JP6624904B2 - 樹脂製はすば歯車 - Google Patents

Description

この発明は、回転伝達に使用される樹脂製はすば歯車に関し、特に歯車軸のミスアライメントに起因する回転伝達誤差の減少を目的として歯形修整が施された樹脂製はすば歯車に関するものである。

従来から、はすば歯車を使用した動力伝達装置の技術分野において、歯車軸のミスアライメントに起因する回転伝達誤差を減少させる様々な技術が開発されてきた。例えば、はすば歯車は、歯当たりを歯幅中央部に集中させるために、歯すじ方向に適当なふくらみをつけるような加工（クラウニング）を施し、歯車軸のミスアライメントに起因する回転伝達誤差を減少させるようにした技術が知られている（特許文献１、２参照）。

特開平８−１９７３３２号公報（特に、段落０００１〜０００６、図１７） 特開２０１４−８９４８３号公報（特に、図５〜６）

しかしながら、上記従来のクラウニングを施した樹脂製はすば歯車は、歯車軸のミスアライメントに起因する回転伝達誤差を十分に減少させることができなかった。

そこで、本発明は、歯車軸のミスアライメントに起因する回転伝達誤差を減少させることができる回転伝達精度の良い樹脂製はすば歯車を提供する。

本発明は、インボリュート歯形形状の歯２の歯面１１に三次元的歯面修整部分１２を有する樹脂製はすば歯車１に関するものである。この発明において、前記歯面１１の三次元的歯面修整部分１２は、歯先１３と歯元１４の間の位置から歯先１３に向けて歯厚を漸減させる歯先修整面１６と、歯先１３と歯元１４の間の位置から歯元１４に向けて歯厚を漸減させる歯元修整面１７と、歯幅方向一端と歯幅方向他端の間の位置から前記歯幅方向両端に向けて歯厚を漸減させる円弧クラウニング面１８と、の合成面である。そして、前記インボリュート歯形形状の歯２の歯面１１は、前記歯先修整面１６の開始位置、前記歯元修整面１７の開始位置、及び前記円弧クラウニング面１８の頂点位置との交点として残っている。

本発明に係る樹脂製はすば歯車は、歯形修整を施さない樹脂製はすば歯車と比較し、歯車軸のミスアライメントに起因する回転伝達誤差を減少させ、歯車軸のミスアライメントがあった場合でも回転伝達精度を向上させることができる。

本発明の実施形態に係る樹脂製はすば歯車を示す図であり、図１（ａ）が樹脂製はすば歯車の正面図、図１（ｂ）が図１（ａ）のＡ１−Ａ１線に沿って切断して示す樹脂製はすば歯車の断面図、図１（ｃ）が樹脂製はすば歯車の歯を斜め上方から見て示す斜視図である。 歯車軸にミスアライメントが生じた場合の歯の噛み合い状態と、歯車軸にミスアライメントが生じない場合の歯の噛み合い状態とを模式的に示す図である。 ラック形工具であるホブの刃の断面形状を示す図である。 図２（ａ−２）、（ｂ−２）、（ｃ−２）に示した歯の噛み合い状態を設定し、負荷トルクが０．１Ｎｍ作用する条件下において、本発明の実施形態に係る樹脂製はすば歯車（本発明品）の回転伝達誤差（かみ合い一次成分）を片歯面噛み合い試験で測定した結果と、無修整はすば歯車の回転伝達誤差（かみ合い一次成分）を片歯面噛み合い試験で測定した結果と、クラウニングを施した樹脂製はすば歯車（比較例）の回転伝達誤差（かみ合い一次成分）を片歯面かみ合い試験で測定した結果と、を対比して示す図である。 図２（ａ−２）、（ｂ−２）、（ｃ−２）に示した歯の噛み合い状態を設定し、負荷トルクが０．１５Ｎｍ作用する条件下において、本発明の実施形態に係る樹脂製はすば歯車（本発明品）の回転伝達誤差（かみ合い一次成分）を片歯面噛み合い試験で測定した結果と、無修整はすば歯車の回転伝達誤差（かみ合い一次成分）を片歯面噛み合い試験で測定した結果と、クラウニングを施した樹脂製はすば歯車（比較例）の回転伝達誤差（かみ合い一次成分）を片歯面かみ合い試験で測定した結果と、を対比して示す図である。 図６（ａ）は歯幅が同一のはすば歯車同士のかみ合い状態を示す図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）のかみ合った歯同士を拡大して示す図である。 図７（ａ）は歯幅が異なるはすば歯車同士のかみ合い状態を示す図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）のかみ合った歯同士を拡大して示す図である。 本発明の樹脂製はすば歯車を備えたトナーカートリッジの側面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づき詳述する。

図１は、本発明の実施形態に係る樹脂製はすば歯車１を示す図である。なお、図１（ａ）は、本実施形態に係る樹脂製はすば歯車１の正面図である。また、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ１−Ａ１線に沿って切断して示す樹脂製はすば歯車１の断面図である。また、図１（ｃ）は、本実施形態に係る樹脂製はすば歯車１の歯２を斜め上方から見て示す斜視図である。

この図１に示すように、樹脂製はすば歯車１は、軸に嵌合される軸穴３が形成された円筒状のボス４と、このボス４の外周面４ａから径方向外方へ延びる円板状のウェブ５と、このウェブ５の外周端に形成された円筒状のリム６と、リム６の外周側に複数形成された歯２と、を有している。また、この樹脂製はすば歯車１は、ボス４の外周面４ａとリム６の内周面６ａとを接続するウェブ５がボス４の中心軸７に沿った中央部に位置している。また、この樹脂製はすば歯車１は、中心軸７に直交する第１の仮想平面８上に、ボス４の一方の側面４ｂ（図１（ｂ）における左側面）、リム６の一方の側面６ｂ（図１（ｂ）における左側面）、及び歯２の歯幅方向の一端面２ａ（図１（ｂ）における左側端面）が位置するように形成されている。また、この樹脂製はすば歯車１は、中心軸７に直交し且つ第１の仮想平面８と平行の第２の仮想平面１０上に、ボス４の他方の側面４ｃ（図１（ｂ）における右側面）、リム６の他方の側面６ｃ（図１（ｂ）における右側面）、及び歯２の歯幅方向の他端面２ｂ（図１（ｂ）における右側端面）が位置するように形成されている。そして、このような樹脂製はすば歯車１は、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリアミド（ＰＡ）等のプラスチックを使用して形作られている。

図１（ｃ）に示す樹脂製はすば歯車１の歯２は、インボリュート歯形形状（標準歯形形状）の歯２の両歯面１１，１１に三次元的歯面修整を施すことによって形成されている。すなわち、本実施形態の樹脂製はすば歯車１において、歯面１１の三次元的歯面修整部分１２は、歯先１３と歯元１４の間の歯面１１上の位置（基準ピッチ円１５上の点Ｐ０を通る歯幅方向の線分）Ｌ０から歯先１３に向けて歯厚を漸減させる歯先修整面１６と、歯先１３と歯元１４の間の歯面１１上の位置（基準ピッチ円１５上の点Ｐ０を通る歯幅方向の線分）Ｌ０から歯元１４に向けて歯厚を漸減させる歯元修整面１７と、歯幅方向一端と歯幅方向他端の間の歯面１１上の位置（歯幅方向中央に位置し且つ歯先１３から歯元１４に向かう歯面１１上の線分Ｌ１）から前記歯幅方向両端に向けて歯厚を漸減させる円弧クラウニング面１８と、の合成面になっている。そして、歯先修整面１６の開始位置と、歯元修整面１７の開始位置と、円弧クラウニング面１８の頂点位置との交点（基準ピッチ円上の点で且つ歯幅方向中央の点Ｐ０）は、インボリュート歯形形状の歯２の歯面１１上の点である。すなわち、インボリュート歯形形状の歯２の歯面１１は、歯先修整面１６の開始位置と、歯元修整面１７の開始位置と、円弧クラウニング面１８の頂点位置との交点Ｐ０として残っている。また、この樹脂製はすば歯車１は、歯先修整面１６の歯先１３における歯形修整量をΔ１とし、歯元修整面１７の歯元１４における歯形修整量をΔ２とし、円弧クラウニング面１８の歯幅方向両端における歯形修整量をΔ３とすると、歯先１３で且つ歯幅方向両端における歯形修整量Δ４がΔ１とΔ３の和（Δ１＋Δ３）となり、歯元１４で且つ歯幅方向両端における歯形修整量Δ５がΔ２とΔ３の和（Δ２＋Δ３）となる。なお、この図１（ｃ）に基づく樹脂製はすば歯車１の歯２の説明は、歯２の両歯面１１，１１が同様に三次元的歯面修整を施されたものであるため、両歯面１１，１１のうちの一方について詳述し、両歯面１１，１１のうちの他方については省略した。

図２は、歯車軸２０，２１にミスアライメントが生じた場合の歯２２，２３の噛み合い状態と、歯車軸２０，２１にミスアライメントが生じない場合の歯２２，２３の噛み合い状態とを模式的に示す図である。なお、図２（ａ−１）は、駆動側はすば歯車２４の歯車軸２０が被動側はすば歯車２５の歯車軸２１に対して−θだけずれて組み付けられた状態を示している。そして、図２（ａ−２）は、図２（ａ−１）における駆動側はすば歯車２４の歯２２と被動側はすば歯車２５の歯２３の噛み合い状態を示している。また、図２（ｂ−１）は、駆動側はすば歯車２４の歯車軸２０が被動側はすば歯車２５の歯車軸２１にずれを生じることなく（ミスアライメントを生じることなく）組み付けられた状態を示している。そして、図２（ｂ−２）は、図２（ｂ−１）における駆動側はすば歯車２４の歯２２と被動側はすば歯車２５の歯２３の噛み合い状態を示している。また、図２（ｃ−１）は、駆動側はすば歯車２４の歯車軸２０が被動側はすば歯車２５の歯車軸２１に対して＋θだけずれて組み付けられた状態を示している。そして、図２（ｃ−２）は、図２（ｃ−１）における駆動側はすば歯車２４の歯２２と被動側はすば歯車２５の歯２３の噛み合い状態を示している。また、図２（ａ−１）、図２（ｂ−１）及び図２（ｃ−１）に示す駆動側はすば２４と被動側はすば歯車２５は、両者の違いを明確にするため、便宜的に駆動側はすば歯車２４の歯幅を被動側はすば歯車２５の歯幅よりも小さくしてある。

図３は、ラック形工具であるホブ２６の刃２７の断面形状を示す図である。この図３に示す刃２７を備えたホブ２６は、図１に示した樹脂製はすば歯車１の射出成形用金型の放電加工用マスタを創成加工するために使用されるものであり、図中において二点鎖線で示す部分が標準歯形部（インボリュート歯形部）２９であり、基準ピッチ円に対応する位置２８から刃先３０側が歯元修整面形成部３１であって、基準ピッチ円に対応する位置２８から刃元３２側が歯先修整面形成部３３である。そして、この図３に示す刃２７を備えたホブ２６は、歯先３０における標準歯形部２９と歯元修整面形成部３１とのずれ量（Δａ）が歯形修整量Δ２及び放電加工間隙等を考慮して決定され、刃元３２における標準歯形部２９と歯先修整面形成部３３とのずれ量（Δｂ）が歯形修整量Δ１及び放電加工間隙等を考慮して決定される。そして、放電加工用マスタは、図３に示す刃２７を備えたホブ２６によって、樹脂製はすば歯車１の三次元的歯面修整部分１２に対応する部分を含めた全体形状が、樹脂製はすば歯車１と同様の形状に創成加工される。

図４は、図２（ａ−２）、（ｂ−２）、（ｃ−２）に示した歯２２，２３の噛み合い状態を設定し、負荷トルクが０．１Ｎｍ作用する条件下において、本発明の実施形態に係る樹脂製はすば歯車１（本発明品と略称する）の回転伝達誤差としてのかみ合い一次成分を片歯面噛み合い試験で測定した結果と、一般的に使用される歯面修整を施さない樹脂製はすば歯車（無修整はすば歯車）の回転伝達誤差としてのかみ合い一次成分を片歯面噛み合い試験で測定した結果と、クラウニング（クラウニング量２０μｍ）を施した樹脂製はすば歯車（比較例）の回転伝達誤差（かみ合い一次成分）を片歯面かみ合い試験で測定した結果と、を対比して示す図（第１実験結果を示す図）である。この本発明品は、歯先修整面１６の歯幅方向中央の歯先１３における歯形修整量Δ１が１０μｍであり、歯元修整面１７の歯幅方向中央の歯元１４における歯形修整量Δ２が５μｍであり、円弧クラウニング面１８の歯幅方向両端における歯形修整量Δ３が５μｍであり、歯先１３で且つ歯幅方向両端における歯形修整量Δ４（Δ４＝Δ１＋Δ３）が１５μｍであり、歯元１４で且つ歯幅方向両端における歯形修整量Δ５（Δ５＝Δ２＋Δ３）が１０μｍである。なお、図４において、横軸が後述する駆動側はすば歯車のねじれ角βを表し、縦軸が回転伝達誤差のうちのかみ合い一次成分（ｓｅｃ）を表している。また、以下の説明において、回転伝達誤差としてのかみ合い一次成分を回転伝達誤差と適宜略称する。

図５は、図２（ａ−２）、（ｂ−２）、（ｃ−２）に示した歯２２，２３の噛み合い状態を設定し、負荷トルクが０．１５Ｎｍ作用する条件下において、本発明の実施形態に係る樹脂製はすば歯車１（本発明品と略称する）の回転伝達誤差としてのかみ合い一次成分を片歯面噛み合い試験で測定した結果と、一般的に使用される歯面修整を施さない樹脂製はすば歯車（無修整はすば歯車）の回転伝達誤差としてのかみ合い一次成分を片歯面噛み合い試験で測定した結果と、クラウニング（クラウニング量２０μｍ）を施した樹脂製はすば歯車（比較例）の回転伝達誤差（かみ合い一次成分）を片歯面かみ合い試験で測定した結果と、を対比して示す図（第２実験結果を示す図）である。

片歯面噛み合い試験は、株式会社小笠原プレシジョンラボラトリー製の片歯面噛み合い試験機（ＭＥＡＴＡ−４）を使用して行った。この片歯面噛み合い試験に使用される駆動側はすば歯車２４及び被動側はすば歯車２５の歯車諸元は、歯数（Ｚ）３６、モジュール（ｍ）０．７、圧力角（α）２０°、ねじれ角（β）２０°、歯幅７ｍｍ、並歯となっている。また、歯車軸２０，２１のアライメント誤差（図２（ａ）及び図２（ｃ）に示すθ）は、本実施形態に係る樹脂製はすば歯車１が使用される条件を考慮して０．２５°と０．５°とした。また、片歯面噛み合い試験は、本実施形態に係る樹脂製はすば歯車１が使用される条件（主に、０．１〜０．１５Ｎｍの負荷トルクが作用した状態で使用される）を考慮して、０．１Ｎｍ、０．１５Ｎｍの負荷トルクを付与して行った。そして、標準歯形（インボリュート歯形）を有する駆動側はすば歯車２４は、樹脂（ＰＯＭ（Ｍ２５相当））製のはすば歯車（無修整はすば歯車）が使用された。また、被動側はすば歯車２５は、回転伝達誤差の良否判断の基準となる樹脂（ＰＯＭ（Ｍ２５相当））製の無修整はすば歯車（図示せず）、クラウニング（クラウニング量２０μｍ）を施した樹脂（ＰＯＭ（Ｍ２５相当））製はすば歯車（比較例）、本発明品に係る樹脂（ＰＯＭ（Ｍ２５相当））製はすば歯車１が使用される。なお、片歯面噛み合い試験機は、歯車軸２０，２１のアライメント誤差を付与できないため（駆動側はすば歯車２４の歯車軸２０を被動側はすば歯車２５の歯車軸２１に対して傾けた状態で取り付けることができない構造であるため）、基準の駆動側はすば歯車２４（β＝２０°）を歯２２のねじれ角（β）が１９．５°（θ＝０．５°）と１９．７５°（θ＝０．２５°）の駆動側はすば歯車２４に代えることにより、図２（ａ−２）に示す噛み合い状態を構成し、また、基準の駆動側はすば歯車２４（β＝２０°）を歯２２のねじれ角（β）が２０．２５°（θ＝０．２５°）と２０．５°（θ＝０．５°）の駆動側はすば歯車２４に代えることにより、図２（ｃ−２）に示す噛み合い状態を構成するようになっている。また、片歯面噛み合い試験機は、駆動側はすば歯車２４の歯車軸２０と被動側はすば歯車２５の歯車軸２１の試験時の軸間距離が、理論軸間距離にバックラッシ確保のための０．２５ｍｍを加えた距離になっている。ここで、ＰＯＭ（Ｍ２５）は、ポリプラスチックス株式会社製の商品名「ジュラコン」（登録商標）のグレードＭ２５を示している。

図４に示す片歯面噛み合い試験の結果（第１実験結果）及び図５に示す片歯面噛み合い試験の結果（第２実験結果）によれば、本発明品は、アライメント誤差が無い状態（駆動側はすば歯車２４のねじれ角βが２０°の状態）、及びアライメント誤差がある状態（駆動側はすば歯車２４のねじれ角βが１９．５°、１９．７５°、２０．２５°、２０．５°の状態）において、回転伝達誤差が無修整はすば歯車よりも小さく、歯形修整の効果が大きく現れている。比較例は、無修整はすば歯車と比較し、アライメント誤差が無い状態（駆動側はすば歯車２４のねじれ角βが２０°の状態）、及びアライメント誤差がある状態（駆動側はすば歯車２４のねじれ角βが１９．７５°の状態）で回転伝達誤差が大きく（悪く）なっている。したがって、比較例は、無修整はすば歯車によって生じる回転伝達誤差を減少させるために、無修整はすば歯車に代えて使用することができない。

以上の説明から明らかなように、本実施形態に係る樹脂製はすば歯車１（本発明品）は、主に使用される条件下（負荷トルクが０．１〜０．１５Ｎｍの場合）において、歯形修整を施さない樹脂製はすば歯車と比較し、歯車軸２０，２１のミスアライメントに起因する回転伝達誤差を減少させ、歯車軸２０，２１のミスアライメントがあった場合でも回転伝達精度を向上させることができる。

なお、本実施形態に係る樹脂製はすば歯車１は、上記実施形態に限定されず、負荷トルクの大きさに応じて、歯先修整面１６及び歯元修整面１７の開始位置と円弧クラウニング面１８の頂点位置とを適宜変更し、歯形修整量Δ１〜Δ３を適宜変更してもよい。

（変形例１）
図６は、上記実施形態に係る駆動側はすば歯車２４と被動側はすば歯車２５の噛み合い状態を示す図である。なお、図６（ａ）は歯幅Ｗ１が同一のはすば歯車２４，２５同士のかみ合い状態を示す図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）のかみ合った歯２２，２３同士を拡大して示す図である。
この図６に示すように、駆動側はすば歯車２４の歯２２と被動側はすば歯車２５（本発明品）の歯２３は、歯幅Ｗ１が同一に形成されており、クラウニングの頂点位置Ｐ１が歯２３の歯幅方向中央ＣＬ１に位置している。
しかしながら、本発明に係る樹脂製はすば歯車１（被動側はすば歯車２５）は、図６に示す実施態様に限定されるものでなく、図７に示すように、２段歯車の小径はすば歯車２５ａであって、この小径はすば歯車２５ａが駆動側はすば歯車２４と噛み合う構成の場合、小径はすば歯車２５ａの歯２３の歯幅Ｗ３と駆動側はすば歯車２４の歯２２の歯幅Ｗ２とが異なる（Ｗ３＞Ｗ２）ため、クラウニングの頂点位置Ｐ２が駆動側はすば歯車２４と噛み合う有効歯幅Ｗ２の中央ＣＬ２に位置するように形成される。

（変形例２）
本実施形態に係る樹脂製はすば歯車１は、歯先修整面１６及び歯元修整面１７の開始位置が基準ピッチ円１５上になっているが、これに限られず、歯先修整面１６及び歯元修整面１７の開始位置を基準ピッチ円１５上から歯先１３寄り又は歯元１４寄りにずらしても良い。また、本実施形態に係る樹脂製はすば歯車１は、円弧クラウニング面１８の頂点位置が歯２の歯幅方向中央になっているが、これに限られず、円弧クラウニング面１８の頂点位置を歯２の歯幅方向一端寄り又は歯２の歯幅方向他端寄りにずらしても良い。

（応用例）
図８は、本発明に係る樹脂製はすば歯車１が回動可能に取り付けられたトナーカートリッジ３４を簡略化して示す図である。この図８に示すトナーカートリッジ３４は、画像形成装置３５（プリンタ、複写機、ファクシミリ装置、これらの複合機等）に着脱可能に取り付けられるようになっており、画像形成装置本体３６内のトナーカートリッジ収容スペース３７に収容されると、本発明に係る樹脂製はすば歯車１（２５）が画像形成装置本体３６側に取り付けられた駆動側はすば歯車２４と噛み合い、駆動側はすば歯車２４の回転を他の歯車３８，４０に伝達するようになっている。
なお、本発明に係る樹脂製はすば歯車１は、トナーカートリッジ３４に取り付けられる場合に限定されず、画像形成装置３５の他の動力伝達部分、自動車部品、精密機械等に広く使用することができる。

１……樹脂製はすば歯車、２……歯、１１……歯面、１２……三次元的歯面修整部分、１３……歯先、１４……歯元、１６……歯先修整面、１７……歯元修整面、１８……円弧クラウニング面、Ｐ０……点（交点）

Claims (5)

1. インボリュート歯形形状の歯の歯面に三次元的歯面修整部分を有する樹脂製はすば歯車において、
   前記歯面の三次元的歯面修整部分は、歯先と歯元の間の位置から歯先に向けて歯厚を漸減させる歯先修整面と、歯先と歯元の間の位置から歯元に向けて歯厚を漸減させる歯元修整面と、歯幅方向一端と歯幅方向他端の間の位置から前記歯幅方向両端に向けて歯厚を漸減させる円弧クラウニング面と、の合成面であり、
   前記インボリュート歯形形状の歯の歯面は、前記歯先修整面の開始位置、前記歯元修整面の開始位置、及び前記円弧クラウニング面の頂点位置との交点として残っている、
   ことを特徴とする樹脂製はすば歯車。
2. 前記歯先修整面及び前記歯元修整面の開始位置は基準ピッチ円であり、前記円弧クラウニング面の頂点位置は歯幅方向中央である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の樹脂製はすば歯車。
3. 前記歯先修整面の前記歯先における歯形修整量をΔ１とし、
   前記歯元修整面の前記歯元における歯形修整量をΔ２とし、
   前記円弧クラウニング面の前記歯幅方向両端における歯形修整量をΔ３とすると、
   前記歯先で且つ前記歯幅方向両端における歯形修整量Δ４は、Δ１＋Δ３となり、
   前記歯元で且つ前記歯幅方向両端における歯形修整量Δ５は、Δ２＋Δ３となる、
   ことを特徴とする請求項２に記載の樹脂製はすば歯車。
4. 前記歯先修整面及び前記歯元修整面の開始位置は基準ピッチ円であり、前記円弧クラウニング面の頂点位置は有効歯幅の中央である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の樹脂製はすば歯車。
5. 画像形成装置本体側に取り付けられた駆動側はすば歯車と噛み合う被動側はすば歯車を回動可能に有するトナーカートリッジにおいて、
   前記被動側はすば歯車は、前記請求項１に記載の樹脂製はすば歯車である、
   ことを特徴とするトナーカートリッジ。

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