微分解析機の加算器は差分歯車や遊星歯車を使うといわれているが, 理科大の微分解析機の加算器は見慣れない形をしていた. どうなっているのか.
下の図も一種の遊星歯車である. 左が軸方向から見た図. 同径, 同歯数の歯車6枚があり, Bの2枚とCの2枚は遊星キャリアに乗っている.
中央にあるAとDは, キャリアと同じ軸に乗っているが, A,D,キャリアは軸には固定されていない. 歯車による束縛条件はあるが, その下で自由に回転できる.
この図を左方から見たのが右の図で, 遊星歯車のBとCは見ての通り, 深さ方向にずれて配置されている. つまりAはBと左図の緑の点で接し, BとCは黒い点で接し, CはDと橙色の点で接している.
まずキャリアを固定し, Aを反時計方向に回転する. するとBは時計方向に, Cは反時計方向に回転する. ゆえにDは時計方向に回転するわけだ. 歯車の歯数が同じだから, 回転の角度も同じである.
隣同士の歯車は逆に回る. 中間歯車が1個なら同じ方向に回る. AとDは間に歯車が2個あるから, 逆に回る.
回転角を記述するのに, 反時計回りを正として, 歯車Aの回転角をφ, Dのをψ, キャリアのをθと表すことにする. そこでこれを
θ=0の時φ=-ψ
と書いておく.
キャリアがAと一緒に回転すると, この図がこのまま回転するから, DもAと同様に回転する.
φ=θ=αの時ψ=α
と書いておく.
すこし様子が分って來たが, もう少し図を示すと, 下図の0は上の図のA, 右上のB, 右下のCとDを書いたものだ. AとDが重さなっているから, A,B,CとB,C,Dと図を分割してある. 緑色の点はA,Bの接点, 黒の点はB,Cの接点, 橙色の点はC,Dの接点で, これも上の図と同様. 歯車やキャリアが回転すると, これらの点は付いて一緒に回る.
一段下って1の図はAを60度回転したものである(φ=60°.) Dは固定してある(ψ=0°.) すなわちDの橙色の点は0の図と同じ位置にある. するとキャリアは30度回転する(θ=30°.) キャリアの向きはAやDから見たBとCの接点の方向である.
図2はφ=120°, ψ=0° θ=60°の時だ.
3では今度はDを逆回転してみた. φ=120°, ψ=-60° θ=30°
4ではDを更に逆回転した. φ=120°, ψ=-120° θ=0°
つまり, この遊星歯車では φ+ψ=2θ となっている.
私の2010年1月4日のブログでは, 太陽歯車の半径r, 回転角φ, 内歯車の半径R, 回転角ψ, キャリアの回転角θとすると,
θ=φ*r/(R+r)+ψ*R/(R+r)
とした. 今回の歯車は遊星歯車を2段にし, 内歯車を太陽歯車と同様にした. だからr=Rとなり, それから上の式が導ける.
さて下は東京理科大の微分解析機の加算器の写真である. ベイとベイを繋ぐバスボックス内にある3本(手前からX,Y,Zとする)のスタブシャフトに設置してある.
中央のYに乗っているのが, 上述の遊星歯車である. 手前のXの歯車と噛んでいる平歯車と一緒になっている真鍮のがAである. その左, Aと噛んでいる手前と向こうのがB, Aからは離れているが, Bと半分の幅で噛んでいるのがC, Cの奥にDがあるのだが, それは見えていない. DはY軸に固定されている.
真鍮の歯車群の左にあるのがキャリアで, 2:1で向こう側のZ軸の平歯車と噛んでいる. φ+ψ=2θだったので, θを2θにしているわけだ.
これを図にしたのが次だ. 円内下端の数は歯数である. 軸が破線で描kてあるのは, 固定していないことを示す.
これまで何回ものブログで微分解析機の殆どの仕掛けが分ったように思う.
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