JPH0540338Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 本発明は、形状記憶合金又は合成樹脂からなる
コイルばねに関し、特に初張力を付与したコイル
ばねに関する。

「従来の技術」 一般に、ステンレスなどの通常の金属からなる
コイルばねは、冷間で密着巻きされるとき、負の
ピツチをつけるようにして巻き込みが行われるの
で、線が自由に回転できずある程度ねじられた形
で成形されることになる。そのため、線相互の接
着により軸線方向の弾性変形が阻止され、無荷重
においてもコイルを互いに密着させようとする力
が働くことになる。これをいわゆる初張力と呼ん
でいる。

第１０図は、通常の金属からなるコイルばねの
初張力を付与した場合の荷重−たわみ線図を示し
ている。このように、たわみδが０の状態で既に
初張力Poが発生しており、たわみδが増加する
につれて初張力Poを基準として直線的に荷重Ｐ
が増加するようになつている。

このような初張力は、コイルばねにたわみがな
い状態で最初から荷重が発生するため、所定の引
張力が作用するストロークを大きくとることがで
きる点で好ましいものである。

一方、第８図は、合成樹脂からなるコイルばね
の荷重−たわみ線図を示している。合成樹脂から
なるコイルばねは、一般に樹脂を溶融・軟化させ
てコイル状に成形するため、成形時に分子配列が
比較的自由に変化して内部応力が発生せず、初張
力を付与することはできない。このため、たわみ
δが増加すると荷重Ｐは０を基準として直線的に
増加するようになつている。

また、第９図は、形状記憶合金からなるコイル
ばねの荷重−たわみ線図を示している。形状記憶
合金からなるコイルばねは、コイル状に成形し、
その状態を拘束したまま300〜500℃の熱処理を施
す。これは、素材（素線）の加工ひずみとコイル
成形時に付与されたひずみを緩和させて所望の形
状を得るためである。よつて仮にコイル成形時に
負のピツチを付けるように巻き込んでも、そのひ
ずみは解消され、初張力を付与することはできな
い。なお、このひずみの緩和は、結晶内部に導入
された欠陥（バリアントともいう）の移動による
ものである。このため、たわみδが増加すると荷
重Ｐは０を基準として増加する。しかし、形状記
憶合金の場合は、たわみδが小さい領域では、た
わみδに比例して荷重Ｐが増加するが、たわみδ
がある値を超えると、それ以上荷重Ｐは増加しな
い、いわゆる超弾性を示す特性がある。

このような超弾性は、ばねを用いた各種の機構
において極めて好都合な場合がある。例えば自動
車のアクセル、クラツチのペダルのリターンスプ
リングや、シートベルトのばねなどには、この超
弾性を利用することにより、常に一定の荷重でス
トロークを変化させることができという好ましい
特性を付与することができる。

「考案が解決しようとする課題」 しかしながら、形状記憶合金ばねの超弾性領域
は、たわみδがある値を超えたところからもたら
されるため、上記のような特性を付与するために
は、予めばねに所定量のたわみ、例えば第９図に
おけるδ′を与えるおかなければならない。

このため、コイルばねを所定量引き伸ばした状
態で取り付けることにより、予めたわみδ′を与え
て初張力を付与し、ストロークの最初から超弾性
領域の荷重が発生するようにしている。

また、合成樹脂からなるコイルばねの場合に
も、ばねを所定量引き伸ばした状態で取り付ける
ことにより初張力を付与して、ストロークの全般
で所定の引張力が作用するようにしている。

しかしながら、コイルばねを予め引き伸ばした
状態で取り付けることは、コイルばねの取り付け
長さが長くなり、取り付けスペースを広く必要と
するという問題があつた。

一方、ステンレス鋼などの通常の金属からなる
コイルばねの場合は、初張力を付与することがで
きるので、ストロークの全般において所定の引張
力を付与するため、コイルばねを予め引き伸ばし
た状態で取り付けるにしても、取り付け長さを比
較的短くすることは可能である。

しかし、自動車のアクセル、クラツチのペダル
のリターンスプリングや、シートベルトのばねな
どに適用するため、ばね定数を低くしようとする
場合には、次のような問題が生じる。

一般にコイルばねのばね定数は、下記式で求め
られる。

ばね定数ｋ＝Gd⁴／8nD³［Kg／mm］ Ｇ：横弾性係数 ｄ：線径 ｎ：有効巻数 Ｄ：コイル平均径 このため、ばね定数を低くするためには、巻数
ｎを多くするか、コイル径Ｄを大きくしなければ
ならない。しかしながら、そのようにした場合に
は、コイルばねの取り付け長さがかなり長くなつ
てしまい、取り付けスペースを広く必要とすると
いう問題が生じる。しかも、通常の金属、例えば
ステンレス鋼においては、弾性率は7000Kg／mm²と
極めて大きいので、ばね定数を低くすることが一
層困難となつている。

したがつて、本考案の目的は、形状記憶合金又
は合成樹脂からなるコイルばねにおいて、予ひず
みを与えて初張力を付与することによつて、スト
ロークの全般で所定の引張力が得られるようにす
る場合に、取り付け長さが短くできるようにした
ものを提供することにある。

「課題を解決するための手段」 上記目的を達成するため、本考案によるコイル
ばねは、形状記憶合金又は合成樹脂からなるコイ
ルばねにおいて、成形されたコイルの一端をコイ
ルの中心部を通して他端側から引き出し、軸方向
におけるループの配列を反対にしたことを特徴と
する。

本考案の好ましい態様においては、コイルばね
が角線又は平板線からなつている。

「作用」 前述したように、形状記憶合金又は合成樹脂か
らなるコイルばねにおいては、その成形時に分子
や原子の配列が変化してしまうため、初張力を付
与することができない。ところが、成形されたコ
イルの一端をコイルの中心部を通して他端側から
引き出し、軸方向におけるループの配列を反対に
すると、コイルにひずみを与えて初張力を付与で
きることがわかつた。

したがつて、形状記憶合金又は合成樹脂からな
るコイルばねにおいても初張力を付与し、取り付
けの際に、比較的少ない引き伸ばし量であつて
も、あるいは全く伸ばさなくても、ストロークの
全般で所定の引張力が得られるようにすることが
できる。このため、コイルばねの取り付けスペー
スを小さくすることが可能となる。

更に、形状記憶合金からなるコイルばねの場合
には、初張力を付与することによつて超弾性領域
でのたわみがストロークの当初から始まるように
することが可能となり、取り付けスペースを短く
してもばね定数の極めて小さいコイルばねを提供
することができる。

また、本考案において、コイルばねが角線又は
平板線からなる場合には初張力を効果的に付与す
ることができる。すなわち、上記のようにコイル
の一端をコイルの中心部を通して他端側から引き
出し、軸方向におけるループの配列を反対にしよ
うとしても、丸線の場合には線がねじれて元に戻
つてしまうことがあり、予ひずみを効果的に付与
することができない。しかし、角線又は平板線の
場合にはねじれが生じにくいので、確実に予ひず
みを与えて初張力を付与することができる。

「実施例」 第１図ないし第４図には、本考案によるコイル
ばねの一実施例が示されている。

このコイルばね１１は、形状記憶合金で形成さ
れているが、本考案においては、合成樹脂で形成
されたものも採用できる。

第３図は、形状記憶合金の線材を、例えば円柱
の成形用治具に巻き付けてコイル状に保持し、そ
の状態で400〜500℃で拘束時効処理を行なつて製
造されたコイルばね１１を示している。このコイ
ルばね１１は、ループＡ〜Ｊが図において右から
左に向けて配列されている。そこで、今、左方向
へのずれを＋、右方向へのずれを−と仮定する
と、ループＡからＪへと向かう各ループのピツチ
は＋t₁となつている。

次に、第４図に示すように、コイルばね１１の
右側の端部を引張つてコイルの中心部に通し、左
側から抜き出して、ループＡ〜Ｊの配列を左から
右に向かうように反対にする。

第１図及び第２図は、こうしてループＡ〜Ｊの
配列を反対にした本考案のコイルばね２１を示し
ている。前記のように左方向へのずれを＋、右方
向へのずれを−と仮定すると、この状態でループ
ＡからＪへと向かう各ループのピツチは−t₂とな
る。したがつて、ループＡ〜Ｊの配列を反対にし
たことにより、コイルばね２１は、１ループ間当
たりt₁−（−t₂）＝t₁＋t₂の長さ軸方向に予ひずみ
を与えられたことになる。この予ひずみによつ
て、コイルばね２１は初張力を付与され各ループ
Ａ〜Ｊが互いに密着した状態となる。

なお、ここでt₁は第３図におけるコイルばね１
１のループのピツチであり、t₂は軸方向における
線の幅であるから、本考案のコイルばね２１は、
成形時におけるループのピツチが大きく、軸方向
における線の幅が広いほど、大きな予ひずみが与
えられて、強い初張力が付与されることになる。
このように、使用する線の幅やコイルのループの
ピツチを調整することにより、初張力を所望の値
になるようにすることができる。

また、第１図に示すコイルばね２１は、第３図
に示す元のコイルばね１１に比べて、軸方向の長
さが（t₁−t₂）×ループ間数だけ短くなる。更に、
第３図に示すコイルばね１１に、第１図に示すコ
イルばね２１と同じ初張力を付与しようとする
と、（t₁＋t₁）×ループ間数の長さだけばねを引き
伸ばして取り付ける必要がある。したがつて、初
張力を等しくした場合、第３図のコイルばね１１
の取り付け長さは、第１図のコイルばね２１の取
り付け長さに比べて、 （t₁−t₂）×ループ間数＋（t₁＋t₂）×ループ間数＝
2t₁×ループ間数 の長さだけ長くなることになる。したがつて、本
考案によるコイルばね２１を用いることにより、
ばねの取り付け長さを大幅に短くして、取り付け
スペースを小さくすることができる。

なお、第２図に示すように、この実施例におい
ては、コイルばね２１の線２２の断面形状がほぼ
正方形とされているが、第６図に示すように、線
２２の断面形状がコイルの軸方向に細長い平板形
状をなしていてもよく、第７図に示すように、線
２２の断面形状がコイルの軸方向に対して垂直な
方向に細長い平板形状をなしていてもよい。

第５図は、形状記憶合金を用いた本考案のコイ
ルばね２１の荷重−たわみ線図であり、予ひずみ
によつて初張力Poを付与されているため、たわ
みが始まるとすぐに超弾性領域に入り、ストロー
クの全般に亙つて荷重が殆ど変化しない。すなわ
ち、ばね定数が極めて小さいという優れた特性を
もつている。

「考案の効果」 以上説明したように、本考案によれば、形状記
憶合金又は合成樹脂からなるコイルばねに予ひず
みを与えて初張力を付与することができ、その結
果、ばねの取り付け長さを短くして取り付けスペ
ースを小さくすることができる。また、形状記憶
合金からなるコイルばねの場合は、初張力を付与
することによつて、たわみが始まるとすぐに超弾
性領域に入るようにすることができ、ばね定数を
極めて小さくすることができる。したがつて、自
動車のアクセル、クラツチのペダルのリターンス
プリングや、シートベルトなどに好適なコイルば
ねを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案によるコイルばねの一実施例を
示す正面図、第２図は同コイルばねの断面図、第
３図は同コイルばねの元となる成形された状態の
コイルばねを示す正面図、第４図は上記成形され
たコイルばねのループの配列を反対にする状態を
示す説明図、第５図は形状記憶合金からなる本考
案によるコイルばねの荷重−たわみ線図、第６図
及び第７図は本考案によるコイルばねのそれぞれ
他の実施例を示す断面図、第８図は従来の合成樹
脂からなるコイルばねの荷重−たわみ線図、第９
図は従来の形状記憶合金からなるコイルばねの荷
重−たわみ線図、第１０図は初張力を付与した通
常の金属からなるコイルばねの荷重−たわみ線図
である。 図中、１１は成形されたコイルばね、２１は本
考案によるコイルばね、２２は線、Ａ〜Ｊはルー
プである。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 (1) 形状記憶合金又は合成樹脂からなるコイルば
   ねにおいて、成形されたコイルの一端をコイル
   の中心部を通して他端側から引き出し、軸方向
   におけるループの配列を反対にしたことを特徴
   とするコイルばね。 (2) 角線又は平板線からなる請求項１記載のコイ
   ルばね。