JP2022156619A - やまば歯車およびやまば歯車の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】やまば歯車の強度を高める技術の提供。【解決手段】軸に対するねじれ方向が互いに逆向きの歯を有し、軸が共通である一対のはすば歯車と、一対の前記はすば歯車を前記軸方向において一体に繋げる境界部であって、前記軸に垂直な方向の断面の形状が、一対の前記はすば歯車の歯から連続する歯形である、前記境界部と、を備える、やまば歯車を構成する。【選択図】図１

Description

本発明は、やまば歯車およびやまば歯車の製造方法に関する。

従来、軸に対するねじれ方向が互いに逆向きの歯を有する一対のはすば歯車が連結されたやまば歯車が知られている。例えば、特許文献１においては、２つのヘリカルギヤを１つの軸上で歯の加工に必要な距離をおいて固定し、各々のヘリカルギヤを単独又は同時加工してから、油圧等により２つのヘリカルギヤを付けあわせることにより製作する構成が開示されている。

特開２００２－３６４７３２号公報

やまば歯車は、やまば歯車同士が噛み合ってトルクを伝達する部品であり、使用過程で歯に力が作用し、疲労等によって損傷し得る。このため、一般的に、やまば歯車は、歯の強度が高いほど疲労等の損傷に強くなる。従来の技術におけるヘリカルギヤの歯同士は互いに分離した状態にあり、歯の強度は、個別のヘリカルギヤの歯の強度で決まる。このような従来のやまば歯車よりも強度の高いやまば歯車が望まれていた。
本発明は、前記課題にかんがみてなされたもので、やまば歯車の強度を高めることを目的とする。

上記の目的を達成するため、やまば歯車は、軸に対するねじれ方向が互いに逆向きの歯を有し、軸が共通である一対のはすば歯車と、一対のはすば歯車を軸方向において一体に繋げる境界部であって、軸に垂直な方向の断面の形状が、一対のはすば歯車の歯から連続する歯形である、境界部と、を備える。

すなわち、やまば歯車を構成する一対のはすば歯車は、境界部によって繋げられ、一体となっている。さらに、一対のはすば歯車の間に存在する境界部は、はすば歯車の軸に垂直な方向の断面の形状が、一対のはすば歯車の歯から連続する歯形である。すなわち、一対のはすば歯車の間に存在する境界部の周方向の形状は、歯面に沿うようにして凹凸が形成された形状である。従って、やまば歯車においては、歯底面より軸に近い部分のみならず、一対のはすば歯車の歯同士も一体的に繋がっている。このため、歯同士が一体的に繋がっていない構成よりも、やまば歯車の強度を高めることができる。

図１Ａはやまば歯車の例を示す図、図１Ｂは図１Ａの拡大図である。 図２Ａはやまば歯車を模式的に示す図、図２Ｂはやまば歯車の歯を模式的に示す図である。 図３Ａは３Ｄプリンターを示す図、図３Ｂはノズルからの出力を示す図である。 製造方法を示すフローチャートである。 図５Ａはやまば歯車を模式的に示す図、図５Ｂはやまば歯車の歯を模式的に示す図である。 図６Ａはやまば歯車を模式的に示す図、図６Ｂはやまば歯車の歯を模式的に示す図である。 図７Ａはやまば歯車を模式的に示す図、図７Ｂはやまば歯車の歯を模式的に示す図である。 特殊な歯を有するやまば歯車を説明するための図である。

ここでは、下記の順序に従って本発明の実施の形態について説明する。
（１）やまば歯車の構成：
（２）製造方法：
（３）他の実施形態：

（１）やまば歯車の構成：
図１Ａはやまば歯車１０の例を示す図、図１Ｂは図１Ａの拡大図である。本実施形態にかかるやまば歯車１０は、一体的に継ぎ目なく形成された部品であるが、外周の部位を、はすば歯車１０ａ，１０ｂおよび境界部２０からなる３個の部位として捉えることができる。

はすば歯車１０ａ，１０ｂは、共通の軸Ａｘを有する円環状の部分の外周に形成された歯車である。本実施形態において、はすば歯車１０ａ，１０ｂの歯の方向は軸Ａｘとねじれの関係であるが、ねじれ方向は互いに逆向きである。例えば、はすば歯車１０ａが有するある歯の方向Ｄａと、はすば歯車１０ｂが有する当該歯に最も近い歯の方向Ｄｂとを比較すると、これらの方向Ｄａ，Ｄｂは、軸Ａｘに垂直であり、かつ、はすば歯車１０ａ，１０ｂから等距離の位置に存在する面に対して対称の関係にある。なお、やまば歯車１０は、筒状の部品であり、内周には、図１Ａに示すような内歯車が形成されていても良い。

はすば歯車１０ａ，１０ｂが向かい合う端面においては、歯の間に境界部２０が形成されている。すなわち、境界部２０は、一対のはすば歯車１０ａ，１０ｂを軸Ａｘに平行な方向において一体に繋げる部分である。すなわち、本実施形態において、はすば歯車１０ａ，１０ｂの間には境界部２０が存在し、境界部２０がはすば歯車１０ａ，１０ｂと一体に形成されることによって、やまば歯車１０は全体としても一体に形成されている。

境界部２０は、軸Ａｘに垂直な方向の断面の形状が、一対のはすば歯車の歯から連続する歯形となっている。図２Ａは、はすば歯車１０ａ，１０ｂの歯を模式的に示す図である。図２Ａにおいては、はすば歯車１０ａ，１０ｂの外周に形成された歯の歯先と歯元を、実線と一点鎖線とで模式的に示し、かつ、歯の向きを２次元の紙面上で模式的に示している。なお、図２Ａにおいて、軸Ａｘ方向は左右方向である。

図２Ａにおいては、はすば歯車１０ａの歯の方向が右下から左上に向けて延びる実線および破線で示され、はすば歯車１０ｂの歯の方向が左下から右上に向けて延びる実線および破線で示されている。歯の方向は、実際には３次元空間内で定義されるが、図２Ａにおいては、簡単のために２次元で示している。

図２Ａに示すように、はすば歯車１０ａ，１０ｂの歯は、はすば歯車１０ａ，１０ｂが向かい合う端面１１ａ，１１ｂにおいて、歯先と歯先とが対向し、歯元と歯元とが対向している。すなわち、はすば歯車１０ａ，１０ｂにおいては、一方の歯形と同一のピッチおよび大きさの歯形を軸Ａｘに垂直な面に対して対称な位置に配置させた状態となっている。また、軸Ａｘを中心とした周方向において、歯形の位相が一致するように構成されている。

図２Ａにおいては、はすば歯車１０ａ，１０ｂの模式図の右側に、端面１１ａ，１１ｂにおける一つの歯の歯形１２を示している。このように、はすば歯車１０ａ，１０ｂの端面１１ａ，１１ｂにおいて、はすば歯車１０ａ，１０ｂの歯の形状は同一である。

境界部２０は、はすば歯車１０ａ，１０ｂの端面１１ａ，１１ｂから、各歯から連続するように形成された歯形である。具体的には、境界部２０は、はすば歯車１０ａ，１０ｂの端面１１ａ，１１ｂの間において、はすば歯車１０ａ，１０ｂの歯の方向ＤａおよびＤｂを延長した方向に沿って歯形が形成されている。図２Ａにおいては、境界部２０が形成する歯形の歯元が一点鎖線、歯先が実線によって示されている。なお、本実施形態において、境界部２０の歯元や歯先の線は曲線的に変化し、歯元や歯先の線の方向が不連続に変化する場合と比較して、特定の部位に応力が集中しないように構成されている。

このように、本実施形態においては、はすば歯車１０ａ，１０ｂの歯先や歯元が延長されるようにして、境界部２０においてもはすば歯車１０ａ，１０ｂの歯から連続する歯形が形成されている。すなわち、軸Ａｘを中心とした周方向において、境界部２０には、はすば歯車１０ａ，１０ｂの端面１１ａ，１１ｂの歯形と同様に、歯形が形成されている。

図２Ａにおいては、境界部２０が形成する歯形２２ａ，２２ｂが示されている。すなわち、歯形２２ａは、軸Ａｘ方向における境界部２０の中央の切断線Ａで境界部２０を切断した断面に形成される歯形を示している。歯形２２ｂは、軸Ａｘ方向に垂直な切断線Ｂで境界部２０を切断した断面に形成される歯形を示している。図２Ａにおける歯形２２ａ，２２ｂで示すように、軸Ａｘ方向において境界部２０の歯元および歯先の位置は異なるが、歯形の形状はほぼ同一である。従って、境界部２０の歯形は、はすば歯車１０ａ，１０ｂの歯から連続する歯形である。以上のような構成において、やまば歯車１０を構成する一対のはすば歯車１０ａ，１０ｂは、境界部２０によって繋げられ、一体となっている。従って、歯同士が一体的に繋がっていない構成よりも、やまば歯車の強度を高めることができる。

但し、境界部２０の歯形とはすば歯車１０ａ，１０ｂの歯形とを比較すると、境界部２０の歯形は、はすば歯車１０ａ，１０ｂの歯形より小さい。すなわち、軸Ａｘを中心とした径方向における境界部２０の高さは、当該境界部２０を挟む端面１１ａ，１１ｂにおける歯の高さより低い。例えば、図２Ａに示すように、境界部２０における歯形２２ａ，２２ｂの歯元から歯先までの高さＨ２，Ｈ３は、はすば歯車１０ａ，１０ｂの端面１１ａ，１１ｂにおける歯形１２の歯元から歯先までの高さＨ１より低い。

以上の構成によれば、やまば歯車１０と同様の構成を有するやまば歯車を噛み合わせて使用する際に、やまば歯車１０のそれぞれが有する歯が、境界部２０において干渉することはない。従って、境界部２０付近において、極めて高精度に歯を形成する必要はない。境界部２０は、やまば歯車１０が噛み合わされた場合に、境界部２０において歯同士が干渉しないように高さが調整されていれば良い。従って、境界部２０の歯先の高さ（軸Ａｘを中心とした径方向における最も高い位置の高さ）が、境界部２０を挟む端面１１ａ，１１ｂにおける歯の高さより低ければよい。従って、境界部２０の歯先の高さは一定であっても良いし変化しても良い。

図２Ａに示す例において、境界部２０の歯先の高さは、軸Ａｘ方向に沿って変化し得る。図２Ｂは、やまば歯車１０の一つの歯を周方向に見て、はすば歯車１０ａ，１０ｂおよび境界部２０を周方向に垂直な平面に投影した状態を示す図である。図２Ｂに示すように、はすば歯車１０ａ，１０ｂの端面１１ａ，１１ｂの間において、境界部２０の高さＨは、軸Ａｘ方向に変化する。このように、境界部２０の高さは、噛み合わされたやまば歯車１０のそれぞれが有する歯が干渉しない範囲で種々の高さとすることができる。そして、高さが高いほど、はすば歯車１０ａ，１０ｂの歯に対して一体に連結された部位が多くなるため、はすば歯車１０ａ，１０ｂの歯の強度が高くなる。

（２）製造方法：
次に、本実施形態にかかるやまば歯車１０の製造方法の例を説明する。本実施形態において、やまば歯車１０は、三次元積層造形法によって製造される。図３Ａは、３次元積層造形法によってやまば歯車１０の形状を造形する３Ｄプリンター６０の構成例を説明する図である。３Ｄプリンター６０は、ステージ６１と、エレベーター６２と、移動部６３と、材料蓄積部６４と、制御部６５とを備えている。

エレベーター６２は、ステージ６１に取り付けられており、図示しない駆動機構によってエレベーター６２を上下に移動させることができる。エレベーター６２の上部は、水平方向に広がっており、上端において金属粉末を造形することができる。本実施形態においては、当該上端の部分を造形部と呼ぶ。図３Ａにおいては、造形部に存在する材料を材料Ｍｔとして示している。

移動部６３は、図示しない支持部に支持されており、図示しない駆動機構によって水平方向に移動する。移動部６３は、下方の造形部に向けて金属粉末を吐出するノズル６３ａを備えている。ノズル６３ａは図示しない機構により、レーザー、金属粉末、シールドガスを出力することが可能である。図３Ｂは、ノズル６３ａから出力されるレーザーＬｂ、金属粉末Ｍｐ、シールドガスＳｇを模式的に示す図である。シールドガスＳｇは、例えば、アルゴン等である。図３Ｂにおいては、ノズル６３ａから噴出されるシールドガスＳｇの軌道の一例を一点鎖線で示している。金属粉末Ｍｐは、当該シールドガスＳｇとともに材料Ｍｔに吹き付けられる。本実施形態においては、破線の軌道に沿って金属粉末Ｍｐが吐出される。レーザーＬｂは、ノズル６３ａの軸に沿ってノズル６３ａから材料Ｍｔに向けて出力される。

材料蓄積部６４は、金属粉末が蓄積されるタンクであり、材料蓄積部６４に蓄積された金属粉末は配管を通じて移動部６３のノズル６３ａに供給される。なお、材料蓄積部６４に蓄積される金属粉末は、ノズル６３ａから吐出可能な状態で蓄積されていれば良く、例えば、金属粉末が、後述するレーザーによって蒸発する溶剤によってペースト状とされた材料等を利用可能である。

制御部６５は、３Ｄプリンター６０の各部を制御する。すなわち、制御部６５は、ステージ６１に制御信号を出力して図示しない機構を駆動し、エレベーター６２の上下動を制御することができる。また、制御部６５は、移動部６３に制御信号を出力し、水平方向の任意の位置に移動させることができる。さらに、制御部６５は、移動部６３に制御信号を出力し、シールドガスとともに任意のタイミングで金属粉末をノズル６３ａから吐出させることができる。この際、制御部６５は、移動部６３に制御信号を出力し、任意のタイミングでレーザーを出力させることができる。

制御部６５は図示しない記憶媒体を備えており、やまば歯車１０の三次元形状情報が記憶媒体に記録されている。制御部６５は、当該三次元形状情報に基づいて、やまば歯車１０の特定方向（例えば、軸Ａｘ方向）に垂直な断面の形状を特定し、金属粉末を溶融、固化させることによって当該形状の造形を行う。

すなわち、制御部６５は、移動部６３を制御して移動部６３を移動させ、断面形状の外周およびその内部に金属粉末が吐出されるように、ノズル６３ａから、金属粉末を吐出させる。この際、制御部６５は、ノズル６３ａからレーザーを出力させる。レーザーは、造形されていない、少なくとも１層分の金属粉末を溶融させるエネルギーを有している。従って、レーザーの照射が行われると、材料Ｍｔ上に吐出された金属粉末Ｍｐが溶融、固化し、レーザーが照射された部分が一層分、造形される。なお、なお、レーザーのビーム径は各種の値とされて良いし、レーザーのパワー（Ｗ）や走査速度、ピッチ等は限定されない。

１層分の造形が行われると、制御部６５は、エレベーター６２を一層分下降させ、移動部６３を制御して次の層を造形する。エレベーター６２の下降ピッチは限定されず、例えば、１層が０．０２ｍｍ～０．０５ｍｍ程度となるように設定される。３Ｄプリンター６０においては、以上のような層毎の造形を複数回繰り返すことによりやまば歯車１０の形状を造形する。

図４は、やまば歯車１０の製造方法を例示したフローチャートである。図４に示す製造方法においては、まず、複数の金属粉末が、材料蓄積部６４にセットされる（ステップＳ１００）。金属粉末は、やまば歯車１０に要求される特性に応じた各種の金属粉末であってよい。ここでは、金属粉末としてマルエージング鋼が利用される場合を想定する。マルエージング鋼の金属粉末は、種々の組成であって良く、例えば、グレード２００，２５０，３００，３５０などの各種グレードのマルエージング鋼を利用可能である。例えば、Ｃ、Ｓｉ，Ｍｎ，Ｐ，Ｓ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｃｏ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｆｅの質量％が、それぞれ0.03以下，0.1以下，0.1以下，0.01以下，0.01以下，17.0～19.0，4.5～5.5，7.0～8.5，0.05～0.15，0.30～0.50，残部となるようなマルエージング鋼を利用可能である。また、マルエージング鋼は、ＣｏフリーやＴｉフリーのマルエージング鋼等であっても良い。

金属粉末の平均粒径は限定されないが、例えば、１５．４μｍ（Ｘ１０）～４４．３４μｍ（Ｘ９０）で分布した、平均値が２７．１１μｍ（Ｘ５０）の金属粉末を利用可能である。マルエージング鋼は、種々の態様で取得されて良く、各種のメーカーから購入しても良いし、ガスアトマイズ法等で製造されても良い。本実施形態においてマルエージング鋼の金属粉末は、マルテンサイト組織となっている。

次に、３Ｄプリンター６０の制御部６５は、ステップＳ１１０～Ｓ１２５において、３Ｄプリンター６０の各部を制御し、層毎の造形を行う。このために、制御部６５は、記憶媒体に記録された三次元形状情報に基づいて、層の数を決定し、層毎の断面形状を決定する。また、層を示す変数ｎを１に初期化する（ステップＳ１０５）。なお、変数ｎの最小値は１、最大値は層の数である。

次に、制御部６５は、移動部６３を制御し、第ｎ層の金属粉末を吐出させる（ステップＳ１１０）。すなわち、制御部６５は、移動部６３を制御し、第ｎ層の断面形状の外周及び内側に金属粉末を吐出する位置に移動部６３を移動させながら、金属粉末をノズル６３ａから吐出させ、また、レーザーを出力させる。以上の結果、第ｎ層における各種類の金属粉末の断面形状が造形される。

次に、制御部６５は、造形が終了したか否かを判定する（ステップＳ１２０）。すなわち、層を示す変数ｎの最大値まで造形が終了した場合、制御部６５は、造形が終了したと判定する。ステップＳ１２０において、造形が終了したと判定されない場合、制御部６５は、変数ｎを１増加させて（ステップＳ１２５）、ステップＳ１１０以降の処理を繰り返す。

ステップＳ１２０において、造形が終了したと判定された場合、造形部にやまば歯車１０の形状が形成された状態になる。本実施形態においては、やまば歯車１０の三次元形状を複数の断面に分割し、各断面に対応する複数の層毎に造形を行う。各層の形状が造形される際に、レーザーが照射された部分は溶融し、同一層の周囲の金属粉末と結合するとともに、直下の層の組織とも結合する。従って、三次元積層造形法によってやまば歯車１０が形成される。

以上のようにして造形が終了すると、やまば歯車１０はエレベーター６２の上端から切り離され、やまば歯車１０の周囲に存在する金属粉末が除去される。そして、当該やまば歯車１０が溶体化される（ステップＳ１３０）。すなわち、ステップＳ１１５におけるレーザーによる造形が行われた後の状態では、やまば歯車１０の内部組織が均質ではない可能性がある。例えば、固溶化された状態の組織に近い部分や、時効処理後のマルエージング鋼の組織に近い部分が偏在するなど、組織の分布が均質ではない場合がある。

そこで、本実施形態においては、溶体化を行うことでやまば歯車１０の内部の組織を均一にする。図４に示す製造方法においては、溶体化後のやまば歯車１０に対して、さらに、加工が行われるため、やまば歯車１０の組織が比較的軟らかい状態になるように溶体化が行われる。溶体化は、種々の処理であって良く、例えば、既定の昇温速度で昇温し、既定の温度（８２０℃等）を既定時間（１５分～数時間）維持し、その後、既定の降温速度で降温する処理が挙げられる。

溶体化が行われた後には、機械加工（ステップＳ１３５）または冷間成形（ステップＳ１４０）が行われる。すなわち、本実施形態においては、ステップＳ１１０～Ｓ１２５における三次元積層造形で得られた形状と、やまば歯車１０の完成時の形状とは一部が異なっている。そこで、本実施形態においては、機械加工や冷間成形で形状を最終形態の形状とする。機械加工としては、種々の加工が行われて良く、例えば、マシニング加工等が行われる。冷間成形としては、種々の加工が行われて良く、例えば、冷間鍛造やプレス加工等が行われる。

なお、冷間成形が行われた場合、転移等によって材料の位置が変動し、結晶粒界に析出物が生じる場合があり、当該析出物の局在による影響を低減したい場合には、再度溶体化が行われてもよい（ステップＳ１４５）。当該溶体化は、ステップＳ１３０と同一の条件であっても良いし、異なっていてもよい。

機械加工、冷間成形、または、溶体化が行われると、やまば歯車１０を構成するマルエージング鋼に対する時効が行われる（ステップＳ１５０）。時効は、種々の処理であって良く、例えば、既定の昇温速度で昇温し、既定の温度（４８０℃～５００℃等）を既定時間（数時間）維持し、その後、既定の降温速度で降温する処理が挙げられる。時効処理の温度や時間等は種々の値であって良く、例えば、マルエージング鋼のグレード等によって変化してもよい。いずれにしても、やまば歯車１０の組織内に、金属間化合物が析出することによって、やまば歯車１０において要求される硬さになるように、温度等の条件を選択すればよい。

やまば歯車１０の硬さが、時効後の硬さよりも、さらに硬くなっている必要がある場合、窒化が行われる（ステップＳ１５５）。窒化は、種々の処理であって良く、例えば、窒素やアンモニアの雰囲気において、既定の昇温速度で昇温し、既定の温度（４８０℃～５５０℃等）を既定時間（数時間～数十時間等）維持し、その後、既定の降温速度で降温する処理が挙げられる。なお、時効処理の温度と窒化処理の温度は近いため、窒化を行うことで時効も行うことができるのであれば、時効と窒化は同一工程で行われてもよい。

時効、窒化が行われると、仕上げ加工が行われる（ステップＳ１６０）。仕上げ加工は、例えば、やまば歯車１０の各部の寸法を設計通りの寸法に調整するための表面処理等である。仕上げ加工が行われなくても、要求される精度に達しているならば、仕上げ加工は省略されても良い。また、境界部２０など、他の部品と接触しない部分は、仕上げ加工が省略されて良い。

以上の製造方法によれば、はすば歯車１０ａ，１０ｂと境界部２０とが一体に形成されたやまば歯車１０を製造することができる。本実施形態においては、三次元積層造形によってはすば歯車１０ａ，１０ｂの歯を造形するため、歯の造形のための機械加工を省略可能である。従って、上述の先行技術のように、歯の加工に必要な工具の逃げを確保するために、２つのはすば歯車１０ａ，１０ｂを離して配置する必要はない。このため、本実施形態においては、はすば歯車１０ａ，１０ｂ同士を過度に遠ざける必要がなく、しかも、はすば歯車１０ａ，１０ｂの歯が境界部２０と一体に連結されているため、歯の強度を高めることができる。

（３）他の実施形態：
以上の実施形態は本発明を実施するための一例であり、他にも種々の実施形態を採用可能である。例えば、図３Ａに示される３Ｄプリンター６０の構成は、一例であり、他にも種々の構成が採用されてよい。例えば、移動部６３の数やエレベーター６２の数、材料蓄積部６４の数やこれらの態様は図３Ａに示された構成に限定されず、種々の態様であって良い。また、三次元積層造形の順序も種々の順序であって良い。

さらに、三次元積層造形の手法は、３Ｄプリンター６０のような指向性エネルギー堆積法に限定されない。例えば、上述のようなインクジェット方式（ノズルから材料を吐出する方式）において、電子ビームによって金属粉末が溶融されても良い。他にも、金属粉末の蓄積部からコーター等によって金属粉末を造形部に移動させて三次元造形を行うパウダーベッド方式や、溶融物堆積法、シート積層法、バインダージェット法など、各種の手法を利用可能である。

さらに、三次元積層造形法によって部品を製造する際の材料は、マルエージング鋼に限定されない。例えば、鉄、ステンレスなどの鉄鋼系の金属粉末、アルミニウム、チタン、インコネル、銅などの各種の金属がベースとなった合金粉末が利用されて良い。むろん、単一の金属の粉末が利用されても良い。製造方法のフローチャートも、図４に示すフローに限定されず、各種の変更、例えば、工程の追加、省略等が行われてもよい。例えば、３Ｄプリンター６０によってやまば歯車１０の完成品の形状を造形可能であれば、ステップＳ１３５の機械加工、ステップＳ１４０の冷間成形、ステップＳ１４５の溶体化が省略されても良い。

上述の実施形態において、はすば歯車１０ａ，１０ｂと境界部２０とは、同一の材料で形成されているが、これらの少なくとも一部が異なる材料で形成されても良い。例えば、境界部２０は、他の部品と接触しない部分であるため、軽量性、防振性、延性などに優れる材料を採用すれば、軽量化、ギヤノイズ低減、耐衝撃特性の向上を図ることが可能である。また、はすば歯車１０ａ，１０ｂにおいて、歯同士が接触する表面以外の部位、例えば、はすば歯車１０ａ，１０ｂの内部を表面と異なる材料で形成してもよい。材料に選択の自由度がある点に関しては、後述する実施形態においても同様である。

さらに、やまば歯車を構成する歯の形状等は、図２に示す構成に限定されず、種々の態様であって良い。図５Ａ，図５Ｂは、第２の実施形態にかかるはすば歯車１００ａ，１００ｂの歯を図２Ａ，図２Ｂと同様の手法で模式的に示した図である。図５Ａにおいても、図２Ａと同様に、はすば歯車１００ａ，１００ｂの外周に形成された歯の歯先と歯元を、実線と一点鎖線とで模式的に示し、かつ、歯の向きを２次元の紙面上で模式的に示している。また、図５Ａ，図５Ｂにおいても軸Ａｘ方向は左右方向であり、図５Ａの右側には歯の断面の形状（歯形）が示されている。

図５Ａに示すように、はすば歯車１００ａ，１００ｂの歯は、軸Ａｘ方向の中央において、歯先と歯先とが対向し、歯元と歯元とが対向している。すなわち、はすば歯車１００ａ，１００ｂにおいては、一方の歯形と同一のピッチおよび大きさの歯形を軸Ａｘに垂直な面に対して対称な位置に配置させた状態となっている。また、軸Ａｘを中心とした周方向において、歯形の位相が一致するように構成されている。

本実施形態においては、図５Ａに示すように、はすば歯車１００ａ，１００ｂの歯同士が軸Ａｘ方向の中央で接している。当該軸Ａｘ方向の中央の部分は、はすば歯車１００ａ，１００ｂの歯同士が一体に繋がっており、かつ、はすば歯車１００ａ，１００ｂの歯から連続する同一形状の歯形である。従って、本実施形態においては、当該部分が境界部２００である。

具体的には、本実施形態において、はすば歯車１００ａ，１００ｂおよび境界部２００の歯形は同一である。図５Ａにおいては、境界部２００（切断線Ａ）および切断線Ｂにおいて軸Ａｘに垂直な方向にやまば歯車１００を切断した場合の歯形２２０ａ，１２０を示している。これらの歯形は、図５Ａに示すように、同一の形状である。すなわち、歯形の高さＨ１＝Ｈ２であり、歯幅や歯面等も同一である。歯形は、軸Ａｘに垂直な断面のどの位置であっても同一である。

従って、本実施形態にかかる、はすば歯車１００ａ，１００ｂにおいて、各歯は、方向Ｄａ，Ｄｂに沿って延びており、かつ、境界部２００で連結された状態になっている。このような構成のやまば歯車１００は、上述の図４に示す製造方法と同様の製造方法で製造可能である。むろん、ステップＳ１１５においては、本実施形態におけるやまば歯車１００の断面形状に対応した形状の造形が行われる。

本実施形態においては、はすば歯車１００ａの歯が軸Ａｘ方向において、やまば歯車１００の全長の１／２に渡って存在し、はすば歯車１００ｂの歯が軸Ａｘ方向において、やまば歯車１００の全長の１／２に渡って存在する。従って、軸Ａｘ方向に制約がある場合においては、はすば歯車１００ａ，１００ｂの歯同士が離れた位置で対向している構成と比較して軸Ａｘ方向の歯の長さが長くなるため、強度が向上する。また、本実施形態においては、軸Ａｘ方向の全長の１／２ずつ、を歯幅とすることができ、はすば歯車１００ａ，１００ｂの歯が離れた位置で対向する構成と比較して、歯当たり面積を増大させることができる。従って、歯当たりの際に作用する力を分散させることができ、歯の耐疲労性を向上させることができる。

なお、境界部２００においては、僅かな寸法精度の誤差による干渉が発生しないようにするため、干渉防止のための構造が設けられていると好ましい。例えば、少なくとも、境界部２００の近傍において、歯筋丸みやクラウニングを設け、やまば歯車１００が噛み合わされ、回転された場合において干渉が発生しないように構成されていても良い。

図６Ａ，図６Ｂは、第３の実施形態にかかる、はすば歯車１０１ａ，１０１ｂの歯を図２Ａ，図２Ｂと同様の手法で模式的に示した図である。図６Ａにおいても、図２Ａと同様に、はすば歯車１０１ａ，１０１ｂの外周に形成された歯の歯先と歯元を、実線と一点鎖線とで模式的に示し、かつ、歯の向きを２次元の紙面上で模式的に示している。また、図６Ａ，図６Ｂにおいても軸Ａｘ方向は左右方向であり、図６Ａの右側には歯の断面の形状（歯形）が示されている。

図６Ａ，図６Ｂに示す構成と、図２Ａ，図２Ｂに示す構成と、では、境界部２０１における歯形の変化方向が異なっている。すなわち、図２Ａ，図２Ｂに示す構成においては、端面１１ａ，１１ｂの間で歯先や歯元の線は曲線的に変化するが、図６Ａ，図６Ｂに示す構成においては、端面１１１ａ，１１１ｂの間で歯先や歯元の線は直線的に変化する。当該構成以外において、両実施形態の構成は同様である。

以上のような構成においても、端面１１１ｂにおける歯形１２１より、境界部２０１の歯形（例えば、切断線Ａ，Ｂにおける歯形２２１ａ，２２１ｂ）の方が小さい。例えば、歯形２２１ａ，２２１ｂの高さＨ２，Ｈ３は同一であるが、歯形１２１の高さＨ１より低い。なお、高さＨ２，Ｈ３は高さＨ１より小さければ良いが、本実施形態においては、図６Ｂに示すように、高さＨ２，Ｈ３が一定の値Ｈとなっている。

以上の構成によれば、噛み合わされたやまば歯車１０１のそれぞれが有する歯が、境界部２０１において干渉することはない。従って、境界部２０１付近において、極めて高精度に歯を形成する必要はない。また、やまば歯車１０１を構成する一対のはすば歯車１０１ａ，１０１ｂは、境界部２０１によって繋げられ、一体となっている。従って、歯同士が一体的に繋がっていない構成よりも、やまば歯車１０１の強度を高めることができる。

図７Ａ，図７Ｂは、第４の実施形態にかかる、はすば歯車１０２ａ，１０２ｂの歯を図２Ａ，図２Ｂと同様の手法で模式的に示した図である。図７Ａにおいても、図２Ａと同様に、はすば歯車１０２ａ，１０２ｂの外周に形成された歯の歯先と歯元を、実線と一点鎖線とで模式的に示し、かつ、歯の向きを２次元の紙面上で模式的に示している。また、図７Ａ，図７Ｂにおいても軸Ａｘ方向は左右方向であり、図７Ａの右側には歯の断面の形状（歯形）が示されている。

図７Ａ，図７Ｂに示す構成と、図２Ａ，図２Ｂに示す構成と、では、境界部２０２における歯形の変化方向が異なっている。すなわち、図２Ａ，図２Ｂに示す構成においては、端面１１ａ，１１ｂの間で歯先や歯元の線は歯先や歯元の方向Ｄａ，Ｄｂに沿って変化するが、図７Ａ，図７Ｂに示す構成においては、端面１１２ａ，１１２ｂの間で歯先や歯元の線は軸Ａｘと平行な方向に直線的に変化する。当該構成以外において、両実施形態の構成は同一である。

以上のような構成においても、端面１１２ｂにおける歯形より、境界部２０２の歯形の方が小さい。例えば、切断線Ａにおける歯形２２１ａの高さＨ１は、はすば歯車１０２ｂの端面１１２ｂにおける歯形１２２の高さより低い。なお、境界部２０２における歯形２２１ａの高さは、はすば歯車１０２ｂの端面１１２ｂにおける歯形１２２の高さより低ければよく、図７Ｂに示すように、軸Ａｘ方向において変化しても良い。

以上の構成によれば、噛み合わされたやまば歯車１０２のそれぞれが有する歯が、境界部２０２において干渉することはない。従って、境界部２０２付近において、極めて高精度に歯を形成する必要はない。また、やまば歯車１０２を構成する一対のはすば歯車１０２ａ，１０２ｂは、境界部２０２によって繋げられ、一体となっている。従って、歯同士が一体的に繋がっていない構成よりも、やまば歯車１０２の強度を高めることができる。さらに、図２Ａや図６Ａ等に示すように、歯先や歯元が軸Ａｘ方向に対して傾斜した方向に向けて延びる構成と比較して、境界部２０１を形成するために必要な材料の量を少なくすることができる。

やまば歯車を構成するはすば歯車は、軸に対して傾斜した方向に歯が形成されていることにより、平歯車等と比較して、同時に噛み合う歯の数が増加するような歯車であればよい。従って、歯の数や歯の形状、歯のピッチ、モジュール、ダイヤメトラルピッチ、圧力角等の仕様は限定されず、種々の態様であって良い。

例えば、一対のはすば歯車における各歯の２つの圧力角が異なる構成が採用されてもよい。図８は、やまば歯車を構成するはすば歯車の端面を示す図である。図８においては、基準円が一点鎖線で示されており、基準円と歯面との交点と軸Ａｘとを結ぶ直線Ｌ₁，Ｌ₂が、歯面と形成する圧力角をα，βによって示している。図８に示すように、圧力角α，βは互いに異なる。このような、圧力角α，βが互いに異なる歯面をはすば歯車の歯の全ての部位で構成し、かつ、α、βを一定にしてやまば歯車１００を構成しても良い。この構成において、噛み合った場合に接する歯面の圧力角を調整することにより、歯元応力、面圧の大きさの調整等を行うことができる。

また、やまば歯車は、スラスト方向に作用する力を相殺することができるように、はすば歯車が対となって並ぶことによって構成されていれば良い。従って、歯のねじれ方向は、互いに逆向きであり、一対のはすば歯車の軸は共通である。この結果、一対のはすば歯車が境界部で一体に形成されたやまば歯車がギアとして使用された場合に、スラスト方向に作用する力が相殺するように構成されていれば良い。ねじれ方向は、種々の態様であって良く、直線状、曲線状の種々の態様であって良い。

境界部は、一対のはすば歯車を軸方向において一体に繋げる部位である。すなわち、一対のはすば歯車は、境界部を介して一体に形成される。一体に形成された状態は、別々に作成されたはすば歯車が、作成後に連結された状態ではない。はすば歯車と境界部との製造過程でこれらが一体的に形成された状態である。このため、一体的に形成されたはすば歯車と境界部との間には、典型的には、継ぎ目が存在しない。このような構造は、典型的には上述の三次元積層造形法によって形成可能である。

さらに、境界部における軸に垂直な方向の断面の形状は、一対のはすば歯車の歯から連続する歯形である。従って、軸に垂直な方向の断面においては、高さが一定の部位が全周に渡って存在するのではなく、周方向に凹凸を有し、境界部に連結されたはすば歯車の歯と類似した形状になっている。そして、境界部は、はすば歯車の歯から連続する部分に存在するため、一対のはすば歯車の歯は境界部によって繋がっており、強い強度となる。

境界部においては、はすば歯車の軸に垂直な方向の断面の形状が、一対のはすば歯車の歯から連続する歯形であればよい。すなわち、やまば歯車において、境界部は、はすば歯車の歯と独立した形状ではない。例えば、はすば歯車の歯の歯面が、はすば歯車の間に向けて延びることで得られる範囲の内側に存在することにより、２個のやまば歯車を噛み合わせた場合に、境界部がやまば歯車の歯と干渉しないように境界部の形状やはすば歯車の歯面が形成されていれば良い。

なお、境界部は、一対のはすば歯車を軸方向において一体に繋げる部分であれば良く、上述の図２Ａ，図２Ｂ等のようにはすば歯車の間に形成された０より大きい幅の部位に渡って存在しても良いし、上述の図５Ａ，図５Ｂ等のようにはすば歯車の間に形成される幅０の部分が境界部と見なされても良い。

１０…やまば歯車、１０ａ，１０ｂ…はすば歯車、１１ａ，１１ｂ…端面、１２…歯形、２０…境界部、２２ａ，２２ｂ…歯形、６０…３Ｄプリンター、６１…ステージ、６２…エレベーター、６３…移動部、６３ａ…ノズル、６４…材料蓄積部、６５…制御部

Claims (4)

1. 軸に対するねじれ方向が互いに逆向きの歯を有し、軸が共通である一対のはすば歯車と、
   一対の前記はすば歯車を前記軸方向において一体に繋げる境界部であって、前記軸に垂直な方向の断面の形状が、一対の前記はすば歯車の歯から連続する歯形である、前記境界部と、
   を備える、やまば歯車。
2. 前記軸を中心とした径方向における前記境界部の高さは、当該境界部を挟む前記歯の高さより低い、
   請求項１に記載のやまば歯車。
3. 一対の前記はすば歯車における各歯の２つの圧力角が異なる、
   請求項１または請求項２に記載のやまば歯車。
4. 請求項１～請求項３のいずれか一項に記載のやまば歯車の製造方法であって、
   前記はすば歯車と、前記境界部とを、三次元積層造形法によって一体に形成する、
   やまば歯車の製造方法。

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