(57)【要約】  本発明に係るコイルばねは、線材を螺旋状に巻回してなるコイルばねであって、弾性変形可能な芯材と、芯材の外周に巻回されてなる複数の強化繊維、および強化繊維同士を固着する熱硬化性樹脂を有する強化繊維層と、を備え、強化繊維層の表層の少なくとも一部において、コイルばねの内周側の強化繊維の含有率が、外周側の強化繊維の含有率と比して大きい。
2017163860.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コイルばねであって、
弾性変形可能な芯材と、
前記芯材の外周に巻回されてなる複数の強化繊維、および前記強化繊維同士を固着する熱硬化性樹脂を有する強化繊維層と、
を備え、
前記強化繊維層の表層の少なくとも一部において、当該コイルばねの内周側の強化繊維の含有率が、外周側の強化繊維の含有率と比して大きい
ことを特徴とするコイルばね。
【請求項２】
当該コイルばねは、前記芯材と前記強化繊維層とからなる線材を巻回してなり、
前記芯材の中心軸と直交する断面の少なくとも内周側領域において、前記強化繊維の含有率が、前記線材の周方向に沿って、最内部から前記外周側に向けて連続的に小さくなる
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】
前記強化繊維層における前記内周側の強化繊維の含有率が、６５vol％以上８５vol％以下である
ことを特徴とする請求項１または２に記載のコイルばね。
【請求項４】
前記芯材の中心軸と直交する断面において、前記内周側の領域の強化繊維の含有率をＶfi（vol％）、前記外周側の領域の強化繊維の含有率をＶfo（vol％）としたとき、
Ｖfo＜Ｖfiであり、
ＶfiとＶfoとの差Ｖfi−Ｖfoが、５vol％以上２５vol％以下である
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のコイルばね。
【請求項５】
前記強化繊維は、少なくとも外表面の前記強化繊維の前記芯材に対して巻回する方向が、外部から加わる荷重であって当該コイルばねの線材にねじり応力を加える荷重に応じて該線材に印加される引張り荷重の方向に沿った方向である
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載のコイルばね。
【請求項６】
前記芯材の中心軸と直交する断面において、前記芯材の中心軸が、前記強化繊維層の中心軸に対して偏心している
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載のコイルばね。
【請求項７】
当該コイルばねの平均径をＤ、線材の直径をｄとしたとき、ばね指数ｃ＝Ｄ／ｄは、４以上１０以下である
ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載のコイルばね。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、線材を螺旋状に巻回してなるコイルばねに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、自動車の燃費向上を実現するための一つの方策として、各種部品の軽量化が追求されている。例えば、エンジンブロックの材料として、従来用いられている鋳鉄の代わりにアルミニウム合金が使われ、エンジンカバーやオイルパンの材料として、従来用いられている鋼の代わりにマグネシウム合金が使われるようになってきている。【０００３】
近年、自動車の軽量化という観点から、例えばサスペンション用懸架ばねであるコイルばねなどの弾性部材を軽量化することが検討されている。このような弾性部材を軽量化することが可能な弾性部材用線材として、芯材に巻き付いた炭素繊維などの繊維と、樹脂とからなる繊維強化樹脂層を有する弾性部材用線材が挙げられる（例えば、特許文献１，２を参照）。【０００４】
特許文献１には、素線軸心に対して炭素繊維を＋３０°〜＋６０°または−６０°〜−３０°に配向させたコイルばねであって、圧縮力が作用する方向に配向された繊維の量をＡ、引張り力が作用する方向に配向された繊維の量をＢとしたとき、比Ａ／Ｂが、１．１＜Ａ／Ｂ＜４．０であるコイルばねが開示されている。【０００５】
また、特許文献２には、コアと、コアの外周に積層され、ポリマー材料を含浸させた複数のファイバー層とを有する線材がコイル状をなす軸に沿って延びるコイル本体を含む複合コイルばねが開示されている。特許文献２が開示する複合コイルばねでは、複数のファイバー層が、コイル状をなす軸から異なるラジアル距離にてコアの周囲にそれぞれ配置される。複数のファイバー層における各ファイバーは、コイル状をなす軸に対して傾斜して延びている。また、各ファイバー層におけるファイバー数は、互いに異なるものが含まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平７−４２７７８号公報
【特許文献２】特表２０１５−５２６６６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、コイルばねは、圧縮されて線材に応力が加わった際、線材の長手方向と直交する断面（横断面）において発生する応力がコイルばねの内周側から外周側にかけて小さくなることが知られている。具体的に、コイルばねの横断面において、コイルばねの内周側に加わる応力が、外周側に加わる応力と比して大きい。【０００８】
特許文献１，２が開示するコイルばねは、上述したようなコイルばねの内周側および外周側にそれぞれ加わる応力や線材の強度について考慮されておらず、圧縮による応力が加わった際に、応力が小さな外周側は強度的に対応ができたとしても、応力が大きな内周側は強度が不足する場合が発生し、コイルばねとしての強度が低下してしまうという問題があった。また、コイルばねの強度を維持するため、内周側の強度を上げようとすると、外周側の強度が内周側の強度の上昇に合わせて過剰に大きくなり、内周側と外周側とのバランスをとることが困難であった。さらに、強度を上げるためには繊維量を多くする必要があり、この結果、線材の径が大きくなって、コイルばねが大型化してしまうという問題もあった。【０００９】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、繊維量を増大させることなく、強度を向上することができるコイルばね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】
【００１０】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るコイルばねは、弾性変形可能な芯材と、前記芯材の外周に巻回されてなる複数の強化繊維、および前記強化繊維同士を固着する熱硬化性樹脂を有する強化繊維層と、を備え、前記強化繊維層の表層の少なくとも一部において、当該コイルばねの内周側の強化繊維の含有率が、外周側の強化繊維の含有率と比して大きいことを特徴とする。【００１１】
また、本発明に係るコイルばねは、上記の発明において、当該コイルばねは、前記芯材と前記強化繊維層とからなる線材を巻回してなり、前記芯材の中心軸と直交する断面の少なくとも内周側領域において、前記強化繊維の含有率が、前記線材の周方向に沿って、最内部から前記外周側に向けて連続的に小さくなることを特徴とする。【００１２】
また、本発明に係るコイルばねは、上記の発明において、前記強化繊維層における前記内周側の強化繊維の含有率が、６５vol％以上８５vol％以下であることを特徴とする。【００１３】
また、本発明に係るコイルばねは、上記の発明において、前記芯材の中心軸と直交する断面において、前記内周側の領域の強化繊維の含有率をＶfi（vol％）、前記外周側の領域の強化繊維の含有率をＶfo（vol％）としたとき、Ｖfo＜Ｖfiであり、ＶfiとＶfoとの差Ｖfi−Ｖfoが、５vol％以上２５vol％以下であることを特徴とする。【００１４】
また、本発明に係るコイルばねは、上記の発明において、前記強化繊維は、少なくとも外表面の前記強化繊維の前記芯材に対して巻回する方向が、外部から加わる荷重であって当該コイルばねの線材にねじり応力を加える荷重に応じて該線材に印加される引張り荷重の方向に沿った方向であることを特徴とする。【００１５】
また、本発明に係るコイルばねは、上記の発明において、前記芯材の中心軸と直交する断面において、前記芯材の中心軸が、前記強化繊維層の中心軸に対して偏心していることを特徴とする。【００１６】
また、本発明に係るコイルばねは、上記の発明において、当該コイルばねの平均径をＤ、線材の直径をｄとしたとき、ばね指数ｃ＝Ｄ／ｄは、４以上１０以下であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、繊維量を増大させることなく、強度を向上することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、本発明の一実施の形態に係るコイルばねの構成を示す模式図である。
【図２】図２は、本発明の一実施の形態に係るコイルばねの要部の構成を示す模式図である。
【図３】図３は、本発明の一実施の形態に係るコイルばねの要部の構成を示す模式図である。
【図４】図４は、本発明の一実施の形態に係るコイルばね用線材の要部の構成を示す模式図である。
【図５】図５は、本発明の一実施の形態に係るコイルばねを作製するための弾性部材用線材の構成を示す平面図である。
【図６】図６は、本発明の一実施の形態に係る弾性部材用線材の製造方法を説明する図である。
【図７】図７は、本発明の実施例に係るコイルばねの強化繊維含有率の計測方法を説明する図である。
【図８】図８は、本発明の実施例に係る実施例１のコイルばねの断面を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、添付図面を参照して本発明を実施するための形態（以下、「実施の形態」という）を説明する。なお、図面は模式的なものであって、各部分の厚みと幅との関係、それぞれの部分の厚みの比率などは現実のものとは異なる場合があり、図面の相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれる場合がある。
【００２０】
図１は、本発明の一実施の形態に係るコイルばねの構成を示す模式図である。図２は、本発明の一実施の形態に係るコイルばねの要部の構成を示す模式図である。図３は、本発明の一実施の形態に係るコイルばねの要部の構成を示す模式図であって、コイルばねの中心軸（巻回の中心軸）を通過し、かつこの中心軸と平行な平面を切断面とする断面図である。コイルばね１は、芯材に繊維を巻き付けてなる線材を螺旋状に巻くことによって作製される。コイルばね１は、所定の方向（例えば、コイルばね１の中心軸方向）に伸縮自在である。コイルばね１は、例えば、自動車のサスペンション用の懸架ばねとして用いられる。
【００２１】
コイルばね１は、芯材１０と、芯材１０に巻き付けられる複数の繊維を含み、該芯材１０を覆う強化繊維層である繊維強化プラスチック（Fiber  Reinforced  Plastics：ＦＲＰ）層１１とを有し、螺旋状をなす。コイルばね１は、剛性率として６ＧＰａより大きいことが好ましく、懸架ばねとして用いる場合の強度として、その線材の剛性率が９ＧＰａ以上であることがさらに好ましい。コイルばね１は、例えば、φ１０ｍｍ以上φ４０ｍｍ以下である線材を巻回してなる。また、コイルばね１の中心軸Ｎ10と直交する方向の径であって、当該コイルばね１の平均径は、φ６０ｍｍ以上φ４００ｍｍ以下である。なお、ＦＲＰ層１１の外表面を被覆する外皮（チューブ）を設けてもよい。
【００２２】
芯材１０は、弾性変形可能であって、鋳鉄などの鉄系の材料と比して軽量な材料、例えば、アルミニウム、チタンなどの金属、アルミニウム、マグネシウムもしくはチタンを主成分とする合金、または樹脂材料を用いて形成される線材からなる。本実施の形態では、芯材１０の断面が円をなすものとして説明するが、楕円状をなすものや、多角形状をなすものであってもよい。芯材１０の径は、コイルばね１の平均径がφ６０ｍｍ以上φ４００ｍｍの場合、例えばφ５ｍｍ以上φ２０ｍｍ以下である。
【００２３】
ＦＲＰ層１１は、図２，３に示すように、未硬化の熱硬化性樹脂を含浸させた複数の強化繊維１２を芯材１０に巻き付けて加熱硬化することによって形成される、または複数の強化繊維１２を芯材１０に巻き付けた後、未硬化の熱硬化性樹脂を含浸させて加熱硬化することによって形成される。強化繊維１２としては、炭素繊維、ガラス繊維、芳香族ポリアミド繊維であるアラミド繊維、および玄武岩繊維であるバサルト繊維からそれぞれ選択される少なくとも一つの繊維が用いられる。ＦＲＰ層１１において、少なくとも一部の強化繊維同士は、熱硬化性樹脂により互いに固着されている。すなわち、ＦＲＰ層１１は、上述した複数の強化繊維１２と、強化繊維１２同士を固定する熱硬化性樹脂とを含んでいる。熱硬化性樹脂としては、熱により硬化する樹脂、例えばエポキシ樹脂が挙げられる。
【００２４】
ＦＲＰ層１１における強化繊維１２は、繊維を一本ずつ芯材１０に巻き付けるものであってもよいし、複数の繊維を束にして、複数束を芯材１０に巻き付けるものであってもよい。いずれの巻き付けにおいても、各繊維の巻付け方向は揃っている。また、シート状をなす繊維束を、繊維の長手方向を揃えて芯材１０の外表面に設けるようにしてもよい。また、線材の径方向には、一本または複数本の強化繊維が巻き付けられている。
【００２５】
また、強化繊維１２が、螺旋状に延びる線材の一端から他端にかけて連続していることが、コイルばね１（ＦＲＰ層１１）の強度を向上させる点で好ましい。強化繊維１２が不連続の場合、外部から加わる荷重を線材全体で負担できず、不連続部分に応力が集中して線材の破壊の起点となりやすい。強化繊維１２が線材の一端から他端にかけて連続する場合、各強化繊維１２が、線材の一端から他端にかけて螺旋状に延び、芯材１０に対する周回方向に沿って連続していることになる。
【００２６】
また、強化繊維１２が芯材１０に巻き付けられた巻付け方向（強化繊維１２が巻回する方向：図２の巻付け方向Ｙ1）は、例えば、線材の中心軸Ｎ20に対して４５°±１０°の範囲の角度となるように巻き付けられている。強化繊維１２は、少なくとも外表面の強化繊維１２の巻付け方向Ｙ1が、外部から荷重が加わった際に、線材に加わる荷重である引張り荷重および圧縮荷重のうち、引張り荷重の方向に沿った方向であることが好ましい。図４は、本発明の一実施の形態に係るコイルばね用線材の要部の構成を示す模式図であって、コイルばね用線材にねじり応力が加わった際に、線材の表面に加わる荷重を説明する図である。コイルばね用線材に対し、該コイルばね用線材の中心軸のまわりの荷重であって、互いに反対まわりの荷重Ｆ1，Ｆ2によるねじり応力が加わった場合、コイルばね用線材の表面における矩形の微細領域Ｍでみると、該微細領域Ｍには、図４の（ａ）に示すせん断応力τ11，τ12，τ21，τ22が加わる。線材にせん断応力τ11，τ12，τ21，τ22が加わることは、換言すれば、図４の（ｂ）に示すような引張り荷重ＦTと、圧縮荷重ＦCとが微細領域Ｍに加わることになる。この引張り荷重ＦTが加わる方向は、線材の長手軸（中心軸Ｎ20）に対して理論的には４５°となるが、線材の形状のばらつきなどを考慮するとその角度範囲は４５°±１０°となる。
【００２７】
本実施の形態に係る強化繊維１２の巻付け方向Ｙ1は、上述した引張り荷重ＦTに沿った方向であり、すべてが引張り荷重ＦTに沿って巻き付けられていることが好ましい。なお、強化繊維１２は、部分的に巻付け角度が異なっていてもよいが、一定の巻付け角度で芯材１０に巻き付けられることが好ましい。ここでいう「一定の巻付け角度」とは、製造上における巻付け角度の誤差を含んでいる。
【００２８】
また、本実施の形態に係る強化繊維１２は、ＦＲＰ層１１における中心軸Ｎ10と直交する断面において、コイルばね１の内周側領域の強化繊維１２の含有率が、外周側領域の強化繊維１２の含有率と比して大きい。ここでいう内周側とは、ＦＲＰ層１１における前記断面の中心軸Ｎ10に近い側であり、外周側とは、中心軸Ｎ10から遠い側である。内周側領域および外周側領域とは、コイルばね１の中心軸Ｎ10と平行であり、かつ芯材１０の中心を通過する軸Ｎ11，Ｎ12を境界として分けたときのコイルばね１の内周側の領域および外周側の領域のことをさす。また、強化繊維１２の含有率とは、コイルばね１の表層における強化繊維１２の含有率のことをいう。表層は、例えば、コイルばね１の表面からの深さが線材径に対し１５％以内の範囲における領域をさす。内周側領域における強化繊維１２の含有率をＶfi、外周側領域における強化繊維１２の含有率をＶfoとすると、少なくともＶfo＜Ｖfiが成り立つ。よりコイルばね１を高強度にするうえで、Ｖfiが６５vol％以上８５vol％以下であることが好ましく、７０vol％以上であることがさらに好ましい。また、ＶfiおよびＶfoは、二つの含有率の差（Ｖfi−Ｖfo）が、５vol％以上２５vol％以下であることが好ましい。なお、強化繊維１２の含有率は、含浸させた熱硬化性樹脂の量によっても変化する。コイルばね１において、内周側領域および外周側領域のそれぞれにおける強化繊維１２の本数はほぼ同等であり、上述した強化繊維１２の含有率は、各領域に含まれる熱硬化性樹脂の含有量や気泡量に依存するといえる。
【００２９】
ここで、内周側領域および外周側領域の強化繊維１２の含有率は、それぞれの領域内の任意の複数の点の含有率の平均値（vol％）であり、この内周側領域の平均値が、外周側領域の平均値と比して大きい。また、線材に加わる応力が内周側から外周側に向って小さくなるため、強化繊維１２の含有率が、内周側から外周側にかけて連続的に小さくなるようにしてもよい。
【００３０】
コイルばね１は、ＦＲＰ層１１における強化繊維１２の含有率が上述した条件を満たすとともに、芯材１０の中心と、ＦＲＰ層１１の中心とが偏心している。本実施の形態では、芯材１０の中心が、コイルばね１の内周側に寄って配置されている。
【００３１】
上述したように、コイルばね１は、圧縮されて線材に応力が加わった際、線材の長手方向と直交する断面（横断面）において発生する応力が内周側から外周側にかけて連続的に小さくなることが知られている。具体的に、コイルばねの横断面において、コイルばねの内周側に加わる応力が、外周側に加わる応力と比して大きい。このため、内周側における強度が、外周側の強度よりもコイルばね１の応力に対して重要である。本実施の形態のように、内周側の強化繊維１２の含有率を外周側の強化繊維１２の含有率よりも大きくすることによって、内周側の強度が高まり、コイルばね１の応力に対する強度を向上することができる。なお、ここでいう応力とは、例えば、ねじり応力とせん断応力との合力である。
【００３２】
以下、コイルばね１（圧縮コイルばね）におけるばね定数や、応力の算出について説明する。コイルばね１のばね定数ｋは、一般的に下式（１）の関係が成り立っている。下式（１）を用いることにより、ばね定数ｋから剛性率を算出することができる。
ｋ＝Ｐ／δ＝Ｇｄ4／８ｎＤ3      ・・・（１）
ここで、Ｐは荷重（Ｎ）、δはたわみ（ｍｍ）、Ｇは剛性率（ＧＰａ）、ｄはコイルばね１を構成する線材の直径、ｎは有効巻き数、Ｄはコイルばね１の平均径である。なお、図１に示すように、コイルばね１の内径をＤi、コイルばね１の外径をＤoとしたとき、コイルばね１の平均径はＤ＝（Ｄi＋Ｄo）／２である。
【００３３】
また、ねじり応力τ0は下式（２）の関係が成り立っている。ばね指数から求まるワールの応力修正係数であってコイルばねの内周側のワールの応力修正係数をκi、コイルばねの外周側のワールの応力修正係数をκoとすると、最大の応力τmax、最小の応力τminは、下式（３）、（４）より導出することができる。それぞれの応力修正係数κi，κoは下式（５）、（６）の関係が成り立っている。下式（３）、（４）は、内周側領域と外周側領域とにそれぞれ加わる応力が異なり、内周側領域で最大になることを示す式である。
τ0＝８ＰＤ／πｄ3  ・・・（２）
τｍａｘ＝κｉτ０      ・・・（３）
τｍｉｎ＝κｏτ０      ・・・（４）
κi＝（４ｃ−１）／（４ｃ−４）＋０．６１５／ｃ・・・（５）
κo＝（４ｃ＋１）／（４ｃ＋４）−０．６１５／ｃ・・・（６）
ここで、ｃはばね指数を示しており、ｃ＝Ｄ／ｄである。
最大の応力τｍａｘはコイルばねの最内部に、最小の応力τｍｉｎはコイルばねの最外部にかかる応力に相当する。なお、上述した剛性率Ｇは、ばね定数ｋを乗じたねじり応力τ０をひずみσで割る（ｋτ０／σ）ことにより求められる。ここで、最内部とはＦＲＰ層１１におけるコイルばね１の最も内周側に位置する部分をさし、最外部とはＦＲＰ層１１におけるコイルばね１の最も外周側に位置する部分をさす。
【００３４】
また、本実施の形態にかかるコイルばね１では、ばね指数ｃ（＝Ｄ／ｄ）が４以上１５以下を満たすことが好ましく、４以上１０以下を満たすことがさらに好ましい。この条件を満たすことにより、ねじり応力によるねじりモーメントよりもせん断応力の影響が小さくなる。また、ばね指数ｃが小さい、すなわち曲がりが大きい場合、内周側領域と外周側領域との応力差が大きくなる。本実施の形態にかかるコイルばね１は、このように応力差が大きい場合に特に有効である。
【００３５】
図５は、コイルばね１を作製するための線材である弾性部材用線材の構成を示す平面図である。同図に示す弾性部材用線材１００（以下、単に「線材１００」という）は、芯材１０と同じ材料からなる円柱状の芯材１１０と、強化繊維１２と同じ繊維からなる強化繊維１１２を芯材１１０の外周に巻き付けてなるＦＲＰ層１１１とを備えた層構造の円柱状をなす。芯材１１０に巻き付ける強化繊維１１２は、予め液状の熱硬化性樹脂を含浸していてもよいし、巻き付けた後に熱硬化性樹脂を含浸してもよい。
【００３６】
続いて、線材１００の製造方法について説明する。まず、予め液状の熱硬化性樹脂を含浸した強化繊維１１２を芯材１１０に巻き付けた線材を得る。ここで、強化繊維１１２を芯材１１０に巻き付ける巻付け方向Ｙ10（強化繊維１１２が延びる方向）は、例えば、線材１００を螺旋状に巻回して作製したコイルばね１に外部から荷重が加わったと仮定した場合に、上述した引張り荷重の方向に沿っている。具体的に、強化繊維１１２を芯材１１０に巻き付ける巻付け方向Ｙ10は、芯材１１０の長手軸（例えば、図５に示す軸Ｎ100）と直交する方向からみたときに、当該巻付け方向Ｙ10（強化繊維１１２が延びる方向）と軸Ｎ100とのなす角度θが、４０°＜θ≦５０°の範囲の角度となっている。強化繊維１１２を芯材１１０に巻き付ける方法として、例えば、フィラメントワインディング法（Filament  Winding）が挙げられる。なお、複数の強化繊維がシート状をなしている強化繊維束を用いる場合は、シートワインディング法（Sheet  Winding）により形成することも可能である。
【００３７】
図６は、本発明の一実施の形態に係る弾性部材用線材の製造方法を説明する図である。強化繊維１１２を芯材１１０に巻き付けた後、この線材に対し、芯材１１０の径方向から板状部材２００を押し当てて、熱硬化性樹脂を板状部材２００とは反対側に移動させるとともに、ＦＲＰ層１１１において、芯材１１０に対して板状部材２００側にある強化繊維１１２の含有率を大きくする。これにより、上述したような、線材の径方向の一方と他方とにおける強化繊維１１２の含有率が異なる線材を得ることができる。この際、その後の操作性を向上させるため、得られた線材に熱収縮チューブを被せて、熱収縮チューブを熱収縮させたものを、コイルばね１を作製するための線材としてもよい。
【００３８】
なお、板状部材２００の線材の押し当て面に、該線材の表面の曲率半径よりも大きい曲率半径を有する曲面を形成し、この曲面に線材を押し当てるようにしてもよい。これにより、板状部材２００に対する線材の位置ずれを抑制することができるとともに、線材に対して板状部材２００を面接触させて押し付けることができる。
【００３９】
また、上述したように、線材１００を懸架ばね用の線材として用いる場合の強度として、線材１００の剛性率が９ＧＰａ以上であることが好ましい。
【００４０】
この熱硬化前の線材１００を繊維含有率の大きな領域がコイルばねの内周側に配置されるように螺旋状に巻回し、その後熱硬化性樹脂を加熱硬化することによって、上述したコイルばね１を作製することができる。
【００４１】
また、上述した線材の製造方法では、板状部材２００に線材を押し当てて、強化繊維の含有率を変えるものとして説明したが、コイルばね１を作製する際の線材のコイリング時に、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）層１１１を芯材１１０に押し付けながら巻回させることによっても、強化繊維１１２の含有率が異なるコイルばね１を得ることができる。例えば、リードスクリューを用いて線材を巻回してコイルばね１を作製する場合、上述した線材の製造方法において、板状部材２００を押し当てる前の内周側領域と外周側領域との強化繊維１１２の含有率がほぼ同等の線材を用いて、スクリューの中心方向に向けてこの線材を押し付けながら巻回することによって、強化繊維１１２の含有率が異なるコイルばね１を得ることができる。
【００４２】
本発明によるコイルばね１は、本発明に係る強化繊維１２の含有率の関係がコイルばね１全体にわたって適用されていてもよい。また、本発明に係る強化繊維１２の含有率の関係が、圧縮時に特に大きな荷重がかかる箇所、例えば、コイルばね１の内周側領域のみに限定して適用されていてもよい。この場合、強化繊維１２の含有率は、コイルばね１の内周側領域において、最内部から外周側にかけて、線材の周方向に沿って連続的に小さくなる。
【００４３】
以上説明した本発明の一実施の形態によれば、コイルばね１が、弾性変形可能な芯材１０と、芯材１０に巻回される強化繊維１２、および強化繊維同士を固着する熱硬化性樹脂からなり、芯材１０の外表面を覆うＦＲＰ層１１と、を備え、ＦＲＰ層１１における内周側の強化繊維１２の含有率が、外周側の強化繊維１２の含有率よりも大きくなるようにしたので、繊維量を増大させることなく、応力が相対的に大きく加わる内周側の強度を大きくして応力に対する耐性を有する強度を向上することができる。
【００４４】
また、上述した本発明の一実施の形態によれば、繊維量を増大させることなく、強度を向上することができるため、コイルばねの製造にかかるコストを削減することが可能である。
【実施例】
【００４５】
以下、本発明に係るコイルばねの実施例について説明する。なお、本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。まず、本実施例に係る弾性部材用線材の構成について説明する。【００４６】
（実施例１）
芯材としてφ７ｍｍの棒状のポリプロピレン（ＰＰ）樹脂材料を使用し、強化繊維として、熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂と架橋剤とを含む混合液を４０vol％含有した炭素繊維束であるトウプリプレグを使用した。【００４７】
弾性部材用線材は、芯材にトウプリプレグを巻き付けた。まず、炭素繊維束を、芯材の長手軸と直交する方向からみたときに、芯材の長手軸に対して４５°をなすように巻き付けた。その後、得られた線材に熱収縮チューブを被せて、熱収縮チューブを熱収縮させて、コイルばね作製用の線材とした。このコイルばね作製用の線材を、コイルばねの型であるリードスクリューに１００Ｎの張力を加えながら巻回して固定（コイリング）し、エポキシ樹脂を加熱硬化することによって実施例１に係るコイルばねを得た。【００４８】
（実施例２）
コイルばね作製用の線材のコイリング時の張力を５Ｎ以下とした以外は実施例１と同様に行って実施例２のコイルばねを得た。【００４９】
（実施例３）
炭素繊維束に含有する混合液を４７vol％とし、コイルばね作製用の線材のコイリング時の張力を２０Ｎとした以外は実施例１と同様に行って実施例３のコイルばねを得た。【００５０】
以上説明した実施例１〜３は、芯材の径、および成形前の線材の外径が揃っている。【００５１】
続いて、本実施例に係る試験内容について説明する。【００５２】
（繊維体積含有率）
繊維体積含有率は、マイクロスコープにより拡大倍率を３００倍としてコイルばねの線材断面を撮影した画像を取得し、取得した画像に対して画像処理を施すことにより測定した。画像は、表面からの深さが線材径に対し１５％以内の範囲で撮影した。具体的な画像処理としては、画像中の強化繊維と熱硬化性樹脂とを色の違いで認識し、認識されたそれぞれの領域の面積を算出し、算出された各領域の面積に基づいて繊維体積含有率を算出した。図７は、本発明の実施例に係るコイルばねの強化繊維含有率の計測方法を説明する図である。図７に示すような芯材１０とＦＲＰ層１１の断面画像を取得した場合、この断面画像におけるＦＲＰ層１１の外縁側に複数の算出領域Ｒ１〜Ｒ１２を設定し、各算出領域Ｒ１〜Ｒ１２の強化繊維含有率から平均値を算出した。本実施例では、図７において、算出領域Ｒ３を最内部とし、算出領域Ｒ１０を最外部として、算出領域Ｒ１〜Ｒ５を内周側領域の強化繊維含有率の算出対象とし、算出領域Ｒ８〜Ｒ１２を外周側領域の強化繊維含有率の算出対象とし、それぞれの平均値を求めて、内周側領域および外周側領域の強化繊維含有率とした。【００５３】
（静的圧縮試験）
試験速度を５０ｍｍ／ｍｉｎとして圧縮試験を行った。圧縮は荷重が８６５０Ｎとなるまで行い、その時の変位を測定した。【００５４】
（剛性率）
上述した圧縮試験により得られた荷重−たわみ線図の傾き（ばね定数）をもとに、式（１）から剛性率Ｇを算出した。【００５５】
次に、本実施例に係るコイルばねの繊維体積含有率Ｖf、内周側領域および外周側領域の含有率差Ｖfi−Ｖfo、および圧縮試験結果（剛性率）を表１に示す。なお、繊維体積含有率は、ＦＲＰ層における強化繊維の体積含有率を示している。
【表１】
2017163860.tif 000003
【００５６】
実施例１〜３では、いずれも外周側領域よりも内周側領域の方が繊維含有率が高く、剛性率も６ＧＰａより大きいという結果が得られた。実施例１と実施例２とを比較すると、含有率差および剛性率ともに、実施例１の方が大きく、実施例２のように、内周側領域と外周側領域との強化繊維の含有率差が小さいコイルばねと比して、実施例１は、剛性率が高く、強度が高いといえる。また、実施例２に対して含有率差の大きい実施例１と実施例３とを比較する。実施例１と実施例３は含有率差が同程度であるものの、剛性率については実施例１の方が高く、実施例１の方が、コイルばねとしての強度が高いといえる。このように、含有率差が大きく、繊維体積含有率の高い方が、コイルばねとしての強度が高いことがわかる。【００５７】
なお、コイリング時の張力によって、加熱硬化前の線材から樹脂が絞り出される。このため、硬化前後の樹脂量は必ずしも一致していない。樹脂の絞り出される量は実施例１の方が実施例２、３より多いため、全体の繊維含有率が増大するため剛性率向上に寄与している。【００５８】
ここで、上述したコイルばね１をサスペンション用の懸架ばねに用いる場合、このコイルばね１を作製するための弾性部材用線材は、例えば、剛性率が９ＧＰａ以上であることが望まれる。本実施例の結果から、実施例１に係るコイルばねは、サスペンション用のコイルばねとしての要求を十分に満たすものである。【００５９】
また、実施例１のコイルばねの線材について、断面の観察を行なった。図８は、本発明の実施例に係る実施例１のコイルばねの断面画像を説明する図である。図８において、白く見える部分は強化繊維であり、黒く見える部分は熱硬化性樹脂と少量の気泡で構成される。コイルばねの断面の一部を抜き出して拡大観察したところ（図８参照）、表２に示すように、コイルばねの内周側領域において、最内部の算出領域（Ｒ２３）から外周側の算出領域（Ｒ２６，Ｒ２７）にかけて、繊維含有率が、線材の周方向に沿って連続的に小さくなっていることが分かる。
【表２】
2017163860.tif 000004
【００６０】
本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含みうるものであり、特許請求の範囲により特定される技術的思想を逸脱しない範囲内において種々の設計変更等を施すことが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
以上のように、本発明に係るコイルばねは、軽量化しつつ、強度を向上するのに好適である。
【符号の説明】
【００６２】
１  コイルばね
１０，１１０  芯材
１１，１１１  繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）層
１２，１１２  強化繊維
１００  弾性部材用線材
【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】
2017163860.tif 000011
【図８】
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【国際調査報告】
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