特許 7303503 磁気浮上式ポンプ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-06-27

(45)【発行日】2023-07-05

(54)【発明の名称】磁気浮上式ポンプ

(51)【国際特許分類】

   F04D 29/048 20060101AFI20230628BHJP

   A61M 60/82 20210101ALI20230628BHJP

   F16C 32/04 20060101ALI20230628BHJP

【ＦＩ】

F04D29/048

A61M60/82

F16C32/04 Z

【請求項の数】 1

(21)【出願番号】P 2019037273

(22)【出願日】2019-03-01

(65)【公開番号】P2020139484

(43)【公開日】2020-09-03

【審査請求日】2022-02-01

(73)【特許権者】

【識別番号】504190548

【氏名又は名称】国立大学法人埼玉大学

(73)【特許権者】

【識別番号】000200677

【氏名又は名称】泉工医科工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100099645

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 晃司

(74)【代理人】

【識別番号】100161090

【弁理士】

【氏名又は名称】小田原 敬一

(72)【発明者】

【氏名】水野 毅

(72)【発明者】

【氏名】桑名 克之

【審査官】落合 弘之

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１８／０２５２２２８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特表２００７－５１８４６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－１２１１５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０９－３０３２８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５３－０８８４４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１５／０３６２０１５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１２／０１６９１６７（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０４Ｄ １／００－１３／１６

Ｆ０４Ｄ １７／００－１９／０２

Ｆ０４Ｄ ２１／００－２５／１６

Ｆ０４Ｄ ２９／００－３５／００

Ｆ１６Ｃ ３２／００－３２／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

吸込口及び吐出口を有するハウジングと、
前記ハウジング内に軸線を中心として回転可能な状態で収容され、前記軸線の周りの回転により前記吸込口から前記吐出口に向かう流れを前記ハウジング内に生じさせる回転体と、
前記回転体側に設けられた磁性体、及び前記軸線の周りに並ぶようにして前記ハウジング側に設けられた複数の電磁コイルを含み、各電磁コイルがコンデンサを介して交流電源と接続されて共振回路が形成され、前記交流電源から前記共振回路に交流電圧が印加されて前記電磁コイルが励磁されることにより、前記回転体を前記ハウジングに対して非接触で支持する磁気支持手段と、
前記回転体を前記軸線の周りに回転駆動する駆動手段と、を備え、
前記複数の電磁コイルのそれぞれは、各電磁コイルが発生する磁束が前記回転体の内周側と外周側との間を当該回転体の半径方向に沿って流れるように設けられ、
前記磁性体は前記回転体の周方向に並べられた複数のセグメントを含み、前記複数のセグメント同士は互いに接しないように分離されている磁気浮上式ポンプ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、回転体を磁力により浮上させて非接触状態で支持するポンプに関する。

【背景技術】

【0002】

心臓手術時の血流を確保するための体外循環回路に設けられる血液ポンプとして、ハウジング内に収容された回転体としてのインペラをその回転軸線上の単一の軸受にて支持するモノピボット軸受式の血液ポンプが普及している。しかしながら、インペラがハウジングと接触しつつ回転する構成では、その接触部分に摩擦が生じて血球の破壊、あるいは血栓の発生といった問題が生じるリスクを完全には排除できず、その使用に際しては抗血栓療法の併用といった対策を講じることが必要不可欠である。このような課題を解決する試みの一つとして、インペラを磁力で浮上させて非接触で支持する磁気浮上式の血液ポンプが提案されている。例えば、ハウジング側に設けられた複数の電磁コイルのそれぞれと交流電源とをコンデンサを介して接続して共振回路を形成し、その共振回路に交流電圧を印加して電磁コイルを励磁させることにより、電磁コイルとインペラ側の磁性体との間に軸線方向の磁気吸引力を生じさせてインペラを浮上させるポンプが提案されている（特許文献１参照）。この種のポンプではインペラがハウジングに対して非接触状態で回転するため、機械的摩擦に起因する血球破壊、あるいは血栓発生といった問題が生じるおそれを解消することが可能である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特表２００７－５１８４６４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上述した特許文献１のポンプのように、電磁コイルに交流電圧を印加した場合には、電磁コイルと磁性体との間の磁気ギャップの変化に対して、これを元の状態に戻そうとする自己平衡作用が生じる。それにより、インペラ等の回転体の支持剛性を高め、回転体の位置変化を打ち消すように電圧を制御する処理を省略することも期待できる。しかしながら、特許文献１のポンプでは、回転体の周方向に並べられた複数の電磁コイルのうち、隣接する二つの電磁コイルを一組として電磁石を構成しているため、周方向一方の側の電磁コイルがＳ極であれば、他方の側の電磁コイルはＮ極となり、回転体を通過する磁束はその周方向に流れ、周方向に隣接する電磁石間では磁束が回転体の軸線方向に沿って流れることになる。したがって、電磁石間で磁束が互いに逆向きに流れて干渉作用が生じ、それによりに磁力が安定せず、回転体を円滑に回転させることが困難となるおそれがある。

【0005】

そこで、本発明は交流電源を用いて回転体を安定的に浮上させつつ円滑に回転させることが可能な磁気浮上式ポンプを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の一態様に係る磁気浮上式ポンプは、吸込口（１１ａ）及び吐出口（１２ａ）を有するハウジング（１０）と、前記ハウジング内に軸線（ＡＸ）を中心として回転可能な状態で収容され、前記軸線の周りの回転により前記吸込口から前記吐出口に向かう流れを前記ハウジング内に生じさせる回転体（２０）と、前記回転体側に設けられた磁性体（３２）、及び前記軸線の周りに並ぶようにして前記ハウジング側に設けられた複数の電磁コイル（３４）を含み、各電磁コイルがコンデンサ（５５）を介して交流電源（ＡＣ）と接続されて共振回路（５４）が形成され、前記交流電源から前記共振回路に交流電圧が印加されて前記電磁コイルが励磁されることにより、前記回転体を前記ハウジングに対して非接触で支持する磁気支持手段（３）と、前記回転体を前記軸線の周りに回転駆動する駆動手段（４）と、を備え、前記複数の電磁コイルのそれぞれは、各電磁コイルが発生する磁束が前記回転体の内周側と外周側との間を当該回転体の半径方向に沿って流れるように設けられたものである。

【0007】

上記の態様によれば、まず電磁コイルを含んだ共振回路に交流電圧を印加して交番磁界を発生させ、それにより得られた磁力で磁性体を含んだ回転体を浮上させるので、電磁コイルに直流電圧を印加して磁界を発生させる場合と比較して電磁コイルと磁性体との間の磁気ギャップを相対的に拡大しつつ、より大きな磁力を発生させて回転体の支持剛性を高めることができる。しかも、回転体の内周側と外周側との間を回転体の半径方向に沿って磁束が流れるように電磁コイルを設けているので、周方向に隣接する電磁コイル間で磁束の方向が反転して干渉作用が生じるおそれがない。そのため、回転体の周方向における磁束分布のばらつきを抑え、回転体を安定的に浮上させつつ円滑に回転させることができる。

【0008】

上記態様の磁気浮上式ポンプにおいて、前記磁性体は前記回転体の周方向に並べられた複数のセグメント（３６）を含み、前記複数のセグメント同士は互いに接しないように分離されてもよい。これによれば、各セグメントを流れる磁束の方向を概ね回転体の半径方向に制限し、セグメント間における磁力の干渉を抑えることができる。そのため、回転体をさらに安定的に支持することが可能である。

【0009】

上記態様の磁気浮上式ポンプにおいて、前記磁気支持手段には、前記回転体が前記軸線の方向に関して所定の位置にあるときの前記共振回路の共振周波数よりも高い周波数の交流電圧が前記共振回路に印加されるように前記交流電源からの交流電圧を変換する電圧変換手段（５２）が設けられてもよい。これによれば、電磁コイルと磁性体との間に自己平衡作用が生じ、回転体が所定の位置から軸線方向に変位した場合、これを元の位置に戻そうとするように磁力が増加又は減少する。そのため、回転体をより安定的に支持することができる。電磁コイルに与える交流電圧を回転体の位置に応じて制御するような処理を省略することが可能である。それに伴って回転体に位置検出用のセンサ類を設け、あるいはセンサ類の出力信号をハウジング外まで取り出す配線を設ける必要もなくなる。それにより、ポンプの信頼性を高め、メンテナンスフリーの状態でポンプを長期間稼働させ得る。

【0010】

さらに、前記複数の電磁コイルが複数のグループ（５１Ａ、５１Ｂ、５１Ｃ）に分けて配置され、各グループに前記電圧変換手段が設けられてもよい。これによれば、電磁コイルのそれぞれに印加する電圧の周波数を少なくともグループ単位で個別に調整することができる。それにより、電磁コイルの個体差等に起因する磁束分布のばらつきを抑え、又は解消し、回転体をさらに安定的に支持することが可能である。

【0011】

上記態様の磁気浮上式ポンプは、体外循環回路の血液ポンプとして構成されてもよい。本発明を血液ポンプに適用することにより、回転体を非接触状態で安定的に支持しつつ円滑に回転させるという作用効果を活かして、血球破壊、血栓の発生のリスクがなく信頼性の高い血液ポンプを提供することができる。

【0012】

なお、以上の説明では本発明の理解を容易にするために添付図面の参照符号を括弧書きにて付記したが、それにより本発明が図示の形態に限定されるものではない。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の一形態に係る血液ポンプの外観を示す斜視図。

【図2】図１に示す血液ポンプの平面図。

【図3】図１に示す血液ポンプの側面図。

【図4】図３のIV-IV線に沿った断面図。

【図5】コイルモジュールの斜視図。

【図6】コイルモジュールの下面図。

【図7】コイルモジュールの軸方向断面図。

【図8】インペラの斜視図。

【図9】インペラの平面図。

【図10】インペラの軸方向断面図。

【図11】磁気軸受ユニットの駆動回路の構成の一例を示す図。

【図12】電磁コイルとターゲットとの間の磁気ギャップとそれらの間に作用する磁力との対応関係の一例を示す図。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、添付図面を参照して本発明の一形態に係る磁気浮上式ポンプを説明する。図１～図４は、磁気浮上式ポンプの一例としての血液ポンプ１の構成を示している。血液ポンプ１は、心臓手術等を受ける患者に接続されるべき体外循環回路に組み込まれるポンプであって、ポンプユニット２と、磁気軸受ユニット３と、駆動ユニット４（図４）とを含んでいる。磁気軸受ユニット３は磁気支持手段の一例に、駆動ユニット４は駆動手段の一例にそれぞれ相当する。

【0015】

図１～図４に示すように、ポンプユニット２はハウジング１０を有している。ハウジング１０は、厚さに比して直径が大きい扁平な概略円盤状の外観を有する中空の容器として構成されている。ハウジング１０の上面中央には吸込管１１が上方に向かって延びるようにして設けられ、ハウジング１０の外周には吐出管１２がハウジング１０の接線方向に延びるようにして設けられている。吸込管１１の上端の開口部がハウジング１０内に血液を取り込むための吸込口１１ａとして機能し、吐出管１２の先端の開口部がハウジング１０外に血液を送り出す吐出口１２ａとして機能する。吸込管１０の周囲にはコイルモジュール３１が設けられている。コイルモジュール３１は磁気軸受ユニット３の構成要素であって、その詳細は後述する。

【0016】

図４に示すように、ハウジング１０の内部には、回転体の一例としてのインペラ２０が設けられている。インペラ２０は、その軸線ＡＸを中心として回転可能な状態でハウジング１０内に収容されている。軸線ＡＸは吸込管１１と同軸的である。インペラ２０には、複数（図はその一部のみを示す。）の羽根２１が周方向に一定の間隔を空けて設けられている。各羽根２１は半径方向中心側から外周側に向かって延ばされている。インペラ２０が軸線ＡＸの周りに回転することにより、ハウジング１０内の血液に遠心力が作用し、それにより吸込口１１ａから吐出口１２ａへ向かう血液の流れがハウジング１０内に形成される。つまり、血液ポンプ１は非容積型ポンプの一種である遠心ポンプとして構成されている。

【0017】

インペラ２０の上面側にはターゲット３２が設けられている。ターゲット３２は磁気軸受ユニット３に含まれる磁性体の一例であって、その詳細は後述する。一方、インペラ２０の下面側でかつ外周側には環状部２２が形成されている。環状部２２には、永久磁石４０が設けられている。永久磁石４０は駆動ユニット４の構成要素である。

【0018】

駆動ユニット４は、インペラ２０内の永久磁石４０と、ハウジング１０の下方に配置された駆動体４１に埋め込まれた永久磁石４２と、駆動体４１を軸線ＡＸの周りに回転駆動する不図示の電動モータとを含む。永久磁石４０、４２は互いに引き寄せ合うように設けられて磁気カップリング４３を形成する。電動モータにより駆動体４１が回転駆動されると、その回転トルクが磁気カップリング４３を介してインペラ２０に伝達され、それによりインペラ２０が軸線ＡＸの周りに回転駆動される。なお、磁気カップリングを利用してインペラを回転駆動する駆動ユニットは種々の血液ポンプで採用されている。図示の駆動ユニット４は一例であり、その構成は適宜に変更されてよい。例えば、図示例では永久磁石４０、４２が軸線ＡＸの方向（以下、軸線方向と呼ぶことがある。）に引き合うように配置されているが、これに代えて、又は加えて、インペラ２０の半径方向に引き合うように永久磁石が配置されてもよい。

【0019】

次に、図５～１２を参照して磁気軸受ユニット３の詳細を説明する。磁気軸受ユニット３は、ハウジング１０側のコイルモジュール３１により交番磁界を発生させ、その磁力によりインペラ２０側のターゲット３２を軸線方向に引き寄せてインペラ２０を重力に抗して浮上させ、それによりインペラ２０をハウジング１０に対して非接触状態で支持する。図５～図７はコイルモジュール３１の詳細を示している。コイルモジュール３１は、磁心３３（図５ではその一部のみが現れる。）と、磁心３３に巻き付けられた複数の電磁コイル３４と、磁心３３の上面側に取り付けられた保持板３５とを含んでいる。磁心３３は軟磁性材料にて形成される。例えばケイ素鋼等を素材とする金属磁心として磁心３３が形成されてもよいし、圧粉磁心、あるいはフェライト磁心として磁心３３が形成されてもよい。ただし、交番磁界を加えた場合の渦電流損失及びそれに伴う発熱を抑える観点からは、磁心３３を圧粉磁心、又はフェライト磁心として形成することが好適である。

【0020】

磁心３３には複数の巻芯３３ａが周方向に等間隔で設けられている。巻芯３３ａは磁心３３の上端部から下端まで直線的に延びる角柱状である。各巻芯３３ａに対して電磁コイル３４が巻き付けられている。巻芯３３ａの個数は一例として６である。したがって、コイルモジュール３１は合計で６個の電磁コイル３４を有し、電磁コイル３４同士の周方向のピッチは６０°である。電磁コイル３４の構成は互いに等しい。すなわち、電磁コイル３４の材質、線径は互いに等しく、巻き数も互いに等しい。さらに、電磁コイル３４の巻き付け方向も互いに等しい。例えば、全ての電磁コイル３４は、図５及び図６に矢印ＷＤで示した方向に沿って巻かれている。それにより、各電磁コイル３４は単独で電磁石を構成する。したがって、コイルモジュール３１には、同一特性の６個の電磁石が軸線ＡＸの周りに対称的に配置されている。各電磁コイル３４が発生する磁束は、例えば図７に矢印ＭＦで示したように、巻芯３３ａの周囲を磁心３３の半径方向内周側と外周側との間で周回するように流れる。つまり、コイルモジュール３１の下面側と対向するインペラ２０上のターゲット３２においては、電磁コイル３４によって生成される磁束がインペラ２０の内周側と外周側との間を半径方向に沿って流れることになる。なお、電磁コイル３４には交流の励磁電流が流れるため、電磁コイル３４が発生する磁界は交番磁界である。したがって、磁束の方向は図７の矢印ＭＦ方向とその逆方向とで交番的に変化する。

【0021】

以上のように、電磁コイル３４のそれぞれは、磁束がインペラ２０の内周側と外周側との間を半径方向に沿って流れるように設けられている。したがって、周方向に隣接する電磁コイル３４間で磁束に干渉作用が生じて周方向の磁束分布に乱れが生じるおそれがない。したがって、インペラ２０を安定的に浮上させつつ回転させることが可能である。周方向に並ぶ一対の電磁コイルを組み合わせて一つの電磁石を構成する場合と比較して、一つの電磁石を設けるために必要な周方向のスペースを削減することが可能である。多数の電磁コイル３４を周方向に比較的密に並べて磁束分布の調整分解能を高めることもでき、比較的直径が小さいインペラ２０でも複数の電磁コイル３４を設けることができるなど、電磁コイル３４の配置に関する設計自由度も高い。

【0022】

保持板３５は磁心３３及び電磁コイル３４を保持する構造物として設けられている。保持板３５が不図示の支持構造体に固定されることにより、コイルモジュール３１がハウジング１０の上面側の定位置に支持される。なお、磁心３３及び保持板３５にはハウジング１０の吸込管１１を通すための貫通孔３３ｂ、３５ａが形成されている。

【0023】

図８～図１０はインペラ２０の詳細を示している。上述したように、インペラ２０には磁気軸受ユニット３のターゲット３２が設けられている。ターゲット３２はインペラ２０の一部として駆動ユニット４により軸線ＡＸの周りに回転駆動される。ターゲット３２には、同形同大のセグメント３６（図では一部にのみ参照符号を付してある。）が周方向に一定のピッチで並べられている。言い換えれば、ターゲット３２は、軸線ＡＸの周りにセグメント３６を対称的に配置した構成を有している。ターゲット３２は、その全体としては円盤状の外観を呈している。セグメント３６同士は互いに接しないように分離されている。これにより、ターゲット３２を流れる磁束の方向を概ね半径方向に揃えて磁力の干渉作用を抑えることができる。また、交番磁界をターゲット３２に加えたときのセグメント３６間における渦電流の往来を阻止して渦電流損失に伴うターゲット３２の発熱を抑えることができる。

【0024】

セグメント３６のそれぞれは、磁心３３と同様に軟磁性材料にて形成される。例えばケイ素鋼等を素材としてセグメント３６が形成されてもよいし、圧粉磁心材料、あるいはフェライトを素材としてセグメント３６が形成されてもよい。セグメント３６に関しても、渦電流損失及びそれに伴う発熱を抑える観点から、圧粉磁心材料、又はフェライトにてセグメント３６を形成することが好適である。

【0025】

ターゲット３２の中心には貫通孔３２ａが形成されている。吸込管１１に取り込まれた血液はその貫通孔３２ａを通過してインペラ２０の中心孔２０ａからインペラ２０内に流入し、インペラ２０の外周の開口部２０ｂからハウジング１０の吐出管１２に向かって流出する。

【0026】

電磁コイル３４を励磁してインペラ２０を浮上させるため、磁気軸受ユニット３には図１１の駆動回路５０がさらに設けられている。駆動回路５０は３組の駆動部５１Ａ、５１Ｂ、５１Ｃ（以下、参照符号５１で代表することがある。）を有している。各駆動部５１は、交流電源ＡＣから供給される交流電圧を所定の周波数かつ所定波形の交流電圧に変換して出力する一つのファンクションジェネレータ５２と、そのファンクションジェネレータ５２から出力される交流電圧を増幅する一つのパワーアンプ５３とを含んでいる。ファンクションジェネレータ５２は電圧変換手段の一例に相当する。一つのパワーアンプ５３には二つの共振回路５４がさらに接続されている。それにより、電磁コイル３４は複数の駆動部５１に分けて配置され、各駆動部５１が二つの共振回路５４を含んだ一つのグループを構成する。各共振回路５４は、一つの電磁コイル３４とコンデンサ５５とを直列に接続して形成される。つまり、共振回路５４は、電磁コイル３４をコイルとして含んだＬＣＲ回路として構成されている。

【0027】

駆動部５１Ａ、５１Ｂ、５１Ｃと電磁コイル３４との対応関係は、周方向に６０°ずれて配置された電磁コイル３４が対をなして同一の駆動部５１に含まれるように設定されている。図６においては、駆動部５１Ａに含まれる電磁コイル３４を参照符号Ｇ１で、駆動部５１Ｂに含まれる電磁コイル３４を参照符号Ｇ２で、駆動部５１Ｃに含まれる電磁コイル３４を参照符号Ｇ３でそれぞれ区別して示す。このように電磁コイル３４を複数の駆動部５１に分けて配置する理由の一つは、各電磁コイル３４が発生させる磁界を駆動部５１ごとに分けて調整することを可能とし、それにより電磁コイル３４の個体差等に起因する磁束分布のばらつきを抑え、又は解消することにある。なお、駆動部５１は共振回路５４と１対１に対応付けて設けられてもよい。すなわち、電磁コイル３４のそれぞれが互いに異なるファンクジェネレータ５２及びパワーアンプ５３と接続されてもよい。要するに一つの駆動部５１には少なくとも一組の電磁コイル３４及びコンデンサ５５が接続されるように駆動回路５０が構成されてもよい。

【0028】

ファンクションジェネレータ５２が出力する交流電圧の周波数はインペラ２０が軸線方向に関して適正な位置にあるときの共振回路５４の共振周波数よりも幾らか高い周波数に設定されている。コイルを含む共振回路に交流電圧を印加して交番磁界を発生させる場合、その磁界で得られる磁力は共振回路の共振周波数とコイルに印加される交流電圧の周波数とが一致するときに最大値を取り、交流電圧の周波数が共振周波数の近傍から離れると顕著に減少する。一方、共振回路の共振周波数はコイルと磁性体との間の磁気ギャップに応じて変化し、磁気ギャップが増加すればコイルのインダクタンスが減少して共振周波数が上昇し、磁気ギャップが減少すればコイルのインダクタンスが増加して共振周波数が低下する。図示の血液ポンプ１においては、図７に示した電磁コイル３４とターゲット３２（詳しくはセグメント３６）との間の隙間量Ｃが磁気ギャップに相当し、その磁気ギャップＣが増加すれば共振回路５４の共振周波数は上昇し、磁気ギャップＣが減少すれば共振回路５４の共振周波数は低下する。

【0029】

図１２は、磁気ギャップＣと電磁コイル３４がターゲット３２を引き寄せる磁力との関係を示している。図１２の実線は、共振回路５４の共振周波数が電磁コイル３４に印加される交流電圧の周波数と一致するときの磁気ギャップを基準ギャップＣｒとして、磁気ギャップＣの変化と磁力との関係を示している。磁力は基準ギャップＣｒで最大値Ｆｍａｘを取り、基準ギャップＣｒの近傍から磁気ギャップが増加又は減少すると顕著に低下する。電磁コイル３４に印加される交流電圧の周波数は一定であり、磁気ギャップが基準ギャップＣｒから離れると共振回路５４の共振周波数が増加又は減少することがその理由である。

【0030】

一方、インペラ２０が軸線方向に関して適正な位置にあるときの磁気ギャップを適正ギャップＣｓとすれば、電磁コイル３４にはその適正ギャップＣｓに対応した共振回路５４の共振周波数よりも幾らか高い周波数の交流電圧が印加されているため、図１２において、適正ギャップＣｓは最大の磁力Ｆｍａｘを与える基準ギャップＣｒよりも小さい。したがって、実際の磁気ギャップが適正ギャップＣｓよりも増加すれば磁力Ｆも増加し、実際の磁気ギャップが適正ギャップＣｓよりも減少すれば磁力Ｆも減少する。磁力はターゲット３２を軸線方向上方に引き寄せる力として働くため、インペラ２０が適正ギャップＣｓを与える適正位置よりも下方に変位すれば、それを打ち消すように上向きの磁力が増加し、インペラ２０が適正ギャップＣｓを与える適正位置よりも上方に変位すれば、それを打ち消すように上向きの磁力が減少する。つまり、インペラ２０の適正位置からの軸線方向の変位を抑える自己平衡作用が電磁コイル３４とターゲット３２との間に働く。

【0031】

そのため、電磁コイル３４に印加する交流電圧は一定で足り、インペラ２０の位置変動に応じて電磁コイル３４の励磁電圧を変化させるような制御は不要である。しかも、インペラ２０の位置の変化を検出する必要もないため、回転体であるインペラ２０にセンサ類を配置してハウジング１０外へと信号を取り出す必要もない。それにより、ハウジング１０内の構成を簡素化することが可能であり、かつセンサ類の故障や断線といったリスクも発生し得ないため、血液ポンプ１の信頼性を高め得る。なお、適正ギャップＣｓはインペラ２０を軸線方向に関してどのような位置で回転させるべきか、に応じて定めればよい。一方、基準ギャップＣｒは電磁コイル３４とターゲット３２との間に働く自己平衡作用の程度に応じて設定すればよく、その基準ギャップＣｒに応じてファンクションジェネレータ５２の出力周波数を設定すればよい。なお、図１２に直流電圧を印加した場合の磁気ギャップと磁力との関係を示すが、その場合は磁気ギャップの増加とともに磁力が低下し、自己平衡作用が得られないばかりか、磁気ギャップも可能な限り小さく設定する必要が生じる等、本形態の磁気軸受ユニット３に比して不都合が多いことが理解できる。

【0032】

ファンクションジェネレータ５２から出力する交流電圧は正弦波状であってもよいし、矩形波状であってもよい。矩形波状の交流電圧を励磁電圧として用いる場合には駆動回路５０の構成を大幅に小型化できる利点がある。なお、ファンクションジェネレータ５２から出力する交流電圧の位相は全ての電磁コイル３４間で一致するように設定される。それにより、インペラ２０の全周で交番磁界を合一的に変化させて周方向における磁束分布のばらつきをさらに抑えることが可能である。ただし、上述した駆動部５１ごとに交流電圧の位相を１２０°ずつずらすことにより、インペラ２０の支持力に加えて回転力をインペラ２０に与えるようにしてもよい。このような構成により十分な回転力が得られる場合には駆動ユニット４が省略されてもよい。あるいは、駆動ユニット４が与える回転力を補助するように電磁コイル３４にて回転磁界を生じさせてもよい。

【0033】

以上に説明したように、本形態の血液ポンプ１によれば、磁気軸受ユニット３の電磁コイル３４にコンデンサ５５を接続して共振回路５４を形成しているので、共振周波数付近の交流電圧を印加したとき見られる磁力の顕著な増加作用を利用してインペラ２０を十分な剛性で支持することができる。しかも、電磁コイル３４に印加する交流電圧の周波数を上記のように設定することにより自己平衡性を生じさせるとともに、電磁コイル３４間で干渉作用が生じないように磁束の方向を設定しているので、インペラ２０を安定的に支持することが可能であって、その安定性を確保するためにインペラ２０の位置を検出して励磁電圧を制御するような処理を省略することも可能である。それにより、交番磁界を用いた磁気浮上式の利点を十分に活かして、円滑な動作を長期に亘って維持できる信頼性の高い血液ポンプを提供することができる。

【0034】

本発明は上述した形態に限定されず、種々の変形又は変更が施された形態にて実施されてよい。例えば、上記の形態では、複数の電磁コイル３４を複数の駆動部５１に分け、駆動部５１ごとに励磁電圧の周波数や波形を設定しているが、同一のファンクションジェネレータ５２から出力される交流電圧を全ての電磁コイル３４に供給してもよい。電磁コイル３４の個数はポンプの構成に応じて適宜に変更されてよい。インペラ２０の下面側にもターゲット３２を配置し、これと対向するようにコンデンサ５５の下部にもコイルモジュール３１を配置することにより、インペラ２０を軸線方向の両側から磁力で引き寄せて非接触状態で支持するようにしてもよい。

【0035】

本発明の磁気浮上式ポンプは体外循環回路の血液ポンプとして使用されることにより、回転体を非接触状態で安定的に支持しつつ円滑に回転させるという作用効果を活かして、血球破壊、血栓の発生のリスクがなく信頼性の高い血液ポンプを実現することができる。しかしながら、本発明の磁気浮上式ポンプの用途は体外循環回路に限られず、各種の用途のポンプとして構成されてよい。

【符号の説明】

【0036】

１ 血液ポンプ（磁気浮上式ポンプ）
３ 磁気軸受ユニット（磁気支持手段）
４ 駆動ユニット（駆動手段）
１０ ハウジング
１１ａ 吸込口
１２ａ 吐出口
２０ インペラ（回転体）
３１ コイルモジュール
３２ ターゲット（磁性体）
３３ 磁心
３４ 電磁コイル
３６ セグメント
５０ 駆動回路
５１Ａ、５１Ｂ、５１Ｃ 駆動部（グループ）
５２ ファンクションジェネレータ（電圧変換手段）
５４ 共振回路
５５ コンデンサ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】