(57)【要約】【課題】本発明は、電動モータ出力を不必要に制限することなく、歯丈、歯合い率の調整といった暫定処置をすることなく、局所的な摩耗を生じさせないギヤ装置を提供する。【解決手段】本発明のギヤ装置は、樹脂製ウォームホイールと、この樹脂製ウォームホイールに噛合う金属製ウォームとを備え、前記樹脂製ウォームホイールの圧力角を、前記金属製ウォームの圧力角よりも大きくすることを特徴とする。本発明のギヤ装置を構成する樹脂製ウォームホイールは、ギヤ装置の歯面圧上昇及び摩耗の抑制効果を高めるため、成形後の室温における弾性率が５．０〜２０ＧＰａであることが好ましい。【選択図】図２
2018123915.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
樹脂製ウォームホイールと、この樹脂製ウォームホイールに噛合う金属製ウォームとを備え、前記樹脂製ウォームホイールの圧力角を、前記金属製ウォームの圧力角よりも大きくする、ギヤ装置。
【請求項２】
前記樹脂製ウォームホイールは、成形後の室温における弾性率が５．０〜２０ＧＰａである請求項１に記載のギヤ装置。
【請求項３】
前記樹脂製ウォームホイールは、材質が熱硬化性樹脂である請求項２に記載のギヤ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ギヤ装置、特に樹脂製のウォームホイールと金属製のウォームとを有するギヤ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ウォームとウォームホイールの組合せによる減速ギヤ機構は、コンパクトでありながら高い減速比を達成できるという特徴を有する。従って、これを用いることにより、装置全体をコンパクトに抑えつつ、電動モータの回転出力を好ましいトルクの回転出力に変換して出力軸に伝達することができる。
前述したウォームとウォームホイールの組合せによる減速ギヤ機構を用いたものとしては、自動車用の電動式パワーステアリング装置がある。近年では、油圧式パワーステアリング装置と比べ燃費改善効果が期待できることから、ウォームとウォームホイールを用いた電動式パワーステアリング装置が多用されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−６６９４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ウォームとウォームホイールの組合せによる減速ギヤ機構には、一層のコンパクト化、軽量化が求められており、更には高出力対応のニーズが高い。
【０００５】
ウォームとウォームホイールの組合せによる減速ギヤ機構を用いる場合の問題点は、他のギヤと比較して歯当りが悪いこと、滑り接触により出力を伝達するため歯面摩耗が発生しやすいことである。
歯当りについて具体的に説明すると、本来は噛合う相手であるウォームと同一形状の切削刃を用いて加工すれば、理想的な歯形形状のウォームホイールを作製することができる。但し、現実的には、そのような切削刃では剛性が不足し加工が困難となる、あるいは加工時間が長時間となるという問題があるため、より大径のホブカッターを用いて切削することが一般的に行われる。
つまり、このような大径のホブカッターを用いて加工したウォームホイールとウォームを噛合わせた場合と、理想的な歯形形状のウォームホイールと同一のウォームを噛合わせた場合とでは、歯当り（接触面）の位置及び範囲が異なる位置となる。このような歯当り（接触面）の位置及び範囲の違いから歯面圧の上昇、それによる局所的な摩耗の発生が生じる。
【０００６】
一般的には、ウォームホイールの材質としてナイロン等の熱可塑性樹脂が用いられるが、熱可塑製樹脂よりも若干弾性率の高い、熱硬化性樹脂または、補強材入りの熱可塑性樹脂を用いた場合は、歯面圧の上昇、それよる局所的な摩耗の発生が、熱可塑性樹脂に比べ生じ易い。
このような問題を避けるためには、電動モータ出力の制限、歯丈や噛合い率を上げるなど暫定的な処置をするのが現状である。
【０００７】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、局所的な摩耗が生じるのを抑制可能とすることにより、ギヤ装置全体のコンパクト化、軽量化、高出力化に対応可能なキア装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、大径のホブカッターで用いてウォームホイールを加工した場合におけるウォームホイールとウォームの歯当り（接触面）について着目し、実験を重ねた結果、歯当り（接触面）範囲が少ない場合、歯面圧が上昇し、摩耗することを見出してなされたものである。そして、金属製のウォームホイールと金属製のウォームとを組み合わせた際の技術常識である、ウォームホイールの圧力角をウォームの圧力角よりも小さくするとの従来の技術常識（特許文献１参照）を覆し、ウォームホイールの圧力角をウォームの圧力角よりも大きくすることで、歯当り（接触面）の範囲を拡大し、歯面圧の抑制により歯面摩耗発生を回避することができる。
また、樹脂製ウォームホイールの弾性率を、成形後の室温において５．０〜２０ＧＰａとすることにより、歯当り範囲の適正化、及び歯面圧上昇、摩耗の発生を大幅に抑制することができる。ウォームホイールの高弾性率化は、材質として熱硬化性樹脂を使用することにより容易に実現することができる。
【０００９】
すなわち、本発明は、以下のものに関する。
（１）樹脂製ウォームホイールと、この樹脂製ウォームホイールに噛合う金属製ウォームとを備え、前記樹脂製ウォームホイールの圧力角を、前記金属製ウォームの圧力角よりも大きくするギヤ装置。
（２）前記樹脂製ウォームホイールは、成形後の室温における弾性率が５．０〜２０ＧＰａである前記（１）に記載のギヤ装置。
（３）前記樹脂製ウォームホイールは、材質が熱硬化性樹脂である前記（２）に記載のギヤ装置。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、局所的な摩耗が生じるのを抑制可能とすることにより、ギヤ装置全体のコンパクト化、軽量化、高出力化に対応可能なキア装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施の形態のギヤ装置を示す斜視図である。
【図２】本実施の形態のギヤ装置を構成する金属製ウォームと樹脂製ウォームホイールの圧力角を示す図である。
【図３】実施例１において樹脂成形体用成形用素材を成形するときのプレス工程を示す断面模式図である。
【図４】実施例１において抄造圧縮装置を用いて作製する不織布の作製工程（Ａ）〜（Ｄ）を示す図である。
【図５】実施例１の樹脂製ウォームホイール製造のときに使用する金属製ブッシュを示す正面図（Ａ）及び側面図（Ｂ）である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に、本発明の一実施形態を説明する。図１に示すように、本実施の形態のギヤ装置２０は、樹脂製ウォームホイール１９と、この樹脂製ウォームホイール１９に噛合う金属製ウォーム１８とを備え、樹脂製ウォームホイール１９の圧力角を、金属製ウォーム１８の圧力角よりも大きくする、ギヤ装置２０である。
【００１３】
以下、本実施の形態のギヤ装置２０を構成する樹脂製ウォームホイール１９と金属製ウォーム１８について説明する。
【００１４】
＜樹脂製ウォームホイール＞
図１に示すように、本実施の形態にて用いる樹脂製ウォームホイール１９は、中間部２２と、この中間部２２の外側となる中間部外周に設けられる歯部２１とを有している。ここで、中間部２２とは、樹脂製ウォームホイール１９の内径から、歯部２１の根本である歯底までの領域を示す。本実施の形態にて用いる樹脂製ウォームホイール１９は、少なくとも、中間部外周に設けられる歯部２１が樹脂成形品であれば、他の部分（中間部２２等）は特に限定されるものではなく、歯部２１と同一材料を用いた一体成形品としても、異種材料を用いて歯部２１を形成する樹脂成形品と、一体成形、接着、嵌合、ネジ止め、固着又は溶着したものとすることもできる。
【００１５】
樹脂製ウォームホイール１９を形成する樹脂としては、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂の何れでも良く、例えば、エポキシ樹脂、ポリアミノアミド樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエーテルサルフォン樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリエステル樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂等の樹脂単独、又は、前記樹脂にアラミド繊維、カーボン繊維等を補強基材として充填した材料を用いることができる。
【００１６】
熱硬化性樹脂と、熱可塑性樹脂とを比較した場合は、先に述べたように総じて弾性率が高いことから、熱硬化性樹脂を用いることが好ましく、特に、ポリアミノアミド樹脂又はフェノール樹脂を用いることが、歯形精度が高く、耐久性・強度に優れた樹脂ウォームホイールを作製することができ、より好ましい。
【００１７】
樹脂製ウォームホイール１９の歯部２１以外の部分（中間部２２等）に、前述した樹脂とは異なる、異種材料を使用する場合には、例えば外周部に周り止めを有した焼結金属製ブッシュを用いることができ、前記周り止めにより、樹脂成形品と焼結金属製ブッシュとの接合強度を高めることができる。
また、金属製ブッシュとしては、焼結金属以外に、切削金属、鍛造金属等を用いることもできる。
【００１８】
＜金属製ウォーム＞
本実施の形態に用いる金属製ウォーム１８の材質としては、少なくとも金属であれば、特に限定されるものではない。
具体的には、炭素鋼、クロムモリブデン鋼、ニッケルクロム鋼、ニッケルクロムモリブデン鋼、クロム鋼、マンガン鋼、ステンレン鋼等を用いることができ、中でも、炭素鋼、クロムモリブデン鋼を用いることが、精度が高く、強度に優れたウォームを作製することができ、より好ましい。
【００１９】
＜圧力角＞
本実施の形態において、圧力角は、図２に示すように、歯が基準ピッチ円に対し傾いている角度を示す。また、基準ピッチ円とは、下記（１）式で表される直径を有する仮想の円をいう。
歯数×モジュール÷ｃｏｓ（進み角）  ・・・（１）
進み角とは、歯車の回転軸に対する歯部の角度を意味する。モジュールとは、歯の大きさを表すもので、下記（２）式で表される。
基準ピッチ円直径÷（歯数×ｃｏｓ（進み角））  ・・・（２）
本実施の形態における圧力角について、図２を用いて詳細に述べると、α１が金属製ウォーム１８の圧力角を示し、α２が樹脂製ウォームホイール１９の圧力角を示す。金属製ウォーム１８が樹脂製ウォームホイール１９と噛合い、金属製ウォーム１８のα１傾いた歯面と樹脂製ウォームホイール１９のα２傾いた歯面が接触することにより、力を伝達する。金属製ウォーム１８の圧力角α１は、金属製ウォーム１８の歯部（凸歯）の根本における接線ａと、基準ピッチ円の直径線（中心を通る線）ｃとがなす角度である。また、樹脂製ウォームホイール１９の圧力角α２は、樹脂製ウォームホイール１９の歯部（凹歯）の先端における接線ｂと、基準ピッチ円の半径線ｃとがなす角度である。
【００２０】
本実施の形態においては、樹脂製ウォームホイール１９の圧力角α２を、金属製ウォーム１８の圧力角α１よりも大きくすることにより、歯当り範囲を拡大することが特徴である。それにより、樹脂製ウォームホイール１９として弾性率の高い材質を使用しても、歯面圧の低減、摩耗の抑制に対して大きな効果が得られる。これにより、局所的な摩耗が生じるのを抑制可能なため、ギヤ装置２０全体のコンパクト化、軽量化、高出力化を図ることが可能になる。
【００２１】
そのとき、樹脂製ウォームホイール１９は、成形後の室温における弾性率を高くすることにより、本実施の形態のギヤ装置２０において、歯面圧上昇、摩耗の発生を顕著に低減することができる。樹脂製ウォームホイール１９の弾性率は、ギヤ装置２０が実際に使用され始める温度が室温であるため、室温（具体的には１０〜３０℃の温度）で規定することが実用的である。
【００２２】
したがって、本実施の形態のギヤ装置２０を構成する樹脂製ウォームホイール１９は、成形後の室温における弾性率を５．０ＭＰａ以上とすることが好ましい。室温の弾性率が５．０ＧＰａ以上のときに、従来の樹脂製ウォームホイールに比べて、歯面圧上昇及び摩耗の抑制に対して効果な顕著に有られる。また、室温の弾性率の上限値は、樹脂製ウォームホイール１９の成形性の点から２０ＧＰａ以下が好ましい。２０ＧＰａ以上の高弾性率を有する樹脂製ウォームホイール１９は、ボイドレス成形や補強基材と樹脂との均一分散性を確保することが難しく、成形性の低下が顕著になる。
【００２３】
また、本発明の樹脂製ウォームホイールの材質としては、熱硬化性樹脂を用いることが好ましい。熱硬化性樹脂を用いることにより、上記で述べたように熱可塑性樹脂と比べて弾性率が高くなる傾向にあるだけでなく、成形時に低粘度の樹脂が入手し易いため補強基材の含有量を多くして成形することができる。
【００２４】
＜ギヤ装置＞
本実施の形態のギヤ装置２０は、先に述べた樹脂製ウォームホイール１９と金属製ウォーム１８を用いた減速ギヤ機構である。より具体的には、金属製ウォーム１８を駆動させ、樹脂製ウォームホイール１９を回転させる機構で、コンパクトでありながら高い減速比を達成できるという特徴を有する。この特徴を生かし、電動式パワーステアリング装置等に使用することが可能である。
【実施例】
【００２５】
以下、本発明のギヤ装置２０を、実施例によって詳細に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。
【００２６】
＜実施例１＞
［樹脂製ウォームホイールの製造］
（抄造スラリの作製）
まず、抄造スラリを調製するために、短繊維の投入時濃度が、４ｇ／リットルとなる量の水を満たしたタンクを用意する。
次に、このタンク内に、樹脂成形体中に占める短繊維が合計で４０体積％となる量の、パラ型全芳香族ポリアミド繊維と、メタ型全芳香族ポリアミド繊維と、フィブリル化処理した微細繊維とを、投入する。そして、タンク内の水を攪拌機で攪拌し、短繊維を分散させる。
【００２７】
本実施例にて用いた短繊維は、アスペクト比：２００、単繊維繊度：１．７ｄｅｔｘ（ｄｅｔｘ：１０，０００メートルの糸の質量をグラム単位で表したもの）、繊維長：３ｍｍのパラ型全芳香族ポリアミド繊維（帝人テクノプロダクツ株式会社製「テクノーラ（登録商標）」）を５０質量％、アスペクト比：２００、単繊維繊度：２．２ｄｅｔｘ、繊維長：３ｍｍのメタ型全芳香族ポリアミド繊維（帝人テクノプロダクツ株式会社製「コーネックス（登録商標）」）を４５質量％であり、ほかに、フリーネス値：３００ｍｌまでフィブリル化処理した微細繊維（デュポン株式会社製「ケブラー（登録商標）」）を５質量％となる量を混合している。
【００２８】
本実施例の樹脂製ウォームホイール１９は、上記のように調整された短繊維を含む抄造スラリを用いて不織布を作製し、該不織布に熱硬化性樹脂を含浸し、プレス工程によって樹脂成形体用成形用素材を成形した後、切削加工によって歯部２１となる部分を形成することにより製造される。図３は、不織布１を用いて樹脂成形体用成形用素材２を成形するために行うプレス工程を示す断面概略図である。また、図４は、図３に示す不織布１を抄造圧縮装置を用いて作製する不織布の作製工程を示す図である。
【００２９】
（不織布の作製）
まず、図４（Ａ）に示すように、抄造圧縮装置８を用いて、ブッシュ支持台１２上に、金属製ブッシュ６を位置決めする。
本実施例では、金属製ブッシュ６として図５に示す形状のものを使用した。図５において（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ金属製ブッシュ６の正面図及び側面図である。図５（Ｂ）に示す各寸法は、以下の通りである。尚、突出部分は、切削加工にて成形したテーパ形状としている。
・ブッシュ内径（イ）：３５ｍｍ
・ブッシュ外径（ロ）：５５ｍｍ
・ブッシュ全体厚み（ハ）：１６ｍｍ
・突出部分の外径（ニ）：６０ｍｍ
【００３０】
そして、図４（Ｂ）に示すように、上支持台１１を下方向に移動して、ブッシュ支持台１２と上支持台１１との間に、金属製ブッシュ６を挟持する。ここで、下圧縮型１４の位置は、金属製ブッシュ６の軸方向中央から金網１６上面迄の距離が、４０ｍｍとなる位置とした。この抄造圧縮装置８内に、先に述べた短繊維を分散させた抄造スラリを投入する。そして、真空吸引をして下圧縮型１４に設けた複数の通液管１５から水を排水することにより、抄造スラリ中の水を分離して、円筒状の繊維集積体１７を得る。尚、排水時に通液管１５より短繊維が流出するのを防止するために、金網１６として１００メッシュのものを用いた。
【００３１】
次に、金属製ブッシュ６の周囲に、更に強固に短繊維を喰い込ませるために圧縮を行う。図４（Ｃ）に示すように、１５０℃に加熱した上圧縮型１３を、金属製ブッシュ６の軸方向中央から上圧縮型１３下面までの距離が、４０ｍｍとなる位置まで下降させる。この位置は、金属製ブッシュ６が、下圧縮型１４と上圧縮型１３との間の、中央に位置する状態となる位置である。
【００３２】
そして、図４（Ｄ）に示すように、金属製ブッシュ６が、下圧縮型１４と上圧縮型１３との間の、中央に位置する状態で、下圧縮型１４と上圧縮型１３とをそれぞれ同速度で相互に近づく方向に移動させ、繊維集積体１７が、厚み：１５ｍｍとなるまで圧縮する。
加熱した状態で２分間圧縮することにより、金属製ブッシュ６と一体化した不織布１を得た。尚、前記圧縮の際、下圧縮型１４の通液管１５から、継続的に真空吸引した状態で圧縮している。
【００３３】
（樹脂の含浸硬化）
次に、図３に示すように、上記の工程で得られた金属製ブッシュ６と一体化した不織布１を（樹脂成形体成形用素材２）を、２００℃に加熱した移動金型５に配置して型締めする。そして、固定金型４内部を、圧力９０ｋＰａ以下に減圧した後、２，２´−（１，３フェニレン）ビス２−オキサゾリン：６９質量部、４，４´−ジアミノジフェニルメタン：３１質量部を混合した樹脂を温度：１４０℃で溶解し、更にオクチルブロマイド：１質量部を加えて撹拌した樹脂を、金型内部に注入して、不織布１に含浸させ、樹脂成形体成形用素材２の成形を行った後、金型３内で加熱硬化し、熱硬化性の樹脂成形体を得る。このようにして得られた樹脂成形体は、日本工業規格（ＪＩＳ  Ｋ  ７１６１等）に基づいて引張試験機を用いて弾性率を測定した結果、室温における弾性率が７ＧＰａであった。
この樹脂成形体は、樹脂成形部の外周に切削加工により歯部２１を形成し、以下の表１に示す寸法の樹脂製ウォームホイール１９を得た。
【００３４】
【表１】
2018123915.tif 000003
【００３５】
（金属製ウォーム）
本実施例にて用いた金属製ウォーム１８（図１）を表２に示す。
【００３６】
【表２】
2018123915.tif 000004
表２において、条数とは、金属製ウォームが１回転することによって進めることができる樹脂製ウォームホィールの歯数を意味する（以下、同様）。炭素鋼Ｓ４５Ｃは、日本工業規格ＪＩＳ Ｇ ４０５１に規定される機械構造用炭素鋼鋼材である（以下、同様）。
【００３７】
＜実施例２＞
平均直径１０μｍで、平均繊維長さ６００μｍのガラス繊維を３５質量％含有するポリアミド６の熱可塑性樹脂を用いて、射出成形法により樹脂製ウォームホイールの製造用樹脂成形体を成形した。成形後の樹脂成形体は、日本工業規格（ＪＩＳ  Ｋ  ７１６１等）に基づいて引張試験機を用いて弾性率を測定した結果、室温の弾性率が１２ＧＰａであった。
【００３８】
このようにして成形された樹脂成形体は、実施例１と同じように、樹脂成形部の外周の切削加工により歯を形成し、上記の表１に示すものと同じ寸法の樹脂製ウォームホイールを得た。本実施例で使用する金属製ウォームは、上記表２に示すように、実施例１で使用したものと同じものを使用した。
【００３９】
＜比較例＞
比較例にて用いた金属製ウォームを表３に示す。
【００４０】
【表３】
2018123915.tif 000005
表３に示す金属製ウォーム以外は、使用した樹脂製ウォームホイール１９を含めて実施例１と同様である。
【００４１】
＜耐久評価＞
実施例１、２及び比較例１の樹脂製ウォームホイール１９での耐久評価結果を、表５に示す。
耐久評価は、下記表４に示した２種類の試験条件で実施し、樹脂製ウォームホイール１９の歯面の摩耗状態(目視判断)及び初期状態からのバックラッシ変化量を確認した。バックラッシとは、樹脂製ウォームホイール１９の歯面と金属製ウォームの歯面との隙間のことをいう。バックラッシ変化量は、樹脂製ウォームホイール１９の圧力角α２と、金属製ウォーム１８の圧力角α１との差が拡大した量（角度）を調べることにより行った。
【００４２】
【表４】
2018123915.tif 000006
【００４３】
【表５】
2018123915.tif 000007
【００４４】
表５に示すように、実施例１は、樹脂製ウォームホイール１９の歯面の摩耗が、目視する限りにおいてほぼなく、バックラッシ変化量も１′（１分）と小さい。一方、実施例２では、摩耗がやや観測され、バックラッシ変化量も４′（４分）と実施例１に比べてやや大きくなった。実施例１と２との違いは、樹脂製ウォームホイール１９の成形後の室温における弾性率の違いに起因しており、弾性率が高くなるほど、歯面圧上昇及び摩耗の抑制に対して大きな効果が得られることが分かる。
【００４５】
それらに対して、比較例１では、金属製ウォーム１８の圧力角α１と樹脂製ウォームホイール１９の圧力角α２とが同じであるため、金属製歯面摩耗の発生が見られ、バックラッシ変化量も６′（６分）と大きい。さらに、樹脂製ウォームホイール１９の圧力角α２が金属製ウォーム１８の圧力角α１より小さくなると、摩耗及びバックラッシ変化量は比較例１より大きくなることが確認された。
【００４６】
なお、実施例１と同じ方法に従って、単繊維の含有量を多くした組成を用いて樹脂成形体を成形することにより、成形後の室温における弾性率が２０ＧＰａを超える樹脂成形体を得ることも可能である。しかしながら、そのような高い弾性率を有する樹脂成形体は、単繊維と樹脂との均一分散を実現することが難しく、切削加工により樹脂成形部の外周に歯部を形成するとき、歯部に微小なクラックや欠けが発生することがあり、ロットバラツキの問題があることが確認された。
【００４７】
以上のように、本発明の実施例によれば、ウォームホイールとして弾性率の高い材質を使用しても、樹脂製ウォームホイール１９の圧力角α２を、金属製ウォーム１８の圧力角α２よりも大きくすることにより、歯当り範囲拡大が生じるため、歯面圧低減、摩耗抑制に対して大きな効果が得られる。それにより、局所的な摩耗を生じさせることがないギヤ装置２０、又はその摩耗が非常に少ないギヤ装置２０を提供することができ、ギヤ装置２０の全体を更にコンパクト化することができる。
また、樹脂製ウォームホイール１９の弾性率を、成形後の室温において５．０〜２０ＧＰａとすることにより、歯面圧上昇、摩耗の発生を大幅に抑制することができる。
【符号の説明】
【００４８】
１…不織布、２…樹脂成形体成形用素材、３…金型、４…固定金型、５…移動金型、６…金属製ブッシュ、７…上金型、７Ａ…押圧部、８…抄造圧縮装置、１０…筒状金型、１１…上支持台、１２…ブッシュ支持台、１３…上圧縮型、１４…下圧縮型、１５…通液管、１６…金網、１７…繊維集積体、１８…金属製ウォーム、１９…樹脂製ウォームホイール、２０…ギヤ装置、２１…歯部、２２…中間部
【図１】
2018123915.tif 000008
【図２】
2018123915.tif 000009
【図３】
2018123915.tif 000010
【図４】
2018123915.tif 000011
【図５】
2018123915.tif 000012