JPWO2009069716A1 - 内歯車の製造方法および金属ガラス製の内歯車 - Google Patents

Abstract

【課題】製造時間を短縮することができ、中子を容易に取り出すことができる内歯車の製造方法および金属ガラス製の内歯車を提供する。【解決手段】細長い筒状の鋳型１１の内部に、外歯車形状に形成された鋳型と同一長のカーボン製の中子１２を、鋳型１１の長さ方向に沿って鋳型１１との間に空隙を有するよう配置する。金属材料１の融点より高い温度下で、鋳型１１と中子１２との空隙に、圧力をかけて溶融した金属材料１を注入する。金属材料１を鋳型１１および中子１２とともに、金属材料１の臨界冷却速度以上で急冷して固化させる。金属材料１の固化後、中子１２を粉砕または溶解して除去する。金属材料１が固化して形成された長尺の内歯車２を、所定の長さで切断して複数に分割する。【選択図】図１

Description

本発明は、内歯車の製造方法および金属ガラス製の内歯車に関する。

従来、内歯車を製造する方法として、プレス加工にてカップ形に成形したカップ形素材の内周面に、内歯車成形用金型を使用して冷間塑性加工にて歯形を成形する方法（例えば、特許文献１参照）や、内歯車製造用たがねを中空部材の中空部に圧入して、中空部内面に歯形を形成する方法（例えば、特許文献２参照）がある。しかし、これらの従来の方法では、精度および小型化に問題があり、例えば小型化により、マイクロギヤードモータなどの高精度を要求される精密機器に使用される内歯車を製造する場合、加工精度を確保するために内歯車の素材として樹脂が使用されており、硬度や強度が不足するという問題があった。

この問題を解決するために、ダイカスト法などの溶融金属の射出成形方法により、金属ガラス製の内歯車を製造する方法が提案されている（例えば、特許文献３参照）。

特開平８−３０００８３号公報 特開２００３−８９０１５号公報 国際公開第２００５／０２４２７４号パンフレット

特許文献３記載の方法では、高い硬度・強度等を有し、高精度な金属ガラス製の内歯車を製造することができるが、内歯車を１つ１つ製造するため、多数の内歯車を製造する場合に生産性に欠けるという課題があった。また、射出成形後、成形品全体の冷却による熱収縮作用により、内側にある中子が抜けないという課題もあった。

本発明は、このような課題に着目してなされたもので、製造時間を短縮して生産性を上げることができ、中子を容易に取り出すことができる内歯車の製造方法および金属ガラス製の内歯車を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明に係る内歯車の製造方法は、細長い筒状の鋳型の内部に、少なくとも一部が外歯車形状に形成された前記鋳型と同一長の非金属製の中子を、前記鋳型の長さ方向に沿って前記鋳型との間に空隙を有するよう配置し、金属材料の融点より高い温度下で前記空隙に溶融した金属材料を注入する金属注入工程と、前記金属材料を前記鋳型および前記中子とともに固化させる金属冷却工程と、前記金属材料の固化後、前記中子を粉砕または溶解して除去する中子除去工程とを有することを特徴とする。また、前記中子を取り出した後、前記金属材料が固化して形成された成形品を、所定の長さで切断して複数に分割する切断工程を、有することが好ましい。

本発明に係る内歯車の製造方法では、金属材料を臨界冷却速度以上で急冷して固化させることにより、金属ガラスやアモルファス合金、ナノ結晶複合金属ガラスなどの急冷凝固金属製の内歯車を製造することができる。中子が非金属製であるため、金属製の場合に比べて金属材料と反応しにくく、膨張しにくい。このため、中子が金属製の場合に比べて、中子を取り出すのが容易であり、成形品として長尺の内歯車を容易に製造することができる。長尺の内歯車を、使用される内歯車の長さに応じて切断することにより、複数の内歯車を一度に製造することができる。このため、射出成形で内歯車を１つ１つ製造する場合に比べ、製造時間を短縮して生産性を上げることができる。中子を粉砕または溶解して除去するため、中子をそのままの形状で取り出す必要がなく、高精度の内歯車を容易に製造することができる。

金属材料の融点より高い温度下で、鋳型と中子との空隙に溶融した金属材料を注入するため、注入中に金属材料が固化するおそれがなく、空隙の隅々まで金属材料を注入することができ、微細な構造を有する内歯車を高精度で製造することができる。鋳型は、空隙に注入された金属材料を急冷可能な、熱伝導性に優れた金属製であることが好ましい。中子は、金属材料の融点より高い温度下で溶けないよう、金属材料の融点より高い融点を有することが好ましく、特に融点が１０００度以上であることが好ましい。

本発明に係る内歯車の製造方法で、前記中子は、外歯車形状に形成された歯車部と、前記歯車部の一端側に設けられ、前記歯車部より外径が小さい軸受部と、前記歯車部の他端側に設けられ、前記軸受部より外径が大きいモータ嵌合部とを有していてもよい。この場合、中子の歯車部に対応する内歯車部と、軸受部に対応する軸受と、モータ嵌合部に対応するモータ取付部とを一体的に有する成形品を形成することができる。

本発明に係る内歯車の製造方法で、前記中子は、１０００℃以上の融点を有するカーボン製、窒化ボロン製またはセラミックス製であることが好ましい。この場合、中子の融点が１０００℃以上であり、金属材料の融点より高い温度下で溶けないようにすることができる。また、中子を高精度で外歯車形状に形成することができる。中子が金属材料と反応しないため、高精度の内歯車を製造することができる。中子がカーボン製の場合、カーボンが有する離型性により、中子を内歯車の内面から取り除くのが容易である。中子が窒化ボロン製の場合、ボロンの有する離型効果により、内歯車の内面から中子を容易かつきれいに取り除くことかできる。中子がセラミックス製で、特に硫酸カルシウムの水和物である、いわゆる石膏製の場合、石膏の溶解特性により、水あるいは石膏溶解液により、内歯車の内面から中子を溶解することにより、容易かつきれいに取り除くことができる。

本発明に係る内歯車の製造方法で、前記中子除去工程は、粉砕により中子を除去する場合にはブラスト加工により、前記中子を粉砕して取り出すことが好ましい。この場合、中子に高速の粒子を吹き付けて、容易に中子を粉砕することができる。径が小さい粒子を吹き付けることにより、内歯車の内側の隅々まで粒子を吹き付けて中子をきれいに粉砕して取り出すことができる。粒子は、ショットピーニングにより吹き付けられることが好ましい。

本発明に係る内歯車の製造方法で、前記金属注入工程は、溶融した前記金属材料を前記空隙中に真空圧力鋳造法により形成することが好ましい。この場合、空隙の隅々まで金属材料を充填することができ、充填不良を防いで、微細な構造を有する内歯車を高精度で製造することができる。

本発明に係る金属ガラス製の内歯車は、本発明に係る内歯車の製造方法により製造されることを、特徴とする。
本発明に係る金属ガラス製の内歯車は、本発明に係る内歯車の製造方法により製造されるため、高精度であり、１個あたりの製造時間を短縮可能である。

本発明によれば、製造時間を短縮することができ、中子を容易に取り出すことができる内歯車の製造方法および金属ガラス製の内歯車を提供することができる。

以下、図面に基づき、本発明の実施の形態について説明する。
図１乃至図３は、本発明の実施の形態の内歯車の製造方法および金属ガラス製の内歯車を示している。
図１に示すように、本発明の実施の形態の内歯車の製造方法は、鋳型１１と中子１２とを使用して製造される。

鋳型１１は、熱伝導性に優れた金属製で、細長い筒状を成している。鋳型１１は、中心軸方向に沿って２つに分割可能になっている。なお、具体的な一例では、鋳型１１は、外径が２ｍｍである。このとき、長さを１００ｍｍにすることにより、２０個の内歯車を得ることが出来る。

中子１２は、１０００℃以上の融点を有するカーボン製で、細長い外歯車形状に形成されている。中子１２は、鋳型１１の長さと同じ長さを有し、鋳型１１の内径より小さい外径を有している。図１（ａ）に示すように、中子１２は、鋳型１１の内部に、鋳型１１の長さ方向に沿って鋳型１１との間に空隙を有するよう配置されている。

本発明の実施の形態の内歯車の製造方法では、まず、図１（ｂ）および図２に示すように、真空チャンバー内で、内歯車成形用の鋳型１１と中子１２とを、注入する金属材料１の融点より高い温度に維持された高温槽２１の内部に配置する。具体的な一例では、高温槽２１の内部は約１０００℃である。真空チャンバー内に配置された高周波コイル２２の内部に金属材料１を浮遊溶解した後、鋳型１１と中子１２との空隙に溶融した金属材料１を注入する。このとき、鋳型１１の上下に配置されたプレス装置２３により、溶融した金属材料１に圧力をかけて、空隙に注入する。そのときの金属材料１の温度は、約１０００℃である。このとき、カーボン製の中子１２の融点が１０００℃以上であるため、中子１２は融けない。こうして、空隙の隅々まで金属材料１を充填することができ、充填不良を防ぐことができる。また、金属材料１の融点より高い温度下で、空隙に溶融した金属材料１を注入するため、注入中に金属材料１が固化するおそれがない。

金属材料１を空隙に充填した後、金属材料１が注入された鋳型１１および中子１２を高温槽２１から取り出し、金属材料１を鋳型１１および中子１２とともに、金属材料１の臨界冷却速度以上で急冷して固化させる。金属材料１を鋳型１１および中子１２とともに急冷することにより、冷却装置や冷却槽などの既存の設備を使用することができる。鋳型１１が熱伝導性に優れているため、空隙に注入された金属材料１を鋳型１１とともに急冷することができる。

金属材料１の固化後、図１（ｃ）に示すように、ショットピーニング用の装置を利用して、中子１２に高速の粒子を吹き付けて、中子１２を粉砕して取り出す。中子１２がカーボン製であるため、容易に中子１２を粉砕することができ、内歯車２の内面から中子１２を容易かつ全て取り除くことかできる。径が小さい粒子を吹き付けることにより、内歯車２の内側の隅々まで粒子を吹き付けて中子１２を完全に粉砕して取り出すことができる。

中子１２を取り出した後、鋳型１１を２つに分割して、固化した金属材料による内歯車２を取り出す。このように、本発明の実施の形態の内歯車の製造方法で、金属材料１を臨界冷却速度以上で急冷して固化させることにより、本発明の実施の形態の金属ガラス製の内歯車２を製造することができる。

本発明の実施の形態の内歯車の製造方法では、中子１２が非金属のカーボン製であるため、金属製の場合に比べて金属材料１と反応しにくく、膨張しにくい。このため、中子１２が金属製の場合に比べて、中子１２を取り出すのが容易であり、成形品として長尺の内歯車２を容易に製造することができる。製造された長尺の内歯車２を、使用される内歯車の長さに応じて切断することにより、多数の内歯車を一度に製造することができる。このため、射出成形で内歯車を１つ１つ製造する場合に比べ、製造時間を短縮することができる。中子１２を粉砕して取り出すため、中子１２をそのままの形状で取り出す必要がなく、高精度の内歯車２を容易に製造することができる。

中子１２がカーボン製であり加工が容易なため、中子１２を高精度で外歯車形状に形成することができる。また、中子１２が金属材料１と反応しないため、高精度の内歯車２を製造することができる。金属材料１の注入時に充填不良を防ぐことができるため、微細な構造を有する内歯車２を高精度で製造することができる。

本発明の実施の形態では、中子１２をカーボン製としたが、窒化ボロン製またはセラミックス製の中子とした場合も、本実施の形態の内歯車の製造方法により、同様に微細な構造を有する内歯車２を製造することができる。

また中子１２の除去は、中子１２に用いる材質の溶解特性を利用して、溶解により除去することもできる場合がある。特に、セラミックス製の中子として硫酸カルシウムの水和物である、いわゆる石膏を使用した場合は、酸やキレート剤等の石膏溶解剤の水溶液により、化学的に中子１２を溶解除去することができる。

製造される高精度の内歯車２は、金属ガラス製であるため、高い硬度・強度等を有している。このため、製造された内歯車２を、マイクロギヤードモータなどの高負荷・長寿命を要求される精密機器に使用することができる。

なお、図３（ａ）に示すように、中子１２は、外歯車形状に形成された歯車部１２ａと、歯車部１２ａの一端側に設けられ、歯車部１２ａより外径が小さい軸受部１２ｂと、歯車部１２ａの他端側に設けられ、軸受部１２ｂより外径が大きいモータ嵌合部１２ｃとを有していてもよい。この場合、図３（ｂ）に示すように、中子１２の歯車部１２ａに対応する内歯車部２ａと、軸受部１２ｂに対応する軸受２ｂと、モータ嵌合部１２ｃに対応するモータ取付部２ｃとを一体的に有する内歯車２を形成することができる。内歯車部２ａ、軸受２ｂおよびモータ取付部２ｃが一体に形成されるため、部品点数を削減することができる。また、各部を別々に形成して組み立てる場合と比較して、各部の取付位置精度を向上させることができ、剛性が上がる。

本発明の実施の形態の内歯車の製造方法および金属ガラス製の内歯車を示す斜視図である。 本発明の実施の形態の内歯車の製造方法を実施するための内歯車の製造装置の概略を示す側面図である。 本発明の実施の形態の内歯車の製造方法の変形例を示す（ａ）中子の斜視図、（ｂ）製造される金属ガラス製の内歯車の縦断面斜視図である。

符号の説明

１ 金属材料
２ 内歯車
１１ 鋳型
１２ 中子

Claims (8)

1. 細長い筒状の鋳型の内部に、少なくとも一部が外歯車形状に形成された前記鋳型と同一長の非金属製の中子を、前記鋳型の長さ方向に沿って前記鋳型との間に空隙を有するよう配置し、金属材料の融点より高い温度下で前記空隙に溶融した金属材料を注入する金属注入工程と、
   前記金属材料を前記鋳型および前記中子とともに固化させる金属冷却工程と、
   前記金属材料の固化後、前記中子を粉砕または溶解して除去する中子除去工程とを
   有することを特徴とする内歯車の製造方法。
2. 前記中子を取り出した後、前記金属材料が固化して形成された成形品を、所定の長さで切断して複数に分割する切断工程を、有することを特徴とする請求項１記載の内歯車の製造方法。
3. 前記中子は、外歯車形状に形成された歯車部と、前記歯車部の一端側に設けられ、前記歯車部より外径が小さい軸受部と、前記歯車部の他端側に設けられ、前記軸受部より外径が大きいモータ嵌合部とを有することを、特徴とする請求項１記載の内歯車の製造方法。
4. 前記中子は、１０００℃以上の融点を有するカーボン製、窒化ボロン製またはセラミックス製であることを、特徴とする請求項１、２または３記載の内歯車の製造方法。
5. 前記中子除去工程は、ブラスト加工により、前記中子を粉砕して取り出すことを、特徴とする請求項１、２、３または４記載の内歯車の製造方法。
6. 前記中子除去工程は、溶解液により、前記中子を溶解して除去することを、特徴とする請求項１、２、３または４記載の内歯車の製造方法。
7. 前記金属注入工程は、溶融した前記金属材料を前記空隙中に真空圧力鋳造法により形成することを、特徴とする請求項１、２、３、４、５または６記載の内歯車の製造方法。
8. 請求項１、２、３、４、５、６または７記載の内歯車の製造方法により製造されることを、特徴とする金属ガラス製の内歯車。

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