JP2018008687A - 車両用ラックアンドピニオン機構 - Google Patents

Abstract

【課題】ラック自体の直径の増大を抑制、ひいては重量の増大を抑制しつつ、ラック歯の許容面圧を高めることができる車両用ラックアンドピニオン機構を提供する。【解決手段】ギヤ歯１２を具備しつつ、軸周りに回転可能に支持されるピニオン１１と、ギヤ歯１２と噛合可能なラック歯２２を具備するラック軸２１と、を備え、ステアリング装置Ｓに適用が可能な車両用ラックアンドピニオン機構１のラック歯２２の表面に、硬度の異なる複数の被膜が積層された被覆膜３１を形成する。【選択図】図３

Description

本発明は、自動車等のステアリング装置等に用いられる車両用ラックアンドピニオン機構に関するものである。

自動車等のステアリング装置を構成するラックに対して、焼き入れ等の熱処理を行うことで、剛性、靭性、および強度性を高めることが、従来から行われている。
たとえば、特許文献１では、ステアリングラック軸に形成したラック歯に高周波焼き入れを行うことが提案されている。ステアリングラック軸全体に焼き入れをした場合には、歪みが出てしまい、ステアリングラック軸が弓状に曲がってしまうことがある。しかしながら、ラック歯にのみ高周波焼き入れすることで、ステアリング軸が曲がることを抑制しつつ、ラック歯の強度を高めることができる。

特開平６−２６４１４７号公報

ところで、特許文献１のような熱処理によってラック歯の強度を高める手法の場合、ラック歯を構成する素材の性質によって、上限値が決まってしまう。このため、さらに高い強度が必要な場合には、ラック自体の直径をより大きくし、ラック歯とピニオンとの接触面積を大きくしなければならないが、直径の大きいラックは重量を増大させてしまうという問題を抱えている。

そこで、本発明は、ラック自体の直径の増大を抑制、ひいては重量の増大を抑制しつつ、ラック歯の許容面圧を高めることができる車両用ラックアンドピニオン機構を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明に係る車両用ラックアンドピニオン機構は、ギヤ歯を具備しつつ、軸周りに回転可能に支持されるピニオンと、該ギヤ歯と噛合可能なラック歯を具備するラック軸と、を備える車両用ラックアンドピニオン機構において、前記ラック歯の表面に、硬度の異なる複数の被膜が積層された被覆膜が形成されることを特徴とする。

このような構成によれば、諸元値の低い素材で構成されたラックアンドピニオン機構のラック歯に、複数の被膜が積層された被覆膜を形成することで、重量の増大を抑制しつつ、ラック歯の強度（許容面圧）を高めることができる。

また、前記車両用ラックアンドピニオン機構において、前記被覆膜は、軟質層と該軟質層よりも硬質に設定された硬質層との２種類の被膜を備え、前記ラック歯の基材表面に該軟質層、該硬質層の順で交互に繰返し積層され、最も表面側に該硬質層が位置することが好ましい。

このような構成によれば、軟質層と硬質層を交互に繰り返し積層することで、ギヤ歯からラック歯へ入力される荷重を、各硬質層の面に沿った方向に分散することができる。これによって、基材への応力が緩和され、被覆膜の剥離が抑制される。

また、前記車両用ラックアンドピニオン機構において、前記軟質層と前記硬質層の各組成は、クロムと窒素とからなり、該軟質層は、窒素よりもクロムの割合が高く設定され、該硬質層は、クロムよりも窒素の割合が高く設定されることが好ましい。

このような構成によれば、クロムは、鉄系鋼材と、窒化クロムとに対して高い密着性を備えているため、軟質層と硬質層をクロムと窒素とで構成することで、剥がれにくい強靱な被覆膜をラック歯の表面に形成できる。これによって、ラック歯の強度（許容面圧）をさらに高めることができる。
また、軟質層と硬質層を交互に繰り返し積層する工程において、装置内に供給するクロムと窒素の割合を変えることで、硬質層の成膜と軟質層の成膜を切換えられるため、手順を簡素化することができる。これによって、被覆膜を積層するためのコストの高騰を抑制することができる。
さらに、軟質層と硬質層をクロムと窒素の組み合わせで構成する代わりに、タングステンと窒素、またはチタンと窒素の組み合わせで構成することが可能であり、同様の作用効果を得ることができる。

また、前記車両用ラックアンドピニオン機構において、前記被覆膜は、前記軟質層と前記硬質層とで構成される積層組が合計３層以上積層されていることが好ましい。

このような構成によれば、軟質層と硬質層とで構成される積層組を３層以上に積層することで、ギヤ歯からラック歯へ入力される荷重を、各硬質層の面に沿った方向に分散させる機能をより効果的に発揮することができる。

また、前記車両用ラックアンドピニオン機構において、前記被覆膜は、前記軟質層と前記硬質層とで構成される積層組が合計５層以上積層されていることが好ましい。

このような構成によれば、軟質層と硬質層とで構成される積層組を５層以上に積層することで、上記構成の作用効果をより顕著に発揮することができる。

また、前記車両用ラックアンドピニオン機構において、前記積層組は、前記軟質層から前記硬質層へ膜厚方向に沿って徐々に窒素の割合が大きくなることが好ましい。

このような構成によれば、軟質層から硬質層へ膜厚方向に沿って徐々に窒素の割合が変化することで、各層の境界での剥離が抑制され、より強固で、且つより強靱な被覆膜を形成することができる。

また、前記車両用ラックアンドピニオン機構において、隣接する前記積層組の境界は、膜厚方向に沿って徐々に窒素の割合が変化することが好ましい。

このような構成によれば、隣接する積層組の境界が、膜厚方向に沿って徐々に窒素の割合が変化することで、各積層組の境界での剥離が抑制され、より強固で、且つより強靱な被覆膜を形成することができる。

また、前記車両用ラックアンドピニオン機構において、前記被覆膜は、前記層組の積層数が、前記ラック歯の歯幅方向の位置、および前記ラック軸の軸方向の位置に応じて設定されることが好ましい。

このような構成によれば、層組の積層数をラック歯の歯幅方向の位置、およびラック軸の軸方向の位置に応じて設定することで、ラック歯におけるピニオンとの噛合荷重が大きい部位の被覆膜を厚く、噛合荷重が小さい部位の被覆膜を薄くすることができる。これによって、ラック歯の耐摩耗性をさらに向上することができる。

また、前記車両用ラックアンドピニオン機構において、前記被覆膜は、最も表面側に位置する前記硬質層のさらに表面側に初期摺動層を備えることが好ましい。

このような構成によれば、最も表面側の硬質層のさらに表面側に、初期摺動層を形成することで、ラック歯自身の摩耗を抑制するとともに、ピニオンのギヤ歯の表面を平滑化しつつ、平滑化した後の過度の摩耗を抑制することができる。

また、前記車両用ラックアンドピニオン機構において、前記初期摺動層の硬度は、前記軟質層よりも前記硬質層に近づけて設定されることが好ましい。

このような構成によれば、初期摺動層の硬度が、軟質層よりも硬質層に近づけて設定されることで、ラック歯自身の摩耗をさらに抑制することができる。

また、前記車両用ラックアンドピニオン機構において、前記初期摺動層は、ダイヤモンドライクカーボン、または二硫化モリブデンの被膜からなることが好ましい。

このような構成によれば、初期摺動層をダイヤモンドライクカーボンの被膜で構成することで、摩耗粉のラック歯への再付着が抑制され、ギヤ歯の表面が平滑化された後の過度の摩耗をさらに抑制することができる。
また、初期摺動層を二硫化モリブデンの被膜で構成することで、二硫化モリブデンが有する自己潤滑特性によって、初期の摺り合わせ（初期摺動）を経た後の摩耗をさらに抑制することができる。

また、前記車両用ラックアンドピニオン機構において、前記ラック歯の基材表面に最も近い前記軟質層と該基材表面との間に、前記被覆膜を構成する被膜の中で、クロムの割合が最も高く設定された最内層を備えることが好ましい。

このような構成によれば、鉄系鋼材に対して高い密着性を備えるクロムの割合が高い最内層を基材表面に配置することで、基材に対する被覆膜の密着度を高めることができる。これによって、入力される荷重による剥離をさらに抑制することができる。
また、同様の理由から、クロムの代わりに、タングステン、またはチタンを採用することが可能である。

また、前記車両用ラックアンドピニオン機構において、前記被覆膜が、前記ラック軸全体に形成されることが好ましい。

このような構成によれば、ラック歯と合わせて、ラック軸全体に被覆膜を形成することで、ラック歯に被覆膜を形成する工程で、ラック軸全体の防錆処理を行うことができる。
また、被覆膜の形成コストを鑑み、ラック歯のみに被覆膜を形成してもよい。
このような構成によれば、ラック歯のみに被覆膜を形成するので、ラック歯の背面側（歯以外の部分）には被覆膜が形成されない。これによって、被覆膜の形成によって生じるラックガイドとのフリクションの増大を抑制することができる。

本発明によれば、ラック自体の直径の増大を抑制、ひいては重量の増大を抑制しつつ、ラック歯の許容面圧を高めることができる車両用ラックアンドピニオン機構を提供することができる。

本実施形態に係るステアリング装置を示す模式図である。 車両用ラックアンドピニオン機構を構成するラック歯の要部断面図である。 ラック歯に形成される被覆膜の断面図である。 装置内に供給される原料ガスの組成の時間変化を表すタイムチャートである。 被覆膜の硬さを示す模式図である。 被覆膜の構成によって基材に到達する荷重の違いを示す説明図である。 ラック歯に入力された荷重が基材に伝わる様子を示す模式図で、（ａ）は被覆膜が硬質層１層のみの場合、（ｂ）は積層組を３層積層した場合である。 ステアリング装置を組上げた状態におけるラック歯とギヤ歯の歯先の様子を示す模式図である。 初期摺動後のラック歯とギヤ歯の歯先の様子を示す模式図である。 被覆膜による摺動回数とギヤ歯の摩耗との関係を示すグラフである。 第１の別態様に係るラック歯に形成される被覆膜の断面図である。 第１の別態様に係る装置内に供給される原料ガスの組成の時間変化を表すタイムチャートである。 第２の別態様に係るラック歯に形成される被覆膜の断面図である。 第２の別態様に係る装置内に供給される原料ガスの組成の時間変化を表すタイムチャートである。

本発明の一実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。同一の構成要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１に示すように、本実施形態の車両用ラックアンドピニオン機構１は、ギヤ歯１２を具備しつつ、軸周りに回転可能に支持されるピニオン１１と、ギヤ歯１２と噛合可能なラック歯２２を具備するラック軸２１と、を備えている。また、本実施形態の車両用ラックアンドピニオン機構１は、車両のステアリング装置Ｓを構成している。
つまり、ピニオン１１は、ステアリングシャフトＳ１を構成し、ステアリング操作に連動して軸周りに回転する。そして、ピニオン１１が回転することによって、噛合するラック歯２２がスライドして、タイヤＴの舵角が変化する。

このようなステアリング装置Ｓでは、ギヤ歯１２とラック歯２２が噛合する際に、高い静粛性が求められるとともに、据え切りなどの操作によって、大きな荷重が掛かる。このため、車両用ラックアンドピニオン機構１では、ギヤ歯１２とラック歯２２が、斜歯（はすば）で構成されている。

そして、ギヤ歯１２とラック歯２２が、斜歯で構成されていることから、ラック歯２２に噛合するギヤ歯１２の部位は、ピニオン１１の回転とともに歯幅方向に移動する。これによって、ギヤ歯１２には、荷重が歯幅方向に移動しながら均等に掛かるため、局部的な摩耗をしないうえに、摩耗が抑制される。
これに対して、ラック歯２２は、荷重の掛かる部位が、一部分に限定されるため、この部位を中心に局部的に摩耗してしまい、ステアリング操作時にがたつきが生じてしまう。
そこで、本実施形態では、図２に示すように、ラック歯２２の表面に被覆膜３１を形成して、強度を高め、許容面圧を高めることで、ラック歯２２の偏摩耗を抑制し、ラック歯２２とギヤ歯１２との両方の過度の摩耗を低減している。

なお、ピニオン１１、およびラック軸２１には、焼き入れ等の硬化処理によって、ビッカース硬度がＨｖ７５０程度となる鉄系の鋼材（Ｓ３５Ｃ、Ｓ４５Ｃ、ＳＣＭ４４０等）を用いている。
そして、ラック歯２２の表面に形成する被覆膜３１は、その硬度を、基材２３の３倍程度（Ｈｖ７５０程度の基材２３に対してＨｖ２２５０程度）に設定し、さらに部材表面の面粗度に対する硬度マージンを考慮して、被覆膜３１の硬度をＨｖ２８５０程度に設定している。

被覆膜３１は、図３に示すように、ラック歯２２の基材２３表面に複数の被膜が積層されている。これら被膜は、最内層３５、軟質層３２、硬質層３３、および初期摺動層３４の４種類で構成されている。
最内層３５は、基材２３に接する層で、その組成はクロム（Ｃｒ）で構成されている。最内層３５の表面側には、軟質層３２と硬質層３３で構成されている積層組３６が積層されている。
積層組３６は、その組成が、窒化クロム（ＣｒＮ、Ｃｒ２Ｎ）からなるとともに、窒素の割合に応じてその硬度が変化する。軟質層３２から硬質層３３になるに従い、窒素の割合が大きくなり、その硬度が増すようになる。本実施形態では、この積層組３６が、最内層３５の表面側に、５重に積層されている。
そして、最も表面側の硬質層３３の表面側には、初期摺動層３４が積層されている。

初期摺動層３４は、被覆膜３１の表面を構成する層で、その組成は、クロム（Ｃｒ）とダイヤモンドライクカーボン（Diamond-Like Carbon：ＤＬＣ）からなるとともに、クロムよりもＤＬＣの割合が高くなるように設定されている。これによって、ＤＬＣの硬度は、軟質層よりも硬質層の硬度に近くなっている。
つまり、被覆膜３１を構成する被膜の中で、クロムの割合が最も高いのは、最内層３５となっている。
なお、最内層３５、軟質層３２、および硬質層３３の組成には、以下の理由からクロムと窒化クロムが選定されている。
・クロムは、硬度が基材２３と同程度で、基材２３との密着性が高いこと
・窒化クロムは、要求される硬度（相手材の３倍程度）を満足する硬度を備えていること・積層する際のクロムと窒化クロムの切換えは、装置内に供給する原料ガスに含まれる窒素の割合を変えるだけでよいため、被膜の積層が容易であること

被覆膜３１の成膜には、一般的なＰＶＤ装置（Physical Vapor Deposition）が用いられる。被覆膜３１は、ＰＶＤ装置内に供給される原料ガスの組成を時間を追って変えていくことで、形成される各被覆の組成を変えていき、最内層３５、軟質層３２、硬質層３３、および初期摺動層３４の積層を１工程で行っている。
たとえば、図４に示すように、アルゴンなどの不活性ガスで満たされた装置内に、原料ガスの供給を開始する。この時点で、供給される原料ガスの組成は、クロムのみである。
クロムからなる最内層３５が形成されたところで、原料ガスに窒素（Ｎ）を所定の割合で加える。すると、クロムと窒素が化合して窒化クロムとなり、被膜の組成に窒化クロムが徐々に増加していく。これにより形成される被膜は、クロムと窒化クロムからなる軟質層３２となり、さらに窒素の割合が増えることで、形成される被膜が硬質層３３となる。つまり、積層組３６が１層形成される。
窒素の供給を止めると、窒化クロムの合成が止まり、形成される被膜の組成は、相対的にクロムが増加して、次の積層組３６を構成する軟質層３２となる。
積層組３６の形成を５回繰返したところで、窒素の供給を止め、炭素（Ｃ）の供給を開始する。つまり、原料ガスの組成は、クロムと炭素となり、形成される被膜はクロムとＤＬＣで構成された初期摺動層３４となる。
以上の手順によって、基材２３の表面に、１層の最内層３５、５層の積層組３６、および１層の初期摺動層３４が形成される。

また、被膜の組成が、膜厚方向に沿って徐々に変わることから、図５に示すように、硬度も膜厚方向に沿って徐々に変わる。これにより、ラック歯２２に衝撃荷重が入力された場合であっても、被膜間での剥離が抑制される。
たとえば、図６に示すように、基材２３表面に、被覆膜３１として、硬質層３３を１層形成した場合、入力荷重が、ほぼそのまま基材２３表面に到達している。ところが、被覆膜３１として、積層組３６を３回以上積層すると、基材２３表面に到達する荷重が減少していることが分かる。
これは、図７に示すように、ギヤ歯１２からラック歯２２へ入力される荷重は、硬質層３３が撓むことで、硬質層３３の面に沿った方向へ分散されることに起因している。軟質層３２と硬質層３３を交互に繰り返し積層することで、入力された荷重が各硬質層３３で繰返し分散される。したがって、硬質層３３が１層の場合よりも、繰返し積層した場合の方が、分散する度合いが増すために、基材２３表面に到達する荷重を小さくすることができる。
そして、積層組３６を５層以上重ねることで、基材２３表面に到達する荷重を、入力荷重の５％に満たない程度にまで減少させることができる（図６参照）。ただし、５層以上になると、積層する回数を増やしても、荷重を分散する効果が小さくなるため、５層での効果と同程度に留まっている。
なお、本実施形態では、被覆膜３１をラック歯２２に形成する際に、ラック軸２１全体に被覆膜３１を形成している。

被覆膜３１が成膜されたラック歯２２を備えたラック軸２１とピニオン１１とをステアリング装置Ｓに組上げた状態でのラック歯２２とギヤ歯１２との歯先の様子が、図８に示されている。ラック歯２２は、その表面が、被覆膜３１によって、ある程度の平滑度になっているが、ギヤ歯１２の表面は、切削加工後の荒れたままの状態となっている。なお、図８では、説明の都合上、軟質層３２と硬質層３３を１つの層であるように描いているが、前述のように軟質層３２と硬質層３３が交互に積層されている。

また、ステアリング装置Ｓの転舵を約２万回繰返し、初期の摺り合わせ（初期摺動）を経た後のラック歯２２とギヤ歯１２との歯先の様子が、図９に示されている。なお、図８においても、説明の都合上、軟質層３２と硬質層３３を１つの層であるように描いているが、前述のように軟質層３２と硬質層３３が交互に積層されている。初期摺動を経た後では、ピニオン１１側のギヤ歯１２の表面と、ラック歯２２の初期摺動層３４が、互いに摩耗して平滑化される。つまり、ラック歯２２の初期摺動層３４が、ギヤ歯１２表面の荒れた箇所を削り、平滑化するとともに、初期摺動層３４自身も摩耗する。
また、初期摺動層３４を構成するＤＬＣの硬度が、軟質層３２の硬度と、硬質層３３の硬度の間に設定されていることで、ギヤ歯１２の荒れた箇所を少しずつ削るため、摩耗粉の粒子がより細かくなる。そして、粒子が細かくなることで、摩耗粉が、ギヤ歯１２表面の小さな隙間に入り込み、さらに平滑度が向上する。
さらに、初期摺動層３４をＤＬＣで形成することで、削った際に発生する摩耗粉が、ギヤ歯１２やラック歯２２に再付着して、相手を削る現象が抑制される。これによって、摺動箇所の過度な摩耗が抑制される。

そして、初期摺動によって平滑化された後は、摺動が安定し、ラック歯２２とギヤ歯１２の両方の摩耗が抑制される（図１０参照）。
軟質層３２と硬質層３３を交互に積層する被覆膜３１であっても、被覆膜３１を成膜しない従来品と比較して、ピニオン１１の摩耗は十分に低減しているが、最表面に初期摺動層３４を積層することで、さらに摩耗が抑制されていることが分かる。
車両のステアリング装置Ｓでは、車両用ラックアンドピニオン機構１について、保守点検が不要なメンテナンスフリーであることが求められるが、摩耗が前述のように抑制されることで、これを実現している。
また、本実施形態では、前述のような構成、および硬度の被覆膜３１をラック歯２２に成膜することで、ラック軸２１の小径化と中空化を可能にし、ステアリング装置Ｓ全体の軽量化を図っている。

次に、本実施形態に係る車両用ラックアンドピニオン機構１の作用効果について説明する。
諸元値の低い低廉な素材で構成された車両用ラックアンドピニオン機構１のラック歯２２に、複数の被膜が積層された被覆膜３１を形成することで、高価な素材を採用せずに済ませて、製造コストの高騰を抑制しつつ、ラック歯２２の強度（許容面圧）を高めることができる。

軟質層３２と硬質層３３を交互に繰り返し積層することで、ギヤ歯１２からラック歯２２へ入力される荷重を、各硬質層３３の面に沿った方向に分散することができる。これによって、基材２３への応力が緩和され、被覆膜３１の剥離が抑制される。

クロムは、鉄系鋼材と、窒化クロムとに対して高い密着性を備えているため、軟質層３２と硬質層３３をクロムと窒化クロムとで構成することで、剥がれにくい強靱な被覆膜３１をラック歯２２の表面に形成できる。これによって、ラック歯２２の強度（許容面圧）をさらに高めることができる。
また、軟質層３２と硬質層３３を交互に繰り返し積層する工程において、積層装置内に供給するクロムと窒素の割合を変えることで、軟質層３２の成膜と硬質層３３の成膜を切換えられるため、手順を簡素化することができる。
さらに、グリース（Mo添加型）に対して良好な吸着層を有することができる。

軟質層３２と硬質層３３とで構成される積層組３６を３層以上に積層することで、ピニオン１１のギヤ歯１２からラック歯２２へ入力される荷重を、各硬質層３３の面に沿った方向に分散させる機能をより効果的に発揮することができる。

また、最も表面側の硬質層３３のさらに表面側に、初期摺動層３４を形成することで、ラック歯２２自身の摩耗を抑制するとともに、ピニオン１１のギヤ歯１２の表面を平滑化しつつ、平滑化した後の摩耗を抑制することができる。

初期摺動層３４の硬度が、軟質層３２よりも硬質層３３に近づけて設定されることで、ラック歯２２自身の摩耗をさらに抑制することができる。

初期摺動層３４をＤＬＣの被膜で構成することで、摩耗粉のラック歯２２への再付着が抑制され、ギヤ歯１２の表面が平滑化された後の摩耗をさらに抑制することができる。

鉄系鋼材に対して高い密着性を備えるクロムの割合が高い最内層３５を基材２３の表面に配置することで、基材２３に対する被覆膜３１の密着度を高めることができる。これによって、入力される荷重による剥離をさらに抑制することができる。

被覆膜３１を構成する各層の境界部分で、膜の組成が膜厚方向に沿って徐々に変化することで、各層の境界での剥離が抑制され、より強固で、且つより強靱な被覆膜３１を形成することができる。
また、ステアリング装置Ｓが取り付けられる車両の一般的な特性として、ラック歯２２のラック軸方向両端付近は、ラック歯２２の中央付近に比べて入力荷重が大きい傾向にある。よって、被覆膜３１の積層組３６の数をラック歯２２中央付近よりもラック歯２２両端付近を大きくしてもよい。また、積層組３６の数は、ラック歯２２の中央付近にマスキングなどを施して調整することが可能である。

ラック歯２２と合わせて、ラック軸２１全体に被覆膜３１を形成することで、ラック歯２２に被覆膜３１を形成する工程で、ラック軸２１全体の防錆処理を行うことができる。

なお、本実施形態の初期摺動層３４をＤＬＣで構成しているが、これに限定されるものではない。たとえば、初期摺動層に二硫化モリブデンを採用することも可能である。初期摺動層を二硫化モリブデンの被膜で構成した場合には、二硫化モリブデンが有する自己潤滑特性によって、初期の摺り合わせ（初期摺動）を経た後の摩耗をさらに抑制することができる。

また、本実施形態では、ラック軸２１全体に被覆膜３１を形成しているが、このような形態に限定するものではない。
たとえば、ラック歯２２のみに被覆膜３１を形成し、ラック軸２１におけるラック歯２２の背面側（ラック歯２２以外の部分）には、被覆膜３１を形成しない構成とすることも可能である。
これによって、被覆膜３１の形成コストを低減することができるとともに、被覆膜の形成により生じるラックガイドとの摩擦、および摩耗の増大を抑制することができる。

次に、本実施形態の第１の別態様について説明する。
上記実施形態では、図３に示すように、軟質層３２から硬質層３３に変わる境界（積層組内境界部３７）では、膜厚方向に沿って窒素の割合が徐々に増加しており、境目が不明瞭である。また、硬質層３３から軟質層３２に変わる境界部、つまり、隣接する積層組３６間の境界（積層組間境界部３８）では、窒素の割合ががらりと変化し、境目が明確になっている。

これに対して、本態様では、図１１に示すように、積層組内境界部３７が徐々に変化するだけでなく、積層組間境界部３８についても膜厚方向に沿って窒化クロムの割合が徐々に減少している。
つまり、本態様では、隣接する積層組３６の境界は、膜厚方向に沿って、徐々に窒素の割合が変化しているため、隣接する積層組３６間の境目が不明瞭となっている。
なお、最内層３５、および初期摺動層３４については、上記実施形態と同様の組成で構成されている。

本態様のように、軟質層３２と硬質層３３とが徐々に切り替わる構成の被覆膜３１を形成するには、図１２に示すタイムチャートに従って、クロム、窒素、炭素を装置内に供給する。
上記実施形態のタイムチャートでは、図４に示すように、窒素の供給パターンが矩形波状に設定されているが、本態様では、図１２に示すように、窒素の供給パターンが正弦波状に設定されている。また、クロムと炭素の供給パターンについては、上記実施形態と同様に設定されている。

このような供給パターンとすることで、軟質層３２と硬質層３３との切り替えをよりスムーズに行うことができる。
なお、被覆膜３１を成膜する際の供給パターンは、図１２に示すタイムチャートのパターンに限定されるものではない。硬質層３３と軟質層３２との切り替わり方に応じて、ＰＶＤ装置内の温度、圧力、供給ガスの流速等とともに、より適切な供給パターンに変更することができる。

次に、本態様の作用効果について説明する。
本態様では、図１１に示すように、積層組内境界部３７、および積層組間境界部３８について、膜厚方向に沿って窒化クロムの割合が徐々に増減している。
このような構成とすることで、軟質層３２と硬質層３３との間の境界における膜厚方向の硬度変化割合が小さくなり、入力される荷重による各層の境界での剥離をさらに抑制することができる。
これによって、より強固で、且つより強靱な被覆膜３１を形成することができる。

次に、本実施形態の第２の別態様について説明する。
本態様では、図１３に示すように、積層組内境界部３７における窒化クロムの割合が、がらりと変化している。また、積層組間境界部３８では、膜厚方向に沿って窒化クロムの割合が徐々に減少している。
つまり、上記実施形態と異なり、各積層組３６内に明確な境界が形成され、隣接する積層組３６間の境界が不明瞭となっている。
本態様のような被覆膜３１とするには、図１４に示すタイムチャートに従って、クロム、窒素、炭素を装置内に供給する。
なお、最内層３５、および初期摺動層３４については、上記実施形態と同様の組成で構成されている。

次に、本態様の作用効果について説明する。
図１３に示すように、本態様の積層組間境界部３８では、膜厚方向に沿って窒化クロムの割合が徐々に増加している。
これによって、上記実施形態と同様に強固で強靱な被覆膜３１を形成することができる。また、窒化クロムの割合が徐々に変化する境界の数が、上記第１の別態様よりも少なくすむため、短時間で被覆膜３１を形成することができるとともに、被覆膜３１の膜厚を薄くすることができる。

なお、上記実施形態、第１の別態様、および第２の別態様では、軟質層３２と硬質層３３とは、その成分がクロムと窒素とで構成されているが、これに限定するものではない。
たとえば、タングステンと窒素、あるいはチタンと窒素の組み合わせで軟質層３２と硬質層３３とを成膜することも可能である。
そして、タングステンと窒素の組み合わせの場合、軟質層３２、硬質層３３は、その組成がタングステンと窒化タングステンからなるとともに、窒化タングステンの割合に応じて、その硬度が変化する。硬質層３３は、軟質層３２よりも窒化タングステンの割合が大きく、硬度が高くなる。

また、チタンと窒素の組み合わせの場合、軟質層３２、硬質層３３は、その組成がチタンと窒化チタンからなるとともに、窒化チタンの割合に応じて、その硬度が変化する。硬質層３３は、タングステンの場合と同様に、軟質層３２よりも窒化チタンの割合が大きく、硬度が高くなる。
このように、軟質層３２と硬質層３３の成分は、複数の中から選択が可能であり、要求される被覆膜３１の強度、成膜速度、形成コスト等に応じて、より適当な成分を採用することができる。また、選択された成分で形成された軟質層３２、および硬質層３３であっても、上記実施形態と同様の作用効果が得られる。

１ ラックアンドピニオン機構
１１ ピニオン
１２ ギヤ歯
２１ ラック軸
２２ ラック歯
２３ 基材
３１ 被覆膜
３２ 軟質層
３３ 硬質層
３４ 初期摺動層
３５ 最内層
３６ 積層組
３８ 積層組間境界部

Claims (13)

1. ギヤ歯を具備しつつ、軸周りに回転可能に支持されるピニオンと、該ギヤ歯と噛合可能なラック歯を具備するラック軸と、を備える車両用ラックアンドピニオン機構において、
   前記ラック歯の表面に、硬度の異なる複数の被膜が積層された被覆膜が形成される
   ことを特徴とする車両用ラックアンドピニオン機構。
2. 前記被覆膜は、軟質層と該軟質層よりも硬質に設定された硬質層との２種類の被膜を備え、前記ラック歯の基材表面に該軟質層、該硬質層の順で交互に繰返し積層され、最も表面側に該硬質層が位置する
   ことを特徴とする請求項１に記載の車両用ラックアンドピニオン機構。
3. 前記軟質層と前記硬質層の各組成は、クロムと窒素、タングステンと窒素、チタンと窒素のいずれか１つの組み合わせからなり、
   該軟質層は、窒素よりもクロム、タングステン、チタンのいずれかの割合が高く設定され、
   該硬質層は、クロム、タングステン、チタンのいずれかよりも窒素の割合が高く設定される
   ことを特徴とする請求項２に記載の車両用ラックアンドピニオン機構。
4. 前記被覆膜は、
   前記軟質層と前記硬質層とで構成される積層組が合計３層以上積層されている
   ことを特徴とする請求項３に記載の車両用ラックアンドピニオン機構。
5. 前記被覆膜は、
   前記軟質層と前記硬質層とで構成される積層組が合計５層以上積層されている
   ことを特徴とする請求項３に記載の車両用ラックアンドピニオン機構。
6. 前記積層組は、
   前記軟質層から前記硬質層へ膜厚方向に沿って徐々に窒素の割合が変化する
   ことを特徴とする請求項４、または請求項５に記載の車両用ラックアンドピニオン機構。
7. 隣接する前記積層組の境界は、
   膜厚方向に沿って徐々に窒素の割合が変化する
   ことを特徴とする請求項４〜請求項６のいずれか１項に記載の車両用ラックアンドピニオン機構。
8. 前記被覆膜は、
   前記積層組の積層数が、前記ラック歯の歯幅方向の位置、および前記ラック軸の軸方向の位置に応じて設定される
   ことを特徴とする請求項４〜請求項７のいずれか１項に記載の車両用ラックアンドピニオン機構。
9. 前記被覆膜は、
   最も表面側に位置する前記硬質層のさらに表面側に初期摺動層を備える
   ことを特徴とする請求項２〜請求項８のいずれか１項に記載の車両用ラックアンドピニオン機構。
10. 前記初期摺動層の硬度は、
    前記軟質層よりも前記硬質層に近づけて設定される
    ことを特徴とする請求項９に記載の車両用ラックアンドピニオン機構。
11. 前記初期摺動層は、
    ダイヤモンドライクカーボン、または二硫化モリブデンの被膜からなる
    ことを特徴とする請求項９、または請求項１０に記載の車両用ラックアンドピニオン機構。
12. 前記ラック歯の基材表面に最も近い前記軟質層と該基材表面との間に、前記被覆膜を構成する被膜の中で、クロム、タングステン、チタンのいずれかの割合が最も高く設定された最内層を備える
    ことを特徴とする請求項３〜請求項１１のいずれか１項に記載の車両用ラックアンドピニオン機構。
13. 前記被覆膜が、
    前記ラック軸全体に形成される
    ことを特徴とする請求項１〜請求項１２のいずれか１項に記載の車両用ラックアンドピニオン機構。