繊維強化樹脂製歯車の製造方法
【課題】成形時間や機械加工時間の短縮によって、良好な生産性が確保できると共に、全ての歯部に均等、最適配置、かつ高繊維体積率で連続繊維を配向させることによって、歯部の強度、耐摩耗性、及び品質安定性に優れる繊維強化樹脂製歯車の製造方法を提供する。
【解決手段】連続繊維３に熱可塑性樹脂４を含浸させた帯状のプリプレグ９を、プリプレグ９の帯状に長く延びる方向の切断面の形状が直線歯形８となるように成形して帯状半成形品１３を得る。その後、帯状半成形品１３を、帯状半成形品１３の歯部８ａ同士が複数回重なるように丸めて筒状半成形品１４を得る。その後、筒状半成形品１４の外面の凹凸形状と、射出成形型１５の内面の凹凸形状とが噛み合うように、筒状半成形品１４を射出成形型１５の型内空間に挿入する。その後、筒状半成形品１４よりも内側の型内空間に、短繊維強化熱可塑性樹脂からなる二次材料１６を溶融状態で加圧充填することによって、筒状半成形品１４を射出成形型１５の内面に押し付ける。
【解決手段】連続繊維３に熱可塑性樹脂４を含浸させた帯状のプリプレグ９を、プリプレグ９の帯状に長く延びる方向の切断面の形状が直線歯形８となるように成形して帯状半成形品１３を得る。その後、帯状半成形品１３を、帯状半成形品１３の歯部８ａ同士が複数回重なるように丸めて筒状半成形品１４を得る。その後、筒状半成形品１４の外面の凹凸形状と、射出成形型１５の内面の凹凸形状とが噛み合うように、筒状半成形品１４を射出成形型１５の型内空間に挿入する。その後、筒状半成形品１４よりも内側の型内空間に、短繊維強化熱可塑性樹脂からなる二次材料１６を溶融状態で加圧充填することによって、筒状半成形品１４を射出成形型１５の内面に押し付ける。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、繊維強化樹脂からなる歯車の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、金属製の歯車に代わって樹脂製の歯車が普及してきている。この樹脂製の歯車は、駆動時に発生する騒音を低減でき、さらに軽量化が図れるため利用価値の高いものとなっている。単に樹脂を歯車として成形するだけでは、歯車同士が大きな動力を伝達する際に歯部が欠けてしまうという問題があり、この問題を解決するために、歯部の強度と耐摩耗性に優れた繊維強化樹脂製の歯車が各種実用化されている。
【０００３】
歯部の強度と耐摩耗性に優れた繊維強化樹脂製歯車の製造方法として、例えば、繊維を歯部の歯先方向に揃うように配向させることが可能な特許文献１に記載の製造方法がある。また、繊維の配向を歯部の形状に沿わせて、かつ歯部の繊維体積率を高めることが可能な特許文献２に記載の製造方法がある。
【０００４】
特許文献１に記載されている従来の繊維強化樹脂製歯車の製造方法は、まず、長繊維に熱可塑性樹脂を含浸させたシート状のプリプレグを、長繊維の配列方向が各層間で角度を有するように偏位させつつ積層し、疑似等方性の積層板を得る。そして、この積層板を加熱して熱可塑性樹脂を溶融した後に加圧して積層板を一体化する。この一体化した積層板を歯車の形状に打ち抜くことによって厚みの薄い歯車を直接得るか、または、この厚みの薄い歯車をさらに積層して加熱圧縮成形することにより任意の厚みの歯車を製造するものである。
【０００５】
このように製造された繊維強化樹脂製歯車においては、長繊維を歯車の軸直角方向に等方に配列することによって、全ての歯部を、歯部の歯先方向に配向した長繊維によって均等に強化することができる。
【０００６】
特許文献２に記載されている従来の繊維強化樹脂製歯車の製造方法を説明する断面図を図４に示す。図４（ａ）は圧縮成形型内に繊維強化樹脂を充填した状態、図４（ｂ）は歯車内の長繊維の配向状態を示している。
【０００７】
この製造方法においては、まず、図４（ａ）に示すように、歯車を成形する形状に型内空間が形成された圧縮成形型５０の内面に、熱硬化性の長繊維強化樹脂６０を環状に装填する。続いて、圧縮成形型５０内の長繊維強化樹脂６０よりも内側の型内空間に熱硬化性の短繊維強化樹脂７０を充填する。その後、圧縮成形型５０を加熱して、長繊維強化樹脂６０及び短繊維強化樹脂７０を溶融状態とし、圧縮成形型５０を圧縮成形型５０の軸線周りに回転させつつ、圧縮成形型５０の軸方向から加圧する。
【０００８】
このように圧縮成形型５０を回転させながら圧縮成形を行うことによって、回転時の遠心力により、長繊維強化樹脂６０内の長繊維６０ａが、圧縮成形型５０の歯部成形用凹部５０ａの形状に沿って押し出される。
【０００９】
これにより、図４（ｂ）に示すように、長繊維６０ａが繊維強化樹脂製歯車８０の歯部８０ａの形状に沿って配向され、かつ長繊維６０ａが歯部８０ａの表面付近に集積するため、歯部８０ａの表面付近の繊維体積率を確保することができる。したがって、この製造方法で製造された繊維強化樹脂製歯車８０は、高い強度及び耐摩耗性を有する歯部８０ａを備えるものとなる。なお、繊維強化樹脂製歯車８０の全体的な強度の向上は短繊維強化樹脂７０内の短繊維７０ａによって図られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平６−１１４８６３号公報
【特許文献２】特開昭６４−９７２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、特許文献１に記載されている従来の繊維強化樹脂製歯車の製造方法においては、シート状のプリプレグの積層及び一体化後に、この一体化した積層板を歯車の形状に打ち抜くと共に、必要に応じて、打ち抜き後の積層板をさらに積層して加熱圧縮成形するという多くの工程が必要となる。このため、成形時間や機械加工時間が長く、生産性が悪いという問題がある。
【００１２】
特許文献２に記載されている従来の繊維強化樹脂製歯車の製造方法においては、熱硬化性樹脂の硬化反応に時間を要するため、生産性が悪いという問題がある。また、圧縮成形型５０を回転させる遠心力によって、長繊維６０ａを歯部成形用凹部５０ａの形状に沿って押し出す構成であるために、長繊維６０ａの伸び量のばらつきにより、全ての歯部８０ａの長繊維６０ａの配向と繊維体積率を均等に揃えることが難しい。すなわち、歯部８０ａの強度と耐摩耗性に関する品質を一定に保つことが難しい。
【００１３】
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、成形時間や機械加工時間の短縮によって、良好な生産性が確保できると共に、全ての歯部に均等、最適配置、かつ高繊維体積率で連続繊維を配向させることによって、歯部の強度、耐摩耗性、及び品質安定性に優れる繊維強化樹脂製歯車の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
以下、上記課題を解決するのに適した各手段につき、必要に応じて作用効果等を付記しつつ説明する。
【００１５】
（１）本発明の繊維強化樹脂製歯車の製造方法は、成形品の円弧歯形と略相似形状で、かつ該円弧歯形よりも小径の第２円弧歯形を展開して直線歯形を設定する直線歯形設定工程と、連続繊維に樹脂を含浸させた帯状のプリプレグを、該プリプレグの帯状に長く延びる方向の切断面の形状が前記直線歯形となるように成形して帯状半成形品を得る帯状半成形品成形工程と、前記帯状半成形品を、該帯状半成形品の外面が前記第２円弧歯形と略同一形状となると共に、該帯状半成形品の歯部同士が複数回重なるように丸めて筒状半成形品を得る筒状半成形品成形工程と、前記筒状半成形品の歯部を、前記円弧歯形の内面を有する射出成形型の歯部成形用凹部に沿わせて、該筒状半成形品を該射出成形型の型内空間に挿入する筒状半成形品型内挿入工程と、前記筒状半成形品型内挿入工程の後工程として、前記射出成形型内の前記筒状半成形品よりも内側の型内空間に、短繊維強化樹脂からなる二次材料を加圧充填して硬化させることにより成形品を得る二次材料型内充填工程と、を備えることを特徴とする。
【００１６】
周知のとおり、帯状のプリプレグを、プリプレグの帯状に長く延びる方向の切断面の形状が直線歯形となるように帯状半成形品として成形するには、例えばロール機等の成形機を用いて、効率良く連続的に成形することができる。
【００１７】
また、帯状半成形品の歯部同士が複数回重なるように丸めることによって筒状半成形品が成形されているため、帯状半成形品の歯部の重ね回数を多くすることによって、筒状半成形品の歯部の繊維体積率を高くすることができる。
【００１８】
また、筒状半成形品の外面の凹凸形状と、射出成形型の内面の凹凸形状とが噛み合うように、筒状半成形品を射出成形型の型内空間に挿入することによって、射出成形型の内面に対して、筒状半成形品がずれることがなく、筒状半成形品を正確な位置に配置することができる。
【００１９】
また、二次材料型内充填工程において、筒状半成形品の内側に二次材料を加圧充填するため、筒状半成形品の歯部が射出成形型の内面に押し付けられる。このため、成形品である繊維強化樹脂製歯車の歯部の表面付近には連続繊維が集積し、歯部の表面付近の繊維体積率を高くすることができる。
【００２０】
したがって、以上のような本発明の構成によると、成形時間や機械加工時間の短縮によって、良好な生産性が確保できると共に、全ての歯部に均等、最適配置、かつ高繊維体積率で連続繊維を配向させることによって、歯部の強度、耐摩耗性、及び品質安定性に優れる繊維強化樹脂製歯車を製造することができる。
【００２１】
（２）本発明の繊維強化樹脂製歯車の製造方法において、好ましくは、前記プリプレグが、前記連続繊維に熱可塑性樹脂を含浸させた帯状のプリプレグであり、前記二次材料が、短繊維強化熱可塑性樹脂であることを特徴とする。
【００２２】
このような構成によれば、成形品である繊維強化樹脂製歯車は、熱可塑性樹脂、連続繊維、及び短繊維の３種の材料により形成される。熱可塑性樹脂は、加熱により軟化して温度が下がれば硬化することから、熱硬化性樹脂の硬化反応とは異なり、硬化に時間を要しない。したがって、繊維強化樹脂製歯車を熱可塑性樹脂よりなる歯車とすることによって、高い生産性を確保することができる。
【００２３】
（３）本発明の繊維強化樹脂製歯車の製造方法において、好ましくは、前記プリプレグが、前記連続繊維に未硬化の熱硬化性樹脂を含浸させた帯状のプリプレグであり、前記二次材料が、未硬化の短繊維強化熱硬化性樹脂であることを特徴とする。
【００２４】
このような構成によれば、成形品である繊維強化樹脂製歯車は、熱硬化性樹脂、連続繊維、及び短繊維の３種の材料により形成される。熱硬化性樹脂は、硬化反応に時間を要するため、高い生産性を確保することが困難となる反面、熱可塑性樹脂に比べて高い強度を有し機械的性質に優れる。したがって、繊維強化樹脂製歯車を熱硬化性樹脂よりなる歯車とすることによって、この繊維強化樹脂製歯車をより高負荷がかかる部分の歯車として適用することが可能となる。
【００２５】
（４）本発明の繊維強化樹脂製歯車の製造方法において、好ましくは、前記筒状半成形品型内挿入工程及び前記二次材料型内充填工程の間の中間工程として、前記射出成形型内に挿入された前記筒状半成形品を、該筒状半成形品の内側から外側に向かって加圧して、該筒状半成形品の歯部を該射出成形型の前記内面に押し付ける筒状半成形品型内押付工程を備えることを特徴とする。
【００２６】
前述のとおり、二次材料型内充填工程において、筒状半成形品の歯部が射出成形型の内面に押し付けられる。しかし、筒状半成形品の歯部が射出成形型の内面に充分に押し付けられる前に、二次材料が筒状半成形品の外面と射出成形型の内面との間に形成される隙間に漏れ出して充填されると、成形品である繊維強化樹脂製歯車の歯部の表面付近に連続繊維を充分に集積させることができなくなる。
【００２７】
二次材料型内充填工程に先立って、筒状半成形品型内押付工程を実施することによって、筒状半成形品の歯部が射出成形型の内面に充分に押し付けられる。これにより、より確実に歯部の表面付近の繊維体積率を高くすることができる。
【００２８】
（５）本発明の繊維強化樹脂製歯車の製造方法において、好ましくは、前記筒状半成形品型内挿入工程及び前記二次材料型内充填工程の間の中間工程として、前記熱可塑性樹脂が軟化する温度まで前記射出成形型を加熱すると共に、該射出成形型内に挿入された前記筒状半成形品を、該筒状半成形品の内側から外側に向かって加圧して、該筒状半成形品の歯部を該射出成形型の前記内面に押し付ける筒状半成形品型内押付工程を備えることを特徴とする。
【００２９】
このような構成によれば、熱可塑性樹脂からなる筒状半成形品が、加熱により軟化した状態で射出成形型の内面に押し付けられる。したがって、筒状半成形品が軟化して変形しやすい状態であることにより、筒状半成形品を、射出成形型の内面の複雑な凹凸形状に変形追随させて、射出成形型の内面に充分に押し付けることができる。
【００３０】
ここで、射出成形型内に挿入された筒状半成形品を加熱する温度は、熱可塑性樹脂が溶融状態となる融点以上の温度とすることができる。しかし、加熱する温度は、これに限らず、筒状半成形品が容易に変形できる程度に軟化する温度であれば、融点以下の温度であってもよい。
【００３１】
（６）本発明の繊維強化樹脂製歯車の製造方法において、好ましくは、前記筒状半成形品型内押付工程において、前記射出成形型内の前記筒状半成形品よりも内側の型内空間に伸縮性袋を配置すると共に、該伸縮性袋に内圧を加えて該伸縮性袋を膨らませることによって、該筒状半成形品を、該筒状半成形品の内側から外側に向かって加圧することを特徴とする。
【００３２】
単に射出成形型内の筒状半成形品よりも内側の型内空間に内圧をかけただけでは、この内圧が筒状半成形品の外面と射出成形型の内面との間に形成される隙間に漏れると、筒状半成形品を射出成形型の内面に押し付けることが不可能となる。射出成形型内の型内空間に配置した伸縮性袋内に気体や液体等の流体を注入して膨らませば、伸縮性袋の内圧が伸縮性袋から漏れ出すことがないため、筒状半成形品を射出成形型の内面に充分に押し付けることが可能となる。
【発明の効果】
【００３３】
本発明によれば、成形時間や機械加工時間の短縮によって、良好な生産性が確保できると共に、全ての歯部に均等、最適配置、かつ高繊維体積率で連続繊維を配向させることによって、歯部の強度、耐摩耗性、及び品質安定性に優れる繊維強化樹脂製歯車の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の一実施形態における製造方法によって製造された繊維強化樹脂製歯車の斜視図を示している。
【図２】本発明の一実施形態における繊維強化樹脂製歯車の製造方法を説明する作業工程図を示している。
【図３】本発明の一実施形態における筒状半成形品型内押付工程を説明する説明図を示している。
【図４】従来の繊維強化樹脂製歯車の製造方法を説明する断面図であって、（ａ）は圧縮成形型内に繊維強化樹脂を充填した状態、（ｂ）は歯車内の長繊維の配向状態を示している。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下、本発明の繊維強化樹脂製歯車の製造方法の一実施形態について図面を参照しつつ詳しく説明する。
【００３６】
（１）繊維強化樹脂製歯車１の構造
本実施形態の製造方法によって製造された繊維強化樹脂製歯車１の構造を説明する斜視図を図１に示す。なお、図１においては、繊維強化樹脂製歯車１表面の熱可塑性樹脂４を一部剥ぎ取って、内部の連続繊維３が露出した状態を示している。
【００３７】
成形品である繊維強化樹脂製歯車１の軸直角方向の断面形状は、多数の歯部２ａを有する円弧歯形２である。繊維強化樹脂製歯車１の表面付近には、円弧歯形２の形状に沿って、一方向に互いに並行に配列した多数本の連続繊維３が配向しており、多数本の連続繊維３は熱可塑性樹脂４によって固着されている。また、多数本の連続繊維３で囲まれた内部には、短繊維５によって補強された熱可塑性樹脂６が充填されている。
【００３８】
なお、各連続繊維３は繊維強化樹脂製歯車１の軸直角方向の面と平行するように配列されている。連続繊維３を繊維強化樹脂製歯車１の軸直角方向に配列し、かつ円弧歯形２の形状に沿って繊維強化樹脂製歯車１の表面付近に配向することは、歯部２ａの強度及び耐摩耗性を確保する上での最も効果的な繊維の配置となっている。また、繊維強化樹脂製歯車１の全体的な強度の向上は短繊維５によって図られている。
【００３９】
（２）繊維強化樹脂製歯車１の製造方法
上述した繊維強化樹脂製歯車１を製造する本実施形態の製造方法は次のとおりである。図２に示すとおり、本実施形態の製造方法は、（ａ）直線歯形設定、（ｂ）プリプレグ準備、（ｃ）予備加熱、（ｄ）歯形成形、（ｅ）帯状半成形品完成、（ｆ）筒状半成形品成形、（ｇ）筒状半成形品型内挿入・押付、（ｈ）二次材料型内充填、（ｉ）脱型・成形品完成の作業工程を備えている。
【００４０】
ここで、上記（ａ）が本発明における直線歯形設定工程、上記（ｂ）〜（ｅ）が本発明における帯状半成形品成形工程、上記（ｆ）が本発明における筒状半成形品成形工程、上記（ｇ）が本発明における筒状半成形品型内挿入工程及び筒状半成形品型内押付工程、上記（ｈ）が本発明における二次材料型内充填工程に相当する。
【００４１】
（ａ）の直線歯形設定においては、まず、成形品である繊維強化樹脂製歯車１の円弧歯形２と略相似形状で、かつ円弧歯形２よりも小径の第２円弧歯形７を設定する。ここで、第２円弧歯形７の詳細な形状や寸法については、後述するプリプレグ９の厚さを勘案した上で適宜設定する。具体的には、第２円弧歯形７の寸法は、円弧歯形２を少なくともプリプレグ９の厚さ分だけ円弧歯形２の内側にオフセットした形状よりも小さい寸法とする必要がある。次に、設定した第２円弧歯形７を第２円弧歯形７上の一点で切断すると共に、第２円弧歯形７の歯部７ａの形状を維持しつつ直線状に展開して歯部８ａを有する直線歯形８を設定する。
【００４２】
（ｂ）のプリプレグ準備においては、一方向に互いに並行に配列した多数本の連続繊維３に熱可塑性樹脂４を含浸させた帯状のプリプレグ９を準備する。ここで、連続繊維３としては、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、炭化ケイ素繊維、アルミナ繊維などの高強度、高弾性率繊維を単独又は組み合わせて用いることができる。これらの繊維の中で繊維強化樹脂製歯車１の強度の強化効率及び寸法安定性、耐蝕性、摺動性、帯電防止性、軽量化などの機能を付与する面からは炭素繊維が最も好ましい。
【００４３】
また、熱可塑性樹脂４としては、要求される繊維強化樹脂製歯車１の機能から選定されるが、一般的にはナイロン、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ＡＢＳ、ポリフェニレンオキサイド、ポリフェニレンサルファイドやそれらのポリマーアロイが、特に強度、耐熱性が要求される場合は、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルサルフォンなどが用いられる。
【００４４】
（ｃ）の予備加熱、（ｄ）の歯形成形により、準備した帯状のプリプレグ９を、プリプレグ９の帯状に長く延びる方向の切断面の形状が上述した直線歯形８となるように加熱ロールプレス成形する。加熱ロールプレス成形を行うための成形機１０は、加熱器１１と、ロール機１２とを備えている。ロール機１２は上歯車１２ａと下歯車１２ｂとからなり、上歯車１２ａの形状は第２円弧歯形７である。また、下歯車１２ｂの形状は上歯車１２ａと噛み合う円弧歯形である。
【００４５】
プレプリグ９を帯状半成形品１３に成形する方法は次のとおりである。まず、プリプレグ９の両面を加熱器１１で加熱してプレプリグ９の熱可塑性樹脂４を軟化する。次に、プリプレグ９の端部をロール機１２の上歯車１２ａと下歯車１２ｂとの間に挿入して挟み込み、上歯車１２ａを反時計回りに下歯車１２ｂを時計回りに回転させながら、プレプリグ９をロール機１２のプレプリグ９を挿入した側と反対の側に送り出す。これにより、（ｅ）の帯状半成形品完成で示すように、帯状に長く延びる方向の切断面の形状が直線歯形８となるように成形された帯状半成形品１３が完成する。
【００４６】
（ｆ）の筒状半成形品成形においては、帯状半成形品１３の丸めと積層を行う。帯状半成形品１３を、帯状半成形品１３の外面が第２円弧歯形７と略同一形状となるように丸めて筒状とする。この際、帯状半成形品１３の歯部８ａ同士が複数回重なるように丸めることにより積層して、筒状となった筒状半成形品１４の歯部７ａの繊維体積率を高める。なお、図２においては、帯状半成形品１３の歯部８ａ同士が少なくとも２回重なるように帯状半成形品１３を丸めている。
【００４７】
（ｇ）の筒状半成形品型内挿入・押付においては、筒状半成形品１４を、円弧歯形２の内面を有する射出成形型１５の型内空間に挿入する。この際、筒状半成形品１４の歯部７ａを、射出成形型１５の歯部成形用凹部１５ａに沿わせつつ、射出成形型１５の型内空間に挿入する。次に、射出成形型１５内に挿入された筒状半成形品１４を、筒状半成形品１４の内側から外側に向かって加圧して、筒状半成形品１４の歯部７ａを射出成形型１５の内面に押し付ける。
【００４８】
筒状半成形品１４を射出成形型１５の内面に押し付けている状況は図３に示すとおりである。まず、射出成形型１５内の筒状半成形品１４よりも内側の型内空間に伸縮性袋１７（例えば、シリコンブラダー）を配置する。続いて、伸縮性袋１７内に気体や液体等の流体を注入することにより伸縮性袋１７の内圧ｐを増加させて、伸縮性袋１７を膨らませる。これにより、筒状半成形品１４は、筒状半成形品１４の内側から外側に向かって加圧されて、筒状半成形品１４の歯部７ａが射出成形型１５の内面に押し付けられる。
【００４９】
筒状半成形品１４を射出成形型１５の内面に押し付ける際には、射出成形型１５の型内温度が筒状半成形品１４に含まれている熱可塑性樹脂４の融点以上の温度となるように図示しない加熱器により射出成形型１５を加熱する。これにより、筒状半成形品１４が加熱により軟化して変形しやすい状態となる。
【００５０】
（ｈ）の二次材料型内充填においては、熱可塑性樹脂６に短繊維５を混合した二次材料１６に熱を加えて溶融状態とし、この溶融状態の二次材料１６を射出成形型１５内の筒状半成形品１４よりも内側の型内空間に充填する。ここで、短繊維５としては、上述した連続繊維３と同様の材料を用いることができる。また、熱可塑性樹脂６としては、上述したプレプリグ９の熱可塑性樹脂４と同様の材料を用いることができる。
【００５１】
接合一体化の観点からは熱可塑性樹脂４と熱可塑性樹脂６とは同一の材料であることが望ましい。熱可塑性樹脂４と熱可塑性樹脂６とを同一の材料とすることによって、溶融状態の二次材料１６の熱によって、筒状半成形品１４の熱可塑性樹脂４も溶融状態となり、熱可塑性樹脂４と熱可塑性樹脂６とが接合一体化される。
【００５２】
なお、図に示すとおり射出成形型１５の型内空間には断面形状が円形の内型が配置されており、この内型によって繊維強化樹脂製歯車１に円形の貫通孔が形成される。この貫通孔は、繊維強化樹脂製歯車１に軸を挿入するための貫通孔となる。
【００５３】
（ｉ）の脱型・成形品完成においては、熱可塑性樹脂４と熱可塑性樹脂６の温度が低下して硬化した後に、射出成形型１５の脱型を行い、繊維強化樹脂製歯車１を完成する。
【００５４】
（３）繊維強化樹脂製歯車１の製造方法による効果
本実施形態の繊維強化樹脂製歯車１の製造方法による効果は次のとおりである。成形品である繊維強化樹脂製歯車１は、同一材料の熱可塑性樹脂４及び６、連続繊維３、及び短繊維５の３種の材料により形成される。熱可塑性樹脂は、加熱により軟化して温度が下がれば硬化することから、熱硬化性樹脂の硬化反応とは異なり、硬化に時間を要しない。したがって、繊維強化樹脂製歯車１を熱可塑性樹脂よりなる歯車とすることによって、高い生産性を確保することができる。
【００５５】
また、帯状のプリプレグ９を、プリプレグ９の帯状に長く延びる方向の切断面の形状が直線歯形８となる帯状半成形品１３として成形するのに、加熱ロールプレス成形を用いるため、効率良く連続的にプリプレグ９を成形することができる。
【００５６】
また、帯状半成形品１３の歯部８ａ同士が複数回重なるように丸めることによって筒状半成形品１４が成形されているため、筒状半成形品１４の歯部７ａの繊維体積率が高い。
【００５７】
また、帯状半成形品１３を筒状に丸めて形状を整えた後に、筒状となった筒状半成形品１４を射出成形型１５の型内空間に挿入するため、帯状半成形品１３を筒状に丸めずに、帯状半成形品１３の歯部８ａの一つずつを射出成形型１５の歯部成形用凹部１５ａの一つずつに噛み合わせながら、帯状半成形品１３を射出成形型１５の型内空間に巻き付ける場合よりも、作業効率が良好となる。
【００５８】
また、筒状半成形品１４を射出成形型１５の内面に沿って挿入する際には、筒状半成形品１４の歯部７ａを、射出成形型１５の歯部成形用凹部１５ａに沿わせつつ、射出成形型１５の型内空間に挿入するため、射出成形型１５の内面に対して、筒状半成形品１４がずれることがなく、筒状半成形品１４を正確な位置に配置することができる。
【００５９】
また、伸縮性袋１７を膨らますことによって、筒状半成形品１４を射出成形型１５の内面に押し付けるため、伸縮性袋１７の内圧ｐが伸縮性袋１７から漏れ出すことがなく、筒状半成形品１４を射出成形型１５の内面に充分に押し付けることが可能である。このため、成形品である繊維強化樹脂製歯車１の歯部２ａの表面付近には連続繊維３が集積し、歯部２ａの表面付近の繊維体積率を高くすることができる。
【００６０】
また、筒状半成形品１４が、加熱により軟化した状態で射出成形型１５の内面に押し付けられる。したがって、筒状半成形品１４が軟化して変形しやすい状態であることにより、筒状半成形品１４を、射出成形型１５の内面の複雑な凹凸形状に変形追随させて、射出成形型１５の内面に充分に押し付けることができる。
【００６１】
したがって、以上のような本実施形態の構成によると、成形時間や機械加工時間の短縮によって、良好な生産性が確保できると共に、全ての歯部に均等、最適配置、かつ高繊維体積率で連続繊維を配向させることによって、歯部の強度、耐摩耗性、及び品質安定性に優れる繊維強化樹脂製歯車を製造することができる。
【００６２】
（４）その他の実施形態
なお、本発明の繊維強化樹脂製歯車の製造方法は、上述した一実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、当業者が行い得る変更、改良等を施した種々の形態にて実施することができる。
【００６３】
例えば、本実施形態においては、一方向に互いに並行に配列した多数本の連続繊維３に熱可塑性樹脂４を含浸させた帯状のプリプレグ９を用いているが、多数本の連続繊維３が、多数本の補助糸により編み込まれている織布に熱可塑性樹脂４を含浸させた帯状のプリプレグを用いることもできる。
【００６４】
また、本実施形態においては、帯状のプリプレグ９を帯状半成形品１３として成形する成形方法として加熱ロールプレス成形を用いたが、成形方法はこれに限らず、プレス成形、スタンピング成形、真空成形、圧空成形などの様々な成形方法を用いることができる。
【００６５】
また、本実施形態においては、繊維強化樹脂製歯車１の断面形状を真円の円弧歯形２としたが、繊維強化樹脂製歯車１の断面形状を楕円の円弧歯形とすることもできる。
【００６６】
また、本実施形態においては、射出成形型１５内に挿入された筒状半成形品１４を、筒状半成形品１４に含まれている熱可塑性樹脂４の融点以上の温度となるように加熱したが、加熱する温度は、これに限らず、筒状半成形品１４が容易に変形できる程度に軟化する温度であれば、融点以下の温度であってもよい。
【００６７】
また、本実施形態においては、繊維強化樹脂製歯車１を形成する樹脂を熱可塑性樹脂としたが、熱硬化性樹脂により繊維強化樹脂製歯車を形成してもよい。繊維強化樹脂製歯車を熱硬化性樹脂よりなる歯車とする場合、例えば、以下のとおり歯車を製造することができる。
【００６８】
形状保持可能な程度の可塑性を有する未硬化の熱硬化性樹脂からなるプリプレグに、熱を加えずに直線歯形８を成形して帯状半成形品とする。そして、この帯状半成形品を本実施形態と同様に丸めて筒状半成形品とする。
【００６９】
この筒状半成形品を、射出成形型１５内に挿入した後、筒状半成形品の内側に配置した伸縮性袋１７を膨らませて、筒状半成形品を射出成形型１５の内面に押し付ける。この際、筒状半成形品の加熱は行わない。
【００７０】
その後、筒状半成形品の内側に、未硬化の短繊維強化熱硬化性樹脂を二次材料として加圧充填する。その後、射出成形型１５に熱硬化性樹脂の硬化温度以上の熱を加えて、熱硬化性樹脂を硬化させる。
【００７１】
また、これとは別の加熱方法として、筒状半成形品の内側に、熱硬化性樹脂の硬化温度以上の熱が加えられた未硬化の短繊維強化熱硬化性樹脂を二次材料として加圧充填することもできる。この場合、射出成形型１５内の筒状半成形品は、二次材料の熱を受けて熱硬化性樹脂の硬化温度以上の温度まで加熱される。
【００７２】
熱硬化性樹脂は、熱可塑性樹脂に比べて高い強度を有し機械的性質に優れる。したがって、繊維強化樹脂製歯車を熱硬化性樹脂よりなる歯車とすることによって、この繊維強化樹脂製歯車をより高負荷がかかる部分の歯車として適用することが可能となる。
【符号の説明】
【００７３】
１ … 繊維強化樹脂製歯車（成形品）２ … 円弧歯形
２ａ … 歯部 ３ … 連続繊維
４ … 熱可塑性樹脂 ５ … 短繊維
６ … 熱可塑性樹脂 ７ … 第２円弧歯形
７ａ … 歯部 ８ … 直線歯形
８ａ … 歯部 ９ … プリプレグ
１３ … 帯状半成形品 １４ … 筒状半成形品
１５ … 射出成形型 １５ａ … 歯部成形用凹部
１６ … 二次材料 １７ … 伸縮性袋
【技術分野】
【０００１】
本発明は、繊維強化樹脂からなる歯車の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、金属製の歯車に代わって樹脂製の歯車が普及してきている。この樹脂製の歯車は、駆動時に発生する騒音を低減でき、さらに軽量化が図れるため利用価値の高いものとなっている。単に樹脂を歯車として成形するだけでは、歯車同士が大きな動力を伝達する際に歯部が欠けてしまうという問題があり、この問題を解決するために、歯部の強度と耐摩耗性に優れた繊維強化樹脂製の歯車が各種実用化されている。
【０００３】
歯部の強度と耐摩耗性に優れた繊維強化樹脂製歯車の製造方法として、例えば、繊維を歯部の歯先方向に揃うように配向させることが可能な特許文献１に記載の製造方法がある。また、繊維の配向を歯部の形状に沿わせて、かつ歯部の繊維体積率を高めることが可能な特許文献２に記載の製造方法がある。
【０００４】
特許文献１に記載されている従来の繊維強化樹脂製歯車の製造方法は、まず、長繊維に熱可塑性樹脂を含浸させたシート状のプリプレグを、長繊維の配列方向が各層間で角度を有するように偏位させつつ積層し、疑似等方性の積層板を得る。そして、この積層板を加熱して熱可塑性樹脂を溶融した後に加圧して積層板を一体化する。この一体化した積層板を歯車の形状に打ち抜くことによって厚みの薄い歯車を直接得るか、または、この厚みの薄い歯車をさらに積層して加熱圧縮成形することにより任意の厚みの歯車を製造するものである。
【０００５】
このように製造された繊維強化樹脂製歯車においては、長繊維を歯車の軸直角方向に等方に配列することによって、全ての歯部を、歯部の歯先方向に配向した長繊維によって均等に強化することができる。
【０００６】
特許文献２に記載されている従来の繊維強化樹脂製歯車の製造方法を説明する断面図を図４に示す。図４（ａ）は圧縮成形型内に繊維強化樹脂を充填した状態、図４（ｂ）は歯車内の長繊維の配向状態を示している。
【０００７】
この製造方法においては、まず、図４（ａ）に示すように、歯車を成形する形状に型内空間が形成された圧縮成形型５０の内面に、熱硬化性の長繊維強化樹脂６０を環状に装填する。続いて、圧縮成形型５０内の長繊維強化樹脂６０よりも内側の型内空間に熱硬化性の短繊維強化樹脂７０を充填する。その後、圧縮成形型５０を加熱して、長繊維強化樹脂６０及び短繊維強化樹脂７０を溶融状態とし、圧縮成形型５０を圧縮成形型５０の軸線周りに回転させつつ、圧縮成形型５０の軸方向から加圧する。
【０００８】
このように圧縮成形型５０を回転させながら圧縮成形を行うことによって、回転時の遠心力により、長繊維強化樹脂６０内の長繊維６０ａが、圧縮成形型５０の歯部成形用凹部５０ａの形状に沿って押し出される。
【０００９】
これにより、図４（ｂ）に示すように、長繊維６０ａが繊維強化樹脂製歯車８０の歯部８０ａの形状に沿って配向され、かつ長繊維６０ａが歯部８０ａの表面付近に集積するため、歯部８０ａの表面付近の繊維体積率を確保することができる。したがって、この製造方法で製造された繊維強化樹脂製歯車８０は、高い強度及び耐摩耗性を有する歯部８０ａを備えるものとなる。なお、繊維強化樹脂製歯車８０の全体的な強度の向上は短繊維強化樹脂７０内の短繊維７０ａによって図られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平６−１１４８６３号公報
【特許文献２】特開昭６４−９７２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、特許文献１に記載されている従来の繊維強化樹脂製歯車の製造方法においては、シート状のプリプレグの積層及び一体化後に、この一体化した積層板を歯車の形状に打ち抜くと共に、必要に応じて、打ち抜き後の積層板をさらに積層して加熱圧縮成形するという多くの工程が必要となる。このため、成形時間や機械加工時間が長く、生産性が悪いという問題がある。
【００１２】
特許文献２に記載されている従来の繊維強化樹脂製歯車の製造方法においては、熱硬化性樹脂の硬化反応に時間を要するため、生産性が悪いという問題がある。また、圧縮成形型５０を回転させる遠心力によって、長繊維６０ａを歯部成形用凹部５０ａの形状に沿って押し出す構成であるために、長繊維６０ａの伸び量のばらつきにより、全ての歯部８０ａの長繊維６０ａの配向と繊維体積率を均等に揃えることが難しい。すなわち、歯部８０ａの強度と耐摩耗性に関する品質を一定に保つことが難しい。
【００１３】
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、成形時間や機械加工時間の短縮によって、良好な生産性が確保できると共に、全ての歯部に均等、最適配置、かつ高繊維体積率で連続繊維を配向させることによって、歯部の強度、耐摩耗性、及び品質安定性に優れる繊維強化樹脂製歯車の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
以下、上記課題を解決するのに適した各手段につき、必要に応じて作用効果等を付記しつつ説明する。
【００１５】
（１）本発明の繊維強化樹脂製歯車の製造方法は、成形品の円弧歯形と略相似形状で、かつ該円弧歯形よりも小径の第２円弧歯形を展開して直線歯形を設定する直線歯形設定工程と、連続繊維に樹脂を含浸させた帯状のプリプレグを、該プリプレグの帯状に長く延びる方向の切断面の形状が前記直線歯形となるように成形して帯状半成形品を得る帯状半成形品成形工程と、前記帯状半成形品を、該帯状半成形品の外面が前記第２円弧歯形と略同一形状となると共に、該帯状半成形品の歯部同士が複数回重なるように丸めて筒状半成形品を得る筒状半成形品成形工程と、前記筒状半成形品の歯部を、前記円弧歯形の内面を有する射出成形型の歯部成形用凹部に沿わせて、該筒状半成形品を該射出成形型の型内空間に挿入する筒状半成形品型内挿入工程と、前記筒状半成形品型内挿入工程の後工程として、前記射出成形型内の前記筒状半成形品よりも内側の型内空間に、短繊維強化樹脂からなる二次材料を加圧充填して硬化させることにより成形品を得る二次材料型内充填工程と、を備えることを特徴とする。
【００１６】
周知のとおり、帯状のプリプレグを、プリプレグの帯状に長く延びる方向の切断面の形状が直線歯形となるように帯状半成形品として成形するには、例えばロール機等の成形機を用いて、効率良く連続的に成形することができる。
【００１７】
また、帯状半成形品の歯部同士が複数回重なるように丸めることによって筒状半成形品が成形されているため、帯状半成形品の歯部の重ね回数を多くすることによって、筒状半成形品の歯部の繊維体積率を高くすることができる。
【００１８】
また、筒状半成形品の外面の凹凸形状と、射出成形型の内面の凹凸形状とが噛み合うように、筒状半成形品を射出成形型の型内空間に挿入することによって、射出成形型の内面に対して、筒状半成形品がずれることがなく、筒状半成形品を正確な位置に配置することができる。
【００１９】
また、二次材料型内充填工程において、筒状半成形品の内側に二次材料を加圧充填するため、筒状半成形品の歯部が射出成形型の内面に押し付けられる。このため、成形品である繊維強化樹脂製歯車の歯部の表面付近には連続繊維が集積し、歯部の表面付近の繊維体積率を高くすることができる。
【００２０】
したがって、以上のような本発明の構成によると、成形時間や機械加工時間の短縮によって、良好な生産性が確保できると共に、全ての歯部に均等、最適配置、かつ高繊維体積率で連続繊維を配向させることによって、歯部の強度、耐摩耗性、及び品質安定性に優れる繊維強化樹脂製歯車を製造することができる。
【００２１】
（２）本発明の繊維強化樹脂製歯車の製造方法において、好ましくは、前記プリプレグが、前記連続繊維に熱可塑性樹脂を含浸させた帯状のプリプレグであり、前記二次材料が、短繊維強化熱可塑性樹脂であることを特徴とする。
【００２２】
このような構成によれば、成形品である繊維強化樹脂製歯車は、熱可塑性樹脂、連続繊維、及び短繊維の３種の材料により形成される。熱可塑性樹脂は、加熱により軟化して温度が下がれば硬化することから、熱硬化性樹脂の硬化反応とは異なり、硬化に時間を要しない。したがって、繊維強化樹脂製歯車を熱可塑性樹脂よりなる歯車とすることによって、高い生産性を確保することができる。
【００２３】
（３）本発明の繊維強化樹脂製歯車の製造方法において、好ましくは、前記プリプレグが、前記連続繊維に未硬化の熱硬化性樹脂を含浸させた帯状のプリプレグであり、前記二次材料が、未硬化の短繊維強化熱硬化性樹脂であることを特徴とする。
【００２４】
このような構成によれば、成形品である繊維強化樹脂製歯車は、熱硬化性樹脂、連続繊維、及び短繊維の３種の材料により形成される。熱硬化性樹脂は、硬化反応に時間を要するため、高い生産性を確保することが困難となる反面、熱可塑性樹脂に比べて高い強度を有し機械的性質に優れる。したがって、繊維強化樹脂製歯車を熱硬化性樹脂よりなる歯車とすることによって、この繊維強化樹脂製歯車をより高負荷がかかる部分の歯車として適用することが可能となる。
【００２５】
（４）本発明の繊維強化樹脂製歯車の製造方法において、好ましくは、前記筒状半成形品型内挿入工程及び前記二次材料型内充填工程の間の中間工程として、前記射出成形型内に挿入された前記筒状半成形品を、該筒状半成形品の内側から外側に向かって加圧して、該筒状半成形品の歯部を該射出成形型の前記内面に押し付ける筒状半成形品型内押付工程を備えることを特徴とする。
【００２６】
前述のとおり、二次材料型内充填工程において、筒状半成形品の歯部が射出成形型の内面に押し付けられる。しかし、筒状半成形品の歯部が射出成形型の内面に充分に押し付けられる前に、二次材料が筒状半成形品の外面と射出成形型の内面との間に形成される隙間に漏れ出して充填されると、成形品である繊維強化樹脂製歯車の歯部の表面付近に連続繊維を充分に集積させることができなくなる。
【００２７】
二次材料型内充填工程に先立って、筒状半成形品型内押付工程を実施することによって、筒状半成形品の歯部が射出成形型の内面に充分に押し付けられる。これにより、より確実に歯部の表面付近の繊維体積率を高くすることができる。
【００２８】
（５）本発明の繊維強化樹脂製歯車の製造方法において、好ましくは、前記筒状半成形品型内挿入工程及び前記二次材料型内充填工程の間の中間工程として、前記熱可塑性樹脂が軟化する温度まで前記射出成形型を加熱すると共に、該射出成形型内に挿入された前記筒状半成形品を、該筒状半成形品の内側から外側に向かって加圧して、該筒状半成形品の歯部を該射出成形型の前記内面に押し付ける筒状半成形品型内押付工程を備えることを特徴とする。
【００２９】
このような構成によれば、熱可塑性樹脂からなる筒状半成形品が、加熱により軟化した状態で射出成形型の内面に押し付けられる。したがって、筒状半成形品が軟化して変形しやすい状態であることにより、筒状半成形品を、射出成形型の内面の複雑な凹凸形状に変形追随させて、射出成形型の内面に充分に押し付けることができる。
【００３０】
ここで、射出成形型内に挿入された筒状半成形品を加熱する温度は、熱可塑性樹脂が溶融状態となる融点以上の温度とすることができる。しかし、加熱する温度は、これに限らず、筒状半成形品が容易に変形できる程度に軟化する温度であれば、融点以下の温度であってもよい。
【００３１】
（６）本発明の繊維強化樹脂製歯車の製造方法において、好ましくは、前記筒状半成形品型内押付工程において、前記射出成形型内の前記筒状半成形品よりも内側の型内空間に伸縮性袋を配置すると共に、該伸縮性袋に内圧を加えて該伸縮性袋を膨らませることによって、該筒状半成形品を、該筒状半成形品の内側から外側に向かって加圧することを特徴とする。
【００３２】
単に射出成形型内の筒状半成形品よりも内側の型内空間に内圧をかけただけでは、この内圧が筒状半成形品の外面と射出成形型の内面との間に形成される隙間に漏れると、筒状半成形品を射出成形型の内面に押し付けることが不可能となる。射出成形型内の型内空間に配置した伸縮性袋内に気体や液体等の流体を注入して膨らませば、伸縮性袋の内圧が伸縮性袋から漏れ出すことがないため、筒状半成形品を射出成形型の内面に充分に押し付けることが可能となる。
【発明の効果】
【００３３】
本発明によれば、成形時間や機械加工時間の短縮によって、良好な生産性が確保できると共に、全ての歯部に均等、最適配置、かつ高繊維体積率で連続繊維を配向させることによって、歯部の強度、耐摩耗性、及び品質安定性に優れる繊維強化樹脂製歯車の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の一実施形態における製造方法によって製造された繊維強化樹脂製歯車の斜視図を示している。
【図２】本発明の一実施形態における繊維強化樹脂製歯車の製造方法を説明する作業工程図を示している。
【図３】本発明の一実施形態における筒状半成形品型内押付工程を説明する説明図を示している。
【図４】従来の繊維強化樹脂製歯車の製造方法を説明する断面図であって、（ａ）は圧縮成形型内に繊維強化樹脂を充填した状態、（ｂ）は歯車内の長繊維の配向状態を示している。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下、本発明の繊維強化樹脂製歯車の製造方法の一実施形態について図面を参照しつつ詳しく説明する。
【００３６】
（１）繊維強化樹脂製歯車１の構造
本実施形態の製造方法によって製造された繊維強化樹脂製歯車１の構造を説明する斜視図を図１に示す。なお、図１においては、繊維強化樹脂製歯車１表面の熱可塑性樹脂４を一部剥ぎ取って、内部の連続繊維３が露出した状態を示している。
【００３７】
成形品である繊維強化樹脂製歯車１の軸直角方向の断面形状は、多数の歯部２ａを有する円弧歯形２である。繊維強化樹脂製歯車１の表面付近には、円弧歯形２の形状に沿って、一方向に互いに並行に配列した多数本の連続繊維３が配向しており、多数本の連続繊維３は熱可塑性樹脂４によって固着されている。また、多数本の連続繊維３で囲まれた内部には、短繊維５によって補強された熱可塑性樹脂６が充填されている。
【００３８】
なお、各連続繊維３は繊維強化樹脂製歯車１の軸直角方向の面と平行するように配列されている。連続繊維３を繊維強化樹脂製歯車１の軸直角方向に配列し、かつ円弧歯形２の形状に沿って繊維強化樹脂製歯車１の表面付近に配向することは、歯部２ａの強度及び耐摩耗性を確保する上での最も効果的な繊維の配置となっている。また、繊維強化樹脂製歯車１の全体的な強度の向上は短繊維５によって図られている。
【００３９】
（２）繊維強化樹脂製歯車１の製造方法
上述した繊維強化樹脂製歯車１を製造する本実施形態の製造方法は次のとおりである。図２に示すとおり、本実施形態の製造方法は、（ａ）直線歯形設定、（ｂ）プリプレグ準備、（ｃ）予備加熱、（ｄ）歯形成形、（ｅ）帯状半成形品完成、（ｆ）筒状半成形品成形、（ｇ）筒状半成形品型内挿入・押付、（ｈ）二次材料型内充填、（ｉ）脱型・成形品完成の作業工程を備えている。
【００４０】
ここで、上記（ａ）が本発明における直線歯形設定工程、上記（ｂ）〜（ｅ）が本発明における帯状半成形品成形工程、上記（ｆ）が本発明における筒状半成形品成形工程、上記（ｇ）が本発明における筒状半成形品型内挿入工程及び筒状半成形品型内押付工程、上記（ｈ）が本発明における二次材料型内充填工程に相当する。
【００４１】
（ａ）の直線歯形設定においては、まず、成形品である繊維強化樹脂製歯車１の円弧歯形２と略相似形状で、かつ円弧歯形２よりも小径の第２円弧歯形７を設定する。ここで、第２円弧歯形７の詳細な形状や寸法については、後述するプリプレグ９の厚さを勘案した上で適宜設定する。具体的には、第２円弧歯形７の寸法は、円弧歯形２を少なくともプリプレグ９の厚さ分だけ円弧歯形２の内側にオフセットした形状よりも小さい寸法とする必要がある。次に、設定した第２円弧歯形７を第２円弧歯形７上の一点で切断すると共に、第２円弧歯形７の歯部７ａの形状を維持しつつ直線状に展開して歯部８ａを有する直線歯形８を設定する。
【００４２】
（ｂ）のプリプレグ準備においては、一方向に互いに並行に配列した多数本の連続繊維３に熱可塑性樹脂４を含浸させた帯状のプリプレグ９を準備する。ここで、連続繊維３としては、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、炭化ケイ素繊維、アルミナ繊維などの高強度、高弾性率繊維を単独又は組み合わせて用いることができる。これらの繊維の中で繊維強化樹脂製歯車１の強度の強化効率及び寸法安定性、耐蝕性、摺動性、帯電防止性、軽量化などの機能を付与する面からは炭素繊維が最も好ましい。
【００４３】
また、熱可塑性樹脂４としては、要求される繊維強化樹脂製歯車１の機能から選定されるが、一般的にはナイロン、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ＡＢＳ、ポリフェニレンオキサイド、ポリフェニレンサルファイドやそれらのポリマーアロイが、特に強度、耐熱性が要求される場合は、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルサルフォンなどが用いられる。
【００４４】
（ｃ）の予備加熱、（ｄ）の歯形成形により、準備した帯状のプリプレグ９を、プリプレグ９の帯状に長く延びる方向の切断面の形状が上述した直線歯形８となるように加熱ロールプレス成形する。加熱ロールプレス成形を行うための成形機１０は、加熱器１１と、ロール機１２とを備えている。ロール機１２は上歯車１２ａと下歯車１２ｂとからなり、上歯車１２ａの形状は第２円弧歯形７である。また、下歯車１２ｂの形状は上歯車１２ａと噛み合う円弧歯形である。
【００４５】
プレプリグ９を帯状半成形品１３に成形する方法は次のとおりである。まず、プリプレグ９の両面を加熱器１１で加熱してプレプリグ９の熱可塑性樹脂４を軟化する。次に、プリプレグ９の端部をロール機１２の上歯車１２ａと下歯車１２ｂとの間に挿入して挟み込み、上歯車１２ａを反時計回りに下歯車１２ｂを時計回りに回転させながら、プレプリグ９をロール機１２のプレプリグ９を挿入した側と反対の側に送り出す。これにより、（ｅ）の帯状半成形品完成で示すように、帯状に長く延びる方向の切断面の形状が直線歯形８となるように成形された帯状半成形品１３が完成する。
【００４６】
（ｆ）の筒状半成形品成形においては、帯状半成形品１３の丸めと積層を行う。帯状半成形品１３を、帯状半成形品１３の外面が第２円弧歯形７と略同一形状となるように丸めて筒状とする。この際、帯状半成形品１３の歯部８ａ同士が複数回重なるように丸めることにより積層して、筒状となった筒状半成形品１４の歯部７ａの繊維体積率を高める。なお、図２においては、帯状半成形品１３の歯部８ａ同士が少なくとも２回重なるように帯状半成形品１３を丸めている。
【００４７】
（ｇ）の筒状半成形品型内挿入・押付においては、筒状半成形品１４を、円弧歯形２の内面を有する射出成形型１５の型内空間に挿入する。この際、筒状半成形品１４の歯部７ａを、射出成形型１５の歯部成形用凹部１５ａに沿わせつつ、射出成形型１５の型内空間に挿入する。次に、射出成形型１５内に挿入された筒状半成形品１４を、筒状半成形品１４の内側から外側に向かって加圧して、筒状半成形品１４の歯部７ａを射出成形型１５の内面に押し付ける。
【００４８】
筒状半成形品１４を射出成形型１５の内面に押し付けている状況は図３に示すとおりである。まず、射出成形型１５内の筒状半成形品１４よりも内側の型内空間に伸縮性袋１７（例えば、シリコンブラダー）を配置する。続いて、伸縮性袋１７内に気体や液体等の流体を注入することにより伸縮性袋１７の内圧ｐを増加させて、伸縮性袋１７を膨らませる。これにより、筒状半成形品１４は、筒状半成形品１４の内側から外側に向かって加圧されて、筒状半成形品１４の歯部７ａが射出成形型１５の内面に押し付けられる。
【００４９】
筒状半成形品１４を射出成形型１５の内面に押し付ける際には、射出成形型１５の型内温度が筒状半成形品１４に含まれている熱可塑性樹脂４の融点以上の温度となるように図示しない加熱器により射出成形型１５を加熱する。これにより、筒状半成形品１４が加熱により軟化して変形しやすい状態となる。
【００５０】
（ｈ）の二次材料型内充填においては、熱可塑性樹脂６に短繊維５を混合した二次材料１６に熱を加えて溶融状態とし、この溶融状態の二次材料１６を射出成形型１５内の筒状半成形品１４よりも内側の型内空間に充填する。ここで、短繊維５としては、上述した連続繊維３と同様の材料を用いることができる。また、熱可塑性樹脂６としては、上述したプレプリグ９の熱可塑性樹脂４と同様の材料を用いることができる。
【００５１】
接合一体化の観点からは熱可塑性樹脂４と熱可塑性樹脂６とは同一の材料であることが望ましい。熱可塑性樹脂４と熱可塑性樹脂６とを同一の材料とすることによって、溶融状態の二次材料１６の熱によって、筒状半成形品１４の熱可塑性樹脂４も溶融状態となり、熱可塑性樹脂４と熱可塑性樹脂６とが接合一体化される。
【００５２】
なお、図に示すとおり射出成形型１５の型内空間には断面形状が円形の内型が配置されており、この内型によって繊維強化樹脂製歯車１に円形の貫通孔が形成される。この貫通孔は、繊維強化樹脂製歯車１に軸を挿入するための貫通孔となる。
【００５３】
（ｉ）の脱型・成形品完成においては、熱可塑性樹脂４と熱可塑性樹脂６の温度が低下して硬化した後に、射出成形型１５の脱型を行い、繊維強化樹脂製歯車１を完成する。
【００５４】
（３）繊維強化樹脂製歯車１の製造方法による効果
本実施形態の繊維強化樹脂製歯車１の製造方法による効果は次のとおりである。成形品である繊維強化樹脂製歯車１は、同一材料の熱可塑性樹脂４及び６、連続繊維３、及び短繊維５の３種の材料により形成される。熱可塑性樹脂は、加熱により軟化して温度が下がれば硬化することから、熱硬化性樹脂の硬化反応とは異なり、硬化に時間を要しない。したがって、繊維強化樹脂製歯車１を熱可塑性樹脂よりなる歯車とすることによって、高い生産性を確保することができる。
【００５５】
また、帯状のプリプレグ９を、プリプレグ９の帯状に長く延びる方向の切断面の形状が直線歯形８となる帯状半成形品１３として成形するのに、加熱ロールプレス成形を用いるため、効率良く連続的にプリプレグ９を成形することができる。
【００５６】
また、帯状半成形品１３の歯部８ａ同士が複数回重なるように丸めることによって筒状半成形品１４が成形されているため、筒状半成形品１４の歯部７ａの繊維体積率が高い。
【００５７】
また、帯状半成形品１３を筒状に丸めて形状を整えた後に、筒状となった筒状半成形品１４を射出成形型１５の型内空間に挿入するため、帯状半成形品１３を筒状に丸めずに、帯状半成形品１３の歯部８ａの一つずつを射出成形型１５の歯部成形用凹部１５ａの一つずつに噛み合わせながら、帯状半成形品１３を射出成形型１５の型内空間に巻き付ける場合よりも、作業効率が良好となる。
【００５８】
また、筒状半成形品１４を射出成形型１５の内面に沿って挿入する際には、筒状半成形品１４の歯部７ａを、射出成形型１５の歯部成形用凹部１５ａに沿わせつつ、射出成形型１５の型内空間に挿入するため、射出成形型１５の内面に対して、筒状半成形品１４がずれることがなく、筒状半成形品１４を正確な位置に配置することができる。
【００５９】
また、伸縮性袋１７を膨らますことによって、筒状半成形品１４を射出成形型１５の内面に押し付けるため、伸縮性袋１７の内圧ｐが伸縮性袋１７から漏れ出すことがなく、筒状半成形品１４を射出成形型１５の内面に充分に押し付けることが可能である。このため、成形品である繊維強化樹脂製歯車１の歯部２ａの表面付近には連続繊維３が集積し、歯部２ａの表面付近の繊維体積率を高くすることができる。
【００６０】
また、筒状半成形品１４が、加熱により軟化した状態で射出成形型１５の内面に押し付けられる。したがって、筒状半成形品１４が軟化して変形しやすい状態であることにより、筒状半成形品１４を、射出成形型１５の内面の複雑な凹凸形状に変形追随させて、射出成形型１５の内面に充分に押し付けることができる。
【００６１】
したがって、以上のような本実施形態の構成によると、成形時間や機械加工時間の短縮によって、良好な生産性が確保できると共に、全ての歯部に均等、最適配置、かつ高繊維体積率で連続繊維を配向させることによって、歯部の強度、耐摩耗性、及び品質安定性に優れる繊維強化樹脂製歯車を製造することができる。
【００６２】
（４）その他の実施形態
なお、本発明の繊維強化樹脂製歯車の製造方法は、上述した一実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、当業者が行い得る変更、改良等を施した種々の形態にて実施することができる。
【００６３】
例えば、本実施形態においては、一方向に互いに並行に配列した多数本の連続繊維３に熱可塑性樹脂４を含浸させた帯状のプリプレグ９を用いているが、多数本の連続繊維３が、多数本の補助糸により編み込まれている織布に熱可塑性樹脂４を含浸させた帯状のプリプレグを用いることもできる。
【００６４】
また、本実施形態においては、帯状のプリプレグ９を帯状半成形品１３として成形する成形方法として加熱ロールプレス成形を用いたが、成形方法はこれに限らず、プレス成形、スタンピング成形、真空成形、圧空成形などの様々な成形方法を用いることができる。
【００６５】
また、本実施形態においては、繊維強化樹脂製歯車１の断面形状を真円の円弧歯形２としたが、繊維強化樹脂製歯車１の断面形状を楕円の円弧歯形とすることもできる。
【００６６】
また、本実施形態においては、射出成形型１５内に挿入された筒状半成形品１４を、筒状半成形品１４に含まれている熱可塑性樹脂４の融点以上の温度となるように加熱したが、加熱する温度は、これに限らず、筒状半成形品１４が容易に変形できる程度に軟化する温度であれば、融点以下の温度であってもよい。
【００６７】
また、本実施形態においては、繊維強化樹脂製歯車１を形成する樹脂を熱可塑性樹脂としたが、熱硬化性樹脂により繊維強化樹脂製歯車を形成してもよい。繊維強化樹脂製歯車を熱硬化性樹脂よりなる歯車とする場合、例えば、以下のとおり歯車を製造することができる。
【００６８】
形状保持可能な程度の可塑性を有する未硬化の熱硬化性樹脂からなるプリプレグに、熱を加えずに直線歯形８を成形して帯状半成形品とする。そして、この帯状半成形品を本実施形態と同様に丸めて筒状半成形品とする。
【００６９】
この筒状半成形品を、射出成形型１５内に挿入した後、筒状半成形品の内側に配置した伸縮性袋１７を膨らませて、筒状半成形品を射出成形型１５の内面に押し付ける。この際、筒状半成形品の加熱は行わない。
【００７０】
その後、筒状半成形品の内側に、未硬化の短繊維強化熱硬化性樹脂を二次材料として加圧充填する。その後、射出成形型１５に熱硬化性樹脂の硬化温度以上の熱を加えて、熱硬化性樹脂を硬化させる。
【００７１】
また、これとは別の加熱方法として、筒状半成形品の内側に、熱硬化性樹脂の硬化温度以上の熱が加えられた未硬化の短繊維強化熱硬化性樹脂を二次材料として加圧充填することもできる。この場合、射出成形型１５内の筒状半成形品は、二次材料の熱を受けて熱硬化性樹脂の硬化温度以上の温度まで加熱される。
【００７２】
熱硬化性樹脂は、熱可塑性樹脂に比べて高い強度を有し機械的性質に優れる。したがって、繊維強化樹脂製歯車を熱硬化性樹脂よりなる歯車とすることによって、この繊維強化樹脂製歯車をより高負荷がかかる部分の歯車として適用することが可能となる。
【符号の説明】
【００７３】
１ … 繊維強化樹脂製歯車（成形品）２ … 円弧歯形
２ａ … 歯部 ３ … 連続繊維
４ … 熱可塑性樹脂 ５ … 短繊維
６ … 熱可塑性樹脂 ７ … 第２円弧歯形
７ａ … 歯部 ８ … 直線歯形
８ａ … 歯部 ９ … プリプレグ
１３ … 帯状半成形品 １４ … 筒状半成形品
１５ … 射出成形型 １５ａ … 歯部成形用凹部
１６ … 二次材料 １７ … 伸縮性袋
【特許請求の範囲】
【請求項１】
成形品の円弧歯形と略相似形状で、かつ該円弧歯形よりも小径の第２円弧歯形を展開して直線歯形を設定する直線歯形設定工程と、
連続繊維に樹脂を含浸させた帯状のプリプレグを、該プリプレグの帯状に長く延びる方向の切断面の形状が前記直線歯形となるように成形して帯状半成形品を得る帯状半成形品成形工程と、
前記帯状半成形品を、該帯状半成形品の外面が前記第２円弧歯形と略同一形状となると共に、該帯状半成形品の歯部同士が複数回重なるように丸めて筒状半成形品を得る筒状半成形品成形工程と、
前記筒状半成形品の歯部を、前記円弧歯形の内面を有する射出成形型の歯部成形用凹部に沿わせて、該筒状半成形品を該射出成形型の型内空間に挿入する筒状半成形品型内挿入工程と、
前記筒状半成形品型内挿入工程の後工程として、前記射出成形型内の前記筒状半成形品よりも内側の型内空間に、短繊維強化樹脂からなる二次材料を加圧充填して硬化させることにより成形品を得る二次材料型内充填工程と、
を備えることを特徴とする繊維強化樹脂製歯車の製造方法。
【請求項２】
前記プリプレグが、前記連続繊維に熱可塑性樹脂を含浸させた帯状のプリプレグであり、前記二次材料が、短繊維強化熱可塑性樹脂であることを特徴とする請求項１に記載の繊維強化樹脂製歯車の製造方法。
【請求項３】
前記プリプレグが、前記連続繊維に未硬化の熱硬化性樹脂を含浸させた帯状のプリプレグであり、前記二次材料が、未硬化の短繊維強化熱硬化性樹脂であることを特徴とする請求項１に記載の繊維強化樹脂製歯車の製造方法。
【請求項４】
前記筒状半成形品型内挿入工程及び前記二次材料型内充填工程の間の中間工程として、前記射出成形型内に挿入された前記筒状半成形品を、該筒状半成形品の内側から外側に向かって加圧して、該筒状半成形品の歯部を該射出成形型の前記内面に押し付ける筒状半成形品型内押付工程を備えることを特徴とする請求項２又は３に記載の繊維強化樹脂製歯車の製造方法。
【請求項５】
前記筒状半成形品型内挿入工程及び前記二次材料型内充填工程の間の中間工程として、前記熱可塑性樹脂が軟化する温度まで前記射出成形型を加熱すると共に、該射出成形型内に挿入された前記筒状半成形品を、該筒状半成形品の内側から外側に向かって加圧して、該筒状半成形品の歯部を該射出成形型の前記内面に押し付ける筒状半成形品型内押付工程を備えることを特徴とする請求項２に記載の繊維強化樹脂製歯車の製造方法。
【請求項６】
前記筒状半成形品型内押付工程において、前記射出成形型内の前記筒状半成形品よりも内側の型内空間に伸縮性袋を配置すると共に、該伸縮性袋に内圧を加えて該伸縮性袋を膨らませることによって、該筒状半成形品を、該筒状半成形品の内側から外側に向かって加圧することを特徴とする請求項４又は５に記載の繊維強化樹脂製歯車の製造方法。
【請求項１】
成形品の円弧歯形と略相似形状で、かつ該円弧歯形よりも小径の第２円弧歯形を展開して直線歯形を設定する直線歯形設定工程と、
連続繊維に樹脂を含浸させた帯状のプリプレグを、該プリプレグの帯状に長く延びる方向の切断面の形状が前記直線歯形となるように成形して帯状半成形品を得る帯状半成形品成形工程と、
前記帯状半成形品を、該帯状半成形品の外面が前記第２円弧歯形と略同一形状となると共に、該帯状半成形品の歯部同士が複数回重なるように丸めて筒状半成形品を得る筒状半成形品成形工程と、
前記筒状半成形品の歯部を、前記円弧歯形の内面を有する射出成形型の歯部成形用凹部に沿わせて、該筒状半成形品を該射出成形型の型内空間に挿入する筒状半成形品型内挿入工程と、
前記筒状半成形品型内挿入工程の後工程として、前記射出成形型内の前記筒状半成形品よりも内側の型内空間に、短繊維強化樹脂からなる二次材料を加圧充填して硬化させることにより成形品を得る二次材料型内充填工程と、
を備えることを特徴とする繊維強化樹脂製歯車の製造方法。
【請求項２】
前記プリプレグが、前記連続繊維に熱可塑性樹脂を含浸させた帯状のプリプレグであり、前記二次材料が、短繊維強化熱可塑性樹脂であることを特徴とする請求項１に記載の繊維強化樹脂製歯車の製造方法。
【請求項３】
前記プリプレグが、前記連続繊維に未硬化の熱硬化性樹脂を含浸させた帯状のプリプレグであり、前記二次材料が、未硬化の短繊維強化熱硬化性樹脂であることを特徴とする請求項１に記載の繊維強化樹脂製歯車の製造方法。
【請求項４】
前記筒状半成形品型内挿入工程及び前記二次材料型内充填工程の間の中間工程として、前記射出成形型内に挿入された前記筒状半成形品を、該筒状半成形品の内側から外側に向かって加圧して、該筒状半成形品の歯部を該射出成形型の前記内面に押し付ける筒状半成形品型内押付工程を備えることを特徴とする請求項２又は３に記載の繊維強化樹脂製歯車の製造方法。
【請求項５】
前記筒状半成形品型内挿入工程及び前記二次材料型内充填工程の間の中間工程として、前記熱可塑性樹脂が軟化する温度まで前記射出成形型を加熱すると共に、該射出成形型内に挿入された前記筒状半成形品を、該筒状半成形品の内側から外側に向かって加圧して、該筒状半成形品の歯部を該射出成形型の前記内面に押し付ける筒状半成形品型内押付工程を備えることを特徴とする請求項２に記載の繊維強化樹脂製歯車の製造方法。
【請求項６】
前記筒状半成形品型内押付工程において、前記射出成形型内の前記筒状半成形品よりも内側の型内空間に伸縮性袋を配置すると共に、該伸縮性袋に内圧を加えて該伸縮性袋を膨らませることによって、該筒状半成形品を、該筒状半成形品の内側から外側に向かって加圧することを特徴とする請求項４又は５に記載の繊維強化樹脂製歯車の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１１−２５４６６（Ｐ２０１１−２５４６６Ａ）
【公開日】平成２３年２月１０日（２０１１．２．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１７２０３５（Ｐ２００９−１７２０３５）
【出願日】平成２１年７月２３日（２００９．７．２３）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年２月１０日（２０１１．２．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年７月２３日（２００９．７．２３）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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