JP3853563B2 - プラスチック歯車の性能試験方法及びその装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、プラスチック歯車の精度の評価を行うための性能試験方法並びに同方法を実現する性能試験装置に関するものである。
【０００２】
【従来技術及び発明が解決しようとする課題】
プラスチック歯車は、種々の機器の回転駆動伝達部品として採用されているが、近年は特にプリンター等のＯＡ機器に多用されている。ところでＯＡ機器の高性能化に伴い、充分に対応できる高品質（高精度）のプラスチック歯車が要求されるが、製出したプラスチック歯車の性能（精度、耐久性、強度）を正確に評価することができ、且つ安価に提供できる試験装置が提供されていないのが現状である。
【０００３】
従前の歯車精度確認手段として、歯形形状が設計通りの曲線（例えば正確なインボリュート曲線であるか否か）に形成されているか否かの形状精度の面からの評価がなされていた。然し歯型形状精度を確認しても、それによって直ちに歯車動作時の性能（伝達誤差）を確認できない。
【０００４】
歯車動作時の伝達誤差の計測手段として、駆動機構と連結した歯車（基準歯車）と、負荷モータと連結した測定対象の歯車とを噛み合わせて回転させ、各歯車軸にロータリエンコーダを付設し、エンコーダからのパルス信号の位相差を計測し、当該位相差に基づいて両歯車の伝達誤差を測定する手法が知られている。
【０００５】
しかし前記の手段は、基準とする歯車を理想歯車と仮定しているために、当然基準とする歯車が備えた精度誤差を補正する手段を採用していない。このため測定精度に問題がある。而も従前の前記装置は、基本的に歯車駆動によるノイズの発生防止を目的としているために、高速回転（１０００ｒｐｍ）での相対的伝達誤差測定を目的としている。
【０００６】
特にプラスチック歯車では、動作中の計測に際しては、材質の剛性が高いものでないために、負荷応力による歯車の変形を原因とする伝達誤差や、負荷応力による歯車軸の捻れを原因とする伝達誤差が生ずる。このため従前の手法をそのまま採用したとしても、プラスチック歯車製造のための精度確認に必要な性能測定は実現できない。
【０００７】
そこで本発明は、プラスチック歯車の製出精度（形状精度、材質性精度等）の確認ができる歯車性能試験方法並びにその試験装置を提案したものである。
【０００８】
【課題を解決する手段】
本発明に係るプラスチック歯車の第一の性能試験方法は、駆動機構と連結した基準歯車と、負荷発生機構と連結した試験歯車とを噛み合わせて緩やかに回転させ、試験歯車の一回転中に、基準歯車と試験歯車の回転角度を計測して伝達誤差を測定し、前記測定結果に対して、更に基準歯車と試験歯車の噛み合わせ位置を所定角度変更し、再度一回転中の伝達誤差を測定し、前記の両測定結果から基準歯車の偏心に基づく伝達誤差成分を算出し、前記成分を除去する補正を行い、試験歯車の伝達誤差を求めることを特徴とするものである。
【０００９】
また前記試験方法を実現する装置は、駆動機構に基準歯車を連結装着し、基準歯車の回転軸にロータリエンコーダを付設してなる基準駆動部と、負荷発生機構に連結し、且つ空気軸受で支持した回転軸に、ロータリエンコーダを付設すると共に、試験歯車を前記回転軸と同軸連結機能を有する取付機構を設けた測定部とを備え、少なくとも基準駆動部と測定部の何れかに、試験歯車と基準歯車との噛み合わせのための位置調整機構を設けると共に、前記噛み合わせ位置を所定角度変更した際の両ロータリエンコーダの各々の角度出力データを受け、基準歯車の偏心に基づく伝達誤差成分を算出して、基準歯車の伝達誤差成分を除去する演算処理を行って試験歯車の伝達誤差を算出する算出部とを備えてなることを特徴とするものである。
【００１０】
而して図１に示した模式図のとおり、互いに噛み合う基準歯車（１２）と試験歯車Ａとを回転させ、基準歯車（１２）の回転角度と、試験歯車Ａの設計上の回転角度との差違が伝達誤差であり、具体的には、各回転軸に装着したロータリエンコーダ（１４，２３）から出力されるパルス信号（所定回転角度毎に出力する）から回転角度の誤差を算出する。ある程度精度良く製出されたプラスチック歯車では、予測される歯車伝達誤差曲線は図２に示すとおりとなる。
【００１１】
この図２の伝達誤差曲線は、一歯毎の噛み合わせにおける伝達誤差（ａ）と、試験歯車を一回転させた際の伝達状況における伝達誤差（全噛み合い誤差ｂ）が現れることになり、特に歯形が不適正の場合には、曲線の一部に突出（ｃ）が認められるので、容易に判別できる。然し歯形精度の優れた基準歯車を採用したとしても、基準歯車の試験装置への装着時の僅かな偏心が存在すると、当該偏心を原因とする伝達誤差が測定結果に現れてくる。従って前記測定結果としての全噛み合い誤差ｂは、必ずしも試験歯車の精度（回転中心の偏心程度、歯形の配置形状精度）のみが直接測定されるものでではなく、前記の通り基準歯車の取付時の偏心による因子も含まれていることになり、この基準歯車の誤差分は当然補正する必要がある。補正手段は後述する。
【００１２】
ところで前記の計測手段を採用した際の計測時の回転速度に関しては、図３に例示するとおりである。即ち歯車の回転を１０〜１０００ｒｐｍ（基準歯車）に変化させて計測したところ高速回転である程、安定した計測が困難であったことが確認できた。その原因として、回転軸の捻れ剛性、回転速度の僅かなムラによる歯の撓み変形などが考えられ、特に剛性の低いプラスチック歯車ではその影響が大きい。このため計測結果に対して、計測装置（駆動機能）自体が備えている特性の影響をできるだけ除くためには、計測時回転は、少なくとも５０ｒｐｍ以下とし、好ましくは数ｒｐｍ程度の遅いものとして計測する。
【００１３】
また計測結果には、前記したとおり基準歯車（１２）自体が備えている伝達誤差も含まれることになる。即ち基準歯車の取付時に僅かな偏心が在った場合に、図２に示した全噛み合い伝達誤差ｂには、基準歯車の偏心を原因とした誤差も含めて現れてくる。従って前記の誤差成分の補正が必要となる。そこで基準歯車による誤差が生ずる主たる原因を、基準歯車（１２）の取付時の偏心によるものとみなした場合に、基準歯車自体の伝達誤差と、試験歯車の伝達誤差の和が全噛み合い伝達誤差とみることができる。
【００１４】
そこで噛み合わせ位置「０度」から伝達誤差を測定した場合（図４）と、噛み合わせ開始位置を「１８０度」ずらして伝達誤差を測定した場合（図５）は、共に試験歯車の伝達誤差に、基準着車の伝達誤差が加わったものとなる。従って両測定結果の差を求めると、試験歯車の伝達誤差が消去され、基準歯車の伝達誤差のみが残る。これによって当該基準歯車の補正値が求められる。
【００１５】
前記事項を回転軸の偏心による誤差とした場合の数式で説明すると、噛み合わせ位置０度からの伝達誤差は、『式１：伝達誤差＝Ｘ・Ｓｉｎ（Θ＋α）＋Ｙ・Ｓｉｎ（Θ＋β）』となり、噛み合わせ位置１８０度からは、『式２：伝達誤差＝Ｘ・Ｓｉｎ（Θ＋α）＋Ｙ・Ｓｉｎ（Θ＋β＋１８０）』となる。そして『式１−式２＝２Ｙ・Ｓｉｎ（Θ＋β）』となり、当該測定装置の基準歯車の偏心による伝達誤差が求められる。尚前記中、Ｘ：試験歯車の伝達誤差振幅、Ｙ：基準歯車の伝達誤差振幅、α：試験歯車の伝達誤差位相ずれ、β：基準歯車の伝達誤差位相ずれを示す。
【００１６】
従って歯車の伝達誤差の測定に際しては、基準歯車と試験歯車の噛み合わせで伝達誤差を測定し、次に基準歯車と試験歯車との噛み合わせ位置を１８０度ずらして再度伝達誤差を測定する。そして両測定結果の差を求めて二分すると、基準歯車の伝達誤差（偏心による誤差成分：回転角度関数として得られる補正値）を求められる。而も前記基準歯車は測定装置の取付箇所からの取り外しを行わない限り同一になる。一旦基準歯車の伝達誤差（補正値）を算出すると、次からの試験歯車の伝達誤差の測定においては、この算出した補正値を持って補正することで各個別歯車の正しい伝達誤差に近い値が求められる。
【００１７】
勿論基準歯車の補正値算出のための伝達誤差データの獲得は、１８０度の噛み合わせ位置変更によるデータに基づくことに限定されものではなく、対比算出可能な２以上の位置からのデータであれば、任意角度のずれによるデータでも良い。尚試験歯車の歯数の相違（歯車の大小）に対しては、歯数比で定まる位相ずれを考慮して補正すれば良いものである。
【００１８】
【実施の形態】
次に本発明の実施例について説明する。図６，７は本発明の実施形態を示したもので、伝達誤差に関する歯車性能試験装置の例である。この実施形態の歯車性能試験装置は、基準駆動部１、測定部２と、算出部３とで構成される。
【００１９】
基準駆動部１は、駆動モータ１１１及び変速機構１１２を備えた駆動機構１１と、駆動機構１１の出力となる回転軸１３に設けたロータリエンコーダ１４及び基準歯車１２とで構成され、所定の緩やかな回転で基準歯車を回転させる。勿論駆動機構１１の出力軸と基準歯車１２の回転軸１３は、直接連結することが望ましいが、必要に応じて途中に適宜な伝達機構を介在させても良い。但し回転ムラを極力生じないように注意を要する。
【００２１】
測定部２は、負荷発生機構（トルク変換器）２１と、前記負荷発生機構２１と連結した回転軸２２に連結したロータリエンコーダ２３と、トルク測定器２４と、試験歯車Ａの取付機構２５から構成され、特に前記の回転軸２２の軸受けとして、空気軸受２６を採用する。
【００２０】
取付機構２５は、回転軸２２と同一軸線上に正しく試験歯車Ａを装着できれば良いもので、歯車装着軸２５１と、回転軸側の受け突起２５２と軸方向移動可能に設けた押圧軸２５３と、回転軸２２及び歯車装着軸２５１に設けたケレ２５４及びケレ受け２５５とで形成される。更に前記の取付機構２５と基準歯車１２との間には、試験歯車Ａの大小に対応して正しく基準歯車１２に噛み合うように、相対的な位置調整機能を具備する必要がある。そこで測定部２の各機構部をテーブル２７上に組み込み、テーブル２７に二次元位置調整機構或は必要に応じ三次元位置調整機構を付設することで実現できる。勿論基準駆動部１側に位置調整機構を付設しても良い。
【００２１】
尚基準駆動部１と測定部の各ロータリエンコーダ１４，２３は、回転円盤の放射状にスリットを設け、固定板のスリットを重ね合わせ、両スリットの通過光を受光トランジスタで検知し、前記トランジスタのスイッチング作用で、所定のパルス信号を出力するようにしたものである。歯車性能測定の精度は、前記のロータリエンコーダの分解能の影響が大きいので、少なくとも分解能として１万分の４度以下とし、好ましくは１万部の１度（例えばハイデンハイン社製：ロータリエンコーダＥＲＯ７２５を使用）以下の分解能が好ましい。
【００２２】
算出部３は、所定の処理プログラムを有するコンピュータ（パソコン）で構成されるもので前記ロータリエンコーダ１４，２３からのパルス信号を受け、パルス信号の計数部３１と、所定の演算処理を行う演算部３２と、測定結果を印刷表示したり、画像表示する表示出力部３３で構成される。特に計数部３１は、所定時間ｔ（計測単位で、基準歯車の所定角度回転＝ロータリエンコーダ１４の所定パルス信号入力数）に、前記ロータリエンコーダ１４，２３からのパルス信号数を計数する。演算部３２は、前記パルス信号計数値を、基準歯車１２と試験歯車Ａの歯数比による回転角度の相違を補正する歯数比補正演算を行い、更に予め計測して算出していた基準歯車自体の伝達誤差を演算処理し（最初の測定時は、試験歯車の１８０度移動させた噛み合わせを行い基準歯車伝達誤差を求めて、記憶する）て、当該試験歯車Ａの伝達誤差を算出するものである。
【００２３】
而して前記歯車性能試験装置には、試験歯車Ａを、所定の歯車装着軸２５１に装着して、取付機構２５に組み込み、テーブル２７の位置調整で、基準歯車１２と試験歯車Ａを噛み合わせ、駆動機構１１を動作させて、試験歯車Ａの伝達誤差を測定し、試験歯車Ａの性能評価を行うものである。
【００２４】
性能評価は、駆動機構１１の動作により、負荷発生機構２１で所定の負荷を負う試験歯車Ａを一回転させ、その間の各回転軸１３，２２に装着したロータリエンコーダ１４，２３からのパルス信号を受けて算出部３で処理するもので、分解能の高いロータリエンコーダを採用した場合には、前記のとおりパルス信号の計数演算処理で、基準歯車１２の補正値算出と、当該試験歯車の伝達誤差演算処理を行い、表示出力部３３から測定した伝達誤差結果を出力する。また分解能の低いロータリエンコーダを採用した場合には、ロータリエンコーダ１４，２３からのパルス信号を、歯数比補正処理を行った後に、パルス信号の位相差（伝達誤差）を算出する手段も採用できるが、前記処理は煩雑となる。計数処理の方が簡単に処理できる利点がある。そして出力結果で、当該試験歯車Ａの精度判定を行う。尚基準歯車自体の伝達誤差補正値の更新は、基準歯車１２の取付時毎に行えば良いものである。
【００２５】
また歯車の伝達誤差の最大の原因は、前記したとおり歯車の回転中心が、歯車ピッチ円中心から偏心したことによるものである。例えばピッチ円３０ｍｍの歯車で、回転中心が１μｍずれていた場合に、全噛み合い伝達誤差は、最大１３秒となる。ところで通常のベアリング構造の軸受を採用した場合には、回転ぶれとして３〜５μｍが認められる。
【００２６】
特に前記実施例に於いては、試験歯車の回動系の軸受として空気軸受２６を採用した。空気軸受は、回転時の芯振れを０．０５μｍに抑える高性能部品も知られており、空気軸受を採用することによって、前記の回転動作の芯振れを極力小さくすることができるものである。尚本願発明においては、回転時の芯振れを１μｍ以下のものを採用することが好ましい。
【００２７】
【発明の効果】
以上の通り本発明は、駆動される基準歯車と、負荷を負わせた試験歯車とを噛み合わせ、試験歯車の一回転中に、基準歯車と試験歯車の回転角度を計測して伝達誤差を測定すると共に、基準歯車と試験歯車の噛み合わせ位置の変更によって得られた基準歯車の偏心を原因とする伝達誤差成分を除去する補正を行うプラスチック歯車の性能試験方法並び前記方法を実施する装置であり、製出したプラスチック歯車の精度をより正確に測定することができ、製出したプラスチック歯車の品質（性能）評価を正確に且つ速やかに行うことができたと共に、性能評価装置を安価に提供できたものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の伝達誤差測定の説明模式図。
【図２】同測定結果の予測グラフ図。
【図３】同回転速度との関係を示す試験結果グラフ図。
【図４】同伝達誤差算出説明のグラフ図（０度開始）。
【図５】同伝達誤差算出説明のグラフ図（１８０度開始）。
【図６】同実施形態の簡易な構造説明図。
【図７】同実施形態の算出部の説明図。
【符号の説明】
１ 基準駆動部
１１ 駆動機構
１２ 基準歯車
１３ 回転軸
１４ ロータリエンコーダ
２ 測定部
２１ 負荷発生機構（トルク変換器）
２２ 回転軸

Claims (3)

1. 駆動機構と連結した基準歯車と、負荷発生機構と連結した試験歯車とを噛み合わせて緩やかに回転させ、試験歯車の一回転中に、基準歯車と試験歯車の回転角度を計測して伝達誤差を測定し、前記測定結果に対して、更に基準歯車と試験歯車の噛み合わせ位置を所定角度変更し、再度一回転中の伝達誤差を測定し、前記の両測定結果から基準歯車の偏心に基づく伝達誤差成分を算出し、前記成分を除去する補正を行い、試験歯車の伝達誤差を求めることを特徴とするプラスチック歯車の性能試験方法。
2. 噛み合わせ位置の変更を規準歯車の１８０度位置としてなる請求項１記載のプラスチック歯車の性能試験方法。
3. 駆動機構に基準歯車を連結装着し、基準歯車の回転軸にロータリエンコーダを付設してなる基準駆動部と、負荷発生機構に連結し、且つ空気軸受で支持した回転軸に、ロータリエンコーダを付設すると共に、試験歯車を前記回転軸と同軸連結機能を有する取付機構を設けた測定部とを備え、少なくとも基準駆動部と測定部の何れかに、試験歯車と基準歯車との噛み合わせのための位置調整機構を設けると共に、前記噛み合わせ位置を所定角度変更した際の両ロータリエンコーダの各々の角度出力データを受け、基準歯車の偏心に基づく伝達誤差成分を算出して、基準歯車の伝達誤差成分を除去する演算処理を行って試験歯車の伝達誤差を算出する算出部とを備えてなることを特徴とするプラスチック歯車の性能試験装置。

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