JPH10509598A - 生物医学装置における電動機の位置を決定するシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 蠕動ポンピングメカニズムの駆動部材は、駆動部材（１８）と共に回転するディスク（２４）を含み、また２つの透明セクタ（２７、２６）、及び透明セクタと交互している２つの不透明セクタ（２８、２９）を有している。ステッパ電動機（１９）が回転すると駆動部材が流体（１３）をポンプし、単一の光センサ（３０）がディスクを検知して、検知されているのが透明セクタであるのか、または不透明セクタであるのかを表す信号を発生する。プロセッサ（２１）は検出された透明または不透明セクタ内の電動機ステップの数を計数し、検出されたセクタの型内で計数されたステップの数、または他の型のセクタへの状態変化が発生した時に計数されているステップの数に基づいて電動機の位置を決定する。

Description

【発明の詳細な説明】 生物医学装置における電動機の位置を決定するシステム 背景 本発明は、一般的には位置決定に関し、詳しく述べれば駆動部材と共に回転す るようになっている位置決め用ディスクを使用して駆動部材の位置を決定するシ ステム及び方法に関する。 非経口流体をより精密に点滴するために、点滴ポンプが開発されている。これ らのポンプは、広範囲の点滴レートで大きい制御が可能であり、多くの方法で非 経口流体を投与するのに有益である。しかしながら、広範囲の流量にわたってこ れらのポンプの精度及び精密さを改善する要望が存続している。 点滴ポンプの一つの型は、線形蠕動ポンプである。このポンプでは、駆動電動 機がシャフトを回転させ、挟み指を流体導管に接触させたり、接触させなかった りするように運動せしめ、波状の運動で導管を順次に閉塞させる。この順次閉塞 によって、非経口流体はプログラムされた流量で容器から患者内へ押し進められ る。カムは、隣接するカムローブが異なる角位置においてカムシャフトに対して 突き出るようにカムシャフトに沿って配置されている。閉塞用指は、電動機が回 転するにつれて関連するカムローブの角位置に追随する。駆動電動機は、典型的 には、１回転当たり選択された数の電動機ステップ（例えば、200 ステップ）を 有するステップ電動機からなる。要約すれば、ステップ電動機はポンプサイクル を限定する１回転を順次に、増分的に、ステップ状に回転する。 電動機の各増分運動、即ちステップは、カム及び指に対応する増分運動を生じ させ、離散したボリュームの流体をポンプさせる。この離散したボリュームを「 ステップボリューム」と呼ぶ。含まれているいろいろな機械的部品、それらの相 互関係、及びポンピングメカニズムの線形構成のために、線形蠕動ポンプに固有 の特性としてステップボリュームが互いに異なるようになる。更にポンプサイク ル内のある点または複数の点において逆流が発生し、これらの点におけるステッ プボリュームが実際的に負になる。 ポンピングメカニズムの各運動によってポンプされる特定のボリューム量は、 重量測定のような手段によって測定することができ、爾後の参照として記憶させ ておくことができる。ステッパ電動機は（ステッパ電動機内に限定された運動増 分、即ち「ステップ」が存在しているので）ポンプメカニズムの位置、及び運動 の便利な基準になる。典型的には、ステッパ電動機はカムシャフトに堅固に取付 けられているので、電動機のステップは常にカムシャフト、カム、及びポンピン グ指に運動増分をもたらす。従って、カムシャフトの位置を決定すれば、カムシ ャフトを駆動する電動機の位置を決定することができる。ステップボリュームが ポンプの制御内にあるものと考えられる場合には、ステップボリュームを知るこ とができるように駆動部材の位置を知っていなければならない。このような応用 は、流れの均一性を増すことができるような場合に存在する。従って、より精密 な電動機位置情報が要求される。 典型的には、点滴ポンプの起動時にはポンププロセッサは駆動部材の位置を知 っていない。このような状態の下では、流れの均一性を向上させるためにステッ プボリュームを重視するポンプは、その目的を達成するように電動機位置の制御 を開始することができず、位置を決定できるまでポンプを無制御で走行させなけ ればならない。従って、位置が決定されるまでにポンプされる流体の量が過大に ならないように、電動機駆動部材の位置をプロセッサが迅速に決定できることが 望ましい。 電動機位置を決定するための一つの先行システムでは、駆動電動機シャフトに 位置決め用ディスクが取付けられている。このディスクは、異なる半径の複数の 同心円トラックを有し、各トラックには異なる角度幅のアパーチャが形成されて いる。各トラックには、光検出器に結合されている発光ダイオードのような光セ ンサが組合わされていて、角度アパーチャを検出するようになっている。これら のアパーチャは、複数のトラック上に配列され、特定の電動機位置を表す所定の ２進コードに対応している。アパーチャはエンコーダディスクの回転中に検知さ れ、特定の電動機位置が決定される。しかしながらこのシステムには、多くのセ ンサが組み込まれていて多くの出力信号を発生するので、複雑さが増加し、高価 であり、そして多くのデータ入力を解読して特定の電動機位置を導出するための より複雑なソフトウェアを必要とする。 それ程複雑ではない一つのシステムは、位置を指示するために電動機駆動シャ フト上に位置決めされている単一フラグ型インディケータを使用している。若干 の線形蠕動システムは、通常のポンプサイクルの終わり、及びスピードアップサ イクルの始まりを指示するために、このフラグを使用する。このようなシステム を使用すればハードウェア及びソフトウェアのコストは低下するが、電動機起動 位置がフラグの直後である場合には、駆動部材位置を決定するまでに電動機は殆 ど１回転してしまう。駆動部材位置を決定できるまでに経過するこの時間の長さ 及び運動は、特に負の流れステップが含まれる場合には望ましくない。 位置ディスクまたはフラグを使用する場合の別の問題は、それらをカムシャフ ト上に物理的に取付けるのに必要な精度である。同様に、多くのカムを使用する 場合には、それらをカムシャフト上に互いに、そして位置ディスクに対して正確 に位置決めしなければならない。これらの部品の全てが分離している場合には、 各々を個々に整列させなければならず、複雑さと価格が増す。 従って、駆動部材の位置に関するより精密な情報が得られ、同時にハードウェ ア及びソフトウェアのコストを低下させることが望ましいのは明白である。シス テムは、位置が決定されるまでに過大なポンピングを行うことなく、そして比較 的高価で複雑なハードウェアまたはソフトウェアを使用することなく、駆動部材 回転位置を迅速且つ効率的に決定可能であるべきである。また、多くのポンピン グ及び位置検出成分を個々に整列させる必要性を排除した点滴ポンピングシステ ムを提供することが望ましいのも明白である。本発明は、これらのニーズ及びそ の他を満たすものである。 発明の概要 本発明は、１回転にわたって順次増分で運動する駆動部材の位置を決定するシ ステムを提供する。駆動部材の位置は、駆動部材と共に増分で回転するディスク 上に配置された複数の位置マーカーを検知することによって決定される。 要約すれば、そして一般的に言えば、プロセッサは、電動機サイクルにわたっ て運動増分で駆動部材を運動させるように電動機を制御する。ディスクは駆動部 材と共に運動し、ディスクの上には複数の位置マーカーが配置されている。ディ スクが駆動部材と共に回転するとセンサがマーカーを検知し、検知しているのは どのマーカーであるのかに対応して各運動増分における位置信号を発生する。プ ロセッサは、マーカーが検知されている間に、及び検知されたマーカーの型が変 化している間に回転の運動増分の数を計数する。プロセッサは、１つの、または 複数のマーカーの間に計数された運動増分の数、及び検知されたマーカー変化の 前後の増分の数に基づいて駆動部材の位置を計算する。 本発明の一つの面においては、ディスクの位置マーカーは、角度的に大きさが 異なる透明セクタ及び不透明セクタからなり、透明及び不透明セクタは交互に配 列されている。センサは、ディスクの回転中に不透明セクタが通過すると遮断さ れる光ビームを検知するのに使用される光型の検出器からなる。 詳しく述べれば、ディスクの位置マーカーは、それぞれの角度的な大きさが異 なる２つの透明セクタと、それぞれの角度的な大きさが異なる２つの不透明セク タとを含んでいる。これらのセクタの角度的な大きさは、異なる複数の運動増分 に対応するように選択されているので、セクタの変化が発生するまでの運動増分 の数を計数しているシステムプロセッサは、電動機の１回転よりも遥かに少ない 回転で電動機駆動部材の位置を決定することができる。 本発明の別の面においては、複数の透明セクタは開いたアパーチャからなり、 単一の光センサだけを使用する。 本発明の更に別の面においては、位置ディスクはカムシャフト及びカムと一体 に、そして単一の片として形成され、ステッパ電動機によって回転されて導管を 通して流体をポンプする蠕動ポンピングメカニズムの駆動部材を形成している。 別の面においては、駆動部材はプラスチックで形成されており、モールドのブレ ーク線はカムの非臨界的な表面上に配置されている。 本発明の他の特色及び長所は、本発明の特色を例示する以下の添付図面に基づ く説明から明白になるであろう。 図面の簡単な説明 図１は、本発明の一面による位置決め用ディスクを取付けたポンプシャフトに 結合されていて、順次運動増分で運動するように制御される電動機を含む蠕動流 体送給システムの概要図である。 図２は、図１に示す位置決め用ディスクの拡大図であり、本発明の一面による 選択された大きさの複数の透明マーカー及び不透明マーカーの交互配列を示す図 である。 図３Ａ及び３Ｂは、位置決め用ディスクの透明及び不透明マーカーの所定の位 置、及び関連する角度位置に対応する駆動部材増分位置を示す表である。 図４は、本発明による位置決め用ディスクが回転するにつれて検知される透明 及び不透明マーカーから導出される駆動部材位置を決定するためのプロセスの諸 段階を示す状態図である。 図５は、図２のディスクの流れ経路を有するグラフであり、ディスクの位置と 電動機ステップ位置との同期を図形的に示す図である。 図６は、本発明の一面による一実施例の斜視図であり、図２に示す実施例と同 様に位置決め用ディスクが蠕動流体送給システムのポンプシャフト及びカムと一 体に形成されている様を示す図である。 図７は、図６に示す位置決め用ディスク、ポンプシャフト、及びカムの拡大端 面図である。 好ましい実施例の詳細な説明 添付図面では、対応要素に対しては同一の参照番号を付してある。図１に、本 発明の特色を実現した蠕動流体投与システム１０の概要を示す。この実施例の流 体投与システムは、流体投与セット導管１２に対して蠕動波状運動で圧力を加え て流体を容器１３からカニューレ１４を通して患者１５の静脈へ送り込む線形蠕 動ポンプ１１を備えている。蠕動ポンプ１１は、カムシャフト１７に取付けられ ている複数のカム１６を含み、カムシャフトは駆動電動機１９の駆動部材１８に 結合されている。カムは、隣接するカムローブがカムシャフトに対して異なる角 位置で突き出るように、例えばプレス嵌めによってカムシャフト１７に取付けら れている。この実施例では駆動部材１８はカムシャフト１７に直接結合されてい るように示してあるが、他の実施例では異なる配列も可能である。ポンピング指 ２０は各カムにそれぞれ追随し、各指はカムシャフトの回転及びカムのカミング 運動に応答してチューブ１２の隣接する部分を順次に閉塞し、チューブを通して 流体を駆動する。 好ましい実施例では駆動電動機１９はステッパ電動機であり、この電動機は、 順次運動増分（ステップ）で１回転（ポンプサイクル）にわたって運動する。流 体投与システム１０はマイクロプロセッサ２１を有し、このマイクロプロセッサ は順次ステップでステッパ電動機１９を前進させる制御信号を電動機コントロー ラ２２へ供給して、カムシャフト、カム、及び指を駆動させる。蠕動ポンプ１１ の構成要素の相互リンクを含むポンピングメカニズムの機械的構成の故に、ステ ッパ電動機が各ステップで運動すると、カム１６及び指２０に対応する離散した 運動が発生し、関連する指がチューブ１２と相互作用するようになる。即ち、マ イクロプロセッサ２１が電動機１９を制御して１ステップ運動させると、ある対 応するステップボリュームがチューブを通してポンプされる。 好ましい実施例の位置探知ディスク２４は、電動機の駆動部材１８と共に運動 するようになっている。このディスクは軸孔を有するハブを有し、カム１６と電 動機１９との間のカムシャフト１７上にプレス嵌めによって取付けられる。電動 機駆動部材１８に直接接続されているために、ディスク２４の各位置は駆動部材 １８及び電動機１９の特定位置に対応する。位置探知ディスク２４は、透明セク タと不透明セクタとが交互する複数のマーカーを有している。位置ディスク２４ のマーカーは、それに接して配置されている単一の光センサ３０によって検知さ れる。センサは、フォトトランジスタ光検出器３２、及び発光ダイオード（ＬＥ Ｄ）のような光源３４を備え、光源と光検出器とはディスクの両側に離間し、対 面する関係に位置している。光検出器３２及び光源３４は、ディスクの透明セク タが光センサデバイスの間に位置している時には回転ディスクに向かって導かれ る光ビームが光検出器によって検知され、不透明セクタが光センサデバイスの間 に位置している時には光ビームが遮断されるように位置決めされている。 図２に詳細に示す位置ディスク２４は、２つの不透明セクタ、即ちセクタＡ ２８及びセクタＣ ２９、及び２つの透明セクタ、即ちセクタＢ ２６及びセク タＤ ２７を有している。これらのセクタは、透明と不透明とが交互になってい る。図示の実施例では、不透明のセクタは中実のディスク区分からなり、透明の セクタはディスク材料を切欠いて形成されている。ディスクは、不透明テフロン を混ぜたポリカーボネートプラスチックからなることができる。代替として、デ ィスク２４はスロット付きの黒色陽極酸化処理したアルミニウムまたは黄銅で形 成することができる。別の実施例では、ディスクはそれぞれのセクタを限定する 不透明及び透明部分を有する中実のプラスチックディスクとして形成することが できる。 ステッパ電動機１９は、等間隔の 200の電動機ステップ／回転を有している。 ステッパ電動機が順次にステップ状に運動すると、位置ディスクも相応してステ ップ状に角度運動増分でセンサ３０を通って回転する。これらのステップ増分を 図２のディスク２４の周縁の外側にチックマークで示してある。光検出器３２（ 図１）の感度は、ステッパ電動機が単一のステップをした時に、不透明セクタか ら透明セクタへの移行( transition )が発生したか否か、またはその逆が発生し たか否かを検知できるようにしてある。従って、この実施例のマーカーは、不透 明セクタ、透明セクタ、及び本質的にそれらの移行である。 要約すれば、マーカーは状態（好ましい実施例のディスクは２つの状態、即ち 明及び暗）の変化を指示する。マーカーは幅を有しているので、ディスクが１回 転すると４回の状態変化（即ち、２回の明から暗への移行と、２回の暗から明へ の移行）が発生する。他の構成では、マーカーは、磁気ストリップのような異な る型の標識からなり、磁気ストリップが通過したか否かを磁気センサが検知して 状態の変化を指示することができる。このような磁気センサは可変磁気抵抗セン サ、またはホール効果センサであることができる。 図３Ａ及び３Ｂに、順次ステップ位置及びそれらの関連する角位置に対応する 位置ディスク上に配置された位置決め用マーカーの位置の表を示してある。「ス テップ」３６で表された欄には、0から199までの連続番号を付けた電動機の順次 ステップが示されており、電動機の１回転を構成している。図２に示すディスク ２４上のチックマークは、リストした電動機のステップを表している。対応する 順次角度ステップ位置が「角度」欄３７内にリストされている。この実施例にお ける各角度増分は1.8°である。表には「フォト」３８欄も示されており、こ の欄は各ステップの論理値を表している。この実施例では、論理値「１」は不透 明（または暗）セクタを表し、論理値「０」は透明（または明）セクタを表して いる。ディスク上の位置マーカーの位置及び大きさ、及び特定のセクタが透明で あるのか、または不透明であるのかを確かめることができる。図２、３Ａ、及び ３Ｂに示すように、第１の暗セクタＡ ２８は 21 ステップを有し、第２の暗セ クタＣ ２９は 107ステップを有している。第１の明セクタＢ ２６は 25 ステ ップを有し、第２の明セクタＣ ２７は 47 ステップを有している。 セクタＡ＝ 21 ステップ（暗） セクタＢ＝ 25 ステップ（明） セクタＣ＝107 ステップ（暗） セクタＤ＝ 47 ステップ（明） 透明及び不透明セクタ、それらの大きさ、及びそれらの配置によって、システ ムは透明セクタから不透明セクタへの移行、及びその逆への移行を検知し、次い でその状態変化に関連して得たステップの数を計数することによって、限定され た数のディスクの運動増分の間に、ディスク及び電動機の位置を決定することが できる。 位置ディスク２４を製造する際に、透明セクタと不透明セクタとの間の縁を小 さい電動機ステップに対して精密に加工することは困難である。更に、光検出器 の分解能がステップの不確実性をもたらし得る。従って、この実施例では、製造 公差並びに光検出器の分解能を考慮に入れている。つまり、システムは、±２ス テップの不確実性、または誤差許容範囲を考慮しているのである。 図４にシステムの動作の例を示してある。操作者は、システムに電力を供給し て（４０）ポンピングシステムを付勢する。ラッチ（４２）は、起動スイッチ（ ４４）と連動し、流体導管がポンピングシステム内に適切に設置され、他のイベ ントが先ず発生するまで起動スイッチが付勢されないようにしている。ラッチが セットされ（４２）起動スイッチを作動させる（４４）と、マイクロプロセッサ ２１（図１）が電動機１６を制御して順次ステップで回転させる。前述したよう に、ポンプの起動時には、電動機及び駆動部材１８の位置は未知であるかも知れ ない。マイクロプロセッサ２１は電動機及び駆動部材をステップで運動せしめ、 これらの各ステップにおける光センサ３０の出力を監視する。光センサ３０は、 現在検知しているのが透明セクタであるのか、または不透明セクタであるのかを 表す信号を出力し、プロセッサは、その状態変化、及び状態変化の後または前に 駆動部材が発生させたステップの数を監視することによって電動機位置を容易に 決定することができる。 マイクロプロセッサ２１が電動機の回転の最初のステップを開始させた時、ス テッパ電動機は始めにその第１のステップにおいて意図した方向とは逆方向に回 転するかも知れない。従って、検出器は逆方向の状態変化を検出する可能性があ る。この現象が存在することを認識して、もし光検出器が回転の３ステップ以内 に状態変化を検出すれば、電動機の初期逆回転の可能性を解消する計数リセット 機能がシステム内に組み込まれている。 図４及び５を参照する。もし起動時に光センサが先ず明セクタ（明１）を検出 すれば（４６）、マイクロプロセッサは電動機を制御して再度ステップさせ、ス テップさせた電動機ステップの数を計数し始める（４８）。もし３ステップより 少ないステップで不透明セクタを検出すれば（５０）、マイクロプロセッサはス テップ計数をリセットして上述したような初期電動機回転の不安定さを解消し、 次いで最初の暗計数（暗１）を開始する（７０）（動作に関しては後述する）。 もし不透明セクタに遭遇するまでに計数された連続「明」ステップの数が 27（ 不確実さを補償するための２ステップを含む）よりも大きければ（５２）、マイ クロプロセッサはセンサがセクタＤ ２７を検出したことを知り、マイクロプロ セッサは明から暗への移行位置に 47 の電動機ステップ数を割当てる（５４）。 従って、駆動部材の位置が決定されて「同期」が発生したことになる。この場合 のこの素早い位置決定は、最初の透明セクタＢ ２６が 27 ステップしか有して いないから達成されたのである。従って、もし不透明セクタへ状態変化するまで に、駆動部材が 25 ステップ＋〔セクタの縁の公差の不確実さを考慮した〕２ス テップ回転より多く回転すれば、駆動部材は第２の透明セクタＤ ２７内にある 筈である。「暗」への状態変化まで待つことは、駆動部材の正確な位置をマイク ロプロセッサヘ知らせることになる。 もし「暗」セクタに遭遇するまでに計数された連続「明」ステップの数(４８) が２よりは大きいが、 28 より小さければ（５４）、変化が発生した時に駆動部 材がどの透明セクタにあったかを知らせることができないので、マイクロプロセ ッサ２１はステップ計数をリセットし、第２の暗計数(暗２)を開始する(５６)。 透明セクタが検出された時に、もし計数されている暗信号の数が 24 より小さけ れば（６０）、マイクロプロセッサは駆動部材が現在ステップ位置番号 68 にあ る（セクタ変化時に）ことを決定する。これで駆動部材位置が知られ、同期させ られたのである。最初の不透明セクタ２８がその中に 21 ステップしか有してお らず、一方第2 の不透明セクタ２９がその中に 107ステップを有していることか ら、マイクロプロセッサがこの結論に到達することが可能なのである。プロセッ サは暗セクタへ入った時を知り、従って 21 ステップ＋〔セクタ縁公差の不確実 性を考慮した〕２ステップのセクタ変化は、光センサが第１の不透明セクタＡ ２８内にあったことを確実に指示する。 もし明から暗へ移行した後に、計数された暗ステップの数が 23 よりも大きけ れば（６４）、プロセッサは、センサが第２の不透明セクタＣ ２９内にあるこ とを知る。プロセッサは、センサが暗セクタを検出し始めたことを知っているの で、別のセクタ変化を待つまでもなくその位置をステップ番号 107に割当てるこ とができる（６６）。第１のセクタＡ ２８がその中に 21 ステップしか有して おらず、従ってその量＋〔セクタ縁公差の不確実性を考慮した〕２ステップを超 えたことは、センサが第２の不透明セクタＣ ２９内にあることを意味している ので、マイクロプロセッサはこの結論に到達できたのである。 代わりに、もし起動時（４４）にセンサ３０が検出した第１のセクタが暗セク タであれば、マイクロプロセッサ２１は第１の暗計数（暗１）を開始し（７０） 連続する「暗」ステップの数を計数し始める（７２）。もし透明セクタを検出す るまでの暗ステップの数が３より小さければ（７４）、マイクロプロセッサはそ のステップ計数をリセットし、次いで最初の明計数「明１」を開始し（４６）、 上述したルーチンを開始する。 透明セクタを検知した時に、もし計数された暗ステップの数（７２）が 21 ＋ 〔セクタ縁公差の不確実性を考慮した〕２ステップより大きければ（７６）、マ イクロプロセッサはセンサがセクタＣ ２９内にあったことを知っており、暗か ら明への状態変化時の駆動部材位置にステップ位置番号０を割当てる。これは、 不透明セクタＣ ２９だけが 21 ステップより大きい大きさを有しているからで ある。しかしながら、プロセッサは、位置を精密に決定するために状態変化が発 生するまで待たなければならない。 透明セクタを検出した時に、もし生成された連続「暗」信号のステップの数（ ７２）が２よりは大きいが、 22 ＋〔セクタ縁公差の不確実性を考慮した〕２ス テップよりは小さければ（８０）、マイクロプロセッサ２１は、センサが検出し ているのはどの暗セクタであるかが分からず、第２の明計数（明２）を開始し（ ８２）て「明」ステップの連続計数を開始する。もし暗信号が生成されるまでに 計数された明ステップの数が 26 ＋〔セクタ縁公差の不確実性を考慮した〕２ス テップより小さければ、マイクロプロセッサは、ステップ番号 93 をそのステッ プ位置に割当てる（マイクロプロセッサは、それがセクタＢ ２６であることを 知っているから）。 もし「暗」信号が生成されるまでに計数された「明」ステップの数が、 26 ＋ 〔セクタ縁公差の不確実性を考慮した〕２ステップに達していれば（９０）、マ イクロプロセッサはその特定のステップ位置にステップ番号 28 を割当てる（９ ２）。これは、第２の透明セクタＤ ２７だけが 25 ステップより大きい大きさ を有しているからである。 25 （セクタＢの大きさ）＋〔セクタ縁公差の不確実 性を考慮した〕２ステップより大きい明ステップの数を検知することによって、 マイクロプロセッサは駆動部材がセクタＤにある筈であると決定する。 位置が決定されるまでの流れが過大にならず、そして負にならないように、素 早く位置の決定がなされるようにセクタの大きさ及び位置が選択されている。図 ５は、起動位置が最悪の場合にどのようにして迅速に同期が得られるかの若干の 例を示している。パスＡにおいては、センサがセクタＣを通過した直後のセクタ Ｄにおいて電動機が起動した場合である。その後にセンサが検出するステップは 25 明ステップ（即ち、セクタＢ）＋〔セクタ縁公差の不確実性を考慮した〕２ ステップより大きくなる筈であるから、システムは、前述したように、明から暗 へのセクタ変化が検出された時に、電動機の位置をステップ 47 であると決定す ることができる。 パスＢは、電動機はセクタＤにおいて起動したが、その後にセンサが検出する ステップが 25 ＋〔セクタ縁公差の不確実性を考慮した〕２ステップより少ない 場合であって、プロセッサは、センサが検出しているのはどの明セクタであるの かを理解できない。しなしながら、明から暗へ状態が変化してから 21 ステップ を計数した後に状態が暗から明へ変化すれば、（他の暗セクタは、遙かに多くの ステップを有しているので）プロセッサは、検出器が今ステップ 68 にあること を決定することができる。 パスＣは、セクタＤの直後のセクタＡにおいて電動機が始動し、センサが 21 暗ステップの後に状態を明に変化させた場合である。従ってプロセッサは、どの 暗セクタで起動したのかを決定することはできない。しかしながら 25 ステップ 後に状態が明から暗へ変化すれば、プロセッサは、（セクタＤはより多くの明ス テップを有していることから）現在の位置がステップ 93 であると決定すること ができる。 パスＤは、セクタＡの直後のセクタＢに電動機が起動する場合である。セクタ Ｂ内には 25 ステップしか存在していないから、プロセッサは、センサがセクタ Ｂを検出しているのか、またはセクタＤを検出しているのかを決定することはで きない。しかしながら、状態が暗へ変化してから 22 ステップ＋〔セクタ縁公差 の不確実性を考慮した〕２ステップを計数すれば、（セクタＡは 21 暗ステップ しか有していないことから）プロセッサは、その位置をステップ 117であると決 定することができる。 パスＥは、セクタＢの直後のセクタＣに開始されている。プロセッサは、 22 の連続暗ステップ＋〔セクタ縁公差の不確実性を考慮した〕２ステップを計数す るとセンサがセクタＣを検出中であることを理解する。しかしながら、それがセ クタＣ内の何処であるかは分からず、正確にステップ０のステップ位置を得るに は状態変化を待たなければならない。 パスＦは、センサが、セクタＣ内の 21 ＋〔セクタ縁公差の不確実性を考慮し た〕２ステップを有する点、またはそれより少ない暗ステップが残されている点 において検知を開始した場合である。プロセッサは、 26 明ステップ＋〔セクタ 縁公差の不確実性を考慮した〕２ステップが計数されてセンサがステップ 28 に あることを確認するまで待たなければならない。 最後にパスＧは、センサが 22 ステップ＋〔セクタ縁公差の不確実性を考慮し た〕２ステップにあることをプロセッサが決定することはパスＥに類似している が、精密な位置を得るためには暗から明への状態変化を待たなければならない。 このパスは、同期が得られるまでにポンプされるかも知れない最大の負のボリュ ームを決定する。 これらのパスによる位置決定までの経過待ちのステップの数と、それまでにポ ンプされる流体の量は、一実施例においては以下のようであった。 たとえパスＥが位置を決定するまでに107ステップを必要としようとも、30.8μl がポンプされるた過ぎない。これは、このパスには負のボリューム領域９８が含 まれていてポンプされる正味の量を引き下げているからである。 前述したように順次ステップボリュームは変化する。ポンプステップの若干の シーケンスは、他のシーケンスよりも多くのボリュームをポンプする。これは図 形的に示し、説明した。パスＡは 47 ステップしか含んでいないが 73.97μl を ポンプし、一方パスＥはより多くのステップを含んでいるにも拘わらず半分以下 の量しかポンプしていない。図示の実施例では、位置ディスク２４は、大きい、 即ち第２の不透明セクタ２９内に位置定めされた流れの低い期間に対応する順次 ステップ位置を有している。第２の不透明セクタは、ステップ位置を決定できる ようになるまでに最大数の電動機ステップの回転を必要とする特徴を有している から、この多数のステップ中にポンプされる流体が最小のボリュームであること が望ましい。 一方、位置ディスク２４は、高い流れ期間に対応する順次ステップ位置が、小 さい、即ち第１の不透明セクタ２８内に位置定めされるように位置決めされてい る。しかしながら、これらのセクタにおいてディスク位置が決定されるまでの電 動機ステップの数は最小である。この期間中には最大ボリュームの流体がポンプ されるが、ディスクの位置はより早く確定される。 図６及び７を参照する。カムシャフト１２２、カム１２４、及び位置ディスク １１２は、全て１つの片として一体形成されており、この片を「駆動部材」と呼 ぶ。特に図６を参照する。カムシャフト部材は細長く、中心長手方向軸１０２の 周囲に概ね形成され、第１の端１０４及び第２の端１０６を有している。カムシ ャフト部材の第２の端１０６は、後述するように取付けのために直径を小さくし てある。第１の端は、大きい直径の円筒形ハブ１０８を含み、このハブは、その 中に第１の端から内向きに所定の軸方向距離まで伸びてハブの中で終端している 軸方向孔を有し、電動機１９の出力シャフトを受け入れるようになっている。 この実施例の位置ディスク１１２はディスク内に複数のスロットをも含み、前 述した例のように単一の光電センサによって位置決定するためのマーカーを形成 している。２つのスロット１１４及び１１６は前記２つの透明セクタに対応し、 残されたディスク材料の２つのセクタ１１８及び１２０は前記不透明セクタに対 応している。 図示のカムシャフト部材１００は、不透明のテフロン（登録商標）を混ぜたポ リカーボネートプラスチックのようなプラスチック材料で形成されており、当分 野では公知の射出成形プロセスによって形成することができる。この材料を使用 することによって、カムは低摩擦特性を呈するので挟み指、即ちカムフォロアは 容易にカム上を滑ることができ、しかも位置ディスク１１２の不透明セクタ１１ ８及び１２０における材料の不透明特性が光検知デバイスの光検出器への光の透 過を阻止する。 プロセス内に使用される射出成形を、モールド半分を分離することによって生 ずるブレーク線または分離線がカム表面上の非臨界的な位置に位置するように構 成した場合には、性能の改善が得られることが分かった。図示実施例では、ブレ ーク線は、各カムの側面上の回転の中心から半径方向に最小にオフセットしてい る点、または最大にオフセットしている点間に位置し、頂部死点または底部死点 には位置していない。従ってカムと相互作用する指に分離線における最大の力が 加わることはなく、これはそれぞれの成分の磨耗を減少させる。更に、分離線に おける、またはその付近の表面陥没のような形成時の傷、または非一様性が、カ ムの臨界的表面上に位置することはない。 一片として形成されたカム及び位置ディスクを有する一体に形成された駆動部 材は、複数のカム及び位置ディスクをカムシャフト上に正確に整列させてプレス 嵌めに伴う製造上の困難さを緩和できることが理解されよう。また、プラスチッ ク駆動部材を射出成形すると、駆動部材を形成する費用は、黄銅または他の材料 から加工するよりも少なくて済む。更に、射出成形プロセスは、かなり低価格で 同一のユニットを大量に製造することができる。 蠕動ポンピングメカニズム内に設置する場合、カムシャフト部材１００の第２ の端１０６が自由に回転するように、カムシャフト部材１００の駆動シャフト１ ２２はポンプハウジング内に含まれているブシュ内に嵌め込まれる。電動機の出 力シャフトはシャフトのハブ孔１１０内にプレス嵌めされ、カムシャフト部材は マーカープロセッサによって制御されている電動機によって回転させられる。位 置ディスクはカムと共にモールドされているので、精度が向上する。位置ディス クがカムの位置に関する情報を提供するので、駆動部材のハブ内にプレス嵌めさ れる時の電動機シャフトの位置は臨界的ではない。従って、光センサが位置ディ スクに対して堅実に取付けられ、駆動部材が電動機シャフトを静止位置から離れ るような回転をさせることなくプレス嵌めされていさえすれば、大量の駆動シス テムを製造する場合の一貫性を得ることができる。 透明及び不透明セクタの大きさは図２乃至５に図示し、説明したディスクに限 定されるものではない。駆動部材位置が決定されるまでにポンプされ得る流体の 最大量に対する制限に依存して、より多くの、またはより少ないステップ増分に 対応するセクタも使用することができる。更に、異なる数の透明セクタ及び不透 明セクタの交互配列を使用して、電動機駆動部材の回転位置を決定することもで きる。しかしながら、２つの透明セクタ及び２つの不透明セクタしか有していな い位置ディスク、及びディスクを検知する単一の光センサは、システムのハード ウェア及びソフトウェアの複雑さを減少させ、それによって製造コストを低下さ せることが分かった。部品の数が少なく、複雑さが減少するためにシステムの信 頼性が向上する。 以上の説明から、本発明のシステムは、少ない量のハードウェア及び低製造コ ストで、駆動部材の位置を、駆動部材によって回転させられる限定された数のス テップ以内で迅速に、正確に、且つ効率的に決定できることが理解されたであろ う。 以上に本発明の特定の形状を図示し、説明したが、本発明の思想及び範囲から 逸脱することなく種々の変更が可能である。従って、本発明は請求の範囲によっ てのみ限定されることを意図するものである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ウォーナー エリック エイ アメリカ合衆国 カリフォルニア州 92803 ヴィスタ ハーバー ドライヴ 1562

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 (1) １回転を複数の運動増分で運動する駆動部材の位置を決定するシステムであ って、 複数のマーカーを有するディスクを備え、上記マーカーの数は上記複数の運 動増分よりも少なく、上記ディスク上の既知の位置に配置されている上記マーカ ーは上記駆動部材と共に回転するようになっており、それによって上記ディスク の上記マーカーの特定位置は上記駆動部材の特定位置に対応し、 上記駆動部材が回転するにつれて上記マーカーを検知するように位置決めさ れていて、マーカーを検知する度にマーカー信号を発生するセンサと、 上記駆動部材に制御信号を供給して上記複数の運動増分を順次に通して回転 せしめるプロセッサと、 を更に備え、 上記運動増分は上記駆動部材の所定の位置に対応し、上記プロセッサは上記 センサからマーカー信号を受信してマーカー信号の受信間の上記駆動部材の運動 増分を計数し、上記マーカー信号の受信と上記計数された運動増分の数とに基づ いて上記駆動部材の位置を計算する ことを特徴とするシステム。 (2) 上記マーカーは異なる大きさであり、上記マーカー間の間隔の大きさも異な っている請求項(1) に記載のシステム。 (3) 上記マーカーの大きさは異なる複数の運動増分に対応するように選択され、 上記マーカー間に位置している間隔の大きさは異なる複数の運動増分に対応する ように選択されており、それによってマーカー間及び間隔間の運動増分の数を計 数しているプロセッサは１回転より少ない回転以内で上記駆動部材の位置を決定 できるようになっている請求項(1) に記載のシステム。 (4) 上記センサは光センサであり、上記ディスクは上記マーカーを形成する複数 の透明セクタ及び不透明セクタを有している請求項(1) に記載のシステム。 (5) 上記透明セクタは、上記駆動部材の１回転内の運動増分の合計数よりも少な い複数の運動増分に対応する異なる大きさを有し、２つの上記不透明セクタは上 記透明セクタを分離していて上記透明セクタと交互になっている請求項(4)に記 載のシステム。 (6) 上記駆動部材によって駆動されるポンピングメカニズムを更に備え、上記駆 動部材が複数の運動増分を通して１回転にわたって回転すると、上記ポンピング メカニズムが１ポンプサイクルにわたって、量が変化する流体のボリューム増分 を相応にポンプするようになっており、上記ボリューム増分の若干は他のボリュ ーム増分よりも小さく、上記ポンプサイクルは小さい順次ボリューム増分のグル ープを含み、 上記マーカーは上記ディスク上に配置されていて特定の駆動部材の位置を指 示するようになっている 請求項(1)に記載のシステム。 (7) 上記マーカーは角度的な大きさが異なるセクタで形成され、１つのこのよう なマーカーは他のマーカーよりも大きく、上記ディスク上に位置決めされてい る大きいマーカーは上記小さいボリューム増分のグループに対応している請求項 (6)に記載のシステム。 (8) 上記駆動部材はステッパ電動機を備え、上記プロセッサは増分運動で１回転 にわたって回転させるように上記ステッパ電動機を制御する請求項(6) に記載の システム。 (9) 上記駆動部材によって駆動されるポンピングメカニズムを更に備え、上記駆 動部材が複数の運動増分を通して１回転にわたって回転すると、上記ポンピング メカニズムが１ポンプサイクルにわたって、量が変化する流体のボリューム 増分を相応にポンプするようになっており、上記ボリューム増分の若干は他のボ リューム増分よりも大きく、上記ポンプサイクルは大きい順次ボリューム増分の グループを含み、 上記マーカーは上記ディスク上に配置されていて特定の駆動部材の位置を指 示するようになっている 請求項(1)に記載のシステム。 (10)上記マーカーは角度的な大きさが異なるセクタで形成され、１つのこのよう なマーカーは他のマーカーよりも小さく、上記ディスク上に位置決めされている 小さいマーカーは上記大きいボリューム増分のグループに対応している請求項(9 ) に記載のシステム。 (11)上記駆動部材はステッパ電動機を備え、上記プロセッサは増分運動で１回転 にわたって回転させるように上記ステッパ電動機を制御する請求項(9) に記載の システム。 (12)１回転を複数の運動増分で運動する駆動部材及び上記駆動部材を回転させる ステッパ電動機の位置を決定するシステムであって、 複数の第１のセクタ及び上記第１のセクタと交互する複数の第２のセクタを 有するディスクを備え、上記セクタの数は上記複数の運動増分より少なく、１ま たはそれ以上の運動増分に対応する上記セクタは上記ディスク上に配置されてお り、上記ディスクの特定の位置が上記駆動部材及び電動機の特定位置に対応する ように上記ディスクは上記駆動部材及び電動機と共に回転し、 上記駆動部材が回転するにつれて上記セクタを検知し、１つの第１のセクタ に対応する各運動増分において第１の位置信号を発生し、１つの第２のセクタに 対応する各運動増分において第２の位置信号を発生するように配置されている光 センサと、 上記電動機に制御信号を供給して上記駆動部材を上記複数の運動増分を順次 に通して回転せしめるプロセッサと、 を更に備え、上記運動増分は上記駆動部材の所定の位置に対応し、上記プロセ ッサは上記センサから複数の位置信号を受信して回転した運動増分を計数し、ま た上記第１及び第２の位置信号を受信し、計数した運動増分の数及び型に基づい て上記駆動部材の位置を計算する ことを特徴とするシステム。 (13)上記第１及び第２のセクタは、角度的な大きさが異なっている請求項(12)に 記載のシステム。 (14)上記第１のセクタは不透明セクタであり、上記第２のセクタは透明セクタで ある請求項(12)に記載のシステム。 (15)上記不透明及び透明セクタの大きさ及び配置は、上記駆動部材の位置が計算 されるまでに上記駆動部材がある数の運動増分より多く回転しないように選択さ れている請求項(14)に記載のシステム。 (16)上記駆動部材は上記電動機によって回転させされるポンピングメカニズムを 備え、上記電動機が複数の運動増分を通して１回転にわたって回転すると、上記 ポンピングメカニズムが１ポンプサイクルにわたって、量が変化する流体のボリ ューム増分を相応にポンプするようになっており、上記ボリューム増分の若干は 他のボリューム増分よりも小さく、上記ポンプサイクルは小さい順次ボリューム 増分のグループを含み、 上記マーカーは上記ディスク上に配置されていて特定の駆動部材の位置を指 示するようになっている 請求項(14)に記載のシステム。 (17)上記透明及び不透明セクタは角度的な大きさが異なっており、１つのこのよ うなセクタは他のセクタよりも大きく、上記ディスク上に位置決めされている大 きいセクタは上記小さいボリューム増分のグループに対応している請求項(6) に記載のシステム。 (18)上記駆動部材と共に運動するようになっているポンピングメカニズムを更に 備え、上記駆動部材が複数の運動増分を通して１回転にわたって回転すると、上 記ポンピングメカニズムが１ポンプサイクルにわたって、量が変化する流体のボ リューム増分を相応にポンプするようになっており、上記ボリューム増分の若干 は他のボリューム増分よりも大きく、上記ポンプサイクルは大きい順次ボリュー ム増分のグループを含み、 上記透明及び不透明セクタは上記ディスク上に配置されていて特定の駆動部 材の位置を指示するようになっている 請求項(14)に記載のシステム。 (19)上記透明及び不透明セクタは角度的な大きさが異なっており、１つのこのよ うなセクタは他のセクタよりも小さく、上記ディスク上に位置決めされている小 さいセクタは上記大きいボリューム増分のグループに対応している請求項(18)に 記載のシステム。 (20)上記透明セクタは、ディスク内の２つのアパーチャとして形成されている請 求項(12)に記載のシステム。 (21)上記駆動部材はステッパ電動機を備え、上記プロセッサは増分運動で１回転 にわたって回転させるように上記ステッパ電動機を制御する請求項(12)に記載の システム。