JPH04507276A - ジャイロスタット推進システム - 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】 ジャイロスタット推進システム 会里Ω公！ 本発明は回転運動から所望の方向に推力を発生させる装置に関する。

発明の背景 回転運動を直線運動に変換する種々の機構が年間を通じて提案されている。

大部分の提案は、共通するクランク機構以外に、慣性モーメントの変化を引き起 こすために回転中心から質量の位置を変える構造を使用している。このような構 造は不安定で、かつ、突発的な運動をすることで不利を招いており、また往復部 材が使用されなければならないという要求を受けている。直線運動を増大させよ うとすると、結果的に逆スラスト方向の長さの増大又はより大きな質量、あるい はそれら両者が要求され、克服するのが大変困難な機械的拘束を受けることにな る。さらに、そのような構造は自立し、昇降可能であるとは思われない。

本発明は、外方に投げ出されるような慣性部材を必要としない方法で直線運動を 生起するジャイロスタット（ジャイロスフーブホイールを意味し、以下ジャイロ と称する。）を使用して、一定方向の力を生起する構造である。それは、最・も 効率のよい構造では、三つの空間方向のいずれかに一定方同の運動を生起し、又 はその合力を生起する構造である。このように、その構造はそれ自身のフレーム に対して自立し、昇降可能であると思われる。本発明は最初二ニートンの運動の 第三法則に反するかのように思われるが、この考えは妥当でないことを以下に説 明する。

本発明の背景にある概念を理解するために、まず従来のおもちゃのジャイロスコ ープを考慮する。旋回中のジャイロスコープは旋回軸に交差する軸の一端にある チップで支持され、その他端は、重力に引かれても、支持されることなく空間中 に吊り下がっていることが証明されている。ジャイロ慣性は、旋回軸の方向が変 化（重力により引き起こされる変化を含む）に抵抗するという特性を有する。

このため、二重のジンバルのように自在に連結されたジャイロスコープは、たと えその方向にそのサポートが回転しても、空間中で同じ方向を正確に維持する。

しかし、もしある力が旋回軸の方向を変えると、ジャイロスコープは、その力が 作用している限りその力に直角な方向の軸回りに回転する。この運動は歳差運動 （ｐｒｅ−ｃｅｓｓｉｏｎ）として知られている。本発明は、この特性に依存す るものであり、歳差運動による力（ｐｒｅｃｅｓｓｉｏｎａｌｆｏｒｃｅ）を使 用して直線運動を生起するものである。

図１を参照すると、相互に直交するｘ、ｙ、ｚ軸を有する三次元の空間フレーム が示されている。ジャイロホイール１はＸ軸に平行な軸Ａ−Ｂの回りに回転する 。ｚ軸はホイールとＡ−Ｂ軸が形成する面と交差している。人が右手側からＹ− ２面に面したとき、ホイール１が反時計回り方向に回転していると仮定する。そ の回転方向は矢印２で示されている。ホイールが回転している場合、ホイールの 外周面における回転速度及び質量が十分であると仮定すると、このホイールは、 軸Ａの端で支持されたジャイロの類似物又は等傷物であり、その他端Ｂは適当な 位置に止まる。

いま、ホイール及び軸Ａ−Ｂを支持している軸Ｚが、左側からＸ−Ｚ平面を見た ときに、矢印３で示すように、Ｙ軸の回りに反時計回りに回転していると仮定す る。ホイール１の軸Ａ−Ｂが軸Ｙの回りを移動し、ホイール１の旋回軸の方向が 変化することが理解される。これが歳差運動の力を引き起こす。軸Ａ−Ｂが軸Ｚ に支持されていると仮定すると、歳差運動の力は軸Ａ−Ｂの方向の変化を引き起 こす力に対して直角で、矢印Ｆで示す方向であり、すなわち、Ｚ−Ｘの交点、詳 しくは構造の重心を通ってＸ方向に力を引き起こす。

Ｘ、Ｙ、Ｚの交点に対して反対側にカウンターウェイトがあり、重心はその交点 にあると仮定する。

他方、もし、Ｙ軸の回りに回転するｚ軸の代わりに、Ｙ軸が安定していてｚ軸が Ｘ軸の回りに回転すると、旋回軸Ａ−Ｂの方向は変化せず、元の位置に平行であ り、歳差運動の力Ｆは引き起こされない。

本発明の詳細な説明するために、実施例を示す概略図が図２に示サレテイル。ｘ 、ｙ、ｚ軸を有する三次元の参照フレームは図１１７）ものと同様に示されてい る。ＩＡ位置におけるジャイロホイールは図１のジャイロホイール１に相当する 。ｚ軸がＸ−Ｙ面と交差する図示された状態では、ホイールはＸ軸に平行な軸Ａ −Ｂの回りに回転する。ＩＡ位置にあるジャイロホイールは右側よりＹ−Ｚ面を 見て反時計回り方向に回転している。

いま、軸Ａ−Ｂが左側からＸ−２面を見て反時計回りに、Ｙ軸の回りを矢印３方 向に回転（傾斜又は転倒）しているとする。歳差運動の力は、理論的には軸Ａ− Ｂを傾斜させる力に正確に一致するが、図１を参照して説明されたように、ｚ− Ｘの交点を通って矢印Ｆ方向に作用する。トルク作用が生じ、その軸はＸ−２面 に直角である。

このトルクはＸ−Ｚ面にねじり運動を生起し、ジャイロが搭載される機械の重心 を通って、てこの作用を及ぼす。

この効果を目視化するために、水平軸を有し、一端で支持されたおもちゃの高速 旋回ジャイロスコープを考慮する。支持端を下から上方に押圧する力に起因して 、旋回しているジャイロスコープの軸に、その上向きの力に直角な方向すなわち 水平方向に、急激な歳差運動が引き起こされる。もし、支持されていない軸の他 端において歳差運動の力を測定したとすると、摩擦を無視すれば、歳差運動の力 は持ち上げる力又はジャイロにタツブル（ぐらつき）を起こさせる力（ｔｏｐｐ ｌｉｎｇ　ｆｏｒｃｅ）に一致する。また、見がけ上ニュートンの運動の第三法 則に反するが、この歳差運動に対し反対方向には反力は生じないことを実感する ことが重要である。この現象は昔から知られているが、なぜこの歳差運動が逆方 向に反力を生じないで起きるかに関する理論については、１９８９年１月に発行 されたエレクトロニクス・アンド・ワイヤレスワールド誌（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉ ｃｓ　ａｎｄ　ｗｆｒｅｌｅｓｓ　Ｗｏｒｌｄ）の２９−３１頁に掲載された、 サウスハンプトン大学、電気工学部のＨ，アスプデン博士による論文“反重力電 子工学“　（Ａｎｔｉ−Ｇｒａｖｉｔｙ−Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）に記載され ている。

図２において、ＩＤ位置にあるホイールは同一のジャイロホイールであるが、軸 Ａ−Ｂと共にＸ−Ｙ面内に位置し、左側がらＸ−Ｚ面を見て反時計回りに旋回し ている。軸Ａ−ＢはＸ軸と直角に交差している。

Ｙ軸が回転してＡ−Ｂ軸をその回りに回転させると、ジャイロにタツブルが生じ ず（ｎｏｔ　ｔｏｐｐｌｅｄ）、その旋回軸の方向は変化しないでＹ軸に平行な ままとなることが理解される。

第３のＩＣ位置のジャイロホイールは前記ジャイロホイールと同一であるが、そ の軸Ａ−ＢはＸ軸に平行で、かつ、Ｙ軸の下方にあり、ｚ軸と交差している。こ の状態では、軸Ａ−Ｂの方向はＩＡ位置におけるジャイロホイールの軸と正確に 一致している。しかし、このジャイロホイールは右側からＹ−Ｚ面を見て時計回 り方向に旋回している。ここで、ｚ軸がＹ軸の回りに回転してジャイロホイール を移動させ、旋回軸Ａ−Ｈの方向が変化すると、ジャイロホイールに夕、プルが 生じて、歳差運動の力が引き起こされる。この場合、Ａ−Ｂ軸の方向はＩＡ位置 のホイールと同一であり、ジャイロホイールの旋回軸は正確に反対方間にあるの で、その位置及びジャイロの転倒方向のために、トルクによる力が機械の重心を 介しててこの作用を引き起こす。そして、Ｆｌで示すようにＸ軸方向にある力が 生じ、その方向はジャイロホイールＩＡのタツブルによって生じる力の方向と同 一である。

第４の位置では、ＩＤ位置にあるジャイロホイールは、Ｘ軸に直角に交差するそ の軸Ａ−Ｂの回りに回転する。ジャイロホイールは左側からＸ−２面を見て時計 回り方向に回転する。いま、Ｙ軸に平行で、かつ、Ｙ軸の回りに反時計回り方向 に回転しているＡ−Ｂ軸に対して、ジャイロにタノブルが生じず、Ｘ軸に沿った 正味の力は引き起こされない。

ジャイロホイールがそれ自身のＡ−Ｂ軸の回りを回転するとともに、ジャイロ全 体がＹ軸の回りを回転する間、そのＡ−Ｂ軸は３６０°連続的に回転し、そして ジャイロホイールが図２にＬＡ、ＩＢ。

ＩＣ及びＩＤで示す位置に移動する結果、Ｘ方向に正味の力が生じることが理解 される。ある意味では、これは、ジャイロのタノブル力（ｔｏｐｐｌｉｎｇ　ｆ ｏｒｃｅ）により引き起こされる歳差運動の力の、機械の重心を通して作用する 直線力への全波整流であると考えることができる。

歳差運動の力は、摩擦やその他の損失を無視すれば、タラプル力に等しいことは 注目すべきである。このように、もしタラプル力が本発明と同様に回転運動によ って引き起こされるならば、それは回転運動の力であり、機械に作用する直線力 を制御するであろう。

本発明の好ましい実施例においては、第１のジャイロスタットと同様に夕／プル が生じる第２のジャイロスタットが、機械に作用する力を増加するために、バラ ンスの目的で第１のジャイロスタットに対し物理的に１８０°反対側に配置され る。そのような構造は集合されて、一種のモータを生み出す。そのモータはある 円の外周の回りに夕、プルを生じるジャイロスコープを有し、道路等支持媒体に 移動を生み出すような反作用を及ぼすことなく、機械に巨大な一定方向の力を創 出する。

従来技術の説明 本発明の好ましい実施例を説明する前に、フォスターのアメリカ特許第３６５３ ２６９号に記載された発明を以下説明する。

この特許の図６２図７を参照して記述された構造が、本発明とは全く異なった概 念の慣性推力装置に関するものであるのに対し、図１−５を参照して記述された 構造は、ジャイロのタラプルを含むいくつかの概念を包含している。

フォスターの特許では、大きなフライホイール２０が回転し、それは一対の回転 する慣性ホイール３１を含んでいる。フライホイール２０が回転すると、各慣性 ホイール３１はその軸とともにスピンドル３５の回りを回転するので、各慣性ホ イールはジャイロを形成する。このジャイロはフライホイール２０の９０６の回 転周期の間、３６０°回転する。これが機械に最初は前進力、次に後退力を引き 起こし、それがロッキング（すなわちキャンセリング）運動を生じさせる。フォ スターは、後退力は部材２０の慣性によって吸収されると注釈を加え、後退力が 生み出されると述べている（第４欄、第３０−３４行目）。もちろん、前進力も 必ず同一の部材によって吸収される。スピンドル３５の回りのジャイロの旋回は 見当はずれの方向に前進推力を生み出すことになり、そして実際に後退推力を引 き起こす。これは、図４の互いに反対方向にある２２−１／２°と３７−１／２ °における歳差運動の力を比較すると明らかである。

第４欄第１−９行目には、ホイール（フライホイール２０）がその軸の回りに半 回転する時間の間、慣性部材（３１）はその長手軸の回りに完全に２回転すると 述べられている。したがって、いくらかのジャイロの歳差運動の効果によりフォ スターの発明における前進運動を引き起こす原因は、ディスクが回転するときの ジャイロの方向及び／又は位置が変化し、前進及び後退の歳差運動の力を異なら せて、車両を一方同に移動させることである。明らかに歳差運動の力を停止する ためにフライホイールの半サイクルの間に駆動モータが切られて、ジャイロの軸 の回転はフライホイール２０が１８００回転している間に停止する。他の半サイ クルにおいては、慣性部材はまだ、フライホイール２０の１８０°の回転間隔の 間に５回も、連続的に回転する（第７欄第２６−１８行目参照）。半サイクルの 間にフォスターの慣性部材が連続的に回転することにより、次のこル３５回りの 回転が３６０６変化する不完全な状態によって引き起こされる部分を除いて、フ ライホイールが１８０°回転する間に、主構造に作用する歳差運動の力の方向を 連続的に変え、サイクルの第二の１８０°部分の間は歳差運動の力を与えない。

さらに、図４を考慮すると、慣性部材の軸は頂点（０°）において主フライホイ ールの主回転軸に平行であることが明らかである。

このように、その瞬間における主フライホイール２０の回転は慣性部材の回転軸 をその回転軸に平行に移動させ、タラプルは起こらず、そしてこの結果歳差運動 の力は生じない。慣性部材の他の回転位置（すなわち２２−１／２°及び３３７ −１／２°）においては、タラプルが起こるが、歳差運動の力が逆に引き起こさ れ、このため方向がキャンセルされる。４５°及び３１５’では再びタラプルは 起こらないので、歳差運動の力は生じない。

フォスターは、それは基本的には歳差運動よりもむしろ慣性の効果てあり、それ が彼の発明を作用させていると述べている。第３欄第１−３２行目、特に第８− １０行目には、一定方向の移動を生じさせるのは逆方向よりも速い運動方間への 質量の移動であると述べられている。これは図６，７の実施例における彼の発明 の原理と一致している。

この点に加えて、フォスターの発明を明確に作用させているのは質量の移動であ るから、フォスターの発明は慣性ホイールを使用している。その慣性ホイールは 、本発明に使用されているような、できるだけその外周縁に接近した慣性モーメ ントを有し、かつ、外周縁の内側に小さい質量を含むジャイロホイールとは対照 的に、一体物で外周縁からその軸に向かう慣性モーメントを有している。

したがって、以下のことが確信される。もしフォスターの構造が歳差運動の力の 統制に関係する何らかな方法で一定方向の推力を得たとしても、それは本来望ま れた形の推力ではない。その構造は本質的にキャンセルされる歳差運動の力を生 み出す。その力は、主フライホイールの３６０°の回転の１８０°部分（残りの １８０°の部分は少しも歳差運動の推力を生み出さない。）のごくわずかな回転 角度をこえるだけで、一定方向の合力を有する。それは、前進と、機械の中で生 み出され、キャンセルされる逆の一定方向の歳差運動の力との間で突然に生み出 される差によって引き起こされる。

これに対し、本願出願人の発明では、正のＸ軸方間における直線運動を考慮する と、実質的に歳差運動の力のキャンセルは少しもない。

本発明は、フォスターのように、移動方向に回転する質量のあるホイールの慣性 効果によるものではない。機械の重心に関するジャイロスタｙ）ホイールの回転 軸の位置は、重要な最適化条件であり、獲得される推力の量を大変意義深く最適 化する。

発明の概要 本発明の実施例は、 ジャイロスタットホイールを有するジャイロスタットと、該ジャイロスタットを 支持する支持装置と、ジャイロスタットにタフプルを生じさせて支持装置に対し て所定方向に歳差運動の力を生じさせるタノプル装置と、ジャイロスタットをあ る方位に回転させ、これにより、前記所定方向と反対方向に歳差運動の力が生じ るのを回避している間に、ジャイロスタットに再びタフプルを生じさせる回転装 置と、からなる推力発生装置である。

本発明の他の実施例は、 回転軸の回りに回転するジャイロスタットホイールを有するジャイロスタットと 装置の主軸と、 軸に垂直方向に一定距離はなれた位置にジャイロスタットを支持し、これにより 回転軸が形成する面が主軸に中心を有する円に接するようにした支持装置と、 支持装置を主軸の回りに３６０°回転させる開に回転軸を前記面内で約３６０° 回転させ、この間にジャイロスタットを主軸の回りに回転させ、これにより主軸 に直角な方向に歳差運動の力が生み出されるようにした回転装置と、 からなる推力発生装置である。

Ｋ面□□□国生μ返朋 以下、本発明の好ましい他の実施例を、次の図面を参照して説明する。

図１は本発明が基礎とする原理を説明するために使用される概略図である。

図２は本発明の詳細な説明するために使用される概略図である。

図３は本発明の実施例の斜視図である。

図３Ａは本発明の成功したプロトタイプに使用された作動歯車の断面図である。

図４は本発明により得られたサイクルに対する力のグラフである。

図５Ａ、図５Ｂ、図５０はジャイロスタットのタフプル角度に対する発生力のグ ラフである。

図６Ａ及び図６Ｂは装置の重心からジャイロスタットの回転軸までの距離に対す る発生力のグラフ及びその拡大図である。

図７は本発明の実施例を示す概略図である。

図８は本発明の他の実施例を示す概略図である。

発明の詳細な説明 いま図３を参照すると、実験用プロトタイプの基本構造が示されている。図２と 共に図３及び図３Ａを考慮することが有益である。

ジャイロ１０及び１１はそれぞれプラットフォーム１２．１３に強固に取り付け られている。各プラットフォームは同軸に配置された軸１４．１５の端に固定さ れている。軸１４と１５の各々の他端は、主入力軸１７と固定軸１７Ａを有する 作動歯車機構１６に連結されている。フレーム１９は入力軸１７を支持し、また モータ２０を支持している。作動歯車の断面は図３Ａに示されている。

プーリ１８は入力軸１７に固定されている。入力軸１７はベアリング２３によっ てフレーム１９に保持されている。他のプーリ２Ｉハモータ２０の出力軸に固定 され、これらの二つのプーリにＶベルトが接続されている。軸１７Ａは回転でき ないようにビンでフレームに固定されている。軸１４，１５，１７．１７Ａはそ の軸に固定された傘歯車１４Ａ、１５Ａ、１７Ｂ、１７Ｃによって組み合わされ ている。内部で軸１４及び１５が回転する作動歯車１６を包囲するハウジングは 、軸１７に口、りされ、又はピンで固定されている。

モータ２０が回転すると、Ｖベルトを介してプーリ１８が回転すし、軸１７の回 転を引き起こす。これにより、軸１４及び１５が軸１７のＹ軸の回りを２８方向 に回転し、それら自身の軸の回りを反対の２６．２７方向に回転する。これによ り、プラットフォーム１２及び１３が軸１７のＹ軸の回りに回転し、ジャイロ１ ０及び１１が軸１４及び１５の軸の回りを反対方向に回転する。

作動歯車の歯車の歯数比は、プーリ１８すなわち作動歯車のハウジング１６が９ ０°回転する間に、ジャイロＩＯ及び１１のジャイロホイールの軸Ａ−Ｂ　（こ れは図２の軸Ａ−Ｂに相当する）が９００回転するような比になっている。ジャ イロの方位は、上死点の近傍において各ジャイロホイールの回転軸Ａ−ＢがＸ軸 、すなわちそれに沿って直線運動力が生み出される軸に略平行となるような方位 になっている。しかし、ジャイロホイールの回転方向は図２（ＩＡ及びＩＣ）に 示すようになっており、その方向はプラットフォームがここに記述されたように 回転する場合に生じる。これが、上死点において両ジャイロの同一の回転方向を 引き起こす。

Ｘ軸の方向は当然に任意に選択される。これに関して、基本的な操縦は、タツブ ル力によって引き起こされる最大の歳差運動の位置が回転するように、二つのジ ャイロのＡ−Ｂ軸の回転により達成される。後述するように、ジャイロを支持す るアームの長さを制御することにより力の方向が逆転することが知られている。

図２を参照して図３及び図３Ａの構造を考慮すると（図３の構造のＸ−Ｙ軸は図 ２を９０６回転して描かれ、全体の機構は上死点及び下死点にジャイロがあるよ うに示されている。）、上死点においてジャイロ１０の軸Ａ−ＢはＸ軸に略平行 であり、ホイールは２４方向に回転していることに注目すべきである。軸１４及 び１５を支持するハウジング１６とプラットフォーム１２及び１３は、モータ２ ０、プーリ２１及び１８、Ｖベルト２２の動作により、Ｙ軸の回りに２８方向に 回転する。

同様に、（下死点における）ジャイロ１１の回転軸Ａ−ＢもまたＸ軸に略平行で あるが、そのジャイロ１１のホイールの回転方向２５は以下に説明する理由によ りジャイロＩＯと逆になっている。これらの状態において、ブラッ＋フオーム１ ２及び１３がＹ軸（軸１７）の回りに回転してジャイロを移動させると、二つの ジャイロに最大のタツブルカが生じ、すなわち、各ジャイロの旋回軸の方向に最 大の変化が生じる。この結果、両方のジャイロによって最大の歳差運動の力が引 き起こされ、それはそのサポートにトルクを引き起こし、軸１４及び１５を介し て装置の重心に向かってＸ軸方向に作用する。

ジャイロホイールの回転方向又はプーリの回転方向が逆であれば、その力の方向 は逆になる。

この機構がＹ軸の回りに回転すると、軸１４及び１５は図に示すように逆方向２ ６．２７に回転する。これは、図２において、左側からＸ−２面を見て反時計回 りに回転しながらＩＡ位置からＩＢ位置、すなわちＸ軸との交点からＸ軸との交 点まで移動するホイールと共に、軸Ａ−Ｂが図示す名位置に９０°回転するのに 相当する。

この状態では、ジャイロ１０及び１１のホイール回転軸Ａ−Ｂは、Ｘ軸に垂直で Ｙ軸に平行となる。プーリ１８が回転し、さらにジャイロが固定されているプラ ットフォームが回転すると、上死点及び下死点に垂直なこの状態では、ジャイロ ホイールの回転軸Ａ−Ｂがジャイロ自身の回転軸（Ｙ軸、軸１７の回り）に平行 に移動するので、ジャイロのタラプルは生じない。

プーリ１８が２８方向に回転し続けると、ジャイロ１ｏは下死点を通過し、ジャ イロ１１は上死点を通過する。ジャイロ１０にとっては、これはホイール位置Ｉ Ａと同じ方向にあるＡ−Ｂ軸を備えた図２のホイール位置ＩＣの状態に相当する 。そして、ジャイロが支持されているプラットフォームが図示する方向に回転す ると、ジャイロに最大のタノブルカが生じて、最大の歳差運動が起こり、Ｘ方向 に最大のトルクと直線力が生み出される。ジャイロ１１の機能はその上死点位置 におけるジャイロ１０と同一である。

作動歯車１６とプラットフォーム１２及び１３がさらに９０°回転すると、ジャ イロの軸Ａ−Ｂが再び９０°回転し、ジャイロ１０は図２における位置ＩＤの状 態を確立し、ジャイロ１１の状態は図２における位置ＩＢの状態にある。ここで 二つのジャイロの軸Ａ−ＢはＹ軸に平行であるので、プラットフォームが回転す ると、タラプルは起こらず、歳差運動の力は引き起こされない。

図４はジャイロ１０及び１１の両者についての回転角度に対する歳差運動により 引き起こされる直線力の曲線を示す。Ｘ−２面におけるＸ軸を００とすると、Ａ −Ｂ軸がＹ軸に平行である位置、すなわち図２のＩＤ位置においてはジャイロに は力は生じないことが理解される。ハウジング１６が９０°回転すると、機械に 作用する歳差運動の力すなわち直線力は最大に増加し、やがて１８０°で最小に 減少する。ジャイロが図２のｌＣ位置に回転すると、歳差運動の力すなわち一定 方向の力のピークが再び現れる。単一のジャイロについて２７０°におけるピー クの力は９０°よりも小さいことが見い出された。これは恐らく、機械の重心が ｘ、ｙ、ｚ軸の下方にあり、この結果Ｙ軸より下方のＡ−Ｂ軸と重心の間の距離 が上方より小さいからである。

図５Ａは、種々の最大タラプル角度（リターンスイングを無視する）に対するｘ 、ｙ、ｚ軸に沿った単一のジャイロの出力（千ニートン）のコンピュータにより 計算されたグラフを示す。最大タラプルの角度はＸ軸に平行な軸からの角度であ り、その軸においてはＡ−Ｂ軸がＹ軸に垂直である。その計算においては、ジャ イロのプラットフォームは１５０ＲＰＭで回転し、ジャイロは６０００ＲＰＭで 回転するものとし、ジャイロホイールの重量は３．２キログラム、半径は７．６ ２ｃｍ、ジャイロホイールの軸Ａ−Ｂと機械の重心との間の距離りは２５ｃｍと した。グラフより、（最大）タラプル角度が１８０°のとき、タラプルすなわち Ｘ軸に沿った歳差運動の（直線）力に最大値があり、またこのＸ軸のピークの前 後において、Ｙ軸及びｚ軸に沿う歳差運動の力に小さくてしかも些細なピークが ある。

図５Ｂは、図５Ａの結果が生じた構造と同じパラメータを用いた同様のグラフで あるが、ジャイロホイールの半径は７．６２ｃｍではなく１５．２４ｃｍである 。結果として生じるＸ方向における力は、図５Ａにおける約３．４千ニートンか ら、図５Ｂの場合においては４倍の約１３．６千ニートンになっている。

図５Ｃは、図５Ｂの結果が生じたパラメータを備えた機械から得られたグラフで あるが、図５Ｂにおけるように１８０°よりもむしろ９０°に最大タラプル角度 を有する。Ｘ軸方向には１８０°より僅か前で、Ｙ軸方向には１８０６より僅か 後でそれぞれ力の最大値があり、両者共同じ約１５０００ニートンであることが 分かる。結果として生じる力の方向は、参照したフレーム自身の中での車両の移 動方向を決定する。

特定の速度で運転される特定のジャイロにとっては、機械の重心からジャイロ軸 までの距離は出力される最大の力を得るのにクリティカルとなることが見い出さ れた。図２に関する説明においては、この長さは軸の原点における機械の重心か らの距離であると仮定された。

図６Ａは、コンピュータにより作図されたグラフであり、図６Ａを参照して記述 された実施例であって、０°のタノブル角度とアーム長さＬ＝２Ｑｃｍを備えた 実施例について、機械の重心からジャイロの軸Ａ−Ｂまでの長さしに対する出力 を示す。図６Ｂは、Ｌ＝３Ｑｃｍの実施例について、曲線の急勾配領域への移行 部の拡大図である。重心がＡ−Ｂ軸から約２７．７ｃｍの所でＸ方向に主要な力 のピークがあり、重心がＡ−Ｂ軸から約２８．８ｃｍの所で逆方向の小さな力の ピークがあることが分かる。スラスト力は支持アームを伸縮可能にすることによ り明らかに逆転し、長さしは最大力を得るのにクリティカルである。実際には、 モータ駆動の抜き差し自在なアーム（すなわちラックとビニオンを使用したもの ）の機械の重心から軸Ａ−Ｂまでの長さを２７ｃｍから２９ｃｍに変更すると、 機械の推力の方向が逆転するであろう。

実験用プロトタイプの機械で最適のアーム長さを究明する実際のテストを行った 結果、モータの最大能力に対し、モータ２０から増強した力が引き出され、一定 方向の力が増加して、制御された方向に機械が移動することが証明された。

種々の（ａ）軸Ａ−Ｂと回転軸（Ｙ）との間の軸長さくＬ）、（ｂ）ジャイロホ イールの半径（ｒａｄ）（ｃ）ジャイロホイールの重量（ｗｔ）（ｄ）回転軸Ｙ に関するＺ軸に沿う重心の座標（ｚ　ｇ）（ｅ）ＲＰＭで表したタソブルの回転 速ｆｊＥ（ｒｐｍｔ）（ｆ）ジャイロ用プラットフォームサポートのそれ自身の 軸回りのＲＰＭて表した回転速度（ＲＰＭＰＬＡＴ）（ｇ）ジャイロホイールの Ｙ軸回りの回転速Ｉｆｆｉ（ＲＰＭＲＯＴ） に対する三つの空間方向の直線力（ｆｒ、ｆｙ、ｆｚ）、ジャイロホイールの回 転軸（Ａ−Ｂ）と装置の重心との間のアーム長さくＡＲＭ）は、ベーシック言語 で表現され、度で表された初期角度（ａｎｇＯ）からスタートする次のコンピュ ータプログラムから計算される。

ｉ＝ｗｔｔｒａｄ＊ｒａｄ／２ ｖｔｏｐｐｌ：に＊ｒｐｍｔ：　ｖｐｌａｔ＝に＊ＲＰＭＰＬＡＴ：　ｖｒｏｔ ＝に＊ＰＲＭＲＯＴｐｓｉＯ＝Ｒ＊　ａｎｇＯ トｉ＊　ｖｒｏｔ　＊　ｖｐｌａｔ ｋｔ＝１／（３＊　ｒｐｍｔ） （１）アームの長さく図２にＸ軸からジャイロのＡ−Ｂ軸までの距離として示さ れている）（例えばＸ軸に沿う長さ）。これは機械の重心に関してクリティカル である。

（２）ジャイロホイールの半径。このパラメータは二乗法則、すなわち（重量を 増加することなく）半径を２倍にすることが機構に４倍の出力を生み出すのを可 能にするという法則に支配される。

（３）主軸の回転速度。これは比例法則によって支配される。回転速度の５０％ の増加は出力を５０％増加させる。臨界速度以下では力は生じない。回転の方向 は運動の方向を決定する。

（４）プラットフォームの回転速度（例えば図３の１２および１３）。プラット フォームの速度は、歯車で制御される実施例では主軸の速度に関係するが、ステ ップモータで制御される実施例ではそうではない。主軸の速度に関してブラｙｈ フオームの速度を変化させることが、機構に、結果として生じる出力の推力の方 向を変更することを可能にする。

（５）ジャイロホイールの回転速度。これは比例法則によって支配される。この 速度を２倍すると、ＧＰＳに２倍の出力が生み出される。臨界速度以下では出力 は生じない。回転の方向は運動の方向を決定する。

（６）ジャイロホイールの重量。これは二乗法則によって支配される。（半径を 増加して）重量を２倍することか、機構に４倍の出力を生み出することを可能に する。

（７）初期角度（図り、２．　３．　７におけるＡ−Ｂ軸）。この角変は初期に は歯車機構とともにセットされ、あるいはステップモータで制御される実施例で は随意に変更される。この角度はＧＰＳの運動の方向と、Ｘ、　Ｙ又は２面に生 み出された力の相対的強度を決定する。

（８）重心。ある状況においてはこのパラメータはクリティカルである。それは ジャイロの回転エネルギーを直線力に変換するための支点として作用する。その 重心は当初の設計である程度まで予め決定されるが、駆動モータの主軸のような 部材を設置したり、重量の加減によって変更される。この重心は上述のようにパ ラメータ（１）（アームの長さ）と相互に影響し合う。

前述のパラメータのリスト及びその前のバラグラフにおいて、語句゛″可能する “の意味を理解することが重要である。その意味するところは、最適化条件を与 えるとＧＰＳは所望の力を生み出すことができるということである。例えば、ジ ャイロホイールの速度を２倍にすることが出力を２倍にする。しかし、モータが 回転する場合にのみ、主軸は必要なエネルギーをシステムに供給し得る。もしそ れが不可能であれば、モータが止まり、機構は急に停止することになる。これは また、ある状況の下では、デザイン効率を利用することにより運動が生み出され ることを意味する。もしモータが十分なエネルギーを供給することができなけれ ば、より多くの入力エネルギーを要求することは、またＧＰＳを停止させること になる。

ジャイロが大きくて重くなればなるほど、重量に対するペイロード（ｐａｙ−１ ｏａｄ）の比は効率的になり、回転運動（エネルギー）の直線運動への変換はよ り効率的になる。

図７は、本発明の他の実施例の概要を示す。シャフト３３は一対の反対側に配置 されたステッピングモータ３４及び３５を有している。それはシャフト３３から 直角に外側に向かう出力軸とともに搭載されている。ステッピングモータはサポ ート３６にクランプ等されて固定され、シャフト３３に対して不動状態に固定さ れている。

ジャイロの支持台（回転軸Ａ−Ｂを意味する）はステッピングモータのシャフト に固定されている。

上死点には、矢印３８方向に回転する回転ジャイロホイール３７が示されている 。下死点には、反対方向４０に回転する回転ジャイロホイール３９がある。両ジ ャイロホイール３８及び３９の軸Ａ−Ｂは同じ方向を向いている。

シャフト３３は、ステッピングモータとジャイロシャフトを保持しつつ、その軸 の回りに回転する。ステッピングモータはジャイロの軸Ａ−Ｂを図に示す４５及 び４６の方向に回転させる。その矢印の頭は、ジャイロの軸Ａ−ＢがＹ軸の回り を回転する場合における、その軸Ａ−Ｂの回転方向を表している。ジャイロホイ ールの軸の方向はまさに図２の方向に類似している。動作の説明については図２ の説明を参照のこと。

しかし、図７の実施例においてはステッピングモータが使用されているので、軸 Ａ−Ｂの方向変換は迅速かつ正確で最適になされる。

例えば、軸Ａ−Ｈの方向は、最大の歳差運動の力が得られる時まで軸Ｙに平行に しておくことができ、その時になって、軸Ａ−Ｂが軸Ｙに直角になるように迅速 にその軸Ａ−Ｂを回転させることができる。所望のＸ方向に歳差運動の力が得ら れた後、軸Ａ−Ｂは、歳差運動の力が好ましくない方向に生じたりキャンセルさ れるのを回避するために、ステッピングモータによってＹ軸に平行な位置に迅速 に回転する。このようにして、歳差運動の力の利用を支配した完全な制御が得ら れる。

図７の実施例において、反対側に配置されたステッピングモータの方位を制御す る追加の一対のジャイロを、最初の対と同じ面内で、かつ、最初の対から９０’ 離れた位置に、Ｙ軸を見たときに交差するように、設けることができる。この追 加のジャイロは、最初の対から９０°移動した位相の直線力を生み出して、図４ に示す小さい又はゼロの力の間隔を補充する傾向がある。

上述の発明に変形を加えることにより、上記実施例と同様のあるいはそれ以上の 効果が達成される。例えば、モータ２０をステッピングモータにすると、それら のサイクルの違った部分を通過する場合に、ジャイロの転倒速度が変化する。例 えば、歳差運動の力が生じないサイクルの部分を通ってジャイロがより速く移動 するようにしたり、著しい歳差運動の力が生じる部分を通ってより遅く移動した りすることができる。

本発明は、図１に関連して記述された発明の原理を満足するように、単一のジャ イロで動作するように説明されてきた。機械を安定させるためには、第２のジャ イロの代わりにカウンターウェイトが使用されるのが好ましい。

反対側に配置された僅か２個のジャイロを有するよりもむしろ、多数対のジャイ ロを図８に示すように中心軸の回りに星形に配置してもよい。軸Ｙは紙面に垂直 であり、ジャイロ２９Ａ−２９Ｈは、軸Ｙの回りに回転するように、図に示す矢 印方向にそれ自身回転する（図１．２及び３に関連して上述されたような動作と 同様である）軸３０Ａ−３０Ｈのような支持機構に取り付けられている。各ジャ イロ２９Ａ−２９Ｈは、Ｘ１ｌｌｌに沿って最大の歳差運動の力が供給されるよ うに、それ自身回転する。

実際には、適当な構造を設けて、ジャイロを垂直に重ねたり、及び／又は同様の 追加の機構をＸ又はＹ方向に沿って重ねることにより、さらに力を増加させるこ とができる。

電磁石形式のジャイロは、実験用プロトタイプで使用されている種類のものを単 に図示するためにのみ示されている。しかし、光エネルギージャイロのような他 の形式のジャイロがある用途に使用されることも考えられる。モータ２０は、差 動歯車Ｉ６や軸１７及び３３に回転を与えることができるガソリン機関やその他 の回転機としてもよい。実際には、他の形式のモータや、図示された方向へ所望 の角度間隔でジャイロのタラプルを引き起こすことができる機構を採用すること ができる。

ここに図示されたフレームは、もちろん機構を支持するための単れに適応するよ うにに最適・化される。万一、構造の部品が偶発的に外れ場合に周囲の構造物や 人に損傷を与えないように、回転機構は保護ハウジングの中に収容、されるべき である。

この発明を理解する者は上記実施例に代わる構造や、実施例又は変形例を想起す るかもしれない。この明細書に付随する請求の範囲に包含されるものは全て本発 明の一部であると考えられる。

角度 ＦＩＧ、　５Ａ 角度 ＦＩＧ、　５Ｂ ＦＩＧ、　５Ｃ ｃｍ　ｘ　−，１重心からジャイロスタットＦＩＧ、６Ａ　の回転軸までの距離 ｃｍ　ｘ　−，１重心からジャイロスタット国際調査報告 国際調査報告

Claims (23)

【特許請求の範囲】
1. １．ジャイロスタットホイールを有するジャイロスタットと、ジャイロスタット を支持する支持手段と、ジャイロスタットにタップルを生じさせて支持手段に対 して所定の方向に歳差運動の力を生じさせるタップル手段と、ジャイロスタット をある方位に回転させ、これにより、前記所定方向と反対方向に歳差運動の力が 生じるのを回避している間に、ジャイロスタットに再びタップルを生じさせる回 転手段と、からなる推力発生装置。
2. ２．回転手段は、 ジャイロスタットホイールの回転軸を支持手段の軸の回りに回転させている間、 前記所定方向に歳差運動の力が生じている間は主軸に垂直な位置に、それ以外は 主軸に平行な位置に、 支持手段を主軸の回りに回転させる手段からなっている、請求項１に記載の推力 発生装置。
3. ３．回転手段は、 ジャイロスタットホイールの回転軸を支持手段の軸の回りに３６０°回転させて いる間、支持手段を主軸の回りに回転させる手段からなり、 ここで、ジャイロスタットの回転軸は、前記支持手段が前記所定方向の軸から約 ９０°の位置にある間は、前記所定方向に平行であり、 前記支持手段が前記所定方向の軸から約２７０°の位置にあり、支持手段が前記 所定方向の軸から約９０°の位置にある時に取られた方位と同じ方向にジャイロ スタットホイールの回転軸を備えている間は、前記所定方向に平行であり、 前記支持手段が前記所定方向の軸の上に略位置しているが、前記所定方向に関し て主軸の後方の位置にある間は、前記所定方向に直角であり、 前記支持手段が前記所定方向の軸の上に略位置しているが、前記所定方向に関し て主軸の前方の位置にある間は、前記所定方向に直角であるが、主軸の後方の位 置にある間とは回転方向が逆になっている、 請求項１に記載の推力発生装置。
4. ４．回転手段は、 ジャイロスタットホイールの回転軸を支持手段の軸の回りに３６０°回転させて いる間、支持手段を主軸の回りに回転させる手段からなり、 ここで、ジャイロスタットの回転軸は、前記支持手段が前記所定方向の軸から約 ９０°の位置にある間は、前記所定方向に平行であり、 前記支持手段が前記所定方向の軸から約２７０°の位置にあり、支持手段が前記 所定方向の軸から約９０°の位置にある時に取られた方位と同じ方向にジャイロ スタットホイールの回転軸を備えている間は、前記所定方向に平行であり、 前記支持手段が前記所定方向の軸の上に略位置しているが、前記所定方向に関し て主軸の後方の位置にある間は、前記所定方向に直角であり、 前記支持手段が前記所定方向の軸の上に略位置しているが、前記所定方向に関し て主軸の前方の位置にある間は、前記所定方向に直角であるが、主軸の後方の位 置にある間とは回転方向が逆になっている、 請求項１に記載の推力発生装置。
5. ５．請求項１，２，３又は４に記載の装置と同一の第二の装置をさらに含み、 その第二の装置のジャイロスタットは、主軸に関して第一の推力発生装置のまさ に反対側の位置に配置されており、第一の装置のジャイロスタット支持手段と主 軸を介して連結されたジャイロスタット支持手段を有している、請求項１，２， ３又は４に記載の推力発生装置。
6. ６．請求項１，２，３又は４に記載の装置と同一の第二の装置をさらに含み、 その第二の装置のジャイロスタットは、主軸に関して第一の推力発生装置のまさ に反対側の位置に配置されており、第一の装置のジャイロスタット支持手段と主 軸を介して連結されたジャイロスタット支持手段を有し、 その支持手段の長さは同一である、 請求項１，２，３又は４に記載の推力発生装置。
7. ７．請求項１，２，３又は４に記載の装置と同一の第二の装置をさらに含み、 その第二の装置のジャイロスタットは、主軸に関して第一の推力発生装置のまさ に反対側の位置に配置されており、第一の装置のジャイロスタット支持手段と主 軸を介して連結されたジャイロスタット支持手段を有し、 各ジャイロスタットホイールの回転軸の主軸からの距離は、所定の推力を生むよ うに選択される、 請求項１，２，３又は４に記載の推力発生装置。
8. ８．請求項１，２，３又は４に記載の装置から生じる推力群が同一の主軸を介し て合成される、 請求項１，２，３又は４に記載の推力発生装置。
9. ９．請求項１，２，３又は４に記載の装置と同一の第二の装置をさらに含み、 その第二の装置のジャイロスタットは、主軸に関して第一の推力発生装置のまさ に反対側の位置に配置されており、第一の装置のジャイロスタット支持手段と主 軸を介して連結されたジャイロスタット支持手段を有し、 請求項１，２，３又は４に記載の装置から生じる推力群が同一の主軸を介して合 成される、 請求項１，２，３又は４に記載の推力発生装置。
10. １０．請求項１，２，３又は４に記載の装置と同一の第二の装置をさらに含み、 その第二の装置のジャイロスタットは、主軸に関して第一の推力発生装置のまさ に反対側の位置に配置されており、第一の装置のジャイロスタット支持手段と主 軸を介して連結されたジャイロスタット支持手段を有し、 各ジャイロスタットホイールの回転軸の主軸からの距離は、所定の推力を生むよ うに選択され、 請求項１，２，３又は４に記載の装置から生じる推力群が同一の主軸を介して合 成される、 請求項１，２，３又は４に記載の推力発生装置。
11. １１．タップル手段及び回転手段は、 主軸の回りに回転する作動歯車機構と、該機構とは反対方向に主軸から９０°の 方向へ延設され、補助機構によって反対方向に回転する一対のロッドと、ジャイ ロスタットホイールの回転軸を前記ロッドに固定する固定手段と、 からなる請求項１，２，３又は４に記載の推力発生装置。
12. １２．タップル手段及び回転手段は、 主軸の困りに回転する作動歯車機構と、該機構とは反対方向に主軸から９０°の 方向へ延設され、前記機構によって反対方向に回転する一対のロッドと、ジャイ ロスタットホイールの回転軸を前記ロッドに固定する固定手段と、 からなる請求項１，２，３又は４に記載の推力発生装置。
13. １３．タップル手段及び回転手段は、 主軸の回りに回転する作動歯車機構と、該機構とは反対方向に主軸から９０°の 方向へ延設され、前記機構によって反対方向に回転する一対のロッドと、ジャイ ロスタットホイールの回転軸を前記ロッドに固定する固定手段と、 前記作動歯車機構を回転させるためにその機構に連結され、これにより前記ロッ ドを反対方向に回転させるモータと、からなる請求項１，２，３又は４に記載の 推力発生装置。
14. １４．クップル手段及び回転手段は、 主軸の回りに回転する作動歯車機構と、該機構とは反対方向に主軸から９０°の 方向へ延設され、前記機構によって反対方向に回転する一対のロッドと、主軸の 回りに自ら３６０°回転する間に、各ロッドをそれぞれ自身の軸の回りに３６０ °回転させるように適合された機構と、ジャイロスタットホイールの回転軸を前 記ロッドに固定する固定手段と、からなる請求項１，２，３又は４に記載の推力 発生装置。
15. １５．タップル手段及び回転手段は、 主軸の回りに回転する作動歯車機構と、該機構とは反対方向に主軸から９０°の 方向へ延設され、前記機構によって反対方向に回転する一対のロッドと、主軸の 回りに自ら３６０°回転する間に、各ロッドをそれぞれ自身の軸の回りに３６０ °回転させるように適合された機構と、ジャイロスタットホイールの回転軸を前 記ロッドに固定する固定手段とからなり、 前記支持手段はさらに、 前記機構を回転させるために主軸に沿って前記機構に延在する支持ロッドと、前 記支持ロッドに対するベアリングを介して合成された前記力を受容するためのフ レームとによって支持されている、請求項１，２，３又は４に記載の推力発生装 置。
16. １６．回転軸の回りに回転するジャイロスタットホイールを有するジャイロスタ ットと、 装置の主軸と、 主軸に直角方向に一定距離はなれた位置にジャイロスタットを支持し、これによ り回転軸が形成する面が主軸に中心を有する円に接するようにした支持手段と、 支持手段を主軸の回りに３６０°回転させる間に回転軸を前記面内で約３６０° 回転させ、この間にジャイロスタットを主軸の回りに回転させ、これにより主軸 に直角な方向に歳差運動の力が生み出されるようにした回転手段と、 からなる推力発生装置。
17. １７．回転軸を回転させる回転手段は、ステッピングモータである請求項１６に 記載の推力発生装置。
18. １８．支持手段は、 主軸に沿ったロッドと、 ロッドの軸の回りに回転するように、ロッドに固定されてロッドに垂直に延在し 、ジャイロスタットを支持するアームとからなり、さらに、ロッドをその軸の回 りに回転させる回転手段を含む、請求項１６又は１７に記載の推力発生装置。
19. １９．回転手段は、 前記歳差運動の推力の方向に対して９０°より小さいある角度と９０°との問に 位置している時、 及び前記歳差運動の推力の方向に対して約２７０°と２７０°より大きいある角 度との間に位置している時に、主軸に少なくとも略直角であるように、前記回転 軸を回転させるべく適合されている、 請求項１６，１７又は１８に記載の推力発生装置。
20. ２０．回転手段は、 前記歳差運動の推力の方向に対して９０°より小さいある角度と９０°との間に 位置している時、 及び前記歳差運動の推力の方向に対して約２７０°と２７０°より大きいある角 度との間に位置している時に、主軸に少なくとも略直角であるように、前記回転 軸を回転させるべく適合され、 さらに、第一の推力発生装置に対してまさに反対の位置に配置され、同一の主軸 に同様に支持された第二の同様の装置を含む、請求項１６，１７又は１８に記載 の推力発生装置。
21. ２１．回転手段は、 前記歳差運動の推力の方向に対して９０°より小さいある角度と９０°との間に 位置している時、 及び前記歳差運動の推力の方向に対して約２７０°と２７０°より大きいある角 度との間に位置している時に、主軸に少なくとも略直角であるように、前記回転 軸を回転させるべく適合され、 さらに、第一の推力発生装置に対してまさに反対の位置に配置され、同一の主軸 に同様に支持された第二の同様の装置を含み、ジャイロスタットの回転軸の主軸 からの距離が、所定に推力を得るために予め定められている、 請求項１６，１７又は１８に記載の推力発生装置。
22. ２２．回転手段は、 前記歳差運動の推力の方向に対して９０°より小さいある角度と９０°との間に 位置している時、 及び前記歳差運動の推力の方向に対して約２７０°と２７０°より大きいある角 度との間に位置している時に、主軸に少なくとも略直角であるように、前記回転 軸を回転させるべく適合され、 さらに、第一の推力発生装置に対してまさに反対の位置に配置され、同一の主軸 に同様に支持された第二の同様の装置と、ジャイロスタットの回転軸の主軸から の距離を選択的に変更するために、ジャイロスタットの支持手段の長さを変更し 、これにより出力の方向が前記距離に依存して逆転するようにした可変手段とを 含む、 請求項１６，１７又は１８に記載の推力発生装置。
23. ２３．回転手段は、 前記歳差運動の推力の方向に対して９０°より小さいある角度と９０°との間に 位置している時、 及び前記歳差運動の推力の方向に対して約２７０°と２７０°より大きいある角 度との間に位置している時に、主軸に少なくとも略直角であるように、前記回転 軸を回転させるべく適合され、 さらに、第一の推力発生装置に対してまさに反対の位置に配置され、同一の主軸 に同様に支持された第二の同様の装置と、ジャイロスタットの回転軸の主軸から の距離を選択的に変更するために、ジャイロスタットの支持手段の長さを変更す る可変手段とを含む、 請求項１６，１７又は１８に記載の推力発生装置。