JP5118613B2

JP5118613B2 - 歯付きベルト

Info

Publication number: JP5118613B2
Application number: JP2008305807A
Authority: JP
Inventors: 勇次関口
Original assignee: Bando Chemical Industries Ltd
Current assignee: Bando Chemical Industries Ltd
Priority date: 2008-12-01
Filing date: 2008-12-01
Publication date: 2013-01-16
Anticipated expiration: 2028-12-01
Also published as: JP2010127442A

Description

本発明は熱硬化性樹脂材料で成形される歯付ベルトに関する。

本出願人は、特許文献１（特開２００６−１１２５７４号公報）、特許文献２（特公平５−６２６５７号公報）等芯線下部層に不織布を配置して、ベルト歯部内に不織布繊維を拡散して、抗張力体層とベルト歯部層の層間結合力が増すことが歯部の剛性に寄与し、ベルト寿命向上を図る研究開発を続け、均一に不織布繊維を拡散状態にすることにより作用・効果の向上を目論んできた。この不織布を利用した歯ピッチ８mmあるいは14mmの歯付きベルトに適用されて実用化されている。このサイズの歯付ベルトは、洗濯機や旋盤、丸鋸盤などの大きな負荷が求められる伝動ベルトに用いられている。あるいは、自転車のチェーンの代替用のゴム製伝動ベルトとして利用されている。
このような先行特許では、心線下部層に不織布を埋設することで、ベルト歯底部での保護する効果および不織布の短繊維が、動力伝達領域の歯部層へ拡散し、歯部を補強する内容となっている。
一方、一般的に精密機械に使用される３mmピッチ以下の歯付ベルトにおいても、耐久性が高く、高負荷に対応できるベルトの開発が求められている。しかし、歯が小さいことから、上記の不織布を応用することは困難であった。即ち、不織布の厚さを薄くする必要があって、製品ごとの品質を維持するためには、不織布のバラツキを抑え、厚さ、目付量の精度が必要となる。不織布の厚さ、目付量のバラツキが大きくなると、ベルト歯底面から心線中心位置までのPLDが一定しないことになり、ピッチラインが波打つことになって、速度変動や異音の原因となり、ベルトの速度精度の低下に影響する。また、不織布の短繊維が小さな歯部に分散することが困難且つ不均一となって歯部の根元部の補強効果の低減となる。不織布を用いた補強手段は、小型の精密用歯付きベルトでは、心線位置がばらつきプーリとの噛み合いが悪くなり、本来の歯付ベルトの性能を発揮しないこととなり、新たな解決手段が探求されている。

特公平５−６２６５７号公報特開２００６−１１２５７４号公報

歯元周辺部の欠けを防止して高耐久性の歯付ベルトを実現することを課題とする。

本願発明は、織布等を配置することにより耐久性を向上させた小型の歯付ベルトを完成したものである。
本発明の主な構成は次のとおりである。
（１）歯ピッチが４ｍｍ以下０．５ｍｍ以上である熱硬化性ポリウレタン製の歯付ベルトであって、芯線よりも歯部側に織布あるいは編み布が配置されている歯付ベルトであって、
使用される織布あるいは編み布が、厚みが０．１〜０．８ｍｍ、目付量が５０〜１５０ｇ／ｍ ² 、ベルト長手方向の伸度が８０〜２５０％であり、
織布あるいは編み布は、歯底部では圧縮状態であり、歯元部から歯部にかけて復元して、歯部において歯元Ｒ部の高さ以上の厚みを有することにより、
歯元部において、織布あるいは編み布が、歯元部のＲに沿って配置されていることを特徴とする歯付きベルト。

織布や編み布を介在させることにより最も圧縮応力を受ける歯元部周辺を補強することで歯が欠けにくくなり、耐久性の向上及び高負荷伝動が可能となる歯付ベルトを提供することができた。ベルトの幅を小さくしても、現状と同程度の耐久性を実現できるので、ベルトの小型化を図ることができる。ピッチが４mm以下の小型歯付ベルトであって、1.0mmピッチ以下の微小の歯付きベルトの耐久性向上を図ることができる。
精密機器、ＯＡ機器、カメラの焦点制御など高精度でスムーズな回転を得ることができる同期伝動用ポリウレタン製精密ベルトに適している。

本発明は、心線下部層に織布や編み布を埋設することで、ベルト歯底部での保護する効果および歯元部を補強して、耐久性を向上するものである。特に、高耐久性の同期伝動用ポリウレタン製精密ベルトを実現した。精密機器、ＯＡ機器、カメラなどの精密ベルトは、ピッチ４mm以下0.5mm以上の小さな歯付きベルトである。例えば、カメラの自動焦点制御用に用いる歯付ベルトは、1.0mmピッチ程度のきわめて小さな歯付きベルトであって精緻な制御が求められる。
例えば、従来の製造方法による歯ピッチ２〜３mmのポリウレタン製歯付ベルトに適用できる。織布や編み布は、厚さ、密度、伸縮性など布の品質が均一であり、不織布に比べてこれらを原因とするバラツキの発生を抑制することができる。また、織布や編み布の有する弾力性は、歯底部では圧縮され、歯部では通常状態に復元している。歯元部では、歯元部のＲ部の湾曲に沿って復元過程となっている。歯ピッチが２〜３mm程度の小型の歯は、応力が集中する歯元部分がこの復元して膨らむ部分に該当しており、応力集中する歯元部の補強を実現できる。また、歯底部では、プーリの歯が直接接触するのがこの織布あるいは編み布となるので、芯線を保護することができる。現在の２〜３mmピッチの歯付ベルトの寿命を求めるのであれば、ベルト幅を狭くすることができ、小型のベルトを適用することができる。例えば、２mmピッチで４mm幅を規格品としていたが、２mm幅とすることが可能となる。同様に３mmピッチでは６mm幅の規格品を３mm幅とすることが可能となる。あるいは、更に小さなピッチを実現することが可能となる。

１．形状、構造
図１に本発明の歯付ベルト１の概略を示す。長手方向の断面を図１（ａ）に、横断面図を図１（ｂ）に、歯元部の拡大図を図１（ｃ）に示している。背部２と歯部３から構成される合成樹脂製の歯付ベルト１であって、強度と耐久性が要求される精密機器用の伝動ベルトに適しており、背部２と歯部３の間に芯線（抗張体）４を介在させ、さらに抗張体の歯側に織布あるいは編み布５（帆布）を配置した歯付伝動ベルトである。織布あるいは編み布からなる帆布５は、歯底部６の表面では合成樹脂が含浸して圧縮されて圧縮部５２となっており、歯部では圧縮がかからず通常の厚さの状態（通常厚部５１）で存在し、歯根元部７では、織布あるいは編み布が圧縮から復元して膨らむ過程にあって復元部５３となっており、歯元部のＲ部７の屈曲に沿って存在している。この復元部５３が、歯部の応力集中部分に該当して、歯部の強度を向上させ耐久性を向上させる機能を果たしている。この歯付ベルト１は、現行のピッチ２〜３mmの歯付きベルトに適しており、高精度、高耐久性など品質の向上を実現することができる。現状の、耐久性などの品質を求める場合は、小型化することが可能となる。更に、ピッチ1.0mm以下の微小歯付きベルトに適用できる。

歯付ベルトの歯部は、歯底部６から歯元部７でカーブをして立ち上がり、歯先側に向けて方向を変えてカーブして形成されている。この歯のカーブの変曲点より歯底側に位置する歯元部７に応力が集中し易い構造となっている。この応力集中が歯付ベルトの損傷の原因になることが多い。本発明の歯付ベルトは、織布等が歯元部のカーブ（Ｒ）に沿って存在していて、補強されている。図１（ｃ）に模式的に示されている。即ち、織布等の帆布５は、無加圧状態では通常の厚さ（Ｄ）である通常厚１１であり、歯底部６では圧縮されて厚さ（ｄ）である圧縮部厚１２となっており、歯元７のカーブＲに沿った歯元部５３に相当する復元部５３では、圧縮状態から通常厚に復元する状態にある。復元部５３に存在する織布等がポリウレタンを補強していると考えている。歯元のＲを覆うことができるように歯元部の高さ（ｒｈ）である歯元部高１４以上となるように復元する厚さ（Δｄ）が確保されることが好ましい。この復元部厚１３の厚さは、「Δｄ＝Ｄ−ｄ」である。歯底部６では圧縮された織布等の帆布５が芯線４を保護する機能も果たしている。圧縮された帆布が不安定になると、芯線の位置も不安定となるので、保護機能と芯線の位置安定性とのバランスが求められる。

２．構成要素
（１）ベルトを構成する合成樹脂の種類は、熱硬化性ポリウレタン樹脂が実用的に優れている。
（２）芯線は（「抗張体」とも言う）は、張力の強い繊維であって、ガラス繊維、ポリアミド繊維、ポリアラミド繊維等が使用される。モノフィラメント、マルチフィラメント等フィラメントで構成された抗張体が望ましい。通常は、マルチフィラメント(フィラメントを撚糸したもの)の抗張体が用いられている。

（３）織布あるいは編み布は、芯線より歯部側に配置されており、歯底部において、プーリーが直接芯線に接触することを防止すること、歯元部を強化する機能を果たしている。また、製法上歯形を形成した内金型に巻き付けられ、その上からウレタンプレポリマーが浸透透過して歯形の凹部に注入されることとなるので、透過性を阻害してはいけない。
布の種類は、織布あるいは編み布が適しており、前記した復元厚さを確保できることが重要である。
復元量を確保できる厚さ、目付量、厚さ方向の弾力性などを加味して選択する。また、圧縮した状態で薄く、均一な厚さが確保できることが好ましい。そして、ベルトは長手方向に屈曲するので長手方向の伸縮性などの物性に着目して選択する。長手方向の伸縮は復元部での復元の難易性に影響する。伸びやすさは、復元部において歯元カーブに添い易くなり、歯元の補強に寄与する。
また、ウレタンプレポリマーの浸透性を確保するには、目が詰まりすぎているのは不適当である。以下、織布と編み布を併せて織布等と称する場合がある。
各種試験をした結果、織布は、厚みが0.1〜0.8mm、目付量が50〜150g/m^２、平織りであることが好ましい。更に、ベルトは長手方向に引っ張り応力を受けるので、ベルト長手方向の物性として、ベルト長手方向に埋設される方向の織布密度が85〜250本／インチ、ベルトの長手方向に配置される方向の織布強度が100N／３cm上、ベルトの長手方向に配置される方向の織布伸度が80〜250％を備えることが好ましい。繊維密度は、歯元部のカーブでの復元の滑らかさに影響する。例えば、モノフィラメント布表面が粗くなってしまい、ポリウレタンの地部分が大きくなって、補強分布がまだらになってしまう。
具体的な、選択は使用目的などを加味して、設計する。
編み布に関しても織布と同様の観点で選択することができる。編み布はループを利用して、長手方向の伸びを調整することができる。
本実施例では、２mmピッチの歯付ベルトでは、織布の方が性能向上に大きく寄与し、３mmピッチの歯付きベルトでは編み布の方が性能向上寄与大であるとの結果となっている。

織布は、平織り、綾織り、朱子織り及びこれらのバリエーションの織りを用いることができる。
緯糸の材質は、66ナイロン、46ナイロン、６ナイロン等の各種ナイロン、ポリケトン繊維、アラミド繊維、ポリエステル繊維の化学繊維が適している。緯糸に仮撚り加工を行って伸びを発現できる。経糸の材質は、66ナイロン、６ナイロン等のナイロン繊維、ポリエステル、アラミド等の各種化学繊維及び綿等の天然繊維を用いることができる。重量は、50〜300ｇ／ｍ^２が望ましく、厚みは0.1〜0.8mmが好ましい。織布の例を表１に示す。

なお、従来用いられていた不織布は、ノンバインダーの低密度の嵩高であり、樹脂素材を注入した際に拡散性を持たせることが重要であり、嵩高のポリエステル不織布、嵩高ポリアミド不織布などが用いられてる。不織布の目付量は、歯ピッチ８〜14mmの歯付ベルトにおいて、不織布の目付量を200ｇ／ｍ²〜600ｇ／ｍ²が用いられている。背景技術でも述べたように、不織布繊維を歯部内に分散させるためにノンバインダーが用いられており、本願発明が対象とする４mmピッチ以下の小さな歯部を備えた歯付ベルトに適用できるムラのない品質の安定した薄い不織布を得ることが難しいので、不織布は適していない。また、バインダーを用いた場合は、ポリウレタン樹脂の歯部への注入不良が発生し、歯部の成形不良となるので、採用することは困難である。

（４）本発明の歯付ベルトは、ピッチ0.7〜４mm程度の小型の歯付きベルトであって、精密制動が求められる事務機器や精密機械の動力伝達用の伝動ベルトに適している。

３．製法
本発明の製造方法は、歯形を設けた内金型と外金型の間に設けたキャビティー内に合成樹脂を注入し、硬化させて脱型して得た円筒形のベルト素材をベルト幅に輪切りして製造する方法に属する
内金型に織布あるいは編み布を巻き付け、その上から芯線を巻き、外金型を装着して密閉し、ウレタンプレポリマーを注型、重合硬化させて、脱型し、ベルト幅にカットして歯付ベルトを製造する。

４．性能・作用
本発明のベルトは、補強材である織布等を芯線の外側に配置されることにより、芯線の保護及び歯元部の強化に寄与し、耐久性が向上する。あるいは、現状よりも細い幅の歯付きベルト利用することが可能となる。
歯付ベルトでは、歯の根元部分に応力集中が発生、破損することは経験上理解されている。応力集中は、例えば、特開２００７−９２９９３号公報では、ベルト歯部の中で最も圧縮応力を受けるベルト歯元部とこれを含む動力伝達領域（芯線からベルト歯部先端に至るまでの高さをＨとした場合に、心線からＨの２／３付近まで）を、不織布の繊維を分散させて補強することができ、耐久性に優れ、高負荷伝動を可能にする歯付ベルトを得ることができるとされているが、これは、８mmピッチや14mmピッチの歯付きベルトに適用できるものであって４mmピッチ以下の歯付ベルトでは、前述のように歯高中間部の破損は問題とならない。
本願発明は、小ピッチの歯形では、応力集中部である歯元部のＲ屈曲に沿った補強を、織布等を芯線の外側に介在させることにより実現することができた。
本発明の歯付ベルトは、耐久性を２〜10倍程度に向上させることができる。耐久時間を特定すると高負荷伝動が可能となる。

歯高0.76mm 、２mmピッチ、歯元Ｒ 0.20mmの円弧歯タイフ゜（ＳＴＳ歯形）、周長250mm長さ、４mm幅のサイズの（現状市販呼称「４０Ｓ２Ｍ２５０」の規格に相当）ポリウレタン製歯付伝動ベルトを製造し、その性能を比較した。
製造工程は、前述のとおりであり、従来の製造工程において、不織布被覆工程を織布等の被覆工程とするものである。
編み布はＫＢセーレン社製ニット（帆布１と称する）、織布は日本合繊工業社製生反（帆布２と称する）、を用いた。詳細物性値は表２参照。
織布の伸びの方向は、ベルト長手方向に配向する。

本実施例では、帆布の有無、ポリウレタンの種類を変えた次の５種類の試験例を用いて、耐久性試験を行った。
試験例１：帆布１使用・現行ポリウレタン
試験例２：帆布２使用・現行ポリウレタン
試験例３：帆布不使用・現行ポリウレタン
試験例４：帆布不使用・高強度ポリウレタン（バンドー社製ＫＰＳベルト仕様ポリウレタン）
試験例５：帆布不使用・背部および歯部がクロロプレンゴムであり、表面にカバー帆布を被覆したベルト（バンドー社製ゴムＳＴＳ）

[耐久性評価試験]
試験機の概略を図２に示す。
２個のプーリ間に試験用歯付ベルトを装填して、回転数2500ｒｐｍ、荷重29.4Ｎ、負荷トルク19.6〜34.3Ｎcm（表３参照）に設定して、連続走行試験をおこなった。
その結果を、表３、図３に示す。

[結果]
（１）負荷24.5Ｎcmにおける走行時間に着目すると、試験例３を基準にして、試験例１は2.5〜7.7倍の約120〜360時間、試験例２は1.9〜8.5倍の90〜400時間それぞれ連続走行しており、大幅に耐久性が向上していることが示されている。
（２）他の試験例を参照すると、織布等を使用していない試験例３〜５は、ポリウレタンの種類を代えても、試験例３と同程度からそれ以下という結果を示している。
（３）この結果、織布等を芯線の外側に配置することにより、大幅に耐久性を向上させることができることが解る。試験例２で用いた帆布２（織布）が、この２mmピッチの歯付ベルトでは編み布を用いた試験例１よりもやや良好な結果を示している。

歯高1.14mm 、３mmピッチ、歯元Ｒ 0.30mmの円弧歯タイフ゜（ＳＴＳ歯形）、周長252mm長さ、６mm幅のサイズの（現状市販呼称「６０Ｓ３Ｍ２５２」の規格に相当）ポリウレタン製歯付伝動ベルトを製造し、その性能を比較した。

本実施例では、帆布の有無、ポリウレタンの種類を変えた次の５種類の試験例を用いて、耐久性試験を行った。
試験例７：帆布１使用・現行ポリウレタン
試験例８：帆布２使用・現行ポリウレタン
試験例９：帆布不使用・現行ポリウレタン
試験例１０：帆布不使用・高強度ポリウレタン（バンドー社製ＫＰＳベルト仕様ポリウレタン）
試験例１１：帆布不使用・背部および歯部がクロロプレンゴムであり、表面にカバー帆布を被覆したベルト（バンドー社製ゴムＳＴＳ）

[耐久性評価試験]
試験機の概略を図４に示す。
２個のプーリ間に試験用歯付ベルトを装填して、回転数4000ｒｐｍ、荷重64.7Ｎ、負荷トルク250〜400Ｗ（表４参照）に設定して、連続走行試験をおこなった。
その結果を、表４、図５に示す。

[結果]
（１）負荷300Ｗにおける走行時間に着目すると、試験例９を基準にして、試験例７は3.4〜3.9倍の約180〜210時間、試験例８は同程度と想定される。
（２）この結果、編み布を芯線の外側に配置することにより、大幅に耐久性を向上させることができることが解る。

歯付きベルト概略図、（ａ）長手方向断面図、（ｂ）横断面図。実施例１耐久性試験機概略図。実施例１の耐久性試験結果を示すグラフ。実施例２の耐久性試験機概略図。実施例２の耐久性試験結果を示すグラフ。

符号の説明

１歯付ベルト
２背部
３歯部４抗張力体
４芯線
５帆布（織布等）
５１通常厚部
５２圧縮部
５３復元部
６歯底部
７歯元（Ｒ）部

Claims

歯ピッチが４ｍｍ以下０．５ｍｍ以上である熱硬化性ポリウレタン製の歯付ベルトであって、芯線よりも歯部側に織布あるいは編み布が配置されている歯付ベルトであって、
使用される織布あるいは編み布が、厚みが０．１〜０．８ｍｍ、目付量が５０〜１５０ｇ／ｍ ² 、ベルト長手方向の伸度が８０〜２５０％であり、
織布あるいは編み布は、歯底部では圧縮状態であり、歯元部から歯部にかけて復元して、歯部において歯元Ｒ部の高さ以上の厚みを有することにより、
歯元部において、織布あるいは編み布が、歯元部のＲに沿って配置されていることを特徴とする歯付きベルト。