JP4618806B2

JP4618806B2 - 歯車

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Publication number: JP4618806B2
Application number: JP2006208227A
Authority: JP
Inventors: 紀毅樫村
Original assignee: Enplas Corp
Current assignee: Enplas Corp
Priority date: 2006-07-31
Filing date: 2006-07-31
Publication date: 2011-01-26
Anticipated expiration: 2026-07-31
Also published as: US7698964B2; US20080022799A1; JP2008032168A

Description

この発明は、バックラッシを低減するようにした歯車に関するものである。

プラスチック歯車は、金属歯車と比較して、軽量である点、自己潤滑性を有するために無潤滑での使用が可能である点、低騒音である点などの使用上の利点を有している。一方、プラスチック歯車の製造上の利点としては、生産性が高く、大量生産が可能である点、このため製品コストの低減が可能である点などが挙げられる。このよう利点を有するプラスチック歯車は、近年、例えば、インクジェットプリンタのギヤトレイン、自動車の動力伝達部や精密機械のギヤトレイン等に広く使用され、その使用範囲は、拡大傾向にある。

このように低騒音のプラスチック歯車であっても、使用の態様によっては、歯打ち音（騒音）が頻繁に発生して騒音となることがあった。例えば、間歇回転伝達機構に使用した場合には、相互に噛み合った２つの歯車が頻繁に回転開始と停止とを繰り返しながら動力を伝達する。このため、回転開始時には、停止中の被動側の歯車の歯に、回転開始直後の駆動側の歯車の歯が衝突することにより、一方、停止時には、先に停止した駆動側の歯車の歯に、被動側の歯車の歯が慣性によって衝突することにより、歯打ち音が発生する。そして、間歇回転伝達機構にあっては、回転開始と停止とが頻繁に繰り返されるため、頻繁に歯打ち音が発生して騒音となっていた。

このような動力伝達時の歯打ち音を防止するため、従来から、工夫を施したプラスチック歯車が案出されている。

例えば、特許文献１に開示されているプラスチック歯車は、歯の歯幅方向の両端面に、歯の肉厚を薄くするほぼ三角形状の空洞部を設けて、空洞部の周囲に山形の薄肉部を構成し、射出成形後の収縮差により、薄肉部における歯厚が、薄肉部のない部分の歯厚よりも大きくなるようにしてある。つまり、薄肉部が、薄肉部のない部分の歯面から突出するように形成されている。この歯車は、薄肉部が相手ギヤとの噛み合い初期時に柔らかく変形して衝撃を吸収するため、歯打ち音の発生を防止することができる。

特開２００３−９０４１２号公報

しかしながら、上述の従来例によると、薄肉部は、全体がほぼ同じ厚さに形成されているので、相手ギヤとの噛み合い時に一方の歯面に対応する薄肉部が、他方の歯面に対応する薄肉部に向かって変形しようとした場合でも、薄肉部における頂部近傍（歯先面に対応する部分近傍）には、この変形を阻止するような力が発生する。このため、必ずしも薄肉部の変形が円滑に行われず、トルク変動が発生しやすいという問題があった。また頂部近傍に応力が集中するため、長時間の使用により、クラックが発生しやすいという問題もあった。さらに、オーバーシュートが発生して、位置決め精度が低下するという問題もあった。

そこで、本発明は、バックラッシを解消するための薄肉部が、円滑に変形できるようにすることで、トルク変動を抑制し、また、クラック等の発生を防止し、さらに、オーバーシュートによる位置決め精度の低下を防止するようにした歯車を提供することを目的とするものである。

請求項１に係る発明は、歯車に関するものである。この発明に係る歯車は、歯の歯幅方向の両側の端面のうち、少なくとも一方側に前記端面から前記歯幅方向に向かって形成された薄肉部を備え、前記薄肉部は、前記歯の２つの歯面のうち、一方の歯面に倣って形成されるとともに、前記一方の歯面に対して、前記一方の歯面側に隣接する歯側に向かって傾斜するように形成された張り出し部と、前記歯の歯先面に倣って形成されて前記張り出し部に連続する歯先面対応部と、を有し、前記歯先面対応部の厚さは、前記相手方歯車に噛合された際、前記張り出し部の変形に伴い、変形し易いように前記張り出し部の厚さよりも薄く形成されている、ことを特徴としている。

請求項２に係る発明は、請求項１に係る歯車において、前記薄肉部は、前記２つの歯面のうち、他方の歯面に倣い、かつ前記端面から前記歯幅方向に向かって形成されて前記歯先面対応部に連続する歯面対応部を有し、前記歯面対応部の厚さは、前記張り出し部と比較して変形しにくいように、前記張り出し部の厚さよりも厚く形成されている、ことを特徴としている。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２に係る歯車において、前記薄肉部は、前記張り出し部と前記隣接する歯の前記歯面対応部との間を連続的に結ぶように歯底面に倣い、かつ前記端面から前記歯幅方向に向かって形成された歯底面対応部を有し、前記張り出し部と前記歯底面対応部との接続部の厚さは、前記相手方歯車に噛合された際に前記張り出し部が前記歯面対応部に向かって容易に変形するように、前記張り出し部及び前記歯底面対応部における他の部分よりも薄く形成されている、ことを特徴としている。

請求項４に係る発明は、請求項１乃至３のいずれか１項に係る歯車において、前記張り出し部は、前記張り出し部の歯幅方向における先端部の中に、前記歯先面対応部と前記歯底面対応部との間に配置されてピッチ円に交差する中間部を有し、前記中間部における張り出し量が最大となるように形成されている、ことを特徴としている。

請求項１の発明によれば、歯車が相手方歯車に噛み合った際に、両歯車の歯の間にバックラッシに相当する隙間が形成されるが、薄肉部のうちの張り出し部がこの隙間を埋めることができるので、バックラッシを解消することができる。また、歯先面対応部は、張り出し部の厚さよりも薄く形成されているので、相手方歯車に噛合された際に張り出し部が変形するのに伴って容易に変形することができる。このためトルク変動を抑制し、また、応力集中に起因するクラック等の発生を防止し、さらに、オーバーシュートによる位置決め精度の低下を防止することができる。

請求項２の発明によれば、張り出し部と、歯先面対応部と、歯面対応部とは、この順に連続するように形成されており、厚さについては、張り出し部と歯面対応部との間に位置する歯先面対応部が最も薄く、次に張り出し部が薄く、歯面対応部が一番厚い。この順は、そのまま変形しやすさの順になっている。つまり、噛み合い時に張り出し部が変形すると、歯面対応部は、ほとんど変形することなく反力要素となる。そして、張り出し部と歯面対応部との間で、最も変形しやすい歯先面対応部が変形することになる。

請求項３の発明によれば、張り出し部と歯底面対応部との接続部が変形しやすいので、このことによって、張り出し部の変形がさらに容易となる。つまり、張り出し部は、いずれも変形しやすい歯先面対応部と接続部とに挟まれているので、さらに変形が容易となる。

請求項４の発明によれば、張り出し部の先端部の中間部が、歯面の一部とほぼ同形に形成されており、また中間部は張り出し量が最大に設定されているので、張り出し部が変形したときに、この中間部が歯面と面一となって、歯車相互の円滑な噛み合いを妨げることはない。

以下、本発明の実施形態を図面に基づき詳述する。

＜実施形態１＞
図１乃至図５は、本発明の実施形態に係る歯車（プラスチック歯車）１を示す図である。このうち、図１（ａ）は、プラスチック歯車１の正面図である。また、図１（ｂ）は、図１（ａ）中のＡ−Ａ線に沿って切断して示す断面図である。また、図１（ｃ）は、プラスチック歯車１の背面図である。また、図２は、プラスチック歯車１の歯２を拡大して示す正面側から見た説明図である。また、図３は、図２中のＢ−Ｂ線に沿って切断して示す歯２の断面図である。また、図４は、図２中のＣ−Ｃ線に沿って切断し、拡大して示す歯２の断面図である。そして、図５は、図２中の矢印Ｄ方向から見た歯２の拡大した平面図である。

これら図１〜図５に示すプラスチック歯車１は、本実施形態においては、例えば、ポリアセタール，ポリアミド，ポリフェニレンスルフィド，ポリブチレンテレフタレート等の樹脂材料を使用して射出成形により形成された平歯車である。

プラスチック歯車１は、図１（ａ）〜図１（ｃ）に示すように、径方向の中心に、軸孔３を有するボス部４が配設されていて、ボス部４の外周面における軸方向のほぼ中央からは、径方向外方に向かってほぼ円板状のウェブ５が延びている。ウェブ５における内周側には、ウェブ５を複数等分（本実施形態では６等分）する位置のそれぞれに径方向リブ６が設けてある。一方、ウェブ５における外周側には、リム７が設けてあり、このリム７の外周面に、歯２が周方向に所定のピッチで複数形成されている。

各歯２は、図５に示すように、歯先面１１と、２つの歯面１２，１３と、歯底面１４と、歯幅方向（図５中における上下方向）に沿っての正面側の端面（一方の端面：図５中では下方に位置する端面）１５と、同じく歯幅方向に沿っての背面側の端面（他方の端面：図５中では上方に位置する端面）１６と、を有している。なお、本実施形態では、２つの歯面１２，１３のうち、歯面１２が主動力伝達面であるものとして説明する。

図２，図５に示すように、端面１５，１６のうち、正面側の端面１５からは、歯幅方向外側に向けて薄肉部２０が突設されている。薄肉部２０は、歯先面１１、両側の端面１２，１３、歯底面１４にほぼ倣って連続的に形成されている。すなわち、薄肉部２０は、歯先面１１に倣って形成された歯先面対応部２１と、２つの歯面１２，１３のうちの他方の歯面１２に倣って形成された歯面対応部２２と、歯底面１４に倣って形成された歯底面対応部２４と、２つの歯面１２，１３のうちの一方の歯面１３に対応して形成されるとともに、相手方歯車（不図示）に噛合された際のバックラッシをなくすべく隣接する歯側に向かって突出されるように形成された張り出し部２３と、を備えている。言い換えると、薄肉部２０は、図２中の左側に位置する歯底面対応部２４と、この歯底面対応部２４の右端から立ち上がる張り出し部２３と、この張り出し部２３の上端から右方に延びる歯先面対応部２１と、この歯先面対応部２１の右端から下方に下がる歯面対応部２２とが連続して１つの単位を構成し、この単位がプラスチック歯車１の外周に沿って歯２の数と同数だけ繰り返されている。なお、以下の説明では、図２に示すように、張り出し部２３と歯先面対応部２１との接続部を第１の接続部３１、また、張り出し部２３と歯底面対応部２４との接続部を第２の接続部３２、また、歯面対応部２２と歯先面対応部２１との接続部を第３の接続部３３、そして、歯面対応部２２と歯底面対応部２４との接続部を第４の接続部３４として説明を行う。

図２，図５に示すように、薄肉部２０のうちの、歯先面対応部２１と、歯面対応部２２と、歯底面対応部２４とは、それぞれ歯先面１１、歯面１２、歯底面１４をそのまま歯幅方向外側に延長して肉厚を設けたように構成されている。したがって、これら歯先面対応部２１、歯面対応部２２、歯底面対応部２４の外側の面は、この順に、歯先面１１、歯面２２、歯底面１４と面一となっている。これに対し、張り出し部２３は、これらとは異なる。すなわち、張り出し部２３は、図２，図４，図５に示すように、歯幅方向の一方の端面１５に近い基端部２３ｄが、一方の歯面１３に倣って形成され、歯幅方向の一方の端面１５から遠い先端部２３ｅが隣接する歯側に向かって突出するように、基端部２３ｄから先端部２３ｅにかけて傾斜するように形成されている。張り出し部２３は、基端部２３ｄにおいては張り出し量がゼロということになる。ここで、張り出し部２３における先端部２３ｅを、図２に示すように、境界部Ｐ１，Ｐ２を境に、３つの部分に分割して、第１の接続部３１に近い側を歯先側２３ａ、第２の接続部３２に近い側を歯元側２３ｃとし、さらにこれら歯先側２３ａと歯元側２３ｃとの間に位置する部分を中間部２３ｂとする。すると、歯先側２３ａは、第１の接続部３１に近いほど張り出し量が少なく、第１の接続部３１から離れて境界部Ｐ１に近づくほど張り出し量が多くなる。この張り出し量は、中間部２３ｂにおいて最大となり、中間部２３ｂにおいてはこの最大の張り出し量が維持されている。つまり、中間部２３ｂは、プラスチック歯車１のピッチ円（不図示）に交差するとともに、その形状が、歯面１３の一部とほぼ同形に形成されている。歯元側２３ｃは、境界Ｐ２に近いほど張り出し量が大きく、境界Ｐ２から離れて第２の接続部３２に近づくほど張り出し量が小さくなる。

上述のように、張り出し部２３は、その先端部２３ｅにおける張り出し量が、第１の接続部３１から第２の接続部３２にかけて、歯先側２３ａにおいて漸増し、中間部２３ｂにおいて最大張り出し量を維持し、歯元側２３ｃにおいて漸減するようになっている。このため、張り出し部２３は、相手方歯車の歯に対する歯２の噛み合い開始時に、接触が滑らかになり、また、歯２の噛み合い解除時における相手方歯車の歯との分離動作が滑らかになる。このため、円滑な動力伝達を可能にするとともに、作動音の低減を可能にする。また、最大張り出し量は、少なくとも噛み合う相手方歯車の歯との間に設定されるバックラッシを吸収できる程度に設定されている。

このような構成のプラスチック歯車１は、張り出し部２３が、相手方歯車によって弾性変形されることで、バックラッシを吸収できるようになっており、回転を停止した際に相手方歯車が慣性で回転しても、相手方歯車の回転エネルギーを張り出し部２３が弾性変形することによって吸収し、噛み合う歯面が相互に衝突する際の衝撃を緩和し、歯打ち音の発生を抑えることが可能になる。

さらに、本実施形態においては、薄肉部２０の厚さを以下のように設定することにより、張り出し部２３の変形が円滑に行われるようにして、トルク変動を抑制し、また、応力集中に起因するクラック等の発生を防止するようにしている。

ここで、薄肉部２０の厚さ（肉厚）について、歯先面対応部２１の厚さをＴ１、歯面対応部２２の厚さをＴ２、張り出し部２３の厚さをＴ３、歯底面対応部２４の厚さをＴ４、歯面対応部２１と張り出し部２３との接続部である第１の接続部３１の厚さをＴ５、張り出し部２３と歯底面対応部２４との接続部である第２の接続部３２の厚さをＴ６とすると、本実施形態では、これらの間に、まず、
Ｔ１＜Ｔ２，Ｔ３
が成り立つように、各厚さが設定されている。

つまり、歯先面対応部２１の厚さＴ１が、歯面対応部２２の厚さＴ２，及び張り出し部２３の厚さＴ３よりも薄くなるようにしている。これにより、歯先面対応部２１は、相手方歯車に噛合された際に張り出し部２３が歯面対応部２２に向かって変形するのに伴って、歯面対応部２２と張り出し部２３との間で容易に変形することができる。つまり張り出し部２３の変形が歯先面対応部２１によって阻害されることがない。張り出し部２３が変形しにくいことに起因するトルク変動を抑制し、また応力集中に起因するクラック等の発生を防止することができる。

次に、本実施形態においては、
Ｔ３＜Ｔ２
が成り立つようにした。

つまり、歯面対応部２２の厚さＴ２が、張り出し部２３の厚さＴ３よりも厚くなるようにした。これにより、噛み合い時に張り出し部２３が変形した場合でも、歯面対応部２２は、ほとんど変形することなく反力要素となる。そして、張り出し部２３と歯面対応部２２との間で、最も変形しやすい歯先面対応部２１が相手方歯車の歯底面に向かって変形することになる。また、歯面対応部２２をこのように、他の部分よりも厚く形成することにより、例えば、プラスチック歯車１を射出成形によって形成する場合に、厚さが薄くて溶融樹脂が充填されにくい歯先面対応部２１に対して、歯面対応部２２を介しても溶融樹脂を流し込むことが可能であるので、歯先面対応部２１に対する溶融樹脂の充填を良好に行うことができる。

さらに、本実施形態では、
Ｔ６＜Ｔ３，Ｔ４
が成立するようにした。

つまり、第２の接続部３２の厚さＴ６が、張り出し部２３の厚さＴ３及び歯底面対応部２４の厚さＴ４よりも薄くなるようにした。これにより、張り出し部２３の変形がさらに容易となる。つまり、張り出し部２３は、いずれも変形しやすい歯先面対応部２１と第２の接続部３２とに挟まれているので、一層、変形が容易となる。

さらに、
Ｔ５＜Ｔ６
が成立するようにしてもよい。この場合には、張り出し部２３の変形に伴う歯先面対応部２１の変形がさらに一層、容易になる。

また、歯先面対応部２１のうちの一部、例えば、第１の接続部３１と第３の接続部３３との間の中間に位置する部分を、歯先面対応部２１のうちの他の部分の厚さＴ１よりもさらに薄くするようにしてもよい。この場合には、歯先面対応部２１は、この「さらに薄くした部分」において一層変形しやすくなる。

なお、以上の実施形態における第１〜第４の接続部３１，３２，３３，３４における薄肉部２０の厚さの変化は、徐々に緩やかに行われるものとする。

ここで、本発明に係るプラスチック歯車１を、例えばポリアセタール（ＰＯＭ）を材料として射出成形によって形成する場合、歯先面対応部２１の厚さＴ１と、張り出し部２３の厚さＴ３と、歯面対応部２２の厚さＴ２との間に、例えば、
Ｔ１：Ｔ３：Ｔ２＝３：４：６
程度に設定するとよい。ただし、この場合、最も薄くて溶融樹脂が充填されにくい歯先面対応部２１の厚さＴ１は、溶融樹脂が支障なく充填される最小限の厚さよりも厚く設定するものとする。

また、上述のように、歯面対応部２２の厚さＴ２を、歯先面対応部２１の厚さＴ１よりも厚く形成することにより、射出成形時の溶融樹脂は、歯２から歯幅方向に歯面対応部２２及び歯先面対応部２１に供給される流れに加え、歯面対応部２２から歯先面対応部２１に供給される流れも形成することができる。これにより、溶融樹脂の充填が不十分になりがちな歯先面対応部２１に対して、多くの溶融樹脂を流し込むことが可能となる。そして、この分、歯先面対応部２１の厚さＴ１を薄く構成することができる。

以上の実施形態においては、薄肉部２０が、歯２の歯幅方向の一方の端面１５に形成されている場合を例に説明したが、本発明はこれに限定されず、歯２の歯幅方向の他方の端面１６に対しても同様の薄肉部２０を設けるようにしてもよい。ただし、この場合には、張り出し部２３は、一方の端面１５側の張り出し部２３が設けてある歯面１３側に設けるものとする。

以上の実施形態では、本発明を、平歯車に適用する場合を例に説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、はすば歯車に適用することもできる。

＜実施形態２＞
上述の実施形態１では、薄肉部２０が歯先面対応部２１と、歯面対応部２２と、張り出し部２３と、歯底面対応部２４とを有し、これらが連続して形成されている場合を例に説明した。本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、薄肉部２０が、歯面対応部２２、歯底面対応部２４を有しておらず、相互に連続する歯先面対応部２１と張り出し部２３とによって構成される場合も含まれる。ただし、この場合においても、歯先面対応部２１の肉圧Ｔ１と張り出し部２３の肉厚２３との間に、これらＴ１、Ｔ３が
Ｔ１＜Ｔ３
を満たすように設定されているものとする。

本実施形態によると、歯先面対応部２１は、張り出し部２３の変形を阻害することはなく、かつ適宜な抵抗となってバックラッシの解消にも有効に作用する。

なお、以上の実施形態では、本発明に係る歯車として、樹脂材料を使用して、射出成形によって形成したプラスチック歯車１を例に説明したが、射出成形に代えて圧縮成形や押し出し成形によって形成するようにしてもよい。さらには、樹脂材料に代えて、ゴム材料を使用して形成するようにしてもよい。

本発明の歯車は、張り出し部が噛み合う相手方歯車の歯面に接触してバックラッシを吸収するとともに、歯打ち音の発生を抑えることができるため、高精度の回転伝達が必要とされ、かつ静粛で円滑な回転伝達が必要とされる動力伝達機構に広く適用することができる。とりわけ、本発明の歯車は、回転開始と停止とを頻繁に繰り返す間歇回転伝達機構に使用されると効果的であり、インクジェットプリンタ等の画像形成装置、精密電気機器、自動車、精密機械等のギヤトレインや動力伝達装置に広く適用することができる。

（ａ）はプラスチック歯車の正面図、（ｂ）は（ａ）中のＡ−Ａ線に沿って切断して示す断面図、（ｃ）はプラスチック歯車の背面図である。プラスチック歯車の歯を拡大して示す正面側から見た説明図である。図２中のＢ−Ｂ線に沿って切断して示す歯の断面図である。図２中のＣ−Ｃ線に沿って切断し、拡大して示す歯の断面図である。図２中の矢印Ｄ方向から見た歯の拡大した平面図である。

符号の説明

１……プラスチック歯車、２……歯、１１……歯先面、１２……他方の歯面、１３……一方の歯面、１４……歯底面、１５……歯の歯幅方向の一方の端面、２０……薄肉部、２１……歯先面対応部、２２……歯面対応部、２３……張り出し部、２３ｂ……中間部、２３ｄ……張り出し部の基端部、２３ｅ……張り出し部の先端部、２４……歯底面対応部、Ｔ１……歯先面対応部の厚さ、Ｔ２……歯面対応部の厚さ、Ｔ３……張り出し部の厚さ、Ｔ４……歯底面対応部の厚さ、Ｔ６……第２の接続部の厚さ（接続部の厚さ）、

Claims

歯の歯幅方向の両側の端面のうち、少なくとも一方側に前記端面から前記歯幅方向に向かって形成された薄肉部を備え、
前記薄肉部は、
前記歯の２つの歯面のうち、一方の歯面に倣って形成されるとともに、前記一方の歯面に対して、前記一方の歯面側に隣接する歯側に向かって傾斜するように形成された張り出し部と、
前記歯の歯先面に倣って形成されて前記張り出し部に連続する歯先面対応部と、を有し、
前記歯先面対応部の厚さは、前記相手方歯車に噛合された際、前記張り出し部の変形に伴い、変形し易いように前記張り出し部の厚さよりも薄く形成されている、
ことを特徴とする歯車。
前記薄肉部は、
前記２つの歯面のうち、他方の歯面に倣い、かつ前記端面から前記歯幅方向に向かって形成されて前記歯先面対応部に連続する歯面対応部を有し、
前記歯面対応部の厚さは、前記張り出し部と比較して変形しにくいように、前記張り出し部の厚さよりも厚く形成されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の歯車。
前記薄肉部は、
前記張り出し部と前記隣接する歯の前記歯面対応部との間を連続的に結ぶように歯底面に倣い、かつ前記端面から前記歯幅方向に向かって形成された歯底面対応部を有し、
前記張り出し部と前記歯底面対応部との接続部の厚さは、前記相手方歯車に噛合された際に前記張り出し部が前記歯面対応部に向かって容易に変形するように、前記張り出し部及び前記歯底面対応部における他の部分よりも薄く形成されている、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の歯車。
前記張り出し部は、前記張り出し部の歯幅方向における先端部の中に、前記歯先面対応部と前記歯底面対応部との間に配置されてピッチ円に交差する中間部を有し、前記中間部における張り出し量が最大となるように形成されている、
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の歯車。