JP5864647B2 - 繊維強化樹脂製コイルバネ、及び繊維強化樹脂製コイルバネの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、繊維強化樹脂製のコイルバネ、及び繊維強化樹脂製コイルバネの製造方法に関するものである。

自動車、オートバイ等の輸送移動用機械の燃料消費効率の向上や、駆動機械のサージング防止に有効であるとの観点から、機械要素としてのコイルバネの軽量化が求められている。こういった要請に応えて、従来から、炭素繊維、ガラス繊維等の繊維に樹脂を含浸させてなる繊維強化樹脂製のコイルバネが提案されている。繊維強化樹脂製のコイルバネは、軽量であるだけでなく、比強度、比弾性率が高く、また耐薬品性、耐食性等といった物理的特性にも優れているものである。

繊維強化樹脂製コイルバネを製造するにあたっては、特許文献１に記載されるような製造方法が従来から知られている。特許文献１に記載される繊維強化樹脂製コイルバネの製造方法は、繊維強化樹脂製の直線状の芯材に対して、繊維強化樹脂製の巻きつけ素材を複数層巻きつけることによって直線状のバネ素材を形成し、該バネ素材を、らせん状のピッチを持つように切欠きが形成された金型内に保持した後、金型を加熱炉内で加熱することによって製造するものである。ここでは、芯材及び巻きつけ素材として、炭素繊維からなる繊維束にエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を含浸させたものを用いており、バネ素材を金型とともに加熱炉内で加熱することによって、マトリックス樹脂としての熱硬化性樹脂を熱硬化させることによりコイルバネを成形している。

特開２００６−２２６３２７

しかし、このような従来の製造方法では、熱硬化性樹脂を熱硬化させるために、バネ素材が保持された金型を、加熱炉内で１２０℃〜２００℃の温度で１〜２時間程度加熱処理する必要があり、加熱成形に長時間を要するものであった。また、連続してコイルバネを製造する場合には、金型の温度を熱硬化性樹脂の硬化温度より下がるまで完全に冷却する必要があり、コイルバネ脱型後の金型の冷却に長時間を要するものであった。

したがって、繊維強化樹脂製コイルバネのマトリックス樹脂を熱硬化性樹脂とする従来の製造方法では、一度のコイルバネの製造サイクルが長くなるばかりでなく、コイルバネの連続的な製造サイクルも長くなるといった問題があった。また、同一仕様のコイルバネを量産する際には多くの金型を用意する必要があり、多大な初期投資を要した。さらに、例えば径の異なる異種仕様のコイルバネを製造する際にも、それぞれ対応する異なる金型が必要となって複数の金型を準備する必要があり、製造コストが高くなるといった問題があった。そして、熱硬化性樹脂の熱硬化には長時間を要することから、長時間の成形加工中にバネ素材を安定的に保持するためにバネ素材を金型に対して強固に固定する必要があり、そのために、固定するための作業が煩雑となって作業効率が良好ではないといった問題もあった。

本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、軽量で、かつ、物理的特性に優れた繊維強化樹脂製コイルバネを容易に製造することが可能な繊維強化樹脂製コイルバネの製造方法を提供することである。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の繊維強化樹脂製コイルバネの製造方法に係る発明は、繊維束が一方向に整列した状態で熱可塑性樹脂を含浸させてテープ状の繊維強化樹脂製テープを形成する含浸工程と、前記繊維強化樹脂製テープを、芯材の軸線方向に対して所定角度の一方向のみに傾斜させて複数層巻きつけて繊維強化樹脂製の素線とする巻回工程と、前記素線を加熱してらせん状とする加熱工程と、前記らせん状とされた素線を冷却する冷却工程とを備え、前記巻回工程は、前記繊維強化樹脂製テープを複数層巻きつける際に、前記複数層のすべてで前記繊維強化樹脂製テープの両縁部に重なり部分が形成されるようにすることを要旨とする。

この構成によれば、熱硬化性樹脂を含浸させたものを素線として用いる場合に比べて、コイルバネを成形するための時間を短縮することができる。熱硬化性樹脂を加熱硬化させることでコイルバネを成形する場合には、素線を金型内に強固に固定しつつ熱硬化性樹脂の硬化反応を十分に進行させる必要があり、また、コイルバネを脱型するために金型を十分に冷却させる必要があって、成形に要する時間が長くかかる。これに対して、熱可塑性樹脂を含浸させたものを素線として用いる場合には、加熱時間を熱硬化性樹脂の熱硬化時間に比べて短くすることが可能である。また、素線を金型に強固に固定する手間が省ける。したがって、コイルバネの製造に要する時間を短くすることができ、コイルバネの製造に要する作業を軽減することができる。軽量で、かつ、物理的特性に優れた繊維強化樹脂製コイルバネを容易に製造することができる。

請求項２に記載の発明は、前記含浸工程は、前記繊維束が一方向に整列した状態で前記熱可塑性樹脂を含浸させて、前記繊維強化樹脂製テープの長手方向に沿った一方向に前記繊維束を配向させるようにすることを要旨とする。

この構成によれば、比強度の高いコイルバネを容易に製造することができる。
請求項３に記載の発明は、前記含浸工程は、前記繊維束に熱可塑性エポキシ樹脂を含浸させることを要旨とする。

この構成によれば、比強度の高いコイルバネを容易に製造することにさらに貢献することができる。
上記目的を達成するために、請求項４に記載の繊維強化樹脂製コイルバネに係る発明は、繊維強化樹脂製の素線からなるらせん状の繊維強化樹脂製コイルバネであって、前記繊維強化樹脂は熱可塑性樹脂であり、前記素線は、長手方向の一方向に繊維束が配向された繊維強化樹脂製テープが、芯材の軸線方向に対して所定角度の一方向のみに傾斜して巻きつけられた複数層が接合されており、前記複数層のすべてが、前記繊維強化樹脂製テープの両縁部に重なり部分を有していることを要旨とする。

この構成によれば、素線は、テープ状の繊維強化樹脂が複数層巻きつけられて形成されているため、積層されるテープ間に隙間が生じない状態とすることができ、こういった素線をらせん状に巻回することで、コイルバネの比強度を向上させることができる。

請求項５に記載の発明は、前記熱可塑性樹脂は、熱可塑性エポキシ樹脂であることを要旨とする。
この構成によれば、コイルバネの比強度をさらに向上させることができる。

本発明によれば、軽量で、かつ、物理的特性に優れた繊維強化樹脂製コイルバネを容易に製造することができる。

繊維強化樹脂製コイルバネの斜視図。 繊維強化樹脂製コイルバネを構成する素線の斜視図。 含浸工程の説明図。 巻回工程の説明図。 素線の一部を展開した模式図。

以下、本発明の繊維強化樹脂製コイルバネの一実施形態について図面に基づいて説明する。
図１に示すように、繊維強化樹脂製コイルバネ（以下、コイルバネという。）１は、素線２を所定の径、所定のピッチでらせん状に巻いて形成されている。図１は、素線２をらせん状に巻きつける方向をＺ方向とする圧縮型のコイルバネ１として図示する。

図２に示すように、素線２は、芯材４に繊維強化樹脂製テープ３を複数層巻回して形成されてなるものである。繊維強化樹脂製テープ３が複数層巻回されることで、素線２は、芯材４の周囲に所定の厚みを有するように形成されている。本実施形態のＺ方向にらせん状となる圧縮型のコイルバネ１では、繊維強化樹脂製テープ３は、芯材４に対してＳ方向に巻きつけられている。

繊維強化樹脂製テープ３は、加温して溶融軟化したマトリックス樹脂としての熱可塑性樹脂３１を繊維束３２に含浸させて冷却することによりテープ状に形成されている。繊維強化樹脂製テープ３における繊維束３２は、繊維強化樹脂製テープ３の長手方向の一方向に配向している。図２では、繊維束３２の配向方向がわかるように、巻回された繊維強化樹脂製テープ３の一部にのみ熱可塑性樹脂３１と繊維束３２とを記載している。本実施形態では、繊維強化樹脂製テープ３は芯材４の軸線方向に対して略４５゜傾斜した状態で平行に巻きつけられていることから、繊維強化樹脂製テープ３の繊維束３２は、素線２の軸線方向に対して略４５゜傾斜した状態で配向されていることになる。

繊維強化樹脂製テープ３のマトリックス樹脂としての熱可塑性樹脂３１は、従来公知の熱可塑性樹脂を適宜使用することができる。例えば、熱可塑性エポキシ樹脂、ナイロン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリカーボネート樹脂、アクリロニトリルーブタジエンースチレン共重合体樹脂（ＡＢＳ樹脂）、ポリアセタール樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂、ポリスチレン樹脂、アクリロニトリルースチレン樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、アクリル樹脂等を使用することができる。これらの樹脂を単体で用いてもよく、また、適宜混合して用いてもよい。

これら熱可塑性樹脂の中でも、繊維束３２に対する含浸しやすさの観点から言えば、熱可塑性エポキシ樹脂が好ましい。繊維束３２に対しての含浸性に優れることから、成形された繊維強化樹脂製テープ３中でのボイドの発生を抑制でき、得られるコイルバネ１の比強度を高くすることができる。

繊維強化樹脂製テープ３に配向される繊維束３２は、従来公知の繊維を適宜使用することができる。例えば、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、ボロン繊維、ポリエチレン繊維、ナイロン等を使用することができる。炭素繊維の場合、ポリアクリロニトリル系、石油・石炭ピッチ系、レーヨン系、リグニン系等いずれを使用してもよい。

芯材４は、金属、繊維強化樹脂のいずれによって構成されていてもよく、金属と繊維強化樹脂とから構成されていてもよい。芯材４に繊維強化樹脂製テープ３を安定して巻きつけることができることから、捩り剛性に優れた金属であることが好ましいが、コイルバネ１の軽量化の観点から言えば繊維強化樹脂であることが好ましい。

芯材４を構成する金属は、従来公知の金属を適宜使用することができる。例えば、アルミニウム、マグネシウム、チタン、ステンレス、鉄鋼（クロムモリブデン鋼、軟鋼）等を使用することができる。また、芯材４を構成する繊維強化樹脂は、繊維強化樹脂製テープ３と同様に、従来公知の繊維束を従来公知のマトリックス樹脂に含浸させたものを使用することができる。芯材４を構成する繊維強化樹脂の繊維束及び繊維は、繊維強化樹脂製テープ３と同じ材質のものに限定されることはないが、樹脂については、熱可塑性樹脂から適宜選択されたいずれかの樹脂とする。

次に、素線２における繊維強化樹脂製テープ３の巻きつけ方向と、コイルバネ１における素線２の巻きつけ方向について説明する。図１に示すような、素線２をＺ方向に巻きつけてなる圧縮型のコイルバネ１の場合、素線２は、図２に示すように、繊維強化樹脂製テープ３がＳ方向となるように巻きつけられたものを用いる。逆に、素線２をＳ方向に巻きつけてなる圧縮型のコイルバネ１の場合には、繊維強化樹脂製テープ３がＺ方向となるように巻きつけられたものを用いればよい。圧縮型のコイルバネ１では、素線２における繊維強化樹脂製テープ３の巻きつけ方向と、コイルバネ１における素線２の巻きつけ方向とをこのような関係とすることで、素線２を形成する繊維強化樹脂製テープ３の繊維束３２の配向方向が、コイルバネ１の引張り方向の応力となり、コイルバネ１のバネ定数を大きく確保することができる。

なお、引張型のコイルバネ１の場合には、直線状の素線２の繊維強化樹脂製テープ３の巻きつけ方向と、素線２の巻きつけ方向とが同方向となるようにすることで、コイルバネ１のバネ定数を大きくすることができる。つまり、素線２の巻きつけ方向がＳ方向の引張型のコイルバネ１では、素線２の繊維強化樹脂製テープ３の巻きつけ方向をＳ方向とし、素線２の巻きつけ方向がＺ方向の引張型のコイルバネ１では、素線２の繊維強化樹脂製テープ３の巻きつけ方向をＺ方向とすればよい。

次に、本発明の繊維強化樹脂製コイルバネの製造方法の一実施形態について図面に基づいて説明する。
まず、繊維束３２に熱可塑性樹脂を含浸させてテープ状の繊維強化樹脂製テープ３を形成する含浸工程について説明する。

図３に示すように、繊維束３２が巻かれたボビン５から繊維束３２が引き出され、上流側のガイドローラ６を経て含浸槽７内の熱可塑性樹脂３１中に繊維束３２が案内される。繊維束３２は、含浸槽７に案内されるまでの間に図示しない解繊手段によって解繊されて配向方向が整えられる。

また、含浸槽７は図示しない加熱手段によって加熱されており、含浸槽７内の熱可塑性樹脂３１は溶融軟化してその粘度が低下した状態となっている。含浸槽７の温度は、使用する熱可塑性樹脂３１に応じて適宜設定されればよく、設定温度は、熱可塑性樹脂３１が溶融軟化されて粘度が低下した状態となり、繊維束３２に良好に含浸する可能な温度とすればよい。

含浸槽７内で熱可塑性樹脂３１が含浸された繊維束３２は、含浸槽７から引き出されて下流側のガイドローラ６を経て、冷却ローラ８、８に案内される。冷却ローラ８、８では、熱可塑性樹脂３１が含浸された繊維束３２がテープ状に成形されるとともに、熱可塑性樹脂３１の融点以下まで急冷されて、ボビン９に巻き取られる。以上説明した含浸工程により、その長手方向に繊維束３２が配向された繊維強化樹脂製テープ３が得られる。

次に、繊維強化樹脂製テープ３を、芯材４に巻きつけて素線２を形成する巻回工程について説明する。
図４に示すように、細い棒状の芯材４に、含浸工程にて得られた繊維強化樹脂製テープ３を、芯材４の長手方向に対してθの角度で傾斜させた状態で順次繰り出して巻きつけていく。本実施形態では、繊維強化樹脂製テープ３の傾斜角度θを略４５゜としている。このとき、繊維強化樹脂製テープ３には、適宜張力をかけながら巻きつけていくが、これにより、繊維強化樹脂製テープ３のたわみを抑制し、複数層巻きつけられた繊維強化樹脂製テープ３の層間に隙間が生じないようにする。図４では、芯材４に対して繊維強化樹脂製テープ３をＳ方向に巻きつける工程を示しており、図４の右端部は、芯材４と繊維強化樹脂製テープ３との関係をわかりやすく示すために部分断面図としている。

繊維強化樹脂製テープ３を巻きつける際、芯材４は図示しないクランプにより径方向（図４の矢印Ａ方向）に回転可能、軸線方向（図４の矢印Ｂ方向）に移動可能に軸支されている。本実施形態では、芯材４を回転させることによって、ボビン９から引き出された繊維強化樹脂製テープ３をＳ方向４５゜の一方向に巻きつけ、芯材４を軸線方向に移動させることによって、巻きつけられる繊維強化樹脂製テープ３の両縁部の一部が重なって重なり部分３３が生じるようにして巻きつけている。

芯材４に繊維強化樹脂製テープ３を巻きつけるに際し、繊維強化樹脂製テープ３に張力をかけるとともに、繊維強化樹脂製テープ３の両縁部に重なり部分３３が形成されるようにしている。これにより、芯材４と最下層の繊維強化樹脂製テープ３の間、繊維強化樹脂製テープ３の層間、或いは、隣り合う繊維強化樹脂製テープ３同士の両縁部の間に隙間が形成されないようにすることができる。こうして、内部に空隙が形成されない素線２を得ることができ、最終的に得られるコイルバネ内の空隙率を減少させることができる。素線２内での隙間の形成を抑制するために、繊維強化樹脂製テープ３の引き出し速度、芯材４の径方向（図４の矢印Ａ方向）への移動速度（芯材４の回転速度）、及び芯材４の軸線方向（図４の矢印Ｂ方向）への移動速度を適宜制御している。以下に、巻回工程におけるこれら速度の制御について説明する。

素線２は、芯材４に繊維強化樹脂製テープ３を複数層巻きつけて、芯材４の周囲に所定の厚みを有するように形成されている。したがって、巻回工程初期の段階での素線２の径に対して、巻回工程が進むにつれて素線２の径が徐々に増加し、径の増加に伴って繊維強化樹脂製テープ３の芯材４に対する巻きつけ量（芯材４の周方向における巻きつけ量）が増加する。本実施形態では、こういった素線２の径の変化に伴って、繊維強化樹脂製テープの引き出し速度、芯材４の回転速度、及び芯材４の軸線方向への移動速度を制御している。

図５により、芯材４に対する繊維強化樹脂製テープ３の巻きつけ量について説明する。図５は、繊維強化樹脂製テープ３が巻きつけられた素線２の一部を展開した模式図である。図５の上下方向の長さが、素線２の１周分の長さに相当するように記載している。芯材４に対して傾斜角度θで繊維強化樹脂製テープ３を巻きつけた場合、素線２の半径をｒとすると、傾斜角度θで巻きつけられた繊維強化樹脂製テープ３の１周分の長さは２πｒ／ｓｉｎθとなる。一方、巻回工程終期の段階で素線２の半径が増加して（ｒ＋α）となったとすると、傾斜角度θで巻きつけられた繊維強化樹脂製テープ３の１周分の長さは２π（ｒ＋α）／ｓｉｎθとなり、２πα／ｓｉｎθに相当する分繊維強化樹脂製テープ３の巻きつけ量が増加している。

したがって、芯材４の径方向（図４の矢印Ａ方向）への移動速度（芯材４の回転速度）を一定とした場合には、素線２の半径増加に伴う素線２の１周分の巻きつけ量の増加分を吸収するように、繊維強化樹脂製テープ３の引き出し量、すなわち、繊維強化樹脂製テープ３に引き出し速度を徐々に増加させるように制御している。具体的には、繊維強化樹脂製テープ３が巻きつけられて素線２の半径ｒがα増加するごとに、１周当たりの巻きつけ量が２πα／ｓｉｎθに相当する分長くなるように、芯材４の径方向への移動速度を増加させる制御を行っている。

なお、繊維強化樹脂製テープ３の引き出し速度を変化させることなく、芯材４の回転速度を変化させることで制御するようにしてもよく、あるいは、繊維強化樹脂製テープ３の引き出し速度と芯材４の回転速度との両方を適宜変化させるようにしてもよい。

次に、芯材４の軸線方向（図４の矢印Ｂ方向）への移動速度の制御について説明する。本実施形態では、芯材４を軸線方向に移動させることによって、巻きつけられる繊維強化樹脂製テープ３の両縁部に重なり部分３３が形成されるようにしている。したがって、使用する繊維強化樹脂製テープ３の幅に応じて、重なり部分３３が生じるように芯材４の軸線方向への移動速度（Ｂ方向への移動速度）を制御する。

図５に示すように、繊維強化樹脂製テープ３の幅をｈとすると、繊維強化樹脂製テープ３の芯材４の軸線方向への長さは、ｈ／ｓｉｎθとなる。したがって、重なり部分３３が生じるように芯材４を軸線方向へ移動させるには、繊維強化樹脂製テープ３が芯材４に巻きつけられながら２πｒ／ｓｉｎθの距離移動する間に、芯材４がその軸線方向に、ｈ／ｓｉｎθの距離以下で移動すればよいことになる。

ここで、芯材４に繊維強化樹脂製テープ３が複数層巻きつけられて、素線２の半径が増加して（ｒ＋α）となったとする。この場合に、同じ幅ｈの繊維強化樹脂製テープ３を同じ引き出し速度で巻きつけていくとすると、繊維強化樹脂製テープ３の１周分の長さが２πα／ｓｉｎθに相当する分長くなったことにより、巻きつけに要する時間も長くなる。このとき、芯材４の軸線方向への移動速度が同じであるとすると、重なり部分３３が生じないばかりか、芯材４の軸線方向に隣り合う繊維強化樹脂製テープ３の両縁部の間に隙間が形成されることになる。そこで、こういった事態を回避して、繊維強化樹脂製テープ３に重なり部分３３が生じるように、芯材４の軸線方向への移動速度を制御するようにする。具体的には、芯材４が回転して繊維強化樹脂製テープ３が２πｒ／ｓｉｎθ巻きつけられる間に、芯材４の軸線方向への移動量がｈ／ｓｉｎθ以下となるように制御するとともに、半径ｒの増加量αに比例するように、芯材４の軸線方向への移動量を増加させる制御をすればよい。これにより、重なり部分３３が形成されるとともに、半径ｒの増加量αに伴って重なり部分３３を一定の幅で形成することができる。

一方、芯材４の軸線方向への移動速度を一定に保持した状態で、半径ｒの増加量αに伴って繊維強化樹脂製テープ３の幅を徐々に広くしていくようにしてもよい。このようにすれば、芯材４の径方向への移動速度、及び芯材４の軸線方向への移動速度を変更することなく重なり部分３３を形成することが可能となり、クランプに軸支された芯材４の高度な制御を行うことが不要となる。具体的には、半径ｒに比例するように繊維強化樹脂製テープ３の幅ｈを徐々に広げていけばよい。つまり、芯材４への繊維強化樹脂製テープ３の巻きつけが１周分終了する毎に、繊維強化樹脂製テープ３の幅が所定幅広くなるように形成されたものを巻きつけていくようにする。

以上説明したように、素線２内での隙間の形成を抑制するために、繊維強化樹脂製テープ３の引き出し速度、芯材４の径方向（図４の矢印Ａ方向）への移動速度（芯材４の回転速度）、及び芯材４の軸線方向（図４の矢印Ｂ方向）への移動速度を適宜制御するようにしている。これらの各速度のいずれか一つを制御するようにしてもよく、各速度の制御を組み合わせて行ってもよい。要は、素線２内に不要な隙間が形成されないよう、密に繊維強化樹脂製テープ３が巻きつけられるように各速度を適宜制御するようにする。また、巻回工程の進行に伴って、繊維強化樹脂製テープ３の幅を所定幅ずつ広げていって、巻きつけ時の素線２の径に応じて繊維強化樹脂製テープ３の幅を広くするようにすることもできる。これにより、繊維強化樹脂製テープ３の両縁部の間に隙間が形成されないように制御する。

このようにして巻きつけられた繊維強化樹脂製テープ３は、芯材４と繊維強化樹脂製テープ３、もしくは、繊維強化樹脂製テープ３同士の接触部分を、図示しない加熱手段により部分的に加熱する。これにより、芯材４と最下層に巻回された繊維強化樹脂製テープ３が溶融されて接合され、芯材４の軸線方向に隣り合う繊維強化樹脂製テープ３の両縁部の重なり部分３３が溶融されて接合される。このようにして、繊維強化樹脂製テープ３を芯材４に隙間なく複数層巻回して、所望の径を備えた素線２を形成する。

次に素線２を加熱してらせん状とする加熱工程について説明する。
加熱工程は、素線２を加熱してマトリックス樹脂である熱可塑性樹脂を溶融軟化し、その粘度を低下させて素線２を成形可能な状態とし、マトリックス樹脂が溶融軟化した素線２を、コイルバネ形状であるらせん状に変形させる工程である。

加熱工程における加熱温度は、素線２を構成する熱可塑性樹脂の種類に応じて適宜設定すればよい。次いで、加熱によって熱可塑性樹脂が溶融軟化した素線２を、溶融軟化した状態を保持しながら金型の螺旋溝に巻回して固定する。内部に螺旋溝が形成された金型は、あらかじめ素線２の加熱温度と同じ温度にまで加熱しておく。素線２をらせん状に固定した後、金型を冷却することによりらせん形状に成形されてらせん状のコイルバネが得られる。

加熱工程における加熱時間は、素線２のマトリックス樹脂を溶融軟化させ、軟化した素線２を金型に保持して、その形状をらせん状に整えるまでの時間として確保されていればよい。素線２のマトリックス樹脂が熱硬化性樹脂であった場合には、熱硬化反応が進行して熱硬化性樹脂が熱硬化するまで素線２が保持された金型を加熱し続ける必要があるが、熱可塑性樹脂をマトリックス樹脂とする本実施形態では、熱可塑性樹脂が溶融軟化する温度まで加熱した金型内で素線２を保持することによって素線２を変形可能である。したがって、熱硬化性樹脂を使用した場合に比べて、大幅に加熱時間を短縮することができる。

次に、加熱工程でらせん状とされた素線２を室温まで冷却する（冷却工程）。冷却工程を経ることにより、らせん状に成形されたコイルバネ１が得られる。素線２を加熱してらせん状とする加熱工程と、加熱によりらせん状に変形された素線２を冷却する冷却工程を経て、直線状の素線２がらせん状のコイルバネ１へと成形される。熱硬化性樹脂は、通常２００℃近くまで加熱して熱硬化させる必要があるが、熱可塑性エポキシ樹脂は約１５０゜の加熱温度で熱軟化させることができる。加熱温度が熱硬化性樹脂を用いた場合より低い温度で行われることにより、らせん状とされた素線２を室温まで冷却する時間も短い時間とすることができる。

次に、本実施形態のコイルバネ１及びその製造方法の作用について述べる。
コイルバネ１の素線２を、熱可塑性樹脂をマトリックス樹脂とする繊維強化樹脂製テープを巻きつけることにより形成している。熱硬化性樹脂をマトリックス樹脂とする従来の製造方法では、熱硬化性樹脂の熱硬化に高い加熱温度を要していたが、マトリックス樹脂として熱可塑性エポキシ樹脂を使用することで、低い温度での加熱成形が容易に行えるようになる。加熱後の素線２の冷却時間も短縮される。

また、熱硬化性樹脂をマトリックス樹脂とする従来の製造方法では、熱硬化性樹脂の熱硬化に長時間を要することから、長時間の成形加工中に素線を安定的に保持するために素線を金型に対して強固に固定する必要があった。本実施形態の素線２は、熱可塑性樹脂をマトリックス樹脂としていることから、成形に要する時間を短縮することができるため、コイルバネ１の成形にあたって、巻回された素線２を長時間強固に形状保持する必要がなくなる。

コイルバネ１は、繊維強化樹脂製テープ３を芯材４の軸線方向に対して略４５゜の一方向に傾斜させて複数層巻きつけられた素線２により成形されている。素線２の形成にあたり、繊維強化樹脂製テープ３には、張力がかけられている。これにより、積層された繊維強化樹脂製テープ３の層間に隙間が形成されることが抑制される。

また、芯材４の軸線方向に隣り合う繊維強化樹脂製テープ３には、その両縁部に重なり部分３３が形成されるように巻きつけられる。そして、芯材４と繊維強化樹脂製テープ３、もしくは、繊維強化樹脂製テープ３同士の接触部分は、加熱手段により部分的に加熱される。巻回工程におけるこういった巻きつけ方法によっても、積層された繊維強化樹脂製テープ３の層間に隙間が形成されることが抑制される。

巻回工程では、繊維強化樹脂製テープ３の引き出し速度、芯材４の径方向への移動速度、及び芯材４の軸線方向への移動速度を適宜制御している。こういった制御により、芯材４と最下層の繊維強化樹脂製テープ３の間、或いは、隣り合う繊維強化樹脂製テープ３同士の間に隙間が形成されないような状態で、繊維強化樹脂製テープ３を密に巻きつけることができる。

巻回工程では、繊維強化樹脂製テープ３の幅を徐々に広くして巻きつけるようにしてもよい。こうすることで、芯材４の径方向への移動速度、及び芯材４の軸線方向への移動速度を制御することが必要でなくなる。

圧縮バネとしてのコイルバネとする場合には、素線２の繊維強化樹脂の配向方向を、芯材４の軸線方向に対して４５゜のＳ方向に傾斜させて巻きつけるとともに、素線２をＺ方向にらせん状に成形してコイルバネとしている。また、引張バネとしてのコイルバネとする場合には、素線２の繊維強化樹脂の配向方向を、芯材４の軸線方向に対して４５度のＳ方向に傾斜させて巻きつけるとともに、素線２をＳ方向にらせん状に成形してコイルバネとしている。素線２の繊維強化樹脂の配向方向と、素線２の巻きつけ方向とをこういった関係とすることで、素線を構成するすべての層がコイルバネの引張り方向の応力となるようにできる。

次に、本実施形態のコイルバネ１及びその製造方法の効果について述べる。
（１）加熱工程において、巻回された素線２を長時間強固に形状保持する必要がなく、コイルバネの製造工程を簡略化することができる。したがって、繊維強化樹脂製コイルバネを容易に製造することができる。

（２）マトリックス樹脂として熱可塑性樹脂を採用することで、素線２を保持する金型を冷却すること必要がなく、コイルバネの製造工程を簡略化することができる。熱硬化性樹脂をマトリックス樹脂とした場合、金型が完全に冷却されていないと素線２を金型内に配置する際に熱硬化反応が進行することになるが、熱可塑性樹脂をマトリックス樹脂とした場合、こういった不都合が生じない。特に、連続してコイルバネを製造するような場合には、熱硬化性樹脂を採用すると、熱硬化温度より完全に下がるまで正確に温度制御する必要があるが、熱可塑性樹脂を採用すると、金型温度を熱可塑温度より下げるといった必要がなく、金型の温度管理における作業性を向上させることができる。

（３）マトリックス樹脂として熱可塑性エポキシ樹脂を採用することで、低い温度での加熱成形が容易に行える。熱硬化性樹脂を採用する場合に比べて、加熱工程においては素線２を高温に加熱する必要がなく、また、冷却工程においては冷却に必要な温度範囲が小さくなる。加熱工程において所望の温度とするまでの時間を短縮することができるばかりでなく、冷却工程においても所望の温度とするまでの時間を短縮することができる。これにより、軽量で、かつ、物理的特性に優れた繊維強化樹脂製コイルバネを容易に製造することができる。

（４）繊維強化樹脂製テープ３は、張力をかけながら巻きつけられることにより、積層される繊維強化樹脂製テープ３の各層間に隙間が形成されることが抑制される。これにより、素線２内のボイドの発生を抑制することができ、成形されたコイルバネ１の比強度を向上させることができる。

（５）素線２は、繊維強化樹脂製テープ３同士が一部重なるように重なり部分３３を形成して巻回されているため、隣合う繊維強化樹脂製テープ３間に隙間が生じることが抑制される。これにより、積層される繊維強化樹脂製テープ３の各層間に隙間が形成されることが抑制され、成形後のコイルバネ１における繊維強化樹脂層のボイド発生率を抑制することができる。繊維強化樹脂製コイルバネの強度を向上させることができる。

（６）巻回工程では、繊維強化樹脂製テープ３の引き出し速度、芯材４の径方向への移動速度、及び芯材４の軸線方向への移動速度の制御により、積層される繊維強化樹脂製テープ３間に隙間が形成されることが抑制される。素線２内のボイド発生率の抑制と、コイルバネ１の比強度向上に貢献できる。

（７）巻回工程では、繊維強化樹脂製テープ３の幅を徐々に広くして巻きつけるようにして、芯材４の径方向への移動速度、及び芯材４の軸線方向への移動速度の制御を不要としている。これにより、製造装置の高度な制御が不要となり、製造装置を簡略化することができるため、製造コストを低く抑えることができる。

（８）素線２の繊維強化樹脂の配向方向と素線２の巻きつけ方向との関係を、素線２を構成するすべての層がコイルバネの引張り方向の応力となるようにしている。これにより、コイルバネとしての比強度を向上させることができる。

（９）芯材４に繊維強化樹脂製テープ３を巻きつける際、繊維強化樹脂製テープ３を送り出す機構を芯材４の周りに複数並列配置するようにすれば、連続的に高速で素線２を生産することができる。これにより、繊維強化樹脂製コイルバネを容易に製造することができ、その生産性が向上する。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよく、また、以下の変更例を組み合わせて適用してもよい。
・ 本実施形態では、繊維強化樹脂製テープ３を芯材４の長手方向に対してＳ方向４５゜の一方向に巻きつける場合について記載したが、必ずしも４５゜に限定されるものではない。３０〜６０゜の範囲で適宜変更することができる。

・ 本実施形態では、繊維強化樹脂製テープ３を形成するに際し、含浸槽７内で加熱されることにより溶融軟化された熱可塑性樹脂３１中に案内することにより繊維束３２に熱可塑性樹脂３１を含浸させた。しかし、含浸槽７内で熱可塑性樹脂３１を含浸させる方法に限られるものではなく、他の方法によって熱可塑性樹脂３１を繊維束３２に含浸させるようにしてもよい。

・ 芯材４に繊維強化樹脂製テープ３を巻きつける工程では、芯材４を軸線方向に移動させることによって、巻きつけられる繊維強化樹脂製テープ３の両縁部の一部が重なって重なり部分３３が生じるようにしたが、重なり部分３３が生じないように巻きつけるようにしてもよい。このとき、芯材４の軸線方向に隣り合う繊維強化樹脂製テープ３同士の間に隙間ができないように巻きつけると、複数層積層された積層方向の繊維強化樹脂製テープ３の間にも隙間が生じないようにすることができて、加熱成形後のコイルバネのボイド発生を抑制することができる。

１…繊維強化樹脂製コイルバネ、２…素線、３…繊維強化樹脂製テープ、４…芯材、３１…熱可塑性樹脂、３２…繊維束。

Claims (5)

1. 繊維束が一方向に整列した状態で熱可塑性樹脂を含浸させてテープ状の繊維強化樹脂製テープを形成する含浸工程と、
   前記繊維強化樹脂製テープを、芯材の軸線方向に対して所定角度の一方向のみに傾斜させて複数層巻きつけて繊維強化樹脂製の素線とする巻回工程と、
   前記素線を加熱してらせん状とする加熱工程と、
   前記らせん状とされた素線を冷却する冷却工程と
   を備え、
   前記巻回工程は、前記繊維強化樹脂製テープを複数層巻きつける際に、前記複数層のすべてで前記繊維強化樹脂製テープの両縁部に重なり部分が形成されるようにする繊維強化樹脂製コイルバネの製造方法。
2. 前記含浸工程は、前記繊維束が一方向に整列した状態で前記熱可塑性樹脂を含浸させて、前記繊維強化樹脂製テープの長手方向に沿った一方向に前記繊維束を配向させるようにする請求項１記載の繊維強化樹脂製コイルバネの製造方法。
3. 前記含浸工程は、前記繊維束に熱可塑性エポキシ樹脂を含浸させる請求項１又は２記載の繊維強化樹脂製コイルバネの製造方法。
4. 繊維強化樹脂製の素線からなるらせん状の繊維強化樹脂製コイルバネであって、
   前記繊維強化樹脂は熱可塑性樹脂であり、
   前記素線は、長手方向の一方向に繊維束が配向された繊維強化樹脂製テープが、芯材の軸線方向に対して所定角度の一方向のみに傾斜して巻きつけられた複数層が接合されており、
   前記複数層のすべてが、前記繊維強化樹脂製テープの両縁部に重なり部分を有している繊維強化樹脂製コイルバネ。
5. 前記熱可塑性樹脂は、熱可塑性エポキシ樹脂である請求項４記載の繊維強化樹脂製コイルバネ。