JP5622976B2 - 気体バネ装置、それを用いたバランサー装置及びアクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、収縮に伴う圧縮気体の圧力変化を活用したバネ装置において、トルク補償装置を用いることで広範囲な発生力調整を可能にする気体バネ装置、それを用いたバランサー装置及びアクチュエータに関する。

バランサー装置等に用いられる、発生力の調節が可能で負荷重量の変化に対応できる弾性要素として、金属バネ（例えば、特許文献１、非特許文献１参照）、及び、空気バネ（例えば、特許文献２参照）が知られている。また、変位に応じて変化する空気バネの発生力を、非真円板を用いて一様化する方法が考案されている（例えば、特許文献３参照）。

特開２００７−１１９２４９号公報 特許第３７９４７４３号公報 特許第４６４９１０５号公報

遠藤工業株式会社 スプリングバランサーカタログ、２０１０年４月発行

しかしながら、弾性要素として金属バネを用いる場合、負荷重量の変化に対応するためには、負荷重量と釣り合う力が作用している弾性体を変位させる必要があり、容易には調整できないとともに、バネの許容ひずみの限界から、調整範囲をあまり広くできないという課題があった。また、空気バネを用いる場合、空気バネ内の空気量を調節することで負荷重量の変化への対応は容易に行えるが、従来の構成では、位置変化が生じるたびに空気の吸排気が必要になり、エア消費量が多くなるという課題があった。逆に、エアを消費しないように非真円板により発生力を一様化した場合には、特定の負荷重量にしか対応できないという課題があった。

従って、本発明の目的は、上記問題を解決することにあって、広範囲な負荷重量の変化への対応が容易かつ、位置変化に伴う気体の吸排気が不要な、気体バネ装置、それを用いたバランサー装置及びアクチュエータを提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。

本発明の第１態様によれば、フレームに固定され、内部空間の圧力と大気圧との差圧に比例した力を発生する気体バネと、
前記気体バネに配置され、前記気体バネの前記内部空間の気体量を調節可能な吸排気部と、
前記フレームに回転可能に配置されかつ前記気体バネに接続され、前記気体バネにより発生した前記力によるトルクが作用する回転体と、
前記回転体に接続され、前記回転体の回転動作と連動して変位する変位部と、
前記フレームに配置されるとともに、前記回転体と前記変位部との間に設けられて前記気体バネの発生力により前記回転体に作用するトルクと前記変位部に作用する力とを変換すること、及び、前記気体バネと前記回転体との間に設けられて前記気体バネの発生力と前記回転体に作用するトルクとを変換すること、のいずれか又は双方を行う変速部と、
前記フレームに配置されかつ前記回転体に接続され、前記気体バネの前記内部空間の前記気体量が所定の値である場合に前記回転体に作用するトルクを略０にするトルク補償部と、
を備える気体バネ装置を提供する。

これらの概括的かつ特定の態様は、システム、方法、並びに、システム及び方法の任意の組み合わせにより実現してもよい。

本発明の前記態様によれば、回転体に気体バネの発生力によるトルクとトルク補償部によるトルクとを作用させることで、変速部により規定される特性（例えば定荷重）を維持したまま気体バネの内部空間の気体量に応じて変化する力を変位部に作用させられるようになる。すなわち、本発明の前記態様によれば、気体バネの内部空間の気体量の調節により発生力を容易に変化できるとともに、気体バネの内部空間の気体量を一定としたまま、変位部の位置にかかわらず一定の力を発生することができるようになる。よって、広範囲な負荷重量の変化への対応が容易で、かつ、位置変化に伴う気体の吸排気が不要な、気体バネ装置を得ることができる。

本発明のこれらと他の目的と特徴は、添付された図面についての実施形態に関連した次の記述から明らかになる。この図面においては、
図１は、本発明の第１実施形態における空気バネ装置の圧縮状態の概略を示す部分断面図であり、 図２は、本発明の第１実施形態における空気バネ装置の膨張状態の概略を示す部分断面図であり、 図３は、本発明の第１実施形態及び第２実施形態における第１空気バネの変位と発生力の関係を示す図であり、 図４は、本発明の第１実施形態における円板部材の回転角度と円板部材に作用する第１空気バネの発生力によるトルクとの関係を示す図であり、 図５は、本発明の第１実施形態における円板部材の回転角度と円板部材に作用する第１空気バネ及び第２空気バネの発生力によるトルクとの関係を示す図であり、 図６は、本発明の第１実施形態における円板部材の回転角度とスチールベルトに作用する張力との関係を示す図であり、 図７Ａは、本発明の第１実施形態における非円板部材の形状とθ＝０における共通接線との関係を示す図であり、 図７Ｂは、本発明の第１実施形態における非円板部材の形状とθ＝θ_ｍａｘ／２における共通接線との関係を示す図であり、 図７Ｃは、本発明の第１実施形態における非円板部材の形状とθ＝θ_ｍａｘ／における共通接線との関係を示す図であり、 図８は、本発明の第１実施形態における基準円と共通接線と円板部材の形状との関係を示す図であり、 図９Ａは、本発明の第１実施形態における円板部材にθ＝０において作用するトルクの様子を示す図であり、 図９Ｂは、本発明の第１実施形態における円板部材にθ＝θ_ｍａｘ／２において作用するトルクの様子を示す図であり、 図９Ｃは、本発明の第１実施形態における円板部材にθ＝θ_ｍａｘにおいて作用するトルクの様子を示す図であり、 図１０は、本発明の第１実施形態における空気バネ装置を用いたバランサーの概略を示す図であり、 図１１は、本発明の第１実施形態における空気バネ装置を用いた空気圧アクチュエータの概略を示す図であり、 図１２は、本発明の第１実施形態における空気バネ装置を用いた重力補償アクチュエータの概略を示す図であり、 図１３は、本発明の第２実施形態における空気バネ装置の圧縮状態の概略を示す部分断面図であり、 図１４は、本発明の第２実施形態における空気バネ装置の膨張状態の概略を示す部分断面図であり、 図１５は、本発明の第２実施形態におけるコネクタの変位と円板部材に作用する第１空気バネの発生力によるトルクとの関係を示す図であり、 図１６は、本発明の第２実施形態におけるコネクタの変位と円板部材に作用する第１空気バネ及び第２空気バネの発生力によるトルクとの関係を示す図であり、 図１７Ａは、本発明の第２実施形態における円板部材にθ＝０において作用するトルクの様子を示す図であり、 図１７Ｂは、本発明の第２実施形態における円板部材にθ＝−θ_ｍａｘ／２において作用するトルクの様子を示す図であり、 図１７Ｃは、本発明の第２実施形態における円板部材にθ＝−θ_ｍａｘにおいて作用するトルクの様子を示す図であり、 図１８は、本発明の第３実施形態における複合空気バネ装置の概略を示す図である。

以下に、本発明にかかる実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

本発明の実施形態について説明する前に、本発明の種々の態様について説明する。

本発明の第１態様によれば、フレームに固定され、内部空間の圧力と大気圧との差圧に比例した力を発生する気体バネと、
前記気体バネに配置され、前記気体バネの前記内部空間の気体量を調節可能な吸排気部と、
前記フレームに回転可能に配置されかつ前記気体バネに接続され、前記気体バネにより発生した前記力によるトルクが作用する回転体と、
前記回転体に接続され、前記回転体の回転動作と連動して変位する変位部と、
前記フレームに配置されるとともに、前記回転体と前記変位部との間に設けられて前記気体バネの発生力により前記回転体に作用するトルクと前記変位部に作用する力とを変換すること、及び、前記気体バネと前記回転体との間に設けられて前記気体バネの発生力と前記回転体に作用するトルクとを変換すること、のいずれか又は双方を行う変速部と、
前記フレームに配置されかつ前記回転体に接続され、前記気体バネの前記内部空間の前記気体量が所定の値である場合に前記回転体に作用するトルクを略０にするトルク補償部と、
を備える気体バネ装置を提供する。

このような構成によれば、回転体に気体バネの発生力によるトルクとトルク補償部によるトルクとを作用させることで、変速部により規定される特性（例えば定荷重）を維持したまま気体バネの内部空間の気体量に応じて変化する力を変位部に作用させられるようになる。すなわち、本発明の第１態様によれば、気体バネの内部空間の気体量の調節により発生力を容易に変化できるとともに、気体バネの内部空間の気体量を一定としたまま、変位部の位置にかかわらず一定の力を発生することができるようになる。

本発明の第２態様によれば、前記気体バネの前記内部空間の前記気体量が、前記内部空間の容積を最大にした際に内部圧力が大気圧となる気体量であるときに、前記トルク補償部が前記回転体に作用する前記トルクを略０にする第１の態様に記載の気体バネ装置を提供する。

このような構成によれば、気体バネの内部空間が負圧にならない最小の気体量の時に回転体に作用するトルクを略０にすることができるようになるので、より広範囲な負荷重量変化への対応が可能な気体バネ装置が得られるようになる。

本発明の第３態様によれば、前記トルク補償部が、
前記フレームに配置された弾性体と、
前記弾性体に接続され、前記弾性体の発生力による張力が作用する第１可撓性連結部材と、
前記フレームに回転可能に配置され、前記第１可撓性連結部材が巻き付けられる第１非真円板と、
前記フレームに回転可能に配置され、前記第１可撓性連結部材の張力により前記第１非真円板に作用するトルクを前記回転体に伝達する第１伝達部と、
を備える第１又は２の態様に記載の気体バネ装置を提供する。

このような構成によれば、トルク補償部に求められる特性を簡易な構成で実現できるようになるので、性能の安定した気体バネ装置が得られるようになる。

本発明の第４態様によれば、前記第１非真円板は、異なる曲率半径をそれぞれ有する複数の円弧の集りで形成される湾曲した側面を有して回転可能な板状部材で構成され、前記板状部材の回転により前記湾曲した側面に前記第１可撓性連結部材が接触して巻き付けられる、
第３の態様に記載の気体バネ装置を提供する。

このような構成によれば、トルク補償部により回転体に作用するトルクが連続的に変化するようになるので、回転体の角度変化に伴う特性変化がなめらかな気体バネ装置が得られるようになる。

本発明の第５態様によれば、前記第１非真円板は、前記回転体の回転角度がθのときに前記回転体の回転軸の中心から前記第１可撓性連結部材の厚み中心までの距離Ｒ_ｃ＝２Ｔ_ｃ／Ｆ_ｃとなる形状である部材であり、Ｔ_ｃは前記回転体に前記回転角度θにおいて前記トルク補償部が作用させるトルクであり、Ｆ_ｃは前記弾性体で発生する力である、
第４の態様に記載の気体バネ装置を提供する。

このような構成によれば、回転体の回転に伴う弾性体の変形量を少なくすることができるので、トルク補償部のより小さい気体バネ装置が得られるようになる。

本発明の第６態様によれば、前記回転体と前記変位部との間に設けられる前記変速部が、
前記回転体に接続され、前記回転体と連動して回転する第２非真円板と、
一方が前記第２非真円板に巻き付けられ、他方が前記変位部に接続される第２可撓性連結部材と、
を備える第１〜５のいずれか１つの態様に記載の気体バネ装置を提供する。

このような構成によれば、変速部に求められる特性を簡易な構成で実現できるようになるので、性能の安定した気体バネ装置が得られるようになる。

本発明の第７態様によれば、前記第２非真円板は、異なる曲率半径をそれぞれ有する複数の円弧の集りで形成される湾曲した側面を有して回転可能な板状部材で構成され、前記板状部材の回転により前記湾曲した側面に前記第２可撓性連結部材が接触して巻き付けられる、
第６の態様に記載の気体バネ装置を提供する。

このような構成によれば、変速部により気体バネの発生力が連続的に変換されるようになるので、回転体の角度変化に伴う特性変化がなめらかな気体バネ装置が得られるようになる。

本発明の第８態様によれば、前記気体バネは、シリンダと、前記シリンダ内を移動するピストンとで構成され、
前記第２非真円板は、その形状が、前記回転体の回転角度が回転角度θのときに前記回転体の回転軸の中心から前記第２可撓性連結部材の厚み中心までの距離ＲがＲ＝Ｒ_０／（１−Ｒ_ａθ／（２Ｌ））となるように形作られた部材であり、Ｒ_０は回転角度θ＝０における前記軸の中心から前記第２可撓性連結部材の厚み中心までの距離であり、Ｒ_ａは前記回転体の半径であり、Ｌは前記シリンダ内で前記ピストンが移動する内部空間の長さＬである、
第７の態様に記載の気体バネ装置を提供する。

このような構成によれば、気体バネにより回転体に作用するトルクとトルク補償部により回転体に作用するトルクとの合成トルクから、変位部に対して回転体の回転角度にかかわらず一定の力を作用させられる気体バネ装置が得られるようになる。

本発明の第９態様によれば、前記気体バネと前記回転体との間に設けられる前記変速部が、
前記気体バネに接続され、前記気体バネにより発生した前記力による張力が作用する第３可撓性連結部材と、
前記フレームに回転可能に配置され、前記第３可撓性連結部材が巻き付けられる第３非真円板と、
前記第３可撓性連結部材の張力により前記第３非真円板に作用するトルクを前記回転体に伝達する第２伝達部と、
を備える第１〜８のいずれか１つの態様に記載の気体バネ装置を提供する。

このような構成によれば、変速部に求められる特性を簡易な構成で実現できるようになるので、性能の安定した気体バネ装置が得られるようになる。

本発明の第１０態様によれば、前記変位部から取り出される力又はトルクが、変位又は角変位に関わらず一定である第１〜９のいずれか１つの態様に記載の気体バネ装置を提供する。

このような構成によれば、気体バネの内部空間の気体量にかかわらず定荷重特性が実現できるようになるので、発生力が可変な定荷重気体バネ装置が得られるようになる。

本発明の第１１態様によれば、前記変位部から取り出される力又はトルクが、変位又は角変位に対して線形に変化する第１〜９のいずれか１つの態様に記載の気体バネ装置を提供する。

このような構成によれば、気体バネの内部空間の気体量にかかわらず線形バネ特性が実現できるようになるので、発生力、剛性が可変な線形気体バネ装置が得られるようになる。

本発明の第１２態様によれば、特性の異なる第１〜１１のいずれか１つの態様に記載の気体バネ装置を複数備え、各気体バネ装置の前記変位部及び前記回転体と前記変位部との間に設けられる前記変速部が互いに共有される構成である、複合気体バネ装置を提供する。

このような構成によれば、前記第１〜１１のいずれか１つの態様に記載の気体バネ装置の特性を合成できるようになるので、より複雑な特性の気体バネ装置が得られるようになる。

本発明の第１３態様によれば、第１〜１１のいずれか１つの態様に記載の気体バネ装置と、
前記気体バネ装置の前記変位部に接続される物体の自重を支持する保持部と、
を備えるバランサー装置を提供する。

このような構成によれば、前記第１〜１１のいずれか１つの態様に記載の気体バネ装置を備えたバランサー装置を構成することができて、前記気体バネ装置の作用効果を奏することができるバランサー装置を得ることができる。

本発明の第１４態様によれば、第１〜１１のいずれか１つの態様に記載の気体バネ装置と、
前記気体バネ装置の前記吸排気部に接続され、前記気体バネの内部空間の圧力を制御することで、前記気体バネ装置の発生力を変化させる制御装置と、
を備える気体圧アクチュエータを提供する。

このような構成によれば、前記第１〜１１のいずれか１つの態様に記載の気体バネ装置を備えた気体圧アクチュエータを構成することができて、前記気体バネ装置の作用効果を奏することができる気体圧アクチュエータを得ることができる。

本発明の第１５態様によれば、第１〜１１のいずれか１つの態様に記載の気体バネ装置と、
前記気体バネ装置の前記変位部に並列に力を作用させるアクチュエータと、
を備えるバイアス荷重補償アクチュエータを提供する。

このような構成によれば、前記第１〜１１のいずれか１つの態様に記載の気体バネ装置を備えたバイアス荷重補償アクチュエータを構成することができて、前記気体バネ装置の作用効果を奏することができるバイアス荷重補償アクチュエータを得ることができる。

以下、本発明の実施形態にかかる気体バネ装置、それを用いたバランサー装置及びアクチュエータについて、図面を参照しながら説明する。

（第１実施形態）
＜構成＞
図１は、本発明の第１実施形態における第１空気バネ装置１ａの圧縮状態の概略を示す。図２は、本発明の第１実施形態における第１空気バネ装置１ａの膨張状態の概略を示す。

第１空気バネ装置１ａは、気体バネの一例としての第１空気バネ３と、回転体の一例としての第１円板部材１２ａと、第１変速部８０ａと、第１トルク補償部８１ａと、第１変位部の一例としての第１コネクタ１４ａとを備える。

第１空気バネ３は、第１シリンダ４と、第１シリンダ４内を移動する第１ピストン５とで構成される。第１シリンダ４のそれぞれの端部には、第１貫通穴７及び吸排気部の一例としての第１吸排気バルブ８ａが設けられている。

第１変速部８０ａは、第２非真円板の一例としての第２非円板部材１３ａと、第２可撓性連結部材の一例としての第２スチールベルト１１ｂとで構成される。第１変速部８０ａは、第２非円板部材１３ａに伝達される第１空気バネ３の発生力によるトルクと後述する第１トルク補償部によるトルクとの合成トルクを、任意の比で変換して、第２スチールベルト１１ｂに伝達する。

第１トルク補償部８１ａは、弾性体の一例としての第２空気バネ３ａと、第１非真円板の一例としての第１非円板部材１３ｂと、第１可撓性連結部材の一例としての第１スチールベルト１１ｃと、第１伝達部の一例としての第１連結板８２ａとで構成される。第１トルク補償部８１ａは、詳細は後述するが、第１空気バネ３の第１内部空間２１の気体量が所定の値である場合に第１円板部材１２ａに作用するトルクを略０にしている。

図１の第１空気バネ装置１ａにおいて、第１フレーム２ａは板状の部材である。気体バネの一例としての第１空気バネ３は、第１フレーム２ａに固定されている。第１空気バネ３は第１シリンダ４と第１ピストン５とで構成されている。例えば、第１ピストン５は横方向に進退可能に配置され、第１ピストン５のストロークは、第１シリンダ４の内部の両端に設けられたストッパー６ａ、６ｂにより制限されている。第１シリンダ４の両端には、第１貫通穴７と吸排気部の一例としての第１吸排気バルブ８ａが設けられている。第１吸排気バルブ８ａは、第１シリンダ４の第１内部空間２１の空気量を増加させる際には第１吸排気バルブ８ａを介して接続された圧力源（例えば、図１１の参照符号４３を参照）との接続口となり、第１内部空間２１の空気量を減少させる際には第１吸排気バルブ８ａを介して周辺大気への放出口となる。しかしながら、それ以外の場合には第１吸排気バルブ８ａで閉鎖され、第１内部空間２１の空気量を維持し続ける。第１ピストン５には、第１内部空間２１の空気圧と第１貫通穴７により維持される大気圧との差圧に比例した力が加わり、第１ピストン５の第１ピストンロッド５ｒの先端に設けられた第２軸９ｂを押圧する。第２軸９ｂには第１動滑車１０ａが回転自由に連結されている。第１動滑車１０ａには、一端が第１シリンダ４に固定された第４スチールベルト１１ａが巻き付けられている。第４スチールベルト１１ａの他端は、回転体の一例としての第１円板部材１２ａに固定されるとともに、第１円板部材１２ａの外周に巻き付けられている。第１円板部材１２ａは、図１では、第１動滑車１０ａの下方において、第１フレーム２ａに固定された第１軸（回転軸）９ａに回転自由に連結されている。このようにすることで、第１空気バネ３の発生力により、第１円板部材１２ａには第１軸９ａ回りのトルクが作用するようになる。

第１円板部材１２ａには、第１変速部８０ａの一例としての第２非円板部材１３ａと第２スチールベルト１１ｂとが連結されている。第２非真円板の一例としての第２非円板部材１３ａは、第１円板部材１２ａに固定され、第１円板部材１２ａと一体になって第１軸９ａ回りに回転する。第２可撓性連結部材の一例としての第２スチールベルト１１ｂは、一端が第２非円板部材１３ａの先端側の部分（幅狭部分）に固定されるとともに、その一端の近傍部分が第２非円板部材１３ａに巻き付けられている。第２スチールベルト１１ｂの他端には、第１変位部の一例としての第１コネクタ１４ａが設けられ、第１コネクタ１４ａにより外部負荷と連結可能になっている。また、第２非円板部材１３ａの回転角度にかかわらず、第１フレーム２ａにおける第１コネクタ１４ａの左右位置が一定となるように、第２スチールベルト１１ｂは途中で第１滑車１５ａに掛けられている。第１滑車１５ａは、図１では第１円板部材１２ａの下方において、第１フレーム２ａに固定された第３軸９ｃに回転自由に連結されており、第２スチールベルト１１ｂの変位を妨げないようになっている。このようにすることで、第１コネクタ１４ａは、第１円板部材１２ａの回転動作と連動して変位することになる。なお、図１では、第２スチールベルト１１ｂは、第１滑車１５ａに接触したのち、第２スチールベルト１１ｂの下端の第１コネクタ１４ａは、第１滑車１５ａの下方に吊り下げられている。

また、第２非円板部材１３ａには、第１トルク補償部８１ａの一例としての第１非円板部材１３ｂと、第１スチールベルト１１ｃと、第２空気バネ３ａと、第１連結板８２ａとが連結されている。第１非真円板の一例としての第１非円板部材１３ｂは、第１非円板部材１３ｂと第２非円板部材１３ａとの間に設けられた第１伝達部の一例としての円板形状の第１連結板８２ａを介して第２非円板部材１３ａに固定されている。なお、第１連結板８２ａの形状は円板形状に限るものではなく、任意の形状が利用可能である。第１連結板８２ａは、第１スチールベルト１１ｃの張力により第１非円板部材１３ｂに作用するトルクを第１円板部材１２ａに伝達している。第１非円板部材１３ｂと第１連結板８２ａと第２非円板部材１３ａと第１円板部材１２ａとは、一体になって第１軸９ａ回りに回転する。

第１可撓性連結部材の一例としての第１スチールベルト１１ｃは、一端が第１非円板部材１３ｂの先端側の部分（幅狭部分）に固定されるとともに、その一端の近傍部分が第１非円板部材１３ｂに巻き付けられている。第１スチールベルト１１ｃの他端は、弾性体の一例としての第２空気バネ３ａを構成する第２シリンダ４ａに連結されている。

第２空気バネ３ａは、図１では第１円板部材１２ａの下方でかつ横方向に（図１では左方向に）ずれた位置に配置され、第２シリンダ４ａと、第２シリンダ４ａ内を移動する第２ピストン５ａとで構成される。例えば、第２ピストン５ａも横方向に進退可能に配置され、第２ピストン５ａには、第２シリンダ４ａの閉鎖された第２内部空間２１ａの空気圧と第２シリンダ４ａの第２ピストンロッド５ｓ側に設けられた第１貫通穴７ａにより維持される大気圧との差圧に比例した力が加わり、第２ピストン５ａの第２ピストンロッド５ｓの先端に設けられた第４軸９ｄを押圧する。第４軸９ｄには、第２動滑車１０ｂが回転自由に連結されている。第１スチールベルト１１ｃは、第２シリンダ４ａと第１非円板部材１３ｂとの間を、第２動滑車１０ｂと第２滑車１５ｂとに巻き付きながら、連結している。第２滑車１５ｂは、第１フレーム２ａに固定された第５軸９ｅに回転自由に連結されており、第１スチールベルト１１ｃの変位を妨げないようになっている。なお、図１では、一例として、第１軸９ａから第４軸９ｄまでの配置関係に関しては、上から下向きに、第２軸９ｂ、第１軸９ａ、第５軸９ｅ、第４軸９ｄ、第３軸９ｃの順に位置するように配置されている。

次に、この第１空気バネ装置１ａの作用を説明する。

図１の状態では、第１空気バネ３の発生力により、第１ピストン５が図１の左方向に移動して第１動滑車１０ａが時計方向に回転して、第４スチールベルト１１ａに張力が発生し、第１円板部材１２ａに反時計回りのトルクが作用している。また、第２空気バネ３ａの発生力により、第２ピストン５ａが図１の右方向に移動して第２動滑車１０ｂが時計方向に回転して、第１スチールベルト１１ｃに張力が発生し、第１非円板部材１３ｂに時計回りのトルクが発生している。第１円板部材１２ａと、第２非円板部材１３ａと、第１非円板部材１３ｂとは一体となって第１軸９ａ回りに回転するので、第２非円板部材１３ａには、第１空気バネ３による反時計回りのトルクと第２空気バネ３ａによる時計回りのトルクとの合成トルクが伝達される。第２非円板部材１３ａに巻き付けられた第２スチールベルト１１ｂには、合成トルクを、第１軸９ａの中心から、第２非円板部材１３ａの湾曲した側面に対して第２スチールベルト１１ｂが接線として接触する接点までの距離（半径）Ｒで割っただけの張力が作用し、第１コネクタ１４ａに対して図１の上方向への力が加わるようになる。

図１の状態から第１空気バネ３の第１内部空間２１の空気が膨張し、図２の状態に至るまでには、各構成要素は、図１に示した矢印の方向に移動若しくは回転する。第１空気バネ３の第１内部空間２１の空気が膨張することで失われるエネルギーは、第１コネクタ１４ａを介した負荷の移動及び第２空気バネ３ａの圧縮に用いられる。

以下、第１空気バネ装置１ａが動作する際に発生する力及びトルクについて説明する。

図３は、本発明の第１実施形態における第１空気バネ３の変位と発生力との関係を示す。図３において、Ｘは第１ピストン５の位置を表しており、Ｘ＝０のとき第１ピストン５はストッパー６ａと接触する位置にあり、Ｘ＝０．７のとき第１ピストン５はストッパー６ｂと接触する位置にある。また、第１内部空間２１の容積は、図２における第１内部空間２１の容積が断面積Ａと長さＬの積ＡＬで表されるとき、ＡＬ（１−Ｘ）で表される。すなわち、図１の状態で第１内部空間２１の容積が０．３ＡＬとなるよう構成されている。第１実施形態では、Ｘの最大値、すなわち図１における第１ピストン５の位置がＸ＝Ｘ_ｍａｘ＝０．７である場合について示しているが、これに限るものではない。Ｘ_ｍａｘは、一例として、実用上、０．３〜０．９の範囲の値とする。位置（変位）Ｘが増加するほど第１内部空間２１の容積は減少し、圧力が高まることになる。また、Ｆ_ｓは第１空気バネ３の発生力であり、第１内部空間２１の圧力Ｐ_０／（１−Ｘ）と大気圧Ｐ_ａとの差圧に断面積Ａを掛けた値となる。第１内部空間２１の容積ＡＬにおける圧力を絶対圧力Ｐ_０とすると、等温過程と見なして、第１空気バネ３の発生力Ｆ_ｓは、Ｆ_ｓ＝（Ｐ_０／（１−Ｘ）−Ｐ_ａ）Ａとなる。図３では、第１空気バネ３の発生力Ｆ_ｓをＰ_ａＡで正規化して示している。図３より、第１空気バネ３の発生力は、第１ピストン５の位置により大きく変動することがわかる。一例として、圧力Ｐ_０をＰ_ａ〜７Ｐ_ａ程度とすれば、圧力が低く、空圧機器としての扱いが容易になる利点がある。また、一例として、圧力Ｐ_０を３０Ｐ_ａ〜８０Ｐ_ａ程度とすれば、第１空気バネ３を小型化できる利点がある。

図４は、本発明の第１実施形態における第１円板部材１２ａの回転角度と第１円板部材１２ａに作用する第１空気バネ３の発生力Ｆ_ｓによるトルクＴ_ｓとの関係を示す。図４において、θは第１円板部材１２ａの回転角度を表している。図２における第１円板部材１２ａの回転角度θをθ＝０とし、そこから時計回りに回転するほど、回転角度θは増加する。

図１における第１円板部材１２ａの回転角度θをθ＝θ_ｍａｘとしている。すなわち、Ｘ＝０のときθ＝０となり、Ｘ＝Ｘ_ｍａｘのときθ＝θ_ｍａｘとなる。Ｒ_ａは第１円板部材１２ａの半径である。第１実施形態では、第１動滑車１０ａを用いることで第１空気バネ３のストロークを２倍に拡大しているので、θ＝２ＬＸ／Ｒ_ａとなる。そして、第１円板部材１２ａに作用する第１空気バネ３の発生力Ｆ_ｓによるトルクＴ_ｓは、Ｔ_ｓ＝Ｆ_ｓＲ_ａ／２となる。図４では、トルクＴ_ｓをＰ_ａＡＲ_ａ／２で正規化し、回転角度θをθ_ｍａｘで正規化して示している。図４より、第１円板部材１２ａに作用する第１空気バネ３の発生力Ｆ_ｓによるトルクは、第１円板部材１２ａの回転角度により大きく変動することがわかる。

図５は、本発明の第１実施形態における第１円板部材１２ａの回転角度θと第１円板部材１２ａに作用する第１空気バネ３及び第２空気バネ３ａの発生力によるトルクＴ_ｓ＋Ｔ_ｃとの関係を示す。第１実施形態では、Ｐ_０＝Ｐ_ａとなる第１内部空間２１の空気量における第１空気バネ３の発生力Ｆ_ｓによるトルクＴ_ｓと釣り合うトルクを、第２空気バネ３ａの発生力により第１円板部材１２ａに作用させている。すなわち、第２空気バネ３ａの発生力により第１円板部材１２ａに作用するトルクをＴ_ｃとすると、Ｔ_ｃ＝−（Ｘ／（１−Ｘ））Ｐ_ａＡＲ_ａ／２となる。よって、Ｔ_ｓ＋Ｔ_ｃは、Ｔ_ｓ＋Ｔ_ｃ＝（１／（１−Ｘ））（Ｐ_０−Ｐ_ａ）ＡＲ_ａ／２となる。図５では、Ｔ_ｓ＋Ｔ_ｃをＰ_ａＡＲ_ａ／２で正規化し、回転角度θをθ_ｍａｘで正規化して示している。図５より、第１トルク補償部８１ａによってＰ_０＝Ｐ_ａにおけるＴ_ｓ＋Ｔ_ｃが０となることが確認できる。つまり、Ｐ_０＝Ｐ_ａにおいて、第１円板部材１２ａに作用する第１空気バネ３及び第２空気バネ３ａの発生力によるトルクＴ_ｓ＋Ｔ_ｃは０となる。なお、ここでは、トルクＴ_ｃについて理想的な状態について述べているが、実際には製作上の誤差などにより、トルクＴ_ｃに２％程度のずれが生じていても実施上問題はない。よって、このような状態を、本明細書では、トルクが０となると説明するが、実際には、製作上の誤差などを含めて略０とも言うことができる。また、ここで比較されるのは、トルクＴ_ｓとトルクＴ_ｃのそれぞれについて摩擦抵抗などによるヒステリシス成分を除いた中心値同士の関係である。

トルクＴ_ｃは圧力Ｐ_０に依存しないトルクであるため、各回転角度θにおいて第１空気バネ３ａの発生力Ｆ_ｃを２で割った値に第１軸９ａの中心から第１スチールベルト１１ｃの厚み中心までの距離Ｒ_ｃを掛けたトルクＦ_ｃＲ_ｃ／２がトルクＴ_ｃと等しくなるように第１非円板部材１３ｂの形状を形作る。すなわち、第１非真円板１３ｂは、異なる曲率半径をそれぞれ有する複数の円弧の集りで形成される湾曲した側面を有して回転可能な板状部材で構成され、前記板状部材の回転により前記湾曲した側面に第１スチールベルト１１ｃが接触して巻き付け可能としている。このように構成することで、トルクＴ_ｃを発生する第１トルク補償部８１ａを実現することができる。発生力Ｆ_ｃを２で割るのは、第１実施形態では、第２動滑車１０ｂを用いることで第２空気バネ３ａのストロークを２倍に拡大しているからである。ここで、第２内部空間２１ａの断面積はＡ’、長さはＬ’、第２ピストン５ａの位置をＸ’、第２内部空間２１ａの容積Ａ’Ｌ’における圧力を絶対圧力Ｐ’_０とするとき、第２空気バネ３ａの第２内部空間２１ａの容積がＡ’Ｌ’（１−Ｘ’）、発生力がＦ_ｃ＝（Ｐ’_０／（１−Ｘ’）−Ｐ_ａ）Ａ’で表されるとする。θ＝０においてＸ’＝Ｘ'_ｍａｘ、θ＝θ_ｍａｘにおいてＸ’＝０になるとすると、第２空気バネ３ａは、Ｐ_０＝Ｐ_ａとなる第１内部空間２１の空気量における第２空気バネ３の発生力Ｆ_ｓによるトルクＴ_ｓと釣り合うトルクを発生させているので、θ＝０〜θ_ｍａｘすなわちＸ＝０〜Ｘ_ｍａｘの範囲における空気のエクセルギー変化から、Ｐ_ａＡＬ（Ｘ_ｍａｘ＋ｌｎ（１−Ｘ_ｍａｘ））＝Ａ’Ｌ’（Ｐ_ａＸ’_ｍａｘ＋Ｐ’_０ｌｎ（１−Ｘ’_ｍａｘ））が成り立つ。この式より、Ａ’、Ｌ’、Ｘ’_ｍａｘ、Ｐ’_０のうちの３つを与えれば、残る一つの値が求められるので、第１空気バネ３に対応する第２空気バネ３ａの諸元を決定できるようになる。また、Ｘ＝０及びＸ’＝Ｘ’_ｍａｘからのエクセルギー変化が釣り合うためには、Ｐ_ａＡＬ（Ｘ＋ｌｎ（１−Ｘ））＝Ａ’Ｌ’（Ｐ_ａ（Ｘ’_ｍａｘ−Ｘ’）＋Ｐ’_０ｌｎ（（１−Ｘ’_ｍａｘ）／（１−Ｘ’）））が成り立つ必要があるので、この式より、Ｘ’とＸの関係、また、θ＝２ＬＸ／Ｒ_ａよりＸ’と回転角度θとの関係が求められる。よって、それぞれの回転角度θにおけるＴ_ｃ、Ｆ_ｃが求められるようになるので、第１軸９ａの中心から第１スチールベルト１１ｃの厚み中心までの距離Ｒ_ｃはＲ_ｃ＝２Ｔ_ｃ／Ｆ_ｃより求めることができる。なお、Ｘ’_ｍａｘについても、一例として、実用上、０．３〜０．９の範囲の値とする。

図６は、本発明の第１実施形態における第１円板部材１２ａの回転角度θと第２スチールベルト１１ｂに作用する張力Ｆ_１との関係を示す。第１実施形態では、第２スチールベルト１１ｂが巻き付く第２非円板部材１３ａは、異なる曲率半径をそれぞれ有する複数の円弧の集りで形成される湾曲した側面を有して回転可能な板状部材で構成され、前記板状部材の回転により前記湾曲した側面に第２スチールベルト１１ｂが接触して巻き付けられるようにしている。より詳しくは、第２非円板部材１３ａの形状が、第１円板部材１２ａの回転角度が回転角度θのときに第１軸９ａの中心から第２スチールベルト１１ｂの厚み中心までの距離ＲがＲ＝Ｒ_０／（１−Ｘ）＝Ｒ_０／（１−Ｒ_ａθ／（２Ｌ））となるように形作られている。ただし、Ｒ_０は、θ＝０における距離Ｒである。したがって、第２スチールベルト１１ｂに作用する張力Ｆ_１は、Ｆ_１＝（Ｔ_ｓ＋Ｔ_ｃ）／Ｒ＝（Ｐ_０−Ｐ_ａ）ＡＲ_ａ／（２Ｒ_０）となり、回転角度θにかかわらず一定値となる。図６では、第２スチールベルト１１ｂに作用する張力Ｆ_１をＰ_ａＡＲ_ａ／（２Ｒ_０）で正規化し、回転角度θをθ_ｍａｘで正規化して示している。図６より、第１実施形態において圧力Ｐ_０を変化させることで、第１コネクタ１４ａに作用する力Ｆを広範囲に調節できることがわかる。また、圧力Ｐ_０の値が変化しても、第１コネクタ１４ａの位置に関わらず、力Ｆ_１が一定となる定荷重バネの特性が維持されることがわかる。第１空気バネ装置１ａを利用する際の第１コネクタ１４ａの移動速度は、一例として、第１空気バネ３が等温変化と見なせる程の低速（例えば３ｃｍ／ｓ程度）とすれば、第１空気バネ装置１ａの性能が安定する。

また、第２非円板部材１３ａ、非円板部材の１３ｂの形状についてさらに説明する。前述のように、第２非円板部材１３ａの形状は、第１円板部材１２ａの回転角度がθのときに第１軸９ａの中心から第２スチールベルト１１ｂの厚み中心までの距離が回転角度θの関数である距離Ｒとなる形状である。また、第１非円板部材１３ｂの形状は、第１円板部材１２ａの回転角度がθのときに第１軸９ａの中心から第１スチールベルト１１ｃの厚み中心までの距離が回転角度θの関数である距離Ｒ_ｃとなる形状である。すなわち、第２非円板部材１３ａの形状は、それぞれの回転角度θにおいて第１軸９ａと同軸の半径Ｒの円と第１滑車１５ａのピッチ円との共通接線を引いたときの全ての共通接線に接する曲線となる。この様子を図７Ａ、図７Ｂ、及び、図７Ｃに示す。図７Ａはθ＝０における状態であり、Ｒ＝Ｒ_０の基準円７１ａと第１滑車１５ａのピッチ円との共通接線として共通接線７２ａが引かれる。図７Ｂはθ＝θ_ｍａｘ／２における状態であり、Ｒ＝Ｒ_０／（１−Ｒ_ａθ_ｍａｘ／（４Ｌ））の基準円７１ｂと第１滑車１５ａのピッチ円との共通接線として共通接線７２ｂが引かれる。図７Ｃはθ＝θ_ｍａｘにおける状態であり、Ｒ＝Ｒ_０／（１−Ｒ_ａθ_ｍａｘ／（２Ｌ））の基準円７１ｃと第１滑車１５ａのピッチ円との共通接線として共通接線７２ｃが引かれる。第２非円板部材１３ａの外形の実線で表される部分は、共通接線７２ａ、共通接線７２ｂ、共通接線７２ｃの全てに接する曲線になっている。この部分が第２非円板部材１３ａの形状の重要な部分になる。第２非円板部材１３ａの外形の破線で表される部分については、第２非円板部材１３ａの回転中に第２スチールベルト１１ｂと接触しないように、全ての共通接線に接触しない形状であれば自由に選択することができる。同様に、第１非円板部材１３ｂの形状は、それぞれの回転角度θにおいて第１軸９ａと同軸の半径Ｒ_ｃの円と第２滑車１５ｂのピッチ円との共通接線を引いたときの全ての共通接線に接する曲線となる。

この形状について図８を用いてさらに詳しく説明する。図８は、ある回転角度θにおける基準円７１と共通接線７２と第２非円板部材１３ａの外形との関係を示している。Ｗは、基準円７１と共通接線７２との接点と、第２非円板部材１３ａの外形と共通接線７２との接点との間隔を表している。θ_１は、第１軸９ａの中心とそれぞれの接点とを結んだ線がなす角を表している。Ｒ_１は、第１軸９ａの中心から第２非円板部材１３ａの外形と共通接線７２との接点までの距離を表している。

まず、第１軸９ａと第３軸９ｃとの間隔が無限である場合について説明する。この場合、共通接線７２の方向は、回転角度θが変化しても常に第１軸９ａの中心と第３軸９ｃの中心とを結んだ方向となる。このとき、第２非円板部材１３ａの外形は回転角度θの関数としての距離Ｒ_１と角θ_１とを用いて、半径Ｒ_１、角度θ＋θ_１でプロットした形状となる。距離Ｒ_１はｓｑｒｔ（Ｒ^２＋Ｗ^２）であり、角θ_１はｔａｎ^−１（Ｗ／Ｒ）で表される。第１軸９ａと第３軸９ｃとの間隔が無限である場合は、距離Ｒを回転角度θで微分したｄＲ／ｄθを間隔Ｗとすることで、それぞれの回転角度θにおける全ての共通接線に接する第２非円板部材１３ａの外形を得ることができる。

次に、第１軸９ａと第３軸９ｃとの間隔が有限の値Ｙで表される場合について説明する。この場合、共通接線７２の向きが回転角度θにより変化するようになるので、第２非円板部材１３ａの外形は、半径Ｒ_１、回転角度θ＋θ_１−ｓｉｎ^−１（（Ｒ＋Ｒ_ｐ）／Ｙ）でプロットした形状となる。このとき、共通接線７２の方向は、第１軸９ａの中心と第３軸９ｃの中心とを結んだ方向からｓｉｎ^−１（（Ｒ＋Ｒ_ｐ）／Ｙ）だけ傾くようになる。ただし、Ｒ_ｐは第１滑車１５ａのピッチ円半径である。そして、間隔Ｗを

とすることで、それぞれの回転角度θにおける全ての共通接線に接する第２非円板部材１３ａの外形を得ることができる。さらに、第１実施形態のように、第２非円板部材１３ａと第１滑車１５ａとで第２スチールベルト１１ｂの曲げ方向が逆になる構成ではなく、曲げ方向が同じになる構成にする場合には、Ｒ＋Ｒ_ｐを全てＲ−Ｒ_ｐで置き換えることで、第２非円板部材１３ａの外形を得ることができる。ただし、以上のようにして求められる形状は、第１滑車１５ａのピッチ円に相当するものであるため、実際に製作すべき形状は、回転中心側の法線方向に第２スチールベルト１１ｂの厚みの半分だけオフセットした形状となる。

ここで、第１円板部材１２ａに作用するトルクの様子を図９Ａ、図９Ｂ、及び、図９Ｃに示す。図９Ａ、図９Ｂ、及び、図９Ｃは、それぞれθ＝０，θ_ｍａｘ／２，θ_ｍａｘにおける状態であり、わかりやすくするために、力の作用する方向は水平もしくは垂直方向として表している。ここで、半径Ｒ_ａ及び張力Ｆ_１は回転角度θに依存しない一定の値となる。図９Ａ、図９Ｂ、及び、図９Ｃより、回転角度θが増加するほど第１空気バネ３が圧縮されることにより、第４スチールベルト１１ａに作用する張力Ｆ_ｓ／２が増加し、第１空気バネ３の発生力による反時計回りのトルクが増加していくことがわかる。一方で、回転角度θが増加するほど第２空気バネ３ａの第２内部空間２１ａの空気は膨張するので、第１スチールベルト１１ｃに作用する張力Ｆ_ｃ／２が減少していくことがわかる。しかし、第１非円板部材１３ｂの形状により、Ｐ_０＝Ｐ_ａとなる第１内部空間２１の空気量における第１空気バネ３の発生力Ｆ_ｓによるトルクＴ_ｓと釣り合う時計回りのトルクＴ_ｃが発生するように、距離Ｒ_ｃが増加していくことがわかる。このようにして、回転角度θが増加するほどＦ_ｃ／２が減少するにもかかわらず、時計回りのトルクＴ_ｃは増加するようになる。そして、最終的に、反時計回りの合成トルクＴ_ｓ＋Ｔ_ｃにより第２スチールベルト１１ｂに一定の張力Ｆ_１が作用するように、第２非円板部材１３ａの形状により回転角度θが増加するほど距離Ｒが増加していくようになる。
＜効果＞
前記第１実施形態にかかる構成によれば、第１円板部材１２ａに第１空気バネ３の発生力によるトルクと第２空気バネ３ａによるトルクとを作用させることで、第２非円板部材１３ａにより規定される定荷重バネ特性を維持したまま、第１空気バネ３の第１内部空間２１の空気量に応じて変化する力を、第１コネクタ１４ａに作用させられるようになる。すなわち、前記第１実施形態によれば、第１空気バネ３の第１内部空間２１の空気量の調節により、発生力を容易に変化できるとともに、第１空気バネ３の第１内部空間２１の空気量を一定としたまま、第１コネクタ１４ａの位置にかかわらず一定の力を発生することができるようになる。よって、広範囲な負荷重量の変化への対応が容易で、かつ、位置変化に伴う気体の吸排気が不要な、第１空気バネ装置１ａが得られるようになる。

なお、第１実施形態では、第１空気バネ３及び第２空気バネ３ａの動作気体として空気を用いているが、これに限るものではなく、理想気体と見なせる各種気体が利用可能である。一例として、空気は、入手が容易であるという利点がある。別の例として、窒素等の不活性ガスは、特性が安定しているという利点がある。

なお、第１実施形態では、動滑車を用いて第１空気バネ３及び第２空気バネ３ａの変位を２倍に拡大しているが、これに限るものではなく、第１又は第２ピストンロッド５ｒ、５ｓの先端にスチールベルト１１ａ、１１ｃを直接固定するようにしても良い。また、第１変速部８０ａの一例として、任意の公知のストローク変換機構を用いて任意の倍率で第１空気バネ３又は第２空気バネ３ａの変位を変換する場合でも、同様に実施可能である。また、第１空気バネ３及び第２空気バネ３ａはそれぞれ伸長方向に力を発生する構成となっているが、これに限るものではなく、収縮方向に力を発生する構成としても良い。

なお、第１実施形態では、弾性体として第２空気バネ３ａを用いているが、これに限るものではなく、各種金属バネ、磁気バネ等、又は、任意の公知の弾性体のいずれを用いても実施可能である。このときの第１非円板部材１３ｂの形状は、第２空気バネ３ａのエクセルギーの変化をそれぞれの弾性体における弾性エネルギーの変化に置き換えることで、同様に求めることができる。

なお、第１実施形態では、スチールベルト１１ａを介することで第１空気バネ３の変位と第１円板部材１２ａの回転とを連動させているが、これに限るものではなく、ラック・アンド・ピニオン機構等、公知の直動−回転変換のいずれかを用いても実施可能である。

なお、第１実施形態では、第１空気バネ３としてピストン及びシリンダ機構を用いているが、これに限るものではなく、ベーンモータ等の回転出力式の空気バネを用いて第１円板部材１２ａに回転トルクを作用させる場合でも同様に実施可能である。

なお、第１実施形態では、第１ピストン５のストロークをシリンダ内部に設けたストッパーで制限しているが、これに限るものではなく、シリンダ外部に設けたストッパー、又は、第１円板部材１２ａの回転角度を制限するストッパー、又は、第１コネクタ１４ａの変位を制限するストッパーを用いても同様に実施可能である。

なお、第１実施形態では、可撓性連結部材の例としてスチールベルトを用いているが、これに限るものではなく、金属製以外のベルト、又は、ワイヤロープ等の紐状のものであっても同様に実施可能である。また、紐状の部材を用いる場合、一例として、対応する第１円板部材１２ａ、第２及び第１非円板部材１３ａ、１３ｂ、第１及び第２動滑車１０ａ、１０ｂ、並びに、第１及び第２滑車１５ａ、１５ｂのそれぞれの外周には、脱落防止のための溝を設ける。また、紐状の部材を用いる場合、第１円板部材１２ａの回転角度は１回転未満に限るものではなく、第１円板部材１２ａをドラム状の回転体とし、第２非円板部材１３ａ、１３ｂを円錐螺旋状の溝を備えた回転体とすることで、複数回、回転させるようにしても良い。

なお、第１実施形態では、第１円板部材１２ａ、第２及び第１非円板部材１３ａ、１３ｂは一体となって同軸に回転しているが、これに限るものではなく、互いに連動して回転すれば同様に実施可能であるため、互いを歯車又はベルトなどで連結して異なる軸回りに回転させても良い。

なお、第１実施形態では、最終出力を第１コネクタ１４ａにおける直動動作としているが、これに限るものではなく、例えば第２スチールベルト１１ｂを第１滑車１５ａに巻き付けることで、最終出力を第１滑車１５ａからの回転動作としても良い。この場合、変位部は回転動作するものとなり、第１滑車１５ａの角変位にかかわらず、一定のトルクが第１滑車１５ａより取り出せるようになる。

なお、第１実施形態では、第１滑車１５ａを用いることで第１コネクタ１４ａの左右位置を固定しているが、これに限るものではなく、第１コネクタ１４ａに物体を連結してぶら下げる場合など、第２スチールベルト１１ｂの引き出し方向が変化しないように負荷と連結できる場合には、第１滑車１５ａを用いなくても同様に実施可能である。

なお、第１実施形態では、第１内部空間２１の空気量がＰ_０＝Ｐ_ａとなる空気量におけるトルクＴ_ｓを第１トルク補償部８１ａにより補償しているが、これに限るものではない。例えば、Ｐ_０＝αＰ_ａ（αは１以上の任意の値）となる空気量におけるトルクを第１トルク補償部８１ａで補償しても同様に実施可能である。この場合、Ｔ_ｓ＋Ｔ_ｃ＝（１／（１−Ｘ））（Ｐ_０−αＰ_ａ）ＡＲ_ａ／２となり、Ｐ_０≧αＰ_ａの場合に定荷重バネとして利用可能になる。

なお、第１実施形態では、第２非円板部材１３ａと第２スチールベルト１１ｂにより定荷重バネの特性を実現しているがこれに限るものではなく、第２非円板部材１３ａの形状を変化させて定荷重とは異なるバネ特性としても良い。

さらに、第１実施形態における第１空気バネ装置１ａを用いるバランサー装置３１の構成例を図１０に示す。図１０のバランサー装置３１では、第１空気バネ装置１ａの第１コネクタ１４ａに、保持部の一例としてのフック３２を連結して構成し、フック３２に物体を吊り下げた状態で昇降動作ができるようになっている。

このような構成とすることで、フック３２に吊り下げた物体の重量を第１空気バネ装置１ａの発生力で補償した状態で、物体を昇降させることが可能になる。

また、このような構成とすることで、第１空気バネ装置１ａの有する第１空気バネ３内の空気量を調節することで、物体重量変化への広範囲な対応が容易に行えるとともに、物体の位置変化に伴う空気の吸排気が不要という特徴をそのまま引き継ぎ、少ないエネルギーで物体を昇降させられるバランサー装置３１が得られる。

なお、バランサー装置３１の構成方法としては、保持部の一例としてフック３２を用いたものに限るものではなく、同様の作用を実現するものであれば、任意の公知技術の組み合わせが利用可能である。

さらに、第１実施形態における第１空気バネ装置１ａを用いる気体圧アクチュエータの一例としての空気圧アクチュエータ４１の構成例を図１１に示す。図１１の空気圧アクチュエータ４１では、第１空気バネ装置１ａの第１吸排気バルブ８ａに制御装置の一例としてのバルブコントローラ４２を接続している。バルブコントローラ４２は、増力指示が与えられると第１吸排気バルブ８ａを圧力源４３に対して開放し、減力指示が与えられると第１吸排気バルブ８ａを大気開放口４４に対して開放し、いずれの指示も与えられないときは第１吸排気バルブ８ａを閉鎖し、第１内部空間２１の空気量を維持する。

よって、このような構成とすることで、バルブコントローラ４２からの指示によって空気圧アクチュエータ４１の発生力を任意に変化できるようになる。

また、このような構成とすることで、第１空気バネ装置１ａの有する第１空気バネ３の第１内部空間２１内の空気量を調節することで、物体重量変化への広範囲な対応が容易に行えるとともに、物体の位置変化に伴う空気の吸排気が不要という特徴をそのまま引き継ぎ、少ないエネルギーで物体に対して任意の力を作用させ続けられる空気圧アクチュエータ４１が得られる。

なお、空気圧アクチュエータ４１は、リニアアクチュエータとしてだけでなく、ロータリーアクチュエータとしても実施可能である。

さらに、第１実施形態における第１空気バネ装置１ａを用いるバイアス荷重補償アクチュエータ５１の構成例を図１２に示す。図１２のバイアス荷重補償アクチュエータ５１では、第１空気バネ装置１ａと並列に、アクチュエータの一例としてのリニアアクチュエータ５２を追加して配置しており、リニアアクチュエータ５２の発生力に第１空気バネ装置１ａの発生力を合成できるようになっている。

よって、このような構成とすることで、リニアアクチュエータ５２が重力等のバイアス荷重の作用する負荷を、ロッド５３を上下させて移動させる際に、バイアス荷重に相当するアシスト力を第１空気バネ装置１ａから第１コネクタ１４ａを介してロッド５３に加えた状態で動作させることが可能になる。

また、このような構成とすることで、第１空気バネ装置１ａの有する第１空気バネ３内の空気量を調節することで、バイアス荷重への広範囲な対応が容易に行えるとともに、アクチュエータの変位に伴う空気の吸排気が不要という特徴をそのまま引き継ぎ、少ないエネルギーでバイアス荷重の作用する負荷を移動させられるバイアス荷重補償アクチュエータ５１が得られる。

なお、バイアス荷重補償アクチュエータの構成方法としては、リニアアクチュエータを用いたものに限るものではなく、ロータリーアクチュエータに対しても適用可能である。

（第２実施形態）
図１３は、本発明の第２実施形態における第２空気バネ装置１ｂの圧縮状態の概略を示す。図１４は、本発明の第２実施形態における第２空気バネ装置１ｂの膨張状態の概略を示す。なお、第１実施形態と同じ構成については同じ符号を付している。

第２空気バネ装置１ｂは、気体バネの一例としての第１空気バネ３と、回転体の一例としての第２円板部材１２ｂと、第２変速部８０ｂと、第２トルク補償部８１ｂと、第２変位部の一例としての第２コネクタ１４ｂとを備える。

第１空気バネ３は、第１シリンダ４と第１ピストン５とで構成される。第１シリンダ４には、第１貫通穴７及び吸排気部の一例としての第２吸排気バルブ８ｂが設けられている。

第２変速部８０ｂは、第３非真円板の一例としての第３非円板部材１３ｃと、第３可撓性連結部材の一例としての第３スチールベルト１１ｄと、第２伝達部の一例としての第２連結板８２ｂとで構成される。第２変速部８０ｂは、第３スチールベルト１１ｄを介して第３非円板部材１３ｃに伝達される第１空気バネ３の発生力を、任意の比で変換して、第２連結板８２ｂにトルクとして伝達する。

第２トルク補償部８１ｂは、弾性体の一例としての第２空気バネ３ａと、第４非真円板の一例としての第４非円板部材１３ｄと、第１可撓性連結部材の一例としての第６スチールベルト１１ｆとで構成される。第２トルク補償部８１ｂは、詳細は後述するが、第１空気バネ３の第１内部空間２１の気体量が所定の値である場合に第４非円板部材１３ｄに作用するトルクを略０にしている。

図１３の第２空気バネ装置１ｂにおいて、第２フレーム２ｂは板状の部材である。気体バネの一例としての第１空気バネ３は、第２フレーム２ｂに固定されている。第１空気バネ３は第１シリンダ４と第１ピストン５とで構成されている。例えば、第１ピストン５は横方向に進退可能に配置され、第１ピストン５のストロークは、第１シリンダ４の内部の両端に設けられたストッパー６ａ、６ｂにより制限されている。第１シリンダ４の両端には、第１貫通穴７と吸排気部の一例としての第２吸排気バルブ８ｂが設けられている。第２吸排気バルブ８ｂは、第１シリンダ４の第１内部空間２１の空気量を増加させる際には第１吸排気バルブ８ａを介して接続された圧力源（例えば、図１１の参照符号４３を参照）との接続口となり、第１内部空間２１の空気量を減少させる際には第１吸排気バルブ８ａを介して周辺大気への放出口となる。しかしながら、それ以外の場合には第１吸排気バルブ８ａで閉鎖され、第１内部空間２１の空気量を維持し続ける。第１ピストン５には、第１内部空間２１の空気圧と第１貫通穴７により維持される大気圧との差圧に比例した力が加わり、第１ピストン５のピストンロッド５ｒの先端に設けられた第２軸９ｂを押圧する。第２軸９ｂには第１動滑車１０ａが回転自由に連結されている。第１シリンダ４には、第２変速部８０ｂの一例としての第３スチールベルト１１ｄと第３非円板部材１３ｃとが連結されている。第３可撓性連結部材の一例としての第３スチールベルト１１ｄは、一端が第１シリンダ４に固定、他端が第３非真円板の一例としての第３非円板部材１３ｃに固定されるとともに、第１動滑車１０ａと、第３滑車１５ｃと、第３非円板部材１３ｃとに巻き付けられている。第３滑車１５ｃは、第２フレーム２ｂに固定された第７軸９ｇに回転自由に連結されており、第３スチールベルト１１ｄの変位を妨げないようになっている。第３非円板部材１３ｃは、第２フレーム２ｂに固定された第６軸９ｆに回転自由に連結されている。また、第３非円板部材１３ｃには、第３非円板部材１３ｃと第２円板部材１２ｂとの間に設けられた第２伝達部の一例としての円板形状の第２連結板８２ｂを介して回転体の一例としての第２円板部材１２ｂが固定されている。なお、第２連結板８２ｂの形状は円板形状に限るものではなく、任意の形状が利用可能である。第２連結板８２ｂは、第３スチールベルト１１ｄの張力により第３非円板部材１３ｃに作用するトルクを第２円板部材１２ｂに伝達するようにしている。第３非円板部材１３ｃと第２円板部材１２ｂとは、一体になって第６軸９ｆ回りに回転する。このようにすることで、第１空気バネ３の発生力により第２円板部材１２ｂには第６軸９ｆ回りのトルクが作用するようになる。

第２円板部材１２ｂには、第５スチールベルト１１ｅの一端が固定され、巻き付けられている。第５スチールベルト１１ｅの他端には、第２変位部の一例としての第２コネクタ１４ｂが設けられ、外部負荷と連結可能になっている。このようにすることで、第２コネクタ１４ｂは第２円板部材１２ｂの回転動作と連動して変位することになる。

また、第２円板部材１２ｂには、第２トルク補償部８１ｂの一例としての第４非円板部材１３ｄと、第６第６スチールベルト１１ｆと、第２空気バネ３ａとが連結されている。第４非真円板の一例としての第４非円板部材１３ｄは、第４非円板部材１３ｄと同形状である第２伝達部の一例としての第２連結板８２ｂを介して第２円板部材１２ｂに固定されている。第４非円板部材１３ｄと第２円板部材１２ｂと第３非円板部材１３ｃとは、一体になって第６軸９ｆ回りに回転する。第１可撓性連結部材の一例としての第６スチールベルト１１ｆは、一端が第４非円板部材１３ｄに固定されるとともに、第４非円板部材１３ｄに巻き付けられている。第６スチールベルト１１ｆの他端は、弾性体の一例としての第２空気バネ３ａを構成する第２シリンダ４ａに連結されている。第２空気バネ３ａは、第２シリンダ４ａと第２ピストン５ａとで構成される。例えば、第２ピストン５ａも横方向に進退可能に配置され、第２ピストン５ａには、第２シリンダ４ａの閉鎖された第２内部空間２１ａの空気圧と第２シリンダ４ａの第２ピストンロッド５ｓ側に設けられた第１貫通穴７ａにより維持される大気圧との差圧に比例した力が加わり、第２ピストン５ａの第２ピストンロッド５ｓの先端に設けられた第４軸９ｄを押圧する。第４軸９ｄには、第２動滑車１０ｂが回転自由に連結されている。第６スチールベルト１１ｆは、第２シリンダ４ａと第４非円板部材１３ｄとの間を、第２動滑車１０ｂと第４滑車１５ｄとに巻き付きながら、連結している。第４滑車１５ｄは、第２フレーム２ｂに固定された第８軸９ｈに回転自由に連結されており、第６スチールベルト１１ｆの変位を妨げないようになっている。なお、図１３では、一例として、軸９ｂなどの配置関係に関しては、第６軸９ｆに対して、一方の側、例えば右側において、上から下向きに、第２軸９ｂと第７軸９ｇとが配置されるとともに、他方の側、例えば左側において、上から下向きに、第４軸９ｄと第８軸９ｈとが配置されている。

次に、この第２空気バネ装置１ｂの作用を説明する。

図１３の状態では、第１空気バネ３の発生力により、第１ピストン５が図１３の左方向に移動して第１動滑車１０ａが時計方向に回転して、第３スチールベルト１１ｄに張力が発生し、第３非円板部材１３ｃに時計回りのトルクが作用している。また、第２空気バネ３ａの発生力により、第２ピストン５ａが図１３の右方向に移動して第２動滑車１０ｂが反時計方向に回転して、第６スチールベルト１１ｆに張力が発生し、第４非円板部材１３ｄに反時計回りのトルクが発生している。第２円板部材１２ｂと、第３非円板部材１３ｃと、第４非円板部材１３ｄとは一体となって第６軸９ｆ回りに回転するので、第２円板部材１２ｂには第１空気バネ３による時計回りのトルクと第２空気バネ３ａによる反時計回りのトルクとの合成トルクが伝達される。第２円板部材１２ｂに巻き付けられた第５スチールベルト１１ｅには、合成トルクを第６軸９ｆの中心から第５スチールベルト１１ｅまでの距離Ｒｂで割っただけの張力が作用し、第２コネクタ１４ｂに対して図１３の上方向への力が加わるようになる。

図１３の状態から第１空気バネ３の第１内部空間２１の空気が膨張し、図１４の状態に至るまでには、各構成要素は、図１３に示した矢印の方向に移動若しくは回転する。第１空気バネ３の第１内部空間２１の空気が膨張することで失われるエネルギーは、第２コネクタ１４ｂを介した負荷の移動及び第２空気バネ３ａの圧縮に用いられる。

以下、第２空気バネ装置１ｂが動作する際に発生する力及びトルクについて説明する。

第２実施形態では、第５スチールベルト１１ｅに作用する張力Ｆ_２が、Ｆ_２＝Ｒ_０（１＋ＫＺ）（Ｐ_０−Ｐ_ａ）Ａ／（２Ｒ_ｂ）で表される線形バネ特性となるよう構成している。ここで、Ｐ_０は第１内部空間２１の容積がＡＬであるときの第１内部空間２１の圧力を絶対圧力で表したものである。Ｐ_ａは、大気圧である。Ａは、第１ピストン５の断面積である。Ｒ_０は、図１４の状態における第１軸９ａの中心から第２スチールベルト１１ｂの厚み中心までの距離である。Ｒ_ｂは、第２円板部材１２ｂの半径である。Ｋは、第２空気バネ装置１ｂにより実現される線形バネ特性のバネ剛性に対応する定数である。Ｚは、第２コネクタ１４ｂの変位である。定数Ｋが大きくなるほど、変位Ｚが変化したときの張力Ｆ_２の変化が大きくなる。図１４における第２コネクタ１４ｂの変位をＺ＝０とし、Ｚ＝０の位置から下方に変位するほど、変位Ｚは増加するよう定義される。図１３における第２コネクタ１４ｂの変位をＺ＝Ｚ_ｍａｘとしている。すなわち、Ｘ＝０のときＺ＝０となり、Ｘ＝Ｘ_ｍａｘのときＺ＝Ｚ_ｍａｘとなる。第２空気バネ装置１ｂを利用する際の第２コネクタ１４ｂの移動速度は、一例として、第１空気バネ３が等温変化と見なせる程の低速（例えば３ｃｍ／ｓ程度）にすれば、第２空気バネ装置１ｂの性能が安定する。

定数Ｚと変位Ｘとの関係は以下のように求められる。第２コネクタ１４ｂを０〜Ｚまで移動させる際に行われる仕事は、Ｒ_０Ｚ（１＋ＫＺ／２）（Ｐ_０−Ｐ_ａ）Ａ／Ｒ_ｂとなる。また、第１空気バネ３の発生力Ｆ_ｓは、等温過程と見なして、Ｆ_ｓ＝（Ｐ_０／（１−Ｘ）−Ｐ_ａ）Ａとなる。第２実施形態では、第１内部空間２１の空気量がＰ_０＝Ｐ_ａとなる空気量における第１空気バネ３の発生力Ｆ_ｓによるトルクＴ_ｓと釣り合うトルクを、第２空気バネ３ａの発生力により第２円板部材１２ｂに作用させているので、第１空気バネ３と第２空気バネ３ａを一つの空気バネと見なしたときの発生力は、Ｆ_ｓ−（Ｘ／（１−Ｘ））Ｐ_ａＡ＝（１／（１−Ｘ））（Ｐ_０−Ｐ_ａ）Ａとなる。この空気バネを０〜Ｘまで移動させる際に行われる仕事は、図１４における第１内部空間２１の容積がＡＬで表されるとして、−（Ｐ_０−Ｐ_ａ）ＡＬｌｎ（１−Ｘ）となる。２つの仕事が等しいと置くことで、Ｚ＝（−１＋ｓｑｒｔ（１−２ＫＲ_ｂＬｌｎ（１−Ｘ）／Ｒ_０））／Ｋとなる。このようなＺとＸの関係を実現するために、第３非円板部材１３ｃは、異なる曲率半径をそれぞれ有する複数の円弧の集りで形成される湾曲した側面を有して回転可能な板状部材で構成され、前記板状部材の回転により前記湾曲した側面に第３スチールベルト１１ｄが接触して巻き付けられるようにしている。より詳しくは、第３非円板部材１３ｃの形状は、第６軸９ｆの中心から、第３非円板部材１３ｃの湾曲した側面に対して第３スチールベルト１１ｄが接線として接触する接点までの距離（半径）ＲがＲ＝Ｒ_０（１＋ＫＺ）（１−Ｘ）となるように形作られている。ちなみに、変位Ｚは、第２円板部材１２ｂの回転角度θを用いてＺ＝−Ｒ_ｂθと表すこともできる。ここで、回転角度θは、図１４における第２円板部材１２ｂの回転角度をθ＝０とし、θ＝０の位置から反時計回りに回転するほど、回転角度θが減少するよう定義される。すなわち、Ｚ＝０においてθ＝０となり、Ｚ＝Ｚ_ｍａｘにおいてθ＝−θ_ｍａｘとなる。ただし、θ_ｍａｘ＝Ｚ_ｍａｘ／Ｒ_ｂである。この関係を用いることで、距離Ｒと回転角度θとの関係を求めることができる。

図３は、第１実施形態の説明で使用した図であるが、本発明の第２実施形態における第１空気バネ３の変位Ｘと発生力Ｆ_ｓとの関係をも示す。第２実施形態でも、本発明の第１実施形態と同じ第１空気バネ３を用いることにする。第１ピストン５の位置（変位）Ｘが増加するほど第１内部空間２１の容積は減少し、圧力が高まることになる。第２実施形態ではＸの最大値、すなわち図１における第１ピストン５の位置がＸ＝Ｘ_ｍａｘ＝０．７である場合について示しているが、これに限るものではない。Ｘ_ｍａｘは、一例として、実用上、０．３〜０．９の範囲の値とする。図３では、第１空気バネ３の発生力Ｆ_ｓをＰ_ａＡで正規化して示している。図３より、第１空気バネ３の発生力は第１ピストン５の位置により大きく変動することがわかる。一例として、圧力Ｐ_０をＰ_ａ〜７Ｐ_ａ程度とすれば、圧力が低く、空圧機器としての扱いが容易な利点がある。また、一例として、圧力Ｐ_０を３０Ｐ_ａ〜８０Ｐ_ａ程度とすれば、第１空気バネ３を小型化できる利点がある。

図１５は、本発明の第２実施形態における第２コネクタ１４ｂの変位と第２円板部材１２ｂに作用する第１空気バネ３の発生力によるトルクＴ_ｓとの関係を示す。トルクＴ_ｓは時計回りを正とすると、Ｔ_ｓ＝Ｆ_ｓＲ／２＝Ｒ_０（１＋ＫＺ）（Ｐ_０−（１−Ｘ）Ｐ_ａ）Ａ／２となる。第２実施形態では、第１動滑車１０ａを用いることで第１空気バネ３のストロークを２倍に拡大しているので、Ｔ_ｓ＝Ｆ_ｓＲ／２となる。第２実施形態では、Ｋ＝１．５、Ｒ_ｂＬ／Ｒ_０＝１とした場合について示している。図１５では、トルクＴ_ｓをＰ_ａＡＲ_０／２で正規化し、変位ＺをＺ_ｍａｘで正規化して示している。

図１６は、本発明の第２実施形態における第２コネクタ１４ｂの変位と第２円板部材１２ｂに作用する第１空気バネ３及び第２空気バネ３ａの発生力によるトルクＴ_ｓ＋Ｔ_ｃとの関係を示す。第２実施形態でも、Ｐ_０＝Ｐ_ａとなる第１内部空間２１の空気量における第１空気バネ３の発生力Ｆ_ｓによるトルクＴ_ｓと釣り合うトルクを、第２空気バネ３ａの発生力により第２円板部材１２ｂに作用させている。すなわち、第２空気バネ３ａの発生力により第２円板部材１２ｂに作用するトルクをＴ_ｃとすると、Ｔ_ｃ＝−Ｒ_０（１＋ＫＺ）ＸＰ_ａＡ／２となる。よって、Ｔ_ｓ＋Ｔ_ｃは、時計回りを正とすると、Ｔ_ｓ＋Ｔ_ｃ＝Ｒ_０（１＋ＫＺ）（Ｐ_０−Ｐ_ａ）Ａ／２となる。図１６では、Ｔ_ｓ＋Ｔ_ｃをＰ_ａＡＲ_０／２で正規化し、変位ＺをＺ_ｍａｘで正規化して示している。図１６より、第２トルク補償部８１ｂによってＰ_０＝Ｐ_ａにおけるＴ_ｓ＋Ｔ_ｃが０となることが確認できる。なお、ここでは、トルクＴ_ｃについて理想的な状態について述べているが、実際には製作上の誤差などにより、トルクＴ_ｃに２％程度のずれが生じていても実施上問題はない。よって、このような状態を、本明細書では、トルクが０となると説明するが、実際には、製作上の誤差などを含めて略０とも言うことができる。また、ここで比較されるのは、トルクＴ_ｓとトルクＴ_ｃのそれぞれについて摩擦抵抗などによるヒステリシス成分を除いた中心値同士の関係である。図１６より、第２実施形態において圧力Ｐ_０を変化させることで、第２コネクタ１４ｂに作用する力Ｆ_２を広範囲に調節できることがわかる。また、圧力Ｐ_０の値が変化しても、第２コネクタ１４ｂの位置に対応した線形バネの特性が維持されることがわかる。第２空気バネ装置１ｂを利用する際の第２コネクタ１４ｂの移動速度は、一例として、第１空気バネ３が等温変化と見なせる程の低速（例えば３ｃｍ／ｓ程度）とすれば、第２空気バネ装置１ｂの性能が安定する。

トルクＴ_ｃは圧力Ｐ_０に依存しないトルクであるため、各回転角度θにおいて第２空気バネ３ａの発生力Ｆ_ｃを２で割った値に第６軸９ｆの中心から第６スチールベルト１１ｆの厚み中心までの距離Ｒ_ｃを掛けたトルクＦ_ｃＲ_ｃ／２がトルクＴ_ｃと等しくなるように第４非円板部材１３ｄの形状を形作る。すなわち、第４非円板部材１３ｄは、異なる曲率半径をそれぞれ有する複数の円弧の集りで形成される湾曲した側面を有して回転可能な板状部材で構成され、前記板状部材の回転により前記湾曲した側面に第６スチールベルト１１ｆが接触して巻き付け可能としている。このように構成することで、トルクＴ_ｃを発生する第２トルク補償部８１ｂを実現することができる。発生力Ｆ_ｃを２で割るのは、第２実施形態では、第２動滑車１０ｂを用いることで第２空気バネ３ａのストロークを２倍に拡大しているからである。第２空気バネ３ａの諸元及び発生力Ｆ_ｃは、第１空気バネ３の特性にのみ依存するので、第１実施形態と同様にして求めることができる。よって、それぞれの回転角度θにおけるトルクＴ_ｃ、発生力Ｆ_ｃが求められるようになるので、第６軸９ｆの中心から第６スチールベルト１１ｆの厚み中心までの距離Ｒ_ｃはＲ_ｃ＝２Ｔ_ｃ／Ｆ_ｃより求めることができる。

また、第３非円板部材１３ｃ及び非円板部材の１３ｄの形状についてさらに説明する。前述のように、第３非円板部材１３ｃの形状は、第２円板部材１２ｂの回転角度がθのときに第６軸９ｆの中心から第３スチールベルト１１ｄの厚み中心までの距離が回転角度θの関数であるＲとなる形状である。また、第４非円板部材１３ｄの形状は、第２円板部材１２ｂの回転角度がθのときに第６軸９ｆの中心から第６スチールベルト１１ｆの厚み中心までの距離が回転角度θの関数であるＲ_ｃとなる形状である。第３非円板部材１３ｃの形状は、それぞれの回転角度θにおいて第６軸９ｆと同軸の半径Ｒの円と第３滑車１５ｃのピッチ円との共通接線を引いたときの全ての共通接線に接する曲線となる。同様に、第４非円板部材１３ｄの形状は、それぞれの回転角度θにおいて第６軸９ｆと同軸の半径Ｒ_ｃの円と第４滑車１５ｄのピッチ円との共通接線を引いたときの全ての共通接線に接する曲線となる。このようにして求められる形状は、滑車のピッチ円に相当するものであるため、実際に製作すべき形状は、回転中心側の法線方向にスチールベルトの厚みの半分だけオフセットした形状となる。

ここで、第２円板部材１２ｂに作用するトルクの様子を図１７Ａ、図１７Ｂ、及び、図１７Ｃに示す。図１７Ａ、図１７Ｂ、及び、図１７Ｃは、それぞれθ＝０，−θ_ｍａｘ／２，−θ_ｍａｘにおける状態であり、わかりやすくするために、力の作用する方向は水平もしくは垂直方向として表している。ここで、半径Ｒ_ｂは回転角度θに依存しない一定の値となる。また、張力Ｆ_２は、回転角度θが減少するほど増加し、線形バネ特性を実現していることから、θ＝−θ_ｍａｘ／２での値はθ＝０における値とθ＝−θ_ｍａｘにおける値の中間値となっている。図１７Ａ、図１７Ｂ、及び、図１７Ｃより、回転角度θが減少するほど第１空気バネ３が圧縮され、第３スチールベルト１１ｄに作用する張力Ｆ_ｓ／２が増加し、第１空気バネ３の発生力による時計回りのトルクが増加していくことがわかる。一方で、回転角度θが減少するほど第２空気バネ３ａの第２内部空間２１ａの空気は膨張するので、第６スチールベルト１１ｆに作用する張力Ｆ_ｃ／２が減少していくことがわかる。しかし、第４非円板部材１３ｄの形状により、Ｐ_０＝Ｐ_ａとなる第１内部空間２１の空気量における第１空気バネ３の発生力Ｆ_ｓによるトルクＴ_ｓと釣り合う反時計回りのトルクＴ_ｃが発生するように、距離Ｒ_ｃが増加していくことがわかる。このようにして、回転角度θが減少するほどＦ_ｃ／２が減少するにもかかわらず、反時計回りのトルクＴ_ｃは増加するようになる。そして、最終的に、時計回りの合成トルクＴ_ｓ＋Ｔ_ｃを距離Ｒ_ｂで割った張力Ｆ_２が第５スチールベルト１１ｅに作用し、線形バネ特性が実現されるようになっている。

前記第２実施形態にかかる構成によれば、第２円板部材１２ｂに第１空気バネ３の発生力によるトルクと第２空気バネ３ａによるトルクとを作用させることで、第３非円板部材１３ｃにより規定される線形バネ特性を維持したまま、第１空気バネ３の第１内部空間２１の空気量に応じて変化する力を、第２コネクタ１４ｂに作用させられるようになる。すなわち、前記第２実施形態によれば、第１空気バネ３の第１内部空間２１の空気量の調節により、発生力を容易に変化できるとともに、第１空気バネ３の第１内部空間２１の空気量を一定としたまま、第２コネクタ１４ｂの位置に対応した線形バネ力を発生することができるようになる。よって、広範囲な負荷重量の変化への対応が容易で、かつ、位置変化に伴う気体の吸排気が不要な、第２空気バネ装置１ｂが得られるようになる。

なお、第２実施形態では、第１空気バネ３及び第２空気バネ３ａの動作気体として空気を用いているが、これに限るものではなく、理想気体と見なせる各種気体が利用可能である。一例として、空気は、入手が容易であるという利点がある。別の例として、窒素等の不活性ガスは、特性が安定しているという利点がある。

なお、第２実施形態では、動滑車を用いて第１空気バネ３及び第２空気バネ３ａの変位を２倍に拡大しているが、これに限るものではなく、第１又は第２ピストンロッド５ｒ、５ｓの先端にスチールベルト１１ｄ、１１ｆを直接固定するようにしても良い。また、第２変速部８０ｂの一例として、任意の公知のストローク変換機構を用いて任意の倍率で第１空気バネ３又は第２空気バネ３ａの変位を変換する場合でも、同様に実施可能である。また、第１空気バネ３及び第２空気バネ３ａはそれぞれ伸長方向に力を発生する構成となっているが、これに限るものではなく、収縮方向に力を発生する構成としても良い。

なお、第２実施形態では、弾性体として第２空気バネ３ａを用いているが、これに限るものではなく、各種金属バネ、磁気バネ等、又は、任意の公知の弾性体のいずれを用いても実施可能である。このときの第４非円板部材１３ｄの形状は、第２空気バネ３ａのエクセルギーの変化をそれぞれの弾性体における弾性エネルギーの変化に置き換えることで、同様に求めることができる。

なお、第２実施形態では、スチールベルト１１ｃを介することで第２コネクタ１４ｂの変位と第２円板部材１２ｂの回転とを連動させているが、これに限るものではなく、ラック・アンド・ピニオン機構等、公知の直動−回転変換のいずれかを用いても実施可能である。

なお、第２実施形態では、第１ピストン５のストロークをシリンダ内部に設けたストッパーで制限しているが、これに限るものではなく、シリンダ外部に設けたストッパー、又は、第２円板部材１２ｂの回転角度を制限するストッパー、又は、第２コネクタ１４ｂの変位を制限するストッパーを用いても同様に実施可能である。

なお、第２実施形態では、可撓性連結部材の一例としてスチールベルトを用いているが、これに限るものではなく、金属製以外のベルト、又は、ワイヤロープ等の紐状のものであっても同様に実施可能である。また、紐状の部材を用いる場合、一例として、対応する第２円板部材１２ｂ、第３非円板部材１３ｃ、１３ｄ、第１動滑車１０ａ、１０ｂ、並びに、第３滑車１５ｃ、１５ｄのそれぞれの外周には、脱落防止のための溝を設ける。また、紐状の部材を用いる場合、第２円板部材１２ｂの回転角度は１回転未満に限るものではなく、第２円板部材１２ｂをドラム状の回転体とし、第３非円板部材１３ｃ、１３ｄを円錐螺旋状の溝を備えた回転体とすることで、複数回、回転させるようにしても良い。

なお、第２実施形態では、第２円板部材１２ｂ、第３非円板部材１３ｃ、１３ｄは一体となって同軸に回転しているが、これに限るものではなく、互いに連動して回転すれば同様に実施可能であるため、互いを歯車又はベルトなどで連結して異なる軸回りに回転させても良い。

なお、第２実施形態では、最終出力を第２コネクタ１４ｂにおける直動動作としているが、これに限るものではなく、任意の公知の直動−回転変換機構を用いたり、第２円板部材１２ｂを外部負荷と直接的に連結したりするなどして、最終出力を回転動作としても良い。この場合、変位部は回転動作するものとなり、第２円板部材１２ｂと連動した変位部の角変位に対して線形に変化するトルクが外部に取り出せるようになる。

なお、第２実施形態では、第１内部空間２１の空気量がＰ_０＝Ｐ_ａとなる空気量におけるトルクＴ_ｓを第２トルク補償部８１ｂにより補償しているが、これに限るものではない。例えば、Ｐ_０＝αＰ_ａ（αは１以上の任意の値）となる空気量におけるトルクを第２トルク補償部８１ｂで補償しても同様に実施可能である。この場合、Ｔ_ｓ＋Ｔ_ｃ＝Ｒ_０（１＋ＫＺ）（Ｐ_０−αＰ_ａ）Ａ／２となり、Ｐ_０＝αＰ_ａ以上の場合に線形バネとして利用可能になる。

なお、第２実施形態では、第３非円板部材１３ｃと第３スチールベルト１１ｄにより線形バネの特性を実現しているがこれに限るものではなく、第３非円板部材１３ｃの形状を変化させて線形バネとは異なるバネ特性としても良い。

（第３実施形態）
図１８は、本発明の第３実施形態における、複合気体バネ装置の一例としての複合空気バネ装置１ｃの概略を示す。図１８において、ベース６１は板状の部材である。第２実施形態にかかる第２空気バネ装置１ｂの第２フレーム２ｂと、第１実施形態にかかる第１空気バネ装置１ａの第１フレーム２ａがベース６１上の上下に固定されている。第２空気バネ装置１ｂの第２コネクタ１４ｂに対し、第１空気バネ装置１ａの第１コネクタ１４ａが反対側から連結されて（例えば、図１８では、上側に配置された第２コネクタ１４ｂに対して下側から第１コネクタ１４ａが連結され）、一体化している。このように一体化した第１コネクタ１４ａと第２コネクタ１４ｂとには、第２空気バネ装置１ｂの発生力から第１空気バネ装置１ａの発生力を引いた力が、図１８の上方向に作用するようになっている。このとき、第１コネクタ１４ａと第２コネクタ１４ｂの可動範囲が重なるように、第１フレーム２ａと第２フレーム２ｂの間隔は設定されている。

次に、この複合空気バネ装置１ｃの作用を説明する。

第２コネクタ１４ｂには、第２空気バネ装置１ｂより、Ｒ_０（１＋ＫＺ）（Ｐ_０−Ｐ_ａ）Ａ／（２Ｒ_ｂ）だけの力が図１８の上方向に作用する。第１コネクタ１４ａには、第１空気バネ装置１ａより、（Ｐ_０−Ｐ_ａ）ＡＲ_ａ／（２Ｒ_０）だけの力が図１８の下方向に作用する。それぞれの記号の意味は、第１実施形態及び第２実施形態において説明した内容と同一である。第２実施形態では、第２空気バネ装置１ｂにおけるＲ_０／（２Ｒ_ｂ）と第１空気バネ装置１ａにおけるＲ_ａ／（２Ｒ_０）とが等しく１である場合について示しており、一体化した第１コネクタ１４ａと第２コネクタ１４ｂに作用する力は、図１８の上方向にＫＺ（Ｐ_０−Ｐ_ａ）Ａとなる。ただし、第１空気バネ装置１ａ及び第２空気バネ装置１ｂにおけるＰ_０、Ａは同一である。このようにすることで、第２空気バネ装置１ｂにおけるＺ＝０状態での一体化した第１コネクタ１４ａと第２コネクタ１４ｂとに作用する力を常に０としたまま、線形バネのバネ定数だけをＰ_０を調節することで変化させられるようになる。なお、ここでは、第１空気バネ装置１ａ及び第２空気バネ装置１ｂの特性について理想的な状態について述べているが、実際には、製作上の誤差などにより、それぞれの空気バネ装置におけるトルクＴ_ｃの中心値に２％程度のずれが生じていても、実施上問題はない。このように、複数の空気バネ装置を組み合わせることで、圧力Ｐ_０により発生力が調節可能な新たな特性の空気バネ装置が実現できるようになる。さらに、第３実施形態では、第１空気バネ装置１ａ及び第２空気バネ装置１ｂの圧力Ｐ_０を同一にしているが、これを独立して別々に調節すれば、第１空気バネ装置１ａ及び第２空気バネ装置１ｂが複合空気バネ装置１ｃの特性に及ぼす影響度合いもそれぞれ調節可能になるので、複合空気バネ装置１ｃの発生力だけでなく、特性自体も調節可能になる。

なお、第３実施形態では、２つの空気バネ装置１ａ，１ｂの組合せ方として、定荷重バネ特性と線形バネ特性とを組合せているが、これに限るものではなく、他のどのような特性同士を組み合わせても同様に実施可能である。

なお、本発明を第１〜第３実施形態及び変形例に基づいて説明してきたが、本発明は、前記の第１〜第３実施形態及び変形例に限定されないのはもちろんである。

なお、上記様々な実施形態又は変型例のうちの任意の実施形態又は変型例を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。

本発明にかかる気体バネ装置、それを用いたバランサー装置及びアクチュエータは、気体バネ内の気体量を調節することで負荷重量の変化への対応が容易に行えるとともに、位置変化に伴う気体の吸排気を不要とすることができ、有用である。また、本発明にかかる気体バネ装置、それを用いたバランサー装置及びアクチュエータは、バランサー装置やアクチュエータ以外でも、マニピュレータ等の接触力、剛性を調節するクッション装置としても応用できる。
本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形又は修正は明白である。そのような変形又は修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。

Claims (15)

1. フレームに固定され、内部空間の圧力と大気圧との差圧に比例した力を発生する気体バネと、
   前記気体バネに配置され、前記気体バネの前記内部空間の気体量を調節可能な吸排気部と、
   前記フレームに回転可能に配置されかつ前記気体バネに接続され、前記気体バネにより発生した前記力によるトルクが作用する回転体と、
   前記回転体に接続され、前記回転体の回転動作と連動して変位する変位部と、
   前記フレームに配置されるとともに、前記回転体と前記変位部との間に設けられて前記気体バネの発生力により前記回転体に作用するトルクと前記変位部に作用する力とを変換すること、及び、前記気体バネと前記回転体との間に設けられて前記気体バネの発生力と前記回転体に作用するトルクとを変換すること、のいずれか又は双方を行う変速部と、
   前記フレームに配置されかつ前記回転体に接続され、前記気体バネの前記内部空間の前記気体量が所定の値である場合に前記回転体に作用するトルクを略０にするトルク補償部と、
   を備える気体バネ装置。
2. 前記気体バネの前記内部空間の前記気体量が、前記内部空間の容積を最大にした際に内部圧力が大気圧となる気体量であるときに、前記トルク補償部が前記回転体に作用する前記トルクを略０にする請求項１に記載の気体バネ装置。
3. 前記トルク補償部が、
   前記フレームに配置された弾性体と、
   前記弾性体に接続され、前記弾性体の発生力による張力が作用する第１可撓性連結部材と、
   前記フレームに回転可能に配置され、前記第１可撓性連結部材が巻き付けられる第１非真円板と、
   前記フレームに回転可能に配置され、前記第１可撓性連結部材の張力により前記第１非真円板に作用するトルクを前記回転体に伝達する第１伝達部と、
   を備える請求項１又は２に記載の気体バネ装置。
4. 前記第１非真円板は、異なる曲率半径をそれぞれ有する複数の円弧の集りで形成される湾曲した側面を有して回転可能な板状部材で構成され、前記板状部材の回転により前記湾曲した側面に前記第１可撓性連結部材が接触して巻き付けられる、
   請求項３に記載の気体バネ装置。
5. 前記第１非真円板は、前記回転体の回転角度がθのときに前記回転体の回転軸の中心から前記第１可撓性連結部材の厚み中心までの距離Ｒｃ＝２Ｔｃ／Ｆｃとなる形状である部材であり、Ｔｃは前記回転体に前記回転角度θにおいて前記トルク補償部が作用させるトルクであり、Ｆｃは前記弾性体が発生する力である、
   請求項４に記載の気体バネ装置。
6. 前記回転体と前記変位部との間に設けられる前記変速部が、
   前記回転体に接続され、前記回転体と連動して回転する第２非真円板と、
   一方が前記第２非真円板に巻き付けられ、他方が前記変位部に接続される第２可撓性連結部材と、
   を備える請求項１又は２に記載の気体バネ装置。
7. 前記第２非真円板は、異なる曲率半径をそれぞれ有する複数の円弧の集りで形成される湾曲した側面を有して回転可能な板状部材で構成され、前記板状部材の回転により前記湾曲した側面に前記第２可撓性連結部材が接触して巻き付けられる、
   請求項６に記載の気体バネ装置。
8. 前記気体バネは、シリンダと、前記シリンダ内を移動するピストンとで構成され、
   前記第２非真円板は、その形状が、前記回転体の回転角度が回転角度θのときに前記回転体の回転軸の中心から前記第２可撓性連結部材の厚み中心までの距離ＲがＲ＝Ｒ０／（１−Ｒａθ／（２Ｌ））となるように形作られた部材であり、Ｒ０は回転角度θ＝０における前記軸の中心から前記第２可撓性連結部材の厚み中心までの距離であり、Ｒａは前記回転体の半径であり、Ｌは前記シリンダ内で前記ピストンが移動する内部空間の長さＬである、
   請求項７に記載の気体バネ装置。
9. 前記気体バネと前記回転体との間に設けられる前記変速部が、
   前記気体バネに接続され、前記気体バネにより発生した前記力による張力が作用する第３可撓性連結部材と、
   前記フレームに回転可能に配置され、前記第３可撓性連結部材が巻き付けられる第３非真円板と、
   前記第３可撓性連結部材の張力により前記第３非真円板に作用するトルクを前記回転体に伝達する第２伝達部と、
   を備える請求項１又は２に記載の気体バネ装置。
10. 前記変位部から取り出される力又はトルクが、変位又は角変位に関わらず一定である請求項１又は２に記載の気体バネ装置。
11. 前記変位部から取り出される力又はトルクが、変位又は角変位に対して線形に変化する請求項１又は２に記載の気体バネ装置。
12. 特性の異なる請求項１又は２に記載の気体バネ装置を複数備え、各気体バネ装置の前記変位部及び前記回転体と前記変位部との間に設けられる前記変速部が互いに共有される構成である、複合気体バネ装置。
13. 請求項１又は２に記載の気体バネ装置と、
    前記気体バネ装置の前記変位部に接続される物体の自重を支持する保持部と、
    を備えるバランサー装置。
14. 請求項１又は２に記載の気体バネ装置と、
    前記気体バネ装置の前記吸排気部に接続され、前記気体バネの内部空間の圧力を制御することで、前記気体バネ装置の発生力を変化させる制御装置と、
    を備える気体圧アクチュエータ。
15. 請求項１又は２に記載の気体バネ装置と、
    前記気体バネ装置の前記変位部に並列に力を作用させるアクチュエータと、
    を備えるバイアス荷重補償アクチュエータ。

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