アイデア No.30
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カウンタースプリング

 「望遠鏡の架台でフリーストップを実現したければ、耳軸は、鏡筒の重心位置に作るべし」
 
 フリーストップ:人力で動かすことが出来,手を離すと静止する自立構造。

 これは架台設計における基本です。
 
 耳軸と重心にズレがあると、重力によって回転力(モーメント)が生じるからです。

 
 上図では、耳軸とはズレた所で釣合っています。
  
 耳軸でフリーストップにする方法は、次の2つです。

1) 耳軸の位置を おめめ君の方へズラす
 
2) ネコ君側に余計な重り(バランサー)を積んで、重心をズラす。
 何らかの理由で耳軸の移動が出来ない場合は 1)はお手上げです。
 
 その場合 2)の方法を取るしかありませんが、望遠鏡が重くなるので、運搬用としてはマイナス要因となります。
 
カウンタースプリング
 
 バランサーの代わりに「バネ」を使う方法です。 

 耳軸の中心からズラした位置にバネを引っ掛け、重心ズレによって生じるモーメントとは逆のモーメントを発生させるのです。

 重心ズレにより生じるモーメントは、天頂でゼロ、水平で最大となりますから、バネ力も天頂でゼロ、水平で最大となるように配置します。
 
 すなわち、天頂時にバネの延長線が耳軸の中心を通るように配置します。
 
 たとえば、上の写真は、私の15cm反射の場合です。

 重心が筒先にズレており、反時計回りにモーメントが生じていますから、これを打ち消すためにバネで耳軸を時計回りに引っ張っています。
   
バネ掛け
 
 強いバネを軸へ引っ掛けるのは、なかなか大変です。

そこで、L形ブラケットに穴を空け、それにバネを付けると、軸に引っ掛けるのが楽になります。

古いアイデア?
 
 ドブソニアンのバランサーとして、バネを使うアイデアは、数年前の雑誌「SKY&TELESCOPE」の自作記事に見られます。
  
 また、昔の国産経緯台でもモーメントバランサー内蔵というものがあって、中に何らかのバネが入っていたのではないかと推測しています。

 今回のものは、それらより簡単な方法と思いますが、採用例を見ないので、少々不安になり、下記の検討をしていました、

 でも、最近立ち読みした「SKY&TELESCOPE」のドブソニアンの広告で、これとそっくりなものを発見。

 考えることは皆同じ (^_^;

バネ強度 
 
 この方法は、耳軸の回転を抑えているだけで、重心がズレていることには変わりが無く、全体的に見れば不安定さが残ります。
 
 バランサーを少し節約する程度と考えるならば、有益と思います。

 最近、ホームセンターなどで、バネが安価に売られているので、適当な物を選んで実験するのが手取り早いと思います。

 (下記の検討は、より興味のある方向け)


1.フリーストップを実現する方法の検討

 鏡筒に耳軸を設け,人力で自由に動かせるフリーストップ構造を取る望遠鏡は多い。
 
 フリーストップが成立していない望遠鏡は,耳軸の制止を解くと、鏡筒が勝手に動き出してしまうため扱い辛い。
 
 この検討では,フリーストップが成立するための条件をまず明らかにし,つづいてその成立を助ける補助機構「カウンタースプリング」を検討する。

2.フリーストップが成立する条件
 
 まず,フリーストップを実現するための条件を探る。
 
 鏡筒の重心と耳軸は多かれ少なかれズレている場合が多い。
 
 重心位置と耳軸との距離をDとすると,図1に示すように,耳軸からDだけ離れた位置で重力に対して釣り合った状態を作り出せる。

図1
図1.重心測定
 
 しかし,耳軸で保持した場合、鏡筒には、図2で示すような重力作用が生じる。
 図2
図2.重力が作用する状態
 
 重心に回転モーメント Mg を生じ,これに抗する形で生じる耳軸まわりの摩擦モーメント Mf を生じる。
 
 このとき,おのおのの値は次式(1),(2)で与えられる。
Mg=m・g・D・cosθ ・・・(1)
Mf=μ・m・g・d ・・・(2)
 ここで,
m:鏡筒の質量
 
g:重力加速度
 
D:重心と耳軸との距離
 
d:耳軸の半径
 
θ:仰角すなわち,水平方向に対する重心と耳軸のなす角度
 
μ:耳軸の摩擦係数
とする。
 
 Mg、Mfの値をグラフ表示すると,図3で示すようになる。
 図3
 図3
  
 重力による回転モーメントMgは,天頂(仰角0)でゼロを示し、仰角が小さくなるにつれ増大する。
 
 一方,摩擦力によるモーメントMfは鏡筒の質量mだけに比例し、仰角が変わっても作用点が変化しないため、一定値を取る。
 
 耳軸回りで鏡筒のフリーストップが成立する条件は,
 Mf≧Mg  ・・・(3)
である。
 
 つまり、耳軸の摩擦力に頼った保持となる。

 摩擦力が不十分な場合は,仰角がある値以下になると,フリーストップが崩れる。
 
 図3で示すように、水色の領域に入ると、鏡筒が急にガクンと動き出すのである。
 
 自立するための条件式(3)へ(1),(2)を代入すると,

μ・m・g・d≧m・g・D・cosθ
 
∴ d≧D/μ  ・・・(4)

または μ≧D/d  ・・・(5)

 式(4)から、以下のように条件でフリーストップが成立することが分る。
1) 重心位置が回転軸と完全に一致している場合は,D=0なので,(4)は必ず成立し、フリーストップが成立する。
2) 摩擦係数μと重心ズレ量Dが決まっている場合、耳軸の直径dを(4)より大きくすれば良い。
 
3) 摩擦係数μが式(5)で定められ値以上ならば,フリーストップが成立する。
3.フリーストップを補助する手段
 
 1),2),3)のいずれも満たせない場合でも,フリーストップを実現する手段を検討する。
 
3.1 補正力の付与
 
 耳軸周りに補正力Pを与えることで,重心位置に作用する重力モーメントを減ずる方法である。

 この様子を図4で示す。

 図4
図4.補正力pを作用させた場合

 この場合,重力による合成モーメントMは減少し、摩擦モーメントMfは増大する。

M=(m・g・D―P・d)cosθ ・・・(6)
 
Mf=μ(m・g+P)d ・・・(7)
 
これをグラフで示すと図5のようになる。
 図5
図5.補正力Pを加えた場合
 
 この場合,耳軸が鏡筒を保持出来る領域(黄色)が広がる。
 
 どの仰角に於いても確実にフリーストップが成立する条件は,
 Mf≧M ・・・(8)
である。

 この(8)式へ(6)、(7)を代入すると,フリーストップが成立する条件式(9)が得られる。
 

d≧(m・g・D―P・d)/(μ(m・g+P))  ・・・(9)


3.2 カウンタースプリングの考案
 
 (8)の自立条件を成立させるために与える補正力Pは,たとえば重力でも良い。
 
 これはバランサーと呼ばれるものに他ならない。
 
 しかし,これは望遠鏡全体を重くしてしまうことになり,必ずしも得策では無い。
 
 そこで,ここに力Pを発生するバネを与える方法が考えられる。(図6)

 図6
図6.バネによる補正
 
 バネによる力Pは仰角に応じてバネ長が変化するため,一定ではないが,合成モーメントMが図5で示すように常に摩擦モーメントMf以下ならば,フリーストップは成立する。
 
 下図7は,ある実験機で これが成り立つことを示す写真である。
 0deg45deg90deg
 図7.カウンタスプリング実証例
 
 これにより,ウエイトバランサーに頼ることなくフリーストップが実現出来る。
(2003-6-2掲載、6-9誤記訂正)
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