JP6587480B2

JP6587480B2 - コイルばね

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Publication number: JP6587480B2
Application number: JP2015186915A
Authority: JP
Inventors: 幸大藤崎; 喜治川北
Original assignee: Chuo Hatsujo KK
Current assignee: Chuo Hatsujo KK
Priority date: 2015-09-24
Filing date: 2015-09-24
Publication date: 2019-10-09
Anticipated expiration: 2035-09-24
Also published as: JP2017061974A

Description

本明細書に開示の技術は、コイルばねに関する。詳細には、調圧弁に取付けられるコイルばねの横力を制御する技術に関する。

特許文献１には、圧力調整弁が開示されている。この圧力調整弁は、ケースと、ばね受けと、弁体と、コイルばねを備えている。コイルばねは、弁体とばね受けの間に配置されている。弁体に作用する燃料圧力が所定値以下の場合、コイルばねは、弁体をケースの弁座に当接させている。一方、弁体に作用する燃料圧力が所定値より大きくなると、コイルばねは押圧され、弁体は弁座から離間する。これにより、燃料通路内の余剰燃料は、ケースの燃料吐出口を通過して燃料タンクへ還流される。

特開２００８−２００６１号公報

特許文献１に示すように、この種の調圧弁においては、調圧弁の開閉を制御するためにコイルばねが用いられている。コイルばねを調圧弁に取付ける際は、コイルばねに作用する圧力が所定値より大きくなったときに調圧弁が作動するように、コイルばねは所定の基準高さに圧縮された状態で取付けられている。しかしながら、コイルばねを圧縮すると、コイルばねには、通常、横力（コイルばねの軸線に対して垂直方向に作用する力）が発生する。コイルばねに作用する横力が大きい場合、コイルばねから弁体に横力が作用し、弁体の摺動性が悪化する場合がある。弁体の摺動性が悪化すると、調圧弁が正確に作動しない。このため、調圧弁に取付けられるコイルばねの横力を低減する技術が望まれている。

本明細書に開示のコイルばねは、素線を複数回巻回して形成されており、調圧弁に取付けられたときに自由長から所定の基準高さに圧縮される。コイルばねは、自由長の状態のときにばねとして機能する有効巻部と、有効巻部の一端に設けられた第１座巻部と、有効巻部の他端に設けられた第２座巻部と、を有している。有効巻部の一端においては、自由長の状態で有効巻部の素線と、第１座巻部の素線の反有効巻部の端部である先端部との間には第１隙間が設けられており、当該コイルばねが基準高さに圧縮された状態では有効巻部の素線の第１部分で第１座巻部の素線に密着し、有効巻部の他端においては、自由長の状態で当該有効巻部の素線と、第２座巻部の素線の反有効巻部の端部である先端部との間には第２隙間が設けられており、当該コイルばねが基準高さに圧縮された状態では有効巻部の素線の第２部分で第２座巻部の素線に密着し、コイルばねを自由長から基準高さまで圧縮したときに当該コイルばねに発生する横力の最大値よりも、基準高さに圧縮されたときに当該コイルばねに発生する横力が小さくなるように、第１隙間と第２隙間の関係が調整されている。

本願発明者が鋭意検討した結果、コイルばねに発生する横力を制御するためには、コイルばねを基準高さに圧縮したときの第１部分（有効巻部と第１座巻部とが接触する部分）と、コイルばねを基準高さに圧縮したときの第２部分（有効巻部と第２座巻部とが接触する部分）の関係が重要であるという知見を得た。第１部分と第２部分の関係を調整するため、上記のコイルばねにおいては、有効巻部の一端の第１座巻部においてその先端部に第１隙間を設定し、有効巻部の他端の第２座巻部においてその先端部に第２隙間を設定する。そして、コイルばねが前記基準高さに圧縮された状態では有効巻部の素線の第１部分が第１座巻部の素線に密着し、有効巻部の素線の第２部分が第２座巻部の素線に密着するようにする。第１隙間と第２隙間の大きさを調整することで、コイルばねを基準高さに圧縮したときの第１部分及び第２部分を調整し、これによって、コイルばねを自由長から基準高さまで圧縮したときに当該コイルばねに発生する横力の最大値よりも、基準高さに圧縮されたときに当該コイルばねに発生する横力を小さくする。その結果、コイルばねを調圧弁に取付けたときの横力を小さくでき、調圧弁の正確な動作が阻害されることを抑制することができる。

調圧弁の構成を示す図である。自由長の状態におけるコイルばねの側面図である。自由長の状態におけるコイルばねの上面図である。自由長の状態におけるコイルばねの下面図である。コイルばねの素線間の隙間と素線の巻数との関係を示すグラフである。コイルばねの座巻部を軸線方向に沿って上から見た図である。コイルばねに発生する横力を模式的に表す概念図である。コイルばねの高さとコイルばねに発生する横力の関係を示すグラフである。コイルばねの高さとコイルばねに発生する横力の関係を示すグラフである。コイルばねの荷重作用点の重心の軌跡を示す図である。

以下に説明する実施例の主要な特徴を列記しておく。なお、以下に記載する技術要素は、それぞれ独立した技術要素であって、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。

（特徴１）第１隙間の素線に沿ったプロファイルと、第２隙間の素線に沿ったプロファイルとが相違していてもよい。このような構成によると、コイルばねが圧縮されたときの第１部分と第２部分の関係を調整する自由度を大きくすることができる。

（特徴２）コイルばねを軸線に沿って上から見た場合において、第１座巻部の反有効巻部側の端部である先端部の円周方向の第１位置に対して、第２座巻部の反有効巻部側の端部である先端部の円周方向の第２位置は、第１位置から素線の巻方向に９０°〜２７０°離れた位置に設けられていてもよい。第２位置が第１位置から９０°〜２７０°離れた位置に設けられている場合、第２位置が第１位置から０°〜９０°又は２７０°〜３６０°離れた位置に設けられている場合よりも、コイルばねに発生する横力が大きくなる場合がある。一方、コイルばねに発生する横力が大きくなると、第１隙間及び第２隙間を調整したときの横力低減効果も大きくなる。このため、第１位置と第２位置が上記の位置関係となる場合、第１隙間及び第２隙間を適切に調整することで、コイルばねを基準高さに圧縮したときにコイルばねに発生する横力をより抑制することができる。

（特徴３）第２位置は、第１位置から素線の巻方向に１３５°〜２２５°離れた位置に設けられていてもよい。第２位置が第１位置から１３５°〜２２５°離れた位置に設けられている場合、コイルばねに発生する横力が大きくなる場合がある。このため、第１隙間及び第２隙間を適切に調整することで、コイルばねを基準高さに圧縮したときにコイルばねに発生する横力をさらに抑制することができる。

まず、図１を用いて、実施例１のコイルばね５０が用いられる減圧弁１０について説明する。なお、減圧弁１０は「調圧弁」の一例である。減圧弁１０は、ハウジング１２と、カバー１４と、ピストン１６と、ばね１８、弁体２０、及び実施例１に係るコイルばね５０を備えている。ハウジング１２には、図面の下方側から上方側に向かって、ハウジング１２の外部に連通する連通孔１２ａと、連通孔１２ａと連通する連通孔１２ｂと、連通孔１２ｂに連通する連通孔１２ｃと、連通孔１２ｃに連通する連通孔１２ｄが形成されている。連通孔１２ａの内径は連通孔１２ｂの内径よりも小さく、連通孔１２ｂの内径は連通孔１２ｃの内径よりも小さく、連通孔１２ｃの内径は連通孔１２ｄの内径よりも小さい。また、連通孔１２ｃの径方向外側には、連通孔１２ｄに連通する連通孔１２ｅが形成されている。連通孔１２ｅは、屈曲しており、ハウジング１２の外部に連通している。

ばね１８は、連通孔１２ｂに収容されている。ばね１８の径は、連通孔１２ｂの内径より小さく、連通孔１２ａの内径より大きくされている。ばね１８の一端は連通孔１２ａと連通孔１２ｂの段差に当接しており、ばね１８の他端は弁体２０に接続されている。弁体２０は、連通孔１２ｂ、１２ｃに収容されている。弁体２０は、ばね１８によって連通孔１２ｄ側に付勢されており、ピストン１６に接続している。このため、ピストン１６には、ばね１８の付勢力が弁体２０を介して作用している。連通孔１２ｂと連通孔１２ｃの境界部には弁座２２が配置されている。弁座２２は、弁体２０の径方向外側に配置されている。弁座２２には、連通孔１２ｃ側の空間４２と連通孔１２ｂ側の空間を連通する貫通孔２２ａが形成されている。弁体２０は、図の上下方向に移動可能となっており、弁体２０が弁座２２に当接する状態と、弁座２２から離間する状態とに切替えられる。弁体２０が弁座２２に当接すると、弁座２２の貫通孔２２ａが閉じられ、連通孔１２ｂ側の空間と連通孔１２ｃ側の空間４２とが遮断される。弁体２０が弁座２２から離間すると、弁座２２の貫通孔２２ａが開き、連通孔１２ｃ側の空間４２と連通孔１２ｂ側の空間とが連通する。

カバー１４は、連通孔１２ｄに収容されている。カバー１４の上部１４ａには、凹部３０が設けられている。凹部３０の下部には、貫通孔３２が設けられている。貫通孔３２の内径は、凹部３０の内径よりも小さい。貫通孔３２には、キャップ３４が取付けられている。カバー１４の下部１４ｂは、円筒形状を有している。下部１４ｂには、ピストン１６が収容されている。ピストン１６の外径は、下部１４ｂの内径よりもわずかに小さい。ピストン１６の外周面には、複数の溝１６ａ、１６ｂ、１６ｃが設けられている。溝１６ａ、１６ｃには、ガイド材（図示省略）が配置されており、溝１６ｂには、シール材３８が配置されている。カバー１４及びピストン１６により空間４０が画定される。空間４０には、コイルばね５０が配置されている。空間４０の高さＨ_１（以下、基準高さＨ_１とする）は、コイルばね５０の自由長Ｈ_０よりも低い。このため、コイルばね５０は、圧縮された状態で空間４０に配置されている。すなわち、コイルばね５０には、取付荷重が作用している。ピストン１６は、コイルばね５０の取付荷重の反力により下方に向かって押し付けられている。このため、弁体２０には、ピストン１６を介してコイルばね５０の付勢力が作用している。ここで、コイルばね５０の付勢力は、ばね１８の付勢力よりも大きい。通常時は、弁体２０が弁座２２から離間しており、弁座２２の貫通孔２２ａが解放されているように、コイルばね５０の付勢力及びばね１８の付勢力は調整されている。

減圧弁１０の動作について説明する。通常時は弁座２２の貫通孔２２ａは解放されているため、減圧弁１０の外部から連通孔１２ａ、１２ｂ、１２ｃを介して空間４２に高圧ガスが供給される。空間４２に供給された高圧ガスは、連通孔１２ｅを通過して、減圧弁１０の外部に供給される。空間４２に供給される高圧ガスにより、ピストン１６には圧力が作用する。空間４２に供給された高圧ガスは、連通孔１２ｄを通過するピストン１６に作用する圧力とばね１８の付勢力が、コイルばね５０の付勢力を超えると、ピストン１６及び弁体２０が上方に移動する。弁体２０が上方に移動することで、弁体２０が弁座２２に当接する状態となり、弁座２２の貫通孔２２ａが閉じられる。これにより、空間４２への高圧ガスの供給が停止される。この結果、空間４２の圧力上昇を停止することができ、減圧弁１０に供給される高圧ガスの圧力を所定圧力まで減圧して出力することができる。

図２〜５を用いて、減圧弁１０に取付けられるコイルばね５０について説明する。図２は、荷重が加えられていない状態のコイルばね５０を示す。即ち、コイルばね５０の高さは、自由長Ｈ_０である。自由長Ｈ_０は、基準高さＨ_１よりも大きい。

図２に示すように、コイルばね５０は、素線５２を複数回巻回して形成されている。コイルばね５０は、有効巻部５４と、第１座巻部５６と、第２座巻部５８と、を備えている。第１座巻部５６は、コイルばね５０の上端部に設けられている。第１座巻部５６は、自由長Ｈ_０の状態において、上側の受け座と当接する部分であって、ばねとして機能しない部分である。以下では、第１座巻部５６の素線５２を、第１素線部という。第１座巻部５６の巻数が略０．６となるように、第１座巻部５６（詳細には、５６ｂ〜５６ｃの範囲）の上面５６ａが研削されている（図３）。すなわち、第１素線部の巻数が略０．６巻となるように、素線５２の上端から略０．６巻分が研削されている。本実施例では、座面がコイルばね５０の軸線Ａに直交するため、上面５６ａもコイルばね５０の軸線Ａに直交（水平）している。コイルばね５０が減圧弁１０に取り付けられている状態において、上面５６ａはカバー１４に当接している。第２座巻部５８は、コイルばね５０の下端部に設けられている。第２座巻部５８は、自由長Ｈ_０の状態において、下側の受け座と当接する部分であって、ばねとして機能しない部分である。以下では、第２座巻部５８の素線５２を、第２素線部という。第２座巻部５８の巻数が略０．６巻となるように、第２座巻部５８（詳細には、５８ｂ〜５８ｃの範囲）の下面５８ａが研削されている（図４）。座面がコイルばね５０の軸線Ａに直交するため、下面５８ａもコイルばね５０の軸線Ａに直交（水平）している。コイルばね５０が減圧弁１０に取り付けられている状態において、下面５８ａはピストン１６に当接している。図３、４に示すように、第２座巻部５８の先端部５８ｂ（反有効巻部側の端部）の円周方向の位置（第２位置）は、第１座巻部５６の先端部５６ｂ（反有効巻部側の端部）の円周方向の位置（第１位置）から素線５２の巻方向（図３の時計回りの方向）に略１８０°離れた位置に設けられている。なお、図３はコイルばね５０を上方から見た状態を示す一方、図４はコイルばね５０を下方から見た状態を示している。このため、図３の第１座巻部５６の端末５６ｃと図４の第２座巻部５８の端末５８ｃの位置関係は、コイルばね５０を上方から見た場合の位置関係とは異なる。端末５６ｃと端末５８ｃの位置関係を把握するためには、図４を紙面裏側から見て判断する必要がある（例えば、図６）。有効巻部５４は、第１座巻部５６と第２座巻部５８の間に設けられている。有効巻部５４は、自由長Ｈ_０の状態において、ばねとして機能する巻部であり、その巻数は略３．３巻である。以下では、有効巻部５４の素線５２を第３素線部という。図５に示すように、コイルばね５０は、自由長Ｈ_０の状態において、第１素線部と第３素線部の間、及び、第２素線部と第３素線部の間には、軸線Ａの方向に線間隙間が設けられている。第１座巻部５６の先端部５６ｂ（反有効巻部側の端部）における線間隙間を第１隙間とすると、第１隙間６０の大きさは隙間ｇ_１である。第２座巻部５８の先端部５８ｂ（反有効巻部側の端部）における線間隙間を第２隙間とすると、第２隙間６２の大きさは隙間ｇ_２である。図５に示すように、隙間ｇ_１と隙間ｇ_２の大きさは異なっている。実施例１では、隙間ｇ_１は、隙間ｇ_２よりも大きく設定されている。隙間ｇ_１及び隙間ｇ_２は、コイルばね５０に軸線Ａ方向の荷重が加わることで縮まる。なお、図３より明らかなように、第１隙間６０は第１座巻部５６より下方に形成され、第２隙間６２は第２座巻部５８より上方に形成されている。

図６、７を用いて、コイルばね５０に発生する横力Ｆ_Ｖについて説明する。図６は、コイルばね５０を軸線Ａに沿って上から見た場合の図であり、見易くする為に、第１座巻部５６及び第２座巻部５８のみを表示している。また、図６では、第１座巻部５６を実線で示し、第２座巻部５８を破線で示している。図７は、第１座巻部５６及び第２座巻部５８のみを、簡略化して示している。以下では、コイルばね５０の第１隙間６０及び第２隙間６２が０より大きい場合であり、コイルばね５０に荷重Ｆが作用する場合について説明する。

上述のように、第１座巻部５６の上面５６ａ及び第２座巻部５８の下面５８ａは、軸線Ａに対して直交する水平面となっている。このため、荷重Ｆは、第１座巻部５６の上面５６ａ及び第２座巻部５８の下面５８ａに作用する。第１座巻部５６の上面５６ａの荷重分布は均一にはならない。第１隙間６０の隙間ｇ_１が０より大きい場合、上面５６ａの荷重分布は、第１座巻部５６の端末５６ｃで最大となり、先端部５６ｂに近づくにしたがって小さくなる。このため、第１座巻部５６に作用する荷重の重心Ｃ_１の位置ｐは、軸線Ａから端末５６ｃ側にずれる。また、第２座巻部５８の下面５８ａの荷重分布も均一にならない。第２隙間６２の隙間ｇ_２が０より大きい場合、第２座巻部５８の荷重分布は、第２座巻部５８の端末５８ｃで最大となり、先端部５８ｂに近づくにしたがって小さくなる。このため、第２座巻部５８に作用する荷重Ｆの重心Ｃ_２の位置ｑは、軸線Ａから端末５８ｃ側にずれる。図６に示すように、第１座巻部５６の重心Ｃ_１の位置ｐと第２座巻部５８の重心Ｃ_２の位置ｑは重ならず、離間距離Ｄだけ離れている。また、図７に示すように、重心Ｃ_１と重心Ｃ_２を結んだ直線Ｌは、軸線Ａに対して傾きθ分だけ傾く。このため、コイルばね５０には、軸線Ａに垂直方向の横力Ｆ_Ｖ（＝Ｆ＊ｔａｎθ）が発生する。

コイルばね５０に発生する横力Ｆ_Ｖが大きいと、ピストン１６の摺動性が悪化し、減圧弁１０が正確に作動しない虞がある。このため、減圧弁１０に取付けられるコイルばね５０の横力を低減する技術が望まれている。従来技術では、コイルばね５０の有効巻数を調整することで、コイルばね５０に発生する横力Ｆ_ｖを制御している。しかしながら、減圧弁１０に取付けられるコイルばね５０には、基準高さＨ_１及び取付荷重についての制約がある。このため、基準高さＨ_１及び取付荷重を満足させるために、コイルばね５０の有効巻き数を、適切な有効巻き数に調整できない場合がある。

上述の横力Ｆ_ｖの説明から、荷重Ｆが同じである場合、重心Ｃ_１と重心Ｃ_２の離間距離Ｄを調整することで、コイルばね５０に発生する横力Ｆ_ｖを調整できることが分かる。コイルばね５０が基準高さＨ_１に圧縮されている状態において、コイルばね５０に作用する荷重Ｆは設計的に決まっている。これは、所定値以上の圧力がコイルばね５０（詳細にピストン１６）に作用した場合にのみ、コイルばね５０及びピストン１６を上方に動作させるためである。本発明者は、第１隙間６０の隙間ｇ_１及び第２隙間６２の隙間ｇ_２を調整することで、基準高さＨ_１に圧縮されている状態のコイルばね５０に発生する横力Ｆ_Ｖを調整できることを発見した。これは、後述するように、隙間ｇ_１及び隙間ｇ_２を調整することで、重心Ｃ_１と重心Ｃ_２の離間距離Ｄを調整できるためである。

図８〜図１０を用いて、実施例１のコイルばね５０に作用する横力Ｆ_Ｖとコイルばね５０の高さｈの相関について説明する。図８、図９の横軸は、コイルばね５０の高さｈを示しており、図面右側の方が高さｈは低くなっている。すなわち、図面右側の方が、コイルばね５０に作用する荷重Ｆは大きくなっている。図８、図９の縦軸は、コイルばね５０に発生する横力Ｆｖを示している。また、図８、図９の高さｈ_４は、基準高さＨ_１と同じ高さである。図８のケース（ａ）は、実施例１のコイルばね５０の横力Ｆ_Ｖと高さの相関を示し、第１隙間６０の隙間ｇ_１であり、第２隙間６２の隙間ｇ_２の場合である。図８のケース（ｂ）は、第１比較例に係るコイルばね５０（以下、第２コイルばねという）の横力Ｆ_Ｖと高さの相関を示し、第１隙間６０の大きさが隙間ｇ_３であり、第２隙間６２の大きさが隙間ｇ_２の場合である。なお、隙間ｇ_３と隙間ｇ_２は同じ大きさである（図５）。図９のケース（ｃ）は、第２比較例に係るコイルばね５０（以下、第３コイルばねという）の横力Ｆ_Ｖと高さの相関を示し、第１隙間６０の大きさが隙間ｇ_４であり、第２隙間６２の大きさが隙間ｇ_２の場合である。なお、隙間ｇ_４は、隙間ｇ_２より大きく、隙間ｇ_１より小さい（図５）。なお、図８のケース（ａ）のコイルばね５０と図９のケース（ａ）のコイルばね５０は同一である。

まず、図８のケース（ａ）のコイルばね５０について説明する。なお、境界点Ｒ_１（高さｈ_１）において、コイルばね５０の第２隙間６２の隙間ｇ_２は０になり、境界点Ｒ_２（高さｈ_２）において、コイルばね５０の第１隙間６０の隙間ｇ_１は０になる。

コイルばね５０の高さｈが高さｈ_１より高い（以下、第１領域とする）場合、コイルばね５０の第１隙間６０の隙間ｇ_１及び第２隙間６２の隙間ｇ_２は０より大きい。この場合、第１座巻部５６の荷重作用点の重心Ｃ_１の位置ｐ_１と第２座巻部５８の荷重作用点の重心Ｃ_２の位置ｑ_１は異なる（図１０参照）。また、この場合、コイルばね５０の高さｈが変化しても、重心Ｃ_１の位置ｐ_１及び重心Ｃ_２の位置ｑ_１は移動しない。すなわち、離間距離Ｄ及び傾きθは変化しない。このため、第１領域における横力Ｆ_ｖは、コイルばね５０の高さｈに反比例する。すなわち、コイルばね５０の高さｈが低くなる（コイルばね５０に作用する荷重が大きくなる）にしたがって、横力Ｆ_ｖは大きくなる。

次に、コイルばね５０の高さｈが、高さｈ_１以下で高さｈ_２よりも高い場合（以下、第２領域とする）について説明する。コイルばね５０の高さｈが高さｈ_１（境界点Ｒ_１）で、第２座巻部５８の先端部５８ｂの素線５２と有効巻部５４の素線５２が密着する。すなわち、コイルばね５０の第２隙間６２の隙間ｇ_２が０になる。コイルばね５０の高さｈが高さｈ_１よりも低くなるにしたがって、第２座巻部５８の素線５２（第２素線部）と有効巻部５４の素線５２（第３素線部）の密着部分は大きくなる。以下では、第２素線部と第３素線部の密着部分を第２部分とする。コイルばね５０の高さｈが低くなるにしたがって、第２部分は、円周方向において先端部５８ｂから端末５８ｃに向かって徐々に広がっていく。第１部分が広がることで、第２座巻部５８の下面５８ａの荷重分布は変化する。具体的には、下面５８ａの第２部分に対応する領域に作用する荷重が徐々に大きくなる。このため、第２部分が大きくなるにしたがって、重心Ｃ_２は先端部５８ｂ側に移動する。すなわち、コイルばね５０の高さｈが高さｈ_１より低くなるにしたがって、重心Ｃ_２は先端部５８ｂ側（図１０の矢印Ｖ_２方向）に移動する。すなわち、重心Ｃ_２は位置ｑ_１から位置ｑ_２まで移動する。一方、コイルばね５０の高さｈが高さｈ_２（境界点Ｒ_２）になるまで、第１座巻部５６の先端部５６ｂの素線５２と有効巻部５４の素線５２は密着しない。これは、第１隙間６０の隙間ｇ_１が第２隙間６２の隙間ｇ_２よりも大きいためである。このため、コイルばね５０の高さｈが高さｈ_２（境界点Ｒ_２）になるまで、重心Ｃ_１は移動しない。すなわち、重心Ｃ_１の位置ｐ_１とｐ_２の位置は同じである。以上より、第２領域において、重心Ｃ_２は先端部５８ｂ側に移動し、重心Ｃ_１は移動しない。重心Ｃ_２が先端部５８ｂの方向に移動することで、重心Ｃ_１と重心Ｃ_２の離間距離Ｄが短くなるとともに、傾きθが小さくなる。この結果、第２領域における横力Ｆ_ｖの傾きは、コイルばね５０の高さｈ_１よりも低い領域の横力Ｆ_ｖの傾きよりも小さくなる。

次に、コイルばね５０の高さｈが、高さｈ_２以下で高さｈ_３よりも高い場合（以下、第３領域とする）について説明する。コイルばね５０の高さｈが高さｈ_２（境界点Ｒ_２）で、第１座巻部５６の先端部５６ｂの素線５２と有効巻部５４の素線５２が密着する。すなわち、コイルばね５０の第１隙間６０の隙間ｇ_１が０になる。コイルばね５０の高さｈが高さｈ_２よりも低くなるにしたがって、第１座巻部５６の素線５２（第１素線部）と有効巻部５４の素線５２（第３素線部）の密着部分は大きくなる。以下では、第１素線部と第３素線部の密着部分を第１部分という。コイルばね５０の高さｈが低くなるにしたがって、第１部分は、円周方向において先端部５６ｂから端末５６ｃに向かって徐々に広がっていく。第１部分が広がることで、第１座巻部５６の上面５６ａの荷重分布が変化する。具体的には、上面５６ａの第１部分に対応する領域に作用する荷重が徐々に大きくなる。このため、第１部分が大きくなるにしたがって、重心Ｃ_１は先端部５６ｂ側（図１０の矢印Ｖ_１方向）に移動する。なお、第３領域の重心Ｃ_２の挙動については、第２領域の場合と同様である。すなわち、コイルばね５０の高さｈが低くなるにしたがって、重心Ｃ_２は、先端部５８ｂ側に移動する。重心Ｃ_１と重心Ｃ_２が同時に移動するため、離間距離Ｄはさらに短くなるとともに、傾きθがさらに小さくなる。この結果、コイルばね５０に作用する荷重は徐々に大きくなるが、第３領域における横力Ｆ_ｖは、コイルばね５０の高さｈ_２でコイルばね５０に発生する最大横力Ｆ_ｍａｘから徐々に小さくなる。

コイルばね５０の高さｈ_３（境界点Ｒ_３）で、コイルばね５０に発生する横力Ｆ_ｖは最小になる。これは、重心Ｃ_１の位置ｐ_３と重心Ｃ_２の位置ｑ_３の間の離間距離Ｄが最短距離となり、傾きθが最小値となる場合である。コイルばね５０の高さｈが高さｈ_３よりも低くなる場合、コイルばね５０の重心Ｃ_１は先端部５６ｂ側にさらに移動し、コイルばね５０の重心Ｃ_２は先端部５８ｂ側さらに移動する。このため、境界点Ｒ_３を境に、離間距離Ｄは大きくなっていく。このため、コイルばね５０の高さｈが高さｈ_３よりも低い場合（第４領域）、コイルばね５０の高さｈが低くなるにしたがって、横力Ｆ_ｖは、徐々に大きくなる。

次に図８のケース（ｂ）の第１比較例に係る第２コイルばねについて説明する。第２コイルばねの高さｈ_１までの横力Ｆ_ｖの遷移は、ケース（ａ）の場合と同様である。第２コイルばねの高さｈ_１（境界点Ｒ_１）で、第２コイルばねの第１座巻部５６の先端部５６ｂの素線５２と有効巻部５４の素線５２が密着するとともに、第２コイルばねの第２座巻部５８の先端部５８ｂの素線５２と有効巻部５４の素線５２が密着する。このため、ケース（ａ）の第３領域と同様に、ケース（ｂ）の高さｈ_１〜ｈ_３’の領域において、第２コイルばねに発生する横力Ｆ_ｖは、第２コイルばねの高さｈ_１で第３コイルばねに発生する最大横力Ｆ_ｍａｘ’から徐々に小さくなる。第２コイルばねの高さｈ_３’（境界点Ｒ_３’）で、第２コイルばねに発生する横力Ｆ_ｖは最小になる。ケース（ａ）の第４領域と同様に、ケース（ｂ）の高さｈ_３’よりも低い領域の横力Ｆ_ｖは、徐々に大きくなる。ケース（ｂ）の第２コイルばねに発生する横力Ｆ_ｖが最小値になる高さｈ_３’は、コイルばね５０に発生する横力Ｆ_Ｖが最小値になる高さｈ_３よりも高い。

図８から明らかなように、ケース（ａ）のコイルばね５０において、基準高さＨ_１時の横力Ｆ_４は、最大横力Ｆ_ｍａｘ及び許容横力Ｆ_ａよりも小さい。一方、ケース（ｂ）の第２コイルばねにおいて、基準高さＨ_１時の横力Ｆ_４’は、最大横力Ｆ_ｍａｘ’及び許容横力Ｆ_ａよりも大きい。これは、隙間ｇ_１と隙間ｇ_２が異なる大きさに設計されていることで、コイルばね５０の基準高さＨ_１における重心Ｃ_１の位置ｐ_４と重心Ｃ_２の位置ｑ_４の離間距離Ｄが、第２コイルばねの基準高さＨ_１における重心Ｃ_１と重心Ｃ_２の離間距離Ｄより短くなっているためである。以上より、コイルばね５０の第１隙間６０の隙間ｇ_１と隙間ｇ_２を異なる大きさに調整することで、基準高さＨ_１に圧縮された状態のときにコイルばね５０に発生する横力Ｆ_ｖを小さくすることができる。

次に、図９のケース（ｃ）の第２比較例に係る第３コイルばねについて説明する。第３コイルばねの高さｈ_２’’までの横力Ｆ_ｖの遷移は、ケース（ａ）の場合と同様である。第３コイルばねの高さｈ_２’’（境界点Ｒ_２’’）で、第３コイルばねの第１座巻部５６の先端部５６ｂの素線５２と有効巻部５４の素線５２が密着する。第３コイルばねの第１隙間６０の隙間ｇ_４は、隙間ｇ_１よりも小さいため、高さｈ_２’’は、高さｈ_２よりも高い。ケース（ａ）の第３領域と同様に、ケース（ｃ）の高さｈ_２’’〜ｈ_３’’の領域において、横力Ｆ_Ｖは、第３コイルばねの高さｈ_２’’で第３コイルばねに発生する最大横力Ｆ_ｍａｘ’’から徐々に小さくなる。第３コイルばねの高さｈ_３’’（境界点Ｒ_３’’）で、第３コイルばねに発生する横力Ｆ_ｖは最小になる。ケース（ａ）の第４領域と同様に、ケース（ｃ）の高さｈ_３’’よりも低い領域の横力Ｆ_ｖは、徐々に大きくなる。ケース（ｃ）の第３コイルばねに発生する横力Ｆ_ｖが最小値になる高さｈ_３’’は、コイルばね５０に発生する横力Ｆ_Ｖが最小値になる高さｈ_３よりも高い。

図９から明らかなように、ケース（ａ）のコイルばね５０において、基準高さＨ_１時の横力Ｆ_４は、最大横力Ｆ_ｍａｘ及び許容横力Ｆ_ａよりも小さい。一方、ケース（ｃ）の第２コイルばねにおいて、基準高さＨ_１時の横力Ｆ_４’’は、最大横力Ｆ_ｍａｘ’’及び許容横力Ｆ_ａよりも大きい。これは、隙間ｇ_１が隙間ｇ_３より大きいことで、コイルばね５０の基準高さＨ_１における重心Ｃ_１の位置ｐ_４と重心Ｃ_２の位置ｑ_４の離間距離Ｄが、第２コイルばねの基準高さＨ_１における重心Ｃ_１と重心Ｃ_２の離間距離Ｄより短くなっているためである。以上より、コイルばね５０の第１隙間６０の隙間ｇ_１を調整することで、基準高さＨ_１に圧縮された状態のときにコイルばね５０に発生する横力Ｆ_ｖを調整することができる。なお、図９では、隙間ｇ_１を調整した場合について説明したが、隙間ｇ_２の大きさを調整することで、横力Ｆ_ｖを調整することもできる。

上述の説明から明らかなように、実施例１のコイルばね５０は、第１隙間６０の隙間ｇ_１及び第２隙間６２の隙間ｇ_２を調整することで、最大横力Ｆ_ｍａｘよりも、基準高さＨ_１に圧縮されたときにコイルばね５０に発生する横力Ｆ_４は小さくなっている。具体的には、第１隙間６０の隙間ｇ_１及び第２隙間６２の隙間ｇ_２を調整することで、基準高さＨ_１に圧縮されたときのコイルばね５０の重心Ｃ_１の位置ｐ（詳細には第１部分）と重心Ｃ_２の位置ｑ（詳細には第２部分）を適切に調整している。これにより、基準高さＨ_１に圧縮されたときの離間距離Ｄを調整している。この結果、基準高さＨ_１に圧縮されたときにコイルばね５０に発生する横力Ｆ_４が最大横力Ｆ_ｍａｘよりも小さくなっている。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０：減圧弁
１２：ハウジング
１４：カバー
１６：ピストン
１８：ばね
２０：弁体
２２：弁座
３０：凹部
３２：貫通孔
３４：キャップ
３８：シール材
４０、４２：空間
５０：コイルばね
５２：素線
５４：有効巻部
５６：第１座巻部
５８：第２座巻部
６０：第１隙間
６２：第２隙間
Ａ：軸線
Ｃ_１、Ｃ_２：重心
Ｄ：離間距離
θ：傾き

Claims

素線を複数回巻回して形成され、調圧弁に取付けられるコイルばねであって、前記調圧弁は、ハウジングと、前記ハウジングに収容されている弁体と、前記弁体の径方向外側に配置されており、前記弁体によって開閉される貫通孔を備える弁座と、を備え、前記コイルばねは、前記調圧弁に取付けられるときに、前記弁体に対して付勢力が作用するように、自由長から所定の基準高さに圧縮され、
前記コイルばねは、
前記自由長の状態のときにばねとして機能する有効巻部と、
前記有効巻部の一端に設けられた第１座巻部と、
前記有効巻部の他端に設けられた第２座巻部と、を有しており、
前記有効巻部の一端においては、前記自由長の状態で前記有効巻部の素線と、前記第１座巻部の素線の反有効巻部側の端部である先端部との間には第１隙間が設けられており、当該コイルばねが前記基準高さに圧縮された状態では前記有効巻部の素線の第１部分で前記第１座巻部の素線に密着し、
前記有効巻部の他端においては、前記自由長の状態で当該有効巻部の素線と、前記第２座巻部の素線の反有効巻部側の端部である先端部との間には、前記第１隙間とは異なる第２隙間が設けられており、当該コイルばねが前記基準高さに圧縮された状態では前記有効巻部の素線の第２部分で前記第２座巻部の素線に密着し、
前記コイルばねを前記自由長から前記基準高さまで圧縮したときに当該コイルばねに発生する横力の最大値よりも、前記基準高さに圧縮されたときに当該コイルばねに発生する横力が小さい、コイルばね。
前記コイルばねを軸線に沿って見た場合において、前記第１座巻部の反有効巻部側の端部である前記先端部の円周方向の第１位置に対して、前記第２座巻部の反有効巻部側の端部である前記先端部の円周方向の第２位置は、前記第１位置から前記素線の巻方向に９０°〜２７０°離れた位置に設けられている、請求項１に記載のコイルばね。
前記第２位置は、前記第１位置から前記素線の巻方向に１３５°〜２２５°離れた位置に設けられている、請求項２に記載のコイルばね。