(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
片振りの曲げ荷重が加えられる繊維強化プラスチック製ばねにおいて、
引張弾性率が異なる複数の繊維が積層された積層構造を有し、
前記積層構造の引張弾性率分布は、中立軸に対して非対称であり、かつ、圧縮応力発生領域の表層部の引張弾性率が最小であることを特徴とする繊維強化プラスチック製ばね。
【請求項２】
引張応力発生領域の表層部の引張弾性率が、中立軸部の引張弾性率よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の繊維強化プラスチック製ばね。
【請求項３】
前記引張弾性率分布では、前記引張弾性率が前記中立軸から表面に向けて段階的に小さくなるように変化していることを特徴とする請求項１または２に記載の繊維強化プラスチック製ばね。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、片振りの曲げ荷重が加えられる繊維強化プラスチック製ばねに係り、特に、圧縮応力による破壊の防止技術に関する。 
【背景技術】
【０００２】
たとえば自動車分野では、曲げ荷重がかかる片振のばね（渦巻ばねや、ぜんまい、板ばね等）が用いられ、それらばねには軽量化および省スペース化が要求されている。たとえば軽量化のために、金属製ばねに代わり、繊維強化プラスチック製ばね（以下、ＦＲＰばね）を用いることが提案されている。
【０００３】
たとえば特許文献１の技術は、ＦＲＰばねとしてＦＲＰテーパーリーフスプリングを開示し、その技術では、長さの異なる複数のシートにガラス繊維あるいは炭素繊維を含浸させ、それらシートを重ね合わせることにより、テーパーリーフスプリングを製造している。また、特許文献２の技術は、ＦＲＰばねとしてＦＲＰリーフスプリングを開示し、その技術では、リーフ中央部を炭素繊維から構成し、リーフ表面部をガラス繊維から構成することにより、柔軟性を有するＦＲＰリーフスプリングを製造することを提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特公平３−８１０２２号公報
【特許文献２】特開平７−７７２３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、図４に示すように、支持部５２で支持される板ばね５１に片振りの曲げ荷重Ｐを加えた場合、荷重負荷側の上面には圧縮応力が発生し、荷重負荷側とは反対側の下面には引張応力が発生する。なお、符号Ｓは、板ばね５１の厚さ方向の中心に位置する中立軸である。ばね５１として金属製板ばねを用いた場合、引張応力側表面を起点として疲労破壊が生じる虞が大きいが、ばね５１としてＦＲＰ板ばねを用いた場合、圧縮応力側表面から破壊する虞が大きい。たとえば図５に示すように、ＦＲＰ板ばねとして単層構造の炭素繊維強化プラスチック製ばね（ＣＦＲＰばね）に片振りの曲げ荷重（図の矢印方向の荷重）を加えた場合、圧縮応力側表面に破断が生じる虞が大きい。このため、利用できるばねのエネルギー密度が実質的に小さくなってしまう。
【０００６】
しかしながら、ＦＲＰばねでは、圧縮応力側表面からの破壊防止について有効な技術が開発されていなかった。たとえば特許文献１の技術では、重ね合わされた複数のシートは同じ繊維を使用しており、圧縮応力側表面からの破壊防止技術は開示されていない。また、特許文献２の技術では、柔軟性のある板ばねが開示されているが、繊維の圧縮特性には着目していない。また、リーフ表面部をガラス繊維から構成しており、炭素繊維より引張り強度が低いガラス繊維を応力が高いリーフ表面部に配するのは効率的でない。
【０００７】
したがって、本発明は、圧縮応力による破壊を防止することができる繊維強化プラスチック製ばねを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の繊維強化プラスチック製ばね（以下、ＦＲＰばね）は、片振りの曲げ荷重が加えられる繊維強化プラスチック製ばねであって、引張弾性率が異なる複数の繊維が積層された積層構造を有し、積層構造の引張弾性率分布は、中立軸に対して非対称であり、かつ、圧縮応力発生領域の表層部の引張弾性率が最小であることを特徴とする。
【０００９】
本発明での引張弾性率は、引張試験で得られる引張応力−ひずみ曲線での最初の直線部分（原点を通過する直線部分、あるいは、曲線の原点での接線）を利用して次の関係式により得られる値である（参考文献：FRP設計便覧、（社）強化プラスチック協会、１９７９年）。
Ｅｍ＝Δσ/Δε
なお、Ｅｍは引張弾性率（単位：N/mm2）、Δσは直線状の２点間の平均原断面積による応力差（単位：N/mm2）、Δεは上記２点間のひずみの差である。
【００１０】
本発明のＦＲＰばねでは、積層構造の引張弾性率分布は、中立軸に対して非対称となるように設定しているから、中立軸に平行な両側の表層部のうちの一方の表層部の引張弾性率は、他方の表層部のものよりも小さい。
【００１１】
ここで、本発明においては、圧縮応力発生領域の表層部の引張弾性率が最小であり、曲がりやすいから、座屈による折損等の破壊が圧縮応力側表面に生じにくい。したがって、ばね全体の破壊応力を高くすることができるから、ばね鋼等の金属材料からなるばね、単層構造のＦＲＰばね、および、中立軸に対して対称な引張弾性率分布を有するＦＲＰばねと比較して、利用できるエネルギー密度を大きくすることができる。
【００１２】
本発明のＦＲＰばねは種々の構成を用いることができる。たとえば非対称な引張弾性率分布について、引張応力発生領域の表層部の引張弾性率が、中立軸部の引張弾性率よりも小さくなるように設定することができる。この態様では、片振りの曲げ荷重の負荷時のＦＲＰばねでの応力分布に応じて、互いに異なる引張弾性率の繊維を積層しているので、ばね全体の破壊応力をさらに高くすることができ、その結果、利用できるエネルギー密度をさらに大きくすることができる。
【００１３】
また、たとえば引張弾性率分布では、引張弾性率が中立軸から表面に向けて段階的に小さくなるように変化する態様を用いることができる。この態様では、引張弾性率は、片振りの曲げ荷重の負荷時のＦＲＰばねでの応力分布に効果的に対応させることができるので、ばね全体の破壊応力をさらに高くすることができ、その結果、利用できるエネルギー密度をさらに大きくすることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のＦＲＰばねによれば、ばね全体の破壊応力が高くなるから、ばね鋼等の金属材料からなるばね、単層のＦＲＰばね、および、中立軸に対して対称な引張弾性率分布を有するＦＲＰばねと比較して、利用できるエネルギー密度を大きくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係る繊維強化プラスチック製ばねの構成を表し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は側面図である。
【図２】繊維強化プラスチック製ばねの積層構造の一部の構成を表し、（Ａ）は３層構造、（Ｂ）は５層構造の側断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る繊維強化プラスチック製ばねの製造方法に用いられる装置の一部の概略構成を表す図である。
【図４】片振りの曲げ荷重負荷時に繊維強化プラスチック製ばねでの応力分布を説明するための図である。
【図５】片振りの曲げ荷重負荷時の単層構造のＣＦＲＰばねの破壊状態を表す写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
（１）実施形態の構成
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る繊維強化プラスチック製ばね１（以下、ＦＲＰばね１）の構成を表し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は側面図である。図２（Ａ），（Ｂ）は、ＦＲＰばね１の積層構造の一部の構成を表し、（Ａ）は３層構造、（Ｂ）は５層構造の側断面図である。図２での符号Ｓは、ＦＲＰばね１の厚さ方向の中心に位置する中立軸である。図１，２では、ＦＲＰばね１の上面が片振りの曲げ荷重（図４の符号Ｐ）が加えられる表面であり、積層構造の中立軸Ｓに対する上側領域が、圧縮応力が発生する圧縮応力領域であり、中立軸Ｓに対する下側領域が、引張応力が発生する引張応力領域である。
【００１７】
ＦＲＰばね１は、たとえばリーフ部１１と目玉部１２を有する板ばねである。ＦＲＰばね１は、引張弾性率が異なる複数の繊維が積層された積層構造を有する。積層構造の引張弾性率分布は、中立軸Ｓに対して非対称であり、たとえば圧縮応力発生領域の表層部の引張弾性率が最小であり、引張応力発生領域の表層部の引張弾性率は、中立軸部の引張弾性率よりも小さいことが好適である。
【００１８】
たとえば図２（Ａ）に示す積層構造２０は、引張弾性率が互いに異なる第１層２１、第２層２２、および、第３層２３が順に積層された３層構造である。第１層２１は、引張応力発生領域の表層部であり、その引張弾性率は第２層２２のものよりも小さい。第２層２２は、中立軸Ｓが位置している中立軸部である。第３層２３は、圧縮応力発生領域の表層部であり、その引張弾性率は、積層構造２０の各層のなかで最小である。引張弾性率の具体例としては、第１層２１の引張弾性率を２５０ＧＰａ、第２層２２の引張弾性率を３９５ＧＰａ、第３層２３の引張弾性率を２３４ＧＰａに設定することができる。
【００１９】
図２（Ｂ）に示す積層構造３０は、引張弾性率が互いに異なる第１層３１、第２層３２、第３層３３、第４層３４、および、第５層３５が順に積層された５層構造である。積層構造３０は、積層構造２０よりも引張弾性率分布が細かく形成されており、引張弾性率は、中立軸部から表層部に向かうに従い、より細かく段階的に小さくなるように変化している。
【００２０】
第１層３１は、引張応力発生領域の表層部であり、その引張弾性率は第３層３３よりも小さい。第２層３２の引張弾性率は、第１層３１の引張弾性率と第３層３３の引張弾性率との中間値である。第３層３３は、中立軸Ｓが位置している中立軸部である。第４層３４の引張弾性率は、第３層３３の引張弾性率と第５層３５の引張弾性率との中間値である。第５層３５は、圧縮応力発生領域の表層部であり、その引張弾性率は積層構造３０の各層のなかで最小である。このように引張弾性率は、第３層３３から第１層３１に向かうに従って小さくなるとともに、第３層３３から第５層３５に向かうに従って小さくなるように設定され、第５層３５の引張弾性率は積層構造３０の各層のなかで最小に設定されており、引張弾性率分布はより細かく応力分布に対応している。
【００２１】
積層構造２０，３０が上記のような引張弾性率分布を有するように、各層を構成する繊維を適宜選択する。繊維としては、炭素繊維や、ガラス繊維、アラミド繊維（ケブラー繊維）、ボロン繊維等の強化繊維を用いることができる。炭素繊維としてはＰＡＮ系とピッチ系のいずれも用いることができる。
【００２２】
（２）実施形態の製造方法
ＦＲＰばね１の製造方法について図３を参照して説明する。図３は、ＦＲＰばね１の製造方法に用いられる装置１００の一部の概略構成を表す図である。装置１００は、フィラメントワインディング法を用いている。装置１００は、ロービング玉‘Ｂから供給されるロービングＢを回転により巻き付ける成形型１０１を備えている。ロービングＢは強化繊維の束である。成形型１０１には、ＦＲＰばね１の形状等に対応する成形溝１０１Ａが形成されている。成形型１０１には、それに対向して固定型１０２が設けられている。ロービングＢは、樹脂Ｒが収容されている樹脂含浸槽１０３を通過した後、成形型１０１に巻き付けられる。
【００２３】
樹脂含浸槽１０３では、樹脂含浸槽１０３毎に、そこを通過するロービングＢを構成する強化繊維の引張弾性率を変えている。たとえば、図の最上側の樹脂含浸槽１０３を通過するロービングＢの強化繊維の引張弾性率を最大に設定し、最下側の樹脂含浸槽１０３を通過するロービングＢの強化繊維の引張弾性率を最小に設定し、図中の上側の樹脂含浸槽１０３から下側の樹脂含浸槽１０３に向かうに従ってそこを通過するロービングＢの強化繊維の引張弾性率が順に小さくなるように設定している。
【００２４】
なお、符号１０４は、ロービングＢに最適な張力を付与する張力調整器、符号１０５は、ロービングＢに含浸されている余分な樹脂を絞り取る流量調整器、符号１０６は、成形される板ばねの幅が長手方向に沿って変化させる場合に使用される成形幅調節機構である。
【００２５】
上記構成を有する装置１００では、樹脂含浸槽１０３にロービングＢを通過させてロービングＢに樹脂Ｒを含浸させる。次いで、樹脂Ｒが含浸されたロービングＢを成形型１０１に巻き付けて加熱硬化して一体成形することにより、ＦＲＰばね１が得られる。ここで本実施形態では、成形するＦＲＰばね１の積層構造２０，３０の各層の引張弾性率に応じて、使用する樹脂含浸槽１０３を適宜切り替え、成形型１０１に巻き付けるロービングＢを選択することにより、所望の引張弾性率分布を有する積層構造２０，３０が得られる。
【００２６】
ＦＲＰばね１の製造方法は上記方法に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。たとえば、強化繊維（たとえば炭素繊維）に樹脂を含浸させたプリプレグをＦＲＰばね１の積層構造の各層に配置することができる。具体的には、積層構造に用いるプリプレグを複数作製し、この場合、プリプレグに用いる炭素繊維の引張弾性率をプリプレグ毎に互いに異なるようにする。このようなプリプレグは、ＦＲＰばね１が所望の引張弾性率分布を有するように配置される。樹脂は熱硬化性および熱可塑性のいずれでもよい。
【００２７】
以上のように本実施形態では、積層構造２０，３０の引張弾性率分布は、中立軸Ｓに対して非対称となるように設定しているから、中立軸Ｓに平行な両側の表層部のうちの一方の表層部（層２３，３５）の引張弾性率は、他方の表層部（層２１，３１）のものよりも小さい。ここで、片振りの曲げ荷重（図４の符号Ｐ）を加えたときに圧縮応力が発生する表面側に、引張弾性率が小さな表層部である層２３，３５を配置すると、その層２３，３５の繊維は、引張弾性率が小さく、曲がりやすいから、座屈による折損等の破壊が圧縮応力側表面に生じにくい。したがって、ばね１全体の破壊応力が高くすることができるから、ばね鋼等の金属材料からなるばね、単層構造のＦＲＰばね、および、中立軸に対して対称な引張弾性率分布を有するＦＲＰばねと比較して、利用できるエネルギー密度を大きくすることができる。
【００２８】
特に、非対称な引張弾性率分布について、圧縮応力発生領域の表層部である層２３，３５の引張弾性率が最小であり、引張応力発生領域の表層部である層２１，３１の引張弾性率が、中立軸部である層２２，３３のものよりも小さくなるように設定することにより、片振りの曲げ荷重の負荷時のＦＲＰばね１での応力分布に応じて、互いに異なる引張弾性率の繊維を積層している。したがって、ばね１全体の破壊応力をさらに高くすることができるので、利用できるエネルギー密度をさらに大きくすることができる。
【符号の説明】
【００２９】
１…ＦＲＰばね（繊維強化プラスチック製ばね）、２０，３０…積層構造、２１，３１…第１層（引張応力発生領域の表層部）、２２…第２層（中立軸部）、３３…第３層（中立軸部）、２３…第３層（圧縮応力発生領域の表層部）、３５…第５層（圧縮応力発生領域の表層部）、Ｓ…中立軸
【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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