(57)【要約】  トーションバースプリングが開示される。当該トーションバースプリングは、弾性的に曲がることができる材料で作製された第１の細長スプリングバーを含み得る。第１の細長スプリングバーは、遠位端の第１の結合インタフェース部と、長手方向軸に沿う向きの内部開口とを有し得る。当該トーションバースプリングはまた、弾性的に曲がることができる材料で作製された第２の細長スプリングバーを含み得る。第２の細長スプリングバーは、上記遠位端の第２の結合インタフェース部を有し得る。第２の細長スプリングバーは、少なくとも部分的に、第１の細長スプリングバーの内部開口の中に配置されることができる。第１及び第２の細長スプリングバーは、第１及び第２の細長スプリングバーの非結合部分が長手方向軸の周りで互いに対して回転可能であるように、第１及び第２の結合インタフェース部で互いに直接的に結合されることができる。
2019536956.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
弾性的に曲がることができる材料で作製され、且つ遠位端の第１の結合インタフェース部と、長手方向軸に沿う向きの内部開口とを有する第１の細長スプリングバーと、
弾性的に曲がることができる材料で作製され、且つ前記遠位端の第２の結合インタフェース部を有する第２の細長スプリングバーと、
を有し、
前記第２の細長スプリングバーは、少なくとも部分的に、前記第１の細長スプリングバーの前記内部開口の中に配置されており、且つ、前記第１及び第２の細長スプリングバーの非結合部分が前記長手方向軸の周りで互いに対して回転可能であるように、前記第１及び第２の細長スプリングバーは、前記第１及び第２の結合インタフェース部で互いに直接的に結合されている、
トーションバースプリング。
【請求項２】
前記第１及び第２の結合インタフェース部の少なくとも一方が、前記長手方向軸に対して半径方向に延在する肩部を有する、請求項１に記載のトーションバースプリング。
【請求項３】
前記第１及び第２の結合インタフェース部は、前記長手方向軸の周りで互いから円周方向にオフセットされた相補的な突起を有する、請求項１に記載のトーションバースプリング。
【請求項４】
前記第１及び第２の細長スプリングバーは、弾性的に曲がることができる同じ材料で作製されている、請求項１に記載のトーションバースプリング。
【請求項５】
前記第１及び第２の細長スプリングバーは金属材料で作製されている、請求項４に記載のトーションバースプリング。
【請求項６】
前記第１及び第２の結合インタフェース部は互いに溶接されている、請求項１に記載のトーションバースプリング。
【請求項７】
前記第１の細長スプリングバーは管状構成を有する、請求項１に記載のトーションバースプリング。
【請求項８】
前記第２の細長スプリングバーは中実である、請求項１に記載のトーションバースプリング。
【請求項９】
当該トーションバースプリングは更に、近位端で前記第１の細長スプリングバーに付随した第１の取り付け部と、前記近位端で前記第２の細長スプリングバーに付随した第２の取り付け部とを有し、前記第１及び第２の取り付け部は、外部コンポーネントへの当該トーションバースプリングの結合を容易にする、請求項１に記載のトーションバースプリング。
【請求項１０】
前記第１の細長スプリングバーの外表面が、外部コンポーネントと境界を接するベアリング面として構成されている、請求項１に記載のトーションバースプリング。
【請求項１１】
前記第２の細長スプリングバーは、前記長手方向軸に沿う向きの第２の内部開口を有する、請求項１に記載のトーションバースプリング。
【請求項１２】
前記第２の細長スプリングバーは管状構成を有する、請求項１１に記載のトーションバースプリング。
【請求項１３】
前記第２の細長スプリングバーは、近位端に第３の結合インタフェース部を有し、当該トーションバースプリングは更に、弾性的に曲がることができる材料で作製され且つ前記近位端に第４の結合インタフェース部を有する第３の細長スプリングバーを有し、前記第３の細長スプリングバーは、少なくとも部分的に、前記第２の細長スプリングバーの前記内部開口の中に配置されており、且つ、前記第２及び第３の細長スプリングバーの非結合部分が前記長手方向軸の周りで互いに対して回転可能であるように、前記第２及び第３の細長スプリングバーは、前記第３及び第４の結合インタフェース部で互いに直接的に結合されている、請求項１１に記載のトーションバースプリング。
【請求項１４】
前記第３の細長スプリングバーは中実である、請求項１３に記載のトーションバースプリング。
【請求項１５】
前記第３の細長スプリングバーは管状構成を有する、請求項１３に記載のトーションバースプリング。
【請求項１６】
当該トーションバースプリングは更に、前記近位端で前記第１の細長スプリングバーに付随した第１の取り付け部と、前記遠位端で前記第３の細長スプリングバーに付随した第２の取り付け部とを有し、前記第１及び第２の取り付け部は、外部コンポーネントへの当該トーションバースプリングの結合を容易にする、請求項１３に記載のトーションバースプリング。
【請求項１７】
第１のコンポーネント、
第２のコンポーネント、並びに
前記第１のコンポーネントと前記第２のコンポーネントとの相対的な回転を支援するように、前記第１のコンポーネント及び前記第２のコンポーネントに動作可能に結合されたトーションバースプリングであり、
弾性的に曲がることができる材料で作製され、且つ遠位端の第１の結合インタフェース部と、長手方向軸に沿う向きの内部開口とを有する第１の細長スプリングバーと、
弾性的に曲がることができる材料で作製され、且つ前記遠位端の第２の結合インタフェース部を有する第２の細長スプリングバーと、
を有し、
前記第２の細長スプリングバーは、少なくとも部分的に、前記第１の細長スプリングバーの前記内部開口の中に配置されており、且つ、前記第１及び第２の細長スプリングバーの非結合部分が前記長手方向軸の周りで互いに対して回転可能であるように、前記第１及び第２の細長スプリングバーは、前記第１及び第２の結合インタフェース部で互いに直接的に結合されている、
トーションバースプリング、
を有するトーションバースプリングシステム。
【請求項１８】
前記第１のコンポーネント又は前記第２のコンポーネントはミサイルの操縦翼面であり、前記第１及び第２のコンポーネントの他方は前記ミサイルの本体である、請求項１７に記載のシステム。
【請求項１９】
前記第１の細長スプリングバーの外表面が、ベアリング面として構成されて、前記第１及び第２の外部コンポーネントの少なくとも一方と境界を接する、請求項１７に記載のシステム。
【請求項２０】
前記第１及び第２のインタフェース部の少なくとも一方が、前記長手方向軸に対して半径方向に延在する肩部を有する、請求項１７に記載のシステム。
【請求項２１】
前記第１及び第２のインタフェース部は、前記長手方向軸の周りで互いから円周方向にオフセットされた相補的な突起を有する、請求項１７に記載のシステム。
【請求項２２】
２つのコンポーネント間のばね荷重による相対的な回転を支援する方法であって、
弾性的に曲がることができる材料で作製され、且つ遠位端の第１の結合インタフェース部と、長手方向軸に沿う向きの内部開口とを有する第１の細長スプリングバーを得ることと、
弾性的に曲がることができる材料で作製され、且つ前記遠位端の第２の結合インタフェース部を有する第２の細長スプリングバーを得ることと、
前記第２の細長スプリングバーを、少なくとも部分的に、前記第１の細長スプリングバーの前記内部開口の中に配置することであり、前記第１及び第２の細長スプリングバーの非結合部分が前記長手方向軸の周りで互いに対して回転可能であるように、前記第１及び第２の細長スプリングバーが、前記第１及び第２の結合インタフェース部で互いに直接的に結合される、配置することと、
前記第１の細長スプリングバーに第１のコンポーネントを結合し且つ前記第２の細長スプリングバーに第２のコンポーネントを結合することを支援することと、
を有する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、トーションバースプリング（ねじり棒ばね）に関する。
【背景技術】
【０００２】
エネルギー貯蔵には多くのタイプのばねが利用可能である。例えば、圧縮ばね及び引張ばねは、螺旋状に巻かれたワイヤを軸方向の力で圧縮又は伸張することによってエネルギーを蓄えることができる。別のタイプのばねはトーションスプリング（例えば、従来式のコイル状のトーションスプリング及びトーションバー）であり、ばねの端部にトルク又はねじり力を加え、荷重が加えられるにつれてばねの端部がある角度にわたって回転することによってエネルギーが蓄えられる。全てのばねシステムは、単位体積当たり蓄えることができるエネルギーの量によって特徴付けられることができる。ばねを特徴付けることができる別の特性は、単位質量（又は重量）当たり蓄えることができるエネルギーの量である。従って、単位体積当たり及び／又は単位質量当たりばねによって蓄えることができるエネルギーの量を増やすことによって、エネルギー貯蔵のためにばねを利用する装置の性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００３】
一緒になって本発明の特徴を例として示す添付図面とともに以下の詳細な説明を検討することで、本発明の特徴及び利点が明らかになる。
【図１Ａ】ねじり荷重を受ける中実の棒を例示している。
【図１Ｂ】ねじり荷重を受ける管状の棒を例示している。
【図２】本開示の一例に従ったトーションバースプリングの断面図である。
【図３Ａ】本開示の一例に従ったトーションバースプリングの細長スプリングバー結合インタフェース部の端面図である。
【図３Ｂ】本開示の他の一例に従ったトーションバースプリングの細長スプリングバー結合インタフェース部の端面図である。
【図４】本開示の他の一例に従ったトーションバースプリングの断面図である。
【図５】本開示の一例に従ったトーションバースプリングの斜視図である。
【図６】本開示の一例に従った細長スプリングバーの端部の側断面図である。
【図７】本開示の一例に従った細長スプリングバーの取り付け部の端面図である。
【図８】本開示の一例に従ったトーションバースプリングシステムを例示している。
【０００４】
以下、図示した例示的な実施形態を参照するとともに、ここでは特定の言葉を用いてそれを記述する。そうとはいえ、理解されることには、それによる本発明の範囲の限定は意図していない。
【発明を実施するための形態】
【０００５】
ここで使用されるとき、用語“実質的に”は、完全又は略完全な範囲又は程度の動作、特性、性質、状態、構造、品目又は結果を表す。例えば、“実質的に”包囲されている物体は、その物体が完全に包囲されているか、あるいは略完全に包囲されているかの何れかを意味する。絶対的な完全性からの逸脱の正確な許容可能な程度は、一部の場合において、具体的な文脈に依存し得る。しかしながら、一般的に言えば、完全に近いことは、あたかも絶対的且つ総合的な完全さが得られるかのように全体として同じ結果を有するようなものである。“実質的に”の用法は、動作、特性、性質、状態、構造、品目又は結果の完全又は略完全な欠如を表す否定的な含意で使用されるときにも等しく当てはまる。
【０００６】
ここで使用されるとき、“隣接”は、２つの構造又は要素の近接を表す。特に、“隣接”しているとして特定される要素は、接しているか接続されているかの何れかであり得る。そのような要素はまた、必ずしも互いに接触するわけではなく、互いに近いか接近するかであってもよい。近接性の正確な程度は、一部の場合において、具体的な文脈に依存し得る。
【０００７】
以下では、最初に技術的実施形態の概説を提供し、その後に具体的な技術的実施形態を更に詳細に説明する。この最初の概要は、より迅速に技術を理解する上で読者を助けることを意図したものであり、技術の重要な特徴又は本質的な特徴を特定することを意図したものではなく、また、特許請求に係る事項の範囲を限定することを意図したものでもない。
【０００８】
トーションスプリングに関して、従来式のばね設計は、特定の用途におけるそれらの使用を妨げてしまい得る欠点を有する。例えば、所望の回転角度を達成するトーションバーは、所与の用途の空間的制約に対して長すぎることがある。同様に、コイル状のトーションスプリングは、所与の用途の空間的制約を超える直径を持つことがある。そのような場合、比較的コンパクトな空間エンベロープ内で所望レベルのばね性能が達成されるように、従来式のトーションスプリング設計よりも増大された単位体積当たり及び／又は単位質量当たりのエネルギー貯蔵を提供するトーションスプリングが望まれる。
【０００９】
従って、従来式のトーションスプリング設計よりも増大された単位体積当たり及び／又は単位質量当たりのエネルギー貯蔵を提供するトーションバースプリングを開示する。一態様において、当該トーションバースプリングは、エネルギー貯蔵デバイスとバネ荷重式ヒンジ機構用途のためのヒンジピンとの双方として使用されることができる。当該トーションバースプリングは、弾性的に曲がることができる材料で作製された第１の細長スプリングバーを含み得る。第１の細長スプリングバーは、遠位端の第１の結合インタフェース部と、長手方向軸に沿う向きの内部開口とを有し得る。当該トーションバースプリングはまた、弾性的に曲がることができる材料で作製された第２の細長スプリングバーを含み得る。第２の細長スプリングバーは、上記遠位端の第２の結合インタフェース部を有し得る。第２の細長スプリングバーは、少なくとも部分的に、第１の細長スプリングバーの内部開口の中に配置されることができる。第１及び第２の細長スプリングバーは、第１及び第２の細長スプリングバーの非結合部分が長手方向軸の周りで互いに対して回転可能であるように、第１及び第２の結合インタフェース部で互いに直接的に結合されることができる。
【００１０】
一態様において、トーションバースプリングシステムが開示される。当該システムは、第１のコンポーネント、第２のコンポーネント、並びに、第１のコンポーネントと第２のコンポーネントとの相対的な回転を支援するように第１のコンポーネント及び第２のコンポーネントに動作可能に結合されたトーションバースプリングを含み得る。トーションバースプリングは、弾性的に曲がることができる材料で作製された第１の細長スプリングバーを含み得る。第１の細長スプリングバーは、遠位端の第１の結合インタフェース部と、長手方向軸に沿う向きの内部開口とを有し得る。トーションバースプリングはまた、弾性的に曲がることができる材料で作製された第２の細長スプリングバーを含み得る。第２の細長スプリングバーは、上記遠位端の第２の結合インタフェース部を有し得る。第２の細長スプリングバーは、少なくとも部分的に、第１の細長スプリングバーの内部開口の中に配置されることができる。第１及び第２の細長スプリングバーは、第１及び第２の細長スプリングバーの非結合部分が長手方向軸の周りで互いに対して回転可能であるように、第１及び第２の結合インタフェース部で互いに直接的に結合されることができる。
【００１１】
ねじり荷重を受ける中実及び管状の棒（バー）が、それぞれ、図１Ａ及び図１Ｂに例示されており、これらは、従来型のトーションバースプリングを表している。中実の円形断面の棒（図１Ａ）の場合、偏向角θが：
【数１】
2019536956.tif 000003
によって与えられ、管状の円形断面の棒（図１Ｂ）の場合、偏向角θが：
【数２】
2019536956.tif 000004
によって与えられ、ここで、Ｔはトルクであり、Ｌは棒の長さであり、Ｊは極慣性モーメントであり、Ｇは剛性率であり、ｄｏは外径であり、そして、ｄｉは内径である。
【００１２】
図１Ａ及び図１Ｂにおけるようなトーションバースプリングは、比較的小さい角変位（すなわち、ねじれ角）で回転させるときに比較的高いトルクを生み出す。上の式から分かることには、必要なトルクを与えると、バーの長さ及び直径によって、得られる角変位を変えることができる。例えば、長さを大きくすること及び外径を小さくすることによって、角変位を大きくすることができる。故に、より大きい角変位で同じ量のトルクが望まれる場合、材料に過度の応力をかけてばねの故障を引き起こさないように、バー長さを大きくしなければならない。しかしながら、利用可能な設計スペースが常にそのようなバー長さの増加を受け入れられるわけではない。本開示の技術は、とりわけ、この問題に対処する。
【００１３】
本開示に従ったトーションバースプリング１００の一例を、図２に断面にて例示する。概して、トーションバースプリング１００は、長手方向軸１０２の周りでねじり又はトルクをかけることができる複数の細長いスプリングバー１１０、１２０を有することができる。細長スプリングバー１１０は、長手方向軸１０２に沿う向きの内部開口１１１を有することができる。一態様において、細長スプリングバー１１０は管状構成を有することができる。細長スプリングバー１２０は、少なくとも部分的に、細長スプリングバー１１０の内部（開口１１１を通して）に配置されることができる。細長スプリングバー１１０、１２０は、軸方向に揃えられることができ、又は長手方向軸１０２を中心に同心にされることができる。細長スプリングバー１２０は、例えば長手方向軸１０２に沿う向きの内部開口１２１（例えば、管状構成）などの任意の好適な構成を有することができ、又は細長スプリングバー１２０は中実とすることができる。ここに開示されるスプリングバー（例えばスプリングバー１１０、１２０）は、長さが一般に直径よりも大きいので、直径及び長さに関係なく“細長い”と見なされる。
【００１４】
細長スプリングバー１１０、１２０はまた、トーションバースプリング１００の遠位端１０３ａに、それぞれ、結合インタフェース部１１２、１２２を有することができる。細長スプリングバー１１０、１２０は、細長スプリングバー１１０、１２０の非結合部分１１３、１２３が、長手方向軸１０２の周りで互いに対して回転可能であるように、長手方向軸１０２周りのトルクを伝達するようにして結合インタフェース部１１２、１２２にて互いに直接的に結合されることができる。スプリングバー１１０、１２０を互いに直接的に結合することによって、中間構造又はコンポーネントなしに、これらのスプリングバー間で直接的にトルクを伝達することができる。更に詳細に後述するように、一部の実施形態において、結合インタフェース部１１２、１２２は、追加のハードウェア又は部品を必要とせずに、互いへの直接的な結合を容易にするように構成されることができる。故に、細長スプリングバー１１０から細長スプリングバー１２０への直接的な荷重経路が存在し、この荷重経路内に中間構造又はコンポーネントはない。少なくとも、細長スプリングバー１１０、１２０は、長手方向軸１０２周りの或る回転自由度での相対移動を防止するように、結合インタフェース部１１２、１２２にて互いに固定的に結合されることができる。なお、細長スプリングバー１１０、１２０は、任意の適切な回転自由度及び／又は並進自由度での相対移動を防止するように、結合インタフェース部１１２、１２２にて互いに固定的に結合され得る。
【００１５】
一態様において、結合インタフェース部１１２及び／又は結合インタフェース部１２２は、長手方向軸１０２に対して半径方向に延在する肩部又はフランジを有することができる。例えば、図２に示すように、細長スプリングバー１２０の結合インタフェース部１２２が、長手方向軸１０２に対して半径方向外向きに延在する肩部１２４を含む。一部の実施形態では、細長スプリングバー１１０の結合インタフェース部１１２が、長手方向軸１０２に対して半径方向内向きに延在する肩部（図示せず）を含むことができる。１つ以上の肩部又はフランジ（例えば、肩部１２４）の半径方向寸法１４０は、細長スプリングバー１１０、１２０として残る非結合部分１１３、１２３の間の間隙１４１に等しいとすることができる。換言すれば、１つ以上の肩部は、間隙１４１を提供するように構成されることができる。認識されるべきことには、結合インタフェース部は、任意の好適構成を有することができる。
【００１６】
例えば、図３Ａは、細長スプリングバー結合インタフェース部２１２、２２２の端面図を例示している。このケースでは、それぞれの結合インタフェース部２１２、２２２の外表面２１４、２２４が、円筒形又は円錐形の表面を提供し得るものである円形断面を有している。結合インタフェース部２１２、２２２は、互いに対して任意の好適タイプの嵌合（フィット）を有することができる。例えば、外側の結合インタフェース部２１２の内径２４２及び内側の結合インタフェース部２２２の外径２４３を、隙間ばめ、中間ばめ、又は締まりばめに合わせた寸法にすることができる。また、長手方向軸２０２周りでの結合インタフェース部２１２、２２２間の相対的な回転は、任意の好適なやり方で防止されることができる。例えば、結合インタフェース部２１２、２２２間の締まりばめは、長手方向軸２０２周りでの相対的回転を防止するのに十分であり得る。一方で、隙間ばめ又は中間ばめを用いる結合インタフェース部２１２、２２２は、長手方向軸２０２周りでの相対的回転を、境界面での溶接又は接着剤によって防止し得る。故に、一部の実施形態において、結合インタフェース部２１２、２２２は、追加のハードウェア又は部品を必要とせずに、互いに直接的に結合されることができる。一態様において、長手方向軸２０２周りでの相対的回転に対する機械的な抵抗を提供するために、結合インタフェース部２１２、２２２において内部的に、そのような相対的回転を防止するのに十分であるピン又はダボ（dowel）２５０ａ、２５０ｂが嵌合されてもよい。この場合、結合インタフェース部２１２、２２２は、外付けのハードウェア又は部品を必要とせずに、互いに結合されることができる。
【００１７】
図３Ｂは、他の一例に従った細長スプリングバー結合インタフェース部３１２、３２２の端面図を例示している。このケースでは、結合インタフェース部３１２、３２２は、半径方向３０４に互いに重なり合うとともに長手方向軸３０２の周りで円周構成及び方向３０５に互いにオフセットされている相補的な突起３１５、３２５を有している。突起３１５、３２５は、任意の好適構成のものとし得る。例えば、突起３１５、３２５は、例えば（図示のような）城郭状スプライン又は他の好適なスプラインプロファイル若しくは形状などの、任意の好適構成を有することができる。結合インタフェース部３１２、３２２の相補的な突起３１５、３２５は、互いに対して任意の好適タイプの嵌合を有することができる。例えば、結合インタフェース部３１２、３２２の相補的な突起３１５、３２５は、隙間ばめ、中間ばめ、又は締まりばめに合わせた寸法にされることができる。相補的な突起３１５、３２５の幾何学構成は、長手方向軸３０２の周りでの結合インタフェース部３１２、３２２間の相対的な回転に対して、そのような相対的回転を防止するのに十分である機械的な抵抗を提供することができる。一態様において、突起３１５、３２５は、長手方向軸３０２に対して平行に延在することができ、あるいは長手方向軸３０２の周りに螺旋状に延在してもよい。他の一態様において、突起３１５、３２５は、円筒形のベース形状又は円錐形のベース形状（すなわち、長手方向軸３０２に沿って先細になる）から半径方向３０４に延在することができる。更なる一態様において、それぞれの突起３１５、３２５の半径方向高さ３４４ａ、３４４ｂは、長手方向軸３０２に沿って一定又は可変（例えば、高さが徐々に減る）とし得る。また、結合インタフェース部３１２、３２２を互いに固定するために、突起３１５、３２５の境界面に溶接又は接着剤が適用され得る。故に、結合インタフェース部３１２、３２２は、追加のハードウェア又は部品を必要とせずに、互いに直接的に結合されることができる。
【００１８】
図２を再び参照するに、細長スプリングバー１１０、１２０が互いに直列に結合されており、各細長スプリングバーによって担持されるトルクは同じである。従って、細長スプリングバー１１０及び細長スプリングバー１２０を、同じトルクを扱うように設計することができる。１つの細長スプリングバーが他のものよりもかなり強い場合、トーションバースプリング１００は最適化されないことになる。強い方の細長スプリングバーが、不必要な質量及び剛性を持つことになり、これらの双方が性能を低下させる。従って、それぞれの細長スプリングバー１１０、１２０の例えば壁厚１４５ａ、１４５ｂ及び／又は内径１４６ａ、１４６ｂなどの幾何学構成は相互に関係しており、細長スプリングバー１１０、１２０が同じトルクを受けることによって、対応し合うように変化することができる。上述のように、内側の細長スプリングバー１２０は中実又は管状とすることができる。故に、細長スプリングバー１２０の内径１４６ｂは、ゼロ（すなわち、中実のバー）と最大量（これは、例えば細長スプリングバー１１０の内径１４６ａ、細長スプリングバー１２０の壁厚１４５ｂ、及び細長スプリングバー１１０、１２０の非結合部分１１３、１２３の間の間隙１４１などの要因によって制限され得る）との間で様々とし得る。
【００１９】
多くの場合、スペース制約が、トルク及び／又は変位の要件に加えて、トーションバースプリング１００の最大外形寸法を決めることになる。故に、所望の間隙１４１を所与として、それぞれの細長スプリングバー１１０、１２０の壁厚１４５ａ、１４５ｂは、所望の又は最適化された設計を達成するために可変である。所与のトルクを受け入れるために外側の細長スプリングバー１１０の壁厚１４５ａが増加するにつれて、内側の細長スプリングバー１２０の壁厚１４５ｂも、その壁厚が細長スプリングバー１２０の半径に等しくなって内側の細長スプリングバー１２０が中実となるまで、増加することができる。一方で、一部のトーションバースプリング設計は、物理的スペースに適合する必要がなく、代わりに、主に、必要な最大トルクによって主導されることがある。この場合、内側の細長スプリングバーが寸法を主導してもよい。例えば、内側の細長スプリングバー１２０は中実であるとすることができ、そして、細長スプリングバー１１０、１２０の非結合部分１１３、１２３の間の所与の所望の間隙１４１を保存しながら、外側の細長スプリングバー１１０の厚さ１４５ａが然るべく調節され得る。内側の細長スプリングバー１２０の壁厚１４５ｂが増加するにつれて、（スペースが許すならば）外側の細長スプリングバー１１０の壁厚１４５ａが間隙１４１を維持するように増加し、及び／又は、より薄い壁厚を維持するために、細長スプリングバー１１０、１２０の一方又は双方に、より高い強度の材料が使用され得る。故に、応力マージンが維持されることを確保しながら、細長スプリングバー１１０、１２０の寸法を変えることによってトーションバースプリング１００の性能を最適化することができる。
【００２０】
トーションバースプリング１００の１つの利点は、細長スプリングバー１２０が細長スプリングバー１１０内に入れ子にされており、トーションバースプリング１００は、全体のサイズエンベロープを実際に変える（例えば、全体長さを大きくする）ことなく、追加長さ及び直径減少を模擬できることである。その結果は、所与の最大トルクでの角変位の増大、及びコンパクトな体積での潜在的なエネルギー貯蔵の増加（すなわち、単位体積当たりのエネルギー密度の増加）である。
【００２１】
細長スプリングバー１１０、１２０は、例えば金属（例えば、鉄、チタン、アルミニウム、ニッケルなどに基づく合金）、繊維強化複合材（例えば、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維など）、及び／又は様々な高弾性率強化エンジニアリングプラスチック（例えば、繊維強化ＰＥＥＫ、ガラス充填ＰＥＴ、又は様々な充填芳香族ポリイミド）などの、弾性的に曲がることができる任意の好適材料で作製されることができる。一態様において、細長スプリングバー１１０、１２０は、弾性的に曲がることができる相異なる材料で作製され得る。他の一態様において、細長スプリングバー１１０、１２０は、弾性的に曲がることができる同じ材料で作製され得る。特定の一例において、細長スプリングバー１１０、１２０は、例えば鋼鉄又はチタンなどの金属材料で作製されることができる。その場合、結合インタフェース部１１２、１２２は、任意の好適な技術又はプロセス（例えば、電子ビーム溶接、軌道溶接など）によって、互いに溶接されることができる。故に、精密な細長スプリングバー１１０、１２０を同じ材料から作製し、結合インタフェース部１１２、１２２で共に溶接し、そして熱処理することで、信頼性の高いトーションバースプリングを作り出すことができる。他の一例では、結合インタフェース部１１２、１２２を互いに固定するために、例えばエポキシなどの接着剤を使用することができるが、他の材料又は方法を使用してもよい。
【００２２】
トーションバースプリング１００はまた、トーションバースプリング１００を例えば入力装置及び／又は被駆動コンポーネントなどの外部コンポーネントに結合することを容易にするために、細長スプリングバー１１０、１２０の各々にそれぞれ付随した取り付け部１１６、１２６を含むことができる。図２に示す例では、取り付け部１１６、１２６は、トーションバースプリング１００の近位端１０３ｂでそれぞれの細長スプリングバー１１０、１２０に付随している。取り付け部１１６、１２６は、トーションバースプリング１００を外部のコンポーネント又は装置に取り付けるために使用され得る任意の構成を有し得る。例えば、取り付け部１１６、１２６は、外部コンポーネントと係合する又は接するように構成された、例えば平行な平面又はスプラインなどの外部フィーチャ１１７ａ、１２７ａを有することができる。他の一例では、取り付け部１１６、１２６は、外部コンポーネントと係合又は接するように構成された、例えばねじ穴又はソケットなどの内部フィーチャ１１７ｂ、１２７ｂを有することができる。概して、取り付け部１１６、１２６は、結合インタフェース部１１２、１２２とは反対側の、細長スプリングバー１１０、１２０の非結合部分１１３、１２３の端部に配置され、外部コンポーネントとの結合を容易にするために露出される。偶数個の細長スプリングバーに起因して、取り付け部１１６、１２６はトーションバースプリング１００の同じ端部に位置している。
【００２３】
細長スプリングバー１２０の内部開口１２１は、図示した内部取り付けフィーチャ１２７ｂの構成に起因して、出口のないブラインド開口として示されているが、認識されるべきことには、内部開口１２１は、長手方向軸１０２に沿って細長スプリングバー１２０を完全に貫いて延在していてもよい。
【００２４】
一態様において、外側の細長スプリングバー１１０の外表面１１８は、軸１０２の周りで外部コンポーネントの位置関係を維持するために外部コンポーネントと境界を接する位置決め機構及び／又はベアリング面として構成されることができる。その場合、トーションバースプリング１００はまた、軸１０２の周りを回転する外部コンポーネント用のヒンジピンとして機能することもできる。トーションバースプリング１００は、従って、２つのコンポーネント間の旋回接続又はヒンジ接続を維持することと、これらのコンポーネント用のエネルギー貯蔵／返送（例えば、バネ荷重式ヒンジ機構）を提供することとの２つの機能を提供することができる。
【００２５】
図４は、本開示の他の一例に従ったトーションバースプリング４００を例示している。トーションバースプリング４００は、多くの点でトーションバースプリング１００と類似している。例えば、トーションバースプリング４００は、長手方向軸４０２の周りでねじり又はトルクをかけることができる、弾性的に曲がることができる材料で作製された、複数の細長いスプリングバー４１０、４２０、４３０を含んでいる。細長スプリングバー４１０、４２０は各々、長手方向軸４０２に沿う向きの内部開口４１１、４２１を有することができる。一態様において、細長スプリングバー４１０、４２０は各々、管状構成を有することができる。細長スプリングバー４２０は、少なくとも部分的に、細長スプリングバー４１０の内部開口４１１の中に配置されることができる。細長スプリングバー４１０、４２０は、トーションバースプリング４００の遠位端４０３ａに、それぞれ、結合インタフェース部４１２、４２２ａを有している。細長スプリングバー４１０、４２０は、細長スプリングバー４１０、４２０の非結合部分４１３、４２３が、長手方向軸４０２の周りで互いに対して回転可能であるように、長手方向軸４０２周りのトルクを伝達するようにして結合インタフェース部４１２、４２２ａにて互いに直接的に結合されることができる。
【００２６】
このケースでは、細長スプリングバー４２０はまた、トーションバースプリング４００の近位端４０３ａに結合インタフェース部４２２ｂを含んでいる。細長スプリングバー４３０は、少なくとも部分的に、細長スプリングバー４２０の内部開口４２１内に配置されることができる。細長スプリングバー４３０も、トーションバースプリング４００の近位端４０３ａに結合インタフェース部４３２を含んでいる。故に、細長スプリングバー４２０、４３０は、細長スプリングバー４２０、４３０の非結合部分４２３、４３３が、長手方向軸４０２の周りで互いに対して回転可能であるように、長手方向軸４０２周りのトルクを伝達するようにして結合インタフェース部４２２ｂ、４３２にて互いに直接的に結合されることができる。細長スプリングバー４１０、４２０、４３０は、軸方向に揃えられることができ、又は長手方向軸４０２を中心に同心にされることができる。細長スプリングバー４３０は、例えば長手方向軸４０２に沿う向きの内部開口（図示せず）などの任意の好適な構成を有することができ（例えば、管状構成）、又は、図示のように、細長スプリングバー４３０は中実とすることができる。
【００２７】
結合インタフェース部４１２、４２２ａ、４２２ｂ、４３２は、任意の好適構成を有することができる。一態様において、１つの結合インタフェース部が、長手方向軸４０２に対して半径方向に延在する肩部又はフランジを含むとともに、対応する結合インタフェース部が、該肩部又はフランジの一部と係合してそれを受け入れるように構成された凹部を含むことができる。図４に示す例では、細長スプリングバー４１０の結合インタフェース部４１２が、長手方向軸４０２に対して半径方向内向きに延在する肩部４１４を含んでいる。加えて、細長スプリングバー４２０の結合インタフェース部４２２ａが、肩部４１４の一部と係合してそれを受け入れるように構成された凹部４２４ａを含んでいる。肩部４１４及び凹部４２４ａは、細長スプリングバー４１０、４２０の非結合部分４１３、４２３の間に間隙４４１ａを提供するように構成されることができる。認識されるべきことには、この例では結合インタフェース部４１２が肩部４１４を含むとともに、結合インタフェース部４２２ａが凹部４２４ａを含んでいるが、一部の実施形態において、結合インタフェース部４１２が凹部を含むとともに、結合インタフェース部４２２ａが肩部を含むことができる。
【００２８】
他の一態様において、対応する結合インタフェース部が各々、長手方向軸４０２に対して半径方向に延在する肩部又はフランジを有することができる。例えば、細長スプリングバー４２０の結合インタフェース部４２２ｂは、長手方向軸４０２に対して半径方向内向きに延在する肩部４２４ｂを含んでおり、細長スプリングバー４３０の結合インタフェース部４３２は、長手方向軸４０２に対して半径方向外向きに延在する肩部４３４を含んでいる。肩部４２４ｂ及び４３４は、細長スプリングバー４２０、４３０の非結合部分４２３、４３３の間に間隙４４１ｂを提供するように構成されることができる。
【００２９】
細長スプリングバー４１０、４２０、４３０の、例えば直径（例えば、内径４４６ａ−ｂ及び外径４４６ｃ）、壁厚（例えば、壁厚４４５ａ−ｂ）などの幾何学構成は、このケースでは第３の細長スプリングバー４３０を考慮に入れて、上述のように決定されることができる。一連の入れ子にされた細長スプリングバーを両端で結合することは、所与の設計の要件を満たすように構成されたコンパクトなアセンブリを提供することができる。認識されるべきことには、所与の最大トルクで所与の角変位を達成するために、及び／又は適切な応力マージンを維持するために、任意の好適な寸法を有する任意の数の細長スプリングバーを使用することができる。
【００３０】
トーションバースプリング４００はまた、トーションバースプリング４００を例えば入力装置及び／又は被駆動コンポーネントなどの外部コンポーネントに結合することを容易にするために、細長スプリングバー４１０、４３０の各々にそれぞれ付随した取り付け部４１６、４３６を含むことができる。図４に示す例では、取り付け部４１６は、トーションバースプリング４００の近位端４０３ｂで細長スプリングバー４１０に付随しており、取り付け部４３６は、トーションバースプリング４００の遠位端４０３ａで細長スプリングバー４３０に付随している。奇数個の細長スプリングバーに起因して、取り付け部４１６、４３６はトーションバースプリング４００の反対側の端部に位置している。
【００３１】
図５は、本開示の一例に従ったよるトーションバースプリング５００の斜視図を示している。トーションバースプリング５００は、図４のトーションバースプリング４００と同様の構成を有することができ、トーションバースプリング５００を外部コンポーネントに結合するための取り付け部５１６、５３６がトーションバースプリング５００の反対側の端部（例えば、遠位端５０３ａ及び近位端５０３ｂ）に位置するように細長スプリングバーが配置される。一態様において、トーションバースプリング５００は、接続される２つの外部コンポーネント間にねじり力又はトルクを必要とする機構（例えば、ばね荷重式ヒンジ機構）での使用のためのヒンジピンとして構成されることができる。このケースでは、外側の細長スプリングバー５１０の外表面５１８が、軸５０２の周りで外部コンポーネントの位置関係を維持するために外部コンポーネントと境界を接する位置決め機構及び／又はベアリング面として構成され得る。トーションバースプリング５００は、従って、ばねとしてだけでなく、ヒンジピンとしても作用することができる多機能デバイスであることができ、故に、このような用途においてさもなければヒンジピンに付随することがある外付けのトーションぜんまいばねを不要にする。トーションバースプリング５００のコンパクト性と、内蔵式のばね荷重式ヒンジピンのその多機能性の側面により、トーションバースプリング５００は、数多くの用途において部品点数、体積、及び重量を最小化し得る。
【００３２】
図６は、他の一例に従った細長スプリングバーの端部の側面断面図を示している。このケースでは、それぞれの細長スプリングバー６１０、６２０の結合インタフェース部６１２、６２２が、互いに対する溶接を容易にするように構成されている。例えば、結合インタフェース部６１２は、溶接材料又は接着材料を受け入れ且つ結合インタフェース部６２２の表面６２９へのアクセスを提供するように構成されることができる１つ以上の開口６１９を含む。一部の実施形態において、結合インタフェース部６１２、６２２を互いに結合するために、開口６１９及び表面６２９に対して栓溶接を適用することができる。この手法は、例えば細長スプリングバー６１０、６２０などの比較的薄肉の細長スプリングバーを利用するときに有益であり得る。細長スプリングバー６１０は、細長スプリングバー６１０の非結合部分と結合インタフェース部６１２との間で先細にされるか、スエージ加工６５２されるかすることができる。一態様において、細長スプリングバー６３０に付随する取り付け部６３６が、外部コンポーネントの１つ以上の突起を受け入れるように構成された内部フィーチャ６３７（すなわち、開口又は孔）を有し得る。
【００３３】
図７は、他の一例に従った細長スプリングバーの取り付け部７１６の端面図を示している。このケースにおいて、取り付け部７１６は、外部コンポーネントと係合する又は接するように構成された例えば突起などの外部フィーチャ７１７を有している。この構成は、比較的薄肉の細長スプリングバーを使用するときに有益であり得る。
【００３４】
図８は、本開示の一例に従ったトーションバースプリングシステム８０１を示している。システム８０１は、コンポーネント８０６、８０７と、コンポーネント８０６、８０７の相対的な回転を支援するようにコンポーネント８０６、８０７に動作可能に結合されたトーションバースプリング８００とを含み得る。トーションバースプリング８００は、ここに開示されたいずれかの好適構成のものとし得る。図示の例では、トーションバースプリング８００は、トーションバースプリング４００及び５００と同様に構成されており、トーションバースプリング８００を外部コンポーネント８０６、８０７に結合するための取り付け部８１６、８３６がトーションバースプリング８００の反対側の端部（例えば、遠位端８０３ａ及び近位端８０３ｂ）に位置するように、細長スプリングバーが配置されている。システム８０１は、接続されたコンポーネント８０６、８０７間にねじり力又はトルクを必要とする一種のばね荷重式ヒンジ機構であると考えることができる。一態様において、外側の細長スプリングバー８１０の外表面８１８が、軸８０２の周りでコンポーネント８０６、８０７の位置関係を維持するためにコンポーネント８０６、８０７と境界を接する位置決め機構及び／又はベアリング面として構成され得る。このケースにおいて、トーションバースプリング８００は、システム８０１のばね荷重式ヒンジ機構用のヒンジピンとして構成されることができる。
【００３５】
図示の例において、コンポーネント８０６はミサイルの本体とすることができ、コンポーネント８０７はミサイルの操縦翼面とすることができる。理解されるべきことには、ここに開示されたトーションバースプリングは、例えば展開可能／格納可能な装置（例えば、安定板、翼、ランチャーラグ、探索装置／センサ光学カバーなど）などの数多くの軍事及び商業用途において使用されることができ、あるいは、物体（例えば、ヒンジ式カバー／蓋、ドアなど）を動かすときに必要とされるモータトルクをオフセットするために使用されることができる。一例において、ここに開示されたようなトーションバースプリングは、加速を補助するために蓄積エネルギーが解放されるような車両の回生制動に使用されることができる。
【００３６】
一例によれば、２つのコンポーネント間のばね荷重による相対的な回転を支援する方法が開示される。当該方法は、弾性的に曲がることができる材料で作製され、且つ遠位端の第１の結合インタフェース部と、長手方向軸に沿う向きの内部開口とを有する第１の細長スプリングバーを得ることを有し得る。当該方法はまた、弾性的に曲がることができる材料で作製され、且つ上記遠位端の第２の結合インタフェース部を有する第２の細長スプリングバーを得ることを有し得る。当該方法は更に、第２の細長スプリングバーを、少なくとも部分的に、第１の細長スプリングバーの内部開口の中に配置することを有することができ、第１及び第２の細長スプリングバーの非結合部分が長手方向軸の周りで互いに対して回転可能であるように、第１及び第２の細長スプリングバーが、第１及び第２の結合インタフェース部で互いに直接的に結合される。さらに、当該方法は、第１の細長スプリングバーに第１のコンポーネントを結合し且つ第２の細長スプリングバーに第２のコンポーネントを結合することを支援することを有し得る。なお、この方法においては特定の順序は必要とされないが、概して、一実施形態において、これらの方法ステップは順次実行されることができる。
【００３７】
理解されるべきことには、開示された発明の実施形態は、ここに開示された特定の構造、処理工程、又は材料に限定されず、当業者によって認識されるその均等範囲に拡張される。やはり理解されるべきことには、ここで使用される用語は、単に特定の実施形態を説明する目的で使用されており、限定の意図はない。
【００３８】
本明細書の全体を通じての“一実施形態”又は“或る実施形態”への言及は、その実施形態に関連して記載される特定の機構、構造、又は特性が、本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。故に、本明細書の全体の様々な箇所で“一実施形態において”又は“或る実施形態において”という言い回しが現れることは、必ずしも全てが同じ実施形態に言及しているわけではない。
【００３９】
ここで使用されるとき、複数の品目、構造要素、組成要素、及び／又は材料が、便宜上、共通のリストにて提示され得る。しかしながら、それらのリストは、そのリストの各メンバーが別個の独特のメンバーとして個々に特定されているかのように解釈されるべきである。故に、そのようなリストの何れの個々メンバーも、反することの示唆がない限り、単に共通のグループにて提示されていることに基づいて、同じリスト内のその他のメンバーの事実上の等価物として解釈されるべきでない。さらに、ここでは、本発明の様々な実施形態及び例が、その様々な構成要素に関する代替とともに言及されることがある。理解されるように、それらの実施形態、例、及び代替は、互いに事実上の等価物と見なされるべきでなく、本発明の別個の自立した表現と見なされるべきである。
【００４０】
また、記載された機構、構造、又は特性は、１つ以上の実施形態において好適に組み合わされ得る。明細書においては、本発明の実施形態の十分な理解を提供するため、例えば長さ、幅、形状の例など、数多くの具体的詳細事項が提供されている。しかしながら、当業者が認識するように、本発明は、これらの具体的詳細事項のうちの１つ以上を用いずに実施されてもよいし、あるいは、他の方法、構成要素、材料などを用いて実施されてもよい。また、周知の構造、材料、又は処理については、本発明の態様を不明瞭にすることがないよう、詳細に示したり説明したりしていない。
【００４１】
以上の例は、１つ以上の特定の用途において本発明の原理を例示したものであり、当業者には明らかなように、発明能力の発揮なしで、本発明の原理及び概念を逸脱することなく、実装の形態、用法、及び細部における数多くの変更が為され得る。従って、以下に記載される請求項によるものを除いて、本発明を限定する意図はない。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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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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【国際調査報告】
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