JP2010032022A - トルクリミッタ - Google Patents

Abstract

【課題】樹脂製ハウジングを用いたばね式のトルクリミッタにおいて、鉄系金属製の内輪やコイルばねの酸化を防止し、安定したトルクとその制限機能を発揮できるトルクリミッタとすることである。
【解決手段】外環部材１と、その内部に挿入され一端のボス部において相対回転可能に支持された内輪２と、この内輪２の外径面に所要の締め代をもって装着されたコイルばね４と、外環部材１の他端部においてその内径面に嵌合固定され内輪外径面との間を閉塞する蓋部材３とからなり、コイルばね４の一端部を外環部材１に、他端部を蓋部材３に係合させ、内輪２と外環部材１とが相対回転する際にコイルばね４に生じる拡径作用により所定のトルクを発生させるようにしたトルクリミッタにおいて、外環部材１が、４０℃、相対湿度９５％、４８時間の環境下で１ｋｇ当たりの有機酸発生量が２．５ｍｇ以下の安定化ポリアセタール樹脂などの合成樹脂で形成されたトルクリミッタとする。
【選択図】図１

Description

この発明は、プリンタ、複写機などに用いられるばね式のトルクリミッタに関するものである。

一般に、事務機器などに用いられるトルクリミッタの代表的な構造について、図１、２を利用して説明すると（但し、これらの図に示す実施形態と同一番号で説明する従来例の部品について素材が相違する場合がある。）、外環部材１と、その内部に挿入され一端のボス部において相対回転可能に支持された内輪２と、この内輪２の外径面に所要の締め代をもって装着されたコイルばね４と、外環部材１の他端部においてその内径面に嵌合固定され内輪外径面との間を閉塞する蓋部材３とからなっており、コイルばね４の一端部を外環部材１に、他端部を蓋部材３に係合させ、内輪２と外環部材１とが相対回転する際にコイルばね４に生じる拡径作用により所定のトルクを発生させるようにしている（特許文献１、特許文献２）。

すなわち、内輪２はコイルばね４に対して摺接しながら回転し、その回転によってコイルばね４との間の摩擦力と内輪２の半径とにより定まる一定のトルクを発生させる。
このように例示のトルクリミッタは、内輪２の左右いずれの方向に対しても一定のトルクを発生させるので２方向トルクリミッタとして利用できるものである。

一般的なトルクリミッタは、内輪２が鉄系焼結金属などの金属製であり、外環部材（ハウジング）１は合成樹脂で形成されている。
また、電気・電子機器部品などの成形材料として汎用のポリアセタール樹脂は、剛性、耐熱性、機械的強度に優れるものである（特許文献３）。

特開２００６−０１００６０号公報 特開２００６−１７０３０７号公報 特開２００５−２６４１０２号公報

しかし、上記した従来の技術におけるトルクリミッタの外環部材（ハウジング）１の成形材料として、ポリアセタール樹脂などを使用した場合、プリンタや複写機の発熱部分の近くで長時間使用されるなど、被加熱の使用状態で樹脂からガス状の有機物が遊離することがあり、それが酸化して有機酸となると、金属製の内輪２やコイルばね４などの金属部分は酸化されやすくなり、これらが互いに摺接する面に錆が発生すると、トルクの伝達が不安定になり、腐食したコイルばね４のばね力が低下すると、発生トルクの安定性またはトルク制限機能を充分に発揮できなくなるという問題点がある。

このような問題点をさらに詳細に検討すれば、トルクリミッタの外環部材がポリアセタール樹脂などのように、構成分子の末端にヘミアセタール基またはホルミル基を有するものからなる場合において、高温高湿度環境下において放出されるホルムアルデヒドやその他の揮発性有機化合物から有機酸が発生し、例えばホルムアルデヒドが酸化した場合に生じる蟻酸などにより、鉄系焼結金属などの金属製の内輪が酸化し、また腐食したコイルばね４によって安定したトルクが発生しないという状態になる。

そこで、この発明の課題は、上記した問題点を解決して、樹脂製ハウジングを用いたばね式のトルクリミッタにおいて、鉄系金属製の内輪やコイルばねの酸化を防止し、安定したトルクとその制限機能を発揮できるトルクリミッタとすることである。

上記の課題を解決するために、この発明では、外環部材と、その内部に挿入され一端のボス部において相対回転可能に支持された内輪と、この内輪の外径面に所要の締め代をもって装着されたコイルばねと、前記外環部材の他端部においてその内径面に嵌合固定され内輪外径面との間を閉塞する蓋部材とからなり、前記コイルばねの一端部を前記外環部材に、他端部を前記蓋部材に係合させ、前記内輪と外環部材とが相対回転する際に前記コイルばねに生じる拡径作用により所定のトルクを発生させるようにしたトルクリミッタにおいて、前記外環部材が、４０℃、相対湿度９５％、４８時間の環境下で１ｋｇ当たりの有機酸発生量が２．５ｍｇ以下の合成樹脂で形成されたものであることを特徴とするトルクリミッタとしたのである。

上記したように構成されるこの発明のトルクリミッタは、使用状態で想定される所定条件において、外環部材からの有機酸発生量が２．５ｍｇ以下という極少量または非発生であるため、周囲の金属を酸化させず、腐食しない金属製内輪およびコイルばねによって、常に安定したトルクとその制限機能を発揮する。

上記のように使用状態で想定される所定条件において、外環部材からの有機酸発生量が２．５ｍｇ以下とするためには、外環部材が、熱不安定性末端基の熱分解された安定化ポリアセタール樹脂で形成された外環部材を採用することができる。
このように安定化ポリアセタール樹脂は、比較的高温で多湿な環境で使用されてもホルムアルデヒドの発生量が少なく、したがってそれがさらに酸化されても蟻酸の発生量は少ないものである。そのため、周囲の金属を酸化させず、金属製内輪やコイルばねは、酸化せず、すなわち発錆によって腐食せずに常に安定したトルクとその制限機能を発揮する。

また、外環部材を形成する樹脂が、安定化ポリアセタール樹脂以外の場合において、例えば外環部材を形成している合成樹脂の熱不安定性末端基が、ヘミアセタール基またはホルミル基である場合には、これらの基を分解して安定化させることによって合成樹脂製の外環部材を構成すればよい。
前記のポリアセタール樹脂は、ポリアセタール樹脂ホモポリマーであるものを採用できる他に、ポリアセタール樹脂コポリマーを採用することもできる。

また、この発明に用いる上記構成のトルクリミッタは、コイルばねを複数個用いて構成されているトルクリミッタであってもよく、内輪の材質が、鉄系焼結金属であるその場合にも腐食しない金属製コイルばねによって常に安定したトルクとその制限機能を発揮する。

外環部材を構成するポリアセタール樹脂に対する熱不安定性末端基を熱分解する処理は、ポリアセタール樹脂の融点以上で２０秒から２０分加熱する処理によって行なうことができ、そのような加熱処理は、アニーリング処理または成型温度を調整する加熱処理によって行なうことができる。

この発明は、内輪と外環部材とが相対回転する際にコイルばねに生じる拡径作用により所定のトルクを発生させるようにしたトルクリミッタにおいて、前記外環部材を、所定環境下で有機酸発生量が所定量以下の合成樹脂で形成したので、金属製内輪やコイルばねは、酸化せず、すなわち発錆によって腐食せずに常に安定したトルクとその制限機能を発揮するという利点がある。

外環部材を構成する樹脂が、安定化ポリアセタール樹脂であるポリアセタール樹脂ホモポリマーまたは末端基が安定化した安定化ポリアセタール樹脂コポリマーである場合に上記の効果は確実に奏される。

また、上記の効果は、トルクリミッタがコイルばねを複数個用いて構成されているトルクリミッタであっても奏されるほか、内輪の材質が、鉄系焼結金属である場合にも奏される。また、上記の効果は、ポリアセタール樹脂の融点以上で所定時間の加熱処理によって行なうことができ、そのような加熱処理は、アニーリング処理または成型温度を調整する加熱処理によって行なうことができる。

この発明の実施形態を以下に、添付図面に基づいて説明する。
図１、２に示すように、実施形態のトルクリミッタ１０は、背景技術で説明した場合と同様に、外環部材１、内輪２、環状の蓋部材３及びコイルばね４とからなる。外環部材１は一端部にボス部５が設けられ、そのボス部５から他端の開放端に至る間にコイルばね４より大径の内径面６が形成される。ボス部５の中心部に軸挿通穴７が設けられ、その軸挿通穴７より内側においてこれより大径の内輪支持部８が設けられる。その内輪支持部８と内径面６との段差部を形成するボス部内端面１１の一部に外環部材突部１２が設けられる。また、内径面６の開放端に近い部分に周方向の係合溝１３が設けられる。なお、ボス部５側端部の外面にローラ等に対する係合突起１４が設けられる。

内輪２は軸挿通穴７と同一径かつ同芯の内径面を有し、外径面にコイルばね４が所要の締め代で装着される。このように内輪２の一端部がボス部５の内輪支持部８に回転自在に嵌合支持され、他端部は外環部材１より外方に突き出され、その突き出した端部の外径面に蓋部材３が嵌合される。内輪２が蓋部材３から突き出した端部に軸（図示省略）に立てたピンとの係合凹部１５が設けられる。

蓋部材３の外径面に係合リブ１６が形成され、その係合リブ１６が係合溝１３に嵌入される。この蓋部材３により外環部材１の内径面と内輪２の外径面との間が閉塞される。蓋部材３は外環部材１に対して強固に嵌合されるが、その強さは蓋部材３の外面に設けた一対の穴１７に所要の工具を差し込んで回転させた場合、外環部材１に対して回転できる程度である。また、蓋部材３の内面に蓋部材突部１８が設けられる。

コイルばね４は、鋼線（図示の場合は角線であるが、丸線であってもよい。）を単一径となるように所要回数巻いたものであり（図示の場合は右巻きであるが、左巻きでもよい。）、その両端面２１、２２は長さ方向に対し直角に形成され、各端面２１、２２を含むコイルばね４の端部はラジアル方向にもアキシャル方向にも屈曲されておらず、ストレートな端部を形成している。

外環部材１及び内輪２を固定して蓋部材３の穴１７に所要の工具を差し込んでコイルばね４の巻き方向に回転させると、その回転途中において蓋部材突部１８がコイルばね４の一方の端面２１の側面に係合し、コイルばね４を矢印ａ方向（図２）に回転させる。
コイルばね４が回転するとその他方の端面２２が外環部材突部１２の側面に係合する。これにより、コイルばね４の両端面２１、２２がそれぞれ外環部材突部１２、蓋部材突部１８に対しすき間なく係合される。

なお、図面上ではコイルばね４は、コイル部分の線相互に密着する、いわゆる密着巻きタイプを示しているが、線相互間にすき間があるもの、いわゆるピッチ巻きタイプでもよい。密着巻きタイプは、内径精度を出し易い利点があるが、軸方向長さの精度を確保しないと端面２１，２２が蓋部材突部１８及び外環部材突部１２から外れてしまう可能性がある。ピッチ巻きでは、逆に内径精度は左程良くないが、軸方向長さの寸法精度はそれほど厳しくしなくとも蓋部材突部１８及び外環部材突部１２との係合は確保できる。製作精度に応じていずれかのタイプを選択する。

そして、外環部材１は、熱不安定性末端基の熱分解された安定化ポリアセタール樹脂のように、４０℃、相対湿度９５％、４８時間の環境下で１ｋｇ当たりの有機酸発生量が２．５ｍｇ以下の合成樹脂で形成している。

熱不安定性末端基の熱分解された合成樹脂として、安定化ポリアセタール樹脂以外に利用可能な樹脂としては、例えばホルミル基を有する変性フェノール樹脂、ホルミルポリスチレン樹脂などが挙げられる。
ここで、ポリアセタール樹脂にはホモポリマーとコポリマーがあり、前者はホルムアルデヒドまたはその環状多量体を原料として触媒の存在下で重合して製造され、後者はホルムアルデヒドまたはその環状多量体を主モノマーとして環状エーテルもしくは環状ホルマールまたは両者をコモノマーとし、触媒の存在下で重合して製造される。

具体的なコモノマーとしては、ホルムアルデヒド、又はその環状三量体であるトリオキサン等の環状アセタールを重合して得られるオキシメチレンユニットを主たる構成単位としてエチレンオキシド、プロピレンオキシド、スチレンオキシド、オキセタン、1,3−ジオキソラン、ジエチレングリコールホルマール、1,4−ブタンジオールホルマール、1,3,5−トリオキセパン、1,3−ジオキサン等のコモノマー成分を含むコポリマー、また、１〜４個のグリシジル基を有する化合物（エチルグリシジルエーテル、ブチルグリシジルエーテル、２−エチルヘキシルグリシジルエーテル、フェニルグリシジルエーテル、1,4−ブタンジオールジグリシジルエーテル、ヘキサメチレングリコールジグリシジルエーテル、ビスフェノール−Ａジグリシジルエーテル、グリセリンモノ〜トリグリシジルエーテル、トリメチロールプロパンモノ〜トリグリシジルエーテル、ペンタエリスリトールモノ〜テトラグリシジルエーテル、ジペンタエリスリトールモノ〜ヘキサグリシジルエーテル、（ポリ）エチレングリコールジグリシジルエーテル、（ポリ）プロピレングリコールジグリシジルエーテル、（ポリ）テトラメチレングリコールジグリシジルエーテルなど）等を含む多成分系モノマーを共重合して得られる多元共重合体や、分岐・架橋構造を有する多元共重合体（特にターポリマー）、ブロック成分を導入したもの等、従来公知の全てのポリアセタール樹脂が包含されるが、好ましくはコポリマー又はターポリマーである。

上記したような原料からポリアセタール樹脂を製造する場合の重合触媒としては、ルイス酸、プロトン酸、及びその金属塩、エステル又は無水物等のカチオン活性重合触媒等が挙げられる。

これらの重合触媒の使用量はトリオキサンと環状エーテルの合計量に対し好ましくは１×１０^-6〜１×１０^-1モル％、さらに好ましくは５×１０^-6〜１×１０^-2モル％である。
重合方法としては、特に制限はなく、バッチ式、連続式のいずれであってもよく、また、塊状重合が好ましい。また、その分子量、或いは溶融粘度は、溶融成形可能なものであれば、何ら限定されるものではない。

ポリアセタール樹脂の不安定末端基とは、ヘミアセタール末端基（＝ヘミホルマール基
（-O-CH₂OH））、ホルミル末端基（＝ホルミルオキシ基（-OCHO））である。
なお、安定末端基とはメトキシ基（−OCH₃）等のアルコキシ基、ヒドロキシエチル基（-CH₂CH₂OH）、ヒドロキシブチル基（-CH₂CH₂CH₂CH₂OH）等の炭素数２以上のヒドロキシアルキル基である。

上記したポリアセタール樹脂のうち、市販のコポリマーとしては、ポリプラスチックス社製：ジュラコン、旭化成ケミカルズ社製：テナックＣが挙げられる。また市販のホモポリマーとしては、旭化成ケミカルズ社製：テナック、デュポン社製：デルリン、三菱エンジニアリングプラスチックス社製：ユピタールなどが挙げられる。

不安定末端基を分解処理する方法は、重合後触媒中和などの必要な処理を行った上で、必要に応じて分解処理剤を添加して加熱分解処理を、ポリアセタール樹脂の溶融成形の際に行うことができる他、成型後のアニーリング処理によって行なうことができる。

ポリアセタール樹脂を成形時の熱処理する方法は、例えばスクリュー押出機等により樹脂を溶融し、ポリアセタール樹脂の融点〜２６０℃、好ましくはポリアセタール樹脂の融点〜２５０℃で、樹脂滞留時間５秒〜３０分、好ましくは２０秒〜２０分で処理すればよい。

この発明において採用するアニーリングによって不安定末端基を分解処理するには、例えば１００〜１５０℃で１〜２４時間程度の加熱を行なうことによって所期した効果が得られる。

溶融状態で分解処理する際には、必要に応じて、酸化防止剤（ヒンダードフェノール類、ヒンダードアミン類など）、分解促進剤（水；メタノール；トリメチルアミン、トリエチルアミン、トリブチルアミン、モノ〜トリエタノールアミン、ジエチルエタノールアミンなどのアミン類；水酸化マグネシウム、水酸化カルシウム、酸化マグネシウムなどのアルカリ土類金属化合物；水酸化テトラメチルアンモニウム、水酸化コリン、水酸化（２−ヒドロキシエチル）トリエチルアンモニウムまたはそれらのプロトン酸塩（炭酸塩、重炭酸塩、塩酸塩等の無機酸塩；ギ酸塩、酢酸塩、プロピオン酸塩、酒石酸塩、クエン酸塩、ポリアクリル酸塩等の有機カルボン酸塩；フェノール化合物塩；酸性アミド化合物塩；βジケトン化合物塩等）などの第四級アンモニウム化合物等）及び色相安定剤（オルトホウ酸、メタホウ酸、四ホウ酸、酸化ホウ素、ホウ酸金属塩など）から選ばれた１種又は２種以上を、樹脂１００重量部に対して各々０．００１〜５重量部、好ましくは０．００５〜２重量部添加してもよい。

溶融状態で不安定な末端部が分解除去されたポリアセタール樹脂は、分解して生じたホルムアルデヒド、未反応モノマー、オリゴマー、分解処理剤等を押出機のベント部より減圧下で除去し、冷却後、ストランドカット又はダイフェイスカットによりペレット化し、その後は通常の射出成形、押し出し成形、プレス成形などによって外環部材を成形すればよい。

実施形態のトルクリミッタ１０は以上のような部品および材料から構成され、次にその作用について説明する。
前記のように組み立てられた状態で内輪２がコイルばね４の巻き方向に回転すると、コイルばね４が回転方向へ引きずられ、一方の端面２１が蓋部材突部１８から離れ、他方の端面２２は外環部材突部１２に押し付けられる。

その結果、コイルばね４に拡径作用が生じ、内輪２はコイルばね４に対して摺接しながら回転し、その回転によってコイルばね４との間の摩擦力と内輪２の半径とにより定まる一定のトルクを発生させる。また、内輪２が前記と反対方向に回転すると、前記とは逆方向にコイルばね４が引きずられ、端面２２が外環部材突部１２から離れる一方、他方の端面２１が蓋部材突部１８に押し付けられるため、コイルばね４に拡径作用が生じ内輪２に対し一定のトルクを発生させる。
上記のように、このトルクリミッタは内輪２の左右いずれの方向の回転に対しても一定のトルクを発生させるので、２方向トルクリミッタとして利用することができる。

［コポリマー製の外環部材を用いた例］
表１に示す材料のように、ポリアセタール樹脂コポリマー（ポリプラスチックス社製：ジュラコン）で図１、２に示す形態の外環部材を射出成型し、その後にアニーリング処理（１３０℃、１３時間）を施して外環部材を形成し、コイルばねを鋼製とし、内輪を鉄系焼結金属で形成し、その他の部品については実施形態に説明の手段により、図１、２に示す形態のトルクリミッタを作製した。
得られた実施例１のトルクリミッタを４０℃、相対湿度９５％（ＲＨ）の環境下で所定時間放置する評価試験を行ない、内輪の端部に錆の有無についての評価結果を表１中に示した。

表１に示す材料のように、ポリアセタール樹脂ホモポリマー（デュポン社製：デルリン）で図１、２に示す形態の外環部材を射出成型し、その後にアニーリング処理せずに外環部材を形成し、コイルばねを鋼製とし、内輪を鉄系焼結金属で形成し、その他の部品については実施形態に説明の手段により、図１、２に示す形態のトルクリミッタを作製した。
得られた実施例２のトルクリミッタを４０℃、相対湿度９５％（ＲＨ）の環境下で所定時間放置する評価試験を行ない、内輪の端部に錆の有無についての評価結果を表１中に併記した。

［比較例１］
実施例１において、外環部材にアニーリング処理を行なわなかったこと以外は、全く同様にして外環部材を形成し、コイルばねを鋼製とし、内輪を鉄系焼結金属で形成し、その他の部品については実施形態に説明の手段により、図１、２に示す形態のトルクリミッタを作製した。
得られた比較例１のトルクリミッタを４０℃、相対湿度９５％（ＲＨ）の環境下で所定時間放置する評価試験を行ない、内輪の端部に錆の有無についての評価結果を表１中に併記した。

表１の結果からも明らかなように、前記外環部材を、４０℃、相対湿度９５％、４８時間の環境下で１ｋｇ当たりの有機酸発生量が２．５ｍｇ以下の合成樹脂で形成された実施例１、２は、金属製内輪に錆が発生せず、常に安定したトルクとその制限機能を発揮するトルクリミッタであることがわかる。
一方、比較例１は、実施例１と同じ材料で外環部材を作製したものであるにも拘わらず、熱処理を行なわなかったため、４０℃、相対湿度９５％、４８時間の環境下で１ｋｇ当たりの有機酸発生量が５．６ｍｇという有機酸発生量の多いものとなり、その結果、金属製内輪に錆が発生しており、これでは安定したトルクや制限機能を発揮することは困難であることがわかる。

実施形態の断面図 図１の分解斜視図

符号の説明

１ 外環部材
２ 内輪
３ 蓋部材
４ コイルばね
５ ボス部
６ 内径面
７ 軸挿通穴
８ 内輪支持部
１０ トルクリミッタ
１１ ボス部内端面
１２ 外環部材突部
１３ 係合溝
１４ 係合突起
１５ 係合凹部
１６ 係合リブ
１７ 穴
１８ 蓋部材突部
２１ 端面
２２ 端面

Claims (9)

1. 外環部材と、その内部に挿入され一端のボス部において相対回転可能に支持された内輪と、この内輪の外径面に所要の締め代をもって装着されたコイルばねと、前記外環部材の他端部においてその内径面に嵌合固定され内輪外径面との間を閉塞する蓋部材とからなり、前記コイルばねの一端部を前記外環部材に、他端部を前記蓋部材に係合させ、前記内輪と外環部材とが相対回転する際に前記コイルばねに生じる拡径作用により所定のトルクを発生させるようにしたトルクリミッタにおいて、
   前記外環部材が、４０℃、相対湿度９５％、４８時間の環境下で１ｋｇ当たりの有機酸発生量が２．５ｍｇ以下の合成樹脂で形成されたものであることを特徴とするトルクリミッタ。
2. 外環部材が、熱不安定性末端基の熱分解された安定化ポリアセタール樹脂で形成された外環部材である請求項１に記載のトルクリミッタ。
3. 外環部材を形成している合成樹脂の熱不安定性末端基が、ヘミアセタール基またはホルミル基である請求項１または２に記載のトルクリミッタ。
4. ポリアセタール樹脂が、ポリアセタール樹脂ホモポリマーである請求項２に記載のトルクリミッタ。
5. ポリアセタール樹脂が、ポリアセタール樹脂コポリマーである請求項２に記載のトルクリミッタ。
6. 熱不安定性末端基が熱分解される処理が、ポリアセタール樹脂の融点以上で２０秒から２０分加熱する処理である請求項２に記載のトルクリミッタ。
7. 加熱処理が、アニーリング処理または成型温度を調整する加熱処理である請求項６に記載のトルクリミッタ。
8. コイルばねを複数個用いて構成されている請求項１〜７のいずれかに記載のトルクリミッタ。
9. 内輪の材質が、鉄系焼結金属である請求項１〜７のいずれかに記載のトルクリミッタ。

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