JPH0658355A - 剛性可変バネ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 変動荷重が作用する部材の制振装置などに用
いられる剛性可変バネ装置に関するもので、変位量やバ
ネ剛性の適応範囲が広くコンパクトなコイルバネのバネ
剛性を簡単な構造で変化させることができる装置を得る
ことである。 【構成】 コイルバネ２と、巻線支持部材４と、巻線支
持部材４を回転駆動する駆動装置１１と、巻線支持部材
４の軸方向移動を制限する支持部材９とを備えている。
巻線支持部材４は、コイルバネ２の巻線間に挿入され、
コイルバネ２の中心軸線上に位置するシャフト６に相対
回転不能かつ傾動自在に装着される。巻線支持部材は、
コイルバネ２の一端からその巻線間に螺入されたネジ体
で形成することもできる。駆動装置１１で巻線支持部材
４を回転させることにより、巻線支持部材４がコイルバ
ネ２の巻線に沿って螺進し、コイルバネ２の上端と巻線
支持部材４との間の有効巻数ｎを増減させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、剛性を変化させるこ
とができるコイルバネを用いたバネ装置に関するもの
で、変動荷重が作用する部材の振動を抑制する制振装置
などに用いられる装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般にバネはその負荷に比例した変位を
生じ、負荷と変位との関係はそのバネに固有のバネ剛性
によって定まる。バネは動力源、締結力の保持装置、あ
るいは加振ないし制振装置として種々の機械装置に用い
られているが、これらの装置に使用されているバネのバ
ネ剛性を変化させることにより、動力源として用いられ
ているバネの動力量、締結力保持装置として用いられて
いるバネの締結力、あるいは加振ないし制振装置として
利用されているバネの共振周波数や加振ないし制振力を
変化させることができる。

【０００３】バネ剛性を変化させる装置としては、バネ
として板バネを用いたものにおいて、不動部材に固定し
た基端と先端の作用点との間に支えローラを設け、この
支えローラをバネ板に沿って移動させる構造のものがあ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし板バネを用いる
上記の構造は、支持ローラと板バネの接触点がバネ板に
沿って移動するという問題があり、支持ローラの移動範
囲が大きくなるため装置をコンパクトに設計することが
できない。また板バネは変位量やバネ特性の適応量が小
さく、その使用箇所も限定される。

【０００５】この発明は変位量やバネ剛性の適応範囲が
広く、かつコンパクトなバネとして広く用いられている
コイルバネのバネ剛性を簡単な構造で変化させることが
できる装置を得ることを課題としてなされたものであ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明の剛性可変バネ
装置は、コイルバネ２と、巻線支持部材４、２７、２９
と、この巻線支持部材４、２７、２９を回転駆動する駆
動装置１１と、巻線支持部材４、２７、２９の軸方向移
動を制限する支持部材９とを備えている。巻線支持部材
は、コイルバネ２の巻線間に挿入された円盤４や星型部
材２７で構成することができ、この円盤４や星型部材２
７は、コイルバネ２の中心軸線上に位置するシャフト６
に相対回転不能かつ傾動自在に装着される。また巻線支
持部材は、コイルバネ２の一端からその巻線間に螺入さ
れたネジ体２９で形成することもできる。

【０００７】

【作用】コイルバネのバネ剛性ｋは、 ｋ＝Ｇｄ⁴ ／（８ｎＤ³ ） （ｋｇｆ／ｍｍ） で与えられる。ここでＧはバネ材の横弾性係数、（ｋｇ
ｆ／ｍｍ）、ｄは素線の径（ｍｍ）、ｎは有効巻数、Ｄ
はコイル平均径（ｍｍ）である。上式より有効巻数ｎを
変化させることにより、バネ剛性ｋを変化させることが
できる。この発明の構成においては、駆動装置１１で巻
線支持部材４、２７、２９を直接またはシャフト６を介
して回転させることにより、巻線支持部材４、２７、２
９がコイルバネ２の軸心を中心に回転して巻線に沿って
螺進する。すなわち巻線支持部材４、２７、２９を回転
させることによって、コイルバネ２内での巻線支持部材
４、２７、２９の位置が変化する。従ってコイルバネ２
の一方の巻線端と巻線支持部材４、２７、２９との間の
有効巻数ｎは、シャフト６の正逆方向の回転によって増
減させることができ、上式に従ってコイルバネ２のバネ
剛性ｋを変化させることができる。

【０００８】

【実施例】次に図面に示す実施例に基いて説明する。図
１及び図２はこの発明の剛性可変バネ装置を示したもの
で、フレーム１に圧縮コイルバネ２が下端を固定して立
設されており、コイルバネ２の上端は円筒状のキャップ
３の上面中央に固定されている。コイルバネ２にはその
巻線間の隙間に円盤４が差し込まれており、この円盤４
の中心はスプライン付きボールジョイント５で相対回転
不能かつ傾動自在にシャフト６の上端に連結されてい
る。シャフト６にはその中間部に台形雄ネジ７が固定さ
れており、下端には平歯車８が固定されている。台形雄
ネジ７はコイルバネ２の巻線のピッチＰと同じピッチを
有しており、フレーム１に固定した台形雌ネジ９に螺合
している。

【０００９】一方フレーム１にはステッピングモータ１
１が装着され、このステッピングモータの出力軸１２に
歯幅の広いピニオン１３が固定され、このピニオン１３
と前記歯車８とが噛合している。

【００１０】ステッピングモータ１１の回転は、ピニオ
ン１３及び歯車８を通して、シャフト６を回転させる。
シャフト６が回転すると台形雄ネジ７と台形雌ネジ９の
螺合により、シャフト６はコイルバネ２のピッチと同一
のピッチで軸方向に移動する。また円盤４はシャフト６
に相対回動不能に連結されているので、シャフト６の回
転により円盤４がコイルバネ２の巻線に沿って軸方向に
移動することとなる。従って剛体であるフレーム１上に
固定されているコイルバネ２は、円盤４より上方の部分
のみバネとして働くことになる。つまりコイルバネ２の
有効巻数ｎはステッピングモータ１１の正逆方向の回転
により、０から総巻数Ｎの範囲内で任意に変化させるこ
とができる。

【００１１】図２は表１に示す仕様のコイルバネ２を用
いて試作した実機の外観図であり、図３は上記試作した
実機のバネ剛性の実測値と理論値とを比較した図であ
る。図３より実測値はほぼ理論値と一致しており、上述
の考え方の妥当性が示されている。すなわち図１及び図
２に示されたような装置では、モータ１１を正逆方向に
回転させることにより、コイルバネ２のバネ剛性を変化
させることができ、モータ１１の回転量とコイルバネ２
のバネ剛性との関係は、予め理論的にまたは実験的に求
めることが可能である。

【００１２】

【表１】

【００１３】以上説明したこの発明の剛性可変バネ装置
１５は、従来コイルバネが用いられている種々の機構部
に利用することが可能である。たとえばコイルバネを動
力源として利用する場合、本発明のバネ装置はその動力
量を任意に調整できる。またバネを締結力保持装置とし
て利用している装置においては、本発明のバネ装置はそ
の締結力を任意に変化させ得るので、締結力を増減させ
たり自動開閉させる装置として利用することができる。
以下では本発明のバネ装置を制振装置として利用した場
合の一例を示す。

【００１４】図４はこの発明の剛性可変バネ装置１５を
基端を剛体１６に固定されているはり１７に振動ないし
衝撃荷重Ｐが掛かったときの制振装置として用いた例を
示すブロック図であり、図５はこのときの信号の流れを
示すフローチャートである。バネ装置１５は、はり１７
の先端部を支持しており、はり１７の時間的に変化する
撓み量δ(t) を検出する変位計１８が設けられている。
変位計１８の出力はＡＤ変換器１９によってディジタル
量に変換され、コンピュータ２１に入力される。

【００１５】コンピュータ２１は、入力された値を用い
てすでに確立されている振動方程式により荷重点の制御
時間遅れ後の変位ｗ(t) を演算し、公知の振動理論の一
つにより、上記変位ｗ(t) を０とするのに必要なバネ装
置の支持点Ｃでのバネ力Ｆ(t) を算出し、バネ装置１５
にこのバネ力Ｆ(t) を発揮させるのに必要な円盤４の位
置を算出し、円盤４を当該位置に移動させるのに必要な
ステッピングモータ１１への入力パルス数を算出する。

【００１６】算出された信号は、パルスコントロールモ
ジュール２３に送られてアナログ信号に変換され、さら
にモータ駆動用ドライバ２４に伝達される。モータ駆動
用ドライバ２４は入力された信号に基いてステッピング
モータを必要量回転させ、その結果バネ装置１５のコイ
ルバネ２のバネ剛性が制御され、変動荷重Ｐ(t) が加わ
ったときのはり１７の振動が制御される。

【００１７】図６は図４の装置に衝撃荷重を加えたとき
の制振効果を示したもので、実線は制振を行わなかった
とき、破線は制振を行ったときのはり１７の撓みの時間
的変化を示したものである。なお図６の線Ａははり１７
の先端位置の変位であり、線Ｂははり１７の中央点での
変位である。

【００１８】図６より明らかなように、この発明の剛性
可変バネ装置は、そのバネ剛性を動的に制御することに
より、これに支持された部材の振動を任意に制御するこ
とができる。

【００１９】図１に示した実施例では、巻線支持部材と
して円盤４を用いているが、図７に示すように、円盤４
に代えて放射状の腕２６を有する星型部材２７を用いる
ことができ、腕２６の先端に放射方向の軸線回りに自由
回転可能に軸着したローラ２８を介してコイルバネ２の
巻線を支持するようにすることもできる。また図８に示
すように、巻線支持部材としてコイルバネ２の基端側か
らその巻線間に螺入されたネジ体２９を用いることもで
き、この場合には、シャフト６をネジ体２９と実質上一
体にできる。何れの場合にも前記円盤を用いた実施例と
同様に、シャフト６をモータ１１で正逆方向に回転させ
ることにより、星型部材２７又はネジ体２９をコイルバ
ネ２の巻線に沿って上下に螺進させてコイルバネ２の有
効巻数を変化させることにより、コイルバネ２のバネ剛
性を動的に変化させることが可能である。

【００２０】

【発明の効果】以上説明したこの発明の装置によれば、
コンパクトな構造でコイルバネのバネ剛性を任意かつ動
的に変化させることができ、またその動的な制御も自由
にできるという特徴がある。そしてバネとしてコイルバ
ネを用いているので、バネ剛性の変化幅やバネストロー
クなどの設計の自由度が大きく、バネ力の作用点が変動
せず、また装置全体をコンパクトにできるという特徴が
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の装置を模式的に示す側面図

【図２】実験に供した装置の外観側面図

【図３】バネ剛性の理論値と実測値を示すグラフ

【図４】制振装置のブロック図

【図５】図６の装置の信号の流れを示す流れ図

【図６】制振結果を示すグラフ

【図７】巻線支持部材の第２実施例を示す斜視図

【図８】巻線支持部材の第３実施例を示す側面図

【符号の説明】

２ 圧縮コイルバネ ４ 円盤 ６ シャフト ９ 台形雌ネジ 11 ステッピングモータ 27 星型部材 29 ネジ体

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 コイルバネ(2) と、このコイルバネの巻
   線間に挿入された巻線支持部材(4),(27)と、前記コイル
   バネ(2) の中心軸線上に位置するシャフト(6) と、この
   シャフト(6) を回転駆動する駆動装置(11)とを備え、前
   記巻線支持部材(4),(27)はシャフト(6) に相対回転不能
   かつ傾動自在に装着されており、シャフト(6) の軸方向
   移動を制限する支持部材(9) が設けられている、剛性可
   変バネ装置。
2. 【請求項２】 コイルバネ(2) と、このコイルバネの一
   端からその巻線間に螺入された巻線支持部材(29)と、こ
   の巻線支持部材(29)を回転駆動する駆動装置(11)とを備
   え、この巻線支持部材(29)の軸方向移動を制限する支持
   部材(9) が設けられている、剛性可変バネ装置。