JP5347171B2 - 遠心式ポンプ装置 - Google Patents

Description

この発明は遠心式ポンプ装置に関し、特に、回転時の遠心力によって液体を送るインペラを備えた遠心式ポンプ装置に関する。

近年、人工心肺装置の血液循環装置として、外部モータの駆動トルクを磁気結合を用いて血液室内のインペラに伝達する遠心式血液ポンプ装置を使用する例が増加している。この遠心式血液ポンプ装置によれば、外部と血液室との物理的な連通を排除することができ、細菌などの血液への侵入を防止することができる。

特許文献１の遠心式血液ポンプは、第１および第２の隔壁によって仕切られた第１〜第３の室を含むハウジングと、第２の室（血液室）内に回転可能に設けられたインペラと、インペラの一方面に設けられた磁性体と、インペラの一方面に対向して第１の室内に設けられた電磁石と、インペラの他方面に設けられた永久磁石と、第３の室内に設けられたロータおよびモータと、インペラの他方面に対向してロータに設けられた永久磁石とを備える。インペラの他方面に対向する第２の隔壁の表面には、動圧溝が形成されている。電磁石からインペラの一方面に作用する吸引力と、ロータの永久磁石からインペラの他方面に作用する吸引力と、動圧溝の動圧軸受効果により、インペラは第２の室の内壁から離れ、非接触状態で回転する。

また、特許文献２の遠心式血液ポンプは、第１および第２の隔壁によって仕切られた第１〜第３の室を含むハウジングと、第２の室（血液室）内に回転可能に設けられたインペラと、インペラの一方面に設けられた磁性体と、インペラの一方面に対向して第１の室内に設けられた第１の永久磁石と、インペラの他方面に設けられた第２の永久磁石と、第３の室内に設けられたロータおよびモータと、インペラの他方面に対向してロータに設けられた第３の永久磁石とを備える。インペラの一方面に対向する第１の隔壁の表面には第１の動圧軸が形成され、インペラの他方面に対向する第２の隔壁の表面には第２の動圧溝が形成されている。第１の永久磁石からインペラの一方面に作用する吸引力と、ロータの第３の永久磁石からインペラの他方面に作用する吸引力と、第１および第２の動圧溝の動圧軸受効果により、インペラは第２の室の内壁から離れ、非接触状態で回転する。

また、特許文献３の図８および図９のターボ形ポンプは、ハウジングと、ハウジング内に回転可能に設けられたインペラと、インペラの一方面に設けられた第１の永久磁石と、ハウジングの外部に設けられたロータと、インペラの一方面に対向してロータに設けられた第２の永久磁石と、インペラの他方面に設けられた第３の永久磁石と、インペラの他方面に対向してハウジングに設けられた磁性体とを備えている。また、インペラの一方面には第１の動圧溝が形成され、インペラの他方面には第２の動圧溝が形成されている。ロータの第２の永久磁石からインペラの一方面に作用する吸引力と、ハウジングの磁性体からインペラの他方面に作用する吸引力と、第１および第２の動圧溝の動圧軸受効果により、インペラはハウジングの内壁から離れ、非接触状態で回転する。

さらに、特許文献４のクリーンポンプは、ケーシングと、ケーシング内に回転可能に設けられたインペラと、インペラの一方面に設けられた第１の永久磁石と、ケーシングの外部に設けられたロータと、インペラの一方面に対向してロータに設けられた第２の永久磁石と、インペラの他方面に設けられた磁性体と、インペラの他方面に対向してハウジング外に設けられた電磁石とを備えている。また、インペラの一方面には動圧溝が形成されている。

インペラの回転数が所定の回転数よりも低い場合は電磁石を作動させ、インペラの回転数が所定の回転数を超えた場合は電磁石への通電を停止する。ロータの第２の永久磁石からインペラの一方面に作用する吸引力と、動圧溝の動圧軸受効果により、インペラはハウジングの内壁から離れ、非接触状態で回転する。
特開平２００４−２０９２４０号公報 特開平２００６−１６７１７３号公報 特開平４−９１３９６号公報 実開平６−５３７９０号公報

上記特許文献１〜４のポンプは、インペラとハウジングの対向部に形成された動圧溝によってインペラのアキシアル方向の支持を行ない、インペラに設けられた永久磁石とハウジング外に設けられた永久磁石との吸引力によってインペラのラジアル方向の支持を行なっている点で共通する。

動圧溝の支持剛性は、インペラの回転数に比例する。したがって、ポンプに外乱が印加された状態でも、インペラがハウジングに接触することなく安定して回転するためには、ポンプの常用回転数域を上げてインペラのアキシアル方向の剛性を高める必要がある。しかし、上記特許文献１〜４のポンプでは、ラジアル方向を永久磁石の吸引力を利用して支持しているので、その支持剛性は低く、インペラを高速に回転させることができないと言う問題がある。

このラジアル方向の剛性を高める方法としては、インペラ内の永久磁石とハウジングの外部に配した永久磁石もしくは固定子との吸引力を強める方法がある。しかし、その吸引力を強めると、インペラのアキシアル方向への負の剛性値が大きくなり（すなわち、インペラがアキシアル方向に動けば、その動いただけその吸引力が大きくなり）、動圧によるインペラの支持性能およびインペラ−ハウジング間に作用する吸引力が大きくなり、インペラのスムーズな回転駆動が難しくなると言う問題がある。

特に、特許文献２の図３９で示されるように、インペラを外部のモータコイルとインペラに配した永久磁石の磁気的相互作用で回転させる場合は、特許文献２の図３に示されるようなインペラを永久磁石間の磁気カップリングで回転駆動させる場合に比べて起動トルクが小さいので、インペラのスムーズな回転駆動が難しい。

これに対処するため、特許文献２では、インペラを所定の方向に付勢させるための電磁石や、永久磁石の磁力を変化させるための磁力調整用コイルを設け、それらをインペラの回転起動時に作動させてインペラの起動をスムーズにする方法も提案がされている。しかし、このような対処法では、電磁石やコイルといった新たに専用の部材を必要とすることからポンプサイズが大きくなり、構成部品が増えることから信頼性が低下すると言う問題があった。これらの問題は、人工心臓などで使用する血液ポンプにとっては重要な問題である。また、動圧軸受はインペラの位置制御を能動的に行なうものでないので、インペラの回転数とポンプ流体の粘度によってインペラの位置が変化する可能性がある。インペラの位置を計測するために新たなセンサを追加すると、構成部品が増えて信頼性が低下してしまう。これらの問題は、人工心臓などで使用する血液ポンプにとっては重要な問題である。

それゆえに、この発明の主たる目的は、インペラを高速で回転させることができ、インペラをスムーズに回転起動させることでき、構成部品を増やすことなくインペラの位置を検出することが可能な小型の遠心式ポンプ装置を提供することである。

この発明に係る遠心式ポンプ装置は、隔壁で仕切られた第１および第２の室を含むハウジングと、第１の室内において隔壁に沿って回転可能に設けられ、回転時の遠心力によって液体を送るインペラと、第２の室内に設けられ、隔壁を介してインペラを回転駆動させる駆動手段とを備えた遠心式ポンプ装置において、インペラの一方面に設けられた第１の磁性体と、インペラの一方面に対向する第１の室の内壁に設けられ、第１の磁性体を吸引する第２の磁性体と、インペラの他方面に設けられ、隣接する磁極が互いに異なるように同一の円に沿って配置された複数の第３の磁性体とを備えたものである。駆動手段は、複数の第３の磁性体に対向して配置された複数の第４の磁性体と、それぞれ複数の第４の磁性体に対応して設けられて各々が対応の第４の磁性体に巻回され、回転磁界を生成するための複数のコイルとを含む。インペラの回転中において、第１および第２の磁性体間の第１の吸引力と複数の第３の磁性体および複数の第４の磁性体間の第２の吸引力とは、第１の室内におけるインペラの可動範囲の略中央で釣り合う。インペラの一方面またはそれに対向する第１の室の内壁に第１の動圧溝が形成され、インペラの他方面またはそれに対向する隔壁に第２の動圧溝が形成されている。この遠心式ポンプ装置は、さらに、各コイルに印加される電圧を検出する第１の検出手段と、各コイルに流れる電流を検出する第２の検出手段と、第１および第２の検出手段の検出結果とインペラの回転数を示す情報とに基づいて、第１の室内におけるインペラのアキシアル方向の位置を求める演算手段とを備える。

したがって、駆動手段の各コイル内に第４の磁性体を設け、この第４の磁性体とインペラの第３の磁性体とを磁気的に結合するので、コイル電流を調整することにより、インペラを高速で回転させることができ、また、ポンプサイズを小型に維持しながら、インペラの回転起動力を大きくすることができる。

また、コイル電圧とコイル電流とインペラの回転数を示す情報とに基づいてインペラのアキシアル方向の位置を求めるので、ハウジング内の部品点数を増やすことなく、ハウジングの寸法を維持した状態で、インペラの浮上状態を監視することができ、装置の信頼性の向上を図ることができる。

好ましくは、演算手段は、第１の検出手段によって検出された電圧と第２の検出手段によって検出された電流との比を求め、その比とインペラの回転数を示す情報とに基づいて、第１の室内におけるインペラのアキシアル方向の位置を求める。

また好ましくは、さらに、演算手段によって求められたインペラのアキシアル方向の位置が正常範囲内か否かを判定し、判定結果を示す信号を出力する判定手段を備える。

また好ましくは、さらに、演算手段によって求められたインペラのアキシアル方向の位置とインペラの回転数を示す情報とに基づいて、インペラのアキシアル方向の位置が正常範囲内か否かを判定し、判定結果を示す信号を出力する判定手段を備える。

また好ましくは、さらに、演算手段によって求められたインペラのアキシアル方向の位置とインペラの回転数を示す情報と液体の粘度情報とに基づいて、インペラのアキシアル方向の位置が正常範囲内か否かを判定し、判定結果を示す信号を出力する判定手段を備える。

また好ましくは、液体は血液であり、遠心式ポンプ装置は、血液を循環させるために使用される。この場合は、インペラがスムーズに回転起動し、インペラとハウジング間の距離が確保されるので、溶血の発生を防止することができる。

以上のように、この発明によれば、インペラを高速で回転させることができ、ポンプサイズを小型に維持しながら、インペラの回転起動力を大きくすることができる。また、インペラをスムーズに回転起動させることができる。また、ハウジング内の部品点数を増やすことなく、ハウジングの寸法を維持した状態で、インペラの浮上状態を監視することができ、装置の信頼性の向上を図ることができる。また、血液を循環させる場合には、溶血を避けることができる。

[実施の形態１]
図１は、この発明の実施の形態１による遠心式血液ポンプ装置のポンプ部１の外観を示す正面図であり、図２はその側面図である。図３は図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図であり、図４は図３のＩＶ−ＩＶ線断面図であり、図５は図３のＩＶ−ＩＶ線断面図からインペラを取り外した状態を示す断面図である。図６は図３のＶＩ−ＶＩ線断面図からインペラを取り外した状態を示す断面図であり、図７は図３のＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図である。

図１〜図７において、この遠心式血液ポンプ装置のポンプ部１は、非磁性材料で形成されたハウジング２を備える。ハウジング２は、円柱状の本体部３と、本体部３の一方の端面の中央に立設された円筒状の血液流入ポート４と、本体部３の外周面に設けられた円筒状の血液流出ポート５とを含む。血液流出ポート５は、本体部３の外周面の接線方向に延在している。

ハウジング２内には、図３に示すように、隔壁６によって仕切られた血液室７およびモータ室８が設けられている。血液室７内には、図３および図４に示すように、中央に貫通孔１０ａを有する円板状のインペラ１０が回転可能に設けられている。インペラ１０は、ドーナツ板状の２枚のシュラウド１１，１２と、２枚のシュラウド１１，１２間に形成された複数（たとえば６つ）のベーン１３とを含む。シュラウド１１は血液流入ポート４側に配置され、シュラウド１２は隔壁６側に配置される。シュラウド１１，１２およびベーン１３は、非磁性材料で形成されている。

２枚のシュラウド１１，１２の間には、複数のベーン１３で仕切られた複数（この場合は６つ）の血液通路１４が形成されている。血液通路１４は、図４に示すように、インペラ１０の中央の貫通孔１０ａと連通しており、インペラ１０の貫通孔１０ａを始端とし、外周縁まで徐々に幅が広がるように延びている。換言すれば、隣接する２つの血液通路１４間にベーン１３が形成されている。なお、この実施の形態１では、複数のベーン１３は等角度間隔で設けられ、かつ同じ形状に形成されている。したがって、複数の血液通路１４は等角度間隔で設けられ、かつ同じ形状に形成されている。

インペラ１０が回転駆動されると、血液流入ポート４から流入した血液は、遠心力によって貫通孔１０ａから血液通路１４を介してインペラ１０の外周部に送られ、血液流出ポート５から流出する。

また、シュラウド１１には永久磁石１５が埋設されており、シュラウド１１に対向する血液室７の内壁には、永久磁石１５を吸引する永久磁石１６が埋設されている。永久磁石１５，１６は、インペラ１０をモータ室８と反対側、換言すれば血液流入ポート４側に吸引（換言すれば、付勢）するために設けられている。

なお、シュラウド１１および血液室７の内壁にそれぞれ永久磁石１５，１６を設ける代わりに、シュラウド１１および血液室７の内壁の一方に永久磁石を設け、他方に磁性体を設けてもよい。また、シュラウド１１自体を永久磁石１５または磁性体で形成してもよい。また、磁性体としては軟質磁性体と硬質磁性体のいずれを使用してもよい。

また、永久磁石１６は、１つでもよいし、複数でもよい。永久磁石１６が１つの場合は、永久磁石１６はリング状に形成される。また、永久磁石１６が複数の場合は、複数の永久磁石１６は等角度間隔で同一の円に沿って配置される。永久磁石１５も、永久磁石１６と同様であり、１つでもよいし、複数でもよい。

また、図４に示すように、シュラウド１２には複数（たとえば８個）の永久磁石１７が埋設されている。複数の永久磁石１７は、隣接する磁極が互いに異なるようにして、等角度間隔で同一の円に沿って配置される。換言すれば、モータ室８側にＮ極を向けた永久磁石１７と、モータ室８側にＳ極を向けた永久磁石１７とが等角度間隔で同一の円に沿って交互に配置されている。

また、図７に示すように、モータ室８内には、複数（たとえば９個）の磁性体１８が設けられている。複数の磁性体１８は、インペラ１０の複数の永久磁石１７に対向して、等角度間隔で同一の円に沿って配置される。複数の磁性体１８の基端は、円板状の１つの継鉄１９に接合されている。各磁性体１８には、コイル２０が巻回されている。

ここで、複数の磁性体１８は、同じ寸法の３角柱状に形成されている。また、複数の磁性体１８の周囲にはコイル２０を巻回するためのスペースが均等に確保され、各隣接する２つの磁性体１８の互いに対向する面は略平行に設けられている。このため、コイル２０用の大きなスペースを確保することができ、コイル２０の巻数を大きくすることができる。したがって、インペラ１０を回転駆動させるための大きなトルクを発生することができる。また、コイル２０で発生する銅損を軽減することができ、インペラ１０の回転駆動におけるエネルギ効率を高めることができる。

なお、複数の磁性体１８を囲む外形面（図７では、複数の磁性体１８の外周を囲む円）は、複数の永久磁石１７を囲む外形面（図４では、複数の磁性体１８の外周を囲む円）に一致していてもよいし、複数の磁性体１８を囲む外形面が複数の永久磁石１７を囲む外形面よりも大きくてもよい。また、磁性体１８は、ポンプ１の最大定格（インペラ１０の回転駆動トルクが最大の条件）において、磁気的な飽和がないように設計することが好ましい。

９個のコイル２０には、たとえば１２０度通電方式で電圧が印加される。すなわち、９個のコイル２０は、３個ずつグループ化される。各グループの第１〜第３のコイル２０には、図８に示すような電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷが印加される。第１のコイル２０には、０〜１２０度の期間に正電圧が印加され、１２０〜１８０度の期間に０Ｖが印加され、１８０〜３００度の期間に負電圧が印加され、３００〜３６０度の期間に０Ｖが印加される。したがって、第１のコイル２０が巻回された磁性体１８の先端面（インペラ１０側の端面）は、０〜１２０度の期間にＮ極になり、１８０〜３００度の期間にＳ極になる。電圧ＶＶの位相は電圧ＶＵよりも１２０度遅れており、電圧ＶＷの位相は電圧ＶＶよりも１２０度遅れている。したがって、第１〜第３のコイル２０にそれぞれ電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷを印加することにより、回転磁界を形成することができ、複数の磁性体１８とインペラ１０の複数の永久磁石１７との吸引力および反発力により、インペラ１０を回転させることができる。

ここで、インペラ１０が定格回転数で回転している場合は、永久磁石１５，１６間の吸引力と複数の永久磁石１７および複数の磁性体１８間の吸引力とは、血液室７内におけるインペラ１０の可動範囲の略中央付近で釣り合うようにされている。このため、インペラ１０のいかなる可動範囲においてもインペラ１０への吸引力による作用力は非常に小さい。その結果、インペラ１０の回転起動時に発生するインペラ１０とハウジング２との相対すべり時の摩擦抵抗を小さくすることができる。また、相対すべり時におけるインペラ１０とハウジング２の内壁の表面の損傷（表面の凹凸）はなく、さらに低速回転時の動圧力が小さい場合にもインペラ１０はハウジング２から浮上し易くなり、非接触の状態となる。したがって、インペラ１０とハウジング２との相対すべりによって溶血・血栓が発生したり、相対すべり時に発生したわずかな表面損傷（凹凸）によって血栓が発生することもない。

また、インペラ１０のシュラウド１２に対向する隔壁６の表面には複数の動圧溝２１が形成され、シュラウド１１に対向する血液室７の内壁には複数の動圧溝２２が形成されている。インペラ１０の回転数が所定の回転数を超えると、動圧溝２１，２２の各々とインペラ１０との間に動圧軸受効果が発生する。これにより、動圧溝２１，２２の各々からインペラ１０に対して抗力が発生し、インペラ１０は血液室７内で非接触状態で回転する。

詳しく説明すると、複数の動圧溝２１は、図５に示すように、インペラ１０のシュラウド１２に対応する大きさに形成されている。各動圧溝２１は、隔壁６の中心から若干離間した円形部分の周縁（円周）上に一端を有し、渦状に（換言すれば、湾曲して）隔壁６の外縁付近まで、幅が徐々に広がるように延びている。また、複数の動圧溝２１は略同じ形状であり、かつ略同じ間隔に配置されている。動圧溝２１は凹部であり、動圧溝２１の深さは０．００５〜０．４ｍｍ程度であることが好ましい。動圧溝２１の数は、６〜３６個程度であることが好ましい。

図５では、１０個の動圧溝２１がインペラ１０の中心軸に対して等角度で配置されている。動圧溝２１は、いわゆる内向スパイラル溝形状となっているので、インペラ１０が時計方向に回転すると、動圧溝２１の外径部から内径部に向けて液体の圧力が高くなる。このため、インペラ１０と隔壁６の間に反発力が発生し、これが動圧力となる。

なお、動圧溝２１を隔壁６に設ける代わりに、動圧溝２１をインペラ１０のシュラウド１２の表面に設けてもよい。

このように、インペラ１０と複数の動圧溝２１の間に形成される動圧軸受効果により、インペラ１０は隔壁６から離れ、非接触状態で回転する。このため、インペラ１０と隔壁６の間に血液流路が確保され、両者間での血液滞留およびそれに起因する血栓の発生が防止される。さらに、通常状態において、動圧溝２１が、インペラ１０と隔壁６の間において撹拌作用を発揮するので、両者間における部分的な血液滞留の発生を防止することができる。

また、動圧溝２１の角の部分は、少なくとも０．０５ｍｍ以上のＲを持つように丸められていることが好ましい。これにより、溶血の発生をより少なくすることができる。

また、複数の動圧溝２２は、図６に示すように、複数の動圧溝２１と同様、インペラ１０のシュラウド１１に対応する大きさに形成されている。各動圧溝２２は、血液室７の内壁の中心から若干離間した円形部分の周縁（円周）上に一端を有し、渦状に（換言すれば、湾曲して）血液室７の内壁の外縁付近まで、幅が徐々に広がるように延びている。また、複数の動圧溝２２は、略同じ形状であり、かつ略同じ間隔で配置されている。動圧溝２２は凹部であり、動圧溝２２の深さは０．００５〜０．４ｍｍ程度があることが好ましい。動圧溝２２の数は、６〜３６個程度であることが好ましい。図６では、１０個の動圧溝２２がインペラ１０の中心軸に対して等角度に配置されている。

なお、動圧溝２２は、血液室７の内壁側ではなく、インペラ１０のシュラウド１１の表面に設けてもよい。また、動圧溝２２の角となる部分は、少なくとも０．０５ｍｍ以上のＲを持つように丸められていることが好ましい。これにより、溶血の発生をより少なくすることができる。

このように、インペラ１０と複数の動圧溝２２の間に形成される動圧軸受効果により、インペラ１０は血液室７の内壁から離れ、非接触状態で回転する。また、ポンプ部１が外的衝撃を受けたときや、動圧溝２１による動圧力が過剰となったときに、インペラ１０の血液室７の内壁への密着を防止することができる。動圧溝２１によって発生する動圧力と動圧溝２２によって発生する動圧力は異なるものとなっていてもよい。

インペラ１０のシュラウド１２と隔壁６との隙間と、インペラ１０のシュラウド１１と血液室７の内壁との隙間とが略同じ状態でインペラ１０が回転することが好ましい。インペラ１０に作用する流体力などの外乱が大きく、一方の隙間が狭くなる場合には、その狭くなる側の動圧溝による動圧力を他方の動圧溝による動圧力よりも大きくし、両隙間を略同じにするため、動圧溝２１と２２の形状を異ならせることが好ましい。

なお、図５および図６では、動圧溝２１，２２の各々を内向スパイラル溝形状としたが、他の形状の動圧溝２１，２２を使用することも可能である。ただし、血液を循環させる場合は、血液をスムーズに流すことが可能な内向スパイラル溝形状の動圧溝２１，２２を採用することが好ましい。

図９は、永久磁石１５，１６間の吸引力Ｆ１と永久磁石１７および磁性体１８間の吸引力Ｆ２との合力の大きさが、インペラ１０の血液室７内の可動範囲の中央位置以外の位置Ｐ１でゼロとなるように調整した場合にインペラ１０に作用する力を示す図である。ただし、インペラ１０の回転数は定格値に保たれている。

すなわち、永久磁石１５，１６間の吸引力Ｆ１が永久磁石１７および磁性体１８間の吸引力Ｆ２よりも小さく設定され、それらの合力がゼロとなるインペラ１０の浮上位置はインペラ可動範囲の中間よりも隔壁６側にあるものとする。動圧溝２１，２２の形状は同じである。

図９の横軸はインペラ１０の位置（図中の左側が隔壁６側）を示し、縦軸はインペラ１０に対する作用力を示している。インペラ１０への作用力が隔壁６側に働くとき、その作用力をマイナスとしている。インペラ１０に対する作用力としては、永久磁石１５，１６間の吸引力Ｆ１と、永久磁石１７および磁性体１８間の吸引力Ｆ２と、動圧溝２１の動圧力Ｆ３と、動圧溝２２の動圧力Ｆ４と、それらの合力である「インペラに作用する正味の力Ｆ５」を示した。

図９から分かるように、インペラ１０に作用する正味の力Ｆ５がゼロとなる位置で、インペラ１０の浮上位置はインペラ１０の可動範囲の中央位置から大きくずれている。その結果、回転中のインペラ１０と隔壁６の間の距離は狭まり、インペラ１０に対して小さな外乱力が作用してもインペラ１０は隔壁６に接触してしまう。

これに対して図１０は、永久磁石１５，１６間の吸引力Ｆ１と永久磁石１７および磁性体１８間の吸引力Ｆ２との合力の大きさが、インペラ１０の血液室７内の可動範囲の中央位置Ｐ０でゼロとなるように調整した場合にインペラ１０に作用する力を示す図である。この場合も、インペラ１０の回転数は定格値に保たれている。

すなわち、永久磁石１５，１６間の吸引力Ｆ１と永久磁石１７および磁性体１８間の吸引力Ｆ２とは略同じに設定されている。また、動圧溝２１，２２の形状は同じにされている。この場合は、図９の場合と比較して、インペラ１０の浮上位置に対する支持剛性が高くなる。また、インペラ１０に作用する正味の力Ｆ５は可動範囲の中央でゼロとなっているので、インペラ１０に対し外乱力が作用しない場合にはインペラ１０は中央位置で浮上する。

このように、インペラ１０の浮上位置は、永久磁石１５，１６間の吸引力Ｆ１と、永久磁石１７および磁性体１８間の吸引力Ｆ２と、インペラ１０の回転時に動圧溝２１，２２で発生する動圧力Ｆ３，Ｆ４との釣り合いで決まる。Ｆ１とＦ２を略同じにし、動圧溝２１，２２の形状を同じにすることにより、インペラ１０の回転時にインペラ１０を血液室７の略中央部で浮上させることが可能となる。図３および図４に示すように、インペラ１０は２つのディスク間に羽根を形成した形状を有するので、ハウジング２の内壁に対向する２つの面を同一形状および同一寸法にすることができる。したがって、略同一の動圧性能を有する動圧溝２１，２２をインペラ１０の両側に設けることは可能である。

この場合、インペラ１０は血液室７の中央位置で浮上するので、インペラ１０はハウジング２の内壁から最も離れた位置に保持される。その結果、インペラ１０の浮上時にインペラ１０に外乱力が印加されて、インペラ１０の浮上位置が変化しても、インペラ１０とハウジング２の内壁とが接触する可能性が小さくなり、それらの接触によって血栓や溶血が発生する可能性も低くなる。

なお、図９および図１０の例では、２つの動圧溝２１，２２の形状は同じであるとしたが、動圧溝２１，２２の形状を異なるものとし、動圧溝２１，２２の動圧性能を異なるものとしてもよい。たとえば、ポンピングの際に流体力などによってインペラ１０に対して常に一方方向の外乱が作用する場合には、その外乱の方向にある動圧溝の性能を他方の動圧溝の性能より高めておくこととにより、インペラ１０をハウジング２の中央位置で浮上回転させることが可能となる。この結果、インペラ１０とハウジング２との接触確率を低く抑えることができ、インペラ１０の安定した浮上性能を得ることができる。

また、永久磁石１５，１６間の吸引力Ｆ１と、永久磁石１７および磁性体１８間の吸引力Ｆ２とによって構成されるインペラ１０のアキシアル方向への負の支持剛性値の絶対値をＫａとし、ラジアル方向の正の剛性値の絶対値をＫｒとし、インペラ１０が回転する常用回転数領域において２つの動圧溝２１，２２で得られる正の剛性値の絶対値をＫｇとすると、Ｋｇ＞Ｋａ＋Ｋｒの関係を満たすことが好ましい。

具体的には、アキシアル方向の負の剛性値の絶対値Ｋａを２００００Ｎ／ｍとし、ラジアル方向の正の剛性値の絶対値Ｋｒを１００００Ｎ／ｍとした場合、インペラ１０が通常回転する回転数領域で２つの動圧溝２１，２２によって得られる正の剛性値の絶対値Ｋｇは３００００Ｎ／ｍを超える値に設定される。

インペラ１０のアキシアル支持剛性は動圧溝２１，２２で発生する動圧力に起因する剛性から磁性体間の吸引力などによる負の剛性を引いた値であるから、Ｋｇ＞Ｋａ＋Ｋｒの関係を持つことで、インペラ１０のラジアル方向の支持剛性よりもアキシアル方向の支持剛性を高めることができる。このように設定することにより、インペラ１０に対して外乱力が作用した場合に、インペラ１０のラジアル方向への動きよりもアキシアル方向への動きを抑制することができ、動圧溝２１の形成部でのインペラ１０とハウジング２との機械的な接触を避けることができる。

特に、動圧溝２１，２２は、図３および図５で示したように平面に凹設されているので、インペラ１０の回転中にこの部分でハウジング２とインペラ１０との機械的接触があると、インペラ１０およびハウジング２の内壁のいずれか一方または両方の表面に傷（表面の凹凸）が生じてしまい、この部位を血液が通過すると、血栓発生および溶血の原因となる可能性もあった。この動圧溝２１，２２での機械的接触を防ぎ、血栓および溶血を抑制するために、ラジアル方向の剛性よりもアキシアル方向の剛性を高める効果は高い。

また、インペラ１０にアンバランスがあると回転時にインペラ１０に振れ回りが生ずるが、この振れ回りはインペラ１０の質量とインペラ１０の支持剛性値で決定される固有振動数とインペラ１０の回転数が一致した場合に最大となる。

このポンプ部１では、インペラ１０のアキシアル方向の支持剛性よりもラジアル方向の支持剛性を小さくしているので、インペラ１０の最高回転数をラジアル方向の固有振動数以下に設定することが好ましい。そこで、インペラ１０とハウジング２との機械的接触を防ぐため、永久磁石１５，１６間の吸引力Ｆ１と永久磁石１７および磁性体１８間の吸引力Ｆ２によって構成されるインペラ１０のラジアル剛性値をＫｒ（Ｎ／ｍ）とし、インペラ１０の質量をｍ（ｋｇ）とし、インペラの回転数をω（ｒａｄ／ｓ）とした場合、ω＜（Ｋｒ／ｍ）^０．５の関係を満たすことが好ましい。

具体的には、インペラ１０の質量が０．０３ｋｇであり、ラジアル剛性値が２０００Ｎ／ｍである場合、インペラ１０の最高回転数は２５８ｒａｄ／ｓ（２４６５ｒｐｍ）以下に設定される。逆に、インペラ１０の最高回転数を３６６ｒａｄ／ｓ（３５００ｒｐｍ）と設定した場合には、ラジアル剛性は４０１８Ｎ／ｍ以上に設定される。

さらに、このωの８０％以下にインペラ１０の最高回転数を設定することが好ましい。具体的には、インペラ１０の質量が０．０３ｋｇであり、ラジアル剛性値が２０００Ｎ／ｍである場合には、その最高回転数は２０６．４ｒａｄ／ｓ（１９７１ｒｐｍ）以下に設定される。逆に、インペラ１０の最高回転数を３６６ｒａｄ／ｓ（３５００ｒｐｍ）としたい場合には、ラジアル剛性値が６２７９Ｎ／ｍ以上に設定される。このようにインペラ１０の最高回転数を設定することで、インペラ１０の回転中におけるインペラ１０とハウジング２の接触を抑えることができる。

また、永久磁石１５，１６間の吸引力Ｆ１と、永久磁石１７および磁性体１８間の吸引力Ｆ２とによって構成されるインペラ１０のアキシアル方向の負の剛性値よりも動圧溝２１，２２の動圧力による剛性が大きくなった場合にインペラ１０とハウジング２は非接触の状態となる。したがって、この負の剛性値を極力小さくすることが好ましい。そこで、この負の剛性値を小さく抑えるため、永久磁石１５，１６の対向面のサイズを異ならせることが好ましい。たとえば、永久磁石１６のサイズを永久磁石１５よりも小さくすることにより、両者間の距離によって変化する吸引力の変化割合、すなわち負の剛性を小さく抑えることができ、インペラ支持剛性の低下を防ぐことができる。

また、インペラ１０の回転起動前に、インペラ１０が隔壁６に接触していることを確認してから、インペラ１０を回転起動させることが好ましい。

すなわち、インペラ１０の非回転時では、動圧溝２１，２２による非接触支持はされず、さらに、永久磁石１５，１６間の吸引力Ｆ１と、永久磁石１７および磁性体１８間の吸引力Ｆ２によってインペラ１０とハウジング２とは高い面圧で接触している。また、このポンプ部１のように、インペラ１０をモータ室８内のコイル２０および磁性体１８とインペラ１０の永久磁石１７との磁気的相互作用で回転させる場合は、特許文献２の図３に示すようなインペラを永久磁石間の磁気カップリングで回転駆動させる場合に比べて、起動トルクが小さい。したがって、インペラ１０をスムーズに回転起動させることは難しい。

しかし、インペラ１０のシュラウド１２が隔壁６と接触している場合は、インペラ１０のシュラウド１１が血液室７の内壁に接触している場合に比べ、インペラ１０の永久磁石１７とモータ室８内の磁性体１８とが近接しているので、インペラ１０の起動時の回転トルクを高めることができ、インペラ１０をスムーズに回転起動させることができる。

ところが、上述の通り、インペラ１０の回転時には、永久磁石１５，１６間の吸引力Ｆ１と、永久磁石１７および磁性体１８間の吸引力Ｆ２とは、インペラ１０の位置がインペラ１０の可動範囲の中央付近にて釣り合うように設定されているので、インペラ１０の停止時にインペラ１０が必ずしも隔壁６に接触しているとは限らない。

そこで、この遠心式血液ポンプ装置では、インペラ１０を回転起動させる前にインペラ１０を隔壁６側に移動させる手段が設けられる。具体的には、永久磁石１７および磁性体１８間の吸引力Ｆ２が大きくなるように複数のコイル２０に電流を流し、インペラ１０を隔壁６側に移動させる。

図１１は、ポンプ部１を制御するコントローラ２５の構成を示すブロック図である。図１１において、コントローラ２５は、モータ制御回路２６、パワーアンプ２７、電流検出部２８、電圧検出部２９、記憶部３０、および比較演算部３１を含む。モータ制御回路２６は、たとえば１２０度通電方式の３相の制御信号を出力する。パワーアンプ２７は、モータ制御回路２６からの３相の制御信号を増幅して、図８で示した３相電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷを生成する。３相電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷは、電流検出部２８および電圧検出部１９を介して、図７および図８で説明した第１〜第３のコイル２０にそれぞれ印加される。通常の運転時は、これにより、インペラ１０が可動範囲の中央位置で所定の回転数で回転する。

電流検出部２８は、コイル２０に流れる電流Ｉを検出する。電圧検出部２９は、コイル２０に印加される電圧Ｖを検出する。電流検出部２８は、たとえば、パワーアンプ２７の出力端子とコイル２０との間に挿入された抵抗素子と、その抵抗素子の電圧降下を検出する電圧計と、電圧計の検出結果に基づいて電流Ｉを求める演算部とを含む。また、電流検出部２８は、電流プローブを用いて電流Ｉを検出するものでもよい。また、電圧検出部２９は、たとえば、コイル２０の入力端子と接地電圧のラインとの間の電圧を検出するオペアンプを含む。

図１２は、永久磁石１７および磁性体１８間のアキシアルギャップとＩ／Ｖとの関係を示す図である。図１２において、アキシアルギャップはインペラ１０の血液室７内での浮上位置によって変化し、アキシアルギャップが変化するとコイル２０のインダクタンスが変化し、コイル２０に印加される電圧Ｖが変化する。インペラ１０が可動範囲の中央に位置している場合はＩ／Ｖは所定値であり、インペラ１０の浮上位置が磁性体１８側に移動するとＩ／Ｖの値が減少し、インペラ１０の浮上位置が永久磁石１６側に移動するとＩ／Ｖの値が増大する。したがって、Ｉ／Ｖの検出値と図１２に示す曲線からアキシアルギャップを求めることができる。

図１１に戻って、記憶部３０には、図１２に示す曲線が記憶されている。曲線は、Ｉ／Ｖとアキシアルギャップの関係を示すテーブルとして記憶されていてもよいし、Ｉ／Ｖとアキシアルギャップの関係を示す関数として記憶されていてもよい。比較演算部３１は、電流検出部２８で検出された電流Ｉと電圧検出部２９で検出された電圧ＶとからＩ／Ｖを求め、さらに、そのＩ／Ｖと記憶部３０に記憶された図１２の曲線とに基づいてアキシアルギャップすなわちインペラ１０の位置を示す信号φＰを出力する。したがって、ハウジング２が光透過性の低いプラスチックや金属で形成されていてインペラ１０の挙動を目視できない場合でも、信号φＰに基づいてインペラ１０の位置が正常か否かを容易に判別することができる。

なお、Ｉ／Ｖとアキシアルギャップの関係は、インペラ１０の回転数、液体の粘度、負荷によって変化する。したがって、Ｉ／Ｖとアキシアルギャップの関係を示す曲線を、インペラ１０の回転数毎、液体の粘度毎、負荷毎、あるいはそれらの組合せ毎に記憶部３０に格納してもよい。この場合は、インペラ１０の回転数、液体の粘度、負荷、あるいはそれらの組合せを示す情報が比較演算部３１に別途与えられる。また、遠心式血液ポンプ装置の使用条件が固定されている場合は、その条件における曲線のみを記憶部３０に格納すればよい。

図１３（ａ）〜（ｃ）は、インペラ１０の回転起動時におけるコイル電流Ｉ、インペラ１０の位置、およびインペラ１０の回転数の時間変化を示すタイムチャートである。図１３（ａ）〜（ｃ）において、初期状態では、永久磁石１５，１６の吸引力によってインペラ１０のシュラウド１１が血液室７の内壁に接触しており、インペラ１０は位置ＰＡにあるものとする。この状態では、インペラ１０が回転し難いので、インペラ１０のシュラウド１２が隔壁６に接触した位置ＰＢにインペラ１０を移動させる。

時刻ｔ０において、図８で示される６パターン（０〜６０度，６０〜１２０度，…，３００〜３６０度）の電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷのうちのいずれかのパターンの電圧を第１〜第３のコイル２０に印加し、予め定められた電流Ｉ０をコイル２０に流す。コイル２０に電流Ｉ０を流すと、永久磁石１７および磁性体１８間の吸引力Ｆ２が永久磁石１５，１６間の吸引力Ｆ１よりも大きくなり、インペラ１０はほとんど回転することなく隔壁６側の位置ＰＢに移動し、インペラ１０のシュラウド１２は隔壁６に接触する。インペラ１０が位置ＰＢに移動したら、電流Ｉ０を遮断する（時刻ｔ１）。

なお、インペラ１０を回転させずに移動させるのは、インペラ１０を回転させながら隔壁６側の位置ＰＢに移動させようとしても、動圧溝２１の動圧軸受効果によってインペラ１０の移動が妨げられるからである。また、インペラ１０の血液室７内の位置を検出するセンサを設け、インペラ１０が隔壁６に接触したことを確認した後に、電流Ｉ０を遮断することが好ましい。

次に、図８で説明した第１〜第３のコイル２０に３相電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷを印加し、コイル電流Ｉを予め定められた定格値まで徐々に上昇させる。このとき、インペラ１０は隔壁６に接触しているので、インペラ１０はスムーズに回転する。コイル電流Ｉの上昇に伴って、インペラ１０は隔壁６側の位置ＰＢから可動範囲の中央位置に移動する。

なお、起動時に６パターン（０〜６０度，６０〜１２０度，…，３００〜３６０度）の電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷを第１〜第３のコイル２０に印加した場合、永久磁石１７と磁性体１８の吸引力が最大になるパターンは永久磁石１７と磁性体１８の位置関係によって異なる。したがって、起動時に一定パターンの電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷのみを第１〜第３のコイル２０に印加する代わりに、６パターンの電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷを第１〜第３のコイル２０に一定時間ずつ順次印加してもよい。この場合、インペラ１０は僅かに回転して（厳密には１／４回転以下、すなわち電気角で３６０度以下回転して）、隔壁６側の位置ＰＢに移動する。

また、６パターンの電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷを印加すると、第１〜第３のコイル２０のうちのいずれかのコイル２０には電流は流れず、９個の磁性体１８のうちの６個の磁性体がＮ極またはＳ極になり、残りの３個の磁性体１８には磁極は発生しない。したがって、第１〜第３のコイル２０の全てに電流が流れ、９個の磁性体１８の各々がＮ極またはＳ極になるような電圧を第１〜第３のコイル２０に印加して、永久磁石１７と磁性体１８の吸引力を強めてもよい。

また、図１４は、この実施の形態の変更例を示すブロック図である。この変更例では、インペラ１０の回転起動時とそれ以降で電源が切り換えられる。すなわち図１４において、この変更例では、図１１のパワーアンプ２７がパワーアンプ３０，３１および切換スイッチ３２で置換される。図１３の時刻ｔ０〜ｔ１では、モータ制御回路２６の出力信号がパワーアンプ３０に与えられ、パワーアンプ３０の出力電圧が切換スイッチ３２を介してコイル２０に印加され、コイル２０に電流Ｉ０が流される。時刻ｔ２以降は、モータ制御回路２６の出力信号がパワーアンプ３１に与えられ、パワーアンプ３１の出力電圧が切換スイッチ３２を介してコイル２０に印加され、コイル２０に電流が流される。

また、図１５（ａ）〜（ｃ）は、この実施の形態の他の変更例を示すタイムチャートである。図１５（ａ）〜（ｃ）において、初期状態では、インペラ１０のシュラウド１１が血液室７の内壁に接触しており、インペラ１０は位置ＰＡにあるものとする。時刻ｔ０において、予め定められた電流Ｉ１がコイル２０に流される。すなわち、モータ制御回路２６により、たとえば１２０度通電方式の３相の制御信号を生成する。パワーアンプ２７は、モータ制御回路２６からの３相の制御信号を増幅して、図８で示した３相電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷを生成する。３相電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷは、図７および図８で説明した第１〜第３のコイル２０にそれぞれ印加される。

したがって、この電流Ｉ１によってインペラ１０に回転磁界が印加される。この電流Ｉ１は、図１２の電流Ｉ０よりも大きい電流であり、インペラ１０のシュラウド１１が血液室７の内壁に接触している場合でもインペラ１０を回転起動させることが可能な電流である。回転起動が確認された後、コイル電流Iを低下させ、予め定められた定格値まで徐々に上昇させる。このようにインペラ１０が位置ＰＡ側にあった場合でも、インペラ１０の回転起動時のみにコイル２０に過大電流を流すように構成してもよい。

また、血液室７の内壁の表面および隔壁６の表面と、インペラ１０の表面との少なくとも一方にダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）膜を形成してもよい。これにより、インペラ１０と血液室７の内壁および隔壁６との摩擦力を軽減し、インペラをスムーズに回転起動することが可能になる。なお、ダイヤモンドライクカーボン膜の代わりに、フッ素系樹脂膜、パラキシリレン系樹脂膜などを形成してもよい。

また、図１６は、この実施の形態１のさらに他の変更例を示す断面図であって、図３と対比される図である。図１６において、この変更例では、対向する永久磁石１５，１６の対向面のサイズが異なる。図３では、永久磁石１５，１６の対向面のサイズが同じである場合が示されているが、永久磁石１５，１６の対向面のサイズを異ならせることにより、両者間の距離によって変化する吸引力の変化量、すなわち負の剛性を小さく抑えることができ、インペラ１０の支持剛性の低下を防ぐことができる。

また、図１７は、この実施の形態１のさらに他の変更例を示す断面図であって、図１６と対比される図である。図１７において、この変更例では、各磁性体１８の永久磁石１７に対向する先端面に磁性体３５が設けられる。この磁性体３５の永久磁石１７に対向する表面の面積は磁性体１８の先端面の面積よりも大きい。この変更例では、永久磁石１７に対する磁性体１８，３５の吸引力を大きくすることができ、インペラ１０の回転駆動におけるエネルギ効率を高めることができる。

また、図１８は、この実施の形態１のさらに他の変更例を示す断面図であって、図１６と対比される図である。図１８において、この変更例では、継鉄１９が継鉄３６で置換され、磁性体１８が磁性体３７で置換される。継鉄３６および磁性体３７の各々は、インペラ１０の回転軸の長さ方向に積層された複数の鋼板を含む。この変更例では、継鉄３６および磁性体３７で発生する渦電流損失を軽減することができ、インペラ１０の回転駆動におけるエネルギ効率を高めることができる。

また、図１９に示すように、インペラ１０の回転方向に積層された複数の鋼板を含む磁性体３８で磁性体３７を置換してもよい。また、図２０に示すように、インペラ１０の径方向に積層された複数の鋼板を含む磁性体３９で磁性体３７を置換してもよい。これらの場合でも、図１８の変更例と同じ効果が得られる。

また、図３の継鉄１９および磁性体１８の各々を、純鉄、軟鉄、または珪素鉄の粉末によって形成してもよい。この場合は、継鉄１９および磁性体１８の鉄損を軽減することができ、インペラ１０の回転駆動におけるエネルギ効率を高めることができる。

[実施の形態２]
図２１は、この発明の実施の形態２による遠心式血液ポンプ装置のポンプ部４１の構成を示す断面図であって、図３と対比される図である。また、図２２は、図２１のＸＸＩＩ−ＸＸＩＩ線断面図であって、図７と対比される図である。

図２１および図２２を参照して、このポンプ部４１が実施の形態１のポンプ部１と異なる点は、９個の磁性体１８のうちの隣接する４個の磁性体１８の３つの間に３つの磁気センサＳが設けられている点である。３つの磁気センサＳは、インペラ１０の複数の永久磁石１７の通過経路に対向して配置されている。インペラ１０が回転して複数の永久磁石１７のＳ極とＮ極が交互に磁気センサＳの近傍を通過すると、磁気センサＳの出力信号のレベルは、たとえば正弦波状（あるいはパルス状）に変化する。したがって、磁気センサＳの出力信号の時間変化を検出することにより、複数の永久磁石１７と複数の磁性体１８との位置関係を検出することができ、複数のコイル２０に電流を流すタイミングと、インペラ１０の回転数を求めることができる。

図２３は、ポンプ部４１を制御するコントローラ４２の構成を示すブロック図であって、図１１と対比される図である。図２３において、コントローラ４２が図１１のコントローラ２５と異なる点は、モータ制御回路２５がモータ制御回路４３で置換されている点である。モータ制御回路４３は、３つの磁気センサＳの出力信号に基づいて、たとえば１２０度通電方式の３相の制御信号を出力する。パワーアンプ２７は、モータ制御回路４３からの３相の制御信号を増幅して、図８で示した３相電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷを生成する。３相電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷは、図７および図８で説明した第１〜第３のコイル２０にそれぞれ印加される。通常の運転時は、これにより、インペラ１０が可動範囲の中央位置で所定の回転数で回転する。

この実施の形態２でも、実施の形態１と同じ効果が得られる。
また、図２４は、この実施の形態２の変更例を示すブロック図である。図２４において、この変更例では、図２３のパワーアンプ２７がパワーアンプ３２，３３および切換スイッチ３４で置換される。図１３の時刻ｔ０〜ｔ１では、モータ制御回路４３の出力信号がパワーアンプ３２に与えられ、パワーアンプ３２の出力電圧が切換スイッチ３４および検出部２８，２９を介してコイル２０に印加され、コイル２０に電流Ｉ０が流される。時刻ｔ２以降は、モータ制御回路４３の出力信号がパワーアンプ３３に与えられ、パワーアンプ３３の出力電圧が切換スイッチ３４および検出部２８，２９を介してコイル２０に印加され、コイル２０に電流が流される。

また、図２５は、この実施の形態２のさらに他の変更例を示すブロック図であって、図２３と対比される図である。この変更例では、図２３のコントローラ４２内に位置判定部４４が追加される。位置判定部４４は、比較演算部３１で生成されたインペラ１０の位置を示す信号φＰに基づき、インペラ１０の位置が正常範囲内か否かを判定し、判定結果を示す信号φＤを出力する。

また、図２６は、この実施の形態２のさらに他の変更例を示すブロック図であって、図２５と対比される図である。この変更例では、図２５のコントローラ４２内に回転数演算部４５が追加される。回転数演算部４５は、３つの磁気センサＳの出力信号に基づいてインペラ１０の回転数を求め、その回転数を示す信号φＲを出力する。位置判定部４４は、位置演算部３１で生成されたインペラ１０の位置を示す信号φＰと、回転数演算部４５で生成されたインペラ１０の回転数を示す信号φＲとに基づき、インペラ１０の位置が正常範囲内か否かを判定し、判定結果を示す信号φＤを出力する。判定時にインペラ１０の回転数を参照するのは、インペラ１０の回転数によって動圧溝２１，２２の動圧軸受効果が変化し、インペラ１０の位置が変化するからである。

また、図２７の変更例では、コントローラ４２の外部から位置判定部４４に液体の粘度情報を与える粘度情報入力部４６が追加される。位置判定部４４は、インペラ１０の位置が正常範囲内か否かを判定する際に、インペラ１０の回転数に加え、液体（この場合は血液）の粘度情報を参照する。これは、液体の粘度によって動圧溝２１，２２の動圧軸受効果が変化し、インペラ１０の位置が変化するからである。

[実施の形態３]
図２８は、この発明の実施の形態３による遠心式血液ポンプ装置の構成を示すブロック図である。図２８において、この遠心式血液ポンプ装置は、ポンプ部１とコントローラ５０を備える。ポンプ部１の構成は、実施の形態１で説明した通りである。コントローラ５０は、モータ制御回路５１、パワーアンプ５２、電圧検出部５３、記憶部５４、および演算比較部５５を含む。

インペラ１０が回転すると、インペラ１０の永久磁石１７によって回転磁界が発生し、各コイル２０に逆起電圧が発生する。また、図８で示したように、１２０度通電方式では、各６０度の期間では、第１〜第３のコイル２０のうちの２つのコイル２０に正または負の電圧が印加され、残りの１つのコイル２０には電圧は印加されない。したがって、電圧が印加されないコイル２０の逆起電圧ＶＲを検出することにより、インペラ１０の永久磁石１７の回転状態を検知することができる。電圧検出部５３は、電圧が印加されない相のコイル２０の逆起電圧ＶＲを検出する。

モータ制御回路５１は、電圧検出部５３の検出結果に基づいて、１２０度通電方式の３相の制御信号を出力する。パワーアンプ５２は、モータ制御回路５１からの３相の制御信号を増幅して、図８で示した３相電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷを生成する。３相電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷは、電圧検出部５３を介して、図７および図８で説明した第１〜第３のコイル２０にそれぞれ印加される。通常の運転時は、これにより、インペラ１０が可動範囲の中央位置で所定の回転数で回転する。

また、コイル２０に発生する逆起電圧ＶＲと、永久磁石１７および磁性体１８間のアキシアルギャップとの間には相関関係がある。すなわち、アキシアルギャップはインペラ１０の血液室７内での浮上位置によって変化し、アキシアルギャップが変化すると逆起電圧ＶＲが変化する。インペラ１０が可動範囲の中央に位置している場合は逆起電圧ＶＲは所定値であり、インペラ１０の浮上位置が磁性体１８側に移動すると逆起電圧ＶＲが上昇し、インペラ１０の浮上位置が永久磁石１６側に移動すると逆起電圧ＶＲが低下する。逆起電圧ＶＲとアキシアルギャップとの関係は予め実験によって求めておく。

図１１に戻って、記憶部５０には、逆起電圧ＶＲとアキシアルギャップとの関係を示すテーブルが記憶されている。比較演算部５５は、電圧検出部５３で検出された逆起電圧ＶＲと記憶部５４に記憶されたテーブルとに基づいてアキシアルギャップすなわちインペラ１０の位置を求め、その位置を示す信号φＰを出力する。したがって、ハウジング２が光透過性の低いプラスチックや金属で形成されていてインペラ１０の挙動を目視できない場合でも、信号φＰに基づいてインペラ１０の位置が正常か否かを容易に判別することができる。

なお、逆起電圧ＶＲとアキシアルギャップの関係は、インペラ１０の回転数、液体の粘度、負荷によって変化する。したがって、逆起電圧ＶＲとアキシアルギャップの関係を示す曲線を、インペラ１０の回転数毎、液体の粘度毎、負荷毎、あるいはそれらの組合せ毎に記憶部５４に格納してもよい。この場合は、インペラ１０の回転数、液体の粘度、負荷毎、あるいはそれらの組合せを示す情報が比較演算部５５に別途与えられる。また、遠心式血液ポンプ装置の使用条件が固定されている場合は、その条件における曲線のみを記憶部５４に格納すればよい。

また、インペラ１０の位置を示す信号φＰに基づいて、インペラ１０の位置が正常範囲内か否かを判定し、判定結果を示す信号φＤを出力する位置判定部を設けてもよい（図２５参照）。また、電圧検出部５３の検出結果に基づいてインペラ１０の回転数を演算する回転数演算部と、演算されたインペラ１０の回転数とインペラ１０の位置を示す信号φＰとに基づいて、インペラ１０の位置が正常範囲内か否かを判定し、判定結果を示す信号φＤを出力する位置判定部を設けてもよい（図２６参照）。また、回転数演算部によって演算されたインペラ１０の回転数と、液体の粘度を示す情報と、インペラ１０の位置を示す信号φＰとに基づいて、インペラ１０の位置が正常範囲内か否かを判定し、判定結果を示す信号φＤを出力する位置判定部を設けてもよい（図２７参照）。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明の実施の形態１による遠心式血液ポンプ装置のポンプ部の外観を示す正面図である。 図１に示したポンプ部の側面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。 図３のＩＶ−ＩＶ線断面図である。 図３のＩＶ−ＩＶ線断面図からインペラを取り外した状態を示す断面図である。 図３のＶＩ−ＶＩ線断面図からインペラを取り外した状態を示す断面図である。 図３のＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図である。 図７で示した複数のコイルに印加する電圧を例示するタイムチャートである。 本願発明の効果を説明するための図である。 本願発明の効果を説明するための他の図である。 図１〜図７で示したポンプ部を制御するコントローラの構成を示すブロック図である。 図１１に示したＩ／Ｖとアキシアルギャップとの関係を示す図である。 図１１に示したコントローラの動作を示すタイムチャートである。 実施の形態１の変更例を示すブロック図である。 実施の形態１の他の変更例を示すタイムチャートである。 実施の形態１のさらに他の変更例を示す断面図である。 実施の形態１のさらに他の変更例を示す断面図である。 実施の形態１のさらに他の変更例を示す断面図である。 実施の形態１のさらに他の変更例を示す断面図である。 実施の形態１のさらに他の変更例を示す断面図である。 この発明の実施の形態２による遠心式血液ポンプ装置のポンプ部の構成を示す断面図である。 図２０のＸＸＩＩ−ＸＸＩＩ線断面図である。 図２０および図２１に示したポンプ部を制御するコントローラの構成を示すブロック図である。 実施の形態２の変更例を示すブロック図である。 実施の形態２の他の変更例を示すブロック図である。 実施の形態２のさらに他の変更例を示すブロック図である。 実施の形態２のさらに他の変更例を示す断面図である。 この発明の実施の形態３による遠心式血液ポンプ装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１，４１ ポンプ部、２ ハウジング、３ 本体部、４ 血液流入ポート、５ 血液流出ポート、６ 隔壁、７ 血液室、８ モータ室、１０ インペラ、１０ａ 貫通孔、１１，１２ シュラウド、１３ ベーン、１４ 血液通路、１５〜１７ 永久磁石、１８，３５，３７〜３９ 磁性体、１９，３６ 継鉄、２０ コイル、２１，２２ 動圧溝、２５，４２，５０ コントローラ、２６，４３，５１ モータ制御回路、２７，３２，３３，５２ パワーアンプ、２８ 電流検出部、２９，５３ 電圧検出部、３０，５４ 記憶部、３１，５５ 比較演算部、３４ 切換スイッチ、４４ 位置判定部、４５ 回転数演算部、４６ 粘度情報入力部、Ｓ 磁気センサ。

Claims (6)

1. 隔壁で仕切られた第１および第２の室を含むハウジングと、前記第１の室内において前記隔壁に沿って回転可能に設けられ、回転時の遠心力によって液体を送るインペラと、前記第２の室内に設けられ、前記隔壁を介して前記インペラを回転駆動させる駆動手段とを備えた遠心ポンプ装置において、
   前記インペラの一方面に設けられた第１の磁性体と、
   前記インペラの一方面に対向する前記第１の室の内壁に設けられ、前記第１の磁性体を吸引する第２の磁性体と、
   前記インペラの他方面に設けられ、隣接する磁極が互いに異なるように同一の円に沿って配置された複数の第３の磁性体とを備え、
   前記駆動手段は、
   前記複数の第３の磁性体に対向して配置された複数の第４の磁性体と、
   それぞれ前記複数の第４の磁性体に対応して設けられて各々が対応の第４の磁性体に巻回され、回転磁界を生成するための複数のコイルとを含み、
   前記インペラの回転中において、前記第１および第２の磁性体間の第１の吸引力と前記複数の第３の磁性体および前記複数の第４の磁性体間の第２の吸引力とは、前記第１の室内における前記インペラの可動範囲の略中央で釣り合い、
   前記インペラの一方面またはそれに対向する前記第１の室の内壁に第１の動圧溝が形成され、前記インペラの他方面またはそれに対向する前記隔壁に第２の動圧溝が形成され、
   さらに、各コイルに印加される電圧を検出する第１の検出手段と、
   各コイルに流れる電流を検出する第２の検出手段と、
   前記第１および第２の検出手段の検出結果と前記インペラの回転数を示す情報とに基づいて、前記第１の室内における前記インペラのアキシアル方向の位置を求める演算手段とを備えることを特徴とする、遠心式ポンプ装置。
2. 前記演算手段は、前記第１の検出手段によって検出された電圧と前記第２の検出手段によって検出された電流との比を求め、その比と前記インペラの回転数を示す情報とに基づいて、前記第１の室内における前記インペラのアキシアル方向の位置を求めることを特徴とする、請求項１に記載の遠心式ポンプ装置。
3. さらに、前記演算手段によって求められた前記インペラのアキシアル方向の位置が正常範囲内か否かを判定し、判定結果を示す信号を出力する判定手段を備えることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の遠心式ポンプ装置。
4. さらに、前記演算手段によって求められた前記インペラのアキシアル方向の位置と前記インペラの回転数を示す情報とに基づいて、前記インペラのアキシアル方向の位置が正常範囲内か否かを判定し、判定結果を示す信号を出力する判定手段を備えることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の遠心式ポンプ装置。
5. さらに、前記演算手段によって求められた前記インペラのアキシアル方向の位置と前記インペラの回転数を示す情報と前記液体の粘度情報とに基づいて、前記インペラのアキシアル方向の位置が正常範囲内か否かを判定し、判定結果を示す信号を出力する判定手段を備えることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の遠心式ポンプ装置。
6. 前記液体は血液であり、
   前記遠心式ポンプ装置は、前記血液を循環させるために使用されることを特徴とする、請求項１から請求項５までのいずれかに記載の遠心式ポンプ装置。

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