JP2008132131A - センサレス磁気軸受型血液ポンプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回転体とハウジング間（片側、回転体回転トルク発生部側）にある程度の距離を確保した状態での回転体の磁気浮上制御をセンサレスにて行うことができるセンサレス磁気軸受型血液ポンプ装置を提供するものである。
【解決手段】本発明のセンサレス磁気軸受型血液ポンプ装置１は、血液ポンプ１０と制御機構６とを備える。血液ポンプは、ポンプ内での回転体５を非接触状態で回転させるための電磁石４１と、電磁石の作動停止時のための動圧軸受部３８とを備え、回転体位置センサを備えない。制御機構６は、パルス幅変調式電磁石駆動部５４と、駆動部５４の搬送波成分計測部５２と、搬送波データを用いて変調率を算出する変調率算出機能と、所定範囲外の変調率算出時に、磁気軸受方式より動圧軸受方式への移行およびその後に磁気軸受方式に復帰させる軸受方式変更機能とを備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、血液などの医療用液体を送液するためのセンサレス磁気軸受型血液ポンプ装置に関する。

最近では、人工心肺装置における体外血液循環に血液ポンプを使用する例が増加している。遠心ポンプとしては、外部とポンプ内の血液室との物理的な連通を完全に排除し、細菌等の侵入を防止できることにより、外部モータからの駆動トルクを磁気結合を用いて伝達する方式のものが用いられている。
そして、このような遠心式血液ポンプとして、本件出願人は、特開平９−２０６３７２号公報（特許文献１）に示すものを提案している。
この公報に示されている遠心式血液ポンプ装置は、血液流入ポートと血液流出ポートを有するハウジングと、ハウジング内で回転し、回転時の遠心力によって血液を送液するインペラを有する遠心式血液ポンプ部と、インペラのための非制御式磁気軸受構成部（インペラ回転トルク発生部）と、インペラのための制御式磁気軸受構成部（インペラ位置制御部）とを備え、非制御式磁気軸受構成部および制御式磁気軸受構成部の作用によりインペラは、ハウジング内の所定位置に保持された状態で回転する。さらに、インペラは、底面（下面）に形成された多数の動圧溝を有する。この動圧溝を有するため、インペラ位置制御部の非作動時（言い換えれば、電磁石作動停止時）において、インペラ回転トルク発生部側に吸引されるが、動圧溝とハウジング内面間に形成される動圧軸受効果により、若干であるが、ハウジング内面より離れ、非接触状態にて回転する。

特開平９−２０６３７２号公報 特開２００４−２０９２４０号公報 PWM方式セルフセンシング磁気浮上の研究（第５回電磁力関連のダイナミックスシンポジウム講演論文集、547-552、1993）、著者 松田健一、岡田養二

特許文献１の遠心式血液ポンプ装置は、いわゆる磁気浮上タイプのものとして有効な効果を備える。なお、上述のポンプ装置が備える動圧溝は、インペラのための制御式磁気軸受構成部（インペラ位置制御部）不調の際に、インペラ位置制御を停止し、すなわち、インペラを吸引する電磁石の作動を停止した際に作用するものであり、通常の回転時にこの動圧溝を利用するものではない。動圧溝のみによる回転時では、特に低回転数状態において溶血等が生じるおそれもある。そして、磁気浮上ゆえに、インペラ位置センサを設けることが必要であり、装置の小型化に限度があり、さらに、インペラの磁気浮上のための電力も必要である。
また、特許文献２（特開２００４−２０９２４０号公報）の遠心式血液ポンプ装置１は、第１の磁性体２５を備え、ハウジング２０内で回転し、回転時の遠心力によって液体を送液するインペラ２１を有する遠心ポンプ 部２と、インペラ２１の第１の磁性体２５を吸引するための磁石３３を備えるロータ３１と、ロータ３１を回転させるモータ３４を備えるインペラ回転トルク発生部３と、ロータ３１側のハウジング２１の内面に設けられた動圧溝３８を備える。ポンプ装置１は、インペラ２１をロータ３１の磁石３３による吸引方向と反対方向に吸引し、インペラ２１の浮上を補助するための電磁石４１を備えている。そして、遠心式血液ポンプ 装置１は、制御機構を備え、制御機構は、インペラ回転トルク発生部電流モニタリング機能を有する。制御機構は、インペラ回転トルク発生部電流モニタリング機能により検知される電流値を用いて、電磁石を制御するものとなっている。
この特許文献２の遠心式血液ポンプ装置１は、位置センサを不要とし、ポンプの小型化を可能とする目的を達成している。しかし、特許文献２の方法では、インペラ浮上位置の距離推定までを行うものではなく、インペラとハウジング間の距離（片側、インペラ回転トルク発生部側）を０．１ｍｍ程度とする制御が限界に近い。電磁石の吸引力を増やして距離を増やそうとすると、わずかな外乱で、電磁石側にインペラが張り付く可能性がある。
非特許文献１は、PWM方式を用いたセルフセンシング（言い換えれば、センサレス）による磁気浮上理論を開示している。しかし、非特許文献１は、PWM方式セルフセンシング磁気浮上方式を開示するにとどまり、磁気軸受不調時の対応等、血液ポンプ装置のための具体的な構成までの提示はない。

そこで、本発明の目的は、回転体とハウジング間（片側、回転体回転トルク発生部側）にある程度の距離を確保した状態での回転体の磁気浮上状態制御をセンサレスにて行うことができ、かつ、外乱等の磁気軸受不調状態を検知可能であるとともに、磁気軸受不調状態検知時に、動圧軸受への移行および不調解消後における磁気軸受への復帰を行うことができるセンサレス磁気軸受型血液ポンプ装置を提供するものである。

上記目的を達成するものは、以下のものである。
（１） 液体流入ポートと液体流出ポートとを有するハウジングと、内部に第１の磁性体を備え、前記ハウジング内で回転し液体を送液する回転体を有するポンプ部と、前記ポンプ部の前記回転体の第１の磁性体を吸引しかつ前記回転体を回転させるための回転体回転トルク発生部と、前記回転体回転トルク発生部の前記回転体の吸引方向と異なる方向に前記回転体を磁気的吸引し、前記ハウジング内での前記回転体の非接触状態での回転を可能にする回転体磁気軸受部と、前記回転体回転トルク発生部側のハウジング内面もしくは前記回転体の前記回転体回転トルク発生部側の面に設けられ、前記回転体磁気軸受部の作動停止時における前記ハウジング内での回転体の非接触状態での回転を可能にする動圧軸受部とを備え、かつ、回転体位置測定用のセンサを備えない血液ポンプと、該血液ポンプを制御するための制御機構とを備えるセンサレス磁気軸受型血液ポンプ装置であって、
前記回転体磁気軸受部は、前記回転体の前記第１の磁性体もしくは前記第１の磁性体とは別に設けられた第２の磁性体を吸引するための電磁石を備え、前記制御機構は、前記電磁石を駆動するためのパルス幅変調式電磁石駆動部と、該パルス幅変調式電磁石駆動部の電圧および電流の搬送波成分を計測する搬送波成分計測部と、該搬送波成分計測部により計測された搬送波データを用いて、回転体位置情報データを算出する回転体位置データ算出機能およびパルス幅変調波形の変調率を算出する変調率算出機能と、回転体位置データ算出機能により算出された回転体位置データを利用して、前記パルス幅変調式電磁石駆動部を制御する回転体位置制御機能と、前記変調率算出機能による所定範囲外の変調率算出時に、前記パルス幅変調式電磁石駆動部の駆動を停止させることによる動圧軸受方式への移行および該動圧軸受方式への移行後における所定条件充足確認後に前記パルス幅変調式電磁石駆動部の駆動を再開し、磁気軸受方式に復帰させる軸受方式変更機能とを備えているセンサレス磁気軸受型血液ポンプ装置。

（２） 前記動圧軸受部は、前記回転体回転トルク発生部側の前記ハウジング内面もしくは前記回転体の前記回転体回転トルク発生部側の面に設けられた動圧溝もしくは異形面により構成されている上記（１）に記載のセンサレス磁気軸受型血液ポンプ装置。
（３） 前記動圧軸受部は、前記回転体磁気軸受部側の前記回転体の表面または該回転体の表面と向かい合う前記ハウジング内面に設けられた動圧溝もしくは異形面により構成されている上記（１）に記載のセンサレス磁気軸受型血液ポンプ装置。
（４） 前記血液ポンプは、前記回転体磁気軸受部側のハウジング内面もしくは前記回転体の前記回転体磁気軸受部側の面に設けられた第２の動圧溝を備えている上記（２）に記載のセンサレス磁気軸受型血液ポンプ装置。
（５） 前記搬送波成分計測部は、電圧用共振回路、電圧用検波回路、電流用共振回路および電流用検波回路とを備えている上記（１）ないし（４）のいずれかに記載のセンサレス磁気軸受型血液ポンプ装置。

（６） 前記制御機構は、所定変調率範囲を記憶しており、前記軸受方式変更機能は、前記変調率算出機能により前記所定変調率範囲外の変調率が算出された時に、前記パルス幅変調式電磁石駆動部の駆動を停止させ、前記動圧軸受方式へ移行させるものである上記（１）ないし（５）のいずれかに記載のセンサレス磁気軸受型血液ポンプ装置。
（７） 前記制御機構は、回転体回転トルク発生部電流モニタリング機能を備え、前記軸受方式変更機能は、所定回転体回転トルク発生部電流値範囲を記憶しており、前記動圧軸受方式への移行後に、前記回転体回転トルク発生部電流モニタリング機能により、前記所定回転体回転トルク発生部電流値範囲内の回転体回転トルク発生部電流が検知されたとき、前記所定条件充足と判断し、磁気軸受方式に復帰させるものである上記（１）ないし（６）のいずれかに記載のセンサレス磁気軸受型血液ポンプ装置。
（８） 前記軸受方式変更機能は、前記動圧軸受方式への移行後に、所定時間が経過したことが検知されることにより、前記所定条件充足と判断し、前記磁気軸受方式に復帰させるものである上記（１）ないし（６）のいずれかに記載のセンサレス磁気軸受型血液ポンプ装置。
（９） 前記回転体回転トルク発生部は、前記回転体の前記第１の磁性体を吸引するための磁石を備えるロータと、該ロータを回転させるモータを備えるものである上記（１）ないし（８）のいずれかに記載のセンサレス磁気軸受型血液ポンプ装置。
（１０） 前記回転体回転トルク発生部は、前記回転体の前記第１の磁性体を吸引するとともに該回転体を回転させるために円周上に配置された複数のステーターコイルを備えるものである上記（１）ないし（８）のいずれかに記載のセンサレス磁気軸受型血液ポンプ装置。
（１１） 前記血液ポンプは、遠心式血液ポンプまたは軸流式血液ポンプである上記（１）ないし（１０）のいずれかに記載のセンサレス磁気軸受型血液ポンプ装置。

本発明の血液ポンプ装置は、位置センサを備えないため、小型化可能でありかつ低消費電力である。さらに、回転体を吸引するための電磁石の駆動をパルス幅変調式電磁石駆動部により行うとともに、パルス幅変調式電磁石駆動部の電圧および電流の搬送波データを用いて、回転体位置情報、パルス幅変調波形の変調率を算出する変調率算出機能を備えている。上記のようにして得られる回転体位置データにより回転体の位置制御（パルス幅変調式電磁石駆動部の制御）を行うため、回転体とハウジング間をある程度離間した状態での制御を可能とするため、良好な回転体制御を行うことができる。さらに、算出される変調率より回転体不調を検出でき、回転体不調の際には、磁気軸受より動圧軸受方式への移行を行い、かつ、動圧軸受方式より磁気軸受方式への復帰も可能としている。よって、通常状態での磁気軸受制御、非常時における動圧軸受による回転体の回転の維持、さらに、磁気軸受による回転体回転への復帰を可能としており、センサレスにおいて、良好な回転体の回転制御を可能としている。

本発明のセンサレス磁気軸受型血液ポンプ装置を図面に示す実施例を用いて説明する。
図１は、本発明のセンサレス磁気軸受型血液ポンプ装置の制御機構を含む実施例のブロック図である。図２は、本発明のセンサレス磁気軸受型血液ポンプ装置に使用される血液ポンプの一例の正面図である。図３は、図２に示した血液ポンプの平面図である。図４は、図３に示した血液ポンプのＡ−Ａ線断面図である。図５は、図４に示した血液ポンプのＢ−Ｂ線断面図である。図６は、図４に示した血液ポンプ装置のＢ−Ｂ線断面より回転体を取り外した状態を示す断面図である。図７は、図４に示した血液ポンプのＣ−Ｃ線断面図である。図８は、本発明の他の実施例のセンサレス磁気軸受型血液ポンプ装置に使用される回転体の底面図である。
図９は、本発明の一実施例のセンサレス磁気軸受型血液ポンプ装置の作用を説明するためのフローチャートである。図１０は、本発明の他の実施例のセンサレス磁気軸受型血液ポンプ装置の作用を説明するためのフローチャートである。

本発明のセンサレス磁気軸受型血液ポンプ装置１は、血液ポンプ１０と、血液ポンプ１０を制御するための制御機構６とを備える。
血液ポンプ１０は、液体流入ポート２２と液体流出ポート２３とを有するハウジング２１と、内部に第１の磁性体２５を備え、ハウジング２１内で回転し、回転時の遠心力によって液体を送液する回転体５を有するポンプ部２と、ポンプ部２の回転体５の第１の磁性体２５を吸引しかつ回転させるための回転体回転トルク発生部３と、回転体回転トルク発生部３の回転体５の吸引方向と異なる方向に回転体５を磁気的吸引し、ハウジング２１内での回転体の非接触状態での回転を可能にする回転体磁気軸受部４と、回転体回転トルク発生部３側のハウジング内面もしくは回転体５の回転体回転トルク発生部側の面に設けられ、回転体磁気軸受部４の作動停止時におけるハウジング２１内での回転体の非接触状態での回転を可能にする動圧軸受部３８とを備え、かつ、回転体位置測定用のセンサを備えないものとなっている。そして、回転体磁気軸受部４は、回転体５の第１の磁性体もしくは第１の磁性体とは別に設けられた第２の磁性体２９を吸引するための電磁石４１を備える。

そして、制御機構６は、電磁石４１を駆動するためのパルス幅変調式電磁石駆動部（ＰＷＭ式電磁石駆動部）５４と、パルス幅変調式電磁石駆動部の電圧および電流の搬送波成分を計測する搬送波成分計測部５２（５５，５６，５７，５８）と、搬送波成分計測部５２により計測された搬送波データを用いて、回転体位置情報データを算出する回転体位置データ算出機能およびパルス幅変調波形の変調率を算出する変調率算出機能と、回転体位置データ算出機能により算出された回転体位置データを利用して、パルス幅変調式電磁石駆動部５４を制御する回転体位置制御機能と、変調率算出機能による所定範囲外の変調率算出時に、パルス幅変調式電磁石駆動部５４の駆動を停止させることによる動圧軸受方式への移行および動圧軸受方式への移行後における所定条件充足確認後にパルス幅変調式電磁石駆動部５４の駆動を再開し、磁気軸受方式に復帰させる軸受方式変更機能とを備えている。

図１ないし図７に示すように、この実施例の血液ポンプ装置１は、血液流入ポート２２と血液流出ポート２３を有するハウジング２１と、ハウジング２１内で回転し、回転時の遠心力によって血液を送液する回転体であるインペラ５を有する血液ポンプ部２と、インペラ５のためのインペラ回転トルク発生部（非制御式磁気軸受構成部）３と、インペラ５のためのインペラ位置制御部（制御式磁気軸受構成部）４とを備える。

この血液ポンプ１０では、インペラ回転トルク発生部３は、図４に示すように、血液ポンプ１０内に収納されたロータ３１とロータ３１を回転させるためのモータ３４を備える。ロータ３１は、血液ポンプ部２側の面に設けられた複数の永久磁石３３を備える。ロータ３１の中心は、モータ３４の回転軸に固定されている。永久磁石３３は、インペラ５の永久磁石２５の配置形態（数および配置位置）に対応するように、複数かつ等角度ごとに設けられている。
そして、この血液ポンプ１０における磁気軸受機構は、インペラ５の上部シュラウドに設けられた第２の磁性体２９と、インペラ５の第２の磁性体２９をインペラ回転トルク発生部３と反対方向に吸引する電磁石４１によって構成されている。

インペラ５は、図４に示すように、非制御式磁気軸受構成部３および制御式磁気軸受構成部４の作用により、ハウジング２１内の所定位置に保持され、ハウジング内面に接触することなく通常は回転する。
そして、この血液ポンプ１０は、インペラ５を吸引するための電磁石４１（具体的には、インペラ５に設けられた第２の磁性体２９を吸引するための電磁石４１）を備えるものの回転体の位置を検出するための位置センサを備えないものとなっている。
この実施例のポンプ装置１では、血液ポンプ部２は、ハウジング２１とハウジング内に収納されたインペラ５により構成されている。

ハウジング２１は、血液流入ポート２２と血液流出ポート２３とを備え、非磁性材料により形成されている。ハウジング２１内には、血液流入ポート２２および血液流出ポート２３と連通する血液室が形成されている。このハウジング２１内には、インペラ５が収納されている。血液流入ポート２２は、ハウジング２１の上面の中央付近より突出するように設けられている。また、図示しないが曲がり管とすることも可能である。血液流出ポート２３は、図２ないし図３に示すように、ほぼ円筒状に形成されたハウジング２１の側面より接線方向に突出するように設けられている。
図４に示すように、ハウジング２１内に形成された血液室内には、中央に貫通口を有する円板状のインペラ５が収納されている。インペラ５は、図３および図５に示すように、下面を形成するドーナツ板状部材（下部シュラウド）２７と、上面を形成する中央が開口したドーナツ板状部材（上部シュラウド）２８と、両者間に形成された複数（例えば、７つ）のベーン１８を有する。そして、下部シュラウドと上部シュラウドの間には、隣り合うベーン１８で仕切られた複数（７つ）の血液通路２６が形成されている。血液通路は、図５に示すように、インペラ５の中央開口と連通し、インペラ５の中央開口を始端とし、外周縁まで徐々に幅が広がるように延びている。言い換えれば、隣り合う血液通路間にベーン１８が形成されている。なお、この実施例では、それぞれの血液通路およびそれぞれのベーン１８は、等角度間隔にかつほぼ同じ形状に設けられている。

そして、図５に示すように、インペラ５には、複数（例えば、６個）の磁性体２５（永久磁石、従動マグネット）が埋設されている。この実施例では、磁性体２５は、下部シュラウド２７内に埋設されている。埋設された磁性体２５（永久磁石）は、後述するインペラ回転トルク発生部３によりインペラ５を血液流入ポート２２と反対側に吸引し、回転トルクをインペラ回転トルク発生部３より伝達するために設けられている。
また、インペラ５は、上部シュラウドそのものもしくは上部シュラウド内に設けられた磁性部材を備える。この実施例では、上部シュラウド２８に第２の磁性体２９が埋設されている。第２の磁性体２９は、後述するインペラ位置制御部の電磁石４１によりインペラ５を血液流入ポート２２側に吸引するために設けられている。第２の磁性体２９としては、磁性ステンレス等が使用される。

インペラ位置制御部４およびインペラ回転トルク発生部３により、非接触式磁気軸受が構成され、インペラ５は、相反する方向より引っ張られることにより、ハウジング２１内において、ハウジング２１の内面と接触しない適宜位置にて安定し、非接触状態にてハウジング２１内を回転する。
非接触式軸受機構（インペラ位置制御部）４は、図３および図４に示すように、インペラ５の第２の磁性体２９を吸引するための固定された複数の電磁石４１により構成されている。複数（３つ）の電磁石４１は、それぞれ等角度間隔にて設けられている。電磁石４１は、鉄心とコイルからなる。電磁石４１は、この実施例では、３個設けられている。電磁石４１は、３個以上、例えば、４つでもよい。３個以上設け、これらの電磁力を調整することにより、インペラ５の回転軸（ｚ軸）方向の力を釣り合わせ、かつ回転軸（ｚ軸）に直交するｘ軸およびｙ軸まわりのモーメントを制御することができる。

そして、この実施例における血液ポンプ１０は、図６に示すように、インペラ５を収納するとともに血液室を形成するハウジング内面のモータ３４側のハウジング内面２１ａに設けられた動圧溝３８を備えている。この動圧溝３８により、回転体磁気軸受部４の作動停止時におけるハウジング２１内での回転体の非接触状態での回転を可能にする動圧軸受部が構成されている。
そして、インペラ５は、所定以上の回転数により回転することにより発生する動圧溝３８とインペラ５間に形成される動圧軸受効果により、非接触状態にて回転する。

動圧溝３８は、図６に示すように、インペラ５の底面（ロータ側面）に対応する大きさに形成されている。この実施例のポンプ装置１では、ハウジング内面２０ａの中心より若干離間した円形部分の周縁（円周）上に一端を有し、渦状に（言い換えれば、湾曲して）ハウジング内面２０ａの外縁付近まで、幅が徐々に広がるように延びている。また、動圧溝３８は複数設けられており、それぞれの動圧溝３８はほぼ同じ形状であり、かつほぼ同じ間隔に配置されている。動圧溝３８は、凹部であり、深さとしては、０．００５〜０．４ｍｍ程度が好適である。動圧溝としては、６〜３６個程度設けることが好ましい。
このような動圧溝を有するため、磁気軸受停止時には、回転体は、インペラ回転トルク発生部３側に吸引されるが、ハウジングの動圧溝３８とインペラ５の底面間に形成される動圧軸受効果により、若干であるが、ハウジング内面より離れ、非接触状態にて回転し、回転体の下面とハウジング内面間に血液流路を確保するため、両者間での血液滞留およびそれに起因する血栓の発生を防止する。さらに、通常状態において、動圧溝が、回転体の下面とハウジング内面間において撹拌作用を発揮するので、両者間における部分的な血液滞留の発生を防止する。

さらに、図７に示すように、電磁石４１側のハウジング内面２０ｂに設けられた第２の動圧溝７１を備えることが好ましい。外的衝撃を受けた時また動圧溝３８による動圧力が過剰となった時に、回転体のハウジング内面２０ｂ側への密着を防止する。
動圧溝７１は、上述した動圧溝３８と同様に、図７に示すように、インペラ５の上面（電磁石側面）に対応する大きさに形成されている。この実施例の血液ポンプ１０では、動圧溝７１は、ハウジング内面２０ｂの中心より若干離間した円形部分の周縁（円周）上に一端を有し、渦状に（言い換えれば、湾曲して）ハウジング内面２０ｂの外縁付近まで、幅が徐々に広がるように延びている。また、動圧溝７１は複数個設けられており、それぞれの動圧溝７１はほぼ同じ形状であり、かつほぼ同じ間隔に配置されている。動圧溝７１は、凹部であり、深さとしては、０．００５〜０．４ｍｍ程度が好適である。動圧溝としては、６〜３６個程度設けることが好ましい。この実施例では、１２個の動圧溝が回転体の中心軸に対して等角度に配置されている。

なお、第２の動圧溝は、ハウジング側ではなくインペラ５の電磁石側の面に設けてもよい。この場合も上述した第２の動圧溝と同様の構成とすることが好ましい。
なお、第２の動圧溝は、ハウジング側に形成されている方がより好ましい。このようにすることにより、動圧溝の形成が容易である。さらに、回転体に動圧溝を形成する場合に比べて、回転体を薄くかつ回転体の重量を軽いものとすることができ、このような薄く軽い回転体は、耐外乱性能が高いものとなる。

なお、動圧軸受部としては、上記の動圧溝３８に限定されるものではない。例えば、図８に示すように、動圧軸受部は、インペラ５のインペラ回転トルク発生部３側の面５ａに設けられた動圧溝７３により構成してもよい。動圧溝７３は、動圧溝３８にて説明したものと同じである。
また、動圧軸受部は、インペラ回転トルク発生部３側のハウジング２１の内面もしくはこの内面と向かい合うインペラ５の表面の一方に設けられた異形面により構成してもよい。異形面としては、滑り軸受の相対すべり面形状が利用できる。滑り軸受の相対すべり面形状としては、例えば、傾斜平面軸受、テーパードランド軸受が好ましい。

そして、本発明のセンサレス磁気軸受型血液ポンプ装置は、制御機構６を備えている。
制御機構６は、電磁石４１を駆動するためのパルス幅変調式電磁石駆動部５４と、パルス幅変調式電磁石駆動部５４の電圧および電流の搬送波成分を計測する搬送波成分計測部５２（５５，５６，５７，５８）と、搬送波成分計測部５２（５５，５６，５７，５８）により計測された搬送波データを用いて、回転体位置情報データを算出する回転体位置データ算出機能およびパルス幅変調波形の変調率を算出する変調率算出機能と、回転体位置データ算出機能により算出された回転体位置データを利用して、パルス幅変調式電磁石駆動部５４を制御する回転体位置制御機能と、変調率算出機能による所定範囲外の変調率算出時に、パルス幅変調式電磁石駆動部５４の駆動を停止させることによる動圧軸受方式への移行および動圧軸受方式への移行後における所定条件充足確認後にパルス幅変調式電磁石駆動部５４の駆動を再開し、磁気軸受方式に復帰させる軸受方式変更機能とを備えている。

具体的には、図１に示すように、制御機構６は、パルス幅変調式電磁石駆動部５４と、パルス幅変調式電磁石駆動部５４の電圧および電流の搬送波成分を計測する搬送波成分計測部５２と、回転体位置データおよび変調率算出部５９と、主制御部５０とを備えている。そして、搬送波成分計測部５２は、電圧用共振回路５５、電圧用検波回路５６、電流用共振回路５７および電流用検波回路５８を備えている。また、パルス幅変調式電磁石駆動部５４は、パワーアンプを備えている。
さらに、この実施例における制御機構６は、インペラ回転トルク発生部（回転体回転トルク発生部）３のモータ３４のためのモータ制御部５３、モータ電流モニタリング部（回転体回転トルク発生部電流モニタリング部）５１を備える。なお、モータ電流モニタリング機能は、主制御部５０が備えるものとしてもよい。

この制御機構６では、回転体位置データおよび変調率算出部５９により算出される回転体位置データを用いて回転体の位置制御を行うものとなっている。そして、回転体位置データおよび変調率算出部５９により算出される搬送波成分の変調率を用いて軸受方式を変更するものとなっている。
この制御機構６における回転体位置データおよび変調率算出部５９により算出される回転体位置データを用いての回転体の位置制御は、上述した非特許文献１の理論を利用するものであり、その記載を引用する。

図２３は、非特許文献１に示されたセンサレス型磁気浮上系の概要を示すものである。垂直方向に１自由度を持つ系の運動方程式は、
m(d/dt²)x = mg−f(t) (1)
（d/dt²：時間tについての２階微分）
f(t) = μ₀AN^２ib² (2)
= μ₀AN^２(I₀+Δib)²/(X₀+Δx)^２ (3)
である。

ここで
x：浮上対象と電磁石間の距離
t：時間
m：浮上対象の質量
g：重力加速度
f(t)：電磁石による磁気吸引力
μ₀：真空の透磁率
A：電磁石の磁極の断面積
N：電磁石のコイルの巻数
ib：電磁石電流
Δx，Δib：x，ibの微小変化分
X₀，I₀：浮上位置である平衡点でのx，ibの値
である。

浮上位置である平衡点近傍での微小振動を仮定して線形化を行うと、(1)式は次のように単純化される。
m(d/dt²)Δx = (2mg / X₀) Δx + (−2mg / I₀) Δib (4)
(4)式は、磁気浮上制御を行うには距離xを知る必要があることを示している。このxは次式を使えば、位置センサなしに電磁石の情報から求められる。
x=μ₀A N^２ω_cI / E (5)
ここで、
E：電磁石を駆動するパルス幅変調された矩形波信号の電圧eb(t)の搬送波成分の振幅
I：電磁石電流ib(t) の搬送波成分の振幅
ω_c：電磁石を駆動するパルス幅変調された矩形波信号の角周波数。
である。

したがって、
eb(t)= E exp(jω_ct) (6a)
ib(t)= I exp(jω_ct) (6b)
である。(5)式は、距離xを求めるにはI/Eを求める必要があることを示している。
このI/Eは、
I/E = (I_H−I_L) / [4Ebπ(p−p²)] (7)
とあらわされる。ここで、
I_H：電磁石をパルス幅変調された矩形波信号によって駆動した場合の電流値のON時の初期条件
I_L：電磁石をパルス幅変調された矩形波信号によって駆動した場合の電流値のOFF時の初期条件
Eb：電磁石を駆動するパルス幅変調された矩形波信号の電圧eb(t)の振幅
p：電磁石を駆動するパルス幅変調された矩形波信号の電圧eb(t)の変調率。
別名Duty比。
である。したがって、

（５）式と（７）式から、距離ｘを電磁石情報から求めるには、Ｉ，Ｅを測定する必要があり、かつ変調率ｐの影響を考慮する必要があることがわかる。

また、非特許文献１では、実験から、図２４および図２５の結果を得ている。図２４は、距離ｘが同じであっても変調率ｐによって、その出力特性Ｉ／Ｅは一定ではないこと、しかし、実際の駆動はｐ＝５０％以上であり、５０％から８０％まではほぼ一定の出力特性なので、この区間では、電磁石のセルフセンシング（位置センサを用いずに電磁石による位置センシングを行うこと）による浮上制御が可能であることを示している。
よって、変調率が所定範囲内であれば、格別考慮することなく、測定されたＩ，Ｅより、回転体位置データを得ることができる。

本発明では、上記の制御理論に従い搬送波データを用いて、回転体位置情報データを算出し、算出された回転体位置データを利用して、パルス幅変調式電磁石駆動部５４を制御することにより回転体位置制御を行うものとなっている。
具体的には、回転体の位置データから、電磁石との距離が大きい場合には、パルス幅を大きくする（変調率ｐを大きくする）。逆に電磁石との距離が小さい場合には、パルス幅を小さくする（変調率ｐを小さくする）。ただし、磁気浮上系は一般に不安定な系であるため、電磁石駆動電流にフィードバック制御を行って安定化する必要がある。このフィードバック制御による安定化の方法としてＰＤ制御、ＰＩＤ制御が用いられる。

さらに、図２４の特性から平衡点近傍で推定変位をデジタルPD補償し、浮上制御を行ったところ、定常的に微小振動は残るものの、安定した浮上特性が得られたと報告されている。
このように位置センサ無しの磁気浮上技術は、平衡点近傍では、磁気浮上が可能であるものの、位置制御が可能な条件として変調率ｐに制限を受ける。変調率ｐに制限を受けるということは、衝撃等の大きな外乱によって制御対象が平衡点から大きくはずれた場合、制御系は電磁石による吸引力を、非常に小さくするか、または非常に大きくして平衡点に戻そうとするために、変調率ｐは０または１に近い値を取るので、位置制御ができないということである。すなわち、位置制御が可能な範囲に制限を受けることを示している。
したがって、非特許文献１の技術をそのまま人工心臓用の血液ポンプに応用することは、衝撃等の大きな外乱を受けたとき、回転体とハウジングが回転中に接触し、患者に悪影響を与える可能性があり、困難である。

そこで、本発明における制御機構は、外乱発生時の対応のために、電磁石を駆動するパルス幅変調された矩形波信号の電圧の変調率を算出するとともに、算出された変調率を利用して軸受方式変更を判断するものとなっている。なお、変調率としては、電磁石を駆動するパルス幅変調された矩形波信号の電流の変調率を算出してもよい。

なお、変調率は、下記より算出される。
変調率ｐは、搬送波の周期Ｔ（＝１／ω_c）に対するパルス幅変調信号がＯＮ（ｔ＝０〜ｐＴ）の期間の比であるから、例えば、計数用のクロックでＯＮの期間が何クロックかをカウントすることで得られる。また、Ａ−Ｄ変換器を用いて求めることもできる。
具体的には、図１に示すポンプ装置では、電磁石はパルス幅変調（Pulse Width Modulation）にて駆動される。駆動電圧と駆動電流は、上述した共振回路と検波回路によって、各々のPWM搬送波成分であるＥ，Ｉが抽出される。得られたＥ，Ｉと、そのときのＰＷＭ波形の変調率（Ｄｕｔｙ比）ｐから、あらかじめ保存されているデータ（表または下記計算式（９））と、デジタルコントローラから、推定距離をデジタルＰＤ補償（またはＰＩＤ補償）し、磁気浮上に必要な制御指令値を制御部に送る。
ｚ＝ａ（Ｉ／Ｅ）＋ｂ （９） （ａ，ｂは、あらかじめ求めた定数である）

前述の（５）式は、磁性材の比透磁率μ_ｓ、磁性材の長さＬの間に、μ_ｓ≫Ｌが成り立つ場合の式である。ｘに対しＬ／μ_ｓが無視できない場合、
ｘ＝μ₀ AN^２ω_c（Ｉ／Ｅ）−（Ｌ／μ_ｓ）
となる。
ここで、
ａ＝μ₀ AN^２ω_c
ｂ＝−Ｌ／μ_ｓ
とおくと、（９）式が得られる。

したがって、（９）式のｚは、ＩとＥとから得られるｘの算出値である。（９）式は非特許文献１の（１２）式に相当する。非特許文献１のFig.1（本願の図２３）では（９）式は

であるが、ここでは記述しやすいようにｚを用いている。

そして、PWM波形の変調率ｐと、モータ電流（この実施例では）から、磁気軸受にすべきか動圧軸受にすべきかを後述するように判断する。後者の場合、電磁石の駆動を停止する。
この実施例における制御機構６は、所定変調率範囲を記憶しており、軸受方式変更機能は、変調率算出機能により所定変調率範囲外の変調率が算出された時に、パルス幅変調式電磁石駆動部５４の駆動を停止させ、動圧軸受方式へ移行させる機能を備えている。

制御機構６における軸受方式変更システムを図１および図９に示す実施例を用いて説明する。
図９に示す実施例が実行されるための制御機構６は、所定変調率範囲を記憶している。具体的には、主制御部５０内に所定変調率範囲（例えば、５０％≦ｐ≦８０％）が記憶されている。
図９に示すように、血液ポンプ装置１０の作動がスタートすると、パルス幅変調式電磁石駆動部５４が作動し、電磁石４１を作動させる。また、モータ制御部も作動し、回転体が磁気浮上状態（磁気軸受状態）にて回転する。

そして、逐次算出される変調率が、上述した変調率が記憶する所定範囲内であるかどうかが判断される。範囲内の場合は、上記の磁気軸受状態が継続される。そして、図９に示すように、算出された変調率が記憶する所定範囲外であると判断された場合には、パルス幅変調式電磁石駆動部の作動を停止し、電磁石４１の作動を停止させる。これにより、回転体は、回転体回転駆動部側（モータ側）に近接するもののモータによる回転体の回転は継続されているため、動圧溝による動圧軸受状態に移行し、動圧軸受状態による回転体回転が行われる。

また、この実施例における制御機構は、上述したようにモータ電流モニタリング機構を備えている。具体的には、モータ電流モニタリング部により逐次モータ電流が検知され、検知データは、主制御部５０に送られている。主制御部５０は、所定回転体回転トルク発生部電流値範囲（具体的には、所定モータ電流値範囲）を記憶している。動圧軸受方式への移行後に、回転体回転トルク発生部電流モニタリング機能により、記憶する所定回転体回転トルク発生部電流値範囲内の回転体回転トルク発生部電流が検知されたとき、所定条件充足と判断し、図９に示すように、パルス幅変調式電磁石駆動部５４を駆動し、電磁石４１を作動させ、磁気軸受方式に復帰させるものとなっている。所定回転体回転トルク発生部電流値としては、磁気軸受による通常の回転時における回転体回転トルク発生部電流値の近傍範囲とすることが考えられる。

なお、制御機構６における軸受方式変更システムとしては、上述したものが好ましいが、図１０に示す実施例のようなものであってもよい。この実施例の軸受方式変更システムと上述した軸受方式変更システムとの相違点は、磁気軸受方式への復帰のための所定条件充足の内容が相違するのみである。
この実施例の軸受方式変更システムにおいても回転体の磁気浮上状態（磁気軸受状態）での回転中、逐次算出される変調率が、上述した変調率が記憶する所定範囲内であるかどうかが判断される。範囲内の場合は、上記の磁気軸受状態が継続される。そして、図１０に示すように、算出された変調率が記憶する所定範囲外であると判断された場合には、パルス幅変調式電磁石駆動部の作動を停止し、電磁石４１の作動を停止させる。これにより、回転体は、回転体回転駆動部側（モータ側）に近接するもののモータによる回転体の回転は継続されているため、動圧溝による動圧軸受状態に移行し、動圧軸受状態による回転体回転が行われる。

また、この実地例の制御機構における軸受方式変更システムでは、タイマー機能を備えており、動圧軸受方式に移行すると直ちにタイマーが作動し、所定時間（例えば、０．５〜５分）が経過したことが検知されることにより、所定条件充足と判断し、図１０に示すように、パルス幅変調式電磁石駆動部５４を駆動し、電磁石４１を作動させ、磁気軸受方式に復帰させるものとなっている。

本発明のセンサレス磁気軸受型血液ポンプ装置では、何らかの原因によりセンサレス磁気軸受の動作可能条件が満たされなくなった場合には、動圧軸受に速やかに移行し、回転体がセンサレス磁気軸受で回転可能な位置に戻る等、センサレス磁気軸受の動作可能条件が再び満たされた場合には、速やかにセンサレス磁気軸受に戻るシステムとなっている。
そして、位置センサを不要にすることで、ポンプとコントローラを含めたシステム全体での装置の小型化、低消費電力、低価格化が実現できる。また、ポンプ内の位置センサと、体外のコントローラを接続するケーブルが不要になるため、ケーブルが細くでき、感染のリスクも低くすることができる。

なお、上述した特許文献２のものでは、補助的に電磁石を用いるものであり、回転体の位置の正確な推定を行うものではない。また、本発明のセンサレス磁気軸受型血液ポンプ装置では、上述した理論に基づき、ある程度のレベルで回転体の位置推定が可能であり、さらに、回転体とハウジング間の距離ある程度とった状態での磁気軸受を可能とするため、溶血、血栓発生防止という点において優れている。

本発明のセンサレス磁気軸受型血液ポンプ装置に使用される血液ポンプの形は、上述したものに限定されるものではない。
例えば、図１１および図１２に示すようなタイプの血液ポンプを用いてもよい。
なお、この血液ポンプ２０と上述した血液ポンプ１０との相違は、上記のインペラ回転トルク発生部３の構成のみである。
この実施例における血液ポンプ２０では、インペラ回転トルク発生部３は、図１１および図１２に示すように、通電時にインペラ５の磁性体２５をインペラ５の一方の面側より吸引し、かつ回転させるために円状に配置された複数のステータコイル６１を備えるステータコイルモータである。

ステータコイル６１は、円周上にほぼその円周の中心軸に対して等角度となるように複数配置されている。具体的には、６個のステータコイルが用いられている。また、ステータコイルとしては、多層巻きのステータコイルが用いられる。各ステータコイル６１に流れる電流の方向を切り換えることにより、回転磁界が発生し、この回転磁界により、回転体は吸引されるとともに回転する。
そして、図１２に示すように、インペラ５には、複数（例えば、６〜１２個）の磁性体２５（永久磁石、従動マグネット）が埋設されている。この実施例では、磁性体２５は、下部シュラウド２７内に埋設されている。回転体に埋設された磁性体２５（永久磁石）は、インペラ回転トルク発生部３のステータコイル６１により血液流入ポート２２と反対側に吸引され、ステータコイル６１の作動とカップリングするとともに回転トルクを回転体に伝達する。

また、この実施例のようにある程度の個数の磁性体２５を埋設することにより、後述するステータコイル６１との磁気的結合も十分に確保できる。磁性体２５（永久磁石）の形状としては、略台形状であることが好ましい。磁性体２５は、リング状、板状のいずれでもよい。また、磁性体２５の数および配置形態は、ステータコイルの数および配置形態に対応していることが好ましい。複数の磁性体２５は、磁極が交互に異なるように、かつ、回転体の中心軸に対してほぼ等角度となるように円周上に配置されていることが好ましい。

本発明のセンサレス磁気軸受型血液ポンプに使用される磁気軸受式血液ポンプとしては、遠心式血液ポンプ、軸流式血液ポンプのいずれであってもよい。さらには、磁気軸受形態として、Axial Gap（ポンプの回転軸と同じ方向のgapを制御するタイプのもの）、Radial Gap （ポンプの回転軸と直交方向のgapを制御するタイプのもの）のいずれであってもよい。よって、血液ポンプの形式としては、以下の４つのものがある。

１） Axial Gap式の遠心式血液ポンプ
上述した血液ポンプ１０および血液ポンプ２０がこれに該当する。
２） Radial Gap式の遠心式血液ポンプ
後述する血液ポンプ１００がこれに該当する。
３）Axial Gap式の軸流式血液ポンプ
後述する血液ポンプ２００がこれに該当する。
４） Radial Gap式の軸流式血液ポンプ
後述する血液ポンプ３００がこれに該当する。

そこで、図１３ないし図１６に示す血液ポンプ１００について説明する。この血液ポンプ１００は、Radial Gap式の遠心式血液ポンプである。
図１３は、本発明の他の実施例のセンサレス磁気軸受型血液ポンプ装置に使用される血液ポンプの一例の平面図である。なお、図１３は液体流入ポート１２２から見た図である。図１４は、図１３に示した血液ポンプのＥ−Ｅ線断面図である。図１５は、図１４に示した血液ポンプに使用される回転体付ロータの正面図である。図１６は、図１５に示す回転体付ロータの底面図である。
血液ポンプ１００は、液体流入ポート１２２と液体流出ポート１２３とを有するハウジング１２１と、ハウジング１２１内で回転し、回転時の遠心力によって液体を送液する回転体１０５を有する血液ポンプ部と、回転体１０５の下部に設けられたロータ１０６の内部に配置された第１の磁性体１２５を吸引し回転させるためのステータモータ１６１からなる回転体回転トルク発生部（インペラ回転トルク発生部、具体的には、ステータコイル）と、ロータ１０６の側面に設けられた動圧軸受部を構成する動圧溝１３８を備える。血液ポンプ装置１００は、ロータ１０６の第１の磁性体１２５もしくは第１の磁性体１２５と別に設けられた第２の磁性体１２９を回転体回転トルク発生部（ステータコイル）による回転軸方向と直交する方向（Radial方向）に吸引し、回転体１０５（ロータ１０６とともに）を浮上させるための電磁石１４１を備えている。

図１３に示すように、この血液ポンプ１００では、回転体（ロータ）の底面に対して水平方向であるX方向に回転体（ロータ）を挟んで向かい合うように配置された２個の電磁石と、水平方向でありかつＸ方向と直交するＹ方向に回転体（ロータ）を挟んで向かい合うように配置された２個の電磁石を備えている。これにより、Radial方向にgapを制御する磁気浮上軸受が形成される。これら４個の電磁石は、コアと、コアに巻き付けられたコイルから成っている。
そして、回転体の下部にあるロータ内には、上述したように永久磁石１２９が埋め込まれており、４個の電磁石との間で十分な吸引力が発生する。また、上述したように、ロータの内部には、複数の磁性体１２５が埋め込まれている。磁性体１２５としては、永久磁石が好ましい。磁性体１２５の配置形態およびステータモータ１６１としては、上述した血液ポンプ２０において説明したものと同じものが好適に使用できる。

そして、図１５に示すように、ロータ１０６の側面１０６ａには、動圧軸受部を構成する動圧溝１３８が形成されている。特に、この実施例における動圧溝１３８は、ヘリングボーン溝となっている。動圧溝１３８は、ローターの中心軸に対して所定角度斜めとなった溝が、複数平行かつ等間隔に環状に配列された状態となっている。また、動圧溝１３８は、２列の溝列を備えるものとなっており、２列の溝列は、両者間の中心線に対して対称となるように形成されている。これにより、いわゆるへリングボーン形状となっている。

さらに、図１６に示すように、ロータ１０６の底面１０６ｂには、第２の動圧溝１７３が形成されている。なお、動圧溝１７３は、ロータ１０６の底面と向かい合うハウジングの内面に形成してもよい。動圧溝１７３としては、上述した血液ポンプ１０において説明した動圧溝７３と同じものが好適に使用できる。
この血液ポンプ１００では、動圧軸受での回転時、血液室外側の側面に設けられた４個の電磁石１４１には電流は流れない。しかし、ロータ１０６に埋め込まれている第２の磁性体（永久磁石）と電磁石１４１内のコアが引きあうので、回転体の回転軸方向（Ａｘｉａｌ方向）にはあまり動かず、Ｒａｄｉａｌ方向では、ステータモータにより吸引されるためハウジングの内面のどこかに張り付こうとする。ロータの回転が維持できていれば、ロータがハウジングの側面に近接したとき、近接部におけるロータの側面に設けられた動圧溝が発生する圧力によってロータをハウジングより離間させる力が働くため、非接触で回転を維持する。また、ロータ１０６の下面に、動圧溝を備えるため、ロータがステータモータ側に近づこうとすると、ロータの下面の動圧溝が発生する圧力によって、逆方向の力が生まれ、非接触で回転を維持する。

次に、図１７ないし図１９に示す血液ポンプ２００について説明する。この血液ポンプ２００は、Axial Gap式の軸流ポンプである。
図１７は、本発明の他の実施例のセンサレス磁気軸受型血液ポンプ装置に使用される血液ポンプの一例の縦断面図である。図１８は、図１７に示した血液ポンプに使用される回転体の底面図である。図１９は、図１７に示した血液ポンプに使用される回転体の平面図である。
この実施例の血液ポンプ２００においても血液ポンプは、血液流入ポート２１１と血液流出ポート２１２とを有するハウジング２０１と、磁性体２２５を備え、ハウジング２０１内にてハウジング２０１内面に対して非接触状態にて回転し、血液を送液する回転体２０２と、回転体２０２をハウジング外より回転させるための回転体回転トルク発生部２０５と、回転体２０２のハウジング内での非接触状態での回転を可能とする磁気軸受部２０６，２０７と、磁気軸受部の作動停止時に回転体２０２のハウジング内での非接触状態での回転を可能とする動圧軸受部とを備える。

この血液ポンプ２００では、ハウジング２０１は、図１７に示すように円筒状に形成されており、上端側に血液流入ポート２１１を備え、下端側に血液流出ポート２１２を備えている。
そして、ハウジング２０１内には、円柱状の回転体２０２が収納されている。回転体２０２は、側面に設けられた血液移送用のフィン２２１を備え、内部に回転体回転トルク発生部より回転力を付与されるための側面側磁性体２２５と、回転体２０２の内部かつ上端側に設けられた上流側磁性体２２２と、回転体２０２の内部かつ下端側に設けられた下流側磁性体２２３を備えている。側面側磁性体２２５、上流側磁性体２２２および下流側磁性体２２３は、磁性材料もしくは永久磁石により形成されている。特に、永久磁石であることが好ましい。

また、ハウジング２０１は、回転体２０２の付近かつ上流側に配置され、内部に磁性部材２３１を有する上流側回転体吸引部２０３を備えている。具体的には、上流側回転体吸引部２０３は、ストレイトナーと呼ばれる部分であり、その上端は、血流の良好分散を可能とするために、図示するように略半球状に形成されている。上流側回転体吸引部２０３に設けられた磁性部材２３１と回転体２０２に設けられた上流側磁性体２２２とは、磁気的に吸引するものとなっている。
また、ハウジング２０１は、回転体２０２の付近かつ下流側に配置され、内部に磁性部材２４１を有する下流側回転体吸引部２０４を備えている。具体的には、下流側回転体吸引部２０４は、ディフューザーと呼ばれる部分である。下流側回転体吸引部２０４に設けられた磁性部材２４１と回転体２０２に設けられた下流側磁性体２２３とは、磁気的に吸引するものとなっている。よって、回転体２０２は、上端および下端（上流および下流）の両方向に吸引された状態となっている。上流側回転体吸引部２０３に設けられた磁性部材２３１および下流側回転体吸引部２０４に設けられた磁性部材２４１は、磁性材料もしくは永久磁石により形成されている。

そして、この実施例の血液ポンプ２００では、回転体回転トルク発生部は、通電時に回転体２０２の磁性体２２５を吸引するとともに回転体２０２を回転させるために回転体の側面を取り囲むように配置された複数のステータコイルを備えるステータコイルモータ２０５により構成されている。
さらに、この実施例の血液ポンプ２００では、非接触軸受機構は、通電時に上流側回転体吸引部２０３の磁性部材２３１に磁力を付与もしくは磁力を増幅させる第１のコイル体２０６および通電時に下流側回転体吸引部２０４の磁性部材２４１に磁力を付与もしくは磁力を増幅させる第２のコイル体２０７からなる磁気軸受手段を備えている。第１のコイル体２０６は、上流側回転体吸引部２０３の磁性部材２３１と共同して第１の電磁石を構成している。同様に、第２のコイル体２０７は、下流側回転体吸引部２０４の磁性部材２４１と共同して第２の電磁石を構成している。この実施例の血液ポンプにおける磁気軸受機構は、上記の２つのコイル体２０６，２０７と、上述した回転体の上流側磁性体２２２および下流側磁性体２２３、上流側回転体吸引部２０３の磁性部材２３１および下流側回転体吸引部２０４の磁性部材２４１により構成されている。そして、上記の２つのコイル体２０６，２０７への供給電流を調整することにより、回転体２０２は、上流側回転体吸引部２０３および下流側回転体吸引部２０４を含むハウジング内面に接触することなく回転する。

そして、この実施例の血液ポンプを備えるポンプ装置は、上述した実施例にて説明したものと同様に制御機構を備えるものであり、制御機構（図示せず）は、上記の第１の電磁石を構成する第１のコイル体２０６および第２の電磁石を構成する第２のコイル体２０７を駆動させるためのパルス幅変調式電磁石駆動部と、パルス幅変調式電磁石駆動部の電圧および電流の搬送波成分を計測する搬送波成分計測部、搬送波成分計測部により計測された搬送波データを用いて、回転体位置情報データを算出する回転体位置データ算出機能およびパルス幅変調波形の変調率を算出する変調率算出機能と、回転体位置データ算出機能により算出された回転体位置データを利用して、パルス幅変調式電磁石駆動部を制御する回転体位置制御機能と、変調率算出機能による所定範囲外の変調率算出時に、パルス幅変調式電磁石駆動部５４の駆動を停止させることによる動圧軸受方式への移行および動圧軸受方式への移行後における所定条件充足確認後にパルス幅変調式電磁石駆動部の駆動を再開し、磁気軸受方式に復帰させる軸受方式変更機能とを備える。

また、回転体２０２は、図１８に示すように、下流側回転体吸引部（ディフューザー）２０４と向かい合う面（底面）２０２ａに形成された動圧溝２３８を備えている。この動圧溝２３８により動圧軸受部が形成されている。なお、動圧溝２３８は、回転体２０２の底面と向かい合う下流側回転体吸引部（ディフューザー）２０４の表面に設けてもよい。動圧溝２３８としては、上述した血液ポンプ１０において説明した動圧溝３８と同じものが好適に使用できる。
また、動圧軸受部は、上述したような動圧溝２３８ではなく、下流側回転体吸引部（ディフューザー）２０４と向かい合う回転体の面（底面）２０２ａまたは回転体２０２の底面２０２ａと向かい合う下流側回転体吸引部（ディフューザー）２０４の表面２０４ａに設けた異形面により構成してもよい。

さらに、この実施例の血液ポンプ２００では、図１９に示すように、回転体２０２は、上流側回転体吸引部（ストレイトナー）２０３と向かい合う面（上面）２０２ｂに形成された第２の動圧溝２７１を備えている。なお、第２の動圧溝２７１は、回転体２０２の上面と向かい合う上流側回転体吸引部（ストレイトナー）２０３の表面に設けてもよい。動圧溝２７１としては、上述した血液ポンプ１０において説明した動圧溝３８または動圧溝７１と同じものが好適に使用できる。
また、第２の動圧軸受部は、上流側回転体吸引部（ストレイトナー）２０３と向かい合う面（上面）２０２ｂもしくは回転体２０２の上面と向かい合う上流側回転体吸引部（ストレイトナー）２０３の表面２０３ａに設けた異形面により構成してもよい。

そして、この血液ポンプ２００では、動圧軸受での回転時、血液室外側に２個設けられたコイル体２０６，２０７には電流は流れていない。しかし、回転体２０２に埋め込まれている永久磁石２２２，２２３とストレイトナー２０３とディフューザー２０４に内蔵されている磁性部材２３１，２４１が相反する方向に引きあうので、回転体は、Ｒａｄｉａｌ方向（回転軸方向と直交する方向）には、あまり動かず、軸方向に位置するストレイトナー２０３とディフューザー２０４のどちらかに張り付こうとする。Ｒａｄｉａｌ方向の回転体の位置は、あまり変化しないためモータは機能し、回転体は回転する。回転が維持できていれば、回転体の上面および底面に設けられた動圧溝により発生する圧力により、回転体のストレイトナー２０３およびディフューザー２０４への張り付きを阻害するため、回転体は、非接触で回転を維持する。

次に、図２０ないし図２２に示す血液ポンプ３００について説明する。この血液ポンプ３００は、Radial Gap式の軸流ポンプである。
図２０は、本発明の他の実施例のセンサレス磁気軸受型血液ポンプ装置に使用される血液ポンプの一例の縦断面図である。図２１は、図２０に示した血液ポンプに使用される回転体の正面図である。図２２は、図２０に示した血液ポンプに使用される回転体の底面図である。
この実施例の血液ポンプ３００においても血液ポンプは、血液流入ポート３１１と血液流出ポート３１２とを有するハウジング３０１と、磁性体３２５を備え、ハウジング３０１内にてハウジング３０１内面に対して非接触状態にて回転し、血液を送液する回転体３０２と、回転体３０２をハウジング外より回転させるための回転体回転トルク発生部３０５と、回転体３０２のハウジング３０１内での非接触状態での回転を可能とする磁気軸受部３０６と、磁気軸受部の作動停止時に回転体３０２のハウジング３０１内での非接触状態での回転を可能とする動圧軸受部とを備える。

この血液ポンプ３００では、ハウジング３０１は、図２０に示すように、回転体収納部が拡径した筒状体となっており、上端側に血液流入ポート３１１を備え、下端側に血液流出ポート３１２を備えている。
そして、ハウジング３０１内には、円筒状の回転体３０２が収納されている。回転体３０２は、中空部に設けられた血液移送用のフィン３２１を備え、内部かつ周縁部に回転体回転トルク発生部３０５より回転力を付与されるための磁性体３２５と、回転体３０２の内部かつ周縁側に設けられた第２の磁性体３２９と、この第２の磁性体に近接するように設けられた第３の磁性体３３０を備えている。第２の磁性体３２９は、永久磁石により形成されている。

また、ハウジング３０１は、回転体３０２の付近かつ血液流入ポート３１１内に配置されたストレイトナー３０３と、回転体３０２の付近かつ血液流出ポート３１２内に配置されたディフューザー３０４を備える。
そして、この実施例の血液ポンプ３００では、回転体回転トルク発生部は、通電時に回転体３０２の磁性体３２５を吸引するとともに回転体３０２を回転させるために回転体の側面を取り囲むように配置された複数のステータコイルを備えるステータコイルモータ３０５により構成されている。

さらに、この実施例の血液ポンプ３００では、非接触軸受機構は、通電時に上記第３の磁性体３３０もしくは第２の磁性体３２９（または第３の磁性体３３０および第２の磁性体３２９）を吸引するための電磁石３０６からなる磁気軸受手段を備えている。
そして、この実施例の血液ポンプを備えるポンプ装置は、上述した実施例にて説明したものと同様に制御機構を備えるものであり、制御機構（図示せず）は、上記の電磁石３０６を駆動させるためのパルス幅変調式電磁石駆動部と、パルス幅変調式電磁石駆動部の電圧および電流の搬送波成分を計測する搬送波成分計測部、搬送波成分計測部により計測された搬送波データを用いて、回転体位置情報データを算出する回転体位置データ算出機能およびパルス幅変調波形の変調率を算出する変調率算出機能と、回転体位置データ算出機能により算出された回転体位置データを利用して、パルス幅変調式電磁石駆動部を制御する回転体位置制御機能と、変調率算出機能による所定範囲外の変調率算出時に、パルス幅変調式電磁石駆動部５４の駆動を停止させることによる動圧軸受方式への移行および動圧軸受方式への移行後における所定条件充足確認後にパルス幅変調式電磁石駆動部の駆動を再開し、磁気軸受方式に復帰させる軸受方式変更機能とを備える。

そして、回転体３０２は、図２１に示すように、回転体３０２の側面に動圧軸受部を構成する動圧溝３３８が形成されている。特に、この実施例における動圧溝３３８は、ヘリングボーン溝となっている。動圧溝３３８は、回転体３０２の中心軸に対して所定角度斜めとなった溝が、複数平行かつ等間隔に環状に配列された状態となっている。また、動圧溝３３８は、２列の溝列を備えるものとなっており、２列の溝列は、両者間の中心線に対して対称となるように形成されている。このため、動圧溝３３８は、いわゆるヘリングボーン形状となっている。
さらに、回転体３０２は、図２２に示すように、回転体３０２の底面（ディフューザー３０４側のハウジングの内面と向かい合う面）３０２ａに第２の動圧溝３７１が形成されている。なお、動圧溝３７１は、回転体３０２の底面と向かい合うハウジングの内面に形成してもよい。動圧溝３７１としては、上述した血液ポンプ１０において説明した動圧溝３８と同じものが好適に使用できる。

また、動圧軸受部は上述したような動圧溝３７１ではなく、回転体３０２の底面３０２ａまたは回転体３０２の底面３０２ａと向かい合う、ハウジング３０１の内面３０１ａに設けた異形面により構成しても良い。
さらに、この実施例の血液ポンプ３００では、回転体３０２の上面（ストレイトナー３０３側のハウジングの内面と向かい合う面）３０２ｂに第３の動圧溝（図示せず）が形成されている。なお、第３の動圧溝は回転体３０２の上面と向かい合うハウジングの内面に形成しても良い。動圧溝３３８としては、上述した血液ポンプ１０において説明した動圧溝３８または動圧溝７１と同じものが好適に使用できる。
また、第３の動圧軸受部は、回転体３０２の上面３０２ｂまたは回転体３０２の上面３０２ｂと向かい合うハウジング３０１の内面３０１ｂに設けた異形面により構成しても良い。

そして、この実施例の血液ポンプ３００では、図２０に示すように、回転体３０２は、側面部の内部には、磁気浮上用の永久磁石３２９と２つの磁性体（鉄リング）３３０ａ，３３０ｂが埋め込まれている。また、ハウジングの側部には、回転体を回転させるためのモータと、磁気浮上用の電磁石３０６が設けられている。電磁石３０６は、図１３に示した血液ポンプ１００と同様に、90°間隔にて４個配置されており、X方向、Y方向の制御を可能なものとなっている。これにより、必要なRadial gapを得ることができる。

そして、この血液ポンプ３００では、動圧軸受での回転時、電磁石３０６には電流は流れていない。しかし、回転体３０２に埋め込まれている永久磁石３２９と電磁石内のコアが引き合うので、軸方向（Ａｘｉａｌ方向）にはインペラはあまり動かず、Ｒａｄｉａｌ方向のハウジングの内面のどこかに張り付こうとする。しかし、この血液ポンプは、回転が維持できていれば、回転体がハウジングの内面に近接したとき、近接部における回転体の側面に設けられた動圧溝３３８が発生する圧力によって回転体をハウジングより離間させる力が働くため、非接触で回転を維持する。さらに、回転体３０２の下面と上面には、それぞれ第２の動圧溝３７１、第３の動圧溝を備えるため、回転体がハウジング底面または上面に近づこうとすると、回転体の各々の面の動圧溝が発生する圧力によって、逆方向の力が生まれ、非接触で回転を維持する。

図１は、本発明のセンサレス磁気軸受型血液ポンプ装置の制御機構を含む実施例のブロック図である。 図２は、本発明のセンサレス磁気軸受型血液ポンプ装置に使用される血液ポンプの一例の正面図である。 図３は、図２に示した血液ポンプの平面図である。 図４は、図２に示した血液ポンプのＡ−Ａ線断面図である。 図５は、図４に示した血液ポンプのＢ−Ｂ線断面図である。 図６は、図４に示した血液ポンプ装置のＢ−Ｂ線断面より回転体を取り外した状態を示す断面図である。 図７は、図４に示した血液ポンプのＣ−Ｃ線断面図である。 図８は、本発明の他の実施例のセンサレス磁気軸受型血液ポンプ装置に使用される回転体の底面図である。 図９は、本発明の一実施例のセンサレス磁気軸受型血液ポンプ装置の作用を説明するためのフローチャートである。 図１０は、本発明の他の実施例のセンサレス磁気軸受型血液ポンプ装置の作用を説明するためのフローチャートである。 図１１は、本発明の他の実施例のセンサレス磁気軸受型血液ポンプ装置に使用される血液ポンプの一例の縦断面図である。 図１２は、図１１に示した血液ポンプのＤ−Ｄ線断面図である。 図１３は、本発明の他の実施例のセンサレス磁気軸受型血液ポンプ装置に使用される血液ポンプの一例の平面図である。 図１４は、図１３に示した血液ポンプのＥ−Ｅ線断面図である。 図１５は、図１４に示した血液ポンプに使用される回転体付ロータの正面図である。 図１６は、図１５に示す回転体付ロータの底面図である。 図１７は、本発明の他の実施例のセンサレス磁気軸受型血液ポンプ装置に使用される血液ポンプの一例の縦断面図である。 図１８は、図１７に示した血液ポンプに使用される回転体の底面図である。 図１９は、図１７に示した血液ポンプに使用される回転体の平面図である。 図２０は、本発明の他の実施例のセンサレス磁気軸受型血液ポンプ装置に使用される血液ポンプの一例の縦断面図である。 図２１は、図２０に示した血液ポンプに使用される回転体の正面図である。 図２２は、図２０に示した血液ポンプに使用される回転体の底面図である。 図２３は、非特許文献１に示されたセンサレス型磁気浮上系の概要を示す図である。 図２４は、非特許文献１に示されたセンサレス型磁気浮上系の実験結果を示す図である。 図２５は、非特許文献１に示されたセンサレス型磁気浮上系の実験結果を示す図である。

符号の説明

１ センサレス磁気軸受型血液ポンプ装置
２ 血液ポンプ部
３ 回転体回転トルク発生部
４ 回転体磁気軸受部
５ 回転体
６ 制御機構
１０，２０，１００，２００，３００ 血液ポンプ

Claims (11)

1. 液体流入ポートと液体流出ポートとを有するハウジングと、内部に第１の磁性体を備え、前記ハウジング内で回転し液体を送液する回転体を有するポンプ部と、前記ポンプ部の前記回転体の第１の磁性体を吸引しかつ前記回転体を回転させるための回転体回転トルク発生部と、前記回転体回転トルク発生部の前記回転体の吸引方向と異なる方向に前記回転体を磁気的吸引し、前記ハウジング内での前記回転体の非接触状態での回転を可能にする回転体磁気軸受部と、前記回転体回転トルク発生部側のハウジング内面もしくは前記回転体の前記回転体回転トルク発生部側の面に設けられ、前記回転体磁気軸受部の作動停止時における前記ハウジング内での回転体の非接触状態での回転を可能にする動圧軸受部とを備え、かつ、回転体位置測定用のセンサを備えない血液ポンプと、該血液ポンプを制御するための制御機構とを備えるセンサレス磁気軸受型血液ポンプ装置であって、
   前記回転体磁気軸受部は、前記回転体の前記第１の磁性体もしくは前記第１の磁性体とは別に設けられた第２の磁性体を吸引するための電磁石を備え、前記制御機構は、前記電磁石を駆動するためのパルス幅変調式電磁石駆動部と、該パルス幅変調式電磁石駆動部の電圧および電流の搬送波成分を計測する搬送波成分計測部と、該搬送波成分計測部により計測された搬送波データを用いて、回転体位置情報データを算出する回転体位置データ算出機能およびパルス幅変調波形の変調率を算出する変調率算出機能と、回転体位置データ算出機能により算出された回転体位置データを利用して、前記パルス幅変調式電磁石駆動部を制御する回転体位置制御機能と、前記変調率算出機能による所定範囲外の変調率算出時に、前記パルス幅変調式電磁石駆動部の駆動を停止させることによる動圧軸受方式への移行および該動圧軸受方式への移行後における所定条件充足確認後に前記パルス幅変調式電磁石駆動部の駆動を再開し、磁気軸受方式に復帰させる軸受方式変更機能とを備えていることを特徴とするセンサレス磁気軸受型血液ポンプ装置。
2. 前記動圧軸受部は、前記回転体回転トルク発生部側の前記ハウジング内面もしくは前記回転体の前記回転体回転トルク発生部側の面に設けられた動圧溝もしくは異形面により構成されている請求項１に記載のセンサレス磁気軸受型血液ポンプ装置。
3. 前記動圧軸受部は、前記回転体磁気軸受部側の前記回転体の表面または該回転体の表面と向かい合う前記ハウジング内面に設けられた動圧溝もしくは異形面により構成されている請求項１に記載のセンサレス磁気軸受型血液ポンプ装置。
4. 前記血液ポンプは、前記回転体磁気軸受部側のハウジング内面もしくは前記回転体の前記回転体磁気軸受部側の面に設けられた第２の動圧溝を備えている請求項２に記載のセンサレス磁気軸受型血液ポンプ装置。
5. 前記搬送波成分計測部は、電圧用共振回路、電圧用検波回路、電流用共振回路および電流用検波回路とを備えている請求項１ないし４のいずれかに記載のセンサレス磁気軸受型血液ポンプ装置。
6. 前記制御機構は、所定変調率範囲を記憶しており、前記軸受方式変更機能は、前記変調率算出機能により前記所定変調率範囲外の変調率が算出された時に、前記パルス幅変調式電磁石駆動部の駆動を停止させ、前記動圧軸受方式へ移行させるものである請求項１ないし５のいずれかに記載のセンサレス磁気軸受型血液ポンプ装置。
7. 前記制御機構は、回転体回転トルク発生部電流モニタリング機能を備え、前記軸受方式変更機能は、所定回転体回転トルク発生部電流値範囲を記憶しており、前記動圧軸受方式への移行後に、前記回転体回転トルク発生部電流モニタリング機能により、前記所定回転体回転トルク発生部電流値範囲内の回転体回転トルク発生部電流が検知されたとき、前記所定条件充足と判断し、磁気軸受方式に復帰させるものである請求項１ないし６のいずれかに記載のセンサレス磁気軸受型血液ポンプ装置。
8. 前記軸受方式変更機能は、前記動圧軸受方式への移行後に、所定時間が経過したことが検知されることにより、前記所定条件充足と判断し、前記磁気軸受方式に復帰させるものである請求項１ないし６のいずれかに記載のセンサレス磁気軸受型血液ポンプ装置。
9. 前記回転体回転トルク発生部は、前記回転体の前記第１の磁性体を吸引するための磁石を備えるロータと、該ロータを回転させるモータを備えるものである請求項１ないし８のいずれかに記載のセンサレス磁気軸受型血液ポンプ装置。
10. 前記回転体回転トルク発生部は、前記回転体の前記第１の磁性体を吸引するとともに該回転体を回転させるために円周上に配置された複数のステーターコイルを備えるものである請求項１ないし８のいずれかに記載のセンサレス磁気軸受型血液ポンプ装置。
11. 前記血液ポンプは、遠心式血液ポンプまたは軸流式血液ポンプである請求項１ないし１０のいずれかに記載のセンサレス磁気軸受型血液ポンプ装置。

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