JP2022036350A - 流量算出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 流量の測定精度を向上させること。【解決手段】本発明に係る流量算出装置の一実施形態は、測定対象に光を出射可能な発光素子と、前記光のうち散乱した散乱光を受光可能な受光素子と、前記散乱光の周波数成分に基づいて、前記流体の流量を算出する計算部と、を備え、前記計算部は、前記流体の想定流量に応じて、前記算出に使用する周波数範囲を変更する。【選択図】 図２

Description

本発明は、流量算出装置に関する。

従来、例えば特許文献１に記載されているように、光学的に血流量を測定することが知られている。

特開平７－９２１８４号公報

血流量のような微小流量に限らず、様々な流量を測定することが求められている。

本発明に係る流量算出装置の一実施形態は、測定対象に光を出射可能な発光素子と、前記光のうち散乱した散乱光を受光可能な受光素子と、前記散乱光の周波数成分に基づいて、前記流体の流量を算出する計算部と、を備え、前記計算部は、前記流体の想定流量に応じて、前記算出に使用する周波数範囲を変更する。

本発明に係る流量算出装置によれば、流量の測定精度を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る流量算出装置を模式的に示す断面図である。 図１に示した流量算出装置の概要を示すブロック図である。 図１に示した流量算出装置とは異なる実施形態を示すブロック図である。

（流量算出装置）
（一実施形態）
図１に、本発明の一実施形態に係る流量算出装置を示す。また、図２に、流量算出装置の有する機能部も含めたブロック図を示す。

本発明に係る流量算出装置は、流体に光を入射させて、その散乱光の出力に基づいて流体の流量を測定することができる。本開示の流量算出装置１（以下、単に「流量算出装置１」という）では、光のドップラー効果を利用して流量の測定を行なう。流体は、光のドップラー効果を利用して測定可能なものであれば特に限定されないが、例えば、血流またはプリンター用のインクなどであればよい。

流量算出装置１は、発光素子２と、受光素子３と、制御装置５とを備えている。そして、制御装置５は、流量算出装置１を制御することができ、計算部６を有している。発光素子２は、測定対象（流体および流路）に光を出射することができる。受光素子３は、光を受光することができる。計算部６は、受光素子３で受光した光に基づいて、流量測定のための計算を行なうことができる。

発光素子２は、流体に光を出射することができる。発光素子２は、例えばＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting LASER）などの半導体レーザ素子であればよい。受光素子３は、発光素子２から出射した光のうち、測定対象の流体などで散乱された光を受光することができる。受光素子３は、例えば、シリコンフォトダイオード、ＧａＡｓフォトダイオード、ＩｎＧａＡｓフォトダイオード、ゲルマニウムフォトダイオード等の各種フォトダイオードであればよい。なお、発光素子２および受光素子３は、従来周知の方法によって製造することができる。

発光素子２は、測定目的に応じた波長の光を出射可能であればよい。例えば、血流を測定する場合、発光素子２の波長は、例えば、６００～９００ｎｍであればよい。また、例えば、プリンター用のインクを測定する場合、発光素子２の波長は、７００ｎｍ～１０００ｎｍ、であればよい。なお、測定対象物の測定が可能であれば、発光素子の光の波長は、上記の例示に限られない。

受光素子３は、流量測定が可能なものであればよい。受光素子３は、受光したい光の波長を受光可能であるものを選択すればよい。受光する光が発光素子２から出射される光から波長の変化が無い場合、発光素子２の出射光を受光できるものであればよく、波長の変化が有る場合、変化後の波長の光を受光できるものであればよい。

より具体的には、本開示の受光素子３は、静止した物質（例えば、血液を測定する場合は皮膚などをいう。）からの散乱光と、動いている物質（例えば、血液を測定する場合は赤血球などをいう。）からの散乱光との光の干渉によって生じるうなり信号の測定が可能なものであればよい。また、うなり信号は強度と時間の関係であるが、本開示の受光素子３は、例えば、この強度変動を追従可能な時間分解能を持っていればよい。

なお、本明細書において、出射光は発光素子２より直接出射される光である。散乱光は出射光のうち測定対象物を含む物質によって散乱された光全般を指し、屈折率が異なる物質間の境界で反射した光（いわゆる反射光）も含むものである。

流量算出装置１は、パッケージ７を、さらに備えている。パッケージ７は、発光素子２および受光素子３を収容するものである。パッケージ７は、従来周知の方法によって製造することができる。

パッケージ７は、例えば立方体または直方体の外形を有していればよい。パッケージ７は、上面に開口した複数の凹部８を有しており、複数の凹部８に、発光素子２および受光素子３が収容されている。発光素子２の光およびパッケージ７に戻ってくる散乱光は、凹部８の開口を通過する。

パッケージ７は、例えば、セラミック材料または有機材料で形成された配線基板の積層体であればよい。セラミック材料としては、例えば、酸化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、炭化珪素質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、窒化珪素質焼結体またはガラスセラミックス焼結体等が挙げられる。有機材料としては、例えば、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエステル樹脂、アクリル樹脂、フェノール樹脂またはフッ素系樹脂等が挙げられ、フィラー粒子またはガラスクロスが含有していてもよい。

パッケージ７には、発光素子２または受光素子３と電気的に接続され、発光素子２に入力される電気信号が伝送され、受光素子３から出力される電気信号が伝送される信号配線があってもよい。この信号配線は、発光素子２または受光素子３と接続する接続部材であるボンディングワイヤと、ボンディングワイヤが接続される接続パッドと、接続パッドに電気的に接続して接続パッドの直下からパッケージ７の下面にまで延びるビア導体と、ビ
ア導体に電気的に接続する外部接続端子とから成っていてもよい。外部接続端子は、パッケージ７の下面に設けられており、実装基板４の接続端子とはんだ等の端子接続材料によって電気的に接続される。

発光素子２および受光素子３は、例えば、ボンディングワイヤを用いた接続方法によって、パッケージ７と電気的に接続されていればよい。また、接続方法として、フリップチップ接続、バンプ接続、異方性導電フィルムを用いた接続方法によって接続されてもよい。

制御装置５は、流量算出装置１を制御することができる。制御装置５は、上述のとおり計算部６を有している。また、制御装置５は、計算部６の他にも記憶部９を有している。計算部６は、受光された光に基づいて、流体の流量を演算することができる。記憶部９は、計算部６の演算のためのプログラムなどを記憶することができる。

流量算出装置１の制御装置５は、複数の半導体素子１０を有しており、構成されている。すなわち、流量算出装置１は、複数の半導体素子１０を集積して、少なくとも１つのＩＣ（Integrated Circuit）またはＬＳＩ（Large Scale Integration）などを形成したり、または複数のＩＣまたはＬＳＩなどをさらに集積して少なくとも１つのユニットを形成したりなどすることによって、流量算出装置１の有する各機能部を構成することができる。すなわち、複数の半導体素子を集積して、計算部６または記憶部９などを構成している。そして、各機能部が集まって制御装置５を構成することができる。

複数の半導体素子１０は、例えば、トランジスタまたはダイオードなどの能動素子、あるいはコンデンサなどの受動素子であればよい。なお、複数の半導体素子、およびそれらを集積して形成した集積回路などは、従来周知の方法によって形成することができる。

なお、本実施形態に係る複数の半導体素子１０は、実装基板４上に実装されている。その結果、パッケージ７と電気的に接続されている。

計算部６は、具体的には、例えば、プロセッサを有している。プロセッサは、例えば、１以上のプロセッサ、コントローラ、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ：Application Specific Integrated Circuit）、デジタル
信号処理装置、プログラマブルロジックデバイス、又はこれらのデバイスもしくは任意の構成の組み合わせ、または他の既知のデバイスもしくは構成の組み合わせを含んでよい。

記憶部９は、具体的には、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）またはＲＯＭ（Read-Only Memory）を有している。記憶部９には、ファームウェアが記憶されている。その結果、計算部６のプロセッサは、記憶部９のファームウェアに従って、１以上のデータ計算手続き又は処理を実行することができる。

なお、制御装置５は、計算処理の前処理として、種々の処理を行なってもよい。例えば、受光素子３の電気信号を電圧値に変換する処理、信号のＡＣ（Alternating Current）成分とＤＣ（Direct Current）成分を分離する処理、ＡＣ信号を増幅する処理またはアナログ信号をデジタル信号に変換する処理などを行なってもよい。すなわち、制御装置５は、ＩＶ変換部、ＡＣ－ＤＣデカップリング部、ＡＣ増幅部またはＡＤ変換部を有していてもよい。また、制御装置５は、発光素子３を制御するための種々の処理を行なってもよい。

流量算出装置１は、流量相当値を計算し、この流量相当値を検量線と比較することによって流量の測定を行なう。具体的には、計算部６は、受光素子３の出力から流量相当値を算出し、予め既知の流量に対して流量算出装置１を使用して求められた、流量と流量相当値との関係を示す検量線と比較することによって、流量を測定することができる。なお、検量線は、記憶部９に記憶されていればよい。

流量算出装置１は、上述した通り、ドップラー効果を利用して、流量を測定することができる。具体的には、流体によって散乱した散乱光は、流体の移動速度に比例したドップラー効果によって周波数がシフト（ドップラーシフト）するため、それを利用して、流量を測定することができる。

すなわち、流量算出装置１は、ドップラー効果によって、静止した物質からの散乱光と、動いている物質からの散乱光との光の干渉によって生じるうなり信号（ビート信号ともいう）を取得することができる。うなり信号は強度と時間の関係であり、フーリエ変換を行なうことで、パワーと周波数の関係を示すパワースペクトルを取得することができる。そして、パワースペクトルのパワーの値（以下、単に「パワー」という）は流体の流量に応じて変動することから、このパワースペクトルの一次モーメントが流量相当値となる。なお、一次モーメントは、下記の積分式から求めることができる。

なお、実際に得られる出力値は離散的であることから、積分（式１）に相当する演算として下記の数式に基づいて計算を行なう。

なお、式１，２においてＱは流量相当値、ｆは周波数、Ｐはパワーを示している。また、ａとｂは、演算に用いる周波数ｆの下限および上限を示している。

ここで、光のドップラー効果を利用して流体の流量を測定するとき、流量が大きくなるにつれて、パワースペクトルの低周波域のパワーが低下していた。すなわち、流量変動に対する流量相当値変動の比（流量相当値／流量）が、流量が大きくなるにつれて小さくなる傾向にあった。したがって、流体の流量が大きい場合の流量算出装置１の分解能を向上できず、大流量の流体のわずかな流量の変化に対して、精度を向上させることが難しかった。

これに対して、本発明に係る流量算出装置１は、計算部６が、想定流量（流量相当値）に応じて、算出に使用する周波数範囲を変更することできる。つまり、計算部６が、パワースペクトルから流量相当値を計算するときに、適切な周波数範囲（上記の式のａとｂ）で計算を行なうことができる。具体的には、本発明に係る流量算出装置１では、パワースペクトルの一次モーメントを上記の式で計算する際に、適切な積分範囲（周波数範囲）で計算することができる。その結果、流量算出装置１は、小流量から大流量まで精度よく測定することができる。

流量算出装置１では、流体の流量が大きい場合に、計算部６が、パワースペクトルの低周波域のパワーを計算から排除することができる。これにより、大流量に対して分解能の低い低周波域の影響を低減し、分解能の高い周波数域のパワーの値を対象にして流量相当値を求めている。したがって、本開示の流量算出装置１では、大流量の流体のわずかな流量の変化に対しても、精度よく測定することができる。

また、計算部６は、流体の流量が小さい場合に、パワースペクトルの高周波数域のパワーは計算から排除しなくてもよい。また、計算部６は、パワースペクトルの低周波数域のパワーのみ計算から排除してもよい。すなわち、パワースペクトルにおいて、高周波数域のパワーは低周波数域より小さくなるため、高周波域側を排除しなくても、測定精度に与える影響は小さい。したがって、高周波数域を排除しないことによって、測定精度の低下を低減しつつ計算部６の計算速度を向上させることができる。

流量算出装置１では、計算で使用する周波数範囲として第１範囲と、第１範囲よりも周波数の下限値が大きい第２範囲を設定されている。また、第１範囲と第２範囲の上限値は同一でもよい。第１範囲および第２範囲は、記憶部９に記憶されており、測定時に計算部６によって使用されてもよい。

具体的には、第１範囲および第２範囲は、測定対象によって適宜設定すればよい。流量算出装置１では、第１範囲は、例えば、０ｋＨｚ～５０ｋＨｚまでの周波数域であればよい。第２範囲は、４０ｋＨｚ～５０ｋＨｚまでの周波数域であればよい。また、流量が１ｍＬ／ｍｉｎ以下の場合は、上記の第１範囲で計算すればよい。例えば、流量が５００ｍＬ／ｍｉｎ以上の場合は、上記の第２範囲で計算すればよい。

また、本実施形態において、記憶部９は、積分範囲として、第１範囲を適用した第１計算式と、第２範囲を適用した第２計算式を記憶していてもよい。また、計算部６は、想定流量に基づいて計算式を切り替えて計算を行なう。具体的には、計算部６は、想定流量が小さい場合には、第１計算式に基づいて計算し、想定流量が大きい場合には、第２計算式に基づいて計算を行なう。その結果、想定流量の異なる測定対象ごとに最適な計算を行なうことができ、精度を向上させることができる。

本実施形態において、計算で使用する周波数範囲の下限値は、周波数ごとのパワーのブレ（例えば、ＣＶ：Coefficient of Variation 値）に基づいて決定すればよい。具体的
には、想定される流量域において実際の流体を測定し、周波数ごとのパワーの変動をモニタする。そして、周波数が大きい順にＣＶ値を整理したときに、任意の閾値以上のＣＶ値を有する周波数を周波数範囲の下限値として設定すればよい。

本実施形態において、計算で使用する周波数範囲の上限値は、同一の値であればよい。すなわち、本実施形態においては、第１範囲の上限値も第２範囲の上限値も同一でよい。なお、周波数範囲の上限値は、ＡＤ変換部のサンプリングレートに基づいて設定してもよい。なお、第１範囲の上限値、第２範囲の上限値は、同一でなくても構わない。

流量算出装置１は、入力装置１１を有している。入力装置は、予め流量算出装置１の測定に使用する周波数範囲を設定することができる。つまり、本実施形態に係る流量算出装置１では、入力装置１１によって、測定開始時に、計算部６が第１範囲を使用するか、第
２範囲を使用するか選択することができる。入力装置１１は、例えば、キーボード、マウス、タッチパネルまたはスイッチなどであればよい。

本実施形態に係る流量算出装置１は、測定結果を表示する表示装置１２を、さらに有していてもよい。表示装置１２は、例えば、液晶ディスプレイまたはタッチパネルであればよい。なお、本実施形態の流量算出装置１の入力装置１１が、タッチパネルの場合、入力装置１１と表示装置１２を１つのものとしてもよい。

（他の実施形態）
次に、本発明の他の実施形態に係る流量算出装置１について、説明する。なお、上記の実施形態の構成と異なる部分のみ説明する。

本実施形態に係る流量算出装置１では、流体の測定前に、計算部６によって周波数範囲を計算してもよい。すなわち、測定前に校正を行ない、周波数範囲の下限値を決定してもよい。具体的には、計算部６が、周波数とパワーとに基づいたＣＶ値を計算し、上述のように、このＣＶ値から周波数範囲の下限値を決定すればよい。なお、決定された下限値は、記憶部９に記憶されればよい。

（他の実施形態）
次に、本発明の他の実施形態に係る流量算出装置１について、説明する。なお、上記の実施形態の構成と異なる部分のみ説明する。

本実施形態に係る流量算出装置１では、計算部６が、算出した結果（流量相当値）に応じて、周波数範囲を変更することができる。具体的には、上記の実施形態のように予め入力するのではなく、測定対象の想定流量（流量相当値）が大きくなったとき、または小さくなったときに、自動的に計算に使用する周波数範囲または計算式を切り替えてもよい。なお、第１範囲および第２範囲は、上記のように、予め定めておけばよい。

具体的には、例えば算出に使用する周波数範囲を全範囲としたときに、計算部６で計算される流量相当値は、上記の説明から分かるように、流体の流量が大きくなるにつれて飽和値に近づいていく。したがって、流量相当値が任意の閾値を超えたときに、計算で使用する周波数範囲を第１範囲（第１計算式）または第２範囲（第２計算式）に切り替えて計算することができる。その結果、流量算出装置１は、同一対象の小流量から大流量まで測定することができる。

なお、設定される任意の閾値は、第１閾値および第２閾値を有していてもよい。ここで、例えば、設定される閾値が１つのみの場合、実際の流量相当値は変動するため１つの閾値を超えたり戻ったりすることがあり、その度に周波数範囲を変更していると、計算部６に多大な負荷がかかることがある。したがって、設定される閾値が、複数の閾値を有していることによって、上記の現象による計算部６の負荷を低減することができる。

本実施形態において、計算部６が、第１計算式から第２計算式に変更する場合、変更領域を設けてもよい。そして、変更領域では、計算部６は、第１計算式および第２計算式の両方を用いて計算を行なってもよい。なお、この時の計算部６の流量相当値は、第１計算式および第２計算式の計算結果を比較して算出してもよい。例えば、変更領域では、第１計算式および第２計算式の平均をとってもよい。

また、変更領域では、第１計算式の第１計算結果および第２計算式の第２計算結果に対して重みづけを行ない、それらを足し合わせた結果を流量相当値としてもよい。すなわち、第１計算結果に対する重み付けのパラメータを第１係数α、第２計算結果に対する重み付けのパラメータを第２係数βとしたときに、第１計算結果と第１係数αの積と、第２計算結果と第２係数βの積との和を流量相当値とすればよい。

なお、第１係数αおよび第２係数βは、定数でもよいし、変数でもよい。また、変数の場合には、第１計算結果および第２計算結果を比較しながら、計算部６が、自動的に設定してもよい。

（他の実施形態）
次に、本発明の他の実施形態に係る流量算出装置１について、説明する。なお、上記の実施形態の構成と異なる部分のみ説明する。

本実施形態に係る流量算出装置１では、計算部６が、流量相当値の計算時に、想定流量に応じて設定する複数の周波数範囲を含んで計算することできる。すなわち、例えば、記憶部９に第１計算式および第２計算式が記憶されている場合に、計算結果によって計算式を切り替えるのではなく、１つの計算式に基づいて計算を行なうことができる。なお、このとき、１つの計算式は、例えば、第１計算結果と第１係数αの積と、第２計算結果と第２係数βの積との和であってもよい。

なお、第１係数αおよび第２係数βは、定数であり、小流量から大流量までの測定の分解能を担保できる値に設定していればよい。例えば、第１計算結果に乗じる値は０．２、第２計算結果に乗じる値は０．８などに設定されていればよい。

なお、本発明は上述の実施形態の例に限定されるものではなく、その内容に矛盾をきたさない限り、種々の変形を含むものである。また、本発明に係る各実施形態は、適宜、組合せ可能である。

例えば、図３に示すように、本実施形態に係る流量算出装置１は、センサ装置１３、通信装置１４および外部制御装置１５を有していてもよい。

具体的には、センサ装置１３は、上記実施形態の発光素子２および受光素子３を有している装置である。また、外部制御装置１５は、上記実施形態の制御装置５などを構成する複数の半導体素子１０を有している装置である。また、通信装置１４は、センサ装置１３および外部制御装置１５の間の情報の送受信を行なう装置であり、複数の半導体素子１０で構成されている。

その結果、例えば、センサ装置１３で取得した受光素子３の出力を外部制御装置１５に送信して、外部制御装置１５の計算部６で計算してもよい。これにより、流量算出装置１の設置の自由度を向上させることができる。

また、本実施形態に係る流量算出装置１では、計算で使用する周波数範囲として、第１範囲および第２範囲を設定しているが、本発明に係る流量算出装置１は、これに限られない。すなわち、本発明に係る流量算出装置１は、周波数の下限値が第１範囲および第２範囲と異なる第３範囲を有していてもよい。また、４つ以上の周波数範囲を有していてもよい。

本発明において、入力装置１１から入力される入力情報は、測定を開始する前、または測定中に、具体的に定められた周波数範囲であってもよい。

また、本発明において、記憶部９には複数の測定対象およびこれらの測定対象に応じて設定された周波数範囲が記憶されていてもよい。そして、入力装置では予め記憶されてい
る測定対象を選択して、計算部６では、選択された測定対象に応じて設定された周波数範囲に基づいて計算してもよい。

また、上記の流量算出装置１では、流量相当値と検量線を比較し、流量の絶対値を算出する例について記載しているが、本発明に係る流量算出装置１は、この場合には限られない。すなわち、流量の相対的な変化を把握するだけで十分であれば、本発明に係る流量算出装置１は、検量線と比較しなくてもよい。

１ 流量算出装置
２ 発光素子
３ 受光素子
４ 実装基板
５ 制御装置
６ 計算部
７ パッケージ
８ 凹部
９ 記憶部
１０ 半導体素子
１１ 入力装置
１２ 表示装置
１３ センサ装置
１４ 通信装置
１５ 外部制御装置

Claims (6)

1. 測定対象に光を出射可能な発光素子と、
   前記光のうち散乱した散乱光を受光可能な受光素子と、
   前記散乱光の周波数成分に基づいて、前記流体の流量を算出する計算部と、を備え、
   前記計算部は、前記流体の想定流量に応じて、前記算出に使用する周波数範囲を変更する、流量算出装置。
2. 請求項１に記載の流量算出装置において、
   前記想定流量に応じて、前記算出に使用する周波数範囲を設定する入力装置と、をさらに備える、流量算出装置。
3. 請求項１に記載の流量算出装置において、
   前記計算部は、前記流体の測定前に、前記周波数範囲を計算する、流量算出装置。
4. 請求項１に記載の流量算出装置において、
   前記計算部は、前記流体の測定中に、測定結果に応じて使用すべき前記周波数範囲を変更する、流量算出装置。
5. 請求項１に記載の流量算出装置において、
   前記周波数範囲は、前記流量が少ない場合に使用する第１範囲と、前記流量が多い場合に使用する第２範囲を有している、流量算出装置。
6. 請求項５に記載の流量算出装置において、
   前記第２範囲の下限値は、前記第１範囲の下限値よりも大きい、流量算出装置。

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