JPH0771962A - ジャイロコンパス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 寿命が長く且つ分解能及び精度の高いジャイ
ロコンパスを提供することを目的とする。 【構成】 ２つのジャイロ３０、３１及び２つの加速度
計３６、３５を有するプラットホーム３８と、プラット
ホーム３８を略水平な水平軸線周りに回転可能に支持す
る方位ジンバルと、２つの加速度計３６、３５の出力を
入力として指北制御信号を演算しその出力を２つのジャ
イロ３０、３１の実質的トルカに供給する指北制御演算
部と、２つのジャイロ３０、３１の出力を入力としてサ
ーボ演算を行いその結果を水平駆動手段及び方位駆動手
段に出力するサーボ演算部と、を含み、サーボ演算部は
プラットホーム３８を水平軸線周りに慣性空間に対して
鋸歯状に交番回転運動を付与するための交番回転命令部
を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は船舶等の航行体に装着し
て方位角を検出して発信するジャイロコンパスに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】図１０に従来のジャイロコンパスの例を
示す。ジャイロコンパスＡはジャイロロータを内蔵した
ジャイロケース１を有しており、斯かるジャイロロータ
は誘導電動機により一定の回転速度にて高速回転され
る。ジャイロロータ即ちジャイロは水平方向のスピン軸
線を有し、その回転ベクトルは南向き（北側より見て時
計方向）である。

【０００３】ジャイロケース１は上下に突出した１対の
垂直軸２、２’を有しており、斯かる垂直軸２、２’は
ジャイロケース１の外側に配置された垂直環３の対応す
る位置に取り付けられたボールベアリング４、４’の内
輪にそれぞれ嵌合している。上側の垂直軸２は縣吊線５
を介して縣吊線取り付け台５’に取り付けられており、
斯かる縣吊線取り付け台５’は垂直環３上に支持されて
いる。

【０００４】ジャイロケース１の全重量は縣吊線５又は
縣吊線取り付け台５’によって担われており、従って、
垂直軸２、２’のボールベアリング４、４’にはスラス
ト荷重が加わらず、ボールベアリング４、４’の摩擦ト
ルクが低減されることができる。

【０００５】垂直環３の東西両側には１対の液体安定器
６、６’が取り付けられ、ジャイロケース１の西側には
ダンピングウェイト７が取り付けられている。以下に詳
細に説明するように、液体安定器６、６’はジャイロケ
ース１を指北運動させるための指北装置として機能し、
ダンピングウェイト７はジャイロケース１の指北運動を
制振させるための制振装置として機能する。

【０００６】垂直環３は１対の水平軸９、９’を有し、
斯かる水平軸９、９’は垂直軸２、２’及びジャイロの
スピン軸線の双方に直交し東西の位置より外方に突出し
ており、斯かる水平軸９、９’の端部は垂直環３の外側
に配置された水平環１０の対応する位置に取り付けられ
たボールベアリング１１、１１’の内輪に各々嵌合して
いる。

【０００７】水平環１０は、更に、水平面内にて水平軸
９、９’と直交する１対のジンバル軸１２、１２’を有
する。斯かるジンバル軸１２、１２’の各々は、水平環
１０の外側に配置された追従環１３に取り付けられた１
対のジンバル軸ボールベアリング１４、１４’の内輪に
嵌合している。

【０００８】追従環１３はその上下に突出した１対の追
従軸１５、１５’を有しており、斯かる追従軸１５、１
５’は盤器１６の対応した位置に取り付けられた追従軸
ボールベアリング１７、１７’の内輪に嵌合している。

【０００９】上側の追従軸１５の軸端にはコンパスカー
ド１８が取り付けられており、斯かるコンパスカード１
８と盤器１６の対応する船首側の位置に固設された基線
１８Ｂとによって船首の方位角が読み取られる。下側の
追従軸１５’には方位歯車２１が取り付けられており、
斯かる方位歯車２１は方位ピニオン２０を介して盤器１
６の下部に取り付けられた方位サーボモータ１９の回転
軸１９Ａと結合している。方位歯車２１には歯車列を介
して方位発信器２２の回転軸２２Ａが係合しており、斯
かる方位発信器２２の方位信号は電気信号に変換されて
外部に発信される。

【００１０】水平環１０の内部、即ち、水平環１０、垂
直環３、ジャイロケース１等を含む部分は通常鋭感部と
呼ばれている。斯かる鋭感部はジンバル軸１２、１２’
の周りに下方に重い物理振子を構成しており、これによ
って水平軸９、９’は船体の傾斜に関係なく常に水平面
内に保持される。

【００１１】ジャイロケース１の東側には追従ピックア
ップ８が取り付けられており、斯かる追従ピックアップ
８はジャイロケース１に配置された差動変圧器の１次コ
イル８─１とこれに相対する垂直環３の位置に配置され
た差動変圧器の２次コイル８─２とよりなる。

【００１２】ジャイロケース１の方位と垂直環３の方位
との間に差があると、斯かる差は両者に設けられた追従
ピックアップ８によって検出され、斯かる方位差は電気
信号８Ａに変換されて外部のサーボ増幅器２３に供給さ
れる。斯かる電気信号８Ａはサーボ増幅器２３によって
増幅されて方位サーボモータ１９に供給され、それによ
って方位サーボモータ１９は制御される。

【００１３】方位サーボモータ１９の回転は、回転軸１
９Ａ、歯車列、方位歯車２１を経由して追従環１３に伝
達され、更に水平環１０、水平軸９、９’等を介して垂
直環３に伝達されるため、垂直環３とジャイロケース１
との間の方位偏差は常にゼロに保たれるようになってい
る。かくして方位サーボモータ１９を制御する方位サー
ボ系が構成される。

【００１４】方位サーボ系の作用により、水平軸９、
９’とジャイロのスピン軸線とは常に直交関係を保ち、
且つ縣吊線５の捩りトルクがジャイロケース１に加わる
ことはない。即ち、サーボ系を持った垂直軸２、２’、
水平軸９、９’及びジンバル軸１２、１２’の３軸の働
きによって、ジャイロケース１は船体の揺動等の角運動
から完全に遮断されることとなり、ジャイロスコープを
構成することとなる。

【００１５】斯かるジャイロスコープに指北力を付与し
コンパスとしての機能を与えるのが上述の液体安定器６
である。

【００１６】次に、図１１を参照して液体安定器６の構
造と機能を説明する。液体安定器６は一種の連通管であ
って、ジャイロケース１の南北に配置された第１の壺６
─１及び第２の壺６─１’と斯かる２つの壺６─１、６
─１’を上側で連通する空気管６─３と下側で連通する
液体管６─４とよりなり、その内部には２つの壺６─
１、６─１’内に液面が配置されるように高い比重の液
体６─２が充たされている。

【００１７】図１１はジャイロのスピン軸線が水平面に
対して角度αだけ傾斜しその指北端が水平面に対して上
昇している場合を示している。船体が停止している場合
には、液体６─２の液面は重力加速度ｇの方向と直交す
る。ジャイロケース１が傾斜していない場合と比較し
て、図の斜線で示した部分の液体が北側の第１の壺６─
１では減少し南側の第２の壺６─１’では増加する。

【００１８】ここで水平軸９、９’から両壺６─１、６
─１’の中心までの距離をｒ₁ 、両壺６─１、６─１’
の断面積をＳ、液体６─２の密度をρとすれば、斜線部
の液体の重量Ｇは、

【００１９】

【数１】Ｇ＝Ｓ×ｒ₁ ｓｉｎα×ρｇ

【００２０】となる。斯かる液体の変化重量Ｇに起因す
る不平衡によって水平軸９、９’周りのモーメントが発
生する。水平軸９、９’からのモーメントアームはｒ₁
であり、液体の重量Ｇの変化は南北２つの壺６─１、６
─１’にて生ずるため、液体安定器６の作る水平軸９、
９’周りのトルクＴ_H は、傾斜角αが小さいとき近似的
に、

【００２１】

【数２】Ｔ_H ＝２Ｓ×ｒ₁ ² α×ρｇ

【００２２】となる。ここで、

【００２３】

【数３】２Ｓ×ｒ₁ ² ×ρｇ＝Ｋ

【００２４】とおいて、Ｋを安定器定数又は指北定数と
称している。指北定数Ｋを使って数２の式を書き換える
と、

【００２５】

【数４】Ｔ_H ＝Ｋα

【００２６】こうして、液体安定器６においてジャイロ
のスピン軸線の水平面に対する傾斜角αに比例したトル
クが生じ、斯かるトルクはジャイロケース１を水平軸
９、９’の周りに回転させるように作用するので、ジャ
イロケース１は指北力を有し、斯くしてジャイロコンパ
スが構成される。

【００２７】次に図１２を参照してダンピングウェイト
７の構造と機能について説明する。液体安定器６によっ
て付与されたジャイロケース１の指北運動を制振させる
ために機能するのがダンピングウェイト７である。ダン
ピングウェイト７はジャイロケース１内に取り付けられ
ており、垂直軸２、２’を含みジャイロのスピン軸線に
直交する（紙面に垂直な）面上で垂直軸２、２’より
（紙面に垂直方向に）距離ｒ₂ だけ隔置された位置にて
ジャイロケース１に装着されている。図１２は、ジャイ
ロケース１又はジャイロのスピン軸線が水平面に対して
角度αだけ傾斜しその指北側が水平面より上昇した状態
をジャイロケース１の西側より見た場合を示す。

【００２８】ダンピングウェイト７の質量をｍとし重力
加速度をｇとすれば、鉛直方向にｍｇの力が働く。斯か
る鉛直方向の力ｍｇを互いに垂直な２つの成分、即ち、
垂直軸２、２’に平行な成分ｍｇｃｏｓαと、ジャイロ
のスピン軸線に平行な成分ｍｇｓｉｎαとに分解して考
える。垂直軸２、２’方向の成分ｍｇｃｏｓαは垂直軸
ボールベアリング４、４’の負荷として作用するのみで
あるが、ジャイロのスピン軸線方向の成分ｍｇｓｉｎα
は垂直軸２、２’の周りのモーメントを発生させ、ジャ
イロケース１を垂直軸２、２’の周りに回転させるトル
クを生じさせる。斯かるダンピングウェイト７によって
生ずるトルクをＴψと書き表すとすれば、ダンピングウ
ェイト７から垂直軸２、２’までの距離はｒ₂ であるか
ら、Ｔψは近似的に次式の如くなる。

【００２９】

【数５】Ｔψ＝ｍｇｒ₂ α

【００３０】ここで、

【００３１】

【数６】ｍｇｒ₂ ＝μ

【００３２】と置いてμをダンピング定数と称してい
る。斯かるダンピング定数μを使用すると、数５の式は
次のように書き換えられる。

【００３３】

【数７】Ｔψ＝μα

【００３４】ダンピングウェイト７によって生ずるトル
クＴψはジャイロのスピン軸線の水平面に対する傾斜角
αに比例し、ジャイロケース１を垂直軸２、２’周りに
回転させるように作用する。斯くしてダンピングウェイ
ト７はジャイロコンパスの指北運動を減衰させる機能を
有する。

【００３５】次に、従来の光ファイバジャイロについて
説明する。光ファイバジャイロは光のサグナック効果
（サニャック効果）を利用して角速度を計測するように
構成されており、高い信頼性を有し装置を小型化するこ
とができる利点があるため実用化が進んでいる。光ファ
イバジャイロのうち、干渉型光ファイバジャイロと称す
る形式のものがあり、これは複数回巻回された光ファイ
バループよりなる１本の長い光路を互いに反対方向に光
を伝播させ斯かる２つの伝播光の位相差より角速度を求
めるように構成されている。

【００３６】干渉型光ファイバジャイロは位相変調方式
とそれを改良したセロダイン方式とが開発されている。

【００３７】図１３は位相変調方式の光ファイバジャイ
ロの例を示す。光ファイバジャイロは、半導体レーザ、
発光ダイオード等の光源１０１と入射光を電流に変換す
る受光器１０２と１本の光ファイバを複数回巻回して形
成された光ファイバループ１０３と偏光子１０４と光フ
ァイバを伝播する光を合成し又は分岐するカプラ１０
５、１０６とを有する。光源１０１より出力された光線
は第１のカプラ１０５及び偏光子１０４を経由して第２
のカプラ１０６に導かれる。第２のカプラ１０６で光線
は分岐され、斯くして分岐された２つの光線は光ファイ
バループ１０３を互いに反対方向に伝播する。即ち、一
方は光ファイバループ１０３を右周りに伝播し、他方は
左周りに伝播する。

【００３８】光ファイバループ１０３に角速度Ωが加わ
ると、サグナック効果によって、光ファイバループ１０
３内を互いに反対方向に伝播する光はその出力端にて位
相差Δφを生ずる。斯かる位相差Δφは角速度Ωに比例
し、次の式で表される。

【００３９】

【数８】

【００４０】ここに、Ｒは光ファイバループ１０３のル
ープ径、Ｌは光ファイバループ１０３の長さ、λは光源
１０１から出力される光線の波長、Ｃは光速を表す。

【００４１】更に、斯かる位相変調方式の光ファイバジ
ャイロは、電流・電圧変換器１０７と位相変調器１０８
と信号発生器１０９と同期検波器１１０とを有する。受
光器１０２より出力された電流は電流・電圧変換器１０
７によって電圧に変換され電圧として出力される。位相
変調器１０８は光ファイバループ１０３の一端に配置さ
れており、信号発生器１０９から供給された基準信号に
よって作動される。位相変調器１０８によって光ファイ
バループ１０３内を互いに反対方向に伝播する光が位相
変調される。信号発生器１０９から供給される信号の角
周波数をω_P とすれば、電流・電圧変換器１０７の出力
電圧Ｉは、

【００４２】

【数９】 Ｉ＝ｋ｛１＋ｃｏｓΔφ（Ｊ₀ （ｘ）−２Ｊ₂ （ｘ）ｃｏｓ２ω_P ｔ＋・・・ ＋２ｎＪ_2n（ｘ）ｃｏｓ２ｎω_P ｔ＋・・・） ・・・−ｓｉｎΔφ（２Ｊ₁ （ｘ）ｓｉｎω_P ｔ−・・・）｝

【００４３】となる。ここで、ｘは位相変調度、Ｊ₀ 、
Ｊ₁ 、Ｊ₂ 、・・・はベッセル関数、ｋは比例定数、ｔ
は時間である。

【００４４】同期検波器１１０には信号発生器１０９か
ら角周波数ω_P の信号が供給され、斯かる基準信号によ
って出力電圧Ｖの角周波数成分のうち角周波数成分ω_P
が同期検波され、ｓｉｎΔφに比例する出力２ｋＪ
₁ （ｘ）ｓｉｎΔφが出力される。こうして、Δφを求
めて、数８の式より角速度Ωが求められる。

【００４５】

【発明が解決しようとする課題】従来のジャイロコンパ
スでは、ジャイロロータ（独楽）は玉軸受けによって支
持されている。ジャイロロータは比較的大きい重量を有
しスピン軸線周りに高速で回転するから、それを支持す
る玉軸受けの寿命が短い欠点があった。

【００４６】また、従来のジャイロコンパスでは、ジャ
イロロータの玉軸受けを定期的に検査してオーバーホー
ルする必要があった。

【００４７】

【課題を解決するための手段】本発明のジャイロコンパ
スによれば、例えば図１に示すように、互いに異なる方
向の入力軸線を有する２つの光ファイバジャイロ３０、
３１と、ジャイロ３０、３１の２つの入力軸線の作る平
面と直交する入力軸線を有する第１の加速度計３６と、
ジャイロ３０、３１の２つの入力軸線の作る平面と平行
で且つ水平面内の入力軸線を有する第２の加速度計３５
と、２つのジャイロ３０、３１及び２つの加速度計３
６、３５を有するプラットホーム３８と、プラットホー
ム３８を略水平な水平軸線周りに回転可能に支持する方
位ジンバルと、方位ジンバルを基台に対して水平軸線に
直交し且つ略鉛直方向の方位軸線周りに回転可能に支持
する支持手段と、入力信号に対応したトルクをプラット
ホーム３８の水平軸線の周りに加える水平駆動手段と、
入力信号に対応したトルクを方位ジンバルに対して方位
軸線の周りに加える方位駆動手段と、第１及び第２の加
速度計３６、３５の出力を入力として指北制御信号を演
算しその出力を２つのジャイロ３０、３１の実質的トル
カに供給する指北制御演算部と、２つのジャイロ３０、
３１の出力を入力としてサーボ演算を行いその結果を水
平駆動手段及び方位駆動手段に出力するサーボ演算部
と、を有する。

【００４８】本発明によれば、ジャイロコンパスにおい
て、サーボ演算部はプラットホーム３８を水平軸線周り
に及び方位軸線の周りに慣性空間に対して方形波状の交
番回転運動を付与するための交番回転命令部を有し、２
つの光ファイバジャイロ３０、３１は位相変調器、周波
数発信器及び同期検波器を用いない。

【００４９】本発明によれば、ジャイロコンパスにおい
て、２つのジャイロ３０、３１の入力軸線は水平軸線に
対して４５°以下の角度にて傾斜されており、サーボ演
算部はプラットホーム３８を水平軸線周りに慣性空間に
対して方形波状の交番回転運動を付与するための交番回
転命令部を有する。

【００５０】本発明によれば、ジャイロコンパスにおい
て、２つのジャイロ３０、３１は単一の光源１０１を使
用している。

【００５１】

【作用】２つの光ファイバジャイロ３０、３１と２つの
加速度計３５、３６がプラットホーム３８に取り付けら
れ、斯かるプラットホーム３８は東西方向軸線（Ｙ軸）
周りに回転可能に方位ジンバル３９に装着され、斯かる
方位ジンバル３９は方位軸線（Ｚ軸）周りに回転可能に
装着され、２つの光ファイバジャイロ３０、３１の入力
軸線の作る面が常に真北方向に対して直交するように制
御される。２つの光ファイバジャイロ３０、３１に常時
その入力軸線周りの交番角速度が入力されるように、方
位ジンバル３９及びプラットホーム３８は交番回転され
る。

【００５２】

【実施例】以下に図１〜図９を参照して本発明の実施例
について説明する。尚図１〜図９において図１０〜図１
３の対応する部分には同一の参照符号を付してその詳細
な説明は省略する。

【００５３】図１に本発明によるジャイロコンパスの例
を示す。先ず盤器１６に垂直にＺ軸をとり、盤器１６に
平行な面上にＸ軸及びＹ軸をとる。Ｘ軸を指北方向Ｎに
取り、東西方向にＹ軸をとる。盤器１６が水平面上にあ
るときは、Ｚ軸は鉛直でありＸ軸及びＹ軸は水平であ
る。

【００５４】本例のジャイロコンパスは方位ジンバル３
９を有し、斯かる方位ジンバル３９は盤器１６の上面に
Ｚ軸即ち方位軸線周りに回転可能に装着されている。方
位ジンバル３９は箱形の枠体の如き形状を有し、斯かる
箱形の枠体は縦に配置されている。

【００５５】方位ジンバル３９にはＹ軸に平行な軸線周
りに回転可能なプラットホーム３８が装着されている。
方位ジンバル３９の２つの側面に装着された水平軸軸受
け９Ａ、９Ａ’にプラットホーム３８の水平軸９、９’
が嵌合しており、それによってプラットホーム３８は支
持されている。

【００５６】プラットホーム３８の一方の水平軸９’に
は水平歯車３４が装着されており、斯かる水平歯車３４
は方位ジンバル３９の１つの側面に装着された水平サー
ボモータ３２の回転軸に装着された水平ピニオン３３と
噛み合っている。

【００５７】こうして、水平サーボモータ３２が回転す
ると、その回転運動は水平ピニオン３３及び水平歯車３
４を介してプラットホーム３８に伝達され、それによっ
てプラットホーム３８は水平軸９、９’周りに即ちＹ軸
周りに回転する。

【００５８】プラットホーム３８には鉛直軸線方向の入
力軸線を有するＺジャイロ３０と水平方向東向きの入力
軸線を有するＹジャイロ３１と水平方向北向きの入力軸
線を有するＸ加速度計３６と水平方向東向きの入力軸線
を有するＹ加速度計３５と有する。

【００５９】Ｚジャイロ３０によって鉛直軸線方向の角
速度が検出され、Ｙジャイロ３１によって水平方向東向
きの角速度が検出され、Ｙ加速度計３５によってプラッ
トホーム３８の東西方向の傾斜角度が検出され、Ｘ加速
度計３６によってプラットホーム３８の南北方向の傾斜
角度が検出される。

【００６０】本例によると、Ｚジャイロ３０とＹジャイ
ロ３１は図１３を参照して説明した光ファイバジャイロ
である。

【００６１】方位ジンバル３９の上面にはコンパスカー
ド１８が取り付けられており、斯かるコンパスカード１
８に隣接して基線１８Ｂが配置されている。基線１８Ｂ
は盤器１６に取り付けられており、それによって指示さ
れたコンパスカード１８の目盛りによって航行体の方位
が読み取られる。

【００６２】方位ジンバル３９の下側には方位歯車２１
が装着されており、斯かる方位歯車２１は盤器１６に取
り付けられた方位サーボモータ１９の回転軸に装着され
た方位ピニオン２０に噛み合っている。こうして、方位
サーボモータ１９が回転すると、斯かる回転運動は方位
ピニオン２０及び方位歯車２１を介して方位ジンバル３
９に伝達され、方位ジンバル３９は方位軸線周りに回転
する。

【００６３】更に、盤器１６には方位歯車２１に隣接し
てゼロクロスピックアップ３７が装着されており、斯か
るゼロクロスピックアップ３７によって方位歯車２１の
ゼロ点が検出される。

【００６４】図２を参照して本発明によるジャイロコン
パスの動作を説明する。図２はジャイロコンパスの制御
系を示し、第１及び第２の積分器４０、４１と指北演算
器４２が設けられている。

【００６５】Ｙジャイロ３１より出力された角速度信号
は第１の積分器４０を介して水平サーボモータ３２に供
給される。それによって水平サーボモータ３２は作動
し、プラットホーム３８はＹ軸周りに回転する。こうし
てプラットホーム３８は慣性空間に対してＹ軸周りに常
に安定化される。

【００６６】Ｚジャイロ３０より出力された角速度信号
は第２の積分器４１を介して方位サーボモータ１９に供
給される。それによって方位サーボモータ１９は作動
し、方位ジンバル３９は方位軸線周りに回転する。こう
してプラットホーム３８は慣性空間に対して方位軸線周
りに常に安定化される。

【００６７】Ｘ加速度計３６とＹ加速度計３５より出力
された傾斜角信号は指北演算器４２を介して第１の及び
第２の積分器４０、４１に供給される。それによってプ
ラットホーム３８は水平方向且つ真北方向に指向するよ
うに制御される。

【００６８】図３及び図４を参照して本例のジャイロコ
ンパスに使用される指北演算器４２の構成例と動作を説
明する。図３に示すように、本例の指北演算器４２は指
北ゲイン演算部４２−１とダンピングゲイン演算部４２
−２と座標変換演算部４３−３と２つの加算器４３−
４、４３−５とを有する。

【００６９】Ｘ加速度計３６より出力された南北傾斜角
信号θ_X は指北ゲイン演算部４２−１に供給され、そこ
で係数Ｋ／Ｈが乗算されて（Ｋ／Ｈ）θ_X が演算され
る。同様に、南北傾斜角信号θ_X はダンピングゲイン演
算部４２−２に供給され、そこで係数μ／Ｈが乗算され
て（μ／Ｈ）θ_X が演算される。ここで、Ｈは角運動量
単位を角度単位に変換する換算値である。

【００７０】Ｙ加速度計３５より出力された東西傾斜角
信号θ_Y は座標変換演算部４２−３に供給されて係数ｓ
ｉｎθ_Y 、ｃｏｓθ_Y が求められ、斯かる係数ｓｉｎθ
_Y 、ｃｏｓθ_Y が上述の値（Ｋ／Ｈ）θ_X 、（μ／Ｈ）
θ_X に乗算される。

【００７１】図４は座標変換演算部４２−３にて演算さ
れる座標変換の関係を表す。斯かる座標変換演算部４２
−３では、図示の如き、東西方向のベクトル（μ／Ｈ）
θ_Xと鉛直方向のベクトル（Ｋ／Ｈ）θ_X に対してそれ
ぞれ水平軸線（Ｙ軸）方向成分及び方位軸線（Ｚ軸）方
向成分が求められる。

【００７２】これらの値は２つの加算器４２−４、４２
−５にて加算される。それによって次の値が求められ
る。

【００７３】

【数１０】ΔＶ＝（Ｋ／Ｈ）θ_X ｃｏｓθ_Y ＋（μ／
Ｈ）θ_X ｓｉｎθ_Y ΔＨ＝−（Ｋ／Ｈ）θ_X ｓｉｎθ_Y ＋（μ／Ｈ）θ_X ｃ
ｏｓθ_Y

【００７４】数１０の式の鉛直軸線周りの偏角信号ΔＶ
は第２の積分器４１に供給され、水平軸線周りの偏角信
号ΔＨは第１の積分器４０に供給される。

【００７５】船体が傾斜運動をするとＺジャイロ３０の
入力軸線及びＹジャイロ３１の入力軸線は水平面に対し
て指北軸線Ｎの周りに傾斜する。従って、制御系の方位
セーボモータ１９及び水平サーボモータ３２によってト
ルキングされるとき、プラットホーム３８は慣性空間に
対して斯かる入力軸線周りに回転する。

【００７６】しかしながら本例によると、上述の如き方
位軸線周りのトルキングは偏角信号ΔＶによって補正さ
れ、Ｙ軸周りのトルキングは偏角信号ΔＨによって補正
されるから、プラットホーム３８は常に真の鉛直軸線周
りに且つ真の水平軸線周りにトルキングされることとな
る。

【００７７】こうして本例によれば、Ｚジャイロ３０及
びＹジャイロ３１は図１３にて示した位相変調器１０８
を具えた光ファイバジャイロを用いることができる。

【００７８】図５及び図６を参照して本発明の第２の実
施例を説明する。この例ではＺジャイロ３０及びＹジャ
イロ３１に図１３に示した光ファイバジャイロとは異な
る構成のものを使用する。即ち、この例で使用する光フ
ァイバジャイロは図１３の光ファイバジャイロより位相
変調器１０８、信号発生器１０９及び同期検波器１１０
が除去され、電流・電圧変換器１０７の出力が直接に第
１及び第２の積分器４０、４１に出力されるように構成
されている。

【００７９】図１３の光ファイバジャイロにて位相変調
器１０８が除去された場合には電流・電圧変換器１０７
の出力信号Ｉは、数９の式でＪ₀ （ｘ）＝１、Ｊ₁ ＝Ｊ
₂ ＝・・・＝０とおいて、

【００８０】

【数１１】Ｉ＝ｋ（１＋ｃｏｓΔφ）

【００８１】となる。図６は斯かる数１１の式を表すグ
ラフであり、横軸は位相差Δφ又は角速度Ω、縦軸は出
力信号Ｉである。出力信号Ｉは余弦特性を有し、位相差
Δφ＝０の近傍では感度が略ゼロとなり、位相差Δφ＝
±π／２の近傍では感度が最大になる。従って、位相差
Δφが０近傍の値を取らないように、位相差Δφ＝±π
／２に対応する角速度信号±Ω₀ を付加すればよい。

【００８２】図５に示すように、この第２の例では指北
演算器４２に方形波駆動信号を供給する方形波駆動信号
発生器４３が更に設けられている。方形波駆動信号発生
器４３によって生成される方形波駆動信号は角速度の値
を＋Ω₀ 及び−Ω₀ に交互に変化させるための交番信号
である。

【００８３】指北演算器４２は指北ゲイン演算部４２−
１とダンピングゲイン演算部４２−２の出力側に加算器
４２−６、４２−７を有し、斯かる加算器４２−６、４
２−７に方形波駆動信号が供給される。従って、加算器
４２−４、４２−５からは方形波駆動信号が重畳された
信号が出力される。

【００８４】方形波駆動信号が重畳された信号は各積分
器４０、４１を介して水平サーボモータ３２及び方位サ
ーボモータ１９に供給される。それによって方位ジンバ
ル３９は慣性空間に対して方位軸線（Ｚ軸）周りに交番
的に回転し且つプラットホーム３８は東西方向軸線（Ｙ
軸）周りに交番的に回転する。斯かる交番的回転運動に
よって上述の如き角速度Ωがゼロ近傍の感度低下が回避
される。こうして、本例によれば方形波駆動信号発生器
４３を設けることによって、Ｚジャイロ３０及びＹジャ
イロ３１として位相変調器１０８が除去された光ファイ
バジャイロを使用することができる。

【００８５】図７に本発明の第３の例を示す。この第３
の例は図１に示した第１の例と比較して、プラットホー
ム３８に装着されたＺジャイロ３０及びＹジャイロ３１
の設置位置が異なり、それ以外の部分は第１の例と同一
であってよい。

【００８６】本例によると、Ｚジャイロ３０及びＹジャ
イロ３１は指北線周りに所定の回転角度だけ回転して配
置されている。即ち、Ｚジャイロ３０の入力軸線及びＹ
ジャイロ３１の入力軸線は水平軸３９に対して所定の角
度θ₀ だけ傾斜している。斯かる入力軸線の水平方向と
のなす角θ₀ は例えば４５°又は４５°以下の角度であ
ってよい。更に、Ｚジャイロ３０の入力軸線とＹジャイ
ロ３１の入力軸線の成す角が９０°又は９０°以下とな
るように配置してもよい。

【００８７】図８を参照して本発明の第３の例に使用さ
れる制御系の構成及び動作を説明する。本例の制御系は
図５に示した第２の例の制御系と比較して、更に、入力
軸座標変換演算器４５を有する点が異なる。即ち、本例
の制御系は、第１及び第２の積分器４０、４１と指北演
算器４２と方形波駆動信号発生器４３と入力軸座標変換
演算器４５とを有する。入力軸座標変換演算器４５は２
つの加算器４５−１、４５−２と２つの係数器４５−
３、４５−４とを有する。

【００８８】Ｚジャイロ３０の出力信号とＹジャイロ３
１の出力信号をそれぞれＨ₁ 、Ｈ₂とし、２つのジャイ
ロ３０、３１の水平軸３９に対する取り付け角、即ち、
その入力軸線が水平軸線となす角をθ₀ とする。入力軸
座標変換演算器４５によって演算される等価Ｚジャイロ
出力Ｈ_Z 及び等価Ｙジャイロ出力Ｈ_Y は次のようにな
る。

【００８９】

【数１２】Ｈ_Y ＝（Ｈ₂ −Ｈ₁ ）ｃｏｓθ₀ Ｈ_Z ＝（Ｈ₂ ＋Ｈ₁ ）ｓｉｎθ₀

【００９０】斯かる等価Ｚジャイロ出力信号Ｈ_Z 及び等
価Ｙジャイロ出力信号Ｈ_Y はそれぞれ第１の積分器４０
及び第２の積分器４１に供給される。

【００９１】本例の指北演算器４２は図５の指北演算器
４２と略同一の構成を有するが、本例では、第３の加算
器４２−６が除去され、第４の加算器４２−７が第２の
加算器４２−５の出力側に設けられている点が異なる。
方形波駆動信号発生器４３より出力された方形波駆動信
号は斯かる第４の加算器４２−７に供給される。

【００９２】こうして本例では、プラットホーム３８に
対して慣性空間に対する水平軸線（Ｙ軸）周りの交番的
な回転運動が付与されるが、方位軸線周りの交番的回転
運動は付与されないように構成されている。

【００９３】本例では方位ジンバル３９は方位軸線周り
の交番的回転運動を付与されないから、コンパスカード
１８と基線１８Ｂとによって船体の方位を容易に読み取
ることができる。また、第２の例の場合に比較して容量
の小さな方位サーボモータ１９を使用することができ
る。

【００９４】等価Ｙジャイロの出力値Ｈ_Y は等価Ｚジャ
イロの出力値Ｈ_Z より重要であるが、本例では、等価Ｙ
ジャイロの出力値Ｈ_Y は水平軸３９に対する取り付け角
θ₀を４５°より小さい値にすることによって、高い精
度にて得ることができる。

【００９５】図９に本例のジャイロコンパスに使用され
る光ファイバジャイロ３０、３１の例を示す。各光ファ
イバジャイロ３０、３１に対して別個の光源１０１が使
用されてよいが、好ましくは図示のように、単一の光源
１０１が使用される。２つの光ファイバジャイロ３０、
３１に対して単一の光源１０１を使用する場合には、光
源１０１に光を分配するための分配器又はカプラ１２０
が設けられる。

【００９６】２つの光源を使用する場合には、各光源の
光強度が個々に変化して命令角速度信号に差が生ずる不
都合があるが、２つの光ファイバジャイロ３０、３１に
対して単一の光源１０１を使用する場合には、斯かる不
都合が生ずることはない。さらに、ジャイロコンパスの
製造費用が低減化される利点がある。

【００９７】以上本発明の実施例について詳細に説明し
てきたが、本発明は上述の実施例に限ることなく本発明
の要旨を逸脱することなく他の種々の構成が採り得るこ
とは当業者にとって容易に理解されよう。

【００９８】

【発明の効果】本発明によれば、Ｙジャイロ及びＺジャ
イロとして光ファイバジャイロを使用するから、機械式
ジャイロで使用される玉軸受け等の磨耗品を使用しない
ため、寿命が長く且つメンテナンスが容易なジャイロコ
ンパスを提供することができる利点がある。

【００９９】本発明によれば、方位ジンバル３９及びプ
ラットホーム３８に慣性空間に対する交番回転を付与す
ることによって、位相変調方式の光ファイバジャイロで
使用される位相変調器、信号発生器、同期検波器等が不
要となり、より簡単な構成の且つ製造費用が安いジャイ
ロコンパスを提供することができる利点がある。

【０１００】本発明によれば、方位ジンバル３９及びプ
ラットホーム３８に慣性空間に対する交番回転を付与す
ることによって、位相変調方式の光ファイバジャイロで
使用される位相変調器が不要となり、温度変化等の影響
を受けることが少ない高分解能且つ高性能のジャイロコ
ンパスを提供することができる利点がある。

【０１０１】本発明によれば、Ｙジャイロ及びＺジャイ
ロをその入力軸線が指北軸線周りに所定の角度に回転偏
倚するように配置し、プラットホーム３８に水平軸線周
りの交番回転を付与することによって光ファイバジャイ
ロにおける微小入力時の感度不良問題を解決し、方位軸
線周りの交番回転を付与しないことによってコンパスカ
ード１８と基線１８Ｂとより船体の方位を容易に読み取
ることができる利点がある。

【０１０２】本発明によれば、Ｙジャイロ及びＺジャイ
ロをその入力軸線が指北軸線周りに所定の回転角度に回
転偏倚するように配置し、プラットホーム３８に水平軸
線周りの交番回転を付与するが方位軸線周りの交番回転
を付与しないことによって、容量の小さな方位サーボモ
ータ１９を使用することができる利点がある。

【０１０３】本発明によれば、水平軸線に対するジャイ
ロの入力軸線の傾斜角度、即ち、水平軸３９に対する取
り付け角θ₀ を４５°以下の値にすることによって、よ
り重要な等価Ｙジャイロの出力を等価Ｚジャイロの出力
より高い精度にて得ることができるから、より高い精度
のジャイロコンパスを構成することができる利点があ
る。

【０１０４】本発明によれば、光源に分配器又はカプラ
１２０を設けて２つのジャイロに対して単一の光源を使
用することができるから、それによって、光源の光強度
の変化が座標変換系に与える影響を除去し、製造費用の
低減を図ることができる利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のジャイロコンパスの例を示す図であ
る。

【図２】本発明のジャイロコンパスの制御系の例を示す
図である。

【図３】指北演算器の構成例を説明する説明図である。

【図４】座標変換器の動作を説明する説明図である。

【図５】指北演算器及び方形波駆動信号発生器の構成例
を説明する説明図である。

【図６】光ファイバジャイロにおいて、位相変調器を使
用しない場合の電流・電圧変換器の出力信号を示す図で
ある。

【図７】本発明のジャイロコンパスの第２の例を示す図
である。

【図８】本発明のジャイロコンパスの第２の例で使用さ
れる指北演算器及び方形波駆動信号発生器の構成例を説
明する説明図である。

【図９】本発明のジャイロコンパスで使用される光ファ
イバジャイロの構成例を示す図である。

【図１０】従来のジャイロコンパスの例を示す図であ
る。

【図１１】液体安定器の構成例を示す図である。

【図１２】ダンピングウェイトの原理を説明する説明図
である。

【図１３】従来の光ファイバジャイロの構成例を示す図
である。

【符号の説明】

１ ジャイロケース ２、２’ 垂直軸 ３ 垂直環 ４、４’ボールベアリング ５ 縣吊線 ５’縣吊線取り付け台 ６、６’ 液体安定器 ７ ダンピングウェイト ８ 追従ピックアップ ９、９’ 水平軸 １０ 水平環 １１、１１’ ボールベアリング １２、１２’ ジンバル軸 １３ 追従環 １４、１４’ ボールベアリング １５、１５’ 追従軸 １６ 盤器 １７、１７’ ボールベアリング １８ コンパスカード １８Ｂ 基線 １９ 方位サーボモータ １９Ａ 回転軸 ２０ 方位ピニオン ２１ 方位歯車 ２２ 方位発信器 ２３ サーボ増幅器 ３０ Ｚジャイロ ３１ Ｙジャイロ ３２ 水平サーボモータ ３３ 水平ピニオン ３４ 水平歯車 ３５ Ｙ加速度計 ３６ Ｘ加速度計 ３７ ゼロクロスピックアップ ３８ プラットホーム ３９ 方位ジンバル ４０、４１ 積分器 ４２ 指北演算器 ４２−１ 指北ゲイン演算部 ４２−２ ダンピングゲイン演算部 ４２−３ 座標変換演算部 ４２−４、４２−５、４２−６、４２−７ 加算器 ４３ 方位波駆動信号発生器 ４５ 入力軸座標変換演算器 ４５−１、４５−２ 加算器 ４５−３、４５−４ 係数器 １０１ 光源 １０２ 受光器 １０３ 光ファイバループ １０４ 偏光子 １０５、１０６ カプラ １０７ 電流・電圧変換器 １０８ 位相変調器 １０９ 信号発生器 １１０ 同期検波器

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 互いに異なる方向の入力軸線を有する２
   つの光ファイバジャイロと、該ジャイロの２つの入力軸
   線の作る平面と直交する入力軸線を有する第１の加速度
   計と、上記ジャイロの２つの入力軸線の作る平面と平行
   で且つ水平面内の入力軸線を有する第２の加速度計と、
   上記２つのジャイロ及び上記２つの加速度計を有するプ
   ラットホームと、該プラットホームを略水平な水平軸線
   周りに回転可能に支持する方位ジンバルと、該方位ジン
   バルを基台に対して上記水平軸線に直交し且つ略鉛直方
   向の方位軸線周りに回転可能に支持する支持手段と、入
   力信号に対応したトルクを上記プラットホームの上記水
   平軸線の周りに加える水平駆動手段と、入力信号に対応
   したトルクを上記方位ジンバルに対して上記方位軸線の
   周りに加える方位駆動手段と、上記第１及び第２の加速
   度計の出力を入力として指北制御信号を演算しその出力
   を上記２つのジャイロの実質的トルカに供給する指北制
   御演算部と、上記２つのジャイロの出力を入力としてサ
   ーボ演算を行いその結果を上記水平駆動手段及び方位駆
   動手段に出力するサーボ演算部と、を有するジャイロコ
   ンパス。
2. 【請求項２】 請求項１記載のジャイロコンパスにおい
   て、上記サーボ演算部は上記プラットホームを上記水平
   軸線周りに及び上記方位軸線の周りに慣性空間に対して
   方形波状の交番回転運動を付与するための交番回転命令
   部を有し、上記２つの光ファイバジャイロは位相変調
   器、周波数発信器及び同期検波器を用いないことを特徴
   とするジャイロコンパス。
3. 【請求項３】 請求項２記載のジャイロコンパスにおい
   て、上記２つのジャイロの入力軸線は水平軸線に対して
   ４５°以下の角度にて傾斜されており、上記サーボ演算
   部は上記プラットホームを上記水平軸線周りに慣性空間
   に対して方形波状の交番回転運動を付与するための交番
   回転命令部を有することを特徴とするジャイロコンパ
   ス。
4. 【請求項４】 請求項１、２又は３記載のジャイロコン
   パスにおいて、上記２つのジャイロは単一の光源を使用
   していることを特徴とするジャイロコンパス。