JPH01217208A - ジャイロコンパスの軸受摩擦低減装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、船舶等に利用されるジャイロコンパスの軸受
摩擦低減装置に関する。

〔従来の技術〕

第３図を参照して、本発明による軸受摩擦低減装置が適
用され得る船舶等に用いられるジャイロコンパスの一例
として、日本特許第４２８３１７号のヅヤイロコンパス
を説明する。

同図において、符号（込）は、ジャイロコンパス全体を
表し、（１）はジャイロケースで、このジャイロケース
（１）は図示せずも、誘導電動機により高速、かつ一定
回転数にて回転されるジャイロロータを内蔵し、その回
転ベクトルは南向き（北（Ｎ）側より見て時計まわり）
である。ジャイロケース（１）は、上下に一対の垂直軸
（２）、（２’）を突出して有し、これ等垂直軸（２）
、（２’）は、ジャイロケース（１）の外側に配された
垂直環（３）の対応する位置に取付けられた垂直軸軸受
、例えばボールベアリング（４）。

（４′）の内輪に夫々嵌合する。上部垂直軸（２）には
、懸吊線（５）の下端が固定され、その上端は懸吊線取
付台（５′）を介して垂直環（３）に取付けられる。

以上の構造により、ジャイロケース（１）の重量は垂直
軸（２）、（２’）のボールベアリング（４）、（４’
）のスラスト荷重とはならず、全べて懸吊線（５）が受
は持つことになり、上記ボールベアリング（４）、（４
’）の摩擦トルクを大幅に減少させることができる。垂
直環（３）の東西に、ジャイロに指北トルクを与えるた
めの一対の液体安定器（６）が取付けられる。

各液体安定器（６）は、第４図に示す如く、一種の連通
管であって、ジャイロの南北に配される壺（６−１＞、
　（６−１’）　、これ等のなかばを満たす高比重の液
体（６−２）、南北の壺（６−４＞、　（６−１’）を
上方で連通ずる空気管（，６−３）、およびそれ等を下
方で連通ずる液体管（６−４）よりなる。

第３図に示す如く、ジャイロケース（１）の西側には、
指北運動を制振させるためのダンピングウェイト（７）
が取付けられる。ジャイロケース（１）の東側には、ジ
ャイロケース（１）と垂直環（３）の垂直軸（２）。

（２′）まわりの偏角を検出する差動変圧器の二次コイ
ル（８−１）が、又、これと相対する垂直環（３）の位
置には差動変圧器の二次コイル（８−２）がそれぞれ取
付けられ、追従ピックアップ（８）を構成する。垂直環
（３）は、さらに、垂直軸（２）、（２’）およびジャ
イロスピン軸の双方に直交する東西の位置より外方に一
対の水平軸（９１（９’）を突出して有し、これ等水平
軸（９）、　’（９’）は垂直環（３）の外側に配され
た水平環（１０）の対応する位置に取付けられた水平軸
軸受、例えばボールベアリング（１１）、　（１１’）
の内輪に夫々嵌合する。水平環（１０）は、さらに水平
内面で、かつ上記水平軸（９）、（９’）と直交する位
置に一対のジンバル軸（１２）、　（１２’）を有する
。これ等ジンバル軸（１２）、　（１２’）は、水平環
（１０）の外側に位置する追従環（１３）に取付けられ
た一対のジンバル軸ボールベアリング（１４）、　（１
４’）に夫々嵌合する。

追従環（１３）は９、第３図に示すように、上下に追従
軸（１５）、　（１５’）を有し、これ等追従軸（１５
）、　（１５’）は盤器（１６）の対応位置にある追従
軸ボールベアリング（１７）、　（１７’）に夫々嵌合
する。

上方の追従軸（１５）の軸端には、コンパスカード（１
８）が取付けられ、これと盤器（１６）の対応する船首
側の位置に固設した基線（１８Ｂ）　　とによって、船
首の方位角が読みとられる。盤器（１６）の下部には、
方位サーボモータ（１９）が取りつけられ、その回転軸
（１９Ａ）　　は、方位ピニオン（２０）を介して追従
環（１３）の下部にある方位歯車（２１）と結合する。

盤器（１６）の下部には、方位発信器（２２）が取付け
られ、その回転軸（２２Ａ）　　は歯車系（図示せず）
を介して方位歯車（２１）に噛み合わされ、方位信号を
電気信号に変換して外部に発信する。

水平環（１０）以内、すなわち水平環（１０）、垂直環
（３）、ジャイロケース（１）等を含めた部分は、通常
鋭感部と呼ばれている。鋭感部はジンバル軸（１２）　
。

（１２’）のまわりに下の重い物理振子を構成し、これ
によって水平軸（９）、（９’）は船体傾斜に関係なく
、常に水平面内に保持される。

ジャイロケース（１）の方位と垂直環（３）の方位とに
差があると、この差を両者の間に設けた追従ピックアン
プ（８）が検出し、電気信号に変換する。この電気信号
は、外部のサーボ増幅器（２３）によって増幅され、方
位サーボモータ（１９）に加えられる（方位サーボ系）
。方位サーボモータ（１９）の回転は、回転軸（１９Ａ
）、歯車列、方位歯車（２１）を通して追従ＩＩ（１３
）に伝達され、さらに水平環（１０）、水平軸（９）、
（９’）等を介して垂直環（３）に伝えられ、垂直環（
３）とジャイロケース（１）との方位偏差が常にゼロに
保たれるようになっている。

方位サーボ系の作用により、水平軸（９）、（９’）と
ジャイロスピン軸とは常に直交関係を保ち、かつ懸吊線
（５）の捩りトルクは一切ジャイロに加わることはない
。すなわち、サーボ系を持った垂直軸（２）。

（２′）、水平軸（９）、（９’）およびジンバル軸（
１２）、　（１２’）の三つの軸の働きによって、ジャ
イロケース（１）は船体の角運動より完全に絶縁された
ことになり、ジャイロスコープを構成する。

上述したジャイロスコープに指北力、すなわちコンパス
としての機能を与えるのが上記した液体安定器（６）で
ある。

次に、第４図を参照して、この液体安定器（６）の原理
を説明する。尚、第４図は、ジャイロの指北端が水平面
に対して角度θだけ上昇している場合の図である。船が
停止している場合を考えることにすれば、液体（６−２
）の液面は重力ｇの方向と直交する。よって、傾斜ゼロ
の場合に比較して、図に於て斜線で示した部分の液体が
、北側の壺（６−１′）では減少し、南側の壺（６−１
）では増加する。

今、水平軸（９１（９’）から両壺（６−１）、　（６
−１’）の中心までの距離をｒ、　、両壺（６−１）、
　（６−１’）の断面積をＳ、液体（６−２）の比重を
ρとすれば、傾斜部の液体の重量は、 ＳＸｒ、ｓｉｎ　　θ×ρ×ｇ となる。

上記重量アンバランスは、南北両方の壺（６−１）。

（６−１’）で生じており、かつ水平軸（９）、（９’
）からのモーメントアームはｒｌ　なので、結局、角度
θだけ傾斜している時の液体安定器（６）の作る水平軸
（９）、（９’）まわりのトルクＴ。は、近時的にＴＨ
＝２Ｓｒ１２ｇρθ となる。

ここで、 ２Ｓｒ１２ｇρ＝に とおいて、Ｋを安定器定数と称している。すなわち、液
体安定器（６）は、ジャイロスピン軸の水平面に対する
傾斜に比例したトルクを、ジャイロの水平軸（９）、（
９’）のまわりに加える作用を行うもので、これによっ
て、ジャイロは指北力を有し、ジャイロコンパスとなる
。

一方、ダンピングウェイト（７）は、第５図に示す如く
、垂直軸（２）、（２’）を含み、かつジャイロスピン
軸と直交する面内において垂直軸（２１（２’）よりｒ
２（紙面に垂直方向）の距離を以ってジャイロケース（
１）に取りつけられる。この第５図は、指北側が水平面
に対して角度θだけ上昇して傾斜した状態のジャイロケ
ース（１）を西側より見た図である。

質量ｍのダンピングウェイト（７）に重力加速度ｇが作
用して、鉛直方向にｍｘｇの力がこれに働く。

この力を垂直軸（２）、（２’）に平行な成分ｍｇｃｏ
ｓ　　θと、スピン軸に平行な成分ｍｇｓｉｎ　　θと
に分解して考える。この中で、垂直軸（２）、（２’）
に平行な成分は、垂直軸ボールベアリング（４）、（４
’）の負荷として作用するのみであるが、スピン軸に平
行な成分は、垂直軸（２）、（２’）から距離ｒ２　を
乗じて垂直軸（２）、（２’）まわりのトルクとしてジ
ャイロに作用することになる。このトルクをＴφと書き
表わすことにすれば、Ｔφは近似的に次式の如くなる。

Ｔφ＝μ・θ　　　但しμ＝ｍｇｒ２ すなわち、ダンピングウェイト（７）は、ジャイロスピ
ン軸の水平面に対する傾斜に比例したトルクを、ジャイ
ロの垂直軸（２）、（２’）のまわりに加える装置であ
り、これによってコンパスの指北運動を減衰させること
ができる。

第６図は上述のジャイロコンパスにおいて、ジャイロス
ピン軸の指北端の真北からの方位誤差φと傾斜角θとを
変数とし、且つ、それ等の初期誤差φ。、θ０に対する
指北運動をラプラス演算子及び伝達関数とによってブロ
ック図的に表わしたものである。同図において、ｇは重
力加速度、Ｒは地球半径、Ωは地球自転角速度、Ｈはジ
ャイロの角運動量、λはその地点の緯度、Ｋは指北定数
（安定器定数）、μはダンピング定数で、Ｓはラプラス
演算子である。

方位誤差φがあると、この誤差φに地球の自転角速度Ω
の水平成分Ωｃｏｓ　　λ（１００）　を乗じたものが
、角速度人力としてジャイロの水平軸まわりの要素（１
０１）　　に作用して、初期傾斜角誤差θ。と共に、ジ
ャイロ傾斜角誤差θを発生させる。ジャイロスピン軸の
傾斜角誤差θによって、垂直環（３）も同様の傾斜とな
り、垂直環（３）に取付けられた液体安定器（６）も傾
斜し、中の液体（６−２）が低い方の壺へ移動すること
によって、Ｋθなるトルクをジャイロの水平軸のまわり
に発生する。このトルクにθをジャイロの角運動量Ｈで
除したものに、地球自転角速度の垂直成分Ωｓｉｎ　　
λを加算したものが、角速度人力としてジャイロの垂直
軸まわりの要素（１０２）　　に作用し、これに初期方
位誤差φ。を加えたものが、方位誤差φとなってループ
が閉じる。

このループがジャイロコンパスの指北ループである。こ
のループは、ループ内に１／Ｓ　で表わされる極が２個
存在する為に、振動解となる。

一方、ジャイロ傾斜角誤差θにダンピング定数μを乗じ
たトルクμθを角運動量Ｈで除したものが、角速度人力
としてジャイロの水平軸要素（１０１）に上記傾斜角度
θを減するように負帰還され、上記指北ループの指北運
動を減衰させる。このループが減衰ループである。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら上述したジャイロコンパスにおいては、垂
直軸（２）、（２’）や水平軸（９）、（９’）をボー
ルベアリング（４）、（４’）及び（１１）、　（１１
’）によって夫々支持しており、ジャイロコンパスの指
北精度が主として上記ボールベアリング（４）、　（４
’）　、　（１１）、　（１１’）の軸受摩擦によって
、支配されているため、所要の指北精度を確保する為に
、高速で回転するある程度の大きさのジャイロロータを
有するジャイロケースが必要となり、ジャイロコンパス
全体の小型化、軽量化を図ることが困難という課題があ
った。

従って、本発明の主目的は、上記従来の課題を解決した
ジャイロコンパスの軸受摩擦低減装置を提供せんとする
にある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明による上記従来の課題を解決する手段は、スピン
軸を略々水平にしたジャイロを内蔵し鉛直方向で上下に
突出した一対の垂直軸（２）、（２’）を有するジャイ
ロケース（１）と、上記一対の垂直軸（２）。

（２′）が夫々嵌合する一対の垂直軸軸受（４）、（４
’）が固設され且つ該垂直軸軸受（４）、（４’）と直
交する位置に於て水平方向に突出した一対の水平軸（９
）、（９’）を有し上記ジャイロケース（１）の外周に
配される垂直環（３）とを含むジャイロコンパスの軸受
摩擦低減装置に於て、入力信号に比例したトルクを上記
ジャイロケース（１）にその垂直軸（２）、（２’）ま
わりに加える垂直トルカ（５１）を上記垂直環（３）及
びジャイロケース（１）に取り付けると共に、交流信号
発生器（５２）を設け、これよりの交流信号を上記垂直
トルカ（５１）に供給するようになしたジャイロコンパ
スの軸受摩擦低減装置である。

〔作用〕

垂直トルカ（５１）に交流信号を供給し、ジャイロケー
ス（１）を水平軸（９）、（９’）のまわりに交番運動
を行わせることにより、水平軸ボールベアリング（１１
）、　（１１’）の軸受摩擦を低減し、指北性能を向上
させる。

〔実施例〕

第１図を参照して、本発明のジャイロコンパスの軸受摩
擦低減装置の一例を説明する。尚、同図に於て、第３図
と同一の部材には同一の符号を付し、それ等の説明は省
略する。

第１図に示す本発明の例に於ては、垂直環（３）とジャ
イロケース（１）とに、入力端子に比例したトルクをジ
ャイロケース（１）に対し、その垂直軸（２）、（２’
）のまわりに加える垂直トルカ（５１）を取付け、即ち
、その永久磁石をジャイロケース（１）に取付け、その
コイルを垂直環（３）に上記永久磁石と離間して取り付
け、更に交流信号発生器（５２）、微分器（５３）及び
スイッチ回路、例えば通常そのリレー接点が閉じている
リレー装置（５４）を設け、交流信号発生器（５２）か
らの交流信号を、微分器（５３）及びリレー装置（５４
）を介して、上記垂直トルカ（５１）に人力する。

ここで、上述の如く、垂直トルカ（５１）に交流信号が
供給されると、この垂直トルカ（５１）は、ジャイ ロケース りに次式で表わされる。交番トルクＴ，を加えることに
なる。

Ｔｖ　＝　Ｔｏ　ｓｉｎ　ωを 但し、ここで、Ｔｏ　は上記交番トルクＴＶ　の振幅、
ωは交番トルクＴＶの角周波数、ｔは時間である。

ジャイロスコープのプリセツションに関する定理に従い
、上記交番トルクＴｖ　により、ジャイロケース（１）
は水平軸（９）、（９’）のまわりに、第２図へに示す
如き交番角運動θを行う。

θ＝−θｏＣＯＳｏ）を 但し、ここでθ。は振幅であり、この振幅θ０は次式で
表わされる。

ここで、Ｈはジャイロロータの角運動量である。

一方、ボールベアリングの摩擦トルＴＢ　は、近似的に
は、大きさは一定で、その内、外輪の相対角速度の方向
にのみ依存すると言われている。即ち、上述の如き構成
により、ジャイロケース（１）を水平軸（９）、（９’
）のまわりに交番的な角運動を与えることにより、軸受
摩擦トルクＴＢ　は、第２図已に示す如く、周期２π／
ωの矩形波状の振動関数となり、その平均値はゼロで、
結局軸受摩擦がない場合と同じになり、ジャイロコンパ
スの性能ヲ大幅に改善できる。

尚、第１図の実施例に於ける微分器（５３）は、交流信
号発生器（５２）よりの交流信号中に直流成分が重畳さ
れている場合、これが垂直トルカ（５１）に人力され、
垂直軸（２）、　（２’）　ｔわりの固定トルクとして
ジャイロコンパスに作用して、方位誤差の原因となる為
、上記直流成分をカフ）する為に設けである。

更に、動揺角演算装置（５５）を設け、これにより、垂
直環（３）等に設けた加速度計（５０）等の出力に基づ
き、航行体、例えば船体の水平軸（９）、（９’）まわ
りの交番回転角を演算し、これが−窓以上の値の場合、
リレー装置（５４）に信号を送り、その接点を開き、垂
直トルカ（５１）に、交流信号発生器（５２）よりの交
流信号が供給されないようにするものである。

これ等加速度計（５０）及び演算装置（５５）を設ける
ことにより、水平軸（９）、（９’）のボールベアリン
グ（１１）、　（１１’）の過度の交番運動を防止し、
軸受即ち、ボールベアリング（１１）、　（１１’）の
寿命を確保することが出来ると共に、上記交番運動が船
体の動揺運動と同期して生ずる動揺誤差の発生を防止で
きる。

〔発明の効果〕

（１）、ボールベアリングをジャイロケース（１）の支
持に用いるジャイロコンパスに於て、垂直トルカ（５１
）に交流信号を加えて、ジャイロケース（１）が水平軸
（９）、（９’）のまわりに交番角運動するようにした
ことにより、水平軸のボールベアリング（１１）、　（
１１’）の摩擦トルクがジャイロコンパスに与える悪影
響を防止し、簡単な機構で、小型化が可能となると共に
高性能のジャイロコンパスを得ることが出来る。

（２）、交流信号発生器（５２）の交流信号を微分器（
５３）を介して垂直トルカ（５１）に供給することによ
り、交流信号中の直流成分が垂直トルカ（５１）に供給
されないので、そのジャイロコンパスに与える影響を阻
止することが出来る。

（３）、動揺等による自然の交番運動を検出し、これ等
が一定値以上となったら、本発明による軸受摩擦低減機
構を動作させなくすることにより、水平軸軸受、即ちボ
ールベアリング（１１）、　（１１’）の寿命低下を防
止できる。又、交番運動と等しい周期の外乱加速度が入
ったときの動揺誤差を防止できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるジャイロコンパスの軸受摩擦低減
装置の一実施例を具備するジャイロコンパスの斜視図、
第２図は第１図に示す軸受摩擦低減装置の原理説明に供
する波形図、第３図は本発明が適用され得る従来のジャ
イロコンパスの斜視図、第４図はその液体安定器の路線
図、第５図はダンピングウェイトの原理説明用の路線図
、第６図は第３図に示す従来のジャイロコンパスの動作
を表わすブロック線図である。 図において、（１）はジャイロケース、（３）は垂直環
、（４）、（４’）　、　（１１）、　（１１’）はボ
ールベアリング、（６）は液体安定器、（７）はダンピ
ングウェイト、（５０）は加速度計、（５１）は垂直ト
ルカ、（５２）は交流信号発生器、（５３）は微分器、
（５４）はリレー装置、（５５）は動揺角演算装置をそ
れぞれ示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、スピン軸を略々水平にしたジャイロを内蔵し鉛直方
   向で上下に突出した一対の垂直軸を有するジャイロケー
   スと、上記一対の垂直軸が夫々嵌合する一対の垂直軸軸
   受が固設され、且つ該垂直軸軸受と直交する位置に於て
   水平方向に突出した一対の水平軸を有し、上記ジャイロ
   ケースの外周に配される垂直環とを含むジャイロコンパ
   スの軸受摩擦低減装置に於て、 入力信号に比例したトルクを上記ジャイロケースの垂直
   軸に加える垂直トルカを上記垂直環及びジャイロケース
   に取付けると共に、 交流信号発生器を設けこれよりの交流信号を上記垂直ト
   ルカに供給するようになしたことを特徴とするジャイロ
   コンパスの軸受摩擦低減装置。 ２、スピン軸を略々水平にしたジャイロを内蔵し鉛直方
   向で上下に突出した一対の垂直軸を有するジャイロケー
   スと、上記一対の垂直軸が夫々嵌合する一対の垂直軸軸
   受が固設され且つ該垂直軸軸受と直交する位置に於て水
   平方向に突出した一対の水平軸を有し上記ジャイロケー
   スの外周に配される垂直環とを含むジャイロコンパスの
   軸受摩擦低減装置に於て、 入力信号に比例したトルクを上記ジャイロケースにその
   垂直軸まわりに加える垂直トルカを上記垂直環及びジャ
   イロケースに取り付けると共に、 交流信号発生器及び微分器を設け、上記交流信号発生器
   よりの交流信号を上記微分器を介して上記垂直トルカに
   供給するようになしたことを特徴とするジャイロコンパ
   スの軸受摩擦低減装置。 ３、スピン軸を略々水平にしたジャイロを内蔵し鉛直方
   向で上下に突出した一対の垂直軸を有するジャイロケー
   スと、上記一対の垂直軸が夫々嵌合する一対の垂直軸軸
   受が固設され且つ該垂直軸軸受と直交する位置に於て水
   平方向に突出した一対の水平軸を有し上記ジャイロケー
   スの外周に配される垂直環とを含むジャイロコンパスの
   軸受摩擦低減装置に於て、 入力信号に比例したトルクを上記ジャイロケースにその
   垂直軸まわりに加える垂直トルカを上記垂直環及びジャ
   イロケースに取り付けると共に、 交流信号発生器、微分器及びスイッチ回路を設け、上記
   交流信号発生器よりの交流信号を上記微分器及びスイッ
   チ回路を介して上記垂直トルカに供給するようになした
   ことを特徴とするジャイロコンパスの軸受摩擦低減装置
   。 ４、スピン軸を略々水平にしたジャイロを内蔵し鉛直方
   向で上下に突出した一対の垂直軸を有するジャイロケー
   スと、上記一対の垂直軸が夫々嵌合する一対の垂直軸軸
   受が固設され且つ該垂直軸軸受と直交する位置に於て水
   平方向に突出した一対の水平軸を有し上記ジャイロケー
   スの外周に配される垂直環とを含むジャイロコンパスの
   軸受摩擦低減装置に於て、 入力信号に比例したトルクを上記ジャイロケースにその
   垂直軸まわりに加える垂直トルカを上記垂直環及びジャ
   イロケースに取り付け、上記交流信号発生器を設け、加
   速度計をジャイロコンパスに取り付け、 上記交流信号発生器よりの交流信号をスイッチ回路を介
   して上記垂直トルカに供給し、 上記加速度計の出力信号を動揺角演算装置に供給し、上
   記ジャイロコンパスが装備される航行体の上記水平軸ま
   わりの交番回転角を演算し、演算結果を上記スイッチ回
   路に供給しそのオン・オフを制御するようになしたこと
   を特徴とするジャイロコンパスの軸受摩擦低減装置。 ５、スピン軸を略々水平にしたジャイロを内蔵し、鉛直
   方向で上下に突出した一対の垂直軸を有するジャイロケ
   ースと、上記一対の垂直軸が夫々嵌合する一対の垂直軸
   軸受が固設され且つ該垂直軸軸受と直交する位置に於て
   水平方向に突出した一対の水平軸を有し上記ジャイロケ
   ースの外周に配される垂直環とを含むジャイロコンパス
   の軸受摩擦低減装置に於て、 入力信号に比例したトルクを上記ジャイロケースにその
   垂直軸まわりに加える垂直トルカを上記垂直環及びジャ
   イロケースに取り付け、交流信号発生器を設け、加速度
   計をジャイロコンパスに取り付け、 上記交流信号発生器よりの交流信号を微分器及びスイッ
   チ回路を介して上記垂直トルカに供給し、 上記加速度計の出力信号を動揺角演算装置に供給し、上
   記ジャイロコンパスが装備される航行体の上記水平軸ま
   わりの交番回転角を演算し、演算結果を上記スイッチ回
   路に供給しそのオン・オフを制御するようになしたこと
   を特徴とするジャイロコンパスの軸受摩擦低減装置。