JP2018194058A - 歯車、及び歯車の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高い放熱性能を有し、且つ歯車としての強度や耐摩耗性を確保可能な歯車を提供する。【解決手段】歯部を有する歯車において、歯部が一体形成される第１樹脂部と、第１樹脂部より内側に配置された第２樹脂部とを有し、第２樹脂部を構成する樹脂は熱伝導性添加物が含有され、第１樹脂部を構成する樹脂より熱伝導率が高い。第１樹脂部は、第２樹脂部より硬度、曲げ強度、及び耐摩耗性の高い樹脂により構成されることにより、高い放熱性能を有し、且つ歯車としての強度や耐摩耗性を確保可能な歯車を提供できる。【選択図】図１

Description

本発明は、歯車、及び歯車の製造方法に関する。

近年、ポリアセタール樹脂やポリアミド樹脂などの樹脂材を含有したプラスチック製歯車が製造され、多くの電子機器などに使用されている（例えば特許文献１参照）。

金属製の歯車とは異なり、プラスチック製の歯車には、相手側の歯車との摩擦や材料のヒステリシス損などに起因する熱が生じて、歯車の温度を上昇させてしまう特性を有している。歯車の温度が上昇すると、歯車の材料強度が低下して歯部を変形させてしまう虞があった。

そこでプラスチック製歯車の温度上昇を抑制するために、樹脂材に熱伝導性添加物（フィラー）を配合して、歯車に放熱性能を付与させる方法が知られている。

特開平６−２９４４５９号公報

プラスチック製の歯車に高い放熱性能を付与するには、多量の熱伝導性添加物を樹脂に配合する必要がある。しかし、多量の熱伝導性添加物を配合すると、歯車としての強度や耐摩耗性を確保できないという問題が生じてしまう。

本発明は、上記課題に鑑み、高い放熱性能を有し、且つ歯車としての強度や耐摩耗性を確保可能な歯車を提供することにある。

本発明は、
歯部を有する歯車において、
前記歯部が一体形成される第１樹脂部と、前記第１樹脂部より内側に配置された第２樹脂部とを有し、
前記第２樹脂部を構成する樹脂は、前記第１樹脂部を構成する樹脂より熱伝導率が高い。

開示の技術によれば、高い放熱性能を有し、且つ歯車としての強度や耐摩耗性を確保可能な歯車を提供できる。

本実施形態に係る歯車の概略構成を示す図である。 （Ａ）は、図１に示す歯車の側面図であり、（Ｂ）は（Ａ）の歯車の縦断面図である。 図２（Ａ）に示す歯車のＩ−Ｉ矢視断面図である 第１樹脂部を成形する方法を示す図である。 第２樹脂部を成形する方法を示す説明図である。 第１樹脂部と第２樹脂部を積層する工程を示す図である。 被成形物とプレス加工機の関係を示す図である プレス加工機を構成するパンチの斜視図である。 プレス加工機を構成するダイの斜視図である。 プレス加工機内に配置された被成形物の加圧工程中の状態を模式的に示す図である。 プレス加工機内に配置された被成形物が加圧された状態を示す図である。

以下、図面を参照して、本実施形態に係る歯車について説明する。なお、各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。また、本実施形態は平歯車を例に取り説明する。

図１は、本実施形態に係る歯車１の概略構成を示す斜視図である。図１（Ａ）は歯車１を下方側からみた斜視図であり、図１（Ｂ）は歯車１を上方側からみた斜視図である。図２（Ａ）は、歯車１の側面図であり、図２（Ｂ）は、歯車１の断面図である。図３は、図２（Ａ）の歯車１のＩ−Ｉ矢視断面図である。

歯車１は、ギヤ部２と、ギヤ部２を回転させる不図示の回転軸部が挿入される貫通孔３を含む。

本実施形態のギヤ部２は２段構造とされており、歯部２１ａを外周面に有する第１ギヤ部２１と、歯部２２ａを外周面に有する第２ギヤ部２２とを有している。第１ギヤ部２１と第２ギヤ部２２は円筒形状とされており、第１ギヤ部２１は第２ギヤ部２２より径が大きい。また第２ギヤ部２２の軸方向の長さが、第１ギヤ部２１の軸方向の長さより長く形成されている。

貫通孔３は、歯車１の略中央位置に形成されており、第１ギヤ部２１と第２ギヤ部２２を貫通している。

歯車１は、図１（Ｂ）に示すように貫通孔３を形成する壁部３ａとギヤ部２との間に凹部４が形成されている。

ギヤ部２は、図２（Ｂ）に示すように、歯部２１ａと歯部２２ａが一体形成される第１樹脂部２１０と、第１樹脂部２１０より貫通孔３に向けて内方側に配置される第２樹脂部２２０を有している。第１樹脂部２１０と第２樹脂部２２０とは、異なる材料で形成されている。第１樹脂部２１０は、第２樹脂部２２０より硬度、曲げ強度、及び耐摩耗性の高い材料で形成されている。具体的には、ポリアセタール樹脂（ＰＯＭ）又はポリアミド樹脂（ＰＡ）などの樹脂材により形成されている。

第２樹脂部２２０は、第１樹脂部２１０より高い熱伝導率を発揮する材料で形成されている。第２樹脂部２２０では、ポリアセタール樹脂又はポリアミド樹脂の材料に熱伝導性添加物が含有されている。熱伝導性添加物としては、カーボン短繊維が好ましい。

第２樹脂部２２０は、図２（Ｂ）に示すように歯車１の内側、具体的には第１ギヤ部２１の上面の一部、壁部３ａ、凹部４を構成している。また、第１ギヤ部２１の上面や壁部３ａ、凹部４の図示上部は第１樹脂部２１０により覆われていない。したがって、ギヤ部２に発生した熱を第１ギヤ部２１の上面の一部、貫通孔３（壁部３ａ）、凹部４など第２樹脂部２２０で形成された部位から放熱できるため、歯車１は放熱効率が非常に良い。

図３に示すように、他歯車と接する歯車１の外側が第１樹脂部２１０で成形され、他歯車と接しない、耐摩耗性が重要とはならない歯車１の内側が第２樹脂部２２０により成形されている。歯車１の外側の第１樹脂部２１０で発生した熱は、歯車１の内側の第２樹脂部２２０に伝達されて拡散され、第１ギヤ部２１の上面などの第２樹脂部２２０の露出部分から放熱される。

歯車に高い放熱性能を付与するには多量の熱伝導性添加物を配合する必要がある。しかし、歯車を射出成形で製造する場合、熱伝導性添加物の含有量が６０％を超えると樹脂の流動性が悪くなり、熔融加工性が低下することが知られている。そのため、射出成形によって製造される歯車は樹脂への熱伝導性添加物の含有量を６０％未満としなければならず、放熱性が低かった。

本実施形態の歯車１は、第２樹脂部２２０に含まれる熱伝導性添加物の含有量が６０％以上とされている。これは、本実施形態の歯車１が、プレス加工機による加圧、圧縮成形により製造されるからである。加圧圧縮を用いることで樹脂に流動性が求められないため、樹脂流動性に難がある熱伝導性添加物６０％以上の樹脂を用いても歯車を製造できる。したがって、歯車１は、第２樹脂部２２０により高い放熱性能を発揮できる。

なお、歯車１の外側を構成する第１樹脂部２１０は、熱伝導性添加物を含まないポリアセタール樹脂又はポリアミド樹脂で形成され、歯車に必要な強度と耐摩耗性を持たせるように構成される。

上記したようにギヤ部２は、歯部２１ａと歯部２２ａを有する第１樹脂部２１０が歯車としての強度や耐摩耗性を確保できる材料で形成され、第１樹脂部２１０より内方側に配置された第２樹脂部２２０が、第１樹脂部２１０より高い放熱性能を発揮する材料で形成されている。

したがって、第１樹脂部２１０により歯部２１ａ、２２ａの強度や耐摩耗性を確保できる。そして第２樹脂部２２０よりギヤ部２に生じた熱を外部へ効果的に放熱できるため、歯車１の温度上昇を抑制して、歯部２１ａや歯部２２ａなどの熱に起因する変形や破損を防止できる。

＜歯車の製造方法＞
次に、図面を参照しながら、歯車１の製造方法を説明する。
図４は、第１樹脂部２１０を成形する方法を示す図である。図４に示すように、ポリアセタール樹脂又はポリアミド樹脂による樹脂材Ｊを、溶融押し出し成形（インフレーション法）によりシート状の第１樹脂部２１０に成形する。

図５は、第２樹脂部２２０を成形する方法を示す図である。図５に示すように、ポリアセタール樹脂又はポリアミド樹脂による樹脂材Ｊと、カーボン短繊維などの熱伝導性添加物Ｎとを混合した後、溶融押し出し成形によりシート状の第２樹脂部２２０を成形する。第２樹脂部２２０に含まれるカーボン短繊維の含有量は６０％以上である。

次に、シート状の第１樹脂部２１０と第２樹脂部２２０を積層する工程を、図６を参照しながら説明する。

図６に示すように、第１樹脂部２１０と第２樹脂部２２０とを、複数のローラＲにより挟み込み、熱間圧延を行って両者を積層してシート状の被成形物Ｋを製造する。

第１樹脂部２１０及び第２樹脂部２２０に使用される樹脂材Ｊがポリアセタール樹脂である場合、樹脂材Ｊは加熱温度約１５０℃、加熱時間約１０秒、加圧力約２０Ｍｐａで熱間圧延される。

一方、樹脂材Ｊがポリアミド樹脂である場合、樹脂材Ｊは加熱温度約２００℃、加熱時間約１０秒、加圧力約２０Ｍｐａで熱間圧延される。なお、第１樹脂部２１０と第２樹脂部２２０の製造及び、被成形物Ｋの製造は、公知の装置を使用する。

次に、図６で成形された被成形物Ｋをプレス加工により圧縮して歯車１を製造する工程を図７〜図１１を参照しながら説明する。

図７は、被成形物Ｋとプレス加工機の関係を示す図である。図８はプレス加工機を構成するパンチの斜視図である。図９は、プレス加工機を構成するダイの斜視図である。図１０は、プレス加工機内に配置された被成形物Ｋの加圧工程中の状態を模式的に示す図である。図１１は、プレス加工機内に配置された被成形物Ｋが加圧された状態を示す図である。

シート状の被成形物Ｋは、フープ送り装置などによりプレス加工機７へ供給される。

プレス加工機７は、図７に示すようにパンチ５とダイ６を含み、被成形物Ｋはパンチ５とダイ６との間に供給される。

プレス加工機７の構成について、図８、図９を参照しながら説明する。

パンチ５は、図８に示すようにフランジ部５１と筒状部５２を有している。フランジ部５１は円形状に形成され、外周面が後述するダイ６に形成された第１歯部形成部６１ａと対応する波形形状に形成されている。筒状部５２は、フランジ部５１の略中央位置から一側に突出している。筒状部５２は、歯車１の貫通孔３を形成する中実丸棒形状の貫通孔形成部５２ａと、歯車１の凹部４を形成する中空部を有する円筒形状の凹部形成部５２ｂを有している。貫通孔形成部５２ａは、凹部形成部５２ｂの中空部内に配置されている。貫通孔形成部５２ａは、凹部形成部５２ｂより軸方向に長く形成されている。

本実施形態のダイ６は、図９に示すように箱型形状に形成された本体６０内に形成された歯部形成部６１を含む。

歯部形成部６１は２段構造とされており、第１ギヤ部２１の歯部２１ａを形成する第１歯部形成部６１ａと、第２ギヤ部２２の歯部２２ａを形成する第２歯部形成部６１ｂを有している。第１歯部形成部６１ａは、本体６０の図示上方に配置される。

第１歯部形成部６１ａと第２歯部形成部６１ｂは、平面視が円形状とされており、外周面が歯部２１ａ、２２ａを形成可能な波形形状に形成されている。第１歯部形成部６１ａは第２歯部形成部６１ｂより径が大きい。また、本体６０内において、第１歯部形成部６１ａと第２歯部形成部６１ｂとの間には段部６２が形成されている。

ダイ６は、歯車１が具備する歯部２１ａと歯部２２ａの両方を同時に形成可能である。

上記した構成のプレス加工機７により、被成形物Ｋを歯車１に成形する工程を説明する。

図７に示すようにシート状の被成形物Ｋがプレス加工機７のパンチ５とダイ６の間に供給された状態から、パンチ５がダイ６側へ移動することにより被成形物Ｋが加圧される。このとき、被成形物Ｋは、第１樹脂部２１０の材料及び第２樹脂部２２０の材料の両方の熱変形温度までは加熱されている。

加圧工程中には、図１０に示すように、シート状の被成形物Ｋはダイ６の歯部形成部６１内に配置される。被成形物Ｋは、第１樹脂部２１０がダイ６の歯部形成部６１と接触する側に来るように配置される。このため、第２歯部形成部６１ｂにおいては、被成形物Ｋは第１樹脂部２１０が第２歯部形成部６１ｂと接触する側に配置される。また、歯部形成部６１内に設置された被成形物Ｋの両端面Ｋａは、加圧によって被成形物Ｋの挿入方向の上側を向くため、第１歯部形成部６１ａにおいても被成形物Ｋは第１樹脂部２１０が第１歯部形成部６１ａと接触する側に配置される。したがって、第１歯部形成部６１ａ及び第２歯部形成部６１ｂには、被成形物Ｋの第１樹脂部２１０が成形時に流入する。そのため、歯部２１ａと歯部２２ａとを、強度や耐摩耗性に優れた第１樹脂部２１０により形成できる。

なお、図１０は、説明の便宜上、加圧工程中の被成形物Ｋをダイ６の歯部形成部６１に沿った形状として模式的に図示しているが、必ずしもこのような状態を経るものではない。加工工程中の被成形物Ｋは、図７に示した平坦な状態から図１１に示す歯車完成状態までの間に加圧されることによって、徐々にダイ６の内面と密着されてゆく。

そして、図１１に示すようにプレス加工機７内に配置された被成形物Ｋを加圧、圧縮すると、歯部２１ａ、２２ａが一体形成された第１樹脂部２１０と、第１樹脂部２１０より内方側に配置された第２樹脂部２２０を備えたギヤ部２を有する歯車１が完成する。

本実施形態の歯車１の製造方法は、熱伝導率の異なる第１樹脂部２１０と第２樹脂部２２０をシート状に形成して被成形物Ｋを製造し、被成形物Ｋをプレス加工機７により加圧圧縮することで歯車１を製造する方法とした。

加圧圧縮を用いることで樹脂に流動性が求められないため、樹脂流動性に難がある熱伝導性添加物６０％以上の樹脂を用いても歯車を製造できる。したがって、射出成形ではできなかった、熱伝導性添加物を６０％以上含有させた第２樹脂部２２０を有する歯車１を製造でき、歯車の放熱性を飛躍的に向上させることができる。

またプレス加工機７は、ダイ６側で歯車１の外周に具備される２つの歯部２１ａ、２２ａを形成し、パンチ５側で貫通孔３と凹部４、及び第１ギヤ部２１の上面を形成する構成としたので、加圧、圧縮後の歯車１の端部にバリなどが生じない。そのため、バリ取り工程が不要になり、ワンプレスで歯車１を製造でき、射出成形に比べて製造時間を飛躍的に短縮できる。また、プレス成形は、材料をテープ状にしてフープ供給すれば、プレスの１ストロークの時間で成形品を１個作れるので、射出成形のように型内へ材料を充填するための時間が不要なため、射出成形に比べて短時間に製造できる。

以上、好ましい実施の形態について詳説したが、上述した実施の形態に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態に種々の変形及び置換を加えることができる。

上記実施形態では歯車１の外側を第１樹脂部２１０で成形し、歯車１の内側を第１樹脂部２１０より熱伝導率の高い第２樹脂部２２０で成形する構成を例示したが、歯車の外側に対して内側の熱伝導率が高くできれば他の構成でもよい。例えば、歯車１の内部を複数の層に分け、その中の一つあるいは複数の層に第２樹脂部２２０と同様の高い熱伝導機能を持たせる構成とすることもできる。

１ 歯車
２ ギヤ部
２１ａ、２２ａ 歯部
２１０ 第１樹脂部
２２０ 第２樹脂部
３ 貫通孔
４ 凹部
５ パンチ
６ ダイ
６１ 歯部形成部
７ プレス加工機
Ｋ 被成形物

Claims (4)

1. 歯部を有する歯車において、
   前記歯部が一体形成される第１樹脂部と、前記第１樹脂部より内側に配置された第２樹脂部とを有し、
   前記第２樹脂部を構成する樹脂は、前記第１樹脂部を構成する樹脂より熱伝導率が高いことを特徴とする歯車。
2. 前記第２樹脂部には、熱伝導性添加物が６０％以上含有されていることを特徴とする請求項１に記載の歯車。
3. 前記第１樹脂部は、前記第２樹脂部より硬度、曲げ強度、及び耐摩耗性の高い樹脂により構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の歯車。
4. 第１樹脂部と、前記第１樹脂部より熱伝導率が高い第２樹脂部とをそれぞれシート状に形成する工程と、
   前記第１樹脂部と前記第２樹脂部とを積層して被成形物を製造する工程と、
   前記被成形物を加圧、圧縮して、歯部を一体形成した前記第１樹脂部と前記第１樹脂部より内方側に配置した前記第２樹脂部を備えたギヤ部を有する歯車を成形する工程と、
   を有することを特徴とする歯車の製造方法。

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