(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシング内に回転体を有し、該回転体の回転によって血液を排出するポンプ部と、
前記回転体を支持する支持部と、
前記回転体を回転駆動させるモータ部と、
電源電圧によって駆動され、モータ電流指令値に従って前記モータ部に電流を供給し、前記モータ部を回転駆動させるコントローラとを備え、
前記コントローラは、
前記電源電圧と前記モータ電流指令値を受け、前記電源電圧の変動によって前記モータ部の回転数が変化しないように、前記電源電圧の変動に応じて前記モータ電流指令値を調整する指令値調整部と、
前記電源電圧によって駆動され、前記指令値調整部によって調整された前記モータ電流指令値に従って、前記モータ部に電流を供給する電流供給部とを含むことを特徴とする、血液ポンプ装置。
【請求項２】
さらに、交流電圧を第１の直流電圧に変換する交流／直流変換器と、
第２の直流電圧を出力するバッテリと、
前記第１または第２の直流電圧を選択し、選択した前記第１または第２の直流電圧を前記電源電圧として前記コントローラに与える切換回路とを備えたことを特徴とする、請求項１に記載の血液ポンプ装置。
【請求項３】
さらに、交流電圧を第１の直流電圧に変換する交流／直流変換器と、
第２の直流電圧を出力するバッテリと、
前記第１または第２の直流電圧を選択する切換回路と、
前記切換回路によって選択された前記第１または第２の直流電圧を第３の直流電圧に変換し、前記第３の直流電圧を前記電源電圧として前記コントローラに与える直流／直流変換器とを備えたことを特徴とする、請求項１に記載の血液ポンプ装置。
【請求項４】
前記支持部は前記回転体と磁気力により非接触に結合し、
さらに、前記回転体の浮上位置を検出する位置検出部と、
前記位置検出部の検出結果に基づいて前記回転体を非接触で支持する制御式磁気軸受とを備えたことを特徴とする、請求項１から請求項３までのいずれかに記載の血液ポンプ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は血液ポンプ装置に関し、特に、インペラを磁気浮上させて血液を排出する磁気浮上型の血液ポンプ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図７は従来の磁気浮上型血液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、磁気浮上型血液ポンプ装置１００は、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とがそれぞれ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血液が流入する流入口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の周りに所定の間隔で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血液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。
【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、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に示した磁気浮上型血液ポンプ装置１００は人工心臓の血液ポンプ装置として用いられる。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。血液ポンプ装置においては、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】
しかし、磁気浮上型血液ポンプ装置においては、たとえモータ電流一定モードであっても電源電圧が変動すると、図８に示すように電源電圧の上昇に伴って回転数も上昇するなど、電源電圧の変動により回転数も変動してしまう。血液ポンプ装置の電源としては商用の交流電圧を直流電圧に整流した直流電圧と、バッテリからの直流電圧とを切換えて供給されるようになっている。整流した直流電圧は安定化回路などによって定格電圧が出力されるが、バッテリは定格電圧がたとえ１２Ｖであっても満充電時にはそれ以上の電圧、たとえば１５Ｖが出力されるので、整流した直流電圧からバッテリの直流電圧に切換えると、磁気浮上型血液ポンプ装置の回転数が著しく変化してしまい、ポンプの負荷系に過負荷を与えてしまって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、モータ電流一定モードにおいて電源電圧が変動しても回転数の変化を少なくできる血液ポンプ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】
この発明に係る血液ポンプ装置は、ケーシング内に回転体を有し、該回転体の回転によって血液を排出するポンプ部と、回転体を支持する支持部と、回転体を回転駆動させるモータ部と、電源電圧によって駆動され、モータ電流指令値に従ってモータ部に電流を供給し、モータ部を回転駆動させるコントローラとを備え、コントローラは、電源電圧とモータ電流指令値を受け、電源電圧の変動によってモータ部の回転数が変化しないように、電源電圧の変動に応じてモータ電流指令値を調整する指令値調整部と、電源電圧によって駆動され、指令値調整部によって調整されたモータ電流指令値に従って、モータ部に電流を供給する電流供給部とを含むことを特徴とする。したがって、電源電圧の変動によるトラブルの発生を未然に防止できる。
【００１１】
好ましくは、さらに、交流電圧を第１の直流電圧に変換する交流／直流変換器と、第２の直流電圧を出力するバッテリと、第１または第２の直流電圧を選択し、選択した第１または第２の直流電圧を電源電圧としてコントローラに与える切換回路とを備えたことを特徴とする。
【００１２】
また好ましくは、さらに、交流電圧を第１の直流電圧に変換する交流／直流変換器と、第２の直流電圧を出力するバッテリと、第１または第２の直流電圧を選択する切換回路と、切換回路によって選択された第１または第２の直流電圧を第３の直流電圧に変換し、第３の直流電圧を電源電圧としてコントローラに与える直流／直流変換器とを備えたことを特徴とする。
【００１３】
また好ましくは、支持部は回転体と磁気力により非接触に結合し、さらに、回転体の浮上位置を検出する位置検出部と、位置検出部の検出結果に基づいて回転体を非接触で支持する制御式磁気軸受とを備えたことを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の一実施形態の血液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。
【００１５】
図１において、血液ポンプ装置は、ケーシング１が隔壁１１と１２と１３と１４とによって軸方向に区切られ、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。
【００１６】
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から流入した血液を図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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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内の血液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内の血液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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
図４はこの発明の一実施形態の血液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り、図５および図６は図４に示したパワーアンプに電源電圧を供給する電源回路を示す図である。
【００３０】
この発明が適用される血液ポンプ装置は、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、電流とモータ電流指令値との関係を演算することによって、電源電圧が変動しても同じ回転数で回転するようにモータ電流指令値を制御する。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。
【００３１】
図４において、コントローラ５０はモータ制御回路５１とパワーアンプ５２とオペアンプＯＰ１と抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３を含む。パワーアンプ５２は図１に示したモータ部４０を駆動するものであり、モータ制御回路５１から与えられる制御信号に応じてモータステータ４７に所定の直流電流を供給する。
【００３２】
パワーアンプ５２には図５または図６に示す電源回路から直流電圧が供給される。図５に示した例は、商用の交流電圧をＡＣ／ＤＣ電源６１によって直流電圧に変換し、より好ましくは安定化した直流電圧を出力し、この直流電圧はスイッチ６３のａ接点に与えられ、バッテリ６２からの直流電圧がスイッチ６３の接点ｂに与えられる。そして、スイッチ６３を切換えることにより接点ｃから直流電圧が出力されてパワーアンプ５２に供給される。
【００３３】
図６に示した例は、ＡＣ／ＤＣ電源６１から出力された直流電圧と、バッテリ６２からの直流電圧とがスイッチ６３で切換えられ、さらにインバータ電源のようなＤＣ／ＤＣ電源６４により直流電圧が昇圧あるいは降圧されてパワーアンプ５２に供給される。このようなＤＣ／ＤＣ電源６４を用いた場合にもバッテリ６２の充電電圧が変動したとき出力される直流電圧も変動することが考えられる。
【００３４】
モータ電流指令値はオペアンプＯＰ１の非反転端子に入力され、反転端子には抵抗Ｒ１を介して直流電圧が与えられる。また、オペアンプＯＰ１の反転端子にはパワーアンプ５２からフイードバック信号が抵抗Ｒ２を介して与えられるとともにオペアンプＯＰ１の出力信号が抵抗Ｒ３を介して与えられる。オペアンプＯＰ１の出力信号はモータ制御回路５１に与えられる。
【００３５】
次に、この発明の一実施形態の具体的な動作について説明する。たとえば、図５に示すＡＣ／ＤＣ電源６１から直流１２Ｖの電圧がパワーアンプ５２に供給されていて、モータ電流指令値が１Ａに設定されていて、モータが１５００ｒｐｍの回転数で回転しているものとする。
【００３６】
ここで、スイッチ６３でバッテリ６２からの直流電圧に切換えたとき、バッテリ６２が満充電状態で直流電圧がたとえば１５Ｖになっていると、パワーアンプ５２はモータの回転数を上げるように作用する。しかし、直流電圧は抵抗Ｒ１を介してオペアンプＯＰ１の反転端子に入力されているので、オペアンプＯＰ１は直流電圧が１２Ｖから１５Ｖに上昇したことに伴い、その反転端子の電位も上昇するので、その出力信号であるモータ電流指令値のレベルを下げるように作用する。そのモータ電流指令値に基づいてモータ制御回路５１がモータを回転制御するのでモータの回転数も下がる。
【００３７】
逆に、直流電圧が定格電圧よりも低くなると、モータ電流指令値が一定であれば、モータの回転数が低下する。しかし、オペアンプＯＰ１の反転端子の電位も低下するので、オペアンプＯＰ１はその出力信号のレベルを上げるように作用する。その結果、モータ電流指令値よりもオペアンプＯＰ１の出力信号レベルが大きくなり、モータ制御回路５１はそのモータ指令値に基づいて、モータの回転数を上昇させる。
【００３８】
したがって、この実施形態に従えば、直流電圧が定格電圧よりも上昇あるいは低下してもモータ電流指令値を下げる、あるいは上げるように動作することにより、直流電圧の変動によるモータ回転数の変動を少なくできる。
【００３９】
なお、上述の実施形態では、この発明を磁気浮上型血液ポンプ装置に適用した例について説明したが、これに限ることなく、モータ電流指令値によってモータの回転数が一定となるように制御される血液ポンプ装置であれば、どのようなものにもこの発明を適用できる。
【００４０】
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。
【００４１】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、回転駆動部に一定電流を供給することにより、回転体を回転させる電流一定制御のモードにおいて、電源電圧が変動しても回転数の変動をなくすように制御することにより、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。
【００４２】
より好ましくは、電源電圧の変動に伴ってモータ電流指令値を調整することにより、回転数を一定にする。
【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】  この発明の血液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に示したパワーアンプに直流電源を供給する電源装置の一例を示す図である。
【図６】  図４に示したパワーアンプに直流電源を供給する電源装置の他の例を示す図である。
【図７】  従来の磁気浮上型血液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。
【図８】  図７に示したモータ部の電源電圧とモータ回転数との関係を示す図である。
【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、５１  モータ制御回路、５２  パワーアンプ、６１  ＡＣ／ＤＣ電源、６２  バッテリ、６３  切換スイッチ、６４  ＤＣ／ＤＣ電源。
【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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