(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を充満させた可撓性のチューブを圧搾して移動することでチューブ内の液体を上流から下流に流す圧搾部材と、
前記圧搾部材を移動させるモータと、
設定流量を設定する操作部と、
送液量を前記モータの回転量で検出する流量検出部と、
前記設定流量に基づいて前記モータの回転量の目標値を算出する目標値設定手段と、
前記目標値と前記流量検出部の検出出力とを比較して前記モータの回転量が前記目標値となるように前記モータを制御する制御信号を出力する制御演算部と、
前記制御演算部の出力が前記設定流量から求められる適正な制御演算部の出力に対して所定の割合以上大きい出力であるときに、チューブの閉塞又はオクルージョンの調整が不適切であるとして警報を出力する警報出力判定手段と
を備えたことを特徴とするローラ式ポンプ装置。
【請求項２】
前記適正な制御演算部の出力は、前記設定流量とそれに対応する適正な制御演算部の出力を示す近似式により求めるようになされていることを特徴とする請求項１記載のローラ式ポンプ装置。
【請求項３】
前記警報出力時にローラ式ポンプ装置を停止する手段が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載のローラ式ポンプ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、チューブ内の液体をローラ等の圧搾部材により圧搾移動させることで送液するローラ式ポンプ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
可撓性のチューブをモータにより駆動されるローラ等の圧搾部材でしごくことで、該チューブ内の液体を上流から下流へと送液するローラ式ポンプ装置は、例えば、医療の分野で人工透析器において血液を循環させる場合等、比較的大量の液体を定量移送する場合などに用いられている。
例えば、特許文献１には、送液量をモータの回転量を示すエンコーダの出力をカウントすることで計量し、該送液量が目標流量値となるようにモータの回転を制御することで、高精度の流量制御を行うローラ式ポンプ装置が記載されている。
また、特許文献２には、ローラの回転数が異常であるときに警報を発するようになされているローラ式ポンプ装置が記載されている。
さらに、特許文献３には、ローラポンプに連結された管路が閉塞された場合でも、比較的小さな一定の吐出圧でローラポンプを連続的に運転させるようにしたローラーポンプの駆動回路が記載されている。
さらにまた、特許文献４には、オクルージョン（圧閉度：ローラポンプがチューブをしごく程度）調整を自動制御することが可能なローラーポンプが記載されている。
【特許文献１】特開２０００−８０９８９号公報
【特許文献２】特開平６−２１８０４９号公報
【特許文献３】特開平１−３１７４４９号公報
【特許文献４】特開２００３−１１３７８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来のローラ式ポンプ装置においては、その送液量を前記圧搾部材（ローラ）を駆動するモータの回転量を示すエンコーダの出力をカウントすることで計量していたため、前記チューブが何らかの原因で閉塞状態になり、チューブの内圧力が異常に上昇し送液ができない状態を検出することができないという問題があった。
また、前記チューブの内圧力が異常に上昇したことを検出するためには閉塞検出センサ等を用いてチューブ内圧力を監視する必要があった。
さらに、オクルージョン調整（ローラ締め付け調整）におけるローラの公転半径の調整が不適当（きつめに調整）な場合に、前記チューブの巻き込みが発生してローラがロック状態となり、モータの回転不能状態になるまで異常が検出できないという問題があった。
【０００４】
そこで本発明は、簡易な構成でチューブの閉塞状態やオクルージョンの調整が不適切であることを迅速に検出することができるローラ式ポンプ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】
【０００５】
上記目的を達成するために、本発明のローラ式ポンプ装置は、液体を充満させた可撓性のチューブを圧搾して移動することでチューブ内の液体を上流から下流に流す圧搾部材と、前記圧搾部材を移動させるモータと、設定流量を設定する操作部と、送液量を前記モータの回転量で検出する流量検出部と、前記設定流量に基づいて前記モータの回転量の目標値を算出する目標値設定手段と、前記目標値と前記流量検出部の検出出力とを比較して前記モータの回転量が前記目標値となるように前記モータを制御する制御信号を出力する制御演算部と、前記制御演算部の出力が前記設定流量から求められる適正な制御演算部の出力に対して所定の割合以上大きい出力であるときに、チューブの閉塞又はオクルージョンの調整が不適切であるとして警報を出力する警報出力判定手段とを備えたものである。
また、前記適正な制御演算部の出力は、前記設定流量とそれに対応する適正な制御演算部の出力を示す近似式により求めるようになされているものである。
さらに、前記警報出力時にローラ式ポンプ装置を停止する手段が設けられているものである。
【発明の効果】
【０００６】
本発明のローラ式ポンプ装置によれば、制御演算部の出力を監視することで、チューブの閉塞状態やオクルージョンの調整が不適切であることを迅速に検出することができる。
したがって、チューブ内の内圧力が異常に上昇する前に警報を出力することができ、それと同時にローラ式ポンプ装置を停止させることにより、チューブの破損等の不具合を回避することができる。
また、オクルージョンの調整が不適切であることによりローラにチューブを巻き込みロックする前に異常を検出することができるため、ローラ式ポンプ装置の異常状態を早く検出することができるため、異常状態からの復旧が容易になり、ローラ式ポンプ装置の運用を容易にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図１は、本発明のローラ式ポンプ装置の一実施の形態の構成を示すブロック図である。
この図において、１はキー等の操作部からなる設定流量設定部である。ユーザはこの設定流量設定部１を操作することにより送液量と送液時間及び使用するチューブの内径などのデータを設定する。
２は前記設定流量設定部１により設定された送液量と送液時間に対応したローラ式ポンプの所定時間当たりの流量を得るためのモータの目標回転数を算出する目標値設定手段、３は該算出された目標値（モータの目標回転数）である。後述する制御演算部５は、モータの回転量がこの目標値３となるように制御を行う。
４は前記目標値３と後述する流量検出部９により検出された流量（具体的には、モータの回転量）とを比較して偏差を出力する比較部である。
５は前記比較部４で求められた偏差に基づいて該偏差が限りなく小さくなるようにモータの回転速度を制御する制御信号を出力する制御演算部である。具体的には、制御演算部５は、ＰＩ（Ｐ(Proportional)：比例，Ｉ(Integral)：積分）演算を実行し、該ＰＩ演算結果に基づいてローラ式ポンプを駆動するモータの回転数を制御するための制御信号を出力する。ローラ式ポンプを駆動するモータ（ＤＣブラシレスモータ）の回転数はＰＷＭ（パルス幅変調）信号のパルス幅により制御されるようになされており、制御演算部５から該ＰＷＭ信号のパルス幅を決定する出力（ＰＷＭ出力値）ＭＶ(n)が出力される。この実施の形態では、ＰＷＭ出力値ＭＶ(n)は、０〜１１００の間の値をとるものとされている。
【０００８】
６は、前記制御演算部５から出力されるＰＷＭ出力値ＭＶ(n)を監視して該ＰＷＭ出力値ＭＶ(n)が異常な値となっているか否かを判断し、異常であると判断されたときに警報出力を表示部などに出力するとともに、ローラ式ポンプを停止させる警報出力判定手段である。詳細については後述するが、この警報出力判定手段は、オクルージョンが適正に調整されたときの制御演算部５の出力（適正な出力）に対して、実際に制御演算部５から出力されたＰＷＭ出力値ＭＶ(n)が所定の割合（例えば、１０％）以上超えているときに異常であると判定するようになされている。また、この警報出力判定手段６には、前記制御演算部５のＰＷＭ出力値ＭＶ(n)や警報を表示するための表示部が設けられている。
７は前記制御演算部５から出力されるＰＷＭ出力値ＭＶ(n)に対応するパルス幅を有するＰＷＭ信号を生成してポンプ部８のモータに供給する制御出力部である。この実施の形態では、キャリア周波数１４kHzのＰＷＭ信号をモータに駆動信号として出力するようになされている。
【０００９】
８は液体を充満させた可撓性のチューブを圧搾して移動することでチューブ内の液体を上流から下流に流す圧搾部材（ローラ）を備えるローラ式ポンプ部であり、前記制御出力部７から出力されるＰＷＭ信号により、そのパルス幅に比例した回転数で駆動されるモータ（ＤＣブラシレスモータ）と、該モータのモータ軸に組み合わされたギアと、モータ軸に取り付けられたエンコーダ（二相エンコーダ）と、前記ギアのギア軸（出力軸）に取り付けられたアームと、該アームの両端に設けられた２つのローラ（圧搾部材）とを有し、前記ローラの公転半径に添ってハウジング内に配置された可撓性を有するチューブ上を前記ローラを圧搾回転させてしごくことで該チューブ内の液体を送液するものである。
９は前記モータのモータ軸に取り付けられたエンコーダからの出力パルスを４逓倍したパルスを所定時間（この実施の形態では、１０ｍｓ）カウントすることで送液の流量を検出する流量検出部である。この実施の形態においては、前記エンコーダは、モータ軸の１回転当たり５００個のパルスを出力するようになされており、流量検出部９は、該エンコーダからの出力パルスを４逓倍したパルスの１０ｍｓごとの計数値を送液の流量を示すデータとして出力するようになされている。
このように、送液量をモータの回転量で検出し、該検出した送液量が設定された送液量及び送液時間に応じて算出された目標値となるようにＰＩ制御を行っている。そして、ＰＩ演算を行う制御演算部５から出力されるＰＷＭ出力値ＭＶ(n)が適正な値を所定の割合以上超えていることを検出したときに異常が発生したと判断するようにしている。
【００１０】
次に、下記の設定条件を付した場合を例にとって具体的に説明する。
＜条件＞
・送液時間            １時間 [h]
・送液量              １２リットル [L]
・モータのギア軸の回転数に対する流量    ６１[mL/10回転]（ギア軸）
・ギア比              １／６０
・エンコーダパルス    ５００[P/R]（モータ軸）
・サンプリング周期    １０ms
ここで、前記「モータのギア軸の回転数に対する流量」は、使用するチューブの内径などによって決定されるデータである。
【００１１】
上述の条件が設定されたとき、前記目標値設定手段２では、下記の通りの計算式から前述した目標値３を求める。
まず、前記流量検出部９においてエンコーダパルスを４逓倍でカウントする構成をとっていることから、回転速度信号は、モータ軸で、500×4＝2,000[P/R]（モータ軸１回転当たり2,000パルス）となり、ギア軸で、2,000×ギア比＝2,000×60＝120,000[P/R]（ギア軸１回転当たり120,000パルス）となる。
また、ギア軸の１[rpm]において（ギア軸が１分間当たり１回転するとき）、１０msサンプリングでは、120,000/6,000＝２０[パルス]となる。すなわち、１０msのサンプリング期間で２０パルス計数されることとなる。
故に、１分間当たりの回転数[rpm]＝４逓倍のエンコーダパルス数（１０msサンプリング）／２０となる。すなわち、１０msのサンプリング期間において計数されたパルス数を２０で割った値が、ギア軸の１分間当たりの回転数となる。
【００１２】
一方、流量データは、６１[ml／10回転]であるから、ここで使用されるチューブにおけるギア軸１回転当たりの流量は６．１[mL]である。したがって、１分間当たりの流量[mL/min]は次式で求められる。
流量[mL/min]＝回転数×１回転当たりの流量データ
＝（４逓倍のエンコーダパルス数（10msサンプリング）／20）×6.1
また、１時間当たりの流量[L/h]は、次式で表される。
流量[L/h]＝流量[mL/min]×60／1,000
＝（４逓倍のエンコーダパルス数（10msサンプリング）／20）×6.1×60／1,000
故に、設定流量が１２[L/h]のときの目標値（１０msのサンプリング期間におけるパルス数）は、
目標値設定手段２による目標値（10msサンプリング）
＝流量[L/h]×20×1,000／(6.1×60)  ・・・（１）
＝12.00×20×1,000／(6.1×60)
＝655.7
と求まる。
【００１３】
このようにして、上述した設定条件の場合は、前記目標値３は「６５５．７」とされる。
前述のように、前記制御演算部５は、目標値３（「６５５．７」）と前記流量検出部９の出力とを比較部４で比較して求めた偏差に基づいてＰＩ演算を行うことにより、ＰＷＭの出力値ＭＶ(n)を求め、その結果を制御出力部７に出力する。制御出力部７によりポンプ部８のモータ（ＤＣブラシレスモータ）をＰＷＭ駆動（本実施の形態では、キャリア周波数：14kHz、ＰＷＭ出力の１周期内のクロックカウント：1,100）することで流量検出部９の出力が目標値３（「６５５．７」）となるようにＰＩ制御される。
つまり、ポンプ部８のモータに設けられた二相エンコーダのパルス数が655.7／4となるように、フィードバック制御されることとなる。
なお、目標値の整数と小数点以下の処理については、本発明者らが特許第３４２３６３３号公報（特開２０００−８０９８９号公報）で処理した手段を用いて処理しても良い。すなわち、目標値３を目標値設定手段２により算出した目標値の整数部として制御を行う期間と、目標値３を該算出した目標値の整数部＋１として制御を行う期間を、該算出した目標値の小数部の値に応じた期間に設定して制御を行うようにしてもよい。
【００１４】
次に、前記警報出力判定手段６における警報判定処理について説明する。
表１は、１０φのチューブをローラ式ポンプ装置に装着し、設定流量を０．９[L/h]〜２０[L/h]まで変化させて、それぞれの設定流量に対するチューブのオクルージョン調整を適正に行なった場合の「正常値」、オクルージョンの調整をきつめに調整した場合の「オクルージョンきつめ調整」、及び、送出側のチューブを塞いだ場合の「送出側チューブ塞ぐ」のそれぞれの場合における前記制御演算部５の出力ＭＶ(n)（ＰＷＭ出力値）の下限ピーク値（チューブを１個のローラが圧搾している状態のときのＰＷＭ出力値）を一覧にしたものである。このデータはそれぞれの条件について実際に計測して求めたものである。
【００１５】
【表１】
0004647429.tif 000002
【００１６】
図２は、前記表１に示した「正常値」、「オクルージョンきつめ調整」及び「送出側チューブ塞ぐ」の各場合における流量設定値に対する制御演算部５からのＰＷＭ出力値ＭＶ(n)の下限ピーク値をグラフにしたものである。
このように、各設定流量において、「オクルージョンきつめ調整」及び「送出側チューブ塞ぐ」の場合は、「正常値」よりもＰＷＭ出力値ＭＶ(n)が所定の割合以上大きくなっていることが分かる。
そこで、前記警報出力判定手段６は、設定された流量に対応する制御演算部５から出力されるＰＷＭ出力値ＭＶ(n)の正常値に対して、前記流量検出部９により検出された実際の流量値が所定の割合（例えば、１０％）以上大きいときに、異常であると判定するようにしている。
【００１７】
ここで、本実施の形態の警報出力判定手段６においては、前記設定流量に対応するＰＷＭ出力値ＭＶ(n)の正常値を、前記図２に示したグラフに対応する近似式を用いて求めるようにしている。
正常値を求める近似式は、本実施の形態では、流量設定値の範囲ごとに下記の式を用いるようにした。
０．９[L/h]〜４[L/h]  ：ＭＶ(n)＝17.308ｘ＋19.192  ・・・（２）
４[L/h]〜８[L/h]  ：ＭＶ(n)＝13.4ｘ＋33.7  ・・・（３）
８[L/h]〜１４[L/h]  ：ＭＶ(n)＝13.1ｘ＋35.9  ・・・（４）
１４[L/h]〜２０[L/h]  ：ＭＶ(n)＝13.05ｘ＋34.9  ・・・（５）
【００１８】
このように、本実施の形態においては、可撓性チューブの内径ごとに、前述した正常値、オクルージョンきつめ調整及び送出側チューブ塞ぐの各場合における前記制御演算部５の出力ＭＶ(n)を計測し、それに基づいて、可撓性のチューブの内径ごとに正常値を求める近似式を決定し、記憶しておく。そして、前記設定流量設定部１による設定条件に応じた近似式を用いてその条件における正常値を求めるようにしている。
【００１９】
図３は、前記制御演算部５から出力されるＰＷＭ出力値ＭＶ(n)の前記ポンプ部８におけるローラの公転の角度（アームの角度）に応じた変化の様子を説明するための図であり、図３の（ａ）はチューブに１箇所のローラが噛んでいる状態、同図（ｂ）はチューブに２箇所のローラが噛んでいる状態、同図（ｃ）は前記アームの角度に対するＰＷＭ出力値ＭＶ(n)の変化を示している。
この図において、１１は前述したギア軸、１２は両端に２つのローラが設けられたアーム、１３及び１４はローラ、１５は可撓性のチューブ、１６はハウジングである。ギア軸１１の回転によりアーム１２が回転し、アーム１２の両端に取り付けられたローラ１３及び１４がギア軸１１の周りをチューブ１５を圧搾しつつ移動する。ここで、アームの角度は、紙面における左右方向を０°として説明する。
図３の（ａ）はアーム１２の角度が０°（又は１８０°）の場合を示しており、このようにチューブ１５に１個のローラ（１３又は１４）が噛んでいる場合には、制御演算部５から出力されるＰＷＭ出力値ＭＶ(n)は下限ピーク値となる。一方、図３の（ｂ）はアームの角度が９０°（又は、２７０°）の場合を示しており、このようにチューブ１５に２個のローラ（１３及び１４）が噛んでいる場合には、モータの回転に対する抵抗が最大となるため、制御演算部５から出力されるＰＷＭ出力値ＭＶ(n)は、上限ピーク値となる。
【００２０】
図３の（ｃ）は、アーム１２の角度と前記制御演算部５から出力されるＰＷＭ出力値ＭＶ(n)との関係を示す図である。この図に示すように、１個のローラがチューブを圧搾する角度のとき（0°〜45°、135°〜225°、315°〜360°）はＭＶ(n)は下限ピーク値を示しており、２個のローラがチューブを圧搾する９０°と２７０°のときはＭＶ(n)は上限ピーク値を示す。そして、ローラが１個から２個でチューブを圧搾する過程（図中ａ）で下限ピーク値から上限ピーク値に上昇し、ローラが２個から１個でチューブを圧搾する過程（図中ｂ）で上限ピーク値から下限ピーク値に下降するように変化している。
【００２１】
設定流量が１２[L/h]に設定されたときを例にとって説明する。
設定流量が１２[L/h]のときは、下限ピーク値の正常値は、前記近似式（４）から下記の通り、「１９４」と求められる。
ＭＶ(n)＝13.1ｘ＋35.9＝13.1×12＋35.9＝193.1≒194（小数点以下切上げ）
警報領域を仮に正常値の1.1倍を所定の割合として設定したとすると、
警報出力値＝194×1.1＝213.4≒214（小数点以下切上げ）
となる。すなわち、下限ピーク値が「２１４」である領域を警報領域とする。図中一点鎖線は警報出力値に対応する警報領域を示している。
【００２２】
ここで、設定流量が１２[L/h]の場合のローラの１回転に要する時間は、
１回転に要する時間＝3,600[秒]÷(12,000[ml]／6.1[ml／回]）＝1.83[秒／回]
となり、ローラが半回転（１８０°）する時間＝０．９１５秒となる。
前記警報出力判定手段６は、ローラが半回転する０．９１５秒の間に、ＭＶ(n)の値が「ＭＶ(n)≦２１４（警報出力値）」の条件を１回でも満たせば正常と判断する。一方、そうならなかったとき、すなわち、「全てのＭＶ(n)＞２１４」のときは異常と判断して、警報を表示部等に出力すると同時にローラ式ポンプ装置を停止させる。
これにより、警報出力判定手段６はローラ式ポンプ装置のオクルージョンの調整が適正でないことによりオクルージョンにチューブを巻き込んでロックしたり、チューブの出口が何らかの原因で閉塞されることによりチューブが加圧されチューブが破裂する等の事故を未然に防止することができる効果がある。
【００２３】
なお、上記例では、ＭＶ(n)の値が「ＭＶ(n)≦２１４（警報出力値）」の条件を１回でも満たせば正常と判断するとしたが、所定時間継続（１０msの整数倍の時間）又は所定回数（例えば、１０回程度）正常の条件を満たしたときに正常と判断するようにしてもよい。
また、上記においては、設定流量に対応する制御演算部出力の正常値を近似式により算出するようにしたが、これに限られることはなく、各設定流量に対応する制御演算部出力の正常値を格納したテーブルを記憶しておき、該テーブルを参照することにより求めるようにしてもよい。
さらに、上記においては、警報出力値を正常値の１．１倍として説明したが、これにこだわることはなく、前記値より大きい値であってもよいし、小さい値であってもよい。
例えば、ローラ式ポンプ装置が血液ポンプとして使用される場合、オクルージョン調整がきつめであれば、高度の血液損傷が生じることが考えられる。このような場合、警報出力値を小さくして、前記第２のオクルージョン調整を実施することで前記高度の血液損傷から回避することができる効果がある。
さらにまた、使用するチューブごとに計測した正常時、オクルージョンきつめ調整時及び送出側チューブ塞ぎ時の実測データに基づいて、各チューブ及び各設定流量ごとに警報出力値を決定するようにしてもよい。各チューブ及び各設定流量ごとに実測データに基づいて警報出力値を決定しておき、該警報出力値を用いるようにしてもよい。
【００２４】
さらにまた、本発明のローラ式ポンプ装置によれば、次のようにして、個人差のない均一なオクルージョン調整を行うことが可能となる。
一般に、オクルージョンを調整する場合、所定の圧力をチューブの入口に加え、チューブの出口側に漏れがなくなる第１のオクルージョン調整と、漏れに対するマージンを取るため増し締めするための第２のオクルージョン調整がされる。このとき、第１のオクルージョン調整時の制御演算部５の出力ＭＶ(n)を前記警報出力判定手段６の表示部で確認し、該第１のオクルージョン調整時の制御演算部５の出力ＭＶ(n)より所定値大きい値になるように表示部で確認しながら第２のオクルージョン調整を行うようにすればよい。このように、表示部で制御演算部５の出力ＭＶ(n)を確認しながらオクルージョン調整をすることで個人差のない均一なオクルージョン調整が可能となる。このとき、出力ＭＶ(n)は複数回の平均値を表示するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明のローラ式ポンプ装置の一実施の形態の構成を示すブロック図である。
【図２】表１に示した流量設定値と制御演算部の出力ＭＶ(n)の下限ピーク値をグラフにした図である。
【図３】警報出力判定手段における判定について説明するための図であり、（ａ）はチューブに２箇所のローラが噛んでいる状態、（ｂ）はチューブに１箇所のローラが噛んでいる状態、（ｃ）はローラの回転に対する制御演算部の出力ＭＶ(n)の例を示す図である。
【符号の説明】
【００２６】
１：設定流量設定部、２：目標値設定手段、３：目標値、４：比較部、５：制御演算部、６：警報出力判定手段、７：制御出力部、８：ポンプ部、９：流量検出部、１１：ギア軸、１２：アーム、１３，１４：ローラ、１５：チューブ、１６：ハウジング
【図１】
0004647429.tif 000003
【図２】
0004647429.tif 000004
【図３】
0004647429.tif 000005