JP2013519851A - 歯車及び歯車を備えたポンプ装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、歯（２３）を有する歯車（１６）に関し、当該歯車（１６）においては、前記歯（２３）の第１のセクション（２４）が、横断面において、前記歯（２３）の隣接する第２のセクション（２６）の外形に対して少なくとも一部が張り出す外形を有し、かつ、弾性的に形成され、及び／又は、弾性的に取り付けられている。また、本発明は、ポンプ装置、特に上記のような歯車を備えた歯車機構を有する駆動部を備えた定量ポンプ装置に関する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、歯車及びポンプ装置に関し、特に歯車を備えた歯車機構を有する駆動部を備えた定量ポンプ装置に関する。

特に定量ポンプ装置においては、連続的な駆動動作を伝達するのではなく、例えばステッピングモータを介して段階的に作動させ、個々の送出ストロークを制御的に実行することのできる歯車機構が知られている。これにより、歯車装置には負荷変動又はトルク変動が生じ、これらの変動が個々の歯車間の遊びによって望ましくない雑音を発生させる場合がある。これを回避するために、このような定量ポンプ装置においてこれまで知られているのは、歯付きベルトを備えた歯車装置を使用することであり、当該歯付きベルトは、歯車装置における減衰器として機能する。しかし、これには、歯車装置のサイズが増大するという不利な点がある。さらに、歯付きベルト用の張力装置を備える必要があり、かかる歯付きベルトは摩耗を受ける。

このような問題に鑑み、本発明の目的は、耐摩耗性を有し、簡単に組立てられ、負荷変動に際しても望ましくない雑音を発生することのない歯車機構を備えたポンプ装置の構築を、コンパクトなサイズで可能にすることである。

この目的は、請求項１に記載された特徴を有する歯車及び請求項１２に記載された特徴を有するポンプ装置によって達成される。好ましい実施形態は、従属クレーム、以下の説明、及び、添付の図面から明らかである。

本発明による歯車は、一方では十分なトルク伝達を可能にし、他方では噛合う歯車との遊びのない係合を可能にするような特殊な歯形状を有する。そのため、好ましくは歯車の周囲にわたって均一に配分されている歯の少なくとも一部は、以下で説明するように形成されている。好ましくは、すべての歯がこのようにして形成されている。

歯はそれぞれ少なくとも２つのセクションを有し、それぞれにおいて、歯の横断面における外形が異なって形成されている。セクションの１つは、トルク伝達のために優先的に設けられており、その一方で少なくとも１つの別のセクションは、噛合う歯車との係合における遊びを除去する役割を果たす。また、歯の少なくとも１つのセクションは、横断面において、当該歯における隣接する第２のセクションの外形に対して少なくとも一部が張り出す（突出する）外形を有している。この横断面は、ストレート歯部（平歯）の場合には、回転軸に平行に延びる歯の前後軸に垂直な方向に延びる。したがって、この第１のセクションは、歯の外形から張り出す部分を包含し、歯は、このセクションの断面が、少なくとも一つの方向において、隣接する第２のセクションの断面よりも大きく形成されている。さらに、第１のセクションの少なくともこの突出する外形の部分は、弾性的に形成され、及び／又は、弾性的に取り付けられている。第１のセクションの外形のこの突出する又は張り出す範囲は、噛合う歯車と遊びなしに係合できるように大きめに寸法決めされている。噛合う歯車との係合の際に、第１の歯セクションの外形のこの弾性を有した突出する範囲が弾性的に変形、特に圧縮されるため、この範囲では、係合の両方の負荷方向において、歯の第１のセクションと噛合う歯車の歯面とに間の遊びのない接触が達成される。これに対し、歯の第２のセクションは、従来の方法でトルク伝達を最適化するように形成することができ、必要な耐摩耗性も保証するために、特に十分に堅い又は剛性のある材料で製造することができる。第２のセクションは、噛合う歯車との係合において通常の遊びを有してもよいが、両方の歯車の係合における遊びは歯の第１のセクションによってまとめて除去されるので、これが望ましくない雑音につながることはない。

好ましくは、歯のそれぞれにおいて、歯の第１のセクションが、歯の隣接する第２のセクションに対して径方向に張り出し、弾性的に形成され、及び／又は、弾性的に取り付けられている。すなわち、実施形態では、歯車は、弾性の範囲が変形していない状態の第１のセクションにおいて、隣接する第２のセクションにおけるよりも大きなピッチ円直径を有する。噛合う歯車との係合時には、第１のセクションは、弾性的に径方向内側へと曲がり又は弾性的に圧縮され、それによってこの範囲での噛合う歯車との遊びのない係合が保証される。したがって、負荷変動もしくは負荷逆転の際にも、歯車間には望ましくない雑音が生じない。

歯の第１のセクションは、好ましくは、それぞれ歯の軸方向の一端に配置されている。ここで、軸方向もしくは前後方向は、歯車の周方向を横切って歯が延びる方向であり、すなわち、ストレート歯部（平歯車）の場合には歯車の回転軸に平行であり、ヘリカル歯部（はすば歯車）の場合には歯の傾斜に応じて斜めに延びる。あるいは、適切に形成された第１のセクションを歯の軸方向の両端に備えることも可能である。

さらに好ましくは、複数の、好ましくはすべての歯の第１のセクションは、歯車の共通の円周線上に位置している。すなわち、突出すると共に弾性的に取り付けられ又は弾性的に形成された外形の部分が存在する歯の第１のセクションは、好ましくは、そのすべてが軸方向で見て同じ位置にある。このようにして、均一の力伝達により、噛合う歯車との均一で継続的な係合が保証される。

各歯の第１のセクションは、好ましくは、歯車の回転軸に対して斜めに延びる先端をさらに有する。特に、歯が第１のセクションの範囲において外形の径方向に突出するセクションを有すると、斜めに延びる先端を介して、歯の第２のセクションから歯の第１のセクションの径方向に突出する範囲への最大歯先円直径の連続的な移行を提供することができる。

さらなる好ましい実施形態によれば、歯の第１のセクションは、径方向に弾性を有しつつ歯の隣接する第２のセクションと結合される。この弾力的な結合によって、第１のセクションの外形の突出する範囲を、噛合う歯車の歯面と遊びなしに接触させ続けられるようにするために必要な弾性を達成することができる。

歯の第１のセクションの必要な可動性を保証するために、歯の第１のセクションを、溝によって、隣接する歯の第１のセクションと分離させることができる。特に、歯の第１のセクションが隣接する第２のセクションと弾性的に結合されていると、この第１のセクションは、隣接する歯の第１のセクションから独立して、径方向に弾力的に動くことができ、これによって、噛合う歯車の歯面と遊びなしに接触することが達成される。したがって、第１のセクションは、それぞれ弾力的な舌状物として形成されている。

さらに、歯車は、歯の第１のセクションの範囲において、歯の第２のセクションにおけるよりも少ない壁の強度を有することが好ましい。すなわち、歯車は歯の第１のセクションの範囲で内部（の壁厚）を薄くすることができるため、これにより、歯の第１のセクションの径方向内側への所定の弾性可動性が保証される。このようにして、歯の第１のセクションは、径方向の内側に引っ込むことができる。

歯及び好ましくは歯車全体は、樹脂（プラスチック）で製造されているのが好ましい。ここで、歯及び歯車全体は、同じ樹脂から一体的に製造することができる。あるいは、例えば多成分射出成形で、異なる樹脂を互いに結合させることも可能である。これにより、例えば歯の第１のセクションと第２のセクションとを異なる樹脂材料で製造することが可能である。したがって、歯の第１のセクションを、例えば弾性を有する樹脂で製造する一方、第２のセクションを、あまり弾性を有しない樹脂で製造し、第１のセクションには必要な弾性を与え、第２のセクションにはトルク伝達のために必要な剛性を与えることが可能である。

あるいは、歯の第１のセクションを樹脂で、歯の第２のセクションを金属で製造することも可能である。こうして、十分な弾性を有する樹脂を選択することによって第１のセクションの必要なばね効果を達成することができ、金属製の第２のセクションはトルク伝達のために必要な剛性を明らかに示すことができる。樹脂と金属とのこのような結合は、例えば形状結合的及び／又は摩擦結合的になされ、あるいは、樹脂材料が射出成形で金属部と結合させることによって行うことができる。

歯の第１のセクションは、好ましくは実質的に歯幅の１０〜３０％の範囲に及んでおり、さらに好ましくは実質的に歯幅の２０％に及んでいる。こうして第２のセクションが歯幅の大部分を占めるため、歯の最大範囲部分がトルク伝達のために使用され、より小さな部分のみが噛合う歯車との遊びのない係合を保証する役割を果たす。

本発明はさらに、ポンプ装置、特に駆動モータと歯車機構とを有する定量ポンプ装置に関し、ここで、当該歯車機構は前述の説明による歯車を含む。このようなポンプ装置は、例えば、定量移送のために電動のステッピングモータによって駆動される定量ポンプ装置であることができる。ステッピングモータは歯車機構を介して偏心器を駆動し、この偏心器を介してピストン棒を駆動することができ、当該ピストン棒によって可動体、好ましくは媒体を送出又は定量移送するための膜が動かされる。歯車機構は、最も簡単な例では、駆動モータのシャフトに取り付けられた駆動ピニオンと、前記偏心器と共にシャフトに取り付けられて前記駆動ピニオンと噛合う歯車とからなる。ここで、この噛合う歯車が、前述の説明に従って形成されることが好ましい。駆動モータがステッピングモータである場合、段階的な回転に起因して、駆動ピニオンとこれに噛合う歯車との間で負荷変動又はトルク方向の変化が生じる。このとき、歯の第１のセクションを備えた歯車が駆動ピニオンの歯部へ遊びなく係合されるので、歯面同士の衝突が妨げられ、駆動モータの非連続的な回転に際しても、静かで摩耗のない運転が保証される。

上述のように、歯の第１のセクション及び第２のセクションを備えた歯車は、好ましくは、可動体を作動させるために偏心器を回転駆動する。しかし、この駆動は、歯車と偏心器とが共通のシャフト上に配置されていることによって行われなくてもよい。むしろ駆動は、間接的にも、例えばさらなる歯車駆動要素もしくは歯車を介して行うことができる。

本発明による歯車が配置されている歯車機構を備えた定量ポンプ装置を示す断面図である。 図１による駆動部及び歯車機構の互いに係合する歯車を示す拡大図である。

以下、添付の図面を用いて本発明を例示的に説明する。
図１に例示した定量ポンプ装置は、公知の方法で、ポンプヘッド４が装着された駆動ハウジング２を有する。ポンプヘッド４には、ポンプ室６がこれに付随する接続部（ポート）及びバルブとともに配置されている。ポンプ室６の片側は、可動体を構成する膜８によって画成されており、この可動体によってポンプ室の容積を媒体のポンピング又は移送（送出）のために縮小及び拡大させることができる。

駆動ハウジング２では、本来の駆動部に加えて、必要な制御又は調整のための電子機器９が公知の方法で配置されている。駆動部は、好ましくはステッピングモータとして構成された電動モータ１０を有する。モータシャフト１２には、駆動ピニオン又はピニオン１４が耐トルク的に装着されている。ピニオン１４は、歯車１６と噛合っており、この歯車１６が耐トルク的に固定されているシャフト１８を介して偏心器（カム）２０を回転駆動する。そして、偏心器２０を介してピストン棒２２がストローク運動又は長手方向軸Ｘに沿って軸方向に往復運動される。こうして、ピストン棒２２は、移送又は定量に必要な膜８のストローク運動を生じさせる。

駆動モータ１０をステッピングモータとして設計した場合には、モータシャフト１２の連続的な回転動作ではなく、複数の個別の段階からなる回転動作が存在するという問題が生じる。これらは、ピニオン１４及び歯車１６によって形成される歯車機構において負荷変動又はトルク変動の原因となり、ピニオン１４の歯と歯車１６との間の遊びに起因して望ましくない雑音及び歯の摩耗の増加をもたらす可能性がある。これを回避するため、歯車１６は、本発明による方法では、遊びなしにピニオン１４と係合するように形成されている。そのため、歯車１６の歯２３は、それぞれ第１のセクション２４と、歯２３の前後方向（歯幅方向）Ｚで隣接する第２のセクション２６を有する。第２のセクション２６には、歯２３が従来の方法でトルク伝達のための所望の歯形を有して形成されている。歯２３の第１のセクション２４では、歯形は、少なくとも外形の一部が横断面で歯の前後軸Ｚに対して傾斜して、第２のセクション２６における断面の外形に対して張り出すように形成されている。さらに、この張り出している範囲は弾性を有して形成されており、ピニオン１４の歯面に完全に遊びなしに接触することができる。歯２３の第１のセクション２４はすべて、歯２３の端部で歯車１６の軸方向の同じ側に位置している。

本実施形態において、張り出した外形は、歯２３がその第１のセクション２４において径方向の外側に突出し、これにより、第１のセクション２４におけるピッチ円直径及び歯先円直径が第２のセクション２６におけるピッチ円直径及び歯先円直径よりも大きくなっていることによって達成されている。また、第１のセクション２４の先端２７は、歯の前後軸Ｚに対して斜めに外側へ突出している。すなわち、第１のセクション２４における第２のセクション２６に隣接する範囲では、歯は、第２のセクション２６における歯２３と同じピッチ円直径及び歯先円直径を有している。第２のセクション２６からの移行により、歯２３は、第１のセクション２４において歯車１６の軸方向の一端側２８に向かって歯車１６の回転軸Ｙに対して径方向で外側へ延出する。すなわち、ピッチ円直径が、軸方向の一端側２８に向かって増加するため、第１セクション２４は、第２のセクション２６に対して突出する。

歯２３の第１のセクション２４は、それぞれ隣接する第２のセクション２６と弾性的に結合されている。セクション２４の弾性的な設計は、主として材料を薄くすることによって行われる。個々の歯２３の第１のセクション２４の間には溝３０が配置されるため、歯２３の第１のセクション２４は弾力的な舌状物を形成し、それぞれが互いに依存せずに回転軸Ｙに対して径方向で内側へ曲がることができる。また、歯車１６は、第１のセクション２４の範囲において内周が薄くなっている。すなわち、この範囲では、歯２３は、第２のセクション２６の範囲におけるよりも内周で支持されていない。第２のセクション２６では、歯２３は、歯ベースの径方向内側の担持リング３２によって支持されている。

本実施形態では、歯車１６全体が一体的に、好ましくはプラスチック（樹脂）で形成される。それによって、径方向における歯２３の第１セクション２４の必要な弾性が確保される。歯２３の第１のセクション２４は、ピニオン１４の歯２３との係合時に、ある程度径方向内側へと押圧され、それによって第１のセクション２４においては歯２３の両側が遊びなしにピニオン１４の歯面と接触することが確保される。しかし、ピニオン１４と歯車１６との間の本来のトルク伝達は、従来的な遊びが依然として存在する、歯２３の第２のセクション２６における従来と同様の歯構成を介して行われる。したがって、歯２３の第１のセクション２４は、歯車機構において、ばね機能もしくは減衰機能を有し、これにより望ましくない雑音が除去される。第１のセクション２４は、歯の前後方向軸Ｚの方向で歯幅のわずかな範囲、本例では歯幅の約２０％でしかないが、それによって歯幅の大部分を第２のセクション２６において力の伝達のために使用できる。

本実施形態において、歯車１６は一体的にプラスチックで形成されているが、歯車１６は、さまざまな材料、特に異なるプラスチックからも、例えば多成分射出成形で製造することが可能である。こうして第１のセクション２４における歯２３は、第２のセクション２６における歯２３の部分とは別の、特に弾性の材料で製造することが可能である。第２のセクション２６における歯を金属で形成し、第１の範囲２４だけをプラスチックで形成することも考えられるであろう。多段階の歯車機構において歯車１６のように形成された歯車を使用することも可能である。

２ 駆動ハウジング
４ ポンプヘッド
６ ポンプ室
８ 膜
９ 電子機器
１０ 駆動モータ
１２ モータシャフト
１４ ピニオン
１６ 歯車
１８ シャフト
２０ 偏心器
２２ ピストン棒
２３ 歯
２４ 歯の第１のセクション
２６ 歯の第２のセクション
２７ 前縁
２８ 歯車１６の軸側
３０ 溝
３２ 担持リング
Ｘ ストローク方向
Ｙ 歯車１６の回転軸
Ｚ 歯２３の前後軸

Claims (15)

1. 歯（２３）に特徴を有する歯車（１６）であって、前記歯（２３）の少なくとも第１のセクション（２４）は、横断面において、前記歯（２３）の隣接する第２のセクション（２６）の外形に対して少なくとも一部が張り出す外形を有して弾性的に形成され、及び／又は、取り付けられている、歯車（１６）。
2. 前記歯（２３）のそれぞれは、前記歯（２３）の前記第１のセクション（２４）が前記歯（２３）の隣接する前記第２のセクション（２６）に対して径方向に突出すると共に弾性的に形成され、及び／又は弾性的に取り付けられて構成されていることを特徴とする請求項１に記載の歯車。
3. 前記歯（２３）の前記第１のセクション（２４）は、それぞれ前記歯（２３）の歯幅方向の一端（２８）に位置していることを特徴とする請求項１又は２に記載の歯車。
4. 複数の歯（２３）、好ましくはすべての歯（２３）の前記第１のセクション（２４）が前記歯車（１６）の共通の円周線上に位置していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の歯車。
5. 各歯（２３）の前記第１のセクション（２４）は、前記歯車（１６）の回転軸（Ｙ）に対して斜めに延びる先端を有していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の歯車。
6. 前記第１のセクション（２４）は、径方向に弾性を有しつつ前記歯（２３）の隣接する第２のセクション（２６）と結合されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の歯車。
7. 各歯（２３）の前記第１のセクション（２４）は、溝（３０）によって、隣接する歯（２３）の前記第１のセクション（２４）と分離されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の歯車。
8. 前記歯（２３）の前記第１のセクション（２４）の範囲の径方向における壁厚は、前記歯（２３）の第２のセクション（２６）の範囲の径方向における壁厚よりも小さいことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の歯車。
9. 前記歯（２３）及び好ましくは歯車（１６）全体が樹脂で製造されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の歯車。
10. 前記歯（２３）の前記第１のセクション（２４）が樹脂で製造され、前記歯（２３）の前記第２のセクション（２６）が金属で製造されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の歯車。
11. 前記第１のセクション（２４）は、歯幅の１０〜３０％の範囲に及んでいることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一つに記載の歯車。
12. 特に駆動モータ（１０）と歯車機構とを有する駆動部を備えたポンプ装置において、
    前記歯車機構は、請求項１〜１１のいずれか一つに記載の歯車（１６）を有することを特徴とするポンプ装置。
13. 前記第１のセクション（２４）と前記第２のセクション（２６）とを備えた前記歯（２３）を有する歯車（１６）が、前記駆動モータ（１０）のシャフト（１２）に取り付けられたピニオン（１４）と噛合うことを特徴とする請求項１２に記載のポンプ装置。
14. 前記歯（２３）の前記第１のセクション（２４）と前記第２のセクション（２６）とを備えた前記歯車（１６）が、可動体（８）を作動させるために偏心器（２０）を回転駆動することを特徴とする請求項１２又は１３に記載のポンプ装置。
15. 前記駆動モータ（１０）はステッピングモータであることを特徴とする請求項１２〜１４のいずれか一つに記載のポンプ装置。