JPH1122810A

JPH1122810A - 歯部品

Info

Publication number: JPH1122810A
Application number: JP7516798A
Authority: JP
Inventors: Walter Krenkel; クレンケルヴァルター; Richard Kochendoerfer; コッヘンデルファーリヒャルト
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1997-03-24
Filing date: 1998-03-24
Publication date: 1999-01-26
Also published as: FR2761134B1; DE19712287C1; FR2761134A1; US6025062A

Abstract

(57)【要約】【課題】力の機械的伝達を目的とする歯部品、特に、
歯車、ラック、ピニオン、スプライン、又はこれらに類
似する機械要等の歯部品において、優れた特性を有する
歯部品を提供することを目的とする。【解決手段】炭素繊維で補強したコンポジットの本体
１を製造する。この本体１は、実質的に連続した炭素繊
維の格子および炭素を含むマトリックスを包含する繊維
補強セラミックである。格子中の繊維は、液体シリコン
が、格子中に浸透し、マトリックス中の炭素と反応する
ことにより炭化珪素により被覆される。歯３は、負荷に
適合する繊維の方向を有する類似の繊維補強セラミッ
ク、あるいはモノリシックなセラミックのいずれかで構
成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、歯部品に関し、特
に、歯車、ラック、ピニオン、スプライン、又はそれら
に類する機械要素に関する。これらは、力の機械的伝達
を目的とし、炭素繊維で補強したコンポジット（複合材
料）の本体を有する。

【０００２】

【発明が解決しようとする課題】歯車型の歯部品は、ド
イツ特許第２、８２５、１９１Ｃ２号により公知であ
る。この特許には、バインダーで結合したいくつかの層
からなる歯車であって、この層が、束になった炭素糸の
縦糸と横糸とを直角にしてなる織物であり、それぞれの
層の中の縦糸と横糸が、隣り合う層の縦糸と横糸に対し
て所定の角度をなすように交互に重ねてあるような歯車
が記載されている。この歯車は、縦糸と横糸の中の糸同
士が互いに等距離である点、織物の第二の層の縦糸と横
糸とが第一の層の縦糸と横糸に対して４５°の角度をな
している点、第二の層の縦糸と横糸とが第一の層の縦糸
と横糸に対して２２．５°の角度をなしている点、およ
び第三の層の縦糸と横糸が、第一の層の縦糸と横糸に対
して６７．５°の角度をなしている点で特徴づけられ
る。バインダーは、例えばエポキシなどの液体熱可塑性
プラスチックであり得る。

【０００３】欧州特許第０，１６６，１８１Ｂ１号に
は、３から５重量％の炭素繊維および３０から３５重量
％のガラス繊維で補強されている合成樹脂で成形され、
力を伝達するための歯車が記載されている。ナイロン
が、合成材料として挙げられている。

【０００４】ドイツ特許第４，００３，１７８Ａ１に
は、補強されるとともにホットプレスされたフェノール
樹脂成形歯部を有する歯車が記載されている。補強材
は、メチル化芳香族ポリアミドのねじり繊維の織物であ
る。フェノール樹脂は、エポキシ含浸してある。

【０００５】欧州特許第４，００３，１７８Ａ１に
は、繊維フィラーで補強されたキャスト成形又は射出成
形ポリマーからなる歯を有する部品が記載されている。
他の部品と噛み合う部品の表面には、薄く、その全面積
に渡って、いずれのフィラーをも含まないポリマーの完
全な層が提供される。この層は、表面の摺り減りによる
磨耗を防ぐことを目的としたものである。

【０００６】ドイツ特許第４，３１５，３５５号には、
ディスクに固定された歯車の部分であって、関節式歯車
の軌道手段、コンベアベルト、および同様の機械を駆動
することを目的とする部分が記載されている。この文献
に記載する部分は、その部分全体、その歯、又は歯の一
部のいずれかが、堅い金属、繊維補強コンポジット、又
はセラミックーセラミックーコンポジット、処理セラミ
ック、又は高性能セラミックであり、好ましくは、磨耗
耐性の焼結鉄ベースの材料であって、さらに好ましくは
磨耗で減じる保護層を有するものである。また、この文
献に記載する部分は、マトリックス材料として、フェロ
クロム及び鉄の出発粉末から成り、機械的保護相とし
て、炭化ホウ素若しくは酸化ジルコニウム、又は、例え
ば窒化珪素等の非酸化セラミックをベースとして１５重
量％より少ない割合で加えられる焼結材料から成るもの
である。

【０００７】前述の技術を出発点として、本発明の第一
の目的は、力の機械的伝達を目的とした歯部品であっ
て、高い機械的強度、顕著な耐熱性、高い耐腐食性、及
び耐磨滅性を有し、高負荷において長時間作動させた後
にも騒音を起こさない部品を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】このような目的、及び以
下に明示する更なる別の目的及び利点は、本発明によっ
て達成される。

【０００９】すなわち、本発明の要旨とするところは、
力の機械的伝達に用い、炭素繊維で補強されたコンポジ
ットの本体を有する歯部品であり、特には、歯車、ラッ
ク、ピニオン、スプライン、又はそれらに類する機械要
素等の歯部品において、前記本体がファイバー補強セラ
ミックから成り、該ファイバー補強セラミックが、実質
的に連続した炭素繊維の格子と炭素を含有するマトリッ
クスとを有し、該格子中の繊維が、実質的に、該格子に
浸透するとともにマトリックス中の炭素と反応する液体
珪素から形成された炭化珪素によって、被覆されてお
り、かつ、該歯が、負荷に適合する方向の繊維を有する
類似のファイバー補強セラミック又はモノリシックセラ
ミックのいずれかで構成されることにある。

【００１０】また、本発明の要旨とするところは、前記
本発明の歯部品において、前記本体及び歯が別々に製造
され、形態的又は力学的に一体に組み合わされることに
ある。

【００１１】また、本発明の要旨とするところは、前記
本発明の歯部品において、前記歯が、実質的に炭化珪素
又は純粋な珪素を含む層によって、前記本体に固定され
ることにある。

【００１２】また、本発明の要旨とするところは、前記
本発明の歯部品において、前記歯が、焼結し、プレス
し、又は反応結合した炭化珪素、又は窒化珪素であるこ
とにある。

【００１３】また、本発明の要旨とするところは、前記
本発明の歯部品において、前記歯の中の繊維格子の少な
くともいずれかが、縦糸と横糸とを互いに直角にしてな
る織物の二次元の層で構成されることにある。

【００１４】また、本発明の要旨とするところは、前記
本発明の歯部品において、前記歯が、耐磨耗性のファイ
バー補強セラミックから成る被覆物に覆われたコアを有
する複合的構造を備えたことにある。

【００１５】また、本発明の要旨とするところは、前記
本発明の歯部品において、前記コアが、炭素、好ましく
はグラファイトから成ることにある。

【００１６】また、本発明の要旨とするところは、前記
本発明の歯部品において、前記コアが、耐破断性のファ
イバー補強セラミックであることにある。

【００１７】また、本発明の要旨とするところは、前記
本発明の歯部品において、前記被覆物が、コアの周りに
巻かれていることにある。

【００１８】また、本発明の要旨とするところは、前記
本発明の歯部品において、前記歯車のうちの前記炭素繊
維の部分が、前記歯の歯たけ方向と平行方向に向けられ
ていることにある。

【００１９】また、本発明の要旨とするところは、前記
本発明の歯部品において、歯車に押圧力が負荷される場
合、該歯車のうちの前記炭素繊維の部分が歯の側面の接
線方向であることにある。

【００２０】また、本発明の要旨とするところは、前記
本発明の歯部品が、歯車の形状の歯部品であって、前記
本体が環状であり、前記炭素繊維がその円周に沿った方
向に配されることにある。

【００２１】また、本発明の要旨とするところは、前記
本発明の歯部品において、前記本体及び／又は前記歯
が、ファイバー補強セラミックのスラブから形成される
ことにある。

【００２２】また、本発明の要旨とするところは、前記
本発明の歯部品において、前記歯が、くさび止め又はあ
り継ぎ止めによって本体と組み合わされることにある。

【００２３】また、本発明の要旨とするところは、前記
本発明の歯部品において、前記くさび止め又はあり継ぎ
止めに対応する溝を本体に有することにある。

【００２４】また、本発明の要旨とするところは、前記
本発明の歯部品において、前記歯が、台形の断面を有
し、本体の溝に適合する台形の根元を有することにあ
る。

【００２５】また、本発明の要旨とするところは、前記
本発明の歯部品において、磨耗又は酸化から保護するた
めに被覆されていることにある。

【００２６】また、本発明の要旨とするところは、前記
本発明の歯部品において、前記保護被覆が、炭化珪素で
あることにある。

【００２７】また、本発明の要旨とするところは、前記
本発明の歯部品において、前記歯が、０．１％よりも高
い破断時伸び率を有することにある。

【００２８】このような本発明の歯部品は、それを構成
する特殊な材料のために、摺り減り磨耗、破断、化学物
質の作用、及び腐食に対して高い耐性がある。この歯部
品の熱耐性および疲労耐性は、従来の歯部品を構成する
のに用いられていた公知の材料の性質と比較して、優れ
ている。また、本発明の部品の他の本質的な利点は、長
期間作動させた場合でも熱膨張性が低いことである。そ
のことによって、本発明の部品は、寸法安定性に優れ
る。その寸法安定性により、２つの部品同士の正確な噛
み合わせが確実となる。従って、高温になった場合に耐
性を失う従来の歯車と異なり、静かな作動が可能とな
る。このような部品の作動の音が静かであれば、様々な
応用に対して好ましい。

【００２９】また、このような歯部品は、また、金属製
の歯車より非常に軽い。すなわち、本発明に係る歯部品
は、鉄をベースとした材料からなる部品に比べ、高い重
量比強度を有する。本発明に係る歯部品は、また、炭化
珪素あるいは窒化珪素等のモノリシックセラミックから
構成される歯車よりも優れている。なぜならば、本発明
の歯部品は、衝撃に対してより高い耐性を有するからで
ある。すなわち、埋め込まれた繊維によって、作動中に
起こりうるクラッキングが防止されるからである。な
お、本発明の歯部品の破断時伸び率は、いずれの材料か
らなる部品であっても、０．１％より高くなければなら
ない。

【００３０】また、本発明の歯部品は、所望の大きさに
構成し得る。それは、第一には、炭素を含むマトリック
ス中に埋め込まれた炭素繊維の格子の長所によるもので
ある。次には、珪素が格子中の所定の微細亀裂構造中に
浸透し、マトリックス中の炭素と反応して炭化珪素が形
成され、密度が高く、強度が高く、磨耗耐性があるが、
軽重量であるような、炭素繊維を被覆する炭化珪素の構
造ができることによるものである。

【００３１】ここで、珪素が浸透するための明確な亀裂
構造は、好ましくは、高レベルの炭素を含むポリマーの
マトリックス中にカーボン格子を埋め込み、得られた材
料を約９００℃にて高温加熱させることによって製造さ
れ得る。次に、このようにして形成された部材が歯部品
の本体を構成する。そして、負荷に適合した適切な向き
の繊維で補強されたセラミック、又はモノリシックのセ
ラミックから成る歯が、その本体の中に挿入され得る。
このような歯は、本体とともに作られるか、又は異なる
工程で作られ、形態的又は力学的に本体と一体化させら
れる。

【００３２】前述の本体を製造する方法において、セラ
ミック化する前の段階の原料の炭素から、歯部品の基本
的な形を最初に作ることが可能である。セラミック化
は、この基本的な形に液体珪素を浸透させ、遊離の炭素
と反応させて炭化珪素を形成させることによりなされ
る。得られる歯部品は、セラミックと同様の強度を有す
るが、前述したブランク状態から機械加工する方が、非
常に容易に作ることができる。

【００３３】また、本発明の歯部品において、歯部品を
作り得るような標準化された部材を提供するためには、
歯と本体とを別々に作ることが好ましい。個々の歯は、
標準的な部材として作り得る。そして、特別に個々に製
造された本体に埋め込まれ得る。また、特定の用途に合
わせて様々な負荷に適合するよう、広く様々に繊維の方
向付けをした歯を作ることも可能である。別個に作られ
た歯は、好ましくは、実質的に炭化珪素からなる接着層
によって、本体に取り付けられ得る。なお、歯が、実質
的に同じ材料の本体に取り付けられるか、別々のパーツ
である場合でも、その構造が本体の構造と同じであれ
ば、強い力を歯と本体の間で伝達し得るため、好まし
い。

【００３４】このように、歯を別に製造することによっ
て、長期間の作動後に、ダメージを受けた歯を取り替え
ることも可能になる。この態様では、さらに、接着剤と
して実質的に珪素からなる層を採用することもでき、好
ましい。このような接着剤は、１４１０℃より高い温度
に適当に加熱することで、液状化し得るため、ダメージ
を受けた歯を取り外して、液体珪素あるいは炭化珪素の
層を接着剤として、代替の歯に交換することができる。

【００３５】また、本発明の歯部品において、個々の歯
は、ロッド状の部材として、製造され得る。例えば、ポ
リマー又は炭素のマトリックス中に埋め込まれる炭素の
格子のブランク状態で、歯と略同じ断面を有するロッド
又は棒として作り、そのロッド状の部材をセラミック化
して歯を製造し得る。なお、ブランク状態においては、
棒又はロッド状の部材に、次の段階での切断のための特
定の部位に切り込みを施し、歯の加工を容易にし得る。

【００３６】また、本発明の歯部品において、歯がファ
イバー補強セラミックである場合に、本体と歯とを別々
に製造することは、別の利点もある。すなわち、本体と
歯の中の繊維の方向を、歯部品が作動しているときに生
じる力に適合させ得ることである。この利点は、非常に
重要である。このような歯部品は、用途によって、本体
中には主に引っ張り応力が、歯には曲げ応力及び剪断応
力がかかるような状態に歯部品を置くことが可能となる
ためである。一般的に、ファイバー補強材料、特にファ
イバー補強セラミックは、特に、繊維の向きに平行で強
力な引っ張り応力に適応し得るため、本発明では本体中
の繊維の方向と歯中の繊維の方向とは異なる。それぞれ
の負荷の主な方向が異なるからである。

【００３７】また、本発明の歯部品において、歯がモノ
リシックセラミックから成る場合、セラミックは、焼
結、プレス、又は反応により結合した炭化珪素又は窒化
珪素にすべきである。例えば、ＳＳｉＣ、ＨＰＳｉＣ、
又はＳｉＳｉＣにすべきである。なぜならば、このよう
なセラミックは、炭化珪素でセラミック化されたファイ
バー補強本体と同様に膨張するからである。これによっ
て、それぞれの部材の組み合わせが、長期間に渡って同
様の膨張をすることが確かとなる。

【００３８】また、本発明の歯部品において、歯の安定
性を確保するために、繊維の格子の少なくともいくつか
は、二次元の層であって、縦糸と横糸とがそれぞれ直角
になっている織物の層からなるべきである。また、製造
される歯部品中の歯の全体にかかる特定の力に応じて、
織物の層は、歯の歯たけ方向と平行に配されるのが好ま
しい。このことは、以下に説明する。

【００３９】また、本発明の歯部品において、歯の表面
を特に固くし、磨耗耐性が必要となる場合においては、
歯には、本発明に係る複合的構造（モジュラー構造）が
施され得る。この工程では、支持体として耐破断性のコ
アを製造しておき、磨耗耐性セラミックの被覆物が付加
される。ここで、コア自身は、炭素、好ましくはグラフ
ァイトであり得る。また、コアは、繊維、特に炭素繊維
で補強され、高い引っ張り強さを有するセラミックであ
れば好ましい。また、被覆物は、高レベルの炭素繊維を
有するセラミックであることが好ましい。また、このよ
うなコア及び被覆物も、液体又は随意ペースト状の珪素
又は炭化珪素によって結合されることが可能であり、そ
の付近にひずみが加わらないような高強度結合となる。

【００４０】また、本発明の歯部品において、歯部品の
用途に応じた特定の要求に、歯をより適合させるため
に、炭素繊維を用いて、座標軸を囲うように又はそれと
平行になるように、被覆物をコアの周りに巻くことがで
きる。

【００４１】また、本発明の歯部品において、被覆物中
の炭素繊維の部分、又は歯が１つの部材の場合の歯の中
の炭素繊維は、全体として、歯の歯たけ方向に平行であ
ることが都合がよい。歯の歯たけ方向とは、歯車形状の
放射状の線のことである。この方法によれば、例えば力
の伝達において、歯車が従事する最大機械引張り応力又
は曲げ応力に対応できる。

【００４２】また、本発明の歯部品において、歯車が強
力な押圧力を受けた場合に必要とされることは、歯中の
炭素繊維が、歯の側面の接線方向に配されることであ
る。この方法によれば、磨滅が減少し、形状および大き
さが安定化し、静かな作動が可能となる。

【００４３】また、本発明の歯部品において、本体は、
製造の際、円状に作られ得る。特に、リング又はディス
ク形状に作られ得る。この時、炭素繊維の向きは回転の
軸に対して円周状及び／又は放射状に方向づけされる。
このような本体は、強力な機械的応力に耐え得る。

【００４４】また、本発明の歯部品において、本発明の
歯部品を容易に経済的に製造するためには、本体及び／
又は歯を二次元的に繊維を補強したセラミックのスラブ
から製造することが好ましいことが分かった。そこで、
まず、大きなスラブを、基材としての要求に合うような
方向の炭素繊維の格子によって構成する。次に、歯及び
本体の方向をスラブ上で決め、スラブから歯の輪郭を切
り取る。

【００４５】次に、本発明の本体を、遊離の炭素に浸透
し反応して炭化珪素になるような液体珪素によってセラ
ミック化し得る。なお、最初にセラミックにし、それか
ら歯の輪郭を切ることもできる。しかし、この方法は労
力を要するため、あまり好ましくない。このスラブは、
通常、本体及び歯の予定厚さと同じ厚さである。しか
し、いくつかの薄いスラブを、前述の歯と本体とを結合
させるペーストによって重ね合わせて、厚いスラブにす
ることも可能である。得られた積層物は、最終的な歯部
品の原材料として用いられ得る。

【００４６】また、本発明の歯部品において、別個の部
材として製造された歯を、本体により確実に固定するた
めには、ほぞとほぞ穴のような接合、好ましくは、くさ
び止め又はあり継ぎ止めが実用的に好ましい。根元がく
さび形状の歯は、形状を変えずに、本体中の所定の先細
り溝に挿入されるか、又は、本体中の所定の凹部に挿入
されるように成形される。このような歯は、本体の一の
側面側から他の側面に向けて挿入され、又は、本体が輪
状のときは、所定の孔を通すようにして歯車の放射線方
向に中心付近から外側に向けて挿入される。さらに、こ
の歯は、本体の表面に接触している歯の先端から離れた
後端に存在するフランジ状の突起により、確実に固定で
きる。

【００４７】また、本発明の歯部品の他の利点は、例え
ば腐食を促進するような過酷な状況においてもダメージ
を受けることなく用い得ることである。また、本発明の
歯部品は、例えば１５００℃より高い高温の領域で長期
間使用し得る。また、本発明の歯部品は、保護コートに
よって腐食あるいは酸化から保護され得る。このような
コートは、化学的に蒸着した炭化珪素の層であり得る。

【００４８】また、本発明の歯部品を製造するために
は、すべての種類の炭素繊維を用い得る。特には、高モ
ジュラー（ｈｉｇｈｍｏｄｕｌａｒ：ＨＭ）の繊維が
好ましい。液体の耐破壊性及び強度を高めるために、ポ
リマーマトリックスに埋め込む前に、繊維を炭素、炭化
珪素、又は窒化ホウ素で被覆し得る。

【００４９】この本発明の歯部品は、例えばヘリコプタ
ーのような軽重量機器の高性能歯車として、様々な技術
分野において用いられ得る。さらに、例えばモーターお
よびトランスミッションのような機械装置の部品として
自動推進及び駆動技術に用いられ、繊維産業、工作産
業、及びコンベア産業の機械装置の部品として用いられ
る。そして、その慣性モーメントが低いことにより、高
性能及び高速度のトランスミッションに用いられ得る。

【００５０】

【発明の実施の形態】本発明の態様を、実施例及び添付
の図面に基づいて詳しく説明するが、本発明の歯部品は
これに限定されるものではない。

【００５１】図１は、数個乃至数十個の歯がはめ込まれ
た環状の本体を有する歯部品の一部について、回転軸に
対して垂直な断面を表した図である。

【００５２】図２は、図１と同様の断面図であって、環
状の本体に他の態様ではめ込まれた歯を示す。

【００５３】図３（ａ）乃至図３（ｆ）は、様々な方向
に方向づけされた繊維を有する歯の斜視図である。

【００５４】図４（ａ）乃至図４（ｃ）は、スラブ２２
から歯の形状を製造するための３つの工程を表す。

【００５５】図５は、溝付きシャフト形状の歯部品を示
す図である。

【００５６】本発明の歯部品の一例として図１に示され
る歯部品は、環状の本体１と、本体の周囲に沿い、適合
する溝２に挿入される歯３とを有する。なお、図には、
本体の一部のみが示されている。この種類の放射状に歯
を取り付けた歯車は、炭素を含むマトリックス中に、実
質的に連続した炭素繊維の格子を存在させて作られ得
る。この小孔のあるカーボンブランクは、最終的な本体
の形状と略同一の形状、例えば図１に示すような環状の
本体と略同一の形状である。

【００５７】本体１の内側表面および外側表面は、格子
から製造され得る。くさび形の溝５は、例えば、歯車を
シャフトに固定するために、本体の内表面に設けられ得
る。外側の溝２は、挿入する歯３に適合する特定の形状
及び寸法にし得る。

【００５８】本発明の歯部品は、製造する前に、まず、
炭素繊維をポリマーのマトリックス中に埋め込む。そし
て、このマトリックスは、窒素又はアルゴン中で熱分解
され、繊維の周りに所定の亀裂構造を生じる。次に、液
体珪素を真空中（減圧下）１４５０℃から１５００℃の
温度で、亀裂中に浸透させる。次に、好ましくは２時間
に渡って約１６５０℃の温度で、又は１時間以内に渡っ
て約２０００℃の温度で、珪素を遊離の炭素と反応させ
る。これらのパラメータは、わずかな遊離の珪素のみが
残り、ほとんどすべての珪素が炭化珪素に変換されるた
め、特に好ましい。この結果、熱および化学物質に対す
る顕著な耐性が得られる。特に、歯車が置かれ得る強い
腐食剤又はその他の過酷な状況に対して、顕著な耐性が
得られる。

【００５９】ここで、ポリマーのマトリックスは、炭素
を多く含むポリマーマトリックスであり、このようなポ
リマーとしては、当業者に公知のいずれのポリマーでも
用い得る。好ましくは、ポリマーの全重量の５０％以上
が炭素であるようなポリマーが好ましい。ポリマーマト
リックスの例としては、フェノール樹脂、フラン樹脂、
若しくはシアン化エステル樹脂等の熱硬化性樹脂、又
は、ポリエーテル類、ポリアミド、ポリエチレン、ポリ
プロピレン、若しくはケトン類等の熱硬化性樹脂等があ
げられる。さらに、石油ピッチ等を用いることも可能で
あり、これらの例には限定されない。

【００６０】また、ポリマーの状態は、いずれの状態で
もあり得る。例えば、固体、粉末、液状体、有機溶媒
液、又はエマルジョンの状態で提供され得る。特に、エ
マルジョン、有機溶媒溶液、又は液状体であれば、炭素
繊維の埋め込みが容易となり、好ましい。しかし、固体
又は粉末で提供されてもよく、その場合は、ホットプレ
ス加工法が好ましく用いられる。

【００６１】次に、歯３は、本体１と同じ材料で本体と
同様の方法で製造され得る。一方、歯３は、モノリシッ
クセラミックでもあり得る。ファイバー補強セラミック
が、用いられる潤滑剤の化学物質に対する耐性が十分で
ない場合に、このモノリシックセラミックの歯は、好ま
しい。一方で、液体珪素が浸透する炭素格子の歯、すな
わちファイバー補強セラミックの歯は、その他のすべて
の場合に好ましい。

【００６２】図１は、環状の本体１の溝２に、歯３が嵌
め込まれる状態を表している。図１の右側の２つの歯３
は、環状本体１の外周面に対して垂直な側面を有する溝
２、すなわち、長方形の断面を有する溝にはめこまれ
る。一方、左側の２つの歯３は、環状本体１の外周面に
対して傾斜する側面を有する溝２、すなわち、くさび形
の断面を有する溝に嵌め込まれている。ここに、左側の
溝２のくさび型の断面は、歯３の側面６の傾斜に適合し
ている。この形状の歯は、本体１の溝２の長手方向に挿
入され得る。そして、炭素を多く含むとともに液体珪素
を補給したペーストの層で、１４５０℃から１６５０℃
の温度でカーボンと珪素とが反応して炭化珪素が形成さ
れることによって本体１に結合固定される。

【００６３】図１の左側に示される２つの例のように、
くさび型構造を含む接合によれば、特に歯部品の回転の
軸に対する放射状方向の力に対して、固く、安定してい
る。また、歯３の側面６と同じ角度に傾斜するこれら溝
２の１つの利点は、歯の側面６がその溝２に挿入される
のに十分な長さであり、側面６さえ嵌合させることがで
きれば、同じ傾斜角度でさらに延長させる必要はない点
である。また、歯３は溝２の中及び／又は歯３の底面に
塗られた炭化珪素のペーストの層によって、溝２に固定
され得る。

【００６４】次に、図２は、本体１に、歯３が嵌め込ま
れる別の３つの態様を表している。これらの３つの方法
のすべてに共通することは、歯３が、環状本体の内周壁
面１０から外周表面１３に向かって伸びる孔７に適合し
ていることである。図２の右側の孔７に挿入されている
歯３は、２つの部分を備えている。そのうち、歯３の１
つの部分は、外周表面１３に放射状に突出しており、先
細りのサイド６を有する外側部分を含む。一方、それに
続く他の部分は、支柱部分８である。ここに、この支柱
部分８は、フランジ９までをいう。なお、このフランジ
９は、環状本体１の内周壁面１０側に位置しており、歯
３が、放射状方向の外側へ向かって滑動するのを防止す
る。

【００６５】また、図２の３つの歯のうちの中央の歯３
は、先細りの側面６を有する外側部分と、それに続く支
柱部分１１とから構成されている。しかし、支柱部分１
１は、先細りの外側の部分の根元より狭く、図の右側の
歯３の支柱の部分８より狭い。ここに、中央の歯の外側
の部分は、歯たけ方向先端から環状本体１の外周表面１
３上の接合面１２までをいう。環状本体１の内周壁面に
は、中央にボルト形状の突起１５を有する円盤部材１４
が位置する。この突起１５の形状は、支柱部分１１の中
間付近まで伸びる孔１６に適合している。すべての接合
部、特に、歯３と支柱部分１１との接合部、円盤部材１
４と内周壁面１０との接合部、又は突起１５と孔１６と
の接合部の固定を確実にするために、本明細書に記載し
たようにして調製される液体珪素、又は炭化珪素ペース
トの層が施され得る。

【００６６】最後に、図２の左に示す歯３は、環状本体
１の孔７に嵌入され、放射状外側に向かうに従い狭くな
る。すなわち、本体１の外側に向かった又は内周壁面１
０から外周表面１３へと歯の頂上に向かった、適当な寸
法の先細り形状となっている。このような形は、放射形
状をなす歯３を安定化させるのに寄与する。

【００６７】このように、図２は、歯３自身が環状本体
１にはめ込まれて安定化するような基本形状を示してい
る。一方、図３（ａ）、図３（ｂ）、図３（ｃ）、図３
（ｄ）、図３（ｅ）、及び図３（ｆ）は、実質的に連続
した炭素繊維の二方向の繊維の格子と炭素を含むマトリ
ックスとから成る環状本体１に対応させて構成される歯
３であって、歯３に適合する環状本体１と同じ材料から
なる歯３の例を示す。

【００６８】ここで、図３（ａ）乃至図３（ｆ）の線お
よび点は、格子中の炭素繊維の様々な方向を示す。図３
（ａ）、図３（ｂ）、図３（ｃ）、及び図３（ｄ）に示
す歯３中の繊維は、縦糸と横糸とが直角になっている二
次元の織物の形状である。このような直交する繊維によ
る補強により、異方性の性質を生じさせるため、様々な
応用例において利用できることとなる。

【００６９】まず、図３（ａ）に記載のＸ，Ｙ，Ｚ軸座
標において、図３（ａ）に示される歯３の構造は、Ｚ軸
に平行であり、歯の放射形状に平行で連続する繊維であ
るため、Ｚ軸方向の曲げ応力に対する抵抗力を有する。
なお、このＸ，Ｙ，Ｚ軸座標は、図３（ｂ）から図３
（ｆ）においても適用される。図３（ａ）に示す炭素の
縦糸及び横糸は、略直角をなし、歯３の長辺である底面
１７に平行あるいは垂直である。炭素の縦糸あるいは横
糸は、端部が歯３の上面１８及び側面６となり、また、
炭素の縦糸あるいは横糸は、上面１８及び側面６に略垂
直になっている。

【００７０】次に、図３（ｂ）に示す歯３の縦糸と横糸
の繊維は、側面６の接線方向に沿って広がり、その端部
は上面１８及び台形面１９に沿っている。すなわち、繊
維は、上面１８及び台形面１９に実質的に垂直である。
このような構造によれば、側面６に接するように方向づ
けされた繊維を有するため、特に耐磨耗性に優れる。

【００７１】また、図３（ｃ）に示す歯３の繊維格子の
縦糸と横糸は、上面１８と平行に方向づけされている。
従って、繊維は、その端部が側面６及び台形面１９とな
り、側面６及び台形面１９に対して垂直である。このよ
うな構造によれば、歯３の幅方向（Ｙ軸方向）の熱膨張
に対して抵抗力がある。

【００７２】図３（ｄ）に示す形態は、繊維の縦糸と横
糸が、底面１７に対して４５°の角度をなす点を除いて
は、図３（ａ）に示す態様と同様である。この方向は、
準異方性の性質をもたらし、このような歯３は、その複
数の主な領域に均一な負荷がかけられる場合に用いられ
得る。

【００７３】以上説明した通り、図３（ａ）から図３
（ｄ）までに示す態様の繊維の方向は、本明細書中で前
述した通りが好ましい。しかし、他の方向でもよく、特
に三次元的な繊維でもよい。すなわち、本明細書に前述
した図３（ａ）から図３（ｄ）までに示す縦糸および横
糸の様々な方向に、第三の繊維の方向を加えることもで
きる。この第三の方向は、図３（ａ）から図３（ｄ）ま
でに示す縦糸および横糸に対して、実質的に直角であり
得る。

【００７４】このような方向であれば、特に、歯３の部
材に作用する力を分離させることができる。すなわち、
歯は、他の歯と噛み合う部分から、最初にかかる押力、
曲げ力及び引っ張り力を受けるが、このような力を分散
させることができる。このような利点は、図３（ａ）か
ら図３（ｄ）までに示す態様によって達成される上述の
利点に加えて、発揮される。

【００７５】次に、図３（ｅ）及び３（ｆ）は、本発明
に係る複合的構造を有する２つの歯３を示す。この文章
における「複合的構造」とは、コア２０と被覆物２１と
から成り、歯３が備える複合的構造を意味する。ここ
に、コア２０の側面及び正面のいずれもが被覆物２１に
覆われていることが好ましい。被覆物２１は、歯の側面
６及び上面１８に構成され、コア２０は、底面１７が端
部となる。

【００７６】また、図３（ｅ）に示す態様のコア２０
は、繊維格子で構成され、縦糸および横糸は、図３
（ａ）に示す歯３のように方向づけられている。一方、
被覆物２１中の縦糸及び横糸は、図３（ｄ）に示す歯の
繊維と同じ方向にある。この複合的構造であるコア２０
によって、耐破断性の支持体を構成し、被覆物２１によ
って、高い耐磨耗性を有する表面を構成する。

【００７７】次に、図３（ｅ）に示す態様のコア２０
は、長方形の断面を有する一方で、図３（ｆ）に示す態
様のコア２０の断面は三角形であり、歯３の輪郭形状に
略対応している。また、図３（ｆ）に示す態様のコア２
０の個々の縦糸及び横糸は、図３（ｅ）に示すコア２０
中の縦糸および横糸の方向と同じである。図３（ｆ）に
示す態様の被覆物２１は、図３（ｅ）に示す被覆物２１
とは異なり、巻かれている。すなわち、垂直な繊維の層
が、歯３のコア２０の側面及び面１９を端部として、積
み重ねられている。なお、被覆物２１中の繊維の方向
は、図３（ｂ）に示す態様の歯３の繊維と同様の方向で
ある。このような態様の歯３によれば、最終的な歯の形
状に類似するように粗成形したコア２０であっても、簡
易な工程により仕上がり得る点である。

【００７８】また、図３（ｆ）に示す歯３は、歯３が、
耐磨耗性のファイバー補強セラミックから成る被覆物２
１に覆われたコア２０を有する複合的構造を備えてい
る。図３（ｆ）に示す歯３は、まず、底面１７に平行で
ある対称線を有する略菱形断面を有するコア２０を製造
し、被覆物２１の層を巻き付けることによって、効率的
に製造することもできる。この場合、この得られた基本
的部材が、底面１７に沿って切断して分割され、図３
（ｆ）に示すような歯３が２個得られる。

【００７９】ここで、図３に示す歯は、図４（ａ）、図
４（ｂ）、及び図４（ｃ）に示す工程によって、効率的
に製造され得る。

【００８０】この工程では、炭素繊維の複数の層２３
が、Ｚ軸方向に積み重ねられ、スラブ２２が作られる。
これにより、スラブ２２の上面に示されるように、Ｘ−
Ｙ面に沿って、縦糸および横糸が延びることとなる。そ
の後、図３（ａ）、図３（ｂ）、図３（ｃ）、および図
３（ｄ）に記載の様々な方向の繊維を有する歯を、この
ようなスラブから製造し得る。

【００８１】Ｘ方向又はＹ方向の幅が最終的な歯の長さ
と同じである部材片又はブロックの製造に際しては、例
えば、まず、スラブ２２が、ラインＡ又はラインＢに沿
って切断される。この時、そのスラブのＺ軸方向の幅
は、最終的に得られる底面１７の幅と同じになる。次
に、この得られたブランクを９０°回転させて底面１７
を下にして、図４（ｂ）に示すような繊維の方向を有す
るようにする。次に、得られた切片から、側面６を有す
る歯３が機械加工によって得られる。

【００８２】また、スラブ２２に、図４（ａ）に示すカ
ット線Ｃ、すなわち、Ｘ軸及びＹ軸に４５°の角度のカ
ット線を入れ、得られた部材を９０°回転させた場合に
は、図４（ｃ）に示す繊維の方向を有する切片が得られ
る。次に、図４（ｃ）中の線および点で示される方向の
繊維のブランクから、機械加工によって、歯３が製造さ
れる。

【００８３】このように、歯３の側面６及び上面１８付
近の繊維の方向は、カット線Ａ、Ｂ、及びＣにおける基
本的カットによって決定される。しかし、繊維の方向の
数は、カットの位置のみならず、スラブ２２の準異方性
の構成によっても決定され得る。すなわち、炭素の織物
の個々の層は、その繊維方向をＸ及びＹ軸に平行に配置
させるばかりでなく、その繊維方向のこれらの軸に対す
る角度を、交互に変えていき、ラミネートの中心線に対
して対称的に積み重ねていっても良い。例えば、この角
度は、六層ラミネートにおいては、縦糸とＸ軸との間
で、０°、９０°、＋４５°、−４５°、−９０°、及
び０°となるように積み重ねても良い。

【００８４】以上、本発明の実施形態について説明した
が、本発明の実施形態は、上述のものには限定されな
い。

【００８５】例えば、本発明の用途は上述の歯車には限
定されない。すなわち、様々な異なる公知の歯部品もま
た、上述の方法によって製造され得る。例えば、放射状
の平歯車の他、かさ歯車、ウォーム歯車、ピニオン、ベ
ルトプーリ、クラウンギア、ラック、及び図５に示すよ
うなスプラインシャフト等が、上述の方法によって、製
造され得る。

【００８６】また、本発明の歯部品の歯の形状は、上述
のものに限定されず、インボリュート曲線又はサイクロ
イド曲線を有するものであっても良い。その他、本発明
の技術的範囲には、その趣旨を逸脱しない範囲内で、当
業者の知識に基づき種々なる改良、修正、変形を加えた
歯部品も含むものである。

【００８７】

【発明の効果】本発明の歯部品によれば、繊維を炭化珪
素によって被覆する特殊なファイバー補強セラミック等
の材料から構成されているため、磨耗、破断、化学物質
の作用、腐食、疲労等に対して高い耐性がある。また、
本発明の歯部品によれば、長期間作動させた場合でも熱
膨張性を低くすることができる。このため、寸法安定性
に優れ、２つの歯部品を正確に噛み合わせることができ
る。従って、高温になった場合に耐性を失う従来の歯車
と異なり、静かな作動が可能となり、その適用範囲を広
めることができる。

【００８８】また、本発明の歯部品によれば、特殊なフ
ァイバー補強セラミック等の材料から構成されているた
め、従来の金属製の歯部品に比して軽く構成できる一方
で、高い耐衝撃性を具備することができる。このため、
本発明の歯部品から構成される歯車機構等の作動中にク
ラッキングが生じることを防止することができる。

【００８９】また、本発明の歯部品によれば、軽量であ
る一方で、密度、強度、及び耐磨耗性があるため、巨大
な寸法のものを構成することも可能となる。

【００９０】また、本体及び歯部品が別個に製造され、
形態的又は力学的に一体に組み合わされることを特徴と
する本発明の歯部品によれば、繊維の層を備える構造の
形成を容易に行うことができる。また、長期間の作動に
よってダメージを受けた歯を交換することもできる。

【００９１】また、歯が、実質的に炭化珪素又は純粋な
珪素を含む層によって、本体に固定されることを特徴と
する本発明の歯部品によれば、歯を本体へ、炭化珪素を
接着剤として高強度に固定できる。一方で、接着剤を液
状化させることにより、歯を本体から容易に取り外して
交換することができる。

【００９２】また、歯が、耐磨耗性のファイバー補強セ
ラミックから成る被覆物に覆われたコアを有する複合的
構造を備えたことを特徴とする本発明の歯部品によれ
ば、支持体として耐破断性のコアに磨耗耐性セラミック
の被覆物を付加することにより、特に、歯の表面を固く
して磨耗耐性を向上させることができる。

【００９３】また、歯車のうちの炭素繊維の部分が、歯
の歯たけ方向と平行方向に向けられていることを特徴と
する本発明の歯部品によれば、例えば力の伝達におい
て、歯車が従事する最大機械引張り応力又は曲げ応力に
対する抵抗力を向上させることができる。

【００９４】また、歯車に押圧力が負荷される場合、歯
車のうちの炭素繊維の部分が歯の側面の接線方向である
ことを特徴とする本発明の歯部品によれば、耐磨耗性を
向上させることにより、特に、形状及び寸法の安定性を
向上させることができ、歯車の噛み合いを安定化させる
ことができる。

【００９５】また、本体及び／又は歯が、ファイバー補
強セラミックのスラブから形成されることを特徴とする
本発明の歯部品によれば、スラブを製造し、このスラブ
に基づいて歯等を容易製造できるため、歯部品を経済的
に製造することができる。

【００９６】また、歯が、くさび止め又はあり継ぎ止め
によって本体と組み合わされることを特徴とする本発明
の歯部品によれば、別個の部材として製造された歯を、
本体により確実に固定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る歯部品の一部断面図である。

【図２】本発明に係る歯部品の他の実施形態を示す一部
断面図である。

【図３】本発明に係る歯部品の歯を示す図であり、図３
（ａ）は一の実施形態を示す斜視図、図３（ｂ）は他の
実施形態を示す図、図３（ｃ）は更に他の実施形態を示
す図、図３（ｄ）は更に他の実施形態を示す図、図３
（ｅ）は更に他の実施形態を示す図、図３（ｆ）は更に
他の実施形態を示す図である。

【図４】本発明に係る歯部品の歯の製造方法を説明する
ための図であり、図４（ａ）はスラブを示す斜視図、図
４（ｂ）は歯の一の製造方法を説明するための斜視図、
図４（ｃ）は歯の他の製造方法を説明するための斜視図
である。

【図５】本発明に係る歯部品の更に他の実施形態を示す
斜視図である。

【符号の説明】

１；本体２；溝３；歯６；側面２２；スラブ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】力の機械的伝達に用い、炭素繊維で補強
されたコンポジットの本体を有する歯部品であり、特に
は、歯車、ラック、ピニオン、スプライン、又はそれら
に類する機械要素等の歯部品において、前記本体がファイバー補強セラミックから成り、該ファ
イバー補強セラミックが、実質的に連続した炭素繊維の
格子と炭素を含有するマトリックスとを有し、該格子中
の繊維が、実質的に、該格子に浸透するとともにマトリ
ックス中の炭素と反応する液体珪素から形成された炭化
珪素によって、被覆されており、かつ、該歯が、負荷に
適合する方向の繊維を有する類似のファイバー補強セラ
ミック又はモノリシックセラミックのいずれかで構成さ
れることを特徴とする歯部品。
【請求項２】前記本体及び歯が別々に製造され、形態
的又は力学的に一体に組み合わされることを特徴とする
請求項１に記載する歯部品。
【請求項３】前記歯が、実質的に炭化珪素又は純粋な
珪素を含む層によって、前記本体に固定されることを特
徴とする請求項２に記載する歯部品。
【請求項４】前記歯が、焼結し、プレスし、又は反応
結合した炭化珪素、又は窒化珪素であることを特徴とす
る請求項１乃至請求項３のいずれかに記載する歯部品。
【請求項５】前記歯の中の繊維格子の少なくともいず
れかが、縦糸と横糸とを互いに直角にしてなる織物の二
次元の層で構成されることを特徴とする請求項１乃至請
求項３のいずれかに記載する歯部品。
【請求項６】前記歯が、耐磨耗性のファイバー補強セ
ラミックから成る被覆物に覆われたコアを有する複合的
構造を備えたことを特徴とする請求項５に記載する歯部
品。
【請求項７】前記コアが、炭素、好ましくはグラファ
イトから成ることを特徴とする請求項６に記載する歯部
品。
【請求項８】前記コアが、耐破断性のファイバー補強
セラミックであることを特徴とする請求項６に記載する
歯部品。
【請求項９】前記被覆物が、コアの周りに巻かれてい
ることを特徴とする請求項６に記載する歯部品。
【請求項１０】前記歯車のうちの前記炭素繊維の部分
が、前記歯の歯たけ方向と平行方向に向けられているこ
とを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれかに記載
する歯部品。
【請求項１１】歯車に押圧力が負荷される場合、該歯
車のうちの前記炭素繊維の部分が歯の側面の接線方向で
あることを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか
に記載する歯部品。
【請求項１２】歯車の形状の歯部品であって、前記本
体が環状であり、前記炭素繊維がその円周に沿った方向
に配されることを特徴とする請求項１乃至請求項１１の
いずれかに記載する歯部品。
【請求項１３】前記本体及び／又は前記歯が、ファイ
バー補強セラミックのスラブから形成されることを特徴
とする請求項１乃至請求項１２のいずれかに記載する歯
部品。
【請求項１４】前記歯が、くさび止め又はあり継ぎ止
めによって本体と組み合わされることを特徴とする請求
項１乃至請求項１３のいずれかに記載する歯部品。
【請求項１５】前記くさび止め又はあり継ぎ止めに対
応する溝を本体に有することを特徴とする請求項１４に
記載する歯部品。
【請求項１６】前記歯が、台形の断面を有し、本体の
溝に適合する台形の根元を有することを特徴とする請求
項１５に記載する歯部品。
【請求項１７】磨耗又は酸化から保護するために被覆
されていることを特徴とする請求項１乃至請求項１６の
いずれかに記載する歯部品。
【請求項１８】前記保護被覆が、炭化珪素であること
を特徴とする請求項１７に記載する歯部品。
【請求項１９】前記歯が、０．１％よりも高い破断時
伸び率を有することを特徴とする請求項１乃至請求項１
８のいずれかに記載する歯部品。