JP4281303B2 - 電動パワーステアリング装置用減速ギア - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、操舵補助出力発生用電動モータの出力をステアリングシャフトに伝達するための電動パワーステアリング装置用減速ギアに関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車に組み込まれる電動パワーステアリング装置には、電動モータに比較的高回転、低トルクのものが使用されるため、電動モータとステアリングシャフトとの間に減速機構が組み込まれている。減速機構としては、一組で大きな減速比が得られる等の理由から、図１０に示されるような、電動モータ（図示せず）の回転軸に連結するウォーム１２と、ウォーム１２に噛み合うウォームホイール１１とから構成される電動パワーステアリング装置用減速ギア２０（以下、単に「減速ギア」ともいう）が使用されるのが一般的である。
【０００３】
このような減速ギア２０では、ウォームホイール１１とウォーム１２の両方を金属製にすると、ハンドル操作時に歯打ち音や振動音等の不快音が発生するという不具合を生じていた。そこで、ウォームホイール１１に、金属製の芯管１の外周に、樹脂製で外周面にギア歯１０を形成してなる樹脂部３を一体化させたものを使用して騒音対策を行っている。
【０００４】
上記樹脂部３には、例えば、特公平６−６０６７４号公報に記載されているような、ポリアミド６、ポリアミド６６、ポリアセタール、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）等のベース樹脂に、ガラス繊維や炭素繊維等の強化材を配合した材料の他、強化材を含有しないＭＣ（モノマーキャスト）ナイロン、ポリアミド６、ポリアミド６６等が使用されている。中でも、寸法安定性やコストを考慮して、強化材を含有しないＭＣナイロン、ガラス繊維を含有したポリアミド６、ポリアミド６６、ポリアミド４６等が主流となっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ウォームホイール１１を構成する芯管１と樹脂部３とは、芯管１をコアとしたインサート成形で形成され、芯管１と樹脂部３との間には接着層は存在しない。その場合、上記のポリアミド系樹脂製の樹脂部３は、吸水性が高いため、水分を吸収して膨潤し、結果として芯管１と樹脂部３との間に僅かな隙間が生じることが想定される。それに伴って、実際には、水分による径方向の樹脂部３の膨潤による寸法変化を抑え、ウォームホイール１１のギア歯１０部分も膨潤し、当初ウォーム１２との間に存在していた隙間が無くなったり、更に膨潤するとウォーム１２を圧迫するようになり、ギアの抵抗が大きくなる。その結果、芯管１と樹脂部３との接合面にも大きな剪断力が加わるようになり、上記のように接着強度が不十分もしくは低下している場合には、芯管１と樹脂部３とが分離してウォームホイール１１として機能しなくなることがある。
【０００６】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、芯管１と樹脂部３との間に接着層を設けることで、耐久性と信頼性とに優れる電動パワーステアリング用減速ギアを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、本発明の、操舵補助出力発生用電動モータの出力をステアリングシャフトに伝達するための電動パワーステアリング装置用減速ギアにおいて、金属製芯管の外周に、アミノ基若しくはエポキシ基を有するシラン系カップリング剤、またはアミノ基若しくはエポキシ基を有するチタネート系カップリング剤のみからなる接着層を介して、ポリアミド樹脂を主成分とするベース樹脂を含む樹脂組成物からなり、その外周面にギア歯が形成された樹脂部を一体化してなるギアを備えることを特徴とする電動パワーステアリング装置用減速ギアにより達成される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態について詳細に説明する。
【０００９】
図１は本発明の減速ギアの一例を示す斜視図であるが、金属製の芯管１の外周に、樹脂製でその外周端面にギア歯を形成した樹脂部３を一体化したウォームホイールを備える。このような構成自体は、図６に示したような、芯管１と樹脂部３とを一体化した従来のウォームホイール１１と同様である。また、ウォーム１２には制限はなく、従来と同様に金属製とすることができる。
【００１０】
但し、樹脂部３を、ポリアミド樹脂を主成分とするベース樹脂を含む樹脂組成物で形成する。ポリアミド樹脂の例としては、吸水性や耐疲労性の観点から、ポリアミド６、ポリアミド６６、ポリアミド４６、ポリアミド６１０、ポリアミド６１２、ポリアミド１２、ポリアミド１１、ポリアミドＭＸＤ６、ポリアミド６Ｉ６Ｔ、変性ポリアミド６Ｔ等が好適に挙げられる。ウォームホイール１１は正転・逆転を繰り返すため、上記の中でもポリアミド６、ポリアミド６６、ポリアミド４６が耐疲労性に優れ好ましい。これら耐疲労性に優れる３種のポリアミド樹脂は単独で使用することもできるが、上記に挙げた他のポリアミド樹脂と混合してベース樹脂を形成することもできる。耐熱性に優れるポリアミド樹脂は、一方で吸水性が高く、膨潤して寸法変化を起こし易い。これに対して、他のポリアミド樹脂は吸水性が比較的低いため、これらを配合することによりベース樹脂全体として吸水による寸法変化を抑えることが可能になる。但し、混合する場合、耐疲労性に優れるポリアミド樹脂がベース樹脂全量の６０〜９０重量％を占めることが好ましく、耐疲労性に優れるポリアミド樹脂の割合が６０重量％未満になると、耐疲労性に劣り実用性が低くなる。
【００１１】
また、耐疲労性に優れるポリアミド樹脂は、上記した他のポリアミド樹脂以外にも、ポリアミド樹脂と相溶性を有する他の樹脂と混合してもよい。例えば、無水マレイン酸等の酸で変性したポリオレフィン（例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−α−オレフィンコポリマー、プロピレン−α−オレフィンコポリマー等）が挙げられる。但し、混合する場合、この酸変性ポリオレフィンは３〜２０重量％であることが好ましい。酸変性ポリオレフィンの割合が２０重量％を超えると、耐疲労性に優れるポリアミド樹脂が少なすぎて、ポリアミド分子中のアミド結合に起因する接着箇所が少なくなり、後述される接着層による効果が発現し難くなる。また、酸変性ポリオレフィンを配合することにより、吸水による寸法変化が抑えられたり、耐衝撃性が高まる等の効果が得られ、酸変性ポリオレフィンの割合が３重量％未満では、これらの効果が十分に発現しない。
【００１２】
これらベース樹脂は、樹脂単独でも一定以上の耐久性を示し、ウォームホイール１１の相手材である金属製のウォーム１２の摩耗に対して有利に働き、減速ギアとして十分に機能する。しかしながら、より過酷な使用条件で使用されると、ギア歯１０が破損や摩耗することも想定されるため、信頼性をより高めるために、強化材を配合することが好ましい。
【００１３】
補強材としては、ガラス繊維、炭素繊維、チタン酸カリウムウィスカー、ホウ酸アルミニウムウィスカー等が好ましく、上記に挙げたポリアミド樹脂との接着性を考慮してシランカプッリング剤で表面処理したものが更に好ましい。また、これらの補強材は複数種を組み合わせて使用することができる。衝撃強度を考慮すると、ガラス繊維や炭素繊維等の繊維状物を配合することが好ましく、更にウォ−ム１２の損傷を考慮するとウィスカー状物を繊維状物と組み合わせて配合することが好ましい。混合使用する場合の混合比は、繊維状物及びウィスカー状物の種類により異なり、衝撃強度やウォーム１２の損傷等を考慮して適宜選択される。
【００１４】
これらの補強材は、全体の５〜４０重量％、特に１０〜３０重量％の割合で配合することが好ましい。補強材の配合量が５重量％未満の場合には、機械的強度の改善が少なく好ましくない。補強材の配合量が４０重量％を超える場合には、ウォーム１２を損傷し易くなり、ウォーム１２の摩耗が促進されて減速ギアとしての耐久性が不足する可能性があり好ましくない。
【００１５】
更に、ベース樹脂には、成形時及び使用時の熱による劣化を防止するために、ヨウ化物系熱安定化剤やアミン系酸化防止剤を、それぞれ単独あるいは併用して添加することが好ましい。
【００１６】
また、本発明においては、芯管１と樹脂部３とを接着層８を介在させて強固に接合する。この接着層８を形成する材料は、金属と上記に挙げたポリアミド系樹脂との双方にたいして結合を生じ得ることが必要であり、アミノ基若しくはエポキシ基を有するシラン系カップリング剤、アミノ基若しくはエポキシ基を有するチタネート系カップリング剤を用いる。
【００１７】
上記のシラン系カップリング剤やチタネート系カップリング剤は、その化学構造の一端に加水分解基であるアルコキシ基を有しており、このアルコキシ基が加水分解して水酸基に変化し、この水酸基が金属表面と脱水縮合を起こすことにより、金属との間で高い結合力を持つ共有結合を形成する。また、他端にはアミノ基若しくはエポキシ基を有しており、アミノ基若しくはエポキシ基が上記したポリアミド樹脂の分子構造中のアミド結合と結合する。そして、これらの結合により、芯管１と樹脂部３とが強固に接合される。
【００１８】
アミノ基若しくはエポキシ基を有するシラン系カップリングやチタネート系カップリング剤としては、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、β（３，４−エポキシシクロヘキシル）エチルトリメトキシシラン、γ−アミノプロピルトリエトキシシラン、Ｎ−β−（アミノエチル）−γ−アミノプロピルトリメトキシシラン、γ−ウレイドプロピルトリエトキシシラン、イゾプロピルトリ（Ｎ−アミノエチル−アミノエチル）チタネート等が挙げられる。特に、エポキシ基を持つものは、アミド結合との反応性が高く、より好適である。
【００２１】
接着層８を芯管１の外周面とより強固に結合させるために、芯管１の外周面に銅やニッケル等の金属めっき下地層を形成したり、酸素プラズマ等による表面処理を施すことが好ましい。尚、芯管１の外周面には、予めショットブラストやローレット加工等を施しておいてもよく、特にローレット加工が好ましい。ローレット加工のＶ字状溝の深さは０．２〜０．８ｍｍ、特に０．３〜０．７ｍｍが適当である。また、芯管１及び樹脂部３（上記したポリアミド系樹脂）との結合力をより高めるために、熱処理を行うことも好ましい。加熱温度としては、２００〜４５０℃が適当である。熱処理の手段としては、短時間で効率良く温度が上昇する誘導加熱（高周波あるいは低周波）が最も好ましい。この誘導加熱によると、芯管１及び、芯管１の外周面−接着層８−樹脂部３の内周面が一様に効果的に加熱され、より強固な結合が可能になる。また、短時間で済むため、樹脂部３や接着層８を形成する材料の劣化が最小限に抑えられる。誘導加熱に際し、雰囲気は大気中でもよいが、アルゴンガス等の不活性ガス雰囲気中で行うと、材料の劣化が更に抑制でき好適である。
【００２２】
ウォームホイール１１を製造する方法は制限されるものではなく、例えば図２〜図５に示す工程に従うことができる。即ち、先ず図２に示すように、金属製の芯金１の外周面１ａにクロスローレット加工を施し、溶剤で脱脂した後、この芯管１の外周面１ａに接着層８を形成する。接着層８の形成方法としては、シラン系カップリング剤またはチタネート系カップリング剤を溶解した溶液（溶媒：水、アルコール、メチルセルソルブ等を適宜選択）に、芯管１を浸漬し、溶媒を乾燥除去する方法が簡便である。この接着層形成用溶液の濃度は３〜１０重量％が適当である。次いで、図３に示すように、スプルー４及びディスクゲート５を装着した金型に配置し、射出成形機により上記のポリアミド系樹脂もしくは補強材を配合した樹脂組成物を充填して樹脂部３を成形する。その後、不活性ガス雰囲気中等で誘導加熱（芯管部加熱温度：２００〜４５０℃）して熱処理を行う。
【００２３】
芯管１と樹脂部３とを接着層８を介して接合する方法は、上記の方法の他にも。例えば、別途射出成形して得たドーナツ状の樹脂部３を加熱して膨張させておき、その中心の空部に上記の如く接着層８を形成した芯管１を圧入し、室温まで冷却し、その後不活性ガス雰囲気中等で誘導加熱を行ってもよい。尚、樹脂部３の内周面及び芯管１の外周面がストレート同士の形状であると、芯管１を圧入して冷却した後、樹脂部３の芯管１との接合部近傍の端面部（平面部分）に、収縮による突出部分が出現する。この突出部分を別途取り除いてもよいが、コストアップとなるため、樹脂部３の内周面あるいは芯管１の外周面の少なくとも一方にこの突出部分を吸収する凹凸を設けると、接合部が更に強固になる。
【００２４】
金属表面へのカップリング反応及びポリアミド樹脂のアミド結合への反応は、より高い温度で行ったほうが効率がよく、確実に進む傾向があるため、より好ましくは２５０〜４００℃になるまで芯管１を誘導加熱するほうが好適である。従って、上記説明した中で、低融点のポリアミド６、ポリアミド１１、ポリアミド１２、ポリアミド６１２、ポリアミド６１０を使用した場合、加熱時に樹脂部全体が変形することが想定されるので、融点が２５０℃以上のポリアミドＭＸＤ６，ポリアミド６Ｉ６Ｔ、変性ポリアミド６Ｔを、耐疲労性に優れるポリアミド６，ポリアミド６６、ポリアミド４６と組み合わせてベース樹脂を形成することが特に好ましい。
【００２５】
また、芯管１と樹脂部３とを直接インサート成形した後、全体を加熱し、加熱状態のまま上記の接着層形成用溶液に浸漬してもよい。この浸漬に際し、芯管１と樹脂部３との線膨張係数の違いから両者の接合部分に隙間が生じ、この隙間に接着像形成用溶液が浸入する。その後、同様にして不活性ガス雰囲気中等で誘導加熱する。
【００２６】
上記により、図４に示すように、芯管１の外周に接着層を介して樹脂部３が接合されたウォームホイールブランク材７を得る。そして、図５に示すように、ウォームホイールブランク材７の樹脂部３の外周面３ａに切削加工により所定形状のギア歯１０を形成してウォームホイール１１が得られる。
【００２７】
以上、本発明に関して円筒ウォームギアであるウォームホイールを例示して説明したが、本発明はこれに限るものではなく、種々の変更が可能である。例えば歯車形状として、その他にも図６に示す平ギア、図７に示すはすばギア、図８に示すかさギア、図９に示すハイポイドギア等が可能であり、何れも金属製芯管１の外周に、接着層８を介して、上記の樹脂組成物からなり、その外周面にギア歯１０が形成された樹脂部３を一体化して構成する。
【００２８】
【実施例】
以下に実施例及び比較例を挙げて本発明を更に説明するが、本発明はこれにより何ら制限されるものではない。
【００２９】
（実施例１）
深さ０．５ｍｍのローレット加工を施し、脱脂した外径４５ｍｍ、幅１３ｍｍのＳ４５Ｃ製の芯管を、γ−アミノプロピルトリエトキシシラン（日本ユニカー（株）製「Ａ−１１００」）の５重量％メタノール溶液に浸漬した後、乾燥して外周面に接着層を形成した。また、ガラス繊維を３０重量％含有するポリアミド６６（宇部興産（株）製「ＵＢＥナイロン２０２０ＧＵ６」、銅系添加剤含有）を射出成形して、直径４５ｍｍの円形の空部を備える外径６０ｍｍ、幅１３ｍｍのドーナツ状の樹脂部を別途成形した。そして、この樹脂部を加熱して膨張させ、芯管を圧入中し、室温まで冷却した。その後、アルゴンガス中で３００℃まで芯管温度が上がるまで誘導加熱して、ウォームホイールブランク材とし、次いで樹脂部の外周を切削加工してギア歯を形成してウォームホイール試験体を作製した。
【００３０】
（実施例２）
接着層形成用溶液として、Ｎ−β−（アミノエチル）−γ−アミノプロピルトリメトキシシラン（日本ユニカー（株）製「Ａ−１１２２」）の５重量％メタノール溶液を用いた以外は実施例１と同様にしてウォームホイール試験体を作製した。
【００３１】
（実施例３）
接着層形成用溶液として、γ−グリシドキシプロピルメトキシシラン（日本ユニカー（株）製「Ａ−１８７」）の５重量％メタノール溶液を用いた以外は実施例１と同様にしてウォームホイール試験体を作製した。
【００３２】
（実施例４）
接着層形成用溶液として、イソプロピルトリ（Ｎ−アミノエチル−アミノエチル）チタネート（味の素ファインテクノ（株）製「プレンアウトＫＲ４４」）の５重量％メタノール溶液を用いた以外は実施例１と同様にしてウォームホイール試験体を作製した。
【００３４】
（比較例１）
比較のために、接着層が形成されていない上記ウォームホイール試験体を用いた。
【００３５】
［寸法安定性の評価］
各試験体を、下記条件Ｉまたは条件IIの下に放置し、所定時間経過後にギア外径寸法の変化量を測定した。何れの条件においても、変化量が４０μｍ以下を合格「○」、４０μｍを超えるものを不合格「×」として表１に併記した。
・条件Ｉ：６０℃、９０％ＲＨ、７０時間
・条件II：８０℃、９０％ＲＨ、３００時間
【００３６】
［耐久性の評価］
各試験体を実際の自動車減速ギアに組み込み、下記条件Ｉまたは条件IIにて操舵操作を繰り返し行った。何れの条件においても、１０万回の操舵に耐えることができた減速ギアを合格「○」、１０万回の操舵に耐えることができなかった減速ギアを不合格「×」として表１に併記した。
・条件Ｉ：３０℃、５０％ＲＨ
・条件II：５０℃、９０％ＲＨ
【００３７】
【表１】

【００３８】
表１に示すように、接着層を備えていない比較例１の試験体は、温度、湿度が過酷になると寸法安定性が悪くなり、それに伴って耐久性も低下している。これに対して本発明に従う実施例１〜４の各試験体は、過酷な条件下でも寸法安定性が高く、耐久性も優れている。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、芯管と樹脂部とを接着層により接合したことにより、寸法安定性及び耐久性に優れる電動パワーステアリング用減速ギアが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の減速ギアの一例（円筒ウォームギア）を示す斜視図である。
【図２】 ウォームホイールの製造方法を説明するための図であり、芯管の断面図である。
【図３】 ウォームホイールの製造方法を説明するための図であり、成形金型の断面図である。
【図４】 ウォームホイールの製造方法を説明するための図であり、得られたウォームホイールブランク材の斜視図である。
【図５】 ウォームホイールの製造方法を説明するための図であり、得られたウォームホイールの斜視図である。
【図６】 本発明の減速ギアの他の例（平ギア）を示す斜視図である。
【図７】 本発明の減速ギアの更に他の例（はすばギア）を示す斜視図である。
【図８】 本発明の減速ギアの更に他の例（かさギア）を示す斜視図である。
【図９】 本発明の減速ギアの更に他の例（ハイボイドギア）を示す斜視図である。
【図１０】 従来の減速ギアの一例を示す斜視図である。

Claims (8)

1. 操舵補助出力発生用電動モータの出力をステアリングシャフトに伝達するための電動パワーステアリング装置用減速ギアにおいて、金属製芯管の外周に、アミノ基若しくはエポキシ基を有するシラン系カップリング剤、またはアミノ基若しくはエポキシ基を有するチタネート系カップリング剤のみからなる接着層を介して、ポリアミド樹脂を主成分とするベース樹脂を含む樹脂組成物からなり、その外周面にギア歯が形成された樹脂部を一体化してなるギアを備えることを特徴とする電動パワーステアリング装置用減速ギア。
2. 前記接着層が、γ−アミノプロピルトリエトキシシランであることを特徴とする請求項１記載の電動パワーステアリング装置用減速ギア。
3. 前記接着層が、Ｎ−β−（アミノエチル）−γ−アミノプロピルトリメトキシシランであることを特徴とする請求項１記載の電動パワーステアリング装置用減速ギア。
4. 前記接着層が、γ−グリシドキシプロピルメトキシシランであることを特徴とする請求項１記載の電動パワーステアリング装置用減速ギア。
5. 前記接着層が、イソプロピルトリ（Ｎ−アミノエチル−アミノエチル）チタネートであることを特徴とする請求項１記載の電動パワーステアリング装置用減速ギア。
6. 前記金属製芯管の外周面が、金属めっき下地層を有するか、ショットブラスト加工またはローレット加工されていることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の電動パワーステアリング装置用減速ギア。
7. 前記樹脂部と金属製芯管との接合後、不活性ガス雰囲気中、芯管部加熱温度が２００〜４５０℃となるように誘導加熱されていることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の電動パワーステアリング装置用減速ギア。
8. 前記歯車が、円筒ウォームギア、はすばギア、平ギア、かさギアまたはハイポイドギアであることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の電動パワーステアリング装置用減速ギア。

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