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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-03-14
(45)【発行日】2023-03-23
(54)【発明の名称】輸液ポンプ
(51)【国際特許分類】
A61M 5/142 20060101AFI20230315BHJP
F04B 43/12 20060101ALI20230315BHJP
A61M 5/168 20060101ALI20230315BHJP
【ＦＩ】
A61M5/142 502
F04B43/12 C
A61M5/168 500
【請求項の数】
10
(21)【出願番号】P 2019024068
(22)【出願日】2019-02-14
(65)【公開番号】P2020130265
(43)【公開日】2020-08-31
【審査請求日】2021-12-03
(73)【特許権者】
【識別番号】505227043
【氏名又は名称】野村ユニソン株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110002697
【氏名又は名称】めぶき弁理士法人
(74)【代理人】
【識別番号】100104709
【弁理士】
【氏名又は名称】松尾 誠剛
(72)【発明者】
【氏名】篠原 亨
【審査官】田中 玲子
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１６－２１４７９３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１４－５３１５５６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０２－００４３８２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平１１－１３７６８２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００４－０３３５４５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００５－０９４９２０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００４－０２４４７６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０５－０８４２９６（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ａ６１Ｍ ５／１４２
Ｆ０４Ｂ ４３／１２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
可撓性を有するチューブの閉塞点を上流側から下流側に順次移動させながら輸液するペリスタルティック式の輸液ポンプであって、前記チューブに沿って輸液方向に配列され、それぞれが独立して前記チューブの閉塞及び解放を順次繰り返して輸液する複数の第１圧電アクチュエータユニットと、
前記第１圧電アクチュエータユニットよりも下流側に配置され、前記チューブを閉塞する又は前記チューブの流路にオリフィスを形成する第２圧電アクチュエータユニットと、
を有し、
前記第１圧電アクチュエータユニットは、前記チューブに向かってチューブ押圧部材を進退させる第１圧電アクチュエータと、前記チューブを挟んで前記第１圧電アクチュエータに対向して配列され前記チューブに向かってチューブ押圧ブロックを進退させる第２圧電アクチュエータと、を有し、
複数の前記第１圧電アクチュエータ各々の変位方向端部には、前記第１圧電アクチュエータの変位方向に対して直交する方向に変位する変位部を有する第３圧電アクチュエータが固定され、
前記変位部には前記チューブ押圧部材が固定されており、前記第３圧電アクチュエータは、前記チューブ押圧部材の一つが前記チューブを閉塞し、閉塞点よりも下流側の前記第１圧電アクチュエータユニットが前記チューブを解放し始めると同時に前記チューブ押圧部材を輸液方向に移動させるように制御される、
ことを特徴とする輸液ポンプ。
【請求項2】
請求項１に記載の輸液ポンプにおいて、複数の前記第１圧電アクチュエータユニットのうち、最下流に配置される前記第１圧電アクチュエータユニットが前記チューブを解放するときの加速度は、上流側の第１圧電アクチュエータユニットが前記チューブを閉塞するときの加速度よりも大きい、
ことを特徴とする輸液ポンプ。
【請求項3】
請求項１に記載の輸液ポンプにおいて、前記第１圧電アクチュエータ、前記第２圧電アクチュエータ及び前記第３圧電アクチュエータは、電圧を印加することによって伸長する積層型の圧電素子と、前記圧電素子が伸長する際に伸長方向に対して垂直方向、かつ前記圧電素子から離れる方向に伸長量を拡大する第１変位拡大機構と、を有し、
前記第１変位拡大機構は、前記圧電素子の伸縮方向両端部を固定する固定部、前記固定部両側から前記圧電素子の表裏両面側に延在する梁部及び前記梁部の長さ方向中央部に設けられて前記圧電素子の伸縮動作に連動して伸縮方向に対して垂直方向に移動する変位部を有している、
ことを特徴とする輸液ポンプ。
【請求項4】
請求項１に記載の輸液ポンプにおいて、前記チューブ押圧部材は、前記チューブ側の先端部に前記チューブを押圧して輸液方向に移動する際に転動するローラを有している、
ことを特徴とする輸液ポンプ。
【請求項5】
請求項１に記載の輸液ポンプにおいて、前記第２圧電アクチュエータユニットは、前記チューブに向かってチューブ押圧部を変位させる第４圧電アクチュエータと、前記チューブを挟んで前記第４圧電アクチュエータに対向して配列されて前記チューブに向かって前記チューブ押圧部を変位させる第５圧電アクチュエータと、を有している、
ことを特徴とする輸液ポンプ。
【請求項6】
請求項５に記載の輸液ポンプにおいて、前記第４圧電アクチュエータ及び前記第５圧電アクチュエータは、電圧を印加することによって伸長する積層型の圧電素子と、前記圧電素子が縮小する際に縮小方向に対して垂直方向、かつ前記圧電素子から離れる方向に縮小量を拡大する第２変位拡大機構と、を有し、
前記第２変位拡大機構は、前記圧電素子の伸縮方向両端部を固定する固定部、前記固定部両側から前記圧電素子の表裏両面側に延在する梁部及び前記梁部の長さ方向中央部に設けられて前記圧電素子の伸縮に連動して伸縮方向に対して垂直方向に移動する変位部を有している、
ことを特徴とする輸液ポンプ。
【請求項7】
請求項３に記載の輸液ポンプにおいて、前記第１変位拡大機構は、非磁性の薄板材料によって一体で成形されている、
ことを特徴とする輸液ポンプ。
【請求項8】
請求項６に記載の輸液ポンプにおいて、
前記第２変位拡大機構は、非磁性の薄板材料によって一体で成形されている、
ことを特徴とする輸液ポンプ。
【請求項9】
請求項１に記載の輸液ポンプにおいて、前記第２圧電アクチュエータユニットの下流側に単位時間当たりの輸液量を測定する流量センサをさらに有し、
前記流量センサは、測定結果に基づき複数の前記第１圧電アクチュエータユニットそれぞれの閉塞及び解放の速度並びに駆動ストロークを制御し、かつ前記第２圧電アクチュエータの駆動ストロークを制御するフィードバック手段を有している、
ことを特徴とする輸液ポンプ。
【請求項10】
請求項１に記載の輸液ポンプにおいて、前記第１圧電アクチュエータユニットより上流側に配置される気泡センサ、流量センサ及び前記第２圧電アクチュエータユニットと前記流量センサとの間に配設される閉塞センサ並びにフリーフロー防止クランプをさらに有し、
前記気泡センサ、前記閉塞センサ、前記フリーフロー防止クランプ及び前記流量センサは、非磁性材料で構成されている、
ことを特徴とする輸液ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、輸液ポンプに関する。
【背景技術】
【0002】
従来から、各種液体を輸液する装置としてペリスタルティック式の輸液ポンプがある。ペリスタルティック式の輸液ポンプは、可撓性を有するチューブの閉塞点を上流側から下流側に向かって順次移動させて輸液するというものである。ペリスタルティック式の輸液ポンプとしては、複数のフィンガーの進退動作による蠕動運動によって輸液する輸液ポンプ、複数のチューブローラの移動によって輸液する輸液ポンプなどがある。これらの輸液ポンプは、チューブの流路断面積と閉塞点の移動速度によって輸液量が規定されるものである。
【0003】
ペリスタルティック式の輸液ポンプは、多種多様な液体を輸液することが可能であることから、１台の輸液ポンプで要求輸液量や使用態様（使用目的や使用場所など）に柔軟に対応可能であることが望まれる。例えば、医療用の輸液ポンプとして使用する場合においては、薬液によって単位時間当たりの輸液量を切り換えることがある。このため医療現場においては、薬液或いは投与量によって輸液量を容易に切り換えることが可能であり、かつ輸液量の高精度な管理が可能な輸液ポンプが求められている。また、設置場所（使用場所）を選ばない輸液ポンプが求められている。直近においては、磁気共鳴画像診断装置（ＭＲ装置又はＭＲＩ装置という）の近くで使用可能な輸液ポンプが望まれている。
【0004】
特許文献１には、輸液用のチューブに沿って配置される複数のフィンガー及びこのフィンガーをチューブに向かって位相が異なる複数の偏心カムを蠕動運動させるポンプ機構と、偏心カムを回転させるモータとを有し、フィンガーによって上流側から下流側に向かって閉塞点を順次移動して輸液する輸液ポンプが開示されている。
【0005】
また、特許文献２には、上記特許文献１と同様なポンプ機構を有し、フィンガーの蠕動運動の駆動源として超音波モータを使用した輸液ポンプが開示されている。この輸液ポンプは、超音波モータを使用し、センサを含めた構成部品として非磁性なものを採用することによって、ＭＲＩ室内やＭＲＩ装置の近傍において使用可能であるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【文献】特開２０１５－１８１５５０号公報
【文献】特開２００４－２４４７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
前述した特許文献１及び特許文献２は共に、複数のフィンガーを偏心カムによって蠕動運動させる構成であることから、輸液量を大流量と小流量とに切換える際には、輸液量に合わせてモータの回転速度を制御すること、或いはチューブの流路断面積を切り換えることになる。例えば、輸液量を０．１ｍｌ／ｈ～１２００ｍｌ／ｈというような広い輸液レンジに対応するモータの回転制御は出力トルクを考慮すると困難であり、微小輸液量０．１ｍｌ／ｈを実現するためには、１時間に蠕動運動を１サイクルだけ実行するというような非輸液時間が長い間歇的な輸液にならざるを得ず、例えば医療用として使用する輸液ポンプなどの場合には薬液の種類によっては適さないことがある。
【0008】
また、チューブの流路断面積を変える場合には、フィンガーのストロークを輸液量に対応して変えなければならないが、ポンプ機構の変更規模が大きくなり、輸液量に対応した輸液ポンプを用意しなければならないという課題がある。
【0009】
さらに、特許文献１及び特許文献２に記載の輸液ポンプは共に、複数の各フィンガーの進退速度は、カムシャフトの回転速度によって律せられていることから、最下流側のフィンガーがチューブを解放する際に液体がチューブ内を逆流して脈流が発生することがある。脈流が発生すると輸液量が不安定になる虞がある。
【0010】
そこで、本発明は、上記課題の少なくとも一つを解決するためになされたもので、大量輸液から微小輸液まで自在に切換えることが可能であり、かつ脈流の発生を抑えることが可能であり、さらに、ＭＲＩ装置の近くでも使用可能な輸液ポンプを提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【0011】
［１］本発明の輸液ポンプは、可撓性を有するチューブの閉塞点を上流側から下流側に順次移動させながら輸液するペリスタルティック式の輸液ポンプであって、前記チューブに沿って輸液方向に配列され、それぞれが独立して前記チューブの閉塞及び解放を順次繰り返して輸液する複数の第１圧電アクチュータユニットと、前記第１圧電アクチェータユニットよりも下流側に配置され、前記チューブを閉塞する又は前記チューブの流路にオリフィスを形成する第２圧電アクチュエータユニットと、を有していることを特徴とする。
【0012】
圧電アクチュエータは、印加する電圧をＯＮ／ＯＦＦすることによって伸縮する圧電素子を駆動源とするアクチュエータである。第１圧電アクチュエータユニット及び第２圧電アクチュエータユニットは、印加電圧によって駆動ストローク（圧電素子の伸縮量）を自在に制御することが可能である。第１圧電アクチュエータユニットの駆動ストロークを大きくし、チューブの閉塞及び解放の繰り返し速度（蠕動運動の速度）を上げれば輸液量を増加させることが可能となる。また、ストローク開始位置を印加電圧の中位（中間電圧）にすれば駆動ストロークを小さくすることができる。すなわちチューブの解放量を小さくし、閉塞及び解放の繰り返し速度を下げれば輸液量を極めて減少させることが可能となる。なお、オリフィスとは、チューブの流路断面積を部分的に小さくすることをさす。
【0013】
一方、第２圧電アクチュエータユニットはチューブの流路にオリフィスを形成して流路断面積を任意に変更できることから、上記第１圧電アクチュエータユニットと協働して流量を切り換えることが可能となり、所望の輸液量に調整することが可能となる。また、下流側の流路にオリフィスを形成すれば、最下流側の第１圧電アクチュエータユニットがチューブを解放した際のチューブの解放部が負圧になることで発生する逆流に起因する脈流を抑制することが可能となる。脈流を抑制すれば、輸液量に変動が少ない安定的な輸液が可能となる。また、第２圧電アクチュエータユニットによってチューブを閉塞すれば、全ての第１圧電アクチュエータユニットがチューブを解放する際（電圧をＯＦＦにしたとき）に意図しない輸液を停止できる。さらに、第１圧電アクチュエータユニット及び第２圧電アクチュエータユニットは、駆動源を圧電素子とすることによって、ＤＣモータ、ＡＣモータなどとは異なり非磁性材料で構成することが可能である。
【0014】
従って、本発明の輸液ポンプによれば、大量輸液から微小輸液まで自在に切換えることが可能であり、かつ脈流の発生を抑えることが可能であり、さらに、ＭＲＩ装置の近くでも使用可能となる。
【0015】
［２］本発明の輸液ポンプにおいては、前記第１圧電アクチュエータユニットは、前記チューブに向かってチューブ押圧部材を進退させる第１圧電アクチュエータと、前記チューブを挟んで前記第１圧電アクチュエータに対向して配列され前記チューブに向かってチューブ押圧ブロックを進退させる第２圧電アクチュエータと、を有していることが好ましい。
【0016】
前述した従来技術のカムによるフィンガーの蠕動運動に比べて圧電素子自体の伸縮量は小さい。そこで、チューブを閉塞する際に第１圧電アクチュエータと第２圧電アクチュエータとを駆動してチューブを挟むように押圧すれば、第１圧電アクチュエータが１個のときの駆動ストロークに対して両者の駆動ストロークの和の駆動ストロークが得られる。
【0017】
［３］本発明の輸液ポンプにおいては、複数の前記第１圧電アクチュエータ各々の変位方向端部には、前記第１圧電アクチュエータの変位方向に対して直交する方向に変位する変位部を有する第３圧電アクチュエータが固定され、前記変位部には前記チューブ押圧部材が固定されており、前記第３アクチュエータは、前記チューブ押圧部材の一つが前記チューブを閉塞し、かつ閉塞点よりも下流側の前記第１圧電アクチュータユニットが前記チューブを解放し始めると同時に前記チューブ押圧部材を輸液方向に移動させるように制御されることが好ましい。
【0018】
第１圧電アクチュエータの変位方向はチューブに垂直な方向であり、第３圧電アクチュエータの変位方向はチューブの延長方向、つまり輸液方向である。第１圧電アクチェータは、第３圧電アクチュータを介してチューブ押圧部材によってチューブを閉塞又は解放するする。チューブの閉塞点より下流側の第１圧電アクチュータユニットがチューブを解放し始めると同時に、第３圧電アクチュエータを駆動してチューブ押圧部材の閉塞点を下流側に移動させる。このようにすれば、チューブを解放する際のチューブの容積増加分を補えることから下流側からの逆流を阻止して逆流に起因する脈流を抑制することが可能となる。ここでの「同時」には、厳密な意味での同時の他、実用的な範囲内で時間のずれがある場合も含まれる。
【0019】
［４］本発明の輸液ポンプにおいては、複数の前記第１圧電アクチュエータユニットのうち、最下流に配置される前記第１圧電アクチュエータユニットが前記チューブを解放するときの加速度は、上流側の第１圧電アクチュエータユニットが前記チューブを閉塞するときの加速度よりも大きいことが好ましい。
【0020】
第１圧電アクチュエータにおいては、チューブを閉塞又は解放するときの加速度は印加電圧の変化率によって制御することができる。そこで、最下流に配置される第１圧電アクチュエータユニットがチューブを解放するときの加速度を、上流側の第１圧電アクチュエータユニットがチューブを閉塞するときの加速度よりも大きくすれば、上流側からの輸液圧力が下流側からの逆流圧力よりも高くなり下流側からの逆流を抑制できる。このため逆流に起因する脈流を抑制することが可能となる。
【0021】
［５］本発明の輸液ポンプにおいては、前記第１圧電アクチュエータ、前記第２圧電アクチュエータ及び前記第３圧電アクチュエータは、電圧を印加することによって伸長する積層型の圧電素子と、前記圧電素子が伸長する際に伸長方向に対して垂直方向、かつ前記圧電素子から離れる方向に伸長量を拡大する第１変位拡大機構と、を有し、前記第１変位拡大機構は、前記圧電素子の伸縮方向両端部を固定する固定部、前記固定部両側から前記圧電素子の表裏両面側に延在する梁部及び前記梁部の長さ方向中央部に設けられて前記圧電素子の伸縮動作に連動して伸縮方向に対して垂直方向に移動する変位部を有していることが好ましい。
【0022】
圧電素子は印加電圧によって伸縮量を高精度に制御することが可能であるが、前述したように圧電素子自体の伸縮量は小さい。そこで、第１変位拡大機構によって圧電素子の変位量を拡大することによってチューブの閉塞から解放に係る所定の駆動ストロークを確保することが可能となる。変位部は、圧電素子の表裏両面側に配置されるので圧電素子に対して２方向に移動することになることから、一方を固定すれば他方の変位量は一方の変位量の２倍となる。なお、第１圧電アクチュエータ及び第２圧電アクチュエータは、電圧ＯＦＦのときにチューブを解放し電圧ＯＮのときにチューブを閉塞する、いわゆるノーマルオープン制御を行う。一方、第３圧電アクチュエータは、電圧ＯＮのときにチューブを閉塞した状態で上流側から下流側にチューブ押圧部材を移動させ、電圧ＯＦＦのときに第１圧電アクチュエータの戻りに連動して初期位置に復帰する。
【0023】
［６］本発明の輸液ポンプにおいては、前記チューブ押圧部材は、前記チューブ側の先端部に前記チューブを押圧して輸液方向に移動する際に転動するローラを有していることが好ましい。
【0024】
第３圧電アクチュエータに固定されるチューブ押圧部材は、閉塞点を移動しつつチューブをしごくように輸液する。この際、ローラが転動することによってチューブに損傷を与えることを最小限に抑え耐久性を高めることが可能となる。
【0025】
［７］本発明の輸液ポンプにおいては、前記第２圧電アクチェータユニットは、前記チューブに向かってチューブ押圧部を変位させる第４圧電アクチュエータと、前記チューブを挟んで前記第４圧電アクチュエータに対向して配列されて前記チューブに向かって前記チューブ押圧部を変位させる第５圧電アクチュエータと、を有していることが好ましい。
【0026】
前述した従来技術のカムによるフィンガーの蠕動運動に比べて圧電素子自体の駆動ストロークは小さい。そこで、チューブを閉塞する際に第４圧電アクチュエータと第５圧電アクチュエータとを駆動しチューブを挟み込むように押圧すれば、第４圧電アクチュエータが１個のときの駆動ストロークに対して両者の駆動ストロークの和の駆動ストロークが得られる。
【0027】
［８］本発明の輸液ポンプにおいては、前記第４圧電アクチュエータ及び前記第５圧電アクチュエータは、電圧を印加することによって伸長する積層型の圧電素子と、前記圧電素子が縮小する際に縮小方向に対して垂直、かつ前記圧電素子から離れる方向に縮小量を拡大する第２変位拡大機構と、を有し、前記第２変位拡大機構は、前記圧電素子の伸縮方向両端部を固定する固定部、前記固定部両側から前記圧電素子の表裏両面側に延在する梁部及び前記梁部の長さ方向中央部に設けられて前記圧電素子の伸縮に連動して伸縮方向に対して垂直方向に移動する変位部を有していることが好ましい。
【0028】
積層型の圧電素子は印加電圧によって伸縮量を高精度に制御することが可能であるが、圧電素子自体の伸縮量（伸長量）は小さい。そこで、第２変位拡大機構によって圧電素子の変位量を拡大することによってチューブの閉塞及び解放に係る所定の駆動ストロークを確保することが可能となる。変位部は、圧電素子の表裏両面側に配置されるので圧電素子に対して２方向に移動することになることから、一方を固定すれば他方の変位量は一方の変位量の２倍となる。なお、第４圧電アクチュエータ及び第５圧電アクチュエータは、電圧ＯＮのときにチューブを閉塞し、電圧ＯＦＦのときにチューブを解放する、いわゆるノーマルクローズ制御を行う。なお、第２変位拡大機構は、変位部が固定部よりも圧電素子から凸となる略パンタグラフ状の形状となる。
【0029】
［９］本発明の輸液ポンプにおいては、前記第１変位拡大機構又は前記第２変位拡大機構は、非磁性の薄板材料によって一体で成形されていることが好ましい。
【0030】
非磁性材料としては、例えば、炭素繊維強化樹脂や非磁性金属などがあり、圧電素子の伸縮に対する応答性が高い材料から選択される。第１圧電アクチュエータユニット及び第２圧電アクチュエータユニットが非磁性材料で構成されることによってＭＲＩ装置の近くにおいても輸液ポンプを使用することが可能となる。
【0031】
［１０］本発明の輸液ポンプにおいては、前記第２圧電アクチュエータユニットの下流側に単位時間当たりの輸液量を測定する流量センサをさらに有し、前記流量センサは、測定結果に基づき複数の前記第１圧電アクチュエータユニットそれぞれの閉塞及び解放の速度並びに駆動ストロークを制御し、かつ前記第２圧電アクチュエータの駆動ストロークを制御するフィードバック手段を有していることが好ましい。
【0032】
前述したように、第１圧電アクチュエータユニットは、蠕動運動の速度及び駆動ストローク（チューブの解放量）を制御することによって輸液量を自在に調整することが可能である。一方、第２圧電アクチュエータは流路断面積を切り換えることによって第１圧電アクチュエータユニットの駆動と協働して輸液量を調整することが可能である。そこで、流量センサによって実際の単位時間当たりの輸液量を測定し、この測定結果に基づき第１圧電アクチュエータユニット及び第２圧電アクチュエータユニットを制御することによって所望の単位時間当たりの輸液量を高精度に管理することが可能となる。なお、圧電素子は応答性が高く、フィードバックデータに対して即応することできる。フィードバック手段としては、ＣＰＵなどの制御部である。
【0033】
［１１］本発明の輸液ポンプにおいては、前記第１圧電アクチュエータユニットより上流側に配置される気泡センサ、流量センサ及び前記第２圧電アクチュエータユニットと前記流量センサの間に配設される閉塞センサ並びにフリーフロー防止クランプをさらに有し、前記気泡センサ、前記閉塞センサ、前記フリーフロー防止クランプ及び流量センサは、非磁性材料で構成されていることが好ましい。
【0034】
気泡センサは、チューブ内に規定以上の気泡が発生したことを検知した場合に警報を出す。閉塞センサは、稼働時にチューブが閉塞したことを検知して警報を出したり、稼働停止させたりする。また、フリーフロー防止クランプは、稼働停止時（故障や電源の電圧低下などを含む）に制御されない輸液を防止する。また、気泡センサ、閉塞センサ及びフリーフロー防止クランプは、前述した第１圧電アクチュエータユニット及び第２圧電アクチュエータユニットと共に非磁性であるからＭＲＩ室内やＭＲＩ装置の近くで使用することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0035】
【図1】輸液ポンプ１の全体構成を模式的に示す構成説明図である。
【図2】輸液ポンプ１のシステム構成を示すブロック図である。
【図3】ポンプ機構４０の構成を示す正面図である。
【図6】第１圧電アクチュエータ３０、第２圧電アクチュエータ３１における圧電素子３６の伸長量ΔＬと変位部５８，５９の変位量ΔＨの関係を説明するために示す図である。
【図9】輸液ポンプ１の稼働開始時の初期動作を説明する図である。
【図10】輸液動作の第１例を説明する図である。
【図11】輸液動作の第２例を説明する図である。
【図12】輸液動作の第３例を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【0036】
以下、本発明の実施の形態に係る輸液ポンプ１について、図１～図１２を参照して説明する。以下に説明する輸液ポンプ１は、様々な種類の液体を輸液することが可能であり、例えば医療用に使用する輸液ポンプにおいては輸液対象の液体は薬液である。
【0037】
［輸液ポンプ１の概略全体構成］
図１は、輸液ポンプ１の全体構成を模式的に示す構成説明図である。なお、図１は、各構成要素の形状は簡略して図示しており各構成要素の配置を説明する図である。輸液ポンプ１は、輸液パック２及び点滴筒３を介して滴下された液体を可撓性を有するチューブ４に導入し上流側から下流側にチューブ４を順次閉塞と解放を繰り返しながら輸液するペリスタルティック式の輸液ポンプである。図１では、輸液方向を矢印で示している。輸液ポンプ１は、チューブ４に沿って上流側から下流側に配列される第１圧電アクチュエータユニット５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄ，５Ｅと、第１圧電アクチュエータユニット５Ｅよりも下流側に配置される第２圧電アクチュエータユニット６と、を有している。なお、第１圧電アクチュエータユニット５Ａ～５Ｅを総称して第１圧電アクチュエータユニット５と記載する。
図１は、輸液ポンプ１の全体構成を模式的に示す構成説明図である。なお、図１は、各構成要素の形状は簡略して図示しており各構成要素の配置を説明する図である。輸液ポンプ１は、輸液パック２及び点滴筒３を介して滴下された液体を可撓性を有するチューブ４に導入し上流側から下流側にチューブ４を順次閉塞と解放を繰り返しながら輸液するペリスタルティック式の輸液ポンプである。図１では、輸液方向を矢印で示している。輸液ポンプ１は、チューブ４に沿って上流側から下流側に配列される第１圧電アクチュエータユニット５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄ，５Ｅと、第１圧電アクチュエータユニット５Ｅよりも下流側に配置される第２圧電アクチュエータユニット６と、を有している。なお、第１圧電アクチュエータユニット５Ａ～５Ｅを総称して第１圧電アクチュエータユニット５と記載する。
【0038】
第１圧電アクチュエータユニット５は、図１に示す例においては、５ユニットで構成さているが、５ユニットより少なくしても５ユニットより多くしてもよい。第１圧電アクチュエータユニット５Ａ～５Ｅは、上流側から下流側に向かってチューブ４の閉塞及び解放を順次繰り返して輸液する。第１圧電アクチュータユニット５Ａ～５Ｅのいずれかがチューブ４を閉塞した位置を閉塞点とする。すなわち、輸液ポンプ１は、チューブ４の閉塞点を輸液方向の上流側から下流側に順次移動しながら輸液するものである。
【0039】
第２圧電アクチュエータユニット６は、チューブ４を閉塞する又はチューブ４の流路にオリフィスを形成する。第２圧電アクチュエータユニット６がチューブ４を閉塞していれば、第１圧電アクチュエータユニット５がチューブ４を解放した状態（電圧が印加されない状態）において輸液を停止する機能を有する。さらに、第２圧電アクチュエータユニット６は、チューブ４にオリフィスを形成して流路断面積を切り換える機能を有している。
【0040】
輸液ポンプ１は、点滴筒３と第１圧電アクチュエータユニット５との間に配置される気泡センサ７と、第２圧電アクチュエータユニット６よりも下流側に配置される閉塞センサ８、フリーフロー防止クランプ９及び流量センサ１０を有している。気泡センサ７は、チューブ４内に気泡があることを検出する光電式のセンサである。閉塞センサ８は、チューブ４の流路が閉塞されたことを検出する圧力センサであって、上流側でチューブ４が閉塞されると輸液がストップすることから圧力が低下し、下流側でチューブ４が閉塞されると圧力が上昇することを検出する。フリーフロー防止クランプ９は、稼働停止時（故障や電源の電圧低下などを含む）に制御されない輸液を防止する着脱式のクランプである。気泡センサ７、閉塞センサ８及びフリーフロー防止クランプ９は、非磁性材料で構成されている。
【0041】
流量センサ１０は、単位時間当たりの輸液量を測定するものであり、流量センサ１０としては輸液速度を直接検出するもの、輸液に伴う微細な発熱変化を検出するもの或いは圧力センサなどがある。輸液ポンプ１は、単位時間当たりの輸液量を高精度に制御することが可能であるが、輸液経路において流体抵抗の増減或いは温度変化などによって輸液量が変動することが考えられる。そこで流量センサ１０で実際の輸液量を検出し、輸液量を増加させるか減少させるかを判定し、第１圧電アクチェータユニット５にフィードバックし、輸液量を高精度に制御する。このことについては、図２を参照して説明する。気泡センサ７、第１圧電アクチュエータユニット５、閉塞センサ８及びフリーフロー防止クランプ９は、輸液ポンプ本体１１に格納され、流量センサ１０は、輸液ポンプ本体１１の外部に配置される。
【0042】
次に、第１圧電アクチュエータユニット５及び第２圧電アクチュエータユニット６の概略構成について図１を参照して説明する。前述したように、第１圧電アクチュエータユニット５は、それぞれが同じ構成の第１圧電アクチュエータユニット５Ａ～５Ｅの５ユニットで構成されている。第１圧電アクチュエータユニット５は、第１圧電アクチュエータ３０、第２圧電アクチュエータ３１及び第３圧電アクチュエータ３２で構成される。第１圧電アクチュエータ３０と第２圧電アクチュエータ３１とは同じ構成であり、チューブ４を挟んで対向するように配置される。第３圧電アクチュエータ３２は、第１圧電アクチュエータ３０に固定されている（図３参照）。
【0043】
第１圧電アクチュエータ３０と第２圧電アクチュエータ３１の各々は、チューブ４に向かって進退（変位）するようにＤ／Ａコンバータ１６（図２参照）によって制御される。また、第３圧電アクチュエータ３２はチューブ押圧部材としてのローラ３９を有しており、第１圧電アクチュエータ３０の進退運動に追従すると共に、ローラ３９を輸液方向に移動させる機能を有する。第１圧電アクチュエータユニット５のさらなる詳しい構成については、図３及び図４を参照して説明する。なお、第１圧電アクチュエータ３０と第２圧電アクチュエータ３１とは、同期して駆動することも独立して駆動することも可能である。
【0044】
第２圧電アクチェータユニット６は、第４圧電アクチュエータ３４と第５圧電アクチュエータ３５とで構成されている。図１に示すように、第４圧電アクチュエータ３４と第５圧電アクチュエータ３５とは、チューブ４を挟んで対向して配置され、互いにチューブ４に向かってチューブ押圧部４８，４９を進退させる。第２圧電アクチュエータユニット６のさらに詳しい構成については、図７及び図８を参照して説明する。図示は省略するが、輸液ポンプ本体部１１はベース部と扉部を有している。例えば、図１において、チューブ４から図示右方側がベース部であり、図示左方側が扉部である。第１圧電アクチュエータ３０、第３圧電アクチュエータ３２及び第４圧電アクチュエータ３４は扉部側に配置されており、第２圧電アクチュエータ３１及び第５圧電アクチュエータ３５はベース部側に配置されている。扉部とベース部とはヒンジで連結される。輸液ポンプ１は、ベース部に扉部を閉めたときに輸液ポンプとしての機能を発揮するように構成されている。次に輸液ポンプ１のシステム構成について図２を参照して説明する。
【0045】
図２は、輸液ポンプ１のシステム構成を示すブロック図である。図１も参照しながら説明する。図２に示すように、輸液ポンプ１は、駆動制御、検出制御、入力制御、表示制御及び電源制御など輸液ポンプ１の全体を制御する制御部（Ｍ－ＣＰＵ）１５を有している。輸液ポンプ１は、前述した第１圧電アクチュエータユニット５及び第２圧電アクチュエータユニット６の駆動を制御するＤ／Ａコンバータ１６、エネルギー源としてのリチウムイオン電池１７及び蓄電コントローラ１８を有している。エネルギー源としては、商用電源を使用することが可能となっており電圧を制御するための電源ユニット１９をさらに有している。蓄電コントローラ１８と電源ユニット１９とは、人為的に切替えたり自動的に切替えたりすることが可能であって、共に制御部１５によって出力電圧が制御される。
【0046】
Ｄ／Ａコンバータ１６は、制御部１５の命令に従い第１圧電アクチュエータユニット５及び第２圧電アクチュエータユニット６の駆動を制御する。第１圧電アクチュエータユニット５においては、第１圧電アクチュエータユニット５Ａ～５Ｅそれぞれの駆動タイミング、駆動ストローク、駆動速度及び加速度が制御される。具体的には、第１圧電アクチュエータユニット５Ａ～５Ｅにおいては、第１圧電アクチュエータ３０及び第２圧電アクチュエータ３１の印加電圧及び周波数を制御し、第３圧電アクチュエータ３２の駆動タイミング、印加電圧及び周波数を制御する。第２圧電アクチュエータユニット６においては、第４圧電アクチュエータ３４及び第５圧電アクチュエータ３５の駆動タイミング、印加電圧及び周波数を制御する。印加電圧とは、圧電素子３６に印加される電圧である。
【0047】
輸液ポンプ１は、表示モニター２０、レシピ入力部２１及び音声出力部２２を有している。表示モニター２０は、輸液ポンプ１の使用対象者のデータ、駆動条件（レシピという）及び駆動状態を表示する液晶表示デバイスや有機ＥＬ表示デバイスなどである。レシピ入力部２１は、医療従事者が使用対象者のデータ及び駆動条件などのレシピを入力する入力装置である。レシピ入力は、ＰＣやスマートホンなどの端末から入力するようにしてもよい。入力されたレシピは表示モニター２０に表示される。なお、表示モニター２０をタッチパネル構成としてレシピ入力部２１と兼用できるような構成としてもよい。音声出力部２２は、気泡センサ７、閉塞センサ８或いは流量センサ１０が予め設定されている規定範囲を外れたことを検出した際に音声やブザーなどで警報を発する。従って、音声出力部２２に替えてランプ表示などにすることが可能である。制御部１５は、流量センサ１０から入力される実際の流量測定データに基づきＤ／Ａコンバータ１６によって第１圧電アクチュエータユニット５の駆動制御を行うフィードバック手段としての機能を有している。輸液ポンプ１は、流量センサ１０の流量測定データに基づき輸液量を高精度に管理することが可能となっている。
【0048】
扉開閉センサ２３は、扉部の開閉状態を検出する。扉部がベース部に完全に閉められたことを検出して初めて輸液ポンプ１が稼働可能となり、扉部が開いていることを検出したときには輸液ポンプ１を稼働禁止とする。この制御は制御部１５が司る。なお、制御部１５には、第１圧電アクチュエータユニット５及び第２圧電アクチュエータユニット６の駆動方法に関わるプログラムなどを格納する格納する記憶回路、流量センサ１０の測定結果と設定値とを比較する比較部、及びその比較値との差を演算して駆動方法を選択する演算部を有している。
【0049】
［ポンプ機構４０の構成］
図３は、ポンプ機構４０の構成を示す正面図、図４は、図３の図示左方側から見たポンプ機構４０の構成を示す平面図である。なお、図３及び図４において太い矢印が輸液方向を表している。図３及び図４に示すように、ポンプ機構４０は、第１圧電アクチュエータユニット５と第２圧電アクチュエータユニット６とから構成される。第１圧電アクチュエータユニット５は、上流側から順に配列される第１圧電アクチュエータユニット５Ａ～５Ｅの５ユニットで構成されている。第１圧電アクチュエータユニット５Ａ～５Ｅは同じ構成であって、それぞれが第１圧電アクチュエータ３０、第２圧電アクチュエータ３１及び第３圧電アクチュエータ３２で構成されている。第１圧電アクチュエータ３０は、圧電素子３６と非磁性の薄板材料で形成される第１変位拡大機構３７（詳しくは、図５参照）とから構成されていて第１圧電アクチュエータ３０には、Ｌ型フレーム３８を介して第３圧電アクチュエータ３２の一方の変位部が固定されている。
図３は、ポンプ機構４０の構成を示す正面図、図４は、図３の図示左方側から見たポンプ機構４０の構成を示す平面図である。なお、図３及び図４において太い矢印が輸液方向を表している。図３及び図４に示すように、ポンプ機構４０は、第１圧電アクチュエータユニット５と第２圧電アクチュエータユニット６とから構成される。第１圧電アクチュエータユニット５は、上流側から順に配列される第１圧電アクチュエータユニット５Ａ～５Ｅの５ユニットで構成されている。第１圧電アクチュエータユニット５Ａ～５Ｅは同じ構成であって、それぞれが第１圧電アクチュエータ３０、第２圧電アクチュエータ３１及び第３圧電アクチュエータ３２で構成されている。第１圧電アクチュエータ３０は、圧電素子３６と非磁性の薄板材料で形成される第１変位拡大機構３７（詳しくは、図５参照）とから構成されていて第１圧電アクチュエータ３０には、Ｌ型フレーム３８を介して第３圧電アクチュエータ３２の一方の変位部が固定されている。
【0050】
Ｌ型フレーム３８の一辺が第１圧電アクチュエータ３０に固定され、直角方向に曲げられた他の１辺に第３圧電アクチュエータ３２の一方の変位部が固定される。従って、第３圧電アクチュエータ３２は、第１圧電アクチュータ３０によってチューブ４に向かって進退される。第３圧電アクチュエータ３２は、圧電素子３６と第１変位拡大機構３７とで構成されている。第３圧電アクチュエータ３２のＬ型フレーム３８との固定端の反対側の変位部にはローラ支持部材３３が固定されていて、ローラ支持部材３３のチューブ４側先端にはチューブ押圧部材としてのローラ３９が回転可能に取付けられている。
【0051】
第２圧電アクチュータ３１は、圧電素子３６と第１変位拡大機構３７とで構成されている。第２圧電アクチュータ３１には、第１変位拡大機構３７のチューブ４側の変位部にチューブ押圧部材としてのチューブ押圧ブロック４１が固定されている。
【0052】
第１圧電アクチュエータ３０、第２圧電アクチュエータ３１及び第３圧電アクチュエータ３２は、それぞれ圧電素子３６及び第１変位拡大機構３７の構成は同じであるが、第２圧電アクチェータ３１には変位部にチューブ押圧ブロック４１が固定されており、第３圧電アクチュエータ３２には変位部にローラ支持部材３３を介してローラ３９が固定されている。また、第１圧電アクチュエータ３０の変位部にはＬ型フレーム３８が固定されていることが他の各圧電アクチェータとの相違点である。
【0053】
図３及び図４に示すように、第１圧電アクチュエータ３０においては、圧電素子３６は長さ方向が輸液方向に対して垂直方向になるように配置され、圧電素子３６が長さ方向に伸縮すると、伸縮方向に対して垂直方向に第３圧電アクチュエータ３２を介してローラ３９をチューブ４に向かって進退させる。第２圧電アクチュエータ３１は、第１圧電アクチュエータ３０と同じ姿勢で配置されており、圧電素子３６が長さ方向に伸縮すると、チューブ押圧ブロック４１をチューブ４に向かって進退させる。第３圧電アクチュエータ３２においては、圧電素子３６が長さ方向に伸長すると、ローラ３９を上流側から下流側に移動させるように第１圧電アクチュエータ３０に固定されている。第１圧電アクチュエータ３０と第２圧電アクチュエータ３１とを逆方向に進退させることによってチューブ４を閉塞又は解放することが可能となっている。
【0054】
図３に示すように、第１圧電アクチェータ３０は一方の変位部が扉部ベースフレーム４２に固定され、他方の変位部にはＬ字フレーム３８を介してローラ３９を備えた第３圧電アクチュエータ３２が固定されている。第２圧電アクチュエータ３１は一方の変位部がベース部フレーム４３に固定され、他方の変位部にはチューブ押圧ブロック４１が固定されている。ローラ３９及びチューブ押圧ブロック４１が可動端となる第１圧電アクチュエータユニット５のさらなる詳細な構成については、図５を参照して後述する。
【0055】
第２アクチュエータユニット６は、第４圧電アクチュエータ４４及び第５圧電アクチュエータ４５で構成されている。第４圧電アクチュエータ４４は、圧電素子３６と非磁性の薄板材料で形成される第２変位拡大機構４６とから構成されている。第４圧電アクチュエータ４４は、一方の変位部がベース台部４７を介して扉部ベースフレーム４２に固定され、チューブ４側の変位部にはチューブ押圧部材としてのチューブ押圧部４８が固定されている。一方、第５圧電アクチュエータ４５は、第４圧電アクチュエータ４４と同じ構成であり圧電素子３６と第２変位拡大機構４６とで構成されている。第５圧電アクチュエータ４５は、一方の変位部がベース部フレーム４３に固定され、チューブ４側の変位部にはチューブ押圧部材としてのチューブ押圧部４９が固定されている。
【0056】
図３に示すように、チューブ押圧部４８，４９は互いに対向して配置される。第２アクチュエータユニット６においては、圧電素子３６は長さ方向が輸液方向に対して垂直方向になるように配置され、圧電素子３６が長さ方向に伸縮すると、伸縮方向に対して垂直方向にチューブ押圧部４８，４９をチューブ４に向かって進退させる。すなわち、チューブ押圧部４８，４９が可動端となる。第２圧電アクチュエータユニット６のさらなる詳細な構成については、図７を参照して説明する。
【0057】
図５は、図３の下流側から見た第１圧電アクチュエータユニット５Ａの構成を拡大して示す図である。なお、紙面の奥方向が上流側であり、手前方向が下流側である。圧電素子３６は、四角柱の積層型圧電素子であって電圧印加によって長さ方向に伸長し、電圧を０Ｖにすると元の長さに戻るものである。第１圧電アクチュエータユニット５Ａ～５Ｅは同じ構成であるから第１圧電アクチュエータユニット５Ａを例示して説明する。前述したように、第１圧電アクチュエータユニット５Ａは、第１圧電アクチュエータ３０、第２圧電アクチュエータ３１及び第３圧電アクチュエータ３２で構成されている。第１圧電アクチュエータ３０は、圧電素子３６と第１変位拡大機構３７とで構成されている。
【0058】
圧電素子３６は、長さ方向両端部が第１変位拡大機能３７に接着剤などで固定される。第１変位拡大機構３７は、圧電素子３６の伸縮方向両端部を固定する固定部５５，５５と、固定部５５，５５の両側から圧電素子３６の表面３６ａ側及び裏面３６ｂ側の両方に延在する梁部５６，５７とで構成される。梁部５６，５７各々の長さ方向中央部には、圧電素子３６の外側方向に変位部５８，５９突設されている。第１変位拡大機構３７は、変位部５８，５９の間の距離が固定部５５の高さ寸法よりも狭くなる形状をしている。圧電素子３６が伸長すると変位部５８，５９は圧電素子３６の表面３６ａ及び裏面３６ｂから垂直方向に離れる方向に変位し、変位部５８は扉部ベースフレーム４２に固定されていることから固定端となり、自由端である変位部５９にＬ型フレーム３８を介して固定されている第３圧電アクチュエータ３２をチューブ４に向かって移動する。
【0059】
第３圧電アクチュエータ３２は、第１圧電アクチュエータ３０を圧電素子３６の中心軸Ｃを中心に９０度回転した姿勢でＬ型フレーム３８に固定されている（図３参照）。従って、第３圧電アクチュエータ３２においては、圧電素子３６は電圧を印加すると長さ方向に伸長し、ローラ３９を上流側から下流側に移動させる（図３参照）。
【0060】
第２圧電アクチュエータ３１は、第１圧電アクチュエータ３０及び第３圧電アクチュエータ３２と同じように圧電素子３６及び第１変位拡大機構３７で構成されている。圧電素子３６が伸長すると変位部５８，５９は圧電素子３６から垂直方向に離れる方向に変位する。第２圧電アクチュエータ３１においては、変位部５８はベース部フレーム４３に固定されていることから、変位部５９に固定されているチューブ押圧ブロック４１はチューブ４に向かって移動する。第１変位拡大機構３７は、圧電素子３６の伸長量を、伸長方向に対して垂直方向に拡大する機能を有している。このことについて図６を参照して説明する。
【0061】
図６は、第１圧電アクチュエータ３０、第２圧電アクチュエータ３１における圧電素子３６の伸長量ΔＬと変位部５８，５９の変位量ΔＨの関係を説明するために示す図である。図６に示すグラフは、変位部５８の計算上の変位量を表している。なお、圧電素子３６の長さの１／２をＬ、梁部５６のＬに対応する長さをＳと表す。計算例としては、Ｌ＝３０ｍｍ、Ｓ＝３０．０７５ｍｍとした。グラフは、横軸が圧電素子３６の伸長量（ΔＬμｍ）を表しており、縦軸は変位部５８の変位量（ΔＨμｍ）を表している。なお、第１変位拡大機構３７は、非磁性材料で形成されており、非磁性材料としては、例えば、炭素繊維強化樹脂や非磁性金属などがある。図６においては、圧電素子３６の伸縮に対する応答性が高く、軽量で機械的強度が高い炭素繊維強化樹脂を例にして説明する。なお、第３圧電アクチュエータ３２においても、伸長量ΔＬと変位量ΔＨの関係は第１圧電アクチュエータ３０及び第２圧電アクチュエータ３１と同じように説明できる。
【0062】
本例においては、圧電素子３６の伸長に伴い変位部５８は圧電素子３６から離れる方向に変位する。圧電素子３６が０から１．５μｍ伸びると変位量（ΔＨ）は７００μｍ、圧電素子３６が２１μｍ伸びると変位量（ΔＨ）は１３００μｍとなる。グラフに示すΔＬが１．５μｍ以上の範囲においては、ΔＨは、ΔＬに対してほぼ直線的に変化する。第１変位拡大機構３７による拡大率は、ΔＬが１．５μｍ～２１μｍの範囲で圧電素子３６の伸長量ΔＬに対して約３０倍である。変位部５９は、変位部５８とは逆方向に同じ変位量で変位する。従って、変位部５８が扉部ベースフレーム４２に固定されているため、変位部５９はチューブ４に向かって固定部である扉部ベースフレーム４２からはΔＨの２倍の変位量が得られる。
【0063】
一方、第２圧電アクチュエータ３１においては、第１圧電アクチュエータ３０と同じ構成を有しており、図４に示したように変位部５９がベース部フレーム４３に固定されていることから第１圧電アクチュエータ３０と同じ条件で駆動すれば、変位部５８はチューブ４に向かって固定部であるベース部フレーム４３からはΔＨの２倍の変位量が得られる。ΔＨの２倍の変位量、すなわち、チューブ押圧部材であるチューブ押圧ブロック４１のストロークはΔＨの２倍となる。従って、同じ印加電圧で駆動すれば、第１圧電アクチュエータ３０と第２圧電アクチュエータ３１との総ストロークはΔＨの４倍となり、総ストロークの範囲内の直径を有するチューブにおいて輸液することが可能となる。
【0064】
積層型圧電素子は、印加電圧によって伸長量が変化し、その伸長量は印加電圧にほぼ比例する。従って、使用対象のチューブ外径及び所望の単位時間当たりの輸液量から第１圧電アクチュエータ３０及び第２圧電アクチュエータ３１の総ストロークを決定し、この総ストロークを得るための圧電素子３６の伸長量を算出して印加電圧を制御すれば輸液量を自在に制御することが可能となる。すなわち、チューブ４を完全に開放する総ストロークで駆動すれば大量輸液が可能となり、解放量を抑えた中間電圧で駆動すれば連続輸液に近い輸液間隔で微小輸液が可能となる。従って、要求される単位時間当たりの輸液量を自在に制御することが可能となる。制御部１５は、圧電素子３６の伸長量ΔＬ、変位量ΔＨ及び印加電圧の関係をテーブルとしてプログラムしておき、適切な印加電圧で圧電アクチュエータユニット５Ａ～５Ｅを制御する。なお、第１圧電アクチュエータ３０及び第２圧電アクチュエータ３１は、同期駆動させることも、独立して駆動することが可能であり、輸液量に対応して適切な駆動条件を選択することができる。
【0065】
第３圧電アクチュエータ３２においては、第１圧電アクチュエータ３０と同じ構成であり、独立して駆動することができることから印加電圧と印加タイミングを制御すれば、ローラ３９を適切なタイミング及びストロークで輸液方向に沿って移動させることができる。すなわち、ローラ３９の閉塞点Ｐ（図８以降参照）から下流側の第１圧電アクチュエータユニット５の一つがチューブ４を解放する際に閉塞時に押しのけた液体の容積分を供給するよう制御する。
【0066】
【0067】
図７は、図３の下流側から見た第２圧電アクチュエータユニット６の構成を拡大して示す図である。なお、紙面の奥方向が上流側であり、手前方向が下流側である。第２圧電アクチュエータユニット６は、第４圧電アクチュエータ４４、第５圧電アクチュエータ４５で構成されている。第４圧電アクチュエータ４４は、圧電素子３６と第２変位拡大機構４６とで構成されている。圧電素子３６は、長さ方向両端部が第２変位拡大機能４６に接着剤などで固定される。第２変位拡大機構４６は、圧電素子３６の伸縮方向両端部を固定する固定部６３，６３と、固定部両側から圧電素子３６の表面３６ａ側及び裏面３６ｂ側に延在する梁部６４，６５で構成されている。梁部６４，６５各々の中央部には、圧電素子３６に対して外側方向に突設される突起部が設けられており、この突起部を圧電素子３６が伸縮する際の変位部６６，６７とする。
【0068】
第２変位拡大機構４６は、梁部６４，６５の長さ方向中央部の間隔が両端部よりも広くなる略パンタグラフ形状をしている。圧電素子３６が伸長すると変位部６６，６７は圧電素子３６の表面３６ａ及び裏面３６ｂから垂直方向に離れる方向に変位する。変位部６６は、ベース台部４７を介して扉部ベースフレーム４２に固定されていることから固定端となり、自由端である変位部６７にチューブ押圧部４８が固定されている。このような構成によって変位部６７はチューブ４に向かって進退する。図７に示す圧電素子３６は、印加電圧を０Ｖにしたときに圧電素子３６が縮小しチューブ押圧部材４８がチューブ４を閉塞する方向に変位した状態を表している。
【0069】
第５圧電アクチュエータ４５は、第４圧電アクチュエータ４４と同じ構成の圧電素子３６及び第２変位拡大機構４６で構成されている。変位部６７はベース部フレーム４３に固定されていることから、変位部６６はチューブ４に向かって変位する。図７は、第４圧電アクチュエータ４４及び第５圧電アクチュエータ４５両方の圧電素子３６の印加電圧を０Ｖにしたときに圧電素子３６が縮小しチューブ押圧部材４８，４９がチューブ４を閉塞した状態を表している。第４圧電アクチュエータ４４及び第５圧電アクチュエータ４５両方の圧電素子３６に電圧を印加すると圧電素子３６は伸長し、チューブ押圧部４８，４９がチューブ４から離れる方向に移動してチューブ４を解放する。
【0070】
第２変位拡大機構４６は、前述した第１変位拡大機構３７に対して形状が異なるものの同じ拡大作用で説明することが可能であるから詳細な説明は省略する。なお、第２圧電アクチュエータユニット６は、第１圧電アクチュエータユニット５に対して独立して駆動制御することが可能となっている。制御部１５は、圧電素子３６の伸長量ΔＬ、変位拡大量ΔＨ及び印加電圧の関係をテーブルとしてプログラムし、適切な印加電圧で第２圧電アクチュエータユニット６を制御する。なお、第４圧電アクチュエータ４４及び第５圧電アクチュエータ４５は、同期して駆動するようにしても独立して駆動するようにしてもよく、輸液量に対応して適切な駆動条件を選択することができる。
【0071】
第４圧電アクチェータ４４はチューブ４側の変位部６７にチューブ押圧部４８を有し、第５圧電アクチュエータ４５はチューブ４側の変位部６６にチューブ押圧部４９を有している。次に、チューブ押圧部４８，４９の形状について図８を参照して説明する。
【0072】
図８は、図７に示す第２圧電アクチュエータユニット６のチューブ押圧部４８，４９を拡大して示す図である。なお、図８は、チューブ押圧部４８，４９以外は簡略化して表しており、図７との共通部には図７と同じ符号を付している。チューブ押圧部４８及びチューブ押圧部４９には、各々同じ形状の突起部５０，５１が対向するように形成されている。突起部５０，５１は、円弧で丸められた頂部５２，５３を有している。この頂部５２，５３がチューブ４を閉塞する位置を閉塞点Ｐとする。なお、輸液方向を矢印で示している。図８に示すようにチューブ４を閉塞から全解放する間の中間の流路が形成された部分をオリフィスという。そこで、第２圧電アクチュエータユニット６をオリフィス形成ユニットと呼ぶことがある。第２圧電アクチュエータユニット６は、チューブ４を閉塞して輸液を止める機能及びチューブ４の流路断面積を変えて輸液量を調整する機能を有している。
【0073】
図８に示すように、閉塞点Ｐよりも上流側の斜面で形成される上流側開口部５４ａの開口長さＤ１は、下流側開口部５４ｂの開口長さＤ２よりも長く設定している。頂部５２，５４をこのように形成すれば、閉塞点Ｐより上流側においてチューブ４は緩やかに変形して流体抵抗が小さくなり、下流側においてチューブ４は急激に変形することから下流側から上流側に向かう流体抵抗が大きくなる。従って、オリフィスを形成することと、頂部５２，５４をこのよう形状にすることとによって逆流を抑制し、逆流に起因する脈流を抑制することが可能となる。
【0074】
［輸液ポンプ１の駆動方法］
輸液ポンプ１の駆動方法は複数ある。そのうちから３つの方法を例にあげて図９～図１２を参照して説明する。なお、以下に説明する図は模式化して表す動作説明図である。図９～図１２においては、第１圧電アクチュエータユニット５Ａ～５Ｅのチューブ押圧部材であるローラ３９の動作方向を矢印で表している。まず、稼働開始時の初期動作について図９を参照して説明する。図９～図１２に示す矢印は、各チューブ押圧部材の動作方向を表している。
輸液ポンプ１の駆動方法は複数ある。そのうちから３つの方法を例にあげて図９～図１２を参照して説明する。なお、以下に説明する図は模式化して表す動作説明図である。図９～図１２においては、第１圧電アクチュエータユニット５Ａ～５Ｅのチューブ押圧部材であるローラ３９の動作方向を矢印で表している。まず、稼働開始時の初期動作について図９を参照して説明する。図９～図１２に示す矢印は、各チューブ押圧部材の動作方向を表している。
【0075】
図９は、輸液ポンプ１の稼働開始時の初期動作を説明する図である。図９においては、輸液方向を左方側から右方側とし、輸液動作をする第１圧電アクチュエータユニット５Ａ～５Ｅの動作とオリフィスを形成する第２圧電アクチュエータユニットの動作とを図示している。例えば、第１圧電アクチュエータユニット５Ａ～５Ｅにおいては、第１圧電アクチュエータ３０と第２圧電アクチュエータ３１とが同期して動作するものして第１圧電アクチュエータユニット５の動作として説明する。一方、第２圧電アクチュエータユニット６においても、第４圧電アクチュエータ４４と第５圧電アクチュエータとが同期して動作するものとして第２圧電アクチュエータユニット６の動作として説明する。なお、図９～図１２においては、ローラ３９がチューブ４を完全に開放する位置を下死点Ｂ、チューブ４を閉塞する位置を上死点Ｔ、下死点Ｂと上死点Ｔとの任意の中間位置を中間点Ｍとする。
【0076】
第１圧電アクチュエータユニット５Ａ～５Ｅは、電圧ＯＮで上死点Ｔ、電圧ＯＦＦで下死点Ｂ、下死点Ｂと上死点Ｔとの任意の中間電圧において中間点Ｍとなるように制御される。第２圧電アクチュエータユニット６は、電圧ＯＦＦで上死点Ｔ、電圧ＯＮで下死点Ｂ、下死点Ｂと上死点Ｔとの任意の中間電圧において中間点Ｍとなるように制御される。初期動作においては、第３圧電アクチュエータ３２は駆動しない。
【0077】
稼働開始時においては、まず、チューブ４に液体を充填させる動作を行う。図９（ａ）に示すように、第２圧電アクチュエータユニット６は上死点Ｔにあってチューブ４を閉塞する。第１圧電アクチュエータユニット５Ａ～５Ｅは下死点Ｂにある状態で、第２圧電アクチュエータユニット６から上流側に液体が充填された状態となる。第１圧電アクチュエータユニット５Ａ～５Ｅは電圧ＯＦＦ，第２圧電アクチュエータユニット６は電源ＯＦＦの状態である。
【0078】
続いて、図９（ｂ）に示す工程に移行する。第２圧電アクチュエータユニット６は中間点Ｍでチューブ４を解放し、第１圧電アクチュエータユニット５Ａ～５Ｅは上死点Ｔに同時に移動する。すなわち、第１圧電アクチュエータユニット５Ａ～５Ｅのチューブ押圧範囲の液体が輸液される。第１圧電アクチュエータユニット５Ａ～５Ｅは電源ＯＮ，第２圧電アクチュエータユニット６は中間電圧が印加される。以降、第１圧電アクチェータユニット５Ａ～５Ｅを図９（ｃ）～（ｆ）の順に駆動する。図９（ｂ）においては、第２圧電アクチュエータユニット６が中間点Ｍにある例を示しているが、所望の単位時間当たりの輸液量の設定値によって第２圧電アクチュエータユニット６においてチューブ４の流路断面積が調整される。
【0079】
図９（ｃ）は、第１圧電アクチュエータユニット５Ａを上死点Ｔから下死点Ｂまで駆動する工程を示し、図９（ｄ）は、第１圧電アクチュエータユニット５Ａ，５Ｂを上死点Ｔから下死点Ｂまで駆動する工程を示している。図９（ｅ）は、第１圧電アクチュエータユニット５Ａ～５Ｃを上死点Ｔから下死点Ｂまで駆動する工程、図９（ｆ）は、第１圧電アクチュエータユニット５Ｄを上死点Ｔから下死点Ｂまで駆動し、第１圧電アクチュエータユニット５Ａを下死点Ｂから上死点Ｔまで移動させる工程を示している。図９（ｂ）～（ｆ）に示す初期動作においては、第１圧電アクチュエータユニット５Ｅは、常に上死点Ｔにあることから輸液されない。初期動作の間に、気泡センサ７、閉塞センサ８及び流量センサ１０をモニタリングし自律的に輸液を開始する。
【0080】
図１０は、輸液動作の第１例を説明する図である。なお、第１例は、第３圧電アクチュエータ３２を駆動しない動作方法である。輸液動作は、図９（ｆ）に示した初期動作から自律的にスタートする。図９（ｆ）に示す工程では、第１圧電アクチュエータユニット５Ａ，５Ｅが上死点Ｔにあって両者がチューブ４を閉塞し、両者の間に液体が充填される。図１０（ａ）に示す工程では、第１圧電アクチュエータユニット５Ｅがチューブ４の解放を開始し、第１圧電アクチュエータユニット５Ａがチューブ４を閉塞した状態で第１圧電アクチュエータユニット５Ｂがチューブ４の閉塞を開始して輸液を開始する。続いて、図１０（ｂ）に示す工程では、第１圧電アクチュエータユニット５Ｂがチューブ４を閉塞した状態で、第１圧電アクチュエータユニット５Ａがチューブ４を解放し始め、第１圧電アクチュエータユニット５Ｃが閉塞し始めることで輸液が継続する。続いて、図１０（ｃ）に示す工程では、第１圧電アクチュエータユニット５Ｃがチューブ４を閉塞した状態で、第１圧電アクチュエータユニット５Ｂがチューブ４を解放し始め、第１圧電アクチュエータユニット５Ｄがチューブ４を閉塞し始めることで輸液は継続する。
【0081】
続いて、図１０（ｄ）に示す工程では、第１圧電アクチュエータユニット５Ｄがチューブ４を閉塞した状態で、第１圧電アクチュエータユニット５Ｃがチューブ４を解放し始め、第１圧電アクチュエータユニット５Ｅがチューブ４を閉塞し始めて輸液を継続する。続いて、図１０（ｅ）に示す工程では、第１圧電アクチュエータユニット５Ｅがチューブ４を閉塞し、第１圧電アクチュエータユニット５Ｄがチューブ４を解放し始めると同時に第１圧電アクチュエータユニット５Ａがチューブ４を閉塞し始める。第１圧電アクチュータユニット５Ｅが中間点Ｍから上死点に移動する間に輸液は継続する。図１０（ａ）～図１０（ｅ）の工程において、閉塞点Ｐを上流側から下流側に移動させることによって輸液することが可能となっている。なお、図１０（ｆ）は、前述した図９（ｆ）と同じ状態になることから、図１０（ａ）～図１０（ｅ）の工程を輸液１サイクルとし、これを繰り返して輸液を継続する。輸液ポンプ１の停止信号が入力された時には、一旦、図９（ａ）の状態に復帰し輸液を停止する。
【0082】
なお、第１圧電アクチェータユニット５は、上死点Ｔ（チューブ閉塞位置）から下死点Ｂ（チューブ解放）へ移行させる際、或いは下死点Ｂから上死点Ｔへ移行する際に圧電素子３６に印加する電圧は、例えば、１０Ｖから０Ｖ、或いは０Ｖから１０Ｖというように一気に変化させるのではなく徐々に変化させる。例えば、圧電素子３６を１０Ｈｚ駆動したとして、通常の輸液動作において、解放時に加速度を２５ｍ／ｓ２、閉塞時に加速度を２５ｍ／ｓ２となるように印加電圧を制御するものとする。そこで、最終段の第１圧電アクチュエータユニット５Ｅが上死点Ｔから下死点Ｂに移行する際の加速度を３５ｍ／ｓ２とし、第１圧電アクチュエータユニット５Ａ～５Ｄよりも高い加速度で駆動すれば、閉塞点Ｐの上流側において第１圧電アクチュエータユニット５Ａ～５Ｄのいずれかがチューブ４を閉塞又は中間点Ｍにあること或いは移動途中の場合、閉塞点Ｐの上流側の圧力が下流側の圧力よりも高くなること、最終段の閉塞点Ｐが瞬間的に解放されることなどから下流側からの逆流を阻止できる。従って、逆流に起因する脈流の発生を抑制し安定輸液が可能となる。
【0083】
次に、輸液動作の第２例について図１１を参照して説明する。なお、図９において説明した初期動作は共通であり説明を省略する。第２例は、最上流側の第１圧電アクチュエータユニット５Ａがチューブ４を閉塞するときに第３圧電アクチュエータ３２を駆動する輸液動作である。図１１においては、輸液方向を左方側から右方側とする。
【0084】
図１１は、輸液動作の第２例を説明する図である。図１１は、前述した図１０との相違個所のみを記載している。第２例における輸液動作は、初期動作の図９（ｆ）に示した状態から自律的にスタートする。図９（ｆ）に示す工程においては、第１圧電アクチュエータユニット５Ａ，５Ｅが上死点Ｔにあり、両者がチューブ４を閉塞し、両者の間に液体が充填される。図１１（ａ）に示す工程においては、第１例（図１０参照）と同様に、第１圧電アクチュエータユニット５Ｅがチューブ４の解放を開始し、第１圧電アクチュエータユニット５Ａがチューブ４を閉塞した状態で第１圧電アクチュエータユニット５Ｂが閉塞し始めて輸液を開始する。
【0085】
第１圧電アクチュエータユニット５Ｅがチューブ４の解放を開始すると同時に、第１圧電アクチュエータユニット５Ａは第３圧電アクチュエータ３２を駆動して、ローラ３９がチューブ４を閉塞した状態で輸液方向に移動する。すなわち、ローラ３９を下流方向に移動させることによって第１圧電アクチュエータユニット５Ｅが閉塞していたときの容積分の液体を供給する。このようにすれば、第１圧電アクチュエータユニット５Ｅがチューブ４を閉塞するときに押しのけた分の液体を上流側から供給することによって、下流側からの逆流を阻止できる。従って、逆流に起因する脈流の発生を抑制し安定輸液が可能となる。
【0086】
続いて、図１１（ｂ）に示すように、第１圧電アクチュエータユニット５Ｂがチューブ４を閉塞し、第１圧電アクチュエータユニット５Ａがチューブ４を解放し始め、第１圧電アクチュエータユニット５Ｃがチューブ４を閉塞し始める。第１圧電アクチュエータユニット５Ａにおいては、チューブ４の解放動作と連動して第３圧電アクチュエータ３２の印加電圧をＯＦＦにして、ローラ３９を駆動前の位置に復帰させる。以降の輸液動作は、図１０（ｃ）～図１０（ｆ）と同じであり、閉塞点Ｐを上流側から下流側に順次移動させて輸液を継続する。
【0087】
次に、輸液動作の第３例について図１２を参照して説明する。なお、図９において説明した初期動作は共通であり説明は省略するが、第３例においては図９（ｅ）に示す動作までを初期動作とし、以降の動作を輸液動作とする。なお、第３例は、閉塞点Ｐの次の下流側の第１圧電アクチュエータユニットがチューブ４を解放し始めるタイミングで閉塞点Ｐを有する第１圧電アクチュエータユニットの第３圧電アクチュエータ３２を駆動して閉塞点Ｐを下流方向に移動させ輸液動作である。図１２においては、輸液方向を左方側から右方側とする。
【0088】
図１２は、輸液動作の第３例を説明する図である。第３例に係る輸液動作は、初期動作の図９（ｅ）に示した状態から自律的にスタートする。図９（ｅ）に示す工程では、第１圧電アクチュエータユニット５Ｄ，５Ｅが上死点Ｔにあり、両者がチューブ４を閉塞する。図１２（ａ）に示す工程では、第１圧アクチュータユニット５Ｅがチューブ４を解放し始めると同時にチューブ４を閉塞している第１圧電アクチュエータユニット５Ｄに固定されている第３圧電アクチュエータ３２を駆動し、ローラ３９（閉塞点Ｐ）を下流方向に移動する。閉塞点Ｐの下流側の第１圧電アクチュエータユニット５Ｅがチューブ４を解放すると、チューブ４を閉塞していたときの容積分の一部が上流側に逆流しようとする。そこで、閉塞点Ｐを輸液方向に移動させることによって逆流を阻止することが可能となり、逆流に起因する脈流の発生を抑制することが可能となる。
【0089】
図１２（ｂ）に示す工程では、第１圧電アクチュエータユニット５Ｃがチューブ４を閉塞し、第１圧電アクチュエータユニット５Ｄ，５Ｅがチューブ４を解放する。第１圧電アクチュエータユニット５Ｃは、第１圧電アクチュエータユニット５Ｄがチューブ４を解放し始めるタイミングでローラ３９（閉塞点Ｐ）を輸液方向に移動する。
【0090】
図１２（ｃ）の工程では、第１圧電アクチュエータユニット５Ｂがチューブ４を閉塞し、第１圧電アクチュエータユニット５Ｃ，５Ｄ，５Ｅがチューブ４を解放する。第１圧電アクチュエータユニット５Ｂは、第１圧電アクチュエータユニット５Ｃがチューブ４を解放し始めるタイミングでローラ３９（閉塞点Ｐ）を輸液方向に移動する。
【0091】
図１２（ｄ）に示す工程では、第１圧電アクチュエータユニット５Ａがチューブ４を閉塞し、第１圧電アクチュエータユニット５Ｂ，５Ｃ，５Ｄ，５Ｅがチューブ４を解放する。第１圧電アクチュエータユニット５Ａは、第１圧電アクチュエータユニット５Ｂがチューブ４を解放し始めるタイミングでローラ３９（閉塞点Ｐ）を輸液方向に移動する。
【0092】
図１２（ｅ）に示す工程では、第１圧電アクチュエータユニット５Ａがチューブ４を解放し始め、第１圧電アクチュエータユニット５Ｂがチューブ４を閉塞し、第１圧電アクチュエータ５Ｃがチューブ４を閉塞し始める。第１圧電アクチュエータユニット５Ｄ，５Ｅはチューブ４を解放している。閉塞点Ｐより下流の各第１圧電アクチュエータユニット５Ｃ～５Ｅは、解放状態或いは閉塞途中なのでローラ３９（閉塞点Ｐ）は移動させない。
【0093】
図１２（ｆ）に示す工程では、第１圧電アクチュエータユニット５Ａ，５Ｂがチューブ４を解放し、第１圧電アクチュエータユニット５Ｃがチューブ４を閉塞する。第１圧電アクチュエータユニット５Ｄは閉塞し始め、第１圧電アクチュエータユニット５Ｅはチューブ４を解放している状態である。閉塞点Ｐより下流の第１圧電アクチュエータユニット５Ｄ，５Ｅは、閉塞途中或いは解放しているのでローラ３９（閉塞点Ｐ）は移動させない。
【0094】
図１２（ｇ）に示す工程では、第１圧電アクチュエータユニット５Ｂ，５Ｃがチューブ４を解放し或いは解放し始め、第１圧電アクチュエータユニット５Ｄがチューブ４を閉塞する。第１圧電アクチュエータユニット５Ａはチューブ４を解放し、第１圧電アクチュエータユニットＥはチューブ４を閉塞する途中である。閉塞点Ｐより下流の各第１圧電アクチュエータユニット５Ｅは閉塞途中なのでローラ３９（閉塞点Ｐ）は移動させない。なお、図１２（ｈ）は、前述した初期動作の図９（ｅ）の輸液動作に復帰した状態を表しているので説明を省略する。
【0095】
以上説明した輸液動作の第３例は、図１２（ａ）～図１２（ｄ）に示すような閉塞点Ｐの次の下流側の第１圧電アクチュエータユニットがチューブ４を解放し始めるタイミングで閉塞点Ｐを下流方向に移動させ輸液動作である。図１２（ｅ）～図１２（ｈ）に示す輸液動作においては、閉塞点Ｐより下流側にチューブ４を解放し始める第１圧電アクチュエータユニットはないので第３圧電アクチュエータ３２は駆動しない。このように、閉塞点Ｐの下流側の第１圧電アクチュエータユニットがチューブ４を解放し始めるタイミングで第３圧電アクチュエータ３２を駆動してローラ３９（閉塞点Ｐ）を下流側に移動させることによって逆流を阻止し、逆流に起因する脈流の発生を抑制することが可能となる。
【0096】
なお、第１例、第２例及び第３例は、輸液ポンプ１の駆動方法の一例であって、どの駆動方法を採用するかは予め制御部１５に格納されているプログラムから選択することが可能である。すなわち、第１圧電アクチュエータユニット５Ａ～５Ｅの駆動タイミング、駆動ストローク及び第２圧電アクチュエータユニット６の閉塞及びオリフィスサイズ（オリフィス部の流路断面積）などを設定する。例えば、５通りの駆動方をプログラムしておき液体の種類や輸液方法に適切な駆動方法を選択することが可能である。
【0097】
以上に説明したチューブ４を解放するということは、各第１圧電アクチュエータユニットを下死点まで移動してチューブ４の流路断面積を最大にすることである。しかし、本実施の形態におけるポンプ機構４０は、第１圧電アクチュエータユニット５Ａ～５Ｅのチューブ解放を任意の中間点Ｍに制御することが可能である。すなわち、チューブ４の流路断面積を自在に設定することが可能であるから、第１圧電アクチュータユニット５Ａ～５Ｅの蠕動運動速度が同じであっても単位時間当たりの輸液量を少なくすることが可能となる。さらに、第１圧電アクチュータユニット５Ａ～５Ｅの蠕動運動速度を遅くすることを組み合わせれば微小輸液が可能となる。従来技術においては、輸液量を０．１ｍｌ／ｈ～１２００ｍｌ／ｈというような広い輸液レンジに対応するモータの回転制御は出力トルクを考慮すると困難であり、微小輸液量０．１ｍｌ／ｈというような微小輸液を実現するためには、１時間に蠕動運動を１サイクルだけ実行するというような非輸液時間が長い間歇的な輸液になる。例えば、輸液ポンプ１を医療用として使用する場合には、薬液の種類によっては連続的な微小輸液が要求されることがある。そこで、中間電圧で第１圧電アクチュエータユニット５を駆動すれば、連続的な微小輸液を実現できる。
【0098】
以上説明した輸液ポンプ１は、チューブ４に沿って輸液方向に配列され、それぞれが独立してチューブ４の閉塞及び解放を順次繰り返して輸液する複数の第１圧電アクチュータユニット５と、第１圧電アクチェータユニット５よりも下流側に配置され、チューブ４を閉塞又はチューブ４の流路にオリフィスを形成する第２圧電アクチュエータユニット６と、を有している。
【0099】
第１圧電アクチュエータユニット５及び第２圧電アクチュエータユニット６は、印加電圧によって圧電素子３６の伸縮量を自在に制御することが可能である。第１圧電アクチュエータユニット５の駆動ストローク（変位部５８，５９の変位量）を大きくし、チューブ４の閉塞及び解放の繰り返し速度（蠕動運動速度）を上げれば輸液量を増加させることが可能となる。また、印加電圧を最大ストロークの際の印加電圧に対して中間電圧にすれば駆動ストロークを小さく、すなわちチューブ４の解放量を小さくし、閉塞及び解放の繰り返し速度を下げれば微小輸液量とすることができる。従って、輸液ポンプ１は、第１圧電アクチュエータ３０及び第２圧電アクチュエータ３１の総駆動ストロークの範囲内であれば自在に輸液量を制御することが可能となる。
【0100】
第２圧電アクチュエータユニット６はチューブ４の流路にオリフィスを形成して流路断面積を任意に変更できることから、第１圧電アクチュエータユニット５の駆動ストローク及び蠕動運動速度を組み合わせて所望の輸液量に調整することが可能となる。また、下流側の流路にオリフィスを形成すれば、最下流側の第１圧電アクチュエータユニット５Ａがチューブを解放した際のチューブの解放部が負圧になることで発生する逆流に起因する脈流を抑制することが可能となる。脈流を抑制すれば、輸液量に変動がない安定的な輸液が可能となる。また、第２圧電アクチュエータユニット６によってチューブ４を閉塞すれば、第１圧電アクチュエータユニット５がチューブ４を解放する際に意図しない輸液を停止できる。さらに、第１圧電アクチュエータユニット５及び第２圧電アクチュエータユニット６は、駆動源を圧電素子３６とすることによって、ＤＣモータ、ＡＣモータなどとは異なり非磁性材料で構成することが可能である。
【0101】
従って、輸液ポンプ１は、大量輸液から微小輸液まで自在に切換えることが可能であり、かつ脈流の発生を抑えることが可能であり、さらに、ＭＲＩ装置の近くでも使用可能となる。
【0102】
第１圧電アクチュエータユニット５は、チューブ４に向かってチューブ押圧部材であるローラ３９を進退させる第１圧電アクチュエータ３０と、チューブ４を挟んで第１圧電アクチュエータ３０に対向して配列されてチューブ４に向かってチューブ押圧ブロック４１を進退させる第２圧電アクチュエータ３１と、を有している。
【0103】
前述した従来技術のカムによるフィンガーの蠕動運動に比べて圧電素子３６自体の伸縮量は小さい。そこで、チューブ４を閉塞する際に第１圧電アクチュエータ３０と第２圧電アクチュエータ３１とを駆動しチューブ４を挟むように押圧すれば、第１圧電アクチュエータ３０が１個のとの駆動ストロークに対して両者の駆動ストロークの和の駆動ストロークが得られる。すなわち、チューブ４を解放する際の流路断面積を大きくすることが可能となる。従って、第１圧電アクチュエータ３０及び第２圧電アクチュエータ３１の総駆動ストロークの範囲内で大量輸液から微小量輸液を実現できる。
【0104】
また、第１圧電アクチュエータユニット５には、複数の第１圧電アクチュエータ３０各々の変位方向端部に第１圧電アクチュエータ３０の変位方向に対して直交する方向に変位する変位部５８，５９を有する第３圧電アクチュエータ３２が固定されている。変位部５９にはチューブ押圧部材であるローラ３９が固定されており、第３圧電アクチュエータ３２はローラ３９の一つがチューブ４を閉塞し、かつ閉塞点Ｐよりも下流側の第１圧電アクチュータユニットがチューブ４を解放し始めると同時に、ローラ３９（閉塞点Ｐ）を輸液方向に移動させるように制御される。
【0105】
第１圧電アクチュエータ３０の変位部５８，５９の変位方向はチューブ５に垂直な方向であり、第３圧電アクチュエータ３２の変位部５８，５９の変位方向はチューブ４の延長方向、つまり輸液方向である。第１圧電アクチェータ３０は、第３圧電アクチュータ３２を介してチローラ３９によってチューブ４を押圧する。チューブ４の閉塞点Ｐより下流側の第１圧電アクチュータユニットがチューブ４を解放し始めると同時に、第３圧電アクチュエータ３２を駆動してローラ３９の閉塞点Ｐを下流側に移動させる。このようにすれば、チューブ４を解放する際のチューブ４の容積増加分を補えることから下流側からの逆流を阻止して逆流に起因する脈流を抑制することが可能となる。
【0106】
また、第１圧電アクチュエータユニット５Ａ～５Ｅのうち、最下流に配置される第１圧電アクチュエータユニットがチューブ４を解放するときの加速度は、上流側の第１圧電アクチュエータユニットがチューブ４を閉塞するときの加速度よりも大きい。
【0107】
圧電素子３６を駆動源とする第１圧電アクチュエータ３０及び第２圧電アクチュエータ３１は、チューブ４を閉塞又は解放するときの加速度は１ストロークの内の印加電圧の変化率によって制御することができる。そこで、最下流に配置される第１圧電アクチュエータユニット５Ｅがチューブ４を解放するときの加速度を、上流側の第１圧電アクチュエータユニット５Ａ～５Ｄがチューブ４を閉塞するときの加速度よりも大きくすれば、上流側からの輸液圧力が下流側からの逆流圧力よりも高くなり下流側からの逆流を阻止できる。このため逆流に起因する脈流を抑制することが可能となる。
【0108】
また、第１圧電アクチュエータ３０、第２圧電アクチュエータ３１及び第３圧電アクチュエータ３２は、電圧を印加することによって伸長する積層型の圧電素子３６と、圧電素子３６が伸長する際に伸長方向に対して垂直方向、かつ圧電素子３６から離れる方向に伸長量を拡大する第１変位拡大機構３７とを有している。第１変位拡大機構３７は、圧電素子３６の伸縮方向両端部を固定する固定部５５，５５、固定部５５，５５の両側から圧電素子３６の表面３６ａ及び裏面３６ｂの両面側に延在する梁部５６，５７及び梁部５６，５７の長さ方向中央部に設けられて圧電素子３６の伸縮動作に連動して伸縮方向に対して垂直方向に移動する変位部５８，５９を有している。
【0109】
積層型の圧電素子３６は印加電圧によって伸縮量を高精度に制御することが可能であるが、前述したように圧電素子３６自体の伸縮量は小さい。そこで、第１変位拡大機構３７によって圧電素子３６の変位量を拡大することによってチューブ４の閉塞から解放に係る駆動ストロークを確保することが可能となる。変位部５８，５９は、圧電素子３６の表裏両面側に配置されるので圧電素子３６に対して２方向に移動することになることから、変位部５８を固定端とすれば変位部５９の変位量は片側だけに対して２倍となる。そして、第１圧電アクチュエータ３０と第２圧電アクチュエータ３１との２方向からチューブ４を閉塞したり解放したりすることから総ストロークは４倍にすることが可能となる。従って、この総ストロークの範囲内であれば、大量輸液から微小輸液を実現することが可能となる。
【0110】
また、第３圧電アクチュエータ３２は、チューブ押圧部材としてチューブ４側の先端部にチューブ４を押圧して輸液方向に移動する際に転動するローラ３９を有している。第３圧電アクチュエータに固定されるチューブ押圧部材は、閉塞点を移動しつつチューブをしごくように輸液する。この際、ローラ３９が転動することによってチューブ４に損傷を与えることを最小限に抑え耐久性を高めることが可能となる。
【0111】
第２圧電アクチェータユニット６は、チューブ４に向かってチューブ押圧部４８を進退させる第４圧電アクチュエータ３４と、チューブ４を挟んで第４圧電アクチュエータに対向して配列されて第４圧電アクチュエータ３４に同期してチューブ４に向かってチューブ押圧部４９を進退させる第５圧電アクチュエータ４５とを有している。
【0112】
前述した従来技術のカムによるフィンガーの蠕動運動に比べて圧電素子自体の駆動ストロークは小さい。そこで、チューブ４を閉塞する際に第４圧電アクチュエータ４４と第５圧電アクチュエータ４５とをチューブ４を挟み込むように押圧すれば、第４圧電アクチュエータ４４が１個のときの駆動ストロークに対して両者の駆動ストロークの和の駆動ストロークが得られる。言い換えれば、チューブ４を解放する際の流路断面積を大きくすることが可能となる。従って、第４圧電アクチュエータ４４と第５圧電アクチュエータ４５との駆動ストロークの和の範囲内で大量輸液から微小輸液を実現することが可能となる。
【0113】
また、第４圧電アクチュエータ４４及び４５第５圧電アクチュエータは、電圧を印加することによって伸長する積層型の圧電素子３６と、圧電素子３６が縮小する際に縮小方向に対して垂直、かつ圧電素子から離れる方向に縮小量を拡大する第２変位拡大機構４６と、を有し、第２変位拡大機構４６は、圧電素子３６の伸縮方向両端部を固定する固定部６３，６３、固定部両側から圧電素子３６の表面３６ａ、裏両３６ｂの両面側に延在する梁部６４，６５及び梁部６４，６５の長さ方向中央部に設けられて圧電素子の伸縮に連動して移動する変位部６６，６７を有している。
【0114】
積層型の圧電素子３６は印加電圧によって伸縮量を高精度に制御することが可能であるが、圧電素子６３自体の伸縮量（伸長量）は小さい。そこで、第２変位拡大機構４６によって圧電素子３６の変位量を拡大することによってチューブ４の閉塞及び解放に係る所定の駆動ストロークを確保することが可能となる。変位部６６，６７は、圧電素子３６の表裏両面側に配置されるので圧電素子３６に対して２方向に移動することになることから、一方の変位部を固定端とすれば他方の変位部の変位量は片側だけに対して２倍となる。そして、第４圧電アクチュエータ４４と第２圧電アクチュエータ４５との２方向からチューブ４を閉塞したり解放したりすることから総ストロークは４倍にすることが可能となる。従って、この総ストロークの範囲内であれば、大量輸液から微小輸液を実現することが可能となる。
【0115】
また、第１変位拡大機構３７及び第２変位拡大機構４６は、非磁性の薄板材料によって一体で成形される。実施の形態で例示した炭素繊維強化樹脂は、炭素繊維を樹脂含浸したものであり軽量で弾性を有し機械的強度が高いことから圧電素子３６の伸縮に対する応答性が高く非磁性である。従って、炭素繊維強化樹脂で第１変位拡大機構３７及び第２変位拡大機構４６を形成すれば、第１圧電アクチュエータユニット５及び第２圧電アクチュエータユニット６を非磁性材料で構成することができ、ＭＲＩ装置室内やＭＲＩ装置の近くにおいても輸液ポンプ１を使用することが可能となる。
【0116】
輸液ポンプ１においては、第２圧電アクチュエータユニット６の下流側に単位時間当たりの輸液量を測定する流量センサ１０をさらに有し、流量センサ１０は、測定結果に基づき複数の第１圧電アクチュエータユニット５それぞれの閉塞及び解放の速度並びに駆動ストロークを制御し、かつ第２圧電アクチュエータ６の駆動ストロークを制御するフィードバック手段を有している。
【0117】
前述したように、第１圧電アクチュエータユニット５は、蠕動運動の速度及び駆動ストローク（チューブ４の解放量）を制御することによって輸液量を自在に調整することが可能である。一方、第２圧電アクチュエータ６は流路断面積を切り換えることによって第１圧電アクチュエータユニット５の駆動と協働して輸液量を調整することが可能となる。そこで、流量センサ１０によって実際の単位時間当たりの輸液量を測定し、この測定結果に基づき第１圧電アクチュエータユニット５及び第２圧電アクチュエータユニットを制御することによって所望の輸液量を高精度に管理することが可能となる。なお、圧電素子３６は応答性が高く、フィードバックデータ対して即応することできる。
【0118】
輸液ポンプ１は、第１圧電アクチュエータユニット５より上流側に配置される気泡センサ７、第２圧電アクチュエータユニット６と流量センサ１０の間に配設される閉塞センサ８及びフリーフロー防止クランプ９をさらに有し、気泡センサ７、閉塞センサ８、フリーフロー防止クランプ９及び流量センサ１０は、非磁性材料で構成される。
【0119】
気泡センサ７は、チューブ４内に規定以上の気泡が発生したことを検知した場合に警報を出す。閉塞センサ８は、稼働時にチューブ４が閉塞したことを検知して警報を出したり、稼働停止させたりする。また、フリーフロー防止クランプ９は、稼働停止時（故障や電源の電圧低下などを含む）に制御されない輸液を防止することができる。また、気泡センサ７、閉塞センサ８及びフリーフロー防止クランプ９は、した第１圧電アクチュエータユニット５及び第２圧電アクチュエータユニット６と共に非磁性としていることからＭＲＩ室内やＭＲＩ装置の近くで使用することが可能となる。
【符号の説明】
【0120】
１…輸液ポンプ、４…チューブ、５，５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄ，５Ｅ…第１圧電アクチュエータユニット、６…第２圧電アクチュエータユニット、７…気泡センサ、８…閉塞センサ、９…フリーフロー防止クランプ、１０…流量センサ、１５…制御部（フィードバック手段）、３０…第１圧電アクチュエータ、３１…第２圧電アクチュエータ、３２…第３圧電アクチュエータ、３４…第４圧電アクチュエータ、３５…第５圧電アクチュエータ、３６…圧電素子、３６ａ…表面、３６ｂ…裏面、３７…第１変位拡大機構、３９…ローラ、４０…ポンプ機構、４１…チューブ押圧ブロック、４３…ベース部フレーム、４４…第４圧電アクチュエータ、４５…第５圧電アクチュエータ、４６…第２変位拡大機構、４８，４９…チューブ押圧部、５５，６３…固定部、５６，５７，６４，６５…梁部、５８，５９，６４，６５…変位部、Ｐ…閉塞点
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
