技術資料＞高機能皿ばねの特長および適用事例

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技術資料
Technical Data

高機能皿ばねの特長および適用事例
玉地

薫＊

Characteristics of High-Performance Disc Springs andApplication Examples
Kaoru TamachiSynopsis
In spite of simple and compact shape, disc springs have superior characteristics such as high load capability and large design
flexibilities, which can not be provided by the other type of springs.
This report explains the features of the disc springs, representative applications and technical trends.
From view of the advantage, it is expect that the high performance disc springs would contribute to improvements of mechanicalsystems and equipment into the future.

1．はじめに
大同精密工業㈱（以下，当社と称す）では，特殊鋼を素材とした薄板加工技術をベースとして種々の精密部品加工を行っている．皿ばねはその中の機能部品の一つとして様々な分野で使用されている．
皿ばねは中心に穴の明いた円盤で，円錐状に成型された単純な形状のばねである．代表的な皿ばねの外観写真
を Fig. 1 に示す．皿ばねは他のばねに無い特長，特性があるが，ここでは，多用されている皿ばね座金としての使用例とは別に，機能ばね部品として使用されている用途に視点を置いて述べる．皿ばねはコンパクトで高荷重が得られる特性を利用し，マシニングセンターの工具保持用として，回転する主軸に数多く組み込まれている．

Fig. 1. Photograph of disc springs.

2012 年 5 月 14 日受付＊大同精密工業（株）技術部 (Engineering Dept ,Daido Precision Industries Ltd

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電気製鋼 第 83 巻 1 号 2012 年

当社では客先ニーズに合わせた設計を行い，近年の高・皿 ばねがタワミを受けると相対的な摩擦による減衰

速回転化，高精度化の要求と高頻度の工具交換および高が生じ，荷重を加える場合と荷重を除いて戻る場合寿命化に対応してきた．また皿ばねは，同様な特性からで，荷重曲線が異なる現象（ヒステリシス）が発生す

高精度クランプ装置，与圧保持部品，緩衝装置などにもる．荷重精度を必要とする場合は，事前に予測して荷利用されている．一方，自動車関連では，燃費向上と重設定を行うなどの対応が必要である．

環境性能改善から，機能を高めたターボチャージャーのでは摩擦による磨耗を防ぐため一般に潤滑剤が使われ利用が増加しているが，熱変形する中で圧力を与えながるが，充分な潤滑が得られない場合には，更に潤滑性ら，熱及び排ガスを遮断する目的で耐熱皿ばねが使用さコーティングが必要になる．

れている．また大震災以降，関心が高まった地震対策用として，高い荷重が要求される建築部材での使用も進ん

2． 2

動的な作動

皿ばねの設計でいる．この様な背景のもと，当社では，皿ばね外径でFig. 2 に皿ばねの断面形状を示す．

数 mm から，最大 1000 mm までの製造実績がある．

荷重，応力計算は Almen and Laszlo の近似式が一般に本報告では高機能皿ばねが装置・機器のさらなる性能改善と用途拡大に進んでゆくものと考え，皿ばねの現状の適用例と今後の技術展開をまとめた．

度向上や特異的な場合の解析に利用されている．
皿ばね設計に必要な寸法を次に示す．
D：外径，d：内径，h：板厚，H：全タワミ代

2．皿ばねの特性2． 1

用いられているが，最近では FEM 数値解析が進み，精計算式は複雑であるが，一般には必要な荷重，タワミ量，取り付けスペースなどの条件から，計算ソフトを皿ばねの特長使って計算される．当社で製造している皿ばねの代表的
1）

皿ばねは他のばねと比べると，次の様な特長がある ．
・小さなスペースで大きな荷重が得られる．

な材質の化学成分を Table 1 に，機械的性質を Table 2に，標準規格品の抜粋を Table 3 に示す．

・荷重／たわみの関係は，非線形で種々の特性が得られる．
・重ね方よって，ばね特性を変えることができる．
・許 容応力範囲内で使用すれば，長く使用に耐えられる．
・積重ね状態で，緩衝性が得られる．
・材質選択で耐熱性，耐食性を付加できる．
中でも最も象徴的な特性はコンパクトで大きな荷重がFig. 2. Cross-section of disc spring．

得られ，荷重特性の自由度が大きいことである．例えば荷重を比較した場合，圧縮コイルばねでは，外径 100mm，線径 10 mm の場合，許容応力内で 1.5 kN 程度となるが，皿ばねでは同じ外径，板厚 6 mm で 40 kN 程度の荷重を得ることが出来る．

2． 3

荷重特性

皿ばねに負荷される荷重は，全タワミ量と板厚の比率

一方，適用上注意すべきことは次の通りである．

（H/h）をパラメーターとしてたわみ量δ関する 3 次式で・板厚や高さのわずかな製作誤差が特性に大きく影響を表され，特性は Fig. 3 に示す通り非線形となる 2），3）．H/与えるため，必要となる加工精度の管理は重要であh が 1.4 でタワミ率（δ /H）が 0.75 を超えた部分に平行る．

部分が現れる．更に H/h が大きくなると極値を取り，荷・単体の皿ばねを組み合せて使用する場合，皿ばね同士のズレを防ぐためにガイドが必要となる．一般的な使用では適正なクリアランスを持たせたガイドで問題は無いが，高速回転するような場合には，ガイドに接する部位の寸法に回転バランスを確保するため特別な公差を設定が必要となる．

重の逆転現象が発生する．

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Table 1. Chemical composition of disc spring materials（mass%）．

Table 2. Typical mechanical properties of disc spring materials.

Table 3. Example of standard products.

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また，皿ばねは組合せにより，荷重とタワミは組合せの枚数に，単純に倍数の関係が得られる．この関係をFig. 4 に示す．同じ向きに皿ばねを積み重ねる並列重ねでは，皿ばね面間に発生する層間摩擦によるヒステリシ
スで荷重値にズレが発生すること，皿ばねを交互に重ねる直列重ねでは，前述の H/h が 1.4 を超える領域では皿ばねの逆転現象が生じる．さらに，直列重ねでは僅かな精度誤差で生じる特性変化により，ばね定数の低い皿ばねにタワミが集中するため特に注意が必要となる．

Fig. 3. Spring characteristic curves with respect to H/hand δ/H．

Fig. 4. Schematic representation of characteristic lines possible with springs ofsame size in different combination.

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3．使用例
3． 1

皿ばねの特性を生かした適用例

皿ばねの特長を生かして機械装置に組み込まれている
代表的な事例を Table. 4 に示す．

3． 2

マシンニングセンターツール保持用皿ばね

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部や耐震要素（ブレース，耐震壁など）と架構の接合部分に薄いステンレス板と摩擦材を一対にして挟み込み，滑りと摩擦によりエネルギーを吸収する制震システムである．
製品例を Fig. 6 に示す．この装置の特長として，超高層ビルの長周期地震動対策，また風による小さな揺れから，大地震による大きな揺れまで建物の様々な揺れを低減できる．大地震後でも取り替えやメンテナンスが不要でコストパフォーマンスに優れている．この中で，皿ば機械部品の製造に使用されるマシニングセンター等のねは高荷重特性と非線形特性を利用して，高面圧で安定工作機械は高精度化，高速化，高速回転化，長寿命化へした摩擦力を与えている．一般的な性能例として，外径の要望が強い．特に高速回転化についてはツール保持用

130 mm で高さ 51 mm に並列に重ねられた皿ばねのセッ皿ばねが回転する主軸の内部に組み込まれ，皿ばね自体トで 150kN 前後の荷重を発生させている．

が高速回転をするため，ガイド部とのクリアランスを最小にし，かつタワミによって変化が少ないことが要求さ

3． 4

高温シール用ばねれている．現在実用化されている内径寸法精度はミクロ

自動車用ターボチャージャーはより厳しい環境基準かン単位で管理され，主軸回転数が 20000，30000 min-1 のら燃費向上と排ガス規制に対応して，機能改善が図られマシニングセンターに使用されている．製品組み込み例ている．エンジンの回転数に応じて排気側タービンへを Fig. 5 に示す．このような高精度の皿ばねは，セットの開口面積を変化させることで排気ガスの流量を制御状態で同じクリアランスのガイドを使用し，荷重検査とし，加給効果を高めるものである．可変機構の内部部作動確認が行われている．仕様によっては酸化膜除去や品は直接，高温の排ガスを受けるため耐熱鋼が適用さ耐久性改善のために行われるショットブラストなどに対れている．これらの内部部品を適切な与圧でサポートし，残渣のない，クリーンな皿ばねの製品化も行っていし，排ガスのシール，熱の遮断を目的に，薄板で特殊る．

形状に成形された皿ばねが使用されている．製品例を

3． 3

制震装置用皿ばね

Fig. 7 に示す．排ガス温度は 800 ～ 850 ℃に達するため，Inconel781 や Waspaloy など Ni 基耐熱合金が使用される．

大地震対策として注目されている制震装置で，ブレーキダンパーとして製品化している．建物の柱と梁の仕口

Fig. 5. Example of disc spring set used for spindle of high-speed rotation machining center.

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High tension bolt
Disc spring

Stainless plate
Friction plate

Loose holeFig. 6. Example of disc spring built into anti-earthquake device of skyscraper.

Fig. 7. Examples of heat-resistant disc spring for turbochargers.

3． 5

バルブローテータ

バルブローテータは舶用等のディーゼルエンジンの吸排気バルブが作動するごとにバルブ自体を微少回転させる．皿ばねの材質は耐熱性を考慮して，析出硬化系ステンレス鋼が主に用いられている．

4．今後の技術展開る装置で，バルブの偏磨耗を防ぎ，密閉を維持するために組み込まれており，微少回転をさせる機構に鋼球と皿

皿ばね自体は単純な形状のばねであるが，他のばねにばねが使用されている．製品略図を Fig. 8 に示す．作動無い特長を有することから，その用途は今後も更に拡が応力的には高くないが高頻度の作動を受けるため耐摩耗るものと期待される．最大の特長は前述の通り，省ス性が要求されており一般の皿ばねより硬さは，更に高いペースで高荷重を出せることであるが，皿ばね内部でレベルに設定されている．

は，広範囲に高い応力が発生するため，適正に熱処理さ

3． 6

プラスチック成型精密金型

れ，表面だけでなく内部欠陥の少ない清浄な高強度の材料が望まれる．現状は高級ばね材料の SUP10（ばね鋼半導体樹脂封止金型やプラスチック成型精密金型では10 種）が一般に適用されているが，さらにコンパクト押圧調整用等に数枚の小型皿ばねを組合せて使用されてでの荷重性能を上げるためには，より弾性限界値，耐力いる。周囲温度は 200 ℃で安定したばね定数が要求されの高い材料が求められる．

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皿ばねはヘタリを押さえ，耐摩耗性，疲労強度を上げ強度の材料の適用が望まれる．この様な視点から，新るため，一般の板ばね等に比較しても，高い硬さレベル材料として環境対応や省資源化に対応した低 Ni 系の高に設定しているが，遅れ破壊や腐食疲労破壊に対する素窒素ステンレス鋼である DSN9（6Mn-10Ni-23Cr-2Mo-0．

材，加工工程および表面処理には特に考慮が必要であ5N;mass％）等の適用を検討している 4）．これらの改善

る．特にマシニングセンター主軸の内部に組み込まれるにより，更なる用途拡大を図りたい．

皿ばねについては，主軸内部への水溶性切削液の浸入による皿ばねの腐食疲労破損事故が多く見られるており，（文献）

マシニングセンターの性能向上に伴って，皿ばねの更な

1）日本ばね学会 編：第 4版 ばね（丸善，2008）．

るコンパクト化と同時に耐食性改善は大きな課題であ2）日本規格協会：JIS G2706「皿ばね」．

る．

3）日本ばね工業会：規格 SA001：2009 [皿ばね ]．

皿ばねの更なるコストパフォーマンスを上げるため，設計精度，加工精度の向上が必要であるが，材料から

4）古賀 猛，清水 哲也，野田 俊治：電気製鋼，73（2002），
127のアプローチとして，耐熱性，耐食性を有し，かつ高Fig. 8. Examples of a disc springs which is used in valve rotator.
Table 4. Typical example of plate springs used for machinery and equipment.