JPS6128869A - 気流速度測定装置 - Google Patents

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】 ［発明の技術分野］ 本発明は被検体く人間、動物一般）の呼吸による気流の
時間的変化かを測定する気流速度測定装置に関する。

［発明の技術的背景とその問題点］ 従、来より、被検体の呼吸による気流の時間的変化量（
以下、「気流速度」と称する）を測定する装置として気
流速度測定装置あるいは気流計と称される装置が製品化
されている。

第９図は従来の気流速度測定装置の構成を示す説明図で
あり、１はセンサである。このセンサ１は管路の一部に
大径部２を有し、この大径部２内に複数の細管３が配設
され１成る。そして、前記大径部２の両端部はチューブ
４及び５を介して気流速度測定部６に接続されている。

気流速度測定部６は感圧素子を具備し、矢印７で示すよ
うに前記大径部内に空気（呼吸気）が出入りす“る際に
、前記細管３内を通過する空気により生ずる圧力勾配を
電気信号に変換する機能を有する。これにより、被検体
の気流速度を測定することができる。

しかしながら、上述した従来装置にあっては、大径ｉＷ
２内の構成上センサ１の小型化が図れず、装置全体とし
て大型かつ高価となるという問題点がある。また、セン
サ１内に生ずる圧力勾配をチューブ４及び５を介して気
流速度測定部６に設けられた感圧素子に導びいて測定を
行なうものであるため、デユープ４，５が比較的長くな
り、中間で雑音を拾ったり、時間的応答性が悪くなった
りして測定誤差を招くというような不都合があった。

この他に、センサとしてサーミスタを用いて呼吸気の熱
を測定することにより気流測定を行う小型の装置もある
が、サーミスタは実際の呼吸気に対して熱応答が遅いの
で、得られる情報量が少ないという問題点がある。

［発明の目的］ 本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、気流速
度を正確に測定できると共に小型、軽量かつ安価なる気
流速度測定装置の提供を目的とする。

し発明の概要コ 上記目的を達成するための本発明の概要は、被検体の呼
吸による気流の時間的変化量を測定する気流速度測定装
置において、前記気流を通過させる筒状体と、この筒状
体内に設けられ、通過する気流により生ずる圧ツノを電
気信号に変換可能な気流速度検出手段とを有することを
特徴とするものである。

［発明の実施例コ 以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明
する。

第１図は本発明の一実施例たる気流速度測定装置の構成
を示すブロック図である。同図８は詳しくは後述するよ
うに被検体（人間、動物一般）の呼吸による気流を通過
させる筒状体と、この筒状体内に設けられ、通過する気
流により生ずる圧力を電気信号に変換可能な気流速度検
出手段とを有して成るセンサ、９は前記センサ８よりの
電気信号の処理を行う信号処理手段であり、例えば前記
センサ８よりの電気信号を増幅する前置増幅手段１０ａ
と、前記センサ８内に設けられた気流速度検出手段等の
温度ドリフトを電気的に補償する温　　　゛度ドリフト
補償手段１０ｂと、前記気流速度検出手段の機械的ヒス
テリシス特性を電気的に補償するヒステリシス補償手段
１１と、このヒステリシス を有して成る。

尚、１３は前記信号処理手段９内の各手段の電源たるバ
ッテリ、１４は例えばツェナーダイオード等を有して成
り、かつ、前記バッテリ１３の出力電圧を監視するバッ
テリチェッカ、１５は例えば発光ダイオードあるいはブ
ザー等を有して成り、かつ、前記バッテリ１３の出力電
圧が所定値以下になった場合に前記バッテリチェッカ１
４よりの指令に応じて警告を発する警告手段である。

次に、′前記センサ８の構成について第２図乃至第４図
を参照しながら説明する。

第２図は前記センサ８の概略斜視図、第３図はその断面
図、第４図は前記センサ８内に設けられた気流速度検出
手段１８の電気的接続関係を示す回路図である。

第２図１７は被検体の呼吸による気流を通過させる筒状
体であり、例えばプラスチックにより厚さｔ＝２ａｍ、
長さオ＝１３麿、外径ｄ−１２履程度の筒状に形成され
て成る。１８は前記筒状体１７内に設けられ、この筒状
体１７内を通過する気流により生ずる圧力を電気信号に
変換旬能な気流速度検出手段であり、例えば第３図にそ
の断面を示すように、筒状体１７内壁に取り付けられた
ベース１８ａと、このベース１８ａに垂直に取り付けら
れ、かつ、矢印Ｓ及び■方向に流れる気流により機械的
変形（歪）を生ずる気流変形部材１８ｂ（例えばマイラ
ーフィルム＠）と、この気流変形部材１８ｂの両面に接
着され、かつ、気流変形部材１８ｂの機械的歪によりそ
の電気的抵抗（以下、単に「抵抗」と称する）が増減す
るそれぞれ第１．第２の感圧素子例えばストレインゲー
ジ１８Ｇ、１８ｄと、この第１のストレインゲージ１８
Ｃの近傍に取り付けられ、かつ、温良によりその抵抗が
増減する第１の感温手段１８ｅと、前記第２のストレイ
ンゲージ１８Ｃ１の近傍に取り付けられ、かつ、温度に
よりその抵抗が増減する第２の感温手段１８ｆとを有し
て成る。ここに、前記第１．第２の感温手段１８ｅ、　
１８ｆには、その温度特性〈温度に対する抵抗の変化）
が前記第１゜第２のストレインゲージ１８ｃ、１８ｄに
等しいものを適用する。例えば前記気流により生ずる圧
力によっては撓まない程度の剛性を有するストレインゲ
ージを適用づ−ることができる。そして、前記第１．第
２のストレインゲージ１８ｃ、１８ｄ及び前記第１．第
２の感温手段１８ｅ、１８ｆは前記ペース１８ａよ若し
くはベース１８ａ内で後述するように電気的に接続され
ると共にリード線１９を介して前記信号処理手段９内の
前置増幅手段１０ａの入力部に接続される。

次に、前記気流速度検出手段１８の電気的接続関係につ
いて第４図をも参照しながら説明する。

同図より明らかなように、第１のストレインゲージ１８
ｃと第２の感温手段１８ｆとが直列接続されて１組の感
圧手段Ｒ２が構成され、また、第２のストレインゲージ
１８ｄと第１の感温手段１８ｅとが直列接続されて１組
の感圧手段Ｒ３が構成される。そしてこの感圧手段Ｒ２
及びＲ３は抵抗Ｒ４及びＲｏと共に４端子ブリッジ回路
を構成すべく直列接続される。ここに、前記抵抗Ｒ１及
びＲｏは例えば前記前置増幅手段１０ａの入力部に有す
る抵抗であり、また、同人力部において、前記４端子ブ
リッジ回路の端子１９（ｊと端子１９ｂとの間に前記バ
ッテリ１３より供給される直流定電圧または直流定電流
が供給されるようになっている。よって、前記気流速度
検出手段１８よりのリード線１９は前記４端子ブリッジ
回路の端子１９ａ、１９ｂ、１９ｃに対応する３芯ウー
、プルとなる。

尚、前記前置増幅手段１０ａの増幅に供されるのは前記
４端子ブリッジ回路の端子１９ａと端子１９Ｃとの間に
生ずる電位差［ｉｎである。

次に、前記ヒステリシス補償手段１１の基本構成につい
て第５図を参照しながら説明する。

第５図は前記ヒステリシス補償手段１１の基本構成を示
すブロック図である。同図１１８は前記温度ドリフト補
償手段１．Ｏｂ（第１図）を介して入力される電気信号
のベースラインを検出するベースライン検出手段、１１
ｂは前記ベースライン検出手段１１ａよりのベースライ
ンを基に、前記気流速度検出手段１８の機械的ヒステリ
シス特性によるベースライン変位量を検出するｔ分゛検
出手段、１１Ｃは前記差分検出手段１１ｂにより検出さ
れたベースライン変位量を保持する保持手段、ｌｉｄは
前記保持手段１１ｄの保持値の極性を、前記温度ドリフ
ト補償手段１０ｂを介して入力される電気信号の位相に
応じて変換すると共に、この極性を変換した保持値すな
わちベースライン変位量を、前記電気信号より差し引く
減算手段であり、この減算手段１１ｄの出力がヒステリ
シス補償のなされた電気信号として前記増幅手段１２（
第１図）に入力される。

次に、以上構成による実施例装置の作用について説明す
る。・ センサ８の一端例えば第３図において右側端を図示しな
い被検体の鼻孔内（あるいは口腔内）に挿入する。

尚、センサ８の外径は１２ｄ程度であるが、被検体の鼻
孔の大きざと著しく異なる場合等にあっては、外径変換
用のアダプタを介して挿入すると良い。アダプタの使用
は衛生的見地からしても好ましい。

センサ８を装着した被検体の磨呼吸（あるいは口呼吸）
により、前記センサ８内に矢印Ｓ方向及び矢印１方向に
交互に気流が生じる。この気流により生ずる圧力により
気流変形部材１８ｂに機械的歪が生じ、この機械的歪に
より第１．第２のストレインゲージ１８Ｇ、１８ｄの抵
抗が変化する。

ところで、被検体の呼気温度は当該被検体の体温にほぼ
等しいが、被検体の吸気温度は室温に等しいために、セ
ンサ８内のＩＩは著しく変動することとなる。この結果
、前記第１．第２のストレインゲージ１８ｃ、１８ｄに
あっては、周囲温度の変化すなわち前記センサ８内の温
度変化による抵抗の変化が問題となるが、この温度変化
による抵抗の変化は第１．第２の感温手段１８ｅ、１８
ｆにより相殺される。なぜなら、温度に対しての抵抗の
変化量は第１のストレインゲージ１８ｃと第１の感温手
段１８ｅとが等しく、また、第２のストレインゲージ１
８ｄと第２の感温手段１８ｆとが等しくなるためであり
、第４図のごとく４端子ブリッジ回路にあっては、温度
変化による抵抗の変化が端子１９ａと端子１９ｃとの間
の電位差としては現われないからである。

例えば、第１のストレインゲージ１８Ｇの抵抗が△Ｒ１
＋、だけ変化し、この変化量のうち気流により生ずる圧
１ノによるものがΔＲｆ、ｍ度によるものがΔＲｔであ
ったと仮定すると、前記ΔＲ７は第１の感温手段１８ｅ
にも生ずることとなる。

第４図の回路にあっては隣り合う２辺の抵抗変化が等し
い場合には電位差Ｅｊｎは変化しない。よって、前記Δ
Ｒｔなる抵抗の変化によっては電位差Ｅｉｎは影響され
ない。

尚、第２のストレインゲージ１８ｄと第２の感温手段１
８ｆとの間にも上記と全く同様のことがいえる。

したがって、電位差Ｅｉｎの変化は気流により生ずる圧
力の変化のみとなり、このＥｉｎが前置増幅手段１０ａ
により増幅されることとなる。

前記前置増幅手段１０ａにより増幅されたＥｉｎすなわ
ち電気信号は温度ドリフト補償手段１１ｂによる温度ド
リフトの補償に供される。この補償は入力される電気信
号のレベルを監視し、前記気流速度検出手段１８を含む
回路系の温度ドリフトによりベースラインが変位してい
る場合に、この変位量を修正することにより行われる。

また、通常の気流速度測定にあっては前記気流速度検出
手段１８の機械的ヒステリシス特性は特に問題とはなら
ないが、気流により生ずるｊモ力が所定の圧力より強い
場合等にあっては問題となる。

電気信号のベースラインが機械的ヒステリシス特性によ
り変位してしまうからである。このような場合であって
も、ヒステリシス補償手段１１の作用により前記気流速
度検出手段１８の機械的ヒステリシス特性を電気的に補
償することができる。

以下、ヒステリシス補償手段１１の作用について第６図
をも参照しながら説明する。　　　　　　　　（第６図
はヒステリシス補償手段１１の作用を説明するための波
形図である。今、気流速度検出手段１８の機械的ヒステ
リシス特性の影響により、第６図実線２１で示すような
電気信号がヒステリシス補償手段１１に入力されたとす
る。ベースライン検出手段１１ａは入力される電気信号
のベースラインすなわち第６図でいえば電位ｅ１の基準
ラインＯを検出する。この検出されたベースラインを基
に差分検出手段１１ｂはｅ３（＝ｅｉ−ｅ２）なるベー
スラインの変位量を検出する。この検出された変位ｆｆ
１ｅ３は保持手段１１ｃにより保持され、減算手段１１
ｄによる減算に供される。

減算手段１１ｄは電気信号２１の位相に応じて前記保持
手段１１Ｃより出力される保持値すなわち前記変位ωの
極性を変えると共にこの変位量を、電気信号２１の変位
したベースラインより差し引く。これにより、ベースラ
インは破線２２で示すように前記ベースライン検出手段
１１ａにより先に検出された基準ラインＯに一致するこ
ととなる。

尚、第７図にヒステリシス補償手段１１による補償前及
び補償後の特性図を示す。同図横軸は気流速度、縦軸は
気流速度検出手段１８の機械的ヒステリシス特性による
誤差出力（ただし、気流速度への換算値）ΔＶＲである
。ヒスプリシス補償手段１１の作用により、気流速度１
．Ｏｊ！／ｓｅｃ以上であっても、気流速度検出手段１
８の機械的ヒステリシス特性による影響を受けないこと
が解る。

前記減算手段１１ｄよりの出力は増幅手段１３により適
宜増幅されて外部へ出力される。ここに、外部に接続さ
れる装置としては、例えばペン書ぎ式の自動記録計、呼
吸気分析装置、オシ１コス〕−ブ等が挙げられる。

第８図（ａ）、、（ｂ）はそれぞれ本実施例装置。

従来装置による気流速度測定結果を、自動記録計により
同一スケールで記録した波形図である。これにより、筒
状体１７内に気流速度検出手段を設番プ、筒状体１７内
を通過する気流により生ずる圧力を電気信号に変換する
ことが、感度的にいかに有利であるかが解る。

このように本実施例装置は感度及び安定性に優れると共
に、特殊な部品を使わず小型に措成できるので従来装置
に比べて安価となる。

以上、本発明の一実施例につい説明したが、本発明は上
記実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範
囲内で適宜に変形実施が可能であるのはいうまでもない
。

例えば、上記実施例では気流速度検出手段１８よりのリ
ード線１９を筒状体１７の−・端から引き出したが、筒
状体１７の中央部に穴を設（プ、この穴より外部に引き
出づ′ようにしても良い。このようにすると、呼気、吸
気による気流の条件を等しくすることができる。尚、リ
ード線の引き出しに際して空隙を生ずる場合には、気流
が漏れな（＼ように充填する。

また、筒状体１７内における気流速度検出手段１８の取
り付は位置及び気流速度検出手段１８の構成並びに気流
速度検出手段１８の数は上記実施例に限定されないが、
気流速度検出手段１８は筒状体１７内の中央部に設ける
のが好ましい。呼気。

吸気による気流の条件を等しくし、より正確な気流情報
を得るためである。

上記実施例では第４図の抵抗Ｒｚ　、ＲＯを前置増幅手
段１０ａの入力部に有する抵抗としたが、この抵抗Ｒ１
，Ｒｏを例えば気流速度検出手段１８のベース’１８ａ
に固定し、筒状体１７内で４端子ブリッジ回路を構成し
ても良い。この場合、リード線１９は４端子ブリッジ回
路の端子１９ａ。

１９ｂ、１９ｃ、１．９６に対応する４芯ケーブルとな
る。

上記実施例では感圧素子をストレインゲージとしたが、
ストレインゲージに限定されない。ストレインゲージは
感圧素子の分類上ピエゾ抵抗方式に属するが、この方式
に属するものとしては前記ストレインゲージ（所謂単結
晶バルク型）の他に、応力集中型、拡散型、薄膜型など
が挙げられ、（１ずれも気流速度検出手段１８に適用す
ることができる。

尚、感圧素子としてはＰＮ接合方式によるものもあるが
、前記ピエゾ抵抗方式に属するものの使用が好ましい。

ピエゾ抵抗方式に属するものは抵抗変化が直線的で、感
度がバイアス圧力に依存しないからである。

上記実施例ではバッテリ１３を本実施例装置の電源とし
、バッテリチェッカ１４及び警告手段１５により前記バ
ッテリ１３の出力電圧を監視するようにしたが、商用交
流Ｎｍより供給される交流電圧を直流電圧に交換し、こ
れを本実施例装置の各手段に供給するようにしても良い
。

上記実施例では第１．第２の感温手段１８ｅ。

１８ｆを、気流により生ずる圧力によっては撓まない程
度の剛性を有するストレインゲージとしたが、温疾変化
により前記第１．第２の感圧索子１８ｃ、’１８ｄと同
程瓜に抵抗の変化するものであればあらゆる種類の感温
素子を適用することができる。

尚、第１．第２の感圧素子１８Ｃ９１８ｄの温度変化に
よる抵抗変化が特に問題とならない場合には、第１．第
２の感温手段１８ｅ、１８ｆは当然不要となる。

［発明の効果］ 以上詳述した本発明によれば、筒状体内に、気流により
生ずる圧力を電気信号に変換可能な’ｐｃｊ、ＦＩ？を
速度検出手段を設けることにより、気流速度を□確ニ測
定できると共に小型、軽量かつ安価なる気流速度測定装
置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例たる気流速度測定装置の構成
を示すブロック図、第２図及び第３図は本実施例装置の
センサの構成を示すそれぞれ概略斜視図及び断面図、第
４図は第２図及び第３図に示すセンサ内に設けられた気
流速度検出手段の電気的接続関係を示す回路図、第５図
は本実施例装置のヒステリシス補償手段の基本構成を示
すブロック図、第６図は前記ヒステリシス補償手段の作
用を説明するための波形図、第７図は前記ヒステリシス
補償手段の効果を示す特性図、第８図（ａ）及び（ｂ）
はそれぞれ本実施例装置及び従来装置による気流速度測
定結果を示す波形図′、第９図は従来の気流速度測定結
果の構成を示す説明図である。 １７・・・筒状体、１８・・・気流速度検出手段、１８
ａ・・・ベース、１８ｂ・・・気流変形部材、１８Ｇ・
・・第１のストレインゲージ（第１の感圧素子）、 １８ｄ・・・第２のストレインゲージ（第２の感圧素子
）、 １８ｅ・・・第１の一感温手段、 １８ｆ・・・第２の感温手段、 ８第３図 第４図 １ソＤ 第５図 第　　６　図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）被検体の呼吸による気流の時間的変化量を測定す
   る気流速度測定装置において、前記気流を通過させる筒
   状体と、この筒状体内に設けられ、通過する気流により
   生ずる圧力を電気信号に変換可能な気流速度検出手段と
   を有することを特徴とする気流速度測定装置。
2. （２）前記気流速度検出手段は、前記気流により生ずる
   圧力に応じて抵抗の変化する第１、第２の感圧素子と、
   この第１、第２の感圧素子を介して前記気流方向に対向
   配置され、かつ、前記第１、第２の感圧素子に等しい温
   度特性を有する第１、第２の感温手段とを有して成るこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の気流速度測
   定装置。