(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシング内の回転部を回転することによって流体を排出するポンプ部と、
前記回転部と磁気力により非接触に結合して、該回転部を回転させる回転駆動部と、
前記回転部の浮上位置を検出する位置検出部と、
前記位置検出部の出力により前記回転部を非接触で支持する制御式磁気軸受部を含み、前記回転駆動部の回転数が一定になるように前記回転駆動部を制御する回転一定モードと、前記回転駆動部の駆動電流が一定になるように前記回転駆動部を制御する電流一定モードとを有する磁気浮上型ポンプにおいて、
前記回転一定モード時は、前記回転駆動部の回転数を回転指令値に応じた値に設定し、前記電流一定モード時は、前記回転駆動部の駆動電流を前記回転指令値に応じた値に設定し、
前記回転駆動部の回転数が予め定められた範囲内である場合において前記回転一定モードと前記電流一定モードとが切換えられたときに、切換え前の回転数と切換え後の回転数がほぼ同一となるように、前記回転指令値に対する前記回転駆動部の回転数と前記回転駆動部の駆動電流との関係を予め設定しておくことを特徴とする、磁気浮上型ポンプ。
【請求項２】
前記切換え前の回転数と切換え後の回転数がほぼ±２０％以内で同じであ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。
【請求項３】
前記磁気浮上型ポンプは血液ポンプであ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。
【請求項４】
ケーシング内の回転部を回転することによって流体を排出するポンプ部と、
前記回転部と磁気力により非接触に結合して、該回転部を回転させる回転駆動部と、
前記回転部の浮上位置を検出する位置検出部と、
前記位置検出部の出力により前記回転部を非接触で支持する制御式磁気軸受部を含み、前記回転駆動部の回転数が一定になるように前記回転駆動部を制御する回転一定モードと、前記回転駆動部の駆動電流が一定になるように前記回転駆動部を制御する電流一定モードとを有する磁気浮上型ポンプにおいて、
前記回転一定モード時は、前記回転駆動部の回転数を回転指令値に応じた値に設定し、前記電流一定モード時は、前記回転駆動部の駆動電流を前記回転指令値に応じた値に設定し、
前記回転駆動部の回転数が予め定められた範囲内である場合において前記回転一定モードと前記電流一定モードとが切換えられたときに、切換え前の回転数と切換え後の回転数がほぼ同一となるように、前記回転指令値に対する前記回転駆動部の回転数と前記回転駆動部の駆動電流との関係を予め設定しておくことを特徴とする、磁気浮上型ポンプの制御方法。
【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およびその制御方法に関し、特に、インペラを磁気浮上させて血液などの液体を排出する磁気浮上型ポンプおよびその制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図７は従来の磁気浮上装置の一例の磁気浮上式液体ポンプ装置の縦断面図とコントローラを示す図である。図７において、磁気浮上式液体ポンプ装置１００は、円筒状のケーシング１０１内に、軸方向に電磁石部１２０とポンプ部１３０とモータ部１４０とが内蔵されて構成されている。電磁石部１２０には電磁石１２１と磁気軸受用センサ１２２とが内蔵されている。ケーシング１０１の一方側面の中心部には液体が流入する流入口１０２が形成されており、電磁石１２１と磁気軸受用センサ１２２は流入口１０２の周りにそれぞれ少なくとも３個ずつ配置されている。これらの電磁石１２１と磁気軸受用センサ１２２は電磁石部１２０とポンプ部１３０とを仕切る隔壁１０３に取付けられている。
【０００３】
ポンプ部1３０内にはインペラ（羽根車）１３１が回転可能に収納されており、インペラ１３１の電磁石部１２０側（一方側）は隔壁１０４を介して電磁石１２１によって非接触で支持され、磁気軸受用センサ１２２によってインペラ１３１の一方側との間の距離が検出される。インペラ１３１の他方側には永久磁石１３２が埋込まれている。モータ部１４０にはモータ１４１とロータ１４２とが収納されている。ロータ１４２のポンプ部１３０に対向する面にはインペラ１３１に埋込まれた永久磁石１３２に隔壁１０４を介して対向するように永久磁石１４３が埋込まれている。
【０００４】
上述のごとく構成された液体ポンプ装置において、磁気軸受センサ１２２のセンサ出力は、コントローラ１５０に含まれるセンサ回路（図示せず）に与えられ、センサ回路によってインペラ１３１の一方側と磁気軸受センサ１２２との間隔が検出される。センサ回路の出力は、ＰＩＤ補償器（図示せず）に与えられてＰＩＤ補償が行われ、ＰＩＤ補償器の出力はパワーアンプ（図示せず）で増幅されて電磁石１２１に与えられる。したがって、電磁石１２１によってインペラ１３１の対向する面への吸引力が制御される。
【０００５】
一方、インペラ１３１のモータ部１４０側には、永久磁石１３２と１４３とからなる吸引力が働き、インペラ１３１は永久磁石１３２と１４３とによる非制御式軸受と、電磁石１２１による制御式軸受とによって磁気浮上してコントローラ１５０によって制御されるモータ１４１の駆動力によって回転し、流入口１０２に流入した血液などの液体をポンプ部１３０に形成された吐出口（図示せず）から流出させる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図７に示した磁気浮上式液体ポンプ１００は人工心臓の血液ポンプとして用いられる。コントローラ１５０はモータ１４１を回転一定モードと、モータ電流一定モードとに切換え可能にされている。回転一定モードはたとえば２０００ｒｐｍの回転数で回転しているときに負荷が変化してもモータの回転数が一定に保たれるモードであり、モータ電流一定モードはモータに流れる電流がたとえば１Ａの値を保ち続けるモードである。血液ポンプにおいては、モータ電流一定モードでは、血管が収縮すれば一定量の血液を供給しようとするため回転数が上昇し、血管が膨張すると負荷が小さくなるので回転数を遅くするようになる。
【０００７】
血液ポンプにおいては、種々の治療に使われる可能性があり、回転一定モードとモータ電流一定モードとを切換えて使われる可能性がある。ところが、使用中に誤操作などによりモードを切換えたときにモータの回転数が大幅に変化すると、ポンプの負荷系に過負荷を与えてしまうなどのトラブルが発生する恐れがある。
【０００８】
それゆえに、この発明の主たる目的は、回転一定モードとモータ電流一定モードとを切換えたときに回転数の変化を少なくできる磁気浮上型ポンプおよびその制御方法を提供することである。
【０００９】
【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およびその制御方法は、ケーシング内の回転部を回転することによって流体を排出するポンプ部と、回転部と磁気力により非接触に結合して、該回転部を回転させる回転駆動部と、回転部の浮上位置を検出する位置検出部と、位置検出部の出力により回転部を非接触で支持する制御式磁気軸受部を含み、回転駆動部の回転数が一定になるように回転駆動部を制御する回転一定モードと、回転駆動部の駆動電流が一定になるように回転駆動部を制御する電流一定モードとを有する磁気浮上型ポンプにおいて、回転一定モード時は、回転駆動部の回転数を回転指令値に応じた値に設定し、電流一定モード時は、回転駆動部の駆動電流を回転指令値に応じた値に設定し、回転駆動部の回転数が予め定められた範囲内である場合において回転一定モードと電流一定モードとが切換えられたときに、切換え前の回転数と切換え後の回転数がほぼ同一となるように、回転指令値に対する回転駆動部の回転数と回転駆動部の駆動電流との関係を予め設定しておくことを特徴とする。
【００１０】
したがって、この発明では回転一定モードと電流一定モードとの切換え時の回転数の変動を少なくできるので、血液ポンプとして利用したときのトラブルを極力抑えることができる。
【００１１】
好ましくは、切換え前の回転数と切換え後の回転数がほぼ±２０％以内で同じであることを特徴とする。
【００１２】
さらにより好ましくは、磁気浮上型ポンプは血液ポンプであることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の一実施形態が適用される液体ポンプ装置を示す図であり、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の線Ｂ−Ｂに沿う断面矢視図であり、図３は図１のＣ−Ｃに沿う断面図である。ここで、図３ではセンサは図示していない。
【００１４】
図１において、液体ポンプ装置は、ケーシング１が隔壁１１と１２と１３と１４とによって区切られ、各区域に磁気軸受部２０と、ポンプ部３０と、モータ部４０とが設けられる。ケーシング１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１のうち磁気軸受部２０とポンプ部３０との間の隔壁１２およびポンプ部３０とモータ部４０との間の隔壁１３には磁性材料を使用することができないので非磁性材料で構成される。
【００１５】
ポンプ部３０のケーシング１内にはポンプ室３３が設けられていて、このポンプ室３３内でインペラ３１が回転し、流体を図１（ｂ）に示す吐出口１６から排出する。インペラ３１は複数の羽根３４を有しており、羽根３４は図１（ｂ）に示すように渦巻型に形成されている。インペラ３１は非制御式磁気軸受を構成する永久磁石３２を有する非磁性部材３５と、制御式磁気軸受のロータに相当する軟質磁性部材３６とを含む。永久磁石３２はインペラ３１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。
【００１６】
なお、ポンプ室３３内全体に抗凝固剤であるヘパリンをコーティングすることによって、これらの部分での血栓形成を防ぎ、血液輸送用ポンプとして利用することができる。この場合、ヘパリンコーティングは、凝固系活性化抑制，血小板保護、活性化抑制，炎症系活性抑制，線溶系活性化抑制などの効果をもたらす。
【００１７】
また、図１において、インペラ３１の非磁性部材３５と軟質磁性部材３６に斜線を示し、その他の部分は非磁性材料を示している。血液のような腐食性の流体を搬送する用途に用いる場合には、軟質磁性材料としては高耐食性フェライト系ステンレススチール（ＳＵＳ４４７Ｊ、ＳＵＳ４４４等）、非磁性材料としては高耐食性オーステナイト系ステンレススチール（ＳＵＳ３１６Ｌ等）、もしくはチタン合金、純チタン等が好ましい。
【００１８】
インペラ３１の永久磁石３２を有する側に対向するようにして、モータ部４０には隔壁１３の中心部から隔壁１４側に伸びる円柱部４８が形成されている。この円柱部４８の外周面には転がり軸受からなるモータ軸受４９が設けられ、このモータ軸受４９に軸支されて、モータロータ４６が回転可能に設けられ、円柱部４８の先端部にはモータステータ４７が取付けられる。モータロータ４６はモータステータ４７によって駆動されて回転する。モータロータ４６にはインペラ３１の永久磁石３２に対向しかつ吸引力が作用するようにインペラ３１側と同数の永久磁石４５が設けられる。この永久磁石４５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。
【００１９】
なお、モータとしては、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】
電磁石部２０には、電磁石部２０とポンプ部３０とを仕切る隔壁１２の内壁に、インペラ３１の軟質磁性部材３６を有する側に対向するようにして、電磁石２３と磁気軸受センサ２４とが取り付けられる。この電磁石２３と磁気軸受センサ２４によりポンプ室３３において永久磁石３２と４５の吸引力に釣り合ってインペラ３１を、ポンプ室３３の中心に保持することができる。
【００２１】
このように構成することによって、電磁石２３で生じた熱を隔壁１２に伝達してポンプ部３０内の液体によって冷却することができる。同様にして、モータステータ４７で生じた熱も円柱部４８から隔壁１３に伝達され、モータ部３０内の液体によって冷却される。その結果、ケーシング１の外側に熱が伝わるのを減少できる。また、磁気軸受用センサ２４に伝わる熱も少なくでき、センシングを安定化できる。さらに、隔壁１２と１３の厚みをある程度厚くして電磁石２３と磁気軸受用センサ２４とモータステータ４７を取付けるだけの強度を持たせれば、ハウジング１の外径部分の厚みを薄くできるという利点がある。
【００２２】
電磁石２３と磁気軸受センサ２４は、図２および図３に示すように配置される。すなわち、各対をなす電磁石２３の磁極５１と５２との間にはセンサ２４１が配置され、磁極５３と５４との間にはセンサ２４２が配置され、磁極５５と５６との間にはセンサ２４３が配置されている。これらのセンサ２４１ないし２４３としては、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。
【００２３】
さらに、図３に示すように、各電磁石２３のヨーク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。
【００２４】
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、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。
【００２５】
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く、それによって、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。
【００２６】
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。
【００２７】
磁気軸受の各電磁石の磁極とヨークを円周方向に配置することにより、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。
【００２８】
図４はこの発明の一実施形態の磁気浮上液体ポンプを制御するコントローラの例を示すブロック図である。
【００２９】
この発明が適用される血液ポンプは、通常１５００ｒｐｍ〜２５００ｒｐｍの範囲内で回転し、それ以上あるいはそれ以下で回転することは少ない。そこで、この発明の実施形態では一定の回転数の間で、電流とモータ回転数との関係を演算することによって、モードが切換わっても同じ回転数で回転するように制御する。そのような制御を実現するのが、図４に示すコントローラ５０である。
【００３０】
図４において、コントローラ５０はモード変換調整回路６０とモータ制御回路７０とパワーアンプ８０とモード切換えスイッチＳＷとを含む。モータ制御回路７０はその入力信号値に応じたモータ回転数を一定に制御するためのものであり、モータ回転数制御回路で構成される。パワーアンプ８０はモータ制御回路７０の出力に応じてモータへの電力供給を行なうものである。
【００３１】
モード切換え信号は回転一定モードとモータ電流一定モードとを切換えるものであり、この信号によってモード切換えスイッチＳＷが切換えられる。具体的には、図４において、モード切換えスイッチＳＷは、回転一定モードの場合には接点Ａと接点Ｃとが接続され、モータ電流一定モードでは接点Ｂと接点Ｃとが接続される。
モード切換えスイッチＳＷを介してモータ制御回路７０に入力される信号はモータの回転数指令値となる。すなわち、モード切換えスイッチＳＷがモード切換え信号により、その接点Ａと接点Ｃとが接続された場合には、モータ指令値がそのままモータの回転数指令値となり、モータは指令値に比例した回転数となるように制御される(回転一定モード)。
【００３２】
このモータ指令値は図１に示したモータ４０を回転一定モードで回転させるものであリ、モード変換調整回路６０にも与えられる。モード変換調整回路６０はモータ指令値をモータ電流一定値に変換するものであり、モード切換え時にモータ４０の回転数が大幅に変化しないような値に変換する。
【００３３】
モード変換調整回路６０はモータ指令値によってモータ電流を一定値に制御できるように付加した演算回路であり、モード切換え時にモータ４０の回転数が大幅に変化しないような回路構成になっている。すなわち、モード変換調整回路６０は可変抵抗ＶＲ１，ＶＲ２とオペアンプＯＰと抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３とから構成される。モータ指令値は可変抵抗ＶＲ２によって分圧することでゲイン調整が行なわれる。オペアンプＯＰの非反転端子には可変抵抗ＶＲ２によって分圧されたモータ指令値が与えられ、反転端子にはモータ電流に比例した電圧が抵抗Ｒ２を介して与えられるとともに、可変抵抗ＶＲ１で設定された電圧が抵抗Ｒ１を介して与えられる。すなわち、モード変換調整回路６０はオペアンプＯＰにモータ電流量をフイードバックすることで、モータ指令値に応じたモータ電流が得られるようにモータ制御回路７０の入力信号を求める演算機能を果たす。抵抗Ｒ３はオペアンプＯＰ回路全体のゲイン調整を行なうために設けられている。
【００３４】
モード切換えスイッチＳＷは、モード切換えスイッチＳＷがモード切換え信号により接点Ｂと接点Ｃとが接続された場合には、モード変換調整回路６０の出力によってモータが制御される結果、モータ電流一定モードとなる。
【００３５】
図５は図１に示したポンプを血液ポンプとして使用した場合の、モータ回転数とモータ電流との関係を示す図であり、図に示されるように、電流が流れ始めるとモータ回転数もそれに伴って上昇するが、モータ回転数とモータ電流との関係は比例していない。しかし、血液ポンプとして常用される回転数には範囲があり、この常用範囲ではモータ回転数とモータ電流とは直線で近似することが可能である。
【００３６】
図６はモータ指令値とモータ回転数との関係を示したものであり、２点鎖線ｐは回転一定モードの場合で、破線ｑはモード変換調整回路６０内のゲイン調整機能であるＶＲ２およびオペアンプＯＰのオフセット調整を行なうＶＲ１を調整しない場合、さらに実線ｒはこのＶＲ１とＶＲ２を調整することで、常用回転数であるモータ回転数ＡからＢの領域で２点鎖線で表される回転一定モードの場合のモータ指令値とモータ回転数との関係に合わせた場合を示している。
【００３７】
このように常用回転数において、回転一定モードとモータ電流一定モードの両条件で同一のモータ指令値に対してモータ回転の変動幅を抑制できることを示した。ここで、図６の実線ｒにおいて、ｙ軸切片ｃの調整に可変抵抗ＶＲ１(モード変換調整回路６０内)で、モータ回転数ＡからＢ間の勾配を可変抵抗ＶＲ２(モード変換調整回路６０内)で調整できる。
【００３８】
この図６に示した実線ｒの調整は、予め血液ポンプの標準使用状態を想定し、実際に使用される長さおよび直径の血管を用いたポンプ負荷系でインペラ３１の回転数とモータ電流との関係を求めておき、モータ指令値によって２つのモードでほぼ同一の回転数となるように制御するのが好ましい。ただし、実用上±２０％程度以内の範囲内で同じ回転数になれば問題はない。
【００３９】
このように、モード切換えスイッチＳＷによってモータ電流一定モードに切換えると、モータ指令値が図６に示す直線ｐに変換され、その変換出力がオペアンプＯＰからモータ制御回路７０に与えられる。そして、モータ制御回路７０の出力に基づいてパワーアンプ８０がモータステータ４７を駆動する。
【００４０】
したがって、この発明の実施形態によれば、回転一定モードとモータ電流一定モードに切換えても両モードの回転数をほぼ一定にできるので、ポンプ負荷系に過負荷を与えてしまうというトラブルを解消できる。
【００４１】
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。
【００４２】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、回転一定制御と電流一定制御の両モードを切換えたときの回転数をほぼ同じになるように制御することにより、モード切換え時におけるポンプ負荷系に過負荷を与えてしまうなどのトラブルの発生を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の一実施形態を示す図であり、（ａ）は縦断面図であり、（ｂ）は図１の線Ａ−Ａに沿う断面図である。
【図２】  図１の線Ｂ−Ｂに沿う断面図である。
【図３】  図１の線Ｃ−Ｃに沿う断面図である。
【図４】  この発明の液体ポンプ装置を制御するコントローラの概略ブロック図である。
【図５】  モータ回転数とモータ電流との関係を示す図である。
【図６】  モータ指令値に対するモード変換調整回路による補正を示す図である。
【図７】  従来の磁気浮上型ポンプの断面図およびコントローラを示す図である。
【符号の説明】
１  ケーシング、１１，１２，１３，１４  隔壁、１５  流入口、１６  吐出口、２０  電磁石部、２３  電磁石、２４  磁気軸受用センサ、３０  ポンプ部、３１  インペラ、３２，４５  永久磁石、３３  ポンプ室、３４  羽根、３５非磁性部材、３６  軟質磁性部材、４０  モータ部、４７  モータステータ、４６  モータロータ、４８  円柱部、４９  モータ軸受、５０  コントローラ、６０  モード変換調整回路、７０  モータ制御回路、８０  パワーアンプ、ＳＷモード切換えスイッチ。
【図１】
0004651157.tif 000002
【図２】
0004651157.tif 000003
【図３】
0004651157.tif 000004
【図４】
0004651157.tif 000005
【図５】
0004651157.tif 000006
【図６】
0004651157.tif 000007
【図７】
0004651157.tif 000008