JP2016023698A - 複合歯車およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 成形時の離型抵抗によって剥離・変形が生じず、さらに回転駆動時のトルクによる剥離・変形も抑制することができる第１の部材と第２の部材で形成された複合歯車を安価に提供すること。
【解決手段】 複合歯車の第１の部材と第２の部材の界面に歯のねじれと反対に傾いた溝を設けることで、成形時の離型時と回転駆動時の剥離を抑制する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ウェブと異なる材料で形成された歯を有する複合歯車およびその製造方法に関するものである。

樹脂製歯車は、複写機、プリンター等のＯＡ機器、インクカートリッジ等の消耗品、デジタルカメラやビデオカメラ等の小型精密機器のような広い範囲の機械製品に動力伝達部品として組み込まれている。従来、高精度な動力伝達部品としての樹脂製歯車にははすば歯車が使用され、歯先円寸法や噛合い誤差（ＪＧＭＡ １１６−０２）や歯すじ等級（ＪＩＳ Ｂ １７０２）の精度規格がその用途と目的に応じて設定されている。特に高品質な機械製品に用いられる樹脂製歯車ではこれら精度規格の幅を小さく設定して品質を高めることが多い。しかし、近年のカラープリンターやカラー複写機は高品質だけでなく、駆動時の低騒音性能や印字性能の高度化など機能面の向上も併せて求められるようになってきている。これらの場合、従来のように歯車の精度規格幅を小さく設定する方法だけは要求を満足することが困難であり、歯車の回転伝達精度（動的精度）も高めていくことが必要になる。

歯車の回転伝達精度を高めるには（１）噛合い率を大きくする、（２）回転駆動時の歯打ちを防ぐ、（３）回転駆動時の変形を抑えるといった手段が考えられている。これらを実現するために、二種類以上の材料で形成された複合歯車が考案されている。

例えば、樹脂で形成され軸に嵌合されるボス（軸支持部）を有する第１の部材と、前記第１の部材よりも軟らかい材料から形成され、前記第１の部材の外周を覆う第２の部材を有し、前記第２の部材の外周に少なくとも歯部含む複合歯車が知られている。第２の部材の樹脂材料を通常歯車に用いられるポリアセタール樹脂よりも弾性率が高いものにすることで、歯車が噛み合う際、歯面が弾性変形して噛合い率を大きくすることが可能となる。また、弾性率が大きいことで緩衝材としての役割も担い、回転駆動時の歯打ちの挙動を抑制することが可能になる。つまり、前述した（１）および（２）をより効果的に得ることが可能となる。また、第１の部材の樹脂材料を高い剛性のものにすることで回転駆動時の歯車の変形を抑制することができ、前述した（３）の効果を阻害することがない。

しかし、回転駆動時には歯部に回転トルクの負荷が加わるため、第１の部材と第２の部材の界面には回転方向のせん断力が発生する。そのため、回転トルクが大きいと回転方向に変形が発生し、回転伝達精度を低下させることになる。特に第１の部材をインサート部材として金型に設置し、次いで第２の部材を射出成形して複合歯車を形成するインサート成形の場合では、界面の相溶性が少ないため剥離による変形が発生しやすくなる。このような不具合を解消するため、第１の部材の外周に軸方向に延びる凹溝や凸条を設けることで二部材が回転方向に強固に一体化されるようにした複合歯車や、第１の部材の外周に凸形状の突起を設けた複合歯車が提案されている。

例えば特許文献１では、金属材料で形成された第１の部材の外周部に第２の部材に付加された歯数と同数以上の凸条を軸方向に設けることによって、第１の部材と第２の部材の接合強度を上げる技術が開示されている。

例えば特許文献２では、無機繊維樹脂で形成されたブッシュの外周面に凸形状の周り止めを設け、その外周部に有機繊維含有樹脂の歯部を形成する技術が開示されている。

特開２００８−１９０６８１ 特開２０１１−２２０１６３

しかしながら、第１の部材と第２の部材の界面にせん断力が生じるのは回転駆動時だけではない。複合歯車の製造は第１の部材を金型内にインサートし第２部材を射出成形する方法が一般的であるが、成形した歯車を離型する際界面にせん断力が発生する。図８に示すように、突出力Ｅによって成形品を突出す際、歯車は歯すじに沿って滑りながら離型しようとするため、界面では歯すじ方向のせん断力Ｓｅが発生する。そのため、突出力Ｅが大きい場合や離型抵抗が大きい場合では歯すじ方向に剥離する変形ｑが発生することがある。通常、樹脂製歯車の離型抵抗はおよそ１００Ｎほどあると考えられている。一方、樹脂製歯車の駆動環境はトルク０．５〜１０Ｎ・ｍの範囲で使用されることが一般的である。状況によって回転方向のせん断力は変化するが、界面における瞬間的なせん断力は離型時の方が１０〜１００倍大きいと考えられる。また、離型の際界面に生じるせん断力Ｓｅの大きさは歯車のねじれ角、歯幅によって大きく変化する。例えば、図８に示す複合歯車６０では歯幅ｔに比例して歯面の離型抵抗が増大するため、せん断力Ｓｅも比例して増大する。また、ねじれ角βが大きくなるほど歯面の離型抵抗が増しせん断力Ｓｅが大きくなる。

上記特許文献１では第１の部材の外周部に第２の部材に付加された歯数と同数以上の凸条を軸方向に設けている。これによって、第１の部材と第２の部材の接合強度を上げる技術が開示されているが、回転駆動時のせん断力だけに着目しており離型時に発生するせん断力に関する対処がされていない。

上記特許文献２では無機繊維樹脂で形成されたブッシュの外周面に凸形状の周り止めを設け、その外周部に有機繊維含有樹脂の歯部を形成する技術が開示されている。しかし、ブッシュ外周面の凸形状を形成するには複数のスライドを有する複雑な金型を用いるか、二次加工を施さなければならないため低価格で大量に製造するのが難しい。

本出願に関わる発明は、上述した従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、成形時の離型抵抗によって生じる剥離等による変形を抑制可能である複合歯車を提供することにある。さらに回転駆動時のトルクによって生じる剥離等による変形も抑制可能である複合歯車を提供することにある。また、安価な複合歯車を提供することにある。

本発明の複合歯車は、樹脂または金属で形成された第１の部材と、前記第１の部材の外周に形成された第２の部材とからなり、軸の周りに回転される複合歯車において、第２の部材には、前記軸に対して傾いた歯が形成され、前記第１の部材と前記第２の部材との界面には、前記軸に対して前記歯と反対方向に傾いた凹凸の繰り返し形状が形成され、前記凹凸の繰り返し形状の前記軸に対する傾きの角度γは、前記歯の前記軸に対する傾きの角度β以上であって、９０°より小さいことを特徴とする。

本発明の複合歯車の製造方法は、金型に溶融樹脂を充填して、第１の部材の外周に第２の部材を形成して軸周りに回転可能な複合歯車を製造する複合歯車の製造方法であって、前記軸に対して傾いた溝が外周に形成された第１の部材を準備し前記溝の上に溶融樹脂を充填し、前記軸に対して、前記溝と反対方向に傾いた歯を成形することを特徴とする。

第１の部材と第２の部材で形成された複合歯車における成形時の離型抵抗によって生じる剥離等による変形を抑え、さらに回転駆動時のトルクによって生じる剥離等による変形も抑制することができる。さらに安価に提供することが可能となる。

本発明の実施の形態における複合歯車を示す図 本発明の実施の形態における第１の部材を表す面図 本発明の第１の部材を形成する射出成形金型の例 本発明の第２の部材を形成する射出成形金型の例 本発明の実施の形態における歯と凹凸の関係を示す図 比較例３の第１の部材を示す図 回転駆動時に発生するせん断力と変形を示す図 離型時に発生するせん断力と変形を示す図

図１、図２は本発明の特徴を最もよく表す図面である。図１（ａ）は本発明における実施の形態の一例を表す複合歯車１０の正面図である。図１（ｂ）は側面図である。複合歯車１０は第１の部材１１と、第１の部材１１の外周に形成され、外周に複数の斜状の歯１３（軸に対して傾いた歯）を有する第２の部材１２から形成されている。複合歯車１０は軸心１４を中心として、あるいは軸心１４を有する軸（不図示）を中心として回転する。つまり軸周りに回転する。言い換えると、複合歯車１０を回転させることにより、軸心１４を有する軸（不図示）を回転させる。第１の部材は、軸心１４を有する軸（不図示）または軸への取付け部１５を含んでいてもよい。第１の部材１１はポリアセタール、ポリブチレンテレフタレート、ポリフェニレンスルフィド、ポリアミド、ナイロンなどを含む樹脂材料を用いて射出成形で製造されるか、金属材料を用いて切削加工、焼結、プレスなどで製造される。第２の部材１２は熱可塑性エラストマーを含む樹脂材料を用いて製造される。１８は複合歯車のリムに相当し、第１の部材に歯車の軸心（中心軸）に対して同心円状に構成される。１９は複合歯車のウェブを構成する面であり軸取付け部１５とリム１８を接続している。

図２は第１の部材１１の側面図である。１６は第１の部材１１の外周に形成された溝（凹形状）であり、１７は溝（凹形状）と溝（凹形状）との間の突出部（凸形状）である。ここに、第２の部材１２（図１参照）が溝（凹形状）に入り込み、第１の部材と第２の部材との界面を構成する。第１の部材１１では１６は凹形状、１７は凸形状で形成され、第１の部材１１の最外周に複数交互に繰り返し配設される。一方、第２の部材１２では第１の部材１１と接触するように１６は凸形状、１７は凹形状となる。ａは界面１６と界面１７を構成する稜線であり、複合歯車の軸方向Ａに対して傾いており、図１の斜状の歯１３とは軸を基準に反対方向となる。

図５は、本発明の実施の形態における歯と第１の部材と第２の部材との界面に形成される凹凸の繰り返し形状の関係を示す図である。βは第２の部材１２の外周に形成される斜状の歯１３の軸（軸方向）に対する傾き（ねじれ）の角度を示している。斜状の歯１３の軸（軸方向）に対する傾き（ねじれ）の角度βとは、具体的には歯の幅ｔの真ん中（中央部）を通り、軸と垂直方向の断面と、歯１３（歯の輪郭線）とが交わる点における歯１３（歯の輪郭線）の接線と、軸（軸方向）とのなす角度である。γは第１の部材の凹形状１６、凸形状１７を形成する稜線ａの軸（軸方向）に対する傾き角度である。具体的には、γは、歯の軸方向の幅ｔの真ん中（中央部）を通り、軸と垂直方向の断面と、稜線ａとが交わる点における稜線ａの接線と、軸（軸方向）とのなす角度である。本実施の形態の複合歯車１０では、稜線ａは、軸（軸方向）に対して、歯と反対方向に傾いている。また、角度γは、角度β以上であって９０°以下が好ましい。角度γが角度β以上であると、離型時のせん断力による変形量を低く抑えることができることを見出したものである。また、角度γが９０°以上であると、稜線ａが軸に対して歯と同じ方向に傾くことになってしまうため、歯すじ方向のせん断力を受けると、剥離が生じやすく、変形量が大きくなってしまうこともわかった。

また、ｔは斜状の歯の軸方向の幅であり、ｍは歯のモジュールである時、ｔもｍも任意の大きさに設定されたものでよい。いずれの大きさであっても本発明の効果は発揮されるが、ねじれ角βが大きくなるほど摩擦抵抗が大きくなり、歯幅ｔが大きくなるほど歯面の表面積が大きくなり離型抵抗が大きくなるので変形量ｑが大きくなる。つまり、角度βが、１０°以下の場合はもともと変形量が小さい。また、歯のモジュールｍと歯幅ｔの関係がｍ／ｔ＞０．２の場合も変形量が小さい。よって、前記歯の前記軸に対する傾きの角度βが、１０°より大きく、歯のモジュールｍと歯幅ｔの関係がｍ／ｔ≦０．２である時に、本発明による効果がより顕著に表れる。

このような構成にすることで、第１の部材の、第２の部材との界面に傾きを有する溝が軸方向の歯幅全域にわたって形成されているため溝の側面で回転方向のせん断力を受けやすくなり、剥離が生じ難くなる。また、界面の溝に傾きを設け、さらに斜状の歯と反対向きにしているため溝の側面で歯すじ方向のせん断力を受けやすくなり、剥離が生じ難くなる。

次に、複合歯車の製造方法について図３、図４を用いて説明する。

まず、第１の部材を準備する。

図３は、第１の部材１１を製造する方法の一例を示したものである。

３１は金型の可動側を示した図である。３２は、軸３６の回りに回転可能な駒であり、第１の部材１１の外周に、軸方向に対して傾いた溝を転写させるための形状が形成されている。この構成により、第１の部材１１をエジェクターピン３５で突出すると、駒３２は溝の傾きに従って回転駆動し、変形を伴わずに離型することが可能である。このような回転駒を有した金型は、通常のスライド駒を有する金型よりも単純な構成であり、さらに小型化することが可能である。また、切削加工等による溝加工の必要もない。ここでは成形により第１４の部材を製造する方法について説明したが、金属材料を用いて切削加工、焼結、プレスなど公知の方法で製造してもよい。図４は本発明の実施の形態における第２の部材１２を成形し複合歯車を製造する方法の一例を示したものである。例えば図３で成形された第１の部材１１を金型４１にインサートし、駒４２と第１の部材１１の間に形成された空間に溶融樹脂（例えば熱可塑性エラストマー）を充填することにより第１の部材の溝の上に第２の部材１２が成形される。材料となる熱可塑性エラストマーはスプルランナー９を介して注入される。

複合歯車１０を離型する時、第１の部材の、第２の部材との界面に傾きを有する溝が軸方向の歯幅全域にわたって形成されているため、溝の側面で回転方向のせん断力を受けやすくなり、剥離が生じ難くなるとともに変形を抑えることができる。なる。また、界面の溝に傾きを設け、さらに斜状の歯と反対向きにしているため溝の測面で歯すじ方向のせん断力を受けやすくなり、剥離が生じ難くなるとともに変形を抑えることができる。

さらに、駒４２を図３の型３１と同様に回転可能にすることで、複合歯車１０を離型する時、第２の部材の変形を抑えることができる。

以上のように、本実施の形態の第１の部材と第２の部材で形成された複合歯車１０は、成形時の離型抵抗による剥離や変形を抑えることができる。さらに歯車を回転駆動させた時のトルクによる剥離や変形も抑制することができる。そして、安価に提供することが可能となるものである。

次に実施例について説明する。

図３のような金型で第１の部材を形成し、次いで図４のような金型に第１の部材をインサートし第２の部材を成形した。

第１の部材の材料はポリアセタール樹脂（旭化成ケミカルズ社製テナック（登録商標）ＨＣ７５０）を用いた。また第２の部材の材料はポリエステル・エラストマー（東レ・デュポン社製ハイトレル（登録商標）５５５７）を用いた。

モジュールｍ＝０．７、圧力角２０°、歯数３２、歯幅ｔ＝１０ｍｍの複合歯車を製造した。製造し複合歯車を、ｒｐｍ４５、トルク１．０（Ｎ・ｍ）で回転駆動させた時の回転方向への変形量ｐおよび金型からの離型時の歯すじ方向の変形量ｑを測定した。いずれもレーザー式変位計を用いて測定した。変形量ｐは複合歯車上面から歯の端部を高解像度の高速度カメラを用いて撮影し、動画解析することで算出した。また、変形量ｑは金型内部にレーザー変位計を２つ設置して、第１の部材と第２の部材のそれぞれの変位量を動的に計測することで算出した。

（実施例１−１）
第１の部材の外周に形成された軸方向に対して傾いた溝の角度γを２５°、溝の深さを０．２５ｍｍとしたとした第１の部材を用いて、ねじれ角β＝２５°の複合歯車を製造し、変形量ｐおよび変形量ｑを測定した。測定結果を表１に示す。

（実施例１−２）
第１の部材の外周に形成された軸方向に対して傾いた溝の角度γを２５°、溝の深さを０．５ｍｍとした第１の部材を用いてねじれ角β＝２５°の複合歯車を製造し、変形量ｐおよび変形量ｑを測定した。測定結果を表１に示す。

（比較例１）
第１の部材の外周に溝がない第１の部材を用いてｍねじれ角β＝２５°の複合歯車を製造し、変形量ｐおよび変形量ｑを測定した。測定結果を表１に示す。

（比較例２）
第１の部材の外周に、軸方向と平行方向の溝であって溝の深さが０．５ｍｍの第１の部材を用いて、ねじれ角β＝２５°の複合歯車を製造し、変形量ｐおよび変形量ｑを測定した。測定結果を表１に示す。

（比較例３）
図６に示す凸形状８６が形成された第１の部材を用いて、ねじれ角β＝２５°の複合歯車を製造し、変形量ｐおよび変形量ｑを測定した。凸形状の高さは０．５ｍｍとした。測定結果を表１に示す。

溝の角度γを２５°、ねじれ角β＝２５°とした、実施例１−１および実施例１−２は、変形量ｐも、変形量ｑも、高精度な歯車に求められる変形量１０μｍ以下に抑えることができ、所望の性能を得ることができた。

（実施例２−１）
第１の部材の外周に形成された軸方向に対して傾いた溝の角度γを２５°、溝の深さを０．５ｍｍとしたとした第１の部材を用いて、ねじれ角β＝２５°の複合歯車を製造し、変形量ｑを測定した。測定結果を表２に示す。

（実施例２−２）
第１の部材の外周に形成された軸方向に対して傾いた溝の角度γを５０°、溝の深さを０．５ｍｍとしたとした第１の部材を用いて、ねじれ角β＝２５°の複合歯車を製造し、変形量ｑを測定した。測定結果を表２に示す。

（実施例２−３）
第１の部材の外周に形成された軸方向に対して傾いた溝の角度γを７０°、溝の深さを０．５ｍｍとしたとした第１の部材を用いて、ねじれ角β＝２５°の複合歯車を製造し、変形量ｑを測定した。測定結果を表２に示す。

（比較例４）
第１の部材の外周に形成された軸方向に対して傾いた溝の角度γを２５°、溝の深さを０．５ｍｍとしたとした第１の部材を用いて、ねじれ角β＝１０°の複合歯車を製造し、変形量ｑを測定した。測定結果を表２に示す。

（比較例５）
第１の部材の外周に形成された軸方向に対して傾いた溝の角度γを２５°、溝の深さを０．５ｍｍとしたとした第１の部材を用いて、ねじれ角β＝１５°の複合歯車を製造し、変形量ｑを測定した。測定結果を表２に示す。

角度γがγ≧βの関係であると、離型時のせん断力による変形量ｑを、高精度な歯車に求められる変形量１０μｍ以下に抑えることができ、所望の性能を得ることができた。

（実施例２−４）
第１の部材の外周に形成された軸方向に対して傾いた溝の角度γを３５°、溝の深さを０．５ｍｍとしたとした第１の部材を用いて、ねじれ角β＝３０°の複合歯車を製造し、変形量ｑを測定した。測定結果を表３に示す。

（実施例２−５）
第１の部材の外周に形成された軸方向に対して傾いた溝の角度γを１５°、溝の深さを０．５ｍｍとしたとした第１の部材を用いて、ねじれ角β＝１５°の複合歯車を製造し、変形量ｑを測定した。測定結果を表３に示す。

（実施例２−６）
第１の部材の外周に形成された軸方向に対して傾いた溝の角度γを２５°、溝の深さを０．５ｍｍとしたとした第１の部材を用いて、ねじれ角β＝１５°の複合歯車を製造し、変形量ｑを測定した。測定結果を表３に示す。

（比較例６）
第１の部材の外周に形成された軸方向に対して傾いた溝の角度γを１０°、溝の深さを０．５ｍｍとしたとした第１の部材を用いて、ねじれ角β＝３０°の複合歯車を製造し、変形量ｑを測定した。測定結果を表３に示す。

（比較例７）
第１の部材の外周に形成された軸方向に対して傾いた溝の角度γを２５°、溝の深さを０．５ｍｍとしたとした第１の部材を用いて、ねじれ角β＝３０°の複合歯車を製造し、変形量ｑを測定した。測定結果を表３に示す。

（比較例８）
第１の部材の外周に形成された軸方向に対して傾いた溝の角度γを５°、溝の深さを０．５ｍｍとしたとした第１の部材を用いて、ねじれ角β＝１５°の複合歯車を製造し、変形量ｑを測定した。測定結果を表３に示す。

ねじれ角の大きさによって溝の角度γの変形量ｑに対する効き方は変化するが、γ≧βであると、離型時のせん断力による変形量ｑを、高精度な歯車に求められる変形量１０μｍ以下に抑えることができ、所望の性能を得ることができた。

（実施例３−１、３−２、比較例９〜１２）
表４は、モジュールｍ＝０．７、圧力角２０°、歯数３２、歯幅ｔ＝１０ｍｍとした複合歯車のねじれ角βを変えた時の変形量ｑを比較したものである。比較例１１、１２はねじれ角が１０°より大きくなるため変形量が大きいが、本発明の実施例３−１、３−２では溝（角度γ）が付加されることで変形量ｑが１０μｍ以内に抑えられた。

（実施例３−３、３−４、比較例１３〜１６）
表５は、ねじれ角β＝２５°、圧力角２０°、歯数３２とした複合歯車のモジュールｍと歯幅ｔを変えた時の変形量を示したものである。比較例１４、１６はｍ／ｔが０．２以下となるため変形量が大きいが、実施例３−３、３−４では溝（角度γ）が付加されることで変形量ｑが１０μｍ以内に抑えられた。

１０ 複合歯車
１１ 第１の部材
１２ 第２の部材
１３ 斜状の歯
１４ 軸
１５ ボス（軸支持部）
１６ 溝部界面
１７ 溝部界面
１８ リム
１９ ウェブ

Claims (10)

1. 樹脂または金属で形成された第１の部材と、前記第１の部材の外周に形成された第２の部材とからなり、軸の周りに回転される複合歯車において、
   第２の部材には、外周に複数の前記軸に対して傾いた歯が形成され、
   前記第１の部材と前記第２の部材との界面は、前記軸に対して前記歯と反対方向に傾いた凹凸の繰り返し形状を有しており、
   前記凹凸の繰り返し形状の前記軸に対する傾きの角度γは、前記歯の前記軸に対する傾きの角度β以上であって、９０°より小さいことを特徴とする複合歯車。
2. 前記歯の前記軸に対する傾きの角度βは、１０°より大きく、歯のモジュールｍと歯幅ｔの関係がｍ／ｔ≦０．２であることを特徴とする請求項１記載の複合歯車。
3. 前記第１の部材は、ポリアセタール、ポリブチレンテレフタレート、ポリフェニレンスルフィド、ポリアミド、ナイロンまたは金属材料を含むことを特徴とする請求項１または２記載の複合歯車。
4. 前記第２の部材は、熱可塑性エラストマーを含むことを特徴とする請求項１乃至３いずれか一項記載の複合歯車。
5. 金型に溶融樹脂を充填して、第１の部材の外周に第２の部材を形成して軸周りに回転可能な複合歯車を製造する複合歯車の製造方法であって、
   前記軸に対して傾いた溝が外周に形成された第１の部材を準備し
   前記溝の上に溶融樹脂を充填し、前記軸に対して、前記溝と反対方向に傾いた歯を成形することを特徴とする複合歯車の製造方法。
6. 前記第１の部材は射出成形により製造されることを特徴とする請求項５記載の複合歯車の製造方法。
7. 前記第１の部材は切削、焼結またはプレスにより製造されることを特徴とする請求項５記載の複合歯車の製造方法。
8. 前記第１の部材はポリアセタール、ポリブチレンテレフタレート、ポリフェニレンスルフィド、ポリアミドまたはナイロンを含むことを特徴とする請求項６記載の複合歯車の製造方法。
9. 前記溝の前記軸に対する傾きは、前記歯の前記軸に対する傾き以上であって、９０°より小さいことを特徴とする請求項５乃至８いずれか一項記載の複合歯車の製造方法。
10. 前記歯の前記軸に対する傾きは、１０°より大きく、前記歯のモジュールｍと歯幅ｔの関係がｍ／ｔ≦０．２であることを特徴とする請求項５乃至９いずれか一項記載の複合歯車の製造方法。

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