(57)【要約】      （修正有）【課題】１０００℃を越えるような高温環境下においても繰り返し使用できるスプリング素子であって、大荷重を支えることができる高いねじり剛性を有し、スプリングワッシャーとして使用することができるスプリング素子を提供する。【解決手段】螺旋円環状のスプリング素子１であって、スプリング素子１は、スプリング素子１の中心軸方向に積層された層構成を有する２次元炭素／炭素複合材料から成る構成の螺旋円環状のスプリング素子１とした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
螺旋円環状のスプリング素子であって、当該スプリング素子は、当該スプリング素子の中心軸方向を向いた面に平行に積層された層構成を有する２次元炭素／炭素複合材料から成ることを特徴とする螺旋円環状のスプリング素子。
【請求項２】
請求項２に記載の螺旋円環状のスプリング素子において、前記２次元炭素／炭素複合材料は、炭素繊維不織布をスプリング素子の中心軸方向を向いた面に平行に積層した層構成を有することを特徴とする螺旋円環状のスプリング素子。
【請求項３】
螺旋円環状のスプリング素子の製造方法であって、
炭素繊維を一方向に配向したシート、又は、炭素繊維からなる織布あるいは不織布を平板状に積層した層構成を有する平板状の炭素／炭素複合材料又は炭素／炭素複合材料の前駆体を成形するステップと、
平板状の炭素／炭素複合材料又は炭素／炭素複合材料の前駆体から、３６０度未満の周角度を有する円環状の成形体を削り出すステップと、
当該円環状の成形体を螺旋状に賦形するステップと、
当該賦形された螺旋円環状の成形体を焼成するステップと、
から成ることを特徴とする螺旋円環状のスプリング素子の製造方法。
【請求項４】
請求項３に記載の螺旋円環状のスプリング素子の製造方法において、
前記焼成ステップにおける焼成温度が、１０００℃〜３０００℃であることを特徴とする螺旋円環状のスプリング素子の製造方法。
【請求項５】
請求項３又は４に記載の螺旋円環状のスプリング素子の製造方法において、
前記焼成ステップでは、螺旋円環状の成形体の形状を保持しつつ焼成することを特徴とする螺旋円環状のスプリング素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温環境下において使用されることによって特にその性能を発揮することができる炭素／炭素複合材料製のスプリング素子に係り、詳細には、高温環境下においてスプリングワッシャーとして使用することができるスプリング素子とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
スプリングワッシャーとして利用可能なスプリング素子は、機械要素として、各種の機械、装置、機構に用いられており、今日においては、家庭用品や工業用品、更にはその他の分野において、必要不可欠の重要な部品となっている。
【０００３】
従来、スプリングワッシャーは、一般に金属材料にて製造されているものであり、ステンレス鋼、低合金鋼、工具鋼、チタン合金などが主に使われてきている。  しかし、金属材料製のスプリングワッシャーは、耐熱性に劣り、高温の使用環境下において充分なバネ特性を発揮し得ず、従って高温環境下での使用が不可能であったり、高温環境下での長期的な使用が不可能である。
【０００４】
例えば、耐熱性合金と称される材料で作られたスプリングワッシャーであっても４００℃を越える温度では、強度低下及び変形が著しく、急激なヘタリ現象が起こるため、このような高温環境下ではスプリングワッシャーとして使用することができなかった。
【０００５】
そして、４００℃を越えるような環境温度でプリングワッシャーを使用する場合、インコネル、ハステロイ等の超耐熱合金を使用してスプリングワッシャーを製造することできるが、このような超耐熱合金でも、７００℃を越える温度では、強度低下及び変形が著しく、急激なヘタリ現象が起こるため、このような高温環境下ではスプリングとして使用することができなかった。
【０００６】
更に、インコネル、ハステロイ等の超耐熱合金に代えて窒化珪素やジルコニアなどのセラミックスを使ってスプリングワッシャーを製造することもできるが、このようなセラミックス製のスプリングワッシャーはもともと靱性が低く、熱衝撃にも弱いため、繰り返し高温環境下で使用すると破壊する可能性が高い。  また、５００〜１０００℃を越える高温では、急激に強度低下が起こるため破損に至ることがある。
【０００７】
このような問題を解決するために、炭素／炭素複合材料（Ｃ／Ｃコンポジットとも呼ぶ）製のスプリングワッシャーが開示されている（特許文献１参照）。  炭素／炭素複合材料（Ｃ／Ｃコンポジットとも呼ぶ）は、強化繊維である炭素繊維を黒鉛または炭素のマトリックスで固めた繊維強化複合材料であって、従来の炭素材料、あるいは黒鉛材料に比べ数倍の強度、弾性率を備えると共に、耐熱性、耐摩耗性、靱性に優れていることから、宇宙往還機等のノーズキャップや翼のリーディングエッジ等、航空機、レーシングカー、新幹線車両、大型重量車両等のブレーキ、熱処理炉の炉内構造材、トレイ、ヒーター、半導体製造炉や太陽電池製造炉における製品ハンドリングフォーク、金属加工用の高温治具等に使用されてきた材料である。
【０００８】
特許文献１が開示する炭素／炭素複合材料製のスプリングワッシャーは、以下のような製造方法により製造されたものであった。
（１）引張り強さ２００kg／mm2以上、引張り弾性率２４０００kg／mm2以上の炭素繊維の束又はスリーブ状に編んだプリプレグを治具のスパイラルな溝に巻き付けて加熱して、半硬化させ、
（２）次に、半硬化したコイル状成形体を治具から外し、更に加熱し、完全に硬化させてコイル状成形体を得、
（３）次に、コイル状成形体を炭化、必要に応じてピッチ等を含浸、焼成、黒鉛化しＣＣＭ（炭素／炭素複合材料）のコイル状材を得、
（４）更に、一巻き毎に切削分離することにより、ＣＣＭのスプリングワッシャーとする。
【０００９】
特許文献１が開示する炭素／炭素複合材料製のスプリングワッシャーは、以上のような製造方法を採用したものであったため、長繊維である炭素繊維がコイルの素線に沿って伸びるか、或いはコイルの素線に沿って更にスパイラル状に伸びた繊維配向となっていたため、スプリングワッシャーとして使用することができる程度の強度、弾性率（スプリングワッシャーにおいては、特にねじり剛性が重要である）を有してはいるものの、大荷重を支えるスプリングワッシャーとしてはねじり剛性が低く、十分な機能を果たしているとは言えなかった。
【００１０】
また、特許文献１が開示する炭素／炭素複合材料製のスプリングワッシャーは、上述したような製造方法を採用したものであったため、ワッシャー径が異なる毎にスパイラルな溝を有する治具を必要とすることと、コイル状に成形した炭素／炭素複合材料を一巻き毎に切削分離していたため、量産化が難しくコスト高となっていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平９−０７９２４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、上述したような技術的背景に鑑みなされたものであり、１０００℃を越えるような高温環境下においても繰り返し使用できるスプリング素子であって、大荷重を支えることができる高いねじり剛性を有し、スプリングワッシャーとして使用することができるスプリング素子を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために、第１の観点にかかる発明では、螺旋円環状のスプリング素子であって、スプリング素子は、スプリング素子の中心軸方向を向いた面に平行に積層された層構成を有する２次元炭素／炭素複合材料から成る構成の螺旋円環状のスプリング素子とした。
【００１４】
また、第２の観点にかかる発明では、第１の観点にかかる発明の螺旋円環状のスプリング素子において、２次元炭素／炭素複合材料は、炭素繊維不織布をスプリング素子の中心軸方向を向いた面に平行に積層した層構成を有する構成の螺旋円環状のスプリング素子とした。
【００１５】
更に、第３の観点にかかる発明では、螺旋円環状のスプリング素子の製造方法であって、
炭素繊維を一方向に配向したシート、又は、炭素繊維からなる織布あるいは不織布を平板状に積層した層構成を有する平板状の炭素／炭素複合材料又は炭素／炭素複合材料の前駆体を成形するステップと、
平板状の炭素／炭素複合材料又は炭素／炭素複合材料の前駆体から、３６０度未満の周角度を有する円環状の成形体を削り出すステップと、
円環状の成形体を螺旋状に賦形するステップと、
賦形された螺旋円環状の成形体を焼成するステップと、
から成る構成の螺旋円環状のスプリング素子の製造方法とした。
【００１６】
また、第４の観点にかかる発明では、第３の観点にかかる発明の螺旋円環状のスプリング素子の製造方法において、焼成ステップにおける焼成温度が、１０００℃〜３０００℃である構成の螺旋円環状のスプリング素子の製造方法とした。
【００１７】
また、第５の観点にかかる発明では、第３又は第４の観点にかかる発明の螺旋円環状のスプリング素子の製造方法において、焼成ステップでは、螺旋円環状の成形体の形状を保持しつつ焼成する構成の螺旋円環状のスプリング素子の製造方法とした。
【発明の効果】
【００１８】
本発明では、上述したような構成の炭素／炭素複合材製のスプリング素子とした結果、１０００℃を越えるような高温環境下においても繰り返し使用できるスプリング素子を提供することが可能となった。
また、炭素繊維不織布をスプリング素子の中心軸方向を向いた面に平行に積層した層構成を有する構成の螺旋円環状のスプリング素子では、ねじり剛性を飛躍的に向上させることが可能となった結果、大荷重を支えることができる高いねじり剛性を有するスプリング素子を提供することが可能となった。
更に、本発明に係る螺旋円環状のスプリング素子の製造方法によれば、高価な製造用治具を必要とせず、切削加工も容易であるため、量産化が容易で、低コスト化を図ることが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、本発明にかかる炭素／炭素複合材料製のスプリング素子の代表的な例を示したものである。
【図２】図２は、本発明にかかる炭素／炭素複合材料製のスプリング素子の代表的な製造プロセスを示したものである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明にかかる炭素／炭素複合材製のスプリング素子について説明する。
炭素／炭素複合材料（Ｃ／Ｃコンポジットとも呼ぶ）は、強化繊維である炭素繊維を黒鉛または炭素のマトリックスで固めた繊維強化複合材料であって、従来の炭素材料、あるいは黒鉛材料に比べ数倍の強度、弾性率を備えると共に、優れた耐熱性、耐摩耗性、靱性を有する材料である。  また、炭素／炭素複合材料は、比重が小さく、強度、剛性（弾性率）が高いことから、高比強度、高比剛性な材料としても知られている。
【００２１】
炭素／炭素複合材料は、炭素繊維を一方向にのみ配向したもの、炭素繊維を平面的に２方向あるいは多方向に配向したもの、炭素繊維を立体的に３方向に配向したもの、炭素繊維（短繊維）を平面的にランダムに配向したもの、炭素繊維（短繊維）を立体的にランダム配向したものの他、炭素繊維を種々のパターンで配向したものがこれまでに考案されてきている。
【００２２】
また、炭素／炭素複合材料の製造方法についても、レジンチャー法、ＣＶＤ法、プリフォームドヤーンを使用した製造方法などの他、短繊維状炭素繊維と、バインダーピッチ粉末と、コークス粉末と、粘結剤とからなるシート状の中間材料（プリプレグ状の中間材料）を使用した製造方法が開発されてきている。
【００２３】
図１は、本発明にかかる炭素／炭素複合材料製のスプリング素子１の代表的な例を示したものである。  スプリング素子１は、螺旋状の本体部分１１と一端側１２と他端側１３から構成された、螺旋円環状の形状を有している。  ここで、螺旋円環状の形状とは、図１に示すように、スプリング素子１の一端側１２から他端側１３に向けて螺旋状に本体部分１１が伸びている状態をいう。  また、スプリング素子１の一端側１２から他端側１３までの円周角は３６０度未満となっており、一端側１２と他端側１３の間はスリット１４を構成するようになっている。
【００２４】
スプリング素子１の素線の断面寸法（ｗ、ｂ）や外径（Ｄ）、高さ（Ｈ）（各寸法の表記は図１参照）は、そのスプリング素子１が使用される荷重やたわみ量によって定められる。  なお、図１には、スプリング素子１の素線の断面形状が矩形状であるものが示されているが、これに限定されるものではない。
【００２５】
本発明に係るスプリング素子１は、２次元炭素／炭素複合材料（強化繊維である炭素繊維が平面的に配向された炭素／炭素複合材料のことをいう）から構成されており、スプリング素子１の中心軸方向を向いた面に平行に積層された層構成を有している。
ここで、「スプリング素子１の中心軸方向を向いた面に平行に積層された層構成を有している」とは、図１に示すスプリング素子１の中心軸方向（図１のＸ方向）を向いた面であるａ１面（図１の正面図の上側面）及びａ２面（図１の正面図の下側面）に沿って平行に積層された層構成を有していることを意味するものである。
【００２６】
本発明における２次元炭素／炭素複合材料の各層に使用される炭素繊維は種々の形態のものを使用することができる。  例えば、炭素繊維を一方向に引き揃えて配向したシートを配向角度を変えて重ね合わせたシート（アングルプライシート）、炭素繊維束で織った織布、短繊維状炭素繊維をペーパー状にランダムに配向した不織布を使用することができる。
【００２７】
次に、本発明にかかる炭素／炭素複合材料製のスプリング素子１の製造方法の１例としての実施形態について説明する。
なお、ここで説明する製造方法は、炭素繊維不織布を利用した製造方法であって、短繊維状炭素繊維と、バインダーピッチ粉末と、コークス粉末と、粘結剤とからなるシート状の中間材料（プリプレグ状の中間材料）を使用したものであるが、本発明にかかる炭素／炭素複合材料製のスプリング素子１の製造方法はこれに限定されるものではない。
【００２８】
本実施形態で使用する炭素／炭素複合材料製造のためのシート状の中間材料（プリプレグ状の中間材料）は、短繊維状炭素繊維と、バインダーピッチ粉末と、コークス粉末と、粘結剤とから構成されている。
【００２９】
本実施形態で使用する炭素繊維としては、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）系、レーヨン系、およびピッチ系のいずれのものであってもよく、耐炎化処理糸、炭化処理糸、黒鉛化処理糸のいずれのものでも使用することができる。  本実施形態においては、炭素繊維は短繊維状であり、１〜５０mmの長さであることが好ましく、１〜２５mmの長さであれば、更に好ましい。
【００３０】
また、本実施形態で使用するバインダーピッチ粉末は、軟化性を有する石油及び／又は石炭系バインダーピッチ粉末であり、６０〜３２０℃の範囲の軟化温度を有し、キノリン不溶分が０〜８０重量％、及び揮発分が１０〜６０重量％の石油及び／又は石炭から得られる等方性、潜在的異方性、又は異方性のバインダーピッチとすることができる。
【００３１】
このバインダーピッチ粉末は、強化繊維（炭素繊維）と、骨材としての後述するコークス粉末と、を結合させるために用いられるものであって、その平均粒径は０．５〜６０ミクロンが好ましく、３〜２０ミクロンであれば更に好ましい。
【００３２】
また、本実施形態で使用するコークス粉末は、軟化性を有しない石油及び／又は石炭系コークス粉末であって、骨材的役割を持たせるためのものであり、軟化点を有しておらず、揮発分が１０重量％以下、好ましくは２重量％以下のものである。  このコークス粉末としては、石油系あるいは石炭系のいずれのものでも使用することができ、その平均粒径は０．５〜３０ミクロンが好ましく、１〜２０ミクロンであれば更に好ましい。
【００３３】
なお、軟化性を有する石油及び/又は石炭系バインダーピッチ粉末と、軟化性を有しない石油及び／又は石炭系コークス粉末との配合比は特に限定されるものではないが、重量比でバインダーピッチ／コークス＝９０／１０〜１０／９０が好ましく、７０／３０〜３０／７０であれば更に好ましい。
【００３４】
また、本実施形態に使用される粘結剤は、バインダーピッチ粉末とコークス粉末を粘着させると共に、バインダーピッチ粉末、コークス粉末、および粘結剤からなる混合物を炭素繊維に粘着接合するために使用されるものである。粘結剤としては、メチルセルロースなどの増粘安定剤（又は糊料）として工業的に使用されているものを利用することができ、天然由来の増粘安定剤および化学的に合成された増粘安定剤のいずれをも使用することができる。
【００３５】
なお、バインダーピッチ粉末、コークス粉末、および粘結剤とからなる混合物に添加する分散液としては、アルコール等の有機溶剤または水を使用することができる。  また、炭素繊維の体積含有率は、中間材料の全体積に対し、５〜７０体積％、好ましくは２０〜６０体積％とするのが良い。
【００３６】
本実施形態で使用するシート状の中間材料（プリプレグ状の中間材料）は、以下のような工程を経て製造される。
（１）バインダーピッチ粉末、コークス粉末、粘結剤、および分散液を所定配合比で混合することにより混合溶液を形成する工程。
（２）混合タンクの中に上記混合溶液と、所定量の短繊維状炭素繊維を入れ、撹拌することにより、短繊維状炭素繊維を混合溶液中に均一に分散させる工程。
（３）短繊維状炭素繊維が分散混合された混合溶液を、混合タンクから公知の技術である抄紙装置に圧送して抄紙処理する工程。
【００３７】
このようにして得られたシート状の中間材料（プリプレグ状の中間材料）では、短繊維状炭素繊維がシート面内にランダムに配向され、互いに絡み合った状態で不織布状に配置されている。  そして、短繊維状炭素繊維と、短繊維状炭素繊維の周囲に配置されたバインダーピッチ粉末、コークス粉末、粘結剤とから構成される連続シート状の不織布は、混合溶液に配合された粘結剤によって所定のタキネスを持つ。
【００３８】
次に、以上説明したシート状の中間材料（プリプレグ状の中間材料）を使用して、炭素／炭素複合材料製のスプリング素子１を製造する方法について説明する。
図２は、炭素／炭素複合材料製のスプリング素子１を製造するプロセスのフローチャートを示したものである。
【００３９】
平板状の炭素／炭素複合材料又は炭素／炭素複合材料の前駆体を成形するステップ１０１においては、シート状の中間材料（プリプレグ状の中間材料）を使用する場合、上述した工程を経て製造されたシート状の中間材料（プリプレグ状の中間材料）を複数枚積層し、ホットプレス等を使用して加圧、加熱する。  この際、加熱する温度はバインダーピッチ粉末が軟化し、更にコーキングする温度以上に加熱することが望ましい。
【００４０】
また、加圧する圧力は、バインダーピッチ粉末が軟化した際に流失することなくシート状の中間材料（プリプレグ状の中間材料）の積層間が密着し、緻密な成形体が得られるように適宜設定される。
【００４１】
なお、平板状の炭素／炭素複合材料又は炭素／炭素複合材料の前駆体を成形するステップ１０１においては、バインダーピッチ粉末が軟化し、更にコーキングする温度以上に加熱処理した後、得られた平板を炭化処理、黒鉛化処理しても良く、更に、各処理の中間段階においてピッチ含浸処理を行い、炭化処理、黒鉛化処理を複数回繰り返しても良い。
【００４２】
また、平板状の炭素／炭素複合材料又は炭素／炭素複合材料の前駆体を成形するステップ１０１における前駆体とは、例えば、レジンチャー法によって平板状の炭素／炭素複合材料を製造するプロセスを採用した場合であって、マトリックス材である樹脂を硬化させた段階の成形体（平板）をも含む意である。
【００４３】
次に、円環状の成形体を削り出すステップ１０２では、ステップ１０１で得られた平板状の炭素／炭素複合材料又は炭素／炭素複合材料の前駆体から、図１に示すようなスリットのある円環状の成形体を機械加工によって削り出される。  このとき、スリット１４が存在することによって３６０度未満の周角度を有する円環状の成形体が形成されることになる。
円環状の成形体の断面形状は矩形であるが、これに限定されるものではなく、角部に面取り部を設けたり、丸みを設けるようにしても良い。
【００４４】
次に、円環状の成形体を螺旋状に賦形するステップ１０３では、円環状の成形体を削り出すステップ１０２で得られた円環状の成形体を、一端側１２と他端側１３の端面がスプリング素子１の中心軸方向（図１のＸ方向）に離れるように外力を加えて変形させ、この変形状態を維持しつつ適宜の治具にて円環状の成形体を保持する。  これによって、円環状の成形体は図１に示すような螺旋状に賦形されることになる。
【００４５】
次に、賦形された螺旋円環状の成形体を焼成するステップ１０４では、ステップ１０３で螺旋状に賦形された円環状の成形体を焼成する。  焼成温度は、スプリング素子１が使用される環境温度よりも高温であることが望ましく、１０００℃〜３０００℃で焼成することが特に望ましい。
【００４６】
また、賦形された螺旋円環状の成形体を焼成するステップ１０４では、適切な螺旋形状を形成するために、螺旋円環状の成形体の形状を適宜の治具により保持しつつ焼成することが望ましい。
【００４７】
なお、ここで説明した不織布を用いシート状の中間材料（プリプレグ状の中間材料）を使用した製造プロセスによって製造されたスプリング素子１のねじり剛性とせん断強度は、
ねじり剛性            ４５６０  N・cm2
せん断強度            ５４．６  MPa
であり、一方向強化材であるプリフォームドヤーンを使用し、０度／９０度に交互積層した２次元強化炭素／炭素複合材料を用いて、ここで説明した製造プロセスと同様なプロセスで製造されたスプリング素子１のねじり剛性とせん断強度は、
ねじり剛性            ９９７    N・cm2
せん断強度            １３．７  MPa
であった。  なお、これらの値は、５個のデータの平均値を表したものであり、ねじり剛性は以下の式により定義されるものである。
ねじり剛性  ＝  ねじり弾性率×断面の極二次モーメント
また、ここに示すせん断強度は、ワッシャー形状の試験片にせん断荷重を負荷して得られた値を示すものである。
【符号の説明】
【００４８】
１        スプリング素子
１１      本体部分
１２      一端側
１３      他端側
１４      スリット
【図１】
2018204735.tif 000003
【図２】
2018204735.tif 000004