JP7145050B2 - バネ - Google Patents

Description

本明細書に開示する技術は、バネに関する。

特許文献１にはベローズが開示されている。特許文献１のベローズは主にシール材として用いられる。

特開平１１－２２６６５８号公報

特許文献１のベローズは主にシール材として用いられるので大きな荷重が作用することが想定されていない。本明細書では、大きい荷重を支持することができる技術を提供する。

本明細書に開示するバネは、金属のベローズ部を備えている。前記ベローズ部の内側の密閉空間に圧縮性流体が封入される。

この構成によれば、ベローズ部の内側の密閉空間に封入される圧縮性流体が圧縮されたときに生じる圧力によって大きい荷重を支持することができる。また、圧縮性流体が圧縮されることによって圧力が高くなったとしても、金属のベローズ部によって圧縮性流体が密閉空間から流出することを防ぐことができる。そのため、確実に大きい荷重を支持することができる。

前記ベローズ部の軸方向の中央部における外径と内径の差が、前記中央部より前記軸方向の端部側に位置する端部側部における外径と内径の差より大きくてもよい。

圧縮性流体の圧力がベローズ部に作用したときに、ベローズ部の軸方向の中央部では端部側部よりも外側に膨張（座屈）しやすい。部材の軸方向の両端部が固定されている状態で部材に座屈荷重が作用すると、部材が座屈して部材の軸方向の中央部が最も早く横方向に突出する。すなわち、最小の座屈モードでは部材の軸方向の中央部が最も外側に膨張する。しかしながら、上記の構成によれば、ベローズ部の軸方向の中央部における外径と内径の差が大きいので、中央部が外側に膨張しにくくなる。これによって、ベローズ部の膨張を抑制することができる。

前記ベローズ部の前記軸方向の前記中央部における外径と前記端部側部における外径が略同じ外径であってもよい。

ベローズ部の外径と内径の差を大きくすることによってベローズ部の膨張を抑制することができる。しかしながら、ベローズ部の外径が制限されている状況では、ベローズ部の外径と内径の差を大きくすると、ベローズ部の有効径（＝（外径＋内径）／２）が小さくなる。ベローズ部の有効径が小さくなると、バネに作用する荷重を支持するための有効面積（＝有効径^２×π／４）が小さくなる。有効面積が小さくなると、大きい荷重を支持することができなくなる。

上記の構成では、ベローズ部の軸方向の中央部における外径と端部側部における外径が略同じ外径であり、外径が揃っているので、狭いスペースであってもバネを適切に配置することができる。この構成においてベローズ部の軸方向の全体にわたって外径と内径の差を大きくすると、ベローズ部の有効径が小さくなり、バネに作用する荷重を支持するための有効面積が小さくなる。しかしながら、上述したように、ベローズ部の軸方向の中央部における外径と内径の差が、中央部より軸方向の端部側に位置する端部側部における外径と内径の差より大きい（すなわち、端部側部における外径と内径の差が、中央部における外径と内径の差より小さい）ので、端部側部における有効径を大きくすることができる。そのため、ベローズ部の外径が揃っていてもバネ全体として有効面積が小さくなりすぎることを抑制することができる。この構成によれば、狭いスペースであってもバネを適切に配置することができ、ベローズ部の中央部が外側に膨張することを抑制することができると共に、大きい荷重を支持することができる。

前記ベローズ部は、前記ベローズ部の前記軸方向に並んでいる複数の環状の板部材を備えていてもよい。前記軸方向に隣り合っている一対の前記板部材の外周部同士が接合されていてもよい。この構成によれば、圧縮性流体がベローズ部の外側に漏出することを抑制することができる。

前記軸方向に隣り合っている一対の前記板部材の一方の前記板部材の内周部が一方側部材に接合されており、他方の前記板部材の内周部が他方側部材に接合されていてもよい。この構成によれば、ベローズ部に内側突出部が存在しないので、ベローズ部の内側から外側に向かう圧力によってベローズ部が変形することを抑制することができる。ベローズ部が座屈することを抑制することができる。

前記軸方向に隣り合っている一対の前記板部材の前記外周部同士が接合されており、一方の前記板部材の前記内周部が前記一方側部材に接合されており、他方の前記板部材の前記内周部が前記他方側部材に接合されている構造が、前記軸方向に沿って複数存在していてもよい。この構成によれば、一対の板部材によって形成される構造を多段で積層することによってベローズ部を形成することができる。

前記ベローズ部の前記軸方向に視たときに前記ベローズ部がトラック形状を有していてもよい。この構成によれば、円形状の場合よりもベローズ部の有効面積を大きくすることができ、大きい荷重を支持することができる。

第１実施例に係るバネの断面図である。 第１実施例に係るバネの上面図である（図１のII－II断面図である）。 図１の一部IIIの拡大図である。 図３の一部IVの拡大図である。 他の実施例に係るバネの図３に相当する図である。 他の実施例に係るバネの図４に相当する図である。 第２実施例に係るバネの断面図である。 第３実施例に係るバネの断面図である。 他の実施例に係るバネの図２に相当する図である。 他の実施例に係るバネの図３に相当する図である。 他の実施例に係るバネの図８に相当する図である。 他の実施例に係るバネの図８に相当する図である。

（第１実施例）
第１実施例に係るバネ１について図面を参照して説明する。図１に示すように、第１実施例に係るバネ１は、金属のベローズ部２を備えている。ベローズ部２の上側には上側支持部材１１が配置されており、ベローズ部２の下側には下側支持部材１２が配置されている。ベローズ部２の内側には密閉空間５１が形成されている。

ベローズ部２は、例えば鉄（Ｆｅ）を含む合金から形成されている。ベローズ部２の金属は特に限定されるものではない。ベローズ部２は、軸方向（Ｚ方向）に伸縮する。図２に示すように、ベローズ部２は、軸方向（Ｚ方向）に視たときに円環状に構成されている。

図３に示すように、ベローズ部２は、外径部７１と内径部７２を備えている。図３ではベローズ部２の外径部７１と内径部７２を破線で示している。ベローズ部２は、断面視において略Ｄ字状に形成されている。ベローズ部２の外径部７１は、ベローズ部２の軸方向（Ｚ方向）に沿って略直線状に形成されている。ベローズ部２の外径Ｄ１は、ベローズ部２の軸方向（Ｚ方向）に沿って略一定である。ベローズ部２の軸方向（Ｚ方向）の中央部３１における外径Ｄ１と、中央部３１より軸方向（Ｚ方向）の端部側に位置する端部側部３２における外径Ｄ１とが略同じ外径である。なお、ベローズ部２の中央部３１は、例えば、ベローズ部２を軸方向（Ｚ方向）に三等分したときの中央の部分であり、端部側部３２は、その中央部３１より上側の部分及び下側の部分である。

ベローズ部２の内径部７２は、湾曲しており、ベローズ部２の軸方向（Ｚ方向）の中央部３１においてベローズ部２の内側に突出している。ベローズ部２の内径Ｄ２は、ベローズ部２の軸方向（Ｚ方向）に沿って変化している。ベローズ部２の軸方向（Ｚ方向）の中央部３１における内径Ｄ２が、中央部３１より軸方向（Ｚ方向）の端部側に位置する端部側部３２における内径Ｄ２より小さい。そのため、ベローズ部２の軸方向（Ｚ方向）の中央部３１における外径Ｄ１と内径Ｄ２の差が、中央部３１より軸方向（Ｚ方向）の端部側に位置する端部側部３２における外径Ｄ１と内径Ｄ２の差より大きい。

図４に示すように、ベローズ部２は、複数の外側突出部４１と、複数の内側突出部４２とを備えている。複数の外側突出部４１は、ベローズ部２の外径部７１に対応している。複数の内側突出部４２は、ベローズ部２の内径部７２に対応している。外側突出部４１は、ベローズ部２の外側に突出している。内側突出部４２は、ベローズ部２の内側に突出している。ベローズ部２は、複数の板部材２１を備えている。板部材２１は、ベローズ部２の軸方向（Ｚ方向）に視たときに円環状に構成されている（図２）。ベローズ部２は、複数の板部材２１が組み合わされることによって構成されている。ベローズ部２の軸方向（Ｚ方向）に隣り合っている板部材２１同士が例えば溶接や拡散接合によって接合されている。ベローズ部２の外側突出部４１では、軸方向（Ｚ方向）に隣り合う板部材２１の外周部６１同士が接合されている。ベローズ部２の内側突出部４２では、軸方向（Ｚ方向）に隣り合う板部材２１の内周部６２同士が接合されている。

図１に示すように、ベローズ部２の上側に配置されている上側支持部材１１は、板状の部材であり、ベローズ部２の上端部に密着した状態で固定されている。また、ベローズ部２の下側に配置されている下側支持部材１２は、板状の部材であり、ベローズ部２の下端部に密着した状態で固定されている。上側支持部材１１と下側支持部材１２は、密閉空間５１を密閉している。上側支持部材１１と下側支持部材１２の間に密閉空間５１が形成されている。密閉空間５１には圧縮性流体が封入される。密閉空間５１に封入される圧縮性流体は、例えば、空気、ガス等の気体である。また、水、オイル等の非圧縮性流体と組み合わせて用いられることもある。

上記のバネ１では、図１に矢印で示すように、上側支持部材１１及び下側支持部材１２を介してベローズ部２を備えバネ１に荷重Ｐが作用する。このときに、ベローズ部２の内側の密閉空間５１に封入されている圧縮性流体の圧力によって大きい荷重Ｐを支持することができる。

また、上記のバネ１では、ベローズ部２の軸方向（Ｚ方向）の中央部３１における外径Ｄ１と内径Ｄ２の差が、中央部３１より軸方向（Ｚ方向）の端部側に位置する端部側部３２における外径Ｄ１と内径Ｄ２の差より大きい。そのため、ベローズ部２の中央部３１が外側に膨張することを抑制することができる。

また、上記のバネ１では、ベローズ部２の軸方向（Ｚ方向）の中央部３１における外径Ｄ１と端部側部３２における外径Ｄ１が略同じ外径である。そのため、外径Ｄ１が揃っているので、狭いスペースであってもバネ１を適切に配置することができる。また、ベローズ部２の外径Ｄ１が軸方向（Ｚ方向）に沿って一定であっても、端部側部３２における外径Ｄ１と内径Ｄ２の差が、中央部３１における外径Ｄ１と内径Ｄ２の差より小さいので、端部側部３２における有効径（＝（外径＋内径）／２）を大きくすることができる。そのため、バネ１全体として有効面積（＝有効径^２×π／４）が小さくなりすぎることを抑制することができる。したがって、大きい荷重を支持することができる。

上記のバネ１では、軸方向（Ｚ方向）に隣り合っている複数の板部材２１の外周部６１同士及び内周部６２同士が接合されている。そのため、密閉空間５１に封入される圧縮性流体がベローズ部２の外側に漏出することを抑制することができる。

以上、一実施例について説明したが、具体的な態様は上記実施例に限定されるものではない。以下の説明において、上記の説明における構成と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

（変形例）
上記の実施例では、ベローズ部２の外径部７１がベローズ部２の軸方向（Ｚ方向）に沿って略直線状に形成されていたが、他の実施例では、ベローズ部２の外径部７１が湾曲していてもよい。また、上記の実施例では、ベローズ部２の内径部７２が湾曲していたが、他の実施例では、図５に示すように、ベローズ部２の内径部７２がベローズ部２の軸方向（Ｚ方向）に沿って略直線状に形成されていてもよい。

上記の実施例では、外側突出部４１が尖っていたが、他の実施例では、図６に示すように、外側突出部４１が湾曲していてもよい。同様に、内側突出部４２が湾曲していてもよい。

（第２実施例）
第２実施例では、図７に示すように、ベローズ部２が１個の外側突出部４１のみを備えている。ベローズ部２は内側突出部４２を備えていない。ベローズ部２は、上下一対の板部材２１、２１を備えている。上下に隣り合っている板部材２１、２１の外周部６１同士が接合されている。上側の板部材２１の内周部６２は上側支持部材１１（一方側部材の一例）に接合されており、下側の板部材２１の内周部６２は下側支持部材１２（他方側部材の一例）に接合されている。ベローズ部２の内側には密閉空間５１が形成されている。

（第３実施例）
第３実施例では、図８に示すように、ベローズ部２が複数の板状の中間部材８１を備えている。ベローズ部２の内側には、複数の中間部材８１で区切られることによって複数の分割空間５２が形成されている。複数の中間部材８１のそれぞれには、複数の連通孔８２が形成されている。複数の連通孔８２を通じて複数の分割空間５２が連通している。ベローズ部２の内側には、複数の分割空間５２を備えている密閉空間５１が形成されている。なお、各中間部材８１における連通孔８２の数は１個であってもよい。

中間部材８１は、上側に配置されている中間上部材８１１と、下側に配置されている中間下部材８１２とを備えている。中間上部材８１１の下面と中間下部材８１２の上面とが例えば拡散接合（熱圧着）によって接合されている。

ベローズ部２の軸方向（Ｚ方向）に隣り合っている中間部材８１と中間部材８１の間には、上下一対の板部材２１、２１が配置されている。上下に隣り合っている板部材２１、２１の外周部６１同士が接合されている。一対の板部材２１のうちの上側の板部材２１の内周部６２が、上側の中間部材８１（一方側部材の一例）の中間下部材８１２に接合されている。一対の板部材２１のうちの下側の板部材２１の内周部６２が、下側の中間部材８１（他方側部材の一例）の中間上部材８１１に接合されている。ベローズ部２は内側突出部４２を備えていない。一対の板部材２１が接合された構造が、ベローズ部２の軸方向（Ｚ方向）に沿って複数存在している。この構造が軸方向（Ｚ方向）に多段で積層されている。

第２実施例及び第３実施例の構成によれば、ベローズ部２に内側突出部４２が存在しないので、ベローズ部２の内側から外側に向かう圧力によってベローズ部２が変形することを抑制することができる。

上記の実施例では、ベローズ部２が軸方向（Ｚ方向）に視たときに円環状に構成されていたが（図２参照）、他の実施例では、図９に示すように、ベローズ部２が軸方向（Ｚ方向）に視たときにトラック形状に構成されていてもよい。トラック形状は、長円の環状、楕円の環状、又は角が丸くされた四角形の環状等の形状を含む概念である。この構成によれば、円形状の場合よりもベローズ部２の有効面積を大きくすることができ、大きい荷重を支持することができる。

上記の第１実施例では、ベローズ部２の内径部７２が湾曲していたが（図３参照）、他の実施例では、図１０に示すように、ベローズ部２の内径部７２が階段状に構成されていてもよい。ベローズ部２の中央部３１の内径部７２と、端部側部３２の内径部７２との間に段差が存在している。中央部３１の内径部７２が、端部側部３２の内径部７２より内側に突出している。中央部３１における複数の板部材２１のＸ方向の長さは統一されている。また、端部側部３２における複数の板部材２１のＸ方向の長さも統一されている。中央部３１における板部材２１のＸ方向の長さは、端部側部３２における板部材２１のＸ方向の長さより長い。この構成によれば、ベローズ部２を製造するために用いる板部材２１の種類を少なくすることができる。

上記の第３実施例では、ベローズ部２の中間部材８１が中間上部材８１１と中間下部材８１２の２個の部材を備えていたが（図８参照）、他の実施例では、図１１に示すように、中間上部材８１１と中間下部材８１２を省略し、中間部材８１が１個の部材から構成されていてもよい。

また、図１１に示す実施例では、板部材２１と中間部材８１が別部材で構成されていたが、他の実施例では、図１２に示すように、板部材２１と中間部材８１が一体の部材で構成されていてもよい。また、中間部材８１を挟んで上側の板部材２１と一体の部材と、下側の板部材２１と一体の部材とが拡散接合（熱圧着）によって接合されることによって中間部材８１が形成されていてもよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、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。本明細書又は図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合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合せに限定されるものではない。また、本明細書又は図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、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。

１：バネ、２：ベローズ部、１１：上側支持部材、１２：下側支持部材、２１：板部材、３１：中央部、３２：端部側部、４１：外側突出部、４２：内側突出部、５１：密閉空間、５２：分割空間、６１：外周部、６２：内周部、７１：外径部、７２：内径部、Ｄ１：外径、Ｄ２：内径

Claims (4)

1. 金属のベローズ部を備えており、
   前記ベローズ部の内側の密閉空間に圧縮性流体が封入されるバネであって、
   前記ベローズ部は、前記ベローズ部の軸方向に並んでいる複数の環状の板部材を備えており、
   前記軸方向に隣り合っている一対の前記板部材の外周部同士が接合されており、
   前記軸方向に隣り合っている一対の前記板部材の一方の前記板部材の内周部が一方側部材に接合されており、他方の前記板部材の内周部が他方側部材に接合されており、
   前記密閉空間は、前記一方側部材と前記他方側部材で区切られることにより前記軸方向に並んでいる複数の分割空間を備えており、
   前記一方側部材と前記他方側部材のそれぞれには、複数の連通孔が形成されており、
   複数の前記分割空間は、複数の前記連通孔を通じて連通している、バネ。
2. 請求項１に記載のバネであって、
   前記ベローズ部の軸方向の中央部における外径と前記中央部より前記軸方向の端部側に位置する端部側部における外径が略同じ外径である、バネ。
3. 請求項１または２に記載のバネであって、
   前記軸方向に隣り合っている一対の前記板部材の前記外周部同士が接合されており、一方の前記板部材の前記内周部が前記一方側部材に接合されており、他方の前記板部材の前記内周部が前記他方側部材に接合されている構造が、前記軸方向に沿って複数存在している、バネ。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載のバネであって、
   前記ベローズ部の前記軸方向に視たときに前記ベローズ部がトラック形状を有している、バネ。

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