遠心式ポンプ装置
【課題】インペラの支持剛性が大きな遠心式ポンプ装置を提供する。
【解決手段】この遠心式血液ポンプ装置では、インペラ１０の一方面に永久磁石１５ａ，１５ｂを設け、血液室７の内壁に永久磁石１６ａ，１６ｂを設け、インペラ１０の他方面に永久磁石５０を設け、隔壁６を介してインペラ１０を回転駆動させる永久磁石５１およびロータ５２を設け、インペラ１０に対向する隔壁６および血液室７の内壁にそれぞれ動圧溝２１，２２を形成する。インペラ１０が偏心したときの永久磁石１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂ間の吸引力Ｆ１の変化量ΔＦ１と複数組の永久磁石５０，５１間の吸引力Ｆ２の変化量ΔＦ２とを略一致させる。したがって、常にインペラ１０の浮上位置をハウジング２内のほぼ中央位置に維持することができ、インペラ１０とハウジング２との機械的な接触を少なくすることができ、溶血や血栓の発生を防止することができる。
【解決手段】この遠心式血液ポンプ装置では、インペラ１０の一方面に永久磁石１５ａ，１５ｂを設け、血液室７の内壁に永久磁石１６ａ，１６ｂを設け、インペラ１０の他方面に永久磁石５０を設け、隔壁６を介してインペラ１０を回転駆動させる永久磁石５１およびロータ５２を設け、インペラ１０に対向する隔壁６および血液室７の内壁にそれぞれ動圧溝２１，２２を形成する。インペラ１０が偏心したときの永久磁石１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂ間の吸引力Ｆ１の変化量ΔＦ１と複数組の永久磁石５０，５１間の吸引力Ｆ２の変化量ΔＦ２とを略一致させる。したがって、常にインペラ１０の浮上位置をハウジング２内のほぼ中央位置に維持することができ、インペラ１０とハウジング２との機械的な接触を少なくすることができ、溶血や血栓の発生を防止することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平２００５２０９２５０号公報
【特許文献２】特開平２００６−１６７１７３号公報
【特許文献３】特開平４−９１３９６号公報
【特許文献４】実開平６−５３７９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
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（インペラの回転軸方向）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（インペラの半径方向）の支持を行なっている点で共通する。
【００１０】
このような遠心ポンプ装置では、インペラの支持剛性（インペラを単位長さだけ移動させるために必要な力）が小さいと、使用者の動作に伴う加振（加速度振動）によってインペラが血液室の内壁に接触してしまう。したがって、アキシアル方向とラジアル方向の各々について十分に大きな支持剛性を持つことが必要である。
【００１１】
インペラの支持剛性を大きくするためには、インペラの永久磁石とハウジング側の永久磁石との磁気カップリング力を大きくすればよい。しかし、その磁気カップリング力を大きくすることは容易でない。すなわち、動圧軸受式の遠心ポンプ装置では、始めに、流量、揚程（圧力）、血液室とインペラの間隔の最小値が仕様として与えられる。すると、インペラの直径によって、回転数と動圧溝の寸法が決まる。
【００１２】
動圧溝の寸法、インペラ直径、回転数、血液室とインペラの間隔が決まれば、負荷容量が決まるので、それと釣合うための磁気カップリング力が決まる。磁気カップリング力が決まると、インペラの支持剛性も決まることになる。したがって、インペラの支持剛性を増やすためには負荷容量を増やす必要があるが、負荷容量は、血液の粘度、インペラの回転数、動圧溝の寸法、血液室とインペラの間隔に依存するので、負荷容量を増やすにも限度がある。
【００１３】
また、動圧力が作用するインペラ端面とハウジング内面との隙間は、インペラ回転トルク発生部側とインペラ補助吸引部側とに形成され、両隙間がほぼ同じであることは、インペラ端面とハウジング内面の間の距離が最も大きくなることとなり、インペラに外乱力が作用しても、インペラ端面がハウジング内面に接触し難くなる。しかし、シングルボリュートや、ボリュートを無くして血液流出ポートを円筒型のハウジングと接するように配置したポンプ構成では、所望のポンプ動作時に、ポンプ室内の圧力バランスの不平衡が生じ、インペラが血液流出ポート側に吸い寄せられる形で径方向に移動するため、インペラ両端面のアキシアル方向の吸引力が低下してしまう。
【００１４】
したがって、インペラ回転トルク発生部のラジアル方向変位に対するアキシアル方向の吸引力変化量と、インペラ補助吸引部に形成した磁気的結合部のラジアル方向変位に対するアキシアル方向吸引力の変化量が異なる場合には、所望のポンプ動作時に、アキシアル方向の吸引力の釣合い位置が、ハウジング内のほぼ中央位置から移動してしまう。その結果、インペラ端面とハウジング内面との両隙間のうち、一方が狭くなり、他方が広くなり、隙間が狭くなった側では、インペラに小さな外乱力が作用しても、インペラ端面とハウジング内面とが接触し易くなる。
【００１５】
それゆえに、この発明の主たる目的は、インペラがハウジング内でラジアル方向に移動した場合であっても、インペラとハウジングの浮上隙間を変化させず、インペラに作用する外乱に対する耐性を有する遠心式ポンプ装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
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た第３の磁性体とを備えたものである。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の吸引力と第３の磁性体および駆動手段間の第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。インペラのラジアル方向の偏心量に対する第１の吸引力の変化量と、インペラのラジアル方向の偏心量に対する第２の吸引力の変化量とは略等しい。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。
【００１７】
好ましくは、駆動手段は、第２の室内において隔壁に沿って回転可能に設けられたロータと、ロータに設けられ、第３の磁性体を吸引する第４の磁性体と、ロータを回転させるモータとを含む。
【００１８】
また好ましくは、第１および第２の磁性体で構成される磁気的結合部のラジアル方向の正の支持剛性値の絶対値は、第３および第４の磁性体で構成される磁気的結合部のラジアル方向の正の支持剛性値の絶対値よりも大きい。
【００１９】
また好ましくは、第３の磁性体は、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磁石を含み、駆動手段は、複数の磁石に対向して設けられ、回転磁界を生成するための複数のコイルを含む。
【００２０】
また好ましくは、第３の磁性体は、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磁石を含む。駆動手段は、複数の磁石に対向して設けられた複数の第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。
【００２１】
また好ましくは、複数のコイルに流す電流の位相を変化させて第２の吸引力を調整する。
【００２２】
また好ましくは、さらに、複数の磁石に対向して第２の室内に設けられた磁気センサを備え、磁気センサの出力信号に基づいて複数のコイルに流す電流の位相を変化させる。
【００２３】
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。
【発明の効果】
【００２４】
この発明に係る遠心式ポンプ装置では、インペラに作用する第１および第２の吸引力をインペラの可動範囲の略中央で釣り合わせ、インペラのラジアル方向の偏心量に対する第１および第２の吸引力の変化量を略等しくし、第１および第２の動圧溝を形成した。したがって、インペラがハウジング内でラジアル方向に移動した場合であっても、インペラとハウジングの浮上隙間を変化させず、インペラに作用する外乱に対する耐性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】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２】図１に示したポンプ部の側面図である。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ線断面図である。
【図５】図３に示した永久磁石を示す図である。
【図６】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７】図３のＶＩＩ−ＶＩＩ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８】図３のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線断面図である。
【図９】図８で示した磁気センサの動作を示すタイムチャートである。
【図１０】図８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。
【図１１】インペラの浮上位置とインペラへの作用力との関係を示す図である。
【図１２】インペラの浮上位置とインペラへの作用力との関係を示す他の図である。
【図１３】インペラのラジアル方向の偏心量とインペラへの作用力との関係を示す図である。
【図１４】図１〜図８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１５】この実施の形態１の変更例を示す断面図である。
【図１６】この実施の形態１の他の変更例を示す断面図である。
【図１７】実施の形態１のさらに他の変更例を示す断面図である。
【図１８】実施の形態１のさらに他の変更例を示す断面図である。
【図１９】実施の形態１のさらに他の変更例を示す断面図である。
【図２０】実施の形態１のさらに他の変更例を示す断面図である。
【図２１】実施の形態１のさらに他の変更例を示す断面図である。
【図２２】実施の形態１のさらに他の変更例を示す断面図である。
【図２３】実施の形態１のさらに他の変更例を示す断面図である。
【図２４】実施の形態１のさらに他の変更例を示す断面図である。
【図２５】実施の形態１のさらに他の変更例を示す図である。
【図２６】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２７】図２６で示した永久磁石５０，５１の直径とインペラの偏心との関係を説明するための図である。
【図２８】図２７で示した永久磁石５０，５１の吸引力Ｆ２とインペラの偏心量との関係を示す図である。
【図２９】実施の形態２の変更例を示す図である。
【図３０】図２９で示した永久磁石１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂ間の吸引力Ｆ１とインペラの偏心量との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
[実施の形態１]
図１および図２に示すように、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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
また、シュラウド１１には永久磁石１５ａ，１５ｂ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、それぞれ永久磁石１５ａ，１５ｂを吸引する永久磁石１６ａ，１６ｂが埋設されている。永久磁石１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂ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。
【００３１】
図５（ａ）（ｂ）は永久磁石１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂの構成を示す図であり、図５（ａ）は図５（ｂ）のＶＡ−ＶＡ線断面図である。図５（ａ）（ｂ）に示すように、永久磁石１５ａ，１５ｂの各々は円環状に形成されており、永久磁石１５ａの外径は永久磁石１５ｂの内径よりも小さい。永久磁石１５ａ，１５ｂは同軸状に設けられており、永久磁石１５ａ，１５ｂの中心点は、ともにインペラ１０の回転中心線に配置されている。図では永久磁石１５ａ，１５ｂの同じ方向の端面は同極になっているが、異極とした構成でもよい。
【００３２】
一方、永久磁石１６ａ，１６ｂの各々は円弧状に形成されており、インペラ１０の回転方向に２つ配列されている。円環状に配置された２つの永久磁石１６ａの外径および内径は、永久磁石１５ａの外径および内径と同じである。円環状に配置された２つの永久磁石１６ｂの外径および内径は、永久磁石１５ｂの外径および内径と同じである。図では永久磁石１６ａ，１６ｂの同じ方向の端面は同極になっているが、異極とした構成でもよい。永久磁石１５ａと１６ａ、永久磁石１５ｂと１６ｂは、それぞれ互いに吸引する極配置になって対向している。
【００３３】
また、図３に示すように、永久磁石１５ａ，１５ｂの間隔（すなわち永久磁石１６ａ，１６ｂの間隔）Ｄ１は、インペラ１０のラジアル方向の可動距離（すなわち血液室７の内径とインペラ１０の外径との差の距離）の２分の１の距離Ｄ２よりも大きく設定されている（Ｄ１＞Ｄ２）。これは、Ｄ１＜Ｄ２とした場合、インペラ１０がラジアル方向に最大限まで移動したとき、永久磁石１５ａと１６ｂ、永久磁石１５ｂと１６ａがそれぞれ干渉し、インペラ１０をポンプ中心位置に復元させる復元力が不安定になるからである。
【００３４】
このように、インペラ１０の径方向に２対の永久磁石１５ａ，１６ａおよび永久磁石１５ｂ，１６ｂを設けたので、インペラ１０の径方向に１対の永久磁石のみを設けた場合に比べ、インペラ１０のラジアル方向の支持剛性を大きくすることができる。
【００３５】
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１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂ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、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。
【００３６】
また、図３では、永久磁石１５ａと１６ａの対向面のサイズが同じであり、かつ永久磁石１５ｂと１６ｂ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１５ａ，１５ｂと永久磁石１６ａ，１６ｂの吸引力に起因するインペラ１０の剛性の低下を防ぐため、永久磁石１５ａと１６ａの対向面のサイズを異ならせ、かつ永久磁石１５ｂと１６ｂの対向面のサイズを異ならせることが好ましい。永久磁石１５ａ，１５ｂと永久磁石１６ａ，１６ｂ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。
【００３７】
また、図５（ａ）（ｂ）では、永久磁石１５ａ，１５ｂの各々を円環状に形成し、永久磁石１６ａ，１６ｂの各々を円弧状に形成してインペラ１０の回転方向に等角度間隔で２つ配列したが、逆に、永久磁石１６ａ，１６ｂの各々を円環状に形成し、永久磁石１５ａ，１５ｂの各々を円弧状に形成してインペラ１０の回転方向に等角度間隔で２つ配列してもよい。また、永久磁石１５ａ，１５ｂの各々、あるいは永久磁石１６ａ，１６ｂの各々をさらに短い円弧状に形成してインペラ１０の回転方向に等角度間隔で複数配列してもよい。
【００３８】
また、図３および図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。
【００３９】
また、図３および図８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。
【００４０】
また、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ＳＥが設けられている。３つの磁気センサＳＥ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ＳＥの近傍を通過すると、磁気センサＳＥの出力信号のレベルは、図９に示すように、正弦波状に変化する。したがって、磁気センサＳＥ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。
【００４１】
また、インペラ１０と隔壁６の間のギャップが広い場合は、磁気センサＳＥの近傍の磁界が弱くなって磁気センサＳＥの出力信号の振幅Ａ１は小さくなる。インペラ１０と隔壁６の間のギャップが狭い場合は、磁気センサＳＥの近傍の磁界が強くなって磁気センサＳＥの出力信号の振幅Ａ２は大きくなる。したがって、磁気センサＳＥの出力信号の振幅を検出することにより、インペラ１０の可動範囲内におけるインペラ１０の位置を検出することができる。
【００４２】
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１０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。
【００４３】
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１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂ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。
【００４４】
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。
【００４５】
詳しく説明すると、複数の動圧溝２１は、図６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。
【００４６】
図６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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
また、複数の動圧溝２２は、図７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７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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
また、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。
【００５４】
また、図６および図７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。
【００５５】
図１１は、永久磁石１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂ間（図１１では永久磁石１５，１６間と略記する）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。
【００５６】
すなわち、永久磁石１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂ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。
【００５７】
図１１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１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂ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。
【００５８】
図１１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。
【００５９】
これに対して図１２は、永久磁石１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂ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。
【００６０】
すなわち、永久磁石１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂ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、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。
【００６１】
このように、インペラ１０の浮上位置は、永久磁石１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂ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。
【００６２】
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。
【００６３】
なお、図１１および図１２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。
【００６４】
また、永久磁石１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂ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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
特に、動圧溝２１，２２は、図３、図６および図７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。
【００６８】
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。
【００６９】
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１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂ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。
【００７０】
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（２５６５ｒｐｍ）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５０１８Ｎ／ｍ以上に設定される。
【００７１】
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。
【００７２】
また、図１３に示すように、永久磁石１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂ間（図１３では永久磁石１５，１６間と略記する）の吸引力Ｆ１は、インペラ１０のラジアル方向への移動に伴って低下する。同様に、永久磁石１７と磁性体１８間の吸引力Ｆ２は、インペラ１０のラジアル方向への移動に伴って低下する。
【００７３】
所望のポンプ動作時には、インペラ１０はラジアル方向に偏心するため、インペラ１０の偏心量に対する吸引力Ｆ１の変化量ΔＦ１と、インペラ１０の偏心量に対する吸引力Ｆ２の変化量ΔＦ２とが異なった場合には、その偏心位置でのインペラ１０の浮上位置が、血液室７の中央位置から移動してしまう。このため、インペラ１０と血液室７の内壁との隙間と、インペラ１０と隔壁６との隙間とのうちのいずれか一方の隙間が小さくなり、インペラ１０に外乱が少しでも作用すると、インペラ１０と血液室７の内壁または隔壁６とが接触してしまう。
【００７４】
一方で、吸引力Ｆ１の変化量ΔＦ１と吸引力Ｆ２の変化量ΔＦ２とが等しい場合は、インペラ１０がラジアル方向に偏心しても、インペラ１０の浮上位置は血液室７の中央位置に維持される。したがって、インペラ１０に外乱が作用しても、インペラ１０と血液室７の内壁または隔壁６とが接触する可能性は低くなる。そこで、この実施の形態１では、コイル２０に流す電流の位相を調整することにより、ΔＦ１≒ΔＦ２とし、インペラ１０がラジアル方向に偏心した場合でも、インペラ１０のアキシアル方向の浮上位置を血液室７の中央位置に保つ。
【００７５】
図１４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１４において、コントローラ２５は、振幅演算器２６、コンパレータ２７、記憶部２８、モータ制御回路２９、およびパワーアンプ３０を含む。振幅演算器２６は、磁気センサＳＥの出力信号の振幅を求め、その振幅からインペラ１０の浮上位置を求め、インペラ１０の浮上位置を示す信号をモータ制御回路２９に与える。コンパレータ２７は、３つの磁気センサＳＥの出力信号と参照電圧の高低を比較し、比較結果に基づいて永久磁石１７の回転状況を検出し、永久磁石１７の回転状況を示す回転駆動信号をモータ制御回路２９に与える。記憶部２８は、インペラ１０が所定の回転数で可動範囲の中央位置で回転している場合の振幅演算器２６およびコンパレータ２７の出力信号の波形を記憶している。
【００７６】
モータ制御回路２９は、振幅演算器２６およびコンパレータ２７の出力信号の波形が記憶部２８に記憶されている波形に一致するように、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２９からの３相の制御信号を増幅して、図１０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８〜図１０で説明した第１〜第３のコイル２０にそれぞれ印加される。これにより、第１〜第３のコイル２０に３相交流電流が流れ、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。
【００７７】
インペラ１０がラジアル方向に偏心すると、吸引力Ｆ１，Ｆ２は低下するが、所定のポンプ動作を行なうために負荷電流が増大され、吸引力Ｆ２は増加する。吸引力Ｆ２の調整は、コイル２０に流す電流の位相を調整することにより行なわれる。
【００７８】
すなわち、３相電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷと３つの磁気センサＳＥの出力信号との位相差が所定値である場合に、効率は最大になる。３相電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷの位相を３つの磁気センサＳＥの出力信号の位相に対して早めると、永久磁石１７と磁性体１８間の吸引力Ｆ２は低下する。逆に、３相電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷの位相を３つの磁気センサＳＥの出力信号の位相に対して遅らせると、永久磁石１７と磁性体１８間の吸引力Ｆ２は増大する。
【００７９】
したがって、インペラ１０がラジアル方向に偏心して、インペラ１０のアキシアル方向の浮上位置が血液室７の中央位置からずれた場合は、インペラ１０の浮上位置に応じて３相電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷの位相、すなわちコイル２０に流す３相交流電流の位相を調整することにより、インペラ１０の浮上位置を血液室７の中央位置に戻すことができる。
【００８０】
なお、３相電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷの位相調整に伴う吸引力Ｆ２の変化量は、装置寸法や出力によって異なるが、本実施の形態１では±１Ｎ程度である。一方、インペラ１０の位置変動に伴う永久磁石１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂ間の吸引力Ｆ１の変化量は１Ｎ以下である。したがって、３相電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷの位相調整により、Ｆ１≒Ｆ２にすることは可能である。
【００８１】
この実施の形態１では、永久磁石１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂ間の吸引力と複数の永久磁石５０および複数の永久磁石５１間の吸引力とを釣り合わせ、動圧溝２１，２２を設けたので、インペラ１０のアキシアル方向の支持剛性を大きくすることができる。また、インペラ１０の径方向に２対の永久磁石１５ａ，１６ａおよび永久磁石１５ｂ，１６ｂを設けたので、インペラ１０の径方向に１対の永久磁石のみを設けた場合に比べ、インペラ１０のラジアル方向の支持剛性を大きくすることができる。さらに、インペラ１０が偏心したときの永久磁石１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂ間の吸引力Ｆ１の変化量ΔＦ１と永久磁石１７および磁性体１８間の吸引力Ｆ２の変化量ΔＦ２とを略一致させたので、インペラ１０のアキシアル方向の支持剛性を大きくすることができる。したがって、インペラ１０とハウジング２との機械的な接触を少なくすることができ、溶血や血栓の発生を防止することができる。
【００８２】
なお、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１０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。
【００８３】
また、図１５は、この実施の形態１の変更例を示す断面図であって、図８と対比される図である。この変更例では、９個のコイル２０が３個ずつ３グループに分割され、各グループの第１〜第３のコイル２０に図１０の電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷがそれぞれ印加される。第１の磁気センサＳＥは、第１のグループの第１および第２のコイル２０の間に配置される。第２の磁気センサＳＥは、第１のグループの第３のコイル２０と第２のグループの第１のコイル２０の間に配置される。第３の磁気センサＳＥは、第２のグループの第２および第３のコイル２０の間に配置される。したがって、第１〜第３の磁気センサＳＥの間の電気角は、それぞれ１２０度に維持される。第１〜第３の磁気センサＳＥの出力信号に基づいて、３相の制御信号の生成、およびインペラ１０のアキシアル方向の位置検出が可能である。また、第１〜第３の磁気センサＳＥの間の機械角がそれぞれ８０度になるので、回転中のインペラ１０の浮上姿勢を検出することも可能となる。
【００８４】
また、図１６は、この実施の形態１の他の変更例を示す断面図であって、図８と対比される図である。この変更例では、９個のコイル２０が３個ずつ３グループに分割され、３つの磁気センサＳＥは３つのグループの３つの間にそれぞれ配置される。したがって、３つの磁気センサＳＥの間の機械角は、それぞれ１２０度となるので、回転中のインペラ１０の浮上姿勢を容易に演算することができる。９個のコイル２０に電流を流すタイミングは、３つの磁気センサＳＥの内のいずれか１つの磁気センサＳＥの出力信号に基づいて演算される。
【００８５】
また、永久磁石１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂ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１５ａと１６ａの対向面のサイズを異ならせ、かつ永久磁石１５ｂと１６ｂ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、図１７に示すように、永久磁石１５ａ，１５ｂのサイズをそれぞれ永久磁石１６ａ，１６ｂ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。
【００８６】
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３と対比される図である。図１８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。
【００８７】
また、図１９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１９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。
【００８８】
また、図２０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３２を置換してもよい。また、図２１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３２を置換してもよい。これらの場合でも、図１９の変更例と同じ効果が得られる。
【００８９】
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。
【００９０】
また、図２２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２２において、この変更例では、磁性体１８が除去されている。この変更例では、永久磁石１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂ間の吸引力Ｆ１と、永久磁石１７および継鉄１９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される。この変更例でも、実施の形態１と同じ効果が得られる。
【００９１】
また、永久磁石１７および継鉄１９間の吸引力Ｆ２が、永久磁石１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂ間の吸引力Ｆ１よりも小さい場合は、図２３に示すように、コイル２０と異なる位置に磁性体４０を配置し、磁性体４０と永久磁石１７の吸引力Ｆ３を付加し、吸引力Ｆ１と吸引力Ｆ２＋Ｆ３とがインペラ１０の可動範囲の略中央で釣合うようにしてもよい。また、磁性体４０は永久磁石であってもよい。
【００９２】
また、図２４に示すように、インペラ１０の磁性体４０に対向する位置に永久磁石４１を配置して磁性体４０および永久磁石４１間の吸引力Ｆ４を付加し、吸引力Ｆ１と吸引力Ｆ２＋Ｆ３＋Ｆ４とがインペラ１０の可動範囲の略中央で釣合うようにしてもよい。また、磁性体４１は永久磁石であってもよい。また、磁性体４０が永久磁石の場合は、永久磁石４１は磁性体であってもよい。
【００９３】
また、図２５（ａ）（ｂ）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５（ａ）（ｂ）と対比される図である。図２２（ａ）は図２２（ｂ）のＸＸＶＡ−ＸＸＶＡ線断面図である。この変更例では、永久磁石１５ａのＮ極と永久磁石１５ｂのＮ極とは逆向きに設けられ、永久磁石１６ａのＮ極と永久磁石１６ｂのＮ極とは逆向きに設けられる。永久磁石１５ａのＳ極と永久磁石１６ａのＮ極とは対向し、永久磁石１５ｂのＮ極と永久磁石１６ｂのＳ極とは対向している。この変更例でも、実施の形態１と同じ効果が得られる。
【００９４】
また、この実施の形態１では、本願発明が磁気センサＳＥを用いた遠心式血液ポンプ装置に適用された場合について説明したが、本願発明は磁気センサＳＥを使用しないセンサレス駆動方式の遠心式血液ポンプ装置にも適用可能である。センサレス駆動方式では、永久磁石１７の回転に伴ってコイル２０に発生する逆起電力波形、電流波形やコイル２０のインダクタンス変化から位相情報を求め、その位相情報に基づいてコイル２０に流す電流の位相調整を行なう。また、ベクトル制御を用いた場合では、ｑ軸電流Ｉｑ（トルク電流）をそのままにして、ｄ軸電流Ｉｄ（励磁電流）の大きさを変化させることによって位相調整と同様の効果を得ることができる。
【００９５】
[実施の形態２]
図２６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。図２６において、このポンプ部では、インペラ１０のシュラウド１２に複数の永久磁石１７の代わりに複数（たとえば８個）の永久磁石５０が埋設されている。複数の永久磁石５０は、等角度間隔で同一の円に沿って配置される。モータ室８内には、複数の永久磁石５０を吸引するための複数（たとえば８個）の永久磁石５１が設けられている。複数の永久磁石５１は、インペラ１０の複数の永久磁石５０に対向して、等角度間隔で同一の円に沿って配置される。
【００９６】
複数の永久磁石５１は、椀状のロータ５２の表面に設けられている。ロータ５２の縁の内側には、複数（たとえば８個）の永久磁石５３が等角度間隔で設けられている。複数の永久磁石５３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、ロータ５２の内側にＮ極を向けた永久磁石５３と、ロータ５２の内側にＳ極を向けた永久磁石５３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。
【００９７】
ロータ５２の中央部はベアリング５４を介して中心軸５５に回転可能に支持されており、ロータ５２は隔壁６に沿って回転可能に設けられている。中心軸５５は、円板状の継鉄５６の中央に立設されている。継鉄５６の表面において中心軸５５の周りには、複数（たとえば９個）の磁性体５７が等角度間隔で設けられている。複数の磁性体５７の先端は、ロータ５２の複数の永久磁石５３に対向して、同一の円に沿って配置される。各磁性体５７には、コイル５８が巻回されている。複数の永久磁石５３、複数の磁性体５７、および複数のコイル５８は、ロータ５２を回転させるためのモータを構成する。
【００９８】
９個のコイル５８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５８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５８には、図９で示した電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷが印加される。したがって、第１〜第３のコイル５８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５７とロータ５２の複数の永久磁石５３との吸引力および反発力により、ロータ５２を回転させることができる。ロータ５２が回転すると、ロータ５２の複数の永久磁石５１とインペラ１０の複数の永久磁石５０との吸引力により、インペラ１０が回転する。
【００９９】
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１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂ間の吸引力と複数の永久磁石５０および複数の永久磁石５１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。
【０１００】
また、実施の形態１と同様、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。
【０１０１】
さらに、この実施の形態２では、図１３で示したように、永久磁石１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂ間の吸引力Ｆ１は、インペラ１０のラジアル方向への移動に伴って低下する。同様に、永久磁石５０，５１間の吸引力Ｆ２は、インペラ１０のラジアル方向への移動に伴って低下する。
【０１０２】
所望のポンプ動作時には、インペラ１０はラジアル方向に偏心するため、インペラ１０の偏心量に対する吸引力Ｆ１の変化量ΔＦ１と、インペラ１０の偏心量に対する吸引力Ｆ２の変化量ΔＦ２とが異なった場合には、その偏心位置でのインペラ１０の浮上位置が、血液室７の中央位置から移動してしまう。このため、インペラ１０と血液室７の内壁との隙間と、インペラ１０と隔壁６との隙間とのうちのいずれか一方の隙間が小さくなり、インペラ１０に外乱が少しでも作用すると、インペラ１０と血液室７の内壁または隔壁６とが接触してしまう。
【０１０３】
一方で、吸引力Ｆ１の変化量ΔＦ１と吸引力Ｆ２の変化量ΔＦ２とが等しい場合は、インペラ１０がラジアル方向に偏心しても、インペラ１０の浮上位置は血液室７の中央位置に維持される。したがって、インペラ１０に外乱が作用しても、インペラ１０と血液室７の内壁または隔壁６とが接触する可能性は低くなる。そこで、この実施の形態２では、永久磁石５０，５１の直径を調整することにより、ΔＦ１≒ΔＦ２とし、インペラ１０がラジアル方向に偏心した場合でも、インペラ１０のアキシアル方向の浮上位置を血液室７の中央位置に保つ。
【０１０４】
図２７（ａ）（ｂ）は、インペラ１０が偏心した場合の永久磁石５０，５１の重なり状態を示す図であって、図２７（ａ）は永久磁石５０，５１の直径が比較的大きい場合を示し、図２７（ａ）は永久磁石５０，５１の直径が比較的小さい場合を示している。また、図２８は、インペラ１０の偏心量と吸引力Ｆ２との関係を示す図である。
【０１０５】
図２７（ａ）（ｂ）において、複数の永久磁石５０の回転中心をＯ１とし、複数の永久磁石５１の回転中心をＯ２とする。インペラ１０が偏心していない場合は、回転中心Ｏ１とＯ２はインペラ１０に垂直な方向から見て一致する。ここでは、インペラ１０が偏心した結果、回転中心Ｏ１とＯ２がある距離ｄだけずれているものとする。
【０１０６】
図２６で示した遠心式血液ポンプの場合、ロータ５２が回転すると、永久磁石５０，５１間に角度ずれが発生し、これにより、インペラ１０に回転トルクが発生する。インペラ１０が偏心していない場合は、複数組の永久磁石５０，５１の対向面積（重なり面積）は同一である。インペラ１０が偏心すると、図２７（ａ）（ｂ）に示すように、永久磁石５０，５１の対向面積は組により増減するが、複数組の永久磁石５０，５１の対向面積の総和はインペラ１０が偏心していない場合に比べて減少する。インペラ１０が偏心した場合において、複数組の永久磁石５０，５１の対向面積の総和の変化量は、永久磁石５０，５１の直径が小さいほど大きくなる。
【０１０７】
また、複数組の永久磁石５０，５１間の吸引力Ｆ２は、複数組の永久磁石５０，５１の対向面積の総和に応じて変化する。このため、図２８に示すように、吸引力Ｆ２は、インペラ１０のラジアル方向の変位に応じて減少する。また、永久磁石５０，５１の直径が比較的大きい場合の吸引力Ｆ２の変位量ΔＦ２Ａは、永久磁石５０，５１の直径が比較的小さい場合の吸引力Ｆ２の変位量ΔＦ２Ｂよりも小さくなる。一方、永久磁石１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂの寸法が決まれば、永久磁石１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂの間の吸引力Ｆ１の変化量ΔＦ１は一定である。したがって、永久磁石５０，５１の直径を調整することにより、吸引力Ｆ１の変化量ΔＦ１と吸引力Ｆ２の変化量ΔＦ２とを略一致させることができる。
【０１０８】
また、永久磁石５０の中心点と永久磁石５１の中心点とのずれ量は、インペラ１０の偏心量と所望の回転トルクが発生する周方向の角度ずれ量とを足したものとなり、永久磁石５０の回転中心Ｏ１と永久磁石５１の回転中心Ｏ２とのずれ量は、インペラ１０の偏心量と同一となる。一方で、永久磁石１５ａ，１５ｂの回転中心と永久磁石１６ａ，１６ｂの回転中心とのずれ量は、インペラ１０の偏心量と等しくなる。
【０１０９】
したがって、吸引力Ｆ１の変化量ΔＦ１と吸引力Ｆ２の変化量ΔＦ２を等しくするためには、永久磁石１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂによって構成される磁気的結合部のラジアル方向の正の支持剛性値の絶対値Ｋ１と、複数組の永久磁石５０，５１によって構成される磁気的結合部のラジアル方向の正の支持剛性値の絶対値Ｋ２とが、Ｋ１−Ｋ２＞０という関係を保つことが望ましい。
【０１１０】
この実施の形態２では、永久磁石１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂ間の吸引力と複数の永久磁石５０および複数の永久磁石５１間の吸引力とを釣り合わせ、動圧溝２１，２２を設けたので、常にインペラ１０の浮上位置をハウジング２内のほぼ中央位置に維持することができる。また、インペラ１０の径方向に２対の永久磁石１５ａ，１６ａおよび永久磁石１５ｂ，１６ｂを設けたので、インペラ１０の径方向に１対の永久磁石のみを設けた場合に比べ、インペラ１０のラジアル方向の支持剛性を大きくすることができる。さらに、インペラ１０が偏心したときの永久磁石１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂ間の吸引力Ｆ１の変化量ΔＦ１と複数組の永久磁石５０，５１間の吸引力Ｆ２の変化量ΔＦ２とを略一致させたので、常にインペラ１０の浮上位置をハウジング２内のほぼ中央位置に維持することができる。したがって、インペラ１０とハウジング２との機械的な接触を少なくすることができ、溶血や血栓の発生を防止することができる。
【０１１１】
なお、この実施の形態２では、永久磁石５０，５１の直径を調整し、吸引力Ｆ２の変化量ΔＦ２を調整することによってΔＦ１≒ΔＦ２としたが、永久磁石１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂの寸法（たとえば、ラジアル方向の幅、間隔）を調整し、吸引力Ｆ１の変化量ΔＦ１を調整してΔＦ１≒ΔＦ２としてもよい。
【０１１２】
また、図２９（ａ）（ｂ）は、実施の形態２の変更例を示す図であって、インペラ１０が偏心した場合の永久磁石１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂの重なり状態を示す図である。図２７（ａ）は永久磁石１５ａと１５ｂ（永久磁石１６ａと１６ｂ）の磁極が同方向に向いている場合を示し、図２７（ｂ）は永久磁石１５ａと１５ｂ（永久磁石１６ａと１６ｂ）の磁極が互いに逆方向に向いている場合を示している。また、図２８は、インペラ１０の偏心量と吸引力Ｆ１との関係を示す図である。
【０１１３】
図２９（ａ）（ｂ）において、永久磁石１５ａ，１５ｂの回転中心をＯ１とし、永久磁石１６ａ，１６ｂの回転中心Ｏ２とする。インペラ１０が偏心していない場合は、回転中心Ｏ１とＯ２はインペラ１０に垂直な方向から見て一致する。ここでは、インペラ１０が偏心した結果、回転中心Ｏ１とＯ２がある距離ｄだけずれているものとする。
【０１１４】
インペラ１０が偏心すると、図２９（ａ）〜（ｄ）に示すように、永久磁石１５ａと１６ａ，１５ｂと１６ｂの対向面積はインペラ１０が偏心していない場合に比べて減少する。また、永久磁石１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂ間の吸引力Ｆ１は、永久磁石１５ａと１６ａ，１５ｂと１６ｂの対向面積に応じて変化する。また、インペラ１０が偏心すると、図２９（ａ）（ｂ）の場合は、永久磁石１５ａと１６ｂ，１５ｂと１６ａの間に吸引力が発生するのに対し、図２９（ｃ）（ｄ）の場合は永久磁石１５ａと１６ｂ，１５ｂと１６ａの間に反発力が発生する。このため、図３０に示すように、吸引力Ｆ１は、インペラ１０のラジアル方向の変位に応じて減少し、図２９（ａ）（ｂ）の場合の変位量ΔＦ１Ａよりも図２９（ｃ）（ｄ）の場合の変位量ΔＦ１Ｂの方が大きくなる。
【０１１５】
この変更例では、永久磁石１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂの磁極を図２９（ａ）（ｂ）または図２９（ｃ）（ｄ）のように配置することによって吸引力Ｆ１の変化量ΔＦ１を調整した上で、実施の形態２で示した方法で吸引力Ｆ２の変化量ΔＦ２を調整する。この変更例でも、実施の形態２と同じ効果が得られる。
【０１１６】
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。
【符号の説明】
【０１１７】
１ 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、１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂ，１７，４１，５０，５１，５３ 永久磁石、１８，３５，３７〜４０，５７ 磁性体、１９，３１，５６ 継鉄、２０，５８ コイル、２１，２２ 動圧溝、２５ コントローラ、２６ 振幅演算器、２７ コンパレータ、２８ 記憶部、２９ モータ制御回路、３０ パワーアンプ、５２ ロータ、５４ ベアリング、５５ 中心軸、ＳＥ 磁気センサ。
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平２００５２０９２５０号公報
【特許文献２】特開平２００６−１６７１７３号公報
【特許文献３】特開平４−９１３９６号公報
【特許文献４】実開平６−５３７９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
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（インペラの回転軸方向）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（インペラの半径方向）の支持を行なっている点で共通する。
【００１０】
このような遠心ポンプ装置では、インペラの支持剛性（インペラを単位長さだけ移動させるために必要な力）が小さいと、使用者の動作に伴う加振（加速度振動）によってインペラが血液室の内壁に接触してしまう。したがって、アキシアル方向とラジアル方向の各々について十分に大きな支持剛性を持つことが必要である。
【００１１】
インペラの支持剛性を大きくするためには、インペラの永久磁石とハウジング側の永久磁石との磁気カップリング力を大きくすればよい。しかし、その磁気カップリング力を大きくすることは容易でない。すなわち、動圧軸受式の遠心ポンプ装置では、始めに、流量、揚程（圧力）、血液室とインペラの間隔の最小値が仕様として与えられる。すると、インペラの直径によって、回転数と動圧溝の寸法が決まる。
【００１２】
動圧溝の寸法、インペラ直径、回転数、血液室とインペラの間隔が決まれば、負荷容量が決まるので、それと釣合うための磁気カップリング力が決まる。磁気カップリング力が決まると、インペラの支持剛性も決まることになる。したがって、インペラの支持剛性を増やすためには負荷容量を増やす必要があるが、負荷容量は、血液の粘度、インペラの回転数、動圧溝の寸法、血液室とインペラの間隔に依存するので、負荷容量を増やすにも限度がある。
【００１３】
また、動圧力が作用するインペラ端面とハウジング内面との隙間は、インペラ回転トルク発生部側とインペラ補助吸引部側とに形成され、両隙間がほぼ同じであることは、インペラ端面とハウジング内面の間の距離が最も大きくなることとなり、インペラに外乱力が作用しても、インペラ端面がハウジング内面に接触し難くなる。しかし、シングルボリュートや、ボリュートを無くして血液流出ポートを円筒型のハウジングと接するように配置したポンプ構成では、所望のポンプ動作時に、ポンプ室内の圧力バランスの不平衡が生じ、インペラが血液流出ポート側に吸い寄せられる形で径方向に移動するため、インペラ両端面のアキシアル方向の吸引力が低下してしまう。
【００１４】
したがって、インペラ回転トルク発生部のラジアル方向変位に対するアキシアル方向の吸引力変化量と、インペラ補助吸引部に形成した磁気的結合部のラジアル方向変位に対するアキシアル方向吸引力の変化量が異なる場合には、所望のポンプ動作時に、アキシアル方向の吸引力の釣合い位置が、ハウジング内のほぼ中央位置から移動してしまう。その結果、インペラ端面とハウジング内面との両隙間のうち、一方が狭くなり、他方が広くなり、隙間が狭くなった側では、インペラに小さな外乱力が作用しても、インペラ端面とハウジング内面とが接触し易くなる。
【００１５】
それゆえに、この発明の主たる目的は、インペラがハウジング内でラジアル方向に移動した場合であっても、インペラとハウジングの浮上隙間を変化させず、インペラに作用する外乱に対する耐性を有する遠心式ポンプ装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
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た第３の磁性体とを備えたものである。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の吸引力と第３の磁性体および駆動手段間の第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。インペラのラジアル方向の偏心量に対する第１の吸引力の変化量と、インペラのラジアル方向の偏心量に対する第２の吸引力の変化量とは略等しい。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。
【００１７】
好ましくは、駆動手段は、第２の室内において隔壁に沿って回転可能に設けられたロータと、ロータに設けられ、第３の磁性体を吸引する第４の磁性体と、ロータを回転させるモータとを含む。
【００１８】
また好ましくは、第１および第２の磁性体で構成される磁気的結合部のラジアル方向の正の支持剛性値の絶対値は、第３および第４の磁性体で構成される磁気的結合部のラジアル方向の正の支持剛性値の絶対値よりも大きい。
【００１９】
また好ましくは、第３の磁性体は、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磁石を含み、駆動手段は、複数の磁石に対向して設けられ、回転磁界を生成するための複数のコイルを含む。
【００２０】
また好ましくは、第３の磁性体は、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磁石を含む。駆動手段は、複数の磁石に対向して設けられた複数の第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。
【００２１】
また好ましくは、複数のコイルに流す電流の位相を変化させて第２の吸引力を調整する。
【００２２】
また好ましくは、さらに、複数の磁石に対向して第２の室内に設けられた磁気センサを備え、磁気センサの出力信号に基づいて複数のコイルに流す電流の位相を変化させる。
【００２３】
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。
【発明の効果】
【００２４】
この発明に係る遠心式ポンプ装置では、インペラに作用する第１および第２の吸引力をインペラの可動範囲の略中央で釣り合わせ、インペラのラジアル方向の偏心量に対する第１および第２の吸引力の変化量を略等しくし、第１および第２の動圧溝を形成した。したがって、インペラがハウジング内でラジアル方向に移動した場合であっても、インペラとハウジングの浮上隙間を変化させず、インペラに作用する外乱に対する耐性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】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２】図１に示したポンプ部の側面図である。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ線断面図である。
【図５】図３に示した永久磁石を示す図である。
【図６】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７】図３のＶＩＩ−ＶＩＩ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８】図３のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線断面図である。
【図９】図８で示した磁気センサの動作を示すタイムチャートである。
【図１０】図８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。
【図１１】インペラの浮上位置とインペラへの作用力との関係を示す図である。
【図１２】インペラの浮上位置とインペラへの作用力との関係を示す他の図である。
【図１３】インペラのラジアル方向の偏心量とインペラへの作用力との関係を示す図である。
【図１４】図１〜図８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１５】この実施の形態１の変更例を示す断面図である。
【図１６】この実施の形態１の他の変更例を示す断面図である。
【図１７】実施の形態１のさらに他の変更例を示す断面図である。
【図１８】実施の形態１のさらに他の変更例を示す断面図である。
【図１９】実施の形態１のさらに他の変更例を示す断面図である。
【図２０】実施の形態１のさらに他の変更例を示す断面図である。
【図２１】実施の形態１のさらに他の変更例を示す断面図である。
【図２２】実施の形態１のさらに他の変更例を示す断面図である。
【図２３】実施の形態１のさらに他の変更例を示す断面図である。
【図２４】実施の形態１のさらに他の変更例を示す断面図である。
【図２５】実施の形態１のさらに他の変更例を示す図である。
【図２６】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２７】図２６で示した永久磁石５０，５１の直径とインペラの偏心との関係を説明するための図である。
【図２８】図２７で示した永久磁石５０，５１の吸引力Ｆ２とインペラの偏心量との関係を示す図である。
【図２９】実施の形態２の変更例を示す図である。
【図３０】図２９で示した永久磁石１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂ間の吸引力Ｆ１とインペラの偏心量との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
[実施の形態１]
図１および図２に示すように、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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
また、シュラウド１１には永久磁石１５ａ，１５ｂ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、それぞれ永久磁石１５ａ，１５ｂを吸引する永久磁石１６ａ，１６ｂが埋設されている。永久磁石１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂ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。
【００３１】
図５（ａ）（ｂ）は永久磁石１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂの構成を示す図であり、図５（ａ）は図５（ｂ）のＶＡ−ＶＡ線断面図である。図５（ａ）（ｂ）に示すように、永久磁石１５ａ，１５ｂの各々は円環状に形成されており、永久磁石１５ａの外径は永久磁石１５ｂの内径よりも小さい。永久磁石１５ａ，１５ｂは同軸状に設けられており、永久磁石１５ａ，１５ｂの中心点は、ともにインペラ１０の回転中心線に配置されている。図では永久磁石１５ａ，１５ｂの同じ方向の端面は同極になっているが、異極とした構成でもよい。
【００３２】
一方、永久磁石１６ａ，１６ｂの各々は円弧状に形成されており、インペラ１０の回転方向に２つ配列されている。円環状に配置された２つの永久磁石１６ａの外径および内径は、永久磁石１５ａの外径および内径と同じである。円環状に配置された２つの永久磁石１６ｂの外径および内径は、永久磁石１５ｂの外径および内径と同じである。図では永久磁石１６ａ，１６ｂの同じ方向の端面は同極になっているが、異極とした構成でもよい。永久磁石１５ａと１６ａ、永久磁石１５ｂと１６ｂは、それぞれ互いに吸引する極配置になって対向している。
【００３３】
また、図３に示すように、永久磁石１５ａ，１５ｂの間隔（すなわち永久磁石１６ａ，１６ｂの間隔）Ｄ１は、インペラ１０のラジアル方向の可動距離（すなわち血液室７の内径とインペラ１０の外径との差の距離）の２分の１の距離Ｄ２よりも大きく設定されている（Ｄ１＞Ｄ２）。これは、Ｄ１＜Ｄ２とした場合、インペラ１０がラジアル方向に最大限まで移動したとき、永久磁石１５ａと１６ｂ、永久磁石１５ｂと１６ａがそれぞれ干渉し、インペラ１０をポンプ中心位置に復元させる復元力が不安定になるからである。
【００３４】
このように、インペラ１０の径方向に２対の永久磁石１５ａ，１６ａおよび永久磁石１５ｂ，１６ｂを設けたので、インペラ１０の径方向に１対の永久磁石のみを設けた場合に比べ、インペラ１０のラジアル方向の支持剛性を大きくすることができる。
【００３５】
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１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂ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、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。
【００３６】
また、図３では、永久磁石１５ａと１６ａの対向面のサイズが同じであり、かつ永久磁石１５ｂと１６ｂ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１５ａ，１５ｂと永久磁石１６ａ，１６ｂの吸引力に起因するインペラ１０の剛性の低下を防ぐため、永久磁石１５ａと１６ａの対向面のサイズを異ならせ、かつ永久磁石１５ｂと１６ｂの対向面のサイズを異ならせることが好ましい。永久磁石１５ａ，１５ｂと永久磁石１６ａ，１６ｂ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。
【００３７】
また、図５（ａ）（ｂ）では、永久磁石１５ａ，１５ｂの各々を円環状に形成し、永久磁石１６ａ，１６ｂの各々を円弧状に形成してインペラ１０の回転方向に等角度間隔で２つ配列したが、逆に、永久磁石１６ａ，１６ｂの各々を円環状に形成し、永久磁石１５ａ，１５ｂの各々を円弧状に形成してインペラ１０の回転方向に等角度間隔で２つ配列してもよい。また、永久磁石１５ａ，１５ｂの各々、あるいは永久磁石１６ａ，１６ｂの各々をさらに短い円弧状に形成してインペラ１０の回転方向に等角度間隔で複数配列してもよい。
【００３８】
また、図３および図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。
【００３９】
また、図３および図８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。
【００４０】
また、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ＳＥが設けられている。３つの磁気センサＳＥ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ＳＥの近傍を通過すると、磁気センサＳＥの出力信号のレベルは、図９に示すように、正弦波状に変化する。したがって、磁気センサＳＥ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。
【００４１】
また、インペラ１０と隔壁６の間のギャップが広い場合は、磁気センサＳＥの近傍の磁界が弱くなって磁気センサＳＥの出力信号の振幅Ａ１は小さくなる。インペラ１０と隔壁６の間のギャップが狭い場合は、磁気センサＳＥの近傍の磁界が強くなって磁気センサＳＥの出力信号の振幅Ａ２は大きくなる。したがって、磁気センサＳＥの出力信号の振幅を検出することにより、インペラ１０の可動範囲内におけるインペラ１０の位置を検出することができる。
【００４２】
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１０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。
【００４３】
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１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂ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。
【００４４】
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。
【００４５】
詳しく説明すると、複数の動圧溝２１は、図６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。
【００４６】
図６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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
また、複数の動圧溝２２は、図７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７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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
また、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。
【００５４】
また、図６および図７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。
【００５５】
図１１は、永久磁石１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂ間（図１１では永久磁石１５，１６間と略記する）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。
【００５６】
すなわち、永久磁石１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂ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。
【００５７】
図１１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１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂ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。
【００５８】
図１１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。
【００５９】
これに対して図１２は、永久磁石１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂ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。
【００６０】
すなわち、永久磁石１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂ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、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。
【００６１】
このように、インペラ１０の浮上位置は、永久磁石１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂ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。
【００６２】
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。
【００６３】
なお、図１１および図１２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。
【００６４】
また、永久磁石１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂ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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
特に、動圧溝２１，２２は、図３、図６および図７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。
【００６８】
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。
【００６９】
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１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂ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。
【００７０】
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（２５６５ｒｐｍ）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５０１８Ｎ／ｍ以上に設定される。
【００７１】
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。
【００７２】
また、図１３に示すように、永久磁石１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂ間（図１３では永久磁石１５，１６間と略記する）の吸引力Ｆ１は、インペラ１０のラジアル方向への移動に伴って低下する。同様に、永久磁石１７と磁性体１８間の吸引力Ｆ２は、インペラ１０のラジアル方向への移動に伴って低下する。
【００７３】
所望のポンプ動作時には、インペラ１０はラジアル方向に偏心するため、インペラ１０の偏心量に対する吸引力Ｆ１の変化量ΔＦ１と、インペラ１０の偏心量に対する吸引力Ｆ２の変化量ΔＦ２とが異なった場合には、その偏心位置でのインペラ１０の浮上位置が、血液室７の中央位置から移動してしまう。このため、インペラ１０と血液室７の内壁との隙間と、インペラ１０と隔壁６との隙間とのうちのいずれか一方の隙間が小さくなり、インペラ１０に外乱が少しでも作用すると、インペラ１０と血液室７の内壁または隔壁６とが接触してしまう。
【００７４】
一方で、吸引力Ｆ１の変化量ΔＦ１と吸引力Ｆ２の変化量ΔＦ２とが等しい場合は、インペラ１０がラジアル方向に偏心しても、インペラ１０の浮上位置は血液室７の中央位置に維持される。したがって、インペラ１０に外乱が作用しても、インペラ１０と血液室７の内壁または隔壁６とが接触する可能性は低くなる。そこで、この実施の形態１では、コイル２０に流す電流の位相を調整することにより、ΔＦ１≒ΔＦ２とし、インペラ１０がラジアル方向に偏心した場合でも、インペラ１０のアキシアル方向の浮上位置を血液室７の中央位置に保つ。
【００７５】
図１４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１４において、コントローラ２５は、振幅演算器２６、コンパレータ２７、記憶部２８、モータ制御回路２９、およびパワーアンプ３０を含む。振幅演算器２６は、磁気センサＳＥの出力信号の振幅を求め、その振幅からインペラ１０の浮上位置を求め、インペラ１０の浮上位置を示す信号をモータ制御回路２９に与える。コンパレータ２７は、３つの磁気センサＳＥの出力信号と参照電圧の高低を比較し、比較結果に基づいて永久磁石１７の回転状況を検出し、永久磁石１７の回転状況を示す回転駆動信号をモータ制御回路２９に与える。記憶部２８は、インペラ１０が所定の回転数で可動範囲の中央位置で回転している場合の振幅演算器２６およびコンパレータ２７の出力信号の波形を記憶している。
【００７６】
モータ制御回路２９は、振幅演算器２６およびコンパレータ２７の出力信号の波形が記憶部２８に記憶されている波形に一致するように、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２９からの３相の制御信号を増幅して、図１０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８〜図１０で説明した第１〜第３のコイル２０にそれぞれ印加される。これにより、第１〜第３のコイル２０に３相交流電流が流れ、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。
【００７７】
インペラ１０がラジアル方向に偏心すると、吸引力Ｆ１，Ｆ２は低下するが、所定のポンプ動作を行なうために負荷電流が増大され、吸引力Ｆ２は増加する。吸引力Ｆ２の調整は、コイル２０に流す電流の位相を調整することにより行なわれる。
【００７８】
すなわち、３相電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷと３つの磁気センサＳＥの出力信号との位相差が所定値である場合に、効率は最大になる。３相電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷの位相を３つの磁気センサＳＥの出力信号の位相に対して早めると、永久磁石１７と磁性体１８間の吸引力Ｆ２は低下する。逆に、３相電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷの位相を３つの磁気センサＳＥの出力信号の位相に対して遅らせると、永久磁石１７と磁性体１８間の吸引力Ｆ２は増大する。
【００７９】
したがって、インペラ１０がラジアル方向に偏心して、インペラ１０のアキシアル方向の浮上位置が血液室７の中央位置からずれた場合は、インペラ１０の浮上位置に応じて３相電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷの位相、すなわちコイル２０に流す３相交流電流の位相を調整することにより、インペラ１０の浮上位置を血液室７の中央位置に戻すことができる。
【００８０】
なお、３相電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷの位相調整に伴う吸引力Ｆ２の変化量は、装置寸法や出力によって異なるが、本実施の形態１では±１Ｎ程度である。一方、インペラ１０の位置変動に伴う永久磁石１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂ間の吸引力Ｆ１の変化量は１Ｎ以下である。したがって、３相電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷの位相調整により、Ｆ１≒Ｆ２にすることは可能である。
【００８１】
この実施の形態１では、永久磁石１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂ間の吸引力と複数の永久磁石５０および複数の永久磁石５１間の吸引力とを釣り合わせ、動圧溝２１，２２を設けたので、インペラ１０のアキシアル方向の支持剛性を大きくすることができる。また、インペラ１０の径方向に２対の永久磁石１５ａ，１６ａおよび永久磁石１５ｂ，１６ｂを設けたので、インペラ１０の径方向に１対の永久磁石のみを設けた場合に比べ、インペラ１０のラジアル方向の支持剛性を大きくすることができる。さらに、インペラ１０が偏心したときの永久磁石１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂ間の吸引力Ｆ１の変化量ΔＦ１と永久磁石１７および磁性体１８間の吸引力Ｆ２の変化量ΔＦ２とを略一致させたので、インペラ１０のアキシアル方向の支持剛性を大きくすることができる。したがって、インペラ１０とハウジング２との機械的な接触を少なくすることができ、溶血や血栓の発生を防止することができる。
【００８２】
なお、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１０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。
【００８３】
また、図１５は、この実施の形態１の変更例を示す断面図であって、図８と対比される図である。この変更例では、９個のコイル２０が３個ずつ３グループに分割され、各グループの第１〜第３のコイル２０に図１０の電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷがそれぞれ印加される。第１の磁気センサＳＥは、第１のグループの第１および第２のコイル２０の間に配置される。第２の磁気センサＳＥは、第１のグループの第３のコイル２０と第２のグループの第１のコイル２０の間に配置される。第３の磁気センサＳＥは、第２のグループの第２および第３のコイル２０の間に配置される。したがって、第１〜第３の磁気センサＳＥの間の電気角は、それぞれ１２０度に維持される。第１〜第３の磁気センサＳＥの出力信号に基づいて、３相の制御信号の生成、およびインペラ１０のアキシアル方向の位置検出が可能である。また、第１〜第３の磁気センサＳＥの間の機械角がそれぞれ８０度になるので、回転中のインペラ１０の浮上姿勢を検出することも可能となる。
【００８４】
また、図１６は、この実施の形態１の他の変更例を示す断面図であって、図８と対比される図である。この変更例では、９個のコイル２０が３個ずつ３グループに分割され、３つの磁気センサＳＥは３つのグループの３つの間にそれぞれ配置される。したがって、３つの磁気センサＳＥの間の機械角は、それぞれ１２０度となるので、回転中のインペラ１０の浮上姿勢を容易に演算することができる。９個のコイル２０に電流を流すタイミングは、３つの磁気センサＳＥの内のいずれか１つの磁気センサＳＥの出力信号に基づいて演算される。
【００８５】
また、永久磁石１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂ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１５ａと１６ａの対向面のサイズを異ならせ、かつ永久磁石１５ｂと１６ｂ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、図１７に示すように、永久磁石１５ａ，１５ｂのサイズをそれぞれ永久磁石１６ａ，１６ｂ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。
【００８６】
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３と対比される図である。図１８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。
【００８７】
また、図１９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１９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。
【００８８】
また、図２０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３２を置換してもよい。また、図２１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３２を置換してもよい。これらの場合でも、図１９の変更例と同じ効果が得られる。
【００８９】
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。
【００９０】
また、図２２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２２において、この変更例では、磁性体１８が除去されている。この変更例では、永久磁石１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂ間の吸引力Ｆ１と、永久磁石１７および継鉄１９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される。この変更例でも、実施の形態１と同じ効果が得られる。
【００９１】
また、永久磁石１７および継鉄１９間の吸引力Ｆ２が、永久磁石１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂ間の吸引力Ｆ１よりも小さい場合は、図２３に示すように、コイル２０と異なる位置に磁性体４０を配置し、磁性体４０と永久磁石１７の吸引力Ｆ３を付加し、吸引力Ｆ１と吸引力Ｆ２＋Ｆ３とがインペラ１０の可動範囲の略中央で釣合うようにしてもよい。また、磁性体４０は永久磁石であってもよい。
【００９２】
また、図２４に示すように、インペラ１０の磁性体４０に対向する位置に永久磁石４１を配置して磁性体４０および永久磁石４１間の吸引力Ｆ４を付加し、吸引力Ｆ１と吸引力Ｆ２＋Ｆ３＋Ｆ４とがインペラ１０の可動範囲の略中央で釣合うようにしてもよい。また、磁性体４１は永久磁石であってもよい。また、磁性体４０が永久磁石の場合は、永久磁石４１は磁性体であってもよい。
【００９３】
また、図２５（ａ）（ｂ）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５（ａ）（ｂ）と対比される図である。図２２（ａ）は図２２（ｂ）のＸＸＶＡ−ＸＸＶＡ線断面図である。この変更例では、永久磁石１５ａのＮ極と永久磁石１５ｂのＮ極とは逆向きに設けられ、永久磁石１６ａのＮ極と永久磁石１６ｂのＮ極とは逆向きに設けられる。永久磁石１５ａのＳ極と永久磁石１６ａのＮ極とは対向し、永久磁石１５ｂのＮ極と永久磁石１６ｂのＳ極とは対向している。この変更例でも、実施の形態１と同じ効果が得られる。
【００９４】
また、この実施の形態１では、本願発明が磁気センサＳＥを用いた遠心式血液ポンプ装置に適用された場合について説明したが、本願発明は磁気センサＳＥを使用しないセンサレス駆動方式の遠心式血液ポンプ装置にも適用可能である。センサレス駆動方式では、永久磁石１７の回転に伴ってコイル２０に発生する逆起電力波形、電流波形やコイル２０のインダクタンス変化から位相情報を求め、その位相情報に基づいてコイル２０に流す電流の位相調整を行なう。また、ベクトル制御を用いた場合では、ｑ軸電流Ｉｑ（トルク電流）をそのままにして、ｄ軸電流Ｉｄ（励磁電流）の大きさを変化させることによって位相調整と同様の効果を得ることができる。
【００９５】
[実施の形態２]
図２６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。図２６において、このポンプ部では、インペラ１０のシュラウド１２に複数の永久磁石１７の代わりに複数（たとえば８個）の永久磁石５０が埋設されている。複数の永久磁石５０は、等角度間隔で同一の円に沿って配置される。モータ室８内には、複数の永久磁石５０を吸引するための複数（たとえば８個）の永久磁石５１が設けられている。複数の永久磁石５１は、インペラ１０の複数の永久磁石５０に対向して、等角度間隔で同一の円に沿って配置される。
【００９６】
複数の永久磁石５１は、椀状のロータ５２の表面に設けられている。ロータ５２の縁の内側には、複数（たとえば８個）の永久磁石５３が等角度間隔で設けられている。複数の永久磁石５３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、ロータ５２の内側にＮ極を向けた永久磁石５３と、ロータ５２の内側にＳ極を向けた永久磁石５３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。
【００９７】
ロータ５２の中央部はベアリング５４を介して中心軸５５に回転可能に支持されており、ロータ５２は隔壁６に沿って回転可能に設けられている。中心軸５５は、円板状の継鉄５６の中央に立設されている。継鉄５６の表面において中心軸５５の周りには、複数（たとえば９個）の磁性体５７が等角度間隔で設けられている。複数の磁性体５７の先端は、ロータ５２の複数の永久磁石５３に対向して、同一の円に沿って配置される。各磁性体５７には、コイル５８が巻回されている。複数の永久磁石５３、複数の磁性体５７、および複数のコイル５８は、ロータ５２を回転させるためのモータを構成する。
【００９８】
９個のコイル５８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５８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５８には、図９で示した電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷが印加される。したがって、第１〜第３のコイル５８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５７とロータ５２の複数の永久磁石５３との吸引力および反発力により、ロータ５２を回転させることができる。ロータ５２が回転すると、ロータ５２の複数の永久磁石５１とインペラ１０の複数の永久磁石５０との吸引力により、インペラ１０が回転する。
【００９９】
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１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂ間の吸引力と複数の永久磁石５０および複数の永久磁石５１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。
【０１００】
また、実施の形態１と同様、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。
【０１０１】
さらに、この実施の形態２では、図１３で示したように、永久磁石１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂ間の吸引力Ｆ１は、インペラ１０のラジアル方向への移動に伴って低下する。同様に、永久磁石５０，５１間の吸引力Ｆ２は、インペラ１０のラジアル方向への移動に伴って低下する。
【０１０２】
所望のポンプ動作時には、インペラ１０はラジアル方向に偏心するため、インペラ１０の偏心量に対する吸引力Ｆ１の変化量ΔＦ１と、インペラ１０の偏心量に対する吸引力Ｆ２の変化量ΔＦ２とが異なった場合には、その偏心位置でのインペラ１０の浮上位置が、血液室７の中央位置から移動してしまう。このため、インペラ１０と血液室７の内壁との隙間と、インペラ１０と隔壁６との隙間とのうちのいずれか一方の隙間が小さくなり、インペラ１０に外乱が少しでも作用すると、インペラ１０と血液室７の内壁または隔壁６とが接触してしまう。
【０１０３】
一方で、吸引力Ｆ１の変化量ΔＦ１と吸引力Ｆ２の変化量ΔＦ２とが等しい場合は、インペラ１０がラジアル方向に偏心しても、インペラ１０の浮上位置は血液室７の中央位置に維持される。したがって、インペラ１０に外乱が作用しても、インペラ１０と血液室７の内壁または隔壁６とが接触する可能性は低くなる。そこで、この実施の形態２では、永久磁石５０，５１の直径を調整することにより、ΔＦ１≒ΔＦ２とし、インペラ１０がラジアル方向に偏心した場合でも、インペラ１０のアキシアル方向の浮上位置を血液室７の中央位置に保つ。
【０１０４】
図２７（ａ）（ｂ）は、インペラ１０が偏心した場合の永久磁石５０，５１の重なり状態を示す図であって、図２７（ａ）は永久磁石５０，５１の直径が比較的大きい場合を示し、図２７（ａ）は永久磁石５０，５１の直径が比較的小さい場合を示している。また、図２８は、インペラ１０の偏心量と吸引力Ｆ２との関係を示す図である。
【０１０５】
図２７（ａ）（ｂ）において、複数の永久磁石５０の回転中心をＯ１とし、複数の永久磁石５１の回転中心をＯ２とする。インペラ１０が偏心していない場合は、回転中心Ｏ１とＯ２はインペラ１０に垂直な方向から見て一致する。ここでは、インペラ１０が偏心した結果、回転中心Ｏ１とＯ２がある距離ｄだけずれているものとする。
【０１０６】
図２６で示した遠心式血液ポンプの場合、ロータ５２が回転すると、永久磁石５０，５１間に角度ずれが発生し、これにより、インペラ１０に回転トルクが発生する。インペラ１０が偏心していない場合は、複数組の永久磁石５０，５１の対向面積（重なり面積）は同一である。インペラ１０が偏心すると、図２７（ａ）（ｂ）に示すように、永久磁石５０，５１の対向面積は組により増減するが、複数組の永久磁石５０，５１の対向面積の総和はインペラ１０が偏心していない場合に比べて減少する。インペラ１０が偏心した場合において、複数組の永久磁石５０，５１の対向面積の総和の変化量は、永久磁石５０，５１の直径が小さいほど大きくなる。
【０１０７】
また、複数組の永久磁石５０，５１間の吸引力Ｆ２は、複数組の永久磁石５０，５１の対向面積の総和に応じて変化する。このため、図２８に示すように、吸引力Ｆ２は、インペラ１０のラジアル方向の変位に応じて減少する。また、永久磁石５０，５１の直径が比較的大きい場合の吸引力Ｆ２の変位量ΔＦ２Ａは、永久磁石５０，５１の直径が比較的小さい場合の吸引力Ｆ２の変位量ΔＦ２Ｂよりも小さくなる。一方、永久磁石１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂの寸法が決まれば、永久磁石１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂの間の吸引力Ｆ１の変化量ΔＦ１は一定である。したがって、永久磁石５０，５１の直径を調整することにより、吸引力Ｆ１の変化量ΔＦ１と吸引力Ｆ２の変化量ΔＦ２とを略一致させることができる。
【０１０８】
また、永久磁石５０の中心点と永久磁石５１の中心点とのずれ量は、インペラ１０の偏心量と所望の回転トルクが発生する周方向の角度ずれ量とを足したものとなり、永久磁石５０の回転中心Ｏ１と永久磁石５１の回転中心Ｏ２とのずれ量は、インペラ１０の偏心量と同一となる。一方で、永久磁石１５ａ，１５ｂの回転中心と永久磁石１６ａ，１６ｂの回転中心とのずれ量は、インペラ１０の偏心量と等しくなる。
【０１０９】
したがって、吸引力Ｆ１の変化量ΔＦ１と吸引力Ｆ２の変化量ΔＦ２を等しくするためには、永久磁石１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂによって構成される磁気的結合部のラジアル方向の正の支持剛性値の絶対値Ｋ１と、複数組の永久磁石５０，５１によって構成される磁気的結合部のラジアル方向の正の支持剛性値の絶対値Ｋ２とが、Ｋ１−Ｋ２＞０という関係を保つことが望ましい。
【０１１０】
この実施の形態２では、永久磁石１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂ間の吸引力と複数の永久磁石５０および複数の永久磁石５１間の吸引力とを釣り合わせ、動圧溝２１，２２を設けたので、常にインペラ１０の浮上位置をハウジング２内のほぼ中央位置に維持することができる。また、インペラ１０の径方向に２対の永久磁石１５ａ，１６ａおよび永久磁石１５ｂ，１６ｂを設けたので、インペラ１０の径方向に１対の永久磁石のみを設けた場合に比べ、インペラ１０のラジアル方向の支持剛性を大きくすることができる。さらに、インペラ１０が偏心したときの永久磁石１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂ間の吸引力Ｆ１の変化量ΔＦ１と複数組の永久磁石５０，５１間の吸引力Ｆ２の変化量ΔＦ２とを略一致させたので、常にインペラ１０の浮上位置をハウジング２内のほぼ中央位置に維持することができる。したがって、インペラ１０とハウジング２との機械的な接触を少なくすることができ、溶血や血栓の発生を防止することができる。
【０１１１】
なお、この実施の形態２では、永久磁石５０，５１の直径を調整し、吸引力Ｆ２の変化量ΔＦ２を調整することによってΔＦ１≒ΔＦ２としたが、永久磁石１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂの寸法（たとえば、ラジアル方向の幅、間隔）を調整し、吸引力Ｆ１の変化量ΔＦ１を調整してΔＦ１≒ΔＦ２としてもよい。
【０１１２】
また、図２９（ａ）（ｂ）は、実施の形態２の変更例を示す図であって、インペラ１０が偏心した場合の永久磁石１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂの重なり状態を示す図である。図２７（ａ）は永久磁石１５ａと１５ｂ（永久磁石１６ａと１６ｂ）の磁極が同方向に向いている場合を示し、図２７（ｂ）は永久磁石１５ａと１５ｂ（永久磁石１６ａと１６ｂ）の磁極が互いに逆方向に向いている場合を示している。また、図２８は、インペラ１０の偏心量と吸引力Ｆ１との関係を示す図である。
【０１１３】
図２９（ａ）（ｂ）において、永久磁石１５ａ，１５ｂの回転中心をＯ１とし、永久磁石１６ａ，１６ｂの回転中心Ｏ２とする。インペラ１０が偏心していない場合は、回転中心Ｏ１とＯ２はインペラ１０に垂直な方向から見て一致する。ここでは、インペラ１０が偏心した結果、回転中心Ｏ１とＯ２がある距離ｄだけずれているものとする。
【０１１４】
インペラ１０が偏心すると、図２９（ａ）〜（ｄ）に示すように、永久磁石１５ａと１６ａ，１５ｂと１６ｂの対向面積はインペラ１０が偏心していない場合に比べて減少する。また、永久磁石１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂ間の吸引力Ｆ１は、永久磁石１５ａと１６ａ，１５ｂと１６ｂの対向面積に応じて変化する。また、インペラ１０が偏心すると、図２９（ａ）（ｂ）の場合は、永久磁石１５ａと１６ｂ，１５ｂと１６ａの間に吸引力が発生するのに対し、図２９（ｃ）（ｄ）の場合は永久磁石１５ａと１６ｂ，１５ｂと１６ａの間に反発力が発生する。このため、図３０に示すように、吸引力Ｆ１は、インペラ１０のラジアル方向の変位に応じて減少し、図２９（ａ）（ｂ）の場合の変位量ΔＦ１Ａよりも図２９（ｃ）（ｄ）の場合の変位量ΔＦ１Ｂの方が大きくなる。
【０１１５】
この変更例では、永久磁石１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂの磁極を図２９（ａ）（ｂ）または図２９（ｃ）（ｄ）のように配置することによって吸引力Ｆ１の変化量ΔＦ１を調整した上で、実施の形態２で示した方法で吸引力Ｆ２の変化量ΔＦ２を調整する。この変更例でも、実施の形態２と同じ効果が得られる。
【０１１６】
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。
【符号の説明】
【０１１７】
１ 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、１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂ，１７，４１，５０，５１，５３ 永久磁石、１８，３５，３７〜４０，５７ 磁性体、１９，３１，５６ 継鉄、２０，５８ コイル、２１，２２ 動圧溝、２５ コントローラ、２６ 振幅演算器、２７ コンパレータ、２８ 記憶部、２９ モータ制御回路、３０ パワーアンプ、５２ ロータ、５４ ベアリング、５５ 中心軸、ＳＥ 磁気センサ。
【特許請求の範囲】
【請求項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式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た第３の磁性体とを備え、
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の吸引力と前記第３の磁性体および前記駆動手段間の第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、
前記インペラのラジアル方向の偏心量に対する前記第１の吸引力の変化量と、前記インペラのラジアル方向の偏心量に対する前記第２の吸引力の変化量とは略等しく、
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ていることを特徴とする、遠心式ポンプ装置。
【請求項２】
前記駆動手段は、
前記第２の室内において前記隔壁に沿って回転可能に設けられたロータと、
前記ロータに設けられ、前記第３の磁性体を吸引する第４の磁性体と、
前記ロータを回転させるモータとを含むことを特徴とする、請求項１に記載の遠心式ポンプ装置。
【請求項３】
前記第１および第２の磁性体で構成される磁気的結合部のラジアル方向の正の支持剛性値の絶対値は、前記第３および第４の磁性体で構成される磁気的結合部のラジアル方向の正の支持剛性値の絶対値よりも大きいことを特徴とする、請求項２に記載の遠心式ポンプ装置。
【請求項４】
前記第３の磁性体は、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磁石を含み、
前記駆動手段は、前記複数の磁石に対向して設けられ、回転磁界を生成するための複数のコイルを含むことを特徴とする、請求項１に記載の遠心式ポンプ装置。
【請求項５】
前記第３の磁性体は、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磁石を含み、
前記駆動手段は、
前記複数の磁石に対向して設けられた複数の第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むことを特徴とする、請求項１に記載の遠心式ポンプ装置。
【請求項６】
前記複数のコイルに流す電流の位相を変化させて前記第２の吸引力を調整することを特徴とする、請求項４または請求項５に記載の遠心式ポンプ装置。
【請求項７】
さらに、前記複数の磁石に対向して前記第２の室内に設けられた磁気センサを備え、
前記磁気センサの出力信号に基づいて前記前記複数のコイルに流す電流の位相を変化させることを特徴とする、請求項６に記載の遠心式ポンプ装置。
【請求項８】
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７までのいずれかに記載の遠心式ポンプ装置。
【請求項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式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た第３の磁性体とを備え、
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の吸引力と前記第３の磁性体および前記駆動手段間の第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、
前記インペラのラジアル方向の偏心量に対する前記第１の吸引力の変化量と、前記インペラのラジアル方向の偏心量に対する前記第２の吸引力の変化量とは略等しく、
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ていることを特徴とする、遠心式ポンプ装置。
【請求項２】
前記駆動手段は、
前記第２の室内において前記隔壁に沿って回転可能に設けられたロータと、
前記ロータに設けられ、前記第３の磁性体を吸引する第４の磁性体と、
前記ロータを回転させるモータとを含むことを特徴とする、請求項１に記載の遠心式ポンプ装置。
【請求項３】
前記第１および第２の磁性体で構成される磁気的結合部のラジアル方向の正の支持剛性値の絶対値は、前記第３および第４の磁性体で構成される磁気的結合部のラジアル方向の正の支持剛性値の絶対値よりも大きいことを特徴とする、請求項２に記載の遠心式ポンプ装置。
【請求項４】
前記第３の磁性体は、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磁石を含み、
前記駆動手段は、前記複数の磁石に対向して設けられ、回転磁界を生成するための複数のコイルを含むことを特徴とする、請求項１に記載の遠心式ポンプ装置。
【請求項５】
前記第３の磁性体は、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磁石を含み、
前記駆動手段は、
前記複数の磁石に対向して設けられた複数の第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むことを特徴とする、請求項１に記載の遠心式ポンプ装置。
【請求項６】
前記複数のコイルに流す電流の位相を変化させて前記第２の吸引力を調整することを特徴とする、請求項４または請求項５に記載の遠心式ポンプ装置。
【請求項７】
さらに、前記複数の磁石に対向して前記第２の室内に設けられた磁気センサを備え、
前記磁気センサの出力信号に基づいて前記前記複数のコイルに流す電流の位相を変化させることを特徴とする、請求項６に記載の遠心式ポンプ装置。
【請求項８】
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７までのいずれかに記載の遠心式ポンプ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【公開番号】特開２０１０−２６１３９４（Ｐ２０１０−２６１３９４Ａ）
【公開日】平成２２年１１月１８日（２０１０．１１．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１１３７５３（Ｐ２００９−１１３７５３）
【出願日】平成２１年５月８日（２００９．５．８）
【出願人】（０００１０２６９２）ＮＴＮ株式会社 (9,006)
【出願人】（０００１０９５４３）テルモ株式会社 (2,232)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１１月１８日（２０１０．１１．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年５月８日（２００９．５．８）
【出願人】（０００１０２６９２）ＮＴＮ株式会社 (9,006)
【出願人】（０００１０９５４３）テルモ株式会社 (2,232)
【Ｆターム（参考）】
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