(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
操舵補助力発生用電動アクチュエータの回転を、駆動ギヤと、この駆動ギヤに噛み合う従動ギヤとを有する減速ギヤ機構を介して車輪に伝達する電動パワーステアリング装置において、
その従動ギヤは、合成樹脂材製の母材中にアパタイト粒子が分散されているナノコンポジットにより成形され、
前記合成樹脂材はナイロン６６であり、
前記アパタイト粒子は前記ナイロン６６の重合前原料に添加され、
前記アパタイト粒子の粒径は１０ｎｍ〜２００ｎｍとされ、
その従動ギヤの相対粘度は１００以上、３００以下とされてい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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、操舵補助力発生用電動アクチュエータの回転を減速ギヤ機構を介して車輪に伝達する電動パワーステアリング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
軽自動車や小型自動車においては、操舵補助力発生用電動アクチュエータの回転を例えばウォームとウォームホイールとから構成される減速ギヤ機構を介して車輪に伝達する電動パワーステアリング装置が用いられ、そのウォームホイールを合成樹脂材製とすることで軽量化および低騒音化が図られている。
【０００３】
近年、環境問題に対処するために車両の低燃費化が要望されていることから、普通自動車に用いられる電動パワーステアリング装置においても、そのウォームホイールを合成樹脂材製とすることが要望されている。そうすると、その電動アクチュエータは軽自動車に比べて高出力になるので、減速ギヤ機構の周囲温度が高くなり、そのウォームホイールの熱膨張や吸湿による膨潤を抑制して寸法安定性を向上し、且つ、強度を向上する必要がある。
【０００４】
そこで、そのウォームホイールを構成する合成樹脂材に、グラスファイバーやアラミド繊維等の強化繊維を添加することで寸法安定性を向上する従来技術がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、強化繊維を添加した合成樹脂材から型成形したウォームホイールは、機械加工により歯の仕上げを行う必要があることから、その機械加工された歯面において強化繊維が露出する。そうすると、その歯面における合成樹脂材と強化繊維との境界からクラックが発生して疲労強度が低下するという問題がある。また、十分な歯元強度を得ることもできなかった。さらに、ウォームホイールに噛み合うウォームの歯面を損耗させるという問題もある。
【０００６】
本発明は、上記問題を解決することのできる電動パワーステアリング装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、操舵補助力発生用電動アクチュエータの回転を、駆動ギヤと、この駆動ギヤに噛み合う従動ギヤとを有する減速ギヤ機構を介して車輪に伝達する電動パワーステアリング装置において、その従動ギヤは、合成樹脂材製の母材中にアパタイト粒子が分散されているナノコンポジットにより成形されていることを特徴とする。
上記構成によれば、合成樹脂材を母材とするナノコンポジットから従動ギヤを成形することで、軽量化および低騒音化を図ることができる。また、ナノコンポジットはナノメートル単位のアパタイト粒子により寸法安定性が向上されていることから、従来の強化繊維により寸法安定性を向上する場合に比べて、合成樹脂材との境界からのクラック発生がなく、疲労強度低下を防止できる。そのナノコンポジットにおける分散粒子がアパタイト粒子であることにより、その母材中に均一に分散させ易くなる。例えば、その母材をナイロン６（ＰＡ６）にするとケイ酸塩粒子でも均一に分散させることができるが、その母材をナイロン６よりも耐熱性に優れるナイロン６６（ＰＡ６６）にすると重合前原料に添加してもケイ酸塩粒子の均一分散性が低下する。これに対して、その母材としてナイロン６６を用いた場合でも、アパタイト粒子であれば均一に分散させることができる。
そのアパタイト粒子の粒径は、合成樹脂材製の母材中に均等分散させる上で約１０ｎｍ〜約２００ｎｍ程度が好ましい。
そのアパタイトの種類は特に限定されず、例えばフッ素アパタイト、塩素アパタイト、水酸アパタイト等の何れであってもよく、合成樹脂材製の母材中に均等分散させることができるナノメートルサイズの粒子形態であればよい。
【０００８】
前記合成樹脂材はナイロン６６であるのが好ましい。これにより従動ギヤの母材としてナイロン６等を用いるのに比べて耐熱性を向上できる。例えば、ナノコンポジットにより成形されている従動ギヤの母材をナイロン６にした場合の耐熱温度は１００℃程度であるが、その母材をナイロン６６とすることで耐熱温度を１２０℃程度にできる。
【０００９】
前記アパタイト粒子は前記ナイロン６６の重合前原料に添加されるのが好ましい。これにより、重合された後の溶融状態の合成樹脂材にアパタイト粒子を混合するのに比べて、アパタイト粒子を母材中に均一に分散させることができる。
【００１０】
その従動ギヤの相対粘度は１００以上、３００以下とされているのが好ましい。そのウォームホイールの蟻酸法による相対粘度を１００以上とすることでウォームホイールの歯元強度を向上でき、その相対粘度を３００以下とすることで成形性を確保できる。
これは以下の知見に基づくものである。
金属材製ギヤに適用される一般的な理論計算式によれば、ギヤの歯元強度はギヤ材料の引っ張り強度、曲げ強度に相関する。しかし、合成樹脂材製ウォームホイールの場合、歯元強度は材料の引っ張り強度、曲げ強度に相関しない。事実、引っ張り強度や曲げ強度を向上するために合成樹脂材に強化繊維を充填した場合、充填しなかった場合よりも歯元強度は低下した。これは、合成樹脂材製ウォームホイールの歯元強度は、合成樹脂材の弾性に基づく歯に作用する面圧の緩和と、合成樹脂材の強度のバランスとによって定まるためである。そして、その合成樹脂材の粘度を増加させることにより歯元強度を向上できることを新たに見出して本発明をなすに至った。すなわち、合成樹脂材製ウォームホイールの相対粘度を本発明では従来よりも大きな１００以上の値とすることでウォームホイールの歯元強度を増大させ、これにより疲労強度、バックラッシ増加特性も向上させた。また、本発明では合成樹脂材製ウォームホイールの相対粘度を３００以下とすることで成形性を確保できる。
【００１１】
その合成樹脂材はナイロン系合成樹脂材であるのが好ましい。
高粘度ナイロンにおいては、材料自身の引っ張り強度や曲げ強度等の初期強度は、通常粘度の合成樹脂材とかわりないが、高粘度ナイロン製従動ギヤでは歯元強度が高くなり、粘度が高くなっても吸水や熱劣化に関する性能が低下することはない。また、ナイロン系合成樹脂材は相対粘度が高くても成形性に優れると共に長寿命化を図れる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１に示す車両用電動パワーステアリング装置１は、ステアリングホイール２の操作により発生する操舵トルクを、ステアリングシャフト３によりピニオン４に伝達することで、そのピニオン４に噛み合うラック５を移動させる。そのラック５の動きがタイロッドやナックルアーム等（図示省略）を介して車輪６に伝達されることで舵角が変化する。
【００１３】
そのステアリングシャフト３により伝達される操舵トルクに応じた操舵補助力を付与するため、その操舵トルクを検出するトルクセンサ７と、その検出された操舵トルクに応じて駆動されるモータ（電動アクチュエータ）８と、そのモータ８により駆動される駆動シャフト５０の外周に設けられる金属製ウォーム（駆動ギヤ）９と、そのウォーム９に噛み合うと共にステアリングシャフト３に取り付けられるウォームホイール（従動ギヤ）１０とが設けられている。そのウォーム９とウォームホイール１０とにより減速ギヤ機構が構成されている。そのモータ８の回転を、その減速ギヤ機構を介してステアリングシャフト３から車輪６に伝達することで操舵補助力を付与できる。図２に示すように、ハウジング２１に取り付けられるモータ８により駆動される駆動シャフト５０は、そのハウジング２１により軸受６２、６３を介して支持される。
【００１４】
そのステアリングシャフト３は、ステアリングホイール２に連結される第１シャフト３ａと、この第１シャフト３ａにピン２２により連結される筒状の第２シャフト３ｂと、この第２シャフト３ｂの外周にブッシュ２５を介して相対回転可能に嵌め合わされる筒状の第３シャフト３ｃとに分割されている。各シャフト３ａ、３ｂ、３ｃの中心に沿って弾性部材としてトーションバー２３が挿入されている。そのトーションバー２３の一端は第１シャフト３ａと第２シャフト３ｂとに前記ピン２２により連結され、他端はピン２４により第３シャフト３ｃに連結されている。これにより、その第２シャフト３ｂと第３シャフト３ｃとは操舵トルクに応じて弾性的に相対回転可能とされている。
【００１５】
その第２シャフト３ｂは、そのハウジング２１に圧入されたステアリングコラム３０によりブッシュ３１を介して支持される。その第３シャフト３ｃは、ハウジング２１により軸受２６、２７を介して支持される。その第３シャフト３ｃの外周に嵌め合わされる金属製スリーブ１１の外周に、上記ウォームホイール１０が一体化されている。
【００１６】
そのトルクセンサ７は、第２シャフト３ｂに固定される磁性材製の第１検出リング３６と、第３シャフト３ｃに固定される磁性材製の第２検出リング３７と、両検出リング３６、３７の対向間を覆う検出コイル３３とを有する。第１検出リング３６の端面に周方向に沿って設けられる複数の歯３６ａと、第２検出リング３７の端面に周方向に沿って設けられる複数の歯３７ａとの対向面積が、第２シャフト３ｂと第３シャフト３ｃの操舵トルクに応じた弾性的な相対回転に応じて変化し、その変化に対応して検出コイル３３の発生磁束に対する磁気抵抗が変化することから、その検出コイル３３の出力に基づき操舵トルクが検出できる。このトルクセンサ７は公知の構成のものを用いることができる。その検出された操舵トルクに対応した信号に応じて上記モータ８が駆動され、このモータ８の回転はウォーム９、ウォームホイール１０を介してステアリングシャフト３に伝達される。
【００１７】
そのウォームホイール１０は、合成樹脂材製の母材中にナノメートルオーダーのアパタイト粒子を分散させることで構成される複合材であるナノコンポジットにより、射出成形工程を経て成形されている。その合成樹脂材はナイロン６６とされている。そのアパタイト粒子は、そのナイロン６６の重合前原料に添加されることで、そのナイロン６６中に分散されている。そのウォームホイール１０におけるアパタイト粒子の添加割合は、熱変形を十分に抑制し、１重量％以上とするのが好ましく、また、ウォームホイール１０の成形性を確保するために５重量％以下とするのが好ましい。そのウォームホイール１０の線膨張係数は４×１０-5〜８×１０-5ｃｍ／（ｃｍ・℃）とするのが好ましい。そのウォームホイールの相対粘度（ＶＲ）は蟻酸法により測定した値が１００以上、３００以下とされている。
【００１８】
そのウォームホイール１０の相対粘度が大きくなると、原料となるナノコンポジットペレットの粘度も大きくなる。そうすると、そのペレットを溶融した溶液の粘度が大きくなるので、その溶液を成形型のキャビティ内に射出してウォームホイール１０を成形する際の成形性が低下する。そのため本実施形態では、図３に示すように、ウォームホイール１０の成形型９０のゲート９０ａはフィルムゲートとされている。これにより、その相対粘度が大きくても、キャビティ９０ｂ内に材料を均一に充填できるようにしている。なお、材料をキャビティ９０ｂ内に均一に充填するためにゲート９０ａの肉厚ｔは２．５ｍｍ以上とするのが好ましく、ランナー９０ｃの長さＬは短い程に好ましいが金型剛性を確保する必要があることから４０ｍｍ以上５０ｍｍ以下とするのが好ましく、そのランナー９０ｃの入口径Ｄ１は材料の流動抵抗低減のために４ｍｍ以上とすると共に材料射出ノズルの径（通常３ｍｍ）との段差による抵抗低減のために６ｍｍ以下とするのが好ましく、そのランナー９０ｃの出口径Ｄ２は材料の流動抵抗低減のために１３ｍｍ以上として最大径はゲート９０ａの直径に等しくしてもよい。本実施形態では、その成形型９０に上記スリーブ１１を挿入した状態で射出成形を行うことでウォームホイール１０をスリーブ１１に一体化し、その成形後にゲート９０ａやランナー９０ｃに充填された材料の除去やウォームホイール１０の歯の仕上げ等を機械加工により行っている。
【００１９】
上記構成によれば、合成樹脂材を母材とするナノコンポジットからウォームホイール１０を成形することで、軽量化および低騒音化を図ることができる。また、ナノコンポジットはナノメートル単位のアパタイト粒子により寸法安定性が向上されていることから、従来の強化繊維により寸法安定性を向上する場合に比べて、合成樹脂材との境界からのクラック発生がなく、疲労強度低下を防止できる。そのナノコンポジットにおける分散粒子がアパタイト粒子であることにより、母材として耐熱性に優れるナイロン６６を用いた場合でも、その母材中に均一に分散させることができる。これによりウォームホイール１０の寸法安定性、耐熱性、強度を向上できる。そのウォームホイールの相対粘度を１００以上とすることでウォームホイールの歯元強度、疲労強度、バックラッシ増加特性を向上でき、その相対粘度を３００以下とすることで成形性を確保できる。また、高粘度ナイロンを母材とするナノコンポジットから成形されるウォームホイールは歯元強度が高く、粘度が高くなっても吸水や熱劣化に関する性能が低下することはない。
【００２０】
本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、減速ギヤ機構をウォームとウォームホイール以外の種類のギヤにより構成してもよい。
【００２１】
【実施例】
ナノコンポジット製のウォームホイールの耐久試験と強度試験と耐熱試験とを行い、また、寸法安定性を評価した。
その耐久試験と強度試験においては、ナイロン６６を母材として粒径１０ｎｍ〜２００ｎｍのアパタイト（Ｃａ10（ＰＯ4 ） 6（ＯＨ）2 ）を３重量％添加したナノコンポジットから射出成形し、相対粘度を６０としたウォームホイールを実施例ａ、相対粘度を１８０としたウォームホイールを実施例ｂとした。
その耐熱試験においては、ナイロン６６を母材として粒径１０ｎｍ〜２００ｎｍのアパタイトを３重量％添加したナノコンポジットから射出成形し、相対粘度を１８０としたものを実施例ｃ、ナイロン６を母材として粒径１０ｎｍ〜２００ｎｍの珪酸塩を３重量％添加したナノコンポジットから射出成形し、相対粘度を６０としたものを比較例ｄとした。
その耐久試験は、車輪側から一定の負荷を作用させた状態で、ステアリングホイールを一定回転角度で往復回転させ、そのウォームホイールの歯が破損した時の往復回転サイクルを測定した。その結果、実施例ａでは１５０００サイクルであり、実施例ｂでは９００００サイクルであった。
その強度試験は、ウォームホイールをロックした状態でウォームにトルクを付加し、そのウォームホイールの歯が破損した時のウォームに付加したトルクをウォームホイールの最大伝達トルクとして測定した。その結果、実施例ａでは１１Ｎ・ｍであり、実施例ｂでは３０Ｎ・ｍであった。
その耐熱試験は、試験温度雰囲気下に所定時間放置した試験片の強度低下を評価し、製品として使用可能な必要強度と使用時間を維持し得る最高温度を求めた。その結果、実施例ｃでは使用可能温度が１２０℃であり、比較例ｄでは使用可能温度が１００℃であった。
また、ナイロン６６を母材として粒径１０ｎｍ〜２００ｎｍのアパタイト（Ｃａ10（ＰＯ4 ） 6（ＯＨ）2 ）を３重量％添加したナノコンポジットから射出成形したウォームホイールの成形収縮率は約１．５％、大気平衡吸水率は約２．０％であったのに対して、アパタイトを添加しなかったウォームホイールの成形収縮率は約１．９％、大気平衡吸水率は約２．５％であった。
上記実施例から本発明によればウォームホイールの強度向上、長寿命化、耐熱性向上、寸法安定性向上を図れることを確認できる。
【００２２】
【発明の効果】
本発明によれば、操舵補助力発生用電動アクチュエータの回転を伝達するウォームホイールを、合成樹脂材に微細なアパタイト粒子を分散させたナノコンポジットから成形することで、そのウォームホイールの寸法安定性、耐熱性、強度を向上して長寿命化を図ることができる電動パワーステアリング装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の電動パワーステアリング装置の断面図
【図２】図１のＩＩ‐ＩＩ線断面図
【図３】本発明の実施形態のウォームホイールの成形型の構成説明図
【符号の説明】
６  車輪
８  モータ
９  ウォーム（駆動ギヤ）
１０  ウォームホイール（従動ギヤ）
【図１】
0004479870.tif 000002
【図２】
0004479870.tif 000003
【図３】
0004479870.tif 000004