(57)【要約】【課題】歯部を含む構成において、所定の強度および剛性を保ちつつ軽量化およびコストの低減を図ることができるパイプ材の製造方法および当該製造方法により製造されるパイプ材を提供すること。【解決手段】炭素繊維強化樹脂製の歯部２３が外周面２２Ａに形成されたパイプ材２０の製造方法では、炭素繊維３６のシートと熱可塑性樹脂３８のフィルムとが、マンドレル３０の外周面３０Ａに対して重ねて巻き付けられる。マンドレル３０の外周面３０Ａに巻き付けられたシートおよびフィルムは、歯部２３に応じた凹凸部６２が形成された金型４５内で加圧されながら加熱される。これにより、熱可塑性樹脂３８が炭素繊維３６に含浸する。炭素繊維３６に含浸した熱可塑性樹脂３８を冷却することで形成されたパイプ材２０からマンドレル３０を引き抜くことで、パイプ材２０の製造が完了する。【選択図】図１０
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
歯部が形成された外周面を有するパイプ材の製造方法であって、
前記パイプ材の軸方向に延びる金属製のマンドレルの外周面に対して、炭素繊維のシートと熱可塑性樹脂のフィルムとを重ねて巻き付ける工程と、
前記マンドレルの外周面に巻き付けられた前記シートおよび前記フィルムを、前記歯部に応じた凹凸部が形成された金型内に配置する工程と、
前記シートおよび前記フィルムを前記金型内で加圧しながら加熱することで前記熱可塑性樹脂を前記炭素繊維に含浸させ、前記歯部が前記外周面に形成された炭素繊維強化樹脂製の前記パイプ材を形成する工程と、
前記パイプ材を冷却する工程と、
冷却された前記パイプ材から前記マンドレルを引き抜く工程と、
を含むことを特徴とする、パイプ材の製造方法。
【請求項２】
歯部が形成された外周面を有するパイプ材の製造方法であって、
前記パイプ材の軸方向に延びる金属製のマンドレルの外周面に対して、炭素繊維のシートと熱可塑性樹脂のフィルムとを重ねて巻き付ける工程と、
前記マンドレルの外周面に巻き付けられた前記シートおよび前記フィルムを、前記歯部に応じた凹凸部が形成された金型内に配置する工程と、
前記シートおよび前記フィルムを前記金型内で加熱してから加圧することで前記熱可塑性樹脂を前記炭素繊維に含浸させ、前記歯部が前記外周面に形成された炭素繊維強化樹脂製の前記パイプ材を形成する工程と、
前記パイプ材を冷却する工程と、
冷却された前記パイプ材から前記マンドレルを引き抜く工程と、
を含むことを特徴とする、パイプ材の製造方法。
【請求項３】
前記歯部は、前記軸方向と平行に延びるスプラインであることを特徴とする、請求項１または２記載のパイプ材の製造方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の製造方法によって製造されたことを特徴とする、パイプ材。
【請求項５】
ステアリング装置に含まれるインターミディエイトシャフトを構成していることを特徴とする、請求項４記載のパイプ材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、たとえば車両のステアリング装置に含まれるパイプ材の製造方法および当該パイプ材に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１で開示された電動パワーステアリング装置のラックは、プリプレグを用いて形成される。このプリプレグは、熱硬化性樹脂を含有した織物炭素繊維で構成されている。ラックの製造において、プリプレグを芯材に巻き付けて積層して筒状体を得た後、熱硬化性樹脂を硬化させる。その後、切削加工によって、筒状体にラック形状のギヤ歯を形成すると、ラックが完成する。
【０００３】
特許文献２で開示されたＦＲＰ（繊維強化プラスチック）成形体に用いられる強化繊維積層体では、強化繊維の一方向強化繊維基材を２層積層し、該２層は、これらの層間に配置された熱可塑性樹脂製の結着材によって固着されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−９３４４３号公報
【特許文献２】特許第５１３６８７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１のラックでは、ギヤ歯を形成するために筒状体に切削加工を施す際に筒状体内の炭素繊維が切断されると、筒状体の強度が低下する虞がある。また、筒状体に用いた熱硬化性樹脂の硬化には、長時間を要する。
一方、特許文献２の強化繊維積層体には、金属よりも軽量な強化繊維が用いられているため、ＦＲＰ成形体の軽量化を図ることができる。また、熱硬化性樹脂よりも短時間で成形可能な熱可塑性樹脂が用いられているため、加工時間を短縮できる。これにより、ＦＲＰ成形体のコストの低減が可能である。
【０００６】
しかし、特許文献２のようなＦＲＰ成形体であっても、ギヤ歯等の歯部を形成するために特許文献１と同様の切削加工を行うと、強化繊維積層体内の強化繊維が切断されることで強度が低下する虞がある。これでは、所定の強度および剛性を保ちつつＦＲＰ成形体に歯部を形成することは困難である。
この発明は、かかる背景のもとでなされたものであり、歯部を含む構成において、所定の強度および剛性を保ちつつ軽量化およびコストの低減を図ることができるパイプ材の製造方法および当該製造方法により製造されるパイプ材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】
【０００７】
請求項１記載の発明は、歯部（２３）が形成された外周面（２２Ａ）を有するパイプ材（２０）の製造方法であって、前記パイプ材の軸方向（Ｘ）に延びる金属製のマンドレル（３０）の外周面（３０Ａ，３１Ａ，３２Ａ）に対して、炭素繊維（３６）のシート（３７）と熱可塑性樹脂（３８）のフィルム（３９）とを重ねて巻き付ける工程と、前記マンドレルの外周面に巻き付けられた前記シートおよび前記フィルムを、前記歯部に応じた凹凸部（６２）が形成された金型（４５）内に配置する工程と、前記シートおよび前記フィルムを前記金型内で加圧しながら加熱することで前記熱可塑性樹脂を前記炭素繊維に含浸させ、前記歯部が前記外周面に形成された炭素繊維強化樹脂製の前記パイプ材を形成する工程と、前記パイプ材を冷却する工程と、冷却された前記パイプ材から前記マンドレルを引き抜く工程と、を含むことを特徴とする、パイプ材の製造方法である。
【０００８】
請求項２記載の発明は、歯部（２３）が形成された外周面（２２Ａ）を有するパイプ材（２０）の製造方法であって、前記パイプ材の軸方向（Ｘ）に延びる金属製のマンドレル（３０）の外周面（３０Ａ，３１Ａ，３２Ａ）に対して、炭素繊維（３６）のシート（３７）と熱可塑性樹脂（３８）のフィルム（３９）とを重ねて巻き付ける工程と、前記マンドレルの外周面に巻き付けられた前記シートおよび前記フィルムを、前記歯部に応じた凹凸部（６２）が形成された金型（４５）内に配置する工程と、前記シートおよび前記フィルムを前記金型内で加熱してから加圧することで前記熱可塑性樹脂を前記炭素繊維に含浸させ、前記歯部が前記外周面に形成された炭素繊維強化樹脂製の前記パイプ材を形成する工程と、前記パイプ材を冷却する工程と、冷却された前記パイプ材から前記マンドレルを引き抜く工程と、を含むことを特徴とする、パイプ材の製造方法である。
【０００９】
請求項３記載の発明は、前記歯部は、前記軸方向と平行に延びるスプライン（１１）であることを特徴とする、請求項１または２記載のパイプ材の製造方法である。
請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の製造方法によって製造されたことを特徴とする、パイプ材である。
請求項５記載の発明は、ステアリング装置（１）に含まれるインターミディエイトシャフト（３）を構成していることを特徴とする、請求項４記載のパイプ材である。
【００１０】
なお、上記において、括弧内の数字等は、後述する実施形態における対応構成要素の参照符号を表すものであるが、これらの参照符号により特許請求の範囲を限定する趣旨ではない。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１および２記載の発明によれば、外周面に歯部が形成されたパイプ材を製造する際、金属製のマンドレルの外周面に炭素繊維のシートと熱可塑性樹脂のフィルムとを重ねて巻き付ける。次に、マンドレルの外周面に巻き付けた炭素繊維のシートおよび熱可塑性樹脂のフィルムを、歯部に応じた凹凸部が形成された金型内に配置し、請求項１では加圧しながら加熱し、請求項２では加熱してから加圧する。
【００１２】
ここでの加圧および加熱によって、フィルムの熱可塑性樹脂が溶融して炭素繊維に含浸される。そして、このように一体化された炭素繊維および熱可塑性樹脂によって、炭素繊維強化樹脂製のパイプ材が形成される。その後、パイプ材を冷却してから、マンドレルをパイプ材から引き抜くと、パイプ材が得られる。
ここで、パイプ材では、金型の凹凸部の凹部内に進入した炭素繊維および熱可塑性樹脂が、歯部となる。つまり、歯部は、切削加工を用いずに形成されることから、パイプ材において炭素繊維が歯部で切断されることがないため、歯部を含むパイプ材全体の強度が低下することを抑制できる。
【００１３】
また、パイプ材は、金属ではなく、炭素繊維および熱可塑性樹脂による炭素繊維強化樹脂製であるので、一般的な金属製のパイプ材と比較して、大幅に軽量化を図ることができる。
また、パイプ材は、熱可塑性樹脂を用いて形成されることから、パイプ材の形成に要する時間は、熱硬化性樹脂を用いる場合に比べて、熱硬化性樹脂を硬化させるのに必要な時間等を省けるので、短い。そのため、加工に要する時間を短縮することができるので、その分、製造コストの低減を図ることができる。
【００１４】
その結果、歯部を含むパイプ材において、所定の強度および剛性を保ちつつ軽量化およびコストの低減を図ることができる。
請求項３記載の発明によれば、パイプ材の歯部は、軸方向と平行に延びるスプラインであるため、他部品とスプライン嵌合するパイプ材を製造することができる。
請求項４記載の発明によれば、以上の製造方法によって製造された歯部を含むパイプ材では、所定の強度および剛性を保ちつつ軽量化およびコストの低減を図ることができる。
【００１５】
請求項５記載の発明のように、パイプ材は、ステアリング装置のインターミディエイトシャフトを構成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本発明の一実施形態におけるインターミディエイトシャフト３を備えるステアリング装置１の概略図である。
【図２】図２は、インターミディエイトシャフト３の内軸８の斜視図である。
【図３】図３は、パイプ材２０を軸方向Ｘから見た図である。
【図４】図４は、図３のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。
【図５】図５は、パイプ材２０の製造工程を示す模式的な図である。
【図６】図６は、パイプ材２０の製造に用いられるセミプレグシート３５を分解した図である。
【図７】図７は、図５の次の工程を模式的に示した断面図である。
【図８】図８は、図７の次の工程を模式的に示した断面図である。
【図９】図９は、図８の次の工程を模式的に示した断面図である。
【図１０】図１０は、図９の二点鎖線で囲った部分を拡大した図である。
【図１１】図１１は、図７に本発明の第１変形例を適用した図である。
【図１２】図１２は、第１変形例のパイプ材２０の断面図である。
【図１３】図１３は、本発明の第２変形例のマンドレル３０の側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下では、本発明の実施形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態におけるインターミディエイトシャフト３を備えるステアリング装置１の概略図である。
図１において、紙面の上側が、ステアリング装置１が取り付けられている車体の後側であり、紙面の下側が車体の前側である。また、紙面の手前側が車体の上側であり、紙面の奥側が車体の下側である。
【００１８】
図１を参照して、ステアリング装置１は、ステアリングシャフト２と、インターミディエイトシャフト３と、ピニオン軸４と、ラックバー５とを主に含んでいる。
ステアリングシャフト２は、略円柱状または略円筒状である。ステアリングシャフト２の一端には、ステアリングホイール等の操舵部材６が連結されている。
インターミディエイトシャフト３は、全体として略円筒状である。インターミディエイトシャフト３は、概ね車体の前後方向に延びている。インターミディエイトシャフト３の軸方向には、符号「Ｘ」を付す。
【００１９】
インターミディエイトシャフト３は、外軸７と、内軸８とを含んでいる。
外軸７は、軸方向Ｘに延びる略円筒状である。外軸７の一端７Ａには、ステアリングシャフト２の他端が自在継手９を介して連結されている。外軸７の内周面７Ｂにおいて一端７Ａとは反対の他端７Ｃ側の領域には、軸方向Ｘに延びる雌スプライン１０が形成されている。
【００２０】
内軸８は、軸方向Ｘに延びる略円筒状である。内軸８の外周面８Ａの一端８Ｂ側の領域には、軸方向Ｘに延びる雄スプライン１１が形成されている。内軸８の一端８Ｂは、外軸７の他端７Ｃに挿通されている。この状態で、内軸８の雄スプライン１１は、外軸７の雌スプライン１０とスプライン嵌合している。そのため、内軸８と外軸７とは、一体回転可能であり、軸方向Ｘに沿って相対移動することができる。内軸８の他端８Ｃには、自在継手１２を介して、ピニオン軸４の一端が連結されている。
【００２１】
ピニオン軸４は、略円柱状または円筒状である。ピニオン軸４の他端の外周面には、ピニオン１３が一体的に設けられている。
ラックバー５は、図１の左右方向でもある車体の幅方向に延びる略円柱状である。ラックバー５の外周面には、ラック１４が形成されている。ピニオン軸４のピニオン１３およびラックバー５のラック１４は、互いに噛み合うことでラックアンドピニオン式の転舵機構１５を構成している。
【００２２】
ラックバー５は、ハウジング１６に収容されている。ラックバー５の両端部のそれぞれには、継手１７を介してタイロッド１８が結合されている。
各タイロッド１８は、対応する図示しないナックルアームを介して対応する転舵輪１９に連結されている。
操舵部材６が操作されてステアリングシャフト２が回転されると、この回転がインターミディエイトシャフト３を介してピニオン軸４に伝達され、ピニオン１３およびラック１４によって、軸方向Ｘに沿ったラックバー５の直線運動に変換される。これにより、転舵輪１９の転舵が達成される。このように、インターミディエイトシャフト３は、操舵部材６と転舵機構１５とをつなぐ役割を果たしている。
【００２３】
このようなステアリング装置１には、車両走行時の路面状態などの外部環境の変化によって転舵輪１９から上下の振動が伝達されることがある。前述したように、インターミディエイトシャフト３では、外軸７と内軸８とが軸方向Ｘに沿って相対移動することができる。そのため、インターミディエイトシャフト３は、ステアリング装置１に伝達される上下の振動をスムーズに吸収することができる。
【００２４】
次に、このようなインターミディエイトシャフト３の内軸８について詳細に説明する。
図２は、インターミディエイトシャフト３の内軸８の斜視図である。
図２を参照して、内軸８は、炭素繊維強化熱可塑性樹脂製、いわゆるＣＦＲＴＰ（Carbon Fiber Reinforced Thermo Plastics）製のパイプ材２０である。ＣＦＲＴＰは、炭素繊維強化樹脂の一種である。詳しくは、ＣＦＲＴＰは、マトリックス樹脂、すなわち母材として熱可塑性樹脂を用い、材料の強度を向上させるための強化材として炭素繊維を用いた材料である。パイプ材２０は、全体として略円筒状であり、軸方向Ｘに延びている。パイプ材２０は、パイプ部２１とスプライン部２２とを一体的に含んでいる。
【００２５】
パイプ部２１は、軸方向Ｘに延びる筒状である。パイプ部２１の外周面には、符号「２１Ａ」を付す。ここで、軸方向Ｘにおける一端側には符号「Ｘ１」を付す。一端側Ｘ１は、図２における紙面の左側であり、図を参照する際の便宜上、左側Ｘ１とも呼ぶことがある。また、軸方向Ｘにおける他端側には符号「Ｘ２」を付す。他端側Ｘ２は、図２における紙面の右側であり、図を参照する際の便宜上、右側Ｘ２とも呼ぶことがある。
【００２６】
また、パイプ部２１の周方向には、符号「Ｃ」を付し、パイプ部２１の径方向には、符号「Ｒ」を付す。なお、図１以外の各図において、図１の軸方向Ｘ、周方向Ｃおよび径方向Ｒの各方向に対応する方向には、図１と同じ符号を付している。
スプライン部２２は、軸方向Ｘに延びる略円筒状である。スプライン部２２の軸方向Ｘにおける長さは、図２では、パイプ部２１と同程度である。スプライン部２２の外周面には、符号「２２Ａ」を付す。また、スプライン部２２の内周面には、符号「２２Ｂ」を付す。スプライン部２２は、左側Ｘ１からパイプ部２１に隣接しており、パイプ部２１と同軸状で一体化されている。
【００２７】
図３は、パイプ材２０を軸方向Ｘから見た図である。詳しくは、図３は、図２の左側Ｘ１からパイプ材２０を見た図である。図４は、図３のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。
図３を参照して、スプライン部２２の外周面２２Ａには、歯部２３が複数形成されている。本実施形態では、歯部２３は、たとえば１６個である。各歯部２３は、スプライン部２２の外周面２２Ａから径方向Ｒの外側へ向けて突出している。各歯部２３は、軸方向Ｘに平行に延びている。複数の歯部２３は、周方向Ｃに等間隔を隔てて、周方向Ｃに沿って並んでいる。
【００２８】
図４を参照して、各歯部２３の右側Ｘ２の端部２３Ａは、軸方向Ｘにおいてパイプ材２０の略中央に位置している。歯部２３の右側Ｘ２の端部２３Ａでは、パイプ部２１とスプライン部２２との境界をなす傾斜部２４が、歯部２３と一体的に設けられている。傾斜部２４の表面は、左側Ｘ１から右側Ｘ２へ向けて径方向Ｒの内側へ傾斜している。このような歯部２３によって、内軸８の雄スプライン１１が構成されている。
【００２９】
スプライン部２２の内周面２２Ｂにおいて各歯部２３と周方向Ｃで一致する位置には、軸方向Ｘに平行に延びる窪み２５が１つずつ形成されている（図３も参照）。そのため、窪み２５は、歯部２３と同数形成されている。複数の窪み２５は、周方向Ｃに等間隔を隔てて、周方向Ｃに沿って並んでいる。各窪み２５の右側Ｘ２の端部２５Ａは、軸方向Ｘにおいてパイプ材２０の略中央に位置している。各窪み２５の右側Ｘ２の端部２５Ａでは、底面２６が、径方向Ｒにおける傾斜部２４の内周面として、左側Ｘ１から右側Ｘ２へ向けて径方向Ｒの内側へ傾斜している。
【００３０】
次に、このようなパイプ材２０の製造方法について説明する。
図５は、パイプ材２０の製造工程を示す模式的な断面図である。
図５を参照して、パイプ材２０の製造の初期段階として、金属製のマンドレル３０が準備される。マンドレル３０は、略円筒状のパイプ材２０を形成するために必要な部材である。マンドレル３０は、軸方向Ｘに延びている。マンドレル３０の外周面３０Ａには、事前に離型処理が施されている。マンドレル３０は、第１成形部３１と、第２成形部３２とを一体的に含んでいる。
【００３１】
第１成形部３１は、軸方向Ｘに延びる円柱状である。第１成形部３１の外周面３１Ａは、マンドレル３０の外周面３０Ａの右側Ｘ２の領域である。
第２成形部３２は、軸方向Ｘに延びる略円柱状である。第２成形部３２は、第１成形部３１の左側Ｘ１において第１成形部３１と同軸状に配置されている。第２成形部３２の外周面３２Ａは、マンドレル３０の外周面３０Ａの左側Ｘ１の領域である。第２成形部３２の外周面３２Ａには、突起３３および窪み３４が複数形成されている。
【００３２】
突起３３は、前述したパイプ材２０の歯部２３および窪み２５と同数設けられていて、各突起３３は、軸方向Ｘに平行に延びる筋状である。各突起３３は、第２成形部３２から径方向Ｒの外側へ向けて突出している。突起３３は、軸方向Ｘおいて第２成形部３２の全域に亘っている。突起３３の右側Ｘ２の端部には、符号「３３Ａ」を付す。径方向Ｒの外側における突起３３の先端部には、符号「３３Ｂ」を付す。複数の突起３３は、周方向Ｃに等間隔を隔てて並んでいる。突起３３の端部３３Ａでは、左側Ｘ１から右側Ｘ２に向かうにつれて先端部３３Ｂの表面が径方向Ｒの内側へ向かって傾斜している。
【００３３】
各窪み３４は、周方向Ｃに隣り合う突起３３の間に区画され、軸方向Ｘに延びる溝状である。各窪み３４では、底面が、第１成形部３１の外周面３１Ａと一致している。突起３３および窪み３４の全体は、周方向Ｃにおいてパイプ材２０のスプライン部２２の内周面２２Ｂを各窪み２５に一致するような形状を構成している。
このようなマンドレル３０を準備した後、パイプ材２０の材料がマンドレル３０の外周面３０Ａに巻き付けられる。
【００３４】
図６は、パイプ材２０の製造に用いられるセミプレグシート３５を分解した図である。
図６を参照して、パイプ材２０の材料には、セミプレグシート３５が用いられる。セミプレグシート３５は、樹脂が含浸されていない、いわゆるドライの炭素繊維３６のシート３７と、熱可塑性樹脂３８のフィルム３９とを複数枚ずつ交互に重ねたものである。
炭素繊維３６には、“トレカ”（登録商標）Ｔ３００や“トレカ”（登録商標）Ｔ７００に代表されるあらゆるポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）系およびピッチ系炭素繊維を用いることができる。また、炭素繊維３６の一部をガラス繊維やアラミド繊維に置き換えることも可能である。
【００３５】
シート３７としては、炭素繊維３６が一方向（Uni-Direction）に引き揃えられた一方向強化材、いわゆるＵＤ材等が用いられる。本実施形態のシート３７は、ＵＤ材であり、炭素繊維３６は、図６の紙面の左右方向に延びるように配向されている。
フィルム３９は、熱可塑性樹脂３８をフィルム状に加工したものであり、常温で曲げられる程度に薄い。熱可塑性樹脂３８には、ナイロン６（ＰＡ６）、ナイロン１１（ＰＡ１１）、ナイロン１２（ＰＡ１２）、ナイロン６６（ＰＡ６６）、ナイロン６１０（ＰＡ６１０）、ナイロン６１２（ＰＡ６１２）およびナイロン芳香族ポリアミド（芳香族ＰＡ）樹脂等のいわゆるＰＡ系の熱可塑性樹脂を用いることができる。また、熱可塑性樹脂３８には、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）樹脂、ポリカーボネート（ＰＣ）樹脂、ポリプロピレン（ＰＰ）樹脂およびポリアセタール（ＰＯＭ）樹脂等の熱可塑性樹脂を用いることもできる。熱可塑性樹脂３８としては、フィルム化が容易であり、耐熱性、靭性および耐摩耗性に優れたＰＡ系の熱可塑性樹脂を用いることが望ましい。
【００３６】
本実施形態では、炭素繊維３６のシート３７と熱可塑性樹脂３８のフィルム３９とが、それぞれ、パイプ材２０の厚さを確保するのに必要な枚数だけ用意される。シート３７とフィルム３９とが重ねられて１枚のセミプレグシート３５を構成している。図６では、シート３７とフィルム３９とは、交互に重ねられているが、必ずしも交互に重ねられる必要はない。
【００３７】
図７は、図５の次の工程を模式的に示した断面図である。
シート状の材料をマンドレル３０等の芯材に巻き付けて筒状体を形成する方法としてシートワインディング法が存在する。図７を参照して、このシートワインディング法によって、前述したマンドレル３０の外周面３０Ａに対して、１枚以上のセミプレグシート３５を巻き付ける。図７では、セミプレグシート３５は、マンドレル３０の外周面３０Ａに対して、たとえば４重で巻き付けられている。軸方向Ｘにおけるセミプレグシート３５の寸法は、軸方向Ｘにおけるマンドレル３０の寸法と等しいことが望ましいが、軸方向Ｘにおけるセミプレグシート３５の寸法が軸方向Ｘにおけるマンドレル３０の寸法よりも短い場合もあり得る。この場合、マンドレル３０の外周面３０Ａにおいてセミプレグシート３５を巻き付けた部分からはみ出した部分に別のセミプレグシート３５を巻き付けてセミプレグシート３５を継ぎ足してもよい。当該別のセミプレグシート３５は、先に巻き付けられたセミプレグシート３５の一部を径方向Ｒの外側から覆うようにマンドレル３０の外周面３０Ａに巻き付けることが望ましい。
【００３８】
マンドレル３０の外周面３０Ａにセミプレグシート３５を巻き付けると、第１成形部３１と第２成形部３２との境界（第２成形部３２の突起３３の端部３３Ａ）で段差３５Ａが形成され、セミプレグシート３５全体は、段差３５Ａを境として左側Ｘ１から右側Ｘ２へ向かって縮径する略円筒状となる。マンドレル３０の外周面３０Ａに巻き付けられた状態のセミプレグシート３５において、段差３５Ａよりも左側Ｘ１の部分には、符号「４１」を付し、セミプレグシート３５において段差３５Ａよりも右側Ｘ２の部分には、符号「４２」を付す。
【００３９】
マンドレル３０の第２成形部３２に巻き付けられた状態の部分４１は、窪み３４の底面から浮いていて第２成形部３２の各突起３３の先端部３３Ｂの表面だけに接触している（後述する図８参照）。一方、部分４２は、マンドレル３０の第１成形部３１の外周面３１Ａに沿った状態で第１成形部３１に巻き付けられている。
図８は、図７の次の工程を模式的に示した断面図である。詳しくは、図８は、図７とは異なり、軸方向Ｘに直交する平面に沿って切断した各部材の断面を、軸方向Ｘの一端側Ｘ１から見た図である。
【００４０】
図８を参照して、次に、マンドレル３０の外周面３０Ａに巻き付けられたセミプレグシート３５をプレス成形するための金型４５について説明する。
金型４５は、全体として中空の直方形状であり、軸方向Ｘに長手である。金型４５は、軸方向Ｘにおいてマンドレル３０よりも長い。軸方向Ｘから見たときの金型４５全体の外形は、略正方形状である。金型４５は、複数のスライドコア４６を含む分割型、いわゆるスライドコア式の金型である。本実施形態では、金型４５は、４つのスライドコア４６を含んでいる。以下では、セミプレグシート３５が巻き付けられたマンドレル３０が金型４５にセットされた状態を基準とし、前述した周方向Ｃおよび径方向Ｒを用いて金型４５について説明する。
【００４１】
各スライドコア４６は、同一の形状を有しており、周方向Ｃに９０°ずつずれて配置されている。言い換えると、複数のスライドコア４６は、放射状に並んでいる。
以下では、図８の上側のスライドコア４６を「上側のスライドコア４６」と略称し、図８の右側のスライドコア４６を「右側のスライドコア４６」と略称する。また、図８の下側のスライドコア４６を「下側のスライドコア４６」と略称し、図８の左側のスライドコア４６を「左側のスライドコア４６」と略称する。
【００４２】
ここでは、主に上側のスライドコア４６について説明する。右側のスライドコア４６、下側のスライドコア４６および左側のスライドコア４６において、上側のスライドコア４６において符号を付した部分と対応する部分には、同様の符号を付す。
上側のスライドコア４６は、軸方向Ｘから見て、径方向Ｒの内側へ向けて幅狭となる略台形状であり、軸方向Ｘに延びている。
【００４３】
上側のスライドコア４６は、第１傾斜面４９と、第２傾斜面５０と、湾曲面５１とを有している。
第１傾斜面４９は、図８では上側のスライドコア４６の右側面である。第１傾斜面４９は、軸方向Ｘの一端側Ｘ１から見て、図８の紙面における左下側から右上側へ向けて延びている。また、第１傾斜面４９は、径方向Ｒに沿って平坦でもある。
【００４４】
第２傾斜面５０は、図８では上側のスライドコア４６の左側面である。第２傾斜面５０は、軸方向Ｘの一端側Ｘ１から見て、図８の紙面における右下側から左上側へ向けて延びている。また、第２傾斜面５０は、径方向Ｒに沿って平坦でもある。
湾曲面５１は、図８では上側のスライドコア４６の下側面である。湾曲面５１は、軸方向Ｘの一端側Ｘ１から見て、マンドレル３０の外周面３０Ａとほぼ同じ曲率を有する円弧であって、第１傾斜面４９と第２傾斜面５０とを連結している。湾曲面５１は、軸方向Ｘに延びている。
【００４５】
また、湾曲面５１には、凹部５２が形成されている。本実施形態において、上側のスライドコア４６における凹部５２の数は、４つである。また、凹部５２は、マンドレル３０の突起３３に対応しており、凹部５２は、上側のスライドコア４６において軸方向Ｘにおける一端側Ｘ１に偏って配置されている。周方向Ｃにおける凹部５２の幅は、周方向Ｃにおけるパイプ材２０の歯部２３の幅と等しい。隣り合う凹部５２同士は、周方向Ｃに間隔を隔てている。隣り合う凹部５２の周方向Ｃにおける間隔は、パイプ材２０において隣り合う歯部２３同士の周方向Ｃにおける間隔と等しい。周方向Ｃの両端側の凹部５２は、第１傾斜面４９および第２傾斜面５０よりも内側に位置している。
【００４６】
上側のスライドコア４６では、隣り合う凹部５２の間に凸部５３が形成されている。そのため、本実施形態における上側のスライドコア４６の凸部５３の数は、３つである。凸部５３は、周方向Ｃから凹部５２に隣接しつつ、凹部５２の底面４６Ａから径方向Ｒの内側へ向けて突出している。凸部５３の径方向Ｒの内側面が、湾曲面５１の一部を構成している。
【００４７】
上側のスライドコア４６には、凹部５２に対して周方向Ｃの両端側から隣接する一対の突起部５４が形成されている。突起部５４は、凹部５２の底面４６Ａから径方向Ｒの内側へ向けて凸部５３と同じ量だけ突出している。周方向Ｃにおける突起部５４の幅は、周方向Ｃにおける凸部５３の幅の半分である。
右側のスライドコア４６は、軸方向Ｘの一端側Ｘ１から見て、上側のスライドコア４６を周方向Ｃに時計回りに９０°ずらした形状である。図８において、右側のスライドコア４６では、第１傾斜面４９が下側面であり、第２傾斜面５０が上側面であり、湾曲面５１が左側面である。
【００４８】
下側のスライドコア４６は、軸方向Ｘの一端側Ｘ１から見て、右側のスライドコア４６を周方向Ｃに時計回りに９０°ずらした形状である。図８において、下側のスライドコア４６では、第１傾斜面４９が左側面であり、第２傾斜面５０が右側面であり、湾曲面５１が上側面である。
左側のスライドコア４６は、軸方向Ｘの一端側Ｘ１から見て、下側のスライドコア４６を周方向Ｃに時計回りに９０°ずらした形状である。図８において、左側のスライドコア４６では、第１傾斜面４９が上側面であり、第２傾斜面５０が下側面であり、湾曲面５１が右側面である。
【００４９】
各スライドコア４６の第１傾斜面４９は、隣り合うスライドコア４６の第２傾斜面５０と平行であり、各スライドコア４６の第１傾斜面４９は、隣り合うスライドコア４６の第２傾斜面５０と間隔を隔てている。各スライドコア４６は、湾曲面５１を径方向Ｒの内側へ向けている。
図９は、図８の次の工程を模式的に示した断面図である。図９は、軸方向Ｘに直交する平面に沿って切断した各部材の断面を、軸方向Ｘの一端側Ｘ１から見た図である。
【００５０】
図９を参照して、各スライドコア４６が互いに近づくように、各スライドコア４６を径方向Ｒの内側へ向けて移動させると、隣り合うスライドコア４６の第１傾斜面４９と第２傾斜面５０とが面接触することで金型４５が閉じて型締めされる。
金型４５では複数のスライドコア４６が放射状に配置されており、金型４５を閉じる際には、各スライドコア４６が径方向Ｒの内側へ、すなわち同一の中心に向かうから、金型４５の内部は、周方向Ｃに均一に加圧される。
【００５１】
金型４５が閉じられた状態で、各スライドコア４６の湾曲面５１は、金型４５の内周面６０を形成している。内周面６０は、周方向Ｃに沿っている。
金型４５が閉じられた状態で、各スライドコア４６の突起部５４は、隣り合うスライドコア４６の突起部５４に隣接している。詳しくは、上側のスライドコア４６の第１傾斜面４９に近い側の突起部５４が、右側のスライドコア４６の第２傾斜面５０に近い側の突起部５４に隣接しており、右側のスライドコア４６の第１傾斜面４９に近い側の突起部５４が、下側のスライドコア４６の第２傾斜面５０に近い側の突起部５４に隣接している。
【００５２】
また、下側のスライドコア４６の第１傾斜面４９に近い側の突起部５４が、左側のスライドコア４６の第２傾斜面５０に近い側の突起部５４に隣接しており、左側のスライドコア４６の第１傾斜面４９に近い側の突起部５４が、上側のスライドコア４６の第２傾斜面５０に近い側の突起部５４に隣接している。
金型４５において、すべての突起部５４が凹部５２の底面４６Ａから径方向Ｒの内側へ向けて同じ量だけ突出しているため、隣接する突起部５４同士の境界には、段差が生じていない。
【００５３】
突起部５４が凹部５２の底面４６Ａから径方向Ｒの内側へ向けて突出する量は、凸部５３が凹部５２の底面４６Ａから径方向Ｒの内側へ向けて突出する量と等しく、周方向Ｃにおける突起部５４の幅は、周方向Ｃにおける凸部５３の幅の半分である。そのため、隣接する突起部５４同士が合わさって１つの凸部５３となる。
突起部５４同士が合わさって構成される凸部５３は、各スライドコア４６の第１傾斜面４９に最も近い凹部５２と、各スライドコア４６に隣接するスライドコア４６の第２傾斜面５０に最も近い凹部５２との間に配置されている。また、前述したように、各スライドコア４６では、隣り合う凹部５２同士の間に凸部５３が設けられている。
【００５４】
そのため、金型４５が閉じられた状態では、金型４５の内周面６０において、凹部５２同士の間のそれぞれには、凸部５３が１つずつ存在していることになる。凹部５２と凸部５３とは、内周面６０において周方向Ｃに交互に並んでいる。
凹部５２と凸部５３とは、全体として周方向Ｃに並ぶ凹凸部６２を構成している。ここで、前述したように、周方向Ｃにおける凹部５２の幅は、周方向Ｃにおけるパイプ材２０の歯部２３の幅と等しく、周方向Ｃにおける凹部５２同士の間隔は、周方向Ｃにおけるパイプ材２０の歯部２３同士の間隔と等しい。よって、凹凸部６２は、歯部２３に応じた形状であるといえる。
【００５５】
一方、金型４５が閉じられた状態で、金型４５の内周面６０において凹凸部６２が形成されている部分よりも図９の紙面における奥側の部分は、パイプ部２１に対応して周方向Ｃに沿った円弧状である（図８も参照）。
金型４５が閉じられた状態から、再び各スライドコア４６を径方向Ｒの外側へ向けて放射状に移動させることで、再び金型４５を開くことができる。
【００５６】
このような金型４５に、マンドレル３０の外周面３０Ａに巻き付けられたセミプレグシート３５が配置される。
マンドレル３０の外周面３０Ａに巻き付けられたセミプレグシート３５は、金型４５に配置された状態で、上側のスライドコア４６と下側のスライドコア４６によって図８における上下方向から挟まれており、右側のスライドコア４６と左側のスライドコア４６によって図８における左右方向から挟まれている。この状態から、各スライドコア４６を径方向Ｒの内側へ移動させて金型４５を閉じることで、マンドレル３０の外周面３０Ａに巻き付けられたセミプレグシート３５は、金型４５内に収容され、金型４５の内周面６０とマンドレル３０との間に挟まれる。
【００５７】
図９を参照して、金型４５を閉じた状態では、金型４５の内周面６０と、マンドレル３０との外周面３０Ａとは、空間６３を区画している。空間６３は、図示しない筒状の第１空間と、第２空間６４とを含んでいる。
図示しない第１空間は、金型４５の内周面６０において凹凸部６２が形成されていない部分と、マンドレル３０の第１成形部３１の外周面３１Ａとによって区画されている。
【００５８】
第２空間６４は、金型４５の内周面６０において凹凸部６２が形成されている部分と、マンドレル３０の第２成形部３２の外周面３２Ａとによって区画されている。
金型４５が閉じられた状態で、マンドレル３０の第２成形部３２の各突起３３と金型４５の内周面６０の各凹部５２とが周方向Ｃにおいて重なるように位置している。詳しくは、各突起３３の周方向Ｃにおける中央部と各凹部５２の周方向Ｃにおける中央部とが周方向Ｃにおいて同じ位置にある。そのため、第２空間６４は、軸方向Ｘから見て、周方向Ｃに沿う略波形状になっている。
【００５９】
金型４５が閉じられた状態で、セミプレグシート３５は、空間６３に収容されている。詳しくは、金型４５が閉じられた状態で、セミプレグシート３５の部分４１は、第２空間６４に収容されており、セミプレグシート３５の部分４２は、空間６３の一部である前述の第１空間に収容されている。この状態で、セミプレグシート３５全体は、金型４５によって加圧されている。
【００６０】
このようにセミプレグシート３５が加圧された状態で、金型４５をセミプレグシート３５内の熱可塑性樹脂３８の融点近くまで加熱する。
この加圧および加熱によって、セミプレグシート３５の熱可塑性樹脂３８は、溶融し、近接するシート３７内の炭素繊維３６に含浸される。熱可塑性樹脂３８は、シート３７内の炭素繊維３６に含浸されるのと同時に、空間６３内で流動するため、全体で空間６３に沿った形状になる。
【００６１】
次に、金型４５を冷却することで、金型４５内に配置された炭素繊維３６のシート３７と、溶融した熱可塑性樹脂３８と、マンドレル３０とが冷却される。熱可塑性樹脂３８は、金型４５内で冷却されることによって固化する。これにより、炭素繊維強化熱可塑性樹脂製のパイプ材２０が形成される。詳しくは、セミプレグシート３５の部分４１がパイプ材２０のスプライン部２２となり、セミプレグシート３５の部分４２がパイプ材２０のパイプ部２１となる。
【００６２】
熱可塑性樹脂３８は、第２空間６４において、マンドレル３０の第２成形部３２の窪み３４と、金型４５の凹凸部６２の凹部５２内とに進入したままの状態で固化している。また、前述したように、凹凸部６２は、パイプ材２０の周方向Ｃにおいて歯部２３に一致するような形状であり、窪み３４および突起３３の全体は、パイプ材２０の周方向Ｃにおいて窪み２５に一致するような形状である。したがって、熱可塑性樹脂３８が固化することによって、パイプ材２０と同時に、スプライン部２２の外周面２２Ａに歯部２３が形成され、スプライン部２２の内周面２２Ｂに窪み２５が形成される。
【００６３】
次に、金型４５を開きパイプ材２０およびマンドレル３０を金型４５から取り出す。そして、パイプ材２０からマンドレル３０を引き抜く。マンドレル３０は、軸方向Ｘにおいて一端側Ｘ１から引き抜くことが好ましい（図５参照）。
前述したように、マンドレル３０の外周面３０Ａには、離型処理が施されているため、熱可塑性樹脂３８は、プレス成形工程後にマンドレル３０の外周面３０Ａに接着していない。そのため、マンドレル３０を容易に引き抜くことができる。このとき、マンドレル３０を、さらに円滑に引き抜くために、冷却によって収縮させてもよい。その場合、マンドレル３０をパイプ材２０から引き抜く際に必要な力が一層低減される。
【００６４】
ここで、第１比較例として、本実施形態のパイプ材２０とは異なり、Ｓ４５Ｃ等の鋼によって形成された金属製のパイプ材を想定する。第１比較例のパイプ材には、金属製の歯部が形成されている。インターミディエイトシャフト３の内軸８としては、このような金属製のパイプ材を用いることが一般的である。しかし、内軸８が金属製であることから、ステアリング装置１におけるインターミディエイトシャフト３の重量比は、大きい。自動車部品には、環境対策として軽量化が求められているため、強度および剛性を保持した上でインターミディエイトシャフト３の軽量化を図る必要がある。
【００６５】
一方で、インターミディエイトシャフト３には、高速度における車両の直線走行時において操舵部材６ががたつかない感覚、いわゆる「剛性感」が求められている。前述したように、インターミディエイトシャフト３は、操舵部材６と転舵機構１５とをつなぐ役割を果たしている。よって、操舵部材６の回転を転舵機構１５にがたつきなく伝達し剛性感を得るには、インターミディエイトシャフト３の外軸７と内軸８とががたつきなく連結されている必要がある。
【００６６】
また、前述したように、インターミディエイトシャフト３には、このような上下の振動をスムーズに吸収することが求められており、インターミディエイトシャフト３の外軸７と内軸８とは、軸方向Ｘに沿って伸縮可能である。よって、インターミディエイトシャフト３によって、上下の振動をスムーズに吸収するには、外軸７と内軸８とが摺動する際の抵抗、いわゆる摺動抵抗を低減する必要がある。
【００６７】
操舵部材６を回転させたときのがたつきの低減およびインターミディエイトシャフト３の伸縮時における摺動抵抗の低減のために、第１比較例の場合、内軸８において雄スプライン１１が形成されている部分には、内軸８の表面に樹脂コーティング処理が施されるが一般的である。
この樹脂コーティング処理は、流動する樹脂の粉体を入れた容器に、内軸８の雄スプライン１１が形成されている部分を浸漬する流動浸漬法によって行われる。具体的には、まず、内軸８の雄スプライン１１が形成されている部分に、金属と樹脂とを接着するためのプライマーを塗布する。次に、プライマーが塗布された内軸８の部分を流動する樹脂の粉体を入れた容器に浸漬させて、雄スプライン１１に樹脂をコーティングする。そして、雄スプライン１１に塗布されたコーティングを切削するブローチ加工を行うことにより、樹脂コーティング処理が完了する。
【００６８】
このように形成された樹脂コーティングをステアリング装置１の部品として扱うには、耐摩耗や耐熱性が求められている。
そのため、コーティング用の樹脂として耐摩耗性に優れた高分子量の樹脂を用いることが考えられる。しかし、高分子量の樹脂は、粘度が高い。言い換えると、高分子量の樹脂は、ＭＦＲ（Melt Flow Rate）すなわち流動性が低い。そのため、雄スプライン１１の歯底にまで樹脂が進入しきらないことがある。これにより、樹脂コーティングと内軸８との間に気泡が発生することがある。
【００６９】
コーティング用の樹脂の弾性率が高い場合、ブローチ加工の際に樹脂コーティングが受ける荷重が高くなり、樹脂コーティングが雄スプライン１１から剥がれたり、樹脂コーティング全体が雄スプライン１１から抜けたりすることがある。
また、コーティング用の樹脂として耐熱性に優れた高耐熱性樹脂を用いることも考えられる。しかし、高耐熱性樹脂の融点が前述したプライマーの耐熱温度を超える場合、耐熱性樹脂は、コーティング用の樹脂として不適当である。
【００７０】
したがって、雄スプライン１１には、弾性率、粘度、耐熱性の高い樹脂を流動浸漬法によって塗布することができないという加工上の問題が存在する。このように、加工上の問題によって、コーティング用の樹脂の選択には様々な制限がある。
以上のように、第１比較例では、パイプ材の軽量化が困難であるという課題や、樹脂の選択が制限されるという課題が存在する。
【００７１】
次に、金属製のスプライン部と、炭素繊維強化樹脂製、すなわちＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics）製のパイプ部とを含む第２比較例のパイプ材を想定する。ＣＦＲＰは、炭素繊維強化樹脂の一種である。詳しくは、ＣＦＲＰは、マトリックス樹脂として熱硬化性樹脂を用い、強化材として炭素繊維を用いた材料である。
第２比較例のスプライン部には、第１比較例のパイプ材と同様に、流動浸漬法によって樹脂コーティングが施される。
【００７２】
第２比較例のパイプ部は、前述したシートワインディング法や、糸状の繊維をマンドレル等の芯材に巻き付けて筒状体を形成するフィラメントワインディング法によって形成される。
ＣＦＲＰ製のパイプ部を形成する工程において熱硬化性樹脂の硬化に要する時間は、熱硬化性樹脂の流動化に要する時間および熱硬化性樹脂の昇温に要する時間を含め５時間以上であり、自動車部品製造のサイクルタイムとしては非常に長く、製造コスト増大の要因となる。
【００７３】
ＣＦＲＰ製のパイプ部と金属製のスプライン部とは、機械的締結によって連結される。ここでの機械的締結としては、ＣＦＲＰ製のパイプ部の内周面にねじを加工しスプライン部とねじ締結する手法や、ＣＦＲＰ製のパイプ部の内周面にコイル状のヘリサートを埋め込みスプライン部と締結するヘリサート手法等が挙げられる。これらの手法では、ＣＦＲＰ中の炭素繊維が切断されてしまう。そのため、パイプ部において炭素繊維が切断された部分は、強度が不十分であり、パイプ部が衝撃を受けた際のパイプ材の破壊源となる。よって、第２比較例のパイプ材は、インターミディエイトシャフト３の内軸８には、適していない。
【００７４】
また、第２比較例において、熱硬化性樹脂の代わりに、予め熱可塑性樹脂を含浸させた炭素繊維のシート、つまりＣＦＲＴＰシートを用いる場合を想定する。ＣＦＲＴＰシートは、常温ではタック性、すなわち粘性がなく、曲げるのは困難である。そのため、パイプを形成するためには、熱プレス等の成形加工によってＣＦＲＴＰシートを加熱する必要がある。さらに、加熱した２枚のＣＦＲＴＰシートを溶着させる必要がある。よって、ＣＦＲＴＰシートを用いる場合、本実施形態で用いたシートワインディング方法を用いることができないため、加工工程に手間がかかり、結果として製造コストが増大する虞がある。
【００７５】
以上のように、第２比較例のパイプ材では、第１比較例のパイプ材と同等の強度を保ちつつ、軽量化およびコスト低減を図ることは困難である。さらに、第２比較例のパイプ材では、第１比較例のパイプ材と同様に、樹脂の選択が制限されている。
図１０は、図９の二点鎖線で囲った部分を拡大した図である。
図１０を参照して、一方、本実施形態のパイプ材２０では、前述したように、熱可塑性樹脂３８は、マンドレル３０の第２成形部３２の突起３３同士の間の窪み３４と、金型４５の凹凸部６２の凹部５２内とに進入したままの状態で固化している。窪み３４および凹部５２には、炭素繊維３６が熱可塑性樹脂３８と同様に進入しており、炭素繊維３６は、軸方向Ｘから見て、周方向Ｃに沿って略波形状に延びている。
【００７６】
パイプ材２０では、金型４５の凹凸部６２の凹部５２内に進入した炭素繊維３６および熱可塑性樹脂３８が、歯部２３となる。つまり、歯部２３は、切削加工を用いずに形成されることから、パイプ材２０において炭素繊維３６が歯部２３で切断されることがないため、歯部２３を含むパイプ材２０全体の強度が低下することを抑制できる。
また、パイプ材２０は、金属ではなく、炭素繊維３６および熱可塑性樹脂３８による炭素繊維強化樹脂製であるので、一部または全部が金属製の第１比較例および第２比較例のパイプ材と比較して、大幅に軽量化を図ることができる。具体的には、パイプ材２０をインターミディエイトシャフト３に用いることで、インターミディエイトシャフト３の重量を８０％軽量化することできる。
【００７７】
また、パイプ材２０は、熱可塑性樹脂３８を用いて形成されていることから、パイプ材２０の形成に要する時間は、熱硬化性樹脂を用いる第２比較例のパイプ材等に比べて、熱硬化性樹脂を硬化させるのに必要な時間等を省けるので、短い。そのため、加工に要する時間を短縮することができるので、その分、製造コストの低減を図ることができる。
具体的には、ＣＦＲＴＰ製のパイプ材２０をプレス成形工程によって形成するために要する時間、すなわち熱可塑性樹脂３８のフィルム３９が充分流動化し炭素繊維３６内に均一に含浸されるまでの時間は、１分から１５分である。そのため、本実施形態のＣＦＲＴＰ製のパイプ材２０は、第２比較例のＣＦＲＰ製のパイプ材と比較して加工に要する時間を短縮することができる。
【００７８】
さらに、本実施形態のパイプ材２０の形成には、第１比較例や第２比較例で用いられた流動浸漬法による樹脂コーティングが不要である。そのため、本実施形成のパイプ材２０の形成は、第１比較例のパイプ材と比較して短時間、すなわち低サイクルタイムで行うことができる。結果として、本実施形態のパイプ材２０では、製造コストの低減を図ることができる。
【００７９】
その結果、歯部２３を含むパイプ材２０において、所定の強度および剛性を保ちつつ軽量化およびコストの低減を図ることができる。
また、本実施形態では、プレス成形によって、強度の高い歯部２３をパイプ材２０と同時に成形することができるため、第１比較例や第２比較例とは異なり、流動浸漬法によって歯部２３を形成する必要がない。そのため、本実施形態のパイプ材２０には、第１比較例および第２比較例のパイプ材と比較して、高い寸法精度、いわゆる歯精度の高い歯部２３が形成される。
【００８０】
そのため、パイプ材２０の製造には、前述したブローチ加工、歯部２３を形成するダイス加工および歯部２３の寸法を調整するためのなじみ加工が必要ない。そのため、これらの加工によって使用が制限されている高弾性率樹脂や、耐摩耗性に優れる高粘度材料や、高耐熱性樹脂をパイプ材２０の材料として使用することができる。これにより、パイプ材２０の歯部２３の耐摩耗性および剛性の向上を図ることができる。また、仮に、前述したなじみ加工が必要な場合でも、前述したブローチ加工およびダイス加工が必要ないため、工程を簡略化することができる。
【００８１】
このように製造したパイプ材２０をインターミディエイトシャフト３の内軸８として用いることで、パイプ材２０の歯部２３によって構成された雄スプライン１１を他部品である外軸７の雌スプライン１０などとスプライン嵌合させることができる。
また、パイプ材２０の体積に占める炭素繊維３６の体積の割合、すなわち炭素繊維３６の充填量は、３５％〜７０％が望ましい。充填量が３５％を下回ると、インターミディエイトシャフト３に必要な強度および剛性を確保できない。一方、充填量が７０％を上回ると、プレス成形工程において、熱可塑性樹脂３８が炭素繊維３６内に充分かつ均一に含浸しない。本実施形態では、熱可塑性樹脂３８のフィルム３９の厚さおよび枚数によって調整することができるし、フィルム３９の枚数と炭素繊維３６のシート３７の枚数との比率によって調整することもできる。
【００８２】
また、パイプ材２０の使用環境において想定される引張圧縮、曲げ、ねじりなどの荷重に耐えられるように、マンドレル３０に巻き付けるシート３７内の炭素繊維３６の配向を調整することもできる。
また、前述したように、マンドレル３０の第２成形部３２の外周面３２Ａには、突起３３が設けられている。そのため、プレス成形工程において、高い歯精度の歯部２３を形成することができる。
【００８３】
また、プレス成形工程において、セミプレグシート３５は、周方向Ｃの全域において、つまり３６０°いずれの方向からも均一に加圧されることが望ましい。そのため、金型４５は、単純な上下２方向のいわゆる通常プレスではなく、本実施形態のように３方向以上にスライド可能なスライドコア式のものが好ましい。さらに言うと、金型４５は、パイプ材２０の形成後において開かれた際、金型４５の凸部５３が歯部２３に引っかからない程度に、すなわち金型４５の無理抜きが発生しない程度に分割されていることが望ましい。
【００８４】
また、パイプ材２０のような筒状体の形成には、炭素繊維３６と熱可塑性樹脂３８とから構成された１枚のシート状を用いることが一般的であるが、本実施形態では、炭素繊維３６のシート３７と熱可塑性樹脂３８のフィルム３９とから構成されたセミプレグシート３５を用いている。セミプレグシート３５に用いられるシート３７およびフィルム３９は、薄くてたわみやすいため、マンドレル３０に巻き付けた際に、しわが発生しにくい。そのため、パイプ材２０を形成した後、シート３７同士の間に隙間が発生しにくいので、シート３７間の剥離が起こりにくい。
【００８５】
次に、本発明の第１変形例について説明する。
図１１は、図７に本発明の第１変形例を適用した図である。図１２は、第１変形例のパイプ材２０の断面図である。図１１および図１２において、上記に説明した部材と同様の部材には、同一の参照符号を付し、その説明を省略する。このことは、図１３においても同様である。
【００８６】
第１変形例では、セミプレグシート３５は、図１１に示すように、セミプレグシート７０およびセミプレグシート７１を含んでいる。セミプレグシート７０およびセミプレグシート７１は、本実施形態のセミプレグシート３５とほぼ同じ構造であるが、軸方向Ｘにおける長さが異なる。軸方向Ｘにおけるセミプレグシート７０の長さは、軸方向Ｘにおけるマンドレル３０の第１成形部３１の長さとほぼ同じである。軸方向Ｘにおいて、セミプレグシート７１は、マンドレル３０の第２成形部３２よりも少し長い。
【００８７】
第１変形例では、本実施形態においてマンドレル３０に１枚のセミプレグシート３５が巻き付けられる工程の代わりに、セミプレグシート７０が第１成形部３１の外周面３１Ａに巻き付けられ、セミプレグシート７１が主に第２成形部３２の外周面３２Ａに巻き付けられる。
具体的には、まず、マンドレル３０の第１成形部３１の外周面３１Ａにセミプレグシート７０が巻き付けられる。第１成形部３１および第１成形部３１に巻き付けられたセミプレグシート７０をまとめて第１ユニット７２ということにする。
【００８８】
そして、セミプレグシート７１を第２成形部３２の外周面３２Ａおよび第１ユニット７２の外周面７２Ａにおける左側Ｘ１の端部に巻き付ける。このように巻き付けられた状態のセミプレグシート７１の右側Ｘ２の端部には、段差７３が発生している。段差７３は、スプライン部２２の突起３３の先端部３３Ｂの表面と第１ユニット７２の外周面７２Ａとの間の差分に相当する。
【００８９】
第２成形部３２と、第１ユニット７２と、第２成形部３２の外周面３２Ａおよび第１ユニット７２の外周面７２Ａに巻き付けられたセミプレグシート７１とをまとめて第２ユニット７４ということにする。
そして、第２ユニット７４を金型４５内に配置し、加圧および加熱を行う。そして、金型４５を冷却することによってパイプ材２０を形成する。金型４５からパイプ材２０を取り出し、マンドレル３０の第１成形部３１および第２成形部３２をパイプ材２０から引き抜くことで、第１変形例のパイプ材２０の製造が完了する。
【００９０】
図１２を参照して、第１変形例の製造方法によって製造されたパイプ材２０のスプライン部２２は、マンドレル３０の第２成形部３２および第１ユニット７２に巻き付けられたセミプレグシート７１の厚み分だけパイプ部２１よりも大径である。パイプ部２１は、左側Ｘ１の端部において段差７５を有している。パイプ材２０では、段差７５における径方向Ｒの厚みが、マンドレル３０の第２成形部３２および第１ユニット７２に巻き付けられたセミプレグシート７１の厚みと、マンドレル３０の第１成形部３１に巻き付けられたセミプレグシート７０の厚みとの合計に等しい。
【００９１】
また、セミプレグシート７１は、必ずしも第１ユニット７２の外周面７２Ａまではみ出すように巻き付けられる必要はない。この場合、マンドレル３０の第２成形部３２に巻き付けられたセミプレグシート７１の右側Ｘ２の端面とマンドレル３０の第１成形部３１に巻き付けられたセミプレグシート７０の左側Ｘ１の端面とが突き合わされるように配置されることが好ましい。
【００９２】
図１３は、本発明の第２変形例のマンドレル３０の側面図である。
図１３に示すように、第２変形例のマンドレル３０では、第１成形部３１と第２成形部３２とが分離されている。
第２変形例の第１成形部３１は、右側Ｘ２から第２成形部３２に連結することが可能であり、第１成形部３１と第２成形部３２とが連結された状態で第１成形部３１と第２成形部３２とは、同軸状に配置される。
【００９３】
第２変形例のパイプ材２０の製造工程では、第１変形例と同様に、セミプレグシート７０が第１成形部３１の外周面３１Ａに巻き付けられ、セミプレグシート７１が第２成形部３２の外周面３２Ａに主に巻き付けられる（図１１参照）。
第２変形例では、セミプレグシート７０およびセミプレグシート７１がマンドレル３０の外周面３０Ａに巻き付けられる前にマンドレル３０の第１成形部３１とマンドレル３０の第２成形部３２とを連結してもよい。また、第１成形部３１と第２成形部３２とを連結させてからセミプレグシート７０およびセミプレグシート７１をマンドレル３０の外周面３０Ａに巻き付けてもよい。
【００９４】
この発明は、以上に説明した実施形態に限定されるものではなく、請求項記載の範囲内において種々の変更が可能である。
たとえば、本実施形態では、プレス成形工程において、セミプレグシート３５を加圧しながら加熱することで熱可塑性樹脂３８を炭素繊維３６に含浸させたが、加熱してから加圧することで熱可塑性樹脂３８を炭素繊維３６に含浸させてもよい。この場合でも、本実施形態と同様にパイプ材２０の強度を保ちつつ軽量化およびコストの低減を図ることができる。
【００９５】
また、本実施形態では、パイプ材２０の適用箇所の例として、ステアリング装置１のインターミディエイトシャフト３を挙げたが、パイプ材２０の適用箇所は、インターミディエイトシャフト３に限られない。パイプ材２０は、たとえば、ステアリング装置１の各種シャフト、ロッドおよびパイプ状の製品に適用することができる。
また、歯部２３は、必ずしも軸方向Ｘに平行に延びている必要はない。歯部２３は、たとえば、軸方向Ｘに傾斜して周方向Ｃにずれる湾曲形状を有していてもよい。
【００９６】
また、シート３７は、炭素繊維３６の織物材であってもよい。織物材は、たとえば所定の方向に直線状に延びる炭素繊維３６の束と、当該束と交差する方向に延びる炭素繊維３６の束とが平織りによって互いに織り合わされていることにより形成されている。織物材の織り方は、平織りに限定されず、綾織り、朱子織り、多軸織り等の一般的な織り方を適用することが可能である。
【００９７】
また、炭素繊維３６のシート３７と、熱可塑性樹脂３８のフィルム３９とは、必ずしもセミプレグシート３５を構成している必要ない。パイプ材２０の製造工程において、マンドレル３０の外周面３０Ａに対して、シート３７とフィルム３９とを順番に巻き付けることで、結果として、シート３７とフィルム３９とが積層されていてもよい。
また、マンドレル３０の第２成形部３２には、突起３３が設けられていない場合もあり得る。第２成形部３２に突起３３が設けられていない場合、パイプ材２０のスプライン部２２の内周面２２Ｂには、窪み２５が形成されない。
【符号の説明】
【００９８】
１…ステアリング装置、３…インターミディエイトシャフト、１１…雄スプライン、２０…パイプ材、２２Ａ…外周面、２３…歯部、３０…マンドレル、３０Ａ…外周面、３１Ａ…外周面、３２Ａ…外周面、３６…炭素繊維、３７…シート、３８…熱可塑性樹脂、３９…フィルム、４５…金型、６２…凹凸部、Ｘ…軸方向
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【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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