WO2018180185A1 - 樹脂歯車及び歯車機構 - Google Patents

樹脂歯車及び歯車機構 Download PDF

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resin
carbon
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internal gear
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清水　猛
小川　隆雄
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日本電産株式会社
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C45/00—Injection moulding, i.e. forcing the required volume of moulding material through a nozzle into a closed mould; Apparatus therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C70/00—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts
    • B29C70/04—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts comprising reinforcements only, e.g. self-reinforcing plastics
    • B29C70/06—Fibrous reinforcements only
    • B29C70/10—Fibrous reinforcements only characterised by the structure of fibrous reinforcements, e.g. hollow fibres
    • B29C70/12—Fibrous reinforcements only characterised by the structure of fibrous reinforcements, e.g. hollow fibres using fibres of short length, e.g. in the form of a mat
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H55/00—Elements with teeth or friction surfaces for conveying motion; Worms, pulleys or sheaves for gearing mechanisms
    • F16H55/02—Toothed members; Worms
    • F16H55/06—Use of materials; Use of treatments of toothed members or worms to affect their intrinsic material properties

Definitions

  • the present invention relates to a resin gear and a gear mechanism.
  • one aspect of the present invention is a resin gear having sufficient durability and wear resistance even with a small size and high dimensional accuracy by including a reinforcing fiber, and the same. Another object is to provide a gear mechanism.
  • One aspect of the resin gear of the present invention is a carbon fiber made of a mixed material of a resin material and a carbon material, wherein the carbon material has a length of 100 ⁇ m or less.
  • FIG. 10 The figure which shows the structure of a part of small reduction gear 100 which applied the resin gear concerning this invention as the internal gear 10.
  • FIG. 10 The figure which shows the internal gear 10.
  • FIG. It is a figure which shows a mode that the carbon fiber 12 was disperse
  • FIG. It is a figure which shows a mode that the carbon fiber 12 was disperse
  • the resin gear according to the present invention is made of a mixed material of a resin material and a carbon material. Carbon fiber is used as the carbon material, and many carbon fibers are mixed in the resin material.
  • Such a resin gear can be suitably used as an internal gear 10 of a small reduction gear 100 as shown in FIG. *
  • an XYZ coordinate system is appropriately shown as a three-dimensional orthogonal coordinate system.
  • the Z-axis direction is a direction parallel to the axial directions of the first central axis J1 and the second central axis J2 shown in FIG.
  • the X-axis direction is a direction orthogonal to the Z-axis direction and is the left-right direction in FIG.
  • the Y-axis direction is a direction orthogonal to both the X-axis direction and the Z-axis direction, and is the vertical direction in FIG. *
  • a direction parallel to the first central axis J1 and the second central axis J2 (Z-axis direction) is simply referred to as “axial direction”, and the first central axis J1 or the second central axis J2 is the center.
  • the radial direction is simply referred to as “radial direction”, and the circumferential direction around the first central axis J1 or the second central axis J2, that is, the circumference of the first central axis J1 or the second central axis J2 is simply “ Called the “circumferential direction”.
  • FIG. 1 is a diagram showing a partial configuration of a small reducer 100 to which the resin gear of the embodiment is applied as an internal gear 10.
  • the small reduction gear (gear mechanism) 100 includes at least an internal gear 10, an external gear 20, a shaft 7, and a plurality of support pins 8.
  • the shaft 7 is an input shaft of the small reduction gear 100, and a shaft main body (not shown) extending along the first central axis J1 and an eccentric portion 7B provided at the tip of the shaft main body and extending along the second central axis J2. And have. *
  • FIG. 2 is a diagram showing the internal gear 10.
  • the internal gear 10 is an embodiment of a resin gear according to the present invention.
  • the internal gear (resin gear) 10 extends from a cylindrical internal gear main body 10A centering on the first central axis J1 and a part of the internal gear main body 10A.
  • a fixed member 10B a fixed member 10B.
  • a plurality of internal teeth 13 projecting radially outward from the inner peripheral surface 10a is provided on the inner peripheral surface 10a of the internal gear main body 10A.
  • an internal inter-tooth groove 14 that is recessed toward the radially inner side (inner peripheral surface 10a) is provided.
  • the inner teeth 13 and the inter-inner teeth grooves 14 are alternately present around the first central axis J1.
  • the tip diameter of the internal gear 10 is, for example, not less than 2 mm and not more than 12 mm. *
  • the internal gear main body 10A surrounds the radially outer side of the external gear 20 as shown in FIG.
  • the internal teeth 13 of the internal gear main body 10 ⁇ / b> A face the external teeth 22 of the external gear 20 and partially mesh with each other sequentially in the circumferential direction in accordance with the swinging operation of the external gear 20.
  • FIG. 3 is a view showing a state in which the carbon fibers 12 are dispersed in an irregular direction in the configuration of the present embodiment, and is an enlarged view of one internal tooth. *
  • the internal gear 10 is an embodiment of a resin gear according to the present invention.
  • the internal gear 10 is a resin gear made of a reinforced resin containing a carbon material.
  • a resin material 11 (FIG. 3) is used as a base material, and a carbon fiber (carbon material) 12 (FIG. 3) is used as an additive to the base material.
  • the resin material 11 used for the base material a polymer material having excellent moldability and high mechanical strength is selected.
  • the resin material 11 include, for example, PEEK (Poly ether ether ketone) polyether ether ketone resin (crystalline super engineering plastic), LCP (Liquid Crystal Polymer liquid crystal polymer), PPS (Poly Phenylene Sulfide Resin polyphenylene sulfide resin).
  • PEEK Poly ether ether ketone
  • LCP Liquid Crystal Polymer liquid crystal polymer
  • PPS Poly Phenylene Sulfide Resin polyphenylene sulfide resin
  • PA46 polyamide 46
  • the carbon fiber 12 it is desirable to use a PAN-based carbon fiber 12 that has high strength and excellent wear resistance.
  • a fine carbon fiber having an average aspect ratio of 5 to 20 and an average fiber length of 100 ⁇ m or less is selected. More specifically, short fibers having an average aspect ratio of 10 or less, an average fiber length of 80 ⁇ m, and an average fiber diameter of 5 to 7 ⁇ m may be selected.
  • anisotropic pitch-based carbon fiber 12 particularly for the purpose of obtaining strength.
  • a fine carbon fiber having an average aspect ratio of 5 to 15 and an average fiber length of 100 ⁇ m or less is selected. More specifically, short fibers having an average aspect ratio of 10 or less, an average fiber length of 80 ⁇ m, and an average fiber diameter of 7 to 11 ⁇ m may be selected.
  • the average aspect ratio refers to the length in the radial direction orthogonal to the length direction of the carbon fibers 12 as the diameter r ( ⁇ m), and the length of the carbon fibers 12 in the length direction as the length L ( ⁇ m). It is the value which averaged the L / r ratio at the time about the some carbon fiber 12 contained in the predetermined range.
  • the aspect ratio of one fiber can be calculated by observing the carbon fiber 12 and dividing the length of the carbon fiber 12 by the diameter.
  • the length of the carbon fiber 12 can be measured using an optical microscope or an electron microscope. For example, using a scanning electron microscope (SEM), for example, 100 arbitrary carbon fibers 12 having a length of 100 ⁇ m or less are selected, and the length and diameter of the carbon fibers 12 are measured. From the measured length and diameter, the aspect ratio of 100 carbon fibers 12 can be obtained, and the average aspect ratio can be calculated as the average value of the aspect ratios.
  • SEM scanning electron microscope
  • the refined carbon fiber 12 is a fiber having a small aspect ratio
  • the carbon fiber 12 is very dispersible with respect to the resin material 11 and is distributed in the resin material 11 in a uniform state. Further, since the aspect ratio is small, anisotropy does not appear in the dispersion direction of the carbon fibers 12 in the resin material 11, and as shown in FIG. 3, it is randomly dispersed in an irregular direction in the injection molded product. ing. Thereby, the internal gear 10 with high dimensional accuracy and high strength is obtained.
  • the above-described base material contains 20 to 70% by volume of carbon fiber 12 that is a carbon material (reinforcing material). More preferably, it is 30 to 60% by volume. More preferably, it is 50 volume%. If the content of the carbon fiber 12 is less than 20% by volume, a desired reinforcing effect cannot be obtained. On the other hand, if the content of the carbon fiber 12 exceeds 70% by volume, the amount of resin connecting the fibers is insufficient, so that voids are generated, which may affect the moldability and dimensional accuracy of the gear. *
  • FIG. 4 is a diagram showing the external gear 20.
  • the external gear 20 is a cycloid gear.
  • the external gear 20 has a substantially annular plate shape extending in the radial direction from the second central axis J ⁇ b> 2.
  • a plurality of external teeth 22 projecting outward in the radial direction are provided on the outer periphery of the external gear 20.
  • an inter-external tooth groove 23 that is recessed inward in the radial direction is provided.
  • the external teeth 22 and the external inter-tooth grooves 23 are alternately present around the second central axis J2.
  • the tip diameter of the external gear 20 is, for example, 2 mm or more and 12 mm or less. *
  • the external gear 20 has a shaft insertion hole 24 that penetrates in the central direction in the axial direction (Z-axis direction).
  • the shaft insertion hole 24 is an axial hole that rotatably supports the eccentric portion 7B of the shaft 7 of FIG. 1 extending along the second central axis J2.
  • the shaft insertion hole 24 is a sliding bearing and holds the lubricating oil 19 (FIG. 8) inside. *
  • the external gear 20 has a plurality of through holes 25 around the shaft insertion hole 24.
  • the plurality of through-holes 25 are arranged at equal intervals along the circumferential direction centering on the second central axis J2 at positions spaced radially outward from the shaft insertion hole 24. Further, the radial positions of the through holes 25 are the same. *
  • through holes 25 are provided, but the number is not limited thereto.
  • the shape of the through hole 25 viewed from the axial direction (Z-axis direction) is circular.
  • the plurality of through holes 25 are sliding bearings and hold the lubricating oil 19 (FIG. 8) inside. *
  • a support pin 8 shown in FIG. 1 is inserted into each of the plurality of through holes 25.
  • the inner diameter of the through hole 25 is larger than the outer diameter of the support pin 8.
  • the outer peripheral surface 8 b of the support pin 8 is inscribed with the inner peripheral surface 25 a of the through hole 25.
  • the support pin 8 restricts free rotation of the external gear 20 and swings the external gear 20 around the first central axis J1.
  • the support pin 8 is connected to the output shaft of the small speed reducer 100.
  • the external gear 20 is meshed with the internal gear 10 disposed on the radially outer side. *
  • a polymer material having excellent formability and high mechanical strength is selected.
  • resin materials include, for example, PEEK (Poly ether ether ketone) polyether ether ketone resin (crystalline super engineering plastic), LCP (Liquid Crystal Polymer liquid crystal polymer), PPS (Poly Phenylene Sulfide Resin polyphenylene sulfide resin). And one or more materials selected from the group consisting of polyamide resins such as semi-aromatic nylon (PA4T, PA6T, PA9T, PA10T) and polyamide 46 (PA46).
  • PA4T semi-aromatic nylon
  • PA6T PA6T
  • PA9T PA10T
  • PA46 polyamide 46
  • the external gear 20 preferably contains a carbon material.
  • the wear resistance of the external gear 20 can be enhanced by using a reinforcing material in which spherical amorphous carbon (not shown) is added to the resin material described above.
  • spherical amorphous carbon carbon fine particles having an average aspect ratio of 2 or less are preferable.
  • the same material as the base material of the external gear 20 may be used, or may be different.
  • the small reduction gear 100 for example, when the shaft 7 shown in FIG. 1 rotates around the first central axis J1, the inside of the through hole 25 of the external gear 20 supported by the eccentric portion of the shaft 7.
  • the external gear 20 swings in the radial direction while the inscribed position between the peripheral surface 25a and the outer peripheral surface 8b of the support pin 8 changes.
  • the position where the external teeth 22 of the external gear 20 and the internal teeth 13 of the internal gear 10 mesh with each other changes in the circumferential direction.
  • the output shaft connected to the support pin 8 rotates at a speed 1/30 of the shaft 7, for example.
  • the operation of the small speed reducer 100 described above is an example, and may be configured to perform other operations. *
  • FIG. 5 is a view showing a state in which the carbon fibers 12 are dispersed in a regular direction in the conventional configuration, and is an enlarged view of one internal tooth.
  • a long carbon fiber 92 having a fiber length exceeding 100 ⁇ m was added to the resin material 11.
  • the carbon fibers 92 are oriented in a regular direction along the flow of the resin material 11 during injection molding, as shown in FIG. There is a possibility that a simple crack 91 is likely to occur.
  • the carbon fiber 92 when the length of the carbon fiber 92 is long, the carbon fiber 92 is oriented in the flow direction along the flow of the resin material 11, and shrinkage anisotropy occurs due to the flow state of the resin material 11.
  • the dimensional accuracy of the internal gear 90 is lowered, and it is difficult to obtain a target dimension.
  • the carbon fibers 92 when the carbon fiber 92 is long, the carbon fibers 92 are entangled with each other and the carbon fiber 92 is biased or a void is easily generated in the resin material 11.
  • the amount of dimensional change at the time of heat shrinking changes. Furthermore, if a gap remains inside the manufactured internal gear 90, the strength of the internal gear 90 is reduced. *
  • the above-mentioned malfunction was eliminated by adding short carbon fiber 12 having a fiber length of 100 ⁇ m or less to resin material 11.
  • the carbon fiber 12 with a short fiber length is dispersed in an irregular direction in the resin material 11 regardless of the outflow direction of the resin material 11 during injection molding. Since the carbon fibers 12 are not easily entangled with each other, anisotropy does not appear in the dispersion direction of the carbon fibers 12 in the resin material 11 at the time of injection molding, and there is no bias in the carbon fibers 12 or voids in the resin material 11. . For this reason, the dimensional change amount at the time of the heat shrink accompanying hardening becomes uniform, and the internal gear 10 with high dimensional accuracy can be formed. *
  • the thermal expansion coefficient becomes lower than that of the resin material 11 alone. Therefore, the dimensional change of the internal gear 10 due to heat generation during use can be suppressed.
  • the external gear 20 is formed of a fiber reinforced material. Since the external gear 20 receives both compression force and shear force, durability and slidability are important. Therefore, the durability and wear resistance of the external gear 20 can be improved by adding a carbon material to the resin material 11. *
  • FIG. 6 is an enlarged view showing a part of the surface of the internal tooth 13 of the internal gear 10 before use.
  • FIG. 7 is an enlarged view showing a part of the surface of the internal tooth 13 of the internal gear 10 after use.
  • FIG. 8 is an enlarged view showing a state in which the external gear 20 is engaged with the internal gear 10 in use. *
  • the external gear 20 meshes with the internal gear 10, whereby friction is generated between the internal gear 10 and the external gear 20, so that the surface of the internal gear 10, that is, the internal teeth. 13 tooth surfaces wear out.
  • the relatively soft resin material 11 is preferentially scraped, so that the hard carbon fiber 12 partially protrudes from the surface of each internal tooth 13 to the outside.
  • the hard carbon fibers 12 buried in the resin material 11 appear on the surface as shown in FIG. 7, and a gap 15 is generated between the carbon fibers 12 and the resin material 11. .
  • the lubricating oil 19 is held in the gap 15 formed on the surface of each internal tooth 13 by capillary action.
  • the surface on the external gear 20 side also wears.
  • the carbon material buried in the resin material 11 appears on the surface of each external tooth 22, and a gap 15 is generated between the carbon fiber 12. Therefore, as shown in FIG. 8, the lubricating oil 19 is also retained in the gap 15 formed on the surface of each external tooth 22 by capillary action. Further, the lubricating oil 19 is temporarily held in the gap 16 between the internal gear 10 and the external gear 20 in a state of being engaged with a part of the internal gear 10 by capillary action.
  • the lubricating oil 19 is held in the gaps 15 and 16, thereby improving the slidability of the external gear 20, suppressing fatigue due to friction, and extending the life of the gears 10 and 20. It becomes possible.
  • the small speed reducer 100 of the present embodiment includes the internal gear 10 including the carbon fiber 12 and the external gear 20 including the spherical amorphous carbon.
  • a gear structure having durability and wear resistance and high dimensional accuracy can be obtained, and a highly reliable small reduction gear 100 can be obtained.
  • the carbon fiber 12 as the carbon material is mixed with the resin material 11 in the internal gear 10.
  • the carbon fiber 12 not only the carbon fiber 12 but also spherical amorphous carbon may be mixed with the resin material 11. Good.
  • the addition ratio of the carbon fiber 12 and the spherical amorphous carbon to the resin material 11 is appropriately selected in consideration of the moldability and dimensional accuracy of the internal gear 10.
  • the density of the carbon material in the resin material 11 is improved by mixing the resin material 11 with not only carbon fibers but also spherical amorphous carbon. Accordingly, the strength of the external gear 20 can be increased, so that the durability and wear resistance of the external gear 20 are further improved.
  • the spherical amorphous carbon is mixed with the resin material 11, but not only the spherical amorphous carbon but also the carbon fiber 12 may be mixed.

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Abstract

本発明の樹脂歯車の一つの態様は、樹脂材料と炭素材料との混合材料からなり、前記炭素材料が１００μｍ以下の長さを有する炭素繊維である。

Description

樹脂歯車及び歯車機構
本発明は、樹脂歯車及び歯車機構に関する。
従来、金属材料を用いた歯車どうしの場合、バックラッシュに起因する振動や騒音が問題であった。そこで、バックラッシュに起因する振動及び騒音を低減するため、近年では、樹脂材料を用いた歯車を適用することが提言されている。　
また、大きな応力を伝達するためには、樹脂歯車の耐久性および耐摩耗性向上の要求がある。樹脂歯車の耐久性および耐摩耗性を向上させるための一つの手段として、例えば、特許文献１のように、樹脂材料に強化繊維を混合して、耐久性や耐摩耗性を向上する方法が検討されている。
再公表ＷＯ２００４／０８３０１５号公報
しかしながら、歯車が小型である場合は、射出成形時に歯車構造の隅々まで強化繊維がいき渡らず、歯の先端部分などは強化繊維による補強効果が得られないという問題があった。さらに、強化繊維の長さが長いと、例えば、強化繊維どうしが互いに絡み合って偏りが生じたり、樹脂材料中に空隙が生じやすくなって、熱硬化の際に方向によって熱収縮時の寸法変化量が変わってしまうという問題もあった。　
また、歯車どうしの噛み合わせの精度によってバックラッシュが発生すると、歯車構造の性能が低下するおそれがある。特に、サイクロイド方式の小型減速機では、駆動力の伝達に遅れが生じたり、瞬時に停止するなどの俊敏な動作ができないということがあった。そのため、各歯車の高い寸法精度が必要になる。　
本発明の一つの態様は、上記問題点に鑑みて、強化繊維を含有することにより、小型であっても十分な耐久性および耐摩耗性を有するとともに寸法精度の高い樹脂歯車、及びそれを備えた歯車機構を提供することを目的の一つとする。
本発明の樹脂歯車の一つの態様は、樹脂材料と炭素材料との混合材料からなり、前記炭素材料が１００μｍ以下の長さを有する炭素繊維である。
本発明の一つの態様によれば、小型であっても、十分な耐久性および耐摩耗性を有するとともに寸法精度の高い樹脂歯車、及びそれを備えた歯車機構を提供することができる。
本発明に係る樹脂歯車を内歯歯車１０として適用した小型減速機１００の一部の構成を示す図。 内歯歯車１０を示す図。 炭素繊維１２が不規則な向きで分散された様子を示す図であって、１つの内歯の拡大図である。 外歯歯車２０を示す図。 炭素繊維１２が規則的な向きで分散された様子を示す図であって、１つの内歯の拡大図である。 使用前の内歯歯車１０の内歯１３の表面の一部を示す拡大図。 使用前の内歯歯車１０の内歯１３の表面の一部を示す拡大図。 使用時の内歯歯車１０に対して外歯歯車が噛み合った状態を示す拡大図。
本発明に係る樹脂歯車は、樹脂材料と炭素材料との混合材料からなる。炭素材料として炭素繊維を用いており、多数の炭素繊維が樹脂材料に混合されている。　このような樹脂歯車は、例えば、図１に示すような、小型減速機１００の内歯歯車１０として、好適に用いることができる。　
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係る小型減速機の構成について説明する。なお、本発明の範囲は、以下の実施の形態に限定されず、本発明の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。また、以下の図面においては、各構成をわかりやすくするために、実際の構造と各構造における縮尺や数等を異ならせる場合がある。　
また、図面においては、適宜３次元直交座標系としてＸＹＺ座標系を示す。ＸＹＺ座標系において、Ｚ軸方向は、図１に示す第１中心軸Ｊ１、第２中心軸Ｊ２の軸方向と平行な方向とする。Ｘ軸方向は、Ｚ軸方向と直交する方向であって図１の左右方向とする。Ｙ軸方向は、Ｘ軸方向とＺ軸方向との両方と直交する方向であって図１の上下方向とする。　
また、以下の説明においては、第１中心軸Ｊ１及び第２中心軸Ｊ２に平行な方向（Ｚ軸方向）を単に「軸方向」と呼び、第１中心軸Ｊ１あるいは第２中心軸Ｊ２を中心とする径方向を単に「径方向」と呼び、第１中心軸Ｊ１あるいは第２中心軸Ｊ２を中心とする周方向、すなわち、第１中心軸Ｊ１あるいは第２中心軸Ｊ２の軸周りを単に「周方向」と呼ぶ。　
（小型減速機）　図１は、実施形態の樹脂歯車を内歯歯車１０として適用した小型減速機１００の一部の構成を示す図である。　図１に示すように、小型減速機（歯車機構）１００は、内歯歯車１０、外歯歯車２０、シャフト７及び複数の支持ピン８を少なくとも備えている。シャフト７は、小型減速機１００の入力軸であり、第１中心軸Ｊ１に沿って延びる不図示のシャフト本体と、シャフト本体の先端に設けられ、第２中心軸Ｊ２に沿って延びる偏心部７Ｂとを有する。　
（内歯歯車１０）　図２は、内歯歯車１０を示す図である。　内歯歯車１０は、本発明に係る樹脂歯車の一実施形態である。　内歯歯車（樹脂歯車）１０は、図１及び図２に示すように、第１中心軸Ｊ１を中心とする円筒状の内歯歯車本体１０Ａと、内歯歯車本体１０Ａの一部から延出する固定部１０Ｂと、を有する単一の部材からなる。内歯歯車本体１０Ａの内周面１０ａには、内周面１０ａから径方向外側へ向けて突出する複数の内歯１３が設けられている。周方向で隣り合う内歯１３どうしの間には、径方向内側（内周面１０ａ）へ向けて凹む内歯間溝１４が設けられている。内歯１３及び内歯間溝１４は、第１中心軸Ｊ１の軸周りに交互に存在する。内歯歯車１０の歯先円直径は、例えば、２ｍｍ以上１２ｍｍ以下である。　
内歯歯車本体１０Ａは、図１に示すように外歯歯車２０の径方向外側を囲む。内歯歯車本体１０Ａの内歯１３は、外歯歯車２０の外歯２２と対向し、外歯歯車２０の揺動動作に応じて、周方向へ順次、部分的に噛み合う。　
（内歯歯車の材質）　図３は、本実施形態の構成において、炭素繊維１２が不規則な向きで分散された様子を示す図であって、１つの内歯の拡大図である。　
内歯歯車１０は、本発明に係る樹脂歯車の一実施形態である。　内歯歯車１０は、炭素材料を含む強化樹脂を材料とする樹脂歯車である。　内歯歯車１０の材料としては、母材に樹脂材料１１（図３）が用いられて、母材に対する添加剤として炭素繊維（炭素材料）１２（図３）が用いられている。　
母材に用いる樹脂材料１１には、成形性に優れ、機械的強度が高い高分子材料が選ばれる。具体的な樹脂材料１１として、例えば、結晶性のスーパーエンプラであるＰＥＥＫ（Ｐｏｌｙ　ｅｔｈｅｒ　ｅｔｈｅｒ　ｋｅｔｏｎｅ）ポリエーテルエーテルケトン樹脂）、ＬＣＰ（Ｌｉｑｕｉｄ　Ｃｒｉｓｔａｌ　Ｐｏｌｙｍｅｒ液晶ポリマー）、ＰＰＳ（Ｐｏｌｙ　Ｐｈｅｎｙｌｅｎｅ　Ｓｕｌｆｉｄｅ　Ｒｅｓｉｎ　ポリフェニレンサルファイド樹脂）や、半芳香族ナイロン（ＰＡ４Ｔ、ＰＡ６Ｔ、ＰＡ９Ｔ、ＰＡ１０Ｔ）、ポリアミド４６（ＰＡ４６）等のポリアミド系樹脂からなる群の中から選択される、１つまたは２つ以上の材料が挙げられる。　
炭素繊維１２には、高強度にして耐摩耗性に優れるＰＡＮ系の炭素繊維１２を用いることが望ましい。炭素繊維１２として、例えば、平均アスペクト比が５以上２０以下、平均繊維長が１００μｍ以下の微細な炭素繊維を選択する。より具体的には、平均アスペクト比が１０以下、平均繊維長が８０μｍ、平均繊維径が５～７μｍの短繊維を選択してもよい。　炭素繊維１２には、特に強度を求める目的には、異方性ピッチ系の炭素繊維１２を用いることも可能である。炭素繊維１２として、例えば平均アスペクト比が５以上１５以下、平均繊維長が１００μｍ以下の微細な炭素繊維を選択する。より具体的には、平均アスペクト比が１０以下、平均繊維長が８０μｍ、平均繊維径が７～１１μｍの短繊維を選択してもよい。　
ここで、平均アスペクト比とは、炭素繊維１２の長さ方向に直交する径方向における長さを径ｒ（μｍ）とし、長さ方向における炭素繊維１２の長さを長Ｌ（μｍ）とした際のＬ／ｒ比を、所定の範囲に含まれる複数の炭素繊維１２について平均した値である。繊維１つのアスペクト比は、炭素繊維１２を観察し、炭素繊維１２の長さを径で割ることにより算出することができる。　
炭素繊維１２の長さは、光学顕微鏡や電子顕微鏡を用いて測定することができる。例えば、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて、長さが１００μｍ以下の任意の炭素繊維１２を例えば１００個選択し、その炭素繊維１２の長さと径とを計測する。計測した長さと径から、１００個の炭素繊維１２のアスペクト比を求め、それらのアスペクト比の平均値として、平均のアスペクト比を算出することができる。　
微細化された炭素繊維１２は、アスペクト比が小さい繊維であるため、樹脂材料１１に対して分散性が非常に良く、樹脂材料１１中に均一な状態で分布する。また、アスペクト比が小さいので、樹脂材料１１中における炭素繊維１２の分散方向に異方性が現れることがなく、図３に示すように、射出成型品内に不規則な向きでランダムに分散されている。これにより、高い寸法精度で高強度の内歯歯車１０が得られる。　
本実施形態では、上述した母材に、炭素材料（強化材料）である炭素繊維１２が２０～７０体積％含有されている。より好ましくは３０～６０体積％である。さらに好ましくは５０体積％である。炭素繊維１２の含有量が２０体積％未満では、所望の補強効果が得られない。一方、炭素繊維１２の含有量が７０体積％を超えると、繊維と繊維をつなぐ樹脂量が不足するため空隙が発生し、ギアの成型性、寸法精度に影響を及ぼすおそれがある。　
（外歯歯車２０）　図４は、外歯歯車２０を示す図である。　外歯歯車２０は、サイクロイド歯車である。外歯歯車２０は、図１及び図４に示すように、第２中心軸Ｊ２から径方向に拡がる略円環板状である。外歯歯車２０の外周には、径方向外側へ向けて突出する複数の外歯２２が設けられている。また、周方向で隣り合う外歯２２どうしの間には、径方向内側へ向けて凹む外歯間溝２３が設けられている。第２中心軸Ｊ２の軸周りに、外歯２２と外歯間溝２３とが交互に存在する。外歯歯車２０の歯先円直径は、例えば、２ｍｍ以上１２ｍｍ以下である。　
外歯歯車２０は、中央部分に軸方向（Ｚ軸方向）に貫通するシャフト挿入孔２４を有している。シャフト挿入孔２４は、第２中心軸Ｊ２に沿って延在する図１のシャフト７の偏心部７Ｂを回転可能に支持する軸孔である。シャフト挿入孔２４はすべり軸受けであり、内側に潤滑油１９（図８）を保持する。　
外歯歯車２０は、シャフト挿入孔２４の周囲に複数の貫通孔２５を有している。複数の貫通孔２５は、シャフト挿入孔２４から径方向外側に離れた位置に、第２中心軸Ｊ２を中心とする周方向に沿って等間隔に配置される。また、各貫通孔２５の径方向の位置はそれぞれ同じである。　
本実施形態では貫通孔２５が１０個ほど設けられているが、数はこれに限らない。軸方向（Ｚ軸方向）から見た貫通孔２５の形状は円形状である。複数の貫通孔２５はすべり軸受けであり、内側に潤滑油１９（図８）を保持する。　
複数の貫通孔２５のそれぞれには、図１に示す支持ピン８が挿入される。貫通孔２５の内径は、支持ピン８の外径よりも大きい。支持ピン８の外周面８ｂは、貫通孔２５の内周面２５ａと内接する。支持ピン８は、外歯歯車２０の自由な回転を制限し、外歯歯車２０を第１中心軸Ｊ１の周りに揺動させる。支持ピン８は、小型減速機１００の出力軸に接続される。外歯歯車２０は、径方向外側に配置される内歯歯車１０に噛み合わされる。　
（外歯歯車２０の材質）　外歯歯車２０の材料としては、成形性に優れ、機械的強度が高い高分子材料が選ばれる。具体的な樹脂材料として、例えば、結晶性のスーパーエンプラであるＰＥＥＫ（Ｐｏｌｙ　ｅｔｈｅｒ　ｅｔｈｅｒ　ｋｅｔｏｎｅ）ポリエーテルエーテルケトン樹脂）、ＬＣＰ（Ｌｉｑｕｉｄ　Ｃｒｉｓｔａｌ　Ｐｏｌｙｍｅｒ液晶ポリマー）、ＰＰＳ（Ｐｏｌｙ　Ｐｈｅｎｙｌｅｎｅ　Ｓｕｌｆｉｄｅ　Ｒｅｓｉｎ　ポリフェニレンサルファイド樹脂）や、半芳香族ナイロン（ＰＡ４Ｔ、ＰＡ６Ｔ、ＰＡ９Ｔ、ＰＡ１０Ｔ）、ポリアミド４６（ＰＡ４６）等のポリアミド系樹脂からなる群の中から選択される、１つまたは２つ以上の材料が挙げられる。　
外歯歯車２０には、炭素材料を含有させることが好ましい。　外歯歯車２０の材料として、上述した樹脂材料内に球状のアモルファスカーボン（不図示）を添加した強化材料を用いることで、外歯歯車２０の耐摩耗性を高めることができる。球状のアモルファスカーボンとしては、平均アスペクト比が２以下の炭素微小粒子が好ましい。　
上述した内歯歯車１０の母材には、外歯歯車２０の母材と同じ材料を用いてもよいし、異なっていてもよい。　
本実施形態における小型減速機１００では、例えば、図１に示すシャフト７が第１中心軸Ｊ１の軸周りに回転すると、シャフト７の偏心部に支持された外歯歯車２０の貫通孔２５の内周面２５ａと支持ピン８の外周面８ｂとの内接する位置が変化しながら、外歯歯車２０が径方向へ揺動する。この揺動により、外歯歯車２０の外歯２２と、内歯歯車１０の内歯１３とが噛み合う位置が周方向に変化する。ここでは、シャフト７が第２中心軸Ｊ２の軸周りに１回転する度に、周方向へ１歯ずつ噛み合う位置がずれていく。その結果、支持ピン８に連結された出力軸が、例えば、シャフト７の１／３０の速度で回転する。上述した小型減速機１００の動作は一例であって、他の動作を行う構成であってもよい。　
図５は、従来の構成において、炭素繊維１２が規則的な向きで分散された様子を示す図であって、１つの内歯の拡大図である。　ここで、従来の内歯歯車９０においては、図５に示すように、樹脂材料１１中に、繊維長さが１００μｍを超える長い炭素繊維９２が添加されていた。繊維長さが１００μｍを超える炭素繊維９２を樹脂材料１１に多数添加すると、射出成形時の樹脂材料１１の流れに沿って炭素繊維９２が規則的な向きで配向してしまい、図５に示すような亀裂９１が生じやすくなるおそれがあった。このように、炭素繊維９２の長さが長いと、樹脂材料１１の流れに沿って炭素繊維９２が流動方向に配向してしまうなどして、樹脂材料１１の流れ状態による収縮異方性が起こり、内歯歯車９０の寸法精度が低下して、目的の寸法にすることが困難である。　また、炭素繊維９２の長さが長いと、炭素繊維９２どうしが絡み合って炭素繊維９２の偏りが生じたり、樹脂材料１１中に空隙が生じやすくなったりして、熱硬化を行う際に、方向によって熱収縮時の寸法変化量が変わってしまう。　さらに、製造後の内歯歯車９０の内部に空隙が残っていると、内歯歯車９０の強度の低下を招いてしまう。　
これに対し、本実施形態では、図４に示すように、樹脂材料１１中に繊維長さが１００μｍ以下の短い炭素繊維１２を添加したことで、上述したような不具合は解消された。本実施形態のように、繊維長さの短い炭素繊維１２は、射出成形時の樹脂材料１１の流出方向に関わらず、樹脂材料１１中に不規則な向きで分散される。炭素繊維１２どうしが絡みにくいため、射出成形時に樹脂材料１１中で炭素繊維１２の分散方向に異方性が現れることがなく、炭素繊維１２の偏りや樹脂材料１１中に空隙が生じることもない。このため、硬化に伴う熱収縮時の寸法変化量が均等になり、寸法精度の高い内歯歯車１０を成形することができる。　
また、射出成形時に内歯歯車１０の隅々にまで炭素繊維１２が行き渡るため、複数の内歯１３それぞれの先端部分においても十分な補強効果が得られ、内歯歯車１０の耐久性が向上し、各内歯１３に亀裂が生じることがない。特に、内歯歯車１０には、サイクロイド歯車である外歯歯車２０が噛み合うことから、耐久性と高い寸法精度を要するが、本実施形態では双方を実現できる。　
また、樹脂材料１１に炭素繊維１２を添加することで、樹脂材料１１だけの場合よりも熱膨張係数が低くなる。そのため、使用時の発熱による内歯歯車１０の寸法変化が抑えられる。　
上述した内歯歯車１０及び外歯歯車２０を備えた本実施形態の小型減速機１００では、内歯歯車１０と外歯歯車２０との噛み合わせ精度に起因するバックラッシュが生じにくい。そのため、小型減速機１００の入力軸から出力軸への駆動力の伝達に遅れが生じることもなく、瞬時に停止するなどの俊敏な動作が可能になる。　
また、本実施形態では、内歯歯車１０だけでなく、外歯歯車２０も繊維強化材料により形成されている。外歯歯車２０は、圧縮力とせん断力の両方を受けるので、耐久性および摺動性が重要である。そのため、樹脂材料１１中に炭素材料を添加することで、外歯歯車２０の耐久性および耐摩耗性を向上させることができる。　
図６は、使用前の内歯歯車１０の内歯１３の表面の一部を示す拡大図である。図７は、使用後の内歯歯車１０の内歯１３の表面の一部を示す拡大図である。図８は、使用時の内歯歯車１０に対して外歯歯車２０が噛み合った状態を示す拡大図である。　
小型減速機１００においては、内歯歯車１０に対して外歯歯車２０が噛み合うことで、内歯歯車１０と外歯歯車２０との間に摩擦が生じ、内歯歯車１０の表面、すなわち内歯１３の歯面が摩耗してくる。内歯歯車１０が摩耗する際、相対的に軟らかい樹脂材料１１が優先的に削れるため、硬い炭素繊維１２が各内歯１３の表面から外側へ一部突出する。図６に示すように、樹脂材料１１中に埋もれていた硬度の高い炭素繊維１２が、図７に示すように表面に出現して、炭素繊維１２と樹脂材料１１との間に隙間１５が生じる。すると、図８に示すように、各内歯１３の表面に形成された隙間１５内に毛細管現象によって潤滑油１９が保持される。　
一方、外歯歯車２０側の表面も摩耗してくる。内歯歯車１０と同様に、外歯歯車２０においても、樹脂材料１１中に埋もれていた炭素材料が各外歯２２の表面に出現して、炭素繊維１２との間に隙間１５が生じる。よって、図８に示すように、これら各外歯２２の表面に形成された隙間１５内にも、毛細管現象によって潤滑油１９が保持される。　さらに、内歯歯車１０と、内歯歯車１０の一部に噛み合った状態の外歯歯車２０との間の隙間１６にも、毛細管現象によって潤滑油１９が一時的に保持される。　
このように、各隙間１５，１６内に潤滑油１９が保持されることによって、外歯歯車２０の摺動性が向上し、摩擦による疲労が抑えられて各歯車１０，２０の長寿命化が可能となる。　
以上述べたように、本実施形態の小型減速機１００は、炭素繊維１２を含む内歯歯車１０と、球状のアモルファスカーボンを含む外歯歯車２０とを備えているので、小型であっても、耐久性および耐摩耗性を有するとともに、寸法精度の高い歯車構造が得られ、信頼性の高い小型減速機１００を得ることができる。　
以上に、本発明の一実施形態を説明したが、実施形態における各構成およびそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換およびその他の変更が可能である。また、本発明は実施形態によって限定されることはない。　
例えば、上述の実施形態では、内歯歯車１０に、炭素材料として炭素繊維１２のみを樹脂材料１１に混合させたが、炭素繊維１２だけでなく球状のアモルファスカーボンも樹脂材料１１に混合させてもよい。樹脂材料１１に対する炭素繊維１２及び球状のアモルファスカーボンの添加率は、内歯歯車１０の成形性および寸法精度などを考慮して適宜選択される。　
このように、樹脂材料１１に炭素繊維だけでなく球状のアモルファスカーボンも混合させることで、樹脂材料１１中における炭素材料の密度が向上する。これに伴い、外歯歯車２０の強度を高めることができるため、外歯歯車２０の耐久性および耐摩耗性がより高められる。　
また、外歯歯車２０には、樹脂材料１１に球状のアモルファスカーボンのみが混合されているが、球状のアモルファスカーボンだけでなく炭素繊維１２も混合させてもよい。
１０…内歯歯車（樹脂歯車）、１１…樹脂材料、１２…炭素繊維（炭素材料）、２０…外歯歯車、１００…小型減速機（歯車機構）

Claims (8)

  1. 樹脂材料と炭素材料との混合材料からなり、　前記炭素材料が１００μｍ以下の長さを有する炭素繊維である、樹脂歯車。
  2. 内歯歯車であり、　径方向外側に突出する複数の内歯を有している、請求項１に記載の樹脂歯車。
  3. 前記炭素材料が前記樹脂材料中に不規則な向きで分散されている、請求項１または２に記載の樹脂歯車。
  4. 外径が１２ｍｍ以下である、請求項２または３に記載の樹脂歯車。
  5. 前記炭素材料の平均アスペクト比が５以上１５以下である、請求項１から４のいずれかに記載の樹脂歯車。
  6. 前記樹脂材料中における前記炭素材料の含有率は、２０重量％～６０重量％の範囲内である、　請求項１から５のいずれかに記載の樹脂歯車。
  7. 球状のアモルファスカーボンをさらに含む、請求項１から６のいずれかに記載の樹脂歯車。
  8. 請求項１から７のいずれかに記載の樹脂歯車を内歯歯車とし、　前記内歯歯車の径方向内側に配置される外歯歯車を有する歯車機構であり、　前記外歯歯車は、樹脂材料と、球状のアモルファスカーボンとの混合材料からなる、歯車機構。
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