(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
円板状のインペラの一方側の表面に電磁吸引力を作用させるとともに、前記インペラの他方側の表面に磁気吸引力および流体力のいずれかもしくはそれらの両方を作用させて前記インペラを非接触で支承し、前記インペラの位置を検出する複数のセンサと、前記インペラに前記電磁吸引力を作用させて前記インペラを位置決めする複数の電磁石とを含む磁気浮上型ポンプを制御する制御回路であって、
前記複数のセンサおよび前記複数の電磁石のそれぞれは、前記インペラの一方側の表面に対向して１つの円に沿って配列されており、
前記複数のセンサの出力信号に基づいて、それぞれ前記複数の電磁石と前記インペラとの距離を示す複数の制御信号を生成する信号発生回路と、
それぞれ前記複数の電磁石に対応して設けられ、各々が、対応の電磁石に対応する制御信号から低周波成分を抽出し、抽出した低周波成分を対応の電磁石の前記円に沿って一方方向に隣接する電磁石に対応する制御信号に加算する複数のフィルタ回路と、
各電磁石に対応して設けられ、前記低周波成分が加算された対応の制御信号を受け、比例、微分および積分要素によって対応の電磁石の電磁吸引力を制御する位相補償回路とを備え、
前記インペラの回転時に発生するジャイロモーメントを補償することを特徴とする、磁気浮上型ポンプの制御回路。
【請求項２】
各フィルタ回路によって抽出された低周波成分の前記制御信号に対する加算量は、前記インペラの回転数に基づいて変更されることを特徴とする、請求項１に記載の磁気浮上型ポンプの制御回路。
【請求項３】
円板状のインペラの一方側の表面に電磁吸引力を作用させるとともに、前記インペラの他方側の表面に磁気吸引力および流体力のいずれかもしくはそれらの両方を作用させて前記インペラを非接触で支承し、前記インペラの位置を検出する複数のセンサと、前記インペラに前記電磁吸引力を作用させて前記インペラを位置決めする複数の電磁石とを含む磁気浮上型ポンプを制御する制御回路であって、
前記複数のセンサおよび前記複数の電磁石のそれぞれは、前記インペラの一方側の表面に対向して１つの円に沿って配列されており、
前記複数のセンサの出力信号に基づいて、それぞれ前記複数の電磁石と前記インペラとの距離を示す複数の第１の信号を生成する信号発生回路と、
それぞれ前記複数の電磁石に対応して設けられ、各々が、対応の第１の信号を受け、比例、微分および積分要素によって対応の電磁石の電磁吸引力を制御するための第２の信号を生成する複数の位相補償回路と、
各位相補償回路に対応して設けられ、対応の位相補償回路の積分要素の出力信号のみを対応の位相補償回路に対応する電磁石の前記円に沿って一方方向に隣接する電磁石に対応する位相補償回路で生成された第２の信号に加算する加算回路を備え、
前記インペラの回転時に発生するジャイロモーメントを補償することを特徴とする、磁気浮上型ポンプの制御回路。
【請求項４】
前記積分要素の出力信号の前記第２の信号に対する加算量は、前記インペラの回転数に基づいて変更されることを特徴とする、請求項３に記載の磁気浮上型ポンプの制御回路。
【請求項５】
前記磁気浮上型ポンプは、血液循環に使用されることを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載の磁気浮上型ポンプの制御回路。
【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の制御回路に関し、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を制御する制御回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５は従来の磁気浮上型ポンプを示す図であり、特に、図５（ａ）は縦断面図を示し、図５（ｂ）は図５（ａ）の線Ａ−Ａに沿う断面図である。
【０００３】
まず、図５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５（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。インペラ２３は図５（ｂ）に示すように、複数の羽根２７を有しており、渦巻型に形成されている。
【０００４】
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。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２２外部には軸受１７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が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、ポンプ室２２において永久磁石２４と１４の吸引力に釣り合い、インペラ２３をケーシング２１の中心に保持できるように、円周上に３個以上の電磁石３１および位置センサ３２が磁気軸受部３０に設けられている。電磁石３１の形状はＣ形であり、位置センサ３２は磁気式センサが用いられている。
【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収力が働く。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。この吸引力と釣り合うようにＣ形の電磁石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がモータロータ１５とモータステータ１６とから構成されるモータ１３の駆動力によって回転すると、永久磁石１４と２４とが磁極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から吸い込まれ、出口７０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】
図６は図５に示した磁気浮上型ポンプと制御回路を示す図である。図６において、磁気浮上型ポンプ２００は図５の流入口６０側から見た透視図で示されており、インペラ２３の回転軸のまわりに３個の電磁石Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３と、３個のセンサＳ１，Ｓ２，Ｓ３とが配置されている。各センサＳ１，Ｓ２，Ｓ３の出力はセンサアンプＨ１，Ｈ２，Ｈ３に与えられて増幅され、演算回路２０２に与えられる。
【０００８】
演算回路２０２は、センサアンプＨ１，Ｈ２，Ｈ３で増幅されたセンサ出力を演算し、電磁石Ｍ１とインペラ２３との間のギャップに比例した制御電圧ａ，電磁石Ｍ２とインペラ２３との間のギャップに比例した制御電圧ｂ，電磁石Ｍ３とインペラ２３との間のギャップに比例した制御電圧ｃを出力して位相補償回路２０３に与える。
【０００９】
位相補償回路２０３は各制御電圧ａ，ｂ，ｃのそれぞれが与えられる比例微分回路ＰＤ１，ＰＤ２，ＰＤ３と積分回路Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３とをふくむ。各比例微分回路PD１，ＰＤ２，ＰＤ３の出力と積分回路Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３の出力が加算されてリミット回路ＬＭ１，ＬＭ２，ＬＭ３に与えられる。リミット回路ＬＭ１，ＬＭ２，ＬＭ３は入力信号が正電圧の信号の場合だけ通過させ、負電圧の信号は強制的に０Ｖにするように構成されている。リミット回路ＬＭ１，ＬＭ２，ＬＭ３の各出力信号はパワーアンプＡ１，Ａ２，Ａ３に与えられる。パワーアンプＡ１，Ａ２，Ａ３は制御電圧ａ，ｂ，ｃをそれぞれ増幅して対応する電磁石Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３を駆動する。これら制御回路によって、各電磁石Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３が各センサＳ１，Ｓ２，Ｓ３の出力に基づいて個別に演算されて駆動される。
【００１０】
図７は磁気浮上型ポンプの制御回路の他の例を示すブロック図である。図６に示した制御回路は、各電磁石Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３に独立して比例微分回路ＰＤ１，ＰＤ２，ＰＤ３と積分回路Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３とを有する位相補償回路２０３を設けていたのに対して、図７に示した制御回路は、各電磁石ごとに独立に位相補償回路を持つのではなく、磁気軸受で制御する各インペラの運動モードごとに位相補償回路を設けたものである。ここで、分離したインペラ２３の運動モードは、インペラ回転軸方向の並進運動と、インペラ回転軸に対して互いに直交する軸回りの回転運動、すなわちピッチング運動とヨーイング運動がある。
【００１１】
図７に示す分離回路２０４はセンサアンプＨ１，Ｈ２，Ｈ３から出力されたセンサ信号を演算し、インペラ２３の並進運動パラメータｚ，インペラピッチング運動パラメータθｘ，インペラヨーイング運動パラメータθｙを出力する。位相補償回路２０５は図６と同様にして、各運動モードを考慮して、比例微分回路ＰＤ１，ＰＤ２，ＰＤ３と、積分回路Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３とによって構成され、それぞれの出力が各電磁石Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３へ分配するための分配器２０６を介して、リミット回路ＬＭ１，ＬＭ２，ＬＭ３およびパワーアンプＡ１，Ａ２，Ａ３を介して各電磁石Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３に電流が流される。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
図５に示した磁気浮上型ポンプ１を携帯用に使用したり、血液ポンプ用として人体に埋込んで使用する場合には、インペラ２３の回転中にポンプ全体が動いてしまう。図５に示したディスク状のインペラ２３では、その回転時にポンプ全体がピッチングやヨーイングなどの回転運動に伴って、ジャイロモーメントの影響を受け、振れ回ってしまう歳差運動が生じるという問題がある。
【００１３】
インペラ２３の回転時に、ポンプにピッチングやヨーイング運動が加わると、その運動速度に比例したジャイロモーメントがインペラ２３に働く。このジャイロモーメントによって、インペラ２３はポンプに外乱として印加された回転運動（たとえばピッチング）と直交する回転軸を持つジャイロモーメントが作用し、インペラ２３はポンプ室２２内で変位し、さらにこれを契機にインペラ２３の回転方向とは逆の方向で低周波数の歳差運動を生じる。
【００１４】
特に、ポンプを血液ポンプに用いた場合には、この歳差運動によってケーシング２１とインペラ２３とが接触すると、その部分で血栓ができやすくなるため、極力この歳差運動を抑えることが望ましい。これを抑えるための方法として、電磁石のサイズを大きくし、磁気軸受剛性を向上させる方法が考えられるが、ポンプを体内埋込用血液ポンプに使用する場合には、極力小型であることが要求されているため、採用できない。
【００１５】
それゆえに、この発明の主たる目的は、ポンプサイズを大きくすることなく、ポンプを携帯用途に使用してもポンプに対する回転外乱に対して発生するジャイロモーメントを補償することにより、回転時に安定したインペラを支持することができる磁気浮上型ポンプの制御回路を提供することである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
この発明は、円板状のインペラの一方側の表面に電磁吸引力を作用させるとともに、インペラの他方側の表面に磁気吸引力および流体力のいずれかもしくはそれらの両方を作用させてインペラを非接触で支承し、インペラの位置を検出する複数のセンサと、インペラに電磁吸引力を作用させてインペラを位置決めする複数の電磁石とを含む磁気浮上型ポンプを制御する制御回路であって、複数のセンサおよび複数の電磁石のそれぞれは、インペラの一方側の表面に対向して１つの円に沿って配列されている。制御回路は、複数のセンサの出力信号に基づいて、それぞれ複数の電磁石とインペラとの距離を示す複数の制御信号を生成する信号発生回路と、それぞれ複数の電磁石に対応して設けられ、各々が、対応の電磁石に対応する制御信号から低周波成分を抽出し、抽出した低周波成分を対応の電磁石の上記円に沿って一方方向に隣接する電磁石に対応する制御信号に加算する複数のフィルタ回路と、各電磁石に対応して設けられ、低周波成分が加算された対応の制御信号を受け、比例、微分および積分要素によって対応の電磁石の電磁吸引力を制御する位相補償回路とを備え、インペラの回転時に発生するジャイロモーメントを補償することを特徴とする。
好ましくは、各フィルタ回路によって抽出された低周波成分の制御信号に対する加算量は、インペラの回転数に基づいて変更される。
【００１８】
他の発明は、円板状のインペラの一方側の表面に電磁吸引力を作用させるとともに、インペラの他方側の表面に磁気吸引力および流体力のいずれかもしくはそれらの両方を作用させてインペラを非接触で支承し、インペラの位置を検出する複数のセンサと、インペラに電磁吸引力を作用させてインペラを位置決めする複数の電磁石とを含む磁気浮上型ポンプを制御する制御回路であって、複数のセンサおよび複数の電磁石のそれぞれは、インペラの一方側の表面に対向して１つの円に沿って配列されている。制御回路は、複数のセンサの出力信号に基づいて、それぞれ複数の電磁石とインペラとの距離を示す複数の第１の信号を生成する信号発生回路と、それぞれ複数の電磁石に対応して設けられ、各々が、対応の第１の信号を受け、比例、微分および積分要素によって対応の電磁石の電磁吸引力を制御するための第２の信号を生成する複数の位相補償回路と、各位相補償回路に対応して設けられ、対応の位相補償回路の積分要素の出力信号のみを対応の位相補償回路に対応する電磁石の上記円に沿って一方方向に隣接する電磁石に対応する位相補償回路で生成された第２の信号に加算する加算回路を備え、インペラの回転時に発生するジャイロモーメントを補償することを特徴とする。
好ましくは、積分要素の出力信号の第２の信号に対する加算量は、インペラの回転数に基づいて変更される。
【００１９】
したがって、この発明によれば、ポンプを携帯用途に使用してもポンプに対する回転外乱に対して発生するジャイロモーメントを補償することができ、回転時に安定したインペラを支持することができる。
【００２１】
さらに、磁気浮上型ポンプは、血液循環に使用されることを特徴とする。
【００２２】
【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と制御回路のブロック図である。
【００２３】
従来の技術で説明したように、インペラ２３の回転時にポンプにピッチングやヨーイング運動が加わると、その運動速度に比例したジャイロモーメントがインペラ２３に働く。このジャイロモーメントによってインペラ２３はポンプに外乱として印加された回転運動（たとえばピッチング）と直交する回転軸を持つジャイロモーメントが作用し、インペラ２３はポンプ室２２で変位し、さらにこれを契機にインペラ２３の回転方向とは逆の方向に低周波数での歳差運動をする。これは、ジャイロモーメントによるインペラのピッチング運動とヨーイング運動との干渉に起因するためであり、この歳差運動を抑制するためには、この歳差運動の周波数において、両回転運動の干渉をなくすように磁気軸受の制御回路で補償すればよいことになる。
【００２４】
この発明の一実施形態では、歳差運動の周波数域において両回転運動の干渉をなくすように構成される。すなわち、図６と同様にして、磁気浮上型ポンプは図５の流入口６０から見た透視図で示されており、インペラ２３の回転軸のまわりに３個の電磁石Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３と、３個のセンサＳ１，Ｓ２，Ｓ３とが配置されている。各センサＳ１，Ｓ２，Ｓ３の出力はセンサアンプＨ１，Ｈ２，Ｈ３に与えられて増幅されて分離回路２０４に与えられる。分離回路２０４は図７と同様にして、センサアンプＨ１，Ｈ２，Ｈ３から出力されたセンサ信号を演算して、インペラ２３の並進運動パラメータｚ，インペラピッチング運動パラメータθｘ，インペラヨーイング運動パラメータθｙを出力する。
【００２５】
インペラの並進運動パラメータｚは位相補償回路２０５に与えられるが、インペラのピッチング運動パラメータθｘとインペラヨーイング運動パラメータθｙは回路２０７に与えられる。回路２０７はローパスフィルタおよびゲイン回路からなる回路２０８，２０９と加算回路２１０，２１１とから構成される。回路２０８，回路２０９のローパスフィルタは、インペラ２３の低周波数にその主成分を持った歳差運動成分を取出すものであり、加算回路２１０，２１１ではこの抽出した歳差運動成分を、他の回転運動モードの制御入力に加えることで、両回転運動の干渉を抑制する。このジャイロモーメントの影響は、インペラ２３の回転数によって変化するため、インペラ２３の回転数によって回路２０７の特性を変化させることで最適な補償が可能となる。
【００２６】
加算回路２１０，２１１の出力は位相補償回路２０５に与えられ、分配器２０６，リミット回路ＬＭ１，ＬＭ２，ＬＭ３およびパワーアンプＡ１，Ａ２，Ａ３を介して各電磁石Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３に電流が流される。
【００２７】
上述のごとく、この発明の実施の形態では、インペラピッチング運動パラメータθｘとインペラヨーイング運動パラメータθｙを回路２０７に与え、ローパスフィルタ２０８，２０９によってインペラの低周波数にその主成分を持つ歳差運動成分を取出し、加算回路２１０，２１１で抽出した歳差運動成分を他方の回転運動モードの制御入力を加えることでインペラのピッチング運動とヨーイング運動との干渉を抑制することにより、最適な補償が可能となる。
【００２８】
図２はこの発明の他の実施形態を示すブロック図である。前述の図１に示した実施形態では、インペラ回転数によって歳差運動の補償を変化させることはせず、インペラの非回転時には回路２０７の補償は、磁気軸受の制御に外乱として作用するため、実際にはインペラ非回転時にも安定してインペラ２３が磁気軸受で支持できるように予め回路２０８および２０９の特性を調整しておく必要がある。
【００２９】
これに対して、この図２に示した実施の形態では、インペラ２３の回転数を検出するインペラ回転数検出器２１２を設け、この検出器２１２の出力に応じて、回路２０８，２０９の特性を可変するようにしたものである。したがって、この実施形態によれば、インペラ２３の回転数によって歳差運動の補償を変化させることができる。
【００３０】
図３はこの発明のさらに他の実施形態における磁気浮上型ポンプの制御回路を示すブロック図である。この図３に示した実施形態は、図６に示した制御回路に回路２１３を追加したものである。回路２１３はセンサアンプＨ１，Ｈ２，Ｈ３の出力を演算により各電磁石Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３とインペラ２３との距離に比例した信号を、比例回路とローパスフィルタから構成される回路Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３によって低周波数域のみを隣接する電磁石とインペラとの距離の演算結果に加算することにより、ジャイロモーメントによる歳差運動を抑制するものである。
【００３１】
図４はこの発明のさらに他の実施形態における磁気浮上型ポンプの制御回路を示すブロック図である。この図４に示した実施形態は、図６に示した制御回路に回路２１４を追加したものである。回路２１４は、各電磁石制御の比例積分回路Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３の出力をそれぞれｋａ，ｋｂ，ｋｃの比例ゲインを乗算し、隣接する制御回路に加算するものである。
【００３２】
なお、図２に示したインペラ回転数によって歳差運動の補償を変化させる実施形態は、図３および図４の実施形態にも適用することができる。
【００３３】
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。
【００３４】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、ポンプサイズを大型化することなく、ポンプを携帯用途に使用してもポンプに対する回転外乱に対して発生するジャイロモーメントを補償することができ、回転時に安定してインペラを支持することができる。
【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の制御回路を示すブロック図である。
【図２】  この発明の他の実施形態の磁気浮上型ポンプの制御回路のブロック図である。
【図３】  この発明のさらに他の実施形態の磁気浮上型ポンプの制御回路を示すブロック図である。
【図４】  この発明のさらに他の実施形態の磁気浮上型ポンプの制御回路を示すブロック図である。
【図５】  この発明が適用される磁気浮上型ポンプを示す断面図である。
【図６】  図５に示した磁気浮上型ポンプを制御する制御回路のブロック図である。
【図７】  図５に示した磁気浮上型ポンプを制御する制御回路の他の例を示すブロック図である。
【符号の説明】
２００  磁気浮上型ポンプ、２０４  分離回路、２０５  位相補償回路、２０６  分配回路、２０７，２１３，２１４  回路、Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３  電磁石、Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３  センサ、Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３  センサアンプ、２０８，２０９  ローパスフィルタおよびゲイン回路からなる回路、２１０，２１１  加算回路。
【図１】
0004646393.tif 000002
【図２】
0004646393.tif 000003
【図３】
0004646393.tif 000004
【図４】
0004646393.tif 000005
【図５】
0004646393.tif 000006
【図６】
0004646393.tif 000007
【図７】
0004646393.tif 000008