(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
平行に配置され、非磁性材料で形成された第１および第２の隔壁を含み、それらの間にポンプ室が形成されたケーシングを備え、前記第２の隔壁は円環状に形成され、
さらに、前記ポンプ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、前記第１の隔壁を貫通するとともに前記第２の隔壁の内径側部分を貫通する回転中心線を有するインペラと、
前記第１の隔壁に隣接して前記ポンプ室外に設けられ、前記インペラと磁気力により非接触で結合し、前記インペラを回転駆動させて流体を排出させる回転駆動部と、
前記第２の隔壁に隣接して前記ポンプ室外に設けられ、前記インペラと磁気力により非接触で結合し、前記インペラを前記第１および第２の隔壁間に浮上させる磁気軸受部とを備えた磁気浮上型ポンプにおいて、
前記磁気軸受部は、前記第２の隔壁に沿って前記インペラの回転方向に配列された複数の電磁石を含み、
各電磁石は、
前記インペラに対向して設けられて前記インペラの回転方向に配列され、一方がＮ極となり他方がＳ極となる第１および第２の磁極と、
前記インペラの回転方向に配列され、それぞれ前記第１および第２の磁極に接合された第１および第２のヨークと、
それぞれ前記第１および第２のヨークに巻回された第１および第２のコイルとを含むことを特徴とする、磁気浮上型ポンプ。
【請求項２】
平行に配置され、非磁性材料で形成された第１および第２の隔壁を含み、それらの間にポンプ室が形成されたケーシングを備え、前記第２の隔壁は円環状に形成され、
さらに、前記ポンプ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、前記第１の隔壁を貫通するとともに前記第２の隔壁の内径側部分を貫通する回転中心線を有するインペラと、
前記第１の隔壁に隣接して前記ポンプ室外に設けられ、前記インペラと磁気力により非接触で結合し、前記インペラを回転駆動させて流体を排出させる回転駆動部と、
前記第２の隔壁に隣接して前記ポンプ室外に設けられ、前記インペラと磁気力により非接触で結合し、前記インペラを前記第１および第２の隔壁間に浮上させる磁気軸受部とを備えた磁気浮上型ポンプにおいて、
前記磁気軸受部は、前記第２の隔壁に沿って前記インペラの回転方向に配列された複数の電磁石を含み、
各電磁石は、
前記インペラに対向して設けられて前記インペラの径方向に配列され、一方がＮ極となり他方がＳ極となる第１および第２の磁極と、
前記インペラの回転方向に配列され、それぞれ前記第１および第２の磁極に接合された第１および第２のヨークと、
それぞれ前記第１および第２のヨークに巻回された第１および第２のコイルとを含むことを特徴とする、磁気浮上型ポンプ。
【請求項３】
前記インペラはディスク状の形状に形成され、前記インペラの前記回転駆動部と対向する面に複数の永久磁石を前記インペラの回転方向に配列し、前記インペラと前記回転駆動部とを磁気カップリングにより非接触で結合させたことを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の磁気浮上型ポンプ。
【請求項４】
前記電磁石は３つ設けられることを特徴とする、請求項１から請求項３まで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】
【発明の属する技術分野】
この発明は、磁気浮上型ポンプに関し、特に、磁気軸受を利用したクリーンポンプであって、たとえば人工心臓のような医療機器に用いられる磁気浮上型ポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図７は従来の磁気浮上型ポンプを示す図であり、特に図７（ａ）は縦断面図を示し、図７（ｂ）は図７（ａ）の線Ａ−Ａに沿う断面図である。図８は図７の線Ｂ−Ｂに沿う断面矢視図であり、図９は図７の線Ｃ−Ｃに沿う断面図である。
【０００３】
まず、図７〜図９を参照して、従来の磁気浮上型ポンプについて説明する。図７（ａ）に示すように、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内にはポンプ室２２が設けられていて、このポンプ室２２内でインペラ２３が回転する。ケーシング２１は非磁性部材からなり、インペラ２３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質磁性部材２６とを含む。永久磁石２４はインペラ２３の円周方向に分割されていて、互いに隣接する磁石は互いに反対方向の磁極に着磁されている。
【０００４】
インペラ２３の永久磁石２４を有する側に対向するようにして、ポンプ室外部には軸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２３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２３側と同数の永久磁石１４が設けられている。この永久磁石１４も互いに隣接する磁石は互いに反対方向の磁極に着磁されている。
【０００５】
一方、インペラ２３の軟質磁性部材２６を有する側に対向するようにして、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。この電磁石３１と位置センサとにより、ポンプ室２２において永久磁石２４と１４の吸引力に釣合いインペラ２３をポンプ室２２の中心に保持できるようにしている。
【０００６】
上述のごとく構成された磁気浮上型ポンプ１において、ロータ１２に埋込まれている永久磁石１４とインペラ２３に設けられている永久磁石２４との間に軸方向の吸引力が働く。この吸引力を利用した磁気カップリングによってインペラ２３を回転駆動させたり、半径方向の支持剛性を得ている。この吸引力と釣合うようにＣ型の電磁石３１のコイルに電流が流され、インペラ２３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２３が回転して、流体が吸入口６０から吸込まれ、出口７０（図７（ｂ）参照）から排出される。インペラ２３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はないので、磁気浮上型ポンプ１から吐出された流体（血液ポンプとして使用した場合は血液）はクリーンな状態を保持する。
【０００７】
なお、図８および図９に示すように、従来の磁気浮上式の血液ポンプでは、その電磁石３１のヨーク４１の形状はかわら状でかつ電磁石の磁極の対４２と４３，４４と４５，４６と４７はそれぞれ半径方向に配置されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図７に示したような磁気浮上型ポンプ１は人工心臓用血液ポンプとして使用される場合、体内に埋込んで使用したり、身体に近接させて使用するため、常時外部電源からエネルギ供給を行なうことができない。通常は、携帯バッテリや体内に設置した体内バッテリから得られるエネルギが供給されるため、長期使用のためには極力エネルギ使用量を抑える必要がある。さらに、人体に使用するには小型であることおよび信頼性に対して最大の注意が必要である。
【０００９】
しかし、従来の磁気浮上型ポンプ１では、図８および図９に示したように、その各電磁石の磁極がそれぞれ半径方向に配置しており、このためにコイルを収納するためのスペースを有効に確保できず、磁気軸受部のサイズを大きくし、新たにコイルスペースを増やさなければ電磁石の省電力化が図れないという問題があった。
【００１０】
すなわち、電磁石での省力化には、電磁石コイルの巻数を増やしたり、コイル線径を太くする手法がとられるが、いずれの方法もコイル収納スペースを大きく確保するために、磁気軸受部３０のサイズを大きくする必要があった。さらに、従来の磁気浮上型ポンプ１では、電磁石３１，３２のヨークの形状がかわら状を呈しており、コイル巻作業が困難であると同時に、コイルとヨーク間の絶縁抵抗の確保が難しかった。
【００１１】
それゆえに、この発明の主たる目的は、磁気軸受部を小型化し得る磁気浮上型ポンプを提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る磁気浮上型ポンプは、平行に配置され、非磁性材料で形成された第１および第２の隔壁を含み、それらの間にポンプ室が形成されたケーシングを備えたものである。第２の隔壁は円環状に形成されている。この磁気浮上型ポンプは、さらに、ポンプ室内において第１および第２の隔壁に沿って回転可能に設けられ、第１の隔壁を貫通するとともに第２の隔壁の内径側部分を貫通する回転中心線を有するインペラと、第１の隔壁に隣接してポンプ室外に設けられ、インペラと磁気力により非接触で結合し、インペラを回転駆動させて流体を排出させる回転駆動部と、第２の隔壁に隣接してポンプ室外に設けられ、インペラと磁気力により非接触で結合し、インペラを第１および第２の隔壁間に浮上させる磁気軸受部とを備えたものである。ここで、磁気軸受部は、第２の隔壁に沿ってインペラの回転方向に配列された複数の電磁石を含む。各電磁石は、インペラに対向して設けられてインペラの回転方向に配列され、一方がＮ極となり他方がＳ極となる第１および第２の磁極と、インペラの回転方向に配列され、それぞれ第１および第２の磁極に接合された第１および第２のヨークと、それぞれ第１および第２のヨークに巻回された第１および第２のコイルとを含む。
【００１３】
また、この発明に係る他の磁気浮上型ポンプは、平行に配置され、非磁性材料で形成された第１および第２の隔壁を含み、それらの間にポンプ室が形成されたケーシングを備えたものである。第２の隔壁は円環状に形成されている。この磁気浮上型ポンプは、さらに、ポンプ室内において第１および第２の隔壁に沿って回転可能に設けられ、第１の隔壁を貫通するとともに第２の隔壁の内径側部分を貫通する回転中心線を有するインペラと、第１の隔壁に隣接してポンプ室外に設けられ、インペラと磁気力により非接触で結合し、インペラを回転駆動させて流体を排出させる回転駆動部と、第２の隔壁に隣接してポンプ室外に設けられ、インペラと磁気力により非接触で結合し、インペラを第１および第２の隔壁間に浮上させる磁気軸受部とを備えたものである。ここで、磁気軸受部は、第２の隔壁に沿ってインペラの回転方向に配列された複数の電磁石を含む。各電磁石は、インペラに対向して設けられてインペラの径方向に配列され、一方がＮ極となり他方がＳ極となる第１および第２の磁極と、インペラの回転方向に配列され、それぞれ第１および第２の磁極に接合された第１および第２のヨークと、それぞれ第１および第２のヨークに巻回された第１および第２のコイルとを含む。
【００１４】
好ましくは、インペラはディスク状の形状に形成され、インペラの回転駆動部と対向する面に複数の永久磁石をインペラの回転方向に配列し、インペラと回転駆動部とを磁気カップリングにより非接触で結合させる。
【００１５】
また好ましくは、電磁石は３つ設けられる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の一実施形態の磁気浮上型ポンプを示す図であり、特に、図１（ａ）は縦断面図を示し、図１（ｂ）は図１（ａ）の線Ａ−Ａに沿う断面図である。図２は図１（ａ）に示す線Ｂ−Ｂに沿う断面矢視図であり、図３は図１（ａ）に示すＣ−Ｃに沿う断面図である。
【００１７】
図１〜図３を参照して、この発明の一実施形態の磁気浮上型ポンプについて説明する。磁気浮上型ポンプはモータ部１０とポンプ部２０と磁気軸受部４０とから構成される。ポンプ部２０のケーシング２１内にはポンプ室２２が設けられていて、このポンプ室２２内でインペラ２３が回転する。インペラ２３は複数の羽根２７を有しており、羽根２７は図１（ｂ）に示すように渦巻型に形成されている。
【００１８】
ケーシング２１はプラスチック，セラミック，金属などから形成されるが、ケーシング２１のうちポンプ部２０とモータ部１０との間の隔壁部分およびポンプ部２０と磁気軸受部４０の隔壁部分には磁性材料を使用することはできないので、非磁性材料で構成される。インペラ２３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質磁性部材２６とを含む。永久磁石２４はインペラ２３の円周方向に分割されていて、互いに隣接する磁石は互いに反対方向の磁極に着磁されている。
【００１９】
インペラ２３の永久磁石２４を有する側に対向するようにして、ポンプ室外部には軸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２３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２３側と同数の永久磁石１４が設けられている。この永久磁石１４も互いに隣接する磁石は互いに反対方向の磁極に着磁されている。モータ部１０としては、ＤＣブラシレスモータを含む同期モータや、インダクションモータを含む非同期モータなどが使用されるが、モータの種類は問わない。
【００２０】
一方、インペラ２３の軟質磁性部材２６を有する側に対向するようにして、電磁石４１と位置センサ６２とが磁気軸受部４０に設けられている。この電磁石４１と位置センサ６２とにより、ポンプ室において永久磁石２４と１４の吸引力に釣り合って、インペラ２３をポンプ室の中心に保持できるようにしている。制御式磁気軸受のロータに相当する軟質磁性部材２６には、たとえば低炭素鋼やフェライト系ステンレスやパーマロイなどの材料が用いられる。
【００２１】
図１（ａ）には、磁極５１と電磁石ヨーク７１と電磁石コイル８１と電磁石バックプレート９１とからなる１つの電磁石４１のみが示されているが、磁気軸受部４０には３個の電磁石が円周方向に配置されている。そして、図２に示すように各対をなす磁極５１と５２との間にはセンサ６１が配置され、磁極５３と５４との間にはセンサ６２が配置され、磁極５５と５６との間にはセンサ６３が配置されている。これらのセンサ６１ないし６３としては、一般的に渦電流式センサやリラクタンス式センサなどの磁気式センサが用いられる。
【００２２】
さらに、図３に示すように、各電磁石ヨーク７１〜７６は円柱形状で形成されていて、各電磁石ヨーク７１〜７６には電磁石コイル８１〜８６がそれぞれ巻回されている。
【００２３】
このように、磁極５１ないし５６を円周方向に配置することで、磁気軸受部４０内に収納できる電磁石コイル８１〜８６の収納スペースを増加でき、また電磁石ヨーク７１〜７６の形状を円柱形状とすることにより、各電磁石ヨーク７１〜７６への電磁石コイル８１〜８６の巻付作業が容易となる。さらに、各電磁石ヨーク７１〜７６の形状が単純であるため、電磁石コイル８１〜８６との絶縁が確実となる。なお、電磁石ヨーク７１〜７６は円柱にしているが、これは角柱であってもよい。さらに、図２および図３ではすべての電磁石ヨーク７１〜７６と電磁石コイル８１〜８６を同一円周上に配置しているが、収納スペースを有効に確保するために、各電磁石ヨーク７１〜７６および電磁石コイル８１〜８６は同一円周上になくてもよい。
【００２４】
図４および図５はこの発明の他の実施形態を示す図であり、図４は磁極とコイルの配置例を示し、図５は図４に示す線Ｃ−Ｃに沿う断面図である。
【００２５】
図４に示す電磁石コイル８１〜８６と電磁石ヨーク（図示せず）は図３と同様にして円周方向に配置されるが、各磁極対１０１と１０２，１０３と１０４，１０５と１０６は半径方向に配置されている。そして、図５に示すように、磁極１０５−電磁石ヨーク７５−電磁石バックプレート９２−電磁石ヨーク７６−磁極１０６で１つのＣ型電磁石を構成している。図４および図５に示した実施形態においても、電磁石ヨークは円柱形状に形成されて電磁石コイル８１〜８６の巻付け作業を容易にしているが、これは円柱に限らず角柱であっても良い。
【００２６】
この実施形態においても、図１〜図３の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００２７】
図６はこの発明の一実施形態の磁気浮上型ポンプを駆動するためのコントローラを示すブロック図である。図６において、コントローラ１００は、インペラ位置制御機能と、インペラ回転トルク制御機能と、インペラ位置制御機能を用いてポンプ室２２内におけるインペラ２３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１３の電流計測機能と、インペラ浮上位置制御機能を用いてインペラ２３の浮上位置を変化させたことにより得られるモータ１３の電流変化量を利用して、流体の粘度を算出する流体粘度算出機能を備えている。
【００２８】
具体的には、コントローラ１００はコントローラ本体部１０１と、モータドライバ１０２と、インペラ位置制御用コントロール部１０３とを備えている。モータドライバ１０２は、コントローラ本体部１０１より出力されたモータの回転数に対応する電圧を出力し、モータ１３を回転させるためのドライバである。また、インペラ位置制御用コントロール部１０３はコントローラ本体部１０１より出力されたインペラ浮上位置を維持するために電磁石４１に流れる電流または電圧もしくは電流および電圧を制御する。位置センサ４２による検出出力はインペラ位置制御用コントロール部１０３に入力され、インペラ２３の中心軸（ｚ軸）方向の並進運動、かつ中心軸（ｚ軸）に直交するｘ軸およびｙ軸まわりの回転運動を制御するように電磁石４１に流れる電流をコントロールする。なお、位置センサ４２による検出出力をコントローラ本体部１０１に入力し、コントローラ本体部１０１より電磁石４１に与える電圧値もしくは電流値を出力させてもよい。
【００２９】
コントローラ本体部１０１は記憶部（ＲＯＭ）１０４と、ＣＰＵ１０５と、表示部１１０と、入力部１０７とを備えている。表示部１１０には、設定吐出流量保持部１１１と、実行吐出流量表示部１１２と、設定吐出出力表示部１１３と、実行吐出圧力表示部１１４と、流体温度表示部１１５と、流体粘度表示部１１６と、インペラ回転数表示部１１７が設けられている。また、入力部１０７には、設定吐出流量入力部１０８と、設定吐出圧力入力部１０９とが設けられている。
【００３０】
コントローラ本体部１０１は、流体粘度とインペラ浮上位置変化によるモータ電流変化量（モータ駆動電流変化量）との関係を予め測定した流体粘度−モータ電流変化量関連データもしくはこの関連データより算出された関係式（たとえば、相関式データもしくは粘度演算式データ）を記憶したデータ記憶部を含み、流体粘度算出機能はデータ記憶部のデータとインペラ浮上位置制御機能を用いたインペラ２３の浮上位置を変化させたことにより得られるモータ１３の電流変化量を用いて液体粘度を算出する。
【００３１】
換言すれば、コントローラ本体部１０１の記憶部内には、流体粘度とインペラ浮上位置変化によるモータ電流変化量との関係を予め測定した流体粘度−モータ電流変化量関連データもしくはこの関連データより算出された相関データ（粘度演算式データでもある）が記憶されている。
【００３２】
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。
【００３３】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、磁気軸受部の各電磁石の２つのヨークをインペラの回転方向に配列することにより、磁気軸受部のスペースを増やすことなく、すなわちポンプサイズを大きくすることなく、コイルの巻スペースを広く確保できる。このようにコイル収納スペースを広げることにより、電磁石コイルの巻数を増加させたり、コイルの線径を太くすることも可能となった結果、電磁石の省電力化を図ることができる。さらに、電磁石のヨークを円柱もしくは角柱にすることが可能になり、コイルの巻き作業が容易となり、その結果コイルとヨークとの間の絶縁耐圧を確保しやすくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の一実施形態の磁気浮上型ポンプを示す図である。
【図２】  図１（ａ）の線Ｂ−Ｂに沿う断面矢視図である。
【図３】  図１（ａ）に示すＣ−Ｃに沿う断面図である。
【図４】  この発明の他の実施形態を示す図であり、磁極とコイルの配置例を示す。
【図５】  図４に示す線Ｃ−Ｃに沿う断面図である。
【図６】  この発明の磁気浮上型ポンプを駆動するためのコントローラのブロック図である。
【図７】  従来の磁気浮上型ポンプを示す図である。
【図８】  図７の線Ｂ−Ｂに沿う断面矢視図である。
【図９】  図７の線Ｃ−Ｃに沿う断面図である。
【符号の説明】
１０  モータ部、１１  軸、１２  ロータ、１３  モータ、１４，２４  永久磁石、２０  ポンプ部、２１  ケーシング、２２  ポンプ室、２３  インペラ、２５  非磁性部材、２６  軟質磁性部材、４０  磁気軸受部、５１〜５６，１０１〜１０６  磁極、６１〜６３  センサ、７１〜７６  電磁石ヨーク、８１〜８６  電磁石コイル、９１，９２  電磁石バックプレート、６０  吸入口、７０  出口、１００  コントローラ。
【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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