(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
弾性を有し、流体が輸送される上流側から下流側に延長するとともに、当該延長途上において、円弧状に配設された押圧領域が形成されたチューブと、
前記押圧領域の円弧中心とほぼ一致する位置に回転軸を有するカムと、
直棒状で、前記カムの回転軸側から放射状に配設されるとともに、前記回転軸側の端部が当該カムの周側面に当接することで、放射方向に往復運動する複数のフィンガーと、
円盤状のローターと、
前記ローターを回転させるための動力部と
当該ローターの回転運動を減速させつつ当該カムに伝達する減速機構と、
前記カムの回転角度位置を検出するためのロータリーエンコーダーと、
を備え、
前記複数のフィンガーは、放射外方向の端部が前記押圧領域にて前記チューブに当接するとともに、カムの回転に伴って各フィンガーがチューブの所定位置を順次押圧することで、前記流体を上流から下流に輸送し、
前記減速機構を含む輪列構造は、ローター車と、一つ以上の伝達車と、カム車とから構成されているとともに、前記ローター車の一側に、前記カム車が同軸上に積層配置され、
前記ローター車は、同軸上で一体的に回転する前記ローターと当該ローターより小径のローターピニオンとからなり、
前記カム車は、同軸上で一体的に回転するカム歯車と前記カムからなり、
前記一つ以上の伝達車は、前記ローターピニオンと噛合する伝達歯車と、当該伝達歯車より小径で、前記カム歯車と噛合するピニオンとを含み、前記伝達歯車の回転運動を当該ピニオンに伝達し、
当該ローターと、前記ローター車の一側にある前記カム車の前記カム歯車とが軸線方向で対面し、
前記ロータリーエンコーダーは、前記ローターの表面の所定位置と、前記カム歯車の表面の所定位置とが軸線方向で一致した状態を検出する、
ことを特徴とする流体輸送装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記軸線方向を上下方向とするとともに、前記ローター車が前記カム車の下方に積層されていることとして、
前記ロータリーエンコーダーは、前記円盤状のローターの上下両面を連絡する孔と、前記カム歯車の下面に配置された反射板と、発光部と、受光部とを含んで構成され、
前記発光部は、ローターの下面に向けて光を上方に照射し、
前記受光部は、前記照射された光が前記孔を通過しつつ前記反射板にて反射されて再度発光部側に戻ってきた際に、当該反射光を受光して所定の信号を出力する、
ことを特徴とする流体輸送装置。
【請求項３】
請求項２において、
前記ローター車と前記カム車との層間に前記伝達車が同軸上に積層されているとともに、当該伝達車の前記伝達歯車には、上下両面を連絡する孔が形成され、
前記ロータリーエンコーダーは、当該伝達歯車の孔をさらに含み、
前記受光部は、前記照射された光が前記ローター車の孔と前記伝達車の孔の双方を通過しつつ前記反射板にて反射されて再度発光部側に戻ってきた際に、当該反射光を受光して所定の信号を出力する、
ことを特徴とする流体輸送装置。
【請求項４】
請求項１において、
前記軸線方向を上下方向とするとともに、前記ローター車が前記カム車の下方に積層されていることとして、
前記ロータリーエンコーダーは、前記円盤状のローターの上下両面を連絡する孔と、前記カム歯車の上下両面を連絡するスリットと、発光部と、受光部とから構成され、
前記発光部と、前記受光部は、前記積層状態にある前記ローターと前記カム歯車とを軸線に沿って挟持するように対面して配置され、
前記受光部は、前記発光部からの照射光が前記ローターの孔と前記カム車のスリットの双方を通過してきた際に、当該照射光を受光して所定の信号を出力する、
ことを特徴とする流体輸送装置。
【請求項５】
請求項４において、
前記ローター車と前記カム車との層間に前記伝達車が同軸上に積層されているとともに、当該伝達車の前記伝達歯車には、上下両面を連絡する孔が形成され、
前記ロータリーエンコーダーは、当該伝達歯車の孔をさらに含んで構成され、
前記受光部は、前記発光部からの照射光が前記ローターの孔と、前記伝達歯車の孔と、
前記カム車のスリットとを通過してきた際に、当該照射光を受光して所定の信号を出力する、
ことを特徴とする流体輸送装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかにおいて、
前記カムが一定の速度で回転するように前記動力部を制御するとともに、前記ロータリーエンコーダーからの信号に基づいて前記カムの回転角度位置を特定するための制御部を備え、当該制御部は、前記カムが所定の回転角度位置にあるときは、当該カムの回転速度を速めるように前記動力部を制御することで、前記カムが前記所定の回転角度にあるときは、前記押圧領域での流体移動が停止されることを特徴とする流体輸送装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、弾性を有するチューブを外方から圧搾することでチューブ内の流体を輸送する流体輸送装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ごく微量の流体を低速で輸送する装置としてペリスタポンプがある。ペリスタポンプは、ステッピングモーターなどを動力源とし、その動力源によって複数のローラーを備えたローターを回転させ、ローターが複数のローラーを転動させながら柔軟なチューブに沿って回転して流体の吸い込み及び吐出をする構造である（例えば、特許文献１）。
【０００３】
しかしながら、ペリスタポンプは、チューブの径にバラツキがあると、流体の輸送精度が低下する、という問題がある。また、常時チューブをローラーで押圧しているため、チューブの弾性が劣化する、という問題もある。そこで、以下の特許文献２に記載の流体輸送装置では、一部が円弧形状に配設され弾性を有するチューブと、当該チューブの円弧中心から放射状に配設される複数のフィンガーとを備え、その複数のフィンガーが、チューブを流体の流入側から流出側へ順次閉塞するように押圧する圧搾動作を繰り返すことで流体を輸送する構成となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−９２５３７号公報
【特許文献２】特開２０１０−１８０７３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記各特許文献に開示されているような、流体の輸送路となるチューブを流入側から流出側に順次圧搾して、流体を送り出す流体輸送装置は、例えば、医療現場において、ごく微量の薬液を精度良く患者に投与する場合などに使用されている。そのため、流体の輸送量は、精密に制御されなくてはならない。すなわち、流体の輸送量を極めて正確に測定する必要がある。
【０００６】
そして、これらの流体輸送装置では、回転機構を介してチューブが順次押圧される構造であるため、例えば、特開２００７−３３３６１１号公報に記載されている化学分析方法のように、その回転機構の回転量をロータリーエンコーダーを用いて精密に計測することとしている。しかし、薬液を投与する用途などでは、極微量の流体を極めて遅い速度で輸送する必要がある。さらに、薬液を長い時間を掛けてゆっくり投与する場合では、装置自体を小型化して携帯可能にする必要がある。そのため、ロータリーエンコーダーには、極めて高い分解能が必要となる。また、流体輸送装置内にロータリーエンコーダーを組み込む際の位置決めにも高い精度が要求される。このように、従来の流体輸送装置では、流体の輸送量を正確に測定しようとすると、小型化や低価格化が困難となる、という問題があった。
【０００７】
本発明は、大型化やコストアップを招くことなく、流体の輸送量を高精度に測定できる流体輸送装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するための本発明の主たる発明に対応する実施形態は、
流体が充填されるリザーバーと、
弾性を有し、リザーバーを上流側として、一端が当該リザーバーに接続されて下流側に延長するとともに、当該延長途上において、円弧状に配設された押圧領域が形成されたチューブと、
前記押圧領域の円弧中心とほぼ一致する位置に回転軸を有するカムと、
直棒状で、前記カムの回転軸側から放射状に配設されるとともに、前記回転軸側の端部が当該カムの周側面に当接することで、放射方向に往復運動する複数のフィンガーと、
円盤状のローターと、
前記ローターを回転させるための動力部と
当該ローターの回転運動を減速させつつ当該カムに伝達する減速機構と、
前記カムの回転角度位置を検出するためのロータリーエンコーダーと、
を備え、
前記複数のフィンガーは、放射外方向の端部が前記押圧領域にて前記チューブに当接するとともに、カムの回転に伴って各フィンガーがチューブの所定位置を順次押圧することで、前記リザーバー内の流体を上流から下流に輸送し、
前記減速機構を含む輪列構造は、ローター車と、一つ以上の伝達車と、カム車とから構成されているとともに、前記ローター車の一側に、前記カム車が同軸上に積層配置され、
前記ローター車は、同軸上で一体的に回転する前記ローターと当該ローターより小径のローターピニオンとからなり、
前記カム車は、同軸上で一体的に回転するカム歯車と前記カムからなり、
前記一つ以上の伝達車は、前記ローターピニオンと噛合する伝達歯車と、当該伝達歯車より小径で、前記カム歯車と噛合するピニオンとを含み、前記伝達歯車の回転運動を当該ピニオンに伝達し、
当該ローターと、前記ローター車の一側にある前記カム車の前記カム歯車とが軸線方向で対面し、
前記ロータリーエンコーダーは、前記ローターの表面の所定位置と、前記カム歯車の表面の所定位置とが軸線方向で一致した状態を検出する、
ことを特徴とする流体輸送装置。なお、本発明の他の特徴については、本明細書および添付図面の記載により明らかにする。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】（Ａ）は、本発明の参考例に係る流体輸送装置の平面図である。（Ｂ）は、当該参考例に係る流体輸送装置を構成する一部品の拡大図である。
【図２】上記参考例に係る流体輸送装置の断面図である。
【図３】上記参考例に係る流体輸送装置が内蔵するロータリーエンコーダーの一例を示す図である。
【図４】上記参考例に係る流体輸送装置が内蔵するロータリーエンコーダーのその他の例を示す図である。
【図５】本発明の第１の実施例に係る流体輸送装置の平面図である。
【図６】上記第１の実施例に係る流体輸送装置の断面図である。
【図７】上記第１の実施例に係る流体輸送装置が内蔵するロータリーエンコーダーの概略を示す平面図である。
【図８】上記第１の実施例に係る流体輸送装置における上記カムの回転角度と流体の輸送量の関係を説明するための図である。
【図９】上記第１の実施例に係る流体輸送装置で発生する流体の逆流現象を説明するための図である。
【図１０】本発明の第１および第２の実施例に係る流体輸送装置に内蔵されている電子回路のブロック構成を示す図である。
【図１１】本発明の第２の実施例に係る流体輸送装置における上記カムの回転角度と流体の輸送量の関係を説明するための図である。
【図１２】本発明の第２の実施例に係る流体輸送装置における流体の輸送速度を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
＝＝＝本発明の実施形態について＝＝＝
本発明の実施形態に対応する流体輸送装置は、上記主たる発明に対応する実施形態が備える特徴に加え、まず前記軸線方向を上下方向とするとともに、前記ローター車が前記カム車の下方に積層されていることとする。つぎに、前記ロータリーエンコーダーは、前記円盤状のローターの上下両面を連絡する孔と、前記カム歯車の下面に配置された反射板と、発光部と、受光部とを含んで構成される。最後に、前記発光部は、ローターの下面に向けて光を上方に照射し、前記受光部は、前記照射された光が前記孔を通過しつつ前記反射板にて反射されて再度発光部側に戻ってきた際に、当該反射光を受光して所定の信号を出力する、ことを特徴として備えていてもよい。
【００１１】
さらに、前記ローター車と前記カム車との層間に前記伝達車が同軸上に積層されているとともに、当該伝達車の前記伝達歯車には、上下両面を連絡する孔が形成される。そして、前記ロータリーエンコーダーは、当該伝達歯車の孔をさらに含み、前記受光部は、前記照射された光が前記ローター車の孔と前記伝達車の孔の双方を通過しつつ前記反射板にて反射されて再度発光部側に戻ってきた際に、当該反射光を受光して所定の信号を出力する、ことを特徴としてもよい。
【００１２】
あるいは、まず前記軸線方向を上下方向とするとともに、前記ローター車が前記カム車の下方に積層されていることとする。つぎに、前記ロータリーエンコーダーは、前記円盤状のローターの上下両面を連絡する孔と、前記カム歯車の上下両面を連絡するスリットと、発光部と、受光部とから構成される。最後に、前記発光部と、前記受光部は、前記積層状態にある前記ローターと前記カム歯車とを軸線に沿って挟持するように対面して配置され、前記受光部は、前記発光部からの照射光が前記ローターの孔と前記カム車のスリットの双方を通過してきた際に、当該照射光を受光して所定の信号を出力する、ことを特徴とすることもできる。
【００１３】
さらに、前記ローター車と前記カム車との層間に前記伝達車が同軸上に積層されているとともに、当該伝達車の前記伝達歯車には、上下両面を連絡する孔が形成される。そして、前記ロータリーエンコーダーは、当該伝達歯車の孔をさらに含んで構成され、前記受光部は、前記発光部からの照射光が前記ローターの孔と、前記伝達歯車の孔と、前記カム車のスリットとを通過してきた際に、当該照射光を受光して所定の信号を出力する、ことを特徴としてもよい。
【００１４】
さらに上記いずれかの特徴に加え、前記カムが一定の速度で回転するように前記動力部を制御するとともに、前記ロータリーエンコーダーからの信号に基づいて前記カムの回転角度位置を特定するための制御部を備えることを前提とする。当該制御部は、前記カムが所定の回転角度位置にあるときは、当該カムの回転速度を速めるように前記動力部を制御することで、前記カムが前記所定の回転角度にあるときは、前記押圧領域での流体移動が停止されることを特徴とする流体輸送装置としてもよい。
【００１５】
＝＝＝参考形態＝＝＝
＜概略構造＞
図１は、本発明の実施形態と比較するための参考形態に係る流体輸送装置（以下、参考装置）１０１の構成を示す図である。図１（Ａ）は、当該参考装置１０１の全体構成の透視平面図であり、図１（Ｂ）は、当該参考装置１０１を構成する一部品の拡大図である。また、図２に、図１におけるａ−ａ矢視断面を示した。参考装置１０１は、輸送対象となる流体（例えば、水、食塩水、薬液、油類、芳香液、インクなど）１１が充填されたリザーバー１０、流体の流路となるチューブ２０、およびこのチューブ２０を流体１１の流入側（以下、上流）から流出側（以下、下流）に向けて順次圧搾して流体１１を下流側に輸送させるための複数のフィンガー（３０ａ〜３０ｇ）を備えている。そして、各フィンガー（３０ａ〜３０ｇ）に圧搾動作を付与するためのカム４１、およびカム４１を回転させるための駆動機構などを含んで構成されている。これらの構成が、筐体１０２の外殻や内部構造によって、所定の位置に配設されたり取り付けられたりしている。
【００１６】
リザーバー１０には、チューブ２０の一端が接続されており、当該チューブ２０は、下流の末端にある輸送先（図示せず）に向けて延長しており、その延長途上には円弧状に配設されている領域（押圧領域）２１が設けられている。図１（Ｂ）に拡大して示したように、複数本のフィンガー（３０ａ〜３０ｇ）は、それぞれ、直棒状の軸部３１の一方の端部３２が鍔状に形成され、他方の端部３３が半球状に形成されている。そして、上記押圧領域２１の円弧中心から放射状に等間隔となるように配置されており、鍔状の端部（以下、先端部）３２がチューブ２０の押圧領域２１にて当接している。また、半球状の他端部（以下、基端部）３３は、カム４１の周側面に当接している。なお、この参考装置１０１では、７本のフィンガー（３０ａ〜３０ｇ）が配置されており、最も上流にあるフィンガーを第１フィンガー３０ａと称し、以下、下流に向かって、第２フィンガー３０ｂ、第３フィンガー３０ｃ、…、第７フィンガー３０ｇと称することとする。
【００１７】
カム４１の回転軸は、前記押圧領域２１の円弧中心にほぼ一致し、また、カム４１の周側面は、円筒側面に等角度間隔で四つの同形状の突起４２を形成した凹凸形状であり、各フィンガー（３０ａ〜３０ｇ）は、カム４１が所定方向に回転すると、カム４１周側面の突起４２に基端部３３が乗り上げていき、その結果、先端部３２がチューブ２０を押圧する。また、突起４２を乗り越えると、流体１１が流通しているチューブ２０の内圧によって基端部３３側に押し戻される。各フィンガー（３０ａ〜３０ｇ）は、このようにして、カム４１の周側面の凹凸形状に沿って往復運動する。
【００１８】
駆動機構は、カム４１を回転駆動させるための機構であり、動力源となる圧電アクチュエーター５０と、当該圧電アクチュエーター５０によって直接回転駆動される円盤状のローター６１と、当該ローター６１の回転数を減速させつつカム４１の回転運動に変換する減速機構とを有する。
【００１９】
圧電アクチュエーター５０は、圧電素子を用いた振動体５１の振動を利用してローター６１を回転させるためのものである。振動体５１は、矩形状の板材の両面に圧電素子を接着した構造であり、矩形の板材の一方の短辺側には、ローター６１の周側面と接触する凸部５２が設けられている。そして、圧電素子に所定の駆動信号を印加して振動体５１を振動させると、この凸部５２が所定の軌道を描いて振動する。例えば、振動体５１が長手方向、すなわちローター６１の直径延長方向に沿って伸縮する縦一次振動モードと、振動体５１がその長手方向と直交する方向に屈曲する屈曲二次振動モードとを励起するように圧電素子に駆動信号を印加すると、凸部５２が楕円軌道を描いて振動する。もちろん、長手方向に沿って伸縮する一次振動モードと、短辺方向に沿って伸縮する一次振動モードとを組み合わせて、凸部５２を８の字の軌道を描くように振動させてもよい。また、ローター６１は、板バネなどによって圧電アクチュエーター５０側に付勢されている。それによって、圧電アクチュエーター５０の凸部５２とローター６１の周側面との間に適切な摩擦力が発生し、圧電アクチュエーター５０の振動が確実にローター６１に伝達される。もちろん、動力源は、圧電アクチュエーター５０に限らず、ローター６１を直接回転させることができれば、例えば、ステッピンモーターなどであってもよい。
【００２０】
減速機構は、ローター６１の回転を所定の減速比でカム４１に伝達する機構である。減速機構を含む輪列構造は、動力源である圧電アクチュエーター５０によって直接駆動されるローター６１と、そのローター６１に一体的に取り付けられた、小歯車（以下、ローターピニオン）６２とからなる歯車部品（以下、ローター車）１６０を備えている。さらに、ローターピニオン６２と噛合する大歯車（以下、伝達歯車）７１と、その伝達歯車７１に一体的に取り付けられた小歯車（以下、ピニオン）７２とで構成される歯車部品（以下、伝達車）１７０と、伝達車１７０のピニオン７２と噛合する大歯車（以下、カム歯車）４３にカム４１が同軸に固定された歯車部品（以下、カム車）１４０とを有している。このような輪列構造において、例えば、ローター車１６０と伝達車１７０との減速比が８で、伝達車１７０とカム車１４０との減速比が５であれば、この減速機構の減速比は４０となり、ローター６１が４０回転すると、カム４１が１回転することになる。なお、当該参考装置１０１では、一つの伝達車１７０を備えていたが、複数の伝達車１７０を備えていてもよい。いずれにしても、ローターピニオン６２と噛合する伝達歯車７１と、カム歯車４３と噛合するピニオン７２とを含み、伝達歯車７１の回転運動が最終的にピニオン７２に伝達されてカム歯車４３がローター６１に対して減速されて回転すればよい。
【００２１】
＜流体輸送量の測定＞
上述した構造の参考装置１０１では、カム４１が所定の回転角度位置（基準位置）にあることを検出するとともに、その基準位置からの回転量を測定することで、流体１１の輸送量を求めることができる。そして、基準位置にあることを検出するためには、ロータリーエンコーダーを用いる。図３に参考装置１０１が備えるロータリーエンコーダー１８０ａの一例を示した。図３（Ａ）は、カム車１４０をカム４１側から見たときの平面図であり、図３（Ｂ）は（Ａ）のｂ−ｂ矢視断面を示している。この図３に示したように、カム歯車４３にスリット１８３を設け、そのスリット１８３と、カム歯車４３を上下から挟持するように配置された発光素子８１と受光素子８２とによってロータリーエンコーダー１８０ａを構成する。このようなロータリーエンコーダー１８０ａでは、発光素子８１からの照射光Ｌ１がスリット１８３を通過すると受光素子８２からその光強度に応じた信号が出力される。そして、その信号の検出時点をもって、カム４１が基準位置にあるものと判定することができる。あるいは、図４に示したロータリーエンコーダー１８０ｂように、カム歯車４３の表面に細線状の反射板１８４を取り付けておくとともに、発光素子８１と受光素子８２が一体化された周知のフォトリフレクター９０を用い、カム歯車４３の表面に向かって照射光Ｌ１を照射し、その反射光Ｌ２を受光する構成としてもよい。
【００２２】
しかしながら、カム歯車４３の回転状態を直接ロータリーエンコーダー（１８０ａ，１８０ｂ）で検出する場合、流体１１の輸送量が微量であると、カム歯車４３の回転速度を極めて遅くする必要がある。そのため、受光信号の検出継続時間が長くなり、正確に位置を特定できない可能性がある。スリット１８３や反射板１８４を極めて細くして分解能を高めることも考えられるが、特に、小型化を達成しようとすると、そのカム歯車４３にスリット１８３や反射板１８４を形成するための加工コストが極めて高くなる。もちろん、ロータリーエンコーダー（１８０ａ，１８０ｂ）の分解能に応じて発光素子８１からの照射光Ｌ１をレンズなどの光学系を用いて絞ることが必要になる。もちろん、この光学系の付加もコストアップの要因となる。また、フォトリフレクター９０を取り付ける際の位置決めにも高い精度が要求される。さらに参考装置１０１では、カム４１に同形状の四つの突起４２が等間隔で形成されているため、カム４１が１回転すると、第１フィンガー３０ａから第７フィンガー３０ｇが順次チューブ２０を圧搾する動作を４回繰り返すことになる。ここで、個別に往復運動する７本のフィンガー（３０ａ〜３０ｇ）がそれぞれ特定の圧搾状態であるときに対応させて基準位置を設定すると、カム歯車４３には、四つの微細なスリット１８３や反射板１８４を設けることになり、さらなるコストアップを招く。
【００２３】
一方、カム歯車４３と比較して高速回転するローター６１側にロータリーエンコーダーを設ける（１８０ａ，１８０ｂ）場合では、基準位置の検出継続時間が短時間であるため、微細なスリット１８３や反射板１８４が不要となり、加工コストを安価にすることができる。しかしながら、ローター６１の基準位置や回転速度は検出できるものの、カム歯車４３、すなわちカム４１の基準位置を特定すること難しい。また、ローターピニオン６２と伝達歯車７１との間のバックラッシュもあり、ローター６１の基準位置や回転量からカムの基準位置や回転量を特定することをさらに困難にしている。
【００２４】
もちろん、カム歯車４３が基準位置と、ローター６１における所定の回転角度位置とが一致するようにロータリーエンコーダー（１８０ａ，１８０ｂ）を配置することも考えられる。しかし、この場合は、減速機構を構成する各車（１４０，１６０，１７０）を組み付けた後では、各車（１４０，１６０，１７０）間の歯車（６２−７１，７２−４３）の噛合状態を変更できないため、参考装置１０１の組み立て時に、各歯車（６２，７１，７２，４３）の回転角度位置を、極めて高い精度で維持した状態で、減速機構を筐体１０２内に組み付ける必要がある。しかも、その組み付けは、各歯車（６２，７１，７２，４３）間のバックラッシュも考慮して設定する必要があり、実際には、ローター６１の回転角度位置によってカム４１の回転角度位置を特定することは極めて難しい。
【００２５】
＝＝＝第１の実施例＝＝＝
上述したように、先に示した参考装置１０１では、流体１１の輸送量を求めるための測定値となるカム４１の基準位置やその基準位置からの回転角度を精度良く測定することが難しい。そこで、以下に、カム４１の基準位置や回転量を精度良く測定でき、しかも小型で安価に提供できる流体輸送装置を本発明の実施形態として挙げ、この実施形態に係る流体輸送装置の構造を第１の実施例とする。
【００２６】
図５と図６に、第１の実施例に係る流体輸送装置１の概略構造を示した。図５は、当該流体輸送装置１の平面図であり、輪列構造を主体にして示している。図６は、図５におけるｃ−ｃ矢視断面に相当する図であり、輪列構造を構成する各車（４０，６０，７０）を異なるハッチングで示している。なお、これら図５、図６、以降の図、および先に示した図１〜図４では、同様の機能を有する部材や部品などについては、同じ符号を付している。
【００２７】
＜輪列構造＞
図５、図６に示したように、第１の実施例に係る流体輸送装置１は、参考装置１０１と同様に、ローター車６０、伝達車７０、カム車４０によって構成される輪列構造と、７本のフィンガー（３０ａ〜３０ｇ）とを備えている。もちろん、フィンガー（３０ａ〜３０ｇ）の数は、７本に限定されない。しかしながら、輪列構造における各車（４０，６０，７０）の配置は、参考装置１０１のそれとは異なっており、ローター車６０の一側にカム車４０が同軸上に積層されている。ここに示した例では、ここで、回転軸（Ｒ６０，Ｒ４０）の延長方向（軸線方向）を上下方向とすると、ローター車６０の上方にカム車４０が積層されている。また、伝達車７０は、その回転軸Ｒ７０が、カム車４０およびローター車６０に対して水平方向に離間するように配置されている。そして、ローター車６０とカム車４０の回転軸（Ｒ６０，Ｒ４０）は、個別に軸支されており、各車（４０、６０、７０）における各歯車（６２−７１，７２−４３）が噛合して輪列構造が形成されていなければ、双方の車（４０，６０）は、互いに自由に回転する。
【００２８】
ここに示した流体輸送装置１において、カム車４０は、ボールベアリング４４の内輪４４ｉに固定されているとともに、ボールベアリング４４の外輪４４ｏが筐体２に固定されて、筐体２に対して回動自在となっている。また、ボールベアリング４４の内輪４４ｉの内側には、上下方向に突出するように貫通する多段円筒状の部材４５が固定されている。この多段円筒状の部材（以下、円筒部材）４５は、カム車４０の回転軸Ｒ６０を構成する部材であり、径が異なる各円筒間の境界４５ｓは、当該円筒部材４５の外周に嵌め込まれるカム歯車４３やカム４１、およびボールベアリング４４の上下方向の取付け位置を規定している。
【００２９】
各円筒間の境界４５ｓは、例えば、円筒部材４５の下端周囲にカム歯車４３を同軸に固定する際に上方への移動を規制するための突起を形成したり、円筒部材４５のボールベアリング４４の上方に突出する部分の周囲にカム４１を環装する際の座になったりする。そして、カム４１は、円筒部材４５の上面に螺着されてボルト４６の上方にて大きくフランジによって上方から押さえつけられて、円筒部材４５に強固に固定されている。それによって、カム４１とカム歯車４３と円筒部材４５とが同じ回転軸Ｒ４０上に配置されつつ、これらが一体的に回転する。
【００３０】
ローター車６０は、ローター６１の下方にローターピニオン６２が取り付けられた構造で、ローター車６０の回転軸Ｒ６０を構成する軸部材６５がこのローター６１の上方と、ローターピニオン６２の下方に突出している。そして、円筒部材４５の中空内部４５ｉには、ローター車６０の軸受け部材６３が固定されている。軸受け部材６３には、円筒部材４５と同軸の軸孔６４が穿設されており、この軸孔６４に軸部材６５の上端６５ｕが遊嵌状態で挿入されている。軸部材６５の下端６５ｄは、筐体２に設けられた軸受け部材６６に軸支されている。それによって、ローター車６０とカム車４０が、同軸上に積層された状態で配置されつつ、伝達車７０を介さない限り互いに自由に回転可能となる。なお、ローター６１は、参考装置１０１と同様に、その周側面が圧電アクチュエーター５０の凸部５２に当接しているとともに、圧電アクチュエーター５０側に付勢されている。
【００３１】
一方、伝達車７０の回転軸Ｒ７０は、積層状態にあるローター車６０とカム車４０に対して水平方向に離間して軸支されており、伝達車７０における大きな径の伝達歯車７１がローター車６０のローターピニオン６２に噛合し、この伝達歯車７１の上方にピニオン７２が同軸に配設されている。そして、ピニオン７２がカム車４０のカム歯車４３と噛合している。それによって、圧電アクチュエーター５０によって駆動されるローター６１の回転運動が減速されつつカム車４０に伝達される。なお、第１の実施例においても、伝達車７０は、必ずしも一つである必要はない。
【００３２】
＜ロータリーエンコーダーの構成と構造＞
上述したように、第１の実施例に係る流体輸送装置１では、その輪列構造におけるカム車４０とローター車６０が同軸上に積層配置されており、ローター６１とカム歯車４３が互いに対面している。そして、高速回転するローター６１が最終的に減速されてカム歯車４３をゆっくり回転させる。第１の実施例に係る流体輸送装置１は、このカム車４０とローター車６０との積層構造と、双方（４０，６０）の回転速度差とを巧妙に利用することで、カム４１の基準位置や回転量を高精度に検出できるロータリーエンコーダー８０を備えている。
【００３３】
図７に、積層状態にあるカム車４０とローター車６０を下方から見たときの平面図を示した。ロータリーエンコーダー８０は、図６、および図７に示したように、ローター６１に形成された孔８３と、カム歯車４３の下面に取付けられた反射板８４と、ローター６１の下方に配置されたフォトリフレクター９０とによって構成されている。そして、フォトリフレクター９０の発光素子８１からの上方への照射光Ｌ１が孔８３を通過している期間に、その照射光Ｌ１が反射板８４によって反射されると、その反射光Ｌ２がフォトリフレクター９０の受光素子８２に戻って来る。このとき受光素子８２が出力する信号を検出すれば、カム４１が基準位置にある、ということを特定することができる。なお、基準位置からの回転量については、たとえば、ローター６１を一定の速度で回転させていれば、減速比からカム４１の回転速度が計算でき、基準位置を特定した時点からの経過時間に基づいて回転量を求めることができる。そして、あらかじめ、回転量と流体１１の輸送量との関係が分かっていれば、流体１１の輸送量も求められる。
【００３４】
このように、第１の実施例に係る流体輸送装置１は、参考装置１０１と同様に、カム４１の回転に従動して往復運動する複数のフィンガー（３０ａ〜３０ｇ）によってチューブ２０を順次圧搾するように構成されている。ペリスタポンプと比較すると、チューブ２０の断面積に多少のバラツキがあっても流体１１を精度良く輸送できるとともに、常時チューブ２０を圧搾していないので、チューブ２０の劣化も少なく、流体輸送精度を長期間に亘って維持できる、という基本性能を有している。その上で、上述した参考装置１０１におけるロータリーエンコーダー（１８０ａ，１８０ｂ）の加工精度や位置決め精度などに関する問題を解決するための構成と構造を備えている。
【００３５】
例えば、図３や図４に示した参考装置１０１におけるロータリーエンコーダー（１８０ａ，１８０ｂ）では、カム４１の基準位置を精密に検出するために、カム歯車４３の円周を４８０分割したときの幅に相当する分解能が必要であったとすると、その４８０分割した角度（０．７５度）をピッチとした微細なスリット１８３を形成する必要があった。すなわち、スリット１８３自体の幅を、例えば、分解能に相当する０．７５度の半分の角度とすれば、０．３７５度と、極めて細くする必要があった。しかも、その微細なスリット１８３を４箇所に等角度間隔で形成する必要もあった。
【００３６】
一方、第１の実施例に係る流体輸送装置１では、カム歯車４３の下面にローター車６０とカム車４０との減速比に応じた比較的幅の広い反射板８４形成し、ローター６１には、円周方向の幅が、反射板８４と同程度の適宜な形状の孔８３を形成すればよいことになる。そして、カム歯車４３下面の反射板８４とローター６１のスリットとを、同軸上にある回転軸（Ｒ４０，Ｒ６０）から等距離となるように配置すればよい。
【００３７】
具体的には、カム４１の四つの突起４２に対応してカム歯車４３には、反射板８４が４箇所に配置されており、カム車４０が一回転する間に、フォトリフレクター９０の直上でローター６１の孔８３とこの反射板８４が必ず４回一致するように、カム車４０とローター車６０とは、カム４１の突起４２の個数（４個）の整数倍の減速比となることが必要となる。
【００３８】
そこで、一例として、減速比を４×１０＝４０として計算すると、ローター６１が４０回転するごとにカム歯車４３が１回転することになる。すなわち、ローター６１が１０回転するごとにカム歯車４３が１／４（９０度）回転して、ローター６１の孔８３と、カム歯車４３の四つの反射板８４の内の一つが上下方向で位置が一致すればよい。したがって、図７において、９０度の１／１０の９度がピッチとなり、回転軸Ｒ４０を中心としたときの反射板８４の角度θを、そのピッチの半分とすれば、θ＝４．５度となる。
【００３９】
すなわち、参考装置１０１におけるスリット１８３の１０倍の幅の大きな反射板８４でよいことがわかる。そして、ローター６１の孔８３は、下方からの照射光Ｌ１を上方に通過させるだけでよいので、円周方向の幅が極端に大きくなければ、その大きさを厳密に設定する必要がない。本実施例では、径が反射板８４の幅より僅かに大きい丸穴状であったが、形状は、スリット状、矩形状など適宜な形状としてよい。
【００４０】
なお、反射板８４が孔８３を通して見通せる位置にあれば、反射光Ｌ２がフォトリクレクタ９０の受光素子８２によって検出され続けるが、減速比が大きい場合では、反射光Ｌ２は、瞬間的に検出されるため、反射光Ｌ２の検出継続時間を厳密に考慮する必要がない。もちろん、無検出状態だった反射光Ｌ２が検出された時点を持って、カム歯車４３が特定の回転角度位置にあるものとしてもよい。すなわち、反射光Ｌ２が検出された瞬間以降から反射光Ｌ２が検出されなくなる時点までの間に受光素子８２が出力する信号は考慮しなくてよい。そして、このような信号検出手法を用いる場合、反射板８４をさらに幅広にすることも考えられる。
【００４１】
このように、本実施例に係る流体輸送装置１では、反射板８４は、その幅を大きくすることでき、加工が容易となる。そして、フォトリフレクター９０の発光素子８１からの照射光Ｌ１が孔８３を透過したとき、その先に反射板８４があれば、確実にその照射光Ｌ１が反射光Ｌ２として受光素子８２にて受光される。もちろん、フォトリフレクター９０は、ローター６１の孔８３に対して確実に照射光Ｌ１が入射されるように配置するだけでよく、厳密な位置合わせも不要となる。
【００４２】
さらに、第１の実施例に係る流体輸送装置１の構造によれば、カム車４０とローター車６０が上下に積層された輪列構造を採用しているため、歯車など投影面積の大きな部品によって構成されている輪列構造の占有面積を大きく減少させることができ、流体輸送装置１をより小型にすることが可能となる。確かに、カム車４０とローター車６０が上下に積層されているため、上下方向のサイズが増加するかもしれないが、これらは、歯車を主体とした部品であり基本的に薄い。さらに、ローター６１の周側面に圧電アクチュエーター５０の凸部５２当接させるために、圧電アクチュエーター５０を、土台となる部材５３を用いてある程度高いに位置に配置する必要があり、参考装置１０１でもある程度の厚さが必要となる。したがって、第１の実施例に係る流体輸送装置１では、参考装置１０１と比較して、水平方向のサイズが大幅に減少し、上下方向のサイズの増加を最小限に抑えることができる。
【００４３】
なお、第１の実施例に係る流体輸送装置１におけるロータリーエンコーダー８０は、上記の構成に限らず、カム歯車４３の反射板８４をスリットに代え、発光素子８１と受光素子８２を、積層状態にあるローター６１とカム歯車４３とを上下から挟持するように対面させて配置した構成であってもよい。そして、発光素子８１からの照射光Ｌ１がローター６１の孔８３とカム歯車４３のスリットの双方を透過してきたときに、その透過光を受光素子８２によって検出すればよい。
【００４４】
＝＝＝第２の実施例＝＝＝
第１の実施例として、カム４１の回転基準位置や回転角度を、低コストで精度良く測定できる流体輸送装置１の構造を説明した。そして、第２の実施例では、第１の実施例の流体輸送装置１を用いて、流体１１をさらに精度よく一定割合で輸送するための制御方法を挙げる。
【００４５】
図８は、第１の実施例の流体輸送装置１において、ローター６１を等速回転させた場合のカム４１の回転角度と、第７フィンガー３０ｇより下流側での流体１１の累積輸送量との関係を示したグラフである。第１の実施例では、カム４１の周側面には、４箇所に等間隔に配置された突起４２が形成されており、第１フィンガー３０ａから第７フィンガー３０ｇは、カム４１が９０度回転するごとに、順次チューブ２０を圧搾して流体１１を輸送する手順を１回実行する。このとき、図８に示したように、カム４１がある回転角度位置にあるときを０度として、９０度まで回転する１サイクルの間には、流体１１が一定速度で輸送される期間（流体輸送期間）と、第１フィンガー３０ａから第７フィンガー３０ｇまでが順次チューブ２０を圧搾した後、第１フィンガー３０ａが再度チューブ２０を圧搾する次のサイクルが始まるまでの間欠期間とに区分できる。さらに、間欠期間では、流体輸送期間が終了した時点での流体１１の累積輸送量が維持される定常期間に続いて累積輸送量が減少する逆流期間と、その後に流体の輸送速度が流体輸送期間における速度に達するまでの復帰期間とを含む非定常期間が現れる。
【００４６】
この非定常期間が現れる現象について、その原理を図９に示した。まず、図９（Ａ）に示したように、流体輸送期間の終了後しばらくの間は、第１フィンガー３０ａと第７フィンガー３０ｇがチューブ２０を最大限に圧搾しているため、定常期間となる。このとき、第２フィンガー３０ｂは、最大限に圧搾する途上にあり、最大限に近い状態でチューブ２０を圧搾している。そして、カム４１がさらに回転すると、図９（Ｂ）に示したように、第７フィンガー３０ｇと第１フィンガー３０ａがチューブ２０の圧搾状態から開放される。しかし、チューブ２０の上流側では、第２フィンガー３０ｂが、第１フィンガー３０ａに代わってチューブ２０を最大限に圧搾するが、下流側の第７、第６フィンガー（３０ｇ、３０ｆ）は、チューブ２０を圧搾していない。そのため、チューブ２０の押圧領域２１では、第２フィンガー３０ｂがチューブ２０をさらに圧搾することで下流に輸送される流体１１の体積２３よりも、第７フィンガー３０ｇが開放されることによってチューブ２０内に生じる空隙２２の体積の方が大きくなる。結果的に、この空隙２２と第２フィンガー３０ｂによって輸送される流体１１の体積２３の差分の流体１１が、第７フィンガー３０ｇよりも下流側から上流側に向かって逆流することになり、１サイクルの末期に上述した逆流期間とそれに続く復帰期間とからなる非定常期間が現れる。
【００４７】
この非定常期間の存在は、投与すべき薬液の総量のみが決まっている場合では問題がないが、時間当たり一定量の薬液を投与するような場合では問題が生じる。すなわち、ローター６１を一定の速度で回転させると、投与される薬液の総量が同じであっても、間欠期間内に流体１１の輸送速度が一定しない逆流期間と復帰期間とからなる非定常期間があるため、時間当たりの投与量が狂ってしまう。そこで、第２の実施例では、非定常期間では、カム４１を瞬間的に高速回転させて、間欠期間中に非定常期間が生じないようにしている。
【００４８】
図１０に流体輸送装置１を制御するための電子回路構成の概略を例示した。内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭを含んだ制御部３を主制御部として、流体１１の輸送量や稼働時間などを設定するためのユーザー入力を受け付ける入力部４、流体輸送装置１の設定状態や稼働状態を音声や画像によってユーザーに通知するための出力部５、および圧電アクチュエーター５０を駆動するための信号を発生する駆動回路６などを含んで構成されている。ここで、制御部３による流体輸送装置１の制御手順の一例を挙げると、制御部３は、流体輸送装置１を制御するのに必要なプログラムや、カム４１における基準位置に対応する回転角度、カム４１の回転角度位置と図８に示した各期間との対応関係、ローター６１の回転数と駆動回路６へ送信する制御信号の対応関係、駆動機構における減速比などのデータをＲＯＭに記憶している。そして、駆動回路６を制御して所定の駆動信号を出力させ、ローター６１を所定の回転速度で回転させたり、ロータリーエンコーダー８０からの信号を入力することで、カム４１が基準位置、すなわち特定の回転角度位置にあることを特定したりする。また、ローター６１の回転速度と減速機構の減速比とからカム４１の回転速度を計算しつつ、その計算値を、基準位置の検出時間間隔に基づいて補正することで、カム４１の現在の回転角度位置を正確に監視している。
【００４９】
そして、その監視過程で、現時点が、定常期間と非定常期間の境界に相当する回転角度位置、あるいは流体輸送期間と定常期間の境界に相当する回転角度位置であることを認知すると、駆動回路６を制御し、カム４１が流体輸送期間が開始される所定の回転角度位置となるまでローター６１を高速回転させる。その後、流体輸送期間に対応する回転速度となるようにローター６１を減速させ、チューブ２０内の流体１１を、再び一定の流速で輸送させる。図１１に、第２の実施例に係る流体輸送装置１におけるカム４１の回転角度と流体１１の累積輸送量との関係を示した。非定常期間が消失し、時間当たり一定量の流体が流体輸送期間と流体の輸送が停止状態となっている定常期間とが交互に繰り返されている。また、図１２に、流体１１の輸送を開始してからの経過時間と流体輸送速度との関係を示した。図１２（Ａ）は、非定常期間が存在する場合に対応し、（Ｂ）は、上記制御により非定常期間においてカム４１を高速回転させた場合に対応している。（Ｃ）は、間欠期間を通してカム４１を高速回転させた場合に対応している。（Ａ）に示したように、第２の実施例に係る制御を施さないと非定常期間では流体１１の輸送が完全に停止されず、その輸送速度が大きく変化する。なお、この（Ａ）に示した例では、復帰期間では流体の輸送速度が流体輸送期間よりも遅くなっているが、この復帰期間における輸送速度や、その速度のグラフ上での折れ線形状は、当然のことながら、様々な条件（カム４１の回転速度、流体１１の粘度、チューブ２０の弾性など）に応じて変わるため、非定常期間における流体１１輸送の状態を再現性良く制御することが難しい。
【００５０】
一方、（Ｂ）に示したように、第２の実施例に係る制御方法により、間欠期間を消失させると、流体１１の輸送が完全に停止されて、チューブ２０内の流体１１は、流体輸送期間にあるときのみ、上流から下流に向かう一方向に一定の速度で輸送されている。さらに、間欠期間を通してカム４１を高速回転させると、間欠期間もほぼ消失し、流体１１を一定の速度を維持したまま長時間に亘って輸送することができる。
【００５１】
＝＝＝その他の実施例＝＝＝
第１の実施例に係る流体輸送装置１では、ローター車６０とカム車４０が上下に積層された輪列構造を採用していた。この例に限らず、複数の伝達車７０を用い、特定の伝達車７０がローター車６０とカム車４０の間に積層された構造となっていてもよい。すなわち、その積層されている伝達車７０の伝達歯車７１にローター６１の孔８３と同様の孔を形成し、ロータリーエンコーダー８０を、フォトリフレクター９０と、ローター６１の孔８３と、伝達歯車７１の孔と、カム歯車４３の反射板８４とで構成してもよい。
【００５２】
そして、積層状態にあるローター車６０と伝達車７０との減速比を整数とし、発光素子８１からの照射光Ｌ１を、ローター６１の孔８３と伝達歯車７１の孔の双方を通過させるとともに、カム歯車４３の反射板８４に反射して戻ってきた反射光Ｌ２を検出するようにしてもよい。
【００５３】
この場合は、ローター６１と伝達歯車７１との減速比によって、照射光Ｌ１がローター６１と伝達歯車７１の双方を通過する時間が極めて短くなる「シャッター効果」が得られるため、カム歯車４３の反射板８４の幅をさらに大きくすることもできる。たとえば、ローター車６０と伝達車７０との減速比を５とすると、カム歯車４３の反射板８４は、第１の実施例においてθ＝４．５度とすれば、その５倍でよく、θ＝２２．５度とすることができ、反射板８４を形成するための加工がさらに容易となる。
【００５４】
なお、この場合も、カム歯車４３の反射板８４をスリットに代え、発光素子８１と受光素子８２を、積層状態にあるローター車６０とカム車４０を上下から挟持するように対面させて配置することでロータリーエンコーダーを構成し、発光素子８１からの照射光が、ローター６１と伝達歯車７１の孔、およびカム歯車４３のスリットを透過してきたときに、その光を検出するようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明は、例えば、医療現場などにおいて、長時間に亘って微量の薬液を患者に投与し続けるためのポンプなどに利用するのに適している。
【符号の説明】
【００５６】
１，１０１  流体輸送装置、２，１０２  筐体、３  制御部、６  駆動回路、
１０  リザーバー、１１  流体  ２０  チューブ、２１  押圧領域、
３０ａ〜３０ｇ  フィンガー、４０，１４０  カム車、４１  カム、４３  カム歯車、
５０  圧電アクチュエーター、５１  振動体、６０，１６０  ローター車、
６１  ローター、６２  ローターピニオン、７０，１７０  伝達車、７１  伝達歯車、
７２  ピニオン、８０，１８０ａ，１８０ｂ  ロータリーエンコーダー、
８３，１８３  スリット、８４，１８４  反射板、９０  フォトリフレクター
【図１】
0005751058.tif 000002
【図２】
0005751058.tif 000003
【図３】
0005751058.tif 000004
【図４】
0005751058.tif 000005
【図５】
0005751058.tif 000006
【図６】
0005751058.tif 000007
【図７】
0005751058.tif 000008
【図８】
0005751058.tif 000009
【図９】
0005751058.tif 000010
【図１０】
0005751058.tif 000011
【図１１】
0005751058.tif 000012
【図１２】
0005751058.tif 000013