JP6060337B2 - チューブポンプ - Google Patents

Description

本発明は、チューブを順次圧迫してポンプ作用を行うチューブポンプに関する。

従来、チューブポンプは、その作動形式の違いから、ローラでチューブを順次圧迫するローラポンプや偏心したリング状加圧部材でチューブを順次圧迫するリングポンプ等に分類される。

図９（ａ），（ｂ）は、それぞれ従来のローラポンプ、及びリングポンプの例を示す。図９（ａ）に示すように、ローラポンプ１００は、ハウジング１０１の内周面１０２に沿って配置されたチューブ１０３をローラ１０４（ここでは、一対のローラ）で順次圧迫してチューブ１０３内の流体を時計回りに移動させ、チューブ１０３の流体流出口から流体を吐出させてポンプ動作を行う。また、図９（ｂ）に示すように、リングポンプ１０５は、リング状加圧部材１０６の中心を偏心させてチューブ１０３を順次圧迫してチューブ１０３内の流体を吐出させてポンプ動作を行う。

上記ローラポンプ１００とリングポンプ１０５とは、チューブ１０３を圧接する点Ｐを時計回りに移動させてポンプ動作を行う点、及び脈流や逆流を有する点においては共通するが、吐出された流体の流量波形については大きく相違する。

図１０（ａ），（ｂ）は、それぞれ従来のローラポンプ、及びリングポンプの流量波形の例を示す。図１０（ａ）に示すように、ローラポンプは２つの圧接点を有するので、ローラが１回公転すると、１つの山を持った同じ流量波形が２つ現れる。また、図１０（ｂ）に示すように、リングポンプは１つの圧接点を有するので、１つの山しか持たない流量波形が現れる。

このように、流量波形はポンプの作動形式によって異なり、また、例えばローラやリングの相対的なサイズ等の要因によっても異なる。そのため、流量波形は、ポンプの個性を示すものとも言える。このことはチューブポンプに限らず、現存するポンプの大半は、ポンプ毎に固有の流量波形を有する。そして、このような固有の流量波形は、上記要因によって決定されるものであって、外部から制御することはできない。

ところで、上記のようなチューブポンプが医療機器に用いられた場合、信頼性の高い品質に対する要望の他に、流量波形に対する要望がある。一般的には、脈流が少ない流量波形を求める要望が多い。

しかし、図１０（ａ），（ｂ）に示すように、従来のローラポンプ又はリングポンプの流量波形は、略０ｍｌ〜略５７５ｍｌの範囲に至るまで変動する。そのため、これらのポンプでは、脈流が少ない流量波形を得ることは難しい。

そこで、複数の円筒室を有するポンプベースの内周面に沿ってＳ字状に配置されたチューブを、それら円筒室内に設けられた複数の回転体の回転運動によって内周面に対して圧迫して、脈流の少ない流量波形を得ることができるチューブポンプが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平２−１９６７１号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載されたようなチューブポンプにおいては、上述のように、その流量波形はポンプ固有のものであり、脈流の少ない流量波形の他に、例えば心臓の鼓動のような脈流の大きな流量波形を含む複数の流量波形を得ることはできない。従って、そのようなチューブポンプは、例えば医療機器の分野において、点滴装置、人工心臓、又は人工心肺装置等に組み込まれて様々な用途で用いることは難しい。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、吐出される流体の流量波形を可変としたチューブポンプを提供することを目的とする。

本発明のチューブポンプは、互いに連通し、かつ隣接して配置された複数の円筒室を有するポンプベースと、前記円筒室の内周面に沿ってＳ字状に配置されるチューブと、前記円筒室内に回転可能に設けられる複数の回転体と、前記回転体を回転駆動する複数のモータと、を備え、前記回転体の回転運動により前記チューブを前記内周面に対して圧迫してぜん動運動させ、前記チューブの流体流入口から流入した流体を該チューブの流体流出口から吐出させるチューブポンプにおいて、前記複数のモータの動作を制御する制御回路と、前記各回転体の回転位置相当のフィードバック信号を前記制御回路に送信する位置センサと、を備え、前記制御回路は、前記位置センサからのフィードバック信号を基に前記モータの各々を個別に制御することにより、前記複数の回転体の回転位相又は回転数を制御して、前記流体流出口から吐出される流体の流量波形を可変としたものである。

このチューブポンプにおいて、前記制御回路は、所定の流量波形を得るためのモータ制御用データと、前記モータ制御用データを基に前記モータの各々を制御するプログラムと、を有したことが好ましい。

このチューブポンプにおいて、前記所定の流量波形は、人の血圧波形であることが好ましい。

このチューブポンプにおいて、前記複数の回転体の軸芯が、前記ポンプベースの長手方向に平行な直線上に位置することが好ましい。

このチューブポンプにおいて、前記複数の円筒室の内径が、それぞれ異なっていることが好ましい。

本発明のチューブポンプによれば、制御回路は、モータの各々を個別に制御することにより、複数の回転体の回転位相又は回転数を制御して、チューブ内を移動する流体が受ける圧力を部分的に調整することができるので、流体流出口から吐出される流体の流量波形を可変とすることができる。

本発明の一実施形態に係るチューブポンプの全体構成図。 同チューブポンプが備える２つのサンローラの回転位相差を９０度としたときの正面図。 同回転位相差を０度としたときの正面図。 同回転位相差を９０度及び０度としたときに同サンローラが１回転したときの流量波形を示す図。 人の血圧波形を示す図。 同回転位相差を９０度としたときの流量波形の一部拡大図。 同チューブポンプの第１の変形例の正面図。 同チューブポンプの第２の変形例の正面図。 （ａ）は従来のローラポンプの正面図、（ｂ）は従来のリングポンプの正面図。 （ａ）は従来のローラポンプの流量波形を示す図、（ｂ）は従来のリングポンプの流量波形を示す図。

本発明の一実施形態に係るチューブポンプについて、図１乃至図６を参照して説明する。図１に示すように、本実施形態のチューブポンプ１は、互いに連通し、かつ隣接して配置された複数（本例では２つ）の円筒室２１を有するポンプベース２と、それら円筒室２１の内周面２２に沿ってＳ字状に配置されるチューブ３と、それら円筒室２１内に回転可能に設けられる複数の回転体４と、これら回転体４を回転駆動する複数のモータ５と、ポンプベース２の開口面を覆うカバー（図示せず）と、を備える。

ポンプベース２は、チューブポンプ１の形状を画定する部材であり、本例では長方形状に形成されている。また、ポンプベース２は、チューブ３を外部から円筒室２１内へ導入するための導入路２３、及びチューブ３を円筒室２１から外部へ導出するための導出路２４を有する。導入路２３は、一方の円筒室２１からポンプベース２の長側辺２５へと延びるように形成され、導出路２４は、他方の円筒室２１から長側辺２５と対向する長側辺２６へと延びるように形成されている。隣接した一方及び他方の円筒室２１間には、連通口２７が形成されている。ポンプベース２の材料として、例えばＡＢＳ樹脂等の材料が用いられる。

チューブ３は、その一端に流体を流入する流体流入口３１を有し、その他端に流体を吐出する流体流出口３２を有する。また、チューブ３は、連通口２７を介して導入路２３、一方の円筒室２１の内周面２２、他方の円筒室２１の内周面２２、及び導出路２４に沿って回転体４によって圧接された状態で配置されている。チューブ３の材料としては、回転体４から受ける圧力に耐え得るように、例えばゴム又は合成樹脂等の可撓性材料が用いられる。

回転体４は、複数の円筒室２１のそれぞれの中心に設けられるサンローラ４１と、チューブ３を圧接した状態でサンローラ４１の周りにこれと接するように配置された複数の遊星ローラ４２と、を有する。複数の遊星ローラ４２は、サンローラ４１の軸芯４３に回転可能に支持されたアングル４４の両端にそれぞれ自転可能に支持されている。サンローラ４１が回転することにより、サンローラ４１の軸芯４３を中心にアングル４４が回転するとともに、遊星ローラ４２がサンローラ４１の周りを公転するように構成されている。サンローラ４１の軸芯４３（複数の回転体の軸芯）は、ポンプベース２の長手方向に平行な直線Ｌ上に位置することが好ましい。こうすれば、円筒室２１が形成されていないポンプベース２の部分を取り除いてポンプベース２の体積を小さくし易くなる。一方の円筒室２１内のサンローラ４１又は遊星ローラ４２は、時計回りに回転又は公転し、他方の円筒室２１内のサンローラ４１又は遊星ローラ４２は、反時計回りに回転又は公転する。

モータ５は、その軸芯５１をサンローラ４１の中心に接続して、サンローラ４１に回転力を与えるものである。そのため、モータ５の回転位相又は回転数は、サンローラ４１の回転位相又は回転数に対応する。モータ５としては、その動作を精密に制御することができるように、ステッピングモータ又はサーボモータが用いられる。モータ５は、チューブポンプ１外の直流電源（図示せず）から給電されてもよいし、チューブポンプ１に内蔵された電池（図示せず）から給電されてもよい。モータ５を駆動させると、サンローラ４１（回転体）の回転運動によりチューブ３を円筒室２１の内周面２２に対して圧迫してぜん動運動させ、チューブ３の流体流入口３１から流入した流体を流体流出口３２から吐出させる。

カバーは、例えば蝶番によりポンプべース２と連結され、ポンプべース２に対して開閉自在に設けられる。カバーの材料として、例えば透明性を有する樹脂材料が用いられる。

本実施形態のチューブポンプ１は、上記構成に加えて、複数のモータ５の動作を制御する制御回路６を備えている。この制御回路６は、モータ５の各々を個別に制御することにより、サンローラ４１（複数の回転体）の回転位相又は回転数を制御して、チューブ３の流体流出口３２から吐出される流体の流量波形を可変としたものである。

また、制御回路６は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）及びメモリ等から構成されるポンプコントローラ７と、モータ５の各々を駆動するための複数のモータドライバ８と、を有する。モータドライバ８は、ポンプコントローラ７からモータ５の動作についての制御信号を受信し、その制御信号に基づいてモータ５を駆動する。ポンプコントローラ７は、所定の流量波形を得るためのモータ制御用データ７１と、このモータ制御用データ７１を基にモータ５の各々を制御するプログラム７２と、を有する。

モータ制御用データ７１は、ユーザが求める流量波形に関するデータを複数含んだものである。所定の流量波形は、例えば脈流の少ない流量波形であることが好ましい。こうすれば、脈流の少ない流量波形が求められる医療機器への用途を広げることができる。例えば、従来シリンジポンプを用いたインスリンポンプ等の薬液注入器や点滴等で用いられたフィンガーポンプに、このチューブポンプ１を代用可能とすることができる。ユーザは、上記所定の流量波形の中から適当な流量波形を選択することができる。ユーザに流量波形の選択を促し、選択結果をポンプコントローラ７に送信するための指示部が設けられてもよい。

プログラム７２は、所定の流量波形を得るための、各モータ５の設定を記述したものである。そのような設定とは、例えば各モータ５の回転位相、回転数、又はモータ５のＯＮ−ＯＦＦ設定等に関する。このプログラム７２がポンプコントローラ７により実行されると、ユーザが求める流量波形を得ることができる各モータ５の最適な設定が制御信号としてモータドライバ８に送信される。

ここで、上述のように、モータ５の回転位相等は、サンローラ４１の回転位相等と対応し、サンローラ４１が回転することにより、遊星ローラ４２は公転する。そのため、モータ５の回転位相等を制御することにより、遊星ローラ４２の公転を制御することができる。従って、モータ５の動作を制御して、遊星ローラ４２の公転によってチューブ３が圧接された点（圧接点）Ｐを調整することができる。

図２乃至図４を参照して、モータ５の回転位相差と流量波形との関係について説明する。図２は、モータ５の回転位相差を９０度に設定（９０度位相駆動）したときのチューブポンプ１を示す。一方のモータ５が他方のモータ５よりも９０度の回転位相差に相当する分だけ多く（又は少なく）回転しているので、一方のサンローラ４１は他方のサンローラ４１よりもその相当分だけ多く（又は少なく）回転している。そのため、一方の遊星ローラ４２も他方の遊星ローラ４２よりもその相当分だけ進んで（又は遅れて）公転している。

その公転の際、チューブ３上における複数の圧接点Ｐの間隔は変化して、チューブ３内の流体が受ける圧力も部分的に変化するので、チューブ３内の流体の流量が部分的に異なった状態で移動する。従って、図４に示すように、９０度位相駆動のときの流量波形Ｗ１は、比較的脈流の大きな波形となる。

図３は、モータ５の回転位相差を０度に設定（同相駆動）したときのチューブポンプ１を示す。一方のモータ５及び他方のモータ５が同じ回転位相で回転しているので、一方のサンローラ４１と他方のサンローラ４１も同じ回転位相で回転している。そのため、一方の遊星ローラ４２と他方の遊星ローラ４２も同じ公転位相で公転している。

その公転の際、チューブ３上における複数の圧接点Ｐの間隔は等しくほぼ維持されて、チューブ３内の流体が受ける圧力が部分的に変化し難く、９０度位相駆動のときに比べて、チューブ３内の流体の流量が部分的に異なり難い。従って、図４に示すように、同相駆動のときの流量波形Ｗ２は、流量波形Ｗ１よりも脈流の少ない波形となっている。

このようにモータ５の動作を制御することにより、上記所定の流量波形は、図３の同相駆動のときの脈流の少ない流量波形の他に、例えば人の血圧波形であるようにすることもできる。図５は、人の血圧波形を示す。血圧波形Ｗ３の山Ｍ１は、心臓の収縮時に大量の血液が吐出されたことを示し、山Ｍ２は、山Ｍ１による大量の血液の吐出から次に大量の血液が吐出されるまでの間に少量の血液が吐出されたことを示している。

図６は、９０度位相駆動のときの流量波形の一部を拡大して示す。流量波形Ｗ４は、大きな山Ｍ３を生じた後、それよりも小さい山Ｍ４を生じている。流量波形Ｗ４の山Ｍ３は、上記血圧波形Ｗ３の山Ｍ１に相当し、流量波形Ｗ４の山Ｍ４は、上記血圧波形Ｗ３の山Ｍ２に相当すると考えることができる。従って、チューブポンプ１を９０度位相駆動させることにより、流体流出口３２から吐出される流体の流量波形を人の血圧波形と同じような形状にすることができる。その結果、人工心臓や人工心肺装置等で人間の生理現象に近似する必要のあるポンプを求める医療分野での活用を広げることができる。

本実施形態のチューブポンプ１は、上記構成の他に、複数の位置センサ９（図１参照）を備える。これら位置センサ９は、円筒室２１内の所定の位置における複数の遊星ローラ４２の通過を検知するセンサで、例えば光センサ、磁気センサ、歪センサ等を用いることができる。位置センサ９は、ポンプコントローラ７に遊星ローラ４２の通過を検知した旨のフィードバック信号を送信する。ポンプコントローラ７は、そのフィードバック信号と、ポンプコントローラ７がモータドライバ８に既に送信した制御信号とを照合して、各モータ５の動作が正確に制御されているか否かを判断する。ポンプコントローラ７は、各モータ５の動作が正確に制御されていないと判断した場合、各モータ５の動作を補正する。

例えば、ポンプコントローラ７が一方のモータ５及び他方のモータ５を同相駆動する旨の制御信号をモータドライバ８に送信したにもかかわらず、受信したフィードバック信号に基づいて遊星ローラ４２の公転位相差が生じていると判断した場合、一旦、一方及び他方のモータ５を停止した後、再度同相駆動になるようモータ５の設定をやり直してモータ５の動作を開始させる。これにより、より正確にモータ５を制御することができるので、より正確な流量波形を得ることができる。

このように本実施形態のチューブポンプ１においては、制御回路６は、モータ５の各々を個別に制御することにより、複数の回転体４の回転位相又は回転数を制御して、チューブ３内を移動する流体が受ける圧力を部分的に調整することができるので、流体流出口３２から吐出される流体の流量波形を可変とすることができる。

次に、本発明の第１の変形例に係るチューブポンプについて、図７を参照して説明する。以下の説明においては、上記チューブポンプ１と異なる点について説明する。チューブポンプ１ａは、一方のチューブポンプ１０の導出路２４から導出されたチューブ３を他方のチューブポンプ１１の導入路２３へ導入してチューブポンプ１０，１１を多連接続したものである。多連接続するチューブポンプの数は２個に限られず、複数あれば構わない。

このチューブポンプ１ａにおいては、遊星ローラ４２とチューブ３との圧接点Ｐを最大で遊星ローラ４２の数に相当する数（本例では８個）設けることができる。従って、チューブ３内を移動する流体が受ける圧力をより細かく調整することができる。その結果、より複雑な流量波形を得ることができる。

次に、本発明の第２の変形例に係るチューブポンプについて、図８を参照して説明する。チューブポンプ１ｂは、複数の円筒室２１ａ，２１ｂの内径が、それぞれ異なっているものである。具体的には、一方の円筒室２１ａの内径Ｒが、他方の円筒室２１ｂの内径ｒよりも大きくなっている。

このチューブポンプ１ｂにおいては、サンローラ４１の１回転当たりに、一方の円筒室２１ａに配置されたチューブ３と他方の円筒室２１ｂに配置されたチューブ３とで流体の流量が異なる。そのため、本変形例では、各モータ（図１参照）の設定として、各モータのＯＮ−ＯＦＦ設定を調整することが好ましい。こうすれば、一方の円筒室２１ａ内のサンローラ４１の回転により生じる流量と他方の円筒室２１ｂ内のサンローラ４１の回転により生じる流量を適宜組み合わせることにより、上記実施形態と同様に、流体流出口３２から吐出される流体の流量波形を可変とすることができる。

本発明は、上記実施形態及び変形例の構成に限られず、発明の趣旨を変更しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、上記実施形態では、チューブポンプ１に位置センサ９が設けられ、フィードバック制御が行われる例を示したが、位置センサ９が設けられることなく、オープン制御が行われるようにしてもよい。また、上記実施形態では、チューブポンプ１の円筒室２１や回転体４の数をそれぞれ２つに設定しているが、これに限られず、複数あれば構わない。また、サンローラ４１や遊星ローラ４２等を有するローラポンプの代わりに、リング状加圧部材を有するリングポンプを用いてチューブポンプを構成してもよい。

１ チューブポンプ
２ ポンプベース
２１ 円筒室
２２ 内周面
３ チューブ
３１ 流体流入口
３２ 流体流出口
４ 回転体
４１ サンローラ（回転体）
４２ 遊星ローラ（回転体）
４３ サンローラの軸芯（回転体の軸芯）
４４ アングル（回転体）
５ モータ
６ 制御回路
７ ポンプコントローラ（制御回路）
７１ モータ制御用データ
７２ プログラム
８ モータドライバ（制御回路）
Ｗ３ 人の血圧波形
Ｌ ポンプベースの長手方向に平行な直線
Ｒ，ｒ 円筒室の内径

Claims (5)

1. 互いに連通し、かつ隣接して配置された複数の円筒室を有するポンプベースと、前記円筒室の内周面に沿ってＳ字状に配置されるチューブと、前記円筒室内に回転可能に設けられる複数の回転体と、前記回転体を回転駆動する複数のモータと、を備え、前記回転体の回転運動により前記チューブを前記内周面に対して圧迫してぜん動運動させ、前記チューブの流体流入口から流入した流体を該チューブの流体流出口から吐出させるチューブポンプにおいて、
   前記複数のモータの動作を制御する制御回路と、
   前記各回転体の回転位置相当のフィードバック信号を前記制御回路に送信する位置センサと、を備え、
   前記制御回路は、前記位置センサからのフィードバック信号を基に前記モータの各々を個別に制御することにより、前記複数の回転体の回転位相又は回転数を制御して、前記流体流出口から吐出される流体の流量波形を可変としたことを特徴とするチューブポンプ。
2. 前記制御回路は、所定の流量波形を得るためのモータ制御用データと、前記モータ制御用データを基に前記モータの各々を制御するプログラムと、を有したことを特徴とする請求項１に記載のチューブポンプ。
3. 前記所定の流量波形は、人の血圧波形であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のチューブポンプ。
4. 前記複数の回転体の軸芯が、前記ポンプベースの長手方向に平行な直線上に位置することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のチューブポンプ。
5. 前記複数の円筒室の内径が、それぞれ異なっていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載のチューブポンプ。