JP2012525555A - 多層状傾斜コイルばねおよび関連する方法 - Google Patents

Abstract

多層状傾斜コイルばねおよび関連する方法は、傾斜コイルばねの機械的、電気的、および熱的特性を改善する。いくつかの実施形態では、異種材料の特性は、種々の材料層を用いたばねにおいて組み合わされる。例えば、一実施形態では、保護用または高強度の外層材料は、より敏感な内部コア材料を過酷な環境および条件から遮断する。内部コア材料は高導電材料でもよく、外層材料はコアよりも低い導電率を有してもよい。種々の実施形態では、ばねの以下の特性が改善される：導電率および／または熱伝導率、耐食性、生体適合性、耐温度性、応力緩和、可変摩擦力、および過酷な環境および条件での耐摩耗性。
【選択図】図７Ａ

Description

本明細書に考察され、記載される傾斜コイルばねは、多様な材料組成からなる個々の層を有する多層状ばねワイヤから形成された傾斜コイルばね一般に関する。

図１〜図３は、傾斜コイルばね３０、３２、３４の例を例解する。各コイルの輪郭３６、３８、４０がばね軸と垂直な線に対して角度を成して傾くように、傾斜コイルばねは傾斜するか、斜めに位置するばねである。図２に示すように、ばね軸４２は各コイル３６、３８、４０の中心点を通過する。一部の傾斜コイルばねは、図１および図３のばね３０、３４に示すように、コイルばねの全長が円環を形成するようにその端部が互いに接続される。図１では、ばね端部は溶接部４４において接続されるが、ばね端部を接続するための代替技術が当該技術分野に存在する。

多くのばねとは異なり、傾斜コイルばねは面に対して直角に作用する力、またはばね軸が位置する面に直交する力によってのみばね軸と垂直な方向に圧縮される。この方向依存性は、図４に示す半径方向ばね４６と図５に示す軸方向ばね４８との２つの基本的な傾斜コイルばね構造をもたらす。半径方向ばね４６は環軸５０（図３）と垂直な半径方向に屈折するが、軸方向ばね４８は環軸５０と平行な軸方向に屈折する。図３に示す環軸５０は、ばね環の内径の中心であり、ばね軸４２と垂直な理論軸により画定される。

半径方向ばねおよび軸方向ばねの両方はまた、回転角を有してもよい。図６に示す回転角Θは、コイル主軸５２と環軸５０との角度である。より具体的には、コイル軸５４が定位置に対するある角度でばね軸４２の周りを回転するばね環は、回転角Θを有する。図６の点線で示す半径方向ばねコイル５４の定位置は、環軸５０と平行なばね環主軸５２に概して関連する。軸方向ばねコイル（不図示）における定位置は、環軸５０と垂直なばね環主軸に概して関連する。さらに、ばね環は回転角の向きに応じて凹状または凸状でもよい。この特徴により、連結器用途において挿入力および作動力の制御が可能になる。

傾斜コイルばねは、種々の用途において多様な特徴および利点を提供する。例えば、全体が大きく屈折するこのようなばねにより維持されるほぼ一定の力により、広温度範囲における大きな衝撃および振動環境において機能する構造が可能になる。さらに、ばねの各コイルは単独で機能する。コイルはそれ故、あわせ面間の複数の接触点を維持し、優れた導電率を保証することができる。この配置によりさらに、あわせ面間における大きな結合誤差、不均衡、および面むらをばねが補正可能になる。傾斜コイルばねの特徴にはさらに、特に、低接触抵抗、制御可能な挿入および除去力、放熱、低および高通電容量、並びに小型パッケージサイズの有用性が含まれる。傾斜コイルばねのこのような特徴は、下記のような用途において利点となる。

屈折し、荷重を発生する傾斜コイルばねの能力は、ラッチング、ロッキング、保持、および圧縮する用途に適切である。このような用途には、軸方向ばね、半径方向ばね、および／または回転角に配置されたばねが必要となる場合がある。ばねはコネクタアセンブリのハウジングと挿入物体との間の連結機構として機能する。アセンブリ構造には、通常、傾斜コイルばねを保持するハウジングまたは挿入物体のいずれかに空洞または溝が形成される。ばねの屈折により、ハウジングと挿入物体との間が直接接続される。

傾斜コイルばねは位置調節および整列の用途にも用いられる。例えば、傾斜コイルばねはシールとシャフトとの間に生じ得る不均衡を調節すること、すなわち、シャフト周囲におけるシールの位置調節に用いられる。ばねは十分なシール力を維持しつつ、公差、テーパ、および／または他の不規則形状に起因する種々の不均衡を吸収できる。

前述したものを含む傾斜コイルばねの多くの用途では、電気接触の用途のために、傾斜コイルばねの導電率を利用できる。このような用途では、傾斜コイルばねは導電体からなるばねワイヤから形成される。傾斜コイルばねは、各々が単独で機能する多くのコイルを用いて、多数の接触点を維持するそれらの能力に部分的に起因する電気的用途に適している。このような用途に用いられる一般的な導電体としては、銅および銅合金、貴金属および貴金属合金、アルミニウムおよびアルミニウム合金、並びに銀が挙げられる。

傾斜コイルばねは、空間内に閉じ込められる流体を必要とする、シール用途のためのばね付勢器としても用いられる。アセンブリ構造は傾斜コイルばねを保持する空洞と共に、シール内における空洞を通常は含む。傾斜コイルばねは、シールの外周を均一に屈折することにより、シールを結合物体に接触させる。

傾斜コイルばねは遮断および接地用途においても利点となる。ばねは外部電磁放射の抑制、または内部電磁放射の閉じ込めが要求される用途において、ＥＭＩガスケットとして動作可能である。傾斜コイルばねのＥＭＩガスケットは、高振動および高導電の条件下における遮断として有効に機能することができる。

本発明の多層状傾斜コイルばねおよび関連する方法の種々の実施形態は、その各々が単独では所望の特質に関与しないいくつかの特徴を有する。下記の請求項により表現されるような本実施形態の範囲を制限することなく、それらのより顕著な特徴はここで簡潔に記載される。この考察後、特に項目「詳細な説明」を読んだ後に、当業者は本実施形態の特徴が本明細書に記載された利点をどのように提供するかを理解することになる。

本実施形態の一態様は、先行技術の傾斜コイルばねが金属合金のばねワイヤから通常は形成されるという認識を含む。この合金は、任意の構成要素単独から生じた合金の材料特性を改善するように選択された２以上の金属の混合体である。金属合金は特定の純金属の特性を大きく改善するが、それでもなお制限されることがある。この制限は不十分な耐食性、生体適合性の欠乏、可変摩擦力、応力緩和、極端な温度での不動作、大き過ぎるかまたは小さ過ぎる導電率、および耐摩耗性の欠乏を含み得る。例えば、金属合金は混合体であるため、合金は単独で存在する構成金属の一つよりもその表面が保護されない場合がある。

本発明の方法の一実施形態は、多層状傾斜コイルばねを形成する方法を含む。この方法は、第１の導電率を有する内部コア材料の形成を含む。この方法は、コアの周囲における第２の導電率を有する材料からなる外層を被覆またはめっきし、ばねワイヤを形成することをさらに含む。第２の導電率は第１の導電率よりも小さい。この方法は、ばねワイヤを複数のヘリカルコイルに形成することをさらに含む。この方法は、コイルを傾斜させて、傾斜コイルばねを形成することをさらに含む。

本発明の方法の別の実施形態は、多層状傾斜コイルばねを形成する方法を含む。この方法は、第１の導電率を有する内部コア材料の形成を含む。コアは空洞である。この方法は、コアの周囲における第２の導電率を有する第２の層材料を被覆またはめっきし、ばねワイヤを形成することをさらに含む。第２の導電率は第１の導電率よりも小さい。この方法は、ばねワイヤを複数のヘリカルコイルに形成することをさらに含む。この方法は、コイルを傾斜させて、傾斜コイルばねを形成することをさらに含む。

本発明の傾斜コイルばねの一実施形態は、中空コアを囲むチューブ状シェルを含むばねワイヤを備える。ばねワイヤは複数のヘリカルコイルを画定する。各コイルはその中心を通過するばね軸を囲む。各コイルはばね軸と垂直な線に対して角度を成して傾くように傾斜する。

本発明の多層状傾斜コイルばねの一実施形態は、内部コアおよび当該コアの少なくとも一部を囲む外層を含むばねワイヤを備える。外層は互いに異なるおよび混在しない２つの材料を含む。そのうちの第１の材料は、コア断面の孤における第１の部分に沿って配置される。そのうちの第２の材料は、コア断面の孤における第２の部分に沿って配置される。ばねワイヤは複数のヘリカルコイルを画定する。各コイルはその中心を通過するばね軸を囲む。各コイルはばね軸と垂直な線に対して角度を成して傾くように傾斜する。

本発明の多層状傾斜コイルばねおよび関連する方法の種々の実施形態が、有利な特徴を強調することを意図してここで詳細に記載される。これらの実施形態は、単に例示目的のために、新規のおよび進歩性のない多層状傾斜コイルばねの両方を添付図面に示す。これらの下記の図面では、同じ部品には同じ数字が付される。

環状の傾斜コイルばねの正面図である。 傾斜コイルばねにおけるばね軸の位置を示す、直線の傾斜コイルばねの正面図である。 環状の傾斜コイルばねにおける環軸の位置を示す、環状の傾斜コイルばねの正面斜視図である。 傾斜コイル半径方向ばねの正面図である。 傾斜コイル軸方向ばねの側面図である。 簡潔さのために一つのみのコイルを示す、回転角を有する傾斜コイル半径方向ばねの側面断面図である。 本発明の多層状コイルばねおよび関連する方法に用いられるように構成された一実施形態の多層状ワイヤの断面図である。 本発明の多層状コイルばねおよび関連する方法に用いられるように構成された別の実施形態の多層状ワイヤの断面図である。 本発明の多層状コイルばねおよび関連する方法に用いられるように構成された別の実施形態の多層状ワイヤの断面図である。 本発明の多層状コイルばねおよび関連する方法に用いられるように構成された別の実施形態の多層状ワイヤの断面図である。 本発明の多層状コイルばねおよび関連する方法に用いられるように構成された別の実施形態の多層状ワイヤの断面図である。 本発明の多層状コイルばねおよび関連する方法に用いられるように構成された別の実施形態の多層状ワイヤの断面図である。 シールアセンブリ用のばね付勢器として用いられる傾斜コイルばねの正面斜視図である。 傾斜コイルばねにおける一取り付け構成を示す、シャフトとハウジングとの間のコネクタとして用いられる傾斜コイルばねの側面部分断面図である。 傾斜コイルばねにおける別の取り付け構成を示す、シャフトとハウジングとの間のコネクタとして用いられる傾斜コイルばねの側面部分断面図である。 傾斜コイルばねがハウジング内の平底溝に保持される、完全挿入前（図１１Ａ）および完全挿入後（図１１Ｂ）におけるピンを示す、ピンとハウジングとの間の保持に用いられる傾斜コイルばねの側面部分断面図である。 傾斜コイルばねがハウジング内のテーパ付き底溝に保持される、完全挿入前（図１２Ａ）および完全挿入後（図１２Ｂ）におけるピンを示す、ピンとハウジングとの間の保持に用いられる傾斜コイルばねの側面部分断面図である。 傾斜コイルばねがハウジング内のＶ底溝に保持される、完全挿入前（図１３Ａ）、挿入中（図１３Ｂ）、および完全挿入後（図１３Ｃ）におけるピンを示す、ピンとハウジングとのラッチングに用いられる傾斜コイルばねの側面部分断面図である。 傾斜コイルばねがハウジング内のテーパ付き底溝に保持される、完全挿入前（図１４Ａ）、挿入中（図１４Ｂ）、および完全挿入後（図１４Ｃ）におけるピンを示す、ピンとハウジングとのロッキングに用いられる傾斜コイルばねの側面部分断面図である。 傾斜コイルばねが基部内の平底溝に保持される、圧縮前（図１５Ａ）、および圧縮後（図１５Ｂ）における構成要素を示す、基部と接続部との間の圧縮に用いられる傾斜コイルばねの側面断面図である。 シールとシャフトとの間の位置調節および整列に用いられる傾斜コイルばねの側面部分断面図である。 ヘリカル圧縮ばねの正面図である。 ヘリカル引張ばねの正面図である。 リボン型ヘリカルばねの正面図である。 片持ちばねの側面図である。 図１７Ａの片持ちばねの正面図である。 接面における直線の全長に取り付けられており、タブを収容するように構成された２つの傾斜コイルばねの正面斜視図である。 溶接しない、ばね端部間の別の機械的接合を示す、傾斜コイルばねの正面断面図である。

下記の詳細な説明において、図面を用いて本実施形態を記載する。図面では、本実施形態の構成要素に参照番号が付される。これらの参照番号は、下記では対応する図面における特徴に関連して同じ番号が用いられる。

本発明の多層状傾斜コイルばねおよび関連する方法の実施形態が図面に関連して下に記載される。これらの図面、およびそれらの記載された説明は、装置の特定の構成部品が一体形成され、特定の他の構成部品が個々の要素として形成されることを示す。一体形成されるものとして本明細書に示されかつ記載されている構成部品を、別の実施形態では個々の要素として形成することができることを、当業者は理解することになる。当業者は、個々の要素として本明細書に示されかつ記載されている構成部品を、別の実施形態では一体形成することができることをさらに理解することになる。さらに、本明細書に用いられる用語は全体として単一ユニットまたは単一の部品を表し、単一の部品は単独形成された鋳型または鋳造などの、単独形成された単一部品であることが意図される。

図７Ａは本発明の多層状傾斜コイルばねに用いられるように構成された一実施形態のばねワイヤ６０の断面を示す。ばねワイヤ６０は外層６４により囲まれた内部コア６２を含む。示す実施形態では、外層６４は介在層（単数または複数）を有さず、コア６２を完全に囲む。コア６２は第１の材料組成を含み、外層６４は第２の材料組成を含む。別の実施形態では、外層６４はコア６２を完全には囲まずに、コア６２の１つ以上の部分を露出させてもよい。

一実施形態では、コア６２は銅または銅合金などの高導電性金属を含んでもよく、外層６４は内部コア６２よりも導電率は低いが、コア６２よりも高い抗張力特性などの高い機械的特性を有する材料を含んでもよい。一例では、外層は鋼鉄またはステンレス鋼である。この実施形態は高温環境において導電率が要求される用途に適している。銅は高導電率を提供し、ステンレス鋼は有利な機械的特性を有する保護用の外部遮断として機能する。例えば、ステンレス鋼の外層６４は銅のコア６２と比較して抗張力特性を維持し、それ故ばね力をより維持できる。さらに、ステンレス鋼の外層６４は極端な温度および／または腐食剤などの周囲環境に対するより改善された耐性を有し得る。ステンレス鋼の外層６４はそれ故、周囲環境から銅のコア６２を保護し、厳しい条件下でさえもばね６０はその導電性を維持できる。例えば、極端な高温下ではステンレス鋼の強度は銅よりも低下し、これにより、ばねワイヤ６０はステンレス鋼の外層６４を有さない銅ワイヤと比較してより高温下での導電に有効となる。ステンレス鋼の外層６４は銅および銅合金よりも導電率は低くても依然として導電性を有する。このため、外層６４はさらに下記に論じられているように、銅のコア６２を流れる電流を伝導し、ばねワイヤ６０において有効な導電率を維持することができる。最終的に、傾斜コイルばねワイヤ６０は高温においてより長期間動作可能であり、より大きな耐食性を有しつつ、信頼性のある導電率を有する。他の実施形態では、内部コアは貴金属および貴金属合金、アルミニウムおよびアルミ合金、並びに銀などの異なる導電性金属から形成される。

さらに、前述の材料組成は、特に高温化において、傾斜コイルばねワイヤ６０の応力緩和を改善することができる。銅合金およびアルミ合金などの特定の金属は、高温下にさらされると応力変化に起因する所望しないばねの変形が生じる。このような条件では、これらの材料から形成されたばねコイルは、ばね全体の性能に顕著に影響するばねコイル角、ばねコイル断面、ばね回転の変化などの寸法の偏差を生じる傾向がある。所望しないばねの変形を低減または除去するために、ばねワイヤ６０は、銅、銅合金、アルミニウム、またはアルミ合金などの高導電性金属からなるコア６２、およびコア６２よりも導電率は低いが、鋼鉄またはステンレス鋼などの高い機械的特性を有する材料からなる外層６４を備えてもよい。

例えば耐食性が重要となる他の用途では、外層６４は特定のステンレス鋼などの耐食金属を含んでもよい。外層６４はそれ故、ばねワイヤ６０の酸化に耐性を有し、より腐食し易いコア６２を保護する。耐食性は酸性環境、過酷な環境、および導電性用途などの多くの用途において重要な要素となる。例えば、過酷な環境下での導電性用途では、耐食性が接触面領域における酸化を低減することにより、十分な導電性を維持できる。それ故このような接触領域を流れる電流を改善し、全体の導電性を改善できる。

他の用途では、本発明のばねは電解腐食性を有する材料を含んでもよい。電解腐食は、一つの金属が異なる種類の金属と電気接触する際に選択的に腐食し、両方の金属が電解液に浸される電気化学過程である。例えば、ベリリウム銅と炭素鋼とは電解的な相性がよくない。それ故、ベリリウム銅からなるコイルばねは特に過酷な環境に配置される場合には、炭素鋼ハウジング内での取り付けが要求される用途では腐食する。ただし、スズは炭素鋼と電解的な相性がよい。それ故炭素鋼ハウジングを用いる用途では、ベリリウム銅のコア６２と炭素鋼ハウジングとの接触を防止して腐食を低減または防止するために、ベリリウム銅のコア６２およびスズの外層６４を備えるばねワイヤ６０を用いてもよい。

他の用途では、本発明のばねは生体適合性を有する材料を含んでもよい。生体適合性は埋め込み型装置または医療機器などの用途において所望される。このような用途では、コア６２は銅または銅合金を有し得、外層６４はチタニウムを有し得る。これにより、人体は埋め込みを拒絶せず、もしくは医療機器に対して不利に反応しない。

図７Ｂは本発明の多層状傾斜コイルばねに用いられるように構成されたばねワイヤ７０の別の実施形態の断面図を示す。この例でも、ばねワイヤ７０は外層７４に囲まれた内部コア７２を含む。図７Ａの実施形態と同様に、コア７２は銅または銅合金を含み得、外層７４は鋼鉄またはステンレス鋼を含み得る。ただし、図７Ｂでは外層７４の厚さが図７Ａの実施形態よりも厚い。コア７２および／または外層７４の厚さを異ならせること、並びに／またはコア７２および外層７４の相対的な断面積の比率を異ならせることにより、異なる用途に適するように、ばねワイヤ７０の特性を調整することができる。

図７Ｃは本発明の多層状傾斜コイルばねに用いられるように構成されたばねワイヤ８０の別の実施形態の断面図を示す。この例でも、ばねワイヤ８０は外層８４に囲まれた内部コア８２を含む。ただし、図７Ｃの実施形態は、外層８４の下でコア８２を囲む中間層８６をさらに含む。３つの層８２、８４、８６を、材料組成および／または相対的な厚さおよび／または断面積比率において、異なる用途に適するようにばねワイヤ８０の特性を調整するために変化させることができる。例えば、一部の実施形態では、３つの層８２、８４、８６は３つの異なる材料組成を有し得る。他の実施形態では、コア８２および外層８４は同じ組成を有し得、一方、中間層８６はコア８２および外層８４とは異なる組成を有し得る。前述の実施形態と同様に、例えば導電性、耐温度性、耐食性、電解腐食の低減、摩擦、ばね硬度などの所望の物理的特性を有するばねワイヤ８０を提供するために、コア８２および／または外層８４の厚さおよび／または相対的な断面積比率を調整することができる。一実施形態では、コア８２は銅または銅合金を含み得、中間層８６は鋼鉄またはステンレス鋼を含み得、そして外層８４は銀を含み得る。銀の外層８４は導電率を改善し、摩擦を低減する。

図７Ｄは本発明の多層状傾斜コイルばねに用いられるように構成されたばねワイヤ９０の別の実施形態の断面図を示す。この例でも、ばねワイヤ９０は外層９４に囲まれた内部コア９２を含む。ただし、図７Ｄの実施形態では、外層９４は単一ではなく、むしろ第１の部分９６および第２の部分９８を含む。第１の部分９６はばねワイヤ断面の孤における第１の部分に沿って配置され、第２の部分９８はばねワイヤ断面の孤における第２の部分に沿って配置される。示す実施形態では、孤における第１および第２の部分は共に１８０度である。ただし、別の実施形態では、孤の各部分は任意の大きさでもよい。さらなる別の実施形態では、外層９４は例えば３以上、４以上、または任意の他の数以上の２よりも多い部分を有してもよい。さらに、外層９４はコア９２を完全には囲まなくともよい。

図７Ｄの実施形態では、外層９４の種々の部分は異なる材料組成を有してもよく、同じ組成を有してもよい。例えば、内部コア９２は銅、銅合金、アルミニウム、アルミ合金、金、金合金、銀、銀合金、真鍮、または真鍮合金などの導電体を有してもよく、外層は異なる外側部に沿った異なるステンレス鋼、異なる外側部に沿った同一のステンレス鋼、または異なる外側部に沿った異なる高抗張力材料を含んでもよい。

本発明における図面は実物大ではない。それ故、例えば図７Ａ〜図７Ｄに示す層の相対的な厚さはこれに限定されない。

図８Ａは本発明の多層状傾斜コイルばねに用いられるように構成されたばねワイヤ１００の別の実施形態の断面図を示す。ばねワイヤ１００は中空コア１０４を囲むチューブ状シェル１０２を含む。本明細書に用いられる用語「多層状」は中空コア１０４を囲む単層１０２を含み、図８Ａのワイヤを十分に含むように広く解釈される。

図８Ｂは本発明の多層状傾斜コイルばねに用いられるように構成されたばねワイヤ１１０の別の実施形態の断面図を示す。この例でも、ばねワイヤ１１０は中空コア１１４を囲むチューブ状シェル１１２を備える。ただし、図８Ｂの実施形態では、ばねワイヤ１１０はチューブ状シェル１１２を囲む外層１１６をさらに備える。外層１１６はチューブ状シェル１１２とは異なる材料組成を有してもよい。前述の実施形態と同様に、外層１１６の材料組成を、例えば導電性、耐食性、電解適合性、摩擦などの所望の機械的特性を有するように選択することができる。

図８Ａおよび図８Ｂの実施形態は、チューブ状シェル１０２、１１２の材料が銅などの高熱伝導性金属である用途に適している。中空コア１０４、１１４は、第１の結合物体からばねを通る第２の結合物体までの潜熱の伝達を援助する作動流体により、部分的にまたは完全に満たされてもよい。１つ以上の作動流体の組成は、動作温度範囲などの、用途における種々のパラメータに応じて異なり得る。例示の作動流体は、水、エタノール、アセトン、ナトリウム、水銀、または任意の他の流体を含む。同様に、チューブ状シェル１０２、１１２および／または外層１１６の組成は、用途における種々のパラメータに応じて異なり得る。例えば、外層１１６を、所望の導電性、耐食性、電解適合性、摩擦などに応じて選択することができる。

別の実施形態では、図８Ａおよび図８Ｂに示す中空ばねワイヤ１００、１１０は、ヒートパイプ構造に類似する相変化冷却用に構成される。ヒートパイプは温度がわずかに相違する熱い本体から冷たい本体に多量の熱を伝達できる熱伝達機構である。熱い本体はパイプの第１の端部を加熱して高温端にする。液体がヒートパイプの高温端で蒸発すると、それが液化して、高温端に戻る場合に、低温端に自然に熱を運ぶ。凝縮流体は熱を冷たい本体に移動させる。

中空コアを有する傾斜コイルばねは、傾斜コイルばねのヒートパイプにおけるシールパイプとして有利に機能することができる。このようなヒートパイプを形成するために、ばねの中空コア１０４、１１４がくり抜かれ、作動流体が追加されて中空コア１０４、１１４を部分的に充填する。例えば、コア１０４、１１４はその全容積の約３０〜４０パーセント充填されてもよい。ばねワイヤ１００、１１０はその後シールされる。生じた傾斜コイルばねのヒートパイプは部品を動かさずに、有効な熱伝達機構を提供する。特定の用途では、傾斜コイルばねのヒートパイプは熱い本体と冷たい本体との間の機械的コネクタとしても機能する。これにより、ばねヒートパイプは連結と冷却との２つの目的を達成する。

^１ＩＡＣＳ−国際軟銅規格。標準軟銅伝導体に関連する金属および合金における導電率の単位。ＩＡＣＳ値１００％は、５．８０×１０^７ジーメンスパーメータの導電率（５８．０ＭＳ／ｍ）を表す。
^２金属に関する統一番号方式

前述の表１は、銅コアおよびステンレス鋼の外層を有する本実施形態により達成された予期しない結果を示す。例えば、表１は銅コアおよびステンレス鋼の外層（国際軟銅規格６０〜６３パーセント）を有するばねワイヤの導電性が、ステンレス鋼のコアおよび銅の外層（国際軟銅規格３５パーセント以下）を有するばねワイヤの導電性よりも大きいことを示す。多層状ばねワイヤの外側に銅が存在すると、外側に障害物がなく、それ故高導電性が当然もたらされるために、電流は容易に伝導すると考察される。このため、これは当業者の期待とは正反対の結果である。これに対して、銅が多層状ばねワイヤの内側に存在すると、低導電性のステンレス鋼の外層により遮断されるため、銅が外側に存在する場合よりもワイヤの導電性が改善される結果が示される。例えば、高導電性の銅コアを通過するためには、電流はまずは低導電性のステンレス鋼の外層を通過し、そして銅に到達する。それ故、銅コアおよびステンレス鋼の外層を有するばねワイヤの導電性が、ステンレス鋼のコアおよび銅の外層を有するばねワイヤの導電性よりも実際に大きいことが予期される。実際、銅コアおよびステンレス鋼の外層を有するばねワイヤは、逆の構成が純銅の導電率の約４２パーセントのみを提供するのに対して、純銅の導電率の少なくとも５０パーセントを提供する。例えば、内部コアとして導電層、および外層として高抗張力材料を有するワイヤは、少なくとも６０および６２パーセントなどの、純銅の導電率の５５パーセントよりも大きい導電率を有する。これらの期待しない結果は、電池端子などの高温下での電気的用途において、設計者が高温流、歩留まり、および変形に対する耐性などの機械的完全性を保証しつつ、本明細書に記載される傾斜コイルばねを組み込むことを可能にする。

図９〜図２０は本発明の傾斜コイルばねにおける種々の用途を示す。これらの用途は完全性を意図するものではない。現在種々のさらなる用途があり、後により多く開発される可能性もある。下記の例示は限定的であると解釈されるべきではない。

図９は環状のシールアセンブリ１２０においてばね付勢器として用いられる本発明の傾斜コイルばねの実施形態を示す。アセンブリ１２０を、例えば、円筒シャフト（不図示）の周囲に配置することができる。アセンブリ１２０では、シール１２２はばね１２６を収容および保持する環状空洞１２４を含む。傾斜コイルばね１２６はシール１２２の外周を均等に屈折させるように、シール１２２を結合物体に接触させる力を加える。ばね１２６の外層の材料組成を、例えば、生体適合性、電解適合性、および／またはシール１２２が触れる作動流体に関連する耐食性を有するように調整することができる。

図１０Ａは、シャフト１３０とハウジング１３２との間のコネクタ１２８として用いられる本発明の傾斜コイルばねの実施形態の側面部分断面図である。ハウジング１３２はばね１３６を収容および保持する環状溝１３４を含む。示す実施形態では、ハウジング１３２における環状溝１３４は、底１３８と、シャフト１３０の長手方向軸と垂直である側壁１４２とを連結するテーパ付き壁１４０を有する平底１３８を含む。停止構成では、シャフト１３０の完全挿入前は、ばね１３６の内部直径はシャフト１３０の外部直径よりも若干短い。シャフト１３０はテーパ付き端部１４４が先導する軸方向においてハウジング１３２に挿入される。シャフト１３０の全長を収容するように伸長する際にばね１３６は変形する。最終的に、ばね１３６は、シャフト１３０内の浅環状溝１３５に定着すると若干緩む。シャフト１３０内の環状溝１３５の外部直径は、停止構成におけるばね１３６の内部直径よりも大きい。シャフト１３０およびハウジング１３２に対してばね１３６により及ぼされるばね力は、それ故、ハウジング１３２からのシャフト１３０の引き込みに抵抗する。別の実施形態では、側壁１４２の一つはシャフトの軸と９０度にならないようにテーパが付く。これによりシャフト１３０は例えば側壁と垂直方向よりも容易にテーパ付き側壁の方向にハウジングから引き込まれて取り除かれる。

図１０Ｂはシャフト１５０とハウジング１５２との間のコネクタ１４８として用いられる本発明の傾斜コイルばねの別の実施形態の側面部分断面図である。シャフト１５０はばね１５６を収容および保持する環状溝１５４を含む。示す実施形態では、溝１５４は比較的深く、底１５８と、シャフト１５０の長手方向軸と垂直である側壁１６２とを連結するテーパ付き壁１６０を有する平底１５８を含む。停止構成では、シャフト１５０の完全挿入前は、ばね１５６の外部直径はハウジング１５２の内部直径よりも若干長い。シャフト１５０は軸方向においてハウジング１５２に挿入される。ハウジング１５２の内部全長を収容するように圧縮する際にばね１５６は変形する。最終的に、ばね１５６はハウジング１５２における浅環状溝１６４に固定されると若干緩む。ハウジング１５２における環状溝１６４の直径は、停止構成におけるばね１５６の外部直径よりも短い。シャフト１５０およびハウジング１５２に対してばね１５６により及ぼされるばね力は、それ故、ハウジング１５２からのシャフト１５０の引き込みに抵抗する。別の実施形態では、側壁１６２の少なくとも一つはシャフト１５０の軸と垂直にならないようにテーパが付く。

一用途では、図１０Ａおよび図１０Ｂのコネクタ１２８、１４８はハウジング１３２、１５２とシャフト１３０、１５０との間に電流を伝導させる傾斜コイルばね１３６、１５６と共に、電気コネクタを備えてもよい。極端な温度、酸性環境などを含む種々の環境および条件下でも有効となるように、ばね材料を前述のように調整することができる。一実施形態では、ばねは導電性内部コアおよび比較的高い抗張力の外層を備える多金属ばねである。例えば、ばねは銅または銅合金の内部コア、およびステンレス鋼の外層を含んでもよい。

図１１Ａおよび図１１Ｂは、ピン１７２とハウジング１７４との間のコネクタ１７０として用いられる本発明の傾斜コイルばねの別の実施形態の側面部分断面図である。ハウジング１７４は内部平底溝１７８を有するボア１７６を含む。ただし、内部溝１７８はＶ底溝またはテーパ付き底溝などの、任意の断面形状を有してもよい。半径方向傾斜コイルばねなどの傾斜コイルばね１８０は平底溝１７８に配置される。ピン１７２は円筒状であり、ハウジングボア１７６への挿入のためのテーパ付き突出部１８２を含む。図１１Ａはピン１７２がハウジング１７４に挿入される組立前の位置を示す。図１１Ｂは組立後の位置を示す。停止構成では、ピン１７２の完全挿入前は、ばね１８０の内部直径はピン１７２の外部直径よりも若干短い。ピン１７２はテーパ付き突出部１８２が先導する軸方向においてハウジング１７４に挿入される。ピン１７２の全長を収容するように伸長する際にばね１８０は変形する。ピン１７２およびハウジング１７４に対してばね１８０により及ぼされるばね力は、ハウジング１７４からのピン１７２の引き込みに抵抗する。

図１２Ａおよび図１２Ｂは、ピン１９２とハウジング１９４との間のコネクタ１９０として用いられる本発明の傾斜コイルばねの別の実施形態の側面部分断面図である。図１２Ａおよび図１２Ｂの実施形態は図１１Ａおよび図１１Ｂの実施形態に類似するが、ただし、ハウジング１９４の溝１９６がテーパ付き底を含む。テーパ付き底溝はばね１８０を回転させる。このため、その主軸はシャフトの軸と平行ではなくなる。

図１３Ａ〜図１３Ｃは、ピン２００とハウジング２０２とのラッチングの用途に用いられる本発明の傾斜コイルばねの別の実施形態の側面部分断面図である。ハウジング２０２はばね２０６を収容および保持する環状溝２０４を含む。示す実施形態では、ハウジング２０２における環状溝２０４はＶ字形である。ピン２００は環状溝２０８をさらに含む。ピン溝２０８は底２１０からピン２００の外面まで延在するテーパ付き壁２１２を有する平底２１０を含む（図１３Ａ）。ピン２００はテーパ付き突出部２１４を含む。停止構成では、ピン２００の完全挿入前は、溝２０４におけるばね２０６の内部直径はピン２００の最大の外部直径よりも若干短いが、基部２１０におけるピン２００の外部直径と実質的に等しい。ピン２００はテーパ付き突出部２１４が先導する軸方向においてハウジング２０２に挿入される（図１３Ａ）。ピン２００の全長を収容するように伸長する際にばね２０６は変形する（図１３Ｂ）。最終的に、ばね２０６はピン２００における環状溝２０８に固定されると緩む（図１３Ｃ）。ピン溝２０８のテーパ付き側壁２１２は、ピン２００が軸方向に移動する場合に、ピン２００およびハウジング２０２に及ぼされるばね力を増大させる。ばね２０６はそれ故、ハウジング２０２からのピン２００の引き込みに抵抗する。ばね２０６は、本明細書の他の箇所に記載される他のばねと同様に、多金属ワイヤから形成される。ばねは導電性材料からなる内部コアと、高抗張力の鋼鉄からなる外層とを備えることが好ましい。一例として、内部コアは銅、銅合金、アルミニウム、アルミ合金、金、金合金、銀、銀合金、真鍮、または真鍮合金から形成されてもよく、外層は鋼鉄またはステンレス鋼から形成されてもよい。

図１４Ａ〜図１４Ｃは、ピン２２０とハウジング２２２とのロッキングの用途に用いられる本発明の傾斜コイルばねの別の実施形態の側面部分断面図である。ハウジング２２２はばね２２６を収容および保持する環状溝２２４を含む。示す実施形態では、ハウジング２２２における環状溝２２４はテーパ付き底を有する。ピン２２０は環状溝２２８をさらに含む。ピン溝２２８はピン２２０の長手方向軸と垂直である側壁２３２を有する平底２３０を含む（図１４Ａ）。ピン２２０はテーパ付き突出部２３４を含む。停止構成では、ピン２２０の完全挿入前は、ばね２２６の内部直径はピン２２０の最大の外部直径よりも若干短いが、溝２３０におけるピン２２０の外部直径と実質的に等しい。ピン２２０はテーパ付き突出部２３４が先導する軸方向においてハウジング２２２に挿入される（図１４Ａ）。ピン２２０の全長を収容するように伸長する際にばね２２６は変形する（図１４Ｂ）。最終的に、ばね２２６はピン２２０における環状溝２３０に固定されると緩む（図１４Ｃ）。ばね２２６がピン溝２３０に到達すると、ピン２２０の環状段部２３６がハウジング２２２に接触する。ピン２２０の長手方向軸と垂直である、ピン溝２３０の側壁２３２は、ハウジング２２２からのピン２２０の引き込みを防止する。この例でも、ばね２２６は多金属ワイヤから形成されることが好ましい。例えば、内部コアは銅、銅合金、アルミニウム、アルミ合金、金、金合金、銀、銀合金、真鍮、または真鍮合金から形成されてもよく、外層は鋼鉄またはステンレス鋼から形成されてもよい。

図１５Ａおよび図１５Ｂは、圧縮用途に用いられる本発明の傾斜コイルばねの別の実施形態の側面部分断面図である。この実施形態は、片面２４４に円形の平底溝２４２を有する基部２４０を含む。円形の傾斜コイルばね２４６は溝２４２に配置される。圧縮力Ｆは面２４４に対して連結部２４８に力を加え（図１５Ｂ）、溝２４２内のばね２４６を圧縮する。ばね２４６は、軸方向または半径方向に傾斜し得る。別の実施形態では、Ｖ底またはテーパ付き底などの異なる溝を有する基部が用いられてもよい。概略的に、溝２４２は中央部２４０を有する略円形の境界を備えてもよい。他の実施形態では、溝２４２は略長方形の境界、略楕円形の境界、または略正方形の境界を備えてもよい。さらに他の実施形態では、溝２４２は２つの略平行の溝などのように相互に接続しなくてもよく、Ｕ字形の境界などの閉ループでないものでもよい。

図１６はシール２５０とシャフト２５２との位置調節および整列の用途に用いられる本発明の傾斜コイルばねの別の実施形態の側面部分断面図である。この実施形態はその各々の短軸の向きに荷重をかけられる２つの円形の半径方向ばね２５４が、シャフト２５２と同心のシール２５０の内径を維持する、ばねで留められたクリアランスシールを形成する。さらに、Ｏ環２５６がシール２５０の外径における固定シールとなる。クリアランスシール２５０は、シール２５０とシャフト２５２との内径間の流体の流れを制御する。半径方向傾斜コイルばね２５４はシール２５０の回転を防止するのに十分な力を有し、さらには、シャフト２５２に生じ得る不均衡により引き起こされる偏心および不規則を吸収するための十分な力を維持する。この例でも、ばね２５４は多金属ワイヤから形成されることが好ましい。例えば、内部コアは銅、銅合金、アルミニウム、アルミ合金、金、金合金、銀、銀合金、真鍮、または真鍮合金から形成されてもよく、外層は鋼鉄またはステンレス鋼から形成されてもよい。

図１７Ａ〜図１７Ｃは、傾斜コイルを有さない本発明のばねの実施形態の側面図である。図１７Ａは圧縮荷重を受けて全長がより小さく圧縮されるか、引張荷重を受けて伸張する能力を有するヘリカル圧縮ばね２６０である。図１７Ｂは引張荷重を受けて全長がより長くなるように伸長する能力を有するヘリカル引張ばね２６２である。図１７Ｃは圧縮または拡張ばねと同様の機能を有するリボン型ヘリカルばね２６４である。ただし、リボン型ヘリカルばね２６４のばねワイヤは、円形断面を有するワイヤではなく、平坦の長方形のバンドである。

図１８Ａは片持ちばね２７０の端面図であり、図１８Ｂは側面図である。片持ちばね２７０を、図１８Ａの端面図に示すように、そのＶ字形のために半径方向に圧縮することができる。加えられた圧縮力により生じたばねの復元力を、シャフトシールの用途等において、面に対してシールを押し込むために利用することができる。片持ちばね２７０は全長がばねでもよく、ばね環に溶接されてもよい。図１７Ａ〜図１８Ｂに示すばねは多金属コイルまたはリボンから形成されてもよい。例えば、多金属コイルまたはリボンは、銅、銅合金、アルミニウム、アルミ合金、金、金合金、銀、銀合金、真鍮、または真鍮合金から形成された内部コアまたはリボンにおける内層と、鋼鉄またはステンレス鋼から形成された外層とを含んでもよい。

図１９は各ばね２８０の端部が接続されていない直線の全長を有する２つの傾斜コイルばね２８０（一つが視認可能）の斜視図である。ばね２８０はハウジング２８２に取り付けられており、圧縮適合において平坦コネクタ２８４を収容する。示すように、ばね２８０はナイフエッジ接触により組み込まれ、アセンブリはナイフエッジコネクタとも称される。

前述のいかなるばねの何れも、本明細書に記載された材料組成を含んでもよい。さらに、本発明の傾斜コイルばねのばねコイルは、種々の断面形状を具現化できる。例えば、ばねコイルは円形、楕円形、正方形、長方形、三角形、または任意の他の形の断面形状を有してもよい。ばねコイルの形状を多様化することにより、ばねコイルとハウジングまたは挿入物体との間の接触域を制御できる。種々の傾斜コイルばね構造の例は、米国特許第７０５５８１２号に記載されており、その全ての内容は参照として本明細書に組み込まれる。

本発明の傾斜コイルばねの端部を、図１に示す溶接部４４などの溶接部を用いて共に機械的に結合することができる。代替的に、本発明の傾斜コイルばねの端部を、溶接部がなくとも共に機械的に結合することができる。例えば、ばね端部を、スナップ作用、ネジ切り、直線押圧、またはねじりと押圧との組み合わせにより共に保持することができる。例えば、図２０の傾斜コイルばね２９０では、ばね端部は円形の中間コイルおよび円形のスナップ式端部コイルを用いて機械的に結合される。傾斜コイルばねの端部を結合する種々の技術の例は、米国特許第５７９１６３８号に記載されており、その全ての内容は参照として本明細書に組み込まれる。

前述の実施形態のいくつかでは、本発明の傾斜コイルばねはハウジングおよび／またはシャフトにおける溝内に配置されるように示す。これらの溝の多くは異なる断面形状を有する。ただし、示す溝の形状はこれらに限定されない。本発明の傾斜コイルばねは任意の形状の溝と共に用いられるように構成される。

前述の詳細な説明は、関連する当業者がこれらのばねおよび関連する方法を利用および使用可能なように、本発明の多層状傾斜コイルばねおよび関連する方法を実行するために意図された最良の形態、これらを利用および使用するための方法およびプロセスを十分、明白、簡潔に、そして正確な用語により記載する。しかしながら、これらのばねおよび関連する方法は、前述の完全な均等物からの変形例および代替的な構成でもよい。その結果、これらのばねおよび関連する方法は開示する特定の実施形態により限定されない。それどころか、これらのばねおよび関連する方法は、ばねおよび関連する方法の主題を特に示し、かつ明確に主張する下記の請求項により概して示される、ばねおよび関連する方法の精神および範囲内の全ての変形例および代替的な構成を含む。

Claims (28)

1. 多層状傾斜コイルばねを形成する方法であって、
   第１の導電率を有する材料から内部コアを形成することと、
   前記第１の導電率よりも小さい第２の導電率を有する材料からなる外層を前記コアの周囲に被覆またはめっきし、ばねワイヤを形成することと、
   前記ばねワイヤを複数のヘリカルコイルに形成することと、
   前記コイルを傾斜させて、前記傾斜コイルばねを形成することと、
   を含む、方法。
2. 前記内部コアは銅または銅合金を含み、かつ前記外層はステンレス鋼を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記コアは空洞である、請求項１に記載の方法。
4. 前記中空コアは流体を含む、請求項３に記載の方法。
5. 前記流体は相変化冷却を可能にする、請求項４に記載の方法。
6. 前記流体は、水、エタノール、アセトン、ナトリウム、または水銀である、請求項４に記載の方法。
7. 前記ばねは、純銅の導電率の少なくとも５０パーセントである導電率を有する、請求項１に記載の方法。
8. 前記ばねは溝底および２つの側壁を備えた溝に配置される、請求項２に記載の方法。
9. 多層状傾斜コイルばねを形成する方法であって、
   第１の導電率を有する材料から、空洞である内部コアを形成することと、
   前記第１の導電率よりも小さい第２の導電率を有する材料から第２の層を前記コアの周囲に被覆またはめっきし、ばねワイヤを形成することと、
   前記ばねワイヤを複数のヘリカルコイルに形成することと、
   前記コイルを傾斜させて、前記傾斜コイルばねを形成することと、
   を含む、方法。
10. 前記内部コアは銅または銅合金を含み、かつ前記第２の層はステンレス鋼を含む、請求項９に記載の方法。
11. 前記中空コアは流体を含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記流体は相変化冷却を可能にする、請求項１１に記載の方法。
13. 前記流体は、水、エタノール、アセトン、ナトリウム、または水銀である、請求項１１に記載の方法。
14. 前記ばねは、純銅の導電率の少なくとも５０パーセントである導電率を有する、請求項１０に記載の方法。
15. 中空コアを囲むチューブ状シェルを含み、複数のヘリカルコイルを画定するばねワイヤであって、各コイルがその各々の中心を通過するばね軸を囲み、当該ばね軸と垂直な線に対して角度を成して傾くようにしてなる、ばねワイヤを備えた傾斜コイルばね。
16. 前記中空コアは流体を含む、請求項１５に記載のばね。
17. 前記流体は相変化冷却を可能にする、請求項１６に記載のばね。
18. 前記流体は、水、エタノール、アセトン、ナトリウム、または水銀である、請求項１６に記載のばね。
19. 前記コアの少なくとも一部を囲む外層をさらに備えた、請求項１５に記載のばね。
20. 前記コアは第１の導電率を有する材料を含み、前記外層は第２の導電率を有する材料を含み、かつ前記第２の導電率は前記第１の導電率よりも小さい、請求項１５に記載のばね。
21. 前記内部コアは銅または銅合金を含み、かつ前記外層はステンレス鋼を含む、請求項２０に記載のばね。
22. 前記外層は２つの異なりかつ混在しない材料を含み、前記材料のうちの第１の材料は、前記ばねワイヤの断面の孤における第１の部分に沿って配置され、前記材料のうちの第２の材料は、前記ばねワイヤの断面の孤における第２の部分に沿って配置される、請求項１９に記載のばね。
23. 前記孤の第１および第２の部分は各々１８０度である、請求項２２に記載のばね。
24. 前記ばねは純銅の少なくとも５０パーセントの導電率を有する、請求項１５に記載のばね。
25. 内部コアおよび前記コアの少なくとも一部を囲む外層を含むばねワイヤを備えた多層状傾斜コイルばねであって、
    前記外層は２つの異なりかつ混在しない材料を含み、前記材料のうちの第１の材料は、コア断面の孤における第１の部分に沿って配置され、前記材料のうちの第２の材料は、前記コア断面の孤における第２の部分に沿って配置され、
    前記ばねワイヤは複数のヘリカルコイルを画定し、各コイルはその中心を通過するばね軸を囲み、当該ばね軸と垂直な線に対して角度を成して傾くようにしてなる、多層状傾斜コイルばね。
26. 前記孤の第１および第２の部分は各々１８０度である、請求項２５に記載のばね。
27. 前記コアは銅を含む、請求項２５に記載のばね。
28. 前記ばねは、純銅の導電率の少なくとも５０パーセントである導電率を有する、請求項２５に記載のばね。

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