(57)【要約】【課題】複雑な形状の金型を使用することなく、他の部品との取り付けが容易で、別途減衰機構を設けずとも、減衰能が高い、炭素繊維強化樹脂製環状ばねを提供する。【解決手段】炭素繊維を含有する帯状の樹脂を環状に巻回してなる炭素繊維強化樹脂製環状ばね１０が、その環状の中心点に対し点対称な位置に、それぞれ、円弧状の円弧部１２が一対形成され、円弧部１２を両側面とした際に、上部及び下部となる位置に、それぞれ、他の部品を取り付けるための平坦状の接続部１４が、環状の中心点に対して点対称に形成され、且つ、円弧部１２の端部と、それに対向する接続部１４の端部とをそれぞれ結ぶ平坦状の直線部１６が形成されたものとした。【選択図】図１
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【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
炭素繊維を含有する帯状の樹脂を環状に巻回してなる炭素繊維強化樹脂製環状ばねにおいて、
前記炭素繊維強化樹脂製環状ばねは、
その環状の中心点に対し点対称な位置に、それぞれ、円弧状の円弧部が一対形成され、
前記円弧部を両側面とした際に、上部及び下部となる位置に、それぞれ、他の部品を取り付けるための平坦状の接続部が、前記環状の中心点に対して点対称に形成され、
且つ、前記円弧部の端部と、それに対向する前記接続部の端部とをそれぞれ結ぶ平坦状の直線部が形成されていること
を特徴とする炭素繊維強化樹脂製環状ばね。
【請求項２】
前記炭素繊維強化樹脂製環状ばねは、その環状の内周面に低引張弾性材料が一体的に配されていることを特徴とする請求項１記載の炭素繊維強化樹脂製環状ばね。
【請求項３】
前記炭素繊維強化樹脂製環状ばねは、その環状の内周側において、低引張弾性材料を内包していることを特徴とする請求項１記載の炭素繊維強化樹脂製環状ばね。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本考案は、炭素繊維で補強された樹脂を環状に巻回してなる炭素繊維強化樹脂製環状ばねであって、他の部品との取り付けが容易で、減衰能が高い炭素繊維強化樹脂製環状ばねに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、防振・除振を行うための最も一般的な機械要素として、金属製のコイルスプリングが多用されている。例えば、特許文献１には、床板とこの床板に並設された床基盤との間に配され、前記床基盤より所定の高さで前記床板を支持する床板支持装置であって、前記床板と前記床基盤との間に配された軸状の支持体と、この支持体を支持する下部支持台座とを備え、前記下部支持台座は、前記支持体の外周に嵌め合わされた止め金具と、この止め金具に連結された弾性変形可能なコイルスプリング、およびこのコイルスプリングをインサート成形し、弾性変形可能なゴム台座とを具備したことを特徴とする床板支持装置が開示されている。
【０００３】
そして、特許文献２には、制振すべき振動部材に対して、ばね部材を介してダンパマスを弾性支持せしめることにより、該振動部材に対する副振動系を構成するようにした制振装置であって、前記ばね部材をコイルスプリングによって構成する一方、該ばね部材によってマス収容空所を備えた中空構造を有する剛性の当接ハウジングを弾性支持せしめると共に、該当接ハウジングのマス収容空所に独立マス部材を非接着で独立変位可能に収容配置することによって前記ダンパマスを構成し、該独立マス部材が該当接ハウジングに対して制振すべき振動入力方向で直接的且つ弾性的に当接せしめられるようにしたことを特徴とする制振装置が開示されており、これを自動車の車体等における振動を制する装置として使用している。
【０００４】
また、近年では、軽量化や耐薬品性向上の要求から、繊維強化樹脂製のコイルスプリングといったものも考案されている。これに関しては、例えば、特許文献３にあるように、コイルスプリングの周囲に、加硫接着ゴム部材が配設させるものや、コイルスプリングをバネ剛性の非線形な樹脂成形部材で構成したものを用いて、車体等に対する防振を図っていることが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平０９−２６８７３９号公報
【特許文献２】特開２００３−１９４１４０号公報
【特許文献３】特開平０９−２５７０９１号公報
【考案の概要】
【考案が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１、２にある金属製のコイルスプリングは、そのばね形状から、他の部品への取り付けに際して、軸などを利用しなければならず、使い勝手が良くないとされる。また、減衰能を持たないために、減衰機構を別途設ける必要があるという問題がある。また、特許文献３にあるコイルスプリングの場合、製作に際して、螺旋形状を形作るための複雑な金型が必要となり、その工程の煩雑さや、生産コスト高の問題が指摘されている。
【０００７】
本考案は、上述の課題を解決するためのもので、複雑な形状の金型を使用することなく、他の部品との取り付けが容易で、別途減衰機構を設けずとも、減衰能が高い、炭素繊維強化樹脂製環状ばねを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題に対応するため、本考案は、以下の技術的手段を講じている。
即ち、請求項１記載の考案は、炭素繊維を含有する帯状の樹脂を環状に巻回してなる炭素繊維強化樹脂製環状ばねにおいて、前記炭素繊維強化樹脂製環状ばねは、その環状の中心点に対し点対称な位置に、それぞれ、円弧状の円弧部が一対形成され、前記円弧部を両側面とした際に、上部及び下部となる位置に、それぞれ、他の部品を取り付けるための平坦状の接続部が、前記環状の中心点に対して点対称に形成され、且つ、前記円弧部の端部と、それに対向する前記接続部の端部とをそれぞれ結ぶ平坦状の直線部が形成されていることを特徴とする炭素繊維強化樹脂製環状ばねである。
【０００９】
また、請求項２記載の考案は、請求項１記載の炭素繊維強化樹脂製環状ばねであって、その環状の内周面に低引張弾性材料が一体的に配されていることを特徴としている。さらに、請求項３記載の考案は、請求項１記載の炭素繊維強化樹脂製環状ばねであって、その環状の内周側において、低引張弾性材料を内包していることを特徴としている。
【考案の効果】
【００１０】
本考案によると、ばねの形状を環状（パイプ状）としているため、複雑な形状の金型を使うことなく、公知の成形方法であるシートワインディング法や、フィラメントワインディング法により大量生産することが可能である。また、軸などを必要としなくても、他の部品との取り付けが容易に行える。
【００１１】
そして、金属材料と比較して、低密度で減衰能を有する炭素繊維強化樹脂を用いているため、ばねの固有振動数を大きくし、減衰能を向上させることができる。また、金属材料と比較して、極めて軽量なものとなる。さらに、大きな変形が生じるばねの内面側に低引張弾性材料を配する、或いは、内包させることにより、別途減衰機構を設けることなく、減衰能を大きくすることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本考案に係る炭素繊維強化樹脂製環状ばねの第１の実施形態の一例を示した図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は接続部に他の部品を接続させた状態の正面図である。
【図２】本考案に係る炭素繊維強化樹脂製環状ばねの第１の実施形態の一例において、ばね定数を計測するために試験用治具を装着した状態の一例を示した斜視図である。
【図３】本考案に係る炭素繊維強化樹脂製環状ばねの第１の実施形態の一例において、ばね定数を計測している際のばね変形の一例を表した図で、（ａ）は変位０ｍｍの状態、（ｂ）は変位１０ｍｍの状態、（ｃ）は変位２０ｍｍの状態、（ｄ）は変位３０ｍｍの状態である。
【図４】本考案に係る炭素繊維強化樹脂製環状ばねの第１の実施形態の一例において、ばね定数を計測した際のばね輪郭形状（Ｘ軸方向―Ｙ軸方向）をグラフで示したものである。
【図５】ばね定数の計算において用いた片持ち梁モデルを表した図である。
【図６】本考案に係る炭素繊維強化樹脂製環状ばねの第１の実施形態の一例において、実際に計測したばね定数と、計算による理論値とを比較したグラフである。
【図７】本考案に係る炭素繊維強化樹脂製環状ばねの第１の実施形態の一例における炭素繊維強化樹脂製環状ばねと、金属製コイルばねの荷重−変位の比較の一例を示した図である。
【図８】本考案に係る炭素繊維強化樹脂製環状ばねの第２の実施形態の一例を示した図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は接続部に他の部品を接続させた状態の正面図である。である。
【図９】本考案に係る炭素繊維強化樹脂製環状ばねの第１の実施形態の一例と、本考案に係る炭素繊維強化樹脂製環状ばねの第２の実施形態の一例と、環状の内面側に低引張弾性材料が一体的に配された炭素繊維強化樹脂製環状ばねとの減衰特性評価実験の結果を示したグラフである。
【考案を実施するための形態】
【００１３】
以下、本考案に係る炭素繊維強化樹脂製環状ばねの第１の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本考案に係る炭素繊維強化樹脂製環状ばねの第１の実施形態の一例を示した図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は接続部に他の部品を付けた状態の正面図である。また、１０は炭素繊維強化樹脂製環状ばね、１２は円弧部、１４は接続部、１６は直線部、１８は取り付け部品、２０は支持部品を表している。なお、図１（ｂ）中の点線は、各部の境界を表したものであって、本考案の構成に含まれるものではない。
【００１４】
まず、炭素繊維強化樹脂製環状ばね１０は、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、円弧部１２、接続部１４、直線部１６から構成されており、詳しくは、環状の中心点に対し点対称な位置に、それぞれ、円弧状の円弧部１２が形成されていて、この円弧部１２を両側面とした際に、上部及び下部となる位置に、それぞれ、他の部品を取り付けるための平坦状の接続部１４が、環状の中心点に対して点対称に形成され、そして、円弧部１２の端部と、それに対する接続部１４の端部とをそれぞれ結ぶ平坦状の直線部１６が形成されている。
【００１５】
炭素繊維強化樹脂製環状ばね１０をばねとして用いる際には、例えば、図１（ｃ）に示すように、土台等に設置するための取り付け部品１８（他の部品）を下部側の接続部１４に接続し、取り付け部品１８とともに土台に設置させる。そして、上部側の接続部１４には、ばねとして支持する物体を載せるための支持部品２０（他の部品）を接続し、支持対象の物体を支持部品２０に載せて支持する。
【００１６】
本実施形態における炭素繊維強化樹脂製環状ばね１０は、直線部１６の長さが４０ｍｍ、円弧部１２の半径が２０ｍｍであって、角度が１５０°、そして、接続部１４の長さが２０ｍｍに形成されるような金型（マンドレル）に、厚みが１ｍｍとなるように炭素繊維強化樹脂プリプレグ（金型の周方向に炭素繊維を配向）を巻き付け、１３５℃の電気炉の中で２時間半放置し、硬化させ（シートワインディング法）、その後、ダイヤモンド工具を用いて幅が２０ｍｍとなるように切り出し、環状のばねとして作製するものである。
【００１７】
次に、本実施形態における炭素繊維強化樹脂製環状ばねの一例において、ばね定数を計測した。ばね定数の計測にあたり、図２に一例として示すように、炭素繊維強化樹脂製環状ばね１０の下部側の接続部１４に土台等に設置するための取り付け部品１８を接続し、また、上部側の接続部１４には、ばねとして支持する物体を載せるための支持部品２０を接続させ、これと、万能試験機を用いて圧縮試験を行った。
【００１８】
まず、炭素繊維強化樹脂製環状ばね１０は、垂直方向の変位量が増加するにつれて、図３に表すように、変形していくことが分かる。そして、その輪郭形状データに基づいてグラフ化すると、図４に表すようになる。なお、Ｙ軸の６０が、変位０ｍｍの状態、Ｙ軸の５０が、変位１０ｍｍの状態、Ｙ軸の４０が、変位２０ｍｍの状態、Ｙ軸の３０が、変位３０ｍｍの状態を表している。
【００１９】
ここで、本実施形態における炭素繊維強化樹脂製環状ばねの一例において計測したばね定数と、計算から算出されるばね定数の理論値を比較した。また、サンプルとして、直線部１６の長さが４０ｍｍ、円弧部１２の半径が２０ｍｍであって、角度が１５０°、接続部１４の長さが２０ｍｍ、そして、厚みが０．７５ｍｍと１．２５ｍｍ、幅が２０ｍｍとなる炭素繊維強化樹脂製環状ばねと、直線部１６の長さが２０ｍｍ、円弧部１２の半径が２０ｍｍであって、角度が１５０°、接続部１４の長さが２０ｍｍ、そして、厚みが０．７５ｍｍと１ｍｍと１．２５ｍｍ、幅が２０ｍｍとなる炭素繊維強化樹脂製環状ばねも作製し、これについても、計測値と、理論値の比較を行った。なお、ばね定数の理論値を算出する数式は、次式（数１）に示すものである。また、図５は、その計算において用いた片持ち梁モデルを表したものである。
【００２０】
【数１】
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【００２１】
計測によるばね定数と、計算から算出されるばね定数の比較は、図６に表すようになった。なお、グラフ中、ＴｙｐｅＬ４０は、直線部１６の長さが４０ｍｍの炭素繊維強化樹脂製環状ばね（本実施形態）で、ＴｙｐｅＬ２０は、直線部１６の長さが２０ｍｍの炭素繊維強化樹脂製環状ばね（サンプル）を意味している。本実施形態における炭素繊維強化樹脂製環状ばねの一例（ＴｙｐｅＬ４０）は、厚みを１ｍｍとしているので、計測値は、平均で６．８４Ｎ／ｍｍを示したことが分かる。
【００２２】
続いて、本実施形態における炭素繊維強化樹脂製環状ばねの一例（ＴｙｐｅＬ４０）のばね定数とほぼ同値の金属製コイルばね（材料：ＳＷＡＰ−Ａ、線径：４ｍｍ、ばね径：４０ｍｍ、巻数：５．５、高さ：６０ｍｍ、ばね定数：６．９５Ｎ／ｍｍ）を用意し、その質量を計測したところ、８９．１ｇとなり、本実施形態における炭素繊維強化樹脂製環状ばねの一例（ＴｙｐｅＬ４０）の質量（９．３４ｇ）と比して、約９倍にもなることが分かった。つまり、それだけ、本実施形態における炭素繊維強化樹脂製環状ばねの一例（ＴｙｐｅＬ４０）は、金属製コイルばねに比べ、容易に扱うことができるわけである。
【００２３】
なお、本実施形態における炭素繊維強化樹脂製環状ばねの一例（ＴｙｐｅＬ４０）と、金属製コイルばねの荷重−変位の比較について、図７に示しておく。なお、グラフの傾きは、ばね定数を表している。
【００２４】
次に、本実施形態における炭素繊維強化樹脂製環状ばねの第２の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図８は、本考案に係る炭素繊維強化樹脂製環状ばねの第２の実施形態の一例を示した図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は接続部に他の部品を付けた状態の正面図である。また、符号については、２２が低引張弾性材料を表す以外は、図１と同様である。なお、各部の境界については、図１（ｂ）を参照のこと。
【００２５】
炭素繊維強化樹脂製環状ばね１０は、図８（ａ）、（ｂ）に示すように、円弧部１２、接続部１４、直線部１６及び低引張弾性材料２２から構成されており、詳しくは、まず、環状の中心点に対し点対称な位置に、それぞれ、円弧状の円弧部１２が形成されていて、この円弧部１２を両側面とした際に、上部及び下部となる位置に、それぞれ、他の部品を取り付けるための平坦状の接続部１４が、環状の中心点に対して点対称に形成され、そして、円弧部１２の端部と、それに対する接続部１４の端部とをそれぞれ結ぶ平坦状の直線部１６が形成されている。
【００２６】
そして、環状の内周側において、低引張弾性材料２２が内包されている。この低引張弾性材料２２は、一旦、炭素繊維を含有する帯状の樹脂を環状に巻回した後に、その内周側へ、低引張弾性材料２２を内包させる工程を踏むようにしている。なお、低引張弾性材料２２を内包させる以外にも、環状の内周側の面に、低引張弾性材料２２を配するようにしても良い。
【００２７】
炭素繊維強化樹脂製環状ばね１０をばねとして用いる際には、例えば、図８（ｃ）に示すように、土台等に設置するための取り付け部品１８（他の部品）を下部側の接続部１４に接続し、取り付け部品１８とともに土台に設置させる。そして、上部側の接続部１４には、ばねとして支持する物体を載せるための支持部品２０（他の部品）を接続し、支持対象の物体を支持部品２０に載せて支持する。
【００２８】
本実施形態における炭素繊維強化樹脂製環状ばね１０は、直線部１６の長さが４０ｍｍ、円弧部１２の半径が２０ｍｍであって、角度が１５０°、そして、接続部１４の長さが２０ｍｍに形成されるような金型（マンドレル）に、厚みが１ｍｍとなるように炭素繊維強化樹脂プリプレグ（金型の周方向に炭素繊維を配向）を巻き付け、１３５℃の電気炉の中で２時間半放置し、硬化させ（シートワインディング法）、その後、ダイヤモンド工具を用いて幅が２０ｍｍとなるように切り出し、環状のばねとして作製し、その後、低引張弾性材料の一例であるポリウレタンフォームを内包させたものである。
【００２９】
続いて、本実施形態における炭素繊維強化樹脂製環状ばねの減衰効果を図る試験を行った。試験方法としては、本実施形態における炭素繊維強化樹脂製環状ばね（ウレタンフォーム（後接着））を４つ用意し、２００ｍｍ角のアルミニウム合金板上の角にそれぞれ設置し、それらの上に、２００ｍｍ角のアルミニウム合金板と質量が約６．３ｋｇである重りを載せ、振動試験機を用いて、周波数を連続的に変化させながら振動させる掃引試験である。
【００３０】
また、比較材料として、上述の第１の実施形態における炭素繊維強化樹脂製環状ばね（制振材なし）と、その第１の実施形態における炭素繊維強化樹脂製環状ばねの内周側の面に、低引張弾性材料を配したもの（制振材組み込み（一体成形））をそれぞれ４つ用意し、２００ｍｍ角のアルミニウム合金板上の角にそれぞれ設置し、それらの上に、２００ｍｍ角のアルミニウム合金板と質量が約６．３ｋｇである重りを載せ、振動試験機を用いて、周波数を連続的に変化させながら振動させた。その結果、図９に示すように、ポリウレタンフォームを内包する環状ばね（本実施形態）は、ポリウレタンフォームを内包しない環状ばねと比べて、共振周波数における伝達率が約１／３となる減衰効果があることが分かった。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本考案に係る炭素繊維強化樹脂製環状ばねは、複雑な形状の金型を使うことなく、公知の成形方法により大量生産することが可能で、また、他の部品との接続が容易であり、さらに、減衰能が高いため、防振・除振ばねのニーズが高い工業・産業分野において、好適に用いられる。さらに、環状ばね自体が、軽量であるため、医療・介護分野（例えば、車椅子、動作補助器具など）においても極めて有用なものとなる。
【符号の説明】
【００３２】
１０  炭素繊維強化樹脂製環状ばね
１２  円弧部
１４  接続部
１６  直線部
１８  取り付け部品
２０  支持部品
２２  低引張弾性材料
【図１】
0003183939.tif 000004
【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２】
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【図３】
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