JP5540272B2 - 使い捨て磁気浮上式遠心ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、例えば、体外血液循環用の磁気浮上式血液ポンプやキャンドポンプなどのようにインペラ部を使い捨てする磁気浮上式遠心ポンプに関する発明である。

現在、長期のＰＣＰＳ、ＥＣＭＯなどの経皮的心肺補助装置のため、２週間〜１カ月程度利用可能な遠心血液ポンプが求められている。軸受部の耐久性向上、血栓・溶血の低減のため、遠心ポンプのインペラを支える軸受に、磁気浮上技術を利用したものが、一部販売され、また開発されている（例えば、特許文献１、非特許文献１〜３参照）。
これらのポンプはいずれも、磁気軸受の高い非接触時の支持剛性を得るため、使い捨てのインペラ部にネオジウム磁石などの高性能マグネットが利用されている。また、多くの機械式軸受を用いた使い捨て遠心ポンプにも、モータからインペラへのトルク伝達の磁気カップリングのために、ネオジウム磁石が使われている。

WO 2007/029623 A1

Reto Schob，Centrifugalpump without bearings or seals, World Pumps, July 2002. CentriMag Left Ventricular Assist System Catalogue, Levitronix. H.Hoshi, K.Kataoka, K.Ohuchi, J.Asama, T.Shinshi, A.Shimokohbe and S.Takatani, Magnetically Suspended Blood Pump with a RadialMagnetic Driver, ASIO journal, pp. 60-64, (2005).

これらの、永久磁石は高価であるばかりでなく、主要原料であるネオジウムは、中国がほぼ生産を独占しており、一国の意向で価格、供給量が制御される危険性が大きい。
さらに、インペラを、射出成型で形成する場合、射出樹脂の温度の関係から減磁温度が低いネオジウムを埋め込んで、一体成型することが困難である。このことは、安価な使い捨て遠心ポンプを製造する上での障害になっている。

なお、特許文献１の図８には、ロータに磁性体材料のみを使用することが開示されているが、この構成では、トルク伝達ディスクに小さな扇型磁石を円周上に配置するため、製作が困難であるという問題がある。
ロータに磁性材料のみを使った特許文献１の図８の磁気浮上式血液ポンプは、ロータに永久磁石を使うものと比較し、インペラを支持する剛性が低いという問題もある。

本発明は、これらの問題を解決するため為されたもので、使い捨て部分に永久磁石を用いない、磁気浮上式遠心ポンプを提案することにある。

本発明に係る使い捨て磁気浮上式遠心ポンプは、ポンプヘッド部と、ポンプ部とで構成されている。
ポンプヘッド部は、磁性材料からなり、リング状のロータ本体の内周面の上部と下部に内方に向かって突出する所定幅の凸部を備える円筒状のロータと、ロータの回転に伴って回転させられるインペラと、流体流入口及び流体流出口を設けるとともにインペラを回転自在に配する空間部を設け、ロータを磁力によって回転できるように配するロータ収容部を空間部の底面から突出して設けるポンプヘッドハウジングとで構成されている。

ポンプ部は、ロータ収容部の突出長さより長い深さを有し、ロータ収容部を挿抜自在に配するロータ挿入部を一端部側に設け、ロータとの間で磁気カップリングを発生する３つ以上の磁気軸受用電磁石を等間隔で配置するステータと、磁性材料からなり、ロータの凸部に対向する位置に凸部を備えるリング部材を、厚さ方向に着磁された複数のリング状の永久磁石間に同極同士を向かい合わせて配置して結合するとともに、最上部に位置するリング状の永久磁石上にリング部材を載置することによって形成され、ロータ挿入部内に配され、ロータとの間で磁気カップリングを発生するトルク伝達ディスクと、ステータの他端部側から一端部側に挿通される回転軸に連結され、回転軸を介してトルク伝達ディスクを回転駆動させるモータと、ステータに配され、ロータのラジアル方向の変位を計測する変位計と、ステータ、トルク伝達ディスク、モータ及び変位計を装着し、ポンプヘッド部を挿抜自在に取り付けるポンプハウジングとで構成されている。

ステータは、回転軸を挿通する軸穴を中心部に設けた底板部、底板部の先端部から軸穴と並行に同じ方向に等間隔で立ち上がる装着部及び装着部の上部側において軸穴の中心軸に向かって突出する突出部を有する電磁石コアと、電磁石コアにコイルを巻回して形成される磁気軸受用電磁石とを備える。
トルク伝達ディスクは、複数のリング状の永久磁石が、ロータ挿入部におけるロータと対向する位置及び突出部から底板部に亘る位置に配置されるように回転軸に固定されている。

本発明に係る使い捨て磁気浮上式遠心ポンプにおいて、ロータとインペラとは、射出成型によって一体化されている。

本発明は、ロータに永久磁石を用いず、磁性材料だけで構成するので、使い捨て部分を安価に得ることが可能となる。
また、ロータがリング状部材の内周に溝加工によって磁極面を形成した単純な構造となっているため、加工精度が向上し、かつ安価に製造することが可能となる。
また、ロータに永久磁石を使わないため、加工時の熱が問題にならず、射出成型などを利用した製造が可能となり、安価に製造できる。

本発明に係る使い捨て磁気浮上式遠心ポンプを使い捨て磁気浮上式血液ポンプ１に適用した一実施形態を示す断面図である。 図１のポンプヘッド部１０をポンプ部２０から分離した状態を示す断面図である。 図１のポンプ部２０の要部を示す断面図である。 図１の磁気軸受３０を平面的に示す説明図である。 図１の磁気軸受３０における磁気回路を示す説明図である。 図１のステータ２１へのトルク伝達ディスク３１の組み付けを示す説明図である。 図１の磁気軸受３０における磁気回路を示す説明図である。 図１の磁気軸受３０におけるネオジウム永久磁石による磁気回路を示す説明図である。 図１の磁気軸受３０における復元力Ｆ１を示す説明図である。 図１の磁気軸受３０における磁気トルクＦ２を示す説明図である。 図１のロータ１１が磁極面１０５ｙの方へ変位した場合の制御装置によるフィードバック制御を示す説明図である。 図１の使い捨て磁気浮上式血液ポンプ１と特許文献１の使い捨て磁気浮上式血液ポンプとの比較行う際の、図１の使い捨て磁気浮上式血液ポンプ１のロータ１１と各電磁石２５ｘ，２６ｘ，２５ｙ，２６ｙとの間のギャップ、ロータ１１とトルク伝達ディスク３１との間のギャップ、ロータ１１及びトルク伝達ディスク３１の歯溝の角度を示す説明図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１乃至図１２は、本発明に係る使い捨て磁気浮上式遠心ポンプを使い捨て磁気浮上式血液ポンプ１に適用した一実施形態を示す。
図１乃至図３に示すように、本実施形態に係る使い捨て磁気浮上式血液ポンプ１は、使い捨てされるポンプヘッド部１０と、このポンプヘッド部１０を挿抜自在に取り付けることが可能で、再利用されるポンプ部２０と、制御装置５０とで構成されている。

先ず、ポンプヘッド部１０について説明する。
ポンプヘッド部１０は、例えば、電磁軟鉄などの磁性材料からなるリング状のロータ１１と、ロータ１１と一体化されるインペラ１２と、ロータ１１とインペラ１２とを収容するポンプヘッドハウジング１３とで構成されている。
ロータ１１は、リング状のロータ本体１１ａの内周面の上部と下部に内方に向かって突出する所定幅の凸部１１ｂ，１１ｃが歯溝加工によって形成された断面略コ字状を為すリングによって構成されている。ここで、ロータ本体１１ａは磁極面１００、凸部１１ｂは磁極面１０１、凸部１１ｃは磁極面１０２をそれぞれ構成する。磁極面１０１，１０２を構成する凸部１１ｂ，１１ｃは、モータトルクを、後述するトルク伝達ディスク３１の磁極面１０３，１０４を介してロータ１１に伝達するために設けられている。

インペラ１２は、ロータ１１の上端面上に接続されるインペラ本体１２ａと、このインペラ本体１２ａに血液を押し出すために所定の間隔で設けた複数の羽１２ｂと、インペラ本体１２の中心部にその軸方向に貫通して設けられたウォッシュアウトホール１２ｃとで構成されている。インペラ１２は、例えば、アクリル樹脂などの軽量な合成樹脂材料で形成されている。本実施形態では、ロータ１１とインペラ１２とを一体にするための射出成型加工が施されている。その際、インペラ本体１２ａの外径とロータ１１の外径とは等しく、また、インペラ本体１２ａとロータ１１との接合部１２ｄには、ロータ１１の上端面の形状と等しい円筒状の立ち上がり部１２ｅを形成している。

ポンプヘッドハウジング１３は、略カップ形状の第一のハウジング１４と、第一のハウジング１４の開口側を封鎖するように第一のハウジング１４の開口側に配される第二のハウジング１５とを、接着剤などで接着して一体化することによって構成されている。ポンプヘッドハウジング１３は、インペラ１２と同様、例えば、アクリル樹脂などの軽量な合成樹脂材料で形成されている。

第一のハウジング１４は、頂上部に血液流入口１４ａを設け、側面に血液流出口１４ｂを設け、インペラ１２を回転自在に配するための空間部１３ａを形成する凹部１４ｃを設けている。
第二のハウジング１５は、第一のハウジング１４の凹部１４ｃの対向面側に、ロータ１１を磁力によって回転できるように配する円筒状のロータ収容部１５ａを、第一のハウジング１４とは反対側に突出するように設けている。

本実施形態では、特許文献１(WO 2007/029623 A1)と同様に、ポンプヘッドハウジング１３のロータ収容部１５ａの底部１５ａ’からインペラ１２の上部までの高さ寸法を３９．５ｍｍ、ロータ１１の高さを１０ｍｍ、インペラ１２とロータ１１との外径を５０ｍｍ、ポンプヘッドハウジング１３のロータ収容部１５ａの外径を５３ｍｍに設定している。

次に、ポンプ部２０について説明する。
ポンプ部２０は、例えば、電磁軟鉄などの磁性材料からなり、ロータ１１との間で磁気カップリングを発生する磁気軸受用の電磁石２５ｘ，２６ｘ，２５ｙ，２６ｙを配置するステータ２１と、ロータ１１との間で磁気カップリングを発生するトルク伝達ディスク３１と、トルク伝達ディスク３１を回転駆動させるモータ４１と、ロータ１１のラジアル方向の変位を計測する第１変位計４４ａ，第２変位計４４ｂと、ステータ２１、トルク伝達ディスク３１、モータ４１及び第１変位計４４ａ，第２変位計４４ｂを装着するポンプハウジング４５とで構成されている。

ステータ２１は、後述するトルク伝達ディスク３１を取り付ける回転軸２８を挿通する軸穴２３を中心部に設けた略十字状の底板部２２と、この底板部２２のそれぞれの先端部から軸穴２３と並行に同じ方向に立ち上がる装着部２４ｂと、装着部２４ｂのそれぞれの上端側において軸穴２３の中心軸に向かって突出する突出部２４ａと有する電磁石コア２４で構成されている。
軸穴２３は、装着部２４ｂとは反対方向に底板部２２の底面側に突出する円筒部２３ａを設けている。円筒部２３ａ内にはベアリング２９が装着され、回転軸２８を回転自在に軸支できるように構成されている。

電磁石コア２４は、純鉄を使用した電磁軟鉄コア又は純鉄の微粒子を圧縮して接着剤で固めた粉体コアを形成してなる電磁軟鉄コアからなり、この電磁軟鉄コアにコイルを巻き付けて４つの磁気軸受用の電磁石２５ｘ，２６ｘ，２５ｙ，２６ｙを９０°間隔で配置している。これらの電磁石２５ｘ，２６ｘ，２５ｙ，２６ｙとロータ１１とで、インペラ１２の荷重を磁気力によって非接触で支持する磁気軸受３０を構成している。すなわち、Ｘ方向制御用の磁極面１０５ｘ、１０６ｘを有する突出部２４ａは、ロータ１１を挟んでＸ方向に対向配置され、Ｙ方向制御用の磁極面ｌ０５ｙ、１０６ｙを有する突出部２４ａは、ロータ１１を挟んでＹ方向に対向配置されている。また、装着部２４ｂは、より多くのコイルを巻くことができるために、各突出部２４ａの下部に位置している。なお、４つの磁気軸受用の電磁石２５ｘ，２６ｘ，２５ｙ，２６ｙへの電力供給は、定法により行われるので、その説明は省略している。

ここで、電磁石コア２４の底板部２２の長さを８２ｍｍ、電磁石コア２４の底板部２２の下面から電磁石コア２４の突出部２４ａまでの高さを２８ｍｍと設定している。
４つの磁気軸受用の電磁石２５ｘ，２６ｘ，２５ｙ，２６ｙは、軸穴２３の中心軸に向かってそれぞれ突出する各突出部２４ａによって、それぞれ磁極面１０５ｘ、１０６ｘ、１０５ｙ、１０６ｙを構成している。そして、磁極面１０５ｘ、１０６ｘ、１０５ｙ、１０６ｙは、ロータ１１の磁極面１００の部分領域に沿った形であり、その間のギャップは僅差な寸法に設定されている。また、４つの磁気軸受用の電磁石２５ｘ，２６ｘ，２５ｙ，２６ｙによって構成されるそれぞれ磁極面１０５ｘ、１０６ｘ、１０５ｙ、１０６ｙによってポンプヘッドハウジング１３のロータ収容部１５ａを挿抜自在に配するロータ挿入部２７を形成している。ここで、ロータ挿入部２７を形成する突出部２４ａの上端から底板部２２までの深さは、ロータ収容部１５ａの突出長さより大きくなっている。

トルク伝達ディスク３１は、ロータ１１の内周側、電磁石コア２４の底板部２２の上側に設置されている。このトルク伝達ディスク３１は、例えば、電磁軟鉄などの磁性材料からなるリング部材３４、例えば、ネオジウムなどの永久磁石３２、例えば、電磁軟鉄などの磁性材料からなるリング部材３５、例えば、ネオジウムなどの永久磁石３３を上から順番に重ねた構造となっている。各リング部材３４，３５には、ロータ１１の凸部１１ｂ，１１ｃに対向する位置に、同様の凸部３４ａ，３５ａが配置されるように、歯溝加工が施されている。具体的には、凸部３４ａによる磁極面１０３とロータ１１の凸部１１ｂによる磁極面１０１とが対向し、凸部３５ａによる磁極面１０４とロータ１１の凸部１１ｃとが対向する。

永久磁石３２と永久磁石３３は、スラスト（Ｚ）方向に着磁されており、お互いの着磁方向は対向していても、同方向でも良い。図５を例に説明すると、永久磁石３２のＮ極から出た磁束１１１は、リング部材３５→磁極面１０４→ギャップ→磁極面１０２→ロータ１１→磁極面１０１→ギャップ→磁極面１０３→リング部材３４を経て、永久磁石３２のＳ極に戻る磁束１１１の閉ループを構成する、定常磁束を発生する。同様に、永久磁石３３のＮ極から出た磁束１１２は、リング部材３５→磁極面１０４→ギャップ→磁極面１０２→ロータ１１→磁極面１００→ギャップ→磁極面１０５ｙ→ステータ２１→ギャップを経て、永久磁石３３のＳ極に戻る磁束１１２の閉ループを構成する、定常磁束を発生する。

ここで、ロータ１１とトルク伝達ディスク３１とに凸部３４ａ，３５ａ、１１ｂ，１１ｃを設ける理由について説明する。
図４に示すように、トルク伝達ディスク３１を回転すると、両凸部３４ａ，３５ａ、１１ｂ，１１ｃに不整列が発生する。２つの永久磁石３２，３３の磁束１１１によって、この凸部３４ａ，３５ａ、１１ｂ，１１ｃの不整列を元に戻すトルク（伝達トルク）がロータ１１に発生するため、結果としてトルク伝達ディスク３１を回転するモータトルクが、ロータ１１に伝達される。

どちらか一方の凸部３４ａ，３５ａ又は１１ｂ，１１ｃが無いとすると、図４のような不整列を作ることはできないので、モータトルクを伝達するには、トルク伝達ディスク３１、ロータ１１両方に凸部３４ａ，３５ａ、１１ｂ，１１ｃが必要である。
次に、トルク伝達ディスク３１の凸部３４ａ，３５ａを形成する溝３４ｂ，３５ｂについて説明する。

溝３４ｂ，３５ｂの角度を小さくし、トルク伝達ディスク３１とロータ１１の凸部１１ｂ，１１ｃの対向面積が大きくなると、図９、図１０に示す軸方向と傾き方向の復元力Ｆ１、復元トルクＦ２が大きくなる傾向が、数値解析から確認されている。一方で、溝３４ｂ，３５ｂの角度が小さすぎたり、大きすぎたりすると、図４に示す伝達トルクが小さくなる。このため、所望の復元力Ｆ１、復元トルクＦ２、伝達トルクが達成できる適当な溝角度を、数値解析などを用いて決定する。
溝３４ｂ，３５ｂの深さは主に伝達トルクの大きさに影響し、これも適当な溝深さを、数値解析などを用いて決定する。溝の個数は、必ずしも今回のように４個である必要はない。原理的には、図９、図１０の復元力Ｆ１、復元トルクＦ２は０個以上の溝で発生でき、図４の伝達トルクは１個以上の溝で発生可能である。

次に、トルク伝達ディスク３１において、２つの永久磁石３２，３３を対向配置した理由について説明する。
永久磁石を一つだけ使用するよりも、２つの永久磁石３２，３３を対向させることで、ロータ１１の軸方向、傾き方向の支持剛性がより大きくなる（すなわち、磁気浮上がより安定する）ことが、磁場解析から明らかとなったので、本実施形態の構成を採用した。
永久磁石３２，３３の着磁方向が対向せず、同方向を向いても、本磁気軸受３０は実現可能である。ただし、ロータ１１軸方向、傾き方向の支持剛性は、対向させる場合よりも小さいことが磁場解析から明らかとなっている。

原理的には、永久磁石が２段である必要はなく、間に鉄リングを挟み、３段以上の構成にしても、実現可能である。
ただし、本実施形態では、ロータ１１の高さを１０ｍｍに固定という設計上の制約を設けたため、２つのネオジウム永久磁石３２，３３を用いた場合について説明した。
永久磁石３２，３３に挟まれたリング部材３５は、厚さが小さすぎると、リング部材３５の磁気飽和が発生し、磁気抵抗が大きくなる。このため、本実施形態では、リング部材３５の磁束密度がちょうど飽和するかしないか程度の厚さを、磁場解析によって求めている。

よって、３段以上を採用する際に、リング部材３５を薄くする場合は、磁束密度の飽和に注意を払い設計する必要がある。
トルク伝達ディスク３１は、図６（ａ）乃至（ｃ）に示すように、ステータ２１に組み付けられる。
先ず、図６（ａ）に示すように、ステータ２１の電磁石コア２４の装着部２４ｂに４つの磁気軸受用の電磁石２５ｘ，２６ｘ，２５ｙ，２６ｙを９０°間隔で配置する。

次に、図６（ｂ）に示すように、軸穴２３内にベアリング２９を介して回転軸２８を装着する。
次に、図６（ｃ）に示すように、電磁石コア２４の底板部２２から突出する回転軸２８にスペーサ３６を取り付け、スペーサ３６上にトルク伝達ディスク３１をその軸穴３１ａに回転軸２８を挿入させて挿通させて、電磁石コア２４の底板部２２との間に０．５ｍｍの隙間３７を設けてトルク伝達ディスク３１の軸穴３１ａからアレンジメントコア３８を装着し、ネジ３９で回転軸２８に固着する。ここで、隙間３７を０．５ｍｍとしたが、トルク伝達ディスク３１の回転時に電磁石コア２４の底板部２２に接触しない程度の隙間であれば良く、これに限定するものではない。

モータ４１の駆動軸４２は、トルク伝達ディスク３１を回転駆動するように、カップリング４３を介して回転軸２８に結合されている。モータ４１と、トルク伝達ディスク３１を取り付けたステータ２１との間には、プラスチック製のスペーサ４０が配置され、モータ４１の駆動軸４２、カップリング４３、回転軸２８及びベアリング２９がプラスチック製のスペーサ４０によって隔離されている。なお、モータ４１への電力供給は定法により行われるので、その説明は省略してある。
ロータ１１のラジアル方向の変位を計測する第１変位計４４ａ，第２変位計４４ｂは、第１変位計４４ａ，第２変位計４４ｂが反応しないように、例えば、ポリエーテルイミド樹脂などの合成樹脂製のセンサホルダ４４ｃに取り付けられて、ステータ２１の突出部２４ａ間に装着されている。第１変位計４４ａ，第２変位計４４ｂは、ロータ１１の外側表面をターゲットにしている。なお、第１変位計４４ａ，第２変位計４４ｂへの電力供給は定法により行われるので、その説明は省略してある。

ステータ２１、トルク伝達ディスク３１、モータ４１及び第１変位計４４ａ，第２変位計４４ｂは、ポンプハウジング４５に装着されている。
ポンプハウジング４５は、例えば、ジュラルミン製のドーナツ形状のトップハウジング４５ａと、側面に放熱フィンを設けたボトムハウジング４５ｂとで構成されている。トップハウジング４５ａとボトムハウジング４５ｂとの間には、防水及び断熱目的のゴムシート４７が設けられている。

トップハウジング４５ａは、電磁石コア２４の突出部２４ａにネジ止めされている。本実施形態において、図２に示すように、ポンプヘッド部１０は、円筒状のロータ収容部１５ａをポンプ部２０のロータ挿入部２７に挿入してトルク伝達ディスク３１と対向させるとともに、第二のハウジング１５の底部１５ａ’をポンプ部２０のトップハウジング４５ａ上に載置される。ポンプヘッド部１０は、ポンプヘッド部１０とステータ２１との摩擦を利用して固定されるように構成されている。

ボトムハウジング４５ｂは、例えば、ジュラルミン製のモータ固定治具４６を介してモータ４１を底部に固定している。ジュラルミン製のモータ固定治具４６には、モータ４１とステータ２１との間に介装された、例えば、ポリカーボネートなどの合成樹脂製のスペーサ４０が載置されている。モータ４１の発熱は、ジュラルミン製のモータ固定治具４６を介し、側面に放熱フィンを設けたボトムハウジング４５ｂに伝達され、大気中に放熱される。スペーサ４０が合成樹脂製のため、モータ４１の発熱は電磁石、さらにはポンプヘッド部１０中の血液に伝達されにくくなっており、加熱による血球破壊や血液凝固が抑制される。

このように構成されたポンプ部２０は、トップハウジング４５ａ側において、電磁石コア２４の突出部２４ａによって形成されるロータ挿入部２７を、トルク伝達ディスク３１によって、ポンプヘッド部１０の円筒状のロータ収容部１５ａを挿抜させる開口を形成している。

次に、制御装置５０について説明する。
本実施形態に係る使い捨て磁気浮上式血液ポンプ１では、制御装置５０は、（１）Ｘ，Ｙ方向の磁束１１１，１１２による磁気吸引力、（２）ロータ１１の回転時の「回転中心と慣性中心の不一致による不釣り合い力」、（３）血液循環時の流体力、（４）ポンプ４１転倒時や救急車などの衝撃・振動によるさまざまな外乱力、を補償し、ロータ１１がＸ，Ｙ方向において非接触を保つようなフィードバック制御を行うために設けられている。

制御装置５０は、ロータ１１の側面（ターゲット）のラジアル（Ｘ，Ｙ）方向の変位を計測する第１変位計４４ａ，第２変位計４４ｂからの計測データを受け付ける入力部と、入力された計測値と目標位置とを比較して変位を算出する演算部と、ターゲットを目標位置に戻すために必要な電流を何れかの電磁石２５ｘ，２６ｘ，２５ｙ，２６ｙに供給する電力供給部とを備えている。
この制御装置５０によるフィードバック制御によって、電磁石２５ｘ，２６ｘ，２５ｙ，２６ｙでは、電流が供給されると、磁束１１３を発生し、ロータ１１を変位させている。

次に、本実施形態における磁気軸受３０について説明する。
磁気軸受３０は、インペラ１２のスラスト方向（Ｚ方向）を中心とした回転方向（Ψ方向）を除く５自由度での剛性が正となる軸受である。
５自由度とは、スラスト方向（Ｚ方向）の１自由度と、ラジアル方向（Ｘ方向，Ｙ方向）の２自由度と、傾き方向（Θ方向，Φ方向）の２自由度で、スラスト方向はインペラ９の回転軸方向に対応し、ラジアル方向は回転軸方向に垂直な方向に対応し、傾き方向はラジアル方向を中心とした微小回転の方向に対応する。

ここで、仮想的な磁気カップリングの剛性の符号は、スラスト方向（Ｚ方向）と傾き方向（Θ方向，Φ方向）とを合わせた３自由度に関して「正」になる。つまり、スラスト方向（Ｚ方向）の１自由度においてロータ１１が、図９に示すように、理想的な位置から変位すると、ロータ１１には磁束１１１のループによる復元力Ｆ１が働く。
また、図１０に示すように、傾き方向の２自由度においてロータ１１が理想的な位置から傾くと、ロータ１１には磁束１１１および１１２のループによる復元トルクＦ２が働く。

何れの場合にも、ロータ１１は復元力Ｆ１または復元トルクＦ２によって、図７に示すように、磁極面１０１がトルク伝達ディスク３１の磁極面１０３に対向し、磁極面１０２がトルク伝達ディスク３１の磁極面１０４に対向し、磁極面１００が電磁石２５ｙの磁極面１０５ｙ及び１０６ｙに対向する状態（つまり、理想的な位置に整列した状態）へ向けて動くことになる。

この結果、ロータ１１は、磁極面１０１，１０２の各々が、磁極面１０２，１０３に、磁極面１００が磁極面１０５ｘ、１０６ｘ、ｌ０５ｙ、１０６ｙに対向する整列状態に安定して保持される。つまり、スラスト方向と傾き方向とを合わせた非制御方向の３自由度に関しては、永久磁石３２，３３からの磁束１１１，１１２のループによって、ロータ１１の剛性を十分に確保することができる。
これに対し、ラジアル方向の２自由度に関しては、永久磁石３２，３３からの磁束１１１，１１２のループによる仮想的なバネ剛性が「負」になってしまう。

このため、本実施形態では、ラジアル方向の磁気カップリングの剛性を補正して「正」にする目的で、制御装置５０によって、Ｘ、Ｙ方向制御用の電磁石２５ｘ，２５ｙ，２６ｘ，２６ｙの各コイルに、励磁電流を供給する。そして、各コイルに対する励磁電流の向きと強さは、第１変位計４４ａ，第２変位計４４ｂからの出力信号に基づいてフィードバック制御される。

図３、図５に示すように、第１変位計４４ａ，第２変位計４４ｂは、電磁石２５ｘ、２６ｙ及び２５ｘ、２５ｙの突出部２４ａの間に、９０°の間隔を空けて第１変位計４４ａ，第２変位計４４ｂがロータ１１の中心に向かって、センサ固定具４４ｃを用いて設置されているので、これらの第１変位計４４ａ，第２変位計４４ｂで、ロータ１１のラジアル方向の変位、具体的には、ロータ１１外周側面の磁極面１００の変位を計測するようになっている。

制御装置５０は、上述したように、第１変位計４４ａ，第２変位計４４ｂからの出力信号と、ロータ１１のラジアル方向の目標位置信号とを比較し、ロータ１１が目標位置に戻るようにフィードバック制御するように構成されている。
例えば、図示しないが、Ｙ方向の１自由度においてロータ１１が理想的な位置から変位すると、制御装置５０は、変位方向とは逆向きの制御力を発生させるために、Ｙ方向制御用の電磁石２５ｙ，２６ｙのコイルに供給する励磁電流の向きと強さをフィードバック制御する。

このため、図１１に示すように、仮にロータ１１が磁極面ｌ０５ｙの方へ変位した場合、電磁石によって、磁極面１０５ｙ側では磁束１１２とは逆向き、磁極面１０６ｙ側では磁束１１２と同じ向きになる磁束１１３を発生させる。このとき、磁極面１０６ｙ側を通る磁気回路では、磁束１１２が弱められ、磁極面１０６ｙ側を通る磁気回路では、磁束１１２が強められる。
この結果、ロータ１１を磁極面１０６ｙ側へ引き戻すような制御力が発生する。

したがって、ロータ１１、磁極面ｌ０５ｙ側でのギャップと、磁極面１０６ｙ側でのギャップとが等しくなるような目標位置に安定して保持される。
そして、ロータ１１のＸ方向変位についても、磁極面１０５ｘ、１０６ｘを含む電磁石２５ｘ，２６ｘの突出部２４ａとそこに巻かれたコイルに関して同様のフィードバック制御が行われ、ロータ１１は電磁石２５ｘ，２６ｘの磁極面１０５ｘ側でのギャップと、磁極面１０６ｘ側でのギャップとが等しくなるような目標位置に安定して保持される。

つまり、ラジアル方向の２自由度に関しては、永久磁石３２，３３からの磁束１１１，１１２のループと、電磁石２５ｘ，２６ｘ，２５ｙ，２６ｙからの磁束１１３のループとの合成によって、仮想的なバネ剛性が「正」になり、ロータ１１の剛性を充分に確保することができる。
このように本実施形態の磁気軸受３０は、ロータ１１のスラスト方向と傾き方向とを合わせた非制御方向の３自由度に関し、永久磁石３２，３３からの磁束１１１，１１２のループによって、充分な剛性を確保でき、さらにラジアル方向の２自由度に関し、電磁石からの磁束１１３のループとの合成によって、充分な剛性を確保できる。すなわち、５自由度での高剛性化が実現する。

次に、本実施形態に係る使い捨て磁気浮上式血液ポンプ１の作用を説明する。
先ず、図２に示すように、ポンプヘッド部１０を、円筒状のロータ収容部１５ａをポンプ部２０のロータ挿入部２７に挿入してトルク伝達ディスク３１と対向させるとともに、第二のハウジング１５の底部をポンプ部２０のトップハウジング４５ａ上に載置させる。

次に、ロータ１１とトルク伝達ディスク３１との間に発生する磁気カップリングと、電磁石２５ｘ，２６ｘ，２５ｙ，２６ｙとロータ１１との間に発生する磁気カップリングとによって、ロータ１１とインペラ１２がポンプヘッドハウジング１３に対して完全に非接触な状態で磁気浮上し、非接触な状態で支持される。
そして、この状態でモータ４１を回転駆動して、図４に示すように、トルク伝達ディスク３１を矢印方向（Ψ方向）へ回転させると、トルク伝達ディスク３１とロータ１１間に発生する磁気カップリングによりトルクがロータ１１に伝達されてロータ１１が同方向へ回転し、インペラ１２が同方向へ回転する。

このため、ポンプヘッドハウジング１３の頂上部の血液流入口１４ａから流入した血液は、インペラ１２の回転で運動エネルギーが与えられて側面の血液流出口１４ｂから流出する。そして、既述したようにこのインペラ１２の回転時に、ロータ１１のスラスト方向（Ｚ方向）と傾き方向（Θ方向，Φ方向）の変位や傾きを磁気軸受３０が理想的な位置に復元し、また、ラジアル方向（Ｘ方向，Ｙ方向）の変位を、磁気軸受３０を介して制御装置５０がフィードバック制御してロータ１１を理想的な位置に復元するため、ロータ１１とインペラ１２が安定してΨ方向へ回転することとなる。

また、モータ４１の駆動に伴い、磁場変動による銅損と鉄損によってモータ４１は発熱するが、既述したように本実施形態は、モータ４１の発熱は、ジュラルミン製のモータ固定治具４６を介し、側面に放熱フィンを設けたボトムハウジング４５ｂに伝達され、大気中に放熱される。スペーサ４０が合成樹脂製のため、モータ４１の発熱は電磁石、さらにはポンプヘッド部１０中の血液に伝達されにくくなっており、加熱による血球破壊や血液凝固が抑制される。しかも、トルク伝達ディスク３１は、ロータ１１と同期して回転するため、ポンプヘッドハウジング１３近傍で磁場変動が発生することがない。

そして、ポンプヘッドハウジング１３とこの内部に装着されたロータ１１やインペラ１２等からなる血液接触部を交換する場合には、ポンプ部２０からポンプヘッド部１０を取り外して新たなポンプヘッド部１０をポンプ部２０に取り付ければよい。
このように、本実施形態に係る使い捨て磁気浮上式血液ポンプ１は、ポンプヘッド部１０内に組み込まれるインペラ１２を磁気軸受３０で非接触に支持する構造上、接触式のベアリングでインペラを支持していた従来例に比し耐久性が向上して、使い捨て部分の使用期限を飛躍的に伸ばすことができ、また、ベアリング周りの血栓やベアリングによる溶血といった従来例の不具合を解消することができる利点を有する。

また、本実施形態は、モータ４１をポンプヘッド部１０から離間してステータ２１の下部に配置するとともに、動力伝達用の回転軸２８を熱伝導性の低い材料で形成して、モータ４１の熱がポンプヘッド部１０内を流下する血液に伝達し難い構造としたため、熱による血液の凝固を確実に防止することができる。
さらに、既述したように電磁石２５ｘ，２６ｘ，２５ｙ，２６ｙの電磁軟鉄コアを焼鈍処理をした純鉄で形成すれば、磁気軸受３０のヒステリシス損失が低下して電磁石２５ｘ，２６ｘ，２５ｙ，２６ｙの低発熱化に寄与するため、ポンプヘッド１０内を流下する血液の凝固を防止することができ、また、電磁軟鉄コアを粉体コアで形成すれば、渦電流損失が低下して電磁石２５ｘ，２６ｘ，２５ｙ，２６ｙの低発熱化に寄与するとともに、磁気軸受３０から発進制御する電磁力のバンド幅を伸ばすことができるため、ロータ１１の振動が低減して溶血防止や血液の凝固防止に寄与する利点を有する。

そして、磁気回路の磁気抵抗も小さく、磁気軸受の低消費電力化にも有利である。
さらにまた、本実施形態は、使い捨て部分のポンプヘッド部１０内のロータ１１にネオジム永久磁石を使用しないので、既述した特許文献１、非特許文献１〜３の従来例に比し、単純なロータ構造が実現できて使い捨て部分の低コスト化に寄与できる利点を有する。
加えて、本実施形態によれば、使い捨て部分のポンプヘッド部１０をポンプヘッド部１０の底部の外周面とポンプ部２０のトップハウジング４５ａの内周面との摩擦を利用してポンプヘッド部１０の脱落防止を図っているため、心臓手術の術中及び術後に使用している際に、ポンプヘッド部１０が脱落して不測の事態が発生する虞もない。

以上のように、本実施形態によれば、ロータ１１に永久磁石を用いず、かつ、支持の剛性、支える力、磁気カップリングで回すトルクを変えない、特許文献１のポンプにおける、羽根車の直径、内径、ギャップを変えないで羽根車を浮かすことができる磁気浮上遠心ポンプを実現させることができた。

また、本実施形態によれば、インペラ１２を含むロータ１１は、永久磁石を一切用いず、磁性材料（例えば、純鉄）の一部品のみであるから、部品点数が少なくなる。高価なネオジウム永久磁石を用いないので、コストダウンが図れる。
また、ネオジウム永久磁石は、加工が難しいが、本実施形態では、ロータ１１を、加工しやすい鉄などによって構成するとともに、部品形状が、リング状のロータ本体１１ａの内周に対して、周方向に１本及び軸方向に４本溝を加工した単純な構造としているため、加工精度が向上する。その結果、ロータ１１の回転精度が向上する。

また、ロータ１１にはネオジウム永久磁石を用いないので、ロータ１１とインペラ１２とを射出成型によって一体化することが可能となり、使い捨て部品であるポンプヘッド１０を安価に製造することができるという利点がある。これに対し、特許文献１のように、ネオジウム永久磁石をロータに用いる場合には、ネオジウム永久磁石の減磁温度が低いため、インペラを射出成型する際に埋め込んで一体成形することが困難であった。そのため、従来のインペラは、射出成型によってロータと一体化されていなかった。従って、使い捨て部品が高価となるという不具合があった。

さらに、ロータ１１を磁気浮上ならびに、外部モータ４１からトルクに伝達し回転するため、従来の磁気浮上遠心ポンプにない、磁気軸受用の電磁石、トルク伝達ディスクの形状及び構成を提案することができる。
本実施形態に係る使い捨て磁気浮上式血液ポンプ１と特許文献１に記載された使い捨て磁気浮上式血液ポンプにおける軸方向支持剛性、傾き方向支持剛性の比較を表１に示す。

ここで、材料の物性は、下記の通りとする。
・永久磁石は、残留磁束密度１．２Ｔ、保磁力８９０ｋＡ／ｍのネオジウム永久磁石
・磁性材料部品（ロータ１１，電磁石コア，磁気カップリングのリング部材）には，純鉄（又は純鉄と同等の磁気特性材料）
を磁場解析に適用した。

また、磁気特性に大きな影響を与えると考えられる寸法は、図１２に示す通りとする。
・ロータ１１と各磁気軸受用の電磁石２５ｘ，２６ｘ，２５ｙ，２６ｙ間のギャップは１．５ｍｍ
・ロータ１１とトルク伝達ディスク３１との間のギャップは１．８ｍｍ
・ロータ１１及びトルク伝達ディスク３１の歯溝の角度は３０°

表１から明らかなように、本実施形態に係る使い捨て磁気浮上式血液ポンプ１によれば、ロータ１１に永久磁石を使わないにも拘わらず、軸方向支持剛性、傾き方向剛性は、特許文献１に記載された磁石なしの使い捨て磁気浮上式血液ポンプの１０〜２０倍、特許文献１に記載された磁石ありの使い捨て磁気浮上式血液ポンプと同等であった。
次に、本実施形態に係る使い捨て磁気浮上式血液ポンプ１と特許文献１の図８に記載の磁石なしの使い捨て磁気浮上式血液ポンプとを対比して説明する。

特許文献１の図８にても、ロータに永久磁石を使わず、磁性体リングのみからなる磁気軸受が述べられている。本実施形態に係る使い捨て磁気浮上式血液ポンプ１と特許文献１の図８に記載の磁石なしの使い捨て磁気浮上式血液ポンプとの共通点は、ロータに磁性体材料のみを使っていることであり、異なる点は、本実施形態に係る使い捨て磁気浮上式血液ポンプ１の方が、高い剛性を得られる形状であることである。本実施形態では、特許文献１の図８に記載の使い捨て磁気浮上式血液ポンプに比し２０倍程度の剛性を得ている。

前述したように、特許文献１の図８に記載の磁石なしの使い捨て磁気浮上式血液ポンプのトルク伝達ディスクは、小さな扇型磁石を円周上に配置するため、製作が困難であるという問題点がある。
これに対し、本実施形態に係る使い捨て磁気浮上式血液ポンプ１では、トルク伝達ディスク３１が、円筒状の永久磁石３２，３３と磁性体のリング部材３４，３５とを重ねるだけの簡単な形状をしているので、製作が格段に簡単である。

次に、本実施形態に係る使い捨て磁気浮上式血液ポンプ１と特許文献１の図８に記載の磁石なしの使い捨て磁気浮上式血液ポンプとにおいて、剛性に差が生じた理由について考察する。
トルク伝達ディスクの永久磁石の大きさが異なるため、本実施形態の方が起磁力が大きく、すなわち、本実施形態の磁気回路の磁束密度の方が大きくなったためだと考えられる。ロータ高さを１０ｍｍに固定する場合、特許文献１の図８では、トルク伝達ディスクに使用している磁石の高さは１０ｍｍ程度までしか高くできない。仮に、トルク伝達ディスクの磁石が１５ｍｍや２０ｍｍのように、ロータよりも高くなると、ロータがＺ方向に変位した時に、元に戻すＺ方向の復元力が十分に発生しなくなる。

これに対し、本実施形態では、例えば、図７に示すように、高さ１０ｍｍのロータ１１に対して、永久磁石３２は、特許文献１の図８と同様に、高さ制限はあるが、永久磁石３３に関しては、いくら高くしても、差し支えない。極端にいえば、磁性材料の磁気飽和が発生するまで永久磁石３３を高くし、体積を大きくすれば、強力な磁気回路が得られることになる。本実施形態では、ロータ挿入部２７を形成する突出部２４ａの上端から底板部２２までの深さが、ロータ収容部１５ａの突出長さより大きくなっているので、永久磁石３３の高さを十分に確保することができる。

なお、上記実施形態では、ステータ２１に４つの磁気軸受用の電磁石２５ｘ，２６ｘ，２５ｙ，２６ｙを設置した場合について説明したが、本発明はこれに限らず、磁気回路を形成することが可能であれば，その数は任意である。例えば、磁気軸受用の電磁石が３つの場合も５つの場合も、その電磁石をロータ１１の外周に等間隔に配置し、２つの第１変位計４４ａ、第２変位計４４ｂでロータ１１のＸ方向、Ｙ方向の変位を算出し、磁気浮上に必要なＸ方向とＹ方向の力を制御装置で計算し、この計算で求めたＸ，Ｙ方向の力が発生するように、各電磁石に適切な電流を供給することで、Ｘ，Ｙ方向の剛性を「正」にできる。

また、上記実施形態では、電磁石コア２４を略十字状の底板部２２に４つ装着部２４ｂを設けて説明したが、本発明はこれに限らず、底板部２２の形状は任意である。
また、上記実施形態では、電磁石コア２４の４つの装着部２４ｂにそれぞれコイルを巻回して４つの磁気軸受用の電磁石２５ｘ，２６ｘ，２５ｙ，２６ｙを設置した場合について説明したが、本発明はこれに限らず、電磁石コア２４の突出部２４ａ又は底板部２２に設置しても良い。
また、上記実施形態では、本発明を使い捨て磁気浮上式血液ポンプに適用した場合について説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、キャンドポンプなどのようにインペラ部を使い捨てする磁気浮上式遠心ポンプに適用することも可能である。

Claims (2)

1. ポンプヘッド部と、
   ポンプ部と
   で構成される使い捨て磁気浮上式遠心ポンプにおいて、
   前記ポンプヘッド部は、
   磁性材料からなり、リング状のロータ本体の内周面の上部と下部に内方に向かって突出する所定幅の凸部を備える円筒状のロータと、
   前記ロータの回転に伴って回転させられるインペラと、
   流体流入口及び流体流出口を設けるとともに前記インペラを回転自在に配する空間部を設け、前記ロータを磁力によって回転できるように配するロータ収容部を前記空間部の底面から突出して設けるポンプヘッドハウジングと
   で構成され、
   前記ポンプ部は、
   前記ロータ収容部の突出長さより長い深さを有し、前記ロータ収容部を挿抜自在に配するロータ挿入部を一端部側に設け、前記ロータとの間で磁気カップリングを発生する３つ以上の磁気軸受用電磁石を等間隔で配置するステータと、
   磁性材料からなり、前記ロータの凸部に対向する位置に凸部を備えるリング部材を、厚さ方向に着磁された複数のリング状の永久磁石間に同極同士を向かい合わせて配置して結合するとともに、最上部に位置する前記リング状の永久磁石上に前記リング部材を載置することによって形成され、前記ロータ挿入部内に配され、前記ロータとの間で磁気カップリングを発生するトルク伝達ディスクと、
   前記ステータの他端部側から前記一端部側に挿通される回転軸に連結され、前記回転軸を介して前記トルク伝達ディスクを回転駆動させるモータと、
   前記ステータに配され、前記ロータのラジアル方向の変位を計測する変位計と、
   前記ステータ、前記トルク伝達ディスク、前記モータ及び前記変位計を装着し、前記ポンプヘッド部を挿抜自在に取り付けるポンプハウジングと
   で構成され、
   前記ステータは、
   前記回転軸を挿通する軸穴を中心部に設けた底板部、前記底板部の先端部から前記軸穴と並行に同じ方向に等間隔で立ち上がる装着部及び前記装着部の上部側において前記軸穴の中心軸に向かって突出する突出部を有する電磁石コアと、
   前記電磁石コアにコイルを巻回して形成される前記磁気軸受用電磁石と
   を備え、
   前記トルク伝達ディスクは、前記複数のリング状の永久磁石が、前記ロータ挿入部における前記ロータと対向する位置及び前記突出部から前記底板部に亘る位置に配置されるように前記回転軸に固定されている
   ことを特徴とする使い捨て磁気浮上式遠心ポンプ。
2. 請求項１記載の使い捨て磁気浮上式遠心ポンプにおいて、
   前記ロータと前記インペラとは、射出成型によって一体化されている
   ことを特徴とする使い捨て磁気浮上式遠心ポンプ。

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