JPH07208995A - ジャイロ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 安価に、小型に構成する。 【構成】 ケース１１内にジンバル１３が、その回動軸
心１５を中心に回動自在に保持され、ジンバル１３内に
モータ１４が、その回転軸が軸心１５と直角となるよう
に回転自在に保持され、モータ１４としてはブラシレス
直流モータが用いられ、その磁極検出素子及び電流切替
えスイッチング素子がモータ１４内に取り付けられ、ジ
ンバル１３の側面の一端よりスリット板２７が突出され
て、そのスリット２８の両側に発光素子２９と受光素子
３４が配されて、光学的にジンバル１３の回動が検出さ
れる。またジンバル１３のスリット板２７と反対側に突
出された金属の制動板４７が、マグネット４８、４９の
間に形成された磁気空隙５２内に配されることによりジ
ンバル１３の制動が行われる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明はジンバル内にモータが
保持され、そのモータの回転軸に対して直角な軸心まわ
りに回動自在に上記ジンバルがケース内に保持され、上
記ケースに印加される角速度を検出するジャイロに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来のこの種のジャイロ、特に航空機用
のジャイロにおいては、そのモータとして交流ヒステリ
シスモータが用いられていた。しかし、このような航空
機ではなく、例えば自動車等の民生機器においては、そ
こに用いられている電源が通常は直流電源であることが
多く、よって、そのような民生機器にジャイロを取り付
ける場合は、その民生機器の直流電源の直流電力をイン
バータにより、例えば４０0 Hzか８００Hzの交流電力に
変換して、これによりジャイロの交流モータを回転して
いた。

【０００３】また入力された角速度にもとづくジンバル
の変位量を検出するために従来においては、ジンバルに
磁性材のロッドを取り付け、これにロッドが固定部に設
けた巻線と関連付けられて、いわゆる作動トランス式に
ジンバルの変位量、つまり入力角速度を検出していた。
更に従来においては、ジンバルの回動軸心がケースに対
し、所定位置に位置し、かつジンバルの内部に取り付け
たモータの回転軸がジンバルの回動軸心に対して直角で
あり、さらにジンバルに取り付けた、その変位を検出す
る作動トランス式の検出部が正しくケースに位置するよ
うに、各部の寸法精度を正確にして組み立てれば、自動
的に所期の状態となるようにしているため、その各部品
の寸法精度を著しく高くしていた。

【０００４】さらに角速度に基づくジンバルの変位が生
じた時にハンチングが生じないようにジンバルの変動を
抑圧する制動手段、いわゆるダンパーとして従来におい
てはダッシュポットが利用されていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】以上述べたように従来
において一般民生機器に用いられている直流電源を利用
してジャイロを動作させるには、その直流電力を交流電
力にインバータにより変換しているためインバータの大
きさが大きく、ジャイロ全体としてインバータ部分が２
／３程度も占め、ジャイロが大きなものとなっていた。
またインバータのため、比較的高価なものとなってい
た。

【０００６】更に、従来においてはジンバルの変位量を
作動トランス式に検出しているため巻線が用いられ高価
なものとなり、交流励磁する必要があり、この点におい
ても直流電源には不向きであった。従来においては各部
品をその寸法精度で組み立てると自動的にセンタリング
が得られるようにしているため、非常に寸法精度を高く
する必要があり加工が大変で高価なものとなっており、
ジンバルをネジで保持するが、強く締めすぎるとジンバ
ルが回動することができず、緩過ぎるとジンバルの回動
軸心が一定とせず、調整が大変であった。

【０００７】また、ジンバルの制動手段としてダッシュ
ポットが用いられていたが、これも機械精度を著しく高
く作る必要があり、大変であり、高価なものとなってい
た。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項２の発明によれ
ば、そのモータとしてブラシレス直流モータが用いら
れ、しかもそのモータの磁極検出素子及び電流切替スイ
ッチング素子がモータに内蔵されているものである。ジ
ンバルの変位量を検出する手段としては、光学的に検出
するものが用いられる。

【０００９】ジンバルの復帰手段としてケースとジンバ
ルの間にコイルばねが架張され、このコイルばねがモー
タへの給電線として兼用されている。ジンバルに金属板
が取り付けられ、その金属板を横切った磁束がマグネッ
トにより発生され、これらによりジンバルの動きを制動
する制動手段が構成される。この制動手段としては、ま
た磁気空隙が形成され、その磁気空隙に磁性流体が磁気
的に保持され、その磁性流体内に、ジンバルに取り付け
られた制動板が位置されている。

【００１０】ジンバルの変位量を光学的に検出するスリ
ット板がジンバルに取り付けられ、またジンバルの動き
を制動する制動板がジンバルに取り付けられ、これら制
動板及びスリット板がジンバルの回動軸心に対して質量
的に対称とされている。ジンバルが筒状とされ、その筒
状の軸心に対してモータの回転軸が直角又は平行とされ
ている。

【００１１】

【実施例】以下図面を参照してこの発明の実施例を説明
する。図１及び図２に示すように、ほぼ直方体状のケー
ス１１がその一面、図においては上面が開放とされ、そ
の開放面はカバー１２で蓋される。ケース１１内にジン
バル１３が回動自在に収容され、ジンバル１３内にモー
タ１４が取り付けられる。即ち図においてジンバル１３
は筒状をしており、その筒状の軸心と直角な線上におい
て、ジンバル１３の側面から回動軸心１５が両外側に突
出して固定され、この回動軸心１５がケース１１の対向
側板１１ａ、１１ｂに回動自在に保持される。これら側
板１１ａ、１１ｂの各一縁がカバー１２と接触するもの
である。

【００１２】モータ１４は、この例では、その回転軸が
ジンバル１３の筒状の軸心とほぼ一致してジンバル１３
内に収容され、ジンバル１３のカバー１２側の面は内側
に鍔１７が一体に形成され、鍔１７の内面にモータ１４
の固定板１８の周縁部が例えば接着により固定されてい
る。モータ１４はブラシレス直流モータであって、例え
ば図３に示すように、配線基板１９の一面にステータ２
０Ｓが配され、ステータ２０Ｓを同軸心的に囲うように
永久磁石よりなるロータ２０Ｒが配され、その更に外側
に円筒状磁気ヨーク２０Ｙが嵌め込まれ、更にその外側
に合成樹脂材のカバー２０Ｃが嵌め込まれる。カバー２
０Ｃの配線基板１９と反対側の面は端板２０Ｄで一体に
閉塞され、端板２０Ｄの中心に回転軸２１の一端が固定
される。ステータ２０Ｓにはその軸心上に軸套２２が貫
通固定され、軸套２２内にベアリング２２ａ、２２ｂが
挿入固定され、そのベアリング２２ａ、２２ｂに回転軸
２１が挿通され、イーリング２１ａで固定される。配線
基板１９はステータ２０Ｓに固定され、ステータ２０Ｓ
と反対の面上に、ロータ２０Ｒの磁極を検出する素子と
して、例えばホール素子２３ａが基板１９の切欠きに嵌
め込まれ、ステータ２０Ｓの巻線に電流を切替え供給す
る電流切替えスイッチング素子として、スイッチングト
ランジスタ２３ｂが表面実装され、更にホール素子２３
ａの出力に応じてトランジスタ２３ｂの制御を行うＩＣ
２３ｃが表面実装され、更に２本の給電線２３ｄの各一
端が接続されている。これら実装部品を覆って固定板１
８が配線基板１９に、例えば接着固定される。このよう
にモータ１４には磁極検出素子及び電流切替えスイッチ
ング素子が内蔵される。またこのモータ１４はステータ
の外側にロータが位置したアウタロータである。

【００１３】モータ１４の回転軸２１とジンバルの回動
軸心１５とが互いに直角で、これら両者と直角な軸が入
力軸２５であって、ケース１１に対し入力軸２５まわり
の角速度が矢印２６で示すように加わると、常時回転し
ているモータ１４がコリオリの力を受け、モータ１４が
取り付けられてジンバル１３が軸心１５を中心として回
動する。この回動変位量が入力角速度として検出され
る。

【００１４】このジンバル１３の変位量、つまり回動量
を検出するため光学的検出手段が用いられる。そのため
この例においては、ジンバル１３の側面、図においては
軸心１５の取り付け位置と９０°離れた側面において、
スリット板２７が突出して設けられ、スリット板２７の
板面はジンバル１３の筒状の軸心と平行とされ、スリッ
ト板２７には回動軸心１５の延長方向及びジンバル１３
の筒状の軸心の両者と直角な方向に延長したスリット２
８が開けられている。スリット板２７を挟んで、その一
方側に発光ダイオードのような発光素子２９が配され、
他方にフォトダイオードのような受光素子３１が配され
る。受光素子３１は複数あって、スリット２８と幅方向
においてスリット２８の両側に別れて配される。スリッ
ト板２７が軸心１５を中心として回動すると、発光素子
２９からスリット２８を通じて受光素子３１で受光され
る光量が、一方が増加して他方が減少し、これら両受光
素子の出力が差動的に取り出され、その極性と大きさに
よりスリット板２７の変位方向と変位量が検出される。

【００１５】発光素子２９、受光素子３１はそれぞれＬ
字状具３３、３４の各垂直部に取り付けられる。一方ケ
ース１１内に、その内部を二つの部分に分離するよう
に、各２枚の案内板３５、３６が側板１１ａ、１１ｂの
内面より突出して設けられ、案内板３５間に案内されて
ケース１１の開放面からＬ字状具３３が挿入位置決めさ
れ、ケース１１のカバー１２と対向する底板１１ｃにネ
ジ３８で固定される。Ｌ字状具３４も同様に案内板３６
によって案内位置決めされて底板１１ｃにネジ３９によ
って固定される。この時、発光素子２９と受光素子３１
とがスリット２８との位置関係が所定の関係となるよう
にあらかじめ作られてある。

【００１６】また角速度の入力が無くなったときに、ジ
ンバル１３を初期状態に復帰させるため、一対のコイル
ばね４１、４２が設けられ、しかもこれらコイルばね４
１、４２は、この例においてはモータ１４に対する給電
線も兼ねている。即ちモータ１４の固定板１８より突出
して電源端子４３、４４が回動軸心１５の両側に位置し
て取り付けられ、これら電源端子４３、４４は回動軸心
１５からの距離が等しくされ、かつ、電源端子４３、４
４の配列方向に沿ってコイルばね４１、４２がその両側
に配され、またこれらコイルばね４１、４２の各延長端
において、端子４５、４６がケース１１に固定され、端
子４３、４５間にコイルばね４１が、端子４４、４６間
にコイルばね４２がそれぞれ架張され、角速度が加わら
ない状態で、スリット２８の両側の受光素子３１の出力
が互いに等しくなるようにされている。ケース１１に角
速度２６が加わり、その時発生するジンバル１３を回動
させるコリオリの力と、コイルばね４１、４２のばね力
とが釣り合ったところでジンバル１３の回動が停止す
る。角速度２６が無くなると、コイルばね４１、４２に
よってジンバル１３がニュートラルの位置（初期位置）
に復帰する。

【００１７】端子４５、４６が取り付けられるケース１
１の部分は底板１１ｃからジンバル１３のカバー１２側
の面の近くまで支持部２４ａ、２４ｂが形成され、その
支持部２４ａ、２４ｂ上にそれぞれ端子４５、４６が固
定される。端子４３、４４に図３中に示した２本の給電
線２３ｄの各他端がそれぞれ接続され、端子４５、４６
にリード線４０ａ、４０ｂの一端がそれぞれ接続され
る。これらリード線４０ａ、４０ｂ、コイルばね４１、
４２、給電線２３ｄをそれぞれ通じてモータ１４に対す
る給電が行われる。

【００１８】入力角速度２６が変動するような状態によ
りジンバル１３の動きが何時までも生じた状態とならな
いように、つまり、ジンバル１３がニュートラルの位置
に戻った際にすぐ停止するように制動手段、いわゆるダ
ンパーが設けられる。制動手段としてジンバル１３のス
リット板２７が突出した側と反対の側面より制動板４７
が突出して固定され、その制動板４７を挟んでマグネッ
ト４８、４９が配され、マグネット４８、４９は磁気ヨ
ーク５１で連結され、かつ、互いに異なる磁極が対向さ
れ、これらマグネット４８、４９間に磁気空隙５２が形
成され、磁気空隙５２の間に制動板４７が位置される。
従って磁気空隙５２内に生じている磁束は制動板４７に
直角に入射され、制動板４７はアルミニウムのような導
電性のよい金属板により構成されている。このため、ジ
ンバル１３が軸心１５まわりに回動すると、制動板４７
に渦電流が発生して、その反作用と電力消費によって制
動作用が生じる。この磁気ヨーク５１をケース１１内
に、その開放面側より２枚の案内板５０により案内され
て底板１１ｃ上に配置すると、この場合もこれらによっ
て位置決めされて、磁気空隙５２間に制動板４７が正し
く位置するようにされている。

【００１９】図４Ａに示すように、磁気空隙５２内に磁
性流体５３、つまり、粘性の油内に磁性粉が混入された
ものが磁気的にマグネット４８、４９間に保持され、こ
の磁性流体５３内に制動板４７を位置させ、制動板４７
の両側に磁性流体５３を介してマグネット４８、４９が
接近して位置するように構成される。このようにすると
制動板４７の前記渦電流に基づく制動の他に、その磁性
流体５３と制動板４７との間の摩擦に基づく制動も生
じ、より効果的な制動がおこなわれる。この場合制動板
４７に小さな孔５４を開けて、制動板４７の両側の磁性
流体５３が、その孔５４を通じて流通し、制動板４７の
両側における磁性流体５３の量がほぼ等しく、即ち、そ
の制動板４７の両面における各制動力がほぼ等しくなる
ようにするとよい。また、このように磁性流体５３と制
動板４７とによる制動のみを利用してもよく、その場合
は制動板４７としては金属材ではなく、例えば樹脂材で
構成してもよく、樹脂材で構成する場合は、ジンバル１
３を樹脂材で構成するとき制動板４７も一体に形成する
ことができ、また同様に、その場合はスリット板２７も
樹脂材でジンバル１３と一体に作ることが可能となる。

【００２０】ジンバル１３は、その回動軸心１５の位置
がモータ１４の回転軸２１及び角速度入力軸２５の両者
と互いに直角で、かつ、適当な力で保持され、つまりが
たつくことなく、容易に回動することができるように保
持される。この為、この例においては図４Ｂに示すよう
に回動軸心１５の突出端は円錐状とされ、円錐状先端は
キャップ状ねじ６１の凹部６２内に位置し、その凹部６
２内に軸受け６３が軸方向に移動自在に保持され、その
軸受け６３のボール６４に軸心１５の円錐状先端の斜面
が接して軸方向及び軸と直角方向に軸受けされている。
この軸受け６３とねじ６１の底板との間にゴムのような
弾性体６５が介在されている。ねじ６１は図１に示すよ
うに側板１１ａ、１１ｂに形成されたねじ孔６７にねじ
込まれ、そのねじ６１のねじ孔６７に対するねじ込み量
によってジンバル１３の軸方向に対する締めつけ力を調
整し、かつ、そのねじ孔６７の位置によって軸心１５の
位置及び中心性が自動的に得られる。また温度変化など
に基づく各部の寸法の伸縮が、この弾性体６５によって
吸収される。

【００２１】モータ１４に対する直流電力の供給、また
発光素子２９に対する電力の供給、更に受光素子３４に
よる出力の差動的な取り出し、その増幅などの各種電気
的回路は配線基板６８に搭載され、配線基板６８は案内
板３５、３６によって分離されたケース１１の内部のジ
ンバル１３と反対側の部分に収容され、側板１１ａ、１
１ｂの内面に形成された溝６９に、配線基板６８の両側
縁が案内されてケース１１に保持される。リード線４０
ａ、４０ｂの他端は配線基板６８に接続され、配線基板
６８に電源線や出力信号線等からなるケーブル７１がケ
ース１１の一側板より外部に導出され、その導出端には
コネクタ７２が取り付けられている。

【００２２】図４Ｃに示すようにモータ１４の回転軸の
方向を筒状ジンバル１３の軸心と直角、つまりスリット
板２７と制動板４７との配列方向と平行になるように設
けることもできる。このようにすればケース１１に対し
て、その入力軸２５が開放面、つまりカバー１２と直角
方向となる。つまり、図１の場合はケース１１の長手方
向が入力軸２５となるが、図４Ｃの場合はケース１１の
厚み方向が入力軸２５となり、ジンバル１３に対するモ
ータ１４の取り付け方向を変えるだけでケース１１内の
配置関係は全く同一の状態で入力軸の方向を変えること
ができる。これによりケースの長手方向を入力軸とした
り、厚み方向を入力軸とすることができ、図４Ｃの場合
はケースの高さを低く、薄型とすることができる。

【００２３】

【発明の効果】以上述べたようにこの発明によれば、ブ
ラシレス直流モータを使用しているため、民生用機器等
に用いられている直流電源をそのまま利用することがで
き、交流電力に変換する必要がなく、大型で高価なイン
バータを使用する必要がない。しかもブラシレスモータ
であるため、ブラシを使用する直流モータと比べ、常時
モータを回転させて用いるジャイロにおいても十分長い
寿命が得られる。また、磁極検出素子、電流切替えスイ
ッチング素子がモータに内蔵されているため、この点か
らも全体として小型に構成することができる。

【００２４】また、ジンバルの変位量を光学的に検出し
ているため、この点においても作動トランス形の検出装
置を使用する場合に比べて、小型にして安価に作ること
ができ、しかも発光素子を直流電力で駆動でき、かつ受
光素子の出力も直流で取り出すことができ、交流信号を
必要としない。また、制動手段としては渦電流を用いた
制動手段を用い、或いは、磁性流体と制動板とを用いた
制動手段を利用しているため、ダッシュポットを使用す
る場合と比べて簡単に、安価に構成することができる。

【００２５】更に、ジンバル復帰用のコイルばねとモー
タ１４への給電線とが兼ねてあり、それだけ簡単に構成
される。図４Ｂに示したように、スラスト軸受けとラジ
アル方向の軸受けとが同時に得られる軸受けの使用によ
りジンバルのセンタリングとその保持を容易に行うこと
ができる。またジンバルに対するモータの回転軸の方向
を変えて取り付けるだけで、その他の部分を変更するこ
となく、入力軸を変えることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例を示す分解斜視図。

【図２】Ａはその蓋を開けた平面図、Ｂは縦断面図、Ｃ
は側断面図である。

【図３】図１中のモータ１４の具体例を示す分解斜視
図。

【図４】Ａは制動手段の例を示す図、Ｂはジンバルの軸
受け部分を示す断面図、Ｃはモータとジンバルの取り付
け方向を変えた例を示す斜視図である。

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ジンバル内にモータを保持し、そのモー
   タの回転軸に対し、直角な軸心まわりに上記ジンバルを
   回動自在にケース内に保持したジャイロにおいて、 上記モータは、磁極検出素子及び電流切替スイッチング
   素子が内蔵されたブラシレス直流モータで構成されてい
   ることを特徴とするジャイロ。
2. 【請求項２】 上記ジンバルの変位量を光学的に検出す
   る手段を有することを特徴とする請求項１記載のジャイ
   ロ。
3. 【請求項３】 上記ジンバルの復帰手段として、上記ケ
   ースと上記ジンバルとの間にコイルばねが架張され、そ
   のコイルばねが上記モータへの給電線として兼用されて
   いることを特徴とする請求項１又は２記載のジャイロ。
4. 【請求項４】 上記ジンバルに取り付けられた金属板
   と、その金属板を横切るように磁界を発生するマグネッ
   トとよりなり、上記ジンバルの動きを制動する制動手段
   を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに
   記載のジャイロ。
5. 【請求項５】 磁気空隙形成手段と、その磁気空隙形成
   手段により形成された磁気空隙内に磁気的に保持された
   磁性流体と、その磁性流体内に位置され、上記ジンバル
   に取り付けられた制動板とよりなり、上記ジンバルの動
   きを制動する制動手段を有することを特徴とする請求項
   １乃至３記載のジャイロ。
6. 【請求項６】 上記ジンバルの変位を光学的に検出する
   ためのスリット板が上記ジンバルに取り付けられ、上記
   ジンバルの動きを制動するための制動板が上記ジンバル
   に取り付けられ、上記スリット板と上記制動板は、上記
   ジンバルの軸心に対して質量的に対称構造とされている
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のジ
   ャイロ。
7. 【請求項７】 上記ジンバルが筒状とされ、その筒状の
   軸心に対して上記モータの回転軸が平行とされているこ
   とを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のジャ
   イロ。
8. 【請求項８】 上記ジンバルは筒状とされ、その筒状の
   軸心に対して上記モータの回転軸が直角とされているこ
   とを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のジャ
   イロ。
9. 【請求項９】 上記ジンバルの回動軸の先端は円錐状部
   とされ、その円錐状部はスラスト方向及びラジアル方向
   の軸受けに保持され、その軸受けと固定部との間に弾性
   体が介在され、軸方向にずれ可能とされていることを特
   徴とする請求項１乃至８記載のジャイロ。