JPWO2018180185A1 - Resin gear and gear mechanism - Google Patents
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Abstract
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100μm以下の長さを有する炭素繊維である。One embodiment of the resin gear of the present invention is a carbon fiber made of a mixed material of a resin material and a carbon material, wherein the carbon material has a length of 100 μm or less.
Description
本発明は、樹脂歯車及び歯車機構に関する。 The present invention relates to a resin gear and a gear mechanism.
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。 Conventionally, in the case of gears using a metal material, there has been a problem of vibration and noise caused by backlash. Therefore, in order to reduce vibration and noise caused by backlash, in recent years, it has been proposed to apply a gear using a resin material.
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のように、樹脂材料に強化繊維を混合して、耐久性や耐摩耗性を向上する方法が検討されている。
Further, in order to transmit a large stress, there is a demand for improving the durability and wear resistance of the resin gear. As one means for improving the durability and abrasion resistance of the resin gear, for example, as in
しかしながら、歯車が小型である場合は、射出成形時に歯車構造の隅々まで強化繊維がいき渡らず、歯の先端部分などは強化繊維による補強効果が得られないという問題があった。さらに、強化繊維の長さが長いと、例えば、強化繊維どうしが互いに絡み合って偏りが生じたり、樹脂材料中に空隙が生じやすくなって、熱硬化の際に方向によって熱収縮時の寸法変化量が変わってしまうという問題もあった。 However, when the gear is small, there is a problem that the reinforcing fiber does not spread to every corner of the gear structure at the time of injection molding, and the reinforcing effect of the reinforcing fiber cannot be obtained at the tip portion of the tooth. Further, when the reinforcing fibers are long, for example, the reinforcing fibers are entangled with each other, causing a bias, or a void is easily generated in the resin material, and a dimensional change amount upon heat shrinkage depending on the direction during thermosetting. There was also a problem that was changed.
また、歯車どうしの噛み合わせの精度によってバックラッシュが発生すると、歯車構造の性能が低下するおそれがある。特に、サイクロイド方式の小型減速機では、駆動力の伝達に遅れが生じたり、瞬時に停止するなどの俊敏な動作ができないということがあった。そのため、各歯車の高い寸法精度が必要になる。 In addition, if backlash occurs due to the accuracy of meshing between the gears, the performance of the gear structure may be reduced. In particular, in the case of a cycloid-type small speed reducer, there is a case where the transmission of the driving force is delayed or an agile operation such as an instantaneous stop cannot be performed. Therefore, high dimensional accuracy of each gear is required.
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寸法精度の高い樹脂歯車、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。 One aspect of the present invention is to provide a resin gear having high dimensional accuracy while having sufficient durability and abrasion resistance even in a small size by containing a reinforcing fiber, in view of the above problems, and including the same. Another object of the present invention is to provide a gear mechanism.
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100μm以下の長さを有する炭素繊維である。 One embodiment of the resin gear of the present invention is a carbon fiber made of a mixed material of a resin material and a carbon material, wherein the carbon material has a length of 100 μm or less.
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するとともに寸法精度の高い樹脂歯車、及びそれを備えた歯車機構を提供することができる。 According to one embodiment of the present invention, it is possible to provide a resin gear having sufficient durability and wear resistance and high dimensional accuracy even if it is small, and a gear mechanism provided with the resin gear.
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。炭素材料として炭素繊維を用いており、多数の炭素繊維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の内歯歯車10として、好適に用いることができる。
The resin gear according to the present invention is made of a mixed material of a resin material and a carbon material. Carbon fiber is used as a carbon material, and many carbon fibers are mixed with a resin material. Such a resin gear can be suitably used, for example, as the
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係る小型減速機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。 Hereinafter, a configuration of a small reduction gear according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. It should be noted that the scope of the present invention is not limited to the following embodiment, and can be arbitrarily changed within the technical idea of the present invention. Further, in the following drawings, in order to make each configuration easy to understand, the scale and the number of the actual structure may be different from those of the actual structure.
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。 In the drawings, an XYZ coordinate system is appropriately shown as a three-dimensional orthogonal coordinate system. In the XYZ coordinate system, the Z-axis direction is a direction parallel to the axial direction of the first central axis J1 and the second central axis J2 shown in FIG. The X-axis direction is a direction orthogonal to the Z-axis direction and is the left-right direction in FIG. The Y-axis direction is a direction orthogonal to both the X-axis direction and the Z-axis direction, and is the up-down direction in FIG.
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J2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J2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J2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J2の軸周りを単に「周方向」と呼ぶ。 In the following description, a direction (Z-axis direction) parallel to the first center axis J1 and the second center axis J2 is simply referred to as “axial direction”, and the first center axis J1 or the second center axis J2 is used as a center. The radial direction referred to simply as “radial direction” is referred to as a “radial direction”. Circumferential direction ".
(小型減速機) 図1は、実施形態の樹脂歯車を内歯歯車10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。
(Small Reducer) FIG. 1 is a view showing a partial configuration of a
(内歯歯車10) 図2は、内歯歯車10を示す図である。 内歯歯車10は、本発明に係る樹脂歯車の一実施形態である。 内歯歯車(樹脂歯車)10は、図1及び図2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の一部から延出する固定部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。
(Internal Gear 10) FIG. 2 is a diagram showing the
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。
As shown in FIG. 1, the
(内歯歯車の材質) 図3は、本実施形態の構成において、炭素繊維12が不規則な向きで分散された様子を示す図であって、1つの内歯の拡大図である。
(Material of Internal Gear) FIG. 3 is a diagram showing a state where the
内歯歯車10は、本発明に係る樹脂歯車の一実施形態である。 内歯歯車10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。 内歯歯車10の材料としては、母材に樹脂材料11(図3)が用いられて、母材に対する添加剤として炭素繊維(炭素材料)12(図3)が用いられている。
The
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。
As the
炭素繊維12には、高強度にして耐摩耗性に優れるPAN系の炭素繊維12を用いることが望ましい。炭素繊維12として、例えば、平均アスペクト比が5以上20以下、平均繊維長が100μm以下の微細な炭素繊維を選択する。より具体的には、平均アスペクト比が10以下、平均繊維長が80μm、平均繊維径が5〜7μmの短繊維を選択してもよい。 炭素繊維12には、特に強度を求める目的には、異方性ピッチ系の炭素繊維12を用いることも可能である。炭素繊維12として、例えば平均アスペクト比が5以上15以下、平均繊維長が100μm以下の微細な炭素繊維を選択する。より具体的には、平均アスペクト比が10以下、平均繊維長が80μm、平均繊維径が7〜11μmの短繊維を選択してもよい。
As the
ここで、平均アスペクト比とは、炭素繊維12の長さ方向に直交する径方向における長さを径r(μm)とし、長さ方向における炭素繊維12の長さを長L(μm)とした際のL/r比を、所定の範囲に含まれる複数の炭素繊維12について平均した値である。繊維1つのアスペクト比は、炭素繊維12を観察し、炭素繊維12の長さを径で割ることにより算出することができる。
Here, with the average aspect ratio, the length in the radial direction orthogonal to the length direction of the
炭素繊維12の長さは、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、長さが100μm以下の任意の炭素繊維12を例えば100個選択し、その炭素繊維12の長さと径とを計測する。計測した長さと径から、100個の炭素繊維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、平均のアスペクト比を算出することができる。
The length of the
微細化された炭素繊維12は、アスペクト比が小さい繊維であるため、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中における炭素繊維12の分散方向に異方性が現れることがなく、図3に示すように、射出成型品内に不規則な向きでランダムに分散されている。これにより、高い寸法精度で高強度の内歯歯車10が得られる。
Since the
本実施形態では、上述した母材に、炭素材料(強化材料)である炭素繊維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体積%である。炭素繊維12の含有量が20体積%未満では、所望の補強効果が得られない。一方、炭素繊維12の含有量が70体積%を超えると、繊維と繊維をつなぐ樹脂量が不足するため空隙が発生し、ギアの成型性、寸法精度に影響を及ぼすおそれがある。
In the present embodiment, the above-described base material contains 20 to 70% by volume of the
(外歯歯車20) 図4は、外歯歯車20を示す図である。 外歯歯車20は、サイクロイド歯車である。外歯歯車20は、図1及び図4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の軸周りに、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。
(External Gear 20) FIG. 4 is a diagram showing the
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に沿って延在する図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8)を保持する。
The
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。
The
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8)を保持する。
In this embodiment, about ten through
複数の貫通孔25のそれぞれには、図1に示す支持ピン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と内接する。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。
The support pins 8 shown in FIG. 1 are inserted into each of the plurality of through
(外歯歯車20の材質) 外歯歯車20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。
(Material of External Gear 20) As a material of the
外歯歯車20には、炭素材料を含有させることが好ましい。 外歯歯車20の材料として、上述した樹脂材料内に球状のアモルファスカーボン(不図示)を添加した強化材料を用いることで、外歯歯車20の耐摩耗性を高めることができる。球状のアモルファスカーボンとしては、平均アスペクト比が2以下の炭素微小粒子が好ましい。
Preferably, the
上述した内歯歯車10の母材には、外歯歯車20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。
The base material of the
本実施形態における小型減速機100では、例えば、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。
In the
図5は、従来の構成において、炭素繊維12が規則的な向きで分散された様子を示す図であって、1つの内歯の拡大図である。 ここで、従来の内歯歯車90においては、図5に示すように、樹脂材料11中に、繊維長さが100μmを超える長い炭素繊維92が添加されていた。繊維長さが100μmを超える炭素繊維92を樹脂材料11に多数添加すると、射出成形時の樹脂材料11の流れに沿って炭素繊維92が規則的な向きで配向してしまい、図5に示すような亀裂91が生じやすくなるおそれがあった。このように、炭素繊維92の長さが長いと、樹脂材料11の流れに沿って炭素繊維92が流動方向に配向してしまうなどして、樹脂材料11の流れ状態による収縮異方性が起こり、内歯歯車90の寸法精度が低下して、目的の寸法にすることが困難である。 また、炭素繊維92の長さが長いと、炭素繊維92どうしが絡み合って炭素繊維92の偏りが生じたり、樹脂材料11中に空隙が生じやすくなったりして、熱硬化を行う際に、方向によって熱収縮時の寸法変化量が変わってしまう。 さらに、製造後の内歯歯車90の内部に空隙が残っていると、内歯歯車90の強度の低下を招いてしまう。
FIG. 5 is a diagram showing a state in which
これに対し、本実施形態では、図4に示すように、樹脂材料11中に繊維長さが100μm以下の短い炭素繊維12を添加したことで、上述したような不具合は解消された。本実施形態のように、繊維長さの短い炭素繊維12は、射出成形時の樹脂材料11の流出方向に関わらず、樹脂材料11中に不規則な向きで分散される。炭素繊維12どうしが絡みにくいため、射出成形時に樹脂材料11中で炭素繊維12の分散方向に異方性が現れることがなく、炭素繊維12の偏りや樹脂材料11中に空隙が生じることもない。このため、硬化に伴う熱収縮時の寸法変化量が均等になり、寸法精度の高い内歯歯車10を成形することができる。
On the other hand, in the present embodiment, as shown in FIG. 4, the above-described problem was solved by adding the
また、射出成形時に内歯歯車10の隅々にまで炭素繊維12が行き渡るため、複数の内歯13それぞれの先端部分においても十分な補強効果が得られ、内歯歯車10の耐久性が向上し、各内歯13に亀裂が生じることがない。特に、内歯歯車10には、サイクロイド歯車である外歯歯車20が噛み合うことから、耐久性と高い寸法精度を要するが、本実施形態では双方を実現できる。
In addition, since the
また、樹脂材料11に炭素繊維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内歯歯車10の寸法変化が抑えられる。
Further, by adding the
上述した内歯歯車10及び外歯歯車20を備えた本実施形態の小型減速機100では、内歯歯車10と外歯歯車20との噛み合わせ精度に起因するバックラッシュが生じにくい。そのため、小型減速機100の入力軸から出力軸への駆動力の伝達に遅れが生じることもなく、瞬時に停止するなどの俊敏な動作が可能になる。
In the
また、本実施形態では、内歯歯車10だけでなく、外歯歯車20も繊維強化材料により形成されている。外歯歯車20は、圧縮力とせん断力の両方を受けるので、耐久性および摺動性が重要である。そのため、樹脂材料11中に炭素材料を添加することで、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。
Further, in the present embodiment, not only the
図6は、使用前の内歯歯車10の内歯13の表面の一部を示す拡大図である。図7は、使用後の内歯歯車10の内歯13の表面の一部を示す拡大図である。図8は、使用時の内歯歯車10に対して外歯歯車20が噛み合った状態を示す拡大図である。
FIG. 6 is an enlarged view showing a part of the surface of the
小型減速機100においては、内歯歯車10に対して外歯歯車20が噛み合うことで、内歯歯車10と外歯歯車20との間に摩擦が生じ、内歯歯車10の表面、すなわち内歯13の歯面が摩耗してくる。内歯歯車10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、硬い炭素繊維12が各内歯13の表面から外側へ一部突出する。図6に示すように、樹脂材料11中に埋もれていた硬度の高い炭素繊維12が、図7に示すように表面に出現して、炭素繊維12と樹脂材料11との間に隙間15が生じる。すると、図8に示すように、各内歯13の表面に形成された隙間15内に毛細管現象によって潤滑油19が保持される。
In the
一方、外歯歯車20側の表面も摩耗してくる。内歯歯車10と同様に、外歯歯車20においても、樹脂材料11中に埋もれていた炭素材料が各外歯22の表面に出現して、炭素繊維12との間に隙間15が生じる。よって、図8に示すように、これら各外歯22の表面に形成された隙間15内にも、毛細管現象によって潤滑油19が保持される。 さらに、内歯歯車10と、内歯歯車10の一部に噛み合った状態の外歯歯車20との間の隙間16にも、毛細管現象によって潤滑油19が一時的に保持される。
On the other hand, the surface on the side of the
このように、各隙間15,16内に潤滑油19が保持されることによって、外歯歯車20の摺動性が向上し、摩擦による疲労が抑えられて各歯車10,20の長寿命化が可能となる。
As described above, since the lubricating
以上述べたように、本実施形態の小型減速機100は、炭素繊維12を含む内歯歯車10と、球状のアモルファスカーボンを含む外歯歯車20とを備えているので、小型であっても、耐久性および耐摩耗性を有するとともに、寸法精度の高い歯車構造が得られ、信頼性の高い小型減速機100を得ることができる。
As described above, the
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。 As mentioned above, although one Embodiment of this invention was described, each structure in embodiment, their combination, etc. are an example, and addition, abbreviation, substitution, and other addition of a structure do not deviate from the meaning of this invention. Changes are possible. The present invention is not limited by the embodiments.
例えば、上述の実施形態では、内歯歯車10に、炭素材料として炭素繊維12のみを樹脂材料11に混合させたが、炭素繊維12だけでなく球状のアモルファスカーボンも樹脂材料11に混合させてもよい。樹脂材料11に対する炭素繊維12及び球状のアモルファスカーボンの添加率は、内歯歯車10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。
For example, in the above-described embodiment, only the
このように、樹脂材料11に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。
Thus, by mixing not only carbon fibers but also spherical amorphous carbon into the
また、外歯歯車20には、樹脂材料11に球状のアモルファスカーボンのみが混合されているが、球状のアモルファスカーボンだけでなく炭素繊維12も混合させてもよい。
In the
10…内歯歯車(樹脂歯車)、11…樹脂材料、12…炭素繊維(炭素材料)、20…外歯歯車、100…小型減速機(歯車機構) Reference numeral 10: internal gear (resin gear), 11: resin material, 12: carbon fiber (carbon material), 20: external gear, 100: small reduction gear (gear mechanism)
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