(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
人工心臓の血液ポンプとして用いられる磁気浮上型ポンプ装置であって、
ポンプ室内に回転体を有し、前記回転体が回転することによって流体を排出するポンプ部と、
前記回転体と磁気力により非接触に結合して、該回転体を回転させる回転駆動部と、
前記回転体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体を非接触で支持する制御式磁気軸受部と、
前記磁気浮上型ポンプ装置を組み立てた後、前記回転体の浮上位置を調整する調整手段とを備え、
前記ポンプ室内全体は抗凝固剤でコーティングされ、
前記調整手段は、
１Ｈｚ以下の周期信号を発生して前記制御式磁気軸受部の回路部に与えることによって、前記回転体を前記ポンプ室内で軸方向に周期的に移動させる周期信号発生手段と、
前記周期信号発生手段からの周期信号によって前記回転体が周期的に移動するときの前記位置検出部の検出出力に基づいて、前記回転体が前記ポンプ室内の軸方向中心位置で回転するように前記制御式磁気軸受部の回路部に補正信号を出力する補正手段とを含むことを特徴とする、磁気浮上型ポンプ装置。
【請求項２】
前記調整手段は、さらに、前記周期信号発生手段からの周期信号によって前記回転体が周期的に移動するときの前記位置検出部の検出出力の最大値および最小値を検出する検出手段を含み、
前記補正手段は、前記最大値と前記最小値との平均値に基づいて、前記制御式磁気軸受部の回路部に前記補正信号を出力す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装置。
【請求項３】
前記補正手段は、前記周期信号発生手段からの周期信号の停止後に、前記平均値と前記位置検出部の検出出力とを減算した信号に対してＰＩＤ補償を行なうことによって、前記制御式磁気軸受部の回路部に出力する前記補正信号を生成することを特徴とする、請求項２に記載の磁気浮上型ポンプ装置。
【請求項４】
前記調整手段は、さらに、前記最大値と前記最小値とを減算した値に基づいて、前記位置検出部の検出出力のゲインを調整するゲイン調整手段を含むことを特徴とする、請求項２または３に記載の磁気浮上型ポンプ装置。
【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装置に関し、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装置に関する。
【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型ポンプ装置の縦断面図とコントローラを示す図である。
【０００３】
図７において、磁気浮上型ポンプ装置１００は、ケーシング１０１内に軸方向に順次電磁石部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の軸方向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とを軸方向に仕切る隔壁１０３に取付けられている。
【０００４】
ポンプ部１３０内にはインペラ（羽根車）１３１が周方向に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１０３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の軸方向一方側との間の距離が検出される。インペラ１３１の軸方向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。
【０００５】
上述のごとく構成された磁気浮上型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と磁気軸受センサ１２２との距離が検出される。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。
【０００６】
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、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。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
図７に示した磁気浮上型ポンプ装置において、インペラ１３１の一方側と磁気軸受センサ１２２との距離が適切な値となるように調整する必要がある。従来の磁気浮上型ポンプ装置は、ケーシング１０１のポンプ部１３０が分解可能になっており、インペラ１３１と隔壁１０３との間に適当な厚みを有するスペーサを挿入し、磁気軸受センサ１２２から適切な信号が出力されるように調整を行っていた。
【０００８】
一方、図７に示した磁気浮上型ポンプ装置１００は人工心臓の血液ポンプ装置としても用いられる。ところが、人工心臓のポンプとして用いる場合、ポンプ部１３０は気密性を保つために、ケーシング１０１は各部が溶接して組み立てられる。このため、組み立て後に分解することができないので、インペラ１３１と磁気軸受センサ１２２との距離は組み立て後に調整することができないという問題がある。
【０００９】
それゆえに、この発明の主たる目的は、組み立て後であってもセンサ出力が最適となるように回転体の回転位置を調整可能な磁気浮上型ポンプを提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明は、人工心臓の血液ポンプとして用いられる磁気浮上型ポンプ装置であって、ポンプ室内に回転体を有し、回転体が回転することによって流体を排出するポンプ部と、回転体と磁気力により非接触に結合して、回転体を回転させる回転駆動部と、回転体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体を非接触で支持する制御式磁気軸受部と、磁気浮上型ポンプ装置を組み立てた後、回転体の浮上位置を調整する調整手段とを備え、ポンプ室内全体は抗凝固剤でコーティングされ、調整手段は、１Ｈｚ以下の周期信号を発生して制御式磁気軸受部の回路部に与えることによって、回転体をポンプ室内で軸方向に周期的に移動させる周期信号発生手段と、周期信号発生手段からの周期信号によって回転体が周期的に移動するときの位置検出部の検出出力に基づいて、回転体がポンプ室内の軸方向中心位置で回転するように制御式磁気軸受の回路部に補正信号を出力する補正手段とを含むことを特徴とする。
【００１１】
それによって、ケーシングを解体することなく、位置検出部から最適な検出出力が得られるように回転体をケーシング内で位置決めすることができる。
【００１２】
また、調整手段は、さらに、周期信号発生手段からの周期信号によって回転体が周期的に移動するときの位置検出部の検出出力の最大値および最小値を検出する検出手段を含み、補正手段は、上記の最大値と最小値との平均値に基づいて、制御式磁気軸受部の回路部に補正信号を出力することを特徴とする。
【００１３】
また、補正手段は、周期信号発生手段からの周期信号の停止後に、上記の平均値と位置検出部の検出出力とを減算した信号に対してＰＩＤ補償を行なうことによって、制御式磁気軸受部の回路部に出力する補正信号を生成することを特徴とする。
【００１４】
また、調整手段は、さらに、上記の最大値と最小値とを減算した値に基づいて、位置検出部の検出出力のゲインを調整するゲイン調整手段を含むことを特徴とする。
【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（ａ）の線Ｂ−Ｂに沿う断面矢視図であり、図３は図１（ａ）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。
【００１７】
図１において、磁気浮上型ポンプ装置は、円筒状のケーシング１が軸方向に隔壁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。
【００１８】
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、流入口１５から流入した流体を図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の周方向に分割されていて、周方向の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、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。
【００２０】
また、図１において、インペラ３１の非磁性部材３５は斜線で示し、軟質磁性部材３６は斑点で示し、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。
【００２１】
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側に軸方向に伸びる円柱部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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
このように、磁極５１ないし５６を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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
図４はこの発明の一実施形態の磁気浮上型ポンプ装置を制御するコントローラの例を示すブロック図である。
【００３２】
図４において、コントローラ２００はセンサ調整回路２０１と、センサ回路２１０と、加算回路２１１，２１２と、ＰＩＤ補償器２１３と、パワーアンプ２１４とから構成される。センサ調整回路２０１は正弦波発生回路２０２を含み、この正弦波発生回路２０２は１Ｈｚ以下、たとえば０．５Ｈｚの周期信号としての正弦波信号を発生して、ＰＩＤ補償器２１３の前段に設けられている加算回路２１２に与える。加算回路２１２はセンサ出力に０．５Ｈｚの正弦波を加算してＰＩＤ補償器２１３に与える。
【００３３】
また、センサ出力は最大値検出回路２０３と最小値検出回路２０４とにも与えられる。最大値検出回路２０３はセンサ出力の最大値を検出し、最小値検出回路２０４はセンサ出力の最小値を検出する。最大値検出回路２０３の出力と最小値検出回路２０４の出力はそれぞれ加算回路２０８，２０９に与えられる。加算回路２０８は最大値と最小値とを加算し、加算回路２０９は最大値から最小値を減算することにより、加算回路２０８の出力にはセンサ出力の振幅値の最大値と最小値との平均値が得られ、また加算回路２０９の出力には最大値と最小値の差、すなわち振幅が得られる。加算回路２０８の加算出力はスイッチ素子ＳＷ１を介してホールド回路２０５に与えられる。ホールド回路２０５の出力は１／２回路２０６に与えられて１／２倍にされて加算回路２１１に与えられる。また、加算回路２０９で出力された振幅はスイッチ素子ＳＷ２を介してホールド回路２０７に与えられる。ホールド回路２０７の出力はセンサ出力ゲインの補正信号としてセンサ回路２１０に与えられる。
【００３４】
センサ回路２１０には磁気軸受用センサ２４からセンサ出力が与えられており、ホールド回路２０７の出力が与えられることによりセンサのゲインが調整される。センサ回路２１０の出力は加算回路２１１に与えられ、加算回路２１１の加算出力は加算回路２１２に与えられる。
【００３５】
図５は図４に示した正弦波発生器２０２から出力される正弦波の波形図であり、図６はセンサ出力と時間との関係を示す図である。
【００３６】
次に、図１〜図６を参照してこの発明の実施形態の動作について説明する。正弦波発生回路２０２は図５に示すように１Ｈｚ以下、たとえば０．５Ｈｚの正弦波信号を発生する。この正弦波信号は加算回路２１２によってセンサ出力に加算され、その加算出力はＰＩＤ補償器２１３に与えられてＰＩＤ補償が行われた後パワーアンプ２１４によって増幅され、その駆動信号により図１に示した電磁石２３が駆動される。電磁石２３の駆動信号は０．５Ｈｚの正弦波信号によりその振幅が図５に示した波形に同期して変化している。
【００３７】
このため、電磁石２３のインペラ３１への吸引力が０．５Ｈｚのサイクルで強くなったり、弱くなったりするので、インペラ３１は図１に示す電磁石部２０側の隔壁１２とモータ４０側の隔壁１３との間のポンプ室３３内を軸方向にゆっくり繰り返し移動する。このとき正弦波信号のレベルによってはインペラ３１がポンプ室３３の内壁に当接することもあり得るが、インペラ３１の動きが０．５Ｈｚの正弦波によるものであるため、インペラ３１がポンプ室３３の内壁に激突して壁面のヘパリングコーティングを傷つけることはない。
【００３８】
インペラ３１が０．５Ｈｚの正弦波信号により軸方向に移動することにより、磁気軸受用センサ２４の出力も大きく変化しており、最大値検出回路２０３はセンサ出力電圧の最大値を検出し、最小値検出回路２０４はセンサ出力電圧の最小値を検出する。検出された最大値と最小値は加算回路２０８で加算されるとともに加算回路２０９によって最大値から最小値が減算される。この最大値と最小値との関係は図６に示す関係になる。すなわち、センサ回路２１０からは、図６に示すＭＡＸとＭＩＮ間のＤを振幅とする波形ａの電圧が出力される。一方、図６の波形ｂは設定データであり、その振幅はＣであり、その中立電圧は図６のＡである。ここで、図６に示すＭＡＸはインペラ３１が磁気軸受部２０側に最も近接している状態であり、ＭＩＮはインペラ３１がモータ部４０に最も近接している状態になる。
【００３９】
加算回路２０８の出力はスイッチ素子ＳＷ１を介してホールド回路２０５に与えられてホールドされる。そして、その出力は１／２回路２０６に与えられて１／２倍にされた後に加算回路２１１に与えられる。この加算回路２１１の入力は図６に示す電圧Ｂに相当する。加算回路２０９の出力はスイッチ素子ＳＷ２を介してホールド回路２０７に与えられてホールドされる。そして、そのホールド電圧はセンサ回路２１０に与えられてセンサ回路２１０のゲインが補正される。すなわち、１／２回路２０６の出力によってインペラ３１の浮上位置がポンプ室３３内の中立位置になるように加算回路２１１で設定されているのに対して、ホールド回路２０７の出力によってセンサ出力のゲインが補正される。その結果、インペラ３１の中立位置が図６のＡの電圧に相当する位置となり、さらにそのセンサ出力電圧のゲインを所望の値にセットできる。
【００４０】
なお、上述の設定は、電磁石２３とモータ部４０を駆動してインペラ３１を磁気浮上させた状態で正弦波発生回路２０２から正弦波を発生させ、たとえば、１０秒後に正弦波の発生を停止し、スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２をオンさせることによって行われる。
【００４１】
その結果、インペラ３１がポンプ室３３内に密封された状態であってもセンサ出力が適切に得られるようにインペラ３１の中立位置を設定できる。
【００４２】
なお、上述の説明では正弦波発生回路２０２から０．５Ｈｚの正弦波を発生するようにしたが、これに限ることなく１Ｈｚ以下の周波数であればこの発明に適用できる。
【００４３】
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。
【００４４】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、磁気浮上型ポンプ装置を組み立てた後、回転体の浮上位置を調整する調整手段を備えたことにより、位置検出部から最適な位置検出出力が得られるように回転体をケーシング内で位置決めすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の一実施形態を示す図であり、（ａ）は縦断面図であり、（ｂ）は図１（ａ）の線Ａ−Ａに沿う断面図である。
【図２】  図１（ａ）の線Ｂ−Ｂに沿う断面図である。
【図３】  図１（ａ）の線Ｃ−Ｃに沿う断面図である。
【図４】  この発明の磁気浮上型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】  図４に示した正弦波発生回路から発生される正弦波の波形図である。
【図６】  センサ電圧と時間との関係を示す図である。
【図７】  従来の磁気浮上型ポンプ装置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、２００  コントローラ、２０１  センサ調整回路、２０２  正弦波発生回路、２０３  最大値検出回路、２０４  最小値検出回路、２０５，２０７  ホールド回路、２０６  １／２回路、２０８，２０９，２１１，２１２  加算回路、２１０  センサ回路、２１３ＰＩＤ補償器、２１４  パワーアンプ、ＳＷ１，２  スイッチング素子。
【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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