(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体流入ポートと液体流出ポートとを有するハウジングと、内部に第１の磁性体および第２の磁性体を備え、前記ハウジング内で回転し、回転時の遠心力によって液体を送液するインペラを有する遠心式液体ポンプ部と、前記遠心式液体ポンプ部の前記インペラの第１の磁性体を吸引するための磁石を備えるロータと、該ロータを回転させるモータを備えるインペラ回転トルク発生部と、前記インペラの第２の磁性体を吸引するための電磁石を備えるインペラ位置制御部と、前記インペラの位置を検出するための位置センサを備え、前記ハウジングに対して前記インペラが非接触状態にて回転する遠心式液体ポンプ装置本体部と、該遠心式液体ポンプ装置本体部のための制御装置とを備える遠心式液体ポンプ装置であって、該制御装置は、モータ回転数モニタリング機能と、インペラ低剛性回転数領域を記憶する記憶機能とを備え、該回転数モニタリング機能により検知されたモータ回転数が前記記憶機能が記憶するインペラ低剛性回転数領域内となったときに、前記インペラの浮上位置を前記ロータ側に移動させ、かつ、前記回転数モニタリング機能により検知されたモータ回転数が前記記憶機能が記憶するインペラ低剛性回転数領域外となったときに、前記インペラの浮上位置を変更前の位置に復帰させるインペラ浮上位置制御機能を備えていることを特徴とする遠心式液体ポンプ装置。
【請求項２】
前記制御装置は、前記位置センサの出力を利用してインペラ低剛性状態を検知するインペラ低剛性状態検知機能を備え、前記インペラ浮上位置制御機能は、該インペラ低剛性状態検知機能によりインペラ低剛性状態が検知されたときに、前記インペラの浮上位置を前記ロータ側に移動させ、かつ、所定時間経過後に、前記インペラの浮上位置を変更前の位置に復帰させる機能を備えているものである請求項１に記載の遠心式液体ポンプ装置。
【請求項３】
液体流入ポートと液体流出ポートとを有するハウジングと、内部に第１の磁性体および第２の磁性体を備え、前記ハウジング内で回転し、回転時の遠心力によって液体を送液するインペラを有する遠心式液体ポンプ部と、前記遠心式液体ポンプ部の前記インペラの第１の磁性体を吸引するための磁石を備えるロータと、該ロータを回転させるモータを備えるインペラ回転トルク発生部と、前記インペラの第２の磁性体を吸引するための電磁石を備えるインペラ位置制御部と、前記インペラの位置を検出するための位置センサを備え、前記ハウジングに対して前記インペラが非接触状態にて回転する遠心式液体ポンプ装置本体部と、該遠心式液体ポンプ装置本体部のための制御装置とを備える遠心式液体ポンプ装置であって、該制御装置は、前記位置センサの出力を利用してインペラ低剛性状態を検知するインペラ低剛性状態検知機能と、該インペラ低剛性状態検知機能によりインペラ低剛性状態が検知されたときに、前記インペラの浮上位置を前記ロータ側に移動させ、かつ、所定時間経過後に、前記インペラの浮上位置を変更前の位置に復帰させるインペラ浮上位置制御機能を備えていることを特徴とする遠心式液体ポンプ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、血液などの医療用液体を搬送するための遠心式液体ポンプ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近では、人工心肺装置における体外血液循環に遠心式血液ポンプを使用する例が増加している。遠心ポンプとしては、外部とポンプ内の血液室との物理的な連通を完全に排除し、細菌等の侵入を防止できることにより、外部モータからの駆動トルクを磁気結合を用いて伝達する方式のものが用いられている。そして、このような遠心式血液ポンプは、血液流入ポートと血液流出ポートを有するハウジングと、ハウジング内で回転し、回転時の遠心力によって血液を送液するインペラを有している。また、インペラは、内部に永久磁石を備え、インペラの磁石を吸引するための磁石を備えるロータおよびこのロータを回転させるモータを備えた回転トルク発生機構により回転する。また、インペラは、ロータと反対側にも磁力により吸引されており、ハウジングに対して非接触状態にて回転する。この状態を磁気浮上状態と呼んでいる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このようなマグネットカップリングを利用する遠心式液体ポンプでは、使用時における剛性の低下が問題となる。剛性の低下とは、磁気浮上中のインペラの単位長さあたりの移動に必要な力の低下である。つまり、剛性低下状態では、より少ない力でインペラが移動する。このため、外部からの振動、衝撃などの影響をインペラが受けやすく、脱調を起こす可能性が比較的高くなる。
本発明者等が検討したところ、このような剛性の低下は、例えば、遠心式液体ポンプの所定回転数領域で発生すること、また、外部より衝撃を受け、インペラがその回転軸に直交する方向に動いたときに比較的多く発生することを知見した。回転軸方向およびそれと直交する方向のいずれにおいても、剛性は、インペラをモータ側に近づけることにより向上させることができるが、これは消費電力の増加につながる。インペラをモータ側に近づけるとモータ側の永久磁石がインペラを吸引する力が強くなり、これに対抗するように、電磁石も吸引力を高めるため、電磁石電流が増加し、消費電力が上昇する。
【０００４】
そこで、本発明の目的は、通常は低消費電力状態において作動し、遠心式液体ポンプの剛性低下時に、剛性が向上するように自動的に修正する機能を備える遠心式液体ポンプを提供するものである。
なお、特開平１１−７６３９４号公報において本件出願人等は、遠心式液体ポンプ装置本体部と、コントローラを備え、ポンプ装置本体部は、ハウジングと、ハウジング内で回転するインペラを有するポンプ部と、インペラを回転させるためのモータを備えるインペラ回転トルク発生部と、インペラ位置制御部を備え、インペラは、ハウジングに対して非接触状態にて回転する遠心式液体ポンプ装置であって、コントローラは、インペラ位置制御部を用いてハウジング内におけるインペラの浮上位置を変化させるインペラ浮上位置制御機能と、モータの電流計測機能と、インペラの浮上位置を変化させたことにより得られるモータの電流変化量を利用して液体の粘度を算出する液体粘度算出機能を備えている遠心式ポンプ装置を提案している。
上記公報のものにおいても、インペラの浮上位置を変化させているが、それは液体粘度の算出のためであり、この公報のものは、常時は低消費電力状態において作動し、遠心式液体ポンプの剛性低下時に、剛性が向上するように自動的に修正する機能を備える遠心式液体ポンプを提供するものではない。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するものは、
（１）  液体流入ポートと液体流出ポートとを有するハウジングと、内部に第１の磁性体および第２の磁性体を備え、前記ハウジング内で回転し、回転時の遠心力によって液体を送液するインペラを有する遠心式液体ポンプ部と、前記遠心式液体ポンプ部の前記インペラの第１の磁性体を吸引するための磁石を備えるロータと、該ロータを回転させるモータを備えるインペラ回転トルク発生部と、前記インペラの第２の磁性体を吸引するための電磁石を備えるインペラ位置制御部と、前記インペラの位置を検出するための位置センサを備え、前記ハウジングに対して前記インペラが非接触状態にて回転する遠心式液体ポンプ装置本体部と、該遠心式液体ポンプ装置本体部のための制御装置とを備える遠心式液体ポンプ装置であって、該制御装置は、モータ回転数モニタリング機能と、インペラ低剛性回転数領域を記憶する記憶機能とを備え、該回転数モニタリング機能により検知されたモータ回転数が前記記憶機能が記憶するインペラ低剛性回転数領域内となったときに、前記インペラの浮上位置を前記ロータ側に移動させ、かつ、前記回転数モニタリング機能により検知されたモータ回転数が前記記憶機能が記憶するインペラ低剛性回転数領域外となったときに、前記インペラの浮上位置を変更前の位置に復帰させるインペラ浮上位置制御機能を備えている遠心式液体ポンプ装置である。
（２）  上記（１）において、前記制御装置は、前記位置センサの出力を利用してインペラ低剛性状態を検知するインペラ低剛性状態検知機能を備え、前記インペラ浮上位置制御機能は、該インペラ低剛性状態検知機能によりインペラ低剛性状態が検知されたときに、前記インペラの浮上位置を前記ロータ側に移動させ、かつ、所定時間経過後に、前記インペラの浮上位置を変更前の位置に復帰させる機能を備えていることが好ましい。
【０００６】
また、上記目的を達成するものは、
（３）  液体流入ポートと液体流出ポートとを有するハウジングと、内部に第１の磁性体および第２の磁性体を備え、前記ハウジング内で回転し、回転時の遠心力によって液体を送液するインペラを有する遠心式液体ポンプ部と、前記遠心式液体ポンプ部の前記インペラの第１の磁性体を吸引するための磁石を備えるロータと、該ロータを回転させるモータを備えるインペラ回転トルク発生部と、前記インペラの第２の磁性体を吸引するための電磁石を備えるインペラ位置制御部と、前記インペラの位置を検出するための位置センサを備え、前記ハウジングに対して前記インペラが非接触状態にて回転する遠心式液体ポンプ装置本体部と、該遠心式液体ポンプ装置本体部のための制御装置とを備える遠心式液体ポンプ装置であって、該制御装置は、前記位置センサの出力を利用してインペラ低剛性状態を検知するインペラ低剛性状態検知機能と、該インペラ低剛性状態検知機能によりインペラ低剛性状態が検知されたときに、前記インペラの浮上位置を前記ロータ側に移動させ、かつ、所定時間経過後に、前記インペラの浮上位置を変更前の位置に復帰させるインペラ浮上位置制御機能を備えている遠心式液体ポンプ装置である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の遠心式液体ポンプ装置を血液ポンプに応用した実施例を用いて説明する。
図１は、本発明の遠心式液体ポンプ装置の実施例のブロック図である。図２は、本発明の遠心式液体ポンプ装置に使用される遠心式液体ポンプ装置本体部の一例の正面図である。図３は、図２に示した遠心式液体ポンプ装置本体部の平面図である。図４は、図２に示した実施例の遠心式液体ポンプ装置本体部の縦断面図である。図５は、図２の遠心式液体ポンプ装置本体部のＡ−Ａ線断面図である。
本発明の遠心式液体ポンプ装置１は、液体流入ポート２２と液体流出ポート２３を有するハウジング２０と、内部に第１の磁性体２５と第２の磁性体２８を備え、ハウジング２０内で回転し、回転時の遠心力によって液体を送液するインペラ２１を有する遠心式液体ポンプ部２と、遠心式液体ポンプ部２のインペラ２１の第１の磁性体２５を吸引するための磁石３３を備えるロータ３１と、ロータ３１を回転させるモータ３４を備えるインペラ回転トルク発生部３と、インペラ２１を吸引するための電磁石４１（具体的には、インペラ２１に設けられた第２の磁性体２８を吸引するための電磁石４１）を備えるインペラ位置制御部４と、インペラの位置を検出するための位置センサ４２（具体的には、インペラ２１に設けられた第２の磁性体２８の位置を検出するための位置センサ）を備え、ハウジングに対してインペラ２１が非接触状態にて回転する遠心式液体ポンプ装置本体部５と、遠心式液体ポンプ装置本体部５のための制御装置６とを備える遠心式液体ポンプ装置である。
【０００８】
この実施例の遠心式液体ポンプの制御装置６は、モータ回転数モニタリング機能と、インペラ低剛性回転数領域を記憶する記憶機能とを備え、回転数モニタリング機能により検知されたモータ回転数が記憶機能が記憶するインペラ低剛性回転数領域内となったときに、インペラ２１の浮上位置をロータ側に移動させ、かつ、回転数モニタリング機能により検知されたモータ回転数が記憶機能が記憶するインペラ低剛性回転数領域外となったときに、インペラ２１の浮上位置を変更前の位置に復帰させるインペラ浮上位置制御機能を備えている。
さらに、遠心式液体ポンプの制御装置６は、位置センサ出力を利用してインペラ低剛性状態を検知するインペラ低剛性状態検知機能と、インペラ低剛性状態検知機能によりインペラ低剛性状態が検知されたときに、インペラ２１の浮上位置をロータ側に移動させ、かつ、所定時間経過後に、インペラの浮上位置を変更前の位置に復帰させるインペラ浮上位置制御機能を備えていることが好ましい。
なお、本発明の遠心式液体ポンプの制御装置６としては、上記の回転数モニタリング機能、インペラ低剛性回転数領域記憶機能ならびにそれらを用いたインペラ浮上位置制御機能を備えず、位置センサ４２の出力を利用してインペラ低剛性状態を検知するインペラ低剛性状態検知機能と、インペラ低剛性状態検知機能によりインペラ低剛性状態が検知されたときに、インペラの浮上位置を前記ロータ側に移動させ、かつ、所定時間経過後に、インペラの浮上位置を変更前の位置に復帰させるインペラ浮上位置制御機能を備えるものであってもよい。
【０００９】
図２ないし図５に示すように、この実施例の遠心式液体ポンプ装置本体部５は、血液流入ポート２２と血液流出ポート２３を有するハウジング２０と、ハウジング２０内で回転し、回転時の遠心力によって血液を送液するインペラ２１を有する遠心式液体ポンプ部２と、インペラ２１のためのインペラ回転トルク発生部（非制御式磁気軸受構成部）３と、インペラ２１のためのインペラ位置制御部（制御式磁気軸受構成部）４とを備える。
インペラ２１は、図４に示すように、非制御式磁気軸受構成部３および制御式磁気軸受構成部４の作用により、ハウジング２０内の所定位置に保持され、ハウジング内面に接触することなく通常は回転する。
【００１０】
ハウジング２０は、血液流入ポート２２と血液流出ポート２３とを備え、非磁性材料により形成されている。ハウジング２０内には、血液流入ポート２２および血液流出ポート２３と連通する血液室２４が形成されている。このハウジング２０内には、インペラ２１が収納されている。血液流入ポート２２は、ハウジング２０の上面の中央付近よりほぼ垂直に突出するように設けられている。血液流出ポート２３は、図３および図５に示すように、ほぼ円筒状に形成されたハウジング２０の側面より接線方向に突出するように設けられている。
【００１１】
図５に示すように、ハウジング２０内に形成された血液室２４内には、中央に貫通口を有する円板状のインペラ２１が収納されている。インペラ２１は、図４に示すように、下面を形成するドーナツ板状部材（下部シュラウド）２７と、上面を形成する中央が開口したドーナツ板状部材（上部シュラウド）２８と、両者間に形成された複数（例えば、７つ）のベーン１８を有する。そして、下部シュラウドと上部シュラウドの間には、隣り合うベーン１８で仕切られた複数（７つ）の血液通路２６が形成されている。血液通路２６は、図５に示すように、インペラ２１の中央開口と連通し、インペラ２１の中央開口を始端とし、外周縁まで徐々に幅が広がるように延びている。言い換えれば、隣り合う血液通路２６間にベーン１８が形成されている。なお、この実施例では、それぞれの血液通路２６およびそれぞれのベーン１８は、等角度間隔にかつほぼ同じ形状に設けられている。
【００１２】
そして、図４に示すように、インペラ２１には、複数（例えば、２４個）の第１の磁性体２５（永久磁石、従動マグネット）が埋設されている。この実施例では、第１の磁性体２５は、下部シュラウド２７内に埋設されている。埋設された磁性体２５（永久磁石）は、後述するインペラ回転トルク発生部３のロータ３１に設けられた永久磁石３３によりインペラ２１を血液流入ポート２２と反対側に吸引され、回転トルクをインペラ回転トルク発生部より伝達にするために設けられている。
【００１３】
また、この実施例のようにある程度の個数の磁性体２５を埋設することにより、後述するロータ３１との磁気的結合も十分に確保できる。磁性体２５（永久磁石）の形状としては、円形であることが好ましい。あるいは、リング状のマグネットを多極（例えば、２４極）に分極したもの、言い換えれば、複数の小さな磁石を磁極が交互となるように、かつ、リング状に並べたものでもよい。
また、インペラ２１は、上部シュラウドそのものもしくは上部シュラウド内に設けられた第２の磁性体２８を備える。この実施例では、上部シュラウドの全体が、磁性体２８により形成されている。磁性体２８は、後述するインペラ位置制御部の電磁石４１によりインペラ２１を血液流入ポート２２側に吸引するために設けられている。磁性体２８としては、磁性ステンレス等が使用される。
【００１４】
インペラ位置制御部４およびインペラ回転トルク発生部３により、非接触式磁気軸受が構成され、インペラ２１は、相反する方向より引っ張られることにより、ハウジング２０内において、ハウジング２０の内面と接触しない適宜位置にて安定し、非接触状態にてハウジング２０内を回転する。
インペラ回転トルク発生部３は、ハウジング２０内に収納されたロータ３１とロータ３１を回転させるためのモータ３４を備える。ロータ３１は、液体ポンプ部２側の面に設けられた複数の永久磁石３３を備える。ロータ３１の中心は、モータ３４の回転軸に固定されている。永久磁石３３は、インペラ２１の永久磁石２５の配置形態（数および配置位置）に対応するように、複数かつ等角度ごとに設けられている。
インペラ回転トルク発生部３としては、上述のロータおよびモータを備えるものに限られず、例えば、インペラ２１の永久磁石２５を吸引し、かつ回転駆動させるための複数のステーターコイルからなるものでもよい。
【００１５】
インペラ位置制御部４は、インペラの磁性体２８を吸引するための固定された複数の電磁石４１と、インペラの磁性体２８の位置を検出するための位置センサ４２を備えている。具体的には、インペラ位置制御部４は、ハウジング２０内に収納された複数の電磁石４１と、複数の位置センサ４２を有する。インペラ位置制御部の複数（３つ）の電磁石４１および複数（３つ）の位置センサ４２は、それぞれ等角度間隔にて設けられており、電磁石４１と位置センサ４２も等角度間隔にて設けられている。電磁石４１は、鉄心とコイルからなる。電磁石４１は、この実施例では、３個設けられている。電磁石４１は、３個以上、例えば、４つでもよい。３個以上設け、これらの電磁力を位置センサ４２の検知結果を用いて調整することにより、インペラ２１の回転軸（ｚ軸）方向の力を釣り合わせ、かつ回転軸（ｚ軸）に直交するｘ軸およびｙ軸まわりのモーメントを制御することができる。
【００１６】
位置センサ４２は、電磁石４１と磁性体２８との隙間の間隔を検知し、この検知出力は、電磁石４１のコイルに与えられる電流もしくは電圧を制御する制御装置６の制御部５１に送られる。また、インペラ２１に重力等による半径方向の力が作用しても、インペラ２１の永久磁石２５とロータ３１の永久磁石３３との間の磁束の剪断力および電磁石４１と磁性体２８との間の磁束の剪断力が作用するため、インペラ２１はハウジング２０の中心に保持される。
図４に示すような遠心式液体ポンプ装置は、図６のような物理モデルに置き換えることができる。この系で成り立つ方程式は以下の（１），（２），（３）式である。
【００１７】
ｖ＝ｄｚ／ｄｔ    ・・・・（１）
ｍ（ｄｖ／ｄｔ）＝ｆｍ−ｋ（ｉ／ｚ）２＋ｆｄ ・・・（２）
ｅ＝Ｌ（ｄｉ／ｄｔ）＋Ｒｉ    ・・・（３）
ただし、（３）式では速度起電力の項を無視している。また、図５に示す通り、
ｚ：磁気軸受制御方向の変位、ｖ：ｚ方向の速度、
ｍ：インペラの質量、ｆｍ：永久磁石による吸引力、
ｋ：電磁石吸引力係数、ｉ：コイル電流、
ｆｄ：振動・衝撃等の外力、ｅ：コイル電圧、
Ｌ：コイルのインダクタンス、Ｒ：コイル抵抗、ｔ：時間
である。
【００１８】
次に平衡点の回りでの微小変化を考え、線形化を行う。すなわち、
ｚ＝Ｚ＋ｚ’・・・・・（４．１）
ｉ＝Ｉ＋ｉ’・・・・・（４．２）
ｅ＝Ｅ＋ｅ’・・・・・（４．３）
とおく。ここで大文字Ｚ、Ｉ，Ｅは各々，変位，電流，電圧の定常値である。小文字で「’」のついた項は各々の微小変化分である。これらの式を（２），（３）式に代入し、
外力ｆｄ＝０でかつ、ｚ’＝ｉ’＝ｅ’＝０
とおけば、定常値の間に以下の関係があることがわかる。
ｆｍ＝ｋ（Ｉ／Ｚ）２ ・・・・・・（５．１）
ＲＩ＝Ｅ ・・・・・・（５．２）
（４）式を（２），（３）式に代入し、（５）式を考慮すると、以下の（６），（７）式を得る。
ｍ（ｄｖ／ｄｔ）＝ｋｍｚ’＋ＫＦｉ’＋ｆｄ  ・・・・・・（６）
Ｌ（ｄｉ’／ｄｔ）＋Ｒｉ’＝ｅ’・・・・・（７）
ただし、ｋｍ＝２ｋＩ２／Ｚ３  ・・・・（８．１）
ＫＦ＝−２ｋＩ／Ｚ２  ・・・（８．２）
であり、いずれも定数である。
【００１９】
磁気軸受では制御対象の状態変数ｚ’，ｖ，ｉ’を検出して、コイル電圧ｅを制御する。さらに変位の変化分の積分値もフィードバックに取り入れると、定常的に目標とするギャップに保つことができる。これは一般の制御方式であるＰＩＤ制御に相当する。すなわち、
ｅ’＝ＫＰｚ’＋ＫＤｖ’−Ｋｉｉ’＋ＫＩ∫ｚ’ｄｔ・・・・・（９）
である。
【００２０】
（６），（７），（９）式をラプラス変換した式は以下のようになる（目標値ｒを導入している）。ここで下線で示された状態変数はラプラス変換された関数である。また、ラプラス変換した式をもとに制御系のブロック図を描くと図７のようになる。この図は変位の目標値ｒから、変位ｚ’に至る過程を示している。
この図から以下のことがわかる。
［１］ 一番右側にあるループは正帰還になっており、磁気浮上系が本来不安定である原因はこの点にある。
［２］このように本来、不安定な系をフィードバック制御によって安定化するわけであるが、「安定化」というためだけではなく、ＰＩＤ制御という能動制御を積極的に取り入れてシステムとしての特性を自由に設計できるようにしている。
【００２１】
ｅ’＝（ｒ−ｚ’）（ＫＰ＋ＫＩ／ｓ）−Ｋｉｉ’＋ＫＤｖ  ・・・・・・（１０．１）
ｍｓｖ＝ｉ’ＫＦ＋ｆｄ＋ｋｍｚ’  ・・・・（１０．２）
Ｌｓｉ’＝ｅ’−Ｒｉ’・・・・（１０．３）
ｖ＝ｓｚ’  ・・・・（１０．４）
【００２２】
以下、（１０）式において、目標値ｒ＝０とおきｆｄ／ｚ’を計算する。この物理量は単位長さだけ動かすのに、どれだけの力が必要かを示す値であるから磁気軸受の剛性に相当する。
（１０．３），（１０．４）式を（１０．２）式に代入し、ｅ’、ｉ’を各々、ｚ’とｆｄの関数として（１０．１）式に代入して、ｆｄ／ｚ’を求めると、（１１）式になる。
ｆｄ／ｚ’＝ｍＤ（ｓ）／［ｓ｛ｓ＋（Ｒ＋Ｋｉ）／Ｌ｝］・・・・・・（１１．１）
ただし、
Ｄ（ｓ）＝ｓ４＋（Ｒ＋Ｋｉ）ｓ３／Ｌ＋（−ｋｍ−ＫＦＫＤ／Ｌ）ｓ２／ｍ＋［ＫＦＫＰ−（Ｒ＋Ｋｉ）ｋｍ］ｓ／（ｍＬ）＋ＫＦＫＩ／（ｍＬ）・・・・（１１．２）
である。（１１）式から剛性の絶対値の周波数特性を近似すると、
｜ｆｄ（ｊω）／ｚ’（ｊω）｜＝ −ＫＦＫＩ／［（Ｒ＋Ｋｉ）ω］
（ω＜＜ωｃのとき）    ・・・（１２．１）
｜ｆｄ（ｊω）／ｚ’（ｊω）｜＝ｍω２
（ω＞＞ωｃのとき）    ・・・（１２．２）
となる。ただし、
ωｃ＝［−ＫＦＫＩ／｛ｍ（Ｒ＋Ｋｉ）｝］１／３・・・（１３）
である。ここで、ωｃは（１２．１）式と（１２．２）式の交点（ωｃ，Ｓｍｉｎ）の座標である。このＳｍｉｎを以下に示す。
Ｓｍｉｎ＝［−ＫＦＫＩ／｛ｍ１／２（Ｒ＋Ｋｉ）｝］２／３・・・（１４．１）
＝［２ｋＩＫＩＺ−２ｍ１／２／（Ｒ＋Ｋｉ）］２／３・・・（１４．２）
【００２３】
これら（１２），（１３），（１４）式の意味を、ｚ方向の剛性の概観図である図８にて示す。また、図９にラジアル方向であるｘ，ｙ方向の剛性の概観図を示す。いずれもω（外力の周波数）が高い領域では質量のみに支配される［（１２．２）式参照］。
能動的に位置制御を行っているｚ方向については、平衡点（言い換えれば、インペラ浮上位置）の移動によって剛性が大きく変わることはない。しかし、受動的な制御をしており、かつ、ｚ方向よりも剛性が低くなるｘ，ｙ方向では平衡点を移動すると剛性が大きく変わる。特に図９で示す極小点での剛性低下が問題となる。
【００２４】
これを改善するためには、平衡点を永久磁石側に近づけて剛性を高くするのが有効な方法である。平衡点を永久磁石側に近づけると、
ａ）磁気カップリング力の増加によりバネ定数が高くなること
ｂ）インペラとハウジング（永久磁石側）間のギャップが小さくなるために流体力によるダンピングが向上すること
から剛性が高くなる。
ただし、平衡点（インペラ浮上位置）を永久磁石側（ロータ側）に近づけることは、消費電流の増加をまねくので、通常は消費電流の少ない平衡点にて動作させ、必要時のみ平衡点を永久磁石側に近づけて剛性を高めることが実用的である。
このため、制御装置６は、下記のような機能を備えている。
【００２５】
制御装置６について、図１を用いて説明する。
制御装置６は、磁気カップリング用のモータ３４のためのパワーアンプ５２およびモータ制御回路５３を備えるモータドライバ、電磁石４１のためのパワーアンプ５４とセンサ４２のためのセンサ回路５５およびＰＩＤ補償器５６を備える磁気軸受制御器、モータ制御回路より出力される信号を用いてモータ回転数を検出するモータ回転数検出器５８および制御部５１を備える。
制御部５１は、第１のインペラ低剛性状態検知機能として、使用する遠心式液体ポンプにおけるインペラ低剛性回転数領域を記憶する記憶機能を備える。
【００２６】
図９に示すように、インペラのある回転数領域では、剛性の低下が生じる。この領域はポンプの大きさなど、（言い換えれば、インペラの大きさなど）によって相違するがあらかじめ演算もしくは測定により得ることができる。制御部５１は、このインペラ低剛性回転数領域を記憶している。
インペラ低剛性回転数領域は、下記のようにして測定もしくは演算により得ることができる。
測定で得る場合は、回転数毎にｘ軸、ｙ軸、ｚ軸のそれぞれに加振器により遠心ポンプに振動を与え、インペラの単位長さあたりの移動に必要な加速度（力に換算可能）を測定することにより、剛性の周波数特性を求める。インペラの単位長さあたりの移動に必要な加速度が設定した閾値以下（例えば、剛性の周波数特性の最小値が閾値以下）である回転数範囲が低剛性回転領域となる。演算による場合には、実物の遠心ポンプをモデル化し、上述した式（１１）を用いることにより、低剛性回転領域を算出することができる。
【００２７】
そして、制御部５１は、モータ回転数モニタリング機能（言い換えれば、モータ回転数検出器５８）により検知されたモータ回転数が上記記憶機能が記憶するインペラ低剛性回転数領域内となったときに、インペラ２１の浮上位置をロータ側に移動させる機能を備える。具体的には、図１２のフローチャートに示すように、モータ回転中モータ回転数を常時モニタリングしており、モータ回転数が上記記憶機能が記憶するインペラ低剛性回転数領域内となったときに、制御部５１はインペラ浮上位置制御機能を作動させる。具体的には、インペラ浮上位置を故意にロータ側にシフトさせる。これにより、図１０に示すように、インペラ２１はロータ側に若干移動する。そして、インペラ２１がロータ側に移動した時点において、インペラ浮上位置を元に戻し、磁気浮上状態をその位置にて安定させる。
【００２８】
そして、制御部５１は、継続して回転数モニタリング機能によるモータ回転数を検知し、検知されたモータ回転数が記憶機能が記憶するインペラ低剛性回転数領域外となったことを検知したときには、再び、インペラ浮上位置制御機能を作動させて、インペラ浮上位置を低下前に復帰させる。言い換えれば、所定値増加させて、インペラ２１の浮上位置を変更前の位置に復帰させる。具体的には、モータ回転数が上記記憶機能が記憶するインペラ低剛性回転数領域外となったときに、制御部５１は、センサ回路５５に信号を送ることにより、インペラ２１を電磁石４１側に若干移動させる。
さらに、制御部５１は、位置センサ４２の出力を利用してインペラ低剛性状態を検知する第２のインペラ低剛性状態検知機能を備えている。
【００２９】
磁気軸受位置センサ出力は、インペラの軸方向の浮上位置を示すものであり、センサ出力が０となるように、制御装置は浮上制御を行っている。インペラに周期外力が加わった場合に、このセンサ出力値が０から離れる。そこで、センサ出力値がある値より大きくなった場合には、インペラ低剛性状態と判断する。センサ出力値がある値より大きくなる場合としては、衝撃、回転などの瞬間的な外力が付加された場合、振動のような周期的な加振力が加わった場合などが考えられる。
【００３０】
そして、制御部５１が備えるインペラ低剛性状態検知機能によりインペラ低剛性状態が検知されたときに、言い換えれば、センサ出力が所定値（閾値）を越えた場合に、インペラ低剛性状態と判断し、制御部５１はインペラ浮上位置制御機能を作動させて、インペラ２１の浮上位置をロータ３３側に移動させる。そして、所定時間経過後に、制御部５１はインペラ浮上位置制御機能を作動させて、インペラの浮上位置を変更前の位置に復帰させる。
具体的には、図１２のフローチャートに示すように、モータ回転中、制御部は位置センサ出力を常時モニタリングしており、センサ出力が所定値（閾値）を越えた場合に、インペラ低剛性状態と判断する。そして、制御部５１は、センサ回路５５に信号を送り、センサ出力を故意にシフトさせることにより、インペラ２１をロータ側に若干移動させる。そして、制御部５１は、所定時間経過後（例えば、３〜１５分経過後）に、パワーアンプ５４に信号を送り、電磁石４１への供給電流もしくは電圧を上昇（上記の低下前の値に復帰）させることにより、インペラ２１を電磁石４１側に若干移動させる。
【００３１】
位置センサによる測定は基本的にインペラの回転軸方向（アキシアル方向）の変位測定を目的としているが、その回転軸と直交する方向（ラジアル方向）におけるインペラの変位の影響をも受ける。例えばリラクタンス型の磁気式センサを使用した場合、このセンサは、対向するインペラの面情報だけでなくその周辺の影響も受ける。すなわち、この回転軸位置検出センサ（位置センサ）はインペラのラジアル方向可動範囲内では完全にインペラの軸方向端面に対向するように配置されているが、実際にはインペラのラジアル方向端（内径および外径の両方）の影響を受け、インペラのアキシアル方向の変位がなくても、ラジアル方向に変位が生じた場合に、センサ出力にその影響が出る。
閾値としては、遠心式液体ポンプ装置によっても相違するが、インペラとハウジング間のクリアランスの３０〜７０％の軸方向への移動をセンサが検知した場合が考えられる。なお、クリアランスは、通常使用状態におけるインペラとハウジング間の各軸方向の距離を示す。
【００３２】
図１１に、位置センサ４２の出力を利用してインペラ低剛性状態の検知およびそれを利用したインペラ浮上位置制御機能を備える遠心式液体ポンプ装置のブロック図を示す。ここでは、遠心式液体ポンプとして、図２ないし図５に示すように、３組の電磁石と位置センサにてインペラを制御しているものを用いており、制御軸はｚ，θｘ，θｙの３軸である。あらかじめ，必要と考えられるインペラ浮上位置である平衡点、例えば中間、中間より永久磁石側、中間より電磁石側（多くの流量が必要な患者（体の大きい患者）の場合、消費電力が増加する。電池駆動力の場合の活動時間を長くするには消費電力を低くすることが必要であり、平衡点を電磁石側にして消費電力を低減させる場合に利用する）の３点にするための制御系の目標値を調整にて調べ、そのデータは不揮発性メモリ６１に書きこまれている。通常は中間の位置を平衡点として、ＣＰＵ６２からのデータをＤ−Ａ変換器６３にてアナログ変換して指令値とする。なお、この実施例では、制御部は、不揮発性メモリ６１、ＣＰＵ６２、Ｄ−Ａ変換器６３、Ａ−Ｄ変換器６４を備えるものとなる。
【００３３】
使用者が日常生活の中で受ける加速度は１０Ｇ以下と考えられるが、振動や衝撃によってそれ以上のＧを受けた場合、磁気浮上しているインペラがハウジングの内壁に接触する事が考えられる。これを防ぐには、Ｇを検知する、もしくはそれに相当する物理量を検知して軸受剛性を高めればよい。直接Ｇを検知するには専用に加速度センサをポンプに設置する必要があるが、本件発明の遠心式液体ポンプ装置では、位置センサの出力を利用することによって行っている。
【００３４】
ＣＰＵ６２には、動作時センサＳ１，Ｓ２，Ｓ３の出力がＡ−Ｄ変換器６４によりデジタル変換されて入力され、所定時間内（例えば１分間）に、センサ出力が所定回数（例えば３回）、閾値を越えた場合に、インペラ低剛性状態と判断し、剛性を高めるために平衡点（インペラ浮上位置）を永久磁石側に移動させる機能を備える。
具体的には、ＣＰＵは動作時にセンサの出力をＡ−Ｄ変換器にて監視しており、所定時間内（例えば１分間）に、センサ出力が所定回数（例えば３回）、閾値（インペラの上下方向の所定位置に相当、これを越えると接触のおそれがある位置）を越えた場合に剛性を高めるために平衡点（インペラ浮上位置）を永久磁石側に移動する。その後、所定時間後（例えば１５分）で一旦、リセットし、インペラを元の位置に復帰させる。
【００３５】
また、制御部としては、ＣＰＵにセンサＳ１，Ｓ２，Ｓ３の出力をＡ−Ｄ変換器６４によりデジタル変換させて入力し、単位時間当たりの変位から速度、さらに単位時間当たりの速度から加速度を常時計算し、加速度の閾値（例えば瞬時値で５Ｇ）を越えた場合に、インペラ低剛性状態と判断し、剛性を高めるために平衡点を永久磁石側に移動させる機能を備えるものであってもよい。この場合においても、上記閾値を越えた場合に剛性を高めるために平衡点（インペラ浮上位置）を永久磁石側（モータ側）に移動する。その後、所定時間後（例えば１５分）で一旦、リセットし、インペラを元の位置に復帰させる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明の遠心式液体ポンプ装置は、液体流入ポートと液体流出ポートとを有するハウジングと、内部に第１の磁性体および第２の磁性体を備え、前記ハウジング内で回転し、回転時の遠心力によって液体を送液するインペラを有する遠心式液体ポンプ部と、前記遠心式液体ポンプ部の前記インペラの第１の磁性体を吸引するための磁石を備えるロータと、該ロータを回転させるモータを備えるインペラ回転トルク発生部と、前記インペラの第２の磁性体を吸引するための電磁石を備えるインペラ位置制御部と、前記インペラの位置を検出するための位置センサを備え、前記ハウジングに対して前記インペラが非接触状態にて回転する遠心式液体ポンプ装置本体部と、該遠心式液体ポンプ装置本体部のための制御装置とを備える遠心式液体ポンプ装置であって、該制御装置は、モータ回転数モニタリング機能と、インペラ低剛性回転数領域を記憶する記憶機能とを備え、該回転数モニタリング機能により検知されたモータ回転数が前記記憶機能が記憶するインペラ低剛性回転数領域内となったときに、前記インペラの浮上位置を前記ロータ側に移動させ、かつ、前記回転数モニタリング機能により検知されたモータ回転数が前記記憶機能が記憶するインペラ低剛性回転数領域外となったときに、前記インペラの浮上位置を変更前の位置に復帰させるインペラ浮上位置制御機能を備えている。
このため、通常は低消費電力状態において作動し、インペラ特定回転数領域に起因する遠心式液体ポンプの剛性低下時に、インペラ浮上位置制御機能により剛性が自動的に向上するように修正させるため、良好な状態にてインペラを回転させることができる。
【００３７】
また、本発明の遠心式液体ポンプ装置は、液体流入ポートと液体流出ポートとを有するハウジングと、内部に第１の磁性体および第２の磁性体を備え、前記ハウジング内で回転し、回転時の遠心力によって液体を送液するインペラを有する遠心式液体ポンプ部と、前記遠心式液体ポンプ部の前記インペラの第１の磁性体を吸引するための磁石を備えるロータと、該ロータを回転させるモータを備えるインペラ回転トルク発生部と、前記インペラの第２の磁性体を吸引するための電磁石を備えるインペラ位置制御部と、前記インペラの位置を検出するための位置センサを備え、前記ハウジングに対して前記インペラが非接触状態にて回転する遠心式液体ポンプ装置本体部と、該遠心式液体ポンプ装置本体部のための制御装置とを備える遠心式液体ポンプ装置であって、該制御装置は、位置センサ出力を利用してインペラ低剛性状態を検知するインペラ低剛性状態検知機能と、該インペラ低剛性状態検知機能によりインペラ低剛性状態が検知されたときに、前記インペラの浮上位置を前記ロータ側に移動させ、かつ、所定時間経過後に、前記インペラの浮上位置を変更前の位置に復帰させるインペラ浮上位置制御機能を備えている。
このため、通常は低消費電力状態において作動し、インペラのあばれに起因する遠心式液体ポンプの剛性低下時に、インペラ浮上位置制御機能により剛性が自動的に向上するように修正させるため、良好な状態にてインペラを回転させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の遠心式液体ポンプ装置の実施例のブロック図である。
【図２】図２は、本発明の遠心式液体ポンプ装置に使用される遠心式液体ポンプ装置本体部の一例の正面図である。
【図３】図３は、図２に示した遠心式液体ポンプ装置本体部の平面図である。
【図４】図４は、図２に示した実施例の遠心式液体ポンプ装置本体部の縦断面図である。
【図５】図５は、図２の遠心式液体ポンプ装置本体部のＡ−Ａ線断面図である。
【図６】図６は、図２ないし図５に示した遠心式液体ポンプ装置本体部を物理モデルに置き換えたものを説明するための説明図である。
【図７】図７は、本発明の遠心式液体ポンプ装置の一実施例の制御系を説明するためのブロック図である。
【図８】図８は、遠心式液体ポンプ装置におけるインペラの周波数と剛性との関係を説明するための説明図である。
【図９】図９は、遠心式液体ポンプ装置におけるインペラの周波数と剛性との関係を説明するための説明図である。
【図１０】図１０は、遠心式液体ポンプ装置におけるインペラ浮上位置制御機能を説明するための説明図である。
【図１１】図１１は、位置センサの出力を利用したインペラ低剛性状態の検知およびそれを利用したインペラ浮上位置制御機能を備える遠心式液体ポンプ装置のブロック図である。
【図１２】図１２は、本発明の一実施例の遠心式液体ポンプ装置に制御部の作用を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
１  遠心式液体ポンプ装置
２  遠心式液体ポンプ部
３  インペラ回転トルク発生部
４  インペラ位置制御部
５  遠心式液体ポンプ装置本体部
６  制御装置
２１  インペラ
２５  磁性体
３１  ロータ
３４  モータ
４１  電磁石
【図１】
0004694023.tif 000002
【図２】
0004694023.tif 000003
【図３】
0004694023.tif 000004
【図４】
0004694023.tif 000005
【図５】
0004694023.tif 000006
【図６】
0004694023.tif 000007
【図７】
0004694023.tif 000008
【図８】
0004694023.tif 000009
【図９】
0004694023.tif 000010
【図１０】
0004694023.tif 000011
【図１１】
0004694023.tif 000012
【図１２】
0004694023.tif 000013