(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウォームと、該ウォームに噛合されるギア歯車とを有する動力伝達装置であって、
前記ギア歯車の歯丈及び歯厚が、
作動時又はモータロック時に前記ギア歯車の歯に生じる曲げ応力の最小値を示す最小曲げ応力線以下であるｙ≦０．６８９４ｘ−０．１５２５（ｙ：歯厚比、ｘ：歯丈比）の範囲、
及び材料許容限界線以上であるｙ≧０．１９６ｘ＋０．５１０７（ｙ：歯厚比、ｘ：歯丈比）の範囲、を満たし、
前記ギア歯車の歯丈が前記ウォームの歯丈の１．３５倍以上２．６倍以下に形成されるとともに、前記ギア歯車の歯厚が前記ウォームの歯厚の０．７８倍以上１．１倍以下に形成されたことを特徴とする動力伝達装置。
【請求項２】
前記ギア歯車は、ウォームホイールからなることを特徴とする請求項１に記載の動力伝達装置。
【請求項３】
前記ギア歯車は、金属製の歯車形状の芯金と、該芯金の歯面に所定の厚みで形成された樹脂材料層を有し、該樹脂材料層を介して前記ウォームと噛合されることを特徴とする請求項１に記載の動力伝達装置。
【請求項４】
前記ギア歯車の回転軸となるシャフトが前記ギア歯車と一体に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の動力伝達装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の動力伝達装置を備え、前記ウォームが、モータシャフトを回転軸として回転駆動されるように構成されたことを特徴とする動力伝達装置付きモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ウォームギアにより回転駆動力を伝達するように構成された動力伝達装置、および、該動力伝達装置を備えた動力伝達装置付きモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、自動車用モータの減速機構などの動力伝達装置に用いられるウォームギアは、モータの軽量化と低騒音化を図るために、鋼製のウォームと樹脂製の歯車（ウォームホイール）を組み合わせたものが使用されていた。ウォームギアは、噛み合い中心から離れるにつれてウォームとウォームホイールの歯面間隔が広くなっているが、樹脂製（ポリアセタール樹脂等）の歯車を使用すると、作動中の荷重により歯部自体が適度に撓んで噛み合い率（噛み合い枚数）が増加する。これにより、複数の歯で荷重を分担することが可能となり、ギア強度を確保することが可能となっていた。
【０００３】
一方、動力伝達装置は小型化が要請されているが、上記のような動力伝達装置において歯車（ウォームホイール）を小型化すると、歯の薄肉化等により、樹脂製では必要な強度を得ることができなくなってしまう。そこで、金属製とすることにより、小型でも必要な強度が確保されたウォームホイールが用いられている。
金属製の歯車をウォームホイールとして用いた場合には、歯車の噛合に伴う打音や摺動音による騒音が問題となる。そこで、金属同士の打音や摺動音を軽減させて低騒音化を図るために、金属製の芯金の歯面部分に薄肉の樹脂層を形成して歯車を形成することにより、噛合に伴う打音や摺動音を低下させたウォームホイールが用いられている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２１９８０号公報（第２−４頁、図１、図２）
【特許文献２】特開平１１−１９２９５５号公報（第２−３頁、図３、図４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１、２のウォームホイールでは、芯金を金属製とすることにより必要な強度を確保する一方、インサート成形により歯面に一体形成された樹脂層により、打音や摺動音の低減化が図られている。
しかしながら、特許文献１、２のように金属製の芯金が大部分を占めるウォームホイールでは、歯部の撓み量が樹脂と比較して大きく減少するために、噛み合い率が低下して歯一枚あたりの分担荷重が増加してしまう。従って、歯車自体の強度は上がっても、ギア強度としては低下してしまうという問題点があった。
また、ウォームとウォームホイールの噛み合い率が低いと、ウォームの一回転中における噛み合い率の変動が大きくなってしまう。例えば、噛み合い枚数が１の場合と２の場合における噛み合い枚数が１増加した場合の変動率はそれぞれ５０％と３３％となり、噛み合い枚数が少ない方が変動が大きい。このように変動が大きいと、噛み合い枚数が切り替わった際の振動発生が大きくなってしまい、騒音が大きくなるという問題点があった。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、強度確保と小型化の両立が可能であり、かつ、作動音が低減化された動力伝達装置、および、該動力伝達装置を備えた動力伝達装置付きモータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題は、本発明の動力伝達装置によれば、ウォームと、該ウォームに噛合されるギア歯車とを有する動力伝達装置であって、前記ギア歯車の歯丈及び歯厚が、作動時又はモータロック時に前記ギア歯車の歯に生じる曲げ応力の最小値を示す最小曲げ応力線以下であるｙ≦０．６８９４ｘ−０．１５２５（ｙ：歯厚比、ｘ：歯丈比）の範囲、及び材料許容限界線以上であるｙ≧０．１９６ｘ＋０．５１０７（ｙ：歯厚比、ｘ：歯丈比）の範囲、を満たし、前記ギア歯車の歯丈が前記ウォームの歯丈の１．３５倍以上２．６倍以下に形成されるとともに、前記ギア歯車の歯厚が前記ウォームの歯厚の０．７８倍以上１．１倍以下に形成されたことにより解決される。
このように、ギア歯車の歯丈をウォームの歯丈に対して所定の比率で長く形成すると、ギア歯車に加わる荷重が同一でも歯の先端部における撓み量が増加する。従って、金属のように強度が高く撓みにくい（ヤング率の大きい）材料でギア歯車を形成した場合にも、歯の先端部において適度な撓みが発生するように構成することができる。よって、強度が高く撓みにくい材料を用いた場合でもウォームとギア歯車の噛み合い率を低下させないようにすることができ、複数の歯で荷重が分担されるように構成することができる。よって、歯の破損を防止してギア強度を確保することができる。
【０００８】
また、本発明において、前記ギア歯車の歯厚が前記ウォームの歯厚の０．７８倍以上１．１倍以下に形成されていると好適である。このように、ウォームと噛合するギア歯車のウォームに対する歯厚比を所定の値とし、かつ、請求項１に記載のように歯丈比を所定の値とすることにより、この動力伝達装置の作動時（特に、モータの動力伝達装置として用いた場合の作動時およびモータロック時）において、ギア歯車の歯に生じる曲げ応力が、歯車を形成する材料の許容応力を超えないようにすることができる。よって、歯の破損を防止してギア強度を確保することができる。
【０００９】
また、前記ギア歯車は、より具体的には、ウォームホイールからなる。すなわち、本発明は、ウォームギアに通常用いられている歯車形状（はすば歯車形状等のウォームホイール形状）に適用可能である。
また、本発明において、前記ギア歯車は、金属製の歯車形状の芯金と、該芯金の歯面に所定の厚みで形成された樹脂材料層を有し、該樹脂材料層を介して前記ウォームと噛合されるように構成すると好適である。このように、芯金部分を金属製とすることによってギア歯車を小型化した際の強度を確保する一方、ウォームの歯と噛合する歯面に金属よりも撓みやすい樹脂材料層を設けたことにより、噛合に伴う打音や摺動音の発生を減少させることができる。よって、ギア強度確保と低騒音化の両立を図ることができる。
また、本発明において、前記ギア歯車の回転軸となるシャフトが前記ギア歯車と一体に形成されていると好適である。このように、ギア歯車とその回転軸となるシャフトを製造時に一体に形成すれば、従来行っていたように圧入によりシャフトを固定する工程が不要となる。よって、コストダウンを図ることができる。
【００１０】
また、前記課題は、本発明の動力伝達装置付きモータによれば、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の動力伝達装置を備え、前記ウォームが、モータシャフトを回転軸として回転駆動されるように構成されたことにより解決される。
このように、本発明は上記各構成のギア歯車に噛合されるウォームを、モータシャフトを回転軸とするように組み付けて動力伝達装置付きモータを構成している。これにより、ウォームとギア歯車の噛み合い率を低下させず、装置の小型化と強度確保の両立を図ることができる。また上記各構成を備えることにより、低騒音化およびコストダウンを図ることが可能となる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、以下の効果を奏する。
（１）ギア歯車の歯の歯丈をウォームの歯の歯丈に対して所定の比率で長く形成することにより、歯の先端部における撓み量を適度に設定することができる。これにより、金属などの強度の高い素材を用いて歯車を形成した場合にも、噛み合い率が低下せず、複数の歯で荷重を分担することができる。よって、ウォームギアを備えた動力伝達装置の小型化とギア強度の確保を両立することができる。
（２）ギア歯車の歯の歯丈を（１）のように設定し、かつ、歯厚をウォームの歯の歯厚に対して所定の比率とすることにより、ギア歯車の歯に生じる曲げ応力が、歯車を形成する材料の許容応力を超えないようにすることができる。よって、歯の破損を防止してギア強度を確保することができる。
（３）金属製の歯車形状の芯金の歯面に樹脂材料層を形成してギア歯車を構成することにより、噛合に伴う打音や摺動音を低下させることができ、低騒音化を図ることができる。
（４）ギア歯車とシャフトを製造時に一体に形成することにより、圧入工程を省略してコストダウンを図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の一実施形態について、図を参照して説明する。なお、以下に説明する部材、配置等は、本発明を限定するものではなく、本発明の趣旨に沿って各種改変することができることは勿論である。
図１〜図７は本発明の一実施形態を示す図で、図１はウォームギア付きモータの側面図、図２はウォームギアの断面図（図１のＸ−Ｘ断面図）、図３はウォームホイールの斜視図、図４はウォームとウォームホイールの噛合部を示す断面説明図、図５はウォームの歯とウォームホイールの歯の当接部分を示す断面説明図、図６はウォームホイールの歯の撓み量の説明図、図７はウォームホイールの歯の歯丈比および歯厚比と、歯の応力状態との関係を示す説明図である。
【００１３】
本発明をウォームギア付きモータＭに適用した一実施形態について説明する。
本例のウォームギア付きモータＭは、車両等において電動で作動する各種装置を駆動するために好適に用いられるものであり、図１に示すように、モータ１と、モータ１の出力軸であるモータシャフト１ａの先端に固定されたウォーム２と、ウォーム２に噛合されウォーム２の回転軸と直行するように組み付けられたウォームホイール３と、を備えて構成されている。
なお、本例のウォームホイール３が本発明のギア歯車に相当し、本例のウォーム２とウォームホイール３からなるウォームギアが本発明の動力伝達装置に相当する。
【００１４】
ウォーム２は金属製で外形が略円柱状に形成されており、回転軸回りの外周面には、螺旋状に歯２１（図４参照）が形成されている。ウォーム２はモータシャフト１ａに対して回転不能に固定されているので、ウォーム２は、モータ１の回転に基づき、モータシャフト１ａの軸中心を回転中心として回転駆動される。
なお、本例のウォーム２は略円柱状とされているが、ウォーム２は、外周の円筒面の略中央部を縮径させて細長い鼓型状とした鼓型ウォームであってもよい。鼓型ウォームは、側面視中央部の円弧形状が、ウォームホイール３の外周の円弧形状と湾曲度合いを合わせて形成されている。このような構成とすれば、噛合時に接触する歯数が多くなり、円筒状のウォーム２よりも噛み合い率が増加する。
【００１５】
ウォームホイール３は、図１〜図３に示すように、ウォーム２の回転軸であるモータシャフト１ａと直交するように配設された金属製のシャフト３１と、シャフト３１が中心から突出形成された略円盤状の歯車３２を有して構成されている。
歯車３２はシャフト３１と一体に形成されており、ウォーム２の回転駆動に基づいてシャフト３１と一体となって回転駆動される。従って、シャフト３１を外部の駆動部材に連結することにより、モータ１の回転駆動力を外部に伝達することができる。すなわち、シャフト３１は本例のウォームギア付きモータＭの出力軸となっている。
【００１６】
歯車３２は、その外周面にウォーム２の歯２１と噛合する歯３３が形成されている。歯車３２は、ウォームホイールとして機能させるためにはすば歯車となるように形成されている。すなわち、歯車３２は、隣り合う歯３３と歯３３との間に形成された歯溝３３ａが、軸方向に対して所定角度傾いている。
また、本例では、歯車３２が、歯車形状の金属製の芯金３２ａと、この芯金３２ａの表面の所定位置（歯３３の歯面となる位置）に所定の厚みで形成された樹脂層３２ｂを有して構成されている。芯金３２ａとシャフト３１は金属製（例えば鋼製）とされており、これらは製造時に一体に形成される。すなわち、ウォームホイール３はシャフト一体型の歯車となっている。なお、本例では芯金３２ａとシャフト３１を精密鍛造により一体に製造しているが、鋳造加工により一体に製造してもよい。
このように芯金３２ａとシャフト３１を一体として製造すれば、シャフト３１を歯車３２に圧入固定する圧入工程を省略することができる。従って、組み付け工数を削減することができる。よって、製造時のコストダウンを図ることができる。
【００１７】
また、芯金３２ａを金属製としたことにより、全体を樹脂で形成した歯車と比較して、歯車３２の強度が向上される。本例の歯車３２では、歯３３についてもその表面層以外は金属製とされている。従って、歯３３に荷重が加えられても金属部の強度が高いことにより樹脂製のように比較的小さい荷重で破損することがない。特に、装置の小型化を達成するために歯車３２を小型化すると、歯３３が薄型化されるため、樹脂製では必要な強度が得られなくなってしまうが、本例のように金属製とすれば、小型化と必要な強度確保の両立を図ることができる。
【００１８】
樹脂層３２ｂは、例えばインサート成形により形成することができる。すなわち、芯金３２ａを金型内にセットして型締めした後、歯３３の歯面となる位置に形成されたキャビティ内に溶融樹脂を注入して硬化させることにより、歯３３の表面部に薄肉状の樹脂層３２ｂを形成する。なお、樹脂層３２ｂと芯金３２ａとの結合を強固にするために、芯金３２ａの樹脂と接触する面に凹凸を形成して、樹脂の付着強度を高めてもよい。なお、樹脂層３２ｂは、樹脂コーティングを施すことにより形成してもよい。
このように、歯３３の表面に樹脂層３２ｂが設けられていることにより、ウォーム２の歯２１が噛み合う面は、常に樹脂層３２ｂとなっている。本例の樹脂層３２ｂは、芯金３２ａよりも変形しやすく弾性の大きい材料（ヤング率の小さい材料）により形成されている。従って、金属同士が噛み合う場合よりも噛合に伴う打音や摺動音が小さくなっており、作動時の低騒音化が図られている。
【００１９】
続いて、本例のウォームホイール３の特徴的な構成である歯３３の形状（歯丈寸法、歯厚寸法）について説明する。
歯３３の歯丈寸法（図４に示す寸法Ｌ１）は、噛み合う相手側の歯である歯２１の歯丈（図４に示す寸法Ｌ２）を基準として、その１．３５倍以上２．６倍以下となるような寸法比率（歯丈比）に設定されている。なお、ここで説明する歯丈寸法は、歯２１または歯３３の各々の歯先円と歯底円との半径寸法の差である。
また、本例では、歯３３の歯厚寸法（周方向の厚み：図４に示す寸法Ｌ３）が、噛み合う相手側の歯であるウォーム２の歯２１の歯厚寸法（図４に示す寸法Ｌ４）を基準として、その０．７８倍以上１．１倍以下となるような寸法比率（歯厚比）に設定されている。なお、本例では歯車３２の歯の表面に樹脂層３２ｂが設けられているが、ここで示す歯丈寸法および歯厚寸法は、樹脂層３２ｂを設けた歯丈寸法および歯厚寸法である。
【００２０】
上記寸法設定により、以下に説明するように、噛み合い率の確保、および、作動時やモータロック時に生じる曲げ応力が許容応力以下となるように構成することができるという好適な効果が得られる。
まず、噛み合い率の確保の効果について説明する。歯３３の歯丈をウォーム２の歯丈に対して長く形成すると、歯３３の先端に加わる荷重が同一でも、歯３３の先端部における撓み量は増加する。これは、歯丈と撓み量との関係が、図６に示すように、歯３３の側面の所定位置（歯底からの距離Ｒの位置）に荷重Ｐが加えられた場合、その荷重位置における撓み量ｄが、ｄ＝ＰＲ３／３ＥＩとなる関係にあることによる。なお、Ｅは歯３３を形成する素材の撓みにくさの指標であるヤング率を示し、Ｉは歯３３の荷重方向に垂直な断面の断面２次モーメントを示す。
【００２１】
このように、歯３３の形状を、上記のように歯３３の歯丈比が１．３５倍以上２．６倍以下となる適正な形状に設定することにより、歯底からの噛合点の位置が適正な位置となるように設定することができる。そして、噛合点を適正な位置に設定することにより、モーメント荷重の作用時に歯３３が適度に撓むように構成することができる。従って、金属のように強度が高く撓みにくい（ヤング率の大きい）素材でウォームホイール３を形成した場合であっても、荷重時に歯３３の先端部において適度な撓みが発生可能となる。すなわち、歯の弾力性を確保することができる。
【００２２】
また、上記のような歯丈比とすることにより、歯３３の撓み量ｄが、歯２１と歯丈を同一とした場合の撓み量の２〜６倍程度となる。なお、これは、歯３３の歯２１に対する歯厚比を概ね０．８〜１．１程度とし、かつ０転移歯車となるように形状設定した場合である。そして、このように、撓み量を２〜６倍程度とすることにより、ウォームギアの作動時（回転駆動力伝達時）およびモータロック時において、歯３３の噛み合い率（噛み合い枚数）が常時２以上となる。これにより、作動中またはモータロック時において歯３３に加えられるモーメント荷重は、常時２枚以上の歯によって分担支持される。よって、１枚の歯に荷重が集中することがなく、歯の破損が防止され、ギア強度を確保することができる。
また、このように噛み合い率の最低値が増加すると、ウォーム２の１回転あたりの噛み合い率の変動が少なくなる、従って、歯の噛み合いが切り替わる際の振動発生が抑えられ、低騒音化を図ることができる。例えば、定常的に２枚（一時的に３枚）の噛み合いとなる場合は変動率は３３％であるが、定常的に１枚（一時的に２枚）の噛み合いとなる場合は、変動率は５０％となる。
【００２３】
なお、上記のような歯３３を有するウォームギア付きモータＭにおいて、安全率２．５とした場合、すなわち作動時の荷重を通常時の２．５倍とした場合に、噛み合い率が４となることが確認されている。このように、荷重の増加と共に更に噛み合い率が増加し、より多くの歯で荷重が分担されるので、安全率２．５でも各々の歯にその強度以上の荷重が加えられることがない。従って、歯の破損が防止され、ギア強度が確保されている。
【００２４】
次に、作動時やモータロック時に生じる曲げ応力を許容応力以下とするための構成について説明する。
図７は、上記ウォームホイール３と同様な構成の歯車を、様々な歯丈比および歯厚比で形成した場合に、その各々において、許容応力の上限値および発生する曲げ応力の最小値がどのような値になるかを確認し、グラフに表したものである。
【００２５】
図７に示すように、作動時またはモータロック時に歯車の歯（本例では芯金３２ａの歯部分）に生じる曲げ応力の最小値は、ｙ＝０．６８９４ｘ−０．１５２５の関係式（ｙ：歯厚比、ｘ：歯丈比）で表される。すなわち、図７に示す最小曲げ応力線よりも右側の領域が、歯に実際に発生しうる応力状態に対応する。一方、本例と同様な芯金素材における許容応力の上限値は、ｙ＝０．１９６ｘ＋０．５１０７の関係式（ｙ：歯厚比、ｘ：歯丈比）で表される。すなわち、図７における材料許容限界線よりも左側の領域が、歯に発生している応力が許容応力以下となっている状態に対応する。つまり、これらの関係式によれば、歯丈比が１．３５以上かつ歯厚比が０．７８以上の場合に、作動時またはモータロック時に芯金３２ａの歯部分に生じる曲げ応力が、許容応力以下となる。
【００２６】
従って、歯丈比を１．３５以上かつ歯厚比を０．７８以上とすることにより、歯の破損を防止し、ギア強度を確保することができる。よって、本例では、これらの値を歯丈比および歯厚比の下限値としている。
一方、歯丈比および歯厚比の上限値は、歯厚比については、上記のように噛み合い率確保のため歯厚比を概ね０．８〜１．１程度としていることから、１．１以下とする。また、図７によれば歯厚比を１．１以下とすることは歯丈比を概ね２．６以下とすることに対応する。従って、歯丈寸法の上限値は２．６以下に設定する。
【００２７】
また、本例では、歯３３の表面に施された樹脂層３２ｂを形成する樹脂材料が鋼よりもヤング率が小さく、荷重に応じて変形可能である。例えば、図５の点線の領域Ａに示すように、樹脂層３２ｂは、噛み合い時に歯２１に当接する部位が、若干押圧により変形される。つまり、本例では、モータ作動時には、歯３３の撓みすなわち芯金３２ａの撓みの発生と同時に、このような樹脂層３２ｂの変形が発生している。従って、モータ作動時において確保される歯３３の撓み量には、実質的には樹脂層３２ｂの変形量を加算することができる。本例では、このような樹脂層３２ｂの変形量を考慮した結果、実質的に噛み合い枚数が定常的に２枚確保されるような検討がなされている。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明に係るウォームギア付きモータの側面図である。
【図２】ウォームギアの断面図（図１のＸ−Ｘ断面図）である。
【図３】ウォームホイールの斜視図である。
【図４】ウォームとウォームホイールの噛合部を示す断面説明図である。
【図５】ウォームの歯とウォームホイールの歯の当接部分を示す断面説明図である。
【図６】ウォームホイールの歯の撓み量の説明図である。
【図７】ウォームホイールの歯の歯丈比および歯厚比と、歯の応力状態との関係を示す説明図である。
【符号の説明】
【００２９】
１‥モータ、１ａ‥モータシャフト、２‥ウォーム、３‥ウォームホイール
２１‥歯、３１‥シャフト、３２‥歯車、３２ａ‥芯金、３２ｂ‥樹脂層
３３‥歯、３３ａ‥歯溝、Ｍ‥ウォームギア付きモータ
Ａ‥領域、Ｐ‥荷重、ｄ‥撓み量、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４‥寸法、Ｒ‥距離
【図１】
0004727501.tif 000002
【図２】
0004727501.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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