(57)【要約】【課題】抄造法により作製した繊維集積層に樹脂硬化物が保持された樹脂製ギヤを、ウォームホイールギヤとして用いた場合であっても、樹脂製ギヤの耐久寿命を縮めることがないギヤ装置を提供する。【解決手段】歯面が金属製であるウォームギヤと、歯面が樹脂製であるウォームホイールギヤとを備え、ウォームホイールギヤが、その外周に配置される樹脂製ギヤ部を有し、この樹脂製ギヤ部が、短繊維が集積した繊維集積層４に樹脂硬化物が保持されたものであり、この繊維集積層４の層方向（集積した大半の短繊維の繊維長方向が含まれる面の方向をいう）が、ウォームギヤ歯面１０の進み方向に対し、９０度未満の角度をなす、ギヤ装置。【選択図】    図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
抄造法により作製した繊維集積層に樹脂硬化物が保持された樹脂製ギヤをウォームホイールギヤとし、これをウォームギヤと組み合せたギヤ装置であって、
歯面が金属製であるウォームギヤと、歯面が樹脂製であるウォームホイールギヤとを備え、前記ウォームホイールギヤが、その外周に配置される樹脂製ギヤ部を有し、この樹脂製ギヤ部が、短繊維が集積した繊維集積層に樹脂硬化物が保持されたものであり、この繊維集積層の層方向（集積した大半の短繊維の繊維長方向が含まれる面の方向をいう）が、前記ウォームギヤ歯面の進み方向に対し、９０度未満の角度をなす、ギヤ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ギヤ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、自動車で使用される歯車の多くは、強度及び耐熱性の面より金属部品が使用されていたが、近年では、環境対応自動車の開発が進み、燃費向上やＣＯ２削減に対応する軽量化、更には、金属製ギヤ同士の噛み合い音の静粛性の観点から、樹脂製ギヤを用いることが提言されている。
【０００３】
樹脂製ギヤの具体的構成としては、補強繊維基材としてアラミド繊維を使用するものがあり、図１に示すようにドーナツ状に形成した補強繊維基材１を金属製ブッシュ２にはめ込み、補強繊維基材１に樹脂を含浸・硬化させ、円形素材３を作製する。この円形素材３の周囲に歯切り加工を行い、樹脂製ギヤを作製する方法が特許文献１に記載されている。
しかしこの技術では、ドーナツ状に形成した補強繊維基材１を、金属製ブッシュ２の厚み方向に対して２個重ねて用いることで、金属製ブッシュ２の外周に設けた突出部を挟み込み、金属製ブッシュ２の抜け止めを行っているが、補強繊維基材の重ね合せ界面では繊維の絡み合いは弱く、使用用途によっては樹脂製ギヤの耐久性が不足する場合がある。
【０００４】
これらの問題解決のために、短繊維を用いた抄造法による短繊維の集積体を作製し、補強繊維基材を作製する方法が特許文献２に記載されている。これは、短繊維の集積体を抄造する際に前記金属製ブッシュを抄造のための筒状金型内に配置しておき、金属製ブッシュ外周に設けた突出部を短繊維の集積体中に埋設している。
この技術によれば、短繊維集積体からなる補強繊維基材と金属製ブッシュとが予め一体化されており、以下、特許文献１に開示された技術と同様に円形素材を作製する工程を経て樹脂製ギヤを作製している。
また、樹脂製ギヤは、静粛性改善のため歯車形態としてヘリカルギヤを用いることが多く、噛み合い率を向上させることで静粛性を向上させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−２９５９１３号公報
【特許文献２】特開２００９−２５０３６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、抄造法により短繊維を集積し補強繊維基材を作製した場合、大半の短繊維は短繊維の長さ方向が短繊維の分散媒を排出する方向と交差する方向に堆積する。例えば、抄造装置の下側から排出した場合、短繊維の長さ方向は、水平方向（排出する方向に対して直交する方向）にランダムに配向する。従って、短繊維は、その径方向が垂直方向（排出する方向）に積み重なって堆積する。
【０００７】
このため、特許文献２に開示される樹脂製ギヤでは、図２に示すように、短繊維が一定方向に集積した繊維集積層４が歯部に存在することになる。すなわち、図２は、樹脂製ギヤの回転軸方向の断面図であり、繊維集積層４における横方向の直線が、短繊維の長さ方向を表している。勿論、繊維集積層４を構成する短繊維は、前記横方向だけではなく、樹脂製ギヤの回転軸方向と直交する関係にあるランダムな方向に存在するわけであるが、図２では、便宜的に横方向だけを示している。
【０００８】
従来の歯車形態であるヘリカルギヤ又はスパーギヤでは、図３に示すように、樹脂製ギヤ５の歯面と金属製ギヤ６の歯面の接触形態は転がり接触であり、金属製ギヤ６の歯面は、樹脂製ギヤ５の歯面に当接し、互いに押圧し合う。そのため、樹脂製ギヤの耐久寿命は、繊維集積層の影響を受けずにいた。
【０００９】
一方、ウォームホイールギヤの場合、図４に示すように、樹脂製ウォームホイールギヤ７の歯面と金属製ウォームギヤ８の歯面の接触形態は滑り接触であり、金属製ウォームギヤ８の歯面は、樹脂製ウォームホイールギヤ７の歯面の上を滑っていくことになる。
このとき、微視的にみると、樹脂製ウォームホイールギヤ７の歯面の任意の箇所では、相手金属製ウォームギヤ８の歯面が当接した状態と、当接していない状態とが現れる。また、さらに微視的にみると、抄造法により作製した補強繊維基材を用いた樹脂製ウォームホイールギヤ７に、切削加工により歯を形成した場合、図４のａ部を拡大した図５（Ａ）に示すように、樹脂製ウォームホイールギヤ歯面９には、凸部（例えば、短繊維の突出等）が存在する。そして、前記凸部に金属製ウォームギヤ歯面１０が当接し、矢印の方向（図５（Ａ）において左側）へ動くと、前記凸部に応力が集中し、繊維集積層４に剥離が発生し易くなるという問題がある。そのため、樹脂製ギヤの耐久寿命は、繊維集積層の影響を受けやすくなる。
【００１０】
本発明は、抄造法により作製した繊維集積層に樹脂硬化物が保持された樹脂製ギヤを、ウォームホイールギヤとして用いた場合であっても、樹脂製ギヤの耐久寿命を縮めることがないギヤ装置を、提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、以下のものに関する。
（１）抄造法により作製した繊維集積層に樹脂硬化物が保持された樹脂製ギヤをウォームホイールギヤとし、これをウォームギヤと組み合せたギヤ装置である。歯面が金属製であるウォームギヤと、歯面が樹脂製であるウォームホイールギヤとを備え、前記ウォームホイールギヤが、その外周に配置される樹脂製ギヤ部を有し、この樹脂製ギヤ部が、短繊維が集積した繊維集積層に樹脂硬化物が保持されたものであり、この繊維集積層の層方向が、前記ウォームギヤ歯面の進み方向に対し、９０度未満の角度をなす、ギヤ装置。ここで、繊維集積層の層方向とは、集積した大半の短繊維の繊維長方向が含まれる面の方向をいう。
【発明の効果】
【００１２】
本発明では、図５（Ｂ）（Ｃ）に示すように、金属製ウォームギヤ歯面１０の進み方向に対して繊維集積層４の層方向がなす角度１１を９０度未満（鋭角）とする。これにより、樹脂製ウォームホイールギヤ歯面９に凸部（例えば、短繊維の突出等）があっても、金属製ウォームギヤ歯面１０を受け流すようになるため、繊維集積層の剥離の発生を抑制することができる。
そのため、本発明のギヤ装置では、歯面の摩耗を減少することができ、樹脂製ウォームホイールギヤの耐久寿命を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】従来例である樹脂製ギヤの概略斜視図。
【図２】図１に示す樹脂製ギヤの繊維集積層を示す縦断面図。
【図３】ヘリカルギヤにおける歯面の噛合い方向の説明図。
【図４】ウォームホイールギヤにおける歯面の噛合い方向の説明図。
【図５】繊維集積層の剥離の発生の説明図。
【図６】繊維集積層の作製の概要図。
【図７】成形金型の概要図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
＜ウォームギヤ＞
本発明にて述べるウォームギヤは、少なくとも相手ウォームホイールギヤと接触する歯面が、金属製であれば他に限定されるものではなく、その全てを金属製とするものでも、歯面以外の一部を非金属製とすることもできる。
歯面の金属は、特に限定されるものではないが、焼入れ炭素鋼、ステンレス鋼、クロムモリブデン鋼又は銅合金鋳物等を用いることができ、特に焼入れ炭素鋼を用いることが、加工性に優れ、高水準の歯形精度を得ることができることにより好ましい。
【００１５】
＜ウォームホイールギヤ＞
本発明にて述べるウォームホイールギヤは、その外周に配置される樹脂製ギヤ部を有するものであり、この樹脂製ギヤ部に歯面が形成される。なお、ウォームホイールギヤを回転軸に取り付ける際の強度や精度の観点から、ウォームホイールギヤの中心部分には金属製ブッシュが配置され、その周囲に樹脂製ギヤ部が設けられることが好ましい。
【００１６】
また、樹脂製ギヤ部は、短繊維が集積した繊維集積層に樹脂硬化物が保持されたものであり、この繊維集積層の層方向が、ウォームギヤ歯面の進み方向に対し、９０度未満の角度をなす。
角度について、更に詳細に述べると、本発明では、図５（Ｂ）（Ｃ）に示すように、金属製ウォームギヤ歯面１０の進み方向（図５（Ｂ）（Ｃ）において左側）に対して、樹脂製ギヤ部の繊維集積層４の層方向がなす角度１１を、９０度未満にする必要がある。このようにすることで、樹脂製ギヤ部の繊維集積層により形成される凸部があっても、ウォームギヤ歯面を受け流すようになり、歯面の摩耗を最小限にすることができる。
逆に、この角度１１が、９０度以上であると、図５（Ａ）に示すように、樹脂製ギヤ部の繊維集積層により形成される凸部に、ウォームギヤ歯面が引っ掛かるように移動するため、歯面の摩耗を増大させて、短寿命化してしまう。
【００１７】
＜金属製ブッシュ＞
金属製ブッシュは、ウォームホイールギヤの中心部に配置することができ、ウォームホイールギヤを回転させるためのモーター等の駆動源から伝達動力を伝える回転軸に固定されるものである。
金属の材質は、特に限定されるものではないが、焼結合金、炭素鋼、ステンレス鋼等を用いることができ、特に焼結合金を用いることが形状自由度や生産性の面により好ましい。
【００１８】
＜樹脂製ギヤ部＞
本発明にて述べる樹脂製ギヤ部は、先に述べたウォームホイールギヤの外周に配置されるものであり、抄造法により作製した補強繊維基材に対し樹脂を含浸硬化させて作製することができる。
【００１９】
抄造法に用いる短繊維としては、特に限定されるものではないが、綿や麻等の天然繊維、アラミド繊維（芳香族ポリアミド繊維）、ポリアミド繊維等の有機繊維や、炭素繊維、ガラス繊維、金属繊維等の無機繊維を使用用途により適宜に用いることができ、これらの短繊維は、用途により単独及び複数種類を用いても良い。特にアラミド繊維を用いることが、高強度かつ軽量、高耐熱性であることにより好ましい。
また、抄造する際の分散媒は、特に限定されるものではないが、後処理の行い易さから、水を用いることが好ましい。
上記の短繊維と分散媒とを混合して調製したスラリーを抄造し、短繊維の集積体を作製する。そして、この集積体を厚さ方向に圧縮して、繊維集積層からなる補強繊維基材を作製する。
【００２０】
抄造法により作製した補強繊維基材に対して含浸硬化させる樹脂は、特に限定されるものではないが、ポリアミノアミド樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂等の液状樹脂を用いることができ、特にポリアミノアミド樹脂を用いることが樹脂製ギヤの製造性、耐熱性、強度等の面より好ましい。
樹脂製ギヤ部の層構造は、抄造を行う際の分散媒を排出する方向に対して直交する方向に形成されるものであり、必ずしも抄造工程を複数回行って形成するものばかりではない。
【００２１】
また、樹脂製ギヤ部は、短繊維と粉末状樹脂と分散媒とを混合して調製したスラリーから抄造法により作製した成形素材を加熱加圧して前記樹脂を溶融させ、短繊維からなる繊維集積層に含浸硬化させて作製することができる。
抄造法に用いる短繊維としては、前述した補強繊維基材の場合と同様のものを用いることができ、これらの短繊維は、用途により単独及び複数種類を用いても良い。特にアラミド繊維を用いることが、高強度かつ軽量、高耐熱性であることにより好ましい。
また、抄造する際の分散媒は、特に限定されるものではないが、後処理の行い易さから、水を用いることが好ましい。
【００２２】
抄造法に用いる粉末状樹脂（粉末状は粒子状形態を含む)は、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂など種々の材質のものを用いることができる。例えば、エポキシ樹脂、ポリアミノアミド樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエーテルサルフォン樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリエステル樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂から選ばれた１以上の樹脂を組み合わせたものが使用できる。これらの中でも樹脂硬化物の強度、耐熱性等の点からフェノール樹脂が好ましい。
【００２３】
粉末状樹脂の粒子形状は任意であるが、粒状のものを用いるのが好ましい。また、粒子径は、短繊維の繊維径により異なるが、５０μｍ以下が好ましい。これにより、短繊維の集積体の短繊維同士の間隙に粉末状樹脂を均一に分布させることができる。
少なくとも上記の短繊維と粉末状樹脂と分散媒とを混合して調製したスラリーを抄造し、短繊維と粉末状樹脂の集積体を作製する。そして、この集積体を厚さ方向に圧縮して、成形素材を作製する。
【００２４】
＜ウォームホイールギヤの製造方法１＞
本発明のウォームホイールギヤは、特に限定するものではないが、例えば、図６、図７に示すような機能を有する装置を用い、補強繊維基材製造工程、樹脂製ギヤ作成工程の２つの工程で製造することができる。
【００２５】
先ず、補強繊維基材製造工程に関して、必要な短繊維の質量を測定し、繊維を準備する。繊維を規定量の水（分散媒）に入れて短繊維を攪拌し、スラリーを作製する。そして、図６に示すように、短繊維の集積体を作製するため、予め金属製ブッシュ２をセットした予備成形金型に作製したスラリーを流し込み、短繊維を予備成形金型内に集積させ、集積層１２を作製する。
【００２６】
予備成形金型は、補強繊維基材の外径寸法を決めるための筒状金型１３と、筒状金型１３の内側に金属製ブッシュ２を固定するためのブッシュ支持部１４、１５及び集積した短繊維を圧縮するための圧縮用金型１６、１７を有している装置とする。
尚、圧縮用金型１７には、スラリーの水分のみを排水するための貫通穴１８を設けておき、圧縮用金型１７の上には短繊維が貫通穴１８から抜けなくするためのメッシュ１９を置いておき、メッシュ１９上に短繊維を集積させながら水分のみを排水していく。
【００２７】
短繊維を予備成形金型内に集積させた後に、予備成形金型に搭載されている圧縮用金型１６、１７で集積層を圧縮して脱水及び形状形成を行い、補強繊維基材２０を作製する。
【００２８】
次に、樹脂製ギヤ作成工程として、図７に示すように、作製した補強繊維基材２０を成形用金型にセットし、樹脂を補強繊維基材に含浸させて加熱加圧成形を行い、円形素材を作製する。この円形素材に切削により加工を行って歯を形成し、樹脂製ウォームホイールギヤを作製する。
【００２９】
＜ウォームホイールギヤの製造方法２＞
また、本発明のウォームホイールギヤは、例えば、図６、図７に示すような機能を有する装置を用い、成形素材製造工程、樹脂製ギヤ作成工程の２つの工程で製造することができる。
【００３０】
先ず、成形素材製造工程に関して、必要な短繊維と粉末状樹脂の質量を測定し、繊維と樹脂を準備する。繊維と樹脂を規定量の水（分散媒）に入れて短繊維と粉末状樹脂を攪拌し、スラリーを作製する。そして、図６に示すように、短繊維と粉末状樹脂の集積体を作製するため、予め金属製ブッシュ２をセットした予備成形金型に作製したスラリーを流し込み、短繊維と粉末状樹脂を予備成形金型内に集積させ、集積層１２’を作製する。
【００３１】
予備成形金型は、成形素材の外径寸法を決めるための筒状金型１３と、筒状金型１３の内側に金属製ブッシュ２を固定するためのブッシュ支持部１４、１５及び集積した短繊維と粉末状樹脂を圧縮するための圧縮用金型１６、１７を有している装置とする。
尚、圧縮用金型１７には、スラリーの水分を排水するための貫通穴１８を設けておき、圧縮用金型１７の上には短繊維と粉末状樹脂が貫通穴１８から抜けなくするためのメッシュ１９を置いておき、メッシュ１９上に短繊維と粉末状樹脂を集積させながら水分を排水していく。
【００３２】
短繊維と粉末状樹脂を予備成形金型内に集積させた後に、予備成形金型に搭載されている圧縮用金型１６、１７で集積層を圧縮して脱水及び形状形成を行い、成形素材２０’を作製する。
【００３３】
次に、樹脂製ギヤ作成工程として、図７に示すように、作製した成形素材２０’を成形用金型にセットし、加熱加圧して樹脂を溶融させ、短繊維からなる繊維集積層に含浸硬化させて、円形素材を作製する。この円形素材に切削により加工を行って歯を形成し、樹脂製ウォームホイールギヤを作製する。
【実施例】
【００３４】
以下、本発明の実施例について、図面を用いて説明を行う。
【００３５】
（実施例１）
本実施例１においては、樹脂製ギヤ部を構成する補強繊維基材２０として、有機繊維であるメタ系アラミド繊維とパラ系アラミド繊維を含有したものを用いる。
補強繊維基材２０は、メタ系アラミド繊維Ａ（繊維長：３ｍｍ、繊維径：１０μｍ）を５０質量％、パラ系アラミド繊維Ｂ（繊維長：３ｍｍ、繊維径：１０μｍ）を４５質量％、パラ系アラミド繊維Ｃ（繊維長：６ｍｍ、繊維径：１０μｍ）を５質量％、混合して用いた。
前述した繊維を水に入れて攪拌し、スラリーを作製する。このときのスラリー濃度は繊維質量に対して４ｇ／リットルとなるように水量を調整した。
【００３６】
次に、図６に示す予備成形金型のブッシュ支持部１５に金属製ブッシュ２をセットし、先程作製したスラリーを予備成形金型内に投入する。予備成形金型を構成している筒状金型１３とブッシュ支持部１４及び１５は、集積層の外径及び内径形状を構成するもので、本実施例においては筒状金型１３の内径部を直径：９０ｍｍ、ブッシュ支持部１４及び１５の外径を直径：５８ｍｍとした。また、貫通穴１８の下側から真空吸引を行い、水分を排出して繊維と水分を分離させ、集積層１２を作製する。
【００３７】
集積層１２を作製後、金属製ブッシュ２の軸方向に、１５０℃に加熱した圧縮用金型１６、１７を、その間隔が１８ｍｍとなるまで、上側の圧縮用金型１６を下降させる。このとき、ブッシュ支持部１４、１５は連動して動き、金属製ブッシュ２の中心部が、圧縮用金型１６、１７の中央となるように維持させる。加熱・加圧状態を２分間継続させることで、補強繊維基材２０を作製する。
【００３８】
次に、図７（Ａ）に示す２００℃に加熱した成形金型２１内に、作製した補強繊維基材２０を配置し、図７（Ｂ）のように成形金型２１を閉じ、金型内圧力を１．３ｋＰａ以下に減圧させるために真空吸引を５分間行う。減圧完了後、２，２’−（１，３フェニレン）ビス２−オキサゾリン：６９質量％、４，４’−ジアミノジフェニルメタン：３１質量％を混合した樹脂を、温度：１４０℃で溶解し、オクチルブロマイド：１質量％（外数）を加えて撹拌した樹脂を、金型内部に注入して補強用繊維基材２０に含浸させ、成形金型２１内で３分間加熱硬化し、円形素材を得る。この円形素材を、図５（Ｃ）で示した角度１１が４５度となるような歯を形成するようにホブ盤を用いて切削加工をすることにより樹脂製ウォームホイールギヤを得た。
【００３９】
（比較例１）
実施例１にて得られた樹脂製ウォームホイールギヤを使用し、摩耗性評価において、実施例１とは回転方向を逆にして評価を行った。このとき、図５（Ｃ）で示した角度１１は、１３５度である。
【００４０】
（摩耗性評価）
実施例１で作製した樹脂製ウォームホイールギヤを用いて歯面の摩耗性評価を実施した。方法として、試験機に作製した樹脂製ウォームホイールギヤを取り付け、金属製ウォームギヤ（材質：焼入れ炭素鋼、歯面研磨仕上げ品）を噛み合わせ、評価条件（回転数：６０ｒｐｍ、ウォームホイール負荷：８４．８Ｎ・ｍ）で評価し、歯面の摩耗量及びギヤ寿命を測定した。なお、比較例１は、実施例１と回転方向を逆にして評価を行ったものである。
本評価における摩耗量測定方法として、評価開始から所定時間経過後のバックラッシを測定し、評価開始前のバックラッシと比較して、その変化量を摩耗量とした。
【００４１】
（ギヤ耐久寿命評価）
本評価におけるギヤ耐久寿命測定方法として、先に述べた評価条件で耐久試験を行い、樹脂製ウォームホイールギヤが破損したときの総回転数をギヤ耐久寿命とした。
【００４２】
試験結果は、以下に示す表１及び表２のように得られ、金属製ウォームギヤ歯面の進み方向と樹脂製ギヤ部の繊維集積層とのなす角度が９０度未満（鋭角）となる実施例１を１とした場合、比較例１は歯面の摩耗量が増加し、ギヤ耐久寿命が低下する結果が得られた。これは角度１１が９０度以上（鈍角）となることで繊維集積層が剥離しやすくなっていることが要因であると推測する。
【００４３】
【表１】
2014077541.tif 000003
【００４４】
【表２】
2014077541.tif 000004
【００４５】
上記の実施例１は、前述したウォームホイールギヤの製造方法１による補強繊維基材２０を用いる場合について説明した。前述したウォームホイールギヤの製造方法２による成形素材２０’を用いる場合は、実施例１の如く成形金型２１内に樹脂を注入する必要はなく、成形素材２０’を加熱加圧成形すればよい。この場合も、実施例１に準じた効果を確認した。
【符号の説明】
【００４６】
１…補強繊維基材、２…金属製ブッシュ、３…円形素材、４…繊維集積層、５…樹脂製ギヤ、６…金属製ギヤ、７…樹脂製ウォームホイールギヤ、８…金属製ウォームギヤ、９…樹脂製ウォームホイールギヤ歯面、１０…金属製ウォームギヤ歯面、１１…角度、１２、１２’…集積層、１３…筒状金型、１４、１５…ブッシュ支持部、１６、１７…圧縮用金型、１８…貫通穴、１９…メッシュ、２０…補強繊維基材、２０’…成形素材、２１…成形金型
【図１】
2014077541.tif 000005
【図２】
2014077541.tif 000006
【図３】
2014077541.tif 000007
【図４】
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【図７】
2014077541.tif 000009
【図５】
2014077541.tif 000010
【図６】
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