JP2023121171A - Thrust generation device using synthetic vibration wave - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ロケットエンジン等とは異なり、噴流物を外部に放出することなく、振動板及び反動板による合成波振動の慣性力により推進力を得る推進力発生装置に関するものである。 The present invention relates to a propulsive force generating device that obtains propulsive force from the inertial force of synthetic wave vibration generated by a diaphragm and a reaction plate without emitting a jet to the outside, unlike a rocket engine or the like.
地上から宇宙空間に到達し活動するためには、地球重力脱出速度が必要とされ、加速度を得るためロケットの推進には大量の打ち上げ燃料を必要とする。また、飛行機のジェットエンジンなどは大量の高温ガスを放出し地球温暖化の原因にもなっている。また、これら飛行体は気象状況に影響され状況次第では飛行ができず度々欠航が発生する。 Earth gravity escape velocity is required to reach outer space from the ground and operate, and a large amount of launch fuel is required to propel the rocket to obtain acceleration. In addition, jet engines of airplanes emit a large amount of high-temperature gas and cause global warming. In addition, these aircraft are affected by weather conditions, and depending on the situation, they cannot fly, and flight cancellations occur frequently.
この改善策として、装置の外部側に噴流物による反作用を必要とせず、特定方向にのみ慣性力が作用し、極めて安全性が高い合成振動波による推進力発生装置を提供する。 As a measure to improve this, a propulsive force generating device using synthetic vibration waves is provided that does not require a reaction by a jet on the outside of the device, and inertial force acts only in a specific direction, and is extremely safe.
振動は実体的な波であり、あらゆる物体に影響を及ぼす。例えば、媒質内を進むA振動波と、逆方向から進行するB振動波を合成することが可能で、合成後も物体同士の衝突と違い、互いの波は消滅することなく進む。また、合成時に2つの波の合成振動が媒質に伝わることも、波の独立性として証明されている。 Vibrations are tangible waves and affect all objects. For example, it is possible to synthesize an A-oscillating wave that travels in a medium and a B-oscillating wave that travels in the opposite direction. It has also been proved that the combined vibration of two waves propagates through a medium as wave independence.
衝撃パルスという波があり、力学系では、物体に過度な動的外乱を与える波とされる。これは、電子機器、自動車、航空宇宙産業などで使用される電子製品などの衝撃試験の際、波の効力として応用されている。
数種類ある衝撃パルスのなかで、正弦半パルス波は、正弦波の半分、すなわち正の部分あるいは負の部分のみの半サイクルの波形をいう。
本発明は、正弦半パルス波を正弦波と合成することにより、特定方向に振動エネルギーを増幅させ、慣性力により推進力を得ることを目的とする。
There is a wave called a shock pulse, and in a dynamic system, it is a wave that gives an excessive dynamic disturbance to an object. This has been applied as a wave effect during shock testing of electronic products such as those used in electronics, automobiles, the aerospace industry, and the like.
Among several types of shock pulses, a half-sine pulse wave refers to a half-cycle waveform of a half-sine wave, that is, only a positive portion or a negative portion.
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to amplify vibration energy in a specific direction by synthesizing a half-sine pulse wave with a sine wave to obtain a driving force by inertial force.
前記の合成波を形成するため、振動板に発生する正弦波の振動と、反動板の復元力を応用して正弦半パルス波を発生させ、双方を効率的に合成させる方法を課題とする。 In order to form the composite wave, the object is to generate a sinusoidal half-pulse wave by applying the vibration of the sinusoidal wave generated in the diaphragm and the restoring force of the reaction plate, and to combine them efficiently.
上記の課題を解決するための発明は、錘3及びアーム16を取り付けた回転子2及び軸受6により構成されるアンバランスな遠心力を発生する振動装置と、複数の振動装置を円板である振動板5の端部に均等配置し、振動装置をジョイント7で連結するシステムモーター1により同期位置制御し、振動板5中心を中心軸19を軸心とする垂直軸4に結合し、円板の反動板10の外周を固定する中空固定リング22、または反動板10に支持フレーム15を固定し、かつ垂直軸4に調整輪11を取り付け、垂直軸4を滑り軸受12及び横フレーム9で支持し、調整輪11上端から垂直軸下端4aまでの長さを、中心軸19と交わる横フレーム9の衝撃受け9aから同じく中心軸19と交わる平衡線10a(反動板上面)までの長さである固定基準長20と一致させ、垂直軸4を反動板10中心に結合することなく直立させる。
The invention for solving the above problems is a vibrating device that generates an unbalanced centrifugal force and is composed of a
上記振動板5及び反動板10は可撓性金属材料で、主に鉄系金属材料であって、応力が及ぶ双方の中心に対する相対撓み量が、振動板5の撓み量と反動板10の撓み量が等しいか、反動板10の撓み量が小さい関係になるように双方の大きさと厚さを決定する。フックの法則から応力による撓み量と振動振幅は等しい関係になる。
The vibration plate 5 and the
振動装置の錘3をシステムモーター1で回転同期させると、振動板5は遠心力により正弦波振動し垂直軸4と接触する反動板10もその力を受けて振動し、双方の撓み量が等しい場合、振動板5及び反動板10は振幅・周期が等しい振動となり、垂直軸4と反動板10は密着状態で振動する。
When the
垂直軸4に取り付けた調整輪11が横フレーム9下端の衝撃受け9aに衝撃すると、反動板10及び垂直軸下端4aは平衡線10aで瞬間停止し、上昇側には物理的に振動できない。振動板5と振幅・周期が等しい反動板10の復元力による衝撃振動は、正弦波の半波長である正弦半パルス波となって垂直軸4を伝播し、振動板5の正弦波と振動周期が等しい合成波を形成することになる。
When the
本発明は、以上説明したように構成されているので、以下に記載されるような効果を奏する。 Since the present invention is configured as described above, it has the following effects.
振動板5と反動板10に使用する金属材料は、正弦波振動するものであればヤング率及び引張強度などの弾性率が多少異なる金属材料の組み合わせであってもよく、応力による双方の撓み量が等しい場合、または、反動板10の撓み量が小さい場合は双方の振動周期が一致するようになる。
The metal materials used for the vibration plate 5 and the
正弦半パルス波を発生させるための構成として、垂直軸4に取り付けた調整輪11上端から垂直軸下端4aまでの長さを、中心軸19と交わる横フレーム9下端の衝撃受け9aから同じく中心軸19と交わる反動板10の平衡線10a(反動板上面)までの長さである固定基準長20と一致させることにより、垂直軸4により反動板10の振動範囲は物理的に制限され、反動板10は平衡線10aより下方側にのみ振動し上方側には振動できない。
As a configuration for generating a sine half-pulse wave, the length from the upper end of the
垂直軸4と反動板10は結合していないので、振動板5が錘3の遠心力により平衡状態より上昇側に振動しても、反動板10はその影響を受けることはなく、平衡線10aより下方側の範囲で垂直軸4と反動板10は密着状態で振動する。
Since the vertical shaft 4 and the
そのため反動板10の復元力により、垂直軸4に取り付けた調整輪11が衝撃受け9aに衝撃すると、衝撃力は正弦波の半波長に相当する正弦半パルス波となり、垂直軸4を伝搬し振動板5の正弦波と合成し慣性力を発生する。
Therefore, when the
反動板10の振幅が振動板5の振幅より小さい場合は、反動板10の波長が短くなっても振動板5の振動周期に遅れないため、垂直軸4と反動板10は密着状態で振動し慣性力を発生する。
If the amplitude of the
しかし、反動板10の振幅が振動板5より大きくなると振動周期が長くなって遅れることになり一致した振動にならない。従って、振動板5と反動板10は弾性率などの特性が等しい金属材料であって、双方の撓み量を一致させると振動周期も一致し効率の良い合成波振動となる。
However, when the amplitude of the
以下、実施例として実験結果をもとに詳細に説明する。 Examples will be described below in detail based on experimental results.
実験例1
図4は本発明に係る実験装置で、ともに円板である振動板5と反動板10には、鉄系金属材料のSPCC(冷間圧延軟鋼板)を使用した。また、金属材料の撓み計算式は、振動板5の場合、垂直軸4に円板中心を固定した中心集中荷重・数式1で、反動板10は外周に支持ボルト14を取り付け、さらに、固定金具21により数個所周辺固定した中心集中荷重・数式2で、何れも円板の中心に応力が集中作用する。
Experimental example 1
FIG. 4 shows an experimental apparatus according to the present invention. SPCC (cold-rolled mild steel plate), which is an iron-based metal material, was used for the vibration plate 5 and the
実験装置は、回転子2に取り付けたアーム16の錘3を回転同期するため、垂直軸4を回転軸とする大傘歯車17に、モータ13に取り付けた小傘歯車18をかみ合わせ、ジョイント7を介して軸受6を回転する。これらの振動装置を円板の振動板5に3個均等配置し、この振動板5中心を垂直軸4に結合し、さらに円板の反動板10に支持フレーム15を固定し、調整輪11を取り付けた垂直軸4を、滑り軸受12及び横フレーム9で支持し、反動板10中心に結合することなく直立させる構成である。
In the experimental apparatus, in order to synchronize the rotation of the
アーム16(アルミ製)と錘3(鉄板)の合計質量は15.3g。回転子2の材質SPCC、直径12cm厚さ2.3mm。モータ13はDCモータ・12V仕様の電流制御方式で、外部側のコントローラーと繋がっている。垂直軸4は直径10mm(ステンレス製)で、この3個のモータによる錘3の遠心力の総和を200Nとして以降の説明をする。
The total mass of the arm 16 (made of aluminum) and the weight 3 (iron plate) is 15.3g.
3個の回転子2及び軸受6で構成する振動装置とモータ13を設置するため、振動板5の直径400mm厚さ2.0mmとし、反動板10は直径300mm厚さ1.2mmの材料を使用した。仮に反動板10の直径を296mmにした場合、理論的には双方の撓み量を一致させることができ、200Nの応力を掛けた場合、それぞれ中心軸19に対する相対撓み量は2.75mmで一致する。また、400Nの応力で5.51mm、800Nの応力で11.03mmとなり常に同じ撓み量になる。
In order to install the
金属材料のヤング率(縦弾性係数)は、次の関係にある。
ヤング率(E)=応力(σ) / ひずみ(ε)
振動板5と反動板10のヤング率等の弾性率は同じ金属材料であり等しい。また、双方に掛かる遠心力による応力は垂直軸4によって連動するため等しい。そのため、振動板5と形状が同じで固定方法のみが異なる反動板10の場合、板厚と大きさが適切であれば、応力の変化に伴い中心軸19に対する相対撓み量は等しくなり、振動板5と反動板10は振動振幅・振動周期が常に等しい関係で振動する。
The Young's modulus (modulus of longitudinal elasticity) of metal materials has the following relationship.
Young's modulus (E) = stress (σ) / strain (ε)
The vibration plate 5 and the
振動板5の、固有振動時の振動加速度は、10.1m/sec2で重力加速度より幾分大きく、これよりさらに速い振動加速度のSPCC金属材料は、板厚が薄いものになり振幅が大きくなり過ぎて実験材料として不適格であった。 The vibration acceleration of the vibration plate 5 at the time of natural vibration is 10.1 m/ sec2 , which is somewhat larger than the gravitational acceleration. too much and was unsuitable as an experimental material.
実験に用いたモータ13の無負荷回転数は8170rpm(136Hz)で、振動板5の固有振動数をバネ定数から求めると30.2Hzとなる。振動板5は中心部を垂直軸4に結合しているため減衰があり、固有振動より速い速度でモータ13による外力が作用するため位相遅れになる。
The no-load rotation speed of the
実験装置を電子計量器上に設置し、反動板10の外周を固定金具21で数個所電子計量器の天板に固定し、実験装置に発生する推進力を観測した。
The experimental device was installed on an electronic scale, and the outer circumference of the
実験装置の部材を一部改良したため、ここからは本発明の一実施例を示す図1及び図2にもとづいて発明原理を説明する。
回転子2及び軸受6からなる振動装置と振動板5、及び反動板10は実験装置と同じである。実験装置の滑り軸受12のベアリングを、本実施例に於いては、垂直方向の運動に適したスライドユニットに改良した。
Since the members of the experimental apparatus have been partially improved, the principle of the invention will now be described with reference to FIGS. 1 and 2 showing an embodiment of the present invention.
A vibrating device comprising a
また、円板の反動板10を同じ外径の基礎リング23及び中空固定リング22により固定し、中空固定リング22または反動板10に支持フレーム15を固定し、垂直軸4を滑り軸受12及び横フレーム9で支持し、調整輪11を取り付けた垂直軸4を反動板10の中心に結合することなく直立させる。
In addition, the
中心軸19と交わる横フレーム9の衝撃受け9aから同じく中心軸19と交わる平衡線10a(反動板上面)までの長さである固定基準長20の長さが、例えば200mmであった場合、反動板10と接触する垂直軸下端4aから調整輪11の上端までを200mmに調整して固定する。さらに、垂直軸4上部側に振動装置等を取り付けた振動板5を固定ナット8で設置すると、調整輪11と衝撃受け9aの間に荷重による撓みができても、これによる調整は行わない。重力の影響で撓みができても、反動板10にそれ以上の速さの振動加速度(復元力)が発生しこの撓みは解消される。
If the length of the fixed
振動板5に配置するシステムモーター1は4個均等配置し、装置の中空固定リング22を固定ネジ24により外部側に固定する。
Four
以上の構成からなる本実施例の装置を始動させると、錘3の遠心力により振動板5に撓みが発生して正弦波振動し、同時に垂直軸4に密着する反動板10も連動して振動する。反動板10の復元力により、垂直軸4が振動波形の谷から山へ振動し、垂直軸4に取り付けた調整輪11が横フレーム9下端の衝撃受け9aに衝撃した瞬間、反動板10及び垂直軸下端4aは平衡線10aで瞬間停止する。
When the apparatus of this embodiment having the above structure is started, the centrifugal force of the
そのため反動板10は上昇側に撓み振動することはなく、ここからさらに、回転子2の錘3が180°回転すると、再び垂直軸4は下降し始め反動板10は下方側に撓むことになる。
Therefore, the
さらに振動加速が重力加速度以上に増幅し、反動板10が垂直軸4から振動を受けると、反動板10には錘3の遠心力による振動エネルギーが蓄積する。振動板5と反動板10の撓み量及び振動数は等しいため、双方の振動振幅・振動速度も等しい。
Further, when the vibration acceleration is amplified beyond the gravitational acceleration and the
そのため反動板10と垂直軸4は密着状態で振動し、反動板10の復元力により垂直軸4に取り付けた調整輪11が、横フレーム9下端の衝撃受け9aに衝撃すると、この衝撃振動は垂直軸4を伝搬し振動板5に伝わる。
Therefore, the
反動板10の衝撃振動は上方側に振動しない片振幅であり、上昇方向の力である正の部分の要素だけを持つもので、反動板10の復元力による衝撃振動は半サイクルの正弦半パルス波といえる。
The impact vibration of the
この正弦半パルス波は、振動板5の正弦波の振動周期と一致するため、双方の振動波は振動板5で合成振動波となり上方側に慣性力による推進力が発生する。 Since this sine half-pulse wave coincides with the vibration period of the sine wave of the diaphragm 5, both vibration waves become a composite vibration wave on the diaphragm 5, and a propulsive force is generated upward due to the inertial force.
図3(a)(b)(c)は、前記合成波の一連の形成過程を示す。
(a)は、振動板5の正弦波が軸受6側から垂直軸4に進む状況を示す。
(b)は、反動板10の復元力により調整ネジ11が衝撃受け9aに衝撃し正弦半パルス波が垂直軸4を伝搬し、軸受6側に進む状況を示す。
(c)は、双方の振動波が合成し、慣性力の発生方向を示す。
FIGS. 3(a), 3(b) and 3(c) show a series of formation processes of the composite wave.
(a) shows the situation where the sine wave of the diaphragm 5 travels from the
(b) shows a situation in which the restoring force of the
(c) shows the direction in which the inertial force is generated by synthesizing both vibration waves.
図5は中空固定リング22による反動板10の固定状況を示す。
(a)は、中空固定リング22の斜視図である。
(b)は、上記の断面図である。
FIG. 5 shows how the
(a) is a perspective view of a
(b) is a cross-sectional view of the above.
図6(a)(b)は正弦波と正弦半パルス波が重なる先頭の合成点を示す図である。振動周期が一致する箇所で、力が作用する軸受6と垂直軸4の直線間でのみ合成する。
(a)は、軸受6などの振動装置が3個設置された場合を示す。
(b)は、上記の装置が4個設置の場合を示す。
FIGS. 6(a) and 6(b) are diagrams showing the leading synthetic point where the sine wave and the sine half-pulse wave overlap. Synthesis occurs only between straight lines of the
(a) shows the case where three vibration devices such as
(b) shows the case where four of the above devices are installed.
実験装置で観測した推進力は、装置の質量が1.5~2kg程度常に軽減するもので、この時の錘の回転数は1900~2000rpm程である。 The propulsive force observed in the experimental apparatus is such that the mass of the apparatus is constantly reduced by about 1.5 to 2 kg, and the rotation speed of the weight at this time is about 1900 to 2000 rpm.
振動板5は錘3の回転偶力により回るため、振動板5の端部などを抑える回り止めを設けると安定する。
Since the diaphragm 5 rotates due to the rotational couple of the
実験例2
回転子2及び軸受6からなる振動装置と振動板5は、実験例1と以降の実験例4まで同じ装置で、反動板10のみを取り換えて実験した。反動板10の直径が実験例1と同じ300mmで、厚さ1.0mmのSPCC金属材料では、静的撓み量が4.88mmとなり振動板5の撓み量2.75mmより大きい。これを振動させると反動板10の振幅が大きいため正弦波とは異なる振動モードになり、反動板10と垂直軸4が離れて振動し、双方が衝撃し合い外乱振動になる。振動板5より撓み量が大きい反動板10は周期が一致しない。
Experimental example 2
The vibrating device consisting of the
実験例3
反動板10の直径300mm厚さ1.6mmのSPCC金属材料では、撓み量が1.19mmであっても推進力は発生する。これは、双方が同じ金属材料で弾性が等しいため、反動板10は垂直軸4と密着して振動し、振幅に比例して波長の短い正弦半パルス波が発生する。この正弦半パルス波は振動板5の正弦波と振幅は異なっても周期は等しくなるので、1対1の関係で合成する。復元力は反動板10の質量も影響することから、不安定ながらも実験例1相当の推進力が観測された。理論的には、反動板10の直径を454mmにすると振動板5と同じ撓み量2.73mmになり、質量も増えるため復元力も大きくなるといえる。
Experimental example 3
If the
実験例4
反動板10を直径300mm厚さ1.5mmのステンレス板(SUS304)で実験した。静的撓み量は1.45mmで、引張強度がSPCC材料は270Mpaに対しステンレス板は520Mpaで2倍ほど引張強度が異なる。振動の始まりには推進力が発生する兆候があるものの、すぐに観測できなくなる。引張強度が大きく異なる材料では動的撓み速度が一致し難い。しかし、弾性限度を超えるものではないため、直径を414mmにすると撓み量は2.77mmになり振幅は一致することになる。
Experimental example 4
An experiment was conducted using a stainless plate (SUS304) with a diameter of 300 mm and a thickness of 1.5 mm as the
以上の実験結果から、振動板5及び反動板10に用いる材料は、ヤング率及び引張強度の弾性率が多少異なる金属材料の組合せでもよく、双方の撓み量が等しい場は効率が良い推進力が発生するといえる。
From the above experimental results, the materials used for the vibration plate 5 and the
実施例とした図1及び図2に於いて、錘3をサイクル同期位置制御するシステムモーター1は、モータ、エンコーダ、位置決めドライバを内蔵し、外部とオンライン指令により稼働する。また、実験装置と同じく歯車による同期方法として、垂直軸4を回転軸とする大傘歯車17に、モータ13に取り付けた小傘歯車18をかみ合わせて連結すると、容易に同期回転が可能になる。尚、センサーにより制御可能なモータであれば、実施例に於いてモータの種類や制御方法及び設置個数は限定されるものではない。
1 and 2 as an embodiment, the
円板の中心固定による撓み量は、次式により求められる。
円板の外周固定による撓み量は、次式により求められる。
1 システムモーター
2 回転子
3 錘
4 垂直軸
4a 垂直軸下端
5 振動板
6 軸受
7 ジョイント
9 横フレーム
9a 衝撃受け
10 反動板
10a 平衡線(反動板上面)
11 調整輪
12 滑り軸受
13 モータ
15 支持フレーム
19 中心軸
20 固定基準長
21 固定金具
22 中空固定リング
23 基礎リング
(1)
1
11
(1)
Claims (2)
(1) A rotor (2) in which a small bevel gear (18) attached to a motor (13) is meshed and connected to a large bevel gear (17) whose rotation axis is a vertical shaft (4), and a weight (3) is attached to the rotor (2); 2. A propulsive force generating device by synthetic vibration waves according to claim 1, wherein synchronous position control is performed via a plurality of vibrating devices comprising bearings (6) and joints (7).
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Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP3158488U (en) * | 2010-01-20 | 2010-04-02 | 岡本 家春 | Propulsion machine |
JP2012137082A (en) * | 2010-05-19 | 2012-07-19 | Eisaku Shibata | Propulsive force generating device by centrifugal force |
JP2016084799A (en) * | 2014-10-28 | 2016-05-19 | 英策 柴田 | Propelling force generating device with vibration wave |
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- 2022-02-20 JP JP2022024345A patent/JP7087216B1/en active Active
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