JP2021085475A - シリンジ駆動ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】リニアガイド、プランジャ駆動部材及び直線駆動機構の三部材を、接続部材を用いることなく連結することが可能であり、前記プランジャ駆動部材に対してより緻密な移動量を与え、シリンジから液体や気体を高精度に吐出させることが可能なシリンジ駆動ユニットを提供する。【解決手段】ベースプレート２と、このベースプレートの表面側に設けられたリニアガイド５と、前記リニアガイドに支持されて前記ベースプレート上を直線移動自在なプランジャ駆動部材６と、前記ベースプレートの裏面側に設けられて制御量に応じた移動量を前記プランジャ駆動部材に与える直線駆動機構と、を備え、前記リニアガイド５は、前記ベースプレートの表面側に固定される軌道部材５０と、前記プランジャ駆動部材６が固定される第一取付け部及び前記直線駆動機構が固定される第二取付け部を有して前記軌道部材５０によって案内される移動部材５１と、を備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、シリンジを装着して使用され、シリンジ内に充填された液体や気体を所定の流量で吐出させる際に使用されるシリンジ駆動ユニットに関する。

特許第６２９６１３６号（特許文献１）には、シリンジを装着して使用し、当該シリンジ内の液体を所定の流量で吐出させるためのアクチュエータ、すなわちシリンジ駆動ユニットが開示されている。このシリンジ駆動ユニットは、フレームと、前記フレームに固定されてシリンジ本体を保持するシリンジ固定部材と、前記シリンジ本体に納められたプランジャを押圧するプランジャ駆動部材と、前記フレームに対して前記プランジャ駆動部材を前記シリンジ本体の軸線方向へ案内するリニアガイドと、モータの回転に応じて前記プランジャ駆動部材を移動させる直線駆動機構とを備えている。

この特許出願文献１に開示されるシリンジ駆動ユニットでは、前記直線駆動機構としてのボールねじ装置と前記リニアガイドが前記フレームの表裏に配置されており、前記リニアガイドのスライダには前記フレームを外側から取り囲む環状の接続部材が固定されている。前記ボールねじ装置のナット部材は前記接続部材に固定されて前記リニアガイドのスライダに連結される一方、前記プランジャ駆動部材も前記接続部材を介して前記スライダに固定されている。そして、前記ボールねじ装置のねじ軸が連結されたモータを回転させると、当該ねじ軸の回転量に応じて前記接続部材が前記スライダを移動させ、これに伴って前記プランジャ駆動部材が前記フレーム上を移動して、前記プランジャがシリンジ本体内に押し込まれることで、シリンジ本体に充填されていた液体がプランジャの押し込み量に応じて当該シリンジ本体から吐出する。

特許第６２９６１３６号

しかし、この特許文献１のシリンジ駆動ユニットでは、前記リニアガイドのスライダに対して接続部材が固定され、この接続部材を介して前記スライダ、前記ボールねじ装置のナット部材及び前記プランジャ駆動部材の三部材が間接的に連結されているので、前記スライダの運動方向と直交する方向に関して、前記スライダと前記ナット部材との距離、前記スライダと前記プランジャ駆動部材との距離が拡大してしまい、当該ボールねじ装置で発生した推進力を前記プランジャ駆動部材に伝達するに際して、前記リニアガイドにモーメント荷重が作用し易かった。このため、前記ボールねじ装置におけるナット部材の移動量を前記プランジャ駆動部材の移動量に正確に反映させることが難しく、ひいてはシリンジから液体をより高精度に吐出させることが難しいといった課題があった。また、前記シリンジ駆動ユニットそのものの小型化が難しいといった課題もあった。

本発明はこのような課題に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、リニアガイド、プランジャ駆動部材及び直線駆動機構の三部材を、接続部材を用いることなく直接的に連結することが可能であり、前記プランジャ駆動部材に対してより緻密な移動量を与え、シリンジから液体や気体を高精度に吐出させることが可能なシリンジ駆動ユニットを提供することにある。

すなわち、本発明のシリンジ駆動ユニットは、ベースプレートと、このベースプレートの表面側に設けられたリニアガイドと、前記リニアガイドに支持されて前記ベースプレート上を直線移動自在なプランジャ駆動部材と、前記ベースプレートの裏面側に設けられて制御量に応じた移動量を前記プランジャ駆動部材に与える直線駆動機構と、を備えている。前記リニアガイドは、前記ベースプレートの表面側に固定される軌道部材及び当該軌道部材によって案内される移動部材を備えており、更に、前記移動部材は前記プランジャ駆動部材が固定される第一取付け部及び前記直線駆動機構の出力部材が固定される第二取付け部を有している。

このように構成された本発明のシリンジ駆動ユニットによれば、前記リニアガイドの移動部材は第一取付け部及び第二取付け部の双方を有しているので、プランジャ駆動部材及び直線駆動機構を前記移動部材に対して直接的に連結することが可能である。このため、前記直線駆動機構の出力部材の移動量を前記プランジャ駆動部材の移動量に正確に反映させることができ、ひいてはシリンジから液体や気体をより高精度に吐出させることが可能となる。また、リニアガイド、プランジャ駆動部材及び直線駆動機構の三部材を、接続部材を用いることなく直接的に連結することが可能となるので、前記シリンジ駆動ユニットそのものの小型化も可能となる。

本発明が適用されたシリンジ駆動ユニットの一例を示す正面側斜視図である。 図１に示したシリンジ駆動ユニットの背面側斜視図である。 図１に示したシリンジ駆動ユニットに使用されるリニアガイドの一例を示す正面側斜視図である。 図３に示したリニアガイドの背面側斜視図である。 図３に示したリニアガイドのＶ−Ｖ線断面図である。 図３に示したリニアガイドに対するベースプレート、プランジャ駆動部材及びナット部材の固定状態を示す断面図である。

以下、添付図面を用いながら本発明のシリンジ駆動ユニットを詳細に説明する。

図１及び図２は本発明を適用したシリンジ駆動ユニット（以下、「駆動ユニット」という）の実施形態の一つを示すものである。シリンジは液体又は気体が充填されるシリンジ本体と、当該シリンジ本体に押し込まれるプランジャとから構成されている。前記駆動ユニットは前記プランジャ（図示せず）を装着して使用するものであり、前記プランジャを所定の速度で矢線Ａ方向に沿ってシリンジ本体内に押し込み、かかるシリンジ本体に充填された液体や気体を所定の流量で吐出させる目的で使用される。また、この駆動ユニット１は単体で使用されるのではなく、前記シリンジ本体を保持した他の機械装置と共に使用される。

前記駆動ユニット１では、図１に示されるベースプレート２の表面側２ａが前記プランジャの保持領域となる一方、図２に示されるベースプレート２の裏面側２ｂが前記プランジャを押圧するための直線駆動機構３の配設領域となっている。また、前記ベースプレート２は一方向に長尺に形成されており、長手方向の一端は裏面側に折り曲げられて、前記直線駆動機構３の取付け部２０を構成している。

図１に示すように、前記ベースプレート２の表面側２ａにはリニアガイド５が取り付けられている。この実施形態におけるリニアガイド５は、前記ベースプレート２に固定される軌道部材としてのインナーレール５０と、前記インナーレール５０を覆うように配置された移動部材としてのアウターレール５１と、これらインナーレール５０とアウターレール５１との間に配列された転動体としての多数のボールとを備えている。また、前記アウターレール５１には前記プランジャを保持するプランジャ駆動部材６が固定されている。前記インナーレール５０と前記アウターレール５１は相対的に移動自在であり、前記アウターレール５１の移動に伴って前記プランジャ駆動部材６が前記ベースプレート２の長手方向へ移動するようになっている。

尚、本発明のシリンジ駆動ユニットに使用可能なリニアガイド５は図示されたものに限られず、例えば、前記インナーレール５０に代えて転動体の無限循環路を有するスライダを用いることも可能である。

一方、図２に示すように、前記ベースプレート２の裏面側２ｂには直線駆動機構３が設けられている。この実施形態における直線駆動機構としては、送りねじ機構及び当該送りねじ機構を駆動するモータ４の組み合わせが用いられている。前記ベースプレート２の裏面側には前記送りねじ機構のねじ軸３０が軸方向を当該ベースプレート２の長手方向に合致させて配設されている。前記ベースプレート２上には一対のサポートプレート３１，３２が固定されており、前記ねじ軸３０の両端は回転軸受を介して前記サポートプレート３１，３２に支承されている。また、前記モータ４は前記ベースプレート２の取付け部２０に固定されており、前記ねじ軸３０の一端はカップリング３３を介して前記モータ４の出力軸に連結されている。

前記モータ４はステッピングモータであり、図示外のドライバ回路から供給されるパルス信号に応じて所定角度ずつ回転し、前記ねじ軸３０にその回転を伝達する。また、前記ねじ軸には前記送りねじ機構の出力部材としてのナット部材３４が螺合している。前記ナット部材３４は多数のボールを介して前記ねじ軸３０に螺合しており、その内部にはボールの無限循環路を有している。すなわち、前記ねじ軸３０と前記ナット部材３４は所謂ボールねじ装置を構成している。

前記ナット部材３４は前記リニアガイド５のアウターレール５１に固定されており、当該アウターレール５１と共に前記ねじ軸７の軸方向へ移動可能となっている。このため、前記モータ４の駆動によって前記ねじ軸３０が回転すると、前記ナット部材３４は前記ねじ軸３０の回転量に応じた距離だけ当該ねじ軸３４の軸方向、すなわちベースプレート２の長手方向へ移動することになる。

尚、前記送りねじ機構では前記ねじ軸３０と前記ナット部材３４が必ずしもボールを介して互いに螺合せずとも良く、前記ねじ軸３０と前記ナット部材３４とが滑り接触するタイプの送りねじ機構であっても差し支えない。また、前記直線駆動機構としては、前述の送りねじ機構以外に例えばリニアモータによる駆動機構、ベルト駆動機構又はラックピニオン機構を利用することも可能である。

更に、前記サポートプレート３２には前記ナット部材３４が原点位置に設定されたことを検出する位置検出センサ３５が設けられている。この実施形態において前記位置検出センサ３５は、前記サポートプレート３２に固定されたフォトセンサ３５ａと、前記ナット部材３４に固定された検出プレート３５ｂとから構成されている。前記ねじ軸３０の回転に伴って前記ナット部材３４が前記サポートプレート３２に近接した特定の位置に移動すると、当該ナット部材３４に固定された検出プレート３５ｂが前記フォトセンサ３５ａの内部に挿入され、当該フォトセンサ３５ａの出力信号が変化することで、前記ベースプレート２上におけるナット部材３４の位置、すなわち前記プランジャ駆動部材６の位置が把握されるようになっている。

図３及び図４は前記ベースプレート２に固定されたリニアガイド５を示すものである。前記インナーレール５０は、基底部５０ａと、前記基底部５０ａの両側から起立する一対の側壁部５０ｂを有してチャネル状に形成されている。また、前記基底部５０ａは前記インナーレール５０を前記ベースプレート２に固定するための取付け部となっており、当該基底部５０ａには固定ボルトを挿通させる取付け孔５０ｃが複数設けられている。

一方、前記アウターレール５１は、前記インナーレール５０と同様にチャネル状に形成されており、前記インナーレール５０の基底部５０ａよりも幅が大きく設定された基底部５１ａと、前記基底部５１ａの両側から起立する一対の側壁部５１ｂを有している。また、前記アウターレール５１は前記基底部５１ａ及び前記一対の側壁部５１ｂに囲まれた案内溝を有しており、前記インナーレール５０はその一部が前記案内溝に収容されている。また、前記アウターレール５１の基底部５１ａは当該アウターレール５１に対して前記プランジャ駆動部材６を固定するための第一取付け部となっており、当該基底部５１ａには固定ボルトを挿通させる取付け孔５１ｃが複数設けられている。

図５は前記リニアガイド５における前記インナーレール５０と前記アウターレール５１の係合状態を示す断面図である。前記インナーレール５０の側壁部５０ｂの外側面には当該インナーレール５０の長手方向に沿って前記ボールの転走溝５２が形成されている。また、前記アウターレール５１の側壁部５１ｂの内側面には、当該アウターレール５１の長手方向に沿って前記ボールの転走溝５３が形成されている。前記インナーレール５０の転走溝５２と前記アウターレール５１の転走溝５３とは互いに対向しており、これら転走溝５２，５３の間には転動体としての多数のボール５４が配列されている。従って、これらボール５４が荷重を負荷しながら前記インナーレール５０と前記アウターレール５３との間を転動することにより、前記インナーレール５０に対して前記アウターレール５１を自在に直線運動させることが可能となっている。

前記インナーレール５０及び前記アウターレール５１はステンレスやアルミニウム等の金属板から形成されている。これらインナーレール５０及びアウターレール５１は、前記基底部５０ａ，５１ａに対して前記一対の側壁部５０ｂ，５１ｂを曲げ起こしてチャネル状に形成された後、研削加工によって前記一対の側壁部５０ｂ，５１ｂの所定の位置に前記転走溝５２，５３が設けられている。前記転走溝５２，５３は研削加工によって高精度に形成されることから、これら転走溝５２，５３を転動する前記ボール５４には予圧を付与することが可能である。従って、前記ボール５４に与える予圧量を調整することで、直線運動時におけるインナーレール５０とアウターレール５１のガタツキを排除し、インナーレール５０に対するアウターレール５１の移動精度を高めることが可能となっている。

一方、前記インナーレール５０とアウターレール５１との間にはケージ５５が配置されている。前記ケージ５５には前記ボール５４の直径よりも僅かに大きな内径の保持孔（図示せず）が所定の間隔で配列されており、前記ボール５４は前記保持孔に収容されている。このため、前記アウターレール５１が前記インナーレール５０に対して移動し、前記ボール５４が前記転走溝５２，５３の上を転動すると、当該ボール５４の転動に伴って前記ケージ５５が前記アウターレール５１の移動距離の１／２の距離だけ前記インナーレール５０に対して移動を生じる。

また、前記インナーレール５０に対する前記アウターレール５１の移動範囲を制限するため、前記アウターレール５１にはストッパピン５６が設けられている。前記ストッパピン５６は前記アウターレール５１の長手方向の中央において前記案内溝に突出しており、当該ストッパピン５６の先端は前記ケージ５５に設けられた長孔（図示せず）に挿入されている。すなわち、前記アウターレール５１が移動して、前記ストッパピン５６が前記ケージ５５の長孔の端部に到達すると、前記ケージ５５に対する前記アウターレール５１の移動が係止され、それ以上はボール５４が転走溝５２，５３上を転動できないことから、同時に前記インナーレール５０に対する前記アウターレール５１の移動も係止される。これにより、前記アウターレール５１は前記インナーレール５０に対して一定のストローク範囲でのみ直線運動することが可能となっている。

図３及び図４に示すように、前記アウターレール５１の長手方向の中央付近には前記ナット部材３４を固定するための第二取付け部５７が設けられている。前記アウターレール５１の各側壁部５１ｂの先端にはＬ字状に突出するフランジ部５８がそれぞれ設けられており、これら一対のフランジ部５８によって前記第二取付け部５７が構成されている。各フランジ部５８には、前記ナット部材３４を固定するための取付け面５８ａが設けられると共に、固定ボルトを挿通させる取付け孔５９が複数設けられており、前記一対のフランジ部５８を跨ぐようにして前記ナット部材３４を前記アウターレール５１に装着することが可能となっている。

図６は前記ベースプレート２に対する前記リニアガイド５の装着状態を示す断面図である。前記インナーレール５０の基底部５０ａは前記ベースプレート２の表面側に固定される一方、前記アウターレール５１の基底部５１ａには前記プランジャ駆動部材６が固定されている。これにより、前記プランジャ固定部材６を前記ベースプレート２に対して自在に直線運動させることが可能となる。

一方、前記ベースプレート２には当該ベースプレート２の長手方向に沿ってスリット状に形成された一対の開口部２１が設けられている。この一対の開口部２１は前記インナーレール５０の取付け位置の両側に位置している。前記アウターレール５１に設けられた前記一対のフランジ部５８（すなわち前記第二取付け部５７）は前記一対の開口部２１を貫通し、前記ベースプレート２と干渉することなく当該ベースプレート２の裏面側２ｂに突き出している。前記フランジ部の取付け面５８ａには前記送りねじ機構３のナット部材３４が固定されている。すなわち、前記インナーレール５０を前記ベースプレート２に固定した状態で、前記アウターレール５１のフランジ部５８の取付け面５８ａは前記ベースプレート２を貫通して当該ベースプレート２の裏面側２ｂに突き出しており、前記取付け面５８ａに固定された前記ナット部材３４と前記ベースプレート２の間には僅かに隙間が形成されている。

尚、この実施形態では前記一対のフランジ部５８が貫通するスリット状の開口部２１を前記ベースプレート２に対して設けたが、前記一対のフランジ部５８が前記ベースプレート２の表面側から裏面側へ突出させることができるのであれば、前記開口部２１は当該ベースプレート２の側縁部を切り欠いたものであっても良い。

そして、以上のように構成された本実施形態の駆動ユニット１では、前記モータ４を所定の角度だけ回転させると、前記ねじ軸３０が回転することによって、前記モータ４の回転角度に応じた距離だけ前記ナット部材３４が前記ねじ軸３０の軸方向へ移動し、前記ナット部材３４が固定された前記アウターレール５０も当該ナット部材３４と同じ距離だけ前記ベースプレート２上を移動する。これにより、前記アウターレール５１に固定された前記プランジャ駆動部材６が前記ベースプレート２に対して移動し、前記プランジャ駆動部材６に装着されたプランジャが前記モータ４の回転角度に応じた距離だけ前記シリンジ本体に押し込まれ、当該シリンジ本体から前記プランジャの移動距離に応じた量の液体や気体を吐出することが可能となる。

このとき、前記アウターレール５１は他の部材を介することなく前記プランジャ駆動部材６及び前記ナット部材３４と直接結合されていることから、前記アウターレール５１の運動方向と直交する方向に関して、前記アウターレール５１と前記ナット部材３４との距離、前記アウターレール５１と前記プランジャ駆動部材６との距離を小さく設定することが可能となる。従って、前記ナット部材３４に生じた推進力を前記プランジャ駆動部材６に伝達する際に、前記リニアガイド５に作用するモーメント荷重を小さく抑えることができ、前記ナット部材３４の移動量を前記プランジャ駆動部材６の移動量に正確に反映させて、シリンジ本体から吐出させる液体や気体の量を一層高精度に制御することが可能となる。また、前記アウターレール５１に対して、他の部材を用いることなく、前記プランジャ駆動部材６及び前記ナット部材３４を直接固定していることから、駆動ユニット１そのものを小型化、軽量化することも可能となる。

更に、本実施形態の駆動ユニット１では、前記ベースプレートに対してスリット状の開口部を設けることで、前記アウターレールのフランジ部が前記開口部を貫通して前記ベースプレートの裏面側に突出している。これにより、前記ベースプレートを挟んで互いに近接した位置に前記リニアガイドと前記ナット部材を配置すると共に、前記アウターレールのフランジ部を前記ナット部材と直接結合することができ、この点においても前記ナット部材３４の移動量を前記プランジャ駆動部材６の移動量に正確に反映させることが可能となる他、駆動ユニット１そのものを小型化、軽量化することが可能となっている。

１…シリンジ駆動ユニット、２…ベースプレート、３…直線駆動機構、４…モータ、５…リニアガイド、６…プランジャ駆動部材、５０…インナーレール（軌道部材）、５１…アウターレール（移動部材）

Claims (4)

1. ベースプレートと、
   このベースプレートの表面側に設けられたリニアガイドと、
   前記リニアガイドに支持されて前記ベースプレート上を直線移動自在なプランジャ駆動部材と、
   前記ベースプレートの裏面側に設けられて制御量に応じた移動量を前記プランジャ駆動部材に与える直線駆動機構と、を備え、
   前記リニアガイドは、
   前記ベースプレートの表面側に固定される軌道部材と、
   前記プランジャ駆動部材が固定される第一取付け部及び前記直線駆動機構の出力部材が固定される第二取付け部を有すると共に、前記軌道部材によって案内される移動部材と、
   を備えることを特徴とするシリンジ駆動ユニット。
2. 前記移動部材の第二取付け部は前記ベースプレートの裏面側に突出して前記直線駆動機構の出力部材と結合されていることを特徴とする請求項１記載のシリンジ駆動ユニット。
3. 前記ベースプレートには前記移動部材の第二取付け部が当該ベースプレートの表面側から裏面側へ貫通する開口部が設けられていることを特徴とする請求項２記載のシリンジ駆動ユニット。
4. 前記移動部材は前記第一取付け部としての基底部を有すると共に当該基底部から起立した一対の側壁部を有して前記軌道部材に覆いかぶさるチャネル状に形成され、
   前記第二取付け部は前記一対の側壁部の先端に設けられていることを特徴とする請求項３記載のシリンジ駆動ユニット。

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