JP2006242216A - 歯車減速装置及び回転駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大径小モジュールの歯車を用いた歯車減速装置において、環境の温度変化に対しても常に適切な噛み合い状態を維持し、高精度で安定した駆動伝達ができるようにする。
【解決手段】歯車の噛み合いにより駆動軸１の軸回転速度を減速して従動軸３を回転させる歯車減速装置であって、駆動側歯車２と従動側歯車４の噛み合いによる減速比が１／２０以上であり、駆動側歯車２と従動側歯車４がはすば歯車で、歯のモジュールを０．１５以上０．３未満とした。
【選択図】 図１

Description

この発明は、駆動軸の回転を高精度で減速して従動軸を回転させる歯車減速装置、及びモータの軸回転をその歯車減速装置によって減速して回転体を駆動する回転駆動装置に関する。

デジタル複写機やレーザプリンタなどの画像形成装置に用いられる回転駆動装置は、モータの軸回転を減速して感光体ドラム等の回転体に伝達する歯車減速装置を備えている場合が多い。この歯車減速装置において、歯車の噛み合い周期の変動による回転変動が発生すると、感光体ドラム等に回転ムラが生じ、バンディング（ライン画像を印刷したとき微少振動等の速度変動要因に起因する線ピッチや線幅の変動）が発生して画像品質を低下させる。

この影響を抑えるためには、大径で小モジュール（歯の大きさを表し、ピッチ円の直径／歯数で定義される）の歯車による歯車減速装置を用いるのが有効である。直径１００ｍｍ程度の樹脂製歯車においては、モジュールが０．５程度であれば、使用環境の温度変化による樹脂製歯車の寸法変化への影響は比較的少なく、許容できるものとされていた。
しかし、近年の更なる高精度化の要望に答えるために、０．５よりさらに小さいモジュールの歯車を使用すると、環境による寸法変化の影響を無視できなくなる。

すなわち、大径でモジュールが０．５より小さい精密駆動用歯車を使用して歯車減速装置を構成すると、使用環境の温度変化によって、歯車を構成する部材の膨張又は収縮によって歯車の直径が変化すると、適切な噛み合い状態を維持できなくなり、安定した駆動伝達が困難になる。つまり、低温環境においては、歯車の直径が収縮することにより噛み合いが外れて空回りしてしまう。逆に高温環境においては、歯車の直径が膨張することによりバックラッシュが小さくなって、両歯噛み合いと片歯噛み合いが混在することになり、駆動伝達誤差が生じるなどの問題がある。

そして、このようなバックラッシュによる振動の対策として、例えば特許文献１には、噛み合う一対の歯車にそれぞれ中心回転軸が共通するローラを一体に形成し、一方のローラの外周に高摩擦弾性部材を巻きつけて他方のローラの外周に接触させる構成の駆動装置が提案されている。これによれば、歯車の噛み合い時には高摩擦弾性部材が他方のローラの外周に押し付けられながら接触するため、歯の噛み合いによる振動を吸収できる。

また、特許文献２には、噛み合う一対の歯車の一方の回転軸を保持するフレームに、その回転軸の近傍で、他方の歯車の回転軸を保持する軸間保証部材を固定し、この軸間保証部材の線膨張係数を一対の歯車の少なくとも一方の線膨張係数とほぼ等しく設定した駆動伝達機構が開示されている。
これによれば、歯車が熱膨張した場合でも軸間保証部材が同様に線膨張して一対の歯車の軸間距離を広げるため、歯車間のバックラッシュを適切に保つことができる。
特開２００３−６５４２３号公報 特開２００２−２１９４２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の駆動装置では、温度変化に伴い歯車の直径が変化して歯の噛み合い状態が不安定になる問題については考慮されていない。たとえば、低温環境で歯の噛み合いが外れた場合に、高摩擦弾性部材がローラ間の接触を維持したとしても、各ローラの直径も縮小して高摩擦弾性部材の押し付け力が弱まるため、ローラ表面で滑りが生じて安定した駆動力の伝達は困難になる。

また、特許文献２に記載の駆動伝達機構では、モータも軸間保証部材に取り付けなければならないが（段落００３３，００４４参照）、このモータは作動時に周囲温度を４０℃程度上昇させる熱源となるので、軸間保証部材に部分的な温度ムラが生じてしまい、歯車が熱膨張した場合に、軸間保証部材も同様に線膨張することによりそれを補償して歯車間のバックラッシュを適切に保つという機能を果たすことが困難になる。

この発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、小モジュールでかつ大径の歯車を用いた歯車減速装置において、環境の温度変化に対しても常に適切な噛み合い状態を維持して、高精度で安定した駆動伝達ができるようにすることを目的とする。さらに、回転変動ムラの発生を極めて少なくし、回転体を高精度で回転駆動できる回転駆動装置を提供することも目的とする。

この発明による歯車減速装置は、歯車の噛み合いにより駆動軸の軸回転速度を減速して従動軸を回転させる歯車減速装置であって、上記の目的を達成するため、減速比が１／２０以上の一段減速とし、上記歯車がはすば歯車で、歯のモジュールを０．１５以上０．３未満としたものである。

また、上記歯車の少なくとも１つが、歯を含む外周部と、その外周部より軸側に位置する内側部とを互いに異なる材料で一体に成形した二重構造歯車であり、上記内側部に線膨張係数が２×１０^−５ｃｍ／℃以上６×１０^−５ｃｍ／℃以下の材料を用い、上記外周部に線膨張係数が上記内側部の材料より大きい材料を用いるとよい。

また、上記外周部と上記内側部はそれぞれ樹脂を材料とし、それらはダブルインジェクション成形により成形されるとよい。
あるいは、上記内側部は金属を材料とし、上記外周部は樹脂を材料として上記内側部に対するインジェクション成形により成形されてもよい。
さらに、上記外周部の径方向の最大幅が歯の全歯たけの２０倍以下であるとよい。
さらにまた、上記内側部と回転軸とが一体に成形されているとよい。
もしくは、上記内側部と回転軸とが熱嵌合により一体に結合されていてもよい。

また、上記歯車は全て同じ材料からなり、その材料の線膨張係数の±１０％以内の線膨張係数の材料からなる単体のブラケットにより上記駆動軸と上記従動軸の両方が軸支されているとよい。
あるいは、上記駆動軸と上記従動軸のいずれか一方の回転軸を軸支し、他方の回転軸と接離する方向に移動可能な可動軸支手段と、上記一方の回転軸を上記他方の回転軸に近接させる方向の付勢力をその可動軸支手段に対して付与する付勢手段と、上記一方の回転軸に対して上記他方の回転軸に近接する方向への移動を、周囲温度に応じて伸縮する温度伸縮部材によって規制する移動規制手段とを有するとよい。そして、上記二重構造歯車を有する場合には、上記駆動軸と上記従動軸のいずれか又は両方に上記二重構造歯車を結合し、上記温度伸縮部材は上記駆動軸と上記従動軸のそれぞれに連結する歯車の各ピッチ円半径長さの合計と同じ周囲温度において同じ熱変形量で伸縮することが望ましい。さらに、上記付勢手段の付勢力を調整する付勢力調整手段を有しているとよい。

また、この発明による回転駆動装置は、上記歯車減速装置とモータとを備え、そのモータの軸回転を上記歯車減速装置によって減速して回転体を駆動する回転駆動装置であって、上記モータが以下のような特徴を有するものである。
すなわち、上記モータは、８００ｒｐｍ以上で連続駆動回転可能なＤＣモータである。
あるいは、上記モータは、１ステップの駆動分解能が１．８ｄｅｇ以下で３０００ＰＰＳ以上の駆動周波数で回転可能なパルスモータであってもよい。

この発明による歯車減速装置は、小モジュールでかつ大径の歯車を用いた歯車減速装置において、環境の温度変化に対しても常に適切な噛み合い状態を維持して、高精度で安定した駆動伝達ができる。また、この発明による回転駆動装置は、回転変動ムラの発生を極めて少なくし、回転体を高精度で回転駆動できる。

以下、この発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。
〔歯車減速装置の各実施形態に共通の構成〕
まず、この発明による歯車減速装置の各実施形態に共通する構成について説明する。図１は、この発明による歯車減速装置の主要部である一対の歯車を噛み合わせた状態の正面の一部を拡大して示す図である。この図において、上方に位置する小径の歯車は、駆動軸１に結合して回転駆動される駆動側歯車２であり、下方に位置してこの駆動側歯車２に噛み合っている大径の歯車は、従動軸３に結合して駆動側歯車２との噛み合いにより回転駆動され、従動軸３に軸回転を伝達する従動側歯車４である。

両方の歯車２，４は、互いに同じ形状で同じ大きさ（同じモジュール）の歯形の歯で噛み合っており、各歯車２，４が有する歯数の比がそのまま駆動軸１と従動軸３の回転数の比である減速比となる。
そしてこの発明による歯車減速装置では、一対の歯車の噛み合いによる一段減速のみで減速するものとし、この噛み合う一対の歯車（以下、歯車対という）における減速比が１／２０以上に設定されている。ここで、減速比が１／２０以上であるとは、従動軸３が駆動軸１の１／２０以下の回転数で回転するよう設定したことをいう。

また、図中では正確に示していないが、各歯車２，４は、歯すじが各回転軸１，３に対してつるまき状（らせん状）に形成されたはすば歯車（Helical gear）で構成されている。なお、後出する図３中の噛み合い部分において、はすばを略記して示す。
さらに、各歯のモジュールは０．１５以上０．３未満であって、歯車の直径に対して歯形が小さく形成されている。ここで、歯の大きさを表すパラメータであるモジュールについて説明すると、歯車のピッチ円直径を歯数で除した値であり、このモジュールの値が小さいほど歯の大きさが小さいことを表すパラメータとなっている。
これに対し、従来の複写機やプリンタなどの画像形成装置においては、０．５程度のモジュールの歯車を用いた歯車減速装置により、モータの軸回転を減速して感光体ドラムや搬送ローラなどの回転体を回転駆動していた。

以下に、この発明の歯車減速装置及び回転駆動装置を用いた画像形成エンジンの構成の例について説明する。図２は、プリンタの画像形成エンジンの断面を模式的に示す図であり、図３は図２における第１画像形成部を矢示Ａ方向から見て模式的に示す平面図である。
図２に示す画像形成エンジン５は、タンデム方式のものであり、中間転写ベルト６、搬送ローラ７ａ，７ｂ、２次転写ローラ８、ローラ９、第１〜４画像形成部１０，１１，１２，１３を備えている。そして、図３に示すように各画像形成部１０〜１３は回転駆動モータ１４、駆動側歯車２、従動軸３、従動側歯車４、感光体ドラム１５を有しており、この画像形成エンジン５の例では、回転駆動モータ１４のスピンドル軸１４ａで構成する駆動軸１と、小径の駆動側歯車２、従動軸３及び大径の従動側歯車４が歯車減速装置１０１を構成し、さらにこの歯車減速装置に回転駆動モータ１４を加えたものが回転駆動装置２０１を構成する。この場合、感光体ドラム１５は回転駆動装置２０１が駆動する回転体となる。

そして、図２において、環状に形成されている中間転写ベルト（画像担時体）６が、その内側で駆動ローラと従動ローラの２つの搬送ローラ７ａ，７ｂ及び２次転写ローラ８により架設されており、これら搬送ローラ７ａ，７ｂと２次転写ローラ８の回転によって矢印Ｂ方向に回転駆動される。そして、各々異なる色（イエロー：Ｙ、マゼンタ：Ｍ、シアン：Ｃ、ブラック：Ｋ）の画像を形成する第１〜４画像形成部１０〜１３が中間転写ベルト６の上面に沿って一列に配置されている。また、これらと反対側の中間転写ベルト６の下面では、内側にある２次転写ローラ８と外側にあるローラ９が中間転写ベルト６を挟持している。

画像形成時には、中間転写ベルト６とローラ９との間に転写紙Ｐが給紙されて中間転写ベルト６上に静電吸着される。その後の搬送途中で図示しないレジストセンサの位置検出により各画像形成部１０〜１３とのタイミングが取られる。そして、吸着搬送されている転写紙Ｐは、まず第１画像形成部（イエロー）１０に搬送されて感光体ドラム１５上に形成されたイエローの単色画像を転写される。
このとき回転駆動装置２０１が転写紙Ｐの搬送速度に合わせて感光体ドラム１５を回転駆動しており、図示しない帯電器、露光器及び現像器により感光体ドラム１５の表面にイエローのトナー像が形成され、転写紙Ｐと接触する位置で転写器（不図示）により転写される。そして転写紙Ｐは、順次第２〜４画像形成部に搬送されて上記と同様な各色のトナー像が重ねて転写され、カラー画像が形成される。

以上のような構成の画像形成エンジン５において、感光体ドラム１５の回転速度や転写紙Ｐの搬送速度が不安定であると、転写紙Ｐに形成されるライン画像に線幅の周期的なムラが生じ、縞模様が発生するバンディングという現象が生じて画像形成品質を低下させる原因となる。したがって、各画像形成部１０〜１３の感光体ドラム１５や搬送ローラ７ａ，７ｂの回転を駆動する回転駆動装置には高精度で安定した回転駆動性能が要求されている。

そして今回、本願の発明者が行った種々の検討によれば、歯車減速装置に用いられる歯車の歯形の大きさ（モジュール）がバンディングの発生量（ライン画像を印刷したときの微少振動、速度変動による線ピッチや線幅の変動量）に大きく影響を与えることが判明した。つまり、モジュールが小さいほど噛み合い振動（歯形誤差、歯スジ誤差などの歯面加工精度の低さによる振動）に起因する振動の伝播が明らかに小さくなり、図４（歯形が平歯の場合）に示すようにモジュールが小さいほど感光体表面の速度変動率が減少し、すなわちバンディング量が低下する。

そこで、上記の歯車減速装置１０１に０．２以下のモジュールの歯車を用いて構成し、それにより形成した画像に対してパネラー評価試験を行った結果、パネラー（評価者）の８０パーセントがライン画像に何らバンディングなどの不具合が感じられないとの回答が得られた。
また、モジュールをおよそ０．１より小さくした場合には、プーリなどの他の回転部品との平行精度を極めて高くする必要があり、実際の設置ではわずかな傾き（歯たけに相当）があっても噛み合い外れが生じるため実用的でないことが分かっている。検討の結果、モジュールを０．１５以上に設定すればよいことが判明した。

さらに、歯形をはすば（はす歯）としたことで、各歯の噛み合いの移行が急に変化せず滑らかな噛み合い移動が可能となり、また常に複数の歯が同時に噛み合うために速度変動や振動の少ない円滑な回転移動を行うことができる。これは、平歯の場合において急激な噛み合い変化に起因する歯の衝撃的移動が生じていることに対し非常に有効である。図５は、はすば歯車の場合におけるモジュールと感光体表面の速度変動率との関係を示す線図であり、平歯の場合の図４と比較するとはすば歯車の方が円滑に回転可能であることが明白である。

また、歯車対の噛み合いによる減速比を大きくした方が、歯車減速装置を高精度かつ安定して回転させる上で有効である。これは、伝達する振動周波数を高域に移行させるためであり、例えば前述した画像形成エンジンに適用した場合には紙面上で観察されるバンディングが人間の知覚外に移行して認識し難くなる。発明者の行った試験によれば、減速比を１／２０以上に設定することが有効であり、そして従動側歯車の径をできるだけ大きくして歯数を増加させることでそのような減速比を設定するのが望ましいことがわかった。
さらに、歯車を３つ以上使用した多段減速機構では、環境の温度変化によって寸法変化の生じる箇所が多くなるためそれだけ精度が低下してしまうが、この発明の歯車減速装置のように一対の歯車の噛み合いによる一段減速のみで減速することで温度変化による寸法変動箇所を最少とし、駆動精度を向上させることができる。

以上のように歯形をはすばとし、減速比が１／２０以上の一段減速で減速した場合には、歯車のモジュールを０．１５以上０．３未満で適用しても、上記評価試験で許容された品質と同等の品質の画像が得られることがわかった。したがって、この発明による歯車減速装置は、環境の温度変化に対しても、常に適切な噛み合い状態を維持して、小モジュールでかつ大径の歯車を用いた歯車減速装置において、高精度で安定した駆動伝達ができる。また、この発明による回転駆動装置は、回転変動ムラの発生を極めて少なくし、回転体を高精度で回転駆動できる。

ところで、前述したように、従来では図３に示したような画像形成部中の回転駆動装置及び歯車減速装置に用いられる歯車の歯のモジュールは小さくとも０．５程度までであり、これより小さく歯形を形成した場合には、周囲環境の温度変化により温度伸縮してしまい、噛み合いに振動や誤差が生じて噛み合い周期が変動しバンディングを発生させてしまう。特に、そのような精密歯車においては、微小歯形の成形が容易であるＰＯＭ（Polyoxymethylene：ポリオキシメチレン）などのプラスチックを材料として構成する場合が多く、このプラスチック材の温度伸縮による歯車の噛み合いへの影響は大きなものとなっている。

例えば、歯先円直径が１００ｍｍ（半径５０ｍｍ）の大径歯車をＰＯＭ材で成形した場合、使用環境温度が５０℃から０℃に変化、つまり５０℃の温度幅で変化するものとすると、ＰＯＭ温度収縮率（線膨張係数）×半径長さ×温度幅＝１×１０^−４×５０×５０＝０．２５ｍｍで収縮変動が起こる計算になる。これと同じ条件でモジュールを０．１とした場合の平歯車の全歯たけ寸法は０．２３ｍｍ程度であり、このため自然状態（温度幅５０℃の条件）においても噛み合いが外れてしまうことになる。したがって、一般にはプラスチックを材料とした０．１程度の小モジュールの歯車の噛み合いは実現し得ないと考えられていた。

なお、参考として上記と同じ構成（標準歯先円半径Ｒ＝５０ｍｍ）の歯車におけるモジュールの大きさと全歯たけＨと温度変化（４０℃、５０℃、６０℃）による半径Ｒの変化量の試算値を下記の表１に示す。
そして、本発明による歯車減速装置及び回転駆動装置は、上記のような小モジュールの
歯車の噛み合いを確実に行えるよう構成されたものであり、以下それらの各実施形態を説明する。

〔歯車減速装置の第１実施形態〕
まず、本発明による歯車減速装置の第１実施形態について説明する。
図６は、この実施形態の歯車減速装置に用いられる大径小モジュールの歯車を軸方向に沿った断面で示す図である。この図において、歯車２１は、歯を含む外周部２２（全歯たけ＋２，３ｍｍ程度の幅の外周側部分）をＰＯＭ樹脂で形成し、この外周部２２より軸側に位置する内側部２３をステンレス鋼で構成した二重構造歯車となっている。そして、内側部２３を構成するステンレス鋼は、外周部２２のＰＯＭ樹脂よりも線膨張係数が低く、２×１０^−５ｃｍ／℃以上６×１０^−５ｃｍ／℃以下である材料を用いている。

ここで、外周部２２を構成するＰＯＭ樹脂は、成形性及び切削性に優れており、さらに噛み合いに必要な強度を有するとともに、潤滑性が高く摩擦係数の低い材料であるため、微小歯形を構成する材料として好適である。しかし、逆に線膨張係数が高いため、前述したように環境温度変化による温度伸縮量が大きく、微小歯形同士の噛み合い外れや、逆に過剰な噛み込みによる駆動伝達誤差が生じやすいという欠点がある。

この実施形態の歯車は、微小歯形をＰＯＭなどの樹脂で構成しているため、成形の容易さ、噛み合い強度及び低摩擦性などの利点を得ている。しかしそのように、線膨張係数が高いＰＯＭなどの樹脂を微小歯形部分（外周部２２）の材料として用いながら、内側のほとんどの部分（内側部２３）を線膨張係数の低い材料で構成しているため、歯車全体では環境温度変化による熱伸縮量を抑えることができ、歯車対における適切な噛み合い状態を確保することができる。
なお、上記のステンレス鋼以外で内側部２３に適用できる線膨張係数の低い材料としては、例えばゼロ膨張ガラスであるゼロデュア（ＳｉＯ_２＋Ｔｉ）や、炭化珪素セラミック、窒化珪素セラミック及びアルミナセラミックなどのセラミック材料、あるいは炭素鋼などがある。

また、樹脂であっても、線膨張係数が２×１０^−５ｃｍ／℃以上６×１０^−５ｃｍ／℃以下であって、外周部２２の材料の線膨張係数より低い樹脂材料であれば、内側部２３の材料として適用することができる。この場合には、外周部２２と内側部２３をそれぞれ樹脂で構成することになり、そのような組み合わせの二重構造歯車はダブルインジェクション成形によって少ない工程で成形できるため製造コストを低減できる利点がある。また、二重構造歯車を同一成形型内で射出成形した場合には、特に極めて偏心精度の高い成形歯車を形成できる点で有用である。なお、線膨張係数の低い樹脂の例としては、ポリカーボネイト、ポリイミド及びポリアミドなどをベースにガラス繊維を３０〜４０％加えた材料などがあり、２×１０^−５ｃｍ／℃〜６×１０^−５ｃｍ／℃の適度な線膨張係数となっている。

また、図８に示すように、内側部を金属性の円板３０で構成する場合には、プレス材などのコストの低い材料を用いてプレス加工や打ち抜き加工などで容易かつ低コストで作成できる利点がある。そしてその金属円板３０に対して外周部３１を樹脂で形成する場合は、単に射出成形（インジェクション成形）するだけでよいため、このことによっても低コスト化が可能となる。さらに金属製の円板の中心孔２４に対しては、回転軸２５をしまりばめなどによる軽圧入、かしめ、溶接などで強固に結合させることができるため、高い中心精度で回転軸２５を設置することができ、またその偏心精度を安定して維持させることができる。さらに、材料が金属である場合は比重が高く質量が大きいため、フライホイールと同様に歯車に回転慣性を持たせて回転速度を安定的に維持させる効果がある。

次に、樹脂材料で歯形を形成する外周部２２はできるだけ薄肉化することが望ましく、薄肉化することによって外周部２２における熱伸縮量を減少させることができる。例として、モジュール０．２の歯車で考えると、図８中に示す全歯たけＨは０．４５ｍｍとなる。ここで樹脂部の最大厚さ（外周部２２の径方向の最大幅）Ｗをその全歯たけＨの２０倍とした場合には、０．４５×２０≒９ｍｍの厚さとなり、５０ｄｅｇの温度変化での伸縮量は、ＰＯＭ線膨張係数×半径長さ×温度幅（前記参照）＝１×１０^−４×９×５０≒０．０４５ｍｍとなる。そしてこの０．０４５ｍｍは全歯たけＨ＝０．４５ｍｍの１０％に当たる変形量であり、このような温度変形率であれば装置に実装する上で実用的な寸法を確保できる。すなわち、外周部２２の径方向の最大幅Ｗを全歯たけＨの２０倍以下とすることで熱伸縮量を適切な範囲内に収めることができる。

内側部２３と回転軸２５とを個別に製作して結合する方法としてはネジ止め法などが考えられるが、これらの方法では偏心が生じやすく、５０μｍ以上の振れが生じてしまい、小モジュール歯車での噛み合わせに影響する回転変動を起こしてしまう。そこでこの実施形態の歯車では、回転軸を高い中心精度で歯車に設けるために、外周部の歯形を成形する前に内側部に対し機械加工により回転軸を削り出して一体に形成する方法と、外周部の歯形を成形した後に内側部に設けた中心孔に回転軸を熱嵌合により圧入して装着する方法が適用できる。

前者の削り出しによる方法で、図７に示すように回転軸２６を一体に設けた場合には、外周部２２の歯形を成形する際にすでに高い中心精度で形成された回転軸２６を基準にして歯形を成形できるため、完成後における歯車全体での回転軸２６の中心精度は最良となる。このようにあらかじめ一体に形成された回転軸２６を基準として歯形を成形する方法は、内側部に形成した軸孔を基準として歯形を形成する場合よりもはるかに高い中心精度及び歯面の倒れ精度を得ることができる。これは、歯形の成形型の中で正確な中心位置を確定できるためであり、また樹脂成形に特有な離型を考慮したテーパ部の影響を受けない高精度化が実現できる。

また後者の熱嵌合による方法で、図８に示すように回転軸２５を中心孔２４に圧入する場合には、始めに回転軸２５を圧入する前の中心孔２４を基準にして外周部３１の歯形を成形し、その後にやきばめなどの熱嵌合を高精度で行って圧入時に変形のないよう軸装着することで偏心を最小とした組立が可能となる。なお、図７及び図８における２７は、図示しない成形型において中心位置の基準を取るために回転軸２５，２６を嵌合させる位置決め部材である。
以上に説明したような高い中心精度を有する歯車２８，２９を上記図３に示した画像形成部に用いた場合には、偏心を最小に抑えた感光体ドラム１５の回転駆動が可能となり、バンディングの発生を抑えることができる。

〔歯車減速装置の第２実施形態〕
次に、本発明による歯車減速装置の第２実施形態について説明する。
図９は、本発明による歯車減速装置の第２実施形態を、図３の画像形成部に適用した状態を示す平面図である。以下において、前述した部材と同等のものには同じ符号を付し、説明を省略する。この図９において、歯車減速装置１０２は回転駆動モータ１４と感光体ドラム１５を接続しており、そして回転駆動モータ１４のスピンドル軸（駆動軸１）１４ａに直接取り付けられている駆動側歯車２と、この駆動側歯車２と噛み合って従動軸３とジョイント４１を介し感光体ドラム１５に接続されている従動側歯車４と、回転駆動モータ１４のスピンドル軸１４ａと従動軸３の両方を支持するブラケット４２とを有している。

駆動側歯車２及び従動側歯車４はそれぞれ同じモジュール０．１５以上０．３未満の微小歯形で噛み合うはすば歯車対であり、小径歯車である駆動側歯車２と大径歯車である従動側歯車４の組み合わせにより、スピンドル軸１４ａの回転の１／２０以上の減速比で従動軸３が回転されるようになっている（以上、前記共通の構成と同様）。感光体ドラム１５はジョイント４１を介して従動軸３、従動側歯車４と連動して回転する。そして、駆動側歯車２と従動側歯車４はどちらも全体が同じ材料からなり、ブラケット４２は、線膨張係数が歯車対の材料の線膨張係数の±１０％以内にある１枚のセラミック板であり、スピンドル軸１４ａと従動軸３をそれぞれボールベアリング４３を介して高精度に軸支している。なお、回転駆動モータ１４の詳細については、後述の回転駆動装置の実施形態で説明する。

ここで、一般に、歯車対の各回転軸を支持する部材が周囲環境の熱的影響を受けて生じる熱伸縮量が、歯車対に生じる熱伸縮量と大きく異なる場合には、歯車対において適切な噛み合い状態を維持できなくなってしまう。特に、歯車対が小モジュールの微小歯形で噛み合う場合には、すぐに噛み合いが外れたりバックラッシュを無くして回転伝達不良を起しやすくなる。また、作動中の回転駆動モータは周囲温度よりも４０℃以上高くなる熱源となるため、スピンドル軸を回転軸として支持する部材は熱的影響を受けやすく伸縮しやすい。

これに対してこの実施形態の歯車減速装置１０２は、歯車対の線膨張係数とほぼ同じ（許容誤差±１０％）線膨張係数にある材料でブラケット４２を構成し、駆動軸であるスピンドル軸１４ａと従動軸３を支持してそれらの間における歯車対の熱伸縮量とほぼ同じ伸縮量でブラケット４２も熱伸縮する。このため、それぞれ微小歯形を有する歯車対の適切な噛み合いを維持することができる。また、装置を少容積とするために図示するように回転駆動モータ１４をブラケット４２に密接に配置させた場合でも、ブラケット４２は軸間距離を適切に維持管理することができる。

なお、ブラケット４２の材料であるセラミックについて、具体的には炭化珪素セラミック、窒化珪素セラミック、アルミナセラミックなどを用いることができる。他にも前記の二重構造歯車の内側部と同様にゼロ膨張ガラスである「ゼロデュア」（ＳｉＯ_２＋Ｔｉ）やステンレス鋼あるいは炭素鋼などを用いることができ、その他にも歯車対の線膨張係数とほぼ同じ線膨張係数である材料を用いることができる。また上記の軸間保持機能を有する形態であれば、ブラケット４２は複数枚の板材を重ね合わせた構成であってもよい。

〔歯車減速装置の第３実施形態〕
次に、本発明による歯車減速装置の第３実施形態について説明する。
図１０は、本発明による歯車減速装置の第３実施形態を、図３の画像形成部に適用した状態を示す平面図である。この図において、歯車減速装置１０３は回転駆動モータ１４と感光体ドラム１５を接続しており、そして回転駆動モータ１４のスピンドル軸（駆動軸）１４ａに直接取り付けられている駆動側歯車２と、この駆動側歯車２と噛み合って従動軸３とジョイント４１を介し感光体ドラム１５に接続されている従動側歯車２１と、回転駆動モータ１４のスピンドル軸１４ａを支持する駆動側ブラケット５１と、この駆動側ブラケット５１を固定して回転駆動モータ１４とともに平行移動可能に設けられた可動支持台５３と、従動軸３を支持する従動側ブラケット５２と、駆動側ブラケット５１と従動側ブラケット５２との間に挟持されるよう設けられた熱変形部材５４と、駆動側ブラケット５１から見て従動側ブラケット５２と反対側の位置に設けられた調整ネジ部５５と、この調整ネジ部５５と駆動側ブラケット５１の間に挟持されるよう設けられた押圧バネ５６とを有している。

駆動側歯車２及び従動側歯車２１はそれぞれ同じモジュール０．１５以上０．３未満の微小歯形で噛み合うはすば歯車対であり、小径歯車である駆動側歯車２と大径歯車である従動側歯車２１の組み合わせにより、スピンドル軸１４ａの回転の１／２０以上の減速比で従動軸３が回転されるようになっている（以上、前記共通の構成と同様）。そして、従動側歯車２１は上記第１実施形態で説明した二重構造歯車２１であり、歯を含む外周部がＰＯＭ樹脂で形成され、内側部がステンレス鋼で構成されたものである。また、駆動側歯車２は全体が線膨張係数の低いステンレス鋼で形成された小径歯車である。

駆動側ブラケット５１と従動側ブラケット５２は、それぞれ線膨張係数が７×１０^−６ｃｍ／℃であるセラミック板であり、駆動側ブラケット５１はスピンドル軸１４ａを、従動側ブラケット５２は従動軸３をそれぞれボールベアリング４３を介して高精度に支持している。

可動支持台５３は、回転駆動モータ１４を固定しているとともに、ボールベアリング４３及び駆動側ブラケット５２を介してスピンドル軸１４ａを支持している。そして可動支持台５３は、基台５７上に設置された２本のレール５８上を滑動可能に設置されており、これにより可動支持台５３はスピンドル軸１４ａを従動軸３と平行に保ったまま接離する方向に移動可能な可動軸支手段を構成している。

熱変形部材５４は、周囲温度に応じて伸縮する温度伸縮部材であって、その線膨張係数と挟持方向の形成長さＬから、駆動側歯車２と従動側歯車２１の各ピッチ円半径長さの合計と同じ周囲温度において同じ熱変形量で伸縮するよう構成されている。そしてこの熱変形部材５４は、駆動側ブラケット５１と従動側ブラケット５２との間に挟持されているため、スピンドル軸１４ａが従動軸３に近接する方向への移動を規制する移動規制手段を構成している。

押圧バネ５６は、調整ネジ部５５と駆動側ブラケット５１の間に挟持されていることにより、スピンドル軸１４ａを従動軸３に近接させる方向の付勢力を可動支持台（可動軸支手段）５３に対して付与する付勢手段を構成している。なお図示する例では、押圧バネ５６に２つ折りの板バネを用いているが、他にもコイルスプリングなどを用いてもよい。

調整ネジ部５５は、基台５７上に固定されたベース（断面で図示）５９と、このベース５９に螺合して貫通する蝶ネジ６０と、この蝶ネジ６０のネジ部先端に回転可能に設けられた接触板６１とを有している。蝶ネジ６０はネジ部先端を押圧バネ５６に向けており、接触板６１が押圧バネ５６に接触し押圧している。この調整ネジ部５５において、蝶ネジ６０を回転させて接触板６１を移動させることにより、可動支持台５３に対する押圧バネ（付勢手段）５６の付勢力を調整することができ、すなわち調整ネジ部５５は付勢力調整手段を構成している。

なお、基台５７は画像形成エンジンに設けられた単体の板部材であり、その表面に設置される従動側ブラケット５１とレール５８とベース５９のそれぞれの配置関係を変化させない程度の剛性を有し、線膨張係数が低いものであることが望ましい。また、回転駆動モータ１４の詳細については、後述の回転駆動装置の実施形態で説明する。

以上の構成により、この実施形態の歯車減速装置１０３は、周囲温度が変化して従動側歯車２１に熱伸縮が生じた場合でも、熱変形部材５４が周囲温度に応じてその従動側歯車２１の熱伸縮量と同等に伸縮するため、それに合わせて駆動側ブラケット５１とともに可動支持台５３が移動し、駆動軸（スピンドル軸１４ａ）１と従動軸３との軸間距離が適切な距離に補正される。これにより、回転駆動モータ１４の発熱などによって周囲温度が変化し、従動側歯車２１が熱伸縮しても歯車対において常に適切な噛み合い状態を維持することができる。また、このとき、回転駆動モータ１４に直接接触する駆動側ブラケット５１と熱変形部材５４とを別体で構成したため、回転駆動モータ１４からの発生した熱が熱変形部材５４に直接伝達されることがなく、歯車対とほぼ同条件で熱伸縮して適切な軸間距離の熱伸縮補正を行うことができる。なお、理想としては、駆動側歯車２と従動側歯車２１の各ピッチ円同士が接触する軸間距離に維持するよう補正することが望ましい。

また、調整ネジ部５５を操作して押圧バネ５６の付勢力を調整することにより、駆動側ブラケット５１を介して熱変形部材５４を弾性変形させ軸間距離の微調整を行うことができ、より適切に歯車対の噛み合い状態を調整することができる。
以上の構成は、近年の機器の小型化が要望されている中で、設置空間の少容積化と小型モータに供給する電流増加が進んでいることにより、モータ発熱が増大して環境温度の変化が著しいことから特に有効である。

なお、上記の構成では、駆動側ブラケット５１と従動側ブラケット５２をそれぞれ線膨張係数の低いセラミック板で構成し、その間に挟持した熱変形部材５４の熱伸縮によってのみ軸間距離の熱伸縮補正を行ったが、その変形例として、特に図示しないが、スピンドル軸と従動軸の支持位置における軸間構造を歯車対における軸間構造と疑似的に構成することも有効である。つまり、上記実施形態の構成における駆動側ブラケット５１、熱変形部材５４及び従動側ブラケット５２の組み合わせに代えて、駆動側歯車２と同じ材料（上記構成ではステンレス鋼）でそのピッチ円と同じ外径の環状のすべり軸受でスピンドル軸１４ａを支持し、従動側歯車２１の内側部２３と同じ材料でその外径と同じ外径の環状のすべり軸受で従動軸３を支持する。

そして、従動側歯車２１の外周部２２の径方向幅からピッチ円より歯先の幅を引いた幅と同じ幅のＰＯＭ樹脂の板材を、両環状すべり軸受で挟持する３層構造で両軸を支持し、これら全体で温度伸縮部材を構成させる。これによれば、両回転軸１４ａ，３の支持位置においても歯車対における軸間構造の熱伸縮とほぼ同じように熱伸縮して軸間距離を熱伸縮補正することができ、より適切な歯車対の噛み合いを維持することができる。

また、この実施形態のように回転駆動モータ１４のスピンドル軸１４ａがそのまま駆動軸１を構成している場合には、可動支持台５３に固定した回転駆動モータ１４の本体をそのままスピンドル軸１４ａを支持する軸受としてみなすこともできる。その場合には、ボールベアリングと駆動側ブラケット５１を設置する必要はなく、その代わりに熱変形部材５４を挟持するための独立したブラケット（不図示）を可動支持台５３に固定して設ければ上記実施形態と同様に軸間距離の熱伸縮補正が行える。またこの構成において、この独立したブラケットを回転駆動モータ１４から離間した配置で設けることで、回転駆動モータ１４から熱変形部材５４への熱伝播をほとんど遮断することができ、熱変形部材５４による軸間距離の熱伸縮補正をより正確に行うことができる。

また、上記の実施形態では、従動側歯車２１にステンレス鋼とＰＯＭ樹脂の二重構造歯車を用い、駆動側歯車２にステンレス鋼で構成された歯車を用いていたが、これら以外の材料の組み合わせで各歯車を構成してもよい。例えば、従動側歯車の全体をＰＯＭ樹脂で構成してもよいし、また駆動側歯車もＰＯＭ樹脂で構成してもよい。つまり歯車対の少なくとも一部が線膨張係数の高い材料で構成されている場合に、この実施形態による熱伸縮補正が有効に適用できる。この場合でも、熱変形部材は、その線膨張係数と挟持方向の形成長さＬから、駆動側歯車と従動側歯車の各ピッチ円半径長さの合計分と同じ周囲温度において同じ熱変形量で伸縮するよう構成されていればよい。

〔回転駆動装置の実施形態〕
次に、本発明による回転駆動装置の実施形態について説明する。
以下においては、回転駆動装置を画像形成部に適用した場合を例に取り説明する。図３において、歯車減速装置１０１と回転駆動モータ１４とを合わせた構成が回転駆動装置２０１であり、この回転駆動装置２０１は回転駆動モータ１４の軸回転を歯車減速装置１０１によって減速して回転体である感光体ドラム１５を駆動するものである。

歯車減速装置１０１において、駆動側歯車２及び従動側歯車４はそれぞれ同じモジュール０．１５以上０．３未満の微小歯形で噛み合うはすば歯車対であり、小径歯車である駆動側歯車２と大径歯車である従動側歯車４の組み合わせによりスピンドル軸１４ａの回転の１／２０以上の減速比で従動軸３が回転されるようになっている（以上、前記共通の構成と同様）。
そして、この実施形態において、回転駆動モータ１４は８００ｒｐｍ以上で連続駆動回転可能なＤＣモータとなっている。

ところで、上記構成の画像形成部において回転駆動モータの回転速度変動が感光体ドラム周上の速度を変動させ、バンディングを発生させる原因の１つとなっている。そのため、感光体ドラム周上での速度変動率を許容値である０．１％以下とするには、各歯車を小モジュール化するとともに、回転駆動モータにおいて発生する回転速度変動を低減させなければならない。

そして今回、本願の発明者が種々の試験及び検討を行ったところ、連続駆動モータの場合には、回転数が低下するとともに回転速度変動が上昇することが判明した。これはモータ極数に対応するコギング変動により振動の伝播や共振現象を引き起こして発生する現象であって、高精度ＤＣモータの場合でも１０００ｒｐｍ以下の回転で発生し、またＰＬＬ等のフィードバック制御を行っても除去できない。
しかし、発明者のさらなる試験及び検討により、小モジュール化した歯車対において減速比を前述した１／２０以上に設定するとともに、連続駆動モータの場合８００ｒｐｍ以上で回転させることで、感光体ドラム１５周上の速度変動率を許容値（０．１％）以内に抑えることが可能であることがわかった。
また、回転数の上限については、５０００ｒｐｍ以上で回転させても速度変動率を抑える効果が得られることが予想できるが、実用域としては３５００ｒｐｍ程度を上限とするのが好ましい。

したがって、図示する画像形成部においては、歯車対の歯形が小モジュール化されているとともに減速比を１／２０以上に設定し、また回転駆動モータを８００ｒｐｍ以上で回転させることができるため、それらの範囲で両パラメータの設定を調整して感光体ドラムを所望する回転数で回転させることにより感光体ドラム１５周上の速度変動率を０．１％の許容値内に抑えることができ、バンディング量の少ない高品質のライン画像を形成することが可能である。以上により、この実施形態による回転駆動装置によれば、回転変動ムラの発生を極めて少なくし、回転体を高精度で回転駆動できる。

なお、回転駆動モータ１４は、上記の連続駆動回転可能なＤＣモータに限らず、１ステップの駆動分解能が１．８ｄｅｇ以下で３０００ＰＰＳ以上の駆動周波数で回転可能なパルスモータを用いてもよい。このスペックに応じた設定で回転駆動させることで、ステップ毎における脈動の影響も極めて少なくすみ、速度変動率を許容値（０．１％）以内に抑えて回転体を高精度で回転駆動できる。また、パルスモータは入力したパルス数に追従して応答するように駆動するため、ＤＣモータを用いる場合のような回転フィードバック制御が不要であり、製作コスト的に有利である。
なお、駆動分解能を低くするほど、また駆動周波数を高くするほど、脈動を少なくして滑らかに回転させることができるが、それだけ発生トルクは減少してしまう。したがって減速比と必要トルクのバランスから、駆動分解能と駆動周波数を設定すべきである。

なお、上記各実施形態で説明したこの発明による歯車減速装置及び回転駆動装置は、画像形成エンジンにおける感光体ドラムの駆動に限らず、転写ベルトや転写ローラの駆動にも用いることができる。

この発明による歯車減速装置及び回転駆動装置は、画像形成装置に限らずに、他にも例えば医療機器、音声機器、映像機器などの高精度回転を必要とする回転体の減速機構、回転駆動機構に一般的に用いることも可能である。
そして、環境の温度変化に対しても常に適切な噛み合い状態を維持して、高精度で安定した駆動伝達ができる。また、回転変動ムラの発生を極めて少なくし、回転体を高精度で回転駆動できる。

この発明による歯車減速装置の主要部である歯車対の噛み合わせ部分の拡大図である。 同じく歯車減速装置を用いた画像形成エンジンの断面を模式的に示す図である。 図２における第１画像形成部を矢示Ａ方向から見て模式的に示す平面図である。 平歯の場合におけるモジュールの大きさと感光体表面速度変動率との関係を示す線図である。 はすば歯車の場合におけるモジュールと感光体表面速度変動率との関係を示す線図である。

本発明による第１実施形態の歯車減速装置に用いられる大径小モジュールの歯車を軸方向にそった断面で示す図である。 削り出しにより回転軸を一体に設けた歯車の回転軸に沿った断面で示す図である。 熱嵌合により回転軸を中心孔に圧入した歯車の回転軸に沿った断面で示す図である。 本発明による第２実施形態の歯車減速装置を、画像形成部に適用した状態を示す平面図である。 本発明による第３実施形態の歯車減速装置を、画像形成部に適用した状態を示す平面図である。

符号の説明

１：駆動軸 ２：駆動側歯車 ３：従動軸 ４：従動側歯車
５：画像形成エンジン １０：第１画像形成部 １４：回転駆動モータ
１４ａ：スピンドル軸（駆動軸） １５：感光体ドラム（回転体）
２１：従動側歯車（二重構造歯車） ２２：外周部 ２３：内側部 ２４：中心孔２５：回転軸 ４２：ブラケット ５１：駆動側ブラケット
５２：従動側ブラケット ５３：可動支持台（可動軸支手段）
５４：熱変形部材（温度伸縮部材） ５５：調整ネジ部（付勢力調整手段）
５６：押圧バネ（付勢手段） ５７：基台 ５８：レール ５９：ベース
６０：蝶ネジ ６１：接触板 Ｐ：転写紙
１０１，１０２，１０３：歯車減速装置 ２０１：回転駆動装置

Claims (13)

1. 歯車の噛み合いにより駆動軸の軸回転速度を減速して従動軸を回転させる歯車減速装置であって、
   減速比が１／２０以上の一段減速であり、前記歯車がはすば歯車で、歯のモジュールが０．１５以上０．３未満であることを特徴とする歯車減速装置。
2. 請求項１記載の歯車減速装置であって、
   前記歯車の少なくとも１つが、歯を含む外周部と、該外周部より軸側に位置する内側部とを互いに異なる材料で一体に成形した二重構造歯車であり、前記内側部に線膨張係数が２×１０^−５ｃｍ／℃以上６×１０^−５ｃｍ／℃以下の材料を用い、前記外周部に線膨張係数が前記内側部の材料より大きい材料を用いたことを特徴とする歯車減速装置。
3. 請求項２記載の歯車減速装置であって、
   前記外周部と前記内側部はそれぞれ樹脂を材料とし、それらはダブルインジェクション成形により成形されることを特徴とする歯車減速装置。
4. 請求項２記載の歯車減速装置であって、
   前記内側部は金属を材料とし、前記外周部は樹脂を材料として前記内側部に対するインジェクション成形により成形されることを特徴とする歯車減速装置。
5. 請求項２乃至４のいずれか一項に記載の歯車減速装置であって、
   前記外周部の径方向の最大幅が歯の全歯たけの２０倍以下であることを特徴とする歯車減速装置。
6. 請求項２乃至５のいずれか一項に記載の歯車減速装置であって、
   前記内側部と回転軸とが一体に成形されていることを特徴とする歯車減速装置。
7. 請求項２乃至５のいずれか一項に記載の歯車減速装置であって、
   前記内側部と回転軸とが熱嵌合により一体に結合されていることを特徴とする歯車減速装置。
8. 請求項１記載の歯車減速装置であって、
   前記歯車は全て同じ材料からなり、該材料の線膨張係数の±１０％以内の線膨張係数の材料からなる単体のブラケットにより前記駆動軸と前記従動軸の両方が軸支されていることを特徴とする歯車減速装置。
9. 請求項１乃至７のいずれか一項に記載の歯車減速装置であって、
   前記駆動軸と前記従動軸のいずれか一方の回転軸を軸支し、他方の回転軸と接離する方向に移動可能な可動軸支手段と、前記一方の回転軸を前記他方の回転軸に近接させる方向の付勢力を該可動軸支手段に対して付与する付勢手段と、前記一方の回転軸に対して前記他方の回転軸に近接する方向への移動を、周囲温度に応じて伸縮する温度伸縮部材によって規制する移動規制手段とを有することを特徴とする歯車減速装置。
10. 請求項２乃至７のいずれか一項に記載の歯車減速装置であって、
    前記駆動軸と前記従動軸のいずれか一方の回転軸を軸支し、他方の回転軸と接離する方向に移動可能な可動軸支手段と、前記一方の回転軸を前記他方の回転軸に近接させる方向の付勢力を該可動軸支手段に対して付与する付勢手段と、前記一方の回転軸に対して前記他方の回転軸に近接する方向への移動を、周囲温度に応じて伸縮する温度伸縮部材によって規制する移動規制手段とを有し、前記駆動軸と前記従動軸のいずれか又は両方に前記二重構造歯車を結合し、前記温度伸縮部材は前記駆動軸と前記従動軸のそれぞれに連結する歯車の各ピッチ円半径長さの合計と同じ周囲温度において同じ熱変形量で伸縮することを特徴とする歯車減速装置。
11. 請求項９又は１０記載の歯車減速装置であって、
    前記付勢手段の付勢力を調整する付勢力調整手段を有していることを特徴とする歯車減速装置。
12. 請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の歯車減速装置とモータとを備え、該モータの軸回転を前記歯車減速装置によって減速して回転体を駆動する回転駆動装置であって、
    前記モータは、８００ｒｐｍ以上で連続駆動回転可能なＤＣモータであることを特徴とする回転駆動装置。
13. 請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の歯車減速装置とモータとを備え、該モータの軸回転を前記歯車減速装置によって減速して回転体を駆動する回転駆動装置であって、
    前記モータは、１ステップの駆動分解能が１．８ｄｅｇ以下で３０００ＰＰＳ以上の駆動周波数で回転可能なパルスモータであることを特徴とする回転駆動装置。
    
    

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