(57)【要約】【課題】本発明では、例えばブラシタイプ小形直流モータの寿命を長くするために、ブラシ押圧用コイルばねのたわみに対して荷重の変化量が出来得る限り少なくなる様な「線形ばねを用いた非線形ばね機構」を提供することが課題である。【解決手段】線形ばね特性を有するコイルばねをコイルばね収納箱に入れ、このコイルばね収納箱の内面幅は、コイルばねが自由に移動出来る様にコイルばねの外形寸法より僅かに大きくする。内面幅に直角方向の内面幅はコイルばねの外径寸法より充分大きく、コイルばね外径寸法の１．５倍から２倍程度とする。コイルばね収納箱の長さは使用目的により異なるが、本例ではコイルばねの自由長程度とする。【選択図】　　　　　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
４面の側板と一面の受け板より構成されたコイルばね収納箱と、線形ばね特性を有するコイルばねと、ばね押し具とより構成されたコイルばね機構において、
コイルばね収納箱の一方の内面幅は、コイルばねが自由に移動出来る様にコイルばねの外形寸法より僅かに大きく、この内面幅に直角方向の他方の内面幅は、コイルばねの外径寸法より充分大きくコイルばね外径寸法の１．５倍から２倍程度とし、コイルばね収納箱の長さをコイルばね自由長と同程度以下の任意長さとして、コイルばねをばね押し具で加圧する事により、コイルばねの加圧方向中心線を非線形に変形させ、非線形ばね特性を得る様に構成した事を特徴としたばね機構。
【請求項２】
コイルばね収納箱の一方の内面幅と、これに直角方向の他方の内面幅との比を任意に変えた事を特徴とする請求項１のばね機構。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動工具、家庭用電化機器、事務用機器等の各種電気電子機器や各種機械装置などに用いられる機械要素部品であるコイルばねに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
【非特許文献１】
ばね技術研究会編「ばね」丸善株式会社、昭和５７年１２月２０日発行。
【０００３】
各種電気電子機器や機械装置などでは多くのコイルばねを使用しているが、一般的には線形ばね特性を持ったコイルばねが多く用いられている。しかしながら機器の性能を最適にするために、用途によっては非線形ばね特性が要求される場合がある。
例えば、電気電子機器などに広く用いられている小形直流モータでは、ブラシ圧力とブラシ磨耗度の関係は図９に示すように、ブラシ圧力が小さいと整流火花による電気的磨耗が多く、ブラシ圧力が大きくなると機械的磨耗が増大するといわれている。
しかしながら実際には、線形ばね特性を有するコイルばねを用いているので、ブラシ圧力の範囲はモータ運転の初期においては機械的磨耗範囲に有り、徐々にブラシの磨耗が進み最適範囲で運転される様になる。更にブラシの磨耗が進むとブラシ圧力が小さくなるので火花整流となり電気的磨耗の範囲に入る。これが進むとブラシが完全に磨耗し、ついには小形直流モータの寿命に至る。
従って小形直流モータの駆動開始の初期から、ブラシの有効長さ分が磨耗するまでの間、ブラシ圧力は図９の最適範囲に有り、ブラシ圧力の変化量は出来る限り少ない事が望ましい事となる。
【０００４】
前述の様なブラシ磨耗の条件を考慮すると、ブラシ磨耗が少なくなる理想的なばね特性は図１０となる。即ちコイルばねのたわみが少ないＯからＡの範囲は使用しない様に設計するので直線的でも良いが、実際に使用するたわみＡからＢの範囲における荷重はＤからＥで、出来る限り荷重の変化量が少ない事が望ましい。又たわみが大きくなるとコイルばねの素線がお互いに接触する様になるから急激に荷重が増しＢからＣの範囲となるが、この範囲は出来る限り使用しなことが望ましい。
【０００５】
従来から非線形ばね特性を有するコイルばねとしては、不等ピッチコイルばね、円すいコイルばね、つづみ形コイルばね、たる形コイルばね等が知られているが、いずれも汎用的なばねではなく、また図１０に示すような小形直流モータ用として理想的なばね特性は得られていない。
【０００６】
非特許文献１には非線形ばね特性を得る方法が記されている。その大要を次に示す。
非線形ばね特性を得る方法として「直列法による組み合わせばね」がある。この方法は図１１に示す様にばね定数（Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３）の異なったコイルばねを直列に組み合わせる方法である。この時の総合ばね定数Ｋは次式のように成り、たわみと荷重の関係は図１２となり非線形ばね特性が得られる。
１／Ｋ＝１／Ｋ１＋１／Ｋ２＋１／Ｋ３＋・・・
本発明では、この非線形ばね特性を得る方法をに着目して、「線形ばね特性を有する一つのコイルばね」を用いて、「非線形ばね機構」を得ようとするものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明では、例えばブラシタイプ小形直流モータの寿命を長くするために、ブラシ押圧用コイルばねのたわみに対して荷重の変化量が出来得る限り少なくなる様な「線形ばねを用いた非線形ばね機構」を提供することが課題である。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
線形ばね特性を有するコイルばねをコイルばね収納箱に入れ、このコイルばね収納箱の内面幅Ｂ２は、コイルばねが自由に移動出来る様にコイルばねの外形寸法より僅かに大きくする。
内面幅Ｂ２に直角方向の内面幅Ｂ１はコイルばねの外径寸法より充分大きく、コイルばね外径寸法の１．５倍から２倍程度とする。
コイルばね収納箱の長さは使用目的により異なるが、本例ではコイルばねの自由長程度とする。
このコイルばね収納箱にコイルばねを収納し、一方の収納開放部を塞ぎコイルばね受け部とし、他方の開放部からコイルばねをばね押し具で加圧する事により「線形ばねを用いた非線形ばね機構」を構成する。
【０００９】
【実施例】
以下「線形ばね特性を有する一つのコイルばね」を用いて「非線形ばね機構」を構成する一実施例に付いて述べる。
図１に示すように線形特性のコイルばね１をコイルばね収納箱２に入れ、ばね押し具３で荷重を加えられる様に構成する。コイルばね収納箱２の内面幅Ｂ１はコイルばね１の外径Ｓ１に対して十分幅が広くコイルばね外径寸法の１．５倍から２倍程度となっている。内面幅Ｂ２は、コイルばねの外径Ｓ１より僅かに大きく、コイルばね１がコイルばね収納箱２の中で移動できる様に構成されている。
図２にコイルばね収納箱２にコイルばね１を収納し、ばね押し具３で荷重Ｆ１を加えた状態を示す。この時の矢視Ｙを図３に示す。コイルばね１は側板６，７より離れて、側板８，９にほぼ接触しながら、受け板１０にコイルばね１の線輪端を受けられて固定される。
この状態でばね押し具３で荷重Ｆ１を加えると、たわみと荷重の関係は線形特性を示す。この時の総合ばね定数をｋａとすると、ばね特性は図７のａからｂの範囲となる。
【００１０】
次に荷重を増してＦ２とすると、図４に示すようにコイルばねが圧縮されると共に「くの字状」に変形する。したがってコイルばねの中心線も非線形に変形することになる。点Ｐ１でコイルばね収納箱２の側板６と接触する様になる。この様な状態になるとコイルばね１の一巻き一巻きのたわみが異なってくるのでばね定数は一様にならないので、ほぼ同じようなたわみとなる複数の区間に区切ってばね定数ｋ１、ｋ２を仮定する。したがってこの時の総合ばね定数ｋｂは等価的に次式に表すことが出来る。
１／ｋｂ＝２／ｋ１＋１／ｋ２
従って、この時のばね特性は図７のｂからｃの範囲となる。
【００１１】
更に荷重を増してＦ３とすると、図５に示すようにコイルばね１が圧縮されると共に「Ｓ字状」に変形する。この時の複数の区間に区切ったばね定数をｋ３、ｋ４、ｋ５と仮定すると、総合ばね定数ｋｃは等価的に次式に表すことが出来る。
１／ｋｃ＝２／ｋ３＋２／ｋ４＋１／ｋ５
従って、この時のばね特性は図７のｃからｄの範囲となる。
【００１２】
また更に荷重を増してＦ４とすると、図６に示すようにコイルばね１が圧縮されると共に「Ｓ字状」が更にに圧縮変形させられる。前記と同様にばね定数ｋ６、ｋ７、ｋ８を仮定すると、この時の総合ばね定数ｋｄは等価的に次式に表すことが出来る。
１／ｋｄ＝２／ｋ６＋２／ｋ７＋１／ｋ８
従って、この時のばね特性は図７のｄからｅの範囲となる。
この状態から更に圧縮するとバネの素線がお互いに密着する様になり、図７のｅからｆの範囲となりたわみは限界に達する。
【００１３】
前述の様に、線形コイルばね１をコイルばね収納箱２に入れ、内面幅Ｂ１はコイルばね１の外径Ｓ１に対して十分広く、内面幅Ｂ２はコイルばねの外径Ｓ１より僅かに幅広とし、コイルばね１がコイルばね収納箱２の中で移動できる様に構成し、ばね押し具３で荷重を加える事によって「線形ばね特性を有する一つのコイルばね」を用いて「非線形ばね機構」を構成することが出来る。
尚、コイルばね１に荷重を加えるに従いコイルばねはコイルばね収納箱２の４方向の側板６，７，８，９に強く押付けられるので摩擦損失が発生する。このためばね定数の変化と荷重低下により図８の曲線Ｈの様になるが、本「非線形ばね機構」に関する研究・解析が得られていないので、ここではその詳細を省略する。
【００１４】
本発明により得られた図７に示す非線形ばね特性の内、ｂからｅの範囲のほほ定荷重特性をブラシタイプ小形直流モータのブラシ押圧用コイルばねに用いれば、理想的なブラシ押圧特性を得る事が出来る。
図８は本発明になる「線形ばね特性を有する一つのコイルばね」を用いた「非線形ばね機構」を、ブラシタイプ小形直流モータのブラシ押圧用コイルばねに適用した一実施例で、たわみと荷重の関係を示す実測値である。
曲線Ｈは図７の曲線Ｇと同じ様な傾向を示し、非線形ばね特性となっている。実際のたわみの使用範囲は図８におけるｐ点からｑ点の範囲で、ｐ点からｒ点までが荷重の変化量の少ないほぼ定荷重の範囲となっている。尚本ブラシタイプ直流モータの荷重推奨値は水平線Ｌと水平線Ｍの範囲に有り荷重推奨値を満足している。
前述の様に本発明になる「非線形ばね機構」をブラシタイプ小形直流モータに適用した結果、本発明の有用性が検証出来た。
【００１５】
【発明の効果】本発明になる「非線形ばね機構」を、ブラシタイプ小形直流モータのブラシ押圧用コイルばねに適用した結果、非線形ばね特性となり、荷重変化量の少ないほぼ定荷重特性範囲が得られた。このため火花整流となる運転範囲が無くなり、長寿命のブラシタイプ直流モータが得られ、「非線形ばね機構」の有用性が実証された。
【図面の簡単な説明】
【図１】非線形ばね機構の構成
【図２】非線形ばね機構ー１
【図３】図２の矢視Ｙ図
【図４】非線形ばね機構ー２
【図５】非線形ばね機構ー３
【図６】非線形ばね機構ー４
【図７】非線形ばね特性
【図８】たわみと荷重の関係を示す実測値
【図９】ブラシ圧力とブラシ磨耗度の関係
【図１０】理想的なばね特性を示すたわみと荷重の関係グラフ
【図１１】直列法による組み合わせばねを示す図
【図１２】非線形ばね特性を示すたわみと荷重の関係グラフ。
【符号の説明】
１　　　　　　　　　　コイルばね
２　　　　　　　　　　コイルばね収納箱
３　　　　　　　　　　ばね押し具
６，７，８，９　　　　側板
１０　　　　　　　　　　受け板
ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ　　　　ばね特性の位置記号
ｐ，ｑ，ｒ　　　　　　　　　　たわみ点記号
ｋａ、ｋｂ、ｋｃ、ｋｄ　　　　総合ばね定数
ｋ１、ｋ２、ｋ３、ｋ４、ｋ５、ｋ６、ｋ７、ｋ８　　ばね定数
Ｂ１、Ｂ２　　　　　　　　　　内面幅
Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４　　　　荷重
Ａ，Ｂ，Ｃ　　　　　　　　　　たわみ点記号
Ｄ，Ｅ　　　　　　　　　　　　荷重点記号
Ｇ，Ｈ　　　　　　　　　　　　曲線記号
Ｋ　　　　　　　　　　　　　　総合ばね定数
Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３　　　　　　　ばね定数
Ｌ、Ｍ　　　　　　　　　　　　水平線記号
Ｏ　　　　　　　　　　　　　　図形原点記号
Ｓ１　　　　　　　　　　　　　コイルばねの外径
Ｙ　　　　　　　　　　　　　　矢視記号
【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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