(57)【要約】【課題】ピボット軸受の軸受表面の材質を変えることなく、また特別の表面処理を行うことなく、簡単な手法により長寿命化をはかることができ、特に人工心臓ポンプに好適なピボット軸受の製造方法を得る。【解決手段】ピボット軸受で使用する先端が球形のピボットの径と略等しい径を有する押し込み圧子をピボット受け部材の表面に所定の圧力で押圧してピボット受け用窪み孔を形成し、その後前記押し込み圧子を引き上げることにより所望のピボット受けを形成する。その際、前記押し込み圧力の最大値は、ピボット軸受使用時の最大荷重時の圧力より大きな値に設定する。また、この製造方法により製造されたピボット軸受は、人工心臓用ポンプとして使用すると、軸受部分によどみを発生することなく、血栓を生じない状態で、ポンプの長寿命化をはかることができる。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピボット軸受で使用する先端が球形のピボットの径と略等しい径を有する押し込み圧子をピボット受け部材の表面に所定の圧力で押圧してピボット受け用窪み穴を形成し、
その後前記押し込み圧子を引き上げることにより所望のピボット受けを形成することを特徴とするピボット軸受の製造方法。
【請求項２】
前記所定の圧力は、ピボット軸受使用時の最大荷重時の圧力より大きな圧力に設定したことを特徴とする請求項１記載のピボット軸受の製造方法。
【請求項３】
前記ピボット軸受は人工心臓ポンプに使用するものであることを特徴とする請求項１記載のピボット軸受の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転機械のスラスト軸受として用いられるピボット軸受の製造方法に関し、簡単な手法により摩耗を低減し長寿命化できる汎用のピボット軸受を得ると共に、特にこれを人工心臓ポンプのような凝固性のある液体のポンプに用いた場合でも、ピボットとピボット受け間の面のなじみにより、軸受面で凝固を発生しないようにしたピボット軸受を得ることができるピボット軸受の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ピボット軸受は回転機械のスラスト軸受として無くてはならないものとなっており、特に比較的軽量の回転部材を支持するスラスト軸受を中心として、極めて広範な分野に利用されている。このようなスラスト軸受においては、耐久性を向上するため種々の手段が用いられており、金属の軸受においては当接面に焼き入れ等の熱処理を施し、また窒化処理、侵炭処理等の表面硬化処理を行い、或いは耐摩耗性金属の溶射等を行っている。また、このスラスト軸受の軸受け部分において、ピボットあるいはピボット受けの何れかを樹脂により金型成型や機械加工により形成することがあるが、そのような樹脂による軸受面の耐摩耗性のためには、多くの場合は樹脂内への各種物質の混合を含め、耐摩耗性樹脂の選択によって行われ、ときには金属製物質の溶射が行われる。
【０００３】
一方、ピボット式のスラスト軸受は小型ポンプにも用いられており、血液用ポンプ、即ち人工心臓用ポンプにもこれを使用している。人工心臓用ポンプは例えば特開平１０−３３６６４号公報（特許第２８０７７８６号）［特許文献１］に示されているようなものであり、その全体構成は図６に示すように、円筒部２１の下方周囲に形成したインペラ部２２にインペラ２３を形成し、インペラ部２２の底部には永久磁石群２４を設けると共にその中心部にピボット軸２５を突出して設け、円筒部２１の外周には磁石２６を設けている。
【０００４】
このようなインペラをケーシング２７のポンプ室２０内に収納し、ケーシング２７のポンプ室２０内面において前記円筒部２１に設けた磁石２６に対向する位置に支持用磁石２８を配置し、両磁石の反発力によりインペラをラジアル方向に支持することによって、インペラをポンプ室内の中心部に支持している。また、ケーシング２７の底壁２９の中心部にはピボット受け３０を設け、ここでインペラのピボット軸２５の球状部を受けることによりインペラのスラスト方向の支持を行い、これらの軸受によりインペラをポンプ室内に回転自在に支持している。
【０００５】
ケーシング２７の下部にはインペラ駆動装置３１を設け、その内部にモータで回転させる永久磁石群または回転磁界を発生する電磁石群のような磁石群３３を配置して、回転磁界を発生させることにより、インペラのカップリング磁石群２４が回転し、インペラが回転駆動され、それによりケーシング上部に形成した流入口３４から血液が流入し、ケーシングの下部周囲に設けた流出口からこれを吐出することができるようになっている。
【０００６】
上記人工心臓用ポンプはこのような構造により、インペラ上流側に接続された円筒部が血流の流路を形成し、流路形状を単純で横断面積の大きなものとすることが可能となって、血流の円滑化を達成することができるという利点がある。
【０００７】
このように人工心臓用ポンプにおいてはその内部を流れる血流の円滑化は極めて大きな課題であるが、このようなポンプにおいて用いられるピボット軸受においてもその部分で血液の滞留による血液凝固（血栓）を発生することは絶対避けなければならず、したがってこのピボット軸受の研究もなされ、既に種々の提案がなされている。なお、上記のようなポンプ内の流体によどみを発生しないようにすることは、前記のような血液を対象とする人工心臓用ポンプばかりでなく、各種の液体を供給するポンプにおいて同様の課題を生ずる場合も多い。
【０００８】
【特許文献１】
特開平１０−３３６６４号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
前記のように、例えば人工心臓用ポンプのような分野に用いられるピボット軸受においては、長期間安定して使用することができるものでなければならず、また血液への溶解を含め、血液に触れる部分に用いられる器具の材質は限定されたものとなっている。したがって、ピボット軸受を長寿命化するための前記のような手段の多くのものは採用することができず、使用材料の材質を変えることなく、長寿命化できるピボット軸受の技術が望まれている。
【００１０】
また、前記のような人工心臓用ポンプにおけるピボット軸受においては、ピボット及びピボット受けの双方とも耐久性の高いセラミックスを用いると、長期間使用していると摺動接触面に次第に摩耗粉が蓄積してこのポンプの寿命を短縮化する原因となると共に、軸受部分に血液のよどみを発生し血栓の原因となることがわかっている。その対策として本発明者等によりピボット軸受のピボットとピボット受けを、例えば片方をセラミックとし他方は超高分子量ポリエチレンのように硬度の異なる材料で形成すると共に、ピボットとピボット受けの球面の半径をほぼ等しく設定することを提案している。
【００１１】
特に上記のような軸受において、片方をセラミックとし他方は超高分子量ポリエチレンのような樹脂製のものを用いるとき、多くの場合ピボットをセラミック製とし、ピボット受けを樹脂製とすることとなるが、このようにピボット受けを樹脂製としたものにおいて更に長寿命化をはかることが望ましい。その際には、前記一般的な長寿命策では上記のように多くの問題を生じるので、他の長寿命化対策が必要となる。また、その長寿命化対策は、上記のような人工心臓ポンプに限らず、種々のポンプに、更には広範な分野で使用されている多くのピボット軸受に使用可能なことが好ましい。
【００１２】
したがって本発明は、ピボット軸受の軸受表面の材質を変えることなく、また特別の表面処理を行うことなく、簡単な手法により長寿命化をはかることができるようにし、特に人工心臓用ポンプへの使用時に軸受部分に血液の滞留を生じることによる血栓の発生を防止することができるピボット軸受が得られるようにしたピボット軸受の製造方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明においては、ピボット軸受で使用する先端が球形のピボットの径と略等しい径を有する押し込み圧子をピボット受け部材の表面に所定の圧力で押圧してピボット受け用窪み穴を形成し、その後前記押し込み圧子を引き上げることにより所望のピボット受けを形成したものであり、その際、前記所定の圧力は、ピボット軸受使用時の最大荷重時の圧力より大きな圧力に設定し、また、前記ピボット軸受を人工心臓ポンプに使用するものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を図面に沿って説明する。本発明は例えば図２の模式図に示すように、先端に所定直径の球面１を備えた押し込み圧子２を、ピボット受け部材３におけるピボット受け形成部分４に押しつけるものであり、その状態を同図に拡大して順に示している。
【００１５】
図２は本発明の作用を示すため模式的に示した図であり、ピボット軸受として使用する際のピボットの球面の直径と同じか幾分大きい程度の直径を有する押し込み圧子２を、ピボット受け部材３の表面におけるピボット受け形成部４に当接して押しつける。その押し込み圧力によって、ピボット受け形成部４の中央部分は球面１に沿って変形して押し込まれて窪み穴５ａが形成される。このとき、押し込み圧子２とピボット受け部材３との接触境界部分において盛り上がり部６が発生する。
【００１６】
この状態で更に押し込み圧子２をピボット受け部材３に対して押し込むと、図２（ｂ）に示すように前記盛り上がり部６は無くなり、全て窪み穴５ｂとなる。このような状態で更に押し込み圧子２を押し込み、同図（ｃ）に示すような所定の押し込み深さＨに迄押し込むことにより窪み穴５ｃが形成される。同図（ｄ）には、この押し込み過程におけるピボット受け部材４の窪み穴５の変形状態５ａ、５ｂ、５ｃをまとめて示している。
【００１７】
図２（ｃ）に示した押し込み圧子２の状態における圧力分布、及びその作用を図３（ａ）に示している。同図からわかるように、押し込み圧子２による押圧力Ｆは窪み穴５の表面に対して均等に分散して作用し、それによりピボット受け部材３はその窪み穴５の表面に沿ってほぼ均等の変形を生じる。この変形がそのピボット受け部材３の材質の弾性変形を超えるとき、同図（ｂ）に示すように押し込み圧子２を取り去っても、前記のように形成された窪み穴５は元には完全には戻らないクリープ変形した状態でその表面に表面硬化層６が発現し、その内部には同図（ｂ）中において矢印で示しているような元の形状への戻り力が内部応力として保持された状態のピボット受け７が得られる。
【００１８】
このように、窪み穴５の表面に表面硬化層６ができ、その内部に内部応力を保持しているので、このピボット受け７の使用時には、図３（ｃ）に示すように、前記押し込み圧子と同径か幾分小さな直径を有する球面を備えたピボット８をピボット受け７部分に載置して使用すると、前記押し込み圧子２による押圧力Ｆより小さな負荷である軸受作動時負荷による圧力Ｆ’が作用している状態では、前記表面硬化層６とその部分周辺の内部応力によって、ピボット受け部材３は大きな変形を生じることなく、ほぼこの状態で長期間作動することができる。
【００１９】
上記のピボット軸受のピボット受け形成行程及びその作用をまとめたものが図１であり、同図の上部のグラフのように、押し込み圧子２に次第に荷重Ｆ１をかけ、同図（ｄ）の圧子押し込み最大荷重でその押圧を停止し、同図（ｅ）に示すように押し込み圧子２を引き上げる。このとき、前記圧子押し込み最大荷重ＦＰはこのピボット軸受の使用時の最大荷重Ｆ’Ｐよりも大きな値に設定する。この圧子押し込みの過程で窪み穴５は図１の下部に示すグラフＧ１のように次第に深くなり、（ｄ）において最も深くなる。
【００２０】
図１（ｅ）に示すように押し込み圧子２を引き上げた後は、図１の下部のグラフＧ１に示すように変形の一部が復元してピボット受け７が形成される。このとき、前記のように窪み穴５の表面近傍には表面硬化層が形成され、また塑性変形部分もあるため元の状態に戻ることはなく、この窪み穴の変化が安定した状態で前記図３（ｂ）のようにこのピボット軸受が使用されることとなる。
【００２１】
なお、上記のような押し込み圧子２の押し込みによるピボット受け７の形成に際しては、最終的に形成される窪み穴５の深さ、表面硬化層の形成の程度、内部応力保持の程度に合わせて、押し込み圧子の押し込み最大荷重ＦＰを例えばＧ２のように設定する。また、ピボット受け部材３は窪み穴の深さを加味して可能な限り薄い方が、内部応力を確実に保持することができると共に、内部応力の分布が使用時においてその中心部が大きい軸受荷重の分布に対応させることができるので好ましい。
【００２２】
更に、ピボット受け部材３の表面が平坦な状態から押し込み圧子２を押しつける以外に図１の下部のＧ３のグラフに示すように、窪み孔深さを予めｈ１だけ別途形成しておき、この状態から前記と同様に押し込み圧子２を押し込むことにより所定の窪み孔深さを得ることもできる。その際に、前記と同様に、最大押し込み荷重を任意に設定することにより、所定の窪み孔深さと、そのときの表面硬化層の状態、及び内部応力の状態を自由に設定することができる。
【００２３】
本発明による前記手法を実際に適用して実験を行い、摩耗痕のセンター部分の断面形状を計測した結果を図４及び図５のグラフに示している。図４は負荷１ｋｇｆで押圧したのに対して、図５は図４に示すものよりも負荷を大きくし、負荷１．５ｋｇｆの過大負荷状態で押圧したものであって、それ以外の実験条件は例えば圧子をピボット軸受部分に対して回転数２０００ｒｐｍで押圧する等、他の条件は同一である。これらの図から明らかなように、図４における所定の負荷である１ｋｇｆで押圧したときとには、その押圧により形成された摩耗痕のセンター部分の凹部の体積は、同図に示すように２．２４×１０７μｍ３であるのに対して、図５の過大負荷で押圧した状態では摩耗痕の凹部の体積は１．９６×１０７μｍ３であって、負荷が大きい時の方が圧子を取り除いた後の最終的な状態としては、大きな復元力がこの内部に作用していることが窺える。
【００２４】
上記のようなピボット軸受は、前記のようにピボット軸受のピボット受けがピボットより硬度の低い材料で形成されるとき特に有効であり、人工心臓ポンプに適用すると特に顕著な効果を奏するものであるが、上記のような人工心臓ポンプにおけるポンプ内の流体によどみを発生しないようにすることは、人工心臓用ポンプばかりでなく、各種の液体を供給するポンプにおいて同様の課題を生ずるとともに、このような長寿命化の手法を適用したピボット軸受は、更に広範な分野で使用されている多くのピボット軸受として使用可能である。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によるピボット軸受の製造方法により得られるピボット軸受は、ピボット軸受の軸受表面の材質を変えることなく、また特別の表面処理を行うことなく、簡単な手法によりピボット軸受の長寿命化をはかることができ、特に人工心臓用ポンプへの使用時に軸受部分に血液の滞留を生じることによる血栓の発生を防止することができる機能を維持しつつ長寿命かをはかることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるピボット軸受の製造過程において押し込み荷重と窪み孔深さの変化を示す説明図である。
【図２】本発明によるピボット軸受の製造過程を示す図である。
【図３】本発明による製造方法により得られたピボット軸受の機能を示す図である。
【図４】圧子をピボット軸受部に１ｋｇｆの負荷で押圧した後の摩耗痕センター部分の断面形状を示すグラフである。
【図５】圧子をピボット軸受部に１．９６ｋｇｆの負荷で押圧した後の摩耗痕センター部分の断面形状を示すグラフである。
【図６】本発明が好適に適用可能な人工心臓ポンプの断面図である。
【符号の説明】
１  球面
２  押し込み圧子
３  ピボット受け部材
４  ピボット受け形成部分
５  窪み穴
６  盛り上がり部
７  ピボット受け
８  ピボット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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