(57)【要約】【課題】ボイドを生じることなく、またポストキュアを必要とせずに、スリーブと樹脂部材の接着強度を向上して、当該樹脂部材の浮き上がりのない歯車を製造できる製造方法を提供する。【解決手段】スリーブ３の外周面６に、樹脂部材５を形成する熱可塑性樹脂の融点より低温で熱溶融して接着性を発現する熱可塑性樹脂系の接着剤からなるプライマ層８を形成し、当該スリーブ３を予熱した状態で、その外周に、樹脂部材５のもとになる熱可塑性樹脂を環状に射出成形する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スリーブ、および前記スリーブの外周に一体に設けられた、熱可塑性樹脂からなり、外周面に歯を有する環状の樹脂部材を備えた歯車の製造方法であって、
前記スリーブの外周面に、前記樹脂部材を形成する熱可塑性樹脂の融点より低温で熱溶融して接着性を発現する熱可塑性樹脂系の接着剤からなるプライマ層を形成する工程、
前記スリーブを予熱する工程、
および予熱した前記スリーブの外周に、前記樹脂部材のもとになる熱可塑性樹脂を環状に射出成形する工程
を含むことを特徴とする歯車の製造方法。
【請求項２】
前記樹脂部材は、ＩＳＯ  ３０７：２００７に規定されたギ酸法に則って、キャノン−フェンスケ管を用いて測定される相対粘度が１５０Ｐａ・ｓ以上である熱可塑性樹脂によって形成する請求項１に記載の歯車の製造方法。
【請求項３】
前記スリーブは、前記外周面に凹凸を備えている請求項１または２のいずれか１項に記載の歯車の製造方法。
【請求項４】
前記樹脂部材を形成する熱可塑性樹脂はポリアミドであり、前記接着剤はポリアミド系の接着剤である請求項１ないし３のいずれか１項に記載の歯車の製造方法。
【請求項５】
前記射出成形の工程で、前記樹脂部材のもとになる、外周面が円筒状の前駆体を形成したのち、前記外周面を切削加工して前記歯を形成する請求項１ないし４のいずれか１項に記載の歯車の製造方法。
【請求項６】
前記射出成形の工程で、外周面に前記歯を有する前記樹脂部材を形成する請求項１ないし４のいずれか１項に記載の歯車の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、歯車の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば電動パワーステアリング装置においては、操舵補助用の電動モータの回転を、減速機を介して減速するとともに出力を増幅して転舵機構に伝えることで、運転者の操作による転舵機構の動作をトルクアシストしている。
減速機としては通常、互いに噛み合うウォームシャフトとウォームホイールとを備えたものが用いられる。
【０００３】
またウォームホイールとしては、例えば操舵時のラトル音（歯打ち音）を低減するために、少なくとも歯を樹脂によって形成した歯車を用いる場合がある。
かかる歯車としては、例えば金属製で環状のスリーブの外周に、熱可塑性樹脂の射出成形（インサート成形）等によって環状の樹脂部材を一体に形成した後、当該樹脂部材の外周面に、切削加工等によって歯を形成したものなどが挙げられる。
【０００４】
樹脂部材のもとになる熱可塑性樹脂としては、例えばポリアミド（ＰＡ６、ＰＡ６６、ＰＡ４６等）や芳香族ポリアミド、ポリアセタール、ＰＥＥＫ、ＰＰＳ等が挙げられ、特にＰＡ６６等のポリアミドが汎用される。
スリーブの外周面には、例えばインボリュートスプライン加工、ローレット加工等によって凹凸を形成しておき、射出成形後の樹脂部材の収縮によるいわゆる抱きつきによって、上記樹脂部材とスリーブとを互いに固定して抜け止め、回り止めとする場合がある。
【０００５】
熱可塑性樹脂としては、歯車の耐久寿命を確保するために、できるだけ高分子量タイプのものが好適に使用される。
しかし高分子量の熱可塑性樹脂は溶融粘度が高いため、射出成形時に、特にスリーブの外周面の凹凸に良好に追従できないまま固まってしまう、いわゆる巻き込みボイドを生じやすい。
【０００６】
そこでボイドの発生を抑制するべく、スリーブを予熱した状態でインサート成形に使用して、熱可塑性樹脂の固化を遅らせる場合がある。
近年、環境負荷軽減の要求に基づいて自動車用部品のさらなる軽量化が求められるようになってきており、電動パワーステアリング装置についても軽量化、および小型化が必要となりつつある。また、電動パワーステアリング装置をより大型の自動車に搭載するべく、電動モータが高出力化される傾向もある。
【０００７】
しかし、特に歯車の樹脂部材を繊維強化していないポリアミド等によって形成した場合には、上記軽量化、小型化や、あるいは電動モータの高出力化に伴って耐久寿命の不足を生じて、樹脂部材が比較的短期間で破損するおそれがある。
例えば、減速機の作動時に発生する面圧に由来して樹脂部材に径方向の力が加わると、当該樹脂部材がスリーブから浮き上がって金属等からなるウォームシャフトとの噛み合いの不良を生じて、歯底から割れたりするおそれがある。
【０００８】
そこで特許文献１では、スリーブに対する樹脂部材の接着強度を向上して浮き上がりを抑制するべく、上記スリーブの外周面をカップリング剤で処理したり、あるいは上記外周面に熱硬化性樹脂や高耐熱の熱可塑性樹脂等からなる接着剤を塗布したりしたのち、樹脂部材をインサート成形することが検討されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００７−１５６０４号公報
【発明の概要】
【００１０】
ところが、ボイドの発生を抑制するべくスリーブを予熱する場合、カップリング剤は低分子量で、予熱中に分解して失活してしまうため、接着強度を向上することはできない。
また、例えばポリイミドやエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂からなる接着剤は、上記予熱時に熱硬化反応して接着性を失ってしまうため、やはり接着強度を向上することはできない。
【００１１】
さらにポリエーテルイミドやポリアミドイミド等の、樹脂部材を形成する熱可塑性樹脂より高耐熱、高融点の熱可塑性樹脂からなる接着剤は、ボイドの発生を抑制する程度の予熱や、あるいは熱可塑性樹脂を射出成形して樹脂部材を形成する際の熱等では接着性を発現しないため、やはり接着強度を向上することができない。
高耐熱の熱可塑性樹脂からなる接着剤は、樹脂部材の成形後に高温に加熱（ポストキュア）すれば、接着性を発現させることはできる。
【００１２】
しかしポストキュア時の熱によって樹脂部材が変形したりするおそれがある他、歯車の製造に要するエネルギーが増大して、前述した環境負荷軽減の要求に反することにもなってしまう。
本発明の目的は、ボイドを生じることなく、またポストキュアを必要とせずに、スリーブと樹脂部材の接着強度を向上して、当該樹脂部材の浮き上がりのない歯車を製造できる製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
請求項１に記載の発明は、スリーブ（３）、および前記スリーブの外周に一体に設けられた、熱可塑性樹脂からなり、外周面に歯（４）を有する環状の樹脂部材（５）を備えた歯車（１）の製造方法であって、
前記スリーブの外周面（６）に、前記樹脂部材を形成する熱可塑性樹脂の融点より低温で熱溶融して接着性を発現する熱可塑性樹脂系の接着剤からなるプライマ層（８）を形成する工程、
前記スリーブを予熱する工程、
および予熱した前記スリーブの外周に、前記樹脂部材のもとになる熱可塑性樹脂を環状に射出成形する工程
を含むことを特徴とする歯車の製造方法である。
【００１４】
請求項２に記載の発明は、前記樹脂部材は、ＩＳＯ  ３０７：２００７に規定されたギ酸法に則って、キャノン−フェンスケ管を用いて測定される相対粘度が１５０Ｐａ・ｓ以上である熱可塑性樹脂によって形成する請求項１に記載の歯車の製造方法である。
請求項３に記載の発明は、前記スリーブは、前記外周面に凹凸（７）を備えている請求項１または２のいずれか１項に記載の歯車の製造方法である。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、前記樹脂部材を形成する熱可塑性樹脂はポリアミドであり、前記接着剤はポリアミド系の接着剤である請求項１ないし３のいずれか１項に記載の歯車の製造方法である。
請求項５に記載の発明は、前記射出成形の工程で、前記樹脂部材のもとになる、外周面（９）が円筒状の前駆体（１０）を形成したのち、前記外周面を切削加工して前記歯を形成する請求項１ないし４のいずれか１項に記載の歯車の製造方法である。
【００１６】
請求項６に記載の発明は、前記射出成形の工程で、外周面に前記歯を有する前記樹脂部材を形成する請求項１ないし４のいずれか１項に記載の歯車の製造方法である。
なお括弧内の英数字は、後述する実施の形態における対応構成要素等を示す。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１に記載の発明によれば、スリーブの外周面に、樹脂部材を形成する熱可塑性樹脂の融点より低温で熱溶融して接着性を発現する熱可塑性樹脂系の接着剤からなるプライマ層を形成することにより、ボイドを生じることなく、またポストキュアを必要とせずに、スリーブと樹脂部材の接着強度を向上して、当該樹脂部材の浮き上がりのない歯車を製造できる。
【００１８】
すなわち上記プライマ層は、ボイドの発生を抑制するべくスリーブを予熱した際に、低分子量のカップリング剤のように分解して失活したり、熱硬化性の接着剤のように熱硬化反応して接着性を失ったりしない上、かかる予熱をしたスリーブの外周に熱可塑性樹脂を射出成形する際の熱だけで、高耐熱の熱可塑性樹脂からなる接着剤のようにポストキュア等を必要とせずに良好な接着性を発現し、スリーブと樹脂部材の接着強度を向上して、当該樹脂部材の浮き上がりを良好に抑制できる。
【００１９】
また予熱の工程を経ることにより、高分子量の熱可塑性樹脂を使用したり、外周面に凹凸を備えたスリーブを使用したりしても、上記のようにボイドが生じるのを良好に抑制できる。
そのため請求項２に記載したように、ＩＳＯ  ３０７：２００７に規定されたギ酸法に則って、キャノン−フェンスケ管を用いて測定される相対粘度が１５０Ｐａ・ｓ以上である高分子量の熱可塑性樹脂を使用して歯車の耐久寿命を向上できる。
【００２０】
また請求項３に記載したように、外周面に凹凸を備えたスリーブを使用して樹脂部材とスリーブを良好に固定でき、より確実に抜け止め、回り止めすることもできる。
請求項４に記載の発明によれば、樹脂部材をポリアミドによって形成するとともに、プライマ層を、当該ポリアミドと同系で親和性、相溶性に優れたポリアミド系の接着剤によって形成することにより、スリーブと樹脂部材の接着強度をさらに向上して、樹脂部材の浮き上がりをより一層良好に抑制できる。
【００２１】
請求項５に記載の発明によれば、射出成形に使用する金型の構造を簡略化できる。すなわち金型の、樹脂部材の前駆体の外周面に対応する面を単なる円筒状に形成できる。それとともに、複雑な型抜き機構を省略できる。
一方、請求項６に記載の発明によれば、射出成形後に外周面を切削加工して歯を形成する工程を省略できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図(a)(b)は、本発明の歯車の製造方法の一例の各工程を示す斜視図である。
【図２】図(a)は、図１(a)(b)の続きの工程を示す斜視図、図(b)は、上記各工程を経て製造される歯車の一例を示す斜視図である。
【図３】本発明の各実施例、比較例で製造した歯車の、軸方向の引き抜き荷重比を示すグラフである。
【図４】本発明の実施例１、２で製造した歯車の、径方向の引張荷重比を示すグラフである。
【図５】本発明の実施例１で製造した歯車の、実機耐久寿命比を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
図１(a)(b)は、本発明の歯車の製造方法の一例の各工程を示す斜視図である。また図２(a)は、図１(a)(b)の続きの工程を示す斜視図、図２(b)は、上記各工程を経て製造される歯車の一例を示す斜視図である。
図２(b)を参照して、この例の製造方法によって製造される歯車１は、中心にシャフト（図示せず）が挿通固定される通孔２を備えた環状のスリーブ３、および当該スリーブ３の外周に一体に設けられた、外周面に歯４を有する環状の樹脂部材５を備えている。
【００２４】
このうちスリーブ３は、鉄、鋼等の金属からなり、樹脂部材５は、ポリアミド（ＰＡ６、ＰＡ６６、ＰＡ４６等）や芳香族ポリアミド、ポリアセタール、ＰＥＥＫ、ＰＰＳ等の熱可塑性樹脂によって形成される。
中でも熱可塑性樹脂としては、汎用性等を考慮してＰＡ６６等のポリアミドが好ましい。
【００２５】
またポリアミド等の熱可塑性樹脂としては、特に歯車の耐久寿命を向上するために、ＩＳＯ  ３０７：２００７に規定されたギ酸法に則って、キャノン−フェンスケ管を用いて測定される相対粘度が１５０Ｐａ・ｓ以上である高分子量の熱可塑性樹脂が好ましい。なお溶融粘度の上限は特に限定されないが、射出成形性等を考慮すると、同じ条件で測定される相対粘度が３２０Ｐａ・ｓ以下であるのが好ましい。
【００２６】
図１(a)を参照して、スリーブ３の通孔２は径が一定の円筒状に形成されている。またスリーブ３の外周面６は、上記通孔２と同心状でかつ径が一定の円筒状に形成され、インボリュートスプライン加工、ローレット加工等によって凹凸７が設けられている。
かかる凹凸７を設けることにより、射出成形後の樹脂部材５の収縮による抱きつきによって、当該樹脂部材５とスリーブ３とを互いに強固に固定して抜け止め、回り止めすることができる。
【００２７】
図１(b)を参照して、この例の製造方法では、まず上記スリーブ３の外周面６に、プライマ層８を形成する。
プライマ層８は、前述したように樹脂部材５を形成する熱可塑性樹脂の融点より低温で熱溶融して接着性を発現する熱可塑性樹脂系の接着剤によって形成される。
かかる接着剤としては、例えば共重合ポリアミド、ポリエステル等の熱可塑性樹脂を基材樹脂とし、さらに必要に応じてロジン系樹脂、石油樹脂などの粘着付与剤、ワックス類、酸化防止剤、無機充填剤、可塑剤等を適宜配合して、全体での熱溶融温度（融点）が、樹脂部材５を形成する熱可塑性樹脂の融点以下に設定されるとともに、熱溶融した状態での接着性が付与された種々の接着剤が使用可能である。
【００２８】
特に上述したように樹脂部材５をＰＡ６６等のポリアミドによって形成する場合、プライマ層８を形成する接着剤としては、上記ポリアミドと同系で親和性、相溶性に優れた、基材樹脂として共重合ポリアミド等のポリアミドを含むポリアミド系の接着剤が好ましい。
かかるポリアミド系の接着剤の具体例としては、例えばダイセル・エボニック(株)製のＶＥＳＴＡＭＥＬＴ（登録商標）シリーズの各種接着剤等の１種または２種以上が挙げられる。中でも融点がポリアミドの融点以下で、なおかつ歯車１に求められる耐熱温度以上、中でも１２０℃以上、特に１３０℃以上である品番のものを選択して用いるのが好ましい。
【００２９】
プライマ層８は、例えば上記接着剤の粉体を静電塗装によってスリーブ３の外周面６に付着させた状態で上記融点以上に加熱して、外周面６上で溶融、流展させる等して形成される。
次いでスリーブ３を、インサート成形に先立って予熱する。予熱は、上記プライマ層８を形成する際の加熱に連続して実施してもよいし、プライマ層８を形成したスリーブ３を一旦、冷却したのち再び予熱してもよい。
【００３０】
予熱の温度は任意に設定できるが、熱可塑性樹脂を射出成形して樹脂部材５を形成するために使用する金型の加熱温度以上で、なおかつ接着剤の融点以下であるのが好ましい。
次いで図２(a)を参照して、予熱したスリーブ３の外周に、樹脂部材５のもとになる熱可塑性樹脂を環状に射出成形して、外周面９が円筒状の前駆体１０を形成したのち、当該外周面９を、ホブ加工等の切削加工をして歯４を形成すると、図２(b)に示す歯車１が製造される。
【００３１】
かかる工程によれば、射出成形に使用する金型の構造を簡略化できる。すなわち金型の、前駆体１０の外周面９に対応する面を、当該外周面９に応じた単なる円筒状に形成できる。それとともに、複雑な型抜き機構を省略できる。
ただし外周面に歯４を有する樹脂部材５の形状に対応した金型を使用して、直接に、上記樹脂部材５を射出成形することもでき、その場合には切削加工を省略できる。
【００３２】
以上の工程を経ることにより、先に説明したように、スリーブ３と樹脂部材５の接着強度を向上して、当該樹脂部材５の浮き上がりのない歯車１を製造することが可能となる。
【実施例】
【００３３】
〈引き抜き荷重測定〉
図３は、本発明の各実施例、比較例で製造した歯車の、軸方向の引き抜き荷重比を示すグラフである。
図３中の実施例１、２、比較例１〜３では、それぞれスリーブ３の、凹凸７を形成した外周面６に、下記の材料からなるプライマ層８を形成した。
【００３４】
実施例１：共重合ポリアミド系接着剤、ダイセル・エボニック社製のＶＥＳＴＡＭＥＬＴ、融点１３０℃
実施例２：ポリエステル系接着剤、融点２２０℃
比較例１：ポリアミドイミド（熱可塑性樹脂）、融点３００℃
比較例２：ウレタン樹脂（熱硬化性樹脂）、硬化温度１００〜１５０℃
比較例３：エポキシ樹脂（熱硬化性樹脂）、硬化温度１００〜１５０℃
また比較例４、５では、上記外周面６を下記のカップリング剤で処理した。
【００３５】
比較例４：ウレイド系シランカップリング剤、信越化学工業(株)製のＫＢＥ−５８５
比較例５：アミノ系シランカップリング剤、東レ・ダウコーニング(株)製のＯＦＳ−６０２０
さらに比較例６では、上記外周面６を溶液エッチング処理した。
そして、それぞれのスリーブ３を１２０℃に予熱した状態で、外周にＰＡ６６（融点２６５℃）を射出成形して、図２(a)に示す環状の前駆体１０を形成したのち、上記前駆体１０を固定した状態でスリーブ３を軸方向に引き抜くのに要した最大荷重を測定して、外周面６を未処理の状態として同様の試験をした際の最大荷重との比を、引き抜き荷重比として求めた。
【００３６】
その結果、図３に示すようにプライマ層８をＰＡ６６より融点の高いポリアミドイミドによって形成した比較例１、熱硬化性樹脂によって形成した比較例２、３、外周面６をカップリング剤によって処理した比較例４、５、および溶液エッチング処理をした比較例６は、いずれも未処理のものと同等またはそれ以下の引き抜き荷重しか得られず、スリーブ３と樹脂部材５の接着強度を向上する効果が得られないことが判った。
【００３７】
この理由として、比較例１のプライマ層８は高耐熱で、ＰＡ６６の射出成型時の熱では接着性を発現しなかったこと、比較例２、３のプライマ層８は熱硬化性で、予熱によって硬化反応してしまって接着性を発現しなかったこと、比較例４、５のカップリング剤は、予熱によって分解し、失活してしまったことが推測された。
これに対し実施例１、２の結果より、プライマ層８を、ＰＡ６６の融点より低温で熱溶融して接着性を発現する接着剤によって形成すると、当該接着剤は、予熱した際に硬化反応したり失活したりせずに、ＰＡ６６を射出成形する際の熱だけで良好な接着性を発現して、スリーブ３と樹脂部材５の接着強度を向上できることが判った。
【００３８】
〈径方向引張荷重測定〉
図４は、本発明の実施例１、２で製造した歯車の、径方向の引張荷重比を示すグラフである。
上記引き抜き荷重測定で良好な結果が得られた実施例１、２について、再び同じサンプルを作製し、スリーブ３を固定した状態で前駆体１０の周方向の一定幅の領域を径方向に引っ張った際に、当該前駆体１０をスリーブ３から引き剥がすのに要した最大荷重を測定して、外周面６を未処理の状態で同様の試験をした際の最大荷重との比を、径方向引張荷重比として求めた。
【００３９】
その結果、図４に示すようにＰＡ６６に対しては、同系である共重合ポリアミド系接着剤によってプライマ層８を形成するのが、スリーブ３と樹脂部材５の接着強度を向上して浮き上がりを抑制する効果の点で、より有効であることが判った。
〈実機耐久寿命試験〉
図５は、本発明の実施例１で製造した歯車の、実機耐久寿命比を示すグラフである。
【００４０】
特に成績が良かった実施例１のサンプルを再び作製し、前駆体１０の外周面９を切削加工して図２(b)に示す歯車１を作製し、当該歯車１を減速機に組み込んで、高温環境下で耐久試験を実施して、外周面６を未処理の状態で作製した歯車１との耐久寿命の比を求めた。
その結果、図５に示すようにスリーブ３の外周面６に、ＰＡ６６の融点より低温で熱溶融して接着性を発現する接着剤からなるプライマ層８を形成することにより、樹脂部材５の浮き上がりによる割れ等の発生を抑制して、歯車１の耐久寿命を向上できることが判った。
【符号の説明】
【００４１】
１：歯車、２：通孔、３：スリーブ、４：歯、５：樹脂部材、６：外周面、７：凹凸、８：プライマ層、９：外周面、１０：前駆体
【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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