(57)【要約】【課題】超微量な流量でも高精度に検出可能であって、携帯性に優れ、小型軽量でかつ低価格である流量センサー及びそれを用いた微量送液ポンプの提供。【解決手段】気体１３と界面１１を構成しながら移動する液体１２の界面の位置を測定する流量センサーであって、細径管７と、細径管７を挟んで、片側に発光手段５と、細径管７を挟んで、発光手段５とは反対側にイメ−ジセンサ（受光手段）１０とを備え、細径管の中で移動する液体と気体の界面を検出することにより液体の流量を検出することを特徴とし、インスリンなどの微量薬液の流量（μＬ／ｈ）を正確に測定できる。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体と界面を構成しながら移動する液体の界面の位置を測定する流量センサーであって、
細径管と、
前記細径管を挟んで、片側に発光手段と、
前記細径管を挟んで、前記発光手段とは反対側に受光手段とを備え、
前記細径管の中で移動する前記液体と前記気体の界面を検出することにより前記液体の流量を検出することを特徴とする流量センサー。
【請求項２】
前記発光手段と前記細径管の間に偏光子またはスリットを備えたことを特徴とする請求項１に記載の流量センサー。
【請求項３】
前記細径管を挟んで、前記受光手段との間に偏光子またはスリットを備えたことを特徴とする請求項１に記載の流量センサー。
【請求項４】
前記細径管がガラスまたは光透過性の実質的に透明な樹脂で形成さていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の流量センサー。
【請求項５】
前記受光手段と、前記細径管との間に、レンズを配置したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の流量センサー。
【請求項６】
前記受光手段が、イメージセンサからなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の流量センサー。
【請求項７】
前記イメージセンサは前記細径管に実質的に平行にリニアに配列されていることを特徴とする請求項６に記載の流量センサー。
【請求項８】
実質的な遮光部材で、前記細径管，前記発光手段，前記受光手段，前記偏光子、前記スリット，前記レンズを被覆することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の流量センサー。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載の流量センサーが２つの送液手段の間に設けられていることを特徴とする微量送液ポンプ。
【請求項１０】
該送液手段は、超音波振動素子を備えたものであることを特徴とする請求項９に記載の微量送液ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、０．１μＬ／ｈ〜数ｍＬ／ｈ程度の超微量な液体流量でも高精度に検出可能で廉価な流量センサー及びそれを備えた微量送液ポンプに関するものである。さらにこの流量センサを装着する送液システムの工夫でより大流量の検出や、タンク内の液面検出への応用も可能な流量センサーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、０．１μＬ／ｈ〜数ｍＬ／ｈ程度の超微量な液体流量の測定に適したセンサーは実用化されていない。ハーゲン・ポワズイユの法則を利用した細径管両端の差圧を測定する流量計が知られているが、超微量な液体流量を測定するには細径管の太さを非常に小さくしかつ細径管長を長くする必要があり、そのため圧力損失が大きくなってしまう問題があった。またこの法則は流体の粘度が変化すると液体流量の誤差になる問題もある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来の問題を解決するためになされたもので、超微量な流量でも高精度に検出可能であって、小型軽量でかつ廉価である液体流量センサーを提供することにある。また、この流量センサーを備えた携帯性に優れた微量送液ポンプを提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するために、本発明の液体流量センサーは、気体と界面を構成しながら移動する液体の界面の位置を測定する流量センサーであって、細径管（キャピラリー）と、細径管を挟んで、片側に発光手段と、細径管を挟んで、発光手段とは反対側に受光手段とを備え、細径管の中で移動する液体と気体の界面を検出することにより液体の流量を検出することを特徴とする。また、発光手段と細径管の間に偏光子またはスリットを備えたことを特徴とする。また、細径管を挟んで、受光手段との間に偏光子またはスリットを備えたことを特徴とする。また、細径管がガラスまたは光透過性の実質的に透明な樹脂で形成さていることを特徴とする。また、受光手段と、細径管との間に、レンズを配置したことを特徴とする。また、受光手段が、イメージセンサからなることを特徴とする。また、イメージセンサは細径管に実質的に平行にリニアに配列されていることを特徴とする。また、実質的な遮光部材で、細径管，発光手段，受光手段，偏光子、スリット，レンズを被覆することを特徴とする。
【０００５】
また、本発明の微量送液ポンプは、上記記載の流量センサーを２つの送液手段の間に設けたことを特徴とする。また、送液手段は、超音波振動素子を備えたものであることを特徴とする。
【０００６】
【発明の実施の形態】
図面を参照して、本発明の実施の形態について以下に説明する。図１は、本発明の流量センサー１００の概略説明図を示し、流量センサー１００以外に、送液するためのポンプ手段（送液手段）Ｐ（１）２、Ｐ（２）３と流路（導管）１も示されている。図５はポンプ制御部を含む流量センサーのブロック図である。
【０００７】
流量センサー１００は、細径管（キャピラリー）７、細径管７を挟んで一方には細径管７の長手軸方向と実質的に平行に配置された発光手段（蛍光灯やＬＥＤ等）５及び偏光子（第１の偏光手段）６、細径管７を挟んで発光手段（蛍光灯やＬＥＤ等）５及び偏光子６との対向位置には細径管７の長手軸方向と実質的に平行に配置されたイメージセンサ１０及び偏光子（第２の偏光手段）８とレンズ（集光手段）９で構成されている。その細径管７の内部には液体（薬液）等１２と気体１３が界面１１を構成している部分がある。細径管７は、ガラスまたは光透過性の実質的に透明な樹脂により形成され、液体１２と気体１３との界面１１の検出が可能であれば内径、外径に特に規定はないが、好ましくは、良好に検出できるようにするために、内径０．１〜１．０ｍｍ、外径１．０〜２．０ｍｍ程度とすることが好ましい。
【０００８】
このレンズ９は透過してきた光像をイメージセンサ（受光手段）１０に最適に結ばせるために配置されている。また細径管７はポンプ手段Ｐ（第１のポンプ１）２とポンプ手段Ｐ（第２のポンプ２）３の流路１の中間に接続されており、細径管７の通気フィルター等で大気とは連通しているが、液体（薬液）等１２が外に漏出しないように形成されている。また、流量センサー１００の構成要素全体を実質的に遮光するためのカバー４で覆われており、これは外乱光による影響を排除するために設けられている。
【０００９】
ポンプ手段Ｐ２とポンプ手段Ｐ３は、例えば、ＣＰＵ（制御手段）１５で超音波振動素子等の駆動手段１６を駆動制御手段１７により駆動させて行うものであり、ポンピング機能と弁機能（ポンプＯＮ時には流路１が開状態となり、ポンプＯＦＦ時には流路１が閉状態となる。）を有している。なお、ポンプ手段Ｐ２とポンプ手段Ｐ３は必ずしも上下位置に配置される必要はなく、ほぼ同一水平面上で構成されてもよい。なお、ＣＰＵ（制御手段）１５はポンプシステム全体を制御する制御部である。
【００１０】
次に液体の送液フロー及び流量検出について図２、図５を参照して説明する。液体（薬液等）１２は上流から下流へストレートに送液されるのではなく、一旦細径管７に液体を流入させ、その後、一定の液体容量を下流に流し出す。図２ａはポンプ手段Ｐ２がＯＮ（流路開）、ポンプ手段Ｐ３がＯＦＦ（流路閉）になっている。この時上流からの液体は細径管７に流れ込む。液体１２と気体１３の界面１１は図２ａ上で左から右に移動する。この界面１１の位置を流量センサー１００の判断手段１０１で検出（判断）する（流量センサー１００の詳細は後述する）。
【００１１】
上流から細径管７への流入モードで、界面１１が特定の位置に到達した時の状態を表しているのが図２ｂである。即ち、所望の液体容量が細径管７に流入したことを流量センサ１００の判断手段１０１で検出（判断）すると、界面１１の移動を停止させるために、駆動制御手段１７により駆動手段１６を制御し、ポンプ手段Ｐ２及びポンプ手段Ｐ３をＯＦＦ（流路閉）にする。細径管７に流入している液体を下流に流している状態を表しているのが図２ｃである。ポンプ手段Ｐ２がＯＦＦ（流路閉）、ポンプ手段Ｐ３がＯＮ（流路開）することで細径管７の液体は下流側に流れ出し、界面１１は図２ｃ上で右から左に進行する。
【００１２】
細径管７から下流への排出モードで、界面１１が特定の位置に到達した時の状態を表しているのが図２ｄである。即ち、所望の液体容量が細径管７から排出されたことを流量センサ１００で検出したら、界面１１の移動を停止させるために駆動制御手段１７により駆動手段１６を制御し、ポンプ手段Ｐ２及びポンプ手段Ｐ３をＯＦＦ（流路閉）にする。
【００１３】
図２ａから図２ｄの動作を順次繰り返し行うことで液体の送液が設定値に基づいて微量で行われる。また、この１サイクルの動作で送液される量は図２ｂで表されている細径管７に入っている液体容量から、図２ｄで表されている細径管７に入っている液体容量を減じた分となる。そしてこのサイクルを単位時間当たり何回動作させるかにより送液量（μＬ／ｈ）が流量演算手段１０２で演算され、決定される。
【００１４】
さらにイメージセンサ１０のＣＣＤ等の画素数をより細かくし、ほぼリニアに配置すれば流量の検出精度は向上し、同一流量センサを使用しても図２ｂ、図２ｄで説明した界面１１の停止位置を変えるだけで１サイクルの送液量が任意に変化できるという大きなメリットがある。界面１１の細径管の内径を変更することで１サイクルあたりの送液量（μＬ）、単位時間当りの送液量（μＬ／ｈ）も容易に変更可能となる。１サイクルあたりの送液量（μＬ）、単位時間当りの送液量（μＬ／ｈ）を変更可能とするために、ポンプ部１０４に送液量（μＬ）、単位時間当りの送液量（μＬ／ｈ）等を表示する表示手段１８、流量設定手段１９を設けることができる。こうして、インスリン等の薬液（薬剤）投与などに用いる超微量で高精度の送液ポンプとしての適用が可能となる。
【００１５】
次に流量センサー１００について説明する。送液フローの説明でも理解できるように本発明の流量センサー１００は、細径管７の内径断面積Ｓを予め記憶手段１０３に記憶しておき、界面１１の位置を判断手段１０１で判断（検出）し、その単位時間当たりの移動量から流量演算手段１０２で流量（μＬ／ｈ）を演算（検出）する。液体１２と気体１３の界面１１を検出するためにイメージセンサ１０を使用しているが、液体１２と気体１３のコントラストを強調させるための考慮がなされている。その概要を図３ａないし図３ｃに示す。なお、ＣＰＵ（制御手段）２０は流量センサー１００全体を制御する制御部である。また、流量センサー１００に表示手段１４を設けて流量等を表示することも可能である。図５では、ポンプ制御部用ＣＰＵ１５と流量センサー用ＣＰＵ２０を各々専用化させていたが、１つのＣＰＵでコントロールすることも可能である。
【００１６】
図３ａには発光手段（蛍光灯やＬＥＤ等）５、偏光子６、偏光子８、イメージセンサ１０が記載されているが、これら２つの偏光子を実質的に直交するように配しておくと、発光手段５からの自然光は偏光子６で直線偏光され、この直線偏光は偏光子８で遮断されイメージセンサ１０には光が届かないことになる。
【００１７】
図３ｂは、液体１２が満たされている細径管７が偏光子６と偏光子８との間にある場合を示すものである。細径管７内の液体１２部分に当っている部分の光は、図３ａと同様挙動を示し、光は遮断されイメージセンサ１０は光が届かない。そのためリニア・イメージセンサ１０は暗と検出し、細径管７内に液体１２があると判断する。
【００１８】
図３ｃは、気体１３が入っている細径管７が偏光子６と偏光子８との間にある場合を示すものである。細径管７内の気体１３部分に当っている部分の光は、偏光子６で直線偏光された光はそのままの状態が維持されず、偏光子８を通過しても光が透過する。そのためリニア・イメージセンサ１０は明と検出し、細径管７内の気体１３があると判断する。
【００１９】
この図３ｂ、図３ｃで説明した光の挙動は、細径管７のサイズが外径φ１．１２、内径φ０．２７のガラス材のもので確認結果であり、界面部１１のハイコントラストが得られている。
【００２０】
以上、超微細流量のセンシングについて説明してきたが、実施例の流量センサー１００は送液システムの工夫で、より大流量の検出や、タンク内の液面検出への応用も可能である。その説明を図４で行う。
【００２１】
容量の大きいタンクＴと並列に細径管７を用意し、細径管７の上下はタンクＴと連通している。タンクＴの上面は大気開放され、内部の液体１２は重力落差で流れる。このような構成をとればタンクＴの界面１１ｂと細径管７の界面１１ａの位置は等しくなる。このことより細径管７に本発明の上述の流量センサー１００を装着し界面１１ａの検出を行えば、タンクＴの界面１１ｂを検出していることとと等しくなる。即ち、界面１１ａの単位時間当たりの変化量を検出すれば、タンクＴから流出する液体の流量（Ｌ／ｈ）が：検出できるので容量の大きいタンクの液面センサーとしても適用可能となる。
【００２２】
図６を参照して、本発明の他の実施の形態について以下に説明する。図１〜４と同一の参照符号は同一の構成要素である。図６は、本発明の流量センサー１００の概略説明図を示し、流量センサー１００以外に、送液するためのポンプ手段（送液手段）Ｐ（１）２、Ｐ（２）３と流路（導管）１も示されている。
【００２３】
流量センサー１００は、細径管（キャピラリー）７、細径管７を挟んで一方には細径管７の長手軸方向と実質的に平行に配置された発光手段（蛍光灯やＬＥＤ等）５及びスリット６１、細径管７を挟んで発光手段（蛍光灯やＬＥＤ等）５及びスリット６１との対向位置には細径管７の長手軸方向と実質的に平行に配置されたイメージセンサ（受光手段）１０で構成されている。その細径管７の内部には液体（薬液）等１２と気体１３が界面１１を構成している部分がある。細径管７は、ガラスまたは光透過性の実質的に透明な樹脂により形成され、液体１２と気体１３との界面１１の検出が可能であれば内径、外径に特に規定はないが、好ましくは、良好に検出できるようにするために、内径０．１〜２．０ｍｍ、外径１．０〜３．０ｍｍ程度とすることが好ましい。
【００２４】
細径管７はポンプ手段Ｐ（第１のポンプ１）２とポンプ手段Ｐ（第２のポンプ２）３の流路１の中間に接続されており、細径管７の通気フィルター等で大気とは連通しているが、液体（薬液）等１２が外に漏出しないように形成されている。また、流量センサー１００の構成要素全体を実質的に遮光するためのカバー４で覆われており、これは外乱光による影響を排除するために設けられている。
【００２５】
ポンプ手段Ｐ２とポンプ手段Ｐ３は、例えば、ＣＰＵ（制御手段）１５で超音波振動素子等の駆動手段１６を駆動制御手段１７により駆動させて行うものであり、ポンピング機能と弁機能（ポンプＯＮ時には流路１が開状態となり、ポンプＯＦＦ時には流路１が閉状態となる。）を有している。なお、ポンプ手段Ｐ２とポンプ手段Ｐ３は必ずしも上下位置に配置される必要はなく、ほぼ同一水平面上で構成されてもよい。なお、ＣＰＵ（制御手段）１５はポンプシステム全体を制御する制御部である。
【００２６】
次に液体の送液フロー及び流量検出について図５、図７を参照して説明する。液体（薬液等）１２は上流から下流へストレートに送液されるのではなく、一旦細径管７に液体を流入させ、その後、一定の液体容量を下流に流し出す。図７ａはポンプ手段Ｐ２がＯＮ（流路開）、ポンプ手段Ｐ３がＯＦＦ（流路閉）になっている。この時上流からの液体は細径管７に流れ込む。液体１２と気体１３の界面１１は図２ａ上で左から右に移動する。この界面１１の位置を流量センサー１００の判断手段１０１で検出（判断）する（流量センサー１００の詳細は後述する）。
【００２７】
上流から細径管７への流入モードで、界面１１が特定の位置に到達した時の状態を表しているのが図７ｂである。即ち、所望の液体容量が細径管７に流入したことを流量センサ１００の判断手段１０１で検出（判断）すると、界面１１の移動を停止させるために、駆動制御手段１７により駆動手段１６を制御し、ポンプ手段Ｐ２及びポンプ手段Ｐ３をＯＦＦ（流路閉）にする。細径管７に流入している液体を下流に流している状態を表しているのが図７ｃである。ポンプ手段Ｐ２がｏｆｆ（流路閉）、ポンプ手段Ｐ３がＯＮ（流路開）することで細径管７の液体は下流側に流れ出し、界面１１は図７ｃ上で右から左に進行する。
【００２８】
細径管７から下流への排出モードで、界面１１が特定の位置に到達した時の状態を表しているのが図７ｄである。即ち、所望の液体容量が細径管７から排出されたことを流量センサ１００で検出したら、界面１１の移動を停止させるために駆動制御手段１７により駆動手段１６を制御し、ポンプ手段Ｐ２及びポンプ手段Ｐ３をＯＦＦ（流路閉）にする。
【００２９】
図７ａから図７ｄの動作を順次繰り返し行うことで液体の送液が設定値に基づいて微量で行われる。また、この１サイクルの動作で送液される量は図７ｂで表されている細径管７に入っている液体容量から、図７ｄで表されている細径管７に入っている液体容量を減じた分となる。そしてこのサイクルを単位時間当たり何回動作させるかにより送液量（μＬ／ｈ）が流量演算手段１０２で演算され、決定される。
【００３０】
さらにイメージセンサ１０のＣＣＤ等の画素数をより細かくし、ほぼリニアに配置すれば流量の検出精度は向上し、同一流量センサを使用しても図７ｂ、図７ｄで説明した界面１１の停止位置を変えるだけで１サイクルの送液量が任意に変化できるという大きなメリットがある。界面１１の細径管の内径を変更することで１サイクルあたりの送液量（μＬ）、単位時間当りの送液量（μＬ／ｈ）も容易に変更可能となる。１サイクルあたりの送液量（μＬ）、単位時間当りの送液量（μＬ／ｈ）を変更可能とするために、ポンプ部１０４に送液量（μＬ）、単位時間当りの送液量（μＬ／ｈ）等を表示する表示手段１８、流量設定手段１９を設けることができる。こうして、インスリン等の薬液（薬剤）投与などに用いる超微量で高精度の送液ポンプとしての適用が可能となる。
【００３１】
次に流量センサー１００について説明する。送液フローの説明でも理解できるように本発明の流量センサー１００は、細径管７の内径断面積Ｓを予め記憶手段１０３に記憶しておき、界面１１の位置を判断手段１０１で判断（検出）し、その単位時間当たりの移動量から流量演算手段１０２で流量（μＬ／ｈ）を演算（検出）する。液体１２と気体１３の界面１１を検出するためにイメージセンサ（リニア・イメージセンサー）１０を使用しているが、液体１２と気体１３のコントラストを強調させるための考慮がなされている。その概要を図８ａ、８ｂに示す。なお、ＣＰＵ（制御手段）２０は流量センサー１００全体を制御する制御部である。また、流量センサー１００に表示手段１４を設けて流量等を表示することも可能である。図５では、ポンプ制御部用ＣＰＵ１５と流量センサー用ＣＰＵ２０を各々専用化させていたが、１つのＣＰＵでコントロールすることも可能である。
【００３２】
図８ａには発光手段（蛍光灯やＬＥＤ等）５、細径管７、スリット６１、イメージセンサ１０が記載されており、細径管７の中は液体１２で満たされている。スリット６１は、細径管７と発光手段５との間に配置され、発光手段５からの光が細径管７にのみ照射される。スリット６１を通過した光は、液体１２で満たされた細径管７が丁度レンズ効果として作用し集光される。この集光された光がイメージセンサー１０に入射され、そのためイメージセンサ１０は明と検出し、細径管７内に液体１２があると判断する。図８には図示していないが、細径管７とイメージセンサー１０との間にレンズ（集光手段）を細径管７にほぼ平行に配置して細径管７から透過された光像をイメージセンサ１０に結像させてもよい。
【００３３】
図８ａではスリット６１の位置は発光手段５と細径管７との間に配置したが、細径管７とイメージセンサ１０の間にも配置しても同様の作用効果が得られる。この場合、先に示したレンズはスリット６１とイメージセンサー１０との間に配置されることになる。
【００３４】
図８ｂは、細径管７に気体１３が入っている場合の光の挙動を説明する図である。他の構成は８ａと同じである。図８ａと光の挙動で差が生ずるのは、気体１３が入っている細径管７の部分である。光が細径管７を通過すると散乱し、イメージセンサー１０に入射される光量は少なくなる。このためイメージセンサ１０は暗と検出し、細径管７内の気体１３があると判断する。これらの挙動は、下記のガラス製の細径管７のサイズ（外径ｍｍ−内径ｍｍ）について確認された。
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尚、上述の本発明は実施例に限定されるものでなく様々な形での変更が可能である。
【００３５】
以上、超微細流量のセンシングについて説明してきたが、スリット６１を用いた実施例の流量センサー１００は送液システムの工夫で、より大流量の検出や、タンク内の液面検出への応用も可能である。その機構は上述の図４での説明と同様である。
【００３６】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明の液体流量センサーによれば、超微量な流量でも高精度に検出可能であって、小型軽量でかつ低価格である液体流量センサーが得られるという効果がある。また、この流量センサとポンプを組合せることで、携帯性に優れ、インスリン注入等のための微量送液ポンプを提供できるという効果がある。
【００３７】
さらにイメージセンサの画素数をより細かくすれば流量精度は向上し、同一流量センサを使用しても界面の停止位置を変えるだけで１サイクルの送液量が任意に変えられると言う大きな効果がある。また界面の細径管サイズを変更しても１サイクルあたりの送液ボリュームも容易に変更可能である。
【００３８】
さらに大流量の流量も高精度に検出可能である。さらに液面センサーとしての効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の流量センサーの概略説明図である。
【図２】本発明の流量センサーを用いた送液手順の一例図である。
【図３】本発明の実施例の流量センサーの界面検出メカニズムの説明図である。
【図４】本発明の流量センサーの他の応用例を示す図である。
【図５】本発明の流量センサーのブロック図である。
【図６】本発明の他の実施例の流量センサーの概略説明図である。
【図７】図６の流量センサーを用いた送液手順の一例図である。
【図８】図６の流量センサーの界面検出メカニズムの説明図である。
【符号の説明】
１…導管、２，３…ポンプ手段、４…遮光カバー、５…発光手段、６，８…偏光子、７…細径管、９…レンズ、１０…イメージセンサ、６１…スリット、１００…流量センサー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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