JP5805895B2 - 人工透析用ポンプ装置 - Google Patents

Description

本発明は、人工透析用ポンプ装置に関する。

特許文献１には、人工透析用ポンプ装置が開示されている。このような人工透析用ポンプ装置は、血液を搬送するための血液ポンプとこの血液ポンプを駆動するための直流ブラシレスモータとを備えている。血液ポンプとブラシレスモータとの間には減速機が設けられる。これは、血液ポンプを低速で回転させる必要があり、また高いトルクも必要とされるからである。

特開平１０−２９０８３１号公報

しかしながら、このような減速機を用いると駆動音や振動が増大する恐れがある。特に人工透析用ポンプ装置は血液を搬送する関係上透析患者のすぐ横に設置されている場合が多く、透析を行っている数時間もの間絶え間なく駆動音や振動が透析患者に伝わり、大きなストレスを与える恐れがある。

そこで本発明は、駆動音や振動が抑制された人工透析用ポンプ装置を提供することを目的とする。

上記目的は、血液を搬送するための血液ポンプと、減速機を介さずに前記血液ポンプを駆動するステッピングモータと、前記ステッピングモータに対するベクトル制御を行うベクトル制御部と、を備え、前記血液ポンプは、前記ステッピングモータによって回転する回転部材及び前記回転部材に設けられ前記血液が流れるチューブを押圧するローラ、を含み、前記ステッピングモータの出力軸は、前記出力軸と前記回転部材が同じ速度で回転するように、前記回転部材の回転軸に連結され、前記ローラは、前記回転部材の回転により前記チューブから離脱と接触を繰り返し、前記ベクトル制御部は、前記ステッピングモータの各相の電流値と、前記ステッピングモータのトルクまたは界磁の指令値との差分を示す差分信号から制御信号を生成し、生成した前記制御信号をローパスフィルタを介して前記ステッピングモータに出力する、人工透析用ポンプ装置によって達成できる。

本発明によれば、駆動音や振動が抑制された人工透析用ポンプ装置を提供することができる。

図１は、人工透析システムの説明図である。 図２は、血液ポンプの説明図である。 図３は、血液ポンプの説明図である。 図４は、ステッピングモータの制御方式を説明するためのブロック図である。 図５は、ベクトル制御部の一例を示す構成図である。

図１は、人工透析システムＡの説明図である。透析患者Ｈの血液は血液ポンプＰによりチューブＴを介して搬送される。ダイアライザーＤは、半透膜を介して、血液から過剰な水や老廃物を排出し、血液をきれいにする。その際、透析液供給装置Ｆによって、透析液がダイアライザー５へ送られ、内部の水や老廃物が混じった透析液が外部へ運び出される。

図２、３は、血液ポンプＰの説明図である。血液ポンプＰの背面側にはステッピングモータＭが固定されている。血液ポンプＰはステッピングモータＭによって駆動される。血液ポンプＰとステッピングモータＭとを備えた装置は、人工透析用ポンプ装置の一例である。ステッピングモータＭの出力軸は、カップリング部材１２を介して血液ポンプＰの回転軸１４に連結されている。回転軸１４の先端側には、互いに対向した支持部材１６、１７が嵌合して固定されている。支持部材１６、１７間には２つのローラＲが回転可能に支持されている。ステッピングモータＭが回転することにより、回転軸１４、支持部材１６、１７、ローラＲが回転する。回転軸１４、支持部材１６、１７は、ステッピングモータＭによって回転する回転部材の一例である。ローラＲは、チューブＴの略Ｕ字状に湾曲した部分の内側を押圧しながら回転する。これによって血液を一方向に搬送できる。なお、ステッピングモータＭの回転速度は１〜１１０ｒｐｍ程度であるが、これに限定されるものではない。

ステッピングモータＭは、血液ポンプＰの回転軸１４に対して、減速機を介することなく直接的に接続されている。即ち、モータＭの出力軸と血液ポンプＰの回転軸１４とは同じ速度で回転する。このように本実施例の人工透析用ポンプ装置では減速機が設けられていないため、減速機を設けた場合と比較して駆動音、振動が抑制されている。また、低コスト化、小型化、軽量化も達成されている。

しかしながら、減速機を用いていなくても他の要因で駆動音、振動が発生する恐れがある。以下にその仕組みを説明する。血液ポンプＰでは、ローラＲがチューブＴを押付けない領域である空間Ｖが存在する。この空間Ｖに一方のローラＲが到達すると、他方のローラＲだけがチューブＴを押付けることになる。その状態から回転を続け一方のローラＲが空間Ｖを抜けると、再び２つのローラＲでチューブＴを押付けることになる。このように、ロータＲは、チューブＴから離脱、接触を繰り返す。一方のローラＲが空間Ｖに到達してチューブＴから離脱するときと、その後に再びチューブＴに接触するときにステッピングモータＭに加わる負荷に変動が生じる恐れがある。これにより、チューブＴへの押圧力や押圧量が変化して、チューブＴを押しつけ過ぎたり、押しつけが足りなかったりする恐れがある。これに起因して、ステッピングモータＭやローラＲなどから駆動音、振動が発生する恐れがある。これに対して、本実施例では後述するベクトル制御を用いている。

また、血液ポンプＰを駆動するモータとしてブラシレスモータではなく低回転で高トルクの特性を出しやすいステッピングモータＭを採用しているため、回転トルクを確保することができる。これにより、減速機を排除したことに起因するトルクの低下を、補填することができる。

図４は、ステッピングモータＭの制御方式を説明するためのブロック図である。ステッピングモータＭにはエンコーダＥ及び電流センサＩが設けられている。エンコーダＥは、ステッピングモータＭの回転子の回転角度位置を検出する。電流センサＩは、ステッピングモータＭの各相（Ａ相及びＢ相）を流れる電流値を検出する。ステッピングモータＭは、エンコーダＥ及び電流センサＩからの検知信号をフィードバック信号としてベクトル制御される。

コンバータ５０は、ＡＣ電源から供給された交流電圧を直流電圧に変換し、直流電圧をドライバ４０に供給する。ステッピングモータＭには、ドライバ４０を介して所定の周波数の２相電源が供給されており、一方ドライバ４０はベクトル制御部２０によってその周波数が制御される。ベクトル制御部２０にはこの血液ポンプＰを運転制御する制御部３０から速度・回転方向指令が入力される。

ドライバ４０は電圧型ＰＷＭ方式インバータが使用されている。電圧型ＰＷＭ方式インバータは、パルス幅変調による電圧型インバータである。なお電圧型インバータの代わりに電流型インバータを用いても良い。

ドライバ４０は、例えば、８つのスイッチング素子からなる２相ブリッジ回路を備えており、入力直流電圧からＡ相、Ｂ相からなる２相の駆動電圧を生成し、生成した２相の駆動電圧をステッピングモータＭに供給する。ドライバ４０が備えるスイッチング素子のオンオフが、ドライバ４０によって制御されることによりステッピングモータＭの速度やトルクが制御される。一例として、ドライバ４０のスイッチング素子は、ベクトル制御部２０によりＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御される。なお、スイッチング素子としては、例えばＦＥＴ（Field Effect Transistor）が挙げられるが、これに限定されない。

ベクトル制御部２０はエンコーダＥ及び電流センサＩからの検知信号を用いてステッピングモータＭの磁束と電機子電流の交差の状態を制御し、ステッピングモータＭの力率を改善することにより、低回転数でもステッピングモータＭの出力トルクが血液ポンプＰの必要とする動力より大きくなるように制御するものである。以下に、ベクトル制御部２０の構成の一例について説明する。

図５は、ベクトル制御部２０の一例を示す構成図である。ベクトル制御部２０は、一対の入力側ローパスフィルタ（LPF: Low Pass Filter）２７ａ，２７ｂと、第１変換部２６と、一対の加算器２５ａ，２５ｂと、一対のＰＩ（Proportional Integral）制御部２４ａ，２４ｂと、第２変換部２３と、第３変換部２２と、出力側ローパスフィルタ２１とを有する。一対の入力側ローパスフィルタ２７ａ，２７ｂには、電流センサＩからＡ相の電流値Ｉ_Ａ及びＢ相の電流値Ｉ_Ｂがそれぞれ入力される。

Ａ相の電流値Ｉ_Ａ及びＢ相の電流値Ｉ_Ｂは、入力側ローパスフィルタ２７ａ，２７によりそれぞれ平滑化された後、α−β固定座標系の２相の電流信号Ｉ_α，Ｉ_βとして第１変換部２６に入力される。また、第１変換部２６には、エンコーダＥが検出した回転子の角度を示す角度信号Φも入力される。

第１変換部２６は、２相の電流信号Ｉ_α，Ｉ_βを、回転子のｄ−ｑ座標系（d:direct-axis, q:quadrature-axis）の電流信号Ｉ_ｄ，Ｉ_ｑに変換する。第１変換部２６は、周知の数学的座標変換手段を用いて変換処理を行う。第１変換部２６は、変換処理で得たｄ軸及びｑ軸の電流信号Ｉ_ｄ，Ｉ_ｑを一対の加算器２５ｂ，２５ａにそれぞれ出力する。

一方の加算器２５ａには、第１変換部２６からｑ軸の電流信号Ｉ_ｑが入力され、制御部３０からステッピングモータＭのトルクの指令信号Ｉ_ｑ０が入力される。加算器２５ａは、ｑ軸の電流信号Ｉ_ｑとトルクの指令信号Ｉ_ｑ０の信号値の差分を検出して、その差分を示す差分信号ΔＩ_ｑを一方のＰＩ制御部２４ａに出力する。

他方の加算器２５ｂには、第１変換部２６からｄ軸の電流信号Ｉ_ｄが入力され、制御部３０からステッピングモータＭの界磁の指令信号Ｉ_ｄ０が入力される。加算器２５ｂは、ｄ軸の電流信号Ｉ_ｄと界磁の指令信号Ｉ_ｄ０の信号値の差分を検出して、その差分を示す差分信号ΔＩ_ｄを他方のＰＩ制御部２４ｂに出力する。なお、制御部３０から加算器２５ｂに入力される界磁指令信号Ｉ_ｄ０は、ステッピングモータＭの誘起電圧が電源電圧より十分に低いためにゼロに固定される。

ＰＩ制御部２４ａ，２４ｂは、加算器２５ａ，２５ｂからｄ軸及びｑ軸の差分信号ΔＩ_ｑ，ΔＩ_ｄがそれぞれ入力され、制御部３０から、ＰＩ制御のゲインを示すゲイン信号Ｇが入力される。ＰＩ制御部２４ａ，２４ｂは、差分信号ΔＩ_ｑ，ΔＩ_ｄの信号値及びゲイン信号のゲインＧに基づいてＰＩ制御を行う。ＰＩ制御部２４ａ，２４ｂは、ＰＩ制御によりｄ軸及びｑ軸の電流制御信号Ｉ_ｄ’，Ｉ_ｑ’を生成して第２変換部２３に出力する。

第２変換部２３は、ｄ軸及びｑ軸の電流制御信号Ｉ_ｄ’，Ｉ_ｑ’をα−β固定座標系の２相の電流信号Ｉ_α’，Ｉ_β’に変換する。第２変換部２３は、周知の数学的座標変換手段を用いて変換処理を行う。第２変換部２３は、変換処理で得たα軸及びβ軸の電流信号Ｉ_α’，Ｉ_β’を第３変換部２２に出力する。

第３変換部２２は、α軸及びβ軸の電流信号Ｉ_α’，Ｉ_β’を、ドライバ４０のスイッチング素子に対するＡ相及びＢ相のＰＷＭ制御信号Ｉ_{ＰＷＭ−Ａ}，Ｉ_{ＰＷＭ−Ｂ}に変換する。第３変換部２２は、α軸及びβ軸の電流信号Ｉ_α’，Ｉ_β’に比例したＰＷＭ制御信号Ｉ_{ＰＷＭ−Ａ}，Ｉ_{ＰＷＭ−Ｂ}を出力する。第３変換部２２は、変換処理で得たＡ相及びＢ相のＰＷＭ制御信号Ｉ_{ＰＷＭ−Ａ}，Ｉ_{ＰＷＭ−Ｂ}を、ローパスフィルタ２１を介してドライバ４０に出力する。このＰＷＭ制御信号Ｉ_{ＰＷＭ−Ａ}，Ｉ_{ＰＷＭ−Ｂ}は、ステッピングモータＭに対するベクトル制御の制御信号の一例である。

このように、ＰＷＭ制御信号Ｉ_{ＰＷＭ−Ａ}，Ｉ_{ＰＷＭ−Ｂ}は、ローパスフィルタ２１を介して出力される。このため、ＰＷＭ制御信号Ｉ_{ＰＷＭ−Ａ}，Ｉ_{ＰＷＭ−Ｂ}は、ローパスフィルタ２１を介さない場合よりも緩やかに変化する。すなわち、ベクトル制御部２０の出力段には、ＰＷＭ制御信号Ｉ_{ＰＷＭ−Ａ}，Ｉ_{ＰＷＭ−Ｂ}を緩変化処理するローパスフィルタ２１が設けられている。

したがって、ステッピングモータＭのトルク変動が低減される。このため、ステッピングモータＭから発生する振動や騒音が抑制されて、結果として、実施例の人工透析用ポンプ装置により透析患者Ｈのストレスが低減される。

本実施例におけるステッピングモータＭは、人工透析用であることから、低速で回転すれば十分であるため、ステッピングモータＭの制御系にローパスフィルタ２１を実装することが可能である。これに対し、低速回転から高速回転までの回転速度の幅を有するモータの場合、上記のようなローパスフィルタ２１をモータの制御系に設けると、高速回転に対応できなくなるという不利益が生ずる。

なお、ベクトル制御としては、上述したように、エンコーダＥからのインプットを必要とするフィードバック制御の他に、このような位置センサを用いないセンサレスベクトル制御であってもよい。センサレス制御の場合、ステッピングモータＭの回転子の磁束からコイルに発生する誘起電圧よりステッピングモータＭの回転位置や回転速度を演算して推定し、推定された値と設定値との比較結果からステッピングモータＭを制御する。またエンコーダＥから検出される位置情報からの速度情報とコイル電流値からステッピングモータＭに加わる負荷変動量を算出し、その変動量分を考慮した制御をすることで負荷変動に素早く対応することができ、よってチューブＴへの押圧力、押圧量に対しても素早く対応できるため、ステッピングモータＭやローラＲなどから生じる駆動音、振動を抑制できる。

このように負荷変動の大きい血液ポンプＰの駆動源としてステッピングモータＭを用い、更にステッピングモータＭをベクトル制御することにより、減速機を用いなくとも高いトルクで血液ポンプＰを駆動させることができる。また、ステッピングモータＭをベクトル制御することにより、負荷変動に柔軟に対応でき、消費電力も低減されている。これは停電時のバッテリー消費も少なく済むということであり、停電時の発電施設設置を義務付けられている医療施設の負担も減らすことができる。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、変形・変更が可能である。

Ｔ チューブ
Ｐ 血液ポンプ
Ｍ ステッピングモータ
２０ ベクトル制御部
２１ ローパスフィルタ
Ｅ エンコーダ
Ｉ 電流センサ

Claims (3)

1. 血液を搬送するための血液ポンプと、
   減速機を介さずに前記血液ポンプを駆動するステッピングモータと、
   前記ステッピングモータに対するベクトル制御を行うベクトル制御部と、を備え、
   前記血液ポンプは、前記ステッピングモータによって回転する回転部材及び前記回転部材に設けられ前記血液が流れるチューブを押圧するローラ、を含み、
   前記ステッピングモータの出力軸は、前記出力軸と前記回転部材が同じ速度で回転するように、前記回転部材の回転軸に連結され、
   前記ローラは、前記回転部材の回転により前記チューブから離脱と接触を繰り返し、
   前記ベクトル制御部は、前記ステッピングモータの各相の電流値と、前記ステッピングモータのトルクまたは界磁の指令値との差分を示す差分信号から制御信号を生成し、生成した前記制御信号をローパスフィルタを介して前記ステッピングモータに出力する、人工透析用ポンプ装置。
2. 前記制御信号に従ってオンオフされる複数のスイッチング素子を有し、前記複数のスイッチング素子のオンオフにより前記ステッピングモータの各相の駆動電圧を生成するドライバを、さらに備える、請求項１の人工透析用ポンプ装置。
3. 前記ステッピングモータの回転速度は１〜１００（ｒｐｍ）である、請求項１または２の何れかの人工透析用ポンプ装置。

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