JP2002315824A

JP2002315824A - 人工心臓用回転ポンプ

Info

Publication number: JP2002315824A
Application number: JP2001124390A
Authority: JP
Inventors: Takashi Yamane; 隆志山根; Minoru Takeda; 稔武田
Original assignee: Koyo Seiko Co Ltd; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: Koyo Seiko Co Ltd; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2001-04-23
Filing date: 2001-04-23
Publication date: 2002-10-29

Abstract

(57)【要約】【課題】半永久的な耐久寿命の達成し、また、血液の
凝固を防止するとともに、特別な制御系を必要とせず、
フェールセーフ性に優れた人工心臓用回転ポンプを提供
する。【解決手段】ケーシング１のポンプ室１１内に配置さ
れたインペラ２のスラスト軸受機構として、血液を作動
流体とする動圧軸受５によって構成することで、その軸
受部分における摺動接触面をなくし、摩耗の発生を防止
すると同時に、血液が澱む部位をなくして凝固による血
栓の形成を防止する。また、ラジアル軸受機構としても
動圧軸受を採用するか、あるいは受動型の磁気軸受４を
採用することで、インペラ２の支持機構に制御系が不要
となり、フェールセーフ性に優れた人工心臓用回転ポン
プが得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は遠心ポンプ型の人工
心臓用回転ポンプに関し、更に詳しくは、インペラを非
接触のもとに回転支持して血液凝固の防止と半永久的な
耐久寿命の実現を図ることのできる人工心臓用回転ポン
プに関する。

【０００２】

【従来の技術】体内埋め込み型人工心臓用回転ポンプと
して、軸部の周囲に羽根部が形成され、その軸部並びに
羽根部を中空としたインペラを、羽根部を下側にしてポ
ンプ室内に配置するとともに、そのインペラの羽根部の
底部に設けた磁気カップリングにより当該インペラに回
転を付与するとともに、そのインペラを、軸部に設けた
磁気軸受によりラジアル方向（回転軸に直交する方向）
に支持し、かつ、底部に設けたピボット軸受によりスラ
スト方向（回転軸方向）に支持した構造のものが提案さ
れている（特開平１０−３３６６４号）。

【０００３】この提案に基づく人工心臓用回転ポンプに
よると、インペラ内に形成された中空部が血流の流路を
形成し、流路形状を単純で横断面積の大きなものとする
ことが可能となって、血流の円滑化を達成することがで
き、また、インペラに回転を与えるための磁気カップリ
ングを底部に配置する一方、ラジアル軸受としての磁気
字受けをその上方の軸部に設けて、これら両者を分離し
ているため、インペラの固有振動数を高く保つことがで
き、その回転を安定したものとすることができるという
利点がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、以上の提案
に基づく人工心臓用回転ポンプにおいては、ピボット軸
受を構成するピボット軸およびピボット受けの双方にセ
ラミックスを用いることによって、摩耗の低減を図るこ
とができるが、接触支持であるが故に摩耗の発生は避け
ることができない。その結果、ピボット軸受の摺動接触
面に次第に摩耗粉が蓄積して寿命の短縮化の原因となる
とともに、同じくピボット軸受の摺動接触部分において
血液が澱む、つまり血液の流速が周囲部分に比して遅く
なることに起因して、血液が凝固して血栓を生じ、これ
らにより、長期臨床埋め込みに際して問題となる。

【０００５】本発明はこのような実情に鑑みてなされた
もので、その主たる目的は、従来に比してより半永久的
な耐久寿命を達成することのできる人工心臓用回転ポン
プを提供することにあり、また、他の目的は、特別な制
御系を必要としない受動型の制御機構のもとにインペラ
を回転支持することができ、もってフェールセーフ性に
富んだ人工心臓用回転ポンプを提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の人工心臓用回転ポンプは、血液の出入口を
有するポンプ室が形成されたケーシングと、上記ポンプ
室内に配置され、軸部の周囲にインペラ部が形成されて
なるインペラと、そのインペラを上記ポンプ室内で回転
軸方向およびその回転軸方向に直交する方向に回転自在
に支持するスラスト軸受機構およびラジアル軸受機構
と、上記ポンプ室に隣接配置され、上記インペラに回転
を与える駆動部を備えた人工心臓用回転ポンプにおい
て、上記スラスト軸受機構が、上記インペラの低部に設
けられて血液を作動流体とする動圧軸受によって構成さ
れていることによって特徴づけられる（請求項１）。

【０００７】ここで、本発明においては、スラスト軸受
機構を構成する動圧軸受を、所定の曲率を有する凸面に
動圧溝が形成された凸体と、その凸体が嵌まり込む凹体
との組み合わせによって構成すること（請求項２）がで
きる。

【０００８】また、本発明においては、スラスト軸受機
構を構成する動圧軸受の凸体および凹体を、金属材料に
よって形成し、かつ、少なくとも溝が形成された側の表
面をＤＬＣ（ダイアモンド・ライク・カーボン）膜によ
りコーティングした構成（請求項３）を好適に採用する
ことができる。

【０００９】更に、本発明においては、スラスト軸受機
構を構成する動圧軸受の凸体および凹体の少なくともい
ずれか一方をセラミックスにより形成した構成（請求項
４）を採用してもよい。

【００１０】また、本発明においては、ラジアル軸受機
構を、インペラの軸部に設けられて血液を作動流体とす
る動圧軸受とする構成（請求項５）、あるいは、磁気軸
受とする構成（請求項６）のいずれをも採用することが
できる。

【００１１】本発明は、インペラの支持部分を非接触化
することによって所期の目的を達成するものである。す
なわち、前記した提案においてインペラをスラスト方向
に支持するピボット軸受に代えて、インペラ底部に血液
を作動流体とする動圧軸受によってインペラをスラスト
方向に非接触のもとに支持することにより、インペラの
回転による摩耗が発生せず、しかも血液が澱む部位がな
くなり、血栓の形成を防止することができる。

【００１２】また、請求項２に係る発明のように、スラ
スト軸受機構を構成する動圧軸受として、所定の曲率を
有する凸面に動圧溝を形成した凸体と、その凸体が嵌ま
り込む凹体によって構成することにより、ラジアル方向
への支持能力をも有したものとなり、上方に配置された
ラジアル軸受機構との組み合わせによって、みそすり運
動の発生を有効に防止して、安定した回転支持を実現す
ることができる。

【００１３】なお、本発明において、所定の曲率を有す
る凸面としては、球面、あるいは円錐面に近い凸曲面な
どを採用することができる。

【００１４】そして、請求項３に係る発明のように、ス
ラスト軸受機構を構成する血液を作動流体とした動圧軸
受の凸体並びに凹体を金属製として、少なくともそのう
ちの溝が形成された側の表面をＤＬＣ膜でコーティング
するか、あるいは請求項４に係る発明のように、これら
の凸体並びに凹体の少なくともいずれか一方をセラミッ
クス製とすることにより、起動・停止時に凸体と凹体が
瞬間的に接触する、いわゆるタッチダウン時における摩
耗を防止すると同時に、生体適合性を良好なものとする
ことができる。

【００１５】また、インペラの軸部をラジアル方向に支
持するラジアル軸受機構として、請求項６に係る発明の
ように、従来のこの種の人工心臓用回転ポンプと同様に
磁気軸受で構成し、あるいは請求項５に係る発明のよう
に、このラジアル軸受機構についても、血液を作動流体
とする動圧軸受で構成することにより、この部分におけ
る血液の凝固や摩耗の発生を防止することができ、上記
した効果を確実なものとすることができる。

【００１６】また、ラジアル軸受機構として動圧軸受を
用いるか、あるいは非制御式の磁気軸受、つまり永久磁
石を用いた受動型の磁気軸受を用いることにより、制御
部を全く必要とすることなくインペラを非接触のもとに
支持することができ、フェールセーフ性に優れた人工心
臓用回転ポンプが得られる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しつつ本発明の
実施の形態について説明する。図１は本発明の実施の形
態の縦断面図で、図２はそのＡ−Ａ断面図である。ま
た、図３は図１における動圧軸受５の拡大断面図であ
る。

【００１８】ケーシング１には、ポンプ室１１と、その
ポンプ室１１に連通する血液流入口１１ａおよび血液流
出口１１ｂが設けられている。ポンプ室１１内にはイン
ペラ２が収容されており、このインペラ２は、軸部２１
の下部の周囲にインペラ部２２を一体に形成した構造を
有している。軸部２１には、その軸心に沿って中空部２
１ａが形成されている。また、インペラ部２２にも中心
から外側に向けて広がる中空部２２ａが形成されてお
り、その中空部２２ａは中心から放射方向に伸びる複数
のベーン２２ｂによって区画されている。そして、軸部
２１の中空部２１ａ、およびインペラ部２２のベーン２
２ｂで区画された中空部２２ａが、それぞれ血液の流路
を形成している。なお、図２において３は、インペラ部
２２の中空部２２ａと、インペラ部２２の底部とポンプ
室１１の底面との間の隙間を繋ぐウォッシュアウトホー
ルである。

【００１９】インペラ２の軸部２１は、ラジアル軸受機
構を構成する磁気軸受装置４によってケーシング１に対
して非接触のもとに回転自在に支持されている。磁気軸
受装置４は、この例において受動型（非制御式）のもの
であり、軸部２１の外周に装着された内側支持用永久磁
石４１と、ケーシング１側に装着された外側支持用永久
磁石４２によって構成され、内側支持用永久磁石４１と
外側支持用永久磁石４２とは互いに反発するように磁極
が向けられており、これによって軸部２１がケーシング
１に対して非接触のもとにラジアル方向に支持される。

【００２０】また、インペラ部２２の底部には、スラス
ト軸受機構を構成する動圧軸受５が設けられている。こ
の動圧軸受５は、図３に示すように、インペラ部２２に
底面に固定された凹球面を有するピボット受け５１と、
ケーシング１の内底面に固定された球面を有するピボッ
ト軸５２からなり、ピボット軸５２の表面である球面に
はスパイラル形状をした動圧溝５２ａが形成されてい
る。この動圧軸受５は、ポンプ室１１内の血液を作動流
体とするものであって、インペラ２の回転時（図３にお
いて矢印の向きに回転）に動圧溝５２ａのポンプ作用に
よって血液に動圧を発生させ、これによってピボット受
け５１とピボット受軸５２とが非接触状態のもとに、イ
ンペラ２がケーシング１に対してスラスト方向に支持さ
れる。

【００２１】また、このピボット受け５１とピボット軸
５２の表面に動圧溝５２ａを形成した動圧軸受５は、ラ
ジアル方向への支持能力も有しており、軸部２１を支持
する磁気軸受４とともに、インペラ２を非接触のもとに
安定して支持することができる。

【００２２】ここで、動圧軸受５のピボット受け５１お
よびピボット軸５２の材質は、チタン、あるいは表面に
ＤＬＣ膜をコーティングした金属材料（例えばチタン、
ステンレス、高炭素鋼など）、もしくはセラミックス、
のうちのいずれか一つの材料とするか、あるいはこれら
の組み合わせにより構成することが好ましく、特に、Ｄ
ＬＣ膜でコーティングされた金属材料およびセラミック
スのいずれか一つの材料、あるいはこれらの組み合わせ
とすることがより好ましい。すなわち、動圧軸受は回転
開始時や停止時等におけるタッチダウン時において瞬時
ではあるが相互に接触する可能性が有り、ＤＬＣおよび
セラミックスは、その摩耗粉が血液あるいは生体に対し
て悪影響を与えにくいためである。

【００２３】さて、ケーシング１の下部には、モータ収
容室１２が設けられており、その内部にモータ６が収容
されている。このモータ６の出力軸６ａの回転は磁気カ
ップリング装置７によってインペラ２に伝達される。磁
気カップリング装置７は、インペラ２の底部に固定され
た一方のカップリング磁極７１と、モータ６の出力軸６
ａの上端に固定された他方のカップリング磁極７２によ
って構成され、これらの両カップリング磁極７１，７２
は隔壁１２ａを介して対向し、互いに吸引するようにな
っている。

【００２４】以上の本発明の実施の形態の動作について
説明すると、モータ６の駆動を駆動することにより、そ
の出力軸６ａに固定されたカップリング磁極７２が回転
し、そのカップリング磁極７２の漏洩磁束は隔壁１２ａ
を介してカップリング磁極７１を吸引し、インペラ２が
回転する。このインペラ２の回転に際しては、その軸部
２１が磁気軸受装置４によりラジアル方向に非接触のも
とに支持され、かつ、インペラ部２２がポンプ室１１内
の血液を作動流体とする動圧軸受５によってスラスト方
向に非接触のもとに支持され、インペラ２はいずれの他
部材にも接触しない状態で回転する。

【００２５】インペラ２が回転すると、ケーシング１の
血液流入口１１ａから血液がポンプ室１１内に吸い込ま
れる。この吸い込まれた血液は、インペラ２の軸部２１
の中空部２１ａを流れてインペラ部２２の中空部ａに達
し、遠心力を付与されてベーン２２ｂに案内されて放射
方向に流れ、血液流出口１１ｂからポンプ室１１外に送
り出される。

【００２６】以上の実施の形態において特に注目すべき
点は、インペラ２がラジアル軸受装置を構成する受動型
の磁気軸受装置４と、スラスト軸受装置を構成する血液
を作動流体としたピボットタイプの動圧軸受５によっ
て、それぞれ非接触状態で支持されている点であり、摺
動接触面がないが故に摩耗が生じる恐れがなく、摩耗粉
の蓄積に起因する問題が発生しないばかりでなく、摺動
接触部分における血液の凝固も発生しない。従って、血
液凝固を防止して半永久的な耐久寿命を図ることができ
る。

【００２７】また、以上の実施の形態において更に注目
すべき点は、ラジアル軸受が受動型の磁気軸受により、
スラスト軸受が血液を作動流体とする動圧軸受によって
構成されており、いずれの軸受装置についても特別な制
御系を要しない受動制御機構からなっている点であり、
これにより、フェールセーフ性に極めて優れた人工心臓
用回転ポンプを得ることができる。

【００２８】なお、以上の実施の形態において、磁気軸
受装置４として受動型のものを用いたが、３軸ないしは
５軸を制御する能動型のものとしてもよいが、フェール
セーフ性の点においては上記したように受動型とするこ
とが好ましい。

【００２９】また、以上の実施の形態においては、動圧
軸受５のピボット受け５１をインペラ２側に、ピボット
軸５２をケーシング１側にそれぞれ固定した例を示した
が、図４に要部断面図を示すように、これらを逆転させ
て、ピボット軸５２をインペラ２側に、ピボット受け５
１をケーシング１側に固定しても、全く同等の作用効果
を奏することができる。

【００３０】更に、動圧軸受５のピボット受け５１およ
びピボット軸５２の形状としては、上記のように凹球面
と凸球面との組み合わせに限られることなく、図５に例
示するように、ピボット軸５２を円錐面に近い凸曲面を
有する凸体とし、ピボット受け５１をそのネガティブ形
状、つまり円錐面に近い凹曲面を有する凹体としてもよ
く、要はある程度ラジアル荷重をも受けることができ、
これによってみそすり運動を防止できる形状であれば任
意の凸曲面と凹曲面の組み合わせとすることができる。

【００３１】また、本発明においては、インペラ２のラ
ジアル軸受装置を、上記のような磁気軸受装置４に代え
て、ラジアルタイプの動圧軸受とすることができる。図
６にその断面図を示す。この図６においては、図１，２
に示した実施の形態で用いた部材と同一の部材について
は同一の符号を付し、その詳細な説明については省略す
る。

【００３２】この図６の実施の形態の特徴は、図７にケ
ーシング１のみを切断した要部断面図を示すように、イ
ンペラ２の軸部２１の外周にヘリングボーン形状の動圧
溝８ａを形成し、ケーシング１の内円筒面とによって、
血液を作動流体とするラジアル動圧軸受８を構成してい
る点である。このラジアル動圧軸受８は、図７において
矢印で示す向きにインペラ２が回転したとき、軸部２１
に形成されたヘリングボーン形状の動圧溝８ａのポンプ
作用により、作動流体である血液に動圧を発生させ、軸
部２１を非接触のもとにケーシング１に対してラジアル
方向に支持することができる。従って、この図６の実施
の形態においても、インペラ２はその回転時にいずれの
他部材とも接触することなく支持され、先の実施の形態
と同様に、半永久的な耐久寿命と、血液の凝固防止を達
成することができる。ここでは、インペラ２の軸部２１
の外周に動圧溝８ａを形成する例を示したが、ケーシン
グ１の内円筒面に同様の動圧溝を形成してもよい。

【００３３】また、この実施の形態のように、ラジアル
軸受機構並びにスラスト軸受機構の双方ともに動圧軸受
とする構成は、軸受機構のための制御部を一切必要とせ
ず、フェールセーフ性に極めて優れた人工心臓用回転ポ
ンプとなり得ると同時に、安価かつコンパクト化を達成
することができる。

【００３４】ここで、このラジアル動圧軸受８の材質に
ついても、少なくとも動圧溝８ａを形成している部分の
インペラ２の軸部２１、およびそれに対向するケーシン
グ１の内円筒面の部分については、前述したスラスト軸
受機構を構成する動圧軸受４の説明で示したものと同等
の材料を用いることができる。

【００３５】また、図６の実施の形態においても、スラ
スト軸受機構を構成する動圧軸受４については、そのピ
ボット受け５１とピボット軸５２とを上下逆転させても
よく、更にこれらのピボット受け５１およびピボット軸
５２の形状は凹球面と凸球面の組み合わせのほか、図４
に例示した他の凹曲面と凸曲面の組み合わせとしてもよ
いことは勿論である。

【００３６】更に、以上の各実施の形態においては、モ
ータ６の出力軸６ａの回転を、磁気カップリング７によ
ってインペラ２伝達した例を示したが、図８に断面図を
示すように、インペラ２の底部に前記した各例と同様の
永久磁石７１′を固定する一方、隔壁１２ａを介してそ
の下側に電磁コイル７２′配置し、この電磁コイル７
２′をステータとし、永久磁石７１′を固定したインペ
ラ２を実質的にロータとしたモータ６′を構築してもよ
い。この構成においては、電磁コイル７２′により形成
される磁束が隔壁１２ａを介してインペラ２に固定され
た永久磁７１′を駆動することで、インペラ７２が回転
させることができる。

【００３７】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、人工心
臓用回転ポンプのインペラをスラスト方向に支持するス
ラスト軸受機構を、血液を作動流体とする動圧軸受とし
て、非接触のもとにインペラをスラスト方向に回転支持
するように構成しているので、インペラの回転による摩
耗が発生せず、しかも血液が澱む部位がなくなるため、
血液の凝固により血栓の発生を防止することができる。

【００３８】また、請求項２に係る発明のように、この
スラスト軸受機構を構成する動圧軸受として、所定の曲
率を有する凸面に動圧溝を形成した凸体と、その凸体が
嵌まり込む凹体によって構成すれば、ラジアル方向への
支持能力をも持たせることができ、その上方に設けたラ
ジアル軸受機構との組み合わせによって、みそすり運動
の発生を有効に防止して、安定した回転支持を実現する
ことができる。

【００３９】更に、請求項３に係る発明のように、この
スラスト軸受機構を構成する動圧軸受の凸体並びに凹体
をそれぞれ金属製として、少なくとも溝が形成された側
の表面をＤＬＣ膜でコーティングするか、あるいは請求
項４に係る発明のように、これらの凸体並びに凹体の少
なくともいずれか一方をセラミックス製とすることによ
り、起動・停止時に凸体と凹体が瞬間的に接触する、い
わゆるタッチダウン時における摩耗を防止すると同時
に、そのタッチダウン時において例え僅かでも摩耗して
も、その摩耗粉は血液あるいは生体に対して悪影響を与
えないという利点もある。

【００４０】また、請求項５に係る発明のように、ラジ
アル軸受機構にも血液を作動流体とする動圧軸受を用い
ることにより、インペラの支持機構に全く制御系を必要
とすることがなくなり、フェールセーフ性に極めて優れ
た人工心臓用回転ポンプが得られると同時に、低コスト
化並びにコンパクト化を達成することができる。また、
この作用効果は、請求項６に係る発明のように、ラジア
ル軸受機構として磁気軸受を用い、かつ、その磁気軸受
として永久磁石を用いた受動型のものを用いても同様に
奏することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態縦断面図である。

【図２】図１のＡＡ断面図である。

【図３】図１における動圧軸受５の拡大断面図である。

【図４】動圧軸受５のピボット受け５１とピボット軸５
２とを上下逆転させて本発明の他の実施の形態の要部縦
断面図である。

【図５】本発明の人工心臓用回転ポンプのスラスト軸受
機構としての動圧軸受５に採用可能なピボット受け５１
とピボット軸５２の他の形状の例を示す断面図である。

【図６】ラジアル軸受機構にも動圧軸受を採用した本発
明の他の実施の形態の構成を示す縦断面図である。

【図７】図６の実施の形態におけるラジアル動圧軸受８
の説明図で、ケーシング１のみを切断して示す要部断面
図である。

【図８】インペラ２に固定した永久磁石７１′を隔壁の
下方に配置したステータとしての電磁コイル７２′で回
転させる方式を採用した本発明の他の実施の形態の構成
を示す縦断面図である。

【符号の説明】

１ケーシング１１ポンプ室１１ａ血液流入口１１ｂ血液流出口１２モータ収容室１２ａ隔壁２インペラ２１軸部２２インペラ部３ウォッシュアウトホール４磁気軸受装置４１内側支持用永久磁石４２外側支持用永久磁石５動圧軸受５１ピボット受け５２ピボット軸５２ａ動圧溝６ポンプ６ａ出力軸７磁気カップリング装置８ラジアル動圧軸受８ａ動圧溝

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｆ１６Ｃ 33/24 Ｆ１６Ｃ 33/24 ＡＺ (72)発明者武田稔大阪府大阪市中央区南船場三丁目５番８号光洋精工株式会社内Ｆターム(参考） 3H022 AA01 BA06 CA15 CA16 CA18 DA13 3J011 AA02 BA10 BA11 CA02 KA04 4C077 AA04 BB10 DD08 EE01 KK02 NN01 PP24

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】血液の出入口を有するポンプ室が形成さ
れたケーシングと、上記ポンプ室内に配置され、軸部の
周囲にインペラ部が形成されてなるインペラと、そのイ
ンペラを上記ポンプ室内で回転軸方向およびその回転軸
方向に直交する方向に回転自在に支持するスラスト軸受
機構およびラジアル軸受機構と、上記ポンプ室に隣接配
置され、上記インペラに回転を与える駆動部を備えた人
工心臓用回転ポンプにおいて、上記スラスト軸受機構が、上記インペラの低部に設けら
れて血液を作動流体とする動圧軸受によって構成されて
いることを特徴とする人工心臓用回転ポンプ。
【請求項２】上記スラスト軸受機構を構成する動圧軸
受が、所定の曲率を有する凸面に動圧溝が形成された凸
体と、その凸体が嵌まり込む凹体との組み合わせによっ
て構成されていることを特徴とする請求項１に記載の人
工心臓用回転ポンプ。
【請求項３】上記スラスト軸受機構を構成する動圧軸
受の凸体および凹体が、それぞれ金属材料によって形成
され、かつ、少なくとも溝が形成された側の表面がＤＬ
Ｃ膜によりコーティングされていることを特徴とする請
求項２に記載の人工心臓用回転ポンプ。
【請求項４】上記スラスト軸受機構を構成する動圧軸
受の凸体および凹体の少なくとも一方が、セラミックス
により形成されていることを特徴とする請求項２に記載
の人工心臓用回転ポンプ。
【請求項５】上記ラジアル軸受機構が、上記インペラ
の軸部に設けられて血液を作動流体とする動圧軸受によ
って構成されていることを特徴とする請求項１、２、３
または４に記載の人工心臓用回転ポンプ。
【請求項６】上記ラジアル軸受機構が、磁気軸受によ
って構成されていることを特徴とする請求項１、２、
３、または４に記載の人工心臓用回転ポンプ。