(57)【要約】      （修正有）【課題】一定角速度で回転する一つの動力源により脈動調整の可能なチューブポンプを提供する。【解決手段】モータ軸３１１に固着され、回転対称の位置にそれぞれ同形の第１従動節３０３を回動可能に接続した原動節３０２と、一端を原動節３０２に接続し、他端にそれぞれ同形の第２従動節３０４を回動可能に接続した第１従動節３０３と、一端を第１従動節３０３に接続し、他端にそれぞれ同形の第３従動節３０５を回動可能に接続した第２従動節３０４と、一端をモータ軸３１１に回動可能に接続し、他端にそれぞれローラ３０６を具備し、モータ軸３１１から同距離に第２従動節３０４を接続した第３従動節３０５と、第１従動節３０３と第２従動節３０４の接続部に設けた凸体３３１と、凸体３３１の軌跡を規定し液体の脈動を調整する溝カム１０７と、を設けたことを特徴とするチューブポンプ。【選択図】図１
2014145279.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
チューブと、チューブの外周を同一平面上の円弧に規制する筐体と、チューブ内側からチューブを筐体との間で押圧しつつ移動してチューブ内の液体をしごき出す押圧部と、を有するチューブポンプであって、
原動節を前記平面と平行に一定の角速度で回転させる原動軸と、
原動軸に固着され、回転対称の位置にそれぞれ同形の第１従動節を前記平面と平行に回動可能に接続した原動節と、
一端を原動節に接続し、他端にそれぞれ同形の第２従動節を前記平面と平行に回動可能に接続した第１従動節と、
一端を第１従動節に接続し、他端にそれぞれ同形の第３従動節を前記平面と平行に回動可能に接続した第２従動節と、
一端を原動軸に回動可能に接続し、他端にそれぞれ押圧部を具備し、原動軸から同距離の位置に第２従動節を接続した第３従動節と、
第１従動節から第２従動節の間の、原動節と第１従動節との接続部から第２従動節と第３従動節との接続部までのいずれかの位置であってそれぞれ同一の位置に設けた凸体と、
凸体の軌跡を規定し液体の脈動を調整する溝カムと、
を設けたことを特徴とするチューブポンプ。
【請求項２】
凸体を、第１従動節と第２従動節との接続部に設けたことを特徴とする請求項１に記載のチューブポンプ。
【請求項３】
第１従動節、第２従動節、および、第３従動節を１セットとして２セット設け、原動節と第１従動節との接続部を１８０度回転対称とし、前記円弧を半円としたことを特徴とする請求項１または２に記載のチューブポンプ。
【請求項４】
液体吐出速度が定常である溝カム形状としたことを特徴とする請求項１、２または３に記載のチューブポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転対称に設けたパンタグラフ式のチューブポンプに関し、特に、ローラの位相を変化させて脈動０を含めて脈動制御の自由度が高いチューブポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、チューブポンプは、ローラ等をモータ駆動することによりチューブをしごいて定常的に液体を吸引および吐出することができ、また、モータの回転数を変えることにより吐出量の調整ができ、多方面に用いられている。また、その構成は簡素であり長寿命であるという利点がある。
【０００３】
しかしながら、従来の技術では以下の問題点があった。
従来のチューブポンプは、ローラがチューブから離れる際に液量の押し出し減少が生じ、微妙に脈動が生じるという問題点があった。
【０００４】
これに対しては、ローラの駆動源を独立させ後方のローラの押し上げによって補償等することは可能であるが、電気的な制御を含め複雑な駆動制御が必要となり現実的ではない。
【０００５】
また、反対に、積極的に脈動を生成させたい場合なども、瞬間的にモータの回転数を上昇させる必要があり、実際には各要素の反応の遅れや瞬間的な抵抗値の上昇なども考慮した複雑な設計ないし制御を要するという問題点があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平５−２６３７６５号公報
【特許文献２】特開２００７−６１３８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は上記に鑑みてなされたものであって、一定の角速度で回転する一つの動力源により脈動調整の可能なチューブポンプを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に記載のチューブポンプは、チューブと、チューブの外周を同一平面上の円弧に規制する筐体と、チューブ内側からチューブを筐体との間で押圧しつつ移動してチューブ内の液体をしごき出す押圧部と、を有するチューブポンプであって、原動節を前記平面と平行に一定の角速度で回転させる原動軸と、原動軸に固着され、回転対称の位置にそれぞれ同形の第１従動節を前記平面と平行に回動可能に接続した原動節と、一端を原動節に接続し、他端にそれぞれ同形の第２従動節を前記平面と平行に回動可能に接続した第１従動節と、一端を第１従動節に接続し、他端にそれぞれ同形の第３従動節を前記平面と平行に回動可能に接続した第２従動節と、一端を原動軸に回動可能に接続し、他端にそれぞれ押圧部を具備し、原動軸から同距離の位置に第２従動節を接続した第３従動節と、第１従動節から第２従動節の間の、原動節と第１従動節との接続部から第２従動節と第３従動節との接続部までのいずれかの位置であってそれぞれ同一の位置に設けた凸体と、凸体の軌跡を規定し液体の脈動を調整する溝カムと、を設けたことを特徴とする。
【０００９】
すなわち、請求項１に係る発明は、溝カムの形状により第３従動節同士の位相を変更し、これにより、一定の角速度で回転する一つの動力源により脈動調整の可能なチューブポンプを提供することができる。
【００１０】
なお、押圧部は第３駆動節先端そのものとしても、別体のローラとして構成してもよく、チューブ内の液体を前方には押し出し、後方からは吸引するものであれば特に限定されない。
【００１１】
請求項２に記載のチューブポンプは、請求項１に記載のチューブポンプにおいて、凸体を、第１従動節と第２従動節との接続部に設けたことを特徴とする。
【００１２】
すなわち、請求項２に係る発明は、駆動抵抗が最も少なく円滑な回動を実現するチューブポンプを提供可能となる。
【００１３】
請求項３に記載のチューブポンプは、請求項１または２に記載のチューブポンプにおいて、第１従動節、第２従動節、および、第３従動節を１セットとして２セット設け、原動節と第１従動節との接続部を１８０度回転対称とし、前記円弧を半円としたことを特徴とする。
【００１４】
すなわち、請求項３に係る発明は、最小の構成であって脈動を制御する溝カムの設計の容易なチューブポンプを提供可能となる。
【００１５】
請求項４に記載のチューブポンプは、請求項１、２または３に記載のチューブポンプにおいて、液体吐出速度が定常である溝カム形状としたことを特徴とする。
【００１６】
すなわち、請求項４に係る発明は、チューブから解放されていく際の押圧部の押し出し量減少分を後方の押圧部との位相差を縮めていくことにより補償し、脈動のない定常吐出駆動が可能となる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、一定の角速度で回転する一つの動力源により脈動調整の可能なチューブポンプを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】チューブポンプの一例を示した正面図である。
【図２】溝がトラック形状である場合のチューブポンプの実験系の概説図である。
【図３】溝がトラック形状である場合の第３従動節の角速度の変化を示したグラフである。
【図４】脈動のないチューブポンプの設計の考え方を示した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。
本実施の形態では、２つのローラを有するチューブポンプについて説明する。図１は、チューブポンプの一例を示した正面図である。
チューブポンプ１は、同一平面上にある半円の円弧を有する筐体１００と、筐体１００内側に当接された柔軟素材からなるチューブ２００と、チューブ２００をしごく駆動部３００とを主要な構成とする。なお、同一平面上にある半円の円弧とは、チューブ２００の中心線が同一平面上にあること、すなわち、螺旋のように立体的に広がっていないことを意味するものであり、以降この平面を適宜平面Ｐと称することとする。
【００２０】
駆動部３００は、モータ３０１と、モータ軸３１１と、原動節３０２と、第１従動節３０３と、第２従動節３０４と、第３従動節３０５と、ローラ３０６と、溝カム１０７と、を有する。第１従動節３０３、第２従動節３０４、第３従動節３０５、および、ローラ３０６は組となりチューブポンプ１では二組設けている。なお、以降ではこの組をパンタグラフ４００と適宜称することとする。
【００２１】
チューブポンプ１は、二つのローラ３０６が独立しつつ相補的に一方向に移動し、チューブ２００をしごいて内部の液体を一方へは吐出、一方からは吸引する。そして溝カム１０７によって、モータ３０１を一定角速度で回転させつつローラ３０６のチューブ２００をしごく速度を調整でき、脈動創出の自由度を高めている点に特徴がある。また、この一類型として脈動０、すなわち定常吐出も可能なチューブポンプ１も提供可能となる。
【００２２】
次に、この脈動調整を実現する駆動部３００を詳述する。
モータ軸３１１はモータ３０１により駆動され、原動節３０２を平面Ｐと平行に一定の角速度で回転させる。
【００２３】
また、原動節３０２は、棒状体であって、中心をモータ軸３１１に固着し、モータ軸３１１から等距離の位置にそれぞれ同形の第１従動節３０３を平面Ｐと平行に回動可能に接続している。図示したように、原動節３０２は、第１従動節３０３および第２従動節３０４を介して第３従動節３０５を牽引する。
【００２４】
また、第１従動節３０３も棒状体であって、一端を原動節３０２に接続し、他端にそれぞれ同形の第２従動節３０４を平面Ｐと平行に回動可能に接続している。なお、二つの第１従動節３０３の、原動節３０２との接続位置、および、第２従動節３０４との接続位置は、同一である。
【００２５】
また、第２従動節３０４も棒状体であって、一端を第１従動節３０３に接続し、他端にそれぞれ同形の第３従動節３０５を平面Ｐと平行に回動可能に接続している。なお、二つの第２従動節３０４の、第１従動節３０３との接続位置、および、第３従動節３０５との接続位置は、同一である。
【００２６】
また、第３従動節３０５も棒状体であって、一端をモータ軸３１１に回動可能に接続し、他端にそれぞれローラ３０６を具備し、モータ軸３１１から等距離に第２従動節３０４を接続している。
【００２７】
また、第１従動節３０３と第２従動節３０４との接続部には、凸体３３１を設け、この凸体３３１は、溝カム１０７の溝１７１によりその軌跡が規制される。
【００２８】
以上の構成から、パンタグラフ４００は、一定角速度で回転する原動節３０２を、第１従動節３０３と第２従動節３０４により速度調整をおこない、第３従動節３０５の角速度を変化させる。第１従動節３０３と第２従動節３０４による速度調整は凸体３３１の軌跡に従うものであり、換言すれば溝カム１０７の形状により第３従動節３０５の角速度の調整、ひいては、脈動調整が可能となる。
【００２９】
溝カム１０７の溝１７１自体の軌跡は凸体３３１が引っかかることなく円滑に移動する形状であれば特に限定されない。当然のことながら、凸体３３１の最長距離、すなわち、原動節３０２と第１従動節３０３が一直線上となったときの凸体３３１のモータ軸３１１からの距離より溝１７１の原動軸からの距離は短いものであることが必要である。
【００３０】
次に、溝カム１０７の溝１７１がトラック状である場合の脈動の様子を説明する。図２は、実験系の概説図である（本実験系では、図１の例と異なり、原動節３０２が、第１従動節３０３と第２従動節３０４を介して第３従動節３０５を押し回すモデルである）。ここでは、モータ軸３１１から原動節３０２と第１従動節３０３との接続部までの距離ｌ１、原動節３０２と第１従動節３０３との接続部から第１従動節３０３と第２従動節３０４との接続部までの距離ｌ２、第１従動節３０３と第２従動節３０４との接続部から第２従動節３０４と第３従動節３０５との接合部までの距離ｌ３、および、第２従動節３０４と第３従動節３０５との接合部からモータ軸３１１までの距離ｌ４が同一であるとする。また、溝１７１は、図示したように、半円と半円とを直線でつないだトラック状としている。
【００３１】
このときの、凸体３３１の角度θと、第３従動節３０５の角速度ωとの関係を図３に示した。なお、ここでは、モータ軸３１１の角速度は１［ｄｅｇ／ｓｅｃ］とし、θ＝０の位置を溝１７１が半円に差し掛かる位置としている。
【００３２】
図示したように、θ＝０°〜１８０°までは凸体３３１の軌跡は溝１７１の半円部分にあるのでモータ軸３１１の角速度と同一であるが、１８０°〜３６０°では、モータ軸３１１から凸体３３１までの距離が変化するので第３従動節３０５の角速度が変化する。すなわち、脈動が生成される。
【００３３】
図では解析の便のため、θを凸体３３１の位置として第３従動節の角速度ωを評価（θ−ωグラフ）したが、第３従動節３０５の角速度ωの経時変化（ｔ−ωグラフ）も図３と同様のものとなった。
【００３４】
いずれにせよ、第３従動節３０５は二つあり、ローラ３０６が交互に交代してチューブ２００をしごいていくので、それぞれ脈動を生成していくこととなる。
【００３５】
このように、チューブポンプ１は、溝カム１０７の溝１７１の軌道により脈動を設計することが可能となる。
【００３６】
次に、脈動調整の一類型として脈動０のチューブポンプ１について説明する。図４は、脈動のないチューブポンプの設計の考え方を示した説明図である。チューブ２００は、半円弧を描くものとし、チューブ２００の内径内側のモータ軸３１１からの距離をｒ１＋δｒ１、チューブ２００の外径外側のモータ軸３１１からの距離をｒ２＋δｒ２とする。また、問題を簡易化するためローラ３０６はないものとして、第３従動節３０５は厚みｗであり先端はチューブ２００の内径外側に面接触し、押圧されるチューブ２００部分は第３従動節３０５の形状にその厚みを０として伸縮自在に追従するとした２次元問題として考える。また、チューブ２００内の液体は乱流の発生しない粘性０のニュートン流体と仮定する。
【００３７】
脈動０とは、図示したように進行方向前側の第３従動節３０５（以降において、前方節３５１と適宜称する。）がチューブ２００を離脱していく際の押し出し量不足を、進行方向後側の第３従動節３０５（以降において、後方節３５２と適宜称する）が補えば実現できる。
【００３８】
前方節３５１がチューブ２００を離脱中の位置θからδθ移動する場合の押し出し量の減少分ΔＳは、図中のＳ−とＳ＋の関係からΔＳ＝Ｓ−−Ｓ＋であり、Ｓ−およびＳ＋は第３従動節３０５の面積から（ｒ１＋δｒ１）ｗ／ｃｏｓθを引けばよい。
【００３９】
第３従動節３０５の面積は、ｒ２ｗ＋先端円弧部分の面積Ｓｔ（図４参照）であり、
【数１】
2014145279.tif 000003
と表される。
【００４０】
よって、後方節３５２は、本来押し出したい吐出量＋ΔＳとなるようにδα回転させれば良く、溝１７１はこの角度増加分を実現するように経路設計すればよい。
【００４１】
なお、実際には、液体の粘性、チューブ２００内径形状、チューブ２００のしなやかさや復元力を考慮して溝１７１の経路設計をおこなえばよい。
【００４２】
以上説明したように、本発明のチューブポンプ１は、単一のモータ３０１を定常回転させるだけで、パンタグラフ４００と溝カム１０７により角速度を変えてローラ３０６を駆動でき、脈動０も含めて脈動制御の自由度を高めることができる。
【００４３】
なお、以上の例では、パンタグラフ４００が２セット１８０度回転対称に原動節３０２に配された例を説明したが、使用の態様によっては、パンタグラフ４００を３セット１２０度回転対称に、また、４セット９０度回転対称に原動節３０２に配するようにしても良い。このとき、チューブ２００の円弧に対する中心角を１２０度、９０度とすれば、溝カム１０７の設計を容易にすることができる。
【００４４】
また、円弧部分をしごくローラ３０６が複数である場合に、その間のチューブ２００の内圧の増減を招来させないようにするには、適宜、第３従動節３０５間の位相差を同一とするようにする。
【００４５】
また、凸体３３１は、第１従動節３０３と第２従動節３０４との接続部に設けたが、これに限定されず、原動節３０２と第１従動節３０３の接続部から第２従動節３０４と第３従動節３０５の接続部までのいずれかの位置とすることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明は例えば人工心肺回路に適用可能である。このとき、個々の患者の実際の心臓の鼓動に即した溝カム形状を作成してもよい。また、フローインジェクション分析法に採用することもできる。
【符号の説明】
【００４７】
１        チューブポンプ
１００  筐体
２００  チューブ
３００  駆動部
４００  パンタグラフ
１０７  溝カム
１７１  溝
３０１  モータ
３１１  モータ軸
３０２  原動節
３０３  第１従動節
３３１  凸体
３０４  第２従動節
３０５  第３従動節（３５１：前方節、３５２：後方節）
３０６  ローラ
【図１】
2014145279.tif 000004
【図２】
2014145279.tif 000005
【図３】
2014145279.tif 000006
【図４】
2014145279.tif 000007