ばね機構
【課題】ばね機構Ｓにおいて横向きのスライダを用いず、従来よりも摩擦抵抗を減らしながら、コストの上昇を招くこともなく、良好な等反発力特性を実現する。
【解決手段】上端部が被支持側に軸支され（Ａ）、そこから斜め下向きに延びている第１リンク１と、上端部が第１リンク１の下端部に軸支され（Ｂ，Ｃ）、そこから斜め下向きに延びて第１リンク１と「く」字状をなし、下端部（Ｄ）が支持側部材５に軸支されている第２リンク２と、上端部が第１及び第２リンク１，２を繋ぐピン４に連結され、そこから斜め下向きに延びて、下端部（Ｅ，Ｆ）が支持側部材５に連結されている圧縮コイルばね３と、を備える。圧縮コイルばね３は予圧縮状態とされ、被支持体の荷重を受ける第１リンク１の上端部（Ａ）が下方へ変位するに連れて、更に圧縮されつつ起き上がる。
【解決手段】上端部が被支持側に軸支され（Ａ）、そこから斜め下向きに延びている第１リンク１と、上端部が第１リンク１の下端部に軸支され（Ｂ，Ｃ）、そこから斜め下向きに延びて第１リンク１と「く」字状をなし、下端部（Ｄ）が支持側部材５に軸支されている第２リンク２と、上端部が第１及び第２リンク１，２を繋ぐピン４に連結され、そこから斜め下向きに延びて、下端部（Ｅ，Ｆ）が支持側部材５に連結されている圧縮コイルばね３と、を備える。圧縮コイルばね３は予圧縮状態とされ、被支持体の荷重を受ける第１リンク１の上端部（Ａ）が下方へ変位するに連れて、更に圧縮されつつ起き上がる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ばねの反発力によって被支持体を支持するばね機構に関し、特に、変位に伴う反発力の変化が非常に小さな所謂等反発力特性を有するものに係る。
【背景技術】
【０００２】
従来より、例えば起立補助用椅子のような福祉、医療機器或いは荷揚げ用のリフト等においては、それを使用する人間の負担を軽減するために、反発力の変化が非常に小さな所謂等反発力特性を有する機構が求められている。例えば起立補助椅子の場合は下肢の弱い人でも楽に座ったり、立ち上がったりすることができるように、椅子の座部を昇降させるものが既に提案されており、その座部の昇降にはばねや電動歯車、エアーバック等が用いられる。
【０００３】
具体的にばねを用いる場合には、コイルばね等によって椅子の座部を下方から支持し、人の動作をばねの反発力によって補助することになるが、こうした場合、椅子から立ち上がる動作の過程でばねの圧縮量が減少するに連れて、反発力が減少することになり、立ち上がるまでに必要な反発力が得られないことがある。
【０００４】
一方、電動歯車やエアーバック等を用いる場合は、歯車機構、モータ、制御装置、エアーポンプ等が必要になることから、重量が重くなる上に高価なものになってしまい、更に電源として充電器を搭載するか、或いは外部電源を確保しなくてはならない。
【０００５】
このような問題に対し本発明者らは、コイルばねにリンク機構やスライダを組み合わせて、等反発力特性を発揮するばね機構を提案し、先に特許出願をしている（特許文献１を参照）。このものでは、上部フレーム及び下部フレームの間に被支持体の荷重を受ける主コイルばね（一次ばね）を配設するとともに、リンク及びスライダを介して上部フレームに上向きの力を加えるコイルばね（二次ばね）を設けており、この二次ばねに、上部フレームの下降に伴い反発力の減少する負のばね特性を発揮させることで、一次ばねと合わせた総反発力の変化が非常に小さくなるようにしている。
【特許文献１】特開２００６−５５４９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記従来例（特許文献１）のばね機構では、横向きにスライド移動するスライダにリンクを介して上下方向の支持荷重が加わる構造になっていることから、摩擦抵抗が大きくなりやすいという問題があった。
【０００７】
また、被支持体の荷重を受ける正のばね特性のコイルばねの他に、負のばね特性を発揮するコイルばねも設けなくてはならず、構造がやや複雑になってしまい、コストの上昇も懸念される。
【０００８】
斯かる諸点に鑑みて本発明の目的は、横向きのスライダを用いない新しい構造によって従来よりも摩擦抵抗を小さくしながら、コストの上昇を招くこともなく、等反発力特性を実現可能なばね機構を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記目的を達成すべく本発明では、特に圧縮コイルばねのレイアウトに工夫を凝らし、単一のコイルばねによって正、負の両方のばね特性が現れるようにしたものである。すなわち、請求項１の発明は、ばねの反発力によって被支持体を支持するばね機構であって、第１及び第２の二つのリンクと圧縮コイルばねとを備えている。
【００１０】
前記第１リンクは、上端部の荷重受部が被支持側に軸支され、且つ、上下方向に移動するように案内されるとともに、そこから斜め下向きに延びている。第２リンクは、上端部が前記第１リンクの下端部に軸支されるとともに、そこから斜め下向きに延びて第１リンクと「く」字状をなし、下端部が支持側に軸支されている。
【００１１】
そして、前記圧縮コイルばねは、上端部が前記第１リンクの下端側に連結される一方、下端部は前記支持側に連結されて、上下方向から斜めに倒れるようにレイアウトされていて、前記第１リンクの荷重受部がその可動範囲の上限にあるときに既に圧縮された予圧縮状態とされているとともに、そこから荷重受部が下方へ変位するのに連れて第１リンクが倒れるように回動すると、これに伴い更に圧縮されつつ起き上がるようになっている。
【００１２】
前記の構成により、被支持体の上下の移動に伴い第１リンク上端の荷重受部が下方に変位するときに、該第１リンクは全体として下方に移動しながら倒れるように下端部の周りに回動し、同様に第２リンクも全体として下方に移動しながら倒れるように下端部の周りに回動して、両者は上下に折り畳まれるように変形する。このとき、圧縮コイルばねは、前記第１リンクの動作に連れて上方から圧縮されつつ、下端部を中心に起き上がるようになる。
【００１３】
そうして圧縮されることによってコイルばねの反発力（軸方向）が増大するとともに、それが起き上がることによって反発力の上下方向の割合も大きくなり、第１リンクを介して被支持体を持ち上げる力が増大する。一方で、そうして起きあがることによって反発力の水平方向の割合は小さくなり、この水平方向の分力が第１リンクを介して被支持体に作用する持ち上げ力は小さくなる。
【００１４】
つまり、被支持体を持ち上げるように作用する力は、圧縮コイルばねの反発力の上下方向分力によるものが、その圧縮量の増大に連れて大きくなる正のばね特性を示す一方で、反発力の水平方向分力によるものは圧縮量の増大に連れて減少する負のばね特性を示すようになり、単一のコイルばねによって簡易に等反発力特性が得られる。
【００１５】
より具体的に、圧縮コイルばねの上端部を、第１リンクの下端部と第２リンクの上端部とを繋ぐ支軸に連結した場合、その第２リンクの腕の長さをＬとし、また、第１リンクの荷重受部がその可動範囲の下限にあるときに、前記第２リンクが水平方向に対し成す角度をθminとすれば、前記圧縮コイルばねは、その下端部と前記第２リンクの下端部との水平方向の間隔が、Ｌ×cosθminよりも大きく且つＬ×tanθminよりも小さくなるようにレイアウトすればよい（請求項２）。
【００１６】
こうすれば、圧縮コイルばねは、荷重受部がその可動範囲において上限から下限に亘り下方に変位するときに、これに伴い圧縮されつつ常に起き上がるようになって、前記請求項１の発明の作用が得られる。
【００１７】
好ましいのは、第１、第２リンク及び圧縮コイルばねを左右に並べて、対称状に対を成すように設け、その対を成す第１リンクの荷重受部同士を共通の支軸によって被支持側に軸支することである（請求項３）。尚、左右というのは、リンクを繋ぐ支軸の軸方向に見て左右という意味である。こうすれば、ばね機構の動作が安定するとともに、左右両側の各圧縮コイルばねの反発力によって対を成す第１リンクがそれぞれ斜め上向きに付勢されることから、荷重受部には左右の中央に寄せるような力が作用し、その移動方向が概ね上下方向になる。
【００１８】
その場合に、より好ましいのは、第１及び第２リンクの少なくとも一方を、対を成す相手方の第１乃至第２リンクと引張コイルばねによって連結することであり（請求項４）、こうすれば、引張コイルばねの引張力によって等反発力特性の改善が図られる。
【００１９】
更に、前記の構成において第１リンクの動作を規制する規制リンクを設けて、第２リンクがその下端部の周りに回動するときに、第１リンクの上端の荷重受部が上下方向にのみ移動するように案内することもできる（請求項５）。尚、荷重受部は、例えばスライダによって上下方向に案内するようにしてもよく、こうしても従来例（特許文献１）のように摩擦抵抗が大きくなることはない。
【発明の効果】
【００２０】
以上のように本発明に係るばね機構によると、単一の圧縮コイルばねによって正、負の両方のばね特性が現れるようにしたので、比較的簡単な構造でコスト上昇の心配もなく、等反発力特性を有するばね機構を実現できる。横向きのスライダは不要であり摩擦抵抗の大きくなる心配もない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態を図面に基いて説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。
【００２２】
図１には本発明に係るばね機構Ｓの構成を示す。これは、図に白抜きの矢印で示すように上方から作用する被支持体（図示せず）の荷重Ｗをばねの反発力（黒矢印Ｐとして示す）によって支持するものであり、後述するように例えば昇降装置として用いれば（図９を参照）、重量物を比較的小さな力で昇降できるようになる。ばね機構Ｓの用途としては他にもパンタグラフとして用いることが考えられる（図１０を参照）。
【００２３】
本発明に係るばね機構Ｓは、上述した特許文献１のものと同じく、変位に伴うばね力の変化が非常に小さな所謂等反発力特性を有する。その理想的な例は図２に示すように、変位ｘの増大に伴い比例的にばね力が増大する通常の（正の）ばね特性に対して、ばね定数の絶対値が同じで負の値となるような負の特性のばねのメカニズムを並列に組み合わせて、両者を合わせた総ばね力が変位ｘによらず略一定になるようにしたものである。
【００２４】
この実施形態のばね機構Ｓは、図１に示すように４つのリンク１，１，２，２をひし形状に組み合わせ、左右両隅部をそれぞれ圧縮コイルばね３，３によって上方に付勢している。上の２つのリンク１，１（以下、第１リンク）は、それぞれの上端部が共通のピン４（支軸であって、この例では荷重受部でもある。以下、Ａ点とも呼ぶ）によって被支持側の部材（図示せず）に軸支されていて、そのピン４を介して被支持体の荷重Ｗを受けるようになっている。
【００２５】
前記２つの第１リンク１，１は、下方に向かって徐々に離れるよう斜め下向きに（左側は左下に、右側は右下に）延びていて、その下端部には、下の２つのリンク２，２（以下、第２リンク）の上端部がピン４（支軸：Ｂ点、Ｃ点）によって回動可能に連結されている。これら第２リンク２，２は、互いに徐々に近づくよう斜め下向きに（左側は右下に、右側は左下に）延びていて、その下端部は共通のピン４（支軸：Ｄ点）によって基礎側（支持側）の部材５に回動可能に連結されている。
【００２６】
また、図の例では、左右両隅のピン４，４（Ｂ点、Ｃ点）にそれぞれ圧縮コイルばね３，３の上端部が連結されて、第１、第２リンク１，２に対し回動可能になっている。これら圧縮コイルばね３，３は、それぞれ、第２リンク２，２とは反対側の斜め下向きに（左側は左下に、右側は右下に）延びていて、その下端部は、それぞれピン４（支軸：Ｅ点、Ｆ点）によって基礎側部材５に回動可能に連結されている。
【００２７】
さらに、この例では、同図(a)のように４つのリンク１，１，２，２が概ね正方形状となるとき（一例であり、これに限らない）がばね機構Ｓの最高位置になり、この状態からひし形リンク１，１，２，２が潰れるように折り畳まれると、これに伴い左右の圧縮コイルばね３，３がそれぞれ圧縮されつつ起き上がるようになっている。同図(b)のように圧縮コイルばね３が最も起き上がったときが、ばね機構Ｓの最低位置である。
【００２８】
左右の圧縮コイルばね３，３は、いずれも前記最高位置において既に圧縮された状態になるよう予圧縮状態で組み付けられており、それぞれピン４，４を介し第１リンク１，１を上方斜め内向きに押圧付勢している。これにより、第１リンク１，１の上端部同士を連結するピン４（Ａ点）には、上方への持ち上げ力とともに左右の中央に寄せるような力も作用するようになり、ピン４は概ね上下方向に移動するように案内される。
【００２９】
尚、図示はしないが実際に使用する場合には、ばね機構Ｓの動作を最高位置から最低位置までの範囲に制限すべくストッパ機構を設けることが好ましく、その最高位置におけるＡ点高さがピン４の可動範囲の上限に対応し、最低位置のＡ点高さは下限に対応する。
【００３０】
図から明らかなようにばね機構Ｓは、ひし形リンクの上下両隅を結ぶ線分ＡＤに対して左右対称であり、第１リンク１、第２リンク２及び圧縮コイルばね３が線対称に一対、設けられている。よって、ばね機構Ｓの力学的な挙動については左若しくは右の半分について検討すれば十分であり、以下では図３〜５を参照して左半部についてのみ説明する。
【００３１】
図３に示すように、ばね機構Ｓの左半部において第１及び第２リンク１，２は「く」字状をなし、それらが上下に広がったり折り畳まれたりすることで、Ａ点が上下方向に変位するようになっている。同図(a)のようにＡ点がその可動範囲の上限（最高位置）にあるときに、圧縮コイルばね３は既に所定量圧縮されていて、そこから下方にＡ点が変位するに連れて更に圧縮されつつ、起き上がるようになる。このことでばね機構Ｓは、正、負の両方のばね特性を示すことになる。
【００３２】
詳しくは、Ａ点の変位ｘは下向きを正とし、図３(a)の最高位置でｘ＝０とすると、この最高位置において圧縮コイルばね３は既に圧縮されているから、図示のようにＢ点には圧縮コイルばね３の軸心方向にＰ0という初期反発力が発生している。この初期反発力Ｐ0は、図示のように上下方向と水平方向とに分解することができ、それらは更に第１リンク１の軸心方向の力と、それに直交する方向の力とに分解される。
【００３３】
すなわち、図４に第１リンク１のみを取り出して示すように、上下方向分力はリンク軸心方向の力と水平方向の力とに分解でき、第１リンク１における力の釣り合いからＡ点には持ち上げ力Ｆ1,0が発生する。同様に、水平方向分力はリンク軸心方向の力と上下方向の力とに分解でき（図５に示す）、これによりＡ点にはＦ2,0という持ち上げ力が発生する。そして、Ａ点における持ち上げ力は、変位ｘの関数として Ｆ(x) ＝ Ｆ1(x)＋Ｆ2(x) と表される。
【００３４】
最高位置からＡ点が下方に移動し変位ｘが増大するに連れて、第１リンク１が第２リンク２との連結ピン４（Ｂ点）の周りに図の時計回りに回動するとともに、第２リンク１は基礎側部材５との連結ピン４（Ｄ点）の周りに図の反時計回りに回動し、両者は全体として下方に移動しながら折り畳まれる（図１(b)を参照）。この際、Ｂ点はＤ点を中心とする円周上を斜め左下向きに移動することになり、圧縮コイルばね３は圧縮されつつ、その下端部（Ｅ点）を中心に図の反時計回りに回動して起き上がる。
【００３５】
そうして圧縮されるコイルばね３の反発力（軸方向）Ｐは、初期反発力Ｐ0よりも大きくなるし、それが起き上がって第１リンク１と成す角度が変化することで、図４に示すように反発力Ｐの上下方向の分力も大きくなって、第１リンク１を介して被支持体に作用する持ち上げ力Ｆ1も増大する。同図(b)に示すように、持ち上げ力Ｆ1は、ばね機構Ｓの最低位置（ｘ＝ｘmax）においてで最大値Ｆ1,maxになる。
【００３６】
一方で、そうして圧縮コイルばね３が起きあがることによって、反発力Ｐの水平方向の分力は小さくなるので、この水平方向分力が第１リンク１を介して被支持体を持ち上げる力Ｆ2も小さくなってゆき、図５(b)に示す最低位置で最小値Ｆ2,minになる。この最低位置では圧縮コイルばね３は最も起き上がった状態になっており、その軸心は完全に上下方向を向くか或いは少しだけ倒れた状態になる。完全に上下方向に向く場合、水平方向分力による持ち上げ力Ｆ2,min＝０になる。
【００３７】
このように、第１リンク１を介して被支持体に作用する圧縮コイルばね３の反発力は、その上下方向分力による持ち上げ力Ｆ1が変位ｘと共に増大する正のばね特性を示す一方、水平方向分力による持ち上げ力Ｆ2は、変位の増大に連れて減少する負のばね特性を示すようになる。つまり、単一の圧縮コイルばね３の反発力に基づいて被支持体への持ち上げ力に正、負の両方のばね特性が現れることになり、これにより簡単な構造で等反発力特性が得られるものである。
【００３８】
−圧縮コイルばねのレイアウト−
前記したようにばね機構Ｓにおいて、可動範囲内でＡ点が下降するに連れて圧縮コイルばね３が起き上がるようにするためには、図６に模式的に示すように、第２リンク２の腕の長さをＬとし、Ａ点がその可動範囲の下限にある最低位置（ｘ＝ｘmax）の状態で第２リンク２が水平方向に対し成す角度をθminとして、圧縮コイルばね３の下端部（Ｅ点）を、第２リンク２の下端部（Ｄ点）から水平方向に Ｌ×cosθmin 以上は離すとともに、且つ Ｌ×tanθmin よりは短い間隔とするのがよい。
【００３９】
仮に、Ｄ点Ｅ点の間隔がＬ×cosθminよりも小さいと、Ａ点が下方に変位する途中で直立した圧縮コイルばね３が反対側に倒れることになる一方、仮にＥ点をＤ点からＬ×tanθmin以上離すと、Ａ点が下方に変位する途中で起き上がりかけた圧縮コイルばね３が再び同じ側に倒れるようになってしまうからである。
【００４０】
−最適実施例−
図７は、この実施形態に係るばね機構Ｓの一実施例を示し、これは、Ａ点の変位による被支持体の持ち上げ力の変動が最小となるように最適化したものである。すなわち、図示のように第２リンク２が水平方向に対し成す角度をθ1、圧縮コイルばね３が水平方向に対し成す角度をθ2 とし、また、この圧縮コイルばね３の反発力（軸方向）をＰとし、第１及び第２リンク１，２の重量をいずれもｍとすると、詳しい説明は省略するが、重力加速度をｇとして、ばね機構Ｓによる持ち上げ力Ｆは、
Ｆ ＝ Ｐ（tanθ1 cosθ2＋sinθ2）−２ｍｇ ・・・（１） となる。
【００４１】
本発明のばね機構Ｓにおいては、所要の持ち上げ力を発揮しながら、その大きさの変動がＡ点の変位に対してできるだけ小さいことが望ましいから、Ａ点の変位に伴うリンクやばねの角度θ1 ，θ2の変化や反発力Ｐの変化に対する持ち上げ力Ｆの変動率を、その持ち上げ力の目標値からの偏差の平均値によって定義し、この値（平均変動率）が最小になるように設計すればよい。
【００４２】
より具体的に、ばね機構Ｓの設計パラメータは、図示のように、最高位置及び最低位置におけるＡ点の高さｈmax，ｈmin 、基礎側の寸法によって決まるＥ点Ｆ点の水平方向間隔ｂ（基礎部長さ）、最低位置におけるＢ点Ｅ点の水平方向間隔λ（第２リンク２の回転余裕長さ）、圧縮コイルばね３のばね定数ｋ、その初期反発力Ｐ01 の６種類であり、これらを決定することで任意の位置における持ち上げ力Ｆが決定される。
【００４３】
そして、要求される持ち上げ力Ｆの大きさ、即ち目標値をＦ0とすれば、この目標値Ｆ0に対する実際の持ち上げ力Ｆの変動を表す指標として以下の式(２)に示す平均変動率δを用いることができる。
【００４４】
【数１】
【００４５】
平均変動率δが小さいほど、Ａ点の変位による持ち上げ力Ｆの変動が小さく、変位に依らず概ね一定の持ち上げ力が得られることになる。ここで、持ち上げ力Ｆは前記の式(１)によって求められ、詳しい説明は省略するが、前記式(２)の平均変動率δの計算には前記６種の設計パラメータｈmax、ｈmin 、ｂ、λ、ｋ、Ｐ01 の他に持ち上げ力の目標値Ｆ0 が必要になる。但し、この目標値Ｆ0 やＡ点のストロークｓ（ｈmax−ｈmin ）及び基礎部の長さｂは設計条件として与えられることが多いので、これらの値を固定すれば、設定すべきパラメータはＡ点最小高さｈmin 、回転余裕長さλ、ばね定数ｋ、の３つになる。
【００４６】
例えば、持ち上げ力Ｆの目標値５００Ｎ、Ａ点のストロークｓ＝６０ｍｍ、基礎部長さｂ＝３００ｍｍを与えて、平均変動率δが最小となるようなｈmin 、λ、ｋの値を探索した結果、得られた最適解が図示の実施例である。この実施例のばね機構ＳについてＡ点の変位ｘと持ち上げ力Ｆとの関係を計算によって求めると図８のグラフのようになって、最適なパラメータ設定により良好な等反発力特性が得られることが分かる。
【００４７】
したがって、この実施形態に係るばね機構Ｓによると、主に図３〜５を参照して説明したように、単一の圧縮コイルばね３によって正、負の両方のばね特性が現れるようにしたので、比較的簡単な構造でコスト上昇の心配もなく、最適設計によって図８のような良好な等反発力特性を得ることができる。
【００４８】
また、従来例（特許文献１）のような横向きのスライダを用いていないので、被支持体の荷重Ｗを上下方向の受けても摩擦抵抗はあまり大きくならない。しかも、図１等から明らかなように圧縮コイルばね３の反発力を第１リンク１に伝えて斜め上方に向けるようにしており、ばねの反発力Ｐを有効に変換して、大きな持ち上げ力Ｆを得ることができる。
【００４９】
−適用例−
図９は、前記実施形態のばね機構Ｓを昇降装置に適用した例を示し、このものでは重量物の搭載される天板１０（被支持側の部材）に概ね一定の持ち上げ力を付加して、それを比較的小さな力で昇降させることができるので、テレビやパソコン、水槽等が搭載される天板１０の高さを容易に調節できる。また、介護用ベッドや補助椅子等に適用すれば、介護者や使用者の負担を軽減することができる。
【００５０】
具体的に図の例では、前記図１のばね機構Ｓの左右両半部を前後方向にずらして奥行きを与えるようにしている。また、その左半部と右半部とを前後方向に見て重なるように配置して、コンパクト化を図っている。こうした場合、第１リンク１の上端（Ａ点）を上下方向に移動するように案内する必要があり、そのために図の例では第１リンク１の動作を規制する規制リンク６を設けている。
【００５１】
規制リンク６の下端部はピン４によって基礎側部材５に軸支され、その上端部は、第１リンク１の下端部から更に下方に延びる延出部１ａにピン４によって軸支されている。これにより、第２リンク２がその下端部（Ｄ点）の周りに回動するときに、第１リンク１の上端部（Ａ点）は上下方向にのみ移動するようになる。
【００５２】
また、図１０は、電車の集電装置であるパンタグラフへの適用例を示す。一般にパンタグラフは、架線の節位置と腹位置との張力の変化による高さの変動や電車の走行振動によって架線との接触力が変動し、これが大きいときには舟体が架線から離れてしまうことがある。このような離線現象が起きると架線と舟体との間にスパークが発生し、摩耗や断線、騒音等の問題を引き起こすとともに、安定した集電が困難になって電車の走行に悪影響を及ぼす虞れもある。
【００５３】
そこで、この実施形態のばね機構Ｓをパンタグラフに適用して、図示の如く第１リンク１の上端に舟体２０（被支持側の部材）を取り付けるようにすれば、この舟体２０の高さの変化によらず架線３０との間の接触力を概ね一定に保つことができ、前記のような問題を未然に防止することができる。尚、図示の符号３１は電車の屋根であり、その上に基礎側部材５が配設される。
【００５４】
−他の実施形態−
尚、本発明に係るばね機構は、前記実施形態の構造に限定されず、それ以外の種々の構造を含んでいる。すなわち、例えば図９、１０のようなばね機構Ｓでは、規制リンク６によって第１リンク１の動作を規制し、その上端部（Ａ点）が上下方向にのみ移動するように案内しているが、これに限らず、例えば上下方向のスライダによってＡ点を案内するようにしてもよい。被支持体の荷重は上下方向に作用するので、上下方向のスライダを設けても摩擦抵抗はあまり大きくはならない。
【００５５】
また、図１のように第１、第２リンク１，２をひし形状に設けた場合、Ａ点の上下ストロークが大きくなると、その変位ｘと持ち上げ力Ｆとの関係が線形からずれてゆき、模式的には図１１(b)に破線のグラフで示すように、下に凸の２次関数的な特性を示すことが分かった。この点につき従来より、ひし形リンクの左右両隅部同士を横向きの引張ばねで連結すると、このばねの反発力による持ち上げ力は同図に一点鎖線のグラフで示すように上に凸の２次関数的な特性を示すことが知られている。
【００５６】
そこで、同図(a)のようにばね機構Ｓの第１、第２リンク１，２によるひし形の左右両隅部のピン４，４（Ｂ点、Ｃ点）同士を引張コイルばね７によって連結すれば、実線のグラフで示すように前記２つの特性が相殺し合って、ばね機構ＳにおけるＡ点の変位に伴う持ち上げ力の変動が更に小さくなる。引張コイルばね７は、図示の如く左右両隅部のピン４，４（Ｂ点、Ｃ点）を連結する必要はなく、第１リンク１，１同士を連結してもよく、要するに、第１及び第２リンク１，２の少なくとも一方を、対を成す相手方の第１乃至第２リンク１，２と連結すればよい。
【００５７】
前記の実施形態では、ばね機構Ｓとして第１、第２リンク１，２及び圧縮コイルばね３を一対、左右対称状に設けているが、これに限らず、適用例２のように左右いずれか一方の半部のみを設けてもよいし、複数対、設けてもよい。また、図１のように、互いに対を成す第１リンク１，１の上端部を共通のピン４によって被支持側に軸支する必要もなく、適用例１のように個別に軸支するようにしてもよい。
【００５８】
さらに、第１及び第２リンク１，２は、同じものでなくてもよく、その長さや太さ、或いは重さ等の異なるものであってもよい。圧縮コイルばね３の上端部はピン４に連結しなくてもよく、第１リンク１か第２リンク２に連結してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
以上、説明したように本発明のばね機構は、比較的簡単な構造で等反発力特性が得られ、摩擦抵抗が大きくなったりコストが上昇する心配もないから、昇降装置やパンタグラフ等、幅広い用途に好適なものである。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】実施形態に係るばね機構の概略構成図である。
【図２】理想的な等反発力特性の説明図である。
【図３】ばね機構の力学的な挙動をその左半部について説明する図である。
【図４】ばねの反発力の上下方向分力による持ち上げ力の説明図である。
【図５】ばねの反発力の水平方向分力による持ち上げ力の説明図である。
【図６】圧縮コイルばねのレイアウトの説明図である。
【図７】ばね機構の最適化した実施例に係る図１相当図である。
【図８】同実施例の変位と持ち上げ力との関係を示すグラフ図である。
【図９】昇降装置に適用した例の概略構成図である。
【図１０】パンタグラフに適用した例の概略構成図である。
【図１１】横向きの引張コイルばねを設けた他の実施形態に係る図１相当図である。
【符号の説明】
【００６１】
Ｓ ばね機構
１ 第１リンク
２ 第２リンク
３ 圧縮コイルばね
４ ピン（支軸）
５ 基礎側（支持側）の部材
６ 規制リンク
７ 引張コイルばね
１０ 天板（被支持側の部材）
２０ 舟体（被支持側の部材）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ばねの反発力によって被支持体を支持するばね機構に関し、特に、変位に伴う反発力の変化が非常に小さな所謂等反発力特性を有するものに係る。
【背景技術】
【０００２】
従来より、例えば起立補助用椅子のような福祉、医療機器或いは荷揚げ用のリフト等においては、それを使用する人間の負担を軽減するために、反発力の変化が非常に小さな所謂等反発力特性を有する機構が求められている。例えば起立補助椅子の場合は下肢の弱い人でも楽に座ったり、立ち上がったりすることができるように、椅子の座部を昇降させるものが既に提案されており、その座部の昇降にはばねや電動歯車、エアーバック等が用いられる。
【０００３】
具体的にばねを用いる場合には、コイルばね等によって椅子の座部を下方から支持し、人の動作をばねの反発力によって補助することになるが、こうした場合、椅子から立ち上がる動作の過程でばねの圧縮量が減少するに連れて、反発力が減少することになり、立ち上がるまでに必要な反発力が得られないことがある。
【０００４】
一方、電動歯車やエアーバック等を用いる場合は、歯車機構、モータ、制御装置、エアーポンプ等が必要になることから、重量が重くなる上に高価なものになってしまい、更に電源として充電器を搭載するか、或いは外部電源を確保しなくてはならない。
【０００５】
このような問題に対し本発明者らは、コイルばねにリンク機構やスライダを組み合わせて、等反発力特性を発揮するばね機構を提案し、先に特許出願をしている（特許文献１を参照）。このものでは、上部フレーム及び下部フレームの間に被支持体の荷重を受ける主コイルばね（一次ばね）を配設するとともに、リンク及びスライダを介して上部フレームに上向きの力を加えるコイルばね（二次ばね）を設けており、この二次ばねに、上部フレームの下降に伴い反発力の減少する負のばね特性を発揮させることで、一次ばねと合わせた総反発力の変化が非常に小さくなるようにしている。
【特許文献１】特開２００６−５５４９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記従来例（特許文献１）のばね機構では、横向きにスライド移動するスライダにリンクを介して上下方向の支持荷重が加わる構造になっていることから、摩擦抵抗が大きくなりやすいという問題があった。
【０００７】
また、被支持体の荷重を受ける正のばね特性のコイルばねの他に、負のばね特性を発揮するコイルばねも設けなくてはならず、構造がやや複雑になってしまい、コストの上昇も懸念される。
【０００８】
斯かる諸点に鑑みて本発明の目的は、横向きのスライダを用いない新しい構造によって従来よりも摩擦抵抗を小さくしながら、コストの上昇を招くこともなく、等反発力特性を実現可能なばね機構を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記目的を達成すべく本発明では、特に圧縮コイルばねのレイアウトに工夫を凝らし、単一のコイルばねによって正、負の両方のばね特性が現れるようにしたものである。すなわち、請求項１の発明は、ばねの反発力によって被支持体を支持するばね機構であって、第１及び第２の二つのリンクと圧縮コイルばねとを備えている。
【００１０】
前記第１リンクは、上端部の荷重受部が被支持側に軸支され、且つ、上下方向に移動するように案内されるとともに、そこから斜め下向きに延びている。第２リンクは、上端部が前記第１リンクの下端部に軸支されるとともに、そこから斜め下向きに延びて第１リンクと「く」字状をなし、下端部が支持側に軸支されている。
【００１１】
そして、前記圧縮コイルばねは、上端部が前記第１リンクの下端側に連結される一方、下端部は前記支持側に連結されて、上下方向から斜めに倒れるようにレイアウトされていて、前記第１リンクの荷重受部がその可動範囲の上限にあるときに既に圧縮された予圧縮状態とされているとともに、そこから荷重受部が下方へ変位するのに連れて第１リンクが倒れるように回動すると、これに伴い更に圧縮されつつ起き上がるようになっている。
【００１２】
前記の構成により、被支持体の上下の移動に伴い第１リンク上端の荷重受部が下方に変位するときに、該第１リンクは全体として下方に移動しながら倒れるように下端部の周りに回動し、同様に第２リンクも全体として下方に移動しながら倒れるように下端部の周りに回動して、両者は上下に折り畳まれるように変形する。このとき、圧縮コイルばねは、前記第１リンクの動作に連れて上方から圧縮されつつ、下端部を中心に起き上がるようになる。
【００１３】
そうして圧縮されることによってコイルばねの反発力（軸方向）が増大するとともに、それが起き上がることによって反発力の上下方向の割合も大きくなり、第１リンクを介して被支持体を持ち上げる力が増大する。一方で、そうして起きあがることによって反発力の水平方向の割合は小さくなり、この水平方向の分力が第１リンクを介して被支持体に作用する持ち上げ力は小さくなる。
【００１４】
つまり、被支持体を持ち上げるように作用する力は、圧縮コイルばねの反発力の上下方向分力によるものが、その圧縮量の増大に連れて大きくなる正のばね特性を示す一方で、反発力の水平方向分力によるものは圧縮量の増大に連れて減少する負のばね特性を示すようになり、単一のコイルばねによって簡易に等反発力特性が得られる。
【００１５】
より具体的に、圧縮コイルばねの上端部を、第１リンクの下端部と第２リンクの上端部とを繋ぐ支軸に連結した場合、その第２リンクの腕の長さをＬとし、また、第１リンクの荷重受部がその可動範囲の下限にあるときに、前記第２リンクが水平方向に対し成す角度をθminとすれば、前記圧縮コイルばねは、その下端部と前記第２リンクの下端部との水平方向の間隔が、Ｌ×cosθminよりも大きく且つＬ×tanθminよりも小さくなるようにレイアウトすればよい（請求項２）。
【００１６】
こうすれば、圧縮コイルばねは、荷重受部がその可動範囲において上限から下限に亘り下方に変位するときに、これに伴い圧縮されつつ常に起き上がるようになって、前記請求項１の発明の作用が得られる。
【００１７】
好ましいのは、第１、第２リンク及び圧縮コイルばねを左右に並べて、対称状に対を成すように設け、その対を成す第１リンクの荷重受部同士を共通の支軸によって被支持側に軸支することである（請求項３）。尚、左右というのは、リンクを繋ぐ支軸の軸方向に見て左右という意味である。こうすれば、ばね機構の動作が安定するとともに、左右両側の各圧縮コイルばねの反発力によって対を成す第１リンクがそれぞれ斜め上向きに付勢されることから、荷重受部には左右の中央に寄せるような力が作用し、その移動方向が概ね上下方向になる。
【００１８】
その場合に、より好ましいのは、第１及び第２リンクの少なくとも一方を、対を成す相手方の第１乃至第２リンクと引張コイルばねによって連結することであり（請求項４）、こうすれば、引張コイルばねの引張力によって等反発力特性の改善が図られる。
【００１９】
更に、前記の構成において第１リンクの動作を規制する規制リンクを設けて、第２リンクがその下端部の周りに回動するときに、第１リンクの上端の荷重受部が上下方向にのみ移動するように案内することもできる（請求項５）。尚、荷重受部は、例えばスライダによって上下方向に案内するようにしてもよく、こうしても従来例（特許文献１）のように摩擦抵抗が大きくなることはない。
【発明の効果】
【００２０】
以上のように本発明に係るばね機構によると、単一の圧縮コイルばねによって正、負の両方のばね特性が現れるようにしたので、比較的簡単な構造でコスト上昇の心配もなく、等反発力特性を有するばね機構を実現できる。横向きのスライダは不要であり摩擦抵抗の大きくなる心配もない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態を図面に基いて説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。
【００２２】
図１には本発明に係るばね機構Ｓの構成を示す。これは、図に白抜きの矢印で示すように上方から作用する被支持体（図示せず）の荷重Ｗをばねの反発力（黒矢印Ｐとして示す）によって支持するものであり、後述するように例えば昇降装置として用いれば（図９を参照）、重量物を比較的小さな力で昇降できるようになる。ばね機構Ｓの用途としては他にもパンタグラフとして用いることが考えられる（図１０を参照）。
【００２３】
本発明に係るばね機構Ｓは、上述した特許文献１のものと同じく、変位に伴うばね力の変化が非常に小さな所謂等反発力特性を有する。その理想的な例は図２に示すように、変位ｘの増大に伴い比例的にばね力が増大する通常の（正の）ばね特性に対して、ばね定数の絶対値が同じで負の値となるような負の特性のばねのメカニズムを並列に組み合わせて、両者を合わせた総ばね力が変位ｘによらず略一定になるようにしたものである。
【００２４】
この実施形態のばね機構Ｓは、図１に示すように４つのリンク１，１，２，２をひし形状に組み合わせ、左右両隅部をそれぞれ圧縮コイルばね３，３によって上方に付勢している。上の２つのリンク１，１（以下、第１リンク）は、それぞれの上端部が共通のピン４（支軸であって、この例では荷重受部でもある。以下、Ａ点とも呼ぶ）によって被支持側の部材（図示せず）に軸支されていて、そのピン４を介して被支持体の荷重Ｗを受けるようになっている。
【００２５】
前記２つの第１リンク１，１は、下方に向かって徐々に離れるよう斜め下向きに（左側は左下に、右側は右下に）延びていて、その下端部には、下の２つのリンク２，２（以下、第２リンク）の上端部がピン４（支軸：Ｂ点、Ｃ点）によって回動可能に連結されている。これら第２リンク２，２は、互いに徐々に近づくよう斜め下向きに（左側は右下に、右側は左下に）延びていて、その下端部は共通のピン４（支軸：Ｄ点）によって基礎側（支持側）の部材５に回動可能に連結されている。
【００２６】
また、図の例では、左右両隅のピン４，４（Ｂ点、Ｃ点）にそれぞれ圧縮コイルばね３，３の上端部が連結されて、第１、第２リンク１，２に対し回動可能になっている。これら圧縮コイルばね３，３は、それぞれ、第２リンク２，２とは反対側の斜め下向きに（左側は左下に、右側は右下に）延びていて、その下端部は、それぞれピン４（支軸：Ｅ点、Ｆ点）によって基礎側部材５に回動可能に連結されている。
【００２７】
さらに、この例では、同図(a)のように４つのリンク１，１，２，２が概ね正方形状となるとき（一例であり、これに限らない）がばね機構Ｓの最高位置になり、この状態からひし形リンク１，１，２，２が潰れるように折り畳まれると、これに伴い左右の圧縮コイルばね３，３がそれぞれ圧縮されつつ起き上がるようになっている。同図(b)のように圧縮コイルばね３が最も起き上がったときが、ばね機構Ｓの最低位置である。
【００２８】
左右の圧縮コイルばね３，３は、いずれも前記最高位置において既に圧縮された状態になるよう予圧縮状態で組み付けられており、それぞれピン４，４を介し第１リンク１，１を上方斜め内向きに押圧付勢している。これにより、第１リンク１，１の上端部同士を連結するピン４（Ａ点）には、上方への持ち上げ力とともに左右の中央に寄せるような力も作用するようになり、ピン４は概ね上下方向に移動するように案内される。
【００２９】
尚、図示はしないが実際に使用する場合には、ばね機構Ｓの動作を最高位置から最低位置までの範囲に制限すべくストッパ機構を設けることが好ましく、その最高位置におけるＡ点高さがピン４の可動範囲の上限に対応し、最低位置のＡ点高さは下限に対応する。
【００３０】
図から明らかなようにばね機構Ｓは、ひし形リンクの上下両隅を結ぶ線分ＡＤに対して左右対称であり、第１リンク１、第２リンク２及び圧縮コイルばね３が線対称に一対、設けられている。よって、ばね機構Ｓの力学的な挙動については左若しくは右の半分について検討すれば十分であり、以下では図３〜５を参照して左半部についてのみ説明する。
【００３１】
図３に示すように、ばね機構Ｓの左半部において第１及び第２リンク１，２は「く」字状をなし、それらが上下に広がったり折り畳まれたりすることで、Ａ点が上下方向に変位するようになっている。同図(a)のようにＡ点がその可動範囲の上限（最高位置）にあるときに、圧縮コイルばね３は既に所定量圧縮されていて、そこから下方にＡ点が変位するに連れて更に圧縮されつつ、起き上がるようになる。このことでばね機構Ｓは、正、負の両方のばね特性を示すことになる。
【００３２】
詳しくは、Ａ点の変位ｘは下向きを正とし、図３(a)の最高位置でｘ＝０とすると、この最高位置において圧縮コイルばね３は既に圧縮されているから、図示のようにＢ点には圧縮コイルばね３の軸心方向にＰ0という初期反発力が発生している。この初期反発力Ｐ0は、図示のように上下方向と水平方向とに分解することができ、それらは更に第１リンク１の軸心方向の力と、それに直交する方向の力とに分解される。
【００３３】
すなわち、図４に第１リンク１のみを取り出して示すように、上下方向分力はリンク軸心方向の力と水平方向の力とに分解でき、第１リンク１における力の釣り合いからＡ点には持ち上げ力Ｆ1,0が発生する。同様に、水平方向分力はリンク軸心方向の力と上下方向の力とに分解でき（図５に示す）、これによりＡ点にはＦ2,0という持ち上げ力が発生する。そして、Ａ点における持ち上げ力は、変位ｘの関数として Ｆ(x) ＝ Ｆ1(x)＋Ｆ2(x) と表される。
【００３４】
最高位置からＡ点が下方に移動し変位ｘが増大するに連れて、第１リンク１が第２リンク２との連結ピン４（Ｂ点）の周りに図の時計回りに回動するとともに、第２リンク１は基礎側部材５との連結ピン４（Ｄ点）の周りに図の反時計回りに回動し、両者は全体として下方に移動しながら折り畳まれる（図１(b)を参照）。この際、Ｂ点はＤ点を中心とする円周上を斜め左下向きに移動することになり、圧縮コイルばね３は圧縮されつつ、その下端部（Ｅ点）を中心に図の反時計回りに回動して起き上がる。
【００３５】
そうして圧縮されるコイルばね３の反発力（軸方向）Ｐは、初期反発力Ｐ0よりも大きくなるし、それが起き上がって第１リンク１と成す角度が変化することで、図４に示すように反発力Ｐの上下方向の分力も大きくなって、第１リンク１を介して被支持体に作用する持ち上げ力Ｆ1も増大する。同図(b)に示すように、持ち上げ力Ｆ1は、ばね機構Ｓの最低位置（ｘ＝ｘmax）においてで最大値Ｆ1,maxになる。
【００３６】
一方で、そうして圧縮コイルばね３が起きあがることによって、反発力Ｐの水平方向の分力は小さくなるので、この水平方向分力が第１リンク１を介して被支持体を持ち上げる力Ｆ2も小さくなってゆき、図５(b)に示す最低位置で最小値Ｆ2,minになる。この最低位置では圧縮コイルばね３は最も起き上がった状態になっており、その軸心は完全に上下方向を向くか或いは少しだけ倒れた状態になる。完全に上下方向に向く場合、水平方向分力による持ち上げ力Ｆ2,min＝０になる。
【００３７】
このように、第１リンク１を介して被支持体に作用する圧縮コイルばね３の反発力は、その上下方向分力による持ち上げ力Ｆ1が変位ｘと共に増大する正のばね特性を示す一方、水平方向分力による持ち上げ力Ｆ2は、変位の増大に連れて減少する負のばね特性を示すようになる。つまり、単一の圧縮コイルばね３の反発力に基づいて被支持体への持ち上げ力に正、負の両方のばね特性が現れることになり、これにより簡単な構造で等反発力特性が得られるものである。
【００３８】
−圧縮コイルばねのレイアウト−
前記したようにばね機構Ｓにおいて、可動範囲内でＡ点が下降するに連れて圧縮コイルばね３が起き上がるようにするためには、図６に模式的に示すように、第２リンク２の腕の長さをＬとし、Ａ点がその可動範囲の下限にある最低位置（ｘ＝ｘmax）の状態で第２リンク２が水平方向に対し成す角度をθminとして、圧縮コイルばね３の下端部（Ｅ点）を、第２リンク２の下端部（Ｄ点）から水平方向に Ｌ×cosθmin 以上は離すとともに、且つ Ｌ×tanθmin よりは短い間隔とするのがよい。
【００３９】
仮に、Ｄ点Ｅ点の間隔がＬ×cosθminよりも小さいと、Ａ点が下方に変位する途中で直立した圧縮コイルばね３が反対側に倒れることになる一方、仮にＥ点をＤ点からＬ×tanθmin以上離すと、Ａ点が下方に変位する途中で起き上がりかけた圧縮コイルばね３が再び同じ側に倒れるようになってしまうからである。
【００４０】
−最適実施例−
図７は、この実施形態に係るばね機構Ｓの一実施例を示し、これは、Ａ点の変位による被支持体の持ち上げ力の変動が最小となるように最適化したものである。すなわち、図示のように第２リンク２が水平方向に対し成す角度をθ1、圧縮コイルばね３が水平方向に対し成す角度をθ2 とし、また、この圧縮コイルばね３の反発力（軸方向）をＰとし、第１及び第２リンク１，２の重量をいずれもｍとすると、詳しい説明は省略するが、重力加速度をｇとして、ばね機構Ｓによる持ち上げ力Ｆは、
Ｆ ＝ Ｐ（tanθ1 cosθ2＋sinθ2）−２ｍｇ ・・・（１） となる。
【００４１】
本発明のばね機構Ｓにおいては、所要の持ち上げ力を発揮しながら、その大きさの変動がＡ点の変位に対してできるだけ小さいことが望ましいから、Ａ点の変位に伴うリンクやばねの角度θ1 ，θ2の変化や反発力Ｐの変化に対する持ち上げ力Ｆの変動率を、その持ち上げ力の目標値からの偏差の平均値によって定義し、この値（平均変動率）が最小になるように設計すればよい。
【００４２】
より具体的に、ばね機構Ｓの設計パラメータは、図示のように、最高位置及び最低位置におけるＡ点の高さｈmax，ｈmin 、基礎側の寸法によって決まるＥ点Ｆ点の水平方向間隔ｂ（基礎部長さ）、最低位置におけるＢ点Ｅ点の水平方向間隔λ（第２リンク２の回転余裕長さ）、圧縮コイルばね３のばね定数ｋ、その初期反発力Ｐ01 の６種類であり、これらを決定することで任意の位置における持ち上げ力Ｆが決定される。
【００４３】
そして、要求される持ち上げ力Ｆの大きさ、即ち目標値をＦ0とすれば、この目標値Ｆ0に対する実際の持ち上げ力Ｆの変動を表す指標として以下の式(２)に示す平均変動率δを用いることができる。
【００４４】
【数１】
【００４５】
平均変動率δが小さいほど、Ａ点の変位による持ち上げ力Ｆの変動が小さく、変位に依らず概ね一定の持ち上げ力が得られることになる。ここで、持ち上げ力Ｆは前記の式(１)によって求められ、詳しい説明は省略するが、前記式(２)の平均変動率δの計算には前記６種の設計パラメータｈmax、ｈmin 、ｂ、λ、ｋ、Ｐ01 の他に持ち上げ力の目標値Ｆ0 が必要になる。但し、この目標値Ｆ0 やＡ点のストロークｓ（ｈmax−ｈmin ）及び基礎部の長さｂは設計条件として与えられることが多いので、これらの値を固定すれば、設定すべきパラメータはＡ点最小高さｈmin 、回転余裕長さλ、ばね定数ｋ、の３つになる。
【００４６】
例えば、持ち上げ力Ｆの目標値５００Ｎ、Ａ点のストロークｓ＝６０ｍｍ、基礎部長さｂ＝３００ｍｍを与えて、平均変動率δが最小となるようなｈmin 、λ、ｋの値を探索した結果、得られた最適解が図示の実施例である。この実施例のばね機構ＳについてＡ点の変位ｘと持ち上げ力Ｆとの関係を計算によって求めると図８のグラフのようになって、最適なパラメータ設定により良好な等反発力特性が得られることが分かる。
【００４７】
したがって、この実施形態に係るばね機構Ｓによると、主に図３〜５を参照して説明したように、単一の圧縮コイルばね３によって正、負の両方のばね特性が現れるようにしたので、比較的簡単な構造でコスト上昇の心配もなく、最適設計によって図８のような良好な等反発力特性を得ることができる。
【００４８】
また、従来例（特許文献１）のような横向きのスライダを用いていないので、被支持体の荷重Ｗを上下方向の受けても摩擦抵抗はあまり大きくならない。しかも、図１等から明らかなように圧縮コイルばね３の反発力を第１リンク１に伝えて斜め上方に向けるようにしており、ばねの反発力Ｐを有効に変換して、大きな持ち上げ力Ｆを得ることができる。
【００４９】
−適用例−
図９は、前記実施形態のばね機構Ｓを昇降装置に適用した例を示し、このものでは重量物の搭載される天板１０（被支持側の部材）に概ね一定の持ち上げ力を付加して、それを比較的小さな力で昇降させることができるので、テレビやパソコン、水槽等が搭載される天板１０の高さを容易に調節できる。また、介護用ベッドや補助椅子等に適用すれば、介護者や使用者の負担を軽減することができる。
【００５０】
具体的に図の例では、前記図１のばね機構Ｓの左右両半部を前後方向にずらして奥行きを与えるようにしている。また、その左半部と右半部とを前後方向に見て重なるように配置して、コンパクト化を図っている。こうした場合、第１リンク１の上端（Ａ点）を上下方向に移動するように案内する必要があり、そのために図の例では第１リンク１の動作を規制する規制リンク６を設けている。
【００５１】
規制リンク６の下端部はピン４によって基礎側部材５に軸支され、その上端部は、第１リンク１の下端部から更に下方に延びる延出部１ａにピン４によって軸支されている。これにより、第２リンク２がその下端部（Ｄ点）の周りに回動するときに、第１リンク１の上端部（Ａ点）は上下方向にのみ移動するようになる。
【００５２】
また、図１０は、電車の集電装置であるパンタグラフへの適用例を示す。一般にパンタグラフは、架線の節位置と腹位置との張力の変化による高さの変動や電車の走行振動によって架線との接触力が変動し、これが大きいときには舟体が架線から離れてしまうことがある。このような離線現象が起きると架線と舟体との間にスパークが発生し、摩耗や断線、騒音等の問題を引き起こすとともに、安定した集電が困難になって電車の走行に悪影響を及ぼす虞れもある。
【００５３】
そこで、この実施形態のばね機構Ｓをパンタグラフに適用して、図示の如く第１リンク１の上端に舟体２０（被支持側の部材）を取り付けるようにすれば、この舟体２０の高さの変化によらず架線３０との間の接触力を概ね一定に保つことができ、前記のような問題を未然に防止することができる。尚、図示の符号３１は電車の屋根であり、その上に基礎側部材５が配設される。
【００５４】
−他の実施形態−
尚、本発明に係るばね機構は、前記実施形態の構造に限定されず、それ以外の種々の構造を含んでいる。すなわち、例えば図９、１０のようなばね機構Ｓでは、規制リンク６によって第１リンク１の動作を規制し、その上端部（Ａ点）が上下方向にのみ移動するように案内しているが、これに限らず、例えば上下方向のスライダによってＡ点を案内するようにしてもよい。被支持体の荷重は上下方向に作用するので、上下方向のスライダを設けても摩擦抵抗はあまり大きくはならない。
【００５５】
また、図１のように第１、第２リンク１，２をひし形状に設けた場合、Ａ点の上下ストロークが大きくなると、その変位ｘと持ち上げ力Ｆとの関係が線形からずれてゆき、模式的には図１１(b)に破線のグラフで示すように、下に凸の２次関数的な特性を示すことが分かった。この点につき従来より、ひし形リンクの左右両隅部同士を横向きの引張ばねで連結すると、このばねの反発力による持ち上げ力は同図に一点鎖線のグラフで示すように上に凸の２次関数的な特性を示すことが知られている。
【００５６】
そこで、同図(a)のようにばね機構Ｓの第１、第２リンク１，２によるひし形の左右両隅部のピン４，４（Ｂ点、Ｃ点）同士を引張コイルばね７によって連結すれば、実線のグラフで示すように前記２つの特性が相殺し合って、ばね機構ＳにおけるＡ点の変位に伴う持ち上げ力の変動が更に小さくなる。引張コイルばね７は、図示の如く左右両隅部のピン４，４（Ｂ点、Ｃ点）を連結する必要はなく、第１リンク１，１同士を連結してもよく、要するに、第１及び第２リンク１，２の少なくとも一方を、対を成す相手方の第１乃至第２リンク１，２と連結すればよい。
【００５７】
前記の実施形態では、ばね機構Ｓとして第１、第２リンク１，２及び圧縮コイルばね３を一対、左右対称状に設けているが、これに限らず、適用例２のように左右いずれか一方の半部のみを設けてもよいし、複数対、設けてもよい。また、図１のように、互いに対を成す第１リンク１，１の上端部を共通のピン４によって被支持側に軸支する必要もなく、適用例１のように個別に軸支するようにしてもよい。
【００５８】
さらに、第１及び第２リンク１，２は、同じものでなくてもよく、その長さや太さ、或いは重さ等の異なるものであってもよい。圧縮コイルばね３の上端部はピン４に連結しなくてもよく、第１リンク１か第２リンク２に連結してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
以上、説明したように本発明のばね機構は、比較的簡単な構造で等反発力特性が得られ、摩擦抵抗が大きくなったりコストが上昇する心配もないから、昇降装置やパンタグラフ等、幅広い用途に好適なものである。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】実施形態に係るばね機構の概略構成図である。
【図２】理想的な等反発力特性の説明図である。
【図３】ばね機構の力学的な挙動をその左半部について説明する図である。
【図４】ばねの反発力の上下方向分力による持ち上げ力の説明図である。
【図５】ばねの反発力の水平方向分力による持ち上げ力の説明図である。
【図６】圧縮コイルばねのレイアウトの説明図である。
【図７】ばね機構の最適化した実施例に係る図１相当図である。
【図８】同実施例の変位と持ち上げ力との関係を示すグラフ図である。
【図９】昇降装置に適用した例の概略構成図である。
【図１０】パンタグラフに適用した例の概略構成図である。
【図１１】横向きの引張コイルばねを設けた他の実施形態に係る図１相当図である。
【符号の説明】
【００６１】
Ｓ ばね機構
１ 第１リンク
２ 第２リンク
３ 圧縮コイルばね
４ ピン（支軸）
５ 基礎側（支持側）の部材
６ 規制リンク
７ 引張コイルばね
１０ 天板（被支持側の部材）
２０ 舟体（被支持側の部材）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ばねの反発力によって被支持体を支持するばね機構であって、
上端部の荷重受部が被支持側に軸支され、且つ、上下方向に移動するように案内されるとともに、そこから斜め下向きに延びている第１リンクと、
上端部が前記第１リンクの下端部に軸支されるとともに、そこから斜め下向きに延びて第１リンクと「く」字状をなし、下端部が支持側に軸支されている第２リンクと、
上端部が前記第１リンクの下端側に連結され、そこから斜め下向きに延びて、下端部が前記支持側に連結されている圧縮コイルばねと、を備え、
前記圧縮コイルばねは、前記第１リンクの荷重受部がその可動範囲の上限にあるときに既に圧縮されている予圧縮状態とされ、当該荷重受部の下方への変位に伴い第１リンクが倒れるのに連れて更に圧縮されつつ起き上がるようにレイアウトされている、
ことを特徴とするばね機構。
【請求項２】
圧縮コイルばねの上端部は、第１リンクの下端部と第２リンクの上端部とを繋ぐ支軸に連結され、
前記第２リンクの腕の長さをＬとし、
前記第１リンクの荷重受部がその可動範囲の下限にあるときに、前記第２リンクが水平方向に対して成す角度をθminとして、
前記圧縮コイルばねは、その下端部と前記第２リンクの下端部との水平方向の間隔が、Ｌ×cosθminよりも大きく且つＬ×tanθminよりも小さくなるようにレイアウトされている、請求項１に記載のばね機構。
【請求項３】
第１、第２リンク及び圧縮コイルばねが、左右に並んで対称状に対を成して設けられ、
互いに対を成す前記第１リンクの荷重受部同士が、共通の支軸によって被支持側に軸支されている、請求項１又は２のいずれかに記載のばね機構。
【請求項４】
第１及び第２リンクの少なくとも一方が、対を成す相手方の第１乃至第２リンクと引張コイルばねによって連結されている、請求項３に記載のばね機構。
【請求項５】
第２リンクがその下端部の周りに回動するときに、第１リンクの上端の荷重受部が上下方向にのみ移動するように当該第１リンクの動作を規制する規制リンクが設けられている、請求項１〜４のいずれか１つに記載のばね機構。
【請求項１】
ばねの反発力によって被支持体を支持するばね機構であって、
上端部の荷重受部が被支持側に軸支され、且つ、上下方向に移動するように案内されるとともに、そこから斜め下向きに延びている第１リンクと、
上端部が前記第１リンクの下端部に軸支されるとともに、そこから斜め下向きに延びて第１リンクと「く」字状をなし、下端部が支持側に軸支されている第２リンクと、
上端部が前記第１リンクの下端側に連結され、そこから斜め下向きに延びて、下端部が前記支持側に連結されている圧縮コイルばねと、を備え、
前記圧縮コイルばねは、前記第１リンクの荷重受部がその可動範囲の上限にあるときに既に圧縮されている予圧縮状態とされ、当該荷重受部の下方への変位に伴い第１リンクが倒れるのに連れて更に圧縮されつつ起き上がるようにレイアウトされている、
ことを特徴とするばね機構。
【請求項２】
圧縮コイルばねの上端部は、第１リンクの下端部と第２リンクの上端部とを繋ぐ支軸に連結され、
前記第２リンクの腕の長さをＬとし、
前記第１リンクの荷重受部がその可動範囲の下限にあるときに、前記第２リンクが水平方向に対して成す角度をθminとして、
前記圧縮コイルばねは、その下端部と前記第２リンクの下端部との水平方向の間隔が、Ｌ×cosθminよりも大きく且つＬ×tanθminよりも小さくなるようにレイアウトされている、請求項１に記載のばね機構。
【請求項３】
第１、第２リンク及び圧縮コイルばねが、左右に並んで対称状に対を成して設けられ、
互いに対を成す前記第１リンクの荷重受部同士が、共通の支軸によって被支持側に軸支されている、請求項１又は２のいずれかに記載のばね機構。
【請求項４】
第１及び第２リンクの少なくとも一方が、対を成す相手方の第１乃至第２リンクと引張コイルばねによって連結されている、請求項３に記載のばね機構。
【請求項５】
第２リンクがその下端部の周りに回動するときに、第１リンクの上端の荷重受部が上下方向にのみ移動するように当該第１リンクの動作を規制する規制リンクが設けられている、請求項１〜４のいずれか１つに記載のばね機構。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１０−２０３５３１（Ｐ２０１０−２０３５３１Ａ）
【公開日】平成２２年９月１６日（２０１０．９．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５０１４７（Ｐ２００９−５０１４７）
【出願日】平成２１年３月４日（２００９．３．４）
【出願人】（５０４１３６５６８）国立大学法人広島大学 (924)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月１６日（２０１０．９．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月４日（２００９．３．４）
【出願人】（５０４１３６５６８）国立大学法人広島大学 (924)
【Ｆターム（参考）】
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