JP5118720B2 - 形状記憶合金コイルばねの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、形状記憶合金コイルばねの製造方法に関し、特に、形状記憶合金コイルばねにねじれを与えてコイルばねの直径を縮小してコイル径の小さい形状記憶合金コイルばねを製造する方法に関する。
形状記憶合金とは、一定の転移温度以下ではマルテンサイト相を有して形状が変形する可能性があるが、このような変形が発生した後、前記転移温度以上に温度が上昇するとオーステナイト相に相転移が起こって元の形状に戻る性質を有する素材である。このような形状記憶合金は、様々な分野で有用に利用されている。
形状記憶合金素子は、大きな変位を生じさせることができるためコイルばねの分野に最も多く応用される。１つの例として、長さ３０ｍｍのワイヤは、１％回復すると、０．３ｍｍの変位が生じるが、コイル径８ｍｍ、線径１ｍｍ、巻数３０のコイルばねは、５０ｍｍの変位が生じる。
一般金属のコイルばねは、コイルを巻回するだけでその形状が形成される。これに対して、形状記憶合金コイルばねは、巻回したコイルを熱処理することで完全な形状が形成される。一般に、形状記憶合金コイルばねの製造方法は２つある。
１つの方法（以下、方法Ａという）は、所定の直径を有する棒（ｒｏｄ）に形状記憶合金ワイヤを巻いて固定した後、形状を記憶させるために適切な温度で熱処理する方法である。
もう１つの方法（以下、方法Ｂという）は、工業的にワイヤ加工機械を利用してコイルばねを製造した後に熱処理する方法であるが、この方法はコイルばねが解けて直径が大きくなる虞れがあるので、気をつけなければならない。最終のコイルばねの形状は、熱処理時の形状になるが、通常２５０℃以上であれば形状記憶処理が可能である。実際には、熱処理温度によって形状記憶や超弾性挙動が大きく異なるため、目的に応じて約２５０〜６００℃で行うことが一般的である。
最近、携帯電話等の多くの電気製品に形状記憶合金ばねの適用が試みられている。製品の小型化のためにばねの設置空間が小さいので、コイル径は小さくなければならない。また、適切なバネ定数を発揮するためには、適度に太いワイヤを利用する必要があるので、線径／コイル径（ｄ／Ｄ）の数値が大きくなる。コイル径は、コイル内径、コイル外径、又はコイル平均径と定義され、一般に、内径と外径の中間値である平均径を採用するが、本明細書においては便宜上外径を意味する。
ところで、形状記憶合金は、弾性が非常に大きいため、大きい値の線径／コイル外径（ｄ／Ｄ）を有するコイルばねの製造が難しい。形状記憶合金コイルばねは、１／５〜１／６が一般に製造できる線径／コイル外径の値の限界である。しかし、製品のスリム化のためには、１／４以上のコイルばねが必要な場合が多い。
１つの例として、ばねを設置できる空間が１．５ｍｍであり、３Ｎの力を発揮できるコイルばねが必要であるとする。許容できるコイル外径は約１．４５ｍｍである必要があり、約３Ｎの力を発揮するためには、Ｎｉ−Ｔｉ合金の場合、線径が０．３５ｍｍのコイルばねを製造しなければならない。線径が０．３５ｍｍで、コイル外径が１．４５ｍｍのＮｉ−Ｔｉコイルばねを製造するとき、従来の方法を採用すると、以下のような問題が発生する。前述の方法Ａを採用する場合、直径０．７５ｍｍの棒に直径０．３５ｍｍのワイヤを巻いて固定して熱処理しなければならないが、これは、現実的に不可能である。従って、方法Ａでは小さいコイルばねの製造が難しい。また、方法Ｂでも、直径０．３５ｍｍのワイヤで製造可能なコイル外径は１．８５〜２．０５ｍｍとなるため、要求されるコイル径のコイルばねの製造が不可能である。
本発明は、前述した問題を解決するためのものであり、コイル径の小さい形状記憶合金コイルばねの製造方法、即ち、コイル径は小さくて線径／コイル径（ｄ／Ｄ）の値は大きい形状記憶合金コイルばねの製造方法を提供することを目的とする。
このような目的を達成するために、本発明による形状記憶合金コイルばねの製造方法は、コイルばねを製造する段階と、前記コイルばねの両端を回転させてねじれ変形を与えコイル径を縮小する縮径段階と、前記縮径段階が終了した後、前記コイルばねの両端間の間隔を調整してコイルばねのピッチを調節するピッチ調節段階と、前記ピッチ調整段階を経たコイルばねに形状記憶熱処理を行う熱処理段階とを含むことを特徴とする。
前記縮径段階は、２つのグリップを利用して前記コイルばねの両端を固定する固定段階と、前記２つのグリップを回転させる回転段階とからなる。
このような構成により、コイル径の小さいコイルばねを製造した後、前記コイルばねの両端を回転させてねじれ変形を与えてコイル径を更に小さくする。
前記グリップは、外周面に螺旋形の溝が形成されている円筒形状又は円柱形状とするとよい。
また、前記固定段階は、前記コイルばねの両端を前記螺旋形の溝に挿入して固定するとよい。
また、前記縮径段階及び前記熱処理段階は、繰り返し複数回行うようにするとよい。
更に、本発明による形状記憶合金コイルばねの製造方法は、２つのグリップを利用してコイルばねの両端を固定する固定段階と、前記２つのグリップを互いに反対方向に回転させて前記コイルばねにねじれ変形を与えコイル径を縮小する縮径段階と、前記縮径段階が終了した後、前記コイルばねの両端間の間隔を調整して前記コイルばねのピッチを調節するピッチ調節段階と、前記ピッチ調整段階を経たコイルばねに形状記憶熱処理を行う熱処理段階とを含むことを特徴とする。
更に、本発明の形状記憶合金コイルばねの製造方法は、コイルばねの両端を第１パイプに挿入し、前記第１パイプと前記コイルばね間にくさび形状の第２パイプを挿入して前記コイルばねの両端を固定する固定段階と、前記第１パイプを回転させて前記コイルばねにねじれ変形を与えコイル径を縮小する縮径段階と、前記縮径段階が終了した後、前記コイルばねの両端間の間隔を調整して前記コイルばねのピッチを調節するピッチ調節段階と、前記ピッチ調整段階を経たコイルばねに形状記憶熱処理を行う熱処理段階とを含むことを特徴とする。
また、前記縮径段階、前記ピッチ調節段階及び前記熱処理段階は、繰り返し複数回行うようにするとよい。
更に、本発明の形状記憶合金コイルばねの製造方法は、２つのグリップを利用してコイルばねの両端を固定する固定段階と、前記コイルばねの内部に直線ワイヤ又は棒状の部材を挿入する段階と、２つのグリップを互いに反対方向に回転させて前記コイルばねにねじれ変形を与えコイル径を縮小する縮径段階と、前記縮径段階が終了した後、前記コイルばねの両端間の間隔を調整して前記コイルばねのピッチを調節するピッチ調節段階と、前記ピッチ調整段階を経たコイルばねに形状記憶熱処理を行う熱処理段階とを含むことを特徴とする。
ここで、前記直線ワイヤは、前記コイルばねの内部に複数配置するとよい。
また、前記直線ワイヤは、前記縮径段階で前記コイルばねの縮径範囲を決定するために前記コイルばねの最終内径に該当する直径を有する円周上に位置させるとよい。
本発明によれば、コイル径が小さく、線径／コイル径（ｄ／Ｄ）の値は大きい形状記憶合金コイルばねを容易に製造することができる。
以下、添付図面を参照して本発明の具体的な実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態によるコイルばねとグリップを示す斜視図であり、図２は、図１のコイルばねの両端にグリップが締結された状態を示す図であり、図３は、図２のグリップが回転してコイルばねの直径が縮小された状態を示す図であり、図４は、グリップの間隔を調節してコイルばねのピッチが調節された状態を示す図であり、図５は、本発明の一実施形態により製造された形状記憶合金コイルばねを示す斜視図である。
図１は、本発明の一実施形態によるコイルばねとグリップを示す斜視図であり、図２は、図１のコイルばねの両端にグリップが締結された状態を示す図であり、図３は、図２のグリップが回転してコイルばねの直径が縮小された状態を示す図であり、図４は、グリップの間隔を調節してコイルばねのピッチが調節された状態を示す図であり、図５は、本発明の一実施形態により製造された形状記憶合金コイルばねを示す斜視図である。
図１に示すように、まず形状記憶合金を利用して一次的にコイル径が最も小さくなるようにコイルばね１０を製造する。コイルばね１０の製造は、通常の製造方法により行われ、コイル径の小さいコイルばねであることを考慮すると、前述した従来のばね製造方法のうち方法Ｂを用いて製造することが好ましい。この段階を製造段階という。
このように製造されたコイルばね１０の両端を、グリップ２０、３０を利用して固定する。グリップ２０、３０は、所定の長さを有する円柱形状であり、コイルばね１０の両端をそれぞれ固定するために２つ備えられる。また、グリップ２０、３０の外周面には螺旋形の溝２２、３２が形成され、コイルばね１０をグリップ２０、３０に固定するとき、前記コイルばね１０の両端を前記螺旋形の溝２２、３２に巻いて固定する。図２に、前記コイルばね１０の両端にグリップ２０、３０を固定した状態を示す。尚、グリップ２０、３０は円筒形状でもよい。
その後、図３に示すように、前記２つのグリップ２０、３０を互いに反対方向に回すと、前記コイルばね１０の巻数が増えて自然にコイルばね１０の外径は縮小する。この段階を縮径段階という。ここで、前記グリップ２０、３０の回転の回数は、所望のコイル径を得るために必要な回数とする。
また、所望のコイル径が得られると、コイルばね１０のピッチを調節する必要があり、これは、図４に示すように、２つのグリップ２０、３０の間隔を調節して所望のピッチを得る。一般には、コイルばね１０の両端に固定されたグリップ２０、３０を互いに離れる方向に引いて、前記コイルばね１０の長さが長くなるようにしてピッチを調節する。この段階をピッチ調節段階という。
その後、前記コイルばね１０に形状記憶熱処理を行う。前記コイルばね１０のピッチを調節した後、前記コイルばね１０の両端にグリップ２０、３０を固定した状態で形状記憶熱処理を行うと、熱処理時のコイル径とピッチを有するコイルばね１０を得ることができる。形状記憶熱処理は通常の方法で行われ、本発明においてはその詳細は説明を省略する。この段階を熱処理段階という。
図５は、前述したような各段階を経て完成した、コイル径が縮小された形状記憶合金コイルばね１０を示す。
しかし、一度に過度にコイル径を縮小すると、コイルばねが歪んだり、滑らかでなくなる可能性がある。これを防止するためには、形状記憶熱処理を行った後に、コイル径の縮小及び熱処理を繰り返し行ってコイル径を徐々に縮小することも可能である。或いは、コイル径を大幅に縮小すると共に所望のピッチを得るために、コイル径の縮径段階、ピッチ調節段階及び熱処理段階を繰り返し行ってもよい。
図６及び図７に、本発明の他の実施形態を示す。
図において、コイルばね１０の真直度を向上させて均一なコイル径を得るために、コイルばね１０内に直線ワイヤ４０、５０を挿入し貫通させておく方法を示す。ここで、ワイヤ４０、５０のコイルばね１０の内部における位置は、縮径されたコイルばね１０の最終内径に該当する直径を有する円周上とすることが好ましい。即ち、縮径段階でコイルばね１０の内径が縮小してコイルばね１０の内径が直線ワイヤ４０、５０に接してこれ以上内径が縮小しない最終内径までの縮径範囲を決定することができる。
図において、コイルばね１０の真直度を向上させて均一なコイル径を得るために、コイルばね１０内に直線ワイヤ４０、５０を挿入し貫通させておく方法を示す。ここで、ワイヤ４０、５０のコイルばね１０の内部における位置は、縮径されたコイルばね１０の最終内径に該当する直径を有する円周上とすることが好ましい。即ち、縮径段階でコイルばね１０の内径が縮小してコイルばね１０の内径が直線ワイヤ４０、５０に接してこれ以上内径が縮小しない最終内径までの縮径範囲を決定することができる。
図６は、コイルばね１０両端に円筒状のグリップ２０、３０が固定され、コイルばね１０及びグリップ２０、３０の内部を貫通して直線ワイヤ４０、５０が備えられた状態を示す。また、図７は、図６の状態でグリップ２０、３０を互いに反対方向に回転させてコイルばね１０のコイル径を縮小させる縮径段階とグリップ間隔を調節してコイルばね１０のピッチを調節するピッチ調節段階とを経たコイルばねを示す。
本実施形態においては、コイルばね１０の真直度の向上のために２本のワイヤ４０、５０を等間隔に配置して使用する方法を示したが、これに限定されるものではなく、必要に応じて３〜４本のワイヤを等間隔に配置して使用してもよい。また、ワイヤではなく、コイルばね１０及びグリップ２０、３０の内部に挿入して貫通させることができる小さい直径を有するパイプ又は棒材を使用してもよい。
図８及び図９は、コイルばね１０の真直度を向上させると共に均一なコイル径を得るために、コイルばね１０内に棒状の部材５５を挿入し貫通させて製造する方法を示す。ここで、棒状の部材５５の外径は、縮径されたコイルばね１０の最終内径と等しい方が良い。即ち、縮径段階でコイルばね１０の内径が縮小して、その内径が棒状の部材５５に接して内径が縮小しないようになるとコイルばね１０が完成される。
図９は、図８の状態で前記グリップ２０、３０を互いに反対方向に回転させて、コイルばね１０のコイル径を縮小させる縮径段階及びグリップ間隔を調節してコイルばね１０のピッチを調節するピッチ調節段階を経た状態を示す。
図１０は、本発明の更に他の実施形態によりコイルばねのコイル径を縮小する方法を示す。図において、コイルばね１０の両端の外径より大きい外径を有する第１パイプ６０、７０を備え、コイルばね１０の両端を第１パイプ６０、７０の内部に一定の長さだけ挿入する。また、コイルばね１０と第１パイプ６０、７０間にくさび形状の第２パイプ６５、７５を挿入して固定する。このようにして、第１パイプ６０、７０、第２パイプ６５、７５及びコイルばね１０が結合固定されて一体に回転可能とする。この状態で、２つの第１パイプ６０、７０を互いに反対方向に回すと、コイルばね１０の両端が第１パイプ６０、７０と共に回転してコイルばね１０にねじれ変形を起こし、結果としてコイル径が縮小し、第１パイプ６０、７０の間隔を調節してコイルばね１０のピッチを調節することができる。その後、形状記憶熱処理段階を経るのは前述した実施形態と同様である。
以下、本発明を適用する具体的な例について説明する。
ある電子通信製品に厚さ１．５ｍｍより小さい３Ｎの圧縮ばねが必要である場合、計算の結果、線径０．３５ｍｍ、コイル外径１．４５ｍｍ、ピッチ１．０ｍｍのＮｉ−Ｔｉ合金ばねが必要である。一般金属、例えばステンレスばねを使用すると、塑性変形が発生して適用することはできない。
ある電子通信製品に厚さ１．５ｍｍより小さい３Ｎの圧縮ばねが必要である場合、計算の結果、線径０．３５ｍｍ、コイル外径１．４５ｍｍ、ピッチ１．０ｍｍのＮｉ−Ｔｉ合金ばねが必要である。一般金属、例えばステンレスばねを使用すると、塑性変形が発生して適用することはできない。
本発明方法を適用した具体例としては、まず、合金組成が５０．８Ｎｉ−Ｔｉ（原子比）で、直径が０．３５ｍｍの線材を製造した。最終の断面収縮率は２８％であった。これをコイル製造機を利用する方法（方法Ｂ）でコイル径を最小化してコイルばねを製造した結果、外径が１．７５ｍｍのコイルばねを製造することができた。また、２．０５ｍｍのコイルばねも製造した。外径１．７５ｍｍのコイルばねの内部に０．７５ｍｍのワイヤを貫通させた後、コイルばねの両端を図２のようなグリップに固定し、グリップを互いに反対方向に回すとコイルばねの直径が縮小した。必要なコイル径、例えば１．４５ｍｍになったら（コイルばね内のワイヤによりこれ以上コイル径が縮小しない）グリップ間の距離を調節してピッチが１．０ｍｍになるようにした。グリップを固定した後、適切な温度（約２５０〜６００℃）で熱処理すると、所望のコイルばねの形状を得ることができた。２．０５ｍｍのコイルばねも同様の方法で直径を縮小することはできるが、約１．７５ｍｍでねじれが生じた。ここで、一次熱処理（例えば、３５０℃で１０分）により外径１．７５ｍｍのコイルばねが得られた。熱処理の後、更にグリップを回転させて直径を縮小させ、最終の所望の形状で熱処理すると、正確に所望の形状記憶合金コイルばねの形状が得られた。
１０ コイルばね
２０、３０ グリップ
２２、３２ 溝
４０、５０ ワイヤ
５５ 棒状の部材
６０、７０ 第１パイプ
６５、７５ 第２パイプ
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Claims (15)
- コイルばねを製造する段階と、
前記コイルばねの両端を回転させてねじれ変形を与えコイル径を縮小する縮径段階と、
前記縮径段階が終了した後、前記コイルばねの両端間の間隔を調整してコイルばねのピッチを調節するピッチ調節段階と、
前記ピッチ調節段階を経たコイルばねに形状記憶熱処理を行う熱処理段階と、
を含むことを特徴とする形状記憶合金コイルばねの製造方法。 - 前記縮径段階は、
２つのグリップを利用して前記コイルばねの両端を固定する固定段階と、
前記２つのグリップを回転させる回転段階と、
からなることを特徴とする請求項１に記載の形状記憶合金コイルばねの製造方法。 - 前記グリップは、外周面に螺旋形の溝が形成されている円筒形状又は円柱形状であることを特徴とする請求項２に記載の形状記憶合金コイルばねの製造方法。
- 前記固定段階は、前記コイルばねの両端を前記螺旋形の溝に挿入して固定することを特徴とする請求項３に記載の形状記憶合金コイルばねの製造方法。
- 前記縮径段階及び前記熱処理段階は、繰り返し複数回行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の形状記憶合金コイルばねの製造方法。
- ２つのグリップを利用してコイルばねの両端を固定する固定段階と、
前記２つのグリップを互いに反対方向に回転させて前記コイルばねにねじれ変形を与えコイル径を縮小する縮径段階と、
前記縮径段階が終了した後、前記コイルばねの両端間の間隔を調整してコイルばねのピッチを調節するピッチ調節段階と、
前記ピッチ調節段階を経たコイルばねに形状記憶熱処理を行う熱処理段階と、
を含むことを特徴とする形状記憶合金コイルばねの製造方法。 - 前記グリップの外周面には、前記コイルばねの両端が挿入される螺旋形の溝が形成され、
前記固定段階は、前記コイルばねの両端を前記螺旋形の溝に挿入して固定することを特徴とする請求項６に記載の形状記憶合金コイルばねの製造方法。 - 前記縮径段階、前記ピッチ調節段階及び前記熱処理段階は、繰り返し複数回行うことを特徴とする請求項６又は７に記載のコイルばねの製造方法。
- コイルばねの両端を第１パイプに挿入し、前記第１パイプと前記コイルばね間にくさび形状の第２パイプを挿入して前記コイルばねの両端を固定する固定段階と、
前記第１パイプを回転させて前記コイルばねにねじれ変形を与えてコイル径を縮小する縮径段階と、
前記縮径段階が終了した後、前記コイルばねの両端間の間隔を調整して前記コイルばねのピッチを調節するピッチ調節段階と、
前記ピッチ調節段階を経たコイルばねに形状記憶熱処理を行う熱処理段階と、
を含むことを特徴とする形状記憶合金コイルばねの製造方法。 - 前記縮径段階、前記ピッチ調節段階、及び前記熱処理段階は、繰り返し複数回行うことを特徴とする請求項９に記載の形状記憶合金コイルばねの製造方法。
- ２つのグリップを利用してコイルばねの両端を固定する固定段階と、
前記コイルばねの内部に直線ワイヤ又は棒状の部材を挿入する段階と、
２つのグリップを互いに反対方向に回転させて前記コイルばねにねじれ変形を与えコイル径を縮小する縮径段階と、
前記縮径段階が終了した後、前記コイルばねの両端間の間隔を調整して前記コイルばねのピッチを調節するピッチ調節段階と、
前記ピッチ調節段階を経たコイルばねに形状記憶熱処理を行う熱処理段階と、
を含むことを特徴とする形状記憶合金コイルばねの製造方法。 - 前記直線ワイヤは、前記コイルばねの内部に複数配置することを特徴とする請求項１１に記載の形状記憶合金コイルばねの製造方法。
- 前記直線ワイヤは、前記縮径段階における前記コイルばねの縮径範囲を決定するために、前記コイルばねの最終内径に該当する直径を有する円周上に位置させることを特徴とする請求項１１又は１２に記載の形状記憶合金コイルばねの製造方法。
- 前記グリップの外周面には前記コイルばねの両端が挿入される螺旋形の溝が形成され、
前記固定段階は、前記コイルばねの両端を前記螺旋形の溝に挿入して固定することを特徴とする請求項１１〜１３のいずれか１つに記載の形状記憶合金コイルばねの製造方法。 - 前記縮径段階、前記ピッチ調節段階及び前記熱処理段階は、繰り返し複数回行うことを特徴とする請求項１１〜１４のいずれか１つに記載の形状記憶合金コイルばねの製造方法。
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