(57)【要約】      （修正有）【課題】膨張式支持構造を含む病院用ベッドなどの使用者支持装置を提供する。【解決手段】膨張式支持構造１２と流体連通する可変出力ポンプ１４と、前記可変出力ポンプ１４に連結された制御装置１６であって、前記ポンプ１４からの一定の流量を維持するために、膨張プロセスの間前記ポンプ１４の出力圧力を前記膨張式支持構造１２内の圧力よりもわずかに高い値に維持するように、前記ポンプ１４の出力を動的に変化させる手段を含む制御装置１６を備える。【選択図】図１
2011120896.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膨張式支持構造と、
前記膨張式支持構造と流体連通する可変出力ポンプであって、前記膨張式支持構造に流体の流れを供給する可変出力ポンプと、
前記可変出力ポンプに連結された制御装置であって、前記ポンプからの一定の流量を維持するために、膨張プロセスの間前記ポンプの出力圧力を前記膨張式支持構造内の圧力よりもわずかに高い値に維持するように、前記ポンプの出力を動的に変化させる手段を含む制御装置と
を備える、使用者支持装置。
【請求項２】
前記ポンプの出力を動的に変化させる前記手段は、前記ポンプの速度を制御するための回路と、前記回路と電気通信し、前記回路の出力を変化させるよう動作可能なプロセッサと、前記プロセッサによって実行されるときに、前記プロセッサに前記ポンプの出力を変化させるよう前記回路を制御する命令が含まれるメモリ素子とを含む、請求項１に記載の使用者支持装置。
【請求項３】
前記使用者支持装置がさらに、前記膨張式支持構造内の圧力を検出して前記膨張式支持構造内の圧力を示す信号を前記プロセッサに伝達するよう動作可能な第一のセンサーを備える、請求項２に記載の使用者支持装置。
【請求項４】
前記プロセッサは、前記膨張式支持構造内の圧力を示す前記信号を処理し、前記回路の電流出力に基づく前記回路の出力および前記膨張式支持構造内の圧力を示す前記信号を変化させる、請求項３に記載の使用者支持装置。
【請求項５】
前記回路は、前記可変出力ポンプにパルス幅変調電源信号を供給して、前記可変出力ポンプによる圧力出力を制御するように前記ポンプの動作を変化させる、請求項４に記載の使用者支持装置。
【請求項６】
前記ポンプの動作中、前記ポンプからの流量が実質的に一定の割合に維持される、請求項５に記載の使用者支持装置。
【請求項７】
前記ポンプの動作中、前記ポンプからの流量が実質的に一定の割合に維持される、請求項４に記載の使用者支持装置。
【請求項８】
前記使用者支持装置は、前記ポンプの出口の圧力を検出し、前記ポンプの出口の前記圧力を示す信号を前記プロセッサに伝達するように動作可能な第二のセンサーを含み、前記第一のセンサーおよび前記第二のセンサーで測定した前記圧力の差に基づき前記制御装置が前記ポンプの出力を比例して増加させる、請求項７に記載の使用者支持装置。
【請求項９】
膨張式支持構造と、
駆動信号に応答するドライバーを含み、前記膨張式支持構造と流体連通して流体を前記膨張支持部に移動させる可変出力ポンプと、
プロセッサと、前記プロセッサと通信するセンサーと、前記プロセッサおよび前記可変出力ポンプのドライバーと電気通信する駆動回路とを含む制御システムであって、前記センサーは前記膨張式支持構造内の圧力を検出し、前記膨張構造内の圧力を示す圧力信号を前記プロセッサに転送するよう動作可能であり、前記駆動回路は前記ドライバー用の駆動信号を形成するよう構成されている制御システムと
を備え、
前記プロセッサは、最適動作条件を決定するために前記圧力信号を処理し、前記駆動信号を変化させるよう前記駆動回路を動作させ、前記膨張式支持構造内の現在の圧力に関係なく、前記ポンプに実質的に一定の流量で前記膨張支持部に流体を移動させる、
使用者支持装置。
【請求項１０】
前記駆動信号は前記ポンプの排気量率を変化させる、請求項９に記載の使用者支持装置。
【請求項１１】
前記ポンプの動作中に前記ポンプと前記膨張式支持構造との間の圧力勾配が実質的に一定になるように前記ポンプを動作させる、請求項９に記載の使用者支持装置。
【請求項１２】
前記駆動信号は、前記ポンプの排気量率を制御して一定の圧力勾配を維持するパルス幅変調である、請求項１１に記載の使用者支持装置。
【請求項１３】
前記ポンプは、前記ポンプの排気量率を最大化させて前記ポンプからの流量を最大化する第一のモードと、前記ポンプの排気量率を変化させて実質的に一定の流量を維持する第二のモードで動作可能である、請求項１１に記載の使用者支持装置。
【請求項１４】
前記ポンプは、前記ポンプの排気量率を最大化させて前記ポンプからの流量を最大化する第一のモードと、前記ポンプの排気量率を変化させて実質的に一定の流量を維持する第二のモードで動作可能である、請求項９に記載の使用者支持装置。
【請求項１５】
前記プロセッサは比例積分微分制御ルーティンを利用して前記駆動信号を決定する、請求項９に記載の使用者支持装置。
【請求項１６】
前記システム内の誤差が所定の許容誤差範囲内であれば、比例積分制御装置の積分項を積分ゲイン係数で割る、請求項１５に記載の使用者支持装置。
【請求項１７】
膨張式支持構造を目標圧力まで膨張させるためにポンプをある一定時間最大出力で動作させることと、
前記膨張式支持構造内の圧力を測定することと、
前記ポンプから前記膨張式支持構造への質量流量を時間経過に対して概して一定のレベルに維持し、それにより前記膨張式支持構造内の圧力を前記目標圧力と実質的に同じ値に維持するように、時間経過に伴う膨張式支持構造内の圧力の変化に基づきポンプの駆動率を変化させることと
を備える、使用者支持装置用の膨張式支持構造を膨張させる可変出力ポンプを制御する方法。
【請求項１８】
前記膨張式支持構造内の圧力の変化の時間速度を決定することと、
前記膨張式支持構造内の圧力の変化の時間速度に基づき、前記ポンプの駆動率を変化させることと
をさらに備える、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
誤差項を決定するために前記膨張式支持構造内の圧力の変化の時間速度を使用することと、
前記誤差項に基づき比例積分制御の積分項を計算することと、
前記誤差項に基づき比例積分制御の比例項を計算することと、
前記誤差項が閾値よりも小さい大きさである場合に前記積分項の利得を調節することと、
前記比例積分値に基づき前記ポンプの駆動率を変化させることと
をさらに備える、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記膨張式支持構造内の圧力を前記ポンプの出口で測定した圧力と比較することと、
前記膨張式支持構造内の圧力と前記ポンプの出口で測定した圧力との間の差の大きさに基づき前記ポンプの出力を比例的に変化させることと
をさらに備える、請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、膨張式支持構造を含む使用者支持装置に関連する。さらに具体的には、本開示は、膨張式支持構造の膨張率を制御するための制御構造を含む使用者支持装置に関連する。
【背景技術】
【０００２】
ベッドや、より具体的には病院用ベッドなどの使用者支持装置には、膨張構造上の使用者の少なくとも一部分を支持するための一つ以上の膨張式支持構造が含まれることが知られている。膨張構造内の圧力は、膨張構造上に支持された使用者の皮膚にかかる界面圧を変化させるよう変更できる。場合によっては、運転圧力が比較的低いときでさえも、膨張構造の容積は十分な量である。支持構造を膨張させるために使用される圧縮空気の供給源は、わずか数分でその構造の容積を充填させるのに十分な排気量率を持ちうる。いったん充填されると、膨張構造を適切な圧力に維持するために必要な空気の体積は、最初に構造を膨張させるのに必要な体積よりも著しく少ない。
【０００３】
通常の動作条件での低流量および膨張構造の初期充填のための高流量の相反する要件は、二律背反を示している。高流量の圧縮空気供給源は、適時の初期充填を行うが、低充填動作中は過剰能力となる。一方で、低流量の圧縮空気供給源は、適時の初期充填を行うために十分な流量を提供できないことがある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本出願は、添付した請求項に詳説した特徴および／または単独または任意の組み合わせにより特許性のある主題を構成しうる下記の特徴のうち、１つ以上を開示する。
【０００５】
本開示の第一の態様によれば、使用者支持装置には、膨張式支持構造、可変出力ポンプ、および制御装置が含まれうる。可変出力ポンプは、膨張式支持構造と流体連通することができ、膨張式支持構造に流体の流れを与える。制御装置は、可変出力ポンプに連結し、ポンプの出力を動的に変化させる手段を含み、ポンプの出力圧力を膨張プロセス時に膨張式支持構造内の圧力よりもわずかに高い値に維持して、ポンプからの一定の流量を維持することもできる。
【０００６】
ポンプの出力を動的に変化させる手段には、ポンプの速度を制御するための回路が含まれうる。この手段には、回路と電気通信するプロセッサも含めうる。プロセッサは、回路の出力を変化させるよう動作可能である。この手段には、プロセッサにより実行されるときに、プロセッサにポンプの出力を変化させるよう回路を制御させる命令を含むメモリ素子が含まれうる。
【０００７】
使用者支持装置にはさらに、膨張式支持構造内の圧力を検出して膨張式支持構造内の圧力を示す信号をプロセッサに伝達するよう動作可能な第一のセンサーを含めうる。
【０００８】
プロセッサは、膨張式支持構造内の圧力を示す信号を処理しうる。また、プロセッサは、回路の電流出力に基づく回路の出力および膨張式支持構造内の圧力を示す信号も変化させうる。
【０００９】
回路は、可変出力ポンプにパルス幅変調電源信号を供給して、可変出力ポンプによる圧力出力を制御するようポンプの動作を変化させることができる。
【００１０】
ポンプからの流量は、ポンプの動作中、実質的に一定のレートに維持することができる。
【００１１】
使用者支持装置には、ポンプの出口での圧力を検出し、ポンプの出口での圧力を示す信号をプロセッサに伝達するよう動作可能な第二のセンサーが含まれうる。制御装置は、第一のセンサーおよび第二のセンサーで測定した圧力の差に基づき、ポンプの出力を比例的に増加させうる。
【００１２】
本開示の別の態様によれば、使用者支持装置には、膨張式支持構造、駆動信号に応答するドライバーを含む可変出力ポンプ、および制御システムが含まれる。可変出力ポンプは、膨張式支持構造と流体連通しており、膨張式支持構造へ流体を移動させる。制御システムには、プロセッサ、プロセッサと通信するセンサー、および駆動回路が含まれうる。センサーは、膨張式支持構造内の圧力を検出し、膨張構造内の圧力を示す圧力信号をプロセッサに送信するよう動作可能である。駆動回路は、プロセッサおよび可変出力ポンプのドライバーとの電気通信を行いうる。駆動回路は、ドライバーのための駆動信号を形成するように構成しうる。プロセッサは、圧力信号を処理して、最適動作条件を決定しうる。また、プロセッサは、駆動信号を変化させて、膨張式支持構造内の現在の圧力に関係なく、ポンプに実質的に一定の流量で流体を膨張支持部に移動させるよう、駆動回路を動作しうる。
【００１３】
駆動信号は、ポンプの排気量率を変化させうる。ポンプは、ポンプの動作中にポンプと膨張式支持構造の間の圧力勾配が実質的に一定となりうるように動作しうる。
【００１４】
駆動信号は、ポンプの排気量率を制御して一定の圧力勾配を維持するパルス幅変調としうる。
【００１５】
ポンプは、ポンプの排気量率を最大化させてポンプからの流量を最大化しうる第一のモードと、ポンプの排気量率を変化させて実質的に一定の流量を維持しうる第二のモードで動作しうる。
【００１６】
プロセッサは、駆動信号を決定するために、比例積分制御ルーティンを利用しうる。比例積分制御装置の積分項は、システム内の誤差が所定の許容誤差範囲内であれば、積分ゲイン係数で割ることができる。
【００１７】
本開示のさらに別の態様によれば、使用者支持装置用の膨張式支持構造を膨張させるための可変出力ポンプを制御する方法には、ポンプを最大出力である一定時間動作させて膨張式支持構造を目標圧力まで膨張させることと、膨張式支持構造内の圧力を測定することと、ポンプから膨張式支持構造への質量流量を時間経過に対して概して一定のレベルに維持し、それにより膨張式支持構造内の圧力を目標圧力と実質的に同じ値に維持するように、時間経過に伴う膨張式支持構造内の圧力の変化に基づきポンプの駆動率を変化させることとが含まれうる。
【００１８】
また、方法には、膨張式支持構造内の圧力の変化の時間速度を決定することと、膨張式支持構造内の圧力の変化の時間速度に基づきポンプの駆動率を変化させることとが含まれうる。
【００１９】
方法には、またさらに、膨張式支持構造内の圧力の変化の時間速度を使用して誤差項を決定することと、誤差項に基づき比例積分制御の積分項を計算することと、誤差項に基づき比例積分制御の比例項を計算することと、誤差項が閾値よりも小さい大きさである場合に積分項の利得を調節することと、比例積分値に基づいてポンプの駆動率を変化させることとが含まれうる。
【００２０】
方法には、またさらに、膨張式支持構造内の圧力をポンプの出口で測定した圧力と比較することと、膨張式支持構造内の圧力とポンプの出口で測定した圧力との間の差の大きさに基づきポンプの出力を比例的に変化させることとが含まれうる。
【００２１】
追加的な特徴は、上記に列挙したものおよび請求項に列挙したものを含めて、単独または他の任意の特徴と組み合わせて、特許性のある主題を構成すると考えられ、当業者にとっては、現時点で理解されている発明を実施する最良の形態を実証する例示的な実施形態の下記の詳細な説明を考察することにより明らかとなる。
【００２２】
詳細な説明は特に以下の各図を参照する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】使用者支持装置の上に配置された使用者の少なくとも一部分を支持する膨張式支持構造を含む、使用者支持装置の概略図である。
【図２】使用者支持装置の上に配置された使用者の少なくとも一部分を支持する膨張式支持構造を含む、使用者支持装置の別の実施形態の概略図である。
【図３】ポンプの排気量率の関数としての圧力と流量の関係のグラフである。
【図４】ポンプによって膨張されつつある構造内の圧力の変化率に基づいてポンプの駆動率を制御する制御方法の図である。
【図５】図４の方法を実施するために利用される制御ルーティンのフローチャートである。
【図６】図５のフローチャートにより呼び出されるサブルーティンのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
病院用ベッドなどの使用者支持装置１０には、例えば図１に示すように、可変出力ポンプ１４により膨張した膨張式支持構造１２、および構造１２を膨張させるポンプ１４の動作を制御する制御装置１６が含まれる。実例として、膨張式支持構造１２は、マットレス内に配置される空気袋として具体化されてもよい。実例となる実施態様には、単一の構造１２を図示しているが、一部の実施態様では、単一のポンプ１４により複数の膨張式支持構造１２に供給しうることが理解されるべきである。また、弁またはマニホールド構造をポンプ１４と構造１２との間に配置して、ポンプ１４と構造１２との間の流路を開閉しうることも理解されるべきである。例えば、ポンプ１４が動作していないときに、構造１２からポンプ１４を通ってくる逆流を防止するために弁を使用しうる。
【００２５】
ポンプ１４は、導管３２を通り、ポンプ１４の出口２８から構造１２の入口３０へと構造１２に圧縮空気を伝達する。実例となる実施態様において、ポンプ１４は、ダイヤフラムを駆動し導管３２を通して伝達される空気を圧縮する直流（ＤＣ）ドライバー２６を備えた可変容量ダイヤフラムポンプである。実例となる実施態様において、ドライバー２６はリニアモーターである。ドライバー２６は、制御装置１６の駆動回路２４と交信し、その駆動回路２４は、ドライバー２６の動作のための電源を供給する。実例として、ドライバー２６は、ポンプ１４の揺動に伴いダイヤフラムの排気量を変化させるために、異なる駆動率で動作できる。例えば、駆動回路２４は、パルス幅変調駆動信号をドライバー２６に供給して、ポンプ１４の駆動率を変化させうる。毎回の揺動によって、排気量とも呼ばれるダイヤフラムの移動の距離に依存する、ある体積の空気が排出される。モーター制御装置１６は、ドライバー２６の移動範囲を制御することにより、ダイヤフラムの排気量を制御することができる。下記で考察するとおり、膨張式支持構造１２が膨張した際にダイヤフラムの排気量を変化させることにより、ポンプ１４からの質量流量は、一定レベルに維持しうる。
【００２６】
本開示の範囲内で、可変出力ポンプの様々な実施態様が利用しうることが理解されるべきである。可変速度、可変排気量、可変容積、可変流量は、可変出力ポンプを描写するために使用されるあらゆる用語のうちほんの少数である。圧力および／またはポンプからの流量を変化させるために制御しうる任意のポンプは、本開示の範囲内で使用しうる。ここで使用される際、駆動率という用語は、速度比、排気量、出力、または流量などの、ポンプの可変動作特性を表す。ポンプという用語には、コンプレッサ、ブロアー、または流体を移動させることができるその他の装置が含まれる。
【００２７】
制御装置１６には、プロセッサ１８への入力を供給する圧力センサー２２が含まれる。プロセッサ１８により使用される情報および命令を格納するために、制御装置１６にはメモリ素子２０が含まれる。制御装置１６にはさらに、ドライバー２６に駆動信号を供給してドライバー２６を動作させる駆動回路２４が含まれる。
【００２８】
図３に示すように、ポンプ１４の出口での圧力と流量の関係のグラフを一般化する。線５０は、流れに抵抗する圧力の関数としてのポンプ１４からの流量を一般化した応答曲線を示す。線５０は、ドライバー２６が最大駆動率で作動し、それによってダイヤフラムの最大容量を生成しているときのポンプ１４の動作を示す。領域５４は、単一の出力条件を持つ、ポンプの典型的な動作領域である。袋を充填するために著しい流量が必要であるため、十分な流量を供給するためにポンプは特大でなければならない。しかしながら、袋が領域５４で示す圧力で動作するためにのみ必要であるときには、ポンプの容量は過剰である。
【００２９】
図３に示すように、ポンプ１４からの流量は圧力が増大すると減少する。流量は、少なくとも部分的に、ポンプ１４の出口２８と構造１２との間の圧力勾配の大きさに依存する。構造１２内の圧力がポンプ１４の最大運転圧力に達するときなど、圧力勾配がいったんほぼゼロに達すると、ポンプ１４と構造１２との間には流れがなくなる。「デッドヘッド（dead head）」と呼ばれるこの状態になると、ポンプ１４から過度の騒音が発生する。さらに、ダイヤフラムの最大排気量では、ダイヤフラムが機械的な限界に達し、ポンプ１４から発する騒音が増加する。
【００３０】
低流量アルゴリズムを利用して、実例となる可変出力ポンプ１４は、線５２で示すように、様々な駆動率で動作しうる。駆動率を変化させることで、ポンプからの流量は、線５６で示すように実質的に連続的な割合で維持できる。線５６の連続的な流れを維持するためにポンプ１４を動作すると、ポンプ１４で必要なエネルギーおよび発生する熱が減少し、同様にポンプから発する騒音も低減される。
【００３１】
図３に示す圧力／流量曲線は直線で一般化されているが、空気の圧縮性により、曲線は実際には、流量が従属変数であり圧力が独立変数である線形微分方程式に従うことが理解されるべきである。当業者に既知の技術を使用すると、特定のシステムは、圧力と流量との間の関係を確立し、ある特定の定数を微分方程式で定義するよう特徴付けられうる。いったん特徴付けられると、システムの特定の特性は、ここで開示した一般的なケースで置き換えができる。
【００３２】
図１の実例となる実施態様において、ポンプ１４の出口２８と膨張式支持構造１２の入口３０との間の導管３２を通過する流量は、膨張式支持構造１２内の圧力Pstructureにより概算される。膨張式支持構造１２内の圧力はセンサー２２により測定され、センサー２２は、入口３８でセンサー２２に、また出口３６で膨張式支持構造１２に接続されている導管３９によって膨張式支持構造１２と流体連通している。ドライバー２６の特定の駆動率で、ポンプ１４により排出される空気の体積は既知である。ドライバー２６の駆動率の膨張式支持構造１２内の圧力に対する比較により、導管３２を通過する流量を確定するための十分な独立変数が提供される。一般化された式は以下の通りである。  
2011120896.tif 000003
式中、Poutはポンプ１４の出口２８での圧力であり、Driverateはドライバー２６の駆動率であり、KStructurepressureはPoutを所定のDriverateで関連づけるシステムを特徴付けることにより決定される係数である。Kstructurepressureは、特定の実施およびポンプ１４の特性に応じて、一定値でもよく、または駆動率とともに変化してもよいことが理解されるべきである。
【００３３】
導管３２を通過する空気の流量は、下記の数式で特徴付けられる。  
2011120896.tif 000004
式中、FlowRateは導管３２を通過する空気の流量であり、Pstructureは膨張式支持構造１２内の圧力である。Kflowは、システムの特徴付けにより決定される値である。Kflowは、特定の実施および導管３２や膨張式支持構造１２の特性に応じて、一定値でもよく、または駆動率と共に変化してもよい。一般化されたケースにおいて、Kflowはまた、Pstructureや、膨張式支持構造１２の膨張率など、その他の因子に応じても変化しうる。数式２をPoutについて解くと、数式３が導かれる。  
2011120896.tif 000005
式１のPoutを式３のPoutで置き換え、Driverateについて解くと、ドライバー２６の駆動率が次のとおり特徴付けできる。  
2011120896.tif 000006
【００３４】
実例となる一実施態様において、FlowRateは、一定レベルに維持される。簡略化されたシステムにおいて、
2011120896.tif 000007
そのシステムについての目標流量に基づき、定数オフセットOffsetとなる。よって式（４）は次のように一般化できる。  
2011120896.tif 000008
【００３５】
一般化された式（５）には、単一の従属変数Pstructureが含まれる。一部の場合において、KStructurepressureは一定値である。その他の場合において、KStructurepressureは、システムの差動効果を考慮したPstructureに依存しうる。こうして、Pstructureが増加すると、ドライバー２６の駆動率は、導管３２を通過する流量を図３の線５６で表示した通り定率に保つために、必ず増加する。ドライバー２６の駆動率は、図３の線５２で表している。
【００３６】
システムの特徴付けの後、必要な最低流量が満たされつつ、ポンプ１４が最大駆動率よりも低いレートで運転されるようにDriverateを制御できる。上述の一般化された実施態様において、これは単一の独立変数Pstructureを測定し、また駆動率をPstructureの値に基づき調節することにより達成される。
【００３７】
図２に示す使用者支持装置２１０の別の実施態様において、使用者支持装置２１０には第二のセンサー２１２が含まれる。センサー２１２は、導管２１６を介してポンプ１４の出口２８からの流れのすぐ下で導管３２と連通する。導管２１６は、コネクタ２１８により導管３２と連結されている。コネクタ２１８での導管３２内の圧力は、入口２１４によって導管２１６に連結されているセンサー２１２に伝達される。
【００３８】
図２の実例となる実施態様において、制御装置１６は、センサー２２および２１２により測定された圧力の差に基づき、ドライバー２６の動作を制御する。この圧力の差は、ポンプ１４から膨張式支持構造１２までの圧力降下を示す。どの時点においても、流量は圧力降下に直接関連する。圧力降下を測定することにより、制御装置１６は、ドライバー２６に伝達される駆動信号を変化させるよう駆動回路２４の動作を修正し、流量が実質的に一定のレベルに維持されるようにDriverateを変更する。このアプローチは、図１の実施態様の考察に関連して必要とされたポンプ１４の特徴付けの必要性を未然に防ぐものである。ポンプ１４の出力に実際の変動があれば、センサー２１２により測定され、圧力降下の計算で考慮される。こうして、制御装置１６は、２つの圧力を比較することにより、ポンプ１４から膨張式支持構造１２への流量の実際の測定に基づいてDriverateを制御できる。
【００３９】
幾つかの実施態様において、センサー２２により測定された圧力の差がセンサー２１２により測定された圧力と比較される。これらの実施態様において、ドライバー２６は、センサー２１２により測定された圧力がセンサー２２により測定された圧力よりもわずかに高く保たれるよう、比例して高い駆動率で駆動される。そうすることにより、この２つの間の最小圧力勾配は、ポンプ１４から膨張式支持構造１２へ常に最小流量が存在するように維持される。
【００４０】
その他の実施態様において、時間経過に伴う圧力の変化は、システム内の流体の流量を決定するために使用しうる。時間経過にともなう圧力の変化を利用することにより、Driverateを調節してほぼ一定の流量で動作することができる。時間経過にともなう圧力の変化を考慮することにより、Driverateの計算においてシステムの応答を考慮することができる。
【００４１】
膨張式支持構造１２が一定の体積であり、空気が該構造を膨張させるために使用されるシステムにおいて、周知の理想気体の状態方程式Ｐ×Ｖ＝ｎ×Ｒ×Ｔが適用される。一定の温度Ｔと仮定すると、Ｐの変化は、存在するモル数ｎ、または、質量の変化に直接関係する。Ｒは、比気体に対する比例定数である。Ｐ１からＰ２への時間経過に伴うＰの変化は、体積内の質量の変化に正比例する。実例となる場合において、体積には膨張式支持構造１２および導管３２の体積が含まれる。その結果、ｄＰ／ｄｔが一定のレベルに維持された場合、ｄｎ／ｄｔまたはシステム内の質量変化率は一定レベルに維持される。
【００４２】
実例となる一つの実施態様において、導管３２を通過する流量は、センサー２２により第一の時点ｔ１で検出される第一の圧力値Ｐ１と、第二の時点ｔ２で検出される第二の圧力値Ｐ２とを比較してｄＰ／ｄｔを決定する、比例積分微分（ＰＩＤ）制御装置により制御される。ドライバー２６の所定の駆動率で、システム内の空気の圧縮により、ｄＰ／ｄｔは時間経過に伴い減少する。システム内の圧力が増大すると、ポンプ１４によってシステム内に追加される質量の追加が阻止される。この抵抗を補正するために、ポンプ１４は周囲の空気をシステム内に引き込んでいるため、ドライバー２６の駆動率を増加させて、システム内に導入される質量のレートを増加させる。
【００４３】
ＰＩＤ制御の一般化された線図を図４に示す。システムを特徴付けることにより決定されうる、公称流量１００（Flow_Nominal）のｄＰ／ｄｔが、センサー２２により測定された圧力信号１０２から計算される実際のｄＰ／ｄｔと比較されて、誤差項１０４が決定される。公称流量１００についての実際のｄＰ／ｄｔと公称ｄＰ／ｄｔとの間の差は誤差項１０４である。後述のとおり、誤差項１０４は、比例項（Pterm）１０６、積分項（Iterm）１０８および微分項（Dterm）１０９を計算するために使用される。Pterm１０６、Iterm１０８、およびDterm１０９は次に１１０で合計されて、ポンプ１４のドライバー２６に駆動信号１１２を与える。ＰＩＤ制御装置が呼び出されると、アルゴリズムがセンサー３８からの圧力信号１０２を処理して、駆動信号１１２を制御する。次に、駆動信号１１２は、ポンプ１４の出力を制御するさまざまな方法のいずれにおいても使用できる。別の実施態様において、制御システムは、センサー２１２からセンサー２２への圧力の差を監視し、実際の圧力降下を公称の圧力降下と比較して、ＰＩＤ制御で使用する誤差を決定しうる。こうした実施態様において、実際の圧力降下は、各センサー２１２および２２で測定した圧力の差であり、また目標の流量についての公称の圧力降下は、システムを特徴付けることにより決定される。
【００４４】
図４のＰＩＤコントロールを採用した制御アルゴリズム１２０の実施態様の例を図５および図６に示す。実例となる制御アルゴリズム１２０は、膨張式支持構造１２が実質的に膨張したときにのみ呼び出されることが意図されている。膨張式袋またはその他の柔軟な壁のある構造の場合には、理想気体の状態方程式の適用性が、構造がほぼ一定の体積を持つといった条件に限定される。例えば、初期化段階で、実例となる制御アルゴリズムは使用されず、また膨張式支持構造１２は最大出力でポンプ１４を動作させることにより膨張する。いったん膨張式支持構造１２内の圧力が許容レベルに達すると、実例となる制御アルゴリズム１２０が呼び出されてポンプの動作１４を制限し、それにより騒音が低減し、膨張式支持構造１２内の圧力が通常の動作状態に維持される。
【００４５】
実例として、制御アルゴリズム１２０は、開始ステップ１２２で５０ミリ秒毎に開始される。制御アルゴリズム１２０は決定ステップ１２４に進み、ここで特定のゾーンが膨張を必要とするかどうか決定される。この決定は、膨張式支持構造１２内の圧力が閾値圧力よりも低いかどうかの判断により行われる。膨張式支持構造内の圧力が目標からの許容誤差に基づく閾値圧力を下回った場合、膨張式支持構造１２内の目標圧力が定義され、膨張式支持構造１２を膨張させることが知られている。こうして、目標圧力に基づき定義される上限および下限の各閾値間に圧力は維持される。特定のゾーンが膨張を必要としないと判断された場合には、制御アルゴリズム１２０はステップ１２６に進み、ここで駆動出力がゼロに設定され、制御アルゴリズムが終了ステップ１２８に進む。
【００４６】
制御アルゴリズム１２０で、ゾーンがステップ１２４で膨張を必要とすることが判断されると、制御アルゴリズム１２０はステップ１３０に進み、その特定のゾーンが膨張を必要とする新しいゾーンかの判断をする。そうでない場合、つまり、そのゾーンがその時点で膨張中の場合には、制御アルゴリズム１２０はサブルーティン１３２に進み、ここでＰＩＤが更新される。ここで図６に示すように、ＰＩＤ更新サブルーティン１３２はステップ１３４で開始され、ステップ１３５に進み、ここでFlow_Errorと指定された流量誤差１０４が下記の式６に従い決定される。実例となる実施態様において、流量誤差項１０４は、式６に示すとおり、公称流量から現在のｄＰ／ｄｔを差し引いたものに等しい。  
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【００４７】
次に制御アルゴリズムはステップ１３６に進み、ここでItermが設定される。現在のItermは、式７に示す通り、以前のItermに流量誤差項１０４を加えたものに等しい。  
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【００４８】
次にサブルーティン１３２はステップ１３８に進み、ここでPtermは、式８に示す通り、流量誤差項１０４に比例ゲインPgainを掛けた値に設定される。  
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【００４９】
次にサブルーティン１３２はステップ１３９に進み、ここで下記の式９に従い、Dtermの値が決定される。流量誤差１０４が以前の流量誤差（Flow_Error_prev）と比較されて、流量誤差１０４の変化率が判断される。微分ゲインDgainに流量誤差１０４と以前の流量誤差の差を掛けて、微分項Dterm１０９が決定される。  
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【００５０】
次に、サブルーティン１３２はステップ１４０に進み、ここでPtermおよびItermの値が合計される。この各項の合計値が一定の幅の範囲内である場合、サブルーティン１３２はステップ１４２に進み、Itermが式１０に示す通りIgainとして再設定され、誤差がゼロに近づく際にItermの効果が緩和され、それによってアルゴリズムにおける不安定さが低減される。  
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【００５１】
誤差がその幅の範囲外である場合には、ItermがIterm_currentに設定され、サブルーティン１３２はステップ１４４に進み、そこでＰＩＤ値が、式１１に示す通り、Pterm、ItermおよびDtermの合計に設定される。  
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【００５２】
次にサブルーティン１３２はステップ１４６に進み、そこでサブルーティン１３２は制御アルゴリズム１２０に戻る。次に、制御アルゴリズム１２０はステップ１４８に進み、そこでＰＩＤが拘束され、ドライバー２６の不安定な動作が防止される。次にＰＩＤ値は、ドライバー２６が新しい駆動信号１１２を受信できるように、ステップ１５０で駆動回路２４に書き込まれる。
【００５３】
ステップ１３０で、膨張式支持構造１２が膨張中でないという判断がなされた場合、制御アルゴリズム１２０はステップ１５２に進み、そこでドライバー２６にドライブの最大出力よりも小さい初期的な駆動信号１１２が供給される。次に制御アルゴリズム１２０はステップ１５４に進み、そこで時間遅延が呼び出される。時間遅延により、ドライバー２６に初期条件下で定常状態動作に到達するための十分な時間が与えられる。例えば、５００ミリ秒の遅延が呼び出されうる。遅延期間の終わりに、制御アルゴリズム１２０はステップ１２８に進み、再び呼び出しがあるまで終了する。
【００５４】
いくつかの例証的な実施態様について上記に詳細に説明してきたが、下記の請求項で説明および画定されるこの開示内容の範囲および趣旨の範囲内で、変形および変更が存在する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【外国語明細書】
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