JP2013192850A - 薬液投与装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、装置を小型化する。
【解決手段】本発明は、薬液が貯蔵される薬液貯蔵部２から生体内へ薬液が流れる流路を形成する流路部３に接続されるシリンダ部１１内でピストン１２を摺動させるステッピングモータに所定数のパルス信号を供給することによりモータ軸を回転させ、その後に所定時間だけパルス信号を供給せずにステッピングモータを停止させることにより、ステッピングモータ２２を高い駆動周波数で駆動させて消費電流量を低減させると共に、全体としてピストン１２の移動速度が遅くなるので流路部３内の内部圧力の上昇を低減させることができる。
【選択図】図８

Description

本発明は、薬液投与装置に関し、例えばインスリンを体内に投与する場合に適用して好適なものである。

従来、薬液（インスリン）を投与する装置として、患者の皮膚に付着させて用いられる携帯型の装置であって、外筒内に充填された薬液をプランジャーを介して押し出すことにより体内に投与する、所謂シリンジポンプ型の薬液投与装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特表２０１０−５０１２８３公報

ところで、薬液投与装置では、例えばモータを用いた所謂ピストンポンプ型の送出部により薬液を体内に送出することも考えられる。

一方、患者の皮膚に貼り付けられて長時間に保持させる薬液投与装置ではより小型化することが求められる。装置を小型化する場合、内部に搭載される電源も小さくしなければならないので、ピストンポンプ型の送出部においてモータを使用する際には該モータの消費電流量を減らす必要がある。

本発明は以上の点を考慮してなされたもので、装置を小型化し得る薬液投与装置を提案しようとするものである。

かかる課題を解決するため本発明は、生体の皮膚に貼着されて使用される薬液投与装置であって、薬液が貯蔵される薬液貯蔵部と、薬液貯蔵部から生体内へ薬液が流れる流路を形成する流路部と、流路部に接続されるシリンダ部内で摺動し、最も押し切られた押切位置から最も引き戻された引戻位置に移動する際に薬液貯蔵部から薬液を流路部を介して吸出し、引戻位置から押切位置に移動する際に吸出された薬液を流路部を介して生体内に送出するピストンと、モータ軸に接続されるピストンを該モータ軸が回転することによりシリンダ部内で摺動させるステッピングモータと、設定されたピストン動作速度で薬液を投与する際に、設定された動作速度で駆動させるのに必要な駆動周波数よりも高い駆動周波数でステッピングモータを所定時間だけ駆動させてモータ軸を回転させ、その後に所定時間だけステッピングモータを停止させる動作を繰り返し行わせることで設定された投与速度で薬液を生体内に投与する制御部と、ステッピングモータに電気を供給する電源部とを有する。

これにより、設定されたピストン動作速度で薬液を投与する際に、設定された動作速度で駆動させるのに必要な駆動周波数よりも高い駆動周波数でステッピングモータを短時間だけ駆動させることにより該ステッピングモータの消費電流量を低減させることができると共に、全体としてピストンの移動速度が遅くなるので流路部内の内部圧力の上昇を低減させることができる。

本発明によれば、設定されたピストン動作速度で薬液を投与する際に、設定された動作速度で駆動させるのに必要な駆動周波数よりも高い駆動周波数でステッピングモータを短時間だけ駆動させることにより該ステッピングモータの消費電流量を低減させることができると共に、全体としてピストンの移動速度が遅くなるので内径の細い流路部に対しても流路部内の内部圧力の上昇を低減させることができることでモータの負荷を減らすことができ、かくして装置を小型化することができる。

薬液投与装置の構成を示す略線図である。 ポンプ部の構成を示す略線図である。 駆動部の構成を示す略線図である。 ステッピングモータの構成を示す略線図である。 従来のステッピングモータの回転制御を示す略線図である。 ステッピングモータの駆動周波数と発生トルクの関係を示す略線図である。 ステッピングモータの駆動周波数及びコイル抵抗と発生トルクを示す略線図である。 ステッピングモータに供給する信号（１）及びステッピングモータの動作を示す略線図である。 発生力の測定を示す略線図である。 ステッピングモータに供給する信号（２）を示す略線図である。 他の実施の形態における薬液投与装置を示す略線図である。

以下に、図面について、本発明の一実施の形態を詳述する。

〔１．薬液投与装置の全体構成〕
図１に示すように、薬液投与装置１は、患者の皮膚に貼り付けることにより保持されて使用される携帯型の装置であり、薬液貯蔵部２、流路部３、ポンプ部４、駆動部５、制御部６及び電源部７を含む構成とされる。

薬液貯蔵部２は、柔軟性を有する材料により形成された容器である。薬液貯蔵部２を構成する材質としては、例えば、ポリオレフィンを含むものであるのが好ましく、特に好ましいものとして、ポリエチレンまたはポリプロピレンに、スチレン−ブタジエン共重合体やスチレン−エチレン−ブチレン−スチレンブロック共重合体等のスチレン系熱可塑性エラストマーあるいはエチレン−プロピレン共重合体やエチレン−ブテン共重合体、プロピレン−αオレフィン共重合体等のオレフィン系熱可塑性エラストマーをブレンドし柔軟化した軟質樹脂を挙げることができる。そして、薬液貯蔵部２には薬液が外部から充填される。薬液貯蔵部２に貯蔵される薬液としては、例えばインスリンや各種ホルモン、モルヒネなどの鎮痛薬、あるいは抗炎症薬剤などが挙げられる。

流路部３は、吸込流路部３Ａ、送出流路部３Ｂ、ポンプ部４に形成される流路１３Ａ、１４Ａ、１１Ａ及び１１Ｂを含み、薬液貯蔵部２から体内までの薬液が流れる流路を形成する。吸込流路部３Ａは、薬液貯蔵部２とポンプ部４に形成される流路１３Ａとを連通させる。送出流路部３Ｂは、ポンプ部４に形成される流路１４Ａに連通する。

ポンプ部４は、薬液貯蔵部２に貯蔵された薬液を流路部３を介して使用者の体内へ送出する。具体的にポンプ部４は、図２に示すように、シリンダ部１１、ピストン１２、蓋部１３、１４及び一方向弁１５、１６を含む構成とされる。

ピストン１２は、駆動部５により駆動されてシリンダ部１１に形成された略円筒形状の内部空間１１Ａ内で内壁に接して所定のストロークで摺動する。ピストン１２の材質としては、例えば、ステンレス鋼、銅合金、アルミ合金、チタン材、ポリプロピレンやポリカーボネートなどの熱可塑性エラストマー等が挙げられる。

シリンダ部１１は、一端からピストン１２が挿入されて摺動する内部空間１１Ａが設けられ、該内部空間１１Ａの他端に連通するようにして、蓋部１３の流路１３Ａと蓋部１４の流路１４Ａとを連通させて薬液が流れる流路を形成する流路１１Ｂが形成される。

一方向弁１５は、流路１３Ａと流路１１Ｂとの間に設けられ、流路１３Ａから流路１１Ｂへ流れる薬液を通過させ、流路１１Ｂから流路１３Ａへは薬液を通過させないものであり、例えばアンブレラ弁が適応される。

一方向弁１６は、流路１１Ｂと流路１４Ａとの間に設けられ、流路１１Ｂから流路１４Ａへ流れる薬液を通過させ、流路１４Ａから流路１１Ｂへは薬液を通過させないものであり、例えばアンブレラ弁が適応される。

このような構成でなるポンプ部４は、ピストン１２が押切位置から引戻位置まで移動される際に薬液貯蔵部２に貯蔵された薬液を吸込流路部３Ａ、蓋部１３の流路１３Ａ及びシリンダ部１１の流路１１Ｂを介して内部空間１１Ａ内に吸い出す。

そしてポンプ部４は、ピストン１２が引戻位置から押切位置まで移動される際に薬液貯蔵部２から吸い出された薬液をシリンダ部１１の流路１１Ｂ、蓋部１４の流路１４Ａ及び送出流路部３Ｂを介して体内に送り出す。

駆動部５は、制御部６の制御に基づいてピストン１２をシリンダ部１１の内部空間１１Ａ内で摺動させる。具体的に駆動部５は、図３に示すように、土台部２１、ステッピングモータ２２、モータ支持部２４、モータ固定板２５、固定板支持部２６、動作変換部２７、カップリング２８、軸受支持部２９を含む構成とされる。

駆動部５は、土台部２１の上に各部が配される。ステッピングモータ２２は、モータ支持部２４と固定板支持部２６に支持されるモータ固定板２５とにより挟持されて土台部２１に固定される。

ステッピングモータ２２は、モータ固定板２５側の側面から突出するモータ軸２３が設けられる。モータ軸２３の側面にはネジ溝２３Ａが形成される。

動作変換部２７は、ステッピングモータ２２の軸方向に沿って細長い略直方体状で内部が中空に形成される。動作変換部２７は、略直方体状の短辺に相当する側面中央に、ステッピングモータ２２のモータ軸２３が貫通して配されてネジ溝２３Ａと螺合するネジ孔２７Ａが設けられる。

動作変換部２７は、略直方体状の短辺に相当してネジ孔２７Ａが設けられた側面と対向する側面にカップリング２８を介してピストン１２がモータ軸２３と同軸上に接続される。また、動作変換部２７は、軸受支持部２９に支持される。なお、カップリング２８は、例えば、モータ軸２３とピストン１２との軸方向のずれを抑制するものが適応される。

駆動部５は、ステッピングモータ２２が駆動されることによりモータ軸２３が回転し、該回転に応じてモータ軸２３に螺合された動作変換部２７が軸方向に移動してピストン１２を軸方向に往復動させる。これにより駆動部５は、ピストン１２をシリンダ部１１の内部空間１１Ａ内で摺動させる。なお図３（Ａ）においてはピストン１２が最も引戻された位置（以下、これを引戻位置とも呼ぶ）にあり、図３（Ｂ）においてはピストン１２が最も押し出された位置（以下、これを押切位置とも呼ぶ）にある。

制御部６は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等の回路を含むマイクロコンピュータにより構成され、ＣＰＵがＲＯＭに格納される各種プログラムをＲＡＭに展開して実行することにより各種処理を実行する。

電源部７は、乾電池や充電式の電池等が適応され、駆動部５のステッピングモータ２２や制御部６に電力を供給する。

〔２．ステッピングモータの制御〕
ステッピングモータ２２は、図４に示すように、例えば２相励磁式のステッピングモータであって、モータ軸２３の周縁に固定された磁石３１と、該磁石３１の外周に所定角度毎に設けられる複数のコイル３２（Ａ相コイル３２Ａ、Ｂ相コイル３２Ｂ）を有する。

そしてステッピングモータ２２は、コイル３２に対してパルス状の電流を供給することにより該コイル３２に磁力が発生し（励磁され）、磁石３１が引き付けられる。このときにＡ相コイル３２Ａ、Ｂ相コイル３２Ｂに流れる電流のＯＮ，ＯＦＦ及び電流の方向をパルスごとに切り替えることで該コイル３２から発生する磁力の方向を切り替える。これにより磁石３１が引き付けられる方向が変化し、この繰り返しにより一定の角度毎に磁石３１及びモータ軸２３が回転する。なお、ステッピングモータ２２は、２相励磁式に限られず、１−２相励磁式のものであっても良い。

ところで従来のステッピングモータの制御方法は、図５（Ａ）に示すように、高速回転時（高駆動周波数時）にはコイル３２に流す電流パターンを短いパルス時間で切り替えるで、磁石３１が引き付けられる方向が短い時間で変化し、モータ軸が高速で回転する。なお図５において、ハッチングが施されているコイル３２に電流が印可されており、矢印はコイル３２で発生している磁界及び磁石３１の向きを示している。

一方、低速回転時（低駆動周波数時）には、図５（Ｂ）に示すように、コイル３２に流す電流パターンを切り替える間隔（パルス時間を）長くすることで、磁石３１が引き付けられる方向が変化する時間が長くなり、モータ軸２３が低速で回転する。

そして、従来の制御方法における駆動周波数に対する発生トルク及び消費電流量を図６に示すように、ステッピングモータは、駆動周波数が高くなる（高速回転になる）に連れて発生トルクが減少する。一方で、一度のパルスで電流を流す時間が短くなり、消費電流量が減少する。

そして、駆動周波数を変えた場合におけるピストン速度、消費電流量及び流路内圧の関係のシミュレーション結果を図７に示すように、駆動周波数を高くすると流路部３内の流路の内部圧力が増加する一方で消費電流量は減少し、駆動周波数を低くすると流路部３内の流路の内部圧力が減少する一方で消費電流量は増加する。

このように駆動周波数を高くしてピストン１２の速度を早くすることにより消費電流量を減少させることができる。一方で、流路部３の先端が生体内に挿入されるために細く形成されているので、駆動周波数を高くしてピストン１２の速度を早くすると流路部３の内部圧力が増加してしまう。流路部３の流路の内部圧力が増加すると、その分だけピストン１２に加えられる圧力が増大してステッピングモータ２２に負荷がかかり、消費電流量が増大することになる。

すなわち薬液投与装置１では、駆動周波数を高くしての消費電流量の低減とピストン１２を低速移動させて流路部３の内部圧力の低減との両立が求められる。

特に、患者の皮膚に貼り付けることにより保持されて使用される携帯型の薬液投与装置は、使用者の負担を減少させるためにより小型化することが要求されるので、消費電流量の増加に伴う電源部の大型化が問題となる。

そこで薬液投与装置１は、駆動周波数を高くしての消費電流量の低減とピストン１２の低速移動による流路部３の内供圧力の低減とを両立するように、制御部６がステッピングモータ２２を制御してピストン１２を駆動させる。

次に具体例として、図７で説明した各駆動周波数に対するピストン速度、消費電流量及び内部圧力の関係を用いて、薬液投与量が２μｌ／ｓに設定されている場合について具体的に説明する。なお、従来の制御方法においては２μｌ／ｓで薬液を送出するために必要な駆動周波数が１６０ＰＰＳであるとする。すなわち、１６０ＰＰＳでパルス信号を連続的にステッピングモータに供給して駆動させ、薬液投与量を２μｌ／ｓで体内に投与する。

一方、制御部６は、図８に示すように、従来における連続的にパルス信号を供給する場合の駆動周波数である１６０ＰＰＳよりも周波数が高い例えば４００ＰＰＳの高駆動周波数で例えば８パルス分（０．０２秒）のパルス信号を供給してステッピングモータ２２を駆動させる。その後、制御部６は、例えば０．０３秒だけパルス信号を供給せずにステッピングモータ２２を停止させる。

制御部６は、この動作を繰り返し行わせることで全体として２μｌ／ｓで薬液を投与することができる。

なお図８（Ｂ）において、ハッチングが施されているコイル３２が電流を供給されて磁励されている状態であることを示し、ハッチングが施されているコイル３２がない状態ではステッピングモータ２２が停止していることを示す。

ここで制御部６において一度にステッピングモータ２２に印加する電流パルスの数について述べる。発明者らは図９（Ａ）に示す発生力測定装置４０を用いて、一度に連続して供給されるパルス数を変えてピストン１２の発生力の変化を測定した。

発生力測定装置４０は、ドライバ回路４１から所定数のパルス信号を連続してステッピングモータ２２に供給し、その際にステッピングモータ２２に発生するトルクに応じたピストン１２の発生力を、モータ軸２３、動作変換部２７及びカップリング２８を介して接続されたピストン１２に当接されたフォースゲージ４２により測定する。

測定結果を図９（Ｂ）に示すように、連続パルス数が１回の場合にはピストン１２に発生力が発生せず、連続パルス数が２回以上の場合にはピストン１２に発生力が生じ、連続パルス数が３回以上の場合にはピストン１２にほぼ一定の発生力が生じる結果となった。

従って図１０（Ａ）に示すように、ステッピングモータ２２に１パルスの信号を供給した後、所定時間ステッピングモータ２２を停止させる動作を繰り返すような場合には、薬液が送り出せない可能性がある。

そこで制御部６は、ピストン１２に発生力が生じる連続パルス数（この実験結果からでは２回以上、図１０（Ｂ）においては３パルス数）の信号を高駆動周波数で供給して該ステッピングモータ２２を駆動させた後、ステッピングモータ２２を所定時間だけ停止させる。

従って制御部６は、ステッピングモータ２２を高駆動周波数で一定時間（所定パルス数）駆動させ、その後にステッピングモータ２２を一定時間停止させる。すなわち制御部６は、ステッピングモータ２２を断続的に動作せることにより、ステッピングモータ２２を高駆動周波数で駆動させて消費電流量を低減させると共に、全体としてピストン１２の移動速度が遅くなるので流路部３の内部圧力の上昇を低減させることができる。

これにより薬液投与装置１は、消費電流量を低減させることができると共に、流路部３の内部圧力の上昇を低減させることができるので、全体として消費電流量を低減させることができ、電源部７を小型化することができる。かくして薬液投与装置１は、装置全体を小型化することができる。

〔３．他の実施の形態〕
〔３−１．他の実施の形態１〕
上述した実施の形態においては、流路部３に内部圧力を抑制させる部分が設けられていない場合について述べたが、本発明はこれにかぎらず、流路部３に内部圧力を抑制させる部分を設けるようにしてもよい。

具体的には図１１に示すように、薬液投与装置１００は、流路部１０３におけるポンプ部４の下流側である送出流路部１３０Ｂの所定位置に、該流路部１０３の内部圧力を抑制させる抑制部１０３Ｃが設けられる。抑制部１０３Ｃは、例えば加えられる圧力に応じて弾性的に変形する材質でなる。なお薬液投与装置１００において流路部１０３以外の構成は薬液投与装置１と同様である。

薬液投与装置１００は、制御部６の制御に基づいて駆動部５のステッピングモータ２２が駆動してピストン１２がシリンダ部１１内で摺動する。このとき制御部６は、薬液投与装置１の場合と同様に、ステッピングモータ２２を高駆動周波数で一定時間駆動させ、その後にステッピングモータ２２を一定時間停止させる。

従って薬液投与装置１００では、ピストン１２が高速で移動している際に流路部１０３の内部圧力が上昇するが、流路部１０３に抑制部１０３Ｃが設けられていることにより、内部圧力の上昇に応じて抑制部１０３Ｃが膨らむように変形して圧力上昇を低減させる。

これにより薬液投与装置１００は、薬液投与装置１と比して、駆動周波数を高くすることによる消費電流量の低減と流路部１０３の内部圧力の上昇低減とをより両立することができ、より一層の装置全体を小型化することができる。

すなわち薬液投与装置１００は、流路部１０３に抑制部１０３Ｃが設けられていることにより圧力上昇をより低減させることができるので、ステッピングモータ２２をより高い駆動周波数で駆動させても流路部１０３の内部圧力の上昇を低減させることができ、高駆動周波数時の消費電流量を低減できる。

また薬液投与装置１００は、ステッピングモータ２２をより高い駆動周波数で駆動させることにより該ステッピングモータ２２の停止時間を長くすることができ、その分だけ消費電流量を低減できる。

〔３−２．他の実施の形態２〕
上述した実施の形態においては、設定された投与速度となるように、制御部６が高駆動周波数で所定回数のパルス信号を供給してステッピングモータ２２を駆動させ、その後、所定時間だけパルス信号を供給せずにステッピングモータ２２を停止させる動作を繰り返すようにした場合について述べた。

しかしながら本発明はこれにかぎらず、制御部６は、ピストン１２が引戻位置から押切位置に移動する際に、高駆動周波数で所定回数のパルス信号を供給してステッピングモータ２２を駆動させ、その後、所定時間だけパルス信号を供給せずにステッピングモータ２２を停止させる。

そして制御部６は、ピストン１２が押切位置から引戻位置に移動する際には、流路部３の内部圧力を上昇させることは無いので、ステッピングモータ２２を高駆動周波数（例えば４００ＰＰＳ）で駆動させてピストン１２が押切位置から引戻位置に一度で移動させる。

これにより薬液投与装置１では、ピストン１２が引戻位置から押切位置に移動する際には上述したようにステッピングモータ２２を高い駆動周波数で駆動させて消費電流量を低減させると共に、全体としてピストン１２の移動速度を遅くして流路部３の内部圧力の上昇を低減させ、ピストン１２が押切位置から引戻位置に移動する際には高駆動周波数でステッピングモータ２２を駆動して消費電流量を低減させる。これにより薬液投与装置１では、さらに消費電流量を低減させることができ、かくして装置をより小型化することができる。

本発明は、例えば医療分野に適用することができる。

１……薬液投与装置、２……薬液貯蔵部、３……流路部、４……ポンプ部、５……駆動部、６……制御部、７……電源部、１１……シリンダ部、１２……ピストン、１３、１４……蓋部、１５、１６……一方向弁、２１……土台部、２２……ステッピングモータ、２３……モータ軸、２７……動作変換部、２８……カップリング、３１……磁石、３２……コイル。

Claims (4)

1. 生体の皮膚に貼着されて使用される薬液投与装置であって、
   薬液が貯蔵される薬液貯蔵部と、
   前記薬液貯蔵部から生体内へ薬液が流れる流路を形成する流路部と、
   前記流路部に接続されるシリンダ部内で摺動し、最も押し切られた押切位置から最も引き戻された引戻位置に移動する際に前記薬液貯蔵部から薬液を前記流路部を介して吸出し、前記引戻位置から前記押切位置に移動する際に吸出された薬液を前記流路部を介して生体内に送出するピストンと、
   モータ軸に接続される前記ピストンを該モータ軸が回転することにより前記シリンダ部内で摺動させるステッピングモータと、
   設定されたピストン動作速度で薬液を投与する際に、設定された動作速度で駆動させるのに必要な駆動周波数よりも高い駆動周波数でステッピングモータを所定時間だけ駆動させてモータ軸を回転させ、その後に所定時間だけ前記ステッピングモータを停止させる動作を繰り返し行わせることで設定された投与速度で薬液を生体内に投与する制御部と、
   前記ステッピングモータに電気を供給する電源部と
   を有する薬液投与装置。
2. 前記制御部は、
   前記ステッピングモータに対して、前記高い駆動周波数で前記ピストンに推力が生じるだけのパルス数以上の信号を供給してモータ軸を回転させ、その後に該ステッピングモータを停止させる動作を繰り返し行わせる
   ことを特徴とする請求項１に記載の薬液投与装置。
3. 前記流路部は、
   前記シリンダ部が接続される位置よりも下流側に、内部圧力の変化に応じて変形することにより該内部圧力の変化を抑制させる抑制部を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の薬液投与装置。
4. 前記制御部は、
   前記ピストンを前記引戻位置から前記押切位置に移動させる際には、前記高い駆動周波数でステッピングモータを所定時間だけ駆動させてモータ軸を回転させ、その後に所定時間だけ前記ステッピングモータを停止させる動作を繰り返し行わせ、前記ピストンを押切位置から前記引戻位置に移動させる際には前記ステッピングモータを連続的に駆動させる
   ことを特徴とする請求項１に記載の薬液投与装置。
   

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