(57)【要約】【課題】小型で、十分なトルク伝達能力があり、信頼性及び耐久性がある血液ポンプ用磁気的変速装置を提供する。【解決手段】血液ポンプ用磁気的変速装置１０は、ユニット側駆動磁石３８と同心状に構成されたポールピース４４と、ポールピース４４と同心状に回転可能に配置された回転体４６と、回転体４６に保持されるとともに、ポールピース４４に対向配置された磁気ギア用従動磁石４８と、回転体４６に保持されるとともに、血液ポンプ１６に設けられた結合用従動磁石３４と磁気結合可能な結合用駆動磁石５０とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
血液ポンプを駆動するための駆動ユニットが発生する回転駆動力を変速して前記血液ポンプに伝達する血液ポンプ用磁気的変速装置であって、
前記駆動ユニットに搭載されたユニット側駆動磁石に対し、該ユニット側駆動磁石と同心状に対向配置されるように構成されたポールピースと、
前記ポールピースと同心状に回転可能に配置された回転体と、
前記回転体に保持され、前記ポールピースと同心状に配置され、前記ポールピースに対向配置された磁気ギア用従動磁石と、
前記回転体に保持され、前記ポールピースと同心状に配置され、前記血液ポンプに設けられた結合用従動磁石と磁気結合可能な結合用駆動磁石と、を備える、
ことを特徴とする血液ポンプ用磁気的変速装置。
【請求項２】
請求項１記載の血液ポンプ用磁気的変速装置において、
前記磁気ギア用従動磁石の磁極数は、前記ユニット側駆動磁石の磁極数よりも少なく、
前記磁気ギア用従動磁石は、前記ユニット側駆動磁石よりも高速で回転する、
ことを特徴とする血液ポンプ用磁気的変速装置。
【請求項３】
請求項１記載の血液ポンプ用磁気的変速装置において、
前記磁気ギア用従動磁石の磁極数は、前記ユニット側駆動磁石の磁極数よりも多く、
前記磁気ギア用従動磁石は、前記ユニット側駆動磁石よりも低速で回転する、
ことを特徴とする血液ポンプ用磁気的変速装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の血液ポンプ用磁気的変速装置において、
前記磁気ギア用従動磁石の着磁方向が径方向である、
ことを特徴とする血液ポンプ用磁気的変速装置。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の血液ポンプ用磁気的変速装置において、
前記磁気ギア用従動磁石の着磁方向が軸方向である、
ことを特徴とする血液ポンプ用磁気的変速装置。
【請求項６】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の血液ポンプ用磁気的変速装置において、
前記磁気ギア用従動磁石の着磁方向が、前記磁気ギア用従動磁石の軸に対して傾斜している、
ことを特徴とする血液ポンプ用磁気的変速装置。
【請求項７】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の血液ポンプ用磁気的変速装置において、
前記ポールピースが内周と外周に磁気結合面を有し、それぞれの高さが異なっている、
ことを特徴とする血液ポンプ用磁気的変速装置。
【請求項８】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の血液ポンプ用磁気的変速装置において、
前記結合用駆動磁石の着磁方向が径方向である、
ことを特徴とする血液ポンプ用磁気的変速装置。
【請求項９】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の血液ポンプ用磁気的変速装置において、
前記結合用駆動磁石の着磁方向が軸方向である、
ことを特徴とする血液ポンプ用磁気的変速装置。
【請求項１０】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の血液ポンプ用磁気的変速装置において、
前記結合用駆動磁石の着磁方向が、前記結合用駆動磁石の軸に対して傾斜している、
ことを特徴とする血液ポンプ用磁気的変速装置。
【請求項１１】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の血液ポンプ用磁気的変速装置において、
前記ポールピースは、圧粉鉄心もしくはアモルファス鉄心からなる、
ことを特徴とする血液ポンプ用磁気的変速装置。
【請求項１２】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の血液ポンプ用磁気的変速装置において、
前記磁気ギア用従動磁石が軸方向もしくは周方向に分割されている、
ことを特徴とする血液ポンプ用磁気的変速装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、血液ポンプ用磁気的変速装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、人工心肺装置の血液循環装置として、外部モータの駆動トルクを磁気結合を用いて血液室内のインペラに伝達する遠心式血液ポンプ装置（磁気結合型遠心式血液ポンプ装置）を使用する例が増加している。磁気結合型遠心式血液ポンプ装置によれば、外部と血液室との物理的な連通を完全に排除することができるため、細菌などの血液への侵入を防止することができ、高価な外部モータを再利用可能としながら、血液に接触するポンプヘッドのみを使い捨て構造とすることが可能となる。
【０００３】
現在、様々な回転方向、回転数レンジの磁気結合型遠心式血液ポンプ装置が使用されているが、磁気結合方式に互換性がない場合が大半である。それぞれの使い捨てポンプヘッドには専用の外部モータを必要とし、回転数を高くしてポンプヘッドを小型化したいといった場合においても、既存の外部モータを使用することができなくなる。このため、外部モータ及び駆動装置も新たに開発する必要がある。
【０００４】
下記特許文献１には、異なる回転方向、回転数のポンプヘッドを既存の外部モータで駆動するための変速装置が開示されている。具体的に、特許文献１の図１２では、円板状多極着磁マグネットを同心状ではなく、偏心結合させて、回転方向を逆転させる構成が開示されている。特許文献１の図１３では、機械的な歯車を用いて変速する構成が開示されている（逆転させてもよい旨の記載もある）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第５０２１０４８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した円板状多極着磁マグネットを偏心結合させて回転方向を逆転させる構成の場合、横方向に大きなスペースを要し、また、磁極の一部のみが磁気的に結合するため、伝達トルクが低下するという問題がある。機械的な歯車を用いて変速（及び逆転）する構成の場合、機械的な騒音、歯車の摩耗による耐久性、信頼性の問題がある。
【０００７】
本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、小型で、十分なトルク伝達能力があり、信頼性及び耐久性がある血液ポンプ用磁気的変速装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するため、本発明は、血液ポンプを駆動するための駆動ユニットが発生する回転駆動力を変速して前記血液ポンプに伝達する血液ポンプ用磁気的変速装置であって、前記駆動ユニットに搭載されたユニット側駆動磁石に対し、該ユニット側駆動磁石と同心状に対向配置されるように構成されたポールピースと、前記ポールピースと同心状に回転可能に配置された回転体と、前記回転体に保持され、前記ポールピースと同心状に配置され、前記ポールピースに対向配置された磁気ギア用従動磁石と、前記回転体に保持され、前記ポールピースと同心状に配置され、前記血液ポンプに設けられた結合用従動磁石と磁気結合可能な結合用駆動磁石と、を備える。
【０００９】
上記の構成を備えた本発明の血液ポンプ用磁気的変速装置によれば、血液ポンプを駆動ユニットに装着した状態では、磁気ギア用従動磁石及び結合用駆動磁石が、ユニット側駆動磁石と同心状に配置される。このため、偏心結合方式と異なり、横方向に大きなスペースが必要なく、小型な装置とすることができる。また、偏心結合方式と異なり、磁極の一部ではなく全体が磁気的に結合するため、十分なトルク伝達能力が得られる。さらに、機械的な歯車を用いて動力伝達する方式と比較して、機械的な騒音が小さいとともに、耐久性、信頼性にも優れる。
【００１０】
前記磁気ギア用従動磁石の磁極数は、前記ユニット側駆動磁石の磁極数よりも少なく、前記磁気ギア用従動磁石は、前記ユニット側駆動磁石よりも高速で回転してもよい。
【００１１】
この構成により、駆動ユニットの駆動力を増速して血液ポンプへと伝達することができる。
【００１２】
前記磁気ギア用従動磁石の磁極数は、前記ユニット側駆動磁石の磁極数よりも多く、前記磁気ギア用従動磁石は、前記ユニット側駆動磁石よりも低速で回転してもよい。
【００１３】
この構成により、駆動ユニットの駆動力を減速して血液ポンプへと伝達することができる。
【００１４】
前記磁気ギア用従動磁石の着磁方向が径方向であってもよい。
【００１５】
前記磁気ギア用従動磁石の着磁方向が軸方向であってもよい。
【００１６】
前記磁気ギア用従動磁石の着磁方向が、前記磁気ギア用従動磁石の軸に対して傾斜していてもよい。
【００１７】
前記結合用駆動磁石の着磁方向が径方向であってもよい。
【００１８】
前記結合用駆動磁石の着磁方向が軸方向であってもよい。
【００１９】
前記結合用駆動磁石の着磁方向が、前記結合用駆動磁石の軸に対して傾斜していてもよい。
【００２０】
前記ポールピースは、圧粉鉄心もしくはアモルファス鉄心からなってもよい。
【００２１】
この構成により、渦電流の発生を抑制し、エネルギ損失を低減することができる。
【００２２】
前記磁気ギア用従動磁石は、軸方向もしくは周方向に分割されていてもよい。
【００２３】
この構成により、渦電流の発生を抑制し、エネルギ損失を低減することができる。
【００２４】
前記ポールピースが内周と外周に磁気結合面を有し、それぞれの高さが異なっていてもよい。
【００２５】
この構成により、ユニット側駆動磁石が径方向着磁である場合に、ユニット側駆動磁石より高さが高く、より磁気結合面積が大きな磁気ギア用従動磁石を使用することができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の血液ポンプ用磁気的変速装置によれば、小型で、十分なトルク伝達能力があり、信頼性及び耐久性がある。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の第１実施形態に係る血液ポンプ用磁気的変速装置の概略断面図である。
【図２】ユニット側駆動磁石の平面構成図である。
【図３】ポールピース及び磁気ギア用従動磁石の平面構成図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る血液ポンプ用磁気的変速装置の概略断面図である。
【図５】本発明の第３実施形態に係る血液ポンプ用磁気的変速装置の概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明に係る血液ポンプ用磁気的変速装置について好適な複数の実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら説明する。なお、第２実施形態、及び第３実施形態において、第１実施形態と同一又は同様な要素には同一の参照符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００２９】
図１に示す血液ポンプ用磁気的変速装置１０（以下、「変速装置１０」と略称する）は、駆動ユニット１４が発生する回転駆動力を変速して血液ポンプ１６に伝達するために使用されるアダプタである。変速装置１０は、駆動ユニット１４及び血液ポンプ１６とともに、人工心肺装置１８の一部を構成する。人工心肺装置１８は、例えば、心臓手術等において使用され、患者から脱血された血液の酸素化、異物の除去等を行い、血液を患者に戻すものである。
【００３０】
詳細は図示しないが、人工心肺装置１８は、血液ポンプ１６、駆動ユニット１４及び変速装置１０の他に、患者から脱血された血液（静脈血）を一時的に貯留するリザーバと、血液に酸素を添加するとともに二酸化炭素を除去するガス交換を行う人工肺とを備える。
【００３１】
血液ポンプ１６は、リザーバからの血液を人工肺に送血する。血液ポンプ１６は、少なくとも、ハウジング２０と、ハウジング２０内に回転可能に配置されたインペラ２２とを備える。ハウジング２０は、図示しない第１接続ラインを介してリザーバの流出ポート２６と接続される流入ポート２４と、図示しない第２接続ラインを介して人工肺と接続される流出ポート２６とを有する。流入ポート２４からインペラ２２の中心部に流入した血液は、インペラ２２の回転に伴って加速されながらインペラ２２の外周側へと流れ、流出ポート２６から吐出される。
【００３２】
血液ポンプ１６のハウジング２０は、下部を構成するベース２０ａと、上部を構成するカバー２０ｂと、ベース２０ａとカバー２０ｂとの間で環状の周囲壁を構成する側壁部２０ｃとを有する。カバー２０ｂの中央部に流入ポート２４が設けられ、側壁部２０ｃに流出ポート２６が設けられている。ベース２０ａの下部には下方に突出した断面円形状の装着用凸部２８が設けられている。ベース２０ａにおいて、装着用凸部２８と反対側には、インペラ配置用凹部３０が設けられている。
【００３３】
ベース２０ａ（具体的には、インペラ配置用凹部３０）の底部中央には、カバー２０ｂ側に向かって突出したインペラ支持軸３２が設けられている。インペラ支持軸３２に、軸受３３を介してインペラ２２が回転可能に支持され、保持部材３５により保持されるシール部材３５ａにより、血液の軸受３３への侵入が防止されている。
【００３４】
インペラ２２内には、インペラ２２の略中央から外周側に向かって放射状に延在する複数の血液誘導路２２ｂが設けられている。インペラ２２には、インペラ２２の軸（回転軸）を中心に、径方向に着磁された結合用多極従動磁石３４が、インペラ２２内のバックヨーク２２ａの外周に配置されている。本実施形態において、結合用多極従動磁石３４は、インペラ２２の下部近傍且つ外周部近傍に配置されている。結合用多極従動磁石３４は、後述する結合用駆動磁石５０と所望の結合力で磁気結合できるように、個数、大きさ等が設定されている。結合用多極従動磁石３４は、リング状の磁石に径方向多極着磁を施したもの、もしくは複数の径方向に着磁された円弧状の磁石を、周方向に異なる磁極が交互に並ぶように配置したものでもよい。
【００３５】
なお、本実形態ではインペラ２２の回転はインペラ内に配置された転がり軸受等の軸受３３によって支持されているが、このようなインペラの回転支持方法は本発明に影響を与えることはなく、インペラの回転は、特許第６１３４７０２号公報に示されるような、血液接触面内のピボット支持や、特許第２９８９２３３号公報に示されるような動圧軸受による支持でもよい。
【００３６】
駆動ユニット１４は、モータ３６と、モータ３６の出力軸部３６ａに固定された回転部材３７（例えば、回転板）と、回転部材３７に取り付けられたユニット側駆動磁石３８と、これらを収容するケース４０とを有する。モータ３６は、ＡＣモータ、ＤＣモータのいずれでもよいが、可変速モータが好適である。モータ３６は図示しない制御部によって、回転速度が制御される。
【００３７】
図２に示すように、ユニット側駆動磁石３８は、モータ３６の出力軸部３６ａと同心状に配置される、軸方向に多極着磁された円盤状磁石である。本実施形態において、ユニット側駆動磁石３８の磁極数は、６個である。すなわち、ユニット側駆動磁石３８は、変速装置１０に対向する側でＳ極の磁石及びＮ極の磁石からなる磁極対が、周方向に３個配置されている。なお、ユニット側駆動磁石３８の磁極数は、４個以下の偶数、あるいは、８個以上の偶数であってもよい。
【００３８】
図１に示すように、ケース４０は、ユニット側駆動磁石３８と対向する上部プレート４２を有する。上部プレート４２は、ユニット側駆動磁石３８に近接して、ユニット側駆動磁石３８に非接触に対向している。上部プレート４２上に、変速装置１０が配置されるように構成されている。ケース４０の上部には、変速装置１０と係合して、変速装置１０を固定可能なフック状の固定用係合部４３が設けられている。
【００３９】
変速装置１０は、駆動ユニット１４に着脱可能に構成されるとともに、血液ポンプ１６が着脱可能に構成されている。変速装置１０は、ポールピース４４と、ポールピース４４と同軸に配置された回転体４６と、ポールピース４４に対向するように回転体４６に保持された磁気ギア用従動磁石４８と、磁気ギア用従動磁石４８とは異なる位置で回転体４６に保持された結合用駆動磁石５０とを備える。
【００４０】
変速装置１０は、さらに、ポールピース４４、回転体４６、磁気ギア用従動磁石４８及び結合用駆動磁石５０を収容するハウジング５２を備える。ハウジング５２の外周下部には、駆動ユニット１４のケース４０に設けられた固定用係合部４３に係合可能な係合用突起５７が設けられている。
【００４１】
ポールピース４４は、ユニット側駆動磁石３８に対し、該ユニット側駆動磁石３８と同心状に対向配置されるように構成されている。ポールピース４４は、積層ケイ素鋼板等の軟磁性体からなることが好ましい。図３に示すように、ポールピース４４は、回転体４６の軸ａ（回転軸）を中心に、周方向に間隔を置いて複数（本実施形態では、４個）配置されている。すなわち、周方向に間隔を置いて配置された複数のポールピース４４からなるポールピース列４５が設けられている。複数のポールピース４４は、ハウジング５２の下部を構成する下部ハウジング５２ａに固定されている。
【００４２】
本実施形態において、ポールピース４４は、軸ａに対して垂直な下面４４ａと、軸と平行な内側面４４ｂとを有し、全体として三角形に近い形状に形成されている。変速装置１０が駆動ユニット１４に装着された状態では、駆動ユニット１４のケース４０及び変速装置１０のハウジング５２を介して、ポールピース４４の下面４４ａが駆動ユニット１４のユニット側駆動磁石３８と対向する。ポールピース４４の内側面４４ｂは、軸ａを中心とする円弧状に形成されている（図３参照）。ポールピース４４は、積層ケイ素鋼板等の軟磁性体、より好ましくは、圧粉鉄心もしくはアモルファス鉄心からなる。
【００４３】
下部ハウジング５２ａの中央には上方に向かって突出する軸部材５４が固定されている。軸部材５４は、下部ハウジング５２ａと一体成形された部分であってもよい。回転体４６は、軸受５５を介して、ポールピース４４（ポールピース列４５）と同心状に軸部材５４に回転可能に支持されている。
【００４４】
変速装置１０が駆動ユニット１４に装着された状態では、回転体４６の軸ａは、モータ３６の軸と同軸上に配置される。回転体４６は、小径部５８と大径部６０とを有する。小径部５８の内周部に軸受５５が配置されている。小径部５８の外周部に磁気ギア用従動磁石４８が配置されている。具体的に、小径部５８には磁石配置用溝６２が設けられており、磁石配置用溝６２に磁気ギア用従動磁石４８が保持されている。
【００４５】
磁気ギア用従動磁石４８は、ポールピース列４５と同心状に配置されるとともに、ポールピース列４５に対向配置されている。磁気ギア用従動磁石４８の着磁方向は、径方向である。磁気ギア用従動磁石４８の外周面は、軸ａと平行であり且つ軸ａを中心とする円弧状に形成されている。磁気ギア用従動磁石４８は、周方向に配置された複数の磁極を有する。本実施形態では、磁気ギア用従動磁石４８の磁極数は、２つである。磁気ギア用従動磁石４８の磁極数は、ユニット側駆動磁石３８の磁極数と異なる偶数である限り、任意に設定され得る。
【００４６】
磁気ギア用従動磁石４８の大きさ（外径、軸方向長さ）及び磁束密度は、ユニット側駆動磁石３８から磁気ギア用従動磁石４８への変速を伴った回転駆動力の伝達に際し、十分なトルク伝達能力が得られるように設定される。磁気ギア用従動磁石４８の内周には積層ケイ素鋼板等の軟磁性体からなるバックヨーク６５が配置されている。バックヨーク６５は、磁気ギア用従動磁石４８の外周磁束密度を高めるとともに、内側への磁束を遮断する効果を有し、この効果により内側に配置される軸受５５に生じる渦電流による発熱を抑制することができる。本実施形態では、磁気ギア用従動磁石４８は図１に示されるように軸方向に複数に分割された磁石を積層したものである。このような分割構造とすることで、磁石内に発生しうる渦電流による発熱を抑制することができる。なお、磁気ギア用従動磁石４８は、軸方向に亘って一体の（軸方向に分割されてない）磁石であってもよい。
【００４７】
回転体４６の大径部６０は、小径部５８と同心状に構成されるとともに、小径部５８よりも大きい外径を有する。大径部６０は、小径部５８の上部に設けられている。大径部６０には、結合用駆動磁石５０が配置されている。具体的に、大径部６０には磁石配置用溝６４が設けられている。当該磁石配置用溝６４に、軸ａと同心状にバックヨーク４９の内側に結合用駆動磁石５０が保持されている。結合用駆動磁石５０は、リング状の磁石に径方向多極着磁を施したもの、もしくは複数の径方向に着磁された円弧状の磁石を、周方向に異なる磁極が交互に並ぶように配置したものでもよい。
【００４８】
回転体４６の上部（大径部６０）は、ハウジング５２の上部ハウジング５２ｂの天井部５３と対向している。具体的に、上部ハウジング５２ｂの天井部５３には、ハウジング５２内に向かって下方に突出する突出部６６が設けられている。突出部６６は、回転体４６の大径部６０の内側に挿入されている。天井部５３において、突出部６６の反対側には、装着用凹部６８が設けられている。装着用凹部６８に、血液ポンプ１６の装着用凸部２８が挿入可能である。
【００４９】
なお、本実形態では、結合用従動磁石３４より径が大きい結合用駆動磁石５０が結合用従動磁石３４の外側に配置される構造となっているが、結合用従動磁石より径が小さい結合用駆動磁石が結合用従動磁石の内側に配置される構造でもよい。この場合、ハウジング５２の突出部６６を下方ではなく、上方（ポンプ側）に突出させ、その内側に結合用駆動磁石を配置し、インペラ２２及びハウジング２０にはポンプ流入側に凹む凹部をそれぞれ設け、当該凹部の外周部に結合用従動磁石を配置する構造とすればよい。
【００５０】
また、結合用従動磁石の着磁方向が軸方向である場合は、結合用駆動磁石を軸方向着磁とすればよく、この場合、ハウジング５２内の突出部６６は省略することができる。またさらに、結合用従動磁石の着磁方向がポンプ回転軸に対して傾いている場合は、結合用駆動磁石の着磁方向をポンプ駆動磁石の回転軸に対して同じ角度で傾ければよい。
【００５１】
血液ポンプ１６が変速装置１０に装着された状態では、変速装置１０に設けられた結合用駆動磁石５０と、血液ポンプ１６に設けられた結合用多極従動磁石３４とが、ハウジング５２及びハウジング２０を介して、互いに対向する。これにより、変速装置１０に設けられた結合用駆動磁石５０と、血液ポンプ１６に設けられた結合用多極従動磁石３４とが磁気結合する。従って、回転体４６の回転時には、結合用駆動磁石５０から結合用多極従動磁石３４へと回転駆動力が伝達される。血液ポンプ１６が変速装置１０に装着された状態では、インペラ２２は、回転体４６と同軸上に配置される。
【００５２】
本実施形態では、磁気ギア用従動磁石４８の磁極数は、ユニット側駆動磁石３８の磁極数よりも少ない。従って、磁気ギア用従動磁石４８は、ユニット側駆動磁石３８よりも高速で回転する。すなわち、本実施形態に係る変速装置１０は、駆動ユニット１４の回転駆動力を増速して血液ポンプ１６へと伝達する増速ギア機構として構成されている。ユニット側駆動磁石３８の磁極数をＮａ、磁気ギア用従動磁石４８の磁極数をＮｂとした場合、磁気ギア用従動磁石４８は、ユニット側駆動磁石３８のＮａ／Ｎｂ倍の速度で回転する。本実施形態の場合、Ｎａ／Ｎｂ＝３であるため、磁気ギア用従動磁石４８は、ユニット側駆動磁石３８の３倍の速度で回転する。
【００５３】
なお、磁気ギア用従動磁石４８の磁極数は、ユニット側駆動磁石３８の磁極数よりも多くてもよい。この場合、磁気ギア用従動磁石４８は、ユニット側駆動磁石３８よりも低速で回転する。すなわち、この場合、変速装置１０は、駆動ユニット１４の回転駆動力を減速して血液ポンプ１６へと伝達する減速ギア機構として構成される。
【００５４】
ポールピース４４の数は、任意に設定され得るが、ユニット側駆動磁石３８の磁極数Ｎａと、磁気ギア用従動磁石４８の磁極数Ｎｂと、伝達トルクが最大になるポールピース数Ｎｃとは、Ｎｃ＝（Ｎａ＋Ｎｂ）／２の関係を有する。従って、ユニット側駆動磁石３８の磁極数Ｎａが６、磁気ギア用従動磁石４８の磁極数Ｎｂが２である場合、伝達トルクが最大になるポールピース数Ｎｃは４である。本実施形態では、伝達トルクが最大になるようにポールピース４４の数が設定されている。
【００５５】
次に、上記のように構成された変速装置１０の作用を説明する。
【００５６】
図１に示すように、駆動ユニット１４により血液ポンプ１６を駆動するために、駆動ユニット１４に変速装置１０が装着されるとともに、変速装置１０に血液ポンプ１６が装着される。このように、駆動ユニット１４に変速装置１０が装着され、且つ変速装置１０に血液ポンプ１６が装着された状態では、モータ３６の出力軸部３６ａと、変速装置１０の軸（回転体４６の軸ａ）と、血液ポンプ１６の軸（インペラ２２の軸）とが、同軸上に配置される。
【００５７】
モータ３６の回転に伴って、ユニット側駆動磁石３８が回転する。変速装置１０内のポールピース４４は、ユニット側駆動磁石３８と同心状に対向配置されており、ユニット側駆動磁石３８の磁力が、ポールピース４４を介して、当該ポールピース４４と同心状に対向配置された磁気ギア用従動磁石４８へと作用する。これにより、磁気ギア用従動磁石４８及び回転体４６は、ユニット側駆動磁石３８の回転方向とは逆方向に、且つユニット側駆動磁石３８とは異なる回転速度（本実施形態では、ユニット側駆動磁石３８よりも高速）で回転する。
【００５８】
回転体４６の回転に伴い、結合用駆動磁石５０も磁気ギア用従動磁石４８と一体的に回転する。このため、結合用駆動磁石５０と磁気結合している結合用多極従動磁石３４が回転し、結合用多極従動磁石３４を保持しているインペラ２２が、磁気ギア用従動磁石４８と同一方向及び同一速度で回転する。インペラ２２の回転により、血液が、図示しないリザーバから流入ポート２４を介して血液ポンプ１６内に導入され、流出ポート２６を介して図示しない人工肺へと送り出される。
【００５９】
この場合、本実施形態に係る変速装置１０は、以下の効果を奏する。
【００６０】
変速装置１０によれば、血液ポンプ１６を駆動ユニット１４に装着した状態では、磁気ギア用従動磁石４８及び結合用駆動磁石５０が、ユニット側駆動磁石３８と同心状に配置される。このため、偏心結合方式と異なり、横方向に大きなスペースが必要なく、小型な装置とすることができる。また、偏心結合方式と異なり、磁極の一部ではなく全体が磁気的に結合するため、十分なトルク伝達能力が得られる。さらに、機械的な歯車を用いて動力伝達する方式と比較して、機械的な騒音が小さいとともに、耐久性、信頼性にも優れる。
【００６１】
磁気ギア用従動磁石４８の磁極数は、ユニット側駆動磁石３８の磁極数よりも少なく、磁気ギア用従動磁石４８は、ユニット側駆動磁石３８よりも高速で回転する。この構成により、駆動ユニット１４の駆動力を増速して血液ポンプ１６へと伝達することができる。なお、磁気ギア用従動磁石４８の磁極数が、ユニット側駆動磁石３８の磁極数よりも多い場合には、駆動ユニット１４の駆動力を減速して血液ポンプ１６へと伝達することができる。
【００６２】
ポールピース４４は、積層ケイ素鋼板等の軟磁性体、より好ましくは、圧粉鉄心もしくはアモルファス鉄心からなる。この構成により、渦電流の発生を抑制し、エネルギ損失を低減することができる。
【００６３】
ユニット側駆動磁石３８、磁気ギア用従動磁石４８、結合用駆動磁石５０及び結合用多極従動磁石３４の少なくとも１つは、ハルバッハ配列を形成するように配置されるとよい。ハルバッハ配列は、磁気の方向を最適化することにより特定の方向への磁場強度を最大化する磁気回路である。このようなハルバッハ配列が適用されることにより、トルク伝達能力を良好に増大させることが可能となる。
【００６４】
図４に示す本発明の第２実施形態に係る血液ポンプ用磁気的変速装置１０ａ（以下、「変速装置１０ａ」と略称する）は、駆動ユニット１４に着脱可能に構成されるともに、血液ポンプ１６ａが着脱可能に構成されている。血液ポンプ１６ａのハウジング８０内に回転可能に配置されたインペラ７０には、インペラ７０の軸を中心に、複数の結合用従動磁石７２が周方向に配置されている。結合用従動磁石７２は、血液ポンプ１６ａの下部に設けられた装着用凸部２８よりも径方向外側に配置されている。結合用従動磁石７２の着磁方向は軸方向である。
【００６５】
変速装置１０ａは、ポールピース７４と、ポールピース７４と同軸に配置された回転体７６と、ポールピース７４に対向するように回転体７６に保持された磁気ギア用従動磁石７７と、磁気ギア用従動磁石７７とは異なる位置で回転体７６に保持された結合用駆動磁石７８と、これらを収容するハウジング８０とを備える。磁気ギア用従動磁石７７及び結合用駆動磁石７８は、リング状の磁石に軸方向多極着磁を施したもの、もしくは複数の軸方向に着磁された円柱状、もしくは円弧状等の磁石を、周方向に異なる磁極が交互に並ぶように配置したものでもよい。
【００６６】
ポールピース７４は、回転体７６の軸ａを中心に、周方向に複数配置されている。すなわち、周方向に間隔を置いて配置された複数のポールピース７４からなるポールピース列７５が設けられている。ポールピース７４は、ユニット側駆動磁石３８に対し、該ユニット側駆動磁石３８と同心状に対向配置されるように構成されている。ポールピース７４は、ユニット側駆動磁石３８に対し軸方向に対向する下面７４ａと、磁気ギア用従動磁石７７に対し軸方向に対向する上面７４ｂとを有する板状体である。
【００６７】
回転体７６は、ハウジング８０の中央部に設けられた軸部材８２に軸受８４を介して回転可能に支持されている。回転体７６は、小径部８６と大径部８８とを有する。小径部８６の下部に磁気ギア用従動磁石７７が保持されている。磁気ギア用従動磁石７７の着磁方向は、軸方向である。磁気ギア用従動磁石７７は、ポールピース７４（ポールピース列７５）に対し、軸方向に対向している。
【００６８】
本実施形態では、磁気ギア用従動磁石７７の磁極数は、ユニット側駆動磁石３８の磁極数よりも多い偶数である。従って、磁気ギア用従動磁石７７は、ユニット側駆動磁石３８よりも低速で回転する。すなわち、変速装置１０ａは、駆動ユニット１４の回転駆動力を減速して血液ポンプ１６ａへと伝達する減速ギア機構として構成されている。
【００６９】
ポールピース７４の数は、磁気ギアでの伝達トルクが最大になるように設定されるのがよい。例えば、ユニット側駆動磁石３８の磁極数Ｎａが１０、磁気ギア用従動磁石７７の磁極数Ｎｂが１２である場合、伝達トルクが最大になるポールピース７４の数Ｎｃは、１１である。
【００７０】
回転体７６の大径部８８には、複数の結合用駆動磁石７８が回転体７６の軸ａを中心に周方向に配置されている。結合用駆動磁石７８の着磁方向は軸方向である。血液ポンプ１６ａが変速装置１０ａに装着された状態では、変速装置１０ａに設けられた結合用駆動磁石７８と、血液ポンプ１６ａに設けられた結合用従動磁石７２とが、ハウジング８０を介して軸方向に互いに対向する。これにより、変速装置１０ａに設けられた結合用駆動磁石７８と、血液ポンプ１６ａに設けられた結合用従動磁石７２とが磁気結合する。
【００７１】
第２実施形態に係る変速装置１０ａによれば、第１実施形態に係る変速装置１０と同様に、小型で、十分なトルク伝達能力が得られ、機械的な騒音が小さいとともに、耐久性、信頼性にも優れる。また、第２実施形態では、磁気ギア用従動磁石７７の着磁方向が軸方向であり、磁気ギア用従動磁石７７が、ポールピース７４に対して軸方向に対向しているため、第１実施形態に係る変速装置１０と比較して、軸方向の高さ寸法を小さくしやすい。
【００７２】
第２実施形態では、結合用駆動磁石７８及び結合用従動磁石７２の着磁方向が軸方向であり、結合用駆動磁石７８と結合用従動磁石７２とは、軸方向に互いに対向する。このため、結合用駆動磁石７８と結合用従動磁石７２の軸方向寸法を大きくすることなく、磁気結合面積を大きくとることができる。従って、血液ポンプ１６ａ及び変速装置１０ａを大型化することなく、血液ポンプ１６ａと変速装置１０ａとの間の磁気結合力を大きくすることができる。
【００７３】
第２実施形態のうち、第１実施形態と共通する部分については、第１実施形態と同一又は同様の作用及び効果が得られる。
【００７４】
図１に示される第１実施形態及び図４に示される第２実施形態の駆動ユニット１４内のユニット側駆動磁石３８はいずれも軸方向着磁であるが、径方向着磁の場合は、ポールピース４４、７４の駆動ユニット１４側の磁気結合面をモータ回転軸に平行な、径方向の外周面、もしくは内周面とすればよい。
【００７５】
図５に示す第３実施形態に係る血液ポンプ用磁気的変速装置１０ｂ（以下、「変速装置１０ｂ」と略称する）では、ユニット側駆動磁石９０が内周側に磁気結合面９０ａを有する径方向着磁である。また、変速装置１０ｂでは、ポールピース９２が外周にユニット側駆動磁石９０と同じ高さ（同一軸方向長さ）の磁気結合面９２ａ、内周にユニット側駆動磁石９０の磁気結合面９０ａより高さの高い（軸方向長さが長い）磁気結合面９２ｂを有する。
【００７６】
このような構成により、ユニット側駆動磁石９０の限られた空間内により大きな磁気ギア用従動磁石４８を配置することが可能となり、軸方向着磁であるユニット側駆動磁石３８を有する第１実施形態の駆動ユニット１４に比べて磁気ギア用従動磁石４８を配置する空間が限られる径方向着磁のユニット側駆動磁石９０を有する駆動ユニット１４ａに適応する場合において、十分なトルク伝達能力を得ることができる。
【００７７】
なお、外周側に磁気結合面を有する径方向着磁であるユニット側駆動磁石を備えた駆動ユニットを用いる場合は、ポールピースの内周の磁気結合面をユニット側駆動磁石と同じ高さとし、当該ポールピースの外周をユニット側駆動磁石より高さの高い磁気結合面とすればよい。
【００７８】
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改変が可能である。
【００７９】
例えば、磁気ギア用従動磁石の着磁方向が、磁気ギア用従動磁石の軸に対して傾斜していてもよい。すなわち、磁気ギア用従動磁石の着磁方向が、磁気ギア用従動磁石の軸に対して０°より大きく且つ９０°より小さくてもよい。結合用駆動磁石の着磁方向が、結合用駆動磁石の軸に対して傾斜していてもよい。すなわち、結合用駆動磁石の着磁方向が、結合用駆動磁石の軸に対して０°より大きく且つ９０°より小さくてもよい。
【００８０】
血液ポンプは、インペラを内蔵したポンプ本体と、ポンプ本体に接続されたフレキシブルシャフトとを有し、当該フレキシブルシャフトが、血液ポンプ用磁気的変速装置と接続可能であり、フレキシブルシャフトに設けられた結合用従動磁石が血液ポンプ用磁気的変速装置に設けられた結合用駆動磁石と磁気結合可能であってもよい。
【符号の説明】
【００８１】
１０、１０ａ…血液ポンプ用磁気的変速装置    １４…駆動ユニット
１６、１６ａ…血液ポンプ                    ３４、７２…結合用従動磁石
３８…ユニット側駆動磁石                    ４４、７４…ポールピース
４６、７６…回転体                          ４８、７７…磁気ギア用従動磁石
５０、７８…結合用駆動磁石
【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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