繊維強化プラスチック製ばね
【課題】圧縮応力による破壊を防止することができる繊維強化プラスチック製ばねを提供する。
【解決手段】ＦＲＰばね１は、たとえば積層構造２０を有する板ばねである。積層構造２０は、たとえば第１繊維層２１、圧縮側第２繊維層２２、および、引張側第２繊維層２３を有する３層構造である。第１繊維層２１は、引張弾性率Ｅ１を有している。圧縮側第２繊維層２２および引張側第２繊維層２３は、引張弾性率Ｅ１よりも小さな引張弾性率Ｅ２を有している。第１繊維層２１は、中立軸Ｓａに対する上側領域である圧縮応力領域２１Ａと、中立軸Ｓａに対する下側領域である引張応力領域２１Ｂを有している。中立軸Ｓａは、板厚方向の中心よりも圧縮応力発生領域側に位置している。中立軸Ｓａから圧縮応力発生領域側の表面までの厚さが薄くなるから、片振りの曲げ荷重の負荷時の圧縮変形を小さくすることができる。
【解決手段】ＦＲＰばね１は、たとえば積層構造２０を有する板ばねである。積層構造２０は、たとえば第１繊維層２１、圧縮側第２繊維層２２、および、引張側第２繊維層２３を有する３層構造である。第１繊維層２１は、引張弾性率Ｅ１を有している。圧縮側第２繊維層２２および引張側第２繊維層２３は、引張弾性率Ｅ１よりも小さな引張弾性率Ｅ２を有している。第１繊維層２１は、中立軸Ｓａに対する上側領域である圧縮応力領域２１Ａと、中立軸Ｓａに対する下側領域である引張応力領域２１Ｂを有している。中立軸Ｓａは、板厚方向の中心よりも圧縮応力発生領域側に位置している。中立軸Ｓａから圧縮応力発生領域側の表面までの厚さが薄くなるから、片振りの曲げ荷重の負荷時の圧縮変形を小さくすることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、片振りの曲げ荷重が加えられる繊維強化プラスチック製ばねに係り、特に、圧縮応力による破壊の防止技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえば自動車分野では、曲げ荷重がかかる片振のばね（渦巻ばねや、ぜんまい、板ばね等）が用いられ、それらばねには軽量化および省スペース化が要求されている。たとえば軽量化のために、金属製ばねに代わり、繊維強化プラスチック製ばね（以下、ＦＲＰばね）を用いることが提案されている。
【０００３】
たとえば特許文献１の技術は、ＦＲＰばねとしてＦＲＰテーパーリーフスプリングを開示し、その技術では、長さの異なる複数のシートにガラス繊維あるいは炭素繊維を含浸させ、それらシートを重ね合わせることにより、テーパーリーフスプリングを製造している。また、特許文献２の技術は、ＦＲＰばねとしてＦＲＰリーフスプリングを開示し、その技術では、リーフ中央部を炭素繊維から構成し、リーフ表面部をガラス繊維から構成することにより、柔軟性を有するＦＲＰリーフスプリングを製造することを提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特公平３−８１０２２号公報
【特許文献２】特開平７−７７２３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、図４に示すように、支持部５２で支持される板ばね５１に片振りの曲げ荷重Ｐを加えた場合、荷重負荷側の上面には圧縮応力が発生し、荷重負荷側とは反対側の下面には引張応力が発生する。なお、符号Ｓは、板ばね５１の板厚方向の中心に位置する中立軸である。
【０００６】
たとえばＦＲＰ板ばねとして単層構造の炭素繊維強化プラスチック製ばね（ＣＦＲＰばね）に片振りの曲げ荷重（図の矢印方向の荷重）を加えた場合、ＣＦＲＰばねの圧縮強さは引張強さの１／２〜１／３程度で低いため、圧縮による座屈が生じ、圧縮応力発生領域で破壊が生じやすい。このように低い荷重で破壊するため、引張強さに優れたＣＦＲＰの特徴を十分に活用することができず、利用できるばねのエネルギー密度が実質的に小さくなってしまう。
【０００７】
このようなＦＲＰばねでは、圧縮応力側表面からの破壊防止について有効な技術が開発されていなかった。たとえば特許文献１の技術では、重ね合わされた複数のシートは同じ繊維を使用しており、圧縮応力側表面からの破壊防止技術は開示されていない。また、特許文献２の技術では、柔軟性のある板ばねが開示されているが、繊維の圧縮特性には着目していない。また、リーフ表面部をガラス繊維から構成しており、炭素繊維より引張り強度が低いガラス繊維を応力が高いリーフ表面部に配するのは効率的でない。
【０００８】
したがって、本発明は、圧縮応力による破壊を防止することができる繊維強化プラスチック製ばねを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の繊維強化プラスチック製ばね（以下、ＦＲＰばね）は、片振りの曲げ荷重が加えられる繊維強化プラスチック製ばねであって、中立軸が板厚方向の中心よりも圧縮応力発生領域側に位置していることを特徴とする。
【００１０】
本発明での中立軸は、引張応力および圧縮応力が発生せず、伸びも縮みもしない軸である。本発明での引張弾性率は、引張試験で得られる引張応力−ひずみ曲線での最初の直線部分（原点を通過する直線部分、あるいは、曲線の原点での接線）を利用して次の関係式により得られる値である（参考文献：FRP設計便覧、（社）強化プラスチック協会、１９７９年）。
Ｅ＝Δσ/Δε
なお、Ｅは引張弾性率（単位：N/mm2）、Δσは直線状の２点間の平均原断面積による応力差（単位：N/mm2）、Δεは上記２点間のひずみの差である。
【００１１】
本発明のＦＲＰばねでは、中立軸が板厚方向の中心よりも圧縮応力発生領域側に位置しているから、中立軸から圧縮応力発生領域側の表面までの厚さが薄くなる。これにより、圧縮応力発生領域が小さくなるから、片振りの曲げ荷重の負荷時の圧縮変形を小さくすることができる。したがって、圧縮応力による破壊を防止することができる。また、引張応力発生領域が大きくなるから、片振りの曲げ荷重の負荷時の引張変形が大きくなるが、ＦＲＰばねは引張変形に強いから、引張応力による破壊を防止することができる。このように引張強さに優れているというＦＲＰばねの特性を有効利用することにより、発生応力による破壊を防止することができる。よって、ばね全体の破壊応力を高くすることができるから、利用できるエネルギー密度を大きくすることができる。
【００１２】
本発明のＦＲＰばねは、種々の構成を用いることができる。たとえば引張弾性率の異なる繊維が積層された積層構造を用いることができる。具体的には、第１繊維層と、第１繊維層の圧縮応力発生領域側の面および引張応力発生領域側の面のそれぞれに形成された第２繊維層、、、第Ｎ繊維層（Ｎは２以上の自然数）とを備え、第１繊維層の引張弾性率Ｅ１、第２繊維層の引張弾性率Ｅ２、、、第Ｎ繊維層の引張弾性率ＥＮはその順で小さくなるように設定されている態様を用いることができる。この態様では、最小の引張弾性率ＥＮを有する第Ｎ繊維層をばねの表層部に配置しており、その第Ｎ繊維層は曲がりやすいから、座屈による折損等の破壊を効果的に防止することができる。
【００１３】
たとえば引張弾性率Ｅ１を有する繊維強化プラスチックの応力ひずみ線図、引張弾性率Ｅ２を有する繊維強化プラスチックの応力ひずみ線図、、、引張弾性率ＥＮを有する繊維強化プラスチックの応力ひずみ線図が引張圧縮試験により取得され、応力ひずみ線図のぞれぞれから引張ひずみエネルギーＵ’ｊｔと圧縮ひずみエネルギーＵ’ｊｃとのひずみエネルギー比Ｖ’ｊ（＝Ｕ’ｊｔ／Ｕ’ｊｃ、ｊは１≦ｊ≦Ｎを満たす自然数）が算出され、所定の片振りの曲げ荷重負荷時の第１繊維層の引張応力発生領域の引張ひずみエネルギーＵ１ｔと第１繊維層の前記圧縮応力発生領域の圧縮ひずみエネルギーＵ１ｃとのひずみエネルギー比Ｖ１（＝Ｕ１ｔ／Ｕ１ｃ）がひずみエネルギー比Ｖ’１と等しくて、かつ所定の片振りの曲げ荷重負荷時の引張応力発生領域側の第ｊ繊維層の引張ひずみエネルギーＵｊｔと圧縮応力発生領域側の第ｊ繊維層の圧縮ひずみエネルギーＵｊｃとのひずみエネルギー比Ｖｊ（＝Ｕｊｔ／Ｕｊｃ、ｊが２以上の場合）がひずみエネルギー比Ｖ’ｊと等しくなるように中立軸の位置が設定されている態様を用いることができる。
【００１４】
上記態様では、片振りの曲げ荷重の負荷時のＦＲＰばねでの応力分布に対応して、異なる引張弾性率を有する各繊維層の厚さを設定することにより中立軸の位置を設定することができるので、引張強さに優れたＦＲＰばねの特性を十分に有効利用することができる。したがって、ばね全体の破壊応力をさらに高くすることができ、その結果、利用できるエネルギー密度をさらに大きくすることができる。
【００１５】
たとえば圧縮ひずみエネルギーＵｊｃおよび引張ひずみエネルギーＵｊｔが数１〜数３の数式に基づいて算出され、ひずみエネルギー比Ｖ’ｊとひずみエネルギー比Ｖｊとが等しくなるように、第１繊維層の圧縮応力発生領域および引張応力発生領域の厚さｈ１ｃ，ｈ１ｔ、ならびに、圧縮応力発生領域側および引張応力発生領域側の第ｊ繊維層の厚さｈｊｃ，ｈｊｔ（ｊが２以上の場合）が設定されている態様を用いることができる。なお、数１の数式について、せん断によるひずみエネルギーは、曲げによるひずみエネルギーに比べて小さいから、せん断によるひずみエネルギーを無視することができる。
【００１６】
【数１】
なお、Ｍは曲げモーメント、Ｅは引張弾性率、Ｉは断面二次モーメント、κは形状係数、Ｑはせん断力、Ｇはせん断弾性係数、Ａはばねの断面積、ｌはばねの長さ、ｘは長さ方向の座標軸、ｂはばねの幅である。
【００１７】
【数２】
なお、σｊｃは圧縮応力、ρは中立軸の曲率半径、ηは中立軸を原点としたときの厚さ方向の座標軸、ｈ０ｃは０である。
【００１８】
【数３】
なお、σｊｔは引張応力、ρは中立軸の曲率半径、ηは中立軸を原点としたときの厚さ方向の座標軸、−ｈ０ｔは０である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明のＦＲＰばねによれば、発生応力による破壊を防止することができるから、ばね全体の破壊応力を高くすることができ、これにより利用できるエネルギー密度を大きくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態に係る繊維強化プラスチック製ばねの構成を表し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は側面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る繊維強化プラスチック製ばねの各繊維層の厚さを決定する手法について説明するための図であり、（Ａ）は数値計算を説明するための図であって、単純曲げの状態を表す図、（Ｂ）は第１繊維層と同じ引張弾性率を有する繊維強化プラスチックの応力ひずみ線図、（Ｃ）は第２繊維層と同じ引張弾性率を有する繊維強化プラスチックの応力ひずみ線図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る繊維強化プラスチック製ばねの一例の部分構成を表す側断面図である。
【図４】片振りの曲げ荷重負荷時の従来の繊維強化プラスチック製ばねでの応力分布を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る繊維強化プラスチック製ばね（以下、ＦＲＰばね）の構成を表し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は側面図である。図２は、本発明の一実施形態に係る繊維強化プラスチック製ばねの各繊維層の厚さを決定する手法について説明するための図である。
【００２２】
ＦＲＰばね１は、たとえばリーフ部１１と目玉部１２を有する板ばねである。ＦＲＰばね１は、たとえば中立軸Ｓａが板厚方向の中心よりも圧縮応力発生領域側に位置している積層構造２０を備えている。中立軸Ｓａは、片振りの曲げ荷重の負荷時に引張応力および圧縮応力が発生せず繊維が伸びも縮みもしない軸である。図１，２では、ＦＲＰばね１の上面が片振りの曲げ荷重（図４の符号Ｐ）が加えられる表面であり、積層構造２０の中立軸Ｓａに対する上側領域が、圧縮応力が発生する圧縮応力領域であり、積層構造２０の中立軸Ｓａに対する下側領域が、引張応力が発生する引張応力領域である。図２（Ａ）の符号Ｈは、ＦＲＰばね１の積層構造２０の板厚を示し、ηは中立軸Ｓａを原点としたときの厚さ方向の座標軸を示している。
【００２３】
積層構造２０は、たとえば第１繊維層２１、圧縮側第２繊維層２２、および、引張側第２繊維層２３を有する３層構造である。第１繊維層２１、圧縮側第２繊維層２２、および、引張側第２繊維層２３は、たとえば繊維がばねの長手方向に配向しているＵＤ（一方向）繊維層である。
【００２４】
第１繊維層２１は、引張弾性率Ｅ１を有している。圧縮側第２繊維層２２および引張側第２繊維層２３は、引張弾性率Ｅ１よりも小さな引張弾性率Ｅ２を有している。中立軸Ｓａは、たとえば第１繊維層２１内に位置している。第１繊維層２１は、中立軸Ｓａに対する上側領域である圧縮応力領域２１Ａと、中立軸Ｓａに対する下側領域である引張応力領域２１Ｂを有している。
【００２５】
積層構造２０の各繊維層２１〜２３としては、たとえばプリプレグを用いることができる。樹脂は、熱硬化性および熱可塑性のいずれでもよい。積層構造２０の各繊維層２１〜２３は、フィラメントワインディング法により形成してもよい。積層構造２０の各繊維層２１〜２３を構成する繊維としては、たとえば炭素繊維や、ガラス繊維、アラミド繊維（ケブラー繊維）、ボロン繊維等の強化繊維を用いることができる。炭素繊維としては、たとえばＰＡＮ系とピッチ系のいずれも用いることができる。第１繊維層２１の引張弾性率Ｅ１と、第２繊維層２２，２３の引張弾性率Ｅ２とが異なるように設定するためには、たとえば繊維の種類を変更してもよいし、ばねの長手方向に対する繊維の配向方向を変更してもよい。また、ＵＤ繊維層の代わりに、繊維が所定角度で交差して配置されているクロス繊維層を用いてもよい。
【００２６】
本実施形態のＦＲＰばね１では、第１繊維層２１の圧縮応力発生領域側の面に圧縮側第２繊維層２２が配置され、第１繊維層２１の引張応力発生領域側の面に引張側第２繊維層２３が配置されており、ＦＲＰばね１は、本発明のＦＲＰばねにおいてＮが２の場合である。ＦＲＰばね１では、板厚方向の中心よりも圧縮応力発生領域側に位置している中立軸Ｓａの位置は、たとえば次のように設定されている。
【００２７】
たとえば図２（Ａ）に示すＦＲＰばね１の単純曲げの状態では、各繊維層２１〜２３に曲げモーメントが発生する。第１繊維層２１の圧縮応力発生領域２１Ａの圧縮応力σ１ｃによる曲げモーメントＭ１ｃは、数２の数式においてｊ＝１の場合であって、数４の数式で表される。第１繊維層２１の引張応力発生領域２１Ｂの引張応力σ１ｔによる曲げモーメントＭ１ｔは、数３の数式においてｊ＝１の場合であって、数５の数式で表される。
【００２８】
【数４】
【００２９】
【数５】
【００３０】
圧縮側第２繊維層２２の圧縮応力σ２ｃによる曲げモーメントＭ２ｃは、数２の数式においてｊ＝２の場合であって、数６の数式で表される。引張側第２繊維層２３の引張応力σ２ｔによる曲げモーメントＭ２ｔは、数３の数式においてｊ＝２の場合であって、数７の数式で表される。
【００３１】
【数６】
【００３２】
【数７】
【００３３】
第１繊維層２１の圧縮応力発生領域２１Ａでの曲げモーメントＭ１ｃを数１に代入することにより、圧縮ひずみエネルギーＵ１ｃが算出され、第１繊維層２１の引張応力発生領域２１Ｂでの曲げモーメントＭ１ｔを数１に代入することにより、引張ひずみエネルギーＵ１ｔが算出される。これにより、第１繊維層２１の引張応力発生領域２１Ｂの引張ひずみエネルギーＵ１ｔと第１繊維層２１の圧縮応力発生領域２１Ａの圧縮ひずみエネルギーＵ１ｃとのひずみエネルギー比Ｖ１（＝Ｕ１ｔ／Ｕ１ｃ）が得られる。
【００３４】
また、圧縮側第２繊維層２２での曲げモーメントＭ２ｃを数１に代入することにより、圧縮ひずみエネルギーＵ２ｃが算出され、引張側第２繊維層２３での曲げモーメントＭ２ｔを数１に代入することにより、引張ひずみエネルギーＵ２ｔが算出される。これにより、引張側第２繊維層２３の引張ひずみエネルギーＵ２ｔと圧縮側第２繊維層２２の圧縮ひずみエネルギーＵ２ｃとのひずみエネルギー比Ｖ２（＝Ｕ２ｔ／Ｕ２ｃ）が得られる。
【００３５】
応力ひずみ線図は、引張弾性率Ｅ１を有する繊維強化プラスチックおよび引張弾性率Ｅ２を有する繊維強化プラスチックのそれぞれに引張圧縮試験を行うことにより得られる。図２（Ｂ）は、引張弾性率Ｅ１を有する繊維強化プラスチックの応力ひずみ線図、図２（Ｃ）は、引張弾性率Ｅ２を有する繊維強化プラスチックの応力ひずみ線図である。図２（Ｂ）において、−ε１ｃは繊維強化プラスチックの破壊時の圧縮ひずみ、ε１ｔは繊維強化プラスチックの破壊時の引張ひずみである。図２（Ｃ）において、−ε２ｃは繊維強化プラスチックの破壊時の圧縮ひずみ、ε２ｔは、繊維強化プラスチックの破壊時の引張ひずみである。
【００３６】
圧縮ひずみエネルギーは、応力ひずみ線図を原点から圧縮ひずみまで積分することにより算出される。具体的には、引張弾性率Ｅ１を有する繊維強化プラスチックの圧縮ひずみエネルギーＵ’１ｃは、図２（Ｂ）の圧縮側の網目部分の面積であり、引張弾性率Ｅ２を有する繊維強化プラスチックの圧縮ひずみエネルギーＵ’２ｃは、図２（Ｃ）の圧縮側の網目部分の面積である。引張ひずみエネルギーは、応力ひずみ線図を原点から引張ひずみまで積分することにより算出される。具体的には、引張弾性率Ｅ１を有する繊維強化プラスチックの引張ひずみエネルギーＵ’１ｔは、図２（Ｂ）の引張側の網目部分の面積であり、引張弾性率Ｅ２を有する繊維強化プラスチックの引張ひずみエネルギーＵ’２ｔは、図２（Ｃ）の引張側の網目部分の面積である。
【００３７】
引張弾性率Ｅ１を有する繊維強化プラスチックの引張ひずみエネルギーＵ’１ｔと圧縮ひずみエネルギーＵ’１ｃとのひずみエネルギー比Ｖ’１（＝Ｕ’１ｔ／Ｕ’１ｃ）が算出され、引張弾性率Ｅ２を有する繊維強化プラスチックの引張ひずみエネルギーＵ’２ｔと圧縮ひずみエネルギーＵ’２ｃとのひずみエネルギー比Ｖ’２（＝Ｕ’２ｔ／Ｕ’２ｃ）が算出される。
【００３８】
ＦＲＰばね１の設計では、数値計算により得られたひずみエネルギー比Ｖ１と、引張圧縮試験による応力ひずみ線図で得られたひずみエネルギー比Ｖ’１とが等しくなり、かつ数値計算により得られたひずみエネルギー比Ｖ２と、引張圧縮試験による応力ひずみ線図で得られたひずみエネルギー比Ｖ’２とが等しくなるように、第１繊維層２１の圧縮応力発生領域２１Ａの厚さｈ１ｃおよび引張応力発生領域２１Ｂの厚さｈ１ｔを設定するとともに、圧縮側第２繊維層２２の厚さｈ２ｃおよび引張側第２繊維層２３の厚さｈ２ｔを設定する。この場合、全ての層２１〜２３の厚さの和（＝ｈ１ｃ＋ｈ１ｔ＋ｈ２ｃ＋ｈ２ｔ）が、予め定めていた積層構造２０の板厚Ｈとなるように設定することにより、各繊維層の層厚の具体値が得られる。
【００３９】
図３は、ＦＲＰばね１の一例の部分構成を表す側断面図である。たとえば繊維として炭素繊維を用い、第１繊維層２１の繊維の引張弾性率を２１０ＧＰａ、圧縮側第２繊維層２２および引張側第２繊維層２３の繊維の引張弾性率を１５０ＧＰａ、繊維体積含有率Ｖｆを６７％、ばねの板厚Ｈを１５ｍｍに定めた場合、中立軸を圧縮発生領域側の表面から５．６ｍｍの位置に設定するためには、第１繊維層２１の板厚４ｍｍ、圧縮側第２繊維層２２の板厚２ｍｍ、引張側第２繊維層２３の板厚９ｍｍに設定すればよい。
【００４０】
本実施形態では、中立軸Ｓａが板厚方向の中心よりも圧縮応力発生領域側に位置しているから、中立軸Ｓａから圧縮応力発生領域側の表面までの厚さが薄くなる。これにより、圧縮応力発生領域が小さくなるから、片振りの曲げ荷重の負荷時の圧縮変形を小さくすることができる。したがって、圧縮応力による破壊を防止することができる。また、引張応力発生領域が大きくなるから、片振りの曲げ荷重の負荷時の引張変形が大きくなるが、ＦＲＰばね１は引張変形に強いから、引張応力による破壊を防止することができる。このように引張強さに優れたＦＲＰばね１の特性を有効利用することにより、発生応力による破壊を防止することができる。よって、ばね全体の破壊応力を高くすることができるから、利用できるエネルギー密度を大きくすることができる。
【００４１】
特に、最小の引張弾性率Ｅ２を有する圧縮側第２繊維層２２および引張側第２繊維層２３をばねの表層部に配置しており、第２繊維層２２，２３は曲がりやすいから、座屈による折損等の破壊を効果的に防止することができる。また、片振りの曲げ荷重の負荷時のＦＲＰばね１での応力分布に対応して、異なる引張弾性率を有する各繊維層２１〜２３の厚さを設定することにより中立軸Ｓａの位置を設定することができるので、引張強さに優れたＦＲＰばね１の特性を十分に有効利用することができる。したがって、ばね全体の破壊応力をさらに高くすることができ、その結果、利用できるエネルギー密度をさらに大きくすることができる。
【符号の説明】
【００４２】
１…ＦＲＰばね（繊維強化プラスチック製ばね）、２０…積層構造、２１…第１繊維層、２１Ａ…圧縮応力領域、２１Ｂ…引張応力領域、２２…圧縮側第２繊維層、２３…引張側第２繊維層、Ｓａ…中立軸
【技術分野】
【０００１】
本発明は、片振りの曲げ荷重が加えられる繊維強化プラスチック製ばねに係り、特に、圧縮応力による破壊の防止技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえば自動車分野では、曲げ荷重がかかる片振のばね（渦巻ばねや、ぜんまい、板ばね等）が用いられ、それらばねには軽量化および省スペース化が要求されている。たとえば軽量化のために、金属製ばねに代わり、繊維強化プラスチック製ばね（以下、ＦＲＰばね）を用いることが提案されている。
【０００３】
たとえば特許文献１の技術は、ＦＲＰばねとしてＦＲＰテーパーリーフスプリングを開示し、その技術では、長さの異なる複数のシートにガラス繊維あるいは炭素繊維を含浸させ、それらシートを重ね合わせることにより、テーパーリーフスプリングを製造している。また、特許文献２の技術は、ＦＲＰばねとしてＦＲＰリーフスプリングを開示し、その技術では、リーフ中央部を炭素繊維から構成し、リーフ表面部をガラス繊維から構成することにより、柔軟性を有するＦＲＰリーフスプリングを製造することを提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特公平３−８１０２２号公報
【特許文献２】特開平７−７７２３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、図４に示すように、支持部５２で支持される板ばね５１に片振りの曲げ荷重Ｐを加えた場合、荷重負荷側の上面には圧縮応力が発生し、荷重負荷側とは反対側の下面には引張応力が発生する。なお、符号Ｓは、板ばね５１の板厚方向の中心に位置する中立軸である。
【０００６】
たとえばＦＲＰ板ばねとして単層構造の炭素繊維強化プラスチック製ばね（ＣＦＲＰばね）に片振りの曲げ荷重（図の矢印方向の荷重）を加えた場合、ＣＦＲＰばねの圧縮強さは引張強さの１／２〜１／３程度で低いため、圧縮による座屈が生じ、圧縮応力発生領域で破壊が生じやすい。このように低い荷重で破壊するため、引張強さに優れたＣＦＲＰの特徴を十分に活用することができず、利用できるばねのエネルギー密度が実質的に小さくなってしまう。
【０００７】
このようなＦＲＰばねでは、圧縮応力側表面からの破壊防止について有効な技術が開発されていなかった。たとえば特許文献１の技術では、重ね合わされた複数のシートは同じ繊維を使用しており、圧縮応力側表面からの破壊防止技術は開示されていない。また、特許文献２の技術では、柔軟性のある板ばねが開示されているが、繊維の圧縮特性には着目していない。また、リーフ表面部をガラス繊維から構成しており、炭素繊維より引張り強度が低いガラス繊維を応力が高いリーフ表面部に配するのは効率的でない。
【０００８】
したがって、本発明は、圧縮応力による破壊を防止することができる繊維強化プラスチック製ばねを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の繊維強化プラスチック製ばね（以下、ＦＲＰばね）は、片振りの曲げ荷重が加えられる繊維強化プラスチック製ばねであって、中立軸が板厚方向の中心よりも圧縮応力発生領域側に位置していることを特徴とする。
【００１０】
本発明での中立軸は、引張応力および圧縮応力が発生せず、伸びも縮みもしない軸である。本発明での引張弾性率は、引張試験で得られる引張応力−ひずみ曲線での最初の直線部分（原点を通過する直線部分、あるいは、曲線の原点での接線）を利用して次の関係式により得られる値である（参考文献：FRP設計便覧、（社）強化プラスチック協会、１９７９年）。
Ｅ＝Δσ/Δε
なお、Ｅは引張弾性率（単位：N/mm2）、Δσは直線状の２点間の平均原断面積による応力差（単位：N/mm2）、Δεは上記２点間のひずみの差である。
【００１１】
本発明のＦＲＰばねでは、中立軸が板厚方向の中心よりも圧縮応力発生領域側に位置しているから、中立軸から圧縮応力発生領域側の表面までの厚さが薄くなる。これにより、圧縮応力発生領域が小さくなるから、片振りの曲げ荷重の負荷時の圧縮変形を小さくすることができる。したがって、圧縮応力による破壊を防止することができる。また、引張応力発生領域が大きくなるから、片振りの曲げ荷重の負荷時の引張変形が大きくなるが、ＦＲＰばねは引張変形に強いから、引張応力による破壊を防止することができる。このように引張強さに優れているというＦＲＰばねの特性を有効利用することにより、発生応力による破壊を防止することができる。よって、ばね全体の破壊応力を高くすることができるから、利用できるエネルギー密度を大きくすることができる。
【００１２】
本発明のＦＲＰばねは、種々の構成を用いることができる。たとえば引張弾性率の異なる繊維が積層された積層構造を用いることができる。具体的には、第１繊維層と、第１繊維層の圧縮応力発生領域側の面および引張応力発生領域側の面のそれぞれに形成された第２繊維層、、、第Ｎ繊維層（Ｎは２以上の自然数）とを備え、第１繊維層の引張弾性率Ｅ１、第２繊維層の引張弾性率Ｅ２、、、第Ｎ繊維層の引張弾性率ＥＮはその順で小さくなるように設定されている態様を用いることができる。この態様では、最小の引張弾性率ＥＮを有する第Ｎ繊維層をばねの表層部に配置しており、その第Ｎ繊維層は曲がりやすいから、座屈による折損等の破壊を効果的に防止することができる。
【００１３】
たとえば引張弾性率Ｅ１を有する繊維強化プラスチックの応力ひずみ線図、引張弾性率Ｅ２を有する繊維強化プラスチックの応力ひずみ線図、、、引張弾性率ＥＮを有する繊維強化プラスチックの応力ひずみ線図が引張圧縮試験により取得され、応力ひずみ線図のぞれぞれから引張ひずみエネルギーＵ’ｊｔと圧縮ひずみエネルギーＵ’ｊｃとのひずみエネルギー比Ｖ’ｊ（＝Ｕ’ｊｔ／Ｕ’ｊｃ、ｊは１≦ｊ≦Ｎを満たす自然数）が算出され、所定の片振りの曲げ荷重負荷時の第１繊維層の引張応力発生領域の引張ひずみエネルギーＵ１ｔと第１繊維層の前記圧縮応力発生領域の圧縮ひずみエネルギーＵ１ｃとのひずみエネルギー比Ｖ１（＝Ｕ１ｔ／Ｕ１ｃ）がひずみエネルギー比Ｖ’１と等しくて、かつ所定の片振りの曲げ荷重負荷時の引張応力発生領域側の第ｊ繊維層の引張ひずみエネルギーＵｊｔと圧縮応力発生領域側の第ｊ繊維層の圧縮ひずみエネルギーＵｊｃとのひずみエネルギー比Ｖｊ（＝Ｕｊｔ／Ｕｊｃ、ｊが２以上の場合）がひずみエネルギー比Ｖ’ｊと等しくなるように中立軸の位置が設定されている態様を用いることができる。
【００１４】
上記態様では、片振りの曲げ荷重の負荷時のＦＲＰばねでの応力分布に対応して、異なる引張弾性率を有する各繊維層の厚さを設定することにより中立軸の位置を設定することができるので、引張強さに優れたＦＲＰばねの特性を十分に有効利用することができる。したがって、ばね全体の破壊応力をさらに高くすることができ、その結果、利用できるエネルギー密度をさらに大きくすることができる。
【００１５】
たとえば圧縮ひずみエネルギーＵｊｃおよび引張ひずみエネルギーＵｊｔが数１〜数３の数式に基づいて算出され、ひずみエネルギー比Ｖ’ｊとひずみエネルギー比Ｖｊとが等しくなるように、第１繊維層の圧縮応力発生領域および引張応力発生領域の厚さｈ１ｃ，ｈ１ｔ、ならびに、圧縮応力発生領域側および引張応力発生領域側の第ｊ繊維層の厚さｈｊｃ，ｈｊｔ（ｊが２以上の場合）が設定されている態様を用いることができる。なお、数１の数式について、せん断によるひずみエネルギーは、曲げによるひずみエネルギーに比べて小さいから、せん断によるひずみエネルギーを無視することができる。
【００１６】
【数１】
なお、Ｍは曲げモーメント、Ｅは引張弾性率、Ｉは断面二次モーメント、κは形状係数、Ｑはせん断力、Ｇはせん断弾性係数、Ａはばねの断面積、ｌはばねの長さ、ｘは長さ方向の座標軸、ｂはばねの幅である。
【００１７】
【数２】
なお、σｊｃは圧縮応力、ρは中立軸の曲率半径、ηは中立軸を原点としたときの厚さ方向の座標軸、ｈ０ｃは０である。
【００１８】
【数３】
なお、σｊｔは引張応力、ρは中立軸の曲率半径、ηは中立軸を原点としたときの厚さ方向の座標軸、−ｈ０ｔは０である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明のＦＲＰばねによれば、発生応力による破壊を防止することができるから、ばね全体の破壊応力を高くすることができ、これにより利用できるエネルギー密度を大きくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態に係る繊維強化プラスチック製ばねの構成を表し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は側面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る繊維強化プラスチック製ばねの各繊維層の厚さを決定する手法について説明するための図であり、（Ａ）は数値計算を説明するための図であって、単純曲げの状態を表す図、（Ｂ）は第１繊維層と同じ引張弾性率を有する繊維強化プラスチックの応力ひずみ線図、（Ｃ）は第２繊維層と同じ引張弾性率を有する繊維強化プラスチックの応力ひずみ線図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る繊維強化プラスチック製ばねの一例の部分構成を表す側断面図である。
【図４】片振りの曲げ荷重負荷時の従来の繊維強化プラスチック製ばねでの応力分布を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る繊維強化プラスチック製ばね（以下、ＦＲＰばね）の構成を表し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は側面図である。図２は、本発明の一実施形態に係る繊維強化プラスチック製ばねの各繊維層の厚さを決定する手法について説明するための図である。
【００２２】
ＦＲＰばね１は、たとえばリーフ部１１と目玉部１２を有する板ばねである。ＦＲＰばね１は、たとえば中立軸Ｓａが板厚方向の中心よりも圧縮応力発生領域側に位置している積層構造２０を備えている。中立軸Ｓａは、片振りの曲げ荷重の負荷時に引張応力および圧縮応力が発生せず繊維が伸びも縮みもしない軸である。図１，２では、ＦＲＰばね１の上面が片振りの曲げ荷重（図４の符号Ｐ）が加えられる表面であり、積層構造２０の中立軸Ｓａに対する上側領域が、圧縮応力が発生する圧縮応力領域であり、積層構造２０の中立軸Ｓａに対する下側領域が、引張応力が発生する引張応力領域である。図２（Ａ）の符号Ｈは、ＦＲＰばね１の積層構造２０の板厚を示し、ηは中立軸Ｓａを原点としたときの厚さ方向の座標軸を示している。
【００２３】
積層構造２０は、たとえば第１繊維層２１、圧縮側第２繊維層２２、および、引張側第２繊維層２３を有する３層構造である。第１繊維層２１、圧縮側第２繊維層２２、および、引張側第２繊維層２３は、たとえば繊維がばねの長手方向に配向しているＵＤ（一方向）繊維層である。
【００２４】
第１繊維層２１は、引張弾性率Ｅ１を有している。圧縮側第２繊維層２２および引張側第２繊維層２３は、引張弾性率Ｅ１よりも小さな引張弾性率Ｅ２を有している。中立軸Ｓａは、たとえば第１繊維層２１内に位置している。第１繊維層２１は、中立軸Ｓａに対する上側領域である圧縮応力領域２１Ａと、中立軸Ｓａに対する下側領域である引張応力領域２１Ｂを有している。
【００２５】
積層構造２０の各繊維層２１〜２３としては、たとえばプリプレグを用いることができる。樹脂は、熱硬化性および熱可塑性のいずれでもよい。積層構造２０の各繊維層２１〜２３は、フィラメントワインディング法により形成してもよい。積層構造２０の各繊維層２１〜２３を構成する繊維としては、たとえば炭素繊維や、ガラス繊維、アラミド繊維（ケブラー繊維）、ボロン繊維等の強化繊維を用いることができる。炭素繊維としては、たとえばＰＡＮ系とピッチ系のいずれも用いることができる。第１繊維層２１の引張弾性率Ｅ１と、第２繊維層２２，２３の引張弾性率Ｅ２とが異なるように設定するためには、たとえば繊維の種類を変更してもよいし、ばねの長手方向に対する繊維の配向方向を変更してもよい。また、ＵＤ繊維層の代わりに、繊維が所定角度で交差して配置されているクロス繊維層を用いてもよい。
【００２６】
本実施形態のＦＲＰばね１では、第１繊維層２１の圧縮応力発生領域側の面に圧縮側第２繊維層２２が配置され、第１繊維層２１の引張応力発生領域側の面に引張側第２繊維層２３が配置されており、ＦＲＰばね１は、本発明のＦＲＰばねにおいてＮが２の場合である。ＦＲＰばね１では、板厚方向の中心よりも圧縮応力発生領域側に位置している中立軸Ｓａの位置は、たとえば次のように設定されている。
【００２７】
たとえば図２（Ａ）に示すＦＲＰばね１の単純曲げの状態では、各繊維層２１〜２３に曲げモーメントが発生する。第１繊維層２１の圧縮応力発生領域２１Ａの圧縮応力σ１ｃによる曲げモーメントＭ１ｃは、数２の数式においてｊ＝１の場合であって、数４の数式で表される。第１繊維層２１の引張応力発生領域２１Ｂの引張応力σ１ｔによる曲げモーメントＭ１ｔは、数３の数式においてｊ＝１の場合であって、数５の数式で表される。
【００２８】
【数４】
【００２９】
【数５】
【００３０】
圧縮側第２繊維層２２の圧縮応力σ２ｃによる曲げモーメントＭ２ｃは、数２の数式においてｊ＝２の場合であって、数６の数式で表される。引張側第２繊維層２３の引張応力σ２ｔによる曲げモーメントＭ２ｔは、数３の数式においてｊ＝２の場合であって、数７の数式で表される。
【００３１】
【数６】
【００３２】
【数７】
【００３３】
第１繊維層２１の圧縮応力発生領域２１Ａでの曲げモーメントＭ１ｃを数１に代入することにより、圧縮ひずみエネルギーＵ１ｃが算出され、第１繊維層２１の引張応力発生領域２１Ｂでの曲げモーメントＭ１ｔを数１に代入することにより、引張ひずみエネルギーＵ１ｔが算出される。これにより、第１繊維層２１の引張応力発生領域２１Ｂの引張ひずみエネルギーＵ１ｔと第１繊維層２１の圧縮応力発生領域２１Ａの圧縮ひずみエネルギーＵ１ｃとのひずみエネルギー比Ｖ１（＝Ｕ１ｔ／Ｕ１ｃ）が得られる。
【００３４】
また、圧縮側第２繊維層２２での曲げモーメントＭ２ｃを数１に代入することにより、圧縮ひずみエネルギーＵ２ｃが算出され、引張側第２繊維層２３での曲げモーメントＭ２ｔを数１に代入することにより、引張ひずみエネルギーＵ２ｔが算出される。これにより、引張側第２繊維層２３の引張ひずみエネルギーＵ２ｔと圧縮側第２繊維層２２の圧縮ひずみエネルギーＵ２ｃとのひずみエネルギー比Ｖ２（＝Ｕ２ｔ／Ｕ２ｃ）が得られる。
【００３５】
応力ひずみ線図は、引張弾性率Ｅ１を有する繊維強化プラスチックおよび引張弾性率Ｅ２を有する繊維強化プラスチックのそれぞれに引張圧縮試験を行うことにより得られる。図２（Ｂ）は、引張弾性率Ｅ１を有する繊維強化プラスチックの応力ひずみ線図、図２（Ｃ）は、引張弾性率Ｅ２を有する繊維強化プラスチックの応力ひずみ線図である。図２（Ｂ）において、−ε１ｃは繊維強化プラスチックの破壊時の圧縮ひずみ、ε１ｔは繊維強化プラスチックの破壊時の引張ひずみである。図２（Ｃ）において、−ε２ｃは繊維強化プラスチックの破壊時の圧縮ひずみ、ε２ｔは、繊維強化プラスチックの破壊時の引張ひずみである。
【００３６】
圧縮ひずみエネルギーは、応力ひずみ線図を原点から圧縮ひずみまで積分することにより算出される。具体的には、引張弾性率Ｅ１を有する繊維強化プラスチックの圧縮ひずみエネルギーＵ’１ｃは、図２（Ｂ）の圧縮側の網目部分の面積であり、引張弾性率Ｅ２を有する繊維強化プラスチックの圧縮ひずみエネルギーＵ’２ｃは、図２（Ｃ）の圧縮側の網目部分の面積である。引張ひずみエネルギーは、応力ひずみ線図を原点から引張ひずみまで積分することにより算出される。具体的には、引張弾性率Ｅ１を有する繊維強化プラスチックの引張ひずみエネルギーＵ’１ｔは、図２（Ｂ）の引張側の網目部分の面積であり、引張弾性率Ｅ２を有する繊維強化プラスチックの引張ひずみエネルギーＵ’２ｔは、図２（Ｃ）の引張側の網目部分の面積である。
【００３７】
引張弾性率Ｅ１を有する繊維強化プラスチックの引張ひずみエネルギーＵ’１ｔと圧縮ひずみエネルギーＵ’１ｃとのひずみエネルギー比Ｖ’１（＝Ｕ’１ｔ／Ｕ’１ｃ）が算出され、引張弾性率Ｅ２を有する繊維強化プラスチックの引張ひずみエネルギーＵ’２ｔと圧縮ひずみエネルギーＵ’２ｃとのひずみエネルギー比Ｖ’２（＝Ｕ’２ｔ／Ｕ’２ｃ）が算出される。
【００３８】
ＦＲＰばね１の設計では、数値計算により得られたひずみエネルギー比Ｖ１と、引張圧縮試験による応力ひずみ線図で得られたひずみエネルギー比Ｖ’１とが等しくなり、かつ数値計算により得られたひずみエネルギー比Ｖ２と、引張圧縮試験による応力ひずみ線図で得られたひずみエネルギー比Ｖ’２とが等しくなるように、第１繊維層２１の圧縮応力発生領域２１Ａの厚さｈ１ｃおよび引張応力発生領域２１Ｂの厚さｈ１ｔを設定するとともに、圧縮側第２繊維層２２の厚さｈ２ｃおよび引張側第２繊維層２３の厚さｈ２ｔを設定する。この場合、全ての層２１〜２３の厚さの和（＝ｈ１ｃ＋ｈ１ｔ＋ｈ２ｃ＋ｈ２ｔ）が、予め定めていた積層構造２０の板厚Ｈとなるように設定することにより、各繊維層の層厚の具体値が得られる。
【００３９】
図３は、ＦＲＰばね１の一例の部分構成を表す側断面図である。たとえば繊維として炭素繊維を用い、第１繊維層２１の繊維の引張弾性率を２１０ＧＰａ、圧縮側第２繊維層２２および引張側第２繊維層２３の繊維の引張弾性率を１５０ＧＰａ、繊維体積含有率Ｖｆを６７％、ばねの板厚Ｈを１５ｍｍに定めた場合、中立軸を圧縮発生領域側の表面から５．６ｍｍの位置に設定するためには、第１繊維層２１の板厚４ｍｍ、圧縮側第２繊維層２２の板厚２ｍｍ、引張側第２繊維層２３の板厚９ｍｍに設定すればよい。
【００４０】
本実施形態では、中立軸Ｓａが板厚方向の中心よりも圧縮応力発生領域側に位置しているから、中立軸Ｓａから圧縮応力発生領域側の表面までの厚さが薄くなる。これにより、圧縮応力発生領域が小さくなるから、片振りの曲げ荷重の負荷時の圧縮変形を小さくすることができる。したがって、圧縮応力による破壊を防止することができる。また、引張応力発生領域が大きくなるから、片振りの曲げ荷重の負荷時の引張変形が大きくなるが、ＦＲＰばね１は引張変形に強いから、引張応力による破壊を防止することができる。このように引張強さに優れたＦＲＰばね１の特性を有効利用することにより、発生応力による破壊を防止することができる。よって、ばね全体の破壊応力を高くすることができるから、利用できるエネルギー密度を大きくすることができる。
【００４１】
特に、最小の引張弾性率Ｅ２を有する圧縮側第２繊維層２２および引張側第２繊維層２３をばねの表層部に配置しており、第２繊維層２２，２３は曲がりやすいから、座屈による折損等の破壊を効果的に防止することができる。また、片振りの曲げ荷重の負荷時のＦＲＰばね１での応力分布に対応して、異なる引張弾性率を有する各繊維層２１〜２３の厚さを設定することにより中立軸Ｓａの位置を設定することができるので、引張強さに優れたＦＲＰばね１の特性を十分に有効利用することができる。したがって、ばね全体の破壊応力をさらに高くすることができ、その結果、利用できるエネルギー密度をさらに大きくすることができる。
【符号の説明】
【００４２】
１…ＦＲＰばね（繊維強化プラスチック製ばね）、２０…積層構造、２１…第１繊維層、２１Ａ…圧縮応力領域、２１Ｂ…引張応力領域、２２…圧縮側第２繊維層、２３…引張側第２繊維層、Ｓａ…中立軸
【特許請求の範囲】
【請求項１】
片振りの曲げ荷重が加えられる繊維強化プラスチック製ばねにおいて、
中立軸が板厚方向の中心よりも圧縮応力発生領域側に位置していることを特徴とする繊維強化プラスチック製ばね。
【請求項２】
第１繊維層と、前記第１繊維層の圧縮応力発生領域側の面および引張応力発生領域側の面のそれぞれに形成された第２繊維層、、、第Ｎ繊維層（Ｎは２以上の自然数）とを備え、
前記第１繊維層の引張弾性率Ｅ１、前記第２繊維層の引張弾性率Ｅ２、、、前記第Ｎ繊維層の引張弾性率ＥＮはその順で小さくなるように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の繊維強化プラスチック製ばね。
【請求項３】
前記引張弾性率Ｅ１を有する繊維強化プラスチックの応力ひずみ線図、前記引張弾性率Ｅ２を有する繊維強化プラスチックの応力ひずみ線図、、、前記引張弾性率ＥＮを有する繊維強化プラスチックの応力ひずみ線図が引張圧縮試験により取得され、前記応力ひずみ線図のぞれぞれから引張ひずみエネルギーＵ’ｊｔと圧縮ひずみエネルギーＵ’ｊｃとのひずみエネルギー比Ｖ’ｊ（＝Ｕ’ｊｔ／Ｕ’ｊｃ、ｊは１≦ｊ≦Ｎを満たす自然数）が算出され、
所定の片振りの曲げ荷重負荷時の前記第１繊維層の前記引張応力発生領域の引張ひずみエネルギーＵ１ｔと第１繊維層の前記圧縮応力発生領域の圧縮ひずみエネルギーＵ１ｃとのひずみエネルギー比Ｖ１（＝Ｕ１ｔ／Ｕ１ｃ）が前記ひずみエネルギー比Ｖ’１と等しくて、かつ前記所定の片振りの曲げ荷重負荷時の前記引張応力発生領域側の第ｊ繊維層の引張ひずみエネルギーＵｊｔと前記圧縮応力発生領域側の第ｊ繊維層の圧縮ひずみエネルギーＵｊｃとのひずみエネルギー比Ｖｊ（＝Ｕｊｔ／Ｕｊｃ、ｊが２以上の場合）が前記ひずみエネルギー比Ｖ’ｊと等しくなるように前記中立軸の位置が設定されていることを特徴とする請求項２に記載の繊維強化プラスチック製ばね。
【請求項４】
前記圧縮ひずみエネルギーＵｊｃおよび前記引張ひずみエネルギーＵｊｔが数１〜数３の数式に基づいて算出され、
前記ひずみエネルギー比Ｖ’ｊと前記ひずみエネルギー比Ｖｊとが等しくなるように、前記第１繊維層の前記圧縮応力発生領域および前記引張応力発生領域の厚さｈ１ｃ，ｈ１ｔ、ならびに、前記圧縮応力発生領域側および前記引張応力発生領域側の第ｊ繊維層の厚さｈｊｃ，ｈｊｔ（ｊが２以上の場合）が設定されていることを特徴とする請求項３に記載の繊維強化プラスチック製ばね。
【数１】
なお、Ｍは曲げモーメント、Ｅは引張弾性率、Ｉは断面二次モーメント、κは形状係数、Ｑはせん断力、Ｇはせん断弾性係数、Ａはばねの断面積、ｌはばねの長さ、ｘは長さ方向の座標軸、ｂはばねの幅である。
【数２】
なお、σｊｃは圧縮応力、ρは中立軸の曲率半径、ηは中立軸を原点としたときの厚さ方向の座標軸、ｈ０ｃは０である。
【数３】
なお、σｊｔは引張応力、ρは中立軸の曲率半径、ηは中立軸を原点としたときの厚さ方向の座標軸、−ｈ０ｔは０である。
【請求項１】
片振りの曲げ荷重が加えられる繊維強化プラスチック製ばねにおいて、
中立軸が板厚方向の中心よりも圧縮応力発生領域側に位置していることを特徴とする繊維強化プラスチック製ばね。
【請求項２】
第１繊維層と、前記第１繊維層の圧縮応力発生領域側の面および引張応力発生領域側の面のそれぞれに形成された第２繊維層、、、第Ｎ繊維層（Ｎは２以上の自然数）とを備え、
前記第１繊維層の引張弾性率Ｅ１、前記第２繊維層の引張弾性率Ｅ２、、、前記第Ｎ繊維層の引張弾性率ＥＮはその順で小さくなるように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の繊維強化プラスチック製ばね。
【請求項３】
前記引張弾性率Ｅ１を有する繊維強化プラスチックの応力ひずみ線図、前記引張弾性率Ｅ２を有する繊維強化プラスチックの応力ひずみ線図、、、前記引張弾性率ＥＮを有する繊維強化プラスチックの応力ひずみ線図が引張圧縮試験により取得され、前記応力ひずみ線図のぞれぞれから引張ひずみエネルギーＵ’ｊｔと圧縮ひずみエネルギーＵ’ｊｃとのひずみエネルギー比Ｖ’ｊ（＝Ｕ’ｊｔ／Ｕ’ｊｃ、ｊは１≦ｊ≦Ｎを満たす自然数）が算出され、
所定の片振りの曲げ荷重負荷時の前記第１繊維層の前記引張応力発生領域の引張ひずみエネルギーＵ１ｔと第１繊維層の前記圧縮応力発生領域の圧縮ひずみエネルギーＵ１ｃとのひずみエネルギー比Ｖ１（＝Ｕ１ｔ／Ｕ１ｃ）が前記ひずみエネルギー比Ｖ’１と等しくて、かつ前記所定の片振りの曲げ荷重負荷時の前記引張応力発生領域側の第ｊ繊維層の引張ひずみエネルギーＵｊｔと前記圧縮応力発生領域側の第ｊ繊維層の圧縮ひずみエネルギーＵｊｃとのひずみエネルギー比Ｖｊ（＝Ｕｊｔ／Ｕｊｃ、ｊが２以上の場合）が前記ひずみエネルギー比Ｖ’ｊと等しくなるように前記中立軸の位置が設定されていることを特徴とする請求項２に記載の繊維強化プラスチック製ばね。
【請求項４】
前記圧縮ひずみエネルギーＵｊｃおよび前記引張ひずみエネルギーＵｊｔが数１〜数３の数式に基づいて算出され、
前記ひずみエネルギー比Ｖ’ｊと前記ひずみエネルギー比Ｖｊとが等しくなるように、前記第１繊維層の前記圧縮応力発生領域および前記引張応力発生領域の厚さｈ１ｃ，ｈ１ｔ、ならびに、前記圧縮応力発生領域側および前記引張応力発生領域側の第ｊ繊維層の厚さｈｊｃ，ｈｊｔ（ｊが２以上の場合）が設定されていることを特徴とする請求項３に記載の繊維強化プラスチック製ばね。
【数１】
なお、Ｍは曲げモーメント、Ｅは引張弾性率、Ｉは断面二次モーメント、κは形状係数、Ｑはせん断力、Ｇはせん断弾性係数、Ａはばねの断面積、ｌはばねの長さ、ｘは長さ方向の座標軸、ｂはばねの幅である。
【数２】
なお、σｊｃは圧縮応力、ρは中立軸の曲率半径、ηは中立軸を原点としたときの厚さ方向の座標軸、ｈ０ｃは０である。
【数３】
なお、σｊｔは引張応力、ρは中立軸の曲率半径、ηは中立軸を原点としたときの厚さ方向の座標軸、−ｈ０ｔは０である。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−２０２４５４（Ｐ２０１２−２０２４５４Ａ）
【公開日】平成２４年１０月２２日（２０１２．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−６６１４５（Ｐ２０１１−６６１４５）
【出願日】平成２３年３月２４日（２０１１．３．２４）
【出願人】（０００００４６４０）日本発條株式会社 (1,048)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月２２日（２０１２．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月２４日（２０１１．３．２４）
【出願人】（０００００４６４０）日本発條株式会社 (1,048)
【Ｆターム（参考）】
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