JP2013139750A - 液体輸送装置及び液体輸送方法 - Google Patents

Abstract

【課題】液体の量を正確に輸送する。
【解決手段】本発明は、液体を輸送するためのチューブと、前記チューブで輸送される前記液体は通過させ、気泡は遮断するフィルターと、前記フィルターよりも前記液体の輸送方向の上流側に設けられ、前記液体又は前記気泡を貯留するための貯留部とを備え、前記フィルターによって遮断された気泡を、前記液体の充填された前記貯留部に貯留することを特徴とする液体輸送装置である。
【選択図】図７

Description

本発明は、液体輸送装置及び液体輸送方法に関する。

液体を低速で輸送する装置として、マイクロポンプが知られている（特許文献１参照）。マイクロポンプには、チューブに沿って複数のフィンガーが配置されており、カムがフィンガーを順次押すことによって、チューブが圧搾されて液体が輸送される。

また、液体輸送時における気泡の混入を防止する技術が知られている（特許文献２参照）。特許文献２では、脱気モジュールを用いることによって、溶存ガスを含む気体を液体から取り除き、気泡の発生を防止している。

特開２０１０−７７９４７号公報 特開２００６−２８０３９１号公報

特許文献２のように脱気モジュールを液体輸送装置に設けると、液体輸送装置の小型化が困難になる。一方、脱気モジュールを搭載しない場合、気泡が発生し、この結果、気泡の体積の分だけ不正確な量で液体が輸送されてしまう。

本願発明は、気泡が発生しても正確な量の液体を輸送することを目的とする。

上記目的を達成するための主たる発明は、液体を輸送するためのチューブと、前記チューブで輸送される前記液体は通過させ、気泡は遮断するフィルターと、前記フィルターよりも前記液体の輸送方向の上流側に設けられ、前記液体又は前記気泡を貯留するための貯留部とを備え、前記フィルターによって遮断された気泡を、前記液体の充填された前記貯留部に貯留することを特徴とする液体輸送装置である。

本発明の他の特徴については、本明細書及び添付図面の記載により明らかにする。

図１は、液体輸送装置１の概略構成を説明するための平面図である。 図２は、図１のＡ−Ａ断面の概略図である。 図３Ａ〜図３Ｄは、気泡の発生の説明図である。 図４Ａは、液体の輸送量のグラフである。図４Ｂは、図４Ａのグラフの一部拡大図である。 図５は、液体輸送量の測定時の様子の説明図である。 図６Ａは、１時間当たり３ｍｌで液体を輸送したときの１時間の気泡の発生状況を示すグラフである。図６Ｂは、１時間当たり１０μｌで液体を輸送したときの７日間の気泡の発生状況を示すグラフである。 図７Ａは、フィルターと貯留部の初期状態の説明図である。図７Ｂは、気泡が輸送された状態の説明図である。図７Ｃは、フィルターによって気泡が遮断された様子の説明図である。図７Ｄは、気泡が貯留部に貯留された様子の説明図である。 図８は、第２実施形態のフィルターと貯留部の説明図である。 図９は、第２実施形態の変形例のフィルターと貯留部の説明図である。

本明細書及び添付図面の記載により、少なくとも、以下の事項が明らかとなる。

液体を輸送するためのチューブと、前記チューブで輸送される前記液体は通過させ、気泡は遮断するフィルターと、前記フィルターよりも前記液体の輸送方向の上流側に設けられ、前記液体又は前記気泡を貯留するための貯留部とを備え、前記フィルターによって遮断された気泡を、前記液体の充填された前記貯留部に貯留することを特徴とする液体輸送装置が明らかとなる。
このような液体輸送装置によれば、気泡が発生しても正確な量の液体を輸送することができる。

前記貯留部に上蓋が設けられており、上蓋を開けると、前記貯留部が外部に開放されるとともに、上蓋を閉じると、前記貯留部が密閉されることが望ましい。これにより、貯留部に液体を充填させることが容易になる。

前記上蓋によって開放される開口に、気体は通過させ前記液体は通過させない膜が設けられていることが望ましい。これにより、貯留部に液体を充填させるときに、液漏れを防止できる。

前記チューブに沿って設けられ、前記チューブを押して閉塞させる複数のフィンガーと、前記チューブを圧搾して前記液体を輸送するように前記フィンガーを順に押すためのカムと、前記カムを駆動する駆動機構と、を備えることが望ましい。このような構成の場合、大きな気泡が発生しやすいため、特に有効である。

前記チューブの径よりも大きい密閉室の中に前記フィルターが設けられ、前記フィルターよりも上流側の前記密閉室が前記貯留部になることが望ましい。これにより、フィルターを大きくできる。

＝＝＝第１実施形態＝＝＝
＜液体輸送装置の構成＞
図１は、液体輸送装置１の概略構成を説明するための平面図である。図２は、図１のＡ−Ａ断面の概略図である。

液体輸送装置１は、液体を輸送するための装置である。液体輸送装置１は、リザーバー１１と、チューブ１２と、複数のフィンガー１３と、カム２と、駆動機構２０と、ケース３０とを備えている。また、本実施形態の液体輸送装置１は、フィルター４１と、貯留部４２と、上蓋４３とを備えている。

リザーバー１１は、輸送対象である液体を収容するための収容部である。例えば、リザーバー１１は、薬液を収容している。但し、リザーバー１１に収容される液体は、薬液に限られるものではなく、他の液体（例えば、水、食塩水、薬液、油類、芳香液、インク等）でも良い。

チューブ１２は、リザーバー１１から液体を輸送するための管である。チューブ１２の一端はリザーバー１１に連通しており、他端は液体の輸送先（不図示）に接続される。チューブ１２は、フィンガー１３から押されると閉塞し、フィンガー１３からの力が解除されると元に戻る程度に弾性を有している。チューブ１２は、ケース３０に形成された円弧形状のチューブ案内壁３３の内面に沿って、部分的に円弧形状に配置されている。チューブ１２の円弧形状の部分は、チューブ案内壁３３の内面と、複数のフィンガー１３の外側との間に配置されている。チューブ１２（及びチューブ案内壁３３）の円弧の中心は、カム２の回転中心と一致している。

フィンガー１３は、チューブ１２を閉塞させるための部材である。フィンガー１３は、カム２から力を受けて、従動的に動作する。フィンガー１３は、棒状の軸部１３Ａと、鍔状の押圧部１３Ｂとを有し、Ｔ字形状になっている。フィンガー１３は、軸部１３Ａが軸方向に沿って可動になるように、ケース３０から支持されている。軸部１３Ａのチューブ１２側の一端に押圧部１３Ｂが形成されており、押圧部１３Ｂはチューブ１２と接触している。軸部１３Ａのカム２側の一端は、半球形状になっており、カム２と接触している。フィンガー１３は、金属材料又は高剛性の樹脂材料から構成されるが、他の材料で構成されても良い。

複数のフィンガー１３は、同じ形状をしている。複数のフィンガー１３は、カム２の回転中心から放射状に等間隔で配置されている。複数のフィンガー１３は、カム２の外面と、チューブ１２との間に配置されている。

ここでは、７本のフィンガー１３が液体輸送装置１に設けられている。以下の説明では、液体の輸送方向の上流側から順に、第１フィンガー１３−１、第２フィンガー１３−２、・・・第７フィンガー１３−７と呼ぶことがある。

カム２は、外周の４箇所に突起部２Ａを有している。４つの突起部２Ａは、同じ形状である。カム２の外周に複数のフィンガー１３が配置されており、そのフィンガー１３の外側にチューブ１２が配置されている。カム２の突起部２Ａによってフィンガー１３が押されることによって、チューブ１２が閉塞する。フィンガー１３が突起部２Ａから外れると、チューブ１２の弾性力によってチューブ１２が元の形状に戻る。カム２が回転すると、７本のフィンガー１３が順に突起部２Ａから押されて、輸送方向上流側から順にチューブ１２が閉塞する。これにより、チューブが蠕動運動させられて、液体がチューブ１２に圧搾されて輸送される。液体の逆流を防止するため、少なくとも１つ、好ましくは２つのフィンガー１３がチューブ１２を閉塞させるように、４つの突起部２Ａが形成されている。

駆動機構２０は、カム２を回転駆動するための機構である。駆動機構２０は、圧電アクチュエーター２１と、ローター２２と、減速伝達機構２３とを有する。

圧電アクチュエーター２１は、圧電素子の振動を利用してローター２２を回転させるためのものである。圧電アクチュエーター２１は、矩形状の振動体の両面に接着された圧電素子に駆動信号を印加することによって、振動体を振動させる。振動体にはローター２２と接触する凸部２１Ａが設けられており、振動体が振動すると、凸部２１Ａが所定の軌道を描いて振動する。例えば、振動体が長手方向に沿って伸縮する縦一次振動モードと、振動体が長手方向と直交する方向に屈曲する屈曲二次振動モードとを励起するように圧電素子に駆動信号を印加すると、凸部２１Ａが楕円軌道を描いて振動する。若しくは、長手方向に沿って伸縮する一次振動モードと、短辺方向に沿って伸縮する一次振動モードとを組み合わせて、凸部２１Ａを８の字の軌道を描くように振動させても良い。そして、凸部２１Ａの振動軌道の一部において凸部２１Ａがローター２２と接触することによって、ローター２２が回転駆動する。

ローター２２は、圧電アクチュエーター２１によって回転させられる被駆動体である。ローター２２は、不図示の板バネによって、圧電アクチュエーター２１側に付勢されている。これにより、圧電アクチュエーター２１の凸部２１Ａとローター２２の側面との間に適切な摩擦力が発生し、圧電アクチュエーター２１の駆動力の伝達効率が良好になる。

減速伝達機構２３は、ローター２２の回転を所定の減速比でカム２に伝達する機構である。減速伝達機構２３は、カム歯車２４と、伝達車２５と、ローターピニオン２６とから構成されている。カム歯車２４は、カム２に一体的に取り付けられており、カム軸を中心にして、カム２と共に回転可能に支持されている。カム歯車２４は、カムやカム軸とともに２番車（カム車）を構成している。伝達車２５は、カム歯車２４と噛合するピニオンと、ローターピニオン２６と噛合する大歯車とを有し、３番車を構成している。ローターピニオン２６は、ローター２２に一体的に取り付けられた小歯車であり、ローター２２とともに４番車（ローター車）を構成している。

ケース３０は、液体輸送装置１を構成する上記の構成要素を収容するための容器である。ケース３０は、カバー３１及びベース３２から構成されている。ケース３０には、電池３が内蔵されている。この電池３は、圧電アクチュエーター２１の圧電素子を駆動するための電力を供給する。また、電池３は、圧電素子以外の部材（例えば制御部５０など）にも、電力を供給する。

なお、フィルター４１、貯留部４２及び上蓋４３の構造、機能などについては、後述する。

＜気泡の発生と影響＞
液体に気体が溶存していれば、気泡はどの場所でも発生するおそれがある。例えば、温度が変化すれば、リザーバー１１の中の液体や、チューブ１２の中の液体に気泡が発生することがある。チューブ１２に接ぎ手があれば、接ぎ手における管径変化に伴う液体の圧力変動が原因となって、気泡が発生することもある。また、以下に説明するように、フィンガー１３によりチューブを圧搾して液体を輸送する場合には、フィンガー１３の動作に伴って気泡が発生する。

図３Ａ〜図３Ｄは、気泡の発生の説明図である。本来であればチューブ１２は円弧形状に配置されているが、ここでは便宜上、チューブ１２を直線状に配置している。

カム２が回転することによって、第７フィンガー１３−７がチューブ１２を閉塞した状態（図３Ａ）から、第７フィンガー１３−７による押圧状態が開放された状態（図３Ｂ）に移行する。このとき、第７フィンガー１３−７の近傍のチューブ１２の液体は、負圧になりやすく、この結果、液体に溶存していた気体が微小気泡になることがある。この微小気泡は、この段階では、チューブ１２の内壁に付着し、液体と共には輸送されない。

第７フィンガー１３−７だけでなく、他のフィンガー１３においても、チューブ１２内に微小気泡が同様に発生することになる。そして、カム２の回転が継続されて、フィンガー１３によるチューブ１２の閉塞と開放とが繰り返されると、図３Ｃに示すように、微小気泡が発達してくる。

図３Ｃのように微小気泡が発達すると、比較的大きな微小気泡は、チューブ１２の内壁から剥がれて、液体と共に輸送されやすくなる。そして、チューブの上流側で内壁から剥がれた微小気泡は下流側の微小気泡を巻き込んで一体化し、図３Ｄに示すように一体化した気泡が輸送方向に輸送されることになる。このように気泡が輸送されると、液体の輸送量の正確度が低下することになる。

図４Ａは、液体の輸送量のグラフである。図４Ｂは、図４Ａのグラフの丸印の部分の一部拡大図である。図５は、液体輸送量の測定時の様子の説明図である。ここでは、単位時間当たりの液体の輸送量が一定量になるように液体輸送装置１を制御しつつ、図５に示すように、チューブ１２で輸送された液体を電子天秤上のビーカーに貯めて、輸送された液体の重量を測定している。

気泡が輸送されてしまうと、図４Ｂに示すように、液体の輸送量の正確度が低下する。なお、図４Ｂのグラフでは液体の重量が減少しているが、この理由は、図５に示すように重量測定用のビーカー内に浸漬したチューブに一体化した気泡が付着した後、この気泡が液面に浮上して消滅するためである。したがって、浮上して消滅した時点で実際には液体の重量が減少するわけではない。但し、気泡が輸送されたときに、液体の輸送量の正確度が低下することには変わりない。

図６Ａは、１時間当たり約３ｍｌで液体を輸送したときの１時間の気泡の発生状況を示すグラフである。輸送された液体の総量は、３．３ｍｌであった。この際の気泡の量は、４．４μｌであった。気泡発生率は０．１３％であり、最大気泡は０．５６μｌであった。

図６Ｂは、１時間当たり約１０μｌで液体を輸送したときの７日間の気泡の発生状況を示すグラフである。輸送された液体の総量は、１．８ｍｌであった。この際の気泡の量は、９．７μｌであった。気泡発生率は０．５４％であり、最大気泡は１．６μｌであった。このように、輸送速度を遅くしても、気泡が発生する。

図６Ａ及び図６Ｂに示すように、気泡の発生率は０．１３％〜０．５４％であるが、図３Ｄや図４Ｂに示すように、気泡は一体化した状態（大型化した状態）で輸送されるため、輸送量の正確性に与える影響は大きい。例えば、１時間当たり１０μｌで液体を輸送したときの最大気泡は１．６μｌであるため、この気泡が輸送されたときの液体の瞬時輸送量の変化は大変大きなものになる。

例えば薬液などを輸送する場合（特に糖尿病患者に対するインスリンの送液の場合）、一定量の液体を輸送することが望ましい。このような場合に、液体の輸送量が変化することは望ましくない。

＜フィルター４１と貯留部４２の機能＞
本実施形態では、フィルター４１と貯留部４２を設けることによって、仮に気泡が発生して輸送されても、輸送量が正確になるようにしている。

図７Ａは、フィルター４１と貯留部４２の初期状態の説明図である。

フィルター４１は、液体は透過させ、気泡は遮断することが可能な部材である。ここでは、フィルター４１は、ポリエステルからなるメッシュ部材であり、網目の開口は１辺４０μｍ以下である。網目の開口が１辺４０μｍ以下であれば、精度を低下させる範囲の気泡を遮断することができる。

貯留部４２は、液体及び気泡（気体）を貯留するための部材である。貯留部４２は、フィルター４１よりも上流側に設けられている。初期状態では、貯留部４２には液体が充填されている。貯留部４２の体積は、リザーバー１１の溶存空気の量よりも大きいことが望ましい。

なお、貯留部４２に液体が充填されていなければ、貯留部４２の上側に設けられた上蓋４３を開放し、その状態で液体を輸送し、貯留部４２の液面が上蓋４３に達した段階で上蓋４３を閉じれば、図７Ａに示す初期状態になる。また、上蓋４３によって開放される開口に、気体は通過させ、液体は通過させない漏洩防止膜４４を設けておけば、貯留部４２に液体を充填させるときに液漏れを防止することが可能である。上蓋４３を閉じると、貯留部４２は外部から遮断され、密閉状態になる。

リザーバー１１やチューブ１２を交換可能に構成する場合には、チューブ１２とともにフィルター４１や貯留部４２も交換可能にして、交換される貯留部４２に液体を予め充填させておいても良い。この場合、上蓋４３や漏洩防止膜４４を貯留部４２に設けなくても良い。

図７Ｂは、気泡が輸送された状態の説明図である。図中には、体積Ｖ０に相当する量を点線で示している。気泡の体積をＶａｉｒとすると、気泡を含む体積Ｖ０の中の液体の量は、Ｖ０−Ｖａｉｒになる。フィルター４１を設けない場合を仮定すると、液体をＶ０だけ輸送しようとしても、気泡が含まれているために液体がＶ０−Ｖａｉｒしか輸送されないおそれがある。

図７Ｃは、フィルター４１によって気泡が遮断された様子の説明図である。本実施形態では、チューブ１２にフィルター４１が設けられているため、輸送されてきた気泡がフィルター４１にトラップされる。フィルター４１にトラップされた気泡は、上昇して、貯留部４２に入る。

図７Ｄは、気泡が貯留部４２に貯留された様子の説明図である。貯留部４２がフィルター４１の上流側に設けられているため、フィルター４１にトラップされた気泡は、貯留部４２に貯留されることになる。貯留部４２は液体が充填された状態で密閉されているため、体積Ｖａｉｒの気泡が貯留部４２に貯留されると、体積Ｖａｉｒに相当する量の液体が貯留部４２からチューブ１２に移動する。つまり、フィルター４１と貯留部４２によって、体積Ｖａｉｒの気泡が体積Ｖａｉｒの液体に置換される。この結果、体積Ｖ０に相当する量を輸送したときに、仮に気泡が含まれていても、体積Ｖ０の液体がフィルター４１を通過することになる。

このように、本実施形態によれば、正確な輸送量を実現できる。

＝＝＝第２実施形態＝＝＝
第１実施形態では、フィルター４１の大きさがチューブ１２の径の大きさであった。しかし、チューブ１２の径が小さい場合、液体は通過させ気泡は遮断するフィルター４１をチューブ１２の径に合わせることが難しいことがある。

図８は、第２実施形態のフィルター４１と貯留部４２の説明図である。第２実施形態では、チューブ１２の径よりも大きな密閉室４５を設け、密閉室４５内にフィルター４１を配置している。これにより、フィルター４１の大きさをチューブ１２の径よりも大きく構成することが可能になる。

また、フィルター４１の上流側の密閉室４５を貯留部４２として機能させている。このため、フィルター４１にトラップされた気泡は、液体の充填された密閉室４５（フィルター４１の上流側の密閉室４５）に貯留されることになる。

このような構成であっても、正確な輸送量を実現できる。

＜変形例＞
上記の実施形態では、貯留部４２が上側に設けられているが、これに限られるものではない。貯留部４２を下側に設けることも可能である。

図９は、第２実施形態の変形例の説明図である。

変形例では、密閉室４５にフィルター４１を斜めに配置している。変形例では、密閉室４５への流入口とフィルター４１との間隔を狭くし、フィルター４１よりも上流側であって流入口から離れた部分が広くなるように、フィルター４１を配置している。これにより、フィルター４１にトラップされた気泡は、表面張力が重力より支配的になるため液体の充填された密閉室４５（フィルター４１の上流側の密閉室４５）の流入口から離れた部分に貯留されることになる。

このような構成であっても、正確な輸送量を実現できる。また、変形例によれば、貯留部を上側に設けなくても良くなる。

＝＝＝その他＝＝＝
上記の実施形態は、主として液体輸送装置について記載されているが、その中には、液体輸送方法、液体輸送装置の初期設定方法等の開示が含まれていることは言うまでもない。

また、上記の実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることは言うまでもない。

＜液体輸送装置について＞
前述の実施形態では、複数のフィンガーを用いてチューブを圧搾して液体を輸送する液体輸送装置が用いられている。但し、液体輸送装置は、これに限られるものではなく、他の方式によって液体を輸送するものでも良い。他の方式により液体を輸送する装置に、前述のチューブと貯留部を設けても、正確な輸送量を実現できる。但し、複数のフィンガーを用いた輸送装置の場合、気泡による輸送量の変化の影響が大きいため（フィンガーごとに微小な気泡が発生し、その気泡が一体化することによって気泡が大型化するため）、このような液体輸送装置にフィルター４１と貯留部４２を設ける効果は特に大きい。

＜フィルターについて＞
前述の実施形態では、フィンガーにより圧搾される箇所よりも下流側に、フィルター４１（及び貯留部）が設けられていた。但し、このフィルター４１とは別に、他の場所にもフィルター４１を設けても良い。例えば、リザーバー１１にフィルター（プレフィルター）を設けても良い。これにより、上流で発生し流れ下る気泡を予めトラップし、下流での気泡の発生総量自体を抑制することが可能である（気泡発生率を抑制できる）。

１ 液体輸送装置、２ カム、２Ａ 突起部、
１１ リザーバー、１２ チューブ、
１３ フィンガー、１３Ａ 軸部、１３Ｂ 押圧部、
２０ 駆動機構、２１ 圧電アクチュエーター、２１Ａ 凸部、
２２ ローター、２３ 減速伝達機構、
２４ カム歯車、２５ 伝達車、２６ ローターピニオン、
３０ ケース、３１ カバー、３２ ベース、３３ チューブ案内壁、
４１ フィルター、４２ 貯留部、４３ 上蓋、４４ 漏洩防止膜、４５ 密閉室

Claims (5)

1. 液体を輸送するためのチューブと、
   前記チューブで輸送される前記液体は通過させ、気泡は遮断するフィルターと、
   前記フィルターよりも前記液体の輸送方向の上流側に設けられ、前記液体又は前記気泡を貯留するための貯留部と
   を備え、
   前記フィルターによって遮断された気泡を、前記液体の充填された前記貯留部に貯留することを特徴とする液体輸送装置。
2. 請求項１に記載の液体輸送装置であって、
   前記貯留部に上蓋が設けられており、
   上蓋を開けると、前記貯留部が外部に開放されるとともに、
   上蓋を閉じると、前記貯留部が密閉される
   ことを特徴とする液体輸送装置。
3. 請求項２に記載の液体輸送装置であって、
   前記上蓋によって開放される開口に、気体は通過させ前記液体は通過させない膜が設けられている
   ことを特徴とする液体輸送装置。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の液体輸送装置であって、
   前記チューブに沿って設けられ、前記チューブを押して閉塞させる複数のフィンガーと、
   前記チューブを圧搾して前記液体を輸送するように前記フィンガーを順に押すためのカムと、
   前記カムを駆動する駆動機構と、
   を備える
   ことを特徴とする液体輸送装置。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の液体輸送装置であって、
   前記チューブの径よりも大きい密閉室の中に前記フィルターが設けられ、前記フィルターよりも上流側の前記密閉室が前記貯留部になる
   ことを特徴とする液体輸送装置。

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