JPH10281241A - セラミック駆動システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 信頼可能で、使い易く且つ製造者にとって費
用効果に優れる高精度セラミック駆動システムを提供す
る。 【解決手段】 本発明の高精度セラミック駆動システム
は、第一および第二スプロケット１４、２０に架け渡た
された駆動チェーン２４が備えられ、このチェーン２４
には複数の相互連結主リンク４５が備えられている。こ
の相互連結主リンク４５を構成する一対の対向するセン
ターリンクは、焼入マルテンサイトステンレス鋼または
正方晶ジルコニアセラミックいずれかにより製造され
る。また、このセンターリンクの間に設けられ、上記チ
ェーン２４と接触するセンタローラは、アルミナと正方
晶ジルコニアとの複合材（ＺrＯ₂−Ａl₂Ｏ₃）により製
造される。更に、上記スプロケット１４、２０はジルコ
ニア‐アルミナセラミック複合材により製造されてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はセラミック駆動シス
テムに関し、更に詳しくは、高精度、耐久性且つ耐摩耗
性の正方晶ジルコニア多結晶（ＴＺＰ）セラミック要素
およびジルコニア系複合材要素を備えた接触部品を有す
る駆動システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】駆動システムにおいて金属の駆動チェー
ンおよびスプロケットを用いて機械の一方の可動要素か
ら他方の可動要素に機械的動力を伝達するのは極めてよ
く知られている。電動モータまたはアクチュエータ、内
燃機関、人力等により動力を供給される機械において、
駆動チェーンが一般に使用される。チェーンおよびスプ
ロケット等の従来の金属駆動システム部品の欠点は、最
終的にチェーン性能を悪化させ有効寿命を短縮させる汚
染物を引付ける潤滑油を定期的に供給することが必要に
なることである。

【０００３】汚染物に敏感な多くの製造工程において、
潤滑油が問題を含んでいることは十分に理解されてい
る。例えば、写真感光製品の製造において、チェーン駆
動機構からの破片および潤滑油による製品の汚染は、製
品収率に影響を与え得る。同様に、食品包装産業におい
ては、チェーンの潤滑油または破片による食品または包
装の汚染は許容できない。自転車のチェーン駆動システ
ムは潤滑にして摩擦を低下させることにより乗手の所要
労力を軽減し、チェーンの摩滅も低下させることが必要
である。オフロード自転車用途において、チェーンに供
給された潤滑油は、残念ながら環境から砂利などの摩耗
性粗粒を取込み吸着しする。また、この砂利などの摩擦
性粗粒自体が甚大なチェーンの摩滅および摩耗を引起こ
すと共に、チェーンの寿命を短縮させる。これに関連す
る問題はチェーンリング（スプロケット）の摩滅であ
る。高性能自転車に使用された場合、歯高がチェーンリ
ングに沿った歯間の離間距離と等しくなったときにチェ
ーンリングの取替が必要となる。

【０００４】用途によって、例えば、高性能自転車用の
チェーンに使用された場合には、チェーンの伸びは問題
として認識されており、有効チェーン寿命終了の指標と
なっている。高性能自転車チェーンに関連する別の問題
は、ギアチェンジの場合にギアシフトが円滑にいかなく
なることである。この問題は、側荷重を原因とするチェ
ーンリングおよび後部スプロケット双方における摩擦に
起因する。

【０００５】上述の摩滅、摩耗、摩擦、伸びおよび汚染
に付随する問題は、大きな表面硬度、大きな体積靭性お
よび低摩擦係数の特性を有する特定のセラミックのチェ
ーンおよびスプロケット／チェーンリング駆動システム
を用いることにより低減または排除し得る。こうした部
品は低摩耗および小さい伸びのおかげで寿命を延長さ
せ、潤滑油の供給の必要性がなくなると共に、運転およ
びギアシフトの円滑化が図られる。

【０００６】先行技術においてチェーンにセラミックを
使用することは少なかった。ボットガア（Bottger）ら
によるＷＯ９４１３５２５号において、セラミックブッ
シュを組込んだ軌道車用の金属クローラチェーンが記載
されている。ブッシュだけがセラミック製（任意）であ
り、チェーンは地面と通じた可動軌道の形態なので、一
方の可動要素から他方の可動要素に動力を伝達するもの
ではない。カーテン（Curtain）およびステフェンズ（S
tephens）による米国特許第４,５８２,９７２におい
て、工業用加熱炉に関するチェーンによるフィード機構
が記載されている。このチェーンは、ステンレス鋼およ
びセラミックの交互リンクを備えている。動力はスチー
ルリンクにおいてのみチェーンに加えられる。クマモト
（Kumamoto）による日本特許第５９２１８２６２号にお
いて、単純な連動ループリンクを備えたセラミックチェ
ーンの製造方法が記載されている。クマモトによるチェ
ーンは、本発明に関連するチェーンリングまたはスプロ
ケットと共に用いるには不適切であると共に、クマモト
の材料も本発明に適さない。レマー（Lemmer）によるド
イツ特許第３００５３４９号では、プリント回路基板の
製造において複数のセラミックボールまたはセラミック
リンクの使用が記載されている。チェーンは設置されて
回路基板部品を保護し、ワイアトリミングおよびソルダ
リング中に基板部品をその場に保持する。レマーのチェ
ーンは駆動チェーンに適するものではない。

【０００７】我々の経験によれば、セラミック材料はこ
うした駆動機構部品において意外な利点を有し得ること
が分かった。但し、先行技術によっては、この結論は容
易に確認されない。その理由は、従来の高性能セラミッ
クの大部分は極めて脆いからである。優れた硬度および
強度を有する材料の例は、モノリシック立方尖晶石であ
るが、この材料も非常に脆いので構造用途には使用不能
である。従って、当該技術分野における知識を有する者
は、なおいっそう駆動機構において別の金属を用いて実
験したいと考える。金属部品の２つの表面を繰返してス
ライドさせれば、チェーンリンク、セパレータリングお
よびスプロケットのこの特定表面の場合と同様に、通常
は表面の過大な摩滅および摩耗につながり、よって材料
の損失、破片による環境の汚染および駆動機構の異なっ
た部品間の隙間を生じさせる。この隙間は動力の損失、
場合によっては駆動機構の妨害および／または破損とい
う結果に到らしめる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、金属の
駆動チェーンおよびスプロケットを用いて機械の一方の
可動要素から他方の可動要素に機械的動力を伝達する駆
動システムにおいて、摩滅、摩耗、摩擦および伸びの問
題があり、これを軽減するために潤滑油を使用すると、
最終的にチェーン性能を悪化させ有効寿命を短縮させ得
る汚染物を吸着するという問題があった。

【０００９】従って、駆動チェーン、スプロケットおよ
びそれらの製造方法を改善して、駆動機構が費用効果に
優れ且つ製造が容易でありながら優れた耐摩滅性および
耐摩耗性を有するようにする要求が根強く存在してい
る。

【００１０】そこで、本発明は、上記要請に応えるべ
く、信頼可能で、使い易く且つ製造者にとって費用効果
に優れる高精度セラミック駆動システムを提供すること
を目的とする。

【００１１】また、接触面の耐摩滅性および耐摩耗性が
顕著に改善され、従って有効寿命が延長された高精度セ
ラミック駆動システムを提供することをも目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、駆動チェーン、スプロケットおよびそれ
らの製造方法が酸化イットリウムドープ正方晶ジルコニ
ア多結晶セラミック材料（Ｙ−ＴＺＰ）を用いてチェー
ンアセンブリおよびセラミックセンタリンクリンクまた
はセラミックセンタローラいずれかを製造したり、また
は別形態のジルコニア系複合材料を用いることを特徴と
する。

【００１３】すなわち、本発明のこれらの目的およびそ
の他の目的、特徴および利点を達成するため、センタリ
ンク、センタローラおよびスプロケットを備えたセラミ
ック駆動システムを提供する。駆動チェーンのセンタリ
ンク対は、焼入マルテンサイトステンレス鋼または正方
晶ジルコニアセラミックいずれかにより製造してもよ
い。チェーンアセンブリのセンタローラは、好ましくは
アルミナと正方晶ジルコニアとの複合材（ＺrＯ₂−Ａl₂
Ｏ₃）により製造してもよい。更に、スプロケットは駆
動機構中に備えられ、ジルコニア‐アルミナセラミック
複合材により製造されて、駆動機構アセンブリのセンタ
ローラと耐摩滅性且つ耐摩耗性のスライド接触する。

【００１４】従って、本発明の利点はセラミック駆動シ
ステムが信頼可能で使用し易く費用効果に優れ且つ実施
を効率的にすることが可能とする。更に、本発明の方法
により製造される駆動システムのセラミック部品は、高
信頼性、寿命の長期化、製造の容易性の改善および改善
された耐摩滅性および耐摩耗性を本質的に有しながら、
製品のコストを低下させる。本発明のその他の利点に
は、駆動システムの部品において使用されるセラミック
材料の比重低下および摩擦係数の低下が含まれる。

【００１５】

【発明の実施の形態】先行技術における上述の問題を解
決するため、我々は、図１で図説した本実施の形態の駆
動システム１００用の特別なセラミック材料を慎重に研
究および開発した。この研究を通して、我々は、酸化イ
ットリウムドープ正方晶ジルコニア多結晶（Ｙ−ＴＺ
Ｐ）セラミック材料が多くの他のセラミックスを含めた
従来の材料に比較して多くの利点を有することを見出し
た。Ｙ−ＴＺＰは、最も強靭なセラミックスの１つであ
り、高強度材料であると共に、高度な耐摩滅性および摩
耗性も有している。その比重は約６ｇ/ccであり、スチ
ール（７.８g/cc）より小さい。その摩擦係数は金属構
造材料より小さい。正方晶ジルコニアアロイ‐アルミナ
（ＺrＯ₂‐Ａl₂Ｏ₃）複合材、すなわち、ジルコニアア
ロイとアルミナセラミックとの微粒子混合物の焼結製品
は、もう一つの強靭且つ高強度な構造用セラミック複合
材である。この複合材も、上述の魅力的な材料特性のほ
とんど全部を有している。

【００１６】図１〜６において、本発明の原理に基づく
セラミック駆動システム１００を図説している。駆動シ
ステム１００は、好ましくは硬質枠１２およびそのまわ
りで回転させるために取付けた第一運動発生手段（以
下、第一スプロケット１４と称する）を有する。第一ス
プロケット１４が、ジルコニア‐アルミナ複合セラミッ
クにより製作された複数の第一表面（以下、第一（複
数）ティース１８と称する）を有することは本発明にと
って重要である。枠１２のまわりで回転させるために同
様に取付けられた第二運動発生手段（以下、第二スプロ
ケット２０と称する）は第一スプロケット１４から間隔
をあけられている。この実施形態における第二スプロケ
ット２０は、ジルコニア‐アルミナ複合セラミックによ
り製作された第二表面（以下第二複数ティース２２と称
する）を有する。

【００１７】図１および２において、駆動システム１０
０は、第一および第二スプロケット１４、２０と協働的
に関連させる連結手段（以下、チェーン２４と称する）
を備え、これは第一スプロケット１４と第二スプロケッ
ト２０との間の運動を伝達する。重要なことは、チェー
ン２４が複数の相互連結主リンク４５を備えていること
である。なお、図２には１つの主リンクの分解図を示し
ている。各主リンク４５は、交互にセンターリンク５０
と称する一対の向合ったリンクプレートを備えている。
一対の連結リンク４０および一対のセンタローラ６０は
向合ったリンクプレート間、すなわち各主リンク４５の
センタリンク５０間に配置されている。連結リンク４
０、センタローラ６０およびセンタリンク５０を連結さ
せるために、リンクプレート５０、連結リンク４０およ
びローラ６０には、対応する位置に貫通口５１、４１、
６１が形成され、この貫通口５１、４１、６１に連結ピ
ン４４を挿入することにより主リンク４５が形成されて
いる。図１より理解されるように、ローラ６０はリンク
プレート５０間に配置されその側面はチェーン２４に接
している。我々の発明にとって重要なことは、ローラ６
０が正方晶ジルコニアセラミックにより製作されている
ことである。チェーン２４のローラ６０が第一および第
二スプロケット１４、２０に形成されている複数の第一
および第二ティース１８、２２と連結している時、運動
は第一および第二スプロケット１４、２２の一方から他
方に伝達される。第一および第二スプロケット１４、２
２の一方がある駆動手段３０、例えば、モータにより回
転している時、この連結運動が可能となる。

【００１８】連結リンク４０は、スチール等の金属材料
から構成され、センタリンク５０は、正方晶ジルコニア
セラミックから構成されて、第一および第二スプロケッ
ト１４、２２の第一および第二複数ティース１８、２２
それぞれに運動可能に接触する。

【００１９】本発明の別の実施形態において、駆動シス
テム１００の第一および第二スプロケット１４、２０
は、正方晶ジルコニアセラミック材料から構成されても
よい。本発明のこの側面において、連結リンク４０、セ
ンタリンク５０およびセンタローラ６０は、ジルコニア
‐アルミナセラミック複合材により製作され、金属連結
ピン４４により相互に鋲締めされて本発明のチェーン２
４を形成する。

【００２０】本発明の更に別の実施形態において、駆動
システム１００は、ステンレス鋼等の適切ないずれの金
属または合金からも構成される第一および第二スプロケ
ット１４、２０を備えてもよい。この実施形態におい
て、チェーン２４は、正方晶ジルコニアセラミックまた
はジルコニア‐アルミナセラミック複合材いずれかによ
り製作された連結リンク４０、センタリンク５０および
センタローラ６０を有する。

【００２１】本発明の更に別の実施形態において、駆動
システム１００は、正方晶ジルコニアセラミック材料ま
たはジルコニア‐アルミナ複合材セラミックから構成さ
れた活性外部接触表面により被覆された金属または合金
からなる第一および第二スプロケット１４、２０を備え
てもよい。当該技術分野において知識を有する者は、プ
ラズマスプレ、化学蒸着法（ＣＶＤ）または物理蒸着法
（ＰＶＤ）等の種々の被覆方法を用いて活性材料を被覆
してもよいことを理解するであろう。なお、プラズマス
プレを使用することが好適であろう。

【００２２】本発明の更に別の実施形態において、駆動
システム１００は第一および第二スプロケット１４、２
０を有し、ここでスプロケットは、形成されたセラミッ
クティースを有する一般に円形の内部金属ディスクおよ
び一般に円形の外部リングから構成される。外部リング
は、内部リング上にプレス装着または圧縮装着して本発
明の原理により第一および第二スプロケット１４、２０
を形成してもよい。

【００２３】図７（段階Ａ−Ｅ）を参照すれば、本発明
の更に別の実施形態におけるセラミック駆動システムの
形成法を広範に図説している。先に記載した通り、駆動
システム１００は、第一および第二表面１８、２２それ
ぞれを備えた第一および第二スプロケット１４、２０を
含む部品を有する。また、チェーン２４は、第三表面６
０を備えて第一および第二スプロケットの第一および第
二表面に運動可能に接触する。この方法は、微粒子ジル
コニウム酸化物と、ＭｇＯ、ＣａＯ、Ｙ₂Ｏ₃、Ｓｃ₂Ｏ₃
および希土類酸化物を含む群から選ばれた二次酸化物と
からなるセラミック紛体を用意することを含めた段階か
らなる。我々の発明において、二次酸化物は、Ｙ₂Ｏ₃の
場合、約０.５から約５モル％（mole ％）、ＭｇＯの
場合、約０.１から約１.０モル％の濃度を有する。Ｃe
Ｏ₂の場合、二次酸化物濃度は、約０.５から約１５モル
％の範囲である。Ｓｃ₂Ｏ₃の場合、二次酸化物濃度は、
総ジルコニア酸化物アロイに対して約０.５から約７.０
モル％の範囲であり、ＣａＯの場合、約０.５から約５
モル％の範囲である。金型を備えてそこにセラミック紛
体を注入し且つ加工する段階が本発明の方法に更に含ま
れる。成形段階を備えて、金型中でセラミック紛体をプ
レス成形し、こうしてセラミックビレットを形成するこ
とができる。セラミックビレットが形成された後、ビレ
ットは成形されて上述の駆動システムの精密に正味成形
されたセラミック部品を独立に形成する。精密に正味成
形されたセラミック部品は、その後に焼結され、よって
駆動システム用の焼結された独立のセラミック部品が形
成される。部品は焼結後に更に成形されて駆動システム
の最終セラミック部品を形成する。その後、部品は上述
のように組立てられて、先に記載した通り、高精度、耐
久性且つ耐摩耗性の正方晶ジルコニア多結晶セラミック
部品およびジルコニア−アルミナ複合材部品を有するセ
ラミック駆動システムを形成する。

【００２４】この方法において使用するセラミック粉体
がジルコニウム酸化物アロイ、または微粒子ジルコニウ
ム酸化物アロイと第二濃度のアルミニウム酸化物との混
合物から主として構成されて、セラミック駆動システム
１００の部品を形成することが重要である。本実施形態
の方法により形成される駆動システム１００の部品を図
６（段階Ｆ）および図７で図説する。ジルコニウム酸化
物アロイは、ジルコニウム酸化物と、ＭｇＯ、ＣａＯ、
Ｙ₂Ｏ₃、Ｓｃ₂Ｏ₃および希土類酸化物を含む群から選ば
れた二次酸化物（secondary oxide）とから主としてな
る。更に、ジルコニウム酸化物アロイは、全体の前記ジ
ルコニウム酸化物アロイに対してＹ₂Ｏ₃の場合、約０.
５から約５モル％、ＭｇＯの場合、約０.１から約１.０
モル％、ＣeＯ₂の場合、約０.５から約１５モル％、Ｓ
ｃ₂Ｏ₃の場合、約０.５から約７.０モル％およびＣａＯ
の場合、約０.５から約５モル％の第二酸化物濃度を有
し、前記成形が更に生地板を形成することからなる。金
型を備えてセラミック紛体を受入れ且つ加工する。セラ
ミック紛体はこうして備えられた金型中で成形（以下に
記載の通り）されセラミックビレットを形成する。セラ
ミックビレットはその後成形されたり、またはグリーン
加工されたりして、精密に正味成形されたグリーン駆動
機構アセンブリ、すなわち、センタリンク、センタロー
ラおよびスプロケットをそれぞれ独立に形成する。本発
明のこの実施形態において、初期成形後に、グリーンセ
ラミック駆動機構アセンブリ部品は焼結され、よって後
に詳述する通りに焼結された正味形状のセラミック駆動
機構アセンブリ部品を形成する。上述した駆動機構アセ
ンブリ１００に関するセラミック部品は、最終部品が形
成されるまでその後更に加工または成形される。続い
て、部品は上述の通り、駆動機構アセンブリ１００にお
いて配置される。

【００２５】センタリンク、センタローラおよびスプロ
ケットを含めた本発明の駆動システム部品を形成する方
法は、更に詳細に且つ以下のいっそう詳しい明細と組合
わせて説明する。

【００２６】［セラミック紛体材料の混合］図７によ
り、段階Ａにおいてアロイ化工程が図式的に示されてい
る。ジルコニア紛体１４０は、１種以上の二次酸化物紛
体１４２と配合されて、ジルコニアアロイ紛体１４４が
形成される。ジルコニアアロイの調整は当該技術分野に
おいて知識を有する者において公知であり、ジルコニア
アロイは市販されている。例えば、３モル％のＹ₂Ｏ₃を
有する微粒子ジルコニアアロイは、「ＳＹＰ−ＵＬＴＲ
Ａ５.２イットリアスタビライズドジルコニア」（ＳＹ
Ｐ−ＵＬＴＲＡ５.２ Yttria Stabilized Zirconi
a）としてゼットテックコーポレーション（Ｚ−ＴＥＣ
Ｈ Corporation、米国ニューハンプシャ州バオ）よ
り、（現在は「ＨＷＡ―３ＹＢ」としてハンワアドバン
スドセラミックス（ＨＡＮＷＨＡ Advanced Ceramic
s））または「ＴＺ―３ＹＢ」としてトーソーコーポレ
ーション（TOSOH Corporation、日本）より販売されて
いる。

【００２７】更に詳しくは、正方晶ジルコニアセラミッ
ク材料を用いて費用効果に優れた方法でセラミック駆動
機構アセンブリ１００の部品を製造することが好まし
い。最も好ましい材料は、本質的に、１００％正方晶結
晶構造を有するジルコニアである。参考文献として本明
細書に包含されている米国特許第５,３３６,２８２号お
よび第５,３５８,９１３号において記載された多数の第
二酸化物とのジルコニアのアロイ化によりこの１００％
正方晶ジルコニアを開発した。

【００２８】本実施の形態のジルコニア‐アルミナセラ
ミック複合材の製造方法において最も好ましいセラミッ
ク複合材紛体混合物は、微粒子ジルコニアアロイおよび
微粒子アルミナが含まれる。この微粒子アルミナは、Ｚ
rＯ₂と、ＭｇＯ、ＣａＯ、Ｙ₂Ｏ₃、Ｓｃ₂Ｏ₃、ＣeＯ₃お
よび他の希土類酸化物（「Mg‐Ca‐Ｙ‐Sc‐希土類酸化
物」ともここでは称する）から選ばれた追加の「二次酸
化物」と、を次にＡl₂Ｏ３と混合することにより製造さ
れる。本実施の形態の方法において有用なジルコニアア
ロイは、製造されたセラミック物品の使用温度、使用圧
力範囲において準安定正方晶結晶構造を有する。例え
ば、ジルコニウム酸化物アロイが全体の前記ジルコニウ
ム酸化物アロイに対してＹ₂Ｏ₃の場合、約０.５から約
５モル％、ＭｇＯの場合、約０.１から約１.０モル％、
Ｃe₂Ｏ₃の場合、約０.５から約１５モル％、Ｓｃ₂Ｏ₃の
場合、約０.５から約７.０モル％およびＣａＯの場合、
約０.５から約５モル％の第二酸化物濃度を有する焼結
されたジルコニアアロイは、約２００℃までの温度、約
１００Mpaまでの圧力で正方晶構造を示す。ジルコニア
とのアロイ化に関して好ましい酸化物は、Ｙ₂Ｏ₃、Ｍｇ
Ｏ、ＣａＯ、ＣeＯ３およびこれらの酸化物の組み合わ
せである。ジルコニア紛体が約９９.９％より大きい高
純度を有するのが好ましい。有用なジルコニアアロイの
特定の例には、約２から約５モル％のＹ₂Ｏ₃、または更
に好ましくは約３モル％のＹ₂Ｏ₃を有する正方晶構造ジ
ルコニアアロイが含まれる。本発明の方法において有用
な正方晶構造ジルコニアアロイの例は、米国特許第５,
２９０,３３２号において記載されている。こうしたジ
ルコニアアロイの有用性は当該の特許に記載され、「正
味形状」セラミック物品、すなわち、焼結後においても
寸法的に正確で、従って意図した作業環境における使用
前に追加的加工を必要としないセラミック物品を提供す
る。

【００２９】図７を再び参照すれば、段階Ａ’は、微粒
子ジルコニアアロイ紛体１４４と微粒子アルミニウム酸
化物１４６との別形態の混合物を図説している。この別
形態の混合物は、機械的または化学的な混合例えば、共
沈による混合により実現することができる。形成した微
粒子混合物は、約５０から約９９.９重量％（重量／微
粒子混合物の総重量）ＺrＯ₂、および好ましくは約８０
から約９９重量％ＺrＯ₂、更に好ましくは約８０から約
９５重量％ＺrＯ₂および残りはＡl₂Ｏ３である。この別
形態の混合物の生成物は、ジルコニア‐アルミナセラミ
ック複合材１４８を形成する。

【００３０】グレインおよび凝集の大きさと分布、水分
含有率および（用いていれば）結合剤は、当該技術分野
における知識技量を有する者に公知の方法でアルミナお
よびジルコニアアロイ双方において変更を加えることが
できる。「グレイン」は、粒子内に存在し得る個々の結
晶であって、隣接グレインのそれと異なった空間配向を
有する個々の結晶と定義される。「凝集」は、個々の粒
子の凝集であって、各粒子が多数のグレインを含み得る
凝集と定義される。本発明の特定の実施形態において、
アルミナおよびジルコニアアロイのグレインおよび凝集
の大きさと分布ならびに水分含有率は実質的に同じであ
るため、ジルコニアアロイをアルミナと混合するつもり
がない場合と同様に選択される。すなわち、ジルコニア
アロイ物品の調整に適するとして当該技術分野において
公知の方法で選択される。

【００３１】本発明の特定の実施形態に関して好適な微
粒子特性の例は以下の通りである。ＺrＯ₂の純度は、好
ましくは９９.９から９９.９９％で十分に制御される。
すなわち、不純物は約０.１から０.０１％以下である。
グレインの大きさは、約０.１マイクロメータから約０.
６マイクロメータである。グレインの平均の大きさは
０.３マイクロメータである。グレインの大きさの分布
は、５−１５％が０.６マイクロメータ未満、４０−６
０％が０.３マイクロメータ未満および８５‐９５％が
０.６マイクロメータ未満である。個々の各グレインの
表面積は、約１０から約１５m²／gの範囲または好まし
くは１４ m²／gである。凝集の大きさは、約３０から
約６０マイクロメータで、凝集の平均の大きさは４０−
６０マイクロメータである。水分含有率は、生地板の約
０.２から１.０体積％であり、好ましくは０.５％であ
る。微粒子の混合物は、有機結合剤の存在下で成形され
る。

【００３２】更に再び図７の段階Ｂを参照すれば、ゼラ
チン、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）、アクリル系
アイオノマ、ポリビニルアイオノマまたは更に好ましく
はポリビニルアルコール等の結合剤は、微粒子混合物Ｙ
‐ＴＺＰ１４４、またはＹ‐ＴＺＰとアルミナとの複合
混合物１４８に添加されそれらと混合される。双方を段
階ＡおよびＡ’においてそれぞれ図説している。これ
は、成形装置中で混合配置する前に好ましくは噴霧乾燥
またはボールミルにより実現することができる。

【００３３】更に、段階Ｂはまた、「コンパウンディン
グ」として当該技術分野における知識を有する者に対し
て公知の別形式の混合工程を図説している。コンパウン
ディングにおいて、複数の微粒子混合物または一微粒子
混合物は、結合剤のガラス転移温度を超える温度でパラ
フィン等の２０重量％を超える有機結合剤と混合され
て、段階Ｃとして図説した後続の射出成形工程に到る。

【００３４】［成形］成形および更に詳しくは図８で図
説した成形工程の例にこれから説明を変えると、１４４
または１４８いずれかの微粒子混合物は、段階Ｃ１（図
７）における好ましくはウェットバッグ均衡プレス１５
０を用いて冷間成形されて未焼結生地板１５２を形成す
る。未焼結生地板１５２は、ここでは別に「グリーンプ
リフォーム」と称する。特定の紛体成形方法が重要では
ないことは当該技術分野における知識を有する者には明
らかである。「冷間成形」等の用語は、有機結合剤のガ
ラス転移温度または分解温度を下回る温度で微粒子混合
物を成形することを指す。グリーンプリフォームは、冷
間一軸プレス成形またはドライプレス成形（図７の段階
Ｃ２）、ウェットバック冷間均衡プレス成形（図７の段
階Ｃ１）、ドライバック冷間均衡プレス成形（図７の段
階Ｃ３）、射出成形（図７の段階Ｃ４）等の方法または
冷間押出しおよびテープ鋳造（図示していない）等の工
程により形成することができる。微粒子混合物は、好ま
しくは均一な成形力を加えて均一比重を有する未焼結生
地板を形成させる。変形例において、（駆動機構１００
の）成形材料１５４、１５６および１６０の精密正味形
状グリーン生地板は、ドライプレス成形、射出成形およ
びドライバック冷間均衡プレス成形工程を用いてそれぞ
れ形成される。更に、図７で示した通り、射出成形され
たグリーン生地板１５６は、焼結に先立ち、有機結合剤
のガラス転移温度を超える温度で結合剤を分離して「ブ
ラウン」生地板１６２を形成する。結合剤を分離した生
地板は、「ブラウン」生地板とここで称する。

【００３５】ジルコニアアロイおよび／またはジルコニ
ア‐アルミナセラミック複合材の微粒子混合物は次の通
り成形される。先ず焼結発生温度範囲まで加熱されて、
焼結され、すなわち、一定の期間その温度で保持され
て、その後冷却される。焼結中の全部または一部の間
に、微粒子混合物成形体または「グリーンプリフォー
ム」は、以下で詳細に記述する通りドーパントと接触す
る。図７において、要素１５２は、矢印Ａ、Ａ’、Ｂお
よびＣ１においてそれぞれ示した、化学種および結合剤
の混合ならびに後続の成形双方による生成物を表してい
る。成形および焼結は、図７において段階ＣおよびＥに
よりそれぞれ示した通り、２種の連続操作として一般的
にここでは説明している。しかし、本発明は、特定の成
形および焼結手順に限定されるものではない。例えば、
成形および焼結は、単一操作において同時に行うことも
可能であり、または部分成形後に焼結および後続の成形
を行うことも可能である。成形および焼結操作の中間生
産物は「生地板」とここでは称し、この「生地板」を図
７において要素１５２として図示した。生地板１５２
は、少なくとも部分的には成形され、未焼結であるかま
たは完全には焼結されていないかのいずれかである。

【００３６】本実施の形態の好ましい方法において、紛
体は冷間成形されて「グリーンプリフォーム」を形成
し、その「グリーン」比重は、駆動機構アセンブリ１０
０のセラミック部品２００の最終焼結比重より実質的に
小さい。グリーン比重が最終焼結比重の約４０と約６５
％との間、または更に好ましくは最終焼結比重の約６０
％であることが好ましい。

【００３７】再び図８を参照すれば、プレス１５０を用
いて、紛体の冷間均衡プレス成形は、紛体１４４または
１４８でゴム金型１８０を満たし、冷間均衡プレス１５
０のオートクレーブ１６６中でプレート１６４により金
型１８０を密封保持することにより行った。金型１８０
は、次に約２５,０００ｐｓｉまで加圧した。シールプ
レート１６４は、アルミニウム、スチール等の金属材料
または硬質ゴムいずれかであってもよい。次に図７の段
階Ｄにより、駆動機構アセンブリ１００の精密に正味成
形された部品１５８は、カーバイド工具を用いて生地板
１５２をグリーン加工（以下で論じる）することにより
形成される。グリーン加工は、ドライバック冷間均衡プ
レス成形（図７の段階Ｃ３）を採用して形成する場合に
は除外することができる。次にグリーン部品は、参考文
献として本明細書に包含されている米国特許第５,３３
６,２８２号および５,３５８,９１３号において記載さ
れた焼結スケジュールを好ましくは用いて最大限の比重
まで焼結される。更に、最終精密加工を行って、ダイア
モンド工具を用いて許容差を厳密に定め、本実施の形態
の駆動機構アセンブリ部品を生産する。ドライプレス成
形、射出成形またはドライバック冷間均衡プレス成形い
ずれかによりそれぞれ形成した精密に正味成形されたグ
リーンプリフォーム１５４、１５６または１６０はグリ
ーン加工を必要とせず、焼結後に正味成形した部品を形
成した。

【００３８】［焼結］再び図７の段階Ｅを参照すれば、
駆動機構アセンブリ１００のグリーン加工された部品１
５８の焼結は、約１４００℃から約１６００℃の温度範
囲、または更に好ましくは約１５００℃の温度で実施さ
れる。好ましい焼結時間は、約１時間から約３時間の範
囲、または更に好ましくは約２時間である。本発明の方
法の特定の実施形態において、焼結ピーク温度は１５０
０℃であり、この温度は約２時間保持される。駆動機構
アセンブリ１００の焼結前部品を焼結温度まで徐々に加
熱し徐々に冷却して、好ましくない寸法変化、変形およ
び亀裂発生を避けることが好ましい。好ましい焼結温度
１５００℃を有する本発明の実施形態において、加熱中
の好ましい温度傾斜は、室温から約３００℃まで約０.
３℃／分、約３００℃から約４００℃まで約０.１℃／
分、約４００℃から約６００℃まで約０.４℃／分、約
６００℃から約１５００℃まで約１.５℃／分である。
冷却中の好ましい温度傾斜は、約１５００℃から約８０
０℃まで約２℃／分、約８００℃から室温まで約１.６
℃／分である。

【００３９】変形例において、焼結は、以下に詳細に説
明する通り、ＭgＯ、ＦeＯ、ＺnＯ、ＮｉＯ、ＭｎＯお
よびそれらの組合せから選ばれたドーパントの存在下で
達成してもよい。その結果できた本発明の駆動機構アセ
ンブリのジルコニア−アルミナセラミック複合部品は、
αアルミナと正方晶ジルコニアのコア、および立方尖晶
石または、ジルコニアアロイの立方構造または立方およ
び単斜晶構造または正方晶構造と一緒になった立方尖晶
石のケースを有する。ジルコニアアロイセラミックに対
して、「Ｍｇ-Ｃａ-Ｙ-Ｓｃ-希土類酸化物」から選ばれ
たドーパントの存在下で焼結すれば、強靭な正方晶結晶
構造をもつコアおよび硬質の立方結晶構造をもつケース
を有する物品が形成される。

【００４０】焼結工程において、ＭgＯ、ＦeＯ、Ｚn
Ｏ、ＣｏＯ、ＮｉＯ、ＭｎＯおよびそれらの組合せから
選ばれたドーパント酸化物は生地板と接触する。焼結に
より「最大限の」比重またはほぼ理論的な比重を有する
セラミック部品を形成するのが好ましく、セラミック部
品の比重が理論比重の約９９.５％から約９９.９％であ
るのが更に好ましい。焼結は、大気中または他の酸素含
有雰囲気中で実施される。

【００４１】本発明の方法は、特定のいずれの焼結圧力
条件および温度条件にも限定されない。焼結は大気圧で
実施することができ、または変形例において、熱間均衡
プレス成形において用いるような高圧を焼結中の全部ま
たは一部の実施中に用いてポロシティを小さくすること
ができる。焼結する物品の状況に対応して十分な時間焼
結を継続して熱力学的平衡構造に到達させる。焼結にお
ける高圧の有効範囲の例は、約６９ＭＰａから約２０７
ＭＰａまたは更に好ましくは約１００から約１０３ＭＰ
ａである。

【００４２】焼結中にドーパントを生地板と接触させる
厳密なやり方は重要ではないが、ここで用語として用い
る「ケース」は、焼結中にドーパントと接触する生地板
の領域に限定される。例えば、立方尖晶石および正方晶
ジルコニアのケースは、物品の表面全体の一部上で本発
明の方法により容易に生じさせることができる。ドーパ
ントが初期焼結中、すなわち、最大限の比重にまで比重
を増加させない焼結中に生地板と接触するのは重要では
ない。

【００４３】実施例の結果を観察する前は、発明者らは
ジルコニアアロイとアルミナのあらゆる割合（％）を用
いても転換方法について説明可能と思っていた。また、
発明者らは立方尖晶石の形成が正方晶ジルコニアの立方
ジルコニアへの転換より熱力学的に極めて有利であると
共に作用機構がアルミナ濃度に従うという概念に結果が
一致すると予想していた。

【００４４】しかしながら、発明者らが発見したこと
は、生地板１５２におけるアルミナ濃度がジルコニアお
よびアルミナの総重量に対して約５重量％から約５０重
量％である場合には、本発明の方法は、立方尖晶石およ
び正方晶ジルコニアのケースならびにαアルミナおよび
正方晶ジルコニアのコアを有する物品を形成することで
ある。焼結中にドーパントは、ドーパント全部がアルミ
ナと接触し反応してしまう（すなわち、分配してしま
う）までの間正方晶ジルコニアに影響を及ぼさずに実質
的に拡散する。対照的に、生地板におけるアルミナの濃
度が約５重量％未満または約７５重量％を超える場合に
は、本発明の方法は、立方尖晶石および立方ジルコニア
または立方および単斜晶ジルコニアから実質的に構成さ
れるケースならびにαアルミナおよび正方晶ジルコニア
のコアを有する物品を形成する。焼結中にドーパント
は、ドーパント全部がアルミナと接触し反応してしまう
まで正方晶ジルコニアに影響を及ぼさずに実質的に拡散
するのでなく、逆に同一付近でアルミナおよび正方晶ジ
ルコニアと反応して、結果として生地板内で濃度が高い
アルミナとは反応しない状態に維持する。

【００４５】これらの結果は、濃度単独に基づく単純な
作用機構と矛盾する。観察された結果は、焼結中のドー
パントの拡散速度等の幾つかの競争要因の予想不能な組
合せに基づく作用機構と一致する。

【００４６】［成形／加工］セラミック部品は、ドライ
プレス成形、射出成形、スリップ鋳造および押出しまた
はドライバッグ冷間均衡プレス成形またはグリーン加工
（図７、段階Ｄ）を伴うウェットバッグ冷間均衡プレス
成形等の成形工程により正味形状に製造することができ
ることが知られている。グリーン加工とは、焼結前にセ
ラミック微粒子成形体を加工する工程をいう。更に一般
的な情報については、デビッド・ダブリュ・リチャーソ
ン（David W. Richerson）の「Modern Ceramic Eng
ineering:Properties、Processes and Use in Desi
gn」第二版、１９９２年を参照されたい。この工程にお
いて、脆弱材料の過大応力負荷および、欠け、亀裂、破
壊または表面不具合の生成を避けるよう注意することが
重要である。例えば、セラミックビレットを強固に保持
するとしても、グリーン加工中に変形も応力集中もない
ようにすることが重要である。部品は、単純な機械的グ
リップ、蜜蝋および精密金属固定具を組合せた（発明者
らは後者を好む）接着、注型封入を含めた多くの方法の
内の１種により強固に保持することができる。セラミッ
クビレットを固定具に強固に固定すれば、グリーン加工
は、旋削、フライス加工、穿孔、総形砥石研削および輪
郭研削を含めた様々な方法において達成することができ
る。発明者らは、グリーン加工中においてビレットの旋
削および輪郭研削をむしろ好んで行い、最善の結果を達
成している。加工は、存在する結合剤に応じて、および
部品が素焼きされたか否か、すなわち、粒子間接触点で
結合を生じるのに十分高い温度ではあるが、焼結を生じ
るほどには十分に高くない温度で素焼されたか否かに応
じて、ドライまたはウェットいずれかであり得る。

【００４７】グリーン加工とは別に、別方式の表面部分
の精密加工が、寸法許容差を満足させると共に、表面仕
上げを改善したり、または表面欠陥を除去したりするの
に必要である。焼結後に最終加工を行わなければ、寸法
許容差を低位の１０００分の１インチの範囲に維持した
り、または１０マイクロインチ未満まで表面仕上げを達
成するのは可能ではない。しかし、ここでは、単純形状
部品に関してドライプレス成形（一軸プレス成形）を用
いて且つ特定の（我々の特許された）焼結工程により収
縮を制御して、±１００milの範囲までの寸法許容差を
達成した。部品が１００mil未満の特定の寸法許容差を
要し且つ真円度、垂直度、平行度等の何らかの寸法許容
差も満足させることを要する場合には精密加工が必要で
ある。グリーン加工と対照的に、焼結セラミックベアリ
ングの最終精密加工は、ダイアモンド工具および精巧な
機械を必要とする。当該技術分野において技量を有する
者は、フライス加工、研削、ラップ仕上げおよび磨き仕
上げが、精密加工において用いられる一部の効果的な手
法であることを知っているであろう。

【００４８】

【実施例】本発明は、以下の実施例を通して更に明確に
なる。なお、添付した図面と組合わせて行う以下の実施
例を参照することにより、本発明の上記目的およびその
他の目的、特徴および利点ならびにそれらを達成する方
法は、いっそう明確になると共に、本発明自体の理解が
向上するであろう。

【００４９】［実施例１］ジルコニアセラミック紛体
（米国特許第５,３３６,２８２号および５,３５８,９１
３号で記載された二次酸化物と事前アロイ化された）を
ショア硬度Ａが５５から７０デュロメータのゴム／ポリ
ウレタン製の金型に充填し密封した（好ましくは６５デ
ュロメータ）。これらの金型を１５から３０kpsi（好ま
しくは２５kpsi）でオートクレーブ中において冷間等圧
プレス成形して、幅および長さにおいて適切な大きさの
ビレットを得た。

【００５０】［実施例２］ジルコニアアロイ紛体をポリ
ビニルアルコール結合剤とプレミックスしたこと以外
は、実施例１と同じである。

【００５１】［実施例３］ジルコニアアロイ紛体をアク
リル系結合剤とプレミックスしたこと以外は、実施例１
と同じである。

【００５２】［実施例４］セラミック材料が０.１から
５０重量％の様々な量の微粒子ジルコニアアロイと微粒
子アルミナとの複合材であること以外は、実施例１と同
じである。これらの実施例において用いた結合剤は、実
施例２および３におけるものと同じである。

【００５３】［実施例５］冷間均衡プレス成形により形
成しプリフォームした生地板をそのグリーン状態（すな
わち、焼結前）において加工し、旋盤およびフライス盤
においてカーバイド工具を用いて精密に正味成形した物
品を形成した。ジルコニアビレットのグリーン加工にお
ける切削速度は、２８００および３４００rpmの間に保
持した（好ましくは３,２００rpm）。

【００５４】［実施例６］実施例５の精密に正味成形し
た物品も、以下に記載した打抜きアセンブリおよび冷間
成形機を用いてドライプレス成形することにより形成し
た。実施例２、３および４のジルコニアセラミック紛体
（米国特許第５,３３６,２８２号および５,３５８,９１
３号で記載された二次酸化物と事前アロイ化された）を
様々な駆動機構アセンブリ部品に関してＤ２スチール製
のダイ中に充填し、１０３MPａの圧力で油圧プレスにお
いて一軸プレス成形した。精密に正味成形したグリーン
の駆動機構アセンブリ部品を金型から突出して更に焼結
した。

【００５５】［実施例７］冷間均衡プレス成形により製
作しグリーン加工し且つ精密に正味成形した駆動機構ア
センブリ部品または冷間プレス成形により製作し且つ精
密に正味成形した駆動機構アセンブリ部品を米国特許第
５,３３６,２８２号および５,３５８,９１３号に記載さ
れたスケジュールに従って焼結した。焼結後、セラミッ
クの駆動機構アセンブリ部品は、酸化イットリウム安定
化ジルコニアに対する６.０５g／ccの最大理論比重を達
成した。

【００５６】［実施例８および比較例］駆動機構アセン
ブリ部品を組立て、その後動力伝達経路試験機において
据付けた。セラミックの駆動機構アセンブリ部品の試験
によれば、従来のチェーン材料の部品より劇的な改善を
示した。セラミックの駆動機構アセンブリ部品の性能の
改善は、長寿命化、摩擦係数の低下、軽量化、耐摩滅性
および耐摩耗性の向上、潤滑の不要化の観点から得られ
た。

【００５７】本発明を好ましい実施形態及び実施例に基
づいて説明してきたが、種々の変更を行うことができる
と共に、本発明の範囲から逸脱せずに均等物を好ましい
実施形態等の要素と入れ替えてもよいことは当該技術分
野における知識を有する者が理解するであろう。更に、
多くの変形例を実施して、本発明の重要な精神から逸脱
せずに本発明の精神に関連した特定の状況に適応させて
もよい。

【００５８】

【発明の効果】セラミックの駆動機構アセンブリ部品に
よれば、長寿命化、摩擦係数の低下、軽量化、耐摩滅性
および耐摩耗性の向上、潤滑の不要化等の面において、
従来のチェーン材料の部品に比較して大幅な改善が図ら
れた。

【図面の簡単な説明】

【図１】 例えば、チェーン、センタローラおよびスプ
ロケット等の個々の全部品を示す本発明の駆動システム
の透視図である。

【図２】 本発明の実施形態におけるチェーンアセンブ
リの分解図である。

【図３】 本発明の実施形態におけるセンタリンクの平
面図である。

【図４】 図３の４−４に沿ったセンタリンクの断面側
面図である。

【図５】 本発明の実施形態におけるセンタローラの平
面図である。

【図６】 本発明の実施形態におけるセンタローラの側
面図である。

【図７】 本発明の実施形態の方法の概略フロー線図で
ある。

【図８】 図７の方法において有用なウェットバッグ均
衡プレス成形機の概略図である。

【符号の説明】

１２ 硬質枠、１４ 第一スプロケット、１８ 第一テ
ィース、２０ 第二スプロケット、２２ 第二ティー
ス、２４ チェーン、３０ 駆動手段、４０ 金属ピ
ン、５０ センタリンク、６０ センタローラ、１００
セラミック駆動機構アセンブリ、１４０ ジルコニウ
ム酸化物またはジルコニウム紛体、１４２二次酸化物紛
体、１４４ ジルコニアアロイ紛体、１４６ アルミニ
ウム酸化物またはアルミナ紛体、１４８ Ｙ‐ＴＺＰと
アルミナの微粒子混合物またはジルコニア‐アルミナセ
ラミック複合材、１５０ 均衡プレス、１５２ 冷間均
衡工程により製作された未焼結生地板またはグリーンビ
レット、１５４ ドライプレス成形により製作された未
焼結生地板またはグリーンプリフォーム、１５６ 射出
成形により製作された未焼結生地板またはグリーンプリ
フォーム、１５８ グリーン加工により製作された未焼
結生地板またはグリーンプリフォーム、１６０ドライバ
ッグ冷間均衡プレス成形により製作された未焼結生地板
またはグリーンプリフォーム、１６２ ブラウン生地
板、１６４ ゴム金型用のシールプレート、１６６ オ
ートクレーブ、１８０ ゴム金型、２００ 焼結された
セラミック部品。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 シャマール クマール ゴーシュ アメリカ合衆国 ニューヨーク州 ロチェ スター クレイトン レーン 42

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 硬質枠、前記枠まわりの回転用に取付け
   られ、ジルコニア‐アルミナセラミック複合材料からな
   る第一表面を有する第一運動発生手段、前記枠まわりの
   回転用に取付けられ、ジルコニア‐アルミナセラミック
   複合材料からなる第二表面を有する第二運動発生手段で
   あって、前記第一運動発生手段が前記第二運動発生手段
   から間隔をあけられていることを特徴とする前記第二運
   動発生手段、前記第一および第二運動発生手段と協働的
   に関連して前記第一運動発生手段と第二運動発生手段と
   の間で運動を伝達すると共に、正方晶ジルコニアセラミ
   ック材料からなる第三表面を有する伝達手段、ならびに
   前記第一および第二運運動発生手段の少なくとも１つを
   回転させる駆動手段を備える駆動システムにおいて、前
   記伝達手段の前記第三表面が前記第一および第二運動発
   生手段の第一および第二表面と移動接触する時に運動が
   前記第一および第二運動発生手段の１方から他方に伝達
   され、前記第一および第二運動発生手段の１つが前記駆
   動手段により回転させられる時に前記移動接触が可能に
   されることを特徴とする駆動システム。