스테퍼 모터의 사례｜006｜인공투석장치에 요구되는 「신뢰성」「안정성」「고성능」

Problem

신부전 환자의 생명 유지에 필수적인 인공 투석 장치. 최근 국내에서 만성 투석환자는 29만명으로 올라(09년) 매년 약 1만명의 페이스로 증가를 계속하고 있습니다. 또 투석환자수의 증가는 일본뿐만 아니라 세계적인 문제로 인공투석예비군으로 여겨지는 CKD(만성신장병) 환자는 전 세계에서 약 5억명이라고 합니다. 특히 아시아에서는 경제발전과 함께 투석환자수의 급격한 증가가 우려된다.
이러한 상황 하에서 인공투석장치의 수요는 향후 급속히 확대될 것으로 예측됩니다. 증가하는 투석 환자의 중요한 생명을 지키기 위해, 지금까지 이상으로 높은 신뢰성과 안정성을 가지는 투석 장치의 개발이 요구되고 있습니다.

생명 유지에 직결하는 인공 투석 장치 - 메이커로서의 책임과 과제.

N사는, 대기업 의료기기 메이커에 대해 혈액 투석·복막 투석이나, 수액 관련, 및 혈액 정화 장치 등의 OEM 공급을 행하는 의료 기기 메이커입니다. 최근, 국내외에서 인공 투석 치료에의 요구가 높아지는 가운데, 확대가 전망되는 시장에 있어서의 안정된 쉐어의 확보가 큰 과제가 되고 있었습니다.

인공투석장치는 환자의 생명 유지에 직결하는 것이기 때문에 무엇보다도 신뢰성이 중요하고, 장치의 안정 가동이나 사고 위험을 저감한 장기간의 내구성이 요구됩니다. 장치의 고장이나 고장의 발생은 환자의 건강을 위협할 뿐만 아니라, 복구까지의 대기 시간이 환자의 부담이나 병원의 손해로 이어집니다.

또한 주로 병원이라는 사용환경이나 장기간에 걸쳐 사용하는 환자의 스트레스 완화를 위해 장치의 저소음화나 저진동화 등 N사에게는 다양한 요구가 전해지고 있었습니다.

라인업의 충실과 고성능의 추구가, 개발 리드 타임의 벽에…

이러한 시장 요구에 계속 대응하기 위해서는 각 모델에서 항상 최신 사양의 제품을 출시해야합니다. 그래서 부품에도 장치의 크기나 형상에 맞춘 커스텀 대응이 요구됩니다.

그러나, 장치의 사이즈나 형상에 맞추어, 그 때마다 부품 가공을 행하기에는 매우 많은 공수가 걸리므로, 부품 메이커도 세세한 주문에는 응해 주지 않습니다. 이러한 상황이 개발 기간을 길게 하는 원인의 하나가 되었습니다.

“제품의 개발에 있어서, 메이커와의 사이에 몇 단계의 프로토타입·평가가 행해집니다. 프로토타입기의 납기는 정해져 있기 때문에, 설계자의 입장에서 말하면, 부품 선정에 걸리는 시간은 가능한 한 짧게 하고 싶다 그렇다고 하는 것이 본심입니다.

N사・설계개발부의 K씨는 이렇게 말합니다. 경쟁이 치열해지고 있는 가운데, 타사에 조금이라도 차이를 붙이기 위해서는, 무엇보다도 개발 리드 타임의 단축이 필요했습니다.

도전

건강을 좌우하는 의료기기이므로 무엇보다도 높은 신뢰성이 요구된다.
주로 병원이라고 하는 사용환경이나 장기간에 걸쳐 사용하는 환자의 스트레스 완화를 위해
장치의 저소음화·저진동화가 요구된다.
엄격한 경쟁을 이기기 위해 개발 리드 타임의 단축이 필수적이다.

Solution

5상 구동과 동등한 진동 특성과 코스트 메리트를 겸비한, 「3상 스테핑 모터」에 착안

한때 산요전기의 영업담당에 투석장치의 신제품 개발에 대해 상담한 K씨는 진동을 대폭 저감할 수 있어 코스트 메리트도 있는 제품으로서 「3상 스테핑 모터」를 제안되었습니다.

“투석 장치는 인간의 체내 순환에 맞추어 매우 저속으로 매끄럽게 동작할 필요가 있습니다. 진동이나 속도 불균일은 압력 변화로서 환자에게 영향을 주기 때문에, 가능한 한 억제하고 싶다.그러나, 이상으로 하는 저 진동 구동은 2상 스테핑 모터로는 실현할 수 없고, 5상 스테핑 모터에서는 비용적으로 어렵다는 상황이었습니다만, 이 3상 스테핑 모터를 마이크로 구동시키는 제안으로 무엇인가 이 상반된다 과제를 해결하는 실마리를 잡은 생각이 들었습니다.」(K씨)

일반적으로, 2상 스테핑 모터는 저렴하지만 동작이 거칠고, 5상 스테핑 모터는 동작이 미세하지만 고가라는 특징이 있습니다. 그 점, 산요전기의 3상 스테핑 시스템「SANMOTION F3 (3상)」는, 동사의 드라이버의 기능인 “마이크로스텝 구동”(*)에 의해, 코스트 메리트를 내면서 5상 스테핑 모터와 동등의 저소음·저 진동을 실현할 수 있다는 것.

(*)마이크로 스텝 구동(버니어 구동)：권선에의 전류를 단순한 ON/OFF는 아니고, 전류 비율을 세세하게 바꾸어 가는 것으로, 보다 세세한 스텝 각도를 얻는 수법.

게다가, 3상 스테핑 모터를 제조 판매하고 있는 메이커는, 국내에서는 드물고, 산요전기는 귀중한 1사였던 것도, K씨의 결정을 뒷받침했습니다. 이와 같이 N사는 장치의 기본 성능을 향상시키는 솔루션으로서 「SANMOTION F3 (3상)」의 평가 도입을 결정.

제품 평가에 충분한 시간을 확보! 개발 기간 단축에 공헌한 이유.

실제로 모터 단독으로 구동시켜 보면, 소음·진동 모두 기대대로의 레벨이었습니다. 조속히 N사는, 신형의 투석 장치에 「SANMOTION F3 (3상)」를 채용. 그러나 첫 번째 프로토타입의 평가는 소음의 목표치를 충족시키지 못했다고 지적했다.

장치에 내장했을 때 다른 부품과의 공진점이 겹친 것이 원인입니다. N사는 곧 새로운 프로토타입 제작에 착수했지만, 거기서 K씨를 만족시킨 것은, 산요전기의 스피디한 팔로우 체제였습니다.
"샤프트 형상의 커스텀 가공에 대응해 주었고, 평가 단계에 되돌아가가 발생했을 때도, 프로토타입 모터를 2~3일이라는 속도로 즉시 재배치해 주었습니다. 이것은 타사에 없는 대응이었습니다. 그 덕분에 제품 평가에 충분한 시간을 확보할 수 있었습니다.

산요전기가 N사에 대해 평가용 모터를 적시에 제공할 수 있었던 배경에는 지금까지 다양한 기업에 커스터마이즈를 해 온 경험과 실적이 있었습니다. 이 후에도 프로토 타입 제작시의 트라이 & 에러에 대해 매번 신속하게 대응하여 N 사의 개발 기간 단축에 기여했습니다.

2년간 트러블 전무─세계 시장에서도 높은 신뢰성을 획득!

N사는 이러한 시작·평가를 거쳐 2008년부터 새로운 인공투석장치의 양산을 개시했습니다. 그리고, 2008년~2009년의 2년간, 품질·납기에 있어서 트러블이 전무라는 실적을 남기고 있습니다. 유저로부터의 높은 평가를 얻은 N사의 인공 투석 장치는 해외에서도 채용되어, 2010년도도 수주 금액을 늘리고 있습니다. 이번 채용에 대해 K씨는 이렇게 총괄합니다.

「최적의 모터의 제안으로부터 부품의 신속한 납품 등, 산요전기의 2인 삼각이라고도 할 수 있는 서포트 체제는, 당사의 신뢰성 향상에 크게 공헌해 주었습니다.」

N사의 신뢰성은 국내외 시장에서 앞으로도 큰 경쟁력을 확보해 나갈 것입니다.

스테핑 모터에 대한 자세한 내용은「스테핑 모터란?

효과