(57)【要約】【課題】ギヤボックス構成部品、及びギヤボックス構成部品のプリフォームを提供する。【解決手段】外形面に湾曲部分を有するギヤボックス構成部品は、平均繊維長が０．５ｍｍ以上の強化繊維が樹脂材料内に分散して構成された繊維強化樹脂組成物によって形成される。少なくとも一部の強化繊維、例えばボス９１の根元部１５７における強化繊維１５５は、湾曲部分を跨いで配向されている。樹脂で充填される前のギヤボックス構成部品のプリフォームは、平均繊維長が０．５ｍｍ以上の強化繊維を含んで構成され、ギヤボックス構成部品の外形面に形成された湾曲部分において、少なくとも一部の強化繊維が湾曲部分を跨いで配向されている。【選択図】図１０
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外形面に湾曲部分を有するギヤボックス構成部品であって、
平均繊維長が０．５ｍｍ以上の強化繊維が樹脂材料内に分散して構成された繊維強化樹脂組成物によって形成され、
少なくとも一部の前記強化繊維が、前記湾曲部分を跨いで配向されているギヤボックス構成部品。
【請求項２】
前記強化繊維は、複数の繊維層の向きが不規則となる積層構造となり、前記湾曲部分に沿って積層される請求項１のギヤボックス構成部品。
【請求項３】
繊維層同士の間に、各繊維層を跨いで配置される繊維が存在し、前記繊維層同士が互いに絡み合って積層されている請求項２に記載のギヤボックス構成部品。
【請求項４】
前記繊維強化樹脂組成物中の前記強化繊維の配合量は、１０〜６０重量％である請求項１〜３のいずれか一項に記載のギヤボックス構成部品。
【請求項５】
曲げ強度は２２０ＭＰａ以上である請求項１〜４のいずれか一項に記載のギヤボックス構成部品。
【請求項６】
強化繊維を含んで構成され、樹脂で充填される前のギヤボックス構成部品のプリフォームであって、
前記強化繊維の平均繊維長が０．５ｍｍ以上であり、前記ギヤボックス構成部品の外形面に形成された湾曲部分においては、少なくとも一部の前記強化繊維が、前記湾曲部分を跨いで配向されているギヤボックス構成部品のプリフォーム。
【請求項７】
前記強化繊維は、複数の繊維層の向きが不規則となる積層構造を有し、それぞれの積層面が前記湾曲部分に沿って配置される請求項６に記載のギヤボックス構成部品のプリフォーム。
【請求項８】
前記強化繊維の繊維層同士の間には、各繊維層を跨いで配置される繊維が存在し、前記繊維層同士が互いに絡み合った状態で積層されている請求項６に記載のギヤボックス構成部品のプリフォーム。
【請求項９】
前記プリフォームのかさ密度は、０．４ｇ／ｃｍ３以上である請求項６〜８のいずれか一項に記載のギヤボックス構成部品のプリフォーム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ギヤボックス構成部品、及びギヤボックス構成部品のプリフォームに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年になって、自動車の省資源及び省エネルギー、ＣＯ２低減のための低燃費化の推進が強く要望されるようになった。電動パワーステアリング装置についても、更なる軽量化が求められている。電動パワーステアリング装置においては、特に、減速歯車機構を収納するギヤボックス、及びそのカバーに関して、アルミニウム合金等の軽金属の使用による軽量化実現の可能性が検討されてきた。しかし、その実現には、ギヤボックス、及びそのカバーを形成する材料や構造を大きく変更しなければならなかった。
【０００３】
電動パワーステアリング装置のギヤボックス、及びそのカバーを更に軽量化するには、上記の軽金属よりも比重の小さい材料、即ち、樹脂材料を用いて形成すればよい。しかし、単純に材料のみを置換しただけでは、従来品と同等の品質の確保は困難であると考えられる。特に問題となるのは、金属材料に比べ耐衝撃性、クリープ特性、剛性が低い点である。また、金属材料から樹脂材料へ置換する場合、樹脂製の構造体により、金属製の構造体と同等の寸法安定性を確保するのは容易でない、ということも明白であった。
【０００４】
このような軽量化の先行技術として、例えば特許文献１、２の技術が挙げられる。特許文献１には、電動パワーステアリング装置において、操舵状態検出センサを収納するセンサハウジング、及び減速機を収納するギヤハウジングを含む全てのハウジングを樹脂材料で構成し、その軽量化を図る技術が開示されている。
【０００５】
また、特許文献２の電動パワーステアリング装置では、ギヤボックスのハウジング部材とカバー部材とを、金属製の芯金をインサートした樹脂材料のインサート成形により製造している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−２９８２４６号公報
【特許文献２】特開２０１３−６７３６２号公報
【特許文献３】特開昭６０−７２７１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記特許文献１の実施形態においては、センサハウジングとギヤハウジングを、全てポリアミド系樹脂材料又は強化繊維を充填したポリアミド系樹脂により形成しているが、レーザー溶着を行うためには、繊維含有率を低くしなければならない。そのため、ハウジングの高温強度、耐衝撃性、クリープ特性、剛性などの機械的特性が低下し、長期間の使用には適用が困難である。
【０００８】
また、特許文献２の電動パワーステアリング装置のギヤボックスでは、熱可塑性樹脂と強化繊維とを含有する樹脂組成物を、芯金のボルト穴にボルトを挿通して固定している。しかし、一般に射出成形においては、射出成形時の材料の流れ方向に強化繊維が配向する。そのため、材料の流れ方向とその直角方向とで熱膨張係数に異方性が生じ、それが一因となって「反り」が発生し、寸法精度を低下させる傾向がある。
【０００９】
また、上記のような樹脂中に強化繊維を混入させて成形する樹脂モールド法においては、強化繊維を樹脂中に添加すると、注型時の樹脂粘度が著しく増大する。そのため、必要量の強化繊維を樹脂中に添加することが実際には困難となり、意図した補強効果が得られにくいのが実情であった。
【００１０】
一方、特許文献３には、繊維状物質を含むスラリーをフィルタ付きの金型に供給し、このフィルタから低粘度液体である溶媒を排出して、繊維状物質を金型内に充填させる工程を含む樹脂モールド成形技術が開示されている。この技術によれば、必要十分量の繊維状物質をスラリー中に含ませることができる。
しかし、この成形方法では、金型の下型だけにフィルタを配置し、スラリー中の溶媒を、吸引法に基づく減圧によりフィルタを介して排出するため、繊維状物質のかさ密度を高めることができない。また、湾曲部を有する形状に繊維状物質を成形する場合、その湾曲部において、繊維状物質のかさ密度が不足するため、強度が不十分となる。
【００１１】
本発明は、上記課題を解決するものであり、その目的は、従来と同等の強度と信頼性を備えつつ、高い寸法精度を有し軽量化が可能なギヤボックス構成部品、及びギヤボックス構成部品のプリフォームを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は下記の構成からなる。
（１）  外形面に湾曲部分を有するギヤボックス構成部品であって、
平均繊維長が０．５ｍｍ以上の強化繊維が樹脂材料内に分散して構成された繊維強化樹脂組成物によって形成され、
少なくとも一部の前記強化繊維が、前記湾曲部分を跨いで配向されているギヤボックス構成部品。
（２）  強化繊維を含んで構成され、樹脂で充填される前のギヤボックス構成部品のプリフォームであって、
前記強化繊維の平均繊維長が０．５ｍｍ以上であり、前記ギヤボックス構成部品の外形面に形成された湾曲部分においては、少なくとも一部の前記強化繊維が、前記湾曲部分を跨いで配向されているギヤボックス構成部品のプリフォーム。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、外形面に湾曲部分を有するギヤボックス構成部品を、従来と同等の強度と信頼性を備えつつ、高い寸法精度を有し軽量化が可能な構成にできる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】電動パワーステアリング装置の概略的な構成図である。
【図２】図１に示すII−II線の部分断面図である。
【図３】図２に示すIII−III線の一部断面図である。
【図４】（Ａ）はギヤボックスカバーの概略構成を示す斜視図、（Ｂ）は（Ａ）に示すギヤボックスカバーの背面側の概略構成を示す斜視図である。
【図５】ギヤボックスカバーのプリフォームを抄造する抄造型の概略的な斜視図である。
【図６】図５に示す下型のVI−VI線断面図である。
【図７】（Ａ），（Ｂ）は開繊工程で繊維含有スラリーを作製する様子を示す工程説明図である。
【図８】（Ａ）〜（Ｅ）は抄造工程を段階的に説明する工程説明図である。
【図９】ボス形成部に流入する繊維含有スラリーの流動方向を示す説明図である。
【図１０】ギヤボックスカバーのボスを模式的に示す部分拡大図である。
【図１１】炭素繊維の初期繊維長に対する曲げ強度の分布を示す説明図である。
【図１２】図５に示す抄造型を用いて作製したプリフォームの外観斜視図である。
【図１３】（Ａ）は図１２に示すプリフォームのＰ１部を二分したプリフォーム本体側の割れ面の写真、（Ｂ）は破断片におけるボスの割れ面の拡大写真である。
【図１４】（Ａ）は図１２に示すプリフォームのＰ２部を二分したプリフォーム本体側の割れ面の拡大写真であり、（Ｂ）は破断片におけるリブの割れ面の拡大写真である。
【図１５】図１３（Ａ）に示すプリフォームのＰ４部を正面から見た顕微鏡写真である。
【図１６】図１３（Ｂ）のＰ５部分の繊維層が繊維によって結合された様子を模式的に示すモデル図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
ここでは、本発明の外形面に湾曲部分を有するギヤボックス構成部品を、電動パワーステアリング装置に用いられるギヤボックスとして説明するが、本発明はこれに限らない。
【００１６】
＜電動パワーステアリング装置の構成＞
図１は電動パワーステアリング装置の概略的な構成図である。
電動パワーステアリング装置１００は、電動モータ１１による補助出力を、減速歯車機構１３を介して車両のステアリング機構１５に伝達する。なお、図示例の電動パワーステアリング装置１００は一例であって、他の種類の機構であってもよい。
【００１７】
図１に示す電動パワーステアリング装置１００においては、不図示のステアリングホイールが上端部に固定されたステアリング軸１７が、ステアリング軸用ハウジング１９の内部に回転自在に支承される。また、ステアリング軸用ハウジング１９は、その下部を車両の前方に向けて傾斜した状態で、車室内部の所定位置に固定される。
【００１８】
ステアリング軸１７の回転を左右の操舵輪の運動に変換するラックアンドピニオン機構２１は、軸方向に移動自在なラック２３と、ピニオン軸２５と、ラック２３及びピニオン軸２５を支承する筒状のラック用ハウジング２７とを備える。ピニオン軸２５は、ラック２３の軸芯に対して斜め方向に支承され、ラック２３のギア歯に噛み合うギア歯を備えたピニオンを有する。
【００１９】
ラックアンドピニオン機構２１は、その長手方向が車両の幅方向に沿うようにして、車両前部のエンジンルーム内にほぼ水平に配置される。また、ピニオン軸２５の上端部とステアリング軸１７の下端部とは、２個の自在継手２９，３１で連結される。更に、ラック２３の両端部には、不図示の操舵輪が連結される。
【００２０】
運転者によりステアリングホイールに操舵トルク（回転力）が加えられると、ステアリング軸１７が回転し、その操舵トルクはステアリング軸１７に取り付けられたトルクセンサで検出される。そして、検出された操舵トルクに基づいて、電動モータ１１の出力（操舵を補助する回転力）が制御される。電動モータ１１の出力は、減速歯車機構１３を介してステアリング軸１７の中間部分に供給され、操舵トルクと合わされて、ラックアンドピニオン機構２１によって操舵輪を転舵する運動に変換される。
【００２１】
図２は図１に示すII−II線の部分断面図、図３は図２に示すIII−III線の一部断面図である。
図２、図３に示すように、車体（図示せず）に取り付けられた電動パワーステアリング装置１００の減速歯車機構１３を収納するギヤボックス３３は、図３に示す有底筒状のギヤボックス本体３５及びギヤボックスカバー３７（ギヤボックス構成部品）を有する。ギヤボックスカバー３７は、ギヤボックス本体３５の開口を塞いでギヤボックス本体３５に固定される。即ち、ボルト３９をギヤボックスカバー３７側に設けた開口に挿通し、ギヤボックス本体３５側に設けたねじ孔に締結する。これにより、ギヤボックス本体３５とギヤボックスカバー３７とが、ボルト３９の締結によって一体にされたギヤボックス３３が得られる。
【００２２】
ギヤボックス３３の内部には、中間ステアリング軸４７が、転がり軸受５１、５３によって回転自在に支承される。また、ギヤボックス３３の内部には、減速歯車機構１３が収容されると共に、操舵状態検出センサとしてのトルクセンサ５９が収容される。
【００２３】
減速歯車機構１３は、図２に示すウォームホイール５５と、ウォーム軸５７とから構成される。ウォームホイール５５は、図３に示す中間ステアリング軸４７の軸方向中間部に固定される。また、図２に示すウォーム軸５７は、電動モータ１１の回転軸６１にスプライン継手６３を介して連結され、ウォームホイール５５と噛合する。
【００２４】
図３に示すように、ウォームホイール５５は、中間ステアリング軸４７に、一体回転可能に固定された円板部５５ａと、円板部５５ａの外径部に形成された合成樹脂歯５５ｂとを備える。中間ステアリング軸４７は、ウォームホイール５５の軸方向両側に配置された第１転がり軸受５１と第２転がり軸受５３によって、回転自在に支承される。
【００２５】
トーションバー６７は、ステアリング軸１７、及び中間ステアリング軸４７の軸中心を貫通して配設され、図中左端部を連結ピン６９によって中間ステアリング軸４７と一体に固定され、更に、図中右端部をステアリング軸１７に圧入固定されている。
よって、ステアリング軸１７の回転力（操舵トルク）は、トーションバー６７を介して中間ステアリング軸４７に伝達される。
【００２６】
図２に示すように、ウォームホイール５５と噛合するウォーム軸５７は、ギヤハウジング７３によって保持される第３転がり軸受７５及び第４転がり軸受７７によって回転自在に支承される。ウォーム軸５７の基端側の端部は、電動モータ１１の回転軸６１にスプライン継手６３を介して連結されている。
【００２７】
＜ギヤボックス構成部品＞
次に、上記したギヤボックス３３について詳述する。
図３に示すように、ギヤボックス３３は、ギヤボックス本体３５と、ギヤボックスカバー３７とを含む複数のギヤボックス構成部品からなる。ギヤボックス本体３５とギヤボックスカバー３７のそれぞれは、主に、長繊維の強化繊維（繊維状充填材）が樹脂材料内に分散して配置された部材である。強化繊維は、使用目的に応じて樹脂材料中に１０〜６０重量％の範囲で含まれる。これにより、ギヤボックス３３を樹脂材料単体で成形した場合と比較して、耐衝撃性、クリープ性、剛性、寸法安定性を向上させている。
【００２８】
なお、図示例では、ギヤボックス３３が、ギヤボックス本体３５とギヤボックスカバー３７との２部品で構成されるが、これに限らず、更に他の部品が組み合わされていてよい。その場合に、他の部品が上記した長繊維の繊維状充填材を含む樹脂材料であってもよい。
【００２９】
ギヤボックス３３は、強化繊維を含む樹脂製のギヤボックス本体３５及びギヤボックスカバー３７が、ボルト３９により締結されることで一体に構成される。ギヤボックス本体３５と、ギヤボックスカバー３７とのボルト３９による締結部は、金属製のギヤボックス本体３５側の芯金と、金属製のギヤボックスカバー３７側の芯金とをインサート成形し、埋設された芯金同士を連結する構成としてもよい。本構成のギヤボックス３３は、全体が金属製の従来品の場合よりも軽量化されると共に、従来品と同等の耐久信頼性を有する。
【００３０】
なお、ボルトで締結される表面、即ち、ギヤボックス本体３５とギヤボックスカバー３７との接合面には、図示はしないが、Ｏリングが装着されるＯリング溝を設け、ギヤボックス３３内に封入されたグリースの漏出を防止することが好ましい。
【００３１】
上記構成のギヤボックス本体３５やギヤボックスカバー３７（以下、ギヤボックス構成部品とも称する）は、詳細を後述するが、概略的には次のように製造される。
まず、平均繊維長が０．５ｍｍ以上の強化繊維を溶媒中で開繊させる。この強化繊維を含む繊維含有スラリーを金型に満たして抄造し、プリフォームを形成する。形成したプリフォームを成形型にセットし、この成形型内に液状又は粉体状の熱硬化性樹脂を注入して、プリフォームに樹脂材料を含浸させる。これにより、繊維強化樹脂組成物をベースとするギヤボックス構成部品が得られる。
【００３２】
ギヤボックス構成部品は、上記の立体抄紙技術によりプリフォームを作製して製造することが好ましいが、これに限らない。例えば、平均繊維長が０．５ｍｍ以上の強化繊維を含む繊維含有スラリーを、液状又は粉体状の熱硬化性樹脂と共に金型に挿入し、加熱によって強化繊維と樹脂材料とを一体化させてギヤボックス構成部品を製造してもよい。これによっても、抄造の場合と同様に、強化繊維が樹脂材料に分散された繊維強化樹脂組成物のギヤボックス構成部品が得られる。いずれの場合でも、繊維強化樹脂組成物に含まれる強化繊維の配合量は、１０〜６０重量％であることが好ましい。
【００３３】
ギヤボックス構成部品の構成材料としては、例えば、樹脂材料としてエポキシ樹脂やフェノール樹脂等の熱硬化性樹脂に、繊維状充填材として、ガラス繊維や炭素繊維等の強化繊維を配合した材料が好ましい。また、熱硬化性樹脂の一部を熱可塑性樹脂に置き換えてもよい。熱硬化性樹脂を構成材料として用いることで、耐熱性、機械的強度に優れた構成にできる。
また、成形品としての耐久性及び信頼性を考慮すると、熱硬化性樹脂をベース樹脂とし、このベース樹脂に強化繊維を充填させた繊維強化樹脂組成物を用いることが望ましい。この繊維強化樹脂組成物を用いることにより、ギヤボックス構成部品の耐衝撃性能を必要十分に確保できる。
【００３４】
強化繊維は、特に限定されないが、例えばガラス繊維、炭素繊維、金属繊維、アラミド繊維、芳香族ポリイミド繊維、液晶ポリエステル繊維、炭化ケイ素繊維、アルミナ繊維、ボロン繊維、セルロース、セルロースナノファイバー等を例示できる。
【００３５】
特に、ガラス繊維、ボロン繊維は、引張強度が高く好ましい。炭素繊維は、耐摩耗性、耐熱性、熱伸縮性、耐酸性、電気伝導性に優れる。金属繊維は、ステンレス、アルミニウム、鉄、ニッケル、銅等の金属糸を用いることができる。アラミド繊維は、引張強度や摩擦抵抗力が強く、高温・耐薬品性にも優れる。芳香族ポリアミド繊維は、非常に優れた耐熱性と強度を持つ。液晶ポリエステル繊維は、非強化状態でもフィラー強化されたエンジニアリングプラスチックを上回る剛性を持つ。アルミナ繊維は、高温域でも使用でき、耐火性を有する。
【００３６】
更に、強化繊維の繊維長さは、平均繊維長が０．５ｍｍ以上のものが好ましく、より好ましくは１ｍｍ以上である。平均繊維長が０．５ｍｍ未満の繊維を添加したものでは、平均繊維長が０．５ｍｍ以上の繊維を添加したものと比較して耐衝撃性、寸法安定性の向上効果が少ない。平均繊維長を０．５ｍｍ以上にすることで、複合材における樹脂材の補強効果が確実に得られるようになる。
【００３７】
また、繊維強化樹脂組成物中の強化繊維の配合量は、１０〜６０重量％が好ましい。強化繊維の繊維強化樹脂組成物中の配合量が１０重量％未満の場合には、従来品と同等の耐久性が得られない。また、強化繊維の配合量が６０重量％を超える場合には、材料の靱性が損なわれ、例えば、耐冷熱衝撃性が不足する可能性があり、好ましくない。
【００３８】
繊維強化樹脂組成物は、強化繊維を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等のカップリング剤で処理することで、樹脂材料と強化繊維との親和性を向上できる。これにより、樹脂材料と強化繊維との密着性、並びに分散性を向上できる。なお、カップリング剤は、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に限定されるものではない。
【００３９】
そして、本発明の目的を損なわない範囲で、繊維強化樹脂組成物に各種添加剤を配合してもよい。添加剤としては、例えば、黒鉛、六方晶窒化ホウ素、フッ素雲母、四フッ化エチレン樹脂粉末、二硫化タングステン、及び二硫化モリブデン等の固体潤滑剤、無機粉末、有機粉末、潤滑油、可塑剤、ゴム、酸化防止材剤、熱安定剤、紫外線吸収剤、光保護剤、難燃剤、帯電防止剤、離型剤、流動性改良材、熱伝導性改良剤、非粘着性付与剤、結晶化促進剤、増核剤、顔料、染料剤等を例示することができる。
【００４０】
これら樹脂材料と強化繊維と各種添加剤とを混合してギヤボックス構成部品を製造する場合には、強化繊維のプリフォームに、強化繊維以外の各種添加剤が添加された溶融樹脂を含浸させた後、加熱硬化させる。溶融樹脂を含浸する際の温度は特に限定されないが、母材となる樹脂の溶融が十分進行し、且つ劣化しない温度の範囲内で適宜選定すればよい。
【００４１】
＜ギヤボックス構成部品の製造＞
次に、ギヤボックス構成部品の製造方法について更に詳細に説明する。ここでは、ギヤボックスカバー３７の製造を一例として説明する。ギヤボックス本体３５の製造については、ギヤボックスカバー３７と同様であるので省略する。
【００４２】
（ギヤボックスカバー）
図４（Ａ）はギヤボックスカバー３７の概略構成を示す斜視図、図４（Ｂ）は（Ａ）に示すギヤボックスカバー３７の背面側の概略構成を示す斜視図である。
ギヤボックスカバー３７は、カバー本体８０の中心部に第２転がり軸受５３を保持する軸受孔８１が形成され、全体がほぼ平板状の部材である。軸受孔８１の径方向外側には、ボルト孔８３を有する突起部８５が直径方向に沿って一対設けられる。ボルト孔８３には、図３に示すボルト３９が挿入される。
【００４３】
また、カバー本体８０には、一対の突起部８５を結ぶ線に直交する方向の一方の側に、板状のリブ８７が径方向直交方向（図４（Ａ）の下方向、図４（Ｂ）の上方向）に突出して設けられる。また、他方の側に、ボルト孔８９を有する一対のボス９１が、リブ８７と同じ方向に突出して設けられる。
【００４４】
（ギヤボックスカバーの抄造型）
図５はギヤボックスカバー３７のプリフォームを抄造する抄造型の概略的な斜視図、図６は図５に示す下型１１３のVI−VI線断面図である。
【００４５】
図５及び図６に示すように、抄造型１１１は、下型１１３と上型１３５とを有する。下型１１３には、後述する繊維含有スラリーが注入される碗状凹部１１５と、突出面形成部１１７、突起部形成部１１９、リブ形成部１２１、ボス形成部１２３と、が設けられる。突出面形成部１１７は、ギヤボックスカバー３７の一方の面、即ち、リブ８７と一対のボス９１が突出する側の面を形成する。また、突起部形成部１１９は突起部８５を形成し、リブ形成部１２１はリブ８７を形成し、ボス形成部１２３は一対のボス９１を形成する。突出面形成部１１７は、ギヤボックスカバー３７のカバー本体となる主要面を形成する主凹部であり、中央に軸受孔形成部１１８が突起して軸受孔を形成する。突起部形成部１１９、リブ形成部１２１、ボス形成部１２３は、主凹部の一部から分岐して、それぞれの突出した部位を形成する分岐凹部となる。
【００４６】
なお、ここでは説明の簡単化のため、ギヤボックスカバー３７のボルト孔８３，８９を形成する中子、スライドコア等の型の付帯機構については省略する。
【００４７】
リブ形成部１２１とボス形成部１２３の下方には、碗状凹部１１５に注入された繊維含有スラリーの溶媒を排出するための排液孔１２５，１２７が設けられる。排液孔１２５はリブ形成部１２１と下型１１３の外部とを連通させ、排液孔１２７はボス形成部１２３と下型１１３の外部とを連通させる。
【００４８】
リブ形成部１２１の下側先端部と排液孔１２５との間、及びボス形成部１２３の下側先端部と排液孔１２７との間には、それぞれ繊維含有スラリーに含まれる強化繊維と溶媒とを分離させるメッシュ状のフィルタ部１２９，１３１（図６参照）が設けられる。フィルタ部１２９，１３１は、繊維含有スラリーから強化繊維の流出を阻止しつつ、溶媒のみを通過させる。
【００４９】
また、上型１３５は、下型１１３の碗状凹部１１５に対応する凸状部１３６を有して形成される。凸状部１３６は、その凸状先端にメッシュ状のフィルタ部１３３を有する。このフィルタ部１３３は、強化繊維の流出を阻止し、溶媒のみが通過可能な網目サイズであればよい。
【００５０】
これらフィルタ部１２９，１３１，１３３は、多孔質のフィルタを介して構成されてもよい。多孔質のフィルタとしては、例えば、スポンジ、ゼオライト等の多孔質体、不織布、綿等の繊維質の塊等が挙げられる。また、フィルタ部１２９，１３１，１３３は、金型自体に網目（細目）部が形成された形態であってもよく、更に、網目の隙間にスポンジ等の多孔質フィルタが装填された形態であってもよい。
【００５１】
＜ギヤボックスカバーの製造工程＞
次に、ギヤボックスカバー３７の製造工程を説明する。
ギヤボックスカバー３７の製造工程は、強化繊維の開繊工程と、ギヤボックスカバー３７のプリフォーム３７Ａを抄造する抄造工程と、抄造されたプリフォーム３７Ａに樹脂材料に含浸させ、芯材をインサート成形する成形工程とを、この順に有する。
【００５２】
（開繊工程）
図７（Ａ），（Ｂ）は開繊工程で繊維含有スラリーを作製する様子を示す工程説明図である。
開繊工程においては、図７（Ａ）に示すように、強化繊維である炭素繊維を含む多数のピレット１４１を、溶媒１４３を収容した容器１４５内に投入し、攪拌機１４７を駆動する。これにより、図７（Ｂ）に示すように、ピレット１４１に含まれる炭素繊維を溶媒１４３中で開繊させた、均質な繊維含有スラリー１４９を得る。溶媒１４３としては、安定性、取り扱い性、コストの観点から水(白水)が好ましいが、エタノール、メタノール等の溶剤、又はこれらの混合物であってもよい。
【００５３】
投入する繊維状充填材の平均繊維長は、１ｍｍ以上であることが望ましい。これにより、炭素繊維の一部が開繊中に折れて短くなり、開繊後の平均繊維長を０．５ｍｍ以上にできる。
【００５４】
（抄造工程）
図８（Ａ）〜（Ｅ）は抄造工程を段階的に説明する工程説明図である。
抄造工程においては、まず、図８（Ａ）に示す抄造型の下型１１３内に、ノズル１５１を通じて繊維含有スラリー１４９を注入する。その後、図８（Ｂ）及び図８（Ｃ）に示すように、上型１３５を下型１１３に向けて移動させる（矢印Ｐ）。これにより、繊維含有スラリー１４９中の溶媒１４３のみが、上型１３５の押圧によってメッシュ状のフィルタ部１３３を通過して、抄造型のキャビティ外に排出される。同様に、フィルタ部１２９，１３１を介して、各排液孔１２５，１２７から繊維含有スラリー１４９の溶媒１４３が抄造型のキャビティ外に排出される。
【００５５】
上型１３５のフィルタ部１３３は、キャビティ内の繊維含有スラリー１４９から溶媒１４３を排出させて、キャビティ内の強化繊維を、ギヤボックスカバー３７のカバー本体８０（図４（Ａ），（Ｂ）参照）の形状に抄造する。上型の押圧により、より高いかさ密度のプリフォームが形成される。プリフォームの繊維は、加圧方向に略直交する方向に広がる複数の繊維層となり、且つ各繊維層は、規則性を有して互いに平行に並ぶことなく、加圧方向に関して各繊維層の向きを不規則にして積層される。そして、繊維層同士の間は、多数の繊維が絡み合い、各繊維層が互いに接合される。
【００５６】
図９はボス形成部に流入する繊維含有スラリー１４９の流動方向を示す説明図である。
溶媒排出時の繊維含有スラリー１４９中の強化繊維は、その繊維長手方向が繊維含有スラリー１４９の流れによって、流動方向と平行に揃えられる。つまり、繊維含有スラリー１４９は、ボス形成部１２３に流入する際に、図中矢印Ｆで示すように、下型１１３のエッジ部１１３ａを円弧状に回り込んで、ボス形成部１２３の底部のフィルタ部１３１に向かう。つまり、本構成の繊維含有スラリー１４９は、繊維の長手方向が、溶媒排出による流れによって、その流動方向と平行に揃えられる。これにより、熱膨張係数の異方性を生じさせることなく、ボス形成部１２３の厚さを高い精度で均一にできる。
【００５７】
そして、図８（Ｃ）に示す上型１３５を更に下型１１３に向けて移動、加圧することで、図８（Ｄ）に示すように、ギヤボックスカバー３７とほぼ同形のプリフォーム（繊維積層体）３７Ａが抄造される。
【００５８】
次いで、図８（Ｅ）に示すように、下型１１３から湿潤状態のプリフォーム３７Ａを取り出し、プリフォーム３７Ａを乾燥処理する。かさ密度のより高いプリフォームを形成するために、上述の加圧と乾燥処理は同時に行うことが好ましい。また、成形品の形状に応じて、上述の加圧後に、更に他の方向へ加圧し、繊維層の積層方向を調整してもよい。
【００５９】
このプリフォーム３７Ａは、強化繊維と、例えば、強化繊維を溶媒に分散させるための添加剤等を含んで構成される。添加剤としては、界面活性剤や定着剤などの薬品や、バインダーとして熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂などが挙げられる。プリフォーム３７Ａ、又は添加剤を含むプリフォーム３７Ａのかさ密度は、好ましくは０．３ｇ／ｃｍ３以上、より好ましくは０．４ｇ／ｃｍ３以上である。かさ密度を上記範囲にすることによって、プリフォーム３７Ａのハンドリングや成形に伴う繊維の破損を防止できる。
【００６０】
（成形工程）
成形工程では、乾燥されたプリフォーム３７Ａを、図示しない公知の成形用型に配置する。このとき、連結部材であるカバー側芯金４３（図３参照）をプリフォーム３７Ａに取り付けてもよい。そして、熱硬化性樹脂を成形用型内に注入して、プリフォーム３７Ａに含浸させて成形する。
【００６１】
ここで、熱硬化性樹脂を成形用型へ注入する前に、成形用型を予備加熱しておくことが好ましい。これにより、熱硬化性樹脂が均一に加熱されて、成形不良が生じにくくなり、硬化時間が短縮されて生産性が向上する。また、カバー側芯金４３は、プリフォーム３７Ａに接着剤により接着させることが好ましい。その場合、接着剤の強度と相まって、カバー側芯金４３の樹脂材料との接合強度が向上し、しかも、成形時における位置ずれが生じにくくなる。
【００６２】
＜成形品＞
図１０は上記した製造方法により成形されたギヤボックスカバー３７のボス９１を模式的に示す部分拡大図である。溶媒排出による繊維の流れ、又は上述の型移動による加圧方向とは異なる他の方向の加圧との総合作用によって、ギヤボックスカバー３７のボス９１においては、少なくとも一部の強化繊維１５５が、繊維長手方向をボス９１の外形面に沿わせて配置される。つまり、カバー本体８０のボス９１が立ち上がる根元部１５７においては、少なくとも一部の強化繊維１５５には、根元部１５７の外形面の湾曲部分を跨いで配向されるものが存在する。ここでいう湾曲部分とは、面の延びる方向が急に変化する箇所を意味している。
【００６３】
ボス９１の繊維同士の配向が一致する部分では、強化繊維１５５による補強効果が高められる。その結果、上記湾曲方向に対してボス９１のちぎれにくさ等の耐強度が向上する。この補強効果は、ボス９１に限らず、リブ８７（図４Ｂ参照）等、他の部位についても同様にして得られる。
【００６４】
ここで、本発明の正圧法により作製される成形品と射出成形により作製される成形品とを比較する。一般に、射出成形法においては、樹脂中に強化繊維を混在させる場合、樹脂ペレットの流動性が小さいため、型内における樹脂の流動性が低下する。その状態で無理に成形しようとすると、強化繊維の過剰な切断を招き、ギヤボックスの賦形性が低下する。また、樹脂を攪拌機（スクリュー）で溶融混成する際、及び射出成形された材料が金型ゲートを通過する際に、強化繊維が剪断によって切断されてしまう。このようなことから、射出成形法により製造したギヤボックスでは、その力学特性の低下が避けられない。
しかし、本構成の場合、抄造により強化繊維を配置したプリフォームを形性した後、プリフォームに樹脂材料を含浸させる方式であるため、上記のような強化繊維の剪断が生じず、力学特性の低下を回避できる。また、本構成のギヤボックスは、歯車を収容するために一部が曲面で形成されるため、樹脂材料の淀みが少なく、良好な樹脂の流動性が得られる。
【００６５】
このように、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、実施形態の各構成を相互に組み合わせることや、明細書の記載、並びに周知の技術に基づいて、当業者が変更、応用することも本発明の予定するところであり、保護を求める範囲に含まれる。
【００６６】
前述のように本実施形態では、上型１３５のフィルタ部１３３と、下型１１３のフィルタ部１２９，１３１は、溶媒の排出方向を調整し、ギヤボックスカバー３７の特に高い応力が作用する部位の繊維方向を、所望の向きに揃えることに寄与できる。また、本構成の抄造型は、正圧法により抄造するため、上型１３５側にもフィルタ部を設けることができる。よって、複雑な形状であっても、これに対応したキャビティ形状にでき、繊維のかさ密度を低下させることなく、均質、且つ高密度に強化繊維１５５を配置できる。
【００６７】
更に、上記例では、フィルタ部１２９，１３１を、リブ８７とボス９１に対応して設けてあるが、これに限らない。例えば、突起部８５（図４（Ａ），（Ｂ）参照）等の他の部位にフィルタ部を設けてもよい。また、フィルタ部は、リブ８７やボス９１の下方先端部に配置しているが、これに限らない。例えば、ボス９１においては、図１０に示すボス９１のボルト孔８９の軸方向端面、ボス９１の円弧状の外形面等、任意位置に設けることができる。
【００６８】
本発明のギヤボックス構成部品は、コラム式ＥＰＳ装置のギヤボックスに適用するものであるが、図示していない下流式ＥＰＳ装置にも本発明のギヤボックス構成部品を適用できる。例えば、下流式ＥＰＳ装置の減速機カバーにも適用できる。また、本発明のギヤボックス構成部品を備えるギヤボックスは、上記した電動パワーステアリング装置に備わるギヤボックスの他、例えば、軽量化が求められる自動車、オートバイ、鉄道車両、航空機、船舶等の各種輸送機に適用されるギヤボックスであってもよく、更には、エレベーター等の建築設備や、各種製造装置に適用されるギヤボックスであってもよい。
【実施例】
【００６９】
本発明のギヤボックス構成部品の製造方法に用いるプリフォームに関して、正圧法により作製したプリフォームと、従来の吸引法や遠心法により作製したプリフォームとを比較した。
【００７０】
＜かさ密度の比較＞
（従来の吸引法）
底部にフィルタを有する容器に、繊維素材を紙パルプとした繊維含有スラリーを注入し、フィルタを介して繊維含有スラリーに０．１ＭＰａの負圧を付与した。これにより、フィルタ上にプリフォームを得た。このプリフォームの繊維体積含有率Ｖｆとかさ密度を測定した結果、繊維体積含有率Ｖｆは１９％で、かさ密度は０．２９ｇ／ｃｍ３であった。ここで、かさ密度とは、試験体の重量／（厚さ×厚さ方向に直交する面の面積）により計算した値である。
【００７１】
また、繊維素材を炭素繊維として、上記同様に繊維含有スラリーに０．１ＭＰａの負圧を付与してプリフォームを作製した。作製されたプリフォームの繊維体積含有率Ｖｆは１１％であり、かさ密度は０．２ｇ／ｃｍ３であった。
【００７２】
（従来の遠心法）
底部にフィルタを有する容器に、繊維素材を紙パルプとした繊維含有スラリーを注入し、繊維含有スラリーの入った容器を、株式会社コクサン製の遠心機（Ｈ−１９α）を用いて遠心脱水した。遠心機の運転条件は、回転速度を３０００ｒｐｍ、回転半径を８０ｍｍ、回転時間を１０ｍｉｎとした。この条件は、１．５ＭＰａの負圧を付与した場合と同等の条件である。これにより得られたプリフォームの繊維体積含有率Ｖｆは１９％であり、かさ密度は０．２８ｇ／ｃｍ３であった。
【００７３】
また、繊維素材を炭素繊維として、上記と同じ遠心脱水によりプリフォームを作製した。上記の条件で４回行った結果、作製されたプリフォームの繊維体積含有率Ｖｆの平均値は、３．１ＭＰａの負圧付与と同等となる回転速度３０００ｒｐｍとした場合は１２％、１．８ＭＰａの負圧付与と同等となる回転速度２０００ｒｐｍとした場合は１０％であった。（本発明の正圧法）
固定型と可動型とを有する圧縮機構を備えた正圧抄造治具を用いてプリフォームを作製した。この正圧抄造治具は、圧縮機構の固定型に、繊維含有スラリーを収容する凹部と、凹部の底面の一部からフィルタを介して溶媒を排出する排出路とを設けてある。可動型には、固定型の凹部に挿入される凸部が設けられ、凹部と凸部との間でプリフォームが抄造されるようになっている。
【００７４】
上記構成の正圧抄造治具により、固定型の凹部に繊維含有スラリーを注入した後、可動型を固定型に向けて移動させて所定の圧力で型締めした。そして、固定型の凹部内の繊維含有スラリーから、フィルタを介して溶媒のみを排出路に排出させた。型締め時に繊維含有スラリーに付与した加圧力は、０．４ＭＰａとした。上記の条件で２回行った結果、これにより作製されたプリフォームは、繊維体積含有率Ｖｆの平均値が３０％、かさ密度の平均値が０．５ｇ／ｃｍ３であり、吸引法、遠心法の場合の繊維体積含有率Ｖｆ及びかさ密度よりも高くなった。
【００７５】
＜曲げ強度の比較＞
正圧法及び吸引法により、それぞれ４個のプリフォームを作製した。作製した各プリフォームに上述の成形工程を施すことで、樹脂をプリフォームに含浸透させ、平板状の試験片を作製した。正圧法により作製した試験片をＡ１〜Ａ４とし、吸引法により作製した試験片をＢ１〜Ｂ４とし、それぞれ曲げ強度を比較した。
【００７６】
ここでは、炭素繊維（ＣＦ）と、セルロースナノファイバー（ＣＮＦ）とを一定の比率で混合し、炭素繊維の開繊前の平均繊維長（初期繊維長）が異なる４種類の試験片を作製した。作製した試験片Ａ１〜Ａ４の性状と試験結果を表１に示し、試験片Ｂ１〜Ｂ４の性状と試験結果を表２に示した。また、各試験片の試験結果の概略を図１１に示した。図１１は炭素繊維の初期繊維長に対する曲げ強度の分布を示す説明図である。なお、試験片Ｂ１〜Ｂ４のかさ密度は、試験片Ａ１〜Ａ４の１／３以下であると推定できる。
【００７７】
【表１】
2020011465.tif 000003
【００７８】
【表２】
2020011465.tif 000004
【００７９】
図１１に示すように、正圧法により作製した試験片Ａ１〜Ａ４は、曲げ強度が２２０ＭＰａ以上となり、吸引法により作製した試験片Ｂ１〜Ｂ４と比較して、曲げ強度が３割以上高くなった。
【００８０】
（繊維方向の確認）
図１２は図５に示す抄造型１１１を用いて作製したプリフォームの外観斜視図である。図１３（Ａ）は図１２に示すプリフォームのＰ１部を二分したプリフォーム本体側の割れ面の写真であり、図１３（Ｂ）は破断片におけるボス９１の割れ面の拡大写真である。また、図１４（Ａ）は図１２に示すプリフォームのＰ２部を二分したプリフォーム本体側の割れ面の拡大写真であり、図１４（Ｂ）は破断片におけるリブ８７の割れ面の拡大写真である。
【００８１】
図１２のボス９１を含むＰ１部において、図１３（Ａ）に示す割れ面Ｐ３は、正面から顕微鏡で観察すると、一部の繊維がボス９１の湾曲部分を跨いで配向しており、且つ一部の繊維がプリフォーム本体に対して略垂直な方向に位置するボス９１へ延伸している。
【００８２】
図１２のリブ８７を含むＰ２部においては、図１４（Ａ）に示す割れ面Ｐ６を、正面から顕微鏡で観察すると、一部の繊維がリブ８７の湾曲部分を跨いで配向しており、且つ一部の繊維がプリフォーム本体に対して略垂直な方向に位置するリブ８７へ延伸している。
【００８３】
さらに、図１３（Ａ）に示すＰ４部の面は、正面から顕微鏡で観察すると、図１５に示すように繊維が絡み合っていた。また、図１３（Ｂ）に示すＰ５部は、図１６に模式的に示すように、加圧方向に積層された多数の繊維層１６１同士が、各繊維層１６１を跨いで配置される繊維１６３によって絡み合って、緻密な繊維積層構造になっていた。これにより、樹脂との接合強度の向上が期待できる。
【００８４】
リブ８７は、図１４（Ｂ）の割れ面Ｐ７に示すように、積層方向に多数の繊維層が緻密に積層された積層構造体となっていた。
【００８５】
上述のように、抄造型１１１（図５参照）を用いて作製したプリフォームは、図１３（Ａ），（Ｂ）、図１４（Ａ），（Ｂ）に示すように、抄造型による加圧方向に複数の繊維層が積層された積層構造体になった。また、ボス９１の湾曲部分における強化繊維は、不規則に繊維層の向きが配置された積層構造となり、各繊維層の積層面が湾曲部分に沿って配置されていた。
【００８６】
以上の通り、本明細書には次の事項が開示されている。
（１）  外形面に湾曲部分を有するギヤボックス構成部品であって、
平均繊維長が０．５ｍｍ以上の強化繊維が樹脂材料内に分散して構成された繊維強化樹脂組成物によって形成され、
少なくとも一部の前記強化繊維が、前記湾曲部分を跨いで配向されているギヤボックス構成部品。
このギヤボックス構成部品によれば、従来の金属製のギヤボックス構成部品と比べて高い寸法精度を有して軽量化されると共に、耐衝撃性、クリープ特性、剛性が優れた構成にできる。
【００８７】
（２）  前記強化繊維は、複数の繊維層の向きが不規則となる積層構造となり、前記湾曲部分に沿って積層される（１）のギヤボックス構成部品。
このギヤボックス構成部品によれば、強化繊維の各繊維層の向きが不規則となることで、機械的強度を均等に向上でき、局所的に低強度な部位が生じにくくなる。
【００８８】
（３）  繊維層同士の間に、各繊維層を跨いで配置される繊維が存在し、前記繊維層同士が互いに絡み合って積層されている（２）に記載のギヤボックス構成部品。
このギヤボックス構成部品によれば、各繊維層が絡み合って積層されることで、緻密な繊維積層構造となり、樹脂との接合強度が高められる。
【００８９】
（４）  前記繊維強化樹脂組成物中の前記強化繊維の配合量は、１０〜６０重量％である（１）〜（３）のいずれか一つに記載のギヤボックス構成部品。
このギヤボックス構成部品によれば、強化繊維が適正量だけ配合されることで、従来品と同等の耐久性が得られ、且つ材料の靱性が維持される。
【００９０】
（５）  曲げ強度は２２０ＭＰａ以上である（１）〜（４）のいずれか一つに記載のギヤボックス構成部品。
このギヤボックス構成部品によれば、従来の金属製のギヤボックス構成部品の場合と同等の強度が得られる。
【００９１】
（６）  強化繊維を含んで構成され、樹脂で充填される前のギヤボックス構成部品のプリフォームであって、
前記強化繊維の平均繊維長が０．５ｍｍ以上であり、前記ギヤボックス構成部品の外形面に形成された湾曲部分においては、少なくとも一部の前記強化繊維が、前記湾曲部分を跨いで配向されているギヤボックス構成部品のプリフォーム。
このギヤボックス構成部品のプリフォームによれば、従来の金属製のギヤボックス構成部品と比べて、高い寸法精度と軽量化を達成し、耐衝撃性、クリープ特性、剛性が優れる構成のギヤボックス構成部品が得られる。
【００９２】
（７）  前記強化繊維は、複数の繊維層の向きが不規則となる（６）に記載のギヤボックス構成部品のプリフォーム。
このギヤボックス構成部品のプリフォームによれば、強化繊維の各繊維層の向きが不規則となることで、機械的強度を均等に向上でき、局所的に低強度な部位が生じにくいギヤボックス構成部品が得られる。
【００９３】
（８）  前記強化繊維の繊維層同士の間には、各繊維層を跨いで配置される繊維が存在し、前記繊維層同士が互いに絡み合った状態で積層されている（６）に記載のギヤボックス構成部品のプリフォーム。
このギヤボックス構成部品のプリフォームによれば、各繊維層が絡み合って積層されることで、緻密な繊維積層構造となり、樹脂との接合強度を高められる構成にできる。
【００９４】
（９）  前記プリフォームのかさ密度は、０．４ｇ／ｃｍ３以上である（６）〜（８）のいずれか一つに記載のギヤボックス構成部品のプリフォーム。
このプリフォームによれば、ハンドリングや成形に伴う繊維状充填材の破損を防止できる。
【符号の説明】
【００９５】
３３  ギヤボックス
３５  ギヤボックス本体（ギヤボックス構成部品）
３７  ギヤボックスカバー（ギヤボックス構成部品）
３７Ａ  プリフォーム
１４１  ピレット（強化繊維）
１５５  強化繊維
１６１  繊維層
１６３  繊維
【図１】
2020011465.tif 000005
【図２】
2020011465.tif 000006
【図３】
2020011465.tif 000007
【図４】
2020011465.tif 000008
【図５】
2020011465.tif 000009
【図６】
2020011465.tif 000010
【図７】
2020011465.tif 000011
【図８】
2020011465.tif 000012
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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