(57)【要約】  【課題】騒音を低減できる減速機および電動パワーステアリング装置を提供する。  【解決手段】本電動パワーステアリング装置１では、電動モータ７からの回転出力を減速機９を介して操舵機構６に伝達する。減速機９は、互いに噛み合うウォーム２２と、ウォームホイール２３とを有する。ウォーム２２は、その母材３９の表面上に形成されたクロム層４０と、クロム層４０の表面上に形成されたＤＬＣ層３７とを含んでいる。ＤＬＣ層３７は、ダイヤモンドライクカーボンとタングステンとを含む。ウォーム２２とウォームホイール２３の噛み合い部３６，３８同士の間の摩擦抵抗を低減できる。摺動音による騒音を低減することができ、駆動トルクを低減することができる。  【選択図】  図３
2006046376.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに噛み合う駆動歯車および従動歯車を備えた減速機において、
上記駆動歯車および従動歯車の少なくとも一方の歯車の少なくとも歯面の少なくとも噛み合い部に、金属元素を含有したダイヤモンドライクカーボン層が形成されることを特徴とする減速機。
【請求項２】
請求項１に記載の減速機において、
上記駆動歯車はウォームを含み、
上記従動歯車はウォームホイールを含み、
上記ダイヤモンドライクカーボン層は少なくともウォームの少なくとも歯面の少なくとも噛み合い部に形成されることを特徴とする減速機。
【請求項３】
操舵補助用の電動モータの出力回転を、請求項１または２に記載の減速機によって減速して操舵機構に伝達することを特徴とする電動パワーステアリング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、自動車等に用いられる減速機およびこれを用いた電動パワーステアリング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、電動パワーステアリング装置には、電動モータの回転力を操舵機構に伝達するために、減速機が用いられている。
また、ボールねじには、潤滑性を高めるために、ねじ軸の螺旋溝およびナットの螺旋溝の金属母材表面にダイヤモンドライクカーボン層を形成したものがある（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００２−２３５７４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
例えばウォーム減速機では、トルク伝達時のウォームとウォームホイールとの歯面間の滑りに起因して、「ザッー」というような特有の摺動音が発生する。この摺動音は、減速機の減速比が高いほど大きくなる傾向がある。
近年、電動パワーステアリング装置の高出力化が進んでおり、従って、摺動音が大きくなる傾向にある。
【０００４】
そこで、この発明の目的は、騒音を低減できる減速機およびこれを用いた電動パワーステアリング装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、互いに噛み合う駆動歯車および従動歯車を備えた減速機において、上記駆動歯車および従動歯車の少なくとも一方の歯車の少なくとも歯面の少なくとも噛み合い部に、金属元素を含有したダイヤモンドライクカーボン層が形成されることを特徴とする。本願発明者は、摺動音の発生に、歯車の歯面間の摩擦が大きく寄与していると考え、本発明を想到するに至った。すなわち、ダイヤモンドライクカーボン層により一対の歯車の歯面の噛み合い部同士の間の摩擦抵抗を低減できる。従って、摺動音による騒音を低減することができ、また、駆動トルクを低減することができる。
【０００６】
また、上記駆動歯車はウォームを含み、上記従動歯車はウォームホイールを含み、上記ダイヤモンドライクカーボン層は少なくともウォームの少なくとも歯面の少なくとも噛み合い部に形成される場合がある。この場合、摺動音が生じ易いウォーム減速機の騒音を効果的に小さく抑制することができる。また、ダイヤモンドライクカーボン層を、ウォームおよびウォームホイールの何れか一方に形成する場合には、ウォームに形成するのが、形成コストを低減できて好ましい。また、ダイヤモンドライクカーボン層は、ウォームおよびウォームホイールの両方に形成してもよく、この場合には、摩擦抵抗の低減効果が大きい。
【０００７】
また、本発明の電動パワーステアリング装置は、操舵補助用の電動モータの出力回転を、上記本発明の減速機によって減速して操舵機構に伝達することを特徴とする。この構成によれば、電動パワーステアリング装置の操舵補助時に、歯車の摺動音による騒音を小さく抑制することができる。また、トルク伝達時の歯車のロストルクを低減できるので、いわゆるハンドル戻りを良くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
本実施形態では、減速機がウォーム減速機である場合に則して説明するが、本発明はこれに限らず、例えば、後述するように各種の歯車減速機に適用することもできる。また、本実施形態では、減速機を電動パワーステアリング装置に適用する場合に則して説明するが、減速機は、例えば、各種の産業用機械等に適用することもできる。
【０００９】
図１は、本発明の一実施形態の減速機を有する電動パワーステアリング装置の断面図である。図２は、図１に示すII−II断面の断面図である。図３は、図２の III部を拡大した減速機の要部の断面図である。図１および図２を参照する。
ステアリング装置１は、車輪２を操向するためにステアリングホイール３に加えられる操舵トルクを伝達するステアリングシャフト４と、このステアリングシャフト４を内部に通して回転自在に支持するステアリングコラム５とを有する。ステアリングシャフト４の一方の端部４ａにステアリングホイール３が連結され、他方の端部４ｂに、図示しない自在継手、中間軸等を介して車輪２を操向するためのラックアンドピニオン機構等の操舵機構６が連結される。ステアリングホイール３が操舵されると、その操舵トルクがステアリングシャフト４等を介して操舵機構６に伝達され、これにより車輪２を操向することができる。
【００１０】
ステアリング装置１は、ステアリングコラム５に設けられている電動モータ７（図２参照）により、操舵トルクに応じて操舵補助力を得られるようになっている。すなわち、ステアリング装置１は、ステアリングシャフト４に関連して設けられて操舵トルクを検出するためのトルクセンサ８と、このトルクセンサ８からの出力信号等に基づいて操舵補助力を発生させる電動モータ７と、この電動モータ７の出力回転を減速して伝達するための減速機９と、減速機９およびトルクセンサ８を収容して支持し且つ電動モータ７を支持しステアリングコラム５の一部を形成するハウジング１０とを有している。
【００１１】
ステアリングホイール３が操作されると、操舵トルクがトルクセンサ８により検出され、このトルク検出結果および車速検出結果等に応じて電動モータ７が操舵補助力を発生させる。操舵補助力は、減速機９を介してステアリングシャフト４に伝達され、ステアリングホイール３の動きとともに操舵機構６に伝わり、車輪２が操向される。
ステアリングシャフト４は、筒状の第１の軸部１１と、この第１の軸部１１に一体回転可能且つトルク伝達可能に連結ピン１２を介して同心に連結された入力軸としての第２の軸部１３と、この第２の軸部１３にトルク伝達可能に連結ピン１２を介して同心に連結されたトーションバー１４と、このトーションバー１４にトルク伝達可能に連結ピン１５を介して同心に連結された出力軸としての第３の軸部１６とを有している。トルク伝達時には、第２の軸部１３および第３の軸部１６は、トーションバー１４のねじれを伴って互いに相対回転する。
【００１２】
第１の軸部１１の端部が、ステアリングシャフト４の一端４ａを形成し、ステアリングホイール３と連結されている。また、トーションバー１４の近傍に、トルクセンサ８が配置されている。第３の軸部１６の端部は、ステアリングシャフト４の他端４ｂを形成し、自在継手が連結される。電動モータ７の駆動力は、減速機９を介して第３の軸部１６に伝達され、操舵補助が達成される。
【００１３】
第３の軸部１６は、第１および第２の軸受１７，１８を介してハウジング１０に回動自在に支持されている。また、第２の軸部１３の上部は、第３の軸受１９を介してハウジング１０に回動自在に支持されている。
ハウジング１０は、例えば、アルミニウム合金により形成され、車体（図示せず）に取り付けられている。ハウジング１０は、互いに嵌め合わされるセンサハウジング２０およびギヤハウジング２１により構成されている。センサハウジング２０は、トルクセンサ８を収容し、第２および第３の軸受１８，１９を保持している。ギヤハウジング２１は、第１の軸受１７を保持し、減速機９を収容している。
【００１４】
減速機９は、駆動歯車としてのウォーム２２と、このウォーム２２により駆動される減速用従動歯車としてのウォームホイール２３とを有するウォームギヤ機構からなる。ウォーム２２およびウォームホイール２３の一部には、潤滑剤としてのグリース（図示せず）が塗布されている。
ウォームホイール２３は、第３の軸部１６の軸方向中間部に一体回転可能に連結され、且つ軸方向相対移動を規制されている。ウォームホイール２３は、第３の軸部１６に連結される環状の芯金２４と、芯金２４の周囲を取り囲む合成樹脂部材２５とを備えている。合成樹脂部材２５の外周面部に複数のギヤ歯２６（一部のみ図示）が形成されている。芯金２４は、例えば、合成樹脂部材２５の樹脂成形時に金型内にインサートされるものである。樹脂成形により芯金２４と合成樹脂部材２５とが一体回転可能に結合される。
【００１５】
ウォーム２２は、その軸方向の中間部に歯部２７を有し、軸方向両端部に一対の軸部２８，２９をそれぞれ有している。歯部２７と軸部２８，２９とが一体に形成されている。歯部２７は、少なくとも１条、例えば３条のギヤ歯３０（一部のみ図示）を形成されている。各軸部２８，２９が、それぞれ対応する軸受３１，３２を介してハウジング１０に回動自在に支持されている。また、軸部２９が、電動モータ７の出力軸７ａに継手３３を介して一体回転可能に連結されている。
【００１６】
図３を参照して、ウォーム２２の複数条のギヤ歯３０は一対の歯面３４（一方のみ図示。）をそれぞれ含む。ウォームホイール２３の複数のギヤ歯２６は一対の歯面３５（一方のみ図示。）をそれぞれ含む。
本実施形態では、ウォーム２２の少なくとも歯面３４の少なくとも噛み合い部３６に、ダイヤモンドライクカーボン（Diamond Like Carbon ：ＤＬＣ）層３７（ＤＬＣ層３７ともいう。）が形成されている。例えば、図３に示すようにＤＬＣ層３７がウォーム２２の全表面に形成される場合、ＤＬＣ層３７がウォーム２２の歯面３４の全表面のみに形成される場合（図示せず）、ＤＬＣ層３７が噛み合い部３６のみに形成される場合（図示せず）等がある。一方、本実施形態では、ウォームホイール２３にＤＬＣ層３７は形成されていないが、後述するように形成してもよい。
【００１７】
噛み合い部３６は、ウォーム２２の歯面３４の少なくとも一部であって、ウォームホイール２３の歯面３５の少なくとも一部である噛み合い部３８と互いに噛み合わされる部分である。
特に、本実施形態では、ウォーム２２は、Ｓ３５Ｃ，Ｓ４５Ｃ等の鋼からなる母材３９と、この母材３９の表面上に形成されたクロム層４０と、このクロム層４０の表面上に形成されたＤＬＣ層３７とを含んでいる。
【００１８】
クロム層４０は、クロムからなる薄膜であり、母材３９へのＤＬＣ層３７の密着性を高めるための下地層として機能する。
ＤＬＣ層３７は、ダイヤモンドライクカーボンに加えて、タングステン（Ｗ）等の金属元素を含有している。金属元素を含有することにより、ＤＬＣ層３７の剥離の発生をより一層抑制することができる。
【００１９】
ＤＬＣ層３７は、クロム層４０側へ向けてタングステン（Ｗ）量を豊富とする組成に設定されるのが、好ましい。これにより結果的に、ＤＬＣ層３７の表面側へ向けてカーボン（Ｃ）量が豊富となる。この場合、ＤＬＣ層３７の剥離の発生をより一層抑制できる。
ＤＬＣ層３７は、グラファイト（ＳＰ2 ）構造とダイヤモンド（ＳＰ3 ）構造とが共存しており、それを構成する炭素原子相互の結合力が強いので、それ自身の摩耗や損傷が生じ難くなる。また、ＤＬＣ層３７は、当接する相手材への攻撃性が低く、硬質で、しかも若干の自己潤滑性を有する皮膜である。
【００２０】
ＤＬＣ層３７を形成することにより、母材３９の表面にある微細な凹みが埋まり、ウォーム２２の面粗度を向上する効果が得られる。その結果、一対の部材間の摩擦係数を、少なくとも一方の部材がＤＬＣ層３７を含むことにより、大幅に低減することができる。例えば、一対の鋼材同士の間の摩擦係数が、いずれの鋼材の表面にもＤＬＣ層３７を形成しない場合に０．８であるのに対して、一方の鋼材の表面にＤＬＣ層３７を形成した場合に０．２に低減する。
【００２１】
本実施形態では、ＤＬＣ層３７の膜厚は、１．０〜２．０μｍの範囲内の値とされ、より好ましくは１．０〜１．５μｍの範囲内の値とされる。すなわち、ＤＬＣ層３７の膜厚を１．０μｍ以上とすることで、ＤＬＣ層３７の表面の面粗度を十分に向上させることができる。ＤＬＣ層３７の膜厚が２．０μｍを超えて大きくなると、面粗度の向上効果が飽和する一方、被覆による寸法の増大が大きくなり、また製造コストが高くなる。
【００２２】
従って、良好な面粗度と寸法精度を持ち且つ安価で、しかも後述するように摺動騒音の少ないウォーム２２を得るためには、ＤＬＣ層３７の膜厚を１．０〜２．０μｍとすることが好ましい。さらに、被覆による寸法増大をより少なくし、より安価とするためには、ＤＬＣ層３７の膜厚を１．５μｍ以下とすることが好ましい。
ウォーム２２は、例えば以下のようにして製作される。先ず、母材３９を形成する。すなわち、材料としての鋼部材に、ウォーム２２に近似した形状を形成した後、歯形を切削加工により形成し、切削加工された歯形の表面を研磨加工して、母材３９を得る。
【００２３】
次に、得られた母材３９の表面上にクロム層４０を形成し、その後でクロム層４０の表面上にＤＬＣ層３７を形成する。これにより、ウォーム２２を得る。クロム層４０およびＤＬＣ層３７は、例えば物理蒸着（ＰＶＤ）法、化学蒸着（ＣＶＤ）法、プラズマＣＶＤ法、イオンビーム形成法、イオン化蒸着法などによりそれぞれ形成する。
ＤＬＣ層３７の表面硬度は、ビッカース硬さ（Ｈｖ）で１０００〜２０００の範囲内の値、例えばＨｖ１５００に管理される。クロム層４０およびＤＬＣ層３７の総膜厚は、予め定める所定範囲内の値に管理される。さらに、ＤＬＣ層３７の最表面の粗さは、中心線平均粗さ（Ｒａ）で０．１μｍ以下に管理される。
【００２４】
このように本実施形態では、減速機９のウォーム２２の少なくとも歯面３４の少なくとも噛み合い部３６に形成されたＤＬＣ層３７により、一対の歯車としてのウォーム２２とウォームホイール２３との噛み合い部３６，３８同士の間の摩擦抵抗を低減できる。従って、摺動音による騒音を低減でき、また、駆動トルクを低減することができる。
また、ＤＬＣ層３７はウォーム減速機に好適である。すなわち、従来、ウォーム減速機は、摺動音を生じやすい傾向にあったが、本実施形態の減速機９は、ＤＬＣ層３７を採用することにより、ウォーム減速機であっても摺動音を含む騒音を効果的に小さく抑制することができる。例えば、ＤＬＣ層３７を含むウォーム２２を採用する場合には、ＤＬＣ層３７を含まない従来のウォームを用いる場合と比較して、減速機の作動音を２〜３ｄＢ低下させることができる。
【００２５】
ＤＬＣ層３７の形成コストは、ウォームホイールよりもウォームに形成する場合のほうが安価にできる。従って、ＤＬＣ層３７をウォームおよびウォームホイールの何れか一方に形成する場合には、ウォームに形成するのが好ましい。
また、本実施形態の電動パワーステアリング装置１では、操舵補助時に生じるウォーム２２とウォームホイール２３の摺動音による騒音を上述のように小さく抑制することができる。また、トルク伝達時のウォーム２２とウォームホイール２３のロストルクを低減できるので、いわゆるハンドル戻りを良くすることができる。
【００２６】
本実施形態では、母材３９にＤＬＣ層３７をクロム層４０を介して積層しているので、母材３９へのＤＬＣ層３７の密着性を高めることができる。
ところで、温度変化に対するバックラッシ量の変動を抑制するために、ウォーム２２をウォームホイール２３の中心に向けて付勢した状態でウォームホイール２３に噛み合わせ、ウォーム２２およびウォームホイール２３の歯面３４，３５の噛み合い部３６，３８間に噛み合い予圧と呼ばれる予圧を作用させる場合がある。本実施形態では、摩擦抵抗を低減できるので、噛み合い予圧が高い場合から低い場合まで、同じ噛み合い予圧の従来のウォーム減速機と比較して、摺動音を小さく抑制できる。
【００２７】
また、本実施形態について、以下のような変形例を考えることができる。以下の説明では、上述の実施形態と異なる点を中心に説明し、同様の構成については同じ符号を付して説明を省略する。
上述の実施形態では、ＤＬＣ層３７はウォーム２２のみに形成されていたが、これには限定されない。例えば、ＤＬＣ層３７を含まないウォームホイール２３に代えて、図４に示すようなＤＬＣ層３７を含むウォームホイール２３Ａを採用してもよい。
【００２８】
ウォームホイール２３Ａは、鋼からなる母材４１と、この母材４１の表面上に形成されたクロム層４０と、クロム層４０の表面上に形成されたＤＬＣ層３７とを含んでいる。このＤＬＣ層３７は、ウォームホイール２３Ａの表面の少なくとも一部であって、少なくとも歯面３５の少なくとも噛み合い部３８を含む少なくとも一部の表面に形成されている。例えば、ＤＬＣ層３７を、図４に示すようにウォームホイール２３Ａの全表面に形成してもよいし、図示しないが歯面３５の全表面のみに形成してもよいし、噛み合い部３８のみに形成してもよい。このように、ＤＬＣ層３７をウォーム２２の少なくとも噛み合い部３６およびウォームホイール２３Ａの少なくとも噛み合い部３８の両方に形成する場合には、摩擦抵抗の低減効果を大きく得ることができる。
【００２９】
また、ＤＬＣ層３７をウォームホイール２３Ａだけに形成する場合も考えられる。例えば、ウォーム２２およびウォームホイール２３Ａを含む上述の実施形態において、ＤＬＣ層３７を含むウォーム２２に代えて、ＤＬＣ層を含まないウォーム（図示せず）を用いてもよい。
上述の実施形態では、ＤＬＣ層３７は、母材３９の表面上に下地層としてのクロム層４０を介して積層されていたが、これには限定されない。例えば、クロム層４０に代えて、チタンなどの遷移金属からなる金属薄膜を下地層として用いることができる。但し、ＤＬＣ層３７の密着性向上には、クロム層４０が最も適している。逆に、このような下地層を廃止することも考えられる。
【００３０】
また、減速機としては、ウォーム減速機に限定されず、例えば、駆動歯車および従動歯車として、平歯車、はすば歯車、傘歯車、ハイポイドギヤ、ラック等を利用した歯車減速機としてもよい。
このように減速機の駆動歯車および従動歯車の少なくとも一方の歯車の少なくとも歯面の少なくとも噛み合い部に、ＤＬＣ層３７が形成されることにより、一対の歯車の噛み合い部同士の間の摩擦抵抗を低減できる。従って、摺動音による騒音を低減することができ、また、駆動トルクを低減することができる。
【００３１】
また、これらの減速機を、自動車の電動パワーステアリング装置１の他、各種の産業用機械等に適用することもできる。その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の一実施形態のステアリング装置の概略構成の側面図である。
【図２】図１のII−II断面を示す断面図である。
【図３】図２の III部を拡大した減速機の要部の断面図である。
【図４】本発明の変形例の減速機の要部の断面図であり、図２の III部に相当する部分の拡大断面図を示す。
【符号の説明】
【００３３】
１      電動パワーステアリング装置
６      操舵機構
７      電動モータ
９      減速機
２２    ウォーム（駆動歯車、一方の歯車）
２３    ウォームホイール（従動歯車）
２３Ａ  ウォームホイール（従動歯車、一方の歯車）
３４    （ウォームの）歯面
３５    （ウォームホイールの）歯面
３６    （ウォームの）噛み合い部
３７    ダイヤモンドライクカーボン層
３８    （ウォームホイールの）噛み合い部
【図１】
2006046376.tif 000003
【図２】
2006046376.tif 000004
【図３】
2006046376.tif 000005
【図４】
2006046376.tif 000006