(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストン部と、該ピストン部を摺動可能に収容するシリンダとを有するシリンダ装置であって、前記ピストン部の断面形状は、複数の凸曲線形状部が接続されてなる輪郭を備え、前記ピストン部の外周には周回溝が形成され、該周回溝には前記輪郭に沿った形状を有する弾性変形可能なピストンリングが嵌入され、前記周回溝には、前記凸曲線形状部が接続される接続部位に、前記ピストンリングの一部を収容することにより前記ピストンリングを弾性変形可能に保持するための収容余裕を有する凹入部が設けられ、前記ピストンリングは前記ピストンの横断面に沿った閉じた形状を備え、その一部を前記凹入部に引き込むように弾性変形可能に構成されていることを特徴とするシリンダ装置。
【請求項２】
前記ピストン部は相互に連結するように構成された基部及び先端部を有し、前記基部と前記先端部とが連結された状態で前記周回溝が両者間の外周部に形成されるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のシリンダ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はシリンダ装置に係り、特に、ピストン部の断面形状に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、レシプロ式のエンジン、発電機、コンプレッサ等のシリンダ装置においては、シリンダと、このシリンダ内を往復動作するピストンと、このピストンに対して回動自在に連結された一端部を有するコネクティングロッド（連接棒）と、コネクティングロッドの他端部に対して回転自在に接続されたクランク部を有する回転軸とが設けられている。この各種シリンダ装置においては、ピストンの往復運動と、回転軸の回転運動とが相互に変換されるように構成された運動変換機構が用いられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、自動車のエンジン、コンプレッサ等に用いられる通常のピストン構造は円筒形であるため、ピストンの軸線周りに回転力が発生するので、従来のシリンダ装置においてはピストンとコネクティングロッドとの間の軸受部やコネクティングロッドとクランク部との間の軸受部に負担がかかり、また、上記各実施形態においては往復動作体のピストン軸線周りの回転を妨げる支持・案内構造を設けないと軸支部の軸支孔とクランク部との挿通角度が変化し、軸支部とクランク部との正常な位置関係がくずれてしまうという問題がある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明のシリンダ装置は、ピストン部と、該ピストン部を摺動可能に収容するシリンダとを有するシリンダ装置であって、前記ピストン部の前記断面形状は、複数の凸曲線形状部が接続されてなる輪郭を備え、前記ピストン部の外周には周回溝が形成され、該周回溝には前記輪郭に沿った形状を有する弾性変形可能なピストンリングが嵌入され、前記周回溝には、前記凸曲線形状部が接続される接続部位に、前記ピストンリングの一部を収容することにより前記ピストンリングを弾性変形可能に保持するための収容余裕を有する凹入部が設けられ、前記ピストンリングは前記ピストンの横断面に沿った閉じた形状を備え、その一部を前記凹入部に引き込むように弾性変形可能に構成されていることを特徴とする。
【０００５】
この発明によれば、前記ピストン部の前記断面形状は、複数の凸曲線形状部が接続されてなる輪郭を備えていることにより、ピストン部の断面形状が非円形となることから、この形状に対応した形状のシリンダに対して摺動可能にピストン部を収容した場合、当該シリンダに対してピストン部が軸線周りに回動することが防止されるので、軸支部の内部に対するクランク部の挿入方向が固定されるため、往復動作体やピストン部を回動しないように支持・案内するための別の支持・案内構造を設ける必要がなくなり、また、軸支部とクランク部との摺動部分に負担を与えることもなく、安定した動作を実現することができる。さらに、周回溝に嵌入されたピストンリングの一部を、接続部位に形成された凹入部に収容することができ、シリンダ内面との当接状態に応じてピストンリングが弾性変形するための収容余裕が生まれるように構成されていることにより、非円形断面を有するピストン構造にあっても支障なくピストンリングの機能を発揮させることができる。特に、本発明においてはピストンリングが前記ピストンの横断面に沿った閉じた形状を備えていても上記の凹入部にピストンリングの一部を引き込むようにして弾性変形可能に構成されているので、シリンダ内において動作するピストンの密閉性（シール性）を高めることができる。
【０００６】
ここで、前記ピストン部は相互に連結するように構成された基部及び先端部を有し、前記基部と前記先端部とが連結された状態で前記周回溝が両者間の外周部に形成されるように構成されていることが好ましい。この手段によれば、ピストンリングを基部と先端部との間に介在させてから、基部と先端部を連結固定することにより、ピストン部に周回方向に閉じた形状のピストンリングを装着することができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
次に、添付図面を参照して本発明に係るシリンダ装置について詳細に説明する。
【０００８】
［第１構成例］
図１は本発明に係る実施形態のシリンダ装置１０の運動変換機構の概略構成例を示す概略構成図である。本構成例のシリンダ装置１０は、シリンダ１１と、このシリンダ１１内において所定方向（図示上下方向）に摺動自在に構成されたピストン部１２ａ及び軸支部１２ｂを備えた往復動作体１２と、軸支部１２ｂに挿通されたクランク部１３ａを備えた回転軸１３とを有している。軸支部１２ｂには断面延長形状の軸支孔１２ｃが形成され、この軸支孔１２ｃにクランク部１３ａが挿通されている。
【０００９】
シリンダ１１は例えばレシプロ式の内燃機関、発電機、コンプレッサ等に用いられるシリンダ筒であり、ピストン部１２ａはシリンダ１１の内面に沿って往復動作するようになっている。軸支孔１２ｃはピストン部１２ａの往復動作方向（図示上下方向）とほぼ直交する方向（図示左右方向）に延長された延長形状（図示例では長円形状）の孔断面を備えている。
【００１０】
回転軸１３は通常のクランク形状に形成された円形断面のクランク部１３ａを備え、このクランク部１３ａは、上記軸支孔１２ｃをその貫通方向（図示紙面と直交する方向）に挿通した状態となっている。
【００１１】
本構成例においては、図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、ピストン部１２ａが往復動作すると、軸支孔１２ｃに嵌合しているクランク部１３ａが軸支孔１２ｃの内部をその延長方向に往復摺動するように駆動され、その結果、回転軸１３は回転する。逆に、回転軸１３が回転すると、クランク部１３ａは軸支孔１２ｃの内部をその延長方向に往復摺動しながら軸支部１２ｂに対して往復動作方向に応力を与えるので、ピストン部１２ａはシリンダ１１内を往復動作するように駆動される。
【００１２】
本構成例によれば、クランク部１３ａが延長形状の軸支孔１２ｃ内を往復動作するように構成されていることによって、従来の揺動動作するコネクティングロッド（連接棒）が不要になる。その結果、ピストン部１２ａの動作ストロークを大きくしてもコネクティングロッドの揺動角による動作の制約が生じないので、ピストン部１２ａの往復動作方向に見た往復動作体の寸法（すなわち図示上下方向の長さ）を低減することができる。また、ピストン部１２ａと回転軸１３との間の運動変換機構中における摺動部分は、軸支孔１２ｃとクランク部１３ａとの摺接部分のみとなるので、設計も容易になり、メンテナンスもしやすいとともに、部品点数を低減することができ、組立も容易になるから、製造コスト、維持管理コストを削減することが可能になる。
【００１３】
［第２構成例］
次に、図２を参照して本発明に係る第２構成例について説明する。この構成例のシリンダ装置２０は、一対の対向配置されたシリンダ２１，２１と往復動作体２２とを有している。この往復動作体２２は、一対のシリンダ２１，２１それぞれに収容された一対のピストン部２２ａ−１，２２ａ―２と、軸支部２２ｂとを有し、軸支部２２ｂは、ピストン部２２ａ−１に一体に接続された上半部２２ｂ−１と、ピストン部２２ａ―２に一体に接続された下半部２２ｂ−２とを備えている。この上半部２２ｂ−１と下半部２２ｂ−２とは一対の断面半円弧状のキー部材２４によって相互に連結されている。キー部材２４は上半部２２ｂ−１及び下半部２２ｂ−２を図示のように合わせた状態で図の紙面と直交する方向に挿入、嵌合され、複数の固定ネジ２５によって固定される。
【００１４】
上記のように構成された軸支部２２ｂ内には第１構成例と同様の軸支孔２２ｃが設けられ、この軸支孔２２ｃには回転軸２３のクランク部２３ａが挿通される。なお、上記半円弧状のキー部材２４は、軸支孔２２ｃの外側において長円形状の軸支孔２２ｃにおける端部の半円形状部に沿った位置（同芯状となる位置）に嵌合固定されている。
【００１５】
この構成例によれば、軸支部２２ｂは、軸支孔２２ｃが開放された状態に分割できるように形成されているので、回転軸２３と軸支部２２ｂとの組立が容易になる。また、軸支部２２ｂの上半部２２ｂ−１と下半部２２ｂ−２とは、双方に嵌合し、軸支孔２２ｃの外側に沿った断面半円弧状のキー部材２４によって結合されているので、軸支孔２２ｃが受ける応力をキー部材２４の湾曲形状のほぼ全体にて受けることができることから、軸支部２２ｂ全体の剛性を高めることができる。
【００１６】
なお、上半部２２ｂ−１と下半部２２ｂ−２とは、図示点線に示すように、突起（ボス）と凹穴とによって相互に嵌合する構造にすることが好ましい。
【００１７】
この構成例では一対のシリンダ内にてそれぞれピストン部２２ａ−１及び２２ａー２が往復動作する対向シリンダ構造を備えているが、上記第１構成例と同様に単一のシリンダ及びピストンを備えた構造であってもよい。また、上記第１構成例と同様の構造において本構成例と同様の対向シリンダ構造を採用しても構わない。
【００１８】
［第３構成例］
次に、図３を参照して本発明に係る第３構成例について説明する。この構成例のシリンダ装置３０においては、上記第１構成例とほぼ同様のシリンダ３１及び往復動作体３２を備え、往復動作体３２には、上記とほぼ同様のピストン部３２ａと軸支部３２ｂが設けられている。また、軸支部３２ｂは、上半部３２ｂ−１と下半部３２ｂ−２がキー部材３４及び固定ネジ３５によって組み立てられている。
【００１９】
軸支部３２ｂには軸支孔３２ｃが設けられているが、本構成例の軸支孔３２ｃは、ピストン部３２ａの往復動作方向に対して第１及び第２構成例のように直交する方向に延長形成されているのではなく、その延長方向が当該直交する方向に対して傾斜するように構成されている。すなわち、第１及び第２構成例の軸支孔２２ｃの延長方向に対しては約３０度、ピストン部３２ａの往復動作方向に対しては約６０度である傾斜方向に軸支孔３２ｃが延長するように形成されている。
【００２０】
本構成例では、第１及び第２構成例に対して、ピストン部３２ａの上死点における軸支孔３２ｃの位置（図示一点鎖線）Ａにおいて回転軸３３のクランク部３３ａは上死点から上記回転方向に約３０度進んだ（或いは遅れた）位置にある。また、ピストン部３２ａの下死点における軸支孔３２ｃの位置（図示一点鎖線）Ｂにおいて回転軸３３のクランク部３３ａは下死点から上記回転方向に約３０度進んだ（或いは遅れた）位置にある。このように、軸支孔３２ｃの延長方向を所定角度傾斜させることによって、ピストン部３２ａの上死点及び下死点におけるクランク部３３ａのクランク角の位相を所定角度だけずらすことができる。したがって、ピストン部の往復動作の動作方向変更点におけるクランク部の回転方向が、ピストン部の往復動作方向に対して直交せずに斜めになるので、ピストン部とクランク部の間の動力伝達を円滑に行うことができるため、効率的に動力を変換することが可能になる。また、クランク部のクランク半径が同じでも、先の構成例の場合よりもピストン部の往復ストロークを軸支孔の傾斜角に応じて僅かではあるが大きくすることができる。
【００２１】
この構成例においても、上記第２構成例と同様に対向シリンダ構造を採用することができる。
【００２２】
［第４構成例］
次に、図４を参照して本発明に係る第４構成例について説明する。この構成例のシリンダ装置４０は、上記第２構成例とほぼ同様の組立構造を備えているが、単一のシリンダ４１と往復動作体４２とからなる点が異なるとともに、往復動作体４２の軸支部４２ｂに設けられた軸支孔４２ｃの内面が、軸支部４２ｂを構成する上半部４２ｂ−１及び下半部４２ｂ−２にそれぞれ取り付けられた、潤滑油を含浸させた焼結素材などの各種の軸受材（メタル）４６−１ａ及び４６−２ａによって構成されている点が異なる。軸受材４６−１ａ及び４６−２ａはそれぞれ上半部４２ｂ−１及び下半部４２ｂ−２の内面上に嵌合されている。軸受材と上半部及び下半部との嵌合構造は任意でよいが、例えば図示例のように、軸受材に突出形成された突起（ボス）４６−１ｂ及び４６−２ｂを上半部及び下半部に形成された凹穴に圧入させることによって嵌合固定してもよい。
【００２３】
［第５構成例］
次に、図５を参照して本発明に係る第５構成例について説明する。この構成例のシリンダ装置５０は、基本的に第４構成例と同様の構造を有し、第４構成例と同一のシリンダ５１、往復動作体５２を備えている。軸支部５２ｂの軸支孔５２ｃ内に臨む軸受材５６−１ａ及び５６−２ａは基本的に第４構成例と同様であり、上半部５２ｂ−１及び下半部５２ｂ−２に嵌合する突起（ボス）５６−１ｂ及び５６−２ｂを備えている。ただし、軸受材５６−１ａ及び５６−２ａは軸支孔５２ｃの内部において相互に接離可能になるように、軸支孔５２ｃの円弧状部の中央部上に位置する両端部がやや短く形成されている。
【００２４】
本構成例では、軸受材の突起５６−１ｂ及び５６−２ｂを受け入れるための凹部５２ｂ−１ａ及び５２ｂ−２ａが第４構成例の凹穴よりも深く形成されており、これらの凹部の奥には、軸受材の突起を凹部内から押し出すように付勢する、コイルバネ等からなる弾性部材５７が配置されている。弾性部材５７は常に軸受材５６−１ａ及び５６−２ａを回転軸５３のクランク部５３ａに押し付けるので、長期の稼動によって軸受材やクランク部が磨耗しても、クランク部５３ａと軸支部５２ｂとのガタを低減することができる。
【００２５】
［実施形態］
次に、図６及び図７を参照して、上記各構成例におけるシリンダ及びピストン部として用いるのに好適な本発明の実施形態について説明する。図６は、ピストン部６０におけるピストンリング装着部分の横断面を示す横断面図であり、図７は、ピストン部６０の全体構成を示す分解正面図である。なお、本実施形態は、通常のコネクティングロッドを有する従来のシリンダ装置をも含む任意のシリンダ装置に適用してもよい。
【００２６】
自動車のエンジン、コンプレッサ等に用いられる通常のピストン構造は円筒形であるため、ピストンの軸線周りに回転力が発生するので、従来のシリンダ装置においてはピストンとコネクティングロッドとの間の軸受部やコネクティングロッドとクランク部との間の軸受部に負担がかかり、また、上記各実施形態においては往復動作体のピストン軸線周りの回転を妨げる支持・案内構造を設けないと軸支部の軸支孔とクランク部との挿通角度が変化し、軸支部とクランク部との正常な位置関係がくずれてしまうという問題がある。
【００２７】
そこで、本実施形態のピストン部６０は、その横断面（往復動作方向に見た断面）が非円形となるようにする（そして、シリンダもピストンの横断面に対応した形状にする。）ことによって、シリンダとピストンとが軸線周りに回転しない構造とし、一例として図６に示すように輪郭が４つの凸曲線状部（図示例では円弧）を繋ぎ合わせた形状を有する断面を備えたものとしている。
【００２８】
このピストン部６０は、相互に連結するように構成された基部６１及び先端部６２と、基部６１と先端部６２とが連結された状態で両者間の外周部に形成されるリング溝６０ａに対して余裕を持って嵌合されるピストンリング６３とから構成されている。基部６１には、その上面６１ａの中央に開口したネジ穴６１ｂと、上面６１ａにおいて直線状に開口した一対の係合溝６１ｃとが設けられ、先端部６２には、その下面側に形成された段差部６２ａと、中心に貫通形成された段付孔６２ｂと、下面において突出形成され直線状に伸びた一対の係合リブ６２ｃとが設けられている。基部６１と先端部６２とは、上記係合溝６１ｃに対して上記係合リブ６２ｃを図７の紙面と直交する方向に挿入嵌合させることによって相互に係合し、しかる後に、段付孔６２ｂにボルト等の固定ネジを挿通させ、当該固定ネジを基部６１のネジ孔６１ｂにねじ込むことによって、完全に固定される。この状態では、基部６１と先端部６２との間の外周部に、上記段差部６２ａの外周面を底面とするリング溝６０ａが形成される。
【００２９】
実際の組立時においては、基部６１と先端部６２との間に、図７に示すようにピストン部６０の横断面の輪郭形状に沿った形状を有する、閉じた形状のピストンリング６３を介在させ、このピストンリング６３を段差部６２ａの周囲に保持したまま、上述のように基部６１と先端部６２とを係合させることにより、リンク溝６０ａにピストンリング６３が収容された状態となり、この状態で基部６１と先端部６２とを固定ネジ等で固定する。
【００３０】
ピストンリング６３は、ピストン部６０の横断面の輪郭形状に対応して、４つの円弧状部６３ａが接合部６３ｂにおいて接合された形状を備えている。
【００３１】
本実施形態においては、図６に示すように、リング溝６０ａの輪郭における、円弧同士が接合された位置に、輪郭形状の円弧の延長線方向に向けてより深く穿設された形状の４つの凹入部６０ｂが設けられている。ピストンリング６３においては、円弧状部６３ａが外側からシリンダ内面によって押し付けられたときに当該円弧状部６３ａの内側への変形を可能にする必要がある。このため、上記の凹入部６０ｂはピストンリング６３の接合部６３ｂをピストン６０内に深く収容できるようにして上記変形を可能にするために設けられている。
【００３２】
本実施形態によれば、シリンダ内部及びピストン部６０の横断面が非円形に形成されていることにより、ピストン部６０が軸線周りに回転することが防止されるので、ピストン部６０の回転による軸受部の負担を軽減することができるとともに、上記第１乃至第５実施形態においては往復動作体の回旋を防止することができるので、往復動作体の回転を防止するための別の支持・案内構造を不要とすることができ、構造の簡易化、コンパクト化を図ることが可能になる。
【００３３】
なお、本発明のシリンダ装置は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【００３４】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明によれば、ピストン部の回転が防止されるため、軸受部等の負担を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係るシリンダ装置の第１構成例の構造を模式的に示す概略部分断面図（ａ）及び（ｂ）である。
【図２】  本発明に係るシリンダ装置の第２構成例の構造を模式的に示す概略部分断面図である。
【図３】  本発明に係るシリンダ装置の第３構成例の構造を模式的に示す概略部分断面図である。
【図４】  本発明に係るシリンダ装置の第４構成例の構造を模式的に示す概略部分断面図である。
【図５】  本発明に係るシリンダ装置の第５構成例の構造を模式的に示す概略部分断面図である。
【図６】  本発明に係るシリンダ装置の実施形態におけるピストン部の横断面図（図７のVI−VI線に沿って切断した状態を示す断面図）である。
【図７】  実施形態におけるピストン部の分解正面図（図６のＶ−Ｖ線に沿って切断したピストンリングとともにピストン本体の分解状態を示す図）である。
【符号の説明】
１０，２０，３０，４０，５０  シリンダ装置
１１，２１，３１，４１，５１  シリンダ
１２，２２，３２，４２，５２  往復動作体
１２ａ，２２ａ−１，２２ａ−２，３２ａ，４２ａ，５２ａ，６０  ピストン部
１２ｂ，２２ｂ，３２ｂ，４２ｂ，５２ｂ  軸支部
２２ｂ−１，３２ｂ−１，４２ｂ−１，５２ｂ−１  上半部
２２ｂ−２，３２ｂ−２，４２ｂ−２，５２ｂ−２  下半部
２２ｃ，３２ｃ，４２ｃ，５２ｃ  軸支孔
１３，２３，３３，４３，５３  回転軸
１３ａ，２３ａ，３３ａ，４３ａ，５３ａ  クランク部
２４，３４，４４，５４  キー部材
２５，３５，４５，５５  固定ネジ
４６−１ａ，４６−２ａ，５６−１ａ，５６−２ａ  軸受材
４６−１ｂ，４６−２ｂ，５６−１ｂ，５６−２ｂ  突起
５７  弾性部材
６０ａ  リング溝
６０ｂ  凹入部
６１  基部
６２  先端部
６３  ピストンリング
【図１】
0003787317.tif 000002
【図２】
0003787317.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
0003787317.tif 000006
【図６】
0003787317.tif 000007
【図７】
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