JPH04210172A

JPH04210172A - 弁制御装置

Info

Publication number: JPH04210172A
Application number: JP40728890A
Authority: JP
Inventors: Kazunori Miyagawa; 和紀宮川; Toshiyuki Uesawa; 上沢　寿幸; Toshio Shudo; 首藤　敏雄; Kazuo Matsubara; 一雄松原
Original assignee: Atom Corp; Atom Medical Corp; ATOMU KK
Current assignee: Atom Corp; Atom Medical Corp; ATOMU KK
Priority date: 1990-12-07
Filing date: 1990-12-07
Publication date: 1992-07-31

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

［０００１１

【産業上の利用分野］本発明は、弁の開口度を任意に設
定できる弁制御装置に関する。［０００２］【従来の技術】病院において、産後の肥立ちが悪い未熟
児には、空気中の酸素濃度より濃い濃度の酸素が供給さ
れる保育器に入れられる。この保育器内には、１０リッ
トル／分の９９％酸素ガス及び濾過空気の混合気体が供
給される。また、この供給流量に対応する１０リットル
／分の排出量は、自然漏洩の形態、例えば透明なフード
がかぶせられたシーツ及び敷き布団から漏洩する。［０００３］

【発明が解決しようする課題】このような保育器に供給
される酸素を制御するためには、オンオフ型の電磁弁が
用いられている。この電磁弁は、９９％の酸素を供給し
たり、或は遮断したりするものであるが、このオンオフ
制御による電磁弁の振動及び騒音が混合気体の供給管を
経由して保育器内に伝播する。従って未熟児の安眠を妨
げる。また、オンオフ制御は、きめ細かい酸素濃度の制
御ができず、安定時でも制御動作自身が濃度値を細かく
動かしていた。また、オンオフの酸素供給が保育器内に
酸素濃度のむらを生じさせる恐れがある。この電磁弁を
保育器に用いた場合では、未熟児の健全な発育を妨害す
る恐れがある。即ち、適性値に不足した酸素供給は、未
熟児の発育を妨げ、適性値より過剰な酸素供給は、楽に
呼吸ができるが故に、健全な肺の成育を妨害してしまう
。また、酸素濃度を適性に保たなければ、高濃度酸素投
与に伴う未熟児網膜症や酸素中毒にかかってしまうこと
もある。従って、保育器内には、ファン等の小型の撹拌
器を設けなければならないが、未熟児がある程度成育し
て動くものに興味を抱く段階では指を差し込む危険性も
あり、また、漏電等の問題もある。［０００４１本発明は上記の問題を解決するためのもの
で、その目的は、電磁弁を用いないで例えばニードル弁
の開口度を任意に設定できる弁制御回路を備えた弁制御
装置を提供することにある。［０００５］

【課題を解決するための手段】この弁制御装置は、流体
の流量を制御する弁を駆動させるモータと、この弁に連
動するポテンショメータと、このポテンショメータの位
置情報による電圧と前記弁の開口度を制御するための制
御電圧とが入力されて前記位置情報と前記制御電圧が等
しくなるように上記モータを駆動させて、前記弁を所定
の開口度に開口させる弁制御回路とを備えている。［０００６］この弁制御回路は、前記制御電圧と前記位
置情報による電圧とが入力される差動増幅器と、この差
動増幅器の出力に接続されて前記モータに駆動電流を供
給する絶対値回路と、前記差動増幅器の出力の正負を判
定して前記モータに正転信号或は逆転信号を供給する符
号判定回路とを備えている。この制御電圧がディジタル
信号である場合には、差動増幅器の前段にＤＡ変換器が
取付けられる。［０００７］

【実施例】以下に本発明の実施例を図面を参照して説明
する。本発明が用いられる酸素濃度制御装置を概略的に
示すと、図１において、保育器１には、９９％酸素と濾
過空気とを混合した混合気体が一定量例えば毎分１０リ
ツトル供給される。この保育器１は、透明なフードを持
ち、その空間が略１８０リツトルの容量を持っている。この混合気体の酸素濃度は、制御装置２が９９％酸素の
流量を制御することによって制御される。保育器１内の
酸素濃度は、後述する濃度センサ３によってモニタされ
て、制御装置２に帰還される。この濃度センサ３は、混
合気体の取入口から遠く離れて取付られ、保育器１にお
いて未熟児の頭部近傍の上部のフードに取付られる。保
育器１内の酸素濃度値は、濃度センサ３を経由して制御
装置２に入力され、制御装置２は、酸素濃度値を濃度設
定値と比較して、その大小が判定され、判定結果に基づ
いて酸素流量が調整される。従って、濃度値０２（ｔ）
は、一定になるように酸素流量が決定される。ｔｏ　ｏ　０８］図２は、保育器に使用される酸素濃度
制御装置の実施例を示している。この図において、濃度
センサ３は、図１の保育器１内の酸素濃度値を電圧値Ｅ
に変換するもので、現時点の濃度値が例えば１５秒後に
アナログ量の電圧値として取り出すことができるもので
ある。この濃度センサ３は、濃度／電圧変換の遅延時間
、この場合１５秒を補償する予測回路１４に接続される
。［０００９］この予測回路１４は、図３に示すように、
電圧値Ｅをディジタル値に変換するＤＡ変換器１５と、
このＤＡ変換器１５からのディジタル値を順次記憶する
メモリ１６と、このメモリに記憶されたディジタル値の
内、例えば１５秒前のディジタル値と、現時点のデイジ
タル値とを自己相関させて現時点の酸素濃度値を予測す
る計算器１７とを備えている。［００１０１このＤＡ変換器１５は、酸素濃度値に対応
する電圧値Ｅを１．５秒のサンプリング周期で８ビツト
のディジタル値に変換している。上記メモリ１６は、１
．５秒のサンプリング周期における１５秒毎の自己相関
の場合に、少なくとも１０個の記憶箇所が必要になる。このメモリ１６は、一般にＲＡＭを使用しているが、こ
れの代りに例えばワード長が８ビツトの１０段シフトレ
ジスタ群を使用してもよい。［００１１１計算器１７は、次の計算式を用いて、現在
の酸素濃度の予測を行っている。但し、０２　（ｔ）は現在の酸素濃度予測値（％）であ
り、ｒａｗ０２　（ｔ）は濃度センサ３から得られた現
在の酸素濃度値（実測値％）であり、ｒａｗ０２　（を
−６）は６秒前の酸素濃度センサ３から得られた酸素濃
度値％であり、γは予測係数であり、δは予測の為の時
間差である。また、酸素濃度の上昇は、それの下降より
簡単であるので、上昇時の予測係数は、下降時の予測係
数より大きく設定している。本実施例の場合、上昇時の
予測係数は４であり、下降時の予測係数が３である。従
って、前記予測回路１４は、酸素濃度値の時間差分から
制御系の遅れを見越した現在濃度の予測を行うもので、
上の計算式に基づいて現時点の予測値０２　（ｔ）　、
この場合８ビツトのディジタル値を１．５秒毎に濃度制
御回路１８に供給する。［００１２］この濃度制御回路１８は、ディジタル量の
予測値０２（ｔ）と、ディジタルスイッチ１９の設定値
とを比較し、この比較結果が変更すべきと判定した場合
に、−歩前の比較結果と相関して制御電圧Ｐ　（ｔ）を
出力する。即ち、濃度制御回路１８は、現時点と１つ前
の予測値の大小を比較し、更に、現時点の予測値０２（
１）と、設定値とを比較して、９通りの現時点の予測値
に関する状態遷移を求め、同様に、９通りの１つ前の予
測値０２（ｔ−１）に関する状態遷移を補助的に求めて
、８１通りの状態遷移を求め、これらの状態遷移に基づ
いて現時点の制御電圧を変更するか否かを判定する。濃度制御回路１８において、変更すべきと判断した場合
には、次の計算式に従って制御電圧Ｐ　　（ｔ）を出力
する。

【数１】但し、Ｐ　（ｔ）は求める制御電圧値であり、Ｐ　（ｔ
ｌ）は変更前の出力値であり、０２（ｔ）は現在の予測
値（％）であり、０２ｓｅｔは設定値（％）であり、０
２ｒｅｆは基準値（％）であり、には制御係数である。この基準値は、制御装置の電源をオフした場合に最後に
収束する酸素濃度値、即ち大気中の酸素濃度と同じ２１
％であるが、数々の実験から１５％を設定している。こ
の制御係数は、容量に依存して０．　５〜１．５の範囲
で設定でき、１８０リツトルの保育器の場合に１である
。従って、前記濃度制御回路１８は、上の計算式に基づ
いて制御電圧値Ｐ　（ｔ）　、この場合８ビツトのディ
ジタル値を１．５秒毎に弁制御回路２０に供給する。［００１３３本発明による弁制御回路２０は、図４に示
すように、ディジタル量の制御電圧Ｐ　（ｔ）をアナロ
グ値に変換するＤＡ変換器２１と、このＤＡ変換器の出
力が印加される差動増幅器２２と、歯車を介して図２の
流量制御弁２３に取り付けられたポテンショメータ２４
の回転位置を電圧に変換して差動増幅器２２に供給する
バッファ２５と、出力軸が減速歯車を介して図２の流量
制御弁２３に取り付けられたモータ２６と、差動増幅器
２２の出力が供給されると共に駆動電流をモータ２６に
供給する絶対値回路２７と、差動増幅器２２の出力の正
負を判定して、正転成は逆転駆動電流をモータ２６に供
給する符号判定回路２８とを備えている。この流量制御
弁２３は、ニードル弁あるいは螺弁が用いられるが、弁
体が上下動して流路をせき止める型の弁を用いてもよい
。この場合、弁体のロッドにはスライド式のポテンショメ
ータ２４が取付けられモータ２６と弁２３のロッドとの
間にはラックピニオン機構が取付けられる。この絶対値
回路２７は、交流を脈流に変換するもので、通常ダイオ
ードと演算増幅器とで構成される。また、符号判定回路
２８は、１人力に差動増幅器２２の出力が印加され、他
の入力に例えば基準としてのゼロボルトが印加される比
較器を備えている。なお、図２及び図４において、対応
する部材には、同一の符号が付しである。［００１４１図２において、流量制御弁２３は、酸素供
給源即ち９９％濃度の酸素ボンベからの流路に設けられ
、一方、フィルタで雑菌或は塵埃等が除去された空気は
、ポンプで加圧されて、制御弁２３の下流に合流して、
混合気体を形成している。この混合気体は、絞り弁或は
リストリクタ３０によって一定流量、例えば１０リット
ル／分の割合で保育器１に供給される。従って、流量制
御弁２３によって９９％濃度の酸素ガスのみを０〜１０
リットル／分の範囲で調整することによって、混合気体
の酸素濃度が大気中の酸素濃度と同じ値から９９％まで
に調整できると共に、加圧濾過空気の流量が自動的に変
化し得る。尚、酸素供給源の１次圧は、３〜５キログラ
ム毎平方センナメートルである。［００１５］酸素濃度制御装置の初期動作においては、
制御を開始した時点での酸素濃度予測値０２（０）と、
設定濃度値０２Ｓｅｔとの差から制御電圧の初期値Ｐ（
０）を算出する。この初期値に基づいて、流量制御弁２
３を所定の回数及び微調の回転角で回転させる。次に、
初期値を出力後、現在濃度設定値に近付くまで、即ち実
際に効果が出るまで、出力の更新を禁止する。また、こ
の期間は１８０リツトルの保育器の場合例えば２分であ
る。現在濃度が設定値方向に動き始めた時点で通常の制
御動作に移行する。この状態は、酸素濃度が現在より高
く設定されていた場合、図３のＡＤ変換器１５から直接
計算器１７に印加されたディジタル値が１ビット以上増
加した時に発生する。この場合、メモリ１６には、濃度
センサ３からの電圧値Ｅに対応するディジタル値が１５
秒前から始まって１．５秒おきに取り込まれている。［００１６１通常動作においては、酸素濃度値（計測値
）の時間差分から制御系の遅れを見越した現在濃度の予
測を１，５秒おきに行う。０２（ｔ）の状態遷移を見て
Ｐ　（ｔ）値の更新に制限を設ける。ここでの状態遷移
は、通常のＰＩＤ制御と異なって、現在の予測酸素濃度
が設定値から遠く離れている場合には、大雑把に制御量
を決定し、予測酸素濃度が設定値に近付いた場合には濃
度変化に細かく対応して制御を行うことを意味している
。［００１７］この状態遷移の中には、−度制御電圧を変
更した場合には、その効果が保育器に現れるまでの時間
を見越して、制御電圧の再変更までの時間待ちを加える
ことも含んでいる。これは、制御系に本来応答の遅れが
存在するために、現在の濃度予測値をそのまま制御式に
当て嵌めて制御電圧を変えていくことは、出力変更をし
た効果が保育器内に現れる前の状態を元にさらに出力の
変更を加えてしまうことになってしまう事を改善してい
る。従って、制御過剰の結果として設定値を中心にして
濃度予測値即ち現在の濃度値が大きく振動して収束まで
にかなりの時間がかかることは、防止される。［００１８］従って、制御電圧Ｐ　（ｔ）を変更するか
否かは、まず、現在の酸素濃度予測値０２　（ｔ）と、
１サンプリング前、例えば１．５秒前の酸素濃度予測値
０２（ｔ　−１）と、酸素濃度設定値０２ｓｅｔとを見
て判定される。この状態遷移による制御の流れは、９通
りに分類される。即ち、０２（ｔ−１）から０２（ｔ）
へ至る経路は次の３つに分類される。０２　（ｔ−１）　＜０２　（ｔ）　　：増加傾向０２
　（ｔ−１）　＝０２　（ｔ）　　：変化なし０２　（
ｔ−１）　＞０２　（ｔ）　　：減少傾向［００１９］
また、設定値０２ｓｅｔと、予測値０２（ｔ）との関係
も次の３つに分類される。０２ｓｅｔ　（ｔ−１）　＜０２　（ｔ）　　：高い０
２ｓｅｔ　（ｔ−１）　＝０２　（ｔ）　　：丁度良い
０２ｓｅｔ　（ｔ−１）　＞０２　（ｔ）　　：低い［
００２０１同様に０２　（ｔ−１）についても９通りの
状態に分類する。従って、この濃度制御回路１８は、マ
イクロコンピュータと、プログラムとによって８１通り
の判定結果を持ち、これらの結果に基づいて、制御電圧
Ｐ　（ｔ）を変更するか否かを決定する。変更する場合
は、上記計算式に従って、新たな制御電圧Ｐ　（ｔ＋１
）を算出する。［００２１１以下に、本発明の弁制御回路２０の動作を
説明する。ディジタル信号の制御電圧Ｐ　（ｔ）をＤＡ
変換器２１を経由して差動増幅器２２に供給すると、差
動増幅器２２の出力が絶対値回路２７を経由して駆動電
流としてモータ２６に供給される。モータ２６は、弁２
３とこの弁２３に連動するポテンショメータ２４を回転
させる。差動増幅器２２に印加されるポテンショメータ
２４の位置情報による電圧が制御電圧Ｐ　（ｔ）に近付
き、最終的には等しくなり、モータ２６が停止する。こ
の時弁２３の所定の開口度が得られる。符号判定回路２
８は、差動増幅器２３の出力の正負を判定してモータ２
６の正転成は逆転方向を決定する。［００２２］

【発明の効果】以上述べたように、本発明の弁制御装置
は、オンオフ型の電磁弁によるガス濃度のむらを生じさ
せない。従って、９９％の酸素ガスを用いても、きめ細
かい酸素濃度の制御ができる利点が得られる。また、こ
の発明の弁制御装置を酸素療法の保育器に用いた場合で
は、未熟児の健全な発育を妨害せず、高濃度酸素投与に
伴う未熟児網膜症や酸素中毒を防止できる。また、保育
器内には、ファン等の小型の撹拌器を設ける必要がなく
、これにより、未熟児の指を損傷せず、更に、漏電等の
心配もない。また、オンオフ式の電磁弁に比べて、騒音
及び振動が少なく、未熟児の安眠を妨げない利点も得ら
れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】酸素濃度制御装置を概略的に示したブロック図
である。

【図２】酸素濃度弁制御装置の一実施例を示すブロック
図である。

【図３】図２の予測回路の一実施例を示すブロック図で
ある。

【図４】本発明による弁制御回路の一実施例を示すブロ
ック図である。

【符号の説明】

２０　　弁制御回路２３弁２４　　ポテンショメータ２６　　モータ２７　　絶対値回路２８　　符号判定回路

【図１】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】流体の流量を制御する弁を駆動させるモー
タと、この弁に連動するポテンショメータと、このポテ
ンショメータの位置情報による電圧と前記弁の開口度を
制御するための制御電圧とが入力されて前記位置情報に
よる電圧と前記制御電圧とが等しくなるように前記モー
タを駆動させて、前記弁を所定の開口度に開口させる弁
制御回路とを備えた弁制御装置。
【請求項２】前記弁制御回路は、前記制御電圧と前記位
置情報による電圧とが入力される差動増幅器と、この差
動増幅器の出力に接続されて前記モータに駆動電流を供
給する絶対値回路と、前記差動増幅器の出力の正負を判
定して前記モータに正転信号或は逆転信号を供給する符
号判定回路とを備えた請求項１の弁制御装置。
【請求項３】前記制御電圧がディジタル信号である場合
に、前記差動増幅器の前段にＤＡ変換器が取付られる請
求項２の弁制御装置。