JP2024035196A - インライン流体送給ポンプアセンブリ - Google Patents

Abstract

【課題】ステップロスを効率的に解消し、一定的に流体を正確に送給するインラインポンプアセンブリを提供すること。【解決手段】流体を送給するためのインラインポンプアセンブリ。このポンプアセンブリは、ピストンを有するポンプヘッドを備え、ピストンが移動することにより、このポンプヘッドが流体の送給を行う。リニアアクチュエータが、親ねじを有し、リニアアクチュエータが作動することにより、親ねじは線形経路に沿って移動する。第１のバックラッシュ防止デバイスが、リニアアクチュエータとポンプヘッドとの間に配設される。バックラッシュ防止デバイスは、スライドブロックを上に有するレールを備える。このスライドブロックおよびレールは、レールの長手方向軸を中心とするスライドブロックの移動を防止するように係合される。カプラーが、リニアスライドに対して固定的に取り付けられ、親ねじに対して連結された第１の端部およびピストンロッドに対して連結された第２の端部を有する。【選択図】図１Ｃ

Description

本願は、２０２２年８月３１日に出願された米国仮特許出願第６３／４０２，７０５号に基づく優先権の利益を主張するものである。この仮特許出願の内容は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

本発明は、一般的には、流体が供給容器から受領容器へ移動される液体ポンプ送給システムに関する。より詳細には、本発明は、様々な臨床分析において使用可能な機械式インラインポンプに関する。

特許文献１は、２５年以上の間にわたり使用されてきた先行技術の機械式シリンジポンプについて記載している。この間にわたり、この特許に開示される基本コンセプトから逸脱することなく、多数の設計改善が行われてきた。しかし、複数の信頼性に関する問題が存在し、これらの問題は、このタイプの機械式シリンジポンプに難点をもたらし続け、相当な時間および労力がこれらの問題解消のために費やされてきたにも関わらず依然として問題のままである。

インラインピストンポンプは、線形運動を発生させるために一般的にステッピングモータを使用してピストンまたはプランジャを押し引きすることによって、流体を移動させる。通常は、これは、ピストン／プランジャに対して結合されたリニアアクチュエータ電気モータを使用して実現される。リニアアクチュエータは、モータの中心を貫通するねじ山付きロッドを有し、このロッドは、モータ内部において雌ねじシリンダと噛合する。モータが回転すると、親ねじもまた、回転が阻止されない限りにおいてモータと共に回転する。親ねじが回転することができない場合には、親ねじは線形移動する。したがって、ある機構が、親ねじの回転を阻止するためには必要となる。一般的に、これは、キー溝内部のシャフトキー、キー付きシャフト、または溝内部を走る玉軸受を使用して実現される。これらの設計における典型的な１つの問題は、システムにおける遊びであり、これは、運動方向が反転する場合にはいつでも精度不良をもたらす結果となる。システムにおけるこの遊びすなわちスロップは、「ステップロス」としばしば呼ばれる。これは、可動構成要素同士の間のバックラッシュにより生じる。

かかるステップロスは、バックラッシュを補償するための典型的にはソフトウェアの利用およびポンプシステムの較正により対処されてきた。しかし、目標精度を実現するためのソフトウェアによる解決策は、各システムごとの較正を必要とするため、実現し得る補正の度合いに関する限度がある。さらに、ポンプにソフトウェア補正を組み込むには、ポンプが使用される機械の既存のポンプ制御ソフトウェアコードの修正が必要となる。しかし、典型的には、ポンプ製造業者／供給業者は、かかるソフトウェアに関するアクセスまたは制御ができない。これらのポンプが使用される機械は、既に現場において実用下にあるものであり、したがって、ソフトウェア修正は、多大な労力なくしてなし得るものではない。

米国特許第５５３６４７１号明細書 米国特許出願第１７／６０２１４２号

したがって、ステップロスを効率的に解消し、定常的に流体を正確に送給するインラインポンプアセンブリを提供することが望ましい。

本開示の一態様では、流体を吸引および送給するためのインライン流体送給ポンプアセンブリが提供される。

本開示は、流体を送給するためのインラインポンプアセンブリを提供する。このポンプアセンブリは、ピストンを有するポンプヘッドを備え、ピストンが移動することにより、このポンプヘッドが流体の送給を行う。リニアアクチュエータが、親ねじを有し、リニアアクチュエータが作動することにより、親ねじは線形経路に沿って移動する。第１のバックラッシュ防止デバイスが、リニアアクチュエータとポンプヘッドとの間に配設される。バックラッシュ防止デバイスは、スライディングブロックを上に有するレールを備える。このスライドブロックおよびレールは、レールの長手方向軸を中心とするスライドブロックの移動を防止するように係合される。カプラーが、リニアスライドに対して固定的に取り付けられ、親ねじに対して連結された第１の端部およびピストンロッドに対して連結された第２の端部を有する。

本開示は、流体を送給するためのインラインポンプアセンブリをさらに提供する。このポンプアセンブリは、ピストンロッドを有するポンプヘッドを備え、このロッドの移動によりポンプヘッドが流体を送給する。リニアアクチュエータが、親ねじを有し、リニアアクチュエータの作動により親ねじが線形経路に沿って移動する。リニアスライドが、リニアアクチュエータとポンプヘッドとの間に配設される。リニアスライドは、スライドブロックを上に有するレールを備える。リニアスライドおよびレールは、レールの長手方向軸を中心とするスライドの回転を防止するように係合する。親ねじは、リニアスライドに対して動作可能にかつ回転不能に連結され、ピストンは、リニアスライドに対して動作可能に連結される。

本開示は、流体を送給する方法をさらに提供する。この方法は、
インラインポンプアセンブリを用意するステップであって、インラインポンプアセンブリは、
ピストンを有するポンプヘッドであって、ピストンの移動によりポンプヘッドが流体を送給する、ポンプヘッドと、
親ねじを有するリニアアクチュエータであって、リニアアクチュエータの作動により親ねじが線形経路に沿って移動する、リニアアクチュエータと、
リニアアクチュエータとポンプヘッドとの間に配設された第１のバックラッシュ防止デバイスであって、バックラッシュ防止デバイスは、スライドブロックを上に有するレールを備え、スライドブロックおよびレールは、協働することによりレールの長手方向軸を中心とするスライドブロックの移動を防止する、第１のバックラッシュ防止デバイスと、
リニアスライドに対して固定的に取り付けられ、親ねじに対して連結された第１の端部およびピストンロッドに対して連結された第２の端部を有する、カプラーと、
を備える、ステップと、
コントローラから信号を発生させるステップと、
信号に応答して、所定量だけカプラーを並進移動させるためにリニアアクチュエータを動作させるステップであって、カプラーは、流体を送給するためにポンプヘッドを前進させる、ステップと、
を含む。

本開示の特徴は、添付の図面と組み合わせて以下の詳細な説明を考慮することにより明らかになろう。しかし、添付の図面は、もっぱら例示として意図されるものであり、本開示の限定を規定するものとして意図されるものではない。

インライン流体送給ポンプアセンブリの斜視図である。 明瞭化のためにポンプ駆動アセンブリハウジングが除去された状態を示す、図１Ａのインライン流体送給ポンプアセンブリの斜視図である。 図１Ａのインライン流体送給ポンプアセンブリの部分断面斜視図である。 図１Ａのアセンブリの平面図である。 図１Ａの線３－３に沿ったポンプアセンブリの断面図である。 線４－４に沿った、図５に示すポンプアセンブリの断面図である。 ポンプアセンブリの分解図である。 ポンプアセンブリのリニアアクチュエータ部分の分解図である。 リニアアクチュエータの一部分の詳細断面図である。

図１Ａ～図２を参照すると、インライン流体送給ポンプアセンブリ１０は、ポンプヘッド１２と、リニアアクチュエータ２０と、バックラッシュ防止機構３３を備えるポンプ駆動アセンブリ２８と、を一般的に備え得る。ポンプ駆動アセンブリ２８は、リニアアクチュエータ２０とポンプヘッド１２との間に配設される。本明細書においては、アセンブリ１０は送給ポンプと呼ばれるが、このアセンブリが流体の送給および吸引の両方を行い得ることが、本開示から予期されるものの範囲内に含まれる。

ポンプヘッド１２は、当技術において既知のタイプのものであり、特に２０２０年１２月９日に出願された特許文献２に図示および記載されるタイプのものであってもよい。この米国特許出願は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。図３を参照すると、ポンプヘッド１２は、内部ボア１４を有するケーシング１３を備える。ピストン１６が、ボア１４内に配置される。ピストン１６は、例えばセラミック、プラスチック、または金属から作製され得る。ピストン制御部分１７が、ポンプハウジング１３から封止端部２１を貫通して封止状態で延在する。ボア１４は、ピストンの軸方向移動時に流体の吸引および送給を可能にするために、ポート１８ａおよび１８ｂと流体連通状態にある。コネクタ１９は、以降で説明されるようにアセンブリ１０に対する連結を容易にするためにピストン制御部分の終端部２５に対して固定され得る。ポンプヘッド１２が、ピストンの線形運動時に流体を送給するために当技術において既知である様々な設計からなるものであってもよいという点は、本開示から予期されるものの範囲内に含まれる。

図３および図６～図７を参照すると、ポンプヘッド１２は、回転運動を線形運動に変換するリニアアクチュエータ２０によって駆動される。リニアアクチュエータは、当技術において既知であるタイプのモータコントローラにより駆動されるステッピングモータ２２を備える。ステッピングモータ２２は、雄ねじ４１を有する親ねじ２６が配設される雌ねじ駆動アーマチャー２４を回転させる。アーマチャー２４の回転により、親ねじ２６は、アーマチャー２４の回転方向に応じて、デバイスの長手方向軸Ｌ－Ｌに沿って前後方向に移動される。駆動アーマチャー２４および親ねじ２６のねじ山同士の間におけるバックラッシュを防止するために、ばね付き機構２７が、リニアアクチュエータ前方端部６０上に配設され得る。機構２７は、環状軸受６４が中に配設される最上帽子形状キャップ６２を備える。このキャップ６２は、キャップ６２の幾分かの軸方向移動が可能になるように、固定具６６を用いてリニアアクチュエータの前方部に対して固定される。弾性ガスケット６８が、キャップ６２とリニアアクチュエータ２０との間に配設され得る。ガスケット６８は、キャップ６２とリニアアクチュエータとの間にシールを形成するが、キャップ６２の所要の軸方向移動量を可能にする。ねじ山付きスリーブ７０が、環状軸受６４の内径内に固定的に取り付けられる。スリーブ７０は、親ねじのねじ山に係合する雌ねじを有する。

例えば圧縮ばねなどの付勢デバイス３１が、キャップ６２とリニアアクチュエータ前部６０との間に配設される。付勢デバイス３１は、リニアアクチュエータから離れるようにキャップ６２を付勢する軸方向力をもたらす。この付勢力により、雄ねじおよび雌ねじに対応する親ねじ２６および駆動アーマチャー２４が、一定の係合状態に保持される。また、付勢デバイス３１の力は、親ねじの雄ねじ４１とスリーブの雌ねじ７２との間の螺合を維持する。この力による係合は、駆動アーマチャー２４の運動が親ねじ２６に対して即座に伝わるように、バックラッシュを軽減する。

図３～図５を特に参照すると、バックラッシュ防止機構３３は、リニアアクチュエータ２０の親ねじ２６とポンプヘッド１２との間に配設される。バックラッシュ防止機構３３は、ポンプヘッド１２が正確な流体量を繰り返し常に送給および／または吸引するように、リニアアクチュエータ２０とピストン１６との間のバックラッシュを軽減する。バックラッシュ防止機構３３は、ポンプ駆動アセンブリ２８の剛体ハウジング２９内に配設される。バックラッシュ防止機構３３は、精密グラウンドレール３２とこの精密グラウンドレール３２上に配置されるスライドブロック３４と、を備える、リニアスライド３０を備える。このリニアスライド３０は、正確な線形案内運動を実現するために当技術において既知のタイプのものであってもよい。レール３２は、長手方向軸Ｌ－Ｌに沿って整列されるように、固定具３５によりハウジング２９に対して固定的に取り付けられる。レール３２は、その両側に沿って延在する長手方向延在溝３６を備える。スライドブロックは、対向し合う側壁部４０を有するＣ字形状チャネル３８を有する。側壁部４０中の長手方向延在凹部４２は、側壁部４０の長さに沿って延在する。複数の玉軸受３７が、凹部４２内に配設され、スライドブロック３４とレール３２との間における平滑な運動を実現するのを補助するために、かつ非線形軸方向運動を制限するために、レール溝３６内に延在する。スライドブロック３４とレール３２との間の係合は、長手方向軸Ｌ－Ｌを中心とするスライドブロック３４の回転動作が防止されるようなものである。さらに、レールに対して垂直方向に延在する軸Ｙ－Ｙを中心とする回転もまた、防止される。したがって、リニアスライド３０とレール３２との間にバックラッシュは存在しない。

図１Ｂ、図１Ｃ、および図３～図５を参照すると、カプラー５０が、ハウジング２９内に配設され、固定具５３によりスライドブロック３４の頂部表面に対して固定的に取り付けられる。カプラー５０は、第１の端部５２と反対側の第２の端部５４とをそれぞれ有し、これらの端部はそれぞれ、開口５６を有する。カプラーの第１の端部５２は、ピストンコネクタ１９に対して装着される。ピストンコネクタ１９は、開口内に挿入され、例えば止めねじ５８などの固定具によりこの開口内に保持される。カプラーの第２の端部５４は、親ねじ２６に対して連結される。親ねじ２６は、カプラー中の開口５６に挿入され、当技術において既知の他のタイプの固定手段の止めねじ５８によりこの開口５６に対して回転不能に固定される。親ねじ２６とカプラー５０との間の連結により、親ねじ２６の回転が防止される。したがって、駆動アーマチャー２４が回転すると、親ねじ２６は、線形方向にのみ移動する。カプラー５０は、カプラーの頂部表面から外方に延在する止めねじの形態のトリガーフラッグ５５を備え得る。このトリガーフラッグ５５は、光学タイプまたは他のタイプの近接センサ（図示せず）と協働することにより、カプラー５０の位置の確認を可能にし得る。ハウジング２９は、その頂部表面上でおよび頂部表面を貫通して長手方向に延在するスロット３９を備えてもよい。このスロット３９は、カプラー５０およびカプラー５０上のトリガーフラッグ５５の位置を視認することを可能にし、カプラー５０およびカプラー５０上のトリガーフラッグ５５の位置をこの近接センサを始動させるためにアクセス可能にし得る。

動作時に、システムコントローラが、ステッピングモータコントローラに対して信号を発し、その結果としてステッピングモータ２２は、旋回し、駆動アーマチャー２４を回転させる。駆動アーマチャーの運動は、回転しないように固定された親ねじ２６に対して伝達され、したがって親ねじ２６は、並進運動を開始する。スライドブロックおよびレールにより、あらゆる回転動作が阻止され、親ねじ２６の動作の結果としてバックラッシュが生じない。親ねじの線形方向運動は、リニアスライド３０に対して固定されたカプラー５０に対して伝達される。リニアスライド３０は、カプラー５０の回転動作を阻止する。したがって、親ねじ２６の動作はいずれも、カプラー５０の線形運動へと変換される。カプラー５０は、案内された様式で移動し、ポンプヘッド１２を作動および駆動し所定の流体量を送給するために所定量だけ前方にピストン１６を並進移動させる。

移動方向が反転される場合には、システムコントローラは、モータ２２を方向転換させる信号を発する。親ねじ２６の結果的に得られる運動は、カプラー５０との係合により、遊びまたはバックラッシュを伴うことなくピストン１６に対して直接的に伝達され、ピストン１６は、逆方向に移動する。したがって、ポンプヘッド１２は、バックラッシュを伴うことなくかつ送給精度の結果的な損失を伴うことなく、両方向において反復的に駆動され得る。所望の精度を実現するための試みにおいてバックラッシュを補償するためのソフトウェア、センサ、または他の複雑なデバイスの使用は必要ではない。このポンプアセンブリにより、±１０ピコリットルの送給精度が実現され得る。

本発明は、ソフトウェアに依拠するのではなく、機械的手段を利用してシステムからバックラッシュを排除することにより、先行技術の設計の短所に対応する。したがって、とりわけこの分野において実用的ではない恐れのあるソフトウェアコードの修正または更新は不要である。これを実現するために、既知のバックラッシュの両エリアが対応される。ばね付き機構２７は、ねじ山からバックラッシュを排除するために、モータの親ねじに対して直接的に組み込まれたバックラッシュ防止機構として機能する。さらに、ころ軸受を有するリニアスライドブロックの形態のさらなるバックラッシュ機構２８が、親ねじ２６の回転を防止するために使用される。親ねじに対するバックラッシュ防止機構３３とスライドブロックとの両方を組み込むことにより、システムにおけるあらゆる機械的バックラッシュが解消され、ステップロスが効果的に排除される。これらのシステム改善策は、動作方向が反転される場合に常にみられる精度不良を解消し、ドライバハードウェアおよびソフトウェアとは完全に無関係なものである。

本明細書では本発明の様々な実施形態を具体的に図示および／または説明するが、本発明の修正および変更は、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく当業者に実施され得るものである点を理解されたい。

１０ インライン流体送給ポンプアセンブリ
１２ ポンプヘッド
１３ ケーシング、ポンプハウジング
１４ ボア、内部ボア
１６ ピストン
１７ ピストン制御部分
１８ａ ポート
１８ｂ ポート
１９ コネクタ、ピストンコネクタ
２０ リニアアクチュエータ
２１ 封止端部
２２ ステッピングモータ
２４ 雌ねじ駆動アーマチャー
２５ 終端部
２６ 親ねじ
２７ ばね付き機構
２８ ポンプ駆動アセンブリ、さらなるバックラッシュ機構
２９ 剛体ハウジング
３０ リニアスライド
３１ 付勢デバイス
３２ 精密グラウンドレール
３３ バックラッシュ防止機構
３４ スライドブロック
３５ 固定具
３６ 長手方向延在溝、レール溝
３７ 玉軸受
３８ Ｃ字形状チャネル
３９ スロット
４０ 側壁部
４１ 雄ねじ
４２ 長手方向延在凹部
５０ カプラー
５２ 第１の端部
５３ 固定具
５４ 第２の端部
５５ トリガーフラッグ
５６ 開口
６０ リニアアクチュエータ前方端部、リニアアクチュエータ前部
６２ 最上帽子形状キャップ
６４ 環状軸受
６６ 固定具
６８ 弾性ガスケット
７０ ねじ山付きスリーブ
７２ 雌ねじ

Claims (18)

1. 流体を送給するためのインラインポンプアセンブリであって、
   ピストンを有するポンプヘッドであって、前記ピストンの移動により前記ポンプヘッドが流体を送給する、ポンプヘッドと、
   親ねじを有するリニアアクチュエータであって、前記リニアアクチュエータの作動により前記親ねじが線形経路に沿って移動する、リニアアクチュエータと、
   前記リニアアクチュエータと前記ポンプヘッドとの間に配設された第１のバックラッシュ防止デバイスであって、前記第１のバックラッシュ防止デバイスは、スライドブロックを上に有するレールを備え、前記スライドブロックおよび前記レールは、協働することにより前記レールの長手方向軸を中心とする前記スライドブロックの移動を防止する、第１のバックラッシュ防止デバイスと、
   前記リニアスライドに対して固定的に取り付けられ、前記親ねじに対して連結された第１の端部および前記ピストンロッドに対して連結された第２の端部を有する、カプラーと、
   を備える、インラインポンプアセンブリ。
2. 前記リニアアクチュエータは、前記親ねじと螺合連結状態にある駆動アーマチャーを備え、前記駆動アーマチャーの回転により前記親ねじが移動される、請求項１に記載のアセンブリ。
3. 第２のバックラッシュ防止デバイスが、前記駆動アーマチャーと前記親ねじとの間の螺合を維持するために、前記駆動アーマチャーと前記親ねじとの間に配設された付勢デバイスを備える、請求項２に記載のアセンブリ。
4. 前記親ねじは、前記カプラーに対して回転不能に固定される、請求項１に記載のアセンブリ。
5. 複数の玉軸受が、前記スライドブロックと前記レールとの間に配設される、請求項１に記載のアセンブリ。
6. 前記カプラーの前記第１の端部は、前記親ねじの端部を受けるための穴を有し、前記カプラーは、前記カプラーに対して前記親ねじを回転不能に固定するための固定具を備える、請求項１に記載のアセンブリ。
7. 前記カプラーの前記第２の端部は、前記ピストンの制御端部を受けるための穴を有する、請求項１に記載のアセンブリ。
8. 前記制御端部は、前記制御端部上に固定された連結キャップを備え、前記連結キャップは、前記カプラーの前記第２の端部の前記穴内に延在する、請求項７に記載のアセンブリ。
9. 前記カプラーは、前記カプラーの位置の確認を可能にするための近接センサを始動させるように構成された、前記カプラーから延在するフラッグを備える、請求項１に記載のアセンブリ。
10. 前記カプラーは、ハウジング内に配設され、前記ハウジングは、ハウジング表面を貫通して延在する長手方向延在スロットを備え、前記長手方向延在スロットは、前記近接センサを始動させるために前記フラッグの位置をアクセス可能にすることができる、請求項９に記載のアセンブリ。
11. 流体を送給するためのインラインポンプアセンブリであって、
    ピストンロッドを有するポンプヘッドであって、前記ピストンロッドの移動により前記ポンプヘッドが流体を送給する、ポンプヘッドと、
    親ねじを有するリニアアクチュエータであって、前記リニアアクチュエータの作動により前記親ねじが線形経路に沿って移動する、リニアアクチュエータと、
    前記リニアアクチュエータと前記ポンプヘッドとの間に配設されたリニアスライドであって、前記リニアスライドは、スライドブロックを上に有するレールを備え、前記リニアスライドおよび前記レールは、前記レールの長手方向軸を中心とする前記スライドの回転を防止するように係合し、前記親ねじは、前記リニアスライドに対して動作可能にかつ回転不能に連結され、前記ピストンは、前記リニアスライドに対して動作可能に連結される、リニアスライドと、
    を備える、インラインポンプアセンブリ。
12. 前記リニアスライドおよび前記レールは、前記レールの前記長手方向軸に対して垂直な軸を中心とする前記スライドの回転を防止するように係合される、請求項１１に記載のアセンブリ。
13. カプラーが、前記リニアスライドに対して固定的に取り付けられ、前記カプラーは、前記親ねじに対して連結された第１の端部と、前記ピストンロッドに対して連結された第２の端部と、を有する、請求項１１に記載のアセンブリ。
14. 付勢デバイスが、前記駆動アーマチャーと前記親ねじとの間の螺合を維持するために、前記駆動アーマチャーと前記親ねじとの間に配設される、請求項１１に記載のアセンブリ。
15. 前記リニアアクチュエータ、前記リニアスライド、および前記ポンプヘッドはいずれも、共通長手方向軸に沿って整列される、請求項１１に記載のアセンブリ。
16. 流体を送給するため方法であって、
    インラインポンプアセンブリを用意するステップであって、前記インラインポンプアセンブリは、
    ピストンを有するポンプヘッドであって、前記ピストンの移動により前記ポンプヘッドが流体を送給する、ポンプヘッドと、
    親ねじを有するリニアアクチュエータであって、前記リニアアクチュエータの作動により前記親ねじが線形経路に沿って移動する、リニアアクチュエータと、
    前記リニアアクチュエータと前記ポンプヘッドとの間に配設された第１のバックラッシュ防止デバイスであって、前記第１のバックラッシュ防止デバイスは、スライドブロックを上に有するレールを備え、前記スライドブロックおよび前記レールは、協働することにより前記レールの長手方向軸を中心とする前記スライドブロックの移動を防止する、第１のバックラッシュ防止デバイスと、
    前記リニアスライドに対して固定的に取り付けられ、前記親ねじに対して連結された第１の端部および前記ピストンロッドに対して連結された第２の端部を有する、カプラーと、
    を備える、ステップと、
    コントローラから信号を発生させるステップと、
    前記信号に応答して、所定量だけ前記カプラーを並進移動させるために前記リニアアクチュエータを動作させるステップであって、前記カプラーは、前記流体を送給するために前記ポンプヘッドを前進させる、ステップと、
    を含む、方法。
17. 前記リニアアクチュエータは、前記親ねじと螺合連結状態にある駆動アーマチャーを備え、前記駆動アーマチャーの回転により前記親ねじが移動される、請求項１６に記載の方法。
18. 第２のバックラッシュ防止デバイスが、前記駆動アーマチャーと前記親ねじとの間の螺合を維持するために、前記駆動アーマチャーと前記親ねじとの間に配設された付勢デバイスを備える、請求項１７に記載のアセンブリ。