(57)【要約】【課題】  ねじりコイルばねのコイル部側面を被付勢部材に当接して付勢する構造体において、ねじりコイルばねの疲労に伴う荷重特性の変化を問題とならないレベルに抑える。【解決手段】  この構造体１０は、ねじりコイルばね２０のアーム２２をその軸線方向にスライド移動可能に第１部材１２に支持し、ねじりコイルばね２０のコイル部２４を第２部材１６に当接させ、コイル部２４の撓み反力によって第２部材１６を初期位置に付勢する。第２部材１６が初期位置にセットされた状態において、ねじりコイルばね２０の付勢力をＰ、ねじりコイルばね２０の素線径をｄ、並びにコイル部２４のばね中心からアーム支持位置までの高さ方向の距離をＨ及び横方向の距離をＷとすると、Ｐ・Ｗ／［ｄ３・ｃｏｓ２｛ｔａｎ−１（Ｈ／Ｗ）｝］＜８６．４となるように調整されている。【選択図】  図３
2006275265.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１部材と、
第１の位置と第２の位置との間を移動可能とされた第２部材と、
第２部材を第１の位置に向けて付勢するねじりコイルばねと、を備え、
そのねじりコイルばねは、ばね素線がコイル状に巻回されたコイル部と、コイル部の両端に設けられたアームとを有し、アームがその軸線方向にスライド移動可能に第１部材に支持されると共にコイル部の側面が第２部材に当接し、コイル部の撓み反力によって第２部材を第１の位置に向けて付勢しており、
第２部材が第１の位置に移動した状態において、ねじりコイルばねの付勢力をＰｖ、ねじりコイルばねの素線径をｄ、並びにコイル部のばね中心からアームの支持位置までの高さ方向の距離をＨ及び横方向の距離をＷとすると、
Ｐｖ・Ｗ／［ｄ３・ｃｏｓ２｛ｔａｎ−１（Ｈ／Ｗ）｝］＜８６．４
の関係式が成立することを特徴とするねじりコイルばねを備えた構造体。
【請求項２】
第２部材が第２の位置に移動した状態において、ねじりコイルばねのばね中心の位置がアーム支持位置と同一高さ若しくはアーム支持位置より低い位置にあることを特徴とする請求項１に記載のねじりコイルばねを備えた構造体。
【請求項３】
第２部材にはコイル部を受けるばね受け部が設けられており、このばね受け部が第２部材の基準面から高さ方向にオフセットされていることを特徴とする請求項１又は２に記載のねじりコイルばねを備えた構造体。
【請求項４】
ねじりコイルばねのアームが屈曲されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のねじりコイルばねを備えた構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ねじりコイルばねを備えた構造体に関する。詳しくは、ねじりコイルばねのアームを第１部材（例えば、ハウジング等）に支持すると共にねじりコイルばねのコイル部の側面を第２部材（例えば、弁体）に当接させ、コイル部の撓み反力によって第２部材を付勢するようにした構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
ねじりコイルばねを用いて第２部材（例えば、弁体等）を特定の方向に付勢する構造体が知られている。この種の構造体では、通常、ねじりコイルばねの一方のアームを第１部材（例えば、ハウジング等）に固定すると共に他方のアームを第２部材（例えば、弁体等）に固定し、コイル軸周りに発生するモーメントを利用して第２部材を付勢する。この構造体では、第２部材の移動量と第２部材に作用する付勢力とが比例し、第２部材の移動量が大きくなると第２部材を付勢する付勢力も大きくなる。
しかしながら、第２部材の移動量に対して第２部材を付勢する付勢力が大きく変化しないような非線形性が求められる場合がある。例えば、内燃機関（自動車のエンジン等）の排気流路に配置される排気流路制御弁では、弁体の移動量に対して付勢力が変化しないことが望まれる。すなわち、排気流量制御弁は、内燃機関の排気流路に配置され、排気流路を流れる排気ガスの圧力が所定値以上となったときに一気に開弁することが求められる。このため、弁体の開度が大きくなっても弁体を付勢する付勢力が大きくならないことが要求される。
【０００３】
そこで、第２部材の移動量に対して第２部材に作用する付勢力の増大を抑制することができる構造体が開発されている（例えば、特許文献１）。特許文献１には排気流路制御弁が開示されている。この排気流路制御弁は、排気ガスが流れるハウジングと、ハウジングに装着した弁体と、弁体を閉じ側に付勢するねじりコイルばねを備えている。ねじりコイルばねは、弁体の反ハウジング側に配置される。ねじりコイルばねのコイル部は、その側面が弁体の略中央に設けたばね受け部に当接し、コイル部の軸線は弁体表面に対し略平行となっている。ねじりコイルばねのアームは、ばね取付部材に支持されており、ばね取付部材に対してその軸線方向にスライド移動が可能となっている。これらの部品が組み立てられた状態では、弁体が開き側に変位するとアームが回転変位し、そのアームの回転変位により発生するコイル部の撓み反力によって弁体が閉じ側に付勢される。
この排気流路制御弁では、弁体が開き側に変位すると、ねじりコイルばねのアームがばね取付部材に対してスライド移動し、コイル部の撓み反力を生じるアームの有効長（荷重作用半径）、並びにアームから取付部材に作用する力の方向が変化する。したがって、弁体が開き側へ変位しても、弁体に作用する付勢力の増加を低く抑えることができる。これによって、排気ガスの圧力が所定値を超えると一気に全開となり、充分な弁開度を得ることができる。
【特許文献１】特許３３２６７４６号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、ねじりコイルばねのコイル部側面を被付勢部材に当接して付勢する構造体では、ねじりコイルばねの疲労に伴う荷重特性の変化（いわゆる、へたりによる荷重特性の変化）が大きな問題となる。すなわち、上述した構造体では、被付勢部材の変位が大きくなってもねじりコイルばねの付勢力があまり大きくならない。このため、ねじりコイルばねの疲労によって設定荷重（初期荷重）が低下すると、被付勢部材が低い荷重で作動し、また、被付勢部材が作動した際は被付勢部材が大きく変位するためである。したがって、上述した構造体では、ねじりコイルばねの疲労によって荷重特性が変化すると、ねじりコイルばねを交換する等の作業が必要となっていた。また、ねじりコイルばねが疲労すると作動特性の変化の度合も大きく、機能不具合が発生して使用過程において交換が必要となる場合もあった。
【０００５】
本発明は、上述した実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ねじりコイルばねのコイル部の側面で被付勢部材を付勢する構造体において、ねじりコイルばねの疲労に伴う荷重特性の変化を問題とならないレベルに抑えることができる技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明の構造体は、第１部材と、第１の位置と第２の位置との間を移動可能とされた第２部材と、第２部材を第１の位置に向けて付勢するねじりコイルばねと、を備える。
ねじりコイルばねは、ばね素線がコイル状に巻回されたコイル部と、コイル部の両端に設けられたアームとを有する。そして、アームがその軸線方向にスライド移動可能に第１部材に支持されると共にコイル部の側面が第２部材に当接し、コイル部の撓み反力によって第２部材を第１の位置に向けて付勢する。
ここで、第２部材が第１の位置に移動した状態において、ねじりコイルばねの付勢力をＰｖ、ねじりコイルばねの素線径をｄ、並びにコイル部のばね中心からアームの支持位置までの高さ方向の距離をＨ及び横方向の距離をＷとすると、
Ｐｖ・Ｗ／［ｄ３・ｃｏｓ２｛ｔａｎ−１（Ｈ／Ｗ）｝］＜８６．４
の関係式が成立することを特徴とする。
ここで、「高さ方向の距離Ｈ」は、コイル部をコイル軸方向から見たときに第２部材が移動する方向と同一方向についてのコイル部のばね中心からアームの支持位置までの距離を意味している。
また、「横方向の距離Ｗ」は、コイル部をコイル軸方向から見たときに第２部材が移動する方向と垂直方向についてのコイル部のばね中心からアームの支持位置までの距離を意味している。
【０００７】
この構造体によると、ねじりコイルばねのへたり率を低く抑えることができ、ねじりコイルばねのへたりを原因とする不具合の発生を顕著に抑制することができる。以下、その理由を詳述する。
【０００８】
一般にねじりコイルばねのへたりは、ねじりコイルばねに作用する応力と、環境温度によって決まる。上述した構造体の場合、ねじりコイルばねに作用する応力は、コイル部のばね中心とアームの支持位置との位置関係、ねじりコイルばねの初期荷重、及びコイル素線の径によって決まる。これらのうちねじりコイルばねの初期荷重及びコイル素線の径は、構造体が用いられる装置上の制約から大きく調整することはできない。一方、コイル部のばね中心とアームの支持位置との位置関係は比較的自由に調整することができ、この位置関係をどのように調整するかが大きな問題となる。また、ねじりコイルばねのへたりは、使用される環境温度の影響を強く受け、高温環境下において著しく進行する。
したがって、ねじりコイルばねのへたりが最も問題となるのは、高温環境下において使用され、ねじりコイルばねの初期荷重が高く、コイル素線の径に制約があり、かつ、高い耐久性が要求される場合である。かかる場合においてねじりコイルばねのへたりが問題とならなければ、その他の場合においてもねじりコイルばねのへたりが問題となることはない。排気流量制御弁は、使用環境温度が６００℃程度と高温であり、初期荷重も比較的高く設定され、また、装置のコンパクト化からコイル素線径が限定され、さらに、高い耐久性が要求される。したがって、排気流量制御弁に用いられる条件でへたりが問題とならなければ、他の装置においてもねじりコイルばねのへたりが問題とならないと考えられる。特に、高温環境下で用いられるねじりコイルばねの材質（例えば、Ｎｉ基合金、インコネル等）と、常温で使用するねじりコイルばねの材質（例えば、ピアノ線、ステンレス線など）は異なり、一般的に、常温で使用するねじりコイルばねより高温環境下で使用するねじりコイルばねの方がへたり率が大きい。このことからも、高温環境下で用いられるねじりコイルばねでへたりが問題とならない範囲に抑えられれば、他の一般的な構造物（常温で使用される構造物）においてへたりが問題となることはない。
【０００９】
そこで、本発明者は、自動車用消音器内の排気流量制御弁に実際に用いられたＮｉ基合金なら成るねじりコイルばねであって、ねじりコイルばね自身には交換の必要がなく、かつ、装備された自動車の走行距離が１０万ｋｍ以上のものを市場から回収し、そのへたり率を測定した。その結果、ねじりコイルばねのへたり率は９〜１５％となった。これによって、ねじりコイルばねのへたり率を１５％以内に抑えることができれば、自動車が１０万ｋｍ走行する間にねじりコイルばねの交換を行う必要がないことが判明した。逆に、ねじりコイルばねのへたり率が１５％を越えると、消音器の性能が低下し騒音基準値を満足できなくなり、消音機自体の交換が必要であることが判明した。このため、ねじりコイルばねのへたり率を１５％以内に抑えることができれば、自動車が１０万ｋｍ走行する間にねじりコイルばねのへたりを理由とする消音器交換作業の必要がない。
【００１０】
次に、ねじりコイルばねのへたりを１５％以内に抑制することが可能となる最大応力値が問題となる。本発明者の検討によると、排気流量制御弁に用いられるねじりコイルばねのへたり率と、ねじりコイルばねに対しする高温曝露試験の結果はよく一致することが判明している。このため、ねじりコイルばねに作用する負荷を変えながら高温曝露試験を行い、へたり率が１５％以下となる最大応力値を求めた。その結果、ねじりコイルばねの応力値が４４０ＭＰａ以下であれば、へたり率を１５％以下に抑えられることが判明した。
ねじりコイルばねに作用する応力を４４０ＭＰａ以下とすればよいことが判明したため、そのような条件となるコイル部のばね中心とアームの支持位置との位置関係、ねじりコイルばねの初期荷重、及びコイル素線の径の関係を求めた。なお、この種の装置では、通常、第２部材が第１の位置に付勢された状態となることが多い。このため、第２部材が第１の位置に付勢された状態（すなわち、初期状態）の応力値が４４０ＭＰａ以下となれば、へたり率を１５％以下に抑えることができる。ねじりコイルばねの応力を求める公式から、第２部材が第１の位置に移動した状態でねじりコイルばねに発生する応力を４４０ＭＰａ以下とするための条件を求めると、下記の条件が成立する必要がある。
Ｐｖ・Ｗ／［ｄ３・ｃｏｓ２｛ｔａｎ−１（Ｈ／Ｗ）｝］＜８６．４
ここで、Ｐｖは第２部材が第１の位置にあるときのねじりコイルばねの付勢力、ｄはねじりコイルばねの素線径、Ｈはコイル部のばね中心からアームの支持位置までの高さ方向の距離、Ｗはコイル部のばね中心からアームの支持位置までの横方向の距離である。
上述の説明から明らかなように、本発明の構造体では、第２部材が第１の位置に移動した状態でねじりコイルばねに作用する応力が４４０ＭＰａ以下となり、そのへたり率を１５％以内に抑えることができる。これによって、ねじりコイルばねのへたりを原因とする不具合の発生を顕著に抑制することができる。
【００１１】
なお、上述した構造体においては、第２部材が第２の位置に移動した状態において、ねじりコイルばねのばね中心の位置がアーム支持位置と同一高さ若しくはアーム支持位置より低い位置にあることが好ましい。
このように構成することで、ねじりコイルばねのアームと支持部材との係合状態が解除されてしまうことを効果的に抑制することができる。
【００１２】
また、上述した構造体においては、第２部材にはコイル部を受けるばね受け部が設けられており、このばね受け部が第２部材の基準面（例えば、第２部材の表面）から高さ方向にオフセットされていることが好ましい。
このような構成によると、コイル部のばね中心とアームの支持位置との位置関係の調整代を大きくすることができ、設計の自由度を広げることができる。
あるいは、ねじりコイルばねのアームを屈曲するようにしてもよい。このような構成によっても、コイル部のばね中心とアームの支持位置との位置関係の調整代を大きくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を具現化した一実施形態に係る構造体について図面を参照して説明する。図１は本実施形態の構造体１０の概略構成を示している。図１に示すように構造体１０は、第１部材１２，１４と、第２部材１６と、ねじりコイルばね２０を備えている。
第１部材１２、１４は一対の支持部材であり、ねじりコイルばね２０のアーム２２ａ，２２ｂをそれぞれ支持する。第１部材１２には貫通孔１３が形成され、この貫通孔１３にねじりコイルばね２０のアーム２２ａが挿通されている。アーム２２ａは、貫通孔１３に対してその軸線方向に摺動自在となっている。第２部材１４にも貫通孔１５が形成され、この貫通孔１５にねじりコイルばね２０のアーム２２ｂが挿通されている。アーム２２ｂは、貫通孔１５に対してその軸線方向に摺動自在となっている。
第２部材１６は、図の矢印の方向（上下方向）に移動することができ、第１部材に対して初期位置から最大移動位置までの間を移動可能となっている。第２部材１６の上面にはねじりコイルばね２０のコイル部２４が当接している。第２部材１６にはコイル部２４の撓み反力が作用し、第２部材１６は初期位置（下方）に向かって付勢されている。
ねじりコイルばね２０は、ばね素線がコイル状に巻回されたコイル部２４と、コイル部２４の両端に設けられたアーム２２ａ，２２ｂを有する。上述したようにアーム２２ａ，２２ｂは第１部材１２，１４にそれぞれ支持され、コイル部２４の側面（胴体）は第２部材１６の上面に当接している。
【００１４】
図２（ａ）は第２部材１６が最大移動位置に移動した状態を示しており、図２（ｂ）は第２部材１６が初期位置にセットされた状態を示している。第２部材１６が初期位置にセットされた状態（図２（ｂ）の状態）において、ねじりコイルばね２０には初期変位が与えられており、ねじりコイルばね２０から第２部材１６には初期荷重が作用している。このため、第２部材１６に上向きの力が作用しても、その力が初期荷重を超えるまでは、第２部材１６が初期位置から移動することはない。なお、ねじりコイルばね２０に与えられる初期変位（すなわち、第２部材１６が初期位置となるときの、ねじりコイルばね２０と貫通孔１３，１５の位置関係）については、後で詳述する。
第２部材１６が最大移動位置に移動した状態（図２（ａ）の状態）では、第２部材１６が初期位置にセットされた状態と比較して、ねじりコイルばね２０と貫通孔１３，１５の位置関係が変化している。すなわち、コイル部２４の中心（ばね中心）とアーム２２ａ，２２ｂの支持位置が変化している。また、ねじりコイルばね２０と貫通孔１３，１５の位置関係が変化するのに応じて、アーム２２ａ，２２ｂの有効長（コイル部２４から貫通孔１３（１５）までの距離）も変化する。このため、第２部材１６が初期位置から最大移動位置まで移動する際には、アーム２２ａ，２２ｂは貫通孔１３，１５内を軸方向にスライド移動（摺動）することとなる。
【００１５】
図３はねじりコイルばねが捻られることで発生するばね荷重Ｐと、コイル部２４から第２部材１６に作用する力Ｐｖ（付勢力）との関係を示す図である。本実施形態に係る構造体１０は、ねじりコイルばね２０を中心に左右対称であるため、図３においては、ねじりコイルばね２０の片側のみを図示している。
図３に示すようにねじりコイルばね２０が捻られると、アーム２２から第１部材１２（１４）にばね荷重Ｐが作用する。ばね荷重Ｐが作用する方向は、コイル部２４の中心と貫通孔１３（１５）を結ぶ線分に対して垂直な方向に作用する。例えば、図４に示すように、ねじりコイルばね２０のばね荷重Ｐ１，Ｐ２は、コイル部２４の中心とばね荷重Ｐ１，Ｐ２の作用点Ａ，Ｂとを結ぶ線分に対して垂直方向に作用する。図４から明らかなように、ばね荷重Ｐが作用する位置（アーム長さ）が変化すると、その荷重方向も異なることとなる。
【００１６】
図３に示すように、ばね荷重Ｐと第１部材１２（１４）のなす角をθとすると、Ｐｃｏｓθが第２部材１６を下方に付勢する力として用いられる。したがって、第２部材１６を下方に付勢する力Ｐｖは、ねじりコイルばね２０のばね荷重Ｐだけではなく、角度θによっても変化することとなる。角度θは、コイル部２４の中心とアーム支持位置（貫通孔１３，１５）の位置関係によって変化する。すなわち、コイル部２４の中心とアーム支持位置の高さ方向の距離をＨ、横方向の距離をＷとすると、角度θはｔａｎ−１（Ｈ／Ｗ）となる。
図５は、コイル部２４の中心とアーム２２の支持位置を変化させたときの角度θの変化を表すグラフである。図中、縦軸にθをとり、横軸に［Ｈ／Ｄ（コイル部２４の半径Ｄ）］をとっている。なお、高さ方向の距離Ｈについては、コイル部２４の中心がアーム支持位置と同一高さとなる点を０とし、コイル部２４の中心が上方にずれたときを（＋）、コイル部２４の中心が下方にずれたときを（−）としている。図５から明らかなように、コイル部２４の中心の位置が変化すると角度θが連続的に変化している。また、Ｈ／Ｄが“０”から離れるに従って角度θも大きくなる。このため、Ｈ／Ｄが“０”から離れるのに応じて、ばね荷重Ｐが第２部材１６の付勢力に寄与する割合が低下していくこととなる。
第２部材１６の位置が変化するとコイル部２４の位置が変化することから、第２部材１６の位置が変化することで角度θも連続的に変化する。したがって、第２部材１６の位置と、第２部材１６に作用する付勢力の関係は非線形性を有することとなる。
【００１７】
図６には本実施形態の一例に係る構造体のばね特性と、押しばね（圧縮コイルばね）を用いた構造体のばね特性を併せて示している。両構造体とも、初期荷重が同一となるようにばねの仕様を調整した。図６から明らかなように、本実施形態の構造体では、ストローク量（第２部材の移動量）が大きくなっても反力（第２部材に作用する付勢力）の増大が抑えられ（いわゆる、低ばね定数化）、その荷重特性が非線形となっている。一方、押しばね構造体では、ストローク量の増大に比例して反力が増加し、線形な荷重特性を示している。
なお、図６に示す測定結果を得るために用いたばねの仕様を表１に示している。表１から明らかなように、本実施形態の構造体によると、押しばね構造体と比較して、コイル径が小さく、かつ、質量が少なくなっている。このため、本実施形態に係る構造体によると、省スペース化と軽量化が図られることとなる。
【００１８】
【表１】
2006275265.tif 000003
【００１９】
上述した説明から明らかなように、コイル部２４の中心とアーム支持位置（貫通孔１３，１５）の位置関係が変化すると角度θが変化し、角度θが変化すると必要な付勢力を得るためのばね荷重も変化する。ばね荷重が変化すると、ばね素線に作用する曲げモーメントが変化し、ばね素線に作用する応力も変化する。ばね素線に作用する応力は、ばねのへたり・耐久性の面からはできるだけ低応力域での使用が好ましい。特に、高温環境下で使用する場合は、耐熱性に優れたばね材を使用したとしても、使用応力によってへたり量（へたり率）が大きく変化する。
図７は、同一の付勢力が第２部材１６に作用するようにしながらコイル部２４の中心をアーム支持位置に対して変化させたときの、ねじりコイルばね２０のばね素線に作用する応力の変化を表すグラフである。図中、縦軸に応力をとり、横軸に［Ｈ／Ｄ（コイル部の半径Ｄ）］をとっている。また、高さ方向の距離Ｈについては、コイル部２４の中心がアーム支持位置と同一高さとなる点を０とし、コイル部２４の中心が上方にずれたときを（＋）、コイル部２４の中心が下方にずれたときを（−）としている。なお、図にはＷ（コイル部２４の中心からアーム支持位置までの横方向の距離）／Ｄの値を１．２７，１．４８，１．８２に変化させたときの結果がそれぞれ示されている。
図７から明らかなように、Ｈ／Ｄが“０”のとき（すなわち、コイル部２４の中心とアーム支持位置が同一高さのとき）に応力が最小となり、Ｈ／Ｄが０から離れるのに応じて応力が大きくなっている。Ｈ／Ｄが“０”から離れるとばね荷重方向と付勢方向のなす角度θが大きくなり、必要な不勢力を得るためにはばね荷重を大きくしなければならないためである。
【００２０】
図８は、図７に示す応力をねじりコイルばねに作用させた状態とし、その状態のまま６００℃で１００時間放置した際のばねの荷重損失率（へたり率）を表している。図８から明らかなように、Ｈ／Ｄが“０”のとき（すなわち、コイル部２４の中心とアーム支持位置が同一高さのとき）にへたり率が最小となり、Ｈ／Ｄが“０”から離れるにしたがってへたり率が大きくなっている。ばね素線に作用する応力とへたり率に相関があることが示されている。このため、（Ｈ／Ｄ）を“０”を中心に変化するように第２部材１６の初期位置を設定すると（例えば、Ｈ／Ｄが−０．５〜＋０．５の範囲に設定すると）、ねじりコイルばね２０に作用する応力を低く抑えることができ、へたり率も低く抑えることができる。
【００２１】
既に説明したように、ねじりコイルばねのへたり率を１５％以内に抑えることができれば、ねじりコイルばねの耐久性（へたり）は問題とならない。また、図９に示すように、高温曝露試験によるねじりコイルばねのへたり率と市場から回収した回収品の値は良く一致し、高温曝露試験の結果からねじりコイルばねの応力を４４０ＭＰａ以下に抑えればへたり率を１５％以下に抑えることができることについても既に説明した。さらに、上述した構造体１０では、第２部材１６が初期位置に位置する時間が長いことから、第２部材１６が初期位置に位置する時（いわゆる、セット時）に、ねじりコイルばね２０に作用する応力を４４０ＭＰａ以下に抑えることが重要であることも既に説明している。
ここでは、ねじりコイルばね２０に作用する応力を４４０ＭＰａ以下とするためのセット時の条件を算出する手順について説明する。ねじりコイルばねに発生するモーメントと、コイル素線に発生する応力の関係は、次に示す式で表される。
σ＝３２Ｍ／πｄ３        （１）
したがって、へたり率が１５％となる条件は下記の式で表される。
４４０＞３２Ｍ／πｄ３    （２）
一方、第２部材１６を初期位置にセットした時に第２部材１６に作用する付勢力をＰｖとすると、ＰｖとばねモーメントＭとの関係は、
Ｐｖ＝２×Ｐｃｏｓθ，  Ｐ＝Ｍ／ｒ        （３）
となる。ここで、Ｐはばね荷重であり、ｒはコイル部２４の中心からアーム支持位置までの距離（荷重作用半径）である（図３，４参照）。
上記（２）式と（３）式から、次の式が導かれる。
３２Ｐｖ・ｒ／（２πｄ３・ｃｏｓθ）＜４４０      （４）
ここで、θ＝ｔａｎ−１（Ｈ／Ｗ）、ｒ＝Ｗ／ｃｏｓθと表されるので（図３参照）、これらを上記（４）式に代入すると、次の式が導かれる。
３２Ｐｖ・Ｗ／［２πｄ３・ｃｏｓ２（ｔａｎ−１（Ｈ／Ｗ））］＜４４０      （５）
Ｐｖ・Ｗ／［ｄ３・ｃｏｓ２（ｔａｎ−１（Ｈ／Ｗ））］＜８６．４            （６）
したがって、第２部材１６がセット位置において、上記（６）式を満足するようにＰｖ（初期荷重），ｄ（ばね素線の径），Ｈ（コイル部の中心からアーム支持位置までの高さ方向の距離），Ｗ（コイル部の中心からアーム支持位置までの横方向の距離）を設定してやれば、へたり率を１５％以下に抑えることができる。
【００２２】
図１０には上述した式（６）の条件をグラフ化したものを表示している。図では縦軸をｔａｎ−１（Ｈ／Ｗ）とし、横軸をＰｖ・Ｗ／ｄ３としている。式（６）を満足する領域は、ｆ３で示す線よりも上方で、かつ、ｆ４で表す線よりも下方の領域となる。例えば、初期荷重Ｐｖ，コイル部２４とアーム支持位置との横方向の距離Ｗ，コイル素線の径ｄを決めると、図１０の領域内からｔａｎ−１（Ｈ／Ｗ）を決定し、これに基づいてコイル部２４とアーム支持位置との高さ方向の距離Ｈを決定することができる。また、図１１には、初期荷重Ｐｖを３０［Ｎ］、ｄを２．４［ｍｍ］としたときの式（６）の条件が示されている。
【００２３】
なお、図１６に示すように、第１部材１２（１４）に対してコイル部２４（第２部材１６）の位置が変化すると、アーム２２の有効長さＸが変化する。図１５にはアーム支持位置に対してコイル部２４を変化させたときのアーム２２の有効長さＸの変化を示している。図１５から明らかなように、コイル部２４の中心とアーム支持位置の高さが一致するときにアーム有効長さが最小となり、コイル部２４の中心が上方又は下方にずれると、それに伴ってアーム有効長Ｘも長くなる。したがって、コイル部２４の中心がアーム支持位置の下方から相対位置“０”に移動する時はアーム有効長さＸが徐々に減少し、貫通孔１３，１５からのアーム２２の突出長さは徐々に長くなる。また、コイル部２４の中心が相対位置“０”からアーム支持位置の上方に移動する時はアーム有効長さＸが徐々に長くなり、その一方で、貫通孔１３（１５）からのアーム２２の突出長さは徐々に短くなる。このため、アーム２２の貫通孔１３（１５）からの脱落防止の観点からは、貫通孔１３，１５からのアーム突出長さが徐々に長くなる範囲（すなわち、コイル部２４の中心が相対位置“０”より下方の範囲）でコイル部２４を動作させることが好ましいこととなる。
【００２４】
また、コイル部２４が上下に移動してアーム２２の有効長さＸが変化すると、それに伴ってアーム２２ａ，２２ｂが第１部材１２，１４の貫通孔１３，１５内を摺動する。アーム２２ａ，２２ｂの摺動は、第２部材１６を付勢する付勢力の往路と復路でのヒステリシスループの原因となる。図１２は、本実施形態に係る構造体１０の一例に対して実測した結果を示している。このようなヒステリシスは使用環境（温度、湿度）や表面性状に大きく影響し、ねじりコイルばね２０の荷重特性の安定性の観点からはヒステリシスを小さくすること（すなわち、アーム２２ａ，２２ｂの摺動量を小さくすること）が望まれる。
【００２５】
図１３はアーム支持位置に対してコイル部２４の中心の初期位置を変更したときのアーム摺動量の変化を示している。図１３では第２部材１６（コイル部２４）の最大移動量（初期位置〜最大移動位置）をＤ（コイル部２４の直径）／２との前提で計算している。図１３に示すように最大移動量をＤ／２とした場合、コイル部２４の初期位置を−Ｄ／４としたときにアーム２２ａ，２２ｂの摺動量が最も少なくなっている。
ただし、第２部材１６の最大移動量が異なると、アーム２２ａ，２２ｂの摺動量が最小となる初期位置は変化する。図１４には、第２部材１６の最大移動量を変化させたときの最適初期位置（最も摺動量が少なくなる初期位置）の変化を示している。図１４に示すように、最大移動量が大きくなると最適初期位置もマイナス側（コイル部２４の中心がアーム支持位置に対して下方）に移動している。図１４から明らかなように、最大移動量Ｓmaxに対して最適初期位置Ｈ０／Ｄは、−Ｓmax／２となっている。すなわち、初期位置と最終移動位置の中間がＨ０／Ｄ＝０となるように、アーム２２ａ，２２ｂの摺動量を最小とすることができる。
【００２６】
上述の説明から明らかなように、本実施形態の構造体１０は下記の特徴を有している。
（１）ねじりコイルばね２０のアーム２２ａ，２２ｂを第１部材１２，１４で支持し、ねじりコイルばね２０のコイル部２４によって第２部材１６を付勢する構造体１０では、第２部材１６の移動量に対して第２部材１６を付勢する付勢力の増加を抑えることができ、低ばね定数化を実現することができる。
（２）第２部材１６を付勢する初期加重Ｐｖが予め設定されている場合に、アーム支持位置に対するコイル部２４の中心の相対位置（Ｈ／Ｄ）を−０．５〜＋０．５の範囲でねじりコイルばね２０の初期位置を設定することで、ねじりコイルばね２０のコイル素線に作用する応力を小さくすることができる。これによって、ねじりコイルばねのへたりを小さくすることができる。
（３）Ｐｖ・Ｗ／［ｄ３・ｃｏｓ２（ｔａｎ−１（Ｈ／Ｗ））］＜８６．４を満足するように初期荷重Ｐｖ、コイル素線径ｄ並びにコイル部２４の中心とアーム支持位置との位置関係（Ｈ，Ｗ）を設定することで、高温環境下等の過酷な条件で使用する場合においてもねじりコイルばね２０のへたりを問題とならないレベルに抑えることができる。
（４）第２部材１６の最大移動量Ｓmaxが与えられた場合に、コイル部２４の初期位置Ｈ０を−Ｓmax／２に設定することで、ねじりコイルばね２０のヒステリシスを最も小さくすることができる。
（５）第２部材１６が最も移動したとき（最大移動位置にあるとき）に、コイル部２４の中心がアーム支持位置と同一高さ又は低くなるように設定することで、第２部材１６の動きによってアーム２２が第１部材１２，１４の貫通孔１３，１５から抜けることを防止することができる。
（６）アーム支持位置に対するコイル部２４の中心の相対位置（Ｈ／Ｄ）が−Ｓmax〜０の範囲で用いることで、ばねの耐久性、熱へたり量、さらに、アームの抜け防止に顕著な効果を奏することができる。
【実施例】
【００２７】
次に、上述した実施形態に係る構造体を利用した一実施例に係る排気流路制御弁について添付図面を参照して詳細に説明する。排気流路制御弁は、内燃機関からの排気ガスが流れる排気流路に配置され、排気ガスの圧力が所定値以上となると開弁する排気流路制御弁である。図１７，１８は本実施例に係る排気流路制御弁を示す斜視図である。図１７，１８に示すように排気流量制御弁５０は、ハウジング６０と、弁体７０と、弁体７０をハウジング６０に向かって付勢するねじりコイルばね４０を備える。
【００２８】
ハウジング６０の下端（排気管接続口）には自動車等のエンジンから排出されるガスが導入され、ハウジング６０内を排気ガスが流れるようになっている。ハウジング６０の上端（排気口）は、弁体７０によって開閉可能に閉じられている。
ハウジング６０には、ばね取付部６２，６６が立設されている。ばね取付部６２，６６には３つのばね取付孔６４，６８が形成されている。３つのばね取付孔６４，６８には、ねじりコイルばね４０のアーム４２ａ，４２ｂが選択的に取付けられる。したがって、ねじりコイルばね４０のアーム４２ａ，４２ｂを取付ける取付孔を選択することで、アーム支持位置に対するねじりコイルばね４０の相対的な位置を調整可能となっている。アーム４２ａ，４２ｂがばね取付孔６４，６８に取付けられると、アーム４２ａ，４２ｂは取付孔６４，６８に対してその長手方向に摺動自在に支持される。
【００２９】
弁体７０は、プレス成形等によって製造される板成形品である。弁体７０は、その中央にばね受け部７２が形成され、その外周上の対向する位置に一対の溝７４ａ，７４ｂが形成されている。ばね受け部７２は、ハウジング６０側に凹に形成されており、ねじりコイルばね４０のコイル部４１に応じた形状に形成されている。
【００３０】
弁体７０の反ハウジング側にはねじりコイルばね４０が配されている。ねじりコイルばね４０は、ばね素線をコイル状に巻回したコイル部４１と、コイル部４１の両端に形成されたアーム４２ａ、４２ｂを備えている。コイル部４１は、弁体７０のばね受け部７２に保持されている。コイル部４１の外周がばね受け部７２に保持されると、コイル部４１の巻回軸線が弁体７０（弁体７０の上面）と略平行となっている。
【００３１】
ハウジング６０の上端（排気口）は拡径されてフランジ６３が形成され、フランジ６３において弁体７０の下面と当接する。ハウジング６０には金属メッシュシート８０が固定される。金属メッシュシート８０は、ハウジング６０のフランジ６３に当接するシール部８２と、ハウジング６０の拡径部６１（Ｒ形状部）に当接する溶接部８４を備えている。金属メッシュシート８０は、溶接部８４においてハウジング６０に溶接されており、シール部８２では溶接されていない。すなわち、溶接箇所では「へこみ」や硬化が生じるため、緩衝性能の低下やシール性が悪化する。このため、ハウジング６０と弁体７０のシール面をシールするシール部８２で溶接を行わないことで、シール性能の向上と、緩衝性能の維持が図られている。
【００３２】
図１９は３つのばね取付孔６４（６８）にねじりコイルばね４０のアーム４２ａ（４２ｂ）を取付けたときのアーム４２ａ（４２ｂ）の状態がそれぞれ示されている。図９に示すように、アーム４２ａ（４２ｂ）を取付けるばね取付孔６４を上から下に移動すると、アーム４２ａ（４２ｂ）のばねねじり角が増加していることが示されている。
図２０は各ばね取付孔の位置での「弁開度−弁開き荷重」特性が示されている。ばね取付孔が上（−）側の位置では、開弁時の弁開き荷重を低くできる一方で、弁開度が増加するにつれて荷重作用半径が短くなるため、弁開き荷重は徐々に増加する傾向を示している。ばね取付孔が中央（正規）の位置では、開弁時の弁開き荷重が高くなるものの、弁開度が増加するにつれて荷重作用半径が長くなるため、弁開き荷重の増加が抑制されている。ばね取付孔が下（＋）側の位置では、上記の傾向がより顕著となる。このため、ばね取付孔６４（６８）の位置を変えることで、開弁時の弁開き荷重と「弁開度−弁開き荷重」特性を選択することができる。
【００３３】
上述した実施例の排気流路制御弁５０でも、Ｐｖ・Ｗ／［ｄ３・ｃｏｓ２（ｔａｎ−１（Ｈ／Ｗ））］＜８６．４を満足するように初期荷重Ｐｖ、コイル素線径ｄ並びにコイル部４１の中心とアーム支持位置との位置関係（Ｈ，Ｗ）を設定することで、高温環境下等の過酷な条件で使用する場合においてもねじりコイルばね２０のへたりを問題とならないレベルに抑えることができる。このため、本実施例の排気流量制御弁５０を自動車に搭載すると、自動車の走行距離が１０万ｋｍを超える前にねじりコイルばねのへたりを原因とする消音機能の低下等の発生を顕著に抑制することができる。
【００３４】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
なお、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本実施形態に係る構造体の概略構成を示す図。
【図２】第２部材が最大移動位置に移動した状態（同図（ａ））と、第２部材１６が初期位置にセットされた状態（同図（ｂ））を示す図。
【図３】ねじりコイルばねが捻られることで発生するばね荷重と、コイル部から第２部材に作用する力（付勢力）との関係を示す図。
【図４】ばね荷重の作用点と、その作用方向の関係を示す図。
【図５】アーム支持位置に対するコイル部の相対位置と、荷重方向θとの関係を示すグラフ。
【図６】第２部材の移動量（ストローク量）と第２部材を付勢する付勢力との関係を示すグラフ。
【図７】アーム支持位置に対するコイル部の相対位置と、ばね応力との関係を示すグラフ。
【図８】アーム支持位置に対するコイル部の相対位置と、ばねへたり率との関係を示すグラフ。
【図９】高温曝露試験におけるへたり率の暴露時間による変化を示すグラフ。
【図１０】へたり率が１５％以下となる条件をグラフ化した図。
【図１１】特定の条件下でへたり率が１５％以下となる取付条件をグラフ化した図。
【図１２】本実施形態の構造体の具体例について測定したヒステリシスを示す図。
【図１３】アーム支持位置に対するコイル部の相対位置と、アーム摺動量との関係を示すグラフ。
【図１４】最大移動量に対する最適初期位置の関係を示すグラフ。
【図１５】アーム支持位置に対するコイル部の相対位置と、アーム長さＸの関係を示すグラフ。
【図１６】アーム支持位置に対するコイル部の位置が変化することによってアームの有効長が変化することを説明するための模式図。
【図１７】本発明を具現化した一実施例に係る排気流量制御弁の斜視図。
【図１８】図１７に示す排気流量制御弁の分解斜視図。
【図１９】ばね取付孔位置とねじりコイルばねのアーム角度の関係を模式的に示す図。
【図２０】取付孔位置を変えたときの「弁開度−弁開き荷重」特性を示す図。
【符号の説明】
【００３６】
１０・・構造体
１２，１４・・第１部材
１３，１５・・貫通孔
１６・・第２部材
２０・・ねじりコイルばね
２２ａ，２２ｂ・・アーム
２４・・コイル部
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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