流体輸送装置、流体輸送装置の駆動方法
【課題】正確な総吐出量を制御できる流体輸送装置を実現する。
【解決手段】流体輸送装置１は、チューブ５０と、突起部２２〜２５を有するカム２０と、チューブ５０とカム２０の間にチューブ５０に沿って配設されるフィンガー４０〜４６と、を有し、カム２０を回転させて、突起部２２〜２５によりフィンガー４０〜４６を流体の流動方向に順次押動し、チューブ５０の圧閉と開放を繰り返して流体を吐出する流体輸送装置であって、カム２０に回転力を与える駆動ローター１２０と、カム２０の回転位置を検出する検出部と、累積吐出量がカム２０の回転角度にほぼ比例して増加する吐出領域Ｈの第１近似式と、カム２０が回転しても累積吐出量がほとんど増減しない一定領域Ｊの第２近似式と、を用いて、累積吐出量に対するカム回転角度を演算し、指定累積吐出量に相当するカム２０の回転位置に達するまで駆動ローター１２０を駆動させる制御部１４０と、を有する。
【解決手段】流体輸送装置１は、チューブ５０と、突起部２２〜２５を有するカム２０と、チューブ５０とカム２０の間にチューブ５０に沿って配設されるフィンガー４０〜４６と、を有し、カム２０を回転させて、突起部２２〜２５によりフィンガー４０〜４６を流体の流動方向に順次押動し、チューブ５０の圧閉と開放を繰り返して流体を吐出する流体輸送装置であって、カム２０に回転力を与える駆動ローター１２０と、カム２０の回転位置を検出する検出部と、累積吐出量がカム２０の回転角度にほぼ比例して増加する吐出領域Ｈの第１近似式と、カム２０が回転しても累積吐出量がほとんど増減しない一定領域Ｊの第２近似式と、を用いて、累積吐出量に対するカム回転角度を演算し、指定累積吐出量に相当するカム２０の回転位置に達するまで駆動ローター１２０を駆動させる制御部１４０と、を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少量の流体を低速で吐出する流体輸送装置と、この流体輸送装置の駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
液体を低速で輸送する装置としてペリスタポンプが従来から知られている。ペリスタポンプは、ローター上に複数個のローラーが同一円周上に配設され、ローターの外周を取り巻くようにチューブが配設されており、ローターを回転させることで、複数個のローラーによりチューブを液体流動方向に押し潰していき、押し潰し位置を移動していくことで液体を吐出するものである（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−９２５３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ペリスタポンプは、微量な吐出を行う場合には、ローターを小刻みに駆動・停止しながら回転することになり、ペリスタポンプ特有の脈流が発生し、吐出量にばらつきが発生する。そこで、特許文献１では、ローターの小刻みな駆動・停止位置毎における吐出量を予め測定して記憶させておき、ローターの回転角度に相当する吐出量の和を演算して、必要な総吐出量分、ローターの回転角度を制御している。
【０００５】
しかしながら、ペリスタポンプは、液体流動の過程においてローターの回転角度毎に吐出量が変動するという特性がある。従って、ローターの回転角度を細かく分割して、その分割毎の吐出量を測定、記憶させておき、ローターの回転が進行するたびに、角度毎の吐出量の和を演算しなければならず、演算を担当するＣＰＵ、ローター回転角度と吐出量の演算結果を記憶及び書き換えを行うメモリーなど、ローター回転角度制御手段の負荷が大きくなるという課題を有していた。
【０００６】
さらに、ローターの１回転当りの総吐出量のデータを予めメモリー中に記憶しておいて、ローターの回転角度を求めることが特許文献１に開示されているが、ローターの１回転中においてローター回転角度毎に吐出量の揺らぎがあるため、正確な総吐出量を把握することが困難という課題を有する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【０００８】
［適用例１］本適用例に係る流体輸送装置は、流体を吐出する流体輸送装置であって、弾性を有するチューブと、ｎ個（ｎは２以上の整数）の突起部を有するカムと、前記チューブと前記カムとの間に前記チューブに沿って配設される複数の押圧軸と、前記カムを回転させて、前記突起部によって前記複数の押圧軸を前記流体の流動方向に順次押動し、前記チューブの圧閉と開放とを繰り返す駆動手段と、前記カムの回転位置を検出する検出部と、累積吐出量が前記カムの回転角度に比例して増加する吐出領域を表す第１近似式と、前記カムが回転しても累積吐出量が増減しない一定領域を表す第２近似式と、を用いて、累積吐出量に対するカム回転角度を演算し、指定累積吐出量に相当する前記カムの回転位置を前記検出部にて検出するまで前記駆動手段を駆動させる制御部と、を有することを特徴とする。
【０００９】
本適用例によれば、累積吐出量に対するカム回転角度を、累積吐出量がカムの回転角度に比例して増加する吐出領域を表す第１近似式と、カムが回転しても累積吐出量が増減しない一定領域を表す第２近似式との二つの近似式を用いて演算し、指定累積吐出量に達するまでカムを回転させるため、従来技術のように、ローターの回転角度を細かく分割して、その分割毎の吐出量を測定、記憶させておき、ローターの回転が進行するたびに、角度毎の吐出量の和を演算する方式にくらべ、制御部の構成を簡単にでき、演算回数が少ないなど制御部の負担を低減することができる。その結果、消費電流を低減することができるという効果がある。なお、ここで、「比例」するとは完全に比例していなくてもよく、ほぼ比例している場合も含む。また、「増減しない」とは、全く増減していない場合に加え、部分的に増減していても、一定領域全体として増減していない場合や、無視できる程度の少量だけ増減している場合も含む。
【００１０】
さらに、近似式を用いることで、カムの回転途中やカムの１回転ごとの吐出量の揺らぎの影響を排除することができ、より正確な総吐出量を把握することが可能となる。
【００１１】
［適用例２］上記適用例に係る流体輸送装置は、前記一定領域では、回転速度を前記吐出領域の前記カムの回転速度よりも高めることが好ましい。
【００１２】
このように、流体を吐出しない一定領域でのカム回転速度を高めることで、カム回転角度に対する累積吐出量をほぼ直線で表すことができ、吐出指定時間内において流体吐出を連続的に、しかも一定の吐出速度で吐出することができる。
【００１３】
［適用例３］上記適用例に係る流体輸送装置は、前記カムの回転角度と流体の累積吐出量との関係を表す基準直線を作成し、前記カムの１／ｎ回転の間に吐出する累積吐出量を１吐出単位とし、前記基準直線を基に吐出単位数を演算し、指定累積吐出量と、前記吐出単位数に対する累積吐出量と、の差分の累積吐出量に対する前記カムの回転角度を前記第１近似式及び第２近似式を用いて演算することが好ましい。
【００１４】
前述したように、流体を吐出しない一定領域でのカム回転速度を高めることで、カム回転角度に対する累積吐出量をほぼ直線で表すことができる。この直線を基準直線とし、基準直線と上述の近似式を用いて演算することで、指定累積吐出量に対するカムの回転角度を容易に求めることができる。
【００１５】
［適用例４］上記適用例に係る流体輸送装置は、前記第１近似式は、累積吐出量から前記カムの回転角度が定まる単調増加関数によって近似することが好ましい。
【００１６】
このようにすれば、吐出領域において累積吐出量とカム回転角度との関係が直線に限らず、二次曲線や放物線のような場合であっても、第１近似式として用いることが可能である。
【００１７】
［適用例５］本適用例に係る流体輸送装置の駆動方法は、流体を吐出する流体輸送装置の駆動方法であって、ｎ個（ｎは２以上の整数）の突起部を有するカムを回転させることと、前記カムの回転角度を検出したときに前記カムの回転を停止させることと、累積吐出量と前記カムの回転角度とを初期化することと、累積吐出量と前記カムの回転角度との関係を表す近似式を用いて、指定累積吐出量に相当する前記カムの回転角度を演算することと、前記カムを回転させて、前記突起部によって複数の押圧軸を流体の流動方向に順次押動し、弾性を有するチューブの圧閉と開放とを繰り返すことによる流体吐出を開始することと、前記カムの回転角度を検出して、前記指定累積吐出量に相当する回転角度に達したときに前記カムの回転を停止させることと、を含むことを特徴とする。流体輸送装置の駆動方法。
【００１８】
本適用例によれば、指定累積吐出量に対するカム回転角度を近似式を用いて容易に求めることができ、そのカム回転角度に達するまでカムを回転させることで、正確な総吐出量（指定累積吐出量）を確保、管理することができる。よって、微量、且つ低速で液体を吐出する医療用の薬液投与装置として、または、各種分析装置の分液装置の駆動方法として好適である。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】流体輸送装置の概略構成を示す平面図。
【図２】図１のＡ−Ａ切断面を示す部分断面図。
【図３】制御部及び検出部の１例を示す構成説明図。
【図４】カムの回転基準位置を表す第１検出マーカーを示す平面図。
【図５】駆動ローターの回転角度を表す第２検出マーカーを示す平面図。
【図６】カムの回転角度と累積吐出量の関係を表すグラフ。
【図７】カムの駆動時間と累積吐出量の関係を表すグラフ。
【図８】流体輸送装置の駆動方法の主要なステップを表す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本発明は、微量の流体を低速で吐出する用途に広く適用可能であるが、以下の実施の形態は、薬液を生体内に注入するために用いられる流体輸送装置、及びこの流体輸送装置の駆動方法の１例を例示して説明する。よって、ここで用いられる流体は薬液等の液体である。
また、以下の説明で参照する図は、図示の便宜上、部材ないし部分の縦横の縮尺は実際のものとは異なる模式図である。
（流体輸送装置）
【００２１】
図１は、流体輸送装置の概略構成を示す平面図、図２は図１のＡ−Ａ切断面を示す部分断面図である。図１、図２において、流体輸送装置１は、液体を収容するリザーバー１４と、リザーバー１４に連通し弾性を有するチューブ５０と、チューブ５０を圧閉する複数の押圧軸としてのフィンガー４０〜４６と、フィンガー４０〜４６をチューブ５０に向かって押動するカム２０と、カム２０の駆動手段としての駆動ローター１２０と、カム２０と駆動ローター１２０とを連結する減速伝達機構２と、これらを保持する第１機枠１５と第２機枠１６と、から構成されている。
【００２２】
チューブ５０は、第１機枠１５に形成された円弧形状のチューブ案内壁１５ｃによって部分的に円弧形状に成形され、一方の端部はリザーバー１４に連通し、他方の端部は外部に延在されている。チューブ案内壁１５ｃの円弧中心はカム２０の回転中心Ｐ１と一致しており、チューブ５０とカム２０との間にフィンガー４０〜４６が配設されている。フィンガー４０〜４６は、カム２０の回転中心Ｐ１方向から等角度で放射状に配置されている。
【００２３】
フィンガー４０〜４６は同じ形状をしており、フィンガー４３を例示し図２を参照して形状を説明する。フィンガー４３は、棒状の軸部４３ａと、軸部４３ａの一方の端部に鍔状に形成されるチューブ押圧部４３ｂと、他方の端部に半球状に形成されるカム当接部４３ｃとから構成されており、本例では金属材料または剛性の高い樹脂材料からなる。なお、フィンガー４３の軸方向に垂直な断面形状は円形または四角形である。
【００２４】
カム２０は図２に示すように、カム軸２６と、カム軸２６に軸止されるカム歯車２８とカム体２１と、から構成され、第１機枠１５及び第２機枠１６とによって軸支されている。カム体２１は図１に示すように、外周部に４箇所の突起部２２，２３，２４，２５を有している。突起部２２，２３，２４，２５の周方向のピッチ、各形状は同じである。突起部２２〜２５がフィンガー４０〜４６を上流側から下流側に順次押動していく押動部である。よって以降、フィンガー押動部と表記する。なお、リザーバー１４に近い方を上流側、遠い方を下流側とする。
【００２５】
また、カム体２１には、フィンガー４０〜４６を開放（つまり、チューブ５０を開放）する領域から、フィンガー押動部２２，２３，２４，２５それぞれに緩やかに連続する斜面部２２ａ，２３ａ，２４ａ，２５ａが形成されている。
なお、突起部は４個の場合を例示しているが、ｎ個（２以上の整数）にしてもよく４個に限定されない。
【００２６】
続いて、減速伝達機構２の構成について図１、図２を参照して説明する。減速伝達機構２は、カム歯車２８と、伝達車１１０と、ローター軸１２１に軸止されるローターピニオン１２２と、から構成されている。伝達車１１０は、ピニオン１１３が形成される伝達車軸１１１と伝達歯車１１２とから構成されている。駆動ローター１２０は、ローター軸１２１とローターピニオン１２２と、ローター軸１２１に軸止される検出板１２３とを有する。伝達車１１０と駆動ローター１２０は、カム２０と共に第１機枠１５と第２機枠１６によって軸支されている。ここで、駆動ローター１２０の回転は、上述した減速伝達機構２によって所定の減速比でカム２０に伝達される。本例では、減速比を４０として説明する。つまり、駆動ローターの１回転は、カム２０の１／４０回転に相当する。なお、駆動ローター１２０の回転中心をＰ２とする。
【００２７】
駆動ローター１２０を回転する駆動源は振動体１３０である。振動体１３０は、圧電素子１３１と、腕部１３２と、ローター軸１２１の側面に当接される凸部１３３と、から構成されている。振動体１３０は、第１機枠１５に植立された固定軸１３５に腕部１３２が螺子で螺着固定されている。なお、振動体１３０の構成及び駆動方法は、周知の振動体を適用できるので説明を省略する。振動体１３０の駆動は、制御部１４０に含まれるドライバー１４１（図３、参照）によって制御される。
なお、駆動手段としては、ステップモーターを採用することができる。
【００２８】
続いて、制御部１４０及び検出部の構成について図２、図３を参照して説明する。
図３は、制御部及び検出部の１例を示す構成説明図である。検出部は、カム２０の回転角度（回転位置）を検出する第１検出部と、駆動ローターの回転角度（回転位置）を検出する第２検出部とからなる。
【００２９】
図３に示すように、第１検出部は、カム２０の回転位置を検出する第１検出センサー１５１と、第１検出回路１４２とから構成される。第１検出センサー１５１は、発光素子と受光素子（共に図示は省略）とからなる光学式センサーである。また、図２に示すように、第１検出センサー１５１に対向するカム歯車２８の表面には、回転位置を表す第１検出マーカー３０が設けられており、発光素子から射出された光を第１検出マーカー３０で反射し、この反射光を受光素子で検出する。
【００３０】
図３に示すように、第２検出部は、駆動ローター１２０の回転角度を検出する第２検出センサー１５２と、第２検出回路１４３とから構成される。第２検出センサー１５２は、発光素子と受光素子（共に図示は省略）とからなる光学式センサーである。また、図２に示すように、第２検出センサー１５２に対向する検出板１２３の表面には、駆動ローター１２０の回転位置を表す第２検出マーカー３５が設けられており、発光素子から射出された光を第２検出マーカー３５で反射し、この反射光を受光素子で検出する。
【００３１】
なお、第１検出マーカー３０及び第２検出マーカー３５については、図４、図５を参照して後述する。また、第１検出センサー１５１及び第２検出センサー１５２は、反射型のセンサーを例示したが透過型のセンサーでもよく、磁気センサーや超音波センサー等の被接触式センサー、接点式センサーを採用することもできる。
【００３２】
制御部１４０は、図３に示すように、上述した第１検出回路１４２、第２検出回路１４３がそれぞれ検出した第１検出マーカー３０，第２検出マーカー３５の検出数を計数するカウンター１４４と、これら第１検出マーカー３０，第２検出マーカー３５の検出数を記憶する記憶部１４５と、指定累積吐出量に相当する回転位置にカム２０を回転させるための駆動ローター１２０の回転角度を算出する演算部１４６と、振動体１３０を所定の周波数及び算出された時間だけ駆動するドライバー１４１と、を有する。
【００３３】
次に、第１検出マーカー３０及び第２検出マーカー３５の構成例について図４、図５を参照して説明する。
図４は、カムの回転基準位置を表す第１検出マーカーを示す平面図である。なお、図４は第１検出センサー１５１に対向する面を表示している。第１検出マーカー３０は、４個の第１検出マーカー３０ａ〜３０ｄからなり、第１検出マーカー３０ａ〜３０ｄは、それぞれカム歯車２８の表面に回転中心Ｐ１から等距離、等角度間隔で放射状に形成されている。本例では、周方向に４等分割した場合を例示し、フィンガー押動部２２，２３，２４，２５に対応した位置にそれぞれ第１検出マーカー３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄが設けられている。従って、フィンガー押動部の数と第１検出マーカー３０の数（分割数）は一致し、第１検出マーカー３０間の角度は９０度である。
【００３４】
なお、カム体２１のフィンガー押動部２２〜２５の頂点部（領域Ｄで表す）は、回転中心Ｐ１を中心とする同心円で形成されており、領域Ｄではチューブ５０をフィンガーにより同じ潰し量で圧閉している領域である。カム２０は、矢印方向（反時計回り）に回転し、領域Ｄを超えた瞬間にフィンガーの押動が解除されてチューブ５０の圧閉を開放する。チューブ５０を開放してから再び圧閉開始するまでの領域を領域Ｆで表す。なお、チューブ５０の圧閉領域は、ばらつきを考慮して突起部２２〜２５の頂点部に達する前（領域Ｅ）から始まるよう設定されている。なお、領域Ｆでは、フィンガーの押動が解除されてチューブ５０の圧閉を開放した瞬間から吐出された液体が逆流して累積吐出量が減少する領域であり、領域Ｇはカム２０の回転により、チューブ５０を圧閉して領域Ｄと同じ累積吐出量に達するまでのカム回転領域である。
【００３５】
フィンガーを押動し始めてからチューブ５０を圧閉し始める領域を吐出領域Ｈとする。
また、領域Ｄと領域Ｅと領域Ｆと領域Ｇとを含む領域Ｊが累積吐出量に増減がほとんど無い吐出量一定領域である。カム２０の各回転領域と累積吐出量の関係は、図６を参照して後述する。
【００３６】
図５は、駆動ローターの回転角度を表す第２検出マーカーを示す平面図である。第２検出マーカー３５は、検出板１２３の表面に回転中心Ｐ２から等距離、等角度間隔で放射状に形成されている。なお、本例では第２検出マーカー３５は、周方向に１２等分割した場合を例示している。よって、隣り合う第２検出マーカー３５間の角度は３０度である。
【００３７】
ここで、駆動ローター１２０とカム２０までの減速比を１／４０とすると、駆動ローター１２０の１回転でカム２０は１／４０回転（９度回転）することになる。第２検出マーカー３５は１２分割されているので駆動ローターの回転分解能は３０度であり、カム２０の回転分解能は３０／４０＝０．７５度となる。
【００３８】
なお、第２検出マーカー３５の分割数は１２分割に限らず、カム２０の角度分解能の要求に応じて、または減速比、または第２検出センサーの角度検出分解能に応じて適切に設定される。第２検出マーカー３５の分割は、突起部の数に対応する分割数にすることが望ましい。
【００３９】
また、第２検出部を設ける位置は、駆動ローター１２０に限定されず、減速伝達機構２のいずれかに設けることができる。例えば、伝達車１１０の伝達歯車１１２の位置に第２検出マーカー３５を形成し、この第２検出マーカー３５に対向する位置に第２検出センサー１５２を配置してもよい。この場合には、減速比が変化するため、カム２０の回転速度と減速比と第２検出マーカー３５の分割数を適宜設定する。
【００４０】
なお、第１検出マーカー３０，第２検出マーカー３５は、光を反射するか、光を吸収する材料にする。あるいは、カム歯車２８、検出板１２３を貫通する孔を設ける構造でもよい。
【００４１】
次に、液体吐出作用について図１を参照して説明する。制御部１４０（具体的には、ドライバー１４１）から駆動信号が圧電素子１３１に入力されると、振動体１３０の凸部１３３が楕円振動し、駆動ローター１２０を時計回りに回転させる。駆動ローター１２０の回転力は、減速伝達機構２を介して減速比１／４０でカム２０を時計回りに回転する。図１で示す状態は、突起部２３がフィンガー４４を押動し、チューブ５０を圧閉している状態を示している。フィンガー４５，４６は、カム体２１の斜面部２３ａにあるためチューブ５０を完全には圧閉していない。
【００４２】
また、フィンガー４１，４２，４３は、カム体２１の斜面部２２ａに達していないためチューブ５０は開放されている。フィンガー４０は斜面部２２ａにかかり始めている状態で、まだチューブ５０は開放状態である。チューブ５０の圧閉されていない領域には流体が入り込んでいる。
【００４３】
さらにカム２０を時計回りに回転させることにより、フィンガー４０〜４６をカム２０の回転方向に上流側から下流側に向かって順に押動し、チューブ５０の圧閉〜開放〜圧閉を繰り返し、これらフィンガー４０〜４６の蠕動運動により液体をカム２０の回転方向に輸送し吐出する。なお、複数のフィンガー４０〜４６のうち少なくとも一つ、好ましくは二つが、チューブ５０を常時圧閉するように構成されている。
【００４４】
次に、カム２０の回転角度と累積吐出量の関係について説明する。
図６は、カムの回転角度と累積吐出量の関係を表すグラフである。横軸にカム２０の回転角度、縦軸に累積吐出量（μｌ：マイクロリットル）を表す。なお、グラフはカム回転速度が一定の場合であって、カム回転角度と累積吐出量は、流体輸送装置一つ毎の実測値を表している。このグラフが、後述する第１近似式及び第２近似式を作成する基礎となるものである。各フィンガー押動部の作用は同じであるため、フィンガー押動部２２の作用を例示して説明する。なお、図４も参照する。
【００４５】
カム２０の第１検出マーカー３０ａが検出された回転位置Ｋ０（この位置を基準位置０度とする）から回転していくと、累積吐出量はカム回転角度にほぼ比例して増加していく。そして、６０度回転したとき（回転位置Ｋ１に達したとき）の累積吐出量は１．５μｌであり、回転位置Ｋ１から回転位置Ｋ２までの領域では累積吐出量は増減せずほぼ一定である。これは、フィンガー４６がチューブ５０を圧閉している状態が継続している領域である。
【００４６】
さらに、カム２０が回転され回転位置Ｋ２を超えた回転位置に至ると、フィンガー押動部２２とフィンガー４６との係合が解除されてチューブ５０は開放される。すると、回転位置Ｋ２から回転位置Ｋ３までに累積吐出量がｖ１だけ減少する。本例では、吐出された液体が０．１３μｌ逆流していることを示している。この現象は、最下流側のフィンガー４６がカム２０のフィンガー押動部２２との係合が解除されチューブ５０が開放されると、フィンガー４６によって圧閉されていたチューブ５０の容積部分が負圧となり液体が吸引され逆流が発生するためである。さらに、カム２０が回転すると、カム２０の斜面部２３ａによって最も上流側のフィンガー４０を押動開始し、チューブ５０の圧閉を行い液体を吐出し始め、回転位置Ｋ４で、吐出減少分を補填した累積吐出量１．５μｌとなる。
【００４７】
よって、累積吐出量は、カム２０の回転角度にほぼ比例して増加する吐出領域Ｈと、カムが回転しても累積吐出量がほとんど増減しない一定領域Ｊで表すことができる。そして、吐出領域Ｈでは、累積吐出量とカム回転角度の関係を第１近似直線Ｌ１で表し、一定領域Ｊでは、第２近似直線Ｌ２で表すことができる。なお、図６のグラフで表すように、累積吐出量の実測値は微小な増減があるが、この量は０．０１μｌ以下であるため考慮しなくてもよいと判断する。
【００４８】
従って、第１近似直線は、累積吐出量をｖ、カム回転角度をｄとすると、直線の方程式ｖ＝αｄ＋ｂで表すことができ、これを第１近似式とする。また、第２近似直線は、直線の方程式ｖ＝βで表すことができ、これを第２近似式とする。なお、本例では、直線の勾配αは０．０２５μｌ／度（１．５μｌ／６０度）、ｂ＝０、βは１．５μｌである。
【００４９】
なお、このグラフは、カム２０のフィンガー押動部の一つの作用を表しており、フィンガー押動部は４個形成されていることから、カム２０が１回転すると吐出領域Ｈと一定領域Ｊとを４回繰り返すことになり、カム２０の回転速度が一定であれば各フィンガー押動部における第１近似式と第２近似式とは、同様な考え方で作成できる。例えば、突起部２３がチューブ５０を圧閉するときには、第１近似式のｂを回転位置Ｋ４を通り勾配αを０．０２５μｌ／度にした直線の方程式、第２近似式のβを３．０とすればよい。
【００５０】
従って、指定累積吐出量に対して第１近似式と第２近似式を用いて必要とされる回転角度に至るまでカム２０を回転させればよく、この回転角度は第１検出部及び第２検出部で検出する。次に、具体的な流体輸送装置１の駆動法について図１〜図８を参照して説明する。
（流体輸送装置の駆動方法／実施例１）
【００５１】
実施例１は、図６で表したカム２０の回転角度と累積吐出量の関係を表すグラフを基本形とし、カム２０を一定速度で回転させた場合である。
図７は、カムの駆動時間と累積吐出量の関係を表すグラフであり、横軸に流体輸送装置１の駆動時間、縦軸に駆動開始からの累積吐出量を表す。
図８は、流体輸送装置の駆動方法の主要なステップを表す説明図である。なお、本実施例では、６０分間にカム２０を１回転させて６．０μｌ吐出する吐出速度を有する場合を例示して説明する。図８に示すステップに沿って説明する。
【００５２】
まず、予め駆動対象の流体輸送装置１のカム回転角度と累積吐出量の関係を実測し、図６に表すグラフを作成し、そのデータを制御部１４０（具体的には記憶部１４５）に入力し、このデータに基づき演算部１４６で第１近似式と第２近似式とを作成する（ステップ：Ｓ１０）。本例では、カム２０のフィンガー押動部を４個、且つ、カム回転速度を一定にしているため、カムの回転角度と累積吐出量の関係は図７（破線で表す）に表すことができる。駆動時間６０分の間では、“吐出領域Ｈ＋一定領域Ｊ”の間の累積吐出量を１吐出単位とすれば、４つの吐出単位（ブロックＢ１，ブロックＢ２，ブロックＢ３，ブロックＢ４で表す）で構成される。よって、各ブロックの経過時間は１５分である。
なお、本例では、フィンガー押動部の数を４個にしたが、フィンガー押動部の数がｎ個（ｎは２以上の整数）の場合、１／ｎ回転の間に吐出する累積吐出量を１吐出単位とする。
【００５３】
続いて、図示しない入力装置を用いて指定累積吐出量を入力する（ステップ：Ｓ２０）。ここでは、仮に指定累積吐出量を５．０μｌとする。
【００５４】
次に、指定累積吐出量に相当するカム回転角度を演算部で算出する（ステップ：Ｓ３０）。５．０μｌを吐出するためには、“３吐出単位（３ブロック）＋端数角度”だけ、カム２０を回転させることが必要になる（図７、参照）。よって、カム２０の回転角度は、２７０度＋端数角度となる。つまり、第１検出部において、基準位置（Ｋ０位置）から第１検出マーカー３０を検出し、プラス端数角度分回転させることが必要になる。
【００５５】
端数角度は、第１近似式を用いて演算し、駆動ローター１２０の回転角度を求める。ここで、端数角度は、３番目の第１検出マーカー３０を検出してからカム回転角度で２０度に相当する。カム回転角度に対する駆動ローター１２０の回転角度は、減速比を１／４０とすれば、２０度×４０＝８００度となる。これは、カム２０が、２回転と８０度回転に相当する。駆動ローター１２０に附されている第２検出マーカー３５の分割数を１２とすると、第１検出マーカー３０の３番目を検出してから、第２検出マーカー３５の３目盛を検出するまで駆動ローター１２０を回転すればよいことになる。
【００５６】
なお、指定累積吐出量５．０μｌに対するカム回転角度は２９０度であるため、この２９０度に対する駆動ローター１２０の回転角度を３２回転と第２検出マーカー３５の３目盛分回転させるというような演算方法でもよい。
【００５７】
次に、駆動ローター１２０を回転させ（ステップ：Ｓ４０）、カム２０の第１検出マーカー３０を検出した位置で駆動ローターを停止させる（ステップ：Ｓ５０）。この際、カム２０の基準位置と共に駆動ローター１２０の回転位置を第２検出マーカー３５の検出位置として記憶させ、累積吐出量、駆動ローター１２０及びカム２０の回転位置の初期化を行う（ステップ：Ｓ６０）。
【００５８】
次に、駆動ローター１２０を駆動して、液体吐出を開始）、指定累積吐出量に相当するだけカム２０を回転させる（ステップ：Ｓ７０）。
【００５９】
液体吐出途中では、カム回転角度を把握する（ステップ：Ｓ８０）。具体的には、カム２０の第１検出マーカー３０の検出数と、駆動ローター１２０の第２検出マーカー３５の検出数をカウンター１４４で計数し、その結果を記憶部１４５に入力する。
【００６０】
そして、指定累積吐出量に相当するカム回転角度に達したかを、記憶された指定回転角度と比較して判定する（ステップ：Ｓ９０）。指定のカム回転角度に達した場合（ステップ：Ｓ９０：ＹＥＳ）には、駆動ローター１２０を停止し、カム２０の回転を停止することによって、液体吐出を停止させる（ステップ：Ｓ１００）。まだ指定のカム回転角度に達していない場合（ステップ：Ｓ９０：ＮＯ）には、駆動ローター１２０の駆動を継続し、Ｓ８０以降のステップを継続する。
（流体輸送装置の駆動方法／実施例２）
【００６１】
次に、実施例２について説明する。前述した実施例１が、カム２０を速度一定で回転させた場合の駆動方法であることに対して、実施例２は、一定領域Ｊの回転速度を吐出領域Ｈの回転速度よりも高める場合の駆動方法である。図７、図８を参照して説明する。ステップＳ１０では、実施例１と同様に実測値を基に第１近似式と第２近似式を作成する。しかし、一定領域Ｊ（図６、参照）では、カム回転速度を吐出領域Ｈよりも、例えば１０〜２０倍程度に高めていることから、一定領域Ｊの時間は非常に短くなり、図７に示すように、第１近似直線Ｌ１の延長線に直線化（直線Ｌ３で表す）することができる。しかし、このようにすると、６０分で６．０μｌの指定吐出速度を満足させることができない。
そこで、６０分で６．０μｌの指定吐出速度を満足するように、直線Ｌ３の勾配を補正（吐出領域Ｈにおけるカム回転速度を遅くする）して直線Ｌ４を作成し、基準直線とする。
【００６２】
次いで、指定累積吐出量を入力（ステップ：Ｓ２０）する。仮に指定累積吐出量を５．０μｌとする。次に、指定累積吐出量に対するカム回転角度を演算部で算出する（ステップ：Ｓ３０）。
【００６３】
ここでは、基準直線Ｌ４を基に、指定累積吐出量に相当するカム回転角度を算出する。この際、このカム回転角度は、カム２０の第１検出マーカー３０の１目盛回転分の累積吐出量を１吐出単位（１ブロック）として、ブロック数を求め、端数角度は、吐出領域に相当するため第１近似式を用いて駆動ローター１２０の回転角度として算出する。第１近似式は、図６の吐出領域Ｈに相当するので、駆動ローター１２０の回転角度の演算は、実施例１と同様に行うことが可能である。ステップＳ４０以降のステップは、実施例１と同様に行えるため、説明を省略する。
【００６４】
なお、指定吐出速度をほぼ一定にするため、基準直線Ｌ４に乗るように吐出領域Ｈのカム回転速度を調整してもよい。
【００６５】
前述した特許文献１では、ローターの回転角度を細かく分割して、その分割毎の吐出量を測定、記憶させておき、ローターの回転が進行するたびに、角度毎の吐出量の和を演算する方式は、データテーブルを読み出すため頻繁にメモリーアクセスが必要となり、消費電流の低減が困難である。しかしながら、本実施例による流体輸送装置１の構成及び駆動方法によれば、累積吐出量に対するカム回転角度を、吐出速度の異なる二つの近似式（第１近似式と第２近似式）を用いて演算し、指定累積吐出量に達するまでカム２０を回転させている。従って、従来技術にくらべ、制御部１４０の構成を簡単にでき、演算回数が少ないなど制御部１４０の負荷を低減することができる。その結果、消費電流を低減することができるという効果がある。
【００６６】
さらに、近似式を用いることで、カム２０の回転途中やカム２０の１回転ごとの吐出量の揺らぎの影響を排除することができ、より正確な総吐出量を把握することが可能となる。
【００６７】
また、一定領域Ｊでは、カム回転速度を、吐出領域Ｈのカム回転速度よりも高めることで、カム回転角度に対する累積吐出量をほぼ直線で表すことができ、吐出指定時間内において流体吐出を連続的に、しかも一定の吐出速度で吐出することができる。
【００６８】
また、実施例２では、カムの回転角度（カム駆動時間）と流体の累積吐出量との関係を直線化して基準直線を作成し、カム２０の１／４回転の間に吐出する累積吐出量を１吐出単位とし、基準直線を基に吐出単位数を演算し、指定累積吐出量と、吐出単位数に対する累積吐出量と、の差分に対するカム２０の回転角度を第１近似式を用いて演算する。このようにすれば、流体を吐出しない一定領域でのカム回転速度を高めることで、カム回転角度に対する累積吐出量をほぼ直線で表すことができる。この直線を基準直線Ｌ４とし、基準直線Ｌ４と上述の近似式を用いて演算することで、指定累積吐出量に対するカム２０の回転角度を容易に求めることができる。
【００６９】
なお、前述した実施例１、実施例２では、第１近似直線Ｌ１が直線の場合を例示して説明したが、累積吐出量からカム２０の回転角度が定まる単調増加関数により近似することができる。
【００７０】
このようにすれば、吐出領域において累積吐出量とカム回転角度との関係が直線に限らず、二次曲線や放物線のような場合であっても、第１近似式として用いることが可能である。
【符号の説明】
【００７１】
１…流体輸送装置、２０…カム、２２〜２５…突起部、４０〜４６…押圧軸としてのフィンガー、５０…チューブ、１２０…駆動手段としての駆動ローター、１４０…制御部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少量の流体を低速で吐出する流体輸送装置と、この流体輸送装置の駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
液体を低速で輸送する装置としてペリスタポンプが従来から知られている。ペリスタポンプは、ローター上に複数個のローラーが同一円周上に配設され、ローターの外周を取り巻くようにチューブが配設されており、ローターを回転させることで、複数個のローラーによりチューブを液体流動方向に押し潰していき、押し潰し位置を移動していくことで液体を吐出するものである（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−９２５３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ペリスタポンプは、微量な吐出を行う場合には、ローターを小刻みに駆動・停止しながら回転することになり、ペリスタポンプ特有の脈流が発生し、吐出量にばらつきが発生する。そこで、特許文献１では、ローターの小刻みな駆動・停止位置毎における吐出量を予め測定して記憶させておき、ローターの回転角度に相当する吐出量の和を演算して、必要な総吐出量分、ローターの回転角度を制御している。
【０００５】
しかしながら、ペリスタポンプは、液体流動の過程においてローターの回転角度毎に吐出量が変動するという特性がある。従って、ローターの回転角度を細かく分割して、その分割毎の吐出量を測定、記憶させておき、ローターの回転が進行するたびに、角度毎の吐出量の和を演算しなければならず、演算を担当するＣＰＵ、ローター回転角度と吐出量の演算結果を記憶及び書き換えを行うメモリーなど、ローター回転角度制御手段の負荷が大きくなるという課題を有していた。
【０００６】
さらに、ローターの１回転当りの総吐出量のデータを予めメモリー中に記憶しておいて、ローターの回転角度を求めることが特許文献１に開示されているが、ローターの１回転中においてローター回転角度毎に吐出量の揺らぎがあるため、正確な総吐出量を把握することが困難という課題を有する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【０００８】
［適用例１］本適用例に係る流体輸送装置は、流体を吐出する流体輸送装置であって、弾性を有するチューブと、ｎ個（ｎは２以上の整数）の突起部を有するカムと、前記チューブと前記カムとの間に前記チューブに沿って配設される複数の押圧軸と、前記カムを回転させて、前記突起部によって前記複数の押圧軸を前記流体の流動方向に順次押動し、前記チューブの圧閉と開放とを繰り返す駆動手段と、前記カムの回転位置を検出する検出部と、累積吐出量が前記カムの回転角度に比例して増加する吐出領域を表す第１近似式と、前記カムが回転しても累積吐出量が増減しない一定領域を表す第２近似式と、を用いて、累積吐出量に対するカム回転角度を演算し、指定累積吐出量に相当する前記カムの回転位置を前記検出部にて検出するまで前記駆動手段を駆動させる制御部と、を有することを特徴とする。
【０００９】
本適用例によれば、累積吐出量に対するカム回転角度を、累積吐出量がカムの回転角度に比例して増加する吐出領域を表す第１近似式と、カムが回転しても累積吐出量が増減しない一定領域を表す第２近似式との二つの近似式を用いて演算し、指定累積吐出量に達するまでカムを回転させるため、従来技術のように、ローターの回転角度を細かく分割して、その分割毎の吐出量を測定、記憶させておき、ローターの回転が進行するたびに、角度毎の吐出量の和を演算する方式にくらべ、制御部の構成を簡単にでき、演算回数が少ないなど制御部の負担を低減することができる。その結果、消費電流を低減することができるという効果がある。なお、ここで、「比例」するとは完全に比例していなくてもよく、ほぼ比例している場合も含む。また、「増減しない」とは、全く増減していない場合に加え、部分的に増減していても、一定領域全体として増減していない場合や、無視できる程度の少量だけ増減している場合も含む。
【００１０】
さらに、近似式を用いることで、カムの回転途中やカムの１回転ごとの吐出量の揺らぎの影響を排除することができ、より正確な総吐出量を把握することが可能となる。
【００１１】
［適用例２］上記適用例に係る流体輸送装置は、前記一定領域では、回転速度を前記吐出領域の前記カムの回転速度よりも高めることが好ましい。
【００１２】
このように、流体を吐出しない一定領域でのカム回転速度を高めることで、カム回転角度に対する累積吐出量をほぼ直線で表すことができ、吐出指定時間内において流体吐出を連続的に、しかも一定の吐出速度で吐出することができる。
【００１３】
［適用例３］上記適用例に係る流体輸送装置は、前記カムの回転角度と流体の累積吐出量との関係を表す基準直線を作成し、前記カムの１／ｎ回転の間に吐出する累積吐出量を１吐出単位とし、前記基準直線を基に吐出単位数を演算し、指定累積吐出量と、前記吐出単位数に対する累積吐出量と、の差分の累積吐出量に対する前記カムの回転角度を前記第１近似式及び第２近似式を用いて演算することが好ましい。
【００１４】
前述したように、流体を吐出しない一定領域でのカム回転速度を高めることで、カム回転角度に対する累積吐出量をほぼ直線で表すことができる。この直線を基準直線とし、基準直線と上述の近似式を用いて演算することで、指定累積吐出量に対するカムの回転角度を容易に求めることができる。
【００１５】
［適用例４］上記適用例に係る流体輸送装置は、前記第１近似式は、累積吐出量から前記カムの回転角度が定まる単調増加関数によって近似することが好ましい。
【００１６】
このようにすれば、吐出領域において累積吐出量とカム回転角度との関係が直線に限らず、二次曲線や放物線のような場合であっても、第１近似式として用いることが可能である。
【００１７】
［適用例５］本適用例に係る流体輸送装置の駆動方法は、流体を吐出する流体輸送装置の駆動方法であって、ｎ個（ｎは２以上の整数）の突起部を有するカムを回転させることと、前記カムの回転角度を検出したときに前記カムの回転を停止させることと、累積吐出量と前記カムの回転角度とを初期化することと、累積吐出量と前記カムの回転角度との関係を表す近似式を用いて、指定累積吐出量に相当する前記カムの回転角度を演算することと、前記カムを回転させて、前記突起部によって複数の押圧軸を流体の流動方向に順次押動し、弾性を有するチューブの圧閉と開放とを繰り返すことによる流体吐出を開始することと、前記カムの回転角度を検出して、前記指定累積吐出量に相当する回転角度に達したときに前記カムの回転を停止させることと、を含むことを特徴とする。流体輸送装置の駆動方法。
【００１８】
本適用例によれば、指定累積吐出量に対するカム回転角度を近似式を用いて容易に求めることができ、そのカム回転角度に達するまでカムを回転させることで、正確な総吐出量（指定累積吐出量）を確保、管理することができる。よって、微量、且つ低速で液体を吐出する医療用の薬液投与装置として、または、各種分析装置の分液装置の駆動方法として好適である。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】流体輸送装置の概略構成を示す平面図。
【図２】図１のＡ−Ａ切断面を示す部分断面図。
【図３】制御部及び検出部の１例を示す構成説明図。
【図４】カムの回転基準位置を表す第１検出マーカーを示す平面図。
【図５】駆動ローターの回転角度を表す第２検出マーカーを示す平面図。
【図６】カムの回転角度と累積吐出量の関係を表すグラフ。
【図７】カムの駆動時間と累積吐出量の関係を表すグラフ。
【図８】流体輸送装置の駆動方法の主要なステップを表す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本発明は、微量の流体を低速で吐出する用途に広く適用可能であるが、以下の実施の形態は、薬液を生体内に注入するために用いられる流体輸送装置、及びこの流体輸送装置の駆動方法の１例を例示して説明する。よって、ここで用いられる流体は薬液等の液体である。
また、以下の説明で参照する図は、図示の便宜上、部材ないし部分の縦横の縮尺は実際のものとは異なる模式図である。
（流体輸送装置）
【００２１】
図１は、流体輸送装置の概略構成を示す平面図、図２は図１のＡ−Ａ切断面を示す部分断面図である。図１、図２において、流体輸送装置１は、液体を収容するリザーバー１４と、リザーバー１４に連通し弾性を有するチューブ５０と、チューブ５０を圧閉する複数の押圧軸としてのフィンガー４０〜４６と、フィンガー４０〜４６をチューブ５０に向かって押動するカム２０と、カム２０の駆動手段としての駆動ローター１２０と、カム２０と駆動ローター１２０とを連結する減速伝達機構２と、これらを保持する第１機枠１５と第２機枠１６と、から構成されている。
【００２２】
チューブ５０は、第１機枠１５に形成された円弧形状のチューブ案内壁１５ｃによって部分的に円弧形状に成形され、一方の端部はリザーバー１４に連通し、他方の端部は外部に延在されている。チューブ案内壁１５ｃの円弧中心はカム２０の回転中心Ｐ１と一致しており、チューブ５０とカム２０との間にフィンガー４０〜４６が配設されている。フィンガー４０〜４６は、カム２０の回転中心Ｐ１方向から等角度で放射状に配置されている。
【００２３】
フィンガー４０〜４６は同じ形状をしており、フィンガー４３を例示し図２を参照して形状を説明する。フィンガー４３は、棒状の軸部４３ａと、軸部４３ａの一方の端部に鍔状に形成されるチューブ押圧部４３ｂと、他方の端部に半球状に形成されるカム当接部４３ｃとから構成されており、本例では金属材料または剛性の高い樹脂材料からなる。なお、フィンガー４３の軸方向に垂直な断面形状は円形または四角形である。
【００２４】
カム２０は図２に示すように、カム軸２６と、カム軸２６に軸止されるカム歯車２８とカム体２１と、から構成され、第１機枠１５及び第２機枠１６とによって軸支されている。カム体２１は図１に示すように、外周部に４箇所の突起部２２，２３，２４，２５を有している。突起部２２，２３，２４，２５の周方向のピッチ、各形状は同じである。突起部２２〜２５がフィンガー４０〜４６を上流側から下流側に順次押動していく押動部である。よって以降、フィンガー押動部と表記する。なお、リザーバー１４に近い方を上流側、遠い方を下流側とする。
【００２５】
また、カム体２１には、フィンガー４０〜４６を開放（つまり、チューブ５０を開放）する領域から、フィンガー押動部２２，２３，２４，２５それぞれに緩やかに連続する斜面部２２ａ，２３ａ，２４ａ，２５ａが形成されている。
なお、突起部は４個の場合を例示しているが、ｎ個（２以上の整数）にしてもよく４個に限定されない。
【００２６】
続いて、減速伝達機構２の構成について図１、図２を参照して説明する。減速伝達機構２は、カム歯車２８と、伝達車１１０と、ローター軸１２１に軸止されるローターピニオン１２２と、から構成されている。伝達車１１０は、ピニオン１１３が形成される伝達車軸１１１と伝達歯車１１２とから構成されている。駆動ローター１２０は、ローター軸１２１とローターピニオン１２２と、ローター軸１２１に軸止される検出板１２３とを有する。伝達車１１０と駆動ローター１２０は、カム２０と共に第１機枠１５と第２機枠１６によって軸支されている。ここで、駆動ローター１２０の回転は、上述した減速伝達機構２によって所定の減速比でカム２０に伝達される。本例では、減速比を４０として説明する。つまり、駆動ローターの１回転は、カム２０の１／４０回転に相当する。なお、駆動ローター１２０の回転中心をＰ２とする。
【００２７】
駆動ローター１２０を回転する駆動源は振動体１３０である。振動体１３０は、圧電素子１３１と、腕部１３２と、ローター軸１２１の側面に当接される凸部１３３と、から構成されている。振動体１３０は、第１機枠１５に植立された固定軸１３５に腕部１３２が螺子で螺着固定されている。なお、振動体１３０の構成及び駆動方法は、周知の振動体を適用できるので説明を省略する。振動体１３０の駆動は、制御部１４０に含まれるドライバー１４１（図３、参照）によって制御される。
なお、駆動手段としては、ステップモーターを採用することができる。
【００２８】
続いて、制御部１４０及び検出部の構成について図２、図３を参照して説明する。
図３は、制御部及び検出部の１例を示す構成説明図である。検出部は、カム２０の回転角度（回転位置）を検出する第１検出部と、駆動ローターの回転角度（回転位置）を検出する第２検出部とからなる。
【００２９】
図３に示すように、第１検出部は、カム２０の回転位置を検出する第１検出センサー１５１と、第１検出回路１４２とから構成される。第１検出センサー１５１は、発光素子と受光素子（共に図示は省略）とからなる光学式センサーである。また、図２に示すように、第１検出センサー１５１に対向するカム歯車２８の表面には、回転位置を表す第１検出マーカー３０が設けられており、発光素子から射出された光を第１検出マーカー３０で反射し、この反射光を受光素子で検出する。
【００３０】
図３に示すように、第２検出部は、駆動ローター１２０の回転角度を検出する第２検出センサー１５２と、第２検出回路１４３とから構成される。第２検出センサー１５２は、発光素子と受光素子（共に図示は省略）とからなる光学式センサーである。また、図２に示すように、第２検出センサー１５２に対向する検出板１２３の表面には、駆動ローター１２０の回転位置を表す第２検出マーカー３５が設けられており、発光素子から射出された光を第２検出マーカー３５で反射し、この反射光を受光素子で検出する。
【００３１】
なお、第１検出マーカー３０及び第２検出マーカー３５については、図４、図５を参照して後述する。また、第１検出センサー１５１及び第２検出センサー１５２は、反射型のセンサーを例示したが透過型のセンサーでもよく、磁気センサーや超音波センサー等の被接触式センサー、接点式センサーを採用することもできる。
【００３２】
制御部１４０は、図３に示すように、上述した第１検出回路１４２、第２検出回路１４３がそれぞれ検出した第１検出マーカー３０，第２検出マーカー３５の検出数を計数するカウンター１４４と、これら第１検出マーカー３０，第２検出マーカー３５の検出数を記憶する記憶部１４５と、指定累積吐出量に相当する回転位置にカム２０を回転させるための駆動ローター１２０の回転角度を算出する演算部１４６と、振動体１３０を所定の周波数及び算出された時間だけ駆動するドライバー１４１と、を有する。
【００３３】
次に、第１検出マーカー３０及び第２検出マーカー３５の構成例について図４、図５を参照して説明する。
図４は、カムの回転基準位置を表す第１検出マーカーを示す平面図である。なお、図４は第１検出センサー１５１に対向する面を表示している。第１検出マーカー３０は、４個の第１検出マーカー３０ａ〜３０ｄからなり、第１検出マーカー３０ａ〜３０ｄは、それぞれカム歯車２８の表面に回転中心Ｐ１から等距離、等角度間隔で放射状に形成されている。本例では、周方向に４等分割した場合を例示し、フィンガー押動部２２，２３，２４，２５に対応した位置にそれぞれ第１検出マーカー３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄが設けられている。従って、フィンガー押動部の数と第１検出マーカー３０の数（分割数）は一致し、第１検出マーカー３０間の角度は９０度である。
【００３４】
なお、カム体２１のフィンガー押動部２２〜２５の頂点部（領域Ｄで表す）は、回転中心Ｐ１を中心とする同心円で形成されており、領域Ｄではチューブ５０をフィンガーにより同じ潰し量で圧閉している領域である。カム２０は、矢印方向（反時計回り）に回転し、領域Ｄを超えた瞬間にフィンガーの押動が解除されてチューブ５０の圧閉を開放する。チューブ５０を開放してから再び圧閉開始するまでの領域を領域Ｆで表す。なお、チューブ５０の圧閉領域は、ばらつきを考慮して突起部２２〜２５の頂点部に達する前（領域Ｅ）から始まるよう設定されている。なお、領域Ｆでは、フィンガーの押動が解除されてチューブ５０の圧閉を開放した瞬間から吐出された液体が逆流して累積吐出量が減少する領域であり、領域Ｇはカム２０の回転により、チューブ５０を圧閉して領域Ｄと同じ累積吐出量に達するまでのカム回転領域である。
【００３５】
フィンガーを押動し始めてからチューブ５０を圧閉し始める領域を吐出領域Ｈとする。
また、領域Ｄと領域Ｅと領域Ｆと領域Ｇとを含む領域Ｊが累積吐出量に増減がほとんど無い吐出量一定領域である。カム２０の各回転領域と累積吐出量の関係は、図６を参照して後述する。
【００３６】
図５は、駆動ローターの回転角度を表す第２検出マーカーを示す平面図である。第２検出マーカー３５は、検出板１２３の表面に回転中心Ｐ２から等距離、等角度間隔で放射状に形成されている。なお、本例では第２検出マーカー３５は、周方向に１２等分割した場合を例示している。よって、隣り合う第２検出マーカー３５間の角度は３０度である。
【００３７】
ここで、駆動ローター１２０とカム２０までの減速比を１／４０とすると、駆動ローター１２０の１回転でカム２０は１／４０回転（９度回転）することになる。第２検出マーカー３５は１２分割されているので駆動ローターの回転分解能は３０度であり、カム２０の回転分解能は３０／４０＝０．７５度となる。
【００３８】
なお、第２検出マーカー３５の分割数は１２分割に限らず、カム２０の角度分解能の要求に応じて、または減速比、または第２検出センサーの角度検出分解能に応じて適切に設定される。第２検出マーカー３５の分割は、突起部の数に対応する分割数にすることが望ましい。
【００３９】
また、第２検出部を設ける位置は、駆動ローター１２０に限定されず、減速伝達機構２のいずれかに設けることができる。例えば、伝達車１１０の伝達歯車１１２の位置に第２検出マーカー３５を形成し、この第２検出マーカー３５に対向する位置に第２検出センサー１５２を配置してもよい。この場合には、減速比が変化するため、カム２０の回転速度と減速比と第２検出マーカー３５の分割数を適宜設定する。
【００４０】
なお、第１検出マーカー３０，第２検出マーカー３５は、光を反射するか、光を吸収する材料にする。あるいは、カム歯車２８、検出板１２３を貫通する孔を設ける構造でもよい。
【００４１】
次に、液体吐出作用について図１を参照して説明する。制御部１４０（具体的には、ドライバー１４１）から駆動信号が圧電素子１３１に入力されると、振動体１３０の凸部１３３が楕円振動し、駆動ローター１２０を時計回りに回転させる。駆動ローター１２０の回転力は、減速伝達機構２を介して減速比１／４０でカム２０を時計回りに回転する。図１で示す状態は、突起部２３がフィンガー４４を押動し、チューブ５０を圧閉している状態を示している。フィンガー４５，４６は、カム体２１の斜面部２３ａにあるためチューブ５０を完全には圧閉していない。
【００４２】
また、フィンガー４１，４２，４３は、カム体２１の斜面部２２ａに達していないためチューブ５０は開放されている。フィンガー４０は斜面部２２ａにかかり始めている状態で、まだチューブ５０は開放状態である。チューブ５０の圧閉されていない領域には流体が入り込んでいる。
【００４３】
さらにカム２０を時計回りに回転させることにより、フィンガー４０〜４６をカム２０の回転方向に上流側から下流側に向かって順に押動し、チューブ５０の圧閉〜開放〜圧閉を繰り返し、これらフィンガー４０〜４６の蠕動運動により液体をカム２０の回転方向に輸送し吐出する。なお、複数のフィンガー４０〜４６のうち少なくとも一つ、好ましくは二つが、チューブ５０を常時圧閉するように構成されている。
【００４４】
次に、カム２０の回転角度と累積吐出量の関係について説明する。
図６は、カムの回転角度と累積吐出量の関係を表すグラフである。横軸にカム２０の回転角度、縦軸に累積吐出量（μｌ：マイクロリットル）を表す。なお、グラフはカム回転速度が一定の場合であって、カム回転角度と累積吐出量は、流体輸送装置一つ毎の実測値を表している。このグラフが、後述する第１近似式及び第２近似式を作成する基礎となるものである。各フィンガー押動部の作用は同じであるため、フィンガー押動部２２の作用を例示して説明する。なお、図４も参照する。
【００４５】
カム２０の第１検出マーカー３０ａが検出された回転位置Ｋ０（この位置を基準位置０度とする）から回転していくと、累積吐出量はカム回転角度にほぼ比例して増加していく。そして、６０度回転したとき（回転位置Ｋ１に達したとき）の累積吐出量は１．５μｌであり、回転位置Ｋ１から回転位置Ｋ２までの領域では累積吐出量は増減せずほぼ一定である。これは、フィンガー４６がチューブ５０を圧閉している状態が継続している領域である。
【００４６】
さらに、カム２０が回転され回転位置Ｋ２を超えた回転位置に至ると、フィンガー押動部２２とフィンガー４６との係合が解除されてチューブ５０は開放される。すると、回転位置Ｋ２から回転位置Ｋ３までに累積吐出量がｖ１だけ減少する。本例では、吐出された液体が０．１３μｌ逆流していることを示している。この現象は、最下流側のフィンガー４６がカム２０のフィンガー押動部２２との係合が解除されチューブ５０が開放されると、フィンガー４６によって圧閉されていたチューブ５０の容積部分が負圧となり液体が吸引され逆流が発生するためである。さらに、カム２０が回転すると、カム２０の斜面部２３ａによって最も上流側のフィンガー４０を押動開始し、チューブ５０の圧閉を行い液体を吐出し始め、回転位置Ｋ４で、吐出減少分を補填した累積吐出量１．５μｌとなる。
【００４７】
よって、累積吐出量は、カム２０の回転角度にほぼ比例して増加する吐出領域Ｈと、カムが回転しても累積吐出量がほとんど増減しない一定領域Ｊで表すことができる。そして、吐出領域Ｈでは、累積吐出量とカム回転角度の関係を第１近似直線Ｌ１で表し、一定領域Ｊでは、第２近似直線Ｌ２で表すことができる。なお、図６のグラフで表すように、累積吐出量の実測値は微小な増減があるが、この量は０．０１μｌ以下であるため考慮しなくてもよいと判断する。
【００４８】
従って、第１近似直線は、累積吐出量をｖ、カム回転角度をｄとすると、直線の方程式ｖ＝αｄ＋ｂで表すことができ、これを第１近似式とする。また、第２近似直線は、直線の方程式ｖ＝βで表すことができ、これを第２近似式とする。なお、本例では、直線の勾配αは０．０２５μｌ／度（１．５μｌ／６０度）、ｂ＝０、βは１．５μｌである。
【００４９】
なお、このグラフは、カム２０のフィンガー押動部の一つの作用を表しており、フィンガー押動部は４個形成されていることから、カム２０が１回転すると吐出領域Ｈと一定領域Ｊとを４回繰り返すことになり、カム２０の回転速度が一定であれば各フィンガー押動部における第１近似式と第２近似式とは、同様な考え方で作成できる。例えば、突起部２３がチューブ５０を圧閉するときには、第１近似式のｂを回転位置Ｋ４を通り勾配αを０．０２５μｌ／度にした直線の方程式、第２近似式のβを３．０とすればよい。
【００５０】
従って、指定累積吐出量に対して第１近似式と第２近似式を用いて必要とされる回転角度に至るまでカム２０を回転させればよく、この回転角度は第１検出部及び第２検出部で検出する。次に、具体的な流体輸送装置１の駆動法について図１〜図８を参照して説明する。
（流体輸送装置の駆動方法／実施例１）
【００５１】
実施例１は、図６で表したカム２０の回転角度と累積吐出量の関係を表すグラフを基本形とし、カム２０を一定速度で回転させた場合である。
図７は、カムの駆動時間と累積吐出量の関係を表すグラフであり、横軸に流体輸送装置１の駆動時間、縦軸に駆動開始からの累積吐出量を表す。
図８は、流体輸送装置の駆動方法の主要なステップを表す説明図である。なお、本実施例では、６０分間にカム２０を１回転させて６．０μｌ吐出する吐出速度を有する場合を例示して説明する。図８に示すステップに沿って説明する。
【００５２】
まず、予め駆動対象の流体輸送装置１のカム回転角度と累積吐出量の関係を実測し、図６に表すグラフを作成し、そのデータを制御部１４０（具体的には記憶部１４５）に入力し、このデータに基づき演算部１４６で第１近似式と第２近似式とを作成する（ステップ：Ｓ１０）。本例では、カム２０のフィンガー押動部を４個、且つ、カム回転速度を一定にしているため、カムの回転角度と累積吐出量の関係は図７（破線で表す）に表すことができる。駆動時間６０分の間では、“吐出領域Ｈ＋一定領域Ｊ”の間の累積吐出量を１吐出単位とすれば、４つの吐出単位（ブロックＢ１，ブロックＢ２，ブロックＢ３，ブロックＢ４で表す）で構成される。よって、各ブロックの経過時間は１５分である。
なお、本例では、フィンガー押動部の数を４個にしたが、フィンガー押動部の数がｎ個（ｎは２以上の整数）の場合、１／ｎ回転の間に吐出する累積吐出量を１吐出単位とする。
【００５３】
続いて、図示しない入力装置を用いて指定累積吐出量を入力する（ステップ：Ｓ２０）。ここでは、仮に指定累積吐出量を５．０μｌとする。
【００５４】
次に、指定累積吐出量に相当するカム回転角度を演算部で算出する（ステップ：Ｓ３０）。５．０μｌを吐出するためには、“３吐出単位（３ブロック）＋端数角度”だけ、カム２０を回転させることが必要になる（図７、参照）。よって、カム２０の回転角度は、２７０度＋端数角度となる。つまり、第１検出部において、基準位置（Ｋ０位置）から第１検出マーカー３０を検出し、プラス端数角度分回転させることが必要になる。
【００５５】
端数角度は、第１近似式を用いて演算し、駆動ローター１２０の回転角度を求める。ここで、端数角度は、３番目の第１検出マーカー３０を検出してからカム回転角度で２０度に相当する。カム回転角度に対する駆動ローター１２０の回転角度は、減速比を１／４０とすれば、２０度×４０＝８００度となる。これは、カム２０が、２回転と８０度回転に相当する。駆動ローター１２０に附されている第２検出マーカー３５の分割数を１２とすると、第１検出マーカー３０の３番目を検出してから、第２検出マーカー３５の３目盛を検出するまで駆動ローター１２０を回転すればよいことになる。
【００５６】
なお、指定累積吐出量５．０μｌに対するカム回転角度は２９０度であるため、この２９０度に対する駆動ローター１２０の回転角度を３２回転と第２検出マーカー３５の３目盛分回転させるというような演算方法でもよい。
【００５７】
次に、駆動ローター１２０を回転させ（ステップ：Ｓ４０）、カム２０の第１検出マーカー３０を検出した位置で駆動ローターを停止させる（ステップ：Ｓ５０）。この際、カム２０の基準位置と共に駆動ローター１２０の回転位置を第２検出マーカー３５の検出位置として記憶させ、累積吐出量、駆動ローター１２０及びカム２０の回転位置の初期化を行う（ステップ：Ｓ６０）。
【００５８】
次に、駆動ローター１２０を駆動して、液体吐出を開始）、指定累積吐出量に相当するだけカム２０を回転させる（ステップ：Ｓ７０）。
【００５９】
液体吐出途中では、カム回転角度を把握する（ステップ：Ｓ８０）。具体的には、カム２０の第１検出マーカー３０の検出数と、駆動ローター１２０の第２検出マーカー３５の検出数をカウンター１４４で計数し、その結果を記憶部１４５に入力する。
【００６０】
そして、指定累積吐出量に相当するカム回転角度に達したかを、記憶された指定回転角度と比較して判定する（ステップ：Ｓ９０）。指定のカム回転角度に達した場合（ステップ：Ｓ９０：ＹＥＳ）には、駆動ローター１２０を停止し、カム２０の回転を停止することによって、液体吐出を停止させる（ステップ：Ｓ１００）。まだ指定のカム回転角度に達していない場合（ステップ：Ｓ９０：ＮＯ）には、駆動ローター１２０の駆動を継続し、Ｓ８０以降のステップを継続する。
（流体輸送装置の駆動方法／実施例２）
【００６１】
次に、実施例２について説明する。前述した実施例１が、カム２０を速度一定で回転させた場合の駆動方法であることに対して、実施例２は、一定領域Ｊの回転速度を吐出領域Ｈの回転速度よりも高める場合の駆動方法である。図７、図８を参照して説明する。ステップＳ１０では、実施例１と同様に実測値を基に第１近似式と第２近似式を作成する。しかし、一定領域Ｊ（図６、参照）では、カム回転速度を吐出領域Ｈよりも、例えば１０〜２０倍程度に高めていることから、一定領域Ｊの時間は非常に短くなり、図７に示すように、第１近似直線Ｌ１の延長線に直線化（直線Ｌ３で表す）することができる。しかし、このようにすると、６０分で６．０μｌの指定吐出速度を満足させることができない。
そこで、６０分で６．０μｌの指定吐出速度を満足するように、直線Ｌ３の勾配を補正（吐出領域Ｈにおけるカム回転速度を遅くする）して直線Ｌ４を作成し、基準直線とする。
【００６２】
次いで、指定累積吐出量を入力（ステップ：Ｓ２０）する。仮に指定累積吐出量を５．０μｌとする。次に、指定累積吐出量に対するカム回転角度を演算部で算出する（ステップ：Ｓ３０）。
【００６３】
ここでは、基準直線Ｌ４を基に、指定累積吐出量に相当するカム回転角度を算出する。この際、このカム回転角度は、カム２０の第１検出マーカー３０の１目盛回転分の累積吐出量を１吐出単位（１ブロック）として、ブロック数を求め、端数角度は、吐出領域に相当するため第１近似式を用いて駆動ローター１２０の回転角度として算出する。第１近似式は、図６の吐出領域Ｈに相当するので、駆動ローター１２０の回転角度の演算は、実施例１と同様に行うことが可能である。ステップＳ４０以降のステップは、実施例１と同様に行えるため、説明を省略する。
【００６４】
なお、指定吐出速度をほぼ一定にするため、基準直線Ｌ４に乗るように吐出領域Ｈのカム回転速度を調整してもよい。
【００６５】
前述した特許文献１では、ローターの回転角度を細かく分割して、その分割毎の吐出量を測定、記憶させておき、ローターの回転が進行するたびに、角度毎の吐出量の和を演算する方式は、データテーブルを読み出すため頻繁にメモリーアクセスが必要となり、消費電流の低減が困難である。しかしながら、本実施例による流体輸送装置１の構成及び駆動方法によれば、累積吐出量に対するカム回転角度を、吐出速度の異なる二つの近似式（第１近似式と第２近似式）を用いて演算し、指定累積吐出量に達するまでカム２０を回転させている。従って、従来技術にくらべ、制御部１４０の構成を簡単にでき、演算回数が少ないなど制御部１４０の負荷を低減することができる。その結果、消費電流を低減することができるという効果がある。
【００６６】
さらに、近似式を用いることで、カム２０の回転途中やカム２０の１回転ごとの吐出量の揺らぎの影響を排除することができ、より正確な総吐出量を把握することが可能となる。
【００６７】
また、一定領域Ｊでは、カム回転速度を、吐出領域Ｈのカム回転速度よりも高めることで、カム回転角度に対する累積吐出量をほぼ直線で表すことができ、吐出指定時間内において流体吐出を連続的に、しかも一定の吐出速度で吐出することができる。
【００６８】
また、実施例２では、カムの回転角度（カム駆動時間）と流体の累積吐出量との関係を直線化して基準直線を作成し、カム２０の１／４回転の間に吐出する累積吐出量を１吐出単位とし、基準直線を基に吐出単位数を演算し、指定累積吐出量と、吐出単位数に対する累積吐出量と、の差分に対するカム２０の回転角度を第１近似式を用いて演算する。このようにすれば、流体を吐出しない一定領域でのカム回転速度を高めることで、カム回転角度に対する累積吐出量をほぼ直線で表すことができる。この直線を基準直線Ｌ４とし、基準直線Ｌ４と上述の近似式を用いて演算することで、指定累積吐出量に対するカム２０の回転角度を容易に求めることができる。
【００６９】
なお、前述した実施例１、実施例２では、第１近似直線Ｌ１が直線の場合を例示して説明したが、累積吐出量からカム２０の回転角度が定まる単調増加関数により近似することができる。
【００７０】
このようにすれば、吐出領域において累積吐出量とカム回転角度との関係が直線に限らず、二次曲線や放物線のような場合であっても、第１近似式として用いることが可能である。
【符号の説明】
【００７１】
１…流体輸送装置、２０…カム、２２〜２５…突起部、４０〜４６…押圧軸としてのフィンガー、５０…チューブ、１２０…駆動手段としての駆動ローター、１４０…制御部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を吐出する流体輸送装置であって、
弾性を有するチューブと、
ｎ個（ｎは２以上の整数）の突起部を有するカムと、
前記チューブと前記カムとの間に前記チューブに沿って配設される複数の押圧軸と、
前記カムを回転させて、前記突起部によって前記複数の押圧軸を前記流体の流動方向に順次押動し、前記チューブの圧閉と開放とを繰り返す駆動手段と、
前記カムの回転位置を検出する検出部と、
累積吐出量が前記カムの回転角度に比例して増加する吐出領域を表す第１近似式と、前記カムが回転しても累積吐出量が増減しない一定領域を表す第２近似式と、を用いて、累積吐出量に対するカム回転角度を演算し、指定累積吐出量に相当する前記カムの回転位置を前記検出部にて検出するまで前記駆動手段を駆動させる制御部と、
を有することを特徴とする流体輸送装置。
【請求項２】
請求項１に記載の流体輸送装置において、
前記一定領域では、前記カムの回転速度を前記吐出領域の回転速度よりも高めることを特徴とする流体輸送装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の流体輸送装置において、
前記カムの回転角度と流体の累積吐出量との関係を表す基準直線を作成し、
前記カムの１／ｎ回転の間に吐出する累積吐出量を１吐出単位とし、前記基準直線を基に吐出単位数を演算し、
指定累積吐出量と、前記吐出単位数に対する累積吐出量と、の差分の吐出量に対する前記カムの回転角度を前記第１近似式及び第２近似式を用いて演算することを特徴とする流体輸送装置。
【請求項４】
請求項１に記載の流体輸送装置において、
前記第１近似式は、累積吐出量から前記カムの回転角度が定まる単調増加関数によって近似することを特徴とする流体輸送装置。
【請求項５】
流体を吐出する流体輸送装置の駆動方法であって、
ｎ個（ｎは２以上の整数）の突起部を有するカムを回転させることと、
前記カムの回転角度を検出したときに前記カムの回転を停止させることと、
累積吐出量と前記カムの回転角度とを初期化することと、
累積吐出量と前記カムの回転角度との関係を表す近似式を用いて、指定累積吐出量に相当する前記カムの回転角度を演算することと、
前記カムを回転させて、前記突起部によって複数の押圧軸を流体の流動方向に順次押動し、弾性を有するチューブの圧閉と開放とを繰り返すことによる流体吐出を開始することと、
前記カムの回転角度を検出して、前記指定累積吐出量に相当する回転角度に達したときに前記カムの回転を停止させることと、
を含むことを特徴とする流体輸送装置の駆動方法。
【請求項１】
流体を吐出する流体輸送装置であって、
弾性を有するチューブと、
ｎ個（ｎは２以上の整数）の突起部を有するカムと、
前記チューブと前記カムとの間に前記チューブに沿って配設される複数の押圧軸と、
前記カムを回転させて、前記突起部によって前記複数の押圧軸を前記流体の流動方向に順次押動し、前記チューブの圧閉と開放とを繰り返す駆動手段と、
前記カムの回転位置を検出する検出部と、
累積吐出量が前記カムの回転角度に比例して増加する吐出領域を表す第１近似式と、前記カムが回転しても累積吐出量が増減しない一定領域を表す第２近似式と、を用いて、累積吐出量に対するカム回転角度を演算し、指定累積吐出量に相当する前記カムの回転位置を前記検出部にて検出するまで前記駆動手段を駆動させる制御部と、
を有することを特徴とする流体輸送装置。
【請求項２】
請求項１に記載の流体輸送装置において、
前記一定領域では、前記カムの回転速度を前記吐出領域の回転速度よりも高めることを特徴とする流体輸送装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の流体輸送装置において、
前記カムの回転角度と流体の累積吐出量との関係を表す基準直線を作成し、
前記カムの１／ｎ回転の間に吐出する累積吐出量を１吐出単位とし、前記基準直線を基に吐出単位数を演算し、
指定累積吐出量と、前記吐出単位数に対する累積吐出量と、の差分の吐出量に対する前記カムの回転角度を前記第１近似式及び第２近似式を用いて演算することを特徴とする流体輸送装置。
【請求項４】
請求項１に記載の流体輸送装置において、
前記第１近似式は、累積吐出量から前記カムの回転角度が定まる単調増加関数によって近似することを特徴とする流体輸送装置。
【請求項５】
流体を吐出する流体輸送装置の駆動方法であって、
ｎ個（ｎは２以上の整数）の突起部を有するカムを回転させることと、
前記カムの回転角度を検出したときに前記カムの回転を停止させることと、
累積吐出量と前記カムの回転角度とを初期化することと、
累積吐出量と前記カムの回転角度との関係を表す近似式を用いて、指定累積吐出量に相当する前記カムの回転角度を演算することと、
前記カムを回転させて、前記突起部によって複数の押圧軸を流体の流動方向に順次押動し、弾性を有するチューブの圧閉と開放とを繰り返すことによる流体吐出を開始することと、
前記カムの回転角度を検出して、前記指定累積吐出量に相当する回転角度に達したときに前記カムの回転を停止させることと、
を含むことを特徴とする流体輸送装置の駆動方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−１２２４１９（Ｐ２０１２−１２２４１９Ａ）
【公開日】平成２４年６月２８日（２０１２．６．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２７４３１９（Ｐ２０１０−２７４３１９）
【出願日】平成２２年１２月９日（２０１０．１２．９）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月２８日（２０１２．６．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月９日（２０１０．１２．９）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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