(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、
送液量と送液時間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、
前記設定された送液量と送液時間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、
前記設定された送液量と送液時間から求められる積算流量理論値と前記流量検出部の出力から計量された積算流量値とを比較して、前記送液時間に送液を完了するように前記目標値を補正する処理を行う目標値補正手段と
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】
前記目標値補正手段は、所定時間ごとに前記目標値を補正する処理を実行す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。
【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可動部材により圧搾移動させることで血液や薬液を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。
本発明者らは、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を提案している（特許文献１）。
【特許文献１】特開２０００−８０９８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上述した従来のローラ式ポンプ装置においては、液体を充満させた可撓性のチューブと、該チューブに沿って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）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、送液量をモータの回転量で検出するエンコーダと、前記操作部で設定された設定流量に応じた前記モータの回転速度の目標値と前記モータの回転量を検出するエンコーダの出力とを比較して所定の操作を行う制御演算部によりモータを所定の回転速度になるように制御している。
しかし、圧力変動、その他外乱によりモータの回転速度が変動して積算流量が変動しても補正する手段がないことから、設定した送液時間にずれが生じてしまうという問題があった。
【０００４】
そこで本発明は、設定された送液時間に設定された送液量の送液を終了させ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、送液量と送液時間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、前記設定された送液量と送液時間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、前記設定された送液量と送液時間から求められる積算流量理論値と前記流量検出部の出力から計量された積算流量値とを比較して、前記送液時間に送液を完了するように前記目標値を補正する処理を行う目標値補正手段とを備えたものである。
また、前記目標値補正手段は、所定時間ごとに前記目標値を補正する処理を実行するようになさ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、所定時間ごとに送液残量と送液残時間から目標値を補正するようにしたので、設定した送液時間に設定した液量を送出することができる。
したがって、設定された送液時間に正確に送液が終了するため患者の負担を軽くすることができる。
また、送液時間が正確なことから送液ポンプの取扱者（看護士など）も送液終了を見回るときの無駄時間をなくすことができ、作業負担を軽減することができる。
【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は該目標値（モータの目標回転数）である。後述する制御演算部６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。目標値３は、ポンプの運転開始後に、後述する目標値補正手段４により補正される。なお、目標値設定手段２による目標値の算出の詳細については後述する。
４は、ポンプの運転開始後所定時間ごとに運転開始からその時間までの積算流量と積算流量理論値とを比較して差が発生した場合に前記目標値３を補正する目標値補正手段である。すなわち、送液時間内における単位時間当たりの送液積算量が一定とされる積算流量理論値に対して、後述する流量検出部９により検出した流量検出量を積算し、所定時間（例えば、５分）ごとに所定時間経過したときの積算流量が前記積算流量理論値と差がある場合は、送液時間の残時間と送液の残量から、設定された送液時間に送液が終了するように前記目標値３を補正する。この目標値補正手段４による目標値の補正処理の詳細については後述する。
【０００８】
５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る。
６は前記比較部５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６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６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。
７は前記制御演算部６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、所定時間ごとに目標値の補正を行うようにしている。
【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６は、目標値３（「６５５．７」）と前記流量検出部９の出力とを比較部５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。
【００１４】
次に、前記目標値補正手段４において実行される目標値補正処理について説明する。目標値補正処理を実行する時間間隔は任意に設定することができるが、ここでは、５分ごとに目標値補正処理を実行するものとして説明する。
前述した設定条件において、運転を開始してから５分経過したときの積算流量理論値（目標値３どおりに送液が行われるものとしたときの積算流量値）は、１２×５／６０＝１[L]となる。
一方、仮に目標値「６５５．７」に対して流量検出部９の出力の平均が「６４２．６」であり、誤差が約−２％あったとすると、実際の積算流量値は、
実際の積算流量値＝12[L]×(5/60)×0.98(＝642.6/655.7)＝0.98[L]  ・・・（２）
となる。したがって、残り５５分間の残送液量は、
５５分間の残送液量＝12−0.98＝11.02[L]  ・・・（３）
となり、１時間でその送液を完了するには、
残り５５分間の流量＝(11.02[L]/55)×60＝12.022[L/h]  ・・・（４）
となるように目標値３を変更する必要がある。
したがって、（１）式から、
目標値（10msサンプリング）＝流量[L/h]×20×1000／(6.1×60)＝12.022×20×1000／（6.1×60）＝656.9
となり、目標値３を「６５６．９」の新目標値（流量補正）に補正する。
さらに、５分経過ごとに同様に目標値補正処理を行うことで、送液予定時間に送液を完了することができる。
なお、上述した実施の形態では、目標値補正手段を５分ごとに実施することで説明したが、この時間は短い時間、例えば、１分ごとであってもよいし、１０秒ごとであってもよい。当然、該時間が短いほど補正量を小さくすることができる。
【００１５】
図２は積算流量理論値と実際の積算流量の誤差とその補正について図で説明したものである。この図において、横軸は時間、縦軸は送液量を示す。
ａは積算流量理論値であり、前記目標値設定手段２により設定された目標値３と前記流量検出部９により検出された流量との間に誤差なく前記ポンプ部８が制御される場合を示している。積算流量理論値ａは、６０分の送液時間で１２[L]の送液量となる直線で表される。
ｂは流量検出部９の検出出力から計量した積算流量を示す。この図には、運転を開始してから５分後の前記積算流量理論値ａは１[L]であるのに、実際に送液された送液量である積算流量ｂは誤差が約−２％発生して０．９８[L]となった場合を示している。
ｃは、運転を開始してから５分間の積算流量誤差が−２％であるときに、残りの５５分間で送液を完了することができるように、前記目標値補正手段４で目標値を補正したときの補正された積算流量を示す直線である。
すなわち、前述の通り、５５分間の残送液量は、12−0.98＝11.02[L]となり、１時間の送液時間で送液を完了するには、残り５５分間の流量は、残り５５分間の流量＝(11.02／55)×60＝12.022[L/h]となる。したがって、前記（１）式から、
目標値（10msサンプリング）＝流量[L/h]×20×1000／(6.1×60)＝12.022×20×1000／(6.1×60)＝656.9
となり、目標値３を新目標値（流量補正）「６５６．９」に補正することで、ｃに示すように、残りの５５分間で送液を完了することができる。
【００１６】
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。
【００１７】
図３は、本発明のローラ式ポンプ装置における目標値補正の処理フローを示す図である。
処理が開始されると、まず、ポンプ部８が運転状態であるか又は停止状態であるかを判断する（ステップＳ１）。ポンプ部が停止しているときは、そのまま終了する。
ポンプ部８が運転状態のときは、前記目標値設定手段２により目標値を設定する（ステップＳ２）。例えば、前述の通り、条件が
・送液時間            １[h]
・送液量              １２[L]
・モータのギア軸の回転数に対する流量データ  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
であるとすると、前述のようにして、目標値「６５５．７」が設定される。
【００１８】
次に、目標値の補正を行う周期を設定するためのタイマー（本実施の形態では、目標値の補正を５分ごとに行うものとしているので、５分間を計数するタイマー）をリセットし、その動作を開始させる（ステップＳ３）。
そして、送液が終了したか否かを判定する（ステップＳ４）。この判定は、前記設定流量設定部１により設定された送液量と、前記流量検出部９により検出された流量から算出した積算流量とを比較することにより行われ、一致しているときには送液が終了したと判断して、ポンプ部８の運転を停止する（ステップＳ８）。
送液が終了していないときは、ステップＳ５に進み、目標値補正手段４による目標値補正が実施されてから５分経過したか否かを判断する。これは、前記タイマーの計数値が５分になったか否かにより判断される。５分経過していないときは、前記ステップＳ４に戻り、５分経過するのを待つ。
５分経過したときは、目標値補正処理を行う時間になったと判断し（ステップＳ５がＹＥＳ）、ステップＳ６に進む。このステップＳ６では、前回の目標値補正時までに計量した積算流量値に今回の５分間の流量検出部９からのパルス数を積算流量に換算して加算して、運転開始からの計量した積算流量値とする。
そして、ステップＳ７に進み、運転開始からの経過時間における積算流量理論値と、実際に計量した積算流量値を比較して、前述のようにして目標値３を補正する。前述の例のように、運転開始から５分間経過して約−２％の誤差が発生していた場合には、ステップＳ２で設定された目標値「６５５．７」は「６５６．９」に補正される。
以上ステップＳ３〜Ｓ７を繰り返し送液終了まで実行する。
このように設定した送液時間内に設定した送液量を送液することが可能となる。
【００１９】
なお、上述した実施の形態においては、所定時間ごとに目標値補正の処理を実行していたが、必ずしも一定の時間間隔とする必要はない。例えば、送液開始からの経過時間に応じて目標値補正処理を実行する時間間隔を変更するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【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】積算流量理論値と積算流量の制御計量誤差とその補正について説明するための図である。
【図３】目標値補正の処理フローを示した図である。
【符号の説明】
【００２１】
１：設定流量設定部、２：目標値設定手段、３：目標値、４：目標値補正手段、５：比較部、６：制御演算部、７：制御出力部、８：ポンプ部、９：流量検出部
【図１】
0004594824.tif 000002
【図２】
0004594824.tif 000003
【図３】
0004594824.tif 000004