が備わっており、計測対象の気管支を観察しながらカテーテル１１を挿入することが可能である。図には内視鏡１０から該カテーテル１１がルーメンから伸びでた構造を示してある。カテーテル１１は流量センサ３０と熱絶縁構造用空洞３３と流路３５とからなる。流量センサ３０はフィルム基板３１上に形成したヒータ３２とヒータに電力を供給する配線３４とからなる。また、フィルム基板３１はカテーテル１１の内壁に沿うように配置されており、これにより曲がり管での流量計測を可能にするとともに、センサ設置による管内での流れの乱れを極限まで低減している。また、カテーテル１１にはフィルム基板３１上に形成したヒータ３２の熱絶縁を図るために、ヒータ外周部に空洞３３が形成されている。空洞３３を形成するためにカテーテル構造体は樹脂材による二重構造になっている。これにより、ヒータ基板に対する熱絶縁が図られ、一分間に１０〜２０回の呼吸をする肺機能評価が可能となる。また、カテーテル１１には管内での流れが流出入させるための流路３５も設けられている。以上のような流量センサ構造を用いることで、曲がりくねった気管支における流量計測が可能となる。残された課題は上記カテーテル構造をいかにして外径２ミリメートル以下の大きさに実現するかという手段である。これについては、以下に図３を用いて説明する。
なお、図２にはヒータ３２のみを管内に配置した場合を示したが、用途に応じて、複数のヒータ線を設ける、もしくはヒータ両側に検出用の抵抗線を設けることもでき、これにより流れの方向を検出するとともに、応答性の向上を図ることができるという特徴がある。また、図には円筒状の管を用いた場合を示したが、これ以外の形状の管（例えば、楕円および四角形断面）の場合でも、本センサはフレキシブル基板３１の柔軟性を活かして、管内壁構造に応じて変形させ、内壁に適応させることもできる。従って、管内壁上に設置するセンサ形態も測定したい管の形状に応じて変更することが望ましい。
【０００８】
本発明の内視鏡用カテーテル流量センサ３０を外径２ミリメートル以下に小型化する手法を図３に示す。従来例（特開2007-127538）では、フレキシブル基材にヒータを形成し、このフレキシブル基材を管内壁形状に沿うように取り付けた構造の流量センサが述べられている。また、その配管の内径は３ミリメートル、そして外径は図から判断すると６ミリメートル程度と大きく、かつフィルムは手作業により管の内側に沿うように挿入していると推測される。従って、このままの手作業による方法では、流量センサ自体の小型化が難しく、その結果、流量センサを内視鏡１０に設けたルーメン１２内に入れることはもちろんのこと、肺の気管支内に挿入することは不可能である。本問題を解決するために、本発明ではフィルム状センサの実装および小型化の手段として熱収縮性樹脂チューブを用いる方法を発案した。以下にその詳細を述べる。
図３(a) において、先ず、ホトリソグラフィーを用いて厚さ数十ミクロンのポリイミドフィルム基板上に金属薄膜ヒータを形成し、流量センサを作製する。その後、フィルム状の流量センサ３０を熱収縮チューブ１３の中に入れる。この場合、熱収縮チューブの大きさは、例えば、内径３ミリメートル、外径３。５ミリメートルと大きく、フィルム状の流量センサ３０を容易に挿入できる。フィルム状の流量センサ３０を管内に挿入したときの断面図を図の右側に示してある。このように、本手法では、挿入時に、フィルム状の流量センサ３０を配管内壁に沿う必要がなく、単に、直線状フィルムを管内に挿入すればよく、容易な操作になっている。また、熱収縮チューブ１３の一部にはヒータの熱絶縁を図るための空洞形成用スリット３６が形成されている。なお、熱収縮チューブの大きさ及び材質、流量センサの大きさは、適宜、カテーテルの使用サイズに応じて決定されることが望ましい。
図３(b) において、フィルム状の流量センサ３０を挿入した熱収縮チューブ１３に熱を加え、チューブを所望の大きさまで収縮させる。このとき、チューブの収縮に伴い、管内に挿入しておいたフィルム状の流量センサ３０は自動的に管内壁に沿うように実装される。
図３(c) において、再度、センサヒータ外周部における空洞３３を形成することを目的として、熱収縮チューブを用意し、これの中に、先ほどの工程で形成した熱収縮型流量センサチューブを挿入する。本チューブには先ほどのチューブとは異なり熱絶縁用のスリット３６は形成されていない。
図３(d) において、 その後、再度、熱を加えて外側の熱収縮チューブを縮小させるとともに、内側のチューブを密着させて、空洞３３を有する流量センサ３０を形成する。
以上のようなプロセスを用いることで、センサの熱絶縁を図りつつ、カテーテル型流量センサの大きさを外径２ミリメートル以下に小型化できる。また、本プロセスは、従来例とは異なり、熱収縮する際に自動的にセンサフィルムが管の内壁に沿うという自己アセンブル手法であり、実装を簡便にするという意味以外にも、更なる小型化にも対応可能であるという特徴もある。
本発明のフィルム基板３１の作製方法を図４に示す。半導体微細加工技術を用いて、本フレキシブルセンサ構造を作製する。詳細を以下に述べる。
【０００９】
図４(a) において、 先ず、フレキシブルなフィルム基板３１として、厚さ数十ミクロンのポリイミドフィルムを用意し、この上にヒータ金属膜パターン形成用の感光性ホトレジスト４１をスピン塗布する。なお、フィルム基板３１の厚さおよび材質は流量センサとして用いる動作環境に応じて決定されることが望ましいが、一般的には、その厚さは数十ミクロンから数百ミクロンで、化学的に安定、かつ熱絶縁、電気絶縁に優れたポリイミドフィルムが良い。
図４(b) において、ホトリソグラフィーを用いてヒータ（場合に応じて検出器）の電極パターンを形成する。
図４(c) において、ヒータ（場合に応じて検出器）となる金属フィルム４２をホトレジストのパターン上に形成する。本手法では、下地にクロム、チタン、の何れかを用い、その上のヒータおよび検出器には化学的に安定な白金、金の何れかを用いている。なお、金属フィルム４２の材質は基板選択と同様に、使用目的に応じて、材質、形状、厚さなどを決定することが望ましい。
図４(d) において、上記(a)の工程で形成したホトレジスト４１を除去することでポリイミドフィルム上に金属製のヒータ（場合に応じて検出器）が形成される。
図４(e) に示すように、 最後に、上記フレキシブルなフィルム基板３１を支持基板から剥離して、フィルム状流量センサが完成する。
以上のように、本手法ではリフトオフ法を用いてヒータおよび図示していない抵抗線をパターニングしたが、これ以外にも先に金属薄膜をフィルム基板３１表面に形成した後に、ホトリソグラフィーでそのパターニング化を行ってもかまわない。金属薄膜のパターニング精度、金属薄膜エッチング手法に応じて何れかを選択するのが望ましい。
本発明のフレキシブル流量センサの写真を図５に示す。図５(a)にヒータ部分の拡大写真を、そして図５(b)にフレキシブル流量センサ全体の様子を示してある。図には厚さ25ミクロンのポリイミドフィルム上に、クロム（５０ナノメートル）、金（２５０ナノメートル）でヒータ３２を形成した場合を示してある。ヒータ３２部分の大きさは約0．45mm x 2．04 mmである。また図中にはフレキシブルな流量センサ３０の電気的な信号配線接続部として、フレキシブルプリント基板４５を用いた場合を示した。なお、ヒータ３２の両側に検出用素子を設けることで、流れの方向がわかる流量センサになる。フレキシブル基板上にヒータ構造および検出用抵抗配線をいくつ設けるかは、センサの使用環境に応じて適宜決定されることが望ましい。流量のみの計測ではヒータ単体で流量検出が可能であるが、高速応答で、かつ、流れの向きの検出が必要な場合には、ヒータを二つ以上設ける、もしくはヒータの両側に流量検出用の抵抗配線を設けることが望ましい。
本発明の熱収縮チューブによるフレキシブル流量センサの実装の様子を図６に示す。詳細を以下に示した。
図６(a)には上記で示した、厚さ２５ミクロンのポリイミド製の流量センサ３０を外径２．８ミリメートル、内径２．４ミリメートルの熱収縮チューブに挿入した直後の様子を示す。
図６(b)には、その後、加熱によりチューブが収縮した後の様子を示した。また、図６(c)にはヒータ部分の拡大写真を示した。チューブの収縮により、外径１．７ミリメートルにまで小型化されるとともに、流量センサ３０がチューブの内側壁面に沿うように自動的に実装されている。なお、ヒータ形状に限らず熱収縮チューブ材も使用目的に応じて選定することが望ましい。
【００１０】
本発明の流量センサの抵抗変化特性を図７に示す。本流量センサでは、ヒータもしくは検出器の抵抗変化をもとに流量を算出する。そこで、その一例として、ヒータ温度と抵抗変化との関係を図に示した。図に示したように、ヒータ温度に応じてヒータ自体の抵抗値が変化しており、これを用いることで、未知の流量を算出する。なお、図の縦軸の値は、温度３０℃のとき値で規格化した値になっている。なお、ヒータに加える電力は使用範囲に応じて設定することが望ましい。
本発明の流量センサの検出回路例を図８に示す。本流量センサでは、一分間に１０〜２０回の呼吸をする肺機能評価をするために、100ミリ秒以下の応答特性が必要となる。この問題を解決する手段として、構造的には図３に示した熱絶縁構造を、そして電気的な信号処理回路には図８に示すようなフィードバック回路を考案した。以下に、電気的な信号処理回路について説明する。図８に示すようにセンサヒータと三つの既知抵抗とでブリッジ回路を構成する。ブリッジ回路は、流れがない状態では平衡状態になっているが、流れが発生するとブリッジのバランスが崩れ、その差分信号が演算増幅回路に入力され、入力信号に応じた出力信号がヒータセンサへと反映される。従って、流れにより発生する演算増幅回路の出力波形を検出することで流量を換算できる。また、フィードバック機構によりヒータセンサの温度は常に一定に保たれるようになり、その結果、流れに対するセンサの追従性が格段に向上する仕掛けになっている。
本発明の流量センサの入力電力と検出流量との関係例を図９に示す。ヒータ素子自体を流量センサとして用いる場合の流量に対するセンサブリッジ回路への入力電力（演算増幅器の出力）を図に示した。図に示したように、流量に応じて入力電力が変化しており、これを校正曲線とすることで、本センサでは未知の流量を算出できる。
本発明の流量センサの応答特性を図１０に示す。本フレキシブル流量センサでは、図３で説明した熱絶縁用空洞３３構造および図８で説明したフィードバック回路を用いることで、センサの応答性を向上させている。上記二つの技術の導入により、図１０に示したように、100ミリ秒以下で90％以上の応答波形性が得られている。
本発明の他の流量センサの構造を図１１に示す。上記図２から図１０には、フィルム基板３１上に、単一のヒータ３２のみを管内に配置した場合を示したが、用途に応じて、複数のヒータ線を設ける、もしくはヒータ両側に検出用の抵抗線を設けることもでき、これにより流れの方向を検出するとともに、応答性の向上を図ることができる。図１１(a)には前者の例を、そして図１１(b)には後者の実施例が示されている。なお、ヒータ３２および検出器３７以外は、図２で記載した通りである。
【００１１】
本発明の他の流量センサの検出回路例を図１２に示す。上記図８でも説明したとおり、本流量センサでは、一分間に１０〜２０回の呼吸をする肺機能評価をするために100ミリ秒以下の応答特性が必要となる。従って図１１に示した他実施例の流量センサでも、電気的なフィードバック回路を用いてセンサの応答性を向上させている。図１１(a)に示したダブルヒータ構造の流量センサに対する検出回路例を図１２に示した。本ダブルヒータ構造の流量センサでは、二つのヒータ部でのセンサ信号の差分を検出する。その結果、本センサ構造は以下に示す二つの特徴を有する。一つは流れの向きが判別できるという特徴で、もう一つは流れによる信号成分以外をキャンセルでき、その結果、流れに対する計測の高速高感度化が図れるという特徴である。
本発明の他の流量センサの入力電力と検出流量との関係例を図１３に示す。ダブルヒータを流量センサとして用いた場合の流量に対するセンサブリッジ回路への入力電力を図に示した。図に示したように、流量に応じて入力電力が変化しており、これを校正曲線とすることで、本センサでは未知の流量を算出することができる。
本発明の他の流量センサの応答特性を図１４に示す。ダブルヒータ流量センサでは、図１２で説明したように、熱絶縁空洞３３構造、フィードバック回路、ダブルヒータ構造による差分検出を用いることで、センサの応答性を向上させている。上記三つの技術の導入により、図１４に示したように、センサは100ミリ秒以下で応答できる。なお、図はパルス状の流れを発生させたときのセンサの応答波形である。
本発明の他の流量センサの応答特性を図１５に示す。ダブルヒータ流量センサでは、図１１で説明したように、ダブルヒータによる差分検出を用いることで、流れの向きを検出できる。配管内における流れを前後させたときの流量センサの出力波形を図１５に示す。図に示したように、流れの前後により、上流側に配置されたヒータセンサ出力と、下流側に配置されたヒータセンサ出力との大小関係が逆転しており、これの差分をとることで流れの向きが判別できる。
本発明の内視鏡用流量のセンサを気管支内にて固定させる方法を図１６に示す。
カテーテル１１先端部分に設けたバルーン５０を用いることで、流量センサ付カテーテル１１を気管支内に固定する。先ず、計測対象とする気管支近傍で、内視鏡１０の先端から流量センサ付カテーテル１１を伸ばす（図１６(a)）。次に、カテーテル先端部に設けたバルーンを膨らませ、これにより対象部位で流量センサを固定し、流量計測を行う（図１６(b)）。測定終了後は、バルーンを元の大きさに縮ませ（図１６(a)）、カテーテル１１を内視鏡内に回収する。
本発明の内視鏡用流量センサを気管支内にて固定させる他の方法を図１７に示す。
【００１２】
上記図１６に示した固定方法は、簡便な方法ではあるが、その反面、気管支内の一部をバルーンで塞ぐために、バルーン前後での圧力損失が大きくなるという問題がある。図１７にはバルーンではなく、ステント５２を用いて流量センサ付カテーテル１１を気管支２内に固定する方法を示した。上記図１６の場合と同様に、内視鏡１０のルーメンから伸ばされた流量センサ付カテーテル１１は、計測対象とする気管支にたどり着くと（図１７(a)）、流量センサを取り付けたステント構造が膨らみ、これにより対象部位近傍に固定され、流量計測がなされる（図１７(b)）。測定終了後は、ステントを元の大きさに折りたたみ（図１７(a)）、カテーテル１１を内視鏡内に回収する。本構造では流量センサの固定にメッシュ状のステントを用いているので、固定部における流体の圧力損失を極限まで低減できるという特徴がある。なお、ステントを用いる場合には、メッシュ構造の広がりを利用してステントを気管支内に固定させていることから、ヒータセンサは管内を一周するようなリング状ではなく、管の一部にのみ配置するというような構造になる。
なお、図１６および図１７に示した流量センサの固定方法は、内径の異なる配管内に適宜対応して固定できるという特徴があるため、本固定方法は単に気管支に限らず、一般的な産業用配管にも適用できる。また、図３から図１５にて記載した流量センサは、内径２ミリメートル以下の小径配管に対応できることから、内視鏡に限らず、小型分析器および小型燃料電池などの一般用にも広く適用できる。
上記の図１から図１７にて記載した事項は、本流量センサの一例で、その具体的な仕様はいずれも使用目的に応じて変更することが望ましい。また、本センサで対象とする流体は主に気体であり、気体であればどのような種類でも適用できる。なお、液体の場合にも適用可能である。
このように本実施の形態では、熱収縮チューブをフレキシブル流量センサの実装手段に用いることで、流量センサの外径を２ミリメートル以下で製作でき、その結果、気管支鏡用ルーメン処置具内に格納でき、局所的な肺機能評価が可能となった。また、フレキシブル流量センサの応答性を向上させるために樹脂材による空洞熱絶縁構造を提案した。具体的には、実装チューブを二重構造にすることで、センサ実装と同時に、空洞構造をも作製した。これにより、１分間に１０〜２０回の呼吸をする肺機能評価が可能となった。
【産業上の利用可能性】
【００１３】
本発明の流量センサは、管内の気体、液体等の媒体の流れを検出することができるものであり、特に、流量センサを医療料器具の内視鏡に装着する場合、その内視鏡を肺内に入れることで、抹消気道を含む局所での肺機能測定により、呼吸器疾患を診断することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の内視鏡用流量センサの使用概念を示す図である。
【図２】本発明の具現化した内視鏡用の流量センサの構造を示す図である。
【図３】本発明の内視鏡用カテーテル型の流量センサを外径２ミリメートル以下に小型化する手法を示す図である。
【図４】本発明のフィルム基板の作製方法を示す図である。
【図５】本発明のフレキシブル流量センサの写真を示す図である。
【図６】本発明の熱収縮チューブによるフレキシブル流量センサの実装の様子を示す図である。
【図７】本発明の流量センサの抵抗変化特性を示す図である。
【図８】本発明の流量センサの検出回路例を示す図である。
【図９】本発明の流量センサの入力電力と検出流量との関係例を示す図である。
【図１０】本発明の流量センサの応答特性を示す図である。
【図１１】本発明の他の流量センサの構造を示す図である。
【図１２】本発明の他の流量センサの検出回路例を示す図である。
【図１３】本発明の他の流量センサの入力電力と検出流量との関係例を示す図である。
【図１４】本発明の他の流量センサの応答特性を示す図である。
【図１５】本発明の他の流量センサの応答特性を示す図である。
【図１６】本発明の内視鏡用流量センサを気管支内にて固定させる方法を示す図である。
【図１７】本発明の内視鏡用流量センサを気管支内にて固定させる他の方法を示す図である。
【符号の説明】
【００１５】
１肺、２気管支、１０内視鏡、１１カテーテル、１２処置具用ルーメン、１３チューブ、１４内視鏡光学系、３０流量センサ、３１フィルム基板、３２ヒータ、３３熱絶縁用の空洞、３４配線、３５流路、３６空洞形成用スリット、３７検出器、４０フレキシブル基板、４１ホトレジスト、４２金属フィルム、４５フレキシブルプリント基板、５０バルーン、５１呼吸による流れ、５２ステント、５３ステント用流量センサ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体、液体等の媒体が流れる管内の媒体流量を検出することができる流量センサに関するものであって、特に医療用器具（例えば内視鏡等内）に装着することができる流量センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、体内における疾患をその場観察でき、かつ低侵襲で検査及び治療ができる手段として内視鏡がある。例えば、下記特許文献１では内視鏡を気管に挿入することで呼吸器疾患を診断するという手法が述べられている。
また、半導体微細加工技術を応用展開したマイクロマシニング技術を用いることでマイクロポンプおよび流量センサなどの流体機械を小型化及び集積化する技術が開発されている。例えば、下記特許文献２ではマイクロマシニング技術で作製した小型の片持ち梁構造体を流量センサに適用した例が述べられている。また、下記非特許文献１では管内の流量を計測するために、ホトリソグラフィーで形成したホットワイヤー（ヒータ）を基板表面から立ち上げ、これを管内中央部に設置するという手法が述べられている。また、下記特許文献３では、マイクロマシニング技術で作製した小型のダイアフラム型の流量センサ構造が述べられている。また、下記特許文献４では、フレキシブル基板に形成したヒータを管内壁面に実装し、これにより管内の流量を検出するという手法が述べられている。また、下記特許文献３および下記特許文献５には、ダイアフラム構造を用いて熱絶縁を図るという手法が提案されている。
【０００３】
【特許文献１】特開2005-514081号公報
【特許文献２】特開2002-257606号公報
【非特許文献１】Three dimensional silicon triple-hot-wire anemometer based on polyimide joints、Proceeding of The Eleventh annual international conference on Micro Electro Mechanical Systems、（1998、 pp。93-98）
【特許文献３】特開2000-275076号公報
【特許文献４】特開2007-127538号公報
【特許文献５】特開昭62-43522号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来技術（特許文献１：特開2005-514081）では、内視鏡を気管に入れ、それにより呼吸器疾患を診断するという記述はあるが、内視鏡内に挿入する流量センサに関する記述が一切ない。すなわち、内視鏡内に挿入することができるような流量センサの小型化構造およびそれを実現するための手段が一切述べられていない。
特許文献２（特開2002-257606）、非特許文献１、特許文献３（特開2000-275076）は、工業的な配管内を流れる流量を計測する手段に着目した従来技術である。これらの流量センサは何れもマイクロマシニング技術を用いているためにセンサの小型化が可能であり、センサを管中央部に設置することで管内の流量を計測している。例えば、非特許文献１では、単結晶シリコン基板表面から立ち上げたホットワイヤーを管中央部に設置することで管内の流量を計測している。これらの三つの従来技術は、管内の流れを管中央部に設置したセンサで点情報として計測しているために、曲がり管での流量計測が難しい。このため、上記従来法では曲がりくねった経路からなる気管での流量計測に適用することができない。
特許文献４（特開2007-127538）では、フレキシブル基材にヒータを形成し、このフレキシブル基材を管内壁形状に沿うように管内壁に実装するような構造の流量センサが述べられている。本従来技術は、前記三つの従来技術とは異なり、流量を点ではなく線で検出するために、曲がりくねった配管でも流量を計測できるという特徴がある。しかしながら、元来、その用途は前記三つの従来例同様に、工業用途を目指したものであり、これを気道に挿入して用いるには、センサ構造の小型化をいかに図るかという問題がある。また、ヒータを形成したフレキシブル基板を直接配管内壁に実装しているために、ヒータ基板の熱絶縁が十分に考慮されていない。その結果、本従来技術では熱的な応答性が良くなく、一分間に１０〜２０回の往復呼吸をする肺機能評価をすることが難しいという問題もある。
従来から熱型のセンサに対しては、特許文献３（特開2000-275076）及び特許文献５（特開昭62-43522）に示されているように、ダイアフラム構造を用いて熱絶縁を図るという手法が提案されている。しかしながら、従来の熱絶縁ダイアフラム構造は何れも平面上に形成したヒータに対する構造であり、上記の管内の曲率を有する壁面に沿って実装するような流量センサに対してはそのまま適用することはできない。
以上をまとめて一言で述べると、従来法では、曲がり管計測を前提とした流量センサにおいて、センサの小型化が難しく、また、呼吸を計測するために十分な応答速度が得られないという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上記課題を解決するもので、その目的は、小型化が可能であって、かつ、十分な応答速度が得られる流量センサを提供することにある。更には、その流量センサを例えば内視鏡内に装着することができ、かつ、その内視鏡を肺内に入れることで局所的に呼吸器疾患を診断可能とすることを目的とする。
上記目的に達成するために、本発明では、ヒータを形成したフレキシブル基材を、媒体が流れる管の内壁の形状に沿うように管内壁に実装し、その管内壁を囲む前記ヒータから発生する熱量が媒体により分散される状態を検出することで、管内の媒体流量を測定できる流量センサにおいて、前記ヒータと前記管との間に、前記ヒータから前記管方向に伝わる熱の絶縁を図るため、空洞が形成されていることを特徴とする。上記の流量センサにおいては、前記ヒータの抵抗変化を検出することで、管内の流量を検出するのがこのましい。本構成では、フレキシブル基材を管内壁形状に沿うように管内壁に実装しているために、流量を点ではなく線で検出するために、曲がりくねった配管でも流量を計測できるとともに、ヒータと管との間に熱絶縁用の空洞が形成されているために、ヒータ自体の熱容量で熱に対する応答性が決まり、その結果、１００ミリ秒以下の高速応答を実現できるようになる。
また、他の構成では、一つ以上のヒータ及び一つ以上の検出器を形成したフレキシブル基材を、媒体が流れる管の内壁の形状に沿うように管内壁に実装し、その管内壁を囲む前記ヒータから発生する熱量が媒体により分散される状態を熱検出器が検出することで、管内の媒体流量を測定できる流量センサにおいて、前記ヒータと前記管との間に、前記ヒータから前記管方向に伝わる熱の絶縁を図るため、空洞が形成されていることを特徴とする。上記の流量センサにおいては、前記ヒータを通電加熱し、前記検出器の抵抗値変化を検出することで管内の流量を計測する、もしくは二つ以上設けた前記ヒータの差分信号を検出することで管内の流れを計測することがこのましい。この構成も上記の例と同様に、流量を線で検出し、かつ、ヒータ部分の熱絶縁を図っているために、曲り管での流量を１００ミリ秒以下の高速応答で計測できるようになる。また、本構成では、ヒータが一つ以上もしくは検出器が一つ以上形成されているので、ヒータの差分信号もしくは一つ以上設置した検出器の差分信号を検出することで管内での流れの方向も検出できるようになる。
【０００６】
上記記載の流量センサにおいて、前記流量センサを取り囲む管が熱収縮チューブであることがこのましい。また、熱収縮チューブを用いることでセンサ全体を小型化することを特徴とする。熱収縮チューブを用いた流量センサ実装方法の概略は以下のとおりである。先ず、フィルム基板上に金属薄膜ヒータを形成し流量センサ本体を作製する。その後、フィルム状の流量センサを熱収縮チューブの中に入れる。この場合、熱収縮チューブの大きさは、例えば、内径３ミリメートル、外径３．５ミリメートルと大きく、フィルム状センサを容易に挿入できる。また、熱収縮チューブの一部にはヒータの熱絶縁を図るための空洞形成用スリットが形成されている。次に、熱収縮チューブに熱を加え、チューブを所望の大きさまで収縮させる。このとき、チューブの収縮に伴い、管内に挿入しておいたフィルム状センサは自動的に管内壁に沿うように実装される。再度、センサヒータ外周部における空洞を形成することを目的として、熱収縮チューブを用意し、これの中に、先ほどの工程で形成した熱収縮型流量センサチューブを挿入する。その後、再度、熱を加えて外側の熱収縮チューブを縮小させるとともに、内側のチューブと密着させて、空洞を有する流量センサを形成する。以上のようなプロセスを用いることで、センサの熱絶縁を図りつつ、カテーテル型流量センサの大きさを外径２ミリメートル以下に小型化できる。また、本プロセスは、従来例とは異なり、熱収縮する際に自動的にセンサフィルムが管の内壁に沿うという自己アセンブル手法であり、実装を簡便にするという意味以外にも、更なる小型化にも対応可能であるという特徴もある。
上記記載の流量センサにおいて、前記流量センサが気管支鏡用カテーテル先端部に取り付けられ、前記カテーテルを肺内に挿入し、局所的な肺機能測定をすることを特徴とする。また、局所的な肺機能測定をするときに、前記カテーテル先端部に取り付けたバルーンで前記カテーテルを前記気管支内に固定することがこのましい。本構成では、上記記載の細径（外径2ミリメートル以下）の流量センサを用いているために、気管支鏡カテーテル先端部に容易に取り付けることが可能である。また、局所的な肺機能測定も実現できる。
上記記載の流量センサにおいて、前記流量センサがステント構造に取り付けられ、前記ステント一体型流量センサを配管の中に挿入し、その後、前記ステントで前記流量センサを前記配管内に固定することを特徴とする。また、前記ステント一体型流量センサが気管支鏡用カテーテル先端部に取り付けられ、前記カテーテルを肺の中に挿入し、局所的な肺機能検査により呼吸器疾患の診断をすることを特徴とする。本構成では、上記記載の細径（外径2ミリメートル以下）の流量センサを用いているために、気管支鏡カテーテル先端部に容易に取り付けることが可能である。また、局所的な肺機能測定も実現できる。
上記記載の流量センサにおいて、前記ヒータと三つの既知抵抗とでブリッジ回路が構成される。前記ブリッジ回路は、流れがない状態では平衡状態になっており、流れが発生すると前記ブリッジのバランスが崩れ、その差分信号が演算増幅回路に入力され、前記入力信号に応じた出力信号がヒータセンサへと反映され、その結果、前記ヒータの温度が常に一定に保たれることを特徴とする。本方式では流れにより発生する演算増幅回路の出力波形を検出することで流量を換算する。本方式の最も大きな特徴は、フィードバック機構によりヒータの温度が常に一定に保たれるようになり、その結果、流れに対するセンサの追従性が格段に向上することである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明を実施するための最良の形態をより詳細に説明する。
本発明の内視鏡用流量センサの使用概念を図１に示す。肺１における疾患部位を検出するとともに、その局所的な機能を評価するために、先ず、大きさ１センチメートル程度の内視鏡１０を口から挿入する。その後、内視鏡を気管支２患部付近まで挿入した後、内視鏡１０の先端部から内視鏡の外径より小さい流量センサ３０を含むカテーテル１１を伸ばし、より末端の気管支に挿入し、局所的な場所における肺機能評価を行う。なお、内視鏡１０の大きさは内視鏡内に挿入する処置具の種類などに応じて決定するのが望ましい。
本発明の具現化した内視鏡用流量センサ３０の構造を図２に示す。
局所場における肺機能を評価するための流量センサ３０がカテーテル１１内に組み込まれており、かつ、カテーテル１１が内視鏡１０内に設けた一つのルーメン１２に配置されている。内視鏡にはレンズやライト等の内視鏡光学系１４が備わっており、計測対象の気管支を観察しながらカテーテル１１を挿入することが可能である。図には内視鏡１０から該カテーテル１１がルーメンから伸びでた構造を示してある。カテーテル１１は流量センサ３０と熱絶縁構造用空洞３３と流路３５とからなる。流量センサ３０はフィルム基板３１上に形成したヒータ３２とヒータに電力を供給する配線３４とからなる。また、フィルム基板３１はカテーテル１１の内壁に沿うように配置されており、これにより曲がり管での流量計測を可能にするとともに、センサ設置による管内での流れの乱れを極限まで低減している。また、カテーテル１１にはフィルム基板３１上に形成したヒータ３２の熱絶縁を図るために、ヒータ外周部に空洞３３が形成されている。空洞３３を形成するためにカテーテル構造体は樹脂材による二重構造になっている。これにより、ヒータ基板に対する熱絶縁が図られ、一分間に１０〜２０回の呼吸をする肺機能評価が可能となる。また、カテーテル１１には管内での流れが流出入させるための流路３５も設けられている。以上のような流量センサ構造を用いることで、曲がりくねった気管支における流量計測が可能となる。残された課題は上記カテーテル構造をいかにして外径２ミリメートル以下の大きさに実現するかという手段である。これについては、以下に図３を用いて説明する。
なお、図２にはヒータ３２のみを管内に配置した場合を示したが、用途に応じて、複数のヒータ線を設ける、もしくはヒータ両側に検出用の抵抗線を設けることもでき、これにより流れの方向を検出するとともに、応答性の向上を図ることができるという特徴がある。また、図には円筒状の管を用いた場合を示したが、これ以外の形状の管（例えば、楕円および四角形断面）の場合でも、本センサはフレキシブル基板３１の柔軟性を活かして、管内壁構造に応じて変形させ、内壁に適応させることもできる。従って、管内壁上に設置するセンサ形態も測定したい管の形状に応じて変更することが望ましい。
【０００８】
本発明の内視鏡用カテーテル流量センサ３０を外径２ミリメートル以下に小型化する手法を図３に示す。従来例（特開2007-127538）では、フレキシブル基材にヒータを形成し、このフレキシブル基材を管内壁形状に沿うように取り付けた構造の流量センサが述べられている。また、その配管の内径は３ミリメートル、そして外径は図から判断すると６ミリメートル程度と大きく、かつフィルムは手作業により管の内側に沿うように挿入していると推測される。従って、このままの手作業による方法では、流量センサ自体の小型化が難しく、その結果、流量センサを内視鏡１０に設けたルーメン１２内に入れることはもちろんのこと、肺の気管支内に挿入することは不可能である。本問題を解決するために、本発明ではフィルム状センサの実装および小型化の手段として熱収縮性樹脂チューブを用いる方法を発案した。以下にその詳細を述べる。
図３(a) において、先ず、ホトリソグラフィーを用いて厚さ数十ミクロンのポリイミドフィルム基板上に金属薄膜ヒータを形成し、流量センサを作製する。その後、フィルム状の流量センサ３０を熱収縮チューブ１３の中に入れる。この場合、熱収縮チューブの大きさは、例えば、内径３ミリメートル、外径３。５ミリメートルと大きく、フィルム状の流量センサ３０を容易に挿入できる。フィルム状の流量センサ３０を管内に挿入したときの断面図を図の右側に示してある。このように、本手法では、挿入時に、フィルム状の流量センサ３０を配管内壁に沿う必要がなく、単に、直線状フィルムを管内に挿入すればよく、容易な操作になっている。また、熱収縮チューブ１３の一部にはヒータの熱絶縁を図るための空洞形成用スリット３６が形成されている。なお、熱収縮チューブの大きさ及び材質、流量センサの大きさは、適宜、カテーテルの使用サイズに応じて決定されることが望ましい。
図３(b) において、フィルム状の流量センサ３０を挿入した熱収縮チューブ１３に熱を加え、チューブを所望の大きさまで収縮させる。このとき、チューブの収縮に伴い、管内に挿入しておいたフィルム状の流量センサ３０は自動的に管内壁に沿うように実装される。
図３(c) において、再度、センサヒータ外周部における空洞３３を形成することを目的として、熱収縮チューブを用意し、これの中に、先ほどの工程で形成した熱収縮型流量センサチューブを挿入する。本チューブには先ほどのチューブとは異なり熱絶縁用のスリット３６は形成されていない。
図３(d) において、 その後、再度、熱を加えて外側の熱収縮チューブを縮小させるとともに、内側のチューブを密着させて、空洞３３を有する流量センサ３０を形成する。
以上のようなプロセスを用いることで、センサの熱絶縁を図りつつ、カテーテル型流量センサの大きさを外径２ミリメートル以下に小型化できる。また、本プロセスは、従来例とは異なり、熱収縮する際に自動的にセンサフィルムが管の内壁に沿うという自己アセンブル手法であり、実装を簡便にするという意味以外にも、更なる小型化にも対応可能であるという特徴もある。
本発明のフィルム基板３１の作製方法を図４に示す。半導体微細加工技術を用いて、本フレキシブルセンサ構造を作製する。詳細を以下に述べる。
【０００９】
図４(a) において、 先ず、フレキシブルなフィルム基板３１として、厚さ数十ミクロンのポリイミドフィルムを用意し、この上にヒータ金属膜パターン形成用の感光性ホトレジスト４１をスピン塗布する。なお、フィルム基板３１の厚さおよび材質は流量センサとして用いる動作環境に応じて決定されることが望ましいが、一般的には、その厚さは数十ミクロンから数百ミクロンで、化学的に安定、かつ熱絶縁、電気絶縁に優れたポリイミドフィルムが良い。
図４(b) において、ホトリソグラフィーを用いてヒータ（場合に応じて検出器）の電極パターンを形成する。
図４(c) において、ヒータ（場合に応じて検出器）となる金属フィルム４２をホトレジストのパターン上に形成する。本手法では、下地にクロム、チタン、の何れかを用い、その上のヒータおよび検出器には化学的に安定な白金、金の何れかを用いている。なお、金属フィルム４２の材質は基板選択と同様に、使用目的に応じて、材質、形状、厚さなどを決定することが望ましい。
図４(d) において、上記(a)の工程で形成したホトレジスト４１を除去することでポリイミドフィルム上に金属製のヒータ（場合に応じて検出器）が形成される。
図４(e) に示すように、 最後に、上記フレキシブルなフィルム基板３１を支持基板から剥離して、フィルム状流量センサが完成する。
以上のように、本手法ではリフトオフ法を用いてヒータおよび図示していない抵抗線をパターニングしたが、これ以外にも先に金属薄膜をフィルム基板３１表面に形成した後に、ホトリソグラフィーでそのパターニング化を行ってもかまわない。金属薄膜のパターニング精度、金属薄膜エッチング手法に応じて何れかを選択するのが望ましい。
本発明のフレキシブル流量センサの写真を図５に示す。図５(a)にヒータ部分の拡大写真を、そして図５(b)にフレキシブル流量センサ全体の様子を示してある。図には厚さ25ミクロンのポリイミドフィルム上に、クロム（５０ナノメートル）、金（２５０ナノメートル）でヒータ３２を形成した場合を示してある。ヒータ３２部分の大きさは約0．45mm x 2．04 mmである。また図中にはフレキシブルな流量センサ３０の電気的な信号配線接続部として、フレキシブルプリント基板４５を用いた場合を示した。なお、ヒータ３２の両側に検出用素子を設けることで、流れの方向がわかる流量センサになる。フレキシブル基板上にヒータ構造および検出用抵抗配線をいくつ設けるかは、センサの使用環境に応じて適宜決定されることが望ましい。流量のみの計測ではヒータ単体で流量検出が可能であるが、高速応答で、かつ、流れの向きの検出が必要な場合には、ヒータを二つ以上設ける、もしくはヒータの両側に流量検出用の抵抗配線を設けることが望ましい。
本発明の熱収縮チューブによるフレキシブル流量センサの実装の様子を図６に示す。詳細を以下に示した。
図６(a)には上記で示した、厚さ２５ミクロンのポリイミド製の流量センサ３０を外径２．８ミリメートル、内径２．４ミリメートルの熱収縮チューブに挿入した直後の様子を示す。
図６(b)には、その後、加熱によりチューブが収縮した後の様子を示した。また、図６(c)にはヒータ部分の拡大写真を示した。チューブの収縮により、外径１．７ミリメートルにまで小型化されるとともに、流量センサ３０がチューブの内側壁面に沿うように自動的に実装されている。なお、ヒータ形状に限らず熱収縮チューブ材も使用目的に応じて選定することが望ましい。
【００１０】
本発明の流量センサの抵抗変化特性を図７に示す。本流量センサでは、ヒータもしくは検出器の抵抗変化をもとに流量を算出する。そこで、その一例として、ヒータ温度と抵抗変化との関係を図に示した。図に示したように、ヒータ温度に応じてヒータ自体の抵抗値が変化しており、これを用いることで、未知の流量を算出する。なお、図の縦軸の値は、温度３０℃のとき値で規格化した値になっている。なお、ヒータに加える電力は使用範囲に応じて設定することが望ましい。
本発明の流量センサの検出回路例を図８に示す。本流量センサでは、一分間に１０〜２０回の呼吸をする肺機能評価をするために、100ミリ秒以下の応答特性が必要となる。この問題を解決する手段として、構造的には図３に示した熱絶縁構造を、そして電気的な信号処理回路には図８に示すようなフィードバック回路を考案した。以下に、電気的な信号処理回路について説明する。図８に示すようにセンサヒータと三つの既知抵抗とでブリッジ回路を構成する。ブリッジ回路は、流れがない状態では平衡状態になっているが、流れが発生するとブリッジのバランスが崩れ、その差分信号が演算増幅回路に入力され、入力信号に応じた出力信号がヒータセンサへと反映される。従って、流れにより発生する演算増幅回路の出力波形を検出することで流量を換算できる。また、フィードバック機構によりヒータセンサの温度は常に一定に保たれるようになり、その結果、流れに対するセンサの追従性が格段に向上する仕掛けになっている。
本発明の流量センサの入力電力と検出流量との関係例を図９に示す。ヒータ素子自体を流量センサとして用いる場合の流量に対するセンサブリッジ回路への入力電力（演算増幅器の出力）を図に示した。図に示したように、流量に応じて入力電力が変化しており、これを校正曲線とすることで、本センサでは未知の流量を算出できる。
本発明の流量センサの応答特性を図１０に示す。本フレキシブル流量センサでは、図３で説明した熱絶縁用空洞３３構造および図８で説明したフィードバック回路を用いることで、センサの応答性を向上させている。上記二つの技術の導入により、図１０に示したように、100ミリ秒以下で90％以上の応答波形性が得られている。
本発明の他の流量センサの構造を図１１に示す。上記図２から図１０には、フィルム基板３１上に、単一のヒータ３２のみを管内に配置した場合を示したが、用途に応じて、複数のヒータ線を設ける、もしくはヒータ両側に検出用の抵抗線を設けることもでき、これにより流れの方向を検出するとともに、応答性の向上を図ることができる。図１１(a)には前者の例を、そして図１１(b)には後者の実施例が示されている。なお、ヒータ３２および検出器３７以外は、図２で記載した通りである。
【００１１】
本発明の他の流量センサの検出回路例を図１２に示す。上記図８でも説明したとおり、本流量センサでは、一分間に１０〜２０回の呼吸をする肺機能評価をするために100ミリ秒以下の応答特性が必要となる。従って図１１に示した他実施例の流量センサでも、電気的なフィードバック回路を用いてセンサの応答性を向上させている。図１１(a)に示したダブルヒータ構造の流量センサに対する検出回路例を図１２に示した。本ダブルヒータ構造の流量センサでは、二つのヒータ部でのセンサ信号の差分を検出する。その結果、本センサ構造は以下に示す二つの特徴を有する。一つは流れの向きが判別できるという特徴で、もう一つは流れによる信号成分以外をキャンセルでき、その結果、流れに対する計測の高速高感度化が図れるという特徴である。
本発明の他の流量センサの入力電力と検出流量との関係例を図１３に示す。ダブルヒータを流量センサとして用いた場合の流量に対するセンサブリッジ回路への入力電力を図に示した。図に示したように、流量に応じて入力電力が変化しており、これを校正曲線とすることで、本センサでは未知の流量を算出することができる。
本発明の他の流量センサの応答特性を図１４に示す。ダブルヒータ流量センサでは、図１２で説明したように、熱絶縁空洞３３構造、フィードバック回路、ダブルヒータ構造による差分検出を用いることで、センサの応答性を向上させている。上記三つの技術の導入により、図１４に示したように、センサは100ミリ秒以下で応答できる。なお、図はパルス状の流れを発生させたときのセンサの応答波形である。
本発明の他の流量センサの応答特性を図１５に示す。ダブルヒータ流量センサでは、図１１で説明したように、ダブルヒータによる差分検出を用いることで、流れの向きを検出できる。配管内における流れを前後させたときの流量センサの出力波形を図１５に示す。図に示したように、流れの前後により、上流側に配置されたヒータセンサ出力と、下流側に配置されたヒータセンサ出力との大小関係が逆転しており、これの差分をとることで流れの向きが判別できる。
本発明の内視鏡用流量のセンサを気管支内にて固定させる方法を図１６に示す。
カテーテル１１先端部分に設けたバルーン５０を用いることで、流量センサ付カテーテル１１を気管支内に固定する。先ず、計測対象とする気管支近傍で、内視鏡１０の先端から流量センサ付カテーテル１１を伸ばす（図１６(a)）。次に、カテーテル先端部に設けたバルーンを膨らませ、これにより対象部位で流量センサを固定し、流量計測を行う（図１６(b)）。測定終了後は、バルーンを元の大きさに縮ませ（図１６(a)）、カテーテル１１を内視鏡内に回収する。
本発明の内視鏡用流量センサを気管支内にて固定させる他の方法を図１７に示す。
【００１２】
上記図１６に示した固定方法は、簡便な方法ではあるが、その反面、気管支内の一部をバルーンで塞ぐために、バルーン前後での圧力損失が大きくなるという問題がある。図１７にはバルーンではなく、ステント５２を用いて流量センサ付カテーテル１１を気管支２内に固定する方法を示した。上記図１６の場合と同様に、内視鏡１０のルーメンから伸ばされた流量センサ付カテーテル１１は、計測対象とする気管支にたどり着くと（図１７(a)）、流量センサを取り付けたステント構造が膨らみ、これにより対象部位近傍に固定され、流量計測がなされる（図１７(b)）。測定終了後は、ステントを元の大きさに折りたたみ（図１７(a)）、カテーテル１１を内視鏡内に回収する。本構造では流量センサの固定にメッシュ状のステントを用いているので、固定部における流体の圧力損失を極限まで低減できるという特徴がある。なお、ステントを用いる場合には、メッシュ構造の広がりを利用してステントを気管支内に固定させていることから、ヒータセンサは管内を一周するようなリング状ではなく、管の一部にのみ配置するというような構造になる。
なお、図１６および図１７に示した流量センサの固定方法は、内径の異なる配管内に適宜対応して固定できるという特徴があるため、本固定方法は単に気管支に限らず、一般的な産業用配管にも適用できる。また、図３から図１５にて記載した流量センサは、内径２ミリメートル以下の小径配管に対応できることから、内視鏡に限らず、小型分析器および小型燃料電池などの一般用にも広く適用できる。
上記の図１から図１７にて記載した事項は、本流量センサの一例で、その具体的な仕様はいずれも使用目的に応じて変更することが望ましい。また、本センサで対象とする流体は主に気体であり、気体であればどのような種類でも適用できる。なお、液体の場合にも適用可能である。
このように本実施の形態では、熱収縮チューブをフレキシブル流量センサの実装手段に用いることで、流量センサの外径を２ミリメートル以下で製作でき、その結果、気管支鏡用ルーメン処置具内に格納でき、局所的な肺機能評価が可能となった。また、フレキシブル流量センサの応答性を向上させるために樹脂材による空洞熱絶縁構造を提案した。具体的には、実装チューブを二重構造にすることで、センサ実装と同時に、空洞構造をも作製した。これにより、１分間に１０〜２０回の呼吸をする肺機能評価が可能となった。
【産業上の利用可能性】
【００１３】
本発明の流量センサは、管内の気体、液体等の媒体の流れを検出することができるものであり、特に、流量センサを医療料器具の内視鏡に装着する場合、その内視鏡を肺内に入れることで、抹消気道を含む局所での肺機能測定により、呼吸器疾患を診断することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の内視鏡用流量センサの使用概念を示す図である。
【図２】本発明の具現化した内視鏡用の流量センサの構造を示す図である。
【図３】本発明の内視鏡用カテーテル型の流量センサを外径２ミリメートル以下に小型化する手法を示す図である。
【図４】本発明のフィルム基板の作製方法を示す図である。
【図５】本発明のフレキシブル流量センサの写真を示す図である。
【図６】本発明の熱収縮チューブによるフレキシブル流量センサの実装の様子を示す図である。
【図７】本発明の流量センサの抵抗変化特性を示す図である。
【図８】本発明の流量センサの検出回路例を示す図である。
【図９】本発明の流量センサの入力電力と検出流量との関係例を示す図である。
【図１０】本発明の流量センサの応答特性を示す図である。
【図１１】本発明の他の流量センサの構造を示す図である。
【図１２】本発明の他の流量センサの検出回路例を示す図である。
【図１３】本発明の他の流量センサの入力電力と検出流量との関係例を示す図である。
【図１４】本発明の他の流量センサの応答特性を示す図である。
【図１５】本発明の他の流量センサの応答特性を示す図である。
【図１６】本発明の内視鏡用流量センサを気管支内にて固定させる方法を示す図である。
【図１７】本発明の内視鏡用流量センサを気管支内にて固定させる他の方法を示す図である。
【符号の説明】
【００１５】
１肺、２気管支、１０内視鏡、１１カテーテル、１２処置具用ルーメン、１３チューブ、１４内視鏡光学系、３０流量センサ、３１フィルム基板、３２ヒータ、３３熱絶縁用の空洞、３４配線、３５流路、３６空洞形成用スリット、３７検出器、４０フレキシブル基板、４１ホトレジスト、４２金属フィルム、４５フレキシブルプリント基板、５０バルーン、５１呼吸による流れ、５２ステント、５３ステント用流量センサ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒータを形成したフレキシブル基材を、媒体が流れる管の内壁の形状に沿うように管内壁に実装し、その管内壁を囲む前記ヒータから発生する熱量が媒体により分散される状態を検出することで、管内の媒体流量を測定できる流量センサにおいて、
前記ヒータと前記管との間に、前記ヒータから前記管方向に伝わる熱の絶縁を図るため、熱絶縁用の空洞が形成されていることを特徴とする流量センサ。
【請求項２】
一つ以上のヒータ及び一つ以上の熱検出器を形成したフレキシブル基材を、媒体が流れる管の内壁の形状に沿うように管内壁に実装し、その管内壁を囲む前記ヒータから発生する熱量が媒体により分散される状態を検出器が検出することで、管内の媒体流量を測定できる流量センサにおいて、
前記ヒータと前記管との間に、前記ヒータから前記管方向に伝わる熱の絶縁を図るため、熱絶縁用の空洞が形成されていることを特徴とする流量センサ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の流量センサにおいて
前記流量センサを取り囲む管が熱収縮チューブで構成され、前記熱収縮チューブに熱が加えられることで、管が収縮して小型化することを特徴とする流量センサ。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一に記載の流量センサにおいて
気管支鏡用カテーテル先端部に取り付けられていることを特徴とする流量センサ。
【請求項５】
請求項４に記載の流量センサにおいて
気管支鏡用カテーテル先端部にバルーンが取り付けられていることを特徴とする流量センサ。
【請求項６】
請求項１または２に記載の流量センサにおいて、
前記流量センサ内にステントが取り付けられ、前記ステントが膨らむことにより固定されることを特徴とする流量センサ。
【請求項７】
請求項６記載の流量センサにおいて、
気管支鏡用カテーテル先端部に取り付けられていることを特徴とする流量センサ。
【請求項１】
ヒータを形成したフレキシブル基材を、媒体が流れる管の内壁の形状に沿うように管内壁に実装し、その管内壁を囲む前記ヒータから発生する熱量が媒体により分散される状態を検出することで、管内の媒体流量を測定できる流量センサにおいて、
前記ヒータと前記管との間に、前記ヒータから前記管方向に伝わる熱の絶縁を図るため、熱絶縁用の空洞が形成されていることを特徴とする流量センサ。
【請求項２】
一つ以上のヒータ及び一つ以上の熱検出器を形成したフレキシブル基材を、媒体が流れる管の内壁の形状に沿うように管内壁に実装し、その管内壁を囲む前記ヒータから発生する熱量が媒体により分散される状態を検出器が検出することで、管内の媒体流量を測定できる流量センサにおいて、
前記ヒータと前記管との間に、前記ヒータから前記管方向に伝わる熱の絶縁を図るため、熱絶縁用の空洞が形成されていることを特徴とする流量センサ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の流量センサにおいて
前記流量センサを取り囲む管が熱収縮チューブで構成され、前記熱収縮チューブに熱が加えられることで、管が収縮して小型化することを特徴とする流量センサ。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一に記載の流量センサにおいて
気管支鏡用カテーテル先端部に取り付けられていることを特徴とする流量センサ。
【請求項５】
請求項４に記載の流量センサにおいて
気管支鏡用カテーテル先端部にバルーンが取り付けられていることを特徴とする流量センサ。
【請求項６】
請求項１または２に記載の流量センサにおいて、
前記流量センサ内にステントが取り付けられ、前記ステントが膨らむことにより固定されることを特徴とする流量センサ。
【請求項７】
請求項６記載の流量センサにおいて、
気管支鏡用カテーテル先端部に取り付けられていることを特徴とする流量センサ。
【図２】
【図３】
【図４】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１】
【図５】
【図６】
【図３】
【図４】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００９−１６８４８０（Ｐ２００９−１６８４８０Ａ）
【公開日】平成２１年７月３０日（２００９．７．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３８３０（Ｐ２００８−３８３０）
【出願日】平成２０年１月１１日（２００８．１．１１）
【出願人】（５０４１３９６６２）国立大学法人名古屋大学 (996)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年７月３０日（２００９．７．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１月１１日（２００８．１．１１）
【出願人】（５０４１３９６６２）国立大学法人名古屋大学 (996)
【Ｆターム（参考）】
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