JP3776162B2 - 磁気浮上型血液ポンプ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は磁気浮上型血液ポンプに関し、特に、人工心肺や人工心臓などの医療機器に用いられ、インペラを磁気軸受によって支持し、磁気カップリングにより隔壁を介してモータによってインペラを回転させるような磁気浮上型血液ポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４は従来の磁気浮上型血液ポンプを示す図である。図４（ａ）において、磁気浮上型血液ポンプ１のケーシング２内にはインペラ３が設けられる。ケーシング２は非磁性部材からなり、インペラ３は非制御式磁気軸受を構成する永久磁石４を有する非磁性部材５と、制御式磁気軸受のロータに相当する軟鉄部材６とを含む。永久磁石４はインペラ３の円周方向に分割されていて、互いに隣接する磁石が互いに反対方向に着磁されている。
【０００３】
インペラ３の永久磁石４を有する側に対向して、ケーシング２外部にはロータ７が設けられる。ロータ７はモータ９によって駆動されて回転する。ロータ７にはインペラ３の永久磁石４に対向しかつ吸引力が作用するようにインペラ３側と同数の永久磁石８が設けられている。
【０００４】
一方、インペラ３の軟鉄部材６を有する側に対向するようにして、ケーシング２において永久磁石４と８の吸引力に打ち勝ってインペラ３をケーシング２の中心に保持するように電磁石１０と位置センサＳ１〜Ｓ４が設けられている。位置センサＳ１〜Ｓ４は図４（ｂ）に示すように、電磁石１０の各コイルＭ１〜Ｍ４のそれぞれの間に配置される。
【０００５】
上述のごとく構成された磁気浮上型血液ポンプ１において、ロータ７に埋込まれている永久磁石８はインペラ３の駆動や半径方向を支持し、インペラ３に設けられている永久磁石４との間の軸方向吸引力を生じさせる。この吸引力と釣り合うように電磁石１０のコイルに電流が流され、インペラ３が浮上する。そして、ロータ７がモータ９の駆動力によって回転すると、永久磁石４と８とが磁気カップリングを構成し、インペラ３が回転し、液体は注入口から図示しない吐出口に送り込まれる。インペラ３はケーシング２によってロータ７から隔離されておりかつ電磁石１０からの汚染を受けることがないので、磁気浮上型血液ポンプ１から吐出された血液はクリーンな状態を保持する。
【０００６】
図５は図４に示した磁気浮上型血液ポンプの制御回路を示すブロック図である。図４（ｂ）に示した位置センサＳ１〜Ｓ４の信号が図示しない演算回路によって、次の演算式に従ってＺ軸，θx 軸，θy 軸の演算が行なわれる。
【０００７】
Ｚ＝（Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３＋Ｓ４）／４
θx ＝（（Ｓ１＋Ｓ２）−（Ｓ３＋Ｓ４））／２√２ｒ
θy ＝（（Ｓ１＋Ｓ４）−（Ｓ２＋Ｓ３））／２√２ｒ
ここでｒは電磁石１０の半径である。
【０００８】
上述のごとくして求められたＺ，θx ，θy のそれぞれの値は図５に示すＰＩＤ補償器１１〜１３に入力され、ＰＩＤ補償器１１の出力は加算器１６〜１９の一方入力端に与えられ、ＰＩＤ補償器１２の出力は加算器１６の他方入力端に与えられるとともに、係数器１４で係数が付加されて加算器１８の他方入力端に与えられる。ＰＩＤ補償器１３の出力は加算器１９の他方入力端に与えられるとともに、係数器１５によって係数が付加され、加算器１７の他方入力端に与えられる。加算器１６〜１９はそれぞれの２つの入力を加算し、増幅器２０〜２３に与える。増幅器２０〜２３はそれぞれ対応のコイルＭ１〜Ｍ４を駆動する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
図４に示した磁気浮上型血液ポンプ１では、制御式磁気軸受を構成する電磁石１０として４個のコイルＭ１〜Ｍ４と４個の位置センサＳ１〜Ｓ４が必要となる。このような電磁石１０のコイルや位置センサの数を減らすと、製作工数の低減はもとより、信頼性の向上に繋がるという利点がある反面、たとえばコイルとセンサを３個にすると、電磁石の円周の長さが長くなってしまい、正確にθx ，θy を制御することができないという欠点がある。
【００１０】
それゆえに、この発明の主たる目的は、コイルやセンサなどの磁気軸受を構成する要素数を減少して、コストを低減でき、信頼性の向上を図れるような磁気浮上型血液ポンプを提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る磁気浮上型血液ポンプは、ディスク状のインペラの径方向の２軸を非制御式軸受で受動的に制御し、重心周りの２軸および軸方向を制御式軸受で能動的に制御する磁気浮上型血液ポンプにおいて、制御式軸受は、インペラに対向して円周上等配置される３個の位置センサと３個の電磁石とを含み、位置センサと電磁石は円周上に交互に配置され、各電磁石におけるインペラの変位を３個の位置センサの出力より所定の演算式で演算し、その演算結果に基づいて各電磁石を独立して制御するように構成される。
【００１２】
ここで、上記所定の演算式は、軸方向成分をＺとし、３個の位置センサの出力をそれぞれＳ１，Ｓ２，Ｓ３とし、３個の電磁石におけるインペラの変位Ｓ１′，Ｓ２′，Ｓ３′としたとき、
Ｚ＝（Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３）／３
Ｓ１′＝Ｚ＋（Ｚ−Ｓ３）＝（２Ｓ１＋２Ｓ２−Ｓ３）／３
Ｓ２′＝（−Ｓ１＋２Ｓ２＋２Ｓ３）／３
Ｓ３′＝（２Ｓ１−Ｓ２＋２Ｓ３）／３
で表わされる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の一実施形態を示す図である。図１において、この発明の一実施の形態では、電磁石として３個のコイルＭ１〜Ｍ３が設けられ、それぞれのコイルＭ１〜Ｍ３の間に位置センサＳ１〜Ｓ３が設けられる。それ以外の構成は、前述の図４と同じである。図１におけるＺ，θx ，θy は次式で表わされる。
【００１４】
Ｚ＝（Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３）／３
θx ＝（Ｓ１＋Ｓ２−２Ｓ３）／３ｒ
θy ＝（Ｓ１−Ｓ２）／√３ｒ
ところが、この演算式を用いた場合、各電磁石の円周の長さが長いため、正確にθx ，θy を制御するのが困難となる。
【００１５】
そこで、この発明の実施の形態では、各位置センサＳ１〜Ｓ３の信号を演算して各電磁石中心Ｃ点でのインペラの変位Ｓ１′〜Ｓ３′を求める。
【００１６】
図２は各電磁石のＣ点の変位を求める方法を説明するための図である。図２はコイルＭ１でのインペラ変位Ｓ１′を求める方法を示したものであるが、コイルＭ２，Ｍ３の各電磁石についても同様の方法で次式に従って磁石中心でのインペラ３の変位を求めることができる。
【００１７】
Ｚ＝（Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３）／３
Ｓ１′＝Ｚ＋（Ｚ−Ｓ３）＝（２Ｓ１＋２Ｓ２−Ｓ３）／３
Ｓ２′＝（−Ｓ１＋２Ｓ２＋２Ｓ３）／３
Ｓ３′＝（２Ｓ１−Ｓ２＋２Ｓ３）／３
図３は図１に示したコイルＭ１〜Ｍ３を駆動する駆動回路のブロック図である。上述の式によって求められたインペラの変位信号Ｓ１′，Ｓ２′，Ｓ３′はＰＩＤ補償器３１〜３３を介して増幅器４１〜４３に入力され、各コイルＭ１〜Ｍ３が駆動される。
【００１８】
このように、各コイルＭ１〜Ｍ３のインペラ変位Ｓ１′〜Ｓ３′を求め、これをフィードバックしてコイルＭ１〜Ｍ３を制御することにより、θx ，θy を正確に制御することができ、インペラを安定して磁気浮上させることができる。
【００１９】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、３個の位置センサの出力により、各電磁石におけるインペラ変位を求めこれをフィードバックして各コイルを制御するようにしたので、インペラを安定して磁気浮上させることができ、電磁石と位置センサの構成要素を減らすことができ、製作工数を低減でき、信頼性を向上できコンパクトにできる。また、コンパクトにできたので、体内への埋込が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施の形態を示す図である。
【図２】各電磁石のＣ点の変位を求める方法を説明するための図である。
【図３】図１に示した電磁石を駆動する駆動回路のブロック図である。
【図４】従来の磁気浮上型血液ポンプを示す図である。
【図５】図４に示した磁気浮上型血液ポンプの制御回路を示す図である。
【符号の説明】
Ｍ１〜Ｍ３ コイル
Ｓ１〜Ｓ３ 位置センサ
３１〜３３ ＰＩＤ補償器
４１〜４３ 増幅器
【発明の属する技術分野】
この発明は磁気浮上型血液ポンプに関し、特に、人工心肺や人工心臓などの医療機器に用いられ、インペラを磁気軸受によって支持し、磁気カップリングにより隔壁を介してモータによってインペラを回転させるような磁気浮上型血液ポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４は従来の磁気浮上型血液ポンプを示す図である。図４（ａ）において、磁気浮上型血液ポンプ１のケーシング２内にはインペラ３が設けられる。ケーシング２は非磁性部材からなり、インペラ３は非制御式磁気軸受を構成する永久磁石４を有する非磁性部材５と、制御式磁気軸受のロータに相当する軟鉄部材６とを含む。永久磁石４はインペラ３の円周方向に分割されていて、互いに隣接する磁石が互いに反対方向に着磁されている。
【０００３】
インペラ３の永久磁石４を有する側に対向して、ケーシング２外部にはロータ７が設けられる。ロータ７はモータ９によって駆動されて回転する。ロータ７にはインペラ３の永久磁石４に対向しかつ吸引力が作用するようにインペラ３側と同数の永久磁石８が設けられている。
【０００４】
一方、インペラ３の軟鉄部材６を有する側に対向するようにして、ケーシング２において永久磁石４と８の吸引力に打ち勝ってインペラ３をケーシング２の中心に保持するように電磁石１０と位置センサＳ１〜Ｓ４が設けられている。位置センサＳ１〜Ｓ４は図４（ｂ）に示すように、電磁石１０の各コイルＭ１〜Ｍ４のそれぞれの間に配置される。
【０００５】
上述のごとく構成された磁気浮上型血液ポンプ１において、ロータ７に埋込まれている永久磁石８はインペラ３の駆動や半径方向を支持し、インペラ３に設けられている永久磁石４との間の軸方向吸引力を生じさせる。この吸引力と釣り合うように電磁石１０のコイルに電流が流され、インペラ３が浮上する。そして、ロータ７がモータ９の駆動力によって回転すると、永久磁石４と８とが磁気カップリングを構成し、インペラ３が回転し、液体は注入口から図示しない吐出口に送り込まれる。インペラ３はケーシング２によってロータ７から隔離されておりかつ電磁石１０からの汚染を受けることがないので、磁気浮上型血液ポンプ１から吐出された血液はクリーンな状態を保持する。
【０００６】
図５は図４に示した磁気浮上型血液ポンプの制御回路を示すブロック図である。図４（ｂ）に示した位置センサＳ１〜Ｓ４の信号が図示しない演算回路によって、次の演算式に従ってＺ軸，θx 軸，θy 軸の演算が行なわれる。
【０００７】
Ｚ＝（Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３＋Ｓ４）／４
θx ＝（（Ｓ１＋Ｓ２）−（Ｓ３＋Ｓ４））／２√２ｒ
θy ＝（（Ｓ１＋Ｓ４）−（Ｓ２＋Ｓ３））／２√２ｒ
ここでｒは電磁石１０の半径である。
【０００８】
上述のごとくして求められたＺ，θx ，θy のそれぞれの値は図５に示すＰＩＤ補償器１１〜１３に入力され、ＰＩＤ補償器１１の出力は加算器１６〜１９の一方入力端に与えられ、ＰＩＤ補償器１２の出力は加算器１６の他方入力端に与えられるとともに、係数器１４で係数が付加されて加算器１８の他方入力端に与えられる。ＰＩＤ補償器１３の出力は加算器１９の他方入力端に与えられるとともに、係数器１５によって係数が付加され、加算器１７の他方入力端に与えられる。加算器１６〜１９はそれぞれの２つの入力を加算し、増幅器２０〜２３に与える。増幅器２０〜２３はそれぞれ対応のコイルＭ１〜Ｍ４を駆動する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
図４に示した磁気浮上型血液ポンプ１では、制御式磁気軸受を構成する電磁石１０として４個のコイルＭ１〜Ｍ４と４個の位置センサＳ１〜Ｓ４が必要となる。このような電磁石１０のコイルや位置センサの数を減らすと、製作工数の低減はもとより、信頼性の向上に繋がるという利点がある反面、たとえばコイルとセンサを３個にすると、電磁石の円周の長さが長くなってしまい、正確にθx ，θy を制御することができないという欠点がある。
【００１０】
それゆえに、この発明の主たる目的は、コイルやセンサなどの磁気軸受を構成する要素数を減少して、コストを低減でき、信頼性の向上を図れるような磁気浮上型血液ポンプを提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る磁気浮上型血液ポンプは、ディスク状のインペラの径方向の２軸を非制御式軸受で受動的に制御し、重心周りの２軸および軸方向を制御式軸受で能動的に制御する磁気浮上型血液ポンプにおいて、制御式軸受は、インペラに対向して円周上等配置される３個の位置センサと３個の電磁石とを含み、位置センサと電磁石は円周上に交互に配置され、各電磁石におけるインペラの変位を３個の位置センサの出力より所定の演算式で演算し、その演算結果に基づいて各電磁石を独立して制御するように構成される。
【００１２】
ここで、上記所定の演算式は、軸方向成分をＺとし、３個の位置センサの出力をそれぞれＳ１，Ｓ２，Ｓ３とし、３個の電磁石におけるインペラの変位Ｓ１′，Ｓ２′，Ｓ３′としたとき、
Ｚ＝（Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３）／３
Ｓ１′＝Ｚ＋（Ｚ−Ｓ３）＝（２Ｓ１＋２Ｓ２−Ｓ３）／３
Ｓ２′＝（−Ｓ１＋２Ｓ２＋２Ｓ３）／３
Ｓ３′＝（２Ｓ１−Ｓ２＋２Ｓ３）／３
で表わされる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の一実施形態を示す図である。図１において、この発明の一実施の形態では、電磁石として３個のコイルＭ１〜Ｍ３が設けられ、それぞれのコイルＭ１〜Ｍ３の間に位置センサＳ１〜Ｓ３が設けられる。それ以外の構成は、前述の図４と同じである。図１におけるＺ，θx ，θy は次式で表わされる。
【００１４】
Ｚ＝（Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３）／３
θx ＝（Ｓ１＋Ｓ２−２Ｓ３）／３ｒ
θy ＝（Ｓ１−Ｓ２）／√３ｒ
ところが、この演算式を用いた場合、各電磁石の円周の長さが長いため、正確にθx ，θy を制御するのが困難となる。
【００１５】
そこで、この発明の実施の形態では、各位置センサＳ１〜Ｓ３の信号を演算して各電磁石中心Ｃ点でのインペラの変位Ｓ１′〜Ｓ３′を求める。
【００１６】
図２は各電磁石のＣ点の変位を求める方法を説明するための図である。図２はコイルＭ１でのインペラ変位Ｓ１′を求める方法を示したものであるが、コイルＭ２，Ｍ３の各電磁石についても同様の方法で次式に従って磁石中心でのインペラ３の変位を求めることができる。
【００１７】
Ｚ＝（Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３）／３
Ｓ１′＝Ｚ＋（Ｚ−Ｓ３）＝（２Ｓ１＋２Ｓ２−Ｓ３）／３
Ｓ２′＝（−Ｓ１＋２Ｓ２＋２Ｓ３）／３
Ｓ３′＝（２Ｓ１−Ｓ２＋２Ｓ３）／３
図３は図１に示したコイルＭ１〜Ｍ３を駆動する駆動回路のブロック図である。上述の式によって求められたインペラの変位信号Ｓ１′，Ｓ２′，Ｓ３′はＰＩＤ補償器３１〜３３を介して増幅器４１〜４３に入力され、各コイルＭ１〜Ｍ３が駆動される。
【００１８】
このように、各コイルＭ１〜Ｍ３のインペラ変位Ｓ１′〜Ｓ３′を求め、これをフィードバックしてコイルＭ１〜Ｍ３を制御することにより、θx ，θy を正確に制御することができ、インペラを安定して磁気浮上させることができる。
【００１９】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、３個の位置センサの出力により、各電磁石におけるインペラ変位を求めこれをフィードバックして各コイルを制御するようにしたので、インペラを安定して磁気浮上させることができ、電磁石と位置センサの構成要素を減らすことができ、製作工数を低減でき、信頼性を向上できコンパクトにできる。また、コンパクトにできたので、体内への埋込が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施の形態を示す図である。
【図２】各電磁石のＣ点の変位を求める方法を説明するための図である。
【図３】図１に示した電磁石を駆動する駆動回路のブロック図である。
【図４】従来の磁気浮上型血液ポンプを示す図である。
【図５】図４に示した磁気浮上型血液ポンプの制御回路を示す図である。
【符号の説明】
Ｍ１〜Ｍ３ コイル
Ｓ１〜Ｓ３ 位置センサ
３１〜３３ ＰＩＤ補償器
４１〜４３ 増幅器
Claims (1)
- ディスク状のインペラの径方向の２軸を非制御式軸受で受動的に制御し、重心周りの２軸および軸方向を制御式軸受で能動的に制御する磁気浮上型血液ポンプにおいて、
前記制御式軸受は、前記インペラに対向して円周上等配置される３個の位置センサと３個の電磁石とを含み、前記位置センサと前記電磁石は前記円周上に交互に配置され、
各電磁石における前記インペラの変位を前記３個の位置センサの出力より所定の演算式で演算し、その演算結果に基づいて各電磁石を独立して制御し、
前記所定の演算式は、
前記軸方向成分をＺとし、前記３個の位置センサの出力をＳ１，Ｓ２，Ｓ３とし、前記３個の電磁石における前記インペラの変位をＳ１′，Ｓ２′，Ｓ３′としたとき、
Ｚ＝（Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３）／３
Ｓ１′＝Ｚ＋（Ｚ−Ｓ３）＝（２Ｓ１＋２Ｓ２−Ｓ３）／３
Ｓ２′＝（−Ｓ１＋２Ｓ２＋２Ｓ３）／３
Ｓ３′＝（２Ｓ１−Ｓ２＋２Ｓ３）／３
であることを特徴とする、磁気浮上型血液ポンプ。
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