JPH03287007A - 磁気コンパス - 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】 （イ）産業上の利用分野 本発明は、方位を計測するための磁気コンパスに関する
ものである。磁気コンパスは、船舶、車両、ロボット、
ヘリコプタなどに用いられる。

（ロ）従来の技術 従来の磁気コンパスのうち比較的簡単な構成のものは、
船舶用方位盤に用いられるものである。

これは磁針を水平面内で自由に回転できるように支持し
たものである。これの場合、視覚により直接方位を確認
することができる。

また、別の形式の磁気コンパスとして、第１５図に示す
ような、遠隔指示コンパスがある。これは、計測部２０
０と指示部２０２とを分離したものであり、計測部２０
０は互いに直交する２軸方向に磁束センサ２０４を有し
ており、これの出力を離れた場所に配置された指示部２
０２に入力し、方位角を算出・指示するように構成され
る。

（ハ）発明が解決しようとする課題 上述の磁針を用いたものは、低価格であり、比較的方位
精度も高く、視覚により直ちに方位を確認することがで
きる。しかし、これの場合には、船舶の加減速、変針な
どの際に、磁針の慣性のために方位の指示か乱れ、また
これからの回復に時間がかかるという問題がある。特に
、波浪によって船舶が動揺した場合などには、方位の指
示が乱れる。

一方、遠隔指示コンパスは、指北磁束を２軸に分解し、
これを再合成して方位を算出するため、応答性が高く、
船舶の変針、動揺などに対しても十分安定して方位を指
示することができる。たたし、これの場合には、２軸に
分解された磁束を再合成して方位を算出する必要がある
ため、価格的に高いものとなり、また精度的にも所定以
上の高精度とすることはできない。更に、直接視認可能
な空間指示をすることができない。

本発明はこのような課題を解決することを目的としてい
る。

に）課題を解決するための手段 本発明は、磁束センサをこれの軸線が水平となるように
振子支持するとともにこれをモータによって回転駆動可
能な回転台上に設けることにより、上記課題を解決する
。

仏式の磁気コンパスとして構成した場合には、ケーシン
グ（１０）と、ケーシングにこれの底面に垂直向きの軸
（１４）を中心として回転可能に支持される回転台（１
６）と、回転台を回転駆動可能なモータ（３２）と、回
転台上にこれの上記垂直な軸に直交する軸受（１８及び
２０）を支点として磁束センサ軸線（Ｍ軸）が上記軸受
と直交して水平姿勢をとるように振子支持される磁束セ
ンサ（２４）と、回転台に連結されたスリップリンク（
２６）と、磁束センサからの信号がスリップリンクを介
して入力されかつ磁束センサからの信号が出力Ｏとなる
ようにモータを作動させる信号を出力する制御器（３４
）と、回転台に固定されたコンパスカード（４０）と、
によって磁気コンパスか構成される。

また、遠隔指示式の磁気コンパスとして構成した場合に
は、計測部（５０）と、これと分離された指示部（ｉｏ
ｏ）と、計測部と指示部とを接続するケーブル（９６〉
と、から構成され、計測部は、計測部側ケーシング（５
４）と、計測部側ケーシングにれの底面に垂直向きの軸
（７４）を中心として回転可能に支持される回転台（５
８）と、回転台を回転駆動可能な計測部側モータ（６０
）と、回転台上にこれの上記垂直な軸に直交する軸受（
６６及び６８）を支点として磁束センサ軸線（Ｍ軸）が
上記軸受と直交して水平姿勢をとるように振子支持され
る磁束センサ（２４）と、回転台に連結されたスリップ
リング（７８）と、磁束センサからの信号がスリップリ
ングを介して入力されかつ磁束センサからの信号が出力
０となるようにモータを作動させる信号を出力する計測
部側制御器（６２）と、回転台の回転角を検出する回転
角検出器（８８）と、を有しており、指示部は、指示部
側モータ（１０６）と、指示部側モータによって回転駆
動されるコンパスカー）”（１１２）と、計測部の回転
角検出器からの信号が上記ケーブルを介して入力されか
っ入力された上記信号に対応した回転角だけコンパスカ
ードを回転させる信号を指示部側モータに出力する指示
部側制御器（１０３）と、を有している。

なお、かっこ内の符号は後述の実施例の対応する部材を
示す。

（ホ）作用 一体式の磁気コンパスの作動について説明する。指北磁
束と磁束センサ軸線との方向が直交すると、磁束センサ
の出力が０となる。磁気コンパスを設置した移動体が旋
回などして上記方向の直交関係が成立しなくなると、磁
束センサからの出力が発生するが、この場合には制御器
はモータを作動させ、磁束センサの出力がＯとなるよう
に回転台を回転させる。したがって、回転台は常に磁束
センサの出力が０となる南北方位に直交する位置に保持
され、回転台に取り付けられたコンパスカードは常に正
しい方位を指示することになる。

磁気センサは振子支持されているので、磁気コンパスの
取付面であるケーシングの底面が水平面から傾斜した場
合にも磁気センサは水平状態に保持され、正常な動作を
行う。遠隔指示式の磁気コンパスとした場合にも基本的
動作は上記と同様である。

（へ）実施例 （第１実施例） 第１〜８図に第１実施例を示す。第１〜３図に示すよう
に、ケーシング１０の上部側の円筒状の室１２内に、ケ
ーシング１０の底面に垂直向きの軸１４を中心として回
転可能な回転台１６が設けられている。回転台１６に水
平方向の軸線（ケーシング１０の底面に平行な軸線〉を
有する軸受１８及び２０によって、磁束センサ２４を内
部にもつセンサユニット２２を水平姿勢に保つように、
磁束センサ２４の軸線（Ｍ軸）を軸受１８及び２０と直
交状態に振子支持している。なお、磁束センサ２４は後
述のようにホール素子型のものである。軸１４の外周に
スリップリング２６が設けられている。センサユニット
２２からの出力は配線２８を通してスリップリング２６
に送られ、スリップリング２６の端子２９から取出し可
能である。ケーシング１０の下部側の断面方形の室３０
内には、サーボモータ３２及び制御器３４が設けられて
いる。サーボモータ３２は歯車３６及び歯車３８を介し
て軸１４を回転駆動可能である。回転台１６の上端部に
はコンパスカート４０か設けられており、このコンパス
カード４０はケーシング１０の上部に設けられたガラス
４２を通して直読することができる。コンパスカート４
０には第３図に示すような方位を表示する目盛が設けら
れている。

ホール素子型の磁束センサ２４は、第４図に示すように
、互いに直交するＡ、Ｍ及びＥの３軸にそれぞれ直交す
る対面を有する直方体状のものであり、ホール効果を有
する半導体である。磁束センサ２４は、第４図に示すＡ
軸方向の両端部に設けられる電極と、これに直交するＥ
軸方向の電極とを有している。Ａ軸方向へ定電流Ｉを与
え、Ｍ軸方向に磁束Ｂを加えると、Ｅ軸方向に磁束Ｂに
比例したホール電圧ＶＨが発生する。なお、Ｍ軸方向が
磁束センサ軸線である。磁束センサ２４のＡＭ面を地球
座標系ｘＹＺの水平面ＸＹ上におき、磁束センサ２４の
Ｅ軸を垂直にし、Ｚ軸を中心として１回転させると、地
磁気水平磁束の作用によってホール電圧Ｖ　（４は第５
図に示すように変化する。すなわち、北（９０”）及び
南（２７０°）位置においてそれぞれ正負の最大値を示
し、東（１８０°）及び西（３６０°〉位置において出
力が０となる正弦波となる。ここで、上記かっこ内の数
字は方位角を示す。なお、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸は第６図
に示す地球座標系０−ＸＹＺ　（東・北・天頂）に対応
している。また、同図における地磁気磁場Ｆは伏角δを
もち、これを水平磁束Ｆｈと垂直磁束Ｆｖとに分解する
ことかできる。

次にこの実施例の動作について説明する。ケーシング１
０は、例えば船体の水平部分に固定される。制御器３４
は磁束センサ２４のホール電圧ＶＨが常に０となるよう
にサーボモータ３２をフィードバック制御する。すなわ
ち、磁束センサ２４の軸Ｍ（Ｍ軸）が南北方位に直交す
る東西位置からずれると磁束センサ２４が第５図に示す
特性にしたがってホール電圧ｖＨを出力する。このホー
ル電圧Ｖ。はスリップリング２６を通して制御器３４に
入力される。制御器３４はホール電圧ｖ）ＩがＯとなる
ようにサーボモータ３２を作動させる。サーボモータ３
２によって歯車３６、歯車３８及び軸１４を介して回転
台１６が回転し、磁束センサ２４のホール電圧ｖＨかＯ
とされる。すなわち、磁束センサ２４の軸線（Ｍ軸）は
常に南北方位に直交する東西方向に向くことになる。回
転台１６にはコンパスカード４０が取り付けられている
ので、これのＯ°位置（３６０”位置）は常に北を指す
ことになる。

上記説明は、船体に動揺がなくケーシング１０が水平状
態に保持されることをｉＩ？提としているが、船体の動
揺などによって磁束センサ２４の軸線（Ｍ軸）が水平面
から逸脱すると、磁束センサ２４は水平磁束の他に鉛直
磁束も検出することになり、計測方位に誤差を生ずるこ
とになる。したかって、船体の動揺時においても磁束セ
ンサ２４の軸線（Ｍ軸）は常に水平状態を保持する必要
かある。一般に船体のピッチング及びローリングによる
動揺角度は任意の直交２軸の動揺角度にヘクトル変換す
ることかできる。したがって、本実施例の磁束センサ２
４についてみれば、船体の動揺は第１図におけるｘ−ｘ
’軸（東西線）を軸心とする南北面内における傾斜角β
の動揺（ｉｆｆ束センサ２４のローリング）と、第２図
のＹ−Ｙ’軸（南北線）を軸心とした東西面内での傾斜
角αの動揺（＠束センサ２４のピッチング）とが単独で
又は複合して発生した場合を考えればよいことになる。

まず、第１図の傾斜角βの動揺が作用した場合には磁束
センサ２４の軸線（Ｍ軸）の姿勢は変化しない。軸受１
８及び２０の軸線が動揺の中心軸線と直交しているから
である（第７図参照）。

次に、第２図に示す傾斜角αの動揺が作用した場合は、
動揺の中心軸線と軸受１８及び２０の軸線とが平行とな
っているので、センサユニット２２は軸受１８及び２０
の軸線を中心として揺動し、磁束センサ２４の軸線（Ｍ
軸）は水平状態に保持される（第８図参照）。したがっ
て、この場合も船体の動揺の影響を受けない。

次に第１図に示す動揺角β及び第２図に示す動揺角αか
同時に作用した場合にも、上述の単独に作用した場合と
基本的には同様の作用によって動揺角βは磁束センサ２
４の軸線（Ｍ軸）に影響を与え１゛、また第２図の動揺
角αはセンサユニット２２が揺動することによって磁束
センサ２４の軸Ｍ（Ｍ軸）は水平状態に保持される。た
だし、軸受１８及び２０を支点としたセンサユニット２
２を鉛直状態に移動させるトルクＴが、 Ｔ＝に・ｓｉｎα・ＣＯ５β （たたしには重り常数） となり、単独に揺動角αのみが作用した場合と比較して
、＋　ｃ　ｏ　ｓβ分たけ減少する。しかし、軸受１８
及び２０の摩擦抵抗は小さいので、センサユニット２２
の振子運動が阻害されることはない。

結局、どのような動揺状態においても振子支持されたセ
ンサユニット２２は常に鉛直向きとなり、磁束センサ２
４の軸線（Ｍ軸）は水平状態に保持される。これにより
、ケーシング１０を取り付けた面かとのように動揺して
も、サーボモータ３２によってホール電圧ｖＨのＯ位置
への追尾が遂行され、コンパスカート４０は常に正しい
方位を示す状態に保持される。これにより、土ＩＣの指
示精度か得られる。また、回転台１６はできるたけ軽量
としてあり、またスリップリング２６も摩擦の小さいも
のとしであるので、追従制御の応答性か高く、平均時定
数０，０５秒以下となっている（通常の磁針を用いたコ
ンパスの場合には平均時定数は０．７程度度）。

（第２実施例） 第９〜１４図に第２実施例を示す。この第２実施例は、
第９及び１０図に示す計測部５０と、第１１及び１２図
に示す指示部１００とにより構成されている。計測部５
０は、ケーシング５４内に配置された振子部材５６、回
転台５８、サーボモータ６０、制御器６２、回転角検出
器８８などにより構成されている。磁束センサ２４が設
けられている振子部材５６は軸受６６及び６８によって
支持されている。両軸受６６及び６８の軸心は磁束セン
サ２４の軸線（第４図のＭ軸）と直交している。また、
振子部材５６の下部には重り７０が固着されている。回
転台５８は振子部材５６を取り囲んだ長方形の枠として
構成されており、これの下部中央には中空円筒軸部７４
が設けられており、この中空円筒軸部７４は対向スラス
ト受けを備えた円筒ジャーナル７６にはまり合っている
。中空円筒軸部７４にスリップリング７８及び歯車８０
が固定されている。ケーシング５４の底面に垂直向きの
出力軸８２を持つサーボモータ６０が設けられており、
これの出力軸８２には歯車８０とかみ合う歯車８６が設
けられている。

また、ケーシング５４の底面上には回転角検出器８８が
取り付けられている。なお、回転角検出器８８としては
正余弦ポテンショメータが用いられる。回転角検出器８
８は歯車９０が取り付けられた垂直の入力軸を有してお
り、この歯車９０は上記サーボモータ８４の歯車８６と
かみ合っている。なお、歯車８０と歯車９０とは同一仕
様、すなわち直径及び歯数が同一である。したかって、
回転台５８と回転角検出器８８とはサーボモータ６０に
よって同期状態で駆動されることＣなる。

前述のスリップリング７８に隣接してブラシ９２の保持
部９４が設けられている。また、ケーシング５４の底面
士別の位置に制御器６２が設けられている。振子部材５
６の磁束センサ２４の出力は可どう電線９５を介して回
転台５８に導かれ、スリップリング７８及びブラシ９２
を経て制御器６２に送られ、更に制御器６２はサーボモ
ータ６０と接続されている。回転角検出Ｈ８８の出力は
ケーブル９６を通して指示部１００に伝達される。

第１１及び１２図に指示部１００を示す。指示部１００
は、ケーシング１０２内に配置された正余弦ポテンショ
メータ１０４、サーボモータ１０６、正余弦ポテンショ
メータ１０４及びサーボモータ１０６を連結する歯車１
０８及び１１０、コンパスカード１１２、差動増幅器１
１４、サーボ増幅器１１６などを有している。

この指示部１００の構造をブロックとして示すと第１３
図のようになる。正余弦ポテンショメータ１０４、差動
増幅器１１４及びサーボ増幅器１１６が、指示部１００
の制御器１０３を構成する。

計測部５０については、第１実施例と比較して、コンパ
スカード４０がないこと及び回転角検出器８８が設けら
れたことを除けば、形状、配置、寸法などの相違はある
が、機能上は全く同一である。したかって、磁束センサ
２４はこれの軸線（Ｍ軸）を常に水平姿勢に保持した状
態で、水平面内において水平指北磁束の直交位置となる
ようにサーボモータ６０によって制御される。このサー
ボモータ６０の回転角は歯車８６及び９０を介して回転
角検出器８８に伝達される。回転角検出器８８はケーブ
ル９６を介して指示部１００の正余弦ポテンショメータ
１０４に信号を送る。

すなわち、方位角θの正弦信号ｓｉｎθ及び余弦信号Ｃ
ＯＳθが正余弦ポテンショメータ１０４の入力端子に導
かれる。この時点の受信側正余弦ポテンショメータ１０
４の回転角をθ′とすれば各しゆう動子の分割位置抵抗
値はｃｏｓθ′及びｓｉｎθ′となる。このため、前述
の入力端子への入力に基ついて正余弦ポテンショメータ
１０４のしゅう動子からそれぞれｓｉｎθＸＣＯ３θ′
及びｃｏｓθｘｓｉｎθ′の電圧が出力される。

この両室圧を差動増幅器１１２に導き、５ｉｎ（θ−θ
′〉か求められる。すなわち、ｓｉｎθｘｃｏｓθ’−
ｃｏｓθｘｓｉｎθ′＝ｓｉｎ（θ−θ′） このｓｉｎ　（θ−θ′）に基づいてサーボ増幅器１１
６によってサーボモータ１０６か駆動され、サーボモー
タ１０６は歯車１０８及び１１０を介して正余弦ポテン
ショメータ１０４を回転させ、同時にコンパスカード１
１２を回転させる。

θ−θ′＝△θとすると、ｓｉｎ△θの正負に応じてサ
ーボモータ１０６か左右に回転する。これにより、θ′
がθに急速に接近し、θ＝θ′となる。この結果、指示
部１００のコンパスカート１１２は計測部５０の回転台
５８の方位角θと空間的に同期し、θ方位を指示する。

指示精度は第１実施例と同様に±１°となる。指示部１
００は移動体のどの位置に設けても差し支えないので、
舶用の場合には、第１４図に示すように操だ室に設ける
ことができる。この場合、指示部１００の指示が操だ者
の外界像の方位認識感覚と適合する。

（ト）発明の詳細 な説明してきたように、本発明による磁気コンパスは、
応答速度が速く、しかも±ｌ°の方位精度を有する。し
たかつて、磁針を有する形式の磁気コンパスと比較して
、船体などの動揺、変針などによる指針の乱れが小さく
なる。また、遠隔指示する場合には、比較的簡単な構成
により低価格で精度のよい指示を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は第１実施例の磁気コンパスの正断面図、第２図
は第１図の側断面図、第３図は第１図の平面図、第４図
はホール素子型磁束センサを示す図、第５図は磁束セン
サを回転させた場合のホール電圧を示す図、第６図は地
球座標系を示す図、第７図は磁気コンパスの南北面動揺
状態を示す図５第８図は磁気コンパスの東西面動揺状態
を示す図、第９図は第２実施例の計測部の平断面図、第
１０図は第↓図の正断面図、第１１図は第２実施例の指
示部の平面図、第１２図は第１１図の正断面図、第１３
図は第２実施例の磁気コンパスの一部をブロック図とし
て示す図、第１４図は操だ室に設置された指示部を示す
図、第１５図は従来の磁気コンパスを示す図である。 １０・・・ケーシング、１ １６・・・回転台、１８．２ ２４・・・磁束センサ、２６・ グ、３２・・・サーボモータ、 器、４０・・・コンパスカード、 ４　・・軸、 ０・・・軸受、 ・・スリップリン ３４・・・制御 ５０・・・計測 部、５４・・・ケーシング、５８・・・回転台、６０・
・・サーボモータ、６２・・・制御器、７８・・・スリ
ップリング、８８・・・回転角検出器、１００・・・指
示部、１０３・・・制御器、１０６・・・サーボモータ
、１１２コンパスカート。 第４図 第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ケーシングと、ケーシングにこれの底面に垂直向き
   の軸を中心として回転可能に支持される回転台と、回転
   台を回転駆動可能なモータと、回転台上にこれの上記垂
   直な軸に直交する軸受を支点として磁束センサ軸線が上
   記軸受と直交して水平姿勢を保つように振子支持される
   磁束センサと、回転台に連結されたスリップリングと、
   磁束センサからの信号がスリップリングを介して入力さ
   れかつ磁束センサからの信号が出力０となるようにモー
   タを作動させる信号を出力する制御器と、回転台に固定
   されたコンパスカードと、を有することを特徴とする磁
   気コンパス。 ２、計測部と、これと分離された指示部と、計測部と指
   示部とを接続するケーブルと、を有し、計測部は、計測
   部側ケーシングと、計測部側ケーシングにこれの底面に
   垂直向きの軸を中心として回転可能に支持される回転台
   と、回転台を回転駆動可能な計測部側モータと、回転台
   上にこれの上記垂直な軸に直交する軸受を支点として磁
   束センサ軸線が上記軸受と直交して水平姿勢を保つよう
   に振子支持される磁束センサと、回転台に連結されたス
   リップリングと、磁束センサからの信号がスリップリン
   グを介して入力されかつ磁束センサからの信号か出力０
   となるようにモータを作動させる信号を出力する計測部
   側制御器と、回転台の回転角を検出する回転角検出器と
   、を有しており、 指示部は、指示部側モータと、指示部側モータによつて
   回転駆動されるコンパスカードと、計測部の回転角検出
   器からの信号が上記ケーブルを介して入力されかつ入力
   された上記信号に対応した回転角だけコンパスカードを
   回転させる信号を指示部側モータに出力する指示部側制
   御器と、を有している、 ことを特徴とする磁気コンパス。