(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
インペラを磁気軸受によって支持し、磁気カップリングにより隔壁を介して速度制御が可能なモータによって駆動される磁気浮上型ポンプにおいて、
モータの複数の回転数ごとにモータ駆動電流とポンプ流量の流量相関関係を予め求めておき、
前記流量相関関係に基づいて、現在のモータの回転数とモータ駆動電流とからポンプ流量を求め、予め設定されている設定流量と比較し、少なければ回転数を増加し、逆であれば減速するためのフィードバック制御して流量制御する制御手段、および
前記磁気軸受によるインペラの外乱応答により得られる血液粘度によって得られるポンプ流量を補正する補正手段を備えた磁気浮上型ポンプ。
【請求項２】
インペラを磁気軸受によって支持し、磁気カップリングにより隔壁を介して速度制御が可能なモータによって駆動される磁気浮上型ポンプにおいて、
モータの複数の回転数ごとにモータ駆動電流とポンプ吐出圧力の圧力相関関係を予め求めておき、
前記圧力相関関係に基づいて、現在のモータの回転数とモータ駆動電流とからポンプ吐出圧力を求め、予め設定されている設定圧力と比較し、少なければ回転数を増加し、逆であれば減速するためのフィードバック制御して圧力制御する制御手段、および
前記磁気軸受によるインペラの外乱応答により得られる血液粘度によって得られるポンプ吐出圧力を補正する補正手段を備えた磁気浮上型ポンプ。
【請求項３】
インペラを磁気軸受によって支持し、磁気カップリングにより隔壁を介して速度制御が可能なモータによって駆動される磁気浮上型ポンプにおいて、
モータの複数の回転数ごとにモータ駆動電流とポンプ流量の流量相関関係を予め求めるとともに、モータの複数の回転数ごとに前記ポンプ流量とポンプ吐出圧力の流量・圧力相関関係を予め求めておき、
前記流量相関関係に基づいて、現在のモータの回転数とモータ駆動電流とからポンプ流量を求め、つぎに前記流量・圧力相関関係に基づいて、現在のモータの回転数と前記ポンプ流量とからポンプ吐出圧力を求め、予め設定されている設定圧力と比較し、少なければ回転数を増加し、逆であれば減速するためのフィードバック制御して圧力制御する制御手段、および
前記磁気軸受によるインペラの外乱応答により得られる血液粘度によって得られるポンプ流量またはポンプ吐出圧力を補正する補正手段を備えた磁気浮上型ポンプ。
【請求項４】
インペラを磁気軸受によって支持し、磁気カップリングにより隔壁を介して速度制御が可能なモータによって駆動される磁気浮上型ポンプにおいて、
モータの複数の回転数ごとにモータ駆動電流とポンプ吐出圧力の圧力相関関係を予め求めるとともに、モータの複数の回転数ごとに前記ポンプ吐出圧力とポンプ流量の流量・圧力相関関係を予め求めておき、
前記圧力相関関係に基づいて、現在のモータの回転数とモータ駆動電流とからポンプ吐出圧力を求め、つぎに前記流量・圧力相関関係に基づいて、現在のモータの回転数と前記ポンプ吐出圧力とからポンプ流量を求め、予め設定されている設定流量と比較し、少なければ回転数を増加し、逆であれば減速するためのフィードバック制御して流量制御する制御手段、および
前記磁気軸受によるインペラの外乱応答により得られる血液粘度によって得られるポンプ流量またはポンプ吐出圧力を補正する補正手段を備えた磁気浮上型ポンプ。
【請求項５】
前記粘度を測定するために周期的に外乱を与えることを特徴とする、請求項１から請求項４のいずれかに記載の磁気浮上型ポンプ。
【請求項６】
前記外乱の周波数は前記インペラの支持剛性が最も小さい周波数域に選ばれることを特徴とする、請求項１から請求項５のいずれかに記載の磁気浮上型ポンプ。
【請求項７】
前記粘度を測定するためにバンドパスフィルタに外乱周波数のみを通過させて変位を検出することを特徴とする、請求項１から請求項６のいずれかに記載の磁気浮上型ポンプ。
【請求項８】
前記粘度を測定するために、回転数による補正を加えることを特徴とする、請求項１から請求項７のいずれかに記載の磁気浮上型ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は磁気浮上型ポンプに関し、特に、血液ポンプのような医療機器に用いられ、インペラを駆動するモータ電流とモータ回転数とからポンプ流量を求めるような磁気浮上型ポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
血液ポンプに限らず、ポンプの動作状態を常に監視し、装置を最適条件で運転する場合がある。ポンプの動作状態を示すものとして、駆動モータ入力（電流，電圧），ポンプ入口圧力，出口出力，ポンプ流量がある。
【０００３】
図１０および図１１はこれらの検出装置をポンプ回路に挿入した状態を示す図である。図１０において、ポンプ７１を駆動するモータに印加される電圧，流れる電流および回転数は比較的容易に検出できるが、圧力を検出するためにはポンプ７１の入口側と出口側に差圧計７２を接続し、流量を検出するためにポンプ７１の出口側に流量計７３を接続する必要がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述の差圧計７２や流量計７３などの測定装置は高価であるとともに、人工心臓としての血液ポンプに用いた場合、図１１に示すような回路の接続部が増加し、ここで凝血が発生する可能性が増大する。しかし、血液の回路には微小な隙間や流れのよどみ、渦を極力避ける必要がある。
【０００５】
それゆえに、この発明の主たる目的は、圧力計や流量計を用いることなく、ポンプの動作状態を求めることができ、血液ポンプへ適用した場合、流量の供給部分を少なくでき、凝血の発生を防止できるような磁気浮上型ポンプを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る磁気浮上ポンプは、インペラを磁気軸受によって支持し、磁気カップリングにより隔壁を介して速度制御が可能なモータによって駆動される磁気浮上型ポンプにおいて、モータの複数の回転数ごとに、モータ駆動電流、ポンプ流量、ポンプ吐出圧力の相関関係を予め求めておき、求められた相関関係に基づいて、現在のモータの回転数とモータ駆動電流とからポンプ流量またはポンプ吐出圧力を求め、予め設定されている設定流量または設定圧力と比較し、少なければ回転数を増加し、逆であれば減速する制御手段と、磁気軸受によるインペラの外乱応答により得られる血液粘度によって得られるポンプ流量またはポンプ吐出圧力を補正する補正手段を備えて構成される。
【０００８】
好ましくは、粘度を測定するために周期的に外乱を与える。
また好ましくは、外乱の周波数はインペラの支持剛性が最も小さい周波数域に選ばれる。
【０００９】
また好ましくは、粘度を測定するためにバンドパスフィルタに外乱周波数のみを通過させて変位を検出する。
【００１０】
また好ましくは、粘度を測定するために、回転数による補正を加える。
【００１１】
【作用】
この発明に係る磁気浮上型ポンプでは、モータの複数の回転数ごとに、モータ駆動電流、ポンプ流量、ポンプ吐出圧力の相関関係を予め求めておき、求められた相関関係に基づいて、現在のモータの回転数とモータ駆動電流とからポンプ流量またはポンプ吐出圧力を求め、予め設定されている設定流量または設定圧力と比較し、少なければ回転数を増加し、逆であれば減速する制御手段と、磁気軸受によるインペラの外乱応答により得られる血液粘度によって得られるポンプ流量またはポンプ吐出圧力を補正する補正手段とが設けられる。したがって、従来のように圧力計や流量計を用いることなく、流量制御または圧力制御することができ、しかも流路の接続部分を少なくできるので、血液ポンプへ適用した場合であっても凝血の発生を防止できる。また、血液粘度によってポンプ流量またはポンプ吐出圧力を補正するので、流量制御または圧力制御を精度良く行なうことができる。
【００１２】
【実施例】
図１はこの発明の一実施例の磁気浮上型ポンプの断面図および制御回路を示す図である。図１において、磁気浮上型ポンプ１はモータ部１０とポンプ部２０と磁気軸受部３０とから構成される。ポンプ部２０のケーシング２１内にはインペラ２２が設けられる。ケーシング２１は非磁性部材からなり、インペラ２２は非制御式磁気軸受を構成する永久磁石２４を有する非磁性部材２５と、制御式磁気軸受のロータに相当する軟鉄部材２６とを含む。永久磁石２４はインペラ２２の円周方向に分割されていて、互いに隣接する磁石が互いに反対方向に着磁されている。
【００１３】
インペラ２２の永久磁石２４を有する側に対向するようにして、ケーシング２１外部には軸１１に軸支されたロータ１２が設けられる。ロータ１２はモータ１３によって駆動されて回転する。ロータ１２にはインペラ２２の永久磁石２４に対向しかつ吸引力が作用するようにインペラ２２側と同数の永久磁石１４が設けられている。一方、インペラ２２の軟鉄部材２６を有する側に対向するようにして、ケーシング２１において永久磁石２４と１４の吸引力に打勝ってインペラ２２をケーシング２１の中心に保持するように電磁石３１と図示しない位置センサとが磁気軸受部３０に設けられている。
【００１４】
上述のごとく構成された磁気浮上型ポンプにおいて、ロータ１２に埋込まれている永久磁石１４はインペラ２２の駆動や半径方向を支持し、インペラ２２に設けられている永久磁石２４との間の軸方向の吸引力を生じさせる。この吸引力と釣合うように電磁石３１のコイルに電流が流され、インペラ２２が浮上する。そして、ロータ１２がモータ１３の駆動力によって回転すると、永久磁石１４と２４とが磁気カップリングを構成し、インペラ２２が回転して、液体は注入口から図示しない吐出口に送り込まれる。インペラ２２はケーシング２１によってロータ１２から隔離されておりかつ電磁石３１からの汚染を受けることがないので、磁気浮上型ポンプ１から吐出された血液はクリーンな状態を保持する。
【００１５】
制御回路４０は、ＣＰＵ４１と回転数制御回路４２と磁気軸受制御回路４３とを含む。回転数制御回路４２はＣＰＵ回路４１からの指定を受け、モータ１３の回転数を制御し、磁気軸受制御回路４３は図示しない位置センサの信号をもとに電磁石３１を制御する。さらに、制御部４０には、回転数を表示する表示器５１と流量を表示する表示器５２と圧力を表示する表示器５３とが設けられる。
【００１６】
図２は磁気浮上型ポンプの吐出流量とモータの駆動電流との関係を回転数を変えて測定した結果を示す図であり、図３は各回転数ごとのポンプ吐出流量−圧力特性を示す図である。
【００１７】
図２は、磁気浮上型ポンプの特性は、ケーシング２１とインペラ２２との隙間や、流体の粘度により変化するが、予めポンプごとに検定しておけば、図２に示すようにモータ駆動電流と回転数とから吐出流量を容易に得ることができ、また図３の特性から流量と回転数とから吐出圧を求めることができる。
【００１８】
次に、図１〜図３を参照して、この発明の一実施例の具体的な動作について説明する。制御回路４０の回転数制御回路４２によってモータ１３に一定の電流が供給されて、インペラ２２がたとえば２２００ｒｐｍの一定回転数で回転中の場合、図２に示す特性から回転数とモータ駆動電流とから流量を求めることができ、また、求めた回転数とポンプ流量とから図３の特性によって吐出圧を求めることができる。この場合、回転数制御回路４２はＣＰＵ回路４１からの指令に基づいて、モータ１３の回転数がたとえば２２００ｒｐｍとなるようにモータ１３を駆動する。そして、ＣＰＵ回路４１は回転数を表示器５１に表示し、流量を表示器５２に表示し、吐出圧力を表示器５３に表示する。また、一定流量が吐出されるように制御されるためには、現在の回転数とモータ駆動電流とからポンプ流量を求め、予め設定されている設定流量と比較し、少なければ回転数を増加し、逆であれば減速するためのフィードバック制御を行なう。また、一定吐出圧運転においては、設定圧に対してフィードバック制御を行なえばよい。
【００１９】
したがって、この実施例によれば、圧力計流量計を用いることなく、ポンプの動作状態を求めることができるため、安価な磁気浮上型ポンプシステムを構成できる。また、この実施例の磁気浮上型ポンプシステムを人工心臓の血液ポンプに適用した場合、流路の接続部分を少なくでき、凝血の発生を防止できる。
【００２０】
図４は一定回転数でのモータ駆動電流と流量との関係を粘度を変えて測定した特性を示す図である。前述の図１に示した実施例では、モータ１３の駆動電流と回転数とから流量を演算するようにしたが、図４に示すように、たとえば回転数が２０００ｒｐｍで一定回転していても、血液粘度μ＝１，２，３，４によって一定の流量を得るための駆動電流が異なり、血液粘度の変化が誤差になってしまうおそれがある。
【００２１】
そこで、以下に血液の粘度に応じて流量と圧力を補正する実施例について説明する。
【００２２】
図５はこの発明の他の実施例のブロック線図である。この実施例に用いられる磁気浮上型ポンプは、図１に示したように、Ｚ，θx ，θy の３軸の制御ループを有しており、それぞれの制御軸は図５に示すブロック線図で表わすことができる。図５において、ＰＩＤ回路８１はインペラ２２を安定に浮上させるための補償回路である。ＰＩＤ回路８１の出力に一定周波数で一定振幅の信号を加算すると、インペラ２２には一定の周期的な外乱が作用する。図５において、Ｃｓ８４は流体から作用する粘度による力である。つまり、流体粘度Ｃに変化が生ずると、インペラ２２に生ずる外乱による変位も変化することになり、インペラ変位により粘度を求めることができる。この方法は３つの制御軸のいずれに適用しても効果がある。なお、図５において、ＫVF８２は、ＰＩＤ回路８１の出力電圧をコイル電流、すなわち電磁吸収引力（Ｆ）に変換する定数を意味しており、１／（ＭS 2 −Ｋ）は、電磁軸受の制御対象を表わす位置関数である。
【００２３】
図６はこの発明の他の実施例のブロック図である。図６において、制御回路６０は、モータ制御回路６１と磁気軸受制御装置６２とＣＰＵ６３とバンドパスフィルタ６４と外乱信号発生装置６５とスイッチ６６とを含む。モータ制御装置６１からＣＰＵ６３に対して、モータの駆動電流と回転数信号とが与えられる。ＣＰＵ６３は回転数信号と駆動電流値とに基づいて、図２に示した特性から流量を計算する。磁気軸受制御装置６２からインペラの変位量が取出され、バンドパスフィルタ６４を介してＣＰＵ６３に与えられる。バンドパスフィルタ６４は外乱周波数と同じ周波数のインペラ変位を取出してＣＰＵ６３に与える。また、外乱信号発生装置６５から外乱信号が発生され、スイッチ６６を介して磁気軸受制御装置６２に外乱が与えられる。スイッチ６６はＣＰＵ６３からの外乱制御信号に応じてオンオフされる。
【００２４】
図７は一定の粘度の下で得られるモータ駆動電流とポンプ流量との関係を示す図であり、図８はインペラにｓｉｎ波状で一定振幅の外乱（Ｆｄ）を与えたときのインペラに生ずる変位（ｚ）と粘度との関係を外乱周波数を変えて測定した結果を示す図であり、図９は７０Ｈｚの外乱を加えた場合のインペラの変位をインペラ回転数を変えて測定した結果を示す図である。
【００２５】
図４に示すように、一定の粘度の下で得られるモータ電流とポンプ流量の関係はほぼ直線関係にあり、ＣＰＵ６３はモータ制御装置６１から与えられる回転数とモータ電流値とから流量を計算する。
【００２６】
一方、図８に示すように、インペラにｓｉｎ波状で一定振幅の外乱Ｆｄを与えたときのインペラに生ずる変位ｚが低周波および高周波に対してはｚ／Ｆｄより粘度を求めることが難しいが、インペラ支持剛性が最も小さくなる７０Ｈｚ程度の周波数（制御系の設定で変化する）に対しては良い感度が得られているのがわかる。つまり、磁気軸受を用いて流体の粘度が求められることがわかる。ＣＰＵ６３は図７の特性を求めたときの粘度を標準粘度とし、上述の方法で求められた動作中の粘度との差により図７のデータを修正することにより、流量の検出精度が向上する。しかし、外乱信号発生装置６５から磁気軸受制御装置６２に対して外乱を常に与えることは血球の破損（溶血）を増すことになるため、周期的に行なうのが望ましい。このため、ＣＰＵ６３はスイッチ６６をオンオフする。また、バンドパスフィルタ６４は磁気軸受制御装置６２から出力されるインペラ変位のうち、外乱周波数と同じ周波数のインペラ変位を取出してＣＰＵ６３に与える。また、図９に示すように、インペラの回転により粘度が大きく現われる傾向があるため、補正精度を向上するためには、回転数を考慮する必要がある。
【００２７】
上述のごとく、この実施例によれば、粘度による補正ができるため、流量の検出精度が向上する。
【００２８】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、圧力計や流量計を用いることなく、ポンプの動作状態を求めることができるため、磁気浮上型ポンプシステムを低コストで実現できる。しかも、血液ポンプへ適用した場合、流路の接続部分を少なくでき、凝血の発生を防止することができる。さらに、粘度による補正ができるため、制御精度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例の磁気浮上型ポンプの断面図および制御回路を示す図である。
【図２】磁気浮上型ポンプの吐出流量とモータの駆動電流との関係を回転数を変えて測定した結果を示す図である。
【図３】各回転数ごとのポンプ吐出流量−圧力特性を示す図である。
【図４】一定回転数でのモータ電流と流量の関係を粘度を変えて測定した特性を示す図である。
【図５】この発明の他の実施例のブロック線図である。
【図６】この発明の他の実施例を示すブロック図である。
【図７】一定の粘度の下で得られるモータ駆動電流とポンプ流量との関係を示す図である。
【図８】インペラにｓｉｎ波状で一定振幅の外乱を与えたときのインペラに生ずる変位と粘度の関係を外乱周波数を変えて測定した結果を示す図である。
【図９】７０Ｈｚの外乱を加えた場合のインペラの変位をインペラ回転数を変えて測定した結果を示す図である。
【図１０】従来の血液ポンプシステムを示す図である。
【図１１】従来のポンプシステムにおいて凝血が発生する状態を示す図である。
【符号の説明】
１  磁気浮上型ポンプ
１０  モータ部
１１  軸
１２  ロータ
１３  モータ
１４  永久磁石
２０  ポンプ部
２１  ケーシング
２２  インペラ
２４  永久磁石
３０  磁気軸受部
３１  永久磁石
４０  制御部
４１  ＣＰＵ回路
４２  回転数制御回路
４３  磁気軸受制御回路
５１，５２，５３  表示器
６１  モータ制御装置
６２  磁気軸受制御装置
６３  ＣＰＵ
６４  バンドパスフィルタ
６５  外乱信号発生装置
６６  スイッチ
【図１】
0003546092.tif 000002
【図２】
0003546092.tif 000003
【図３】
0003546092.tif 000004
【図４】
0003546092.tif 000005
【図５】
0003546092.tif 000006
【図６】
0003546092.tif 000007
【図７】
0003546092.tif 000008
【図８】
0003546092.tif 000009
【図９】
0003546092.tif 000010
【図１０】
0003546092.tif 000011
【図１１】
0003546092.tif 000012