遠心力ガバナー (遠心力調速機、Centrifugal governor)

遠心力ガバナーはフィードバック・システム (feedback system) が付いた特別な形式のガバナー (governor, 調速機) で、燃料あるいは作動流体 (working fluid) の流れを規制することにより、エンジンの速度を制御して、ほゞ一定の速度を維持する。これは比例制御の原理を使用する。

遠心力ガバナーは 17 世紀に風車 (windmills) のミルストーンの間の距離と圧力を規制するためにクリスチャン・ホイヘンス (Christian Huygens) により発明・使用された。 1788 年に、ジェームズ・ワット (James Watt) が蒸気エンジンを制御するためにこれを改造して、シリンダーへの蒸気の吸入を規制した。これは、とても重要な発展であることが判明したため、彼は時々発明者と呼ばれる。遠心力ガバナーの最も広範囲な使用は 19 世紀の蒸気時代の最中の蒸気エンジンであった。これが使用されたのは：固定内燃機関 (stationary internal combustion engine)、色々な燃料のタービン、そして現代の打鐘時計 (striking clock) であった。

単純なガバナーは正確な速度を維持しないが、速度の領域を維持する。というのは、負荷が増えると速度 (RPM) が下がり、これにつれガバナーはスロットルを開けるからである。

上に図示されている装置は蒸気エンジンのものである。動力は、(ガバナーの) 下方のベルト車 (belt wheel) に接続されたベルトあるいは鎖によって、エンジンの出力軸からガバナーに供給される。ガバナーはスロットル・バルブ (throttle valve、絞り弁) に接続され、これが、原動機 (prime mover) に供給される動作流体 (蒸気) の流れを規制する。原動機の速度が増大すると、ガバナーの中央の軸がより速く回転し、ボールの運動エネルギーが増大する。これによりレバーの腕の 2 つの塊が外に動き、重力に逆らって上に動く。十分に動けば、この動きによりレバーの腕がスラスト軸受け (thrust bearing) を押し下げ、これがビーム (梁) の接続を動かし、これによりスロットル・バルブ (throttle valve) の隙間が縮小する。動作流体 (working-fluid) がシリンダーに進入する比率は、従って削減され、原動機の速度が制御され、速度超過が防止される。

機械的な停止装置を使用して、スロットルの動きの幅を制限してもよい。これは左下の画像の密集部分の近くに見える。

2 本の腕で、2 個のボールからなるガバナーの制約は重力に依存していることと、ガバナーが地表に対して上向きでなければならないことである。これはガバナーが遅くなった時に重力がガバナーを引き込まないといけないからである。

ガバナーは重力を使用しないように建造することもでき、これには一本の真っ直ぐな腕と両端の重りを使用し、中心のピン (pivot) で回転軸に取り付けられ、バネが回転軸の中心の方向に重りを引き寄せようとする。回転軸の反対側の 2 つの重りは重力の影響と平衡するが、どちらの重りも遠心力を使用してバネに対して動作し、回転軸に垂直な座標軸の方向に腕 (pivot arm) を回転しようとする。

スプリングによる引き込みを使用する非重力ガバナーは単相交流誘導モーターに通常使用され、モーターの速度が十分に上がった時に始動界磁コイル (starting field coil) の電源を切ることに使用される。

これらはスノーモービルや全地形対応車 (ATV) の無段変速機に使用され、車両動作の駆動/非駆動の切り替えと、エンジンの回転速度に相対的に電動プーリーの半径を変えることに使用される。

ジェームズ・ワットは事業の協力者であるマシュー・ボウルトンの提案にしたがって、 1788 年に最初のガバナーをデザインした。これは円錐状の振り子ガバナーであり、ワットが蒸気エンジンに適用した一連の新考案の最後であった。ワットのガバナーの巨大な彫像がイングランド、ウェスト・ミッドランズのスメスィック (Smethwick) に立っている。これはフライボール・ガバナー (flyball governor) と呼ばれる。

遠心力ガバナー (centrifugal governor) は多くの現代的なリピーター・ウォッチ (repeating watch) にも使用され、打鐘機構 (striking train) の速度を制御して、リピーターがあまりに速く動作しないようにした。

別の種類の遠心力ガバナーはシリンダー内部の spindle の上の一対の塊から構成され、塊あるいはシリンダーは幾分ドラムブレーキ (drum brake) のように、パッド (pad) でコーティングされている。これはゼンマイ式の蓄音機 (spring-loaded record player) とゼンマイ式の電話ダイヤル (spring-loaded telephone dial) で使用されて速度を制限した。

認知科学 (cognitive science) において、情報の表現が情報に加えられる操作と明白に区別することができない力学系の実例として、しばしば遠心力ガバナーが使用される。ガバナーは自動制御装置なので、力学系の解析は自明なものではない。 1868 年に、ジェームス・クラーク・マクスウェルは有名な論文である「ガバナーについて」 ("On Governors") を著し、これは広くフィードバック制御の古典と見なされている。マクスウェルはモデレイター (moderator, 遠心力ブレーキ) と動力の入力を制御するガバナーを区別している。彼は次の人々による装置を考察した：ジェームズ・ワット、ジェームス・トムソン (James Thomson) 教授、フリーミン・ジェンキン、ウィリアム・トムソン、レオン・フーコー、カール・ウィルヘルム・ジーメンス (Carl Wilhelm Siemens) (液体ガバナー)。

アルフレッド・ラッセル・ウォレスがリンネ協会に提出した 1858 年の有名な論文 (これによりダーウィンが「種の起原」を出版することになる) でガバナーを進化の原理のメタファー (metaphor) として使用した。

この原理によるふるまいはまさしく蒸気エンジンの遠心力ガバナーのようなものであり、明らかとなるほとんどその前に変則をチェック・補正するのであり、類似の方法により、動物界における調和の取れていない欠陥は明白な大きさに到達することがないのである。というのは調和の取れていない欠陥は最初から存在を困難にし、滅亡がすぐにも続くことがほとんど確実だからである。

ベイトソンは 1979 年の彼の本「精神と自然――生きた世界の認識論」 (Mind and Nature: A Necessary Unity) でこの話題を再び取り上げ、他の研究者も自然淘汰とシステム論の関連を研究し続けている。

遠心力ガバナーは米国、ニュー・ハンプシャー州マンチェスターの市の印章 (seal) の一部分であり、市の旗にも使用されている。このデザインを変更する 2017 年の努力は有権者 (voter) により拒否された。


蒸気エンジン速度ガバナーの断面図。速度 0 でバルブは完全開放で開始する。しかし、ボールが回転して上昇すると、中央のバルブ軸が下方に押し下げられて、バルブを閉鎖する。速度が感知される駆動軸は右上にある。	コーリス蒸気エンジンのポーター・ガバナー (Porter governor)