JP2011208756A - 渦巻きばねとその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ばね線材間の摺動性の低下を長期間に亘って防止することができる渦巻きばねを提供する。
【解決手段】 本願の渦巻きばね２は、帯状のばね線材１０を渦巻き状に成形した渦巻きばね２であって、帯状のばね線材１０の少なくとも外側の面の全面に亘って打痕１６が形成されている。そして、少なくともその打痕１６が形成されている外側の面上に潤滑被膜１８が形成されている。このため、ばね線材１０と潤滑被膜１８との密着性が向上し、潤滑被膜１８がばね線材１０から剥離することを防止でき、長期間に亘って摺動性を維持することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、帯状のばね線材が渦巻き状に成形された渦巻きばねに関する。

従来から、自動車用シートのリクライナやウィンドウレギュレータ、時計の駆動部など多方面で渦巻きばねが使用されている。かかる渦巻きばねは、通常、帯状のばね線材を渦巻き状に成形し、その内周端と外周端にフックを形成している。渦巻きばねは、一方のフックが固定され、他方のフックに円周方向の負荷が加えられる。渦巻きばねの一方のフックに円周方向の負荷が加えられると、帯状のばね線材に曲げ応力が作用し、ばね線材間の間隔が変化し、元の形状に戻ろうとする力が生じる。この作用によって、渦巻きばねには弾性エネルギーが貯えられる。

渦巻きばねに作用する負荷が大きい場合、ばね線材同士が接触して、異音や、ヒステリシスの増大、折損等の原因となる。これらを防止するため、従来の渦巻きばねでは、ばね線材の表面に潤滑被膜を形成し、ばね線材同士の接触による摩擦力を低減する方法が採られている（例えば、非特許文献１）。

「ばね」，ニッパツ・日本発条株式会社編，１９９５年，ｐ１７１−１８０

近年、渦巻きばねの外径を小さくすることが求められている。渦巻きばねの外径を小さくすると、ばね線材同士が接触し易くなり、ばね線材同士の接触面に作用する面圧も高くなる。その結果、ばね線材の表面に作用する摩擦力が大きくなる。このため、従来の渦巻きばねをそのまま小型化すると、渦巻きばねの使用回数の増加に伴って、ばね線材の表面から潤滑被膜が剥がれてゆく。その結果、時間の経過に伴ってばね線材同士の摺動性が大きく低下し、線材間の接触による異音の発生や折損を防ぐことができない。

本願は、上記した実情に鑑みてなされたものであり、渦巻きばねの外径を小さくしたとしても、長期間に亘ってばね線材間の摺動性の低下を防止することができる渦巻きばねを提供することを目的とする。

本願の渦巻きばねは、帯状のばね線材を渦巻き状に成形した渦巻きばねであって、帯状のばね線材の少なくとも外側の面の全面に亘って打痕が形成されており、少なくともその打痕が形成されている外側の面上に潤滑被膜が形成されている。この渦巻きばねでは、帯状のばね線材の外側の面の全面に亘って打痕が形成されることで、ばね線材と潤滑被膜との密着性を向上することができる。このため、潤滑被膜がばね線材から剥離することを防止でき、長期間に亘って摺動性を維持することができる。

上記の渦巻きばねは、打痕が形成されたばね線材の外側の面の表面粗さＲｚが１０μｍ以上８０μｍ以下の範囲とすることができる。このような表面粗さとすることで、潤滑被膜との密着性を良好に維持することができ、摺動性を好適に維持することができる。ここで、表面粗さＲｚとは、表面粗さを表すパラメータであり、測定対象となる表面の高さ方向（すなわち、表面に対して垂直となる方向）の最大高さと最小高さとの差をいう。

また、上述した渦巻きばねは、下記の製造方法によって好適に製造することができる。すなわち、この製造方法は、帯状のばね線材の少なくとも一方の面の全面に亘って打痕を形成する工程を備える。さらに、打痕形成工程後に、ばね線材を打痕が形成されたた面が外側となるように渦巻き状に成形する工程と、少なくともばね線材の打痕が形成された面上に潤滑被膜を形成する工程を備える。なお、成形工程と潤滑被膜形成工程とは、いずれを先に行うようにしてもよい。すなわち、渦巻き状に成形した後に潤滑被膜を形成してもよいし、潤滑被膜を形成した後に渦巻き状に成形してもよい。潤滑被膜形成後に渦巻き状に成形すると、潤滑被膜の形成時には渦巻き状に成形されていないため、ばね線材に均一に潤滑被膜を形成することができる。

また、上記の打痕を形成する工程は、ショットピーニング、ホーニング、ブラストの中の少なくとも１つの処理によって行うことができる。

本実施形態に係る渦巻きばねの斜視図。 図１の渦巻きばねを構成するばね線材の断面図を示す図。 本実施形態の渦巻きばねを製造する装置の概略構成を示す図。 本実施形態の渦巻きばねの製造手順を説明するためのフローチャート。 本実施形態の渦巻きばねと比較例の渦巻きばねの効果の比較を示す図。 全面に潤滑被膜を形成したばね線材の断面図の一例を示す図。 外側の面のみに潤滑被膜を形成したばね線材の断面図の別の一例を示す図。

本発明を具現化した一実施形態にかかる渦巻きばね２を図面に基づいて説明する。渦巻きばね２は、自動車用シートのリクライナのリターンスプリングとして用いられる。図１に示すように、渦巻きばね２は、渦巻き状に成形されたばね素線１１により構成されており、ばね素線１１間には所定の間隔が設けられている。ばね素線１１の一端（渦巻き状に成形された内周端）には係止部２２が形成され、その他端（渦巻き状に成形された外周端）には係止部２０が形成されている。

図２に示すように、ばね素線１１は、ばね線材１０と潤滑被膜１８から構成されている。ばね線材１０は、帯状の鋼材（例えば、硬鋼線材等）によって形成されている。ばね線材１０の表面のうち渦巻き状に成形したときに外側となる面（以下、外側の面という）には、全面に亘って打痕１６が形成されている。ばね線材１０の表面のうち渦巻き状に成形したときに内側となる面（以下、内側の面という）には、打痕が形成されていない。ばね線材１０の外側の面の表面粗さＲｚは、１０μｍ以上８０μｍ以下の範囲とされている。表面粗さＲｚを１０μｍ以上とすることで、ばね線材１０と潤滑被膜１８ａとの密着性を十分に高めることができ、また、表面粗さＲｚを８０μｍ以下とすることで、ばね線材１０の過度の表面荒れを防止する。ここで、表面粗さＲｚとは、測定対象となる表面の高さ方向（すなわち、表面に対して垂直となる方向）の最大高さと最小高さとの差をいう。したがって、図２に示す場合では、図内に示したＲｚが表面粗さＲｚとなる。潤滑被膜１８は、ばね線材１０の全面（すなわち、外側の面，内側の面、両側面）に形成されている。潤滑被膜１８ａは、ばね線材１０の打痕１６が形成された面上に形成されており、潤滑被膜１８ａの表面がばね素線１１の外側の面１２となっている。潤滑被膜１８ｃは、ばね線材１０の内側の面上に形成されており、潤滑被膜１８ｃの表面がばね素線１１の内側の面１４となっている。潤滑被膜１８は、反応型潤滑剤処理、被膜型潤滑剤処理又は塗膜型潤滑剤処理等によって形成される反応生成物、被膜生成物又は塗膜生成物によって形成することができる。潤滑被膜１８には、例えば、金属石鹸を用いることができる。

上記の渦巻きばね２が自動車用シートに装着されると、例えば、内周端の係止部２２が固定され、外周端の係止部２０に円周方向の負荷（外力）が作用するようになっている。渦巻きばね２の係止部２０に外力が作用すると、ばね素線１１間の間隔が変化する。具体的には、渦巻きばね２に巻き方向の負荷が作用すると、ばね素線１１が弾性変形し、内側に位置するばね素線１１の外側の面１２と、外側に位置するばね素線１１の内側の面１４との間隔が小さくなる。また、ばね素線１１が変形することで、渦巻きばね２に弾性エネルギーが貯えられ、渦巻きばね２には、元の形状に復元しようとする復元力が生じる。このため、渦巻きばね２に作用する巻き方向の負荷を解除すると、渦巻きばね２は元の形状に戻り、内側に位置するばね素線１１の外側の面１２と、外側に位置するばね素線１１の内側の面１４との間隔が大きくなる。

渦巻きばね２に作用する巻き方向の負荷が大きくなると、ばね素線１１同士が接触し、この状態からさらに巻き方向の負荷が大きくなると、ばね素線１１同士が摺動する。上記の渦巻きばね２は、ばね線材１０の外側の面に全面に亘って打痕が形成され、その上に潤滑被膜１８ａが形成されている。これにより、ばね線材１０と潤滑被膜１８ａとの接触面積が大きくなり、潤滑被膜１８ａのばね線材１０への密着性を向上することができる。さらに、ばね線材１０に形成されている打痕は、表面粗さＲｚが１０μｍ以上８０μｍ以下の範囲となるように設定されている。後述するように、ばね線材１０の表面粗さＲｚを上記の範囲とすることで、潤滑被膜の密着性を向上すると共に摩擦係数を小さくすることができる。これにより、ばね線材１０の表面からの潤滑被膜１８ａの剥がれが防がれ、渦巻きばね２は、長期間に渡ってばね素線１１間の摩擦係数を低い値で維持することができる。

なお、図２に示す例では、ばね線材１０の外側の面にのみ打痕１６が形成され、ばね線材１０の全面に潤滑被膜１８が形成されていたが、本発明はこのような例に限られない。例えば、図６に示すように、ばね線材１０の内側の面と外側の面に打痕１６ａ，１６ｂが形成されていてもよい。さらには、図７に示すように、ばね線材１０の内側の面に潤滑被膜１８が形成されていなくてもよい。すなわち、ばね線材１０の内側の面が表面に露出していてもよい。ばね線材１０の打痕１６が形成された外側の面にのみ潤滑被膜１８が形成されていることで、潤滑被膜１８の形成にかかる材料を削減することができる。

次に、本実施形態に係る渦巻きばね２の製造方法を説明する。まず、渦巻きばね２を製造するために用いられる製造装置の一例について図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明では、図２に示すようにばね線材１０の全面に潤滑被膜が形成された渦巻きばねを製造する場合について説明する。

（渦巻きばねを製造するための製造装置）
図３に示すように、渦巻きばね２の製造装置４は、リールスタンド３０と、投射装置３２と、高周波加熱装置３６と、切断部４０と、成形装置５０と、低温焼鈍装置６０と、表面処理装置７０と、制御装置８０を備える。なお、図３に示すばね線材１０は、渦巻きばね２の素形材である。ばね線材１０は、長尺の帯状素材がリールスタンド３０に巻かれている。

リールスタンド３０は、ばね線材１０を供給可能に構成されている。リールスタンド３０は、図示しない駆動装置を備えている。リールスタンド３０の駆動装置は、制御装置８０によって制御され、駆動装置の駆動によってばね線材１０が送り出されるようになっている。

投射装置３２は、ばね線材１０の表面に投射材３４を投射可能に構成されている。投射装置３２からばね線材１０の表面に投射材３４を投射することによって、ばね線材１０の表面に打痕が形成可能となっている。投射装置３２には、ホーニング加工やブラスト加工、又はショットピーニング加工を実行可能な公知の装置を用いることができる。

高周波加熱装置３６は、ばね線材１０を加熱可能に構成されている。高周波加熱装置３６は、制御装置８０によって制御され、ばね線材１０のうち係止部２０，２２を形成する部位に焼鈍処理を行う。これにより、ばね線材１０に、係止部２０，２２に対応するフック形状を形成するための展延性を持たせることができる。

切断部４０は、センサー４２と上型切断刃４４と下型４６を備えている。センサー４２は、ばね線材１０の長さを検出するように構成されている。センサー４２によって検出されたばね線材１０の長さ情報は制御装置８０に出力される。さらに、上型切断刃４４は、制御装置８０によって制御され、ばね線材１０を切断可能に構成されている。上型切断刃４４によってばね線材１０を切断する際には、上型切断刃４４と下型４６によってばね線材１０の端部が押圧され、ばね線材１０の端部に係止部２０に対応するフック形状が形成されるようになっている。

成形装置５０は、マンドレル５２と、動力装置５６を備えている。マンドレル５２は、円柱形状を有しており、その外周面に係止溝５４が形成されている。係止溝５４は、マンドレル５２の外周面からマンドレル５２の回転軸に向かって所定の深さで形成されている。係止溝５４は、ばね線材１０の先端を係止するようになっている。動力装置５６は、制御装置８０によって制御され、マンドレル５２を回転駆動する。係止溝５４にばね線材１０の一端を係止した状態で動力装置５６がマンドレル５２を回転駆動することによって、ばね線材１０がマンドレル５２の外周面に巻き付けられる。これによって、ばね線材１０の一端に係止部２２（フック形状）が形成されると共に、ばね線材１０が渦巻き形状に成形される。

低温焼鈍装置６０は、ばね線材１０を加熱可能に構成されている。低温焼鈍装置６０は、制御装置８０によって制御され、ばね線材１０を渦巻き形状に成形した後に低温焼鈍を実施する。これにより、ばね線材に、所望の硬度、靭性を持たせることができる。なお、低温焼鈍装置６０には、公知の熱処理装置を用いることができ、制御装置８０とは別の制御装置によって独立して制御するようにしてもよい。

表面処理装置７０は、化成処理槽７２と金属石鹸槽７６を備えている。化成処理槽７２には化成液７４が貯留可能となっており、金属石鹸槽７６には金属石鹸液７８が貯留可能に構成されている。化成処理槽７２の化成液７４内にばね線材１０を浸漬することで、ばね線材１０の全面に化成被膜が生成される。化成被膜が生成されたばね線材１０を金属石鹸槽７６の金属石鹸液７８内に浸漬することで、ばね線材１０の表面に生成された化成被膜と金属石鹸液７８が反応する。これによって、ばね線材１０の全面に潤滑被膜が形成される。表面処理装置７０には、上述した化成処理槽７２及び金属石鹸槽７６以外にも、スプレー装置、滴下装置等の公知の表面処理装置を用いることができる。

制御装置８０は、リールスタンド３０、投射装置３２、高周波加熱装置３６、センサー４２、上型切断刃４４、動力装置５６、及び、低温焼鈍装置６０に接続されており、製造装置４の各部３０，３２，３６，４４，５６，６０を制御している。すなわち、制御装置８０は、リールスタンド３０を駆動することでばね線材１０を供給する。さらに制御装置８０は、投射装置３２を駆動することでばね線材１０の表面に投射材３４を投射する。また、制御装置８０は、高周波加熱装置３６を駆動することで、ばね線材１０に焼鈍を実施する。さらに、センサー４２からの長さ情報に基づいてばね線材１０の長さを算出し、ばね線材１０が所定の長さとなったときに、上型切断刃４４を駆動してばね線材１０の一端に係止部２０（フック形状）を形成すると共に、ばね線材１０を切断する。さらに、動力装置５６を駆動することでばね線材１０を渦巻き状に成形する。また、制御装置８０は、低温焼鈍装置６０を駆動して、渦巻き状に形成された線材１０に低温焼鈍を実施する。

以上、本実施形態の渦巻きばねの製造装置４の構成について説明した。次に、上記の製造装置４を好適に用いた、渦巻きばねの製造方法を説明する。

（渦巻きばねの製造方法）
図４に示すように、動力装置５６とリールスタンド３０を駆動して、ばね線材１０が送られる（ステップＳ２）。制御装置８０は、ばね線材１０が送られたことを検知し、次いで、投射装置３２を駆動し、ばね線材１０の一方の面に投射材３４を投射する（ステップＳ４）。これによって、ばね線材１０の一方の面の全面に亘って、表面粗さＲｚが１０μｍ以上８０μｍ以下の範囲となるような打痕が形成される。

次いで、高周波加熱装置３６により、渦巻き状に成形した後に係止部２０，２２となる部位を焼鈍する（ステップＳ６）。次いで、マンドレル５２の係止溝５４に、ばね線材１０の一端を係止し、動力装置５６を駆動して、打痕を形成した面が外側となるように、ばね線材１０をマンドレル５２に巻きつける（ステップＳ８）。マンドレル５２に所定の長さだけばね線材１０を巻き付けると、上型切断刃４４を駆動して、ばね線材１０の他端を曲げ成形してフック形状を形成すると同時に切断を行う（ステップＳ１０）。これにより、ばね線材１０は、渦巻き状で、かつ係止部２０，２２が形成された状態となる。次いで、低温焼鈍装置６０によって、渦巻き状に巻かれたばね線材１０に低温焼鈍を行う（ステップＳ１２）。最後に、表面処理装置７０によって渦巻き状に巻かれたばね線材１０を、化成液７４と金属石鹸液７８に順に浸漬して、ばね線材１０の全面に潤滑被膜を形成する（ステップＳ１４）。これにより、帯状のばね線材１０から渦巻きばね２が得られる。

以上、本実施形態の渦巻きばね２の製造方法について説明した。次に、本実施形態の渦巻きばね２と、比較例の渦巻きばね（打痕を形成することなく潤滑被膜を形成した渦巻きばね）とで、直線状のテストピースを用いて、使用回数に伴う摩擦係数の変化を検証した例を説明する。実験に用いたばね線材は、板厚３．２ｍｍ、板幅９．０ｍｍ、長さ３００ｍｍの炭素鋼を用いた。また、ばね線材に打痕を形成する条件として、直径０．１ｍｍのスチールボールをエアーによって投射したもの（条件１；ショットピーニング）と、直径０．３ｍｍのスチールボールをインペラー（風車）によって投射したもの（条件２；ショットピーニング）と、直径０．１ｍｍのセラミックボールをエアーによって投射したもの（条件３；ホーニング）とを用いた。条件１のばね線材は、表面粗さＲｚは７０．１μｍ、条件２のばね線材は、表面粗さＲｚは２８．１μｍ、条件３のばね線材は、表面粗さＲｚは１０．９μｍであった。一方、打痕を形成していないばね線材の表面粗さＲｚは９．４μｍであった。

それぞれのばね線材に化成処理を施した後、金属石鹸処理によってばね線材表面に潤滑被膜を形成した。次いで、それぞれの潤滑皮膜の耐久性を測定するために、これらのばね線材のそれぞれの動摩擦係数と静摩擦係数を繰り返し測定した。図５に、この結果を示す。図５に示すように、比較例では、摩擦係数の測定回数が増加するのに伴って、静摩擦係数と動摩擦係数は上昇した。一方で、本実施形態のばね線材（条件１〜３）では、動摩擦係数も静摩擦係数もほぼ一定に推移した。また、本実施形態のばね線材は、比較例のばね線材に比べて、動摩擦係数も静摩擦係数も低かった。

上述した結果から明らかなように、本実施形態の渦巻きばね２は、ばね線材１０に打痕１６を形成することで、ばね線材の表面粗さＲｚは１０μｍ以上８０μｍ以下の範囲とされる。このため、ばね線材の表面に打痕が形成されていない比較例の渦巻きばねと比較して、長期間に亘ってばね線材間の摩擦係数を低く維持することができる。これによって、渦巻きばねの耐久性を向上すると共に、異音の発生を低減することができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、打痕を形成するための投射材には、スチールボールやセラミックボール以外にも、金属、有機物、ガラス等の公知の投射材を用いてもよい。また、投射材をばね線材に投射する方法としては、ショットピーニングやホーニング以外にも、ブラスト等の処理を用いることができる。ここでいうブラストには、インペラー式のショットブラスト、エアー式のエアーブラスト、水に投射材を混ぜたウェットブラストが含まれる。さらに、ばね線材の材料は炭素鋼に限定されない。例えば、ステンレス、銅等、公知の材料を用いることができる。

本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２ 渦巻きばね、４ 製造装置、１０ ばね線材、１１ ばね素線、１２ 外側の面、１４ 内側の面、１６，１６ａ，１６ｂ 打痕、１８，１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ 潤滑被膜、２０，２２ 係止部、３０ リールスタンド、３２ 投射装置、３４ 投射材、３６ 高周波加熱装置、４０ 切断部、４２ センサー、４４ 上型切断刃、４６ 下型、５０ 成形装置、５２ マンドレル、５４ 係止溝、５６ 動力装置、６０ 低温焼鈍装置、７０ 表面処理装置、７２ 化成処理槽、７４ 化成液、７６ 金属石鹸槽、７８ 金属石鹸液、８０ 制御装置

Claims (4)

1. 帯状のばね線材を渦巻き状に成形した渦巻きばねであって、帯状のばね線材の少なくとも外側の面の全面に亘って打痕が形成されており、少なくともその打痕が形成されている外側の面上に潤滑被膜が形成されている、渦巻きばね。
2. 前記ばね線材の外側の面の表面粗さＲｚが１０μｍ以上８０μｍ以下の範囲である、請求項１に記載の渦巻きばね。
3. 帯状のばね線材を渦巻き状に成形した渦巻きばねの製造方法であって、
   ばね線材の少なくとも一方の面の全面に亘って打痕を形成する打痕形成工程と、
   前記打痕形成工程後に、前記ばね線材を打痕が形成された面が外側となるように渦巻き状に成形する工程と、
   前記打痕形成工程後に、少なくとも前記ばね線材の打痕が形成された面上に潤滑被膜を形成する工程と、
   を備える渦巻きばねの製造方法。
4. 前記打痕形成工程は、ショットピーニング、ホーニング、ブラストの中の少なくとも１つの処理によって行われる、請求項３に記載の方法。

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