JP3874758B2 - ジャイロコンパス - Google Patents

Description

本発明は、電解液で満たした液槽内に浮遊すると共に回転体を内蔵した転輪球と、前記電解液を介して前記転輪球及び液槽に対向配置される電極とを有し、前記回転体に電源を供給する少なくとも１回路が前記電極を経由するジャイロコンパスの電極構造に関する。

伝統的な構造を持つジャイロコンパスに関連する先行技術文献としては次のようなものがある。

海文堂出版株式会社 昭和４６年１０月１日発行 「コンパスとジャイロの理論と実際」著者：茂在寅男、小林實

図５は、センターピンを有するジャイロコンパスの一般的な構成を示す断面図である。１は演算・追従制御部であり、装置の電源と各種演算の他、転輪球の位置を検出して転輪球と液槽との相対角度を一定に保つ追従制御を司る部分で、主に追従用歯車機構とプリント板回路で構成されている。

２は防振機構であり、船が動揺した際に振り子のように振れて液槽部を概略水平に維持させる他、縦横方向について船の振動を吸収する。

３は液槽部であり、防振機構２につり下げられている。液槽部３において、液槽４は転輪球５と電解液（電解液）６を内蔵する。転輪球５は回転体（ジャイロロータ）７を内蔵し、液槽４内で電解液６により浮上すると共に、液槽上部に設けられたセンターピン８によりその中心部が回転可能に支持されている。

図６は、転輪球５への給電構造を示す斜視図である。伝統的な構造では、センターピン８は転輪球５を回転可能に支持すると共に、先端部に介在させた水銀を介して転輪球５内に通電し、回転体７への給電経路の一回路を形成する。

環境への配慮から水銀等の有害物質を使用しない構造として、図６にようにセンターピン８はジャイロの支持のみに専業させ、回転体７への給電経路を転輪球５の赤道部分の外周に設けられた帯状電極１００に電解液を介して対向配置された転輪球側の帯状電極２００を外部電源１０の一方の給電経路として機能させる構造が提案されている。尚、外部電源１０の他方の給電経路は従来と同じで転輪球と液槽の底部に対向配置された皿状電極３００及び４００を使用する。

この構造の場合、転輪球側の帯状電極１００は、液槽側の一対の追従電極（図１では図示されていない）と協業してホイートストンブリッジ回路を形成しており、給電のための電極と追従制御のための電極を兼ねることになる。この構造により、従来のセンターピン先端部に設けられた水銀や絶縁油等の有害物質が不要となるメリットがある。

図７は、このような設計思想に基づくジャイロコンパスの電極構造について転輪球５側の電極と液槽４側の電極をセットで示した斜視図である。図中に記載した角度の数値は一例である。各電極に新しい名称をつけているので、以下に説明する。

転輪球５側の帯状電極１００は、１個の中央帯状電極１０１と、一対の二条電極１０２，１０３よりなる。中央帯状電極１０１は、転輪球側面の赤道部分で緯度方向に所定の幅をもって液槽側の追従電極１７ａ，１７ｂ位置の間に転輪球を約半周弱（図では端点が角度で２°少ない）する長さに配置されている。

二条電極１０２，１０３は、転輪球側面で赤道を挟むように所定距離隔てて中央帯状電極１０１の反対側の外周面に形成され転輪球を約半周弱（図では端点が角度で２０°少ない）する長さに配置されている。

液槽内壁面の帯状電極２００は、一対の二条電極２０１，２０２及び一対の二条電極２０３，２０４の計４個の二条電極よりなる。二条電極２０１，２０２は、緯度方向に所定距離を持って転輪球側の中央帯状電極１０１と対向配置して液槽内壁面に配置され、液槽内壁を約半周弱（図では端点が角度で２３°少ない）する長さに配置されている。

二条電極２０３，２０４は、液槽内壁面の二条電極２０１，２０２の反対側の内壁面に形成され、液槽内壁を約半周弱（図では端点が角度で２０°少ない）する長さを有し、転輪球側の二条電極１０２，１０３と電解液を介して近接・対向配置されている。

皿状電極３００及び４００は、液槽４の底部及び転輪球５の底部に形成され、電解液６を介して近接・対向する位置に配置されている。

以上の電極構造により、互いに対向する帯状電極（転輪球の中央帯電極１０１と液槽の二条電極２０１，２０２）は、赤道部分にあって大きな対向面積をとれることから、間隙に電解液６が介在すれば回転体７を駆動するに十分な電流の給電が可能になる。

また、中央帯状電極１０１の両端部と液槽側の追従電極１７ａ，１７ｂとの電解液抵抗Ｒａ，Ｒｂをホイートストンブリッジに組み込むことにより、従来と同じ転輪球の旋回に対する液槽の追従制御が可能となる。

図８は、転輪球５の旋回に対して液槽４を追従させる追従制御において図７の電極構造に適用可能な偏差検出機構の一例を示す回路図である。追従電極１７ａ，１７ｂが変圧器１９の一次巻線の両端に接続される回路は、従来のブリッジ回路（図示せず）と同じであるが、外部電源１０一方側は従来回路のように皿状電極ではなく、液槽側の二条電極２０１，２０２に接続される点が異なる。

図８において、各電極の配置は、液槽部の横断面を上から見た場合に相当する。いま、液槽側二条電極２０１，２０２と転輪球側中央帯状電極１０１は、比較的大きな面積で対向しており、その間の電解液抵抗は小さいか追従回路の作動のなかで無視できる大きさである。

又、二条電極２０１，２０２は中央帯状電極１０１より広がり（角度）が小さく、中央帯状電極１０１の端部と液槽側追従電極１７ａ，１７ｂとの間に存在する電解液抵抗Ｒａ，Ｒｂがブリッジ抵抗として機能し、図ではセンタータップのある変圧器１９と共に完全なホイートストンブリッジを構成する。

以上の構成において、転輪球５が矢印Ｐ方向に旋回（回動）した場合、一方の追従電極１７ａと中央帯状電極１０１の一方の端部は近づき、他方の追従電極１７ｂと中央帯状電極１０１の他方の端部は遠のくことになるから、間隙に存在する電解液抵抗Ｒａ，Ｒｂは相互に差動的に変化し、ホイートストンブリッジは不平衡状態となる。

この不平衡により変圧器１９の二次巻線に誘起するホイートストンブリッジの信号を増幅した偏差信号Ｅは、その振幅が偏差角となり、位相が旋回方向を示すことになる。尚、転輪球側の帯状電極が中央帯状電極１０１と二条電極１０２，１０３という異なる形状になっているのは、追従点が１８０°反転したところにできないようにする配慮である。

伝統的な構造をもつジャイロコンパスで採用されていた帯状電極は次のとおり製造上の問題点がある。
（１）転輪球に適用した場合の問題点：
戦前から使用されていた帯状電極の構造は、安息香酸を主剤とした電解液に浮かべて電気を流す都合上、薬品に対して耐性のあるカーボンまたはグラファイトゴムの電極が使用されていた。

これらカーボンは必ずしも電気抵抗が少なくないので、転輪球の球殻である芯金に導電性接着剤を利用するなどして貼りあわせ、電気抵抗を小さく改善した。一方、転輪球の電極以外の表面にはエボナイトゴムまたはエポシキ樹脂で絶縁ライニングが施されたが、電極と絶縁ライニングの境界に電解液が時間をかけて浸透し、内部の導体を腐食する問題があった。

（２）戦前からの転輪球は直径が２５２ｍｍあったが、小形化への要求から現在は１６１ｍｍである。電解液中での浮力を確保する意味から軽量化が必須であり、層の厚い絶縁ライニングはエポキシ粉体塗装などの皮膜の薄い技術へと進化している。一方、カーボン等は比較的脆い材料であって転輪球の形状が小さくなったことに比例して薄く作ることは困難である。

結果として伝統的構造の帯状電極を新設計の転輪球に適用すると浮力を維持できないほか、電極（カーボンなど）と薄い塗装との境界は、さらに電解液が浸透しやすくなり信頼性は低下する。

（３）帯状電極の数が３個もあり、かつ製造工程が複雑であることから高価である。

（４）液槽に適用した場合の問題点：
伝統的構造の帯状電極は戦前から使用されていたが、液槽も安息香酸を主剤とした電解液を介して転輪球に電気を流す都合上、薬品に対して耐性のあるカーボンまたはグラファイトゴムの電極が使用されていた。これらカーボンは必ずしも電気抵抗が少なくないので、転輪球と同様にアルミ鋳物でつくられた液槽の内面に導電性接着剤を利用するなどして貼りあわせ、電気抵抗を小さく改善した。

しかし、小形化と価格への要求から、現在の液槽はプラスチックで成型されるのが主流である。液槽がプラスチックでは、従来の帯状電極の製法はまったく使用できない。

（５）帯状電極の数が４個もあり、かつ製造工程が複雑であることから高価、低信頼性である。

従って本発明が解決しようとする課題は、赤道部分帯状電極からの給電も可能な汎用的電極構造を有する高精度なジャイロコンパスを実現することにある。

このような課題を達成するために、本発明の構成は次の通りである。
（１）電解液で満たした液槽内に浮上し、センターピンによりその回転中心が回転可能に支持されると共に回転体を内蔵した転輪球と、前記電解液を介して前記転輪球及び液槽の赤道部分及び底部近傍で対向配置される帯状電極及び皿状電極とを有し、これら対向配置される帯状電極及び皿状電極を経由して前記回転体に電源を供給するジャイロコンパスにおいて、
前記転輪球の赤道部分に形成する帯状電極は、耐腐食性かつ良導体である金属材であって、該金属表面の一部に絶縁皮膜が形成され、
前記転輪球の底部近傍に配置される前記皿状電極は、前記転輪球とは別材の皿状金属材で形成されている、
ことを特徴とするジャイロコンパス。

（２）前記転輪球の赤道部分において前記転輪球側の帯状電極と対向配置される前記液槽側の帯状電極が耐腐食性かつ良導体である金属材で形成されたことを特徴とする（１）に記載のジャイロコンパス。

（３）前記転輪球の底部近傍において対向配置される前記転輪球側の皿状電極及び前記液槽側の皿状電極が耐腐食性かつ良導体である金属材で形成されたことを特徴とする（１）に記載のジャイロコンパス。

（４）前記対向配置される帯状電極及び皿状電極は、チタン板材で形成されたことを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載のジャイロコンパス。

（５）前記対向配置される帯状電極及び皿状電極は、良導体である金属材の表面に耐腐食性のメッキを施して形成したことを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載のジャイロコンパス。

以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のような効果がある。
（１）赤道部分帯状電極からの給電も可能であり、新設計のジャイロコンパスを容易に実現することができる。
（２）液槽がプラスチックで形成されるジャイロコンパスにも適用できる汎用性をもち、伝統的な給電経路をもつジャイロコンパスにも使用でき、小型化低コスト化に貢献することができる。

以下、本発明を図面により詳細に説明する。図１は、本発明を適用した転輪球側の帯状電極の一実施形態を示す斜視図、図２は本発明を適用した液槽側の帯状電極の一実施形態を示す斜視図、図３は本発明を適用した転輪球側の皿状電極の一実施形態を示す斜視図、図４は本発明を適用した液槽側の帯状電極の一実施形態を示す斜視図である。

図１により、本発明を適用した転輪球側の帯状電極の一実施形態を説明する。図の構造は、耐腐食性の金属（例えばチタン）の帯状の板を環状につきあわせて転輪球５の赤道部に溶接した構造で、中央帯状電極１０１、二条電極１０２，１０３を除く部分はエポキシ粉体塗装等の塗装により絶縁皮膜１０４を形成している。

このような構成によれば、複雑な形状の電極も簡単な工程で安価に製造することが可能となる。例えば、チタンは比重がカーボンの２倍程度あるが、厚みを圧倒的に薄くできるので軽くなり、薄くても良導体であるから多量の電流を流せ、各部を同電位に保つことが容易である。

これを転輪球５に装着する場合は、転輪球の芯金（たとえばアルミ）に一部を融接してから一括にエポキシ粉体塗装などの絶縁塗装をおこなえば良い。一般にチタンと銀のロー付け等は容易であり、アルミとの融接は銀などの金属を介在させる必要のある場合があるか、または銀線で転輪球内に電流を引き込めばよいのであって、大きな障害ではない。

露出した電極１０１，１０２，１０３の電極面と絶縁皮膜１０４の境界は、電解液６が浸透しにくく、たとえ浸透しても耐腐食性金属であるから何ら問題を発生しない。

次に、図２により本発明を適用した転輪球側の帯状電極の一実施形態を、二条電極２０１を代表として説明する。図の構造は、耐腐食性の金属（例えばチタン）の帯状の板２０１の両端の液槽側の面にボス２０１ａ，２０１ｂをたて、各ボスに取りつけのねじ穴２０１ｃ，２０１ｄ及びＯ-リング２０１ｅ，２０１ｆをつけた例である。

このようにすると、液槽４の内面に各ボスの凸部をはめ込む凹部を形成し、この凹部を貫通するねじ穴を介して外部からねじで呼び込むかたちで取りつければ、薄板である電極２０１は液槽４の内壁の曲面にあわせて２０１´のように屈曲する。

この電極への給電は、呼び込んだねじを端子として利用することで容易に給電ができる。又、液槽の水密はＯ-リング等によって簡単に確保できので、極めて簡単に製造できると共に高い信頼性が保証される。

次に、図３により本発明を適用した転輪球側の皿状電極３００の一実施形態を説明する。構造は、耐腐食性の金属（例えばチタン）の薄板３００を絞り、皿状にしてボス３００ａを転輪球の内部側にたてたものである。たてたボスに、取りつけのねじ穴３００ｂ及びＯ-リング３００ｃをつけた例である。

現在の伝統的なジャイロコンパスでは、皿状電極にカーボンを使用している。新設計のジャイロコンパスとして赤道部分の帯状電極を経由する給電方式を採用する場合、結果として「帯状電極部と皿電極部の電解液抵抗の合計」は、既存の「皿電極部の電解液抵抗」と等しいか小さくしないかぎり、転輪球内部の回転体（ジャイロロータ）を良好には回転させられない。そこで皿状電極の面積をいままで以上に広げる必要があるが、カーボンを使用すれば転輪球の重量の増加につながりなることになり、採用できない。

本発明ジャイロコンパスの皿状電極は十分な対向面積を確保しつつ軽量に設計できるので、赤道部分の帯状電極を経由する給電方式を採用する場合でも十分な駆動電流の供給と転輪球の軽量化を同時に実現することが可能となる。

次に、図４により本発明を適用した液槽側の皿状電極４００の一実施形態を説明する。構造は、耐腐食性の金属（例えばチタン）の薄板４００を絞り、皿状にしてボス４００ａを液槽内壁側にたてたものである。たてたボスに、取りつけのねじ穴４００ｂ及びＯ-リング４００ｃをつけた例である。

図３の実施形態のように、転輪球側の皿状電極３００に耐腐食性の金属を使用したのであれば、電解液中で異なるイオン化傾向の材料間に電流を流すべきではないので、液槽側の皿状電極４００も同様の材料を使用するべきである。又、転輪球側の皿状電極３００を大きく（広く）したのであれば、これに対向する液槽側の皿状電極４００も大きく（広く）すべきであって、このとき耐腐食性かつ良導体の金属は、電極としてカーボンより優れる。

更に皿状電極３００及び４００は、転輪球５及び液槽４に対して絶縁材を介して密着接合されるが、Ｏ-リングで電解液に対する水密が、ねじ穴で転輪球内部及び液槽外部への結線が容易にできる。

以上説明した実施形態では、耐腐食性かつ良導体の金属としてチタン等のそれ自体に耐性が備わった金属を例示したが、ニッケルやステンレス合金表面に金，白金メッキを施した金属等によっても実現できる。

以上説明した実施形態では、赤道部分の帯状電極及び底部の皿状電極を経由して回転体に給電する新設計のジャイロコンパスに本発明を適用した例を説明したが、本発明のジャイロコンパスの電極構造は汎用性を持つものであり、伝統的な構造のジャイロコンパスにも採用することが可能である。即ち、回転体への給電経路のいかんにかかわらずジャイロコンパスの軽量化とコストダウンに貢献することができる。

本発明を適用した転輪球側の帯状電極の一実施形態を示す斜視図である。 本発明を適用した液槽側の帯状電極の一実施形態を示す斜視図である。 図３は本発明を適用した転輪球側の皿状電極の一実施形態を示す斜視図である。 図４は本発明を適用した液槽側の皿状電極の一実施形態を示す斜視図である。 センターピンを有するジャイロコンパスの一般的な構成を示す断面図である。 転輪球への給電構造を示す斜視図である。 赤道部分の帯状電極から給電する設計に基づくジャイロコンパスにおいて、転輪球側の電極と液槽側の電極構造をセットで示した斜視図である。 転輪球の旋回に対して液槽を追従させる追従制御における偏差検出機構の一例を示す回路図である。

符号の説明

５ 転輪球
１０１ 中央帯状電極
１０２，１０３ 二条電極（転輪球側）
１０４ 絶縁皮膜
２０１ 二条電極
３００，４００ 皿状電極（液槽側）
３００ａ，４００ａ ボス
３００ｂ，４００ｂ ねじ穴
３００ｃ，４００ｃ Ｏ−リング

Claims (5)

1. 電解液で満たした液槽内に浮上し、センターピンによりその回転中心が回転可能に支持されると共に回転体を内蔵した転輪球と、前記電解液を介して前記転輪球及び液槽の赤道部分及び底部近傍で対向配置される帯状電極及び皿状電極とを有し、これら対向配置される帯状電極及び皿状電極を経由して前記回転体に電源を供給するジャイロコンパスにおいて、
   前記転輪球の赤道部分に形成する帯状電極は、耐腐食性かつ良導体である金属材であって、該金属表面の一部に絶縁皮膜が形成され、
   前記転輪球の底部近傍に配置される前記皿状電極は、前記転輪球とは別材の皿状金属材で形成されている、
   ことを特徴とするジャイロコンパス。
2. 前記転輪球の赤道部分において前記転輪球側の帯状電極と対向配置される前記液槽側の帯状電極が耐腐食性かつ良導体である金属材で形成されたことを特徴とする請求項１に記載のジャイロコンパス。
3. 前記転輪球の底部近傍において対向配置される前記転輪球側の皿状電極及び前記液槽側の皿状電極が耐腐食性かつ良導体である金属材で形成されたことを特徴とする請求項１に記載のジャイロコンパス。
4. 前記対向配置される帯状電極及び皿状電極は、チタン板材で形成された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コンパス。
5. 前記対向配置される帯状電極及び皿状電極は、良導体である金属材の表面に耐腐食性のメッキを施して形成した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コンパス。

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