JP2006010597A - 液体切れ検知センサ - Google Patents

Abstract

【課題】
点滴などのチューブ内における薬液切れや、生ビールなどのタンクからサーバへのチューブ内の供給切れをいち早く検知するべく、透明な管内の液体が無くなった事を検知することを実現する、センサを提供すること。
【解決手段】
本発明によるセンサは、液体と気体の屈折率の差を検出して液体の有無を判断する。屈折率の差を検出する手段として、まず本センサは液体の有無の判別を行いたい透明なチューブを本センサの筐体に取り付ける形状を備え、取り付けたチューブに対して投光器と受光器を配置する。１個の投光器と複数の受光器の組み合わせの場合、投光器からの光が液体がある時に届く位置に１個受光器を配置し、さらに液体が無く気体がある時に届く位置に別の１個の受光器を配置することで、液体の有無による屈折率の差で発生した光の位置ズレや光量変化が認識できるようになる。その変化を元に管内の液体の有無を知らせる信号を出力する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、液体を通すために用いられているチューブ類等の管の中に液体があるかどうかを識別するためのセンサに関する。

液体を流す目的で作られた、柔軟性がある透明性のチューブや、硬いプラスチック管やガラス管の中に液体があるかどうかの識別は、流体の移動を検出する手段や色の変化などを見るものがある。

流体の移動を検出する手段は、検出用電流を流すための電極を管内に付加する必要があったり、プロペラを回転させる等の物理的に検出出来るような装置を付加しているが大掛かりである上に、観測対象の液体に対してなんらかの影響を与えてしまう。

また色の変化を見るものは、水などの無色透明な液体では使えず、管内の汚れの影響も受けてしまう。

本発明は、上記問題点に鑑み、測定対象の液体に影響を与えないこと、小型で構成できること、液体の透明度の影響を受けないこと、以上を達成するセンサを提供することを目的とする。

本発明は、これらの問題点を解決するべく、液体と気体の屈折率の差を検出出来るように構成することで、液体そのものの検出や色の差を見ることを不要にするものである。以下、管の代表としてチューブを説明に使用する。

屈折率の差を検出する手段として、まず本センサは液体の有無の判別を行いたいチューブを取り付ける筐体を有する。例えばサンドイッチのようにチューブを挟み込む形状を備える。こうすることでチューブへの本センサの固定と、センシング用の投受光器に影響を与える外乱光の遮光が可能になる。

次に、取り付けたチューブに対して片側に投光器、反対側に受光器を配置する。１個の投光器に対して複数の受光器、あるいは複数の投光器に対して１個の受光器、あるいは複数の投光器に対して複数の受光器を配置する。

前記の中で１個の投光器と複数の受光器の組み合わせの場合、投光器からの光が管内に液体がある時に光の屈折で届く位置に１個受光器を配置し、さらに液体が管内に無く気体がある時に光の屈折で届く位置に別の１個の受光器を配置することで、液体の有無による屈折率の差で発生した光の位置ズレや光量変化が認識できるようになる。

また請求項２に記載したように複数個の受光器の変わりに、ＰＳＤ等の光の位置が検知可能な受光センサや、ＣＣＤ等の撮像素子を用いることで、屈折率の差による光の位置ズレを認識することも可能である。

また請求項３に記載したように、投光器の位置に矢印等の位置検出用の画像を記載し、受光器の位置に置いたＣＣＤ等の撮像素子に移る画像が、屈折率の差によって位置が変化することを認識することも可能である。

また請求項４に記載したように、液体の色が濃く光の屈折率の差による検知が困難な場合は、光の透過の有無を利用する手段を併用することで、水のような透明な液体から、黒ビールのような濃い液体まで広く利用が可能になる。また請求項５に記載したように、液体の有無の検知に伴う出力をＬＥＤ等の光で表示したり、正常動作中には定期的に点滅してそれを示すことが可能である。同時に音声による通知も可能である。センサの検知開始／終了を認識させる手段を持たせれば必要なときだけ検知することが可能となる。。

本センサを点滴のチューブに取り付けるだけで、請求項６に記載したように点滴用の薬液が切れた状態の検知が可能になる。また取り付け場所を選ばない。

また請求項７に記載したように、微弱無線等の無線手段を用いれば、点滴切れや異常等の監視信号が送信できるので、待ち受け室にいる状態で看護婦が遠隔監視出来る。

以上説明したように本発明は、チューブ等の管内の液体の有無が判断可能である。本発明によるセンサは、医療用点滴の薬切れの検知や、生ビール類などの液体を供給する装置で事前にビールのタンクが空になったことを検知したい用途などに広く使える。

また検知のために測定対象の液体に触れることや電流などを流す等の影響を与えることがなく、液体の透明度の影響も受けない。チューブそのものに本センサを取り付けることが可能なことから、取り付け場所も柔軟に選択できる。

以下、本発明の各種実施例を説明する。

図１は本センサ実施例の斜視図である。１は液体を通すためのチューブ、１１はセンサの筐体を示す。図のように本センサはチューブを取り付けた形で利用する。筐体１１は簡便にチューブに対して取り外し出来るように、サンドイッチのように挟み込んでフックで留める構成を用いても良いし、筐体の横からチューブを押し込む構成でも良いし、振動や衝撃などで外れないようにビスで固定する構成でもよい。図１（ａ）は観音開き状に開くように構成した筐体をチューブに取り付けた状態図、図１（ｂ）は取り付け前の開いた状態図である。

図２は実施例の内部構成図である。１は前記のチューブ、図２（ａ）はチューブ内に液体が存在する場合、図２（ｂ）は液体が無く気体がある場合である。３はＬＥＤやレーザー光等の投光器、４ａ・４ｂは受光素子を用いた受光器の一例で、４ａは液体がある時に光の屈折で光がより多く入光する位置に設置した受光器、４ｂは液体がない時光の屈折で光がより多く入光する位置に設置した受光器である。投光器３からの光出力は直流駆動でもパルス駆動でもよく、パルス駆動にして短い間だけ照射するようにしてかつ投受光処理のスキャン間隔を長くするなどの工夫を行えば大幅な低電力化が可能で、電池駆動で長期間の監視が出来る。５ａ・５ｂは管内を透過する光軸の一例で、光軸５ａは液体がある時の光軸、光軸５ｂは液体が無いときの光軸で、光の液体と気体の屈折率の影響を受けて異なる位置に存在する。６は受光器からの信号により液体の有無を判断する制御部である。受光器４に信号増幅部が含まれない場合は受光信号の増幅やフィルター部も含まれる。制御部内の判断処理はマイコンを用いても良いし、単純なコンパレータやロジック回路でも構成可能である。７は制御部の判断に基づく出力部でブザーや接点出力、無線による信号出力など色々考えられる。出力信号は、液体がある時に出力あるいは無い時に出力、一定時間どちらかの状態で出力など、用途に応じて色々設定可能である。

なお図２のイメージでは液体の有無による屈折率の差で、光軸５ａ・光軸５ｂのように明確に光軸が変化しているが、管のサイズや透過率、液体の性質など、使用例によっては管内を光が複雑に反射して受光器４ａ・４ｂの両者に本来の光軸以外の光が入り、受光器への入光の有無や単純な大小の比較だけでは液体の有無が判断出来ない場合もありうる。しかしながら液体の有無による光の屈折率変化が必ず発生することから、液体の有無による受光器４ａ・４ｂ両者への入光量の変化率（比率）を比較すれば、液体の有無が必ず判断出来ることになる。比率で判断させる場合は、製品出荷時に液体のある状態と無い状態の比率をあらかじめ測定し、判断の敷居値を与えておく方法等が考えられる。

図３はチューブに対して真横から照射する場合の実施例である。図２同様に液体の有無による判断が可能である。仮に今、管内に水が存在する場合、投光器３からの光は光軸５ａを通って受光器４ａに入光して受光器４ｂには入光しない。次に水が無くなると、投光器３からの光は光軸５ｂを通って受光器４ｂに入光して受光器４ａには入光しない。この比較で以下のように液体の有無の判断が可能になる。
管内物質 ４ａ 式 ４ｂ 制御部判断
−↓−−−↓−−−−↓−−−↓−−−
気体 遮光 ＜ 入光 気体と判断
透明液体 入光 ＞ 遮光 液体と判断

今度は液体が光を通しにくい場合を考えてみる。仮に今、黒ビールがチューブの中に存在する場合、本来透過する受光器４ａの光軸５ａは黒色で遮光される。受光器４ｂの工事区５ｂも液体が無い時に透過する光軸であるため遮光される。これらの結果、受光器４ａにも受光器４ｂにも入光しないことから、以下のように液体があるという判断が可能になる。
管内物質 ４ａ 式 ４ｂ 制御部判断
−↓−−−↓−−−−↓−−−↓−−−
気体 遮光 ＜ 入光 気体と判断
透明液体 入光 ＞ 遮光 液体と判断
遮光液体 遮光 ＝ 遮光、両者遮光で液体と判断

上記の結果から、構成をより簡単にしたい場合は投光器を１個、受光器を４ｂの１個だけにする構成も考えられる。受光器４ｂへの光軸５ｂは透明液体が存在する場合は消失し、光を透過しない液体がある場合も消失する。これらの結果から、受光器４ｂに光が入る場合は以下のように液体が無いという判断が可能である。
管内物質 ４ｂ 制御部判断
−↓−−−↓−−−−↓−−
気体 入光 気体と判断
透明液体 遮光 液体と判断
遮光液体 遮光 液体と判断

次に投光器１個受光器２個のケースで、悪環境下で何らかの要因で光モレが多く発生する場合を考えてみる。検知対象が気体や透明液体の場合は問題ないが、遮光液体の場合は漏れた光が受光器４ａ・受光器４ｂ両者に入りかつ受光器４ｂ側により多く入光する状況が発生すると、以下のように誤った判断を行う可能性がある。
管内物質 ４ａ 式 ４ｂ 制御部判断
−↓−−−↓−−−−↓−−−−↓−−−
気体 モレ ＜ 入光 気体と判断
透明液体 入光 ＞ モレ大 液体と判断
遮光液体 モレ ＜ モレ大 気体と間違う

上記のような悪環境で使用する場合、光軸を追加することで動作を安定させる方法が考えられる。図４は図３に屈折率の差による光軸変動が発生しない別光軸を付加した請求項４の実施例である。図４の投光器３ｃ、受光器４ｃ、それらによる光軸５ｃは管内の液体の有無で光軸が移動しないように配置する。また投光器３ｃからの光は透過の有無が判断出来る最小レベルで出力して、５ｃ光軸自体の光モレを最小限に抑える。これらの結果、投光器３ｃの光が受光器４ｃに到達しないあるいは大幅に光量が減少する場合は、光を遮光する液体が必ず存在することになり、以下のように液体の有無の判断が確実となる。
管内物質 ４ａ 式 ４ｂ ４ｃ 制御部判断
−↓−−−↓−−−−↓−−−↓−−−↓−−−
気体 モレ ＜ 入光 入光 気体と判断
透明液体 入光 ＞ モレ大 入光 液体と判断
遮光液体 モレ ＜ モレ大 遮光 ４ｃ遮光で液体と判断

図５は図３に対して投光素子を２個にして受光素子を１個にした実施例である。図３同様に液体の有無による判断が可能である。仮に今、管内に水が存在する場合、投光器３ａからの光は光軸５ａを通って受光器４ｂに入光するが、投光器３ｂからの光は光軸５ａと対象に位置するため受光器４ｂに入光しない。次に水が無くなると、投光器３ｂからの光は光軸５ｂを通って受光器４ｂに入光するが、投光器３ａからの光は光軸５ｂと対象に位置するため受光器４ｂに入光しない。この比較で以下のように液体の有無の判断が可能になる。
管内物質 ３ａ 式 ３ｂ 制御部判断
−↓−−−↓−−−−↓−−−↓−−−
気体 遮光 ＜ 入光 気体と判断
透明液体 入光 ＞ 遮光 液体と判断

図６は図３〜５における受光器４をＰＳＤ等の光位置センサ８に置き換えたものである。受光位置が変動することを認識することで検知が可能となる。同様にＰＳＤの代わりにＣＣＤ等の撮像素子を用いることも考えられる。仮に今、管内に水が存在する場合、投光器３からの光は光軸５ａを通って光位置センサ８の右側に入光する。次に水が無くなると、投光器３からの光は光軸５ｂを通って光位置センサ８の左側に入光する。この位置の比較で液体の有無の判断が可能になる。

図７は投光器の代わりに目印や目盛りなどの映像９を用いて、その映像９をＣＣＤ等の撮像素子１２で捉え、液体の有無による映像の位置ズレを認識することで検知が可能となる、請求項３の実施例である。仮に今、管内に水が存在する場合、映像９は光軸５ａを通って１０ａの位置に出るので撮像素子１２の右側に写る。次に水が無くなると、映像９は光軸５ｂを通って１０ｂの位置に出るので撮像素子１２の左側に写る。この位置の比較で液体の有無の判断が可能になる。

本センサは管内が気体から液体に変わった時、あるいは液体から気体に変わった時に信号出力出来る。その両者で信号出力することも可能であり、信号出力の時間も任意に決めることが出来る。同様に検知時間も設定可能なので、例えば液体から気体に変わった１０秒後に信号出力する等の設定も自由自在である。信号出力手段もリレー等の接点出力から、ブザーのような音声出力、赤色ＬＥＤのような光出力など複数選択出来る。

また本センサは２４時間検知状態を継続して使えるが、必要に応じて監視の開始または終了を、筐体１１上に押しボタンスイッチ等を追加してそのスイッチ入力で認識させてもよい。あるいは図１の観音開きのような構成の場合、開いて閉じたことをリミットスイッチ等の手段で自動認識することが可能である。応用例として、筐体１１の閉じ状態（取り付け状態）を認識した直後にセンサの検出結果が気体なら本センサは外された状態と認識して一定時間後に自動停止、逆に閉じた直後にセンサの検出結果が液体なら観測を開始とすることで、装置をチューブに取り付けるだけで自動的に液体切れの監視を開始させることも出来る。

図８は本センサを医療用点滴のチューブに取り付けた請求項５の実施例である。チューブがあればどこにでも取り付け可能であり、従来の点滴用検知装置のようにジョイント部１４の筒体など取り付け場所の指定がいらない。また薬液タンク１３からジョイント部１４までの間、あるいは注射針のすぐそばなど、本センサを複数箇所に設置することも可能である。小型で電池駆動が可能である点からも利用しやすい。

請求項６の実施例のように微弱無線などを用いた無線出力を加えれば遠隔監視が可能となり、管理上のメリットが得られる。

実施例の構成図である。 実施例の内部構成図である。 実施例の説明図である。 請求項４の実施例の説明図である。 実施例の説明図である。 請求項２の実施例の説明図である。 請求項３の実施例の説明図である。 請求項６の実施例の説明図である。

符号の説明

１ 管（チューブ）
２ａ 管内の液体
２ｂ 管内の気体
３ａ〜３ｃ 投光器
４ａ〜４ｃ 受光器
５ａ〜５ｃ 光軸（光の通る道）
６ 制御部
７ 出力部（ブザー・リレー等）
８ 光位置センサ（ＰＳＤ等）
９ 映像
１０ａ〜１０ｂ 管を透過した映像
１１ 筐体
１２ 撮像素子（ＣＣＤ等）
１３ 薬液タンク
１４ ジョイント部

Claims (7)

1. 液体を通すことを目的とする、光が透過可能な管に対して、
   前記の管を取り付ける筐体と、
   取り付けた管に対して光を照射する１又は複数の投光手段と、
   その管を透過する投光手段からの光が、管の中の液体の有無による屈折率の差で位置や光量が変化したことを認識出来る位置に配置した１又は複数の受光手段と、
   前記受光手段からの信号に基づく液体の有無の判断処理手段と、を有し、
   判断結果に基づく検知信号を出力するセンサ。
2. 前記複数の受光手段の代わりに、ＰＳＤ等の光の位置が認識出来る受光センサ、あるいはＣＣＤ等の撮像素子を用いた、請求項１記載のセンサ。
3. 前記投光手段の代わりに屈折率の変化認識用の画像を配置し、前記複数の受光手段の代わりにＣＣＤ等の撮像素子を用いた、請求項１〜２記載のセンサ。
4. 管内の液体の光透過率の判断用に、投光手段と受光手段を別途付加あるいは組み合わせた、請求項１〜３記載のセンサ。
5. 検知信号及び正常動作中などの状態を表示するＬＥＤ等の表示手段と、あるいは／それに加えてブザーなど音で通知する音声手段と、あるいは／それに加えて検知動作の開始および停止などを認識するための入力手段とを有する、請求項１〜４記載のセンサ。
6. 請求項１〜５記載のセンサによる検知手段と出力手段を備えることを特徴とする、点滴監視装置。
7. 前記判断結果に基づく検知信号と、あるいは／それに加えて電圧低下や故障などの監視信号の出力を、微弱無線などの無線手段を用いて出力する請求項１〜５記載のセンサおよび請求項６記載の点滴監視装置。

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