JP2676161B2

JP2676161B2 - ジャイロコンパス用垂直トルカ

Info

Publication number: JP2676161B2
Application number: JP1255689A
Authority: JP
Inventors: 武北條; 伸一河田; 守秋元
Original assignee: 株式会社トキメック
Priority date: 1989-01-20
Filing date: 1989-01-20
Publication date: 1997-11-12
Anticipated expiration: 2012-11-12
Also published as: JPH02193012A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、船舶等に利用されるジャイロコンパス用ト
ルカ、特にその垂直トルカに関する。

〔従来の技術〕

本発明が適用される従来のジャイロコンパスとして
は、例えば第４図に示すようなものがある。同図におい
て、符号（Ａ）は、ジャイロコンパス全体を表し、
（１）はジャイロケースで、このジャイロケース（１）
は誘導電動機により高速、かつ一定回転数にて回転され
るジャイロロータを内蔵し、その回転ベクトルは南向き
（北側より見て時計まわり）である。ジャイロケース
（１）は、上下に一対の垂直軸（２），（２′）を突出
して有し、これ等垂直軸（２），（２′）は、ジャイロ
ケース（１）の外側に配された垂直環（３）の対応する
位置に取付けられたボールベアリング（４），（４′）
の内輪に夫々嵌合する。上記垂直軸（２）には、懸吊線
（５）の下端が固定され、その上端は懸吊線取付台
（５′）を介して垂直環（３）に取付けられる。

以上の構造により、ジャイロケース（１）の重量は垂
直軸（２），（２′）のボールベアリング（４），
（４′）のスラスト荷重とはならず、全て懸吊線（５）
が受け持つことになり、上記ボールベアリング（４），
（４′）の摩擦トルクを大幅に減少させることができ
る。垂直環（３）の東西に、ジャイロに指北トルクを与
えるための一対の液体安定器（６）が取付けられる。

各液体安定器（６）は、第５図に示す如く、一種の連
通管であって、ジャイロの南北に配される壷（６−
１），（６−１′）、これ等のなかばを満たす高比重の
液体（６−２）、南北の壷（６−１），（６−１′）を
上方で連通する空気管（６−３）、およびそれ等を下方
で連通する液体管（６−４）よりなる。

第６図に示す如く、ジャイロケース（１）の西側に
は、指北運動を制振させるためのダンピングウェイト
（７）が取付けられる。

第４図に示す如く、ジャイロケース（１）の東側に
は、ジャイロケース（１）と垂直環（３）の垂直軸
（２），（２′）まわりの偏角を検出する差動変圧器の
一次コイル（８−１）が、又、これと相対する垂直環
（３）の位置には差動変圧器の二次コイル（８−２）が
それぞれ取付けられ、追従ピックアップ（８）を構成す
る。

第７図A,B及びＣは、追従ピックアップ（８）の一例
を示す。同図に示す如く、一次コイル（８−１）は、高
透磁率材製のＥ型鉄心（８−1a）と、交流電源（８−1
c）に接続され、Ｅ型鉄心（８−1a）の中央の歯（８−1
aa）に巻線される一次コイル部（８−1b）とより構成さ
れる。一方、二次コイル（８−２）は、第７図Ｃに示す
如く、それぞれが互に差動的に接続される２個の二次コ
イル部（８−2a），（８−2b）と、これ等が固定されて
いる基板（８−2c）とから構成される。尚、（８−1d）
は、一次コイル（８−1b）のジャイロケース（１）への
取付金具である。

第８図は、上記追従ピックアップ（８）の動作原理の
説明に供する略線図である。同図に於て、交流電源（８
−1c）によって、一次コイル部（８−1b）が励起される
と、Ｅ型鉄心（８−1a）の中央の歯（８−1aa）から両
側の歯（８−1ab），（８−1ac）に対称的に交番磁束Ｂ
が空間に作られる。ここで、二次コイル（８−２）、即
ち、その２個のコイル部（８−2a）（８−2b）が上記一
次コイル（８−１）に対して対称な位置にある場合、２
個の二次コイル部（８−2a），（８−2b）には等しい電
圧が誘起される。然し、両者は差動的に接続されている
為、二次コイル（８−２）の出力端（８−2d）には、何
等出力電圧は現われない。一方、一次コイル（８−１）
に対し、二次コイル（８−２）が第８図の矢印（Ｄ）の
方向に移動すると、二次コイル（８−２）の２個の二次
コイル部（８−2a），（８−2b）に誘起される電圧に差
が生じ、これ等の出力端（８−2d）には、その矢印
（Ｄ）方向の相対移動量に対応した電圧が誘起され、追
従ピックアップとなる。

第４図に於て、垂直環（３）は、さらに、垂直軸
（２），（２′）およびジャイロスピン軸の双方に直交
する東西の位置より外方に一対の水平軸（９），
（９′）を突出して有し、これ等水平軸（９），
（９′）は、垂直環（３）の外側に配された水平環（1
0）の対応する位置に取付けられたボールベアリング（1
1），（11′）の内輪に夫々嵌合する。水平環（10）
は、さらに水平面内で、かつ上記水平軸（９），
（９′）と直交する位置に一対のジンバル軸（12），
（12′）を有する。これ等ジンバル軸（12），（12′）
は、水平環（10）の外側に位置する追従環（13）に取付
けられた一対のジンバル軸ボールベアリング（14），
（14′）に夫々嵌合する。

追従環（13）は、第４図に示すように、上下に追従軸
（15），（15′）を有し、これ等追従軸（15），（1
5′）は、盤器（16）の対応位置にある追従軸ボールベ
アリング（17），（17′）を夫々嵌合する。

上方の追従軸（15）の軸端にはコンパスカード（18）
が取付けられ、これと盤器（16）の対応する船首側の位
置に固設した基線（18B）とによって、船首の方位角が
読みとられる。盤器（16）の下部には、方位サーボモー
タ（19）が取付けられ、その回転軸（19A）は、方位ピ
ニオン（20）を介して追従環（13）の下部にある方位歯
車（21）と結合する。盤器（16）の下部には、方位発振
器（22）が取付けられ、その回転軸（22A）は歯車系
（図示せず）を介して方位歯車（21）に噛み合わされ、
方位信号を電気信号に変換して外部に発信する。

ここで、水平環（10）以内、即ち水平環（10）、垂直
環（３）、ジャイロケース（１）等を含めた部分は、通
常鋭感部と呼ばれている。鋭感部はジンバル軸（12），
（12′）のまわりに下の重い物理振子を構成し、これに
よって、水平軸（９），（９′）は船体傾斜に関係な
く、常に水平面内に保持される。

ジャイロケース（１）の方位と垂直環（３）の方位と
に差があると、この差を両者の間に設けた追従ピックア
ップ（８）が検出し、電気信号に変換する。この電気信
号は、外部のサーボ増幅器（23）によって増幅され、方
位サーボモータ（19）に加えられる（方位サーボ系）。
方位サーボモータ（19）の回転は、回転軸（19A）、方
位ピニオン（20）、方位歯車（21）を通して追従環（1
3）に伝達され、さらに水平環（10）、水平軸（９），
（９′）等を介して垂直環（３）に伝えられ、垂直環
（３）とジャイロケース（１）との方位偏差が常にゼロ
に保たれるようになっている。

方位サーボ系の作用により、水平軸（９），（９′）
とジャイロスピン軸とは常に直交関係を保ち、かつ懸吊
線（５）の捩りトルクは一切ジャイロに加わることはな
い。すなわち、サーボ系を持った垂直軸（２），
（２′）、水平軸（９），（９′）およびジンバル軸
（12），（12′）の三つの軸の働きによって、ジャイロ
ケース（１）は船体の角運動より完全に絶縁されたこと
になり、ジャイロスコープを構成する。

上述したジャイロスコープに指北力、すなわちコンパ
スとしての機能を与えるのが上記した液体安定器（６）
である。

次に、第５図を参照して、この液体安定器（６）の原
理を説明する。尚、第５図は、ジャイロの指北端が水平
面に対して角度θだけ上昇している場合の図である。船
が停止している場合を考えることにすれば、液体（６−
２）の液面は重力ｇの方向と直交する。よって、傾斜ゼ
ロの場合に比較して、図に於て斜線で示した部分の液体
が、北側の壷（６−１′）では減少し、南側の壷（６−
１）では増加する。今、水平軸（９），（９′）から両
壷（６−１），（６−１′）の中心までの距離をr₁、両
壷（６−１），（６−１′）の断面積をＳ、液体（６−
２）の比重をρとすれば、傾斜部の液体の重量は、Ｓ×r₁sinθ×ρ×ｇとなる。

上記重量アンバランスは、南北両方の壷（６−１），
（６−１′）で生じており、かつ水平軸（９），
（９′）からのモーメントアームはr₁なので、結局、角
度θだけ傾斜している時の液体安定器（６）の作る水平
軸（９），（９′）まわりのトルクT_Hは、近似的に T_H＝2Sr₁ ²gρθ となる。

ここで、 2Sr₁ ²gρ＝Ｋとおいて、Ｋを安定器定数と称している。すなわち、液
体安定器（６）は、ジャイロ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（９），
（９′）のまわりに加える作用を行うもので、これによ
って、ジャイロは指北力を有し、ジャイロコンパスとな
る。

一方、ダンピングウェイト（７）は、第６図に示す如
く、垂直軸（２），（２′）を含み、かつジャイロスピ
ン軸と直交する面内において垂直軸（２），（２′）よ
りr₂（紙面に垂直方向）の距離を以てジャイロケース
（１）に取付けられる。この第６図は、指北側が水平面
に対して角度θだけ上昇して傾斜した状態のジャイロケ
ース（１）を西側より見た図である。質量ｍのダンピン
グウェイト（７）に重力加速度ｇが作用して、鉛直方向
にｍ×ｇの力がこれに働く。この力を垂直軸（２），
（２′）に平行な成分m g cosθと、スピン軸に平行な
成分m g sinθとに分解して考える。この中で、垂直軸
（２），（２′）に平行な成分は、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、スピン軸に平行な成分は、垂直軸（２），（２′）
から距離r₂を乗じて垂直軸（２），（２′）まわりのト
ルクとしてジャイロに作用することになる。このトルク
をＴφと書き表わすことにすれば、Ｔφは近似的に次式
の如くなる。

Ｔφ＝μ・θ 但しμ＝m g r₂ すなわち、ダンピングウェイト（７）は、ジャイロス
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（２），（２′）のまわりに加える装置で
あり、これによってコンパスの指北運動を減衰させるこ
とができる。

垂直環（３）には、ジャイロロータのスピン軸と平行
な入力軸を有する加速度計又は傾斜計（50）が、又、垂
直環（３）とジャイロケース（１）とには、入力電流に
比例したトルクをジャイロケース（１）の垂直軸
（２），（２′）のまわりに加える垂直トルク（51）が
取付けられている。

更に、追従ピックアップ（８）の出力信号（8A）及び
上記加速度計（50）の出力信号（50A）（ジャイロスピ
ン軸の水平面に対する傾斜角に比例）を入力とし、上記
垂直トルカ（51）へ出力信号（51A）を出力する制御装
置（52）が設けられている。

第９図は上述した従来のジャイロコンパスにおいて、
ジャイロスピン軸の指北端の真北からの方位誤差φと傾
斜角θとを変数とし、且つそれ等の初期誤差φ₀,θ_０に
対する指北運動をラプラス演算子及び伝達関数とによっ
てブロック図的に表わしたものである。同図において、
ｇは重力加速度、Ｒは地球半径、Ωは地球自転角速度、
Ｈはジャイロの角運動両、λはその地点の緯度、Ｋは指
北定数（安定器定数）、μはダンピング定数、Ｓはラプ
ラス演算子である。

今、方位誤差φがあると、この誤差φに地球の自転角
速度Ωの水平成分Ωcosλ（100）を乗じたものが角速度
入力としてジャイロの水平軸まわりの要素（101）に作
用して、初期傾斜角θ_０と共にジャイロの傾斜角θを発
生させる。ジャイロスピン軸の傾斜角θによって垂直環
（３）も同様の傾斜となり、垂直環（３）に取付けられ
た液体安定器（６）も傾斜し、中の液体（６−２）が低
い方の壷に移動することによって、Ｋθとなるトルクを
ジャイロの水平軸のまわりに発生する。このトルクＫθ
をジャイロの角運動量Ｈで除したものに、地球自転角速
度の垂直成分Ωsinλを加算したものが、角速度入力と
してジャイロの垂直軸まわりの要素（102）に作用し、
これに、初期方位誤差φ_０を加えたものが方位誤差φと
なってループが閉じる。このループがジャイロコンパス
の指北ループである。このループは、ループ内に1/Sで
表わされる極が２個存在する為に、振動解となる。一方
ジャイロ傾斜角θにダンピング定数μを乗じたトルクμ
θを角運動量Ｈで除したものが、角速度入力としてジャ
イロの水平軸要素（101）に上記傾斜角θを減ずるよう
に負帰還され、上記指北ループの指北運動を減衰させ
る。このループが減衰ループである。

尚、第４図において、制御装置（52）は追従ピックア
ップ（８）及び加速度計（50）の出力信号（8A），（50
A）を入力とし、内部において、ジャイロのスピン軸を
短い時間内に真北に静定させる為の短期静定演算を行っ
た後、その出力（51A）を上記垂直トルカ（51）に供給
するものであるが、これ等の詳細は本発明と直接関係し
ていないので、これ以上の説明は省略する。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、このような従来のジャイロコンパスに
あっては、追従ピックアップ（８）と垂直トルカ（51）
とが、第４図に示したように全く別々のエレメントであ
た為、１）エレメントとしての製造コスト、即ち部品製
造費及び組立費が付加されるので、コスト高となる。
２）垂直トルカ（51）をピックアップ（８）と別々に設
けたことにより、制御装置（51）から垂直トルカ（51）
に至るスリップリング、フレキシブル電路等の部品及び
配線の為の手間を要し、コストアップの原因となる。

〔課題を解決するための手段〕

本発明によれば、少くともジャイロロータを内蔵し且
つ上下に垂直軸（2,2′）を有するジャイロケース
（１）と、その外周に配された垂直環（３）と、上記ジ
ャイロケースに固定され交流電源（８−1c）により励起
される一次コイル（８−１）及び上記垂直環に固定され
た二次コイル（８−２）より成り上記ジャイロケースと
上記垂直環との上記垂直軸まわりの相対角偏位を検出す
る追従ピックアップ（８）とを有するジャイロコンパス
用垂直トルカに於て、上記一次コイルのコイル部（８−
1b）と上記交流電源との間にダイオード（60−１）及び
抵抗器（60−２）を並列接続して成る部分整流回路（6
0）を挿入することにより上記追従ピックアップを垂直
トルカとしても動作させるようにしたことを特徴とする
ジャイロコンパス用垂直トルカが得られる。

〔作用〕

一次コイル（８−１）を部分整流回路（60）を介して
交流励起することにより二次コイル（８−２）の位置に
交流磁界と共に、直流磁界を作る。

二次コイルの出力にコンデンサ（63）と定電流回路
（64）とからなる機能分離回路（62）を接続し、二次コ
イルに定電流回路を介して、トルカ電流i_Tを流すことに
より、上述の直流磁界と作用し合って、トルカ電流i_T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こ
とができる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明の一実施例の回路図である。尚、同図
において、第４乃至第８図と同一素子は、同一の符号を
付し、それ等の詳細説明は省略する。

第１図において、一次コイル（８−１）のコイル部
（８−1b）に交流電源（８−1c）を、並設接続したダイ
オード（60−１）及び抵抗器（60−２）からなる部分整
流回路（60）を介して、接続する。一方、二次コイル
（８−２）のコイル部（８−2a），（８−2b）の出力端
（８−2d）を、機能分離回路（62）のコンデンサ（63）
及び定電流回路（64）の入力側に夫々接続する。又、コ
ンデンサ（63）の出力側及び二次コイル（８−２）のコ
イル部（８−2b）の出力端を、追従ピックアップ（８）
の端子（65）となし、これをサーボ増幅器（23）（第４
図）の入力側に接続する。又、二次コイル（８−２）の
出力端（８−2d）を定電流回路（64）の出力端に接続す
ると供に、定電流回路（64）の入力端を、トルカ端子
（66）となし、これに、例えば第４図の短期静定の為の
制御装置（52）の出力端（51A）が接続されたり、或い
は、図示せずもこのジャイロコンパスに固有の緯度誤差
（緯度の正接（タンジェント）に比例した方位誤差）を
修正する等に使用される。

第２図及び第３図は本発明の原理の説明に供する図で
ある。

第２図は一次コイル（８−１）のコイル部（８−1b）
に流れる電流を示す波形図である。一方の電流i₁は、ダ
イオード（60−１）の順方向と同じなので、抵抗器（60
−２）を流れず、ダイオード（60−１）のみを流れるの
で、第２図に示すように大きな振幅である。一方、他方
の電流i₂は、ダイオード（60−１）に対して逆方向とな
るので、その通過はダイオード（60−１）により阻止さ
れ、抵抗器（60−２）を介して流れることになる。従っ
て、電流i₂の振幅は電流i₁のそれに比して、小さい値と
なる。

即ち、この例では、ダイオード（60−１）、抵抗器
（63−２）を介して一次コイル（８−１）を交流電源
（８−1c）で励起することにより、交流振幅 i_ac＝（i₁＋i₂）/2 の２種類の電流を一次コイル（８−１）に流したこと
と、等価になる（部品整流回路）。交流電流によるもの
は、従来例と同様、二次コイル（８−２）の位置に交番
磁界を作り、二次コイル（８−２）には第１図上下方向
の相対変位に対応した交流信号を作り、ピックアップ信
号となる。

一方、上記直流電流によって、二次コイル（８−２）
の位置に直流磁界φ（第３図参照）が作られる為、二次
コイル（８−２）に定電流回路（64）を介して、所定の
トルカ電流i_Tを流すことにより、フレミングの左手の法
則により、一次コイル（８−１）と二次コイル（８−
２）との間には、第３図に示す如くトルカ電流i_Tに比例
した力Ｆが発生し、ジャイロケース（１）の垂直軸まわ
りにトルクを与えるトルカとしての機能が発生すること
になる。尚、コンデンサ（63）はトルカ電流i_Tがサーボ
増幅器（23）に流れないようにする為の直流カットの為
に設けてある。

〔発明の効果〕

以上説明してきたように、本発明によれば、以下に列
挙する効果が得られる。

従来の追従ピックアップの一次コイルをダイオードと
抵抗器からなる部分整流回路を介して交流電源より励磁
すると共に、二次コイルの出力端にコンデンサと定電流
回路からなる機能分離回路を追加するという簡単な構造
で、垂直トルカとしての機能を付加させることができ、
別個のトルカを用意する従来例に対して低コストでトル
カの機能を得ることが出来る。

ピックアッププの二次コイルのコイル部をトルカとし
ても用いているので、電路やスリップリングを増設する
必要がなく、信頼性の高いトルカを得ることが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の垂直トルカの機能説明用の回路図、第
２図及び第３図はトルカとしての作用を示す波形図及び
略線図、第４図は本発明が適用される従来のジャイロコ
ンパスの斜視図、第５図は上記ジャイロコンパスの液体
安定器の略線図、第６図はそのダンピングウェイトの原
理説明用の略線図、第７図はその追従ピックアップの構
造図、第８図はその原理説明の略線図、第９図は第４図
のジャイロコンパスの原理説明用のブロック図である。図において、（１）はジャイロケース、（３）は垂直
環、（８）は追従ピックアップ、（８−１）は一次コイ
ル、（８−２）は二次コイル、（60）は部分整流回路、
（62）は機能分離回路をそれぞれ示す。

フロントページの続き (56)参考文献特開平１−113610（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−167811（ＪＰ，Ａ) 特公昭51−12787（ＪＰ，Ｂ１)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】少くともジャイロロータを内蔵し且つ上下
に垂直軸を有するジャイロケースと、その外周に配され
た垂直環と、上記ジャイロケースに固定され交流電源に
より励起される一次コイル及び上記垂直環に固定された
二次コイルより成り上記ジャイロケースと上記垂直環と
の上記垂直軸まわりの相対角偏位を検出する追従ピック
アップとを有するジャイロコンパス用垂直トルカに於
て、上記一次コイルのコイル部と上記交流電源との間にダイ
オード及び抵抗器を並列接続して成る部分整流回路を挿
入することにより上記追従ピックアップを垂直トルカと
しても動作させるようにしたことを特徴とするジャイロ
コンパス用垂直トルカ。