JP6985906B2 - ジャイロコンパス - Google Patents

Description

本発明は、ジャイロコンパスに関する。

従来、正確な方位を把握するための手段として、ジャイロコンパスが用いられている。このジャイロコンパスは、ジャイロの回転軸方向が空間の一定方向を保持し続ける方向保持性に対して、回転軸方向が常に南北方向を向く、即ち、回転軸一端側が常に北方向を向く指北作用を持たせるように構成したものである。

また、ジャイロコンパスは、例えば、船舶などの動揺する乗り物に搭載されるため、静的精度及び動的精度の両面において高い精度が要求される。このうち、静的精度については、ジャイロケースに収容されるジャイロの持つ角運動量と、ジャイロケースに加えられる摩擦などの有害トルクとの比が影響する。そのため、角運動量を大きくすることなく静的精度を高めるために、ジャイロケースを、ボールベアリングなどで支持せず、加えられる摩擦がより小さい方法で支持するジャイロケースや、ジャイロケースの偏位を無接触により検出する技術が既知である。

このようなジャイロコンパスとしては、例えば、ジャイロを内蔵したジャイロケースと、液体とともにジャイロケースを収容するタンクと、タンクとジャイロケースとを懸吊体で連結することによりジャイロケースをタンク内に支持する第１の支持装置と、３軸の自由度を有するように支持する第２の支持装置と、重力線周りにタンクをジャイロケースに追従させる垂直追従装置とを備えるジャイロ装置、が知られている（特許文献１参照）。ここで、第２の支持装置における３軸とは、ジャイロのスピン軸、これに直交して鉛直方向を向く垂直軸、スピン軸及び垂直軸に直交して東西方向を向く水平軸である。

また、一般的に、ジャイロコンパスとしてのジャイロ装置は、ジャイロケースに対してタンクを垂直軸周り、水平軸周りに追従させる方位追従系、水平追従系を有し、これら方位追従系及び水平追従系において検出されたジャイロケースの変位に基づいて方位信号を演算して出力するように構成される。

また、機械的な偏位を無接触により検出する技術としては、例えば、交流磁界を発生する１次側コイル、１次側コイルと非接触に対向して１次側コイルによる交流磁界により２次電圧を発生するように配置された４個の２次側コイルとを備えた偏位検出装置、が知られている（特許文献２参照）。

特許第０８８５７３０号明細書 特許第０８６７８１５号明細書

しかしながら、ジャイロケースを懸吊体により容器内に支持し、ジャイロケースの変位を無接触に検出するジャイロ装置においては、ジャイロケースが容器に対して所定の位置からジャイロのスピン軸線方向に移動し、更にスピン軸線方向を維持したまま東西方向に並進的に移動した場合、実際には垂直軸周りのジャイロケースとタンクとの相対変位角がゼロである状態であっても相対変位角が誤差として検出されてしまう。この誤差はジャイロケースに対してタンクを垂直軸周りに追従させる方位追従系における誤差となり、延いてはジャイロ装置より出力される方位信号に方位誤差を生じさせてしまう、という問題がある。

また、ジャイロケースの東西方向への移動を、高額な調整装置を用いて長時間を要するタンクの重心調整や、ジャイロケースの東西方向移動量をゼロとするための新たな追従装置を必要とするため、ジャイロケースの東西方向への移動に起因する方位誤差を低減させるには多大なコストが掛かるという問題がある。

本発明の実施形態は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、より低コストで方位追従系における誤差を低減することができるジャイロ装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するため、本実施形態に係るジャイロ装置は、ジャイロロータを内蔵するジャイロケースと、紐状部材により吊り下げて支持される前記ジャイロケースを内部に収容するタンクと、前記ジャイロロータのスピン軸方向を向く第１軸と、該第１軸と直交して水平面と平行する第２軸と、前記第１軸及び前記第２軸と直交する第３軸とを含む３軸の自由度を有して、前記タンクを支持する支持部と、前記ジャイロケースの前記タンクに対する相対的な姿勢及び位置の変位を無接触で検出する検出部と、前記検出部により検出された前記ジャイロケースの前記第２軸周りの姿勢の変位である第１変位量を予め設定されたオフセットにより補正する第１補正部と、前記補正された第１変位量に基づいて、前記ジャイロケースに対する前記タンクの相対的な姿勢を維持するように前記第２軸周りに前記タンクを追従させる第１追従系とを備える。

本発明の実施形態によれば、より低コストで方位追従系における誤差を低減することができる。

第１の実施形態に係るジャイロ装置を示す概略斜視図である。 検出部の構成を示す概略図である。 方位追従系の構成を示す概略図である。 水平追従系の構成を示す概略図である。 ジャイロロータの指北作用を示す概略図である。 制振系の構成を示す概略図である。 ジャイロケースが南北移動した場合の１次側コイルと２次側コイルにおける方位追従系との位置関係を示す図である。 ジャイロケースが南北移動し、且つ東西方向に並進場合の１次側コイルと２次側コイルにおける方位追従系との位置関係を示す図である。 第１の実施形態に係る制御部の構成を示すブロック図である。 オフセットθ_ｏｆｆが与えられた場合のタンク内のジャイロケースを示す概略図である。 第２の実施形態に係る制御部の構成を示すブロック図である。 第３の実施形態に係る制御部の構成を示すブロック図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。

＜第１の実施形態＞
（ジャイロ装置の構成）
本実施形態に係るジャイロ装置の構成について説明する。図１は、本実施形態に係るジャイロ装置を示す概略斜視図である。なお、図１においては、説明上、タンク及び盤器の一部を切断した状態を示している。また、本実施形態においては、船舶に搭載されるジャイロ装置を示す。

図１に示すように、本実施形態に係るジャイロ装置は、液密性を有してジャイロロータＧを内蔵する球体状のジャイロケース１と、ジャイロケース１を収容する容器であるタンク２と、タンク２を囲繞するように配置された環状の部材である水平環１２及び垂直環１６と、ジャイロケース１、タンク２、水平環１２、垂直環１６を収容する空間が内部に画成された柱形状の盤器２４と、ジャイロ装置を制御する制御部３３（図１に不図示）を備える。なお、ジャイロケース１に内蔵されるジャイロロータＧのスピン軸の軸線方向は南北方向を向くように設定される。

ジャイロケース１は、懸吊線３によりタンク２内に吊り下げられて支持されており、この懸吊線３の上端がタンク２に接続されるとともに、懸吊線３の下端がジャイロケース１に接続されている。ジャイロケース１が収容されるタンク２内の空間には、例えばダンピングオイルなどの高粘性の液体７が充填されている。また、ジャイロケース１とタンク２には、タンク２に対するジャイロケース１の相対的な位置及び姿勢の変位を無接触で検出する検出部６及び６’が装着される。なお、この検出部６及び６’については後に詳述する。

タンク２の赤道上でジャイロロータＧのスピン軸線と直交する直線と交わる、互いに対向する２箇所には水平軸８，８’が接続され、水平軸８，８’の軸線は、東西方向、即ち、スピン軸線方向及び鉛直方向に直交する方向を向くようになっている。これら水平軸８，８’のそれぞれは、水平環１２において互いに対向する２箇所に設けられた水平軸受け１３，１３’の内輪に装着される。また、一方の水平軸８には水平歯車９が取り付けられ、この水平歯車９は水平環１２に装着された水平サーボモータ１０の水平ピニオン１１と噛合する。

水平環１２において、水平軸８，８’の軸線と直交する直線と交わる、互いに対向する２箇所にはジンバル軸１４，１４’が接続され、ジンバル軸１４，１４’の軸線はスピン軸線方向を向くようになっている。これらジンバル軸１４，１４’のそれぞれは、垂直環１６において互いに対向する２箇所に設けられたジンバル軸受け１５，１５’の内輪に装着される。

垂直環１６において、ジンバル軸１４，１４’の軸線と直交する直線と交わる、互いに対向する２箇所には垂直軸１７，１７’が接続され、垂直軸１７，１７’の軸線は鉛直方向を向くようになっている。これら垂直軸１７，１７’のそれぞれは、盤器２４の上面及び底面部分において上下方向に互いに対向する２箇所に設けられた垂直軸受け２５，２５’の内輪に装着される。

盤器２４の底面には方位サーボモータ１９が設けられ、下方の垂直軸１７に装着された方位歯車２１が方位サーボモータ１９の方位ピニオン２０と噛合するようになっている。盤器２４の上面にはコンパスカード２２が盤器２４と相対回転可能に設けられ、このコンパスカード２２は上方の垂直軸１７’と一体回転可能に接続される。また、盤器２４の上面には、コンパスカード２２に対応して、ジャイロ装置が搭載される船舶の船首方位を示す基線２６が記された基板２３が設けられる。すなわち、ジャイロ装置は、基線２６が船首方位を向くように予め設置される。

このように水平軸８，８’、ジンバル軸１４，１４’、垂直軸１７，１７’の３軸の自由度を有してタンク２が支持されるように構成されたジャイロ装置において、検出部６，６’の一部と方位サーボモータ１９とが後述する方位追従系を構成し、ジャイロケース１とタンク２との垂直軸１７，１７’の軸線周り（以下、垂直軸周り）の位置関係を保持するように方位サーボモータ１９が動作される。また、検出部６，６’の一部と水平サーボモータ１０とが後述する水平追従系を構成し、ジャイロケース１とタンク２との水平軸８，８’の軸線周り（以下、水平軸周り）の位置関係を保持するように水平サーボモータ１０が動作される。制御部３３は、後に詳述するように、偏差として方位サーボモータ１９及び水平サーボモータ１０に対して入力される入力信号と、外部装置からジャイロ装置に入力される信号を含むその他の信号とに基づいて、ジャイロ装置が搭載される船舶の船首方位を方位信号として出力する。

（検出部の構成）
検出部の構成及び検出動作について説明する。図２は、検出部の構成を示す概略図である。

検出部６は、ジャイロケース１の外面においてスピン軸の軸線の北方側に設けられる１次側コイル（第１コイル）４Ｎと、タンク２の内面において１次側コイル４Ｎに対応して設けられる２次側コイル（第２コイル）５Ｎと、２次側コイル５Ｎと同様にタンク２の内面に設けられる制振コイル４０Ｎとを備える。また、検出部６’は、ジャイロケース１の外面においてスピン軸の軸線の南方側に設けられる１次側コイル（第１コイル）４Ｓと、タンク２の内面において１次側コイル４Ｓに対応して設けられる２次側コイル（第２コイル）５Ｓと、２次側コイル５Ｓと同様にタンク２の内面に設けられる制振コイル４０Ｓとを備える。

２次側コイル５Ｎは、４個の矩形コイル５ＮＷ，５ＮＥ，５ＮＵ，５ＮＬを有し、同様に、２次側コイル５Ｓは、４個の矩形コイル５ＳＷ，５ＳＥ，５ＳＵ，５ＳＬを有する。ここで、矩形コイル５ＮＷと５ＮＥとは東西方向に並置され、矩形コイル５ＮＵと５ＮＬとは上下方向に並置されて設けられ、同様に、矩形コイル５ＳＷと５ＳＥとは東西方向に並置され、矩形コイル５ＳＵと５ＳＬとは上下方向に並置されて設けられる。また、矩形コイル５ＮＷと５ＮＥとが互いに差動的に接続されるとともに、矩形コイル５ＮＵと５ＮＬとが互いに差動的に接続され、同様に、矩形コイル５ＳＷと５ＳＥとが互いに差動的に接続されるとともに、矩形コイル５ＳＵと５ＳＬとが互いに差動的に接続される。

ここで、北方側の検出部６を例として、ジャイロケース１に対するタンク２の変位の検出について説明する。図２に示すように、１次側コイル４Ｎの巻線はスピン軸線に直交する平面内にあり、通常、ジャイロ電源ＰＳと共用の交流によって励磁され、破線の矢印ａ１により示される交番磁場を生成する。

１次側コイル４Ｎが２次側コイル５Ｎの４個の矩形コイル５ＮＷ，５ＮＥ，５ＮＵ，５ＮＬの中央位置に配置されている場合、１次側コイル４Ｎによる磁束は４個の矩形コイル５ＮＷ，５ＮＥ，５ＮＵ，５ＮＬを貫通するため、４個の矩形コイル５ＮＷ，５ＮＥ，５ＮＵ，５ＮＬには同一の電圧が誘発される。したがって、それぞれ互いに差動的に接続される、矩形コイル５ＮＷ，５ＮＥの出力端子２−１及び矩形コイル５ＮＵ，５ＮＬの出力端子３−１には出力電圧は生じない。

また、２次側コイル５Ｎが１次側コイル４Ｎに対して水平に西方向（図２における矢印Ｗ方向）に偏位した場合、１次側コイル４Ｎによる磁束のうち、東方側の矩形コイル５ＮＥを貫通する磁束は増加してその誘起電圧が増加するが、一方で西方側の矩形コイル５ＮＷを貫通する磁束は減少してその誘起電圧が減少する。したがって、矩形コイル５ＮＷ，５ＮＥの出力端子２−１に差動電圧が生じるが、上下方向の矩形コイル５ＮＵ，５ＮＬの出力端子３−１には出力電圧が生じない。

２次側コイル５Ｎが１次側コイル４Ｎに対して水平に東方向（図２にて矢印Ｅ方向）に偏位した場合は、西方向に変位した場合と逆の状態となる。即ち、１次側コイル４Ｎによる磁束のうち、西側の矩形コイル５ＮＷを貫通する磁束が増加してその誘起電圧が増加し、東側の矩形コイル５ＮＥを貫通する磁束が減少してその誘起電圧が減少する。したがって、矩形コイル５ＮＷ、５ＮＥの出力端子２−１には、西方向に偏位した場合と逆極性の差動電圧が生じるが、上下方向の矩形コイル５ＮＵ、５ＮＬの出力端子３−１には出力電圧は生じない。

２次側コイル５Ｎが１次側コイル４Ｎに対して上下方向（図２にて矢印ＥＷ及び矢印ＮＳに直交する方向）に変位した場合、１次側コイル４Ｎによる磁束のうち、上方の矩形コイル５ＮＵを貫通する磁束は減少又は増加し、下方の矩形コイル５ＮＬを貫通する磁束は増加又は減少する。この際、上方の矩形コイル５ＮＵの誘起電圧が減少又は増加し、下方の矩形コイル５ＮＬの誘起電圧が増加又は減少して、上下方向の矩形コイル５ＮＵ、５ＮＬの出力端子３−１に差動電圧が生じる。

このように、１次側コイル４Ｎが設けられたタンク２の北側端部がジャイロケース１に対して東西方向及び上下方向に変位すると、２次側コイル５Ｎにおける２対の矩形コイル５ＮＷ及び５ＮＥ、５ＮＵ及び５ＮＬそれぞれの出力端子２−１、３−１に差動電圧が生じる。この差動電圧の極性及び大きさは、タンク２のＮ端の変位の方向及び大きさを示す。また、２次側コイル５Ｓにおける２対の矩形コイル５ＳＷ及び５ＳＥ、５ＳＵ及び５ＳＬそれぞれの出力端子についても、２次側コイル５Ｎと同様に差動電圧が生じるが、矩形コイル５ＳＷ、５ＳＥによる電圧、矩形コイル５ＳＵ、５ＳＬによる電圧は、出力端子２−１、３−１による電圧とはその極性が逆となっている。

（方位追従系の構成）
方位追従系について説明する。図３は、方位追従系の構成を示す概略図である。

ジャイロケース１がタンク２に対して垂直軸周りに回転変位（第２変位量）すると、図３に示すように、矩形コイル５ＮＷ，５ＮＥの出力端子２−１及び矩形コイル５ＳＷ，５ＳＥの出力端子２−２に差動電圧が生じ、矩形コイル５ＮＷ，５ＮＥ，５ＳＷ，５ＳＥの出力端子である垂直出力端子５−１に電圧信号が生じる。この垂直出力端子４−１に生じた電圧信号は、サーボ増幅器３０を介してまたは介さないで方位サーボモータ１９の制御巻線に加えられる。方位サーボモータ１９の回転は、方位ピニオン２０、方位歯車２１、垂直環１６及び水平環１２を介して、タンク２に伝達される。それによって、タンク２は垂直軸周りに回転し、タンク２とジャイロケース１の間の相対的回転変位がゼロとなる。

このように、方位追従系によって、タンク２の方位は常にジャイロロータＧのスピン軸線の方位に追従し、コンパスカード２２のＮ字は常にジャイロロータＧのスピン軸線の方位に追従することとなる。したがって、コンパスカード２２のＮ字と基線２６の偏差によって船首方位が読み取られる。

（水平追従系の構成）
水平追従系について説明する。図４は、水平追従系の構成を示す概略図である。

ジャイロケース１がタンク２に対して水平軸周りに回転変位すると、矩形コイル５ＮＵ、５ＮＬ、５ＳＵ、５ＳＬの出力端子である水平出力端子５−１に電圧信号が生じる。この水平出力端子５−１に生じた電圧信号は、水平サーボ増幅器３１を介してまたは介さないで水平サーボモータ１０の制御巻線に加えられる。水平サーボモータ１０の回転は、水平ピニオン１１及び水平歯車９を介して、タンク２に伝達される。それによって、タンク２は水平軸周りに回転し、タンク２とジャイロケース１の間の相対的回転変位がゼロとなる。

（指北と制振系の構成）
指北と制振系について説明する。図５は、ジャイロロータの指北作用を示す概略図である。図６は、制振系の構成を示す概略図である。なお、図５は、タンク内に配置されたジャイロケースを側方から見た状態で概略的に示したものである。また、図６は、タンク及びジャイロケースに設けられた検出部を概略的に示したものである。

ジャイロ装置の制振系は、１次側コイル４Ｎ，４Ｓとの距離を検出することによりタンク２に対するジャイロケース１の移動量ξ（第１移動量）を検出する、検出部６，６’それぞれにおける制振コイル４０Ｎ，４０Ｓにより構成される。よって、まず、この移動量ξについてジャイロロータＧの指北作用とともに説明する。

図５に示すように、タンク２内には高粘性の液体７が充填されており、ジャイロケース１は液体７に漬かる状態で懸吊線３によって懸吊されている。ここで、ジャイロケース１の重心位置をＯ１、タンク２の中心位置をＯ２とし、懸吊線３とタンク２の結合点をＰ、懸吊線３とジャイロケース１の結合点をＱとし、タンク２の中心軸線は線ＰＯ２を通るものとする。更に、ジャイロロータＧのスピン軸線がジャイロケース１と交わる点をＡ，Ｂとし、この２点Ａ，Ｂに対応するタンク２上の２点、即ち、スピン軸線がタンク２と交わる点をＡ’，Ｂ’とし、水平面をＨ−Ｈ’とする。なお、点Ａ，Ｂ，Ａ’，Ｂ’について、点Ａ，Ａ’をジャイロロータＧの指北側とする。

ジャイロロータＧのスピン軸線が水平な場合（θ＝０°）には、タンク２の南北線Ａ’Ｂ’はスピン軸線に整合した位置に配置され、ジャイロケース１の重心位置Ｏ１はタンク２の中心位置Ｏ２と一致する。一方、ジャイロロータＧのスピン軸線が水平面Ｈ−Ｈ’に対して傾斜角θ（第１変位量）だけ傾斜し、ジャイロケース１の指北側にある点Ａが水平面Ｈ−Ｈ’に対して上昇していると仮定する。この際、タンク２の中心軸線ＰＯ２は鉛直線に対して傾斜角θだけ傾斜する。この傾斜を低減させるように、タンク２は、上述した水平追従系によって、ジャイロロータＧの傾斜角θに追従して水平軸周りに回転傾斜する。

外力が作用しない場合、懸吊線３は鉛直線に一致し、懸吊線３の張力Ｔによってジャイロケース１に対して重心位置Ｏ１周りのモーメントＭが生成される。ジャイロケース１の重心位置Ｏ１とジャイロケース１における懸吊線３の接続位置Ｑの間の距離をｒとし、ジャイロケース１の液体７による浮力を除いた残留重量をｍｇとすれば、ジャイロケース１に作用するモーメントＭは、Ｍ＝Ｔｒ ｓｉｎθ＝ｍｇｒ ｓｉｎθの式により表される。

このモーメントＭはジャイロロータＧに対するトルクとして重心位置Ｏ１を通る水平軸８，８’の軸線周りに作用する。このように、スピン軸線の水平面に対する傾斜角に比例したトルクをジャイロの水平軸周りに加えることができるため、指北力が生成される。上述の距離ｒ、重量ｍｇ及びジャイロの角運動量を調整することによって、指北運動の周期を数１０分〜百数１０分とすることができる。

ジャイロ装置の制振系は、スピン軸線の水平面に対する傾斜角に比例したトルクをジャイロ装置の垂直軸の周りに加えるように構成されている。ジャイロケース１は、懸吊線３が垂直線と一致するまで、タンク２に対して相対的にタンク２上の点Ｂ’方向に距離ξ（Ｏ１−Ｏ２）だけ移動する。この移動量ξは、ジャイロロータＧのスピン軸線の水平面Ｈ−Ｈ’に対する傾斜角θに比例する。したがって、このジャイロケース１の相対的な移動量ξを制振コイル４０Ｎ，４０Ｓにより検出し、この検出量に基づいて方位追従系による追従位置を偏位させ、懸吊線３を捩じることによって、所望の制振作用が得られる。

なお、懸吊線３は僅かに剛性を有するから、ジャイロケース１が水平面Ｈ−Ｈ’に対して傾斜したとき、実際には懸吊線３’として示すように撓み曲線を描く。したがって、ジャイロケース１の線Ａ’Ｂ’方向の移動量ξ（Ｏ１−Ｏ２）も、僅かに減少する。しかしながら、懸吊線３は十分可撓性を有し、斯かる移動量の変化は僅かであり、実用的な設計では、その影響は小さいため、以下では斯かる移動量の変化を無視して説明する。

図６に示すように、制振系は方位追従系に付加的に設けられている。検出部６，６’のうち、ジャイロケース１の外面に装着された１次側コイル４Ｎ、４Ｓとタンク２の内面に装着された４対の矩形コイル５ＮＷ、５ＮＥ及び５ＳＷ、５ＳＥと５ＮＵ、５ＮＬ及び５ＳＵ、５ＳＬが示されている。また、検出部６，６’は、これら矩形コイルを含む２次側コイル５Ｎ，５Ｓの更に南北側に、上述した移動量ξを検出するための１対の制振コイル（第３コイル）４０Ｎ，４０Ｓを有する。

この制振コイル４０Ｎ，４０Ｓは、２次側コイル５Ｎ，５Ｓにおいて水平方向に並置された矩形コイル５ＮＷ，５ＮＥ及び５ＳＷ，５ＳＥと平行となるように配置され且つ差動的に接続されている。制振コイル４０Ｎ，４０Ｓの出力端子である制振出力端子６−１は、ジャイロケース１の移動量ξに比例した差動電圧を出力する。

制振出力端子６−１は、方位出力端子４−１に加算的に接続され、サーボ増幅器３０を介して、方位サーボモータ１９の制御巻線に接続されている。これにより、方位サーボモータ１９の制御巻線に印加される電圧信号は、制振出力端子６−１からの電圧信号だけ過剰な電圧信号となり、タンク２のジャイロケース１に対する方位追従動作を移動量ξに基づいて偏位させる。

タンク２は垂直軸周りに、制振系によって方位追従系の動作に対して偏位されただけ回転変位して懸吊線３に捩じり応力が生じる。これによりジャイロケース１は、タンク２に対するジャイロケース１の移動量ξに比例した捩じりトルクを受け、ジャイロロータＧの制振作用が生成される。

（方位誤差）
ここで、上述したジャイロ装置において生じ得る方位誤差について説明する。図７は、ジャイロケースが南北移動した場合の１次側コイルと２次側コイルにおける方位追従系との位置関係を示す図である。図８は、ジャイロケースが南北移動し、且つ東西方向に並進場合の１次側コイルと２次側コイルにおける方位追従系との位置関係を示す図である。なお、図７及び図８において、ジャイロケースは垂直軸周りに回転していないものとする。

図７及び図８において、ジャイロケース１は、タンク２に対して南北方向に、具体的には南方に移動している。ここで、ジャイロケース１の移動量ξ＝０である場合の１次側コイル４Ｎ及び４Ｓとこれらに対応する２次側コイル５Ｎ及び５Ｓとの距離をξ_０とした場合、２次側コイル５Ｎとジャイロケース１の北側端部との距離はξ_０＋ξと表され、また、２次側コイル５Ｎとジャイロケース１の北側端部との距離はξ_０−ξと表される。また、図７及び図８に示すように、東方に配置された矩形コイル５ＮＷ及び５ＳＥの中心軸線から西方に配置された矩形コイル５ＳＷ及び５ＳＷの中心軸線までの距離を２ａ_０とし、図８に示すように、１次側コイル４Ｎ，４Ｓそれぞれの東西方向への移動量をｙ_Ｎ、ｙ_Ｓとする。ここで、２次側コイル５Ｎ及び５Ｓにおける矩形コイル５ＮＷ，５ＮＥ，５ＳＷ，５ＳＥのそれぞれにより検出される電圧Ｅ_５ＮＥ，Ｅ_５ＮＷ，Ｅ_５ＳＥ，Ｅ_５ＳＷは、それぞれ次のように表される。

ここで、ｋ_ＮＷ，ｋ_ＮＥ，ｋ_ＳＥ，ｋ_ＳＷは、それぞれ、矩形コイル５ＮＷ，５ＮＥ，５ＳＷ，５ＳＥの起電圧係数を示す。

図７に示すジャイロケース１が垂直軸周りに＋φ_ｓ方向（反時計方向）に回転する場合に正となる方位出力端子４−１の差動電圧をＥ_φとすると、Ｅ_φ＝（Ｅ_５ＳＥ−Ｅ_５ＳＷ）−（Ｅ_５ＮＥ−Ｅ_５ＮＷ）となり、ここで、簡単化のため、上述の起電圧係数ｋ_ＮＷ，ｋ_ＮＥ，ｋ_ＳＥ，ｋ_ＳＷを互いに同一とすると、差動電圧Ｅ_φは次式で表される。

ここで、ｙ_ｐ＝ｙ_Ｎ＋ｙ_Ｓ，ｙ_ｒ＝ｙ_Ｎ−ｙ_ｓとすると、上式を

と書き直せる。

この式において、第１項ｙ_ｒξ_０は垂直軸周りの回転成分ｙ_ｒによる相対変位角であって、本来検出されるべき正常な検出値である。一方、第２項ｙ_ｐξはジャイロケース１の東西方向への移動量ｙ_ｐによる出力変化であって、本来検出されるべきでない、垂直軸周りの相対変位角における誤差成分である。つまり、ジャイロケース１がスピン軸線方向に移動量ξだけ移動し、更にスピン軸方向そのままで東西方向に並進的にｙ_ｐ移動した場合、矩形コイル５ＮＷ，５ＮＥの出力端子２−１における差動電圧と矩形コイル５ＳＷ，５ＳＥの出力端子３−１における差動電圧とが打ち消し合わず、垂直軸周りの相対変位角が無いにもかかわらず、出力電圧が生じてしまう。

方位追従系は、差動電圧Ｅ_φ＝０となるように追従する。このとき、式（３）より東西方向移動量ｙ_ｐによる垂直軸周りの相対変位角成分は

と表せる。方位追従誤差をΔφ_sとすると

となる。ここで、Ｓ_ｆは角度換算係数である。

通常は、方位追従系によってタンク２とジャイロケース１の間の相対的回転変位は常にゼロとなるように差動電圧Ｅφ＝０に追従するため、タンク２とジャイロケース１を接続する懸吊線３に捩じり応力は生じない。しかし、ジャイロケース１の東西方向移動量ｙ_ｐがあると、差動電圧Ｅφ＝０の時に方位追従誤差Δφ_ｓがあるために懸吊線３が捩られ、垂直軸周りに誤差トルクが発生する。この誤差トルクによる方位誤差ΔΦは次式となる。

ここで、Ｋ_ｓは懸吊線３の捩りトルク定数、ＨはジャイロロータＧの角運動量、Ωは地球自転角速度、λは現在地点の緯度である。

ジャイロ装置において、ジャイロケース１のスピン軸線方向の移動量ξ＝０のとき東西方向移動量ｙ_ｐがあっても誤差とならないが、移動量ξ≠０では、東西方向移動量ｙ_ｐとスピン軸線方向の移動量ξに比例して方位誤差が発生する。高精度な方位精度が要求されるジャイロコンパスとしてのジャイロ装置においては、方位誤差ΔΦを低減させる必要がある。

差動電圧Ｅ_φに含まれる誤差を低減するには、式（３）よりジャイロケース１のスピン軸線方向の移動量ξを変化させても差動電圧Ｅ_φが変化しない東西方向移動量ｙ_ｐとなるようにジャイロ装置を組立調整するか、東西方向移動量ｙ_ｐを変化させても差動電圧Ｅ_φが変化しない移動量ξ（ξ＝０の点）にジャイロ装置を調整することが考えられる。このときの移動量ξが１次側コイル４Ｎ，４Ｓと２次側コイル５Ｎ，４Ｓとの距離ξ_０となる。

ジャイロケース１の東西方向移動量ｙ_ｐ （第２移動量）は、ジャイロケース１、タンク２を含む、水平環１２以内の重心をジンバル軸受け１５，１５’の下側でタンク２の鉛直軸上に調整し、水平環１２が東西方向に対して水平に支持されている間は発生しない。しかしながら、垂直環１６に装着されたジンバル軸受け１５，１５’の摩擦トルクのヒステリシスにより、船体の動揺後などに水平環１２の傾斜角が水平位置に戻らないと、水平環１２の傾斜によりジャイロケース１の東西方向移動量ｙ_ｐが発生する。また、タンク２の重心が東西方向にずれていると、タンク２がジャイロケース１に対して東西方向に並進的に移動するため、水平環１２がジンバル軸１４，１４’周りに傾斜し、ジャイロケース１の東西方向移動量ｙ_ｐが発生する。このように水平環１２の東西方向傾斜は、ジンバル軸受け１５，１５’の摩擦トルクやタンク２の重心位置により発生するために一定とならない。このように、本実施形態に係るジャイロ装置において、ジャイロケース１の東西方向移動量ｙ_ｐをゼロとすることは困難であり、高額な調整装置を用いた長時間の調整を要するタンク２の重心調整や東西方向移動量ｙ_ｐをゼロに制御する新たな追従装置が必要となるため、ジャイロケース１の東西方向移動量ｙ_ｐを発生させないように対策することは高コストとなる。

ジャイロ装置が静定したとき、ジャイロロータのスピン軸線の水平面Ｈ−Ｈ’に対する傾斜角θ_ａは次式で表される。

ここで、Ｔ_Ｈは水平軸周りのアンバランストルクである。この式より傾斜角θ_ａは、船体のある地球上の緯度λで異なり一定では無い。ジャイロケース１の移動量ξは、ジャイロロータのスピン軸線の水平面Ｈ−Ｈ’に対する傾斜角θ_ａに比例するため、傾斜角θ_ａと同様に緯度λで変化し、一定では無い。

ここまで説明したように、ジャイロケース１を懸吊体により容器内に支持し、ジャイロケース１の変位を無接触に検出するジャイロ装置においては、水平環１２の東西傾斜、ジャイロケース１の移動量ξを常にゼロとすることができず、方位追従誤差Δφ_ｓが生じ、これにより発生する垂直軸１７，１７’周りの誤差トルクから方位誤差ΔΦが発生してしまう。このような方位誤差ΔΦは、検出部６，６’としてコイルを用いた場合に限らず、例えば、ジャイロケース１側に発光素子を設けて、タンク２側に受光素子を設けてジャイロケース１の変位を無接触に検出した場合にも生じ得るものである。

（制御部の構成）
第１の実施形態に係る制御部の構成について説明する。図９は、第１の実施形態に係る制御部の構成を示すブロック図である。図１０は、オフセットθ_ｏｆｆが与えられた場合のタンク内のジャイロケースを示す概略図である。

図９に示すように、ジャイロ装置に備えられた制御部３３は、方位偏差信号変換部３３０と、水平偏差信号変換部３３１と、移動量信号変換部３３３と、方位算出部３３４と、水平偏差補正部３３５と、水平偏差信号処理部３３６と、方位偏差信号処理部３３７とを有する。このうち、方位算出部３３４及び水平偏差補正部３３５は制御部３３による演算によって実現される機能である。

方位偏差信号変換部３３０は、矩形コイル５ＮＷ，５ＮＥ，５ＳＷ，５ＳＥの出力端子である垂直出力端子４−１から出力された電圧を方位偏差φ_ｓとして方位算出部３３４に入力する。水平偏差信号変換部３３１は、矩形コイル５ＮＷ，５ＮＥ，５ＮＵ，５ＮＬの出力端子である水平出力端子５−１から出力された電圧を水平偏差θ_ｓとして水平偏差補正部３３５に入力する。移動量信号変換部３３３は、制振コイル４０Ｎ，４０Ｓの出力端子である制振出力端子６−１から出力された電圧を移動量ξとして方位算出部３３４に入力する。水平偏差信号処理部３３６は、水平偏差補正部３３５により補正された水平偏差を水平サーボ増幅器３１へ出力する。方位偏差信号処理部３３７は、方位偏差信号変換部３３０により出力された方位偏差及び移動量信号変換部３３３により出力された移動量を入力として、移動量により方位偏差を補正し、この補正した方位偏差を方位サーボ増幅器３０へ出力する。

方位算出部３３４は、方位追従系における偏差である方位偏差φ_ｓと、制振系における検出値である移動量ξと、ジャイロ装置の外部装置より入力される船舶の速度Ｖ及び緯度λとに基づいて、方位Φを算出して出力する。

水平偏差補正部３３５は、水平追従系における偏差である水平偏差θ_ｓを予め設定されたオフセットθ_ｏｆｆに基づいて補正した水平偏差θ_ｓ ^‐を水平偏差信号処理部３３６に入力する。具体的には、水平偏差補正部３３５は、水平偏差θ_ｓ ^‐を、θ_Ｓ ^‐＝θ_ｓ＋θ_ｏｆｆの式により算出する。ここで、オフセットθ_ｏｆｆは、ジャイロ装置の稼働に先立って設定される所定の値であり、タンク２に対してジャイロケース１が垂直軸１７，１７’周りに変位しない状態において、ジャイロケース１の東西方向移動量ｙ_ｐを変化させても差動電圧Ｅφがゼロとなるような値に設定される。

水平偏差補正部３３５に入力されたオフセットθ_ｏｆｆにより補正された水平偏差θ_ｓ ^‐が水平偏差信号処理部３３６を介して水平サーボ増幅器３１に与えられることにより、図１０に示すように、水平追従系における追従点はθ_ｏｆｆとなる。このときジャイロケース１のスピン軸方向は変わらず、ジャイロケース１が移動量ξだけ移動する。つまり、水平追従系のオフセットθ_ｏｆｆによりジャイロケース１の移動量ξが変えられる。ジャイロケース１の移動量ξと傾斜角θは、比例関係にあるので所望のジャイロケース１の移動量ξとなる水平追従系のオフセットθ_offが予め求められる。

これにより、水平環１２が傾斜しても差動電圧Ｅ_φが変化しないジャイロケース１の移動量ξとし、方位偏差φ_ｓに含まれる方位追従誤差Δφ_ｓを減少させ、延いては、方位偏差φ_ｓに基づいて方位算出部３３４により算出される方位Φに含まれる方位誤差ΔΦを低減できる。

＜第２の実施形態＞
次に、第２の実施形態に係るジャイロ装置について説明する。本実施形態に係るジャイロ装置は、制御部の構成、具体的には水平偏差補正部の構成が第１の実施形態と異なっているため、以下ではこの差異についてのみ説明する。図１１は、第２の実施形態に係る制御部の構成を示すブロック図である。

図１１に示すように、本実施形態に係るジャイロ装置の制御部３３ａは、水平偏差補正部３３５に代えて水平偏差補正部３３５ａを備える点が第１の実施形態における制御部３３とは異なる。水平偏差補正部３３５ａは、オフセットθ_ｏｆｆに加え、ジャイロの角運動量Ｈ、指北定数Ｋ、地球自転速度Ω、及び現在地点の緯度λに基づいて、水平偏差値θ_ｓを補正して水平偏差値θ_ｓ ^‐として水平サーボ増幅器３１へ出力する。具体的には、水平偏差補正部３３５ａは、以下の式により補正された水平偏差θ_ｓ ^‐を算出する。

このように、緯度によるジャイロケース１の移動量ξの変化をも考慮することによって、水平環１２が傾斜し、更に緯度λが変化しても差動電圧Ｅφが変化しないジャイロケース１の移動量ξとし、方位偏差φ_ｓに含まれる方位追従誤差Δφ_ｓを減少させ、延いては、方位偏差φ_ｓに基づいて方位算出部３３４により算出される方位Φに含まれる方位誤差ΔΦを更に低減できる。

＜第３の実施形態＞
次に、第３の実施形態に係るジャイロ装置について説明する。本実施形態に係るジャイロ装置は、制御部の構成、具体的には方位偏差補正部を更に備える点が第２の実施形態と異なっているため、以下ではこの差異についてのみ説明する。図１２は、第３の実施形態に係る制御部の構成を示すブロック図である。

図１２に示すように、本実施形態におけるジャイロ装置の制御部３３ｂは、方位偏差補正部３３８を更に備える点が第２の実施形態における制御部３３ａとは異なる。方位偏差補正部３３８は、ジャイロケース１の東西方向移動量ｙ_ｐと南北方向移動量のξ_０、角度換算係数であるＳ_ｆと、方位サーボ増幅器出力φ_ｓと、ジャイロケース１の移動量ξとに基づいて、方位偏差信号変換部３３０により出力された方位偏差φ_ｓを補正した方位偏差φ_ｓ ^‐を出力する。ここで、ξ_０は、上述したように、ジャイロケース１の移動量ξ＝０である場合の１次側コイル４Ｎ及び４Ｓとこれらに対応する２次側コイル５Ｎ及び５Ｓとの距離を示す。具体的には、方位偏差補正部３３８は、以下の式により補正された方位偏差φ_ｓ ^‐を算出する。

このような方位偏差φ_ｓ ^‐によれば、方位追従誤差Δφ_ｓを含まないため、方位偏差φ_ｓ ^‐に基づいて方位算出部３３４により算出される方位Φに含まれる方位誤差ΔΦを更に低減できる。

なお、方位偏差φ_ｓ ^‐の算出に用いられる東西方向移動量ｙ_ｐは、ジャイロ装置の稼働に先立って予め設定される値であり、ジャイロ装置の組立調整後の検査工程において測定された値である。東西方向移動量ｙ_ｐは、上述したように、１次側コイル４Ｎ，４Ｓそれぞれの東西方向への移動量ｙ_Ｎ、ｙ_Ｓ（図８参照）を加算したものであり、これらの移動量ｙ_Ｎ、ｙ_Ｓは、それぞれ、２次側コイル５Ｎ，５Ｓにおける矩形コイル５ＮＷ，５ＮＥの出力端子２−１、矩形コイル５ＳＷ，５ＳＥの出力端子２−２において検出され、具体的には、出力端子２−１と出力端子２−２との出力電圧が互いに逆極性である場合に、これらの出力電圧を移動量ｙ_Ｎ、ｙ_Ｓとして検出する。

これまで説明したように、本発明によれば、補正した水平偏差により水平追従系を動作させ、更には方位の算出に用いられる方位偏差を補正することによって、東西方向移動量を生じさせない対策を行う場合と比較してより低コストでジャイロケースの東西方向への移動に起因する方位誤差を低減させることができる。

本発明の実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ ジャイロケース
２ タンク
６，６’ 検出部
３３５，３３５ａ 水平偏差補正部（第１補正部）
３３８ 方位偏差補正部（第２補正部）

Claims (9)

1. ジャイロロータを内蔵するジャイロケースと、
   紐状部材により吊り下げて支持される前記ジャイロケースを内部に収容するタンクと、
   前記ジャイロロータのスピン軸方向を向く第１軸と、該第１軸と直交して水平面と平行する第２軸と、前記第１軸及び前記第２軸と直交する第３軸とを含む３軸の自由度を有して、前記タンクを支持する支持部と、
   前記ジャイロケースの前記タンクに対する相対的な前記第２軸及び前記第３軸周りの回転変位と位置の変位とを無接触で検出する検出部と、
   前記検出部により検出された前記ジャイロケースの前記第２軸周りの回転変位である第１変位量を予め設定されたオフセットにより補正する水平偏差補正部と、
   前記補正された第１変位量に基づいて、前記ジャイロケースに対する前記タンクの相対的な姿勢を維持するように前記第２軸周りに前記タンクを追従させる水平追従系と
   を備えるジャイロ装置。
2. 前記水平偏差補正部は、前記ジャイロ装置の現在位置の緯度を取得し、該緯度と前記オフセットとに基づいて前記第１変位量を補正することを特徴とする請求項１に記載のジャイロ装置。
3. 前記検出部により検出された前記ジャイロケースの前記第３軸周りの回転変位である第２変位量に基づいて、前記ジャイロケースに対する前記タンクの相対的な姿勢を維持するように前記第３軸周りに前記タンクを追従させる方位追従系と、
   前記検出部により検出された前記第１軸方向における前記ジャイロケースの位置の変位を示す第１移動量と、前記タンクに対する前記ジャイロケースの前記第２軸方向への移動量として予め設定された第２移動量とに基づいて、前記第２変位量を補正する方位偏差補正部と
   を更に備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のジャイロ装置。
4. 前記第２移動量に基づいて前記ジャイロ装置が設置される移動体の方位を算出する方位算出部を更に備えることを特徴とする請求項３に記載のジャイロ装置。
5. 前記水平偏差補正部は、θ_ｓを前記第１変位量、θ_ｏｆｆを前記オフセット、Ｈをジャイロの角運動量、Ｋを指北定数、Ωを地球自転速度、λを前記緯度として、
   

   

   により前記補正された第１変位量θ_ｓ ^‐を算出することを特徴とする請求項２に記載のジャイロ装置。
6. 前記方位偏差補正部は、φ_ｓを前記第２変位量、Ｓ_ｆを角度換算係数、ｙ_ｐを前記第２移動量、ξを前記第１移動量、ξ_０をξ＝０である場合の前記第１軸方向における前記ジャイロケースと前記タンクとの距離として、
   

   

   により前記補正された第２変位量φ_ｓ ^‐を算出することを特徴とする請求項３または請求項４に記載のジャイロ装置。
7. 前記検出部は、前記ジャイロケースに設けられて前記スピン軸方向を向く磁束を生成する第１コイルと、前記タンクに設けられ、前記磁束の増減による変位を検出する第２コイルとを備えることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載のジャイロ装置。
8. 前記第２コイルにおける複数のコイルは、前記第２軸方向に並置された２つのコイルと前記第３軸方向に並置された２つのコイルとを有することを特徴とする請求項７に記載のジャイロ装置。
9. 前記検出部は、前記タンクに設けられ、前記第１コイルとの距離を検出する第３コイルを更に備えることを特徴とする請求項７または請求項８に記載のジャイロ装置。
   

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