JP3698277B2

JP3698277B2 - 輸液ポンプ

Info

Publication number: JP3698277B2
Application number: JP30916395A
Authority: JP
Inventors: 康一古沢
Original assignee: Terumo Corp
Current assignee: Terumo Corp
Priority date: 1995-11-28
Filing date: 1995-11-28
Publication date: 2005-09-21
Anticipated expiration: 2015-11-28
Also published as: EP0881388A1; JPH09151856A; US5988983A; EP0881388B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、輸液ポンプ及び輸液方法に係り、特に可撓性輸液チューブ外周面を押圧することにより輸液を行う蠕動式輸液ポンプ及び輸液方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
輸液チューブ内に充満される内容物または内容液を送り出すために、輸液チューブの長手方向に作用するフィンガを備える蠕動式の輸液ポンプが使用されている。
【０００３】
欧州公開特許番号０４２６２７３Ｂ１の「ポンピング装置」によれば、輸液チューブの上流側と下流側においてチューブを閉塞するための閉塞手段を夫々配設しておき、その間に複数のフィンガを有したフィンガ部材を設けておき、フィンガ部材により輸液チューブを保持した状態にしてから往復駆動することにより、輸液チューブを外周面側から押圧して略潰す状態にして輸液チューブの断面積を減少させるするようにして輸液を行う技術が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、輸液チューブを略完全に潰すようにして輸液を行うようにすると、チューブ製造条件に起因するチューブ内径の差異に基づく断面積の差異により吐出量に差異が生ずることになる。
【０００５】
即ち、図９の模式図を参照して、潰す前の状態の輸液チューブＴが内径２ｄ、チューブ内径の差異が２Δｄであるとして、チューブ外径の差異に起因するチューブ内径の差異（２Δｄ）に基づく断面積の差異（ΔＡ）から求まるフィンガの１周期（１サイクル）当たりの吐出量の差異（ΔＶ）であって、πΔｄ（２ｄ−Δｄ）Ｌで表わされる分の吐出量誤差が発生することになる。また、チューブ内径誤差の少ない輸液チューブは製造管理等が困難となるのでコスト高となるし、また繰り返し使用したものはチューブ内径に誤差が生じることになる。
【０００６】
したがって、本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、内径より製造上管理がより行い易い輸液チューブの外径部位を適度に押圧することで、高い流量精度の輸液を行うことができる輸液ポンプ及び輸液方法の提供を目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明によれば、輸液チューブを外径側から押圧して送液を行う輸液ポンプにおいて、所定外径を有する輸液チューブの長手方向に沿って複数分が配設されるとともに個別駆動されるフィンガと、該フィンガとの間で前記輸液チューブを不動状態に保持する保持手段を具備してなり、前記輸液チューブを潰した時の吐出量が前記輸液チューブの潰し量の２乗に比例するように前記フィンガをカムで個別的に駆動することにより、前記輸液チューブを前記外径側から押圧して送液を行う駆動部を備え、前記駆動部の前記カムは、前記フィンガを順次下死点から上死点に移動させて前記輸液チューブを潰すための移動速度が、前記輸液チューブの前記潰し量の２乗の逆数になるカム曲線を備えることを特徴としている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態につき添付図面を参照して説明する。図１（ａ）は輸液ポンプの横断面図、図１（ｂ）は（ａ）のＸ‐Ｘ矢視断面図である。
【００１３】
本図において、輸液ポンプの駆動部の構成は、駆動モータ１の回転力がベルト２を介してカム軸３に伝達され、このカム軸３に固定されるカム４が、フィンガ１０を、一端に設けたフィンガ板６において回転自在に支持されているカラー５に対して接触することで、カム４の回転運動をフィンガ板６の直線運動に変換するようにしている。
【００１４】
各フィンガ板６は図示しない開閉自在のドアに対してバネを介して係止される受け板７との間で、図中の破線図示のチューブＴを挟持する状態に保持して、駆動モータ１の駆動を行う。この結果、フィンガ板６が図１（ｂ）に示される矢印方向に往復駆動されることになり、挟持状態にある輸液チューブＴがフィンガ１０により後述のように順番に圧閉されることにより送液を行うように構成されている。また、図示のようにシャフト８をフィンガ板６の長円形の案内孔部６ａに夫々通過させるようにしてカム板６を支持するようにして、横方向に発生するガタを無くするようにして、常にチューブを安定的に両矢印方向にの潰せるようにしている。さらにまた、カムを回転自在に支持するシャフトと平行に複数のシャフトを設け、フィンガに設けられたシャフトと略同径の長円形の穴に通すことにより、フィンガの左右方向のガタを抑えることができる。
【００１５】
ここで、上記のカム４とカラー５との係合関係は様々な係合関係があることから、図１では模式図的に示しているが、この係合関係乃至カム駆動機構構成は図１に示される構成に限定されず、例えば溝カム方式によりカラーとリンクとから構成する等種々採用可能なことは言うまでもない。また、自在なカム曲線に応じてフィンガが前後できるように、軸回転自在に取り付けられたカラーと、このカムが接することにより、カムの形状に応じて各フィンガが前後に移動するように構成しても良い。
【００１６】
また、図示していないが、輸液バッグ等より後続された点滴筒を有する輸液チューブを、前記フィンガとの間で挟持して使用される場合が多い。
【００１７】
図１において、最下段のカム板６に設けられたフィンガ１０は脈動を防止する働きをするために、輸液チューブＴ内に薬液が流入している間は輸液チューブを潰す動作をして上死点の位置まで駆動される。したがって、この上死点位置状態でも下流への送液を継続できるようにするために、最下段のフィンガ１０は、上段のフィンガが吐出動作を行っている間は、上死点から下死点ヘと徐々に移動して、最下段のフィンガ１０が接触するチューブ部分において上段のフィンガ１０により吐出される液の一部を蓄えるようにしている。
【００１８】
また、これとは逆に、上段のフィンガ１０が送液動作を行っている間には、最下段のカム板６に設けられたフィンガ１０が下死点から上死点へと移動されて、下流への送液を補正して継続するようにカム４のタイミングが設定されている。なお、図１ではカム板６に１枚のフィンガ１０が設けられる様子が示されているが、フィンガ１０は複数枚設けるようにしてもよく、厚みのある１枚でもよく、さらにまたフィンガ１０の厚みも同一である必要もなく、形状乃至枚数は適宜設定されるものである。要するに、上段のフィンガ１０の枚数もしくは形状は、上記のカム軸３の１周期分の駆動により吐出される吐出量に応じて設定されるものである。
【００１９】
以上の構成になる輸液ポンプによれば、最上段フィンガ１０と最下段のフィンガ１０以外は輸液チューブＴを完全に潰すまで押圧しないようにしている。次に、この原理について述べると、図２は肉厚のチューブを潰したときの断面積の変化を示した模式図である。
【００２０】
本図において、輸液チューブＴは潰しても実質的に伸びないポリ塩化ビニル樹脂等の熱可塑性樹脂で形成された可撓性素材から形成されており、フィンガの押圧作用により外周長は変化しないとものとする。
【００２１】
輸液チューブの潰す前のフリー状態の内径を２ｄとして、長手方向のＬ分がフィンガにより潰されるとする。
【００２２】
輸液チューブＴを２Δｄ分潰して破線で示したように半径ｄ’の長円形の状態に変形したとすると、図示のようにＫを長円形の直線部分の長さＬとすると、周長２πｄは変化しないことから次の式が成り立つ。
【００２３】
２πｄ＝２Ｋ＋２πｄ’ （１）
ｄ’＝ｄ−Δｄ（２）
（１）、（２）式より
Ｋ＝πΔｄ（３）
が導かれるので、輸液チューブＴを２Δｄ分潰したときの内面積Ｓ’は
Ｓ’＝２ｄ’Ｋ＋πｄ’2（但し、半角の2は二乗を示す）
＝π（ｄ2−Δｄ2）（４）
となる。最初の面積はπｄ2であったので、結局２Δｄ分をフィンガにより押しつぶしたときの面積の減少量ΔＳは
ΔＳ＝πΔｄ2 （５）
で表されることになる。
【００２４】
この（５）式より、輸液チューブＴを潰したときの吐出量は、潰し量の二乗に比例する事がわかる。このことは、径の異なる輸液チューブＴを使用した場合において、その潰し量を精度良く計測・制御することができれば、正確に流量をコントロールできることを意味する。
【００２５】
そこで、実際に輸液チューブを潰す量と吐出量の関係を実験により確認したところ、図３に示す実測した輸液チューブ潰し量とその時の吐出量との関係図を得ることができた。この実験から得られた曲線は放物線をなすことからして、上記の（５）式による計算値に略一致することが確認された。
【００２６】
一方、実際の輸液チューブＴには肉厚があり、同一製造方法で作られた輸液チューブでも肉厚には製造上変動する公差分がさらに加わることになる。従って、内径がゼロになるまで輸液チューブを完全に潰す従来の駆動方式によれば、チューブ外径の潰し量と吐出量の関係には肉厚公差分の誤差が含まれる事になる。換言すれば、チューブ内径の製造公差によるチューブ内面積の誤差分がそのまま吐出量の誤差となってしまう事になる。
【００２７】
しかしながら、フィンガが最大移動する上死点の位置においても、肉厚の公差を考慮して、その挟持幅を内径がゼロにならないように設定すれば、吐出量の変化は外径の公差にのみ依存する事になる。また、輸液チューブＴの外径は、内径と比べて製造公差を抑えやすく、かつ測定も容易で製造管理が可能である。
【００２８】
従って、図１においてフィンガ１０と受け板７間の挟持幅を、下死点では外径より広く、また上死点では、肉厚より広くなるように設定すれば、一般の安価な輸液チューブを用いても流量精度を高く管理することができる。また、このような一般向けの輸液チューブは外径変動が大きいので、専用の外径測定のセンサを輸液ポンプに設けておき、駆動部にセットされた輸液チューブの外径を自動測定して、吐出量の変化を計算して、それに応じた駆動モータの速度制御を行うようにして、各種の輸液チューブを使用した場合でも高い流量精度を得るようにしても良い。
【００２９】
次に、図４は外径公差２α分を含む外径公差の輸液チューブにおいて輸液量誤差を補正できることを示した模式図である。本図において、フィンガが下死点に移動したときにフィンガと押し板間の挟持幅を、輸液チューブの外径より狭くすることで、外径公差による輸液量誤差を補正できることを示す。本図において、チューブ肉厚は無視し、内径が２ｄの輸液チューブには、径の公差分を２αとして内径が２（ｄ＋α）の輸液チューブを駆動部にセットした場合、下死点ではともに２（ｄ−Δｄ）の幅になるように挟持される。ここで、２Δｄは、潰し量である。尚、上死点ではチューブ内径部分が略完全に潰れるものとする。
【００３０】
図４での各状態での断面積は（６）〜（９）式で表される。
【００３１】
Ｓ１＝πｄ2（但し、半角の2は二乗を示す）（６）状態１
Ｓ２＝π（ｄ＋α）2 （７）状態２
Ｓ１’＝π（ｄ2−Δｄ2）（８）状態１’
Ｓ２’＝π（ｄ＋α）2−π（α＋Δｄ）2 （９）状態２’
下死点では、フリーとした場合の２本の輸液チューブの断面積は上記の（６）、（７）式から求められる。上死点がフリーな状態からチューブを全て潰した場合の断面積の比は（１０）式で与えられる。同じく下死点で潰されている場合の２本の輸液チューブの断面積は、（８）、（９）式から求められる。この状態からチューブを全て潰した場合の断面積の比は（１１）式で与えられる。
【００３２】
【数１】

【００３３】
したがって、（１０）式から２α／ｄ分が流量誤差分となる。一方、（１１）式においては、２α／α（１＋Δｄ／ｄ）が誤差分となる。
【００３４】
２α／ｄ＜２α／α（１＋Δｄ／ｄ）より、（１１）式の方が誤差分が少ないので、下死点において、チューブが潰された状態の方が、輸液量誤差分が小さくなり輸液精度が向上する。
【００３５】
図５はチューブ外径に対する潰し量−流量誤差を示す図表であって、横軸はΔｄ／ｄである。下死点でフリーな状態での２本の輸液チューブの断面積比を基準にして効果を示している。本図において、例えば外径に対する潰し量の割合が０．４の場合に、チューブを全部潰した場合の誤差を１０％とすると、１０％×０．７＝７．０％となり、輸液量精度が向上することを示している。
【００３６】
次に上記理論式に基づいて、薬液を送液する順序を図６のフィンガの位相を示した動作説明図において述べる。本図において、図４とは異なり、フィンガ１０が最も右に移動しているときが閉塞を行う上死点であり、最も左に移動している時が離れる下死点であることを夫々表しており、フィンガ１０の本数Ｎが５本の場合を示しており、工程Ａから工程Ｆを経るように駆動される。
【００３７】
先ず、工程Ａにおいて最下段の第５フィンガ１０−５が上死点に位置しており輸液チューブＴを下流側において圧閉する一方、他のフィンガが下死点に位置している。この下死点におけるチューブ挟持幅は、輸液チューブの外径寸法より狭く設定されている。この工程Ａに示される状態において、上流より薬液が流入されて、輸液チューブ内に満たされる。
【００３８】
次に、工程Ｂに移行して、最上段の第１フィンガ１０−１を上死点に移動して輸液チューブを圧閉して、流入を止める。続いて、工程Ｃにおいて、第５フィンガ１０−５を下死点側に移動させることで、輸液チューブを下流側に向けて開く状態にする。そして、続く工程Ｄから工程Ｅにおいて、第２、第３、第４フィンガ１０−２、１０−３、１０−４の順に上死点側に移動させることにより、断面積を順次減少させて、薬液を下流側（矢印方向）に吐出する。
【００３９】
最後に、工程Ｆにおいて、第５フィンガ１０−５を上死点側に移動させて輸液チューブを圧閉して吐出を終了し、第１から第４フィンガを下死点に移動させることにより、１周期分の動作を終了する。第２から第４フィンガ１０−２、１０−３、１０−４の上死点位置は、輸液チューブ内腔を潰さない程度に挟持するように設定される。
【００４０】
流量精度の測定比較例を図７、８に示す。図７は輸液チューブ外径を横軸に、図８は輸液チューブ内径を横軸にとっている。両図において、夫々プロットされたデータとの対比と、各データに基づいて演算される相関係数ｒの比較において、従来のペリスタルティック方式では内径に、本方式は外径に流量精度がより強い相関を持っている事が分かり、かつ本発明による流量精度が良いことが示されている。
【００４１】
また、上記の（５）式から、フィンガの移動量の２乗に比例して断面積が減少して吐出量が変化することから、一定速度でフィンガを下死点から上死点側に移動するようにすれば、その移動の間においても吐出量に脈動が生じる。従って、フィンガの下死点から上死点への移動速度が、フィンガ移動量つまりチューブ潰し量の２乗の逆数に比例する様にカム曲線を設定すれば、脈動のない送液を実現できる。尚、最上段及び最下段のフィンガ１０以外のフィンガは複数個に限らず、所定厚さを有する１個のフィンガとしても良い。
【００４２】
以上説明したように、本発明によれば、輸液チューブ外径に依存した流量精度を得ることが可能となり、かつまた脈動のない安定した流量精度が得られる輸液ポンプを提供することができる。
【００４３】
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は輸液ポンプの平面図、図１（ｂ）は（ａ）のＸ‐Ｘ矢視断面図である。
【図２】輸液チューブ断面状態を示した模式図である。
【図３】輸液チューブを潰したときの潰し量と吐出量の相関関係を示した相関図である。
【図４】輸液チューブ断面状態を示した模式図である。
【図５】流量誤差の補正効果を示した図である。
【図６】輸液ポンプのフィンガの動作説明図である。
【図７】流量精度の比較図である。
【図８】流量精度の比較図である。
【図９】従来の輸液チューブ断面状態を示した模式図である。
【符号の説明】
１駆動モータ
２ベルト
３カム軸
４カム
５カラー
６カム板
７受け板（保持手段）
８シャフト
９ケース
１０フィンガ
Ｔ輸液チューブ

Claims

輸液チューブを外径側から押圧して送液を行う輸液ポンプにおいて、
所定外径を有する輸液チューブの長手方向に沿って複数分が配設されるとともに個別駆動されるフィンガと、
該フィンガとの間で前記輸液チューブを不動状態に保持する保持手段を具備してなり、
前記輸液チューブを潰した時の吐出量が前記輸液チューブの潰し量の２乗に比例するように前記フィンガをカムで個別的に駆動することにより、前記輸液チューブを前記外径側から押圧して送液を行う駆動部を備え、
前記駆動部の前記カムは、前記フィンガを順次下死点から上死点に移動させて前記輸液チューブを潰すための移動速度が、前記輸液チューブの前記潰し量の２乗の逆数になるカム曲線を備えることを特徴とする輸液ポンプ。