JPH09257069A - Spiral spring - Google Patents

Spiral spring

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JPH09257069A
JPH09257069A JP8064935A JP6493596A JPH09257069A JP H09257069 A JPH09257069 A JP H09257069A JP 8064935 A JP8064935 A JP 8064935A JP 6493596 A JP6493596 A JP 6493596A JP H09257069 A JPH09257069 A JP H09257069A
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spiral spring
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fiber
long fibers
fibers
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孝彦 伊東
Hideo Takeda
秀夫 武田
Kenji Yoshida
健次 吉田
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Nikkiso Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To accumulate comparatively large capacity mechanical energy by forming a composite material formed of fiber-reinforced resin by a specified orientation state of long fibers, and besides to effectively utilize as various sources through high-efficient discharge of accumulated mechanical energy through mechanical deformation of the composite material. SOLUTION: A spiral spring is constituted such that the spring is formed of a plurality of long fibers and a composite material formed of matrix resin and holding the long fibers in a belt-like state, mechanical energy of rotation operation provided by an external energy source and/or a load is accumulated mainly as elastic strain energy of the long fibers and at a given time, accumulated elastic strain energy is fetched as mechanical energy to assist an energy source. Further, outer and inner surface layer parts 10 and 10 are formed of the composite material and an intermediate layer part 12 formed of a light material nipped between the two surface layer parts and maintaining a distance between the two surface layers is formed and molded in a spiral form state.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、複合材料を単層で
または積層して板状に形成して、機械的変位をエネルギ
ーとして蓄積すると共に、蓄積したエネルギーを動力源
として使用することができる渦巻き(ぜんまい)ばねお
よびその応用に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention can form a composite material in a single layer or by laminating it into a plate shape to accumulate mechanical displacement as energy and use the accumulated energy as a power source. The present invention relates to a spiral spring and its application.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来より、一般的に機械的エネルギーを
蓄積し、そしてこの蓄積したエネルギーを適宜放出する
ことができる手段として、次のものが知られている。
2. Description of the Related Art Conventionally, the following means are generally known as means for accumulating mechanical energy and appropriately discharging the accumulated energy.

【0003】(1) ゴム:ゴムの重量当りの弾性歪エネル
ギーは、各種繊維に匹敵するが、変形量が大きく、また
常温で酸化されて脆くなり易く、耐久性に問題があるた
め、模型飛行機の動力源以外には余り使用されていな
い。また、形態安定性が悪いため、渦巻き(ぜんまい)
ばねに成形することは困難である。
(1) Rubber: The elastic strain energy per weight of rubber is comparable to that of various fibers, but the amount of deformation is large, and it is easily oxidized and brittle at room temperature, causing a problem in durability. It is rarely used other than as a power source. In addition, because of poor shape stability, a spiral
Molding into springs is difficult.

【0004】(2) 金属ばね:金属ばねは、重量当りの弾
性歪エネルギー蓄積容量が低く、各種高張力繊維の1/
50〜1/100程度しかない。しかし、成形性が良い
ために、エネルギー容量が小さくてよいものや、その重
量を気にしなくてもよい用途、例えば玩具、時計、手巻
き式蓄音機、オルゴール、手動ラジオ等の手動式単独エ
ネルギー源に使用されるのみであり、軽量かつ大容量を
必要とする用途あるいは別個に存在するエネルギー源を
補助するいわゆるハイブリッド駆動源としては、使用さ
れていない。
(2) Metal springs: Metal springs have a low elastic strain energy storage capacity per weight,
There is only about 50 to 1/100. However, because it has good moldability, it does not need to worry about its energy capacity or its weight, such as toys, watches, hand-wound gramophones, music boxes, and manual independent energy sources such as manual radios. However, it is not used as a so-called hybrid drive source that supplements an energy source that exists separately or in an application that requires light weight and large capacity.

【0005】(3) 複合材料ばね:スプリングやダンパ等
の用途を目的としたFRP(繊維強化樹脂)により構成
したエネルギー吸収体が提案されている(特公昭59−
40101号公報)。この吸収体は、繊維強化によって
材料の強度および弾性率を高めるものであるが、振動と
しての機械的エネルギーを吸収し、これをできるだけ熱
エネルギーに変換して外部に放出することにより振動を
減衰させるものであり、強化材を保持する母材としては
粘弾性特性に優れている(粘性成分のウエイトが高い)
必要がある。しかし、このエネルギー吸収体は、例えば
回転の機械的エネルギーを効率よく蓄積し、この蓄積し
たエネルギーを、エネルギー損失なく再び回転の機械的
エネルギーとして放出して利用すること、すなわちハイ
ブリッド駆動源とするために、動力エネルギーを蓄積す
ることを目的としたものではない。
(3) Composite material spring: An energy absorber made of FRP (fiber reinforced resin) has been proposed for purposes such as springs and dampers (Japanese Patent Publication Sho-59-59).
No. 40101). This absorber increases the strength and elastic modulus of the material by fiber reinforcement, but it absorbs mechanical energy as vibration, converts it into heat energy as much as possible, and releases it to the outside to damp vibration. And has excellent viscoelastic properties as a base material that holds the reinforcing material (high weight of viscous component)
There is a need. However, this energy absorber efficiently stores, for example, mechanical energy of rotation and releases the stored energy as mechanical energy of rotation again without energy loss, that is, to use as a hybrid drive source. In addition, it is not intended to store power energy.

【0006】また、FRP渦巻きばねも知られているが
(特開平1−120448号公報)、これは両側に織物
またはマットを使用することにより、ばねの割れを防
ぎ、耐へたり性、疲労強度の改善、弾性率の改善を行っ
たものである。このように、織物やマットを併用するこ
とにより、蓄積エネルギーの絶対値はともかくとして、
ばねの長手方向に対して直角方向の繊維が、重量または
体積当りの蓄積エネルギーにとってマイナスとなること
は考慮されてはいない。また、用途としても、往運動で
蓄えたエネルギーを復運動の駆動源としたり、手動巻上
げで蓄えたエネルギーを駆動源として利用するもののみ
であり、例えば別個に駆動源があって、必要な時に駆動
源を補助したり、駆動源にとっての負荷を平準化したり
(ロードレベリング)するような用途、すなわちハイブ
リッド駆動源としての用途は見当たらない。
An FRP spiral spring is also known (Japanese Patent Laid-Open No. 120448/1989), but by using a woven fabric or a mat on both sides, cracking of the spring is prevented, sag resistance, and fatigue strength. Is improved and the elastic modulus is improved. In this way, by using fabrics and mats together, the absolute value of the stored energy is aside,
It is not taken into account that the fibers perpendicular to the longitudinal direction of the spring have a negative effect on the stored energy per weight or volume. Also, as an application, the energy stored in the forward movement is used as the drive source for the backward movement, or the energy stored in the manual winding is used as the drive source.For example, there is a separate drive source, and when necessary, There is no application for assisting the drive source or for leveling the load on the drive source (load leveling), that is, as a hybrid drive source.

【0007】(4) フライホイール:フライホイールは、
運動エネルギーの形で大容量のエネルギーを蓄積するこ
とが可能であるが、解決されていない問題も多く、実用
技術として完成されたものではない。
(4) Flywheel: The flywheel is
It is possible to store a large amount of energy in the form of kinetic energy, but there are many unsolved problems and it has not been completed as a practical technology.

【0008】(5) 蓄電池:蓄電池は、蓄積エネルギー密
度は高いが、機械的エネルギーを蓄積して利用するため
には、発電機と電動機とを別個に、あるいは両機能を備
えた機−電変換器を必要とし、経済的な面以外にも各変
換ステップでの効率が問題となる。
(5) Storage battery: The storage battery has a high stored energy density, but in order to store and use mechanical energy, a generator and an electric motor are separately provided, or a machine-electric conversion having both functions is provided. In addition to the economical aspect, the efficiency at each conversion step becomes a problem.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】そこで、発明者等は、
鋭意研究を重ねた結果、長繊維を一方向に配列して帯状
の繊維強化樹脂(FRP)からなる複合材を形成し、こ
の複合材を両側の強度を保持するための表面層部とし、
これら両表面層の間に厚みを保持するための軽量材料か
ら形成される中間層部を設けてこれを挾持し、これらを
層状の板として形成して、これにより渦巻きばねを構成
することにより、渦巻きばねとして機械的エネルギーを
その重量や体積に対して大量に蓄積すると共に、この蓄
積エネルギーを効率良く放出して広く動力源として活用
することができることを突き止めた。
Therefore, the inventors have
As a result of earnest research, long fibers are arranged in one direction to form a composite material made of strip-shaped fiber reinforced resin (FRP), and this composite material is used as a surface layer portion for maintaining strength on both sides.
By providing an intermediate layer portion formed of a lightweight material for holding the thickness between these two surface layers and sandwiching it, and forming these as a layered plate, thereby constituting a spiral spring, As a spiral spring, it has been found that a large amount of mechanical energy can be accumulated with respect to its weight and volume and that this accumulated energy can be efficiently released and widely used as a power source.

【0010】従って、本発明の目的は、長繊維の特定の
配向状態による繊維強化樹脂からなる複合材を形成し、
この複合材を機械的に変形させることにより比較的大容
量の機械的エネルギーの蓄積を可能とし、しかも前記複
合材の変形を復元させる際に、蓄積された機械的エネル
ギーを効率良く放出して各種の動力源として有効に活用
することができる渦巻きばねを提供することにある。
Therefore, an object of the present invention is to form a composite material comprising a fiber reinforced resin according to a specific orientation state of long fibers,
By mechanically deforming this composite material, a relatively large amount of mechanical energy can be accumulated, and when the deformation of the composite material is restored, the accumulated mechanical energy is efficiently released and various types of mechanical energy are released. It is to provide a spiral spring that can be effectively used as a power source of

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明に係る渦巻きばねは、複数本の長繊維と、こ
れを帯状に保持するマトリックス樹脂からなる複合材で
構成し、外部のエネルギー源および/または負荷から与
えられる回転動作の機械的エネルギーを主として長繊維
の弾性歪エネルギーとして蓄積し、所要時に前記蓄積さ
れた弾性歪エネルギーを機械的エネルギーとして取出し
てエネルギー源を補助するように構成することを特徴と
する。
In order to achieve the above object, a spiral spring according to the present invention comprises a composite material composed of a plurality of long fibers and a matrix resin which holds the long fibers in a strip shape, and external energy The mechanical energy of the rotational motion given from the source and / or the load is mainly stored as elastic strain energy of the long fiber, and the stored elastic strain energy is taken out as mechanical energy to assist the energy source when required. It is characterized by doing.

【0012】この場合、長繊維は、引張り弾性率を4
0,000kgf/mm2 以下とし、引張り強度を25
0kgf/mm2 以上とする繊維から主として構成する
ことができる。
In this case, the long fibers have a tensile elastic modulus of 4
Tensile strength of 25 kgf / mm 2 or less
It can be mainly composed of fibers of 0 kgf / mm 2 or more.

【0013】しかるに、引張り弾性率は、好適には3
1,000kgf/mm2 以下であり、さらに好ましく
は6,000〜25,000kgf/mm2 である。一
方、引張り強度は、好適には340kgf/mm2 以上
であり、さらに好ましくは500kgf/mm2 以上で
ある。
However, the tensile modulus is preferably 3
It is 1,000 kgf / mm 2 or less, more preferably 6,000 to 25,000 kgf / mm 2 . On the other hand, the tensile strength is preferably is at 340kgf / mm 2 or more, further preferably 500 kgf / mm 2 or more.

【0014】また、長繊維は、帯状の長手方向に配向す
れば好適である。この場合、繊維は、すだれ織りや組紐
状に形成されているものも使用することができる。
The long fibers are preferably oriented in the longitudinal direction of the strip. In this case, as the fibers, those formed into a braided weave or a braid can be used.

【0015】一方、複合材は、少なくとも二層からな
り、各層内でそれぞれ長繊維が同一方向に配列されるよ
うに構成することができる。
On the other hand, the composite material may be composed of at least two layers, and the long fibers may be arranged in the same direction in each layer.

【0016】この場合、長繊維は、帯状の長手方向に対
して±13.5度以内の傾きで長手方向に配列されるよ
うに構成することができる。
In this case, the long fibers can be arranged in the longitudinal direction at an inclination of ± 13.5 degrees with respect to the longitudinal direction of the strip.

【0017】さらに、渦巻き状に巻回された帯状の外側
に位置する長繊維は、アラミド繊維、炭素繊維、ガラス
繊維、ポリエチレン繊維から選択される少なくとも一種
の繊維とし、内側に位置する部分においては、炭素繊
維、ガラス繊維、ボロン繊維、炭化珪素繊維から選択さ
れる少なくとも一種の繊維とすることができる。
Further, the long fibers located on the outer side of the spirally wound strip are at least one kind of fiber selected from aramid fiber, carbon fiber, glass fiber and polyethylene fiber, and in the inner part, At least one kind of fiber selected from carbon fiber, glass fiber, boron fiber, and silicon carbide fiber can be used.

【0018】また、本発明に係る渦巻きばねは、外側と
内側の表面層部を、複数の長繊維とそれを帯状に保持す
るマトリックスとからなる複合材で構成し、中間層部を
前記表面層部より軽量化することを特徴とする。
Further, in the spiral spring according to the present invention, the outer and inner surface layer portions are composed of a composite material composed of a plurality of long fibers and a matrix for holding them in a strip shape, and the intermediate layer portion is the surface layer. It is characterized by being lighter than the parts.

【0019】この場合、内側の繊維は、フィラメント径
の大きい方が蓄積エネルギーが高くなるので好ましい。
In this case, it is preferable that the inner fiber has a larger filament diameter because the accumulated energy becomes higher.

【0020】また、前記中間層部は、中空部分を形成す
ることができる。前記中間層部は、中空部分を有する軽
量材料で構成することができる。そして、前記軽量材料
の中空部分は、マイクロバルーンで構成することができ
る。
Further, the intermediate layer portion can form a hollow portion. The intermediate layer portion can be made of a lightweight material having a hollow portion. The hollow portion of the lightweight material may be formed of microballoons.

【0021】さらに、前記長繊維は、引張り弾性率を4
0,000kgf/mm2 以下とし、引張り強度を25
0kgf/mm2 以上とする繊維から主として構成する
ことができる。
Further, the long fibers have a tensile elastic modulus of 4
Tensile strength of 25 kgf / mm 2 or less
It can be mainly composed of fibers of 0 kgf / mm 2 or more.

【0022】そして、この場合に長繊維は、帯状の長手
方向に配向すれば好適であり、またすだれ織りや組紐状
に形成されている繊維を使用することもできる。
In this case, it is preferable that the long fibers are oriented in the longitudinal direction of the strip, and it is also possible to use fibers formed in the shape of a braid or a braid.

【0023】一方、前記両表面層の複合材は、少なくと
も二層からなり、各層内でそれぞれ長繊維が同一方向に
配列されるように構成することができる。
On the other hand, the composite material of both surface layers may be composed of at least two layers, and the long fibers may be arranged in the same direction in each layer.

【0024】さらに、前記長繊維は、帯状の長手方向に
対して±13.5度以内の傾きで長手方向に配列される
ように構成することができる。
Further, the long fibers may be arranged in the longitudinal direction at an inclination of ± 13.5 degrees with respect to the longitudinal direction of the strip.

【0025】また、渦巻きばねは、渦巻き状に巻回され
た帯状の外側に位置する表面層部の長繊維を、アラミド
繊維、炭素繊維、ガラス繊維、ポリエチレン繊維から選
択される少なくとも一種の繊維とし、内側に位置する表
面層部の長繊維が、炭素繊維、ガラス繊維、ボロン繊
維、炭化珪素繊維から選択される少なくとも一種の繊維
とすることができる。
Further, in the spiral spring, the long fibers of the surface layer portion located on the outer side of the spirally wound strip are made of at least one kind of fiber selected from aramid fiber, carbon fiber, glass fiber and polyethylene fiber. The long fibers of the surface layer portion located inside can be at least one kind of fiber selected from carbon fiber, glass fiber, boron fiber, and silicon carbide fiber.

【0026】この場合も、内側の繊維は、フィラメント
径の大きい方が蓄積エネルギーが高くなるので好まし
い。
Also in this case, it is preferable that the inner fiber has a larger filament diameter because the accumulated energy becomes higher.

【0027】なお、前記軽量材料からなる中間層部の厚
さは、両表面層部の平均厚さの0.2〜6倍とすること
ができる。
The thickness of the intermediate layer made of the lightweight material may be 0.2 to 6 times the average thickness of both surface layer portions.

【0028】また、前記軽量材料からなる中間層部の厚
さは、外側表面層部の0.6〜5倍とすることができ
る。
The thickness of the intermediate layer made of the lightweight material can be 0.6 to 5 times that of the outer surface layer.

【0029】[0029]

【発明の実施の形態】本発明において、渦巻きばねを成
形するに際しては、基本的に、繊維強化樹脂用プリプレ
グを1層または2層以上積層したシートを使用して、こ
れを渦巻き状に成形し、加熱・加圧処理することにより
達成することができる。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION In the present invention, when forming a spiral spring, basically, a sheet in which one layer or two or more layers of fiber reinforced resin prepreg are laminated is used and is formed into a spiral shape. It can be achieved by heating and pressurizing.

【0030】また、本発明においては、前記単層または
2層以上に積層したプリプレグの一側面または中間に、
軽量材料からなる層を設けて、これを渦巻き状に成形
し、加熱・加圧処理することにより、渦巻きばねを成形
することができる。
In the present invention, one side or the middle of one side or two or more layers of prepreg,
A spiral spring can be formed by providing a layer made of a lightweight material, forming the spiral shape, and heating / pressurizing the layer.

【0031】しかるに、本発明の繊維強化樹脂に使用す
る材料として、特に渦巻きばねの用途として好ましい繊
維の限定はないが、例えば渦巻きの外側では、引っ張り
に強いガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維等が好まし
く、一方内側の補強繊維としては、圧縮に強い炭素繊
維、ボロン繊維が好ましい。これらの繊維から得られる
ばねは、いずれも蓄積エネルギー容量が大きい。また、
前記軽量材料からなる軽量層を設ける場合においても、
これらの繊維が好適に使用される。
However, as the material used for the fiber-reinforced resin of the present invention, there is no limitation on the fibers which are particularly preferable for use in the spiral spring. For example, on the outside of the spiral, glass fibers, carbon fibers, aramid fibers, etc., which are resistant to pulling, are used. On the other hand, as the reinforcing fibers on the inner side, carbon fibers and boron fibers that are resistant to compression are preferable. The springs obtained from these fibers all have a large stored energy capacity. Also,
Even when a lightweight layer made of the lightweight material is provided,
These fibers are preferably used.

【0032】また、前記繊維強化樹脂に使用するマトリ
ックス材料としては、熱硬化性樹脂として、エポキシ樹
脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、ビスマレイミド
樹脂等を使用することができ、また熱可塑性樹脂とし
て、ポリスルフォン樹脂、ポリエステル樹脂、フッ素系
樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリフェ
ニルスルフィド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルス
ルフォン等を使用することができる。特に、これらの樹
脂類のなかでも、結晶性が高く、粘性変形し難いものが
好ましい。その他、セラミックスや金属も使用可能であ
るが、これらは重量当りのエネルギー蓄積容量の点から
樹脂類よりも劣る。
As the matrix material used for the fiber reinforced resin, epoxy resin, phenol resin, polyimide resin, bismaleimide resin, etc. can be used as thermosetting resin, and the thermoplastic resin can be Sulfone resin, polyester resin, fluorine resin, polyamide resin, polyacetal resin, polyphenyl sulfide, polyether ketone, polyether sulfone and the like can be used. In particular, among these resins, those having high crystallinity and less likely to undergo viscous deformation are preferable. In addition, ceramics and metals can be used, but these are inferior to resins in terms of energy storage capacity per weight.

【0033】本発明の繊維強化樹脂を構成するためのプ
リプレグとしては、市販の一方向プリプレグを使用する
ことができる。また、繊維を所要角度を有する一方向に
配列されたものを得るには、フィラメントワインダーを
使用して、所定の角度に配向したプリプレグとすること
ができる。この場合、市販の一方向プリプレグを使用し
て、積層時に所定の角度を持たせるように構成すること
もできる。また、表面層部を複数層から形成させる場合
には、層毎に角度を変えることも可能であり、一層毎に
正逆の角度を持たせてもよい。この場合、前記角度は、
エネルギー蓄積容量からは、ばねの長手方向に対して1
2度付近が最も好ましいが、角度設定をしない(0度
の)ものに比べて生産性は劣る。
As the prepreg for forming the fiber-reinforced resin of the present invention, a commercially available unidirectional prepreg can be used. Further, in order to obtain fibers arranged in one direction having a required angle, a filament winder can be used to obtain a prepreg oriented at a predetermined angle. In this case, a commercially available unidirectional prepreg may be used so that a predetermined angle can be provided during lamination. When the surface layer portion is formed of a plurality of layers, the angle can be changed for each layer, and the forward and reverse angles may be provided for each layer. In this case, the angle is
From the energy storage capacity, 1 for the longitudinal direction of the spring
Around 2 degrees is the most preferable, but the productivity is inferior to that without an angle setting (0 degree).

【0034】繊維が織物の場合は、プリプレグを所定の
幅に切断して使用するか、中間層部と積層後、または積
層成形後に所定の幅に切断する。但し、この場合、通常
の織物や編物は、重量当りエネルギーの点から好ましく
ない。
When the fiber is a woven fabric, the prepreg is cut into a predetermined width for use, or is cut into a predetermined width after being laminated with the intermediate layer portion or after laminating and molding. However, in this case, an ordinary woven fabric or knitted fabric is not preferable in terms of energy per weight.

【0035】また、操業の点からは、所々に横糸を入れ
て縦糸をシート状に纏めた、いわゆるすだれ織りは、横
糸量が僅少なために、一方向プリプレグ用として良好に
使用することができる。
From the viewpoint of operation, a so-called interlace weave in which weft yarns are put in places and warp yarns are gathered in a sheet form can be favorably used for one-way prepreg because the weft yarn amount is small. .

【0036】さらに、プリプレグを使用しなくても、樹
脂液を浸漬した糸を、ある角度でフィラメントワインダ
ーによりマンドレルに巻着けて組紐状となったものは、
正負の角度のものが入交じっており、各層の糸角度が一
定とは言い難いが、使用可能である。しかし、このフィ
ラメントワインダーを使用する方式は、生産性の点から
余り好ましくはない。
Further, even without using a prepreg, a yarn in which a resin liquid is dipped is wound around a mandrel with a filament winder at a certain angle to form a braid.
There are a mixture of positive and negative angles, and it is difficult to say that the yarn angles in each layer are constant, but they can be used. However, the method using this filament winder is not very preferable from the viewpoint of productivity.

【0037】本発明の渦巻きばねにおいては、軽量材料
からなる中間層部を設けることによって、比較的蓄積エ
ネルギーの小さい繊維を使用しても比較的大きいエネル
ギー容量の渦巻きばねを得ることができる。
In the spiral spring of the present invention, by providing the intermediate layer portion made of a lightweight material, it is possible to obtain a spiral spring having a relatively large energy capacity even if fibers having a relatively small accumulated energy are used.

【0038】前記中間層部としての軽量材料からなる軽
量層としては、マイクロバルーン含有材料やハニカムを
使用することができるが、製造作業からは、マイクロバ
ルーン含有材料の使用が便利である。マイクロバルーン
としては、ガラスバルーンやシラスバルーンが好適であ
る。例えば、ガラスバルーンをエポキシマトリックスに
分散して、比重を0.125〜0.6g/ccとしたも
のが市販されている。マトリックス樹脂としては、何等
制限がなく、各種の公知のものが使用可能である。ま
た、発泡樹脂も使用可能である。
A microballoon-containing material or a honeycomb can be used as the light-weight layer made of a light-weight material as the intermediate layer portion, but it is convenient to use the microballoon-containing material from the manufacturing operation. A glass balloon or a shirasu balloon is suitable as the microballoon. For example, a glass balloon having a specific gravity of 0.125 to 0.6 g / cc dispersed in an epoxy matrix is commercially available. There is no limitation on the matrix resin, and various known resins can be used. Foamed resin can also be used.

【0039】そして、マイクロバルーンを中間層部に使
用する時は、予め樹脂に対して10〜20%(重量比。
容量比では10〜60%)混合し、必要な厚さに成形し
て、マトリックスが熱硬化性樹脂の場合は予めBステー
ジ化しておき、これを、表面層部としての、繊維を含有
したプリプレグと積層して成形する。
When the microballoon is used in the intermediate layer portion, it is previously added to the resin in an amount of 10 to 20% (weight ratio).
The volume ratio is 10 to 60%), and the mixture is molded into a required thickness, and when the matrix is a thermosetting resin, it is preliminarily converted to B stage, and this is used as a surface layer portion, and the prepreg containing fibers is used. It is laminated and molded.

【0040】また、ハニカムを中間層部として使用する
ことも可能である。この場合、ハニカムの厚さ方向を中
間層部の厚さ方向として使用する。そこで、ばねの厚さ
の小さいものでは、製造作業性に問題があるが、厚さが
数mm以上の時には、特に数cm以上ある大容量のばね
では、好適に使用することができる。
It is also possible to use a honeycomb as the intermediate layer portion. In this case, the thickness direction of the honeycomb is used as the thickness direction of the intermediate layer portion. Therefore, a spring having a small thickness has a problem in manufacturing workability, but when the thickness is several mm or more, a spring having a large capacity of several cm or more can be preferably used.

【0041】なお、この中間層部には、繊維を織物状で
使用しても、容量当りの蓄積エネルギーを下げることが
ないので、ばねの幅方向の補強用に使用することができ
る。この場合、比重の小さい繊維のものが、重量を増や
さない点から好ましい。また、例えば前記中間層部に使
用する樹脂に発泡剤を混入しておき、成形時の加熱によ
り発泡させることにより、前記中間層部は、中空部分を
有する軽量材料で構成することができる。
Even if fibers are used in the intermediate layer portion in the form of a woven fabric, since the stored energy per capacity is not lowered, it can be used for reinforcing the spring in the width direction. In this case, fibers having a small specific gravity are preferable because the weight is not increased. In addition, for example, a foaming agent is mixed in the resin used for the intermediate layer portion and foamed by heating during molding, whereby the intermediate layer portion can be made of a lightweight material having a hollow portion.

【0042】本発明の渦巻きばねの成形に際しては、熱
可塑性樹脂を使用する場合は、プレス成形により各層
(表面層部、中間層部)を融着し、必要な形に成形す
る。熱硬化性樹脂を使用する場合は、例えば所定の厚さ
のシリコンゴムからなるスペーサと積層物を重ね、伊達
巻き式に巻き込んで、真空包装し、オートクレーブで加
圧下に加熱して硬化させて成形する。この場合、シリコ
ンゴムの厚さに勾配を付けることにより、自然状態での
渦巻きの周回間のピッチを外側と内側とで変えることが
できる。
In forming the spiral spring of the present invention, when a thermoplastic resin is used, each layer (surface layer portion and intermediate layer portion) is fused by press molding to be formed into a required shape. When using a thermosetting resin, for example, stack a spacer made of silicon rubber with a specified thickness and a laminate, wrap it up in a Date winding type, vacuum wrap it, heat it under pressure in an autoclave and cure it. To do. In this case, the pitch between the spiral turns in the natural state can be changed between the outer side and the inner side by giving a gradient to the thickness of the silicone rubber.

【0043】また、プルトルージョンによる成形を行う
場合には、熱可塑性樹脂では温度が未だ十分に冷える前
に、熱硬化性樹脂では完全硬化前に押出された成形品
を、スペーサ(例えば、耐熱シリコンゴムシート)と重
ねて軸に巻取り、しかる後に冷却または再硬化させて成
形する。この成形方式は、前記熱硬化性樹脂によるプリ
プレグ成形方式より、生産性の点で優れている。
In the case of molding by pultrusion, the molded product extruded before the thermoplastic resin is sufficiently cooled and before the thermosetting resin is completely cured is used as a spacer (for example, heat-resistant silicon). A rubber sheet) is piled up and wound on a shaft, and then cooled or re-cured to be molded. This molding method is superior in productivity to the prepreg molding method using the thermosetting resin.

【0044】なお、前記各スペーサを使用する成形方式
において、前記スペーサは、シリコンゴム以外のものと
して、エアバッグ等を使用することが可能である。
In the molding method using each of the spacers, an air bag or the like can be used as the spacer other than silicon rubber.

【0045】また、渦巻きばね形状として利用し得る構
成とする際には、巻取り、巻戻しにおけるばね各周回間
の接触を避けるために、外から内に向って剛性を小さく
設定することができる。この場合、幅を一定にして、厚
さに勾配を持たせるか、厚さを一定にして、幅に内から
外へ勾配を持たせるようにする。
Further, in the case of adopting a structure which can be used as a spiral spring shape, the rigidity can be set small from the outside to the inside in order to avoid contact between the respective turns of the spring during winding and unwinding. . In this case, the width is constant and the thickness has a gradient, or the thickness is constant and the width has a gradient from the inside to the outside.

【0046】さらに、本発明において、前記各層(表面
層部、中間層部)を平板状のままとし、板ばね形状とし
て利用し得る構成とすることもできる。
Further, in the present invention, each of the layers (surface layer portion, intermediate layer portion) may be in the form of a flat plate and can be used as a leaf spring.

【0047】[0047]

【実施例】次に、本発明に係る渦巻きばねの実施例につ
き、添付図面を参照しながら以下詳細に説明する。
Embodiments of the spiral spring according to the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings.

【0048】実施例1 炭素繊維〔東レ(株)製のT300〕にエポキシ樹脂
(未硬化状態)を含浸させて、その繊維方向が長手方向
に対して±0°となるようにプリプレグ2層を積層して
なるプリプレグ積層物10、10(長さ2,500m
m、幅50mm、厚さ0.5mm)を作成した。
Example 1 Carbon fiber [T300 manufactured by Toray Industries, Inc.] was impregnated with an epoxy resin (uncured state), and two layers of prepreg were formed so that the fiber direction was ± 0 ° with respect to the longitudinal direction. Laminated prepreg laminates 10 and 10 (length 2,500 m
m, width 50 mm, thickness 0.5 mm).

【0049】このようにしてプリプレグ2層を積層して
作成したプリプレグ積層物10、10は、図1の(a)
に示すように、直径が20mmの金型20の周囲にシリ
コン板22と共に各周回間を等ピッチ間隔にして巻着し
た。
The prepreg laminates 10 and 10 produced by laminating the two prepreg layers in this manner are shown in FIG.
As shown in (1), the mold 20 having a diameter of 20 mm was wound around the mold 20 with the silicon plate 22 at equal pitch intervals.

【0050】前記積層物を全て巻着した後、図2に示す
ように、その外側をポリエステル製の加圧テープ24で
巻着し、ナイロン製のフィルムにより真空パックを行
う。その後、オートクレーブに入れ、温度130℃、圧
力3kg/cm3 gの加熱・加圧条件により、120分
間保持して硬化させた。
After the entire laminate is wound, as shown in FIG. 2, the outside is wrapped with a polyester pressure tape 24, and a nylon film is vacuum packed. Then, it was put into an autoclave and held for 120 minutes under the heating and pressurizing conditions of a temperature of 130 ° C. and a pressure of 3 kg / cm 3 g to be cured.

【0051】得られた物について、加圧テープ24、シ
リコン板22および金型20を順次取外すことにより、
外周の直径が150mmの積層物からなる渦巻きばねを
得た。
By removing the pressure tape 24, the silicon plate 22 and the mold 20 from the obtained product in order,
A spiral spring composed of a laminate having an outer diameter of 150 mm was obtained.

【0052】実施例2 プリプレグ積層物10の作成に際し、繊維方向を長手方
向に対して±12°となるように2層に積層した構成と
し、その他の構成は実施例1と全て同一として、プリプ
レグ積層物を作成した。次いで、ガラスのマイクロバル
ーンを充填したエポキシ樹脂のフィルム12〔日本石油
(株)製マイクロプライSF−6〕(長さ2,500m
m、幅50mm、厚さ1.5mm)を作成した。
Example 2 When the prepreg laminate 10 was prepared, two layers were laminated so that the fiber direction was ± 12 ° with respect to the longitudinal direction, and the other configurations were all the same as in Example 1, and the prepreg was the same. A laminate was created. Next, a film 12 of epoxy resin filled with glass microballoons [Microply SF-6 manufactured by Nippon Oil Co., Ltd.] (length: 2,500 m)
m, width 50 mm, thickness 1.5 mm).

【0053】このようにして作成したプリプレグ積層物
10、10とフィルム12とは、図1の(b)に示すよ
うに、前記フィルム12を中間層部とし、その両側を前
記プリプレグ積層物10、10で挾持するよう積層し、
この積層物を金型20の周囲にシリコン板22と共に巻
着した。
As shown in FIG. 1B, the prepreg laminates 10 and 10 and the film 12 produced in this manner have the film 12 as an intermediate layer portion, and both sides of the film 12 are the prepreg laminates 10 and 10. Stack so that you can hold it at 10,
This laminate was wound around the mold 20 together with the silicon plate 22.

【0054】前記積層物を全て巻着した後、前記実施例
1と同一の製造条件により、渦巻きばねを得た。
After winding all the laminate, a spiral spring was obtained under the same manufacturing conditions as in Example 1.

【0055】実施例3 プリプレグ積層物10の作成に際し、繊維方向を長手方
向に対して±0°となるように2層に積層した構成と
し、その他の構成は実施例1と全て同一として、プリプ
レグ積層物を作成した。その他の構成材料および製造条
件は、前記実施例2と全て同一にして、渦巻きばねを得
た。
Example 3 When the prepreg laminate 10 was prepared, two layers were laminated so that the fiber direction was ± 0 ° with respect to the longitudinal direction, and the other configurations were all the same as in Example 1, and the prepreg was the same. A laminate was created. The other constituent materials and manufacturing conditions were all the same as in Example 2 to obtain a spiral spring.

【0056】実施例4 渦巻きばねの外側の表面層部を形成するプリプレグ積層
物10の作成に際し、実施例1の炭素繊維に代えてアラ
ミド繊維〔米国デュポン社製のKEVLAR−49〕に
エポキシ樹脂(未硬化状態)を含浸させて、その繊維方
向が長手方向に対して±13°となるように2層に積層
してなるプリプレグ積層物10、10(各層部につい
て、長さ2,500mm、幅50mm、厚さ0.5m
m)を作成した。その他の構成材料(内側の表面層部と
中間層部)および製造条件は、前記実施例2と全て同一
にして、渦巻きばねを得た。
Example 4 In preparing the prepreg laminate 10 for forming the outer surface layer of the spiral spring, aramid fiber (KEVLAR-49 manufactured by DuPont, USA) was replaced with epoxy resin (in place of the carbon fiber of Example 1). An uncured state) is impregnated and laminated in two layers such that the fiber direction thereof is ± 13 ° with respect to the longitudinal direction (each layer portion has a length of 2,500 mm and a width of 2,500 mm). 50 mm, thickness 0.5 m
m). The other constituent materials (inner surface layer portion and intermediate layer portion) and manufacturing conditions were all the same as in Example 2 to obtain a spiral spring.

【0057】比較例 長さ2,500mm、幅50mm、厚さ0.5mmのば
ね鋼を使用し、これを所要の金型に渦巻き状に巻着し、
この状態のまま熱処理を行って、渦巻きばねを得た。
Comparative Example A spring steel having a length of 2,500 mm, a width of 50 mm and a thickness of 0.5 mm was used, which was spirally wound around a required mold.
Heat treatment was performed in this state to obtain a spiral spring.

【0058】A.重量当り蓄積エネルギーについての試
実施例1〜4および比較例においてそれぞれ得られた渦
巻きばねについて、重量当り蓄積エネルギーについての
試験を行った。
A. Trial on stored energy per weight
The spiral springs obtained in Test Examples 1 to 4 and Comparative Example were tested for accumulated energy per weight.

【0059】試験方法 試料として外周の直径が150mmの渦巻きばねSを、
図3に示すように、その内端を直径が15mmの芯棒3
0に固定し、その外端をケース32の内側に固定し、そ
して前記芯棒30に巻き着けたワイヤ34を、テンショ
ン万能引張り試験器により矢印方向に引張っていった時
の、荷重と変位とを計測した。
Test method As a sample, a spiral spring S having an outer diameter of 150 mm was used.
As shown in FIG. 3, the inner end has a core rod 3 with a diameter of 15 mm.
0 and its outer end fixed to the inside of the case 32, and the load and displacement when the wire 34 wound around the core rod 30 was pulled in the direction of the arrow by a tension universal tension tester. Was measured.

【0060】まず、計測に際しては、同一のサンプルを
5個作成し、それらをそれぞれ破壊するまで引張った時
に、破壊歪みが最大となったサンプルの破壊歪みの80
%の歪みに対応した各サンプルの重量当り蓄積エネルギ
ー(kg・cm/kg)を、加重−変位曲線の下側面積
から求めた。これらを、各実施例について実施した。な
お、各渦巻きばねは、外周が固定され、内側から巻き取
っているので、ばねの各周間の摩擦が少なく、歪み−応
力特性曲線がほぼ直線を示し、前記曲線下の面積は、三
角法で求めることができた。これらの試験結果を表1に
示す。
First, in the measurement, five identical samples were prepared, and when each of them was pulled until it was broken, the breaking strain of the sample was 80, which was the maximum breaking strain.
The accumulated energy per weight (kg · cm / kg) of each sample corresponding to the strain of% was determined from the area under the weight-displacement curve. These were carried out for each example. Since each spiral spring has a fixed outer circumference and is wound from the inside, there is little friction between the circumferences of the spring, the strain-stress characteristic curve shows a substantially straight line, and the area under the curve is the trigonometric method. I was able to ask. Table 1 shows the test results.

【0061】また、歪みを破壊にまで至らせずに、ヒス
テリシス特性を描く場合、戻りの勾配は往きと同じであ
り、それぞれヒステリシスは僅少であることが認められ
た。
Further, when the hysteresis characteristics were drawn without causing the strain to be destroyed, it was confirmed that the slope of the return was the same as that of the forward and the hysteresis was slight.

【0062】試験結果 Test results

【表1】 [Table 1]

【0063】上記の重量当り蓄積エネルギーの試験結果
から、本発明に係る実施例1〜4で得られる渦巻きばね
は、従来の比較例における渦巻きばねと比較して、約5
0倍以上の重量当り蓄積エネルギーを発揮し得ることが
確認された。
From the above-mentioned test results of accumulated energy per weight, the spiral springs obtained in Examples 1 to 4 according to the present invention are about 5 in comparison with the spiral springs in the conventional comparative example.
It was confirmed that the accumulated energy per weight of 0 times or more can be exhibited.

【0064】B.繊維角度と重量当り蓄積エネルギーと
の関係 実施例2による渦巻きばねの製造に際し、繊維の長手方
向に対する角度を種々変更した場合における、繊維角度
α(°)と重量当り蓄積エネルギー(kg・cm/k
g)について測定した結果、図4に示す特性が得られ
た。この特性結果から、前記繊維角度が±12°付近に
おいて、重量当り蓄積エネルギーは最大値となること、
そしてこの角度は±13.5度以内であることが好まし
いことが確認された。
B. Fiber angle and stored energy per weight
In the manufacture of the spiral spring according to Example 2, the fiber angle α (°) and the accumulated energy per weight (kg · cm / k) when the angle with respect to the longitudinal direction of the fiber is changed variously.
As a result of measuring g), the characteristics shown in FIG. 4 were obtained. From this characteristic result, the accumulated energy per weight reaches the maximum value when the fiber angle is around ± 12 °,
It was confirmed that this angle is preferably within ± 13.5 degrees.

【0065】C.中間層部/表面層部の厚さと重量当り
蓄積エネルギーとの関係 実施例2による渦巻きばねの製造に際し、外側表面層部
の厚さt1 、内側表面層部の厚さt3 、中間層部の厚さ
t2 について種々変更し、重量当り蓄積エネルギー(k
g・cm/kg)について測定した。
C. Per middle layer / surface layer thickness and weight
Relationship with Stored Energy In manufacturing the spiral spring according to the second embodiment, the thickness t1 of the outer surface layer portion, the thickness t3 of the inner surface layer portion, and the thickness t2 of the intermediate layer portion are variously changed to store the stored energy per weight ( k
g · cm / kg).

【0066】まず、外側表面層部の厚さt1 に対する中
間層部の厚さt2 の比(t2 /t1)について測定した
結果、図5に示す特性が得られた。この特性結果から、
外側表面層部の厚さt1 に対する中間層部の厚さt2 の
比1.5〜3の範囲において最大値が得られることが判
った。
First, as a result of measuring the ratio (t2 / t1) of the thickness t2 of the intermediate layer portion to the thickness t1 of the outer surface layer portion, the characteristics shown in FIG. 5 were obtained. From this characteristic result,
It has been found that the maximum value is obtained in the ratio range of 1.5 to 3 of the thickness t2 of the intermediate layer portion to the thickness t1 of the outer surface layer portion.

【0067】外側表面層部の厚さt1 および内側表面層
部の厚さt3 を共に0.04cmとした場合において、
中間層部の厚さt2 =0〜0.25cmに変化させた時
について測定した結果、図6に示す特性が得られた。こ
の特性結果から、中間層部の厚さt2 =0.025〜
0.2cmの範囲、すなわち中間層部の厚さが両表面層
部の平均厚さに対して0.6〜5倍の範囲で最大値が得
られること、一方、t3/t1 が1.25においてその
最大値が極大を示し、また最大値が存在するt3/t1
の範囲がほぼ0.5〜3であることが判った。なお、こ
の場合、ガラス繊維強化樹脂、アラミド繊維強化樹脂お
よびばね鋼について、同様の測定を行った結果、実施例
2によるものと比較して、重量当り蓄積エネルギーは約
3分の1以下であることが確認された。
When both the thickness t1 of the outer surface layer portion and the thickness t3 of the inner surface layer portion are 0.04 cm,
As a result of measurement when the thickness t2 of the intermediate layer portion was changed to 0 to 0.25 cm, the characteristics shown in FIG. 6 were obtained. From this characteristic result, the thickness t2 of the intermediate layer portion = 0.025-
The maximum value is obtained in the range of 0.2 cm, that is, in the range in which the thickness of the intermediate layer portion is 0.6 to 5 times the average thickness of both surface layer portions, while t3 / t1 is 1.25. At t3 / t1 where the maximum value shows the maximum and there is a maximum value.
It was found that the range was about 0.5 to 3. In this case, the glass fiber reinforced resin, the aramid fiber reinforced resin and the spring steel were subjected to the same measurement, and as a result, the accumulated energy per weight was about one-third or less as compared with that according to Example 2. It was confirmed.

【0068】次に、前述した本発明に係る渦巻きばねを
使用して、エネルギーの蓄積・放出を行う動力源等に応
用した装置について説明する。
Next, an apparatus applied to a power source for storing and releasing energy using the spiral spring according to the present invention will be described.

【0069】応用例 図7は、回転軸の駆動回転エネルギーを渦巻きばねに蓄
積し、この渦巻きばねに蓄積されたエネルギーを適宜フ
リー回転状態に保持された回転軸の駆動源側に放出し
て、この回転軸に所要の駆動力を付与(リサイクル)す
るように構成する場合の基本原理を示すものである。
Application Example FIG. 7 shows that the driving rotational energy of the rotary shaft is accumulated in the spiral spring, and the energy accumulated in the spiral spring is appropriately discharged to the drive source side of the rotary shaft held in the free rotation state. It shows the basic principle in the case of being configured to apply (recycle) a required driving force to this rotating shaft.

【0070】すなわち、図7において、参照符号40は
一端を所要の駆動源(図示せず)に接続した回転軸を示
し、この回転軸40の一端40aには駆動源(例えば、
自動車のエンジン)に結合され、その他端部40bには
被動体(例えば、自動車の車輪)に結合されている。こ
のように構成された回転軸40の外周において、前記実
施例2に記載の構成からなる渦巻きばね42を囲繞配置
する。
That is, in FIG. 7, reference numeral 40 denotes a rotary shaft whose one end is connected to a required drive source (not shown), and one end 40a of the rotary shaft 40 has a drive source (for example,
The other end 40b is connected to a driven body (for example, an automobile wheel). On the outer periphery of the rotating shaft 40 configured as described above, the spiral spring 42 having the configuration described in the second embodiment is surroundingly arranged.

【0071】この渦巻きばね42は、内側支持ケース4
4と外側保持ケース46との間に収納配置され、さらに
前記外側保持ケース46は、外部ハウジング48によっ
て全体を囲繞被覆されている。なお、前記外部ハウジン
グ48は、外部的に固定され、その両端部において、そ
れぞれ軸受50、51を介して回転軸40を回転自在に
保持する。
The spiral spring 42 is provided in the inner support case 4
4 and the outer holding case 46 are housed and arranged, and the outer holding case 46 is entirely covered by an outer housing 48. The outer housing 48 is externally fixed, and rotatably holds the rotary shaft 40 at both ends thereof via bearings 50 and 51, respectively.

【0072】しかるに、前記渦巻きばね42の内側支持
ケース44は、軸方向の両端部において軸受52、53
を介して回転軸40を回転自在に保持するように装着さ
れる。一方、前記外側保持ケース46は、軸方向の一端
部をワンウェイクラッチ54および軸受55を介して回
転軸40に対して係脱自在に結合装着される。
However, the inner support case 44 of the spiral spring 42 has bearings 52, 53 at both ends in the axial direction.
The rotary shaft 40 is mounted so as to be rotatably supported via the. On the other hand, one end of the outer holding case 46 in the axial direction is detachably connected to the rotary shaft 40 via a one-way clutch 54 and a bearing 55.

【0073】さらに、前記渦巻きばね42の内側支持ケ
ース44は、回転軸40側の一端において、回転軸40
に結合されて回転駆動するクラッチ56と係脱自在に結
合構成される。また、前記内側支持ケース44の一端
は、ワンウェイクラッチ58を介して外部ハウジング4
8の一端側の内側面に設けた結合部48aに係合する。
Further, the inner side support case 44 of the spiral spring 42 has one end on the rotary shaft 40 side at the rotary shaft 40.
And a clutch 56 that is rotationally driven. Further, one end of the inner side support case 44 is connected to the outer housing 4 via a one-way clutch 58.
8 engages with a coupling portion 48a provided on the inner side surface on one end side.

【0074】一方、前記外側保持ケース46は、回転軸
40の他端側(負荷側)40bにおいて、前記ワンウェ
イクラッチ54を介して回転軸40に係脱自在に結合す
ると共に、外部ハウジング48の他端側の内側面に設け
た結合部48bにおいて、係脱自在なブレーキ結合を行
うブレーキ結合部60を構成する。
On the other hand, the outer holding case 46 is detachably connected to the rotary shaft 40 via the one-way clutch 54 at the other end side (load side) 40b of the rotary shaft 40, and the external housing 48 The coupling portion 48b provided on the inner surface on the end side constitutes a brake coupling portion 60 for engaging and disengaging the brake coupling.

【0075】次に、前記構成からなる装置における渦巻
きばね42のエネルギーの蓄積・放出動作について説明
する。
Next, the energy storage / release operation of the spiral spring 42 in the apparatus constructed as described above will be described.

【0076】まず、クラッチ56と渦巻きばね42の内
側支持ケース44とを係合状態とすると共に、渦巻きば
ね42の外側支持ケース46と外部ハウジング48とを
ブレーキ結合部60により結合状態にする。このように
して、回転軸40を駆動源により矢印方向に回転駆動す
れば、前記内側支持ケース44は、ワンウェイクラッチ
58に対してフリー回転する一方、前記外側支持ケース
46は、ブレーキ結合部60により外部ハウジング48
と係合して固定されるため、渦巻きばね42は、所要限
界まで内側から巻き締め操作される。なお、この場合、
回転軸40は、ワンウェイクラッチ54に対してフリー
回転する。また、駆動源が停止した場合においても、負
荷の慣性による回転軸40の回転動作により、渦巻きば
ね42が巻き締め操作されると共に、これが回転軸40
に対するブレーキの作用を及ぼすことができる。
First, the clutch 56 and the inner support case 44 of the spiral spring 42 are brought into engagement with each other, and the outer support case 46 of the spiral spring 42 and the outer housing 48 are brought into connection with each other by the brake connecting portion 60. In this way, when the rotary shaft 40 is rotationally driven in the direction of the arrow by the drive source, the inner support case 44 is freely rotated with respect to the one-way clutch 58, while the outer support case 46 is driven by the brake coupling portion 60. Outer housing 48
Since it is engaged with and fixed, the spiral spring 42 is tightened from the inside to the required limit. In this case,
The rotary shaft 40 freely rotates with respect to the one-way clutch 54. Further, even when the drive source is stopped, the spiral spring 42 is tightened by the rotating operation of the rotary shaft 40 due to the inertia of the load, and the rotary spring 40 is rotated.
The effect of the brake on can be exerted.

【0077】しかるに、所要限界以上の過剰な巻き締め
に際しては、前記内側支持ケース44と共に外側保持ケ
ース46が一体的に回転しようとするが、この場合、前
記外側保持ケース46と外部ハウジング48との結合部
分に、適宜のスリップ装置(図示せず)を介して前記外
側保持ケース46がスリップ回転することができるよう
に構成される。
However, when tightening excessively beyond the required limit, the outer holding case 46 tries to rotate integrally with the inner support case 44. In this case, the outer holding case 46 and the outer housing 48 are The outer holding case 46 is configured to be able to slip and rotate at the coupling portion via an appropriate slip device (not shown).

【0078】このような渦巻きばね42の巻き締め操作
によって、前記渦巻きばね42には、所要の弾性歪みエ
ネルギーを蓄積することができる。
By such a tightening operation of the spiral spring 42, a required elastic strain energy can be accumulated in the spiral spring 42.

【0079】次いで、前記回転軸40の回転駆動を停止
した後、前記渦巻きばね42の内側支持ケース44と回
転軸40との結合を行っているクラッチ56の係合を解
除すると、前記内側支持ケース44は、渦巻きばね42
に蓄積されたエネルギーにより、前記回転軸40の回転
駆動方向とは反対の方向に回転動作しようとするが、こ
の場合、内側支持ケース44と外部ハウジング48とを
結合するワンウェイクラッチ58が係合状態となり、フ
リー回転が阻止される。
Then, after the rotational drive of the rotary shaft 40 is stopped, the clutch 56 that connects the inner support case 44 of the spiral spring 42 and the rotary shaft 40 is disengaged. 44 is a spiral spring 42
The energy stored in the rotary shaft 40 tends to rotate in a direction opposite to the rotational driving direction of the rotary shaft 40. In this case, the one-way clutch 58 connecting the inner support case 44 and the outer housing 48 is engaged. Therefore, free rotation is blocked.

【0080】そこで、前記渦巻きばね42の外側支持ケ
ース46と外部ハウジング48との結合を行っているブ
レーキ結合部60の係合を解除すると、前記外側支持ケ
ース46は、渦巻きばね42に蓄積されたエネルギーに
より、前記外側支持ケース46と回転軸40とを前記回
転軸40の回転駆動方向と同一の方向に回転動作しよう
とする。この時、回転軸40が停止しているか、または
外側支持ケース46が回転しようとする回転数より低い
回転数の場合は、ワンウェイクラッチ54が結合状態と
なり、渦巻きばね42は、前記外側支持ケース46と回
転軸40とを一体的に回転動作させて蓄積されたエネル
ギーの放出を行う。
Then, when the engagement of the brake connecting portion 60 which connects the outer supporting case 46 of the spiral spring 42 and the outer housing 48 is released, the outer supporting case 46 is accumulated in the spiral spring 42. Due to the energy, the outer supporting case 46 and the rotary shaft 40 try to rotate in the same direction as the rotational driving direction of the rotary shaft 40. At this time, when the rotation shaft 40 is stopped or the rotation speed is lower than the rotation speed of the outer support case 46, the one-way clutch 54 is in the engaged state, and the spiral spring 42 causes the outer support case 46 to rotate. And the rotary shaft 40 are integrally rotated to release the accumulated energy.

【0081】これにより、回転軸40が停止している時
は、渦巻きばね単独で駆動スタートすることになり、ま
た回転軸40の回転速度が遅い場合は、渦巻きばねが駆
動源を補助することになる。この場合に、渦巻きばねの
エネルギー放出速度を制御する装置を設けて、回転軸4
0の回転速度が急激に大きくならないようにすることが
好ましい。
As a result, when the rotary shaft 40 is stopped, the spiral spring alone starts driving, and when the rotary speed of the rotary shaft 40 is slow, the spiral spring assists the drive source. Become. In this case, a device for controlling the energy release rate of the spiral spring is provided so that the rotating shaft 4
It is preferable that the rotation speed of 0 does not suddenly increase.

【0082】このようにして、回転軸40の回転駆動に
より渦巻きばね42に蓄積されたエネルギーは、回転軸
40の駆動停止に際して、クラッチ56、ブレーキ結合
部60およびワンウェイクラッチ58の係脱操作によっ
て、回転軸40の回転駆動方向において、それぞれ選択
的に放出させることができる。
In this way, the energy accumulated in the spiral spring 42 by the rotational driving of the rotary shaft 40 is disengaged by the clutch 56, the brake coupling portion 60 and the one-way clutch 58 when the drive of the rotary shaft 40 is stopped. In the rotational driving direction of the rotary shaft 40, the particles can be selectively discharged.

【0083】このようにして、坂道の下りや減速時のブ
レーキングにより、渦巻きばね42にエネルギーを回収
蓄積し、これをスタート時の駆動源として、また駆動源
の加速や登坂時の駆動源の力不足の補助としての機能を
発揮する。また、長い登坂の手前で駆動源の出力を高め
て、予め渦巻きばね42の蓄積エネルギー量を大きくし
ておくことも可能である。なお、駆動源によりバックす
る時には、ワンウェイクラッチ54の解除が必要であ
る。また、渦巻きばね42とエネルギーの出入りなし
に、負荷が駆動源により回転する場合は、クラッチ56
を脱離しておけば十分である。そして、この場合、駆動
源自体が逆回転する際には、クラッチ56を脱離し、ブ
レーキ結合部60を結合させ、ワンウェイクラッチ54
を解除する必要がある。
In this way, the energy is recovered and accumulated in the spiral spring 42 by the braking at the time of descending or decelerating on the slope, and this energy is used as the drive source at the start, and also as the drive source at the time of accelerating the drive source or the drive source at the time of climbing uphill. Demonstrate the function of assisting the lack of strength. It is also possible to increase the output of the drive source before a long climb and to increase the stored energy amount of the spiral spring 42 in advance. It should be noted that the one-way clutch 54 needs to be disengaged when backing by the drive source. In addition, when the load is rotated by the drive source without the energy flowing in and out of the spiral spring 42, the clutch 56
It suffices to remove it. In this case, when the drive source itself rotates in the reverse direction, the clutch 56 is disengaged, the brake coupling portion 60 is coupled, and the one-way clutch 54
Need to be released.

【0084】また、前記渦巻きばね42に蓄積されたエ
ネルギーの回転軸40に対する放出に際し、前記外側保
持ケース46または内側保持ケース46と、それぞれワ
ンウェイクラッチ54またはクラッチ56を介して、回
転軸40との結合において、これらの結合部に、例えば
時計機構に適用されるテンプや振り子等の調速機構を設
けることにより、蓄積エネルギーの放出による回転軸4
0の速度制御を円滑に達成するように構成することがで
きる。
When the energy accumulated in the spiral spring 42 is discharged to the rotary shaft 40, the outer holding case 46 or the inner holding case 46 is connected to the rotary shaft 40 via the one-way clutch 54 or the clutch 56, respectively. In coupling, by providing a speed regulating mechanism such as a balance or a pendulum applied to a clock mechanism at these coupling portions, the rotating shaft 4 due to the release of stored energy
It can be configured to smoothly achieve zero speed control.

【0085】さらに、前述した渦巻きばね42の利用に
際し、渦巻きばね42の両端部と、中心部側(例えば、
内側保持ケース44)および外側(例えば、外側保持ケ
ース46)との結合固定において、前記渦巻きばね42
を一定の安全圏内で歪ませて使用する場合は、単なる接
着やボルト止めで問題はない。しかし、前記渦巻きばね
42において、繊維が一方に配列され、しかも前記渦巻
きばね42を破壊限界近くまで歪ませて使用する場合
は、全繊維に負荷される歪ないし力を分散させる必要が
ある。また、前記ばねの曲げ応力が1個所に集中する場
合にも、その集中個所においてばねが折れることがあ
り、好ましくない。
Further, when using the spiral spring 42 described above, both end portions of the spiral spring 42 and the central portion side (for example,
When the inner holding case 44) and the outer side (for example, the outer holding case 46) are combined and fixed, the spiral spring 42 is used.
When distorted within a certain safety range, there is no problem with mere adhesion or bolting. However, in the spiral spring 42, when fibers are arranged on one side and the spiral spring 42 is used by being distorted to near the breaking limit, it is necessary to disperse the strain or force applied to all the fibers. Further, even when the bending stress of the spring is concentrated at one location, the spring may break at that concentrated location, which is not preferable.

【0086】そこで、図8に示すように、渦巻きばね4
2の端部43における両側面に対して、端部補強部材6
4、65により挾持するようにして接着固定する。この
ようにして、前記渦巻きばね42の端部43を強化し
て、これを所定の結合部に対して接着その他の方法によ
り取付けることにより、前記問題点を解消することがで
きる。また、図8に示す実施例においては、渦巻きばね
42の巻き終り端部43について示したが、図示しない
渦巻きばね42の巻き始め端部についても、前記と同様
の端部補強部材を取付けることができることは勿論であ
る。
Therefore, as shown in FIG. 8, the spiral spring 4 is
The end reinforcing member 6 is attached to both side surfaces of the end 43 of the second end 43.
It is sandwiched by 4, 65 and fixed by adhesion. In this way, by strengthening the end portion 43 of the spiral spring 42 and attaching it to a predetermined joint portion by adhesion or another method, the above problems can be solved. Further, in the embodiment shown in FIG. 8, the winding end end portion 43 of the spiral spring 42 is shown, but the same end portion reinforcing member as described above may be attached to the winding start end portion of the spiral spring 42 not shown. Of course you can.

【0087】この場合、端部補強部材64、65は、金
属や繊維織物等で補強した複合材料により構成すること
ができると共に、この端部補強部材64、65は、渦巻
きばね42の端部43より次第に離間するに従って、そ
の厚さが次第に薄くなるように形成し、ばねと共に湾曲
し得るようにして、応力の集中を避けるように設定する
ことが好ましい。なお、図8に示す実施例において、渦
巻きばね42の端部補強部材のうち、結合部材と接合す
る側の端部補強部材65(巻き終り端部43の外側面)
は、その先端部65aを外側に折曲げ突出させて係合し
易いように構成すれば好適である。また、図示しない渦
巻きばね42の巻き始め端部の端部補強部材について
も、結合部材と接合する側面(すなわち、巻き始め端部
の内側面)の先端部を、内側に折曲げ突出させて係合し
易いように構成する。
In this case, the end reinforcing members 64 and 65 can be made of a composite material reinforced with metal or fiber woven material, and the end reinforcing members 64 and 65 are connected to the end 43 of the spiral spring 42. It is preferable to form so that the thickness thereof becomes gradually thinner as the distance from each other increases, so that the thickness can be curved together with the spring, and it is set so as to avoid concentration of stress. In the embodiment shown in FIG. 8, among the end reinforcing members of the spiral spring 42, the end reinforcing member 65 on the side to be joined with the coupling member (the outer surface of the winding end end 43).
It is preferable that the tip end portion 65a is bent outward so as to be easily engaged. Also, regarding the end reinforcing member at the winding start end of the spiral spring 42 (not shown), the tip end of the side surface (that is, the inner side surface of the winding start end) that joins with the coupling member is bent and projected inward. Make it easy to match.

【0088】なお、この応用例において、図7に示す構
成においては、回転軸40を単一軸として構成した場合
を示したが、駆動源との結合側40aと、被動体との結
合側(負荷側)40bとを分離して、これらを適宜の軸
継手を介して結合する構成とすることもできる。
In this application example, the configuration shown in FIG. 7 shows the case where the rotary shaft 40 is configured as a single axis. However, the coupling side 40a with the driving source and the coupling side with the driven body (load The side) 40b may be separated, and these may be connected via an appropriate shaft coupling.

【0089】図9は、前述した渦巻きばねの複数個を直
列に結合配置して、回転軸の駆動回転エネルギーを渦巻
きばねに蓄積し、この渦巻きばねに蓄積されたエネルギ
ーを再度回転軸に放出して、この回転軸に所要の駆動力
を付与(リサイクル)するように構成した応用例を示す
ものである。なお、説明の便宜上、前記図7に示す構成
要素と同一の構成部分については、同一の参照符号を付
し、詳細な説明は省略する。
In FIG. 9, a plurality of the above-mentioned spiral springs are connected and arranged in series to accumulate the driving rotational energy of the rotary shaft in the spiral spring, and the energy accumulated in the spiral spring is released to the rotary shaft again. Then, an application example in which a required driving force is applied (recycled) to the rotary shaft is shown. For convenience of explanation, the same components as those shown in FIG. 7 are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.

【0090】すなわち、図9において、参照符号40は
一端を所要の駆動源(図示せず)に接続し、他端を負荷
に接続した回転軸を示し、この回転軸40の外周におい
て、前記実施例2に記載の構成からなる複数の渦巻きば
ね42a、42b、42c、42dを、順次隣接して囲
繞配置した構成からなる。
That is, in FIG. 9, reference numeral 40 indicates a rotary shaft having one end connected to a required drive source (not shown) and the other end connected to a load. A plurality of spiral springs 42a, 42b, 42c, 42d having the structure described in Example 2 are sequentially arranged adjacently to each other in a surrounding manner.

【0091】これら複数の渦巻きばね42a〜42d
は、最初の渦巻きばね42aと最後の渦巻きばね42d
とについて、外側支持ケース46と内側保持ケース44
とに保持され、これら渦巻きばね42a、42b、42
c、42dについては、それぞれ順次渦巻きばねの内側
保持ケース部44a、44b、44cと外側支持ケース
部46a、46b、46cとを一体的に形成した連結ケ
ース47a、47b、47cにより保持されている。
These plural spiral springs 42a to 42d
Is the first spiral spring 42a and the last spiral spring 42d.
With respect to the outer support case 46 and the inner holding case 44
And held by the spiral springs 42a, 42b, 42
c and 42d are sequentially held by connecting cases 47a, 47b and 47c, which are integrally formed with the inner holding case portions 44a, 44b and 44c of the spiral spring and the outer support case portions 46a, 46b and 46c, respectively.

【0092】なお、本応用例において、外側支持ケース
46は、クラッチフォーク66a、クラッチスラスト軸
受66bおよび多板クラッチ66cからなるクラッチ機
構66を介して回転軸40と結合すると共に、ワンウェ
イクラッチ58を介して外部ハウジング48と係合して
いる。さらに、外側支持ケース46の一部は、前記内側
保持ケース部44a、44b、44cおよび内側保持ケ
ース44の内周部まで延在するスリーブ46′を備え、
このスリーブ46′に対してそれぞれ前記各内側保持ケ
ース部44a、44b、44cおよび内側保持ケース4
4が、軸受52、53を介して回転自在に保持されてい
る。
In this application example, the outer support case 46 is connected to the rotary shaft 40 via the clutch mechanism 66 including the clutch fork 66a, the clutch thrust bearing 66b and the multi-plate clutch 66c, and the one-way clutch 58. Engages with the outer housing 48. Further, a part of the outer supporting case 46 is provided with a sleeve 46 ′ that extends to the inner peripheral portions of the inner retaining case portions 44 a, 44 b and 44 c and the inner retaining case 44.
The inner holding case portions 44a, 44b, 44c and the inner holding case 4 are respectively attached to the sleeve 46 '.
4 is rotatably held via bearings 52 and 53.

【0093】また、本応用例において、内側保持ケース
44は、ブレーキドラム70a、ブレーキシュー70b
およびブレーキカム70cからなるブレーキ結合機構7
0を介して外部ハウジング48と結合すると共に、ワン
ウェイクラッチ54を介して回転軸40と係合してい
る。
Further, in this application example, the inner holding case 44 includes the brake drum 70a and the brake shoe 70b.
And a brake coupling mechanism 7 including a brake cam 70c
It is connected to the outer housing 48 via 0 and is engaged with the rotating shaft 40 via the one-way clutch 54.

【0094】その他の構成は、基本的に前記図7に示す
ものと同様である。従って、この図9に示す応用例にお
いても、その動作は前記図7に示す応用例と基本的に同
一であり、渦巻きばねを多連に構成した点で、弾性歪み
エネルギーの蓄積容量および放出容量を増大し得る点に
特徴がある。
The other structure is basically the same as that shown in FIG. Therefore, also in the application example shown in FIG. 9, the operation thereof is basically the same as that of the application example shown in FIG. 7, and in the point that the spiral springs are arranged in multiples, the storage capacity and the discharge capacity of the elastic strain energy are increased. Is characterized in that it can be increased.

【0095】前述したように、本発明の渦巻きばねの構
成によれば、蓄積エネルギーを従来のものより大幅に高
めることができる。従って、この渦巻きばねを利用し
て、エネルギー蓄積装置を製造する場合には、前記渦巻
きばねの能力を十分に活用できる構造とする必要があ
る。そして、渦巻きばねの破壊歪みを検討し、この歪み
またはその近くにまで、ばねが歪み得るようにハウジン
グおよび巻取軸を設計する必要がある。少なくとも普通
の場合は、巻取軸の直径は成形金型の直径より小さい必
要がある。また、ある場所が最も早く破壊に近い点まで
歪んだ時には、他の部分も殆ど破壊に近いところまで歪
んでいるように設計することが、蓄積エネルギーを高め
ることになる。このためには、ばねの内側の周回と外側
の周回とで、破壊時点での曲率を実験により求め、それ
によりほぼ同時に破壊歪みに達するように、周回間のピ
ッチを設計することが望ましい。
As described above, according to the structure of the spiral spring of the present invention, the stored energy can be significantly increased as compared with the conventional one. Therefore, when manufacturing an energy storage device using this spiral spring, it is necessary to have a structure in which the capability of the spiral spring can be fully utilized. Then, it is necessary to consider the breaking strain of the spiral spring, and to design the housing and the winding shaft so that the spring can be strained up to or near this strain. At least in the normal case, the diameter of the winding shaft should be smaller than the diameter of the molding tool. Further, when one place is distorted to a point closest to destruction at the earliest point, it is designed so that other portions are also distorted to a point near destruction to increase stored energy. For this purpose, it is desirable to design the pitch between the turns so that the curvature at the time of failure is experimentally determined for the inner circumference and the outer circumference of the spring and thereby the fracture strain is reached almost at the same time.

【0096】なお、量産されたばねの破壊歪みには、当
然にバラツキが存在する。従って、使用範囲はバラツキ
を考慮した安全圏内でなければならない。例えば、平均
破壊歪みの80%以上の歪みを受けないように、巻取軸
の直径を設定したり、回転停止装置もしくはスリップ装
置を適宜設ける。
Naturally, there are variations in the breaking strain of mass-produced springs. Therefore, the range of use must be within the safe range considering variations. For example, the diameter of the winding shaft is set or a rotation stop device or a slip device is appropriately provided so as not to receive strain of 80% or more of the average breaking strain.

【0097】また、本発明の渦巻きばねにおいては、外
側のハウジングと内側の巻取軸の間で歪みを受ける。渦
巻きばねの複数個を直列にして使用する場合は、一つの
ばねのハウジング側と巻取軸側とを順次連結させる。こ
の場合、ハウジングと巻取軸とにより、外側と内側のば
ね直径が規制される。しかし、このような規制のない装
置、例えばハウジングのない巻取りスプール方式では、
ばねの外側が引出されると共に、その外周が小さくな
り、ばねの各周回が軸方向に同時に集合していくので、
周回間に摩擦が生じる。このため、ばねの伸縮に際して
大きなヒステリシスを生じる。
Further, in the spiral spring of the present invention, a strain is applied between the outer housing and the inner winding shaft. When a plurality of spiral springs are used in series, the housing side and the winding shaft side of one spring are sequentially connected. In this case, the outer and inner spring diameters are regulated by the housing and the winding shaft. However, in a device without such regulation, for example, a take-up spool system without a housing,
As the outside of the spring is pulled out, its outer circumference becomes smaller, and each orbit of the spring gathers in the axial direction at the same time.
Friction occurs between turns. Therefore, a large hysteresis occurs when the spring expands and contracts.

【0098】しかしながら、ハウジングが存在すると、
外周は変わらないままで、巻取軸の回転と共に各周回が
順次内に向かって移動し、摩擦は比較的に少なく、この
ためにヒステリシスも僅少である。これにより、エネル
ギーの蓄積放出効率も高くなる。
However, if the housing is present,
The outer circumference remains unchanged, and each revolution moves inward in sequence with the rotation of the winding shaft, friction is relatively small, and therefore hysteresis is also small. This also increases the efficiency of energy storage and release.

【0099】なお、ばねの内側または外側の弾性率を小
さくすることにより、ヒステリシスを小さくすることが
できる。また、ばねの内側と外側とを機械的加工によっ
て摩擦抵抗を下げることにより、ヒステリシスを小さく
することもできる。さらに、ばねの内側ないし外側に、
パラフィン系オイル等のマトリックスを変化させない潤
滑剤を表面に付着させることによっても、摩擦抵抗を下
げてヒステリシスを小さくすることができる。
The hysteresis can be reduced by reducing the elastic modulus inside or outside the spring. Also, the hysteresis can be reduced by reducing the frictional resistance between the inside and the outside of the spring by mechanical processing. Furthermore, inside or outside the spring,
By attaching a lubricant such as paraffin oil that does not change the matrix to the surface, the friction resistance can be reduced and the hysteresis can be reduced.

【0100】さらに、本発明の渦巻きばねにおいては、
ばね変形において、外側表面層部では引張り変形が生
じ、内側表面層部では圧縮変形が生じ、そして厚み方向
の中間部では曲がるだけで、長さ方向の変形のない部分
が生じる。使用される材料の能力を精一杯活用するため
には、変形によって破壊される時には、全ての材料が破
壊点に達していることが好ましい。従って、前記長さ変
形しない部分より外側(外側表面層部)では、引張り変
形に強いものが好ましく、長さ変形しない部分より内側
(内側表面層部)では、圧縮変形に強いものが好まし
い。また、それぞれにおいて表面に向かって破壊変形の
大きなものとすることが好ましい。この様にして、繊維
および樹脂を選択することができる。
Further, in the spiral spring of the present invention,
In the spring deformation, tensile deformation occurs in the outer surface layer portion, compressive deformation occurs in the inner surface layer portion, and only the middle portion in the thickness direction bends, and a portion without lengthwise deformation occurs. In order to make the best use of the capacity of the materials used, it is preferred that all materials reach the breaking point when they are broken by deformation. Therefore, it is preferable that the outer side (outer surface layer portion) of the portion that does not deform in length is resistant to tensile deformation, and the inner side (inner surface layer portion) of the portion that does not deform in length is resistant to compressive deformation. In addition, it is preferable that the fracture deformation be large toward the surface in each case. In this way, fibers and resins can be selected.

【0101】そして、各層部は、必ずしも層状でなくて
もよいが、表面から中間部に向かって繊維を変えること
も、生産性の問題を無視すれば好ましい。各層部が、複
数の層からなっている場合は、このような変更は比較的
に容易である。具体的には、例えば外側表面層部の外側
層をアラミド繊維やガラス繊維を使用し、内側層を炭素
繊維とし、内側表面層部の表面側(ばねの内側)に炭素
繊維を使用し、内側(ばねの中間部側)にボロン繊維や
炭化珪素繊維を使用することにより、両層部全層が同時
に破壊するように形成するのも好ましい態様である。
Each layer does not necessarily have to be a layer, but it is also preferable to change the fibers from the surface toward the intermediate part, ignoring the problem of productivity. When each layer portion is composed of a plurality of layers, such a change is relatively easy. Specifically, for example, aramid fiber or glass fiber is used for the outer layer of the outer surface layer portion, carbon fiber is used for the inner layer, and carbon fiber is used for the surface side (inner side of the spring) of the inner surface layer portion. It is also a preferred embodiment to use boron fibers or silicon carbide fibers for the (spring intermediate portion side) so that all layers of both layers are simultaneously destroyed.

【0102】なお、内側表面層部の内側層と表面層と
を、繊維は同じであって、繊維のフィラメント径を表面
層で太いものを使用することにより、耐圧縮性を高めて
同時破壊性を高めることもできる。また、中空の中間層
部が存在する場合も同様に構成することができる。
The inner layer and the surface layer of the inner surface layer portion are made of the same fiber, and the filament diameter of the fiber is thicker in the surface layer, whereby the compression resistance is improved and the simultaneous fracture resistance is improved. Can be increased. Moreover, when the hollow intermediate layer portion is present, the same constitution can be adopted.

【0103】以上、本発明の好適な実施例について説明
したが、本発明は前記実施例に限定されることなく、本
発明の精神を逸脱しない範囲内において、多くの設計変
更をなし得ることは勿論である。
Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above embodiments, and many design changes can be made without departing from the spirit of the present invention. Of course.

【0104】なお、従来のエネルギー変換機構を利用し
たハイブリッド駆動装置としては、例えば自転車では予
め充電された電池と電動機を搭載して、坂道で人力を補
助するものであったり、発電機、蓄電池、電動機(ある
いは発電機と電動機を一体化した交流機)を使用するハ
イブリッド駆動式自動車であったりする。これに対し
て、本発明の渦巻き(ぜんまい)ばねにおいては、回転
力を回転力のまま蓄積し、そのまま回転力として利用す
るものであり、エネルギーの変換がなく、そのため余分
な装置が不要である。従って、本発明の渦巻きばねは、
従来のばねに比べて、蓄積エネルギーが著しく改善され
ており、ハイブリッド駆動の有用な手段として使用する
ことができる。
As a conventional hybrid drive device using an energy conversion mechanism, for example, a bicycle is equipped with a precharged battery and an electric motor to assist human power on a slope, a generator, a storage battery, It may be a hybrid drive type vehicle that uses an electric motor (or an alternator in which a generator and an electric motor are integrated). On the other hand, in the spiral spring of the present invention, the rotational force is accumulated as it is and is used as it is, so there is no energy conversion, and therefore no extra device is required. . Therefore, the spiral spring of the present invention is
The stored energy is significantly improved compared to conventional springs and can be used as a useful means of hybrid drive.

【0105】[0105]

【発明の効果】前述した実施例から明らかなように、本
発明に係る渦巻き(ぜんまい)ばねは、複数本の長繊維
と、これを帯状に保持するマトリックス樹脂からなる複
合材から構成し、外部の駆動源および/または負荷から
与えられる回転動作の機械的エネルギーを主として長繊
維の弾性歪エネルギーとして蓄積し、所要時に前記蓄積
された弾性歪エネルギーを機械的エネルギーとして取出
して駆動源を補助するように構成するものであって、例
えば前記複合材により外側と内側の表面層部を構成する
と共に、両表面層部に挾まれて両表面層間の距離を維持
するための軽量材料からなる中間層を設け、これを渦巻
き状に成形して渦巻きばねを構成することにより、前記
複合材を機械的に変形させることによって、比較的大容
量の機械的エネルギーの蓄積を可能とし、しかも前記複
合材の変形を復元させる際に、蓄積された機械的エネル
ギーを効率良く放出して各種の動力源として有効に活用
することができる。
As is apparent from the above-described embodiments, the spiral spring according to the present invention is composed of a plurality of long fibers and a composite material composed of a matrix resin that holds the filaments in a strip shape, and Mechanical energy of rotational motion given from the driving source and / or the load of the above is mainly stored as elastic strain energy of the long fiber, and the stored elastic strain energy is taken out as mechanical energy at the required time to assist the driving source. In addition to constituting the outer and inner surface layer portions by the composite material, for example, an intermediate layer made of a lightweight material sandwiched between the both surface layer portions to maintain the distance between the both surface layers. The composite material is mechanically deformed by providing it and forming a spiral spring by forming the spiral spring to form a spiral spring. To allow the accumulation of over, yet the when to restore the deformation of the composite material, it is possible to effectively utilize the stored mechanical energy by efficiently released as various power sources.

【0106】また、本発明の渦巻きばねは、中間軽量層
部を設ける時は、重量当りの蓄積エネルギーを改善し、
さらに中間軽量層を設けない場合は、容量当りの蓄積エ
ネルギーを改善する。このため、長繊維として、その織
物や編み物、不織布を使用すると、改善効果を下げるの
で好ましくない。繊維は、実質的にばねの長手方向にの
み配向されていることが好ましい。
Further, the spiral spring of the present invention improves the stored energy per weight when the intermediate lightweight layer portion is provided,
Further, when the intermediate lightweight layer is not provided, the stored energy per capacity is improved. Therefore, it is not preferable to use the woven fabric, knitted fabric, or non-woven fabric as the long fibers because the improvement effect is reduced. The fibers are preferably oriented substantially only in the longitudinal direction of the spring.

【0107】従って、本発明に係る渦巻きばねは、これ
をエネルギーの蓄積・放出を行う動力源等に適用した装
置に応用することにより、負荷の変化をレベリングした
り、エネルギー源の変化をレベリングする手段として、
以下に例示するように広範囲の分野において利用するこ
とができる。
Therefore, the spiral spring according to the present invention is applied to a device applied to a power source or the like for storing and releasing energy, thereby leveling a change in load or a change in energy source. As a means
It can be used in a wide range of fields as exemplified below.

【0108】(1)負荷の変化をレベリングする手段 a.前途の高負荷が予想される時に、前もって駆動源に
無理を掛けることなく少しづつエネルギーを蓄積してお
き、高負荷時の駆動源を補助する。例えば、路線バス等
においては、ナビゲータと連動させて、予めプログラム
しておくことによって、登坂用エネルギーを用意するこ
とが可能である。また、自転車においては、前方の長い
登坂が見えた時に、その手前から出力を少しづつ上げ
て、渦巻きばねを巻いてエネルギーを蓄積し、登坂時に
蓄積エネルギーを放出することができる。
(1) Means for leveling load changes a. When a high load in the future is expected, energy is gradually accumulated in advance without forcing the drive source, and the drive source under high load is assisted. For example, in a route bus or the like, energy for climbing can be prepared by interlocking with a navigator and pre-programming. In addition, in a bicycle, when a long forward climb is visible, the output can be increased little by little from the front, a spiral spring can be wound to accumulate energy, and the accumulated energy can be released during climb.

【0109】b.低負荷時の余剰回転エネルギーを渦巻
きばねに蓄積し、高負荷時にエネルギー源を補助する。
例えば、電力需要の少ない時に余剰電力で渦巻きばねを
巻いてエネルギーを蓄積し、電力需要の大きい時に放出
することにより、電力負荷平準化に利用することができ
る。
B. The surplus rotational energy at low load is stored in the spiral spring to assist the energy source at high load.
For example, when the electric power demand is low, the spiral spring is wound with surplus electric power to accumulate energy, and when the electric power demand is high, the energy is released, which can be used for electric power load leveling.

【0110】c.ブレーキング時に、通常は熱として放
散される機械的エネルギーを、渦巻きばねに蓄積し、こ
れにより通常の回転時のエネルギー源を補助する。例え
ば、自動車、自転車、電車の降坂や減速の時に渦巻きば
ねを巻いてエネルギーを蓄積し、登坂や加速の時に蓄積
エネルギーを放出する。なお、エレベータも同様に適用
可能であり、エネルギー源であれば、必ずしもそれは物
を駆動するものに限定されない。
C. During braking, mechanical energy, which is usually dissipated as heat, is stored in the spiral spring, which assists the energy source during normal rotation. For example, a spiral spring is wound to accumulate energy when descending or decelerating an automobile, bicycle, or train, and the accumulated energy is released when climbing or accelerating. Note that an elevator can be similarly applied, and as long as it is an energy source, it is not necessarily limited to driving an object.

【0111】(2)エネルギー源の変化をレベリングす
る手段 a.風力発電において、強風時の駆動に際しエネルギー
を渦巻きばねに蓄積し、無風時ないし低風時の駆動に際
し蓄積エネルギーを放出して発電出力の平準化を達成す
る。
(2) Means for Leveling Changes in Energy Source a. In wind power generation, energy is accumulated in a spiral spring when driving in strong winds, and stored energy is discharged when driving in no wind or low winds to achieve leveling of power generation output.

【0112】b.潮流発電において、電池に代替して渦
巻きばねを使用し、この渦巻きばねにエネルギーを蓄積
し、無潮流ないし低潮流の時に際し蓄積エネルギーを放
出して発電出力の平準化を達成する。
B. In tidal current power generation, a spiral spring is used instead of a battery, energy is accumulated in this spiral spring, and the accumulated energy is released when there is no tidal flow or low tidal flow to achieve leveling of power generation output.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明に係る渦巻きばねの製造工程の一実施例
を示す概略側面図である。
FIG. 1 is a schematic side view showing an embodiment of a manufacturing process of a spiral spring according to the present invention.

【図2】図1に示す渦巻きばねの製造工程中の状態を示
す概略斜視図である。
2 is a schematic perspective view showing a state during a manufacturing process of the spiral spring shown in FIG. 1. FIG.

【図3】本発明に係る渦巻きばね等の試料について試験
方法を示す説明図である。
FIG. 3 is an explanatory diagram showing a test method for a sample such as a spiral spring according to the present invention.

【図4】本発明に係る渦巻きばねの繊維角度と重量当り
蓄積エネルギーとの関係を示す特性線図である。
FIG. 4 is a characteristic diagram showing the relationship between the fiber angle and the stored energy per weight of the spiral spring according to the present invention.

【図5】本発明に係る渦巻きばねの外側表面層の厚さに
対する中間層の厚さの比と重量当り蓄積エネルギーとの
関係を示す特性線図である。
FIG. 5 is a characteristic diagram showing the relationship between the ratio of the thickness of the intermediate layer to the thickness of the outer surface layer of the spiral spring according to the present invention and the stored energy per weight.

【図6】本発明に係る渦巻きばねの外側表面層の厚さに
対する中間層の厚さの変化と重量当り蓄積エネルギーと
の関係を示す特性線図である。
FIG. 6 is a characteristic diagram showing the relationship between the change in thickness of the intermediate layer with respect to the thickness of the outer surface layer of the spiral spring according to the present invention and the stored energy per weight.

【図7】本発明に係る渦巻きばねの応用に際しての基本
原理を示す概略説明図である。
FIG. 7 is a schematic explanatory view showing a basic principle in applying the spiral spring according to the present invention.

【図8】本発明に係る渦巻きばねの応用に際しての端部
の処理手段の一実施例を示す要部説明図である。
FIG. 8 is a principal part explanatory view showing an embodiment of a processing means of an end portion when the spiral spring according to the present invention is applied.

【図9】図7に示す本発明に係る渦巻きばねの具体的な
応用例を示す概略説明図である。
9 is a schematic explanatory diagram showing a specific application example of the spiral spring according to the present invention shown in FIG. 7. FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 プリプレグ積層物(表面層部) 12 フィルム(中間層部) 20 金型 22 シリコン板 24 加圧テープ 30 芯棒 32 ケース 34 ワイヤ 40 回転駆動軸 40a 駆動源 40b 被動体 42 渦巻きばね 42a〜42d 渦巻きばね 43 渦巻きばねの端部 44 内側支持ケース 44a〜44c 内側支持ケース部 46 外側保持ケース 46′ スリーブ 46a〜46c 外側保持ケース部 47a〜47c 連結ケース 48 外部ハウジング 48a 一端側の結合部 48b 他端側の結合部 50、51 軸受 52、53、55 軸受 54 ワンウェイクラッチ 56 クラッチ 58 ワンウェイクラッチ 60 ブレーキ結合部 64、65 端部補強部材 65a 先端部 66 クラッチ機構 66a クラッチフォーク 66b クラッチスラスト軸受 66c 多板クラッチ 70 ブレーキ結合機構 70a ブレーキドラム 70b ブレーキシュー 70c ブレーキカム 10 Prepreg Laminate (Surface Layer) 12 Film (Intermediate Layer) 20 Mold 22 Silicon Plate 24 Pressing Tape 30 Core Rod 32 Case 34 Wire 40 Rotary Drive Shaft 40a Drive Source 40b Driven Body 42 Swirl Spring 42a to 42d Swirl Spring 43 End of spiral spring 44 Inner support case 44a to 44c Inner support case 46 Outer holding case 46 'Sleeve 46a to 46c Outer holding case 47a to 47c Connection case 48 External housing 48a One end side coupling part 48b Other end side Coupling part 50, 51 bearing 52, 53, 55 bearing 54 one-way clutch 56 clutch 58 one-way clutch 60 brake coupling part 64, 65 end reinforcing member 65a tip 66 clutch mechanism 66a clutch fork 66b clutch thrust bearing 66c Plate clutch 70 brake coupling mechanism 70a brake drum 70b brake shoe 70c brake cam

Claims (19)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 複数本の長繊維と、これを帯状に保持す
るマトリックス樹脂からなる複合材で構成し、外部のエ
ネルギー源および/または負荷から与えられる回転動作
の機械的エネルギーを主として長繊維の弾性歪エネルギ
ーとして蓄積し、所要時に前記蓄積された弾性歪エネル
ギーを機械的エネルギーとして取出してエネルギー源を
補助するように構成することを特徴とする渦巻きばね。
1. A composite material composed of a plurality of long fibers and a matrix resin that holds the long fibers in a strip shape, and the mechanical energy of the rotational motion given from an external energy source and / or load is mainly used for the long fibers. A spiral spring, which is configured to accumulate as elastic strain energy, and to take out the accumulated elastic strain energy as mechanical energy when needed to assist an energy source.
【請求項2】 負荷による渦巻きばねに対するエネルギ
ーの蓄積は、負荷へのブレーキ作用時に負荷が有するエ
ネルギーを回収して渦巻きばねに与えるように構成して
なる請求項1記載の渦巻きばね。
2. The spiral spring according to claim 1, wherein the energy stored in the spiral spring by the load is configured to recover the energy of the load and apply the energy to the spiral spring when a brake is applied to the load.
【請求項3】 長繊維は、引張り弾性率が40,000
kgf/mm2 以下であり、引張り強度が250kgf
/mm2 以上である繊維から主として構成してなる請求
項1記載の渦巻きばね。
3. The long fiber has a tensile elastic modulus of 40,000.
kgf / mm 2 or less and tensile strength is 250 kgf
The spiral spring according to claim 1, wherein the spiral spring is mainly composed of fibers having a diameter of at least 1 / mm 2 .
【請求項4】 長繊維は、帯状の長手方向に配向してな
る請求項1記載の渦巻きばね。
4. The spiral spring according to claim 1, wherein the long fibers are oriented in a strip-shaped longitudinal direction.
【請求項5】 複合材は、少なくとも二層からなり、各
層内でそれぞれ長繊維が同一方向に配列されてなる請求
項1記載の渦巻きばね。
5. The spiral spring according to claim 1, wherein the composite material is composed of at least two layers, and long fibers are arranged in the same direction in each layer.
【請求項6】 長繊維が、帯状の長手方向に対して±1
3.5度以内の傾きで長手方向に配列されてなる請求項
4または5に記載の渦巻きばね。
6. The long fibers are ± 1 with respect to the longitudinal direction of the strip.
The spiral spring according to claim 4, wherein the spiral springs are arranged in the longitudinal direction at an inclination of 3.5 degrees or less.
【請求項7】 渦巻き状に巻回された帯状の外側に位置
する長繊維が、アラミド繊維、炭素繊維、ガラス繊維、
ポリエチレン繊維から選択される少なくとも一種の繊維
であり、内側に位置する部分においては、炭素繊維、ガ
ラス繊維、ボロン繊維、炭化珪素繊維から選択される少
なくとも一種の繊維である請求項1ないし6のいずれか
に記載の渦巻きばね。
7. The long fibers located on the outer side of the spirally wound strip are aramid fibers, carbon fibers, glass fibers,
7. The fiber according to claim 1, wherein the fiber is at least one fiber selected from polyethylene fibers, and the inner portion is at least one fiber selected from carbon fiber, glass fiber, boron fiber and silicon carbide fiber. The spiral spring according to claim 1.
【請求項8】 外側と内側の表面層部を、複数の長繊維
とそれを帯状に保持するマトリックスとからなる複合材
で構成し、中間層部を前記表面層部より軽量化したこと
を特徴とする渦巻きばね。
8. The outer and inner surface layer portions are made of a composite material composed of a plurality of long fibers and a matrix for holding the filaments in a strip shape, and the intermediate layer portion is lighter than the surface layer portion. A spiral spring.
【請求項9】 中間層部に、中空部分を形成してなる請
求項8記載の渦巻きばね。
9. The spiral spring according to claim 8, wherein a hollow portion is formed in the intermediate layer portion.
【請求項10】 中間層部を、中空部分を有する軽量材
料で構成してなる請求項8記載の渦巻きばね。
10. The spiral spring according to claim 8, wherein the intermediate layer portion is made of a lightweight material having a hollow portion.
【請求項11】 軽量材料の中空部分を、マイクロバル
ーンで構成してなる請求項9記載の渦巻きばね。
11. The spiral spring according to claim 9, wherein the hollow portion of the lightweight material is formed of a microballoon.
【請求項12】 長繊維は、引張り弾性率が40,00
0kgf/mm2 以下であり、引張り強度が250kg
f/mm2 以上である繊維から主として構成してなる請
求項8記載の渦巻きばね。
12. Long fibers have a tensile modulus of 40,000.
0kgf / mm 2 or less, tensile strength is 250kg
The spiral spring according to claim 8, which is mainly composed of fibers having f / mm 2 or more.
【請求項13】 長繊維は、帯状の長手方向に配向して
なる請求項8記載の渦巻きばね。
13. The spiral spring according to claim 8, wherein the long fibers are oriented in a strip-shaped longitudinal direction.
【請求項14】 両表面層部の複合材は、それぞれ少な
くとも二層からなり、各層内でそれぞれ長繊維が同一方
向に配列されてなる請求項8記載の渦巻きばね。
14. The spiral spring according to claim 8, wherein the composite material of both surface layer portions comprises at least two layers, and the long fibers are arranged in the same direction in each layer.
【請求項15】 長繊維は、帯状の長手方向に対して±
13.5度以内の傾きで長手方向に配列されてなる請求
項13または14に記載の渦巻きばね。
15. The long fibers are ± with respect to the longitudinal direction of the strip.
The spiral spring according to claim 13 or 14, wherein the spiral springs are arranged in the longitudinal direction at an inclination of 13.5 degrees or less.
【請求項16】 渦巻き状に巻回された帯状の外側に位
置する表面層部の長繊維が、アラミド繊維、炭素繊維、
ガラス繊維、ポリエチレン繊維から選択される少なくと
も一種の繊維であり、内側に位置する表面層部の長繊維
が、炭素繊維、ガラス繊維、ボロン繊維、炭化珪素繊維
から選択される少なくとも一種の繊維である請求項8な
いし15のいずれかに記載の渦巻きばね。
16. The long fibers of the surface layer portion located on the outer side of the spirally wound strip are aramid fibers, carbon fibers,
It is at least one fiber selected from glass fiber and polyethylene fiber, and the long fibers of the surface layer portion located inside are at least one fiber selected from carbon fiber, glass fiber, boron fiber, and silicon carbide fiber. The spiral spring according to claim 8.
【請求項17】 軽量材料からなる中間層部の厚さが、
両表面層部の平均厚さの0.2〜6倍からなる請求項8
記載の渦巻きばね。
17. The intermediate layer portion made of a lightweight material has a thickness of
9. The average thickness of both surface layer portions is 0.2 to 6 times as large as the average thickness.
The described spiral spring.
【請求項18】 軽量材料からなる中間層部の厚さが、
外側表面層部の0.6〜5倍からなる請求項8記載の渦
巻きばね。
18. The intermediate layer portion made of a lightweight material has a thickness of
The spiral spring according to claim 8, comprising 0.6 to 5 times the outer surface layer portion.
【請求項19】 外部のエネルギー源および/または負
荷から与えられた回転の機械的エネルギーを、主として
長繊維の弾性歪みエネルギーとして蓄積し、所用時に蓄
積された前記エネルギーを機械的エネルギーとして取り
出してエネルギー源を補助するように構成してなる請求
項8記載の渦巻きばね。
19. The energy of rotation, which is given from an external energy source and / or load, is mainly accumulated as elastic strain energy of long fibers, and the energy accumulated at the time of use is extracted as mechanical energy. The spiral spring of claim 8 configured to assist the source.
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