JP5025161B2

JP5025161B2 - 歯車

Info

Publication number: JP5025161B2
Application number: JP2006128784A
Authority: JP
Inventors: 美穂小西; 健矢園部
Original assignee: Asahi Kasei Chemicals Corp
Current assignee: Asahi Kasei Chemicals Corp
Priority date: 2006-05-08
Filing date: 2006-05-08
Publication date: 2012-09-12
Anticipated expiration: 2026-05-08
Also published as: JP2007298157A

Description

本発明は、トルク変動に影響されない剛性に優れた歯車に関する。

ポリアセタール樹脂は、金属と比較して大幅に軽量であり、自己潤滑性、静音性などに優れるエンジニアリングプラスチックである。そして、摩擦摩耗性、繰り返し衝撃性に優れるとともに大量生産が可能なことから多種の分野において歯車用途として広く利用されてきた。

近年、プリンター、複写機などのＯＡ機器の高精度化、高速化に伴い、これらのＯＡ機器の動力伝達、作動伝達等を行う歯車には、歯車を使用する最も重要な目的である回転角の角度伝達誤差の精度、及び変形のしにくさが要求されてきている。その理由は、使用状態では負荷によって歯にひずみがかかり、回転中に噛合い率が変動することにより、回転角が一様にならず動的にピッチむらが生じて回転むらとなり、この回転むらによって良質の画像が得られないことがあるためである（例えば特許文献１）。そのために、歯車材には高精度を成すだけでなく高剛性であることが要求されてきた。

剛性の高い材料にするために、結晶化度を上げるといったような樹脂自体の物性を変化させる方法と、フィラーを添加する方法が挙げられる（例えば非特許文献１）。ベース樹脂自体の剛性を上げる方法は限界があるため、多種のフィラーを添加して剛性を変化させる方法が従来技術としてとられてきたが、成形性を低下させたり、異方性、収縮むらなどが生じ、精度低下を引き起こしたりしてしまっていた。そのため、好ましいフィラーの配合量は１０重量％以下とされていた（例えば特許文献２、非特許文献２）。

また、剛性の高い、変形のしづらい歯車を得るための他の方法として、形状バランスを決めて成形時に部分加圧したり（例えば特許文献３）、熱硬化性樹脂を用いたり（例えば特許文献４）、二重射出成形（例えば特許文献５）を行ったりという方法もとられてきたが、設備導入や工程増加等コストがかかってしまうという短所があった。

一方、剛性不足により実際に使用される回転数や回転トルク下で角度伝達誤差が非常に大きくなることは既に公知の方法として述べられてきたが（例えば特許文献６）、どのように高剛性化された材料がどのように評価されることで、高いトルク変動に耐えられる歯車になるのかは現行のＪＩＳＢ１７０２（１９７６）で規定される評価方法ではあまり明確にはなっておらず、現状では動的高精度な歯車の条件としては弾性率の影響よりも静的精度の影響の方が支配的であるとされてきた（例えば非特許文献３）。

特開平８−１３７１５６号公報特開平１１−５１１５４号公報特開２００２−２３５８３５号公報特開平９−１４４８４８号公報特開２００１−３３６６０８号公報特開２００２−２３５８３５号公報日刊工業新聞社発行ポリアセタール樹脂ハンドブック初版１版Ｐ６４テナックハンドブック２００２年５月発行版Ｐ１６７成型加工学会０３年度大会発表資料ポリアセタール樹脂製歯車の回転伝達精度に関する研究

本発明は、特定の精度を有することにより得られる、高トルクに耐えられる高剛性歯車部品を提供することを目的とする。

本発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、実際の回転構造に即した形で評価ができる片歯面噛合い回転角度伝達誤差試験機を用いた評価が最適な評価方法であり、特定次数の位相差合計値が低く抑えられている歯車がトルク変動に鈍いものであることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明の歯車は、片歯面噛合い回転角度伝達誤差試験における一次〜三次、及びゲート点数次数成分の位相差合計が５．０ｍｉｎ未満であることを特徴とする。

本発明の歯車はトルク変動による変形を起こしにくい。

以下、本発明について具体的に説明する。

片歯面噛合い回転角度伝達誤差試験（以下、「片歯噛合い試験」とする）において得られる数値としては、１ピッチ噛合い誤差、全噛合い誤差のほかに、全体合成波をフーリエ変換した各次数別位相差がある。

全体合成波はその位相差を生じさせる要因をもつ次数別位相差に変換される。例えば、サンプル取り付け誤差が要因となる一次成分、歯車全体の偏心が要因となる二次成分、ゲートやウェルドなど樹脂の流れこみが要因となるゲート点数次数成分などを含む低次数成分、１歯１歯の静的精度が要因となる歯数次数成分を代表とする高次数成分などである。一次〜三次、及びゲート点数次数成分を含む低次数成分は、他の次数成分よりも歯車全体の形状に影響を受け、また、その位相差の値が大きいことにより、全体回転にうねりを与え、これが回転むらとなり、印字の際に大きく影響することになる。従って、この低次数成分にあたる一次〜三次、及びゲート点数次数成分の位相差の合計が小さくなるほど回転むらを起こさないことを本発明において見出し、その合計が５．０ｍｉｎ未満、好ましくは４．０ｍｉｎ未満を満たすものがトルク変動に強い歯車とされることを確認した。尚、トルク変動に対する強弱は片歯噛合い試験において、噛合い率及び回転速度を一定にして、トルクのみを変化させた時の全噛合い誤差の変化で比較した。

ここで規定される位相差の合計は、それぞれの歯車の回転外周で除した角度で表されるため、特に歯車寸法を規定する必要はなく、形状も軸穴を中心に回転をする歯車であれば特に限定をする必要はないが、噛合い率が高いものほどその効果は明確に現れる。また歯車の種類としては、例えば、平歯車、内歯車、ラック歯車、はすば歯車、やまば歯車、すぐばかさ歯車、はすばかさ歯車、まがりばかさ歯車、冠歯車、フェースギア、ねじ歯車、円筒ウオームギア、ハイポイドギア、ノビコフ歯車等をあげることができるがこれも特に限定を必要とはしない。

本発明の歯車は、ＡＳＴＭ−Ｄ７９０に定められる曲げ弾性率が３３００ＭＰａ以上であるポリアセタール樹脂組成物を成形して得ることができる。

この様な樹脂組成物を得る方法としては、ポリアセタール樹脂自体の曲げ弾性率を上げる方法と、フィラーを添加して曲げ弾性率を上げる方法が挙げられる。

ポリアセタール樹脂自体の曲げ弾性率を上げる方法としては、結晶化度を上げたり、分子量を下げたりする方法があるが、これらの方法に限定されるものではない。

ここで、ポリアセタール樹脂は、オキシメチレン基（−ＣＨ₂Ｏ−）を全体の５０重量％以上含む分子構造を有するポリマーであれば特に限定されるものではなく、二種類以上のポリアセタール樹脂の混合物であっても差し支えない。

フィラーを添加する場合、その添加量は、機械的特性の観点から、ポリアセタール樹脂１００重量部に対して、５重量部を超えて１００重量部未満であることが好ましく、さらに好ましくは１５重量部を超えて６０重量部未満、最も好ましくは２０重量部を超えて５０重量部未満である。フィラー添加量がこの範囲以下では、フィラー添加の効果が出ずに、収縮による変形が生じる可能性がある。またこの範囲以上では成形性がおちたり、耐久性がもたなくなったりしてしまう可能性がある。

本発明で用いられるフィラーは、その粒径が細かく、更に粒子の平均長径（Ｌ）と粒子の平均短径（Ｄ）の比である平均アスペクト比（Ｌ／Ｄ）が小さいものほど成形品表面にてその収縮をおさえ、精度もあげることができ。具体的には、分散性と精度の関係より、平均粒径が０．０１μｍを超えて５μｍ未満であり、かつ平均アスペクト比が１０未満のフィラーが好ましい。より好ましくは、平均粒径が０．０１μｍを超えて４μｍ未満、平均アスペクト比が１０未満のフィラー、更に好ましくは平均粒径が０．０１μｍを超えて３μｍ未満、平均アスペクト比が２未満のフィラーである。

ここで、本発明では、フィラーの粒子形状においては、Ｈｅｙｗｏｏｄの定義を用いて、粒子の平面図について輪郭に接する二つの平行線の最短距離を短径、最大距離を長径とする。また、平均粒径、平均長径、平均短径、平均アスペクト比とは、単位体積中に長径Ｌｉ、短径ｄｉのフィラーがＮｉ個存在するとき、以下の様に定義する。

平均粒径＝平均長径＝ΣＬ_i ²Ｎ_i／ΣＬ_iＮ_i
平均短径＝Σｄ_i ²Ｎ_i／Σｄ_iＮ_i
平均アスペクト比Ｌ／Ｄ＝（ΣＬ_i ²Ｎ_i／ΣＬ_iＮ_i）／（Σｄ_i ²Ｎ_i／Σｄ_iＮ_i）

より具体的には、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて、検査するフィラーのサンプリングを行い、これを用いて粒子像を倍率１千倍から５万倍で撮影し、無作為に選んだ最低１００個のフィラー粒子からそれぞれ長さを測定し求める。

本発明で用いられるフィラーは、公知のフィラーであれば特に限定されるものではなく、大別して有機フィラー、無機フィラーを挙げることができる。

有機フィラーとは、ポリアセタール樹脂と比較して、融点またはガラス転移点が高い炭化水素系の微細な有機フィラーであり、例えば、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、アクリル樹脂、フェノール樹脂、フッ素樹脂、飽和または不飽和ポリエステル樹脂、脂肪族または芳香族ポリアミド樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂等の微紛、微粒子や、液晶ポリマー樹脂、ポリエーテルケトン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリサルフォン樹脂等のスーパーエンプラ樹脂の微粉、微粒子を挙げることができる。これら有機フィラーは、低分子量の樹脂の粉末、微粒子であってもよいし、高分子量、または架橋された樹脂の粉末、微粒子であってもよく、また重合によって得られた樹脂を粉砕等の機械的処理によって上記記述の形状、粒径としたものであっても差し支えない。また、これらは一種類で用いてもよいし、二種類以上の混合物で用いても差し支えない。

無機フィラーとしては、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、シリカ、石英粉末、ガラスビーズ、ガラス粉、珪酸カルシウム、珪酸アルミニウム、カオリン、タルク、クレー、珪藻土、ウォラストナイトの如き珪酸塩、酸化鉄、酸化チタン、アルミナ、酸化亜鉛の如き金属酸化物、硫酸カルシウム、硫酸バリウムの如き金属硫酸塩、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、ドロマイト等の炭酸塩、その他炭化珪素、窒化硅素、窒化硼素、各種金属粉末、マイカ、ガラスフレーク、ガラスバルーン、シリカバルーン、シラスバルーン、金属バルーン等をあげることができる。これらは一種類で用いてもよいし、二種類以上の混合物で用いても差し支えない。

ここで、粒径がより小さく、粒度分布がシャープであるといった観点から、好ましい無機フィラーとしては、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、シリカ、石英粉末、ガラスビーズ、ガラス粉、珪酸カルシウム、珪酸アルミニウム、カオリン、タルク、クレー、珪藻土、酸化鉄、酸化チタン、アルミナ、酸化亜鉛、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、窒化硼素、マイカ、ガラスフレークをあげることができ、より好ましくはカーボンブラック、カーボンナノチューブ、シリカ、ガラスビーズ、ガラス粉、珪酸アルミニウム、カオリン、タルク、クレー、酸化亜鉛、炭酸カルシウム、窒化硼素、マイカであり、さらに好ましくはカーボンブラック、カーボンナノチューブ、シリカ、カオリン、タルク、酸化亜鉛、炭酸カルシウムであり、最も好ましくは炭酸カルシウムである。

本発明の歯車部品を製造する方法に関しては特に限定されるものではなく、公知である一般的な射出成形を用いることも可能である。

以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明は、以下の実施例に制限されるものではない。

なお、以下の実施例、比較例における評価、測定方法は以下の通りである。

（１）曲げ弾性率
射出成形機（住友重機械工業（株）製「ＳＨ―７５」）を用いて、シリンダー温度２００℃、金型温度７０℃に設定し、射出５秒、保圧２０秒、冷却２５秒の射出成形条件で１／８インチの評価用試験片を得て、ＡＳＴＭ−Ｄ７９０に基づいて評価を行った。

（２）フィラーの平均粒径、平均アスペクト比
以下の装置を用いてフィラー形状を観察し、平均粒径、平均アスペクト比（平均長径および平均短径）を求めた。

ファインコーター：日本電子株式会社製
コーティング条件：３０ｍＡ、６０秒間
走査型電子顕微鏡：日本電子株式会社製
測定条件：加速電圧９．００ｋＶ、印加電流１０．０μＡ

（３）片歯噛合い試験
歯車噛合回転角伝達誤差測定機（株式会社小笠原プレシジョンラボラトリー製）を用いて、以下の条件にて片歯噛合い試験を行い、ＪＩＳＢ１７０２−１に準じて全噛合い誤差を求めた。また、測定された合成波データのフーリエ変換した値のうち、一次〜三次及びゲート点数次数の各次数成分位相差の合計値を求めた。

［測定条件］
測定条件相手歯車：モジュール０．６、ピッチ円直径６０ｍｍ、歯数１００、ネジレ角２０度のはす歯金属歯車
軸間距離６２．１５７ｍｍ、トルク０．２〜０．７８Ｎ・ｍ、回転数３００ｒｐｍ

また、負荷トルクあたりの全噛合い誤差変化値を以下の式から計算し、下記基準で評価した。
負荷トルクあたりの全噛合い誤差変化値＝｛（０．７８Ｎ・ｍの全噛合い誤差）−（０．２Ｎ・ｍの全噛合い誤差）｝／（０．７８Ｎ・ｍ−０．２Ｎ・ｍ）
◎：０．３５ｍｉｎ／Ｎｍ未満
○：０．３５ｍｉｎ／Ｎｍ以上１．０ｍｉｎ／Ｎｍ未満
×：１．０ｍｉｎ／Ｎｍ以上

また、実施例、比較例には下記成分を用いた。

＜ポリアセタール樹脂＞
（ａ−１）旭化成ケミカルズ株式会社製ポリアセタール樹脂（コポリマー）「テナック−Ｃ（登録商標）ＨＣ７５０」、ＭＦＲ＝２５ｇ／１０ｍｉｎ．
（ａ−２）旭化成ケミカルズ株式会社製ポリアセタール樹脂（コポリマー）「テナック−Ｃ（登録商標）ＨＣ４５０」を６５重量部と、旭化成ケミカルズ株式会社ポリアセタール樹脂（コポリマー）「テナック−Ｃ（登録商標）ＨＣ７５０」を３５重量部混合したもの、ＭＦＲ＝１５ｇ／１０ｍｉｎ．
（ａ−３）旭化成ケミカルズ株式会社製ポリアセタール樹脂（コポリマー）「テナック−Ｃ（登録商標）４５２０」、ＭＦＲ＝９ｇ／１０ｍｉｎ．

＜フィラー＞
［炭酸カルシウム］
（ｂ−１）白石工業株式会社製「Ｂｒｉｌｌｉａｎｔ−１５」（軽質炭酸カルシウム）
平均粒径０．２０μｍ
平均Ｌ／Ｄ＝１．０
（ｂ−２）丸尾カルシウム製「スーパーＳ」
平均粒径４μｍ
平均Ｌ／Ｄ＝１
（ｂ−３）神島化学工業株式会社製「神島８０ｎｍ」
平均粒径０．０８μｍ
平均Ｌ／Ｄ＝１
（ｂ−４）白石工業株式会社製「ＰＣ」
平均粒径１．２０μｍ
平均Ｌ／Ｄ＝２．５
（ｂ−５）白石工業株式会社製「シルバーＷ」
平均粒径２．０μｍ
平均Ｌ／Ｄ＝３．８
［ワラストナイト］
（ｃ−１）平均粒径４μｍ
平均Ｌ／Ｄ＝３０
［タルク］
（ｄ−１）平均粒径３μｍ
平均Ｌ／Ｄ＝２０

＜実施例１＞
ポリアセタール樹脂（ａ−２）１００重量部に対して、炭酸カルシウム（ｂ−１）２０重量部、ステアリン酸（川研ファインケミカル株式会社製「Ｆ−３」）０．６重量部を計量し、二軸押し出し機（池貝株式会社製「ＰＣＭ−３０」）を用いて、押出機のトップからそれぞれを添加して溶融混練し、ポリアセタール樹脂組成物（ＭＦＲ＝１２ｇ／１０ｍｉｎ．）を得た。その際、溶融混錬条件は温度２００度、回転数１５０ｒｐｍで行った。

射出成形機（ファナック株式会社製「ＲＯＢＯＳＨＯＴ α−５０ｉＡ」）を、シリンダー温度１９０℃、射出時間２秒、保圧１５秒、冷却時間１５秒に設定し、はす歯歯車金型（モジュール０．６、歯数１００、圧力角２０度、ネジレ角２０度、ゲート点数３点）を用いて、金型温度８０℃で、歯先円直径が６４．６ｍｍになるような条件で、得られたポリアセタール樹脂組成物を成形し、歯車サンプルを得た。

＜実施例２〜７、参考実施例８、比較例１〜４、＞
原料組成を表１に示す様に変更した以外は実施例１と同様にして歯車を成形した。結果を表１に示す。

本発明の歯車は、トルク変動による耐変形性に優れるため、ＯＡ、自動車、電気電子、その他工業などの各種分野で好適に利用できる。

Claims

片歯面噛合い回転角度伝達誤差試験における一次〜三次、及びゲート点数次数成分の位相差合計が５．０ｍｉｎ未満であり、ＡＳＴＭ−Ｄ７９０に定められる曲げ弾性率が３３００ＭＰａ以上である、ポリアセタール樹脂１００重量部に対して、平均粒径０．０１μｍを超えて５μｍ未満であり、かつ粒子の平均長径（Ｌ）と粒子の平均短径（Ｄ）の比である平均アスペクト比（Ｌ／Ｄ）が１０未満であるフィラーを５重量部を超えて１００重量部未満配合してなるポリアセタール樹脂組成物を成形してなることを特徴とする歯車。
前記ポリアセタール樹脂組成物が、ポリアセタール樹脂１００重量部に対して、前記フィラーを２０重量部を超えて１００重量部未満配合してなることを特徴とする請求項１に記載の歯車。
片歯面噛合い回転角度伝達誤差試験における一次〜三次、及びゲート点数次数成分の位相差合計が１．８ｍｉｎ以下である請求項１または２に記載の歯車。