JP2003300256A

JP2003300256A - Ｆｒｐスプリングおよびその製造方法

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Publication number: JP2003300256A
Application number: JP2002107397A
Authority: JP
Inventors: Masao Hirukawa; 正夫蛭川; Yasuhiko Kubota; 安彦久保田
Original assignee: Murata Machinery Ltd
Current assignee: Murata Machinery Ltd
Priority date: 2002-04-10
Filing date: 2002-04-10
Publication date: 2003-10-21
Anticipated expiration: 2022-04-10
Also published as: JP3760994B2

Abstract

(57)【要約】【課題】ブレイダー装置を用いてブレイディング処理し
てなる繊維強化プラスチック製コイルスプリング及びそ
の製造方法を提供すること。【解決手段】軸線に対する組角度が±θ°の組糸と、軸
線に対する角度が０°の中央糸とを選択的に組み合わせ
て組物層を組織し、前記組物層を複数層積層して組紐組
織体とするＦＲＰ組織体の製造方法であって、予め樹脂
が含浸された強化繊維をブレイダー装置ＢＲにセット
し、ブレイディングによって組紐組織体１０を製織する
ブレイディング工程１１と、組紐組織体を製織しながら
組紐組織体のまわりに連続的に熱収縮テープ１３を巻き
付けるラッピング工程１２と、ラッピングされた組紐組
織体１４を螺旋状に巻き、硬化してコイル状スプリング
組織体に成形するコイル成形工程１５とからなるＦＲＰ
製スプリングの製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ブレイダー装置
を用いてブレイディング処理してなる繊維強化プラスチ
ック(fiber reinforced plastics :以下、ＦＲＰとい
う）製の組織体であって、特に、ＦＲＰスプリングであ
り、且つ、当該ＦＲＰスプリングの製造方法に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】周知のように、ＦＲＰ材料は、ガラス繊
維、炭素繊維などの繊維素材を種々のプラスチックのマ
トリックスでかためて成形した複合材料であり、軽量
で、強度が高く、且つ弾性率が高いという特性を有して
いる。さらに、このＦＲＰ材料は、疲労強度が高く、振
動減衰性にすぐれており、電気絶縁性が高いという特性
を有している。さらにまた、このＦＲＰ材料は、耐薬品
性，耐食性がよいなどのさまざまな特性を有するもので
ある。この特性を生かして，航空宇宙、車輌、化学薬
品、その他一般産業分野などに利用される可能性は多大
であり、それらのためのＦＲＰ組成物構造材として極め
て有効な素材であるものといえる。

【０００３】この発明は、上記する諸特性を有するＦＲ
Ｐ材料によって、機械構造部材であるコイル状のスプリ
ング（coiled helical springs）を成形しようとするも
のである。この発明において、前記コイル状のスプリン
グは、圧縮コイルバネ（compression coiled spring
s）、引張りコイルバネ（extension coiled spring
s）、ねじりコイルバネ（torsion coiled springs）を
含むものであり、さらに、形態的には、円筒型、円錐
型、あるいは、渦巻き型などの異なる形態でなるものを
含むものである。

【０００４】従来、樹脂製のコイルスプリングは、シリ
コンチューブなどの方法により成形されている。これ
は、成形硬化時に樹脂のフローなどの問題で、Ｖｆ（樹
脂含有率）があがらないという問題点が指摘されてい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】そこで、この発明で
は、ブレイダー装置を用いてブレイディング処理してな
るＦＲＰスプリングの製造にあたって、ブレイディング
過程における組糸の組角度を変化させることによって、
異なるバネ定数のコイルスプリングを設計可能になした
ＦＲＰスプリングの製造方法、並びにその製造方法によ
って得られるＦＲＰスプリングを提供しようとするもの
である。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記する目
的を達成するにあたって、具体的には、軸線に対する組
角度が±θ°の組糸と、軸線に対する角度が０°の中央
糸とを選択的に組み合わせて組物層を組織し、前記組物
層を複数層積層して組紐組織体とするＦＲＰ組織体の製
造方法であって、予め樹脂が含浸された強化繊維をブレ
イダー装置にセットし、ブレイディングによって組紐組
織体を製織するブレイディング工程と、前記組紐組織体
を製織しながら前記組紐組織体のまわりに連続的に熱収
縮テープを巻き付けるラッピング工程と、ラッピングさ
れた組紐組織体を螺旋状に巻き、硬化してコイル状スプ
リング組織体に成形するコイル成形工程とからなるＦＲ
Ｐスプリングの製造方法を構成するものである。

【０００７】さらにまた、この発明は、前記ブレイディ
ング工程において、前記組糸の組角度±θ°を変えて、
異なる組角度に応じた異なるバネ定数のＦＲＰスプリン
グを製造するＦＲＰスプリングの製造方法を構成するも
のである。

【０００８】さらに、この発明は、前記ブレイディング
工程中、前記組糸の組角度±θ°を変更しながら組紐組
織体を製織し、当該組紐組織体によって当該スプリング
の巻き長さ方向に異なるバネ定数の部分を一体連続的に
形成してなるＦＲＰスプリングの製造方法を構成するも
のである。

【０００９】さらにまた、この発明は、軸線に対する組
角度が±θ°の組糸と、軸線に対する角度が０°の中央
糸とを選択的に組み合わせて組物層を組織し、前記組物
層を複数層積層して組紐組織体とし、前記組紐組織体を
螺旋状に巻き成形してなるＦＲＰスプリングであって、
前記ＦＲＰスプリングのバネ定数を規定する要因が、前
記組糸の組角度±θ°の値に応じたものからなるＦＲＰ
スプリングを構成するものである。

【００１０】さらにまた、この発明は、前記組糸の組角
度±θ°の値に応じて、当該スプリングの巻き長さ方向
に異なるバネ定数の部分を一体連続的に有するものから
なるＦＲＰスプリングを構成するものである。

【００１１】さらにまた、この発明は、前記ＦＲＰスプ
リングの巻き径が、当該スプリングの巻き長さ方向一端
から他端にわたって同一径のものであるＦＲＰスプリン
グを構成するものである。

【００１２】さらにまた、この発明は、前記ＦＲＰスプ
リングの巻き径が、当該スプリングの巻き長さ方向一端
から他端にわたって異なる径部分を有するものからなる
ＦＲＰスプリングを構成するものである。

【００１３】さらにまた、この発明は、ＦＲＰスプリン
グを構成するＦＲＰ線材の線径が、当該スプリングの巻
き長さ方向一端から他端にわたって異なる径部分を有す
るものからなるＦＲＰスプリングを構成するものでもあ
る。

【００１４】さらにまた、この発明は、前記ＦＲＰスプ
リングのための組紐組織体が、中実組紐組織体でなるＦ
ＲＰスプリングを構成するものである。

【００１５】さらにまた、この発明は、前記ＦＲＰスプ
リングのための組紐組織体が、中空組紐組織体でなるＦ
ＲＰスプリングを構成するものである。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、この発明になるＦＲＰスプ
リング及びその製造方法について、図面に示す具体的な
実施例にもとづいて詳細に説明する。図１は、この発明
になるＦＲＰスプリングを製造するための製造方法に関
して、これに適合する具体的装置例を示す概略的な側面
図であり、図２は、この発明になるＦＲＰスプリングの
具体的な態様を示すものであって、図２Ａは、当該ＦＲ
Ｐスプリングの基本構成を示す概略的な側面図、図２Ｂ
および図２Ｃは、図２ＡにおけるＸ−Ｘ線に沿った断面
図であり、中実組紐組織体１０Ａの例と、中空組紐組織
体１０Ｂの例とを示す断面図である。一方、図２Ｄ、図
２Ｅおよび図２Ｆは、当該コイルスプリングの巻径の異
なる態様を示す概略図である。

【００１７】一方また、図３は、ブレイダー装置によっ
て製織される組紐組織体の基本的構成を示す概略的な斜
視図である。また、図４は、この発明になるＦＲＰスプ
リングのための組紐組織体を製織するための多連式ブレ
イダー装置の基本構成の一例を示す概略的な側断面図で
ある。

【００１８】まず、図４に基づいて、多連式ブレイダー
装置の一構成例について説明する。図４において、多連
式ブレイダー装置は、マンドレル自動供給装置（図示せ
ず）と、縦型の複数のブレイダーユニットＢＲと、ラッ
ピング装置ＲＡと、振れ防止具Ｏｓと、プリフォーム自
動取出し装置Ｐｕとを、図中右側から順番に直列に配置
してある。

【００１９】前記ブレイダーユニットＢＲは、図４に示
すように、マンドレルＭのまわりに組紐組織層２を形成
するための組糸Ｙ（４、４）および中央糸ｙ（５）を繰
り出すものである。この発明において、ＦＲＰスプリン
グのための線材が、中空組紐組織体１０Ｂでなる場合に
は、前記マンドレルＭが用いられ、ＦＲＰスプリングの
ための線材が、中実組紐組織体１０Ａでなる場合には、
前記マンドレルＭは不要である。

【００２０】前記ブレイダーユニットＢＲは、マンドレ
ルＭが通過する中心孔２１ａを有し且つ中心孔２１ａの
外側に形成した波形の環状軌道（図示せず）の２条を有
する垂直な軌道面２１と、これら環状軌道に案内されて
相互に逆方向へ走行する２群の多数のボビンキャリアー
２２と、軌道面２１から立設したボビンスタンドと、軌
道面２１の環状軌道に囲まれた中心から立設した複数本
の中央糸供給用の筒体２３とを備えている。

【００２１】前記ボビンキャリアー２２は、マンドレル
Ｍの表面で組角度±θ°で斜め交差する組糸Ｙ、Ｙ
（４、４）を繰り出すものであり、組糸Ｙを巻いた組糸
用ボビンＢがセットされる。前記ボビンスタンドは、マ
ンドレルＭの表面にマンドレルの長手方向に沿わせて中
央糸ｙ（５）を繰り出すためのものであり、中央糸ｙを
巻いた中央糸用ボビンｂがセットされる。前記組糸Ｙ並
びに中央糸ｙは、熱硬化性の樹脂を予め含浸した強化繊
維が用いられる。

【００２２】マンドレルＭは、図４中、右側のチャック
（図示せず）で一定速度でおくられながら、表面に複数
本の組糸Ｙ、Ｙが交差するように巻き付けられ、これに
中央糸ｙが組み合わされ組紐組織層２が形成される。

【００２３】一方、前記ラッピング装置ＲＡは、後端
（図４中、左端）のブレイダーユニットＢＲの次に縦向
きに配置されるものであり、マンドレルＭが通過する中
心孔２４ａを有する大ギヤー２４と、この大ギヤー２４
を回転自在に支持する複数個の支持ギヤー２５と、前記
大ギヤー２４を強制回転させるためのギヤー付きモータ
ー２６と、前記大ギヤー２４に取付けたテープ巻出具１
８とを備えている。前記テープ巻出具１８は、テープ１
３を巻いたテープリール１７が交換可能に装着される。
前記テープ１３は、熱収縮性のテープが用いられ、テー
プリール１７から繰り出され、ガイドローラおよびテン
ションローラで案内されマンドレルＭの組紐組織体１０
の表面に巻き付けられ、硬化前の組紐組織体１０を締め
つけ、且つ、保護する。

【００２４】前記ラッピング装置ＲＡは、組紐組織体１
０の表面に巻き付けるテープ１３の張力を調節するため
に、テンション調節手段（図示せず）を備えている。テ
ンション調節手段は、マンドレルＭの外径や送り速度あ
るいはテープ１３の厚みや巻き付け速度などの条件が異
なる場合でも、適切なテープ張力を維持して、過張力に
よるテープ切れを極力少なくすることができる。

【００２５】前記振れ防止具Ｏｓは、ラッピング装置Ｒ
Ａの次に配置されるものであり、相互に接近する方向へ
押圧された振れ防止ローラ２７、２７の二組を備えてい
る。この振れ防止具Ｏｓは、各組のローラ２７、２７で
マンドレルＭの蛇行を防止するものである。前記プリフ
ォーム自動取出し装置Ｐｕは、振れ防止具Ｏｓを出たマ
ンドレルＭの先端を把持しつつ、マンドレルＭを前方へ
引き出すためのチャック２８を備えている。

【００２６】次いで、この発明になる組紐組織体の基本
的構造について、図３に示す基本的な構成例にもとづい
て詳細に説明する。図３に示す基本組織体１は、この発
明の基本構成を特徴付けるべく、円筒状（パイプ状）組
成体を、１層の組物層２に組成した概略図であって、本
来は、当該組物層を複数層積層状に組織して組紐組織体
１０を組成するものである。

【００２７】図３に示す例において、前記組物層２は、
軸線に対する組角度が±θ°の組糸４、４と、軸線に対
する角度が０°の中央糸５によって組織されるものであ
る。これらの組糸４、４と中央糸５とは、マンドレルｍ
（中実体の場合はマンドレルを用いない）のまわりに選
択的に組み合わされ、マンドレルｍに沿って組紐組織体
１０として製織される。

【００２８】この発明になるＦＲＰスプリングの製造方
法は、予め樹脂が含浸された強化繊維をブレイダー装置
ＢＲにセットし、ブレイディングによって組紐組織体１
０を製織するブレイディング工程１１と、前記組紐組織
体１０を製織しながら前記組紐組織体１０のまわりに連
続的に熱収縮テープ１３を巻き付けるラッピング工程１
２と、ラッピングされた組紐組織体１４を螺旋状に巻き
付け、硬化してコイル状スプリング組織体ＣＳに成形す
るコイル成形工程１５とを含むものからなっている。

【００２９】この発明によれば、前記ブレイディング工
程１１においては、ガラス、カーボン、有機繊維を利用
して、予め樹脂（熱硬化性樹脂）が含浸された強化繊維
をブレイダー装置ＢＲにセットし、ブレイディングによ
って組紐組織体１０を製織する。この発明では、組糸4
、４の組角度±θ°を変えることによって、例えば、
組角度１０°の組紐組織体１０によって成形されるコイ
ルバネと、組角度４５°の組紐組織体１０によって成形
されるコイルバネとを比較した場合、コイル素線自体の
せん断弾性係数Ｇが変化することにより、同じ線径ｒ、
同じ捲き径Ｒ、同じ捲き数、同じ捲きピッチにしても、
仕上がりにおけるコイルスプリングＣＳのバネ定数（バ
ネ特性）を変えることができる。換言すれば、組糸4 、
４の組角度±θ°だけを変化させることによって、異な
るバネ定数のコイルスプリングＣＳを設計することがで
きる。

【００３０】さらに、この発明では、上記する原理を利
用して、ブレイディング工程中、前記組糸4 、４の組角
度±θ°を変更しながら組紐組織体１０を製織し、当該
組紐組織体１０によって当該スプリングの巻き長さ方向
に異なるバネ定数の部分を一体連続的に有する非線形バ
ネを製造することができる。このような非線形バネを金
属製バネとして形成する場合には、不等ピッチコイルバ
ネとするか、あるいは、当該スプリングの巻き長さ方向
に異なる捲き径Ｒにするかの手段によって形成される。
しかしながら、この作製は極めて困難であり、且つ、不
等ピッチコイルバネの場合は、ピッチを変化させて作製
するため、バネ自体の自由長が長くなるという難点を有
している。

【００３１】一方、前記ラッピング工程１２は、前記組
紐組織体１０を製織しながら前記組紐組織体１０のまわ
りに連続的に熱収縮テープ１３を巻き付ける工程であ
る。このラッピング工程１２では、熱収縮テープ１３を
収容するリール１７を前記組紐組織体１０のまわりに回
転させ、該熱収縮テープ１３の捲きテンション, 捲きピ
ッチを変化させて、製織された組紐組織体１０をラッピ
ングする。このラッピングによって、樹脂が適度にフロ
ーして適度のＶｆ（樹脂含有率）を得ることができ、こ
れにより, 材料自体の機械的特性があがる。また、該熱
収縮テープ１３の捲きテンション, 捲きピッチを変化さ
せることによって、種々のスプリング形状、機械的特性
を作りだすことができる。

【００３２】上記ラッピング工程１２の後、ラッピング
された組紐組織体１４は、螺旋状溝１６ａを備えたコイ
ル成形ドラム１６に巻き付けていく。すなわち、コイル
形状作製までの全てが、連続的に自動化でき、量産性が
良くなる。その後、コイル成形ドラム１６ごと乾燥炉に
て硬化させる。硬化後、ドラムを脱走芯し、熱収縮テー
プを取り除いて、ＦＲＰ製のコイルスプリングＣＳを得
る。

【００３３】この発明において、前記ＦＲＰ製のコイル
スプリングＣＳに関して、前記ＦＲＰスプリングのバネ
定数を規定する要因は、前記組糸の組角度±θ°の値に
応じたものであり、前記組糸の組角度±θ°の値に応じ
て、当該スプリングの巻き長さ方向に異なるバネ定数の
部分を一体連続的に有するコイルスプリングＣＳをも製
作することができる。さらに、この発明は、当該ＦＲＰ
スプリングの巻き径が、当該スプリングの巻き長さ方向
一端から他端にわたって同一径Ｒのものであてもよいし
(図２Ｄ参照）、当該スプリングの巻き長さ方向一端か
ら他端にわたって段階的に異なる径部分Ｒ₁ 、Ｒ₂ を有
するものであってもよいし（図２Ｅ参照）あるいは、一
端の径Ｒ₃ から他端の径Ｒ₄ 間において連続的に径変化
するものであってもよい（図２Ｆ参照）。さらにまた、
この発明になるコイルスプリングＣＳのための組紐組織
体１０は、図２Ｂに示すような中実組紐組織体１０Ａに
よって構成することもでき、あるいは、図２Ｃに示すよ
うな中空組紐組織体１０Ｂによって構成することもでき
る。

【００３４】

【発明の効果】以上の構成になるこの発明のＦＲＰスプ
リング及びその製造方法によれば、ブレイダー装置によ
るブレイディング工程において、軸線に対する組角度が
±θ°の組糸と、軸線に対する角度が０°の中央糸とに
よって、組紐組織体１０を製織しながら、ラッピング工
程において、熱収縮テープ１３をラッピング処理し、こ
のラッピングされた組紐組織体１４を螺旋状に巻き上
げ、これを硬化してＦＲＰ製コイルスプリングＣＳとす
る一連の製造過程において、組糸の組角度±θ°を変え
ることによって、他の要素（素線の径ｒ、捲き径Ｒ, 捲
き数、捲きピッチ等）を変えることなく、異なったバネ
定数のコイルスプリングを供すること、さらには、ブレ
イディング工程中、組糸の組角度±θ°を変更しながら
組紐組織体１０を製織することによって、スプリングの
巻き長さ方向に異なるバネ定数の部分を一体連続的にも
った、所謂、非線形バネを容易に製造できること等の点
において極めて有効に作用する。

【００３５】さらに、この発明では、ブレイディングに
より得られるＦＲＰ組織体を素線とするコイルスプリン
グを供するものであり、これは、軽量であり、強度並び
に弾性率、さらには、電気絶縁性が高く、耐薬品性並び
に耐蝕性に富むコイルスプリングを供し得るものであ
り、各種産業分野における機械構造部材として、その利
用性は多大であり、その点において極めて有効に作用す
るものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、この発明になるＦＲＰスプリングを製
造するための製造方法に関して、これに適合する具体的
装置例を示す概略的な側面図である。

【図２】図２は、この発明になるＦＲＰスプリングの具
体的な態様を示すものであって、図２Ａは、当該ＦＲＰ
スプリングの基本構成を示す概略的な側面図、図２Ｂお
よび図２Ｃは、図２ＡにおけるＸ−Ｘ線に沿った断面図
であって、中実組紐組織体の例と、中空組紐組織体の例
とを示す断面図であり、図２Ｄ、図２Ｅおよび図２Ｆ
は、当該コイルスプリングの巻径の異なる態様を示す概
略図である。

【図３】図３は、ブレイダー装置によって製織される組
紐組織体の基本的構成を示す概略的な斜視図である。

【図４】図４は、この発明になるＦＲＰスプリングのた
めの組紐組織体を製織するための多連式ブレイダー装置
の基本構成の一例を示す概略的な側断面図である。

【符号の説明】

１基本組織体２組物層４、４軸線に対する組角度が±θ°の組糸５軸線に対する角度が０°の中央糸１０組紐組織体１０Ａ中実組紐組織体１０Ｂ中空組紐組織体１１ブレイディング工程１２ラッピング工程１３熱収縮テープ１４ラッピングした組紐組織体１５コイル成形工程１６コイル成形ドラムＢＲブレイダーユニットＲＡラッピング装置Ｙ組糸ｙ中央糸Ｂ組糸用ボビンｂ中央糸用ボビンＣＳコイルスプリング

フロントページの続きＦターム(参考） 3J059 AD04 BA05 BA09 BC20 GA50 4F205 AB11 AD16 AG13 AG14 AH15 HA02 HA29 HA35 HA46 HB02 HG05 HK07 HL09 HL13 HT13 HT17 HT22

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】軸線に対する組角度が±θ°の組糸と、
軸線に対する角度が０°の中央糸とを選択的に組み合わ
せて組物層を組織し、前記組物層を複数層積層して組紐
組織体とするＦＲＰ組織体の製造方法であって、予め樹
脂が含浸された強化繊維をブレイダー装置にセットし、
ブレイディングによって組紐組織体を製織するブレイデ
ィング工程と、前記組紐組織体を製織しながら前記組紐
組織体のまわりに連続的に熱収縮テープを巻き付けるラ
ッピング工程と、ラッピングされた組紐組織体を螺旋状
に巻き、硬化してコイル状スプリング組織体に成形する
コイル成形工程とからなることを特徴とするＦＲＰスプ
リングの製造方法。
【請求項２】前記ブレイディング工程において、前記
組糸の組角度±θ°を変えて、異なる組角度に応じた異
なるバネ定数のＦＲＰスプリングを製造することを特徴
とする請求項１に記載のＦＲＰスプリングの製造方法。
【請求項３】前記ブレイディング工程中、前記組糸の
組角度±θ°を変更しながら組紐組織体を製織し、当該
組紐組織体によって当該スプリングの巻き長さ方向に異
なるバネ定数の部分を一体連続的に形成してなることを
特徴とする請求項１に記載のＦＲＰスプリングの製造方
法。
【請求項４】軸線に対する組角度が±θ°の組糸と、
軸線に対する角度が０°の中央糸とを選択的に組み合わ
せて組物層を組織し、前記組物層を複数層積層して組紐
組織体とし、組紐組織体を螺旋状に巻き成形してなるＦ
ＲＰスプリングであって、前記ＦＲＰスプリングのバネ
定数を規定する要因が、前記組糸の組角度±θ°の値に
応じたものからなることを特徴とするＦＲＰスプリン
グ。
【請求項５】前記組糸の組角度±θ°の値に応じて、
当該スプリングの巻き長さ方向に異なるバネ定数の部分
を一体連続的に有するものからなることを特徴とする請
求項４に記載のＦＲＰスプリング。
【請求項６】前記ＦＲＰスプリングの巻き径が、当該
スプリングの巻き長さ方向一端から他端にわたって同一
径のものであることを特徴とする請求項４又は請求項５
に記載のＦＲＰスプリング。
【請求項７】前記ＦＲＰスプリングの巻き径が、当該
スプリングの巻き長さ方向一端から他端にわたって異な
る径部分を有するものからなることを特徴とする請求項
４又は請求項５に記載のＦＲＰスプリング。
【請求項８】前記ＦＲＰスプリングを構成するＦＲＰ
線材の線径が、当該スプリングの巻き長さ方向一端から
他端にわたって異なる径部分を有するものからなること
を特徴とする請求項４〜請求項７のいずれかに記載のＦ
ＲＰスプリング。
【請求項９】前記ＦＲＰスプリングのための組紐組織
体が、中実組紐組織体でなることを特徴とする請求項４
〜請求項８のいずれかに記載のＦＲＰスプリング。
【請求項１０】前記ＦＲＰスプリングのための組紐組
織体が、中空組紐組織体でなることを特徴とする請求項
４〜請求項８のいずれかに記載のＦＲＰスプリング。