JPS61172009A - ジヤイロコンパス - 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】 従来の舶用ジャイロコンノにスは大型で真比制定時間が
長く高価であったが本発明ジャイロコンパスは真比測定
又は制定時間が極めて早く真比決定精度も飛躍的に向上
し小型軽量廉価である等のすぐれた特長をそなえるもの
１ある。

本発明ジャイロコンパスを図面について説明すると次の
通りフある。

第１図及び第２図、第３図に於いてジャイロモーター（
１）はその回転軸（ＸＸ’）のまわりにインＩ々−ター
ｅｌ１）からの交流電力を受けて矢印の方向に高速回転
しジャイロモーターの回転軸（ｘｘ’）はモーター枠体
（２）により支えられ、ジャイロ軸と直交した垂直な回
転軸（２ｓ）（２ｓ’）とベアリング（２Ｂ）（２Ｂ）
により第一ジンバル枠（３）の中で回転自在に支承され
、且つ第一ジンバル枠（３ンの上部の吊金具（５）から
吊線（６）ｌこよりジャイロモーター（１）を含むモー
ター枠体（２）を吊っている。

第一ジンバル枠（２）は略その重心上にある水平回転軸
（３Ｅ＋）（ａｓ’）とベアリング（３Ｂ　）　（３Ｓ
′）により第二水平ジン−々ル枠（４）の中で回転自在
に支承され、第二水平ジンバル（４）は第一ジンノ々ル
水平軸（３Ｂ）（３Ｓ′）と同一水平面内フこれと直交
する第ニシン・々ル軸（図示せず）により第一ジンバル
軸と同様な方法により追従枠Ｉ内に回転自在に支えよれ
、追従枠αυは上下の垂直軸（工ｔｓ）（１１Ｂ’　）
とベアリング（ＩＩＢ　）　（ＩＩＢ’）によりジャイ
ロ本体（ハ）の台ＭＣ２ｎ上の下盤に）と上面ガラス板
（ハ）の間１全周自在に回転できる構造にしである。

追従枠＜１１１の上部軸（１１８）には方向盤α３があ
りカッマーガラス（至）を通じて指標（２）により方向
角を読みとることが１きる。

尚上部軸（１１８）上の方向盤下部にはジャイロモータ
ーや他の制御回路への電力を供給するためのスリップリ
ング（Ｉりがある。

追従枠αＤの下部軸（ＩＩＥＩ）には追従枠を駆動する
追従歯車＠がありサー？モーター働の歯車（２）が噛み
合っている。

真比制定型のジャイロコンパスを構成する場合は追従歯
車＠とシンクロ発信器翰の歯車Ｃ２１）が噛み合い方向
角を遠隔伝送するシンクロ受信器＋４１１と接続されリ
ピータ−を駆動する。

真比演算型のジャイロコンパスに於いては追従枠下部軸
（１１Ｂ’　）上に回転磁気目盛盤α樽を設ける。

磁気目盛盤＜ＩＩ）ま真円金属ドラムの円周上に磁性膜
を塗布しこれに精密な磁気目盛を録音したものでピック
アップａ場とディテクター（至）により、１易親目盛を
瞬時に１７２００　（３’）まで細分割して方向角を電
気信号としてデジタルでとりだしカウンター（（７）で
方向角を計数表示させることが１きる。

以上の構造に於いてジャイロモーター（１）は略奮心１
支えているためジャイロモーターが高速回転するかぎり
そ一ター軸（Ｘ　Ｘ’　）は地球自転と無関係に絶対空
間に於いて一定方向を指向する、０しかし地球は１分間
に１ルの角度の割合で自転しているためモーター枠体（
２）に取付けられた液体楔（１ｅの上表面は水平面を保
つが下面のガラス板αηは地球自転に応じた傾きを生ず
る。この傾斜角を自動的に光電検出する方法及び検出信
号を用いてジャイロの回転軸に圧下トルクを加え才差運
動を発生させるための光学的構造及び電気回路について
第４図により説明する。

第４図は第１図に示す傾斜検出装置の側面図を示すもの
で第一ジンバル枠（３）に固定された光電オートコリメ
ーターα射よ反射＠（Ｍ、）とＭ（至）ニヨリ一体の構
造になっている。

オートコリメーターＩは対物レンズ（Ｌ工）の光軸上に
光軸と４５°の傾きをもって配置された半透明鏡（Ｍ１
）を経て直角に曲げられた光軸上の焦点面に配置された
発光ダイオード（より）による光を対物レンズを通じて
平行光束として反射鏡（Ｍ２）側に送り出す。

発光ダイオード（より）は直径α２〜α５ｉｅｓ＋の点
光源フあり寿命が半永久的で光源位置が安定１単色光、
小型、小電力１対震性にすぐれ、本装置に利用する光源
として極めて有利である。

今前記した光電オートコリメーターａ４の光路上に液体
楔ａＱがないとすれば対物レンズ（Ｌ□）から発射され
た平行光束は反射鏡（Ｍ２）により反射され、再び対物
レンズ１集束され半透明鏡（Ｍ８）を通過後凹レンズ（
−２）により焦点距離を増倍しその焦点面に光源像（φ
）を結ぶ。

焦点面には光電変換素子（ＰＤ、）（ＰＤ２）が光軸対
象に２個配置してあり両者の素子に入射した光は夫々光
電変換され差動増巾器（至）を経てトルクモーターの励
磁コイル（９）に供給され第一ジンバル枠の回転軸（３
Ｅ＋’）に直結したトルクモーターｒラム員に回転力を
発生せしめ、その結果圧下トルクを与えることが１きる
。

しかし前記するように液体楔α・がない場合は反射像は
軸対象に結像するから二つの光電素子の出力は等しく差
動増巾器の出力は零でありトルクモーターに回転力は生
じない。

前記するオート；リメーター（１４１の平行光路上に第
一ジンノ々ル枠（３）に固定した液体楔αｅを入れると
モーター軸が水平面から傾いた角度と等しい角度が液体
疾に与えられ傾斜信号を光電検出することがフきる。

液体棟顛は前記するように第一ジンバル枠（３）に固定
された円筒舖内に適轟な粘度を有する透明液体αのを上
下に平行なガラス板ａηｆ封入したものｆある。

このような構造の装置に於いてジャイロモーター（１）
がその回転軸（ＸＸ）のまわりに高速回転し　　、運転
状態になるとジャイロの回転軸は地球自転に無関係に一
定方向を指向するが液面は常に水平面を保つため地球自
転角１キ／６ｏｓｅｅの割合１傾角（０）を生ずる。

傾角即ち頂角（０）を有する液体プリズムにコリメータ
ーの射出光が入射するとその偏角αはα＝（ｎ−１）・
０ だけ楔の厚い方向に偏光する。

一般に液体の屈折率ｎは１．５１あるからα；α５・θ
となる。この屈折光が反射鏡ＣＭ２）により反射される
と光テコの原理により反射方向が逆となり再び液体楔で
０．５・０の偏角を受けて行き戻りの合計で ０．５ｅθ＋０．５・θ＝０ の偏角を生ずる。

偏角θを受けた反射光が対物レンズに入射するとすれば
これが焦点面に光源像を結像した場合光電素子面に於け
る光軸からの像の変位置ΔＢは対物レンｉ（Ｉ＋、）と
凹レンズ（Ｌ、）ｊζよって合成された焦点距離Ｆと前
記偏角０の積 ΔＳ＝Ｆ・　０ の変位を生じΔＳに比例した電気信号を得、トルクモー
ターに圧下トルクを与える。圧下トルクの量は前記コリ
メーターの焦点距離Ｆと差動増巾器の増巾度により定ま
る。

以上の説明から明らかなように本発明は液体楔を用いる
ことにより、機械的振子長が略零でしかもコリメーター
の焦点距離と等価な振子を用いた傾斜計と同等な光電出
力が得られるからジャイロ装置が大きな動揺又は水平加
速度を受けても指北作用に殆んどその影響を受けない。

又凹レンズ（Ｌ２）を組合せて合成焦点距離を長くした
＼め変位置へＳが大きくなり差動増巾器の増巾度を余り
大きくしなくても多大な圧下トルクを与えることができ
その結果１差運動の周期を大巾に短縮することがフきる
。

このように本発明ジャイロコンパスは前記傾斜検出装置
及びトルクモーターによる圧下トルクの伝達方法により
第一ジンノ々ル枠（３）が速い速度フオ差運動を行うが
、第一ジンノ々ル枠の回転摩擦を極少にするため第一ジ
ンノ々ル枠上部から吊金具（５）によりジャイロモータ
ー（１）及びモーター枠体（２）の重量を支えるのに充
分な張力を有する金属吊線（６）で吊り上下の回転軸（
２Ｂ）（２Ｅ１）とラジアルゼールベアリング（２Ｂ）
（２Ｂ）で円滑回転できるようにしである。

そごフモーター枠体（２）が才筆運動により角変化を生
ずるとモーター枠体に支持腕で取付けられた差動変圧器
のコアー（７′）と第一ジンバル枠（３）に固着された
差動コイル（７）との間に位置変化を生じその結果角変
化に応じた電気信号を発生する。

この角変化信号はスリップリングａりを経てサーぜ増巾
器（至）電力増巾器（至）により増巾されサーボそ一タ
ー（２）に供給され歯車機構を介して追従枠α８を駆動
し才筆運動と同様な運動をサーボ追尾する。

本発明ジャイロコンパスは前記するような構造をもたせ
次に示すような方法により才筆運動を短時間に制定させ
るか、自動演算システムにより才筆運動を制定すること
なく短時間に且つ高精度に真比を決定させることに意義
がある。

真比制定型のジャイロコンパスｌスを構成する場合は、
第３図に示すような自動制御回路（至）を設け、才筆運
動を短時間に制定し真比を指向させるようにしたもので
ある。

第６図に於いてジャイロモーターの回転軸（ＸＸ’）が
東西を向いて水平に吊られたとすればモーター軸のＮ側
は毎分１５の割合で上るため液体疾ａｅとトルクモータ
ーα〔により圧下トルクが加はり、Ｓ〜８′に示すよう
な才筆運動を生じ、Ｎ方位通過点フモーター軸の傾斜角
は積分され才筆運動のスピードは点線Ｐ□〜Ｆ、Ｊζ示
す如く最大とｆ（す、Ｎ方位通過後は逆の傾斜角を受は
積分傾斜角は減少し西側の方位でとまり、今度はＳ端が
圧下トルクを受は運動方向は逆となり、いわゆる才筆運
動を行う。

上記の才筆運動に於いて傾斜角の積分値は常に液体楔の
出力として得られるもの１あり、これを微分すれば微分
値が零を示す点、又は刻々傾斜角を前時刻の値と比較し
これが等しくなる点はモーター軸が略Ｎ方位を通過した
時点〕あり、その時点ｆ傾斜角に比例した瞬時制動電流
をトルクモーター（１１の励磁コイル（９）に重畳して
加えれば傾斜角はＰ２〜Ｐ０になりその結果才差運動の
振巾を大巾に減少させることが１きる。又残存振巾Ｐ３
は次のＮ方位通過点１同嘩に制動が加えられＰ４からＰ
。

に減衰し数回の制動インＡルスによりＮ方位に短時間に
制定することが１きる。

尚上記の方法は制動電流のノルス巾が一定のものをＮ方
位通過点の傾斜角に比例した数だけ加え、デジタル的に
制御してもよい。舶用ジャイロの如く才筆運動の振巾が
上記の制御手段を経て１°未満となり実用上問題になら
ない精度限界となれば制動インノルスは停止し一般ジャ
イロコンパスと同様な作動をさせればよい。

真比演算型のジャイロコンパスは第５図に示スように方
向を検知しようとする装置又は船舶等の方向を（ＹＹ）
としくＹＹ’）が真比となす角をＸとする◇ ジャイロは真比Ｎを中心に才筆運動を行うためＳからｄ
に正弦振動をする。　゛ 才筆運動の周期Ｔはジャイロモーターの回転数、慣性モ
ーメント、圧下トルクの検出ループの利得常数１定まる
。例えば回転子直径５２−のジャイロモーターを１２０
０ＯＲＰＭ’ｔ’回転すると慣性モーメントは約７００
ｆ　−ｃｍ”　？、周期Ｔは４分程度となり一定値を示
す。

振巾すはジャイロモーターの回転軸を東西方向としてク
ランプを解放するとき最大値を示し真比近傍１は小さな
値となる。

このような才筆運動は第５図に示すように略完全な正弦
運動を形成するものであり時刻ｔから２ｘΔｔだけ進ん
だ時刻に於ける振巾をａ□、Δｔ　進んだ時刻の振巾を
ａ２）時刻ｔ″ｒ！ａ３、逆にΔを遅れた時刻の振巾を
ａ４．２ｘΔを遅れた時刻をａｓとする。

これ等の値は周期Ｔ、最大振巾ｂ１装置の方向が真比と
Ｘの角度だけずれた方位に於ける軸上で正弦波形上にあ
る。

本装置の角度読取り信号は前記Δｔの時間々隔１第２図
の電気回路図に示すシーケンス回路（２）から発せられ
、回転磁気目盛盤ｃＩυのデテクター（至）の出力をカ
ウンター（ロ）で読みとった測角値はコンピューター（
至）に一時記憶される。

周期Ｔが一定なジャイロシステムｆはサンプリング角度
ａｘ　ｘ　ａｓ　＋　ａ４を用いて真比を次式によって
求めることが↑きる０ ２π ａ２＝Ｘ＋ｂｓｉｎ　（Ｚ−；Δｔ）・・・・・・・・
・・・・・・・（１）ａ３＝ｘ＋ｂａ１ｎｚ　　　　・
・・・・・・・・・・・・・・（２）ａ、＝Ｘ＋ｂＢｉ
ｎＺ＃「吃ｔ−ｂｓｉｎ−ムｔ　・ａａｓＺＴ　　　　
　　　　　Ｔ ・・・・・・・・イ１） ・・・・・・・・・噛 １６式に一２ｃｘＩ２！Δｔを乗じ（１’）（ｆｆｉｔ
　＜ｉ＋式の和をとると１ｆ ｘ＝　ａ・−２°・−チｔ＋ａ・　　　　０６０８．１
１０２１０．１４）上式中周期Ｔ１Δｔは既知、ａ２・
ａ３．　ａ、は測定値１あるから真比からの方位角Ｘは
コンピューター（至）により（４）式を解いて直ちにデ
ジタル表示部−により表示させることが１きる。また周
期Ｔが未知であったり、不定ｆあるジャイロシステムは
測定値ａ１ｅ　ａ２　ｔ　ａ３　ｒ　ｔＬ４＋　ａｓを
用いて周期Ｔを自動的に求め且つ真比Ｘを算出すること
ができるＯａ２とａ４について解くと、 ａ２＝　Ｘ　＋　ｂ８１ｎ　（Ｚ−、−Ａｔ　）上式を
鵬液、て ｘ ａ２＝＝Ｘ＋ｂａｉｎＺ−ｃｏｓ−Δｔ２π −ｂａｉｎ−Δｔ　−ｏｍＺ　”・・・・（５）２π ａ、＝Ｘ＋１）ｓｉｎＺｊｃｏｓ−Δｔ２π ＋ｂａｉｎ−Δｔ　’ａｗａＺ・・・・・・”（６）（
５）式から（６）式を引くと ２π ａ２−ａ４＝−２ｂｓｉｎ−Δｔ−ｃｏｓＺ　　　・川
”・・・（７１同様にａ□　とａ、について解くと、 ｔｔ ＳＬ１＝：Ｘ＋ｂｓｉｎ（Ｚ　−−−２Δｔ）Ｋ ａｓ　；Ｘ　＋　’ｂｅ　ｉｎ　（Ｚ　＋　−・２Δｔ
　）上式を展開Ｔると、 ２π ａ１＝Ｘ＋ｂｓユｎｚｃａＩＴ°２□ｔ２π −ｂａｉｎ−１Δｔ　ＩＩａｙｓＺ　・…・・・”（８
）２π ａ、　”Ｘ　＋　ｂａｉｎＺｃｍ−・２Δｔ２π ＋ｂθ１ｎ−・２Δｔ−■２・・・・・・・・・（９）
（８）式から（９）式を引くと ゛　２π （１０）−ａ、ニー２　ｅｂｓｉｎ　−’　２Δｔａｃ
ａ！ｚ…・・曲…（１１員式を（７）式で割ると Ｊ　＊　ａｘ　＋　ａａ　ｅ　ａｓは測定値でありΔｔ
は厳密に定められているから周期Ｔが未知フも上値を用
い６９式により随時Ｔをコンピューター（至）により求
めこれを用いて（４）式により真比方位を求めることが
１きる。

更に（４）式に（１１）式を代入し整理すると、５点測
定を行へば周期Ｔが未知ｔも常に正しい真比からの方位
角Ｘを求めることが１きる。

サンプリングタイムΔｔは周期Ｔのｌ／１６以下とすれ
ばよく、Ｔを４分とすればΔｔは１５秒に選び１分以内
に真比からの方位角を１′〜２′の角精度で求められる
ことが実証されている。

又正弦波形上の各点は常にＮ点（振巾の中心）を余効す
る情報を含んフいるから前記計測を連続的に行い順次方
位角を指示させるか、或る時間（５′〜１ｄ）の多数の
測定グループの平均値をとることにより更に精度を向上
させることが１きる０本装置は先に説明した如く傾斜検
出を光電的に高感度に行い且つ充分な増巾度をかけてト
ルクモーターにより大きな圧下トルクを加えることが１
きるから才差運動の周期は事実上１分以下とすることが
できるため舶用ジャイロ等に用いる真比制定型受は数回
の制動制御を行っても極めて短時間に相比制定させるこ
とができ、真比演算型では短いサンプリングタイムの間
に極めて高精度に真比方位を瞬時に表示させることがｔ
きる０以上説明した如く本発明ジャイロコンパスは略重
心で支えられたジャイロモーターを振子長零と見做せる
液体楔と光電オートコリメーターにより高感度に傾斜検
出を行っているため船舶等に使用して、大きなピッチン
グやローリングを受けても精度の低下がなく才差運動の
周期を早めジャイロモーターを強制相比させるか、全く
これを制定することなく瞬時に１′以下のＭｌｆ−ｒ！
真真勇方位求めることができるばかりか、緯度変化や電
圧変化により周期の変動するジャイロシステムを用いて
も常にこれを修正して正しい方法が求まる大きな特長を
有し、しかも装置は小型軽量、兼価フあり出力はセルシ
ン遠隔指示、デジタル表示、記録も自在であり他の方向
制御機器への接続も可能フある等の著大な特長を有する
ものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明ジャイロコンパスの一実施例の縦断面図
、第２図は真比演算型ジャイロコンノソスの電気回路を
示すブロック図、第３図は真比制定型ジャイロコン・ぞ
スの電気回路を示すブロック図、第４図は傾斜検出装置
の解説側面因、第５図は真比演算型ジャイロコンパスの
才差運動の過程に於ける正弦波振動の説明図、ｆｓＧ図
は真比制定型ジャイロコンパスの才差運動の制動過程を
示す説明図１ある。 符号の説明 （１）・・・ジャイロモーター、（２）・・・モーター
枠体、（２Ｂ、２Ｂ）・・・モーター枠体支持ベアリン
グ、（３）・・・第一ジンバル枠、（３８′）・・・第
一シン、６ル枠水平軸、（４）・・・第二水平ジンノ々
ル枠、（６）・・・吊線、（７）・・・差動トランス、
（９）・・・トルクモーター励磁コイル、αトトルクモ
ータードラム、（１１１・・・追従枠、（１１Ｂ’）・
・・追従枠下部回転軸、ａ４・・・光電オートコリメー
ター、αｅ・・・液体楔、α梯・・・回転磁気録音目盛
盤、員・・・ピックアップ、（Ｍ２）・・・反射鏡、Ｔ
・・・才差運動の周期、Δｔ・・・サンプリングタイム
間隔、（Ｘ　Ｘ’　）・・・ジャイロモーター回転軸。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）ジャイロモーター（１）を含むモーター枠体（２）
   をその回転軸（ＸＸ′）が水平になるように第一ジンバ
   ル枠（３）の上方から吊線（６）により懸架すると共に
   左右動を防止するために上下端部をベアリング（２Ｂ）
   （２Ｂ）で支え、第一ジンバル枠（３）は略その重心で
   直交二軸の第二水平ジンバル枠（４）で支え、モーター
   枠体の才差運動を差動トランス（７）等の電気的結合に
   より追従枠（１１）をサーボ追尾せしめるジャイロコン
   パスに於て、 才差運動の周期Ｔを早めるために第一ジンバル枠（３）
   に固定された反射鏡（Ｍ＿２）と一体構造をした光電オ
   ートコリメーター（１４）の平行光路内に同じく第一ジ
   ンバル枠に固定された液体楔（１６）を配置し、前記オ
   ートコリメーターと液体楔により地球自転の傾斜角を光
   電検出し、この信号を増巾して第一ジンバル枠の水平軸
   （３Ｓ′）に設けられたトルクモーター（１０）及び励
   磁コイル（９）に傾斜角に比例した電力を加へることに
   よりモーター軸上に大きな圧下トルクを与えジャイロモ
   ーターを略重心で支えながら才差運動の周期を大巾に早
   めると共に水平加速度による真比誤差を除去し、 ジャイロモーターが才差運動をするとき液体楔を含む光
   電オートコリメーターの出力が最大値を示す真比方位通
   過点近傍でこの値が或る値を超える場合にのみ、任意な
   時定数をもたせて傾斜出力に比例した瞬時的な制動電流
   を流すか、一定パルス巾で一定電流の制動電流を傾斜角
   に比例した回数だけトルクモーターに加えて才差運動を
   １回又は数回で真比方向に制定することを特長とするジ
   ャイロコンパス。 ２）特許請求の範囲１）に示すジャイロコンパスに於い
   て傾斜角最大点に於ける瞬時制定用の制動電流を流すこ
   となく、無制限な才差運動を続行せしめ、追従枠（１１
   ）の下部（又は上部）回転軸（１１Ｓ′）上に角度エン
   コーダー例へば回転磁気録音目盛盤（１８）を装着し才
   差運動の１周期の任意な区間を等しい時間々隔Δｔで角
   度を自動的に読み出し、 才差運動の周期Ｔが既知のものは三点の方向角値を前記
   回転目盛盤（１８）から１対又は１対毎に連続的にピッ
   クアップ（１９）により読み取りこれを自動的に記憶さ
   せ、 周期が一定しないジャイロコンパスでは前記同様等しい
   時間間隔Δｔで５点の方位角値をサンプリングするか、
   任意な時間間隔で一周期の正弦波をゲートして直接才差
   運動の周期をデジタル測定した値を用いて周期を順次補
   正し、 才差運動の真比通過点を、三点サンプリングの方向角値
   と周期Ｔ、サンプリングタイムΔｔを含む函数方程式又
   は５点サンプリングの方向角値を含む函数方程式を用い
   、電子計算回路により演算決定し才差運動を制止させる
   ことなく真比からの方位角を動揺体上で瞬時に且つ高精
   度に計測し、これをデジタル表示又は連続記録すること
   を特長とするジャイロコンパス。