JPH0344247B2

JPH0344247B2 -

Info

Publication number: JPH0344247B2
Application number: JP58136180A
Authority: JP
Inventors: Nakayasu Hirono; Takashi Aoki
Original assignee: Tokyo Keiki Co Ltd
Current assignee: Tokyo Keiki Inc
Priority date: 1983-07-26
Filing date: 1983-07-26
Publication date: 1991-07-05
Also published as: JPS6027810A

Description

【発明の詳細な説明】１個のジヤイロロータを収めたジヤイロ球がけ
ん吊線でタンク容器の液体中に吊り下げられた構
造をもち、上記ジヤイロロータのスピン軸の指北
運動を静定するダンピング手段に起立安定手段を
設けることによつて起動を安定を行うことができ
るジヤイロ装置に関する。

従来、この種のジヤイロ装置としては例えば第
１図に示すようなものがある。第１図に示すジヤ
イロ装置は１個のジヤイロロータを収めたジヤイ
ロ球１がけん吊線３でタンク容器２の液体７中に
吊り下げられた構造をもつジヤイロで、ジヤイロ
球１は球軸受を一切用いずに支持され、従つて有
害な摩擦トルクが少く、小さな角運動量のジヤイ
ロを用いても高精度でコンパクトな小型ジヤイロ
装置が得られるという特徴をもつものである。ま
たこのジヤイロ装置のダンピング手段はジヤイロ
球１の垂直軸まわりの動きに対して一次側コイル
４と２次側コイル５とからなる偏位検出器６から
の方位誤差信号とジヤイロ傾斜信号を得て、追従
環１６を追従させると共にジヤイロ球１にダンピ
ングトルクを与える方位追従装置である。すなわ
ち上記方位誤差信号にジヤイロ傾斜信号を加える
ことにより追従環１６をサーボシステムによりこ
れらの誤差信号が零となるように追従させる。そ
の結果ジヤイロ傾斜信号によるジヤイロの垂直軸
まわりのトルクだけジヤイロ球１のけん吊線３を
捩ることになり、この捩れトルクがダンピングト
ルクになる。しかしジヤイロ傾斜信号に比例した
信号ではダンピングによつて静定するジヤイロ装
置は緯度誤差を含んでいるので、このジヤイロ傾
斜信号を微分する回路が緯度に依つて生ずる誤差
を自動的に修正する回路として方位追従装置に含
まれている。このような緯度誤差が発生しないダ
ンピング手段もまた特徴の一つである。

しかしながら、このような従来のジヤイロ装置
にあつては、時折起動時にスピン軸の起立が不安
定になる不具合が生ずる。これはジヤイロ装置を
小形とする目的からタンク容器２を小型にするた
めにジヤイロ球１とタンク容器２との間隙が狭く
制約されるとともに緯度誤差が発生しないように
方位追従装置にジヤイロ傾斜信号を微分する回路
が含まれているためである。すなわち起動時にた
またまジヤイロ球１の傾斜が大きく、ジヤイロ球
１がタンク容器２に接触している状態でジヤイロ
装置が起動されると、ジヤイロ傾斜信号は一定で
変化しないために微分された出力信号は零とな
り、ジヤイロ球１の傾斜を復元するトルクが発生
しない。従つてジヤイロロータのスピン軸の起立
が不可能になるという問題があつた。

本発明は、このような従来の問題点に着目して
なされたもので、ジヤイロロータのスピン軸の傾
斜量、すなわち偏位検出器６にて検出されるジヤ
イロ傾斜信号が所定値以上に大きくなつたならば
方位追従装置の緯度誤差修正用の微分回路を操作
し、微分動作を停止させるような起立安定手段を
備えることにより上記の問題点を解決することを
目的とする。

本発明のジヤイロ装置においては、その起動時
にジヤイロ球の傾斜が大きく、タンク容器に接触
しているような状態にあつても、この傾斜によつ
て発生する所定値以上に大きいジヤイロ傾斜信号
は微分回路を通過するが、起立安定手段が働い
て、例えば微分回路を短絡するので微分されるこ
となく単に増巾されるから、ダイピングトルクと
してはジヤイロ傾斜信号に比例したトルクをジヤ
イロ球に与えることができる。従つてジヤイロ球
は大きな傾斜復元力によりタンク容器から離脱し
て指北運動を継続することができる。やがて指北
運動が進行してジヤイロ傾斜信号が減少し、上記
所定値以下になると再び微分回路が開放されてジ
ヤイロ傾斜信号は微分され、ダンピングトルクは
微分動作により作用し、ジヤイロ球は緯度誤差を
残さない静定に向う。このようにしてジヤイロ装
置は安定な起動動作を行うことができる。

以下図面に基づき詳細な説明を行う。第１図は
従来のジヤイロ装置の一部を示す略線図である。
第１図に於て、１はその内部に高速にて回転する
ジヤイロロータを内蔵するジヤイロ球で液密構造
である。２はジヤイロ球１を包囲するタンク容
器、３はジヤイロ球１を支持するけん吊線で、そ
の上端をタンク容器２に、下端をジヤイロ球１に
それぞれ固定する。４Ｎ，４Ｓ及び５Ｎ，５Ｓは
夫々無接触で偏位した角度を検出する偏位検出装
置６の一次側及び２次側のコイルで、一次側コイ
ル４Ｎおよび４Ｓは例えばジヤイロ球１の表面
で、ジヤイロロータのスピン軸の延長との交点す
なわちジヤイロ球の北及び南側にそれぞれ設置さ
れる。一方二次側コイル５Ｎ，５Ｓはタンク容器
２の内側で一次側コイル４Ｎ，４Ｓに対応した位
置に設置され、３組の差動的に巻かれたコイルよ
りなりそれぞれ水平誤差信号、方位誤差信号およ
びジヤイロ傾斜信号を検出できるように配置され
る。７は高粘性のダンピングオイル、例えばシリ
コンオイルが利用される液体でタンク容器２に充
填される。タンク容器２の赤道上スピン軸と直交
する東西位置に一対の水平軸８，８′の一端を取
り付け、それ等の他端を水平環１２の対応する位
置に設けた軸受１３，１３′に回動的に嵌合する。
１０は水平追従用サーボモータで、これを水平環
１２に取付ける。一方の水平軸８に水平歯車９を
取付け、これをサーボモータ１０の回転軸に取付
けた水平ピニオン１１と噛合はせる。水平環１２
の水平軸の軸受１３，１３′と直交する位置にジ
ンバル軸１４，１４′をそれぞれ取付け、これら
を追従環１６の対応する位置に取付け、ジンバル
軸軸受１５，１５′にそれぞれ回動的に嵌合する。
追従環１６の上下に追従軸１７，１７′を取付け、
これらの遊端部を盤器２４の対応する位置に設け
た追従軸軸受２５，２５′に回動的に嵌合する。
方位歯車２１を一方の追従軸１７に取付ける。１
９は盤器２４に取付けた方位追従用サーボモータ
２０はその回転軸に取付けた方位ピニオンでこれ
は方位歯車２１と噛合せる。２２はコンパスカー
ドで、これを追従軸１７′に取付ける。２３は盤
器２４の上面に於てコンパスカード２２と対応す
るように取付けた基線板で、その中央に引かれた
基線２６と、コンパスカード２２とにより、この
ジヤイロ装置を装備した航行体の針路が読みとら
れる。第１図においては省略したが偏位検出器６
と水平追従用サーボモータ１０との間に水平環１
２に固着される水平軸サーボアンプが設けられ、
これらが水平追従装置を形成する。同様に偏位検
出装置６と方位追従用サーボモータ１９との間に
盤器２４に固着される方位軸サーボアンプが設け
られ、これらが方位追従装置を形成する。

第２図は従来装置のジヤイロ球１の動作を説明
する略線図である。第２図はタンク容器２以内を
略線的に示したもので、ジヤイロ球１内のジヤイ
ロロータのスピン軸の指北端Ａ側（ジヤイロ球１
の上にある）が水平面Ｈ−H′に対して角度θだ
け上昇している場合である。ここで、ジヤイロ球
１の重心O₁、けん吊線３とジヤイロ球１との結
合点をＱ、けん吊線３とタンク容器２との結合点
をＰ、タンク容器２の中心をO₂とし、ジヤイロ
球１内のジヤイロロータのスピン軸が水平（θ＝
０）の時、O₁とO₂は一致しているものとする。
又Ａを指北端、ＢをＡと180度ずれたジヤイロ球
１上の点とし、A′，B′をＡ，Ｂに対応するタン
ク容器２の点とする。さてけん吊線３は実際には
曲げ剛性がある為に、同図点線の如き撓み曲線を
呈するので、タンク容器２に対するジヤイロ球１
の軸方向移動量ξ（O₂からO₁の距離）は極くわず
か減少する筈であるが実用的な設計ではこの影響
が極めて小さく、ここでは一応けん吊線３は完全
に可撓性のものとして説明を進める。サーボ系
（水平および方位追従装置）の作用で、タンク容
器２上の点A′，B′と、ジヤイロ球１上の点Ａ，
Ｂとは常に直線上にあるようにされるので、タン
ク容器２もジヤイロ球１と同様θ度だけ水平面Ｈ
−H′に対して傾斜する。今外部の加速度がない
ものとすれば、ジヤイロ球１のスピン軸方向には
何等外力が作用してないので、けん吊線３は鉛直
線に一致する。けん吊線３の張力をＴとし、ジヤ
イロ球１のダンピングオイルである液体７による
浮力を除いた残留重量をmgとすれば、けん吊線３
の張力Ｔが点O₁のまわりにＭ＝Ｔ・rsinθ＝mg・rsinθ≒mg・rθ なるモーメントＭを作り、これがジヤイロ球１の
トルクとして、その水平軸（O₁を通つて紙面に
直角）のまわりに加わることになる。またここで
はｒは第２図のジヤイロ球１の重心O₁とけん吊
線３とジヤイロ球１との結合点Ｑとの間の距離で
ある。このようにしてスピン軸の水平面に対する
傾斜に比例したトルクをジヤイロ球１の水平軸の
まわりに加えることが出来る。これがジヤイロ球
１の指北運動の要因である。ジヤイロ球１の慣性
と地球の重力に基づくトルクによつて発生するプ
レセツシヨンと地球の回転に基づくスピン軸の水
平面に対する傾斜によつてジヤイロ球１は指北運
動を起す。更にこのジヤイロ球１の指北運動を減
衰させるダイピングトルクの加え方を第２図によ
つて説明する。第１図において示したように第２
図に偏位検出装置６の一次側コイル４Ｎ，４Ｓを
点ＡとＢの位置に、二次側コイル５Ｎ，５Ｓを点
A′とB′の位置に備える。この偏位検出装置６は
三組の差動コイルからなりジヤイロ球１とタンク
容器２との相対角変位を検出する。二次側コイル
５の第１コイルは水平軸まわりの相対角変位を水
平誤差信号として検出し、第２コイルに垂直軸
（方位軸）まわりの相対角変位を方位誤差信号と
して検出し、第３コイルはジヤイロロータのスピ
ン軸方向の相対角変位をジヤイロ傾斜信号として
検出する。水平ならびに方位誤差信号はそれぞれ
水平軸ならびに方位軸アンプで増巾されて水平追
従用ならびに方位追従用サーボモータ１０と１９
に入力し、タンク容器２を常にジヤイロ球１に追
従させて、水平軸及び垂直軸（方位軸）回りの相
対角変位を零に保つている。ジヤイロ球が傾斜
し、それにタンク容器２が追従して傾斜すると、
けん吊線３が常に鉛直になる性質があるため、ジ
ヤイロ球１は第２図に示すようにタンク容器２の
中心にはとどまれず、傾斜の低い方に移動する。
この移動距離はジヤイロロータのスピン軸の傾斜
角度θに比例するため、二次側コイル５の第３の
コイルによつて検出されるジヤイロ傾斜信号によ
つて上記移動距離ｘを知ることができる。第２図
で点O₁とO₂との距離がｘでけん吊線３の長さを
ａとすればｘ＝ａ・sinθ≒aθとなる。そこでこのようなジ
ヤイロ傾斜信号を方位追従装置に与えてジヤイロ
球１とタンク容器２の間の追従誤差を作り出す。
つまり、けん吊線３が捩じられる。このけん吊線
３を捩ることによりジヤイロ球１に垂直軸回りの
トルクを与え、ジヤイロ装置の指北運動にダンピ
ングを与えるのである。しかし単にジヤイロ傾斜
信号に比例した垂直軸トルクで指北運動を減衰さ
せると緯度誤差が残ることは周知のとおりであ
る。従つてこのジヤイロ装置は独特の技術を利用
している。すなわちジヤイロ傾斜信号を微分して
傾斜速度信号とし、更に、これに一次遅れ特性を
もたせ、この遅れた傾斜速度信号に比例するトル
クを垂直軸回りに加えてダンピングトルクとして
いる。このことにより緯度誤差の無い静定が行れ
る。

第３図は従来装置の方位追従装置のブロツク線
図である。第３図は偏位検出装置６と方位追従用
サーボモータ１９との間に方位軸サーボアンプ３
０が設けられたものである。２８と２９とは偏位
検出装置６の二次側コイル５の第２と第３のコイ
ルで方位誤差信号とジヤイロ傾斜信号とをそれぞ
れ検出する。方位誤差信号とジヤイロ傾斜信号と
は方位信号系と傾斜信号系に分れて方位軸サーボ
アンプ３０のプリアンプ３１と３２にそれぞれ入
力する。各信号はそれぞれプリアンプ３１と３２
によつて波形整形、増巾され、傾斜信号系には、
このプリアンプにゲイン調整機能をもたせ、ジヤ
イロのダンピング調整としている。方位信号系で
はプリアンプ３２の出力は両波デモジユレータを
形成するデモジユレータ３４ならびに逆相にする
ための増巾器３５とデモジユレータ３６に入力
し、傾斜信号系ではプリアンプ３１の出力は後段
に十分増巾可能なフイルタがあるため半波のデモ
ジユレータ３３に入力し、それぞれ交流を直流に
変換する。デモジユレータ３３の直流出力はKA
フイルタ３７に入力する。KAフイルタ３７は
20μFのコンデンサーＣ１と100MΩの抵抗器Ｒ１
による2000秒余の微分時定数をもつ微分回路とフ
イルタから形成されるアンプである。KAフイル
タ３７の傾斜信号系出力とデモジユレータ３４と
３６の方位信号系出力は加算されて加算アンプ３
８に入力する。加算アンプ３８の出力はモジユレ
ータ３９に入力して交流に変換され、その出力は
ゲイン調整器を経てサーボパワーアンプ４０に入
力する。サーボパワーアンプ４０は方位追従用サ
ーボモータ１９を駆動し、このモータはギヤ２１
を介して係合している追従環１６を回動しジヤイ
ロ球１に対して方位追従動作を行うとともに、上
逆のジヤイロ傾斜信号を微分し、更に一次遅れ特
性をもたせるようにしたKAフイルター３７の出
力信号に比例したダンピングトルクをジヤイロ球
１の垂直軸回りに加えている。

第４図は本発明のジヤイロ装置に利用される方
位追従装置の起立安定手段の一実施例を示す回路
図である。本発明のジヤイロ装置は第１図および
第２図に示す従来装置の構造および動作に関して
全く同一であるので説明は省略する。また本発明
のジヤイロ装置の方位追従装置はKAフイルター
３７を制御する起立安定手段を示す起立安定回路
４１以外は従来装置と同一であるから図示を省略
し、第３図の相互に関連する一部と起立安定回路
４１の回路図を第４図に示す。

第４図で入力端子Ｄにはジヤイロ傾斜信号が入
力し、プリアンプ３１にて波形整形および増巾さ
れ出力が調整され、半波のデモジユレータ３３に
入力し、交流を直流に変換する、デモジユレータ
３３の直流出力はコンデンサーＣ１と抵抗器Ｒ１
による微分回路を含むKAフイルタ３７に入力
し、その出力は出力端子Ｅに出力する。以上は既
に説明した通りである。

起立安定回路４１は交流入力を直流に変換する
デモジユレータ４９と、増巾器４２と、増巾器４
２の出力である脈流を平滑する増巾器４３と、増
巾器４３の正又は負の出力電圧を入力抵抗器Ｒ３
を介して入力し所定値と比較し所通値以上のとき
は負又は正の出力電圧を出力し、出力側のトラン
ジスタ４６あるいは４５を駆動し、その出力でリ
レー４７を駆動し、KAフイルタ３７のコンデン
サーＣ１に並列に挿入されたスイツチ４８を閉止
する作用を行う比較器４４とからなる。この比較
器４４においてはその一の入力端子は＋15Vと−
15Vの電源からそれぞれ抵抗器Ｒ２を介して直流
を供給されるブリツジ形に配置される４個のダイ
オードの零電位点に接続され他の零電位点は比較
器４４の出力端子に接続される。デモジユレータ
４９はデモジユレータ３３と同時にFET（電界降
下トランジスタ）からなり、直流の増巾器４２と
変調形直流増巾器を形成する。またFETは一般
のトランンジスタに比べドリフト又はオフセツト
が非常に少ないので優秀なスイツチ特性をもつチ
ヨツパーとして利用される。端子Ｆから交流電源
に同期した信号をデモジユレータ４９のゲイトに
入力すると同期整流作用によつて交流を直流に変
換することができる。比較器４４は入力電圧が所
定値±α間においては出力電圧は零を示し、入力
電圧が負の方向に所定値−αを越えるときは正の
出力電圧を示し、入力電圧が正の方向に所定値＋
αを越るときは負の出力電圧を示すような動作を
する。所定値±αの絶対値｜α｜は次式で示され
る。｜α｜＝R3／R2×15V入力端子Ｄには極性をもつジヤイロ傾斜信号が入力する故、その何れに対
しても所定値の絶対値｜α｜に対応する必要があ
るためにこのような比較器４４が必要である。す
なわち所定値−αより大きい負の入力電圧が入力
すると比較器４４の出力電圧は正となり、トラン
ジスタ４６を駆動し、リレー４７においても電流
は接地に向つて流れ、リレー４７は作動してスイ
ツチ４８を閉止し、コンデンサーＣ１を短絡す
る。比較器４４への入力電圧が所定値−αより小
さい負の値になると出力電圧は零となりトランジ
スタ４６のベース電流は断となり、リレー４７は
作動せずスチツチ４８に開放される。入力電圧が
正の場合も全く同様にトランジスタ４５を駆動す
ることになるが説明は省略する。リレー４７のコ
イルに並列に備えられるゼナーダイオードはリレ
ー４７を過電圧から保護するものである。

このように起動安定回路４１は本発明のジヤイ
ロ装置がその起動時にジヤイロ球１の傾斜が大き
く、タンク容器２に接触しているような状態にあ
つて、この傾斜によつて発生する所定値の絶対値
｜α｜以上に大きいジヤイロ傾斜信号が微分回路
であるコンデンサーＣ１と抵抗器Ｒ１を含むKA
フイルター３７を通過するとき、コンデンサーＣ
１をスイツチ４８の閉止によつて短絡するので、
微分されてジヤイロ傾斜信号が零になることがな
く、KAフイルター３７は単なる増巾器として作
用する故に、このジヤイロ傾斜信号に比例したト
ルクをジヤイロ球１に与えることができる。従つ
てジヤイロ球１は大きな傾斜復元力によつてタン
ク容器２から離脱して指北運動を継続することが
できる。次にやがて指北運動が進行してジヤイロ
傾斜信号が減少し、所定値の絶対値｜α｜以下に
なると、起動安定回路４１は比較器４４の出力電
圧を零としリレー４７の作動を停止し、スイツチ
４８を開放させる故、コンデンサーＣ１の短絡は
開放となり、ジヤイロ傾斜信号は微分され、ダン
ピングトルクが作用し、ジヤイロ球１はタンク容
器２と共に緯度誤差を残さない静定に向う。この
ようにして本発明のジヤイロ装置は安定な起動動
作を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のジヤイロ装置の一部を示す略線
図、第２図は従来のジヤイロ球１の動作を説明す
る略線図、第３図は従来のジヤイロ装置の方位追
従装置のブロツク線図、第４図は本発明のジヤイ
ロ装置における方位追従装置の起立安定手段の一
実施例を示す回路図である。１……ジヤイロ球、２……タンク容器、３……
けん吊線、４……１次側コイル、６……偏位検出
装置、５……２次側コイル、７……液体、８……
水平軸、９……水平歯車、１０……水平追従用サ
ーボモータ、１１……水平ピニオン、１２……水
平環、１３と１３′……軸受、１４と１４′……ジ
ンバル軸、１５と１５′……ジンバル軸軸受、１
６……追従環、１７と１７′……追従軸、１９…
…方位追従用サーボモータ、２０……方位ピニオ
ン、２１……方位歯車、２２……コンパスカー
ド、２３……基線板、２４……盤器、２５と２
５′……追従軸軸受、２６……基線、２８と２９
……コイル、３０……方位軸サーボアンプ、３１
と３２……プリアンプ、３３と３４と３６と４９
……デモジユレータ、３５と４２と４３……増巾
器、３７……KAフイルタ、３８……加算アン
プ、３９……モジユレータ、４０……サーボパワ
ーアンプ、４１……起立安定回路、４４……比較
器、４５と４６……トランジスタ、４７……リレ
ー、４８……スイツチ。

Claims

【特許請求の範囲】

１スピン軸を略々水平にしたジヤイロロータを
液体密に収めるジヤイロ球と、このジヤイロ球を
けん吊線で液体中に吊り下げるタンク容器と、こ
のタンク容器を支持する水平環と、上記ジヤイロ
球を３軸の自由度を有するようにこの水平環を支
持する追従環と、上記ジヤイロ球の外側に設けら
れる一次側コイルとこれに対向して上記タンク容
器の内側に設けられる二次側の三組の差動コイル
とからなる偏位検出装置と、この偏位検出装置の
第１コイルからの水平誤差信号を得て上記ジヤイ
ロ球の水平軸まわりの動きに対して上記タンク容
器を追従させ、上記水平環に固着される水平追従
装置と、上記偏位検出装置の第２および第３コイ
ルからの方位誤差信号およびジヤイロ傾斜信号を
得て上記ジヤイロ球の垂直軸まわりの動きに対し
て上記追従環を追従させると共に上記ジヤイロ球
にダンピングトルクを与える方位追従装置と、こ
の方位追従装置を保持するとともに上記追従環を
回転自在に支持する盤器とを具備するジヤイロ装
置において、このジヤイロ装置の起動を安定に行
うために上記ジヤイロ傾斜信号の所定値以上にお
いて上記方位追従装置の微分動作を停止させるよ
うにした起立安定手段を設けることを特徴とする
ジヤイロ装置。