(57)【要約】【課題】  樹脂製のピボット受け部材を用いたピボット軸受の寿命向上を図る。【解決手段】  回転するピボット軸端のピボットを受ける高分子樹脂製のピボット受け部材において、前記ピボットを受けるピボット受け部の直下で、このピボット受け部底面から所定距離離れた近接位置にその頂面が位置する、ピボット受け部材より放熱性の高い裏当部材を設ける。この裏当部材としてはピボット受け部材より硬度の高い物質が用いられ、例えば銅単体、カーボン単体、銅線を含有した樹脂部材、カーボン繊維を含有した樹脂部材、粉末を含有した樹脂部材、樹脂にγ線を照射した硬化処理部材等が用いられる。また、裏当部材に含有する物質または硬化処理部はピボット受け部材に対して直接含有し、または処理してもよく、ピボットにはＤＬＣコーティングを行ってもよい。また、この軸受は人工心臓用ポンプに有効に利用することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転するピボット軸端のピボットを受ける高分子樹脂製のピボット受け部材において、
前記ピボットを受けるピボット受け部の直下で、該ピボット受け部底面から所定距離離れた近接位置にその頂面が位置する、ピボット受け部材より放熱性の高い裏当部材を設けたことを特徴とするピボット軸受。
【請求項２】
前記裏当部材は、ピボット受け部材より硬度の高い物質であることを特徴とする請求項１記載のピボット軸受。
【請求項３】
前記裏当部材は銅単体であることを特徴とする請求項１記載のピボット軸受。
【請求項４】
前記裏当部材はカーボン単体であることを特徴とする請求項１記載のピボット軸受。
【請求項５】
前記裏当部材は銅線を含有した樹脂部材であることを特徴とする請求項１記載のピボット軸受。
【請求項６】
前記裏当部材は繊維を含有した樹脂部材であることを特徴とする請求項１記載のピボット軸受。
【請求項７】
前記裏当部材は粉末を含有した樹脂部材であることを特徴とする請求項１記載のピボット軸受。
【請求項８】
前記裏当部材は樹脂にγ線を照射した硬化処理部材であることを特徴とする請求項１記載のピボット軸受。
【請求項９】
前記裏当部材に含有する物質または硬化処理部は、ピボット受け部材に対して直接含有し、または直接処理したものであることを特徴とする請求項５〜請求項８の何れかに記載のピボット軸受。
【請求項１０】
前記ピボットにはＤＬＣコーティングを行ったことを特徴とする請求項１記載のピボット軸受。
【請求項１１】
前記軸受を人工心臓用ポンプに用いたことを特徴とする請求項１記載のピボット軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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に関し、特にピボットを高分子樹脂材料によって受けるようにした、特に人工心臓ポンプに好適なピボット軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
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、多くの場合はその軸受面部分の樹脂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。人工心臓用ポンプとしては各種のものが提案されているが、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がある。その全体構成は図３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を設けたものを示している。
【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が多い。
【特許文献１】特開平１０−３３６６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
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。
【０００９】
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ス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、更に、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予め内部応力を含んだ所望のピボット受けを形成することを提案している。
【００１０】
特に上記のような軸受において、片方をセラミックスとし他方は超高分子量ポリエチレンのような高分子材料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ス製とし、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。
【００１１】
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、簡単な手法により更に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に好適なピボット軸受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】
【００１２】
上記のような課題を解決するため、本発明者等は更に前記のようなピボット軸受の研究を重ね、種々の実験を行った結果、例えばピボット軸をセラミックスや金属などの硬い材料を用い、ピボット受けには高分子材料などの柔らかいものを用いた場合、高分子材料が損傷するのはその材料が単に柔らかいことによって摩耗することが主要原因と考えられていたが、単に材料が柔らかいことによる摩耗によってピボット受けが損傷して寿命が低下するのではなく、ピボット軸受に圧力と高速回転が加わり、更にピボット受け側の高分子材料には熱などの要素が更に加わるため、柔らかい材料側である高分子材料が軟化、溶融、材料劣化を生じ、それによって材料の摩耗、変形が促進されていることがわかった。
【００１３】
したがって、ピボット受けの耐久性向上のためには摩耗を考慮するよりも変形を減少させること、また、熱を放散させることを考慮することが特に重要であることを見出し、ピボットとの適合がよい材料を、また特に人工心臓用ポンプとして既に血液とのなじみがよい素材として確認されている材料を、少なくともピボット受け表面部分に使用しつつ、ピボット受け部において軟化、溶融、材料劣化を起こさない手法を検討した。
【００１４】
この観点から更に実験、研究を行った結果、ピボット受けの素材において、ピボット受けの直下における表面から所定の間隔を置いて裏当部材を配置することが効果的であり、その裏当部材としてはピボット受けの素材よりも硬度の高い材料を用いることが好ましく、その部材の頂面によって、ピボット軸端と接触するピボット受け部分に作用する素材の圧縮応力を受けることができるようにし、ピボット受け部分の素材の変形を防止すると、前記作用と相乗的にピボット受けの耐久性が向上することがわかった。
【００１５】
したがって本発明は、回転するピボット軸の軸端を受ける高分子樹脂製のピボット受けにおいて、ピボット受け部の直下で該ピボット受け部分から近接した所定距離の位置にその頂面が位置する、ピボット受け部材より放熱性の高い裏当部材を設けたものである。
【００１６】
また、前記裏当部材はピボット受けの素材より硬度の高い高分子樹脂材料、カーボン、カーボン繊維、或いは各種の繊維、各種の粉末を含む樹脂材料、銅線を含む材料等が用いられる。また、ピボットには必要に応じてＤＬＣ（Diamond Like Carbon）コーティングを行うことが好ましい。また、このようにして製造されたピボット軸受は人工心臓用ポンプとして有効に用いられる。更に、前記ピボット受けとピボット受け部の直下に位置する放熱部材の頂面との前記所定距離は、放熱特性を考慮し、また予め決められた耐久性の設定を考慮して決定される。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によると、前記のように裏当部材によってピボット受け部の放熱性が向上し、ピボット受け部の軟化、溶融、材料劣化等による変形が防止されて軸受寿命を長くすることができると共に、ピボット受け部の直下でピボットからの荷重によるピボット部材の変形を抑えることができ、これらの相乗効果によりピボット軸受の寿命をより長期化することができる。特に本発明の上記構成により人工心臓用軸受けとして用いる際には、裏当部材は血液に直接触れる部分に現れないので、ピボットやピボット受け部材のように予め多数の実験により確かめられている血液の凝固を起こさない物質以外の物質を用いることができるようになり、人工心臓用ポンプの寿命の長期化に寄与することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明は特に樹脂製のピボット受け部材を用いたピボット軸受の寿命向上を、ピボットを受けるピボット受け部の直下で、該ピボット受け部底面から所定距離離れた近接位置にその頂面が位置する放熱性の裏当部材を設けることにより実現した。
【実施例１】
【００１９】
本発明の実施例を図面に沿って説明する。図１の模式図に示すピボット軸受においては、先端にセラミックスからなる球面状のピボット１を備えたピボット軸２を、高分子樹脂からなるピボット受け部材３におけるピボット受け部４で回転可能に支持する例を示している。図示の例においては、ピボット１の球面を受けるのに適した形状の窪み５を予め形成しており、ピボット受け部４の直下でこの窪み５の底部６から所定間隔Ｈだけ離れた部分に頂面７が位置するように裏当部材８を設けている。
【００２０】
この裏当部材８は、回転するピボット１の表面とピボット受け部４の表面間における摩擦によって発生する熱を放散することができるように、少なくともピボット受け部材３よりも熱伝導率の大きい、即ち放熱性の高い物質を選択する。ピボット受け部材３として超高分子量ポリエチレンが用いられるとき、裏当部材８はそれよりも熱伝導率が高い例えば銅製部材によって製作される。銅製部材としては銅を円筒形状にした単体部品として用いることができるほか、その銅を線材とし、硬質樹脂中に混入した銅線入り樹脂部材として用いても良い。
【００２１】
このように、ピボット受け部４の裏側に所定間隔Ｈだけ離して、ピボット受け部材３の素材より熱伝導率の高い素材からなる裏当部材８を設けることにより、このピボット軸受の作動に際して、ピボット受け部４上でピボット１が高速で回転するとき発生する熱は、ピボット受け部４の周囲に熱伝導等によって放散するが、特にピボット受け部４の直下ににおいて所定距離Ｈだけ離れた部分に熱伝導率の高い裏当部材８が設けられているので、多くの熱はこの裏当部材８を介して外部に高速で放散することができる。その結果ピボット受け部４において発生する熱でピボット受け部４の素材が軟化し、或いは溶融して変形し、或いは劣化して軸受性能を低下させることが無くなる。
【００２２】
また、ピボット受け部４において発生する熱を放散する裏当部材８を前記のような物質で製造するときには、これらの物質の硬度が例えば超高分子量ポリエチレン等のピボット受け部材３よりも硬度の高いものとなり、ピボット受け部４に作用するピボットからの大きな荷重によってピボット受け部４が変形しようとするとき、この裏当部材８によってその変形を少なくすることができる。
【００２３】
即ち、例えば図２（ｂ）の比較例に示すように、従来のピボット軸受においては、ピボット受け部材３のピボット受け部４に対して、ピボット１が荷重Ｆをかけて回転するとき、その荷重によってピボット受け部４が圧縮変形し、その応力の及ぶ範囲が例えば表面９から深さＨ４にまで至り、そのときのピボット受け部４は表面９から深さＨ３の位置まで降下し、ピボット１とピボット受け部４との接触部の直径がＤ２となる。
【００２４】
それに対して、前記のような構成からなる本発明においては図２（ａ）に示すように、ピボット１が前記と同様に荷重Ｆをかけて回転するとき、その荷重によって生じる応力は、表面９から深さＨ２の部分に頂面７が位置するように設けた裏当部材８におけるその頂面７で受けられる。その結果、ピボット受け部４は表面９から深さＨ１まで降下するが、それは前記従来の深さＨ３よりも浅く、そのため接触部の直径Ｄ１は従来の直径Ｄ２より小さくなる。即ち、従来のものよりもピボット受け部４の窪みの体積は小さく、表面積も小さくなる。
【００２５】
上記のような裏当部材８としては例えばカーボンを用いることができ、そのカーボンを単体として用いるほか、そのカーボンを繊維状にして、或いは粉状にして樹脂中に混合する強化プラスチックとすることもできる。更に超高分子プリエチレン等のピボット受け部材４の樹脂に対してγ線を照射して硬化処理を行ってもよい。但し、ピボット受けの表面部分には照射を行わず、素材の硬度を維持してピボット１の素材とのなじみの良さを悪化させないようにする。
【００２６】
ピボット１の材料としてはピボット受け部材の材料が前記のような超高分子プリエチレンの場合はセラミックス製が好適であるが、その場合においてもピボット１の表面にＤＬＣ（Diamond Like Carbon）コーティングを行うと、更に効果的であることが実験から得られている。
【００２７】
また、図１に示すようなピボット受け部４と裏当部材８の頂面との間隔Ｈが小さい程熱の放散性が向上するが、このＨが小さ過ぎると長期使用時にピボット受け部４が摩耗し、裏当部材８の頂面７が露出することが考えられ、その際には軸受性能を悪化させるばかりでなく、このピボット軸受が前記のように人工心臓用ポンプとして用いられるときには、露出した裏当部材８の素材と血液とが接触することとなり、血液凝固の原因ともなって好ましくない。また、前記間隔Ｈがあまり小さいとピボット受け部の弾性力が低下して実質的な硬度が高くなり、ピボット１との相性にも影響を与えるおそれがある。したがってこれらのことを考慮し、実験を行って適切な間隔Ｈを選択することが好ましい。
【００２８】
上記のような本発明について、裏当部材８を用いない場合と用いた場合との相違、裏当部材を用いた場合において、ピボット受け部材３を超高分子量ポリエチレンとしたときに裏当部材８として繊維のマトリックスを混合したものと、銅を混入したものとの相違を知るため摩耗試験を行った。その結果を図４〜図６に示している。
【００２９】
即ち図４はピボットをセラミックス製とし、ピボット受け部材を超高分子量ポリエチレンとして、裏当部材を用いない単体材料のときの、９６時間回転摩耗試験を行った結果を示し、（ａ）はその表面の実写真、（ｂ）はその半径部分についてＸ軸方向断面を測定して示した図である。また図５はピボット及びピボット受け部材を前記同じ物質とし、裏当部材として繊維マトリックスを注入して製作し、９６時間回転摩耗試験を行った結果を示す前記と同様の図であり、図６は裏当部材として銅の線材を入れて製作し、１６９時間回転摩耗試験を行った結果を示す前記と同様の図である。
【００３０】
これらの図において各々の前記条件で実験を行った結果におけるピボット受け部の窪みの体積、その窪みの表面積を示している各データから明らかなように、図４に示した裏当部材を用いないものにおいては、窪みの体積は約４．２６７×１０７μｍ３、窪みの表面積は約１６．０５５×１０５μｍ２であったのに対して、図５に示した裏当部材として繊維マトリックスを注入して製作したものにおいては、窪みの体積は約１．１０３×１０７μｍ３、窪みの表面積は約８．１０８×１０５μｍ２であり、特に窪みの体積が小さい程効果的であることを示す点から、本発明のような裏当部材を設けることが有効であることがわかる。
【００３１】
また、図６に示した裏当部材として銅の線材を入れて製作し、１６９時間と前記各実験例より倍程度長い実験を行った結果でも、窪みの体積は約３．２１７×１０７μｍ３、窪みの表面積は約１４．０１１×１０５μｍ２であり、特に前記のような裏当部材を用いない従来のものと比較して顕著な効果があることがわかる。
【００３２】
なお、本発明の実施に際しても、本発明者等が先に提案しているような、ピボット軸受として使用する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を、ピボット受け部材の表面におけるピボット受け形成部に対して、所定の圧力で予め押しつけてピボット受けに内部応力を付与しており、軸受作動中のピボットの荷重をその内部応力で受ける手法を併用しても良い。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明は前記のように人工心臓用ポンプに対して有効に利用することができるが、その他各種の液体を供給するポンプにも有効に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施例を模式的に示した説明図である。
【図２】（ａ）は本発明の実施例の要部拡大断面図であり、（ｂ）は従来例の要部拡大断面図である。
【図３】本発明が好適に適用できる人工心臓ポンプの断面図である。
【図４】本発明の効果確認のため本発明を適用しないＵＰ−２の単味材料で製作したピボット受けの摩耗試験結果を示す図、及び形成された窪みの断面形状を示す図である。
【図５】本発明においてＵＰ−２材料にマトリックスを注入して製作したピボット受けの摩耗試験結果を示す図、及び形成された窪みの断面形状を示す図である。
【図６】本発明においてＵＰ−２材料にＣｕを入れて製作したピボット受けの摩耗試験結果を示す図、及び形成された窪みの断面形状を示す図である。
【符号の説明】
【００３５】
１  ピボット
２  ピボット軸
３  ピボット受け部材
４  ピボット受け部
５  窪み
６  底部
７  頂面
８  裏当部材
【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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