JP3899738B2 - チューブポンプ及び水質分析装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、チューブ内の液体をチューブの変形により駆動するチューブポンプ及びこのチューブポンプを用いた水質分析装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のチューブポンプはチューブを外部から押しつぶし、チューブ内の液体を吸入または排出する構成が用いられてきた。チューブポンプの種類としては、
（ａ）円筒状壁面を有するケーシング内を円筒状壁面に沿って回転するローラが、ケーシングとローラーとの間に挟まれたチューブ内の液体を順次入口側から出口側に送るタイプのもの（特開平８−４９６５７号公報）、
（ｂ）直線状のチューブにローラを押し当て、ローラをチューブに沿って移動させるタイプのもの（特開平６−３１７２５６号公報）、
（ｃ）チューブを順次押しつぶし蠕動させ送液するタイプのもの（特開平８−１７０５９０号公報）
などがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述したチューブポンプでは、チューブをローラなどの機構で変形させるため、ローラやローラ駆動のための機構が必要なため構造が複雑となる。また、ローラとチューブ間の滑りや摩耗により、流量変動や流量ドリフトが生じる虞れがある。
【０００４】
このため、吐出量や流量を高精度に保つためにはシリンジポンプが使用されることが多い。シリンジポンプは特開平１０−１８４５３４号公報に記載のように、回転−直動変換機構によりモータの回転を直動に変換し、円筒状のピストンをシール部を介してポンプ室内に出し入れし、ポンプ室内の有効体積を変化することによりポンプ室内への液の出し入れを行う。ポンプ室に出入口を設けそれぞれに接続するバルブを設けることにより、吸引時には入口側のバルブを開き出口側のバルブを閉じて、ピストンをポンプ室から引き出すことにより液を吸入し、吐出時には入口側のバルブを閉じ、出口側のバルブを開きピストンをポンプ室に押し込む。したがって、シリンジポンプではピストンの出入に対応して正確な吸引吐出が可能であるが、回転・直動変換機構や高精度のピストンが必要なためコストが高くなる。また、シール部の摩耗などの問題があるため、粒子などを含まない清澄な液体用としての使用に制限されていた。
【０００５】
本発明の目的は、構造が簡単で低コスト、長寿命のチューブポンプ及び水質分析装置を得ることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、回転軸を備えたアクチュエータと、このアクチュエータ回転軸の両端にそれぞれの一端を接続された第１及び第２のチューブと、前記アクチュエータを固定すると共に前記第１、第２のチューブの他端を固定するための支持体とを備え、前記チューブに前記アクチュエータにより「ねじり」や「ほどき」を与えることにより、チューブに対し流体を流入・流出させ、それによって外部に流体を送出するようにしたチューブポンプにおいて、前記回転軸は貫通する流路を有し、前記第１、第２のチューブは前記貫通する流路を介して互いに連通していることにより達成される。
【０００７】
また上記目的は、前記回転軸には貫通する流路を有し、該回転軸の両端にそれぞれ第１及び第２のチューブを接続し、これら第１、第２のチューブは前記貫通流路を介して連通していることにより達成される。
【０００８】
また上記目的は、前記第１、第２のチューブの支持体固定側に接続される流路にそれぞれ流路を開閉するためのバルブを設けたことにより達成される。
【０００９】
また上記目的は、貫通孔を有し独立に駆動される第１、第２の回転軸と、前記第１回転軸の一端及び他端にそれぞれ接続された第１及び第２のチューブと、前記第２回転軸の一端に接続された第３のチューブとを備え、前記第１及び第３のチューブの反回転軸側をそれぞれ固定部に固定し、前記第２のチューブの反回転軸側を前記第２回転軸の他端に接続し、前記第１、第２回転軸の回転を制御することにより、前記第１または第３のチューブ部の一方の固定部側から他方の固定部側に流体を送出することにより達成される。
【００１０】
また上記目的は、貫通孔を有する回転軸を備えたアクチュエータと、前記回転軸の貫通孔内に配置されかつ一端を回転軸に取付られたチューブと、このチューブの他端を固定する固定手段とを備え、前記回転軸を回転させることにより前記チューブに「ねじり」や
「ほどき」を与えてチューブ内に流体を流入または流出させ、流体を外部に送出するようにしたことにより達成される。
【００１１】
また上記目的は、アクチュエータの回転角度を制御して吐出量を制御する制御部を設け、この制御部では、チュ−ブからの吐出量をΔ V 、チューブ回転角度をθ、不感帯（回転初期のチューブ内部容積が変化しない領域）を示す回転角度の上限値をθｄ、チューブ長さをＬ 0 、チューブ肉部断面積をＳ 0 、チューブ内径をｒ in としたとき、次式の関係でチューブの回転角度を制御することにより達成される。
【数１】

【００１２】
また上記目的は、アクチュエータの回転角度を制御して吐出量を制御する制御部を設け、この制御部では、チューブからの吐出量をΔ V 、チューブ回転角度をθ、不感帯（回転初期のチューブ内部容積が変化しない領域）を示す回転角度の上限値をθｄ、チューブ長さをＬ 0 、チューブ肉部断面積をＳ 0 、チューブ内径をｒ in 、チューブ外径をｒ out としたとき、次式の関係でチューブの回転角度を制御することことにより達成される。
【数２】

【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明のチューブポンプは、チューブ、チューブの支持体、及びチューブを回転させてねじるためのアクチュエータ等を基本構成とする。例えば、以下のように構成する。
【００２１】
（１）チューブの一端を固定部に、他端をモータなどの回転機構に連結し、モータによりチューブを回転させて、「ねじり」「ほどき」を与え、チューブ内部の流体を吐出・吸引する。チューブへの流体の出し入れは、チューブの一方の端部または両端から行う。
【００２２】
（２）上記（１）の構成のユニットを複数連結することにより、流体を双方向に搬送することも可能となる。チューブの流体出入口にはバルブを設け、吐出時には出口側のバルブを開、入口側のバルブを閉とし、同時にチューブに「ねじり」を与え、チューブ内容積を減少させて流体を出口側に吐出する。また、吸入時には入口側のバルブを開、出口側のバルブを閉とし、チューブに「ほどき」を与えて、チューブ内容積を増加させ流体を入口側から吸入する。
【００２３】
なお、流体の出入口は、１つの場合と２つの場合がある。また、流体の出入口は、固定の場合と軸方向に回転する場合とがある。流体の出入口が２つの場合、その両端を固定する場合と、片側を固定し、他側は回転可能にする場合とがある。チューブを回転するためのアクチュエータがモータの場合、モータの回転軸にチューブを直接接続する場合と、モータの回転力をギアなどの伝達手段を介して回転軸に接続し、この回転軸にチューブを接続する場合がある。
【００２４】
以下、本発明の具体的実施例を図面に基づき説明する。図１はモータ回転軸にチューブを直接接続した場合の実施例である。チューブ４の一端をモータ２の回転軸２１に接続する。また、チューブ４の他端を支持体３に接続する。支持体３は硬質素材により構成され、チューブ４の他端からチューブ内部に通じる管などの流路３１を固定している。流路３１は外部に開放とするか、または流体を扱う装置（図示せず）の流体回路に接続される。支持体３にはモータ２が、直接または支持部材を介して取付られている。以上の構成により、チューブ４はモータ２の回転軸２１の回転による、「ねじり」「ほどき」により、チューブ４の内容積を変化させ、この内容積の変化によりチューブ４の一端側の流路３１を介して流体をチューブ４に出入りさせることができる。
【００２５】
なお、モータ２の回転軸２１をモータ２の両側に突出させ、この回転軸内に貫通する流路を設けて流体の出入口とし、チューブ４の支持体３への固定側には流路を設けず閉塞固定するようにしてもよい。
【００２６】
モータとしては入力パルス数に比例する回転角度となるステッピングモータが望ましい。また、アクチュエータとしてはモータのみではなく、ロータリーソレノイドや羽根車等により回転力を発生するものでもよい。 モータ回転軸の回転角度または回転位置を検知するロータリーエンコーダやホール素子などの回転センサを設け、モータの回転速度や回転位置を制御することにより、吐出量や吐出流量を制御するようにしてもよい。
【００２７】
なお、チューブの「ほどき」は、モータの電源を切りチューブの弾性により元の形状に戻すようにしてもよい。このとき、回転センサを用い、 原点に復帰していない場合はモータを正・逆回転し回転センサの示す原点位置まで戻すようにすれば更に良い。また、吐出量を流路３１またはその延長上の流路に設けた流れセンサにより検知し、所望の流量となるようにモータの回転を制御してもよい。
【００２８】
流体の出入口が１つの場合には分注器とみなすことができる。分注器をロボットハンドやステージなどの駆動機構に搭載し、複数の容器から容器に分注器先端から液を移動する。なお、分注部を固定し、容器を回転ステージなどに搭載して移動させ、分注器からの液体の吸入吐出をさせることもできる。移動機構を分注部と容器の双方に設け、分注動作を行うようにしても良い。チューブに腐食性・汚染性の無い液体を満たし、容器内の液体と直接接触しない様に構成することもできる。なお、搬送する液体は必ずしも容器内にある必要はなく、基板上への接着剤の点着やウエハ上へのレジストの供給、ＤＮＡチップなどの平面基板上へのＤＮＡ試料の点着など、面上への液体の移動など、あるいは注射器などにも使用可能である。
本発明のポンプは、機能としてはシリンジポンプと同様であるから、現在シリンジポンプの使用されている多くの分野への応用が可能である。
【００２９】
図１に示すように、流路３１を分枝した流路３１３，３１４にそれぞれバルブ６１，６２を設け、チューブ４をねじる場合とほどく場合で交互に開閉することにより、双方向に流体を送るポンプとすることができる。チューブ４から分枝部３１５に至る流路３１の体積をチューブ４の「ねじり」「もどし（ほどき）」の場合の内容積の差以上とすれば流路３１３，３１４を通過する流体が直接チューブ４に触れることがないので、チューブ４が流体に侵されることがなく、チューブの寿命を向上させてメンテナンスが容易になる。チューブ４内にはチューブを侵すことのない保護用の流体をあらかじめ注入しておいてもよい。
【００３０】
本実施例によれば、モータ回転軸にチューブを固定しているので構成が簡素になる。分注器として使用した場合には、構造が簡素で小形軽量にできる。分注器を小形軽量にできるため、分注器を直接駆動機構に搭載して駆動することも容易になり、装置システム全体の小形化が図れる。また、ポンプ部とノズル間が極近接するため、ポンプとノズルを結ぶ長いチューブの変形、振動、気泡の混入・滞留による分注流量の変化や分注量の誤差を低減できる。
【００３１】
図２は他の実施例を示す図で、モータ２の回転軸２１の両端にチューブ４１、チューブ４２が接続され、回転軸２１を貫通する流路２２により、流体の出入口となる流路３１１と流路３１２間とを連通している。なお、チューブを１本のみとし回転軸２１を貫通する流路２２の前記チューブと反対側を出入口とすることもできる。また、出入口の流路３１１，１２のそれぞれにバルブ６１または６２を設け、チューブ４１，４２をねじる場合とほどく場合で交互に開閉すことにより、双方向に流体を送ることができる。なお、チューブ４１，４２のそれぞれをある程度以上ねじることにより、チューブが捩れて中央付近が閉塞するので、これを利用してバルブとして使用することも可能である。
【００３２】
本実施例によれば、流路が直線化するので内部の流体の流れがスムーズになり、流体の滞留が少なくできる。また、チューブをある程度以上ねじってバルブとして使用した場合、戻せばチューブ内の流路がもとの状態に回復するので詰まりに強いバルブになる。
【００３３】
なお、モータの回転力をギアなどの伝達要素を利用してチューブに伝える構成としてもよい。この場合、チューブを回転する回転軸にギアが取り付けられモータの回転軸に取り付けられたギアから直接または他のギアを経由してモータの回転力がチューブに伝達される。
【００３４】
ギアなどの伝達要素を使用した場合、ギア比などを調整することにより高回転・小出力のアクチュエータも使用できる。また、モータ回転軸にチューブを直接接続しないので、モータのサイズに関わりなく回転軸を短くできるので流路部分を短縮化できデッドボリュームを低減できる。
【００３５】
図３は中央のギア列によりモータ２の回転を平行に配置された複数のチューブに伝えるようにした実施例である。（ａ）に示すように、それぞれのチューブポンプユニット４０は流体出入口が２個設けられ、出入口は固定されている。また、２本のチューブ４１、４２とチューブ間をつなぐ中空の回転軸２３に取り付けられたギア５３を備えている。また、（ｂ）に示すように、各ユニット４０は固定リング３４１に軸受３４２を介して固定され、軸受３４２により回転可能となっている。さらに、ユニット４０は固定リング３４１に複数円状に配置されている。また、（ｃ）に示すように、各ユニット４０の両端は固定リング３４１を挟むように設置した円板３３，３４に固定設置された流路３１，３２に接続され、固定される（（ｃ）図では固定リング３４１、軸受３４２の図示省略）。
【００３６】
モータ２の回転軸２１は円板３４を貫通し、先端にはギア５１を備える。ギア５１は中央で各ユニット４０のギア５３と連結され、モータ２の回転は各ユニットのチューブに伝えられる。円板３３、固定リング３４１、円板３４、モータ２は支持体３（図２参照）に固定されている。各ユニット４０はギア５１の周囲に配置されており、ギア５１の回転により各ユニットのギア５３が回転し、チューブ内の流体が押し出される。
【００３７】
本実施例によれは、１台のモータにより複数のチューブを同時に駆動できるので、多量の流体を同時に取り扱える。なお、バルブを使用し、ポンプとして動作させる場合、流体を流したくないチューブ側の流路のバルブを閉じて流れを阻止し、反対側のバルブを開いて流体を流すことができる。また、空気などの圧縮性流体の場合は両側のバルブを閉じておくこともできる。
【００３８】
図４は、チューブ４をモータ２の回転軸２１に設けた中空部に配置した例を示す。チューブ４の両端は硬質の管からなる流路３２とコネクタ３１６に接続され（コネクタ３１６に硬質の管を貫通させ、チューブを接続してもよい）、コネクタ３１６は回転軸２１に固定されている。流路３２を構成する管はモータ２を支持する支持体３に固定されている。コネクタ３１６をネジなどで回転軸２１に結合し、反対側の流路３２を構成する管をねじやナットなどの固定手段３２３により支持体３に結合固定すれば、チューブ交換などのメンテナンスが容易となる。
【００３９】
なお、支持体３を省略し、モータ２のケーシング２０に流路３２を構成する管を固定するようにしてもよい。
また、モータ回転軸２１内の貫通流路内中央部で２本のチューブを左右に配置して前記回転軸２１の中央側で固定し、前記２本のチューブの他端をそれぞれ硬質の管からなる流路を介してモータのケーシング２０や支持体３に固定する構成とすれば、図４の構造でチューブを２本にすることができる。
本実施例によれば、モータ回転軸にチューブを内蔵する構成としているから、装置をさらに小形化できる。
【００４０】
次に、本発明をポンプとして動作させる場合の他の実施例を図5に示す。
図５の実施例では、流体の出入口が２つでチューブが１本のユニットを２つ直列に配置して使用する例である。図の左側のユニットはモータ２０１がギア５１１，５３１を介して出入口側の回転軸２３１を回転することにより、チューブ４３を捩る構造となっている。図の右側のユニットも同様に、モータ２０２がギア５１２，５３２を介して出入口側の回転軸２３２を回転することにより、チューブ４４を捩る構造となっている。これら２つのユニットの回転軸を対向させてベース３５上に固定し、チューブ４５により回転軸間を結合し、ポンプを形成している。
【００４１】
流体が、図５の紙面右側から左側に流れる場合を説明する。（紙面左側から右側に流体を流す場合も同様の動作をするのでその説明は省く。）なお、動作は（１）から（１２）まで循環するので、初期位置はどこでもよい。チューブに示した斜線において、右下向きの斜線は紙面右側から見て反時計回りのねじれを示し、左下向きの斜線は紙面右側から見て時計回りのねじれを表すものとする。（１）は、回転軸２３１の両側のチューブ４３と４５がねじれてチューブが閉塞している状態を示す。このとき、回転軸２３１、回転軸２３２は停止している。また、チューブ４４はほどかれている状態を示す。この状態から（２）に示すように、回転軸２３２をモータ２０２により矢印の方向に回転させ、チューブ４５のねじれをほどき、同時にチューブ４４をねじる。このとき、チューブ４５にはチューブ４４側から回転軸２３２を貫通する流路を介して流体が流入する。このとき、チューブ４３はねじれて閉塞しているから回転軸２３１より右側の流体は右から左に移動する。さらに、回転軸２３２が回転すると（３）に示すようにチューブ４５がほどけ、チューブ４４がねじれて閉塞する。ここで、モータ２０２を停止させて回転軸２３２の回転を停止する。次に、（４）に示すように、モータ２０１により回転軸を矢印の方向に回転する。回転によりチューブ４３はほどけ、チューブ４５がねじれる。チューブ４４は閉塞しているから、流体はチューブ４５からチューブ４３側に流れる。（５）に示すようにチューブ４５が閉塞した後、モータ２０１を停止し回転軸２３１を停止する。次に、（６）に示すようにモータ２０１とモータ２０２により回転軸２３１、回転軸２３２をそれぞれ矢印の方向に回転する。これにより、チューブ４３がねじれ、チューブ４４がほどける。チューブ４５は回転軸２３１と回転軸２３２の回転方向が同じなので、ねじれて閉塞したままであるので、チューブ４３からは流路３１１を介して左側に流体が流れる。また、チューブ４４はほどけるので流路３１２を介して流体がチューブ４４に流れ込む。（７）以下はチューブのねじれの方向が逆で、回転軸の回転方向が逆転するだけで（１）〜（６）と同様に変化し、（１）に戻る。以上の動作の繰返しにより流体が右側から左側に移送される。
【００４２】
本実施例によれば、チューブによりポンプ作用とバルブ作用を兼ねることができるので、バルブが不用になる。また、ねじりによりバルブとして作用したチューブがほどけることにより復元するので粒子などの固形分による詰まりが生じにくい。
【００４３】
図６は本発明を水質分析装置に適用した場合の例を示す。湖沼、河川、海洋などの水質監視や、水道水の残留塩素などの水質監視が、１ｍ以上もの高さや幅を持つ大形の計器で行われているが、装置が大きいため価格が高くなり、かつ設置場所にも制限があるなどの問題がある。この実施例では、半導体微細加工技術により形成した検出器に本発明のチューブポンプを使用し、試料水や試薬を送液することにより、水質監視装置を小形・低コスト化するものである。このため、本実施例では図６に示すように、両軸のモータ２の回転軸２１にチューブ４１とチューブ４２の一端をそれぞれ接続し、両チューブを同一速度パターンでねじる。チューブ４１とチューブ４２の他端はそれぞれ支持体３に設けた流路３１または３２に固定する。試薬供給側の流路３１は分枝流路３１１と３１２に二分枝する。分枝流路３１１はバルブ６１１を介して試薬タンク９１に接続する。また、分枝流路３１２はバルブ６１２を介して流路ブロック７４に設けたコネクタ７４１に接続され、流路ブロック７４内の流路７１９を通過してセル７に接続される。一方試料液供給側の流路３２は分枝流路３２１と３２２に二分枝する。分枝流路３２１からはバルブ６２１を介して試料液９３を導入する。また、分枝流路３２２はバルブ６２２を介して流路ブロック７４に設けたコネクタ７４２に接続され、流路ブロック７４内の流路７１８を通過してセル７に接続されている。
【００４４】
試料計測時には、制御部８からの指令信号８１に基づいてモータ２を回転すると同時に制御部８からの司令信号８２，８３，８４，８５に基づいてバルブ６１１，６１２，６２１，６２２を、チューブの「ねじり」（モータ正転、バルブ６１１，６２１は閉、バルブ６１２，６２２は開）、「ほどき」（モータ逆転、バルブ６１１・６２１開、バルブ６１２・６２２閉）に従って交互に開閉し、吐出・吸引することにより、試薬タンク９１の試薬９２と、採取した試料液９３をセル７側に送液する。これにより、試料液と試薬がミキサ７０９で合流混合し検出部流路７０４を満たす。この時の混合液の吸光度を表す光センサ７６３（図７参照）の出力信号８６を制御部８に取り込み、特定成分の濃度データとして保存したり、表示部に表示する。
なお、初期に流路へ液を導入する場合、片方の液のみを送液することもあるが、この時は送液しない側の分枝流路に設置したバルブの上流側を常時開、下流側を常時閉とすればよい。
【００４５】
図６ではセル７内の流路や光学系を単純化して示したが、その詳細を図７により説明する。シリコン基板７００の片面には異方性エッチングを施し、台形断面の屈曲した溝を形成する。溝側の面（表面）にガラス板７０１を接合して流路を構成し、裏側の面にはガラス板７０２を接合して補強したセル７を用いる。表面の溝から構成されるセル７の流路は屈曲部を境に上流側から流体導入流路７０３、検出部流路７０４、排出流路７０５からなる。導入流路７０３には裏面から異方性エッチングし、複数の孔を設けている。それぞれ、上流側から洗浄液孔７０６、基準液孔７０７、試料液孔７０８、複数の微小な孔が配列したミキサ７０９となっている。また、図７（ｄ）に示すように、それぞれの孔の上流側のガラス板７０２にも対応する孔を設ける。ガラス板７０２の孔の上流側はセル７を乗せた流路ブロック７４の流路７１８，７１９などに接続する。流路ブロック７４は光造形技術、または複数の板を張り合わせてセル７の流路から外部のポンプなどに接続する流路７１８，７１９などを形成している。セル７と流路ブロック７４の流路の接続はOリングなどにより行う。洗浄液孔７０６からは流路洗浄剤を導入する。基準液孔７０７は測定基準となる液を導入し校正を行うために設けている。試料液９３と試薬９２はセル７の導入流路７０３内に同時に注入されミキサ７０９で合流混合する。このとき、図７（ｃ）に示すように、ミキサ７０９の複数の微小孔から試薬９２が試料液９３内に微小なプリュームとなり噴出するので、拡散により速やかに混合する。混合液内では試料液９３内に含まれる特定成分（例えば残留塩素）が試薬（例えば、残留塩素測定の場合はDPD試薬）と反応し、反応生成物を生じ発色する。発色量は特定成分の濃度と相関するため、下流側の検出部流路７０４（図７（ｂ）参照）で発色量に応じた吸光度を測定する。検出部流路７０４のガラス板７０１の上面は、金属膜などを蒸着した反射面７６１となっている。検出部流路７０４の上流端と下流端には反射膜の無い窓部があり、それぞれの窓部に対向してLEDなどの光源７６２と光センサ７６３を設置する。光源７６２から発した光は窓部から検出部流路７０４に入り、検出部流路７０４のシリコン下面と反射面７６１間を通過し、反対側の窓部から出て光センサ７６３に至り検出される。この時、正確な測定のためには試料液９３と試薬９２を再現性よく混合し測定ごとの混合条件の差を少なくする必要がある。
【００４６】
なお、図３に示すような多連のチューブポンプの一種で、回転軸を２本としモータの駆動力をギアにより伝達し、試料液側のチューブと試薬側のチューブを同時に駆動してもよい。
また、本実施例では２本のチューブを1つのモータで同時に駆動する例を示したが、モータを同期運転すれば、試薬用、試料液用にそれぞれ単独のチューブポンプを使用してもよい。なお、２本のチューブを同一のモータにより駆動するようにすれば、試料液と試薬が同時に再現性よく注入できる。
本実施例によれば、ポンプの構成が簡素となり、検出部を半導体微細加工技術により小形化できるので装置を小形で低コストに製作できる効果がある。
【００４７】
次に、ねじりによるチューブからの吐出量について詳細に説明する。チューブ肉部を構成するゴム材料は変形により体積がほとんど変化しないというゴム弾性特有の特性を持っている。本発明では、チューブの両端が軸方向に固定されているため長さの変化はなく、チューブがねじりにより延長した分だけチューブの断面積が減少する。チューブ肉部の断面積は変化せず、断面積の変化分はすべてチューブ内部の体積変化に変換されると仮定することにより、体積変化ΔＶを数５の近似式で求めることができる。
【００４８】
【数５】

【００４９】
ここで、L0：チューブの長さ、Ｓ0：チューブ肉部断面積、ｒeff：チューブの代表径、θ：チューブの回転角度である。
【００５０】
チューブの代表径をチューブ内半径とし、実際に図１に示す出入口が１つのディスペンサタイプの装置で吐出量（チューブ内容積の変化量）を実測し数３と比較した結果を図８（ａ）に示す。チューブは従来のチューブポンプ用のものを使用した。チューブサイズは外径４．２ｍｍ、内径２．１５ｍｍ、長さ１５ｍｍである。実際のチューブでは近似式１（数５）に対して吐出量の立ち上がりに遅れを生じる。遅れの分を補正し、ｒeffをチューブ内径ｒinとし、軸をずらして重ね合わせると、近似式１はチューブの変形の小さな範囲で実測値によく一致するが、それ以上になると誤差が急激に増加する（図８に示した近似式１のデータは補正済みのもの）。図に示すように、回転初期は取付状態やゴムの特性により内部体積が変化しない領域１がある。従って、実際は上記数５は次の数６の近似式で表される。
【００５１】
【数６】

【００５２】
ここで、θd：不感帯を示す回転角度上限である（図８（ａ）の例では２０deg）。
【００５３】
領域１の不感帯を過ぎるとゴム弾性による数６の成り立つ領域２に入る。領域２ではチューブ断面形状に大きな変化は生じない。さらに回転が進むと、チューブの断面が楕円形につぶれる領域３に入る。さらに回転が進みチューブがつぶれ中央付近が閉塞し、以後出入口側の液のみが吐出される（領域４）。そこで領域３の実測値に一致する関数を検討し、数７に示す関数を見出した。
【００５４】
【数７】

【００５５】
ここで、Ｖeff：チューブ代表体積（ｒeffを断面とし長さＬ0の円柱の体積）である。
【００５６】
θ−θdが小さいとき上記数５、数６はそれぞれ次の数８、数９のように近似できる。
【００５７】
【数８】

【００５８】
【数９】

【００５９】
数８と数９はθ−θdが小さいときほぼ一致するとして整理し、θmidでまとめると、数１０のようになる。
【００６０】
【数１０】

【００６１】
実測値とフィットすることにより、Ｖeffは初期のチューブ内容積Ｖ0に一致することがわかった（ｒeffはｒinに一致するるので、以上の分析から、数１１で表される近似式２が得られた。
【００６２】
【数１１】

【００６３】
ここでｒin：チューブ内半径、ｒout：チューブ外半径である。
【００６４】
近似式２は図８に示すように実測値によく一致する。実測値では吐出量がチューブ内容積の初期値のほぼ１／２になった時点が変曲点となり、この変曲点から増加率が減少し飽和していく。実際にチューブはねじりに伴って断面が偏平化していく。変曲点付近で、チューブ偏平化が限界に達し、チューブ内面が一部接触し、チューブ内容積の減少が抑制される。これによりチューブからの吐出量が減少する。さらに回転するに伴い、チューブは中央付近で閉塞し、一部支持部側に取り残されるので吐出量はさらに小さくなる。したがって、吐出量と回転角度の関係がよく一致する範囲はΔＶ＜＝Ｖ0／２である。これを数１１に代入変形すると、この関係は回転方向に関係なく成り立つから、
【００６５】
【数１２】

【００６６】
となる。言い換えれば、数１２の成り立つ範囲では定量ポンプとして動作し、数１２を超える回転角度範囲ではバルブとして動作するとみなすことができる。
【００６７】
なお、肉厚のチューブや硬質のチューブでは近似式１の成り立つ範囲が広くなるのでチューブに応じて近似式１と近似式２を使い分ける。実際に外径５．８ｍｍ、内径２．４ｍｍ、長さ２３ｍｍの前述の例より肉厚のチューブを用いた場合、図８（ｂ）に示すように近似式１が主となる。近似式１で表される曲線は近似式２の曲線に比較し変化がなだらかで直線に近いためモータの回転速度を変化しなくてもほぼ一定の流量を維持できるメリットがある。
【００６８】
以上の解析により近似式１、近似式２を用いれば回転によるチューブからの吐出量がチューブ形状から予測できることがわかった。また、回転角度により吐出量が定量的に予測できるので、吐出量を精度よく管理できる。
【００６９】
次に、吐出流量比を一定にする方法を説明する。近似式１の場合、数６の形から数１３に示すように、２本のチューブ間で各チューブの内径と回転角度の積を長さで割った値が等しければ、数６の[ ]内が常に一致し、２本のチューブからの吐出量の比が一定となり、吐出量の比はチューブ肉部の体積比になる。
【００７０】
【数１３】

【００７１】
ここで、ｒin：内径、Ｌ0：長さ、θ：回転角度（不感帯を含む）、添え字１，２は各チューブの値であることを示す。
例えば、図６に示すように２本のチューブの回転角度が同じで、２液の混合を行う場合、チューブ内径と長さの比が２本のチューブ間で一致すれば常に同一の混合比が得られる。近似式２の場合は、数１１の形から数１４に示すように、２本のチューブ間で各チューブの肉部の断面積の１／２乗と回転角度の積を長さで割った値が等しければ、数１１の[ ]内が常に一致し、２本のチューブからの吐出量の比は一定となり、吐出量の比はチューブ内径の比になる。
【００７２】
【数１４】

【００７３】
ここで、ｒout：チューブ外径である。
例えば、図６に示すように２本のチューブの回転角度が同じで、２液の混合を行う場合、チューブ肉部の断面積の１／２乗と長さの比が２本のチューブ間で一致すれば常に同一の混合比が得られる。また、近似式１と近似式２が両方成り立てば、チューブが閉塞するまで吐出量比を一定にできる。これは、２本のチューブ間でチューブの内容積の比とチューブ肉部の体積比を等しくすればよい。すなわち、２本のチューブで内径の比と外径の比が等しくなるようにすればよい。なお、チューブは３本以上でも同様の関係が成り立てば吐出量比を一定にできる。
【００７４】
本実施例によれば、チューブの回転角度によらず吐出量比を一定にでき、また流体の混合を行う場合、各流体の混合比を精度よく保つことができる。
【００７５】
【発明の効果】
本発明によれば、吸引・吐出に関わる基本構成要素は、チューブと回転軸であるから、構成が簡単になり、また部品点数が少ないので低コストで長寿命化できる効果がある。
【００７６】
また、チューブを複数連結するように構成すれば、チューブポンプの固定部を両端側とすることができ、外部流路への接続を容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示す縦断面図である。
【図２】本発明の第２実施例を示す縦断面図である。
【図３】本発明の第３実施例を説明する斜視図である。
【図４】本発明の第４実施例を示す縦断面図である。
【図５】本発明の実施例における動作を説明する図である。
【図６】本発明のチューブポンプを水質分析装置に応用した場合の例を説明する系統図である。
【図７】図６に示す分析装置のセルの部分の構成を詳細に説明する図である。
【図８】本発明のチューブポンプにおける吐出特性を説明する線図である。
【符号の説明】
２，２０１，２０２…モータ、３，３６，３７…支持体、４，４１，４２，４３，４４，４５，４１１，４１２，４２１，４２２…チューブ、７…セル、８…制御部、２０…ケーシング、２１…モータの回転軸、２２…（回転軸を貫通する）流路、２３，２３１，２３２…回転軸、３１，３２，３８，３１１，３１２，３１３，３１４，３２１，３２２…流路、３３，３４…円板、３５…ベース、５１，５３，５３１，５３２…ギア、５２，５２２，５２３…軸受、６１，６２，６１１，６１２，６２１，６２２…バルブ、７４…流路ブロック、７５…排出用流路、８２，８３，８４，８５…司令信号、８６…出力信号、９１…試薬タンク、９２…試薬、９３…試料液、３１６…コネクタ、３２３…固定手段、３４１…固定リング、３４２…軸受、７００…シリコン基板、７０２…ガラス板、７０３…導入流路、７０４…検出部流路、７０５…排出流路、７０６…洗浄液孔、７０７…基準液孔、７０８…試料液孔、７０９…ミキサ、７１８…試料液流路、７１９…試薬流路、７６１…反射面、７６２…光源、７６３…光センサ。

Claims (7)

1. 回転軸を備えたアクチュエータと、このアクチュエータ回転軸の両端にそれぞれの一端を接続された第１及び第２のチューブと、前記アクチュエータを固定すると共に前記第１、第２のチューブの他端を固定するための支持体とを備え、前記チューブに前記アクチュエータにより「ねじり」や「ほどき」を与えることにより、チューブに対し流体を流入・流出させ、それによって外部に流体を送出するようにしたチューブポンプにおいて、
   前記回転軸は貫通する流路を有し、前記第１、第２のチューブは前記貫通する流路を介して互いに連通していることを特徴とするチューブポンプ。
2. アクチュエータと、このアクチュエータの駆動力を少なくとも１つの回転軸に伝えるための伝達要素と、前記回転軸に一端を接続されたチューブと、前記アクチュエータを固定すると共に前記チューブの他端を固定するための支持体とを備え、前記チューブに前記アクチュエータにより「ねじり」や「ほどき」を与えることにより、チューブに対し流体を流入・流出させ、それによって外部に流体を送出するようにしたチューブポンプにおいて、前記回転軸には貫通する流路を有し、該回転軸の両端にそれぞれ第１及び第２のチューブを接続し、これら第１、第２のチューブは前記貫通流路を介して連通していることを特徴とするチューブポンプ。
3. 請求項１または２において、前記第１、第２のチューブの支持体固定側に接続される流路にそれぞれ流路を開閉するためのバルブを設けたことを特徴とするチューブポンプ。
4. 貫通孔を有し独立に駆動される第１、第２の回転軸と、前記第１回転軸の一端及び他端にそれぞれ接続された第１及び第２のチューブと、前記第２回転軸の一端に接続された第３のチューブとを備え、前記第１及び第３のチューブの反回転軸側をそれぞれ固定部に固定し、前記第２のチューブの反回転軸側を前記第２回転軸の他端に接続し、前記第１、第２回転軸の回転を制御することにより、前記第１または第３のチューブ部の一方の固定部側から他方の固定部側に流体を送出することを特徴とするチューブポンプ。
5. 貫通孔を有する回転軸を備えたアクチュエータと、前記回転軸の貫通孔内に配置されかつ一端を回転軸に取付られたチューブと、このチューブの他端を固定する固定手段とを備え、前記回転軸を回転させることにより前記チューブに「ねじり」や「ほどき」を与えてチューブ内に流体を流入または流出させ、流体を外部に送出するようにしたことを特徴とするチューブポンプ。
6. 請求項１〜５の何れかにおいて、アクチュエータの回転角度を制御して吐出量を制御する制御部を設け、この制御部では、
   チュ−ブからの吐出量をΔV、チューブ回転角度をθ、不感帯（回転初期のチューブ内部容積が変化しない領域）を示す回転角度の上限値をθｄ、チューブ長さをＬ0、チューブ肉部断面積をＳ0、チューブ内径をｒinとしたとき、次式の関係でチューブの回転角度を制御することを特徴とするチューブポンプ。
   

   
7. 請求項１〜５の何れかにおいて、アクチュエータの回転角度を制御して吐出量を制御する制御部を設け、この制御部では、
   チューブからの吐出量をΔV、チューブ回転角度をθ、不感帯（回転初期のチューブ内部容積が変化しない領域）を示す回転角度の上限値をθｄ、チューブ長さをＬ0、チューブ肉部断面積をＳ0、チューブ内径をｒin、チューブ外径をｒoutとしたとき、次式の関係でチューブの回転角度を制御することを特徴とするチューブポンプ。
   

   

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