JP2005163593A - 回転軸継手およびこれを使用する揺動板ポンプ - Google Patents

Abstract

【要 約】
【課 題】 入力軸と出力軸とがある角度で折れ曲がっている場合に使用する構成が簡単で振動、騒音のない新規な回転軸継手を実現し、これを血液ポンプ等の揺動板ポンプに使用する。
【解決手段】 入力軸１と出力軸２とのそれぞれにピッチコーンのすそ部の仰角が折れ曲がり角度の半分で、外周部を円周方向に展開したプロフィルが周期的な波形曲線で形成されピッチコーンの頂点部に球面状の凹部を形成したヨーク3a、3bを取り付け、凹部に球体4を挿入して回転軸継手を構成する。
【選択図】 図1

Description

本発明は、入力軸と出力軸とが１点においてある角度で折れ曲がっている場合に使用する回転軸継手、ならびにこれを使用する揺動板ポンプに関する。

入力軸と出力軸とが１点においてある角度で折れ曲がっている場合に回転力を伝達する軸継手、いわゆる自在継手としてはフックの継手が知られているが、構成部品点数が多いなどの問題点がある。傘歯車も同じ目的に使用できるが、歯車であるから複雑な機械加工を必要とし、高価であるばかりでなく潤滑が必要であり、振動、騒音を発するという問題点がある。

特許文献１には、傘歯車を使用して所定角度で傾斜している回転軸に回転を伝達し、揺動板を歳差運動させるようにした血液ポンプが記載されている。図面によりこれを簡単に説明する。

図7はこの血液ポンプ5aを示す断面図、図8は蓋を外した状態における平面図で、51はモータ、52はケーシング、521はケーシングの蓋、53はポンプ室、54、55は流入口および流出口、522は流入口54および流出口55を区分するためケーシング52の側面から駆動軸に向けて設けられた隔壁、56aは駆動軸、56bは駆動軸56aの中間に形成された傾斜軸部、57は追って説明するかみ合い機構、58は軸受けを介して前記傾斜軸部56bに取り付けられた揺動板、59は揺動板58を覆ってポンプ室53の内周面をふさいだシール膜である。

この血液ポンプ5aは、駆動軸56aの中間に傾斜軸部56bが形成されており、ここに軸受けを介して揺動板58が取り付けられている。揺動板58は円板状であるが図8に見られるとおり1か所に切欠き581があり、これがケーシング52の隔壁522に嵌合している。さらに揺動板58のボス部分の下面には傘歯車575が、またこれを受けるケーシング52の底面には冠歯車（ピッチコーン角度90度の傘歯車）574が取り付けられてかみ合い機構57を構成しており、図９の斜視図に示すように傘歯車575と冠歯車574とが常に1か所でかみ合っているため駆動軸56aが回転しても揺動板58は回転せず、傾斜軸部56bの傾斜角αにしたがって歳差運動のみを行うのである。

ケーシング52ならびに蓋521の内面で形成されるポンプ室53は、揺動板58の歳差運動範囲を囲む形状になっている。傾斜軸部56bの向きによって、揺動板58とポンプ室53の上下面とは直径方向に線状の微小間隙（以下、線状近接部ＣＰという）を残して接近し、その両側は次第に間隙が広がっている。駆動軸56aの回転に従い傾斜軸部56bも回転し、ＣＰも回転するので、ポンプ作用が発生する。

以下このポンプを血液ポンプとして使用する場合の例で、ポンプ作用を模式図により説明する。図10では揺動板58は図７で示した状態にあるものとする。すなわち揺動板58の端部が流入口54の下方にあり、線状近接部ＣＰは隔壁522の位置にある。血液Ｂはポンプ室内の揺動板58の上面に流入する。駆動軸が反時計方向に90度回転すると、図11に示すように線状近接部ＣＰも90度移動し、血液Ｂもそれに従いポンプ室の内部へ進入する。以下同様に駆動軸が１回転すると図12、13の状態を経て図14の状態となり、揺動板58の上面にはほぼ全周にわたって血液Ｂが充填される。さらに駆動軸が回転すると図15のように流出口55から血液Ｂが送り出され、さらに図16、17に示すように1回転分の血液Ｂがすべて排出される。実際には図10と図14とはポンプとしては同じ状態であるから、線状近接部ＣＰの背面にはここでは図示しない後続の血液Ｂが送り込まれ、連続的に排出が行われる。また、以上は揺動板58の上面における血液Ｂの場合であるが、例えば図12の状態では揺動板58下面における線状近接部ＣＰが隔壁522の位置にあり、半サイクルずれて下面でも全く同じポンプ作用が行われる。

図18はこの血液ポンプ5aを人工心肺システムの血液ポンプとして使用した場合の構成図で、コントローラの制御に応じてモータ51により血液ポンプ5aの駆動軸が回転駆動され、生体の大動脈から人工肺を経由して流入口54からポンプ室内に血液が流入し、流出口55から生体の大動脈に送り返されるのである。
特許第３３０５３９７号公報

本発明は、構成が簡単で振動や騒音の発生がなく、メンテナンスの手間の少ない新規な回転軸継手を提供するとともに、これを使用して小型で効率のよい揺動板ポンプを実現することを目的とする。

本発明の回転軸継手は、入力軸と出力軸とが１点において角度αで折れ曲がっている回転軸継手であって、前記入力軸と出力軸とのそれぞれに、ピッチコーンのすそ部の仰角がα／２で、外周部を円周方向に展開したプロフィルが周期的な波形曲線で形成されるとともに、その内側表面がこの曲線上の点とピッチコーンの頂点とを結ぶ直線の軌跡で形成され、ピッチコーンの頂点部分に、この頂点を中心とする球面状の凹部を形成したヨークが取り付けられ、それぞれのヨークが、折れ曲がりの内側位置において内側表面同士が接触するとともに、前記凹部に嵌合する１個の球体を介して軸方向に接続されていることを特徴とし、望ましくは前記の球体が前記ヨークの一方と凹部に嵌合した形で一体に形成されており、また前記の周期的な波形曲線が全周を少ないサイクル数で構成されている前記の回転軸継手である。

また本発明の揺動板ポンプは、回転体の回転軸に対して一定の傾斜角を以て取り付けられ、この回転軸を中心として歳差運動を行う揺動軸と、この揺動軸に半径方向に取り付けられた円板状の揺動板と、かみ合い機構を介してこの揺動板ならびに揺動軸を揺動自在に、かつ回転させずに支持し、前記揺動板の揺動軸回りの歳差運動範囲を囲むポンプ室を構成するとともに流入口および流出口を開口するケーシングと、このケーシングの内側面から前記揺動軸に向けて前記流入口および流出口とを区画する隔壁を備え、前記かみ合い機構が前記の回転軸継手を使用していることを特徴とする。

本発明によれば、構成が簡単で振動や騒音の発生がなく、メンテナンスの手間の少ない新規な回転軸継手が実現されるとともに、これを使用して小型で効率のよい揺動板ポンプや関連機器が製造可能となるという、すぐれた効果を奏する。

図１は本発明の回転軸継手を示す斜視図、図２は片側のヨークを示す斜視図、図３は図２のＸＸ矢視による断面図で、１は入力軸、２は出力軸、3a、3bは入力軸１と出力軸２とのそれぞれに取り付けられたヨーク、４は１対のヨーク3a、3bの間に挿入された球体である。ヨーク３は、外周部31を円周方向に展開したプロフィルを周期的な波形曲線で形成し、内側表面32をこの波形曲線上の点とピッチコーンの頂点とを結ぶ直線の軌跡で形成し、ピッチコーンの頂点部分に、この頂点を中心とする球面状の凹部33を形成して構成されている。

図４は本発明の回転軸継手におけるヨークをピッチコーンで示した説明図で、入力軸１と出力軸２との折れ曲がり角度をα、ピッチコーンのすそ部の仰角をα／２とし、頂点部分に頂点を中心とする球面状の凹部を形成されたヨーク3a、3bと、入力軸１と出力軸２との折れ曲がり点を中心とする球体４とで構成され、入力軸１と出力軸２との折れ曲がりの内側位置においてピッチコーン同士が内側表面で接触している。

ヨークが理想的な摩擦体であれば図４の構成のままで摩擦接触によりトルクを伝達することができるが、現実の材料では滑りや摩耗が避けられず、高速で大トルクを伝達することはできない。ピッチコーンに凹凸を設けて傘歯車とすれば確実にトルクを伝達することができるが、騒音や振動が発生し、また潤滑、摩耗などのメンテナンス上の問題もある。

本発明では傘歯車に代えて、展開したプロフィルを波形曲線とするヨークとし、この波形曲線を全周で２ないし４サイクルの少ない波数で構成した。さらに転動に際して滑りを生じないように、波形曲線の山の部分と谷の部分とをそれぞれサイクロイド曲線で構成した。

図５にヨーク外周部31の展開プロフィルの一例を示す。全周は山数２つの２サイクルで構成され、山の部分と谷の部分とはそれぞれサイクロイド曲線で、継目部分を滑らかな曲線で接続している。

サイクロイド曲線は、円が直線に沿って滑らずに転がるとき、円周上の定点が描く軌跡である。歯車のプロフィルとして一般的なインボリュート曲線は歯面の表裏で不連続であるが、サイクロイドの場合は頂部を含めて両側が連続した波形となり、少ない山数で連続的に接触したい本発明の継手には好適である。波形曲線としてはこの他に、変形台形曲線、変形正弦曲線、トロコイド曲線など、一般にカム曲線と呼ばれているものが使用できる。

波形曲線の全周の中のサイクル数、すなわち山数を多くするとヨークは実質的に傘歯車に近いものとなるが、本発明ではあえて山数を少なくし、製作を容易にするとともに強度を向上させている。図１ないし３に示した例では山数は２で、図５もこれに対応している。山数が１では互いにかみ合う形にならないので、現実的でない。山数が多くなると山の幅が小さくなって強度が低下するから、多くしても６山程度が限度であり、例示した２山がもっとも望ましい。

本発明の軸継手は、１対のヨークの中間に球体４を介在させることにより、軸方向の力の伝達ならびにコーンの位置合わせを確実なものとしている。トルクの伝達はヨークの内側表面のころがり接触により行われる。サイクロイド曲線等の波形曲線を採用することによりほぼ完全なころがり接触となるので摩耗の問題はほとんどないが、潤滑を行わないでも長時間安全に運転するため、ヨークそのものを自己潤滑作用のある低摩擦材製とすることが望ましい。一方、球体は軸受用鋼球やセラミックボール等の硬いものが適当である。

また、ヨーク３を射出成形で製造する場合などには、一方のヨーク３を、凹部33に球体４を嵌合した形にして一体に形成し、部品点数を削減することもできる。

図６は以上説明した本発明の回転軸継手をかみ合い機構57に使用した実施例を示す揺動板ポンプ５の断面図で、共通するものについての各符号はさきに説明した図７の従来例の血液ポンプ5aと全く同様であるが、回転軸回りとかみ合い機構の部分に相違がある。51はモータで、511はコイルのあるステータ、内側の512が永久磁石を備えるロータで、ロータ512の内側に軸受けを介して揺動軸56が傾斜角を以て取り付けられているから、モータ51が回転すると揺動軸56は歳差運動を行う。揺動軸56の下端にはかみ合い機構57を構成する上側のヨーク571と、円板状の揺動板58とが一体に取り付けられており、一方、ケーシング52の底部には下側のヨーク572が一体に形成され、上下のヨーク571、572の間には球体573が挿入されている。モータ51とケーシング52とはクランプ523で固定され、また揺動軸56はばね561で下方に押し付けられている。揺動板58はかみ合い機構57のために回転できないので、ロータ512が回転すると、揺動軸56の揺動に従い歳差運動のみを行い、ポンプ室53内でポンプ作用を行うことはさきに説明した従来の血液ポンプと全く同様であるが、本発明ではかみ合い機構に傘歯車ではなく樹脂製のヨークを使用することで振動、騒音の発生がなくなり、潤滑、摩耗による交換などのメインテナンスがほとんど不要となった。

この揺動板ポンプは、多くの用途が考えられるが、定常流、拍動流のいずれにも対応でき小型でエネルギー効率がよく、滞留域がないので抗血栓性が高く、かつ振動、騒音等の不快感がないので例えば図18で説明したような人工心肺システムや人工心臓等の医療用に使用するときわめて効果的である。

本発明の回転軸継手を示す斜視図である。 本発明の回転軸継手の片側のヨークを示す斜視図である。 図２のＸＸ矢視による断面図である。 本発明の回転軸継手におけるヨークをピッチコーンで示した説明図である。 本発明の回転軸継手におけるヨーク外周部のプロフィルを示す展開図である。 本発明の回転軸継手を使用した揺動板ポンプの断面図である。 従来の技術における血液ポンプを示す断面図である。 図7の血液ポンプの蓋を外した状態における平面図である。 従来の技術における血液ポンプのかみ合い機構を示す斜視図である。 従来の技術における血液ポンプのポンプ作用を説明する模式図である。 同じく従来の技術における血液ポンプのポンプ作用を説明する模式図である。 同じく従来の技術における血液ポンプのポンプ作用を説明する模式図である。 同じく従来の技術における血液ポンプのポンプ作用を説明する模式図である。 同じく従来の技術における血液ポンプのポンプ作用を説明する模式図である。 同じく従来の技術における血液ポンプのポンプ作用を説明する模式図である。 同じく従来の技術における血液ポンプのポンプ作用を説明する模式図である。 同じく従来の技術における血液ポンプのポンプ作用を説明する模式図である。 従来の技術における血液ポンプを使用した人工心肺システムの構成図である。

符号の説明

１ 入力軸
２ 出力軸
３、3a、3b、571、572 ヨーク
４、573 球体
５ 揺動板ポンプ
5a 血液ポンプ
31 外周部
32 内側表面
33 凹部
51 モータ
52 ケーシング
53 ポンプ室
54 流入口
55 流出口
56 揺動軸
56a 駆動軸
56b 傾斜軸部
57 かみ合い機構
58 揺動板
59 シール膜
511 ステータ
512 ロータ
521 蓋
522 隔壁
523 クランプ
561 ばね
574 冠歯車
575 傘歯車
581 切欠き

Claims (4)

1. 入力軸（１）と出力軸（２）とが１点において角度αで折れ曲がっている回転軸継手であって、前記入力軸（１）と出力軸（２）とのそれぞれに、ピッチコーンのすそ部の仰角がα／２で、外周部（31）を円周方向に展開したプロフィルが周期的な波形曲線で形成されるとともに、その内側表面がこの曲線上の点とピッチコーンの頂点とを結ぶ直線の軌跡で形成され、ピッチコーンの頂点部分に、この頂点を中心とする球面状の凹部（33）を形成したヨーク（3a、3b）が取り付けられ、それぞれのヨーク（3a、3b）が、折れ曲がりの内側位置において内側表面（32）同士が接触するとともに、前記凹部（33）に嵌合する１個の球体（４）を介して軸方向に接続されていることを特徴とする回転軸継手。
2. 前記の球体（４）が前記ヨーク（3a、3b）の一方と凹部（33）に嵌合した形で一体に形成されている請求項１に記載の回転軸継手。
3. 前記の周期的な波形曲線が全周を少ないサイクル数で構成されている請求項１または２に記載の回転軸継手。
4. 回転体の回転軸に対して一定の傾斜角を以て取り付けられ、この回転軸を中心として歳差運動を行う揺動軸（56）と、この揺動軸（56）に半径方向に取り付けられた円板状の揺動板（58）と、かみ合い機構（57）を介してこの揺動板（58）ならびに揺動軸（56）を揺動自在に、かつ回転させずに支持し、前記揺動板（58）の揺動軸（56）回りの歳差運動範囲を囲むポンプ室（53）を構成するとともに流入口（54）および流出口（55）を開口するケーシング（52）と、このケーシング（52）の内側面から前記揺動軸（56）に向けて前記流入口（54）および流出口（55）とを区画する隔壁（522）を備え、前記かみ合い機構（57）が請求項１ないし４のいずれかに記載の回転軸継手を使用していることを特徴とする揺動板ポンプ。

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