(57)【要約】【課題】密着長さまで圧縮される過程で応力が集中及び体積が増加することなく、且つエネルギー吸収量を増加させた圧縮コイルばねを提供する。【解決手段】大径のコイル径から小径のコイル径を経て再び大径のコイル径に変化した時のコイル径変化回数を１回と定義した場合、有効巻数に数えられる範囲内のコイル径変化回数を、２以上且つ有効巻数の１／２以下に設定し、且つ、密着長さまで圧縮された時に、隣接するコイル２３が相互に接触（線接触）するように構成したので、稼働体積を増加させることなく、単位体積当たりに蓄積されるエネルギー（弾性エネルギー）量を増加させることができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸線方向へコイル径が連続して変化する圧縮コイルばねであって、
コイル径が大径のコイル径から小径のコイル径を経て再び前記大径のコイル径に変化した時のコイル径変化回数を１回と定義し、有効巻数に数えられる範囲内の前記コイル径変化回数を２以上且つ有効巻数の１／２以下に設定し、且つ、
密着長さまで圧縮された時に隣接するコイルが相互に接触する範囲内で、隣接するコイル間のコイル径を変化させることを特徴とする圧縮コイルばね。
【請求項２】
マスタシリンダのリターンスプリングとして使用されることを特徴とする請求項１に記載の圧縮コイルばね。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮コイルばねに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、圧縮コイルばねは、ブレーキペダルの操作量に応じた液圧を発生させるマスタシリンダのリターンスプリングとして使用される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００１−５００６００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、自動車業界においては、燃費性能の向上が技術的課題の一つである。そこで、自動車に使用される各作動機構の小型化・軽量化が求められている。例えば、作動機構の一つであるマスタシリンダは、リターンスプリングとして使用される圧縮コイルばねのエネルギー効率を高めることで、リターンスプリングの収容スペースを縮小することが可能になり、その結果、マスタシリンダを小型化することができる。例えば、マスタシリンダのリターンスプリングを円筒形コイルばねから樽形コイルばねに置き換えた場合、樽形コイルばねは、円筒形コイルばねと比較して密着長さを低くすることができるため、エネルギー吸収量を増加させることが可能であるが、密着長さまで圧縮される過程で体積が増加する問題がある。
【０００５】
そこで、マスタシリンダのリターンスプリングに、コイル径を連続に変化させた圧縮コイルばねを採用することが検討されたが、先行技術（例えば、上記特許文献１）の圧縮コイルばねは、隣接するコイル間のコイル径の変化量（差）が大きいため、エネルギー吸収量を増加させるために圧縮コイルばねを密着長さまで圧縮させる過程で、隣接するコイル間の接触が不連続（点接触）となる。その結果、点接触する部分に応力が集中し、耐久性が著しく低下する。
【０００６】
そこで本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、密着長さまで圧縮される過程で応力が集中及び体積が増加することなく、且つエネルギー吸収量を増加させた圧縮コイルばねを提供することを課題としてなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明の圧縮コイルばねは、軸線方向へコイル径が連続して変化する圧縮コイルばねであって、コイル径が大径のコイル径から小径のコイル径を経て再び前記大径のコイル径に変化した時のコイル径変化回数を１回と定義し、有効巻数に数えられる範囲内の前記コイル径変化回数を２以上且つ有効巻数の１／２以下に設定し、且つ、密着長さまで圧縮された時に隣接するコイルが相互に接触する範囲内で、隣接するコイル間のコイル径を変化させることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、密着長さまで圧縮される過程における応力の集中及び体積の増加を抑制し、且つ、エネルギー吸収量を増加させた圧縮コイルばねを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施形態の圧縮コイルばねがリターンスプリングとして組み込まれたマスタシリンダの一部を断面で示した図である。
【図２】本実施形態の圧縮コイルばねの正面図である。
【図３】本実施形態の説明図であって、（ａ）はＹ軸方向の視線から見た圧縮コイルばねで、（ｂ）はＺ軸方向の視線から見た圧縮コイルばねである。
【図４】本実施形態の作用を説明するための図であって、（ａ）は円筒形コイルばねの無負荷の状態（上）及び密着長さまで圧縮させた状態（下）を示す図で、（ｂ）は樽形コイルばねの無負荷の状態（上）及び密着長さまで圧縮させた状態（下）を示す図で、（ｃ）は本発明に係る圧縮コイルばね（ｋ＝２）の無負荷の状態（上）及び密着長さまで圧縮させた状態（下）を示す図で、（ｄ）は本発明に係る圧縮コイルばね（ｋ＝３）の無負荷の状態（上）及び密着長さまで圧縮させた状態（下）を示す図である。
【図５】圧縮コイルばねの形状による物理的性質の差を比較した図表である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の一実施形態を添付した図を参照して説明する。
図１において、符号１は、本発明に係る圧縮コイルばね１０がリターンスプリング１０として組み込まれたマスタシリンダであり、符号２は、このマスシリンダ１の上部に取付けられたリザーバタンクである。なお、以下、必要に応じて、「圧縮コイルばね１０」と「リターンスプリング１０」とを使い分けるが、両者は同一である。マスタシリンダ１は、車両のブレーキ装置に用いられ、運転者によるブレーキペダル操作に連動してブレーキ回路に作動液を給排するものである。マスタシリンダ１は、有底円筒状のシリンダ本体３内にプライマリピストン４とセカンダリピストン５が直列に配置されたタンデム型のマスタシリンダであり、シリンダ本体３内の両ピストン４，５によって隔成される第１及び第２圧力室６，７が各々図示しない給排ポートを介して車両の異なるブレーキ配管系（例えば、前輪側のブレーキ配管系と後輪側のブレーキ配管系）に接続されている。
【００１１】
プライマリピストン４は、シリンダ本体３の開口側（図１における右側）に摺動自在に嵌合され、シリンダ本体３から突出する基端部がブースタ８を介してブレーキペダルの操作ロッドに連結されている。セカンダリピストン５は、シリンダ本体３に摺動自在に嵌合され、プライマリピストン４との間に第１圧力室６を形成するとともに、シリンダ本体３の底部との間に第２圧力室７を形成する。各圧力室６，７内には、プライマリピストン４及びセカンダリピストン５に戻り方向の操作反力を付与するためのリターンスプリング１０，１１が設けられている。各リターンスプリング１０，１１は、スプリングリテーナ１２及び１３に一体に組み付けられ、スプリングユニットとして各圧力室６，７内に配置されている。
【００１２】
シリンダ本体３の上面には、リザーバタンク２を取り付けるためのボス部１４が設けられ、このボス部１４には、リザーバタンク２の給排口１５ａ，１５ｂが接続されている。そして、ボス部１４には、リザーバタンク２の一方の給排口１５ａと第１圧力室６とを接続する第１給排孔１６ａと、他方の給排口１５ｂと第２圧力室７とを接続する第２給排孔１６ｂとが形成されている。また、シリンダ本体３の軸方向に離間した２位置には、環状溝１７ａ，１７ｂが形成されている。各環状溝１７ａ，１７ｂには、各々、給排孔１６ａ，１６ｂが連通されている。
【００１３】
各環状溝１７ａ，１７ｂは、各々、プライマリピストン４及びセカンダリピストン５の外周面に臨む位置に形成され、各ピストン４，５の内外に設けられた２系統の通路を通して対応する圧力室５，６に接続されるように構成されている。また、シリンダ本体３の内周面の各環状溝１７ａ，１７ｂの軸方向の前後位置には、各々、シールリング１８，１９が装着され、これらのシールリング１８，１９によって、シリンダ本体３と各ピストン４，５の間の摺動隙間が液密にシールされている。
【００１４】
プライマリ及びセカンダリの各ピストン４，５には、各々、前方側（図１中左側）の第１圧力室６と第２圧力室７に臨む円筒壁４ａ，５ａが設けられ、各円筒壁４ａ，５ａには、径方向に貫通する戻し孔２０が形成されている。各戻し孔２０は、各ピストン４，５が後退端まで後退した初期位置にある時に、各圧力室６，７と対応する各環状溝１７ａ，１７ｂとが連通され、ブレーキ配管から戻った作動液に余剰分があれば、その余剰分がリザーバタンク２へ戻されるように機能する。各戻し孔２０は、環状溝１７ａ，１７ｂと圧力室６，７とを接続させる前述した２系統の通路のうちの一方を構成する。
【００１５】
また、シリンダ本体３の内周面のうちの環状溝１７ａ，１７ｂの各々前方側（図１における左側）には、環状溝１７ａ，１７ｂと圧力室６，７とを接続させる連通溝２１ａ，２１ｂが形成されている。各連通溝２１ａ，２１ｂは、シリンダ本体３の軸方向に沿って形成されているが、各連通溝２１ａ，２１ｂの延び方向の途中には、前述した一方のシールリング１８が介在されている。シールリング１８は、コ字状断面の開口が前側（図１における左側）を向くように設けられ、その内周壁が各ピストン４，５の外周面に摺動可能に密接されるように構成されている。
【００１６】
また、シールリング１８は、前方の圧力室６，７側の圧力が後方の環状溝１７ａ，１７ｂ側の圧力よりも低くなった場合に、外周壁が撓んで変形することによって連通溝２１ａ，２１ｂが開き、これにより、環状溝１７ａ，１７ｂ（リザーバタンク２）から対応する圧力室６，７への作動液の流通（作動液の補充）が許容される。なお、各連通溝２１ａ，２１ｂは、環状溝１７ａ，１７ｂと圧力室５，６とを接続させる前述した２系統の通路のうちの他方を形成している。
【００１７】
そして、各ピストン４，５が初期位置にある時には、リザーバタンク２と各圧力室６，７とが、ピストン４，５の戻し孔２０を介して連通され、この状態から各ピストン４，５が前方へ移動して戻し孔２０が環状溝１７ａ，１７ｂに臨む位置から前方へずれると、戻し孔２０がシリンダ本体３の内周面によって閉塞され、これにより、リザーバタンク２と各圧力室６，７との連通が遮断される。ここで、各ピストン４，５の前進に応じて各圧力室６，７内の圧力が高まり、作動液がブレーキ配管へ供給される。なお、この作動液の供給時には、各圧力室６，７内の圧力が高まるため、各シールリング１８が連通溝２１ａ，２１ｂを閉塞する。また、この状態から各ピストン４，５がリターンスプリング１０，１１の弾性力を受けて後退すると、ブレーキ配管から各圧力室６，７内に作動液が戻され、この時、各圧力室６，７内の圧力が一時的にリザーバタンク２内の圧力よりも低くなると、各シールリング１８が連通溝２１ａ，２１ｂを開放し、各圧力室６，７内における不足分の作動液がリザーバタンク２から補充される。
【００１８】
次に、圧縮コイルばね１０（リターンスプリング１０）を説明する。なお、各リターンスプリング１０，１１が一体に組み付けられる各スプリングリテーナ１２，１３については、先行技術のものをそのまま適用することができる。したがって、ここでは、説明を簡略化するため、各スプリングリテーナ１２，１３の詳細な説明を省略する。
【００１９】
図２に示されるように、圧縮コイルばね１０は、等線径且つ等ピッチで軸線方向（図２における上下方向）へコイル径が連続して変化するように形成されている。圧縮コイルばね１０は、大きい設定のコイル径（大径のコイル径）を有する大径のコイル２３Ｌと、小さい設定のコイル径（小径のコイル径）を有する小径のコイル２３Ｓと、大径のコイル２３Ｌのコイル径(DL)と小径のコイル２３Ｓのコイル径(DS)との中間の設定のコイル径(DM：DL ＞DM ＞DS)を有する中間のコイル２３Ｍとを含み、図２における上から順に、大径のコイル２３Ｌ、中径のコイル２３Ｍ、小径のコイル２３Ｓ、中径のコイル２３Ｍ、大径のコイル２３Ｌ、大径のコイル２３Ｌ、中径のコイル２３Ｍ、小径のコイル２２Ｓ、中径のコイル２３Ｍ、大径のコイル２３Ｌが、連続して形成されている。
【００２０】
言い換えると、圧縮コイルばね１０は、コイル径が大きい設定のコイル径（大径のコイル径）から小さい設定のコイル径（小径のコイル径）を経て再び大きい設定のコイル径（大径のコイル径）に変化した時のコイル径変化回数を１回と定義した場合、コイル径変化回数が２に設定されている。なお、圧縮コイルばね１０の有効巻数に数えられる範囲内のコイル径変化回数は、２以上且つ有効巻数（本実施形態では、１０．５）の１／２以下に設定することが望ましい。また、説明の便宜上、必要に応じて、大径のコイル２３Ｌ、中径のコイル２３Ｍ及び小径のコイル２２Ｓを、各々、コイル２３と称する。
【００２１】
圧縮コイルばね１０は、密着長さまで圧縮された時に、隣接するコイル２３が相互に接触（線接触）するように構成されている［図４（ｃ）参照］。言い換えると、圧縮コイルばね１０は、コイル２３の曲率が、密着長さまで圧縮された時に、隣接するコイル２３が相互に接触（線接触）するように構成されている。さらに言い換えると、圧縮コイルばね１０は、無負荷の状態において、隣接するコイル２３間の、同一軸平面上の円形断面のコイル径方向（図２における左右方向）の中心間距離ｄ（図２参照）が、密着長さまで圧縮された時に、隣接するコイル２３が相互に接触（線接触）する距離に設定されている。図２を参照すると、中径のコイル２３Ｍとこれに連続する小径のコイル２３Ｓとの中心間距離ｄは、圧縮コイルばね１０が密着長さまで圧縮された時に、中径のコイル２３Ｍとこれに連続する小径のコイル２３Ｓとが相互にコイル径方向に隙間が生じないように接触（線接触）する距離に設定されている。
【００２２】
なお、図３（ａ）及び（ｂ）に示されるように各座標軸（Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸）を設定した場合、有効巻数に数えられる範囲内における鋼線（上記円形断面の中心点）の軌跡は、以下の数式によって表すことができる。
Ｘ＝［９．０＋ΔＲｃｏｓ（２πｕｋ）ｃｏｓ（２πｕＴ）］
Ｙ＝［９．０＋ΔＲｃｏｓ（２πｕｋ）ｓｉｎ（２πｕＴ）］
Ｚ＝６０ｕ
ここで、
ΔＲ：最大半径（大径のコイル径の１／２）と最小半径（小径のコイル径の１／２）との差
ｕ：０から１へ変化する変数
Ｔ：有効巻数
ｋ：有効巻数に数えられる範囲内におけるコイル径変化回数（ｋ≦Ｔ／２）
【００２３】
次に、本実施形態の作用を説明する。
ここでは、最大コイル径９．０ｍｍ、有効巻数１０．５、線径２．０ｍｍの、同一線材で形状が異なる図４に示される４種類の圧縮コイルばね２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄの密着長さ及びエネルギー効率を比較する。なお、圧縮コイルばね２５ａは従来形状の円筒形コイルばね、２５ｂは従来形状の樽形コイルばね、２５ｃは上述した圧縮コイルばね１０と実質的に同一である本発明に係る圧縮コイルばね（コイル径変化回数ｋ＝２、ΔＲ＝１．４ｍｍ）、２５ｄは本発明に係る圧縮コイルばね（コイル径変化回数ｋ＝３、ΔＲ＝１．４ｍｍ）である。
【００２４】
まず、圧縮コイルばね２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄを密着長さまで圧縮させた時の体積増加を比較する。図５に示されるように、形状による体積増加に変化は見られない。すなわち、圧縮コイルばね２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄを密着長さまで圧縮させた時の体積は等しく増加する。次に、圧縮コイルばね２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄの密着長さを比較すると、円筒形コイルばね２５ａの（推定）密着長さ（２１ｍｍ）に対し、各々、コイル径変化回数１の樽形コイルばね２５ｂでは０．２ｍｍ、コイル径変化回数２の本発明に係る圧縮コイルばね２５ｃでは２．０ｍｍ、コイル径変化回数３の本発明に係る圧縮コイルばね２５ｄでは４．５ｍｍ、密着長さを短縮することができた。
【００２５】
次に、ばね定数を一定とした場合の圧縮コイルばね２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄのエネルギー効率を比較する。図５に示されるように、密着長さまで圧縮させた時の円筒形コイルばね２５ａのエネルギー吸収量に対する各圧縮コイルばね２５ｂ、２５ｃ、２５ｄのエネルギー吸収量増加率は、樽形コイルばね２５ｂ（ｋ＝１）では１％、本発明に係る圧縮コイルばね２５ｃ（ｋ＝２）では５％、本発明に係る圧縮コイルばね２５ｄ（ｋ＝３）では１２％であった。
【００２６】
なお、本実施形態では、コイル径が大きい設定のコイル径（大径のコイル径）から小さい設定のコイル径（小径のコイル径）を経て再び大きい設定のコイル径（大径のコイル径）に変化した時のコイル径変化回数を１回と定義したが、上記樽形コイルばね２５ｂでは、小さいコイル径（小径のコイル径）から大きいコイル径（大径のコイル径）を経て再び小径のコイル径（小径のコイル径）に変化した時のコイル径変化回数を１回とした。また、樽形コイルばね２５ｂを鼓形コイルばね（ｋ＝１）に置き換えた場合も、図５における樽形コイルばね２５ｂと同一の結果となった。
【００２７】
この実施形態では以下の効果を奏する。
本実施形態によれば、コイル径が大きい設定のコイル径（大径のコイル径）から小さい設定のコイル径（小径のコイル径）を経て再び大きい設定のコイル径（大径のコイル径）に変化した時のコイル径変化回数を１回と定義した場合、有効巻数に数えられる範囲内のコイル径変化回数を、２以上且つ有効巻数の１／２以下に設定し、且つ、密着長さまで圧縮された時に、隣接するコイル２３が相互に接触（線接触）するように構成したので、稼働体積の増加を抑制し、単位体積当たりに蓄積されるエネルギー（弾性エネルギー）量を増加させることができる。
この圧縮コイルばね１０をマスタシリンダ１のリターンスプリング１０に採用した場合、リターンスプリング収容部を省スペース化することが可能になり、製造コストを増加させることなく、設計の自由度を拡大することができ、延いては、マスタシリンダ１を小型化．軽量化することができる。
また、コイル径を連続して変化させたので、コイル径が異なるコイル間の、外力に対する剛性、延いては、ばね定数及び固有振動数が異なるため、共有現象が回避され、サージング（共振）による振動を効果的に抑制することができる。
また、密着長さ近傍で稼働させる場合、全てのコイルを線接触させることが可能であり、点接触を前提に設計された先行技術の圧縮コイルばね（特許文献１参照）と比較して、耐久性の点で有利である。
また、エネルギー吸収量（弾性エネルギー蓄積量）が同等の樽形コイルばねと比較した場合、あらゆる圧縮長さにおいて、最大主応力を受けるコイルを分散させて応力の集中を抑制することができる。これにより、稼働時における鋼線の疲労が軽減され、長寿命化が可能である。
なお、本実施形態では、圧縮コイルばね１０をマスタシリンダ１のリターンスプリング１０に採用した場合を説明したが、圧縮コイルばね１０の利用をマスタシリンダ１のリターンスプリング１０に限定することを意図しておらず、圧縮コイルばね１０は、様々な作動機構に組み込むことができる。
【符号の説明】
【００２８】
１  マスタシリンダ、１０  圧縮コイルばね（リターンスプリング）、２３  コイル（２３Ｌ  大径のコイル、２３Ｍ  中径のコイル、２３Ｓ  小径のコイル）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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