JPH067054B2

JPH067054B2 - ジヤイロコンパス

Info

Publication number: JPH067054B2
Application number: JP1069186A
Authority: JP
Inventors: 武北條; 幹雄諸星; 隆文中石
Original assignee: Tokimec Inc
Current assignee: Tokyo Keiki Inc
Priority date: 1986-01-21
Filing date: 1986-01-21
Publication date: 1994-01-26
Anticipated expiration: 2009-01-26
Also published as: JPS62169013A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、航行体の真北に対する方位を検出するジャイ
ロコンパスの改良に関し、特に、加速度誤差修正装置を
有するジャイロコンパスに関する。

〔従来の技術〕

従来のジャイロ装置の一例を、日本特許第885731号を例
に挙げて説明する。

第２図はその概略を示す。同図において、(1)はその内
部に高速にて回転するジャイロロータを内蔵するジャイ
ロケースで、これは液密構造となされている。(2)はジ
ャイロケース(1)を包囲するタンクの如き容器、(3)はジ
ャイロケース(1)を支持する懸吊線で、その上端をタン
ク(2)に、下端をジャイロケース(1)に夫々固定する。(4
N)，(4S)及び(5N)，(5S)は夫々無接触偏位検出装置(6)
のそれぞれ１次側及び２次側で、１次側(4N)，(4S)は例
えばジャイロケース(1)の表面で、ジャイロのスピン軸
の延長との交点（即ちジャイロの北及び南側）に夫々取
りつける。一方２次側(5N)，(5S)をタンク(2)の１次側
(4N)，(4S)の対応する位置に取りつける。(7)は高粘性
のダンピングオイルの如き液体で、これをタンク(2)内
に充填する。タンク(2)の赤道上のスピン軸と直交する
位置（東西）に、一対の水平軸(8)，（８′）の一端を
取付け、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)に取りつけ
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
噛合せしめる。水平環(12)の前記水平軸々受(13)，(1
3′)と直交する位置に、ジンバル軸(14)，(14′)を夫々
取付け、これ等を追従環(16)の対応する位置に取付けた
ジンバル軸々受(15)，(15′)に夫々回動的に嵌合する。
追従環(16)の上下に追従軸(17)，(17′)を取付け、これ
等の遊端部を、盤器(24)の対応せる位置に設けた追従軸
々受(25)，(25′)に回動的に嵌合する。方位歯車(21)を
一方の追従軸(17)に取りつける。(19)は盤器(24)に取付
けた方位追従サーボモータ、(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)と噛合する。(2
2)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)
と対応する如く取付けた基線板で、その中央部に引かれ
た基線(26)とコンパスカード(22)とにより、本器の装備
された航行体の針路を読み取る。

次に、上述の無接触変位検出装置(6)の一具体例を第３
図及び第４図を参照して説明する。第３図はＮ（北）側
の一組をとり出したものである。同図に於て(4N)は１次
側コイルで、その巻線はジャイロのスピン軸に直交する
平面内にあり、通常ジャイロ電源(PS)と共用の交流で励
磁され、破線を矢印（ａ_１），（ａ_１）にて示す交番磁
場を作る。２次側コイル(5N)は４個の矩形コイル(5N
W)，(5NE)，(5NU)，(5NL)より成り、一対のコイル(5N
W)，(5NE)は横方向に並列に配置され、他方のコイル対
(5NL)，(5NU)は上下方向に並べられ、巻き始め及びコイ
ル対(5NW)，(5NE)のコイル対(5NU)，(5NL)の巻き始めを
互に接続する。今、１次側コイル(4N)（即ちジャイロケ
ース）が２次側コイル(5N)（即ちタンク）の中心に位置
している場合を考えると、各４個のコイル(5NW)，(5N
E)，(5NU)，(5NL)中を１次コイル(4N)による磁束が貫通
するので、これに対応して４個の各コイルに電圧が誘起
されるが、これ等コイルは、上述の如く２個づつ差動的
に接続されているので、その出力端子(2-1)及び(2-2)に
は何等電圧の発生はない。ここで、例えば１次コイル(4
N)が東方（同図Ｅ）に偏倚した場合を考えると、コイル
(5NE)を貫通する磁束は増加し、コイル(5NW)を貫通する
磁束は減少するので、出力端子(2-1)には、電圧が生ず
る。

一方、１次コイル(4N)が西方（同図Ｗ）に偏倚した場合
には、前と逆にコイル(5NW)の誘起電圧が増加し、コイ
ル(5NE)の誘起電圧が減少し、東偏した場合とは逆位相
の電圧が端子(2-1)に発生する。この場合、コイル(5N
U)，(5NL)は上下方向に配置されているので、その出力
端子(2-2)には何等電圧の発生がない。一方、同様にし
て１次側コイル(4N)の上下方向変位に対しては、横方向
に配置されたコイル(5NW)，(5NE)の出力端子(2-1)に
は、何等電圧は発生しないが、上下方向に配置されたコ
イル(5NL)，(5NU)の夫々に発生する電圧に差が生じ、こ
れによって、端子(2-2)に出力電圧が発生する。即ち、
第３図の構造によってジャイロケース(1)のＮ端のタン
ク(2)に対する東西方向及び上下方向の変位を検出する
事が出来る。

第４図は東西方向の検出装置のみを示したもので、ジャ
イロケース(1)を上部より見た配置図である。即ち、Ｓ
側の変位検出装置(4S)，(5SE)，(5SW)も、ジャイロケー
ス(1)が東方に変位した時に、コイル(5SE)を通る磁束が
増加し、(5SW)は減少して、端子(3-1)に電圧が誘起さ
れ、この電圧の位相は、端子(2-1)の発生電圧のそれと
等しくなされている。又、第４図に示す様にコイル(5S
E)，(5SW)及び(NE)，(5NW)が、更に差動的に結線されて
いるが為に、ジャイロケース(1)の東西方向変位に対し
ては、端子(3-2)には全く発生電圧がない代りに、ジャ
イロケース(1)が垂直軸線０（図面に垂直）のまわりに
角変位を生ずると、端子(3-2)にはその回転方向に応
じ、位相の180°反転した出力電圧が発生する。この出
力電圧は、サーボ増幅器(30)を介し、又は介さずに、方
位サーボモータ(19)の制御巻線に加えられる。サーボモ
ータ(19)の回転は、方位ピニオン(20)、方位歯車(21)、
追従環(16)及び水平環(12)を介してタンク(2)に伝達さ
れ、このタンク(2)は、上記垂直軸まわりの角変位がゼ
ロとなる様に制御される。即ち、ジャイロケース(1)が
如何なる方位をとろうとも、このサーボ系によって、懸
吊線(3)には、捩りが全く生ぜず、これよりジャイロに
は、垂直軸に関しては、如何なる外乱トルクも印加され
ることはない。尚、第４図に於て(3-3)は、誤差修正用
信号発生装置で、船舶の速度或いは緯度に対応した電圧
を発生し、方位追従系の追従をずらして懸吊線(3)を捩
り、ジャイロの垂直軸のまわりにトルクを加えて誤差修
正を行う。

第５図は、水平追従系を示したもので、２次コイル(5N)
及び(5S)のコイル部(5NU)，(5NL)及び(5SU)，(5SL)が、
前述と同様差動的に結線されており、これが為に、コイ
ル(5NU)，(5NL)の端子(4-1)には、ジャイロケース(1)の
タンク(2)に対する上下方向並進移動に対しては、出力
電圧が発生しないが、水平軸のまわりの角運動に対して
は、端子(4-1)に電圧が発生し、これはサーボ増幅器(3
1)を介し、又は介さずに水平追従サーボモータ(10)の制
御巻線に加えられる。水平追従サーボモータ(10)の回転
は、水平ピニオン(11)及び水平歯車(9)を介して、タン
ク(2)を回転し、タンク(2)の上記角変位をゼロとならし
める。

第６図は、タンク(2)以内を略線的に示したもので、ジ
ャイロケース(1)内のジャイロのスピン軸が、水平面
（Ｈ−Ｈ′）に対して、その指北端（Ａ）側が、θだけ
上昇している場合である。こゝで、ジャイロケース(1)
の重心（Ｏ_１）、懸吊線(3)とジャイロケース(1)との結
合点を（Ｑ）、懸吊線(3)とタンク(2)との結合点を
（Ｐ）、タンク(2)の中心（Ｏ_２）とし、ジャイロケー
ス(1)内のロータのスピン軸が水平（θ＝０）の時、
（Ｏ_２）と（Ｏ_１）とは一致しているものとする。又、
（Ａ）を指北端、（Ｂ）をこれと１８０°ずれたジャイ
ロケース(1)上の点とし、（Ａ′），（Ｂ′）を
（Ａ），（Ｂ）に対応するタンク(2)の点とする。懸吊
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(2)に対するジャイ
ロケース(1)の軸方向移動量ξ（Ｏ_２〜Ｏ_１）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、一応懸吊線(3)は、完全
に可撓性のものとして説明を進める。

前述の如く、サーボ系の作用でタンク(2)上の点
（Ａ′），（Ｂ′）と、ジャイロケース(1)上の点
（Ａ），（Ｂ）とは、常に一致せしめられているので、
タンク(2)もジャイロケース(1)と同様、θ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、ジャイロケース(1)のスピン軸方向に
は、何等外力が作用していないので、懸吊線(3)は鉛直
線に一致する。懸吊線(3)の張力をＴとし、ジャイロケ
ース(1)のダンパー液(7)による浮力を除いた残留重量を
ｍとすれば、張力Ｔが点（Ｏ_１）のまわりにＭ＝Tr sin^θ＝mgr sinθ≒Ｋθ なるモーメントンＭを作り、これがジャイロのトルクと
して、その水平軸（Ｏ_１を通って紙面に直角）のまわり
に加わることになる。ここでｒは、同図に示す如くジャ
イロケース(1)の重心（Ｏ_１）と、懸吊線(3)とジャイロ
ケース(1)との結合点（Ｑ）との間の距離、又ｇは重力
加速度を表す。即ち、この方法によっても従来用いられ
ているジャイロコンパスと全く同様に「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の
まわりに加える」ことが出来るが故に、距離ｒ、残留質
量mg及びジャイロの角運動量を測定して、その指北運動
の周期を数十分乃至百数十分とすることで、ジャイロコ
ンパスを得ることが出来る。実際は、懸吊線(3)の曲げ
剛性の為に、上記ｒが（Ｏ_１），（Ｑ）間の実寸法よ
り、ごくわずか長くなったことと等価になる。こゝで、
mgr＝ＫとおいたときのＫをジャイロコンパスの指北定
数と呼んでいる。

次に、上述の如き構成のジャイロコンパスに使用して効
果的なジャイロコンパス用制振装置の基本は、多くのジ
ャイロコンパスに利用されている「ジャイロのスピン軸
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
直軸のまわりに加える」という原理である。第２図乃至
第５図に関して説明した様な構成のジャイロコンパスの
スピン軸が、水平面（Ｈ−Ｈ′）に対してθだけ傾斜し
た場合、タンク(2)も水平追従系の作用によってジャイ
ロケース(1)内のジャイロと同一の角θだけ傾斜し、ジ
ャイロケース(1)は懸吊線(3)が鉛直線と一致するまで
（Ｂ′）の方向にＯ_１−Ｏ_２＝ξだけ移動して静止す
る。即ち、ジャイロ傾斜角θと、ジャイロケース(1)の
タンク(2)に対するスピン軸方向の移動量ξとは、完全
な比例関係にある。よって、この移動量ξを電気的に検
出し、この検出量に対応して前記垂直追従系の追従位置
を偏倚せしめ、懸吊線(3)を捩ることにより、所望の制
振作用を与えることが出来る。

扨て、第７図は上述の原理を実施する具体例の一つであ
って、無接触変位検出装置(6)の２次側コイル(5N)，(5
S)の南北側に夫々新たに２個のコイル(14-2)，(14-3)の
夫々の巻枠面が、二対のコイル(5NE)，(5NW)及び(5S
E)，(5SW)と平行になる如く、これ等コイル(14-2)，(14
-3)を追加設置し、これ等を差動的に結線した後、コイ
ル(14-2)及び(14-3)の出力端(4-1)を、垂直追従系の信
号端子(3-2)と加算的に接続した後、サーボ増幅器(30)
を介して方位サーボモータ(19)の制御巻線に加える。こ
の場合、ξに比例する端子(14-1)の信号電圧の分だけ、
垂直追従系はサーボエラーを生じ、端子(14-1)の信号分
だけ、タンク(2)とジャイロケース(1)とは偏角をもつこ
とになる。よって、ξに比例して懸吊線(3)は捩られ、
この捩りトルクはξに比例しているから、ジャイロスピ
ン軸の傾斜θに比例しており、ジャイロに制振作用を与
えることができる。傾斜θに対するトルク定数をμと書
き、ダンピング定数と呼んでいる。

一方、上述したダンピング方式（垂直軸ダンピング方
式）は、周知の如く、緯度の正接に比例した方位誤差
（緯度誤差）を有することが知られており、上記ジャイ
ロコンパスでは、日本特許第961333号に示す如く、の形の第１のフィルターを上記ダンピング系に挿入する
ことにより、緯度誤差がなく、且つジャイロ球の南北ア
ンバランスの変化もジャイロ精度へ影響しないようにな
されている。

上述した制御系を有するジャイロコンパスの運動をブロ
ック図に表したものを第１図に示す。ジャイロコンパス
を搭載した航行体の南北方向加速度に、ジャイロスピン軸の傾斜θを加算したものがジャイ
ロ球（ジャイロケース）(1)の南北方向運動の加速力と
なる。タンク(2)には高性能のダンピングオイル(7)が充
填されているため、この運動は同図に示した如く、時定
数τ_Ｇをもつ一次遅れ系(51)で近似してある。又、その
出力はタンク(2)に対するジャイロ球の変位ξそのもの
でなく、これを懸吊線(3)の長さｌで割ったで表してある。

に指北定数Ｋを乗じた指北トルクがジャイロ球の水平軸に作用し、これをジャイロの角運
動量Ｈで割った(52)角速度(52′)が地球の回転角速度の
垂直成分Ωsinψ（ψはその地点の緯度）(53)と共にジ
ャイロを垂直軸(54)まわりに運動させ、方位角（誤差）
φも生ぜしめる。

一方、方位角φに地球の自転角速度の水平成分を乗じた
角速度Ωcosψ(55)、航行体の南北速度Ｖ_Ｎを地球の半
径Ｒで割った角速度Ｖ_Ｎ／Ｒを作る一方、を第１のフィルター(57)を通した信号λにダンピング定
数μを乗じたダンピングトルクμ，λをＨで割った(58)
角速度(58′)がジャイロ(56)に作用し、ジャイロスピン
軸の傾斜θを生ぜしめる。この中で、ジャイロコンパス
の指北運動の基本となる項はφΩcosψで、地球の自転
角速度Ωcosψと方位誤差φとの積が、ジャイロスピン
軸に傾斜θを生ぜしめ、これが、ジャイロ球の南北運動
を介して、なる指北トルクとして、ジャイロの水平軸まわりにトル
クを与え、方位誤差φを減少させることにより、真北を
指示させることが出来る。

所で、同図に示した如く、傾斜θのほかに、航行体の南
北加速度によっても、ジャイロスピン軸はトルクを受け、真北か
ら偏倚させられる。この誤差は加速度誤差と呼ばれ、上
述のジャイロコンパスはもとより、一般のジャイロコン
パスに於ても、この誤差の値を、航行体の南北速度Ｖ_Ｎ
によって生ずる速度誤差と一致させることにより、加速
度誤差を消去するように設計されているのが普通であ
る。この加速度誤差と速度誤差とを一致させる条件は、
シューラー同調（シューラーチューニング）と呼ばれて
おり、ジャイロコンパスの指北周期を、地球半径を有す
る単振子の周期(84.4分)に等しく選ぶことと等価にな
る。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上述した従来のジャイロコンパスでは、
ジャイロコンパの指北周期が約84分と長いため、起動か
ら使用状態になるまでの時間（起動時間）が極めて長く
なり、船舶等の長期間使用の場合は別として、陸上航行
体のように差動時間が短い場合には、ジャイロコンパス
を前もってスイッチオンする等の特別の操作を考慮しな
いと使用が出来ないという欠点があった。

〔問題点と解決するための手段〕

本発明は以上述べた従来のジャイロコンパスの欠点を一
掃した新規なジャイロコンパスを提供せんとするもので
あり、これは、略水平なスピン軸を有するジャイロ、該
ジャイロのスピン軸の水平面に対する傾斜に対応したト
ルクを上記ジャイロの水平軸のまわりに加える指北装
置、上記スピン軸の水平面に対する傾斜角に対応した信
号を出力する傾斜ピックオフよりなるジャイロ装置にお
いて、南北成分演算器(61)、微分器(62)、ジャイロ球シ
ミュレータ(63)、比較器(64)、方位誤差演算器(65)を続
け、航行体の速度に対応した信号を上記南北成分演算
器、微分器、ジャイロ球シミュレータを通した後、上記
比較器において上記傾斜ピックオフの出力と比較した
後、その出力を上記方位誤差演算器に供給し、これによ
り方位誤差を演算し、この結果を方位発信器の出力に加
算するようにしたジャイロコンパスである。

〔作用〕

上述の本発明によるジャイロコンパスに於ては、航行体
の速度出力を微分器(62)で微分したをジャイロ球シミュレータ(63)に供給し、その出力とジャイロ球(1)のタンク(2)に対する南北方向の出力とを比較器(64)で比較し、その出力を方位誤差演算器(6
5)を通して方位誤差を得、これを方位発信器の出力に加算して、正しい方位
を得るものである。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図を参照して説明する。
第１図の破線ブロック（Ａ）内が本発明の加速度誤差修
正器の一実施例である。図示せずも航行体の速度センサ
ー(60)の出力を、南北成分演算器(61)を通して、南北方向の速度成分を作った後、これを微分器(62)を通して／ｇを得、これを加算器(67)に入力する。

一方、南北成分演算器(61)の出力を、係数器(69)を通してを作り、これ及び第１のフィルター(57)の出力λを係数
器(70)を通したものを加算器(68)にて加算した後、ジャ
イロ演算器(66)を通して上記加算器(67)に入力する。こ
の加算器(67)の出力をジャイロ球シミュレータ(63)を通
し、その出力をジャイロ本体側のジャイロ球(1)のタンク(2)に対する
南北方向変位信号と比較器(64)にて減算た後、その減算出力を方位誤差演
算器(65)にて演算して方位誤差を得、この値を図示せずも方位発信器の値に加算して正
しい方位を外部に発信する。

本発明の基本原理は、第１図に示したように、方位誤差
φがあると、地球自転の水平成分Ωcosφ及びジャイロ
球の水平軸まわりのジャイロ作用ｌ／Ｓにより、ジャイ
ロスピン軸の傾斜θが生じ、これがジャイロ球の伝達関
数系(51)を介して、南北方向の変位が発生するため、逆にから方位誤差φを求めようとするものである。

即ち、ジャイロ球の南北方向変位に方位誤差φに対する伝達関数Ωcosλ／（τ_ＧＳ^２＋
Ｓ）の逆数を掛けることにより、方位誤差φを求めるこ
とができる。

しかしながら南北方向の変位の中には、南北方向加速度による影響等が存在するため、これ等のに対する外乱影響を外部の演算器で演算して、実際の南
北変化から差し引いて純粋に方向誤差φによるものだけを取り
出した後、方位誤差演算器(65)にて、方位誤差を演算出力するようになしたものである。

南北方向加速度／ｇがジャイロ球に作用すると、ジャイロ球の伝達関数
(51)を介して、ジャイロ球の南北変位を生じる。一方、加速度修正器(A)においては、速度セ
ンサ出力と船首方位βを南北成分演算器(61)に入力し、南北方向
の速度を得る。この南北方向の速度成分を微分器(62)に供給し、南北方向の加速度と等価なを得る。この南北方向加速度をジャイロ球の伝達関数(51)と等しい特性のジャイロ球
シミュレータ(63)を介することにより、南北方向加速度
によるジャイロ球の南北方向変位を得、これを実際のジャイロ球の南北変位より差し引くことにより、方位誤差推定に不要な南北方
向加速度によるジャイロ球の方位成分を取り除くことが
できる。

尚、外乱としては、南北方向加速度によるもののほか、ダンピング系μ／Ｈによるもの及び
航行体の南北速度によるものの２つがあるため、前者に
関しては、ジャイロ本体側の第１のフイルター(57)の出
力を係数器(70)を通し、又後者に関しては、南北成分演
算器(61)の出力を係数器(69)を通し、それ等の出力を加算器(68)、ジャ
イロ球のジャイロ作用(56)と等価なジャイロ演算器(66)
を介して加算器(67)に至ループを付加することにより修
正している。

〔発明の効果〕

ジャイロ球シミュレータ(63)を設け、これに温度センサ
ーの速度出力を入力し、ジャイロ球のタンク(2)に対する南北方向の
出力から加速度による影響を完全に取り除き、指北運動
中における方位誤差を演算修正するようにしたことによ
り、ジャイロコンパスが完全に真北に静定していない状
態においても、これを修正し、正しい方位を発信できる
ため、起動時間が短縮出来る。

【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ブロック図、
第２図は従来のジャイロ装置の一部を除いた斜視図、第
３乃至第７図はその一部を略線図である。図に於て、(1)はジャイロケース、(2)はタンク、（Ａ）
は、加速度誤差修正器、(61)は南北成分演算器、(62)は
微分器、(63)はジャイロ球シミュレータ、(64)は比較
器、(65)は方位誤差演算器、(66)はジャイロ演算器、(6
7)，(68)は加算器、(69)，(70)は係数器を夫々示す。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】略水平なスピン軸を有するジャイロと、該
ジャイロのスピン軸の水平面に対する傾斜に対応した指
北トルクを上記ジャイロの水平軸の周りに加える指北装
置と、上記スピン軸の水平面に対する傾斜角に対応した
傾斜角信号を出力する傾斜ピックオフと、を有するジャ
イロコンパスにおいて、上記傾斜角信号に含まれる南北方向加速度に起因する方
位誤差を演算するための加速度誤差修正器を設け、該加
速度誤差修正器は航行体の速度に対応した信号より南北
速度成分を演算する南北成分演算器と、該南北成分演算
器より出力された南北速度成分信号を微分する微分器
と、該微分器の出力信号を入力するジャイロ球シミュレ
ータと、該ジャイロ球シュミレータの出力信号と上記傾
斜角信号を入力して比較する比較器と、該比較器の出力
信号を入力する方位誤差演算器とを有し、上記比較器は
上記傾斜角信号よりジャイロ球シミュレータの出力信号
を減算することによって上記南北方向加速度の影響を除
去した傾斜角誤差信号を生成し、それによって上記方位
誤差演算器は南北方向加速度の影響を除去した方位誤差
信号を生成しそれによって方位角を修正するように構成
されたことを特徴とするジャイロコンパス。