JP2006082434A - 局部低加圧成形方法及び樹脂射出成形歯車 - Google Patents

Abstract

【課題】 樹脂成形歯車を、エジェクトピン圧縮機構を備える標準型の成形機を使用して低加圧圧力で高精度に成形し、更には、樹脂成形歯車の多数個取りを可能にする。
【解決手段】 円筒状に形成されたリム、リムの外周面に円筒の中心軸から外方向に形成された歯、リムの内周面に接合し中心軸の方向に平円板状に延在するウエブ、及びウエブに接合し中心軸の心部に形成されたボス類からなる樹脂成形歯車を樹脂により一体的に射出成形する方法において、ウエブを、加圧圧力Ｐが５〜４５ＭＰａで、充填開始基準で、充填開始からゲートシール終了までの時間Ｔ4の３００〜４００％の加圧開始時期Ｔ1に、加圧を開始し、加圧時間Ｔとして上記時間Ｔ4の１２０〜１５０％の時間、上記加圧圧力範囲内に保持する。
【選択図】 なし

Description

本発明は、樹脂射出成形歯車を、エジェクトピン等の局部加圧機構を利用し、低加圧圧力で長時間加圧することによる、局部加圧開始時期などの成形条件の許容幅が広く、得られた樹脂成形歯車が寸法的に高精度で、且つ多数個取り成形を可能とする成形方法、及び該方法により得られた歯車に関する。

従来、複写機、プリンター等のＯＡ機器の動力伝達部品として、また、ＶＴＲテープ駆動機構、レーザーディスクプレーヤのローディング機構等に樹脂製の平歯車が多数使用されている。また、低騒音性能および高速性能の要求が強い場合には、噛み合い率が高く、かつ低騒音で大きな力を伝える樹脂はすば歯車が使用されている。
このような樹脂歯車を設計する場合、従来は騒音や伝達効率、摩擦摩耗特性、強度、歯の各部要素の形状及び高度な初期精度等を考慮して、歯車の各構成部材の形状や寸法等を定めている。一般的には騒音や強度、剛性を考慮し、リム厚はピッチ円歯厚の１．５倍程度、または、モジュールの２．５倍程度とし、かつ、ウエブ厚はリム厚とほぼ同じにするように設計される。
例えば、平歯車あるいははすば歯車の断面寸法の標準的寸法割合が示されており、これによると、ピッチ円歯厚とリム厚とウエブ厚の比は１：１．４：１．６である。一方、高度な初期精度を考慮すると、ピッチ円歯厚とリム厚の比は１：０．６〜１．２程度で設計することが一般的であった。（非特許文献１参照）

最近、プリンター、複写機等のＯＡ機器の高精度化にともない、これらのＯＡ機器の動力伝達、作動伝達等を行う歯車には、歯車を使用する最も重要な目的である１軸の回転角をその歯数に逆比例して他軸に正しく伝達するか否かを評価する角度伝達誤差の精度が要求されてきている。
しかし、従来技術により、通常の歯車用樹脂を用い、歯車の強度、剛性、低騒音性能、歯の各部要素の形状及び寸法における高度な精度を主体とした歯車の各構成部材の形状、寸法を定める設計においては、例えば、一般的に用いられているポリアセタール樹脂を使用したはすば歯車においては、詳しくは、強度、剛性を考慮した設計の場合、円筒変形が発生し、リムとウエブの交点付近が大きく軸中央に向かってひけるためにJIS B1702(1976)に定められる精度が悪く、結果的に適正な動力伝達を行うことが出来ない。一方、高度な精度を考慮した場合、剛性不足により実際に使用される回転数や回転トルク下で角度伝達誤差が非常に大きくなる。

そこで、歯１３のピッチ円歯厚Ｓに対するリム厚Ｓｒの比率が１．２倍以上であり、且つ樹脂充填開始から型開き開始までの時間Ｔ３の期間内で、ウエブ１５を加圧成形することを特徴とする樹脂成形歯車の成形方法が知られている。（特許文献１参照）
しかし、従来のエジェクトピン圧縮機構を利用した射出成形での樹脂製歯車の高精度化に対しては、保圧圧力で抑えきれない成形収縮を保圧圧力より大きい機械的な圧力で抑制し、金型への転写性を向上させて樹脂製歯車の高精度化を可能としてきた。従って、従来の加圧成形による樹脂性歯車の高精度化には、大きな圧力を備える特殊仕様の成形機が必要であったり、加圧面積が増える多数個取りの射出成形に対しては不利であった。

特開２００２−２３５８３８号公報（請求項１〜１２、段落［００１０］、実施例） 「プラスチック成形技術」第１３巻、第８号、１７頁（左側１０行目から１８行目、右側図２）

本発明は、樹脂成形歯車を、エジェクトピン圧縮機構を備える標準型の成形機を使用して低加圧圧力で高精度に成形し、更には、樹脂成形歯車の多数個取りを可能にすることを目的とする。

本発明者は、樹脂成形歯車のウエブを、エジェクトピンを使用して、広い加圧圧力範囲内で局部加圧して成形し、低加圧圧力であっても従来では想定できないほど長時間の加圧圧力を加えることで、高精度歯車の成形が可能であることを見出した。
更に種々の溶融粘度及び半結晶化時間を有する材料樹脂を検討すると同時に、射出開始から冷却工程中に加圧する時期と加圧圧力及びその保持時間を定め、充分な加圧圧力が長時間に渡ってキャビティに加わることが可能な材料樹脂を選定した。
また、樹脂成形歯車の各構成部材の形状および寸法を変化させると同時に、加圧開始時期と加圧圧力及びその保持時間を変化させることにより成形された樹脂歯車の円筒変形とJIS B1702(1976)に定められる精度を、詳細に、総合的に研究することにより、上記課題を解決しうることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明の第１は、円筒状に形成されたリム（１１）、リム（１１）の外周面に円筒の中心軸（１２）から外方向に形成された歯（１３）、リム（１１）の内周面に接合し中心軸（１２）の方向に平円板状に延在するウエブ（１５）、及びウエブ（１５）に接合し中心軸（１２）の心部に形成されたボス類（１６）からなる樹脂成形歯車（１０）を樹脂により一体的に射出成形する方法において、ウエブ（１５）を、加圧圧力Ｐが５〜４５ＭＰａで、充填開始基準で、充填開始からゲートシール終了までの時間Ｔ4の３００〜４００％の加圧開始時期Ｔ1に、加圧を開始し、加圧時間Ｔとして上記時間Ｔ4の１２０〜１５０％の時間、上記加圧圧力範囲内に保持することを特徴とする樹脂成形歯車の成形方法を提供する。
本発明の第２は、ピッチ円歯厚（Ｓ）に対するリム厚（Ｓｒ）の比率が１．６倍以上であり、且つピッチ円歯厚（Ｓ）に対するウエブ厚（Ｓｕ）の比率が２．０倍以上である本発明の第１に記載の樹脂成形歯車の成形方法を提供する。
本発明の第３は、金型温度が樹脂のガラス転移点以上、融点未満の温度で、加圧圧力Ｐが５ＭＰａ以上、３０ＭＰａ未満であることを特徴とする本発明の第１又は２に樹脂成形歯車の成形方法を提供する。
本発明の第４は、金型温度が樹脂の（ガラス転移点＋５０℃）以上、（融点−２０℃）以下であることを特徴とする本発明の第３に記載の樹脂成形歯車の成形方法を提供する。
本発明の第５は、ウエブ（１５）を、樹脂成形歯車を金型から取り出すために使用するエジェクトピン（３７）で加圧することを特徴とする本発明の第１〜４のいずれか１項に記載の樹脂成形歯車の成形方法を提供する。
本発明の第６は、樹脂成形歯車を一度に２個以上成形可能であることを特徴とする本発明の第１〜５のいずれか１項に記載の樹脂成形歯車の成形方法を提供する。
本発明の第７は、樹脂充填後に、ゲート部を機械的に封鎖することを特徴とする本発明の第１〜６のいずれか１項に記載の樹脂成形歯車の成形方法を提供する。
本発明の第８は、樹脂の溶融粘度（ISO 1133によるメルトインデックスに相当する。測定温度は樹脂毎に異なる。）が３５〜４５(ｇ／１０ｍｉｎ)で、半結晶化時間ｔ^hcが８０〜１２０秒である本発明の第１〜７のいずれか１項に記載の樹脂成形歯車の成形方法を提供する。
本発明の第９は、樹脂が、成形時の収縮率１．０％〜３．０％の熱可塑性樹脂である本発明の第１〜８のいずれか１項に記載の樹脂成形歯車の成形方法を提供する。
本発明の第１０は、樹脂がポリアセタール樹脂である本発明の第１〜９のいずれか１項に記載の樹脂成形歯車の成形方法を提供する。
本発明の第１１は、本発明の第１〜１０のいずれか１項に記載の成形方法により得られる樹脂成形歯車を提供する。
本発明の第１２は、はすば歯車又は平歯車であることを特徴とする本発明の第１１に記載の樹脂成形歯車を提供する。

本発明によれば、樹脂成形歯車を、エジェクトピンによる加圧機構を備える標準型の成形機を使用して低加圧圧力で高精度に成形し、更には、樹脂成形歯車の多数個取りを可能にする。
得られた歯車は、複写機・プリンター、ファクシミリ、カメラ、ビデオ、自動車、ＯＡ機器等の部品として使用される。

本発明の樹脂成形歯車１０は、円筒状に形成されたリム１１、リム１１の外周面に中心軸１２に対して外方に形成された歯１３、リム１１の内周面に中心軸方向に平円板状に延在するウエブ１５、及びウエブ１５に接合し中心軸心部に形成されたボス類１６からなる（図１参照）。ウエブ１５の設けられる位置は、リム１１の円筒状部分の中間でも上部でも下部でもよい。ボス類１６はボスでも軸でもよい。
樹脂成形歯車１０は、ピッチ円歯厚Ｓに対するリム厚Ｓｒの比率が１．６倍以上、好ましくは２．０以下である。Ｓｒ／Ｓが上記範囲より小さいと、回転伝達誤差が小さい高精度の成形歯車を得ることができない。

また、ウエブ１５は平円板状で、リム１１の内周面及びボス１６の外周へ接合される。ピッチ円歯厚Ｓに対して、ウエブ１５の少なくともリム１１及びボス１６への接合部のウエブ厚Ｓｕの比率が、１．５倍以上、好ましくは１．８〜２．０である。ウエブ厚が上記比率の範囲外では十分な円筒精度が得られない。平円板状のウエブ１５は、全面が上記厚みを持つことが好ましいが、必要に応じて、平円板状部分に貫通孔や凹部やリブ等を１つまたは複数個設けてもかまわない。

本発明の成形方法は、通常の局部加圧機構を有する標準型の射出成形機、即ち射出力数１００トン程度で、エジェクトピン押出し力数１０トン程度の成形機により行われる。局部加圧機構としては、通常エジェクトピン、スリーブピン、可動式コア等が挙げられ、好ましくはエジェクトピンである。エジェクトピンは、１個の樹脂成形品あたり１個以上、好ましくは２個以上である。
図２に、樹脂の充填及び局部加圧の例を示す。通常の射出成形機を使用して、溶融樹脂がシリンダー側よりゲート３５を経て金型キャビティへ充填される。ゲート３５としては、例えばピンゲートが使用される。ゲートの位置は特に限定するものではなく、ボスの下面でもよいし、側面でもよいし、ウエブ上でもよい。又ゲートの個数も特に限定するものではなく、１個から５，６個でもよい。
局部加圧は、例えば、エジェクトピン３７を用いて行うことができる。エジェクトピン３７の断面形状は丸であっても、四角であってもよく、形状を限定するものではない。又個数に関しても限定するものではない。複数個のエジェクトピン３７による局部加圧は、好ましくは均一に加圧される。
ウエブ１５を円周方向に対して均一に加圧することが好ましい。このため、ウエブ１５上に設定され、中心軸１２に対して同心円状にある２つの円の間で形成されるリング状部分１５’を加圧することが好ましい。リング状部分１５’の面積が、ウエブ１５の面積の、８０〜９０％であるとよい。

樹脂射出充填終了後、保圧が行われる。
樹脂充填開始からゲート部の樹脂が固化するまでの時間をＴ4とすると、Ｔ4は、射出保圧時間と冷却時間の合計を固定し、保圧時間を徐々に増加させ、冷却時間を保圧時間を増加させた分だけ減少させて、スプル、ランナを除く製品重量を測定し、製品重量増加しなくなる射出保圧時間で定義される。

局部加圧するための加圧圧力（即ち、加圧圧力＝[加圧力]／[加圧部の面積]である。）をＰとすると、加圧圧力Ｐは５〜４５ＭＰａ、好ましくは１５〜３０ＭＰａ、さらに好ましくは３０ＭＰａ未満であり、特に好ましくは２５ＭＰａ以下である。
加圧圧力Ｐが上記範囲より小さすぎると、加圧の効果が生じにくく、上記範囲より大きすぎると、加圧による成形品の変形が大きくなり、通常の成形機が使用し難くなったり、多数個取りが困難となる。

局部加圧の開始時期、即ち、加圧開始時期Ｔ1は、ゲート部が固化後（即ち、ゲートシール後）であり、充填開始基準で、充填開始からゲートシール終了までの時間Ｔ4の３００〜４００％、好ましくは３４０〜３６０％である。加圧開始時期Ｔ1が上記範囲より早すぎると加圧後の収縮変形が発生し易くなり、遅すぎると加圧の効果が生じ難い。
上記加圧圧力範囲内に保持する加圧時間Ｔとしては、充填開始からゲートシール終了までの時間Ｔ4の１２０〜１５０％の時間、好ましくは１３０〜１４０％の時間である。加圧時間Ｔが上記範囲より短すぎると、加圧の効果が生じ難くなり、長すぎると変形が生じやすい。

本発明で使用できる樹脂は、熱可塑性樹脂であり、好ましくは結晶性樹脂である。樹脂は、溶融粘度（ISO 1133に基づいて測定されたメルトインデックス（MI）に相当する。測定温度は樹脂毎に異なる。）が９〜４５ｇ／１０ｍｉｎ、好ましくは３５〜４５ｇ／１０ｍｉｎである。但し、溶融粘度測定温度は樹脂毎に異なる。
溶融粘度が上記範囲より小さい樹脂を用いると圧力伝達が不十分となるため歯車の精度が不十分となり、上記範囲より大きい樹脂を用いると固化速度が速く加圧の効果が低下する。
上記樹脂は、上記溶融粘度に加えて、半結晶化時間ｔ^hcが３０〜２００秒、好ましくは８０〜１２０秒である。半結晶化時間ｔ^hcが上記範囲より短い樹脂を用いると固化が速くて加圧の効果が低下し、長い樹脂を用いると固化が遅くなり、成形サイクルが長くなる。
半結晶化時間ｔ^hcは、次のように測定される。
装置として示差走査熱量計等を使用し、融点＋４０℃で、５分間溶融状態に維持後、１０℃／分で降温し、融点に保持し、融点到達後結晶化発熱曲線のピークトップが出るまでの時間である。

上記樹脂は、成形時の収縮率が１．０％〜３．０％である熱可塑性樹脂を用いることが好ましい。従来の技術では、この範囲の成形収縮率を有する樹脂を使用すると、成形時の樹脂収縮により成形品と金型形状との寸法差が大きくなり、十分に高精度の歯車を得ることが至難であった。

本発明で使用される樹脂は、具体的には、ポリアセタール樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂又はポリアミド樹脂等が挙げられる。中でも、ポリアセタール樹脂（ＰＯＭ）が、特に好ましく使用できる。

上記ポリアセタール樹脂は、ホモポリマー、コポリマーのいずれであってもよい。コポリマーの場合には、主鎖の安定化のためにエチレンオキサイド、ジオキソラン等の単量体成分がランダムに共重合されたもの、あるいはブロツクあるいはグラフト重合されたもの、あるいは更に第三成分が導入されたもの等、いかなる共重合形態であってもかまわない。
上記ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート等のポリエステル樹脂は、通常の芳香族ジカルボン酸成分、脂肪族ジオール成分の他に、イソフタル酸、ナフタレンジカルボン酸、アジピン酸等の芳香族又は脂肪族多塩基酸、あるいは、グリコール成分としてエチレングリゴール、ジエチレングリコール、ネオペンチルグリコール等のアルキレングリコールやビスフェノールＡ等の芳香族ヒドロキシ化合物等を用いて変性させて得られる共重合体であってもかまわない。
これらの樹脂は、通常添加される各種添加剤が配合されていてもよいし、これらを主体とする樹脂組成物であってもよい。

本発明の樹脂成形歯車１０としては、平歯車、はすば歯車、やまば歯車、すぐばかさ歯車、まがりばかさ歯車、ねじば歯車などが挙げられる。歯のねじれ角度は、特に限定されるものではない。
またこれらのはすば歯車や平歯車等はシングル歯車や２段歯車に、または、駆動モータから多段に組み合わせて回転ムラをなくして減速するようにした、組合わせ歯車であってもよい。

（実施例）
以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

（比較例１）
結晶性ポリマーであるポリアセタール樹脂として、ジュラコン^TMJW-03（ポリプラスチックス(株)製、溶融粘度（MI:４５ｇ／１０分（190℃））、歯車を成形する上で好ましい推奨保圧力１００ＭＰａ、ｔ^hc８７秒、Tm１７５℃、Tg−５０℃）を使用し、下記のハスバ歯車を成形して、歯車の精度を（１）最大半径差（円筒幅方向に５箇所、外径を測定し、それから求めた最大半径と最小半径の差である。）、（２）歯形形状誤差、（３）歯筋形状誤差について評価した。結果を表１に示す。
ポリアセタール樹脂の半結晶化時間ｔ^hcは、次のように測定した。
装置としてパーキンエルマー社製示差走査熱量計ＤＳＣ７型を使用し、サンプル約５ｍｇを２００℃×５分間溶融状態に維持後、１０℃/分で降温し、１５２℃に達した時点で温度を一定に保持し、１５２℃到達後結晶化発熱曲線のピークのトップが現れるまでの時間である。
成形品歯車諸元:モジュール１、歯数２８、圧力角２０#、ネジレ角（右）２０#、歯幅１５mm、ピッチ円直径２９．７９７mm、歯先円外径３１．７９７mm、ウエブ厚３mm、リム厚２．５mm
成形機:住友重機械工業(株）製ＳＥ−１００Ｄ
溶融樹脂温度：２００℃
金型温度：６０℃
射出速度：１７mm/秒
充填時間：０．８秒
保圧圧力：１００ＭＰａ（推奨保圧圧力）
充填開始からゲートシール終了までの時間Ｔ4：６秒
エジェクトピン加圧力：３．４ton（本成形機のエジェクト力の最大値である）
エジェクトピン加圧断面積：２６２．３２mm²
エジェクトピン加圧圧力：１２０ＭＰａ
エジェクトピンストローク量:１．２mm
エジェクトピン加圧開始時期Ｔ1:２０秒後
エジェクトピン加圧時間Ｔ：８秒間
歯車１個取り

（比較例２）
ポリアセタール樹脂として、ジュラコン^TMM270-44（ポリプラスチックス(株)製、溶融粘度（MI:２７ｇ／１０分（190℃））、推奨保圧力１００ＭＰａ、ｔ^hc３７秒、Tm１６２℃、Tg−６０℃）を使用した他は比較例１と同様に行った。結果を表１に示す。

（実施例１および２）
エジェクトピンの加圧圧力及び加圧開始時期を、表１に示す条件に変え、歯車を１又は２個取りにした以外は比較例１と同様に行い、歯車の精度を評価した。結果を表１に示す。

（実施例３）
ポリアセタール樹脂として、前記ジュラコン^TMM270-44を使用した他は実施例１と同様に行った。結果を表１に示す。

低加圧圧力で成形すると、加圧開始時期が、保圧終了後であって、充填開始基準で１８秒後から２０秒後の間であると、歯筋精度を中心とする寸法精度を従来の条件より向上させることが可能となった。比較例では、加圧圧力１２０ＭＰａでは加圧開始時期２０秒でやや良くなったが、加圧開始時期は非常に狭い範囲であり、成形しにくい。
また従来の４分の１程度の加圧圧力で寸法精度を満足することから、一般的にエジェクトピン加圧を装備している標準成形機においても実現可能レベルである。同時に低圧加圧であるために、多数個取りにも有効である。

本発明の樹脂成形歯車の一例の縦断面図である。 図１に示す樹脂成形歯車を成形する金型の断面図である。

符号の説明

１０ 樹脂成形歯車
１１ リム
１２ 中心軸
１３ 歯
１５ ウエブ
１５’リング状部分
１６ ボス類
３１ 歯車入れ子
３２ ラジアルころがり軸受け
３３ スラストころがり軸受け
３５ ゲート
３７ エジェクトピン
Ｄ 歯先円直径
ｂ 歯幅
Ｓ ピッチ円歯厚
Ｓｒ リム厚
Ｓｕ ウエブ厚

Claims (12)

1. 円筒状に形成されたリム（１１）、リム（１１）の外周面に円筒の中心軸（１２）から外方向に形成された歯（１３）、リム（１１）の内周面に接合し中心軸（１２）の方向に平円板状に延在するウエブ（１５）、及びウエブ（１５）に接合し中心軸（１２）の心部に形成されたボス類（１６）からなる樹脂成形歯車（１０）を樹脂により一体的に射出成形する方法において、
   ウエブ（１５）を、加圧圧力Ｐが５〜４５ＭＰａで、充填開始基準で、充填開始からゲートシール終了までの時間Ｔ4の３００〜４００％の加圧開始時期Ｔ1に、加圧を開始し、加圧時間Ｔとして上記時間Ｔ4の１２０〜１５０％の時間、上記加圧圧力範囲内に保持することを特徴とする樹脂成形歯車の成形方法。
2. ピッチ円歯厚（Ｓ）に対するリム厚（Ｓｒ）の比率が１．６倍以上であり、且つピッチ円歯厚（Ｓ）に対するウエブ厚（Ｓｕ）の比率が２．０倍以上である請求項１に記載の樹脂成形歯車の成形方法。
3. 金型温度が樹脂のガラス転移点以上、融点未満の温度で、加圧圧力Ｐが５ＭＰａ以上、３０ＭＰａ未満であることを特徴とする請求項１又は２に樹脂成形歯車の成形方法。
4. 金型温度が樹脂の（ガラス転移点＋５０℃）以上、（融点−２０℃）以下であることを特徴とする請求項３に記載の樹脂成形歯車の成形方法。
5. ウエブ（１５）を、樹脂成形歯車を金型から取り出すために使用するエジェクトピン（３７）で加圧することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の樹脂成形歯車の成形方法。
6. 樹脂成形歯車を一度に２個以上成形可能であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の樹脂成形歯車の成形方法。
7. 樹脂充填後に、ゲート部を機械的に封鎖することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の樹脂成形歯車の成形方法。
8. 樹脂の溶融粘度（ISO 1133によるメルトインデックスに相当する。測定温度は樹脂毎に異なる。）が３５〜４５(ｇ／１０ｍｉｎ)で、半結晶化時間ｔ^hcが８０〜１２０秒である請求項１〜７のいずれか１項に記載の樹脂成形歯車の成形方法。
9. 樹脂が、成形時の収縮率１．０％〜３．０％の熱可塑性樹脂である請求項１〜８のいずれか１項に記載の樹脂成形歯車の成形方法。
10. 樹脂がポリアセタール樹脂である請求項１〜９のいずれか１項に記載の樹脂成形歯車の成形方法。
11. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の成形方法により得られる樹脂成形歯車。
12. はすば歯車又は平歯車であることを特徴とする請求項１１に記載の樹脂成形歯車。