JP2006198272A - ピボット軸受 - Google Patents

Abstract

【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、更に他の部材を用いることなく、簡単な手法によって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。
【解決手段】 ＵＨＭＷＰＥ材軸受側に予めドリルで凹み加工し、接触面を拡大する。その際の凹部の半径はＲ_Ｂは、ピボットの半径Ｒ_Ｐを、１．０ｍｍ＜Ｒ_Ｐ＜２．０ｍｍに選ぶとき、Ｒ_Ｂ＝０．３２Ｒ_Ｐ２＋０．７Ｒ_Ｐ＋１．１５の式を満たすように設定する。また、ＵＨＭＷＰＥ材からなる軸受に凹部を形成し、該凹部で該軸受よりも硬質のピボットを受けるピボット軸受において、 ピボットの半径Ｒ_Ｐと軸受凹部半径Ｒ_Ｂが、Ｒ_Ｐ＝１．０ｍｍのとき、１．０ｍｍ＜Ｒ_Ｂ＜１．１７ｍｍ ：Ｒ_Ｐ＝１．５ｍｍのとき、１．５ｍｍ＜Ｒ_Ｂ＜１．９２ｍｍ：Ｒ_Ｐ＝２．０ｍｍのとき、２．０ｍｍ＜Ｒ_Ｂ＜２．８３ｍｍの範囲になるように設定する。
【選択図】図１

Description

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、人工心臓ポンプに好適なピボット軸受に関する。

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。

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８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。

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。

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。

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。

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。
特開平１０−３３６６４号公報

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。

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。

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。更に、本発明者等によって、ピボット受けの受け面から所定間隔離れた部分に硬質部材を配置することを提案しているが、部品点数が増加し、製造管理が必要であって製造コストも上昇するため、できる限り他の部材を用いないことが望ましい。

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、更に他の部材を用いることなく、簡単な手法によって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。

本発明によるピボット軸受は、上記課題を解決するため、ＵＨＭＷＰＥ材からなる軸受に凹部を形成し、該凹部で該軸受よりも硬質のピボットを受けるピボット軸受において、ピボットの半径Ｒ_Ｐを、１．０ｍｍ＜Ｒ_Ｐ＜２．０ｍｍに選ぶとき、次式
Ｒ_Ｂ＝０．３２Ｒ_Ｐ２＋０．７Ｒ_Ｐ＋１．１５
を満たす軸受凹部半径Ｒ_Ｂとすることを特徴とする。

また、本発明による他のピボット軸受は、ＵＨＭＷＰＥ材からなる軸受に凹部を形成し、該凹部で該軸受よりも硬質のピボットを受けるピボット軸受において、 ピボットの半径Ｒ_Ｐと軸受凹部半径Ｒ_Ｂが下記の関係を満たすように設定することを特徴とする。
Ｒ_Ｐ＝１．０ｍｍのとき、１．０ｍｍ＜Ｒ_Ｂ＜１．１７ｍｍ
Ｒ_Ｐ＝１．５ｍｍのとき、１．５ｍｍ＜Ｒ_Ｂ＜１．９２ｍｍ
Ｒ_Ｐ＝２．０ｍｍのとき、２．０ｍｍ＜Ｒ_Ｂ＜２．８３ｍｍ

また、本発明による更に他のピボット軸受は、前記ピボット軸受を人工心臓用ポンプに用いることを特徴とする。

本発明によると、前記のように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、更に他の部材を用いることなく、特定の材料に適切な軸受用凹部を形成するのみの簡単な手法によって長寿命化をはかることができ、特に血栓の生じやすい、また長期間安定して作動する必要性の高い人工心臓用ポンプへの使用に好適なピボット軸受とすることができる。

本発明は簡単な手法によりピボット軸受の寿命向上するという課題を、ＵＨＭＷＰＥ材からなる軸受に凹部を形成し、該凹部で該軸受よりも硬質のピボットを受けるピボット軸受において、ピボットの半径Ｒ_Ｐを、１．０ｍｍ＜Ｒ_Ｐ＜２．０ｍｍに選ぶとき、Ｒ_Ｂ＝０．３２Ｒ_Ｐ２＋０．７Ｒ_Ｐ＋１．１５ の式を満たす軸受凹部半径Ｒ_Ｂとすることにより解決した。

本発明は軸受側に予めドリルで凹み加工し、接触面を拡大するものであるが、その意義を説明する。図１に示すように、凹凸接触で、軸荷重W（＝１０N）、Ｈｅｒｔｚ圧力ｐ_Ｈ、接触面半径ａとし、弾性接触状態を想定すると、
となる。

ポアッソン比νを導入し、接触面をｘ-ｙ座標に平行に設定し、その中心直下の３応力を考慮し、相当応力、
を計算する。この最大値は、ｚ＝０．４８ａの位置に一致し、
となることは周知のことである。

ここで、材料の降伏点として、超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷＰＥ）に関し、
を考慮すれば、ｚ＝０．４８の深さ位置で材料の降伏が生じるためのＨｅｒｔｚ圧力ｐ_ＨＣとしては、相当応力と材料の降伏点σ_Ｙとの関係に着目し、

この状況を作る接触面半径としては式（２）から、
となる。

Ｒ_ＢとＲ_Ｐを、凹軸受とピボットの半径とした場合の、接触面の半径ａは次式から得られる。

また、図１を念頭に入れ、軸受側ＵＨＭＷＰＥ材のＹｏｕｎｇ率をＥ_Ｂ、ポアッソン比をν_B、及びピボット側はＥ_Ｐ、ν_Ｐとして

また、ν_Ｂ＝ν_Ｐ＝０．３、Ｅ_Ｐ＞＞Ｅ_Ｂを考慮する必要がある。
表１に、軸受側のＵＨＭＷＰＥの設計値とし、１ＧＰａ＜Ｅ_Ｂ ＜６．０ＧＰａと１０６ｍｍ＜Ｒ_Ｂ ＜∞の範囲を想定し、計算した場合の、接触面の半径ａを示す。

を満足するａ値は、太い点線の左側といえる。Ｅ_Ｂ≒１．０ＧＰａであるので、式（８）のａ_Ｈ,Ｃを満足する軸受側の曲率半径Ｒ_Ｔとして、式（１１）から、１．９ｍｍを得る。ドリルの先端を丸め、軸受側は、半径１．６ｍｍの凹み（図２参照）を施し、相当応力の最大値位置での材料は降伏しないという運転条件を得た。即ち、図２からＲ_Ｂが１．６であることを確認し、１０Ｎの負荷は、理論上の相当応力の最大値深さでの組成変形が生じない接触条件を確保した。

上記のような理論を元に、実験を行った結果を説明する。軸受側としては、図１に定義した深さｄ_ｏに、６０、２００、４００μｍの三種を準備し、これらの投影面半径ａ_ｏは、０．４３４、０．７７５、１．０５８ｍｍである。いずれも、ａ_ｏ＞ａ_Ｈ,Ｃの関係は満足している。但し、表１のＲ_Ｂ＝１．６ｍｍとＥ_Ｂ＝１．０ＧＰａの場合の、接触面半径０．５４８ｍｍを超えるのは、ｄ_ｏが２００、４００μｍに加工した軸受であり、これは、ｄ_ｏが６０μｍ程度の軸受では、接触面半径が、投影面半径ａ_ｏを超えることを意味する。この場合は、スピン摩擦で、投影面よりも大きな面積へ、摩耗により拡大していくことが予想される。一方、ｄ_ｏ＝４００μｍに加工した軸受では、加工時の投影面積内に、接触面積が十分確保でき、当然のことであるが、相当応力最大値位置での塑性変形は生じないことにより、接触面内での摩耗のみが軸受の機能を支配することになる。

図３に、試験中のピボットの沈み量が、図示２つのレベルの中間を軌跡とするレーザ光を使用した測定結果を示す。試験片として、ｄ_ｏが４００μｍを用いた場合である。１週間のスピン摩耗試験を終わり、１０Ｎの荷重を取り除くと、弾性回復５０μｍを示している。なお、試験前に、１０Ｎの負荷を加え、直ちに、除荷すると、５０μｍの弾性回復を示すことを確認し、縦軸の零を決定している。この点を考慮すると、スピン摩擦試験中の摩擦熱が、軸受側の材料強度の著しい低下をもたらすほどには、接触面温度を高めてはいないと見なせる。即ち、ほとんど摩耗を生じない状態で運転が継続できる、という運転環境にあったと推量できる。

図４に、試験前（ａ）には、半径２００μｍ程度の円内が白っぽく見えているが、試験後（ｂ）の観察からは、半径７００μｍ程度の円内がスピン摩擦を受け粗さが、一段と滑らかになっている点がわかる。理論上の５４８μｍよりは大きいが、これは摩擦熱が、軸受材ＵＨＭＷＰＥの加工時の、粗さの頂点部の強度を僅かではあるが、低下させたためということができる。

図５に、軸受側を、ｄ_ｏが０、６０、２００、４００μｍに加工した場合の、１週間の試験後の摩耗体積を測定した結果を示す。ｄ_ｏ＝４００μｍの軸受では、ピボットに、セラミックス、カーボンのいずれを選んでも、摩耗は零である。図３の試験後の変位量零を考慮に入れれば、接触面に摩耗を生じない程度のスピン摩擦では、接触面下の材料強度低下を促すほどの温度上昇は生じないと見なして良いと思われる。

ｄ_ｏ＝０（平坦面）では、Ｈｅｒｔｚ圧の大きさ故の、(1)相当応力最大値の深さ位置での材料降伏、(2)接触面の摩耗の促進、それによる材料破壊に伴う温度が促す深部の材料強度の低下などが、大きな変位量を生じた原因といえる。ｄ_ｏ＝６０、２００μｍが、あまり大きくない摩耗特性を示したことは、上記の理論を裏付けているといえる。

以上のことから、相当応力最大値に、軸受側に適正に凹みを施すことで、τ_Ｒ，Ｅ（塑性変形を生じない）応力レベルを得ることが、ＵＨＭＷＰＥ軸受の超寿命下の条件となることが明らかになった。他方、高いＨｅｒｔｚ圧力でのスピン摩耗で、不可逆な比較的大きな変位量ｔ_Ｆが生じるには、相当応力最大値位置で、τ_Ｒ，Ｐ（塑性変形を生じる）が充分な応力レベルにあり、且つ、摩擦熱による材料強度の低下がある場合といえる。図６に、モデル化して示す。

上記のような知見を元に、更に理論的な究明、及び実験を行った結果、次のような更なる知見を得た。即ち、材料の降伏点として、超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷＰＥ）に関し、
を考慮すれば、ｚ＝０．４８ａの深さ位置で材料の降伏が生じるためのＨｅｒｔｚ圧力Ｐ_Ｈ、Ｃとしては、相当応力と材料の降伏点σ_Ｙとの関係に着目し、

この状況を作る接触面半径としては、式（２）から、
Ｒ_ＢとＲ_Ｐを、凹軸受とピボットの半径とした場合の、接触面の半径ａは次式から得られる。
ただし、図１を念頭に入れ、軸受側ＵＨＭＷＰＥ材のＹｏｕｎｇ率をＥ_Ｂ、ポアッソン比をν_Ｂ、及びピボット側としては、Ｅ_Ｐ、ν_Ｐとして、また、ν_Ｂ＝ν_Ｐ＝０．３、ＥＰ＞＞Ｅ_Ｂを考慮する必要がある。

なお、
また、
となる。

式（ｄ）からは、
即ち、
Ｗ＝１０Ｎと式（ｃ）と式（ｅ）を考慮すると、
ピボット側半径に、Ｒ_Ｐ＝１．０ｍｍ、１０５ｍｍ、２．０ｍｍの３種類を想定すると、軸受側は、Ｒ_Ｂ＝１０１７ｍｍ、１．９２ｍｍ、２．８３ｍｍが得られる。即ち、
Ｒ_Ｐ＝１．０ｍｍでは、１．０ｍｍ＜Ｒ_Ｂ＜１．１７ｍｍ
Ｒ_Ｐ＝１．５ｍｍでは、１．５ｍｍ＜Ｒ_Ｂ＜１．９２ｍｍ
Ｒ_Ｐ＝２．０ｍｍでは、２．０ｍｍ＜Ｒ_Ｂ＜２．８３ｍｍ
となり、ピボットの半径を、１．０ｍｍ＜Ｒ_Ｐ＜２．０ｍｍに選ぶとき、次式で、ＲＢを決定することができることがわかった。
Ｒ_Ｂ＝０．３２Ｒ_Ｐ ^２＋０．７Ｒ_Ｐ＋１．１５ （ｆ）

上記の結論に基づいて、実際に実験を行ってみると、Ｗ＝１０Ｎ、２０００ｒｐｍを運転条件とする際には、Ｒ_Ｐ＝１．０ｍｍ、２．０ｍｍが限界であることが確認された。即ち、Ｒ_Ｐ＝２．０ｍｍでは、接触面での摩擦熱が、接触面の強度を低下させる点が、問題となる。また、Ｒ_Ｐ＝１．０ｍｍでは、摩擦熱の問題はなくなるが、軸受側の包み込み状態が厳しくなり、血栓が問題となることが予想される。更に、軸受側の中止とピボットの回転中心のわずかな不一致が、運転不能にする要因となるという問題がある。上記の結果、Ｒ_Ｐ＝１．５ｍｍを中心として適切な値が選択されることとなる。

更にピボットを１．０Ｒ、ＵＨＭＷＰＥ材軸受を２Ｒ、
ピボットを１．５Ｒ、同軸受を３Ｒ、
ピボットを１．５Ｒ、同軸受を１．６Ｒ
の各場合において、深さを４００〜４５０μｍで摩耗実験を行った結果を図７に示す。この実験において、ＡとＢとは摩耗が激しいので１６８時間で停止し、Ｃについては８８８時間実験を行った。

図７において、縦軸に負荷を加えて安定したところから受け側の稼働中の変位量を測定したものであり、横軸は稼働時間を示している。この結果を見ると、前記のような、
Ａについては、前記Ｒ_Ｐ＝１．０ｍｍ＜Ｒ_Ｂ＜１．１７ｍｍ
Ｂについては、前記Ｒ_Ｐ＝１．５ｍｍでは、１．５ｍｍ＜Ｒ_Ｂ＜１．９２ｍｍ
を満たしていないので、変形量が大であり、軸受として不適切な結果が表れている。
また、Ｃについては、Ｒ_Ｐ＝１．５ｍｍで前記Ｒ_Ｐ＝１．５ｍｍでは、１．５ｍｍ＜Ｒ_Ｂ＜１．９２ｍｍを満たしているので、長期にわたって使用に耐えることを実証している。

本発明によるピボット軸受は、特に人工心臓用ポンプの軸受として有効であるが、それ以外にも現在用いられている各種の産業分野において、有効に利用することができる。

ピボット軸受に本発明が適用される状態を示す説明図である。 試験前のＵＨＭＷＰＥ材軸受の形状を計測した図である。 試験中のピボットの沈み量を示す図である。 試験前と試験後の軸受凹部表面の状態を比較して示す図である。 軸受側を、ｄ_ｏが０、６０、２００、４００μｍに加工した場合の、１週間の試験後の摩耗体積を測定した結果を示す図である。 ピボット軸受の作動態様をモデル化して示した図である。 本発明を確認する実験結果を示すグラフである。 従来から提案されている、本発明が好適に適用できる人工心臓用ポンプの断面図である。

Claims (3)

1. ＵＨＭＷＰＥ材からなる軸受に凹部を形成し、該凹部で該軸受よりも硬質のピボットを受けるピボット軸受において、
   ピボットの半径Ｒ_Ｐを、１．０ｍｍ＜Ｒ_Ｐ＜２．０ｍｍに選ぶとき、次式
   Ｒ_Ｂ＝０．３２Ｒ_Ｐ ^２＋０．７Ｒ_Ｐ＋１．１５
   を満たす軸受凹部半径Ｒ_Ｂとすることを特徴とするピボット軸受。
2. ＵＨＭＷＰＥ材からなる軸受に凹部を形成し、該凹部で該軸受よりも硬質のピボットを受けるピボット軸受において、
   ピボットの半径Ｒ_Ｐと軸受凹部半径Ｒ_Ｂが下記の関係を満たすように設定することを特徴とするピボット軸受。
   Ｒ_Ｐ＝１．０ｍｍのとき、１．０ｍｍ＜Ｒ_Ｂ＜１．１７ｍｍ
   Ｒ_Ｐ＝１．５ｍｍのとき、１．５ｍｍ＜Ｒ_Ｂ＜１．９２ｍｍ
   Ｒ_Ｐ＝２．０ｍｍのとき、２．０ｍｍ＜Ｒ_Ｂ＜２．８３ｍｍ
3. 前記ピボット軸受を人工心臓用ポンプに用いることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のピボット軸受。