(57)【要約】【課題】低コストで、温度変化への応答性が良いコイルばねおよびその製造方法の提供。【解決手段】Ｔｉ−Ｎｉ系形状記憶合金からなる合金線で構成されたクローズドエンドのコイルばねであって、コイルエンドの一方または両方において、合金線の先端部のばね軸方向の厚みｄＥ（ｍｍ）と合金線の線径ｄ（ｍｍ）との比（ｄＥ／ｄ）が０．５０〜０．７５であり、コイルの平均径Ｄ（ｍｍ）と合金線の線径ｄ（ｍｍ）の比（Ｄ／ｄ）が１０以下であることを特徴とするコイルばね。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｔｉ−Ｎｉ系形状記憶合金からなる合金線で構成されたクローズドエンドのコイルばねであって、
コイルエンドの一方または両方において、合金線の先端部のばね軸方向の厚みｄＥ（ｍｍ）と合金線の線径ｄ（ｍｍ）との比（ｄＥ／ｄ）が０．５０〜０．７５であり、
コイルの平均径Ｄ（ｍｍ）と合金線の線径ｄ（ｍｍ）の比（Ｄ／ｄ）が１０以下であることを特徴とするコイルばね。
【請求項２】
上記Ｔｉ−Ｎｉ系形状記憶合金が、原子百分率で、５０．０〜５１．２％のＮｉを含み、残部がＴｉおよび不純物からなる組成を有することを特徴とする請求項１に記載のコイルばね。
【請求項３】
上記Ｔｉ−Ｎｉ系形状記憶合金が、原子百分率で、更に、Ｃｒ、ＦｅおよびＣｏから選択される一種以上の元素を合計で３％以下含有することを特徴とする請求項２に記載のコイルばね。
【請求項４】
下記の工程１〜３を含むことを特徴とするコイルばねの製造方法。
工程１：Ｔｉ−Ｎｉ系形状記憶合金からなる合金線に冷間加工を実施して、コイルの平均径Ｄ（ｍｍ）と合金線の線径ｄ（ｍｍ）の比（Ｄ／ｄ）が１０以下であるクローズドエンドのコイルばね形状のコイル成形体を得る工程、
工程２：工程１に連続して、得られたコイル成形体を研削して、コイルエンドの一方または両方において、合金線の先端部のばね軸方向の厚みｄＥ（ｍｍ）と合金線の線径ｄ（ｍｍ）との比（ｄＥ／ｄ）が０．５０〜０．７５であるコイル研削体を得る工程、および、
工程３：コイル研削体に形状記憶熱処理を施してコイルばねを得る工程。
【請求項５】
上記Ｔｉ−Ｎｉ系形状記憶合金が、原子百分率で、５０．０〜５１．２％のＮｉを含み、残部がＴｉおよび不純物からなる組成を有することを特徴とする請求項４に記載のコイルばねの製造方法。
【請求項６】
上記Ｔｉ−Ｎｉ系形状記憶合金が、原子百分率で、更に、Ｃｒ、ＦｅおよびＣｏから選択される一種以上の元素を合計で３％以下含有することを特徴とする請求項５に記載のコイルばねの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コイルばねに関し、特に、湯水混合水栓などにおいて、流体温度の制御を目的として使用されるコイルばねに関する。
【背景技術】
【０００２】
形状記憶合金は、所定の形状に成形した後、所定の熱処理を実施することによって形状を記憶させることができる合金であり、力を加えて変形しても、一定温度（動作温度）以上に加熱すると元の形状に戻る性質を有している。これは、形状記憶合金の弾性率が温度によって大きく変化することによる。
【０００３】
特に、Ｔｉ−Ｎｉ系形状記憶合金は、様々な技術分野で適用されている合金である。Ｔｉ−Ｎｉ系形状記憶合金の弾性率が高温で高く、低温で低くなる性質を利用したものとして、湯水混合水栓などの流体温度の制御がある。
【０００４】
図１は、湯水混合水栓の混合原理を示す図である。図１に示すように、湯水混合水栓１００は、高温水用孔１０２と、室温水用孔１０１と、高温水用孔１０２および室温水用孔１０１と接続された混合室１０８と、混合室１０８に接続された吐出孔１０５とを有し、混合室１０８内には、形状記憶合金コイルばね１０３、ステンレス製等のバイアスばね１０４およびスプール弁１０６が配置されている。
【０００５】
温度設定つまみ１０７を回して、所定の温度に設定すると、スプール弁が移動し、室温水用孔１０１および高温水用孔１０２のそれぞれが所定量開口し、予め決められた配分で混合室１０８内に導入される。このとき、混合室１０８内の混合水の温度が高くなりすぎると、形状記憶合金コイルばね１０３がバイアスばね１０４を押し込むため、スプール弁の位置が移動し、室温水用孔１０１の流路を広げるため、混合水の温度を下げる。一方、混合室１０８内の混合水の温度が低くなりすぎると、形状記憶合金コイルばね１０３がバイアスばね１０４に押し込まれるため、スプール弁の位置が移動し、高温水用孔１０２の流路を広げるため、混合水の温度を上げる。このようにして、混合水の温度制御が行われる。
【０００６】
例えば、特許文献１には、Ｔｉ−Ｎｉ系またはＣｕ−Ｚｎ−Ａｌ系の形状記憶合金からなるコイルばねを用いた「自動温度調節式温水混合栓」に関する発明が開示されている。
【０００７】
形状記憶合金からなるコイルばねは、通常、冷間加工によって所望のコイル形状に成型した後に，４００〜５００℃程度の温度域での熱処理（以下、「形状記憶熱処理」と呼ぶ。）によって、その形状を記憶させる。このとき、ばねの座りを安定させることを目的として、コイルエンドの一方または両方が研削されるが、合金線の先端部のばね軸方向の厚みｄＥ（ｍｍ）は、合金線の線径ｄ（ｍｍ）の１／４以下、即ち、比（ｄＥ／ｄ）が０．２５以下となる厚みにされるのが一般的である。
【０００８】
ただし、研削処理時にはコイルエンドに摩擦熱が発生するため、これを形状記憶熱処理後に行うと形状記憶合金特性に悪影響を与え、また、形状記憶熱処理前に行ったとしても、ばね径の増大、座巻部の開きなどの形状不良を生じさせるため、仮熱処理後に、研削処理を行い、その後に形状記憶熱処理を行うことが必要とされている。また、研削処理後には、研削時に生じたバリを除去する作業を要する。
【０００９】
一方、研削処理を行わず、ばねの座りを安定させる方法として、特許文献２には、ばねの中心線に直行する最終座巻き部をコイルの２分の１巻以上有するコイルばねが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】実開昭５７−３５５６７号公報
【特許文献２】特開２００２−３６４６９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献１には、形状記憶合金からなるコイルばねを使用することが記載されているものの、その具体的な形状については触れられていない。また、特許文献２に記載の発明は、コイルの平均径Ｄ（ｍｍ）に対して、合金線の線径ｄ（ｍｍ）が十分に細い場合には有効であるものの、混合水栓用ばねとして一般的に用いられる、比（Ｄ／ｄ）が１０以下のコイルばねではほとんど意味をなさない。
【００１２】
一方、形状記憶合金からなるコイルばねは、周辺温度の変化に対する反応が早いため、オーバーシュート（水温が設定水温をオーバーしてから設定水温になる現象）の少ない温度制御が可能となりつつあるが、依然として、オーバーシュートの発生は完全に無くなっておらず、より温度変化への応答性の良いコイルばねが求められている。
【００１３】
従って、本発明は、コイルエンドの研削処理を前提とし、低コストで製造可能であり、しかも、温度変化への応答性の良いコイルばねおよびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明者らは、形状記憶合金からなるコイルばねのコイルエンドの研削時に発生する加工熱と形状崩れの関係に着目し、従来、合金線の先端部のばね軸方向の厚みｄＥ（ｍｍ）を、合金線の線径ｄ（ｍｍ）の１／４以下、即ち、比（ｄＥ／ｄ）が０．２５以下となるまで行われてきたコイルエンドの研削の検討を行った。その結果、コイルエンドの研削処理後の合金線の先端部形状を従来のものよりある程度厚くしても、安定したばねの座りを確保でき、しかも、そうすることにより研削処理前の加熱処理工程の省略、更には研削処理後のバリ取り工程をも省略することが可能であり、製造工程を大幅に簡略化することができることを知見した。
【００１５】
本発明者らは、更に、上記のような先端部形状を有するコイルばねであれば、上記の従来の形状よりも流体との接触面積を大きくすることができ、しかも、熱容量の大きいハウジング（混合水栓の場合、混合室のハウジング）との接触面積を小さくすることができるため、温度変化への応答性を向上させることができることを知見した。
【００１６】
本発明は、上記の知見に基づいてなされたものであり、下記の（１）に示すコイルばねおよび下記の（２）に示すコイルばねの製造方法を要旨とする。
【００１７】
（１）Ｔｉ−Ｎｉ系形状記憶合金からなる合金線で構成されたクローズドエンドのコイルばねであって、コイルエンドの一方または両方において、合金線の先端部のばね軸方向の厚みｄＥ（ｍｍ）と合金線の線径ｄ（ｍｍ）との比（ｄＥ／ｄ）が０．５０〜０．７５であり、コイルの平均径Ｄ（ｍｍ）と合金線の線径ｄ（ｍｍ）の比（Ｄ／ｄ）が１０以下であることを特徴とするコイルばね。
【００１８】
（２）下記の工程１〜３を含むことを特徴とするコイルばねの製造方法。
工程１：Ｔｉ−Ｎｉ系形状記憶合金からなる合金線に冷間加工を実施して、コイルの平均径Ｄ（ｍｍ）と合金線の線径ｄ（ｍｍ）の比（Ｄ／ｄ）が１０以下であるクローズドエンドのコイルばね形状のコイル成形体を得る工程、
工程２：工程１に連続して、得られたコイル成形体を研削して、コイルエンドの一方または両方において、合金線の先端部のばね軸方向の厚みｄＥ（ｍｍ）と合金線の線径ｄ（ｍｍ）との比（ｄＥ／ｄ）が０．５０〜０．７５であるコイル研削体を得る工程、および、
工程３：コイル研削体に形状記憶熱処理を施してコイルばねを得る工程。
【００１９】
なお、上記のＴｉ−Ｎｉ系形状記憶合金は、原子百分率で、５０．０〜５１．２％のＮｉを含み、残部がＴｉおよび不純物からなる組成を有することが好ましい。上記のＴｉ−Ｎｉ系形状記憶合金は、原子百分率で、更に、Ｃｒ、ＦｅおよびＣｏから選択される一種以上の元素を合計３％以下含有することがより好ましい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明のコイルばねは、その製造工程において、仮熱処理を施すことなく、研削することができる上、研削後のバリ取り作業も行う必要がないため、低コストで製造可能なものであり、しかも、温度変化への応答性が良いため、特に、湯水混合水栓その他、流体温度の制御装置に用いるのに適している。本発明のコイルばねは、従来のコイルばねと比較して、ばね成型コストを約２５％削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】湯水混合水栓の混合原理を示す図
【図２】クローズドエンドのコイルばねの構成を示す図                                  （ａ）研削ありのもの                                                        （ｂ）研削なしのもの
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明のコイルばねは、Ｔｉ−Ｎｉ系形状記憶合金からなる合金線で構成されたクローズドエンドのコイルばねである。
【００２３】
図２は、クローズドエンドのコイルばねの構成を示す図であり、（ａ）は研削ありのもの、（ｂ）は研削なしのものを示す。図２（ａ）および（ｂ）の符号３に示すように、クローズドエンドのコイルばねとは、端末がコイル軸方向に隣のコイルと接している形状のコイルばねを意味する（ＪＩＳ  Ｂ  ０１０３）。
【００２４】
本発明では、図２（ｂ）に示すように、先端部４を研削して、その厚みを合金線２の線径より小さくしたクローズドエンドのコイルばねを対象とする。なお、図２（ｂ）に示す「ｄＥ」、「ｄ」および「Ｄ」は、以下に説明される、合金線の先端部のばね軸方向の厚みｄＥ（ｍｍ）、合金線の線径ｄ（ｍｍ）およびコイルの平均径Ｄ（ｍｍ）をそれぞれ意味する。
【００２５】
＜比（ｄＥ／ｄ）：０．５０〜０．７５＞
合金線の先端部のばね軸方向の厚みｄＥ（ｍｍ）と合金線の線径ｄ（ｍｍ）との比（ｄＥ／ｄ）が０．５０未満の場合、仮熱処理を行わず研削すれば、型崩れおよびバリ発生が生じる。また、比（ｄＥ／ｄ）が０．７５を超える場合、ばねの座りが不安定になる。ばねの座りが不安定になると、製品として使いづらく、また、形状記憶処理時に傾いた場合には、設計の自由長より長い製品が発生してしまう。従って、比（ｄＥ／ｄ）は０．５０〜０．７５の範囲とした。比（ｄＥ／ｄ）が０．５０〜０．７５の範囲にあるコイルばねであれば、仮熱処理をすることなく、コイルエンドの研削処理を実施しても、研削時に生じる型崩れおよびバリの発生を抑えることができる上、ばねとしての座りも安定している。従って、仮熱処理工程も、バリ取り工程も省略できるため、製造コストを大幅に削減できる。また、比（ｄＥ／ｄ）が０．５０以上であれば、従来のものより研削量が少ないため、流体との接触面積が大きくなり、しかも、熱容量が大きいばね受け治具との接触面積が小さくなるため、流体の温度変化の応答性が改善される。
【００２６】
＜比（Ｄ／ｄ）：１０以下＞
１０を超える場合は、端面にばね軸に直行する座巻を設けることで座りが安定するため、コイルエンドの研削処理そのものが不要である。従って、本発明では、ばねの座りを安定にするためのコイルエンドの研削処理が必須である、コイルの平均径Ｄ（ｍｍ）と合金線の線径ｄ（ｍｍ）の比（Ｄ／ｄ）が１０以下のコイルばねを対象とした。比（Ｄ／ｄ）の下限には特に制約はないが、比（Ｄ／ｄ）が小さすぎると、比（ｄＥ／ｄ）が０．７５付近で座りが若干不安定になる恐れがあるので、比（Ｄ／ｄ）は４以上とするのが好ましい。
【００２７】
＜Ｔｉ−Ｎｉ系形状記憶合金の化学組成＞
本発明のコイルばねに用いられる形状記憶合金は、Ｔｉ−Ｎｉ系合金であれば、特に制約はないが、特に、原子百分率（以下、形状記憶合金の各元素の含有量についての「％」は、「原子百分率」を意味する。）で、５０．０〜５１．２％のＮｉを含み、残部がＴｉおよび不純物からなる組成を有することが好ましい。Ｎｉ含有量が、原子百分率で、５０％未満の場合も５１．２％を超える場合も、加工性が悪化して、コイリング中に折れが生じてしまうおそれがあるからである。なお、不純物とは、鉱石、スクラップ等の原料、製造工程の種々の要因によって混入する成分であって、本発明に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。
【００２８】
上記のＴｉ−Ｎｉ系形状記憶合金は、更に、Ｃｒ、ＦｅおよびＣｏから選択される一種以上の元素を合計３％以下含有することができる。これらの元素を適量含有させることで、形状記憶合金の作動温度および温度に対する弾性率の変化率を調整することができるからである。これらの元素は、その合計含有量が３％を超えると、加工性に悪影響を与える場合がある。従って、これらの元素から選択される一種以上を含有させる場合には、その合計含有量を３％以下とする。
＜製造方法＞
【００２９】
コイルばねの製造方法については、特に制約はないが、少なくとも、下記の工程１〜３を含むことが好ましい。
【００３０】
工程１：Ｔｉ−Ｎｉ系形状記憶合金からなる合金線に冷間加工を実施して、コイルの平均径Ｄ（ｍｍ）と合金線の線径ｄ（ｍｍ）の比（Ｄ／ｄ）が１０以下であるクローズドエンドのコイルばね形状のコイル成形体を得る工程、
工程２：工程１に連続して、得られたコイル成形体を研削して、コイルエンドの一方または両方において、合金線の先端部のばね軸方向の厚みｄＥ（ｍｍ）と合金線の線径ｄ（ｍｍ）との比（ｄＥ／ｄ）が０．５０〜０．７５であるコイル研削体を得る工程、および、
工程３：コイル研削体に形状記憶熱処理を施してコイルばねを得る工程。
【００３１】
上記の工程１、即ち、コイリング工程において、コイルの平均径Ｄ（ｍｍ）と合金線の線径ｄ（ｍｍ）の比（Ｄ／ｄ）を１０以下とすること、および、クローズドエンドのコイルばね形状にすることの理由は、前述の通りである。上記の形状を有するコイル成形体を得るための冷間加工方法については、特に制約はない。例えば、自動コイリングマシンを用いることもできるし、旋盤の主軸に芯金（金属棒）を取付けて回転させて，そこにワイヤーを巻きつけてコイリングする旋盤式コイリングマシンを用いることもできる。
【００３２】
上記の工程２、即ち、コイル研削体を得る工程において、得られたコイル成形体を研削して、コイルエンドの一方または両方において、合金線の先端部のばね軸方向の厚みｄＥ（ｍｍ）と合金線の線径ｄ（ｍｍ）との比（ｄＥ／ｄ）が０．５０〜０．７５であるコイル研削体を得る理由は、前述の通りである。研削の方法には限定はない。例えば、自動端面研削機を使用することもできるし、研削盤を用いて手作業にて研削することもできる。このとき、ばねの軸方向と砥石が直交するように治具を用いて行うことが望ましい。
【００３３】
ここで、このコイル研削体を得る工程は、工程１に連続して行う、即ち、仮熱処理を行うことなく、そのまま研削することによって行う。比（ｄＥ／ｄ）が０．５０〜０．７５の範囲に収まるような研削処理であれば、仮熱処理をすることなく、コイルエンドの研削処理を実施しても、研削時に型崩れおよびバリの発生がない上、ばねとしての座りも安定している。
【００３４】
上記の工程３、即ち、形状記憶熱処理工程において、所定の形状を記憶したコイルばねを得ることができる。形状記憶熱処理は、所定の形状に拘束して行う。形状記憶熱処理条件は要求される相変態温度に合わせて設定すればよい。例えば、形状記憶熱処理の温度は、４００℃〜５００℃で行うことが好ましい。４００℃未満では、成型性が悪くなる恐れがある（スプリングバックによってばね平均径や拘束長が目標値より大きくなる）。一方、５００℃を超えると、形状記憶効果の繰返し特性が悪化する可能性がある。ただし、温度の高低は、目標とする相変態温度によって調整する。形状記憶熱処理の時間は、数分〜２時間で行うのがよい。時間の長短は、主に使用する拘束治具の熱容量に依存する。この場合も時間が短過ぎると成型性が悪く、長すぎると繰返し特性が悪化する恐れがある。
【００３５】
上記の工程１〜３以外の製造条件については、限定はないが、例えば、下記の製造方法を採用することができる。
【００３６】
伸線
本発明のコイルばねの出発材料である合金線は、通常の製造方法で製造することができる。例えば、所定の化学組成を有する合金材を熱間加工した後に、ダイス引きその他の冷間加工により、減径、伸線し、必要に応じて焼鈍することによって合金線を得ることができる。ここで、冷間加工率（ワイヤーの断面積減少）が３０％を超えると、加工歪によって変形抵抗が著しく大きくなるため、このようなダイス引きを行う場合には、焼鈍によって加工歪を除去する必要がある。その他の冷間加工方法として、冷間圧延またはスウェージング（鍛造）を用いることもできる。
【００３７】
バリ取り
本発明の製造方法によれば、特にバリ取りを行う必要はないが、特に、研削面により高い性状が求められる場合には、バリ取りを行っても良い。バリ取り方法としては、グラインダーを用いて研磨する方法、ショットピーニングで処理する方法、酸によって除去する方法などがある。
【実施例１】
【００３８】
スポンジＴｉおよび電解Ｎｉ板（一部の例では、更にＣｒ）を所定量秤量し、高周波誘導加熱炉を用いてアルゴン雰囲気中にて溶解・鋳造して、表１に示す化学組成を有するインゴットを作製した。それぞれのインゴットの表面をグラインダーで平滑化した後、９５０℃に加熱し熱間鍛造を加え、さらに９５０℃に再加熱して熱間圧延加工を施して線径４ｍｍの熱延ワイヤーを作製した。
【００３９】
次に、それぞれの熱延ワイヤーをダイス引きと焼鈍の繰返しによって、線径２ｍｍの冷間伸線ワイヤーを得た。それぞれの冷間伸線ワイヤーを自動コイリングマシンによってコイル形状に加工し、コイル平均径１０ｍｍまたは１６ｍｍ、有効巻数５巻のクローズドエンド（両端各１巻が密着した形状）のコイルばね成形体を作製した。
【００４０】
続いて、それぞれのコイルばね成形体について、仮熱処理は行わず、コイルエンドに研削処理を行い、表１に示す「ｄＥ／ｄ」を有するコイルばね研削体を作製した。研削処理は、自動端面研削機によっておこなった。なお、自動端面研削機は、コイルばねを納める円盤と、その上下に設けられたエンドグラインダーとによって構成されており、一度にコイルばね両端を研削する装置である。
【００４１】
さらに、それぞれのコイルばね研削体を、拘束治具により全長２４ｍｍに拘束して４５０℃×１時間の形状記憶熱処理を実施して、コイルばねを得た。得られたコイルばねについて、型崩れの有無、バリ発生の有無および座り安定性について評価した。それぞれの評価結果を表１に併記する。座り安定性については、計測治具を用いてばね外側の傾き角度が３°未満である場合を良好と評価した。ばねの外側の傾き角度が３°以上になると、例えば長さ２５ｍｍのばねでは傾きが１ｍｍ以上となり、ばねを装置に組み込む際に支障が生じる可能性が高い。
【００４２】
【表１】
2011174515.tif 000003
【００４３】
表１に示すように、本発明例１〜５は、コイルの平均径Ｄ（ｍｍ）と合金線の線径ｄ（ｍｍ）の比（Ｄ／ｄ）が１０以下であるコイルばねであって、合金線の先端部のばね軸方向の厚みｄＥ（ｍｍ）と合金線の線径ｄ（ｍｍ）との比（ｄＥ／ｄ）が０．５０〜０．７５の範囲にある。型崩れおよびバリの発生がなく、また、座り安定性も良好であった。これに対し、比（ｄＥ／ｄ）が本発明で規定される範囲を下回る比較例１および２では、バリまたは更に型崩れが発生した。比（ｄＥ／ｄ）が本発明で規定される範囲を上回る比較例３では、型崩れおよびバリは発生しなかったが、コイルの座りが不安定になった。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明のコイルばねは、その製造工程において、仮熱処理を施すことなく、研削することができる上、研削後のバリ取り作業も行う必要がないため、低コストで製造可能なものであり、しかも、温度変化への応答性が良いため、特に、湯水混合水栓その他、流体温度の制御装置に用いるのに適している。本発明のコイルばねは、従来のコイルばねと比較して、ばね成型コストを約２５％削減することができる。
【符号の説明】
【００４５】
１  クローズドエンドのコイルばね
２  合金線
３  端末
４  先端部
１００  湯水混合水栓
１０１  室温水用孔
１０２  高温水用孔
１０３  形状記憶合金コイルばね
１０４  バイアスばね
１０５  吐出孔
１０６  スプール弁
１０８  混合室
【図１】
2011174515.tif 000004
【図２】
2011174515.tif 000005