JP2000281804A

JP2000281804A - 機械的伝動機構用の樹脂製部品

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Publication number: JP2000281804A
Application number: JP11088972A
Authority: JP
Inventors: Eiichiro Shimazu; 英一郎島津; Mari Kataoka; 真理片岡; Masaki Egami; 正樹江上
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 1999-03-30
Filing date: 1999-03-30
Publication date: 2000-10-10
Also published as: US6232385B1

Abstract

(57)【要約】【課題】低温から２００℃を越える高温まで広温度範
囲で使用できるＴＰＩ樹脂製の機械的伝動機構用部品に
ついて、その耐摩耗性を改善し、耐久性のよい部品を提
供することである。【解決手段】熱可塑性ポリイミド樹脂１００重量部に
対して、炭素繊維、ガラス繊維またはウィスカなどの繊
維状補強材１０〜１００重量部を添加した樹脂組成物の
成形体からなり、前記熱可塑性ポリイミド樹脂の結晶化
度が１０％以上の歯車、摩擦車またはカムなどの機械的
伝動機構用の樹脂製部品とする。前記樹脂組成物の射出
成形体は、２２０〜３４０℃で０．５〜２４時間加熱処
理し、前記熱可塑性ポリイミド樹脂の結晶化度を１０％
以上に調整するようにした機械的伝動機構用の樹脂製部
品の製造方法とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、熱可塑性ポリイ
ミド樹脂系組成物で形成された歯車、摩擦車またはカム
などの機械的伝動機構用の樹脂製部品およびその製造方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】機械的伝動装置または流体伝動装置のう
ち、前者の機械的伝動装置は、軸、クランク、ロッドな
どの回転運動や線方向の運動を連鎖させる機構として歯
車、摩擦車またはカムなどの部品を備えている。

【０００３】伝動機構に用いる歯車、摩擦車またはカム
などの部品は、小型化、グリースレス化、軽量化、省電
力化、低価格化などの需要者の要求に応じて樹脂で形成
される場合がある。

【０００４】このような機械的伝動機構用の樹脂製部品
のうち、１５０℃以上の高温に加熱される条件で使用で
きる高品質の部品は、いわゆるスーパーエンジニアリン
グプラスチックと呼ばれる耐熱性に優れた樹脂材料から
なる。このような耐熱性樹脂のうち、熱硬化性樹脂とし
てポリイミド樹脂（以下、ＰＩ樹脂と略記する。）、フ
ェノール樹脂（以下、ＰＦ樹脂と略記する。）などがあ
り、また熱可塑性樹脂としてポリアリールエーテルケト
ン樹脂（以下、ＰＡＥＫ樹脂と略記する。）、熱可塑性
ポリイミド樹脂（以下、ＴＰＩ樹脂と略記する。）、ポ
リアミドイミド樹脂（以下、ＰＡＩ樹脂と略記する。）
などが挙げられる。

【０００５】スーパーエンジニアリングプラスチックの
うち、低温での機械的強度や大量生産のための射出成形
性については、熱可塑性樹脂が適しており、機械的伝動
機構用の樹脂製部品の主材料として、ガラス転移点（Ｔ
ｇ）が約２５０℃であって２００℃以上の耐熱性のある
射出成形可能なＴＰＩ樹脂は、これらの点で低温から高
温まで広温度範囲での機械的強度が大きく射出成形によ
って大量生産も可能な材料である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、ＴＰＩ樹脂を
射出成形した樹脂製の歯車、摩擦車またはカムなどの機
械的伝動機構用部品は、通常、結晶化度が４％以下とい
う低い値のものであり、耐摩耗性が低くて、機械的伝動
機構部品に要求される寿命や高温雰囲気下での寸法安定
性を充分に満足させるものではなかった。

【０００７】また、上記した通常のＴＰＩ樹脂からなる
射出成形体は、同質材からなる部品同士を摩擦接触させ
るように機械的伝動機構に組み込むと、凝着力が大きい
ために耐摩耗性が低下する。すなわち、同種の樹脂同士
を転がり摩擦接触または滑り摩擦接触させると、金属製
部品とＴＰＩ樹脂とを同条件で摩擦接触させた場合に比
べて摩耗量は著しく多くなる。

【０００８】そこで、この発明の課題は、上記した問題
点を解決し、常温またはそれより低温から２００℃を越
える高温まで広い温度範囲で使用できるＴＰＩ樹脂製の
機械的伝動機構用の樹脂製部品において、その耐摩耗性
を改善し、耐久性（寿命）の良い部品を提供することで
ある。

【０００９】また、この発明の他の課題としては、同質
の部品同士が転がりまたは滑りの摩擦接触をする機械的
伝動機構において、樹脂製部品同士が接触した際に耐凝
着摩耗性に優れ、使用時に少摩耗量で耐久性に優れた樹
脂製部品を提供することである。

【００１０】上記の課題は、機械的伝動機構用の樹脂製
部品のうち、特に歯車、プーリなどの摩擦車またはカム
において達成されるべきことである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、この発明においては、熱可塑性ポリイミド樹脂１０
０重量部に対して、補強材１０〜１００重量部を添加し
た樹脂組成物の成形体からなり、前記熱可塑性ポリイミ
ド樹脂の結晶化度が１０％以上である機械的伝動機構用
の樹脂製部品としたのである。

【００１２】上記した機械的伝動機構用の樹脂製部品
は、補強材として、炭素繊維、ガラス繊維またはウィス
カからなる繊維状補強材を添加した樹脂組成物からなる
ものが好ましい。また、上記した機械的伝動機構用の樹
脂製部品としては、歯車、摩擦車またはカムを採用する
ことができる。

【００１３】また、上記した課題を解決するため、この
発明においては、熱可塑性ポリイミド樹脂１００重量部
に対して、補強材１０〜１００重量部を添加した樹脂組
成物を射出成形し、次いでこの射出成形体を加熱処理し
て前記熱可塑性ポリイミド樹脂の結晶化度を１０％以上
に調整することからなる機械的伝動機構用の樹脂製部品
の製造方法としたのである。

【００１４】上記の製造方法において、加熱処理は、２
２０〜３４０℃で０．５〜２４時間加熱する処理を採用
することが好ましい。

【００１５】上記したように構成されるこの発明の機械
的伝動機構用の樹脂製部品は、熱可塑性ポリイミド樹脂
を主要成分として、繊維状補強材などの補強材を所定量
配合した組成物から形成し、しかも結晶化度を１０％以
上に限定したことにより、歯車、摩擦車またはカムなど
の機械的伝動機構用の樹脂製部品の耐摩耗性を改善し、
耐久性（寿命）の長い部品を提供することができる。

【００１６】また、この発明の機械的伝動機構用の樹脂
製部品の製造方法は、熱可塑性ポリイミド樹脂を主要成
分として、繊維状補強材などの補強材を所定量配合した
組成物から形成し、これを加熱処理することにより、熱
可塑性ポリイミド樹脂成形体の結晶化度を１０％以上に
確実に調整することができる。

【００１７】このようにして製造された歯車、摩擦車ま
たはカムなどの機械的伝動機構用の樹脂製部品は、耐摩
耗性の改善されたものになり、高トルクなどの高負荷で
使用されても耐久性の良い（寿命の長い）部品になる。

【００１８】

【発明の実施の形態】この発明に用いる熱可塑性ポリイ
ミド樹脂は、下記の化１（化２）または化３の式に示さ
れる繰り返し単位を有する重合体であり、またはこの発
明におけるポリイミド樹脂の結晶性が得られる範囲でこ
のような熱可塑性ポリイミド樹脂に対して他の樹脂をブ
レンドした混合樹脂を使用することもできる。

【００１９】

【化１】

【００２０】（上記化１の式中、Ｘは直接結合、−ＳＯ
₂−、−ＣＯ−、−Ｃ（ＣＨ₃)₂−、−Ｃ（ＣＦ₃)₂−
または−Ｓ−である。Ｒ₁、Ｒ₂、Ｒ₃、Ｒ₄は水素、
アルキル基、アルコキシ基、ハロゲン化アルキル基、ハ
ロゲン化アルコキシ基またはハロゲン基である。またＹ
は下記の式〔化２〕からなる群から選ばれる１種以上の
基である。）

【００２１】

【化２】

【００２２】

【化３】

【００２３】（上記化３の式中、Ｒ₅、Ｒ₆は水素、ア
ルキル基、ハロゲン化アルキル基、ハロゲン化アルコキ
シ基またはハロゲン基であり、ｎは０〜４の整数であ
る。また、Ｙは化１の式中のＹの定義と同じである。）熱可塑性ポリイミド樹脂に混合する他の樹脂としては、
以下に示すような繰り返し単位を有する重合体からなる
樹脂が挙げられる。すなわち、下記の化４の式に示す繰
り返し単位を重合成分とするポリフェニレンサルファイ
ド樹脂（ＰＰＳ樹脂）、化５に示す繰り返し単位を重合
成分とするポリエーテルニトリル樹脂（ＰＥＮ樹脂）、
化６〜９に示す繰り返し単位を重合成分とするポリアリ
ールエーテルケトン樹脂（ＰＡＥＫ樹脂）である。ＰＡ
ＥＫ樹脂のうち、特に好ましい混合用の樹脂は、化６に
示す繰り返し単位を重合成分とするポリエーテルケトン
樹脂（ＰＥＫ樹脂）、化７に示す繰り返し単位を重合成
分とするポリエーテルエーテルケトン樹脂（ＰＥＥＫ樹
脂）、化８に示す繰り返し単位を重合成分とするポリエ
ーテルケトンエーテルケトンケトン樹脂（ＰＥＫＥＫＫ
樹脂）である。

【００２４】

【化４】

【００２５】

【化５】

【００２６】

【化６】

【００２７】

【化７】

【００２８】

【化８】

【００２９】

【化９】

【００３０】この発明に用いる補強材は、炭素繊維、ガ
ラス繊維、ウィスカのような樹脂補強用の繊維状充填材
またはフレーク状や粉粒状の無機物からなる補強材の一
種または二種以上を併用した混合物を使用したものであ
り、具体例は以下の通りである。

【００３１】すなわち、この発明に用いる繊維状補強材
としては、ＰＡＮ系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維などの
炭素繊維、ミルドファイバー、ガラス繊維、チタン酸カ
リウム繊維、ボロン繊維、炭化ケイ素繊維、または黄
銅、アルミニウム、亜鉛等からなる金属繊維、その他の
無機質繊維、芳香族ポリアミド（アラミドとも称され
る）繊維などの有機質繊維、またはウィスカが挙げられ
る。

【００３２】さらに上記したウィスカの具体例として
は、炭化ケイ素ウィスカ、窒化ケイ素ウィスカ、チタン
酸カリウムウィスカ、ホウ酸アルミニウムウィスカ、酸
化亜鉛ウィスカ、硫酸マグネシウムウィスカ、マグネシ
アウィスカ、ホウ酸マグネシウムウィスカ、二ホウ化チ
タンウィスカ、炭酸カルシウムウィスカ、グラファイト
ウィスカ、ビスマス系ウィスカ、酸化マグネシウムウィ
スカ、窒化アルミニウムウィスカ、ムライトやマグネシ
ウムパイロボレートなどのセラミックスウィスカなどが
挙げられる。

【００３３】また、無機物としてはガラスビーズ、ウォ
ラストナイト、タルク、カオリン、二酸化ケイ素、クレ
ー、アスベスト、炭酸カルシウム、水酸化マグネシウ
ム、シリカ、ケイソウ土、カーボランダム粉粒体状の無
機物またはマイカ、アルミニウム箔、亜鉛箔などのフレ
ーク状物が挙げられる。

【００３４】なお、以上述べたような補強材に対してエ
ポキシ系やアミノ系のシランカップリング剤などで樹脂
との親和性を高める処理をし、分散性を向上させること
は好ましいことである。

【００３５】以上の例示した補強材のうち、特に好まし
い結果を得る補強材としては、炭素繊維、ガラス繊維ま
たはウィスカからなる繊維状補強材である。

【００３６】そして、上述した補強材の配合割合は、前
記した樹脂１００重量部に対して、１０〜１００重量
部、好ましくは２０〜７０重量部である。補強材の配合
割合がこのような所定範囲未満の配合割合では、歯車や
カムといった機械的伝動機構用の樹脂製部品の所要の機
械的強度に耐えられず、使用中に変形や破損という不具
合が起こる。また、上記所定範囲を越える配合割合で
は、成形時の樹脂の流動性を非常に悪くし、また相対的
に樹脂成分が不足して成形体（品）が脆くなり、機械的
伝動機構用の樹脂製部品の使用中に変形や破損という不
具合が起こる。また、選択した補強材の種類によって
は、伝動機構の接触相手の樹脂製部品に対して摩耗を生
じさせる場合もある。

【００３７】また、この発明の効果を阻害しない配合量
であれば、主成分の熱可塑性ポリイミド樹脂に対して、
ポリテトラフルオロエチレンやグラファィト、二硫化モ
リブデンなどの個体潤滑剤や、酸化防止剤、熱安定剤、
紫外線吸収剤、難燃剤、帯電防止剤、導電性付与剤、結
晶核剤、結晶化促進剤などの各種の添加剤を配合するこ
ともできる。

【００３８】ＴＰＩ樹脂に対して補強材を添加した樹脂
組成物を射出成形するには、配合した材料を、たとえば
ヘンシェルミキサー、ボールミル、タンブラーミキサー
などの混合機を用いて乾式混合し、混合物を溶融混合性
の良い射出成形機または二軸押し出し機などの溶融押し
出し機に供給して溶融混合した後に射出成形するか、ま
たは溶融押し出し機に混合する前に、熱ローラー、ニー
ダー、バンバリーミキサー、溶融押し出し機などを利用
して溶融混合し、これを成形する方法が好ましい。

【００３９】

【実施例および比較例】以下に実施例および比較例に用
いる原材料を一括して示した。これらの原料の略称を
〔〕内に示し、その配合割合を表１中に重量部で示し
た。 (1) 熱可塑性ポリイミド樹脂（三井化学社製：AURUM ＃
450)〔ＴＰＩ−１〕 (2) 熱可塑性ポリイミド樹脂（前記した化１の式で示さ
れる三井化学社製のＴＰＩ樹脂１００重量部に対して、
ＰＥＫ４０重量部、カーボンブラック２０重量部、ビス
イミド化合物２０重量部を混合した後、４１０℃で溶融
混合して得られるペレット状樹脂）〔ＴＰＩ−２〕 (3) ポリエーテルケトン樹脂（VICTREX 社製：ＰＥＫ）
〔ＰＥＫ〕 (4) ポリエーテルエーテルケトン樹脂（三井化学社製：
ＰＥＥＫ１５０Ｐ） (5) ポリアセタール樹脂（ポリプラスチックス社製：ジ
ュラコン NW-02) POM (6) ポリアミド樹脂（ユニチカ社製：Ａ１０３０ＣＮ）
〔ＰＡ〕 (7) 炭素繊維（東邦レーヨン社製：ＨＭ３５−Ｃ６
Ｓ）〔ＣＦ〕 (8) ガラス繊維（日本電気硝子社製：ＥＣＳ０３Ｔ７４
７）〔ＧＦ〕。

【００４０】〔実施例１〜７、比較例１〜５〕原材料を
表１に示す割合で配合し、二軸押し出し機で溶融混練す
ると共に補強材を供給してペレットを作製し、このペレ
ットを用いて表１中に併記した各々の射出成形条件（ノ
ズル温度、金型温度、冷却時間）でピッチ円直径３０ｍ
ｍ、モジュール１、歯幅５ｍｍのインボリュート歯車を
作製した。

【００４１】なお、実施例３、４、５、７および比較例
３は、射出成形体を熱処理した後、旋削加工により上記
歯車を作製したものであり、その他のものは、射出成形
により上記歯車を直接作製した。実施例３、４、５、７
の熱処理条件は、１８０℃で３時間、次いで２４０℃で
３時間、さらに２６０℃で８時間、最後に３２０℃で２
時間保持した後に徐冷するということであり、比較例３
の熱処理条件は２００℃で８時間保持した後に徐冷し
た。

【００４２】得られた実施例および比較例の歯車につい
て、以下の方法で結晶化度（％）を求め、結果を表１中
に併記した。

【００４３】＜結晶化度＞示差走査熱量計（ＤＳＣ）を
用いて窒素雰囲気中で室温から４２０℃まで１０℃／ｍ
ｉｎの速度で昇温し、得られた各融解エネルギーΔＨｍ
および結晶化エネルギーの差を利用し、結晶と非晶のエ
ンタルピーの加成性を仮定した計算によって結晶化度を
求めた。なお、結晶化度１００％の仮想的なＴＰＩおよ
びＰＥＥＫの融解エネルギーΔＨｍは、それぞれ２８ｃ
ａｌ／ｇ、２９ｃａｌ／ｇとした。

【００４４】

【表１】

【００４５】また、実施例１〜７および比較例１〜５の
歯車の耐久試験を以下の条件１〜３の下で行なった。な
お、各条件における試験（ａ）では噛み合わせる同形状
の相手歯車をＳ４５Ｃ（炭素鋼）製歯車として１０⁷サ
イクル回転後の歯車の摩耗量（ｍｇ）を測定し、試験
（ｂ）では噛み合わせる同形状の相手歯車を同質材製歯
車として１０⁷サイクル回転後の歯車の寿命サイクル
（表中の値×１０⁶)を調べ、これらの結果を表２に示し
た。条件１：トルク３．５ｋｇｆ・ｃｍ、回転数６３７rpm 、室温条件２：トルク１１．５ｋｇｆ・ｃｍ、回転数６３７rpm 、室温条件３：トルク１１．５ｋｇｆ・ｃｍ、回転数６３７rpm 、２３０℃

【００４６】

【表２】

【００４７】表２の結果からも明らかなように、結晶化
度が１０％未満の比較例１は、低トルクで室温での回転
条件では金属（Ｓ４５Ｃ）に対しては耐摩耗性はある
が、同質の樹脂製歯車に対する摩耗量が多かった。ま
た、高トルク条件や高温・高トルクの試験条件２、３で
は、耐摩耗性が悪く、耐久性が悪かった。

【００４８】また、結晶化度は２４％であるが、補強材
としてカーボン繊維の配合量が過少量の比較例２、また
は、熱可塑性ポリイミド樹脂に代えてポリエーテルエー
テルケトン樹脂を使用した比較例３では、高トルク条件
の試験条件２、３で摩耗量が多く、耐久性が低かった。

【００４９】さらにまた、非晶性の樹脂からなる歯車の
比較例４、５では、高トルク条件の試験条件２、３で歯
車が破損したり、変形または摩耗量が多すぎて試験を続
行できなかった。

【００５０】このような比較例に対して所定の結晶化度
の熱可塑性ポリイミド樹脂に補強材を所定量配合した実
施例１〜７の歯車は、室温から２００℃を越える高温ま
での広温度条件下で同質材歯車同士の噛み合わせ、また
は金属（Ｓ４５Ｃ）製歯車に対する噛み合わせの何れで
あっても摩耗量が少なく、使用寿命のサイクル数は比較
例に比べて非常に高いという好結果であった。

【００５１】なお、実施例の歯車の噛み合わせ相手のＳ
４５Ｃ製歯車の摩耗量は、試験温度が低温または高温に
関係なく１ｍｇ以下であり、本願の発明の機械的伝動機
構用の樹脂製部品は、相手材に対する非攻撃性という好
ましい物性があることも明らかになった。

【００５２】

【発明の効果】この発明は、以上説明したように、熱可
塑性ポリイミド樹脂に所定量の繊維状補強材を添加した
樹脂組成物の成形体における熱可塑性ポリイミド樹脂の
結晶化度を１０％以上に調製した機械的伝動機構用の樹
脂製部品としたので、低温から２００℃を越える高温ま
での広温度範囲の条件で使用できるＴＰＩ樹脂製の機械
的伝動機構部品となり、耐摩耗性に優れ、耐久性の良い
（寿命の長い）歯車等の部品であるという利点がある。

【００５３】また、この発明の他の利点として、同質材
の樹脂製部品同士が転がり摩擦または滑り摩擦接触して
も、部品同士が凝着せず、少ない摩耗量で使用寿命が長
い機械的伝動機構を構成可能な樹脂製部品であるという
利点がある。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者江上正樹三重県桑名市大字東方字尾弓田3066 エヌティエヌ株式会社内Ｆターム(参考） 3J030 AC10 BC01 BC08 EB04 EB09 EC04 4F072 AA02 AA03 AA08 AA09 AB06 AB08 AB09 AB10 AB11 AC06 AD45 AD54 AK15 AL16 4F206 AA40 AB11 AB25 AH12 JA07 JW06 4J002 CL062 CM041 DA016 DA026 DA096 DA106 DC006 DE076 DE186 DE236 DF016 DJ006 DK006 DL006 DM006 FA042 FA046 FA066 FD012 FD016 GM00 GM02 GM04

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】熱可塑性ポリイミド樹脂１００重量部に
対して、補強材１０〜１００重量部を添加した樹脂組成
物の成形体からなり、前記熱可塑性ポリイミド樹脂の結
晶化度が１０％以上である機械的伝動機構用の樹脂製部
品。
【請求項２】補強材が、炭素繊維、ガラス繊維または
ウィスカからなる繊維状補強材である請求項１に記載の
機械的伝動機構用の樹脂製部品。
【請求項３】樹脂製部品が、歯車、摩擦車またはカム
である請求項１または２に記載の機械的伝動機構用の樹
脂製部品。
【請求項４】熱可塑性ポリイミド樹脂１００重量部に
対して、補強材１０〜１００重量部を添加した樹脂組成
物を射出成形し、次いでこの射出成形体を加熱処理して
前記熱可塑性ポリイミド樹脂の結晶化度を１０％以上に
調整することからなる機械的伝動機構用の樹脂製部品の
製造方法。
【請求項５】加熱処理が、２２０〜３４０℃で０．５
〜２４時間加熱する処理である請求項４記載の機械的伝
動機構用の樹脂製部品の製造方法。