JP2657194B2 - 連成振り子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、連成振り子に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来より２つの単振子系の保持支点を同
一部材（糸，薄板，水平な丸棒等）に設け、両単振子を
コイルばね等の弾性体や磁石などで連結し、一方の単振
子（駆動側）を電磁的に駆動し、他方の単振子（受動
側）を駆動側振子の振動に連動して振動させるものがあ
る。例えば、実開昭５８−１１４７８８号公報には、２
つの単振子が両端固定の振動伝達ペラに設けてあり、一
方の単振子を電磁的に駆動して振子運動させ、この振子
運動を他方の単振子に振動伝達ペラを介して伝達する構
成が示されている。また、実開昭６１−４６４９４号公
報には、各別に吊支された２つの単振子に、対向的に連
動磁石が設けてあり、一方の単振子を電磁的に駆動して
振子運動させ、この振子運動を他方の単振子に連動磁石
を介して伝達する構成が示されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】連成振り子は、２つの
単振子が同一の振り角でかつ逆位相で安定して振動する
ことが望ましい。このような振動は、駆動側の単振子の
駆動振動数と、受動側の単振子の固有振動数及び共振尖
鋭度（Ｑ値）と、これら２つの振動系の結合の強さなど
が主要な要因となって決定される。

【０００４】受動側の単振子の振り角は、一般の共振現
象の共振曲線（図６に示す共振曲線２０）と同様な特性
を有しており、一般に１Ｈｚ程度の単振子のＱ値は２０
０〜１６００程度あるため、受動側の単振子の少しの状
態変化（周期，損失など）により大きく変化する。即
ち、駆動側の単振子の周期を０．８秒とし、受動側の単
振子のＱ値が約４００で周期０．８秒で振動した時の振
り角を１００％とすると、周期や損失などの僅かな状態
変化、例えば、周期が０．００１秒変化することによっ
て振り角はピーク時の７０．７％に低下してしまう。

【０００５】上記従来例のいずれにおいても、駆動側と
受動側が逆位相で振動し、振り角を同等の値とするため
には、振動伝達ペラや磁石などによるばねを弱くして連
成結合を弱くし、受動側の固有振動数を駆動側の振動数
に極めて近い状態とすることにより可能であるが、先に
述べた受動側の振り角が変わりやすいことは同様であ
り、その調整は極めて困難なものである。そして、ばね
を強くして連成結合を強くすると、連成振り子がほぼ同
位相（少しの位相差がある程度）で連成振動して安定す
ることが多くなる。このように、受動側の単振子の振り
角が変化し易い点、駆動側と従動側がほぼ同位相で振動
し易い点、及び連成振動の結合度の設計が難しく調整も
困難な点など多くの問題がある。

【０００６】そこで、本発明の目的は、連成振り子の受
動側の振り子の振り角を駆動側のそれと同じく大きく
し、かつ安定して振動するようにし、受動側振り子の振
動周期の調整を容易にして両振り子の振動が安定して逆
位相で同期するようにすることにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の連成振り子は、振り子支柱と、連成振り子
支点保持部材と、駆動側振り子と、受動側振り子と、駆
動側振り子の駆動手段とからなっている。連成振り子支
点保持部材は、一方の端部または両方の端部が水平方向
に弾性的に変形可能であるように振り子支柱に支持して
あり、連成振り子支点保持部材の水平方向に移動可能な
端部には、駆動側振り子と受動側振り子とがそれぞれ振
動可能に吊支してある。駆動手段は、駆動側振り子に設
けた駆動用磁石とこの磁石に対向的に設けてある駆動コ
イルとからなり、受動側振り子には、上記受動側振り子
の重心位置を調整する錘が設けてある。

【０００８】上記の連成振り子支点保持部材は、その一
端部で振り子支柱に支持された片持梁の構造を有するも
のでもよく、または、その中間部で振り子支柱に支持さ
れ、両端が自由端であるものでもよい。

【０００９】更に、上記の連成振り子支点保持部材は弾
性板で構成してもよく、上記の振り子支柱はその軸心回
りに捩じれ可能なもので構成してもよい。

【００１０】

【実施例】本発明の一実施例を図１を参照して説明す
る。

【００１１】保持台１には振り子支柱２が立設してあ
り、その上端部に、連成振り子支点保持部材３としての
保持ばねが片持梁の構造で連結してある。即ち、保持ば
ね３の一端部（左端部）が、振り子支柱２の上端部に設
けたスリット状の溝内に挾み込んで固定してある。この
ために保持ばね３の他端部（右端部）は、容易に水平方
向に撓むことが可能な自由端になっている。

【００１２】保持ばね３には、駆動側振り子４と受動側
振り子５が吊支してある。即ち、支柱２に近い側に位置
する駆動側振り子４は、平行な２本の吊り糸４ａ，４ｂ
によりぶらんこ状に吊支されており、互いに支柱２から
遠い位置には、受動側振り子５が平行な２本の吊り糸５
ａ，５ｂによりぶらんこ状に吊支されている。

【００１３】保持ばね３の保持支点をＯ、駆動側振り子
４の支点をＰ、受動側振り子５の支点をＱとし、Ｏから
Ｐまでの駆動側支点距離をａ、ＯからＱまでの受動側支
点距離をｂとする。

【００１４】駆動側振り子４の駆動手段６として、駆動
側振り子４の吊り糸４ａ，４ｂの下辺の磁石取付板４ｃ
に駆動用磁石６ａが固着してあり、保持台１には、この
駆動用磁石６ａに対向する位置に駆動コイル６ｂが配設
してある。

【００１５】受動側振り子５には、吊り糸５ａ，５ｂの
下辺の錘取付板５ｃに、上下に位置調整が可能である錘
７が設けてあり、この錘７により受動側振り子５の重心
位置を調整するようにしてある。

【００１６】駆動用振り子４の重心位置をＲ、受動側振
り子５の重心位置をＳとすると、ＰからＲまでの駆動側
振り子長さはｍで、ＱからＳまでの受動側振り子長さは
ｎである。錘７を上下に変位させることにより、受動側
振り子５の重心位置を調整量ｓだけ調整することができ
る。

【００１７】このようにして構成した連成振り子の上部
には、時計８が配設してある。

【００１８】図２は、図１の連成振り子の構造を、質点
単純振り子として略記したものであり、（ａ）に保持ば
ね３が保持支点Ｏを中心として水平方向に所定の振り角
で振動する様子を平面図として表し、（ｂ）にこれを正
面図として表している。

【００１９】図３は振り子の振動状態図を示しており、
駆動側の場合も受動側の場合も同じであるので、駆動側
振り子４を図示して説明している。振動状態は振り子４
の支点Ｐが動いた場合と動かない場合の状態を示してい
る。片持梁の構造であるので、水平方向の移動のみを考
慮し、上下方向の移動は無視できる。駆動側振り子４の
振動において、支点Ｐが動かない場合には、振り子長さ
ｍに変化なく左右に振動する。しかし、振り子の最大振
幅の時に、支点Ｐが水平方向に最大の支点振り幅（支点
Ｐ´からＰ´）だけ動いた場合には、支点片側移動量Ｐ
−Ｐ´を生じる。この時の駆動側振り子４の振動は、見
掛上の支点をＰからＰ1 に移し、振り子がこの動かない
支点Ｐ1 で振動したのと等価である。つまり、上記の振
り子長さｍに対して、長さＰ1 −Ｐ´だけ長い等価振り
子長さｍ´をもった振り子を、支点Ｐ1 で固定して振動
させたのと等価である。この長くなった長さＰ1 −Ｐ´
は、支点片側移動量Ｐ−Ｐ´の２〜５倍程度が相当であ
る。そしてこの値は、片持梁の保持ばね３の水平方向に
対する曲げ強さ及び振り子４の重量が主要な要因となっ
て決定される。受動側振り子５の場合も全く同様であ
り、支点Ｑの片側移動量に比例して等価受動側振り子長
さｎ´が長くなる。

【００２０】図４は、連成振り子の２つの単振子を、同
一の振り角でかつ逆位相で安定した振動（位相同期）を
行わせるための、設計上の要点を図示した動作説明図で
ある。このためには、受動側振り子の振り幅が駆動側振
り子の振り幅よりも大きいか或いは等しい時に、等価受
動側振り子長さｎ´が等価駆動側振り子長さｍ´よりも
大きいように設計すればよい。これにより、安定した位
相同期をさせることができる。

【００２１】即ち、保持ばね３の曲げ強さが強い場合，
普通の場合，弱い場合では、図３で説明した振り子の最
大振り幅における片側移動量Ｐ−Ｐ´が異なり、曲げ強
さが強い場合は最小量であり、順次、普通の場合、弱い
場合へと片側移動量が大きくなる。このために、見掛上
の支点Ｐ1 も実際の支点Ｐから次第に遠くなり、したが
って増加する振り子長さＰ1 −Ｐ´も次第に大きくな
り、等価振り子長さｍ´，ｎ´も次第に大きくなる。そ
こで先に述べたように、受動側振り子５の振り幅が駆動
側振り子４の振り幅よりも大きいか或いは等しいとき
に、等価受動側振り子長さｎ´が等価駆動側振り子長さ
ｍ´よりも大きくなるように、受動側振り子５の錘７
（図１参照）を上下動させることによって振り子長さｎ
´を調整して決定する。これにより安定した位相同期を
させることができる。

【００２２】図５はこのようにして設定した本発明の連
成振り子の起動過渡状態を説明する状態図である。まず
平面図（ａ），側面図（ｂ）はいずれも静止状態であっ
て、振り子４，５は支点Ｐ，Ｑの真下に静止している。

【００２３】この静止状態から、駆動側振り子４に、図
１に示した駆動手段６により初期振り角を与えると、平
面図（ｃ），側面図（ｄ）のように振り子４は移動する
が、振り子５は未だ静止したままとなる。

【００２４】この状態で振り子４を解放すると、徐々に
振幅が増加し、連成効果によって受動側振り子５の振り
角も同位相で次第に増大し、平面図（ｅ），側面図
（ｆ）のように、保持ばね３が保持支点Ｏを中心として
水平方向に振れるようになる。両振り子４，５の振動周
期は共に長くなるが、受動側振り子５の支点Ｑの方が保
持支点Ｏからの距離が長いので、受動側振り子５の振動
周期の方がより長くなる。そこで受動側振り子５の長さ
ｎを連成効果により共振的に振り幅が増大するのを妨げ
ない程度に駆動側振り子４の長さｍより短く（振動数を
少し高く）しておくと、駆動側振り子４により受動側振
り子５の振り幅が増大してきた場合に、双方の振り幅が
大きい状態で振動周期を同一に、また受動側振り子５の
振り幅が駆動側振り子４の振り幅より大きい状態の時
に、受動側振り子５の振動周期を駆動側振り子４の振動
周期より長くなる状態で動作させる事ができる。この調
整は図１，２，４中に受動側振り子調整長さｓとして記
入してあり、この長さ調整により上記のように動作させ
ることができる。

【００２５】このように、受動側振り子５は連成効果に
より一般の振動系と同様な共振作用により振り幅が増大
するが、その振幅−周期特性により振り幅の増大にとも
なって受動側振り子５の振動周期が駆動側振り子４の振
動周期より長くなり、受動側振り子５の振動が次第に遅
れてゆき、遂には平面図（ｇ），側面図（ｈ）のように
位相同期状態となり、振り幅の大きい状態で完全に位相
同期（逆位相）して安定した振動するようになる。この
状態では受動側振り子５の支点Ｑが保持ばね３の振動の
腹となり、したがって受動側振り子５は支点Ｑが水平方
向に変位しないで振動し、駆動側振り子４の支点Ｐのみ
が水平方向に変位した振動となる。従って図４で説明し
たように駆動側振り子４では振り子長さｍより長い等価
振り子長さｍ´で振動し、受動側振り子５では受動側振
り子長さｎで振動し、この状態で駆動側振り子４と受動
側振り子５とは、その振り幅および振動周期が互いに同
一でかつかつ逆位相で安定して振動する。

【００２６】本発明で重要な点は、決して同位相では安
定せず、逆位相で安定するという点である。この点が、
先に述べた従来の構成においては、逆位相で安定振動す
る位相同期のための条件が極めて厳しいのに対する顕著
な相違点であり、従来の構成では、同位相で安定したり
逆位相で安定したりする場合が微妙な起動条件で決まり
不確定となりやすく、更に、連成系に対する外乱（加速
や移動時の振動など）により同期状態が変化し易い。こ
の変化は、特に逆位相で同期する望ましい状態から同位
相同期の状態に移って安定してしまう場合が多く、これ
は望ましい事ではない。これに対して本発明では、最初
に強制的に同位相で振動させた場合でも、逆位相の振動
に移行して安定するし、また、駆動側振り子４と受動側
振り子５に同時に同じ程度の振り角を同一方向に与えて
解放した場合でも、図５（ａ）〜（ｇ）で説明した過渡
状態を経過して逆位相で振動する位相同期に移行して安
定する。図６に示した本発明の共振特性図の共振曲線１
０からも判るように、受動側振り子５の周期に±０．０
０１秒の状態変化が生じても、振り角は１００％を保っ
ている。

【００２７】図７に、本発明の他の実施例を示す。

【００２８】保持台１１の中央部から振り子支柱１２が
立設してあり、その上端部に設けたスリット状の溝内
に、Ｔ字状の連成振り子支点保持部材１３の支柱片１３
ａを挾み込んで固定してある。支柱片１３ａは支柱１２
の上方に連続し、支柱の一部となっている。連成振り子
支点保持部材１３は弾性板で構成してあり、その支柱片
１３ａは軸心回りに捩じれ可能となっている。このため
に保持部材１３の両端は、容易に水平方向に撓むことが
可能な自由端になっている。支柱片１３ａの両側には、
軸心回りに捩じれ易くするための切欠部１３ｂが設けて
ある。保持部材１３の両端部に、駆動側振り子１４，受
動側振り子１５が吊支してある。駆動側振り子１４，受
動側振り子１５，駆動側振り子１４を駆動するための駆
動磁石１６ａと駆動コイル１６ｂからなる駆動手段１
６、及び上下に位置調整可能な錘１７の構成は、図１に
示したものと実質的に同一であるので、その説明は省略
する。

【００２９】図８は、図７の連成振り子の構造を、質点
単純振り子として略記してあり、駆動側支点距離ａ及び
受動側支点距離ｂは、図７の例では等しくしてある。

【００３０】図９（ａ）に示す連成振り子支点保持部材
２３は、その支柱片２３ａを中心部でなく片寄せて設け
てあり、このために、駆動側支点距離と受動側支点距離
とは相違しており、両振り子の重量に大きな差がある場
合などに適用される。受動側振り子は共振現象を起させ
るためにある程度共振尖鋭度Ｑを高くする必要があり、
大きな錘を付けることが多いのであるが、外観などの関
係でこれができない場合には、両支点距離の割合を変え
ることにより振動系の整合を取り、双方の振幅の差を少
なく設定する。

【００３１】図９（ｂ）に示す連成振り子支点保持部材
３３は、その支柱片３３ａは中心部に設けてあるが、軸
心回りの捩じれが伝わり易いように、保持部材３３に細
長くかつ角を円弧状にした抜き穴３３ｃを設けてある。
これにより、支柱片３３ａを短くすることができ、保持
部材３３が保持状態の影響を受け難くすることができ
る。

【００３２】この実施例の場合にも、駆動側振り子を駆
動することにより、図５で説明した過渡状態を経過して
逆位相で振動する位相同期に移行して安定する。

【００３３】尚、連成振り子支点保持部材３，１３はい
ずれも弾性板で構成し、この保持部材が振り子の動きに
よって水平方向に撓み、または軸心回りに捩じれること
により、受動側振り子及び駆動側振り子の支点が移動し
て同期引込み及び同期安定化を図っているが、これに限
られるものでなく、保持部材を撓み難くし、この部材を
支持する振り子支柱に弾性材を配置して同等の効果が得
られるように構成しても良い。

【００３４】

【発明の効果】このように本発明の連成振り子は、受動
側の振り子の振り角を駆動側のそれと同じく大きくする
ことができ、かつ安定して逆位相で同期して振動させる
ことができ、動く飾りとしての面白みが増し、装飾効果
を高めることができる。また、受動側振り子の振動周期
の調整が容易にでき、両振り子の振動の安定性が高めら
れる。また、軸心回りの捩じれ効果を利用するので、両
振り子の動きの整合が取り易くなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す正面図である。

【図２】図１の連成振り子を質点単純振り子として略記
し、（ａ）は連成振り子保持部材３が振動する様子を表
した平面図であり、（ｂ）はこれの正面図である。

【図３】同上の振り子の振動状態図である。

【図４】連成振り子の２つの振り子を、同一の振り角で
かつ逆位相で安定した振動を行わせるための設計上の要
点を図示した動作説明図である。

【図５】連成振り子の起動時から安定時に至る状態を説
明する状態図であり、（ａ），（ｂ）は静止時の平面図
及び側面図であり、（ｃ），（ｄ）は駆動側振り子に初
期振り角を与えた時の平面図及び側面図であり、
（ｅ），（ｆ）は次第に大きく振れる過渡時の平面図及
び側面図であり、（ｇ），（ｈ）は逆位相で振動して安
定した位相同期した時の平面図及び側面図である。

【図６】共振特性図である。

【図７】本発明の他の実施例を示す正面図である。

【図８】図７の連成振り子を質点単純振り子として略記
した正面図である。

【図９】（ａ），（ｂ）はそれぞれ図７における保持部
材の他の実施例を示す正面図である。

【符号の説明】

２，１２ 振り子支柱 ３，１３，２３，３３ 連成振り子支点保持部材 ４，１４ 駆動側振り子 ５，１５ 受動側振り子 ６，１６ 駆動手段 ６ａ，１６ａ 駆動磁石 ６ｂ，１６ｂ 駆動コイル ７，１７ 錘

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 振り子支柱と、連成振り子支点保持部材
   と、駆動側振り子と、受動側振り子と、上記駆動側振り
   子の駆動手段とからなり、 上記連成振り子支点保持部材は、一方の端部または両方
   の端部が水平方向に弾性的に変形可能であるように上記
   振り子支柱に支持してあり、 上記連成振り子支点保持部材の水平方向に移動可能な端
   部には、上記駆動側振り子と上記受動側振り子とがそれ
   ぞれ振動可能に吊支してあり、 上記駆動手段は、上記駆動側振り子に設けた駆動用磁石
   とこの磁石に対向的に設けてある駆動コイルとからな
   り、 上記受動側振り子には、上記受動側振り子の重心位置を
   調整する錘が設けてあることを特徴とする連成振り子。
2. 【請求項２】 請求項１において、上記連成振り子支点
   保持部材はその一端部で上記振り子支柱に支持された片
   持梁の構造を有するものであることを特徴とする連成振
   り子。
3. 【請求項３】 請求項１において、上記連成振り子支点
   保持部材はその中間部で上記振り子支柱に支持され、両
   端が自由端であることを特徴とする連成振り子。
4. 【請求項４】 請求項１乃至３のいずれかにおいて、上
   記連成振り子支点保持部材は弾性板で構成されているこ
   とを特徴とする連成振り子。
5. 【請求項５】 請求項１乃至３のいずれかにおいて、上
   記振り子支柱はその軸心回りに捩じれ可能なものである
   ことを特徴とする連成振り子。