JP2011169166A - 遠心式ポンプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】インペラの支持剛性が大きく、トルク伝達効率が高い遠心式ポンプ装置を提供する。
【解決手段】この遠心式血液ポンプ装置は、血液室７内に設けられたインペラ１０と、インペラ１０の一方面に設けられた永久磁石１５ａ，１５ｂと、血液室７の内壁に設けられ、それぞれ永久磁石１５ａ，１５ｂを吸引する永久磁石１６ａ，１６ｂとを備える。ポンプ動作時にインペラ１０の回転中心線Ｌ３と血液室７の側壁の中心線Ｌ１とが一致するように、永久磁石１６ａ，１６ｂの中心線Ｌ２を血液室７の側壁の中心線Ｌ１と異なる位置に配置する。したがって、高いトルク伝達効率が得られる。
【選択図】図１０

Description

この発明は遠心式ポンプ装置に関し、特に、回転時の遠心力によって液体を送るインペラを備えた遠心式ポンプ装置に関する。

近年、人工心肺装置の血液循環装置として、外部モータの駆動トルクを磁気結合を用いて血液室内のインペラに伝達する遠心式血液ポンプ装置を使用する例が増加している。この遠心式血液ポンプ装置によれば、外部と血液室との物理的な連通を排除することができ、細菌などの血液への侵入を防止することができる。

特許文献１の遠心式血液ポンプは、第１および第２の隔壁によって仕切られた第１〜第３の室を含むハウジングと、第２の室（血液室）内に回転可能に設けられたインペラと、インペラの一方面に設けられた磁性体と、インペラの一方面に対向して第１の室内に設けられた電磁石と、インペラの他方面に設けられた永久磁石と、第３の室内に設けられたロータおよびモータと、インペラの他方面に対向してロータに設けられた永久磁石とを備える。インペラの他方面に対向する第２の隔壁の表面には、動圧溝が形成されている。電磁石からインペラの一方面に作用する吸引力と、ロータの永久磁石からインペラの他方面に作用する吸引力と、動圧溝の動圧軸受効果により、インペラは第２の室の内壁から離れ、非接触状態で回転する。

また、特許文献２の遠心式血液ポンプは、第１および第２の隔壁によって仕切られた第１〜第３の室を含むハウジングと、第２の室（血液室）内に回転可能に設けられたインペラと、インペラの一方面に設けられた磁性体と、インペラの一方面に対向して第１の室内に設けられた第１の永久磁石と、インペラの他方面に設けられた第２の永久磁石と、第３の室内に設けられたロータおよびモータと、インペラの他方面に対向してロータに設けられた第３の永久磁石とを備える。インペラの一方面に対向する第１の隔壁の表面には第１の動圧軸が形成され、インペラの他方面に対向する第２の隔壁の表面には第２の動圧溝が形成されている。第１の永久磁石からインペラの一方面に作用する吸引力と、ロータの第３の永久磁石からインペラの他方面に作用する吸引力と、第１および第２の動圧溝の動圧軸受効果により、インペラは第２の室の内壁から離れ、非接触状態で回転する。

また、特許文献３の図８および図９のターボ形ポンプは、ハウジングと、ハウジング内に回転可能に設けられたインペラと、インペラの一方面に設けられた第１の永久磁石と、ハウジングの外部に設けられたロータと、インペラの一方面に対向してロータに設けられた第２の永久磁石と、インペラの他方面に設けられた第３の永久磁石と、インペラの他方面に対向してハウジングに設けられた磁性体とを備えている。また、インペラの一方面には第１の動圧溝が形成され、インペラの他方面には第２の動圧溝が形成されている。ロータの第２の永久磁石からインペラの一方面に作用する吸引力と、ハウジングの磁性体からインペラの他方面に作用する吸引力と、第１および第２の動圧溝の動圧軸受効果により、インペラはハウジングの内壁から離れ、非接触状態で回転する。

また、特許文献４のクリーンポンプは、ケーシングと、ケーシング内に回転可能に設けられたインペラと、インペラの一方面に設けられた第１の永久磁石と、ケーシングの外部に設けられたロータと、インペラの一方面に対向してロータに設けられた第２の永久磁石と、インペラの他方面に設けられた磁性体と、インペラの他方面に対向してハウジング外に設けられた電磁石とを備えている。また、インペラの一方面には動圧溝が形成されている。

インペラの回転数が所定の回転数よりも低い場合は電磁石を作動させ、インペラの回転数が所定の回転数を超えた場合は電磁石への通電を停止する。ロータの第２の永久磁石からインペラの一方面に作用する吸引力と、動圧溝の動圧軸受効果により、インペラはハウジングの内壁から離れ、非接触状態で回転する。

さらに、特許文献５の遠心式血液ポンプは、特許文献２の遠心式血液ポンプにおいて、インペラの回転時にインペラの回転中心線と第２の室の中心線とが一致するように、ロータの回転中心線を第２の室の中心線と異なる位置に配置している。

特開２００４−２０９２４０号公報 特開２００６−１６７１７３号公報 特開平４−９１３９６号公報 実開平６−５３７９０号公報 特開２００７−８９９７２号公報

上記特許文献１〜５のポンプは、インペラとハウジングの対向部に形成された動圧溝によってインペラのアキシアル方向（インペラの回転軸方向）の支持を行ない、インペラに設けられた永久磁石とハウジング外に設けられた永久磁石との吸引力によってインペラのラジアル方向（インペラの半径方向）の支持を行なっている点で共通する。

このような遠心ポンプ装置では、インペラの支持剛性（インペラを単位長さだけ移動させるために必要な力）が小さいと、使用者の動作に伴う加振（加速度振動）によってインペラが血液室の内壁に接触してしまう。したがって、アキシアル方向とラジアル方向の各々について十分に大きな支持剛性を持つことが必要である。

インペラの支持剛性を大きくするためには、インペラの永久磁石とハウジング側の永久磁石との磁気カップリング力を大きくすればよい。しかし、その磁気カップリング力を大きくすることは容易でない。すなわち、動圧軸受式の遠心ポンプ装置では、始めに、流量、揚程（圧力）、血液室とインペラの間隔の最小値が仕様として与えられる。すると、インペラの直径によって、回転数と動圧溝の寸法が決まる。

動圧溝の寸法、インペラ直径、回転数、血液室とインペラの間隔が決まれば、負荷容量が決まるので、それと釣合うための磁気カップリング力が決まる。磁気カップリング力が決まると、インペラの支持剛性も決まることになる。したがって、インペラの支持剛性を増やすためには負荷容量を増やす必要があるが、負荷容量は、血液の粘度、インペラの回転数、動圧溝の寸法、血液室とインペラの間隔に依存するので、負荷容量を増やすにも限度がある。

また、特許文献５の遠心式血液ポンプでは、インペラの回転中心線と第２の室の中心線が一致するので、負荷容量を大きくすることができる。しかし、この遠心式ポンプでは、ロータの回転中心線とインペラの回転中心線とが異なる位置に配置された状態でインペラを回転させるので、トルク伝達効率（モータ効率）が低下してしまう可能性があった。

それゆえに、この発明の主たる目的は、インペラの支持剛性が大きく、トルク伝達効率が高い遠心式ポンプ装置を提供することである。

この発明に係る遠心式ポンプ装置は、隔壁で仕切られた第１および第２の室を含むハウジングと、第１の室内において隔壁に沿って回転可能に設けられ、回転時の遠心力によって液体を送るインペラと、第２の室内に設けられ、隔壁を介してインペラを回転駆動させる駆動部とを備えた遠心式ポンプ装置であって、インペラの一方面に設けられた第１の磁性体と、インペラの一方面に対向する第１の室の内壁に設けられ、第１の磁性体を吸引する第２の磁性体と、インペラの他方面に設けられ、駆動部によって吸引される第３の磁性体を備えたものである。インペラの回転時において、第１の磁性体および第２の磁性体間に作用する第１の吸引力と第３の磁性体および駆動部間に作用する第２の吸引力とは、第１の室内におけるインペラの可動範囲の略中央で釣り合う。インペラの一方面またはそれに対向する第１の室の内壁に第１の動圧溝が形成され、インペラの他方面またはそれに対向する隔壁に第２の動圧溝が形成されている。インペラの側面に対向する第１の室の側壁は円筒状に形成されている。インペラの回転時においてインペラの回転中心線と第１の室の側壁の中心線とが一致するように、第２の磁性体の中心線が第１の室の側壁の中心線と異なる位置に配置されている。したがって、第１および第２の吸引力を釣合わせ、第１および第２の動圧溝を設けたので、インペラのアキシアル方向の支持剛性を大きくすることができる。また、インペラの回転時においてインペラの回転中心線と第１の室の側壁の中心線とが一致するので、高いトルク伝達効率を得ることができる。

好ましくは、第２の磁性体の中心線と第１の室の側壁の中心線とが一致する場合、インペラの回転時においてインペラの回転中心線は第１の室の側壁の中心線から所定方向に所定距離だけ移動する。第２の磁性体の中心線は、第１の室の側壁の中心線から所定方向の反対方向に所定距離だけ離れた位置に配置されている。

また好ましくは、第１の室の側壁の接線方向に延びるように設けられ、第１の室の側壁に設けられた開口部からハウジングの外に液体を流出させるための液体流出ポートを備える。第２の磁性体の中心線と第１の室の側壁の中心線とが一致する場合、インペラの回転時においてインペラの回転中心線は開口部の方向に移動する。第２の磁性体の中心線は、第１の室の側壁の中心線から見て開口部の反対側に配置されている。

また好ましくは、第１の室の側壁の中心線から見て開口部の上流側の端部の方向を０度とし、その反対方向を１８０度とすると、第２の磁性体の中心線は１３５度から２２５度の間に配置されている。

また好ましくは、駆動部は、第３の磁性体に対向して設けられ、回転磁界を生成するための複数のコイルを含み、回転磁界の中心線は第１の室の側壁の中心線と一致している。

また好ましくは、駆動部は、第３の磁性体に対向して設けられた複数の第４の磁性体と、それぞれ複数の第４の磁性体に巻回され、回転磁界を生成するための複数のコイルを含み、回転磁界の中心線は第１の室の側壁の中心線と一致している。

また好ましくは、駆動部は、第２の室内において隔壁に沿って回転可能に設けられたロータと、第３の磁性体に対向してロータに設けられ、第３の磁性体を吸引する第４の磁性体と、ロータを回転させるモータとを含み、ロータの中心線は第１の室の側壁の中心線と一致している。

また好ましくは、第１の磁性体および第２の磁性体のうちの少なくとも一方の磁性体は、円環状に配列された複数の第１の副磁性体を含む。

また好ましくは、第１および第２の磁性体の各々は永久磁石であり、複数の第１の副磁性体の各々は永久磁石であり、複数の第１の副磁性体のＮ極は同じ方向を向いている。

また好ましくは、第１の磁性体および第２の磁性体のうちの少なくとも一方の磁性体は、互いに径の異なる円環状の複数の第２の副磁性体を含む。

また好ましくは、複数の第２の副磁性体の中心線は一致している。
また好ましくは、第１および第２の磁性体の各々は複数の第２の副磁性体を含み、複数の第２の副磁性体の各々は永久磁石であり、インペラの径方向に隣接する複数の第２の副磁性体のＮ極は同じ方向を向いている。

また好ましくは、第２の磁性体の中心線と第１の室の側壁の中心線との間の距離と、第１の室内におけるインペラの径方向の可動距離の２分の１の距離との和は、隣接する２つの第２の副磁性体の間隔の２分の１よりも小さい。

また好ましくは、第１および第２の磁性体の各々は複数の第２の副磁性体を含み、複数の第２の副磁性体の各々は永久磁石であり、インペラの径方向に隣接する２つの第２の副磁性体のＮ極は異なる方向を向いている。

また好ましくは、第２の磁性体の中心線と第１の室の側壁の中心線との間の距離と、第１の室内におけるインペラの径方向の可動距離の２分の１の距離との和は、隣接する２つの第２の副磁性体の間隔よりも小さい。

また好ましくは、液体は血液であり、遠心式ポンプ装置は、血液を循環させるために使用される。この場合は、インペラがスムーズに回転起動し、インペラとハウジング間の距離が確保されるので、溶血の発生を防止することができる。

以上のように、この発明によれば、インペラの剛性を大きくすることができ、インペラとハウジングとの機械的な接触を少なくすることができ、インペラを安定に浮上させることができる。また、駆動部からインペラへのトルク伝達効率を高めることができ、装置のエネルギ効率を高めることができる。また、血液を循環させる場合には、溶血を避けることができる。

この発明の実施の形態１による遠心式血液ポンプ装置のポンプ部の外観を示す正面図である。 図１に示したポンプ部の側面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。 図３のＩＶ−ＩＶ線断面図である。 図３に示した永久磁石を示す図である。 インペラの回転数と径方向移動量との関係を示す図である。 インペラの径方向移動量と磁気カップリングのラジアル剛性との関係を示す図である。 インペラの径方向移動量と磁気カップリングの最大トルクとの関係を示す図である。 インペラ回転数とインペラの回転中心線の径方向変位を示す図である。 血液室の側壁の中心線と永久磁石の中心線との位置関係を示す図である。 図３のＩＶ−ＩＶ線断面図からインペラを取り外した状態を示す断面図である。 図３のＸＩＩ−ＸＩＩ線断面図からインペラを取り外した状態を示す断面図である。 図３のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線断面図である。 図１３で示した複数のコイルに印加する電圧を例示するタイムチャートである。 インペラの浮上位置とインペラへの作用力との関係を示す図である。 インペラの浮上位置とインペラへの作用力との関係を示す他の図である。 図１〜図１６で示したポンプ部を制御するコントローラの構成を示すブロック図である。 図１７に示したコントローラの動作を示すタイムチャートである。 この実施の形態の変更例を示すブロック図である。 この実施の形態の他の変更例を示すタイムチャートである。 実施の形態のさらに他の変更例を示す断面図である。 実施の形態のさらに他の変更例を示す断面図である。 実施の形態のさらに他の変更例を示す断面図である。 実施の形態のさらに他の変更例を示す断面図である。 実施の形態のさらに他の変更例を示す断面図である。 実施の形態のさらに他の変更例を示す断面図である。 実施の形態のさらに他の変更例を示す図である。 永久磁石１５ａ，１５ｂの中心線と永久磁石１６ａ，１６ｂの中心線との偏心量と、インペラ１０の径方向復元力との関係を示す図である。 この発明の実施の形態２による遠心式血液ポンプ装置のポンプ部の構成を示す断面図である。

[実施の形態１]
図１および図２に示すように、実施の形態１による遠心式血液ポンプ装置のポンプ部１は、非磁性材料で形成されたハウジング２を備える。ハウジング２は、円柱状の本体部３と、本体部３の一方の端面の中央に立設された円筒状の血液流入ポート４と、本体部３の外周面に設けられた円筒状の血液流出ポート５とを含む。血液流出ポート５は、本体部３の外周面の接線方向に延在している。

ハウジング２内には、図３および図４に示すように、隔壁６によって仕切られた血液室７およびモータ室８が設けられている。血液室７内には、中央に貫通孔１０ａを有する円板状のインペラ１０が回転可能に設けられている。インペラ１０は、ドーナツ板状の２枚のシュラウド１１，１２と、２枚のシュラウド１１，１２間に形成された複数（たとえば６つ）のベーン１３とを含む。シュラウド１１は血液流入ポート４側に配置され、シュラウド１２は隔壁６側に配置される。シュラウド１１，１２およびベーン１３は、非磁性材料で形成されている。

２枚のシュラウド１１，１２の間には、複数のベーン１３で仕切られた複数（この場合は６つ）の血液通路１４が形成されている。血液通路１４は、図４に示すように、インペラ１０の中央の貫通孔１０ａと連通しており、インペラ１０の貫通孔１０ａ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。換言すれば、隣接する２つの血液通路１４間にベーン１３が形成されている。なお、この実施の形態では、複数のベーン１３は等角度間隔で設けられ、かつ同じ形状に形成されている。したがって、複数の血液通路１４は等角度間隔で設けられ、かつ同じ形状に形成されている。

インペラ１０の側面に対向する血液室７の側壁は、円筒状に形成され、インペラ１０の外径よりも大きな内径を有する。血液室７の側壁の一部には、開口部７ａが設けられている。円筒状の血液流出ポート５は、開口部７ａに結合されている。血液がスムーズに流出するように、血液流出ポート５は血液室７の円筒状の側壁７の接線方向に延在している。インペラ１０が回転駆動されると、血液流入ポート４から流入した血液は、遠心力によって貫通孔１０ａから血液通路１４を介してインペラ１０の外周部に送られ、開口部７ａおよび血液流出ポート５を介してハウジング３の外部に流出する。

また、シュラウド１１には永久磁石１５ａ，１５ｂが埋設されており、シュラウド１１に対向する血液室７の内壁には、それぞれ永久磁石１５ａ，１５ｂを吸引する永久磁石１６ａ，１６ｂが埋設されている。永久磁石１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂは、インペラ１０をモータ室８と反対側、換言すれば血液流入ポート４側に吸引（換言すれば、付勢）するために設けられている。また、インペラ１０を回転させるとインペラ１０が開口部７ａ側に吸引されるので、インペラ１０を開口部７ａと反対側に吸引（換言すれば、付勢）するために、血液室７の内壁の中心線Ｌ１から見て開口部７ａの反対側に永久磁石１６ａ，１６ｂの中心線Ｌ２が配置されている。

図５（ａ）（ｂ）は永久磁石１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂの構成を示す図であり、図５（ａ）は図５（ｂ）のＶＡ−ＶＡ線断面図である。図５（ａ）（ｂ）では、インペラ１０が回転されず、永久磁石１５ａ，１５ｂが永久磁石１６ａ，１６ｂに吸引された状態が示されている。この状態では、永久磁石１５ａ，１５ｂの中心線（すなわち、インペラ１０の中心線）Ｌ３と永久磁石１６ａ，１６ｂの中心線Ｌ２は一致している。

図５（ａ）（ｂ）に示すように、永久磁石１５ａ，１５ｂの各々は円環状に形成されており、永久磁石１５ａの外径は永久磁石１５ｂの内径よりも小さい。永久磁石１５ａ，１５ｂは同軸状に設けられており、永久磁石１５ａ，１５ｂの中心点は、ともにインペラ１０の回転中心線Ｌ３に配置されている。永久磁石１５ａ，１５ｂのＮ極は同じ方向に向けられている。

一方、永久磁石１６ａ，１６ｂの各々は円弧状に形成されており、インペラ１０の回転方向に２つ配列されている。円環状に配置された２つの永久磁石１６ａの外径および内径は、永久磁石１５ａの外径および内径と同じである。円環状に配置された２つの永久磁石１６ｂの外径および内径は、永久磁石１５ｂの外径および内径と同じである。永久磁石１６ａ，１６ｂのＮ極は同じ方向に向けられている。永久磁石１５ａ，１５ｂのＳ極と永久磁石１６ａ，１６ｂのＮ極とは、互いに対向している。永久磁石１６ａ，１６ｂの中心線Ｌ２は、血液室７の内壁の中心線Ｌ１と所定距離Ｒだけ離間している。

ここで、永久磁石１６ａ，１６ｂの中心線Ｌ２を血液室７の内壁の中心線Ｌ１から離間させている理由について詳説する。この遠心式血液ポンプ装置のように、実質的にボリュートを備えないポンプ装置では、血液室７内において圧力バランスに不平衡が生じると、インペラ１０が血液室７内の圧力バランスに従って径方向に移動してしまう。具体的には、血液室７内で圧力が低い開口部７ａに向かって、インペラ１０の回転中心線Ｌ３が移動する。

図６に示すように、ポンプ装置の吐出流量が多いほど、血液室７内の圧力バランスの不平衡が大きくなり、インペラ１０の径方向移動量は大きくなる。また、図７に示すように、インペラ１０の径方向の移動量が増加すると、磁気カップリングのラジアル剛性は低下する。このため、インペラ１０の回転中心線Ｌ３と血液室７の側壁の中心線Ｌ１とが一致しない状況では、ラジアル方向の小さな外乱を受けることでインペラ１０の位置が変動し、血液室７の側壁とインペラ１０の側面が接触する可能性がある。また、血液室７の側壁とインペラ１０の側面が接触しなくても、それらの隙間が狭くなった部分で、血液中の赤血球が壊れる溶血が生じる可能性もある。

また、開口部７ａ付近では圧力勾配が大きく、かつ圧力が低くなるため、インペラ１０が開口部７ａに近づけば近づくほど開口部７ａに引き込まれてしまう。一方で、ポンプ動作時のインペラ１０には、インペラ１０から血液に水力エネルギーを付与するための軸トルクが負荷として作用し、その軸トルクは回転数の上昇とともに増加する。また図８に示すように、インペラ１０の径方向移動量が増加すると、磁気カップリングの最大伝達トルクが低下する。そのため、磁気カップリングの最大伝達トルクがインペラ１０に作用する軸トルクよりも低下した場合にカップリング脱調が発生する恐れがある。

図９は、血液室７の側壁の中心線Ｌ１と永久磁石１６ａ，１６ｂの中心線Ｌ２を一致させた遠心式血液ポンプ装置において、ポンプ装置の吐出流量と、インペラ１０の回転中心線Ｌ３の移動方向および移動量との関係を示す図である。図９では、血液室７の側壁の中心線Ｌ１と永久磁石１６ａ，１６ｂの中心線Ｌ２を原点に配置し、開口部７ａの上流側の端部の方向をＹ方向としている。この図９から、インペラ１０の回転中心線Ｌ３は、吐出流量の増加に伴い、開口部７ａの上流側の端部に吸い寄せられるように移動することが分かる。

そこで、本願発明では、インペラ１０を定格回転数で回転させた場合に、インペラ１０の回転中心線Ｌ３と血液室７の側壁の中心線Ｌ１とが一致するように、血液室７の内壁の中心線Ｌ１から見て開口部７ａの反対側に永久磁石１６ａ，１６ｂの中心線Ｌ２を配置し、インペラ１０を開口部７ａと反対側に吸引（換言すれば、付勢）している。中心線Ｌ１，Ｌ２の間隔Ｒは、運転条件に応じて設定する。すなわち、インペラ１０を定格回転数で回転させたときの吐出流量に基づいて変位量を図９から読み取り、その変位量に中心線Ｌ１，Ｌ２の間隔Ｒを設定すればよい。中心線Ｌ１，Ｌ２の間隔（偏心量）は、ポンプの大きさなどにより相違するが、０．１〜１．０ｍｍが好適である。これにより、インペラ１０を定格回転数で回転させた場合に、インペラ１０の回転中心線Ｌ３と血液室７の側壁の中心線Ｌ１とが一致する。

図１０は、血液室７の内壁の中心線Ｌ１と永久磁石１６ａ，１６ｂの中心線Ｌ２との位置関係を示す図である。図１０において、ハウジング２は、血液室７の側壁の中心線Ｌ１と直交し、かつ血液流出ポート５の孔の中心線を含む平面で切断されている。血液室７の側壁は、その平面上の円Ｃに沿って形成されている。円Ｃの中心点は、その平面と血液室７の側壁の中心線Ｌ１との交点である。血液流出ポート５の孔は、円Ｃの接線方向に延在している。図１０では、インペラ１０は時計の針の回転方向に回転し、血液もその方向に回転する。血液流出ポート５の孔と円Ｃの接点Ｐは、血液室７の側壁の開口部７ａの上流側（図１０中の左側）の端に位置している。

円Ｃの中心点（血液室７の側壁の中心線Ｌ１）から見て接点Ｐ（開口部７ａの上流側の端部）の方向を０度とし、その反対方向を１８０度とすると、永久磁石１６ａ，１６ｂの中心線Ｌ２は円Ｃの中心点から１８０度の方向に所定の偏心量Ｒだけずれた位置に配置される。

ただし、ポンプ動作時におけるインペラ１０の径方向の移動特性は、開口部７ａの面積、形状などによって変動する。したがって、永久磁石１６ａ，１６ｂの中心線Ｌ２の位置は、必ずしも円Ｃの中心点から１８０度の方向に限定されるものではない。永久磁石１６ａ，１６ｂの中心線Ｌ２の位置は、円Ｃの中心点から１８０度±４５度（すなわち１３５度〜２２５度）の範囲内にあることが好ましい。

また、図３に示すように、永久磁石１５ａ，１５ｂの間隔（すなわち永久磁石１６ａ，１６ｂの間隔）をＤ１とし、インペラ１０のラジアル方向の可動距離（すなわち血液室７の内径とインペラ１０の外径との差の距離）の１／２をＤ２とした場合、０．５×Ｄ１＞Ｄ２＋Ｒの関係を満たしている。これは、０．５×Ｄ１＜Ｄ２＋Ｒとした場合、インペラ１０がラジアル方向に最大限まで移動したとき、永久磁石１５ａと１６ｂ、永久磁石１５ｂと１６ａがそれぞれ干渉し、インペラ１０をポンプ中心位置に復元させる復元力が不安定になるからである。

このように、インペラ１０の径方向に２対の永久磁石１５ａ，１６ａおよび永久磁石１５ｂ，１６ｂを設けたので、インペラ１０の径方向に１対の永久磁石のみを設けた場合に比べ、インペラ１０のラジアル方向の支持剛性を大きくすることができる。

なお、シュラウド１１および血液室７の内壁にそれぞれ永久磁石１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂを設ける代わりに、シュラウド１１および血液室７の内壁の一方に永久磁石を設け、他方に磁性体を設けてもよい。また、磁性体としては軟質磁性体と硬質磁性体のいずれを使用してもよい。

また、図３では、永久磁石１５ａと１６ａの対向面のサイズが同じであり、かつ永久磁石１５ｂと１６ｂの対向面のサイズが同じである場合が示されているが、永久磁石１５ａ，１５ｂと永久磁石１６ａ，１６ｂの吸引力に起因するインペラ１０の剛性の低下を防ぐため、永久磁石１５ａと１６ａの対向面のサイズを異ならせ、かつ永久磁石１５ｂと１６ｂの対向面のサイズを異ならせてもよい。永久磁石１５ａ，１５ｂと永久磁石１６ａ，１６ｂの対向面のサイズを異ならせることにより、両者間の距離によって変化する吸引力の変化量、すなわち負の剛性を小さく抑えることができ、インペラ１０の支持剛性の低下を防ぐことができる。

また、図５（ａ）（ｂ）では、永久磁石１５ａ，１５ｂの各々を円環状に形成し、永久磁石１６ａ，１６ｂの各々を円弧状に形成してインペラ１０の回転方向に等角度間隔で２つ配列したが、逆に、永久磁石１６ａ，１６ｂの各々を円環状に形成し、永久磁石１５ａ，１５ｂの各々を円弧状に形成してインペラ１０の回転方向に等角度間隔で２つ配列してもよい。また、永久磁石１５ａ，１５ｂの各々、あるいは永久磁石１６ａ，１６ｂの各々をさらに短い円弧状に形成してインペラ１０の回転方向に等角度間隔で複数配列してもよい。

また、図３および図４に示すように、シュラウド１２には複数（たとえば８個）の永久磁石１７が埋設されている。複数の永久磁石１７は、隣接する磁極が互いに異なるようにして、等角度間隔で同一の円に沿って配置される。換言すれば、モータ室８側にＮ極を向けた永久磁石１７と、モータ室８側にＳ極を向けた永久磁石１７とが等角度間隔で同一の円に沿って交互に配置されている。

また、図３および図１３に示すように、モータ室８内には、複数（たとえば９個）の磁性体１８が設けられている。複数の磁性体１８は、インペラ１０の複数の永久磁石１７に対向して、等角度間隔で同一の円に沿って配置される。複数の磁性体１８の基端は、円板状の１つの継鉄１９に接合されている。各磁性体１８には、コイル２０が巻回されている。

９個のコイル２０には、たとえば１２０度通電方式で電圧が印加される。すなわち、９個のコイル２０は、３個ずつグループ化される。各グループの第１〜第３のコイル２０には、図１４に示すような電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷが印加される。第１のコイル２０には、０〜１２０度の期間に正電圧が印加され、１２０〜１８０度の期間に０Ｖが印加され、１８０〜３００度の期間に負電圧が印加され、３００〜３６０度の期間に０Ｖが印加される。したがって、第１のコイル２０が巻回された磁性体１８の先端面（インペラ１０側の端面）は、０〜１２０度の期間にＮ極になり、１８０〜３００度の期間にＳ極になる。電圧ＶＶの位相は電圧ＶＵよりも１２０度遅れており、電圧ＶＷの位相は電圧ＶＶよりも１２０度遅れている。したがって、第１〜第３のコイル２０にそれぞれ電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷを印加することにより、回転磁界を形成することができ、複数の磁性体１８とインペラ１０の複数の永久磁石１７との吸引力および反発力により、インペラ１０を回転させることができる。

ここで、インペラ１０が定格回転数で回転している場合は、永久磁石１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂ間の吸引力と複数の永久磁石１７および複数の磁性体１８間の吸引力とは、血液室７内におけるインペラ１０のインペラ回転軸方向の可動範囲の略中央付近で釣り合うようにされている。このため、インペラ１０のいかなる可動範囲においてもインペラ１０への吸引力による作用力は非常に小さい。その結果、インペラ１０の回転起動時に発生するインペラ１０とハウジング２との相対すべり時の摩擦抵抗を小さくすることができる。また、相対すべり時におけるインペラ１０とハウジング２の内壁の表面の損傷（表面の凹凸）はなく、さらに低速回転時の動圧力が小さい場合にもインペラ１０はハウジング２から浮上し易くなり、非接触の状態となる。したがって、インペラ１０とハウジング２との相対すべりによって溶血が発生したり、相対すべり時に発生したわずかな表面損傷（凹凸）によって血栓が発生することもない。

複数の永久磁石１７の中心線Ｌ３と、永久磁石１５ａ，１５ｂの中心線Ｌ３と、インペラ１０の回転中心線Ｌ３とは一致している。また、複数のコイル２０によって生成される回転磁界の中心線は、血液室７の側壁の中心線Ｌ１と一致している。

また、インペラ１０のシュラウド１２に対向する隔壁６の表面には複数の動圧溝２１が形成され、シュラウド１１に対向する血液室７の内壁には複数の動圧溝２２が形成されている。インペラ１０の回転数が所定の回転数を超えると、動圧溝２１，２２の各々とインペラ１０との間に動圧軸受効果が発生する。これにより、動圧溝２１，２２の各々からインペラ１０に対して抗力が発生し、インペラ１０は血液室７内で非接触状態で回転する。

詳しく説明すると、複数の動圧溝２１は、図１１に示すように、インペラ１０のシュラウド１２に対応する大きさに形成されている。各動圧溝２１は、隔壁６の中心から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（換言すれば、湾曲して）隔壁６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、複数の動圧溝２１は略同じ形状であり、かつ略同じ間隔に配置されている。動圧溝２１は凹部であり、動圧溝２１の深さは０．００５〜０．４ｍｍ程度であることが好ましい。動圧溝２１の数は、６〜３６個程度であることが好ましい。

図１１では、１０個の動圧溝２１がインペラ１０の中心軸に対して等角度で配置されている。動圧溝２１は、いわゆる内向スパイラル溝形状となっているので、インペラ１０が時計方向に回転すると、動圧溝２１の外径部から内径部に向けて液体の圧力が高くなる。このため、インペラ１０と隔壁６の間に反発力が発生し、これが動圧力となる。

このように、インペラ１０と複数の動圧溝２１の間に形成される動圧軸受効果により、インペラ１０は隔壁６から離れ、非接触状態で回転する。このため、インペラ１０と隔壁６の間に血液流路が確保され、両者間での血液滞留およびそれに起因する血栓の発生が防止される。さらに、通常状態において、動圧溝２１が、インペラ１０と隔壁６の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ことができる。

なお、動圧溝２１を隔壁６に設ける代わりに、動圧溝２１をインペラ１０のシュラウド１２の表面に設けてもよい。

また、動圧溝２１の角の部分は、少なくとも０．０５ｍｍ以上のＲを持つように丸められていることが好ましい。これにより、溶血の発生をより少なくすることができる。

また、複数の動圧溝２２は、図１２に示すように、複数の動圧溝２１と同様、インペラ１０のシュラウド１１に対応する大きさに形成されている。各動圧溝２２は、血液室７の内壁の中心から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（換言すれば、湾曲して）血液室７の内壁の外縁付近まで、幅が徐々に広がるように延びている。また、複数の動圧溝２２は、略同じ形状であり、かつ略同じ間隔で配置されている。動圧溝２２は凹部であり、動圧溝２２の深さは０．００５〜０．４ｍｍ程度があることが好ましい。動圧溝２２の数は、６〜３６個程度であることが好ましい。図１２では、１０個の動圧溝２２がインペラ１０の中心軸に対して等角度に配置されている。

インペラ１０と複数の動圧溝２２の間に形成される動圧軸受効果により、インペラ１０は血液室７の内壁から離れ、非接触状態で回転する。また、ポンプ部１が外的衝撃を受けたときや、動圧溝２１による動圧力が過剰となったときに、インペラ１０の血液室７の内壁への密着を防止することができる。動圧溝２１によって発生する動圧力と動圧溝２２によって発生する動圧力は異なるものとなっていてもよい。

なお、動圧溝２２は、血液室７の内壁側ではなく、インペラ１０のシュラウド１１の表面に設けてもよい。また、動圧溝２２の角となる部分は、少なくとも０．０５ｍｍ以上のＲを持つように丸められていることが好ましい。これにより、溶血の発生をより少なくすることができる。

また、インペラ１０のシュラウド１２と隔壁６との隙間と、インペラ１０のシュラウド１１と血液室７の内壁との隙間とが略同じ状態でインペラ１０が回転することが好ましい。インペラ１０に作用する流体力などの外乱が大きく、一方の隙間が狭くなる場合には、その狭くなる側の動圧溝による動圧力を他方の動圧溝による動圧力よりも大きくし、両隙間を略同じにするため、動圧溝２１と２２の形状を異ならせることが好ましい。

また、図１１および図１２では、動圧溝２１，２２の各々を内向スパイラル溝形状としたが、他の形状の動圧溝２１，２２を使用することも可能である。ただし、血液を循環させる場合は、血液をスムーズに流すことが可能な内向スパイラル溝形状の動圧溝２１，２２を採用することが好ましい。

図１５は、永久磁石１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂ間（図１５では永久磁石１５，１６間と略記する）の吸引力Ｆ１と永久磁石１７および磁性体１８間の吸引力Ｆ２との合力の大きさが、インペラ１０の血液室７内の可動範囲の中央位置以外の位置Ｐ１でゼロとなるように調整した場合にインペラ１０に作用する力を示す図である。ただし、インペラ１０の回転数は定格値に保たれている。

すなわち、永久磁石１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂ間の吸引力Ｆ１が永久磁石１７および磁性体１８間の吸引力Ｆ２よりも小さく設定され、それらの合力がゼロとなるインペラ１０の浮上位置はインペラ可動範囲の中間よりも隔壁６側にあるものとする。動圧溝２１，２２の形状は同じである。

図１５の横軸はインペラ１０の位置（図中の左側が隔壁６側）を示し、縦軸はインペラ１０に対する作用力を示している。インペラ１０への作用力が隔壁６側に働くとき、その作用力をマイナスとしている。インペラ１０に対する作用力としては、永久磁石１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂ間の吸引力Ｆ１と、永久磁石１７および磁性体１８間の吸引力Ｆ２と、動圧溝２１の動圧力Ｆ３と、動圧溝２２の動圧力Ｆ４と、それらの合力である「インペラに作用する正味の力Ｆ５」を示した。

図１５から分かるように、インペラ１０に作用する正味の力Ｆ５がゼロとなる位置で、インペラ１０の浮上位置はインペラ１０の可動範囲の中央位置から大きくずれている。その結果、回転中のインペラ１０と隔壁６の間の距離は狭まり、インペラ１０に対して小さな外乱力が作用してもインペラ１０は隔壁６に接触してしまう。

これに対して図１６は、永久磁石１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂ間の吸引力Ｆ１と永久磁石１７および磁性体１８間の吸引力Ｆ２との合力の大きさが、インペラ１０の血液室７内の可動範囲の中央位置Ｐ０でゼロとなるように調整した場合にインペラ１０に作用する力を示す図である。この場合も、インペラ１０の回転数は定格値に保たれている。

すなわち、永久磁石１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂ間の吸引力Ｆ１と永久磁石１７および磁性体１８間の吸引力Ｆ２とは略同じに設定されている。また、動圧溝２１，２２の形状は同じにされている。この場合は、図１５の場合と比較して、インペラ１０の浮上位置に対する支持剛性が高くなる。また、インペラ１０に作用する正味の力Ｆ５は可動範囲の中央でゼロとなっているので、インペラ１０に対し外乱力が作用しない場合にはインペラ１０は中央位置で浮上する。

このように、インペラ１０の浮上位置は、永久磁石１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂ間の吸引力Ｆ１と、永久磁石１７および磁性体１８間の吸引力Ｆ２と、インペラ１０の回転時に動圧溝２１，２２で発生する動圧力Ｆ３，Ｆ４との釣り合いで決まる。Ｆ１とＦ２を略同じにし、動圧溝２１，２２の形状を同じにすることにより、インペラ１０の回転時にインペラ１０を血液室７の略中央部で浮上させることが可能となる。図３および図４に示すように、インペラ１０は２つのディスク間に羽根を形成した形状を有するので、ハウジング２の内壁に対向する２つの面を同一形状および同一寸法にすることができる。したがって、略同一の動圧性能を有する動圧溝２１，２２をインペラ１０の両側に設けることは可能である。

この場合、インペラ１０は血液室７の中央位置で浮上するので、インペラ１０はハウジング２の内壁から最も離れた位置に保持される。その結果、インペラ１０の浮上時にインペラ１０に外乱力が印加されて、インペラ１０の浮上位置が変化しても、インペラ１０とハウジング２の内壁とが接触する可能性が小さくなり、それらの接触によって血栓や溶血が発生する可能性も低くなる。

なお、図１５および図１６の例では、２つの動圧溝２１，２２の形状は同じであるとしたが、動圧溝２１，２２の形状を異なるものとし、動圧溝２１，２２の動圧性能を異なるものとしてもよい。たとえば、ポンピングの際に流体力などによってインペラ１０に対して常に一方方向の外乱が作用する場合には、その外乱の方向にある動圧溝の性能を他方の動圧溝の性能より高めておくことにより、インペラ１０をハウジング２の中央位置で浮上回転させることが可能となる。この結果、インペラ１０とハウジング２との接触確率を低く抑えることができ、インペラ１０の安定した浮上性能を得ることができる。

また、永久磁石１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂ間の吸引力Ｆ１と、永久磁石１７および磁性体１８間の吸引力Ｆ２とによって構成されるインペラ１０のアキシアル方向への負の支持剛性値の絶対値をＫａとし、ラジアル方向の正の剛性値の絶対値をＫｒとし、インペラ１０が回転する常用回転数領域において２つの動圧溝２１，２２で得られる正の剛性値の絶対値をＫｇとすると、Ｋｇ＞Ｋａ＋Ｋｒの関係を満たすことが好ましい。

具体的には、アキシアル方向の負の剛性値の絶対値Ｋａを２００００Ｎ／ｍとし、ラジアル方向の正の剛性値の絶対値Ｋｒを１００００Ｎ／ｍとした場合、インペラ１０が通常回転する回転数領域で２つの動圧溝２１，２２によって得られる正の剛性値の絶対値Ｋｇは３００００Ｎ／ｍを超える値に設定される。

インペラ１０のアキシアル支持剛性は動圧溝２１，２２で発生する動圧力に起因する剛性から磁性体間の吸引力などによる負の剛性を引いた値であるから、Ｋｇ＞Ｋａ＋Ｋｒの関係を持つことで、インペラ１０のラジアル方向の支持剛性よりもアキシアル方向の支持剛性を高めることができる。このように設定することにより、インペラ１０に対して外乱力が作用した場合に、インペラ１０のラジアル方向への動きよりもアキシアル方向への動きを抑制することができ、動圧溝２１の形成部でのインペラ１０とハウジング２との機械的な接触を避けることができる。

特に、動圧溝２１，２２は、図３、図１１および図１２で示したように平面に凹設されているので、インペラ１０の回転中にこの部分でハウジング２とインペラ１０との機械的接触があると、インペラ１０およびハウジング２の内壁のいずれか一方または両方の表面に傷（表面の凹凸）が生じてしまい、この部位を血液が通過すると、血栓発生および溶血の原因となる可能性もあった。この動圧溝２１，２２での機械的接触を防ぎ、血栓および溶血を抑制するために、ラジアル方向の剛性よりもアキシアル方向の剛性を高める効果は高い。

また、インペラ１０にアンバランスがあると回転時にインペラ１０に振れ回りが生ずるが、この振れ回りはインペラ１０の質量とインペラ１０の支持剛性値で決定される固有振動数とインペラ１０の回転数が一致した場合に最大となる。

このポンプ部１では、インペラ１０のアキシアル方向の支持剛性よりもラジアル方向の支持剛性を小さくしているので、インペラ１０の最高回転数をラジアル方向の固有振動数以下に設定することが好ましい。そこで、インペラ１０とハウジング２との機械的接触を防ぐため、永久磁石１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂ間の吸引力Ｆ１と永久磁石１７および磁性体１８間の吸引力Ｆ２によって構成されるインペラ１０のラジアル剛性値をＫｒ（Ｎ／ｍ）とし、インペラ１０の質量をｍ（ｋｇ）とし、インペラの回転数をω（ｒａｄ／ｓ）とした場合、ω＜（Ｋｒ／ｍ）０．５の関係を満たすことが好ましい。

具体的には、インペラ１０の質量が０．０３ｋｇであり、ラジアル剛性値が２０００Ｎ／ｍである場合、インペラ１０の最高回転数は２５８ｒａｄ／ｓ（２４６５ｒｐｍ）以下に設定される。逆に、インペラ１０の最高回転数を３６６ｒａｄ／ｓ（３５００ｒｐｍ）と設定した場合には、ラジアル剛性は４０１８Ｎ／ｍ以上に設定される。

さらに、このωの８０％以下にインペラ１０の最高回転数を設定することが好ましい。具体的には、インペラ１０の質量が０．０３ｋｇであり、ラジアル剛性値が２０００Ｎ／ｍである場合には、その最高回転数は２０６．４ｒａｄ／ｓ（１９７１ｒｐｍ）以下に設定される。逆に、インペラ１０の最高回転数を３６６ｒａｄ／ｓ（３５００ｒｐｍ）としたい場合には、ラジアル剛性値が６２７９Ｎ／ｍ以上に設定される。このようにインペラ１０の最高回転数を設定することで、インペラ１０の回転中におけるインペラ１０とハウジング２の接触を抑えることができる。

また、インペラ１０の回転起動前に、インペラ１０が隔壁６に接触していることを確認してから、インペラ１０を回転起動させることが好ましい。

すなわち、インペラ１０の非回転時では、動圧溝２１，２２による非接触支持はされず、さらに、永久磁石１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂ間の吸引力Ｆ１と、永久磁石１７および磁性体１８間の吸引力Ｆ２によってインペラ１０とハウジング２とは高い面圧で接触している。また、このポンプ部１のように、インペラ１０をモータ室８内のコイル２０および磁性体１８とインペラ１０の永久磁石１７との磁気的相互作用で回転させる場合は、特許文献２の図３に示すようなインペラを永久磁石間の磁気カップリングで回転駆動させる場合に比べて、起動トルクが小さい。したがって、インペラ１０をスムーズに回転起動させることは難しい。

しかし、インペラ１０のシュラウド１２が隔壁６と接触している場合は、インペラ１０のシュラウド１１が血液室７の内壁に接触している場合に比べ、インペラ１０の永久磁石１７とモータ室８内の磁性体１８とが近接しているので、インペラ１０の起動時の回転トルクを高めることができ、インペラ１０をスムーズに回転起動させることができる。

ところが、上述の通り、インペラ１０の回転時には、永久磁石１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂ間の吸引力Ｆ１と、永久磁石１７および磁性体１８間の吸引力Ｆ２とは、インペラ１０の位置がインペラ１０の可動範囲の中央付近にて釣り合うように設定されているので、インペラ１０の停止時にインペラ１０が必ずしも隔壁６に接触しているとは限らない。

そこで、この遠心式血液ポンプ装置では、インペラ１０を回転起動させる前にインペラ１０を隔壁６側に移動させる手段が設けられる。具体的には、永久磁石１７および磁性体１８間の吸引力Ｆ２が大きくなるように複数のコイル２０に電流を流し、インペラ１０を隔壁６側に移動させる。

図１７は、ポンプ部１を制御するコントローラ２５の構成を示すブロック図である。図１７において、コントローラ２５は、モータ制御回路２６およびパワーアンプ２７を含む。モータ制御回路２６は、たとえば１２０度通電方式の３相の制御信号を出力する。パワーアンプ２７は、モータ制御回路２６からの３相の制御信号を増幅して、図１４で示した３相電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷを生成する。３相電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷは、図１３で説明した第１〜第３のコイル２０にそれぞれ印加される。通常の運転時は、これにより、インペラ１０が可動範囲の中央位置で所定の回転数で回転する。

図１８（ａ）〜（ｃ）は、インペラ１０の回転起動時におけるコイル電流Ｉ、インペラ１０の位置、およびインペラ１０の回転数の時間変化を示すタイムチャートである。図１８（ａ）〜（ｃ）において、初期状態では、永久磁石１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂ間の吸引力によってインペラ１０のシュラウド１１が血液室７の内壁に接触しており、インペラ１０は位置ＰＡにあるものとする。この状態では、インペラ１０が回転し難いので、インペラ１０のシュラウド１２が隔壁６に接触した位置ＰＢにインペラ１０を移動させる。

時刻ｔ０において、図１４で示される６パターン（０〜６０度，６０〜１２０度，…，３００〜３６０度）の電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷのうちのいずれかのパターンの電圧を第１〜第３のコイル２０に印加し、予め定められた電流Ｉ０をコイル２０に流す。コイル２０に電流Ｉ０を流すと、永久磁石１７および磁性体１８間の吸引力Ｆ２が永久磁石１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂ間の吸引力Ｆ１よりも大きくなり、インペラ１０はほとんど回転することなく隔壁６側の位置ＰＢに移動し、インペラ１０のシュラウド１２は隔壁６に接触する。インペラ１０が位置ＰＢに移動したら、電流Ｉ０を遮断する（時刻ｔ１）。

なお、インペラ１０を回転させずに移動させるのは、インペラ１０を回転させながら隔壁６側の位置ＰＢに移動させようとしても、動圧溝２１の動圧軸受効果によってインペラ１０の移動が妨げられるからである。また、インペラ１０の血液室７内の位置を検出するセンサを設け、インペラ１０が隔壁６に接触したことを確認した後に、電流Ｉ０を遮断することが好ましい。

次に、図１３および図１４で説明した第１〜第３のコイル２０に３相電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷを印加し、コイル電流Ｉを予め定められた定格値まで徐々に上昇させる。このとき、インペラ１０は隔壁６に接触しているので、インペラ１０はスムーズに回転する。コイル電流Ｉの上昇に伴って、インペラ１０は隔壁６側の位置ＰＢから可動範囲の中央位置に移動する。

なお、起動時に６パターン（０〜６０度，６０〜１２０度，…，３００〜３６０度）の電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷを第１〜第３のコイル２０に印加した場合、永久磁石１７と磁性体１８の吸引力が最大になるパターンは永久磁石１７と磁性体１８の位置関係によって異なる。したがって、起動時に一定パターンの電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷのみを第１〜第３のコイル２０に印加する代わりに、６パターンの電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷを第１〜第３のコイル２０に一定時間ずつ順次印加してもよい。この場合、インペラ１０は僅かに回転して（厳密には１／４回転以下、すなわち電気角で３６０度以下回転して）、隔壁６側の位置ＰＢに移動する。

また、６パターンの電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷを印加すると、第１〜第３のコイル２０のうちのいずれかのコイル２０には電流は流れず、９個の磁性体１８のうちの６個の磁性体がＮ極またはＳ極になり、残りの３個の磁性体１８には磁極は発生しない。したがって、第１〜第３のコイル２０の全てに電流が流れ、９個の磁性体１８の各々がＮ極またはＳ極になるような電圧を第１〜第３のコイル２０に印加して、永久磁石１７と磁性体１８の吸引力を強めてもよい。

この実施の形態１では、永久磁石１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂ間の吸引力Ｆ１と複数の永久磁石１７および複数の磁性体１８間の吸引力Ｆ２とを釣り合わせ、動圧溝２１，２２を設けたので、インペラ１０のアキシアル方向の支持剛性を大きくすることができる。また、インペラ１０の径方向に２対の永久磁石１５ａ，１６ａおよび永久磁石１５ｂ，１６ｂを設けたので、インペラ１０の径方向に１対の永久磁石のみを設けた場合に比べ、インペラ１０のラジアル方向の支持剛性を大きくすることができる。したがって、インペラ１０とハウジング２との機械的な接触を少なくすることができ、溶血や血栓の発生を防止することができる。

また、インペラ１０の回転時においてインペラ１０の回転中心線Ｌ３と血液室７の側壁の中心線Ｌ１とが一致するように、永久磁石１５ａ，１６ａの中心線Ｌ２を血液室７の側壁の中心線Ｌ１と異なる位置に配置したので、高いトルク伝達効率を得ることができる。

また、図１９は、この実施の形態１の変更例を示すブロック図である。この変更例では、インペラ１０の回転起動時とそれ以降で電源が切り換えられる。すなわち図１９において、この変更例では、図１７のパワーアンプ２７がパワーアンプ３０，３１および切換スイッチ３２で置換される。図１８の時刻ｔ０〜ｔ１では、モータ制御回路２６の出力信号がパワーアンプ３０に与えられ、パワーアンプ３０の出力電圧が切換スイッチ３２を介してコイル２０に印加され、コイル２０に電流Ｉ０が流される。時刻ｔ２以降は、モータ制御回路２６の出力信号がパワーアンプ３１に与えられ、パワーアンプ３１の出力電圧が切換スイッチ３２を介してコイル２０に印加され、コイル２０に電流が流される。

また、図２０（ａ）〜（ｃ）は、この実施の形態１の他の変更例を示すタイムチャートである。図２０（ａ）〜（ｃ）において、初期状態では、インペラ１０のシュラウド１１が血液室７の内壁に接触しており、インペラ１０は位置ＰＡにあるものとする。時刻ｔ０において、予め定められた電流Ｉ１がコイル２０に流される。すなわち、モータ制御回路２６により、たとえば１２０度通電方式の３相の制御信号を生成する。パワーアンプ２７は、モータ制御回路２６からの３相の制御信号を増幅して、図１４で示した３相電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷを生成する。３相電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷは、図１３で説明した第１〜第３のコイル２０にそれぞれ印加される。

したがって、この電流Ｉ１によってインペラ１０に回転磁界が印加される。この電流Ｉ１は、図１８の電流Ｉ０よりも大きい電流であり、インペラ１０のシュラウド１１が血液室７の内壁に接触している場合でもインペラ１０を回転起動させることが可能な電流である。回転起動が確認された後、コイル電流Ｉを低下させ、予め定められた定格値まで徐々に上昇させる。このようにインペラ１０が位置ＰＡ側にある場合、インペラ１０の回転起動時のみにコイル２０に大きな電流を流すように構成してもよい。

また、血液室７の内壁の表面および隔壁６の表面と、インペラ１０の表面との少なくとも一方にダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）膜を形成してもよい。これにより、インペラ１０と血液室７の内壁および隔壁６との摩擦力を軽減し、インペラ１０をスムーズに回転起動することが可能になる。なお、ダイヤモンドライクカーボン膜の代わりに、フッ素系樹脂膜、パラキシリレン系樹脂膜などを形成してもよい。

また、永久磁石１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂ間の吸引力Ｆ１と、永久磁石１７および磁性体１８間の吸引力Ｆ２とによって構成されるインペラ１０のアキシアル方向の負の剛性値よりも動圧溝２１，２２の動圧力による剛性が大きくなった場合にインペラ１０とハウジング２は非接触の状態となる。したがって、この負の剛性値を極力小さくすることが好ましい。そこで、この負の剛性値を小さく抑えるため、永久磁石１５ａと１６ａの対向面のサイズを異ならせ、かつ永久磁石１５ｂと１６ｂの対向面のサイズを異ならせることが好ましい。たとえば、図２１に示すように、永久磁石１５ａ，１５ｂのサイズをそれぞれ永久磁石１６ａ，１６ｂよりも小さくすることにより、両者間の距離によって変化する吸引力の変化割合、すなわち負の剛性を小さく抑えることができ、インペラ支持剛性の低下を防ぐことができる。

また、図２２は、この実施の形態１のさらに他の変更例を示す断面図であって、図３と対比される図である。図２２において、この変更例では、各磁性体１８の永久磁石１７に対向する先端面に磁性体３５が設けられる。この磁性体３５の永久磁石１７に対向する表面の面積は磁性体１８の先端面の面積よりも大きい。この変更例では、永久磁石１７に対する磁性体１８，３５の吸引力を大きくすることができ、インペラ１０の回転駆動におけるエネルギ効率を高めることができる。

また、図２３は、この実施の形態１のさらに他の変更例を示す断面図であって、図３と対比される図である。図２３において、この変更例では、継鉄１９が継鉄３６で置換され、磁性体１８が磁性体３７で置換される。継鉄３６および磁性体３７の各々は、インペラ１０の回転軸の長さ方向に積層された複数の鋼板を含む。この変更例では、継鉄３６および磁性体３７で発生する渦電流損失を軽減することができ、インペラ１０の回転駆動におけるエネルギ効率を高めることができる。

また、図２４に示すように、インペラ１０の回転方向に積層された複数の鋼板を含む磁性体３８で磁性体３７を置換してもよい。また、図２５に示すように、インペラ１０の径方向に積層された複数の鋼板を含む磁性体３９で磁性体３７を置換してもよい。これらの場合でも、図２３の変更例と同じ効果が得られる。

また、図３の継鉄１９および磁性体１８の各々を、純鉄、軟鉄、または珪素鉄の粉末によって形成してもよい。この場合は、継鉄１９および磁性体１８の鉄損を軽減することができ、インペラ１０の回転駆動におけるエネルギ効率を高めることができる。

また、図２６は、この実施の形態１のさらに他の変更例を示す断面図であって、図３と対比される図である。図２６において、この変更例では、磁性体１８が除去されている。この変更例では、永久磁石１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂ間の吸引力Ｆ１と、永久磁石１７および継鉄１９間の吸引力Ｆ２との合力の大きさが、インペラ１０の血液室７内の可動範囲の中央位置Ｐ０でゼロとなるように調整される。この変更例でも、実施の形態１と同じ効果が得られる。

また、図２７（ａ）（ｂ）は、この実施の形態１のさらに他の変更例を示す断面図であって、図５（ａ）（ｂ）と対比される図である。図２７（ａ）は図２７（ｂ）のＸＸＶＩＩ−ＸＸＶＩＩ線断面図である。この変更例では、永久磁石１５ａのＮ極と永久磁石１５ｂのＮ極とは逆向きに設けられ、永久磁石１６ａのＮ極と永久磁石１６ｂのＮ極とは逆向きに設けられ、永久磁石１５ａのＳ極と永久磁石１６ａのＮ極とは対向し、永久磁石１５ｂのＮ極と永久磁石１６ｂのＳ極とは対向した異極配置となっている。この変更例でも、実施の形態１と同じ効果が得られる。

また、図２７（ａ）（ｂ）の変更例では、永久磁石１５ａ，１５ｂの間隔（すなわち永久磁石１６ａ，１６ｂの間隔）をＤ１とし、インペラ１０のラジアル方向の可動距離（すなわち血液室７の内径とインペラ１０の外径との差の距離）の１／２をＤ２とし、上述の偏心量をＲとすると、Ｄ１＞Ｄ２＋Ｒとなっている。これは、Ｄ１＜Ｄ２＋Ｒとした場合、インペラ１０がラジアル方向に最大限まで移動したとき、永久磁石１５ａと１６ｂ、永久磁石１５ｂと１６ａがそれぞれ干渉し、インペラ１０をポンプ中心位置に復元させる復元力が不安定になるからである。

図５（ａ）（ｂ）および図２７（ａ）（ｂ）で説明したように、永久磁石１５ａ，１５ｂと永久磁石１６ａ，１６ｂの極配置によって、許容される永久磁石１５ａ,１５ｂの間隔（すなわち永久磁石１６ａ，１６ｂの間隔）Ｄ１が異なる。これは、図２８に示すように、極配置によって、永久磁石１５ａと１６ｂ、永久磁石１５ｂと１６ａの干渉度合いが異なり、カップリング脱調が生じる最大偏心量が異なるためである。

すなわち、図２８は、永久磁石１５ａ，１５ｂの中心線Ｌ２と永久磁石１６ａ，１６ｂの中心線Ｌ３との偏心量と、インペラ１０の径方向復元力との関係を示す図である。図２８において、同極配置とは、図５（ａ）（ｂ）で示したように、径方向に隣接する２つの永久磁石１５ａ，１５ｂのＮ極が同じ方向を向き、径方向に隣接する２つの永久磁石１６ａ，１６ｂのＮ極が同じ方向を向いている場合を言う。また、異極配置とは、図２７（ａ）（ｂ）で示したように、径方向に隣接する２つの永久磁石１５ａ，１５ｂのＮ極が異なる方向を向き、径方向に隣接する２つの永久磁石１６ａ，１６ｂのＮ極が異なる方向を向いている場合を言う。

図２８から分かるように、永久磁石１５ａ，１５ｂの中心線Ｌ２と永久磁石１６ａ，１６ｂの中心線Ｌ３との偏心量を大きくして行くと、インペラ１０の径方向復元力は一旦上昇した後に下降する。異極配置におけるインペラ１０の径方向復元力は、同極配置におけるインペラ１０の径方向復元力よりも大きい。また、異極配置の場合にピーク値が現れる偏心量は、同極配置の場合にピーク値が現れる偏心量よりも大きい。したがって、カップリング脱調が生じる最大偏心量は、異極配置の場合の方が同極配置の場合よりも大きくなる。

この理由は、次のように考えられる。異極配置の場合は、図２７（ａ）（ｂ）において、永久磁石１５ａ，１５ｂの中心線Ｌ３が永久磁石１６ａ，１６ｂの中心線Ｌ２の下方に相対的に移動すると、永久磁石１５ａのＳ極と永久磁石１６ｂのＳ極との間に反発力が発生する。この反発力は、インペラ１０の径方向復元力を増大させる。これに対して同極配置の場合は、図５（ａ）（ｂ）において、永久磁石１５ａ，１５ｂの中心線Ｌ３が永久磁石１６ａ，１６ｂの中心線Ｌ２の下方に相対的に移動すると、永久磁石１５ａのＳ極と永久磁石１６ｂのＮ極との間に吸引力が発生する。この吸引力は、インペラ１０の径方向復元力を減少させる。このため、異極配置においてカップリング脱調が生じる最大偏心量は、同極配置においてカップリング脱調が生じる最大偏心量よりも大きくなる。

[実施の形態２]
図２９は、この発明の実施の形態２による遠心式血液ポンプ装置のポンプ部の構成を示す断面図であって、図３と対比される図である。図２９において、このポンプ部では、インペラ１０のシュラウド１２に複数の永久磁石１７の代わりに複数（たとえば８個）の永久磁石４０が埋設されている。複数の永久磁石４０は、等角度間隔で同一の円に沿って配置される。モータ室８内には、複数の永久磁石４０を吸引するための複数（たとえば８個）の永久磁石４１が設けられている。複数の永久磁石４１は、インペラ１０の複数の永久磁石４０に対向して、等角度間隔で同一の円に沿って配置される。

複数の永久磁石４１は、椀状のロータ４２の表面に設けられている。ロータ４２の縁の内側には、複数（たとえば８個）の永久磁石４３が等角度間隔で設けられている。複数の永久磁石４３は、隣接する磁極が互いに異なるようにして、等角度間隔で同一の円に沿って配置される。換言すれば、ロータ４２の内側にＮ極を向けた永久磁石４３と、ロータ４２の内側にＳ極を向けた永久磁石４３とが等角度間隔で同一の円に沿って交互に配置されている。

ロータ４２の中央部はベアリング４４を介して中心軸４５に回転可能に支持されており、ロータ４２は隔壁６に沿って回転可能に設けられている。中心軸４５は、円板状の継鉄４６の中央に立設されている。継鉄４６の表面において中心軸４５の周りには、複数（たとえば９個）の磁性体４７が等角度間隔で設けられている。複数の磁性体４７の先端は、ロータ４２の複数の永久磁石４３に対向して、同一の円に沿って配置される。各磁性体４７には、コイル４８が巻回されている。複数の永久磁石４３、複数の磁性体４７、および複数のコイル４８は、ロータ４２を回転させるためのモータを構成する。ロータ４２の回転中心線と、複数の永久磁石４１の回転中心点と、血液室７の側壁の中心線Ｌ１とは一致している。

９個のコイル４８には、たとえば１２０度通電方式で電圧が印加される。すなわち、９個のコイル４８は、３個ずつグループ化される。各グループの第１〜第３のコイル４８には、図９で示した電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷが印加される。したがって、第１〜第３のコイル４８にそれぞれ電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷを印加することにより、回転磁界を形成することができ、複数の磁性体４７とロータ４２の複数の永久磁石４３との吸引力および反発力により、ロータ４２を回転させることができる。ロータ４２が回転すると、ロータ４２の複数の永久磁石４３とインペラ１０の複数の永久磁石４０との吸引力により、インペラ１０が回転する。

ここで、インペラ１０が定格回転数で回転している場合は、永久磁石１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂ間の吸引力と複数の永久磁石４０および複数の永久磁石４１間の吸引力とは、血液室７内におけるインペラ１０の可動範囲の略中央付近で釣り合うようにされている。このため、インペラ１０のいかなる可動範囲においてもインペラ１０への吸引力による作用力は非常に小さい。その結果、インペラ１０の回転起動時に発生するインペラ１０とハウジング２との相対すべり時の摩擦抵抗を小さくすることができる。また、相対すべり時におけるインペラ１０とハウジング２の内壁の表面の損傷（表面の凹凸）はなく、さらに低速回転時の動圧力が小さい場合にもインペラ１０はハウジング２から浮上し易くなり、非接触の状態となる。

また、実施の形態１と同様、インペラ１０のシュラウド１２に対向する隔壁６の表面には動圧溝２１が形成され、シュラウド１１に対向する血液室７の内壁には動圧溝２２が形成されている。インペラ１０の回転数が所定の回転数を超えると、動圧溝２１，２２の各々とインペラ１０との間に動圧軸受効果が発生する。これにより、動圧溝２１，２２の各々からインペラ１０に対して抗力が発生し、インペラ１０は血液室７内で非接触状態で回転する。

また、実施の形態１と同様、インペラ１０の回転時においてインペラ１０の回転中心線Ｌ３と血液室７の側壁の中心線Ｌ１とが一致するように、永久磁石１５ａ，１６ａの中心線Ｌ２が血液室７の側壁の中心線Ｌ１と異なる位置に配置されている。これにより、高いトルク伝達効率を得ることができる。この実施の形態２でも、実施の形態１と同じ効果が得られる。

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。

１ ポンプ部、２ ハウジング、３ 本体部、４ 血液流入ポート、５ 血液流出ポート、６ 隔壁、７ 血液室、８ モータ室、１０ インペラ、１０ａ 貫通孔、１１，１２ シュラウド、１３ ベーン、１４ 血液通路、１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂ，１７，４０，４１，４３ 永久磁石、１８，３５，３７〜３９，４７ 磁性体、１９，３６，４６ 継鉄、２０，４８ コイル、２１，２２ 動圧溝、２５ コントローラ、２６ モータ制御回路、２７，３０，３１ パワーアンプ、３２ 切換スイッチ、４２ ロータ、４４ ベアリング、４５ 中心軸。

Claims (16)

1. 隔壁で仕切られた第１および第２の室を含むハウジングと、前記第１の室内において前記隔壁に沿って回転可能に設けられ、回転時の遠心力によって液体を送るインペラと、前記第２の室内に設けられ、前記隔壁を介して前記インペラを回転駆動させる駆動部とを備えた遠心式ポンプ装置であって、
   前記インペラの一方面に設けられた第１の磁性体と、
   前記インペラの一方面に対向する前記第１の室の内壁に設けられ、前記第１の磁性体を吸引する第２の磁性体と、
   前記インペラの他方面に設けられ、前記駆動部によって吸引される第３の磁性体を備え、
   前記インペラの回転時において、前記第１の磁性体および前記第２の磁性体間に作用する第１の吸引力と前記第３の磁性体および前記駆動部間に作用する第２の吸引力とは、前記第１の室内における前記インペラの可動範囲の略中央で釣り合い、
   前記インペラの一方面またはそれに対向する前記第１の室の内壁に第１の動圧溝が形成され、前記インペラの他方面またはそれに対向する前記隔壁に第２の動圧溝が形成され、
   前記インペラの側面に対向する前記第１の室の側壁は円筒状に形成され、
   前記インペラの回転時において前記インペラの回転中心線と前記第１の室の側壁の中心線とが一致するように、前記第２の磁性体の中心線が前記第１の室の側壁の中心線と異なる位置に配置されている、遠心式ポンプ装置。
2. 前記第２の磁性体の中心線と前記第１の室の側壁の中心線とが一致する場合、前記インペラの回転時において前記インペラの回転中心線は前記第１の室の側壁の中心線から所定方向に所定距離だけ移動し、
   前記第２の磁性体の中心線は、前記第１の室の側壁の中心線から前記所定方向の反対方向に前記所定距離だけ離れた位置に配置されている、請求項１に記載の遠心式ポンプ装置。
3. 前記第１の室の側壁の接線方向に延びるように設けられ、前記第１の室の側壁に設けられた開口部から前記ハウジングの外に前記液体を流出させるための筒状の液体流出ポートを備え、
   前記第２の磁性体の中心線と前記第１の室の側壁の中心線とが一致する場合、前記インペラの回転時において前記インペラの回転中心線は前記開口部の方向に移動し、
   前記第２の磁性体の中心線は、前記第１の室の側壁の中心線から見て前記開口部の反対側に配置されている、請求項１または請求項２に記載の遠心式ポンプ。
4. 前記第１の室の側壁の中心線から見て前記開口部の上流側の端部の方向を０度とし、その反対方向を１８０度とすると、前記第２の磁性体の中心線は１３５度から２２５度の間に配置されている、請求項３に記載の遠心式ポンプ装置。
5. 前記駆動部は、前記第３の磁性体に対向して設けられ、回転磁界を生成するための複数のコイルを含み、
   前記回転磁界の中心線は前記第１の室の側壁の中心線と一致している、請求項１から請求項４までのいずれかに記載の遠心式ポンプ装置。
6. 前記駆動部は、
   前記第３の磁性体に対向して設けられた複数の第４の磁性体と、
   それぞれ前記複数の第４の磁性体に巻回され、回転磁界を生成するための複数のコイルを含み、
   前記回転磁界の中心線は前記第１の室の側壁の中心線と一致している、請求項１から請求項４までのいずれかに記載の遠心式ポンプ装置。
7. 前記駆動部は、
   前記第２の室内において前記隔壁に沿って回転可能に設けられたロータと、
   前記第３の磁性体に対向して前記ロータに設けられ、前記第３の磁性体を吸引する第４の磁性体と、
   前記ロータを回転させるモータとを含み、
   前記ロータの中心線は前記第１の室の側壁の中心線と一致している、請求項１から請求項４までのいずれかに記載の遠心式ポンプ装置。
8. 前記第１の磁性体および前記第２の磁性体のうちの少なくとも一方の磁性体は、円環状に配列された複数の第１の副磁性体を含む、請求項１から請求項７までのいずれかに記載の遠心式ポンプ装置。
9. 前記第１および第２の磁性体の各々は永久磁石であり、
   前記複数の第１の副磁性体の各々は永久磁石であり、
   前記複数の第１の副磁性体のＮ極は同じ方向を向いている、請求項８に記載の遠心式ポンプ装置。
10. 前記第１の磁性体および前記第２の磁性体のうちの少なくとも一方の磁性体は、互いに径の異なる円環状の複数の第２の副磁性体を含む、請求項１から請求項８までのいずれかに記載の遠心式ポンプ装置。
11. 前記複数の第２の副磁性体の中心線は一致している、請求項９に記載の遠心式ポンプ装置。
12. 前記第１および第２の磁性体の各々は前記複数の第２の副磁性体を含み、
    前記複数の第２の副磁性体の各々は永久磁石であり、
    前記インペラの径方向に隣接する複数の第２の副磁性体のＮ極は同じ方向を向いている、請求項１０または請求項１１に記載の遠心式ポンプ装置。
13. 前記第２の磁性体の中心線と前記第１の室の側壁の中心線との間の距離と、前記第１の室内における前記インペラの径方向の可動距離の２分の１の距離との和は、隣接する２つの第２の副磁性体の間隔の２分の１よりも小さい、請求項１２に記載の遠心式ポンプ装置。
14. 前記第１および第２の磁性体の各々は前記複数の第２の副磁性体を含み、
    前記複数の第２の副磁性体の各々は永久磁石であり、
    前記インペラの径方向に隣接する２つの第２の副磁性体のＮ極は異なる方向を向いている、請求項１０または請求項１１に記載の遠心式ポンプ装置。
15. 前記第２の磁性体の中心線と前記第１の室の側壁の中心線との間の距離と、前記第１の室内における前記インペラの径方向の可動距離の２分の１の距離との和は、隣接する２つの第２の副磁性体の間隔よりも小さい、請求項１４に記載の遠心式ポンプ装置。
16. 前記液体は血液であり、前記遠心式ポンプ装置は、前記血液を循環させるために使用される、請求項１から請求項１５までのいずれかに記載の遠心式ポンプ装置。

Images