JPH0886887A - 振り子装置と振り子の振幅制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】大型の振り子装置であっても振幅の制御を行う
ことができる振り子装置と振り子の振幅制御方法を提供
すること。 【構成】固定部に対して吊り線２により吊り下げて保持
され、磁性体によ作られている振り子３と、振り子の振
幅を制御するための振幅制御手段２０と、を有する。こ
の振幅制御手段２０は、振り子３を加減速するための電
磁石４と、振り子が通過するタイミングを検出して振り
子検出信号を発生するセンサ８と、センサからの振り子
検出信号に基づいて、電磁石に周期的に通電するための
通電タイミングを発生する通電タイミング発生手段９０
と、通電タイミング発生手段からの通電タイミングに基
づいて、電磁石４に通電して振り子３の振幅を制御する
通電手段８６を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、振り子装置と振り子の
振幅制御方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】１８５１年にフランスの物理学者レオン
・フーコーは、コリオリ力によって振り子の振動面が時
間と共に回転することを示して、地球の自転を実験的に
証明した。以後このような目的のための振り子は、フー
コー振り子と呼ばれている。このようなフーコー振り子
を展示用の振り子装置として用いる場合には、空気抵抗
や吊り線の支点での摩擦等の要因により、振り子の振幅
に減衰が起こる。

【０００３】この対策として、従来の振り子装置では、
数時間毎に振り子を大きい振幅で振幅し直す方法や、吊
り線の支点を周期的に上下させて振り子を加振する方法
等がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、前者の振り
子の振幅をやり直す方法では人手と手間がかかる。後者
の支点を周期的に上下させる方法では、振り子の大型化
に伴ないその支点を上下させるための装置や動力が大型
化してしまう。また、前者および後者共に、人為的な行
為が介入するために、振り子装置を展示に用いるには好
ましくない。電磁石を用いて振り子を加振する方法は、
教材用等の小型の振り子装置で採用されている。この場
合には電磁石のオン−オフタイミングは、吊り線と検出
端子の接触を利用して得ているが、振り子の振幅のコン
トロールは行えないこと等から、展示用の特に大型の振
り子装置にはこの従来の電磁石を用いた加振方法は採用
することができない。

【０００５】本発明は上記課題を解消するためになされ
たものであり、大型の振り子装置であっても振幅の制御
を行うことができる振り子装置と振り子の振幅制御方法
を提供することを目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的は、第１の発明
にあっては、固定部に対して吊り線により吊り下げて保
持され、磁性体によ作られている振り子と、前記振り子
の振幅を制御するための振幅制御手段と、を有し、前記
振幅制御手段は、前記振り子を加減速するための電磁石
と、前記振り子が通過するタイミングを検出して振り子
検出信号を発生するセンサと、前記センサからの前記振
り子検出信号に基づいて、前記電磁石に周期的に通電す
るための通電タイミングを発生する通電タイミング発生
手段と、前記通電タイミング発生手段からの通電タイミ
ングに基づいて、前記電磁石に通電して前記振り子の振
幅を制御する通電手段と、を備える振り子装置により、
達成される。第１の発明では、好ましくは前記電磁石
は、前記振り子が静止状態における前記吊り線の鉛直下
に配置されていて、前記電磁石は、前記吊り線と直交す
る面内で円形となっている。第１の発明では、好ましく
は前記センサは、前記電磁石の中央部に位置されてい
る。第１の発明では、好ましくは前記通電タイミング手
段は、前記センサの振り子検出信号から所定の時間後に
タイミング信号を発生する第１のタイマーと、前記第１
のタイマーからの前記タイミング信号に基づいて前記通
電手段を動作して前記電磁石に通電するための通電時間
を設定するための第２のタイマーと、を有する。

【０００７】上記目的は、第２の発明にあっては、固定
部に対して振り子を吊り線により吊り下げて保持して、
その振り子の振幅を制御するための振幅制御方法であ
り、前記振り子を引き寄せて振幅の中心に向けて放して
前記振り子の振幅を開始させ、前記吊り線の下に配置さ
れている電磁石に対して、前記振り子が前記電磁石を通
過する前に通電して、前記電磁石の磁力により前記振り
子を引きつけて加速して振幅を制御する振り子の振幅制
御方法により、達成される。第２の発明では、好ましく
は前記電磁石に対する通電のタイミングは、前記振り子
の通過を検知するセンサにより得る。第２の発明では、
好ましくは前記電磁石に対する通電のタイミングは、前
記振り子の通過を検知するセンサにより得られる振り子
検出信号から所定時間経過した時点でタイミング信号を
得て、前記タイミング信号から前記電磁石に通電するた
めの通電時間を設定する。第２の発明では、好ましくは
前記センサは、前記電磁石の中心に位置している。

【０００８】

【作用】上記構成によれば、第１の発明では、振幅制御
手段の電磁石が振り子を加減速する。この振り子を加減
速する際に、センサが振り子の通過するタイミングを検
出して振り子検出信号を発生する。通電タイミング発生
手段は、この振り子検出信号に基づいて、電磁石に周期
的に通電するための通電タイミングを発生する。通電手
段は、通電タイミング発生手段からの通電タイミングに
基づいて、電磁石に通電して振り子の振幅を制御する。
これにより、振り子の加振（加減速）を行うことと、振
り子の振動の減衰とをバランスさせることにより、振り
子特に大型の振り子装置の振り子を任意の振幅で安定し
て振らせるようにすることができる。第１の発明では、
好ましくは電磁石は、振り子が静止状態における吊り線
の鉛直下に配置されていて、電磁石は、吊り線と直交す
る面内で円形となっているので、振り子がコリオリ力に
より回転していっても、均一に加振することができる。
第１の発明では、好ましくはセンサは、電磁石の中央部
に位置されている。これにより、振り子の通過タイミン
グを中央位置で確実にとることができる。第１の発明で
は、好ましくは通電タイミング手段が、センサの振り子
検出信号から所定の時間後にタイミング信号を発生する
第１のタイマーと、第１のタイマーからのタイミング信
号に基づいて通電手段を動作して電磁石に通電するため
の通電時間を設定するための第２のタイマーと、を有し
ている。これにより、予め設定した振り子の周期と実際
の振り子の周期のずれや、外乱による振り子の周期のず
れが累積するために、長時間安定して振り子を加振する
ことができなくなるといった従来の不都合を解消でき
る。

【０００９】第２の発明では、振り子を引き寄せて振幅
の中心に向けて放して振り子の振幅を開始させる。吊り
線の下に配置されている電磁石に対して、振り子が電磁
石を通過する前に通電して、電磁石の磁力により振り子
を引きつけて加速して振幅を制御する。これにより、振
り子の加振（加減速）を行うことと、振り子の振動の減
衰とをバランスさせることにより、振り子特に大型の振
り子装置の振り子を任意の振幅で安定して振らせるよう
にすることができる。第２の発明では、好ましくは電磁
石に対する通電のタイミングは、振り子の通過を検知す
るセンサにより得て、好ましくは前記電磁石に対する通
電のタイミングは、振り子の通過を検知するセンサによ
り得られる振り子検出信号から所定時間経過した時点で
タイミング信号を得て、タイミング信号から電磁石に通
電するための通電時間を設定する。これにより、予め設
定した振り子の周期と実際の振り子の周期のずれや、外
乱による振り子の周期のずれが累積するために、長時間
安定して振り子を加振することができなくなるといった
従来の不都合を解消できる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の好適な実施例を添付図面に基
づいて詳細に説明する。なお、以下に述べる実施例は、
本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種
々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説
明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、
これらの態様に限られるものではない。

【００１１】図１は、本発明の振り子装置の好ましい実
施例を示している。図１の振り子装置は、例えば展示用
の大型の振り子装置であり、空気抵抗等による振り子の
減衰と加振作用による振り子の加振とをバランスさせる
ことにより、振り子の振幅を任意に制御することができ
るようになっている。

【００１２】図１の振り子装置は、振り子３を含む振り
子本体１５と、振幅制御手段２０、および観察台等を有
している。振り子本体１５は、支持部１と吊り線２およ
び球体ともいう振り子３を有している。支持部１は、固
定部（天井側）１０に対して設定されている。吊り線２
の上端は支持部１を介して固定部１０に取り付けられて
いる。吊り線２の下端には振り子３が固定されている。
支持部ともいう支点１と振り子３の球の中心間距離は、
たとえば２８．７７ｍに設定されている。支点１は、図
８と図９に示すように、ダブルナイフエッジ型と呼ばれ
る構造を有している。支点１は、上下１組のナイフエッ
ジ４０，４１の回転軸が、中間リング４２を関して１点
で直交している。このために、図１の振り子３は全ての
振動方向に対して一様に１点支持されている。

【００１３】図１の吊り線２は、例えばＳＵＳ３０４−
ＷＰＢを用いており、例えば直径が３．０ｍｍである。
振り子３は、好ましくは球体になっており磁性体により
作られている。この振り子３は、例えば電磁純鉄の球体
に対してハードクロムメッキを施したものであり、直径
は例えば２６４ｍｍであり重量は約７５．７ｋｇであ
る。

【００１４】振幅制御手段２０は、図１と図３に示すよ
うに電磁石である加振マグネット４と、センサ８、およ
び制御部５０を有している。加振マグネット４は、図２
に示すように電磁石であり、コア５、ヨーク６、および
巻線７を有している。加振マグネット４は、図２と図３
に示すように、円盤状のヨーク６の上に巻線７を載せた
構造のものであり、巻線７はたとえばベークライトによ
り固められている。

【００１５】この巻線７は好ましくはドーナツ状であ
り、ヨーク６は好ましくは円盤状である。加振マグネッ
ト４が、吊り線２と直交する平面（水平面）において円
形に作られているのは、振り子３の振幅する方向に対応
して３６０°方向の範囲で均等に加振できるようにする
ためである。ヨーク６を円形状にすることにより、磁界
を綺麗に収束（均一）にすることができ、ヨーク６は外
部の影響を防ぐシールド板として働く。

【００１６】図２と図３に示すように、加振マグネット
４の中央部、すなわちコア５の中空内部には、センサ８
が配置されている。好ましくはこのセンサ８の上面がコ
ア５の表面と面一になっているか、あるいはセンサ８の
上面がコア５の表面よりたとえば５ｍｍ程度下がった位
置に位置決めされている。しかし、センサ８の上面はコ
ア５の表面より出ていてもよい。

【００１７】このセンサ８は、加振マグネット４の中央
の上部を通過する振り子３の通過タイミングを非接触で
とるためのセンサである。図４に示すように、センサ８
は、発光部６０と受光部６２を有している。発光部６０
は、発光素子６４と光ファイバ６６からなり、受光部６
２は受光素子６８と光ファイバ７０からなる。発光素子
６４としては、たとえば発光ダイオードを用いることが
でき、受光素子６８としてはフォトダイオードを用いる
ことができる。発光素子６４の発光した光は、光ファイ
バ６６を介して振り子３の表面で反射する。反射した光
は受光部６２の光ファイバ７０を介して受光素子６８に
受光されるようになっている。

【００１８】制御部５０は、図３に示すように、受光素
子６８の出力を増加するセンサアンプ８０、第１のタイ
マ８２、第２のタイマ８４、および通電手段としての加
振マグネット駆動用電源８６を有している。第１のタイ
マ８２と第２のタイマ８４は、通電タイミング発生手段
９０を構成している。この通電タイミング発生手段９０
は、センサ８から得られる振り子検出信号ＰＳに基づい
て、加振マグネット駆動用電源８６を所定時間駆動し
て、加振マグネット４に対して周期的に通電するための
ものである。加振マグネット駆動用電源８６は、通電タ
イミング発生手段９０からの通電タイミングに基づいて
加振マグネット４に通電して振り子の振幅を制御するよ
うになっている。

【００１９】図７に示す加振マグネット４のコア５の直
径Ｗ１は、たとえば１００ｍｍである。巻線７の直径Ｗ
２は、たとえば４００ｍｍである。ヨーク６の直径はた
とえば４２０ｍｍである。巻線７の高さＨはたとえば１
００ｍｍである。そして振り子３と加振マグネット４の
距離Ｌは、たとえば４８．５ｍｍに設定されている。加
振マグネット４の巻線７は、たとえば直径が２．０ｍｍ
の被覆導線を用いており、印加する電圧はたとえば１
３．５Ｖである。図１において、加振マグネット４は固
定面８０に設置されており、静止状態の振り子３の鉛直
下に位置している。なお、本発明でいう振り子とは固定
点の周りに一定の周期運動を行う動体であり、軽くて伸
びない糸の一端に錘を吊した単振子である。

【００２０】次に上述した振り子装置における振り子振
幅制御方法について詳しく説明する。図１の振り子３を
引き寄せて、所定の振幅位置で好ましくはスタート装置
により一端保持する。そして、スタート装置の電磁石の
通電を止めて、観察台の中心に向けてその振り子３を放
して振り子３の振幅動作を開始する。振り子３を加振マ
グネット４の磁力により力を加えて加振（加減速）する
のであるが、振り子３が加振マグネット４に接近する方
向に移動している間に加振マグネット４を働かせて、そ
の加振マグネットの吸引力で振り子３の速度を加速す
る。

【００２１】このように振り子を加振する必要があるの
は、振り子３が振っている間に、空気抵抗（振り子と吊
り線）や、図１の支点１の摩擦、および振り子３の振動
（首振りや上下動）等により振り子の振動が減衰するた
めである。従ってこの振り子３の加振を行うことと、振
り子３の振動の減衰とをバランスさせることにより、振
り子３を任意の振幅で安定して振らせるようにすること
ができる。

【００２２】たとえば図５に示す本発明の範囲外のタイ
マＡとタイマＢを用いて、図１の加振マグネット４に対
して通電することが考えられる。すなわち、タイマＡに
より振り子３の周期Ｔの半周期（Ｔ／２）ｔＡを設定
し、タイマＢにより、図１の加振マグネット４に対して
通電して駆動する時間ｔＢを設定する。たとえばタイマ
ＡのパルスＰ１を、振り子３の振幅が最大になった瞬間
に合せることによって、タイマＡのパルスＰ１のスター
ト時点から加振マグネット４に対する通電駆動時間ｔＢ
の間、加振マグネット８０が振り子３を加振することが
可能である。

【００２３】しかしながら、このような図５の振り子３
の加振方式では、予め設定した振り子の周期ｔＡと実際
の振り子の周期のずれや、外乱による振り子３の周期の
ずれが累積するために、長時間安定して振り子３を加振
することができない。そこで本発明の実施例では、この
対策として、図１に示すように振り子３の直下にセンサ
８を設定している。つまり加振マグネット４における振
り子３の毎回の通過を、図４のセンサ８によって確実に
検出して、そのセンサ８から得られるタイミングに基づ
いて、図３に示す通電タイミング発生手段９０が、加振
マグネット駆動用電源８６を作動して、これにより所定
の通電駆動時間Ｔだけ加振マグネット４に通電するよう
になっている。

【００２４】図６にはこの方法が示されている。センサ
８は、図１における振り子３が加振マグネット４内のセ
ンサ８を通過する毎に、通常は周期ｔＡ＝Ｔ／２のパル
ス状の振り子検出信号ＰＳを出力して、図３のセンサ部
８０により増幅される。センサ８からタイミング用の振
り子検出信号ＰＳが第１のタイマ８２に入力されると、
第１のタイマ８２は所定時間ｔＣの時間経過後にタイミ
ング信号ＰＴを発生する。そして第２のタイマ８４は、
この第１のタイミング信号ＰＴに基づいて通電駆動時間
ｔＢの時間だけ、加振マグネット駆動用電源８６を駆動
して加振マグネット４に通電する。これにより加振マグ
ネット４は、駆動通電時間ｔＢにおいてのみ吸引力を発
生する。この所定時間ｔＣは、たとえば３．５秒であ
り、通電駆動時間ｔＢは、たとえば１．５秒である。ま
た振り子の周期は、たとえば１０．７４９秒である。図
６におけるタイミング信号ＰＴを発生する時点は、振り
子３が電磁石の吸引範囲内に入った時に合わせるのが効
果的である。

【００２５】図７は、所定時間ｔＣと加振マグネット４
の通電駆動時間ｔＢの一例を示している。図７における
振り子３が、加振マグネット４の上部を通過して矢印Ｙ
１の方向に移動して振幅の最大点ＹＰに達し、それから
矢印Ｙ２の方向に戻ってくる。この矢印Ｙ１，Ｙ２の期
間が、所定時間（遅延時間）ｔＣである。この所定時間
ｔＣを経過した後振り子３が加振マグネット４に近付く
間に、通電駆動時間ｔＢの期間がある。つまり振り子３
が加振マグネット４に近付く方向に動いている時に、加
振マグネット４に通電して、この加振マグネット４の吸
引力により振り子３を吸引して振り子３の加振を行う。
ただし、図７に示すように、この通電駆動時間ｔＢは、
好ましくは振り子３が加振マグネット４のヨーク６にさ
しかかる当たりで通電を切るようにしている。振り子３
が加振マグネット４の直上にきた時には、加振マグネッ
ト４の通電を停止させている。なぜならば、振り子３が
加振マグネット４の直上にきた時に通電してしまうと、
下向きの吸引力が強く働いて振り子３が上下に振動する
恐れがあるためである。

【００２６】このように本発明の実施例では、大型の吊
り型の振り子に対して、センサ８が振り子３を検出する
タイミングに基づいて、加振マグネット４に対する通電
をオンオフすることにより、大型の振り子装置であって
も、確実に振り子の振幅制御を行うことができる。従っ
て大型の振幅が安定した振り子を、観察展示用として用
いるのに最適なものである。振り子の振幅が減衰するの
に対応して振り子を加振するので、振り子の振幅が減衰
しないことから振り子の振り直し作業がなくなり、長時
間の展示が可能である。振り子３が球体であると、対称
形であるために、全周方向どこから見ても同じであり見
栄えが良い。振り子の振幅を自動的に加振制御をしてい
るので、従来必要であった人手によるメンテナンスがい
らず、商品価値が高い。

【００２７】ところで本発明は上記実施例に限定されな
い。上述した実施例では、振り子３として球体のものを
用いているが、これに限らず他の形状のものであっても
良い。たとえば振り子は半球状であってもよい。電磁石
は、上からみて円形のものに限らず、多角形状のもので
あってもよい。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、大
型の振り子装置であっても振幅の制御を行うことができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の振り子装置の好ましい実施例を示す
図。

【図２】振り子装置の加振マグネットを示す一部切り欠
き斜視図。

【図３】図１の振り子装置の振幅制御手段を示す図。

【図４】振幅制御手段のセンサの好ましい実施例を示す
図。

【図５】本発明の範囲外の振り子の振幅制御のタイミン
グを説明するための図。

【図６】図５と異なる本発明の振幅制御方法の一例を示
す図。

【図７】振り子に対する加振マグネットによる加振の例
を示す図。

【図８】支点を示す斜視図。

【図９】支点の分解斜視図。

【符号の説明】

１ 支点（支持部） ２ 吊り線 ３ 振り子（球体） ４ 加振マグネット（電磁石） ８ センサ ２０ 振幅制御手段 ５０ 制御部 ８２ 第１のタイマ ８４ 第２のタイマ ８６ 加振マグネット駆動用電源（通電手段） ９０ 通電タイミング発生手段 ＰＳ センサからのタイミングを示すパルス ｔＡ 所定時間 ＰＳ センサからの振り子検出信号 ＰＴ 第１のタイマが発生する通電タイミング信号（パ
ルス） ｔＣ 遅延時間（所定時間） ｔＢ 通電駆動時間（通電時間）

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固定部に対して吊り線により吊り下げて
   保持され、磁性体によ作られている振り子と、 前記振り子の振幅を制御するための振幅制御手段と、を
   有し、 前記振幅制御手段は、 前記振り子を加減速するための電磁石と、 前記振り子が通過するタイミングを検出して振り子検出
   信号を発生するセンサと、 前記センサからの前記振り子検出信号に基づいて、前記
   電磁石に周期的に通電するための通電タイミングを発生
   する通電タイミング発生手段と、 前記通電タイミング発生手段からの通電タイミングに基
   づいて、前記電磁石に通電して前記振り子の振幅を制御
   する通電手段と、を備えることを特徴とする振り子装
   置。
2. 【請求項２】 前記電磁石は、前記振り子が静止状態に
   おける前記吊り線の鉛直下に配置されていて、前記電磁
   石は、前記吊り線と直交する面内で円形となっている請
   求項１に記載の振り子装置。
3. 【請求項３】 前記センサは、前記電磁石の中央部に位
   置されている請求項２に記載の振り子装置。
4. 【請求項４】 前記通電タイミング手段は、前記センサ
   の振り子検出信号から所定の時間後にタイミング信号を
   発生する第１のタイマーと、 前記第１のタイマーからの前記タイミング信号に基づい
   て前記通電手段を動作して前記電磁石に通電するための
   通電時間を設定するための第２のタイマーと、を有する
   請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の振り子装
   置。
5. 【請求項５】 固定部に対して振り子を吊り線により吊
   り下げて保持して、その振り子の振幅を制御するための
   振幅制御方法であり、 前記振り子を引き寄せて振幅の中心に向けて放して前記
   振り子の振幅を開始させ、 前記吊り線の下に配置されている電磁石に対して、前記
   振り子が前記電磁石を通過する前に通電して、前記電磁
   石の磁力により前記振り子を引きつけて加速して振幅を
   制御することを特徴とする振り子の振幅制御方法。
6. 【請求項６】 前記電磁石に対する通電のタイミング
   は、前記振り子の通過を検知するセンサにより得る請求
   項５に記載の振り子の振幅制御方法。
7. 【請求項７】 前記電磁石に対する通電のタイミング
   は、前記振り子の通過を検知するセンサにより得られる
   振り子検出信号から所定時間経過した時点でタイミング
   信号を得て、 前記タイミング信号から前記電磁石に通電するための通
   電時間を設定する請求項６に記載の振り子の振幅制御方
   法。
8. 【請求項８】 前記センサは、前記電磁石の中心に位置
   している請求項５ないし７のいずれかに記載の振り子の
   振幅制御方法。