(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、前記炭素材料が球状のアモルファスカーボンである。
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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、  前記炭素材料が球状のアモルファスカーボンである、樹脂歯車。
【請求項２】
外歯歯車であり、  径方向外側に突出する複数の外歯と、  軸方向に貫通する少なくとも一つの貫通孔と、を有し、  前記貫通孔は、シャフトを回転可能に支持するすべり軸受けである、請求項１に記載の樹脂歯車。
【請求項３】
前記外歯歯車はサイクロイド歯車であり、  中央に形成され且つ第１のシャフトを回転可能に支持する第１の貫通孔と、  前記第１の貫通孔の周囲に少なくとも一つ形成され且つ第２のシャフトを回転可能に支持する第２の貫通孔と、を有する、請求項２に記載の樹脂歯車。
【請求項４】
前記貫通孔内に潤滑油が保持され、  前記貫通孔の内壁面において表面に位置する前記炭素材料と前記樹脂材料との間に隙間が設けられている、請求項２または３に記載の樹脂歯車。
【請求項５】
外径が１２ｍｍ以下である、請求項２から４のいずれかに記載の樹脂歯車。
【請求項６】
前記炭素材料の平均アスペクト比が２以下である、請求項１から５のいずれかに記載の樹脂歯車。
【請求項７】
１００μｍ以下、アスペクト比５以上１５以下の炭素繊維をさらに含む、請求項１から６のいずれかに記載の樹脂歯車。
【請求項８】
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７のいずれかに記載の樹脂歯車。
【請求項９】
請求項１から８のいずれかに記載の樹脂歯車を外歯歯車とし、  前記外歯歯車の径方向外側に配置される内歯歯車を有する歯車機構であり、  前記内歯歯車は、樹脂材料と、繊維長が１００μｍ以下の炭素繊維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１，２のように、樹脂材料に強化繊維を添加して、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】特開２０１４−７７５４１号公報
【特許文献２】再公表ＷＯ２００４−０１５３０９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、転がり軸受けを設けるスペースがないため、樹脂製歯車自体に高い潤滑性が必要になる。  【０００６】
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潤滑性の良い樹脂歯車、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】
【０００７】
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、炭素材料が球状のアモルファスカーボンである。
【発明の効果】
【０００８】
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し、且つ潤滑性の良い樹脂歯車、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】
【０００９】
【図１】実施形態の樹脂歯車を外歯歯車２０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】外歯歯車２０を示す図。
【図３】内歯歯車１０を示す図。
【図４】使用前の外歯歯車２０のシャフト挿入孔２４の内周面２４ａの一部を示す拡大図。
【図５】使用後の外歯歯車２０のシャフト挿入孔２４の内周面２４ａの一部を示す拡大図。
【図６】使用後の外歯歯車２０のシャフト挿入孔２４の内周面２４ａとシャフト７との一部を示す拡大図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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、球状のアモルファスカーボンを用いており、多数の球状アモルファスカーボン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の外歯歯車２０のような、すべり軸受け機能を有する歯車として好適に用いることができる。  
【００１１】
以下、図面を参照しながら、本発明に係る樹脂歯車の一実施形態である外歯歯車を２０備えた小型減速機１００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。  
【００１２】
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。  
【００１３】
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中心軸の軸周りを単に「周方向」と呼ぶ。  
【００１４】
（小型減速機）  図１は、本発明に係る樹脂歯車を外歯歯車２０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。  
【００１５】
（外歯歯車２０）  図２は、外歯歯車２０を示す図である。  外歯歯車（樹脂歯車）２０は、サイクロイド歯車である。外歯歯車２０は、図１及び図２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の軸回りに、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。  
【００１６】
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（第１の貫通孔）２４を有している。シャフト挿入孔２４は、第２中心軸Ｊ２に沿って延在するシャフト（第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６）を保持する。  
【００１７】
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（第２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。  
【００１８】
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６）を保持する。  
【００１９】
複数の貫通孔２５のそれぞれには、図１に示す支持ピン（第２のシャフト）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。  
【００２０】
（外歯歯車２０の材質）  外歯歯車２０は、本発明に係る樹脂歯車の一実施形態である。  外歯歯車２０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。  外歯歯車２０の材料としては、母材に樹脂材料１１（図４）が用いられ、母材に対する添加剤として球状のアモルファスカーボンが用いられる。以下、この添加剤を、単に、球状アモルファスカーボン（炭素材料）１２（図４）と称する。  
【００２１】
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。  
【００２２】
球状アモルファスカーボン１２は、平均アスペクト比が２以下の炭素微小粒子である。球状アモルファスカーボン１２の平均粒径は、５〜１０μｍである。  
【００２３】
ここで、平均アスペクト比とは、球状アモルファスカーボン１２の長径方向に直交する径方向における長さを短径ｒ（μｍ）とし、長径方向における球状アモルファスカーボン１２の長さを長径Ｌ（μｍ）とした際のＬ／ｒ比を、所定の範囲に含まれる複数の粒子について平均した値である。粒子１つのアスペクト比は、球状アモルファスカーボン１２を観察し、球状アモルファスカーボン１２の長径を短径で割ることにより算出することができる。  
【００２４】
球状アモルファスカーボン１２の大きさは、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、母材中に分散された球状アモルファスカーボンの中から任意の球状アモルファスカーボン１２を例えば１００個選択し、それらの球状アモルファスカーボン１２の長径と短径とを計測する。計測した長径と短径とから、１００個の球状アモルファスカーボン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アスペクト比を算出することができる。  
【００２５】
微粒子化された球状アモルファスカーボン１２は、アスペクト比が小さい球状であるため、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中における球状アモルファスカーボン１２の分散方向に異方性が現れることがなく、高い寸法精度で高強度の外歯歯車２０が得られる。  
【００２６】
本実施形態の外歯歯車２０では、樹脂材料の母材に、炭素材料（強化材料）である球状アモルファスカーボン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％である。球状アモルファスカーボン１２の含有量が２０体積％未満では、所望の効果が得られない。一方、球状アモルファスカーボン１２の含有量が７０重量％を超えると、球状アモルファスカーボン１２に対して樹脂材料１１が少なくなり、空隙を満たす樹脂量が不足するため、歯車の成形性、寸法精度が低下するおそれがある。そのため、樹脂材料１１に上記範囲内の割合で球状アモルファスカーボン１２を添加することによって、高い寸法精度の外歯歯車２０が得られる。  
【００２７】
また、樹脂材料１１に球状アモルファスカーボン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外歯歯車２０の寸法変化が抑えられる。  
【００２８】
（内歯歯車１０）  図３は、内歯歯車１０を示す図である。  内歯歯車１０は、図１及び図３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の一部から延びる固定部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。  
【００２９】
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。  
【００３０】
（内歯歯車１０の材質）  内歯歯車１０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。内歯歯車１０は、樹脂材料を射出成形することで製造できる。  
【００３１】
内歯歯車１０には、炭素材料を含有させることが好ましい。内歯歯車１０の材料として、上述した樹脂材料内に炭素繊維（不図示）を添加した繊維強化混合材料を用いることで、内歯歯車１０の耐久性を高めることができる。炭素繊維としては、繊維長が１００μｍ以下の短繊維を用いることが好ましい。  
【００３２】
上述した外歯歯車２０の母材には、内歯歯車１０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。  
【００３３】
本実施形態における小型減速機１００では、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。  
【００３４】
図４は、使用前の外歯歯車２０のシャフト挿入孔２４の内周面２４ａの一部を示す拡大図である。図５は、使用後の外歯歯車２０のシャフト挿入孔２４の内周面２４ａの一部を示す拡大図である。図６は、使用後の外歯歯車２０のシャフト挿入孔２４の内周面２４ａとシャフト７との一部を示す拡大図である。  
【００３５】
従来では、外歯歯車２０が樹脂材料のみからなる場合、シャフト７との間で油切れが生じてしまい、シャフト挿入孔２４の内周面に損傷が生じる原因となっていた。  
【００３６】
これに対し、本実施形態では、樹脂材料１１よりも硬度の高い球状アモルファスカーボン１２を樹脂材料１１中に添加して外歯歯車２０を形成した。シャフト７が回転すると、シャフト７と外歯歯車２０との間に摩擦が生じ、外歯歯車２０のシャフト挿入孔２４の内周面２４ａが摩耗する。  
【００３７】
また、シャフト７の回転に伴って回転する外歯歯車２０は、外歯歯車２０の複数の貫通孔２５のそれぞれに一つずつ挿入された複数の支持ピン８が、各貫通孔２５の内周面２５ａに接することでその回転が制限される。このように、支持ピン８が接することで、各貫通孔２５の内周面２５ａも摩耗する。  
【００３８】
外歯歯車２０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、硬い球状アモルファスカーボン１２が各内周面２４ａ，２５ａの径方向内側へ一部突出する。  
【００３９】
シャフト挿入孔２４の内周面２４ａ及び各貫通孔２５の内周面２５ａのそれぞれにおいて、各表面の樹脂材料１１が削れると、図４に示すように樹脂材料１１中に埋もれていた硬度の高い球状アモルファスカーボン１２が、図５に示すように表面に出現して、球状アモルファスカーボン１２と樹脂材料１１との間に隙間１５が生じる。すると、各内周面２４ａ，２５ａに形成された隙間１５内に、毛細管現象によって潤滑油１９（図６）が保持される。なお、図４及び図５では、シャフト挿入孔２４の内周面２４ａの一部を拡大して示しているが、貫通孔２５の内周面２５ａも同じような表面となる。  
【００４０】
また、図６に示すように、シャフト挿入孔２４の径方向内側へ一部突出する球状アモルファスカーボン１２によって、シャフト７と、シャフト挿入孔２４との間に隙間１６が生じる。この隙間１６内にも、毛細管現象によって潤滑油１９が保持される。  
【００４１】
このように、小型減速機１００の駆動によって外歯歯車２０におけるシャフト挿入孔２４の内周面２４ａ及び複数の貫通孔２５の内周面２５ａにそれぞれ形成される凹凸（上述した隙間１５及び隙間１６等）に、毛細管現象を利用して潤滑油１９を保持させることができる。貫通孔２５の穴径よりも小さい直径を有する支持ピン８に対しては、外歯歯車２０が支持ピン８に点接触することで荷重を受けながら、貫通孔２５の内周面２５ａに保持された潤滑油１９を支持ピン８の周りになじませることができる。  
【００４２】
これにより、外歯歯車２０と、シャフト７及び複数の支持ピン８との間の油膜を切らすことなく長期的に使用でき、シャフト７及び複数の支持ピン８に対して潤滑性の良い外歯歯車２０となる。その結果、小型減速機１００において外歯歯車２０をすべり軸受けとして機能させることができるため、摩擦による外歯歯車２０の疲労が抑えられて長寿命化が可能となる。  
【００４３】
また、樹脂材料１１に添加する炭素材料は、球状のアモルファスカーボンであるため、使用中に樹脂材料１１内から球状アモルファスカーボン１２が露出しても、シャフト７及び複数の支持ピン８を傷つけてしまうことがない。  
【００４４】
本実施形態の小型減速機１００は、炭素繊維を含む内歯歯車１０と、球状アモルファスカーボン１２を含む外歯歯車２０とを備えているので、小型であっても十分な耐久性および耐摩耗性が向上した歯車構造が得られ、信頼性の高い小型減速機１００を得ることができる。  
【００４５】
特に、外歯歯車２０は、圧縮力とせん断力の両方を受けるので、耐久性および耐摩耗性が重要である。球状のアモルファスカーボンは割れにくく削れにくい。そのため、樹脂材料１１中に球状アモルファスカーボン１２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。  
【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、外歯歯車２０において、炭素材料として球状アモルファスカーボン１２のみを樹脂材料１１に含有させたが、球状アモルファスカーボン１２だけでなく炭素繊維も樹脂材料１１に混合させてもよい。樹脂材料１１に対する球状アモルファスカーボン１２及び炭素繊維の混合量は、外歯歯車２０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に球状アモルファスカーボン１２だけでなく炭素繊維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】
この構成の場合、外歯歯車２０の回転によって外歯歯車２０の最表面の樹脂材料１１が削れてくると、球状アモルファスカーボン１２とともに炭素繊維も出現し、これら炭素材料と樹脂材料１１との間に生じる隙間１５が増えて、多数の隙間１５に潤滑油１９が保持される。これにより、シャフト７及び複数の支持ピン８に対する外歯歯車２０の摺動性をさらに向上させることができる。  
【００５０】
また、内歯歯車１０には、樹脂材料１１に炭素繊維のみが混合されているが、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てもよい。
【符号の説明】
【００５１】
７…シャフト（第１のシャフト）、１０…内歯歯車、１１…樹脂材料、１２…球状アモルファスカーボン（炭素材料）、１５…隙間、２０…外歯歯車（樹脂歯車）、２４…シャフト挿入孔（第１の貫通孔）、２５…貫通孔（第２の貫通孔）、１００…小型減速機（歯車機構）
【図１】
2018180184.tif 000003
【図２】
2018180184.tif 000004
【図３】
2018180184.tif 000005
【図４】
2018180184.tif 000006
【図５】
2018180184.tif 000007
【図６】
2018180184.tif 000008
【国際調査報告】
2018180184.tif 000009
2018180184.tif 000010
2018180184.tif 000011
2018180184.tif 000012