JP2006233871A - ギヤポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】ギヤポンプの性能向上とコストダウンを図る。
【解決手段】ポンプのハウジングを構成するギヤケース２のギア室２ｂ内に、ギヤ５，５′が回転可能に設けられ、これを回転駆動することにより、吸入口２ａから流体を吸入して吐出口２ｃから吐出する。ギヤ５，５′は、外周に歯を有する円筒形に形成されており、歯を含む外周部と軸方向の両方の側面部が合成樹脂で成形された樹脂部７となっており、樹脂部７の内側に、ギヤ５，５′の回転軸６，６′が嵌通される軸孔を有する円筒形のインサート部材８がその中心軸をギヤ５，５′の中心軸と同軸として埋め込まれている。インサート部材８は、樹脂部７の合成樹脂より融点が高い金属、セラミックあるいはガラスなどの材料からなる。
【選択図】図１

Description

本発明はギヤポンプに関し、詳しくは、流体の吸入口と吐出口が設けられたポンプのハウジング内に複数のギヤが互いに噛合した状態で回転可能に設けられ、該複数のギヤを回転駆動することにより、前記吸入口から流体を吸入して前記吐出口から吐出するギヤポンプに関するものである。

下記の特許文献１及び２などに記載されているギヤポンプは、ポンプハウジング内に２つのギヤが互いに噛合して回転可能に設けられ、このギヤを回転駆動することにより、ポンプハウジングの片側に設けられた吸入口から油や水などの流体を吸入し、反対側に設けられた吐出口から流体を吐出するようになっている。このようなギヤポンプにおいては、ポンプ内での流体の漏れや逆流を抑えてポンプの性能を確保するために、ポンプハウジングとギヤの歯先のクリアランス（隙間）、及びポンプハウジングとギヤの側面のクリアランスを高精度、例えば数１０μｍ以内のオーダーで管理する必要がある。このため、特にギヤは形状及び寸法が高精度の精密部品とする必要があり、その材料に金属あるいはセラミックを使用したものがあるが、その場合、ギヤの製造に高精度な機械加工を必要とし、コストがかかってしまうという問題がある。

一方、射出成形で成形した合成樹脂製のギヤを用いたギヤポンプの構成が下記の特許文献３などで採用されている。この構成で用いられるギヤは、例えば図５（ａ），（ｂ）に符号５１で示すように外周に歯５１ａを有する円筒形に形成され、不図示の回転軸を嵌通する軸孔５１ｂがギヤの中心軸と同軸に形成されている。ギヤ５１は、例えば、後で本発明の実施例との比較で図６により説明するように、射出成形機により成形される。
特開２０００−２７７７１号公報 特開２００１−１８２６７０号公報 特開２０００−３０３９６７号公報

しかしながら、射出成形法により合成樹脂製のギヤを作成する場合、製品の肉厚が増すと共に、いわゆるヒケ、すなわち樹脂の収縮による表面のくぼみないし反りが発生して形状、寸法の精度が悪化し、ギヤポンプの性能が低下するという問題があった。なお、射出成形樹脂の充填圧力を上げれば、寸法精度が向上するが、バリ（微小突起物）の発生、充填圧力を加える時間の増加、金型の早期磨耗などの問題が生じる。これらの問題の対策として、成形後の処理として、機械加工による二次加工やバリの除去作業などを実施しているが、そのためにコストがかかってしまうという問題があった。

本発明の課題は、上記のような問題を解決し、ギヤポンプにおいて性能の向上と共にコストダウンが図れる構成を提供することにある。

上記の課題を解決するため、本発明では、
流体の吸入口と吐出口が設けられたポンプハウジング内に複数のギヤが互いに噛合した状態で回転可能に設けられ、該複数のギヤを回転駆動することにより、前記吸入口から流体を吸入して前記吐出口から吐出するギヤポンプにおいて、
前記ギヤが、ギヤ歯を形成する合成樹脂で成形された樹脂部と、該樹脂部の内側に埋め込まれ、前記合成樹脂より融点が高い材料からなるインサート部材とから形成されていることを特徴とする。

本発明のギヤポンプの構成によれば、ギヤはインサート部材をインサートした射出成形で安価に製造できる。また、ギヤは、埋め込まれているインサート部材の分だけ樹脂部の肉厚が薄くなるので、成形時の樹脂部のヒケを小さく抑えることができ、形状、寸法の精度を向上することができる。これにより、ギヤとポンプハウジングのクリアランスを小さくしてギヤポンプの性能を向上できると共に、ギヤポンプのコストダウンが図れるという優れた効果が得られる。

以下、添付した図を参照して本発明によるギヤポンプの実施例を説明する。ここでは、ポンプのハウジング内に流体を送るためのギヤが２つだけ設けられるギヤポンプの実施例を説明するが、ギヤが３つ以上設けられるギヤポンプについても本発明の技術を適用することができる。

図１（ａ），（ｂ）は実施例のギヤポンプの構造を示している。ギヤケース２は、内部にギヤ室２ｂが形成されており、ギヤ室２ｂの図１（ａ）中で上下の両端は開口している。この両端の開口を閉塞するように、サイドプレート３，４がギヤケース２の両側に固定されている。ギヤケース２とサイドプレート３，４からなるポンプハウジングのギヤ室２ｂ内に、２つのギヤ５，５′が互いに噛合した状態で回転可能に設けられている。ギヤ５，５′のそれぞれに嵌通して固定された回転軸６，６′がサイドプレート３，４に対して回転可能に軸受けされることにより、ギヤ５，５′が回転可能に設けられる。一方の回転軸６はサイドプレート３に対してベアリング９により軸受けされ、サイドプレート３から突出して不図示のモータに連結されている。また、ギヤケース２の片側と反対側には、水や油などの流体を吸入する吸入口２ａと、流体を吐出する吐出口２ｃが設けられており、それぞれから延びる流体の流路がギヤ室２ｂに連通している。

ギヤポンプ１の駆動時には、不図示のモータの駆動によってギヤ５が図１（ｂ）中の矢印方向に回転し、これと噛合するギヤ５′が逆方向に回転する。これに伴ってギヤ室２ｂの吸入口２ａ側スペース内の不図示の流体がギヤ５，５′の外周に形成された歯の間の歯溝とギヤケース２の内側面との間に吸い込まれて吐出口２ｃ側のスペースに送られる。これにより、流体が矢印で示すように吸入口２ａから吸入され、吐出口２ｃから吐出される。

ここで、ギヤ５，５′の歯先円とギヤケース２のギヤ室２ｂの内側面との間、及びギヤ５，５′の側面とサイドプレート３，４の側面との間には、ギヤ５，５′の回転を妨げないために必要なクリアランスが設けられている。しかし、このクリアランスによって、流体が吐出口２ｃ側から吸入口２ａに戻される現象、いわゆる漏れが生じる。この漏れはクリアランスの増大によって増加するので、クリアランスを小さくすることが、高い容積効率と安定した吐出量を得るために必要である。このためギヤ５，５′の形状、寸法の精度を高くすることが要求される。

なお、ギヤ５，５′は、それぞれに嵌通される回転軸６，６′の長さが違うだけで、ギヤ本体は同じであるものとし、以下で行うギヤ５，５′の構造と製造方法の説明はギヤ５で代表して行う。

図２（ａ），（ｂ）は、ギヤ５の構造を説明するものである。ギヤ５は、外周に歯５ａを有する円筒形に形成されている。ギヤ５の歯５ａを含む外周部（歯５ａの歯先円から歯底円より所定寸法内側まで）と、軸方向（歯幅方向）の両方の側面部は合成樹脂で成形された樹脂部７となっている。樹脂部７の軸方向の一方（成形時の湯口側）の側面部の肉厚は他方より厚くなっている。なお、ギヤ５の外周部と軸方向の一方（湯口側）の側面部のみを樹脂部７とし、他方の側面部に、次に述べるインサート部材８が露出するようにしてもよい。樹脂部７の合成樹脂は、例えばポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）や液晶ポリマー（ＬＣＰ）などが用いられる。

ギヤ５の樹脂部７の内側にはインサート部材８が埋め込まれている。この部材８は、樹脂部７の合成樹脂より融点が高い材料、例えばＳＵＳ３０４などの金属、アルミナなどのセラミック、あるいはガラスなどからなる。なお、融点が高い合成樹脂からなるものとしてもよい。インサート部材８は、ギヤ５の回転軸６が嵌通される軸孔８ａを有した円筒形に形成されており、軸孔８ａの中心軸はインサート部材８の中心軸と同軸になっている。また、インサート部材８は、その中心軸（すなわち軸孔８ａの中心軸）がギヤ５の全体の中心軸と同軸となるように配置されている。すなわち、軸孔８ａの円と、インサート部材８の外周の円と、ギヤ５の歯５ａの歯先円とが同心円となるように配置されている。

なお、インサート部材８の直径と軸方向の寸法を大きくして樹脂部７の肉厚を薄くするほど、成形時の樹脂部７のヒケが小さくなり、ギヤ５の寸法が安定するが、樹脂部７の強度が弱くなる。このため、インサート部材８の直径はギヤ５の歯底円直径の５％以上９５％以下とし、インサート部材８の軸方向の寸法もギヤ５の軸方向の寸法の５％以上９５％以下とするのが好ましい。

図３は、ギヤ５を射出成形により製造する方法を説明するもので、射出成形機の金型部を示している。なお、ここでは横型射出成形機を用いた場合の金型部を示してあるが、縦型射出成形機を用いてもよく、その場合、金型部の向きは図３の水平な向きから時計回りに９０度回転した垂直な向きになる。

金型部において、可動側金型１１には、内歯ギヤ状であって、内側にギヤ５の外形に対応した形状の空間が形成され両側が開口したキャビティ１２が設けられている。また、キャビティ１２の片側（湯口側と反対側）の開口を閉塞し、ギヤ５の軸方向の一方の側面を形成するためのキャビティバックプレート１３と、成形品をキャビティから突き出す突き出しピン１４が設けられている。

キャビティバックプレート１３には、図４（ａ）に示すように、キャビティ１２の内歯の歯底円の中心軸に対して例えば５μｍ以下の精度で同軸に位置決めされた軸芯１８が取り付けられており、この軸芯１８には、キャビティバックプレート１３から所定距離、例えば２０μｍ程度突出する部位からその先端方向に向かって順次径が小さくなるように、わずかなテーパが付けられている。これに対応してインサート部材８の軸孔８ａにも同じ傾斜のテーパが付けられている。軸孔８ａのテーパにより最大となる図４中で右端の径は、軸芯１８の最大となる右端部の径より僅かに小さくなっている。なお、図４では、テーパは誇張して図示されており、図３では、図示が困難なため、テーパは付けられていない状態で図示されている。また、図４は、説明図なので、図３に図示したものと、寸法、形状が幾分相違している。

また、１５は湯口が形成された固定側型板であり、これによりギヤ５の軸方向の他方の側面が形成される。また、１６は固定側金型である。

ギヤ５の製造工程において、まず可動側金型１１を、図３中で右方向に移動させて固定側型板１５と固定側金型１６から離間させる型開きが完了した状態とする。

次に、インサート部材８を軸芯１８に差し込み、可動側金型１１を図３中で左方向に移動させて固定側型板１５に密着させる型締めが行われる。続いて、射出成形機の可塑化部（不図示）で加熱され溶融した成形材料の合成樹脂１７が加圧されて型板１５の湯口からキャビティ１２内に注入され充填される。このときに注入される樹脂の圧力でインサート部材８が湯口から離れる方向に押圧され、インサート部材８は、その軸孔８ａと軸芯１８のテーパを介して、図４（ｂ）に示すようにキャビティバックプレート１３から軸方向に所定距離、例えば５０μｍ程度の位置に位置決めされると共に、軸芯１８と同軸に位置決めされて保持される。この状態で、キャビティ１２内で軸芯１８とインサート部材８の周囲のスペースに充填された樹脂が硬化してギヤ５の樹脂部７となることにより、ギヤ５が形成される。注入される樹脂の圧力は、各方向に同じ大きさで作用するので、インサート部材８は、軸芯１８と高精度で同軸に保持され、それによりインサート部材８とキャビティ１２の内歯の歯底円との同心度低下を防止し、それによって製造されるギヤ５のフレを抑制し、ポンプの脈動を抑えることができる。

キャビティ内の樹脂が硬化した後、可動側金型１１を移動させて型開きを行い、型開きが完了したら突き出しピン１４の駆動により成形品、すなわちギヤ５を軸芯１８から抜いてキャビティから突き出し、不図示の取出装置により射出成形機の機外に取り出す。このようにして、射出成形によりインサート部材８を内部に埋め込んだギヤ５を安価に製造することができる。ギヤ５′も全く同様にして製造することができる。

以上のようにして製造されるギヤ５，５′は、図５に示した従来の合成樹脂製のギヤポンプ用ギヤ５１に比べて、埋め込まれているインサート部材８の分だけ樹脂部７の肉厚が薄くなるので、成形時の樹脂部７の熱収縮が小さくなり、ヒケを小さく抑えることができ、形状、寸法の精度を向上することができる。そして、ギヤ５，５′を用いた本実施例のギヤポンプ１の性能を向上することができる。このような本実施例の効果の具体的なデータとして、本実施例と従来例のギヤの形状、寸法を比較した結果、及びそれぞれを用いたギヤポンプの性能を比較した結果について以下に説明しておく。

まず従来例１のギヤとして、図５（ａ），（ｂ）に示した構造のギヤ５１を、図６に示すように、実施例のギヤを製造したのと同じ射出成形機で、製造した。製造条件として、樹脂圧力は１２０Ｍｐａ、保圧時間は５ｓ、金型温度は１２０℃とした。そして、製造したギヤ５１について、歯先円の直径を、図７において符号ａで示す軸方向の一端（成形時の湯口側）の測定位置、ｂで示す軸方向の中央の測定位置、及びｃで示す軸方向の他端の測定位置のそれぞれで測定した。また、図７に符号ｄで示すギヤ５１の軸方向の両端間の寸法、すなわち歯幅寸法を測定し、そのバラツキを調べた。図９のグラフは、縦軸にギヤ５１の軸方向の位置を取り、横軸に歯先円直径を取って、測定位置ａ，ｂ，ｃでの歯先円直径の測定結果と、これから想定される位置ａ，ｂ間及びｂ，ｃ間での歯先円直径を示している。この図９から明らかなように、従来例１では各測定位置での歯先円直径の寸法のバラツキ（差）があって、位置ｂから位置ａ側に偏って凹みがあり、湯口側（位置ａ側）のヒケが大きいことがわかる。また、歯幅寸法のバラツキもあった。

次に、従来例２のギヤとして、従来例１のギヤの湯口側のヒケを改善するために、キャビティ１２の内歯にテーパを付け、それ以外は従来例１と同じ条件で同じ構造のギヤを作成し、同様に測定位置ａ，ｂ，ｃでの歯先円直径を測定した。その結果を図１０のグラフに示してある。図１０から、従来例２では従来例１に比べて湯口側のヒケが改善されたが、まだヒケによる歯先円直径のバラツキが大きいことが分かる。また、歯幅寸法も同様に測定したが、バラツキは改善されなかった。

次に、従来例３のギヤとして、従来例１のギヤの寸法バラツキを改善するために、高圧成形（樹脂圧力２００Ｍｐａ）を行い、それ以外は従来例１と同じ条件で同じ構造のギヤを作成し、測定位置ａ，ｂ，ｃでの歯先円直径を測定した。その結果を図１１のグラフに示してある。図１１から分かるように、歯先円直径寸法のバラツキは従来例１，２より小さくなっている。また、歯幅寸法も測定したが、そのバラツキも小さくなっていた。しかしながら、従来例３のギヤでは、金型分割痕のバリが発生してしまい、これは致命的である。

また、本発明の実施例のギヤ５，５′を従来例１のギヤと同じ製造条件（樹脂圧力１２０Ｍｐａ、保圧時間５ｓ、金型温度１２０℃）で製造し、従来例のギヤと同様に、図８に符号ａ，ｂ，ｃで示すように軸方向の両端と中央の測定位置のそれぞれで歯先円直径を測定した。その結果を図１２のグラフに示してある。図１２から、実施例のギヤは従来例１〜３のギヤに比べて歯先円直径の寸法のバラツキが著しく小さく、ヒケが小さく抑えられて、形状、寸法の精度が向上したことが判る。なお、歯幅寸法のバラツキも著しく小さく、バリの発生もなかった。また、樹脂圧力を１００Ｍｐａ、１３０Ｍｐａとして実施例のギヤを製造して同様の試験を実施したが、バリの発生を抑えながら、寸法のバラツキが非常に小さい製品を得られることが確認された。

次に、従来例１，２，３の各ギヤを、本発明実施例の図１のギヤポンプ１と同じ構造のギヤポンプ本体に組み込み、ギヤポンプを駆動して流量／吐出圧力の特性評価を実施した。また、実施例のギヤポンプについても同様の特性評価を実施した。その結果を図１３のグラフに示してある。なお、従来例１，２，３の評価の結果は、大差がないので、１つにまとめて示してある。

図１３から明らかなように、本発明実施例の特性が従来例の特性に比べて著しく高く、ポンプの性能が向上したことがわかる。なお、従来例の特性が低い理由は、ギヤの寸法のバラツキによりギヤケースないしサイドプレートとのクリアランスが大きくなり、漏れが増大するためである。これに対して、寸法のバラツキが最も少なかった従来例３のギヤについて、両側面を機械加工して歯幅寸法のバラツキを１０μｍ以下にしたら、特性を満足することができたが、この場合は機械加工のコストがかかり、射出成形によるコストダウンのメリットが失われてしまう。

以上のように、本実施例のギヤポンプのギヤは、射出成形で安価に製造でき、しかも成形時のヒケを抑えて形状、寸法の精度を向上することができる。そして、本実施例のギヤポンプでは、ギヤの形状、寸法の精度向上により、ギヤとギヤケースのクリアランス、及びギヤとサイドプレートのクリアランスを小さくして漏れを減少させ、性能を向上することができる。また、ギヤのコストダウンによりポンプのコストダウンが図れる。

（ａ）は本発明の実施例によるギヤポンプの構造を概略的に示す縦断面図、（ｂ）は（ａ）中のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 （ａ）は実施例のギヤポンプのギヤの構造を示す縦断面図、（ｂ）は（ａ）中のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。 実施例のギヤポンプのギヤを射出成形で製造する方法を説明するための金型部の説明図である。 実施例のギヤを成形する金型の軸芯とギヤのインサート部材のテーパと嵌合、位置決めの様子を示す説明図である。 （ａ）は従来のギヤポンプのギヤの構造を示す縦断面図、（ｂ）は（ａ）中のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。 従来のギヤポンプのギヤを射出成形で製造する方法を説明するための金型部の説明図である。 従来のギヤポンプのギヤの寸法測定部位を示す説明図である。 実施例のギヤポンプのギヤの寸法測定部位を示す説明図である。 従来例１のギヤにおける歯先円直径の測定結果を示すグラフ図である。 従来例２のギヤにおける歯先円直径の測定結果を示すグラフ図である。 従来例３のギヤにおける歯先円直径の測定結果を示すグラフ図である。 実施例のギヤにおける歯先円直径の測定結果を示すグラフ図である。 実施例と従来例のギヤポンプの特性評価結果を示すグラフ図である。

符号の説明

１ ギヤポンプ
２ ギヤケース
３，４ サイドプレート
５，５′ ギヤ
６，６′ 回転軸
７ 樹脂部
８ インサート部材
９ ベアリング
１１ 可動側金型
１２ キャビティ
１３ キャビティバックプレート
１４ 突き出しピン
１５ 固定側型板
１６ 固定側金型
１７ 成形材料の樹脂
１８ 軸芯

Claims (5)

1. 流体の吸入口と吐出口が設けられたポンプハウジング内に複数のギヤが互いに噛合した状態で回転可能に設けられ、該複数のギヤを回転駆動することにより、前記吸入口から流体を吸入して前記吐出口から吐出するギヤポンプにおいて、
   前記ギヤが、ギヤ歯を形成する合成樹脂で成形された樹脂部と、該樹脂部の内側に埋め込まれ、前記合成樹脂より融点が高い材料からなるインサート部材とから形成されていることを特徴とするギヤポンプ。
2. 前記インサート部材が円筒形状であり、ギヤの中心軸と同軸となるように前記樹脂部の内側に埋め込まれることを特徴とする請求項１に記載のギヤポンプ。
3. 前記インサート部材の直径が、ギヤの歯底円直径の５％以上９５％以下であることを特徴とする請求項２に記載のギヤポンプ。
4. 前記インサート部材の軸方向の寸法がギヤの軸方向の寸法の５％以上９５％以下であることを特徴とする請求項２又は３に記載のギヤポンプ。
5. 前記ギアが、インサート部材を金型の軸芯に差し込み、インサート部材の周囲に合成樹脂を射出成形して成形されることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のギヤポンプ。