JPH11270655A

JPH11270655A - 合成樹脂製歯車

Info

Publication number: JPH11270655A
Application number: JP7796298A
Authority: JP
Inventors: Takaaki Saigo; 隆晄西郷; Tsukasa Akaishi; 司赤石; Yutaka Ueji; 豊上治; Masaya Kurokawa; 正也黒川
Original assignee: Starlite Co Ltd
Current assignee: Starlite Co Ltd
Priority date: 1998-03-25
Filing date: 1998-03-25
Publication date: 1999-10-05

Abstract

(57)【要約】【課題】優れた摩擦・摩耗特性、歯車疲労強度などの
歯車特性と優れた歯車精度とを有する合成樹脂製歯車を
提供する。【解決手段】結晶性ポリマーに結晶核材を添加し、及
び／又は振動エネルギーを付与しながら成形して、結晶
性ポリマーの球晶サイズを小さくし、球晶サイズ、結晶
化度といった成形品全体の結晶モルホロジーを均一に制
御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、事務機器、自動
車、一般産業機器などにおいて使用される歯車に関し、
さらに詳しくは、歯車精度及び歯車特性に優れた合成樹
脂製歯車、及びその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】歯車に使用される合成樹脂成形品に要求
される特性は、その使用条件（雰囲気温度、潤滑方法、
耐久寿命、難燃性）における摩擦・摩耗特性、歯車疲労
強度などの歯車特性、歯車精度、及びコストなどであ
る。従来、上記のような合成樹脂製歯車としては、ポリ
アセタール、ポリアミド、ポリフェニレンサルフェイド
などの結晶性ポリマーに、摩擦・摩耗特性を付与するた
めに、ポリテトラフルオロエチレン、二硫化モリブデ
ン、グラファイトなどの各種固体潤滑材を添加した合成
樹脂組成物を成形することで摩擦係数及び摩耗量を低減
させたものが使用されている。しかし、結晶性ポリマー
に前記のような固体体潤滑材を添加すると、成形品の機
械的特性が低下する。そこで、歯車のように疲労強度が
要求される場合には、上記の合成樹脂組成物をマトリッ
クスとし、ガラス繊維、カーボン繊維、あるいはアラミ
ド繊維などの各種補強繊維をさらに添加した複合材料と
することになる。

【０００３】しかしながら、前記のような複合材料とし
た場合、マトリックスとなるポリマー単体の場合に比べ
て材料コストが高騰するだけでなく、成形時の樹脂組成
物の粘度が高くなり流動性が悪くなることから、成形時
の射出圧力を高く設定しなければならず、成形品の残留
応力が高くなるおそれが生じるだけでなく、成形のため
の設備コスト及び生産コストが上昇する。さらに、補強
繊維を添加した樹脂組成物を成形した成形品では、成形
時の繊維の配向により異方性が出現し、形状コントロー
ルが難しく高精度の歯車を成形することが極めて困難と
なり、歯車精度が低下する。また、固体潤滑材を多く添
加した樹脂組成物は、補強繊維を添加しても機械的特
性、特に靱性値が低下するため、疲労強度を要求される
歯車には使用できないという問題もある。そのうえ、数
種類の原材料、とくにガラス繊維などの補強繊維が配合
された合成樹脂成形品はリサイクル性の点でも問題があ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来、歯
車特性を高めるためには、上記のようにガラス繊維、カ
ーボン繊維、アラミド繊維などの各種補強繊維を配合し
た複合材料が用いられているが、このような繊維配合系
では、上記したように射出成形時の繊維の配向により高
精度の歯車を得ることが困難である。そこで、本発明は
上記の点に鑑み、優れた摩擦・摩耗特性、歯車疲労強度
などの歯車特性と優れた歯車精度とを有する合成樹脂製
歯車及びその製造方法を提供せんとするものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明に係る合成樹脂製歯車は、結晶性ポリマーに
て成形してなり、成形品全体の結晶モルホロジーを均一
に制御したことを特徴とする。すなわち、この成形品全
体の結晶モルホロジーを均一にするとは、結晶性ポリマ
ーの球晶を多数生成させて、成長させないことであり、
これにより成形品全体の球晶サイズを均一にしたり、成
形品全体の結晶化度を均一にすることができる。前記の
ように結晶モルホロジーを制御するには、結晶核材を添
加して成形する、振動エネルギーを付与しながら成形す
る、又は結晶核材を添加するとともに振動エネルギーを
付与しながら成形する。さらにはポリテトラフルオロエ
チレンを１重量％〜１０重量％の範囲で添加するととも
に振動エネルギーを付与して成形することでも結晶モル
ホロジーを制御できる。結晶性ポリマーとしてポリアセ
タールを使用する場合は球晶サイズを１５μｍ以下、結
晶化度を５０％以上に制御するのが好ましい。また、結
晶性ポリマーとしてポリアミドを使用する場合には、球
晶サイズをサブミクロン、結晶化度を２０％以上に制御
するのが好ましい。さらに、結晶性ポリマーとしてポリ
フェニレンサルファイドを使用する場合には、球晶サイ
ズをサブミクロン、結晶化度を３０％以上に制御するこ
とが好ましい。

【０００６】また、本発明に係る合成樹脂製歯車の製造
方法は、結晶性ポリマーの結晶モルホロジーを制御して
射出成形することにより成形品全体の結晶モルホロジー
を均一にすることを特徴とするものである。前記の場合
に、結晶核材を添加して射出成形することにより多くの
球晶を生成させ成形品全体の球晶サイズを均一にするこ
とができ、また振動エネルギーを付与しながら射出成形
することでも多数の球晶を生成させ成形品全体の球晶サ
イズを均一にすることができる。さらに、前記の結晶核
材の添加と振動エネルギーの付与とを併用してもよい。

【０００７】

【発明の実施の形態】本発明に係る合成樹脂製歯車の成
形に用いられる合成樹脂は、ポリアセタール、ポリアミ
ド、ポリフェニレンサルファイドなどの結晶性ポリマー
である。これらの結晶性ポリマーには、本発明の目的を
逸脱しない範囲で、必要に応じてポリテトラフルオロエ
チレン、二硫化モリブデン、グラファイトなどの各種固
体潤滑材、ガラス繊維、カーボン繊維、あるいはアラミ
ド繊維などの補強繊維、その他の添加剤を添加してもよ
い。

【０００８】本発明では、上記のような結晶性ポリマー
から成形される成形品の結晶モルホロジーを制御するこ
とで、歯車疲労強度、摩擦・摩耗特性といった歯車特
性、及び歯車精度に優れた合成樹脂製歯車としてなる
が、この結晶モルホロジーとは、結晶性ポリマーの球晶
サイズ、球晶の数、結晶化度を総して表したものであ
る。そして、結晶モルホロジーを制御するとは、例え
ば、結晶性ポリマーから成形される合成樹脂製歯車にお
いて多数の球晶を生成させ球晶サイズを小さくし、ま
た、結晶化度を上げることであり、これにより、一つの
成形品中における球晶サイズや結晶化度のバラツキを抑
制することにより、歯車特性、歯車精度に優れた歯車と
することができる。つまり、成形された歯車における結
晶性ポリマーの球晶の数を多くし球晶サイズを小さく
し、また結晶化度を上げることで、歯車の機械的特性を
低下させることなく摩擦抵抗を低減させ、かつ摩耗量を
通常の場合に比べて１／１０〜１／１００程度に低減さ
せることができ、摩擦・摩耗特性に優れた成形品となる
と同時に、一つの成形品中における球晶サイズや結晶化
度のバラツキが抑制されることから、歯車特性に優れた
合成樹脂製歯車となるのである。

【０００９】前記の場合、結晶性ポリマーにおける球晶
の大きさは、ポリマーの種類によって異なるため一概に
はいえないが、通常の成形品に比べて１／５〜１／１０
０程度になるように制御する。また、結晶化度は、通常
の成形品の場合と同レベルか、あるいはそれ以上になる
ように制御する。このように、球晶を多数生成させるこ
とにより球晶の大きさを通常の成形品に比べて小さくで
き、結晶化度も通常の成形品の場合と同レベルか、ある
いはそれ以上になるように制御することが可能である。

【００１０】例えば、結晶性ポリマーがポリアセタール
である場合には、球晶サイズを１５μｍ以下とし結晶化
度を５０％以上とすることが好ましい。また、結晶性ポ
リマーがポリアミドである場合には、球晶サイズをサブ
ミクロンとし結晶化度を２０％以上とすることが好まし
い。更に、結晶性ポリマーがポリフェニレンサルファイ
ドである場合には、球晶サイズをサブミクロンとし結晶
化度を３０％以上とすることが好ましい。球晶サイズ及
び結晶化度を上記のように制御することで、成形された
歯車の機械的特性を低下させることなく、摩擦・摩耗特
性を向上させることができるだけでなく、むしろ衝撃強
度、靱性といった特性を向上させることができる。ま
た、従来のように複数種の固体潤滑材の大量添加による
コストアップという問題もなく、また、機械的特性の低
下に対する強化繊維の添加による成形時の樹脂の流動性
低下に起因する問題の発生もなく、また、リサイクル性
にも優れる。

【００１１】また、前記のように球晶サイズ、結晶化度
などの結晶モルホロジーを制御して合成樹脂製歯車の成
形品全体の結晶モルホロジーを均一にすることで、歯車
精度を向上させることが可能となる。すなわち、一般の
射出成形では、成形品における冷却速度の勾配により、
成形品のスキン部とコア部とでは結晶性ポリマーの球晶
サイズや結晶化度が大きく異なる。つまり、金型面に近
い成形品の表面では射出成形後の急冷により結晶性ポリ
マーの球晶サイズが小さく、かつ結晶化度も低いのに対
し、成形品のコア部は徐冷されることでスキン部とは反
対にポリマーの球晶サイズが大きく、かつ結晶化度も高
くなる。このように、一つの成形品中で球晶サイズや結
晶化度にバラツキがあると、成形品の各部分で成形収縮
性が異なる結果を招き、歯車精度が低下する。この点、
本発明では、結晶モルホロジーをコントロールして成形
品全体の球晶サイズや結晶化度などの結晶モルホロジー
を均一化するので、上記のように一つの成形品中におけ
る成形収縮率のバラツキを抑制し、歯車精度に優れた合
成樹脂製歯車とすることができる。

【００１２】なお、本発明における前記結晶サイズは光
学偏向顕微鏡により観察し、また結晶化度は、Ｘ線回折
測定後、ルーランド法により解析して得た値である。

【００１３】上記のように、本発明に係る合成樹脂製歯
車は、結晶性ポリマーの結晶モルホロジーを制御するこ
とにより成形品全体の結晶モルホロジーを均一にすると
いうものであるが、この場合の成形法としては、一般的
な射出成形法だけではなく、トランスファー成形法など
も用いることができ、一旦、溶融状態を経て固化させる
成形法であれば特に限定されないが、射出成形方法が好
ましい。

【００１４】結晶性ポリマーの結晶モルホロジーをコン
トロールする具体的手段としては、結晶核材を添加して
成形する方法、振動エネルギーを付与しながら成形する
方法、および結晶核材の添加と振動エネルギーの付与と
の両方を併用する方法がある。さらに、固体潤滑材であ
るポリテトラフルオロエチレンを添加するとともに振動
エネルギーを付与しながら成形することでも結晶モルホ
ロジーを制御することができる

【００１５】前記結晶核材とは、結晶性ポリマーの球晶
を多数生成し球晶サイズを小さくするとともに結晶化度
を上げる物質であればよく、無機系、有機系を問わず用
いることができる。結晶核材の具体例としては、無機系
のものでは、炭化珪素（ＳｉＯ）、酸化亜鉛（Ｚｎ
Ｏ）、酸化銅（ＣｕＯ）、二酸化珪素（ＳｉＯ₂）、酸
化鉄（ＦｅＯ）などが挙げられる。また、有機系のもの
では、カルボン酸金属塩化合物（例えば、モンタン酸系
でＨｏｓｔｏｍｏｎｔＣａＶ、Ｈｏｓｔｏｍｏｎｔ
ＮａＶ、いずれもヘキスト社製）などが挙げられる。結
晶性ポリマーへの結晶核材の添加量は、用いるポリマー
や結晶核材の種類、歯車の使用条件などにより要求され
る摩擦・摩耗特性、歯車疲労強度などの歯車特性や歯車
精度などにより異なるが、一般的には、ポリマーに対し
て０．００１〜数十重量％、好ましくは０．０１〜１０
重量％の範囲である。結晶核材の添加量が０．００１重
量％未満の場合には、結晶性ポリマーの結晶モルホロジ
ーを目的とする範囲に制御することが困難な場合があ
る。また、結晶核材を過剰に添加すると成形時の溶融樹
脂の粘度が増し成形しにくくなるとともに、歯車特性が
低下する。

【００１６】結晶モルホロジーを制御する他の方法とし
ては、振動エネルギーを付与しながら成形することで成
形品全体の球晶サイズを均一にする方法がある。具体的
には、結晶性ポリマー、あるいは結晶性ポリマーに必要
に応じて各種固体潤滑材、補強繊維、その他の添加剤を
配合した樹脂組成物を成形する際に、樹脂組成物に数ヘ
ルツ〜数千ヘルツ、好ましくは１０〜５０００ヘルツ程
度の機械的振動を作用させる。振動数を数万ヘルツにま
で高めると、成形金型や成形機にダメージを与えるばか
りでなく、球晶サイズが若干大きくなる場合がある。ま
た、振幅の大きさについては特に限定はないが、±０．
０１ｍｍ〜±１ｍｍ程度がよい。このような振動を作用
させることで、多数の微細な球晶を生成せしめ、この球
晶を成長させないことができる。この場合、振動は成形
の開始から終了時まで作用させてもよいし、樹脂組成物
が溶融状態から固化し脱型する間だけ作用させてもよ
い。振動を作用させる時間は、用いるポリマー、樹脂組
成物の組成、歯車成形品の使用条件などにより要求され
る特性に応じて設定すればよい。また、振動は、連続的
に作用させてもよいし、成形サイクルごとの成形品脱型
時には振動を停止するなど、間欠的でもよい。振動を付
与する具体的手段としては、例えば、金型に加振ピンを
設けておき、成形中のキャビティ内にある樹脂組成物に
振動を作用させる。前記加振ピンとしては、突き出しピ
ンやスリーブピンを用いてもよいし、別途設けるように
してもよい。さらに、上記のようにキャビティ内の樹脂
組成物に振動を付与しながら成形した場合には、成形品
のひけ、そり等の発生を防止して極めて精度の高い成形
品を得ることができるという利点もある。

【００１７】結晶モルホロジーを制御するさらに他の方
法として、ポリテトラフルオロエチレンを添加するとと
もに振動エネルギーを付与しながら成形する場合、ポリ
テトラフルオロエチレンの添加量は１〜１０重量％であ
る。ポリテトラフルオロエチレンの添加量が１０重量％
をこえると、耐摩擦・摩耗特性や歯車疲労強度といった
歯車特性が低下する。

【００１８】

【実施例】次に実施例を挙げて本発明を具体的に説明す
るが、これらの実施例は何ら本発明を制限するものでは
ない。

【００１９】なお、実施例の記載に先立ち、実施例に用
いた合成樹脂製歯車の成形材料、成形方法、及び成形品
の試験方法を以下に示す。

【００２０】［成形材料］（１）樹脂：ＰＯＭ：ポリアセタール（三菱化学製；Ｆ１０−０１）ＰＰＳ：ポリフェニレンサルファイド（トープレン社
製；トープレンＴ４）ＰＡ６６：ポリアミド６６（宇部興産製；２０２０Ｂ）（２）結晶核材：ＳｉＣ；β−ＳｉＣ（イビデン（株））Ｈｏｓｔｏｍｏｎｔ；モンタン酸系金属塩化合物（ヘキ
スト社製；ＨｏｓｔｏｍｏｎｔＮａＶ）（３）ポリテトラフルオロエチレン（ＴＦ９２０５；ヘ
キスト社製）

【００２１】［成形方法］（１）通常成形：日精樹脂工業（株）製；ＰＳ６０Ｅデ
ジタルサーボ射出成形機を用い、標準成形温度及び標準
成形条件により、図１に示す形状の歯車を成形した。歯車諸元；モジュール＝１、圧力角＝２０°、歯数＝３
０、歯幅＝８。（２）加振成形：上記通常成形において、成形中、成形
金型に設けた加振ピンにより振動数１００ヘルツ、振幅
±１ｍｍの振動を与えて歯車を成形した。

【００２２】［試験方法］（１）球晶サイズ：成形品のスキン部及びコア部をミク
ロトームで３μｍ厚みで切り取り、光学偏向顕微鏡によ
り観察した。（２）結晶化度：成形品のスキン部及びコア部をＸ線回
折測定後、ルーランド法で解析した。（３）歯車疲労強度及び摩耗試験：図２に示すような動
力吸収式歯車試験機（スターライト工業株式会社製）を
用い、下記表１に示す試験条件により、歯車の寿命まで
の総回転数（回）、及び総回転数が１×１０⁶回におけ
る歯の摩耗量（ｍｍ）を測定した。

【表１】（４）マタギ収縮率：ＪＩＳＢ１７５２に準拠し、マ
タギ歯厚を測定して成形収縮率を算出した。（５）歯外径収縮率：成形プラスチック歯車ハンドブッ
ク（精密工学会成形プラスチック歯車研究専門委員会
編）に示される方法に準拠して測定した。（５）歯車精度：ＪＩＳＢ１７０２に準拠して測定し
た。（６）歯車ピッチ点近傍温度：上記動力吸収式歯車試験
機による歯車疲労強度及び摩耗試験に際し、図３に示す
ように歯車のピッチ点近傍に熱電対（１５）をセットし
ておき、図２中に示す温度記録計（１）により試験中の
駆動側歯車（９）のピッチ点近傍の温度を測定した。

【００２３】（実施例１〜７）表２に示す配合にて、各
種樹脂に各種類及び量の添加剤を配合したのち均一分散
させた樹脂組成物から、２軸混練押出機を用いて射出成
形用ペレットを得た。この成形用ペレットから歯車を成
形し、成形品を評価した。

【００２４】（比較例１〜３）市販の各樹脂ペレットか
ら歯車を成形し、成形品を評価した。

【００２５】以上の実施例１〜８及び比較例１〜３の成
形品の評価結果を表２に示した。また、実施例１、２及
び比較例１の歯車についてピッチ点近傍の温度を測定
し、結果を図４に示した。

【００２６】

【表２】

【００２７】表２から明らかなように、結晶核材を添加
するか振動エネルギーを付与しながら成形するか、さら
には結晶核材の添加と振動エネルギー付与とを併用した
本発明に係る合成樹脂製歯車は、球晶サイズ、結晶化度
の結晶モルホロジーが成形品のスキン部とコア部とで均
一化されており、それにより歯車疲労強度や摩耗といっ
た歯車特性、及び歯車精度が改善された。また、図４か
ら明らかなように、結晶核材を添加することで、ピッチ
点近傍温度の上昇も抑制される。

【００２８】（実施例８〜１４、比較例４〜６）表３に
示す配合にて、各種樹脂にポリテトラフルオロエチレン
を配合したのち均一分散させた樹脂組成物から、２軸混
練押出機を用いて射出成形用ペレットを得た。この成形
用ペレットから加振成形により歯車を成形し、成形品を
評価した。結果を表３に示す。

【００２９】

【表３】

【００３０】表３の結果から明らかなように、ポリテト
ラフルオロエチレンを添加し、かつ振動エネルギーを付
与しながら成形することで、球晶サイズ、結晶化度とい
う結晶モルホロジーが成形品のスキン部とコア部とで均
一化されて、それにより歯車疲労強度、摩耗といった歯
車特性、及び歯車精度が改善された。しかし、比較例４
〜６のようにポリテトラフルオロエチレンの添加量が過
剰になると、球晶サイズ、結晶化度という結晶モルホロ
ジーは成形品のスキン部とコア部とで均一化され、歯車
精度は改善されるものの、歯車疲労強度や摩耗といった
歯車特性が低下する。

【００３１】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、結晶性
ポリマーの結晶モルホロジーを制御することにより、従
来のように各種固体潤滑材やガラス繊維などを大量に添
加することなく摩擦・摩耗特性、歯車疲労強度などの歯
車特性、及び歯車精度に優れ、かつリサイクル性に優れ
た合成樹脂製歯車を低コストで提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例及び比較例で成形した合成樹脂製歯車
の形状を示すものであり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側
断面図。

【図２】合成樹脂製歯車の歯車疲労強度及び摩耗測定
に用いた動力吸収式歯車試験機の簡略説明図。

【図３】ピッチ点近傍に熱電対をセットした歯車要部
の模式図。

【図４】歯車のピッチ点近傍の温度測定結果を示すグ
ラフ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＢ２９Ｋ 81:00 103:04 Ｂ２９Ｌ 15:00 (72)発明者黒川正也大阪府大阪市鶴見区徳庵１丁目１番71号スターライト工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】結晶性ポリマーにて成形してなり、成形
品全体の結晶モルホロジーを均一に制御したことを特徴
とする合成樹脂製歯車。
【請求項２】結晶性ポリマーの球晶サイズを小さくす
ることで成形品全体の球晶サイズを均一にした請求項１
記載の合成樹脂製歯車。
【請求項３】成形品全体の結晶化度を均一にした請求
項１又は２記載の合成樹脂製歯車。
【請求項４】結晶性ポリマーに結晶核材を添加して成
形することで結晶モルホロジーを制御した請求項１〜３
のいずれかに記載の合成樹脂製歯車。
【請求項５】振動エネルギーを付与しながら成形する
ことで結晶モルホロジーを制御した請求項１〜３のいず
れかに記載の合成樹脂製歯車。
【請求項６】ポリテトラフルオロエチレンを１重量％
〜１０重量％の範囲で添加するとともに振動エネルギー
を付与しながら成形することで結晶モルホロジーを制御
した請求項１〜３のいずれかに記載の合成樹脂製歯車。
【請求項７】結晶性ポリマーに結晶核材を添加し、か
つ振動エネルギーを付与しながら成形することで結晶モ
ルホロジーを制御した請求項１〜３のいずれかに記載の
合成樹脂製歯車。
【請求項８】結晶性ポリマーがポリアセタールである
請求項１〜７のいずれかに記載の合成樹脂製歯車。
【請求項９】球晶サイズが１５μｍ以下で結晶化度が
５０％以上である請求項８記載の合成樹脂製歯車。
【請求項１０】結晶性ポリマーがポリアミドである請
求項１〜７のいずれかに記載の合成樹脂製歯車。
【請求項１１】球晶サイズがサブミクロンで結晶化度
が２０％以上である請求項１０記載の合成樹脂製歯車。
【請求項１２】結晶性ポリマーがポリフェニレンサル
ファイドである請求項１〜７のいずれかに記載の合成樹
脂製歯車。
【請求項１３】球晶サイズがサブミクロンで結晶化度
が３０％以上である請求項１２記載の合成樹脂製歯車。
【請求項１４】結晶性ポリマーの結晶モルホロジーを
制御して射出成形することにより成形品全体の結晶モル
ホロジーを均一にすることを特徴とする合成樹脂製歯車
の製造方法。
【請求項１５】結晶性ポリマーに結晶核材を添加して
射出成形することにより成形品全体の球晶サイズを均一
に制御する請求項１４記載の合成樹脂製歯車の製造方
法。
【請求項１６】振動エネルギーを付与しながら射出成
形することにより成形品全体の球晶サイズを均一に制御
する請求項１４記載の合成樹脂製歯車の製造方法。
【請求項１７】結晶性ポリマーに結晶核材を添加し、
かつ振動エネルギーを付与しながら射出成形することに
より成形品全体の球晶サイズを均一に制御する請求項１
４記載の合成樹脂製歯車の製造方法。