(57)【要約】【課題】磁気軸受の制御機構に故障が生じた場合に、動圧軸受によって発生した圧力によってインペラとハウジングの内面とを実質的に非接触状態でインペラを回転させ、液体の送液を維持することのできる遠心式液体ポンプを提供する。【解決手段】  遠心式液体ポンプ装置１は、ハウジング２０内で回転するインペラ２１を有するポンプ部２と磁石３３を備えるロータ３１とロータを回転させるモータ３４とインペラを吸引するための電磁石４１とインペラ位置検出用センサ４２とハウジング２０の内面に設けられた動圧軸受手段３８を備えるポンプ本体５と制御機構６を備える。制御機構６は、位置センサ出力モニタリング機能５６と、電磁石電流モニタリング機能５７と、モータ電流モニタリング機能を備え、位置センサ出力モニタリング機能および電磁石電流モニタリング機能を用いてセンサもしくは電磁石の故障を判断し、故障検知時に作動し、動圧軸受手段を利用してインペラを回転させる非常用インペラ回転機能を備える。【選択図】  図１
2005028137.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
インペラがハウジングと接触することなく回転するポンプ本体と、前記ポンプ本体の制御機構とを有する遠心式液体ポンプ装置であって、
前記ポンプ本体は、液体流入ポートおよび液体流出ポートを有する前記ハウジングと、第１の磁性体および第２の磁性体を有し、かつ前記ハウジング内で回転して回転時に発生する遠心力によって液体を送液する前記インペラを有する遠心ポンプ部と、前記インペラの前記第１の磁性体を吸引する磁石を有するロータと前記ロータを回転するためのモータを有するインペラ回転トルク発生部と、前記インペラの前記第２の磁性体を吸引するための電磁石を有す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と、前記ハウジングの前記ロータ側の内面、または、前記インペラの前記ロータ側の面に設けられた動圧軸受手段とを有し、
前記制御機構は、位置センサ出力モニタリング機能または電磁石電流モニタリング機能と、モータ電流モニタリング機能と、前記位置センサ出力モニタリング機能を使用して前記センサの故障を判断するための、または、前記電磁石電流モニタリング機能を使用して前記電磁石の故障を判断するための故障検出機能と、前記故障検出機能が前記センサの故障を検出したとき、または前記電磁石の故障を検出したとき、前記動圧軸受手段を使用して前記インペラと前記ハウジングとが実質的に接触することなく前記インペラを回転するように作用する非常用インペラ回転機能とを有し、
前記非常用インペラ回転機能は、前記故障検出機能が故障を検出したとき、前記モータおよび前記電磁石への電力の供給を停止し、前記ロータおよび前記インペラの回転を停止させる回転停止機能と、前記磁石によって発生する前記ロータの前記インペラに対する前記磁気結合力に打ち勝つのに十分な大きさの電流を前記電磁石に供給するインペラ磁気吸引力付与機能と、前記モータ電流モニタリング機能によってモニタされたモータ電流を利用して、動圧軸受結合を検出し、それによって動圧軸受状況下における前記インペラおよび前記ロータの磁気回転結合を検出する動圧浮上制御検出機能と、前記動圧浮上制御検出機能が、前記インペラおよび前記ロータ間に前記動圧軸受結合が形成されたことを検出した後、前記モータ速度を上げ、それによって前記インペラ回転速度を所定値まで上げるためのモータ速度制御機能と、前記インペラ回転速度が前記所定値に達したときに、前記電磁石に対する電流の供給を停止するインペラ磁気吸引力停止機能とを有することを特徴とする遠心式液体ポンプ装置。
【請求項２】
前記制御機構は、前記位置センサ出力モニタリング機能および前記電磁石電流モニタリング機能を有し、前記故障検出機能は、前記センサの故障および前記電磁石の故障を判断することができ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】
前記遠心式液体ポンプ装置は、前記センサ用のセンサ回路を有し、前記センサ回路は、前記位置センサが断線したとき、通常レベルを超える所定値の出力を発生する機能を有し、前記故障検出機能は、前記センサ出力モニタリング機能によってモニタされた前記センサの出力に基づいて、前記センサが故障か否かを判断するものである請求項１または２に記載の遠心式液体ポンプ装置。
【請求項４】
前記遠心式液体ポンプ装置は、前記電磁石用回路を有し、前記電磁石用回路は、前記電磁石が断線したとき不通となり、また、前記故障検出機能は、前記電磁石電流モニタリング機能が、前記電磁石回路に電流が流れていないと判断したとき、前記電磁石が故障であると判断するものである請求項１ないし３のいずれかに記載の遠心式液体ポンプ装置。
【請求項５】
前記故障検出機能が故障を検出したとき、前記非常用インペラ回転機能は、前記ロータの前記磁石および前記インペラ間の磁気結合力と、前記電磁石によって生じた前記吸引とを釣り合わせて、前記インペラを回転させるものである請求項１ないし４のいずれかに記載の遠心式液体ポンプ装置。
【請求項６】
前記動圧軸受手段は、前記ハウジングの前記ロータ側の内面に設けられた少なくとも１つの溝を有するものである請求項１ないし５のいずれかに記載の遠心式液体ポンプ装置。
【請求項７】
前記動圧軸受手段は、前記インペラの前記ロータ側の面に設けられた少なくとも１つの溝を有するものである請求項１ないし５のいずれかに記載の遠心式液体ポンプ装置。
【請求項８】
前記動圧軸受手段は、前記インペラの前記ロータ側の面に設けられた複数の段差を有するものである請求項１ないし５のいずれかに記載の遠心式液体ポンプ装置。
【請求項９】
前記インペラ磁気吸引力付与機能は、前記電磁石に第１の継続電流を印加して吸引を形成し、前記モータに所定電圧を印加して前記インペラの回転を試行するものである請求項１ないし８のいずれかに記載の遠心式液体ポンプ装置。
【請求項１０】
前記インペラ磁気吸引力付与機能は、前記第１の試行の後で、前記モータが前記インペラの回転に失敗したとき、さらに、前記電磁石に第２の継続電流を印加して前記吸引力を形成しかつ前記所定電圧を前記モータに印加して前記インペラの回転を試行するものであり、前記第２の継続電流は、前記第２の継続電流によって形成された前記吸引力が前記第１の継続電流によって形成された前記吸引力よりも大きくなるように、前記第２の継続電流は前記第１の継続電流よりも大きいものである請求項９に記載の遠心式液体ポンプ装置。
【請求項１１】
前記第２の継続電流は、所定の段階値だけ前記第１の持続電流よりも大きいものである請求項１０に記載の遠心式液体ポンプ装置。
【請求項１２】
前記インペラ磁気吸引力付与機能は、前記第１の試行および前記第２の試行後に、前記モータが前記インペラの回転に失敗したとき、さらに、前記電磁石に増加継続電流を印加して前記吸引力を形成し、前記モータに前記所定電圧を印加することによって前記インペラを回転することを繰り返し、前記増加継続電流は、前記インペラが回転するか、または、前記増加継続電流が所定最大値に達するまで、前記所定段階ずつ増加することを繰り返すものである請求項１１に記載の遠心式液体ポンプ装置。
【請求項１３】
前記第１の継続電流は、パルス幅変調制御の１０％の時間デューティサイクルに対応している電流である請求項１２に記載の遠心式液体ポンプ装置。
【請求項１４】
前記所定段階値は、１％である請求項１２に記載の遠心式液体ポンプ装置。
【請求項１５】
前記増加継続電流の前記所定最大値は、時間で約２０％である請求項１２に記載の遠心式液体ポンプ装置。
【請求項１６】
前記ポンプ本体は、前記電磁石を複数備え、前記電磁石電流モニタリング機能は、前記複数の電磁石の電流をモニタリングするものであり、そして、故障検出機能は、少なくとも前記電磁石の故障を判断するものであり、前記非常用インペラ回転機能における前記インペラ磁気吸引力付与機能は、前記複数の電磁石のうち故障していない電磁石を用いて行うものである請求項１ないし１５のいずれかに記載の遠心式液体ポンプ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、遠心式液体ポンプ装置に関し、特に、血液などの医療用液体を送液するための遠心式液体ポンプ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近の医療では、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。遠心式ポンプとしては、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、細菌など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、磁気結合を用いてインペラへ伝達する方式のものが用いられている。このような遠心式血液ポンプは、血液流入ポートおよび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、内部に設けられた永久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される。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。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来の磁気軸受による遠心ポンプでは、磁気軸受の制御系に故障すなわち不調が発生した場合、インペラを回転してポンプ機能を維持することができなかった。
この磁気浮上型遠心ポンプは、３つのインペラ位置センサと、３つのインペラ吸引用電磁石を備えている。遠心ポンプにおける磁気軸受の制御は、インペラ位置センサの情報によって電磁石へ供給される電流を制御することにより、インペラの位置を制御している。したがって、この制御系を構成するデバイスが故障した場合、例えば、位置センサ用のケーブル、電磁石用のケーブルが断線した場合、制御系に故障が生じ、正しい制御ができなくなる。そのため、このような状況下において、磁気浮上状態における磁気軸受によるインペラの回転は困難となる。
【０００４】
本発明の目的は、磁気軸受の制御機構に故障すなわち不調が生じた場合に、動圧軸受によって発生した圧力によってインペラとハウジングの内面とを実質的に非接触状態でインペラを回転させ、それによって、液体の送液を維持することのできる遠心式液体ポンプを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するものは、以下のものである。
（１）  インペラがハウジングと接触することなく回転するポンプ本体と、前記ポンプ本体の制御機構とを有する遠心式液体ポンプ装置であって、
前記ポンプ本体は、液体流入ポートおよび液体流出ポートを有する前記ハウジングと、第１の磁性体および第２の磁性体を有し、かつ前記ハウジング内で回転して回転時に発生する遠心力によって液体を送液する前記インペラを有する遠心ポンプ部と、前記インペラの前記第１の磁性体を吸引する磁石を有するロータと前記ロータを回転するためのモータを有するインペラ回転トルク発生部と、前記インペラの前記第２の磁性体を吸引するための電磁石を有す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と、前記ハウジングの前記ロータ側の内面、または、前記インペラの前記ロータ側の面に設けられた動圧軸受手段とを有し、
前記制御機構は、位置センサ出力モニタリング機能または電磁石電流モニタリング機能と、モータ電流モニタリング機能と、前記位置センサ出力モニタリング機能を使用して前記センサの故障を判断するための、または、前記電磁石電流モニタリング機能を使用して前記電磁石の故障を判断するための故障検出機能と、前記故障検出機能が前記センサの故障を検出したとき、または前記電磁石の故障を検出したとき、前記動圧軸受手段を使用して前記インペラと前記ハウジングとが実質的に接触することなく前記インペラを回転するように作用する非常用インペラ回転機能とを有し、
前記非常用インペラ回転機能は、前記故障検出機能が故障を検出したとき、前記モータおよび前記電磁石への電力の供給を停止し、前記ロータおよび前記インペラの回転を停止させる回転停止機能と、前記磁石によって発生する前記ロータの前記インペラに対する前記磁気結合力に打ち勝つのに十分な大きさの電流を前記電磁石に供給するインペラ磁気吸引力付与機能と、前記モータ電流モニタリング機能によってモニタされたモータ電流を利用して、動圧軸受結合を検出し、それによって動圧軸受状況下における前記インペラおよび前記ロータの磁気回転結合を検出する動圧浮上制御検出機能と、前記動圧浮上制御検出機能が、前記インペラおよび前記ロータ間に前記動圧軸受結合が形成されたことを検出した後、前記モータ速度を上げ、それによって前記インペラ回転速度を所定値まで上げるためのモータ速度制御機能と、前記インペラ回転速度が前記所定値に達したときに、前記電磁石に対する電流の供給を停止するインペラ磁気吸引力停止機能とを有する遠心式液体ポンプ装置。
【０００６】
（２）  前記制御機構は、前記位置センサ出力モニタリング機能および前記電磁石電流モニタリング機能を有し、前記故障検出機能は、前記センサの故障および前記電磁石の故障を判断することができるものである上記（１）に記載の遠心式液体ポンプ装置。
（３）  前記遠心式液体ポンプ装置は、前記センサ用のセンサ回路を有し、前記センサ回路は、前記位置センサが断線したとき、通常レベルを超える所定値の出力を発生する機能を有し、前記故障検出機能は、前記センサ出力モニタリング機能によってモニタされた前記センサの出力に基づいて、前記センサが故障か否かを判断するものである上記（１）または（２）に記載の遠心式液体ポンプ装置。
【０００７】
（４）  前記遠心式液体ポンプ装置は、前記電磁石用回路を有し、前記電磁石用回路は、前記電磁石が断線したとき不通となり、また、前記故障検出機能は、前記電磁石電流モニタリング機能が、前記電磁石回路に電流が流れていないと判断したとき、前記電磁石が故障であると判断するものである上記（１）ないし（３）のいずれかに記載の遠心式液体ポンプ装置。
（５）  前記故障検出機能が故障を検出したとき、前記非常用インペラ回転機能は、前記ロータの前記磁石および前記インペラ間の磁気結合力と、前記電磁石によって生じた前記吸引とを釣り合わせて、前記インペラを回転させるものである上記（１）ないし（４）のいずれかに記載の遠心式液体ポンプ装置。
【０００８】
（６）  前記動圧軸受手段は、前記ハウジングの前記ロータ側の内面に設けられた少なくとも１つの溝を有するものである上記（１）ないし（５）のいずれかに記載の遠心式液体ポンプ装置。
（７）  前記動圧軸受手段は、前記インペラの前記ロータ側の面に設けられた少なくとも１つの溝を有するものである上記（１）ないし（５）のいずれかに記載の遠心式液体ポンプ装置。
（８）  前記動圧軸受手段は、前記インペラの前記ロータ側の面に設けられた複数の段差を有するものである上記（１）ないし（５）のいずれかに記載の遠心式液体ポンプ装置。
（９）  前記インペラ磁気吸引力付与機能は、前記電磁石に第１の継続電流を印加して吸引を形成し、前記モータに所定電圧を印加して前記インペラの回転を試行するものである上記（１）ないし（８）のいずれかに記載の遠心式液体ポンプ装置。
（１０）  前記インペラ磁気吸引力付与機能は、前記第１の試行の後で、前記モータが前記インペラの回転に失敗したとき、さらに、前記電磁石に第２の継続電流を印加して前記吸引力を形成しかつ前記所定電圧を前記モータに印加して前記インペラの回転を試行するものであり、前記第２の継続電流は、前記第２の継続電流によって形成された前記吸引力が前記第１の継続電流によって形成された前記吸引力よりも大きくなるように、前記第２の継続電流は前記第１の継続電流よりも大きいものである上記（９）に記載の遠心式液体ポンプ装置。
【０００９】
（１１）  前記第２の継続電流は、所定の段階値だけ前記第１の持続電流よりも大きいものである上記（１０）に記載の遠心式液体ポンプ装置。
（１２）  前記インペラ磁気吸引力付与機能は、前記第１の試行および前記第２の試行後に、前記モータが前記インペラの回転に失敗したとき、さらに、前記電磁石に増加継続電流を印加して前記吸引力を形成し、前記モータに前記所定電圧を印加することによって前記インペラを回転することを繰り返し、前記増加継続電流は、前記インペラが回転するか、または、前記増加継続電流が所定最大値に達するまで、前記所定段階ずつ増加することを繰り返すものである上記（１１）に記載の遠心式液体ポンプ装置。
【００１０】
（１３）  前記第１の継続電流は、パルス幅変調制御の１０％の時間デューティサイクルに対応している電流である上記（１２）に記載の遠心式液体ポンプ装置。
（１４）  前記所定段階値は、１％である上記（１２）に記載の遠心式液体ポンプ装置。
（１５）  前記増加継続電流の前記所定最大値は、時間で約２０％である上記（１２）に記載の遠心式液体ポンプ装置。
（１６）  前記ポンプ本体は、前記電磁石を複数備え、前記電磁石電流モニタリング機能は、前記複数の電磁石の電流をモニタリングするものであり、そして、故障検出機能は、少なくとも前記電磁石の故障を判断するものであり、前記非常用インペラ回転機能における前記インペラ磁気吸引力付与機能は、前記複数の電磁石のうち故障していない電磁石を用いて行うものである上記（１）ないし（１５）のいずれかに記載の遠心式液体ポンプ装置。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の遠心式液体ポンプ装置によれば、磁気軸受の制御系を構成する位置センサあるいは電磁石にトラブルが発生し、故障あるいは他の不調を起こしたとき、磁気軸受によるインペラの回転から動圧軸受用溝によって発生した圧力を利用した回転へと移行することができる。よって、液体の送液を維持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明による遠心式液体ポンプ装置の一実施例について添付図を参照して説明する。
本発明の遠心式液体ポンプ装置は、その全体が参照符号１によって示される。
遠心式液体ポンプ装置１は、ポンプ本体５と、ポンプ本体５の制御機構６とを備えており、ポンプ本体５の内部ではインペラ２１がハウジング２０と接触することなく回転する。
図２〜図６において、ポンプ本体５は、血液流入ポート２２および血液流出ポート２３を有するハウジング２０と、内部に第１の磁性体２５および第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、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およびロータ３１を回転させるためのモータ３４を有す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（インペラ２１の第２の磁性体２８を吸引するための電磁石）、インペラ２１の位置を検出するための位置センサ４２（インペラ２１の第２の磁性体２８の位置を検出するための位置センサ）、およびハウジング２０のロータ３１側の内面またはインペラ２１のロータ３１側の面に設けられた動圧軸受用溝３８を有するインペラ位置制御部４とを備えている。
【００１３】
制御機構６は、モータ電流モニタリング機能と、位置センサ出力モニタリング部（位置センサ出力モニタリング機能）５６または電磁石電流モニタリング機能５７と、故障検出機能とを備えている。故障検出機能は、位置センサ出力モニタリング機能を用いて位置センサ４２の故障を判断する、あるいは電磁石電流モニタリング機能を用いて電磁石４１の故障を判断する。
図１に示すように、制御機構６は、位置センサ出力モニタリング機能５６と、電磁石電流モニタリング機能５７と、モータ電流モニタリング機能と、位置センサ出力モニタリング機能５６を用いて位置センサが故障か否か、および電磁石電流モニタリング機能５７を用いて電磁石が故障か否かを決定する故障検出機能とを備えることが好ましい。
【００１４】
遠心式液体ポンプ装置１は、故障検出機能によりセンサ故障検出時もしくは電磁石故障検出時に作動し、動圧軸受用溝３８を利用してインペラ２１をハウジング２０に対して実質的に非接触状態で回転させる非常用インペラ回転機能を備えている。
非常用インペラ回転機能は、回転停止機能、インペラ磁気吸引力付与機能、動圧浮上制御検出機能、モータ速度制御機能、およびインペラ磁気吸引力停止機能を備えている。回転停止機能は、故障検出機能が故障を検出し、ロータ３１とインペラ２１の回転を停止したとき、モータと電磁石４１への電流の供給を停止する。インペラ磁気吸引力付与機能は、永久磁石によって生じるロータ３１のインペラ２１への磁気吸引力に対して打ち勝つのに十分な電流を電磁石４１に供給する。動圧浮上停止制御機能は、モータ電流モニタリング機能によってモニタされたモータ電流を用いて、インペラとロータ間に動圧軸受結合が生じたこと、および、インペラが回転していること、すなわち、動圧軸受状態下において磁気回転結合が生じていることを検出する。モータ速度制御機能は、動圧浮上制御検出機能がインペラとロータ間に動圧軸受結合が生じたことを検出した後、モータ速度を上げてインペラの回転速度を（例えば、徐々に、すなわち、連続的にまたは段階的に）所定値まで上げる。インペラ磁気吸引力停止機能は、インペラの回転速度が所定値になったら、電磁石４１への電流の供給を停止する。
【００１５】
すなわち、本発明の遠心式液体ポンプ装置１は、センサ又は電磁石の故障時に磁気軸受によるインペラの非接触（磁気的）回転結合から、圧力を発生する動圧軸受、すなわち、溝によるインペラの非接触（磁気的）回転結合に移行する機能を備えている。
動圧軸受用溝によるインペラの回転においては、永久磁石３３があるため、インペラとロータ間に作用する磁気吸引力と、この磁気吸引力の方向と反対方向に作用する動圧軸受用溝によって生じる圧力とが釣り合うことが必要である。そうするためには、インペラとロータの回転が必須である。したがって、磁気軸受の制御系が故障し、インペラとロータの磁気的浮上状態がなくなった場合、動圧浮上制御用の溝が加工してあるだけでは、永久磁石３３によるインペラへのバランスしていない吸引によって生じる大きな吸引力とそれによる摩擦力のために、インペラの磁気軸受による回転から動圧軸受用溝による回転へ移行することができない。
【００１６】
図１に示す位置センサ出力モニタリング機能５６と、電磁石電流モニタリング機能５７とを備え、センサおよび電磁石の故障を判断することの可能なタイプの遠心式液体ポンプ装置の一実施例について説明する。
図２〜図６に示すように、ポンプ本体５は、血液流入ポート２２および血液流出ポート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３と、インペラ２１のためのインペラ位置制御部４と、を備えている。
【００１７】
図４に示すように、インペラ２１は、通常時、インペラ回転トルク発生部３およびインペラ位置制御部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２０内面に接触することなく回転する。
ハウジング２０は、血液流入ポート２２および血液流出ポート２３を有し、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も収容されている。血液流入ポート２２は、ハウジング２０の上面の中央付近からほぼ垂直に突出するように設けられている。図３および図５に示すように、血液流出ポート２３は、ほぼ円筒状に形成されたハウジング２０の側面から接線方向に突出するように設けられている。
【００１８】
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。図４に示すように、好適な実施例のインペラ２１は、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とを有する。そして、下部シュラウド２７と上部シュラウド２８の間には、隣り合うベーン１８で仕切られた複数（例えば、７つ）の血液通路２６が形成されている。図５に示すように、各血液通路２６は、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。換言すれば、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、本実施例では、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。
【００１９】
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（例えば、永久磁石、従動マグネット）が埋設されている。本実施例では、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。埋設された第１の磁性体２５は、インペラ２１を、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により血液流入ポート２２の反対側（換言すれば、ロータ３１側）に吸引し、かつ回転トルクをインペラ回転トルク発生部３からインペラ２１に伝達するために設けられている。
複数の第１の磁性体２５をインペラ２１に埋設することによって、インペラ２１とロータ３１間に、後述する磁気的浮上結合が確保される。第１の磁性体２５（永久磁石）は、それぞれの横断面が円形であることが好ましい。しかしながら、多極（例えば、２４極）のリング状磁石を使用することもできる。換言すれば、複数の小さな磁石を、陽極と陰極が交互に並ぶようにリング状に配置してもよい。
【００２０】
また、インペラ２１は、それ自体が上部シュラウドを構成する若しくは上部シュラウド内に設けられた、第２の磁性体２８を備えている。本実施例では、上部シュラウドの全体が第２の磁性体２８で形成されている。第２の磁性体２８は、後述するインペラ位置制御部４の電磁石４１がインペラ２１を血液流入ポート２２側に磁気的に吸引するように設けられている。第２の磁性体２８は、磁性ステンレス鋼で形成されている。
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は、非接触磁気軸受を構成し、インペラ２１を相反する方向から磁気的に吸引する。そのため、インペラ２１は、ハウジング２０の内面と接触しない適宜位置にて確実に保持され、ハウジング２０内において、内面と非接触状態で回転する。
【００２１】
図４に示すように、インペラ回転トルク発生部３は、ハウジング２０に収容されたロータ３１およびロータ３１を回転させるためのモータ３４を備えている。ロータ３１は、遠心式液体ポンプ部２側の面に設けられた複数の永久磁石３３を備えている。ロータ３１の中心部は、モータ３４の回転軸に固定されている。複数の永久磁石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）に対応するように等角度で配設されている。
インペラ回転トルク発生部３は、上述のロータおよびモータを備えるものに限られない。例えば、インペラ２１の永久磁石２５を吸引し、かつインペラ２１を回転駆動させるものであれば、複数のステータコイルをインペラ回転トルク発生部３として使用することができる。
【００２２】
図３および図４に示すように、インペラ位置制御部４は、ハウジング２０に収容された、インペラ２１の第２の磁性体２８を吸引する複数の電磁石４１と、インペラ２１の第２の磁性体２８の位置を検出する複数の位置センサ４２とを備えている。電磁石４１（３個）および位置センサ４２（３個）は、それぞれが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、本実施例では、３個設けられているが、他の個数、例えば、４個設けられてもよい。これらの電磁石４１の電磁力を位置センサ４２の検出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軸回りのモーメントを制御することができる。
【００２３】
位置センサ４２は、電磁石４１と第２の磁性体２８との隙間の間隔を検出する。この検出結果を示す位置センサ４２の出力は、電磁石４１のコイルに与えられる電流（以下、電磁石電流という）または電圧を制御する制御機構６の制御部５１に送られる。また、インペラ２１に重力などの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との間の磁束の復元力および電磁石４１と第２の磁性体２８との間の磁束の復元力が作用するため、インペラ２１はハウジング２０の中心に保持される。
【００２４】
図６に示すように、本実施例の遠心式液体ポンプ装置１では、ハウジング２０は、インペラ２１を収容するとともに、ハウジング２０のロータ２１側の内面２０ａに設けられた動圧軸受用溝３８を備えており、ハウジング内面２０ａは血液室２４を形成している。故障すなわち不調により磁気軸受の作用が停止した時（換言すれば、電磁石の作動が停止し、磁気浮上状態が喪失した時）、インペラ２１は、上述のように、所定回転数以上の回転が保持されると、動圧軸受用溝３８とインペラ２１間に動圧浮上効果が発生し、ハウジング２０の内面に対して非接触状態にて回転する。
【００２５】
図６に示すように、動圧軸受用溝３８は、インペラ２１の底面（ロータ側の面）に対応する大きさに形成されている。本実施例の遠心式液体ポンプ装置１では、動圧軸受用溝３８は、ハウジング２０の内面２０ａの中心から若干外側へ離間した円形部分の周縁上に一端を有し、かつ、その幅が、外側になるにつれて大きくなるように、ハウジング内面２０ａの外縁付近まで渦状に（換言すると、湾曲状に）外に向かって延在している。また、動圧軸受用溝３８は複数設けられており、それぞれがほぼ同じ形状であり、かつほぼ同じ間隔に配置されている。動圧軸受用溝３８は凹状に形成されている。その深さは、０．０１〜０．２ｍｍ程度が好適である。動圧軸受用溝３８の数は、６〜３６個程度設けることが好ましい。本実施例では、１２個の動圧軸受用溝３８がインペラ２１の中心軸の回りに等角度に配置されている。
【００２６】
動圧軸受用溝３８は、ハウジング２０上ではなく、インペラ２１のロータ２１側の面に設けてもよい。この場合の動圧軸受用溝３８も、ハウジング２０の面上に配置した動圧軸受用溝３８と同じ構成であることが好ましい。
このような構成を有する動圧軸受用溝３８は、インペラ位置制御部４の非作動時において、インペラ回転トルク発生部３側に吸引される。動圧軸受用溝３８とインペラ２１の底面間（もしくは、動圧軸受用溝とハウジング内面間）に形成される動圧軸受効果により、インペラ２１は、ハウジング２０の内面から若干離れた位置で、ハウジング２０の内面に対して非接触状態にて回転し、インペラ２１の下面とハウジング２０の内面間に血液流路を確保する。これによって、両者間における血液の滞留およびこれに起因する血栓の発生を防止する。さらに、通常状態において、動圧軸受用溝３８は、インペラ２１の下面とハウジング２０の内面間において攪拌作用をなし、両者間における部分的な血液滞留の発生を防止することができる。
【００２７】
図１において、制御機構６は、磁気カップリングモータ３４のためのパワーアンプ５２、モータ制御回路５３、電磁石４１のためのパワーアンプ５４、電磁石４１に印加される（流れる）電流をモニタするための電磁石電流モニタリング部５７、位置センサ４２のためのセンサ回路５５、センサ４２の出力をモニタするための位置センサ出力モニタリング部５６および制御部５１を備える。制御部５１は、モータ電流モニタリング機能を備える。
【００２８】
本実施例では、制御機構６は、電磁石電流モニタリング部５７およびセンサ出力モニタリング部５６を備えているが、どちらか一方を備えるだけでもよい。
遠心式液体ポンプ装置１は、故障検出機能がセンサまたは電磁石が故障であることを検出したときに、動圧軸受用溝３８を用いてインペラ２１をハウジング２０に対して非接触状態で回転させるように作用する非常時インペラ回転機能を備えている。
制御部５１は、故障検出機能、回転停止機能、インペラ磁気吸引力付与機能、動圧浮上制御検出機能、モータ速度制御機能、およびインペラ磁気吸引力停止機能を有している。故障検出機能は、電磁石電流モニタリング部の出力あるいはセンサ出力モニタリング部の出力によりセンサの故障を判断する。回転停止機能は、故障検出機能が故障を検出したとき、モータおよび電磁石４１への電力を停止し、ロータ３１およびインペラ２１の回転を停止させる。インペラ磁気吸引力付与機能は、永久磁石３３によるロータ３１のインペラ２１への磁気吸引力に対して打ち勝つのに十分な大きさの電流を電磁石４１に付与する。動圧浮上制御検出機能は、モータ電流モニタリング機能によってモニタされたモータ電流を利用して、インペラおよびロータの回転を検出する。モータ速度制御機能は、動圧浮上制御検出機能がインペラとロータ間に動圧軸受結合が確立したことを検出した後、モータ速度を上げてインペラの回転速度を所定値（例えば、徐々に、すなわち、連続的あるいは段階的に）まで上げる。インペラ磁気吸引力停止機能は、インペラが所定回転速度に達すると、電磁石４１への電流の供給を停止する。
【００２９】
本実施例の遠心ポンプの制御機構６は、位置センサ出力モニタリング機能および電磁石電流モニタリング機能を備えている。制御機構６が、位置センサ（複数の系統が設けられている）の出力あるいは電磁石電流（複数の系統が設けられている）が通常取りうる範囲から逸脱したことを検出したとき、（これは、磁気浮上不能のため磁気軸受が制御できないことを意味しているのだが、）制御機構６は、磁気軸受によるインペラの非接触回転を、動圧軸受用溝３８による非接触回転に移行する。
磁気軸受のセンサ系統に、デバイス破損やケーブル断線によって故障が起きた場合、センサ出力が通常取りうる範囲を逸脱する。例えば、リラクタンスセンサが断線した場合、センサ出力は、通常取りうる範囲を逸脱する。
このため本実施例の遠心式液体ポンプ装置は、センサ系統に断線が発生した時、通常レベルを超えた所定出力値を生じる機能を備えたセンサ回路を有している。具体的には、センサ回路の出力の通常取りうる範囲が、センサ出力として−１〜＋１［Ｖ］の場合、センサ系統の断線時に、センサ回路の出力は＋２．５［Ｖ］（所定値）となる。したがって、故障検出機能は、センサ出力モニタリング機能によるセンサの出力値がセンサ系統の断線時の出力値と等しい場合に、センサが故障（断線）であることを容易かつ確実に判断することができる。
【００３０】
センサ系統と同様に、電磁石電流系統にデバイス破損やケーブル断線による故障が起きた場合、電磁石電流系統に印加される（流れる）電流は、通常取りうる範囲を逸脱する。そのため本実施例の遠心式液体ポンプ装置は、電磁石のための回路を備えている。本実施例の電磁石用回路は、電磁石が断線した場合に不通となる形式のものが用いられる。具体的には、電磁石用回路に印加される（流れる）電流の範囲は、通常１〜２［Ａ］である。電磁石用回路に断線が起きた場合、電流が０［Ａ］となる。したがって、故障検出機能は、電磁石電流モニタリング機能によって電流が電磁石用回路に流れていないことがモニタされたとき、電磁石の故障（断線）を容易かつ確実に判断することができる。
【００３１】
本実施例の遠心式液体ポンプ装置は、複数の電磁石を備えている。電磁石モニタリング機能は個々の電磁石の電流をモニタしている。いずれか１つの電磁石に故障が生じた場合、故障検出機能は、電磁石が故障であると判断する。同様に、本実施例の遠心式液体ポンプ装置は、複数の位置センサを備えている。センサ出力モニタリング機能は、個々のセンサの出力をモニタしている。そして、いずれか１つのセンサに故障が生じた場合、故障検出機能は、位置センサが故障であると判断する。
【００３２】
動圧浮上制御用溝からなる動圧軸受は、動圧軸受用溝によって生じる圧力によってインペラ２１とハウジング２０とを非接触に保持する方式であり、これによって、動圧軸受結合を確立する。しかしながら、回転を可能とするには、インペラとロータ間の磁気的結合は、正常でなければならない。磁気軸受の制御機構に故障が生じると、インペラとローラ間の磁気的結合は異常となる。本発明の遠心式液体ポンプ装置では、インペラ速度（ロータ速度）が１０００〜３０００ｒｐｍ、好ましくは、約１２００ｒｐｍのときに、インペラは、動圧軸受用溝によって安定した非接触回転が達成される。
【００３３】
故障の検出後に作動する非常用インペラ回転機能について下記にて詳細に説明する。
本発明の遠心式液体ポンプ装置において、故障検出機能が故障を検出したとき、モータと電磁石への電流供給は停止され、インペラの回転が停止するのを待機する。その結果、インペラ２１は、ロータ３１に向かって吸引され、永久磁石３３からのバランスしていない磁気吸引力によってハウジング２０の内面に近接する。すなわち、インペラ２１は、ロータ３１に対して磁気的に強く吸引されるようになり、自由に回転できないような強い摩擦力に捕らえられることになる。
【００３４】
インペラ磁気吸引力付与機能は、永久磁石３３によるロータ３１のインペラ２１への磁気吸引力に対して打ち勝つのに十分な大きさの電流を電磁石４１に印加し、インペラ２１をロータ３１から解放する。インペラの磁石への結合が弱まると、インペラは回転可能となり、動圧制御機構が作用することになる。吸引力を発生するために電磁石４１に印加される初期電流は、パルス幅変調（ＰＷＭ；Pulse Width Modulation）制御により１０％デューティサイクル、すなわち所定時間あたりの１０％（所定時間中の１０％）印加するのが好ましい。
【００３５】
１０％継続（連続）電流を電磁石コイルに印加し吸引力を発生させた後、例えば４．４ボルトの所定起動電圧をモータに印加することによってインペラの回転を開始するための第１の試行を行う。第１の試行後、モータによってインペラが回転しなかった場合には、吸引力のための継続時間を、好ましくは１％ずつ、例えば１１％ディユーティサイクルまで増やして、インペラの回転を開始するための第２の試行を行う。このプロセスはインペラが回転するまで、あるいは、継続時間パーセントの上限、例えば時間で２０％に達するまで繰り返す。つまり、非常用インペラ回転機能におけるインペラ磁気吸引力付与機能は、上述したインペラ磁気吸引力を付与するための電磁石電流の付与とともにもしくは若干遅れてモータに電圧を供給する機能を備えている。インペラ磁気吸引力付与機能は、言い換えれば、インペラ磁気吸引力付与およびモータ回転再開機能といえる。特に、この実施例では、インペラ磁気吸引力付与機能（インペラ磁気吸引力付与およびモータ回転再開機能）は、モータに対し所定モータ電圧の印加および電磁石に対する所定電磁石電流（所定ＰＷＭ）の付与を行う第１の試行と、この第１の試行においてインペラが回転しない場合に、上記所定モータ電圧の維持かつ電磁石電流を上記の所定ＰＷＭより徐々にあげていく第２の試行を行うものとなっている。
【００３６】
インペラとロータの回転を検出するための動圧浮上制御検出機能およびモータ電流モニタリング機能によってモニタされるモータ電流を用いることによって、インペラ２１とロータ３１の間の動圧浮上制御を検出することができる。より詳しくは、インペラ２１とロータ３１の間の動圧浮上制御が達成されたとき、すなわち、動圧軸受結合があるとき、モータへの負荷が大きくなる。その結果、モータ電流は増え、動圧軸受状況下において両者間における正常な磁気回転結合を検出することができる。
【００３７】
本発明の遠心式液体ポンプ装置は、モータ速度を上げてインペラの回転速度を所定値まで（例えば、徐々に、すなわち、連続的にあるいは段階的に）上げるモータ速度制御機能を有している。モータ速度制御機能は、動圧浮上制御検出機能が、インペラとロータ間にて動圧軸受結合がなされたことを検出した後に作用する。このモータ速度制御機能は、モータ速度を所定値 （少なくとも、動圧軸受用溝によってインペラが実質的に非接触で回転できるモータ速度）まで上げる。遠心式液体ポンプ装置（換言すれば、制御機構）は、故障検出機能が故障を検出したときの、あるいは、故障検出機能が故障を検出したときの近傍における、モータの速度を記憶する機能を有することが好ましい。また、モータ速度制御機能は、モータ速度を、モータ速度記憶機能が記憶したモータ速度まで、あるいは所定速度まで上げるのが好ましい。
【００３８】
インペラ磁気吸引力停止機能は、インペラが所定の回転速度になったとき、電磁石４１への電流の供給を停止する。このように、故障検出機能がセンサ４２または電磁石４１の故障を検出したとき、遠心式液体ポンプ装置の非常用インペラ回転機能は、ロータ３１を回転させる。このとき、インペラ２１は、吸引力で電磁石４１に吸引されることによってロータ配置側の反対側のハウジング２０の面と接触している。この非常用インペラ回転機能は、インペラ２１がロータ側のハウジングの内面と接触している状態を解除し、好ましくは動圧軸受によるインペラ２１の回転へとシフトさせる。インペラの動圧制御が確立した後には、磁気的吸引力を継続させる必要はなく、したがって、電磁石への電流の供給を停止する。
【００３９】
図８に示す非常用インペラ回転制御モードおよび、図７Ａと図７Ｂに示すようなそのタイミングを下記にて説明する。
制御部５１の故障検出機能が、センサ４２または電磁石４１の故障を検出したとき（ステップ１１）、図８に示すように、非常用回転制御モードが開始され、電磁石およびモータの作動が停止される（ステップ１２）。その後、電磁石継続時間が所定レベルで開始されインペラ２１とロータ３１が非接触状態となる。電磁石のうち、１つまたは２つ、特定の構造によってはそれ以上が故障したとき、残りの電磁石を使用することによって、そのような状態が発生する。つまり、この実施例のポンプ本体は、複数（具体的には３つ）の電磁石を備えている。さらに、制御機能６は、電磁石電流モニタリング機能を備えている。さらに、制御機能６における電磁石電流モニタリング機能は、各電磁石の故障を検知可能に個々に設けられているもしくは１つの電磁石電流モニタリング機能のみ有するものであってかついずれの電磁石が故障しているのか制御部５１が判定可能なものであることが好ましい。このように、故障した電磁石を制御部５１が特定できる場合には、インペラ磁気吸引力付与機能は、故障してない電磁石を用いてその機能を作動させる。また、制御機能６としては、電磁石電流モニタリング機能により電磁石の故障を検知できるものの故障電磁石を特定できないものであってもよい。この場合には、インペラ磁気吸引力付与機能は、すべての電磁石が故障していないものとしてその機能を作動させる。
【００４０】
その後、この状態で、モータは所定モータ電圧で回転する。換言すれば、ステップ１３およびステップ１４において、インペラがロータと非接触状態となるようにモータが回転する。モータのパワーが小さすぎた場合、あるいは、例えば摩擦が大きいため、モータによってインペラが回転できない場合、磁気的吸引力を大きくし、それによってインペラの摩擦力を小さくするため、電磁石継続時間を一定量ずつ、例えば、１％ずつ増やしていく。
制御部５１の動圧浮上制御検出機能は、図８のステップ１５に示すように、インペラ浮上結合が確立したと判断した場合、そして、インペラの所定回転速度が所定値、すなわち、１２００ｒｐｍに到達したとき、インペラ磁気吸引力停止機能は、電磁石４１への電流の供給を停止する。その後、インペラの所望回転が、ステップ１６にて示されるように、シングル・フォルト・リカバリ（ＳＦＲ）モードで維持され、浮上結合の不調をモニタし続ける。
【００４１】
本発明の遠心式液体ポンプ装置は、位置センサ出力モニタリング機能または電磁石電流モニタリング機能と、モータ電流モニタリング機能と、上記位置センサ出力モニタリング機能を用いてセンサの故障を判断する、または上記電磁石電流モニタリング機能を用いて電磁石の故障を判断するための故障検出機能と、故障検出機能がセンサの故障もしくは電磁石の故障を検出したとき、動圧軸受用溝を利用してインペラとハウジングが実質的に非接触状態でインペラが回転するように作用する非常用インペラ回転機能とを備えている。非常用インペラ回転機能は、故障検出機能が故障を検出したとき、モータと電磁石４１への電力の供給を停止し、ロータ３１およびインペラ２１の回転を停止させる回転停止機能と、永久磁石３３によって生じるインペラ２１に対するロータ３１の磁気吸引力に打ち勝つのに十分な大きさの電流を電磁石４１に印加するインペラ磁気吸引力印加機能と、モータ電流モニタリング機能によってモニタされたモータ電流を利用してインペラとロータの回転を検出する動圧浮上制御検出機能と、動圧浮上制御検出機能が、インペラとロータ間に動圧軸受結合が形成されたと検出した後、モータ速度を上げてインペラの回転速度を所定値（例えば、徐々に、すなわち、連続的にあるいは段階的に）まで上げるモータ速度制御機能と、インペラの回転速度が所定値になったとき、電磁石４１への電流の供給を停止するインペラ磁気吸引力停止機能とを有している。
【００４２】
したがって、磁気軸受の制御系を構成する位置センサあるいは電磁石にトラブルが発生し、故障あるいは他の不調を起こしたとき、磁気軸受によるインペラの回転から動圧軸受用溝によって発生した圧力を利用した回転へと移行することができる。よって、液体の供給を維持することができる。
【００４３】
他の実施例では、図９に示すように、同様にハウジング２０に対して非接触状態で回転するインペラ２１’を使用する。インペラ２１’は、インペラ２１’のロータ３１側の面に設けられた動圧軸受用溝３８がない点を除いてインペラ２１とほぼ同じである。その代わり、インペラ２１’は、ロータ３１側に複数の動圧軸受用段差２００を備えており、また、ハウジング２０のロータ３１側の内面は実質的に滑らかになっている。第１の実施例におけるインペラ２１について上述したように、段差２００とハウジングの内面との間に発生した動圧軸受効果によって、インペラ２１’は、ハウジング２０の内面と接触することなく、この内面から若干離れた位置で回転し、これによってインペラ２１’の底面とハウジング２０の内面との間に血液通路を形成することができる。インペラ２１’を有する遠心式液体ポンプ装置の機能および作用は、動圧軸受用溝３８ではなく段差２００が動圧軸受を形成する以外は、上述の機能および作用と同じである。
【００４４】
本発明の好適な形態について説明したが、本発明の精神から逸脱することなく変更できることが明らかなことは、当業者には理解できるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】図１は、本発明の一実施例による遠心式液体ポンプ装置を示すブロック図である。
【図２】図２は、本発明の遠心式液体ポンプ装置の本体の一例を示す正面図である。
【図３】図３は、図２に示した本発明の遠心式液体ポンプ装置の本体を示す平面図である。
【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の本体を示す縦断面図である。
【図５】図５は、図２に示す遠心式液体ポンプ装置の本体のＡ−Ａ線断面図である。
【図６】図６は、図２に示す遠心式液体ポンプ装置の本体のＡ−Ａ線断面図からインペラを取り外した状態を示す断面図である。
【図７】図７（図７Ａおよび図７Ｂ）は、本発明の一実施例の遠心式液体ポンプ装置の動作を説明するためのタイミング図である。
【図８】図８は、本発明の遠心式液体ポンプ装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【図９】図９は、本発明の遠心式液体ポンプ装置用のインペラの他の実施例を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００４６】
１  遠心式液体ポンプ装置
５  ポンプ本体
６  制御機構
２１  インペラ
２５  第１の磁性体
２８  第２の磁性体
３１  ロータ
３３  磁石
３４  モータ
３８  動圧軸受用溝
４１  電磁石
４２  位置センサ
５１  制御部
５６  位置センサ出力モニタリング部
５７  電磁石電流モニタリング部
【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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