JP6910813B2 - Measuring equipment, measuring methods, computer programs and storage media - Google Patents
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Description
本発明は、光を照射して被測定対象に関する情報を計測する計測装置、計測方法、コンピュータプログラム及び記憶媒体の技術分野に関する。 The present invention relates to a technical field of a measuring device, a measuring method, a computer program, and a storage medium that irradiate light to measure information about an object to be measured.
この種の装置として、計測対象に光を照射すると共に散乱光を受光して、計測対象に関する情報を測定するものが知られている。例えば特許文献1では、人工透析装置において、血液の濃度や流量を計測する装置が開示されている。 As a device of this type, a device that irradiates a measurement target with light and receives scattered light to measure information about the measurement target is known. For example, Patent Document 1 discloses an artificial dialysis apparatus that measures blood concentration and flow rate.
被計測対象に光を照射する場合、例えばモードホップ等を抑制するために、照射部を適切な温度に維持することが望まれる。照射部の温度調節は、例えば温度センサ等で検出した温度を目標温度に近づけるようなフィードバック制御を行うことで実現することができる。 When irradiating the object to be measured with light, it is desirable to maintain the irradiated portion at an appropriate temperature in order to suppress, for example, mode hop. The temperature control of the irradiation unit can be realized, for example, by performing feedback control so as to bring the temperature detected by a temperature sensor or the like closer to the target temperature.
照射部の温度は、正確な温度を検出するためにも、できる限り照射部に近い場所で検出されることが好ましい。しかしながら、装置の構造上、やむをえず照射部(温度制御対象)と伝熱部(ペルチェ素子)と温度センサとの距離が離れてしまうことがある。このような場合、検出される温度(即ち、フィードバック制御に用いられる温度)と、実際の照射部の温度とで差が生じてしまい、適切な温度調節を行えなくなってしまうという技術的問題点が生ずる。 The temperature of the irradiation unit is preferably detected as close to the irradiation unit as possible in order to detect an accurate temperature. However, due to the structure of the device, the distance between the irradiation unit (temperature control target), the heat transfer unit (Pelche element), and the temperature sensor may be unavoidable. In such a case, there is a technical problem that a difference occurs between the detected temperature (that is, the temperature used for feedback control) and the actual temperature of the irradiated portion, and appropriate temperature control cannot be performed. Occurs.
本発明が解決しようとする課題には上記のようなものが一例として挙げられる。本発明は、照射部の温度を好適に制御することが可能な計測装置、計測方法、コンピュータプログラム及び記憶媒体を提供することを課題とする。 Examples of the problems to be solved by the present invention include the above. An object of the present invention is to provide a measuring device, a measuring method, a computer program, and a storage medium capable of suitably controlling the temperature of an irradiation unit.
上記課題を解決するための計測装置は、被測定対象に光を照射する第1照射部と、前記第1照射部により発生した熱を放熱部に伝達する伝熱部と、前記第1照射部の周囲の第1温度を検出する第1温度検出部と、前記第1温度と第1温度目標情報とに基づいて、第2目標温度を設定する目標温度設定部と、前記伝熱部の周囲の第2温度を検出する第2温度検出部と、前記第2温度と前記第2目標温度とに基づいて、前記伝熱部を制御する制御部と、を備える。 The measuring device for solving the above problems includes a first irradiation unit that irradiates the object to be measured with light, a heat transfer unit that transfers the heat generated by the first irradiation unit to the heat dissipation unit, and the first irradiation unit. Around the first temperature detection unit that detects the first temperature around the temperature, the target temperature setting unit that sets the second target temperature based on the first temperature and the first temperature target information, and the heat transfer unit. A second temperature detection unit that detects the second temperature of the above, and a control unit that controls the heat transfer unit based on the second temperature and the second target temperature are provided.
上記課題を解決するための計測方法は、被測定対象に光を照射する第1照射部と、前記第1照射部により発生した熱を放熱部に伝達する伝熱部と、を備える計測装置を用いる計測方法であって、前記第1照射部の周囲の第1温度を検出する第1温度検出工程と、前記第1温度と第1温度目標情報とに基づいて、第2目標温度を設定する目標温度設定工程と、前記伝熱部の周囲の第2温度を検出する第2温度検出工程と、前記第2温度と前記第2目標温度とに基づいて、前記伝熱部を制御する制御工程と、を含む。 A measurement method for solving the above problems includes a measuring device including a first irradiation unit that irradiates the object to be measured with light, and a heat transfer unit that transfers the heat generated by the first irradiation unit to the heat dissipation unit. The measurement method to be used is to set the second target temperature based on the first temperature detection step of detecting the first temperature around the first irradiation unit and the first temperature and the first temperature target information. A control step of controlling the heat transfer unit based on a target temperature setting step, a second temperature detection step of detecting a second temperature around the heat transfer unit, and the second temperature and the second target temperature. And, including.
上記課題を解決するためのコンピュータプログラムは、被測定対象に光を照射する第1照射部と、前記第1照射部により発生した熱を放熱部に伝達する伝熱部と、を備える計測装置に用いるコンピュータプログラムであって、前記第1照射部の周囲の第1温度を検出する第1温度検出工程と、前記第1温度と第1温度目標情報とに基づいて、第2目標温度を設定する目標温度設定工程と、前記伝熱部の周囲の第2温度を検出する第2温度検出工程と、前記第2温度と前記第2目標温度とに基づいて、前記伝熱部を制御する制御工程と、を前記計測装置に実行させる。 A computer program for solving the above problems is a measuring device including a first irradiation unit that irradiates the object to be measured with light, and a heat transfer unit that transfers the heat generated by the first irradiation unit to the heat dissipation unit. In the computer program to be used, the second target temperature is set based on the first temperature detection step of detecting the first temperature around the first irradiation unit and the first temperature and the first temperature target information. A control step of controlling the heat transfer unit based on a target temperature setting step, a second temperature detection step of detecting a second temperature around the heat transfer unit, and the second temperature and the second target temperature. To the measuring device.
上記課題を解決するための記憶媒体は、上述したコンピュータプログラムを記憶している。 The storage medium for solving the above problems stores the above-mentioned computer program.
<1>
本実施形態に係る計測装置は、被測定対象に光を照射する第1照射部と、前記第1照射部により発生した熱を放熱するための放熱部に、前記発生した熱を伝達する伝熱部と、前記第1照射部の周囲の第1温度を検出する第1温度検出部と、前記第1温度と第1温度目標情報とに基づいて、第2目標温度を設定する目標温度設定部と、前記伝熱部の周囲の第2温度を検出する第2温度検出部と、前記第2温度と前記第2目標温度とに基づいて、前記伝熱部を制御する制御部と、を備える。
<1>
In the measuring device according to the present embodiment, the heat transfer that transfers the generated heat to the first irradiation unit that irradiates the object to be measured with light and the heat radiation unit that dissipates the heat generated by the first irradiation unit. A target temperature setting unit that sets a second target temperature based on the unit, a first temperature detection unit that detects a first temperature around the first irradiation unit, and the first temperature and the first temperature target information. A second temperature detection unit that detects a second temperature around the heat transfer unit, and a control unit that controls the heat transfer unit based on the second temperature and the second target temperature. ..
本実施形態に係る計測装置の動作時には、第1照射部から被測定対象に光が照射される。照射される光は、例えばレーザ光であり、ファブリペロー型(FP)レーザ光源等を用いて照射される。光を照射することで第1照射部に発生した熱は、伝熱部によって放熱部に伝達される。伝熱部は、例えばペルチェ素子を含んで構成されており、放熱部に伝達する熱流量を制御することが可能な構成を有する。 During the operation of the measuring device according to the present embodiment, the object to be measured is irradiated with light from the first irradiation unit. The light to be irradiated is, for example, laser light, and is irradiated using a Fabry-Perot type (FP) laser light source or the like. The heat generated in the first irradiation unit by irradiating the light is transferred to the heat dissipation unit by the heat transfer unit. The heat transfer unit includes, for example, a Perche element, and has a configuration capable of controlling the heat flow rate transmitted to the heat radiation unit.
本実施形態では特に、第1照射部の周囲の第1温度と、予め設定された第1温度目標情報とに基づいて、第2目標温度が設定される。そして、伝熱部の周囲の第2温度と、設定された第2目標温度に基づいて、伝熱部が制御される(即ち、放熱部に伝達する熱流量の度合いが調整される)。これにより、第1照射部の温度が、第1温度目標情報に基づいた適切な温度に維持される。なお、「第1温度目標情報」とは、第1照射部を動作させるために適切な温度(言い換えれば、第1温度の目標となる温度)を示す情報である。また、「第2目標温度」とは、第2温度の目標となる温度である。 In this embodiment, in particular, the second target temperature is set based on the first temperature around the first irradiation unit and the preset first temperature target information. Then, the heat transfer unit is controlled based on the second temperature around the heat transfer unit and the set second target temperature (that is, the degree of heat flow rate transferred to the heat radiation unit is adjusted). As a result, the temperature of the first irradiation unit is maintained at an appropriate temperature based on the first temperature target information. The "first temperature target information" is information indicating an appropriate temperature (in other words, a target temperature of the first temperature) for operating the first irradiation unit. The "second target temperature" is a temperature that is a target of the second temperature.
上述したように、第1照射部の周囲の第1温度と、伝熱部の周囲の第2温度とは、互いに別の温度として検出される。この場合、例えば第1照射部と伝熱部との間の距離が大きくなると、熱抵抗による熱伝達遅延により第1温度と第2温度との間にも大きな差が生ずる。このような状況下で、仮に第2温度のみに基づいて伝熱部が制御されてしまうと、第2温度が、第1温度(即ち、第1照射部の実際の温度に近い値)と大きく乖離していることに起因して、正確な温度制御が行えなくなってしまうおそれがある。具体的には、第2温度が適切な値になるよう制御しても、第1温度は適切な値にならない可能性がある。 As described above, the first temperature around the first irradiation unit and the second temperature around the heat transfer unit are detected as different temperatures from each other. In this case, for example, when the distance between the first irradiation unit and the heat transfer unit becomes large, a large difference occurs between the first temperature and the second temperature due to the heat transfer delay due to the thermal resistance. Under such circumstances, if the heat transfer unit is controlled based only on the second temperature, the second temperature is as large as the first temperature (that is, a value close to the actual temperature of the first irradiation unit). Due to the divergence, accurate temperature control may not be possible. Specifically, even if the second temperature is controlled to be an appropriate value, the first temperature may not be an appropriate value.
しかるに本実施形態では、上述したように、まずは第1温度と第1温度目標情報とに基づいて第2目標温度が設定される。ここで第2目標温度は、第1温度と第2温度との差による影響を小さくするための値として設定される。具体的には、第2目標温度は、第2温度が第2目標温度に近づくように制御された場合に、第1温度が第1目標温度の示す温度に近づくような値として設定される。よって、第2温度と第2目標温度に基づいて伝熱部を制御することで、第1温度(即ち、第1照射部の周囲の温度)を第1目標温度情報の示す温度に近づけることができる。 However, in the present embodiment, as described above, the second target temperature is first set based on the first temperature and the first temperature target information. Here, the second target temperature is set as a value for reducing the influence of the difference between the first temperature and the second temperature. Specifically, the second target temperature is set as a value such that the first temperature approaches the temperature indicated by the first target temperature when the second temperature is controlled to approach the second target temperature. Therefore, by controlling the heat transfer unit based on the second temperature and the second target temperature, the first temperature (that is, the temperature around the first irradiation unit) can be brought closer to the temperature indicated by the first target temperature information. can.
従って、本実施形態に係る計測装置によれば、第1温度と第2温度とに差が生じている場合であっても、第1照射部の温度を適切な温度に維持することができる。よって、第1温度と第2温度との間に比較的大きな差が生じてしまうような装置構成を採用せざるを得ない場合であっても、第1照射部の温度を適切な温度に維持することができる。 Therefore, according to the measuring device according to the present embodiment, the temperature of the first irradiation unit can be maintained at an appropriate temperature even when there is a difference between the first temperature and the second temperature. Therefore, even if it is unavoidable to adopt a device configuration that causes a relatively large difference between the first temperature and the second temperature, the temperature of the first irradiation unit is maintained at an appropriate temperature. can do.
<2>
本実施形態に係る計測装置の一態様では、前記第1温度目標情報として、前記第1照射部をシングルモードで動作させるための温度を示す情報を予め記憶する記憶部を更に備える。
<2>
In one aspect of the measuring device according to the present embodiment, as the first temperature target information, a storage unit that previously stores information indicating the temperature for operating the first irradiation unit in the single mode is further provided.
この態様によれば、伝熱部の制御によって第1照射部におけるモードホップの発生を好適に抑制することができる。よって、モードホップの発生に起因して、計測精度が低下してしまうことを防止することができる。 According to this aspect, the generation of mode hops in the first irradiation unit can be suitably suppressed by controlling the heat transfer unit. Therefore, it is possible to prevent the measurement accuracy from being lowered due to the occurrence of the mode hop.
<3>
本実施形態に係る計測装置の他の態様では、前記第1照射部は、照射する光の光軸を調整可能である。
<3>
In another aspect of the measuring device according to the present embodiment, the first irradiation unit can adjust the optical axis of the light to be irradiated.
この態様によれば、第1照射部の光軸を調整可能とする構造(例えば、特殊な治具の配置)によって、第1照射部と伝熱部との間の距離が大きくなってしまう可能性がある。このため、第1温度と第2温度との間にも大きな差が生ずるおそれがある。 According to this aspect, the distance between the first irradiation part and the heat transfer part may be increased due to the structure that allows the optical axis of the first irradiation part to be adjusted (for example, the arrangement of a special jig). There is sex. Therefore, there is a possibility that a large difference may occur between the first temperature and the second temperature.
しかるに本態様では、既に説明したように、第1温度と第1温度目標情報とに基づいて第2目標温度が設定され、第2温度と第2目標温度とに基づいて伝熱部が制御される。このため、第1温度と第2温度とに差が生じている場合であっても、第1照射部の温度を適切な温度に維持することができる。 However, in this embodiment, as described above, the second target temperature is set based on the first temperature and the first temperature target information, and the heat transfer unit is controlled based on the second temperature and the second target temperature. NS. Therefore, even when there is a difference between the first temperature and the second temperature, the temperature of the first irradiation unit can be maintained at an appropriate temperature.
<4>
本実施形態に係る計測装置の他の態様では、前記被測定対象は流体であり、前記第1照射部から照射された光のうち、前記流体で散乱された光を用いて、前記流体の流量を測定する流量測定部を更に備える。
<4>
In another aspect of the measuring device according to the present embodiment, the object to be measured is a fluid, and among the light emitted from the first irradiation unit, the light scattered by the fluid is used to flow the flow rate of the fluid. A flow rate measuring unit for measuring the above is further provided.
流体の流量を測定しようとする場合、第1照射部の光は、被測定対象に対して所定の角度で斜めに照射されることが好ましい。しかしながら、第1照射部から適切な角度で光を照射するためには、例えば上述したような光軸を調整可能な構成を採用することが要求される。また、照射光が他の部材等によって遮られないようにするために、各部材の配置が制限されることにもなる。この結果、第1照射部と伝熱部及び放熱部との間の距離が大きくなってしまい、第1温度と第2温度との間に大きな差が生ずる可能性が高くなる。 When trying to measure the flow rate of the fluid, it is preferable that the light of the first irradiation unit is obliquely irradiated to the object to be measured at a predetermined angle. However, in order to irradiate light from the first irradiation unit at an appropriate angle, it is required to adopt, for example, a configuration in which the optical axis can be adjusted as described above. In addition, the arrangement of each member is restricted so that the irradiation light is not blocked by other members or the like. As a result, the distance between the first irradiation unit, the heat transfer unit, and the heat radiation unit becomes large, and there is a high possibility that a large difference will occur between the first temperature and the second temperature.
しかるに本態様では、既に説明したように、第1温度と第1温度目標情報とに基づいて第2目標温度が設定され、第2温度と第2目標温度とに基づいて伝熱部が制御される。このため、第1温度と第2温度とに差が生じている場合であっても、第1照射部の温度を適切な温度に維持することができる。 However, in this embodiment, as described above, the second target temperature is set based on the first temperature and the first temperature target information, and the heat transfer unit is controlled based on the second temperature and the second target temperature. NS. Therefore, even when there is a difference between the first temperature and the second temperature, the temperature of the first irradiation unit can be maintained at an appropriate temperature.
<5>
本実施形態に係る計測方法は、被測定対象に光を照射する第1照射部と、前記第1照射部により発生した熱を放熱部に伝達する伝熱部と、を備える計測装置を用いる計測方法であって、前記第1照射部の周囲の第1温度を検出する第1温度検出工程と、前記第1温度と第1温度目標情報とに基づいて、第2目標温度を設定する目標温度設定工程と、前記伝熱部の周囲の第2温度を検出する第2温度検出工程と、前記第2温度と前記第2目標温度とに基づいて、前記伝熱部を制御する制御工程と、を含む。
<5>
The measurement method according to the present embodiment uses a measuring device including a first irradiation unit that irradiates the object to be measured with light and a heat transfer unit that transfers the heat generated by the first irradiation unit to the heat dissipation unit. A target temperature for setting a second target temperature based on a first temperature detection step of detecting a first temperature around the first irradiation unit and the first temperature and the first temperature target information. A setting step, a second temperature detection step of detecting a second temperature around the heat transfer section, a control step of controlling the heat transfer section based on the second temperature and the second target temperature, and a control step of controlling the heat transfer section. including.
本実施形態に係る計測方法によれば、上述した本実施形態に係る計測装置と同様に、第1温度と第2温度との間に比較的大きな差が生じてしまうような装置構成を採用せざるを得ない場合であっても、第1照射部の温度を適切な温度に維持することができる。 According to the measurement method according to the present embodiment, similarly to the measurement device according to the present embodiment described above, adopt an apparatus configuration such that a relatively large difference occurs between the first temperature and the second temperature. Even when there is no choice but to maintain the temperature of the first irradiation unit at an appropriate temperature.
なお、本実施形態に係る計測方法においても、上述した本実施形態に係る計測装置における各種態様と同様の各種態様を採ることが可能である。 In the measurement method according to the present embodiment, it is possible to adopt various aspects similar to the various aspects in the measuring device according to the above-described embodiment.
<6>
本実施形態に係るコンピュータプログラムは、被測定対象に光を照射する第1照射部と、前記第1照射部により発生した熱を放熱部に伝達する伝熱部と、を備える計測装置に用いるコンピュータプログラムであって、前記第1照射部の周囲の第1温度を検出する第1温度検出工程と、前記第1温度と第1温度目標情報とに基づいて、第2目標温度を設定する目標温度設定工程と、前記伝熱部の周囲の第2温度を検出する第2温度検出工程と、前記第2温度と前記第2目標温度とに基づいて、前記伝熱部を制御する制御工程と、を前記計測装置に実行させる。
<6>
The computer program according to the present embodiment is a computer used for a measuring device including a first irradiation unit that irradiates the object to be measured with light and a heat transfer unit that transfers the heat generated by the first irradiation unit to the heat dissipation unit. In the program, the target temperature for setting the second target temperature based on the first temperature detection step of detecting the first temperature around the first irradiation unit and the first temperature and the first temperature target information. A setting step, a second temperature detection step of detecting a second temperature around the heat transfer section, a control step of controlling the heat transfer section based on the second temperature and the second target temperature, and a control step of controlling the heat transfer section. Is executed by the measuring device.
本実施形態に係るコンピュータプログラムによれば、上述した本実施形態に係る計測方法と同様の工程を計測装置に実行させることで、第1温度と第2温度との間に比較的大きな差が生じてしまうような装置構成を採用せざるを得ない場合であっても、第1照射部の温度を適切な温度に維持することができる。 According to the computer program according to the present embodiment, by causing the measuring device to execute the same process as the measurement method according to the present embodiment described above, a relatively large difference is generated between the first temperature and the second temperature. The temperature of the first irradiation unit can be maintained at an appropriate temperature even when it is unavoidable to adopt a device configuration that causes the problem.
なお、本実施形態に係るコンピュータプログラムにおいても、上述した本実施形態に係る計測装置における各種態様と同様の各種態様を採ることが可能である。 In the computer program according to the present embodiment, it is possible to adopt various aspects similar to the various aspects in the measuring device according to the above-described embodiment.
<7>
本実施形態に係る記憶媒体は、上述したコンピュータプログラムを記憶している。
<7>
The storage medium according to the present embodiment stores the above-mentioned computer program.
本実施形態に係る記憶媒体によれば、上述した本実施形態に係るコンピュータプログラムを実行させることで、第1温度と第2温度との間に比較的大きな差が生じてしまうような装置構成を採用せざるを得ない場合であっても、第1照射部の温度を適切な温度に維持することができる。 According to the storage medium according to the present embodiment, the apparatus configuration is such that a relatively large difference is generated between the first temperature and the second temperature by executing the computer program according to the above-described embodiment. Even when it has to be adopted, the temperature of the first irradiation unit can be maintained at an appropriate temperature.
本実施形態に係る計測装置、計測方法、コンピュータプログラム及び記憶媒体の作用及び他の利得については、以下に示す実施例において、より詳細に説明する。 The operation of the measuring device, the measuring method, the computer program and the storage medium, and other gains according to the present embodiment will be described in more detail in the following examples.
以下では、図面を参照して計測装置、計測方法、コンピュータプログラム及び記憶媒体の実施例について詳細に説明する。なお、以下では、計測装置が、血液の流量及び濃度に関する情報を測定する装置に適用される場合を例にとり説明を進める。 In the following, examples of the measuring device, the measuring method, the computer program, and the storage medium will be described in detail with reference to the drawings. In the following, the description will be given by taking as an example a case where the measuring device is applied to a device that measures information on blood flow rate and concentration.
<計測ブロック>
先ず、図1を参照して、本実施例に係る計測装置の計測ブロックの構成及び各部の基本的な動作について説明する。図1は、実施例に係る計測装置の計測ブロックの構成を示す概略構成図である。本実施例に係る計測装置は、例えば血液透析装置に用いられる。
<Measurement block>
First, with reference to FIG. 1, the configuration of the measurement block of the measurement device according to the present embodiment and the basic operation of each part will be described. FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a configuration of a measurement block of a measuring device according to an embodiment. The measuring device according to this embodiment is used, for example, in a hemodialysis device.
図1に示すように、本実施例に係る計測装置は、血液の流路である透明チューブ200に向けて、レーザ光を照射可能な半導体レーザ121,122、及び123を備えている。透明チューブ200は、脱血側の流路および返血側の流路を構成する。半導体レーザは、例えばファブリペロー型のレーザ素子として構成されている。半導体レーザ121は、第1駆動制御部111によって駆動され、主に血液からの反射光を得るために、脱血側の流路に向けてレーザ光を照射する。半導体レーザ122は、第2駆動制御部112によって駆動され、主に血液からの透過光を得るために、脱血側の流路に向けてレーザ光を照射する。半導体レーザ123は、第3駆動制御部113によって駆動され、主に血液からの透過光を得るために、返血側の流路に向けてレーザ光を照射する。
As shown in FIG. 1, the measuring device according to the present embodiment includes
半導体レーザ121からの照射光に起因する反射光は、第1受光素子131で受光される。半導体レーザ122からの照射光に起因する透過光は、第2受光素子132で受光される。半導体レーザ123からの照射光に起因する透過光は、第3受光素子133で受光される。第1受光素子131、第2受光素子132、及び第3受光素子133は、例えばフォトダイオードとして構成されており、受光した光の強度に応じた検出電流を夫々出力する。
The reflected light generated by the irradiation light from the
第1受光素子131から出力された第1検出電流は、第1I−V変換部141で第1検出電圧に変換される。第1I−V変換部141から出力された第1検出電圧は、第1BPF増幅器151により、ノイズを含む不要な成分である高周波数成分と低周波成分が除去されると共に増幅され、第1反射信号として出力される。第1反射信号は、第1A/D変換部161により量子化され、第1反射光量として流量濃度推定部に入力される。
The first detection current output from the first
第2受光素子132から出力された第2検出電流は、第2I−V変換部142で第2検出電圧に変換される。第2I−V変換部142から出力された第2検出電圧は、第1LPF増幅器152により、ノイズを含む不要な成分である高周波成分が除去されると共に増幅され、第1透過信号として出力される。第1透過信号は、第2A/D変換部162により量子化され、第1透過光量として流量濃度推定部に入力される。
The second detection current output from the second
第3受光素子133から出力された第3検出電流は、第3I−V変換部143で第3検出電圧に変換される。第3I−V変換部143から出力された第3検出電圧は、第2LPF増幅器153により、ノイズを含む不要な成分である高周波成分が除去されると共に増幅され、第2透過信号として出力される。第2透過信号は、第3A/D変換部163により量子化され、第2透過光量として流量濃度推定部に入力される。
The third detection current output from the third
流量濃度推定部300は、入力された第1反射光量を周波数解析することにより、被測定対象である血液の流量Q1を推定して出力する。具体的には、レーザドップラ作用により生じた光ビート信号である第1反射光量の周波数解析結果から、光ビート信号の平均周波数を演算することにより流量Q1を推定する。流量濃度推定部300は、入力された第1透過光量から、脱血側の血液の濃度Ht2を推定して出力する。流量濃度推定部300は、入力された第2透過光量から、返血側の血液の濃度Ht3を推定して出力する。
The flow rate
ここで、図2及び図3を参照して、血液の流量及び濃度の算出方法について説明する。図2は、流体の流量をパラメータとしたときの、光ビート信号のパワースペクトルを示すグラフである。また図3は、流体濃度と透過光量との関係を示すグラフである。 Here, a method for calculating the flow rate and concentration of blood will be described with reference to FIGS. 2 and 3. FIG. 2 is a graph showing the power spectrum of the optical beat signal when the flow rate of the fluid is used as a parameter. Further, FIG. 3 is a graph showing the relationship between the fluid concentration and the amount of transmitted light.
図2に示すように、透明チューブ200内を流れる血液の流量が低い場合、第1反射光量のパワースペクトルP1(f)は、周波数が低いときに大きな値となり、周波数が高いときは小さい値となる。逆に、血液の流量が高い場合、第1反射光量のパワースペクトルP2(f)は、P1(f)と比較して周波数が低いときにより小さな値となり、周波数が高いときはより大きな値となる。結果として、流量が低い場合は、血液の流量が高い場合と比較して、パワースペクトルの重心に対応する平均周波数は低い値となる。流量濃度推定部300は、このような関係を利用して、パワースペクトルの平均周波数から血液の流量Q1を推定する。
As shown in FIG. 2, when the flow rate of blood flowing through the
図3に示すように、透明チューブ200内を流れる血液の濃度(即ち、ヘマトクリット値)が高くなると、透過光量は指数関数的に減衰する。流量濃度推定部300は、このような関係を利用して、透過光量から血液の濃度Ht2及びHt3を夫々推定する。
As shown in FIG. 3, when the concentration of blood flowing in the transparent tube 200 (that is, the hematocrit value) increases, the amount of transmitted light is exponentially attenuated. The flow rate
<温度制御ブロック>
次に、図4を参照して、本実施例に係る計測装置の温度制御ブロックの構成及び各部の基本的な動作について説明する。図4は、実施例に係る計測装置の温度制御ブロックの構成を示す概略構成図である。
<Temperature control block>
Next, with reference to FIG. 4, the configuration of the temperature control block of the measuring device according to the present embodiment and the basic operation of each part will be described. FIG. 4 is a schematic configuration diagram showing a configuration of a temperature control block of the measuring device according to the embodiment.
図4に示すように、第1半導体レーザ121は、光ドップラシフトを利用して血液の流速を計測するべく、流路である透明チューブ200に対して、規定の角度で斜めにレーザ光を照射することが可能に構成されている。具体的には、第1半導体レーザ121は、レーザ光の光軸の角度を調整可能に構成されている。第1半導体レーザ121は、熱伝導材55を介して伝熱板50に熱結合されている。伝熱板50には、第2半導体レーザ122及び第3半導体レーザ123も熱結合されている。なお、第2半導体レーザ122及び第3半導体レーザ123は、透明チューブ200に垂直にレーザ光を照射できればよいため、第1半導体レーザ121のような光軸調整機能は設けられていない。
As shown in FIG. 4, the
伝熱板50は、例えば熱伝導性の高い金属を含んで構成されており、熱移動素子であるペルチェ素子60の一方の面に熱結合するように配置されている。また、ペルチェ素子60のもう一方の面には、熱を外部に放出するための放熱板70が、熱結合するように配置されている。ここで特に、ペルチェ素子60及び放熱板70は、第1半導体レーザ121、第2半導体レーザ122、及び第3半導体レーザ123から照射されるレーザ光を遮ることがないように、第1半導体レーザ121、第2半導体レーザ122、及び第3半導体レーザ123とは離れた位置に配置されている。ペルチェ素子60及び放熱板70は、夫々「伝熱部」及び「放熱部」の一具体例である。
The
第1サーミスタ81は、第1半導体レーザ121周辺の温度を検出すべく、伝熱板50における第1半導体レーザ121の近くに、熱結合するように配置される。第1サーミスタ81は、第1温度検出部410の構成要素である抵抗素子及び定電圧源と協調してブリッジ回路を構成している(図示せず)。第1温度検出部410は、ブリッジ回路の中点電圧を差動増幅することにより、温度検出電圧V1を出力する。温度検出電圧V1は、A/D変換部420で量子化され、CPU430に入力される。CPU430は、A/D変換部420の出力値から、第1サーミスタ81の温度T1を推定するための演算を実行する。CPU430は、推定した温度T1とメモリ440から取得した目標温度T1refとの差に応じて、後述する第2サーミスタ82の温度目標値を変更するべく、D/A変換部450に温度目標値データを出力する。D/A変換部450は、温度目標値データに応じた温度目標電圧T2vを生成して、温度制御部520の一方の入力に供給する。
The
第2サーミスタ82は、ペルチェ素子60周辺の温度を検出すべく、伝熱板50におけるペルチェ素子60の近くに、熱結合するように配置される。第2サーミスタ82は、第2温度検出部510の構成要素である抵抗素子及び定電圧源と協調してブリッジ回路を構成している(図示せず)。第2温度検出部510は、ブリッジ回路の中点電圧を差動増幅することにより、温度検出電圧V2を出力する。温度検出電圧V2は、温度制御部520のもう一方の入力に供給される。
The
温度制御部520は、温度目標電圧T2vと温度検出電圧V2の差に応じて、制御出力電圧VC2を生成して、駆動回路530に出力する。駆動回路530は、制御出力電圧VC2に応じた駆動電流を生成し、ペルチェ素子60を駆動する。ペルチェ素子60は、駆動電流に応じて、伝熱板50から第1半導体レーザ121、第2半導体レーザ122、及び第3半導体レーザ123が発生した熱を吸収して、放熱板70に移動させる。放熱板70は、ペルチェ素子60により移動した熱を外部に放熱する。即ち、伝熱板50、ペルチェ素子60、及び放熱板70が協調することで、第1半導体レーザ121、第2半導体レーザ122、及び第3半導体レーザ123を冷却している。
The
第1サーミスタ81、第1温度検出部410、A/D変換部420、CPU430、及びD/A変換部450の各々は、互いに協調して第1の温度制御ループを形成している。第1の温度制御ループは、温度目標値T1refに応じて温度目標電圧T2vを制御する第1の負帰還制御を形成している。
Each of the
第2サーミスタ82、第2温度検出部510、温度制御部520、及び駆動回路530、ペルチェ素子60の各々は、協調して第2の温度制御ループを形成している。第2の温度制御ループは、温度目標電圧T2vに応じて、ペルチェ素子60周辺の温度を制御する第2の負帰還制御を形成している。
Each of the
なお、第2の温度制御ループの構成要素である第2温度検出部510、温度制御部520、及び駆動回路530は、同一のアナログ制御LSIにより構成してもよい。この場合、基板面積が減少し、装置の小型化を実現可能である。
The second
また、第2温度検出部510の出力電圧V2をA/D変換器により量子化し、第1の温度制御ループの構成要素であるCPU430が、温度制御部520の作用をデジタル信号処理にて実行してもよい。この場合、第2の温度制御ループの目標電圧T2vに代わり、第2の温度制御ループの目標値がデジタル値として第2の温度制御ループに入力される。この結果、第1の温度制御ループのD/A変換器450が省略でき、コストを低減することが可能である。
Further, the output voltage V2 of the second
<熱伝達に起因する問題点>
次に、引き続き図4を参照しながら、熱伝達に起因して発生する問題点について説明する。
<Problems caused by heat transfer>
Next, problems caused by heat transfer will be described with reference to FIG.
図4に示すように、第1半導体レーザ121、第2半導体レーザ122、及び第3半導体レーザ123は、同一の伝熱板50に熱結合するべく取り付けられ、伝熱板50には単一のペルチェ素子60が熱結合するべく取り付けられている。また、第1半導体レーザ121、第2半導体レーザ122、及び第3半導体レーザ123と、ペルチェ素子60及び放熱板70とは、互いに異なる位置に距離を隔てて配置されている。このように配置すれば、第1半導体レーザ121、第2半導体レーザ122、及び第3半導体レーザ123の出射光を、比較的大きな体積を必要とするペルチェ素子60と放熱板70が遮らないようにすることができる。
As shown in FIG. 4, the
本実施例では特に、上述したように、第1半導体レーザ121、第2半導体レーザ122、及び第3半導体レーザ123と、ペルチェ素子60及び放熱板70とが離れて配置されているにもかかわらず、共通の伝熱板50を介在させることで、互いの熱結合が実現されている。このため、第1半導体レーザ121、第2半導体レーザ122、及び第3半導体レーザ123を好適に冷却することが可能である。しかしながら、第1半導体レーザ121、第2半導体レーザ122、及び第3半導体レーザ123と、ペルチェ素子60及び放熱板70との間に一定の距離が存在することにより、その間には熱伝達遅延が発生してしまう。具体的には、第1半導体レーザ121、第2半導体レーザ122、及び第3半導体レーザ123の照射に伴い発熱した熱量が、伝熱板50を伝わり、第2サーミスタ82まで到達するのには、ある程度の時間を要する。
In this embodiment, in particular, as described above, despite the fact that the
この熱伝達遅延を解消するべく、熱源である第1半導体レーザ121、第2半導体レーザ122、及び第3半導体レーザ123をペルチェ素子60に近接配置しようとすると、出射光が遮られてしまうような構造にせざるを得なくなる。従って、この熱伝達遅延は、複数の光源を単一のペルチェ素子60と放熱板70で冷却し、しかも同時に各光路を確保しようとする場合には避けられない問題となる。このような問題点を解決するために、本実施例に係る計測装置は、2つの制御ループ(即ち、第1の温度制御ループ及び第2の温度制御ループ)を利用した温度制御動作を実行する。
If the
<温度制御動作>
次に、図5から図7を参照して、本実施例に係る計測装置が実行する温度制御動作について説明する。図5は、実施例に係る計測装置による温度誤差演算動作の流れを示すフローチャートである。図6は、実施例に係る計測装置による温度目標出力動作の流れを示すフローチャートである。図7は、実施例に係る計測装置によるペルチェ制御動作の流れを示すフローチャートである。
<Temperature control operation>
Next, the temperature control operation executed by the measuring device according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 5 to 7. FIG. 5 is a flowchart showing the flow of the temperature error calculation operation by the measuring device according to the embodiment. FIG. 6 is a flowchart showing the flow of the temperature target output operation by the measuring device according to the embodiment. FIG. 7 is a flowchart showing the flow of the Perche control operation by the measuring device according to the embodiment.
図5に示すように、本実施例に係る計測装置の動作時には、CPU430が、第1温度検出部410の出力である温度検出電圧V1のA/D変換値を取得する(ステップS101)。続いてCPU430は、第1温度検出部410のA/D変換値から、例えばサーミスタB定数を用いて指数関数演算等を実行することにより、第1サーミスタ81の温度T1を演算する(ステップS102)。続いてCPU430は、第1サーミスタ81の温度T1(即ち、第1半導体レーザ121の温度)の目標温度T1refを、メモリ440からリードする(ステップS103)。続いてCPU430は、目標温度T1refから現在の第1サーミスタ81の温度T1を差し引いて、温度誤差Err1を算出する(ステップS104)。
As shown in FIG. 5, during the operation of the measuring device according to the present embodiment, the
図6に示すように、CPU430は、温度誤差Err1を入力として、位相遅れ補償Eq1を演算する(ステップS201)。具体的には、位相遅れ補償を実行するためにローブーストフィルタ特性を有するデジタルフィルタ演算を実行し、その出力を位相遅れ補償Eq1として出力する。続いてCPU430は、位相遅れ補償Eq1にループゲインK1を乗算して、その値を制御出力値DAとしてD/Aに変換部450に出力する(ステップS202)。D/A変換部450は、CPU430から入力された制御出力値DAに応じて、温度目標電圧T2vを生成して出力する(ステップS203)。
As shown in FIG. 6, the
図7に示すように、温度制御部520は、第2温度検出部510の出力である温度検出電圧V2と、D/A変換部450から入力される温度目標電圧T2vとの差から、制御誤差Err2を算出する(ステップS301)。具体的には、Opアンプによる差動増幅を行う。続いて温度制御部520は、制御誤差Err2を入力として、位相遅れ進み補償Eq2を演算する(ステップS302)。具体的には、Opアンプによる演算機能を利用したアナログフィルタ演算を実行し、位相遅れ進み補償Eq2を出力する。続いて温度制御部520は、位相遅れ進み補償Eq2にループゲインK2を乗算して、制御出力電圧VC2を演算する(ステップS303)。具体的にはOpアンプの増幅機能を利用する。駆動回路530は制御出力電圧VC2に応じて駆動電流を生成して、ペルチェ素子60を駆動する。
As shown in FIG. 7, the
<本実施例の効果>
次に、上述した温度制御動作によって得られる本実施例の技術的効果について説明する。以下では、本実施例とは構成が異なる比較例との比較により、本実施例の効果を明確化していく。
<Effect of this example>
Next, the technical effect of this embodiment obtained by the above-mentioned temperature control operation will be described. In the following, the effect of this example will be clarified by comparing with a comparative example having a configuration different from that of this example.
温度制御を行う場合、第2サーミスタ82を省略して、第2サーミスタ82の代わりに第1サーミスタ81を第2の温度制御ループの構成要素として負帰還制御を行うことも考えられる(第1比較例)。しかし、第1比較例では、上述した熱伝達遅延により、制御ループ内に長大な無駄時間要素を含むことになる。この無駄時間のために原理的に制御帯域を高帯域化することは不可能となる。その結果、周囲温度変化による外乱を抑圧し、温度を安定化させることが困難となり、制御特性として不適となる。また、制御帯域を高帯域に確保できないために、電源投入時の整定時間が長大化し、なかなか計測がスタートできない等の不具合が生じる。
When performing temperature control, it is conceivable to omit the
これに対し、本実施例に係る計測装置では、第2の温度制御ループの検出系の構成要素は、第2サーミスタ82であり、ペルチェ素子60の近傍に配置されている。このため、熱伝達遅延を最小化することが可能な構成を有しているため、原理的に制御帯域をより高帯域化できる。
On the other hand, in the measuring device according to the present embodiment, the component of the detection system of the second temperature control loop is the
第1比較例とは逆に、第1サーミスタ81を省略して、第2の温度制御ループの目標電圧を固定電圧とする場合も考えられる(第2比較例)。第2比較例では、第2の温度制御ループを高帯域化して、周囲温度変化による外乱抑圧性能を向上させることは比較的容易である。しかし、第1半導体レーザ121、第2半導体レーザ122、及び第3半導体レーザ123の近傍温度と、第2サーミスタ82の近傍温度に温度差が生じる。その理由は、両者は伝熱板50を介して熱結合はしているものの、両者の距離が離れていることにより、比較的大きな熱抵抗を有しているためである。
Contrary to the first comparative example, it is conceivable that the
この温度差は、周囲温度変化による外乱の状態により、熱流量が変動するので、前述の熱抵抗の作用により、第1半導体レーザ121、第2半導体レーザ122、及び第3半導体レーザ123の近傍温度を、外乱が印加された状況下で、希望の温度に正確に維持するのは困難であり、結果として第1半導体レーザ121、第2半導体レーザ122、及び第3半導体レーザ123の発振状態が不安定になる。より具体的には、第1半導体レーザ121、第2半導体レーザ122、及び第3半導体レーザ123の発振波長が不安定となり、所謂モードホップが生じ、特に光の干渉性を利用したレーザドップラシフトによる流量検出には不適となる。
Since the heat flow rate of this temperature difference fluctuates depending on the state of disturbance due to the change in ambient temperature, the temperature near the
これに対し、本実施例に係る計測装置では、第2の温度制御ループの検出系の構成要素は、第2サーミスタ82であり、ペルチェ素子60近傍に配置されている。このため、熱伝達遅延を最小化することが可能な構成を有していると同時に、第2の温度制御ループの目標温度が、固定値ではなく第1半導体レーザ121、第2半導体レーザ122、及び第3半導体レーザ123の近傍温度に対する外乱の印加状態により適切に変化する。その理由は、第1半導体レーザ121、第2半導体レーザ122、及び第3半導体レーザ123近傍に配置した第1サーミスタ81が検出した温度T1と、メモリ440上に記憶された目標温度T1refとの差を制御誤差とした第1の温度制御ループにより、制御誤差を抑圧するべく、第2の温度制御ループの目標温度電圧T2vを負帰還制御していることによる。
On the other hand, in the measuring device according to the present embodiment, the component of the detection system of the second temperature control loop is the
以上説明したように、本実施例に係る計測装置は、2重の負帰還制御ループを有するように構成されている。これにより、複数の測定対象に対して、複数の光束を複数の光源から出射する場合に、単一のペルチェ素子60と放熱板70を用いて温度制御しても、ペルチェ素子60と放熱板70がそれぞれの光束を遮ることがない。同時に、温度制御対象である光源と熱制御素子である伝熱素子(ペルチェ素子60)までの距離により熱伝達遅延があっても、伝熱素子近傍に配置した第2サーミスタ82を用いて第2の温度制御ループの熱伝達遅延を最小化することにより、ペルチェ素子60と第2サーミスタ82による第2の温度制御ループの制御帯域を高帯域化し、かつ、最終的に制御したい目標温度を光源近傍に配置した第1サーミスタ81を用いて検出することにより、第1の温度制御ループの制御量である第2の温度制御ループの目標温度を適宜変化可能としたことにより、光源の温度を目標温度に正確に維持することが可能である。
As described above, the measuring device according to the present embodiment is configured to have a double negative feedback control loop. As a result, when a plurality of luminous fluxes are emitted from a plurality of light sources for a plurality of measurement targets, even if the temperature is controlled by using a single
本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う計測装置、計測方法、コンピュータプログラム及び記憶媒体もまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be appropriately modified within the scope of claims and within a range not contrary to the gist or idea of the invention that can be read from the entire specification. Measuring methods, computer programs and storage media are also included in the technical scope of the present invention.
50 伝熱板
60 ペルチェ素子
70 放熱板
81 第1サーミスタ
82 第2サーミスタ
121 第1半導体レーザ
122 第2半導体レーザ
123 第3半導体レーザ
200 透明チューブ
300 流量濃度推定部
410 第1温度検出部
420 A/D変換部
430 CPU
440 メモリ
450 D/A変換部
510 第2温度検出部
520 温度制御部
530 駆動回路
50
440 Memory 450 D /
Claims (7)
前記第1照射部と離れた位置に伝熱板を介して前記第1照射部と熱結合するように配置されており、前記第1照射部により発生した熱を放熱部に伝達する伝熱部と、
前記第1照射部の周囲の第1温度を検出する第1温度検出部と、
前記第1温度と第1温度目標情報とに基づいて、第2目標温度を設定する目標温度設定部と、
により構成される第1の温度制御ループと、
前記伝熱部の周囲の第2温度を検出する第2温度検出部と、
前記第2温度と前記第2目標温度とに基づいて、前記伝熱部を制御する制御部と、
により構成される第2の温度制御ループと、
の2重の温度制御ループを備えることを特徴とする計測装置。 The first irradiation unit that irradiates the object to be measured with light,
A heat transfer unit that is arranged at a position away from the first irradiation unit so as to thermally bond with the first irradiation unit via a heat transfer plate, and transfers heat generated by the first irradiation unit to the heat dissipation unit. When,
A first temperature detection unit that detects the first temperature around the first irradiation unit, and
A target temperature setting unit that sets a second target temperature based on the first temperature and the first temperature target information,
A first temperature control loop composed of
A second temperature detection unit that detects the second temperature around the heat transfer unit, and
A control unit that controls the heat transfer unit based on the second temperature and the second target temperature,
A second temperature control loop composed of
A measuring device characterized by having a double temperature control loop.
前記第1照射部から照射された光のうち、前記流体で散乱された光を用いて、前記流体の流量を測定する流量測定部を更に備える
ことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の計測装置。 The object to be measured is a fluid.
Any of claims 1 to 3, further comprising a flow rate measuring unit for measuring the flow rate of the fluid using the light scattered by the fluid among the light emitted from the first irradiation unit. The measuring device according to item 1.
前記第1照射部の周囲の第1温度を検出する第1温度検出工程と、
前記第1温度と第1温度目標情報とに基づいて、第2目標温度を設定する目標温度設定工程と、
により構成される第1の温度制御ループと、
前記伝熱部の周囲の第2温度を検出する第2温度検出工程と、
前記第2温度と前記第2目標温度とに基づいて、前記伝熱部を制御する制御工程と、
により構成される第2の温度制御ループと、
の2重の温度制御ループを含むことを特徴とする計測方法。 The first irradiation unit that irradiates the object to be measured with light and the first irradiation unit are arranged so as to be thermally coupled to the first irradiation unit via a heat transfer plate at a position away from the first irradiation unit. It is a measurement method using a measuring device including a heat transfer unit that transfers the heat generated by the unit to the heat dissipation unit.
A first temperature detection step for detecting a first temperature around the first irradiation unit, and
A target temperature setting process for setting a second target temperature based on the first temperature and the first temperature target information, and
A first temperature control loop composed of
A second temperature detection step for detecting the second temperature around the heat transfer unit, and
A control step for controlling the heat transfer unit based on the second temperature and the second target temperature, and
A second temperature control loop composed of
A measurement method comprising a double temperature control loop of.
前記第1照射部の周囲の第1温度を検出する第1温度検出工程と、
前記第1温度と第1温度目標情報とに基づいて、第2目標温度を設定する目標温度設定工程と、
により構成される第1の温度制御ループと、
前記伝熱部の周囲の第2温度を検出する第2温度検出工程と、
前記第2温度と前記第2目標温度とに基づいて、前記伝熱部を制御する制御工程と、
により構成される第2の温度制御ループと、
の2重の温度制御ループを前記計測装置に実行させることを特徴とするコンピュータプログラム。 The first irradiation unit that irradiates the object to be measured with light and the first irradiation unit are arranged so as to be thermally coupled to the first irradiation unit via a heat transfer plate at a position away from the first irradiation unit. A computer program used for a measuring device including a heat transfer unit that transfers heat generated by the unit to a heat dissipation unit.
A first temperature detection step for detecting a first temperature around the first irradiation unit, and
A target temperature setting process for setting a second target temperature based on the first temperature and the first temperature target information, and
A first temperature control loop composed of
A second temperature detection step for detecting the second temperature around the heat transfer unit, and
A control step for controlling the heat transfer unit based on the second temperature and the second target temperature, and
A second temperature control loop composed of
A computer program characterized by causing the measuring device to execute the double temperature control loop of the above.
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