(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
体積比５０％以上のガラス質金属組織から形成されたモジュール０．２以下の歯車でなり、
Ｍ１００−ｎＴＭｎ（但し、Ｍは、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆのうちの１種または２種以上の元素、ＴＭはＣｒ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ａｌ，Ｓｎ，Ｂのうちの何れか１種または２種以上の元素を１原子％以上必ず含み、残部が３，４，５，６，８，９，１０，１１族からなる遷移金属元素（但し、Ｃｒ，Ｍｏ，Ｎｂ及びＭに適用した元素を除く）及び１３，１４，１５族からなる典型元素（但し、Ａｌ，Ｓｎ，Ｂを除く）を含む群によって構成されており、ｎは５原子％以上５０原子％以下である。）からなることを特徴とする精密歯車。
【請求項２】
体積比５０％以上のガラス質金属組織から形成されたモジュール０．２以下の歯車でなり、
ＣｕｐＴｉｑＭ１１００−ｐ−ｑ（但し、Ｍ１は、Ｈｆ，Ｚｒ，鉄族，白金族，貴金属（１１族），Ａｌ，Ｓｎ，Ｚｎのうちの何れか１種または２種以上の元素からなり、ｐが５０原子％以上６５原子％以下、ｑが２原子％以上２０原子％以下である。）からなることを特徴とする精密歯車。
【請求項３】
体積比５０％以上のガラス質金属組織から形成されたモジュール０．２以下の歯車でなり、
Ｎｉ１００−ｓ−ｔ−ｕＮｂｓ（Ｚｒ，Ｈｆ）ｔＭ２ｕ（但し、Ｍ２は、Ｔｉ，鉄族，白金族，貴金属（１１族）のうちの何れか１種または２種以上の元素からなり、ｓは１０原子％以上２５原子％以下、ｔは５原子％以上２０原子％以下、ｕは５原子％から２５原子％以下、ｔとｕの和が１０原子％以上３５原子％以下である。）からなることを特徴とする精密歯車。
【請求項４】
体積比５０％以上のガラス質金属組織から形成されたモジュール０．２以下の歯車でなり、
Ｆｅ１００−ｘ−ｙＭ３ｘＭ４ｙ（但し、Ｍ３は、３，４，５，６族からなる遷移金属元素のうちの何れか１種または２種以上の元素、Ｍ４は、Ｍｎ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｇａ，Ａｌ，Ｇｅ，Ｓｉ，Ｂ，Ｃのうちの何れか１種または２種以上の元素からなり、ｘは２原子％以上３５原子％以下、ｙは５原子％以上３０原子％以下である。）からなることを特徴とする精密歯車。
【請求項５】
体積比５０％以上のガラス質金属組織から形成されたモジュール０．２以下の歯車でなり、
（Ｆｅｌ−ａ（Ｃｏ，Ｎｉ）ａ）１００−ｘ−ｙＭ３ｘＭ４ｙ（但し、Ｍ３は、３，４，５，６族からなる遷移金属元素のうちの何れか１種または２種以上の元素、Ｍ４は、Ｍｎ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｇａ，Ａｌ，Ｇｅ，Ｓｉ，Ｂ，Ｃのうちの何れか１種または２種以上の元素からなり、ａは０．１以上０．７以下、ｘは２原子％以上３５原子％以下、ｙは５原子％以上３０原子％以下である。）からなることを特徴とする精密歯車。
【請求項６】
Ｍ４に、Ｂを必ず含むことを特徴とする請求項４または５に記載の精密歯車。
【請求項７】
体積比５０％以上のガラス質金属組織から形成されたモジュール０．２以下の歯車でなり、
（Ｚｒ，Ｈｆ）ａＭ５ｂＭ６ｃ（但し、Ｍ５は、３，５，６族及び鉄族，白金族，貴金属（１１族），Ｔｉ，Ｍｎのうちの何れか１種または２種以上の元素、Ｍ６は、Ｂｅ，Ｚｎ，Ａｌ，Ｇａ，Ｂ，Ｃ，Ｎのうちの何れか１種または２種以上の元素からなり、ａは３０原子％以上７０原子％以下、ｂは１５原子％以上６５原子％以下、ｃは１原子％以上３０原子％以下である。）からなることを特徴とする精密歯車。
【請求項８】
体積比５０％以上のガラス質金属組織から形成されたモジュール０．２以下の歯車でなり、
Ｔｉ１００−ｉ−ｊ−ｋＣｕｉＭ７ｊＭ８ｋ（但し、Ｍ７は、Ｚｒ，Ｈｆ，鉄族，白金族からなる遷移金属元素のうちの何れか１種または２種以上の元素、Ｍ８は、３，５，６族及びＡｌ，Ｓｎ，Ｇｅ，Ｓｉ，Ｂ，Ｂｅのうちの何れか１種または２種以上の元素であり、ｉは５原子％以上３５原子％以下、ｊは１０原子％以上３５原子％以下、ｋは１原子％以上２０原子％以下である。）からなることを特徴とする精密歯車。
【請求項９】
冷却速度３００℃／秒以上１０７℃／秒以下の速度で形成されたことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の精密歯車。
【請求項１０】
請求項１〜８のいずれかに記載の精密歯車を、ダイカスト法に代表される溶融金属の射出成形により形成するようにしたことを特徴とする精密歯車の製造方法。
【請求項１１】
請求項１〜８のいずれかに記載の精密歯車を、粘性流動温度域において超塑性鍛造成形により形成するようにしたことを特徴とする精密歯車の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
本発明は、小型で高負荷、長寿命を要求される精密歯車、その歯車機構及び精密歯車の製造方法に関するものである。
発明の背景
ウォッチやマイクロギヤードモータなどの高精度を必要とする精密機器に用いられる精密歯車において、モジュール０．２を超える金属製精密歯車は放電加工や切削加工をはじめ、プレス加工や転造成形など、様々な手法によって優れた特性や精度を有するものが作製されている。
しかしながら、モジュール０．２以下の金属製歯車に関しては精度上の問題や製造コスト等の問題が絡むことから、放電加工や切削加工またはプレス加工や転造成形は実用的な適用が難しい。このため、成型加工によって複雑で微小な構造を容易に作製することが可能な樹脂製の精密歯車が一般に広く用いられている。
その樹脂製の精密歯車は安価で大量生産が可能であるが、樹脂成型一体加工品は金属材料に比べて機械的強度や硬度が格段に低いこと、温度変化に対して寸法及び形状が変化しやすいこと、クリープ特性を有していることなどから、モジュール０．２以下で信頼性の高い超精密歯車を作製する上で決して満足いくものではなかった。また、金属材料と比較して表面硬度や引張強度が非常に小さい上、耐熱性に乏しく耐久寿命に大きく影響する。
近年、様々な強化添加材の開発が進み、樹脂材料の機械的強度についても優れたものが多く商品化されているが、工具鋼をはじめとする実用的な金属材料のレベルには遠く及ばないのが現状である。このことから、高負荷用途であるほど精密歯車は金属材料であることが望ましい。
金属材料でも、成型加工が可能なダイカスト用合金であるアルミニウム合金・マグネシウム合金及び銅合金が存在するが、その引張強度は７５０ＭＰａ程度と樹脂同様に弱く、また得られる製品の表面粗さ精度も５μｍＲｙ程度で結晶粒による不均一収縮及び表面の鋭凸部も存在し、モジュール０．２以下の精密歯車としては不適当であり、工具鋼と同等もしくはそれ以上の機械的性質を持った精密歯車の誕生が望まれる。
しかしながら、工具鋼による精密歯車は機械加工によって作製されるため、安価で大量生産することが難しい。また、加工精度の確保が非常に困難であり、たとえ硬度が高くても、部材の表面粗度がすべり等による材料の磨耗に大きく影響し、結果的に製品寿命を早めてしまう。耐久性の改善のためにもより引張強度が高く表面平滑性のよい精密歯車が望まれる。
従来の表面平滑性のよいモジュール０．１の金属製歯車（Ｐｒｏｃ．７ｔｈ ＩＥＥＥ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ ｏｎ Ｍｉｃｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ，（１９９４）Ｐ３４３−３４８）や、更にはモジュール０．０１の金属製歯車（Ｐｒｏｃ．ＩＥＥＥ １３ｔｈ Ｉｎｔ．Ｃｏｎｆ．ｏｎ Ｍｉｃｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ，ＭＥＭ２０００，（２０００）Ｐ２８８−２９３）を形成する作製例が報告されている。しかしながら、これはリガプロセスを使用し、更に鍛造加工あるいは塑性加工により形成するものであった。
その他に、金属製歯車形状体を含む大量生産を考慮した製造方法及び装置（日本特許公開公報：特開平１０−２９６４２４号）が提案されているが、歯車の仕様や評価についての詳細は開示されていない。
ガラス質金属組織あるいはガラス質金属組織中に、１００ｎｍ以下のナノ結晶を有する金属組織を形成する合金組成（日本特許公報：特開２０００−３４５３０９号，特開２００１−３１６７８４号，特開２００２−２５６４０１号，特開２０００−５４０８９号，特開２００１−４０４６０号，特開２０００−１２９３７８号，特公平０７−１２２１２０号，特開平０８−７４０１０号及び特開２０００−１６０３０８号）は、既に提示されている。しかし、大量生産を考慮した製造方法を用いた、０．２以下のモジュール、２μｍＲｙ以下の表面平滑性を持つ歯車としては、これまでに提案されてはいない。
更に、高強度を有する焼結バルク体の製造方法に基づいて歯車形状の部品が作製可能であることが（日本特許公開公報：特開平１１−７１６０２号）に示されているが、焼結時に粉末間の隙間分の体積収縮が起こるために寸法精度が得られにくい。また、焼結成形された部材には空孔が存在し、その空孔に起因すると見られるクラックが発生しやすく、充填率を高めたとしても金属本来の強度と比較した強度低下は否めない。高負荷・高信頼性を必要とする精密歯車の用途としては空孔の存在しない均一な組織をなしていることが望ましい。
複雑形状をなす超精密歯車のひとつである精密遊星歯車減速機に用いる太陽キャリアは、図１に示すようにキャリアの片側に太陽歯車が設けられており、反対側には遊星歯車と嵌合するピンが３本設けられている。従来の太陽キャリアは、Ｆｅ系材料をプレス加工したキャリアと、Ｆｅ系棒材を切削・歯切り加工した太陽歯車、Ｆｅ系棒材を切削加工したピン３本の３種５部品で構成されており、各々の結合は圧入により行われる。
圧入による結合は、圧入する部分の穴と軸の直径や面粗さを極めて高精度に仕上げなければならないので、製品の信頼性上徹底した部品管理や工程管理が必要である。また、ピン自体が極めて小さく、圧入する際の作業性・組立性も容易ではなく、熟練が必要な工程である。キャリアと太陽歯車の圧入結合についても、製品として使用される最大負荷トルクに対して充分余裕のある回り強度が必要である。
【発明の開示】
上記の問題点から、この発明における課題は、従来の樹脂成形歯車や工具鋼金属歯車にない新材料歯車により、高い硬度・強度・表面平滑性を兼ね備え、且つ加工性に優れた高精度な金属製精密歯車及び歯車機構を得ることにある。
本発明者らは、鉄族元素であるＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉ及びＣｕ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆを主成分とする３元系或いは４元系以上の組成のガラス質金属合金からなる歯車において、工具鋼に匹敵する強度を備え、優れた加工性及び機械的性質・動的特性を最大限に発現させるモジュール０．２以下の精密歯車を形成可能であることを見出した。本発明のガラス質金属合金からなる歯車は、ＸＲＤパターンがハローパターン、すなわちブロードなピークを示す、一定の規則性を持たない無秩序な組織から形成されていることが特徴である。
これらを用いた本発明の精密歯車は、そのプロセスに応じて少なくとも表面粗度２μｍＲｙ、寸法精度±５μｍの範囲で製作することが可能であり、加工性及び機械的性質・動的特性に優れたモジュール０．２以下の精密歯車を精度良く製作することに対して極めて有用である。
モジュール０．２以下の精密歯車は、面圧分布を均一化し局所応力の発生を極力抑える必要性がある。本発明の精密歯車は、表面粗度及び寸法精度の改善によって滑らかな歯車伝達が可能となり、損失が少なくて耐久性の高い歯車が実現できる。
モジュールのより小さな精密歯車ほど表面粗度の改善による効果は顕著となるが、本発明の精密歯車はガラス質からなる金属材料を用いているため、ミクロンオーダーのエッジ部位を持たない極めて緩やかな凹凸面を作り出すことが可能であることから、歯面の圧力分布が均一化され、微視的な欠損などのトラブルを抑制し、耐久性に対する効果が発現する。
本発明の精密歯車は、規則性を有する結晶金属で作製された精密歯車と異なり、方位性を持たない無秩序構造であるため、あらゆる方向からの外部応力に対して強い構造をもつ。このことから、割れ、欠けのない超精密で信頼性の高い歯車が得られる。
更に、工具鋼に置き換わるものとしてはビッカース硬度Ｈｖ５００（ロックウェル硬さＨＲｃ４９相当）以上、引張強度１５００ＭＰａ以上どちらか一方の性質を有した歯車が極めて有用であり、特にその両方を満たすものが望ましい。
以上に示したガラス質金属合金からなる精密歯車のうち、本発明のＭ１００−ｎＴＭｎ（但し、Ｍは、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆのうちの１種または２種以上の元素であり、ＴＭは３，４，５，６，８，９，１０，１１族からなる遷移金属元素（但し、Ｍに適用した元素を除く）、及び１３，１４，１５族からなる典型元素を少なくとも２種以上含む群によって構成されており、ｎは５原子％以上５０原子％以下である。）からなる３元系或いは４元系以上の組成のガラス質金属組織からなるモジュール０．２以下の精密歯車において、ｎが５原子％未満であるとガラス質金属で形成される精密歯車を得ることは困難となるため好ましくない。
ｎは５０原子％を越えても、ガラス質金属で形成される精密歯車を得ることは十分可能であるが、硬度及び強度の低下、或いは寸法精度の低下が現れ易くなり好ましくないので、５原子％以上５０原子％以下の範囲に限定される。
また、ＴＭに、Ｃｒ，Ｍｏ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ａｌ，Ｓｎ，Ｂのうちの何れか１種または２種以上を含有することが望ましく、これらを導入することにより結晶化による無秩序構造の秩序化が抑制され、より熱的に安定な信頼性の高い精密歯車を提供することが可能となる。以上の条件を満足することによって加工性及び機械的性質・動的特性に優れた金属製精密歯車の形成に成功し、更にこれを構成した歯車機構が得られた。
この中でも、本発明において、主成分がＣｕである精密歯車は、１８００ＭＰａ以上の引張強度と３．５％を超える非常に大きな伸び歪みを示し、高強度で破壊耐性に著しく優れていることが判った。このＣｕを主成分とした破壊耐性に優れた金属製精密歯車は、ＣｕｐＴｉｑＭ１１００−ｐ−ｑ（但し、Ｍ１は、Ｈｆ，Ｚｒ，鉄族，白金族，貴金属（１１族），Ａｌ，Ｓｎ，Ｚｎのうちの何れか１種または２種以上の元素からなり、ｐが５０原子％以上６５原子％以下、ｑが２原子％以上２０原子％以下である。）からなる。
ｐが５０原子％未満であると硬度及び強度の低下を招き、６５原子％を超えると優れた破壊耐性が失われるので好ましくない。また、ｑが２原子％未満であると伸び歪み限界の低下を招き、２０原子％を超えると本発明の歯車の大きな特徴である優れた表面平滑性が得られにくくなるので好ましくない。また、破壊耐性を損なわないためにはＭ１にＨｆあるいはＺｒが１０原子％以上４０原子％以下含有していることが好ましく、２０原子％以上３５原子％以下含有しているとより好ましい。
更に、本発明において、主成分がＮｉである精密歯車は、全ての構成元素が遷移金属元素であるために粘り強く、更にＮｉが主成分であるために高い硬度及び引張強度を有している。このＮｉを主成分とした高強度な金属製精密歯車は、Ｎｉ１００−ｓ−ｔ−ｕＮｂｓ（Ｚｒ，Ｈｆ）ｔＭ２ｕ（但し、Ｍ２は、Ｔｉ，鉄族，白金族，貴金属（１１族）のうちの何れか１種または２種以上の元素からなり、ｓは１０原子％以上２５原子％以下、ｔは５原子％以上２０原子％以下、ｕは５原子％から２５原子％以下、ｔとｕの和が１０原子％以上３５原子％以下である。）からなる。特に、Ｍ２には５原子％以上２０原子％以下のＴｉを含むことが好ましい。
Ｎｉ−Ｎｂ系は酸化雰囲気に対して不導体膜を形成し、酸化による材質の劣化が極めて起き難い材料であるが、本発明における最大のメリットは、潤滑油の粘性による抵抗がない動的特性を最大限に生かすことの出来る無潤滑の歯車機構を形成することができることを見出したことにある。本発明の金属製精密歯車の中でも、無潤滑の歯車機構を形成するためには必須の精密歯車である。
ここで、ｓが最大値より１５原子％大きく、ｔ，ｕがそれぞれ最小値より少ない、或いは存在しない場合でもガラス質金属による精密歯車の実現は可能であるが、既知の製造方法では加工条件が厳しくなり優れた寸法精度及び表面精度を出すことが困難になった。無潤滑条件下で使用するには表面粗度がより大きく影響するため、２μｍＲｙ以下の転写性が十分に得られる範囲を限定した。
続いて、本発明において主成分がＦｅである精密歯車は、本発明の歯車中で最も硬質であり、弾性変形の起こりにくい歯を持つ。この硬質で弾性変形の生じにくい組成式Ｆｅ１００−ｘ−ｙＭ３ｘＭ４ｙ（但し、Ｍ３は、３，４，５，６族からなる遷移金属元素のうちの何れか１種または２種以上の元素、Ｍ４は、Ｍｎ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｇａ，Ａｌ，Ｇｅ，Ｓｉ，Ｂ，Ｃのうちの何れか１種または２種以上の元素からなり、ｘは２原子％以上３５原子％以下、ｙは５原子％以上３０原子％以下である。）からなる。
Ｍ３元素に６族元素を含まない場合においては２０原子％以下であることがより好ましく、また、Ｍ４にＢを有する場合においては１５原子％以上であることがより好ましい。Ｍ３、Ｍ４共に本発明の精密歯車を容易に形成するためには必須の元素であるが、特にＭ３は耐熱性を向上させるために重要な元素である。ｘが３５原子％より大きい、または２原子％より小さいと耐熱性への寄与が認められなくなり、またｙが３０原子％より大きい、または５原子％より小さいと寸法精度、表面平滑性が著しく低下するため好ましくない。
本発明において、主成分が特にＦｅである精密歯車を作製するに当たって、Ｆｅの一部をＣｏ及びＮｉと置換することにより、融点の低下や溶融金属の粘度の低下が見られ、硬度及び強度はやや低下するものの、より寸法精度及び表面平滑性に優れる精密歯車を得られることが判明した。
主成分のＦｅをＣｏ及びＮｉで置換した場合（Ｆｅｌ−ａ（Ｃｏ，Ｎｉ）ａ）１００−ｘ−ｙＭ３ｘＭ４ｙからなり、ＦｅとＣｏ及びＮｉの混合比であるａは０．１以上０．７以下、好ましくは０．２以上０．６以下である。０．１未満であると、Ｃｏ及びＮｉを添加して融点を下げる効果がほとんど見られず、０．７を超えるとＦｅが強度に対して及ぼす効果が認められなかった。
更に、本発明の金属製精密歯車の中でＦｅを主成分とした精密歯車及びＦｅの一部をＣｏ及びＮｉと置換した精密歯車は、特にＭ４がＳｉ，Ｂを含む元素群で構成された場合には、安価であるのみならず、これら半金属成分の存在が負荷に対してより顕著に弾性変形を抑制していることが実機試験にて判明し、これはモジュール０．２以下という肉薄の歯車の噛合い前後に起こることが懸念される歯のたわみが本発明の精密歯車中で最も小さい理想的な歯車であることを示している。
また、表面平滑性もきわめて良好であり、本発明の金属製精密歯車の中でも最も小型化に有利であることが判明した。この場合、好ましいＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉの含有量の総和は７０原子％以上、Ｍ３の含有量は２原子％以上原子１０％以下であり、Ｍ３の含有量が２原子％未満または１０原子％を超える場合は優れた精度及び表面平滑性を出すことが困難になるため好ましくない。
本発明において、主成分がＺｒあるいはＨｆである精密歯車は、本発明の歯車中で過冷却液体温度領域が広く、冷却速度が比較的低くても複雑形状が得られやすい特徴を持ち、寸法精度及び表面平滑性に最も優れる精密歯車を得られることが判った。
ＺｒあるいはＨｆを主成分とする精密歯車は、（Ｚｒ，Ｈｆ）ａＭ５ｂＭ６ｃ（但し、Ｍ５は、３，５，６族及び鉄族，白金族，貴金属（１１族），Ｔｉ，Ｍｎのうちの何れか１種または２種以上の元素、Ｍ６は、Ｂｅ，Ｚｎ，Ａｌ，Ｇａ，Ｂ，Ｃ，Ｎのうちの何れか１種または２種以上の元素からなり、ａは３０原子％以上７０原子％以下、ｂは１５原子％以上６５原子％以下、ｃは１原子％以上３０原子％以下である。）からなり、表面硬度は約Ｈｖ５００とこれまで示した精密歯車の中で最も低いが、主成分に耐食性の高い元素（Ｚｒ，Ｈｆ）をもつために屋外や腐食環境などで用いることが可能で、また生体毒性が本発明の歯車中で最も低い元素群からなる歯車が形成でき、医療用途に用いることも期待できる。
ａが３０原子％未満であると優れた耐食性が失われ、８５原子％を超えると寸法精度及び表面平滑性が得られなくなるので好ましくない。また、ｂ及びｃが規定の値を外れると、歯部に充填不良が発生し易くなり、耐久性に影響するため好ましくない。
本発明において主成分がＴｉである精密歯車は、Ｆｅ族を主成分とする精密歯車に続く高い強度を有しており、またＴｉが低比重であることから本発明の歯車中で最も軽量であり、起動時のトルク損失が最も低い歯車機構を得られることが判った。更に、偏心した歯車機構を形成した際における重心振れに伴う振動抑制に重要な役割を果たす歯車であることも判った。
このＴｉを主成分とする精密歯車はＴｉ１００−ｉ−ｊ−ｋＣｕｉＭ７ｊＭｋ（但し、Ｍ７は、Ｚｒ，Ｈｆ，鉄族，白金族からなる遷移金属元素のうちの１種以上の元素、Ｍ８は、３，５，６族及びＡｌ，Ｓｎ，Ｇｅ，Ｓｉ，Ｂ，Ｂｅのうちの２種以上の元素であり、ｉは５原子％以上３５原子％以下、ｊは１０原子％以上３５原子％以下、ｋは１原子％以上２０原子％以下である。）からなる。
ｉ，ｊが規定する最小原子％未満であると、優れた表面平滑性が得られなくなり、最大原子％を超えると、比重の増加によってＴｉを主成分とする優位性がなくなるため好ましくない。また、ｋが１原子％より小さい、または２０原子％より大きいと歯車形状自体が得られにくくなるため好ましくない。
一般にはガラス質中に結晶を有する金属組織においては、ガラス質金属材料が有する高強度といった機械的性質が低下してしまう。ただし、ガラス質金属の体積比が５０％以上であれば機械的性質の変化はほとんど認められない。また、結晶が体積比５０％以上でも、結晶サイズが小さい場合、具体的には１００ｎｍの結晶粒が存在していても機械的性質の変化はほとんど認められない。
優れた靭性及び展性を有する結晶粒がガラス質金属のマトリックス中に混在する場合には、機械的性質を向上させることが知られており、この場合の結晶サイズは２０ｎｍ以下であることがより好ましい。１００ｎｍを超えると歯車の表面粗度に悪影響を与えてしまう。したがって、ガラス質金属のマトリックス中に混在する結晶粒は１００ｎｍ以下であることが望ましい。
また、硬度が高いほど顕著な脆化が見られ、ピッチングなどの歯車面疲労に対する耐性に大きな悪影響を及ぼすことは既知の事実である。それにも関わらず、本発明の精密歯車はヤング率が低い性質を有することから、その多くは高い硬度をもつにも関わらず、ピッチングなどの歯車面疲労耐性に優れている。
この効果を顕著に発現させるために、歯車材料に含まれる非金属元素の量が３０原子％以下であることが望ましく、２５原子％以下である場合には最も硬質なＦｅを主成分とする歯車においても降伏もしくは破断までの曲げ歪みが１．５％以上であることが判り、粘り強い精密歯車を形成することが可能と判断するに至った。
以上の通り、本発明の精密歯車であれば、従来公知の歯車に比べて寸法精度・表面平滑性及び機械的性質に優れ、簡易なプロセスで形成可能なモジュール０．２以下の精密歯車を得ることができる。
ここで、本発明のモジュール０．２以下の精密歯車を形成するに当たっては、その無秩序構造の安定性に関わらず、液体からの体積収縮を抑えるために少なくとも３００℃／秒以上の冷却速度が必要であり、これを満たすことによって本発明の精密歯車の性質を引き出すことが可能となる。冷却速度は１０４℃／秒以上であることがより望ましい。ただし、鋳造成形において冷却速度が１０７℃／秒以上となると歯車形成中に固化してしまう現象が確認され、鋳型に充填させることが困難となり、その結果表面粗度や寸法精度が著しく低下することが確認された。
本発明により、高い硬度・強度・表面平滑性を兼ね備え、且つ加工性に優れた高精度な金属製精密歯車及び歯車機構を得ることができ、遊星歯車減速機として従来の工具鋼と同等以上の一般特性を備え、静音性に優れた製品が実現できた。また、本発明による精密歯車は、外部応力に対して強い構造をもつため割れ、欠けが発生しにくく、更に形状精度に優れているため信頼性が高く、製品の耐久寿命としても大幅な向上が期待できるものである。さらに本発明により、各部品を組み立てる工程が無くなり、一体成形できるので、図２に示すように工程数の削減ができ、さらに組立精度の検討が不要となった。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明における遊星歯車の分解斜視図である。
第２図は、遊星歯車における、従来と本発明との工程を示す説明図である。
第３図は、加圧鋳造成形装置を用いた太陽キャリア作製概略図である。
第４図は、ヒートサイクルフロー図である。
第５図は、本発明における太陽キャリアの拡大側面写真である。
【発明を実施するための最良の形態】
本発明における歯車の作製対象には、加工性及び機械的性質・動的特性に優れた機械部品の一例として、遊星歯車減速機において複雑な形状を有する精密歯車構造体の１例であるモジュール０．０４の太陽キャリアを選定した。
本発明により形成された太陽キャリアを実装した遊星歯車減速機の分解図を図１に示す。ここで、１はギヤハウジングであり、内周面には内歯車が形成されている。２はベアリングで、ギヤハウジング１に固定され、出力軸キャリア３を回転可能に軸支する。４はピニオンであり、図示しないモータの軸に固定されている。
図示しないモータの駆動により、ピニオン４が回転し、太陽キャリア５ａの軸に回転可能に組み込まれた３個の遊星歯車６ａが回転する。この遊星歯車はギヤハウジング１の内歯車とも同時に噛合っており、太陽キャリア５ａはピニオン４と同方向に減速されながら回転する。
次に、太陽キャリア５ａの太陽歯車の回転により、太陽キャリア５ｂの軸に回転可能に組み込まれた３個の遊星歯車６ｂが回転する。この遊星歯車はギヤハウジング１の内歯車とも同時に噛合っており、太陽キャリア５ｂは更に減速されながら回転する。同様に、動力を順次伝えながら、最終的に出力軸キャリア３が回転するものである。
本発明の実施に当たっては、大量生産を考慮するため、加圧鋳造成形装置を選択した。その製造装置の概略図を図３に示す。本発明に必要な機構を平易に表すため、水冷機構や真空排気系及び切断具といった複雑な機構は概略図中から割愛した。
１１のスリーブ中の外周には高周波コイル１２があり、スリーブ１１中の金属は高周波誘導加熱により溶融金属１３となる。装置には溶融金属１３を観察する窓が設置されており、溶融金属１３の温度は目視或いは放射温度計により測定することが可能である。装置上はスリーブ１１を介して熱電対を設置し、より正確に温度を測定することも可能であるが、今回の実施に当たっては放射温度計を用いており、熱電対は用いていない。
溶融金属の下方にあり、溶融金属を保持している押出ヘッド１４とスリーブ１１は、射出時には上方に最大４ｍ／秒の速度で共に上昇し、溶融金属１３を金型１５中の湯道を経由してキャビティ部１６に輸送させる。キャビティは金板１７により十分に固定されており、溶融金属を製品形状が施されたキャビティ部１６に充填させることで精密に成形される。
溶融金属は、常温まで十分に冷却された金型及びキャビティにより１０３〜１０４℃／秒程度の速度で急冷凝固する。金型及びキャビティには熱間工具鋼（ＳＫＤ−１）を用い、キャビティ部１６には必要に応じて平滑な簡易コーティングを施すことが可能で、またキャビティは個々に取り外すことが可能であり、離形に対して十分に配慮した構成となっている。急速凝固している最中の圧力はヘッドの油圧により異なるが製品表面の圧力が１ＭＰａ程度になるように設定した。
キャビティ部１６を作製するに当たっては、放電加工・バレル研磨及び化学研磨加工を施し、太陽歯車部の歯面粗さを１μｍＲｙ以下に軸部の表面粗さを０．５μｍＲｙ以下に抑えた。金型の表面粗度は、非接触方式の測定を用いることにより調べることが可能であり、その測定には表面粗さ測定機能を有した広視野コンフォーカル顕微鏡を用いて確認を行った。
比較例として、本発明によって得られた上記の歯車構造体と従来の歯車構造体とを試作評価した結果を表１に示す。寸法誤差は、歯車内周円径の寸法誤差を工具顕微鏡により測定した。歯面粗度は非接触粗さ測定にて、表面硬度はマイクロビッカース硬度計を用いて１００ｇ〜１ｋｇの負荷にて測定した。更に、引張強度は解析機能が付属した卓上引張試験機を用いて歯の肉厚に相当する６０μｍ厚、５０μｍ幅の箔体を０．２０ｍｍ幅で固定することによって測定した。
更に、上記の太陽キャリアを用いた遊星歯車減速機をφ２ｍｍブラシレスモータに実装し、実用環境を配慮し、図４の条件でヒートサイクルを加え、４８時間の連続稼動試験を行い、変形や動作異常などがないかを調査した。変形の有無は投影パターン図面と歯車とを工具顕微鏡に照らし合わせることによって行い、規格形状外になったものを変形有と判断した。
表１中のＸＲＤパターンは微小Ｘ線回折装置を用いて測定し、ハローパターンを示すもの（Ｇ）、ハローパターンにピークの混在するもの（Ｇ＋Ｃ）、完全に結晶のパターンを示すもの（Ｃ）と判断した。ここで、（Ｇ）は非晶質、（Ｃ）は結晶を表す記号である。
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【表１】
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実施例Ａ〜Ｇは、Ｆｅ，Ｃｏが主成分である精密歯車を形成した例である。特に、Ｆｅ１００−ｘ−ｙＭ３ｘＭ４ｙにおいてＭ４がＳｉ，Ｂよりなる実施例Ａは、本発明の歯車中で最も硬度が高く、また、寸法精度や表面粗度も非常に良好であった。更に、実施例ＡのＦｅを一部Ｃｏ及びＮｉに置換してＭ３元素であるＮｂ量を適正化した実施例Ｂ，Ｃによって、形状精度及び表面粗度が大きく改善された高効率かつ低摩耗性歯車を形成できた。白金族を有する実施例Ｄは曲げ歪み限界が大きく、破断に至るまでの破壊耐性が改善された歯車が形成できた。
実施例Ａ〜Ｇ何れも、Ｈｖ１０００、引張強度３０００ＭＰａ近傍、伸び歪みは１．６％以上で、非常に硬質で強度が高く、かつ応力に対する曲げ歪み量が小さく弾性変形の起こりにくい精密歯車が形成でき、その結果として本発明中の歯車を用いた超精密歯車機構の中で最も理想的な動作特性をもつ歯車機構を得ることができた。
実施例Ｈ，Ｉは、Ｎｉが主成分であり、全ての構成元素が遷移金属元素からなる精密歯車を形成した例である。既存の金属歯車の諸性質から比較すれば、Ｆｅ，Ｃｏが主成分である精密歯車と比較しても全く遜色ない硬度及び強度を有しており、曲げ歪み限界が大きい精密歯車を形成できた。
Ｎｉ−Ｎｂ系材料が持つ優れた耐食性を利用し、潤滑油の用いることができない海水中での適用を試み、食塩を過飽和に加えた水温４０℃の食塩水中で遊星歯車減速機の耐久動作試験を追加して行ったが、試験前後での諸特性に全く変化が見られず、また歯車も何ら変化することなく海水中での適用も可能な歯車機構を得ることができた。
実施例Ｊ，Ｋは、Ｔｉが主成分である精密歯車を形成した例である。これらＴｉが主成分である歯車を用いた歯車機構は起動時のトルク損失が小さいため、歯車機構全体としての応答速度に５％程度の向上が見られ、応答の良い歯車機構を得ることができた。
実施例Ｌ，Ｍは、Ｃｕが主成分である精密歯車を形成した例である。本発明中最も大きな伸び歪みを示し、何れも１８５０ＭＰａ以上と従来材料の１５００ＭＰａをしのぐ引張強度を有する精密歯車を形成できた。特に、実施例Ｌは伸び歪み限界が３．９％と極めて大きく、本発明中最も破壊耐性に優れた精密歯車が得られた。この結果、破壊動作不良に対する信頼性が極めて高い歯車機構を得ることができた。図５は、走査型電子顕微鏡による一体型太陽キャリアＬの側面拡大写真である。７は太陽歯車、８はキャリアプレート、９は３本の軸である。
実施例Ｎ，Ｏ，Ｐは、Ｚｒ，Ｈｆが主成分である精密歯車を形成した例である。それぞれ共に本発明中最も易加工性に優れた精密歯車であり、表面粗度、寸法誤差共にまた酸に対する耐性が強くかつ生体適合性の高い成分を中心とした精密歯車を形成することができた。また、それを用いた歯車機構を形成することができた。
以上のように、本発明の精密歯車は各々について優れた特徴を有しており、これらの優れた性質を組み合わせて利用することにより、より良い歯車機構を得ることが可能である。
比較例１ａ〜１ｃはＦｅ，Ｃｏを主成分とした本発明対象外の精密歯車を形成した例である。半金属元素量の３０原子％より多い例１ａは離型時の段階で形状をなさず、Ｍ１００−ｎＴＭｎにおいてｎが５０原子％未満である比較例１ｂ及び１ｃ（更に、比較１ｂについてはＦｅ１００−ｘ−ｙＭ３ｘＭ４ｙにおいてｘが２０原子％を超えている。）は、離型時に破損してしまい、目的の歯車を得ることができなかった。
比較例２ｄ〜２ｆは、Ｎｉを主成分とした本発明対象外の精密歯車を形成した例である。Ｎｉ１００−ｓ−ｔ−ｕＮｂｓ（Ｚｒ，Ｈｆ）ｔＭ２ｕにおいて、ｓが１０原子％未満である比較例２ｄは離型時に破損してしまい、目的の歯車を得ることができなかった。また、ｓが２５原子％を超える比較例２ｅはガラス質で歯車に近い形状をなしているものの、２μｍＲｙ以下の優れた表面平滑性が得られず、また歯先まで充填せず規格の歯形が得られなかったため、歯車を組込んで動作させることができなかった。
更に、Ｎｉ１００−ｓ−ｔ−ｕＮｂｓ（Ｚｒ，Ｈｆ）ｔＭ２ｕにおいて、ｔとｕの和が３５原子％以上である比較例２ｆもまた、ガラス質で歯車に近い形状をなしているものの、２μｍＲｙ以下の優れた表面平滑性が得られず、また歯先まで充填せず規格の歯形が得られなかったため、歯車を組込んで動作させることができなかった。
比較例３ｇは、Ｔｉを主成分とした本発明対象外の精密歯車を形成した例である。Ｔｉ１００−ｉ−ｊ−ｋＣｕｉＭ７ｊＭ８ｋにおいてｋが２０原子％以上である例３ｇは、離型時に破損してしまい、目的の歯車を得ることができなかった。また、ｉが５原子％未満である例３ｈ、ｊが１０原子％未満である例３ｉ共に、ガラス質で歯車に近い形状をなしているものの、２μｍＲｙ以下の優れた表面平滑性が得られず、また歯先まで充填せず規格の歯形が得られなかったため、歯車を組込んで動作させることができなかった。
比較例４ｊ，４ｋは、Ｃｕを主成分とした本発明対象外の精密歯車を形成した例である。ＣｕｐＴｉｑＭ１１００−ｐ−ｑにおいて、ｑが２原子％未満である比較例４ｊはガラス質であり表面平滑性も非常に良好であったものの、離型時に歯の一部が破損してしまい、目的の歯車を得ることができなかった。ｐが６５原子％を超える例４ｋもまた、離型時に歯の一部が破損してしまい、目的の歯車を得ることができなかった。
比較例５ｌは、Ｚｒを主成分とした本発明対象外の精密歯車を形成した例である。（Ｚｒ，Ｈｆ）ａＭ５ｂＭ６ｃにおいて、ｂが１５原子％未満である比較例５１は、ガラス質で歯車に近い形状をなしているものの、２μｍＲｙ以下の優れた表面平滑性が得られず、また歯先まで充填せず規格の歯形が得られなかったため、歯車を組込んで動作させることができなかった。
比較例６ｍ，６ｎは、既に作製が報告されているＬａ，Ｐｄが主成分の精密歯車における例である。どれも易加工性であり、良好な寸法精度及び表面粗度を得ることができた。但し、Ｌａが主成分の比較例６ｍは実装試験後に軟化による変形と見られる著しい歯型の歪みを生じ、動作異常も発生しており、精密歯車用途での使用は事実上不可能である。Ｐｄが主成分の比較例６ｎも歯型の歪みを生じていたが、比較例６ｍとは異なり粘土を擦ったような歯型の変形であることが特徴であった。寸法精度に対する影響は、比較例６ｎと比較すると小さいものの、変形により噛合い時に引っ掛かりが生じており、高負荷が加わる精密歯車への適用は好ましくない。
比較例７ｏ，７ｐは、焼結によって得られたＦｅを主成分としたガラス質金属からなる精密歯車の例である。予想されたとおり、溶融金属から急冷凝固過程を経て得られた本発明の精密歯車と比較して強度が著しく小さくなっており、チッピングと見られる歯カケが多数見られ、実用材料としての適用は困難である。
比較例８ｑ，８ｒは、既存の鋳造用の結晶金属材料を用いた場合の例である。Ｆｅ系結晶合金である比較例８ｑで形成を試みたが、型に充填させることができず、目的の歯車を得ることができなかった。また、Ａｌ系のダイカスト結晶合金である比較例８ｒは離型時に変形してしまい、目的の歯車を得ることができなかった。
比較例９ｓ，９ｔは、樹脂材料によって形成したものである。汎用的な樹脂材料からなる例９ｓの歯車、ガラス繊維強化樹脂材料からなる例９ｔの歯車共に歯型の変形が見られ、用途としては低負荷な環境下に限られる。
比較例１０ｕ，１０ｖは、一般的なＦｅ系金属材料を、現行の太陽キャリアの製法で作製したものである。代表的なステンレス鋼である比較例１０ｕは強度不足で塑性変形とみられる歯の潰れが確認でき、本発明の歯車に到底及ぶものではない。一般的な工具鋼である比較例１０ｖは、現行の歯車に用いている材料に最も近い材料である。
以上のプロセスを経て作製した太陽キャリアの中で、最も表面転写性が良好であった本発明例の太陽キャリアＢと、工具鋼の切削加工により組み立てられた従来品（比較例１０ｖに相当）との組み込み実装試験前における表面粗さの比較結果を表２に示す。表面粗さはコンフォーカル顕微鏡により同数個測定し、括弧外の数値は実測値の平均を、括弧内の数値は最大値と最小値の差を表している。
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【表２】
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更に、上記の太陽キャリアを用いた遊星歯車減速機をφ２ｍｍブラシレスモータに実装した。φ２ｍｍモータの回路電圧は４Ｖ、モータ駆動電圧は３Ｖ、端子間抵抗は１１０．６Ωであり、遊星歯車減速機のギヤ比は１８：１とした。実装試験によって得られた特性データを表３に示す。本発明における精密歯車の一例である太陽キャリアを遊星歯車減速機に適用することによって、現行の遊星歯車減速機と同等以上の一般特性が得られた。また、ギヤ同士が噛み合う時に発生する特有の金属音についても軽減できた。
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【表３】
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【産業上の利用可能性】
本発明は、歯車はもとより小型で強度、耐摩耗性、潤滑性を必要とする機構部品に適用できる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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