JP6899132B2

JP6899132B2 - シリンジポンプ装置

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Publication number: JP6899132B2
Application number: JP2017072214A
Authority: JP
Inventors: 光治榎木; 宮田　一司; 一司宮田; 秋澤　淳; 淳秋澤; 富雄大川
Original assignee: THE UNIVERSITY OF ELECTRO-COMUNICATINS
Current assignee: THE UNIVERSITY OF ELECTRO-COMUNICATINS
Priority date: 2017-03-31
Filing date: 2017-03-31
Publication date: 2021-07-07
Anticipated expiration: 2037-03-31
Also published as: JP2018173038A

Description

本発明は、液体又は気体又はこれらを混合した流体を一定量で送流することができるシリンジポンプ装置に関する。

シリンジ、即ち、注射器は、気体や液体によらず流体を一定の流量で流すことができる。しかし、シリンジへの流体の吸入と吐出との作業が必要であるため、連続して液体を送流することができない。

従来のこの種の技術として、例えば、特許文献１に記載されたポンプが知られている。このポンプは、１つのタンクにあるエンジン油で操作されて、同時にエンジン油を一方のシリンジ室に吸入し、他方のシリンジ室から吐出する。これにより、連続してエンジン油を送流することができる。

特開昭５３−１１３０４号公報

しかしながら、流体として、フロン等は常圧では気体になり、高圧では液体になる性質がある。このようにある系の一部で、圧力に応じて相状態が変化するフロン等の物質では、圧力の変動に応じて流体の流速が変動するため、安定して一定の流量で送流することができなかった。

本発明の課題は、高圧低圧に関係なく流体を一定量で連続して送流することができるシリンジポンプ装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係るシリンジポンプ装置は、２分岐された一方の流体が流入される第１流体管及び２分岐された他方の流体が流入される第２流体管に対応して設けられ、前記第１流体管及び第２流体管の流体出口に一端が取り付けられた第１逆止弁及び第２逆止弁と、前記第１逆止弁の他端に取り付けられた第３流体管に連結され、第１ピストンが挿入された第１シリンジと、前記第２逆止弁の他端に取り付けられた第４流体管に連結され、前記第１シリンジの軸上に配置され第２ピストンが挿入された第２シリンジと、トルクが一定で且つ所定の一定速度で回転するモータと、前記モータの回転により前記第１ピストンと前記第２ピストンとを移動させて前記第１シリンジと前記第２シリンジとの一方のシリンジへ前記流体を吸入させ且つ他方のシリンジから前記流体を吐出させるピストン駆動部と、前記第１ピストンと前記第２ピストンとの各ピストンの負荷圧を検出する負荷圧検出部とを備え、検出された各ピストンの負荷圧に基づき吐出圧を微調整することを特徴とする。この時、シリンジ内の液体は、気体もしくは液体、どちらか単相である必要があるが、シリンジで吐出してしまえば、気体であっても液体であっても、相変化しても、一定の流量を送り出すことが可能である。

本発明によれば、所定の一定速度で回転するモータを用いて、ピストン駆動部がモータの回転により第１ピストンと第２ピストンとを移動させて第１シリンジと第２シリンジとの一方のシリンジへ流体を吸入させ且つ他方のシリンジから流体を吐出させるので、高圧低圧に関係なく流体を一定量で連続して送流することができる。負荷圧検出部は、第１ピストンと第２ピストンとの各ピストンの負荷圧を検出し、検出された各ピストンの負荷圧に基づき吐出圧を微調整することで、第１ピストンと第２ピストンで圧力変動が発生しても吐出圧を一定にすることができる。

本発明の実施例１に係るシリンジポンプ装置の概略構成を示す図である。本発明の実施例１に係るシリンジポンプ装置の制御部及びその周辺回路の構成を示す図である。本発明の実施例１に係るシリンジポンプ装置の処理を示すフローチャートである。本発明の実施例２に係るシリンジポンプ装置の概略構成を示す図である。本発明の実施例３に係るシリンジポンプ装置の概略構成を示す図である。本発明の実施例４に係るシリンジポンプ装置の概略構成を示す図である。

以下、本発明の実施の形態のシリンジポンプ装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。

（実施例１）
図１に実施例１に係るシリンジポンプ装置の概略構成を示す。シリンジポンプ装置は、流体管１ａ〜１ｄ、逆止弁２ａ〜２ｄ、第１シリンジ３ａ、第２シリンジ３ｂ、モータ４、軸ネジ５、支持部６、ピストン駆動部５０を備えている。

流体管１ａ〜１ｄは、例えば、銅管からなる。流体入口からの流体は、流体管１ａ（本発明の第１流体管に対応）と流体管１ｂ（本発明の第２流体管に対応）とに２分岐される。流体管１ａには２分岐された一方の流体が流入され、流体管１ｂには２分岐された他方の流体が流入される。流体は、例えば、フロン、薬剤等である。

逆止弁２ａ〜２ｄは、例えば、ＳＵＳ管からなり、一方向のみ流体を流入させ一方向とは逆方向の流体の流入を停止させる。逆止弁２ａは、本発明の第１逆止弁に対応し、流体管１ａの流体出口に一端が取り付けられている。逆止弁２ｂは、本発明の第２逆止弁に対応し、流体管１ｂの流体出口に一端が取り付けられている。

第１シリンジ３ａ及び第２シリンジ３ｂは、例えば、ＳＵＳ管からなる。第１シリンジ３ａは、逆止弁２ａの他端に取り付けられた流体管１ｃ（本発明の第３流体管に対応）に連結され、ピストン７ａ（本発明の第１ピストンに対応）が挿入されている。

第２シリンジ３ｂは、逆止弁２ｂの他端に取り付けられた流体管１ｄ（本発明の第４流体管に対応）に連結され、第１シリンジ３ａの軸上に配置され、ピストン７ｂ（本発明の第２ピストンに対応）が挿入されている。

モータ４は、トルクが一定で且つ所定速度で回転する。モータ４の回転軸には軸ネジ５が取り付けられ、軸ネジ５は、例えば、ＳＵＳ等からなり、モータ４の回転に伴って回転する。

ピストン７ａは、例えば、プラスチック等からなる支持部６の一方の面に取り付けられ、ピストン７ｂは、支持部６の他方の面に取り付けられる。支持部６は、軸ネジ５に螺合している。このため、支持部６は、軸ネジ５の回転に伴って、軸ネジ５に沿って左右方向に移動する。

軸ネジ５及び支持部６は、ピストン駆動部５０を構成する。ピストン駆動部５０は、モータ４の回転によりピストン７ａとピストン７ｂとを移動させて第１シリンジ３ａと第２シリンジ３ｂとの一方のシリンジへ流体を吸入させ且つ他方のシリンジから流体を吐出させる。

逆止弁２ｃは、流体管１ｃの流体出口に一端が取り付けられ、逆止弁２ｄは、流体管１ｄの流体出口に一端が取り付けられている。逆止弁２ｃの他端と逆止弁２ｄとは、連結されて流体出口に接続されている。

図２に実施例１に係るシリンジポンプ装置の制御部及びその周辺回路の構成を示す。シリンジポンプ装置は、図１に示す構成に、さらに、図２に示す入力部１０、出力部２０、表示部３０、制御部４０を備えている。ピストン駆動部５０は、負荷圧検出部５１と位置検出部５２を備えている。

負荷圧検出部５１は、ピストン駆動開始前の状態におけるピストン７ａ，７ｂに掛かっている圧力を検出する。位置検出部５２は、各シリンジ３ａ，３ｂのピストン位置を検出する。

入力部１０は、キーボート、マウス等であり、各シリンジ３ａ，３ｂの容量等を入力する。出力部２０は、プリンタ等であり、記憶部４６に記憶された各シリンジに関する情報を出力する。表示部３０は、記憶部４６に記憶された各シリンジに関する情報を表示する。

制御部４０は、マイクロコンピュータ等からなり、圧力検出部４１、流体量算出部４２、吐出量吸入量算出部４３、計時部４４、監視部４５、記憶部４６を備える。

圧力検出部４１は、負荷圧検出部５１で検出された圧力を取得して記憶部４６に記憶させる。流体量算出部４２は、位置検出部５２で検出されたピストン位置に基づき各シリンジ内の流体量を算出する。

吐出量吸入量算出部４３は、記憶部４６に記憶された流体管の径に基づき流体の吐出量及び吸入量を算出する。計時部４４は、計時を開始し、流体量算出部４２で算出された各シリンジ内の流体量が目標値に達したかどうかを判定する判定部を構成する。

ピストン駆動部５０は、判定部の判定出力に基づき、各シリンジ内の流体量が目標値に達するまで、一方のシリンジへ流体を吸入させ且つ他方のシリンジから流体を吐出させる。監視部４５は、ピストン位置が異常位置になっていないかどうかを監視する。記憶部４６は、入力部１０から入力された各シリンジ３ａ，３ｂの容量等を記憶する。

次にこのように構成された実施例１のシリンジポンプ装置の基本的な動作を説明する。ここで、第１シリンジ３ａと第２シリンジ３ｂとに既に流体が入っているものとする。各シリンジ３ａ，３ｂの灰色部分が流体であるものとする。

まず、モータ４によりトルクが一定で且つ所定速度で回転すると、モータ４の回転に伴って軸ネジ５も回転する。すると、軸ネジ５に螺合する支持部６が軸ネジ５に沿って右方向に移動する。

このため、支持部６に取り付けられたピストン７ａとピストン７ｂも右方向に移動する。すると、流体管１ａと逆止弁２ａを介して流体が第１シリンジ３ａに吸入され、これと同時に第２シリンジ３ｂから流体が吐出されて流体管１ｄに送られ、逆止弁２ｄを介して流体出口に送られる。

一方、軸ネジ５に螺合する支持部６が軸ネジ５に沿って左方向に移動した場合には、支持部６に取り付けられたピストン７ａとピストン７ｂも左方向に移動する。すると、流体管１ｂと逆止弁２ｂを介して流体が第２シリンジ３ｂに吸入され、これと同時に第１シリンジ３ａから流体が吐出されて流体管１ｃに送られ、逆止弁２ｃを介して流体出口に送られる。

即ち、トルクが一定で且つ所定速度で回転するモータ４を用いて、ピストン駆動部５０がモータ４の回転によりピストン７ａとピストン７ｂとを移動させて第１シリンジ３ａと第２シリンジ３ｂとの一方のシリンジへ流体を吸入させ且つ他方のシリンジから流体を吐出させるので、高圧低圧に関係なく流体を一定量で連続して送流することができる。例えば、液体や気体に変化するフロン等の流体で圧力が変動しても流体を一定量で連続して送流することができる。

次に、図３のフローチャートを参照しながら、シリンジポンプ装置の処理を説明する。

まず、操作者は、入力部１０から各シリンジ３ａ，３ｂの容量、流体管１ａ〜１ｄの径、流体の目標の流速、流体の流量の目標値（流体総流量）を入力する（ステップＳ１）。

次に、制御部４０は、入力部１０から入力された、各シリンジ３ａ，３ｂの容量、流体管１ａ〜１ｄの径、流体の目標の流速、流体の流量の目標値（流体総流量）を記憶部４６に記憶させる。

次に、負荷圧検出部５１は、ピストン駆動開始前の状態におけるピストン７ａ，７ｂに掛かっている圧力を検出する（ステップＳ２）。このシリンジポンプ装置が閉じた系で構成されている場合には、ピストン駆動開始前からピストン７ａ，７ｂに圧力が掛かっているため、このときの圧力を検出する。

次に、圧力検出部４１は、負荷圧検出部５１で検出された圧力を取得して記憶部４６に記憶させる。流体は、流体入口から流体出口に向けて一方向に流れる。逆止弁２ａ〜２ｄを設けることで、シリンジ３ａ，３ｂから吐出した流体は、流体入口の方には流れずに、流体出口に向かって流れる。

次に、位置検出部５２は、各シリンジ３ａ，３ｂのピストン位置を検出する（ステップＳ３）。ピストン位置が右寄りか左寄りかを知るとともに、ピストン７ａ，７ｂの折り返し位置を知るために、ピストン位置を検出する。

次に、流体量算出部４２は、位置検出部５２で検出されたピストン位置に基づき現時点での各シリンジ内の流体量を算出する（ステップＳ４）。これにより、第１シリンジ３ａには○○ｍｌ、第２シリンジ３ｂには○○ｍｌの流体量があることがわかる。

次に、逆止弁２ａ〜２ｄから流体出口まで目標の流速を出力するためには、どのくらいの吐出圧で流体を押し出せば目標の流速を出力できるのかがわかるので、この吐出量を算出する必要がある。そこで、吐出量吸入量算出部４３は、記憶部４６に記憶された流体管の径に基づき流体の吐出量を算出する（ステップＳ５）。

次に、操作者は、スイッチをオンして、シリンジポンプ装置の駆動を開始する。計時部４４は、計時を開始する（ステップＳ６）。

次に、計時部４４は、計時された時刻とシリンジ内の流体の流量が目標値に達するまでの時刻との差の時間、即ち、残時間を計算する（ステップＳ７）。

次に、監視部４５は、ピストン位置が異常位置、例えばピストン７ａ，７ｂが行き過ぎになっていないかどうかを監視する（ステップＳ８）。監視部４５は、ピストン位置が異常位置であることを検出した場合には、ストップ命令や異常値を表示部３０に表示する（ステップＳ９）。

次に、計時部４４は、残時間がゼロになったかどうかを判定する（ステップＳ１０）。即ち、計時部４４は、各シリンジ内の流体量が目標値に達したかどうかを判定する。

ピストン駆動部５０は、計時部４４の出力に基づき、残時間がゼロになるまで、一方のシリンジへ流体を吸入させ且つ他方のシリンジから流体を吐出させる。このとき、ステップＳ２に戻り、負荷圧検出部５１により、各ピストン７ａ，７ｂの負荷圧も常に検出する。ピストン７ａ，７ｂでは、圧力変動が発生しているので、常に負荷圧を計測して、吐出圧を常に微調整する。

次に、残時間がゼロになった場合には、処理を終了する。あるいは、手動でスイッチをオフする。

このように、ピストン駆動部５０は、各シリンジ内の流体量が目標値に達するまで、一方のシリンジへ流体を吸入させ且つ他方のシリンジから流体を吐出させることができる。

また、流体の各シリンジ内の流体量が目標値に達した場合には、制御部４０がモータ４を逆回転させ、ピストン駆動部５０は、モータ４の逆回転によりピストン７ａとピストン７ｂとを移動させて他方のシリンジへ流体を吸入させ且つ一方のシリンジから流体を吐出させることができる。これにより、流体を一定量で連続して送流することができる。

（実施例２）
図４に実施例２に係るシリンジポンプ装置の概略構成を示す。図４に示す実施例２に係るシリンジポンプ装置は、図１に示す実施例１に係るシリンジポンプ装置に対して、軸ネジ５の左右２箇所にストッパ８ａ，８ｂを形成したことを特徴とする。

ストッパ８ａ，８ｂは、段部からなり、支持部６の移動を停止させるもので、支持部６が左右方向に移動した時の移動量を制限する。ストッパ８ａ，８ｂにより、支持部６が左右方向に移動した時の移動量を制限することにより、シリンジ３ａ，３ｂへの流体の吸入及び吐出を制限することができる。

（実施例３）
図５に実施例３に係るシリンジポンプ装置の概略構成を示す。図５に示す実施例３に係るシリンジポンプ装置は、図１に示す実施例１に係るシリンジポンプ装置に、さらに、第３シリンジ３ｃと、第４シリンジ３ｄとを備えたことを特徴とする。

第３シリンジ３ｃは、流体管１ｃに連結され、ピストン７ｃ（本発明の第３ピストンに対応）が挿入されている。第４シリンジ３ｄは、流体管１ｄに連結され、ピストン７ｄ（本発明の第４ピストンに対応）が挿入されている。

ピストン７ｃは、支持部６の一方の面に取り付けられ、ピストン７ｄは、支持部６の他方の面に取り付けられる。

このような構成によれば、ピストン駆動部５０がモータ４の回転によりピストン７ａ〜７ｄを移動させて第１シリンジ３ａと第３シリンジ３ｃへ流体を吸入させ且つ第２シリンジ３ｂと第４シリンジ３ｄから流体を流体出口に吐出させることができる。

あるいは、第２シリンジ３ｂと第４シリンジ３ｄへ流体を吸入させ且つ第１シリンジ３ａと第３シリンジ３ｃから流体を流体出口に吐出させることができる。このため、高圧低圧に関係なく、より多くの流量を連続して送流することができる。

なお、実施例３では、第１乃至第４シリンジ３ａ〜３ｄを設けたが、６個以上のシリンジを支持部６に取り付けることにより、さらに、多くの流量を連続して送流することができる。

（実施例４）
図６に実施例４に係るシリンジポンプ装置の概略構成を示す。図６に示す実施例４に係るシリンジポンプ装置は、第１シリンジポンプＡと第２シリンジポンプＢと混合器９とを備えている。

第１シリンジポンプＡと第２シリンジポンプＢとの各々のシリンジポンプは、図１に示す実施例１に係るシリンジポンプ装置と同一構成である。

第１シリンジポンプＡの流体入力には、第１流体が入力され、第２シリンジポンプＢの流体入力には、第２流体が入力される。第１流体は、例えば、第１薬剤であり、第２流体は、例えば、第２薬剤である。

混合器９は、第１シリンジポンプＡの逆止弁２ｃ，２ｄからの第１流体と、第２シリンジポンプＢの逆止弁２ｃ，２ｄからの第２流体とを混合する。

従って、第１薬剤と第２薬剤とを混合した流体を得ることができる。また、第１シリンジポンプＡの第１薬剤の流速と第２シリンジポンプＢの第２薬剤の流速とを変えることで、第１薬剤と第２薬剤との混合比を変えることもできる。

なお、本発明は、特に、定速で持続的に投与を行う医療用、定量的に燃料供給を行うエンジン等の技術に適用可能である。

１ａ〜１ｄ流体管
２ａ〜２ｄ逆止弁
３ａ第１シリンジ
３ｂ第２シリンジ
３ｃ第３シリンジ
３ｄ第４シリンジ
４モータ
５軸ネジ
６支持部
７ａ〜７ｄピストン
８ａ〜８ｄストッパ
１０入力部
２０出力部
３０表示部
４０制御部
４１圧力検出部
４２流体量算出部
４３吐出量吸入量算出部
４４計時部
４５監視部
４６記憶部
５０ピストン駆動部
５１負荷圧検出部
５２位置検出部

Claims

２分岐された一方の流体が流入される第１流体管及び２分岐された他方の流体が流入される第２流体管に対応して設けられ、前記第１流体管及び第２流体管の流体出口に一端が取り付けられた第１逆止弁及び第２逆止弁と、
前記第１逆止弁の他端に取り付けられた第３流体管に連結され、第１ピストンが挿入された第１シリンジと、
前記第２逆止弁の他端に取り付けられた第４流体管に連結され、前記第１シリンジの軸上に配置され第２ピストンが挿入された第２シリンジと、
トルクが一定で且つ所定の一定速度で回転するモータと、
前記モータの回転により前記第１ピストンと前記第２ピストンとを移動させて前記第１シリンジと前記第２シリンジとの一方のシリンジへ前記流体を吸入させ且つ他方のシリンジから前記流体を吐出させるピストン駆動部と、
前記第１ピストンと前記第２ピストンとの各ピストンの負荷圧を検出する負荷圧検出部とを備え、検出された各ピストンの負荷圧に基づき吐出圧を微調整することを特徴とするシリンジポンプ装置。
前記ピストン駆動部は、前記モータの回転軸と前記第１ピストンと前記第２ピストンとを取り付けた支持部を備えることを特徴とする請求項１記載のシリンジポンプ装置。
各シリンジのピストン位置を検出する位置検出部と、
前記位置検出部で検出されたピストン位置に基づき各シリンジ内の流体量を算出する流体量算出部と、
前記流体量算出部で算出された各シリンジ内の流体量が目標値に達したかどうかを判定する判定部とを備え、
前記ピストン駆動部は、前記判定部の判定出力に基づき、前記各シリンジ内の流体量が目標値に達するまで、前記一方のシリンジへ前記流体を吸入させ且つ前記他方のシリンジから前記流体を吐出させることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のシリンジポンプ装置。
前記各シリンジ内の流体量が前記目標値に達した場合には、前記モータを逆回転させる制御部を備え、
前記ピストン駆動部は、前記モータの逆回転により前記第１ピストンと前記第２ピストンとを移動させて前記他方のシリンジへ前記流体を吸入させ且つ前記一方のシリンジから前記流体を吐出させることを特徴とする請求項３記載のシリンジポンプ装置。
前記第３流体管に連結され、第３ピストンが挿入された第３シリンジと、
前記第４流体管に連結され、前記第３シリンジの軸上に配置され第４ピストンが挿入された第４シリンジとを備え、
前記支持部に前記第３ピストンと前記第４ピストンとが取り付けられることを特徴とする請求項２記載のシリンジポンプ装置。
前記流体は、第１流体であり、
２分岐された一方の第２流体が流入される第５流体管及び２分岐された他方の第２流体が流入される第６流体管に対応して設けられ、前記第５流体管及び第６流体管の流体出口に一端が取り付けられた第３逆止弁及び第４逆止弁と、
前記第３逆止弁の他端に取り付けられた第７流体管に連結され、第３ピストンが挿入された第３シリンジと、
前記第４逆止弁の他端に取り付けられた第８流体管に連結され、前記第３シリンジの軸上に配置され第４ピストンが挿入された第４シリンジと、
トルクが一定で且つ所定速度で回転する第２モータと、
前記第２モータの回転により前記第３ピストンと前記第４ピストンとを移動させて前記第３シリンジと前記第４シリンジとの一方のシリンジへ前記第２流体を吸入させ且つ他方のシリンジから前記第２流体を吐出させる第２ピストン駆動部と、
前記第３流体管及び前記第４流体管からの前記第１流体と前記第７流体管及び前記第８流体管からの前記第２流体とを混合する混合器と、
を備えることを特徴とする請求項１記載のシリンジポンプ装置。