(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
隔壁で仕切られた第１および第２の室を含むハウジングと、前記第１の室内において前記隔壁に沿って回転可能に設けられ、回転時の遠心力によって液体を送るインペラと、前記第２の室内に設けられ、前記隔壁を介して前記インペラを回転駆動させる駆動部とを備えた遠心式ポンプ装置であって、
前記インペラの一方面に設けられた第１の磁性体と、
前記インペラの一方面に対向する前記第１の室の内壁に設けられ、前記第１の磁性体を吸引する第２の磁性体と、
前記インペラの他方面に設けられて前記インペラの回転方向に配列され、前記駆動部によって吸引される複数の第３の磁性体とを備え、
前記駆動部は、
前記複数の第３の磁性体に対向して設けられ、回転磁界を生成するための複数のコイルと、
それぞれ前記複数のコイルに対応して設けられ、各々が対応のコイルに挿入された複数の第４の磁性体とを含み、
前記インペラの中心軸方向において各第４の磁性体は対応のコイルよりも短く、
前記インペラの回転中において、前記第１および第２の磁性体間の第１の吸引力と前記複数の第３の磁性体および前記複数の第４の磁性体間の第２の吸引力とは、前記第１の室内における前記インペラの可動範囲の略中央で釣り合い、
前記インペラの一方面またはそれに対向する前記第１の室の内壁に第１の動圧溝が形成され、前記インペラの他方面またはそれに対向する前記隔壁に第２の動圧溝が形成されている、遠心式ポンプ装置。
【請求項２】
前記駆動部は、さらに、円板状の第５の磁性体を含み、
前記複数のコイルは前記隔壁と前記第５の磁性体との間に設けられ、
前記複数の第４の磁性体は前記第５の磁性体に接合されている、請求項１に記載の遠心式ポンプ装置。
【請求項３】
各隣接する２つの第４の磁性体の互いに対向する面は略平行に設けられている、請求項１または請求項２に記載の遠心式ポンプ装置。
【請求項４】
各第４の磁性体は円柱状に形成されている、請求項１または請求項２に記載の遠心式ポンプ装置。
【請求項５】
各第４の磁性体は、前記インペラの回転方向に積層された複数の鋼板を含む、請求項１から請求項４までのいずれかに記載の遠心式ポンプ装置。
【請求項６】
各第４の磁性体は、前記インペラの径方向に積層された複数の鋼板を含む、請求項１から請求項４までのいずれかに記載の遠心式ポンプ装置。
【請求項７】
各第４の磁性体は、純鉄、軟鉄または珪素鉄で形成されている、請求項１から請求項４までのいずれかに記載の遠心式ポンプ装置。
【請求項８】
各第４の磁性体は、純鉄、軟鉄または珪素鉄の粉末で形成されている、請求項１から請求項４までのいずれかに記載の遠心式ポンプ装置。
【請求項９】
各第４の磁性体は、中心線の周りに複数回巻回された帯状の磁性鋼板を含む、請求項１から請求項４までのいずれかに記載の遠心式ポンプ装置。
【請求項１０】
隔壁で仕切られた第１および第２の室を含むハウジングと、前記第１の室内において前記隔壁に沿って回転可能に設けられ、回転時の遠心力によって液体を送るインペラと、前記第２の室内に設けられ、前記隔壁を介して前記インペラを回転駆動させる駆動部とを備えた遠心式ポンプ装置であって、
前記インペラに設けられて前記インペラの回転方向に配列され、前記駆動部によって吸引される複数の第１の磁性体を備え、
前記駆動部は、
前記複数の第１の磁性体に対向して設けられ、回転磁界を生成するための複数のコイルと、
それぞれ前記複数のコイルに対応して設けられ、各々が対応のコイルに挿入された複数の第２の磁性体とを含み、
前記インペラの中心軸方向において各第２の磁性体は対応のコイルよりも短く、
前記インペラの一方面またはそれに対向する前記第１の室の内壁に第１の動圧溝が形成され、前記インペラの他方面またはそれに対向する前記隔壁に第２の動圧溝が形成され、
前記インペラの回転中において、第１の動圧溝によって発生する定格回転時の動圧力と前記複数の第１の磁性体および前記複数の第２の磁性体間の吸引力との和の力と、第２の動圧溝によって発生する定格回転時の動圧力とは、前記第１の室内における前記インペラの可動範囲の略中央で釣り合う、遠心式ポンプ装置。
【請求項１１】
前記駆動部は、さらに、円板状の第３の磁性体を含み、
前記複数のコイルは前記隔壁と前記第３の磁性体との間に設けられ、
前記複数の第２の磁性体は前記第３の磁性体に接合されている、請求項１０に記載の遠心式ポンプ装置。
【請求項１２】
前記インペラの外周面またはそれに対向する前記第１の室の内周面に第３の動圧溝が形成されている、請求項１から請求項１１までのいずれかに記載の遠心式ポンプ装置。
【請求項１３】
第１および第２の隔壁とそれらの間の液体室を含むハウジングと、前記液体室内において前記第１および第２の隔壁に沿って回転可能に設けられ、回転時の遠心力によって液体を送るインペラと、前記液体室外に設けられ、それぞれ前記第１および第２の隔壁を介して前記インペラを回転駆動させる第１および第２の駆動部とを備えた遠心式ポンプ装置であって、
前記インペラに設けられて前記インペラの回転方向に配列され、前記第１および第２の駆動部によって吸引される複数の第１の磁性体を備え、
前記第１および第２の駆動部の各々は、
前記複数の第１の磁性体に対向して設けられ、回転磁界を生成するための複数のコイルと、
それぞれ前記複数のコイルに対応して設けられ、各々が対応のコイルに挿入された複数の第２の磁性体とを含み、
前記インペラの中心軸方向において各第２の磁性体は対応のコイルよりも短く、
前記インペラの回転中において、前記複数の第１の磁性体および前記第１の駆動部の前記複数の第２の磁性体間の第１の吸引力と前記複数の第１の磁性体および前記第２の駆動部の前記複数の第２の磁性体間の第２の吸引力とは、前記液体室内における前記インペラの可動範囲の略中央で釣り合い、
前記インペラの一方面またはそれに対向する前記第１の隔壁に第１の動圧溝が形成され、前記インペラの他方面またはそれに対向する前記第２の隔壁に第２の動圧溝が形成されている、遠心式ポンプ装置。
【請求項１４】
前記第１および第２の駆動部の各々は、さらに、円板状の第３の磁性体を含み、
前記第１の駆動部の前記複数のコイルは、前記第１の隔壁と前記第１の駆動部の前記第３の磁性体との間に設けられ、
前記第２の駆動部の前記複数のコイルは、前記第２の隔壁と前記第２の駆動部の前記第３の磁性体との間に設けられ、
前記第１および第２の駆動部の各々において前記複数の第２の磁性体は前記第３の磁性体に接合されている、請求項１３に記載の遠心式ポンプ装置。
【請求項１５】
前記インペラの外周面またはそれに対向する前記液体室の内周面に第３の動圧溝が形成されている、請求項１３または請求項１４に記載の遠心式ポンプ装置。
【請求項１６】
前記液体は血液であり、
前記遠心式ポンプ装置は前記血液を循環させるために使用される、請求項１から請求項１５までのいずれかに記載の遠心式ポンプ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は遠心式ポンプ装置に関し、特に、回転時の遠心力によって液体を送るインペラを備えた遠心式ポンプ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、隔壁によってモータ駆動室とロータ室とに分離した構造のキャンドモータが多く用いられている。このようなモータは、たとえば、粉塵をきらう環境下で使用される半導体製造ラインの純水輸送用ポンプや、生体液を輸送するポンプに使用されている。生体液を輸送するポンプとしては、血液室内のインペラに直接トルクを伝達するダイレクト駆動モータを用いた遠心式血液ポンプ装置がある。この遠心式血液ポンプ装置は、外部と血液室との物理的な連通を排除することができ、細菌などの血液への侵入を防止することができるので、人工心臓として用いられる。人工心臓はバッテリからの電力によって駆動されるので、モータの効率向上は大変重要である。
【０００３】
特許文献１の遠心式血液ポンプは、第１および第２の隔壁によって仕切られた第１〜第３の室を含むハウジングと、第２の室（血液室）内に回転可能に設けられたインペラと、インペラの一方面に設けられた磁性体と、インペラの一方面に対向して第１の室内に設けられた電磁石と、インペラの他方面に設けられた永久磁石と、第３の室内に設けられたロータおよびモータと、インペラの他方面に対向してロータに設けられた永久磁石とを備える。インペラの他方面に対向する第２の隔壁の表面には、動圧溝が形成されている。電磁石からインペラの一方面に作用する吸引力と、ロータの永久磁石からインペラの他方面に作用する吸引力と、動圧溝の動圧軸受効果により、インペラは第２の室の内壁から離れ、非接触状態で回転する。
【０００４】
また、特許文献２の遠心式血液ポンプは、第１および第２の隔壁によって仕切られた第１〜第３の室を含むハウジングと、第２の室（血液室）内に回転可能に設けられたインペラと、インペラの一方面に設けられた磁性体と、インペラの一方面に対向して第１の室内に設けられた第１の永久磁石と、インペラの他方面に設けられた第２の永久磁石と、第３の室内に設けられたロータおよびモータと、インペラの他方面に対向してロータに設けられた第３の永久磁石とを備える。インペラの一方面に対向する第１の隔壁の表面には第１の動圧溝が形成され、インペラの他方面に対向する第２の隔壁の表面には第２の動圧溝が形成されている。第１の永久磁石からインペラの一方面に作用する吸引力と、ロータの第３の永久磁石からインペラの他方面に作用する吸引力と、第１および第２の動圧溝の動圧軸受効果により、インペラは第２の室の内壁から離れ、非接触状態で回転する。
【０００５】
また、特許文献３の図８および図９のターボ形ポンプは、ハウジングと、ハウジング内に回転可能に設けられたインペラと、インペラの一方面に設けられた第１の永久磁石と、ハウジングの外部に設けられたロータと、インペラの一方面に対向してロータに設けられた第２の永久磁石と、インペラの他方面に設けられた第３の永久磁石と、インペラの他方面に対向してハウジングに設けられた磁性体とを備えている。また、インペラの一方面には第１の動圧溝が形成され、インペラの他方面には第２の動圧溝が形成されている。ロータの第２の永久磁石からインペラの一方面に作用する吸引力と、ハウジングの磁性体からインペラの他方面に作用する吸引力と、第１および第２の動圧溝の動圧軸受効果により、インペラはハウジングの内壁から離れ、非接触状態で回転する。
【０００６】
さらに、特許文献４のクリーンポンプは、ケーシングと、ケーシング内に回転可能に設けられたインペラと、インペラの一方面に設けられた第１の永久磁石と、ケーシングの外部に設けられたロータと、インペラの一方面に対向してロータに設けられた第２の永久磁石と、インペラの他方面に設けられた磁性体と、インペラの他方面に対向してハウジング外に設けられた電磁石とを備えている。また、インペラの一方面には動圧溝が形成されている。インペラの回転数が所定の回転数よりも低い場合は電磁石を作動させ、インペラの回転数が所定の回転数を超えた場合は電磁石への通電を停止する。ロータの第２の永久磁石からインペラの一方面に作用する吸引力と、動圧溝の動圧軸受効果により、インペラはハウジングの内壁から離れ、非接触状態で回転する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平２００４−２０９２４０号公報
【特許文献２】特開平２００６−１６７１７３号公報
【特許文献３】特開平４−９１３９６号公報
【特許文献４】実開平６−５３７９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、ステータとロータ間に隔壁を設けたキャンドモータでは、ステータとロータ間の隙間が大きくなるため、高トルク化や高効率化が難しいという課題がある。特に、小型モータの場合、寸法の制約などにより設計自由度が低く、局所的な磁気飽和の影響を受け易いため高効率化が難しい。そのため高効率化のために磁路には珪素鋼板の積層構造を用いて鉄損の低減を図っている。さらにコアの形状の工夫によってコイルの占積率を向上させることで効率向上を図ることができる。
【０００９】
また、上記特許文献１〜４のポンプは、インペラとハウジングの対向部に形成された動圧溝によってインペラのアキシアル方向の支持を行ない、インペラに設けられた永久磁石とハウジング外に設けられた永久磁石との吸引力によってインペラのラジアル方向の支持を行なっている点で共通する。
【００１０】
動圧溝の支持剛性は、インペラの回転数に比例する。したがって、ポンプに外乱が印加された状態でも、インペラがハウジングに接触することなく安定して回転するためには、ポンプの常用回転数域を上げてインペラのアキシアル方向の剛性を高める必要がある。しかし、上記特許文献１〜４のポンプでは、ラジアル方向を永久磁石の吸引力を利用して支持しているので、その支持剛性は低く、インペラを高速に回転させることができないという問題がある。
【００１１】
このラジアル方向の剛性を高める方法としては、インペラ内の永久磁石とハウジングの外部に配した永久磁石もしくは固定子との吸引力を強める方法がある。しかし、その吸引力を強めると、インペラのアキシアル方向への負の剛性値が大きくなり（すなわち、インペラがアキシアル方向に動けば、動いただけその吸引力が大きくなり）、動圧によるインペラの支持性能およびインペラ−ハウジング間に作用する吸引力が大きくなり、インペラのスムーズな回転駆動が難しくなるという問題がある。
【００１２】
また、インペラのアキシアル方向への負の剛性値が動圧による正の剛性より大きい場合は安定回転ができないという問題も生じる。ラジアル方向を永久磁石による受動型磁気軸受で支持する場合は、ラジアル方向の剛性はアキシアル方向の負の剛性値によって決定される。よって、安定回転を実現するための条件ではラジアル方向の剛性を向上させることが難しく、インペラをハウジングに接触することなく回転させるためにはインペラ質量を増加させてはならない。
【００１３】
特に、特許文献２の図３９で示されるように、インペラを外部のモータコイルとインペラに配した永久磁石の磁気的相互作用で回転させる場合は、特許文献２の図３に示されるようなインペラを永久磁石間の磁気カップリングで回転駆動させる場合に比べて起動トルクが小さいので、インペラのスムーズな回転駆動が難しい。これは、本遠心式血液ポンプが、第１および第２の隔壁によって仕切られた第１〜第３の室を含むハウジングに対し、第２の室（血液室）内に回転可能に設けられたインペラを、モータによって回転させるキャンドモータ構造となり、モータギャップが広いためである。よって起動トルクを発生させるために大きな電流を必要とする。モータ効率を改善することは起動時の電流低減や定格回転時の消費電力低減に必要であり、特にバッテリ駆動の場合には大変重要である。
【００１４】
ここで、更なるモータの小型化を図る場合、可能な限りモータギャップを縮めトルク定数を上げる方法もある。しかし、本ポンプの構造で小型化を図る場合、モータギャップを縮めることによるアキシアル吸引力の増加と負の剛性値の増加は、インペラの安定回転を困難にする。さらにポンプの小型化によって動圧軸受面積が小さくなり、発生動圧力(正の剛性)は極めて小さくなるため、本ポンプ構造は小型化するほど、アキシアル方向の吸引力と負の剛性値とを下げなければならない。
【００１５】
つまり、本ポンプを小型化する場合、必要なモータトルクを確保しつつ、かつアキシアル方向の吸引力と負の剛性値を下げることの両立が困難であった。
【００１６】
それゆえに、この発明の主たる目的は、必要なモータトルクを確保し、アキシアル吸引力を下げることが可能な小型の遠心式ポンプを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
この発明に係る遠心式ポンプは、隔壁で仕切られた第１および第２の室を含むハウジングと、第１の室内において隔壁に沿って回転可能に設けられ、回転時の遠心力によって液体を送るインペラと、第２の室内に設けられ、隔壁を介してインペラを回転駆動させる駆動部とを備えた遠心式ポンプ装置であって、インペラの一方面に設けられた第１の磁性体と、インペラの一方面に対向する第１の室の内壁に設けられ、第１の磁性体を吸引する第２の磁性体と、インペラの他方面に設けられてインペラの回転方向に配列され、駆動部によって吸引される複数の第３の磁性体とを備えたものである。駆動部は、複数の第３の磁性体に対向して設けられ、回転磁界を生成するための複数のコイルと、それぞれ複数のコイルに対応して設けられ、各々が対応のコイルに挿入された複数の第４の磁性体とを含み、インペラの中心軸方向において各第４の磁性体は対応のコイルよりも短い。インペラの回転中において、第１および第２の磁性体間の第１の吸引力と複数の第３の磁性体および複数の第４の磁性体間の第２の吸引力とは、第１の室内におけるインペラの可動範囲の略中央で釣り合う。インペラの一方面またはそれに対向する第１の室の内壁に第１の動圧溝が形成され、インペラの他方面またはそれに対向する隔壁に第２の動圧溝が形成されている。
【００１８】
したがって、駆動部の第４の磁性体とインペラの第３の磁性体との磁気的結合によって得られる回転トルクと、第４の磁性体よりも突出したコイルと第３の磁性体との磁気的結合によって得られる回転トルクとにより、インペラを高速で回転させることができ、また、ポンプサイズを小型化しながら、必要な回転トルクを発生することができる。
【００１９】
また、第４の磁性体をコイルよりも短くしたので、第３および第４の磁性体間のギャップを大きく設定し、第３および第４の磁性体間の吸引力を下げることができる。したがって、必要トルクを満足しつつ、アキシアル方向の吸引力および負の剛性を下げることができる。
【００２０】
好ましくは、駆動部は、さらに、円板状の第５の磁性体を含む。複数のコイルは隔壁と第５の磁性体との間に設けられ、複数の第４の磁性体は第５の磁性体に接合されている。
【００２１】
また好ましくは、各隣接する２つの第４の磁性体の互いに対向する面は略平行に設けられている。この場合は、コイル用の大きなスペースを確保することができ、コイルの巻数を大きくすることができる。また、コイルの径方向長さを大きくすることができるため、ローレンツ力を大きくすることができる。
【００２２】
また好ましくは、各第４の磁性体は円柱状に形成されている。この場合は、コイル用の大きなスペースを確保することができ、コイルの巻数を大きくすることができる。したがって、モータコイルで発生する銅損を軽減することができ、インペラの回転駆動におけるエネルギ効率を高めることができる。
【００２３】
また好ましくは、各第４の磁性体は、インペラの回転方向に積層された複数の鋼板を含む。この場合は、第４の磁性体内で発生する渦電流損失を軽減することができ、インペラの回転駆動におけるエネルギ効率を高めることができる。
【００２４】
また好ましくは、各第４の磁性体は、インペラの径方向に積層された複数の鋼板を含む。この場合は、第４の磁性体内で発生する渦電流損失を軽減することができ、インペラの回転駆動におけるエネルギ効率を高めることができる。
【００２５】
また好ましくは、各第４の磁性体は、純鉄、軟鉄または珪素鉄で形成されている。この場合は、第４の磁性体内の鉄損を軽減することができ、インペラの回転駆動におけるエネルギ効率を高めることができる。
【００２６】
また好ましくは、各第４の磁性体は、純鉄、軟鉄または珪素鉄の粉末で形成されている。この場合は、第４の磁性体内の鉄損をさらに軽減することができ、インペラの回転駆動におけるエネルギ効率を高めることができる。
【００２７】
また好ましくは、各第４の磁性体は、中心線の周りに複数回巻回された帯状の磁性鋼板を含む。この場合は、第４の磁性体内の鉄損を軽減することができ、インペラの回転駆動におけるエネルギ効率を高めることができる。
【００２８】
また、この発明に係る他の遠心式ポンプは、隔壁で仕切られた第１および第２の室を含むハウジングと、第１の室内において隔壁に沿って回転可能に設けられ、回転時の遠心力によって液体を送るインペラと、第２の室内に設けられ、隔壁を介してインペラを回転駆動させる駆動部とを備えた遠心式ポンプ装置であって、インペラに設けられてインペラの回転方向に配列され、駆動部によって吸引される複数の第１の磁性体を備えたものである。駆動部は、複数の第１の磁性体に対向して設けられ、回転磁界を生成するための複数のコイルと、それぞれ複数のコイルに対応して設けられ、各々が対応のコイルに挿入された複数の第２の磁性体とを含み、インペラの中心軸方向において各第２の磁性体は対応のコイルよりも短い。インペラの一方面またはそれに対向する第１の室の内壁に第１の動圧溝が形成され、インペラの他方面またはそれに対向する隔壁に第２の動圧溝が形成されている。インペラの回転中において、第１の動圧溝によって発生する定格回転時の動圧力と複数の第１の磁性体および複数の第２の磁性体間の吸引力との和の力と、第２の動圧溝によって発生する定格回転時の動圧力とは、第１の室内におけるインペラの可動範囲の略中央で釣り合う。
【００２９】
好ましくは、駆動部は、さらに、円板状の第３の磁性体を含む。複数のコイルは隔壁と第３の磁性体との間に設けられ、複数の第２の磁性体は第３の磁性体に接合されている。
【００３０】
また好ましくは、インペラの外周面またはそれに対向する第１の室の内周面に第３の動圧溝が形成されている。
【００３１】
また、この発明に係るさらに他の遠心式ポンプ装置は、第１および第２の隔壁とそれらの間の液体室を含むハウジングと、液体室内において第１および第２の隔壁に沿って回転可能に設けられ、回転時の遠心力によって液体を送るインペラと、液体室外に設けられ、それぞれ第１および第２の隔壁を介してインペラを回転駆動させる第１および第２の駆動部とを備えた遠心式ポンプ装置であって、インペラに設けられてインペラの回転方向に配列され、第１および第２の駆動部によって吸引される複数の第１の磁性体を備えたものである。第１および第２の駆動部の各々は、複数の第１の磁性体に対向して設けられ、回転磁界を生成するための複数のコイルと、それぞれ複数のコイルに対応して設けられ、各々が対応のコイルに挿入された複数の第２の磁性体とを含み、インペラの中心軸方向において各第２の磁性体は対応のコイルよりも短い。インペラの回転中において、複数の第１の磁性体および第１の駆動部の複数の第２の磁性体間の第１の吸引力と、複数の第１の磁性体および第２の駆動部の複数の第２の磁性体間の第２の吸引力とは、液体室内におけるインペラの可動範囲の略中央で釣り合う。インペラの一方面またはそれに対向する第１の隔壁に第１の動圧溝が形成され、インペラの他方面またはそれに対向する第２の隔壁に第２の動圧溝が形成されている。
【００３２】
好ましくは、第１および第２の駆動部の各々は、さらに、円板状の第３の磁性体を含む。第１の駆動部の複数のコイルは、第１の隔壁と第１の駆動部の第３の磁性体との間に設けられる。第２の駆動部の複数のコイルは、第２の隔壁と第２の駆動部の第３の磁性体との間に設けられる。第１および第２の駆動部の各々において複数の第２の磁性体は第３の磁性体に接合されている。
【００３３】
また好ましくは、インペラの外周面またはそれに対向する液体室の内周面に第３の動圧溝が形成されている。
【００３４】
また好ましくは、液体は血液であり、遠心式ポンプ装置は血液を循環させるために使用される。この場合は、インペラがスムーズに回転起動し、インペラとハウジング間の距離が確保されるので、溶血の発生を防止することができる。
【発明の効果】
【００３５】
以上のように、この発明によれば、ポンプサイズを小型にしても、インペラを高速で回転させることができ、インペラの回転起動力を大きくすることができる。また、インペラを回転駆動させるためのトルクを維持しながら、インペラに働くアキシアル方向の吸引力を抑えることができる。また、インペラの回転駆動におけるエネルギ効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】この発明の実施の形態１による遠心式血液ポンプ装置のポンプ部の外観を示す正面図である。
【図２】図１に示したポンプ部の側面図である。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ線断面図である。
【図５】図３のＩＶ−ＩＶ線断面図からインペラを取り外した状態を示す断面図である。
【図６】図３のＶＩ−ＶＩ線断面図からインペラを取り外した状態を示す断面図である。
【図７】図３のＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図である。
【図８】図７に示した磁性体およびコイルの構成を示す図である。
【図９】図８に示したｘ／Ｌと発生トルクおよびアキシアル吸引力との関係を示す図である。
【図１０】図７に示した複数のコイルに印加する電圧を例示するタイムチャートである。
【図１１】図３に示したインペラの浮上位置を説明するための図である。
【図１２】図３に示したインペラの浮上位置を説明するための他の図である。
【図１３】図１〜図７に示したポンプ部を制御するコントローラの構成を示すブロック図である。
【図１４】図１３に示したコントローラの動作を示すタイムチャートである。
【図１５】実施の形態１の変更例を示す図である。
【図１６】実施の形態１の他の変更例を示すタイムチャートである。
【図１７】実施の形態１のさらに他の変更例を示す図である。
【図１８】実施の形態１のさらに他の変更例を示す図である。
【図１９】実施の形態１のさらに他の変更例を示す図である。
【図２０】実施の形態１のさらに他の変更例を示す図である。
【図２１】実施の形態１のさらに他の変更例を示す図である。
【図２２】実施の形態１のさらに他の変更例を示す図である。
【図２３】実施の形態１のさらに他の変更例を示す図である。
【図２４】実施の形態１のさらに他の変更例を示す図である。
【図２５】実施の形態１のさらに他の変更例を示す図である。
【図２６】実施の形態１のさらに他の変更例を示す図である。
【図２７】図２６に示した永久磁石１７，４２の極性を示す図である。
【図２８】この発明の実施の形態２による遠心式血液ポンプ装置の動圧溝を示す図である。
【図２９】図２８に示した遠心式血液ポンプ装置の他の動圧溝を示す図である。
【図３０】図２８に示した動圧溝５１，５２の深さを示す断面図である。
【図３１】インペラの浮上位置と図３０に示した動圧溝５１によって発生する動圧力との関係を示す図である。
【図３２】インペラの浮上位置と図３０に示した動圧溝５２によって発生する動圧力との関係を示す図である。
【図３３】図３１と図３２を合成した図である。
【図３４】動圧溝５２，５１（または動圧溝５４，５３）の深さの比と動圧力との関係を示す図である。
【図３５】動圧溝５２の幅と動圧溝５１の間隔（または動圧溝５４の幅と動圧溝５３の間隔）との比と動圧力との関係を示す図である。
【図３６】この発明の実施の形態３による遠心式血液ポンプ装置の動圧溝を示す図である。
【図３７】図３６に示した永久磁石の構成を示す図である。
【図３８】この発明の実施の形態４による遠心式血液ポンプ装置の構成を示す断面図である。
【図３９】図３６に示した動圧溝の構成を例示する図である。
【図４０】実施の形態４の変更例を示す図である。
【図４１】実施の形態４の他の変更例を示す図である。
【図４２】実施の形態４のさらに他の変更例を示す図である。
【図４３】実施の形態４のさらに他の変更例を示す図である。
【図４４】実施の形態４のさらに他の変更例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
[実施の形態１]
図１〜図７において、この遠心式血液ポンプ装置のポンプ部１は、非磁性材料で形成されたハウジング２を備える。ハウジング２は、円柱状の本体部３と、本体部３の一方の端面の中央に立設された円筒状の血液流入ポート４と、本体部３の外周面に設けられた円筒状の血液流出ポート５とを含む。血液流出ポート５は、本体部３の外周面の接線方向に延在している。
【００３８】
ハウジング２内には、図３に示すように、隔壁６によって仕切られた血液室７およびモータ室８が設けられている。血液室７内には、図３および図４に示すように、中央に貫通孔１０ａを有する円板状のインペラ１０が回転可能に設けられている。インペラ１０は、ドーナツ板状の２枚のシュラウド１１，１２と、２枚のシュラウド１１，１２間に形成された複数（たとえば６つ）のベーン１３とを含む。シュラウド１１は血液流入ポート４側に配置され、シュラウド１２は隔壁６側に配置される。シュラウド１１，１２およびベーン１３は、非磁性材料で形成されている。
【００３９】
２枚のシュラウド１１，１２の間には、複数のベーン１３で仕切られた複数（この場合は６つ）の血液通路１４が形成されている。血液通路１４は、図４に示すように、インペラ１０の中央の貫通孔１０ａと連通しており、インペラ１０の貫通孔１０ａを始端とし、外周縁まで徐々に幅が広がるように延びている。換言すれば、隣接する２つの血液通路１４間にベーン１３が形成されている。なお、この実施の形態１では、複数のベーン１３は等角度間隔で設けられ、かつ同じ形状に形成されている。したがって、複数の血液通路１４は等角度間隔で設けられ、かつ同じ形状に形成されている。
【００４０】
インペラ１０が回転駆動されると、血液流入ポート４から流入した血液は、遠心力によって貫通孔１０ａから血液通路１４を介してインペラ１０の外周部に送られ、血液流出ポート５から流出する。
【００４１】
また、シュラウド１１には永久磁石１５が埋設されており、シュラウド１１に対向する血液室７の内壁には、永久磁石１５を吸引する永久磁石１６が埋設されている。永久磁石１５，１６は、インペラ１０をモータ室８と反対側、換言すれば血液流入ポート４側に吸引（換言すれば、付勢）するために設けられている。
【００４２】
なお、シュラウド１１および血液室７の内壁にそれぞれ永久磁石１５，１６を設ける代わりに、シュラウド１１および血液室７の内壁の一方に永久磁石を設け、他方に磁性体を設けてもよい。また、シュラウド１１自体を永久磁石１５または磁性体で形成してもよい。また、磁性体としては軟質磁性体と硬質磁性体のいずれを使用してもよい。
【００４３】
また、永久磁石１６は、１つでもよいし、複数でもよい。永久磁石１６が１つの場合は、永久磁石１６はリング状に形成される。また、永久磁石１６が複数の場合は、複数の永久磁石１６は等角度間隔で同一の円に沿って配置される。永久磁石１５も、永久磁石１６と同様であり、１つでもよいし、複数でもよい。
【００４４】
また、図４に示すように、シュラウド１２には複数（たとえば９個）の永久磁石１７が埋設されている。複数の永久磁石１７は、隣接する磁極が互いに異なるようにして、等角度間隔で同一の円に沿って隙間を設けて配置される。換言すれば、モータ室８側にＮ極を向けた永久磁石１７と、モータ室８側にＳ極を向けた永久磁石１７とが等角度間隔で隙間を設けて同一の円に沿って交互に配置されている。
【００４５】
また、図３および図７に示すように、モータ室８内には、複数（たとえば９個）の磁性体１８が設けられている。複数の磁性体１８は、インペラ１０の複数の永久磁石１７に対向して、等角度間隔で同一の円に沿って配置される。複数の磁性体１８の基端は、円板状の１つの磁性体１９に接合されている。各磁性体１８には、コイル２０が巻回されている。インペラ１０の中心軸方向において、磁性体１８の長さはコイル２０よりも短い。すなわち図８に示すように、円板状の磁性体１９の表面を基準として磁性体１８の軸方向長さをｘとし、コイル２０の軸方向長さをＬとすると、０＜ｘ＜Ｌの関係を満たしている。
【００４６】
また図９の横軸はコイル２０の高さＬに対する磁性体１８の高さｘの比率ｘ／Ｌを示し、左側の縦軸は発生トルク（Ｎｍ）を示し、右側の縦軸はアキシアル吸引力（Ｎ）を示している。図９から分かるように、ｘ／Ｌを０から１まで増加させると、発生トルクとアキシアル吸引力は両方とも指数関数的に増加する。発生トルクの増加率はアキシアル吸引力の増加率よりも小さい。図９では、ｘ／Ｌの値がある範囲内にある場合は、発生トルクの変化量に比べて、アキシアル吸引力の変化量の方が大きいことが示されている。つまり、遠心式血液ポンプ装置では、必要となるトルクを満足しつつ、アキシアル吸引力を低くすることが重要であるが、ｘ／ＬおよびＬを最適値に設定することにより、その条件を満たすことができる。これにより、遠心式血液ポンプ装置において高効率とインペラの安定回転との両立が可能となる。
【００４７】
図７に戻って、複数の磁性体１８の周囲にはコイル２０を巻回するためのスペースが均等に確保され、各隣接する２つの磁性体１８の互いに対向する面は略平行に設けられている。このため、コイル２０用の大きなスペースを確保することができ、コイル２０の巻数を大きくすることができる。したがって、インペラ１０を回転駆動させるための大きなトルクを発生することができる。また、コイル２０で発生する銅損を軽減することができ、インペラ１０の回転駆動におけるエネルギ効率を高めることができる。また、複数の磁性体１８は円柱形状でもよい。この場合、コイル２０の周方向長さを最小にすることができ、コイル２０で発生する銅損を軽減することができ、インペラ１０の回転駆動におけるエネルギ効率を高めることができる。
【００４８】
なお、複数の磁性体１８を囲む外形面（図７では、複数の磁性体１８の外周を囲む円）は、複数の永久磁石１７を囲む外形面（図４では、複数の磁性体１８の外周を囲む円）に一致していてもよいし、複数の磁性体１８を囲む外形面が複数の永久磁石１７を囲む外形面よりも大きくてもよい。また、磁性体１８は、ポンプ１の最大定格（インペラ１０の回転駆動トルクが最大の条件）において、磁気的な飽和がないように設計することが好ましい。
【００４９】
９個のコイル２０には、たとえば１２０度通電方式で電圧が印加される。すなわち、９個のコイル２０は、３個ずつグループ化される。各グループの第１〜第３のコイル２０には、図１０に示すような電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷが印加される。第１のコイル２０には、０〜１２０度の期間に正電圧が印加され、１２０〜１８０度の期間に０Ｖが印加され、１８０〜３００度の期間に負電圧が印加され、３００〜３６０度の期間に０Ｖが印加される。したがって、第１のコイル２０が巻回された磁性体１８の先端面（インペラ１０側の端面）は、０〜１２０度の期間にＮ極になり、１８０〜３００度の期間にＳ極になる。電圧ＶＶの位相は電圧ＶＵよりも１２０度遅れており、電圧ＶＷの位相は電圧ＶＶよりも１２０度遅れている。したがって、第１〜第３のコイル２０にそれぞれ電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷを印加することにより、回転磁界を形成することができ、複数の磁性体１８とインペラ１０の複数の永久磁石１７との吸引力および反発力により、インペラ１０を回転させることができる。
【００５０】
ここで、インペラ１０が定格回転数で回転している場合は、永久磁石１５，１６間の吸引力と複数の永久磁石１７および複数の磁性体１８間の吸引力とは、血液室７内におけるインペラ１０の可動範囲の略中央付近で釣り合うようにされている。このため、インペラ１０のいかなる可動範囲においてもインペラ１０への吸引力による作用力は非常に小さい。その結果、インペラ１０の回転起動時に発生するインペラ１０とハウジング２との相対すべり時の摩擦抵抗を小さくすることができる。また、相対すべり時におけるインペラ１０とハウジング２の内壁の表面の損傷（表面の凹凸）はなく、さらに低速回転時の動圧力が小さい場合にもインペラ１０はハウジング２から浮上し易くなり、非接触の状態となる。したがって、インペラ１０とハウジング２との相対すべりによって溶血・血栓が発生したり、相対すべり時に発生したわずかな表面損傷（凹凸）によって血栓が発生することもない。
【００５１】
また、インペラ１０のシュラウド１２に対向する隔壁６の表面には複数の動圧溝２１が形成され、シュラウド１１に対向する血液室７の内壁には複数の動圧溝２２が形成されている。インペラ１０の回転数が所定の回転数を超えると、動圧溝２１，２２の各々とインペラ１０との間に動圧軸受効果が発生する。これにより、動圧溝２１，２２の各々からインペラ１０に対して抗力が発生し、インペラ１０は血液室７内で非接触状態で回転する。
【００５２】
詳しく説明すると、複数の動圧溝２１は、図５に示すように、インペラ１０のシュラウド１２に対応する大きさに形成されている。各動圧溝２１は、隔壁６の中心から若干離間した円形部分の周縁（円周）上に一端を有し、渦状に（換言すれば、湾曲して）隔壁６の外縁付近まで、幅が徐々に広がるように延びている。また、複数の動圧溝２１は略同じ形状であり、かつ略同じ間隔に配置されている。動圧溝２１は凹部であり、動圧溝２１の深さは０．００５〜０．４ｍｍ程度であることが好ましい。動圧溝２１の数は、６〜３６個程度であることが好ましい。
【００５３】
図５では、１０個の動圧溝２１がインペラ１０の中心軸に対して等角度で配置されている。動圧溝２１は、いわゆる内向スパイラル溝形状となっているので、インペラ１０が時計方向に回転すると、動圧溝２１の外径部から内径部に向けて液体の圧力が高くなる。このため、インペラ１０と隔壁６の間に反発力が発生し、これが動圧力となる。
【００５４】
なお、動圧溝２１を隔壁６に設ける代わりに、動圧溝２１をインペラ１０のシュラウド１２の表面に設けてもよい。
【００５５】
このように、インペラ１０と複数の動圧溝２１の間に形成される動圧軸受効果により、インペラ１０は隔壁６から離れ、非接触状態で回転する。このため、インペラ１０と隔壁６の間に血液流路が確保され、両者間での血液滞留およびそれに起因する血栓の発生が防止される。さらに、通常状態において、動圧溝２１が、インペラ１０と隔壁６の間において撹拌作用を発揮するので、両者間における部分的な血液滞留の発生を防止することができる。
【００５６】
また、動圧溝２１の角の部分は、少なくとも０．０５ｍｍ以上のＲを持つように丸められていることが好ましい。これにより、溶血の発生をより少なくすることができる。
【００５７】
また、複数の動圧溝２２は、図６に示すように、複数の動圧溝２１と同様、インペラ１０のシュラウド１１に対応する大きさに形成されている。各動圧溝２２は、血液室７の内壁の中心から若干離間した円形部分の周縁（円周）上に一端を有し、渦状に（換言すれば、湾曲して）血液室７の内壁の外縁付近まで、幅が徐々に広がるように延びている。また、複数の動圧溝２２は、略同じ形状であり、かつ略同じ間隔で配置されている。動圧溝２２は凹部であり、動圧溝２２の深さは０．００５〜０．４ｍｍ程度があることが好ましい。動圧溝２２の数は、６〜３６個程度であることが好ましい。図６では、１０個の動圧溝２２がインペラ１０の中心軸に対して等角度に配置されている。
【００５８】
なお、動圧溝２２は、血液室７の内壁側ではなく、インペラ１０のシュラウド１１の表面に設けてもよい。また、動圧溝２２の角となる部分は、少なくとも０．０５ｍｍ以上のＲを持つように丸められていることが好ましい。これにより、溶血の発生をより少なくすることができる。
【００５９】
このように、インペラ１０と複数の動圧溝２２の間に形成される動圧軸受効果により、インペラ１０は血液室７の内壁から離れ、非接触状態で回転する。また、ポンプ部１が外的衝撃を受けたときや、動圧溝２１による動圧力が過剰となったときに、インペラ１０の血液室７の内壁への密着を防止することができる。動圧溝２１によって発生する動圧力と動圧溝２２によって発生する動圧力は異なるものとなっていてもよい。
【００６０】
インペラ１０のシュラウド１２と隔壁６との隙間と、インペラ１０のシュラウド１１と血液室７の内壁との隙間とが略同じ状態でインペラ１０が回転することが好ましい。インペラ１０に作用する流体力などの外乱が大きく、一方の隙間が狭くなる場合には、その狭くなる側の動圧溝による動圧力を他方の動圧溝による動圧力よりも大きくし、両隙間を略同じにするため、動圧溝２１と２２の形状を異ならせることが好ましい。
【００６１】
なお、図５および図６では、動圧溝２１，２２の各々を内向スパイラル溝形状としたが、他の形状の動圧溝２１，２２を使用することも可能である。ただし、血液を循環させる場合は、血液をスムーズに流すことが可能な内向スパイラル溝形状の動圧溝２１，２２を採用することが好ましい。
【００６２】
図１１は、永久磁石１５，１６間の吸引力Ｆ１と永久磁石１７および磁性体１８間の吸引力Ｆ２との合力の大きさが、インペラ１０の血液室７内の可動範囲の中央位置以外の位置Ｐ１でゼロとなるように調整した場合にインペラ１０に作用する力を示す図である。ただし、インペラ１０の回転数は定格値に保たれている。
【００６３】
すなわち、永久磁石１５，１６間の吸引力Ｆ１が永久磁石１７および磁性体１８間の吸引力Ｆ２よりも小さく設定され、それらの合力がゼロとなるインペラ１０の浮上位置はインペラ可動範囲の中間よりも隔壁６側にあるものとする。動圧溝２１，２２の形状は同じである。
【００６４】
図１１の横軸はインペラ１０の位置（図中の左側が隔壁６側）を示し、縦軸はインペラ１０に対する作用力を示している。インペラ１０への作用力が隔壁６側に働くとき、その作用力をマイナスとしている。インペラ１０に対する作用力としては、永久磁石１５，１６間の吸引力Ｆ１と、永久磁石１７および磁性体１８間の吸引力Ｆ２と、動圧溝２１の動圧力Ｆ３と、動圧溝２２の動圧力Ｆ４と、それらの合力である「インペラに作用する正味の力Ｆ５」を示した。
【００６５】
図１１から分かるように、インペラ１０に作用する正味の力Ｆ５がゼロとなる位置で、インペラ１０の浮上位置はインペラ１０の可動範囲の中央位置から大きくずれている。その結果、回転中のインペラ１０と隔壁６の間の距離は狭まり、インペラ１０に対して小さな外乱力が作用してもインペラ１０は隔壁６に接触してしまう。
【００６６】
これに対して図１２は、永久磁石１５，１６間の吸引力Ｆ１と永久磁石１７および磁性体１８間の吸引力Ｆ２との合力の大きさが、インペラ１０の血液室７内の可動範囲の中央位置Ｐ０でゼロとなるように調整した場合にインペラ１０に作用する力を示す図である。この場合も、インペラ１０の回転数は定格値に保たれている。
【００６７】
すなわち、永久磁石１５，１６間の吸引力Ｆ１と永久磁石１７および磁性体１８間の吸引力Ｆ２とは略同じに設定されている。また、動圧溝２１，２２の形状は同じにされている。この場合は、図１１の場合と比較して、インペラ１０の浮上位置に対する支持剛性が高くなる。また、インペラ１０に作用する正味の力Ｆ５は可動範囲の中央でゼロとなっているので、インペラ１０に対し外乱力が作用しない場合にはインペラ１０は中央位置で浮上する。
【００６８】
このように、インペラ１０の浮上位置は、永久磁石１５，１６間の吸引力Ｆ１と、永久磁石１７および磁性体１８間の吸引力Ｆ２と、インペラ１０の回転時に動圧溝２１，２２で発生する動圧力Ｆ３，Ｆ４との釣り合いで決まる。Ｆ１とＦ２を略同じにし、動圧溝２１，２２の形状を同じにすることにより、インペラ１０の回転時にインペラ１０を血液室７の略中央部で浮上させることが可能となる。図３および図４に示すように、インペラ１０は２つのディスク間に羽根を形成した形状を有するので、ハウジング２の内壁に対向する２つの面を同一形状および同一寸法にすることができる。したがって、略同一の動圧性能を有する動圧溝２１，２２をインペラ１０の両側に設けることは可能である。
【００６９】
この場合、インペラ１０は血液室７の中央位置で浮上するので、インペラ１０はハウジング２の内壁から最も離れた位置に保持される。その結果、インペラ１０の浮上時にインペラ１０に外乱力が印加されて、インペラ１０の浮上位置が変化しても、インペラ１０とハウジング２の内壁とが接触する可能性が小さくなり、それらの接触によって血栓や溶血が発生する可能性も低くなる。
【００７０】
なお、図１１および図１２の例では、２つの動圧溝２１，２２の形状は同じであるとしたが、動圧溝２１，２２の形状を異なるものとし、動圧溝２１，２２の動圧性能を異なるものとしてもよい。たとえば、ポンピングの際に流体力などによってインペラ１０に対して常に一方方向の外乱が作用する場合には、その外乱の方向にある動圧溝の性能を他方の動圧溝の性能より高めておくことにより、インペラ１０をハウジング２の中央位置で浮上回転させることが可能となる。この結果、インペラ１０とハウジング２との接触確率を低く抑えることができ、インペラ１０の安定した浮上性能を得ることができる。
【００７１】
また、永久磁石１５，１６間の吸引力Ｆ１と、永久磁石１７および磁性体１８間の吸引力Ｆ２とによって構成されるインペラ１０のアキシアル方向への負の支持剛性値の絶対値をＫａとし、ラジアル方向の正の剛性値の絶対値をＫｒとし、インペラ１０が回転する常用回転数領域において２つの動圧溝２１，２２で得られる正の剛性値の絶対値をＫｇとすると、Ｋｇ＞Ｋａ＋Ｋｒの関係を満たすことが好ましい。
【００７２】
具体的には、アキシアル方向の負の剛性値の絶対値Ｋａを２００００Ｎ／ｍとし、ラジアル方向の正の剛性値の絶対値Ｋｒを１００００Ｎ／ｍとした場合、インペラ１０が通常回転する回転数領域で２つの動圧溝２１，２２によって得られる正の剛性値の絶対値Ｋｇは３００００Ｎ／ｍを超える値に設定される。
【００７３】
インペラ１０のアキシアル支持剛性は動圧溝２１，２２で発生する動圧力に起因する剛性から磁性体間の吸引力などによる負の剛性を引いた値であるから、Ｋｇ＞Ｋａ＋Ｋｒの関係を持つことで、インペラ１０のラジアル方向の支持剛性よりもアキシアル方向の支持剛性を高めることができる。このように設定することにより、インペラ１０に対して外乱力が作用した場合に、インペラ１０のラジアル方向への動きよりもアキシアル方向への動きを抑制することができ、動圧溝２１の形成部でのインペラ１０とハウジング２との機械的な接触を避けることができる。
【００７４】
特に、動圧溝２１，２２は、図５および図６で示したように平面に凹設されているので、インペラ１０の回転中にこの部分でハウジング２とインペラ１０との機械的接触があると、インペラ１０およびハウジング２の内壁のいずれか一方または両方の表面に傷（表面の凹凸）が生じてしまい、この部位を血液が通過すると、血栓及び溶血の原因となる可能性もあった。この動圧溝２１，２２での機械的接触を防ぎ、血栓及び溶血を抑制するために、ラジアル方向の剛性よりもアキシアル方向の剛性を高める効果は高い。
【００７５】
また、インペラ１０にアンバランスがあると回転時にインペラ１０に振れ回りが生ずるが、この振れ回りはインペラ１０の質量とインペラ１０の支持剛性値で決定される固有振動数とインペラ１０の回転数が一致した場合に最大となる。
【００７６】
このポンプ部１では、インペラ１０のアキシアル方向の支持剛性よりもラジアル方向の支持剛性を小さくしているので、インペラ１０の最高回転数をラジアル方向の固有振動数以下に設定することが好ましい。そこで、インペラ１０とハウジング２との機械的接触を防ぐため、永久磁石１５，１６間の吸引力Ｆ１と永久磁石１７および磁性体１８間の吸引力Ｆ２によって構成されるインペラ１０のラジアル剛性値をＫｒ（Ｎ／ｍ）とし、インペラ１０の質量をｍ（ｋｇ）とし、インペラの回転数をω（ｒａｄ／ｓ）とした場合、ω＜（Ｋｒ／ｍ）0.5の関係を満たすことが好ましい。
【００７７】
具体的には、インペラ１０の質量が０．０３ｋｇであり、ラジアル剛性値が２０００Ｎ／ｍである場合、インペラ１０の最高回転数は２５８ｒａｄ／ｓ（２４６５ｒｐｍ）以下に設定される。逆に、インペラ１０の最高回転数を３６６ｒａｄ／ｓ（３５００ｒｐｍ）と設定した場合には、ラジアル剛性は４０１８Ｎ／ｍ以上に設定される。
【００７８】
さらに、このωの８０％以下にインペラ１０の最高回転数を設定することが好ましい。具体的には、インペラ１０の質量が０．０３ｋｇであり、ラジアル剛性値が２０００Ｎ／ｍである場合には、その最高回転数は２０６．４ｒａｄ／ｓ（１９７１ｒｐｍ）以下に設定される。逆に、インペラ１０の最高回転数を３６６ｒａｄ／ｓ（３５００ｒｐｍ）としたい場合には、ラジアル剛性値が６２７９Ｎ／ｍ以上に設定される。このようにインペラ１０の最高回転数を設定することで、インペラ１０の回転中におけるインペラ１０とハウジング２の接触を抑えることができる。
【００７９】
また、永久磁石１５，１６間の吸引力Ｆ１と、永久磁石１７および磁性体１８間の吸引力Ｆ２とによって構成されるインペラ１０のアキシアル方向の負の剛性値よりも動圧溝２１，２２の動圧力による剛性が大きくなった場合にインペラ１０とハウジング２は非接触の状態となる。したがって、この負の剛性値を極力小さくすることが好ましい。そこで、この負の剛性値を小さく抑えるため、永久磁石１５，１６の対向面のサイズを異ならせることが好ましい。たとえば、永久磁石１６のサイズを永久磁石１５よりも小さくすることにより、両者間の距離によって変化する吸引力の変化割合、すなわち負の剛性を小さく抑えることができ、インペラ支持剛性の低下を防ぐことができる。
【００８０】
また、インペラ１０の回転起動前に、インペラ１０が隔壁６に接触していることを確認してから、インペラ１０を回転起動させることが好ましい。
【００８１】
すなわち、インペラ１０の非回転時では、動圧溝２１，２２による非接触支持はされず、さらに、永久磁石１５，１６間の吸引力Ｆ１と、永久磁石１７および磁性体１８間の吸引力Ｆ２によってインペラ１０とハウジング２とは高い面圧で接触している。また、このポンプ部１のように、インペラ１０をモータ室８内のコイル２０および磁性体１８とインペラ１０の永久磁石１７との磁気的相互作用で回転させる場合は、特許文献２の図３に示すようなインペラを永久磁石間の磁気カップリングで回転駆動させる場合に比べて、起動トルクが小さい。したがって、インペラ１０をスムーズに回転起動させることは難しい。
【００８２】
しかし、インペラ１０のシュラウド１２が隔壁６と接触している場合は、インペラ１０のシュラウド１１が血液室７の内壁に接触している場合に比べ、インペラ１０の永久磁石１７とモータ室８内の磁性体１８とが近接しているので、インペラ１０の起動時の回転トルクを高めることができ、インペラ１０をスムーズに回転起動させることができる。
【００８３】
ところが、上述の通り、インペラ１０の回転時には、永久磁石１５，１６間の吸引力Ｆ１と、永久磁石１７および磁性体１８間の吸引力Ｆ２とは、インペラ１０の位置がインペラ１０の可動範囲の中央付近にて釣り合うように設定されているので、インペラ１０の停止時にインペラ１０が必ずしも隔壁６に接触しているとは限らない。
【００８４】
そこで、この遠心式血液ポンプ装置では、インペラ１０を回転起動させる前にインペラ１０を隔壁６側に移動させる手段が設けられる。具体的には、永久磁石１７および磁性体１８間の吸引力Ｆ２が大きくなるように複数のコイル２０に電流を流し、インペラ１０を隔壁６側に移動させる。
【００８５】
図１３は、ポンプ部１を制御するコントローラ２５の構成を示すブロック図である。図１３において、コントローラ２５は、モータ制御回路２６およびパワーアンプ２７を含む。モータ制御回路２６は、たとえば１２０度通電方式の３相の制御信号を出力する。パワーアンプ２７は、モータ制御回路２６からの３相の制御信号を増幅して、図１０で示した３相電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷを生成する。３相電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷは、図７および図１０で説明した第１〜第３のコイル２０にそれぞれ印加される。通常の運転時は、これにより、インペラ１０が可動範囲の中央位置で所定の回転数で回転する。
【００８６】
図１４（ａ）〜（ｃ）は、インペラ１０の回転起動時におけるコイル電流Ｉ、インペラ１０の位置、およびインペラ１０の回転数の時間変化を示すタイムチャートである。図１４（ａ）〜（ｃ）において、初期状態では、インペラ１０のシュラウド１１が血液室７の内壁に接触しており、インペラ１０は位置ＰＡにあるものとする。時刻ｔ０において、予め定められた電流Ｉ０がコイル２０に流される。これにより、永久磁石１７および磁性体１８間の吸引力Ｆ２が永久磁石１５，１６間の吸引力Ｆ１よりも大きくなり、インペラ１０は隔壁６側の位置ＰＢに移動し、インペラ１０のシュラウド１２は隔壁６に接触する。インペラ１０が位置ＰＢに移動したら、電流Ｉ０を遮断する（時刻ｔ１）。インペラ１０の血液室７内の位置を検出するセンサを設け、インペラ１０が隔壁６に接触したことを確認した後に、電流Ｉ０を遮断することが好ましい。
【００８７】
次に、コイル電流Ｉを予め定められた定格値まで徐々に上昇させる。このとき、インペラ１０は隔壁６に接触しているので、インペラ１０はスムーズに回転する。コイル電流Ｉの上昇に伴って、インペラ１０は隔壁６側の位置ＰＢから可動範囲の中央位置に移動する。
【００８８】
以上のように、この実施の形態１では、磁性体１８をコイル２０よりも短くしたので、必要となるトルクを満足しつつ、アキシアル吸引力を低くすることができる。したがって、効率の向上とインペラの安定回転との両立が可能となる。
【００８９】
以下、この実施の形態１の種々の変更例について説明する。図１５は、この実施の形態１の変更例を示すブロック図である。インペラ回転起動時とそれ以外の場合の電源供給を切り替える構成の一例を示している。図１５において、この変更例では、図１３のパワーアンプ２７がパワーアンプ３０，３１および切換スイッチ３２で置換される。図１４の時刻ｔ０〜ｔ１では、モータ制御回路２６の出力信号がパワーアンプ３０に与えられ、パワーアンプ３０の出力電圧が切換スイッチ３２を介してコイル２０に印加され、コイル２０に電流Ｉ０が流される。時刻ｔ２以降は、モータ制御回路２６の出力信号がパワーアンプ３１に与えられ、パワーアンプ３１の出力電圧が切換スイッチ３２を介してコイル２０に印加され、コイル２０に電流が流される。
【００９０】
また、図１６（ａ）〜（ｃ）は、この実施の形態１の他の変更例を示すタイムチャートである。図１６（ａ）〜（ｃ）において、初期状態では、インペラ１０のシュラウド１１が血液室７の内壁に接触しており、インペラ１０は位置ＰＡにあるものとする。時刻ｔ０において、予め定められた電流Ｉ１がコイル２０に流される。モータ制御回路２６により、たとえば１２０度通電方式の３相の制御信号を出力する。パワーアンプ２７は、モータ制御回路２６からの３相の制御信号を増幅して、図１０で示した３相電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷを生成する。３相電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷは、図７で説明した第１〜第３のコイル２０にそれぞれ印加される。よって、この電流Ｉ１によってインペラ１０に回転磁界が印加される。この電流Ｉ１は、図１４の電流Ｉ０よりも大きい電流であり、インペラ１０のシュラウド１１が血液室７の内壁に接触している場合でもインペラ１０を回転起動させることが可能な電流である。回転起動が確認された後、コイル電流Iを低下させ、予め定められた定格値まで徐々に上昇させる。このようにインペラ１０が位置ＰＡ側にあった場合でも、インペラ１０の回転起動時のみにコイル２０に過大電流を流すように構成してもよい。
【００９１】
また、血液室７の内壁の表面および隔壁６の表面と、インペラ１０の表面との少なくとも一方にダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）膜を形成してもよい。これにより、インペラ１０と血液室７の内壁および隔壁６との摩擦力を軽減し、インペラをスムーズに回転起動することが可能になる。また、ダイヤモンドライクカーボン膜以外に、フッ素系樹脂膜、パラキシリレン系樹脂膜などを形成してもよい。
【００９２】
また、図１７は、この実施の形態１のさらに他の変更例を示す断面図であって、図３と対比される図である。図１７において、この変更例では、対向する永久磁石１５，１６の対向面のサイズが異なる。図３では、永久磁石１５，１６の対向面のサイズが同じである場合が示されているが、永久磁石１５，１６の対向面のサイズを異ならせることにより、両者間の距離によって変化する吸引力の変化量、すなわち負の剛性を小さく抑えることができ、インペラ１０の支持剛性の低下を防ぐことができる。
【００９３】
また、図１８は、この実施の形態１のさらに他の変更例を示す断面図であって、図１７と対比される図である。図１８において、この変更例では、継鉄１９が継鉄３６で置換され、磁性体１８が磁性体３７で置換される。継鉄３６および磁性体３７の各々は、インペラ１０の回転軸の長さ方向に積層された複数の鋼板を含む。この変更例では、継鉄３６および磁性体３７で発生する渦電流損失を軽減することができ、インペラ１０の回転駆動におけるエネルギ効率を高めることができる。
【００９４】
また、図１９に示すように、インペラ１０の回転方向に積層された複数の鋼板を含む磁性体３８で磁性体３７を置換してもよい。また、図２０に示すように、インペラ１０の径方向に積層された複数の鋼板を含む磁性体３９で磁性体３７を置換してもよい。これらの場合でも、図１８の変更例と同じ効果が得られる。
【００９５】
また、図３の継鉄１９および磁性体１８の各々を、純鉄、軟鉄、または珪素鉄の粉末によって形成してもよい。この場合は、継鉄１９および磁性体１８の鉄損を軽減することができ、インペラ１０の回転駆動におけるエネルギ効率を高めることができる。
【００９６】
また、図２１の変更例では、各磁性体１８は、隔壁６に垂直な中心線Ｌ１の周りに複数回巻回された帯状の薄い磁性鋼板１８ａを含む。帯状の磁性鋼板１８ａは長さ方向に巻回されており、その幅方向は隔壁６に垂直な方向に向けられている。磁性鋼板１８ａは、無方向性または方向性の磁気特性を持つ電磁鋼板であってもよいし、アモルファス金属あるいはアモルファス合金で形成されていてもよい。また、磁性鋼板１８ａの巻き終わりの端部を磁性鋼板１８ａ自体に溶接することによって巻回された磁性鋼板１８ａを所定の形状に固定してもよいし、磁性鋼板１８ａ全体を樹脂に含浸させ、樹脂を硬化させることによって巻回された磁性鋼板１８ａを所定の形状に固定してもよい。
【００９７】
このように、巻回された帯状の薄い磁性鋼板１８ａによって磁性体１８を形成することにより、磁性体１８内の鉄損を低減するとともに、磁性体１８内の磁束の透磁率を高めることができ、インペラ１０の回転駆動におけるエネルギ効率を高めることができる。また、磁性体１８を簡単に形成できるので、装置の小型化、低コスト化、生産性の向上を図ることができる。
【００９８】
磁性鋼板１８ａは、円柱状に巻回してもよいし、三角柱のような角柱状に巻回してもよい。図２１では、磁性鋼板１８ａを中心線Ｌ１の周りに円柱状に巻回した状態が示されている。円柱状に形成された磁性体１８（すなわち円柱状に巻回された磁性鋼板１８ａ）の円形の端面は、隔壁６を介してインペラ１０に対向して配置される。コイル２０は、円柱状の磁性体１８の外周面（側面）全体を覆うように巻回される。磁性鋼板１８ａを円柱状に巻回した場合、コイル２０の周方向長さを最小にすることができ、コイル２０で発生する銅損を軽減することができ、インペラ１０の回転駆動におけるエネルギ効率を高めることができる。
【００９９】
また、磁性鋼板１８ａを中心線Ｌ１の周りに三角柱のような角柱状に巻回することも可能である。三角柱状に形成された磁性体１８（すなわち三角柱状に巻回された磁性鋼板１８ａ）の三角形の端面は、隔壁６を介してインペラ１０に対向して配置される。コイル２０は、三角柱状の磁性体１８の側面全体を覆うように巻回される。また、複数の磁性体１８の周囲にはコイル２０を巻回するためのスペースが均等に確保され、各隣接する２つの磁性体１８の互いに対向する面は略平行に設けられている。このため、コイル２０用の大きなスペースを確保することができ、コイル２０の巻数を大きくすることができる。したがって、インペラ１０を回転駆動させるための大きなトルクを発生することができる。また、コイル２０で発生する銅損を軽減することができ、インペラ１０の回転駆動におけるエネルギ効率を高めることができる。なお、磁性体１８は、ポンプ１の最大定格（インペラ１０の回転駆動トルクが最大の条件）において、磁気的な飽和がないように設計することが好ましい。
【０１００】
また、図２２は、この実施の形態１のさらに他の変更例を示す断面図であって、図２１と対比される図である。図２２において、この変更例では、磁性体１８の内周面から外周面にかけて切り欠き部４０が形成されている。すなわち、磁性鋼板１８ａは、中心線Ｌ１の周りに複数回巻回されて同心状に配置された複数の筒部材を構成している。切り欠き部４０は、中心線Ｌ１の一方側（図２２では右側）において複数の筒部材の各々を中心線Ｌ１と平行な方向に切断している。この変更例では、切り欠き部４０を設けたので、磁性体１８の鉄損を軽減することができる。
【０１０１】
また、図２３は、この実施の形態１のさらに他の変更例を示す断面図であって、図２１と対比される図である。図２３において、この変更例では、磁性体１８では、軟磁性体である棒状の磁性体４１が芯材として使用される。磁性鋼板１８ａは、磁性体４１の周りに複数回巻回されている。磁性鋼板１８ａの一方端を磁性体４１に溶接し、磁性鋼板１８ａの他方端を磁性鋼板１８ａ自体に溶接することにより、磁性鋼板１８ａを所定形状に固定することができる。また、磁性体４１および磁性鋼板１８ａ全体を樹脂に含浸させ、樹脂を硬化させて所定の形状に固定してもよい。
【０１０２】
また、図２４は、この実施の形態１のさらに他の変更例を示す図である。図２４において、この変更例では、各磁性体１８は磁性体４１および磁性鋼板１８ａを含む。棒状の磁性体４１の長さは、磁性鋼板１８ａの幅よりも長い。磁性鋼板１８ａは磁性体４１の上端部に巻回されており、磁性体４１の下端部は、円柱状に巻回された磁性鋼板１８ａから突出している。
【０１０３】
円板状の磁性体１９には、各磁性体１８に対応して設けられた孔１９ａが形成されている。磁性体４１の下端部は、磁性体１９の孔１９ａに挿嵌される。磁性体４１は、孔１９ａに接着、圧入、あるいは焼きばめによって固定される。円筒状のコイル２０の内周部は、磁性体１８の外周部に嵌め込まれる。この変更例では、位置決め治具等を用いることなく、磁性体１８の組立、磁性体１９への固定を容易に行なうことができ、作業性が良好となる。
【０１０４】
また、図２５に示すように、磁性体１８と同様に、帯状の磁性鋼板１９ａを中心線Ｌ２の周りに複数回巻回して磁性体１９を形成してもよい。この場合は、磁性体１９の磁性体内の鉄損を軽減することができ、インペラ１０の回転駆動におけるエネルギ効率を高めることができる。無方向性または方向性の磁気特性を持つ磁性鋼板１９ａを用いれば、磁性体１９内の磁束の透磁率を高めることができ、インペラ１０の回転駆動におけるエネルギ効率を高めることができる。
【０１０５】
また、図２６の変更例では、シュラウド１２に複数の永久磁石１７と複数の永久磁石４２とが埋設されている。永久磁石４２の数は、永久磁石１７の数と同じである。永久磁石４２は、円周方向（インペラ１０の回転方向）に着磁されている。複数の永久磁石１７と複数の永久磁石４２とは、１つずつ交互に等角度間隔で同一の円に沿ってハルバッハ配列構造で配置されている。
【０１０６】
換言すると、図２７に示すように、隔壁６側にＮ極を向けた永久磁石１７と、隔壁６側にＳ極を向けた永久磁石１７とが等角度間隔で隙間を設けて同一の円に沿って交互に配置されている。各永久磁石４２のＮ極は隔壁６側にＮ極を向けた永久磁石１７に向けて配置され、各永久磁石４２のＳ極は隔壁６側にＳ極を向けた永久磁石１７に向けて配置される。複数の永久磁石１７同士の形状は同じであり、複数の永久磁石４２同士の形状は同じである。永久磁石１７の形状と永久磁石４２の形状は、同じでもよいし、異なっていてもよい。
【０１０７】
この変更例では、永久磁石１７と磁性体１８との吸引力を抑制するとともに、トルクの起因となる磁束を強めることができるので、最も永久磁石を小型化することができる。つまり、インペラ１０を最も軽量化することができ、かつモータギャップが広い場合でもエネルギ効率を高めることができる。
【０１０８】
［実施の形態２］
図２８および図２９は、この発明の実施の形態２による遠心式血液ポンプ装置の要部を示す図であって、それぞれ図５および図６と対比される図である。図２８および図２９において、インペラ１０のシュラウド１２に対向する隔壁６の表面には複数の動圧溝５１および複数の動圧溝５２が形成され、シュラウド１１に対向する血液室７の内壁には複数の動圧溝５３および複数の動圧溝５４が形成されている。インペラ１０の回転数が所定の回転数を超えると、動圧溝５１〜５４の各々とインペラ１０との間に動圧軸受効果が発生する。これにより、動圧溝５１〜５４の各々からインペラ１０に対して抗力が発生し、インペラ１０は血液室７内で非接触状態で回転する。
【０１０９】
詳しく説明すると、複数の動圧溝５１および複数の動圧溝５２は、図２８に示すように、インペラ１０のシュラウド１２に対応する大きさに形成されている。複数の動圧溝５１および複数の動圧溝５２は、インペラ１０の回転方向に１つずつ交互に配置されている。動圧溝５１，５２の各々は、隔壁６の中心から若干離間した円形部分の周縁（円周）上に一端を有し、渦状に（換言すれば、湾曲して）隔壁６の外縁付近まで、幅が徐々に広がるように延びている。複数の動圧溝５１は略同じ形状であり、かつインペラ１０の回転方向に等角度間隔に配置されている。動圧溝５１は凹部であり、動圧溝５１の深さは０．００５〜０．４ｍｍ程度であることが好ましい。動圧溝５１の数は、６〜３６個程度であることが好ましい。複数の動圧溝５２は略同じ形状であり、かつインペラ１０の回転方向に等角度間隔に配置されている。動圧溝５２は凹部であり、動圧溝５２の深さは０．００５〜０．３ｍｍ程度であることが好ましい。
【０１１０】
動圧溝５２は、図３０に示すように、動圧溝５１よりも浅い。動圧溝５２の深さは動圧溝５２の深さの５分の１以下であることが好ましい。また、動圧溝５２の幅は２つの動圧溝５１の間隔の３分の２以下であることが好ましい。また、動圧溝５２の数は動圧溝５１の数以下であることが好ましい。
【０１１１】
図５では、１０個の動圧溝５１と１０個の動圧溝５２がインペラ１０の中心軸に対して等角度間隔で配置されている。動圧溝５１，５２の各々は、いわゆる内向スパイラル溝形状となっているので、インペラ１０が時計方向に回転すると、動圧溝５１，５２の外径部から内径部に向けて液体の圧力が高くなる。このため、インペラ１０と隔壁６の間に反発力が発生し、これが動圧力となる。
【０１１２】
図３１は、インペラ１０を所定の回転数で回転させた場合において、隔壁６の表面から見たインペラ１０の浮上位置と、インペラ１０が動圧溝５１から受ける動圧力との関係を示す図である。図３２は、インペラ１０を所定の回転数で回転させた場合において、インペラ１０および隔壁６間の距離と、動圧溝５２からインペラ１０が受ける動圧力との関係を示す図である。図３３は、図３１と図３２を合成した図である。
【０１１３】
図３１〜図３３から分かるように、動圧溝５１は、インペラ１０と隔壁６との間の距離が長い場合に動圧溝５２よりも大きな動圧力を発生する。また、動圧溝５２は、インペラ１０と隔壁６との間の距離が短い場合に動圧溝５１よりも大きな動圧力を発生する。したがって、本実施の形態２では、動圧溝５１，５２の両方を設けたので、回転起動時と定常回転時の両方で大きな動圧力を得ることができる。
【０１１４】
このように、インペラ１０と動圧溝５１，５２の間に形成される動圧軸受効果により、インペラ１０は隔壁６から離れ、非接触状態で回転する。このため、インペラ１０はスムーズに回転起動し、インペラ１０と隔壁６の間に血液流路が確保され、両者間での血液滞留およびそれに起因する血栓の発生が防止される。さらに、通常状態において、動圧溝５１，５２が、インペラ１０と隔壁６の間において撹拌作用を発揮するので、両者間における部分的な血液滞留の発生を防止することができる。
【０１１５】
なお、動圧溝５１，５２を隔壁６に設ける代わりに、動圧溝５１，５２をインペラ１０のシュラウド１２の表面に設けてもよい。
【０１１６】
また、動圧溝５１，５２の各々の角の部分は、少なくとも０．０５ｍｍ以上のＲを持つように丸められていることが好ましい。これにより、溶血の発生をより少なくすることができる。
【０１１７】
また、図３４は、インペラ１０が定常回転浮上位置にある場合において、動圧溝５２の深さＤ５２と動圧溝５１の深さＤ５１との比Ｄ５２／Ｄ５１と、インペラ１０に作用する動圧力との関係を示す図である。図３３で示したように、インペラ１０が隔壁６に近接した位置にある場合は、動圧溝５２の追加によって大きな動圧力が発生するが、図３４に示すように、インペラ１０が定常回転浮上位置にある場合は、動圧溝５２の追加によって動圧力が低下する。したがって、動圧溝５２の追加による動圧力や剛性の低下がポンプ性能に悪影響を与えないように、動圧溝５２の深さおよび幅を決定する必要がある。図３４に示すように、比Ｄ５２／Ｄ５１が小さいほど定常回転浮上位置における動圧力の低下を抑制できる。よって好ましくは、比Ｄ５２／Ｄ５１は１／５以下に設定される。
【０１１８】
また、図３５は、インペラ１０が定常浮上位置にある場合において、動圧溝５２の幅Ｗ５２と動圧溝５１の間隔（動圧溝５１間のランド部の幅）ＷＬ５１との比Ｗ５２／ＷＬ５１と、インペラ１０に作用する動圧力との関係を示す図である。図３５に示すように、比Ｗ５２／ＷＬ５１が小さいほど定常回転浮上位置における動圧力の低下を抑制できる。よって好ましくは、比Ｗ５２／ＷＬ５１は２／３以下に設定される。
【０１１９】
また、複数の動圧溝５３および複数の動圧溝５４は、図２９に示すように、複数の動圧溝５１および複数の動圧溝５２と同様、インペラ１０のシュラウド１１に対応する大きさに形成されている。動圧溝５３，５４の各々は、血液室７の内壁の中心から若干離間した円形部分の周縁（円周）上に一端を有し、渦状に（換言すれば、湾曲して）血液室７の内壁の外縁付近まで、幅が徐々に広がるように延びている。また、複数の動圧溝５３は、略同じ形状であり、かつ略同じ間隔で配置されている。動圧溝５３は凹部であり、動圧溝５３の深さは０．００５〜０．４ｍｍ程度があることが好ましい。動圧溝５３の数は、６〜３６個程度であることが好ましい。図２９では、１０個の動圧溝５３がインペラ１０の中心軸に対して等角度に配置されている。
【０１２０】
また、複数の動圧溝５４は略同じ形状であり、かつインペラ１０の回転方向に等角度間隔に配置されている。動圧溝５４は凹部であり、動圧溝５４の深さは０．００５〜０．３ｍｍ程度であることが好ましい。動圧溝５４の数は、６〜３６個程度であることが好ましい。
【０１２１】
動圧溝５４は、動圧溝５１，５２について図３０で説明したように、動圧溝５３よりも浅い。動圧溝５４の深さは動圧溝５３の深さの５分の１以下であることが好ましい。また、動圧溝５４の幅は２つの動圧溝５３の間隔の３分の２以下であることが好ましい。また、動圧溝５４の数は動圧溝５３の数以下であることが好ましい。
【０１２２】
図２９では、１０個の動圧溝５３と１０個の動圧溝５４がインペラ１０の中心軸に対して等角度間隔で配置されている。動圧溝５３，５４の各々は、いわゆる内向スパイラル溝形状となっているので、インペラ１０が時計方向に回転すると、動圧溝５３，５４の外径部から内径部に向けて液体の圧力が高くなる。このため、インペラ１０と血液室７の内壁との間に反発力が発生し、これが動圧力となる。
【０１２３】
図３１〜図３３において動圧溝５１，５２について説明したように、動圧溝５３は、インペラ１０と血液室７の内壁の間の距離が長い場合に動圧溝５４よりも大きな動圧力を発生する。また、動圧溝５４は、インペラ１０と血液室７の内壁との間の距離が短い場合に動圧溝５３よりも大きな動圧力を発生する。したがって、本実施の形態２では、動圧溝５３，５４の両方を設けたので、回転起動時と定常回転時の両方で大きな動圧力を得ることができる。
【０１２４】
このように、インペラ１０と動圧溝５３，５４の間に形成される動圧軸受効果により、インペラ１０は血液室７の内壁から離れ、非接触状態で回転する。このため、インペラ１０はスムーズに回転起動し、インペラ１０と血液室７の内壁の間に血液流路が確保され、両者間での血液滞留およびそれに起因する血栓の発生が防止される。さらに、通常状態において、動圧溝５３，５４が、インペラ１０と血液室７の内壁の間において撹拌作用を発揮するので、両者間における部分的な血液滞留の発生を防止することができる。また、ポンプ部１が外的衝撃を受けたときや、動圧溝５１，５２による動圧力が過剰となったときに、インペラ１０の血液室７の内壁への密着を防止することができる。動圧溝５１，５２によって発生する動圧力と動圧溝５３，５４によって発生する動圧力は異なるものとなっていてもよい。
【０１２５】
なお、動圧溝５３，５４を血液室７の内壁に設ける代わりに、動圧溝５３，５４をインペラ１０のシュラウド１１の表面に設けてもよい。
【０１２６】
また、動圧溝５３，５４の各々の角の部分は、少なくとも０．０５ｍｍ以上のＲを持つように丸められていることが好ましい。これにより、溶血の発生をより少なくすることができる。
【０１２７】
また、動圧溝５１，５２について図３４および図３５で説明したように、動圧溝５４の深さＤ５４と動圧溝５３の深さＤ５３との比Ｄ５４／Ｄ５３は１／５以下に設定される。また、動圧溝５４の幅Ｗ５４と動圧溝５３の間隔（動圧溝５３間のランド部の幅）ＷＬ５３との比Ｗ５４／ＷＬ５３は２／３以下に設定される。
【０１２８】
また、インペラ１０のシュラウド１２と隔壁６との隙間と、インペラ１０のシュラウド１１と血液室７の内壁との隙間とが略同じ状態でインペラ１０が回転することが好ましい。インペラ１０に作用する流体力などの外乱が大きく、一方の隙間が狭くなる場合には、その狭くなる側の動圧溝による動圧力を他方の動圧溝による動圧力よりも大きくし、両隙間を略同じにするため、動圧溝５１，５２と５３，５４の形状を異ならせることが好ましい。
【０１２９】
また、図２８および図２９では、動圧溝５１〜５４の各々を内向スパイラル溝形状としたが、他の形状の動圧溝５１〜５４を使用することも可能である。ただし、血液を循環させる場合は、血液をスムーズに流すことが可能な内向スパイラル溝形状の動圧溝５１〜５４を採用することが好ましい。
【０１３０】
［実施の形態３］
図３６は、この発明の実施の形態３による遠心式血液ポンプ装置の要部を示す図であって、図３と対比される図である。図３６において、この実施の形態３では、永久磁石１５が径方向に２つの永久磁石１５ａ，１５ｂに分割され、永久磁石１６が径方向に２つの永久磁石１６ａ，１６ｂに分割されている。すなわち、シュラウド１１には永久磁石１５ａ，１５ｂが埋設され、シュラウド１１に対向する血液室７の内壁には、それぞれ永久磁石１５ａ，１５ｂを吸引する永久磁石１６ａ，１６ｂが埋設されている。永久磁石１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂは、インペラ１０をモータ室８と反対側、換言すれば血液流入ポート４側に吸引（換言すれば、付勢）するために設けられている。
【０１３１】
図３７（ａ）（ｂ）は永久磁石１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂの構成を示す図であり、図３７（ａ）は図３７（ｂ）のＸＸＸＶＩＩＡ−ＸＸＸＶＩＩＡ線断面図である。図３７（ａ）（ｂ）に示すように、永久磁石１５ａ，１５ｂの各々は円環状に形成されており、永久磁石１５ａの外径は永久磁石１５ｂの内径よりも小さい。永久磁石１５ａ，１５ｂは同軸状に設けられており、永久磁石１５ａ，１５ｂの中心点は、ともにインペラ１０の回転中心線に配置されている。永久磁石１５ａ，１５ｂのＮ極は同じ方向に向けられている。
【０１３２】
一方、永久磁石１６ａ，１６ｂの各々は円弧状に形成されており、インペラ１０の回転方向に２つ配列されている。円環状に配置された２つの永久磁石１６ａの外径および内径は、永久磁石１５ａの外径および内径と同じである。円環状に配置された２つの永久磁石１６ｂの外径および内径は、永久磁石１５ｂの外径および内径と同じである。永久磁石１６ａ，１６ｂのＮ極は同じ方向に向けられている。永久磁石１５ａ，１５ｂのＳ極と永久磁石１６ａ，１６ｂのＮ極とは、互いに対向している。
【０１３３】
また、図３６に示すように、永久磁石１５ａ，１５ｂの間隔（すなわち永久磁石１６ａ，１６ｂの間隔）Ｄ１は、インペラ１０のラジアル方向の可動距離（すなわち血液室７の内径とインペラ１０の外径との差の距離）の２分の１の距離Ｄ２よりも大きく設定されている（Ｄ１＞Ｄ２）。これは、Ｄ１＜Ｄ２とした場合、インペラ１０がラジアル方向に最大限まで移動したとき、永久磁石１５ａと１６ｂ、永久磁石１５ｂと１６ａがそれぞれ干渉し、インペラ１０をポンプ中心位置に復元させる復元力が不安定になるからである。
【０１３４】
このように、インペラ１０の径方向に２対の永久磁石１５ａ，１６ａおよび永久磁石１５ｂ，１６ｂを設けたので、インペラ１０の径方向に１対の永久磁石のみを設けた場合に比べ、インペラ１０のラジアル方向の支持剛性を大きくすることができる。
【０１３５】
なお、シュラウド１１および血液室７の内壁にそれぞれ永久磁石１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂを設ける代わりに、シュラウド１１および血液室７の内壁の一方に永久磁石を設け、他方に磁性体を設けてもよい。また、磁性体としては軟質磁性体と硬質磁性体のいずれを使用してもよい。
【０１３６】
また、図３６では、永久磁石１５ａと１６ａの対向面のサイズが同じであり、かつ永久磁石１５ｂと１６ｂの対向面のサイズが同じである場合が示されているが、永久磁石１５ａ，１５ｂと永久磁石１６ａ，１６ｂの吸引力に起因するインペラ１０の剛性の低下を防ぐため、永久磁石１５ａと１６ａの対向面のサイズを異ならせ、かつ永久磁石１５ｂと１６ｂの対向面のサイズを異ならせることが好ましい。永久磁石１５ａ，１５ｂと永久磁石１６ａ，１６ｂの対向面のサイズを異ならせることにより、両者間の距離によって変化する吸引力の変化量、すなわち負の剛性を小さく抑えることができ、インペラ１０の支持剛性の低下を防ぐことができる。
【０１３７】
また、図３７（ａ）（ｂ）では、永久磁石１５ａ，１５ｂの各々を円環状に形成し、永久磁石１６ａ，１６ｂの各々を円弧状に形成してインペラ１０の回転方向に等角度間隔で２つ配列したが、逆に、永久磁石１６ａ，１６ｂの各々を円環状に形成し、永久磁石１５ａ，１５ｂの各々を円弧状に形成してインペラ１０の回転方向に等角度間隔で２つ配列してもよい。また、永久磁石１５ａ，１５ｂの各々、あるいは永久磁石１６ａ，１６ｂの各々をさらに短い円弧状に形成してインペラ１０の回転方向に等角度間隔で複数配列してもよい。
【０１３８】
［実施の形態４］
図３８は、この発明の実施の形態４による遠心式血液ポンプ装置の要部を示す断面図であって、図３６と対比される図である。図３８において、この遠心式血液ポンプ装置が図３６の遠心式血液ポンプ装置と異なる点は、インペラ１０の外周面に対向する血液室７の内周面に動圧溝６０が形成されている点である。動圧溝６０は、インペラ１０の外周面に対する動圧力を発生し、インペラ１０の外周面が血液室７の内周面に接触することを防止する。
【０１３９】
図３９は、動圧溝６０の具体的構成を例示する図である。図３９において、血液室７の内周面のうちのシュラウド１１の外周面に対向する領域には、Ｖ字型の動圧溝６１がインペラ１０の回転方向に所定のピッチで形成されている。Ｖ字型の動圧溝６１の先端（鋭角部）はインペラ１０の回転方向に向けられている。同様に、血液室７の内周面のうちのシュラウド１２の外周面に対向する領域には、Ｖ字型の動圧溝６２がインペラ１０の回転方向に所定のピッチで形成されている。Ｖ字型の動圧溝６２の先端（鋭角部）はインペラ１０の回転方向に向けられている。血液室７の内周面のうちのシュラウド１１，１２の隙間に対向する領域には、所定深さの溝６３がリング状に形成されている。インペラ１０が矢印の方向に回転すると、動圧溝６１，６２の先端部に向けて液体の圧力が高くなる。このため、インペラ１０と血液室７の内周面との間に反発力が発生し、これが動圧力となる。
【０１４０】
図４０は、実施の形態４の変更例を示す図であって、図３９と対比される図である。図４０において、この変更例では、動圧溝６１，６２が血液室７の内周面側ではなく、それぞれシュラウド１１，１２の外周面に形成される。動圧溝６１，６２の先端は、インペラ１０の回転方向と逆の方向に向けられている。インペラ１０が矢印の方向に回転すると、動圧溝６１，６２の先端部に向けて液体の圧力が高くなる。このため、インペラ１０と血液室７の内周面との間に反発力が発生し、これが動圧力となる。
【０１４１】
図４１は、実施の形態４の他の変更例を示す図であって、図３９と対比される図である。図４１において、この変更例では、動圧溝６１，６２がそれぞれ動圧溝６４，６５で置換されている。動圧溝６４，６５の各々は、帯状に形成され、インペラ１０の回転方向に延在している。動圧溝６４，６５の各々の深さは、インペラ１０の回転方向に向かって徐々に浅くなっている。この変更例でも、インペラ１０が矢印の方向に回転すると、動圧溝６４，６５の先端部に向けて液体の圧力が高くなる。このため、インペラ１０と血液室７の内周面との間に反発力が発生し、これが動圧力となる。
【０１４２】
図４２は、実施の形態４のさらに他の変更例を示す図であって、図４１と対比される図である。図４２において、この変更例では、動圧溝６４，６５が血液室７の内周面側ではなく、それぞれシュラウド１１，１２の外周面に形成される。動圧溝６４，６５の各々の深さは、インペラ１０の回転方向と逆の方向に向かって徐々に浅くなっている。この変更例でも、インペラ１０が矢印の方向に回転すると、動圧溝６４，６５の先端部に向けて液体の圧力が高くなる。このため、インペラ１０と血液室７の内周面との間に反発力が発生し、これが動圧力となる。
【０１４３】
図４３は、実施の形態４のさらに他の変更例を示す図であって、図３８と対比される図である。図４３において、この変更例では、永久磁石１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂが除去されている。磁性体１８をコイル２０よりも短くして永久磁石１７と磁性体１８の吸引力を、血液室７内におけるインペラ１０の可動範囲の略中央での定格回転時の動圧力Ｆ３よりも小さくしたために、このような構成が可能となっている。インペラ１０の回転中において、動圧溝２２によって発生する定格回転時の動圧力Ｆ４と磁性体１８および永久磁石１７間の吸引力Ｆ２との和の力（Ｆ２＋Ｆ４）と、動圧溝２１によって発生する定格回転時の動圧力Ｆ３とは、血液室７におけるインペラ１０の可動範囲の略中央で釣り合うように設定されている。
【０１４４】
図４４は、実施の形態４のさらに他の変更例を示す図であって、図４３と対比される図である。図４４において、この変更例では、シュラウド１１にも複数の永久磁石１７Ａが設けられ、シュラウド１１側にもモータ室８Ａが設けられる。モータ室８Ａと血液室７は、隔壁６Ａで仕切られている。モータ室８Ａ内には、複数の永久磁石１７Ａに対向して複数の磁性体１８Ａが設けられ、各磁性体１８Ａにはコイル２０Ａが巻回され、磁性体１８Ａは円板状の磁性体１９Ａに接合されている。インペラ１０の中心軸方向において、磁性体１８Ａはコイル２０Ａよりも短い。インペラ１０の回転中において、複数の永久磁石１７および複数の磁性体１８間の第１の吸引力と複数の永久磁石１７Ａおよび複数の磁性体１８Ａ間の第２の吸引力とは、血液室７内におけるインペラ１０の可動範囲の略中央で釣り合うように設定されている。
【０１４５】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【０１４６】
１  ポンプ部、２  ハウジング、３  本体部、４  血液流入ポート、５  血液流出ポート、６，６Ａ  隔壁、７  血液室、８，８Ａ  モータ室、１０  インペラ、１０ａ  貫通孔、１１，１２  シュラウド、１３  ベーン、１４  血液通路、１５〜１７，１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂ，４２  永久磁石、１８，１８Ａ，１９，１９Ａ，３６〜３９，４１  磁性体、１８ａ，１９ａ  磁性鋼板、２０，２０Ａ  コイル、２１，２２，５１，５２，６０〜６２，６４，６５  動圧溝、２５  コントローラ、２６  モータ制御回路、２７，３０，３１  パワーアンプ、３２  切換スイッチ、４０  切り欠き部、６３  溝。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図１２】
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