(57)【要約】本発明は、摺動部品及び精密部品並びにこれらを使用した時計及び電子機器に関し、繊維状フィラーの配向度が、内部よりも摺動面をなす部分で高く、摺動面においては、繊維状フィラーが摺動面に沿って配向した樹脂により摺動部品を構成する。或いは、炭素化合物を気相で炭素に熱分解させ、この熱分解と同時に直接繊維状に成長させた炭素繊維を添加した樹脂により精密部品を構成する。さらに、これらの摺動部品又は精密部品により時計や電子機器を構成する。
2003037988.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
繊維状フィラーをマトリクス樹脂中に分散させてなる複合材料によって形成された摺動部品であって、前記繊維状フィラーの配向度が、内部よりも摺動面をなす部分で高くなっていて、該摺動面においては、前記繊維状フィラーが前記摺動面に沿って配向していることを特徴とする摺動部品。
【請求項２】
前記繊維状フィラーが、直径０．０１μｍ〜０．２μｍ、繊維長１μｍ〜５００μｍの気相成長炭素繊維であることを特徴とする請求項１に記載の摺動部品。
【請求項３】
前記気相成長炭素繊維の嵩密度が、０．０５ｇ／ｃｍ３〜０．１ｇ／ｃｍ３であることを特徴とする請求項２に記載の摺動部品。
【請求項４】
前記気相成長炭素繊維が、２２００℃〜３０００℃で焼成処理されたものであることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の摺動部品。
【請求項５】
前記マトリクス樹脂が、ポリテトラフルオロエチレン樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリアミド樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、液晶ポリマー樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリカーボネート樹脂、またはポリフェニレンオキシド樹脂のいずれかであることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の摺動部品。
【請求項６】
炭素化合物を気相で炭素に熱分解させ、この熱分解と同時に直接繊維状に成長させた炭素繊維を添加した樹脂からなることを特徴とする精密部品。
【請求項７】
前記炭素繊維が遷移金属を触媒として、気相、液相及び固相の３相が共存する系で進行する気相−液相−固相系反応により生成されたことを特徴とする請求項６記載の精密部品。
【請求項８】
前記炭素繊維が１３００℃で熱処理されたカーボン質品であることを特徴とする請求項６又は７記載の精密部品。
【請求項９】
前記炭素繊維が２８００℃で熱処理されたグラファイト質品であることを特徴とする請求項６又は７記載の精密部品。
【請求項１０】
前記炭素繊維は、繊維長が１０乃至２０μｍであることを特徴とする請求項６乃至９のいずれかに記載の精密部品。
【請求項１１】
前記樹脂は、ポリアセタール樹脂、ポリアミド樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂及びポリカーボネート樹脂のうち、少なくともいずれか１つである請求項６乃至１０のいずれかに記載の精密部品。
【請求項１２】
請求項６から１１記載の精密部品を使用したことを特徴とする時計。
【請求項１３】
請求項１から５のいずれかの項に記載の摺動部品を備えたことを特徴とする時計。
【請求項１４】
請求項１から５のいずれかの項に記載の摺動部品を備えたことを特徴とする電子機器。
【請求項１５】
請求項６から１１のいずれかの項に記載の精密部品を備えたことを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、摺動部品、精密部品及びこれを使用した時計、電子機器に関する。
背景技術
従来から、ギヤ、カム、ローラー、軸受、コネクタなどの摺動部品を形成する際に、ガラス繊維や炭素繊維などの繊維状フィラーをマトリクス樹脂中に分散させてなる複合材料が利用されている。
しかし、上記のような複合材料を利用して摺動部品を製造すると、成形時の諸条件（例えば、成形品の形状、金型に設けるゲートの位置や数、複合材料の粘度や繊維状フィラー含有率、繊維状フィラーの繊維長など）によっては、繊維状フィラーが特定方向に配向してしまうことがあり、この場合、摺動部品の機械的強度に異方性が現れて、例えば成形品に反りの発生しやすい方向ができたり、外力が加わった時に折れたり割れたりしやすい方向ができるといった問題を招くことがあった。
一方、上記成形時の諸条件を調節することにより、繊維状フィラーが配向しないようにすれば、摺動部品の機械的強度に上記のような異方性が現れるのを防止することはできるが、この場合は、摺動部品の摺動面付近に存在する繊維状フィラーの多くが摺動面に交差する方向を向き、これが原因で摺動面の微視的な平滑性が損なわれるため、摺動面の摩擦係数が高くなって摺動性の低下を招くことがあった。
また、従来の精密部品は、時計に使用される地板、受、ロータ、五番車を樹脂使用して製造することは知られていた。例えば、特許第２９６２３２０号公報に記載されている。
しかし、従来の精密部品は転写性が悪く、射出成形金型の寸法と射出成形後の部品の寸法との開きが大きかった。そのため、極めて小さな部品では、高精細な形状で成形することはできず、外径の小さな歯車などでは、先端曲率があまりにも小さくなるため、樹脂を用いて製造することはできないという問題点があった。
また、従来の精密部品は、樹脂成形品の表面の平滑性、表面性が不足しており、特に、熱可塑性樹脂の場合、樹脂成形品の強度が不足してしまうという問題点もあった。
発明の開示
本発明の摺動部品は、繊維状フィラーをマトリクス樹脂中に分散させてなる複合材料によって形成された摺動部品であって、前記繊維状フィラーの配向度が、内部よりも摺動面をなす部分で高くなっていて、該摺動面においては、前記繊維状フィラーが前記摺動面に沿って配向していることを特徴とする。
この摺動部品においては、摺動面をなす部分では、繊維状フィラーが摺動面に沿って配向しているので、摺動面付近に存在する繊維状フィラーが配向していないものとは異なり、摺動面の微視的な平滑性が高く、摺動面の摩擦係数が低くなる。また、摺動部品の内部では、繊維状フィラーの配向度が摺動面よりも低いので、摺動部品全体に含まれる繊維状フィラーが、摺動面と同程度配向しているものに比べ、摺動部品の機械的強度に異方性が現れにくい。
したがって、この摺動部品によれば、繊維状フィラーを含有する複合材料で形成されているにもかかわらず、機械的強度に異方性が現れず、且つ、摺動性にも優れたものとなる。
なお、摺動面付近に存在する繊維状フィラーは、配向度が高いほど摺動面の微視的な平滑性は高くなるので望ましい。また、内部に存在する繊維状フィラーは、配向度が低いほど摺動部品の機械的強度に異方性が現れにくいので望ましい。ちなみに、この摺動部品の外面の内、摺動面以外の面では、繊維状フィラーが配向していてもよいし配向していなくてもよい。
複合材料中に含まれる繊維状フィラーの量は、繊維状フィラーの物性やマトリクス樹脂の物性によっても変わるので適宜調整すればよいが、一応の目安としては、複合材料全体に対する重量比で３重量％〜６０重量％程度が適当である。この繊維状フィラーの量が３重量％を下回ると、繊維状フィラーを加えたことによる効果が過剰に弱くなる場合が多く、６０重量％を上回るとマトリクス樹脂の連続性が失われて脆性が過剰に高くなる場合が多い。
上記のような特徴的構造を備えた摺動部品は、どのような方法で製造してもよいが、具体的な例を挙げれば、次のような方法で製造することができる。
例えば、繊維状フィラーは、繊維長が長いと配向しやすく、繊維長が短いと配向しにくい傾向があるので、この繊維長を適宜調節することにより、キャビティー内の一部では繊維状フィラーが配向する一方、他の一部では繊維状フィラーが配向していない状態にすることができる。ここで、繊維状フィラーが配向する部分は、キャビティー内を複合材料が流動する際のマトリクス樹脂一繊維状フィラー間の滑りが比較的大きい部分であり、繊維状フィラーが配向しない部分は、上記マトリクス樹脂一繊維状フィラー間の滑りが比較的小さい部分なので、キャビティーの内壁近傍では、複合材料の流動抵抗が大きくなる分だけ繊維状フィラーが配向しやすく、キャビティーの内壁から離れるほど繊維状フィラーが配向しにくい傾向がある。そのため、繊維状フィラーの繊維長を最適化するだけでも、摺動部品の摺動面をなす部分では繊維状フィラーの摺動面に沿った配向度が高く、摺動部品の内部では繊維状フィラーの配向度が低い成形品を製造できる場合がある。
また、上記のような繊維状フィラーの繊維長の最適化に加え、摺動部品の形状（＝金型内のキャビティーの形状）に応じて、金型に設けるゲートの位置、ゲートの数、ゲートからの射出圧等を調節すれば、キャビティー内に充填される複合材料がキャビティー内の摺動面を形成する部分において摺動面に沿って特定方向へ迅速に流動するように、複合材料の流動方向および流動速度を最適化できる。したがって、これにより、キャビティー内の摺動面を形成する部分について、充填された複合材料中の繊維状フィラーの配向度を高めることができる。
あるいは、上記以外の製法としては、例えば、配向しやすい第１の繊維状フィラー（例えば、繊維長の長いもの）を含有する第１の複合材料と、配向しにくい第２の繊維状フィラー（例えば、繊維長の短いもの）を含有する第２の複合材料とを、同時またはある程度の時間差をおいて金型のキャビティー内に射出するようにして、主に第１の複合材料が摺動部品の摺動面をなす部分に流れ込み、主に第２の複合材料が摺動部品の内部をなす部分に流れ込むように、金型に設けるゲートの位置、ゲートからの射出圧、各複合材料の粘度などを調整してもよい。このようにすれば、摺動部品の摺動面をなす部分には、配向しやすい第１の繊維状フィラーを含む第１の複合材料が充填され、摺動部品の内部には、配向しにくい第２の繊維状フィラーを含む第２の複合材料が充填されるので、これにより、摺動部品の摺動面をなす部分では繊維状フィラーの摺動面に沿った配向度が高くなり、摺動部品の内部では繊維状フィラーの配向度が低くなっている成形品を製造できる。
あるいは、摺動部品の摺動面をなす部分を成形する工程と、摺動部品の内部を成形する工程とを別工程にして、各工程毎に繊維状フィラーの配向度を最適化してもよい。これらの工程を別工程とする場合は、どちらの工程が先になっていてもよい。各工程における繊維状フィラーの配向度を最適化する方法は、各工程毎に任意であり、各工程毎に繊維状フィラーの繊維長が異なる複合材料を利用してもよいし、各工程毎にキャビティー内における複合材料の流動速度が変わるように成形条件を設定してもよいし、これらの手法を併用してもよい。
いずれにしても、これらの製法あるいはその他の製法により、摺動部品の摺動面をなす部分では、繊維状フィラーの摺動面に沿った配向度が高く、且つ、摺動部品の内部では、繊維状フィラーの配向度が低い摺動部品を製造すれば、繊維状フィラーを含有する複合材料で形成されているにもかかわらず、機械的強度に異方性が現れず、且つ、摺動性にも優れた摺動部品となる。
ところで、以上説明した摺動部品においては、前記繊維状フィラーが、直径０．０１μｍ〜０．２μｍ、繊維長１μｍ〜５００μｍの気相成長炭素繊維（Ｖａｐｅｒ  Ｇｒｏｗｎ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｆｉｂｅｒ、ＶＧＣＦ）であると望ましい。
このように構成される摺動部品において、繊維状フィラーとして採用している気相成長炭素繊維は、他の炭素繊維（例えばＰＡＮ系、ピッチ系など）よりも微細な炭素繊維である。この気相成長炭素繊維の繊維長については、１μｍ〜５００μｍにすると望ましく、この繊維長が５００μｍを上回ると摺動部品内部の繊維状フィラーの配向度が高くなり過ぎる傾向があり、繊維長が１μｍを下回ると摺動面付近に存在する繊維状フィラーの配向度が低くなり過ぎ、摺動面の平滑性が損なわれる。また、気相成長炭素繊維の直径については、０．０１μｍ〜０．２μｍにすると望ましく、この直径が０．２μｍを上回るとやはり摺動部品内部における繊維状フィラーの配向度が高くなりすぎる傾向があり、直径が０．０１μｍを下回ると摺動面付近に存在する繊維状フィラーの配向度が低くなり過ぎる。
このように構成された摺動部品は、上記のような気相成長炭素繊維を分散させた複合材料によって形成されているので、他の繊維状フィラーを採用したものに比べ、優れた摺動性を発揮するものとなる。また、上記気相成長炭素繊維は、繊維状フィラーとしてはきわめて微細なものであり、繊維が成形品の微細な凹凸にも入り込むため、他の繊維状フィラーを採用したものに比べ、金型のキャビティー内壁に形成されたミクロンオーダーの凹凸を忠実に再現した成形品を得ることができ、しかも、そのような微細な凸部の機械的強度も含め、成形品全体にわたって強度を高くすることができる。したがって、きわめて小さな摺動部品や微細な凹凸のある摺動部品を成形する場合には特に好適なものとなる。さらに、熱伝導率が高いので、放熱が必要な箇所の摺動部品として利用するのに好適であり、電気伝導率も高いので、摺動に伴って発生する静電気を逃がすこともできる。
また、このような気相成長炭素を繊維状フィラーとして採用する場合、前記気相成長炭素繊維の嵩密度が、０．０５ｇ／ｃｍ３〜０．１ｇ／ｃｍ３であると望ましい。
このように構成された摺動部品においては、上記気相成長炭素繊維として、その嵩密度が、０．０５ｇ／ｃｍ３〜０．１ｇ／ｃｍ３であるものを採用しているので、成形品の靱性が高くなり、機械的強度に優れた摺動部品を得ることができる。なお、この嵩密度が０．１ｇ／ｃｍ３を上回ると樹脂中への分散性にばらつきが出やすくなる。嵩密度が０．０５ｇ／ｃｍ３を下回ると、成形品の脆性が高くなる傾向があるため、機械的強度に優れた摺動部品を得ることが難しくなる。
また、前記気相成長炭素繊維が、２２００℃〜３０００℃で焼成処理されたものであるものも望ましい。
このように構成された摺動部品においては、気相成長炭素繊維が２２００℃〜３０００℃で焼成処理されて、気相成長炭素繊維が黒鉛化した状態になっているので、これにより、摺動面の固体潤滑性が高くなる。また、気相成長炭素繊維が黒鉛化した状態になっていると、導電性や熱伝導性も向上するといったメリットもある。なお、この焼成処理温度が２２００℃を下回ると、完全に黒鉛化が進んでいない状態になりやすいので固体潤滑性能が低下する恐れがある。また焼成処理温度が３０００℃を上回ると気相成長炭素繊維が分解してしまうので好ましくない。
更に、マトリクス樹脂に関しては、前記マトリクス樹脂が、ポリテトラフルオロエチレン樹脂（ＰＴＦＥ）、ポリアセタール樹脂（ＰＯＭ）、ポリアミド樹脂（ＰＡ）、ポリエチレンテレフタレート樹脂（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート樹脂（ＰＢＴ）、ポリエーテルエーテルケトン樹脂（ＰＥＥＫ）、液晶ポリマー樹脂（ＬＣＰ）、ポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）、ポリカーボネート樹脂（ＰＣ）、またはポリフェニレンオキシド樹脂（ＰＰＯ）のいずれかであるとよい。
これらの樹脂は、いずれかを単独で使用すればよいが、相溶性の高い組み合わせか適当な相溶化剤によって相溶性を高くできる組み合わせであれば、２種以上を混合して使用してもよい。
このように構成された摺動部品であれば、摺動部品に要求される摺動性および機械的強度を十分に満足させることができる成形品を得ることができる。
また、本発明は、炭素化合物を気相で炭素に熱分解させ、この熱分解と同時に直接繊維状に成長させた炭素繊維を添加した樹脂からなる精密部品である。なお、炭素化合物は、炭化水素をはじめとする炭化化合物に適用できる。
本発明は、炭素繊維が遷移金属を触媒として、気相、液相、固相の３相が共存する系で進行する気相−液相−固相系反応（以下「ＶＬＳ（Ｖａｐｅｒ  ｐｈａｓｅ，Ｌｉｑｕｉｄ  ｐｈａｓｅ，Ｓｏｌｉｄ  ｐｈａｓｅ）反応」という。）により生成された精密部品である。
本発明は、炭素繊維が１３００℃で熱処理されたカーボン質品である精密部品である。
本発明は、炭素繊維が２８００℃で熱処理されたグラファイト質品である精密部品である。
本発明は、炭素繊維が炭素原子間距離（Ｃｏ）６．９Å、繊維径０．２μｍ、繊維長１０〜２０μｍ、嵩密度０．０２〜０．０７ｇ／ｃｍ３、真密度１．９ｇ／ｃｍ３、比表面積３７ｍ２／ｇ、吸湿性１．３％、揮発分０．５〜１．０％、灰分１．５％、ｐＨ５、酸化開始温度５５０℃である精密部品である。
本発明は、炭素繊維が炭素原子間距離（Ｃｏ）６．７７５Å、繊維径０．２μｍ、繊維長１０〜２０μｍ、嵩密度０．０２〜０．０８ｇ／ｃｍ３、真密度２．１ｇ／ｃｍ３、比表面積１５ｍ２／ｇ、吸湿性０．２％、揮発分０．１〜０．２％、灰分０．１％、ｐＨ７、酸化開始温度６５０℃である精密部品である。
本発明は、前記樹脂が、ポリアセタール樹脂、ポリアミド樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂及びポリカーボネート樹脂のうち、少なくともいずれか１つである精密部品である。このような樹脂を使用することで、射出成形において、成形された歯車の外径が０．２ｍｍのように非常に小型の部品や非常に曲率が小さな部分を有する部品、例えば歯車などに使用することができる。
このように構成された本発明では、樹脂精密部品においては、（１）高精細形状ができた。（２）歯車の先端曲率を小さくできた。（３）熱可塑性樹脂の場合、樹脂成形品の強度が向上した。（４）耐磨耗性が向上した。（５）射出成形金型の寸法と射出成形樹脂品の寸法との開きが小さくなり、転写性が向上した。（６）樹脂成形品の表面の平滑性、表面性が向上した。（７）熱伝導性が良い。（８）ごみ、ケバが付着しない。（９）薄い個所を有する射出成形品ができた。等の利点が得られた。また、外径が０．２ｍｍという世界一小さい樹脂歯車を射出成形にて提供することができた。さらに、時計においては、これら利点を活かすことにより、金属材料で形成されていた精密部品の軽量化、コストダウンが実現できた。さらに、歯車の軸に本発明を適用することにより、潤滑性が付与されるので、軸受け部に使用していた潤滑油の使用とその注入工程が削除され、いわゆる時計組み立て工程における無注油化が実現できた。このような上記の利点が発現する理由は、本発明に係わる炭素繊維は、（１）黒鉛層間のファン・デル・ワールス力（結合力）が弱いので樹脂とコンポジットした場合の分散性が優れていること。（２）熱伝導性が良いので、射出成形金型の傷まで転写されるくらいに転写性がすぐれていること。（３）温度特性特性が優れているので、すなわち熱膨張係数と熱収縮係数が小さいので、精密部品が製造できること。（４）炭素繊維と樹脂とがからまり機械的な強度が発現すること。等の物理的・機械的な特性に起因する。
そして、本発明は、これらの精密部品又は摺動部品を使用した時計である。
また、本発明は、上述の摺動部品又は精密部品を備えた電子機器である。
発明を実施するための最良の形態
［第１実施形態］
次に、本発明の摺動部品の実施形態について一例を挙げて説明する。
分子量１４０００、溶融粘度８００ポイズのポリアミド樹脂１２を８０重量％、平均繊維径０．２μｍ、平均繊維長２０μｍ、嵩密度０．０７ｇ／ｃｍ３で、事前に２８００℃で焼成処理された気相成長炭素繊維２０重量％を、それぞれ秤量して、二軸押出機にて２３０℃下、φ３ｍｍのストランド状に混練押出したものをペレタイジングし原材料とした。
その原材料を射出成形機の材料供給口から投入し、シリンダー温度２１０℃→２２０℃→２３０℃→２２０℃にて可塑化し、薄板形状のキャビティーを有する金型に、前記溶融材料を射出圧４４ＭＰａ、射出速度１００ｍｍ／ｓにて射出した。金型の温度は６０℃に設定した。
適当な冷却時間の経過後、金型を開いてエジェクターピンにて金型から突き出し、プラスチックコンテナーにて成形品を受けた。
得られた成形品の摺動面に相当する表面の動摩擦係数は０．２５、比摩耗量は３．８×１０−１３ｍｍ３／Ｎ・ｋｍであり、摺動部品として優れた性能を有するものであった。
また、得られた成形品の摺動面に相当する表面を、走査電子顕微鏡で観察したところ、摺動面に相当する表面では、気相成長炭素繊維が摺動面と平行に一軸配向していた。また、法線方向が互いに異なる複数の断面を、走査電子顕微鏡で観察したところ、成形品の内部においては、摺動面に比べて、気相成長炭素繊維の配向度が低く、気相成長炭素繊維がランダムな方向を向いていた。
上記摺動面における気相成長炭素繊維の配向方向を基準方向として、基準方向と同一方向、および基準方向に直交する方向について、引張破壊強さを測定したところ、両者の引張破壊強さはほぼ同等であった。
このように、上記成形品によれば、繊維状フィラーを含有する複合材料で形成されていて、摺動面で繊維状フィラーが配向しているにもかかわらず、機械的強度には異方性が現れておらず、しかも、摺動面における摺動性はきわめて優れた値を示す。
以上、本発明の摺動部品の実施形態について説明したが、本発明は上記の具体的な一実施形態に限定されず、この他にも種々の形態で実施することができる。
例えば、上記実施形態では、マトリクス樹脂としてポリアミド樹脂（ＰＡ）を用いていたが、これ以外の各種エンジニアリングプラスチックをマトリクス樹脂として用いてもよい。具体例としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン樹脂（ＰＴＦＥ）、ポリアセタール樹脂（ＰＯＭ）、ポリエチレンテレフタレート樹脂（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート樹脂（ＰＢＴ）、ポリエーテルエーテルケトン樹脂（ＰＥＥＫ）、液晶ポリマー樹脂（ＬＣＰ）、ポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）、ポリカーボネート樹脂（ＰＣ）、またはポリフェニレンオキシド樹脂（ＰＰＯ）などを用いることができる。
また、上記実施形態では、繊維状フィラーとして、特定の物性を有する気相成長炭素繊維を用いていたが、摺動部品の内部よりも摺動面付近における配向度が高く、且つ、摺動面付近においては摺動面に沿って配向する状態になる繊維状フィラーであれば、任意に利用することができる。但し、摺動部品に微細な凹凸がある場合には、微細な繊維状フィラーを用いる方がよく、その点では、直径０．０１μｍ〜０．２μｍ、繊維長１μｍ〜５００μｍの気相成長炭素繊維は望ましい。また、この場合、気相成長炭素繊維の嵩密度は、０．０５ｇ／ｃｍ３〜０．１ｇ／ｃｍ３であるとより望ましく、また、気相成長炭素繊維が、２２００℃〜３０００℃で焼成処理されているとより望ましい。
［第２実施形態］
次に、本発明の精密部品の実施形態について説明する。
本発明の精密部品に係わる炭素繊維は、炭化水素をはじめとする炭素化合物を気相で炭素に熱分解させ、この熱分解と同時に直接繊維状に成長させた炭素繊維である。この炭素繊維は、遷移金属を触媒として、気相、液相、固相の３相が共存する系で進行するＶＬＳ反応により生成する。この炭素繊維は、１３００℃で熱処理されたカーボン質品（炭素繊維Ａという）、もしくは２８００℃で熱処理されたグラファイト質品（炭素繊維Ｂという）である。炭素繊維Ａは、炭素原子間距離（Ｃｏ）６．９Å、繊維径０．２μｍ、繊維長１０〜２０μｍ、嵩密度０．０２〜０．０７ｇ／ｃｍ３、真密度１．９ｇ／ｃｍ３、比表面積３７ｍ２／ｇ、吸湿性１．３％、揮発分０．５〜１．０％、灰分１．５％、ｐＨ５、酸化開始温度５５０℃である。炭素繊維Ｂは、炭素原子間距離（Ｃｏ）６．７７５Å、繊維径０．２μｍ、繊維長１０〜２０μｍ、嵩密度０．０２〜０．０８ｇ／ｃｍ３、真密度２．１ｇ／ｃｍ３、比表面積１５ｍ２／ｇ、吸湿性０．２％、揮発分０．１〜０．２％、灰分０．１％、ｐＨ７、酸化開始温度６５０℃である。
次に、この炭素繊維を各樹脂に添加した場合について説明する。使用した樹脂は、ポリアセタール樹脂、ポリアミド樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリカーボネート樹脂である。これらの樹脂に炭素繊維を添加すると、射出成形時の流動性が向上し、成形精密部品のヒケの発生が減少することができる。例えば、ポリアミド樹脂に炭素繊維を２０重量％および４０重量％添加すると、無添加の樹脂品では、摩擦係数が０．５であるが、添加品の摩擦係数は０．２となり耐摩耗性が大幅に向上することができる。しかし、炭素繊維の添加が適量でないと、射出成形時にガスが発生し、射出成形することができなくなる。例えば、ポリアセタール樹脂に炭素繊維を添加したところ、２０重量％以上の添加は射出成形時にガスが発生する。よって、ポリアセタール樹脂に対する炭素繊維の添加量は２０重量％以内の範囲で行うことが望ましい。ポリアミド樹脂に炭素繊維を２０重量％および４０重量％添加が適量である。ポリフェニレンサルファイド樹脂に炭素繊維を添加したところ、２０重量％以上の添加により、射出成形時の樹脂の流動性が悪化した。よって、ポリフェニレンサルファイド樹脂に対する炭素繊維の添加量は２０重量％以内の範囲で行うことが望ましい。
表１は、上述の繊維状フィラー（炭素繊維）を１０重量％又は２０重量％添加したポリアミド樹脂１２（ＰＡ１２），ポリアセタール樹脂（ＰＯＭ），ポリカーボネート樹脂（ＰＣ）の基本特性を示している。なお、比較のために、繊維状フィラーを添加しない非複合材料（樹脂単体）を「ＢＬＡＮＫ」として示している。
上記の各樹脂は表２に示すような成形条件により射出成形している。すなわち、ＰＡ１２に繊維状フィラーを２０重量％添加した複合材料は、ノズル，前部（計量部），中部（圧縮部），後部（供給部），成形用金型の温度をそれぞれ２２０℃，２３０℃，２２０℃，２１０℃，７０℃とし、ＰＡ１２の非複合材料については、それぞれ１９０℃，２００℃，１８０℃，１７０℃，７０℃としている。また、ＰＯＭに繊維状フィラーを２０重量％添加した複合材料は、上記各温度をそれぞれ２００℃，２１０℃，１９０℃，１７０℃，６０℃とし、ＰＯＭの非複合材料については、それぞれ１８０℃，１８５℃，１７５℃，１６５℃，６０℃としている。さらに、ＰＣに繊維状フィラーを２０重量％添加した複合材料は、上記各温度をそれぞれ２９０℃，３１０℃，２９０℃，２７０℃，８０℃とし、ＰＣの非複合材料については、それぞれ２８０℃，２９０℃，２７０℃，２６０℃，８０℃としている。なお、ＰＡ１２に繊維状フィラーを１０重量％添加した複合材料については、２０重量％と同じ条件である。
ここで、動摩擦係数，比摩耗量（ｍｍ３／Ｎ・ｋｍ），限界ＰＶ値（ｋＰａ・ｍ／ｓ）は、所定形状（φ５５ｍｍ×厚さ２ｍｍ）の樹脂片を、５０Ｎの面圧力を加えながら０．５ｍ／ｓｅｃの速度で銅板（Ｓ４５Ｃ）上を滑らせたときの値を示している。
なお、これらの測定方法は、プラスチックの滑り摩耗試験方法（ＪＩＳ  Ｋ  ７２１８規格）に従っている（ＪＩＳ：Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ  Ｓｔａｎｄａｒｄ）。
比重の測定は、プラスチック−非発泡プラスチックの密度及び比重の測定方法（ＪＩＳ  Ｋ  ７１１２規格（Ａ法））に従って行なっている。
また、引張破壊強さ（ＭＰａ）は試験片が破壊した瞬間における引張応力をいい、引張破壊のび（％）は引張破壊強さに対応する伸びをいう。
引張破壊強さ，引張破壊のびは、ＪＩＳ１号試験片を用いて、プラスチックの引張試験方法（ＪＩＳ  Ｋ  ７１１３規格）に従って行なっている。
また、曲げ強さ（ＭＰａ）や曲げ弾性率（ＭＰａ）は８０ｍｍ×１０ｍｍ×２ｍｍの樹脂片を用いて測定しており、この測定はプラスチック−曲げ特性の試験方法（ＪＩＳ  Ｋ  ７１７１規格）に従って行なっている。
さらに、体積抵抗率（Ω・ｃｍ）は抵抗率計ＭＣＰ−Ｔ６００（ロレスタＧＰ、株式会社ダイアインスツルメンツ製）又はＭＣＰ−ＨＴ４５０（ハイスタＵＰ、株式会社ダイアインスツルメンツ製）を用いて、１００ｍｍ×８０ｍｍ×２ｍｍの樹脂片について測定している。
熱伝導率（Ｗ／ｍ・Ｋ）は熱伝導率計ＱＴＭ−５００（迅速熱伝導率計、京都電子工業株式会社製）を用いて、１００ｍｍ×８０ｍｍ×２ｍｍの樹脂片について測定している。
2003037988.tif 000003
2003037988.tif 000004
表１に示すように、ＰＡ１２，ＰＣでは、繊維状フィラーを添加した複合材料は無添加の非複合材料に比べて基本特性がいずれも改善されており、引張破壊強さ，体積抵抗率，熱伝導率に関しては、その改善幅は繊維状フィラーの添加量が多い程大きいことがわかる。
ここで、動摩擦係数は、上記複合材料の表面の平滑性や表面性の目安となり、例えば動摩擦係数の小さい複合材料により歯車を構成することで、回転を潤滑に行なうことができる。平均面粗さはＰＡ１２が約１８５ｎｍに対して、繊維状フィラーを１０重量％及び２０重量％を添加すると、平均面粗さはそれぞれ、約１３２ｎｍ及び約３６ｎｍとなる。測定は、卓上小型プローブ顕微鏡Ｎａｎｏｐｉｃｓ１０００及びＮＰＸ１００（Ｎａｎｏｐｉｃｓ、セイコーインスツルメンツ株式会社製）で行なった。
また、体積抵抗に関しては、繊維状フィラーを１０重量％添加したものに比べて２０重量％添加したものではその改善幅が極めて大きくなる。体積抵抗率は静電気の帯電し易さの目安となり、体積抵抗率が小さい程、静電気が帯電しにくく、ごみやけばが付着しづらくなる。このため、複合材料中の繊維状フィラーの含有量を１０重量％とすることで、このような複合材料からなる歯車等にごみ等が挟まって機器の動作に不具合をきたす事態を回避できる。また、２０重量％を入れると、静電気に対してより効果がある。さらに、複合材料を射出成形により形成する場合、金型から複合材料を取り出し可能な時間は複合材料の冷却速度（即ち、冷えやすさ）に依存するため、複合材料の熱伝導率が高まることで、複合材料の製造効率の向上が期待できる。
なお、ＰＯＭに繊維状フィラーを添加した複合材料では、無添加のものに比べて動摩擦係数が若干上昇するが、他の基本特性はいずれも改善されており、総合的に見て特性は改善されたといえる。
本実施例では、炭素繊維の添加された樹脂を用いて、射出成形により時計用歯車を試作した。成形された時計用歯車は、当初図面の寸法とほぼ同じレベルの寸法に仕上り、本発明の炭素繊維添加樹脂の転写性が優れていることが証明された。また、成形時計用歯車の先端部、周辺部にも炭素繊維が均一に充填されており、射出成形機内での樹脂と炭素繊維のコンポジットに炭素繊維の偏りがなく、均一に分散していることが理解される。また、炭素繊維を添加した樹脂は、射出成形時の材料交換時のパージが早く、ホッパー内に成形に使用されなかった樹脂材料が残らないという利点をも有する。
［第３実施形態］
次に、本発明の精密部品の実施形態について説明する。
射出成形により、歯数６個を有する歯車部１１の外径が０．２ｍｍの世界最小の樹脂歯車１０を製作した（図１参照）。樹脂はＰＡ１２で、炭素繊維は２０重量％添加されている。本歯車１０を時計に組み込み、作動させたところ、確実に歯車としての機能が発揮された。本発明は、樹脂の射出成形手段にて極微小部品のできることを証明したことになり、時計等精密製品のより極小化に貢献できる。なお、炭素繊維Ａは第２実施形態では１３００℃で熱処理されたカーボン質品として説明したが、１０００℃〜１５００℃で熱処理されたカーボン質品、また炭素繊維Ｂは第２実施形態では２８００℃で熱処理されたグラファイト質品として説明したが、２２００℃〜３０００℃で熱処理されたグラファイト質品であれば、実用上使用が可能である。
［第４実施形態］
次に、本発明の精密部品の実施形態について説明する。
本発明に係わる炭素繊維添加の樹脂を用いて、時計用の地板、輪列受け、５番車、ロータを制作した。
図２，図３は、本実施形態の時計の要部構造を示す図であり、この時計を構成する精密部品である各番車１０，２０，３０，地板５０，輪列受け６０はそれぞれ上記第１実施形態又は第２実施形態に係る複合材料（繊維状フィラーを添加された樹脂）からなっている。４番車３０，５番車２０，６番車１０は、６番車１０の歯車部１１と５番車２０の歯車部２１、５番車２０の歯車部２２と４番車３０の歯車部３１とが互いに噛合して輪列を構成しており、各番車１０〜３０の輪列受け６０側の各軸部１０ａ〜３０ａがそれぞれ輪列受け６０の軸受け部１０ｂ〜３０ｂにより回転可能に支持されている。また、各番車１０〜３０の地板５０側の各軸部１０ｃ〜３０ｃがそれぞれ地板５０の軸受け部１０ｄ〜３０ｄに回転可能に支持されている。そして、６番車１０を駆動するステッピングモータ（図示略）により、この輪列が回転され、４番車３０に取り付けられた秒針４０を回転させるようになっている。なお、輪列受け６０はねじピン７０及びねじ８０により地板５０に取り付けられている。さらに、文字板９０の凸部（図示せず）が地板５０の穴部（図示せず）に圧入されて取り付けられている。
これら精密部品の寸法は、ほぼ図面寸法と同じレベルに仕上がっていた。また、炭素繊維を樹脂に加えた部品には、ごみやケバ等が付着することがなく、正常に機能することがわかった。また、耐久性も、これら部品を時計に組み込んだところ、５番車２０とロータは無注油であるにもかかわらず回転動作を行うことができた。更に、１０万回転させた場合でも、摩耗すること無く動作が可能であった。従って、炭素繊維を樹脂に加えた部品を使用すると、無注油にて時計を製造できることができる。これにより、製造における注油工程を不要とすることができ、メンテナンス時にも同様に注油工程を不要とすることができる。また、注油工程が不要なので、潤滑油の使用も廃止でき、製造コストを低減する長所を有する。さらに、ごみやケバ等により、時計が止まってしまうこともなくなる利点がある。
［第５実施形態］
次に、本発明の精密部品又は摺動部品の実施形態について説明する。
本発明に係わる繊維状フィラーを樹脂中に添加した複合材料により精密部品或いは摺動部品としての歯車１００，１５０及び軸受け１２０を作成し、この歯車を用いて図４に示すようなプリンタを製作した。
図４は、プリンタの駆動機構を拡大して示す図である。ローラ１３０は、その軸部１１０が、前記第１実施形態又は第２実施形態に係る複合材料（繊維状フィラーが添加された樹脂）からなる軸受け部１２０によりフレーム２００に回転可能に取り付けられ、その軸端部に、上述の複合材料からなる歯車１００が設けられている。この歯車１００には、上述の複合材料からなる歯車１５０が噛合しており、この歯車１５０を駆動モータ（図示略）により駆動することで、ローラ１３０が回転されるようになっている。
本実施形態のプリンタは、ローラ１３０を駆動する駆動機構に上述の複合材料からなる歯車１００，１５０及び軸受け部１２０を用いているため、これらの歯車１００，１５０の噛合部、軸受け部１２０へのごみやけば等の付着を防止することができ、さらに無潤滑でローラ１３０の回転駆動をスムーズに行なうことができる。
なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
例えば、上記第２実施形態〜第５実施形態では、精密部品或いは摺動部品として歯車を例示したが、これ以外に、上述の複合材料をシャフト、ベアリング、ガイド、ヒンジ、スリーブ等の軸および軸受け、チェーン、ベルト、カム、ローラ等の回転動力伝達機構部品、ギアポンプ等の回転機構製品に適用することも可能である。
産業上の利用可能性
本発明の摺動部品においては、摺動面をなす部分では、繊維状フィラーが摺動面に沿って配向しているので、摺動面付近に存在する繊維状フィラーが配向していないものとは異なり、摺動面の微視的な平滑性が高く、摺動面の摩擦係数が低くなる。また、摺動部品の内部では、繊維状フィラーの配向度が摺動面よりも低いので、摺動部品全体に含まれる繊維状フィラーが、摺動面と同程度配向しているものに比べ、摺動部品の機械的強度に異方性が現れにくい。
したがって、この摺動部品によれば、繊維状フィラーを含有する複合材料で形成されているにもかかわらず、機械的強度に異方性が現れず、且つ、摺動性にも優れたものとなる。
また、以上説明したように、本発明によれば、樹脂精密部品においては、（１）高精細形状ができた。（２）歯車の先端曲率を小さくできた。（３）熱可塑性樹脂の場合、樹脂成形品の強度が向上した。（４）耐摩耗性が向上した。（５）射出成形金型の寸法と射出成形樹脂品の寸法との開きが小さくなり、転写性が向上した。（６）樹脂成形品の表面の平滑性、表面性が向上した。（７）熱伝導性が良い。（８）ごみ、ケバが付着しない。（９）薄い個所を有する射出成形品ができた。等の利点が得られた。また、歯数６枚の歯車部の外径が０．２ｍｍという世界一小さい樹脂歯車を射出成形にて提供することができた。さらに、時計においては、これら利点を活かすことにより、金属材料で形成されていた精密部品の軽量化、コストダウンが実現できた。さらに、歯車の軸に本発明を適用することにより、潤滑性が付与されるので、軸受け部に使用していた潤滑油の使用とその注入工程が削除され、いわゆる時計組み立て工程における無注油化が実現できた。
【図面の簡単な説明】
図１は本発明の第３実施形態に係る精密部品の全体構造を示す斜視図である。
図２は本発明の第４実施形態に係る時計の要部構造を示す斜視図である。
図３は本発明の第４実施形態に係る時計の要部構造を示す断面図である。
図４は本発明の第５実施形態に係る電子機器の一例としてのプリンタの要部構造を示す断面図である。
【図１】
2003037988.tif 000005
【図２】
2003037988.tif 000006
【図３】
2003037988.tif 000007
【図４】
2003037988.tif 000008
【国際調査報告】
2003037988.tif 000009
2003037988.tif 000010