JP4755366B2 - ジャイロコンパス - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は機械式の指北装置とダンピング装置を有するジャイロコンパスに関し、特に、安定器型の指北装置とジャイロのスピン軸線に直交する垂直軸線周りにトルクを加えるダンピング装置を有する形式のジャイロコンパスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図２を参照して従来のジャイロコンパスの例を説明する。ジャイロコンパスは略円筒状のジャイロケース５を有し、ジャイロケース５の内部には、高速で回転するジャイロ又はジャイロロータ（図示なし）が収納されている。ジャイロのスピン軸線は線ＳＮ方向にある。
【０００３】
ジャイロケース５を囲むようにリング状の垂直環１４が設けられ、この垂直環１４には、赤道方向に沿って延びるリング状の支持腕１５が装着されている。垂直環１４を囲むようにリング状の水平環１８が設けられている。水平環１８を囲むようにリング状の追従環２０が設けられている。
【０００４】
ジャイロケース５の上下には、１対の垂直軸１３，１３’が装着され、この垂直軸は、垂直環１４に装着された垂直軸ベアリング（図示なし）によって回転可能に支持されている。垂直環１４には１対の第１の水平軸１１，１１’が装着され、この第１の水平軸１１，１１’は水平環１８に装着された水平軸ベアリング（図示なし）によって回転可能に支持されている。水平環１８には１対の第２の水平軸１９，１９’が装着され、この第２の水平軸１９，１９’は追従環２０に装着された水平軸ベアリング（図示なし）によって回転可能に支持されている。第１の水平軸１１，１１’と第２の水平軸１９，１９’は互いに直交する直径に沿って配置されている。
【０００５】
追従環２０には１対の垂直軸２１，２１’が装着され、この垂直軸２１，２１’は円筒容器状の盤器２８に装着された垂直軸ベアリング（図示なし）によって回転可能に支持されている。追従環２０の下端には方位歯車２２が装着され、方位歯車２２はピニオン２３を経由して方位サーボモータ２５に接続されている。追従環２０の上端の垂直軸２１の上端には円形のカード２６が装着され、カード２６の円周縁には目盛が設けられている。この目盛は、盤器２８の上面の指標２７によって読み取られる。
【０００６】
垂直環１４の上端には支持台１６が装着され、支持台１６には懸吊線１７が装着されている。懸吊線１７の下端は、ジャイロケース５の上端の垂直軸１３に接続されている。ジャイロケース５の荷重は、懸吊線１７を経由して支持台１６によって支持されている。従って、ジャイロケース５の荷重が、垂直軸ベアリングに加わることはない。
【０００７】
ジャイロケース５と垂直環１４には、無接触ピックオフ１０、１０’が設けられている。ジャイロケース５が垂直環１４に対して方位軸線周りに相対的に変位すると、この変位は無接触ピックオフ１０、１０’によって検出され、方位サーボモータ２５に送信される。それによって方位サーボモータ２５が回転し、その回転は、ピニオン２３及び方位歯車２２を経由して追従環２０に伝達される。追従環２０が方位軸周りに回転すると、水平環１８及び垂直環１４も回転する。それによって、ジャイロケース５と垂直環１４の間の相対的変位は常にゼロとなる。
【０００８】
即ちジャイロケース５が回転すると垂直環１４及び追従環２０もジャイロケース５と共に回転する。カード２６は追従環２０と共に回転するから、カード２６に設けられた指標２７は、ジャイロのスピン軸線の方向を示す。
【０００９】
支持腕１５には指北器として機能する安定器６が設けられている。安定器６は、ジャイロケース５の前後（南北方向）に設けられた１対の壺６Ａ、６Ｂを有し、２つの壺の底面と上面は夫々、連通管６Ｃ及び空気管６Ｄによって接続されている。安定器６の内部には水銀又は液６Ｅが装填されている。
【００１０】
安定器６の指北作用を説明する。北半球では地球の自転角速度の垂直成分に起因してジャイロのスピン軸線の指北端が上昇して傾斜する。安定器６の北側の壺６Ａが上昇し南側の壺６Ｂが下降し、内部の液６Ｅは北側の壺６Ａから南側の壺６Ｂに移動する。それによって、ジャイロのスピン軸線と直交する水平軸線周りのトルクが生じ、このトルクによってジャイロのスピン軸線は垂直軸線周りにプレセッションを行なう。このプレセッションによるジャイロのスピン軸線の角速度は、その地点の垂直軸線周りの自転角速度と一致している。従って、ジャイロのスピン軸線はその地点の地球表面と一致して旋回する。即ち、ジャイロのスピン軸線は地球表面から見ると、略北を指して静止していることとなる。
【００１１】
ジャイロケース５の西側にはダンピング装置として機能する錘９が装着されている。錘９のダンピング作用を説明する。安定器６の指北作用によってジャイロのスピン軸線は子午線方向にプレセッションするが、かなり傾斜している。従って、実際には、子午線にて静止しないで、動揺する。この動揺を静止するために錘９を設ける。ジャイロのスピン軸線が傾斜すると、錘９によって傾斜角に比例した垂直軸線周りのトルクが生ずる。このトルクによって、ジャイロのスピン軸線の傾斜が減少するようにプレセッションが生じる。このようなダンピング作用によって、ジャイロのスピン軸線は、略水平に近い姿勢にて、地球の真北、即ち、子午線の方位を向いて静定する。従って、ジャイロコンパスは船舶等の方位を知るための羅針盤として使用されてきた。
【００１２】
しかしながら、上述の形式のジャイロコンパスでは、ジャイロのスピン軸線が略北を指した状態にて地球表面に対して静止しているとき、ジャイロのスピン軸線は、水平ではなく、水平面に対して僅かに傾斜している。この傾斜は、地球の自転角速度の垂直成分に起因する。北半球では、僅かに指北端側が持ち上がった姿勢をとり、南半球では、逆に、僅かに指北端側が下がった姿勢をとる。赤道上では水平となる。
【００１３】
ジャイロのスピン軸線の傾斜に起因して、ジャイロのスピン軸線は、実際には、子午線の方位に対して僅かながら偏倚する。ジャイロのスピン軸線が傾斜すれば、ダンピング装置によるダンピング用のトルクが働き、ジャイロのスピン軸線は旋回するからである。北半球では東偏し、南半球では西偏する。この偏倚は緯度誤差と称される。緯度誤差は、その地点の緯度のみの関数であり、緯度が既知であれば、除去可能である。
【００１４】
静定時におけるジャイロのスピン軸線の水平面に対する傾斜は、南北方向の質量アンバランスによっても生ずる。南北方向の質量アンバランスは、例えば、温度変化又は経年変化による重心の位置の変化に起因して生ずる。南北方向の質量アンバランスに起因して、ジャイロのスピン軸線が水平面に対して傾斜すると、それによって、ジャイロのスピン軸線の指北端は偏倚し、誤差が生ずる。
【００１５】
図２のジャイロコンパスの例では、ジャイロケース５、錘９、垂直環１４、支持腕１５及びそれに装着された液体安定器６及び無接触ピックオフ１０，１０’は水平軸１１，１１’周りに回転する回転部を形成する。この回転部に南北方向の質量アンバランスが生じ、水平軸１１，１１周りのトルクＴが生じ、角度θだけ回転したと仮定する。液体安定器６は、傾斜角θに比例したトルクＫθを発生する。トルクＴに起因して発生する静定時のジャイロのスピン軸線の傾斜角は、Ｔ／Ｋであることが知られている。
【００１６】
図３Ａは、ジャイロのスピン軸線の指北端を、予め、真北より東側に角度φ₀ だけ偏倚させ、且つ、下方に角度θ₀ だけ下げた状態から、安定器の指北作用とダンピング装置のダンピング作用によって静定状態に到達するまでの変化を示したものである。実線ａは、ジャイロのスピン軸線の方位角φの変化を示し、破線ｂはジャイロのスピン軸線の水平面に対する傾斜角θの変化を示す。図示のように、静定後も、ジャイロのスピン軸線の方位角φ及び傾斜角θはゼロとならない。方位角誤差の大きさφは、ジャイロのスピン軸線の水平面に対する傾斜角θに比例する。
【００１７】
静定時のジャイロのスピン軸線の水平面に対する傾斜に起因した誤差には、上述のように、緯度誤差と質量アンバランスに起因した誤差がある。ここでは、静定時のジャイロのスピン軸線の水平面に対する傾斜に起因した全ての誤差を固定誤差と称することとする。従って、固定誤差は、静定時におけるジャイロのスピン軸線の水平面に対する傾斜を引き起こす水平軸線周りの固定トルクに起因した全ての誤差を含む。固定誤差のうち質量アンバランスに起因した誤差は特に有害であり、これを軽減する方法が幾つか提案されている。
【００１８】
以下に説明する例では、積分トルク発生器を設けることによって固定誤差を解決している。尚、この例は、本願出願人と同一人の所有による日本国特許第４４５６９６号に係るものであり、詳細は同特許又は特公昭３９−２７０９８号を参照されたい。
【００１９】
図４を参照して積分トルク発生器３０の構造及び機能を説明する。積分トルク発生器３０は、円筒部３２、両端の蓋３３，３４、両端の軸３５，３６を有し、軸３５，３６は軸受３７，３８によって回転可能に支持されている。円筒部３２、蓋３３，３４、軸３５，３６及び軸受３７，３８の中心軸線は積分トルク発生器３０の中心軸線に整合している。軸受３７，３８はステム３９，４０に装着され、ステム３９，４０は基台４１に取り付けられている。一方の軸３５には歯車４２が装着され、歯車４２はピニオン４３を経由してモータ４４に接続されている。円筒部３２及び蓋３３，３４によって形成された密閉室内には高粘性液４５及び球４６が収納されている。
【００２０】
モータ４４によって、円筒部３２を低速にて回転させる。内部の高粘液４５及び球４６も低速にて回転するが、球４６は、高粘液４５の粘性に起因して、浮き上がる。円筒部３２の回転速度が高くなると、球４６は、完全に浮き上がり、円筒部３２の内面との摩擦が無くなる。球４６には重力と高粘液４５による粘性抵抗のみが作用する。
【００２１】
積分トルク発生器３０は、その中心軸線がジャイロのスピン軸線に平行となるようにジャイロケース５又は垂直環１４上に設置される。ジャイロのスピン軸線が傾斜すると、円筒部３２も傾斜し、球４６は低い方にゆっくり移動する。それによって、南北方向にアンバランスが生ずる。液体安定器を有するジャイロコンパスでは、ジャイロケース又はジャイロケースと水平軸線周りの傾斜を共有する垂直環等の部分に急に南北方向にアンバランスを生ずると、次のような過渡現象が生ずる。即ち、ジャイロのスピン軸線は一旦子午線方向より離れるが、再度北を向いて静定する。このとき、必ず、重い方が持ち上がり、傾斜角を変化させて静定する。
【００２２】
本例の積分トルク発生器３０を設けることにより、ジャイロのスピン軸線即ち積分トルク発生器３０の中心軸線は水平となって静定する。図３Ｂに示すように、積分トルク発生器を設けたジャイロコンパスでは、南北方向の質量アンバランスに起因する誤差も緯度誤差も発生しない。
【００２３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の積分トルク発生器はモータを備えた精密機械であり、製造費が高く、小型化が困難である欠点がある。従って、小型の又は安価なジャイロコンパスに搭載することができない欠点がある。
【００２４】
従って、本発明は、南北方向の質量アンバランスに起因する固定誤差及び緯度誤差を軽減することができる小型の且つ安価なジャイロコンパスを提供することを目的とする。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
本発明によると、ジャイロコンパスは、ジャイロを内蔵するジャイロケースと、ジャイロのスピン軸線と直交する水平軸線周りの回転トルクを生成する第１及び第２の安定器と、上記ジャイロのスピン軸線の水平面に対する傾斜角に比例したダンピング用トルクを上記ジャイロのスピン軸線及び上記水平軸線の双方に直交する回転軸線周りに生成するダンピング装置と、を有し、上記第１の安定器は上記ジャイロに対して指北作用を提供するための指北装置として機能し、上記第２の安定器の回転トルクの時定数は、上記第１の安定器による指北運動の周期に対して十分大きい１次遅れの遅延特性を有する。
【００２７】
本発明によると、上記第１及び２の安定器の各々は上記ジャイロケースの南北両側に配置された２つの壺と、上記壺の底面を接続する連通管と上記壺の上面を接続する空気管と上記壺の内部に装填された高粘度の液を含む。上記第２の安定器の壺の液の粘度は上記第１の安定器の壺の液の粘度より大きい。上記第２の安定器の連通管は上記第１の安定器の連通管より小さな径を有する。上記第２の安定器の連通管には上記液の流動速度を小さくするための抵抗体が配置されている。
【００２８】
従って、本発明によると、簡単な構造によって、ジャイロコンパスの固定誤差を軽減することができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
図１を参照して本発明によるジャイロコンパスの例について説明する。本例のジャイロコンパスは、図２に示した従来のジャイロコンパスと比較して、第２の液体安定器７が設けられている点が異なり、それ以外の構成は同様であってよい。第２の液体安定器７は、第１の液体安定器６と同様、ジャイロケース５の前後（南北方向）に設けられた１対の壺７Ａ、７Ｂを有し、２つの壺の底面と上面は夫々、連通管７Ｃ及び空気管７Ｄによって接続されている。安定器７の内部には高粘性液７Ｅが装填されている。
【００３０】
２つの液体安定器６，７はジャイロケース５の両側、即ち、西側と東側に設けられてよい。更に、２つの液体安定器６，７は支持腕１５に装着されてよい。
【００３１】
第１の液体安定器６は上述のように、指北作用を提供するための指北器として設けたが、第２の液体安定器７は、固定誤差を軽減又は低減するための誤差低減器として設けたものである。以下に両者を比較しながら説明する。第２の液体安定器７が、第１の液体安定器６と比較して異なる点は、ジャイロケース５が傾斜したとき、２つの壺７Ａ、７Ｂの液面のレベルの変動速度が小さい点である。即ち、液体安定器７が南北方向に傾斜したとき、２つの壺７Ａ、７Ｂの間を接続する連通管７Ｃを流れる高粘性液７Ｅの流量速度が小さい。第２の液体安定器７の重心の移動速度は小さく、重心の移動に起因した回転トルクの変動速度も小さい。第２の液体安定器７は上述の積分トルク発生器３０と同様な機能を有する。積分トルク発生器３０では、球がゆっくり移動したが、第２の液体安定器６では、２つの壺７Ａ、７Ｂの間を液７Ｅがゆっくり移動する。
【００３２】
第１の液体安定器６の２つの壺６Ａ、６Ｂの液面のレベルは、時定数が数十秒程度の略１次遅れのような運動をする。この時定数は、ジャイロコンパスの指北運動の周期である７０〜９０分と比較して十分小さいため、無視することができる。第１の液体安定器６の２つの壺６Ａ、６Ｂの液面のレベルの変動は、第１の液体安定器６の重心の移動速度と等価であり、第１の液体安定器６によって生成される回転トルクの変動と等価である。第１の液体安定器６によって生成される回転トルクの変動は、液体安定器６の指北作用に影響を与えず、従って、ジャイロコンパスの指北運動は変化しない。
【００３３】
第２の液体安定器７の２つの壺７Ａ、７Ｂの液面のレベルの変動の時定数は略２０００秒〜１万秒程度であり、ジャイロコンパスの指北運動の周期である７０〜９０分と比較して、無視することができない。第２の液体安定器７の２つの壺７Ａ、７Ｂの液面のレベルの変動速度は極めて遅いため、第２の液体安定器７自身は指北作用を提供しないが、第１の液体安定器６の指北作用に影響を与える。即ち、第２の液体安定器７によって生成される回転トルクの変動は第１の液体安定器６の指北作用に影響を与える。
【００３４】
最初にジャイロのスピン軸線が北に向かって移動するときは第１の液体安定器６の指北作用により、図３Ａの方位曲線と同様な曲線を描いて、静定しようとする。即ち、ジャイロのスピン軸線は、上述のように、傾斜角Ｔ／Ｋにて静定しようとする。しかしながら、ジャイロが静定状態に近づいても、第２の液体安定器７の２つの壺７Ａ、７Ｂの間の液６Ｅの移動は終了していないため、傾斜したジャイロのスピン軸線の低い側は徐々に上昇する。
【００３５】
第２の液体安定器７が、回転部の傾斜角θに対して、数千秒経過した後に最終的に水平軸１１，１１’周りにトルクＫ’θを発生する仮定する。第２の液体安定器７の２つの壺７Ａ、７Ｂの間にて液７Ｅが移動し続けるため、最終的に、ジャイロのスピン軸線は、傾斜角Ｔ／（Ｋ＋Ｋ’）にて静定しようとする。
【００３６】
従って、本例では、静定時のジャイロのスピン軸線の傾斜角はＴ／（Ｋ＋Ｋ’）となり、従来の傾斜角Ｔ／Ｋに比べて小さい。静定時のジャイロのスピン軸線の水平面に対する傾斜角は、従来のＫ／（Ｋ＋Ｋ’）倍となる。静定時のジャイロのスピン軸線の傾斜に起因した誤差、即ち固定誤差は小さくなる。例えば、Ｋ’＝２Ｋとすると、静定時のジャイロのスピン軸線の傾斜角は、従来の装置の場合と比べて、１／３となる。即ち、固定誤差は従来の固定誤差の３分の１になる。
【００３７】
本例によると、第２の液体安定器７では、２つの壺７Ａ、７Ｂの間を移動する液７Ｅの流量速度が小さい。これを達成するために、液７Ｅとして高粘性の流体を選択してよいが、２つの壺７Ａ、７Ｂを接続する連通管７Ｃの径を小さくしてもよい。又は、連通管７Ｃに数本の針金、粒状物等を挿入してもよい。いずれにしても、複雑な装置を必要としない。
【００３８】
図１の例では、第１及び第２の安定器６及び７はそれぞれ単一の液体安定器より構成したが、それぞれ複数の液体安定器を含むように構成してよい。例えば、第２の安定器７を同一の時定数を有する複数の液体安定器７−１、７−２、７−３・・・ より構成してよく、又は、互いに異なる時定数を有する複数の液体安定器より構成してもよい。
【００３９】
本発明は指北作用を提供するための安定器とダンピング作用を提供するためのダンピング装置を備えたジャイロコンパスであればどのような形式のものにも適用可能である。安定器としては、上述のように、水銀、高粘性液を用いる液体型安定器であってよいが、粘性と振子を組み合わせた形式のもの等の所謂トップヘビータイプの安定器であればよい。
【００４０】
ダンピング装置としては、上述の錘のようなダンピングウエイト方式のものであってよいが、偏東軸方式、空気制御方式等、ジャイロのスピン軸線に直交する垂直軸線周りにトルクを加えてダンピングさせる方式のものであればどのようなものであってもよい。
【００４１】
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。
【００４２】
【発明の効果】
本発明によると、簡単な方法によって固定誤差を軽減することができる利点が得られる。
【００４３】
本発明によると、モータ等の可動部を含まない簡単な装置によって固定誤差を軽減することができる利点が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるジャイロコンパスの例を示す説明図である。
【図２】従来のジャイロコンパスの例を示す説明図である。
【図３】安定器とダンピング装置の作用を説明するための方位曲線を示す図である。
【図４】積分トルク発生器の例を説明するための説明図である。
【符号の説明】
５…ジャイロケース、 ６，７…安定器、 ９…錘、 １０，１０’…無接触ピックオフ、 １１，１１’…水平軸、 １３，１３’…垂直軸、 １４…垂直環、 １５…支持腕、 １６…支持台、 １７…懸吊線、 １８…水平環、 １９、１９’…水平軸、 ２０…追従環、 ２１，２１’…垂直軸、 ２２…方位歯車、 ２３…ピニオン、 ２５…方位サーボモータ、 ２６…カード、 ２７…指標、 ２８…盤器、 ３０…積分トルク発生器、 ３２…円筒部、 ３３，３４…蓋、 ３５，３６…軸、 ３７，３８…軸受、 ３９，４０…ステム、 ４１…基台、 ４２…歯車、 ４３…ピニオン、 ４４…モータ、 ４５…高粘性液、 ４６…球

Claims (4)

1. ジャイロを内蔵するジャイロケースと、
   ジャイロのスピン軸線と直交する水平軸線周りの回転トルクを生成する第１及び第２の安定器と、
   上記ジャイロのスピン軸線の水平面に対する傾斜角に比例したダンピング用トルクを上記ジャイロのスピン軸線及び上記水平軸線の双方に直交する回転軸線周りに生成するダンピング装置と、を有し、
   上記第１の安定器は上記ジャイロに対して指北作用を提供するための指北装置として機能し、
   上記第２の安定器の回転トルクの時定数は、上記第１の安定器による指北運動の周期に対して十分大きい１次遅れの遅延特性を有し、
   上記第１及び２の安定器の各々は上記ジャイロケースの南北両側に配置された２つの壺と、上記壺の底面を接続する連通管と上記壺の上面を接続する空気管と上記壺の内部に装填された高粘度の液を含む
   ことを特徴とするジャイロコンパス。
2. 請求項１記載のジャイロコンパスにおいて、上記第２の安定器の壺の液の粘度は上記第１の安定器の壺の液の粘度より大きいことを特徴とするジャイロコンパス。
3. 請求項１記載のジャイロコンパスにおいて、上記第２の安定器の連通管は上記第１の安定器の連通管より小さな径を有することを特徴とするジャイロコンパス。
4. 請求項１記載のジャイロコンパスにおいて、上記第２の安定器の連通管には上記液の流動速度を小さくするための抵抗体が配置されていることを特徴とするジャイロコンパス。

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