JP4496376B2 - 使い捨て磁気浮上式血液ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、血液接触部のみを使い捨て部品とする遠心血液ポンプに係り、詳しくは使い捨て部分の構造が簡単で、永久磁石の使用個数が少なく低コストで製造が容易な磁気軸受ロータを採用した使い捨て磁気浮上式血液ポンプに関する。

従来、心臓手術の術中及び術後に使用される遠心血液ポンプは、患者の血液と接触するインペラ(羽根車)とこれを収容するハウジング（ポンプハウジング）のみを交換する使い捨て遠心血液ポンプが用いられている。
そして、通常、この種の使い捨て遠心血液ポンプでは、インペラがピボットベアリングやメカニカルシールで保護された接触式のベアリングで支持されているが、ベアリングは、血液の汚染を避けるため無潤滑で用いられるため、摩耗や摩擦が激しく耐久性に問題があり、また、ベアリング周りの血栓やベアリングによる溶血といった問題も指摘されていた。

このため、使い捨て部分の使用期限は最大２日程度に制限されているが、２日毎の交換は、長期の補助循環を必要とする患者や医療機関にとって大きな負担となっているのが実情であった。
そこで、斯かる問題を解決するため、昨今、遠心血液ポンプに組み込まれるインペラを磁力で非接触に支持する磁気軸受を用いた磁気浮上式血液ポンプが提案されている（非特許文献１〜３参照）。

非特許文献１，２の磁気浮上式血液ポンプは、ブラシレスＤＣモータのようにハウジング内のロータに径方向に着磁された円筒永久磁石が使用され、また、非特許文献３に開示された磁気浮上式血液ポンプは、ロータ外周のステータ側に設置した電磁石とロータに設置した永久磁石との間に働く磁気カップリングによってロータを支持すると共に、ロータの内面に設置した複数の永久磁石と、当該永久磁石と向かい合うように設置されたトルク伝達ディスクの複数の永久磁石間に働く磁気カップリングによって、ロータへのトルク伝達を行うものである。
Reto Schob，Centrifugal pump without bearings or seals, World Pumps, July 2002. CentriMag Left Ventricular Assist System Catalogue, Levitronix. H.Hoshi, K.Kataoka, K.Ohuchi, J.Asama, T.Shinshi, A.Shimokohbe and S.Takatani, Magnetically Suspended Blood Pump with a Radial Magnetic Driver, ASIO journal, pp. 60-64, (2005).

しかし乍ら、非特許文献１，２の従来例にあっては、磁気回路中に占める永久磁石の割合が大きく、磁気抵抗が大きくなってしまう点が推測される。
そして、斯様に磁気抵抗が大きい場合、モータ及び磁気浮上用のコイル電流が多く必要で、発熱の問題が予測される。
また、非特許文献３のように複数の永久磁石をロータに使用すると、ロータの構造が複雑で製造コストが上昇すると共に、永久磁石の接着ミスによる剥離等を防ぐための信頼性の確保に手間がかかる問題があった。

本発明は斯かる実情に鑑み案出されたもので、使い捨て部分の構造が簡単で、永久磁石の磁気回路中に占める割合や使用個数が少なく、低発熱，低コストで製造が容易な磁気軸受ロータを採用した使い捨て磁気浮上式血液ポンプを提供することを目的とする。

斯かる目的を達成するため、請求項１に係る発明は、頂上部に血液流入口が設けられ、側面に血液流出口が設けられた使い捨て式のハウジングと、当該ハウジングが着脱自在に取り付く再利用部分たるステータとで構成され、ハウジングは内部に、外周面の一端側と他端側にリング状の磁極面が周方向に沿って突設され、内周面の一端側と他端側に複数の磁極面が内方へ突設された磁性材料からなる円筒状のロータと、当該ロータに取り付くインペラを備え、前記ステータは、ハウジングの周りに等間隔で配置され、ロータの外周面に突設した磁極面に沿って磁極面が対向配置されてロータとの間で磁気カップリングを発生する３つ以上の磁気軸受用電磁石と、厚さ方向に着磁されたリング状の永久磁石を、上下２枚の磁性材料からなるリング部材で挟み込んで形成され、外周面の一端側と他端側に、ロータの内周面に突設した磁極面に対応する複数の磁極面が突設されてロータとの間で磁気カップリングを発生するトルク伝達ディスクと、前記ハウジングと離間して配置され、当該トルク伝達ディスクを回転駆動するモータと、ロータのラジアル方向の変位を計測する変位計とを備え、ハウジングは、ロータの外形形状に沿って底部が筒状に形成されて、当該底部が前記磁気軸受用電磁石とトルク伝達ディスクとの間に着脱自在に取り付くことを特徴とする。

そして、請求項２に係る発明は、請求項１に記載の使い捨て磁気浮上式血液ポンプに於て、ロータは、厚さ方向に着磁されたリング状の１個の永久磁石を、内周側が軸方向に歯溝加工された上下２枚の磁性材料からなるリング部材で挟み込んで形成され、トルク伝達ディスクの永久磁石は、ロータの永久磁石と逆方向に着磁されていることを特徴とする。
更に、請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載の使い捨て磁気浮上式血液ポンプに於て、ハウジングは、ステータに固定手段を介して固定されていることを特徴とする。

また、請求項４に係る発明は、頂上部に血液流入口が設けられ、側面に血液流出口が設けられた使い捨て式のハウジングと、当該ハウジングが着脱自在に取り付く再利用部分たるステータとで構成され、ハウジングは内部に、外周面の一端側と他端側にリング状の磁極面が周方向に沿って突設され、内周面に複数の磁極面が軸方向に突設された磁性材料からなる円筒状のロータと、当該ロータに取り付くインペラとを備え、前記ステータは、ハウジングの周りに等間隔で配置され、ロータの外周面に突設した磁極面に沿って磁極面が対向配置されてロータとの間で磁気カップリングを発生する３つ以上の磁気軸受用電磁石と、９０°ずつ着磁方向をずらした永久磁石列からなるハルバッハ型の永久磁石アレイで形成され、径方向内方と外方とに着磁された永久磁石に対向するロータの内周面側の磁極面との間で磁気カップリングを発生するトルク伝達ディスクと、前記ハウジングと離間して配置され、当該トルク伝達ディスクを回転駆動するモータと、ロータのラジアル方向の変位を計測する変位計とを備え、ハウジングは、ロータの外形形状に沿って底部が筒状に形成されて、当該底部が前記磁気軸受用電磁石とトルク伝達ディスクとの間に着脱自在に取り付くことを特徴とする。

そして、請求項５に係る発明は、請求項４に記載の使い捨て磁気浮上式血液ポンプに於て、ハウジングは、ステータに固定手段を介して固定されていることを特徴とする。

請求項１，請求項２及び請求項４に係る発明によれば、使い捨て部分のハウジング内のロータに使用する永久磁石の数を従来に比し著しく削減できるため、単純なロータ構造が実現できて使い捨て部分の低コスト化に寄与できる利点を有する。
また、磁気回路の磁気抵抗も小さく、磁気軸受の低消費電力化にも有利である。
更にまた、モータをハウジングから離間させて、モータの熱がハウジング内を流下する血液に伝達し難い構造としたため、熱による血液の凝固を確実に防止することができる。

そして、請求項３及び請求項５に係る発明によれば、使い捨て部分のハウジングを固定手段で固定しているため、心臓手術の術中及び術後に使用している際に、ハウジングが脱落して不測の事態が発生する虞がない。

請求項１乃至請求項３の第一実施形態に係る磁気浮上式血液ポンプの全体斜視断面図である。 図１に示す磁気浮上式血液ポンプのロータと電磁石，トルク伝達ディスクの拡大斜視断面図である。 ロータと電磁石，トルク伝達ディスクの平面図である。 ハウジングの縦断面図である。 ロータと電磁石，トルク伝達ディスクの縦断面図である。 ロータと電磁石，トルク伝達ディスクの縦断面図である。 ハウジングの変形例の縦断面図である。 請求項４及び請求項５の一実施形態に係る磁気浮上式血液ポンプのロータと電磁石，トルク伝達ディスクの拡大斜視断面図である。 請求項１乃至請求項３の第二実施形態に係る磁気浮上式血液ポンプのロータと電磁石の平面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１乃至図６は、請求項１乃至請求項３に係る使い捨て磁気浮上式血液ポンプ（以下、「磁気浮上式血液ポンプ」という）の第一実施形態を示し、図１に示すように本実施形態に係る磁気浮上式血液ポンプ１は、ステータ３と、当該ステータ３の上面に着脱自在に取り付くハウジング５とで構成されており、以下に記載するように、図中、太線で囲んだハウジング５とこの内部に装着されたロータ７やインペラ９等からなる血液接触部が使い捨て部分で、ハウジング５の頂上部の血液流入口１１から流入した血液は、インペラ９の回転で運動エネルギーが与えられて側面の血液流出口（図示せず）から流出するようになっている。

そして、前記ハウジング５から離間して配置されたブラシレスＤＣモータ（以下、「モータ」という）１３やこれに同期して回転するトルク伝達ディスク１５，ハウジング５の周囲を囲んで設置された図３に示す４つの磁気軸受用の電磁石１７ｘ，１９ｘ，１７ｙ，１９ｙ等を備えたステータ３が、磁気浮上式血液ポンプ１の再利用部分で、ハウジング５はその外径が７５ｍｍに設定され、再利用部分たるステータ３は１５７ｍｍの高さ寸法に設定されている。

先ず、ハウジング５とこの内部に装着されたロータ７やインペラ９等からなる使い捨て部分について説明すると、図２に於て、２１は厚さ方向に着磁された１個のリング状のネオジム永久磁石、２３，２５は内周面が等間隔で軸方向に歯溝加工が行われた２枚の電磁軟鉄リング（リング部材）で、ネオジム永久磁石２１を電磁軟鉄リング２３，２５の間に挟み込んで一体化してロータ７が形成されている。

そして、一方の電磁軟鉄リング２３の外周面、即ち、ロータ７の外周面の一端側はネオジム永久磁石２１から外方へ突出して、周方向に沿って形成されたリング状の磁極面２７となっている。同様に、他方の電磁軟鉄リング２５の外周面、即ち、ロータ７の外周面の他端側も、ネオジム永久磁石２１から外方へ突出して周方向に沿って形成されたリング状の磁極面２９となっており、２つの磁極面２７，２９間にはネオジム永久磁石２１によって定常的な磁場が発生している。

また、既述したように電磁軟鉄リング２３，２５の内周面は、夫々、軸方向へ等間隔で歯溝加工が行われており、これによってロータ７の内周面の一端側と他端側の同一位置に、夫々、複数の歯状の磁極面３１，３３が内方へ等間隔に突設されている。そして、図１及び図４に示すように上記ロータ７（電磁軟鉄リング２３）上に、連結部材（後述する変位センサのセンサターゲット）３５を介してアクリル等の樹脂材料で形成されたインペラ９が一体的に固着されており、ロータ７とインペラ９はハウジング５内に収容されている。

ハウジング５は、インペラ９と同様、軽量な樹脂材料で形成されており、既述したようにハウジング５の頂上部と側面に血液流入口１１と血液流出口が設けられ、図４に示すようにその底部３７は、ロータ７の外形形状に沿って円筒状に形成されている。
尚、図４に示すように本実施形態では、ハウジング５の底部３７からインペラ９の上部までの高さ寸法Ｈを３９．５ｍｍ程に設定しているが、図７に示すように前記連結部材（センサターゲット）３５を外して、ロータ７（電磁軟鉄リング２３）上に、高さ寸法を低くしたインペラ９-1を直接止着することで、ハウジング５-1とロータ７，インペラ９-1からなる使い捨て部分の小型化が図れる。そして、この場合、ロータ７のネオジム永久磁石２１を変位センサのセンサターゲットとする。

また、既述したように本実施形態は、電磁軟鉄リング２３，２５の内周面に複数の歯状の磁極面３１，３３を内方へ等間隔に突設したが、必ずしもこれらの磁極面３１，３３は夫々等間隔である必要はなく、例えば４つの磁極面３１，３３を、夫々、１００°と８０°の間隔を空けて線対称に突設してもよい。
そして、図１乃至図３に示すようにステータ３の基台３９上に配置したロータ７の底部３７を囲むように、基台３９上に４つの電磁石１７ｘ，１９ｘ，１７ｙ，１９ｙが９０°間隔で配置されており、これらの電磁石１７ｘ，１９ｘ，１７ｙ，１９ｙとロータ７とで、インペラ９の荷重を磁気力によって非接触で支持する磁気軸受４１を構成している。

図２に示すように磁気軸受４１は、インペラ９のスラスト方向（Ｚ方向）を中心とした
回転方向（Ψ方向）を除く５自由度での剛性が正となる軸受である。
５自由度とは、スラスト方向（Ｚ方向）の１自由度と、ラジアル方向（Ｘ方向，Ｙ方向）の２自由度と、傾き方向（Θ方向，Φ方向）の２自由度で、スラスト方向はインペラ９の回転軸方向に対応し、ラジアル方向は回転軸方向に垂直な方向に対応し、傾き方向はラジアル方向を中心とした微小回転の方向に対応する。

更に、磁気軸受４１は２自由度制御型の磁気軸受で、上記した５自由度のうち、ラジアル方向（Ｘ方向，Ｙ方向）の２自由度のみを制御対象とする。つまり、ラジアル方向（Ｘ方向，Ｙ方向）のみが能動型であり、他のスラスト方向（Ｚ方向）と傾き方向（Θ方向，Φ方向）の３自由度に関しては受動型となっている。
以下、磁気軸受４１の構成を説明すると、図２及び図３に示すように電磁石１７ｘ，１９ｘ，１７ｙ，１９ｙは、ｘ方向制御用の２つの電磁石１７ｘ，１９ｘと、ｙ方向制御用の２つの電磁石１７ｙ，１９ｙとで構成されており、ｘ方向制御用の電磁石１７ｙ，１９ｙは、ロータ７（ハウジング５の底部３７）を挟んでｘ方向に対向配置され、ｙ方向制御用の電磁石１７ｙ，１９ｙは、同じくロータ７を挟んでｙ方向に対向配置されている。

電磁石１７ｘ，１９ｘ，１７ｙ，１９ｙの構成は全て同一であるため、図２及び図５を基に電磁石１７ｙを例に構成を説明すると、電磁石１７ｙは、断面コ字状の電磁軟鉄コア４３の中央にコイル４５を巻き付けたもので、この電磁軟鉄コア４３を焼鈍処理をした純鉄で形成すると、磁気軸受４１のヒステリシス損失が低下して電磁石１７ｙの低発熱化に寄与し、ハウジング５内を流下する血液の凝固を防止することができる。

また、電磁軟鉄コア４３を粉体コア（純鉄の微粒子を圧縮して接着剤で固めたもの）で形成すると、渦電流損失が低下して電磁石１７ｙの低発熱化に寄与すると共に、磁気軸受４１から発進制御する電磁力のバンド幅を伸ばすことができるため、ロータ７の振動が低減して溶血防止や血液の凝固防止に寄与する利点を有する。
電磁軟鉄コア４３には、ロータ７の磁極面２７，２９の各々の部分領域に対向配置される２つの磁極面４７，４９が設けられており、図２及び図３に示すように磁極面４７，４９の形状は、ロータ７の磁極面２７，２９の部分領域に沿った形状である。そして、底部３７を挟んで対峙する磁極面２７，２９と磁極面４７，４９間のギャップは、僅差な寸法に設定されている。

このように、ロータ７と電磁石１７ｙは、磁極面２７，４７同士が対向配置され、磁極面２９，４９同士が対向配置される。このため、ロータ７のネオジム永久磁石２１によって磁極面２７，２９の間に発生した定常的な磁場は、電磁石１７ｙの磁極面４７，４９を介して内部を通過することになる。
つまり、ネオジム永久磁石２１のＮ極側から出て、電磁軟鉄リング２３→磁極面２７→ギャップ→磁極面４７→電磁軟鉄コア４５→磁極面４９→ギャップ→磁極面２９→電磁軟鉄リング２５を順に経た後、ネオジム永久磁石２１のＳ極に戻る、図２及び図５中、矢印に示す磁束φの閉ループを構成する磁気カップリングが発生する。

ここで、仮想的な磁気カップリングの剛性の符号は、スラスト方向（Ｚ方向）と傾き方向（Θ方向，Φ方向）とを合わせた３自由度に関して「正」になる。つまり、スラスト方向（Ｚ方向）の１自由度においてロータ７が図５の如く理想的な位置から変位すると、ロータ７には磁束φのループによる復元力Ｆ１が働く。
また、図６に示すように傾き方向（Θ方向，Φ方向）の２自由度においてロータ７が理想的な位置から傾くと、ロータ７には磁束φのループによる復元トルクＦ２が働く。

何れの場合にも、ロータ７は、復元力Ｆ１または復元トルクＦ２によって、図２の如く一方の磁極面２７が電磁石１７ｙの磁極面４７に対向し、他方の磁極面２９が電磁石１７ｙの磁極面４９に対向する状態（つまり理想的な位置に整列した状態）へ向けて動くことになる。
そして、これらの復元力Ｆ１や復元トルクＦ２は、その他の電磁石１７ｘ，１９ｘ，１９ｙに於ても同様にロータ７に作用する。

この結果、ロータ７は、磁極面２７，２９の各々が磁極面４７，４９に対向する整列状
態に安定して保持される。つまり、スラスト方向（Ｚ方向）と傾き方向（Θ方向，Φ方向）とを合わせた非制御方向の３自由度に関しては、ネオジム永久磁石２１からの磁束φのループによって、ロータ７の剛性を充分に確保することができる。
これに対し、ラジアル方向（Ｘ方向，Ｙ方向）の２自由度に関しては、ネオジム永久磁石２１からの磁束φのループによる仮想的なバネの剛性が「負」になってしまう。

このため、本実施形態では、ラジアル方向（Ｘ方向，Ｙ方向）の磁気カップリングの剛性を補正して「正」にする目的で、ｘ方向制御用の電磁石１７ｘ，１９ｘ及びｙ方向制御用の２つの電磁石１７ｙ，１９ｙの各々のコイル４５に励磁電流を供給する。
そして、各々のコイル４５に対する励磁電流の向きと強さは、変位センサ５１からの出力信号に基づいてフィードバック制御される。

図１に示すようにステータ３の基台３９上には、各電磁石１７ｘ，１９ｘ，１７ｙ，１９ｙを基台３９上に装着する電磁石取付台５３が配置され、更にその上部に環状のハウジング取付台５５が配置されているが、電磁石１７ｘ，１７ｙに対応して当該ハウジング取付台５５に、９０°の間隔を空けて２本の変位センサ５１がロータ７の中心に向かって設置されており、これらの変位センサ５１でロータ７のラジアル方向（Ｘ方向，Ｙ方向）の変位、具体的には既述した連結部材（センサターゲット）３５の変位を計測するようになっている。

磁気軸受４１の制御装置は、変位センサ５１からの出力信号と、ロータ７のラジアル方向の目標位置信号とを比較し、ロータ７が目標位置に戻るようにフィードバック制御する。
例えば、図示しないが、Ｘ方向の１自由度においてロータ７が理想的な位置から変位すると、制御装置は、変位方向とは逆向きの制御力を発生させるために、ｘ方向制御用の電磁石１７ｘ，１９ｘのコイル４５に供給する励磁電流の向きと強さをフィードバック制御する。

このため、仮にロータ７が電磁石１７ｘの方へ変位した場合、電磁石１７ｘによって磁束φとは逆向きの磁束を発生させ、他方の電磁石１９ｘによって磁束φと同じ向きの磁束を発生させる。このとき、電磁石１７ｘの電磁軟鉄コア４３を含む磁気回路では磁束φが弱められ、電磁石１９ｘの電磁軟鉄コア４３を含む磁気回路では磁束φが強められる。
この結果、ロータ部材７を電磁石１９ｘの方へ引き戻すような制御力が発生する。

従って、ロータ７、電磁石１９ｘ側でのギャップと電磁石１７ｘ側でのギャップとが等しくなるような目標位置に安定して保持される。
そして、ｙ方向制御用の電磁石１７ｙ，１９ｙについても同様のフィードバック制御が行われ、ロータ７は、電磁石１７ｙ側でのギャップと電磁石１９ｙ側でのギャップとが等しくなるような目標位置に安定して保持される。

つまり、ラジアル方向（Ｘ方向，Ｙ方向）の２自由度に関しては、ネオジム永久磁石２１からの磁束φのループと電磁石１７ｘ，１９ｘ，１７ｙ，１９ｙからの磁束のループとの合成によって、仮想的なバネの剛性が「正」になり、ロータ７の剛性を充分に確保することができる。
このように本実施形態の磁気軸受４１は、ロータ７のスラスト方向（Ｚ方向）と傾き方向（Θ方向，Φ方向）とを合わせた非制御方向の３自由度に関し、ネオジム永久磁石２１からの磁束φのループによって十分な剛性を確保でき、更にラジアル方向（Ｘ方向，Ｙ方向）の２自由度に関し、電磁石１７ｘ，１９ｘ，１７ｙ，１９ｙからの磁束のループとの合成によって十分な剛性を確保できる。即ち、５自由度での高剛性化が実現する。

更に磁気軸受４１は、２自由度制御型で電磁石と永久磁石とを併用するため、小型化と低消費電力化も実現している。
一方、図１に示すようにステータ３の下部には、基台３９に固着したモータ取付枠５７を介してモータ１３がハウジング５から離間して設置されており、そのモータ軸５９は、ステータ３（基台３９）の上面に取り付くハウジング５の底部３７と中心軸Ｐを同じくしている。

そして、モータ軸５９にカップリング６１を介して熱伝導性の低い材料で形成された動力伝達軸６３が連結され、当該動力伝達軸６３はベアリング６５を介して基台３９に回転可能に軸支されている。そして、基台３９の上面に突出する動力伝達軸６３の先端に、ロータ７にトルクを伝達するリング状のトルク伝達ディスク１５が平面視円形状の連結部材６７を介して連結されており、ステータ３（基台３９）の上面にハウジング５を配置した際に、図４に示すようにトルク伝達ディスク１５は、ハウジング５の底部３７と中心軸Ｐを同じくしてその内側に配置されるようになっている。

図２及び図５に示すようにトルク伝達ディスク１５は、ロータ７のネオジム永久磁石２１とは逆方向に着磁されたリング状の１個のネオジム永久磁石６９を、外周面が等間隔で軸方向に歯溝加工が行われた上下２枚の電磁軟鉄リング（リング部材）７１，７３で挟み込んだ構造となっている。
そして、電磁軟鉄リング７１，７３の歯溝加工は、電磁軟鉄リング２３，２５の内周面の歯溝加工と一致させて行われており、これにより、トルク伝達ディスク１５の外周面の一端側と他端側に、ロータ７の磁極面３１，３３に対向する複数の歯状の磁極面７５，７７が形成されている。

このため、図２に示すようにトルク伝達ディスク１５に於ても、ネオジム永久磁石６９によって磁極面７５，７７間に発生した定常的な磁場と、ロータ７のネオジム永久磁石２１によって磁極面３１，３３間に発生した定常的な磁場とで、ロータ７からトルク伝達ディスク１５間に、矢印に示す磁束φ１の閉ループを構成する磁気カップリングが発生する。

而して、この磁気カップリングは、トルク伝達ディスク１５とロータ７間に、モータ１３からのトルクをロータ７に伝達する働きと、ロータ７，電磁石１７ｘ，１９ｘ，１７ｙ，１９ｙ間の磁気カップリングによる磁気軸受４１と併せて、ロータ７のスラスト方向（Ｚ方向）と傾き方向（Θ方向，Φ方向）の変位や傾きを復元する磁気軸受７９として機能することとなる。

そして、図１に示すようにハウジング５は前記ハウジング取付台５５上に載置されて、底部３７が当該ハウジング取付台５５とトルク伝達ディスク１５との間に挿入されるが、基台５３の上面には、従来周知の真空チャック（固定手段）の吸引孔８１が開口しており、磁気浮上式血液ポンプ１の使用時に、当該の吸引孔８１から図示しない真空ポンプで底部３７を吸引して、ステータ３からのハウジング５の脱落防止を図っている。

本実施形態はこのように構成されているから、磁気浮上式血液ポンプ１の使用に当たり、先ず、ハウジング５をハウジング取付台５５上に配置し、底部３７を当該ハウジング取付台５５とトルク伝達ディスク１５との間に挿入して真空ポンプを作動すれば、真空チャックによってハウジング５がステータ３の上面に固定される。
而して、斯様にハウジング５をステータ３の上面に配置すると、ロータ７とトルク伝達ディスク１５との間に発生する磁気カップリングと、電磁石１７ｘ，１９ｘ，１７ｙ，１９ｙとロータ７との間に発生する磁気カップリングとによって、ロータ７とインペラ９がハウジング５に対して完全に非接触な状態で磁気浮上し、非接触な状態で支持される。

そして、この状態でモータ１３を回転駆動して、図２及び図４の如くトルク伝達ディスク１５を矢印方向（Ψ方向）へ回転させると、トルク伝達ディスク１５とロータ７間に発生する磁気カップリングによりトルクがロータ７に伝達されてロータ７が同方向へ回転し、インペラ９が同方向へ回転する。
このため、ハウジング５の頂上部の血液流入口１１から流入した血液は、インペラ９の回転で運動エネルギーが与えられて側面の血液流出口から流出する。そして、既述したようにこのインペラ９の回転時に、ロータ７のスラスト方向（Ｚ方向）と傾き方向（Θ方向，Φ方向）の変位や傾きを磁気軸受４１，７９が理想的な位置に復元し、また、ラジアル方向（Ｘ方向，Ｙ方向）の変位を、磁気軸受４１を介して制御装置がフィードバック制御してロータ７を理想的な位置に復元するため、ロータ７とインペラ９が安定してΨ方向へ回転することとなる。

また、モータ１３の駆動に伴い、磁場変動による銅損と鉄損によってモータ１３は発熱するが、既述したように本実施形態は、モータ１３をハウジング５から離間してステータ３の下部に配置し、更に動力伝達軸６３を熱伝導性の低い材料で形成した構造上、ハウジング内を流下する血液にモータ１３の熱が伝達されることがなく、而も、トルク伝達ディスク１５はロータ７と同期して回転するため、ハウジング５近傍で磁場変動が発生することがない。

そして、ハウジング５とこの内部に装着されたロータ７やインペラ９等からなる血液接触部を交換する場合には、ステータ３からハウジング５を取り外して新たなハウジングをステータ３に取り付ければよい。
このように、本実施形態に係る磁気浮上式血液ポンプ１は、ハウジング５内に組み込まれるインペラ９を磁気軸受４１，７９で非接触に支持する構造上、接触式のベアリングでインペラを支持していた従来例に比し耐久性が向上して、使い捨て部分の使用期限を飛躍的に伸ばすことができ、また、ベアリング周りの血栓やベアリングによる溶血といった従来例の不具合を解消することできる利点を有する。

また、本実施形態は、モータ１３をハウジング５から離間してステータ３の下部に配置すると共に、動力伝達軸６３を熱伝導性の低い材料で形成して、モータ１３の熱がハウジング５内を流下する血液に伝達し難い構造としたため、熱による血液の凝固を確実に防止することができる。
更に、既述したように電磁石１７ｘ，１９ｘ，１７ｙ，１９ｙの電磁軟鉄コア４３を焼鈍処理をした純鉄で形成すれば、磁気軸受４１のヒステリシス損失が低下して電磁石１７ｘ，１９ｘ，１７ｙ，１９ｙの低発熱化に寄与するため、ハウジング５内を流下する血液の凝固を防止することができ、また、電磁軟鉄コア４３を粉体コアで形成すれば、渦電流損失が低下して電磁石１７ｘ，１９ｘ，１７ｙ，１９ｙの低発熱化に寄与すると共に、磁気軸受４１から発進制御する電磁力のバンド幅を伸ばすことができるため、ロータ７の振動が低減して溶血防止や血液の凝固防止に寄与する利点を有する。

そして、磁気回路の磁気抵抗も小さく、磁気軸受の低消費電力化にも有利である。
更にまた、本実施形態は、使い捨て部分のハウジング５内のロータ７に１個のネオジム永久磁石２１しか使用せず、また、ロータ７自体もこのネオジム永久磁石２１と２枚の電磁軟鉄リング２３，２５の３つの部品点数ですむため、既述した非特許文献１〜３の従来例に比し、単純なロータ構造が実現できて使い捨て部分の低コスト化に寄与できる利点を有する。

加えて、本実施形態によれば、使い捨て部分のハウジング５を真空チャックでステータ３に固定しているため、心臓手術の術中及び術後に使用している際に、ハウジング５が脱落して不測の事態が発生する虞もない。
尚、上記実施形態では、ステータ３へのハウジング５の固定手段として真空チャックを用いたが、ハウジング５の底部３７の外周面とハウジング取付台５５の内周面との摩擦を利用してハウジング５の脱落防止を図ってもよい。

図８は請求項４及び請求項５の一実施形態に係る磁気浮上式血液ポンプに装着したロータと電磁石，トルク伝達ディスクの構造を示し、本実施形態は、ロータとトルク伝達ディスクに、既述したロータ７，トルク伝達ディスク１５と異なる構造を用いたもので、以下、本実施形態を図面に基づき説明する。
尚、ロータとトルク伝達ディスクを除くその他の構成は図１に示す実施形態と同様であるため、同一のものには同一符号を付してそれらの説明は省略する。

図８に於て、８３は既述した電磁軟鉄リング２３に比し肉厚のあるリング状の電磁軟鉄リングを用いた一体構造のロータで、その上部に連結部材３５を介してインペラ９が取り付き、これらはハウジング５内に収容されている。
そして、ロータ８３の外周面は周方向に１本の溝８５が加工されて、その一端側に、電磁石１７ｘ，１９ｘ，１７ｙ，１９ｙの磁極面４７に対向するリング状の磁極面８７が形成されている。同様に、ロータ８３の外周面の他端側には、電磁石１７ｘ，１９ｘ，１７ｙ，１９ｙの磁極面４９に対向するリング状の磁極面８９が形成されており、このようにロータ８３の磁極面８７，８９が磁極面４７，４９と対向することで、電磁石１７ｘ，１９ｘ，１７ｙ，１９ｙとの間に、図中、矢印に示す磁束φ２の閉ループを構成する磁気カップリングが発生する。

但し、図２のロータ７と異なり、本実施形態のロータ８３は磁束を発生するための永久磁石を用いていないため、電磁石１７ｘ，１９ｘ，１７ｙ，１９ｙにバイアスを流すことで磁気カップリングを発生させる必要がある。
そして、この磁気カップリングによる磁気軸受９１が、既述した磁気軸受４１と同様、ロータ８３のスラスト方向（Ｚ方向）と傾き方向（Θ方向，Φ方向）の変位や傾きを理想的な位置に復元し、また、ラジアル方向（Ｘ方向，Ｙ方向）の変位を制御装置がフィードバック制御して、ロータ８３を理想的な位置に復元するようになっている。

一方、ロータ８３の内周面は、軸方向へ８本の溝９３が等間隔で加工されて、８個の歯状の磁極面９５が内方へ突設されている。
そして、本実施形態は、既述したトルク伝達ディスク１５に代え、トルク伝達ディスク９７をハルバッハ型の永久磁石アレイ９９で構成したものである。
図示するように永久磁石アレイ９９は、着磁方向が９０°ずつ異なる４種類の永久磁石１０１，１０３，１０５，１０７を、周方向に沿って順に繰り返し配列したものである（合計１６個）。

そして、トルク伝達ディスク９７の径方向内方と外方に着磁された永久磁石１０１，１０５に対して、ロータ８３の磁極面９５が対向配置されており、斯かる構成によってトルク伝達ディスク９７とロータ８３との間に、ラジアル方向（Ｘ方向，Ｙ方向）に平行な矢印に示す磁束φ３の閉ループを構成する磁気カップリングが発生し、この磁気カップリングによって、トルク伝達ディスク９７からロータ８３にモータ１３のトルクが伝達されるようになっている。

尚、図１のトルク伝達ディスク１５と同様、トルク伝達ディスク９７は連結部材６７を介して動力伝達軸６３の先端に連結されている。
而して、本実施形態によっても、図１の磁気浮上式血液ポンプ１と同様、所期の目的を達成することが可能であるが、本実施形態では使い捨て部分のロータ８３に永久磁石を使用する必要がないため、既述したロータ７に比しロータ８３の構造がより簡単となって更なる低コスト化が図れる利点を有する。

そして、このロータ８３は、図２のロータ７に代えて図１の磁気浮上式血液ポンプ１に用いることも可能である。
尚、既述したように本実施形態も、ロータ８３の内周面に歯状の磁極面９５を内方へ等間隔で突設したが、必ずしも磁極面９５は等間隔である必要はなく、例えば４つの磁極面９５を、夫々、１００°と８０°の間隔を空けて線対称に突設してもよい。

図９は請求項１乃至請求項３に係る磁気浮上式血液ポンプの第二実施形態を示し、図１乃至図６の実施形態では、てロータ７（ハウジング５）周りに４つの電磁石１７ｘ，１９ｘ，１７ｙ，１９ｙを９０°間隔で配置したが、図９に示すように電磁石１７ｙと同一構造からなる３つの電磁石１０９，１１１，１１３を、１２０°の間隔を空けてロータ７（ハウジング５）周りに等間隔に配置してもよい。

そして、この実施形態によれば、各電磁石１０９，１１１，１１３のコイル４５への給電方法としては無限の組み合わせがあるが、一例として、電磁石１０９に電流ｉｘ、電磁石１１１に逆方向の電流−ｉｘを与えることで、Ｘ方向のみの駆動力を発生させることが可能となる。
尚、その他の構成は図１の実施形態と同様であるので、それらの説明は省略する。

而して、本実施形態によっても、図１の実施形態と同様、所期の目的を達成することが可能であると共に、電磁石の個数を削減して構造の更なる簡素化が図れる利点を有する。
そして、この実施形態の構造は、図８の実施形態にも適用することが可能である。

Claims (5)

1. 頂上部に血液流入口が設けられ、側面に血液流出口が設けられた使い捨て式のハウジングと、
   当該ハウジングが着脱自在に取り付く再利用部分たるステータとで構成され、
   ハウジングは内部に、
   外周面の一端側と他端側にリング状の磁極面が周方向に沿って突設され、内周面の一端側と他端側に複数の磁極面が内方へ突設された磁性材料からなる円筒状のロータと、
   当該ロータに一体化されたインペラとを備え、
   前記ステータは、
   ハウジングの周りに等間隔で配置され、ロータの外周面に突設した磁極面に沿って磁極面が対向配置されてロータとの間で磁気カップリングを発生する３つ以上の磁気軸受用電磁石と、
   厚さ方向に着磁されたリング状の永久磁石を、上下２枚の磁性材料からなるリング部材で挟み込んで形成され、外周面の一端側と他端側に、ロータの内周面に突設した磁極面に対応する複数の磁極面が突設されてロータとの間で磁気カップリングを発生するトルク伝達ディスクと、
   前記ハウジングと離間して配置され、当該トルク伝達ディスクを回転駆動するモータと、
   ロータのラジアル方向の変位を計測する変位計と、
   を備え、
   ハウジングは、ロータの外形形状に沿って底部が筒状に形成されて、当該底部が前記磁気軸受用電磁石とトルク伝達ディスクとの間に着脱自在に取り付くことを特徴とする使い捨て磁気浮上式血液ポンプ。
2. ロータは、厚さ方向に着磁されたリング状の１個の永久磁石を、内周側が軸方向に歯溝加工された上下２枚の磁性材料からなるリング部材で挟み込んで形成され、
   トルク伝達ディスクの永久磁石は、ロータの永久磁石と逆方向に着磁されていることを特徴とする請求項１に記載の使い捨て磁気浮上式血液ポンプ。
3. ハウジングは、ステータに固定手段を介して固定されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の使い捨て磁気浮上式血液ポンプ。
4. 頂上部に血液流入口が設けられ、側面に血液流出口が設けられた使い捨て式のハウジングと、
   当該ハウジングが着脱自在に取り付く再利用部分たるステータとで構成され、
   ハウジングは内部に、
   外周面の一端側と他端側にリング状の磁極面が周方向に沿って突設され、内周面に複数の磁極面が軸方向に突設された磁性材料からなる円筒状のロータと、
   当該ロータに取り付くインペラとを備え、
   前記ステータは、
   ハウジングの周りに等間隔で配置され、ロータの外周面に突設した磁極面に沿って磁極面が対向配置されてロータとの間で磁気カップリングを発生する３つ以上の磁気軸受用電磁石と、
   ９０°ずつ着磁方向をずらした永久磁石列からなるハルバッハ型の永久磁石アレイで形成され、径方向内方と外方とに着磁された永久磁石に対向するロータの内周面側の磁極面との間で磁気カップリングを発生するトルク伝達ディスクと、
   前記ハウジングと離間して配置され、当該トルク伝達ディスクを回転駆動するモータと、
   ロータのラジアル方向の変位を計測する変位計と、
   を備え、
   ハウジングは、ロータの外形形状に沿って底部が筒状に形成されて、当該底部が前記磁気軸受用電磁石とトルク伝達ディスクとの間に着脱自在に取り付くことを特徴とする使い捨て磁気浮上式血液ポンプ。
5. ハウジングは、ステータに固定手段を介して固定されていることを特徴とする請求項４に記載の使い捨て磁気浮上式血液ポンプ。

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