JP2004089289A - 人工心臓ポンプおよび回転装置 - Google Patents

Abstract

【課題】軽量化、小型化を可能とする人工心臓ポンプ等の回転装置を提供すること。
【解決手段】この人工心臓ポンプ１は、永久磁石１２３を有することにより回転して血液を送り出すインペラ２０と、内部にインペラ２０を収容するとともに、電磁石１１３を有することによりステータとして機能し、回転磁界を形成してインペラ２０を回転させるケーシング１０とを備える。そして、この人工心臓ポンプ１では、ステータの磁界に対してインペラの磁界が所定の進み角だけ進んだ位置を中心として、電磁石１１３を励磁する。このような構成により、インペラ２０の回転中であっても、永久磁石１２３と電磁石１１３との間に生ずる磁気的反発力の発生割合を磁気的吸着力の発生割合よりも多くできるので、インペラ２０の回転中にこれを浮上させることができる。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、人工心臓ポンプ等の回転装置に関し、さらに詳しくは、軽量化が可能であり、また小型化が可能である人工心臓ポンプおよび回転装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、生身の心臓の代わりにまたはこれを補助する目的で、人体内に埋設されて血液を送り出し循環させる人工心臓ポンプが開発されている。図１２は、従来の人工心臓ポンプの一例を示す斜視図である。また、図１３は、図１２に記載した従来の人工心臓ポンプを示す側面断面図であり、図１４は、図１３に記載した人工心臓ポンプのＡ−Ａ視断面図である。この人工心臓ポンプ１００は、両吸込み型の遠心ポンプであり、ケーシング１１０内にインペラ１２０を備えた構成である。
【０００３】
ケーシング１１０は、略鼓型の形状であり、血液の吸込口１１１、１１１をケーシングの両側に、血液の吐出口１１２をケーシング１１０の側周部にそれぞれ有する（図１２参照）。このケーシング１１０内には、インペラ１２０がケーシング１１０内壁から浮遊した状態で収容される。インペラ１２０は、算盤玉型の胴部１２１の側壁部に複数の羽根１２２が配置された構成である。
【０００４】
ケーシング１１０は、内部が空洞となっておりインペラ１２０が収納される。この空洞１１６は、ケーシング１１０の吐出口１１２に通じている（図１４参照）。また、ケーシング１１０には、一対の電磁石１１３が埋め込まれ、電動機のステータを構成する。また、インペラ１２０は、複数の永久磁石１２３をＮ極とＳ極とが交互に位置するように配置することで、電動機のロータとして機能する。そして、一対の電磁石１１３が形成する回転磁界によりインペラ１２０が回転して、血液を送り出す人工心臓ポンプ１００として機能する。
【０００５】
図１５は、図１３に記載した電磁石および永久磁石の配置構成を平面的に示した断面図である。ケーシング１１０側の電磁石１１３は、鉄心にコイルを巻き付けた構造であり、インペラ１２０の外周を取り囲むように配置される。また、これらの電磁石１１３の磁極は、４極となる。永久磁石１２３は電磁石１１３のそれぞれの磁極に対応して８個インペラ胴部１２１内に埋設される（図１３および図１５参照）。
【０００６】
駆動回路（図示せず）から、電磁石１１３のコイルへの励磁電流の方向を切り替えることによって回転磁界が作られる。そして、インペラ１２０に埋め込まれた永久磁石１２３がこの回転磁界により周方向の磁気的反発力または吸着力を受ける。これによってインペラ１２０には回転トルクが発生するので、インペラ１２０は回転軸心１２５を中心として回転する。このインペラ１２０の回転により、血液が２つの吸込口１１１、１１１からケーシング１１０内に吸い込まれ、インペラ１２０の羽根１２２によりチャンバ１１６内に掻き出され、吐出口１１２から吐き出されて人体内を循環する。
【０００７】
なお、上記従来の人工心臓ポンプ１００を駆動する際には、ロータであるインペラ１２０の磁気回転角あるいは磁気位相のずれは監視されていない。すなわち、駆動回路（図示せず）は、開ループで単に電磁石１１３のコイルへの励磁電流を切り替えるのみであり、インペラ１２０の磁気回転角に応じて電磁石１１３のコイルの励磁タイミングを制御するものではない。したがって、従来の人工心臓ポンプ１００では、電磁石１１３が所定の励磁タイミングで励磁されて、これに追従して、インペラ１２０が回転する。
【０００８】
一般に回転装置には軸と軸受けが設けられているが、人工心臓ポンプ１００においては、回転部と静止部との摺動または接触に起因する血球破壊による血栓の生成が問題となる。この問題を解決するために、従来の人工心臓ポンプ１００では、従来の軸と軸受けを設けず、インペラ１２０を磁気的な力によって浮上させて回転させる、いわゆる磁気浮上方式が採用されている。次に、磁気浮上方式について説明する。
【０００９】
図１３に示すように、ケーシング１１０には、一対の環状コイル１１５、１１５、および一対の環状永久磁石１１４、１１４が備えられている。一対の環状コイル１１５、１１５と一対の環状永久磁石１１４、１１４は、インペラ１２０胴部１２１の円錐部分の頂部外周を囲むように、ケーシング１１０吸込口１１１の付け根付近に環状に埋設されている。一方、インペラ１２０の胴部１２１は、円錐部分における両頂部付近に一対のインペラ側永久磁石（棒状）１２４、１２４が埋設されている。そして、コイル１１５と環状永久磁石１１４とインペラ側永久磁石１２４によって、磁気軸受け１１７を構成する。
【００１０】
図１６は、磁気軸受けとインペラ側永久磁石との位置関係を示す概念図である。インペラ側永久磁石１２４、１２４は、インペラ１２０をケーシング１１０に収容した状態で、ケーシング１１０に設けられたコイル１１５と永久磁石１１４と同軸状に配置される。
【００１１】
この構造において、インペラ側永久磁石１２４とケーシング側永久磁石１１４との間に発生する磁気的反発力によって、永久磁石１２４の軸心が永久磁石１１４の軸心に一致するよう作用する。その結果、インペラ１２０が浮上して回転する。またコイル１１５に発生した磁束により永久磁石１２４が軸方向の力を受け、軸方向の変位が補正される。軸方向変位は図示省略のインペラ軸位置センサにより検出し、制御回路によりコイル１１５に流れる電流量が制御される。このように、従来の人工心臓ポンプ１００においては、従来の軸および軸受けなしに、磁気軸受け１１７によってインペラ１２０を磁気浮上させて回転させるので、ケーシング１１０の内壁と接触することなく、血栓の発生を防止する。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の人工心臓ポンプ１００では、磁気軸受け１１７を構成するために、ケーシング１１０内にはコイル１１５とケーシング側永久磁石１１４とを、インペラ１２０内にはインペラ側永久磁石１２４を設ける必要がある。このため、人工心臓ポンプ１００の質量が大きくなり、人体内への埋設に不都合を生じるという問題点があった。また、磁気浮上のためにコイル１１５を利用した電磁石を用いているため、これを収納するケーシング１１０の寸法が大きくなるという問題もあった。そして、インペラ１２０を駆動するための電力の他に、磁気浮上のために別個に設けたコイル１１５でも電力を消費するので、電力消費量が大きくなるという問題もあった。これらの問題点のため、磁気軸受け１１７を用いた磁気浮上方式の人工心臓ポンプ１００は、実用化が困難な状況にある。
【００１３】
そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、本体を軽量化、小型化すること、インペラ等の回転体を浮上させるための電力を必要としないこと、さらに血栓の発生を有効に抑止できる人工心臓ポンプ等の回転装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項１に係る人工心臓ポンプは、永久磁石を有し、且つ回転して血液を送り出すインペラと、内部に前記インペラを収容するとともに前記インペラの周囲に一対のコーン状の電磁石を配置して回転磁界を形成する一対のステータを構成し、前記インペラを回転させるケーシングと、このケーシングに備えられて前記インペラの回転角度を検出する回転角度検出手段と、この回転角度検出手段からの検出信号によって、前記ケーシングに備えられた前記電磁石を励磁する制御手段とを備え、当該制御手段によって、前記ステータに対する前記インペラの相対的な磁気回転角が、前記インペラの回転トルクが最大となる位置から所定の進み角φとなったときに、当該進み角φを中心とした所定の範囲で前記電磁石を励磁することを特徴とする。
【００１５】
この発明に係る人工心臓ポンプでは、回転角度検出手段からのインペラの位置情報に基づいて、インペラの磁界に対して所定の進み角φだけ進めた位置を中心として、ステータを構成する電磁石を所定の磁気回転角度だけ励磁する。そして、インペラに備えられた永久磁石に作用する磁気的反発力の発生割合が、磁気的吸着力の発生割合よりも平均して大きくなるように制御して運転する。これにより、インペラに反発力を作用させて、インペラをその回転中にケーシングの内壁から常時磁気浮上させ得るので、従来の人工心臓ポンプのように、インペラを浮上させるための磁気軸受けその他のインペラ浮上手段が不要となる。その結果、人工心臓ポンプを軽量化し、また小型化できる。さらに、インペラは常時浮上して回転しているので、血栓の発生を有効に抑止できる。
【００１６】
また、請求項２に係る人工心臓ポンプは、上記人工心臓ポンプにおいて、上記インペラは、内部に上記永久磁石を配置した外殻と、この外殻内に配置された胴部と、前記外殻と前記胴部との間に設けられた羽根とで構成されており、血液は前記外殻と前記胴部との間を流れることを特徴とする。
【００１７】
この発明に係る人工心臓ポンプは、胴部と、その周囲に配置される外殻と、外殻と胴部との間に配置される羽根とで構成されるインペラを用い、インペラの外殻に永久磁石を備えるようにしてある。このような構成によって、ステータを構成する電磁石との距離を小さくできるので、距離の自乗に反比例する磁気的反発力を有効に利用できる。また、インペラとケーシングとが接近した場合には、磁気的反発力が距離の自乗に反比例して大きくなるので、インペラをケーシング内の中央付近に保持して安定した運転ができる。
【００１８】
また、請求項３に係る人工心臓ポンプは、上記人工心臓ポンプにおいて、一対の上記ステータは上記インペラの回転軸を中心軸とするコーン状の構成であり、上記ステータと対向するように上記永久磁石を配置した上記インペラを一対の上記ステータによって挟み込むように構成し、上記ステータと上記永久磁石との間に生ずる反発力が上記インペラを挟み込むように作用するようにしたことを特徴とする。
【００１９】
この発明に係る人工心臓ポンプでは、コーン状に配置されたそれぞれ一対のステータと永久磁石とからなりそれぞれの磁気的反発力が、インペラをその回転軸の両方向から挟み込むように作用する。この反発力、またはこれらの反発力の成分は、インペラの周方向および軸方向の変位に対して前記インペラを元の位置に押し戻す復元力として作用する。したがって、インペラの回転中に周方向または軸方向へ移動（変位、偏心）した場合にも、この復元力によってインペラを所定の位置に押し戻して保持できるので、安定して運転ができる。
【００２０】
また、請求項４に係る回転装置は、永久磁石を有するロータと、内部に前記ロータを収容するとともに前記ロータの周囲に一対のコーン状の電磁石を配置して、回転磁界を形成するステータを構成し、前記ロータを回転させるケーシングと、前記ロータの回転角度を検出する回転角度検出手段と、この回転角度検出手段からの検出信号によって、前記ケーシングに備えられた前記電磁石を励磁する制御手段とを備え、当該制御手段によって、前記ステータに対する前記ロータの相対的な磁気回転角が、前記ロータの回転トルクが最大となる位置から所定の進み角φとなったときに、当該進み角φを中心とした所定の範囲で前記電磁石を励磁することを特徴とする。
【００２１】
この発明に係る回転装置では、回転角度検出手段からのロータの位置情報に基づいて、インペラの磁界に対して所定の進み角φだけ進めた位置を中心として、ステータを構成する電磁石を所定の磁気回転角度だけ励磁する。そして、ロータに備えられた永久磁石に作用する磁気的反発力の発生割合が、磁気的吸着力の発生割合よりも大きくなるように制御して運転する。これにより、ロータに反発力を作用させて、ロータをその回転中にケーシングの内壁から常時磁気浮上させ得るので、ロータを浮上させるための磁気軸受けその他の浮上手段が不要となる。その結果、回転装置を軽量化し、また小型化できる。なお、この発明が好適に適用できる回転装置には、ハードディスクドライブやターボ分子ポンプ、遠心分離機、水中ポンプ等がある。
【００２２】
また、請求項５に係る回転装置は、永久磁石を有するロータと、内部に前記ロータを収容するとともに前記ロータの周囲に一対のコーン状の電磁石を配置して、回転磁界を形成するステータを構成し、前記ロータを回転させるケーシングと、前記ロータの回転角度を検出する回転角度検出手段と、この回転角度検出手段からの検出信号によって、前記ケーシングに備えられた前記電磁石を励磁する制御手段とを備え、当該制御手段によって、前記ロータの永久磁石磁極が前記電磁石の磁極と重なった時に前記電磁石の励磁を開始し、励磁時間をロータの回転速度に応じて増減することによりロータ回転速度を制御することを特徴とする。
【００２３】
この発明に係る回転装置では、回転角度検出手段からのロータの位置情報に基づいて、前記ロータの永久磁石磁極が前記電磁石磁極と重なった時に前記電磁石の励磁を開始し、励磁時間をロータの回転速度に応じて増減することによりロータ回転速度を制御する。これにより、ロータに反発力を作用させて、ロータをその回転中にケーシングの内壁から常時磁気浮上させるとともに、回転装置の回転速度を自由に制御可能であり、しかもロータを浮上させるための磁気軸受けその他の浮上手段が不要となる。その結果、回転装置を軽量化し、また小型化できる。ここで、ロータの永久磁石磁極がステータの電磁石磁極と重なった時とは、磁気浮力が最大となると予想される時で、かつ回転トルクが０の時をいう。また、この発明が好適に適用できる回転装置には、ハードディスクドライブやターボ分子ポンプ、遠心分離機、水中ポンプ等がある。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施の形態の構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、或いは実質的に同一のものが含まれる。また、次の説明においては人工心臓ポンプを例としてこの発明を説明するが、本発明の適用範囲はこれに限られるものではない。
【００２５】
（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１に係る人工心臓ポンプを示す側面断面図である。この人工心臓ポンプ１は、ロータであるインペラ２０の磁気回転角情報に基づいて、ステータを構成するケーシング１０の電磁石１１３への励磁タイミングを制御することにより、インペラ２０を回転させつつケーシング１０の内壁から浮上させる点に特徴がある。なお、次の説明においては、上記従来の人工心臓ポンプ１００と同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００２６】
この人工心臓ポンプ１は両吸込み型の遠心ポンプであり、ケーシング１０と、このケーシング１０内に収容されるインペラ２０とを備えている。ケーシング１０は磁極とコイルとで構成された一対の電磁石１１３を有し、電動機のステータとして機能する。また、インペラ２０は一対の永久磁石１２３を有しており、電動機のロータとして機能する。これにより、人工心臓ポンプ１は、電磁石１１３が発生する回転磁界によってケーシング１０内でインペラ２０を回転させ、吸込口１１１から吸い込んだ血液を吐出口１１２から送り出して人体内に循環させることができる。また、ケーシング１０の永久磁石１２３と対向する位置には、インペラ２０の回転位置を検出するための回転角度検出手段である検出部３４が設けられている。次に、インペラ２０について詳細に説明する。
【００２７】
図２は、図１に示したインペラを示す斜視図である。また、図３は、図２に記載したインペラを示す側面断面図である。このインペラ２０は、１対のコーン状外殻４１を備えており、この外殻４１内には算盤玉状の胴部１２１が設けられている。胴部１２１と外殻４１との間には、血液を送り出すための羽根１２２が複数設けられている。
【００２８】
永久磁石１２３は羽根１２２の外周に設置した外殻４１内に埋設されている。この例においては、片側のコーン部につき４個の永久磁石１２３が配置される。インペラ２０全体では８個の永久磁石１２３が使用される。なお、永久磁石１２３の個数は８個に限定されるものではなく、仕様に応じて適宜変更できる。ケーシング１０に備えられた電磁石１１３の磁極数も同様である。このインペラ２０において、血液は専ら胴部１２１と外殻４１との間を通り、遠心力を受けてケーシング１０のチャンバ１１６内に吐出される。
【００２９】
このような構成によって、永久磁石１２３は、ステータを構成する電磁石１１３の間近に位置するため、永久磁石１２３と電磁石１１３との距離を小さくできる。磁気力は距離の自乗に反比例するので、このような構成によれば、永久磁石１２３と電磁石１１３との間に発生する磁気反発力をより有効に利用できる。その結果、人工心臓ポンプ１をより小型化かつ軽量化でき、また、電磁石１１３の励磁電流を節約できる利点がある。また、インペラ２０の位置が回転軸心１２５から変位して、永久磁石１２３と電磁石１１３との距離が小さくなると磁気反発力は距離の自乗に反比例して大きくなるので、インペラ２０はケーシング１０内の略中心に保持される。
【００３０】
また、このインペラ２０は、従来の人工心臓ポンプ１００に係るインペラ１２０（図１１参照）と異なり、磁気浮上のためのインペラ側永久磁石１２４を内部に備えていない。そして、これに対応して、ケーシング１０も、その壁内に、インペラ２０を磁気浮上させるためのコイル１１５およびケーシング側永久磁石１１４を備えていない（図１参照）。
【００３１】
図４は、図１に記載した人工心臓ポンプの駆動装置を示すブロック図である。駆動回路３０は、速度演算部３１と、制御部３２と、増幅部３３と、検出部３４とを含んで構成される。この速度演算部３１は、検出部３４からの信号によりロータ速度を演算し目標速度と比較しその結果を制御部３２に渡す。制御手段である制御部３２は、まず検出部３２からの信号により励磁のタイミングを演算し、次いで速度演算部３１よりの指令により消磁タイミングを演算する。増幅部３３で制御部３２の指令により電磁石１１３のコイルを順次励磁し回転磁界を発生する。これにより、インペラ２０が回転して血液を人体内に送り出す。
【００３２】
検出部３４は、ケーシング１０の内壁に設けられており、インペラ２０の回転角を検出して、制御部３２および速度演算部３１に信号を入力する。制御部３２および速度演算部３１は電磁石１１３の励磁および消磁タイミングを増幅部３３に対し指令する。なお、検出部３４には、例えば、ホール素子、ロータリーエンコ−ダ、レゾルバその他の回転センサが使用できる。
【００３３】
この実施の形態において、駆動回路３０は、電磁石１１３の励磁にあたり、制御部３２がその励磁タイミングを調整して、インペラ２０が回転中にケーシング１０の内壁から常時浮上するように制御する。図５は、駆動回路の励磁タイミングを決定する動作を示すフローチャートである。駆動回路３０は、励磁タイミングの決定にあたり、まず、検出部３４によってインペラ２０の回転角を検出し（ステップＳＴ１）、これを速度演算部３１に入力し、インペラ速度を演算し目標速度と比較し、その結果を制御部３２に渡す（ステップＳＴ２）。次いで制御部３２は検出部３４によってインペラ２０の磁気回転角が入力されるので、その磁気回転角情報と速度演算部３１からの指令に基づいて、制御部３２は電磁石１１３の励磁および消磁タイミングを決定し（ステップＳＴ３）、これに基づいて電磁石１１３に励磁電流を印加する（ステップＳＴ４）。
【００３４】
次に、本発明に係る人工心臓ポンプ等の回転装置のケーシングに備えられた電磁石１１３（ステータと称する）とインペラに備えられた永久磁石１２３（ロータと称する）との関係について説明する。
【００３５】
図６は、本発明および従来の人工心臓ポンプ等の回転装置におけるインペラとケーシング（ステータとロータ）との関係を示す説明図である。また、図７は、本発明および従来の人工心臓ポンプ等の回転装置におけるロータとステータとの磁気回転角と回転トルクおよび磁気浮力との関係を示す図である。また、図８は、本発明の人工心臓ポンプ等の回転装置におけるロータとステータとの磁気回転角と回転トルクおよび磁気浮力との関係を示す図である。図６は、上方にロータ側の永久磁石１２３の配列を、下方にステータ側の電磁石１１３の配列を、それぞれ磁極を付して表示している。同図において、ステータ側の電磁石１１３は固定状態にあり、コイルに電流が流れ励磁された状態にある。ロータ側の永久磁石１２３は、ロータの回転により図中の左から右方向に移動する。
【００３６】
図７および図８では、ロータに作用する回転トルクＴと、同じくロータに作用する磁気浮力Ｆとを表している。ここで磁気浮力Ｆとは、磁気反発力または磁気吸着力であり、正であれば反発力、負であれば吸着力と定義する。横軸はステータ磁界に対するロータ磁界の相対的な磁気回転角θを表しており、ロータに作用する回転トルクＴが最大となる磁気回転角θを０度と定義する。この時、磁気浮力Ｆは０となる。この状態はステータ磁極ＮとＳとの中間にロータ磁極Ｎが位置するとき（図６の（ｄ）の状態）である。なお回転トルクの大きさは磁気回転角に対し、略正弦波状に変化する。また励磁を開始する磁気回転角度と消磁する磁気回転角度の中心角度を磁気位相φと定義する。磁気位相が負であれば進み位相となり正であれば遅れ位相となる。
【００３７】
また磁気浮力Ｆが最大となるのはステータ磁極とロータ磁極がＮとＮもしくはＳとＳが重なった位置にある時である（図６の（ａ）の状態）。この時回転トルクＴは０となる。また、磁気浮力Ｆが最小（吸着力最大）となるのは、ステータ磁極とロータ磁極がＮとＳもしくはＳとＮが重なった位置にあるときである（図６の（ａ）の状態）。図７中θ_１〜θ_７で示した磁気回転角は、図６中（ａ）〜（ｇ）に示したロータとステータとの位置関係にそれぞれ対応する。
【００３８】
従来の人工心臓ポンプ１００等の回転装置（モータ）においては、基本的に回転トルクが正である時に励磁し、回転トルクが負に切り変わる時、コイルの電流方向を逆として回転トルクを正に変えることでロータを回転させる。すなわち基本的に磁気回転角−９０度から磁気回転角０度を経由して９０度の間に励磁する（図７参照）。磁気回転角が−９０度以下の時と９０度以上の時は、コイルの電流方向を逆とし、ロータに正方向の回転トルクが作用するようにする（図８の回転トルク破線表示）。故に従来の回転装置では磁気回転角１８０度進む毎にコイルの電流方向を逆にすれば連続した回転トルクを得ることができる。
【００３９】
例として、励磁電流が、磁気回転角−４０度で励磁を開始し、磁気回転角８０度で消磁されるものとすると、励磁の中心の磁気回転角は２０度となる。すなわち、磁気位相はφ＝２０度の遅れ位相となる（図７参照）。従来の回転装置ではロータを回転させるために必要なトルク（負荷トルク）と上記回転トルクとの関係は、負荷トルクの方が小さければロータは増速し、その逆に負荷トルクの方が大きければロータは減速する関係となる。ロータが増速すると、励磁のタイミングは遅れ、図７の右方向へずれ、すなわち磁気位相は遅れ方向となり、回転トルクは減少し、負荷トルクと同じ値となったところで増速は止まり、励磁周波数で回転することとなる。
【００４０】
逆に負荷トルクの方が大きいと、励磁のタイミングは早まり、図７の右方向へずれ、すなわち磁気位相は進み方向となり、回転トルクは増加し、負荷トルクと同じ値となったところで減速は止まり、励磁周波数で回転することとなる。しかし負荷トルクがさらに大きくなると、磁気位相の進みはさらに大きくなり、磁気位相が０となる。こうなると回転トルクはそれ以上大きくなることはないので、ロータの回転速度を維持できなくなり、脱調状態となり回転装置としての機能を喪失することとなる。上記を避けるため回転トルクは余裕のある値とし通常運転中は遅れ位相にて運転する必要がある。
【００４１】
磁気浮力Ｆについては磁気回転角−９０度の時最大となり、磁気回転角０度の時０となり、磁気回転角９０度の時最小（吸着力最大）となり略正弦波状に変化する。従来の回転装置の場合には、回転トルクのみロータに作用すればよく、磁気浮力の発生は無視され、磁気浮力が平均して正の値となるか負の値となるかは制御対象外であるが、先述の如く安定運転のため遅れ位相で運転されるので磁気浮力は負の値となって、平均すると磁気吸着力が勝った運転となる。
【００４２】
本発明に係る人工心臓ポンプ等の回転装置のケーシングに備えられた電磁石１１３（ステータと称する）とインペラに備えられた永久磁石１２３（ロータと称する）との関係について、図７を用いて説明する。本発明においては、正方向の回転トルクＴと正の磁気浮力Ｆとの双方が必要であり、ステータとロータとの磁気的反発力が最大となる回転角−９０度で励磁を開始し、ステータとロータとの磁気的吸着力が最大となる回転角０度で消磁する。すなわち、ステータに対するロータ（インペラ）の相対的な磁気回転角が、ロータの回転トルクが最大となる位置から所定の進み角φとなったときに、当該進み角φを中心とした所定の範囲で前記電磁石を励磁して、消磁する。この状態を示すのが、図６の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）である。次いで磁気浮力Ｆが正に切り替わる回転角９０度まで消磁状態を続ければ、負の回転トルクＴおよび負の磁気浮力Ｆを発生しないことを条件に最大の回転トルクと最大の磁気浮力を得ることが出来、無駄のない運転が可能となる。
【００４３】
回転トルクＴ、磁気浮力Ｆとも、常に正の値とするのが上記条件であるが、ロータの回転速度は速く、サイクル中に負の値が含まれても、磁気浮力Ｆが平均して正でその積算値がロータの仕様にマッチすればよい。したがって、回転角−１２０度前後で励磁を開始し、回転角が３０度前後にて消磁する方式を採用してもかまわない。このようにすれば、より大きな磁気浮力と回転トルクを得ることが出来るので、更なる回転装置の小型化を図ることが出来る。また、図８に示すように、回転角−７０度前後で励磁を開始し、回転角が−２０度前後にて消磁する方式を採用してもよい。上記いずれの場合においても、磁気位相はφ＝−４５度の進み位相となる。
【００４４】
図９は、本発明の実施の形態１の変形例に係る人工心臓ポンプのインペラとケーシングとの関係を示す説明図である。同図に示すように、角度９０度毎に４個配置されるロータ（インペラ２０）側の永久磁石１２３に対し、ステータ（ケーシング１０）側の電磁石１１３の磁極をその倍の８個設けた構成である。この構成の場合も、それぞれの電磁石１１３の磁極を励磁／消磁するタイミングは実施例１と全く同じとして良い。すなわち追加された磁極の励磁／消磁タイミングを元の磁極に対し磁気回転角で９０度進ませるかもしくは遅らせれば良いことになる。
【００４５】
このように、ステータ側の電磁石１１３を細分化してロータ側の電磁石１１３よりも多く設置したので、より滑らかにロータを回転させることができ、また電波障害も抑制できる。さらに、一つの電磁石１１３が消磁している間であっても、隣り合う電磁石１１３は励磁されているため、電磁石１１３が４個の場合と比較して、励磁時間が２倍となり回転トルクが増加し、結果として回転装置の小型化が可能となる。なお、電磁石１１３の磁極の個数は上記説明で開示した個数に限定されるものではなく、人工心臓ポンプ１の仕様に応じて適宜変更できる。インペラ（ロータ）２０が備える永久磁石１２３についても同様である。
【００４６】
この実施の形態１に係る人工心臓ポンプ１によれば、磁気軸受け１１７を構成するコイル１１５およびケーシング側永久磁石１１４、並びにインペラ側永久磁石１２４（図１３参照）を省略できるので、軽量化でき、また、小型化できる。特に、従来の人工心臓ポンプ１００では、大型かつ重量があるため、体格の小さい人への埋設は特に困難であるという問題点があったが、この人工心臓ポンプ１では、軽量かつ小型化が可能となるので、このような問題を解決できる。また、コイル１１５が不要になるので、その分消費電力を小さくでき、人工心臓ポンプ１の省エネルギー化に寄与する。また、インペラ２０は常時浮上して回転するので、血栓の発生を有効に抑止できる。
【００４７】
また、この実施の形態によれば、インペラ２０の形状を、算盤玉状とし（図２参照）、このインペラ２０の両円錐部分を左右方向から挟み込む方向に、電磁石１１３と永久磁石１２３との反発力を作用させたので、インペラ２０をケーシング１０内壁から完全に浮上させ得る。これにより、インペラ２０とケーシング１０内壁との接触部分を無くして血栓の発生を有効に抑制できる。
【００４８】
また、このような構成によれば、インペラ２０が、その回転時に起こる軸方向移動、偏心等に対し永久磁石１２３がインペラ２０に及ぼす反発力は、ケーシング１０内壁に近づいた側では増大し、内壁から遠ざかった側では減少する。そして、この反発力は、距離の自乗に反比例するので、インペラ２０がその径方向に変位した場合でも、インペラ２０を定位置に押し戻す方向に作用する。これにより、インペラ２０を定位置で浮上させたまま安定して保持できる。
【００４９】
さらに、インペラ２０の外殻４１に永久磁石１２３を埋め込んでいるので、ケーシング１０側に設けられた電磁石１１３とインペラ２０側の永久磁石１２３との距離を小さくできる。これによって、磁気的反発力を有効に利用できるので、より少ない電力でインペラ２０を回転させることができる。また、インペラ２０とケーシング１０とが接近した場合には、磁気的反発力が距離の自乗に反比例して大きくなるので、インペラ２０をケーシング１０内の中央付近に保持して安定した運転ができる。
【００５０】
また、インペラ２０の回転角を駆動回路３０の検出部３４で検出し、これに基づきステータの励磁タイミングを決定するので、インペラ２０の脱調を考慮する必要がない。すなわち、励磁時間が短く回転トルクに対し負荷トルクが低ければインペラ２０は減速し、その逆の場合にはインペラ２０が増速することになるだけである。これによって、安定してインペラ２０を回転させ、また、ステータを構成する電磁石１１３の焼損を防止して安定した運転ができる。
【００５１】
なお、この実施の形態では、上記ステータおよびロータからなる回転装置を、人工心臓ポンプを一例として説明したが、この発明の適用対象はこれに限られない。例えば、本発明は、ハードディスクドライブ、ターボ分子ポンプ、遠心分離器等その他の回転装置に適用することができる。この本発明に係る回転装置は軸受を必要としないので、ロータの高速回転が可能であるとともに、軸受け損失がなく、騒音が小さい、軽量化および小型化が可能である等の利点があり、幅広い用途に適するものである。
【００５２】
（実施の形態２）
本発明第２の実施の形態について説明する。本発明の構成要素は実施の形態１と変わることがないので、その説明は省略する。図１０は、本発明の実施の形態２に係る励磁タイミングを説明する図である。この図では、ロータに作用する回転トルクＴと、同じくロータに作用する磁気浮力Ｆとを表している。また、図１１は、実施の形態２に係る駆動回路の励磁タイミングを決定する動作を示すフローチャートである。まず、ロータの回転角を検出し（ステップＳＴ２０１）、ロータの永久磁石１２３の磁極がステータの磁極と重なった時に電磁石１１３の励磁を開始する（ステップＳＴ２０２）。ここで、ロータの永久磁石１２３の磁極がステータの磁極と重なった時とは、磁気浮力Ｆが最大となると予想される時で、かつ回転トルクＴが０の時である。次に、ロータの回転速度に応じて励磁時間を演算し（ステップＳＴ２０３）、この演算結果に基づいて励磁時間を制御する（ステップＳＴ２０４）。以上の手順によりロータ回転速度を制御する。この方法の特徴は励磁のタイミング制御が単純化され信頼性が向上することにある。
【００５３】
これにより、ロータに反発力を作用させて、ロータをその回転中にケーシングの内壁から常時磁気浮上させるとともに、回転装置の回転速度を自由に制御可能であり、しかもロータを浮上させるための磁気軸受けその他の浮上手段が不要となる。その結果、回転装置を軽量化し、また小型化できる。なお、この発明が好適に適用できる回転装置には、ハードディスクドライブやターボ分子ポンプ、遠心分離機、水中ポンプ等がある。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明に係る人工心臓ポンプ（請求項１）では、インペラの回転中においてインペラに作用する磁気的反発力を磁気的吸着力よりも大きくして、インペラをその回転中にケーシングの内壁から常時磁気浮上させるようにした。これによって、従来の磁気軸受けその他のインペラ浮上手段を省略できるので、人工心臓ポンプを軽量化し、小型化することもできる。また、インペラは常時浮上して回転しているので、血栓の発生を有効に抑止できる。
【００５５】
また、この発明に係る人工心臓ポンプ（請求項２）では、インペラの外殻に永久磁石を埋設した。このような構成によって、永久磁石とステータを構成する電磁石との距離を小さくできるので、磁気的反発力を有効に利用して、より少ない電力でインペラを回転させることができる。また、インペラとケーシングとが接近した場合には、距離の自乗に反比例して大きくなる磁気的反発力によって、インペラをケーシング内の中央付近に保持できるので、安定した運転ができる。
【００５６】
また、この発明に係る人工心臓ポンプ（請求項３）では、二組のステータと永久磁石とが形成する磁気的反発力同士が、インペラをその回転軸の両方向から挟み込むように作用するようにした。このため、インペラの回転中にスラスト力が発生し、インペラが回転軸方向に変位した場合にも、この復元力によってインペラを所定の位置に押し戻して保持できるので、安定して運転ができる。
【００５７】
また、この発明に係る回転装置（請求項４）では、ロータの回転中においてロータに作用する磁気的反発力を磁気的吸着力よりも大きくして、ロータをその回転中にケーシングの内壁から常時磁気浮上させるようにした。これによって、従来の磁気軸受けその他のロータ浮上手段を省略できるので、回転装置自体を軽量化し、また小型化できる。
【００５８】
また、この発明に係る回転装置（請求項５）では前記ロータの永久磁石磁極が前記電磁石の磁極と重なった時に前記電磁石の励磁を開始し、励磁時間をロータの回転速度に応じて増減することによりロータ回転速度を制御する様にした。これにより、制御回路が単純化されたことと、従来の回転装置の如く負荷トルク過大による脱調現象を起こすことなく高い信頼性を持たせることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態に係る人工心臓ポンプを示す側面断面図である。
【図２】図１に示したインペラを示す斜視図である。
【図３】図２に記載したインペラを示す側面断面図である。
【図４】図１に記載した人工心臓ポンプの駆動装置を示すブロック図である。
【図５】駆動回路の励磁タイミングを決定する動作を示すフローチャートである。
【図６】本発明および従来の人工心臓ポンプ等の回転装置におけるインペラとケーシング（ステータとロータ）との関係を示す説明図である。
【図７】本発明および従来の人工心臓ポンプ等の回転装置におけるロータとステータとの磁気回転角と回転トルクおよび磁気浮力との関係を示す図である。
【図８】本発明の人工心臓ポンプ等の回転装置におけるロータとステータとの磁気回転角と回転トルクおよび磁気浮力との関係を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態１の変形例に係る人工心臓ポンプのインペラとケーシングとの関係を示す説明図である。
【図１０】本発明の実施の形態２に係る励磁タイミングを説明する図である。
【図１１】実施の形態２に係る駆動回路の励磁タイミングを決定する動作を示すフローチャートである。
【図１２】従来の人工心臓ポンプの一例を示す斜視図である。
【図１３】図１２に記載した従来の人工心臓ポンプを示す側面断面図である。
【図１４】図１３に記載した人工心臓ポンプのＡ−Ａ視断面図である。
【図１５】図１３に記載した電磁石等の配置構成を平面的に示した断面図である。
【図１６】磁気軸受けとインペラ側永久磁石との位置関係を示す概念図である。
【符号の説明】
１、２　人工心臓ポンプ
１０　ケーシング
２０　インペラ
３０　駆動回路
４１　外殻
１１３　電磁石（ステータ）
１２３　永久磁石（ロータ）
１２５　回転軸心

Claims (5)

1. 永久磁石を有し、且つ回転して血液を送り出すインペラと、内部に前記インペラを収容するとともに前記インペラの周囲に一対のコーン状の電磁石を配置して回転磁界を形成する一対のステータを構成し、前記インペラを回転させるケーシングと、
   このケーシングに備えられて前記インペラの回転角度を検出する回転角度検出手段と、
   この回転角度検出手段からの検出信号によって、前記ケーシングに備えられた前記電磁石を励磁する制御手段とを備え、
   当該制御手段によって、前記ステータに対する前記インペラの相対的な磁気回転角が、前記インペラの回転トルクが最大となる位置から所定の進み角φとなったときに、当該進み角φを中心とした所定の範囲で前記電磁石を励磁することを特徴とする人工心臓ポンプ。
2. 上記インペラは、内部に上記永久磁石を配置した外殻と、この外殻内に配置された胴部と、前記外殻と前記胴部との間に設けられた羽根とで構成されており、血液は前記外殻と前記胴部との間を流れることを特徴とする請求項１に記載の人工心臓ポンプ。
3. 一対の上記ステータは上記インペラの回転軸を中心軸とするコーン状の構成であり、上記ステータと対向するように上記永久磁石を配置した上記インペラを一対の上記ステータによって挟み込むように構成し、上記ステータと上記永久磁石との間に生ずる反発力が上記インペラを挟み込むように作用するようにしたことを特徴とする請求項１または２に記載の人工心臓ポンプ。
4. 永久磁石を有するロータと、
   内部に前記ロータを収容するとともに前記ロータの周囲に一対のコーン状の電磁石を配置して、回転磁界を形成するステータを構成し、前記ロータを回転させるケーシングと、
   前記ロータの回転角度を検出する回転角度検出手段と、
   この回転角度検出手段からの検出信号によって、前記ケーシングに備えられた前記電磁石を励磁する制御手段とを備え、
   当該制御手段によって、前記ステータに対する前記ロータの相対的な磁気回転角が、前記ロータの回転トルクが最大となる位置から所定の進み角φとなったときに、当該進み角φを中心とした所定の範囲で前記電磁石を励磁することを特徴とする回転装置。
5. 永久磁石を有するロータと、
   内部に前記ロータを収容するとともに前記ロータの周囲に一対のコーン状の電磁石を配置して、回転磁界を形成するステータを構成し、前記ロータを回転させるケーシングと、
   前記ロータの回転角度を検出する回転角度検出手段と、
   この回転角度検出手段からの検出信号によって、前記ケーシングに備えられた前記電磁石を励磁する制御手段とを備え、
   当該制御手段によって、前記ロータの永久磁石磁極が前記電磁石の磁極と重なった時に前記電磁石の励磁を開始し、励磁時間をロータの回転速度に応じて増減することによりロータ回転速度を制御することを特徴とする回転装置。

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