JP2001082343A - チューブポンプ及び水質分析装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】流体の操作が正確にでき、構成も簡易でコスト
の安価なチューブポンプを得る。 【解決手段】チューブの一端を固定し、他端をモータな
どの回転軸でねじることによりチューブ内から流体を吸
引・吐出し、回転角度に対応した量の流体を吐出する。
本発明ではチューブと、チューブをねじるためのモー
タ、支持体により簡易な構成で流体を操作できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、チューブ内の液体
をチューブの変形により駆動するチューブポンプ及びこ
のチューブポンプを用いた水質分析装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】従来のチューブポンプはチューブを外部
から押しつぶし、チューブ内の液体を吸入または排出す
る構成が用いられてきた。チューブポンプの種類として
は、（ａ）円筒状壁面を有するケーシング内を円筒状壁
面に沿って回転するローラが、ケーシングとローラーと
の間に挟まれたチューブ内の液体を順次入口側から出口
側に送るタイプのもの（特開平８−４９６５７号公
報）、（ｂ）直線状のチューブにローラを押し当て、ロ
ーラをチューブに沿って移動させるタイプのもの（特開
平６−３１７２５６号公報）、（ｃ）チューブを順次押
しつぶし蠕動させ送液するタイプのもの（特開平８−１
７０５９０号公報）などがある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上述したチューブポン
プでは、チューブをローラなどの機構で変形させるた
め、ローラやローラ駆動のための機構が必要なため構造
が複雑となる。また、ローラとチューブ間の滑りや摩耗
により、流量変動や流量ドリフトが生じる虞れがある。

【０００４】このため、吐出量や流量を高精度に保つた
めにはシリンジポンプが使用されることが多い。シリン
ジポンプは特開平１０−１８４５３４号公報に記載のよ
うに、回転−直動変換機構によりモータの回転を直動に
変換し、円筒状のピストンをシール部を介してポンプ室
内に出し入れし、ポンプ室内の有効体積を変化すること
によりポンプ室内への液の出し入れを行う。ポンプ室に
出入口を設けそれぞれに接続するバルブを設けることに
より、吸引時には入口側のバルブを開き出口側のバルブ
を閉じて、ピストンをポンプ室から引き出すことにより
液を吸入し、吐出時には入口側のバルブを閉じ、出口側
のバルブを開きピストンをポンプ室に押し込む。したが
って、シリンジポンプではピストンの出入に対応して正
確な吸引吐出が可能であるが、回転・直動変換機構や高
精度のピストンが必要なためコストが高くなる。また、
シール部の摩耗などの問題があるため、粒子などを含ま
ない清澄な液体用としての使用に制限されていた。

【０００５】本発明の目的は、構造が簡単で低コスト、
長寿命のチューブポンプ及び水質分析装置を得ることに
ある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めの本発明の第１の特徴は、回転軸を駆動するアクチュ
エータと、このアクチュエータによりねじりを与えられ
るチューブと、前記アクチュエータを固定する支持体と
を備え、前記チューブの一端を前記回転軸に接続すると
共に、該チューブの他端を固定し、前記チューブに「ね
じり」「ほどき」を与えることにより、該チューブに対
し流体を流入・流出させ、それによって外部に流体を送
出するようにしたことにある。

【０００７】ここで、チューブの固定部側流路に複数の
分岐流路を接続し、これら分岐流路にそれぞれ流路を開
閉するバルブを設け、バルブの開閉及びチューブの「ね
じり」「ほどき」を連動させて分岐流路の一方側から流
体をチューブ側に吸入し、またチューブ側から分離流路
の他方側に排出する構成としても良い。

【０００８】本発明の第２の特徴は、回転軸を備えたア
クチュエータと、このアクチュエータ回転軸の両端にそ
れぞれの一端を接続された第１及び第２のチューブと、
前記アクチュエータを固定すると共に前記第１、第２の
チューブの他端を固定するための支持体とを備え、前記
チューブに前記アクチュエータにより「ねじり」や「ほ
どき」を与えることにより、チューブに対し流体を流入
・流出させ、それによって外部に流体を送出するように
したことにある。

【０００９】なお、前記回転軸に貫通する流路を設け、
前記第１、第２のチューブは前記貫通流路を介して互い
に連通させるようにすることもできる。

【００１０】本発明の第３の特徴は、アクチュエータ
と、このアクチュエータの駆動力を少なくとも１つの回
転軸に伝えるための伝達要素と、前記回転軸に一端を接
続されたチューブと、前記アクチュエータを固定すると
共に前記チューブの他端を固定するための支持体とを備
え、前記チューブに前記アクチュエータにより「ねじ
り」や「ほどき」を与えることにより、チューブに対し
流体を流入・流出させ、それによって外部に流体を送出
するようにしたことにある。

【００１１】ここで、前記回転軸には貫通する流路を設
け、該回転軸の両端にはそれぞれ第１及び第２のチュー
ブを接続し、これら第１、第２のチューブは前記貫通流
路を介して連通させるようにしても良い。

【００１２】また、前記第１、第２のチューブの支持体
固定側に接続される流路にそれぞれ流路を開閉するため
のバルブを設けることもできる。

【００１３】本発明の第４の特徴は、貫通孔を有し独立
に駆動される第１、第２の回転軸と、前記第１回転軸の
一端及び他端にそれぞれ接続された第１及び第２のチュ
ーブと、前記第２回転軸の一端に接続された第３のチュ
ーブとを備え、前記第１及び第３のチューブの反回転軸
側をそれぞれ固定部に固定し、前記第２のチューブの反
回転軸側を前記第２回転軸の他端に接続し、前記第１、
第２回転軸の回転を制御することにより、前記第１また
は第３のチューブ部の一方の固定部側から他方の固定部
側に流体を送出することにある。

【００１４】本発明の第５の特徴は、貫通孔を有する回
転軸を備えたアクチュエータと、前記回転軸の貫通孔内
に配置されかつ一端を回転軸に取付られたチューブと、
このチューブの他端を固定する固定手段とを備え、前記
回転軸を回転させることにより前記チューブに「ねじ
り」「ほどき」を与えてチューブ内に流体を流入または
流出させ、流体を外部に送出するようにしたものであ
る。

【００１５】なお、アクチュエータの回転角度を制御し
て吐出量を制御する制御部を設け、この制御部では、チ
ューブからの吐出量をΔV、チューブ回転角度をθ、不
感帯（回転初期のチューブ内部容積が変化しない領域）
を示す回転角度の上限値をθｄ、チューブ長さをＬ0、
チューブ肉部断面積をＳ0、チューブ内径をｒin、チュ
ーブ外径をｒoutとしたとき、次の数３または数４の関
係でチューブの回転角度を制御すると良い。

【００１６】

【数３】

【００１７】

【数４】

【００１８】本発明の第６の特徴は、検査すべき流体の
水質を検出するための検出部を備えるセルと、該セルに
検査対象の試料液を所定量づつ送出するための第１のチ
ューブポンプと、前記セルに試薬を所定量づつ送出する
ための第２のチューブポンプとを備え、前記セルには前
記第１、第２のチューブポンプからの試料液と試薬とを
導入する導入流路と、導入流路からの流体が流入する検
出部流路を備え、前記チューブポンプはチューブに「ね
じり」「ほどき」を与えることにより流体を吸入排出す
る水質分析装置にある。

【００１９】なお、前記セルの導入流路には、試料液を
導入するための流路と試薬を導入するための流路が接続
されると共に、前記試料液と試薬とを合流させて混合す
るための混合部を設け、この混合部からの混合液の吸光
度を前記検出部で測定して水質分析すると良い。

【００２０】

【発明の実施の形態】本発明のチューブポンプは、チュ
ーブ、チューブの支持体、及びチューブを回転させてね
じるためのアクチュエータ等を基本構成とする。例え
ば、以下のように構成する。

【００２１】（１）チューブの一端を固定部に、他端を
モータなどの回転機構に連結し、モータによりチューブ
を回転させて、「ねじり」「ほどき」を与え、チューブ
内部の流体を吐出・吸引する。チューブへの流体の出し
入れは、チューブの一方の端部または両端から行う。

【００２２】（２）上記（１）の構成のユニットを複数
連結することにより、流体を双方向に搬送することも可
能となる。チューブの流体出入口にはバルブを設け、吐
出時には出口側のバルブを開、入口側のバルブを閉と
し、同時にチューブに「ねじり」を与え、チューブ内容
積を減少させて流体を出口側に吐出する。また、吸入時
には入口側のバルブを開、出口側のバルブを閉とし、チ
ューブに「ほどき」を与えて、チューブ内容積を増加さ
せ流体を入口側から吸入する。

【００２３】なお、流体の出入口は、１つの場合と２つ
の場合がある。また、流体の出入口は、固定の場合と軸
方向に回転する場合とがある。流体の出入口が２つの場
合、その両端を固定する場合と、片側を固定し、他側は
回転可能にする場合とがある。チューブを回転するため
のアクチュエータがモータの場合、モータの回転軸にチ
ューブを直接接続する場合と、モータの回転力をギアな
どの伝達手段を介して回転軸に接続し、この回転軸にチ
ューブを接続する場合がある。

【００２４】以下、本発明の具体的実施例を図面に基づ
き説明する。図１はモータ回転軸にチューブを直接接続
した場合の実施例である。チューブ４の一端をモータ２
の回転軸２１に接続する。また、チューブ４の他端を支
持体３に接続する。支持体３は硬質素材により構成さ
れ、チューブ４の他端からチューブ内部に通じる管など
の流路３１を固定している。流路３１は外部に開放とす
るか、または流体を扱う装置（図示せず）の流体回路に
接続される。支持体３にはモータ２が、直接または支持
部材を介して取付られている。以上の構成により、チュ
ーブ４はモータ２の回転軸２１の回転による、「ねじ
り」「ほどき」により、チューブ４の内容積を変化さ
せ、この内容積の変化によりチューブ４の一端側の流路
３１を介して流体をチューブ４に出入りさせることがで
きる。

【００２５】なお、モータ２の回転軸２１をモータ２の
両側に突出させ、この回転軸内に貫通する流路を設けて
流体の出入口とし、チューブ４の支持体３への固定側に
は流路を設けず閉塞固定するようにしてもよい。

【００２６】モータとしては入力パルス数に比例する回
転角度となるステッピングモータが望ましい。また、ア
クチュエータとしてはモータのみではなく、ロータリー
ソレノイドや羽根車等により回転力を発生するものでも
よい。 モータ回転軸の回転角度または回転位置を検知
するロータリーエンコーダやホール素子などの回転セン
サを設け、モータの回転速度や回転位置を制御すること
により、吐出量や吐出流量を制御するようにしてもよ
い。

【００２７】なお、チューブの「ほどき」は、モータの
電源を切りチューブの弾性により元の形状に戻すように
してもよい。このとき、回転センサを用い、 原点に復
帰していない場合はモータを正・逆回転し回転センサの
示す原点位置まで戻すようにすれば更に良い。また、吐
出量を流路３１またはその延長上の流路に設けた流れセ
ンサにより検知し、所望の流量となるようにモータの回
転を制御してもよい。

【００２８】流体の出入口が１つの場合には分注器とみ
なすことができる。分注器をロボットハンドやステージ
などの駆動機構に搭載し、複数の容器から容器に分注器
先端から液を移動する。なお、分注部を固定し、容器を
回転ステージなどに搭載して移動させ、分注器からの液
体の吸入吐出をさせることもできる。移動機構を分注部
と容器の双方に設け、分注動作を行うようにしても良
い。チューブに腐食性・汚染性の無い液体を満たし、容
器内の液体と直接接触しない様に構成することもでき
る。なお、搬送する液体は必ずしも容器内にある必要は
なく、基板上への接着剤の点着やウエハ上へのレジスト
の供給、ＤＮＡチップなどの平面基板上へのＤＮＡ試料
の点着など、面上への液体の移動など、あるいは注射器
などにも使用可能である。本発明のポンプは、機能とし
てはシリンジポンプと同様であるから、現在シリンジポ
ンプの使用されている多くの分野への応用が可能であ
る。

【００２９】図１に示すように、流路３１を分枝した流
路３１３，３１４にそれぞれバルブ６１，６２を設け、
チューブ４をねじる場合とほどく場合で交互に開閉する
ことにより、双方向に流体を送るポンプとすることがで
きる。チューブ４から分枝部３１５に至る流路３１の体
積をチューブ４の「ねじり」「もどし（ほどき）」の場
合の内容積の差以上とすれば流路３１３，３１４を通過
する流体が直接チューブ４に触れることがないので、チ
ューブ４が流体に侵されることがなく、チューブの寿命
を向上させてメンテナンスが容易になる。チューブ４内
にはチューブを侵すことのない保護用の流体をあらかじ
め注入しておいてもよい。

【００３０】本実施例によれば、モータ回転軸にチュー
ブを固定しているので構成が簡素になる。分注器として
使用した場合には、構造が簡素で小形軽量にできる。分
注器を小形軽量にできるため、分注器を直接駆動機構に
搭載して駆動することも容易になり、装置システム全体
の小形化が図れる。また、ポンプ部とノズル間が極近接
するため、ポンプとノズルを結ぶ長いチューブの変形、
振動、気泡の混入・滞留による分注流量の変化や分注量
の誤差を低減できる。

【００３１】図２は他の実施例を示す図で、モータ２の
回転軸２１の両端にチューブ４１、チューブ４２が接続
され、回転軸２１を貫通する流路２２により、流体の出
入口となる流路３１１と流路３１２間とを連通してい
る。なお、チューブを１本のみとし回転軸２１を貫通す
る流路２２の前記チューブと反対側を出入口とすること
もできる。また、出入口の流路３１１，１２のそれぞれ
にバルブ６１または６２を設け、チューブ４１，４２を
ねじる場合とほどく場合で交互に開閉すことにより、双
方向に流体を送ることができる。なお、チューブ４１，
４２のそれぞれをある程度以上ねじることにより、チュ
ーブが捩れて中央付近が閉塞するので、これを利用して
バルブとして使用することも可能である。

【００３２】本実施例によれば、流路が直線化するので
内部の流体の流れがスムーズになり、流体の滞留が少な
くできる。また、チューブをある程度以上ねじってバル
ブとして使用した場合、戻せばチューブ内の流路がもと
の状態に回復するので詰まりに強いバルブになる。

【００３３】なお、モータの回転力をギアなどの伝達要
素を利用してチューブに伝える構成としてもよい。この
場合、チューブを回転する回転軸にギアが取り付けられ
モータの回転軸に取り付けられたギアから直接または他
のギアを経由してモータの回転力がチューブに伝達され
る。

【００３４】ギアなどの伝達要素を使用した場合、ギア
比などを調整することにより高回転・小出力のアクチュ
エータも使用できる。また、モータ回転軸にチューブを
直接接続しないので、モータのサイズに関わりなく回転
軸を短くできるので流路部分を短縮化できデッドボリュ
ームを低減できる。

【００３５】図３は中央のギア列によりモータ２の回転
を平行に配置された複数のチューブに伝えるようにした
実施例である。（ａ）に示すように、それぞれのチュー
ブポンプユニット４０は流体出入口が２個設けられ、出
入口は固定されている。また、２本のチューブ４１、４
２とチューブ間をつなぐ中空の回転軸２３に取り付けら
れたギア５３を備えている。また、（ｂ）に示すよう
に、各ユニット４０は固定リング３４１に軸受３４２を
介して固定され、軸受３４２により回転可能となってい
る。さらに、ユニット４０は固定リング３４１に複数円
状に配置されている。また、（ｃ）に示すように、各ユ
ニット４０の両端は固定リング３４１を挟むように設置
した円板３３，３４に固定設置された流路３１，３２に
接続され、固定される（（ｃ）図では固定リング３４
１、軸受３４２の図示省略）。

【００３６】モータ２の回転軸２１は円板３４を貫通
し、先端にはギア５１を備える。ギア５１は中央で各ユ
ニット４０のギア５３と連結され、モータ２の回転は各
ユニットのチューブに伝えられる。円板３３、固定リン
グ３４１、円板３４、モータ２は支持体３（図２参照）
に固定されている。各ユニット４０はギア５１の周囲に
配置されており、ギア５１の回転により各ユニットのギ
ア５３が回転し、チューブ内の流体が押し出される。

【００３７】本実施例によれは、１台のモータにより複
数のチューブを同時に駆動できるので、多量の流体を同
時に取り扱える。なお、バルブを使用し、ポンプとして
動作させる場合、流体を流したくないチューブ側の流路
のバルブを閉じて流れを阻止し、反対側のバルブを開い
て流体を流すことができる。また、空気などの圧縮性流
体の場合は両側のバルブを閉じておくこともできる。

【００３８】図４は、チューブ４をモータ２の回転軸２
１に設けた中空部に配置した例を示す。チューブ４の両
端は硬質の管からなる流路３２とコネクタ３１６に接続
され（コネクタ３１６に硬質の管を貫通させ、チューブ
を接続してもよい）、コネクタ３１６は回転軸２１に固
定されている。流路３２を構成する管はモータ２を支持
する支持体３に固定されている。コネクタ３１６をネジ
などで回転軸２１に結合し、反対側の流路３２を構成す
る管をねじやナットなどの固定手段３２３により支持体
３に結合固定すれば、チューブ交換などのメンテナンス
が容易となる。

【００３９】なお、支持体３を省略し、モータ２のケー
シング２０に流路３２を構成する管を固定するようにし
てもよい。また、モータ回転軸２１内の貫通流路内中央
部で２本のチューブを左右に配置して前記回転軸２１の
中央側で固定し、前記２本のチューブの他端をそれぞれ
硬質の管からなる流路を介してモータのケーシング２０
や支持体３に固定する構成とすれば、図４の構造でチュ
ーブを２本にすることができる。本実施例によれば、モ
ータ回転軸にチューブを内蔵する構成としているから、
装置をさらに小形化できる。

【００４０】次に、本発明をポンプとして動作させる場
合の他の実施例を図5に示す。図５の実施例では、流体
の出入口が２つでチューブが１本のユニットを２つ直列
に配置して使用する例である。図の左側のユニットはモ
ータ２０１がギア５１１，５３１を介して出入口側の回
転軸２３１を回転することにより、チューブ４３を捩る
構造となっている。図の右側のユニットも同様に、モー
タ２０２がギア５１２，５３２を介して出入口側の回転
軸２３２を回転することにより、チューブ４４を捩る構
造となっている。これら２つのユニットの回転軸を対向
させてベース３５上に固定し、チューブ４５により回転
軸間を結合し、ポンプを形成している。

【００４１】流体が、図５の紙面右側から左側に流れる
場合を説明する。（紙面左側から右側に流体を流す場合
も同様の動作をするのでその説明は省く。）なお、動作
は（１）から（１２）まで循環するので、初期位置はど
こでもよい。チューブに示した斜線において、右下向き
の斜線は紙面右側から見て反時計回りのねじれを示し、
左下向きの斜線は紙面右側から見て時計回りのねじれを
表すものとする。（１）は、回転軸２３１の両側のチュ
ーブ４３と４５がねじれてチューブが閉塞している状態
を示す。このとき、回転軸２３１、回転軸２３２は停止
している。また、チューブ４４はほどかれている状態を
示す。この状態から（２）に示すように、回転軸２３２
をモータ２０２により矢印の方向に回転させ、チューブ
４５のねじれをほどき、同時にチューブ４４をねじる。
このとき、チューブ４５にはチューブ４４側から回転軸
２３２を貫通する流路を介して流体が流入する。このと
き、チューブ４３はねじれて閉塞しているから回転軸２
３１より右側の流体は右から左に移動する。さらに、回
転軸２３２が回転すると（３）に示すようにチューブ４
５がほどけ、チューブ４４がねじれて閉塞する。ここ
で、モータ２０２を停止させて回転軸２３２の回転を停
止する。次に、（４）に示すように、モータ２０１によ
り回転軸を矢印の方向に回転する。回転によりチューブ
４３はほどけ、チューブ４５がねじれる。チューブ４４
は閉塞しているから、流体はチューブ４５からチューブ
４３側に流れる。（５）に示すようにチューブ４５が閉
塞した後、モータ２０１を停止し回転軸２３１を停止す
る。次に、（６）に示すようにモータ２０１とモータ２
０２により回転軸２３１、回転軸２３２をそれぞれ矢印
の方向に回転する。これにより、チューブ４３がねじ
れ、チューブ４４がほどける。チューブ４５は回転軸２
３１と回転軸２３２の回転方向が同じなので、ねじれて
閉塞したままであるので、チューブ４３からは流路３１
１を介して左側に流体が流れる。また、チューブ４４は
ほどけるので流路３１２を介して流体がチューブ４４に
流れ込む。（７）以下はチューブのねじれの方向が逆
で、回転軸の回転方向が逆転するだけで（１）〜（６）
と同様に変化し、（１）に戻る。以上の動作の繰返しに
より流体が右側から左側に移送される。

【００４２】本実施例によれば、チューブによりポンプ
作用とバルブ作用を兼ねることができるので、バルブが
不用になる。また、ねじりによりバルブとして作用した
チューブがほどけることにより復元するので粒子などの
固形分による詰まりが生じにくい。

【００４３】図６は本発明を水質分析装置に適用した場
合の例を示す。湖沼、河川、海洋などの水質監視や、水
道水の残留塩素などの水質監視が、１ｍ以上もの高さや
幅を持つ大形の計器で行われているが、装置が大きいた
め価格が高くなり、かつ設置場所にも制限があるなどの
問題がある。この実施例では、半導体微細加工技術によ
り形成した検出器に本発明のチューブポンプを使用し、
試料水や試薬を送液することにより、水質監視装置を小
形・低コスト化するものである。このため、本実施例で
は図６に示すように、両軸のモータ２の回転軸２１にチ
ューブ４１とチューブ４２の一端をそれぞれ接続し、両
チューブを同一速度パターンでねじる。チューブ４１と
チューブ４２の他端はそれぞれ支持体３に設けた流路３
１または３２に固定する。試薬供給側の流路３１は分枝
流路３１１と３１２に二分枝する。分枝流路３１１はバ
ルブ６１１を介して試薬タンク９１に接続する。また、
分枝流路３１２はバルブ６１２を介して流路ブロック７
４に設けたコネクタ７４１に接続され、流路ブロック７
４内の流路７１９を通過してセル７に接続される。一方
試料液供給側の流路３２は分枝流路３２１と３２２に二
分枝する。分枝流路３２１からはバルブ６２１を介して
試料液９３を導入する。また、分枝流路３２２はバルブ
６２２を介して流路ブロック７４に設けたコネクタ７４
２に接続され、流路ブロック７４内の流路７１８を通過
してセル７に接続されている。

【００４４】試料計測時には、制御部８からの指令信号
８１に基づいてモータ２を回転すると同時に制御部８か
らの司令信号８２，８３，８４，８５に基づいてバルブ
６１１，６１２，６２１，６２２を、チューブの「ねじ
り」（モータ正転、バルブ６１１，６２１は閉、バルブ
６１２，６２２は開）、「ほどき」（モータ逆転、バル
ブ６１１・６２１開、バルブ６１２・６２２閉）に従っ
て交互に開閉し、吐出・吸引することにより、試薬タン
ク９１の試薬９２と、採取した試料液９３をセル７側に
送液する。これにより、試料液と試薬がミキサ７０９で
合流混合し検出部流路７０４を満たす。この時の混合液
の吸光度を表す光センサ７６３（図７参照）の出力信号
８６を制御部８に取り込み、特定成分の濃度データとし
て保存したり、表示部に表示する。なお、初期に流路へ
液を導入する場合、片方の液のみを送液することもある
が、この時は送液しない側の分枝流路に設置したバルブ
の上流側を常時開、下流側を常時閉とすればよい。

【００４５】図６ではセル７内の流路や光学系を単純化
して示したが、その詳細を図７により説明する。シリコ
ン基板７００の片面には異方性エッチングを施し、台形
断面の屈曲した溝を形成する。溝側の面（表面）にガラ
ス板７０１を接合して流路を構成し、裏側の面にはガラ
ス板７０２を接合して補強したセル７を用いる。表面の
溝から構成されるセル７の流路は屈曲部を境に上流側か
ら流体導入流路７０３、検出部流路７０４、排出流路７
０５からなる。導入流路７０３には裏面から異方性エッ
チングし、複数の孔を設けている。それぞれ、上流側か
ら洗浄液孔７０６、基準液孔７０７、試料液孔７０８、
複数の微小な孔が配列したミキサ７０９となっている。
また、図７（ｄ）に示すように、それぞれの孔の上流側
のガラス板７０２にも対応する孔を設ける。ガラス板７
０２の孔の上流側はセル７を乗せた流路ブロック７４の
流路７１８，７１９などに接続する。流路ブロック７４
は光造形技術、または複数の板を張り合わせてセル７の
流路から外部のポンプなどに接続する流路７１８，７１
９などを形成している。セル７と流路ブロック７４の流
路の接続はOリングなどにより行う。洗浄液孔７０６か
らは流路洗浄剤を導入する。基準液孔７０７は測定基準
となる液を導入し校正を行うために設けている。試料液
９３と試薬９２はセル７の導入流路７０３内に同時に注
入されミキサ７０９で合流混合する。このとき、図７
（ｃ）に示すように、ミキサ７０９の複数の微小孔から
試薬９２が試料液９３内に微小なプリュームとなり噴出
するので、拡散により速やかに混合する。混合液内では
試料液９３内に含まれる特定成分（例えば残留塩素）が
試薬（例えば、残留塩素測定の場合はDPD試薬）と反応
し、反応生成物を生じ発色する。発色量は特定成分の濃
度と相関するため、下流側の検出部流路７０４（図７
（ｂ）参照）で発色量に応じた吸光度を測定する。検出
部流路７０４のガラス板７０１の上面は、金属膜などを
蒸着した反射面７６１となっている。検出部流路７０４
の上流端と下流端には反射膜の無い窓部があり、それぞ
れの窓部に対向してLEDなどの光源７６２と光センサ７
６３を設置する。光源７６２から発した光は窓部から検
出部流路７０４に入り、検出部流路７０４のシリコン下
面と反射面７６１間を通過し、反対側の窓部から出て光
センサ７６３に至り検出される。この時、正確な測定の
ためには試料液９３と試薬９２を再現性よく混合し測定
ごとの混合条件の差を少なくする必要がある。

【００４６】なお、図３に示すような多連のチューブポ
ンプの一種で、回転軸を２本としモータの駆動力をギア
により伝達し、試料液側のチューブと試薬側のチューブ
を同時に駆動してもよい。また、本実施例では２本のチ
ューブを1つのモータで同時に駆動する例を示したが、
モータを同期運転すれば、試薬用、試料液用にそれぞれ
単独のチューブポンプを使用してもよい。なお、２本の
チューブを同一のモータにより駆動するようにすれば、
試料液と試薬が同時に再現性よく注入できる。本実施例
によれば、ポンプの構成が簡素となり、検出部を半導体
微細加工技術により小形化できるので装置を小形で低コ
ストに製作できる効果がある。

【００４７】次に、ねじりによるチューブからの吐出量
について詳細に説明する。チューブ肉部を構成するゴム
材料は変形により体積がほとんど変化しないというゴム
弾性特有の特性を持っている。本発明では、チューブの
両端が軸方向に固定されているため長さの変化はなく、
チューブがねじりにより延長した分だけチューブの断面
積が減少する。チューブ肉部の断面積は変化せず、断面
積の変化分はすべてチューブ内部の体積変化に変換され
ると仮定することにより、体積変化ΔＶを数５の近似式
で求めることができる。

【００４８】

【数５】

【００４９】ここで、L0：チューブの長さ、Ｓ0：変形
前のチューブ断面積（肉部＋内部）、ｒeff：チューブ
の代表径、θ：チューブの回転角度である。

【００５０】チューブの代表径をチューブ内半径とし、
実際に図１に示す出入口が１つのディスペンサタイプの
装置で吐出量（チューブ内容積の変化量）を実測し数３
と比較した結果を図８（ａ）に示す。チューブは従来の
チューブポンプ用のものを使用した。チューブサイズは
外径４．２ｍｍ、内径２．１５ｍｍ、長さ１５ｍｍであ
る。実際のチューブでは近似式１（数５）に対して吐出
量の立ち上がりに遅れを生じる。遅れの分を補正し、ｒ
effをチューブ内径ｒinとし、軸をずらして重ね合わせ
ると、近似式１はチューブの変形の小さな範囲で実測値
によく一致するが、それ以上になると誤差が急激に増加
する（図８に示した近似式１のデータは補正済みのも
の）。図に示すように、回転初期は取付状態やゴムの特
性により内部体積が変化しない領域１がある。従って、
実際は上記数５は次の数６の近似式で表される。

【００５１】

【数６】

【００５２】ここで、θd：不感帯を示す回転角度上限
である（図８（ａ）の例では２０deg）。

【００５３】領域１の不感帯を過ぎるとゴム弾性による
数６の成り立つ領域２に入る。領域２ではチューブ断面
形状に大きな変化は生じない。さらに回転が進むと、チ
ューブの断面が楕円形につぶれる領域３に入る。さらに
回転が進みチューブがつぶれ中央付近が閉塞し、以後出
入口側の液のみが吐出される（領域４）。そこで領域３
の実測値に一致する関数を検討し、数７に示す関数を見
出した。

【００５４】

【数７】

【００５５】ここで、Ｖeff：チューブ代表体積（ｒeff
を断面とし長さＬ0の円柱の体積）である。

【００５６】θ−θdが小さいとき上記数５、数６はそ
れぞれ次の数８、数９のように近似できる。

【００５７】

【数８】

【００５８】

【数９】

【００５９】数８と数９はθ−θdが小さいときほぼ一
致するとして整理し、θmidでまとめると、数１０のよ
うになる。

【００６０】

【数１０】

【００６１】実測値とフィットすることにより、Ｖeff
は初期のチューブ内容積Ｖ0に一致することがわかった
（ｒeffはｒinに一致するるので、以上の分析から、数
１１で表される近似式２が得られた。

【００６２】

【数１１】

【００６３】ここでｒin：チューブ内半径、ｒout：チ
ューブ外半径である。

【００６４】近似式２は図８に示すように実測値によく
一致する。実測値では吐出量がチューブ内容積の初期値
のほぼ１／２になった時点が変曲点となり、この変曲点
から増加率が減少し飽和していく。実際にチューブはね
じりに伴って断面が偏平化していく。変曲点付近で、チ
ューブ偏平化が限界に達し、チューブ内面が一部接触
し、チューブ内容積の減少が抑制される。これによりチ
ューブからの吐出量が減少する。さらに回転するに伴
い、チューブは中央付近で閉塞し、一部支持部側に取り
残されるので吐出量はさらに小さくなる。したがって、
吐出量と回転角度の関係がよく一致する範囲はΔＶ＜＝
Ｖ0／２である。これを数１１に代入変形すると、この
関係は回転方向に関係なく成り立つから、

【００６５】

【数１２】

【００６６】となる。言い換えれば、数１２の成り立つ
範囲では定量ポンプとして動作し、数１２を超える回転
角度範囲ではバルブとして動作するとみなすことができ
る。

【００６７】なお、肉厚のチューブや硬質のチューブで
は近似式１の成り立つ範囲が広くなるのでチューブに応
じて近似式１と近似式２を使い分ける。実際に外径５．
８ｍｍ、内径２．４ｍｍ、長さ２３ｍｍの前述の例より
肉厚のチューブを用いた場合、図８（ｂ）に示すように
近似式１が主となる。近似式１で表される曲線は近似式
２の曲線に比較し変化がなだらかで直線に近いためモー
タの回転速度を変化しなくてもほぼ一定の流量を維持で
きるメリットがある。

【００６８】以上の解析により近似式１、近似式２を用
いれば回転によるチューブからの吐出量がチューブ形状
から予測できることがわかった。また、回転角度により
吐出量が定量的に予測できるので、吐出量を精度よく管
理できる。

【００６９】次に、吐出流量比を一定にする方法を説明
する。近似式１の場合、数６の形から数１３に示すよう
に、２本のチューブ間で各チューブの内径と回転角度の
積を長さで割った値が等しければ、数６の[ ]内が常に
一致し、２本のチューブからの吐出量の比が一定とな
り、吐出量の比はチューブ肉部の体積比になる。

【００７０】

【数１３】

【００７１】ここで、ｒin：内径、Ｌ0：長さ、θ：回
転角度（不感帯を含む）、添え字１，２は各チューブの
値であることを示す。例えば、図６に示すように２本の
チューブの回転角度が同じで、２液の混合を行う場合、
チューブ内径と長さの比が２本のチューブ間で一致すれ
ば常に同一の混合比が得られる。近似式２の場合は、数
１１の形から数１４に示すように、２本のチューブ間で
各チューブの肉部の断面積の１／２乗と回転角度の積を
長さで割った値が等しければ、数１１の[ ]内が常に一
致し、２本のチューブからの吐出量の比は一定となり、
吐出量の比はチューブ内径の比になる。

【００７２】

【数１４】

【００７３】ここで、ｒout：チューブ外径である。例
えば、図６に示すように２本のチューブの回転角度が同
じで、２液の混合を行う場合、チューブ肉部の断面積の
１／２乗と長さの比が２本のチューブ間で一致すれば常
に同一の混合比が得られる。また、近似式１と近似式２
が両方成り立てば、チューブが閉塞するまで吐出量比を
一定にできる。これは、２本のチューブ間でチューブの
内容積の比とチューブ肉部の体積比を等しくすればよ
い。すなわち、２本のチューブで内径の比と外径の比が
等しくなるようにすればよい。なお、チューブは３本以
上でも同様の関係が成り立てば吐出量比を一定にでき
る。

【００７４】本実施例によれば、チューブの回転角度に
よらず吐出量比を一定にでき、また流体の混合を行う場
合、各流体の混合比を精度よく保つことができる。

【００７５】

【発明の効果】本発明によれば、吸引・吐出に関わる基
本構成要素は、チューブと回転軸であるから、構成が簡
単になり、また部品点数が少ないので低コストで長寿命
化できる効果がある。

【００７６】また、チューブを複数連結するように構成
すれば、チューブポンプの固定部を両端側とすることが
でき、外部流路への接続を容易に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示す縦断面図である。

【図２】本発明の第２実施例を示す縦断面図である。

【図３】本発明の第３実施例を説明する斜視図である。

【図４】本発明の第４実施例を示す縦断面図である。

【図５】本発明の実施例における動作を説明する図であ
る。

【図６】本発明のチューブポンプを水質分析装置に応用
した場合の例を説明する系統図である。

【図７】図６に示す分析装置のセルの部分の構成を詳細
に説明する図である。

【図８】本発明のチューブポンプにおける吐出特性を説
明する線図である。

【符号の説明】

２，２０１，２０２…モータ、３，３６，３７…支持
体、４，４１，４２，４３，４４，４５，４１１，４１
２，４２１，４２２…チューブ、７…セル、８…制御
部、２０…ケーシング、２１…モータの回転軸、２２…
（回転軸を貫通する）流路、２３，２３１，２３２…回
転軸、３１，３２，３８，３１１，３１２，３１３，３
１４，３２１，３２２…流路、３３，３４…円板、３５
…ベース、５１，５３，５３１，５３２…ギア、５２，
５２２，５２３…軸受、６１，６２，６１１，６１２，
６２１，６２２…バルブ、７４…流路ブロック、７５…
排出用流路、８２，８３，８４，８５…司令信号、８６
…出力信号、９１…試薬タンク、９２…試薬、９３…試
料液、３１６…コネクタ、３２３…固定手段、３４１…
固定リング、３４２…軸受、７００…シリコン基板、７
０２…ガラス板、７０３…導入流路、７０４…検出部流
路、７０５…排出流路、７０６…洗浄液孔、７０７…基
準液孔、７０８…試料液孔、７０９…ミキサ、７１８…
試料液流路、７１９…試薬流路、７６１…反射面、７６
２…光源、７６３…光センサ。

フロントページの続き (72)発明者 小野瀬 俊宏 茨城県ひたちなか市市毛882番地 株式会 社日立製作所計測器グループ内 Ｆターム(参考） 2G059 BB04 BB05 BB16 CC20 DD12 EE01 FF12 GG02 KK10 3H077 AA01 CC04 CC06 DD02 EE34 EE37 FF12

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】回転軸を駆動するアクチュエータと、この
   アクチュエータによりねじりを与えられるチューブと、
   前記アクチュエータを固定する支持体とを備え、前記チ
   ューブの一端を前記回転軸に接続すると共に、該チュー
   ブの他端を固定し、前記チューブに「ねじり」「ほど
   き」を与えることにより、該チューブに対し流体を流入
   ・流出させ、それによって外部に流体を送出するように
   したことを特徴とするチューブポンプ。
2. 【請求項２】回転軸を備えたアクチュエータと、このア
   クチュエータ回転軸の両端にそれぞれの一端を接続され
   た第１及び第２のチューブと、前記アクチュエータを固
   定すると共に前記第１、第２のチューブの他端を固定す
   るための支持体とを備え、前記チューブに前記アクチュ
   エータにより「ねじり」や「ほどき」を与えることによ
   り、チューブに対し流体を流入・流出させ、それによっ
   て外部に流体を送出するようにしたことを特徴とするチ
   ューブポンプ。
3. 【請求項３】請求項２において、前記回転軸は貫通する
   流路を有し、前記第１、第２のチューブは前記貫通する
   流路を介して互いに連通していることを特徴とするチュ
   ーブポンプ。
4. 【請求項４】アクチュエータと、このアクチュエータの
   駆動力を少なくとも１つの回転軸に伝えるための伝達要
   素と、前記回転軸に一端を接続されたチューブと、前記
   アクチュエータを固定すると共に前記チューブの他端を
   固定するための支持体とを備え、前記チューブに前記ア
   クチュエータにより「ねじり」や「ほどき」を与えるこ
   とにより、チューブに対し流体を流入・流出させ、それ
   によって外部に流体を送出するようにしたことを特徴と
   するチューブポンプ。
5. 【請求項５】請求項４において、前記回転軸には貫通す
   る流路を有し、該回転軸の両端にそれぞれ第１及び第２
   のチューブを接続し、これら第１、第２のチューブは前
   記貫通流路を介して連通していることを特徴とするチュ
   ーブポンプ。
6. 【請求項６】請求項３または５において、前記第１、第
   ２のチューブの支持体固定側に接続される流路にそれぞ
   れ流路を開閉するためのバルブを設けたことを特徴とす
   るチューブポンプ。
7. 【請求項７】貫通孔を有し独立に駆動される第１、第２
   の回転軸と、前記第１回転軸の一端及び他端にそれぞれ
   接続された第１及び第２のチューブと、前記第２回転軸
   の一端に接続された第３のチューブとを備え、前記第１
   及び第３のチューブの反回転軸側をそれぞれ固定部に固
   定し、前記第２のチューブの反回転軸側を前記第２回転
   軸の他端に接続し、前記第１、第２回転軸の回転を制御
   することにより、前記第１または第３のチューブ部の一
   方の固定部側から他方の固定部側に流体を送出すること
   を特徴とするチューブポンプ。
8. 【請求項８】貫通孔を有する回転軸を備えたアクチュエ
   ータと、前記回転軸の貫通孔内に配置されかつ一端を回
   転軸に取付られたチューブと、このチューブの他端を固
   定する固定手段とを備え、前記回転軸を回転させること
   により前記チューブに「ねじり」や「ほどき」を与えて
   チューブ内に流体を流入または流出させ、流体を外部に
   送出するようにしたことを特徴とするチューブポンプ。
9. 【請求項９】請求項１または２において、チューブの固
   定部側流路に複数の分岐流路を接続し、これら分岐流路
   にそれぞれ流路を開閉するバルブを設け、バルブの開閉
   及びチューブの「ねじり」「ほどき」を連動させて分岐
   流路の一方側から流体をチューブ側に吸入し、またチュ
   ーブ側から分離流路の他方側に排出する構成としたこと
   を特徴とするチューブポンプ。
10. 【請求項１０】請求項１〜９の何れかにおいて、アクチ
    ュエータの回転角度を制御して吐出量を制御する制御部
    を設け、この制御部では、 チュ−ブからの吐出量をΔV、チューブ回転角度をθ、
    不感帯（回転初期のチューブ内部容積が変化しない領
    域）を示す回転角度の上限値をθｄ、チューブ長さをＬ
    0、チューブ肉部断面積をＳ0、チューブ内径をｒinとし
    たとき、次式の関係でチューブの回転角度を制御するこ
    とを特徴とするチューブポンプ。 【数１】
11. 【請求項１１】請求項１〜９の何れかにおいて、アクチ
    ュエータの回転角度を制御して吐出量を制御する制御部
    を設け、この制御部では、 チューブからの吐出量をΔV、チューブ回転角度をθ、
    不感帯（回転初期のチューブ内部容積が変化しない領
    域）を示す回転角度の上限値をθｄ、チューブ長さをＬ
    0、チューブ肉部断面積をＳ0、チューブ内径をｒin、チ
    ューブ外径をｒoutとしたとき、次式の関係でチューブ
    の回転角度を制御することを特徴とするチューブポン
    プ。 【数２】
12. 【請求項１２】検査すべき流体の水質を検出するための
    検出部を備えるセルと、該セルに検査対象の試料液を所
    定量づつ送出するための第１のチューブポンプと、前記
    セルに試薬を所定量づつ送出するための第２のチューブ
    ポンプとを備え、前記セルには前記第１、第２のチュー
    ブポンプからの試料液と試薬とを導入する導入流路と、
    導入流路からの流体が流入する検出部流路を備え、前記
    チューブポンプはチューブに「ねじり」「ほどき」を与
    えることにより流体を吸入排出するものであることを特
    徴とする水質分析装置。
13. 【請求項１３】請求項１２において、チューブポンプと
    して請求項１〜１１の何れかに記載のものを使用するこ
    とを特徴とする水質分析装置。
14. 【請求項１４】請求項１２または１３において、前記セ
    ルの導入流路には、試料液を導入するための流路と試薬
    を導入するための流路が接続されると共に、前記試料液
    と試薬とを合流させて混合するための混合部を設け、こ
    の混合部からの混合液の吸光度を前記検出部で測定して
    水質分析することを特徴とする水質分析装置。