JP4257417B2 - 軸方向または径方向に動圧軸受を有する遠心血液ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、体内に埋め込まれる人工心臓用の遠心血液ポンプに関するものである。

体内埋め込み型の人工心臓に用いられる血液ポンプとして、ハウジングに収容された羽根車を回転させて、その回転により生じる遠心力により、ハウジングの流入口から血液を吸い込んで、血液流入方向に対して垂直に設けられた流出口から流出させる遠心血液ポンプが知られている。

上記遠心血液ポンプは、ハウジングに収容される羽根車に従動磁石を設けるとともに、ハウジングの外側に近接配置される駆動磁石をモータにより回転させる駆動装置を備えており、モータにより駆動磁石を回転させて、駆動磁石と従動磁石との磁気磁気的結合により、ハウジングの外から羽根車を回転させている。

この型式の遠心血液ポンプは、耐久性を高める観点から、ハウジングとそれに収容された羽根車とが非接触とされることが好ましい。そのため、従来は、羽根車を回転駆動するための電磁気結合装置の他に、ポンプハウジングに取り付けられた数個の電磁石の磁力を調整することにより、羽根車の位置制御を行う能動的な磁気軸受装置を設けていた。

しかし、ポンプハウジングに数個の電磁石を設ける場合、その電磁石に電力を供給するための電力供給装置およびその電力を制御する電力制御装置が必要となり、余分な電力を要し、また、装置が大型化するという問題があった。

本発明は、以上の事情を背景として為されたものであり、その目的とするところは、耐久性を維持しつつ、従来の装置のように、電磁石の磁力を調整する能動的な磁気軸受装置を用いることなく、羽根車を非接触に駆動でき、装置を小型化することができる遠心血液ポンプを提供することにある。

かかる目的を達成する第１発明は、(a)血液が流入する流入口と、その流入口からの血液流入方向に対して略垂直な流出口を備えたハウジングと、（b)そのハウジングに収容され、且つ、永久磁石製の従動磁石を備えた羽根車と、（c)モータと、そのモータの回転軸に連結された駆動磁石とを備え、前記ハウジングの流入口とは反対側に近接配置されて、その駆動磁石と前記羽根車の従動磁石との間で構成されるマグネチックカップリングを介して、前記ハウジングの外側から前記羽根車を回転させる駆動装置とを有し、（d)前記羽根車の回転により、前記ハウジングの流入口から血液を吸い込んでそのハウジングの流出口から流出させる遠心血液ポンプであって、（e)前記羽根車の、前記ハウジングの前記流入口側に設けられ、その羽根車の回転軸心と垂直、且つ、環状の垂直面と、（f)前記ハウジングに設けられ、その垂直面と対向し、且つ、その垂直面と平行な環状の対向面とを有し、（g)前記羽根車の垂直面および前記ハウジングの対向面のいずれか一方に、径方向に延びる溝が、周方向に多数形成され、(h)高速回転による前記羽根車の浮き上がり時に、その垂直面とその対向面との間の隙間が極めて小さくなると、その垂直面とその対向面とそれらの面間に介在させられる前記血液とにより、前記羽根車の浮き上がり荷重を支える動圧軸受が構成されることを特徴とする。

また、第２発明は、第１発明の遠心血液ポンプにおいて、前記溝の深さが、前記動圧軸受が構成されているときのその動圧軸受の隙間の１〜２倍であることを特徴とする。

また、第３発明は、第１発明または第２発明の遠心血液ポンプにおいて、前記羽根車の前記駆動装置が配置される側の面の、その羽根車の回転軸心を中心とする同一円周上に設けられた３つ以上の突起と、前記羽根車の前記突起が設けられている面に対向するハウジングの内面に形成され、前記突起が摺動させられる円環状の案内溝とを有し、低速回転時に前記羽根車を回転可能に支持する支持装置を、さらに含むことを特徴とする。

また、第４発明は、(a)血液が流入する流入口と、その流入口からの血液流入方向に対して略垂直な流出口を備えたハウジングと、（b)そのハウジングに収容され、且つ、永久磁石製の従動磁石を備えた羽根車と、（c)モータと、そのモータの回転軸に連結された駆動磁石とを備え、前記ハウジングの流入口とは反対側に近接配置されて、その駆動磁石と前記羽根車の従動磁石との間で構成されるマグネチックカップリングを介して、前記ハウジングの外側から前記羽根車を回転させる駆動装置とを有し、（d)前記羽根車の回転により、前記ハウジングの流入口から血液を吸い込んでそのハウジングの流出口から流出させる遠心血液ポンプであって、（e)前記羽根車の外周面および前記ハウジングの内周面にそれぞれ設けられた内周側および外周側永久磁石から成る永久磁石対を有し、その永久磁石対の吸引力により、前記羽根車を、ハウジングの流入口側の面と、流入口とは反対側の面との間に位置させるとともに、回転軸心に対する傾きを抑制する磁気軸受が構成されていることを特徴とする。

また、第５発明は、第４発明の遠心血液ポンプにおいて、前記永久磁石対を構成する内周側および外周側永久磁石は、ともに、両端部が同一方向へ向かう形状であり、一方の永久磁石の端部と他方の永久磁石の端部とが互いに対向するように配置されて、その両端部を通る磁気回路が形成されていることを特徴とする。

また、第６発明は、第１発明〜第３発明のいずれかの遠心血液ポンプにおいて、前記マグネチックカップリングは、前記駆動装置の回転力を前記羽根車へ非接触で伝達するとともに、その羽根車を前記ハウジングの中心軸へ戻す方向の磁気力を作用させるものであることを特徴とする。

また、第７発明は、第６発明の遠心血液ポンプにおいて、前記マグネチックカップリングの駆動磁石が、そのマグネチックカップリングの従動磁石に対してその従動磁石の回転軸の軸心方向に配置されていることを特徴とする。

また、第８発明は、第４発明または第５発明の遠心血液ポンプにおいて、前記羽根車の外周面およびその外周面に対向するハウジングの内周面が、ともに、前記羽根車の回転軸心に平行とされ、高速回転により前記羽根車が偏心して、その羽根車の外周面とそのハウジングの内周面との隙間が極めて小さくなると、その羽根車の外周面とそのハウジングの内周面とそれらの面間に介在させられる前記血液とにより、前記羽根車の偏心方向の荷重を支える動圧軸受が構成されることを特徴とする。

また、第９発明は、第８発明の遠心血液ポンプにおいて、前記羽根車の外周面および前記ハウジングの内周面のいずれか一方に、前記羽根車の回転軸心と平行な溝が、周方向に多数形成されていることを特徴とする。

上記第１発明によれば、前記羽根車の回転速度が速くなっていき、流出口からの血液流出量が多くなって流入口と羽根車との間に負圧が生じ、羽根車が流入口方向へ吸い寄せられた場合に、羽根車の垂直面とハウジングの対向面との間の隙間が極めて小さくなると、互いに平行であっていずれか一方に径方向に延びる溝が周方向に多数形成されている環状の垂直面および対向面と、それらの面間に介在させられる血液により動圧軸受が形成され、その動圧軸受により羽根車の浮き上がり荷重が支えられることから、電磁石の磁力を調整する能動的な磁気軸受装置を用いなくても、羽根車の流入口側の面とハウジングとの間の接触が防止され、また、羽根車の浮き上がりにより、羽根車の底部とハウジングとの間も非接触となるので、装置の耐久性を維持し、且つ、血液破壊を防止しつつ、装置を小型化でき、且つ、電力消費を少なくできる。

第２発明のように溝の深さが設定されると、動圧軸受が支えることが可能な浮き上がり荷重が大きくなるので、確実に、羽根車の流入口側の面とハウジングとの間の接触が防止される。

羽根車の回転速度が低い場合には、駆動装置の駆動磁石と羽根車の従動磁石との間の吸引力により、羽根車がハウジングの駆動磁石側の面と接触させられるが、第３発明のように最低３つの突起とこれらを案内する円環状の案内溝から成る支持装置が設けられると、その接触が突起のみとなるので、摩擦が少なくなり、耐久性の低下が防止される。また、突起が１つまたは２つの場合には、低速回転時に、その突起を支点として羽根車が傾いてしまうが、第３発明によれば、突起は３つ以上設けられているので、羽根車はその回転軸心に対して垂直な方向への揺動が防止されて安定化し、羽根車の側面とハウジングの側面との接触も防止される。

第４発明によれば、羽根車の外周面に設けられた内周側永久磁石と、ハウジングの外周面に設けられた内周側永久磁石とにより構成される永久磁石対を有する磁気軸受により、羽根車がハウジングの流入口側の面と流入口とは反対側の面との間に位置させられて、回転軸心方向への移動が抑制されるので、電磁石の磁力を調整する能動的な磁気軸受装置を用いなくても、ハウジングの流入口側の面および流入口とは反対側の面に接触することが防止されるとともに、回転軸心に対する傾きが抑制される。従って、装置を小型化でき、且つ、電力消費を少なくできる。

第５発明によれば、磁力線が内周側永久磁石および外周側永久磁石内を流れる磁気回路が形成されることから、互いの吸引力が強くなる。従って、羽根車のその回転軸心方向への移動を抑制する力が大きくなるので、一層確実に、羽根車がハウジングの流入口側の面および流入口とは反対側の面に接触することが防止される。

駆動装置の駆動磁石と羽根車の従動磁石との間の磁気的結合により羽根車を回転させる場合、羽根車の回転軸心は一定位置に安定せず、羽根車は回転軸心に対して垂直な方向（すなわち偏心方向）にも移動してしまうが、第６発明によれば、マグネチックカップリングにより、羽根車に、ハウジングの中心軸へ戻す方向の磁気力が作用することから、羽根車の側面がハウジングの側面に接触することが防止される。従って、羽根車は、その回転軸心に対して垂直方向の移動によってハウジングに接触することも防止され、高い耐久性が得られる。また、第７発明は第６発明の実施態様であり、駆動磁石が従動磁石に対してその従動磁石の回転軸の軸心方向に配置されていることから、従動磁石にその回転軸の軸心方向への磁気力が働くので、従動磁石を有する羽根車に、ハウジングの中心軸へ戻す方向の力が作用する。

また、第８発明によれば、羽根車の高速回転時に、羽根車の外周面およびハウジングの内周面の隙間が極めて小さくなると、動圧軸受が構成されて、羽根車の偏心方向の荷重が支えられるので、羽根車の外周面がハウジングの内周面に接触することも防止される。

また、第９発明のように溝が形成されると、動圧軸受による羽根車の外周面とハウジングの内周面との間の反発力が生じ易くなるので、一層確実に、羽根車の外周面がハウジングの内周面に接触することが防止される。

以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ詳細に説明する。図１は、本発明が適用された体内埋め込み型の遠心血液ポンプ１０を、ハウジング１２の流入口１４の中心を通る垂直平面で切断した断面図であり、図２はハウジング１２の水平断面図である。なお、本実施例において、水平方向とは、底板部１８に平行な方向をいう。遠心血液ポンプ１０は、ハウジング１２と、そのハウジング１２に収容される羽根車３０と、羽根車３０を回転駆動させる駆動装置６０を有している。

ハウジング１２は、平面形状が円形の羽根車３０を収容するものであり、底板部１８、側壁部２０、上板部２２、筒部２４、流入筒部２６、および流出筒部２８（図２参照）を備えている。底板部１８は円形であり、側壁部２０は、その底板部１８の縁部から底板部１８に対して略垂直に立ち上がる円筒形である。上板部２２は、側壁部２０の底板部１８とは反対側の端に連結され、底板部１８と平行な円環状である。筒部２４は、上板部２２の内周縁に連結され上側（すなわち底板部１８とは反対側）ほど小径とされ、水平断面形状が円形とされている。流入筒部２６は、その筒部２４の上端に連結された円筒形である。

また、上記流入筒部２６は、底板部１８に垂直に設けられており、また、上記円環状の上板部２２の水平方向における中心、筒部２４の軸心、流入筒部２６の軸心が、同一線上となるように構成されており、これら筒部２４の軸心等を含む線がハウジング１２の中心軸となっている。流出筒部２８は、図２に示すように、その内周面が側壁部２０の内周面の接線と一致するように、側壁部２０から突き出しており、流出筒部２８の軸心は、底板部１８と平行とされている。前記流入口１４は、流入筒部２６の開口であり、流出筒部２８の開口が流出口１６である。

次に、図１〜図４に基づいて羽根車３０を説明する。図３は羽根車３０の平面図であり、図４は羽根車３０の底面図である。羽根車３０は、水平断面が円形、垂直断面が台形の本体部３２を有しており、その本体部３２の中心には、垂直方向に貫通する貫通穴３４が設けられている。この貫通穴３４は、水平断面が円形であり、後述する従動磁石４４と駆動磁石６４との磁気的結合により、羽根車３０は貫通穴３４の軸心を中心として回転させられる。すなわち、貫通穴３４の軸心が羽根車３０の回転軸心Ｃ１である。

本体部３２の傾斜面３６は、ハウジング１２の筒部２４と平行とされており、その傾斜面３６に、複数の羽根３８（図では８つ）が固定されている。それら複数の羽根３８は、貫通穴３４を中心とする放射状に配置されている。この羽根３８は、一辺の一方の端が傾斜面３６の上端に接し、他方の端が傾斜面３６の下端に接する矩形板状部材であり、たとえば、厚さが１ｍｍ、高さ（傾斜面３６に垂直な方向）が５ｍｍ程度とされている。

上記羽根３８には、傾斜面３６に固定されている側とは反対側に、円環板４０が連結部材４２を介して固定されている。この円環板４０は、図１に示すように、外径がハウジング１２の側壁部２０の内径よりもやや短い長さとされており、内径がハウジングの上板部２２の内径と同程度とされている。また、円環部４０は、貫通穴３４の軸心に対して垂直に設けられているので、円環部４０の上面４０ａが、垂直面として機能する。また、羽根車３０の非回転状態では、羽根車３０の貫通穴３４は、ハウジング１２の底板部１８および上板部２２に垂直であるので、その状態では、円環部４０の上面４０ａに対向するハウジング１２の上板部２２の下面２２ａは円環部４０の上面４０ａと平行になっている。従って、ハウジング１２の上板部２２の下面２２ａが対向面として機能する。また、羽根車３０とハウジング１２との間の垂直方向の距離のうちで、ハウジング１２の上板部２２の下面２２ａと円環板４０の上面４０ａとの間の距離が最短距離となっている。

さらに、羽根車３０には、本体部３２内に、円環状の従動磁石４４が、本体部３２の底面３２ａに平行、且つ、水平方向の中心が貫通穴３４の軸心と一致するように備えられている。この従動磁石４４は、永久磁石製であり、周方向にＮ極Ｓ極が交互に繰り返すように軸方向に着磁されている。

また、図１、３に示すように、羽根車３０の本体部３２の底面３２ａには、ハウジング１２の底板部１８方向に突き出す半球状の複数（本実施例では３つ）の突起４６が、貫通穴３４の軸心を中心とする同一円周上に設けられている。上記突起４６は、比較的硬い材質、たとえば、セラミックス製である。このように構成された羽根車３０は、ハウジング１２の側壁部２０に接触しないように、貫通穴３４の軸心がハウジング１２の底板部１８の中心と重なる位置に配置されている。

また、ハウジング１２の底板部１８には、図１、２に示すように、上記突起４６が摺動させられる環状の案内溝４８が形成された環状部材５０が嵌め入れられている。この環状部材５０は、突起４６の材質との間の摩擦抵抗が少ない材質、たとえば、ポリエチレン製であり、突起４６と案内溝４８を備えた環状部材５０とにより、羽根車３０を回転可能に支持する支持装置５２が構成される。

駆動装置６０は、図１に示すように、モータ６２と、前記従動磁石４４とともにマグネチックカップリング（磁気継手）を構成する駆動磁石６４と、モータ６２の回転軸６２ａと駆動磁石６４を連結する連結部材６６とを有しており、モータ６２の回転軸６２ａは、ハウジング１２の中心軸と同一線上となるように配置される。

駆動磁石６４は、円環状であり、モータ６２の回転軸６２ａに対して垂直となるように設けられている。また、駆動磁石６４は、羽根車３０に備えられた従動磁石４４と略等しい外径および内径とされている。この駆動磁石６４も、永久磁石製であり、周方向にＮ極Ｓ極が交互に繰り返すように多極着磁されている。

図５は、羽根車３０に設けられている円環板４０の一部を拡大して便宜上直線的に示す斜視図であり、円環板４０の上面４０ａは、径方向に延び、且つ、周方向（図５では左右方向）の一方へ向かうほど浅くなる溝５４が、周方向に多数形成される形状である。この溝５４の深さＨは、動圧軸受が形成された状態における上板部２２との間の隙間ｈの１〜２倍が好ましく、特に、１．６倍が好ましい。そのため、溝５４の深さＨは、たとえば１００μｍとされる。また、溝５４の幅Ｗは、たとえば２ｍｍ程度とされる。なお、図５においては、円環板４０は、実際よりも厚く描かれている。

次に、このように構成された遠心血液ポンプ１０の作動を説明する。駆動装置６０のモータ６２を回転させて、駆動磁石６４を比較的高速の所定の回転速度で回転させると、駆動磁石６４と従動磁石４４との磁気的結合により、羽根車３０がモータ６２の回転方向と同一方向に回転させられる。羽根車３０が回転させられると、羽根車３０に設けられている羽根３８により、ハウジング１２内の血液が流出口１６から送り出されるとともに、流入口１４から血液が吸い込まれる。なお、血液は、羽根車３０とハウジング１２の筒部２４および上板部２２との間を流れるだけでなく、貫通穴３４を通り、羽根車３０とハウジング１２の底板部１８との間にも流れる。

図１には、羽根車３０がハウジング１２と非接触な状態が示されているが、羽根車３０の回転開始当初、すなわち、羽根車３０の回転速度が低いうちは、従動磁石４４と駆動磁石６４との間の吸引力により、羽根車３０はハウジング１２の底板部１８側へ引き寄せられているので、突起４６が案内溝４８上を摺動する。しかし、羽根車３０の回転速度が速くなって、流出口１６からの血液流出量が多くなると、流入口１４側が負圧となるので、羽根車３０は流入口１４側へ吸い寄せられる。

羽根車３０とハウジング１２との間の垂直方向の距離のうちで、ハウジング１２の上板部２２の下面２２ａと円環板４０の上面４０ａとの間の垂直方向の距離が最短距離となっているので、仮に、回転がない状態で羽根車３０が流入口１４側に吸い寄せられるとすると、ハウジング１２の上板部２２の下面２２ａと円環板４０の上面４０ａとが接触してしまうが、羽根車３０が所定の速度で高速回転させられている状態では、互いに平行とされているハウジング１２の上板部２２の下面２２ａと円環板４０の上面４０ａとの間の距離が極めて短い距離（たとえば、０．２ｍｍ以下）となると、ハウジング１２の上板部２２の下面２２ａと、溝５４が形成されている円環板４０の上面４０ａと、それらの面間の隙間に介在させられる血液とにより動圧軸受が構成されて、それらの面間に動圧（反力）が生じ、回転状態の羽根車３０が非接触状態で一定の位置で安定する。

また、羽根車３０の回転速度が速くなると、羽根車３０は水平方向にも揺動して、羽根車３０の回転軸心Ｃ１がモータ６２の回転軸６２ａの軸線上から逸れようとするが、駆動装置６０の駆動磁石６４と羽根車３０の従動磁石４４との間の吸引力は、羽根車３０の回転軸心Ｃ１に垂直な方向にも働くので、羽根車３０の回転軸心Ｃ１がモータ６２の回転軸６２ａの軸線上から逸れようとすると、駆動装置６０の駆動磁石６４と羽根車３０の従動磁石４４との間の吸引力により、羽根車３０は、その回転軸心Ｃ１がモータ６２の回転軸６２ａの軸線すなわちハウジング１２の中心軸上となる方向に引き戻される。

以上説明したように、本実施例によれば、羽根車３０の回転速度が速くなっていき、流出口１６からの血液流出量が多くなって流入口１４と羽根車３０との間に負圧が生じ、羽根車３０が流入口１４方向へ吸い寄せられた場合に、羽根車３０に備えられた円環板４０の上面４０ａとハウジング１２の上板部２２の下面２２ａとの間の隙間が極めて小さくなると、動圧軸受が構成されて羽根車３０の浮き上がり荷重が支えられることから、電磁石の磁力を調整する能動的な磁気軸受装置を用いなくても、羽根車３０の流入口１４側の面とハウジング１２との間の接触が防止され、また、羽根車３０の浮き上がりにより、羽根車３０の底部とハウジング１２との間も非接触となるので、装置の耐久性を維持し、且つ、血液破壊を防止しつつ、装置を小型化でき、且つ、電力消費を少なくできる。

また、本実施例によれば、羽根車３０に備えられた円環板４０の上面４０ａに、径方向に延びる溝５４が周方向に多数形成されていることから、動圧軸受による円環板４０の上面４０ａとハウジング１２の上板部２２の下面２２ａとの間の反発力が生じ、羽根車３０の流入口１４側の面とハウジング１２との間の接触が好適に防止される。

また、本実施例によれば、支持装置５２が設けられていることから、羽根車３０の回転速度が低く、駆動装置６０の駆動磁石６４と羽根車３０の従動磁石４４との間の吸引力により、羽根車３０がハウジング１２の底板部１８と接触させられる場合にも、その接触が３つの突起４６のみとなるので、摩擦が少なくなり、耐久性の低下が防止される。また、突起４６は３つ設けられているので、羽根車３０はその回転軸心Ｃ１に対して垂直な方向への揺動が防止され、羽根車３０の側部とハウジング１２の側壁部２０との接触も防止される。

また、本実施例によれば、駆動磁石６４が従動磁石４４に対してその回転軸心方向に配置されていることから、駆動磁石６４と従動磁石４４との間に働く吸引力により、羽根車３０には、その回転軸心Ｃ１がハウジング１２の中心軸と重なる方向に磁気力が作用するので、羽根車３０が高速回転させられ、流入口１４側に吸い寄せられている状態でも、羽根車３０の側部がハウジング１２の側壁部２０に接触することが防止される。従って、羽根車３０は、その回転軸心Ｃ１方向の移動によってハウジング１２に接触することも、その回転軸心Ｃ１に対して垂直方向の移動によってハウジング１２に接触することも防止され、高い耐久性が得られる。

次に、本発明の第２実施例を説明する。図６は、本発明の第２実施例の遠心血液ポンプ７０を、ハウジング７２の流入口８６の中心を通る垂直平面で切断した断面図であり、図７は、その遠心血液ポンプ７０を図６のXII−XII線を含む水平面で切断した断面図である。遠心血液ポンプ７０は、ハウジング７２と、そのハウジング７２に収容される羽根車１００と、羽根車１００を回転駆動させる駆動装置１００を有している。

ハウジング７２は、底板部７４、外側壁部７６、筒部７８、流入筒部８０、流出筒部８２、および凹部８４を備えている。底板部７４は環状且つ板状であり、外側壁部７６は、その底板部７４の外周縁から垂直方向に立ち上がる円筒形である。筒部７８は、外側壁部７６の底板部７４とは反対側の端に連結され上側（すなわち底板部７４とは反対側）ほど小径であって、水平断面形状が円形とされている。流入筒部８０は、その筒部７８の上端に連結された円筒形であり、その開口が、血液が流入する流入口８６である。流出筒部８２（図７参照）は、内周面が外側壁部７６の内周面の接線と一致するように、外側壁部７６の上側部分から突き出した円筒形であり、流出筒部８２の開口が、血液が流出する流出口８８である。なお、本実施例において、水平方向とは、底板部７４に平行な方向をいう。

流入口８６側に凹んでいる凹部８４は、底板部７４の内周縁から垂直方向且つ外側壁部７６と同じ側に立ち上がる内側壁部９０と、内側壁部９０の流入口８６側の端を塞ぐ蓋部９２からなる。

羽根車１００は、円柱状であって、中心部分にハウジング７２の凹部８４に対応する凹部１０２が形成された本体部１０４を有しており、羽根車１００の外周面となる本体部１０４の外周面１０４ａは、ハウジング７２の外側壁部７６の内周面と平行とされている。この本体部１０４の中心には、垂直方向（すなわち外周面１０４ａと平行な方向）に貫通する貫通穴１０６が設けられている。この貫通穴１０６は、水平断面が円形であり、貫通穴１０６の軸心が羽根車１００の回転軸心Ｃ２である。

本体部１０４の外径はハウジング７２の外側壁部７６の内径よりもやや短くされており、本体部１０４の内径は凹部８４の内側壁部９０の外径よりもやや長くされているが、羽根車１００がハウジング７２の中央に位置させられた状態において、本体部１０４とハウジング７２の外側壁部７６との間に形成される隙間よりも、本体部１０４と凹部８４の内側壁部９０との間に形成される隙間の方が広くなるように、本体部１０４の内径および外径は設定されている。従って、本体部１０４をその回転軸心Ｃ２に対して垂直方向に移動させていくと、ハウジング７２の外側壁部７６は本体部１０４に接触するが、内側壁部９０は本体部１０４に接触しない。

本体部１０４の上面１０４ｂ（流入口８６側の面）には、複数の羽根１０８（図では６つ）が、貫通穴１０６を中心とする放射状に固定されている。羽根１０８は、板状部材であり、貫通穴１０６側の端が本体部１０４の内周縁と一致し、反対側の端が本体部１０４の外周縁と一致する長さとされ、幅方向が羽根車１００の回転軸心Ｃ２と平行とされている。また、羽根１０８の筒部７８側の面は、その筒部７８と平行となるように傾斜させられている。

羽根車１００の本体部１０４には、円筒状の従動磁石１１０が、その内周面が凹部１０２の内周面となるように設けられている。この従動磁石１１０は、永久磁石製であり、周方向にＮ極Ｓ極が交互に所定数ずつ（たとえば２つずつ）繰り返すように軸方向に着磁されている。

さらに、ハウジング７２の外側壁部７６と羽根車の本体部１０４の外周部には、互いに引き合う外周側の永久磁石１１２と内周側の永久磁石１１４からなる永久磁石対１１６が、周方向に等間隔に４対設けられており、この４対の永久磁石対１１６により磁気軸受１１８が構成される。永久磁石対１１６を構成する永久磁石１１２、１１４は、配置されている向きは異なるが同一形状であり、図６に示すように、垂直断面がコの字型である。すなわち、永久磁石１１２、１１４は、互いに平行な一対の突き出し部１１２ａ、１１４ａと、その一対の突き出し部１１２ａ、１１４ａ間を連結する連結部１１２ｂ、１１４ｂからなる。なお、磁気軸受１１８を構成する永久磁石対１１６の数は４対に限られず、４対以外の複数でもよく、また、１対でもよいが、１対の場合には、永久磁石対１１６を構成する永久磁石は円環状とされ、複数対の場合には、それら複数対の永久磁石対は、円周方向に配置される。

これら永久磁石１１２、１１４は、互いの突き出し部１１２ａ、１１４ａが向かい合うように配置されているので、磁力線が、永久磁石１１２の一方の突き出し部１１２ａから、連結部１１２ｂ、他方の突き出し部１１２ａ、永久磁石１１４の一方の突き出し部１１４ａ、連結部１１４ｂ、他方の突き出し部１１４ａを順に流れる磁気回路が形成される。そして、複数の永久磁石対１１６の吸引力により、羽根車１００はその回転軸心Ｃ２方向の位置が定まり、永久磁石１１２、１１４の垂直方向の位置が互いに一致した状態では、羽根車１００がハウジング７２の底板部７４、蓋部９２、筒部７８のいずれにも接触しないように、永久磁石１１２、１１４の垂直方向（羽根車１００の回転軸心Ｃ２方向）の位置が決定されている。また、永久磁石対１１６が周方向に複数対配置されていることにより、羽根車１００は回転軸心Ｃ２に対する傾きも抑制される。

駆動装置１２０は、モータ１２２と、前記従動磁石１１０とともにマグネチックカップリングを構成するためにモータ１２２の回転軸１２２ａに固定された駆動磁石１２４とを有しており、モータ１２２の回転軸１２２ａは、羽根車１００の貫通穴１０６の軸心と同一線上となるように配置される。

駆動磁石１２４は、円筒状であり、その軸心が従動磁石１１０の軸心と一致した状態でその従動磁石１１０の内周側に所定の間隔を隔てて配置されるように、ハウジング７２の凹部８４内に収容されている。この駆動磁石１２４も、永久磁石製であり、周方向にＮ極Ｓ極が交互に所定数ずつ（たとえば２つずつ）繰り返すように軸方向に着磁されている。

次に、このように構成された遠心血液ポンプ７０の作動を説明する。この遠心血液ポンプ７０も第１実施例の遠心血液ポンプ１０と同様に、駆動装置１２０のモータ１２２を回転させて、駆動磁石１２４を比較的高速の所定の回転速度で回転させると、駆動磁石１２４と従動磁石１１０との磁気的結合により、羽根車１００がモータ１２２の回転方向と同一方向に回転させられ、羽根車１００に設けられている羽根１０８により、ハウジング７２内の血液が流出口８８から送り出されるとともに、流入口８６から血液が吸い込まれる。

羽根車１００の回転速度が速くなって、流出口８８からの血液流出量が多くなると、流入口８６側が負圧となるので、羽根車１００には流入口８６方向への力が働くが、羽根車１００が流入口８６方向へ移動させられても、永久磁石１１４、１１６間の吸引力により、羽根車１００は、永久磁石１１４、１１６が対向する位置に戻されるので、ハウジング７２に接触することが防止される。

また、羽根車１００が回転させられると、羽根車１００は水平方向にも揺動する（すなわち偏心する）が、羽根車１００の本体部１０４の外周面１０４ａと、その外周面１０４ａに対向するハウジング７２の内周面（すなわち外側壁部７６の内周面）とが互いに平行にされているので、羽根車１００が所定の速度で高速回転させられている状態では、羽根車１００の本体部１０４の外周面１０４ａと、ハウジング７２の外側壁部７６の内周面との距離が極めて短い距離（たとえば、０．２ｍｍ以下）となって、羽根車１００とハウジング７２の外側壁部７６の内周面との半径差によって、羽根車１００の本体部１０４の外周面１０４ａとハウジング７２の外側壁部７６の内周面との間の隙間が連続的に縮小拡大を繰り返し、その連続的に縮小拡大する隙間内に粘性流体である血液が引き込まれると、それらの面およびそれらの面間に介在させられる血液により動圧軸受が構成されて、それらの面間に動圧（反力）が生じ、羽根車１００が押し戻されるので、ハウジング７２への接触が防止される。

上述の第２実施例によれば、羽根車１００の外周部に設けられた永久磁石１１４と、ハウジング７２の外側壁部７６に設けられた永久磁石１１２とにより構成される永久磁石対１１６を周方向に４対有する磁気軸受１１８により、羽根車１００がハウジング７２の流入口８６側の面と流入口８６とは反対側の面との間に位置させられて、回転軸心Ｃ２方向への移動が抑制されるので、電磁石の磁力を調整する能動的な磁気軸受装置を用いなくても、ハウジング７２の流入口８６側の面および流入口８６とは反対側の面に接触することが防止されるとともに、回転軸心Ｃ２に対する傾きが抑制される。従って、装置を小型化でき、且つ、電力消費を少なくできる。

また、第２実施例によれば、磁力線が永久磁石対１１６内を流れる磁気回路が形成されることから、互いの吸引力が強くなり、羽根車１００のその回転軸心Ｃ２方向への移動を抑制する力が大きくなるので、一層確実に、羽根車１００がハウジング７２の流入口８６側の面および流入口８６とは反対側の面に接触することが防止される。

また、第２実施例によれば、羽根車１００の高速回転時に、羽根車１００の本体部１０４の外周面１０４ａとハウジング７２の外側壁部７６の内周面との間の距離が極めて短くなると、動圧軸受が構成されて、羽根車１００の偏心方向の荷重が支えられるので、羽根車１００の本体部１０４の外周面１０４ａがハウジング７２の外側壁部７６の内周面に接触することも防止される。

すなわち、羽根車１００は、磁気軸受１１８によりその回転軸心Ｃ２方向の移動によってハウジング７２に接触することが防止され、動圧軸受によりその回転軸心Ｃ２に対して垂直方向の移動によってハウジング７２に接触することも防止されるので、高い耐久性が得られる。

以上、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明したが、本発明はその他の態様においても適用される。

たとえば、駆動磁石６４を従動磁石４４に対して羽根車３０の回転軸心Ｃ１方向に配置して羽根車３０を回転させる態様の第１実施例において、第２実施例のように、磁気軸受１１８により、羽根車３０の垂直方向の移動を抑制してもよい。また、駆動磁石１２４と従動磁石１１０とを回転軸心方向の同じ位置に配置して羽根車１００を回転駆動させる態様の第２実施例において、第１実施例のように、円環板およびハウジングの上板部を構成し、円環板の上面とハウジングの上板部の下面との間に生じる反発力によって、羽根車１００とハウジング７２との接触を防止してもよい。

また、従動磁石４４、１１０および駆動磁石６４、１２４として、同一円周上に設けられた複数の磁石が用いられてもよい。

また、前述の第２実施例では、永久磁石１１２、１１４は同一の形状であったが、互いに異なる形状であってもよい。また、それら永久磁石１１２、１１４は、垂直断面がＵ字型であってもよいし、また、棒状であってもよい。

また、第１実施例では、円環板４０の上面４０ａに溝５４が設けられていたが、上面４０ａには溝５４が設けられず、その上面４０ａに対向するハウジング１２の上板部２２の下面２２ａに、溝５４が設けられてもよい。

また、第２実施例において、動圧軸受によるハウジング７２の外側壁部７６の内周面と羽根車１００の本体部１０４の外周面１０４ａとの間の反発力を生じやすくするために、いずれか一方の面に、羽根車１００の回転軸心Ｃ２に平行な溝が周方向に多数形成されてもよい。

なお、上述したのはあくまでも一実施形態であり、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を加えた態様で実施することができる。

本発明が適用された体内埋め込み型の遠心血液ポンプを、ハウジングの流入口および流出口の中心を通る平面で切断した断面図である。 図１の遠心血液ポンプのハウジングの水平断面図である。 図１の羽根車の平面図である。 図１の羽根車の底面図である。 図１の羽根車に設けられている円環板の一部を拡大して示す斜視図である。 本発明の第２実施例の遠心血液ポンプを、ハウジングの流入口の中心を通る垂直平面で切断した断面図である。 図６の遠心血液ポンプを、XII−XII線を含む水平面で切断した断面図である。

符号の説明

１０：遠心血液ポンプ、１２：ハウジング、１４：流入口、１６：流出口、２２：上板部、２２ａ：下面（対向面）、３０：羽根車、４０：円環板、４０ａ：上面（垂直面）、４４：従動磁石、４６：突起、４８：案内溝、５２：支持装置、５４：溝、６０：駆動装置、６２：モータ、６４：駆動磁石、７０：遠心血液ポンプ、７２：ハウジング、８４：凹部、８６：流入口、８８：流出口、１００：羽根車、１１０：従動磁石、１１６：永久磁石対、１１８：磁気軸受、１２０：駆動装置、１２２：モータ、１２４：駆動磁石

Claims (9)

1. 血液が流入する流入口と、該流入口からの血液流入方向に対して略垂直な流出口を備えたハウジングと、
   該ハウジング内に収容され、且つ、永久磁石製の従動磁石を備えた羽根車と、
   モータと、該モータの回転軸に連結された駆動磁石とを備え、前記ハウジングの流入口とは反対側に近接配置されて、該駆動磁石と前記羽根車の従動磁石との間で構成されるマグネチックカップリングを介して、前記ハウジングの外側から前記羽根車を回転させる駆動装置とを有し、
   前記羽根車の回転により、前記ハウジングの流入口から血液を吸い込んで該ハウジングの流出口から流出させる遠心血液ポンプであって、
   前記羽根車の、前記ハウジングの前記流入口側に設けられ、該羽根車の回転軸心と垂直、且つ、環状の垂直面と、
   前記ハウジングに設けられ、該垂直面と対向し、且つ、該垂直面と平行な環状の対向面とを有し、
   前記羽根車の垂直面および前記ハウジングの対向面のいずれか一方に、径方向に延びる溝が、周方向に多数形成され、
   高速回転による前記羽根車の浮き上がり時に、該垂直面と該対向面との間の隙間が極めて小さくなると、該垂直面と該対向面とそれらの面間に介在させられる前記血液とにより、前記羽根車の浮き上がり荷重を支える動圧軸受が構成されることを特徴とする遠心血液ポンプ。
2. 前記溝の深さが、前記動圧軸受が構成されているときの該動圧軸受の隙間の１〜２倍であることを特徴とする請求項１の遠心血液ポンプ。
3. 前記羽根車の前記駆動装置が配置される側の面の、該羽根車の回転軸心を中心とする同一円周上に設けられた３つ以上の突起と、
   前記羽根車の前記突起が設けられている面に対向するハウジングの内面に形成され、前記突起が摺動させられる円環状の案内溝とを有し、
   低速回転時に前記羽根車を回転可能に支持する支持装置
   を、さらに含むことを特徴とする請求項１または２に記載の遠心血液ポンプ。
4. 血液が流入する流入口と、該流入口からの血液流入方向に対して略垂直な流出口を備えたハウジングと、
   該ハウジング内に収容され、且つ、永久磁石製の従動磁石を備えた羽根車と、
   モータと、該モータの回転軸に連結された駆動磁石とを備え、前記ハウジングの流入口とは反対側に近接配置されて、該駆動磁石と前記羽根車の従動磁石との間で構成されるマグネチックカップリングを介して、前記ハウジングの外側から前記羽根車を回転させる駆動装置とを有し、
   前記羽根車の回転により、前記ハウジングの流入口から血液を吸い込んで該ハウジングの流出口から流出させる遠心血液ポンプであって、
   前記羽根車の外周面および前記ハウジングの内周面にそれぞれ設けられた内周側および外周側永久磁石から成る永久磁石対を有し、該永久磁石対の吸引力により、前記羽根車を、ハウジングの流入口側の面と、流入口とは反対側の面との間に位置させるとともに、回転軸心に対する傾きを抑制する磁気軸受が構成されていることを特徴とする遠心血液ポンプ。
5. 請求項４の遠心血液ポンプであって、
   前記永久磁石対を構成する内周側および外周側永久磁石は、ともに、両端部が同一方向へ向かう形状であり、一方の永久磁石の端部と他方の永久磁石の端部とが互いに対向するように配置されて、該両端部を通る磁気回路が形成されていることを特徴とする遠心血液ポンプ。
6. 請求項１〜３のいずれかの遠心血液ポンプであって、
   前記マグネチックカップリングは、前記駆動装置の回転力を前記羽根車へ非接触で伝達するとともに、該羽根車を前記ハウジングの中心軸へ戻す方向の磁気力を作用させるものであることを特徴とする遠心血液ポンプ。
7. 請求項６の遠心血液ポンプであって、
   前記マグネチックカップリングの駆動磁石が、該マグネチックカップリングの従動磁石に対して該従動磁石の回転軸の軸心方向に配置されていることを特徴とする遠心血液ポンプ。
8. 請求項４または５の遠心血液ポンプであって、
   前記羽根車の外周面および該外周面に対向するハウジングの内周面が、ともに、前記羽根車の回転軸心に平行とされ、
   高速回転により前記羽根車が偏心して、該羽根車の外周面と該ハウジングの内周面との隙間が極めて小さくなると、該羽根車の外周面と該ハウジングの内周面とそれらの面間に介在させられる前記血液とにより、前記羽根車の偏心方向の荷重を支える動圧軸受が構成されることを特徴とする遠心血液ポンプ。
9. 前記羽根車の外周面および前記ハウジングの内周面のいずれか一方に、前記羽根車の回転軸心と平行な溝が、周方向に多数形成されていることを特徴とする請求項８の遠心血液ポンプ。

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