(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベアリングレスモータとして設計される電気式回転駆動装置であって、
磁気的に軸支される回転子（３）および固定子（２）を備え、前記固定子（２）は、前記回転子（３）にトルクを生成させる駆動磁界を生成するための少なくとも２つのループ（６１、６２）を有する駆動巻線（６）から構成され、また、
制御巻線（７）を備え、前記制御巻線（７）は、制御磁界を生成するための少なくとも３つのループ（７１、７２、７３、７４）を有し、前記制御磁界によって、前記固定子（２）に対する前記回転子（３）の位置を調整することができ、前記駆動巻線（６）の各ループ（６１、６２）における電気的駆動位相は互いに異なり、また前記制御巻線（７）の各ループ（７１乃至７４）における電気的制御位相は互いに異なっており、更に、
設定装置（４）を備え、前記設定装置（４）は、前記駆動巻線（６）の各ループ（６１、６２）および前記制御巻線（７）の各ループ（７１乃至７４）に、各々、設定パラメータとして、相電流または相電圧を供給する電気式回転駆動装置において、
前記設定装置（４）が、前記駆動巻線（６）の各ループ（６１、６２）および前記制御巻線（７）の各ループ（７１乃至７４）における前記設定パラメータを、他のループ設定パラメータとは、独立に調整することができるようになっており、
故障検出手段（２０３、４１４、５７ａ、５７ｂ、５２ａ、５２ｂ）が設けてあり、前記故障検出手段により、前記個々の駆動位相および／または前記個々の制御位相における故障を検出することができ、故障が検出された場合、故障の種類に応じて、前記故障検出手段が、前記故障を除去するか、若しくは前記回転駆動装置を、複数の故障モードの内、適切な故障モードに切り替えることを特徴とする電気式回転駆動装置。
【請求項２】
前記駆動巻線（６）の各ループ（６１、６２）および前記制御巻線（７）の各ループ（７１乃至７４）用の前記設定装置（４）が、個別の二極電力増幅器（４１）を備え、前記二極電力増幅器（４１）は、前記回転駆動装置のための制御装置（５）に一体化されていることを特徴とする請求項１に記載の回転駆動装置。
【請求項３】
前記駆動巻線（６）における磁極対の数がｐであり、前記制御巻線（７）における磁極対の数がｐ±１であることを特徴とする請求項１または２に記載の回転駆動装置。
【請求項４】
前記回転駆動装置はテンプルモータとして設計され、前記固定子（２）は、ヨーク（２０）によって接続され、また各々「Ｌ」字状に形成されている複数の固定子歯（２１乃至２８）を有し、前記固定子歯は、前記回転子（３）の所望の回転軸（Ａ）によって定義される軸方向に延在する長いリム（ＳＬ）と、半径方向で内側に延在する短いリム（ＳＫ）を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の回転駆動装置。
【請求項５】
駆動位相を厳密に３相、および制御位相を厳密に３相備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の回転駆動装置。
【請求項６】
駆動位相を厳密に２相、および制御位相を厳密に４相備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の回転駆動装置。
【請求項７】
前記固定子が、固定子歯（２１乃至２８）を厳密に８つ有し、前記固定子歯（２１乃至２８）の間で前記回転子（３）が、軸支されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の回転駆動装置。
【請求項８】
２つの駆動位相を備え、前記駆動巻線（６）は、４つの集中駆動コイル（６１１、６２１）を備え、各駆動コイル（６１１、６２１）が、２つの直ぐ隣に位置する固定子歯（２１乃至２８）に巻かれ、各々、直径方向に対向して位置する２つの駆動コイル（６１１；６２１）が、前記駆動巻線（６）のループ（６１；６２）を形成し、同じ駆動位相に属することを特徴とする請求項７に記載の回転駆動装置。
【請求項９】
前記制御巻線（７）が、複数の集中制御コイル（７１１、７２１、７３１、７４１）を備え、前記各集中制御コイルは異なる固定子歯に巻かれていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の回転駆動装置。
【請求項１０】
前記制御巻線（７）が、複数の集中制御コイル（７１１、７２１、７３１、７４１）を備え、周方向から見た場合、第１の固定子歯に巻かれた前記制御コイルと、１つおいてその次の前記固定子歯に巻かれた前記制御コイルが、各々、同じ制御位相に属することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の回転駆動装置。
【請求項１１】
４つの制御位相を備え、前記制御巻線（７）は、８つの集中制御コイル（７１１、７２１、７３１、７４１）を備え、各々、２つの制御コイル（７１１；７２１；７３１；７４１）が、前記制御巻線（７）のループ（７１；７２；７３；７４）を形成し、同じ制御位相に属することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の回転駆動装置。
【請求項１２】
４つの制御位相を備え、前記制御巻線（７）は、１６個の集中制御コイル（７１１、７２１、７３１、７４１）を備え、２つの制御コイル（７１１、７２１、７３１、７４１）が、各固定子歯に設けられ、各々、４つの異なる固定子歯に巻かれた４つの制御コイル（７１１；７２１；７３１；７４１）が、一緒に接続され、前記周方向から見た場合、直ぐ隣に位置する固定子歯に巻かれた前記制御コイルが、各々、前記制御巻線の異なるループに属するように前記制御巻線（７）のループ（７１、７２、７３、７４）が形成されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の回転駆動装置。
【請求項１３】
同じ固定子歯に巻かれた前記２つの制御コイル（７１１、７２１；７３１、７４１）は、各々、互いに重ねて巻いてあり、前記外側の制御コイル（７１１；７３１）が、前記内側の制御コイル（７２１；７４１）を取り囲んでいることを特徴とする請求項１２に記載の回転駆動装置。
【請求項１４】
２つの個別の制御システム（５ａ、５ｂ）を備え、前記各制御システム（５ａ、５ｂ）は、
前記固定子（２）における前記回転子（３）の半径方向の位置を測定するための少なくとも２つの位置センサ（８１、８２、８３、８４）と、
回転子角を求めるための手段（９１、９２）と、
前記駆動巻線（６）と前記制御巻線（７）の前記個々のループに供給するための少なくとも３つの電力増幅器（４１）と、
前記回転子（３）の駆動および位置の調整、並びに、電力増幅器（４１）を制御するための信号処理および調整装置（５０ａ、５０ｂ）と、を備え、
各制御システム（５ａ，５ｂ）は、少なくとも１つの駆動位相と少なくとも２つの制御位相を制御することを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の回転駆動装置。
【請求項１５】
前記２つの制御システム（５ａ、５ｂ）の間に通信のための通信システム（５８、５９、５９’）を設けたことを特徴とする請求項１４に記載の回転駆動装置。
【請求項１６】
前記２つの制御システム（５ａ、５ｂ）が、前記通信手段（５８、５９、５９’）を介して、各々、位置センサ（８１乃至８４）を用いて求められる前記回転子の位置に関する値、および／または、前記回転子角（９１、９２）を求めるための手段（９１、９２）を用いて各々求められる前記回転子の値、を授受し、エラーがあるかどうかを、前記位置および／または前記回転子角の値をチェックし、適宜、故障補正値を求め、両方の制御システム（５ａ、５ｂ）が、前記故障補正値を前記回転子（３）の半径方向の位置調整または前記駆動調整のため、それぞれ使用することを特徴とする請求項１５に記載の回転駆動装置。
【請求項１７】
前記故障検出手段により、前記制御システム（５ａ、５ｂ）および／または前記個々の駆動位相および／または前記個々の制御位相および／または前記エネルギ供給における故障を検出することができることを特徴とする請求項１４乃至１６のいずれか１項に記載の回転駆動装置。
【請求項１８】
各制御システム（５ａ、５ｂ）が、少なくとも部分的に電子プリント基板の形態で設計され、前記プリント基板は前記回転駆動装置（１；１０）の内部に配置されることを特徴とする請求項１４乃至１７のいずれか１項に記載の回転駆動装置。
【請求項１９】
前記回転駆動装置の内部に配置される前記電子プリント基板は、全て電力増幅器（４１）を備え、前記個々の電力増幅器（４１）が各々前記対応する駆動コイルおよび制御コイルにそれぞれ直接接続されるように、前記電子プリント基板が配置されることを特徴とする請求項１８に記載の回転駆動装置。
【請求項２０】
位置センサ（８１乃至８４）には評価モジュール（８）が設けてあり、前記評価モジュール（８）は、電子プリント基板として設計され、また前記電子プリント基板に設けられた前記構成要素が、前記固定子歯（２１乃至２８）の間の自由空間に配置されるように、前記評価モジュールが前記固定子歯（２１乃至２８）の前記短いリム（ＳＫ）上に配置されていることを特徴とする請求項４に記載の回転駆動装置。
【請求項２１】
永久磁気により励磁される前記回転駆動装置の前記回転子（３）を備え、血液を給送するための複数の羽根（３４）を有し、前記回転駆動装置の前記回転子（３）が、ポンプの回転子としても機能するようにしたことを特徴とする、請求項１乃至２０のいずれか１項に記載の電気的回転駆動装置を備える血液ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、独立請求項１の前提部分に基づく電気式回転駆動装置に関し、また、この種の回転駆動装置を備える血液ポンプに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
血液を給送する機能を有する血液ポンプは、通常、軸流ポンプまたは遠心ポンプとして設計され、例えば、心臓手術において血液循環を維持するための屋台骨として用いられる。更に、患者の体内に埋め込まれ、心臓の働きを一時的あるいは長期的に支えるための埋め込み可能な血液ポンプも知られている。
【０００３】
血液ポンプにおいては、給送される血液が、汚染されないことが保証されなければならない。従って、血液ポンプでは、電磁式駆動装置の回転子および／またはポンプの回転子は、接触することなく磁気的に軸支されることが好ましい。このような回転子の磁気による軸支は、分離型磁気軸受、すなわち、駆動装置のものとは異なる軸受によって実現することができる。換言するならば、磁気軸支は、駆動装置の固定子によって、実現される。
【０００４】
例えば、国際出願特許公開第９６／３１９３４号において、回転式ポンプが開示されているが、これは、血液ポンプに適しており、また、いわゆるベアリングレス・モータとして設計されているものである。これは、電磁式回転駆動装置であり、回転子のために個別の磁気軸受を備えておらず、回転子は、磁力によって固定子に対して非接触で軸支されている。この電磁式回転装置の場合、固定子は、軸受および駆動巻線および制御巻線を備える駆動固定子として設計されている。これら２つの巻線によって、回転磁界が生成され、この回転磁界は、一方では、回転子を回転させるトルクを回転子に与え、他方では、回転子に対して、所望の値に設定可能な縦方向の力を与え、回転子の半径方向の位置が、それぞれ能動的に制御あるいは調整できるようにしている。従って、回転子のこれらの３自由度は、能動的に調整することができる。更に、他の３自由度、即ち、回転軸方向に対する軸の撓みおよび回転軸に直交する平面に対する傾き（２自由度）に関して、回転子は、受動的にまた磁気的に、つまり制御という手段によらず、磁気抵抗力によって、安定化される。
【０００５】
“ベアリングレス・モータ”という用語は、以下の説明において、上述の意味に理解されるものとする。ベアリングレス・モータの設計、特に、制御または調整の詳細に関しては、既に引用した国際出願特許公開第９６／３１９３４号乃至国際出願特許公開第９５／１８９２５号に加えて、本明細書を参照されたい。
【０００６】
更に、血液ポンプは、特に、人体に埋め込む場合、小型で省スペースでなければならず、且つ、少なくとも心臓の能力に相当するポンピング性能を達成できなければならない。このために、例えば、ベアリングレス・モータの回転子に羽根を設け、これにより、回転駆動装置の回転子をポンプの回転子とした一体型の回転子を形成する方法が、国際出願特許公開第９６／３１９３４号において提案されている。このように、この回転子は、駆動回転子、軸受回転子およびポンプの回転子としての機能を有しており、これによって、非常に小型で高性能な血液ポンプを実現することができる。
【０００７】
周知のベアリングレス・モータには、例えば、増幅器の段階における故障、または固定子の１つの位相における断線等の故障が発生した場合、駆動装置および／または回転子の磁気軸支の正常な機能をもはや保証できないという問題がある。これは、特に、埋め込み式の血液ポンプなど、非常にデリケートな用途において、安全を脅かす大きな危険因子を代表するものである。回転子の駆動装置或いは磁気軸支の回転子に故障が発生すると、重大な結果、即ち、時には致命的な結果さえもたらすことがある。従って、本発明は、この安全を脅かす危険因子を大幅に低減しようとする課題に特化したものである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、ベアリングレス・モータとして設計される電気式回転駆動装置を提供することであり、更に、回転子の磁気軸支、並びに回転子の駆動に関して、耐故障性の高い電気式回転駆動装置を提供することである。換言するならば、故障が発生しても、回転子が磁気により確実に軸支され、また、回転子の駆動が確実に行われることによって、ベアリングレス・モータが正常に動作することができる回転駆動装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この目的を満たす電気式回転駆動装置は、独立請求項１に記載の機能によって特徴付けられるものである。
【００１０】
本発明に基づく電気式回転駆動装置は、ベアリングレス・モータとして設計されており、磁気により軸支された回転子、および固定子を備えている。この固定子は、回転子にトルクを生成させる駆動磁界を生成するための少なくとも２つのループを有する駆動巻線から構成されている。更に、制御巻線を備えており、制御巻線は、制御磁界を生成するための少なくとも３つのループを有し、この制御磁界によって、固定子に対する回転子の位置を調整することができる。また、駆動巻線の各ループにおける電気的駆動位相は互いに異なり、制御巻線の各ループにおける電気的制御位相は互いに異なっている。更に、設定装置を備えており、この設定装置により、駆動巻線の各ループおよび制御巻線の各ループに、設定パラメータとして、相電流および相電圧を供給する。また、設定装置は、駆動巻線の各ループに対する設定パラメータ、並びに、制御巻線の各ループに対する設定パラメータを、他のループ設定パラメータとは独立に調整できるように、設計されている。このために、設定装置は、駆動巻線のループ毎および制御巻線のループ毎に、個別の二極電力増幅器を備え、回転駆動装置の制御装置と一体化していることが好ましい。
【００１１】
ベアリングレス・モータとして設計されている本発明による回転駆動装置は、通常の故障の無い動作において、少なくとも２つの駆動位相および少なくとも３つの制御位相を用いて動作する。“駆動位相”および“制御位相”という用語は、各々、駆動巻線のループまたは制御巻線のループ、並びに、供給用設定装置の一部を意味するために使用するものである。設定パラメータ、即ち、相電圧または相電流は、他のループ設定パラメータとは独立に、駆動巻線のループ毎および制御巻線のループ毎に調整することができるため、各駆動位相および各制御位相は、他の電気的な位相とは無関係に動作することができる。従って、駆動位相および／または制御位相に故障が発生した場合（例えば、位相の全てに故障が発生した場合）、回転駆動装置は、駆動位相および／または制御位相の数がそれぞれ減った状態で、更に、回転駆動装置の回転子における磁気軸支の正常な機能、或いは駆動の正常な機能を失うことなく、動作し続けることができる。
【００１２】
正常な動作を続行するための最低限の必要条件は、回転駆動装置の１つの駆動位相、および２つの制御位相が正常なことである。換言するならば、少なくとも１つの駆動位相および少なくとも１つの制御位相が、完全に故障しても、回転駆動装置は、影響を受ける事無く確実に動作することができる。駆動位相および制御位相が、幾つ備えられているかにもよるが、本発明に基づく回転駆動装置は、複数の駆動位相および／または制御位相が故障した場合でも、動作し続けることができる。
【００１３】
本発明に基づく回転駆動装置は、位相の数が減った状態でも、動作することができるため、基本的に、一つの駆動位相または一つの制御位相に故障が発生するような場合は重要ではない。従って、例えば、電力増幅器が故障したり、駆動巻線または制御巻線の１つのループにおいてそれぞれ断線が生じたり、電源増幅器、駆動装置の巻線ループまたは制御巻線において短絡が生じても良いことになる。換言するならば、このような故障が生じても、駆動装置は、引き続き確実に動作することが可能である。本発明に基づく回転駆動装置は、このように耐故障性が高いため、動作の信頼性が飛躍的に向上する。
【００１４】
本発明に基づき、故障の無い通常な状態で、少なくとも２つの位相が動作するように、駆動巻線が設計されている回転駆動装置は、永久磁気によって励磁される回転磁界モータであることが好ましく、特に、永久磁気によって励磁される同期モータまたはブラシレス直流モータ（一般的な通称であるが、ブラシレス直流モータは、基本的には、回転磁界モータである）であることが好ましい。換言するならば、固定子によって生成される駆動磁界は、永久磁気回転子を駆動させる回転磁界である。一つ以上の駆動位相の故障により、正常な位相が、１つだけしか残っていない状態で動作する場合、回転磁界モータは、単相交流モータとして動作する。
【００１５】
磁界励磁による回転駆動装置と比較した場合、永久磁気により励磁される回転駆動装置、即ち永久磁気により励磁される回転子を有する回転駆動装置として設計されるベアリングレス・モータは、磁界励磁のための電流およびエネルギを必要としないという利点がある。従って、永久磁気による励磁によって、エネルギ消費量を大幅に低減でき、非常に経済的な動作を行うことが可能となる。このことは、特に血液ポンプ、さらに埋め込み式血液ポンプにとっては、一般的に、無制限にエネルギの供給が得られないため、非常に好都合なことである。
【００１６】
ベアリングレス・モータ（ｚ．Ｂ国際出願特許公開第９８／１１６５０を参照）では、通例のことであるが、本発明に基づき回転駆動装置の設計を行う場合、駆動巻線における磁極対の数をｐとする時、制御巻線における磁極対の数は、ｐ＋１またはｐ−１であることが好ましい。換言するならば、駆動巻線と制御巻線における磁極対の数の差が１であることが好ましい。
【００１７】
好適な実施例に基づく回転駆動装置は、駆動位相を厳密に３相、および制御位相を厳密に３相備えている。この種の設計においては、２つの駆動位相および１つの制御位相が完全に故障した場合でさえ、回転駆動装置は、確実に回転子を軸支し、駆動することができる。
【００１８】
特に、可能な限り小型で、簡素で、省スペース設計を目指す場合、駆動位相を厳密に２相、および制御位相を厳密に４相備えている実施例が、より好ましい。このように設計することにより、固定子歯の数、並びに、駆動巻線および制御巻線のコイル数を減らすことが可能であり、これによって、装置のコストおよび複雑さ、並びに、ベアリングレス・モータの複雑さおよび大きさを低減することができる。同時に、１つの駆動位相の故障、および、少なくとも１つの制御位相の故障に対する耐故障性も維持される。この種の実施例においては、固定子は、厳密に８つの固定子歯を有していることが好ましく、回転子は、これらの固定子歯の間で軸支される。この実施例には、更に、位置センサのセンサ要素等を配置するための、固定子歯間の溝の空間を広く取れるという利点がある。
【００１９】
好適な実施例によると、制御巻線は、複数の集中制御コイルを備え、また、各集中制御コイルは、異なる固定子歯に巻かれている。
本発明に基づくベアリングレス・モータにおいて、可能な限り耐故障性を高めるためには、２つの個別の制御システムが設けられ、各制御システムは、下記の構成要素を備えることが好ましい。
【００２０】
・回転子の固定子内における半径方向の位置を測定するための少なくとも２つの位置センサ
・回転子角を測定するための手段（例えば、磁界センサ）
・駆動巻線および制御巻線の個々のループに供給するための少なくとも３つの電力増幅器
・回転子の駆動および位置を調整するための、並びに、電力増幅器を制御するための信号処理および調整装置、
更に、各制御システムは、少なくとも１つの駆動位相および少なくとも２つの制御位相を制御することが必要である。
【００２１】
このような設計においては、ベアリングレス・モータは、互いに独立して動作可能な２つのほぼ同一の制御システムによって動作される。各制御システムは、例えば、位置センサ、回転子角を求めるための手段、調整装置、少なくとも１つの駆動位相と少なくとも２つの制御位相用の電力増幅器などの、ベアリングレス・モータの動作に必要な構成要素を備えているため、各制御システムは、単独で、且つ瞬時に、ベアリングレス・モータの制御および調整を引き継ぐことができる。故障の無い通常の動作において、２つの制御システムは、共に、ベアリングレス・モータを制御する。しかしながら、故障が発生した場合、２つの制御システムの内、１つの制御システムによって、瞬時に引き継がれ、確実に動作を行うことが可能となる。このいわゆる高い冗長性によって、耐故障性および動作の信頼性を飛躍的に高めることができる。
【００２２】
更に、２つの制御システム間における通信のために、通信手段を設けることが好ましい。これによって、特に制御システムが両方とも作動している通常の動作において、動作の信頼性が更に向上する。例えば、各制御システムは、独自に位置センサを有しているため、回転子の位置の測定は、通常の動作において、過剰に行われる。制御システムは、各制御システムによって測定される回転子の位置に関する値を授受する通信手段を備えているという点において、この冗長性を用い、位置センサのチェックができることは好都合である。磁界センサおよび回転子角に関しても、同様なことがそれぞれ言える。
【００２３】
更に、故障検出手段を設けて、制御システムおよび／または個々の駆動位相および／または個々の制御位相および／またはエネルギ供給部における故障を検出できることが好ましい。これらの故障検出手段は、ハードウェアおよびソフトウェアの構成要素として設計することが可能である。更に好適な手段によれば、故障検出手段は、故障を検出した場合、故障を除去するか、若しくは、故障の種類によって、回転駆動装置を複数の故障モードの内、適切な故障モードに切り替える。これらの故障モードでは、制御システムの一部若しくは制御システムの全体、または、駆動巻線若しくは制御巻線の個々のループを、停止することができる。２つ以上の故障モードを設けてあるため、制御システムは、極めて柔軟に対応することができ、また個々に発生する故障に対応して動作に必要な構成要素だけをそれぞれ選び出すか、若しくは、構成要素をそれ以上使用しないようにするなどの方法で対応することが可能である。
【００２４】
特に、血液ポンプに関して、本発明により、非常に小型で且つ省スペース型のベアリングレス・モータを設計することができる。この点に関して、各制御システムを、少なくとも部分的に電子プリント基板の形態にし、回転駆動装置の内部に配置すると好都合である。
【００２５】
この場合、回転駆動装置の内部に配置される電子プリント基板は、全て電力増幅器であり、個々の電力増幅器は、各々、対応する駆動コイルおよび制御コイルにそれぞれ直接、即ち、ケーブルを用いずに接続される。このように設計することにより、ベアリングレス・モータからその外側へと配線されるケーブル線の数を、最小限に抑えることができる。ケーブルの接続が、全ての構成要素において、脱落率を増大する要因であることは、経験から明らかであるため、ケーブル数を減らすことにより、更に高い信頼性が実現される。
【００２６】
電子プリント基板は、特に、いわゆるテンプルモータとして設計される回転駆動装置の好適な設計と組合せることにより、なんら問題なく、回転駆動装置の内部に配置することが可能である。例えば、国際出願特許公開第９８／１１６５０号（当該明細書の図８ｋおよび関連する文節を参照のこと）に開示されているテンプルモータにおいて、固定子は、複数の固定子歯を有しており、この複数の固定子歯は、ヨークによって接続されており、回転子の所望の回転軸によって決定される軸方向に延在する長いリム、および、半径方向に対して内側に延在する短いリムを用い、各々“Ｌ”形状に形成されている。ここで、電子プリント基板は、固定子歯の長いリムによって囲まれている空間に配置することができる。
【００２７】
更に、有利な手段は、テンプルモータ内の位置センサに評価モジュールを設けることであり、この評価モジュールは、それぞれ、電子プリント基板として設計され、電子プリント基板に設けられた構成要素が、固定子間の自由空間に配置されるように、固定子の短いリム上に設計されている。このように設計することにより、ベアリングレス・モータ内の空間の理想的な活用が可能である。
【００２８】
また、個々の電子プリント基板を、可撓性接続プリント基板（フレックスプリント）を介して、互いに接続することも有利である。ほぼ硬質な電子プリント基板とフレックスプリントによって、複合体、即ち、いわゆる剛体可撓性複合体を形成し、１ユニットとして製造、装着および検査を行うことができる。
【００２９】
更に、本発明に基づく電気式回転駆動装置を備える血液ポンプを提案する。本発明の回転駆動装置は、回転駆動装置の回転子もまた、ポンプの回転子として機能するように、回転駆動装置の回転子は、永久磁気によって励磁されており、また、血液を給送するための複数の羽根を備えている。この種の血液ポンプは、耐故障性が非常に高く、極めて信頼性が高く、小型で、更に、高性能、且つ、エネルギ消費の点において経済的である。この種の血液ポンプは、人体の内部および外部、いずれの用途にも適する。
【００３０】
更に有利な手段および本発明の好適な設計は、従属の請求項から明らかになる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
次に、実施例および図面を参照し、本発明について更に詳細に説明する。
図１は、本発明に基づく回転駆動装置に関する第１の実施例の主要な部分を示す概略ブロック図であり、この回転駆動装置はベアリングレス・モータとして設計されており、本明細書全体を通して参照番号１を付してある。回転駆動装置１は、固定子２、永久磁気回転子３、および設定装置４を有する制御装置５を備え、また、設定装置４は、複数の二極電力増幅器４１を備える。更に、制御装置５は、回転駆動装置１の動作に必要な制御ユニットと調整ユニットの全体を備える。調整ユニットは、理解しやすいように、図１には示していない。制御装置５の構造は、下記において詳述する。
【００３２】
図２は、固定子２および回転子３を示す平面図であり、図３は、図２の線ＩＩＩ‐ＩＩＩに沿った断面を示す図である。
更に、図３は、固定子系の定義を示す図であり、以下の説明において、参照する。この固定子系は、軸Ｘ、ＹおよびＺを有するデカルト座標系であり、これらの軸の原点は、固定子の中心に位置し、固定子２に対して静止している。慣例に従い、Ｚ軸は、回転子３の所望の回転軸方向を指し、Ａは、回転軸を表す。回転子３は、動作状態において、回転子３が固定子２に対して、ちょうど中心位置（所望の位置）にある時、この回転軸を中心に回転し、また傾むくこともない。Ｚ軸の方向は、以下、“軸方向”として表す。固定子系のＸ軸およびＹ軸の方向は、任意である。Ｘ軸およびＹ軸によって規定されるＸ−Ｙ平面は、回転子３が軸方向において傾きがない場合、また撓んでいない場合に、回転子３が回転する平面である。Ｘ−Ｙ平面に対する回転子３の位置（または、それぞれに対する回転子の中心の位置）は、以下、回転子３の“半径方向の位置”として表す。
【００３３】
ベアリングレス・モータの原理に基づき、固定子２は、駆動磁界を生成するための駆動巻線６を備え、この駆動磁界は、回転子３にトルクを生成し、回転子３を駆動する。更に、固定子２は、制御磁界を生成するための制御巻線７を備え、この制御磁界は、制御磁界を生成し、これによって回転子３の半径方向の位置を調整することが可能である。これら２つの回転磁界を組合せることによって、そのために必要とされる磁気軸受を特別に用いることなく、回転子３を、固定子２内において非接触の状態で駆動でき、また磁気的に軸支することができる。ベアリングレス・モータにおいて、回転子の３自由度、即ち、回転軸Ａを中心とする回転子の回転、および回転子の半径方向の位置（２自由度）は、それぞれ、能動的に磁気によって制御または調整される。更に他の３自由度に関して、即ち、回転子の軸方向における撓みおよびＺ軸の傾き（２自由度）に関して、回転子は、受動的に磁気によって、即ち、制御されない状態で、磁気抵抗力によって安定化される。ベアリングレス・モータの動作方法、並びにその調整方法および制御方法に関する更なる詳細は、既に引用した国際出願特許公開第９６／３１９３４号、第９５／１８９２５号および第９８／１１６５０号の明細書に開示されており、このため、ここでは更に説明しない。
【００３４】
第１の実施例において、駆動巻線６は、２つのループ６１、６２を有し、これらのループは、各々異なる駆動位相に属する。換言するならば、駆動巻線６は、２つの位相を有する（２つの駆動位相を有する）。制御巻線７は、４つのループ７１、７２、７３、７４を有し、これらのループは、各々異なる制御位相に属する。換言するならば、制御巻線は、４つの位相有する（４つの制御位相を有する）。
【００３５】
第１の実施例において、固定子２は、複数の、即ち８つの固定子歯２１乃至２８を備え、固定子歯２１乃至２８は、ヨーク２０（通常、鉄ヨーク）によって、磁気的に互いに結合しており、駆動巻線６および制御巻線７は、個別のコイルの形態で固定子歯２１乃至２８にそれぞれ巻かれている。この点において、複数の個別のコイルは、互いに並列回路または直列回路の形態で電気的に接続することができる。“ループ”という用語は、各々、並列または直列に電気的に互いに接続されている全ての個別のコイル全体を意味するものである。当然の事ながら、１つのループは、１つの個別のコイルにより構成することができる。“位相”という用語は、１つのループおよびそのループに供給する設定装置４の一部分を表し、特に、本明細書では、このループに設定パラメータとして相電流または相電圧を供給する電力増幅器４１を表す。設定装置４は、駆動巻線６および制御巻線７のための電流制御装置または電圧制御装置として形成することができる。実際には、主として電流調整が用いられるため、以下、設定パラメータが相電流である場合について説明を行う。設定パラメータとして相電圧を用いる電圧調整に関しても、同様な説明が当てはまる。
【００３６】
図２に示すように、第１の実施例における２位相駆動巻線６は、４つの集中コイルから成り、この集中コイルは、以下、駆動コイル６１１、６２１として表す。２つの駆動コイル６１１によって、駆動巻線６の１つのループ６１が形成され、一方、２つの駆動コイル６２１によって、駆動巻線６のもう一方のループ６２が形成されている。同じ駆動位相に属する駆動巻線は、同じ参照符号によって表す。各駆動コイル６１１、６２１は、固定子歯２１乃至２８に駆動コイル６１１、６２１が一つ以上巻かれることがないように、集中コイルとして、各々、直ぐ隣に位置する２つの固定子歯２１乃至２８にそれぞれ巻いてある。換言すると、第１の駆動コイル６１１は、第１の固定子歯２１および第２の固定子歯２２にそれぞれ巻かれており、次の駆動コイル６２１は、第３の固定子２３および第４の固定子２４にそれぞれ巻かれており、その次の駆動コイル６１１は、第５の固定子２５および第６の固定子２６にそれぞれ巻かれており、更に、最後の駆動コイル６２１は、第７の固定子２７および第８の固定子２８に巻かれている。各々、直径方向に対向して位置する２つの駆動コイル６１１または６２１が、駆動巻線６のループ６１または６２を形成し、同じ駆動位相に属するように、駆動コイル６１１、６２１は、それぞれ接続されている。駆動コイル６１１、６２１の固定子歯２１乃至２８上の分布、並びに、駆動巻線の２つのループ６１、６２を形成するための駆動コイルの接続は、もっと概略的な例示により図５において再度説明する。図５の上部において、第１の駆動位相のループ６１を示し、図５の下部において、第２の駆動位相のループ６２を示す。
【００３７】
同様に、図２は、８つの集中コイルを備える４位相の制御巻線７を示しており、以下、こられの集中コイルは、制御コイル７１１、７２１、７３１、７４１として表す。各制御コイル７１１、７２１、７３１、７４１は、別々の固定子歯２１乃至２８に巻かれている。換言するならば、各固定子歯は、ちょうど１つの制御コイルを有している。２つの制御コイル７１１、７２１、７３１または７４１によって、各々、制御巻線７のループ７１、７２、７３または７４が形成されており、同じ制御位相に属する。同じ制御位相に属する制御コイルは、同じ参照符号によって表す。制御コイルは、固定子の周方向から見た場合に、第１の固定子歯に巻かれた制御コイルと、一つおいてその次の固定子歯に巻かれた制御コイルが、同じ制御位相に属するように、接続されている。個々の制御コイル７１１、７２１、７３１、７４１の接続に関しては、図４の概略図において説明する。第１の固定子歯２１に巻かれた制御コイル７１１（図４、上）と、第３の固定子歯２３に巻かれた制御コイル７１１が共に接続され、制御巻線７の第１の制御位相であるループ７１が形成されている。第５の固定子歯２５と第７の固定子歯２７である２つの制御コイル７２１によって、それぞれ、第２の制御位相のループ７２が形成されている。第２の固定子歯２２と第４の固定子歯２４である２つの制御コイル７３１によって、それぞれ、第３の制御位相（図４、下）のループ７３が形成されている。第６の固定子歯２６と第８の固定子歯２８である２つの制御コイル７４１によって、それぞれ、第４の制御位相のループ７４が形成されている。
【００３８】
駆動位相および制御位相がこのように設計されていると、駆動巻線における磁極対の数は１となり、制御巻線における磁極対の数は２となる。通常、駆動巻線と制御巻線における磁極対の数の差が１であるこれらの設計は、本発明に基づく回転駆動装置にとって好ましいものである。換言するならば、駆動巻線における磁極対の数がｐの場合、制御巻線における磁極対の数は、ｐ±１、即ち、ｐ＋１またはｐ−１のいずれかであることが好ましい。実用上は、駆動巻線における磁極対の数が、ｐ＝１、ｐ＝２またはｐ＝３であり、制御巻線における磁極対の数の合計が、１、２、または３である設計が好ましい。
【００３９】
本発明に基づき、相電流（または相電圧）を他のループに対する相電流（または相電圧）とは独立に、駆動巻線の各ループ６１，６２および制御巻線の各ループ７１乃至７４用の設定パラメータとして調整できるように、設定装置４（図１）は、設計されている。これを実現するために、第１の実施例における設定装置は、６つの個別の二極電力増幅器４１、即ち、２つの駆動位相のそれぞれに１つの二極電力増幅器、４つの制御位相のそれぞれに１つの二極電力増幅器を備えている。これによって、駆動位相および／または制御位相が完全に故障した場合でさえ、残りの正常な位相は、制約を受けることなく引き続き動作することができる。
【００４０】
好適な設計においては、二極電力増幅器は、各々、Ｈブリッジ・スイッチング増幅器である。図６は、かかる電力増幅器４１の電気回路図を示しており、電力増幅器４１は、位相の内１つに相電流を供給する。電力増幅器４１は、スイッチングトランジスタＴおよびリカバリ・ダイオードＦとしてそれ自体知られているものを備えており、２つの動作電位＋および−（例えば、動作電位−が接地電位ＧＮＤで、動作電位＋が＋１２Ｖの電位）で動作する。スイッチングトランジスタＴは、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、特に、ＭＯＳ形ＦＥＴであることが好ましい。電流測定装置４１１は、相電流をそれぞれ測定するために設けてある。
【００４１】
当然の事ながら、、他の形式の電力増幅器４１および／または設定装置４を、回転駆動装置１に設けることもできる。例えば、個々の電力増幅器を、多相電流制御装置のブリッジ分岐として実現することができ、複数の位相を星形回路に接続することもできる。しかしながら、この場合、個々の相電流が、確実に単独で調整されるように、星形結線の接続点が、ロード可能な電位に配置されることが必要である。この種のロード可能な星形回路は、例えば、本出願者による欧州特許出願第９９８１０５５３．０号に開示されているため、本明細書では、詳細な議論は行わない。しかしながら、他の形態のスイッチング増幅器またはアナログ増幅器を用いることも可能ではあるが、増幅器が、二極で動作、即ち、相電流および相電圧の両方が、正および負極性の値を取ることができるように、電力増幅器４１を設計することが重要である。更に、設定装置４は、他の位相に対する設定パラメータとは無関係に調整できる設定パラメータ（それぞれ相電流または相電圧）を、駆動位相毎および制御位相毎に供給できるものでなければならない。
【００４２】
回転駆動装置１の永久磁気回転子３（図２および図３を参照）は、直径方向に二極（磁極対の数は１）励磁してあり、永久磁気リング３１および鉄ヨーク３２を有する環状回転子３として設計されており、鉄ヨーク３２は、リング３１に対して、半径方向に、また内側に位置するように配置されている。回転子の磁化は、図２において、矢印Ｍで表示してある。当然の事ながら、他の磁極対の数、および他の形態の回転子磁化を用いることもまた可能である。特に、回転子３を、円盤状に設計することも可能である。
【００４３】
固定子２における回転子３の半径方向の位置を求めるためには、少なくとも２つの位置センサが必要であり、この実施例においては、４つの位置センサ８１、８２、８３、８４（図１参照）を設けてあり、その内、各々、少なくとも２つの位置センサ、即ち位置センサ８１、８２および位置センサ８３、８４は、それぞれ、二軸測定系８０ａ、８０ｂ（図１１参照）に属しており、この二軸測定系８０ａ、８０ｂによって、回転子３０の半径方向の位置を求めることができる。回転子の半径方向における位置のために２つの個別の測定系を設けてあるため、回転子３の位置測定が、冗長化されるように設計されており、これによって、回転駆動装置１の耐故障性が高まっている。この事に関しては、さらに後述する。
【００４４】
各位置センサ８１乃至８４は、２つのセンサ要素８１１、８１２および８２１、８２２および８３１、８３２および８４１、８４２（図２参照）をそれぞれ備えていることが好ましい。各センサ要素は、回転子３に対向して位置するように、２つの隣接する固定子歯２１乃至２８の間の溝に配置され、センサ要素が１つずつ、８つの溝にそれぞれ配置されている。センサ要素は、Ｘ−Ｙ平面上、若しくは、Ｘ‐Ｙ平面に対して僅かに軸方向に位置をずらして配置することができる。いずれの場合も、それぞれ同じ位置センサ８１と８２と８３と８４に属するセンサ要素８１１、８１２と８２１、８２２と８３１、８３２と８４１、８４２は、固定子２（図２参照）の直径方向に対向して位置するように、それぞれ、固定子２の周方向に対して、互いに１８０°位置をずらして配置される。このように配置することによって、同じ位置センサ８１乃至８４に属するセンサ要素の２つの信号における差分信号は、各々、回転子の位置を求めるために使用されるため、位置センサ８１乃至８４における同相故障、オフセット、ドリフト（特に、熱ドリフト）などのシステマティックな故障を無くすことができる。
【００４５】
例えば、４つのセンサ要素８１１、８１２、８２１、８２２を有する２つの位置センサ８１および８２のように、同じ二軸測定系に属する２つの位置センサは、固定子の周方向に対して約９０°、他の二軸測定系の位置センサ８３、８４に対して４５°、互いに位置をずらし配置されている。
【００４６】
周知の形式の距離センサは全てそれ自体、センサ要素８１１―８４２に適している。特に、ホールセンサ、光センサおよび容量センサなどの渦電流センサ、誘導センサ、磁界プローブが挙げられる。センサ要素は、渦電流センサであることが好ましい。
【００４７】
ベアリングレス・モータの制御および調整（回転子３の駆動および位置）は、ベクトル調整または磁界方向調整の方法によって、通常行われるが、この場合、回転子の磁化の方向、即ち、静止固定子系のＸ−Ｙ平面に対する回転子３の磁化の瞬間的な位置を知ることが必要である。このパラメータは、通常、回転子の磁界の角度として表す。実際には、回転子の磁界の角度は、幾何学的な回転子角とは異なるが、その差はほんの僅かである。従って、この差異は、以下、考慮しないものとし、回転子角は、幾何学的な回転子角および回転子磁界の角度の両方を含むものとして、略して回転子角と呼ぶ。回転子角を求めるために、少なくとも１つの磁界センサを設けてある。回転駆動装置１を、回転子角の測定に関しても、冗長に設計するために、２つの個別の磁界センサ９１、９２を設けてある。各磁界センサ９１、９２は、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子などの磁気抵抗型素子を有する２つの磁気抵抗型の磁界測定ブリッジを備える。
【００４８】
各磁界センサ９１、９２は、例えば、各センサが検出する磁界の正弦と余弦を出力し、これによって、回転子角を求めることができる。このように、２つの個別の系が存在し、これによって、回転子角を各々求めることができる。図３に示すように、特に、磁界センサ９１および９２は、Ｘ−Ｙ平面に対して軸方向の位置、即ち、図示しているように、回転子３の下方に配置してある。このように配置されている磁界センサ９１、９２による回転子角の測定の詳細については、“回転子の磁化の方向を測定するためのセンサ配置”を主題とする本出願者による欧州特許出願第９９８１０６３４．８号を参照されたい。
【００４９】
回転子角を求めるために本明細書で説明した磁界センサ９１、９２の代わりに、或いは、それに追加して、他の手段を設けることができるできることは自明のことである。
【００５０】
回転駆動装置１の通常の動作状態において、駆動磁界は、２位相駆動巻線６によって生成され、２位相駆動巻線６は、回転子３にトルクを発生させ、回転子３を回転させる。位置センサ８１乃至８４を用いて求めることができる回転子３の半径方向の位置は、４位相制御巻線７によって、調整される。回転子３の位置調整に関する設計は、数多くの文献に紹介されている。特にベアリングレス・モータのための位置調整に関する構造は、国際出願特許公開第９５／１８９２５号等において、幾つか述べられている。従って、ベアリングレス・モータの調整に関する設計に関しては、本明細書では、これ以上の議論は行わない。
【００５１】
制御位相の故障および／または駆動位相の故障が、動作中に発生した場合、本発明に基づく回転駆動装置１は、駆動位相および／または制御位相の数が減った状態で、正常に動作し続けることができる。これは、各個別の駆動位相、および各個別制御位相のための相電流を、他の相電流とは完全に独立に調整できるためである。回転子を高い信頼性で駆動するために、また高い信頼性で磁気による軸支を行うために必要な最低限の条件は、少なくとも１つの駆動位相および少なくとも２つの制御位相が、正常に動作することである。第１の実施例において、極端な場合、１つの駆動位相および２つの制御位相が、それぞれ、完全に故障または停止しても、回転駆動装置１は、その動作能力を失うことはない。故障の処理方法に関しては、下記において、更に議論する。一方における軸支機能、並びに、他方における駆動機能に関する耐故障性の詳細については、本明細者において、本出願者による二つの特許、欧州特許出願第９９８１０７６０．１号および第９９８１０５５３．０号を参照する。当該特許出願の開示は、本発明の不可欠な構成要素であることをこれによって明言する。
【００５２】
１つの駆動位相だけが正常である場合、回転駆動装置１は、単相交流モータの原理に基づき動作する。この場合、回転駆動装置１を停止しない限り、回転駆動装置１は回転し続ける。即ち、回転駆動装置１は、正常に動作する。しかしながら、かかる単相交流モータが停止した場合、回転子３の固定子に対する位置次第では、回転駆動装置１は、通常の方法では、再始動できない可能性がある。しかしながら、対応する正常な制御位相を動作状態にし、回転子３が１つの駆動位相で始動することができる位置まで、回転子３を固定子２に沿って下げることによって、動作させることが可能である。回転子３が再び回転すると直ぐに、１つの駆動位相および少なくとも２つの制御位相によって動作を、維持することができる。
【００５３】
また、１つの駆動位相だけで始動する問題は、停止する際、回転子３が再び立ち上がることができる位置“休止位置”を選択して、所定の休止位置に回転子３が停止するように、固定子２を設計することにより解決することができる。この手段は、単相交流モータでは、一般的なことであるため、本明細書においては、更に説明は行わない。
【００５４】
図７は、第１の実施例の変形態様による固定子２を示す平面図である。以下、相違点のみを詳述する。この変形態様では、同様に４つの制御位相と２つの駆動位相を備えている。制御巻線は、合計１６個の集中コイル７１１、７２１、７３１、７４１を備えており、それぞれ２つの制御コイルを各固定子歯２１乃至２８に設けてある。各々、４つの別々の固定子歯に巻かれた４つの制御コイルは、共に接続され、制御巻線のループ７１乃至７４を形成し、同じ制御位相に属している（これらの制御コイルは、同様に、それぞれ同一の参照符号を付してある）。個々の制御コイル間の接続は、図８の概略図に示してある。制御巻線の第１のループ７１（図８、上）は、第１の固定子歯２１、第３の固定子歯２３、第５の固定子歯２５および第７の固定子歯２７に配置されている２つの制御コイルの内、１つの制御コイルをそれぞれ接続することによって、実装されている。これらの制御コイルは、参照符号７１１で表してある。制御巻線の第２のループ７２は、第１の固定子歯２１、第３の固定子歯２３、第５の固定子歯２５および第７の固定子歯２７に配置されているもう一方の制御コイルをそれぞれ接続し、第１のループ７１に属さないように実装されている。これらの第２のコイルは、参照符号７２１で表してある。従って、第２のループ７２の制御コイル７２１は、第１のループ７１の制御コイル７１１と同じ固定子歯に配置されている。従って、第１のループおよび第２のループは、実質的に、同じ配置を行い、各制御コイルをそれぞれ接続することにより実現されている。
【００５５】
第３および第４のループ７３および７４の制御コイルも同様に解釈が可能であり、これらの制御コイルは、それぞれ参照符号７３１および７４１で表してある（図８、下）。これらは、それぞれ、第２の固定子歯２２、第４の固定子歯２４、第６の固定子歯２６および第８の固定子歯２８に配置されている。
【００５６】
従って、固定子２の周方向から見た場合、直ぐ隣の固定子歯に巻かれた制御コイルが、各々、制御巻線の異なるループに属するように、制御コイルは、接続され、制御巻線の個々のループが形成されている。
【００５７】
同じ固定子歯に配置された２つの制御コイルは、図７に示すように、各々、隣接して配置することができる。特に下記において更に議論するテンプルモータの構造形態において、同じ固定子歯に巻かれた２つの制御コイルは、各々，外側の制御コイルが内側の制御コイルを取り囲むように重ねて巻かれる。この配置は、図８において、概略的に示してある。制御巻線の同じループを形成するように接続された４つの制御コイルは、常に外側、若しくは常に内側に位置する。従って、例えば、第１のループ７１の制御巻線７１１が、常に外側のコイルであるのに対して、第２のループ７２の制御コイル７２１は、常に内側のコイルとなる。個々の制御コイルは、外側の制御コイルによって形成されるループ（例えば、ループ７１）のオーミック抵抗が、内側の制御コイルによって形成されるループ（例えば、ループ７２）のオーミック抵抗と等しくなる（対称型設計）か、若しくは、それより大きくなる（非対称型設計）ように、構成されることが好ましい。
【００５８】
２位相駆動巻線は、図５に示す駆動巻線と同様な方法で設計されており、第１の実施例と共に既に説明したものである
図７および図８に示す制御巻線の設計には、次の利点がある。通常の動作中、回転子の位置は、４つの制御位相全て、即ち、１６個の制御コイル全てによって調整される。各固定子歯に２つの制御コイルが配置されているため、同じ磁界を生成するのに必要な固定子歯を流れる電流は、固定子歯に１つの制御コイルだけある場合と比較すると、各々半分の電流のみを必要とする。しかしながら，損失の観点から見ると、半分の電流を二回流した方が、全電流を一回で流すよりも好ましい。１つの制御コイル（例えば、第１のループ７１）が故障した場合、第２の制御位相のループ７２内における相電流を倍にすることにより、容易に補正することができる。この機能は、調整により自動的に行われる。固定子歯毎に、２つの制御コイルを設け、２つの制御コイルが、別々の制御位相に属し、通常の状態で両方とも動作するようにしてあるこの設計により、高い冗長性が実現されている。この“非常システム”は、通常の動作中、常に動作しており、故障は、必ずしも補正が行われる前に、検出される必要はない。
【００５９】
図９は、いわゆるテンプルモータとして設計されている本発明に基づく回転駆動装置１の第２の実施例を、部分断面斜視図で示したものである。テンプルモータは、例を挙げれば、既に引用した国際出願特許公開第９８／１１６５０号（その中の図８ｋおよび関連の文節を参照）に開示されている。同実施例において、テンプルモータの固定子２は、ヨーク２０によって接続されている複数の固定子、即ち８つの固定子２１乃至２８を有している（図９において、６つの固定子歯２１乃至２５、２８のみ見分けることができる）。固定子歯２１乃至２８を磁気的に互いに連結するヨーク２０は、強磁性体により構成されているが、鉄により構成することが好ましい。各固定子歯２１乃至２８は、長いリムＳＬおよび短いリムＳＫを用いて“Ｌ”形状に設計されている。長いリムＳＬは、各々、軸方向に延在し、短いリムＳＫは半径方向で内側に向かって、即ち回転子に向かう方向に延在している。駆動コイル６１１、６２１および制御コイル７１１、７２１、７３１、７４１は、固定子歯２１乃至２８の長いリムＳＬに巻かれている。図２および図７（“平面”図）に基づく固定子の実施例、並びに、図８（テンプルモータ）は、全く同じ方法で制御可能であり、特に電気的な動作方法は機能的に同じであり、また、特に永久磁気回転子３に対しても同じ影響を及ぼす。“Ｌ”形状の固定子歯２１乃至２８は、図２および図７に示す固定子歯と“真っ直ぐな”固定子歯２１乃至２８に対する動作原理において同等である。
【００６０】
駆動コイル６１１および６１２の巻き方、配列および接続は、図５に示すものと同じであり、既に説明済みである。制御位相のループ７１乃至７４は、８つの個別の制御コイル７１１、７２１、７３１、７４１、即ち、１つの固定子歯につき１つの制御コイル（図４に示す通りに配列および接続）を用いて設計するか、若しくは、１６個の個別の制御コイル７１１、７２１、７３１、７４１、即ち、１つの固定子歯につき２つの制御コイル（図８に示す通りに配列および接続）を用いて設計することができる。１つの固定子歯につき２つの制御コイルを備える変形態様において、これらの２つの制御コイルは、軸方向に対して隣り合わせに巻くことができ、若しくは、既に説明したように、好ましくは重ねて巻くことができる。図９に示す４つの制御位相および２つの駆動位相を備えるテンプルモータは、第１の実施例或いはその変形態様と機能的にそれぞれ同じである。これに関する説明は、図９に示すテンプルモータとして設計されている実施例にも当てはまる。
【００６１】
当然の事ながら、、テンプルモータには、異なる数の固定子歯および／または異なる設計の駆動巻線および／または制御巻線を備えることも可能である。位置センサおよび磁界センサは、図９に示されていない。本発明に基づく駆動回転装置が血液ポンプの一部分となる場合、下記において更に議論するように、テンプルモータとして設計することが好ましい。
【００６２】
図１０は、本発明の第３の実施例を図示したものであり、図２に対応する図である。同実施例は、回転駆動装置１が、ちょうど３つの駆動位相およびちょうど３つの制御位相を有することを特徴とする。下記において、始めの２つの実施例との相違点のみに関し、さらに詳しく議論する。その他の点においては、上記の説明が第３の実施例にも当てはまる。特に、機能的に同一または同様な部分に関しては、同じ参照符号で表してある。
【００６３】
第３の実施例において、固定子２は、１２個の固定子歯２１乃至２９、２１０、２１１、２１２を有しており、この間で、回転子３を磁気的に軸支することができる。３つの駆動位相に対応して、駆動巻線は３つのループを有しており、各ループは、２つの個別の駆動コイル６１１、６２１、６３１を接続することによって実現されている。従って、集中コイルとして各々設計されている６つの駆動コイル６１１、６２１、６３１は、すべての固定子歯に設けられている。各駆動コイル６１１、６２１、６３１は、図２と関連して説明した実施例と同様に、直ぐ隣に位置する２つの固定子歯にそれぞれ巻かれている。直径方向に対向して位置する２つの駆動コイル６１１、６２１および６３１は、それぞれ、駆動巻線の１つのループを形成するように共に接続されている。換言するならば、参照符号６１１を付してある２つの駆動コイルが、駆動巻線の第１のループを形成し、参照符号６１２を付してある２つの駆動コイルは、駆動巻線の第２のループを形成し、参照符号６３１を付してある２つの駆動コイルは、駆動巻線の第３のループを形成している。
【００６４】
３位相制御巻線は、集中コイルとして設計されている１２個の個別の制御コイル７１１、７２１、７３１を備えている。１２個の制御コイル７１１、７２１、７３１の内、各々、４つの制御コイルが、制御巻線の１つのループを形成している。即ち、４つの制御コイルは、同じ制御位相に属している。各固定子歯２１乃至２１２には、１つの制御コイルが設けられている。参照符号７１１で表してあり、第１の固定子歯２１、第４の固定子歯２４、第７の固定子歯２７および第１０の固定子歯２１０に巻かれている４つの制御コイルは、それぞれ、第１の制御位相のループを形成するように共に接続されている。同様に、参照符号７２１で表してあり、第２の固定子歯２２、第５の固定子歯２５、第８の固定子歯２８および第１１の固定子歯２１１に巻かれている４つの制御コイルは、それぞれ、第２の制御位相のループを形成している。参照符号７３１で表してあり、第３の固定子歯２３、第６の固定子歯２６、第９の固定子歯２９および第１２の固定子歯２１２に巻かれている４つの制御コイルは、それぞれ、第３の制御位相のループを形成している。
【００６５】
駆動巻線における磁極対の数はｐ＝１であり、第２の制御巻線における磁極対の数は、２、即ちｐ＋１である。
位置センサ（図１０に示されていない）は、既に上記において説明した方法と同じように、２つの隣接する固定子歯の間にそれぞれ配置することが好ましい。磁界センサ（図１０に示されていない）は、図２および図３に示した実施例と同様に、Ｘ−Ｙ平面に対して軸線方向に位置をずらし、回転子３の上または下に配置することが好ましい。
【００６６】
各駆動位相および各制御位相を、他の位相から完全に切り離して制御および動作することができるように、駆動巻線および制御巻線の個々のループに供給するための設定装置（図１）を、設計することは、第３の実施例においても自明のことである。この実施例においても、別々の二極電力増幅器４１（図１、図６）を、駆動巻線の３つのループ各々に、および制御巻線の３つのループ各々に対して設けることが好ましく、これによって、駆動巻線の各ループに対する相電流、並びに、制御巻線の各ループに対する相電流（または相電圧）を、他のループに対する相電流（または相電圧）から完全に切り離して調整できる。３つの駆動位相および３つの制御位相をそれぞれ備える耐故障性設計の詳細に関しては、既に引用した２つの欧州特許出願第９９８１０５５３．０号および第９９８１０７６０．１号を参照されたい。
【００６７】
第３の実施例もテンプルモータとして設計可能であることは自明である（図９参照）。
また、本明細書に説明する実施例から逸脱して、制御コイルおよび／または駆動コイルを分散巻の形態で設計することも可能である。
【００６８】
原理的には、ベアリングレス・モータを動作できる制御装置であれば、制御装置５が完全に独立して制御できるように、また個々の駆動位相および個々の制御位相を二極で動作できるように変形されていれば、どのような制御装置でも、制御装置５（図１）としての適合性を有している。
【００６９】
しかしながら、下記において、制御装置５のための、もう１つ別の特に好適な実施例を説明する。この実施例もまた、更に高い耐故障性を特徴とするものである。この参照する実施例においては、駆動装置６が、厳密に２位相で、制御巻線７が、厳密に４位相になるように設計されている。しかしながら、この仮定は、必ずしも必要な仮定ではない。この制御装置は、駆動位相および／または制御位相の数が異なる場合にも、同様に設計することができる。
【００７０】
図１１は、制御装置５の実施例の構造に関する原理を示すブロック図であり、通信接続部、即ち、信号およびデータ転送のための接続部、並びに、供給接続部を、各々、矢印で示してある。制御装置は、２つのほとんど同一な制御システム５ａ、５ｂを備えており、各制御システム５ａ、５ｂは、単独で、他の制御システムから独立して、ベアリングレス・モータ１（同図では、血液ポンプ１０として記号により表示してある）を動作することができる。通常の故障の無い動作状態において、制御システム５ａ、５ｂは両方とも、動作しており、協働してベアリングレス・モータ１の動作を調整する。しかしながら、故障が発生した場合、２つの制御システムは、各々単独で、直ちにベアリングレス・モータの動作を制御および調整する。換言するならば、モータは、２つの制御システム５ａ、５ｂの内、１つの制御システムだけで、駆動および軸支のいずれに関しても、正常に動作することができる。この高い冗長性は、動作の信頼性が大幅に高まることを意味しており、これは、特に血液ポンプにとって、大きな利点となる。
【００７１】
しかしながら、発生する故障によっては、制御システム５ａ、５ｂの一部だけを停止することも可能であり、この事に関しては後述する。
制御システム５ａ、５ｂが両方とも故障した場合でも、ベアリングレス・モータは、短時間の動作において、即ち、少なくとも３ミリ秒の間、重大な故障（例えば、回転子と固定子の物理的な接触）が起きることなく、動作し続けることができる。このシステムには、制御システム５ａ、５ｂが両方とも故障した場合、２つの制御システム５ａ、５ｂの内、少なくとも１つの制御システムを、リセットにより再始動するための時間が十分残っているという利点がある。これは、この種のリセットには、通常、約１ミリ秒の時間だけしか必要でないためである。リセットが少なくとも１つの制御システムに対して正常に行われた場合、正常に動作を続行することができる。
【００７２】
２つの制御システム５ａ、５ｂの内、１つの制御システム（ここでは、制御システム５ａ）をマスタとし、もう１つの制御システム（ここでは、５ｂ）をスレーブとして動作する。各制御システム５ａ、５ｂは、それぞれ、回転子３の半径方向の位置を求めるための二軸測定系８０ａ、８０ｂを各々形成する少なくとも２つの位置センサ８１、８２および８３、８４と、１つの制御システムにつき少なくとも１つの磁界センサ９１、９２を備える回転子角を求めるための手段と、駆動巻線および制御巻線の個々のループに供給するための電力構成要素４ａ、４ｂ内に設けられた少なくとも３つの個別の電力増幅器４１と、センサ信号を処理し、回転子の駆動および位置の調整を行い、電力増幅器４１で、電力構成要素４ａ、４ｂを制御する信号処理および調整装置５０ａ、５０ｂと、の構成要素とを少なくとも備える。各制御システム５ａ、５ｂの電力増幅器４１は、各制御システムが単独で、ベアリングレス・モータを動作できるように、少なくとも１つの駆動位相および少なくとも２つの制御位相を制御している。電力構成要素４ａは、例えば、駆動巻線６のループ６１（図５を参照）および制御巻線７の２つのループ７１、７３（図４および図８を参照）を供給するのに対して、電力構成要素４ｂは、駆動巻線６のループ６２および制御巻線７のループ７２、７４に供給する。従って、各制御システムは、制御巻線のループ７１、７２（図４および図８の上半分に図示されている）の内、１つのループをそれぞれ制御すると共に、制御巻線のループ７３、７４（図４および図８の下半分に図示されている）の内、１つのループをそれぞれ制御する。各制御システム５ａ、５ｂには、２つの電圧、即ち、この実施例においては、安定化した３Ｖの直流電圧（それぞれ３Ｖ＿Ａおよび３Ｖ＿Ｂ）、並びに、１２Ｖの直流電圧（それぞれ１２Ｖ＿Ａおよび１２Ｖ＿Ｂ）が、供給される。
【００７３】
信号処理および調整装置５０ａ、５０ｂは、それぞれ、通常、チップまたは電子プリント基板に実装されるため、以下、ＤＳＰボード（ＤＳＰ：デジタル信号プロセッサ）と略して表す。制御システムの残りの構成要素５ａ、５ｂもまた、特に図１１、１５乃至１８に例示するように、電子プリント基板またはチップの形態で実装されることが好ましい。
【００７４】
両方の制御システム５ａ、５ｂにおいて、個々の構成要素をオフに切り換えることができ、この制御システムによって、動作可能な状態を維持しつつ、様々な故障に対処することができ、このことは、それぞれの故障に対処する上で理想的である。制御装置５が、各々、様々な故障の状態に理想的に対処することができるように、各制御システム５ａ、５ｂは、動作に必要な、また利用可能なプロセスおよびシステムデータ（ソフトウェアなど）を有している。更に、２つの制御システム５ａ、５ｂは、信号を授受することができ、また、パラレルまたはシリアルデータバスを介して、互いに監視およびチェックを行うことができる。
【００７５】
故障の無い通常の動作の間、２つの制御システム５ａ、５ｂは、電力増幅器４１（Ｈブリッジ）の切替サイクルを同期するために互いに同期信号を授受することができ、また、ここで障害が発生しないように、位置センサの励起周波数を互いに授受することができる。故障が発生した場合、同期信号を授受する接続部を直ちに開くことができる。
【００７６】
以下、制御システム５ａ、５ｂの主要な構成要素を詳しく説明する。
図１２は、制御システム５ａ（マスタ）の信号処理および調整装置５０ａ（ＤＳＰボード）を示すブロック回路図である。信号処理および調整装置５０ａは、制御システム５ｂ（スレーブ）の信号処理および調整装置５０ｂとほぼ同じである。従って、同じ説明が制御システム５ｂにも当てはまる。参照符号の末尾の文字“ａ”または“ｂ”は、それぞれ、指定する要素が、マスタ５ａまたは５ｂのいずれに属するかを示している。
【００７７】
ＤＳＰボード５０ａは、回転子３の位置の調整、駆動位相および制御位相に対する相電流の調整、全ての情報の読取りおよび解釈、並びに、種々の構成要素に対して制御信号を送信する役割を担っている。ＤＳＰボード５０ａは、“中枢部”として、処理装置部、即ちデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）５１ａを有する。更に、ＤＳＰボードには、以下の構成要素が設けられている。すなわち、参照符号５２ａを付してありＦＰＧＡ（現場においてプログラム可能なゲートアレイ）として表してあるロジックと、フラッシュメモリ５３ａと、２つのアナログ・デジタル変換器５４（ＡＤＣ）と、クロック発生器５５ａと、線形レギュレータ５６ａと、ウォッチドッグ５７ａと、を設けてある。更に、２つのプロセッサ間接続部５８、５９を、通信手段として設けてあり、この２つのプロセッサ間接続部５８、５９は、各々、ドライバすなわち送受信装置５８１、５９１ａを備えている。供給電圧は、３Ｖおよび１．８Ｖ／３Ｖの銘をそれぞれ付して、小型の矢印によって記号表示されている。
【００７８】
システム全体には、周知のいわゆる経皮的エネルギ伝送システム（ＴＥＴＳ）を介してエネルギが供給される。ダウンロードまたはプログラム変更などのデータもまた、ＴＥＴＳを介して、送信することができる。ＴＥＴＳは、通信インタフェースＫＳを介して、ＤＳＰに接続されている。
【００７９】
ＤＳＰ５１ａ、５１ｂには、例えば、１００ＭＨｚまたは５０ＭＨｚでクロック同期がとられたテキサス・インスツルメンツ社（Ｔｅｘａｓ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）の型式ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２のプロセッサを用いている。このＤＳＰには、２つの供給電圧、即ち３Ｖおよび１．８Ｖ（供給方法に関してはまだ議論していない）が必要である。３Ｖの電圧は、出力ピンに必要であり、一方、１．８Ｖの電圧は、コアユニットへの供給のためのものである。上述のＤＳＰ５１ａ、５１ｂは、二重アクセス能力を有する１６Ｋｘ１６ビットのＲＡＭメモリを有しており、これによって、外部のフラッシュメモリ５３ａ、５３ｂにアクセスすることなく、ＤＳＰ５１ａ、５１ｂ単独で、ベアリングレス・モータのための調整プログラム全体を実行できる。
【００８０】
ＦＰＧＡ５２ａ、５２ｂには、グルーロジックが含まれており、パルス幅変調（ＰＷＭ）を実現する機能があり、このパルス幅変調によって、電力増幅器４１が励起される。ＦＰＧＡ５２ａ、５２ｂには、例えば、非常に小型で必要な空間が狭くて済む）、その上、殆どエネルギを消費しないアクテル社（Ａｃｔｅｌ  Ｃｏｍｐａｎｙ）の４２ＭＸ系を用いている。ＦＰＧＡ５２ａ、５２ｂは、一方では、ＤＳＰ５１ａ、５１ｂがアドレスを復号し監視するために必要とするグルーロジック、並びに、他方において、電力増幅器４１のスイッチングトランジスタＴ（図６を参照）をトリガするためのＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ発生器５２１ａ（図１３を参照）を備えている。
【００８１】
図１３は、ＰＰＧＡ５２ａを示すブロック図であり、マスタ５ａのＦＰＧＡ５２ａの個々のモジュールを示す図である。モジュールａｄｒｅｓｓ＿ｄｅｃｏｄは、ＤＳＰ５１ａのアドレス・バス（矢印“ａｄｄｒ＿ｂｕｓ”）と通信し、ＤＳＰ５１ａによって送信されるアドレスを復号する。モジュールＦＰＧＡ＿ｔｅｓｔは、カウンタであり、同じ制御システム５ａ（信号５ＭＨｚ＿Ａ）のクロック発生器５５ａによってクロック同期がとられる。ＤＳＰ５１ａは、このカウンタを読み出すことができる。このカウンタの値が変わらなくなった場合、ＤＳＰ５１ａは、ＦＰＧＡ５２ａに故障があると判断し、対応する故障モード（後記を参照）に切り換える。モジュールＦＰＧＡ＿ｗａｔｃｈｄｏｇは、ＦＰＧＡ５２ａのための内蔵ウォッチドッグである。このモジュールは、もう１つの制御システム５ｂ（信号５ＭＨｚ＿Ｂ）のクロック発生器５５ｂによってクロック同期がとられるリセット可能なカウンタであり、各ソフトウェアサイクルの間、信号ＤＳＰ＿ａｌｉｖｅによって、リセットされる。信号ＤＳＰ＿ａｌｉｖｅは、同じ制御システム５ａのＤＳＰ５１ａによって生成される。例えば、ＤＳＰが故障したり、ソフトウェアサイクルが正常に進行しないために、この信号ＤＳＰ＿ａｌｉｖｅがない場合、モジュールＦＰＧＡ＿ｗａｔｃｈｄｏｇは、信号ｐｏｗｅｒ＿ｒｅｓｔを生成し、この信号ｐｏｗｅｒ＿ｒｅｓｔは、一方では、モジュールｐｏｗｅｒ＿ｅｎａｂｌｅ（下記を参照）を介して、電力増幅器４１の１２Ｖの供給を一時的にオフに切り換え（Ｄｉｓ＿１２Ｖ）、もう一方では、ＤＳＰ５１ａに対してリセット信号を送信する。リセットが完了した後に、１２Ｖの供給は、元のオンに切り換えられる。リセットが正常に行われた場合、正常な軸支および駆動機能に影響が及ぼないように、全体のリセット工程は、１ミリ秒未満で実行することができる。
【００８２】
モジュールｓｙｓｔ＿ｓｔａｔ＿ｉｎは、ＤＳＰ５１ａによってのみ変更可能な制御ワードである。このワード特定のビットを変更することによって、ＤＳＰは、制御システム５ｂの３Ｖの供給電圧をオフに切り換えることができる（ｄｉｓ＿Ｂ）。更に、モジュールｓｙｓｔ＿ｓｔａｔ＿ｉｎは、各々個別に、それ自体の位相を停止（ｄｉｓ＿Ｃｈ１、２、３）または始動することができる。それ自体の位相とは、モジュールｓｙｓｔ＿ｓｔａｔ＿ｉｎに接続されているモジュールｐｏｗｅｒ＿ｅｎａｂｌｅを介して、制御システム５ａによって制御されている駆動位相および制御位相の個々の電力増幅器４１を意味するものである。モジュールｐｏｗｅｒ＿ｅｎａｂｌｅは、更に、制御システム５ａによって制御されている電力増幅器４１の１２Ｖの供給電圧を完全に停止（ｄｉｓ＿１２Ｖ）することができる。モジュールｓｙｓｔ＿ｓｔａｔ＿ｏｕｔには、様々な情報が含まれており、例を挙げれば、‘電力増幅器（Ｈブリッジ）に、過電流が流れているか否か、および、その結果に対する処理方法（ｏｃ＿ｃｈ１、２、３）’、‘例えば、短絡の結果として、電力増幅器４１の１２Ｖの供給電圧に過電流が流れているか否か（ｏｃ＿ｃｈ１２Ｖ）’、‘制御システム５ａのセンサの励起において、機能故障があるか否か（ｓｅｎｓ＿ｅｒｒ＿Ａ）’、‘もう１つの制御システム５１ｂのＤＳＰ５１が、正常に動作していない、または動作しないことを示す故障（ｗｄｏｇ＿Ｂ）が、制御システム５ｂのウォッチドッグ５７ｂによって報告されているか否か’などの情報がある。モジュールＦＰＧＡ＿ｍｏｎｏｆｌｏｐは、もう１つの制御システム５ｂ（５ＭＨｚ＿Ｂ）のクロック発生器を監視する回路であり、このクロック発生器が動作しているかどうかを表す信号（ｃｌｋＢ＿ａｌｉｖｅ）を生成する。モジュールｓｅｎｓ＿ｓｙｎｃは、２つの制御システム５ａ、５ｂの位置センサ用の励起周波数（５ＭＨｚ＿Ａ、５ＭＨｚ＿Ｂ）の同期をとり、同期がとられた励起周波数（５ｍｈｚ＿ｓｅｎｓ）を出力信号として有する。この励起周波数（５ｍｈｚ＿ｓｅｎｓ）は、モジュールｃｌｋ＿ｄｉｖ＿２において、１６分の１に逓減され、位置センサに対する励起周波数（３１２ｋＨｚ）として供給される。通常の動作状態において、マスタ５ａは、両制御システム５ａ、５ｂの測定系（位置センサおよび磁界センサ）用のクロック信号を供給する。故障（例えば、マスタ５ａのこのクロック信号の欠落）が発生した場合、スレーブ５ｂは、直ちに、スレーブ５ｂ自体のクロック発生器に基づいて動作できなければならない。この機能は、モジュールＦＰＧＡ＿ｍｏｎｏｆｌｏｐの信号ｃｌｋＢ＿ａｌｉｖｅによってトリガを受けるモジュールｓｅｎｓ＿ｓｙｎｃによって引き継がれる。モジュールｃｌｋ＿ｄｉｖ＿１は、その出力部（５０ＭＨｚ＿Ａ）において、ＤＳＰ５１ａに対するクロック信号（５０ＭＨｚまたは１００ＭＨｚクロック周波数）と同じクロック信号を、１０分の１、および、５分の１に逓減し、その出力部において、５ＭＨｚと１０ＭＨｚのクロック信号を制御システム５ａに対して供給する。モジュールｃｓ＿ｇｅｎｅｒａｔｏｒは、ＤＳＰ５１ａが各制御システムとバスを介して通信できるように、各制御システムの回路を駆動するチップ選択発生器である。
【００８３】
ＰＷＭ発生器５２１ａ（モジュールＰＷＭ＿ｇｅｎ）は、１０ＭＨｚのクロック周波数（１０ＭＨｚ＿Ａ）で同期がかけられており、駆動巻線または制御巻線の対応するループに対してそれぞれ正常な相電圧を、各々、印加するために、電力増幅器４１のＨブリッジにおける個々のスイッチングトランジスタＴ（図６を参照）を励起する。各単独の電力増幅器４１に関しては、２つの出力、即ち、説明図（図６）中の上側のスイッチングトランジスタＴにトリガをかける正の出力、および下側のスイッチングトランジスタＴをトリガする負の出力が、ＰＷＭ発生器５２１ａ（ＰＷＭ＿ｃｈｘ＋およびＰＷＭ＿ｃｈｘ−、ここでｘ＝１、２または３）において、備えられる。更に、ＰＷＭ発生器５２１ａには、同期信号（ＰＷＭ＿ｓｙｎｃ）が含まれており、これによって、マスタ５ａおよびスレーブ５ｂの２つのＰＷＭ発生器５２１ａ、５２１ｂが、同期して動作し、互いに相反せずに動作することが保証されている。ＤＳＰ５１ａは、２つの制御位相および駆動位相の相電圧に対する所望の調整値を算出し、これらのデータを、データバス（ｄａｔａ＿ｂｕｓ）を介してＰＷＭ発生器５２１ａに送信する。ＦＰＧＡ５２ａもまた、更に、ＦＰＧＡ５２ａが要求するデータを、このデータバスを介して受信する。
【００８４】
フラッシュメモリ５３ａ、５３ｂは、３Ｖの供給電圧で動作するＣＭＯＳ非揮発性メモリである。ベアリングレス・モータを動作するための全てのプログラムが、その中に記憶されている。このフラッシュメモリ５３ａ、５３ｂの記憶容量は、例えば、合計２５６Ｋ×１６ビットである。フラッシュメモリ５３ａ、５３ｂは、システム全体（制御装置５を含む回転駆動装置１）が再始動される時、ＤＳＰ５１ａ、５１ｂが完全にリセットされた時、或いは、動作中にプログラムの更新が記憶されなければならない時にのみ、必要である。ＤＳＰ５１ａ、５１ｂが新規に始動する場合、或いは、リセットされる場合、ベアリングレス・モータの動作用の全プログラムは、バスを介して、フラッシュメモリ５３ａからＤＳＰ５１ａ、５１ｂの内蔵ＲＡＭメモリへとロードされる。プログラムの更新が動作中に行われる場合、このプログラムの更新は、ＤＳＰ５１ａ、５１ｂが、その内蔵ＲＡＭに記憶されている古いバージョンのプログラムを用いて回転駆動装置１を動作している間に、フラッシュメモリ５３ａ、５４ｂに書き込みが行われる。更新されたプログラムが完全にフラッシュメモリ５３ａ、５３ｂにロードされ、テストおよび確認を行った後、ＤＳＰ５１ａ、５１ｂは、リセット・コマンドを受信し、次に新しいプログラムを、フラッシュメモリ５３ａ、５３ｂからＤＳＰ５１ａ、５１ｂの内蔵ＲＡＭメモリへと引き継ぎ、そのプログラムを用い更に動作を続ける。通常の動作中は、フラッシュメモリは、殆どエネルギを消費しない待機モードとなっている。
【００８５】
それぞれの制御システム５ａ、５ｂに含まれている２つのＡＤＣ５４ａ、５４ｂは、例えば、各々、４チャンネル・アナログ・デジタル変換器である。従って、各制御システム５ａ、５ｂは、各々、同時に２つのアナログ信号を読み取ることが可能であるため、合計８つのアナログ信号を読み取ることができる。
【００８６】
これら８つのアナログ入力の内、３つのアナログ入力は、３つの電力増幅器４１（図６を参照）のＨブリッジにおいて３つの電流測定装置４１１の、３つの相電流に使用され、２つのアナログ入力は、２つの位置センサ８１、８２および８３、８４の２つの位置信号にそれぞれ使用され、２つのアナログ信号は、磁界センサ９１および９２の２つの信号（正弦および余弦）にそれぞれ使用される。残りの入力は、他の目的のために使用される。ＡＤＣ５４ａ、５４ｂは、２つのシリアル接続部を介して、ＤＳＰ５１ａ、５１ｂと通信を行う。このシリアル接続部は、パラレルデータバスから独立しており、また、このパラレルデータバスを介して、２つのＤＳＰ５１ａ、５１ｂは、相互に通信を行うと共に、フラッシュメモリ５３ａ、５３ｂとの通信を行い、また、２つのＤＳＰ５１ａ、５１ｂも、ＦＰＧＡ５２ａ、５２ｂから独立している。
【００８７】
クロック発生器５５ａ、５５ｂは、水晶振動子によって、制御システム５ａ、５ｂのためのクロック周波数を生成する。クロック発生器５５ａ、５５ｂには、例えば、並列共振水晶を用いている。
【００８８】
線形レギュレータ５６ａは、３Ｖの供給電圧から、ＤＳＰ５１ａ、５１ｂのために１．８Ｖの直流電圧を生成する。実際には、ＤＣ−ＤＣコンバータもまた、この用途に適している。実際のところ、ＤＣ−ＤＣコンバータの方が、エネルギ消費量は若干少ないが、線形レギュレータ５６ａより電子プリント基板上にさらに広いスペースが必要である。従って、線形レギュレータの方が好ましい。
【００８９】
ＤＳＰ５１ａ、５１ｂ、並びに、特に２つの３Ｖと８Ｖの電圧の有無は、ウォッチドッグ５７ａ、５７ｂ（例えば、テキサス・インスツルメンツ社の型式ＴＰＳ３３０５−１８）。このウォッチドッグの例としては、ウォッチドッグ５７ａ、５７ｂは、ＤＳＰ５１ａ、５１ｂによって規則的にトリガをかけなければならない。この信号が、到着しなかった場合、所定の時間（例えば、１．６秒）後に、リセットパルスが生成される。通常の動作状態において、２つのＤＳＰ５１ａ、５１ｂは、ウォッチドッグ５７ａ、５７ｂによって、互いに監視することができる。１つのＤＰＳ、例えば、ＤＳＰ５１ａが、予め設定可能な時間の間にウォッチドッグにアクセスせず、リセットにトリガをかけた場合、もう１つのＤＳＰ５１ｂは、この状態を判断し、それに対して対応することができる。故障が、リセット後に無くならず、再び、リセットに至る場合、ＤＳＰ５１ａの供給電圧は、ＤＳＰ５１ｂによって、オフに切り換えられ、これによって、ＤＳＰ５１ａは、停止する。
【００９０】
図１４は、プロセッサ間接続部５８、５９、並びに、ドライバまたは送受信装置５８１、５９１ａ、５９１ｂを示す概略ブロック図である。同図に用いた信号の記号は、既に説明した意味を持っており、信号の名前の末尾にそれぞれ付した文字ＡまたはＢは、それぞれの信号が対応する制御システム５ａまたは５ｂをそれぞれ表している。従って、例えば、ｗｄｏｇ＿Ａは、マスタ５ａのＤＳＰ５１ａを監視するウォッチドッグ５７ａの信号を表しており、一方、ｗｄｏｇ＿Ｂは、スレーブ５ｂのＤＳＰ５１ｂを監視するウォッチドッグ５７ｂの信号を表している。
【００９１】
プロセッサ間接続部５８、５９を介して、２つの制御システム５ａ、５ｂは、互いに通信を行い、相互に監視し、互いに制御を行うが、このプロセッサ間接続部５８、５９は、データ接続部５８（ｉｎｔｅｒ＿ｄａｔａ）および制御接続部５９（ｉｎｔｅｒ＿ｃｏｎｔｒｏｌ）を備えている。２つの制御システムが、故障の無い通常の動作中に、理想的に協働できるためには、また、故障に対して、適切な方法により対応できるためには、各ＤＳＰ５１ａまたは５１ｂには、もう１つのＤＳＰ５１ｂまたは５１ａから、幾つかの情報項目が必要である。例としては、回転子の位置に対する値、回転子角の値、それぞれ他方の制御システムの状態に関する情報、クロックおよび同期信号、ウォッチドッグ５７ａおよび５７ｂのそれぞれの信号、並びに、それぞれ他方の制御システムを停止する可能性、が挙げられる。この場合、データ（回転子の位置の値や回転子角の値等）は、プロセッサ間接続部５８（ｉｎｔｅｒ＿ｄａｔａ）を介して授受され、一方、通信のための制御信号は、プロセッサ間接続部５９（ｉｎｔｅｒ＿ｃｏｎｔｒｏｌ）を介して授受される。これらのプロセッサ間接続部５８、５９は、主に、マスタ５ａのＤＳＰ５１ａのデータ／アドレスバスとスレーブ５ｂのＤＳＰ５１ｂのＨＰＩ（ホスト・ポート・インタフェース）５１２ｂの間の接続部（ｉｎｔｅｒ＿ｃｏｎｔｒｏｌ、ｉｎｔｅｒ＿ｄａｔａ）を介して、実現される。マスタ５ａは、全ての必要な情報を、これらの接続部５８および５９を介して、スレーブ５ｂのＤＳＰ５１ｂのプログラムおよびデータＲＡＭから読み取ることができる。更に、２つの制御システムのＦＰＧＡ５２ａ、５２ｂの間に、接続部５９’を設けてあり、この接続部５９’を介して、２つのＦＰＧＡ５２ａ、５２ｂは、制御信号（ｄｉｓ＿Ａ，Ｂ；ＰＷＭ＿ｓｙｎｃ；５ＭＨｚ＿Ａ，Ｂ；ｗｄｏｇ＿Ａ，Ｂ）を授受する。制御システム５ａまたは５ｂが完全に故障した場合でさえ、信頼性の高い動作が保証されるように、ドライバまたは送受信装置５８１、５９１ａ、５９１ｂの内の１つを、各物理的なプロセッサ間接続部５８、５９、５９’に設けてあり、これによって、制御システム５ａまたは５ｂが完全に故障した場合でも、データ／アドレスバス５１１ａまたはＨＰＩ５１２ｂが遮断されることを防止する。そうでない場合、例えば、２つのＤＳＰの内、１つのＤＳＰのデータバス・ピンまたはアドレスバス・ピンに欠陥があると、このバスの回線は、ある状態（ハイまたはロー）になることがある。更に、直列に接続された抵抗（図示せず）を、各物理的なプロセッサ間接続部５８、５９、５９’に設けてあり、これによって、個々の制御システム５ａ、５ｂの入力および出力は、短絡電流から保護される。
【００９２】
図１５は、電力構成要素４ａ、４ｂの構造を概略的に示す図である。電力構成要素は、図１５に示すように、３つのサブシステム、即ち、各電力増幅器４１ごとに１つのサブシステムを備えている。図１５には、これらのサブシステムの１つだけが詳しく示されている。電力構成要素４ａのサブシステムは、Ｈブリッジ・スイッチング増幅器（図６も参照のこと）として設計された電力増幅器４１を備え、例えば、ここでは、駆動巻線のループ６１（記号により表示）を制御する。スイッチングトランジスタＴには、例えば、低いドレイン・ソース間抵抗ＲDSonを有するＮ−チャンネル電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を用いてある。各々の場合において、２つのＦＥＴは、共通の非常に小さい筐体に配置される。また、ＲDSonノ値が低いため、冷却装置を別途設ける必要はない。
【００９３】
更に、このサブシステムは、スイッチングトランジスタを制御するためのドライバ４２ａを備えている。ドライバ４２ａは、ＰＷＭ信号ＦＰＧＡ＿ＰＷＭによって、制御されており、ＰＷＭ信号ＦＰＧＡ＿ＰＷＭは、対応するＦＰＧＡ５２ａによって生成され、また、電圧レベルは３Ｖである。ドライバ４２ａは、これらの信号を１２Ｖの信号に変換し、これによって、（図に従って）上側と下側のスイッチングトランジスタＴにトリガをかける。更に、ドライバ４２ａは、保護回路を備えており、これによって、下側と上側のＦＥＴが、同時に閉じることを防止する。ドライバ４２ａは、回路４１７を介して、ＦＰＧＡ５２ａから送られる信号ＦＰＧＡ＿ＤＩＳによって、停止することができる。故障が発生した場合、ＦＥＴは、約１００ナノ秒内で、開の状態にすることが可能である。
【００９４】
相電流を求めるための電流測定装置４１１は、例えば、１０乃至５０ミリオームの分流抵抗器４１２と、演算増幅器４１３を備えており、演算増幅器４１３は、分流抵抗器４１２の出力信号を増幅し、その出力信号をＣｕｒｒｅｎｔ＿Ｍｅａｓ信号としてＤＳＰボード５１ａに送信する。分流抵抗器４１２は、ＦＥＴのソースおよび負の動作電位（この実施例においては、１２Ｖの直流電圧の接地電位）の間のＨブリッジに配置され、その大きさが相電流に線形的に依存する信号を出力する。
【００９５】
電力増幅器４ａの各サブシステムは、更に、別の分流抵抗器４１５および別の演算増幅器４１６で構成される過電流安全装置を備える。この演算増幅器４１６の出力部は、回路４１７に接続されており、回路４１７は、ドライバ４２ａをオフに切り換えることができる。過電流安全装置４１４の分流抵抗器４１５は、電力増幅器４１のＨブリッジおよび負の動作電位（ここでは１２Ｖ直流電圧の接地電位）の間に配置されている。分流抵抗器４１５の両端の電圧降下は、演算増幅器において増幅され、予め設定可能なしきい値と比較され、このしきい値から、デジタル出力信号‘Ｏｖｅｒｃｕｒｒｅｎｔ’（過電流）が生成される。許容できない大きな相電流（過電流）が発生した場合、対応するＦＰＧＡ５２ａに信号ＦＰＧＡ＿ＯＣが送られ、ＦＰＧＡ５２ａによって、ドライバ４２ａは、オフに切り換わる。過電流安全装置４１４は、１２Ｖの直流電圧である２つの動作電位間において、Ｈブリッジを介した完全な直流短絡を防止するために十分な速度を有するように設計されている。
【００９６】
各制御システム５ａ、５ｂは、それ自身の、また単独に、完全な二軸測定系８０ａ、８０ｂを有しており、二軸測定系８０ａ、８０ｂは、それぞれ、回転子３の半径方向の位置を求めるための位置センサ８１、８２および８３、８４を有している。図１６は、２つの位置センサ８１および８２を有するこの種の二軸測定系８０ａを示すブロック回路図であり、位置センサ８１および８２は、各々、角度を１８０度ずらして配置されている２つのセンサ要素８１１、８１２および８２１、８２２をそれぞれ備えることが好ましい（上記を参照、特に図２および図７）。回転子系のＸ−Ｙ平面に対する回転子の２つの現位置座標は、以下、単にｘ成分およびｙ成分として表す。この回転子の２つの現位置座標は、各二軸測定系８０ａ、８０ｂによって、それぞれ求めることができる。各軸をｘ軸およびｙ軸として表してある二軸測定系８０ａ、８０ｂは、センサ要素の他に、励起回路８５ａ、８５ｂ、モノフロップ８６ａ、８７ｂ、２つのミキサ８７ａ、８７ｂ、即ち各軸ごとに１つのミキサ、並びに、２つの増幅器８８ａ、８８ｂを備える。
【００９７】
励起回路８５ａには、ＦＰＧＡ５２ａ（図１３を参照）によって生成される３１２ｋＨｚの周波数が供給される。この信号は、励起回路８５ａにおいて増幅され、個々のセンサ要素８１１、８１２、８２１、８２２に供給される。ここでは、センサ要素８１１、８１２、８２１、８２２は、渦電流センサとして設計されている。励起回路８５ａの出力信号は、モノフロップ８６ａによって監視されており、このモノフロップ８６ａは、励起周波数が無くなるとすぐに、エラー信号ｓｅｎｓ＿ｅｒｒを生成し、そのエラー信号ｓｅｎｓ＿ｅｒｒをＦＰＧＡ５２ａに送信する。評価を行うために、ｘ軸用のセンサ要素８１１、８１２の出力信号は、第１のミキサ８７ａに供給され、ｙ軸用の２つのセンサ要素８２１、８２２の出力信号は、第２のミキサ８７ａに供給される。ミキサ８７ａ（例えば、シーメンス社「Ｓｉｅｍｅｎｓ  Ｃｏｍｐａｎｙ」の型式ＰＭＢ２３３１）は、交流信号であるセンサ要素の出力信号を、回転子３の現半径方向位置に応じて、直流信号に変換する。これらの直流信号は、ミキサ８７ａの後段に各々接続されている増幅器８８ａにおいて増幅され、ＡＤＣ５４ａ（図１２）に送信される。センサ要素の励起信号と出力信号の間の位相シフトを補正するために、任意に、オールパスフィルタ８９ａを、位置センサ８１の出力部と、対応するミキサ８７ａの出力部の間、並びに、位置センサ８２の出力部と、対応するミキサ８７ａの入力部の間に、それぞれ挿入することができる。
【００９８】
図１７は、磁界センサ９１または９２を示すブロック回路図であり、この磁界センサ９１または９２で、回転子角が、求められる。各磁界センサ９１、９２は、２つの磁気抵抗ブリッジ９３ａ（例えば、型式ＩＭＯ  ＬＫ１５）を備えており、この磁気抵抗ブリッジ９３ａは、位相が９０度ずれている２つの信号、例えば、正弦信号および余弦信号を生成し、また、磁界の角度および大きさに依存する。それぞれの９３ａの出力信号を増幅し、その出力信号をＡＤＣ５４ａ（図１３を参照）に送信する演算増幅器９４ａは、各ブリッジ９３ａの後段に接続される。
【００９９】
図１８は、制御装置５にエネルギを供給する供給回路５００を示すブロック回路図である。ここで説明する実施例において、制御装置５には、２つの異なる直流電圧、即ち３Ｖおよび１２Ｖの電圧を必要であり、この１２Ｖの電圧は、電力増幅器４１用の正の動作電位となる。３Ｖ供給と１２Ｖ供給用の負の動作電位は、両方とも、接地電位ＧＮＤである。供給回路５００には、３Ｖおよび１２Ｖの入力線が接続されており、各入力線は、２つの制御システムに５ａ、５ｂにそれぞれ供給するために分岐している。２つの制御システム５ａ、５ｂ各々において、この制御システムの１２Ｖの供給である１２Ｖ＿Ａまたは１２Ｖ＿Ｂは、それぞれ、スイッチングトランジスタ５０１ａ、５０１ｂ（例えば、ヴィシェイ社「Ｖｉｓｈａｙ  Ｃｏｍｐａｎｙ」の型式Ｓｉ６９５４）によって、オンまたはオフに切り換えることができる。スイッチングトランジスタ５０１ａ、５０１ｂは、各々、ドライバ５０２ａ、５０２ｂによって、トリガがかけられたり、あるいは切換えが行われる。ドライバ５０２ａ、５０２ｂが、それぞれ信号ｄｉｓ＿１２Ｖ＿Ａまたはｄｉｓ＿１２Ｖ＿Ｂを受信すると直ぐに、ドライバ５０２ａ、５０２ｂは、それぞれスイッチングトランジスタ５１０ａおよび５０１ｂを介して、対応する制御システム５ａおよび５ｂの１２Ｖの供給をそれぞれ遮断する。
【０１００】
各制御システムの３Ｖ供給の３Ｖ＿Ａおよび３Ｖ＿Ｂにおいては、さらに別のドライバ５０４ａ、５０４ｂを、それぞれ設けてあり、ドライバ５０４ａ、５０４ｂは、信号ｄｉｓ＿Ａまたはｄｉｓ＿Ｂがそれぞれ存在する場合、制御システム５ａまたは５ｂの３Ｖ供給をオフに切り換える。それぞれの３Ｖ供給をオフに切り換えるための信号ｄｉｓ＿Ａまたはｄｉｓ＿Ｂは、それぞれ他の制御システムのＦＰＧＡ５２ａ、５２ｂ（図１３）からのみ受信することができる。換言すれば、制御システム５ａのＦＰＧＡ５２ａだけが、制御システム５ｂの３Ｖ供給を遮断すること、即ち、信号ｄｉｓ＿Ｂを生成することができる。また、制御システム５ｂのＦＰＧＡ５２ｂだけが、制御システム５ａの３Ｖ供給を遮断すること、即ち信号ｄｉｓ＿Ｂを生成することができる。
【０１０１】
１２Ｖ供給のためのオン／オフ・ピンは、各々、プルアップ抵抗器５０３ａ、５０３ｂを介して、同じ制御システムの３Ｖ供給部に接続される。これによって、この制御システムのための３Ｖ供給が、オフに切り替わった場合、この制御システム用の１２Ｖ供給も、自動的に追従して、同じようにオフに切替わることが保証されている。しかしながら、一方、１２Ｖ供給は、３Ｖ供給とは無関係に、オフに切り換わることができる。換言すると、１２Ｖ供給が、２つの制御システム５ａ、５ｂの内、１つの制御システムにおいて、停止している間、この制御システムの３Ｖ供給は、維持される。
【０１０２】
１２Ｖ供給のためのオン／オフ・ピンは、更に、対応するＦＰＧＡ５２ａ、５２ｂを介して、過電流安全装置４１４（図１５を参照）に接続されている。
図１９は、ソフトウェアの理論的構造のサイクル、即ち、制御装置５がそれに従って動作するプログラムのフローチャートである。制御システム５ａ、５ｂのソフトウェアの理論的体系は共に同じであり、２つの制御システム５ａ、５ｂは、並行動作を行う。図１９における両方向の矢印は、２つの制御システム５ａおよび５ｂ間におけるデータの授受を示すものである。ステップ２０１（開始）において、２つの制御システム５ａ、５ｂ用のサイクルは、ＰＷＭ発生器５２１ａ、５２１ｂ（図１３）によって生成される割込み信号によって初期化される。開始時間は、電力増幅器４１の切換えが起こらない間隔に存在する。ステップ２０２（位置および磁界の測定）において、回転子の位置の値と回転子角の値が、位置センサおよび磁界センサによって測定される。また、サイクルの開始直後は、ＦＥＴによって妨害が発生しないため、これらの測定値においてはノイズも非常に低い。ステップ２０３（エラー処理ルーチン）は、バックグランドで動作するタスクであり、バックグランドにおいて、各制御システム５ａ、５ｂは、例えば、もう一方の制御システムが所定の時間間隔内に応答するかどうかをテストして、それぞれ他の制御システムをチェック或いは監視する。所定の時間間隔内に応答しない場合、およびもう一方の制御システムがリセットによって回復できない場合は、もう一方の制御システムを、完全にオフに切り替える（図２０、２１、２２およびこの点に関する説明も参照のこと）。ステップ２０４において（位置および磁界の検証）、各制御システム５ａ、５ｂが、もう一方の制御システムとは独立に測定した回転子の位置および／または回転子角の値は、２つの制御システム５ａ、５ｂ間で授受される。マスタ５ａは、スレーブ５ｂの値をチェックし、ずれが発生している可能性がある場合、これらの値の内、どれが正しい値であるかについて、エラールーチンの助けを借りて判断する。適宜、故障補正値が求められる。正常値および故障補正値が、求められた後、故障補正値は、両方の制御システムによって引き継がれ、これによって、両方の制御システムは、回転子の位置および回転子角に対する同一の値を用いて動作する。ステップ２０５（力、トルクの計算）において、各制御システム５ａ、５ｂは、回転子の位置および速度の調整ルーチンを実行し、また、回転子３を固定子２の中心に維持し、回転子３の回転を所望の回転速度に維持するために必要な調節力とトルクを求める。このようにして求められた力およびトルクから、個々の駆動位相および制御位相に対応する相電流が、決定される。ステップ２０６（電流制御装置）において、電力増幅器は、既に測定された相電流が、それぞれの駆動位相または制御位相のループ内に供給するように、励起される。
【０１０３】
通常の動作、即ち故障の無い動作状態において、２つの制御システム５ａ、５ｂは、並行して動作する（高い冗長性）。各制御システム５ａ、５ｂは、各々、その位置および磁界の測定を行い、必要とされる力および必要とされるトルクを算出し、それぞれの値に応じて、それぞれの相電流を制御位相および駆動位相に供給する。上述のように、制御システム５ａ、５ｂは、互いに制御システム５ａ、５ｂを同調するために、制御システム５ａ、５ｂによって求められた各回転子の位置および回転子角の値を授受する。これによって、２つの制御システム５ａ、５ｂが、互いに相反して動作しないことが保証される。
【０１０４】
次に、２つの制御システム５ａまたは５ｂの内、１つの制御システムに故障が発生した場合、異なる故障モードが提供され、この故障モードにおいて、正常な磁気軸支または回転子の正常な駆動が危険にさらされることなく、ベアリングレス・モータ１は、動作することができる。以下、制御システム５ａを例にとって、幾つかの故障モードに関して説明する。制御システム５ｂにおいて、同じ故障が発生する場合に対して、各々対応する故障モードを設けることは自明のことである。故障モードの名称における文字Ａは、制御システム５ａに付いて述べているということを表している。
【０１０５】
位置センサ８１、８２を備える二軸測定系８０ａに故障があると、故障モード１（Ａ）が立ち上がる。次に、この測定系は、完全にオフに切り替わり、制御システム５ｂによって測定された位置の値だけが、両方の制御システム５ａ、５ｂに用いられる。
【０１０６】
１つの軸においてのみ、即ち２軸測定系８０ａのｘ軸またはｙ軸に故障がある場合、故障モード１（Ａｘ）および１（Ａｙ）が立ち上がる。その結果、ｘ軸またはｙ軸の内、１つの軸のみがオフに切り替わり、正常な状態にある軸によって測定された位置の値は、回転子の位置を求めるために引き続き使用される。
【０１０７】
制御システム５ａの磁界センサ９１が、故障が発生した状態で動作している場合、故障モード２（Ａ）が立ち上がり、磁界センサ９１は、オフに切り替わる。このモードでは、回転子角の測定は、制御システム５ｂの磁界センサ９２によってのみ行われる。
【０１０８】
故障モード３（Ａ）は、制御システム５ａの１２Ｖ供給が、完全にオフに切り替わっていることを意味するものである。このモードでは、制御システム５ａの３つの電力増幅器は全て停止しており、ベアリングレス・モータ１は、制御システム５ｂによって制御されている駆動位相および制御位相によってのみ動作する。ＤＳＰ５１ａ、位置センサ８１、８２および制御システム５ａの磁界センサ９１は、この故障モード３（Ａ）においても動作する。
【０１０９】
制御システム５ａの唯１つのみの電力増幅器４１、若しくは２つの電力増幅器４１において故障が発生した場合、または、制御システム５ａによって制御される１つの駆動位相と制御位相若しくは２つの駆動位相と制御位相において、故障が発生した場合、それぞれの故障のある電気的位相のみ、オフに切り替わる。この種類の故障は、例えば、駆動コイルまたは制御コイルいずれか１つの断線または短絡である可能性がある。これらが発生した場合，６つの故障モード３（Ａ１）、３（Ａ２）、３（Ａ３）、３（Ａ１、２）、３（Ａ１、３）、３（Ａ１，３）が設けられている。括弧内の数字は、それぞれの故障モードにおいて、どの位相が、オフに切り替わっているかを表す。この実施例において、数字１は、駆動位相を表し、数字２および３は、制御位相を表す。従って、例えば、故障モード３（Ａ１、３）は、駆動位相（１）、および２つの制御位相の内、１つの制御位相（３）がオフに切り替わり、他の制御位相（２）が動作中であることを意味するものである。
【０１１０】
故障モード４（Ａ）においては、制御システム５ａ全体がオフに切り替わる。ベアリングレス・モータ１は、制御システム５ｂおよびこの制御システム５ｂによって制御される３つの位相によって動作する。
【０１１１】
図２０、２１および２２は、ソフトウェアサイクル（図１９を参照）のステップ２０３において実行されるルーチンと同じように、故障検出ルーチンの可能性のある流れを示すフローチャート全体の図である。しかしながら、個々のチェックの順序は、単に例証として理解されたい。再び、制御システム５ａを参照する。制御システム５ｂ用のルーチンは、同様な外観を有する。
【０１１２】
通常の動作状態１００（図２０）から開始し、ステップ１０１において、プロセッサ間接続部５８、５９が、チェックされる。制御システム５ｂが応答しない場合、ステップ１０２において、制御システム５ｂのウォッチドッグ５７ｂが、サンプリングされる。ウォッチドッグ５７ｂがゼロの場合、ステップ１０３において、制御システム５ｂの３Ｖ供給は、オフに切り替わり、ステップ１０３’において、故障モード４（Ｂ）が選択される。ウォッチドッグ５７ｂが、ゼロでない場合、即ち、プロセッサ間接続部が正常である場合、ステップ１０４からステップ１０６において、過電流がチェックされる。過電流が、３Ｖ供給に流れた場合（ステップ１０４；過電流３Ｖか）、ステップ１０４’において、３Ｖ供給が、オフに切り替わり、ステップ１０４”において、故障モード４（Ａ）が選択される。過電流が、１２Ｖ供給に流れた場合（ステップ１０５；ｏｃ１２Ｖか）、ステップ１０５’において、３つの電力増幅器４１全てが、オフに切り換わり、ステップ１０５”において、故障モード３（Ａ）が選択される。過電流（ｏｃ）が、３つの位相ｃｈ＿ｘ，ｃｈ＿ｙ，ｃｈ＿ｄ（ステップ１０６）の内、１つの位相に流れた場合、ステップ１０６’において、対応する電力増幅器４１（Ｈブリッジ）がオフに切り替わり、ステップ１０６”において、関連する故障モードが選択される。ステップ１０７において、個々の相電流の確からしさ（ｃｈ＿ｄ、ｃｈ＿ｘおよびｃｈ＿ｙのチェック電流）がチェックされる。３つの位相の内、１つの位相において、このチェックの論理が、否となった場合、ステップ１０６’（上記を参照）からルーチンが継続する。ステップ１０８（図２１）において、二軸測定系８０ａ、８０ｂからの故障信号ｓｅｎ＿ｅｒｒの有無がチェックされる。故障信号ｓｅｎ＿ｅｒｒが存在する場合、故障モードは、ステップ１０８’において、故障モード１（Ａ）に変更される。故障信号ｓｅｎ＿ｅｒｒが存在しない場合、ステップ１０９において、位置センサの値が、所定の範囲を超えていないかどうかチェックされる（ｐｏｓ＿ｓｅｎ＿ｃｈｅｃｋ；範囲を越えたか）。位置センサの値が所定の範囲を超えている場合、ステップ１０９’において、故障モード１（Ａｘ）または１（Ａｙ）に変更される。ステップ１１０において、磁界センサ９１がチェックされる（ｆｉｅｌｄ＿ｓｅｎｓ＿ｃｈｅｃｋ）。二乗平均平方根（ＲＭＳ）値が、所定の範囲外の値である場合（ステップ１１０’、ｆｉｅｌｄ＿ＲＭＳ範囲外か）、あるいは、ゼロである場合（ステップ１１０’’、ｆｉｅｌｄ＿ＲＭＳ＝０か）、故障モード２（Ａ）が、ステップ１１０’’’において選択される。ステップ１１０’’’’において、磁界センサの信号の成分が、両方ともチェックされ、その平均がゼロ以外であるか否かが、チェックされる（磁界ｘｙ平均がゼロではないか）。その値がゼロ以外である場合、ステップ１１１において、磁界センサ９１の較正（オンライン軸合わせ）が行われる。ステップ１１２において、ＦＰＧＡ５２ａがチェックされる（ＦＰＧＡ＿ｔｅｓｔ）。このプロセス中に故障が検出された場合、故障モードは、ステップ１１２’において、故障モード３（Ａ）に変更される。ステップ１１３（図２２）において、フラッシュメモリ５３ａがチェックされる（ｆｌａｓｈ＿ｔｅｓｔ）。フラッシュメモリが応答しない場合、または、フラッシュメモリを回復することができない場合、ステップ１１４において、制御システム５ａは再始動不能であるが、通常の動作状態は、維持することができると登録される。ステップ１１５において、ＡＤＣ５４ａがチェックされる（ＡＤＣ＿ｔｅｓｔ）。このチェックにおいて、故障が検出された場合、ステップ１１６において、２つのＡＤＣ５４ａの内、どちらのＡＤＣに故障があるかチェックされ、それに応じて、故障モードは、ステップ１１６’または１１６’’において、故障モード３（Ａ１、２）または３（Ａ１、３）に変更される。最後に、ステップ１１７において、ソフトウェアがチェックされる（ソフトウェアデッドロック）。個々のソフトウェアモジュールの処理時間が（例えば、ソフトウェアのハングアップによって）本来の時間より長くかかる場合、ウォッチドッグは、駆動されずに、これによりリセットされる。もう１つの制御システム５ｂは、リセットを監視し、故障が繰り返し発生した後、制御システム５ａをオフに切り換える。このチェックにおいて、故障が発生した場合、ステップ１１８において、制御システム５ａの全ての電力増幅器（Ｈブリッジ）が、オフに切り換えられ、ステップ１１８’において、故障モードが、故障モード４（Ａ）に切り替えられ、もう１つの制御システム５ｂが、制御システム５ａを全て停止させる。全てのチェックの結果が、肯定、即ち故障が無い場合、通常の動作状態が、続行される（ステップ１１９）。
【０１１３】
これら各種の故障モードによって、数々の異なる種類の故障に対して、理想的に適応した方法により、極めて柔軟に対応することが可能である。以下、異なる故障が、どのように検出され、また、どのように除去されるかに関して、包括的な一覧表および表形式で表す。これに関して、再度制御システム５ａのみを参照するが、当然の事ながら、この説明は、もう１つの制御システム５ｂにも同様に当てはまる。表の一番目の列には、各々、見出し番号を付してあり、二番目の列には、故障を示してあり、三番目の列には、故障がどのように、または、どの要素で検出可能であるか、を示してある。四番目の列には、故障に対する対処方法、および、然るべき場合、どの故障モードが使用されるか、を示してある。故障モードは、表中、ＦＭと略記する。プロセッサ間接続部は、ＩＰＶと略記してある。
【０１１４】
【表１】
0004484320.tif 000002
【０１１５】
【表２】
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【０１１６】
【表３】
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【０１１７】
【表４】
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【０１１８】
【表５】
0004484320.tif 000006
表中の“限界値の信号”は、関連する信号が、その最大値または最小値を取ることを意味する。“ＤＳＰにおけるセンサチェック”は、例えば、位置センサの値が所定の範囲内にあるか否かをチェックするステップ１０９（図２０、２１、２２）において、実行されるチェックを含んでいる。しかしながら、センサチェックは、また、他の手段も含むことができる。即ち、制御システム５ａの２つの位置センサ８１、８２は、各々、位置を１８０度ずらして配置されている２つのセンサ要素８１１、８１２および８２１、８２２をそれぞれ備えているため（上述）、その差異を用いて、システマティックな故障（オフセット、温度の影響、劣化の影響）を検出および補正（較正）することができる。また、個々の位置センサまたはセンサ要素の信号を、互換性があるかどうか、それぞれチェックすることも可能である。例としては、各一対の信号から、三番目の信号を算出し、対応する測定される信号と比較（３つの信号の内、２つの信号のチェック）する方法が挙げられる。この方法によって、故障のあるセンサ要素を割り出すことができる。更に、２つの制御システム５ａおよび５ｂによって独立に測定された位置の値を互いに比較することによって、故障の検出を行うことが可能である。Ｘ−Ｙ平面において、回転子３の２つの座標に対する独立な合計４つの位置座標値を、２つの制御システム５ａ、５ｂから得ているため、この過剰算出系の方程式（４つの方程式、２つの未知数）に基づき、位置の値の１つが誤りであるか否かを判別することができる。誤りがある場合、どの値が誤っているかを判別することが可能である。また、同様に、２つの独立した磁界センサの値にも当てはまる。これらもまた、４つの方程式と２つの未知数を有する方程式の系を形成する。
【０１１９】
更に、本発明によって、本発明に基づく回転駆動装置を備える血液ポンプが提案され、特に、この血液ポンプは、体内への埋め込みに適している。図２３は、本発明に基づく血液ポンプの好適な実施例を極めて概略的な断面図において示しており、ポンプの全体は、参照符号１０で表してあり、遠心ポンプとして設計されている。
【０１２０】
本発明に基づく固定子２および回転子３を備える回転駆動装置は、各々、８つの“Ｌ”形状の固定子歯を有するテンプルモータ（図９を参照）として設計されることが好ましく、その内の２つ、即ち２１および２５で表してある固定子歯だけが、図２３において見ることができる。固定子歯２１、２５は、互いに環状の鉄ヨーク２０を介して、磁気的に結合されている。駆動巻線および制御巻線の個別の駆動コイル６１１、６２１および個別の制御コイル７１１、７２１、７３１、７４１は、上述したように、固定子歯２１、２５の長いリムにそれぞれ配置されている。この実施例では、図２に示すように、４つの集中駆動コイル６１１、６２１を設けてあり、これらは、互いに接続され、図５に示すように駆動巻線の２つのループ６１、６２を形成している。図２３に基づく実施例において、図２に示す実施例と同じように、８つの集中制御コイル７１１、７１２、７３１、７４１、即ち各固定子歯に１つずつの集中制御コイルを設けるか、若しくは、図７に示す実施例と同じように、１６個の集中制御コイル７１１、７１２、７１３、７１４、即ち各固定子歯に２つの集中制御コイルを設けてある。１６個の集中制御コイルを設ける場合、同じ固定子歯に設けられた２つの制御コイルは、既に説明したように、各々、重ねて巻かれることが好ましい。８つの制御コイルまたは１６個の制御コイルは、それぞれ、図４または図８に示す実施例と同じように接続され、それぞれ，制御巻線の４つのループ７１乃至７４を形成することが好ましい。従って、この実施例における血液ポンプ１０の回転駆動装置は、２つの駆動位相および４つの制御位相を有する。
【０１２１】
永久磁気リング３１および鉄ヨーク３２を備える永久磁気により励磁される回転子３は、更に、ケース３３（好ましくはプラスチック製）および血液を給送するための複数の羽根３４を有する。換言すると、回転駆動装置の回転子３は、ポンプの回転子としても機能する。このように、いわゆる一体型回転子が形成されている。回転子３は、動作中、磁気によって固定子２中において軸支され、回転軸Ａの回りを回転するように、固定子２によって駆動される。
【０１２２】
回転子３は、血液を給送するための吸入口１２を有するポンプハウジング１１の中に配置されている。血液は、図中、参照符号無しで矢印によって示すが、動作中、血液は吸入口１２を通って軸方向へ流出し、回転子３の方向に向かう。そこで、血液は、羽根３４によって半径方向に向きを変えられ、排出路１３に給送され、図２３には図示されていない排出口に排出される。矢印で示すように、血液の一部は、回転子３を通って全て軸方向に流入し、これによって、図中の回転子３の下方で流体力学的な軸支体が生じ、磁気軸支が実現される。
【０１２３】
血液ポンプ１０の動作は、既に詳述した２つの個別の制御システム５ａ、５ｂを備える制御装置５によって、調整および制御されることが好ましい。可能な限り小型化するための設計に関しては、制御システム５ａ、５ｂは、各々、複数の電子プリント基板またはチップの形態で実現されており、少なくともその一部分は、回転駆動装置の内側に配置されている。図２３で示すように、電力増幅器４１を備える電力構成要素４ａ、４ｂを有するこれらの電子プリント基板は、図中、固定子歯２１、２５によって囲まれ、固定子の下方にある空間の回転駆動装置の内側に配置されることが好ましい。利用可能な空間を理想的に活用でき、且つ、非常に小型の構造であるという利点に加えて、この方法には、個々の電力増幅器４１を、各々直接接続可能、即ちケーブルを用いずに、関連する駆動コイルおよび制御コイルに、それぞれ接続可能である利点がある。この方法によって、回転駆動装置からその外側へ配線されるべきケーブルまたはケーブル線の数を、それぞれ、最小限に抑えている。このことは、動作の安定性が大幅に高まることを意味している。なぜならば、経験的に、ドロップアウトの割合を悪化させる最大の要因はケーブル接続であるためである。ここで、ケーブルの接続数を減らすことにより、更に、全てのケーブルを冗長にして、耐故障性を更に高める設計にすることも可能である。
【０１２４】
図示するように、ＤＳＰボード５０ａ、５０ｂは、固定子２の下方に直接配置することが好ましい。
更に有利な方法は、位置センサ８１、８２および８３、８４各々に、評価モジュール８を設けることであり、この評価モジュールは、それぞれ、環状の電子プリント基板として設計され、電子プリント基板に設けられた構成要素（特に、位置センサ）が、固定子２１、２５の間の自由空間に配置されるように、固定子２１、２１の短いリム上に配置されている。図２３に示すように、評価モジュール８は、固定子歯２１、２５の短いリムと、ポンプハウジング１１の間に配置される。評価モジュール８は、例えば、図１６に示すように、それぞれ構成または装着され、二軸測定系８０ａ、８０ｂの両方を備えることが好ましい。
【０１２５】
更に有利な方法は、個々の電子プリント基板を互いにフレックスプリントを介して、接続することである。堅固な、即ち、かなり硬質な電子プリント基板、およびフレキシブル接続プリント基板を用いて、いわゆるリジッドフレックス複合体を形成し、１ユニットとして製造、装着および試験を行うことができる。
【０１２６】
血液ポンプ１０は、その極めて高い動作の信頼性、その高い耐故障性によって、特徴付けられ、これによって、血液ポンプは、回転子３の駆動および磁気軸支の両方に関して、正常な動作を危険にさらすことなく、数多くの異なる性質の故障に対応することができる。更に、高い効率を有していながら、同時に、このポンプは、非常に小型であること、省スペース設計であること、利用可能な空間を最大限有効活用すること、且つ、エネルギの消費量が比較的少ないことによって特徴付けられるものである。
【０１２７】
【発明の効果】
上述したように、本発明によるベアリングレスモータとして設計される電気式回転駆動装置においては、各駆動位相および各制御位相は、他の電気的な位相とは無関係に動作することができる。従って、駆動位相および／または制御位相に故障が発生した場合（例えば、位相の全てに故障が発生した場合）、回転駆動装置は、駆動位相および／または制御位相の数がそれぞれ減った状態で、更に、回転駆動装置の回転子における磁気軸支の正常な機能、或いは駆動の正常な機能を失うことなく、動作し続けることができる。例えば、電力増幅器が故障したり、駆動巻線または制御巻線の１つのループにおいてそれぞれ断線が生じたり、電源増幅器、駆動装置の巻線ループまたは制御巻線において短絡が生じても、引き続き確実に動作することが可能である。本発明に基づく回転駆動装置は、このように耐故障性が高いため、動作の信頼性が飛躍的に向上する。
【０１２８】
また、永久磁気による励磁によって、エネルギ消費量を大幅に低減でき、非常に経済的な動作を行うことが可能となる。このことは、特に埋め込み式血液ポンプにとっては、非常に有利である。
【０１２９】
さらに、固定子歯の数、並びに、駆動巻線および制御巻線のコイル数を減らすことによって、装置のコストおよび複雑さ、並びに、ベアリングレス・モータの複雑さおよび大きさを低減することができる。同時に、１つの駆動位相の故障、および、少なくとも１つの制御位相の故障に対する耐故障性も維持される。
【０１３０】
さらに、故障が発生した場合、２つの制御システムの内、１つの制御システムによって、動作が瞬時に引き継がれ、確実に動作を行うことが可能となる。この高い冗長性によって、耐故障性および動作の信頼性を飛躍的に高めることができる。
【０１３１】
特に、血液ポンプに関して、本発明により、非常に小型で且つ省スペース型のベアリングレス・モータを設計することができる。
また、プリント基板を用いて、直接ケーブルを用いずに接続されるため、配線されるケーブルの数を、最小限に抑えることができ、これによって、更に高い信頼性が実現される。また、個々のプリント基板を、可撓性接続プリント基板を介して、互いに接続することによって、１ユニットとして製造、装着および試験を行うことができる。本発明に基づく電気式回転駆動装置を備える血液ポンプは、耐故障性が非常に高く、極めて信頼性が高く、小型で、更に、高性能、且つ、エネルギ消費の点において経済的である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に基づく回転駆動装置の第１の実施例を示す概略図である。
【図２】  第１の実施例の固定子および回転子を示す平面図（回転子の断面）である。
【図３】  図２の線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿って切断した図２の回転子を示す断面図である。
【図４】  制御コイルの配置および接続構成を示す概略図である。
【図５】  駆動コイルの配置および接続構成を示す概略図である。
【図６】  二極電力増幅器の実施例を示す図である。
【図７】  第１の実施例の変形態様による固定子を示す平面図である。
【図８】  図４と同様であり、図７に基づく変形態様を示す概略図である。
【図９】  本発明に基づきテンプルモータとして設計された回転駆動装置の第２の実施例を示す部分断面斜視図である。
【図１０】  回転駆動装置の第３の実施例に関する固定子および回転子を示す平面図（回転子の断面）である。
【図１１】  制御装置の実施例を示すブロック図である。
【図１２】  図１１に基づく制御装置の信号処理および調整装置を示すブロック回路図である。
【図１３】  ＦＰＧＡロジックを示すブロック図である。
【図１４】  プロセッサ間接続部を示すブロック図である。
【図１５】  電源構成要素を示すブロック図である。
【図１６】  二軸測定システムを示すブロック図である。
【図１７】  磁界センサを示すブロック図である。
【図１８】  供給回路を示すブロック図である。
【図１９】  ソフトウェアのサイクルを示すフローチャートである。
【図２０】  故障検出ルーチンを示すフローチャートである。
【図２１】  故障検出ルーチンを示すフローチャートである。
【図２２】  故障検出ルーチンを示すフローチャートである。
【図２３】  本発明に基づく血液ポンプの実施例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
２…固定子、３…回転子、４…設定装置、６…駆動巻線、７…制御巻線、６１、６２…ループ、７１〜７４…ループ。
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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