JP4962611B2 - 樹脂溶着用芯金、複合部材及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、樹脂外周材の嵌合孔に嵌合して誘導加熱されることで樹脂外周材が側周面に溶着される樹脂溶着用芯金と、樹脂溶着用芯金の側周面に樹脂外周材が溶着された複合部材、並びにその複合部材を製造する方法に関する。

従来、樹脂溶着用芯金の側周面に樹脂外周材を溶着した複合部材が種々の部品に使用されている。例えば電動パワーステアリング装置のウオームホイールなどにも使用されている。電動パワーステアリング装置のウオームホイールなどでは操作の確実性や耐久性等を確保するために、樹脂溶着用芯金と樹脂外周材との間が確実に接合されていることが要求される。

樹脂外周材の嵌合孔に樹脂溶着用芯金を嵌合して誘導加熱することで、樹脂溶着用芯金の側周面に樹脂外周材を溶着する技術が提案されている。例えば下記特許文献１に記載された樹脂成形物に金属ボスを固定する方法では、まず金属成形体の樹脂接触面に凹凸加工を施す。樹脂成形物に金属成形体の外径より僅かに小径とした通孔を形成する。金属成形体の凹凸加工面に結合材を塗布し、樹脂成形物を加熱して通孔の直径を膨張させて金属成形体を圧入する。その後、高周波誘導加熱することで樹脂成形物の金属接触部分を溶融温度以上にして金属成形体に樹脂成形物を溶着する。引用文献１の方法によれば、樹脂と金属とからなる偏平な歯車や車輪のような成形品を効率よく製造することができる。

例えば下記特許文献２に記載されたウオームホイールの製造方法では、まず金属製の芯金の外周に周方向に並んだ外周凹凸部を形成し、樹脂製のリングギヤの内周に芯金の外周凹凸部に対応する形状で周方向に並んだ内周凹凸部を形成する。リングギヤと芯金との間に接着剤を介在させて外周凹凸部と内周凹凸部とを係合させ、その後、高周波溶着によって結合する。引用文献２の方法では、金属芯金と樹脂リングギヤとの固着力を確保しつつ、設計の自由度を向上できるとされている。

樹脂外周材の嵌合孔に樹脂溶着用芯金を嵌合して誘導加熱する従来の技術では、樹脂外周材と樹脂溶着用芯金との間の溶着による接合強度を向上するために、樹脂溶着用芯金の側周面に凹凸形状を形成していた。例えば特許文献１では、接合強度を向上するために１〜３ｍｍのローレット加工等を施こしていた。引用文献２では、固着力を向上するために金属製の芯金の外周に雄セレーションを形成していた。

特開２００３−１１８００６号公報 特開２００１−１４１０３３号公報

しかしながら、従来の方法では樹脂溶着用芯金に対する樹脂外周材の接合強度を向上するために、凹凸形状をより大きく形成することが行われていた。
ところが凹凸形状を大きくする場合、ローレット加工により樹脂溶着用芯金に凹凸形状を形成するには加工時に、より大きな加圧力が必要となったり、機械加工が必要となったりしていた。しかも樹脂溶着用芯金に大きな凹凸形状を形成するときには、引用文献２のように樹脂外周材の内周面にもその凹凸形状に対応した形状で凹凸形状を設けることで嵌合可能にしていた。そのため樹脂溶着用芯金に対する樹脂外周材の接合強度を向上することに手間を要していた。

そこで本発明は、樹脂外周材との接合強度を容易に向上できる樹脂溶着用芯金を提供することを第１の目的とし、そのような樹脂溶着用芯金を用いて接合強度が向上された複合部材を提供することを第２の目的とする。また樹脂溶着用芯金と樹脂外周材との接合強度を容易に向上できる複合部材の製造方法を提供することを第３の目的とする。

樹脂外周材を樹脂溶着用芯金の嵌合孔に嵌合して誘導加熱しても、凹凸加工面に樹脂外周材の樹脂が十分に入り込まないと、凹凸加工面と樹脂外周材との間に微細な間隙等の未溶着部分が生じる。未溶着部分が生じると、樹脂溶着用芯金と樹脂外周材との接合強度がその分低下し、樹脂溶着用芯金に対する樹脂外周材の周方向の接合強度や中心軸方向の接合強度が低下する。

樹脂溶着用芯金と樹脂外周材との接合強度を増加するために凹凸加工面の凹凸形状を大きくした場合、溶着前の嵌合状態で樹脂溶着用芯金と樹脂外周材との接触する間隔が離間したり接触面積が減少する。その状態で誘導加熱すると、樹脂溶着用芯金からの熱により樹脂外周材の内周面を均一に溶融することができず、未溶融部分が増加したり、局部的に過熱されて樹脂の不均一な変形部分等が生じる。樹脂外周材の内周面に凹凸形状を設けたとしても、樹脂溶着用芯金の凹凸形状と樹脂外周材の凹凸形状とが一致しない部分で未溶融部分や過熱部分が生じる。

その結果、凹凸形状を大きくした場合には、樹脂の過熱部分が生じることを防止しつつ誘導加熱により樹脂溶着用芯金に樹脂外周材を溶着すると、樹脂が凹凸部の隅々まで入り込むことができず、凹凸部の表面において未溶着部分を生じて接合強度を十分に向上できないことが新たに見出された。

かかる知見に基づき、第１の目的を達成する本発明の樹脂溶着用芯金は、樹脂外周材の嵌合孔に嵌合して誘導加熱されることで、樹脂外周材が側周面に溶着される樹脂溶着用芯金であって、側周面には、複数の筋状突部が周方向に隣接配置されることで形成された凹凸部と、筋状突部の両端側にそれぞれ配設された平坦部とを備え、複数の筋状突部の高さが１ｍｍ以下で、互いに隣接する筋状突部間の間隙が２ｍｍ以下となっている。

このような樹脂溶着用芯金によれば、互いに隣接する筋状突部間の間隙を特定の範囲にしているので、複数の筋状突部により樹脂外周材の接合面全体を溶融できて凹凸部に樹脂が隅々まで十分に入り込むことができる。そのため樹脂外周材との接合強度を容易に向上することが可能である。

この樹脂溶着用芯金では、複数の筋状突部は平坦部より外側に１ｍｍ以下の高さで突出して設けられているのがよい。
この樹脂溶着用芯金は凹凸部と中空部とを備えた鍛造品からなり、中空部は端面から凹凸部の底部内側となる位置に達するように設けられたものであってもよい。

第２の目的を達成する本発明の複合部材は、上述のような樹脂溶着用芯金と、この樹脂溶着用芯金の側周面に溶着された樹脂外周材とを備えている。
この複合部材によれば、上述のような樹脂溶着用芯金を用いているので、樹脂溶着用芯金と樹脂製部材との接合強度を向上することが可能である。

第３の目的を達成する本発明の複合部材の製造方法は、樹脂外周材の嵌合孔に樹脂溶着用芯金を嵌合して誘導加熱することで樹脂溶着用芯金の側周面に樹脂外周材を溶着する、複合部材の製造方法であり、樹脂外周材の嵌合孔に平坦な内壁面を設け、樹脂溶着用芯金の側周面に、複数の筋状突部が周方向に隣接配置した凹凸部と、筋状突部の両端側に配置された平坦部と、を設け、複数の筋状突部の高さを１ｍｍ以下にして互いに隣接する筋状突部間の間隙を２ｍｍ以下に形成し、樹脂溶着用芯金の側周面に樹脂外周材の嵌合孔を嵌合させることで、平坦内壁面に複数の筋状突起の頂部を接触させると共に、平坦部を樹脂外周材の内壁面に離間して対向させ、その後誘導加熱して樹脂溶着用芯金に樹脂外周材を溶着することで複合部材を製造する。

このようにして複合部材を製造すれば、樹脂外周材の嵌合孔に平坦内壁面を設けて複数の筋状突部に接触させるので、平坦内壁面の筋状突部が接触している部位を確実に溶融することができる。そのため、樹脂溶着用芯金の凹凸部に対向する平坦内壁面を十分に溶融して筋状突部間の隅々に入り込ませて溶着すれば、樹脂溶着用芯金の平坦部と樹脂外周材の平坦内壁面とを溶着することができ、樹脂外周材の平坦内壁面を樹脂溶着用芯金の側周面に十分な強度で接合することができる。しかも、樹脂溶着用芯金の側周面に複数の筋状突部と平坦部を設け、樹脂外周材に複数の筋状突部と接触する平坦内壁面を設ければよく、嵌合するための凹凸形状などを設ける必要がないので、複合部材の接合強度を容易に向上し得る。

この複合部材の製造方法では、複数の筋状突部が平坦部から１ｍｍ以下の高さとなるように平坦部を設けるのがよい。

この複合部材の製造方法では、樹脂溶着用芯金が凹凸部と端面から凹凸部の底部内側となる位置に達する中空部とを備えて鍛造により作製されてもよい。

本発明の樹脂溶着用芯金によれば、側周面に形成された複数の筋状突部の高さと、互いに隣接する筋状突部間の間隙とを特定の範囲にしているので、樹脂外周材との接合強度を向上した樹脂溶着用芯金を提供できる。
本発明の複合部材によれば、その樹脂溶着用芯金を用いているので、樹脂溶着用芯金と樹脂製部材との接合強度が向上された複合部材を提供することができる。
本発明の複合部材の製造方法によれば、樹脂溶着用芯金の側周面に複数の筋状突部と平坦部を設け、樹脂外周材の嵌合孔に平坦内壁面を設け、これらを嵌合させて誘導加熱するので、樹脂溶着用芯金と樹脂外周材との接合強度を容易に向上することができる複合部材の製造方法を提供することができる。

（ａ）は本発明の実施形態に係る複合部材を示し、一部を断面で示す正面図であり、（ｂ）は複合部材の一部を断面で示す側面図である。 （ａ）は本発明の実施形態に係る樹脂溶着用芯金の正面図であり、（ｂ）は樹脂溶着用芯金の一部を断面で示す側面図である。 本発明の実施形態に係る樹脂溶着用芯金の筋状突起を示す部分拡大図である。 （ａ）は本発明の実施形態に係る樹脂溶着用芯金の筋状突起と樹脂外周材との溶着前の状態を示す断面図、（ｂ）は樹脂溶着用芯金の筋状突起と樹脂外周材との溶着後の状態を示す断面図である。 （ａ）〜（ｅ）は本発明の実施形態に係る複合部材の製造工程を説明する図である。

以下、図１乃至図５を参照して、本発明の実施形態について説明する。
この実施形態の複合部材１０は、図１（ａ）（ｂ）に示すように、中心軸Ｌを中心にした略円板形状を呈し、樹脂溶着用芯金２０と、樹脂溶着用芯金２０の側周面２１に溶着された樹脂外周材３０とを備える。この複合部材は電動パワーステアリング用ウオームホイールブランクの例である。ウオームホイールブランクは、外周表面にギヤ溝を形成するなどにより、電動パワーステアリング装置のウオームホイールを製造することが可能な中間体である。

複合部材１０の樹脂溶着用芯金２０は、図２（ａ）（ｂ）及び図３に示すように、中心軸Ｌ方向の所定長さの略円板形状を呈し、中心には中心軸Ｌに沿って一定断面形状に形成された貫通孔２２が設けられている。一方の端面は平坦に形成され、他方の端面には円環溝状の中空部２３が形成されている。側周面２１は、中心軸Ｌに沿って平行に形成されており、周方向の全長に環状に設けられた凹凸部２４と、凹凸部の中心軸Ｌに沿う方向の両端にそれぞれ断面円形に形成された平坦部２５とを有する。

凹凸部２４は、多数の筋状突部２６が周方向に互いに隣接配置されることで構成されている。多数の筋状突部２６は全周にわたり一定ピッチで均等に配置されているのがよい。
各筋状突部２６の形状は、後述する誘導加熱の際、樹脂外周材３０の嵌合孔３１の内表面に接触した状態で樹脂を溶融し易い形状であることが好ましく、しかも溶着後には樹脂溶着用芯金の側周面と樹脂部材との間の接合強度を確保し易い形状とすることが好ましい。そのため多くの筋状突部２６の形状を同一にするのがよく、好ましくは全ての筋状突部２６の形状を同一にする。

この実施形態では全ての筋状突部２６が同一形状に形成されている。各筋状突部２６は、図３に示すように周方向の断面形状において頂部２６ａが狭く底部２６ｂが広がった山形或いは略三角形形状となっている。両側面は平面又は曲面等の何れに形成されていてもよい。このような形状であれば、後述する誘導加熱の際、互いに隣接する筋状突部間の間隙２７に溶融樹脂が入り込み易い。

頂部２６ａは曲面又は平面である必要はなく、尖頭形状となっていてもよい。
互いに隣接する筋状突部２６間の底部２６ｂの形状は、平面又は曲面形状とするのが好ましい。このような底部２６ｂであれば、誘導加熱の際に溶融樹脂を十分に底部２６ｂに充填させることができる。

各筋状突部２６の両側面は頂部２６ａに対して対称であっても非対称であってもよい。各側面の勾配は特に限定されるものではないが、樹脂溶着用芯金２０の側周面２１の法線に対する各側面の最大角度θは、例えば３０度〜６０度、好ましくは４０度〜５０度である。最大角度θが過剰に小さいと互いに隣接する筋状突部２６間の間隙２７が深くなるため、後述する誘導加熱の際、溶融樹脂が間隙２７に入り込み難くなる。一方、最大角度θが過剰に大きいと互いに隣接する筋状突部２６間の間隙２７が浅くなるため、筋状突部２６と樹脂外周材３０との周方向における機械的な係止力を得難くなる。

各筋状突部２６は中心軸Ｌに対して平行であっても、中心軸Ｌに対して傾斜していてもよい。各筋状突部２６が中心軸Ｌに対して平行となる形状であれば、鍛造により樹脂溶着用芯金２０を作製することができる。
また各筋状突部２６の中心軸Ｌに沿う方向の形状は長手方向で変化していてもよいが、全長にわたり一定断面形状或いは凸形状を呈していれば、鍛造により樹脂溶着用芯金２０を作製し易い。

各筋状突部２６の高さＨは１ｍｍ以下とするのがよい。この筋状突部２６の高さＨは中心軸Ｌから各筋状突部２６の頂部２６ａまでの距離と中心軸Ｌから互いに隣接する筋状突部２６間の底部２６ｂまでの距離との差である。各筋状突部２６の高さＨが過剰に高いと、互いに隣接する筋状突部２６間の間隙２７の深さが深くなりすぎ、溶融樹脂が十分に入り込み難くなる。一方、各筋状突部２６の高さＨは、好ましくは０．５ｍｍ以上、特に好ましくは０．７ｍｍ以上とする。各筋状突部２６の高さＨが過剰に低いと、溶着後に樹脂溶着用芯金２０と樹脂外周材との間の周方向及び中心軸Ｌに沿う方向の機械的な係止力を確保し難くなる。

この凹凸部２４では互いに隣接する筋状突部２６間の間隙２７を２ｍｍ以下、即ち、間隙２７の最大間隔Ｄを２ｍｍ以下とするのがよい。この互いに隣接する筋状突部２６間の間隙２７の最大間隔Ｄは、互いに隣接する筋状突部２６の頂部２６ａ間における周方向に沿う距離である。例えば各筋状突部２６の頂部２６ａが尖頭形状の場合には筋状突部２６の頂部２６ａ間を直線で近似した距離としてもよく、各筋状突部２６の頂部２６ａに平面又は曲面が設けられて両側部に角部が設けられている場合には角部間を直線で近似した距離としてもよい。なお、各筋状突部２６の頂部２６ａが曲面形状で角部が設けられていない場合には、後述する樹脂外周材３０が実際に接触する部位間を直線で近似した距離としてもよい。

互いに隣接する筋状突部２６間の間隙２７が過剰に広いと、後述する誘導加熱の際、各筋状突部２６から樹脂外周材３０に供給される熱で、互いに隣接する筋状突部２６の頂部２６ａが接触する樹脂外周材３０間の樹脂を十分に溶融することができず、未溶着部分が生じ易くなる。
互いに隣接する筋状突部２６間の間隙２７が過剰に狭いと、各筋状突部２６の深さを深くできないために突出量形状が小さくなり、溶着後に樹脂溶着用芯金と樹脂外周材３０との間の十分な接合強度を確保し難くなる。互いに隣接する筋状突部２６間の間隙２７の最大間隔Ｄは１ｍｍ以上とするのが好ましい。

樹脂溶着用芯金２０の平坦部２５は、中心軸Ｌに沿う方向において凹凸部２４の隣接位置、即ち、多数の筋状突部２６の両端側に隣接する位置に設けられている。この平坦部２５は凹凸のない中心軸Ｌと平行な面からなり、好ましくは断面円形形状の曲面からなる。平坦部２５は少なくとも凹凸部２４の筋状突部２６の頂部２６ａより中心軸Ｌからの距離が小さく形成されている。このような距離で平坦部２５を設けることで、多数の筋状突部２６の頂部が平坦部２５より外側に１ｍｍ以下の高さとなる。この高さは好ましくは０．５ｍｍ以上、特に好ましくは０．７ｍｍ以上とする。そのため樹脂外周材３０の後述する平坦内壁面３２を対向させて加熱すれば、多数の筋状突部２６から供給される熱により樹脂外周材３０を平坦部２５に溶着させることができる。

この平坦部２５の中心軸Ｌからの距離は、互いに隣接する筋状突部２６間の底部２６ｂと中心軸Ｌとの間の距離以下とするのがよく、平坦部２５の中心軸Ｌからの距離が互いに隣接する筋状突部２６間の底部２６ｂと同一の距離に形成されるのが特に好ましい。溶着後に樹脂外周材３０が平坦部２５に溶着することで、各筋状突部２６の両端と樹脂外周材３０との間に中心軸Ｌに沿う方向の機械的な係止力が得られ、接合強度を向上することができる。

このような平坦部２５の中心軸Ｌに沿う方向の幅Ｗは、互いに隣接する筋状突部２６間の間隙２７における最大間隔Ｄの０．５倍以上に形成するのが好ましい。後述する誘導加熱の際、各筋状突部２６の熱により平坦部２５に対向する樹脂外周材３０が軟化又は溶融される。互いに隣接する筋状突部２６間に配置される樹脂外周材３０が十分に溶融する程度に加熱されると、各筋状突部２６の端部と隣接する部位でも同程度に溶融されることになる。そのため、平坦部２５の幅が互いに隣接する筋状突部２６間の間隙２７における最大間隔Ｄの０．５倍以上に形成されていれば、各筋状突部２６の端部と隣接する部位が十分に軟化又は溶融されたとき、それらが溶着できる広さを確保することができる。よって、多数の筋状突部２６の両端部側において平坦部２５と樹脂外周材３０とを十分な広さで溶着でき、樹脂溶着用芯金２０と樹脂外周材３０との間の中心軸Ｌに沿う方向の機械的な係止力を確保することが可能である。
この平坦部２５の幅Ｗは例えば間隙２７の最大間隔Ｄ以下にしてもよい。平坦部２５の幅Ｗが過剰に広いと、平坦部２５と樹脂外周材３０との間に不完全な溶着部分が形成される場合がある。

樹脂溶着用芯金２０の中空部２３及び貫通孔２２は必要に応じて形成され、その形状や大きさは任意である。この実施形態では、中空部２３は樹脂溶着用芯金２０の一方の端面に開口した溝形状に形成されており、凹凸部２４の底部２６ｂの内側に到達する深さとなっている。そのため中空部２３と凹凸部２４の底部２６ｂとの間の厚みが薄くなっている。この部位の厚みが薄ければ熱容量を小さくできるため加熱時に昇温し易くできる。
中空部２３は、樹脂溶着用芯金２０の両端面にそれぞれ設けた溝であってもよく、一方又は両方の端面に、凹凸部２４の内側となる位置まで到達する深さで局部的に設けた穴であってもよい。さらに樹脂溶着用芯金２０の両端面間に貫通するように局部的に設けた孔であってもよい。

このような樹脂溶着用芯金２０は、得られる複合部材の用途、即ちこの実施形態の場合にはウオームホイールの用途において必要な強度等の所望の性質を確保でき、誘導加熱可能な各種の金属などから構成することができる。この樹脂溶着用芯金２０は、鍛造により貫通孔２２及び中空部２３等が設けられて凹凸部２４及び平坦部２５を備えた一体形状に形成されるのが好適である。

鍛造であれば、材料を除去しないで貫通孔２２及び中空部２３等を設けることができるため、材料の無駄を省くことができる。また、鍛造であれば、ローレット加工とは異なり、複数の筋状突部２６の形状、高さＨ、間隙２７の最大間隔Ｄ、位置、大きさなどを自由に設定でき、これらを調整することで、樹脂外周材３０の最適な接合強度を確保できる。しかも、鍛造により複数の筋状突部２６を形成すれば、ローレット加工のように側周面を外側から加圧して凹凸部２４を形成する必要がなく、中空部２３と凹凸部２４の底部２６ｂとの間の厚みが本実施形態のように薄く、例えば５ｍｍ以下であっても容易に筋状突部２６を側周面２１に容易に形成できる。

一方、樹脂外周材３０は樹脂溶着用芯金２０の側周面２１に溶着された樹脂製の部材である。この樹脂外周材３０は、樹脂溶着用芯金に接触して配置された状態で、樹脂溶着用芯金２０が加熱されることで、その熱により溶融又は軟化可能な熱可塑性樹脂からなり、複合部材の用途に応じて選択可能である。嵌合孔３１側を溶融温度以上に加熱した際、表面側が溶融されない程度の熱伝導性の材料であるのが好ましい。

この実施形態では、ウオームホイールとして要求される強度が確保できると共に、耐熱製を確保し易くするなどのために、６，６−ナイロン、６−ナイロン、４，６−ナイロンなどのポリアミドを用いる。特に、強度を確保し易くできるなどの理由で、６−ナイロンが好適であり、特に機械強度、熱的特性、化学的性質に優れるＭＣナイロン（日本ポリペンコ株式会社製、登録商標）が好適である。なお、摺動性を確保するためには、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）、ポリアセタール（ＰＯＭ）等を用いてもよい。

この実施形態の樹脂外周材３０はリング形状を呈する。樹脂外周材３０の内周面は樹脂溶着用芯金２０の側周面２１に密着しており、図４（ｂ）に示すように樹脂溶着用芯金２０の側周面２１に設けられている多数の筋状突部２６が完全に埋設され、各筋状突部２６間の間隙２７に入り込んで各筋状突部２６に十分に溶着されている。また樹脂溶着用芯金２０の側周面２１の両端側に設けられている平坦部２５に十分に溶着されている。
このように樹脂溶着用芯金２０に樹脂外周材３０が溶着された状態では、多数の筋状突部２６が完全に埋設されているため、複合部材１０の両端面側から視認される樹脂溶着用芯金２０と樹脂外周材３０との境界線が、図１に示すように平坦部２５の端部からなる円形形状となっている。
なお、樹脂外周材３０の外周形状及び厚みは、ウオームホイールのギヤ歯等の加工代を含めた寸法となっている。

次に、複合部材１０を製造する方法について説明する。
複合部材１０を製造するには、樹脂外周材３０と樹脂溶着用芯金２０とを準備する準備工程と、樹脂溶着用芯金２０の側周面２１に樹脂外周材３０の嵌合孔３１を嵌合させて組合せ部材４０を作製する嵌合工程と、樹脂溶着用芯金２０を誘導加熱することで樹脂溶着用芯金２０の側周面に嵌合した樹脂外周材３０を溶着する溶着工程と、複合部材１０としての精度を実現する前加工工程とを経る。

まず、準備工程では、図５（ａ）（ｂ）に示すように、樹脂溶着用芯金２０と樹脂外周材３０とをそれぞれ別々に形成する。
樹脂溶着用芯金２０は、図５（ｂ）に示すように、樹脂溶着用芯金２０の側周面２１に、複数の筋状突部２６が周方向に互いに隣接配置した凹凸部２４と、複数の筋状突部２６の両端側に形成された平坦部２５とを設けるようにして、鍛造により作製する。このとき、平坦部２５の中心軸Ｌに沿う幅Ｗは互いに隣接する筋状突部２６間の間隙２７における最大間隔Ｄの０．５倍より大きく形成する。
鍛造後、必要に応じて機械加工等を施すことも可能である。機械加工では、各部の所定精度で形成したり、両端面を中心軸Ｌに所定精度で直交させるようにする。

樹脂外周材３０は、図５（ａ）に示すように、熱可塑性樹脂を成形するなどによりリング状に形成する。この実施形態では、樹脂外周材３０は、中心軸Ｌに対して平行な断面円形の外周面３３と、樹脂溶着用芯金２０の側周面２１に対応した内壁面を有する嵌合孔３１と、平面からなる両端面とを備える。両端面間の厚みは、樹脂溶着用芯金２０の側周面２１に設けられた凹凸部２４及びその両側の平坦部２５の中心軸Ｌに沿う方向の長さに対応している。

嵌合孔３１は凹凸形状を設けずに中心軸Ｌと平行に形成された断面円形の平坦内壁面３２を備えている。この嵌合孔３１は中心軸Ｌに沿う方向の長さが少なくとも樹脂溶着用芯金の凹凸部の中心軸方向の長さより大きければ、貫通孔であっても非貫通孔であってもよい。この実施形態では貫通した孔として形成されている。

嵌合孔３１は、できるだけ多くの筋状突部の頂部、好ましくは全ての筋状突部の頂部が接触する形状とするのがよく、嵌合孔３１の平坦内壁面３２の内径は、樹脂溶着用芯金２０の凹凸部２４に嵌合可能な寸法であるのが好適である。具体的には平坦内壁面３２の内径が凹凸部２４の頂部２６ａにより構成される最大直径に対して僅かに小さく設定されており、例えば平坦内壁面３２の内径が凹凸部２４の最大直径に対して０．４〜３％小さく設定されている。平坦内壁面３２の内径が凹凸部２４の最大直径に対して過剰に大きいと、後述する誘導加熱の際、多数の筋状突部２６の熱により平坦内壁面３２を十分に加熱できなかったり、溶融樹脂が互いに隣接する筋状突部２６間の間隙２７に十分に入り込み難くなることがある。一方、平坦内壁面３２の内径が凹凸部２４の最大直径に対して過剰に小さいと、樹脂外周材３０そのものが変形してしまう。

次いで、嵌合工程では、図５（ｃ）に示すように樹脂溶着用芯金２０の側周面２１に樹脂外周材３０の嵌合孔３１を嵌合させることで、図４（ａ）に示すように平坦内壁面３２に複数の筋状突部２６の頂部を接触させると共に平坦部２５を対向させる。
樹脂溶着用芯金２０を嵌合するためには、例えば樹脂外周材３０を加熱膨張させて樹脂溶着用芯金２０の側周面２１に嵌合させてもよい。例えば加熱炉等で樹脂外周材３０を加熱し、嵌合孔３１の直径を樹脂溶着用芯金２０の外径に対応した直径になるように膨張させることで、嵌合孔３１内への樹脂溶着用芯金２０を容易に挿入することが可能である。
加熱温度は、樹脂溶着用芯金２０の外径に対する嵌合孔３１の内径、熱可塑性樹脂の種類、軟化点や膨張率などによって設定できる。例えばポリアミドの場合は、好ましくは１３０〜１５０℃程度にする。なお、加熱温度が過剰に高いと樹脂外周材３０の精度が低下することがあり、過剰に低いと樹脂外周材３０の挿入に手間を要する。

樹脂溶着用芯金２０の側周面２１と樹脂外周材３０の嵌合孔３１との嵌合は、例えば治具等を使用して平行度や芯合わせを行いつつ、プレス機等で軸線方向に加圧して挿入することができる。このようにして樹脂溶着用芯金２０と樹脂外周材３０とを組み合わせた組合せ部材４０を作製する。
なお、この嵌合工程に先立ち、樹脂溶着用芯金２０と樹脂外周材３０との間の接合強度を向上するために、樹脂溶着用芯金２０の側周面２１と樹脂外周材３０の嵌合孔３１との一方又は双方に、各種の接着材などの結合力向上剤層を設けてもよい。

次いで、溶着工程では、図５（ｄ）に示すように、誘導加熱により樹脂溶着用芯金２０の凹凸部２４及び平坦部２５に樹脂外周材３０を溶着する。この溶着工程は、樹脂溶着用芯金２０を昇温可能な装置を用いて行うが、この実施形態では高周波誘導加熱装置を用いる。この装置では、交番磁界を発生させる加熱コイル５０が設けられ、加熱コイル５０への給電を制御することで、樹脂溶着用芯金２０の側周面を所望の温度に調整可能となっている。また加熱時に、組合せ部材４０と加熱コイル５０とを中心軸Ｌを中心に相対回転可能となっている。

加熱時には加熱コイル５０に高周波電流を流すことによって樹脂溶着用芯金２０を誘導加熱し、樹脂溶着用芯金２０の表面温度が樹脂外周材３０を構成する樹脂の溶融温度以上の温度範囲に維持する。

これにより、樹脂外周材３０のうち側周面２１の筋状突部２６に接触している部分及びその近接部分を樹脂溶着用芯金２０の熱により昇温して軟化又は溶融する。すると互いに隣接する筋状突部２６間の樹脂が溶融し、各筋状突部２６の間の間隙２７に入り込んで溶融樹脂が凹凸部２４に密着する。また樹脂外周材３０のうち多数の筋状突部２６に隣接する近傍位置で軟化又は溶融した樹脂が樹脂溶着用芯金２０の平坦部２５の周囲に密着する。

なお、この溶融工程では、複数の組合せ部材４０を軸状治具に支持させ、複数個纏めて誘導加熱することも可能である。軸状治具としては、例えば各樹脂溶着用芯金２０の貫通孔２２内を貫通させて固定し、この状態で加熱コイル５０と相対移動可能なものなどを使用することができる。

溶着工程後、例えば大気中で放熱したり、冷却液により冷却することで、樹脂溶着用芯金２０の側周面にそれぞれ溶融樹脂が密着した状態で固化する。

この実施形態ではその後に前加工工程を実施する。前加工工程では樹脂外周材３０の端面と樹脂溶着用芯金２０の端面とを機械加工して、例えば平面形状にする。ここでは図５（ｅ）に示すように端面を切削することで、平坦部２５の中心軸Ｌに沿う幅Ｗを狭くする。端面を切削する量は適宜調整できるが、例えば互いに隣接する筋状突部２６間の間隙２７における最大間隔Ｄ以下にする。これにより樹脂溶着用芯金２０の平坦部２５と樹脂外周材３０とが不完全に溶着されている部分を除去し、平坦部２５と樹脂外周材３０とが全周にわたり両端部まで完全に溶着された状態にできる。加工により平坦部２５の幅Ｗを間隙２７の最大間隔Ｄの０．５倍以上１倍以下としてもよい。平坦部２５の幅Ｗを過剰に狭くすると、樹脂溶着用芯金２０と樹脂外周材３０との中心軸Ｌに沿う方向の係止力が低下する場合がある。
この前加工工程では、例えば貫通孔２２の精度や中心軸Ｌに対する樹脂外周材３０の外周面の平行度、両端面の直交度等の各部の精度を所定の範囲に加工するのがよい。
これにより図１に示すような複合部材１０の製造を終了する。

このようにして得られた複合部材１０に対し、貫通孔２２にキー溝を形成すると共に、樹脂外周材３０の外周に所望の歯部等を精度良く加工すれば、最終製品であるウオームホイールを製造することができる。

以上のようにして複合部材１０を製造すれば、用いる樹脂溶着用芯金２０において、複数の筋状突部２６の高さＨと、互いに隣接する筋状突部２６間の間隙２７とを特定している。これにより樹脂外周材３０の嵌合孔３１に樹脂溶着用芯金２０の側周面２１を嵌合して誘導加熱すれば、加熱された各筋状突部２６に接触する樹脂外周材３０が溶融し、溶融樹脂が各筋状突部２６間の間隙２７の内部に隅々まで確実に入り込むことができる。そのため未溶着部分が生じることを防止して、樹脂溶着用芯金２０の側周面２１に樹脂外周材３０を確実に溶着することができる。

しかも、この樹脂溶着用芯金２０の側周面２１に樹脂外周材３０の嵌合孔３１を嵌合させて誘導加熱すれば、加熱された各筋状突部２６により凹凸部２４に隣接する位置の樹脂外周材３０及び凹凸部２４に隣接する両端側の位置の樹脂外周材３０が溶融される。そのため筋状突部２６間の間隙２７の内部に溶融樹脂が入り込んで、各筋状突部２６と樹脂外周材３０とが溶着し、また各筋状突部２６の両端側の隣接位置において溶融樹脂が平坦部２５に到達して、平坦部２５と樹脂外周材３０とが溶着する。これにより凹凸部２４全体が樹脂外周材３０の内部に埋設される。

その結果、樹脂外周材３０を溶着した後には樹脂溶着用芯金２０の両端面から凹凸部２４が視認されることがなく優れた外観が得られる。また複数の筋状突部２６と樹脂外周材３０とが溶着されることで、溶着による接合強度に加え、複数の筋状突部２６の側面と各筋状突部２６間に入り込んだ樹脂との間で周方向の機械的な係止力が得られ、複数の筋状突部２６の両端部と平坦部２５上の樹脂との間で中心軸Ｌに沿う方向の機械的な係止力が得られる。そのため樹脂溶着用芯金２０に樹脂外周材３０を十分な強度で溶着することが可能である。

しかも、この樹脂溶着用芯金２０では平坦部２５の幅Ｗが互いに隣接する筋状突部２６間の間隙２７における最大間隔Ｄの０．５倍以上になっている。溶着時に各筋状突部２６の熱により互いに隣接する筋状突部２６間に配置される樹脂外周材３０が十分に溶融する程度に加熱された際、樹脂外周材３０の筋状突部２６に接触する部位の近傍も溶融される。そのため樹脂外周材３０の筋状突部２６に隣接して十分に溶融された樹脂が確実に樹脂溶着用芯金２０の平坦部２５に接合することができ、これにより樹脂溶着用芯金２０と樹脂外周材３０との十分な接合強度を確保することができる。

特に平坦部２５の中心軸Ｌに沿う幅Ｗを、互いに隣接する筋状突部２６間の間隙２７における最大間隔Ｄの０．５倍より大きく形成し、樹脂溶着用芯金２０の側周面２１に樹脂外周材３０を溶着した後で、樹脂溶着用芯金２０の平坦部２５の幅を狭くするように端面を切削している。

そのため溶着時に平坦部２５が広くて両端側において樹脂外周材３０が十分に溶融されている部位を確実に平坦部２５に溶着することができる。そして、溶着後に樹脂溶着用芯金２０の端面を切削するので、樹脂外周材３０と樹脂溶着用芯金２０とが端部まで十分に溶着している複合部材１０が得られる。

従って、このような製造過程では、樹脂溶着用芯金２０の凹凸部２４の凹凸形状を大きく形成する必要がなく、樹脂外周材３０の内面に凹凸形状を設ける必要がない。そのため樹脂溶着用芯金２０と樹脂外周材３０との接合強度を容易に向上できる。

以下、実施例及び比較例について説明する。
（実施例）
図２に示すような樹脂溶着用芯金２０を作製し、これに対応したリング形状の樹脂外周材３０を樹脂溶着用芯金２０の側周面に嵌合し、高周波誘導加熱により溶着することで実施例の複合部材を作製した。
樹脂溶着用芯金２０は炭素鋼からなり、最大直径が６０ｍｍ、厚み１６ｍｍで、側周面２１には両端側に２ｍｍの平坦部２５が設けられ、その間に複数の筋状突部２６が周方向に互いに隣接配置して設けられている。各筋状突部２６の周方向の断面形状が略三角形形状を呈し、頂部２６ａの角度を中心軸Ｌからの法線に対して左右対称で略９０度とした。各筋状突部２６の高さは０．９ｍｍで、互いに隣接する筋状突部２６間の間隙における最大間隔Ｄを１．９ｍｍとした。一方、樹脂外周材３０はＭＣナイロン（日本ポリペンコ株式会社製、登録商標）からなる樹脂の成形体であり、外径が８５ｍｍ、嵌合孔３１の内径が６０ｍｍで、厚みが１９ｍｍであった。
誘導加熱は、樹脂溶着用芯金２０の表面温度が、樹脂外周材３０を構成する樹脂の略溶融温度となるようにコイルへの給電を制御し加熱した。

得られた複合部材１０を中心軸方向に切断し、互いに隣接する筋状突部２６間の底部２６ｂの位置における断面を観察したところ、実施例では互いに隣接する筋状突部２６間の底部２６ｂの位置に樹脂外周材３０の樹脂が全体に十分に存在しており、底部２６ｂまで溶着できていることが確認できた。

次に、上記と同様にして６個の複合部材１０を作製し、樹脂溶着用芯金２０と樹脂外周材３０とに対して中心軸Ｌに沿って反対方向となるように荷重を負荷して降伏強度を測定した。その結果、最大値が８５．９ｋＮ、最小値が６２．３ｋＮ、平均値が７５．２ｋＮであった。

（比較例１）
樹脂溶着用芯金の各筋状突部の高さを１ｍｍより大きくし、互いに隣接する筋状突部２６間の間隙２７における最大間隔Ｄを２ｍｍより大きくした他は、全て実施例と同様にして、複合部材を作製した。
得られた複合部材１０を中心軸方向に切断し、互いに隣接する筋状突部２６間の底部２６ｂの位置における断面を観察したところ、比較例１では互いに隣接する筋状突部２６間、特に底部２６ｂ側に微細な未溶着箇所が多数存在していた。
また、６個の複合部材１０を作製し、樹脂溶着用芯金２０と樹脂外周材３０とに対して中心軸Ｌに沿って反対方向となるように荷重を負荷し、降伏強度を測定した。その結果、最大値が４０．３ｋＮ、最小値が３０．０ｋＮ、平均値が３４．２ｋＮであった。実施例と比較して降伏強度が劣っていることが確認できた。

１０ 複合部材
２０ 樹脂溶着用芯金
２１ 側周面
２２ 貫通孔
２３ 中空部
２４ 凹凸部
２５ 平坦部
２６ 筋状突部
２６ａ 頂部
２６ｂ 底部
２７ 間隙
３０ 樹脂外周材
３１ 嵌合孔
３２ 平坦内壁面
３３ 外周面
４０ 組合せ部材
５０ 加熱コイル
Ｌ 中心軸
Ｈ 高さ
Ｗ 幅

Claims (7)

1. 樹脂外周材の嵌合孔に樹脂溶着用芯金を嵌合して誘導加熱することで上記樹脂溶着用芯金の側周面に上記樹脂外周材を溶着する、複合部材の製造方法であり、
   上記樹脂外周材の嵌合孔に平坦な内壁面を設け、
   上記樹脂溶着用芯金の側周面に、複数の筋状突部が周方向に隣接配置した凹凸部と、上記筋状突部の両端側に配置された平坦部と、を設け、該複数の筋状突部の高さを１ｍｍ以下にして互いに隣接する上記筋状突部間の間隙を２ｍｍ以下に形成し、
   上記樹脂溶着用芯金の側周面に上記樹脂外周材の嵌合孔を嵌合させることで、上記平坦内壁面に上記複数の筋状突起の頂部を接触させると共に、上記平坦部を上記樹脂外周材の上記内壁面に離間して対向させ、
   その後誘導加熱して上記樹脂溶着用芯金に上記樹脂外周材を溶着する、複合部材の製造方法。
2. 前記複数の筋状突部が前記平坦部から１ｍｍ以下の高さとなるように上記平坦部を設ける、請求項１に記載の複合部材の製造方法。
3. 前記樹脂溶着用芯金は、前記凹凸部と端面から該凹凸部の底部内側となる位置に達する中空部とを備えて鍛造により作製する、請求項１又は２に記載の複合部材の製造方法。
4. 樹脂外周材の嵌合孔に嵌合して誘導加熱されることで、上記樹脂外周材が側周面に溶着される樹脂溶着用芯金であって、
   上記側周面には、複数の筋状突部が周方向に隣接配置されることで形成された凹凸部と、上記筋状突部の両端側にそれぞれ配設された平坦部と、を備え、
   上記複数の筋状突部の高さが１ｍｍ以下で、互いに隣接する上記筋状突部間の間隙が２ｍｍ以下である、樹脂溶着用芯金。
5. 前記複数の筋状突部は上記平坦部より外側に１ｍｍ以下の高さで突出して設けられている、請求項４に記載の樹脂溶着用芯金。
6. 前記凹凸部と中空部とを備えた鍛造品からなり、該中空部は端面から上記凹凸部の底部内側となる位置に達するように設けられている、請求項４又は５に記載の樹脂溶着用芯金。
7. 請求項４乃至６の何れかに記載された樹脂溶着用芯金と、該樹脂溶着用芯金の側周面に溶着された樹脂外周材とを備えた複合部材。

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