JP2824575B2 - 低脈流送液ポンプ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、レシプロ型送液ポンプに係り、特に分析装
置に好適な流量安定化機能を有する低脈流送液ポンプに
関する。 〔従来の技術〕 従来は一対のプランジャを用い、交互に相補的に吸引
吐出を行なう構成で、特に脈流を少なくするため、カム
の形状を工夫し、合成吐出量が常に一定となるようにし
て脈動を少なくしていた。 この方法では、カムを定速回転させるために駆動回路
は簡単である特長を持つが、カムの加工精度によりポン
プの流量リップル性能、即ち流量の増減変動、が定まっ
ており、この補正については考慮されていない。 〔発明が解決しようとする課題〕 従来技術は、流量安定精度はポンプを構成するカムや
プランジャ等の加工精度に依存しており、部品の加工精
度以上に送液流量を安定化することができないという問
題点があった。 また学習機能による補正として、送液しながら吐出圧
力を測定し、変動分を次のカムの回転サイクルにおいて
回転速度を補正する方法が定められるが、実際の分析に
おいては、気泡の混入や弁の切換ノイズの混入など、別
の要因が入るという問題点があり、理想的な学習は困難
である。 更に常時学習する方式は、分析装置に必要な再現性が
損なわれるという問題があった。 また、特開昭57−70976号公報には、プランジャが切
り替わるタイミングで発生する圧力低下を検出し、その
変動の開始位置及び終了位置を測定して、その間のカム
の回転駆動用モータの回転速度を補正するポンプが記載
されている。しかし上記公報記載のものは、プランジャ
が切り替わるタイミングで発生する圧力の異常低下を検
知して補正しようとするもので、カムやプランジャの加
工誤差については、まったく考慮していない。そして、
補正効果を測定しながら補正位置および補正量の設定変
更をすることにより、分析の安定した再現性を損なう恐
れがある。 この発明の目的は上記問題点を解消するためになされ
たもので、プランジャやカムの加工誤差を補正して安定
した送液を行ない、分析の再現性のある安定した学習制
御機能を有する低脈流送液ポンプを提供することであ
る。 〔課題を解決するための手段〕 上記目的を達成するために、本発明の低脈流送液ポン
プは、第１のモードと第２のモードとを有し、カムの回
転によりプランジャを往復動させて送液を行なうレシプ
ロ型送液ポンプであって、前記カムの回転速度を変える
ことのできる駆動部と、前記駆動部によって駆動される
前記カムの回転角度を検出する検出部と、前記回転角度
における前記ポンプの吐出圧力を測定する測定部と、前
記カムの回転速度を演算する演算部と、前記プランジャ
の送液速度が一定になるような補正係数を記憶する記憶
部と、前記カムの回転速度信号を前記駆動部に送り出す
制御部とを備えた低脈流送液ポンプにおいて、前記第１
のモードでは、前記カムを一定速度で少なくとも一回転
させ、この回転中に予め定めた複数の回転角度ごとの吐
出圧力を、圧力変動の有無に拘らず測定し、前記測定値
に基づいて前記プランジャの送液速度が一定になるよう
に、前記カムの回転角度ごとの回転速度の補正係数を前
記演算部で算出し、この算出した補正係数を前記記憶部
に記憶し、前記第２のモードでは、前記記憶部に記憶さ
れた補正係数に基づいて、前記カムの回転角度ごとの回
転速度を前記演算部で算出し、この算出値に基づく回転
速度の信号を前記制御部から前記駆動部に送出し、この
速度信号に基づいて前記カムを回転することにより、前
記カムあるいは前記プランジャ等の機械的な加工誤差に
よる送液速度の変動が補正されるように、前記プランジ
ャが駆動されることを特徴とするものである。 〔作用〕 上記の構成によると、ポンプの製作時に行なう学習機
能は、第１モードにより一定速度でカムを回転させるこ
とによって、プランジャがカムの加工誤差量等の機械的
な要因のみを、他の要因を排除して分離学習することが
できる。すなわち、カムを一回転させる間に、複数の所
定角度（例えば0.1度、あるいは５度等）ごとに測定し
た吐出圧力値から、カムの速度補正係数を計算して不揮
発性メモリ等の記憶手段に記憶する。 第２のモードでは、記憶してある補正係数により、カ
ムの回転角度ごとに回転速度を制御するので、カムやプ
ランジャ等の機械的な加工誤差による送液速度の変動が
補正され、ポンプ流量の安定化を行うことができる。 こうすることによって、気泡の混入等のない理想的な
学習を行うことができ、１回学習を行なうのみで、分析
中や分析ごとに学習補正する必要がないので、分析の再
現性が損なわれることがない。 〔実施例〕 以下本発明の実施例を図面に基づいて説明する。 第１図は本実施例の送液ポンプで、第２図はその制御
システムの詳細を示す。 第１図において、パルスモータ１の回転によりカム2,
3を回転させ、このカムの回転によりプランジャ4,5が往
復運動をする。 プランジャ4,5の往復運動は、シリンダ6,7への液体吸
引、吐出を繰り返す。 カム２と３は位相が180゜異なっており、チェック弁
8,9により液体は一方向にのみ流れる構成となっている
ことから、パルスモータ１の一定回転により、間断なく
一定の吐出が可能な構成となっている。この構成は公知
であり一般に利用されている。 第３図が、吸引吐出原理を示し、ａ→ｂ→ｃ→ｄ→ａ
→ｂ…と繰り返すことで、第１プランジャ５と第２プラ
ンジャ６により間断なく送液される。 しかしながら、カムの加工誤差によりプランジャの速
度は一定とならず、第４図（ａ）のようにカムの回転に
同期した流量変動が生じる。 第２図は本発明の送液ポンプの制御であり、カムに同
期した流量変動を除去する機能を備えた、本発明の要部
をなす部分である。 従来のポンプでは第７図のように、一定回転速度で回
転させ、吐出流量が一定となるようにカムの形状を加工
している。 この方法は、２つのプランジャを交互に相補的に制御
するため、流量が安定しているが、しかしながら分析精
度の向上にともない、更に高安定な吐出流量が要求され
るようになり、カムの加工精度が問題となっていた。 カムの加工精度は流量の安定度に直接影響をしてい
る。 即ち、Ｆ∝Δr/Δθ F:吐出流量 r:カムの半径 θ：カムの回転角 流量変動εは次のように表わされる。 このため、流量を安定化させるためには従来の方式で
は、カムの加工精度を向上させなければならない。 カムやプランジャの加工精度に起因する流量変動は再
現して生じ、また装置個々には異なっている。一般に学
習は系統的な変動補正には有効であるが、ランダム的な
変動は補正できない。 このことから、学習機能による補正はこの場合には有
効な手段であることが分かる。この補正原理は（吐出流
量の補正原理）の項で説明する。 実際の分析においては溶媒の種類により気泡等の他の
変動要因があり、たえず学習しながら制御する方法では
正しい学習が行なわれない場合がある。 このためポンプに学習モードと分析モードを持たせ、
学習モードでは一定速度でカムを回転し、このときの吐
出圧変動を一定回転角度ごとに測定し、不揮発性メモリ
に記憶する。 分析モードでは、この記憶した吐出圧変動データによ
りカムの回転速度を制御することでカム及びプランジャ
の加工精度による流量誤差を補正する。 この方法では学習動作はポンプ製作時の１回のみ行え
ば良いため、気泡の出ない溶媒を使用し、安定な流体抵
抗を使用できるため、正しい学習を行なうことができ
る。 （吐出流量の補正原理） 本原理は本発明の要部をなす原理で、流体抵抗が一定
の場合には、吐出圧力は吐出流量に比例することから、 Ｐ＝Ｒ・Ｆ ……（１） R:流体抵抗 F:吐出流量 P:吐出圧力 またレシプロ型ポンプにおける吐出流量は、単位時間
当りのシリンダ内のプランジャ体積増加量となるため、 Ｆ＝dV/dt ……（２） V:シリンダ内のプランジャ体積 シリンダ内の体積増加は、カムがプランジャを押すこ
とによって生じるため、 S:プランジャの断面積 r:カムの半径 のように表わされる。 吐出流量の安定な理想的ポンプでは、 とも一定となっている。 またカムの半径ｒは角度の関数として表わされ、 ｒ＝ｒ（θ） ……（４） θ：カムの回転角 よって ｄθ/dtはカムを駆動するモータの速度で、設定した吐
出流量に比例した一定値とする。 Ｃ（Ｆ）：設定流量に比例した定数 理想的なポンプではdr（θ）/dθが一定となるように
作られるため、 β：カムの勾配を表わす定数 よって Ｆ＝Ｓ・β・Ｃ（Ｆ） ……（７） ｒ（θ）＝βθ ……（８） となるようにカムは作られる。 しかしながら、実際のポンプにおいては次のような誤
差要因を持っている。 （イ）プランジャの径の不均一さ。 （ロ）カムの加工誤差。 （ハ）逆止弁の動作遅れ。 （ニ）液体の圧縮率による吐出吸引切替時の変動。 この誤差要因のうち（イ）と（ロ）が特に大きな誤差
要因となっている。 誤差要因（イ）はプランジャの径が一定値ではなく場
所により変化すること、即ちカムの回転角θの関数とな
っていることを示す。 また誤差要因（ロ）はカムの勾配が一定でなく、角度
により変動すること、即ちβがカムの回転角θの関数と
なっていることを示す。 よって実際のポンプでは（７）式の吐出流量もやはり
θの関数となり、 Ｆ（θ）＝Ｓ（θ）・β（θ）・Ｃ（Ｆ） ……（９） ＝Ｋ（θ）Ｓ・β・Ｃ（Ｆ）……（10） Ｋ（θ）:Sとβのθに依存する成分をθの関数と
したもの よって実際のポンプでは吐出圧力（式（１））もカム
の回転角の関数となる。 Ｐ（θ）＝Ｒ・Ｆ（θ） ＝Ｒ・Ｋ（θ）・Ｓ・β・Ｃ（Ｆ） ……（11） １回転中の平均吐出圧力を計算すると Pmean＝Ｒ・Ｓ・θ・Ｃ（Ｆ） ……（12） （11），（12）式よりＰ（θ）/Pmean＝Ｋ（θ） Ｋ（θ）＝Ｐ（θ）/Pmean ……（13） 実際のポンプの吐出流量が安定化させるためには、
（10）式においてＫ（θ）を１にする必要がある。 このことは1/K（θ）を乗じて補正することで達成で
きる。 よって、Ｆ（θ）＝Ｓ・θ・Ｃ（Ｆ）となり、θの関
数ではなくなる。 第２図において、操作部10は流量設定や動作モードの
指令を行なう部分である。 パルスモータ駆動部11は制御部12よりパルス間隔デー
タ13を受け取り、このパルス間隔データ13に従いパルス
モータ１の相を回転させ、制御部12に相回転信号14を返
す。 フォトインタラプタ15はカムの原点を検出するもの
で、原点信号16を制御部12に送る。 A/D変換器17は吐出圧力信号18をディジタル量19に変
換し、制御部12に送る。 記憶部20は不揮発性メモリで構成し、制御部12の制御
によりデータを変更したり、データを制御部12に送る。 制御部12は、操作部10の指示により、学習モードと、
分析モードの２種類に動作する。 学習モードが指定されると、パルスモータ駆動部11に
一定値をパルス間隔として設定する。（本実施例では1m
l/minの吐出流量の駆動速度に相当する5msecを設定して
いる。） これによりパルスモータ１は200ppsの速度で回転し、
吐出量は1ml/minとなる。 制御部12はフォトインタラプタ15を監視し、カムが原
点にくるのを待つ。 カムが原点にきたならば、カムの一定回転ごとに（本
実施例では５゜ごとに）吐出圧力値を読み取る。 一回転の吐出圧力測定が終了したならば、一回転の吐
出圧力の平均値を計算し、P_mとする。 カムの一定回転角ごとに圧力データをP_nとすると、 P_m＝ΣP_n/n このP_mより各点の補正係数K_nを計算する。 K_n＝P_n/P_m ｎは一定回転ごとの位置を示し、実施例では０〜71と
なる。 この後、この補正係数をメモリ20に記憶する。 分析モードでは、操作部10より吐出流量が設定される
と、この値よりパルスモータ１の駆動パルス周波数を計
算する。 本実施例では、 ｆ＝Ｆ×200pps f:パターンモータ駆動パルス周波数 F:吐出流量〔ml/min〕 この周波数ｆよりパルスモータ１の相回転周期は計算
され Ｔ＝1/fとなる。 本実施例ではＴ＝5/F〔mS〕 この後、この値をパルスモータ駆動部11にセットし、
パルスモータ１を回転しながらフォトインタラプタ15を
監視する。 フォトインタラプタ15より原点信号16が入ると以後カ
ムの位置を知ることができるので、カムの位置に対応し
て補正データK_n＝P_n/P_mを読み出し、実際の相回転周期
を計算する。 T_n＝K_n×Ｔ T_n:補正された相回転周期 原点信号16を検出した後は一定角度ごとに（実施例で
は５゜ごとに）相回転周期を計算してセットする。 これによりカム及びプランジャの加工誤差に基づくプ
ランジャの速度変動は補正され、第４図の（ｂ）のよう
に安定な流量が得られる。 以上の学習モード及び分析モードの動作は第５図、第
６図のようなフローチャートで表わされる。 ここで補正する誤差はカム2,3とプランジャ4,5の加工
誤差であるため、送液流量は経時的に変化しないため、
学習モードは１回のみ行い、以後カムやプランジャを交
換するまで、記憶した補正データ24を使用することがで
きる。 このため記憶部20は不揮発性メモリで構成し、電源を
切っても内容が保存されるようになっている。尚、図
中、21は送液溶媒、22は圧力センサ、23は流体抵抗、25
は記憶部制御データ、26は操作データを示す。 学習モードは１回のみ行なえばよいことから、工場出
荷前に行ない、ユーザは行なう必要は無い。 本実施例では、カムを用いたダブルプランジャを形を
述べているか、送りネジ方式や、シングルプランジャ方
式のポンプでも同様に効果を得る。 液体の種類により差異があるが、液体は圧力を加える
ことにより体積収縮を生じ、プランジャが吸引から吐出
に入る際に圧力低下（流量低下）を生じる。 この圧力低下を防ぐため、吸引から吐出に変化すると
き、圧力の低下を生じないようプランジャを高速で駆動
する方法が一般に使用されている。 本実施例ではカムの全周（360゜）を補正しながら駆
動する方式となっているが、高圧で使用する場合は、プ
ランジャが吸引から吐出に移る際に補正係数によらず圧
力低下を補正するよう、高速でプランジャを送り、圧縮
率の補正が終了した点より記憶部の補正係数と設定した
吐出流量で定まる速度で駆動する方法を採る。 〔発明の効果〕 上述のとおり本発明によれば、レシプロ型送液ポンプ
のカムやプランジャの加工精度に起因する流量変動を補
正することができる。 また、カムやプランジャの加工精度を高くする必要が
無いため製作が容易になる。本願発明者らの知見によれ
ば、加工の行いやすい例えば円形偏心カム等を積極的に
使用し、所望の送液速度を高精度に得ることが可能にな
る。 更に、工場で１回のみ学習動作をすることで学習動作
は済み、ユーザはする必要が無いため、ユーザが加圧用
擬似負荷を用意する必要がない使い易い装置となる。

【図面の簡単な説明】 第１図は実施例の説明図、第２図は実施例のポンプ制御
部の構成を示すブロック図、第３図は実施例の送液原理
図、第４図は（ａ）が補正前、（ｂ）が補正後の流量特
性グラフ、第５図は学習モードの動作フロー、第６図は
分析モードの動作フロー、第７図は従来例の制御を示す
フローである。 １……パルスモータ、2,3……カム、4,5……プランジ
ャ、6,7……シリンダ、8,9……チェック弁、10……操作
部、11……パルスモータ駆動部、12……制御部、13……
パルス間隔データ、14……相回転信号、15……フォトイ
ンタラプタ、16……原点信号、17……A/D変換器、18…
…吐出圧力信号、19……ディジタル量、20……記憶部、
21……送液溶媒、22……圧力センサ、23……流体抵抗、
24……補正データ、25……記憶部制御データ、26……操
作データ。

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 １．第１のモードと第２のモードとを有し、カムの回転
   によりプランジャを往復動させて送液を行なうレシプロ
   型送液ポンプであって、前記カムの回転速度を変えるこ
   とのできる駆動部と、前記駆動部によって駆動される前
   記カムの回転角度を検出する検出部と、前記回転角度に
   おける前記ポンプの吐出圧力を測定する測定部と、前記
   カムの回転速度を演算する演算部と、前記プランジャの
   送液速度が一定になるような補正係数を記憶する記憶部
   と、前記カムの回転速度信号を前記駆動部に送り出す制
   御部とを備えた低脈流送液ポンプにおいて、 前記第１のモードでは、前記カムを一定速度で少なくと
   も一回転させ、この回転中に予め定めた複数の回転角度
   ごとの吐出圧力を、圧力変動の有無に拘らず測定し、前
   記測定値に基づいて前記プランジャの送液速度が一定に
   なるように、前記カム回転角度ごとの回転速度の補正係
   数を前記演算部で算出し、この算出した補正係数を前記
   記憶部に記憶し、 前記第２のモードでは、前記記憶部に記憶された補正係
   数に基づいて、前記カムの回転角度ごとの回転速度を前
   記演算部で算出し、この算出値に基づく回転速度の信号
   を前記制御部から前記駆動部に送出し、この速度信号に
   基づいて前記カムを回転することにより、前記カムある
   いは前記プランジャ等の機械的な加工誤差による送液速
   度の変動が補正されるように、前記プランジャが駆動さ
   れることを特徴とする低脈流送液ポンプ。