(57)【要約】      （修正有）【課題】ウォームホイールに求められる寸法安定性に優れることで、高信頼性を有する電動パワーステアリング用減速ギアの提供。【解決手段】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ア２０において、前記減速ギアが、サーモトロピック液晶ポリマー、加硫アクリルゴムの超微粒子、及びシランカップリング剤処理ガラス繊維を含有する樹脂組成物からなる樹脂部３を金属製芯管１の外周に一体に設けると共に前記樹脂部の外周面にギア歯１０を形成して構成されるウォームホイール１１を備えることを特徴とする。【選択図】図１
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【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アにおいて、前記減速ギアが、少なくともサーモトロピック液晶ポリマーを含有する樹脂組成物からなる樹脂部を金属性芯管の外周に一体に設けると共に前記樹脂部の外周面にギア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する電動パワーステアリング装置用減速ギア。
【請求項２】
前記サーモトロピック液晶ポリマーが、ポリマー主鎖中にパラヒドロキシ安息香酸を含む芳香族ポリエステルであることを特徴とする、請求項1記載の電動パワーステアリング装置用減速ギア。
【請求項３】
前記樹脂組成物が、ガラス繊維、炭素繊維、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等の中から選ばれる少なくとも1つの機械的強度強化材を含有することを特徴とする、請求項1または2のいずれか1項記載の電動パワーステアリング装置用減速ギア。
【請求項４】
前記樹脂組成物が、耐衝撃性向上材を含有することを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項記載の電動パワーステアリング装置用減速ギア。
【請求項５】
前記耐衝撃性向上材が、加硫ゴム超微粒子であることを特徴とする、請求項4記載の電動パワーステアリング装置用減速ギア。
【請求項６】
前記加硫ゴム超微粒子が、スチレンブタジエンゴム、アクリルゴム、アクリロニトリルブタジエンゴム、カルボキシル変性アクリロニトリルブタジエンゴム、シリコンゴム、クロロプレンゴム、水素添加アクリロニトリルブタジエンゴム、カルボキシル変性水素添加アクリロニトリルブタジエンゴム、カルボキシル変性スチレンブタジエンゴムの中から選ばれる少なくとも1つであることを特徴とする、請求項5記載の電動パワーステアリング装置用減速ギア。
【請求項７】
前記耐衝撃性向上材が、エチレンプロピレン非共役ジエンゴム、無水マレイン酸変性エチレンプロピレン非共役ジエンゴム、エチレン／アクリレート共重合体、アイオノマーから選ばれる少なくとも1つであることを特徴とする、請求項4記載の電動パワーステアリング装置用減速ギア。
【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アに関する。
【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ア（以下、単に「減速ギア」ともいう）が使用されるのが一般的である。
【０００３】
このような減速ギア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不具合を生じていた。そこで、ウォームホイール11に、金属製の芯管1の外周に、樹脂製で外周面にギア歯10を形成している樹脂部3を一体化させたものを使用して騒音対策を行っている。
【０００４】
上記樹脂部3には、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）等のべ一ス樹脂に、ガラス繊維や炭素繊維等の機械的強度強化材を配合した材料の他、機械的強度強化材を含有しないMC（モノマーキャスト）ナイロン、ポリアミド6、ポリアミド66などの材料が提案されている。しかし、耐疲労性、寸法安定性、コスト等を考慮して、機械的強度強化材を含有しないMCナイロン、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等が現在では主流になっている。
【特許文献１】特公平6-60674号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記の脂肪族ポリアミド系材料は、耐疲労性に優れるものの、吸水性が高く、水分を吸収してウォームホイール11のギア歯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ったり、更に膨潤するとウォーム12を圧迫する可能性もある。それによって、ギアの抵抗が大きくなって、結果としてハンドルが重くなったり、また圧迫によってギア部が摩耗や破損を起こし、装置全体として機能しなくなることも想定される。
【０００６】
本発明はこのような状況に着目してなされたものであり、ウォームホイールに求められる、特に寸法安定性に優れることで、高信頼性を有する電動パワーステアリング用減速ギア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】
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アにおいて、前記減速ギアが、少なくともサーモトロピック液晶ポリマーを含有する樹脂組成物からなる樹脂部を金属性芯管の外周に一体に設けると共に前記樹脂部の外周面にギア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する電動パワーステアリング装置用減速ギアにより達成される。
【０００８】
本発明の1つの形態は、本発明の電動パワーステアリング装置用減速ギアにおいて、サーモトロピック液晶ポリマーが、ポリマー主鎖中にパラヒドロキシ安息香酸を含む芳香族ポリエステルであることを特徴とする。
【０００９】
本発明の別の1つの形態は、電動パワーステアリング装置用減速ギアにおいて、前記樹脂組成物に機械的強度強化材及び／又は耐衝撃性向上材を含有する組成としたことを特徴とする。
【００１０】
本発明の他の1つの形態は、電動パワーステアリング装置用減速ギアにおいて、前記耐衝撃性向上材が、加硫ゴム超微粒子であることを特徴とする。
【００１１】
本発明のさらに別の1つの形態は、電動パワーステアリング装置用減速ギアにおいて、加硫ゴム超微粒子が、スチレンブタジエンゴム、アクリルゴム、アクリロニトリルブタジエンゴム、カルボキシル変性アクリロニトリルブタジエンゴム、シリコンゴム、クロロプレンゴム、水素添加アクリロニトリルブタジエンゴム、カルボキシル変性水素添加アクリロニトリルブタジエンゴム、カルボキシル変性スチレンブタジエンゴムの中から選ばれる少なくとも1つであることを特徴とする。
【００１２】
本発明のさらに他の1つの形態は、電動パワーステアリング装置用減速ギアにおいて、前記耐衝撃性向上材が、エチレンプロピレン非共役ジエンゴム（以下、「EPDM」ともいう。）、無水マレイン酸変性EPDM、エチレン／アクリレート共重合体、アイオノマーから選ばれる少なくとも1つであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ウォームホイールの樹脂部の樹脂成分を、低吸水で耐熱性に優れるサーモトロピック液晶ポリマーとしたことで、耐久性を維持しつつ寸法安定性に優れた高信頼性電動パワーステアリング用減速ギアが得られる。また、耐衝撃性向上材を含有させることで、靭性を改良し、より信頼性を向上させることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の一実施形態について詳細に説明する。本発明の減速ギアは、金属製の芯管の外周に、樹脂製でその外周端面にギア歯を形成した樹脂部を一体化したウォームホイールを備える。このような構成自体は、図1に示したような、芯管1と樹脂部3とを一体化した従来のウォームホイール11と同様である。また、ウォーム12には制限はなく、従来と同様に金属製とすることができる。
【００１５】
但し、樹脂部の樹脂成分が、低吸水で耐熱性に優れるサーモトロピック液晶ポリマー（以下、「LCP」ともいう。）からなる樹脂組成物で形成する。サーモトロピック液晶ポリマーは、各社から発売されており、代表的なものとして、新日本石油化学（株）の「ザイダー」、ポリプラスチックス（株）の「ベクトラ（登録商標）」、東レ（株）の「シベラス」、住友化学（株）の「スミカスーパーLCP」等がある。各社のサーモトロピック液晶ポリマーの化学構造式は、完全には明らかになっていないが、以下の式［I］、［II］で示されるようなポリマーの主鎖中にパラヒドロキシ安息香酸を含む芳香族ポリエステルが主体である。
【００１６】
【化１】
2007176230.tif 000003
［I］
【００１７】
【化２】
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［II］
サーモトロピック液晶ポリマー（LCP）としては、式［III］に示すようなポリマーの主鎖中にパラヒドロキシ安息香酸を含まない芳香族ポリエステルアミドであってもよい。
【００１８】
【化３】
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［III］
耐熱性、引張強度、耐衝撃性、加工性等のバランスから、熱変形温度が180〜250℃の範囲に入るサーモトロピック液晶ポリマーが最も好適である。熱変形温度が180未満のものは、耐熱性、引張強度が低く、好ましくない。熱変形温度が250℃を超えるものは、耐衝撃性、加工性が低く、好ましくない。
【００１９】
本発明で使用できるサーモトロピック液晶ポリマー（LCP）は、以下の表1に比較するように、従来の電動パワーステアリング装置用減速ギアで使用していたポリアミド樹脂に比べて吸水性が非常に低いので、吸水による寸法変化をほとんど考えなくて良い。
【００２０】
【表１】
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サーモトロピック液晶ポリマー（LCP）は、自己補強効果を持ち、機械的強度強化材を含有しなくても、分子鎖の成形時の流動方向への配向により引張強度等の機械的強度が高く、減速ギアとして十分な耐久性を有している。また、特に流動方向の線膨張率が大変小さく、大体1×10-5／℃オーダーで、通常のプラスチックより1桁低い値で、金属の値に近い。そのため、電動パワーステアリング装置用減速ギアの使用される高温域での樹脂ギアの膨張によって、ギアの作動が重くなる等に不具合が起こりにくい。
【００２１】
サーモトロピック液晶ポリマーは、溶融状態で既に結晶性を有しているため、通常の結晶性プラスチックのように固化時に生じる無定形から結晶への相変化に起因する体積収縮がない。それによって成形収縮が大変小さいので、芯管をコアにしたインサート成形を行っても、樹脂部に割れ等が発生しにくく、成形収縮が大きい機械的強度強化材であっても十分使用可能である。
【００２２】
本発明の樹脂組成物は、構成成分が樹脂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の摩耗に対しては有利に働き、減速ギアとして機能する。しかしながら、より過酷な使用条件で使用されると、ギア歯10が破損や摩耗することも想定されるため、信頼性をより高めるために、機械的強度強化材を配合することが好ましい。また、機械的強度強化材を配合することで、樹脂組成物全体としての異方性が緩和され、成形時の流動方向と流動方向に対する直角方向とで、線膨張率、機械的強度等の差が小さくなり、減速ギアとしてバランスが良くなる。
【００２３】
機械的強度強化材としては、ガラス繊維、炭素繊維、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等が好ましく、サーモトロピック液晶ポリマーとの接着性を考慮してシランカップリング剤で表面処理したものが更に好ましい。また、これらの機械的強度強化材は複数種を組み合わせて使用することができる。ガラス繊維としては、従来から使用されていた平均繊維径10〜13μmのものでも構わないが、より微細な平均繊維径5〜9μmのものの方が、同じ含有量で比較すると、機械的強度、疲労強度等がより向上するので、より好適である。上記の機械的強度強化材としては、衝撃強度を考慮すると、ガラス繊維や炭素繊維などの繊維状物を配合することが好ましく、更にウォーム12の損傷を考慮するとウィスカー状物を繊維状物と組み合わせて配合することが好ましい。混合使用する場合の混合比は、繊維状物及びウィスカー状物の種類により異なり、衝撃強度やウォーム12の損傷等を考慮して適宜選択される。機械的強度強化材は、全体の5〜40重量%、更に好ましくは10〜30重量%である。添加量が5重量%未満の場合は、機械的強度の改善が少なく好ましくない。添加量が40重量%を越える場合は、ウォーム12を損傷し易くなり、ウォーム12の摩耗が促進されて減速ギアとしての耐久性が不足する可能性があり、好ましくない。
【００２４】
上記の樹脂組成物の靭性を向上させるために、樹脂組成物中に耐衝撃性向上材を更に添加すると更に好適である。
【００２５】
このサーモトロピック液晶ポリマーの耐衝撃性向上材として混入させる加硫ゴム超微粒子としては、スチレンブタジエンゴム、アクリルゴム、アクリロニトリルブタジエンゴム、カルボキシル変性アクリロニトリルブタジエンゴム、シリコンゴム、クロロプレンゴム、水素添加アクリロニトリルブタジエンゴム、カルボキシル変性水素添加アクリロニトリルブタジエンゴム、カルボキシル変性スチレンブタジエンゴムの中から選ばれる少なくとも1種類で、平均粒子径で30〜300nmの範囲に入る微細な微粒子である。平均粒子径で30nm未満の場合は、製造上コストがかかると共に、微細すぎて劣化しやすく好ましくない。平均粒子径で300nmを越える場合は、分散性が低下する共に、耐衝撃性の改善を均一に行うことが難しく好ましくない。上記説明した加硫ゴム超微粒子の中で、ペレット製造及び実際のギア成形時の劣化を考慮すると、アクリロニトリルブタジエンゴム（以下、「ニトリルゴム」ともいう。）、カルボキシル変性アクリロニトリルブタジエンゴム、アクリルゴム、シリコンゴム、水素添加ニトリルゴム、カルボキシル変性水素添加ニトリルゴムが好適であり、更にその中でも、分子構造中に、カルボキシル基やエステル基などのサーモトロピック液晶ポリマーと相互作用が比較的強い有機官能基を有する、カルボキシル変性アクリロニトリルブタジエンゴム、アクリルゴム、カルボキシル変性水素添加ニトリルゴムがより好適である。これらの加硫ゴム超微粒子は、熱や酸素での劣化を防止して、4,4'−(α,α−ジメチルベンジル)ジフェニルアミン等のジフェニルアミン系老化防止剤、2−メルカプトベンズイミダゾール等の二次老化防止剤等を含有させたものとしてもよい。このサーモトロピック液晶ポリマーの耐衝撃性向上材として混入させるものとしては、その他エチレンプロピレン非共役ジエンゴム（EPDM）、無水マレイン酸変性EPDM、エチレン／アクリレート共重合体、アイオノマー等も使用可能である。これらの化合物はペレット状であり、サーモトロピック液晶ポリマー、機械的強度強化材などと混合して押出機でペレット化する際に、流動化し、樹脂組成物中にミクロ分散される。
【００２６】
加硫ゴム超微粒子、EPDM等からなる耐衝撃性向上材の添加量は、樹脂組成物全量中で、5〜35重量%、より好ましくは10〜30重量%である。添加量が5重量%未満の場合は、少なすぎて耐衝撃性の改善効果が少なく好ましくない。添加量が35重量%を越える場合は、耐衝撃性は向上するものの、樹脂成分が少なくなることで引張強度等が低下するため実用性が低くなる。ウォームホイールを製造する方法は制限されるものではなく、例えば以下に示す工程に従うことができる。図2に示すような金属製芯管1の外周面1aにクロスローレット加工を施し、溶剤等で脱脂した後、この芯管1を図3に示すようなスプルー4及びディスクゲート5を装着した金型に配置し、射出成形機により上記の樹脂組成物を充填して樹脂部3を成形する。この樹脂部3は、外周部にヘリカルギア形状（図示しない）を有しており、スプルー4とディスクゲート5を切除後、さらに切削加工（ホブ加工）により、外周部はウォームホイール形状へと仕上げられる。ただし、サーモトロピック液晶ポリマーは、従来の熱可塑性プラスチックに比べて、ウェルド強度が弱いので、ウェルド部ができないディスクゲート方式の射出成形で樹脂部の成形を行うことが、ギア全体として高強度が維持され、最も好適である。
【００２７】
尚、サーモトロピック液晶ポリマーは単独でも耐熱性に優れるが、更に成形時及び使用時の熱による劣化を防止するために、樹脂組成物には、ヨウ化銅とヨウ化カリウムの混合物からなる熱安定剤、あるいはアミン系酸化防止剤等を単独あるいは併用して適量添加してもよい。これにより、熱安定性が更に向上する。
【実施例】
【００２８】
（実施例）、（比較例）
樹脂ギア組成を表2に示し、樹脂ギア構造を図1に示す。
【００２９】
［ウォームホイール試験体の作製］
表2に示すサーモトロピック液晶ポリマー、耐衝撃性向上材及び機械的強度強化材を配合して樹脂組成物（樹脂ペレット）を調製した。クロスレーレット加工を施し、脱脂した外径45mm、幅13mmの材質S45C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樹脂組成物からなる成形材料を充填して、外径60mm、幅13mmの外周部にヘリカルギア歯を有するものを作成した。その後、ホブカッターを用いた切削加工で、ギア歯の仕上げを行い、ウォームホイール試験体を作成した。
【００３０】
【表２】
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［寸法安定性の評価］
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ア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「O」、40μmを越えるものを不合格「×」として表3に示す。
【００３１】
・条件I：60℃、90%RH、70hr
・条件II：80℃、90%RH、300hr
［耐久性評価］
各試験体を実際の自動車減速ギアに組み込み、下記条件Iまたは条件IIにて操舵操作を繰返し行った。何れの条件においても、10万回の操舵に耐えることができた減速ギアを合格「○」、10万回の操舵に耐えることができなかった減速ギアを不合格「×」として表3に示す。
【００３２】
・条件I：30℃、50%RH
・条件II：50℃、90%RH
【００３３】
【表３】
2007176230.tif 000008
実施例1〜3が全ての試験で合格なのに対し、従来の高吸水のポリアミド樹脂を用いた比較例1は、高温、高湿度の過酷な条件では、寸法安定性が悪いために、それに伴って耐久性も持たなくなっている。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明の樹脂製歯車は、例えば、電動パワーステアリング装置のパワーアシスト部を構成する歯車減速機構に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】ウォームホイールの構成を示す斜視図である。
【図２】ウォームホイールを製造するための図であり、芯管の断面図である。
【図３】ウォームホイールを製造するための図であり、成形金型の断面図である。
【図４】平歯車の斜視図である。
【図５】はすば歯車の斜視図である。
【図６】かさ歯車の斜視図である。
【図７】ハイポイドギアの斜視図である。
【符号の説明】
【００３６】
1      芯管
3      樹脂部
10     歯
11      ウォームホイール
12      ウォーム
20      減速ギア
【図１】
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【図２】
2007176230.tif 000010
【図３】
2007176230.tif 000011
【図４】
2007176230.tif 000012
【図５】
2007176230.tif 000013
【図６】
2007176230.tif 000014
【図７】
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