JP6802399B2 - 分離ピストン型定量ポンプ - Google Patents
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Description
本発明は、糖尿病治療用のインスリンの送出に使用できるような、注入によって液体薬剤を連続送出するようになすマイクロポンプについて述べられる。
薬物の皮下送出のためのマイクロポンプが、例えば、米国特許第７，７２６，９５５号明細書および米国特許第８，２８２，３６６号明細書などから知られている。この従来技術では、様々な実施例で、固定子、即ち、ハウジング内に装着された回転子を有するポンプについて説明している。ある角度で回転子上の軸延長部分に位置しているシールリングが、回転子と固定子の間に形成されたチャネルと連動してロータハウジングを介し正確な量の液体を移動させる。しかし、これらの実施例は、比較的複雑であり、また費用対効果がよくない。注入用パッチ（infusion patch）が数週間の間、変更される場合、使用者は、ポンプを維持する。その技術が完全使い捨てのポンプに向けて進化し続けているとき、小型で経済的なマイクロポンプ設計の必要性は、依然として強烈である。
従来技術で知られている他の注入ポンプは、親ねじが前進するとき、薬剤をカニューレを介し一定量供給するように、リザーバに係合される親ねじを有する剛性のリザーバを含む。この構成において、薬剤の送出用のアクチュエータが、親ねじに直接的に接続され、投与精度は、モータの精度などの制御するのが困難な変わり易い性質に依存する。さらに、その装置は、較正された投与量をもたらすために剛性のリザーバを必要とする。したがって、可撓性のリザーバを使用することは不可能であり、ポンプのための実現可能なレイアウトの数が、結果として制限される。
本発明に従うマイクロポンプは、注入による薬剤の送出用である。このマイクロポンプは、インスリンの送出に関して説明されるが、他の薬剤の注入に使用されることもできる。マイクロポンプは、リザーバと、カニューレと、モータと、歯車と、駆動ラックと、リザーバと流体連通している第１の開口部、および、カニューレと流体連通している第２の開口部を有する管状のポンプハウジングと、を含む。ドライブピストンおよびフローティングピストンは、ポンプハウジング内のドライブピストンおよびフローティングピストンの第１の軸線方向位置および第２の軸線方向位置で、第１の開口部および第２の開口部を塞ぐように位置決めされる。モータは、歯車に係合され、歯車は、フローティングピストンに対してドライブピストンを軸線方向に移動させるように、駆動ラックに係合され、ドライブピストンをフローティングピストンに対して移動させることが、ポンプハウジング内にポンプ容量の空間を画定することになる。
第１の実施例では、ドライブピストンは、フローティングピストンに連結され、駆動ラックは、ポンプハウジングに対して軸線方向に向けられ、ドライブピストンをポンプハウジング内で移動させるようにドライブピストンに連結される。
第２の実施例では、ドライブピストンは、固定位置にあり、フローティングピストンは、ドライブピストンに連結されず、駆動ラックは、ポンプハウジングにあり、ポンプハウジングは、第１および第２の軸線方向位置を得るように、モータおよび歯車によって移動される。
第３の実施例では、フローティングピストン（この実施例では「スプール」とも呼ばれる）は、ドライブピストンの一部分を受け入れる穴であって穴内のポンプ容量の空間を画定する穴を備える。穴、および、フローティングピストンの外面に対し開口するフローティングピストンの貫通孔は、第１の位置で第１の開口部を介しリザーバに接続でき、第２の位置で第２の開口部を介しカニューレに接続できるように位置決めされる。
第３の実施例の変形例である第４の実施例では、歯車は、ポンプハウジングの開口を通り抜けて駆動ラックに係合し、こうすることで、ピストン配置のより短い軸線方向長さ、およびより小さい占有面積を可能にする。
第３の実施例の他の変形例である第５の実施例では、ドライブピストンは、フローティングピストンの穴の一端の凹部の中に受け入れられるドライブピストンの要部よりも狭い軸延長部分を備える。ポンプ容量空間は、ドライブピストンの軸延長部分とフローティングピストン穴内の凹部の端部との間に画定される。
他の変形例は、以下の詳細な記述の中で説明される。これらの実施例および変形例のそれぞれでは、ポンプ容量の空間は、管状のポンプハウジング内に軸線方向に配置されたピストンの相対的な位置によって画定される。実施例および変形例のそれぞれでは、管状のポンプハウジングの内面とドライブピストン、および／または、フローティングピストンのラジアルシールとの摩擦係合が、ポンプサイクル中、様々な時間にリザーバおよびカニューレに接続できるように、ポンプハウジングの開口部の開放および閉鎖を決定する。
図面は、ある縮尺とはなっておらず、また、フィーチャーが、分かりやすくするために様々な図でいくつか省略されている。
後述される本発明の実施例のそれぞれにおいて、ドライブピストン（ｄｒｉｖｅ ｐｉｓｔｏｎ）およびフローティングピストン（ｆｌｏａｔｉｎｇ ｐｉｓｔｏｎ）が、ポンプハウジング内で軸線方向に向けられており、その複数のピストンの相対的位置が、ポンプ容量Ｖを画定する。「軸の方向」とは、ポンプハウジング、および／または、ピストンの縦軸線に沿うことを意味する。ポンプ容量は、交互に、負圧を生成して流体をリザーバから第１の開口部を介しポンプ容量に吸い込み増大され、また、流体を第２の開口部を介してカニューレラインまで送出し圧縮される。ポンプ容量は、ポンプによって送出される投与量に応じて、例えば０．１μｌから５０μｌまでの範囲でサイズ変更され得る。例示的な実施例では、２つの完全なポンプサイクルが米国の慣習濃度で一単位のインスリンを送出するように設計され、ポンプ容量は、約５．０μｌである。多くの実施例では、排出行程は、全ポンプ容量の中身を出す。また、より少ない投与量増分をもたらすように排出行程を増大させることも可能である。
図１は、流体送出システム１００の概略全体図をもたらし、流体送出システム１００はリザーバから正確な量の流体を吸い込むための定量サブシステム２００と流体連通しているリザーバ１２０と、薬剤を使用者１０１に送出するためのカニューレ機構１２２とを含む。定量サブシステム（ポンプ）は、好ましくは、軽量で簡単に持ち運べることである。カニューレ機構１２２は、管類および絆創膏を含む注入セットによって注入部位に接続さ
れることができ、または、もう一つの選択肢として、カニューレ挿入機構が、定量サブシステム２００内のハウジングの中に組み込まれてもよい。本発明は、いかなる特定のリザーバの実施例にも限定されないが、リザーバ１２０は、好ましくは、可撓性であり、また多くの従来技術のインスリンポンプと同様に、プランジャおよび親ねじとは係合されない。可撓性リザーバは、流体を送出するための内部アクチュエータ機構を有することなく、その結果、ポンプ全体は占有面積が小さく、よりコンパクト設計であることを可能にする。リザーバは、例えば、シリンジ１２１によって充填ポート１２３を介して充填されることができ、または、充填済みリザーバ、即ち、カートリッジが使用されてもよい。
れることができ、または、もう一つの選択肢として、カニューレ挿入機構が、定量サブシステム２００内のハウジングの中に組み込まれてもよい。本発明は、いかなる特定のリザーバの実施例にも限定されないが、リザーバ１２０は、好ましくは、可撓性であり、また多くの従来技術のインスリンポンプと同様に、プランジャおよび親ねじとは係合されない。可撓性リザーバは、流体を送出するための内部アクチュエータ機構を有することなく、その結果、ポンプ全体は占有面積が小さく、よりコンパクト設計であることを可能にする。リザーバは、例えば、シリンジ１２１によって充填ポート１２３を介して充填されることができ、または、充填済みリザーバ、即ち、カートリッジが使用されてもよい。
マイクロコントローラ１０は、複数のセンサ１５、センサ１７、および、回路１１，１２，１３，１４を接続して動作させ、ポンプおよびカニューレを制御するためのアクチュエータ１６およびアクチュエータ１８を接続して動作させるプリント回路基板（ＰＣＢ）の形で設けられている。電力は、ハウジング内の１以上の電池１９によって供給される。音響式フィードバック、視覚表示、および使用者が動かせる制御部（不図示）が、ＰＣＢに作動的に接続されるユニット、あるいは、投与量を設定し、カニューレを配置し、注入を開始し、従来技術で知られているように、ボーラス投与量を送出するための遠隔プログラミングユニットに設けられ得る。
本発明の一実施例に従う定量サブシステム２００の構成要素が、図２における分解組立図、および、図３における組立図に描写されている。定量サブシステム２００は、容積型ポンプを駆動するためのモータ２２４および歯車２２６を含む。そのポンプは、管状のポンプハウジング２２８と、ポンプハウジング内で軸線が一致したマルチセグメントピストン（ｍｕｌｔｉ−ｓｅｇｍｅｎｔ ｐｉｓｔｏｎ）とを含む。図２および図３における実施例では、ドライブピストン２３２およびフローティングピストン２３４が、ポンプハウジング内で軸線方向に向けられ、互いに連結される。ドライブピストン２３２およびフローティングピストン２３４は、管状のポンプハウジング２２８の内面と摩擦係合される半径方向に配置される一対のシール２３１、２３３および２３５、２３７をそれぞれ有する。
ポンプの行程により、流れを引き起こすように流路内に正の圧力勾配および負の圧力勾配が作られる。したがって、複数のシールは、管状ポンプハウジング２２８の内面と摩擦係合されなければならず、また、ポンプ容量内の正圧および負圧を維持するように、シールは、ポンプの行程の中で係合するまで正圧および負圧が、ピストンを動かさないことを確実にするように、所定の大きさに作られなければならない。図示の実施例では、シール２３１、２３３、２３５およびシール２３７は、半径方向に位置するエラストマーのＯリングである。しかし、複数のシールは、ピストンの上に直接的に成形されてもよく、または、複数のクワッドリング（ｑｕａｄ ｒｉｎｇｓ）、またはポリテトラフルオロエチレン（ＴＥＦＬＯＮ（登録商標））もしくはポリエチレンリップシールのような代替のシールシステムが、同じ機能を果たすように適合されてもよい。総じて、定量サブシステムの構成要素は、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）などの硬質医療用プラスチックで作られるのに対し、ショアＡ硬さが２０から５０までの間にある液状シリコーンゴム（ＬＳＲ）が、シールのために使用される。必要なら、複数のＬＳＲシールは、硬質プラスチック基板に直接的に成形されることができ、この場合には、複数の基板部が、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）またはポリスルホン（ＰＳ）などの、より高い軟化温度を有するプラスチック材料で作られなければならない。
本開示は、様々な実施例において「フローティングピストン」に言及する。この用語は、単に便宜上使用される。この文脈で「フローティング」とは、その要素がモータに直接的に連結されておらず、むしろ、管状ポンプハウジングの内面とのラジアルシールの摩擦係合の結果として、その要素がいくつかの単独の動きを有することを単純に意味する。用語「ピストン」は、管状のポンプハウジング内のピストンのような構成を単純に指し、ポンプ容量の空間内でどのように液体が圧縮されるかを表すことを意味するものではない。さらに、ピストンは、他のピストンまたは要素に対して移動されるように動かされる必要がない。
図示の実施例では、一対のシール２３１、２３３および２３５、２３７は、ポンプの行程のそれぞれの終わりにリザーバポート２４１とカニューレポート２４２との間で能動的に往復される流体制御弁を作り、それらのポートを交互に開閉し、流体流れが、一方向（リザーバ１２０から患者１０１まで）であること、および、患者からリザーバへ流れる可能性がないことを確実にする。
図５の断面図で分かるように、ピストンアセンブリは、駆動ラック２３８と、ドライブピストン２３２と、互いに連結されるフローティングピストン２３４とを含む。変形例がピストンセグメントを連結するように行われ得るが、示される実施例では、ピストンセグメントは、フローティングピストン２３４の第１の端部と軸線方向に対向するドライブピストンの端部の第２のフック２０４に連結されるフローティングピストンの第１の端部の第１のフック２０５を含む一連のフックにより、取り付けられている。第１のフック２０５と第２のフック２０４との間の空隙により、ドライブピストン２３２に対するフローティングピストン２３４の画定された軸線方向動きが、可能となる。ドライブピストン２３２における対向する端部の第３のフック２０３が、駆動ラックの第４のフック２０１に連結される。第３のフック２０３と第４のフック２０１との間の空隙により、以下に説明されるように、ポンプサイクル中、モータの負荷の段階的な増大をもたらすように使用され得る駆動ラック２２８とドライブピストン２３２との間に、画定された軸線方向の動きを可能にする。
示される実施例では、ポンプ容量は、ドライブピストン２３２とフローティングピストン２３４との間であってシール２３３とシール２３５との間の境界面に位置し、ポンプ容量の空間は、ドライブピストン２３２とフローティングピストン２３４との相対的位置によって画定される。吸入行程の開始前に、リザーバポート２４１が、ドライブピストンおよびフローティングピストンのそれぞれにおける連結端部でラジアルシール２３３とラジアルシール２３５との間に位置決めされ、フック２０５およびフック２０４相互間の空隙領域が、リザーバポート２４１に向かって開いている。他方、カニューレポート２４２は、初期状態ではドライブピストン２３２によって塞がれている。
ポンプサイクル開始前のポンプの初期状態が、図６Ａに描写されている。モータ２２４は歯車２２６に係合され、その歯車は、駆動ラック２３８に係合され、フローティングピストン２３４をドライブピストン２３２に対して軸線方向に移動させる。ドライブピストンのＬ形フック２０３に対する駆動ラック２３８のＬ形フック２０１の係合は、モータが軽負荷で始動できるようにする連結空隙２４３をそのままにし、ドライブピストン２３２に係合する前にその空隙を塞ぐ。ドライブピストン２３２のフック２０４とフローティングピストン２３４のフック２０５との間の空隙により、ポンプ容量が増大でき、カニューレポート２４２およびリザーバポート２４１が、ポンプサイクルの様々な段階でポンプ容量に通じるようにする。
本発明に従う管状容積型ポンプは、容易に測定可能な管状ポンプハウジング２２８の内径の寸法、および、ピストン２３２およびピストン２３４のフックフィーチャ次第である用量精度のための短いトレランスループ（short tolerance loop）をもたらす。投与量は、モータ２２４の回転に合わせて直接的に較正されず、ピストンは、用量精度に影響を及ぼすことなく、ポンプハウジング内で必要とされる量を超えて動くことができる。図３には、電池１９から電力供給されるＤＣ歯車モータ２２４が描写されているが、ソレノイド、ニチノール（ニッケルチタン合金）ワイヤモータ（ｗｉｒｅ ｍｏｔｏｒ）、ボイスコイルアクチュエータモータ（ｖｏｉｃｅ ｃｏｉｌ ａｃｔｕａｔｏｒ ｍｏｔｏｒ）、圧電モータおよびワックスモータ（ｗａｘ ｍｏｔｏｒ）など、他のモータシステムも、本発明とともに使用するために適合され得る。
図６Ａおよび図６Ｂに描写された初期状態では、駆動ラック２３８は、ドライブピストン２３２がカニューレポート２４２を閉塞するように、ポンプハウジング２２８の中に完全に入っている。図６Ｂの断面図で分かるように、ドライブピストン２３２のシール２３３とフローティングピストンのシール２３５との間のポンプ容量の空間が、完全に縮まり、リザーバポート２４１に対し開口している。
図７Ａ、および対応する図７Ｂの断面図は、吸入行程中の定量システム２００を示す。その吸入行程は、段階的に増大する負荷がモータに加えられるように設計され、モータ効率および電池寿命に有利である。連結用空隙２４３（図６Ｂに示される）により、モータが、軽い負荷で始動でき、電池寿命に悪影響を及ぼす始動電流を最小限にする。吸入行程の初期段階では、駆動ラック２３８は、歯車２２６の時計回り方向の回転の結果として、駆動ラック２３８とドライブピストン２３２との間の空隙を塞ぐように軸線方向に移動される。駆動ラックとピストンとの間の空隙が塞がれる場合、駆動ラック２３８がドライブピストン２３２に直接的に係合する。吸入行程におけるこの段階では、フローティングピストン２３４は、ポンプ容量が増大する間、静止し、流体をポンプ容量の中にリザーバポート２４１を介して引き込む。吸入行程中、フローティングピストン２３４上のシール２３５、シール２３７とポンプハウジング２２８の内径との間の摩擦は、フローティングピストン２３４の面に作用する負の吸入圧力がこのピストンを吸入行程の完了前に動かさないことを確実にするように十分に高くなければならない。
図８Ａおよび図８Ｂは、吸入行程後ポンプ容量が完全に増大されている場合、定量システム２００を描写している。駆動ラック２３８、ドライブピストン２３２およびフローティングピストン２３４の動きが、矢印で描写されている。このポンプサイクルの段階中、フローティングピストン２３４は、モータ２２４の付勢、および歯車２２６の連続した時計回り方向の回転のもとに動き始める。リザーバ入口２４１は、フローティングピストン２３４におけるシール２３５が弁状態を変えるようにリザーバポートの入口オリフィスを横切るとき、閉塞される。リザーバポートおよびカニューレポートの閉塞および開放は、特定の順序に従う。吸入行程後、弁変化状態中、リザーバポートがまず閉塞される。この後に、両方のポートが閉塞される中間状態が続く。それから、２つのピストンのさらなる軸線方向の動きが、カニューレポートを開く。そのシステムは、２つのシールが側面の孔を同時に横切らないことを確実にするための中間状態を有するように設計される。その順序立てた弁の移行は、高い背圧で注入する場合、シールがそのポートを横切るとき、逆流の可能性を最小限にする。
図９Ａおよび図９Ｂは、定量システム２００をその完全後退状態で示しており、駆動ラック２３８が管状ポンプハウジング２２８から完全に後退され、カニューレポート２４２がシール２３３とシール２３５との間の増大したポンプ容量に向けて開かれている。この位置では、リザーバポート２４１が、フローティングピストン２３４によって閉塞される。
図１０Ａおよび図１０Ｂに描写される排出行程の初期段階中、モータ２２４および歯車２２６は、矢印で示された逆方向（反時計回り方向）に回転し、その結果、駆動ラック２３８が、ドライブピストン２３２を、ポンプ容量Ｖが縮まる間、最初静止したままであるフローティングピストン２３４に向け押し、また、ポンプ容量からの流体をカニューレポート２４２から押し出す。排出行程中、フローティングピストン２３４におけるシールとポンプハウジング２２８の内面との間の摩擦は、フローティングピストン２３４の面に作用する正の圧力がこのピストンを排出行程の完了前、動かさないことを確実にするように、十分に高くなければならない。吸入行程と同様に、排出行程は、段階的に増大する負荷がモータに加えられるように設計される。
図１１Ａおよび図１１Ｂは、排出行程後、弁状態が変更中における定量システム２００を描写している。ポンプ容量は完全に落ちており、モータ２２４の力が、図１１Ｂに矢印で示された方向にフローティングピストン２３４を動かすように作用する。ドライブピストン２３３におけるシールが、カニューレポート２４２における入口の開口部を横切るとき、カニューレポート２４２が、まず閉塞される。リザーバポート２４１は、縮んだポンプ容量と同心とされ、図１２Ａおよび図１２Ｂに示されるように、ピストンセグメントを開始位置まで戻す。
本発明の代替的な第２の実施例では、ピストンセグメントは、単独のものであり、互いに連結されていない。ドライブピストンの位置は、固定され（この実施例では「固定ピストン」と呼ばれる）、ピストンセグメントの相対的な軸線方向の位置は、ポンプハウジングを移動させることによって達成される。図１３における分解組立図、図１３Ａにおける組み立て図に示されるこの実施例では、ＤＣモータ３２４およびピニオン歯車３２６が、ポンプハウジング３１４をクレードル３１６内で前後に駆動する。この目的のために、駆動ラック３２８は、ポンプハウジング３１４の上部に一部として含まれる。固定ピストン３３２は、第１のキーイングリブ（keying rib）３２０によってクレードル３１６に一体に固定され、ポンプサイクル中に動かない。フローティングピストン３３４は、フローティングピストンにおける溝３３０とクレードル３１６における第２のキーイングリブ３２２との間の軸線方向の隙間により、固定ピストンに対して前後に移動する。そのポンプ容量は、固定ピストン３３２およびフローティングピストン３３４の向かい合う面相互間に形成される。
図１３Ａに示された位置において、フローティングピストン３３４の第１の軸端部が、固定ピストン３３２の端面に接近している。フローティングピストンにおける第１の軸端部に向き合う一端部で、フローティングピストン３３４の溝３３０が、溝３３０の端部がキーイングリブ３２２の外面に当接するように、クレードル３１６の第２のキーイングリブ３２２で受け止められる。図１３Ａは、モータ３２４がハウジング３２５に受け入れられた状態でアセンブリを示し、示される実施例では、歯車３２６がハウジングのほぼ中心に位置するように、クレードル３１６と一体化され配置されている。フローティングピストン３３４および固定ピストン３３２の相対的な移動が、ポンプの行程を測定する。ポンプハウジング３１４の内面とフローティングピストン３３４におけるシール３３５、シール３３７相互間の摩擦により、モータ３２４が歯車３２６および駆動ラック３２８を介してポンプハウジング３１４を駆動する場合、ポンプサイクルの初期段階中に、フローティングピストンが、ポンプハウジング３１４と一緒に移動する。図１３に示された位置では、リザーバポート３５２の開口部が、フローティングピストン３３４と固定ドライブピストン３３２相互間に同心とされる。
図１４は、代替的な第２の実施例に従うポンプサイクルの開始位置を断面で示す。トラベルリミットセンサ３４７が係合され、複数のピストンが互いに接近している。図１５の矢印で示されているように、歯車３２６の反時計回り方向の回転（軸をモータに向けて進めて見る）が駆動ラック３２８に係合し、ポンプハウジング３１４をフローティングピストン３３４の方向に移動させる。吸入行程の初期段階では、フローティングピストン３３４は、シールとポンプハウジングの内面との間の摩擦により、ポンプハウジング３１４と一緒に動き、ポンプ容量Ｖは、フローティングピストン３３４の端面と固定ピストン３３２の端面との間に形成する。流体は、ポンプ容量Ｖ内に生成される負圧により、リザーバからリザーバポート３５２を介して吸い込まれる。
吸入行程後、図１６に示された位置において、フローティングピストン３３４における溝３３０の向かい側が、クレードル３１６のキーイングリブ３２２に対し止められる。この状態で、ポンプ容量Ｖは、完全に増大され、ポンプハウジング３１４は、フローティングピストン３３４におけるシール３３５がリザーバポート３５２を横切るように、移動し続ける。それから、図１７に示されるように、カニューレポート３５１が、固定ピストン３３２のシール３３３を横切り、カニューレポート３５１により、２つのピストン３３２、３３４相互間の増大したポンプ容量Ｖへの接続をもたらす。トラベルリミットセンサ３４７が、モータの方向を排出行程のために逆転させるように起動される。
図１８は、本発明のこの実施例に従う排出行程中のポンプを示す。示される実施例において、モータ軸は、図１８に矢印で示されるように、ポンプハウジング３１４およびフローティングピストン３３４を固定ピストン３３２の方向に移動させる、逆方向（時計回り方向）に回転する。ポンプ容量Ｖが、縮み、流体を、カニューレポート３５１を介してカニューレラインへと低下させる。排出行程中、フローティングピストン３３４におけるシールとポンプハウジング３１４の内径との間の摩擦は、ポンプサイクルにおけるこの部分（排出行程）中、フローティングピストン３３４とポンプハウジングとの間の相対的な動きがないことを確実にするように、十分に高くなければならない。図１９では、ポンプサイクルが完了されており、フローティングピストンにおける溝３３０の端部が、キー止め具３２２に到達し、さらなる動きが阻止される。図２０における位置では、行程センサ３４７が作動され、その装置は、他のポンプサイクルのための用意ができている開始位置にある。
図２１乃至図３９Ｂにおいて描写された本発明の第３の実施例および第４の実施例では、ポンプ容量は、フローティングピストンの穴に受け入れられたドライブピストンとの間に形成される（これらの実施例においてフローティングピストンは「スプール」とも呼ばれる）。先の実施例のように、ドライブピストンは、この場合にはスプールの穴の中に形成されるポンプ容量を増大および圧縮するように、歯車および駆動ラックを介してモータによって駆動される。先の実施例とは異なり、スプールにおけるシールだけが、ポンプハウジングの内部と摩擦係合される。ポンプ容量空間内における正の圧力および負の圧力が、その穴の内面と摩擦係合されたドライブピストン上のシールによって維持される。
図２１の分解組立図で分かるように、第３の実施例によれば、モータ４２４は、管状ポンプハウジング４３８と一体化され得るハウジング４２５の中に受け入れられる。先の実施例のように、ピニオン歯車４２６が、ドライブピストン４３２と連結される駆動ラック４２８に係合する。ドライブピストン４３２と駆動ラック４２８との連結、ならびに、スプール４３４内のドライブピストン４３２の係合は、様々な形を取ってもよい。図２１における特定の実施例では、ドライブピストン４３２は、ポンプサイクル中、スプール４３４の穴の内側にあり、駆動ラック４２８は、ポンプハウジング４３８の中に受け入れられる協働するフック４０１、フック４０２を使用してドライブピストン４３２に連結する軸延長部分４０８を含む。ドライブピストン４３２は、スプール４３４内のスロット４０５、および、ドライブピストンの孔４０４を介し受け入れられる連結ピン４０３を使用しスプール４３４に連結される。スロット４０５の軸線方向の長さ、および連結ピン４０３の直径は、ポンプサイクル中、スプール４３４の穴の内側のドライブピストン４３２の移動の自由度を決定する。
図２４Ａ、および図２４Ｂの対応する断面図は、ポンプサイクルの開始位置を描写する。駆動ラック４２８の軸延長部分４０８は、スプール４３４の中に完全に入り、連結ピン４０３は、細長いスロット４０５の軸線方向端部に当接し、スプール４３４内の最も遠いドライブピストン４３２の延長部分を画定する。スプールにおけるシール４３３およびシール４３１は、カニューレポート４５２を閉塞し、スプールの中間セグメントに対しリザーバポート４５１を開放したままにする。
図２５Ａ、および図２５Ｂにおける対応する断面図は、本発明のこの実施例に従う吸入行程を描写する。吸入行程中、ドライブピストン４３２は、矢印で示された方向にフローティングピストン穴４０９内で軸線方向に移動され、ポンプサイクル全体を通して穴４０９の中に全体があり、フローティングピストン４３４は、最初、ポンプハウジング４３８の内面に対するフローティングピストン４３４におけるシール４３１、４３３、４３５およびシール４３７の摩擦係合により静止したままである。流体は、リザーバからリザーバポート４５１およびフローティングピストン４３４の開口４０７を介して穴４０９内のポンプ容量の空間Ｖの中に吸い込まれる。吸入行程中、スプール上のシールとポンプハウジングの内径との間の摩擦は、吸入行程の完了前に、フローティングピストンの面に作用する負の吸入圧力がスプールを動かさないことを確実にするように、十分に高くなければならない。吸入行程は、モータ効率および電池寿命に有利である段階的に増加する負荷がモータに加えられるように設計される。駆動ラックのフック４０１およびドライブピストンのフック４０２相互間の連結により、それぞれ、モータが、軽い負荷で始動でき、電池寿命に悪影響を及ぼす始動電流を最小限にする。駆動ラック４２８は、その空隙が塞がるまでドライブピストン４３２に係合せず、それを動かし始めない。ドライブピストン４３２は、フローティングピストン４３４の穴４０９の内面と摩擦係合する１つの摺動シール４０６を有する。最初に、ポンプ容量Ｖが増大し始めるとき、付加的な圧力負荷が、穴の中の負圧の結果としてドライブピストンの端部にかけられ、さらにモータの負荷を増大させる。
図２６Ａ、および図２６Ｂにおける対応する断面図に示されるように、ポンプ容量Ｖが完全に増大し、流体で満たされたならば、圧力およびピストン摩擦負荷は減少し、ドライブピストン４３２は、矢印で示されるように連結ピン４０３によってフローティングピストン４３４を引っ張り始めて、ポンプハウジング４３８の内面に対する４つの摺動シール４３１、４３３、４３５および摺動シール４３７の摩擦係合により、モータの負荷をさらに増大させる。
弁状態変化中、リザーバ入口は、フローティングピストン４３４におけるシール４３５がリザーバポート４５１を横切とき、先ず、閉塞される。それから、カニューレポート４５２が、フローティングピストン４３４の穴４０９の増大したポンプ容量の空間Ｖに対し開く。吸入行程が完了された場合、トラベルリミットセンサ４４１が、方向を変えるようにモータを起動させる。実施例のいずれも同様に、トラベルリミットセンサ４４１は、駆動ラックの移動の限界が到来した場合、起動してもよく、または、歯車が回転するとき、歯車４２６の歯を数える光学センサおよびエンコーダのようなより正確な機構が、使用されてもよい。
図２７Ａおよび図２７Ｂに描写された排出行程中、モータ４２４は、反時計回り方向（モータ軸をモータに向けて進める方向で見る）に回転し、フローティングピストン４３４は、シールの摩擦係合の結果として、再び、最初、静止している。ドライブピストン４３２は、ポンプ容量の空間Ｖを圧縮し、流体をカニューレポート４５２を介して吐出する。排出行程後、図２８Ａおよび２８Ｂに描写された状態で、ポンプ容量Ｖは、完全に縮まり、フローティングピストン４３４が、管状ポンプハウジング４３８内で動き始める。弁は、状態を変化させ、カニューレポート４５２は、シール４３５が開口部を横切るとき、閉塞され、その後、リザーバポート４５１は、フローティングピストン４３４内の開口部４０７に対し開く。図２９Ａおよび図２９Ｂは、ポンプサイクルの終了時、駆動ラックが完全に入る位置までピストンアセンブリを戻すポンプサイクルの最終段階を描写する。
図３０乃至図４０Ｂに描写される本発明の第４の実施例において、駆動ラックとピストンは、ポンプサイクル全体を通してフローティングピストンの穴内に全体がある１つのドライブピストン５０１に合わせられる。窓５０４は、歯車５２６が、ポンプハウジングの内側に受け入れられたドライブピストン５０１に係合し、それを軸線方向に動かすことができるように、フローティングピストン５３４の側面に切られている。この構成により、ポンプハウジング５３８のより短い軸線方向長さと、より小さい占有面積とを可能にする。
図３１における組立図において、ポンプハウジング５３８は、モータ５２４を受け入れるためのハウジング５２５、および、ピニオン歯車５２６の支持物５０２と一緒に形成されて示され、歯車が、フローティングピストン５３４の開口５０４を介してドライブピストン５０１の駆動ラック部分に接続できる。
第４の実施例のためのポンプサイクルは、先の実施例のポンプサイクルと同様である。図３３Ａにおける伸ばされた位置では、組み合わされた駆動ラック／ピストン５０１は、フローティングピストン５３４の穴に完全に入れられ、フローティングピストンは、歯車５２６から離れる方向のポンプハウジング５３８の突き当たりにある。カニューレポート５５２およびリザーバポート５５１は、位置決めは任意であるけれども、モータに面するポンプハウジングの側面に位置決めされている。図３４Ａおよび３４Ｂに描写された吸入行程中、組み合わされた駆動ラック／ピストン５０１は、時計回り方向に回転する歯車５２６によって駆動され、フローティングピストン５３４、即ち、この実施例でもそのままで呼ばれるように、スプールの穴内のポンプ容量の空間Ｖを増大する。流体は、ポート５５１を介してポンプ容量の空間Ｖ内に吸い込まれる。図３５Ａおよび図３５Ｂは、弁状態変化中、吸入行程後のフローティングピストン５３４の位置を描写する。ポンプ容量が完全に増大するならば、モータ５２４は、管状ポンプハウジング５３８の内面に対するスプールの摩擦係合に打ち勝ち、そのスプールは、モータの作動によって引っ張られる。リザーバポート５５１は、シールが開口部を横切るとき、最初、閉塞される。図３６Ａおよび図３６Ｂに示されるように、ポンプサイクルのこの段階の完了時、スプール５３４の穴内の増大したポンプ容量Ｖが、カニューレポート５５２と同心とされる。先の実施例のように、吸入行程の終了が、トラベルリミットセンサ５４１を起動し、モータ５２４が、方向を変える。図３７Ａおよび３７Ｂにおいて、組み合わされた駆動ラック／ピストン構成要素５０１は、スプール５３４の穴内のポンプ容量Ｖを圧縮し、流体をカニューレポート５５２から注入部位へ吐出する。図３８Ａおよび図３８Ｂに示されるように、歯車５２６の連続した回転が、組み合わされた駆動ラック／ピストンおよびスプール５３４を、図３９Ａおよび図３９Ｂに示されるように、開始位置まで押し戻す。
本発明の代替的な第５の実施例は、第４の実施例に関連して説明されたピストンおよびスプール構成の変形例である。図４０における分解組立図および図４１における断面図に描写された第５の実施例において、フローティングピストン（即ち、この実施例でもそのままで呼ばれる「スプール」）６３４は、フローティングピストンの軸線方向の細長いスロット６０５、および、ドライブピストン６３２の孔６０４を介して受け入れられたピン６０３によって、ドライブピストン６３２に連結される。そのピンは、管状ハウジング６３８のスロット６０１および６０２内を移動する。しかし、スロット６０１、６０２は、ピストンの軸線方向移動を制限せず、ピンに対し軸線方向の隙間が、スロット６０１および６０２に設けられている。これらのスロットは、組立てを容易にするために設けられている。スロット６０５内のピン６０３の運動が、ポンプのストロークを決定する。ドライブピストンの行程は、スロット６０５の長さ、および、ピン６０３の直径に依存する。この実施例におけるポンプ容量の空間は、スプールの穴６０９内に受け入れられた軸延長部分６０８によって画定される。
図４２Ａおよび図４２Ｂに描写された吸入行程中、スプール６３４における開口６１０は、リザーバポート６５１と同心とされ、スプールは、カニューレポート６５２を閉塞する。歯車６２６を介して駆動ラック６２８に作用するモータにより、ドライブピストン６３２が、スプール６３４の穴内で軸線方向に移動せしめられ、それによって、負圧の結果として流体がその空間内に吸い込まれるようにポンプ容量の空間を増大させる。圧力が、スプール６３４の内面に対するドライブピストン６３２におけるシール６１６の摩擦係合によって、ポンプ容量の空間内で維持される。最初、スプール６３４は、管状ハウジング６３８と半径方向に圧縮されたシール６３１、６３３、６３５およびシール６３７との摩擦係合の結果として、管状ハウジング６３８の内側で移動しない。
図４３Ａおよび図４３Ｂに示されるように、吸入行程が完了したならば、ドライブピストン６３２は、スロット６０５の端部に当たるピン６０３を介してスプール６３４を駆動歯車６２６に向けて引っ張り始める。スプール６３４の動きが、弁の状態を、先の実施例に関連して説明された同様な方法で変化させる。スプール６３４の開口６１０が、図４３Ａおよび図４３Ｂに示されたように、リザーバポート６５１からカニューレポート６５２まで通じる。図４４Ａおよび４４Ｂにおける完全な後退状態において、トラベルリミットセンサ６４７が起動され、図４５Ａおよび４５Ｂにおける排出行程が開始され、流体をカニューレポート６５２から押し出す。排出行程の完了後、ドライブピストン６３２は、スロット６０５の端部に当接するピン６０３を介してスプール６３４を駆動歯車６２６から離れる方向に押し始める。図４６Ａおよび４６Ｂに示されたスプール６３４の移動が、弁の状態を変化させる。弁状態変化の完了時、定量システムは、図４７Ａおよび図４７Ｂに示されるように、ポンプサイクルの開始位置に戻る。
好ましい実施例についての上述の説明は、添付の請求の範囲によって定義される本発明を限定するものではない。当業者は、上記の開示に依拠して、請求された本発明の範囲から逸脱することなく、説明された実施例の変形例を行うことができる。例えば、注入ポンプは、糖尿病の治療用のインスリンの連続送出に関連して説明されているが、注入ポンプが他の薬剤を送出するように適合され得ることが当業者には明らかであろう。一実施例に関連して説明された特徴、あるいは、従属請求項の制限、または、独立請求項は、本発明の範囲から逸脱することなく、他の実施例または独立請求項と一緒に使用することにも適応され得る。
Claims (2)
- 注入によって薬剤を送出するためのマイクロポンプであって、
リザーバと、カニューレと、モータと、歯車と、駆動ラックと、
前記リザーバと流体連通している第１の開口部、および、前記カニューレと流体連通
している第２の開口部を有する管状ポンプハウジングと、
前記駆動ラックに連結され、前記管状のポンプハウジング内に軸線方向に配置される
フローティングピストン内に受け入れられるドライブピストンであって、前記フローティングピストン内の穴に受け入れられ、前記穴と前記ドライブピストンの軸延長部との間にポンプ容量の空間を画定する部分を有する前記ドライブピストンと、
前記穴、および、前記フローティングピストンの外面に対し開口する前記フローティングピストンの貫通孔とを含み、
前記貫通孔は、第１の位置で前記第１の開口部を介し前記リザーバから前記ポンプ容量の空間に通じ、第２の位置で前記第２の開口部を介し前記ポンプ容量の空間から前記カニューレに通じるように位置決めされ、
前記フローティングピストンは、該フローティングピストンの軸線方向のスロット、および、前記ドライブピストンの孔を介して受け入れられたピンにより該ドライブピストンに連結され、該ピンが、前記管状ポンプハウジングに向き合って形成された一対のスロット内を移動するマイクロポンプ。 - 前記フローティングピストンの前記穴の内面と摩擦係合する前記ドライブピストンに
おけるラジアルシールと、
前記管状のポンプハウジングの内面と摩擦係合している前記フローティングピストン
における２対の半径方向に位置決めされるシールと、
をさらに含む請求項1に記載のマイクロポンプ。
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