WO2024090290A1 - 磁気制御変速機及びそれを用いた人工心臓 - Google Patents

磁気制御変速機及びそれを用いた人工心臓 Download PDF

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input shaft
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徹 増澤
真啓 長
文矢 北山
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国立大学法人茨城大学
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Definitions

  • the present invention relates to a magnetically controlled transmission that uses MR fluid to control the rotation speed, and an artificial heart that uses the magnetically controlled transmission to control the blood flow balance.
  • auxiliary artificial hearts which are connected in parallel to the patient's own heart to bypass blood and serve as a bridge until a heart transplant or recovery of the patient's own heart's function
  • total replacement artificial hearts which are extracted from the patient's own heart and replace all of the heart's functions.
  • one actuator simultaneously drives two turbo pumps, one on the left and one on the right, to rotate bladed wheels called impellers to pump blood, but by using a non-contact, wear-free magnetic levitation motor for the actuator, blood cell components are less likely to be damaged.
  • a magnetic levitation motor is a motor equipped with magnetic bearings that support the impeller by magnetic levitation.
  • the invention also discloses a rotating device that uses a high-precision axial-type magnetically levitated rotating motor that maintains stable rotation without risk of axial wobble even during high-speed rotation by combining the magnetic levitation control and rotation control required for five-axis freedom (three axes of position in the radial and axial directions and two axes of inclination around the radial axis).
  • the balance between the systemic and pulmonary circulatory systems is achieved by adjusting the pumping volume of the left and right hearts. For example, if blood accumulates in the lungs, the heart increases the pumping volume of the left heart and decreases the pumping volume of the right heart to eliminate the imbalance in blood flow. Even in a total replacement artificial heart, independent flow control of the left and right heart pumps is required to balance the blood volume.
  • left and right heart pumps are designed with different pump shapes, including the pump casing, impeller, and volute (fluid passage).
  • the present invention aims to balance the blood flow rate by controlling the rotation speed of the left heart pump and the right heart pump in an artificial heart. It also aims to make it possible to control the rotation speed of the impellers of the left heart pump and the right heart pump with a single motor, thereby making it compact and enabling the blood flow rate to be balanced.
  • the magnetically controlled transmission of the present invention has an input shaft that transmits the rotation of a motor to a first impeller, an output shaft that transmits the rotation of the input shaft to a second impeller supported by a magnetic bearing, and an MR fluid interposed in the mating portion between the input shaft and the output shaft, and is characterized in that the viscosity of the MR fluid is varied to control the number of rotations transmitted from the input shaft to the output shaft.
  • the viscosity of the MR fluid is increased by passing a control magnetic flux through the MR fluid, thereby increasing the rotation speed of the output shaft.
  • the control magnetic flux when the viscosity of the MR fluid is to be increased, the control magnetic flux is caused to flow in the same direction as the bias magnetic flux, and when the viscosity of the MR fluid is to be decreased, the control magnetic flux is caused to flow in the opposite direction to the bias magnetic flux.
  • the input shaft and the output shaft are moved axially under a constant magnetic field to vary the control magnetic flux flowing through the MR fluid.
  • the viscosity of the MR fluid is changed by utilizing the magnetic flux generated by the magnetic bearing or the motor.
  • a single motor is used to separately control the rotation speed of the first impeller and the rotation speed of the second impeller.
  • the artificial heart equipped with the magnetically controlled transmission has a left heart pump connected to the input shaft or the output shaft, and a right heart pump connected to the output shaft or the input shaft, and is characterized in that the flow rates of the left heart pump and the right heart pump are independently controlled by varying the viscosity of the MR fluid.
  • the artificial heart is also characterized in that the viscosity of the MR fluid is changed by moving the input shaft and the output shaft due to the pressure difference between the left heart pump and the right heart pump.
  • the shapes of the left heart pump and the right heart pump are made different so that the flow rate from the left heart pump is greater than the flow rate from the right heart pump.
  • the present invention by incorporating a magnetically controlled transmission using MR fluid or the like into the magnetically levitated impellers for two turbo pumps driven by a single magnetically levitated motor, it becomes possible to independently control the rotation speed and flow rate of the two turbo pumps.
  • MR fluid or the like By applying this to an artificial heart, it becomes possible to achieve a compact left heart pump and independent flow rate control for the right heart pump, making it possible to avoid pulmonary congestion, etc.
  • FIG. 1 is an overview showing an artificial heart using a magnetically controlled transmission according to the present invention.
  • 1 is a longitudinal sectional view showing an artificial heart using a magnetically controlled transmission according to the present invention.
  • 1 is a diagram showing the structure of a magnetically controlled transmission according to the present invention; 4 is a graph showing experimental results of the magnetically controlled transmission according to the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing a magnetic field generating means of a magnetically controlled transmission according to the present invention.
  • FIG. 1 is a diagram showing a case where the rotation speed is controlled using axial displacement in a magnetically controlled transmission according to the present invention.
  • 4 is a diagram showing magnetic flux that varies in accordance with axial displacement of the magnetically controlled transmission according to the present invention; FIG. FIG.
  • FIG. 1 is a diagram showing a case where the rotation speed is controlled using the magnetic flux generated by a magnetic levitation motor in a magnetically controlled transmission according to the present invention.
  • 3 is a diagram showing an example of the arrangement of permanent magnets in the magnetic field generating means of the magnetically controlled transmission according to the present invention;
  • Figure 1 is an overview of an artificial heart using a magnetically controlled transmission.
  • Figure 2 is a vertical cross-sectional view of an artificial heart using a magnetically controlled transmission. Note that the left heart is placed on the bottom and the right heart on the top, and power is transmitted from the left heart to the right heart, but the placement and drive side may be reversed.
  • the artificial heart 100 takes in blood drawn from the pulmonary circulation into the left atrium through the inlet 310 into the left heart pump 300, and sends out blood from the left ventricle through the outlet 320 to the aorta for systemic circulation, while taking in blood drawn from the systemic circulation into the right atrium through the inlet 210 into the right heart pump 200, and sends out blood from the right ventricle through the outlet 220 to the pulmonary artery for pulmonary circulation.
  • the impeller 330 is rotated by the rotating shaft 500 to send blood from the inlet 310 to the outlet 320
  • the impeller 230 is rotated by the rotating shaft 500 to send blood from the inlet 210 to the outlet 220.
  • the rotating shaft 500 is rotated by a motor, and the speed can be changed by the magnetically controlled transmission 400.
  • the impellers 230 and 330 are impeller-shaped rotating bodies.
  • the rotating shaft 500 is an input shaft 510 and an output shaft 520 that are axially connected with an MR fluid 540 interposed between them, and the rotational speeds (rotational speeds) of each are controlled by the magnetically controlled transmission 400.
  • the output shaft 520 is connected to the right heart pump 200, and the input shaft 510 is connected to the left heart pump 300.
  • the viscosity of the MR fluid 540 is changed by the magnetic field generating means 600, and the flow rates of the right heart pump 200 and the left heart pump 300 are independently controlled.
  • the input shaft 510 transmits the rotation of the single motor 420 to the impeller 330 of the left heart pump 300.
  • the rotation of the input shaft 510 is transmitted to the output shaft 520 according to the viscosity of the MR fluid 540, and is transmitted to the impeller 230 of the right heart pump 200.
  • the left heart pump and the right heart pump In order to make the flow rate from the left heart pump 300 greater than the flow rate from the right heart pump 200, the left heart pump and the right heart pump must be designed with different pump shapes, such as the pump casing, impeller, and volute (fluid passage). Specifically, it is possible to change the pump casing dimensions, impeller diameter, impeller blade shape and dimensions, volute shape, etc.
  • the right heart pump 200 is a turbo pump in which the impeller 230 is supported by magnetic levitation using magnetic bearings 410, but other magnetic support methods may be used.
  • the combination of the input/output shafts and the left and right pumps may be reversed.
  • the MR fluid 540 is a magnetorheological fluid in which ferromagnetic particles are dispersed in a medium, and its viscosity changes when a magnetic field is applied. When the magnetic field is weak, it becomes a low-viscosity liquid, and when the magnetic field is strong, it becomes a high-viscosity semi-solid state. Note that the end shape of the input shaft 510 may be convex and the end shape of the output shaft 520 may be concave, or vice versa.
  • Figure 3 shows the structure of a magnetically controlled transmission.
  • Figure 4 is a graph showing the experimental results of a magnetically controlled transmission.
  • the MR fluid 540 is present between the mating portion 530 of the input shaft 510 and the output shaft 520, allowing the output shaft 520 to rotate separately from the input shaft 510.
  • the magnetically controlled transmission 400 has a coil 610 and a yoke 620 arranged around the input shaft 510 and the output shaft 520 as a magnetic field generating means 600.
  • a magnetic field is generated by passing a current through the coil 610, and the yoke 620 guides the magnetic flux 630 to the desired area.
  • the electromagnets may be arranged with their magnetic poles aligned radially or axially with respect to the rotating shaft 500.
  • the viscosity of the MR fluid 540 is changed by changing the strength of the magnetic field applied to the MR fluid 540 or the way the magnetic flux 630 passes through it.
  • the rotation speeds of the input shaft 510, which rotates as power is transmitted from the motor 420, and the output shaft 520, which rotates as power is transmitted from the input shaft 510 via the MR fluid 540 also change relatively.
  • Figure 4(a) shows the results of controlling the rotation speed of the output shaft 520 by changing the current value while fixing the position of the electromagnet in the magnetically controlled transmission 400 when the input shaft 510 is rotated by the motor 420 at 2000 rpm.
  • the generated magnetic field is weak and the viscosity of the MR fluid 540 is low, so the rotation speed of the output shaft 520 is lower than the rotation speed of the motor 420.
  • the generated magnetic field is stronger and the viscosity of the MR fluid 540 increases, so the rotation speed of the output shaft 520 increases to the same level as the rotation speed of the motor 420.
  • Figure 4(b) shows the results of controlling the rotation speed of the output shaft 520 by changing the position of the electromagnet at a constant current value in the magnetically controlled transmission 400 when the input shaft 510 is rotated by the motor 420 at 2000 rpm.
  • Figure 5 shows the magnetic field generating means of a magnetically controlled transmission. This shows an example in which a control magnetic flux 650 is caused to flow through the MR fluid 540 by an electromagnet, thereby increasing the viscosity of the MR fluid 540 and increasing the rotation speed of the output shaft 520.
  • coils 610 When coils 610 are arranged on all four sides of output shaft 520 as shown in FIG. 5(a), coils 610 may be wound in a multi-pole type to generate current-driven control magnetic flux 650, for example, from the horizontal direction toward the center and then exiting vertically. Also, as shown in FIG. 5(b), coils 610 may be wound in a homopolar type to generate current-driven control magnetic flux 650, for example, from all four sides toward the center. Note that there are many different ways to arrange the coils, i.e., how to rotate the magnetic flux, for both the multi-pole type and the homopolar type.
  • the multi-pole type is one in which the magnetic flux distribution generated on the shaft surface by an electromagnet or the like has two or more poles, an N pole and an S pole, as shown in Figure 5 (a).
  • the use of a multi-pole type has the advantage that the axial height of the device can be reduced because the electromagnets can be configured on a radial plane, but the rotation of the shaft causes magnetic pole changes in the shaft, making it more likely that eddy current loss will occur.
  • the homopolar type has a magnetic flux distribution generated on the shaft surface by an electromagnet or the like, with one north pole or one south pole.
  • the homopolar type needs to form a magnetic circuit that rotates the magnetic flux in the axial direction. If two north and two south pole generating parts are provided in the axial direction, the eddy current loss due to shaft rotation can be reduced, but the device becomes taller in the axial direction.
  • the magnetic flux can be handled (the path along which the magnetic flux flows).
  • permanent magnets 640 may be arranged on all four sides of the output shaft 520, and bias magnetic flux 660 may be generated by the magnets, for example, from the horizontal direction toward the center and then passing vertically. Also, as shown in FIG. 5(d), bias magnetic flux 660 may be generated by the magnets, for example, from all four sides toward the center.
  • the way in which bias magnetic flux 660 is routed (the path through which magnetic flux flows) also varies depending on where permanent magnets 640 are arranged, and together with the way in which electromagnet magnetic flux is routed, there are many different methods for forming the magnetic circuit.
  • a control magnetic flux 650 caused by a current is passed in the same direction as the bias magnetic flux 660 caused by the magnet, and when decreasing the viscosity of the MR fluid 540, a control magnetic flux 650 caused by a current is passed in the opposite direction to the bias magnetic flux 660 caused by the magnet.
  • the control magnetic flux 650 and bias magnetic flux 660 may be generated by a permanent magnet or an electromagnet, and there are many different methods for generating magnetic flux.
  • Figure 6 shows a case where the rotation speed is controlled using axial displacement in a magnetically controlled transmission.
  • Figure 7 shows the magnetic flux that varies according to the axial displacement of a magnetically controlled transmission.
  • the artificial heart 100a has a structure in which the rotating shaft 500 can be displaced in the axial direction relative to the right heart pump 200 and the left heart pump 300.
  • the input shaft 510 rotated by the motor 420 is magnetically supported in the radial direction by the magnetic bearings 410, 410a.
  • the impeller 330 of the left heart pump 300 is directly rotated by the input shaft 510.
  • the rotation of the input shaft 510 is transmitted to the output shaft 520 via the magnetically controlled transmission 400 using the MR fluid 540, rotating the impeller 230 of the right heart pump 200.
  • the impeller 230 of the right heart pump 200 may be directly rotated by the input shaft 510
  • the impeller 330 of the left heart pump 300 may be rotated by the output shaft 520 via the magnetically controlled transmission 400.
  • the impellers 230, 330 By moving the impellers 230, 330 in the axial direction using the input pressure difference between the right heart pump 200 and the left heart pump 300, it is possible to passively control the rotation speed (providing a rotation difference between the impellers 230, 330).
  • the concave input shaft 510 is the main shaft and the convex output shaft 520 is the slave shaft, but the convex shaft may be the main shaft and the concave shaft the slave shaft.
  • a permanent magnet 640 is placed around the MR fluid 540 to generate a constant magnetic field, and a control magnetic flux 650a is passed through the MR fluid 540 under the constant magnetic field.
  • the constant magnetic field may also be generated by an electromagnet.
  • the magnetic flux region 670 becomes smaller, the control magnetic flux 650a flowing through the MR fluid 540 decreases, and the viscosity of the MR fluid 540 decreases.
  • Axial displacement of the input and output shafts 510, 520 may be created using the pressure difference between the left and right pumps 200, 300, and the rotation speed may be changed by increasing or decreasing the magnetic flux applied to the magnetically controlled transmission 400, thereby providing passive control.
  • the pressure at the inlet 210 of the right heart pump 200 and the inlet 310 of the left heart pump 300 may be measured, and the input shaft 510 and output shaft 520 may be moved axially by a separate mechanism according to the input pressure difference, thereby controlling the rotation speed of the input shaft 510 and the output shaft.
  • FIG. 8 is a diagram showing a case where the rotation speed is controlled using the magnetic flux generated by a magnetically levitated motor in a magnetically controlled transmission.
  • the viscosity of the MR fluid may be changed by using the magnetic flux generated by the magnetic bearing 410 or the motor 420.
  • the right heart pump 200 and the left heart pump 300 are similar and are magnetically levitated motors using magnetic bearings 410, so the viscosity of the MR fluid 540 is controlled by the magnetic flux generated therein.
  • the magnetically controlled transmission 400a is disk-shaped, and increasing the magnetic flux of the coil of the magnetic bearing 410 increases the rotation speed.
  • the magnetically controlled transmission 400a may be provided on either the right or left heart side. If the magnetically controlled transmission 400a is provided on the motor side, opposite to the figure, increasing the magnetic flux of the motor 420 increases the rotation speed of the impeller on the motor side.
  • the magnetically controlled transmission 400a may be provided on both the magnetic bearing side and the motor side.
  • the artificial heart 100c does not levitate the impellers 230, 330 by controlling the suction force in the bearing direction, but by controlling the suction force in the radial direction using the magnetic bearings 410, 410a.
  • the magnetically controlled transmission 400b and the rotating shaft 500 are incorporated into the body that constitutes the impellers 230, 330, and the magnetic flux applied to the magnetically controlled transmission 400b is controlled by changing the control magnetic flux and motor control magnetic flux of the magnetic bearings 410, 410a, thereby varying the viscosity of the MR fluid 540.
  • the magnetically controlled transmission 400b may be one that uses only the magnetic flux of the magnetic bearings, one that uses only the magnetic flux of the motor, or one that uses the magnetic flux of both the magnetic bearings and the motor.
  • Figure 9 is a diagram showing an example of the arrangement of permanent magnets in the magnetic field generating means of a magnetically controlled transmission when the electromagnet coil that generates the control magnetic flux is arranged around the transmission as a single coil.
  • the magnetic flux may be generated by a permanent magnet or an electromagnet, and there are a wide variety of methods for generating the magnetic flux.
  • Possible methods for arranging the permanent magnets include embedding the permanent magnets 640 in the yoke 620 as shown in FIG. 9(a) and arranging the permanent magnets 640 on the surface of the yoke 620 as shown in FIG. 9(b).
  • the yoke 620 may also be in the shape of a U-shaped claw pole as shown in FIGS. 9(a) and 9(b) or in the shape of a case that covers the coil 610 as shown in FIG. 9(c).
  • the present invention by incorporating a magnetically controlled transmission using MR fluid or the like into the magnetically levitated impellers for two turbo pumps driven by a single magnetically levitated motor, it becomes possible to independently control the rotation speed and flow rate of the two turbo pumps.
  • MR fluid or the like By applying this to an artificial heart, it becomes possible to achieve a compact left heart pump and independent flow rate control for the right heart pump, making it possible to avoid pulmonary congestion, etc.
  • the positions of the input shaft and output shaft may be interchanged, the installation locations of the magnetically controlled transmissions may be interchanged, or multiple magnetically controlled transmissions may be installed.
  • the positions of the left heart pump and right heart pump may also be interchanged.
  • Various magnetic levitation methods and magnetically controlled transmission control methods can be adopted. This can be applied to the rotation speed control of not only total replacement artificial hearts, but also auxiliary artificial hearts and industrial pumps.

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Abstract

人工心臓において、単一のモータで左心ポンプと右心ポンプのそれぞれのインペラの回転数を制御できるようにして、小型かつ血液の流量バランスが取れるようにする。　磁気制御変速機は、モータの回転を第１インペラに伝達する入力シャフトと、磁気軸受で支持された第２インペラに前記入力シャフトの回転を伝達する出力シャフトと、前記入力シャフトと前記出力シャフトとの嵌合部に介在させたＭＲ流体と、を有し、前記ＭＲ流体の粘度を変動させることで、前記入力シャフトから前記出力シャフトに伝達される回転数を制御する、ことを特徴とする。

Description

磁気制御変速機及びそれを用いた人工心臓
　本発明は、ＭＲ流体を用いて回転数を制御する磁気制御変速機と、その磁気制御変速機を用いて血液の流量バランスを制御した人工心臓に関する。
　重症心不全患者の治療における臓器提供者不足の問題の解決策の一つとして人工心臓の適用が行われている。人工心臓には、心臓移植や自己心臓の機能回復までの繋ぎを目的に自己心臓と並列に接続して血液をバイパスする補助人工心臓と、自己心臓を摘出して心臓の動きを全て代替する全置換型人工心臓がある。
　全置換型人工心臓では、例えば、一つのアクチュエータで左右二つのターボポンプを同時駆動させインペラと呼ばれる羽根車を回すことで血液を送り出すが、アクチュエータに非接触で摩耗のない磁気浮上モータを採用することで血球成分を壊れにくくしている。磁気浮上モータは、インペラを磁気浮上によって支持する磁気軸受を搭載したモータである。
　特許文献１に記載されているように、自由度５軸（ラジアル方向、アキシャル方向の位置３軸とラジアル軸周りの傾き２軸）の磁気浮上制御と回転制御に必要な磁気回路を複合して形成することにより、高速回転時にも軸振れ等の虞れのない安定した回転が維持される高精度のアキシャル型磁気浮上回転モータを用いた回転機器の発明も開示されている。
特許第３８０８８１１号公報
　特許文献１に記載の発明では、磁気軸受により小型化と高血液適合性を実現しているが、左心用ターボポンプと右心用ターボポンプを同一回転数で動かしているので、左心用ターボポンプと右心用ターボポンプの両方の流量が同時に増減することになる。
　実際の心臓では、左心と右心の拍出量を調整することで体循環系と肺循環系のバランスを取っている。例えば、肺に血液が溜まった場合、心臓は左心の拍出量を増やし、右心の拍出量を減らすことで、血液の偏りを解消する。全置換型人工心臓においても、血液量のバランスを取るため、左心ポンプと右心ポンプの独立した流量制御が必要となる。
　また、通常、肺動脈に送り出す右心よりも大動脈に送り出す左心の拍出量を大きくする必要があるため、左心ポンプと右心ポンプではポンプケーシング、インペラ、ボリュート（通液路）等のポンプ形状が異なる設計となっている。
　そこで、本発明は、人工心臓において左心ポンプと右心ポンプの回転数を制御して血液の流量バランスを取ることを目的とする。さらに、単一のモータで左心ポンプと右心ポンプのそれぞれのインペラの回転数を制御できるようにして、小型かつ血液の流量バランスが取れるようにすることを目的とする。
　上記の課題を解決するために、本発明である磁気制御変速機は、モータの回転を第１インペラに伝達する入力シャフトと、磁気軸受で支持された第２インペラに前記入力シャフトの回転を伝達する出力シャフトと、前記入力シャフトと前記出力シャフトとの嵌合部に介在させたＭＲ流体と、を有し、前記ＭＲ流体の粘度を変動させることで、前記入力シャフトから前記出力シャフトに伝達される回転数を制御する、ことを特徴とする。
　また、前記磁気制御変速機において、前記ＭＲ流体に制御磁束を流すことで前記ＭＲ流体の粘度を増大させ、前記出力シャフトの回転数を上げる、ことを特徴とする。
　また、前記磁気制御変速機において、前記ＭＲ流体の粘度を増大させるときはバイアス磁束と同方向に前記制御磁束を流し、前記ＭＲ流体の粘度を減少させるときはバイアス磁束と逆方向に前記制御磁束を流す、ことを特徴とする。
　また、前記磁気制御変速機において、一定磁場下で前記入力シャフト及び前記出力シャフトを軸方向に移動させることで、前記ＭＲ流体に流す制御磁束を変動させる、ことを特徴とする。
　また、前記磁気制御変速機において、前記磁気軸受又は前記モータで生じる磁束を利用して前記ＭＲ流体の粘度を変動させる、ことを特徴とする。
　また、前記磁気制御変速機において、単一のモータで、前記第１インペラの回転数と前記第２インペラの回転数を別々に制御する、ことを特徴とする。
　さらに、前記磁気制御変速機を備えた人工心臓は、前記入力シャフト又は前記出力シャフトに接続された左心ポンプと、前記出力シャフト又は前記入力シャフトに接続された右心ポンプと、を有し、前記ＭＲ流体の粘度を変動させることで、前記左心ポンプと前記右心ポンプの流量を独立制御する、ことを特徴とする。
　また、前記人工心臓は、前記左心ポンプと前記右心ポンプの圧力差により前記入力シャフト及び前記出力シャフトを移動させることにより、前記ＭＲ流体の粘度を変動させる、ことを特徴とする。
　また、前記人工心臓において、前記左心ポンプからの流量が前記右心ポンプからの流量より大きくなるよう、前記左心ポンプと前記右心ポンプの双方の形状を異ならせる、ことを特徴とする。
　本発明によれば、単一の磁気浮上モータで駆動される二つのターボポンプ用の磁気浮上インペラにＭＲ流体などを用いた磁気制御変速機を組み込むことにより、二つのターボポンプの回転数や流量が独立に制御できるようになる。それを人工心臓に応用することにより小型かつ左心ポンプと右心ポンプの独立的な流量制御が可能となり、肺うっ血などを回避できるようになる。
本発明である磁気制御変速機を用いた人工心臓を示す概観図である。 本発明である磁気制御変速機を用いた人工心臓を示す縦断面図である。 本発明である磁気制御変速機の構造を示す図である。 本発明である磁気制御変速機の実験結果を示すグラフである。 本発明である磁気制御変速機の磁界発生手段を示す図である。 本発明である磁気制御変速機において軸方向変位を用いて回転数を制御する場合を示す図である。 本発明である磁気制御変速機の軸方向変位に応じて変動する磁束を示す図である。 本発明である磁気制御変速機において磁気浮上モータで生じる磁束を用いて回転数を制御する場合を示す図である。 本発明である磁気制御変速機の磁界発生手段における永久磁石の配置例を示す図である。
　以下に、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。
　まず、本発明である磁気制御変速機を用いた人工心臓について説明する。図１は、磁気制御変速機を用いた人工心臓を示す概観図である。図２は、磁気制御変速機を用いた人工心臓を示す縦断面図である。なお、左心を下側、右心を上側に配置して、左心側から右心側に動力を伝達しているが、配置や駆動側を逆にしても良い。
　図１（ａ）に示すように、人工心臓１００は、肺循環から左心房で吸い込む血液を流入口３１０から左心ポンプ３００に取り込んで、左心室から送り出す血液を吐出口３２０から大動脈へ流して体循環させるとともに、体循環から右心房で吸い込む血液を流入口２１０から右心ポンプ２００に取り込んで、右心室から送り出す血液を吐出口２２０から肺動脈へ流して肺循環させる。
　図１（ｂ）に示すように、左心ポンプ３００においては、回転軸５００でインペラ３３０を回転させて流入口３１０から吐出口３２０に血液を送り、右心ポンプ２００においては、回転軸５００でインペラ２３０を回転させて流入口２１０から吐出口２２０に血液を送る。なお、回転軸５００は、モータで回転し、磁気制御変速機４００で変速可能である。なお、インペラ２３０、３３０は、羽根車状の回転体である。
　図２に示すように、回転軸５００は、入力シャフト５１０と出力シャフト５２０を、間にＭＲ流体５４０を介在させて軸方向に連結したものであり、磁気制御変速機４００によってそれぞれの回転数（回転速度）が制御される。
　人工心臓１００において、出力シャフト５２０が右心ポンプ２００に接続され、入力シャフト５１０が左心ポンプ３００に接続される。磁気制御変速機４００では、磁界生成手段６００によってＭＲ流体５４０の粘度を変動させ、右心ポンプ２００と左心ポンプ３００の流量を独立に制御する。
　入力シャフト５１０は、単一のモータ４２０の回転を左心ポンプ３００のインペラ３３０に伝達する。出力シャフト５２０には、ＭＲ流体５４０の粘度に応じて入力シャフト５１０の回転が伝達され、右心ポンプ２００のインペラ２３０に伝達される。
　なお、左心ポンプ３００からの流量を右心ポンプ２００からの流量より大きくするため、左心ポンプと右心ポンプでは、ポンプケーシング、インペラ、ボリュート（通液路）等のポンプ形状を異ならせるように設計する必要がある。具体的には、ポンプケーシング寸法、インペラ直径、インペラ羽根形状・寸法、ボリュート形状等を変えることが考えられる。
　また、右心ポンプ２００は、磁気軸受４１０でインペラ２３０を磁気浮上によって支持しているターボポンプであるが、磁気支持方法は別方法でも良い。入出力シャフトと左右ポンプの組合せは逆でも良い。
　入力シャフト５１０の一端を凹状、出力シャフト５２０の一端を凸状にして、入力シャフト５１０と出力シャフト５２０の嵌合部５３０にＭＲ流体５４０を挟みこむように介在させる。ＭＲ流体５４０は、強磁性微粒子を媒体に分散させた磁気粘性流体であり、磁場を加えると粘度が変化する。磁場が弱いと粘度の低い液体状態になり、磁場が強いと粘度の強い半固体状態になる。なお、入力シャフト５１０の端部形状を凸状、出力シャフト５２０の端部形状を凹状と、逆にしても良い。
　図３は、磁気制御変速機の構造を示す図である。図４は、磁気制御変速機の実験結果を示すグラフである。入力シャフト５１０と出力シャフト５２０の嵌合部５３０は、間にＭＲ流体５４０があることで、出力シャフト５２０は入力シャフト５１０とは別々に回転可能である。
　図３（ａ）に示すように、磁気制御変速機４００は、磁界生成手段６００として入力シャフト５１０及び出力シャフト５２０の周りにコイル６１０とヨーク６２０を配置する。コイル６１０に電流を流すことで磁界を発生させ、ヨーク６２０で磁束６３０を通したい領域に誘導する。例えば、電磁石は回転軸５００に対して、径方向にその磁極を並べて配置しても良いし、軸方向にその磁極を並べて配置しても良い。
　図３（ｂ）に示すように、磁界生成手段６００により嵌合部５３０のＭＲ流体５４０に磁束６３０を通すと、ＭＲ流体５４０の粘度が上がる。ＭＲ流体５４０が流れにくくなると、出力シャフト５２０は入力シャフト５１０と共に回転するようになり回転数が上がる。磁束６３０が減少してＭＲ流体５４０が流れやすくなると、出力シャフト５２０は入力シャフト５１０より遅れて回転するようになり回転数が下がる。
　ＭＲ流体５４０に加える磁場の強さや磁束６３０の通し方を変えることでＭＲ流体５４０の粘度を変化させる。それに応じて、モータ４２０から動力が伝達されて回転する入力シャフト５１０と、入力シャフト５１０からＭＲ流体５４０を介して動力が伝達されて回転する出力シャフト５２０の回転数も相対的に変化する。
　図４（ａ）には、２０００ｒｐｍのモータ４２０で入力シャフト５１０を回転させたときに、磁気制御変速機４００において電磁石の位置固定で電流値を変化させて出力シャフト５２０の回転数を制御した結果を示す。
　電流値が低いと発生する磁場も弱く、ＭＲ流体５４０の粘度も低いので、出力シャフト５２０の回転数もモータ４２０の回転数よりも少ない。電流値を高くすると発生する磁場も強くなり、ＭＲ流体５４０の粘度も高くなるので、出力シャフト５２０の回転数もモータ４２０の回転数と同じくらいまで上がる。
　図４（ｂ）には、２０００ｒｐｍのモータ４２０で入力シャフト５１０を回転させたときに、磁気制御変速機４００において電流値一定で電磁石の位置を変化させて出力シャフト５２０の回転数を制御した結果を示す。
　電磁石の位置を軸方向に変位させてＭＲ流体５４０に近付けると、磁場の影響が強くなりＭＲ流体５４０の粘度も高くなるので、出力シャフト５２０の回転数もモータ４２０の回転数と同じくらいまで上がる。電磁石の位置をＭＲ流体５４０から遠ざけると、磁場の影響が弱くなりＭＲ流体５４０の粘度も低くなるので、出力シャフト５２０の回転数もモータ４２０の回転数よりも少なくなる。
　図５は、磁気制御変速機の磁界発生手段を示す図である。電磁石によりＭＲ流体５４０に制御磁束６５０を流すことでＭＲ流体５４０の粘度を増大させ、出力シャフト５２０の回転数を上げる例を示す。
　図５（ａ）に示すように、出力シャフト５２０の周囲四方にコイル６１０を配置する場合に、コイル６１０の巻き方を多極タイプにして電流による制御磁束６５０を、例えば横方向から中央に向かい縦方向に抜けるように発生させても良い。また、図５（ｂ）に示すように、コイル６１０の巻き方をホモポーラタイプにして電流による制御磁束６５０を、例えば四方から中央に向かうように発生させても良い。なお、多極タイプもホモポーラタイプも、コイルの配置方法、すなわち、磁束の回し方は多岐に渡る。
　ここで、多極タイプは、図５（ａ）に示すように、電磁石等によって軸表面に生成される磁束分布がＮ極、Ｓ極の２極以上となるものである。多極タイプを採用すると、電磁石を径方向平面に構成できるため装置の軸方向高さを低くできる利点があるが、軸回転により軸中に磁極変化が生じ、渦電流損が生じやすくなる。
　また、ホモポーラタイプは、図５（ｂ）に示すように、電磁石等によって軸表面に生成される磁束分布がＮ極またはＳ極のいずれか１極ずつとなるものである。ホモポーラタイプは、効率的な磁気回路を形成するために軸方向に磁束を回す磁気回路を形成する必要があり、Ｎ極、Ｓ極のそれぞれの生成部を軸方向に２箇所設けると、軸回転による渦電流損は減少できるが軸方向に装置が高くなる。その磁気回路の３次元的設計次第では磁束の取り回し（磁束が流れる経路）は多岐に渡る。
　図５（ｃ）に示すように、出力シャフト５２０の周囲四方に永久磁石６４０を配置して磁石によるバイアス磁束６６０を、例えば横方向から中央に向かい縦方向に抜けるように発生させておいても良い。また、図５（ｄ）に示すように、磁石によるバイアス磁束６６０を、例えば四方から中央に向かうように発生させておいても良い。バイアス磁束６６０の取り回し（磁束が流れる経路）もどこに永久磁石６４０を配置するかによって変わり、電磁石磁束の取り回しと合わせて、その磁気回路形成方法は多岐に渡る。
　なお、ＭＲ流体５４０の粘度を増大少させるときは磁石によるバイアス磁束６６０と同方向に電流による制御磁束６５０を流し、ＭＲ流体５４０の粘度を減少させるときは磁石によるバイアス磁束６６０と逆方向に電流による制御磁束６５０を流せば良い。制御磁束６５０やバイアス磁束６６０は、永久磁石で発生させても良いし、電磁石で発生させても良く、磁束の発生方法は多岐に渡る。
　図６は、磁気制御変速機において軸方向変位を用いて回転数を制御する場合を示す図である。図７は、磁気制御変速機の軸方向変位に応じて変動する磁束を示す図である。
　図６に示すように、人工心臓１００ａでは、右心ポンプ２００と左心ポンプ３００に対して回転軸５００が軸方向に変位可能な構造にする。モータ４２０で回転する入力シャフト５１０は磁気軸受４１０、４１０ａによって径方向に磁気支持される。左心ポンプ３００のインペラ３３０は入力シャフト５１０により直接回転させられる。入力シャフト５１０の回転は、ＭＲ流体５４０による磁気制御変速機４００を介して、出力シャフト５２０に伝達し、右心ポンプ２００のインペラ２３０を回転させる。なお、右心ポンプ２００のインペラ２３０を入力シャフト５１０で直接回転させ、磁気制御変速機４００を介して、出力シャフト５２０で左心ポンプ３００のインペラ３３０を回転させても良い。
　右心ポンプ２００と左心ポンプ３００の入力圧力差でインペラ２３０、３３０を軸方向に動かすことにより、回転数の受動制御（インペラ２３０、３３０に回転差を付ける）が可能となる。なお、凹状の入力シャフト５１０を主軸、凸状の出力シャフト５２０を従軸としているが、凸軸を主軸、凹軸を従軸にしても良い。
　図７（ａ）に示すように、ＭＲ流体５４０の周りに永久磁石６４０を配置して一定の磁場を発生させておき、一定磁場下においてＭＲ流体５４０に制御磁束６５０ａを流す。なお、一定の磁場は、電磁石で発生させても良い。
　入力シャフト５１０及び出力シャフト５２０を軸方向に変位させて、例えば、上方または下方に移動させると、磁束領域６７０が少なくなり、ＭＲ流体５４０に流れる制御磁束６５０ａが減ってＭＲ流体５４０の粘度が下がる。
　図７（ｂ）に示すように、入力シャフト５１０又は出力シャフト５２０の周面に突起５５０のようなものを設け、回転軸５００の軸方向変位によって突起５５０がヨーク６２０に接すれば、制御磁束６５０ａが通りやすい部分となる。磁路抵抗の変化を利用して磁束密度を変動させることも可能である。他に漏れ磁束などを利用しても良い。
　入出力シャフト５１０、５２０の軸方向変位を左右ポンプ２００、３００の圧力差を利用して作り出し、磁気制御変速機４００に掛かる磁束を増減させて回転数を変化させる受動的な制御にしても良い。なお、右心ポンプ２００の流入口２１０と左心ポンプ３００の流入口３１０の圧力を測定し、入力圧力差に応じて入力シャフト５１０及び出力シャフト５２０を別機構で軸方向に移動させて、入力シャフト５１０と出力シャフトの回転数を制御しても良い。
　図８は、磁気制御変速機において磁気浮上モータで生じる磁束を用いて回転数を制御する場合を示す図である。磁気軸受４１０又はモータ４２０で生じる磁束を利用してＭＲ流体の粘度を変動させても良い。
　図８（ａ）に示すように、人工心臓１００ｂでは、右心ポンプ２００と左心ポンプ３００は同様で、磁気軸受４１０を用いた磁気浮上モータであることから、そこで発生した磁束でＭＲ流体５４０の粘度を制御する。磁気制御変速機４００ａの形状は円盤状で、磁気軸受４１０のコイルの磁束を強くすると回転数も上がる。磁気制御変速機４００ａは、右心側に設けても良いし、左心側に設けても良い。磁気制御変速機４００ａを図とは逆にモータ側に設けた場合は、モータ４２０の磁束を強くするとモータ側のインペラの回転数が上がる。磁気制御変速機４００ａは磁気軸受側、モータ側両方に設けても良い。
　図８（ｂ）に示すように、人工心臓１００ｃは、軸受方向に吸引力を制御してインペラ２３０、３３０を浮かせるのではなく、磁気軸受４１０、４１０ａを使って径方向に吸引力を制御してインペラ２３０、３３０を浮かせている。また、磁気制御変速機４００ｂ及び回転軸５００は、インペラ２３０、３３０を構成する胴体に組み込み、磁気軸受４１０、４１０ａの制御磁束やモータ制御磁束を変化させることで磁気制御変速機４００ｂにかかる磁束を制御してＭＲ流体５４０の粘度を変動させる。磁気制御変速機４００ｂは磁気軸受の磁束のみを利用するもの、モータの磁束のみを利用するもの、磁気軸受、モータ双方の磁束を利用するもの、どれでも良い。
　磁気浮上モータで使用している磁気軸受４１０やモータ４２０を利用することで、磁界生成手段６００として電磁石や永久磁石６４０を別途設置する必要が無くなり、構造の複雑化を回避することが可能である。
　本発明である磁気制御変速機における電磁石、永久磁石の配置について説明する。図９は、制御磁束を発生する電磁石コイルを一つのコイルとして変速機周辺に配置した場合、磁気制御変速機の磁界発生手段における永久磁石の配置例を示す図である。図５において説明したように、磁束は、永久磁石で発生させても良いし、電磁石で発生させても良く、磁束の発生方法は多岐に渡る。
　永久磁石の配置方法としては、図９（ａ）の永久磁石６４０をヨーク６２０内に埋め込む方式、図９（ｂ）の永久磁石６４０をヨーク６２０表面に配置する方式等が考えられる。また、ヨーク６２０は、図９（ａ）（ｂ）のコの字のクローポール形状、図９（ｃ）のコイル６１０を覆うケース形状等が考えられる。
　本発明によれば、単一の磁気浮上モータで駆動される二つのターボポンプ用の磁気浮上インペラにＭＲ流体などを用いた磁気制御変速機を組み込むことにより、二つのターボポンプの回転数や流量が独立に制御できるようになる。それを人工心臓に応用することにより小型かつ左心ポンプと右心ポンプの独立的な流量制御が可能となり、肺うっ血などを回避できるようになる。
　以上、本発明の実施例を述べたが、これらに限定されるものではない。例えば、入力シャフトと出力シャフトの位置を入れ替えても良いし、磁気制御変速機の設置箇所を入れ替えても良しい、複数の磁気制御変速機を設置しても良い。また、左心ポンプと右心ポンプの配置を入れ替えても良い。様々な磁気浮上方式、磁気制御変速機の制御方式を採用することができる。全置換型人工心臓のみならず、補助人工心臓や工業用ポンプでも、その回転数制御に応用可能である。
　１００：人工心臓
　２００：右心ポンプ
　２１０：流入口
　２２０：吐出口
　２３０：インペラ
　３００：左心ポンプ
　３１０：流入口
　３２０：吐出口
　３３０：インペラ
　４００：磁気制御変速機
　４１０：磁気軸受
　４２０：モータ
　５００：回転軸
　５１０：入力シャフト
　５２０：出力シャフト
　５３０：嵌合部
　５４０：ＭＲ流体
　５５０：突起
　６００：磁界生成手段
　６１０：コイル
　６２０：ヨーク
　６３０：磁束
　６４０：永久磁石
　６５０：制御磁束
　６６０：バイアス磁束
　６７０：磁束領域

Claims (7)

  1. 　モータの回転を第１インペラに伝達する入力シャフトと、
    　磁気軸受で支持された第２インペラに前記入力シャフトの回転を伝達する出力シャフトと、
    　前記入力シャフトと前記出力シャフトとの嵌合部に介在させたＭＲ流体と、を有し、
    　前記ＭＲ流体の粘度を変動させることで、前記入力シャフトから前記出力シャフトに伝達される回転数を制御する、
    　ことを特徴とする磁気制御変速機。
  2. 　前記ＭＲ流体に制御磁束を流すことで前記ＭＲ流体の粘度を増大させ、前記出力シャフトの回転数を上げる、
    　ことを特徴とする請求項１に記載の磁気制御変速機。
  3. 　前記ＭＲ流体の粘度を増大させるときはバイアス磁束と同方向に前記制御磁束を流し、前記ＭＲ流体の粘度を減少させるときはバイアス磁束と逆方向に前記制御磁束を流す、
    　ことを特徴とする請求項２に記載の磁気制御変速機。
  4. 　一定磁場下で前記入力シャフト及び前記出力シャフトを軸方向に移動させることで、前記ＭＲ流体に流す制御磁束を変動させる、
    　ことを特徴とする請求項１に記載の磁気制御変速機。
  5. 　前記磁気軸受又は前記モータで生じる磁束を利用して前記ＭＲ流体の粘度を変動させる、
    　ことを特徴とする請求項１に記載の磁気制御変速機。
  6. 　請求項１乃至５の何れか一に記載の磁気制御変速機を備えた人工心臓であって、
    　前記入力シャフト又は前記出力シャフトに接続された左心ポンプと、
    　前記出力シャフト又は前記入力シャフトに接続された右心ポンプと、を有し、
    　前記ＭＲ流体の粘度を変動させることで、前記左心ポンプと前記右心ポンプの流量を独立制御する、
    　ことを特徴とする人工心臓。
  7. 　前記左心ポンプと前記右心ポンプの圧力差により前記入力シャフト及び前記出力シャフトを移動させることにより、前記ＭＲ流体の粘度を変動させる、
    　ことを特徴とする請求項６に記載の人工心臓。
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