JP4630297B2 - 歯車装置およびそれを有する印刷機用アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は歯車装置に係り、特に印刷機用アクチュエータに用いて好適な歯車装置に関する。

従来の歯車装置の例が、特許文献１に記載されている。この公報に記載の画像形成装置では、部品精度を向上させてもコストアップを引き起こさないように、画像形成装置が有する駆動伝達装置に、高歯歯車からなる４対の歯車対を用いている。そして、加圧駆動ユニットの回転軸と加圧ユニットの回転軸との距離を広げている。

従来の歯車装置の他の例が、特許文献２に記載されている。この公報に記載の歯車装置では、かみ合う１対の歯車のバックラッシをなくして騒音を低減するために、１対の歯車の一方を、複数の歯が形成されたリング部と、回転軸に接続したハブと、リング部と歯部とを接続する撓みアームとで構成している。そして、１対の歯車の中心間距離であるピッチ長さを、それぞれの歯車のピッチ円半径の和より短くしている。

特開２０００−７５５８２号公報 実開平５−２５０５９号（実願平３−７４００４号）のＣＤ−ＲＯＭ

上記特許文献１に記載の画像形成装置では、歯車対を高歯として、頂隙（歯底と相手歯車歯先との間にできるすきま）部を除いた歯のたけを２モジュールより大きくしている。そのため、かみ合い長さが増加し、中心距離増加側の誤差に対して、回転ムラの増加を抑制できる。ところで、画像形成装置では小型化が要求されており、画像形成装置を構成する歯車装置にも小型化の要求が高まっている。歯車装置を小型化するためには、小歯車の歯数を８〜１０枚程度まで減少させるのが最も手短な方法である。

歯車の歯数を低減する場合、小歯車に大きな正転位を与えて、歯の切り下げを防止する。小歯車に正の大転位を与えると、歯先の歯厚が転位しない場合よりも薄くなる。しかしながら、小歯車を高歯歯車で形成するためには、歯先の歯厚に余裕が必要であり、上述したように小歯車の歯数が少ないと、正転位により歯先の歯厚が減少するから、小歯車を高歯とすることが困難になる。したがって、大減速比の歯車装置では、中心距離に誤差があっても回転ムラが生じにくくするために、大歯車側を積極的に高歯とし、並歯の小歯車と組み合わせざるを得ない。

大歯車だけを高歯にすると、大歯車の歯末のたけは、頂隙部を除いた小歯車の歯元のたけよりも、一般的には大きくなる。このとき小歯車の歯先は、小歯車の歯元付近にできる干渉点（大歯車と小歯車とのかみ合いにおける作用線と基礎円との接点であって、インボリュート曲線の起点）よりも歯元側に入り込もうとし、インボリュート干渉と呼ばれる干渉を引き起こすおそれがある。

上記特許文献２に記載の歯車装置では、確かにバックラッシの低減が図られる。しかしながら、歯車の構成が複雑であり、かつ弾性ハブのように常時高い応力が部材に作用するので、事務用機器等の高い信頼性を求められる機器への適用が難しい。

本発明は、上記従来技術の不具合に鑑みなされたものであり、その目的は、歯車装置が大減速比であっても、中心距離誤差の増大に対して回転ムラを増大させないことにある。本発明の他の目的は、歯車装置の信頼性を向上させることにある。

上記目的を達成する本発明の特徴は、インボリュート歯形を有する駆動歯車と従動歯車からなる歯車対を有する歯車装置において、駆動歯車と従動歯車の少なくともいずれかを高歯歯車とし、これら駆動歯車と従動歯車とをバックラッシなくかみ合わせたときに一方の歯車の歯先円が他方の歯車の干渉点に位置するようにしたことにある。

そしてこの特徴において、一方の歯車が従動歯車であり、他方の歯車が駆動歯車であるのがよく、駆動歯車および従動歯車は転位歯車であってもよい。また、駆動歯車と従動歯車の少なくともいずれかが、樹脂製であってもよい。

上記目的を達成する本発明の他の特徴は、印刷用紙に印刷媒体を転写する感光ドラムと、この感光ドラムから転写された印刷媒体を印刷用紙に定着させる定着装置とを備え、電動機部で発生したトルクを感光ドラムに伝達する印刷機用アクチュエータが、上記いずれかの特徴を有する歯車装置を、電動機部と感光ドラム間に設けていることにある。

そしてこの特徴において、電動機部は、小歯車と一体化した入力軸とこの入力軸の軸端部に取り付けたカップ型の電動機ロータと、このカップ型の電動機ロータの内周面に取り付けた永久磁石とを有するのが好ましく、大歯車と一体的に出力軸を構成し、この出力軸をカップリングを介して、感光ドラムの回転軸に接続するのが望ましい。

本発明によれば、歯車対を有する歯車装置において、歯車対の一方の歯車を高歯として大減速比としても、インボリュート干渉が発生しない範囲でかみ合い長さが最大となるので、中心距離誤差の増大に対して回転ムラが増大しない。これにより、歯車装置の信頼性が向上する。

以下、本発明に係る歯車装置の一実施例を、図面を用いて説明する。本実施例では、印刷機用アクチュエータ５０に、歯車装置１を用いている。図２は印刷機用アクチュエータ５０の上面図、図３は図２に示した印刷機用アクチュエータ５０が備える歯車装置１の上面断面図である。

印刷機用アクチュエータ５０は、シート状の印刷用紙９にトナー等を印刷する印刷部７と、この印刷部７のドラム軸４に軸継手３を介して接続された歯車装置１とを有している。印刷部７は、印刷用紙９の進行方向１０に間隔をおいて垂直に配置された感光ドラム５と定着装置８とを有している。感光ドラム５は、この感光ドラム５の中心部を貫通し、感光ドラム５と同軸で一体化されたドラム軸４を有している。ドラム軸４の両端部は、図３に示した転がり軸受２６で回転自在に支承されており、軸受２６は軸受台６に保持されている。感光ドラム５で感光した印刷用紙９は定着装置８に運ばれ、表面にトナー等が定着される。

図３を参照して、歯車装置１は、電動機部２７と減速部とから構成されている。フレキシブルな軸継手３を介して接続される減速部では、直方体状の歯車箱２２内に、詳細を後述する大小歯車２５，１７からなる一対の歯車対が収容されている。歯車箱２２の反軸継手側は、電動機部２７の一部をも形成するカバー２１で覆われている。大歯車(従動歯車)２５の中心部を形成する出力軸２は、カバー２１および歯車箱２２に形成した貫通孔に保持した出力軸転がり軸受２３，２４で回転自在に支承されている。

大歯車２５に噛み合うはすばの小歯車（駆動歯車）１７が形成された入力軸１６は、小歯車１７の部分が歯車箱２２内に収容されている。入力軸１６は電動機部２７に延在している。カバー２１は、入力軸１６が配置された部分に円筒状の突起が形成されており、この突起は電動機部２７の一部を形成する。

カバー２１の突起の内周部には、入力軸１６を回転可能に支承するために、入力軸転がり軸受１４，１５が軸方向に間隔をおいて保持されている。円筒状の突起の外周表面には、薄い層が配置されており、この層の外表面側にはステータコア１２が保持されている。ステータコア１２と僅かな隙間をおいて、永久磁石１３が対向配置されている。永久磁石１３は、カップ状に形成された電動機ロータ１１の内周面に保持されている。

カップ状に形成された電動機ロータ１１の中心部であって内面側は、入力軸１６の軸端に接続されている。カバー２１の平坦部（図３の上部）には、基板２０が配置されている。基板２０上には、コントローラ１９が搭載されている。コントローラ１９は、ステータコア１２に電気配線１８で連結されている。基板２０やステータコア１２は、感光ドラム５を駆動する電動機部２７を形成する。

以上のように構成された印刷機用アクチュエータ５０では、歯車装置１と印刷部７を稼動すると、コントローラ１９で発生した回転信号が電気配線１８を介してステータコア
１２へと伝達される。そして、電動機ロータ１１と、この電動機ロータ１１に同軸に形成された駆動歯車１７が回転する。駆動歯車１７の回転と同期して、駆動歯車１７とかみ合う従動歯車２５が回転する。従動歯車２５に同軸に出力軸２が形成されているので、出力軸２も回転し、出力軸２に連結されたドラム軸４が回転する。これにより、感光ドラム５が回転し、印刷用紙９にトナーが転写される。それとともに、印刷用紙９は、進行方向
１０に移動する。進行方向１０に移動して定着装置８に届いた印刷用紙９では、その表面に転写された画像が、定着装置８で定着される。一連の印刷のプロセスが形成される。

上述したように、事務用機器である印刷機では、粉末状のインクであるトナーを感光ドラム５の表面に分布させ、このトナーを印刷用紙９の表面に転写しているが、印刷用紙９上に正確に画像を複製するためには、印刷用紙９の送り速度に対して、感光ドラム５の回転速度を一定にしなければならない。一般に、感光ドラム５の回転ムラが０.３％ を超えると、画質の劣化が顕著になる。さらに、このような印刷機に用いる電動機は、安定した回転を得るために、毎秒数十回転程度の速度で運転する必要がある。これに対して、感光ドラム５に要求される回転速度は、毎秒数回転程度である。結果として、電動機と感光ドラム５との間には、減速比が１０以上の歯車装置１を配置せざるを得ない。すなわち、小形で低トルクの電動機を用いて、感光ドラム５を低速でも安定して回転させることが求められている。

歯車装置１には、大減速比を達成できるという利点を有しているので、本実施例でも歯車減速機を用いている。しかしながら、歯車減速機では、免れ難い加工誤差等が生じるので、それに伴い歯のかみ合い周期で発生する回転速度変動（回転ムラ）が生じるおそれがある。例えば、本実施例が対象とする印刷機用の減速装置１でも、大小歯車２５，１７の対の中心距離が０.１mm 程度だけ設定距離より変化していると、回転ムラが大幅に増加する。中心距離の増減により、反かみ合い側歯面間の隙間（バックラッシ）が失われ、歯がかみ合う区間（かみ合い長さ）が短くなる等の理由で、円滑にかみ合わなくなったことに起因する。

そこで、本実施例では、大小歯車２５，１７を、以下に記載のように構成する。この様子を、図１に示した大小歯車２５，１７のかみ合い図を用いて説明する。上述したように、歯車装置１には種々の加工誤差や組立誤差が内在する。例えば、入力軸転がり軸受１４，１５と嵌合するカバー２１に設けた軸穴の位置が、設計位置とは異なる位置に形成されていると、大小歯車２５，１７の対の中心距離が、設計時とは異なる値になる。図１は、このような状況での大小歯車２５，１７のかみ合いを示している。

図１（ｂ）に、対となる大小歯車２５，１７の中心を結ぶ中心距離が、設計値に一致する基準状態の、大小歯車２５，１７のかみ合い状況を示す。小歯車１７の図示しない基礎円上に、干渉点３３が形成される。干渉点３３を起点として、作用線３２が小歯車１７および大歯車２５の歯面法線方向に伸びている。インボリュート歯形歯車を使用しているので、大小歯車２５，１７が回転すると、かみ合い点は作用線３２上を移動する。

作用線３２は、小歯車１７の歯元側で大歯車２５の歯先円３１と交わり、かみ合い開始点３４を形成する。そして、小歯車１７の歯先側で小歯車１７の歯先円３０と交わり、かみあい終了点３６を形成する。これにより、かみ合い開始点３４とかみ合い終了点３６間の距離で表されるかみ合い長さ３７の区間だけで、大小両歯車２５，１７がかみ合う。

小歯車１７は、図１で右回転するものとする。先行する歯１７ｂは、かみ合い点３５で既にかみ合っている。歯１７ｂに隣り合う歯１７ｃは、法線ピッチ３８だけ遅れて、かみ合い開始点３４でかみ合いを開始したばかりである。小歯車１７と大歯車２５の反かみ合い側歯面１７ｆには、隙間であるバックラッシ３９が設定されている。したがって、反かみ合い側歯面１７ｆ，１７ｇ同士が接触するおそれはない。

このとき、かみあい長さ３７は、法線ピッチ３８よりも長い。先行する歯１７ｂがかみ合いを終える前に、この歯１７ｂに隣り合う歯１７ｃが、かみ合いを開始する。かみあい開始点３４が干渉点３３よりも回転方向側、すなわち紙面右側にあるので、大小両歯車
２５，１７のかみ合いは、歯１７ｂのインボリュート曲線部から開始される。さらに、反かみ合い側歯面１７ｆには、バックラッシ３９が設定されているので、反かみ合い側歯面１７ｆ，１７ｇ同士が接触して異常な内力が発生するのを回避できる。上記３条件を満足すれば、大小両歯車２５，１７により形成される歯車対は、円滑な回転運動をする。

これに対して、図１（ａ）に示すように、歯車装置１を製作する上で不可避な加工誤差や組立誤差（許容公差等を含む）により、大小両歯車２５，１７の中心距離が設計値よりも増大すると、かみ合い開始点３４とかみあい終了点３６間の距離であるみ合い長さ３７が、法線ピッチ３８よりも小さくなる場合が生じる。この場合は、小歯車１７の先行する歯１７ｂのかみ合い点が、歯先に到達してもこの歯１７ｂに隣り合う歯１７ｃのかみ合いが始まらない。そのため、かみ合い点は歯１７ｃのインボリュート曲線部を外れて、歯先の稜線部へと移り、かみ合いの円滑さが失われる。

また、図１（ｃ）に示すように、種々の誤差により大小両歯車２５，１７の中心距離が設計値よりも減少すると、反かみ合い側歯面１７ｆに設定したバックラッシ３９がなくなることがある。この場合、反かみ合い側歯面１７ｆ，１７ｇ同士が接触する。反かみ合い側歯面１７ｆ，１７ｇ同士が接触すると、歯面１７ｆ，１７ｇが変形し、結果として、大きな内力が発生し、かみ合いの円滑さが失われる。

さらに、この図１（ｃ）の状態では、大歯車２５の歯先円３１が、小歯車１７の干渉点３３に接したり、あるいは小歯車１７の干渉点３３よりも中心側である歯元側に入り込む。これを、インボリュート干渉とよぶ。インボリュート干渉が生ずると、大小両歯車２５，１７のかみ合い点は、作用線３２の外に移動する。その結果、大歯車２５の歯先が小歯車１７の歯元の隅肉部と干渉し、大小両歯車２５，１７のかみ合いの円滑さが失われる。

このように、大小両歯車２５，１７で構成される歯車対では、中心距離の誤差は所定範囲にある必要がある。具体的には、誤差の許容値は、歯車対の中心距離が増加する方向では、かみ合い長さの減少量で決定される。一方、歯車対の中心距離が減少側する方向では、バックラッシがない、およびインボリュート干渉が生じないという条件で定まる。

本実施例では、この条件を満たすように、大歯車２５および小歯車１７を選定している。すなわち、大歯車２５を高歯歯車とし、図中（ｃ）に示すように、小歯車１７と大歯車２５をバックラッシ３９がなくなる中心距離でかみ合わせる。このとき、大歯車２５の歯先円３１が、小歯車１７の干渉点３３に接するようにする。換言すれば、大歯車２５の歯たけを調整するか、あるいは大小歯車２５，１７の転位係数を調整して、歯厚を調整すれば、歯車対の中心距離が減少しても、バックラッシをなくすとともにインボリュート干渉を生じないようにすることができる。

本実施例によれば、大小両歯車の中心距離の下限の許容誤差を、バックラッシなしの条件での許容誤差、またはインボリュート干渉が生じないという条件での許容誤差、のいずれか少ない方で設定していた従来の方法に比べ、統一した値で設定できるので、許容誤差を最大化することができる。また、大歯車を高歯としたので、かみ合い長さ３７を増大でき、中心距離の上限の許容誤差をも増大できる。その結果、中心距離の誤差が増大しても、回転ムラの発生を抑制できる。したがって、本実施例に記載の歯車装置を印刷機用アクチュエータに適用すれば、信頼性が向上する。

上記実施例では、大歯車だけを高歯歯車としたが、小歯車を高歯としてもよい。また、大小両歯車の歯たけが異なっていてもよい。さらに、大小歯車の駆動手段を、大小歯車のいずれに設けてもよい。なお、上記実施例では大歯車も小歯車もはすば歯車としているが、ともに平歯車であってもよい。はすば歯車の場合、間欠的なかみ合いが少なくなるのでかみ合いがより円滑になる。また、平歯車であれば加工が容易になる。

上記実施例では、小歯車の歯数を８〜１０枚にしているが、さらに大きな減速比を得るために歯数を５枚まで低減することも可能である。この場合には、上記実施例に示したようにかみ合い長さを最大化するとともに、歯のねじれ角を増して、重なりかみ合い率を増大させる。これにより、歯数が少なくても円滑なかみ合いを実現できる。

本発明に係る歯車装置のかみ合いを説明する図。 本発明に係る歯車装置の一実施例の上面図。 本発明に係る歯車装置を有する印刷機構の上面断面図。

符号の説明

１ 歯車装置
２ 出力軸
３ 軸継手
４ ドラム軸
５ 感光ドラム
６ 軸受台
７ 印刷部
８ 定着装置
９ 印刷用紙
１０ 用紙進行方向
１１ 電動機ロータ
１２ ステータコア
１３ 永久磁石
１４，１５ 入力軸転がり軸受
１６ 入力軸
１７ 小歯車（駆動歯車）
１８ 電気配線
１９ コントローラ
２０ 基板
２１ カバー
２２ 歯車箱
２３，２４ 出力軸転がり軸受
２５ 大歯車（従動歯車）
２６ ドラム軸受
２７ 電動機部
３０ 小歯車歯先円
３１ 大歯車歯先円
３２ 作用線
３３ 干渉点
３４ かみ合い開始点
３５ 先行する歯のかみ合い点
３６ かみ合い終了点
３７ かみ合い長さ
３８ 法線ピッチ
３９ バックラッシ

Claims (7)

1. インボリュート歯形を有する駆動歯車と従動歯車からなる歯車対を有する歯車装置において、前記駆動歯車と従動歯車の少なくともいずれかを高歯歯車とし、これら駆動歯車と従動歯車とがバックラッシュなくかみ合わされたときに一方の歯車の歯先円が他方の歯車の干渉点に位置するような該両歯車の配置を、該両歯車の中心間距離の許容誤差の下限に設定したことを特徴とする歯車装置。
2. 前記一方の歯車が従動歯車であり、前記他方の歯車が駆動歯車であることを特徴とする請求項１に記載の歯車装置。
3. 前記駆動歯車および前記従動歯車は転位歯車であることを特徴とする請求項２に記載の歯車装置。
4. 前記駆動歯車と従動歯車の少なくともいずれかが、樹脂製であることを特徴とする請求項１に記載の歯車装置。
5. 印刷用紙に印刷媒体を転写する感光ドラムと、この感光ドラムから転写された印刷媒体を印刷用紙に定着させる定着装置とを備え、電動機部で発生したトルクを前記感光ドラムに伝達する印刷機用アクチュエータにおいて、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の歯車装置を前記電動機部と前記感光ドラム間に設けたことを特徴とする印刷機用アクチュエータ。
6. 前記電動機部は、小歯車と一体化した入力軸とこの入力軸の軸端部に取り付けたカップ型の電動機ロータと、このカップ型の電動機ロータの内周面に取り付けた永久磁石とを有することを特徴とする請求項５に記載の印刷機用アクチュエータ。
7. 前記大歯車と一体的に出力軸を構成し、この出力軸をカップリングを介して、前記感光ドラムの回転軸に接続したことを特徴とする請求項６に記載の印刷機用アクチュエータ。

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