JPH08154357A

JPH08154357A - フライホイール

Info

Publication number: JPH08154357A
Application number: JP6319199A
Authority: JP
Inventors: Noboru Mizunuma; 昇水沼
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1994-11-29
Filing date: 1994-11-29
Publication date: 1996-06-11

Abstract

(57)【要約】【目的】フライホイール付モータにおいて、ある特定
の出力域では有効であったフライホイール効果が、装置
の仕様上、それ以外の出力域で不利になる現象（速度制
御不能、脱調等）を解決する。【構成】装置の駆動系の一部に組み合わせて使用する
フライホイールにおいて、フライホイールの慣性モーメ
ントを変化させる手段を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はフライホイール（別名、
はずみ車）に関し、特に駆動手段（特にモータ）に利用
して、装置本体の振動、騒音等の装置性能、機能へ悪影
響を与える減少を防止、抑制するフライホイールに関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】一般にフライホイールは第７図に示す様
に金属（鉄鋼系あるいは銅系）材料で加工された円板４
０の中心に図示されない駆動系（モータ、ギア等）の回
転軸が一体的に結合される嵌合穴４０ａが形成された形
態を成している。又、第８図に示す回転中心に形成され
た嵌合穴５０ａを持ち、そこから放射状にアーム５０ｃ
が伸長し、外周のリング部５０ｂに至る一体的な形態の
ものも多く使用されている。

【０００３】これらのフライホイールの目的は、装置の
振動や騒音の発生原因である駆動系のトルク変動に対し
て、均一なトルクを駆動系が出力できる補助手段として
使用される。したがって、前述のトルク変動に対して、
フライホイールの慣性モーメントＩを装置、駆動系毎に
適宜選択し、設計上、フライホイールの材料密度、形状
の諸寸法を決定していた。ここで、慣性モーメントＩ
は、一般的にＩ＝∫ｒ²ｄｍ・・・・（１）で表される。ここで、ｄｍはフライホイールの微小部分
の質量であり、ｒは回転軸からｄｍまでの距離である。
別の表現をすれば、物体の全質量・Ｍが回転半径ｒバー
に集まっていると考えると、Ｉ＝Ｍ・ｒバーの２乗・・・・（２）となる。工学的には、全重量Ｇ、２ｒバー＝Ｄ（直径）
を使用して、以下の式で表される。Ｉ＝ＧＤ²／４ｇ・・・・・（３）この従来例のフラホイールではＧＤ²は一定である。

【０００４】ここで、従来から、装置の仕様上、モータ
出力幅の大きな構成、即ち、負荷移動体の速度幅が大き
く、それに伴ってモータ軸の回転速度も変化されるもの
や、長期運転の為、モータ自信の昇温あるいは駆動系周
辺部での昇温によって、モータ出力特性が変化する構成
のものでは、フライホイールの予め設定された適宜な慣
性モーメントＩが有効に作用せず、逆に、振動や騒音を
大幅に生じてしまうことが多発していた。特に安価なモ
ータ（温度、トルク制御のないＡＣモータおよびＤＣモ
ータ、パルスレートによってトルク値が変動するパルス
モータ、ステッピングモータ等）でこの現象が顕著であ
り、最悪な場合には、所定の速度制御ができなかった
り、パルスモータ、ステッピングモータなどでは脱調現
象が発生し、モータの回転が突然停止してしまう場合も
あった。上述のトラブル対策として、従来、さらに性能
を向上させたモータを選択したり複雑な部品で構成した
制御回路を設置していた。しかし装置自身の大きさを大
きくし、経済的にも高価なものになっていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】したがって、従来生じ
ていた、フライホイール付モータにおいて、ある特定の
出力域では有効であったフライホイール効果が、装置の
仕様上、それ以外の出力域で不利になる現象（速度制御
不能、脱調等）を本発明のフライホイールは解決するも
のである。又、初期設計段階でのモータの選定、負荷系
のトルク測定、周囲温度測定、モータ自身の昇温測定等
の煩わしい開発、設計データの収集、計算を大幅に短縮
し、開発効率の改善を目ざすものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明のフライホイール
は、回転中心軸部と外周各慣性部を適宜な弾性アームで
結合する構成や該アーム部を温度変化部材（バイメタル
手段や形状記憶合金手段）で構成することで、回転中心
軸から各慣性部までの距離ｒを変化させることにより、
前記慣性モーメントＩを変化させて、幅広い装置仕様
（仕様速度トルク、長期運転等）に対応するフライホイ
ール効果を得るものである。

【０００７】

【実施例】次に、本発明の実施例を説明する。

【０００８】（実施例１）本発明の実施例１を図１〜図
３に示す。図１は、本発明のフライホイールの概略構成
図であり、駆動モータ１に本体駆動手段６０へ駆動力を
伝達する為のモータギア１ｂがモータ軸に一体的に取り
付けられている。又、モータギア１ｂの逆側には、本発
明のフライホイール２の嵌合穴２ａと一体的に結合され
るモータ軸の延長部１ａが突出しており、フライホイー
ル２を結合することによって、後述する効果を本体装置
へ伝えることが可能となる。

【０００９】さらに、フライホイール２は外周に４つの
同一形状の慣性部２ｃを４つのアーム部２ｂで結合する
構成になっている。尚、ここで、アーム部と慣性部は同
一材料を使用し、一体成形で作成しても、別材料を使用
し、両部分を結合することも可能であり、同様な効果を
生む。本発明のフライホイール２で特徴的なことは、ア
ーム部２ｂが弾性体（断面形状で曲げ剛性を適宜に選択
しても、材質的にゴム、エラストマー、プラスチック等
を選択することも可能である。）であることである。以
下、本発明のフライホイールの原理について図２、図３
を使って説明する。

【００１０】図２は、本発明のフライホイール２のアー
ム部２ｂ、慣性部２ｃの一組について示したものであ
る。図２ａにおいて、初期、破線位置にあったアーム部
２ｂ、慣性部２ｃはモータ駆動力がフライホイールに伝
わり、フライホイール２が回転を始めると図２ａで見ら
れる様に、アーム部２ｂが撓んで実線で表される位置へ
慣性部２ｃが変位する。図２ｂはこのことをベクトル表
示したものであり、初期の慣性部２ｃの重心位置が回転
中心から半径ｒ₀にあり、回転が始まると、ｓ方向へ動
き、瞬間的に半径ｒ₁の位置で停止する。

【００１１】この様な変位は、図３のモータの回転角速
度ｗと時間ｔとの関係図において、斜目、右上がりの部
分に相当し、時刻ｔａにて角速度ｗ₀の回転速度に達す
ると、図２ａで示される元の破線位置へ慣性部２ｃは再
び戻って終了する。以下、前述の慣性部２ｃの挙動を関
係式で示すと、図２ｂより、ｒ₁ ² ＝ｒ₀ ²−ｓ² ・・・・（３）ｒ₁ ＝√（ｒ₀ ²−ｓ²）・・・・（４）ここで、質点ｍが加速回転時に受ける力Ｆは、Ｆ＝ｍ・ｒ₀・ω ・・・・（５） ω：角加速
度（＝ｄｗ／ｄｔ）又、はりの弾性変形の式から、Ｓ＝Ｒ・ｆ（ｒ₀／ＥＪ）・Ｆ・・・・（６）ここで、Ｒは比例定数であり、ＥＪは材料の曲げ剛性で
ある。（５）、（６）より、次式が得られる。Ｓ＝Ｒ・ｆ（ｒ₀／ＥＪ）・ｍ・ｒ₀・ω ・・・・（７）したがって、（４）、（７）より、次式が得られる。ｒ₁ ＝〔ｒ₀−Ｒ²・ｍ²・ｒ₀ ²・ω²・ｆ（ｒ₀／ＥＪ）²〕^1/2 ＝ｒ₀〔１−Ｒ²・ｍ²・ω²・ｆ（ｒ₀／ＥＪ）²〕^1/2・・・（８）（８）式より、慣性部の質量や角加速度が大きい程、
又、ＥＪで表される材料の曲げ剛性が小さい程、ｒ₁ は
小さくなり、図３のｔａまでにアーム部２ａが撓む量が
大きくなることが定性的にわかる。

【００１２】本発明の実施例１のフライホイールは、上
述の原理により、モータ回転速度が０からｗに立ち上が
るまでに、慣性モーメントに影響を与える回転半径ｒ₀
が最小ｒ₁ まで小さくなり、そのことで慣性モーメント
Ｉも小さくなるので、立ち上がり時における本体駆動系
への負荷（あるいはイナーシャ）も小さくなる。この効
果は、角速度ｗが安定するｗ₀まで持続的に生ずるの
で、本体装置の制御すべき移動体の速度が可変であり、
可変幅の大きな装置（例えば、工作機械用あるいは、複
写機の光学系で使用されるステッピングモータ等）で有
効に利用できる。

【００１３】（実施例２）本発明の実施例２を図４に示
す。図４のフライホイール２０は、本体駆動系との結合
部２０ａを中心に保持し、その外周に弾性材料（ゴムエ
ラストマー、及びそれらの発泡材等）で成形した円板状
部材２０ｂと、さらに外側に慣性部２０ｃとによって構
成されている。円板状部材２０ｂと慣性部２０ｃとは同
一材料で成形しても良いし、別材料を結合して作製して
も良い。

【００１４】以上の構成において、本体駆動系からの回
転力がフライホイール２０に伝達されると、前述の実施
例１における同等の原理によって、アーム部２０が縮
み、慣性部２０ｃの重心までの回転半径ｒが小さくな
り、それに共なって慣性モーメントも小さくなり、本体
駆動系への負荷を軽減できる。本構成においては、ｒ₂
≫ｒ₁では前述フライホイール効果はなく、少なくとも
ｒ₂≦２ｒ₁の関係にてアーム部２ｂと慣性部２ｃの形
状を決定したいが、設計上、材料選定との絡みで決定さ
れるべきものである。

【００１５】（実施例３）図５に本発明の他の実施例３
を示す。同図において、フライホイール３０は本体駆動
系との結合部３０ａを中心に有し、アーム部に異種の金
属３０ｂ、３０ｃを一体的に接合し、合板としたバイメ
タル構成を成している。そして、外周の慣性部３０ｄと
中心部とを、該アーム部によって結合する構成をとって
いる。上述の構成により、本体装置の長期運転により、
駆動系（特にモータ）や周辺部（電源や摩擦部分）の温
度上昇に共なって、本発明のフライホイール３０のアー
ム部３０ｂ、３０ｃが一方向へ撓み、効果として、慣性
部３０ｄの重心部回転半径が小さくなり、。慣性モーメ
ントＩも小さくなる。この作用は、温度上昇が継続して
いる間中、生じており、従来、温度上昇によって、モー
タのトルクが下がり、フライホイール効果が適正でなく
なり、駆動系の振動、騒音を発生し、ステッピングモー
タなどの脱調を引き起こしていたトラブルを改善出来
る。

【００１６】又、アーム部をあらかじめ定められた温度
で伸縮する、一種類の形状記憶合金で構成することによ
って、上述の作用とは逆に、昇温時に、回転半径を大き
くし、Ｉを大きくして、よりフライホイール効果を高め
ることも可能である。これらのことは、装置の仕様、選
定モータの種類、周辺駆動系構成によって、選択して使
用すれば良い。

【００１７】さらに、図６に見られる様な、フライホイ
ールの外周部を複数枚の羽根形状３５で形成すること
で、モータ３６の回転速度の遅い時には、羽根に加わる
空気抵抗が小さく、つまり、Ｉが大きく（ＧＤ²が大き
く）、モータの回転速度が速い時には、抵抗が大きくな
って、Ｉが小さく（ＧＤ²が小さく）なる効果を新たに
付加させることが可能である。

【００１８】本実施例においては、前述のｗ（モータ回
転速度）の立ち上がり時のみＧＤ²が変化するタイプ
（実施例１）に対し、ｗが一定域へ達した時に、空気抵
抗が一定となり、それにともなって、羽根形状の慣性部
の回転半径も初期より小さい位置で固定され、ｗ＝一定
の状態が維持される限り、ＧＤ²は小さい値に保持さ
れ、昇温時のモータトルク減少分の対策効果が出る。こ
の構成では、羽根による空気流の活性化によって、モー
タ自身の自己昇温も充分防止できることは言うまでもな
い。

【００１９】以上、説明した実施形１、２、３と使用条
件及び環境の構成上の最適な組み合わせは、下記の通り
である。（１）使用回転速度、トルク幅が広い装置で特に静音効
果を必要とする場合：アーム材（及び慣性部共）はゴム
材が望ましい。（２）装置として安価なものを狙う場合：アーム材及び
慣性部共、一体型プラスチック材で成形する構成が適当
である。（３）上記イ）、ロ）の中間条件の場合：アーム材（及
び慣性部共）はエラストマーによって製作するのが良
い。（４）使用温度条件が広い場合：実施形３で示した様
な、アーム材をバイメタル材や形状記憶合金で作る構成
が良い。このように、適宜、開発、設計時に選択考慮し
て構成、材質を決定していけば良い。

【００２０】

【発明の効果】以上説明した様に、従来、振動、騒音防
止、抑制手段として使用されてきた、フライホイールに
おいて、本発明の様な慣性部の回転半径を変化させる手
段（アーム部を弾性体で構成したり、温度により、形状
変化可能部材（バイメタル、形状記憶合金）で構成）に
よって、幅広い装置仕様（使用トルク、速度域）や長期
運転状態でもトラブル（脱調、速度制御不能）のない駆
動系を提供できるフライホイール手段が実現できる。

【００２１】本発明のフライホイールの効果の具体例を
下記する。複写、印刷装置で使用される光学系モータ
は、コンパクトで安価なステッピングモータが従来から
使用されている。使用モードとして、原稿を読み取る時
に往復動するスキャナ動作モード（基本的にスキャナは
往復動作するので、モータとして正、逆転し、かつ、正
転より逆転時にモータ回転速度をモータ使用範囲の最速
へ立ち上げる必要がある。）と変倍動作モード（倍率を
変化できる様、レンズ移動を伴う。この時、スキャナも
同時に動かすことがコンパクトで安価な装置では一般的
であり、使用負荷トルク上、最大トルクがモータ出力と
して必要となる。）について、本発明のフライホイール
を設けることにより、スキャナ動作モードにおける画像
ブレの低減、変倍動作モードにおける異音、騒音の防止
を両立させた装置を提供出来る。

【００２２】このことによって、従来、前述のトラブル
に対応して、高価な制御回路や温度制御部を装置内に付
与したり、上位のモータを選択し、スペース、コスト共
に大幅な増大を伴ってきたことを簡単で安価な手段で解
決できる。又、フライホイールの初期開発段階において
も、本発明のフライホイールはモータ、駆動系及び装置
本体と幅広く適合出来るので、従来の様な煩わしい種々
の測定（モータトルク、駆動系負荷、昇温等）や計算を
必要とせず、開発時間の大幅な短縮が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の実施例１の概略図である。

【図２】図２は、本発明の実施例１の動作原理図であ
る。

【図３】図３は、本発明の実施例１の動作原理図であ
る。

【図４】図４は、本発明の実施例２の概略図である。

【図５】図５は、本発明の実施例３の概略図である。

【図６】図６は、本発明の実施例のフライホイール慣性
部を羽根形状とした場合の動作図である。

【図７】図７は、従来例の概略図である。

【図８】図８は、従来例の概略図である。

【符号の説明】

１駆動モータ２フライホイール２ｂアーム部２ｃ慣性部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】装置の駆動系の一部に組み合わせて使用
するフライホイールにおいて、フライホイールの慣性モ
ーメントを変化させる手段を具備したことを特徴とする
フライホイール。
【請求項２】請求項１記載のフライホイールにおい
て、フライホイールは回転中心部と、外周慣性部と、そ
れらを結合しているアームとから成り、少なくともアー
ム部は弾性体で構成されていることを特徴とするフライ
ホイール。
【請求項３】請求項１記載のフライホイールにおい
て、フライホイールは回転中心部と外周慣性部と、それ
らを結合しているアーム部とから成り、少なくともアー
ム部は温度により形状変化する部材で構成されているこ
とを特徴とするフライホイール。
【請求項４】請求項１記載のフライホイールにおい
て、前記慣性モーメントの変化はフライホイールの半径
を変化させることによって行われることを特徴とするフ
ライホイール。