JP6108488B2 - 回転駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、点Ｏを中心に回転可能な回転体の、その点Ｏを中心とする重量バランスによって連続回転させ得る回転駆動装置に関する。

垂直面内で中心軸を中心に回転可能な円形の回転板と、その回転板の周縁に対し前記中心軸を中心とする３２点対称の位置に回転可能に取り付けられた３２個の重り吊り棒と、その重り吊り棒の自由端側に取り付けられた重りと、を有し、回転板の回転に伴って配置が変わる重りの重量バランスによってさらに回転板を回転させるようにした回転駆動装置が、例えば特許文献１に記載されている。

特開平４−３４２８７８号公報

特許文献１の回転駆動装置は、重りの自重で重り吊り棒が倒れて重量バランスが変わるようになっている。したがって、重り吊り棒が倒れたときの重りの反動が回転板に作用するため、回転板の円滑な回転が阻害され、惹いてはそのような回転板の回転の乱れがエネルギーロスにつながるおそれがあった。また、重り吊り棒が倒れて停止するとき、部材同士の衝突音が周期的に発生するため、静粛性にも欠ける問題もあった。

本発明は上記に鑑みなされたもので、重量バランスの変化によって回転体を回転させる回転駆動装置について、回転体の回転を効率的に且つ衝突音的な騒音を殆ど生じさせずに行わせ得るようにすることにある。

上記の目的を達成するため本発明は、
垂直面内で点Ｏを中心に回転可能な回転体と、
その回転体の回転状態を検知し得る回転検知手段と、
前記回転体に取り付けられたＸ個（Ｘは２以上の整数）の回転重錘装置と、
前記回転体の回転で発電する発電装置と、を有し、
前記回転重錘装置は、
前記回転体に対し前記点Ｏを中心とするほぼＸ点対称の位置に回転可能に軸着された回転アームと、
その回転アームを前記回転体と同じ回転速度で反対回りに回転させるモーターと、
前記回転アームの自由端側に設けた重錘と、を備えており、
全ての回転重錘装置は、全ての回転アームが同じ側の横を向くように前記モーターで制御されるものであり、全ての回転アームの自由端側に設けた全ての重錘の前記点Ｏを中心とする重量バランスによって前記回転体を回転させるようにした回転駆動装置を提供する。
なお、ここで、点Ｏを中心とするほぼＸ点対称の位置に回転可能に軸着された回転アームとは、点Ｏのまわりにほぼ（３６０゜／Ｘ）゜間隔に設けた軸によって回転アームが回転可能に支持されていることをいう。

また、請求項２に記載したように、前記モーターは、前記回転体が時計回りに回転する方向に立って見たとき、前記重錘が常にほぼ三時の方向に向くように前記回転アームを制御するものである請求項１記載の回転駆動装置を提供する。

また、請求項３に記載したように、前記モーターの原動軸と前記回転アームは、歯車伝動機構を介して連結されており、その歯車伝動機構の減速比を大きくして回転アーム側からモーターの原動軸に逆伝動されないようになっている請求項１又は２に記載の回転駆動装置を提供する。

また、請求項４に記載したように、前記発電装置により発電された電気をバッテリーに蓄電し、そのバッテリーの電気を前記モーターに供給するようにした請求項１〜３の何れか１項に記載の回転駆動装置を提供する。

本発明の回転駆動装置は、点Ｏを中心とするほぼＸ点対称の位置に配設された回転アームを回転体の回転方向とは逆向きに同期的に回転させるようにしたため、全ての回転アームの姿勢が常に同じ側の横を向く。したがって回転アームの自由端側に設けた重錘は、回転アームの回転中心に対して常に同じ側の横の位置にあるため、回転体の点Ｏを中心とする全体の重量バランスは、常に一方に偏った状態になる。この一方に偏った重量バランスにより回転体が点Ｏを中心に回転する。しかも、重錘の移動は、回転体の回転に同調しているため、重量バランスの変化に起伏が無く円滑であり、よって回転体の回転が効率的に行え、また、衝突音的な騒音も殆ど生じない。

また、請求項２に記載の回転駆動装置のように、前記回転体が時計回りに回転する方向に立って見たとき、重錘が常にほぼ三時の方向に向くように回転アームを制御するようにすれば、重量バランスの左右の差を大きく設定することができるため、回転体を効率良く回転させることができる。

また、請求項３に記載の回転駆動装置のように、モーターの原動軸と回転アームを減速比の大きい歯車伝動機構で連結し、そうして回転アーム側からモーターの原動軸に逆伝動されないようにすれば、例えば定期的な点検等のために回転体にブレーキを掛けて回転を止め、モーターへの通電を止めても回転アームはそのまま横向き姿勢を保つため、運転再開が容易である。

また、請求項４に記載の回転駆動装置のように、発電装置により発電された電気をバッテリーに蓄電し、そのバッテリーの電気を前記モーターに供給するようにすれば、一定の条件下で回転体を回転させ続けることが可能になる。

回転体が時計回りに回転する方向から見た回転駆動装置の断面図である。 回転駆動装置の中央縦断面図である。 図１の要部拡大図である。 図２の要部拡大図である。 回転重錘装置を示す斜視図である。 図２のＶ部の拡大図である。

以下に本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
回転駆動装置１は、図１、図２に示したように、固定的な装置基台２の上面に複数の軸受３，３，３で水平且つ回転自在に取り付けられた回転軸４と、中心の点Ｏに前記回転軸４を挿通してその回転軸４に固着することにより垂直面内で回転し得るようになっている回転体５と、その回転体５の回転状態を検知し得る回転検知手段６と、回転体５に対し前記点Ｏを中心とする六点対称の位置に取り付けられた六個の回転重錘装置７ａ〜７ｆと、回転体５の回転力で発電する発電装置８と、から概略構成される。

［回転体］
前記回転体５は、回転軸４の軸方向に所定の間隔を離して固着された二枚の円板５ａ，５ｂと、その円板５ａ，５ｂ同士の間隔を保つように円周位置に等間隔に取り付けられた六枚の周側板５ｃ，５ｃ…と、からなる。

［回転検知手段］
前記回転検知手段６は、図２、図６に示したように装置基台２の上面後方（図２において右端）に装着されており、その内部に前記回転軸４の後端部が挿通されている。そして、この回転軸４の回転状態（主として回転速度）を検知することにより、回転軸４と一体の回転体５の回転状態を検知し得る。

実施形態の回転検知手段６は、制御モーター６ａと、その制御モーター６ａの出力軸と前記回転軸４とを連結する歯車伝動機構と、から概略構成されている。この歯車伝動機構は、制御モーター６ａの出力軸に装着したウォーム６ｂと、回転軸４に装着したウォームホイール６ｃとの組合せ又は図示しないが平歯車同士の組み合わせであり、減速比を２０：１〜１０：１程度に大きくして回転軸４側から制御モーター６ａの出力軸に容易には逆伝動されないようになっている。この回転検知手段６を使って回転体５の回転状態を検知する方法については後述する。

［回転重錘装置］
前記回転重錘装置７ａ〜７ｆは、前記のように回転体５に対し点Ｏを中心とする六点対称の位置に六個取り付けられているが、全ての回転重錘装置７ａ〜７ｆは皆同一構成であるため、その構成の詳細を図３〜図５により一つの回転重錘装置７ａについて説明する。

図３〜図５に示したように回転重錘装置７ａは、前記回転体５の円板５ａ，５ｂ間に回転可能に支承された従動軸９と、その従動軸９に一体に取り付けられて円板５ａ，５ｂ同士の間のスペースに回転可能に軸着された二枚一組の回転アーム１０と、その回転アーム１０を回転させるべく円板５ａの前面に取り付けられたモーター１１と、回転アーム１０の自由端側に設けられた重錘１２と、を備えている。

前記モーター１１の原動軸１１ａと回転アーム１０は、歯車伝動機構を介して連結されている。この歯車伝動機構は、モーター１１の原動軸１１ａに設けたウォーム１３ａと、回転アーム１０と一体の従動軸９に設けたウォームホイール１３ｂとの組み合わせであり、減速比を２０：１程度に大きくして回転アーム１０に大きな回転力を伝達し且つ回転アーム１０側からの回転力がモーター１１の原動軸１１ａに逆伝動されないようになっている。なお、図中符合１４は、歯車伝動機構を覆うギヤボックスである。

前記モーター１１は、回転アーム１０を、前記回転検知手段６で検知される回転体５の回転に同期させて反対回りに回転させるものであり、回転体５が時計回りに回転する方向に立って見た図１の状態で、前記重錘１２が常に三時の方向に向くように回転アーム１０を制御する。

［発電装置］
前記発電装置８は、装置基台２の前方（図２において左側）の内部に設置されており、回転体５の回転軸４に伝動機構を介して連結されている。この伝動機構は、ベルト伝動機構と、歯車伝動機構（図示省略）と、クラッチ１５とを組み合わせたものであって、回転軸４側の大径な原動プーリ１６ａと歯車伝動機構側の小径な従動プーリ１６ｂに無端ベルト１６ｃを掛け渡してなるベルト伝動機構で回転軸４の回転を増速し、さらに歯車伝動機構で回転軸４の回転を増速して発電装置８に伝達し、また、クラッチ１５で回転軸４と発電装置８を断続させる。なお、発電装置８は、図示しないバッテリーに接続されており、発電した電気は一旦バッテリーに蓄えられ、そこから各モーター１１に供給することができる。

［その他］
その他、図２において符合１７は回転軸４の前方に設けたブレーキ、符合１８，１８は回転軸４の途中に設けたスリップリングである。このスリップリング１８，１８は、回転体５と一緒に回転するモーター１１に対して電力を供給し、また、回転制御信号等をモーター１１に送信するためのものである。

［作動説明］
以上のように構成される回転駆動装置１の作動について説明する。
まず、準備段階として回転軸４をブレーキ１７で制動して回転体５をロックしておき、その状態で各回転重錘装置７ａ〜７ｆのモーター１１，１１…を作動させてそれぞれの回転アーム１０，１０…を横向きの三時の方向に設定し、さらにクラッチ１５を切って発電装置８と回転軸４を切り離しておく。
回転アーム１０，１０…を横向きの三時の方向に設定した状態での回転体５の点Ｏを中心とする重量バランスは、各回転重錘装置７ａ〜７ｆの重錘１２の配置により図１に示したように右寄りに偏った状態になっている。
したがって回転体５には、点Ｏを中心として図１において時計回りの回転力が作用するが、ブレーキ１７の制動力と、前記した歯車伝動機構の逆伝動性、つまり、ウォーム６ｂとウォームホイール６ｃ又は平歯車同士の大きな減速比によって回転軸４に作用する回転力がウォーム６ｂで止められることによる制動力と、によって回転体５が静止状態を保つ。

次に、回転駆動装置１のブレーキ１７を解除し、同時に回転検知手段６の制御モーター６ａを回転させる。そうすると回転体５の点Ｏを中心とする重量バランスにより回転体５が図１において時計回りに回転し始める。もっともこの回転体５の回転は自由ではなく、歯車伝動機構を介して連結されている制御モーター６ａの回転によってウォームホイール６ｃが回転した分だけ回転する。つまり、回転体５の回転は、回転検知手段６の制御モーター６ａの回転に従属するのであって制御モーター６ａの回転数に比例する。したがって、制御モーター６ａを制御することで回転体５の回転が制御でき、また、制御モーター６ａの回転数で回転体５の回転状態が検知できる。なお、制御モーター６ａは、歯車伝動機構の逆伝動性で制動されている回転体５の回転力を解放するのみであり、回転体５を回転させる必要はないため殆ど負荷が掛からない。

かかる回転検知手段６による回転体５の回転情報を受けて回転重錘装置７ａ〜７ｆのモーター１１が作動し、回転アーム１０を回転体５と同じ回転速度で反対回りに回転させる。したがって全ての回転アーム１０は、常に図１において三時の方向に重錘１２を向かわせている。よって、回転体５の点Ｏを中心とする重量バランスは、常に図１において右寄りに偏っており、その偏った重量バランスにより回転体５が点Ｏを中心に回転する。

なお、回転検知手段６の歯車伝動機構と、回転重錘装置７ａ〜７ｆの歯車伝動機構の減速比を同じにすれば制御モーター６ａの回転数と回転重錘装置７ａ〜７ｆのモーター１１の回転数を同じにするだけで回転体５と回転アーム１０の回転を簡単に同期させることができる。

回転体５の回転がある程度の速度に達した時点でクラッチ１５をつなぐと、回転軸４と発電装置８が伝動機構を介して連結されるため発電が開始され、その電気がバッテリーに蓄電されると共にそのバッテリーから回転重錘装置７ａ〜７ｆのモーター１１に電気が供給される。

上記構成の回転駆動装置１は、次のような仕様で製造することができる。
直径１２９２ｍｍ、厚さ４.５ｍｍの鉄製の円板５ａ，５ｂを９１ｍｍの間隔を開けて接合して前記回転体５とする。
前記円板５ａの中心である点Ｏから半径４１８ｍｍの円上に回転アーム１０の従動軸９の中心が位置するように六個の回転重錘装置７ａ〜７ｆを６０度間隔で六点対称の位置に設置する。
直径１３６ｍｍ、重さ約４.３ｋｇの金属円板で前記回転重錘装置７ａ〜７ｆの重錘１２を形成する。
前記回転アーム１０は、従動軸９の中心から重錘１２の中心までの有効アーム長を約１６０ｍｍに設定する。
回転重錘装置７ａ〜７ｆのモーター１１は、安川電機株式会社製のＡＣサーボモータ（SGMJV-01A 3AHB2C 100W）を使用し、モーター１１の原動軸１１ａと回転アーム１０をつなぐウォーム１３ａとウォームホイール１３ｂの減速比を２０：１とする。
回転検知手段６の制御モーター６ａは、安川電機株式会社製のＡＣサーボモータ（SGMJV-02A 3AHB2C 200W）を使用し、制御モーター６ａの出力軸と回転軸４をつなぐ歯車伝動機構は、減速比を１０：１とした平歯車同士の組み合わせとする。
前記発電装置８は、株式会社スカイ電子製の発電機（SKY-HG350W）とする。
回転軸４の回転が６３倍に増速されて発電装置８に伝達されるよう伝動機構のギヤ比等を設定する。

かかる仕様の回転駆動装置１を試作し、回転体５を約５.６ｒｐｍで回転させる運転を２時間実施したところ、発電装置８を約３５０ｒｐｍで滑らかに且つ安定的に回転させ得ることが確認できた。なお、このときの回転駆動装置１の全消費電力は９７６Ｗｈであり、本試作機ではバッテリーを省略したため、外部の電源から供給した。また、発電装置８の前記発電機の基本仕様によれば、３５０ｒｐｍの回転数で２,１９２Ｗｈ（ブリッジで整流後の直流の数値）の電気が発電されており、負荷として接続した電熱器が正常に発熱した。

以上、本発明を実施の形態について説明したが、もちろん本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、実施形態では、回転重錘装置７ａ〜７ｆを六個にしたが、それより少なくても、逆にそれより多くてもよい。好ましくは六個以上がよい。
また、実施形態では、回転体５を一つにしたが、回転体５を同軸上に複数個設置し、隣合う回転体５，５同士の回転方向が逆向きになるように回転重錘装置７ａ〜７ｆの向きを設定してもよい。その場合、隣合う回転軸４，４同士の境界部に回転方向変換装置（例えば、一対の対向かさ歯車と、両かさ歯車間にあって両者に噛合する中間かさ歯の組み合わせ）を介在させて、一方の回転軸４の回転方向が逆向きに変換されて他方の回転軸４に伝達されるようにすればよい。このように回転体５を同軸上に複数個設置して回転軸４，４同士を連結し、そうして隣合う回転体５，５同士の回転方向が逆向きになるようにした場合には、回転体５の重量バランスの偏りをもう一方の回転体５の重量バランスの偏りで打ち消すことができるため、回転駆動装置１全体の重量バランスを良くすることができる。

また、実施形態では、回転体５が時計回りに回転する方向に立って見たとき、重錘１２が常に三時の方向を向くようにしたが、二時や四時の方向に若干ずれていてもよい。もちろんそのようなずれは、回転体５の回転効率を低下させる要因になり得るため、好ましくは重錘１２が正確に三時の方向を向くようにするのがよい。
また、実施形態では、回転検知手段６を制御モーター６ａと歯車伝動機構の組合せで形成したが、回転体５の回転を適宜なセンサー等で直接検知するようにしてもよい。

１ …回転駆動装置
５ …回転体
６ …回転検知手段
７ …回転重錘装置
８ …発電装置
１０ …回転アーム
１１ …モーター
１１ａ …原動軸
１２ …重錘
１３ａ …ウォーム（歯車伝動機構）
１３ｂ …ウォームホイール（歯車伝動機構）
Ｏ …回転体の回転中心

Claims (4)

1. 垂直面内で点Ｏを中心に回転可能な回転体と、
   その回転体の回転状態を検知し得る回転検知手段と、
   前記回転体に取り付けられたＸ個（Ｘは２以上の整数）の回転重錘装置と、
   前記回転体の回転で発電する発電装置と、を有し、
   前記回転重錘装置は、
   前記回転体に対し前記点Ｏを中心とするほぼＸ点対称の位置に回転可能に軸着された回転アームと、
   その回転アームを前記回転体と同じ回転速度で反対回りに回転させるモーターと、
   前記回転アームの自由端側に設けた重錘と、を備えており、
   全ての回転重錘装置は、全ての回転アームが同じ側の横を向くように前記モーターで制御されるものであり、全ての回転アームの自由端側に設けた全ての重錘の前記点Ｏを中心とする重量バランスによって前記回転体を回転させるようにしたことを特徴とする回転駆動装置。
2. 前記モーターは、前記回転体が時計回りに回転する方向に立って見たとき、前記重錘が常にほぼ三時の方向に向くように前記回転アームを制御するものであることを特徴とする請求項１記載の回転駆動装置。
3. 前記モーターの原動軸と前記回転アームは、歯車伝動機構を介して連結されており、その歯車伝動機構の減速比を大きくして回転アーム側からモーターの原動軸に逆伝動されないようになっていることを特徴とする請求項１又は２に記載の回転駆動装置。
4. 前記発電装置により発電された電気をバッテリーに蓄電し、そのバッテリーの電気を前記モーターに供給するようにしたことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の回転駆動装置。

Images