JP2003074700A - シリンダ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 シリンダ装置において、ピストン部の回転を
防止して軸受部の負担を低減する。 【解決手段】 シリンダ装置６０に設けられたピストン
部６０は、輪郭が４つの凸曲線状部を繋ぎ合わせた形状
を有する断面を備えている。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。

Description

【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ていることを
特徴とす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。

【０００６】ここで、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ていることが好ましい。この手
段によれば、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。この場合、ピストンリングはピストンの
外周面の周回方向に一部途切れていても、或いは、周回
方向に閉じた形状になっていてもよい。特に、本発明に
おいてはピストンリングが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
て弾性変形を可能にすることができるので、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。

【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１
２ａ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１２
ｃの内部をその延長方向に往復摺動しながら軸支部１２
ｂ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２
１，２１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２２
ａ−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２
２ｃ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２
４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３２
ａ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２
２ｃ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４
２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５
２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５
３ａ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５２
ｂ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６１
ｃ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６２
ｂ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６２
ｃ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，５
２ａ，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

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ１６Ｊ 9/20 Ｆ１６Ｊ 9/20

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【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ていることを特徴とするシリン
   ダ装置。
2. 【請求項２】 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。