JP6722079B2

JP6722079B2 - 渦巻きばねの製造方法

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Publication number: JP6722079B2
Application number: JP2016190120A
Authority: JP
Inventors: 宣暁鈴木; 淳也鶴渕
Original assignee: Fujikura Composites Inc
Current assignee: Fujikura Composites Inc
Priority date: 2016-09-28
Filing date: 2016-09-28
Publication date: 2020-07-15
Anticipated expiration: 2036-09-28
Also published as: JP2018051905A

Description

本発明は、渦巻きばねに係り、特に繊維強化樹脂を用いた渦巻きばねの製造方法に関する。

渦巻きばねは、長尺の薄板材を渦巻き状に巻いた構造であり、内側端部と外側端部が周方向に相対的に移動して縮径することにより弾性力を蓄積した状態となる。そして、この弾性力を開放することによりトルクが発生する。このような渦巻きばねは、所望部材の回転駆動等に使用される。また、渦巻きばねは、内側端部に固定された部材のトルクに応じて捻れるので、部材の回転トルクを緩衝することができ、この作用を利用した用途にも使用されている。

渦巻きばねは、薄板材の厚み、幅、巻き回し数、自由長状態における直径等に応じて、縮径する方向の回転トルクの変化に対する捻れ角度の変化が定まる。従来の渦巻きばねは、例えば、ばね用ステンレス鋼の薄板材を用いた金属製であり、用途に応じて、薄板材の厚み、幅、巻き回し数、自由長状態における直径等が設定されている（特許文献１、２）。
一方、コイルばねにおいては、近年、金属よりも柔軟性がありながら高い強度を有する繊維強化樹脂を芯材に螺旋状に巻きつけることにより、ばね定数を大きくしたものが開発されている（特許文献３）。

特開平１０−２３８５７３号公報特開２００６−２６７３７号特開２００６−２２６３２７号

渦巻きばねにおいても、金属の薄板材に繊維強化樹脂を併用することにより、例えば、縮径する方向の回転トルクの変化に対する捻れ角度の変化量の調整が容易になると考えられる。コイルばねと異なり、金属製の渦巻きばねに繊維強化樹脂を併用する場合、渦巻き方向に繊維が連続することが望ましい。しかし、渦巻き状の金属の薄板材の両面に、渦巻き方向に繊維が連続するように繊維強化樹脂を固着させた構造の渦巻きばねは、製造が困難である。
このため、芯材となる金属の薄板材を使用せずに、繊維強化樹脂のみで渦巻きばねを製造することが考えられる。しかしながら、長手方向に繊維が連続する炭素繊維等に樹脂組成物を浸みこませた長尺状のプリプレグを、金型の渦巻き状態の凹溝に収容し成型する方法では、金型の凹溝の内側の長さと外側の長さの違いによる影響で、金型の凹溝へのプリプレグの収容が困難である。また、例えば、裁断した炭素繊維等の繊維と樹脂組成物を混ぜて射出成形し、加熱硬化させる方法では、繊維配向がランダムとなり、繊維長が短く、ばね定数が大きい渦巻きばねの製造は困難である。また、長尺の炭素繊維等の繊維を金型の凹溝の渦巻き方向に沿って入れ込み、その後、溶融した熱硬化性樹脂組成物を低圧で注入して繊維間に樹脂を浸透させる成形方法では、長尺繊維が嵩≡であり、金型の凹溝への入れ込みが難しいという問題がある。さらに、炭素繊維等の繊維に樹脂組成物を浸みこませ、両面をフィルムで挟んだ状態の成形材料を所定の形状に裁断して複数の小片を作製し、この小片を金型に載置し、加熱、加圧して硬化させる方法では、繊維配向がランダムとなり、ばね定数が大きい渦巻きばねの製造は困難である。したがって、現状では、繊維強化樹脂からなり、所望のばね特性を具備するような渦巻きばねは得られていない。

本発明は、このような実状に鑑みてなされたものであり、所望のばね定数を具備した繊維強化樹脂製の渦巻きばねを容易に製造することができる渦巻き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、本発明は、繊維に熱硬化性の樹脂組成物を含浸させた長尺状のプリプレグシートであって、前記繊維の方向が長尺長手方向に対して所望の角度をなしているプリプレグシートを準備し、前記角度が長尺長手方向に対してプラスとなるプリプレグシートと、前記角度が長尺長手方向に対してマイナスとなるプリプレグシートとを交互に積層して長尺状積層体を形成し、渦巻き状の凹溝を有する金型の該凹溝に、前記長尺状積層体を曲げ変形させ収容してプリフォームを形成し、前記樹脂組成物を硬化するような構成とした。

本発明の他の態様として、長尺長手方向に対する繊維の方向の前記角度が異なる複数種のプリプレグシートを使用し、積層方向に向けて前記角度が大きくなる、あるいは、小さくなるように複数種の前記プリプレグシートを積層して前記長尺状積層体を形成し、前記長尺状積層体において前記角度が大きいプリプレグシートが位置する側を渦巻きの外側として前記プリフォームを形成するような構成とした。
本発明の他の態様として、前記長尺状積層体の中央に位置する前記プリプレグシートは、前記角度が５°以下であるような構成とした。
本発明の他の態様として、曲げ変形させて前記凹溝に収容した渦巻き状の前記長尺状積層体を、渦巻き方向に垂直な方向から加圧して、前記プリフォームを形成するような構成とした。

本発明は、所望のばね定数を具備した繊維強化樹脂製の渦巻きばねを製造することが可能である。

図１は、本発明の渦巻きばねの製造方法に使用するプリプレグシートを説明するための部分側面図である。図２は、プリプレグシートを積層して形成した長尺状積層体の部分側面図である。図３は、プリプレグシートを積層して形成した長尺状積層体の部分平面図である。図４は、渦巻き状の凹溝を有する渦巻きばね製造用の金型の平面図である。図５は、渦巻き状の凹溝における歪み量を説明するための図である。図６は、曲げ変形させて金型の凹溝に収容した渦巻き状の長尺状積層体を説明するための図である。図７は、本発明の渦巻きばねの製造方法に使用するプリプレグシートを説明するための部分側面図であり、図１に対応する図である。図８は、プリプレグシートを積層して形成した長尺状積層体の他の例を示す部分平面図であり、図３に対応する図である。図９は、渦巻きばねの捻れ角度と回転トルクとの関係を説明するための図である。図１０は、実施例における渦巻きばねのばね定数の解析条件を説明するための図である。

本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
尚、図面は模式的または概念的なものであり、各部材の寸法、或いは、各部材間の寸法の比等は、必ずしも現実のものと同一とは限らず、また、同じ部材等を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比が異なって表される場合もある。
図１は、本発明の渦巻きばねの製造方法に使用するプリプレグシートを説明するための部分側面図である。プリプレグシート１２，１３は、複数の繊維１５に硬化性の樹脂組成物１６を含浸させた長尺状のプリプレグシートである。プリプレグシート１２は、繊維１５の方向が長尺長手方向（図１に矢印ａで示す方向）に対してプラス、図示例では角度＋θをなしているプリプレグシートである。また、プリプレグシート１３は、繊維１５の方向が長尺長手方向（図１に矢印ａで示す方向）に対してマイナス、図示例では角度−θをなしているプリプレグシートである。図示例のように、繊維１５の方向に関するプラス（＋）、マイナス（−）は、長尺長手方向（図１に矢印ａで示す方向）に対して逆方向への角度を示している。したがって、プリプレグシート１２は、長尺長手方向をそのままに、表裏を逆にすると、プリプレグシート１３となる。以下において、繊維１５の方向が長尺長手方向に対してなす上記の角度を、繊維角度とも記す。尚、図示例では、繊維１５の太さ、ピッチ、本数は便宜的に記載している。

プリプレグシート１２，１３を構成する繊維１５としては、炭素繊維、ポリアマイド繊維、ボロン繊維、アルミナ繊維、アラミド繊維、ガラス繊維等からなる一方向繊維を使用することができる。また、硬化性の樹脂組成物１６としては、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリイミド樹脂等を使用することができる。
プリプレグシート１２，１３の厚みｔは、０．０２〜１．０ｍｍの範囲内で適宜設定することができる。また、プリプレグシート１２，１３の高さＨは、製造する渦巻きばねの高さを超えるものであればよいが、通常、渦巻きばねの高さの１〜１．４倍の範囲とすることができる。さらに、プリプレグシート１２，１３の長手方向の長さは、製造する渦巻きばねの自由長状態における外側端部から内側端部までの長さを超えるものであればよい。

図２は、上記のプリプレグシート１２，１３を積層して形成した長尺状積層体１１の部分側面図、図３は、部分平面図である。長尺状積層体１１は、繊維角度θが長尺長手方向（矢印ａ方向）に対してプラスとなるプリプレグシート１２と、繊維角度θが長尺長手方向に対してマイナスとなるプリプレグシート１３とを交互に積層したものである。図２では、プリプレグシート１２における繊維１５を実線で示し、プリプレグシート１３の繊維１５を一点鎖線で示している。このように、プリプレグシート１２，１３を交互に積層することにより、渦巻きばねを縮径して蓄積した弾性力を開放することにより発生するトルクの作用方向は、渦巻きばねの渦巻き平面内に収まり、トルクの作用効率が高いものとなる。
長尺状積層体１１を構成するプリプレグシート１２，１３の枚数は、長尺状積層体１１の厚みＴが、後述する金型の凹溝に収容可能な厚みとなるように設定することができ、製造する渦巻きばねの幅、プリプレグシート１２，１３の厚み等を考慮して適宜設定することができる。例えば、長尺状積層体１１を構成するプリプレグシート１２，１３の枚数が４０枚である場合、プリプレグシート１２を２０枚、プリプレグシート１３を２０枚使用する。したがって、尚、図３では、長尺状積層体１１の積層方向（図３に矢印ｂで示す方向）の両側端側に位置する３枚づつのプリプレグシートのみを示している。

図４は、渦巻き状の凹溝を有する渦巻きばね製造用の金型の平面図である。図４に示される金型３１は、外側端部３２ａから内側端部３２ｂへ向けて縮径する渦巻き状の凹溝３２を備えている。そして、外側端部３２ａにはアウターフック形成用の凹溝３２Ａ、内側端部３２ｂにはインナーフック形成用の凹溝３２Ｂがそれぞれ連続している。
金型３１における凹溝３２の最大径Ｄ、幅ｗ、１周毎の縮径量ΔＤは、製造する渦巻きばねに応じて適宜設定することができる。また、凹溝３２の深さｄは、製造する渦巻きばねの高さを超えるものであればよく、通常、渦巻きばねの高さの１〜１．５倍の範囲とすることができる。
この金型３１の凹溝３２に、長尺状積層体１１を曲げ変形させて収容する。図４では、凹溝３２内に収容されている長尺状積層体１１を、砂目模様を付して示している。金型３１の凹溝３２への長尺状積層体１１の収容は、凹溝３２の外側端部３２ａ、内側端部３２ｂのいずれから開始してもよい。

上記のプリプレグシート１２，１３において、繊維１５の方向が長尺長手方向（矢印ａ）となす角度（＋θ、−θ）は、長尺状積層体１１を曲げ変形させて渦巻き状とする金型３１の凹部３２における歪み量に応じて設定することができる。ここで、図４、図５に示すように、金型３１の凹溝３２の外側に沿った外側端部３２ａから内側端部３２ｂまでの長さ（外側長）をＬ_out、内側に沿った外側端部３２ａから内側端部３２ｂまでの長さ（内側長）をＬ_in、金型３１の凹溝３２の幅方向の中央における外側端部３２ａから内側端部３２ｂまでの長さ（中心線長）をＬ_Aとする。金型３１の凹部３２における歪み量は、中心線長Ｌ_Aに対する外側長Ｌ_outの比Ｌ_out／Ｌ_A（外側歪み量）、中心線長Ｌ_Aに対する内側長Ｌ_inの比Ｌ_in／Ｌ_A（内側歪み量）で表すことができる。このような外側歪み量（Ｌ_out／Ｌ_A）は、必然的に１より大きく、内側歪み量（Ｌ_in／Ｌ_A）は、必然的に１未満となる。そして、外側歪み量が大きくなるに従い、あるいは、内側歪み量が小さくなるに従い、繊維角度（＋θ、−θ）を大きく設定することが好適である。例えば、外側歪み量（Ｌ_out／Ｌ_A）が１．１５未満、内側歪み量（Ｌ_in／Ｌ_A）が０．８５を超える場合、繊維角度（＋θ、−θ）を±５°〜±２０°の範囲で設定することができる。また、外側歪み量（Ｌ_out／Ｌ_A）がより大きく、１．１５以上の場合、内側歪み量（Ｌ_in／Ｌ_A）がより小さく、０．８５以下の場合、繊維角度（＋θ、−θ）を±２０°〜±２５°の範囲で設定することができる。したがって、例えば、外側歪み量（Ｌ_out／Ｌ_A）が１．１５、あるいは、内側歪み量（Ｌ_in／Ｌ_A）が０．８５の場合、繊維角度（＋θ、−θ）を±２０°〜±２５°の範囲で設定することができる。繊維角度（＋θ、−θ）が±２０°未満であると、長尺状積層体１１の渦巻き状の曲げ変形が困難となり、また、繊維角度（＋θ、−θ）が±２５°を超えると、充分なばね定数が得られない場合がある。

但し、使用する長尺状積層体１１の厚み、使用する繊維１５の種類、硬化性の樹脂組成物１６の種類によっては、繊維角度（＋θ、−θ）が±２０°未満であっても、長尺状積層体１１の渦巻き状の曲げ変形が可能な場合があり、一方、繊維角度（＋θ、−θ）が±２５°を超えても、充分なばね定数が得られる場合がある。したがって、上記の繊維角度（＋θ、−θ）の範囲は例示であり、製造する渦巻きばねの用途、要求されるばね定数等に応じて、使用する繊維１５の種類、硬化性の樹脂組成物１６の種類等を考慮して、長尺状積層体１１の渦巻き状の曲げ変形が可能であり、かつ、充分なばね定数が得られるように、繊維角度（＋θ、−θ）を設定することができる。例えば、外側歪み量（Ｌ_out／Ｌ_A）が１．１５以上、あるいは、内側歪み量（Ｌ_in／Ｌ_A）が０．８５以下の場合、本発明の効果が奏されるように、長尺状積層体１１を構成するプリプレグシートに、繊維角度（＋θ、−θ）が±２０°〜±２５°の範囲のものを含み、長尺状積層体１１を構成する他のプリプレグシートに、繊維角度（＋θ、−θ）が±２０°未満のものを含むようにしてもよい。

図６は、曲げ変形させて凹溝３２に収容した渦巻き状の長尺状積層体１１を説明するための図である。図６（Ａ）は、渦巻き状の長尺状積層体１１の外側に位置するプリプレグシート１２の状態を示し、図６（Ｂ）は、渦巻き状の長尺状積層体１１の内側に位置するプリプレグシート１２の状態を示している。長尺状積層体１１を渦巻き状に曲げ変形させる際、長尺状積層体１１の外側には、長尺長手方向（矢印ａで示す方向）に延伸応力Ｆが作用し、長尺状積層体１１の内側には、長尺長手方向（矢印ａで示す方向）に圧縮応力Ｆ′が作用する。このような延伸応力Ｆにより、渦巻き状の長尺状積層体１１の積層方向の略中央から外側に位置するプリプレグシート１２は、外側に位置するプリプレグシート１２ほど大きな延伸応力Ｆで長尺長手方向に延伸される。これにより、図６（Ａ）に示すように、繊維１５が長尺状積層体１１の長尺長手方向（矢印ａで示す方向）となす繊維角度が、曲げ変形させる前の角度θよりも小さな角度θ_outとなる。一方、圧縮応力Ｆ′により、渦巻き状の長尺状積層体１１の積層方向の略中央から内側に位置するプリプレグシート１２は、内側に位置するプリプレグシート１２ほど大きな圧縮応力Ｆ′で長尺長手方向に圧縮される。これにより、図６（Ｂ）に示すように、繊維１５が長尺状積層体１１の長尺長手方向（矢印ａで示す方向）となす繊維角度が、曲げ変形させる前の角度θよりも大きな角度θ_inとなる。上記の説明は、プリプレグシート１２について行ったが、プリプレグシート１３においても、同様である。尚、図６では、延伸応力Ｆ、圧縮応力Ｆ′が作用した状態の繊維１５を実線で示し、長尺状積層体１１を曲げ変形させる前の繊維１５を一点鎖線で示している。

このように、本発明では、プリプレグシート１２，１３では、予め繊維１５が、長尺状積層体１１の長尺長手方向（矢印ａで示す方向）と角度±θをなすように設定されているので、渦巻き状に曲げ変形させる際に長尺状積層体１１に作用する延伸応力Ｆ、圧縮応力Ｆ′により、繊維１５の方向が変化可能である。これにより、金型３１の凹部３２における歪み量の影響を緩和することができ、長尺状積層体１１を渦巻き状に曲げ変形させて、金型３１の凹溝３２に収容することができる。しかし、繊維の方向が長尺長手方向に沿っているプリプレグシート（θ＝０°）を使用して形成した長尺状積層体では、金型３１の凹部３２における歪み量の影響を緩和することができず、内側にシワ、出っ張りが生じて、金型３１の凹溝３２に収容することは困難である。
このように、曲げ変形させて金型３１の凹溝３２に収容した渦巻き状の長尺状積層体１１を、渦巻き方向に垂直な方向から加圧して、プリフォームを形成する。この長尺状積層体１１の加圧は、例えば、金型３１の凹溝３２に嵌合可能な渦巻き状の加圧部材を用いて行うことができる。

その後、プリフォームの樹脂組成物を硬化することにより、渦巻きばねを得ることができる。樹脂組成物の硬化は、金型３１を所定温度に加熱することにより行うことができる。上記の金型３１の凹溝３２への長尺状積層体１１の収容、プリフォームの形成、樹脂組成物の硬化は、連続して行うことができる。また、金型３１を用いて複数のプリフォームを形成し、その後、複数のプリフォームの樹脂組成物の硬化を、金型３１を用いて行うこともできる。この場合、長尺状積層体１１の収容から樹脂組成物の硬化までを連続して行う場合に比べて、金型３１の昇温、冷却の要する時間の短縮が可能となり、製造効率が高いものとなる。

上述の実施形態では、使用するプリプレグシート１２，１３における繊維１５の方向が長尺長手方向（図１に矢印ａで示す方向）に対してなす繊維角度が１種（＋θ、−θ）であるが、繊維角度が異なるプリプレグシートを組み合わせて使用してもよい。例えば、図７に示すように、繊維１５の方向が長尺長手方向（図７に矢印ａで示す方向）に対して角度＋θ′をなしているプリプレグシート１２′と、繊維１５の方向が長尺長手方向（図７に矢印ａで示す方向）に対して角度−θ′をなしているプリプレグシート１３′を、上述のプリプレグシート１２，１３と組み合わせて使用してもよい。尚、θとθ′との間には、θ＞θ′の関係があり、θとθ′との差は、使用する金型の凹部における歪み量を考慮して設定することができ、例えば、（θ−θ′）を５°〜１５°の範囲で適宜設定することができる。

このようなプリプレグシート１２′，１３′をプリプレグシート１２，１３と組み合わせて使用する場合、図８に示すように、プリプレグシート１２，１３を交互に積層（例えば、プリプレグシート１２を１０枚、プリプレグシート１３を１０枚）し、その後、プリプレグシート１２′，１３′を交互に積層（例えば、プリプレグシート１２′を１０枚、プリプレグシート１３′を１０枚）することにより、長尺状積層体１１′（プリプレグシート枚数＝４０枚）を形成することができる。この長尺状積層体１１′を上述の金型３１の凹溝３２に収容する際には、例えば、繊維角度（lθl）が大きいプリプレグシート１２，１３が渦巻き形状の外側、繊維角度（lθ′l）が小さいプリプレグシート１２′，１３′が渦巻き形状の内側となるように、曲げ変形させることができる。

このような長尺状積層体１１′を上述の金型３１の凹溝３２に収容する際に、
長尺状積層体１１′の外側には、長尺長手方向に延伸応力Ｆが作用し、曲げ変形させる前のプリプレグシート１２，１３における繊維角度θよりも小さな角度θ_outとなる。一方、長尺状積層体１１の内側には、長尺長手方向に圧縮応力Ｆ′が作用し、曲げ変形させる前のプリプレグシート１２′，１３′における繊維角度θ′よりも大きな角度θ′_outとなる。したがって、曲げ変形させる前の（θ−θ′）に対して、曲げ変形させる後の（θ_out−θ′_out）は小さいものとなり、金型３１の凹溝３２に収容された長尺状積層体１１′における繊維角度は、長尺状積層体１１′のプリプレグシートの積層方向において均一、あるいは、バラツキの小さいものとなり好ましい。

上記の例では、プリプレグシート１２，１３とプリプレグシート１２′，１３′を、長尺状積層体１１′の積層方向の中央で区分して使い分けているが、使い分けの境界は積層方向の中央に限定されるものではない。また、繊維１５の方向が長尺長手方向に対してなす角度が異なる３種以上のプリプレグシートを組み合わせて使用してもよい。この場合、積層方向に向けて繊維角度が大きくなる、あるいは、小さくなるように複数種のプリプレグシートを積層して長尺状積層体を形成するが、繊維角度が異なるプリプレグシートの使い分けの境界は適宜設定することができる。そして、この長尺状積層体を上述の金型３１の凹溝３２に収容する際には、長尺状積層体において繊維角度が大きいプリプレグシートが位置する側を渦巻きの外側として、曲げ変形させることができる。

また、上記のように、渦巻き状に曲げ変形させた長尺状積層体１１の外側に延伸応力Ｆが作用し、内側に圧縮応力Ｆ′が作用する場合、長尺状積層体１１の積層方向の中央は、応力が作用しないものとなる。このため、長尺状積層体１１の積層方向の中央に位置するプリプレグシートを、繊維角度が５°以下、好ましくは０°のプリプレグシートとしてもよい。これにより、ばね定数が更に大きな渦巻きばねの製造が可能となる。但し、このような繊維角度が小さいプリプレグシートは、上述の金型３１の凹部３２における歪み量（外側歪み量（Ｌ_out／Ｌ_A）、内側歪み量（Ｌ_in／Ｌ_A））と繊維角度（＋θ、−θ）の関係から外れるものであり、長尺状積層体を構成する総プリプレグシートの２０％以下、好ましくは１０％以下とすることが好適である。尚、「積層方向の中央」とは、長尺状積層体１１の積層方向の厚みＴとしたときに、長尺状積層体１１の積層方向の中央から±０．１Ｔの範囲を意味する。

上述したように、本発明では、プリプレグシートを積層した長尺状積層体を、渦巻き状に曲げ変形させて金型の凹溝に収容することができ、プリプレグシートの樹脂組成物を硬化することにより、渦巻きばねを製造することが可能である。これにより、従来の繊維強化樹脂のみ製造された渦巻きばねに比べて、より高いばね定数を具備する渦巻きばねの製造が可能となる。したがって、図９に示すように、捻れ角度増大による回転トルクの蓄積量の増大が緩やかで（図９の実線を参照）、所望の回転トルクｔを得るための捻れ角度αを、金属製の渦巻きばね（図９の一点鎖線を参照）における捻れ角度βよりも大きくすることできる。しかし、従来の繊維強化樹脂のみ製造された渦巻きばね（図９の二点鎖線を参照）は、繊維長が短かったり、繊維配向がランダムであり、ばね定数が小さいため、所望の回転トルクｔが得られない、あるいは、所望の回転トルクｔを得るための捻れ角度が大きく、実用に供し得える範囲が狭いものとなる。
上述の実施形態は例示であり、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではない。例えば、使用する金型は例示であり、製造する渦巻きばねに応じて所望の凹溝を備えた金型を使用することができる。

＜試料１の作製＞
長尺長手方向に対して＋２０°に配向させた炭素繊維にエポキシ樹脂を含浸させた長尺状のプリプレグシートＡ１（厚みｔ＝０．１２０ｍｍ、高さＨ＝１２ｍｍ）と、長尺長手方向に対して−２０°に配向させた炭素繊維にエポキシ樹脂を含浸させた長尺状のプリプレグシートＢ１（厚みｔ＝０．１２０ｍｍ、高さＨ＝１２ｍｍ）を準備した。
これらのプリプレグシートＡ１、プリプレグシートＢ１を交互に計４０枚積層して、長尺状積層体（厚みＴ＝４．５６ｍｍ）を形成した。

一方、外側端部から内側端部へ向けて縮径する渦巻き状の凹溝を備えた金型（図４を参照）を準備した。この金型の凹溝の最大径Ｄは１２５ｍｍ、幅ｗは５．２５ｍｍ、１周毎の縮径量ΔＤは１６．３ｍｍ、深さｄは１５ｍｍであった。また、この金型の渦巻き状の凹溝の歪み量は、外側歪み量（Ｌ_out／Ｌ_A）が１．１５、内側歪み量（Ｌ_in／Ｌ_A）が０．８５であった。
次に、上記の長尺状積層体を曲げ変形させて、金型の凹溝に収容した。その後、凹溝に収容した長尺状積層体を、金型の凹溝に嵌合可能な渦巻き状の加圧部材を用いて加圧して、プリフォームを形成した。次いで、金型を１５０℃に１２０分間維持してエポキシ樹脂を硬化した。これにより、渦巻きばね（試料１）を作製した。

＜試料２の作製＞
長尺長手方向に対して＋１５°に配向させた炭素繊維にエポキシ樹脂を含浸させた長尺状のプリプレグシートＡ２（厚みｔ＝０．１２０ｍｍ、高さＨ＝１２ｍｍ）と、長尺長手方向に対して−１５°に配向させた炭素繊維にエポキシ樹脂を含浸させた長尺状のプリプレグシートＢ２（厚みｔ＝０．１２０ｍｍ、高さＨ＝１２ｍｍ）を準備した。
これらのプリプレグシートＡ２、プリプレグシートＢ２を交互に１８枚積層し、さらに、上記のプリプレグシートＡ１、プリプレグシートＢ１を交互に１８枚積層して、計３６枚のプリプレグシートが積層された長尺状積層体（厚みＴ＝４．１０ｍｍ）を形成した。
次に、プリプレグシートＡ１、プリプレグシートＢ１が位置する側を渦巻きの外側となるようにして長尺状積層体を曲げ変形させ、試料１の作製に使用した金型の凹溝に収容した。その後、試料１と同様に、加圧してプリフォームを形成し、エポキシ樹脂を硬化して、渦巻きばね（試料２）を作製した。

＜試料３の作製＞
長尺長手方向に対して＋５°に配向させた炭素繊維にエポキシ樹脂を含浸させた長尺状のプリプレグシートＡ３（厚みｔ＝０．１２０ｍｍ、高さＨ＝１２ｍｍ）と、長尺長手方向に対して−５°に配向させた炭素繊維にエポキシ樹脂を含浸させた長尺状のプリプレグシートＢ３（厚みｔ＝０．１２０ｍｍ、高さＨ＝１２ｍｍ）を準備した。
これらのプリプレグシートＡ３、プリプレグシートＢ３を交互に４枚積層し、その一方の面に、上記のプリプレグシートＡ２、プリプレグシートＢ２を交互に１８枚積層し、プリプレグシートＡ３、Ｂ３の４枚積層体の他方の面に、上記のプリプレグシートＡ１、プリプレグシートＢ１を交互に１８枚積層して、計４０枚のプリプレグシートが積層された長尺状積層体（厚みＴ＝４．５６ｍｍ）を形成した。
次に、プリプレグシートＡ１、プリプレグシートＢ１が位置する側を渦巻きの外側となるようにして長尺状積層体を曲げ変形させ、試料１の作製に使用した金型の凹溝に収容した。その後、試料１と同様に、加圧してプリフォームを形成し、エポキシ樹脂を硬化して、渦巻きばね（試料３）を作製した。

＜試料４の作製＞
長尺長手方向に対して＋１０°に配向させた炭素繊維にエポキシ樹脂を含浸させた長尺状のプリプレグシートＡ４（厚みｔ＝０．１２０ｍｍ、高さＨ＝１２ｍｍ）と、長尺長手方向に対して−１０°に配向させた炭素繊維にエポキシ樹脂を含浸させた長尺状のプリプレグシートＢ４（厚みｔ＝０．１２０ｍｍ、高さＨ＝１２ｍｍ）を準備した。
上記のプリプレグシートＡ４、プリプレグシートＢ４を交互に計４０枚積層して、プリプレグシートが積層された長尺状積層体（厚みＴ＝４．５６ｍｍ）を形成した。
次に、この長尺状積層体を曲げ変形させ、試料１の作製に使用した金型の凹溝に収容することを試みたが、渦巻き状の曲げ変形における内側にシワ、出っ張りが生じて、金型の凹溝に収容することができず、渦巻きばねを製造できなかった。

＜ばね定数の測定＞
作製した渦巻きばね（試料１〜３）について、下記の条件でばね定数を解析し、結果を下記の表１に示した。
（ばね定数の解析条件）
図１０に示すように、渦巻きばね４１の内側端部１０ｍｍの拘束部４１Ｂ（斜線を付した部位）を固定拘束し、渦巻きばね４１の中心Ｃを基準にした半径４０ｍｍの円に沿って外側端部４１Ａを接線方向（矢印Ｙ方向）に５°回転させた。

表１に示されるように、所望のばね定数を具備した繊維強化樹脂製の渦巻きばねの製造が可能であることが確認された。

繊維強化樹脂を用いた渦巻きばねの製造、使用に利用可能である。

１１，１１′…長尺状積層体
１２，１２′，１３，１３′…プリプレグシート
１５…繊維
１６…樹脂組成物
３１…金型
３２…凹溝
４１…渦巻きばね
４１Ａ…外側端部
４１Ｂ…内側端部の拘束部

Claims

繊維に熱硬化性の樹脂組成物を含浸させた長尺状のプリプレグシートであって、前記繊維の方向が長尺長手方向に対して所望の角度をなしているプリプレグシートを準備し、
前記角度が長尺長手方向に対してプラスとなるプリプレグシートと、前記角度が長尺長手方向に対してマイナスとなるプリプレグシートとを交互に積層して長尺状積層体を形成し、
渦巻き状の凹溝を有する金型の該凹溝に、前記長尺状積層体を曲げ変形させ収容してプリフォームを形成し、前記樹脂組成物を硬化することを特徴とする渦巻きばねの製造方法。
長尺長手方向に対する繊維の方向の前記角度が異なる複数種のプリプレグシートを使用し、積層方向に向けて前記角度が大きくなる、あるいは、小さくなるように複数種の前記プリプレグシートを積層して前記長尺状積層体を形成し、前記長尺状積層体において前記角度が大きいプリプレグシートが位置する側を渦巻きの外側として前記プリフォームを形成することを特徴とする請求項１に記載の渦巻きばねの製造方法。
前記長尺状積層体の中央に位置する前記プリプレグシートは、前記角度が５°以下であることを特徴とする請求項２に記載の渦巻きばねの製造方法。
曲げ変形させて前記凹溝に収容した渦巻き状の前記長尺状積層体を、渦巻き方向に垂直な方向から加圧して、前記プリフォームを形成することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の渦巻きばねの製造方法。