JP2015139930A - バー状部品の製造方法およびバー状部品 - Google Patents

Abstract

【課題】炭素繊維強化樹脂製のパイプを有するバー状部品を構成する場合において、バー状部品の製造コストの低減を図りつつ、パイプの破損を防止することができるバー状部品の製造方法、および、当該バー状部品を提供すること。【解決手段】パイプ１０を含むバー状部品２２の製造方法は、粗面加工が施された外周面１６Ａを有する金属円環１６を含む芯材の外周面に炭素繊維２５のシート２６と熱可塑性樹脂フィルムとを巻き付けて積層する工程と、芯材の外周面に巻き付けられたシート２６および熱可塑性樹脂フィルムを加圧しながら加熱することで熱可塑性樹脂フィルムを溶融させる工程と、溶融して炭素繊維２５に含浸した熱可塑性樹脂を冷却することで、金属円環１６の外周面１６Ａに対して端部１０Ａ、１０Ｂが外嵌固定されたパイプ１０を形成する工程とを含む。【選択図】図７

Description

この発明は、たとえば車両のステアリング装置を構成するバー状部品の製造方法および当該バー状部品に関する。

下記特許文献１で開示されたラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置におけるラックハウジングの円筒部は、たとえば熱硬化性樹脂を含有し炭素繊維を一方向に配向したプリプレグを金属製の芯金に巻回した後硬化させ、外径の切削加工を行うことで形成される。
一方、下記非特許文献１で開示された円環部材形成法では、炭素繊維系コンポジット材料（たとえばＣＦＲＴＰ）で構成された２枚のシート（ＣＦＲＴＰシート）を入れ子にセットし加熱する。その後、入れ子を射出金型にセットし、成形機の型締め力を利用して２枚のＣＦＲＴＰシートを円弧形状にプレス加工し、これらのシート同士を熱溶着することで円環部材を形成する。

特開２０１３−２０８９２７号公報

発明推進協会公開技報公技番号２０１３−５０３０６０号

特許文献１のラックハウジングの円筒部では、熱硬化性樹脂を用いて形成されることから、熱硬化性樹脂の硬化のために長時間を要するので、製造コストが増大する虞がある。また、円筒部に用いた熱硬化性樹脂は、靭性が不十分であるため、外部から応力がかかることによって円筒部が破損する虞がある。
一方、非特許文献１の円環部材は、熱硬化性樹脂よりも短時間で成形可能で靭性が高い熱可塑性樹脂を含有するＣＦＲＴＰシートを用いている。しかし、ＣＦＲＴＰシートは、炭素繊維に樹脂が含有したシート状であって硬いため、常温では曲げることができない。したがって、円環部材を形成するためには、２枚のＣＦＲＴＰシートを加熱した後、成型機の型締め力を利用して円弧形状に加工し、２枚のＣＦＲＴＰシート同士を溶着させる工程を経る必要がある。そのため、加工に手間がかかり、結果として製造コストが増大する虞がある。

この発明は、かかる背景のもとでなされたものであり、炭素繊維強化樹脂製のパイプを有するバー状部品を構成する場合において、バー状部品の製造コストの低減を図りつつ、パイプの破損を防止することができるバー状部品の製造方法、および、当該バー状部品を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、炭素繊維強化熱可塑性樹脂製のパイプ（１０）と、前記パイプの軸方向（Ｘ）における端部（１０Ａ，１０Ｂ）に締結される金属部品（１７，１８）とを含むバー状部品（２２）の製造方法であって、前記軸方向に延びる金属製のマンドレル（２４）に対して、粗面加工が施された外周面（１６Ａ）を有する金属円環（１６）を外嵌することによって、前記マンドレルと前記金属円環とを含む芯材（２３）を準備する工程と、炭素繊維（２５）のシート（２６）と熱可塑性樹脂フィルム（４０）とを前記芯材の外周面（２３Ａ）に巻き付けて積層する工程と、前記芯材の外周面に巻き付けられた前記シートおよび前記熱可塑性樹脂フィルムを加圧しながら加熱することで前記熱可塑性樹脂フィルムを溶融させる工程と、溶融して前記炭素繊維に含浸した熱可塑性樹脂を冷却することで、前記金属円環の外周面に対して前記端部が外嵌固定された前記パイプを形成する工程と、前記芯材のうち前記マンドレルだけを前記パイプから引き抜く工程と、前記金属部品と前記金属円環の内周面（１６Ｂ）とをねじ締結させる工程と、を含むことを特徴とする、バー状部品の製造方法である。

請求項２記載の発明は、炭素繊維強化熱可塑性樹脂製のパイプ（１０）と、前記パイプの軸方向（Ｘ）における端部（１０Ａ，１０Ｂ）に締結される金属部品（１７，１８）とを含むバー状部品（２２）の製造方法であって、前記軸方向に延びる金属製のマンドレル（２４）に対して、粗面加工が施された外周面（１６Ａ）を有する金属円環（１６）を外嵌することによって、前記マンドレルと前記金属円環とを含む芯材（２３）を準備する工程と、炭素繊維（２５）のシート（２６）と熱可塑性樹脂フィルム（４０）とを前記芯材の外周面（２３Ａ）に巻き付けて積層する工程と、前記芯材の外周面に巻き付けられた前記シートおよび前記熱可塑性樹脂フィルムを加熱してから加圧することで前記熱可塑性樹脂フィルムを溶融させる工程と、溶融して前記炭素繊維に含浸した熱可塑性樹脂を冷却することで、前記金属円環の外周面に対して前記端部が外嵌固定された前記パイプを形成する工程と、前記芯材のうち前記マンドレルだけを前記パイプから引き抜く工程と、前記金属部品と前記金属円環の内周面（１６Ｂ）とをねじ締結させる工程と、を含むことを特徴とする、バー状部品の製造方法である。

請求項３記載の発明は、前記シートと前記熱可塑性樹脂フィルムとを前記芯材の外周面に巻き付けて積層する工程は、前記シートと前記熱可塑性樹脂フィルムとを前記芯材の外周面に交互に巻き付けて積層する工程を含むことを特徴とする、請求項１または２記載のバー状部品の製造方法である。
請求項４記載の発明は、前記シートと前記熱可塑性樹脂フィルムとを前記芯材の外周面に巻き付けて積層する工程は、前記芯材の外周面の径方向（Ｒ）における最も内側に前記熱可塑性樹脂フィルムを巻き付ける工程を含むことを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のバー状部品の製造方法である。

請求項５記載の発明は、前記シートと前記熱可塑性樹脂フィルムとを前記芯材の外周面に巻き付けて積層する工程は、前記金属円環の一部が前記軸方向における外側へはみ出るように前記シートと前記熱可塑性樹脂フィルムとを前記芯材の外周面に巻き付けて積層する工程を含むことを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載のバー状部品の製造方法である。

請求項６記載の発明は、前記金属部品に設けられた雄ねじ部（２０）にねじ締結される雌ねじ部（１９）を、前記金属円環の内周面に形成する工程を含むことを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載のバー状部品の製造方法である。
請求項７記載の発明は、前記バー状部品は、ラックアンドピニオン式のステアリング装置（１）に含まれるラックバー（８）を構成していることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載のバー状部品の製造方法である。

請求項８記載の発明は、前記パイプは、ラック（１５）を有し、前記ラックは、前記シートおよび前記熱可塑性樹脂フィルムを加圧する工程で形成されることを特徴とする、請求項７記載のバー状部品の製造方法である。
請求項９記載の発明は、前記金属部品は、ラック（１５）を有することを特徴とする、請求項７記載のバー状部品の製造方法である。

請求項１０記載の発明は、請求項１〜９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、バー状部品である。
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。

請求項１記載の発明によれば、バー状部品は、炭素繊維強化熱可塑性樹脂製のパイプを含んでいる。また、バー状部品の製造の際に準備され金属円環が外嵌された芯材の外周面には、炭素繊維のシートと熱可塑性樹脂フィルムとがそれぞれ巻き付けられて積層される。次に、熱可塑性樹脂フィルムが加圧されながら加熱されることで溶融し、熱可塑性樹脂フィルムにおける熱可塑性樹脂が炭素繊維に含浸する。熱可塑性樹脂は、加熱後に冷却されることで、炭素繊維に含浸された状態で固化し、これにより、炭素繊維のシートと熱可塑性樹脂フィルムとが一体化する。

芯材の外周面に巻き付けられる段階における炭素繊維のシートには、熱可塑性樹脂が含浸されていないので、加熱しなくても、このシートを芯材の外周面に巻き付けることが可能である。そして、炭素繊維のシートとともに芯材の外周面に巻き付けられた熱可塑性樹脂フィルムを加圧および加熱することによって、熱可塑性樹脂の炭素繊維への含浸と、パイプの形成とを同時に行うことができる。

よって、あらかじめ熱可塑性樹脂を含浸させた炭素繊維のシートを用いる場合とは異なり、炭素繊維のシートを芯材の外周面に巻き付ける際に要する加熱等の手間を省くことができ、結果として製造コストの低減を図ることができる。
また、熱可塑性樹脂フィルムの熱可塑性樹脂は、熱硬化性樹脂よりも靭性が高い。そして、炭素繊維のシートでは、炭素繊維が配向する方向と積層されるシートの枚数とを任意に調整することによりパイプの強度を向上させることができる。よって、パイプの破損を防止することができる。

以上の結果、炭素繊維強化樹脂製のパイプを有するバー状部品の製造コストの低減を図りつつ、パイプの破損を防止することができる。
請求項２記載の発明のように炭素繊維のシートおよび熱可塑性樹脂フィルムを加熱してから加圧することで熱可塑性樹脂フィルムを溶融させる場合であっても、請求項１と同様にバー状部品の製造コストの低減を図りつつ、パイプの破損を防止することができる。

請求項３記載の発明によれば、炭素繊維のシートと熱可塑性樹脂フィルムとを芯材の外周面に巻き付けて積層する工程では、炭素繊維のシートと熱可塑性樹脂フィルムとを芯材の外周面に交互に巻き付けて積層するので、その後に加熱および加圧によって溶融した熱可塑性樹脂を各シートの炭素繊維に均一に含浸させることができる。
請求項４記載の発明によれば、炭素繊維のシートと熱可塑性樹脂フィルムとを芯材の外周面に巻き付けて積層する工程では、熱可塑性樹脂フィルムが芯材の外周面の径方向における最も内側に巻き付けられる。そのため、溶融した熱可塑性樹脂フィルムの熱可塑性樹脂は、粗面加工（凹凸加工）によって金属円環の外周面に形成された凹部に入り込みやすいので、パイプと金属円環との連結部の強度が向上される。

請求項５記載の発明によれば、炭素繊維のシートと熱可塑性樹脂フィルムとを芯材の外周面に巻き付けて積層する工程では、金属円環の一部が軸方向における外側へはみ出るようにシートと熱可塑性樹脂フィルムとを芯材の外周面に巻き付けて積層する。そのため、パイプが金属部品に対して曲がろうとしたときに、金属部品は、パイプではなく金属円環に接触することになるので、パイプの端部が金属部品に接触することを防止できる。これにより、金属部品との接触によるパイプの破損を防止することができる。

請求項６記載の発明によれば、パイプの軸方向における端部が外嵌固定された金属円環の内周面と金属部品とは、金属部品に設けられた雄ねじ部が金属円環の内周面の雌ねじ部にねじ締結されることによって、強固に締結される。雌ねじ部を金属円環の内周面に形成する工程は、金属円環がマンドレルに外嵌される前に行われてもよいし、マンドレルがパイプから引き抜かれた後に行われてもよい。

請求項７記載の発明によれば、バー状部品は、ラックアンドピニオン式のステアリング装置に含まれるラックバーを構成していてもよい。
請求項８記載の発明によれば、パイプは、ラックを有している。これにより、ラックバーに占める炭素繊維強化熱可塑性樹脂製のパイプの割合を増大させることができるため、ラックバーの軽量化を図ることができる。また、ラックは、パイプを切削することで形成されるのではなく、炭素繊維のシートと熱可塑性樹脂フィルムとを加圧する際に形成されることから、炭素繊維が切断されることはないので、ラック形成に起因するパイプの破損を防止することができる。

請求項９記載の発明のように、金属部品がラックを有していてもよい。
請求項１０記載の発明によれば、請求項１〜７のいずれかの記載の製造方法によって製造されたバー状部品では、製造コストの低減を図りつつ、パイプの破損を防止することができる。

図１は、本発明の一実施形態におけるバー状部品２２を備えるステアリング装置１の概略正面図である。 図２は、バー状部品２２の製造工程を示す模式的な断面図である。 図３は、図２の工程後の芯材２３および被成形体３６を模式的に示した断面図である。 図４は、図３において一点鎖線で囲った部分を拡大した図である。 図５は、図３の次の工程を示す模式的な断面図である。 図６は、図５の次の工程を示す模式的な断面図である。 図７は、図６の次の工程を示す模式的な断面図である。 図８は、図７において一点鎖線で囲った部分を拡大した図である。 図９（ａ）は、図８において一点鎖線で囲った部分を拡大した図であり、図９（ｂ）は、図９（ａ）に比較例を適用した図である。 図１０は、第１変形例のラックバー８およびその周辺を示した図である。

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バー状部品２２を備えるステアリング装置１の概略正面図である。
図１を参照して、ステアリング装置１は、操舵部材２と、ステアリングシャフト３と、中間軸５と、ピニオン軸７と、ラックバー８と、ハウジング９とを主に含んでいる。

操舵部材２として、たとえば、ステアリングホイールを用いることができる。操舵部材２には、ステアリングシャフト３の一端が連結されている。ステアリングシャフト３の他端と中間軸５の一端とが自在継手４によって連結されている。また、中間軸５の他端とピニオン軸７の一端とが自在継手６によって連結されている。
ピニオン軸７の他端の外周面にはピニオン１４が一体的に設けられている。ラックバー８は、車両の幅方向（図１の左右方向）に延びる略円柱状である。ここで、ラックバー８が延びる方向を軸方向Ｘとする。図１のステアリング装置１の姿勢を基準として軸方向Ｘの左方には、符号「Ｘ１」を付し、軸方向Ｘの右方には、符号「Ｘ２」を付す。

ラックバー８の外周面の周上１箇所には、ピニオン１４と噛み合うラック１５が形成されている。ピニオン軸７のピニオン１４およびラックバー８のラック１５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Ａを構成している。
ラックバー８は、ハウジング９に収容されている。ハウジング９は、車体に固定される略円筒体である。ラックバー８の両端部は、ハウジング９の両側へ突出し、各端部にはそれぞれ継手１１を介してタイロッド１２が結合されている。各タイロッド１２は、対応するナックルアーム（図示せず）を介して対応する転舵輪１３に連結されている。

操舵部材２が操作されてステアリングシャフト３が回転されると、この回転がピニオン１４およびラック１５によって、軸方向Ｘに沿ったラックバー８の直線運動に変換される。これにより、転舵輪１３の転舵が達成される。
ラックバー８は、パイプ１０と、金属円環１６と、２つの金属部品である円筒状の第１金属部品１７および第２金属部品１８とを主に含んでいる。第１金属部品１７および第２金属部品１８は、ラックバー８を構成することから、ラックバー８が受ける荷重（引張圧縮、曲げおよびねじり）に耐えられる程度の強度および剛性が求められる。そのため、第１金属部品１７および第２金属部品１８の材料としてＳ４５Ｃ等の炭素鋼が用いられる。第２金属部品１８は、ラック１５を有している。ラック１５は、炭素鋼によって円柱状の第２金属部品１８を形成した後に、第２金属部品１８を切削加工することで形成される。

パイプ１０は、マトリックス樹脂として熱可塑性樹脂を使用した炭素繊維強化熱可塑性樹脂製（いわゆるＣＦＲＴＰ製）であり、軸方向Ｘに延びる略円筒状である。パイプ１０は、たとえばラックバー８においてラック１５よりも左方Ｘ１に設けられており、軸方向Ｘにおいて第１金属部品１７と第２金属部品１８との間に配置されている。
金属円環１６は、軸方向Ｘに延びる円環状をなす金属製の部材である。金属円環１６は、パイプ１０の左方Ｘ１側の端部１０Ａおよび右方Ｘ２側の端部１０Ｂに応じて１つずつ（合計２つ）設けられていて、端部１０Ａおよび端部１０Ｂのそれぞれに対して１つずつ挿通（内嵌）されている。言い換えると、パイプ１０の端部１０Ａおよび端部１０Ｂは、金属円環１６の外周面１６Ａに対して外嵌されている。端部１０Ａおよび端部１０Ｂにおいて、パイプ１０の内周面１０Ｃは、金属円環１６の外周面１６Ａとほぼ同じ大きさまで拡径されている。金属円環１６の内周面１６Ｂの直径は、端部１０Ａと端部１０Ｂとの間の領域におけるパイプ１０の内周面１０Ｃの直径とほぼ等しい。

第１金属部品１７は、ラックバー８の左方Ｘ１側の端部として、左方Ｘ１の継手１１に隣接している。第１金属部品１７は、パイプ１０の端部１０Ａに対して左方Ｘ１側から隣接している。第１金属部品１７の右方Ｘ２側の端部には、小径部２１が一体的に設けられている。小径部２１は、右方Ｘ２へ向けて軸方向Ｘに延びる円柱状である。小径部２１は、第１金属部品１７（小径部２１以外の部分）よりも小径である。

第２金属部品１８には、ラック１５の摩耗を抑制するため、たとえば、浸炭焼き入れ加工や高周波焼き入れ加工等の焼き入れ処理が施されている。第２金属部品１８は、パイプ１０の端部１０Ｂに対してラックバー８の右方Ｘ２側から隣接している。前述した小径部２１は、第２金属部品１８の左方Ｘ１側の端部にも一体的に設けられている。第２金属部品１８の小径部２１は、左方Ｘ１へ向けて軸方向Ｘに延びる円柱状である。ただし、第１金属部品１７の小径部２１と、第２金属部品１８の小径部２１とは、寸法（直径や軸方向Ｘにおける長さ）が異なっていてもよい。詳しくは後述するが、第１金属部品１７および第２金属部品１８は、それぞれの小径部２１において軸方向Ｘにおけるパイプ１０の端部１０Ａまたは１０Ｂに締結されている。締結状態のパイプ１０、第１金属部品１７および第２金属部品１８は、全体として軸方向Ｘに延びるバー状部品２２を構成している。このバー状部品２２が、ラックバー８を構成している。

ここで、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。一方、ラックバー８は、前述したように炭素鋼製であるため、ステアリング装置１において大きな重量を占める。本実施形態のラックバー８では、ＣＦＲＴＰ製のパイプ１０で一部を構成しているため、ラックバー８全体を鋼などの金属で構成する場合と比べて軽い。また、ＣＦＲＴＰは、強度および剛性にも優れている。そのため、必要な強度および剛性を保持した上で、ステアリング装置１の大幅な軽量化を図ることができる。

次に、このようなバー状部品２２の製造方法について説明する。
図２は、バー状部品２２の製造工程を示す模式的な断面図である。図２における各部材の姿勢は、図１と一致している（後述する図３〜図１０においても同様）。
図２を参照して、バー状部品２２の製造の初期段階として、芯材２３が準備される。芯材２３は、円筒状のパイプ１０を形成するために必要な部材である。芯材２３は、マンドレル２４と、前述した金属円環１６とを含んでいる。マンドレル２４は、金属製であり、軸方向Ｘに延びる円柱状である。マンドレル２４の外周面２４Ａには、事前に離型処理が施されている。金属円環１６の外周面１６Ａには、事前に粗面加工が施されている。そのため、外周面１６Ａは、多数の凹凸部２７を有している。ここでの粗面加工としては、たとえば、アヤメローレット加工、キー溝加工、スプライン加工、ショットブラスト加工、酸によるエッチング、レーザーエッチング等が挙げられるが、加工コストを考慮するとアヤメローレット加工が望ましい。

図２に示す準備工程では、マンドレル２４の軸方向Ｘにおける両側の端部に対して金属円環１６を外嵌することにより芯材２３が準備される。芯材２３の外周面２３Ａは、各金属円環１６の外周面１６Ａと、マンドレル２４の外周面２４Ａにおいて金属円環１６からはみ出た部分とを含んでいる。
次に、前述したパイプ１０の材料が芯材２３の外周面２３Ａに巻き付けられる。パイプ１０の材料には、樹脂が含浸されていない（いわゆるドライの）炭素繊維２５のシート２６と、熱可塑性樹脂フィルム４０とが用いられる。

炭素繊維２５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２５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。
シート２６としては、たとえば炭素繊維２５の織物シートや、炭素繊維２５が一方向（Uni-Direction）に引きそろえられた一方向強化材（いわゆるＵＤ材）等が用いられる。織物シートは、たとえば所定の方向に直線状に延びる炭素繊維２５の束（トウ）と、当該束と交差する方向に延びる炭素繊維２５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。織物シートの織り方は、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。

熱可塑性樹脂フィルム４０は、熱可塑性樹脂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。熱可塑性樹脂フィルム４０には、ナイロン６（ＰＡ６）、ナイロン６６（ＰＡ６６）、芳香族ポリアミド（芳香族ＰＡ）樹脂、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、ポリアセタール（ＰＯＭ）樹脂等のフィルム化できるあらゆる熱可塑性樹脂を用いることができる。ラックバー８は、車両のエンジンルーム内で使用されることから瞬間的に１５０℃付近にまで達することがあるため、熱可塑性樹脂フィルム４０としては、この様な状況下でも使用可能な耐熱性を有し、フィルム化が容易であり、靭性に優れたＰＡ６６またはＰＥＥＫ樹脂を用いることが望ましい。

炭素繊維２５のシート２６と熱可塑性樹脂フィルム４０とは、たとえばシートワインディング法によって芯材２３の外周面２３Ａに巻き付けられ、図２に示すように、複数枚積層される。シート２６および熱可塑性樹脂フィルム４０を外周面２３Ａに巻き付ける工程が終わると、芯材２３の外周面２３Ａでは、軸方向Ｘおよび芯材２３の周方向のほぼ全域において、シート２６および熱可塑性樹脂フィルム４０が全体で所定の厚さになるまで巻き付けられて積層された状態となる。このとき、芯材２３の外周面２３Ａの径方向Ｒにおける最も内側（最内層）には、熱可塑性樹脂フィルム４０を巻き付けておくことが好ましい。

ここで、当該所定の厚さになるまで芯材２３の外周面２３Ａに巻き付けられた炭素繊維２５のシート２６と熱可塑性樹脂フィルム４０との全体を被成形体３６と呼ぶ。
図３は、図２の工程後の芯材２３および被成形体３６を模式的に示した断面図である。図４は、図３において一点鎖線で囲った部分を拡大した図である。
図３を参照して、被成形体３６は、マンドレル２４の外周面２４Ａおよび金属円環１６の外周面１６Ａに対して密着して芯材２３を取り囲んでいることから略円筒状である。被成形体３６の軸方向Ｘにおける両端部は、金属円環１６の厚さ分だけ、被成形体３６の軸方向Ｘにおける両端部以外の部分よりも大径である。一方、被成形体３６の軸方向Ｘにおける両端部以外の部分における被成形体３６の内径は、各金属円環１６の内径とほぼ等しい。

図４を参照して、芯材２３の外周面２３Ａの軸方向Ｘにおける同じ位置には、炭素繊維２５のシート２６または熱可塑性樹脂フィルム４０が何重にも積層されている。この実施例では、シート２６と熱可塑性樹脂フィルム４０とは、外周面２３Ａにおいて交互に積層されている。
図５は、図２の次の工程を示す模式的な断面図である。

図５に示す工程では、被成形体３６をプレス成形することによってパイプ１０を成形する。
図５を参照して、まず、被成形体３６を芯材２３と共にプレス金型３３に配置する。プレス金型３３は、図５における下側の第１金型３４と、図５における上側の第２金型３５とを含んでいる。第１金型３４の図５における上側の面には、軸方向Ｘから見て略半円弧状の凹部３４Ａが形成されている。第２金型３５の図５における下側の面には、軸方向Ｘから見て略半円弧状の凹部３５Ａが形成されている。凹部３４Ａおよび３５Ａの軸方向Ｘにおける両端部は、金属円環１６の厚さ分だけ、凹部３４Ａおよび３５Ａの軸方向Ｘにおける両端部以外の部分よりも大径である。そのため、凹部３４Ａおよび３５Ａに嵌るように被成形体３６をプレス金型３３内に配置することができる。

被成形体３６をプレス金型３３内に配置した後、被成形体３６を加圧しながら熱可塑性樹脂フィルム４０の熱可塑性樹脂の融点付近まで加熱する。当該加圧および加熱によって、熱可塑性樹脂フィルム４０が溶融する。溶融した熱可塑性樹脂フィルム４０は、近接するシート２６内の炭素繊維２５に含浸される。
なお、前述したように、炭素繊維２５のシート２６と熱可塑性樹脂フィルム４０とは、芯材２３の外周面２３Ａに交互に巻き付けて積層されているため、その後に加熱および加圧によって溶融した熱可塑性樹脂を各シート２６の炭素繊維２５に均一に含浸させることができる。

次に、プレス金型３３を冷却することで、プレス金型３３内に配置された被成形体３６および芯材２３が冷却される。溶融して炭素繊維２５に含浸した熱可塑性樹脂フィルム４０（熱可塑性樹脂フィルム４０を構成していた熱可塑性樹脂）は、プレス金型３３内で冷却されることによって固化する。これにより、被成形体３６は、プレス金型３３の凹部３４Ａおよび凹部３５Ａと芯材２３の外周面２３Ａに沿って成形され、略円筒状のパイプ１０となる。この状態で、先ほど溶融した熱可塑性樹脂フィルム４０は、フィルム単体で存在しておらず、パイプ１０を構成する略円筒状の熱可塑性樹脂２８をなしている。この状態で、パイプ１０は、端部１０Ａおよび１０Ｂにおいて金属円環１６の外周面１６Ａに対して外嵌（詳しくは、後述するように外嵌固定）されている。

次に、プレス金型３３の第１金型３４と第２金型３５とを開いて図５の上下に離し、パイプ１０および芯材２３をプレス金型３３から取り出す。
次に、芯材２３のうちマンドレル２４だけをパイプ１０から引き抜く。前述したように、マンドレル２４の外周面２４Ａには、離型処理が施されているため、熱可塑性樹脂２８は、プレス成形工程後にマンドレル２４の外周面２４Ａに接着していない。そのため、マンドレル２４を容易に引き抜くことができる。このとき、マンドレル２４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２４をパイプ１０から引き抜く際に必要な力が一層低減される。

図６は、図５の次の工程を示す模式的な断面図である。
図６を参照して、マンドレル２４がパイプ１０から引き抜かれた状態では、各金属円環１６が、パイプ１０の端部１０Ａおよび端部１０Ｂにおいて対応する方に対して内嵌された状態になっている。また、各金属円環１６は、その一部（たとえば、軸方向Ｘにおける端部の２ｍｍ程度）がパイプ１０の端部１０Ａおよび端部１０Ｂから軸方向Ｘにおける外側へはみ出すようにしておくと好ましい。そのためには、炭素繊維２５のシート２６と熱可塑性樹脂フィルム４０とを芯材２３の外周面２３Ａに巻き付ける工程において、各金属円環１６の当該一部には、シート２６と熱可塑性樹脂フィルム４０とを巻き付けないようにすればよい。

次に、金属円環１６の内周面１６Ｂに雌ねじ部１９を形成する。雌ねじ部１９は、内周面１６Ｂの全域に亘って形成されている。
図７は、図６の次の工程を示す模式的な断面図である。
図７を参照して、第１金属部品１７の小径部２１の外周面には、雄ねじ部２０が設けられている。第１金属部品１７の雄ねじ部２０には、左方Ｘ１側の金属円環１６の雌ねじ部１９がねじ締結される。これにより、第１金属部品１７は、この金属円環１６の内周面１６Ｂとねじ締結され、この金属円環１６を介してパイプ１０の端部１０Ａに締結された状態になる。

一方、第２金属部品１８の小径部２１の外周面にも、雄ねじ部２０が設けられている。第２金属部品１８の雄ねじ部２０には、右方Ｘ２側の金属円環１６の雌ねじ部１９がねじ締結される。これにより、第２金属部品１８は、この金属円環１６の内周面１６Ｂとねじ締結され、この金属円環１６を介してパイプ１０の端部１０Ｂに締結された状態になる。
以上により、パイプ１０は、軸方向Ｘにおける両端部１０Ａおよび１０Ｂにおいて、第１金属部品１７および第２金属部品１８に強固に締結された状態になり、バー状部品２２の製造が完了する。

完成したバー状部品２２において、金属円環１６の一部は、前述したように、パイプ１０から軸方向Ｘにおける外側へはみ出している。そのため、パイプ１０が第１金属部品１７および第２金属部品１８に対して曲がろうとしたときに、第１金属部品１７および第２金属部品１８は、パイプ１０ではなく金属円環１６に接触することになるので、パイプ１０の端部１０Ａおよび１０Ｂのそれぞれが第１金属部品１７および第２金属部品１８において対応する方に接触することを防止できる。これにより、第１金属部品１７および第２金属部品１８との接触によるパイプ１０の破損を防止することができる。

図８は、図７において一点鎖線で囲った部分を拡大した図である。
熱可塑性樹脂フィルム４０がプレス成形工程において加圧しながら加熱されることで、図８に示すように、熱可塑性樹脂２８は、金属円環１６の外周面１６Ａの凹凸部２７に沿った形状で固化している。そのため、パイプ１０の端部１０Ａおよび１０Ｂは、金属円環１６の外周面１６Ａに対して密着することができる。このとき、前述したように、最内層に熱可塑性樹脂フィルム４０が巻き付けられていることから、熱可塑性樹脂２８は、凹凸部２７の凹部２９に入り込みやすいので、パイプ１０と金属円環１６との連結部の強度が向上される。

このように、パイプ１０は、対応する金属円環１６の外周面１６Ａに対して、外嵌固定（抜け止め）されている。なお、この状態の金属円環１６は、パイプ１０の端部１０Ａおよび１０Ｂに対して軸方向Ｘにずれないし、周方向にもずれないように位置決めされている。
そして、第１金属部品１７および第２金属部品１８と金属円環１６とは、ねじ締結されているため、金属円環１６に余計な力を加えることなく、パイプ１０の端部１０Ａおよび１０Ｂと第１金属部品１７および第２金属部品１８とを確実かつ強固に締結させることができる。そのため、金属円環１６の外周面１６Ａがパイプ１０に食い込むことがないことから、パイプ１０における炭素繊維２５は切断されることはないので、パイプ１０の強度は、低減されない。

しかし、このように炭素繊維２５が切断されないパイプ１０であっても、ラックバー８の発生応力（軸方向Ｘにおける引張応力や圧縮応力）に対する性能を満足しないことがある。ラックバー８に軸方向Ｘにおける引張応力や圧縮応力がかかった場合、パイプ１０と第１金属部品１７および第２金属部品１８のそれぞれとの締結部にも軸方向Ｘにおける引張応力や圧縮応力がかかる。その結果、当該締結部においてパイプ１０が破損する虞がある。詳しくは、軸方向Ｘにおける引張応力や圧縮応力によって当該締結部付近のパイプ１０内の炭素繊維２５が座屈し、いわゆるキンクバンド圧縮破壊が起こる。当該圧縮破壊は、パイプ１０の強度不足に起因する。具体的には、パイプ１０における樹脂の靭性不足と炭素繊維２５の圧縮強度不足とによる。

前述したように、本実施形態のパイプ１０では、繊維強化樹脂としてＣＦＲＴＰを用いている。ＣＦＲＴＰ以外にも、代表的な繊維強化樹脂として、マトリックス樹脂にエポキシ樹脂などの一般的な熱硬化性樹脂を用いた炭素繊維強化樹脂（いわゆるＣＦＲＰ）が挙げられるが、熱硬化性樹脂は、熱可塑性樹脂よりも靭性が低い。
そのため、衝撃荷重により損傷を受けたＣＦＲＰやＣＦＲＴＰなどの繊維強化樹脂の圧縮強さである衝撃後圧縮（ＣＡＩ：Compression After Impact）強度は、ＣＦＲＴＰの方がＣＦＲＰよりも高い。よって、本実施形態のようにＣＦＲＴＰ製のパイプ１０を用いることがパイプ１０の破損防止の観点から好ましい。

また、パイプ１０は、炭素繊維２５が延びる方向に対する圧縮強度が高く、繊維２５が延びる方向と直交する方向に対する圧縮強度が低い。そのため、炭素繊維２５が延びる方向が軸方向Ｘに向いたパイプ１０を形成することで、パイプ１０の強度を向上させることができる。
図９（ａ）は、図８において一点鎖線で囲った部分を拡大した図であり、図９（ｂ）は、図９（ａ）に比較例を適用した図である。

図９（ａ）を参照して、前述したように、本実施形態では、シートワインディング法を用いている。そのため、炭素繊維２５の延びる方向Ｄ１を軸方向Ｘに合わせるようにシート２６の向きを調節してシート２６を芯材２３の外周面２３Ａに巻き付けることができる。また、必要なパイプ１０の強度に合わせてシート２６を積層する枚数の調節は、容易である。

ここで、樹脂を芯材２３等に巻き付ける方法としては、シートワインディング法以外にも、繊維状の樹脂を芯材２３等に巻き付けるフィラメントワインディング法等がある。
図９（ｂ）を参照して、フィラメントワインディング法を用いた比較例におけるパイプ３０では、繊維状の炭素繊維３１および熱可塑性樹脂を芯材２３の外周面２３Ａの周方向Ｃまたは周方向Ｃに対して斜めの方向Ｄ２に沿って螺旋状に巻き付ける。そのため、比較例では、炭素繊維３１は、図９（ｂ）に示すように、方向Ｄ２に沿って延びるように配向されている。よって、フィラメントワインディング法を用いる比較例では、軸方向Ｘと一致するように炭素繊維３１を配向させることはできない。そのため、パイプ３０は、軸方向Ｘにおける引張応力や圧縮応力によって、キンクバンド圧縮破壊される虞がある。よって、フィラメントワインディング法において当該圧縮破壊を防止するためには、パイプ３０の肉厚を増大させる必要がある。これにより、ラックバー８にＣＦＲＴＰ製のパイプ１０を用いることの軽量化効果が失われる。逆にいうと、シートワインディング法を用いることによって、フィラメントワインディング法を用いた場合よりもパイプ１０の肉厚を低減させることができる。そのため、シートワインディング法を用いた場合、パイプ１０の軽量化および設計性の向上が可能である。

このようにシートワインディング法を用いることで、炭素繊維２５が配向する方向Ｄ１と積層されるシート２６の枚数とを任意に調整することによりパイプ１０の強度を向上させることができる。よって、パイプ１０の破損を防止することができる。
このように、本実施形態では、熱可塑性樹脂を用いることで樹脂の靭性が向上され、シートワインディング法を用いることで炭素繊維２５の圧縮強度が向上される。これにより、ラックバー８の発生応力に対するパイプ１０と第１金属部品１７および第２金属部品１８との締結部の強度（曲げ締結強度）が向上され、キンクバンド圧縮破壊を抑制することができる。

ここで、熱可塑性樹脂フィルム４０を用いてパイプ１０を形成するのに要する時間は、熱硬化性樹脂を用いてパイプ１０を形成する際に必要な硬化時間よりも短い。
具体的には、ＣＦＲＰ製のパイプ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っている。一方、本実施形態のように、ＣＦＲＴＰは、高温で軟化溶融するため、前述したようにプレス成形加工（熱プレス）が可能である。そのため、ＣＦＲＴＰ製のパイプ１０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フィルム４０が充分流動化し炭素繊維２５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、ＣＦＲＴＰ製のパイプ１０は、ＣＦＲＰ製のパイプと比較して短時間（低サイクルタイム）で製造することができる。

また、本実施形態とは異なり、熱可塑性樹脂フィルム４０を用いず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、ＣＦＲＴＰシートは、常温ではタック性（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、プレス金型３３の凹部３４Ａおよび３５Ａに沿わせるために、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。

一方、本実施形態において、芯材２３の外周面２３Ａに巻き付けられる段階における炭素繊維２５のシート２６には、熱可塑性樹脂が含浸されていないので、加熱しなくても、このシート２６を外周面２３Ａに巻き付けることが可能である。そして、シート２６とともに外周面２３Ａに巻き付けられた熱可塑性樹脂フィルム４０を加圧および加熱することによって、熱可塑性樹脂の炭素繊維２５への含浸と、パイプ１０の形成とを同時に行うことができる。

よって、あらかじめ熱可塑性樹脂を含浸させた炭素繊維２５のシート２６を用いる場合とは異なり、炭素繊維２５のシート２６を芯材２３の外周面２３Ａに巻き付ける際に要する加熱等の手間を省くことができ、結果として製造コストの低減を図ることができる。
また、シートワインディング法は、フィラメントワインディング法とは異なり、樹脂の繊維化が不要であるため製造コストの低減を図ることができる。

また、従来の方法として、シートワインディング法によってシート状の炭素繊維を芯材２３の外周面２３Ａに巻き付けた後に、射出成形によって外周面２３Ａに巻き付けられたシート状の炭素繊維に熱可塑性樹脂を流し込み、シート状の炭素繊維の複数の層同士を接着する方法もある。本実施形態のように、プレス成形のみでパイプ１０が形成される場合は、射出成形が不要であるため、射出成形を用いる従来の手法よりも成形に要する時間を短縮することができる。

以上のように、本実施形態では、ＣＦＲＴＰ製のパイプ１０を有するバー状部品２２を構成する場合において、バー状部品２２の製造コストの低減を図りつつ、パイプ１０の破損を防止することができる。
また、パイプ１０内に含まれる炭素繊維２５の充填量（パイプ１０の体積に占める炭素繊維２５の体積の割合）は、３５％〜７０％が望ましい。充填量が３５％を下回ると、ラックバー８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、熱可塑性樹脂が炭素繊維２５内に充分かつ均一に含浸しない。本実施形態では、熱可塑性樹脂フィルム４０の厚さおよび枚数によって調整することができるし、熱可塑性樹脂フィルム４０の枚数と炭素繊維２５のシート２６枚数との比率によって調整することもできる。

次に、本発明の第１変形例について説明する。
図１０は、第１変形例のラックバー８およびその周辺を示した図である。
図１０を参照して、第１変形例のラックバー８では、パイプ１０が、ラック１５を有している。第１変形例の場合、ラック１５は、炭素繊維２５のシート２６と熱可塑性樹脂フィルム４０とを加圧する工程（プレス成形工程）で形成される。具体的には、第１金型３４または第２金型３５に、ラック１５に相当するラック形状のメス型（図示しない）を設けておく（図５も参照）。プレス成形工程において、第１金型３４および第２金型３５のいずれかにラック形状のメス型を設けたプレス金型３３を用いる。熱可塑性樹脂フィルム４０を構成する熱可塑性樹脂の融点付近まで加熱し加圧することで、熱可塑性樹脂フィルム４０がプレス金型３３内で溶融、固化され、パイプ１０の外周面１０Ｄにラック１５が形成される（図５も参照）。一方、第１変形例の第２金属部品１８には、ラック１５は形成されておらず、第２金属部品１８は、右方Ｘ２の継手１１に隣接する部分のみに配置されている。このように、ＣＦＲＴＰは、プレス成形工程における高温での熱プレスによって、パイプ１０の成形と同時にラック１５の成形することができる。

これにより、ラックバー８に占めるパイプ１０の割合を増大させることができるため、ラックバー８の軽量化を図ることができる。なお、当該軽量化によって、ラックバー８の重量は、８０％低減される。また、ラック１５は、パイプ１０を切削することで形成されるのではなく、炭素繊維２５のシート２６と熱可塑性樹脂フィルム４０とを加圧する際に形成されることから、炭素繊維２５が切断されることはないので、ラック１５の形成に起因するバー状部品２２の強度を向上させることができる。

ただし、パイプ１０に成形したラック１５は、第２金属部品１８に切削加工によって成形したラック１５と比較して寸法精度は劣る。
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、第１金属部品１７および第２金属部品１８に設けられた雄ねじ部２０にねじ締結される雌ねじ部１９を金属円環１６の内周面１６Ｂに設ける工程は、マンドレル２４からパイプ１０が引き抜かれた後に行われているが、当該工程は、金属円環１６がマンドレル２４に外嵌される前に行われてもよい。

また、本実施形態では、プレス成形工程において、熱可塑性樹脂フィルム４０を加圧しながら加熱したが、炭素繊維２５のシート２６と熱可塑性樹脂フィルム４０とを加熱してから加圧しても、バー状部品２２の製造コストの低減を図りつつ、パイプ１０の破損を防止することができる。
また、前述した実施形態のバー状部品２２は、パイプ１０の両端部（端部１０Ａおよび端部１０Ｂの両方）に金属部品（第１金属部品１７および第２金属部品１８）を締結する構成であったが、当該両端部の一方だけに金属部品が締結される構成でも構わない。

また、前述した実施形態のバー状部品２２は、ラックバー８であったが、ラックバー８以外のバー状部品（たとえば各種シャフト、ロッド、パイプ状部品）として構成してもよい。

１…ステアリング装置、８…ラックバー、１０…パイプ、１０Ａ…端部、１０Ｂ…端部、１５…ラック、１６…金属円環、１６Ａ…外周面、１６Ｂ…内周面、１７…第１金属部品、１８…第２金属部品、１９…雌ねじ部、２０…雄ねじ部、２２…バー状部品、２３…芯材、２３Ａ…外周面、２４…マンドレル、２５…炭素繊維、２６…シート、４０…熱可塑性樹脂フィルム、Ｘ…軸方向、Ｒ…径方向

Claims (10)

1. 炭素繊維強化熱可塑性樹脂製のパイプと、前記パイプの軸方向における端部に締結される金属部品とを含むバー状部品の製造方法であって、
   前記軸方向に延びる金属製のマンドレルに対して、粗面加工が施された外周面を有する金属円環を外嵌することによって、前記マンドレルと前記金属円環とを含む芯材を準備する工程と、
   炭素繊維のシートと熱可塑性樹脂フィルムとを前記芯材の外周面に巻き付けて積層する工程と、
   前記芯材の外周面に巻き付けられた前記シートおよび前記熱可塑性樹脂フィルムを加圧しながら加熱することで前記熱可塑性樹脂フィルムを溶融させる工程と、
   溶融して前記炭素繊維に含浸した熱可塑性樹脂を冷却することで、前記金属円環の外周面に対して前記端部が外嵌固定された前記パイプを形成する工程と、
   前記芯材のうち前記マンドレルだけを前記パイプから引き抜く工程と、
   前記金属部品と前記金属円環の内周面とをねじ締結させる工程と、
   を含むことを特徴とする、バー状部品の製造方法。
2. 炭素繊維強化熱可塑性樹脂製のパイプと、前記パイプの軸方向における端部に締結される金属部品とを含むバー状部品の製造方法であって、
   前記軸方向に延びる金属製のマンドレルに対して、粗面加工が施された外周面を有する金属円環を外嵌することによって、前記マンドレルと前記金属円環とを含む芯材を準備する工程と、
   炭素繊維のシートと熱可塑性樹脂フィルムとを前記芯材の外周面に巻き付けて積層する工程と、
   前記芯材の外周面に巻き付けられた前記シートおよび前記熱可塑性樹脂フィルムを加熱してから加圧することで前記熱可塑性樹脂フィルムを溶融させる工程と、
   溶融して前記炭素繊維に含浸した熱可塑性樹脂を冷却することで、前記金属円環の外周面に対して前記端部が外嵌固定された前記パイプを形成する工程と、
   前記芯材のうち前記マンドレルだけを前記パイプから引き抜く工程と、
   前記金属部品と前記金属円環の内周面とをねじ締結させる工程と、
   を含むことを特徴とする、バー状部品の製造方法。
3. 前記シートと前記熱可塑性樹脂フィルムとを前記芯材の外周面に巻き付けて積層する工程は、前記シートと前記熱可塑性樹脂フィルムとを前記芯材の外周面に交互に巻き付けて積層する工程を含むことを特徴とする、請求項１または２記載のバー状部品の製造方法。
4. 前記シートと前記熱可塑性樹脂フィルムとを前記芯材の外周面に巻き付けて積層する工程は、前記芯材の外周面の径方向における最も内側に前記熱可塑性樹脂フィルムを巻き付ける工程を含むことを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のバー状部品の製造方法。
5. 前記シートと前記熱可塑性樹脂フィルムとを前記芯材の外周面に巻き付けて積層する工程は、前記金属円環の一部が前記軸方向における外側へはみ出すように前記シートと前記熱可塑性樹脂フィルムとを前記芯材の外周面に巻き付けて積層する工程を含むことを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載のバー状部品の製造方法。
6. 前記金属部品に設けられた雄ねじ部にねじ締結される雌ねじ部を、前記金属円環の内周面に形成する工程を含むことを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載のバー状部品の製造方法。
7. 前記バー状部品は、ラックアンドピニオン式のステアリング装置に含まれるラックバーを構成していることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載のバー状部品の製造方法。
8. 前記パイプは、ラックを有し、
   前記ラックは、前記シートおよび前記熱可塑性樹脂フィルムを加圧する工程で形成されることを特徴とする、請求項７記載のバー状部品の製造方法。
9. 前記金属部品は、ラックを有することを特徴とする、請求項７記載のバー状部品の製造方法。
10. 請求項１〜９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、バー状部品。

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