JPS62169013A - 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】 〔産業上の利用分野〕 ４−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。（４Ｎ）　、　　（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０１ｌＩ　（５Ｎ）
　。

（５Ｓ）をタンク（２）の１次側（４Ｎ）　、　　（４
Ｓ）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ビニオン（１１）と噛合
せしめる。水平環（１２）の前記水平軸々受（１３）　
。

（１３’）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ビニオンで、
これは方位歯車（２１）と噛合する。（２２）はコンパ
スカードで、これを追従軸（１７’）に取付ける。（２
３）は、盤器（２４）の上面に於てコンパスカード（２
２）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１ｊｌ（２６）とコンパスカード（２２）とに
より、重器の装備された航行体の針路を睨み取る。

次に、上述の無接触変位検出装置（６）の−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、破線の矢印（ａｘ）、　　（ａｔ）
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（５賎）　、　　（５８Ｂ）　、　　（５
Ｎυ）、（５ＮＬ）より成り、一対のコイル（５Ｎ讐）
、（５ＮＢ）は横方向に並列に配置され、他方のコイル
対（５ＮＬ　）　、　　（５ＮＩＩ　）は上下方向に並
べられ、巻き始め及びコイル対（５ＮＷ）　　、　　（
５８Ｂ）のコイル対（５ＮＵ　）　、　　（５ＮＬ　）
の巻き始めを瓦に接続する。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　）　、　　（５ＮＢ　’）
　。

（５Ｎ［１）　、　　（５ＮＬ　）中を１次コイル（４
Ｎ）による磁束が貫通ずるので、これに対応して４個の
各コイルに重圧が誘起されるが、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）には同等電圧の発生はな
い、ここで、例えば１次コイル（４Ｎ）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（５Ｎｌｌりの誘起電圧が減少し、東部し
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（５Ｎｔｌ　）　、　　（５ＮＬ　）
は上下方向に配置されているので、その出力端子（２−
２）には同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（５８Ｗ）　、　　（５ＮＢ）の出力
端子（２−１）には、同等電圧は発生しないが、上下方
向に配置されたコイル（５ＮＬ）　、　　（５Ｎ［Ｉ）
の夫々に発生ずる電圧に差が生じ、これによって、端子
（２−２）に出力電圧が発生ずる。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）　、　　（５３Ｅ）　。

（５ＳＷ　）も、ジャイロケース（１）が東方に変位し
た時に、コイル（５５Ｅ）を通る磁束が増加し、（５Ｓ
Ｗ）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（５３
Ｂ）　、　　（５ＳＷ　）及び（５８Ｂ＞　、　　（５
Ｎ匈）が、更に差動的に結線されているが為に、シャイ
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Ｏ（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、方位ビニオン（
２０）　、方位歯車（２１）　、追従（！（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１コと
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、このサーボ糸によって、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１Ｅを行う。

第５図は、水平追従系を示したもので、２次コイル（５
Ｎ）及び（５Ｓ）のコイル部（５ＮＵ　）　、　　（５
ＮＬ　）及び（５ＳＵ　）　、　　（５ＳＬ　）が、前
述と同様差動的に結隷泉されており、これが為に、コイ
ル（５ＮＩＩ）。

（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（３１）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、水平ビニオン（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）以内を路線的に示したもので、
ジャイロケース（１１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＼で、ジャイロケー
ス（１）の重心（Ｏｘ　）　、ＹｆＡ吊線（３）とジャ
イロケース＜１１との結合点を（Ｑ）　、ｗ吊線（３）
とタンク（２）との結合点を（Ｐ）、タンク（２）の中
心（０２）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、（０２）’と（０１）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！ＩＪ量ξ（０２〜０１）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、一応急吊線（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ｆｌｌ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
、同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（１１のダンパー液（７）による浮力を除いた残
留車量をｍとすれば、張力Ｔが点（０１）のまわりに Ｍ＝Ｔｒｓｉｎθ＝ｎｇｒｓｉｎθ＃にθなるモーメン
トＭを作り、これがジャイロのトルクとして、その水平
軸（Ｏｆ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（０１）と、懸吊線（３）とジャイロケース（
１１との結合点（Ｑ）との間の距離、又ｇは車力加速度
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１−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ｙ＠ｒ、残留質ｎ
ｍｇ及びジャイロの角運動量を選定して、その指北運動
の周期を数十分乃至群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Ｍｌｌ性の為に、上記ｒが（０□）、（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＼
で、ｍｇｒ＝にとおいたときのＫをジャイロコンパスの
指圧定数と呼んでいる。

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ｒ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）も水平追従糸の作用によりてジャ
イロケース（１１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０１−０２−ξだけ移動して
静止する。即ち、ジャイロ伊斜角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。

１ガで、第７図は上述の原理を実施する具体例の一つで
あって、無接触変位検出袋ｖ（６）の２次（ｔｉ１１コ
イル（５Ｎ）　、　　（５Ｓ）の南北側に夫々新たに２
閣のコイル（１４−２）　、　　（１４−３）の夫々の
巻枠内が、二対のコイル（５Ｎε）、（５ＮＷ）及び（
５３Ｂ）。

（５５Ｗ　）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）を介して方位ザーポ
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）の信号骨だ
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（１ン誤Ｍ
（緯度感差）を有することが知られており、−１−記ジ
ャイロコンパスでは、日本特許第ルターを上記ダンピン
グ系に挿入することにより、緯度ｍＷ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連動をブロ
ック図に表したものを第１図に示すうジャイロコンパス
を搭載した航行体の南北方向加速度ＭＮに翫ジャイロス
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）には菌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６．１示した如く、時定数
τＧをもつ一次遅れ系（５１）で近似しである。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！で割ったξで
表しである。

τに指北定数Ｋを乗じた指北トルクにτ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ｉＨ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ΩＣｏｎψ（５５）　、航行体の南北速度ｖＮを
地球の半径Ｒで割った角速度ＶＮ／Ｒを作る一方、τを
第１のフィルター（５７）を通した（ご号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（５Ｂ’）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体となる項はφΩｃ
ｏｓψで、地球のｎ転角速度Ｑ　ｃｏｓψと方位誤差φ
との積が、ジャイロスピン軸に傾斜θを生ゼしぬ、これ
が、ジャイロ球の南北運動を介して、Ｋｅ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＜、傾斜θのほかに、航行体の南
北加速度ＭＮ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。

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昏通である
。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（シエ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、
ジャイロの周期が約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。

〔問題点を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詣北装置
、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）を設け、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」二記傾斜ピ
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、をジャ
イロ球シミュレータ（６３）に供給し、その出力ξとジ
ャイロ球（１１のタンク（２）に対する南北方向の出力
でとを比較器（６４）で比較し、その出力を方位誤差演
算器（６５）を通して方位誤差φ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へ差修
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（６エ）を通し
て、南北方向の速度成分ｖＮを作った後、これを微分器
（６２）を通して大 Ｖｕ／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ｖＮを、係数を作
り、これ及び第１のフィルター（５７）の出力λを係数
５（７０）を通し、たちのを加算器（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（６
７）に人力するにの加算器（６７）の出力をジャイロ球
シミュレータ（６３）を通し、その出力ξ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
向変位信号でと比較器（６４）にて減算した後、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
φ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ｆＫ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Ωｃｏｓψ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Ｔが発生する
だめ、逆にてから方位Ｌｌφを求めようとするものであ
る。

しかしながら南北方向の変位τの中には、南北方向加速
度ｖＮによる影響等が存在するため、これ等のξ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
Ｔから差し引いて純粋に方位誤差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φ
を演算出力するようになしたものである。

尚、外乱としては、南北方向加速度ＶＮによるもののほ
か、ダンピング糸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のフィルター（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Ｖ、を係数器（６９）を通し、それ等の出
力を加算器（６８）、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、これに速度セ
ンサーの速度出力■を人力し、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、短周期のジャイロコンパスに
おいても、加速度誤差、速度誤差のないジャイロコンパ
スを得ることが出来る。

ジャイロコンパスの指北周期が短く出来たことにより、
ジャイロの起動時間を大幅に短縮化することが出来、陸
上航行体等のような動作時間の短い機器への搭載が可能
となった。ジャイロコンパスが完全に息北に静定してい
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、更に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図はその一部の路線図である。 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Ｗ−ｒＡ
、（６６）はジャイロ演算器、（６７）　、　　（６８
）は加算器、（６９）　、　　（Ｔｏ）は係数器を夫々
示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 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、微分器、ジャイロ球シミュレータ、比較器、方位
   誤差演算器を設け、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ことを特徴とするジャイロ
   コンパス。