JP4422489B2 - 蠕動ポンプ用バックラッシュ制御を備えたダイナミックブレーキ - Google Patents

Description

本発明は、バックラッシュ制御を有するダイナミックブレーキに関し、特に蠕動ポンプで使用するためのバックラッシュ制御を有するダイナミックブレーキに関する。

蠕動ポンプはまたローラポンプとも呼ばれ、医療用として普通に使用されている。例えば、そのようなポンプは患者と心肺ポンプとの間で血液の循環を促進するために心臓血管手術中にしばしば使用されている。別の通常の医療用の使用では患者と腎臓透析装置との間の血液の伝送およびＩＶ液の静脈供給が挙げられる。一般に蠕動ポンプは簡単な構造であり、一定の流体の流れを生成し、流体の伝送のための部材として使い捨てのチューブを使用している。

蠕動ポンプは比較的簡単な構造であり、典型的にローラを有する容器を備え、そのローラは湾曲した表面または流体路に対して間隔をおいて柔軟なチューブを漸進的に圧迫して平にし、或いはチューブの断面積を局部的に減少させる。このようにして、柔軟なチューブに導かれる流体は、湾曲した表面または流体路で柔軟なチューブに沿って進行するときローラのどれかにより柔軟なチューブを通って連続的に強制的に駆動される。

図１に示されている通常のローラポンプ10は、駆動軸12と結合された駆動機構14と、駆動軸12の回転により回転する回転軸16と、駆動機構14が取付けられている容器18に固定された中空のポンプヘッド20とを備えている。ポンプヘッド20はそれと一体の軸受けブロック24と共同して動作し、この軸受けブロック24を通って回転軸16が挿入されて１対の軸受22によって回転可能に支持され、ステータ26が軸受けブロック24の上部部分に配置されている。ステータ26の上面には凹部28が形成され、回転軸16の上端はそれを貫通して突出している。この凹部28は回転軸16の外周面から半径方向外側である距離を隔てられており、その内周表面28a は回転軸16と同軸である。

ロータ構造体30は回転軸16の上部部分に、ステータ26の凹部28内に位置されてその内周表面と対向するように取付けられている。このロータ構造体30は回転軸16にボルト32によって固定され、回転軸16と共に一体的に回転するように構成されている。ロータ構造体30の外周表面にはローラ34がその軸を中心に回転するように配置されている。血液その他の流体で満たされているチューブ36はロータ30とステータ26の間に配置されている。チューブ36はロータ構造体30に取付けられた各ローラ34とステータ26の内周表面28a との間でクランプされ、それによりクランプされている点で閉鎖された状態に保持される。

したがって、通常のローラポンプ10では、ロータ30は駆動機構14により駆動される回転軸16の回転運動により回転され、チューブ36がクランプされた部分が回転軸16を中心とするローラ34の回転にしたがって移動する。それ故、チューブ36内の流体はローラ34の回転にしたがって転送される。回転軸16の回転速度、したがってローラ34の回転速度は、チューブ36内の流体のポンプレートが調整できるように通常調節される。しかしながら、ポンプレートはまたローラが柔軟なチューブを圧迫する程度を調節することによっても調節されることができる。これはローラの軸とステータ26の内周表面28a との間の距離、したがって、ローラの表面とステータ26の内面28a との間の距離を調節するための調節機構を蠕動ポンプ構造体中に設けることにより行われることができる。このような方法で蠕動ローラポンプを調節可能にする別の重要な理由は、フレキシブルなチューブの圧縮性、寸法、その他の品質が顕著に変化できる利点があることである。

図２を参照にして、蠕動ローラポンプ10の動作を説明する。ローラポンプは典型的に任意の方向に回転できるが、図２の実線の矢印は、ローラポンプ10が時計方向に回転してチューブまたは流体導管36を通って血液を強制的に流していることを示している。一般的にローラポンプ10はモータ駆動回路（図示せず）がディエーブルにされるまでは回転を続ける。ディエーブルにされた状態になるとローラポンプは惰性で徐々に停止する。ローラポンプが完全に停止した後、ローラ34a, 34b, 34c, 34dは自由に運動（すなわち回転）できる状態におかれることが望ましい。これは、必要になった場合には手作業で（すなわち手動クランクで）ローラポンプを動作させることができるようにするためである。

しかしながら、ローラが自由に運動できる状態におかれるとき、ローラポンプは通常多少の反動を生じる。すなわち、ローラがゼロ回転速度に到達した直後にある程度の反対方向の回転（例えば反対方向に約２０度）が生じる。図２において、反対方向の回転は破線の矢印により示されている。ここでバックラッシュと呼ばれている反動はローラが自由に運動できる状態におかれていることによるものである。その理由は、ローラポンプの正常の回転（例えば時計方向）と反対方向の流体チューブ中にある量の反対圧力が存在するからである。バックラッシュはチューブ中に空気を導入させる可能性がある。この非常に望ましくない状態は空気の塞栓（血管の閉塞）に導く可能性があり、患者の死の危険さえある。

ローラポンプによっては反対方向の回転によるバックラッシュを阻止するために連続的にブレーキを作用させている。連続的に作用させるブレーキは電気的または機械的ブレーキであり、それはポンプ内でモータを停止するために連続的に作用される。ブレーキは、ポンプ中で流体を移動するように再びローラを動かし始める必要があると思われるときまで決して除去されてはならない。これらのポンプはポンプを停止させるためにモータ駆動回路が信号を受信すると直ちに連続的なブレーキの供給を付勢しなければならない。連続的に供給されるブレーキはある程度バックラッシュを阻止するが、それはまたローラが回転を停止した後ローラが自由に運動することも阻止する。この場合には、連続的に供給されるブレーキはローラポンプの手動動作の選択を不可能にする。

したがって、実質上バックラッシュの発生を減少させ、しかも必要な場合にはローラポンプを手動動作させることのできるローラポンプに対する改良されたブレーキ特性を提供することが技術的に必要とされている。
本発明の目的は、バックラッシュを阻止するためにローラポンプで使用するためのインテリジェントで瞬間的なダイナミックブレーキを提供することである。
本発明の目的はまた、ローラが回転を停止した後、手動でポンプを動作させる能力を失うことのない、ローラポンプ中のインテリジェントで瞬間的なダイナミックブレーキを提供することである。

本発明の第１の実施形態では、上述の、およびその他の目的はローラポンプが予め定められた速度より下に減速したときダイナミックブレーキを付勢する手段を含んでいるローラポンプによって達成される。そのポンプはまた、ローラポンプの流体導管チューブ中の圧力が低下したときダイナミックブレーキの付勢を解除する手段を含んでいる。

本発明の別の実施形態では、上述の、およびその他の目的はローラポンプのバックラッシュを阻止する方法によって達成される。この方法は、ローラポンプの速度が予め定められたローラポンプ速度しきい値より低いか否かの決定を含んでいる。ローラポンプの速度が予め定められたローラポンプ速度しきい値より低いかことが決定されたとき、ダイナミックブレーキが付勢される。その後、予め定められた時間の期間が経過した後にダイナミックブレーキの付勢は解除される。

これら、およびその他の本発明の目的、特徴および利点は、添付図面を参照にした以下乗り詳細な説明により当業者には明白になるであろう。

本発明の蠕動ポンプのロータ構造体は図３の分解図で全体を符号100 で示されている。ロータ構造体100 はポンプまたはロータハブ102 と、１以上，好ましくは２個の対向するローラスライド104a, 104bと、それぞれ各ローラスライド内に配置されたローラ106a, 106bと、ポンプ容器内のフレキシブルなチューブの閉鎖を調節するための調節ノブ108 とを含んでいる。ロータ構造体100 は技術的に知られているように図１に示された装置に類似するステータ内に回転可能に支持され、ステータの内周表面は本発明のローラ106a, 106bの通路軌道を形成している。主軸110 はロータ構造体100 を貫通して延在し、例えば図１に示されたような通常の駆動機構により回転される駆動軸の回転によって回転する。

ローラスライド104a, 104bは複数の凹部またはチャンネル118 を備え、そこに延長スプリング120 が受入れられている。各チャンネル118 は好ましくはその外側端に釘（ｐｅｇ）を備え、そこにスプリング120 の両端が取り付けられている。このようにして対向するローラスライド104a, 104bは複数のスプリング120 によって相互接続されている。ローラ106a, 106bはそれぞれローラシャフト124 によりローラスライド104a, 104b内の適切な位置に保持されている。種々の軸受け126 およびワッシャ128 がそれぞれローラスライド104a, 104b内にローラ106a, 106bを取付けるために使用されることができる。

図示の実施形態で示されているように、ロータ構造体100 はさらにカムブロック138 を備え、それはスプリング142 により負荷されて弾性を与えられている。誘導カラー144 はカムブロック138 の上面に結合して調節ノブ108 と捩子調節部材146 の回転により対応して誘導カラー144 を回転させてカムブロック138 の垂直方向の位置を調節する。カムブロック138 は対向する位置の楔形突出部148 を備え、それは各ローラスライド104a, 104bの内面上の対応する楔形表面（図示せず）と結合する。したがって、例えば調節ノブ108 が時計方向に回転し、捩子調節部材146 が対応して回転して誘導カラー144 を下方に移動させるとき、カムブロック138 もまた下方に移動されてカムブロック138 上の楔形突出部148 がローラスライド104a, 104bにスプリング120 の力に抗して半径方向外側へ向かう力を与える。

調節ノブ108 はまた閉塞指示リング150 および止金リング152 とを備え、調節ノブ108 の回転の程度の可聴指示を与える。示されているように止金リング152 は、ほぼＵ形カットアウト155 を間に有する複数の歯153 を規定する波型の周辺部を有していることが好ましい。複数の保持リング154 と軸受け156 もまた設けられることができる。

従来技術では、ローラ106a, 106bのバックラッシュを阻止するために連続的に作用されるブレーキ動作を含んでいるが、本発明では連続的にブレーキを供給するのではなく、インテリジェントに、瞬間的に供給されるダイナミックなブレーキを使用している。この瞬間的なダイナミックなブレーキは反対方向の回転によるバックラッシュを阻止し、さらにローラポンプの手動動作の選択を妨げない。ダイナミックなブレーキは、ポンプが停止するように要求された後、そしてローラポンプが予め定められた速度（例えば２０ｒｐｍ）より下に減速されたときにのみブレーキ動作を開始することによってこの目的を達成している。さらにダイナミックブレーキは非常に短い時間抱けブレーキ動作を行う。ポンプが予め定められた速度より下に減速された後でブレーキ動作を開始することは、急激な減速でシステムに機械的ショックを与えることを阻止するから非常に有効である。

図４は本発明の好ましい実施形態によるダイナミックブレーキおよびバックラッシュ制御システム200 のブロック図である。示されているようにシステムはソフトウエア205 、モータ210 （例えば３相ブラシレスモータ、本発明のダイナミックブレーキ動作はブラシモータも使用可能である）、モータ制御装置215 、およびタコメータ（回転速度計）220 を含んでおり、モータ210 はポンプのローラを駆動する。ダイナミックブレーキプロセスを制御するソフトウエア205 はメモリに記憶されており、そのメモリはローラポンプ中に配置されることが好ましい。一般にソフトウエア205 はタコメータ220 の出力に基づいてローラポンプの速度を監視することにより瞬間的なダイナミックブレーキプロセスを制御する。ソフトウエア205 が瞬間的なダイナミックブレーキを使用することが適切であると決定したとき、例えばポンプが停止することを要求されていること、およびローラポンプの速度が予め定められたポンプ速度しきい値より下に低下したことをソフトウエア205 が決定したとき、ソフトウエア205 はモータ制御装置215 に対して第１の命令を発生して制御信号230 を発生し、発生された制御信号230 はダイナミックブレーキを付勢する。モータが３相モータであれば、制御信号230 は３相モータの３つの相のすべてを同時にオンに切換えることによりダイナミックブレーキを付勢する。これはモータ巻線を短絡することにより有効に行われ、それはモータの速度に応じているブレーキトルクを与える。しかしながらソフトウエア205 は比較的短い予め定められた時間しかダイナミックブレーキ動作を許容せず、それは流体導管中の流体圧力が低下するのに十分な長さの時間である。この比較的短い時間の経過後、ソフトウエア205 はモータ制御装置215 に対して第２の命令235 を発生してダイナミックブレーキを解除するように制御信号230 の付勢を停止させる。ダイナミックブレーキの解除により、ローラは自由に回転することが可能になり、ローラポンプの手動動作が可能になる。ダイナミックブレーキが解除されない故障の場合にもローラポンプの手動動作は可能である。

図５はソフトウエア205 が瞬間的なダイナミックブレーキを制御することのできる例示的なプロセス300 を示すフロー図である。ソフトウエア205 は、ポンプが停止されなければならないことの指示を受取ったときプロセスを開始する。このような状態が発生したとき、ステップ305 で示されるように、ソフトウエア205 はローラポンプの速度のサンプリング（タコメータの出力をサンプリングすることによる）を開始する。その後ソフトウエア205 は、サンプリングされたポンプ速度をステップ307 で予め定められたポンプ速度（例えば２０ｒｐｍ）と比較する。この比較に基づいて、サンプリングされたポンプ速度がしきい値より下に低下しないことをソフトウエア205 が決定した場合には、決定ステップ310 で示されたノーの経路でソフトウエア205 はステップ305 に戻り、別のポンプ速度サンプルを採取する。

ソフトウエア205 はポンプ速度のサンプリングを続け、それを予め定められたしきい値と比較し、それはポンプ速度が決定ステップ310 で示されたイエスの経路にしたがうようにしきい値より下に低下したことが決定されるまで続けられる。ソフトウエア205 がこの決定をしたとき、モータ制御装置215 にダイナミックブレーキを結合するように命令する。この場合にも、モータが３相モータであれば、ステップ312 で示されているように３相モータ210 の３つの相の全ての相を付勢する。

モータ制御装置215 がダイナミックブレーキを結合させるとき、ソフトウエア205 はステップ315 にしたがってタイマーをデクリメントする。ソフトウエア205 はそれから決定ステップ317 に示されているように、タイマーがゼロにデクリメントされたか否かを決定する。タイマーがまだゼロにデクリメントされていない場合には、決定ステップ317 で示されたノーの経路でソフトウエア205 はステップ315 に戻り、再びタイマーをデクリメントする。ソフトウエア205 はタイマーのデクリメントを続け、その後、タイマーがゼロに到達したか否かを決定する。タイマーがゼロにデクリメントされたことが決定されたとき、決定ステップ317 のイエスの経路にしたがってソフトウエア205 はモータ制御装置215 にダイナミックブレーキを解除するようにモータに適当な信号を送る。タイマーに関連する期間は導管中の流体圧力が低下するような十分の長さでなければならない。本発明の好ましい実施形態ではこれは近似的に２秒±１秒でよい。

上述のダイナミックブレーキは好ましい実施形態に関連して蠕動ポンプ内で使用するものについて説明されたが、瞬間的ダイナミックブレーキの適用が本発明の技術的範囲内でさらに別の装置および状態に拡張できることは当業者には明白であろう。
さらに、本発明は好ましい実施形態について説明されたが、種々の変形、変更が同様に可能であることは当業者には明白であろう。このような変形、変更は本発明の技術的範囲内に含まれるべきものであると考えられる。

従来技術で知られている蠕動ポンプの断面図。 従来技術で知られている蠕動ポンプの上面図。 本発明による蠕動ポンプの分解図。 本発明のダイナミックブレーキおよびバックラッシュ制御システムの好ましい実施形態のブロック図。 ソフトウエアがダイナミックブレーキを制御することができる例示的なプロセスのフロー図。

Claims (9)

1. ローラポンプ内に回転可能に支持され、外周部にローラを備えているロータと、
   流体を伝送するために前記ロータによって加圧されるように配置されているフレキシブルなチューブにより構成された流体導管とを具備し、ロータのローラが前記フレキシブルなチューブの流体導管を加圧しながら回転することによって流体導管内の流体を駆動するように構成され、
   さらに、前記ロータの回転を停止させるためのダイナミックブレーキと、
   前記ロータの回転速度を測定するタコメータと、
   ローラポンプ内の前記ロータの回転速度が予め定められたポンプの回転速度より低い速度に減速されるとき前記ダイナミックブレーキを付勢する手段と、
   ロータの回転によって生成されて流体導管中に存在している回転と反対方向の圧力が低下した後にダイナミックブレーキの付勢を解除する手段とを具備し、
   前記ダイナミックブレーキは前記ロータを回転しているモータの全ての相を同時にオンにすることによって付勢されるように構成されているローラポンプ。
2. 測定されたロータ速度を予め定められたポンプ速度と比較することにより前記ロータが予め定められたロータ回転速度より低い速度に減速されたときにそれを決定する手段をさらに備えている請求項１記載のローラポンプ。
3. ロータを回転させるように駆動するためにロータに結合されたモータと、
   モータの巻線を短絡させてモータをダイナミックブレーキとして動作させる制御手段とを備えている請求項１記載のローラポンプ。
4. さらに、流体導管中の圧力が低下したとき前記ダイナミックブレーキの付勢を解除する手段は、
   予め定められた時間が経過したか否かを決定する手段と、
   予め定められた時間が経過したときモータの全ての相の付勢を解除する手段とを具備し、
   前記予め定められた時間は流体導管中に存在している回転と反対方向の圧力が低下するために必要な時間を表している請求項３記載のローラポンプ。
5. ローラポンプ内に回転可能に支持され、外周部にローラを備えているロータと、流体を伝送するために前記ロータによって加圧されるように配置されているフレキシブルなチューブにより構成されている流体導管とを具備し、ロータのローラが前記フレキシブルなチューブの流体導管を加圧しながら回転することによって流体導管内の流体を駆動するように構成され、さらに、ロータを駆動するモータと、ダイナミックブレーキとを具備しているローラポンプにおけるバックラッシュを阻止する方法において、
   タコメータを使用してロータの速度を測定し、
   ローラポンプの回転しているロータの減速中に、制御装置によってロータの速度が予め定められたロータの速度のしきい値よりも小さいか否かを決定し、
   制御装置によりロータの速度が予め定められたロータの回転速度のしきい値よりも小さいことが決定されたとき、ダイナミックブレーキを付勢し、
   そのダイナミックブレーキは前記ロータを回転しているモータの全ての相を同時にオンにすることによって付勢され、
   ダイナミックブレーキの付勢後の経過時間を制御装置によって測定し、
   ロータの回転によって生成されて流体導管中に存在している回転と反対方向の圧力が低下している状態で予め定められた時間が経過した後に制御装置がダイナミックブレーキの
   付勢を解除するステップを含んでいるローラポンプにおけるバックラッシュを阻止する方法。
6. 前記ロータの速度が予め定められたロータ速度のしきい値よりも小さいか否かを決定するステップは、
   制御装置によって測定されたロータ速度と予め定められたロータ速度しきい値とを比較するステップを含んでいる請求項５記載の方法。
7. 前記ダイナミックブレーキを付勢するステップは、制御装置によってモータの巻線を短絡させるステップを含んでいる請求項５記載の方法。
8. 前記予め定められた時間が経過した後にダイナミックブレーキの付勢を解除するステップは、制御装置によってモータの全ての相の付勢を解除させるステップを含んでいる請求項５記載の方法。
9. さらに、前記予め定められた経過時間に等しい時間量を決定するためにタイマーを始動させ、
   前記予め定められた時間の期間が経過したことを示すまでタイマーをデクリメントするステップを含んでいる請求項５記載の方法。

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