JP3749260B2 - 管路、特に蠕動ポンプ内の液体の流れを制御するための装置 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は管路内の液体の流れを監視するための装置に関する。
更に詳細には、前記監視装置は、特に前記管路が蠕動ポンプの管路である場合に液体の流れの中の気泡の存在を検知する。
背景技術
管路内を流れる液体に偶然に気泡が侵入することがないようにすることは重要である。これは特に管路が、患者に潅流その他の液体を注入する医療用の管路である場合に重要である。
ある状況下において、単に重力のみならずポンプ例えばホイールポンプまたは蠕動ポンプにより管路の注射針に向けて液体が送られることがある。上記ポンプは、本願の出願人によるフランス国特許出願第２６９１２５８号の明細書に詳細に詳細に説明されている。こうした構成により、注入される液体の供給量を正確に制御可能となる。ポンプを使用する場合には、正確に作動させ漏れを防止しているにも拘らず、タンク内に空気が偶発的に侵入して、或いは、液体中に過剰な空気が溶解していたために、或いは、流動する液体に取り込まる気泡を生じるキャビテーションの効果により、前記液体中に許容できない量の気泡を生じることがある。こうした状況は全く許容することができず、そして、装置が液体の注入を中断可能に構成されている場合には、管路内に気泡が発生したことを、特に、ポンプからの出口において検知できることが重要である。
存在する可能性のある気泡を検知するために、これまで光学式の検知装置が提案されてきた。特に上記フランス国特許出願に記載されている。然しながら、液体および管路が透明もしくは実質的に透明である場合にのみ光学式に検知することができる。
この種の検知を行うために、超音波を用いることが提案されてきた。透過係数または透過インピーダンスは流体の特性により変化し、従って、液体に気泡が含まれているか否かにより変化する。周知となっている超音波式の検知装置では、圧電素子から成る送信器と受信器が管の両側に配置される。この送信器と受信器は半径方向のモードで励起される。この構成では超音波送信器の指向性が低いために、管が液体内に配置されている場合に、超音波の電波が乱されて気泡を検知できずに見逃す虞がある。上記超音波送信器／受信器装置では、また、比較的指向性のある超音波ビームを得ようとすると、比較的高い周波数を必要とし、従って同様に高い周波数の電気信号を検知しなければならない。典型的に、こうした周波数は１ＭＨｚよりも高く２ＭＨｚから５ＭＨｚぐらいである。その結果こうした検知装置の電気、電子装置は比較的複雑で高価となる。
発明の開示
本発明の目的は、管路内の液体の流れを監視する、特に、液体中の気泡を検知するための装置であって、低コストで小型の装置を提供することである。
この目的を達成するために、管路内の液体の流れを監視するための監視装置が、
前記管路（５２）が変形可能な出口を形成するようにした蠕動ポンプの支持構造体（１２、１４、５０）と、
第１の圧電素子（１６、５４）であって、その振動軸が検知領域内の前記管路に対して概ね垂直となっており、前記管路の第１の側部に配設されるように前記支持構造体に取り付けられた第１の圧電素子と、
超音波を送信するために、前記第１の圧電素子に軸方向モードで１００ｋＨｚから１５００ｋＨｚの範囲内の所定の周波数Ｆにて励起するための手段（２０、２２、２８、５８、６４）と、
第２の圧電素子（１８、５６）であって、その中心軸線が前記第１の圧電素子の中心軸線と一致しており、前記管路の第２の側部に配設されるように前記支持構造体に取り付けられ、以て前記管路を通過した後に前記超音波を受信する該第２の圧電素子とを具備し、
前記第２の圧電素子（５６）が、前記支持構造体に対して前記圧電素子の中心軸線に沿う方向に移動可能な移動支持体（６０、７２、７８）に固定されており、前記第１の圧電素子（５４）が前記支持構造体に対して固定されており、
前記装置が更に、
前記支持構造体と前記移動支持構造体の間に配設され、前記第２の圧電素子を前記管路の壁に付勢する弾性手段（７６）と、
前記管路に沿って流通する液体の過剰圧力に基づく前記管路の変形による前記移動支持体の前記支持構造体に対する変位を検知するための変位検知手段（８２）と、
前記第２の圧電素子の軸方向モードの振動の振幅を代表する電気信号をピックアップする手段（２４、２６、６０、６８）と、
前記電気信号を処理して、そこから前記管路内を前記検知領域を通過する気泡が存在する場合にその気泡の存在を演繹するための処理手段（３０）とを具備することを特徴とする。
圧電素子センサを軸方向モードで励起し、かつ、その振動をまた受信器の軸方向の励起モードで受信することにより、指向性の高い超音波ビームが得られ、そして励起周波数Ｆは、圧電素子の特性に依存して１００ｋＨｚから１５００ｋＨｚの範囲とすることができる。この周波数は従来の装置よりも著しく低い周波数である。従って、電気、電子回路を著しく単純化することが可能となる。
好ましくは前記支持構造体は蠕動ポンプの支持構造体であり、前記管路が前記ポンプの変形可能な管路の一部である。
好ましくは前記管路の軸線に垂直な平面内の前記圧電素子の送信／受信面の寸法を前記管路の内径の高さ以下とする。
好ましくは前記２つの圧電素子は同一の圧電素子である。
また、好ましくは蠕動タイプのポンプにより供給される液体の監視への適用の場合には、前記監視装置は、出口管路内の液体の偶発的な過剰圧力を検知する手段を具備している。上記過剰圧力により管路が変形する。
この構成は、特に有利な利点を有している。と言うのは、チューブが閉塞する或いは注射針に不具合が生じた等、液体の流れに問題を生じた場合にポンプを停止することが可能となるからである。
【図面の簡単な説明】
本発明の他の特徴、利点は、本発明を制限しない一例としての種々の実施形態の説明から明らかとなる。以下の説明は添付図面を参照してなされ、添付図面において、
図１は、超音波による気泡検知装置の単純な例あり、
図２は、蠕動ポンプの例における気泡を検知する装置の第１の実施形態の鉛直断面図であり、
図３は、第２の実施形態の図２と同様の図である。
発明を実施する最良の態様
先ず、図１を参照して、管路内を流れる液体中の気泡の存在を検知可能な本発明の実施形態を説明する。
図１には液体が流通する管路１０の断面図が図示されている。管路１０は、一点鎖線で示す支持構造体１２、１４の間に配設されている。管路を両側から挟む２つの圧電素子１６、１８が支持構造体１２、１４に取り付けられている。圧電素子は概ね円筒形状をしており、長さＬは直径Ｄよりも大きくなっている。電極２０、２２が送信側の圧電素子１６の端部に形成されている。電極２４、２６が受信側の圧電素子１８の端部に形成されている。上記２つの圧電素子は検知領域における管路１０の平断面内で延びる共通の軸線ＸＸ′を有している。更に軸線ＸＸ′は管路１０の中心軸線に対して実質的に垂直となっている。電極２０、２２は、各々、周波数が制御されるＡＣ信号発生器２８とアースＭに接続されている。パルス発生器２８により電極２０、２２に所定周波数Ｆ、好ましくは圧電素子の固有周波数の励起電気パルスを与えることにより、圧電素子が指向性のある超音波ビームを管路１０を貫通して、すなわち、管路内を流通する液体を通過するように照射する。圧電素子の励起周波数は、圧電素子がセラミック製である場合には、好ましくは１００ｋＨｚから１０００ｋＨｚの範囲、典型的には３００ｋＨｚとする。周波数が比較的低いので、パルス発生器２８および関連する電気回路は標準的な構成とすることができる。
圧電素子１６、１８は、好ましくは結合(coupling)を最適化するために同一とする。
対称的に、受信側の圧電素子１８は軸小孔の振動の周波数を同じ振動数Ｆの電気信号に変換する。この電気信号は検知器３０によりピックアップされる。こうした検知器はそれ自体周知である。これらの検知器は、好ましくは励起周波数に同期する受信した信号のレベルを所定の閾値と比較することにより、検知器は管路１０に沿って流通する液体の流れの中に気泡が存在する場合に、音響インピーダンスの変化によりその気泡を検知する。
圧電素子１６、１８の励起モードにあるとき、超音波ビームの指向性が高く測定は乱されない。
図面の平面内での管路１０内の気泡の検知を最適化するために、圧電素子１６の寸法Ｄは管路の内側の高さＨ以下とし、好ましくは全ての気泡を検知するように実質的に等しくする。
高さＨが３ｍｍの管路に対して、圧電素子１６は直径２．５ｍｍ、長さＬが５ｍｍの寸法を有している。層状に形成した複合圧電素子を用いることもできる。この場合、圧電素子の軸に垂直な断面が矩形、例えば高さ１．８ｍｍ、長さ（図面に平面に対して垂直方向の長さ）４ｍｍの矩形となる。その厚さは２．５ｍｍである。軸方向モードの励起振動数は、２００ｋＨｚから１５００ｋＨｚの範囲とし、好ましくは約９００ｋＨｚである。
液体中の気泡を検知するための監視装置の単純な構成の実施形態の説明に続いて、蠕動ポンプに応用される監視装置の第１の実施形態を説明する。本発明の装置は、液体の流れの中の気泡を検知するのみならず、管路内の液体の過剰圧力を検知する。
図２に、蠕動ポンプの支持構造体５０および該蠕動ポンプの柔軟な管路の出口部分５２を示す。図１を参照して既述したように、気泡検知装置は軸方向モードで励起される２つの圧電素子５４、５６を具備している。圧電素子５４、５６は、管路５２の両側に配設されており、それらの振動中心軸ＹＹ′は実質的に同一直線上にあり、かつ、検知領域内の管路５２の中心軸線に対して垂直となっている。２つの圧電素子は好ましくは同一の圧電素子であり、かつ、既述した種の圧電素子である。圧電素子の正面５４ａ、５６ａは、適当な手段により各々のフロント電極５８、６０に取着されている。図２に示すように、管路の方向に広がるように形成された空所を有している。圧電素子の各々の活性面は、空所を閉じる電極の薄肉壁５８ａ、６０ａに取着されている。圧電素子の活性面と管路５２の間に設けられているこの薄肉壁は、圧電素子から伝達される超音波の波長の半分以下の暑さｅを有している。上述したセラミックの圧電素子の場合、その厚さは０．３ｍｍである。また、好ましくは電極５６の外面は絶縁のために「テフロン」タイプのコーティングにより覆われている。電極５８、６０および関連する導電性材料をベークライトなどの電気絶縁材料挿入することにより、電極５８、６０を絶縁材量に取り付けてもよい。電極５８、６０は、管路５２の壁に押圧される。詳細には、圧電素子５４に関連する電極５８がシールリング６２により支持構造体５０に対して移動しないように取り付けられる。圧電素子５４には、その第２の端面に第２の電極６４が取着されており、該電極は導体６６に接続されている。圧電素子５６にも同様に、その第２の端面に第２の電極６８が取着されており、該電極は導体７０に接続されている。この圧電素子５４、５６の対は、図１を参照して説明したように、管路５２内を流れる液体中の気泡の存在を検知する。
管路５２の過剰圧力を検知する、つまり該管路の柔軟な壁５２ａの変形を検知するために、本発明の好ましい実施形態では、電極６０は圧電素子５６を包囲するスリーブ状の部分７２を有している。スリーブ７２は、蠕動ポンプの支持構造体に固定された円筒部材７２内に摺動自在に取り付けられている。弾性の柔軟な薄膜７６が、移動する電極６０とポンプの支持構造体との間の機械的リンクを形成し、管路５２が膨張すると、電極６０が支持構造体に対して移動可能となっている。更に、柔軟な薄膜がこの移動する組立体、すなわち圧電素子５６を管路５２に付勢する。キャップ７８が圧電素子５６を収納する空所８０を密封の目的で閉鎖する。
圧力の増加を検知するために、圧力センサ８２、好ましくは抵抗型のセンサが、支持構造体の固定された剛性の壁８４と柔軟な小片８６の間に配設されている。柔軟な小片はキャップ７８、つまり圧電素子５６を含む移動組立体に対して押し付けられている。こうして、液体の過剰圧力による管路５２の変形が移動組立体６０、７８および柔軟な小片８６により圧力センサ８２に伝達される。電極５８、６０の表面は、圧電素子の絶縁と同様に、好ましくはテフロン等の非常に摩擦係数の低い材料により被覆されている。これにより軸ＸＸ′方向以外の方向の余分な応力が除去される。次いで、センサが電気信号を送信する。この信号は、適当な検知回路により処理され、これによりアラーム信号を発生させ、或いは、ポンプの作動を自動停止させる。
図３に図２の検知装置の変形実施形態を示す。の変形実施形態では、圧電素子５４は図２の圧電素子に類似する態様で取り付けられている。そのために繰返しとなる説明を省略する。これに対して、管路５２の超過圧力の検知器に組み込まれたセンサ５６は、異なる構成にて取り付けられている。これを以下に説明する。
第２のセンサ５６の活性面５６ａは部材１００に固定されている。部材１００は、主支持構造体１０８に固定された部材１０４、１０６により形成されるハウジング１０２に対して移動可能となっている。部材１００および圧電素子５６は、撓む方式の歪みゲージ１１２の端部１１０に取着されている。歪みゲージ１１２の他端は支持構造体１０８に、例えば、埋設することにより固定されている。歪みゲージ１１２は２つの機能を発揮する。第１に、撓むことによりポンプの管路の過剰圧力を検知する。この過剰圧力は部材１００およびセンサ５６を移動させ、従って、センサの端部１１０を移動させる。第２に、その弾性により歪みゲージ１１２は部材１００をポンプの管路に対して常時押圧する。
センサ５６を密封するために、ハウジング１０２にはゲルが充填されている。このゲルは、固化したときに、圧電素子をハウジング内に保持しながら、ポンプの管路の過剰圧力により部材１００が移動するときに、摩擦または他の拘束力を発生させない適当な固さのゲルである。
管路の検知された過剰圧力の精度を更に改善するために、センサ５４、５６の軸線に対して直角に配設された２つの部材１２０、１２２がカセット内に固定さている。この部材は、円筒面の一部の形状をした面１２０ａ、１２２ａを有しており、垂直方向ＺＺ′への管路の変形を防止し、管路の変形をセンサの中心軸線ＸＸ′の方向、つまり歪みゲージ１１２の端部１１０の変位方向に集中する。

Claims (9)

1. 管路（１０、５２）内の液体の流れを監視するための監視装置において、前記装置が、
   前記管路（５２）が変形可能な出口を形成するようにした蠕動ポンプの支持構造体（１２、１４、５０、１０８）と、
   第１の圧電素子（１６、５４）であって、その振動軸が検知領域内の前記管路に対して概ね垂直となっており、前記管路の第１の側部に配設されるように前記支持構造体に取り付けられた第１の圧電素子と、
   超音波を送信するために、前記第１の圧電素子に軸方向モードで１００ｋＨｚから１５００ｋＨｚの範囲内の所定の周波数Ｆにて励起するための手段（２０、２２、２８、５８、６４）と、
   第２の圧電素子（１８、５６）であって、その中心軸線が前記第１の圧電素子の中心軸線と一致しており、前記管路の第２の側部に配設されるように前記支持構造体に取り付けられ、以て前記管路を通過した後に前記超音波を受信する該第２の圧電素子とを具備し、
   前記第２の圧電素子（５６）が、前記支持構造体に対して前記圧電素子の中心軸線に沿う方向に移動可能な移動支持体（１００）に固定されており、
   前記装置が更に、
   撓む方式の歪みゲージ（１１２）であって、その一端（１１０）が前記移動支持体（１００）に固定され、その他端（１１４）が前記支持構造体（１０８）に固定され、以て前記移動支持体（１００）を前記管路（５２）に付勢し、前記移動支持体の変位を検知して前記管路内の過剰圧力を検知する歪みゲージと、
   前記第２の圧電素子の軸方向モードの振動の振幅を代表する電気信号をピックアップする手段（２４、２６、６０、６８）と、
   前記電気信号を処理して、そこから前記管路内に検知領域を通過する気泡が存在する場合にその気泡の存在を演繹するための処理手段（３０）とを具備することを特徴とする監視装置。
2. 前記移動支持体（１００）および前記第２の圧電素子が前記支持構造体（１０８）のハウジング（１０２）に取り付けられ、前記ハウジング内にゲルが充填されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. ２つの前記圧電素子が同一であることを特徴とする請求項１に記載の監視装置。
4. 前記管路の軸線に垂直な平面内の前記圧電素子の送信／受信面の寸法が、前記管路の内径の高さ以下となっていることを特徴とする請求項１に記載の監視装置。
5. 前記寸法が前記管路の内径の高さと等しくなっていることを特徴とする請求項４に記載の監視装置。
6. 前記圧電素子がセラミックから成り、前記所定の周波数が１００ｋＨｚから１０００ｋＨｚの範囲内にあることを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の装置。
7. 前記周波数が概ね３００ｋＨｚであることを特徴とする請求項６に記載の装置。
8. 前記圧電素子が層状の複合圧電素子から成り、前記所定の周波数が２００ｋＨｚから１５００ｋＨｚの範囲内にあることを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の装置。
9. 前記周波数が概ね９００ｋＨｚであることを特徴とする請求項８に記載の装置。

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