(57)【要約】【課題】電動パワーステアリング装置に使用される減速機構用のギヤにおいて、ギヤの静音性を確保すると共に、寸法安定性と、耐摩耗性を備える樹脂製ギヤを提供する。【解決手段】芯管の外周面に形成するギヤについて、ポリフェニレンサルファイド樹脂マトリックス中にポリアミド系樹脂からなるドメインが存在するミクロ相分離構造が形成されたコンポジットでギヤを形成する。それにより静音性と有しながら、耐摩耗性と寸法安定性を有する樹脂製ギヤを得ることが出来る。【選択図】図１
2014008853.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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ヤにおいて、前記減速ギヤが、ポリフェニレンサルファイド樹脂とポリアミド系樹脂のコンポジットであり、具体的には、ポリフェニレンサルファイド樹脂マトリックス中にポリアミド系樹脂からなるドメインが存在するミクロ相分離構造が形成されたコンポジットであり、更に、ポリフェニレンサルファイド樹脂マトリックス中に形成されたポリアミド系樹脂のドメインサイズが３０〜３００ｎｍであるコンポジットからなる樹脂部を金属製芯管の外周に一体に設け、前記樹脂部の外周面にギヤ歯を形成して構成され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ヤ。
【請求項２】
請求項１記載の電動パワーステアリング装置用ギヤにおいて、少なくとも前記従動歯車と駆動歯車との間に介在するグリースの基油の主成分が、ポリα―オレフィン油であり、また、増ちょう剤が、ウレア化合物であ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ヤ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の電動パワーステアリング装置用ギヤにおいて、前記従動及び駆動歯車が、円筒ウォームギヤ、はすば歯車、平歯車、かさ歯車、ハイポイントギヤの何れか一つであること特徴とする電動パワーステアリング装置用減速ギヤ。
【請求項４】
請求項１乃至３に記載の電動パワーステアリング装置用減速ギヤを有していることを特徴とする電装パワーステアリング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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ヤ及び、それが用いられた電動パワーステアリング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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１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ヤ20（以下、単に減速ギヤともいう。）が使用されるのが一般的である。
【０００３】
この様な減速ギヤ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問題が生じていた。そこで、ウォームホイール１１を、金属製の芯管１の外周面に樹脂製のギヤ歯１０を形成した樹脂部３を一体化させることで、騒音対策を行っている。  
【０００４】
前記樹脂部の樹脂組成物としては、特許文献１に示される様に、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繊維強化材を配合した繊維強化樹脂材料の他、繊維強化材を含有しないＭＣ（モノマーキャスト）ナイロン（登録商標）、ポリアミド６、ポリアミド６６等の樹脂材料が使用されている。中でも、耐摩耗性、耐疲労性、寸法安定性、及びコストを考慮し、強化材を含有しないＭＣナイロン（登録商標）、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等の適用が主流となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特公平６−６０６７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記の脂肪族ポリアミド系材料は、比較的吸水率が高く、水分を吸収してウォームホイール１１のギヤ歯１０が膨潤し、初期にウォーム１２との間に存在していた隙間が無くなり、更に膨潤するとウォーム１２を圧迫する可能性がある。それによって、ギヤの抵抗が重くなって、結果としてハンドルが重くなり、また圧迫によってギヤ部が、過大な摩耗損傷や破損を起こし、最悪、装置全体として機能しなくなることも想定される。
【０００７】
また、上記の脂肪族ポリアミド系材料には通常ガラス繊維が配合されるが、そのようなガラス繊維強化ポリアミド系樹脂においては、強度・剛性、及び寸法安定性が大幅に改善されるものの、静音性という点では未だ改善の余地がある。つまり、ガラス繊維強化ポリアミド樹脂は、機械特性向上と吸水寸法変化抑制を狙い、通常、３０〜５０質量％程度の比較的多くのガラス繊維が配合されている。このため、剛性は著しく向上するが、その半面、柔軟性、即ち、材料の振動吸収性能は確実に損なわれることになる。従って、ウォームホイール１１に上記ガラス繊維強化ポリアミド樹脂を使用した場合、吸音性（振動吸収性）が充分でなく、その改善が強く望まれているということである。更に、ガラス繊維強化ポリアミド系樹脂製のウォームホイール１１は、通常、成形後、切削により、ギヤ歯の仕上げ加工を行うが、当然ながら、仕上げ後には、ギヤ歯の表面にガラス繊維が露出する。そして、露出したガラス繊維は、ウォーム軸を攻撃しながら（傷付けながら）摺動するため、そのような露出したガラス繊維とウォーム軸との摺動音がステアリング作動時の不快音として、問題視されることが懸念されていた。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、このような不都合を解消するためになされたものであり、その目的は、減速ギヤ機構の摺動音を低減することができ、静音性を向上することができる電動パワーステアリング用減速ギヤ、及び電動パワーステアリング装置を提供することにある。
上記問題を解決するために、請求項１に記載の発明は、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ヤにおいて、前記減速ギヤが、ポリフェニレンサルファイド樹脂とポリアミド系樹脂のコンポジットであり、具体的には、ポリフェニレンサルファイド樹脂マトリックス中にポリアミド系樹脂からなるドメインが存在するミクロ相分離構造が形成されたコンポジットであり、更に、ポリフェニレンサルファイド樹脂マトリックス中に形成されたポリアミド系樹脂のドメインサイズが３０〜３００ｎｍであるコンポジットからなる樹脂部を金属製芯管の外周に一体に設け、前記樹脂部の外周面にギヤ歯を形成して構成されるウォームホイールを備えることを特徴としている。
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の電動パワーステアリング装置用減速ギヤにおいて、前記樹脂部は、前記コンポジットにアラミド繊維からなる補強材を前記コンポジットの全質量に対して、５から５０質量％配合されていることを特徴としている。
また、請求項３に記載の発明は、電動パワーステアリング装置において、請求項１乃至２に記載の電動パワーステアリング装置用減速ギヤが使用されていることを特徴としている。
また、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の電動パワーステアリング装置において、少なくとも前記減速ギヤの従動歯車と駆動歯車との間に介在するグリースの基油の主成分が、ポリα―オレフィン油であり、また、増ちょう剤が、ウレア化合物であることを特徴としている。
また、請求項５に記載の発明は、請求項３乃至４のいずれかに記載の電動パワーステアリング装置において、前記従動及び駆動歯車が、円筒ウォームギヤ、はすば歯車、平歯車、かさ歯車、ハイポイントギヤの何れか一つであることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、電動パワーステアリング装置用ギヤを、ポリフェニレンサルファイド樹脂とポリアミド系樹脂のコンポジットであり、具体的には、ポリフェニレンサルファイド樹脂マトリックス中にポリアミド系樹脂からなるドメインが存在するミクロ相分離構造が形成されたコンポジットであり、更に、前記コンポジットに含まれるポリフェニレンサルファイド樹脂マトリックス中に形成されたポリアミド系樹脂のドメインサイズが３０〜３００ｎｍであり、更に、前記コンポジットにアラミド繊維を分散させた繊維強化樹脂コンポジットで形成することで、従来の硬質の短繊維を強化材として用いるウォームホイールと較べて、ウォームを磨耗させるといった傷付け性を低減することができ、さらに、金属との接触による歯打ち音や振動音といった不快な音を低減したギヤを得ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】ウォームギヤによる実施例を示す図である。
【図２】本発明の実施形態のひとつである電動パワーステアリング装置のウォーム減速ギヤを示す図である。
【図３】本発明の他の実施形態である減速ギヤ（平歯車、はすば歯車、かさ歯車、ハイポイントギヤ）を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図３は、本発明の電動パワーステアリング装置の中の減速ギヤの斜視図であるが、金属製の芯管１の外周に、樹脂製でその外周端面にギヤ歯を形成した樹脂部３を一体化したウォームホイール１１を備える。また、ウォーム１２には制限がなく、従来と同様に金属製とすることができる。樹脂部３を形成するベース樹脂は、ポリフェニレンサルファイド樹脂であり、これにポリアミド系樹脂をブレンドしたコンポジット材料を使用することができる。
本発明において適用するポリフェニレンサルファイド樹脂には特に制限はなく、市販のものを好適に使用することができる。一方、配合するポリアミド系樹脂に関しては、従来、ウォームホイール用材料として適用されているポリアミド６、ポリアミド６６、ポリアミド４６の他に、低吸水性であるとの極めて重要な特長から、アジピン酸ユニットにテレフタル酸を一部共重合させた半芳香族ポリアミド、具体的には、ポリアミド６Ｔ/６−６、ポリアミド６Ｔ／６Ｉ、ポリアミド６Ｔ／６Ｉ／６−６、ポリアミド６Ｔ／Ｍ−５Ｔ、ポリアミド９Ｔなどを特に好適に使用することができる。尚、本発明に係るウォームホイール用材料の最大の特徴は、相溶させることが容易である、とは決して言えないポリフェニレンサルファイド樹脂とポリアミド系樹脂とのブレンドのナノレベル分散が達成されている点である。
即ち、ポリアミド系樹脂からなるナノオーダーサイズのドメインが、ポリフェニレンサルファイドのマトリックス中に均一に分散しているコンポジット材料に着目し、そのようなポリアミド系樹脂がナノ分散化したポリフェニレンサルファイド樹脂を電動パワーステアリング用減速ギヤのウォームホイール用材料に適用することで、本製品における従来からの課題である“強度・剛性、耐摩耗性、寸法安定性、及び静音性を、高い次元でバランスさせること”という要求を満たす電動パワーステアリング用減速ギヤが得られることを見出したのである。ところで、本発明に係るような非相溶性樹脂のコンポジットにおいては、形成されるナノスケールの構造と諸物性との相関を明確に理解し、更に、その相関理解の結果，見出される情報に基づき、望みの物性を発現させるべく、構造を制御していくことが極めて重要である。この点において、我々は、実験を繰り返すことで、ポリアミド系樹脂がナノ分散化したポリフェニレンサルファイド樹脂の構造、所謂、ミクロ相分離構造と諸物性の相関を究明し、ポリフェニレンサルファイド樹脂マトリックス中に形成されるポリアミド系樹脂ドメインのサイズが30〜300nmであれば、従来の課題であった強度・剛性、耐摩耗性、寸法安定性、及び静音性に関する全ての要望を同時に満足する、という要求を満たす電動パワーステアリング用減速ギヤのウォームホイール用材料が得られることを見出し、本発明を完成したのである。
尚、ポリフェニレンサルファイド樹脂マトリックス中のポリアミド系樹脂ドメインのサイズが、３０ｎｍより小さい場合には、両ポリマーの相溶化は達成しているものの、ポリアミド系樹脂ドメインの補強性フィラーとしての効果が充分でなく、結果として、機械的特性の充分な改善効果が認められないため、好ましくない。一方、３００ｎｍより大きい場合には、混合状態が充分でない、即ち、ナノ分散化が実現できていないことに起因し、サイズが小さい場合と同様に、機械的特性に改善効果が認められないため、好ましくない。
また、本発明に係るナノコンポジット材料は、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、減速ギヤとして十分に機能するが、より過酷な条件で使用される場合を考慮し、その信頼性をより強固なものにするために強化材を配合してもよい。
【００１２】
強化材としては、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、炭化珪素繊維、ウォラスナイト、および酸化亜鉛ウィスカー、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などのウィスカー類が考えられるが、（ウォームホイール１１のギヤ歯加工後に露出する繊維状強化材が）ウォーム１２を過剰に損傷しないことが求められるため、中でも、アラミド繊維、もしくは、ウィスカー状物の適用が好ましい。
但し、アラミド繊維の表面は比較的不活性であり、マトリックス樹脂との接着性が十分でないため、一般にアラミド繊維強化樹脂においては、アラミド繊維の優れた物性を最大限に発現させることは困難であると考えられている。しかしながら、発明者は、（株）井元製作所の高速せん断加工機を用いて作成されるポリフェニレンサルファイドとポリアミドのコンポジットに、アラミド繊維を添加することにより、アラミド繊維が同コンポジットに分子レベルで分散し、複合化されたアラミド繊維強化樹脂コンポジットが得られることを見出した。
そして、前記手法により得られたアラミド繊維強化樹脂コンポジットは、従来のアラミド繊維強化樹脂、及び繊維強化しない前記コンポジットに較べ、靭性が向上するのである。
本発明においては、上記手法によって複合化するアラミド繊維を、前記樹脂コンポジットの全質量に対して５から５０質量％、好ましくは１５から３０質量％添加する。前記アラミド繊維の添加量が５質量％未満である場合は、補強効果が十分に得られず好ましくない。また、前記アラミド繊維の添加量が５０質量％を超える場合は添加量に対する靭性向上の割合が鈍化し、費用対効果の観点より好ましくない。
更に、本発明の樹脂コンポジットには、ゼオライト、カオリン、マイカ、クレー、タルク、アルミナ、シリカなどの非繊維状充てん剤も添加することもできる。また、顔料、染料、帯電防止剤、及びフッ素樹脂などの固体潤滑剤などの配合剤も必要に応じて極少量添加しても良い。更には、添加剤として、成形時、及び使用時の熱による劣化を防止するために、ヨウ化物系熱安定剤やフェノール系、あるいは、アミン系の酸化防止剤を、それぞれ単独あるいは併用して添加しても良い。
更に、以下には、樹脂製ウォームホイールの歯部分と金属製ウォームの歯部分の潤滑状態を良好に保つグリースについて説明する。
本発明に用いられるグリースは、増ちょう剤と基油とを主成分とし、基油は、ポリα―オレフィン油を主成分としたものであり、増ちょう剤は、アミンとイソシアネートからなるウレア化合物、Ｌｉ石けん、Ｌｉコンプレックス石けん、Ｂａ石けん、Ｂａコンプレックス石けん等の中から選択できるが、これらの増ちょう剤の中で、ポリアミドに構造が類似のウレア結合を有するウレア化合物が、本発明に係る樹脂コンポジットに含まれるポリアミド系樹脂への吸着性に優れ、特に好ましい。即ち、本発明に用いられるウレア化合物を含むグリースに対する適合性という面においては、ポリフェニレンサルファイド樹脂単独と組み合わせる場合には、充分でないことが想定されるが、本発明の樹脂コンポジットに関しては、ウレア化合物との親和性良好なポリアミド系樹脂が好適に微分散されていることに基づき、本発明に用いられるウレア化合物を含むグリースとポリフェニレンサルファイド樹脂単独材との組合せでは実現困難な、非常に良好な潤滑状態を実現することが可能になるのである。
尚、基油は、上記のポリα―オレフィン油の潤滑性を改善するために、ジエステル油や芳香族エステル油を混合したものであってよい。混入量は、基油全体に対して、３０重量％以下である。
また、このグリースには、他の添加剤を加えることもできる。例えば、アミン系やフェノール系等の酸化防止剤、Ｃａスルホネート等の防錆剤、ＭｏＤＴＣ等の極圧添加剤、モンタン酸エステルワックス、モンタン酸エステル部分けん化ワックス、ポリエチレンワックス、オレイン酸等油性向上剤、などである。
【００１３】
本発明による実施例を示す。以下に実施例を挙げて本発明をさらに説明するが，本発明はこれによって何ら制限されるものはない．
本発明に係るウォームホイール用材料は、ポリフェニレンサルファイド樹脂とポリアミド系樹脂のコンポジットであり、具体的には、ポリフェニレンサルファイド樹脂マトリックス中にポリアミド系樹脂のドメイン（ドメインサイズ：３０〜３００ｎｍ）が存在するミクロ相分離構造を有する樹脂コンポジットであるが、そのような材料で上市されているものといえば、例えば、ＤＩＣ（株）のＤＩＣ・ＰＰＳ
ＦＺ−２６４０があるが、これに限らず、市販のポリフェニレンスルフィド樹脂とポリアミド系樹脂を、例えば、（株）井元製作所製の高速せん断成形加工機を用いて混合させ、所望のミクロ相分離構造を形成させたコンポジットを使用してもよい。
本発明の実施例として、ここでは、ポリフェニレンサルファイド樹脂に対し、３種の半芳香族ポリアミド樹脂（ＰＡ６Ｔ／６Ｉ
：（株）三井化学のＡｒｌｅｎ、ＰＡ６Ｔ／６ ： ＢＡＳＦ ＳＥのＵｌｔｒａｍｉｄ、ＰＡ６Ｔ／６Ｉ／６６  ：（株）ソルベイアドバンストポリマーズのＡｍｏｄｅｌ）を微分散させたコンポジットを作製した。
さらに、実施例として、（株）井元製作所製の高速せん断成形加工機を用いてアラミド繊維（(株)帝人テクノプロダクツ製の テクノーラ）を上記コンポジットに２０質量％混合したアラミド繊維強化樹脂コンポジットを作成した。
本発明の効果を確認するために、実施例１及び比較例１〜３の板状試験片を作製した。板状試験片は射出成形によって作製し、８０ｍｍ×８０ｍｍ、厚さ４ｍｍの試験片とした。
一方、比較例は、従来ウォームホイール用材料として、ガラス繊維強化ポリアミド樹脂（３０％ガラス繊維強化ポリアミド６  : （株）東レのアミラン  ＣＭ１０１６Ｇ−３０、及び３０％ガラス繊維強化ポリアミド６６  :
（株）東レのアミラン  ＣＭ３００６Ｇ−３０）、並びに、ガラス繊維強化ポリフェニレンサルファイド（４０％ガラス繊維強化ポリフェニレンサルファイド  : （株）東レのトレリナ  Ａ５０４Ｘ９０）を適用した。
【００１４】
［ウォームホイール用材料のウォーム軸への攻撃性の試験片評価］
表１に示したウォームホイール用材料について、各材料からなるウォームホイールのウォーム軸への攻撃性を把握することを目的に、各板状試験片のボールオンディスク試験を行い、試験終了後の金属製ボールの損傷状態を評価した。
本試験においては、板状試験片と金属製ボールの間にグリース(基油 ： ポリα−オレフィン油，増ちょう剤 ： ウレア化合物)を介在させ、雰囲気温度２３℃において試験を行い、所定時間経過後、金属製ボールの表面状態を観察した。
結果を表１に示すが、ガラス繊維強化材である比較例では、試験終了後に金属製のボール表面に、ガラス繊維による損傷痕が明確に認められたのに対し、本発明の実施例は、そのようなガラス繊維を含有しないため、相手材を攻撃することがなく、試験後のボールの表面状態は極めて良好であった。この結果からも、速やかに理解できるように、実施例の材料によるウォームホイールによれば、ガラス繊維強化樹脂材を適用する従来品と異なり、ステアリング作動時にガラス繊維がウォーム軸を攻撃しながら摺動することで生じる不快音の発生を完全に防止できることは明白である。
【００１５】
［ウォームホイール試験体の作製と摩耗耐久性評価］
ウォームホイール試験体は、クロス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、スプルー、及びディスクゲートを装着した金型に配置し、射出成形機を用いて、実施例、及び比較例の成形材料を充填して、外径６０ｍｍ、幅１３ｍｍの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ヤ歯を形成して作製した。
作製した実施例、及び比較例のウォームホイール試験体を、実際の自動車の電動パワーステアリング装置に組み込み耐久性を評価した。試験は、雰囲気温度を８０℃にコントロールして、１０万回の操舵を行い、ウォームホイールの摩耗量が初期に対して４０μｍ以下を合格とした。尚、摩耗量は１万回ごとに測定した。結果を表１に示す。
ポリフェニレンサルファイド樹脂マトリックス中にポリアミド系樹脂のドメインが存在するミクロ相分離構造を有する樹脂コンポジットからなる実施例によるウォームホイールは、１０万回操舵後も摩耗が少なく、問題なく作動した。それに対して、ガラス繊維強化ポリフェニレンサルファイド樹脂からなる比較例３は、８万回で摩耗量が４０μｍをオーバーした。
【００１６】
［ウォームホイール試験体の作製と寸法安定性評価］
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ヤ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を越えるものを不合格「×」として表1に示す。
・条件I：６０℃、９０％ＲＨ、２５０ｈｒ
・条件II：８０℃、９０％ＲＨ、５００ｈｒ
（表１）
2014008853.tif 000003
ポリフェニレンサルファイド樹脂と半芳香族ポリアミド樹脂のコンポジットからなる実施例によるウォームホイールは、条件I、条件IIの何れの条件においても、合格判定となったが、それに対し、ガラス繊維強化ポリアミド６からなる比較例１は、条件Iで不合格となり、また、ガラス繊維強化ポリアミド６６からなる比較例２は、条件IIで不合格となった。
【００１７】
[ウォームホイール用材料の耐衝撃性とウォームホイール試験体の落下衝撃性評価]
表1に示したウォームホイール用材料について、各材料からなるアイゾット衝撃試験用の試験片を製作し、アイゾット衝撃強度を測定した。
また、前記ウォームホイール試験体を１箱に１個入れたものを３箱用意し、これを３箱同時に１５０ｃｍの高さから平坦な床面に落下させる試験を、各実施例、並びに、比較例について行なった。そして、落下の結果、３つの試験体にクラック等の破損が全く発生していないものを「◎」、少なくとも１つの試験体からクラックが発見されたものを「○」、少なくとも１つの試験体から、破損（芯金からの樹脂部の離脱）が見られるものを「×」として評価した。それぞれの結果は表１に示すように、アラミド繊維強化樹脂コンポジットを使用した実施例については試験体にクラック等の破損は全く見られなかった。
【００１８】
なお、本発明は、前述した実施形態及び実施例に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。例えば、実施例のウォームホイールの他に、図２に示すはすば歯車２１、平歯車２２、かさ歯車２３、又はハイポイントギヤ２４に適用可能である。
【符号の説明】
【００１９】
１    芯管
１１    ウォームホイール
１２    ウォーム
１３    芯管
１４    樹脂部
１５    ギヤ歯部
２１    はすば歯車
２２    平歯車
２３    かさ歯車
２４    ハイポイントギヤ
【図１】
2014008853.tif 000004
【図２】
2014008853.tif 000005
【図３】
2014008853.tif 000006