(57)【要約】  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。
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【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、樹脂歯車及び歯車機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。  【０００３】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】再公表ＷＯ２００４／０８３０１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。  【０００６】
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。  【０００７】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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。
【発明の効果】
【０００９】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】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。
【図２】内歯歯車１０を示す図。
【図３】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。
【図４】外歯歯車２０を示す図。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】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。
【図８】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。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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。  
【００１２】
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。  
【００１３】
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。  
【００１４】
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。  
【００１５】
（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。  
【００１６】
（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。  
【００１７】
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。  
【００１８】
（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。  
【００１９】
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。  
【００２０】
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。  
【００２１】
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。  
【００２２】
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。  
【００２３】
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。  
【００２４】
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。  
【００２５】
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。  
【００２６】
（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。  
【００２７】
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。  
【００２８】
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。  
【００２９】
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。  
【００３０】
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。  
【００３１】
（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。  
【００３２】
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。  
【００３３】
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。  
【００３４】
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。  
【００３５】
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。  
【００３６】
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。  
【００３７】
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。  
【００３８】
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。  
【００３９】
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。  
【００４０】
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。  
【００４１】
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。  
【００４２】
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。  
【００４３】
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。  
【００４４】
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。  
【００４５】
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。  
【００４６】
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。  
【００４７】
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。  
【００４８】
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。  
【００４９】
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。
【符号の説明】
【００５０】
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）
【図１】
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【図２】
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【図３】
2018180185.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
2018180185.tif 000008
【図７】
2018180185.tif 000009
【図８】
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【国際調査報告】
2018180185.tif 000011
2018180185.tif 000012
2018180185.tif 000013
2018180185.tif 000014