JP6960777B2 - スプリング素子を応用したスプリングシステム - Google Patents

Description

本発明は、高温環境下において使用されることによって特にその性能を発揮することができる炭素／炭素複合材料製のスプリングシステムに係り、詳細には、炭素／炭素複合材料製のスプリング素子を応用したスプリングシステムに関する。

スプリングワッシャーとして利用可能なスプリング素子は、機械要素として、各種の機械、装置、機構に用いられており、今日においては、家庭用品や工業用品、更にはその他の分野において、必要不可欠の重要な部品となっている。

従来、スプリングワッシャーは、一般に金属材料にて製造されているものであり、ステンレス鋼、低合金鋼、工具鋼、チタン合金などが主に使われてきている。 しかし、金属材料製のスプリングワッシャーは、耐熱性に劣り、高温の使用環境下において充分なバネ特性を発揮し得ず、従って高温環境下での使用が不可能であったり、高温環境下での長期的な使用が不可能である。

例えば、耐熱性合金と称される材料で作られたスプリングワッシャーであっても４００℃を越える温度では、強度低下及び変形が著しく、急激なヘタリ現象が起こるため、このような高温環境下ではスプリングワッシャーとして使用することができなかった。

そして、４００℃を越えるような環境温度でプリングワッシャーを使用する場合、インコネル、ハステロイ等の超耐熱合金を使用してスプリングワッシャーを製造することできるが、このような超耐熱合金でも、７００℃を越える温度では、強度低下及び変形が著しく、急激なヘタリ現象が起こるため、このような高温環境下ではスプリングとして使用することができなかった。

更に、インコネル、ハステロイ等の超耐熱合金に代えて窒化珪素やジルコニアなどのセラミックスを使ってスプリングワッシャーを製造することもできるが、このようなセラミックス製のスプリングワッシャーはもともと靱性が低く、熱衝撃にも弱いため、繰り返し高温環境下で使用すると破壊する可能性が高い。 また、５００〜１０００℃を越える高温では、急激に強度低下が起こるため破損に至ることがある。

このような問題を解決するために、炭素／炭素複合材料（Ｃ／Ｃコンポジットとも呼ぶ）製のスプリングワッシャーが開示されている（特許文献１参照）。 炭素／炭素複合材料（Ｃ／Ｃコンポジットとも呼ぶ）は、強化繊維である炭素繊維を黒鉛または炭素のマトリックスで固めた繊維強化複合材料であって、従来の炭素材料、あるいは黒鉛材料に比べ数倍の強度、弾性率を備えると共に、耐熱性、耐摩耗性、靱性に優れていることから、宇宙往還機等のノーズキャップや翼のリーディングエッジ等、航空機、レーシングカー、新幹線車両、大型重量車両等のブレーキ、熱処理炉の炉内構造材、トレイ、ヒーター、半導体製造炉や太陽電池製造炉における製品ハンドリングフォーク、金属加工用の高温治具等に使用されてきた材料である。

特許文献１が開示する炭素／炭素複合材料製のスプリングワッシャーは、以下のような製造方法により製造されたものであった。
（１）引張り強さ２００kg／mm²以上、引張り弾性率２４０００kg／mm²以上の炭素繊維の束又はスリーブ状に編んだプリプレグを治具のスパイラルな溝に巻き付けて加熱して、半硬化させ、
（２）次に、半硬化したコイル状成形体を治具から外し、更に加熱し、完全に硬化させてコイル状成形体を得、
（３）次に、コイル状成形体を炭化、必要に応じてピッチ等を含浸、焼成、黒鉛化しＣＣＭ（炭素／炭素複合材料）のコイル状材を得、
（４）更に、一巻き毎に切削分離することにより、ＣＣＭのスプリングワッシャーとする。

特許文献１が開示する炭素／炭素複合材料製のスプリングワッシャーは、以上のような製造方法を採用したものであったため、必要となるスプリングワッシャーのバネ定数が変わる毎にスパイラルな溝を有する成形治具が必要となるため、極めて高価なものとなっていた。

また、特許文献１が開示する炭素／炭素複合材料製のスプリングワッシャーでは、使用材料が炭素／炭素複合材料製であるということに起因して、バネ定数を任意に設定することが困難であった。
金属材料を使用したスプリングでは、スプリングの径や板厚を任意に設定することができ、かつ材料強度についても幅広い特性を持つ材料の中から選択することができるため、スプリングとしての強度を確保した上で、幅広い範囲のバネ定数を持ったスプリングを製造することが可能であった。
しかし、炭素／炭素複合材料製のスプリングにおいてバネ定数を小さくするために極端に薄い肉厚とすれば耐久性に問題が生じ、バネ定数の小さいスプリングを製造することは困難であった。 また、バネ定数の大きな炭素／炭素複合材料製のスプリングの場合、材料の持つせん断強度が不足するため十分なたわみ量を確保することができないという問題があった。

特開平９−０７９２４８号公報

本発明は、上述したような技術的背景に鑑みなされたものであり、１０００℃を越えるような高温環境下においても繰り返し使用できるスプリングシステムであって、バネ定数やたわみ量を任意に設定することができるスプリングシステムを、低コストで提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、第１の観点にかかる発明では、炭素／炭素複合材料から成る螺旋円環状のスプリング素子を使用したスプリングシステムであって、スプリング素子を複数個重ね合わせて構成したスプリングシステムとした。

また、第２の観点にかかる発明では、第１の観点にかかる発明のスプリングシステムにおいて、炭素／炭素複合材料は、スプリング素子の中心軸方向を向いた面に平行に積層された層構成を有する２次元炭素／炭素複合材料からなる構成のスプリングシステムとした。

更に、第３の観点にかかる発明では、第１又は第２の観点にかかる発明のスプリングシステムにおいて、重ね合わされた複数個のスプリング素子の螺旋の向きが全て同一である構成のスプリングシステムとした。

また、第４の観点にかかる発明では、第１乃至第３の観点のいずれかにかかる発明のスプリングシステムにおいて、重ね合わされた複数個のスプリング素子の内の少なくとも２のスプリング素子の螺旋の向きが異なっている構成のスプリングシステムとした。

また、第５の観点にかかる発明では、第１乃至第４の観点のいずれかにかかる発明のスプリングシステムにおいて、重ね合わされた複数個のスプリング素子の内の少なくとも２のスプリング素子のバネ定数が異なっている構成のスプリングシステムとした。

本発明では、上述したような構成の炭素／炭素複合材製のスプリングシステムとした結果、１０００℃を越えるような高温環境下においても繰り返し使用できるスプリングシステムであることに加え、バネ定数やたわみ量を任意に設定することができるスプリングシステムを、低コストで提供することが可能となった。

図１は、炭素／炭素複合材料製のスプリング素子の代表的な例を示したものであって、右ネジ状の螺旋形状を有するスプリング素子を示したものである。 図２は、炭素／炭素複合材料製のスプリング素子の代表的な例を示したものであって、左ネジ状の螺旋形状を有するスプリング素子を示したものである。 図３は、螺旋の向きが同じスプリング素子を３個重ね合わせて構成したスプリングシステムの例を示したものである。 図４は、螺旋の向きが異なるスプリング素子を３個重ね合わせて構成したスプリングシステムの例を示したものである。 図５は、螺旋の向きが同じスプリング素子を２個ずつ、計４個重ね合わせて構成したスプリングシステムの例を示したものである。

まず、本発明のスプリングシステムに使用する炭素／炭素複合材製のスプリング素子について説明する。
炭素／炭素複合材料（Ｃ／Ｃコンポジットとも呼ぶ）は、強化繊維である炭素繊維を黒鉛または炭素のマトリックスで固めた繊維強化複合材料であって、従来の炭素材料、あるいは黒鉛材料に比べ数倍の強度、弾性率を備えると共に、優れた耐熱性、耐摩耗性、靱性を有する材料である。 また、炭素／炭素複合材料は、比重が小さく、強度、剛性（弾性率）が高いことから、高比強度、高比剛性な材料としても知られている。

炭素／炭素複合材料は、炭素繊維を一方向にのみ配向したもの、炭素繊維を平面的に２方向あるいは多方向に配向したもの、炭素繊維を立体的に３方向に配向したもの、炭素繊維（短繊維）を平面的にランダムに配向したもの、炭素繊維（短繊維）を立体的にランダム配向したものの他、炭素繊維を種々のパターンで配向したものがこれまでに考案されてきている。

また、炭素／炭素複合材料の製造方法についても、レジンチャー法、ＣＶＤ法、プリフォームドヤーンを使用した製造方法などの他、短繊維状炭素繊維と、バインダーピッチ粉末と、コークス粉末と、粘結剤とからなるシート状の中間材料（プリプレグ状の中間材料）を使用した製造方法が開発されてきている。

図１は、本発明に係るスプリングシステム１００に使用する炭素／炭素複合材料製のスプリング素子１０の代表的な例を示したものであって、右ネジ状の螺旋形状を有するスプリング素子１０Ａを示したものである。 右ネジ状の螺旋形状を有するスプリング素子１０Ａとは、スプリング素子の螺旋の向きが、右ネジのネジ山と同じ向きに形成されていることをいうものである。

図２は、本発明に係るスプリングシステム１００に使用する炭素／炭素複合材料製のスプリング素子１０の代表的な例を示したものであって、左ネジ状の螺旋形状を有するスプリング素子１０Ｂを示したものである。 左ネジ状の螺旋形状を有するスプリング素子１０Ｂとは、スプリング素子の螺旋の向きが、左ネジのネジ山と同じ向きに形成されていることをいうものである。

なお、スプリング素子１０の素線の断面寸法や外径、高さ寸法は、そのスプリング素子１０が使用される条件に応じて任意に設定することができる。 また、図には、スプリング素子１０ の素線の断面形状が矩形状であるものが示されているが、これに限定されるものではない。

本発明に係るスプリング素子１０は、２次元炭素／炭素複合材料（強化繊維である炭素繊維が平面的に配向された炭素／炭素複合材料のことをいう）から構成されている。 また、本発明に係るスプリング素子１０は、２次元炭素／炭素複合材料であって、スプリング素子１０の中心軸方向を向いた面に平行に積層された層構成を有するようにしても良い。
ここで、「スプリング素子１０の中心軸方向を向いた面に平行に積層された層構成を有している」とは、図１に示すスプリング素子１０の中心軸方向（図１のＸ方向）を向いた面であるａ１面（図１の正面図の上側面）及びａ２面（図１の正面図の下側面）に沿って平行に積層された層構成を有していることを意味するものである。

本発明における２次元炭素／炭素複合材料の各層に使用される炭素繊維は種々の形態のものを使用することができる。 例えば、炭素繊維を一方向に引き揃えて配向したシートを配向角度を変えて重ね合わせたシート（アングルプライシート）、炭素繊維束で織った織布、短繊維状炭素繊維をペーパー状にランダムに配向した不織布を使用することができる。

次に、短繊維状炭素繊維をペーパー状にランダムに配向した不織布を使用した２次元炭素／炭素複合材料製のスプリング素子を例に挙げ、スプリング素子の製造方法について説明する。

この製造方法においては、短繊維状炭素繊維と、短繊維状炭素繊維の周囲に配置されたバインダーピッチ粉末、コークス粉末、粘結剤とから構成されるシート状の不織布（プリプレグ状の中間材料）を使用する。

まず、プリプレグ状の中間材料を複数枚積層し、ホットプレス等を使用して加圧、加熱することにより、平板状の炭素／炭素複合材料を製造する。

この場合、必要に応じて得られた平板を炭化処理した段階に留めたり、更に、黒鉛化処理するようにしても良い。 あるいは、炭化、黒鉛化処理の後にピッチ含浸処理を行い、更に炭化処理、黒鉛化処理行なうという処理を複数回繰り返すようにしても良い。

次に、得られた平板状の炭素／炭素複合材料から、スリットのある円環状の成形体を機械加工によって削り出す。 そして、得られた円環状の成形体をスリットを挟んで対向する一端側と他端側の端面がスプリング素子１０の中心軸方向（図１のＸ方向）に離れるように外力を加えて変形させ、この変形状態を維持しつつ適宜の治具にて円環状の成形体を保持する。

次に、賦形された螺旋円環状の成形体を変形状態を維持しつつ１０００℃〜３０００℃の温度にて焼成することによりスプリング素子が得られる。 なお、炭素／炭素複合材料製のスプリング素子の製造方法は、ここで説明した製造方法に限定されるものではなく、その他の種々の製造方法により製造することが可能である。

次に、本発明に係るスプリングシステムの実施形態について説明する。
図３は、本発明に係るスプリングシステム１００の１例であって、螺旋の向きが同じスプリング素子１０（図３では１０Ｂ）を３個重ね合わせて構成したスプリングシステム１００の例を示したものである。 ここで、螺旋の向きが同じスプリング素子１０を３個重ね合わせるとは、右ネジ状の螺旋形状を有するスプリング素子１０Ａを３個重ね合わせるか、あるいは左ネジ状の螺旋形状を有するスプリング素子１０Ｂを３個重ね合わせることを意味する。

図３に示すようなスプリングシステム１００とすることにより、スプリング素子１０の最大たわみと同じ最大たわみを有し、スプリング素子１０のバネ定数の３倍のバネ定数を有するスプリングシステム１００を構成することができる。

図４は、本発明に係るスプリングシステム１００の１例であって、螺旋の向きが異なるスプリング素子１０を３個重ね合わせて構成したスプリングシステム１００の例を示したものである。 具体的には、左ネジ状の螺旋形状を有するスプリング素子１０Ｂの上に右ネジ状の螺旋形状を有するスプリング素子１０Ａを重ね、更に左ネジ状の螺旋形状を有するスプリング素子１０Ｂを重ねた構成となっている。

図４に示すようなスプリングシステム１００とすることにより、スプリング素子１０の最大たわみの３倍の最大たわみを有し、スプリング素子１０のバネ定数の１／３のバネ定数を有するスプリングシステム１００を構成することができる。

図５は、本発明に係るスプリングシステム１００の１例であって、螺旋の向きが同じスプリング素子を２個ずつ、計４個重ね合わせて構成したスプリングシステムの例を示したものである。 具体的には、左ネジ状の螺旋形状を有するスプリング素子１０Ｂを２個重ね、その上に２個重ねた右ネジ状の螺旋形状を有するスプリング素子１０Ａを重ねた構成となっている。

図５に示すようなスプリングシステム１００とすることにより、スプリング素子１０の最大たわみの２倍の最大たわみを有し、スプリング素子１０のバネ定数と同じバネ定数を有するスプリングシステム１００を構成することができる。

なお、図３および図４に示すスプリングシステム１００では、３個のスプリング素子１０を重ね合わせ、図５に示すスプリングシステム１００では４個のスプリング素子１０を重ね合わせた例を示したが、重ね合わせるスプリング素子１０の個数はこれらの個数に限定されるものではなく、任意の個数のスプリング素子１０を重ね合わせることができる。

また、図３〜図５に示すスプリングシステム１００では、同じ形状のスプリング素子１０（すなわち、同じバネ定数、同じ最大たわみを有するスプリング素子１０）を重ね合わせることによりスプリングシステム１００を構成していたが、これに限定されるものではない。 断面形状や断面寸法の異なるスプリング素子１０（すなわち、バネ定数や最大たわみ等の異なるスプリング素子１０）を組み合わせて重ね合わせることもできる。

以上説明したようなスプリングシステム１００としたことにより、１０００℃を越えるような高温環境下においても繰り返し使用できるスプリングシステム１００であることに加え、バネ定数やたわみ量を任意に設定することができるスプリングシステム１００を、低コストで提供することが可能となった。
また、従来の炭素／炭素複合材料製のコイルスプリング等ではバネ定数の小さいスプリングを製造することは困難であったが、本発明にかかるスプリングシステム１００によりバネ定数の小さいスプリングシステムを構成することが可能になった。 更に、従来の炭素／炭素複合材料製のコイルスプリング等では実現困難であった、バネ定数と最大たわみが共に大きいスプリングについても本発明にかかるスプリングシステム１００により実現することが可能となった。

１０ スプリング素子
１０Ａ 右ネジ状の螺旋形状を有するスプリング素子
１０Ｂ 左ネジ状の螺旋形状を有するスプリング素子
１００ スプリングシステム

Claims (4)

1. 炭素／炭素複合材料から成る螺旋円環状のスプリング素子を使用したスプリングシステムであって、
   当該スプリング素子を複数個重ね合わせて構成したスプリングシステムであり、
   当該炭素／炭素複合材料は、スプリング素子の中心軸方向を向いた面に平行に積層された層構成を有する２次元炭素/炭素複合材料から成ることを特徴とするスプリングシステム。
2. 請求項１に記載のスプリングシステムにおいて、
   重ね合わされた複数個のスプリング素子の螺旋の向きが全て同一であることを特徴とするスプリングシステム。
3. 請求項１に記載のスプリングシステムにおいて、
   重ね合わされた複数個のスプリング素子の内の少なくとも２のスプリング素子の螺旋の向きが異なっていることを特徴とするスプリングシステム。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載のスプリングシステムにおいて、
   重ね合わされた複数個のスプリング素子の内の少なくとも２のスプリング素子のバネ定数が異なっていることを特徴とするスプリングシステム。
   

Images