JPH10132570A

JPH10132570A - 起立装置及び回転体装置

Info

Publication number: JPH10132570A
Application number: JP28405196A
Authority: JP
Inventors: Takashi Koyama; 貴志小山; Takeshi Hojo; 武北條; Tsurashi Yamamoto; 貫志山本
Original assignee: Tokimec Inc
Current assignee: Tokimec Inc
Priority date: 1996-10-25
Filing date: 1996-10-25
Publication date: 1998-05-22

Abstract

(57)【要約】【課題】高速で回転する回転体の中心軸線が常に鉛直
方向を指向するようにハウジングを起立させるための構
造が簡単な起立装置を提供することを目的とする。【解決手段】起立装置は、回転体の中心軸線に沿って
配置されハウジングの上面に取り付けられた主軸と、こ
の主軸周りに回転可能に装着された回転部材と、回転部
材上に中心軸線より偏倚した位置に装着されたモータ
と、回転伝導装置と、を有する。モータの回転軸が回転
すると回転伝導装置によって回転部材は主軸周りに回転
するように構成されている。起立装置は、定常モードと
プリセッションモードのいずれかにて作動される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は回転体装置の姿勢を
一定に保持するための起立装置に関し、より詳細には、
高速で回転する回転体のスピン軸線が常に一定方向を指
向するようにそのハウジング又はケーシングを保持する
ための起立装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】高速で回転する回転体を内蔵する装置、
即ち、高速回転体装置として、例えば、エネルギ蓄積装
置や電力貯蔵装置が知られている。エネルギ蓄積装置
は、例えば、自動車に搭載され、アイドリング中のエン
ジンやブレーキ装置より機械的又は電気的エネルギを取
り出し、それを高速で回転する回転体にて回転エネルギ
として蓄える。

【０００３】また電力貯蔵装置は、昼夜の電力使用量に
大差があることに鑑み、電力会社にて夜間の電力を貯蔵
するために使用される。電力貯蔵装置は、典型的には、
電力をフライホイールにて回転エネルギとして蓄えるよ
うに構成されている。フライホイールは高速回転する円
盤体を有し、この円盤体は超伝導体よりなり、磁気浮上
効果を使用して非接触的に支持されている。

【０００４】これらのエネルギ蓄積装置や電力貯蔵装置
では、必要なときに、回転エネルギを電気的エネルギと
して取り出すことができる。

【０００５】高速回転体装置として一般的に最も良く知
られているのは、ジャイロロータを内蔵するジャイロ装
置又は水平儀である。

【０００６】高速回転体装置は、典型的には高速で回転
する回転体と該回転体を内部に収容するハウジング又は
ケーシングと該ハウジング又はケーシングを支持する支
持装置とを有する。支持装置は通常ハウジング又はケー
シングを所定の自由度にて回転可能に支持するような機
構を有する。

【０００７】この支持装置のため、高速回転体装置が取
り付けられている基台が傾斜及び動揺しても、回転体の
ジャイロ作用によって、回転体のスピン軸線は常に一定
方向に指向する。しかしながら、摩擦力等の外力が作用
すると、回転体のスピン軸線の方向が偏倚し、従ってハ
ウジング又はケーシングも傾斜する。ハウジング又はケ
ーシングは、実際には比較的遅い周期にて歳差運動をす
る。

【０００８】高速回転体装置には、回転体のスピン軸線
が常に一定方向を指向するようにハウジング又はケーシ
ングを起立させるため起立装置が設けられる。起立装置
はプリセション作用を利用して回転体のスピン軸線の傾
斜角を減少させるように構成されている。

【０００９】図５〜図８を参照して従来の起立装置の例
を説明する。この例は本願出願人と同一の出願人による
特開平６０−１６４２０８号（特公平３−５０９６２
号）に開示されているものであり、詳細は同公報を参照
されたい。

【００１０】図５は従来の起立装置３が水平儀に使用さ
れた例を示す概略図である。水平儀は略円筒形状のジャ
イロケース１と該ジャイロケース１の内部に収容された
ジャイロロータ２とを有し、ジャイロロータ２は鉛直方
向のスピン軸線を有する。起立装置３はジャイロケース
１の上面に装着されている。ジャイロケース１の両側に
はピッチ軸４、４’が装着されている。

【００１１】水平儀はジャイロケース１を２軸の自由度
にて回転可能に支持する支持装置を有する。この支持装
置はジャイロケース１を囲むように延在している環状の
ジンバル環５を有し、このジンバル環５は直径方向両側
に配置された２個のピッチ軸受６、６’とこの２個のピ
ッチ軸受６、６’に対して９０°回転した位置に配置さ
れた２個のロール軸７、７’とを有する。

【００１２】ジャイロケース１のピッチ軸４、４’はピ
ッチ軸受６、６’にそれぞれ回転可能に支持され、ジン
バル環５のロール軸７、７’は支持部材８、８’に装着
されたロール軸受９、９’にそれぞれ回転可能に支持さ
れている。支持部材８、８’は基台１０上に装着されて
いる。

【００１３】こうしてジャイロケース１はピッチ軸４、
４’を通る軸線（ピッチ軸線）周り及びロール軸７、
７’を通る軸線（ロール軸線）周りに回転可能に支持さ
れている。ロール軸７、７’は基台１０に常に平行であ
る。

【００１４】ピッチ軸４、４’の一方にはピッチ角発信
器１１が装着され、それによってジンバル環５に対する
ジャイロケース１のピッチ軸線周りの回転角度（ピッチ
角）が検出される。ロール軸７、７’の一方にはロール
角発信器１２が装着され、それによって基台１０に対す
るジャイロケース１のロール軸線周りの回転角度（ロー
ル角）が検出される。

【００１５】基台１０は航行体の所定の基準面に装着さ
れる。航行体が傾斜して基台１０が傾斜しても、起立装
置によってジャイロロータ２のスピン軸線が常に鉛直方
向を指向するように、ジャイロケース１はピッチ軸線及
びロール軸線周りに回転する。このとき、ピッチ角発信
器１１及びロール角発信器１２によって航行体のピッチ
角及びロール角が検出されて外部に出力される。

【００１６】図６及び図７を参照して起立装置３の構造
及び動作を説明する。ジャイロロータ２はロータ軸２−
１を有し、このロータ軸２−１はジャイロケース１の上
面に突出している。ジャイロケース１の上面には、ロー
タ軸２−１を囲むように環状の突起部１−２が形成さ
れ、この環状の突起部１−２にロータ軸受１−３が配置
されている。ロータ軸２−１はロータ軸受１−３によっ
て回転可能に支持されている。

【００１７】ジャイロケース１の上面には、環状の突起
部１−２の外側に環状の溝１−１が形成されている。

【００１８】ジャイロケース１の上面には太陽歯車３−
２が取り付けられており、この太陽歯車３−２はボス３
−３を有する。このボス３−３の外周に軸受３−４の内
輪が取り付けられ、この軸受３−４の外輪には回転部材
３−５が取り付けられている。回転部材３−５はこの軸
受３−４によってボス３−３に対して回転可能に支持さ
れている。回転部材３−５は図７に示すように非対称的
な形状を有する。

【００１９】本例の起立装置はトルク伝達機構、減速機
構及び調速機構を有する。先ずトルク伝達機構について
説明する。このトルク伝達機構はロータ軸２−１の先端
部２−２に取り付けられた円盤状の磁石３−１と回転部
材３−５の上面に取り付けられた円環部材３−６とを含
む。円環部材３−６は磁石３−１の円周面を囲むように
且つそれより隔置されて配置されている。円環部材３−
６は銅等の金属製の良導体材料よりなる。

【００２０】ジャイロロータ２は高速で回転しており、
従ってロータ軸２−１及びその先端部２−２に取り付け
られた磁石３−１も高速で回転している。磁石３−１が
高速で回転すると、円環部材３−６に渦電流が発生し、
回転部材３−５を回転させるためのトルクが発生する。
このトルクによって回転部材３−５は低速にて回転す
る。こうしてジャイロロータ２の回転はトルク伝達機構
によって回転部材３−５に伝達される。

【００２１】次に減速機構及び調速機構について説明す
る。回転部材３−５の一方の外側には２個の軸３−７、
３−１０Ａが適当な軸受を介して回転可能に装着されて
いる。第１の軸３−７には遊星歯車３−８とラチェット
歯車３−９が同軸的に取り付けられている。第２の軸３
−１０Ａにはラチエット部材３−１０が取り付けられて
いる。遊星歯車３−８は太陽歯車３−２に係合し、ラチ
ェット歯車３−９はラチエット部材３−１０の爪部と係
合している。

【００２２】本例の減速機構は太陽歯車３−２と遊星歯
車３−８からなり、調速機構はラチェット歯車３−９と
ラチェット部材３−１０からなる。回転部材３−５が回
転すると、太陽歯車３−２と係合している遊星歯車３−
８が回転し、それによってラチェット歯車３−９が回転
する。ラチェット歯車３−９はラチエット部材３−１０
の爪部と係合しているため、回転部材３−５は回転速度
に対応したダンピングトルクを受ける。従って回転部材
３−５は略々一定の低速度にて回転する。

【００２３】次の本例の起立装置の起立機構について説
明する。回転部材３−５の他方の外側には２つのアーム
３−１１、３−１２が形成されており、この２つのアー
ム３−１１、３−１２は半径方向外方に且つ下方に傾斜
して延在しており、丁度、ジャイロロータ１の上面に形
成された環状の溝１−１上まで延在している。

【００２４】この環状の溝１−１に、２つのアーム３−
１１、３−１２の間にて、ボール３−１５が配置されて
いる。ボール３−１５は２つのアーム３−１１、３−１
２の間に拘束されながら、環状の溝１−１に沿って移動
することができる。第１のアーム３−１１のボール３−
１５と接する側面には当て金３−１３が装着され、第２
のアーム３−１２のボール３−１５と接する側面にはロ
ーラ３−１４が装着されている。

【００２５】図８を参照して本例の起立装置の起立機構
の動作を説明する。図８は図７に示した起立装置の回転
部材３−５の一部及びボール３−１５を示している。上
述のように、ボール３−１５は、回転部材３−５の２つ
のアーム３−１１、３−１２の間にて、ジャイロケース
１の上面の環状の溝１−１に沿って移動することができ
る。ボール３−１５は、円周状の移動経路１−１Ａに沿
って移動し、２つのアーム３−１１、３−１２の間の可
動範囲φ₀を自重によって転動する。

【００２６】図示のように、回転部材３−５の中心を原
点Ｏとして、原点Ｏを通り互いに直交するＸ−Ｘ’軸及
びＹ−Ｙ’軸をとる。ジャイロケース１がＸ−Ｘ’軸周
りに回転角θだけ回転傾斜したものとする。Ｙ−Ｙ’軸
は最大傾斜方向であり、線分ＯＹ側が高く（符号Ｈにて
示す。）、線分ＯＹ’側が低い（符号Ｌにて示す。）も
のとする。

【００２７】実際には、ジャイロケース１の最大傾斜方
向（Ｙ−Ｙ’軸）は、ジャイロロータ２の歳差運動によ
って、ゆっくり回転する。しかしながら、この最大傾斜
軸の回転速度は、回転部材３−５の回転速度に比べて十
分小さく、ここでは無視する。

【００２８】回転部材３−５は矢印のように反時計方向
に回転しているものとする。ボール３−１５も、回転部
材３−５の２つのアーム３−１１、３−１２の間にて、
経路１−１Ａに沿って反時計方向に移動する。ボール３
−１５の移動経路１−１Ａのうち、右半分の経路は上り
坂であり、左半分の経路は下り坂である。従って、右半
分の経路ではボール３−１５は、より下側に配置された
第１のアーム３−１１側に配置された状態で回転部材３
−５と共に移動する。このとき、ボール３−１５の重量
によって回転部材３−５は減速トルクを受ける。

【００２９】第１のアーム３−１１には当て金３−１３
が装着されており、ボール３−１５はこの当て金３−１
３に接触している。従ってボール３−１５は右半分の経
路を移動するとき自転することが阻止され、ボール３−
１５と溝１−１の間で摩擦力が発生する。この摩擦力は
回転部材３−５に対して減速トルクとして作用する。結
局、ボール３−１５の自重と摩擦力によって、回転部材
３−５は減速する。

【００３０】一方、左半分の経路ではボール３−１５
は、より下側に配置された第２のアーム３−１２側に配
置された状態で回転部材３−５と共に移動する。このと
き、ボール３−１５の重量によって回転部材３−５は増
速トルクを受ける。

【００３１】第２のアーム３−１２にはローラ３−１４
が装着されており、ボール３−１５はこのローラ３−１
４に接触している。従ってボール３−１５は、左半分の
経路を移動するとき自由に自転することが許され、ボー
ル３−１５と溝１−１の間で摩擦力が発生しない。結
局、ボール３−１５の重量によって、回転部材３−５は
加速する。

【００３２】ボール３−１５の移動経路１−１Ａのう
ち、右半分の上り坂の経路では回転部材３−５は減速ト
ルクを受け、より遅い速度にて回転する。従って、ボー
ル３−１５は右半分の経路にて、より長い時間停滞す
る。左半分の下り坂の経路では回転部材３−５は増速ト
ルクを受け、より早い速度にて回転する。従って、ボー
ル３−１５は左半分の経路にて、より短い時間停滞す
る。

【００３３】ボール３−１５の重量は十分大きいから、
右半分の経路に長い時間停滞することによって、回転部
材３−５は、図示のようにＹ−Ｙ’軸周りの回転トルク
Ｔ_Pを受ける。このトルクＴ_Pはジャイロのプリセッシ
ョントルクとして作用し、ジャイロロータのスピン軸線
の傾斜角を減少させるように働く。こうしてジャイロの
プリセッション運動によってジャイロロータのスピン軸
線が鉛直方向に指向するように、ジャイロケース１は起
立する。

【００３４】

【発明が解決しようとする課題】従来の起立装置は次の
ような欠点を有する。（１）この起立装置は、磁石３−１と円環部材３−６か
らなるトルク伝達機構と太陽歯車３−２と遊星歯車３−
８からなる減速機構とラチェット歯車３−９とラチェッ
ト部材３−１０からなる調速機構とを有する。トルク伝
達機構は、約１００００ｒｐｍの高速にて回転するジャ
イロロータ２の回転を約１０〜２０ｒｐｍの低速に減速
して回転部材３−５に伝達する。減速機構及び調速機構
によって回転部材３−５の回転速度は一定に保持され
る。これらの伝達機構、減速機構及び調速機構は構造が
複雑で組立調整に長時間が必要である。

【００３５】（２）減速機構及び調速機構等の潤滑不良
は、回転部材３−５の円滑な回転を阻害し、起立装置と
して正確な機能を失わせる。従って常に適当な潤滑のた
めに保守点検が必要である。

【００３６】（３）ジャイロロータ２のロータ軸２−１
はジャイロケース１より突出している。そのため、ジャ
イロケース１を完全な密閉構造にすることは困難であ
る。従ってジャイロケース１内にゴミ等が侵入し、寿命
が短くなる欠点がある。

【００３７】（４）ボール３−１５が２つのアーム３−
１１、３−１２のいずれかの側に接触している状態では
回転部材３−５は増減速されるが、両者の間を移動して
いる間は、回転部材３−５の回転速度は増減しないから
不感帯となる。特に、ジャイロケース１の傾斜角が小さ
い時に、この不感帯が大きく、正しい起立トルクが発生
しなくなる。

【００３８】本発明は斯かる点に鑑み、構造が簡単な起
立装置を提供することを目的とする。

【００３９】本発明は斯かる点に鑑み、伝達機構、減速
機構及び調速機構は構造が簡単な起立装置を提供するこ
とを目的とする。

【００４０】本発明は斯かる点に鑑み、ジャイロケース
１を完全な密閉構造にすることができる起立装置を提供
することを目的とする。

【００４１】本発明は斯かる点に鑑み、ジャイロケース
１の傾斜角が小さい時でも不感帯が発生することがない
起立装置を提供することを目的とする。

【００４２】

【課題を解決するための手段】本発明によると、中心軸
線周りに高速回転する回転体と該回転体を内蔵するハウ
ジングと該ハウジングを支持する支持装置とを有する回
転体装置に装着されるように構成され、上記回転体の中
心軸線が常に鉛直方向を指向するように上記ハウジング
を起立させるための起立装置において、上記回転体の中
心軸線に沿って且つ上記ハウジングより外方に突出して
取り付けられた主軸と、該主軸周りに回転可能に装着さ
れた回転部材と、上記回転部材上に上記中心軸線より偏
倚した位置に装着されたモータと、該モータの回転軸の
回転を上記主軸に伝導するための回転伝導装置と、を有
し、上記モータの回転軸が回転すると上記回転伝導装置
によって上記回転部材は上記主軸周りに回転するように
構成されている。

【００４３】本発明によると、起立装置において、鉛直
線に対する上記中心軸線の傾斜角が所定の角度より小さ
いときには定常モードにて作動し鉛直線に対する上記中
心軸線の傾斜角が所定の角度より大きいときにはプリセ
ッションモードにて作動し、上記定常モードでは上記回
転部材は一定の回転速度にて上記主軸周りを回転し、上
記プリセッションモードでは上記回転部材は上り坂の経
路ではより低速度にて回転し下り坂の経路ではより高速
にて回転するように構成されている。

【００４４】本発明によると、起立装置において、上記
中心軸線の傾斜角を検出するための加速度計又は傾斜計
と該加速度計又は傾斜計の出力信号より上記回転部材の
所望速度を演算する回転速度演算部と上記モータに供給
する駆動信号を生成するためのモータ駆動部とを含む制
御ループを有する。

【００４５】本発明によると、起立装置において、上記
中心軸線の傾斜角を検出するために上記回転部材の描く
円の半径の水平面に対する傾斜角と該円の接線の水平面
に対する傾斜角を検出するための２つの加速度計又は傾
斜計と該２つの加速度計又は傾斜計の出力信号より上記
ハウジングの最大傾斜軸方位を演算するための最大傾斜
軸方位演算部と上記回転部材の所望速度を演算する回転
速度演算部と上記モータに供給する駆動信号を生成する
ためのモータ駆動部とを含む制御ループを有する。

【００４６】本発明によると、起立装置において、上記
回転伝導装置は上記モータの回転軸に装着された第１の
ベルト車と上記主軸に装着された第２のベルト車と上記
２つのベルト車の円周面を走行するベルトとを含むよう
に構成されている。

【００４７】本発明によると、中心軸線周りに高速回転
する回転体と該回転体を内蔵するハウジングと該ハウジ
ングを支持する支持装置とを有する回転体装置部と、上
記回転体の中心軸線が常に鉛直方向を指向するように上
記ハウジングを起立させるための起立装置部と、を有す
る回転体装置において、上記回転体の中心軸線に沿って
且つ上記ハウジングより外方に突出して取り付けられた
主軸と、該主軸周りに回転可能に装着された回転部材
と、上記回転部材上に上記中心軸線より偏倚した位置に
装着されたモータと、該モータの回転軸の回転を上記主
軸に伝導するための回転伝導装置と、を有し、上記モー
タの回転軸が回転すると上記回転伝導装置によって上記
回転部材は上記主軸周りに回転するように構成されてい
る。

【００４８】本発明によると、回転体装置において、上
記ハウジングは密閉構造を有し、内部は高真空に維持さ
れている。また、上記支持装置は上記ハウジングを、基
台に平行なロール軸線周りに及び該ロール軸線に直交す
るピッチ軸線周りに回転可能に支持するように構成され
ている。更に、上記支持装置は上記ハウジングの周囲を
囲むように延在し且つ上記ハウジングをピッチ軸線周り
に回転可能に支持するジンバル環を有し、該ジンバル環
は基板に装着された１対の支持部材によってロール軸線
周りに回転可能に支持されている。

【００４９】

【発明の実施の形態】図１を参照して本発明による起立
装置３０の例を説明する。本発明の起立装置はエネルギ
蓄積装置、電力貯蔵装置等、高速で回転する回転体を内
蔵する装置であればどのような装置にも適用可能であ
る。しかしながら、ここでは、図５を参照して説明した
ように本発明の起立装置３０を水平儀に適用した場合を
説明する。

【００５０】この水平儀は円筒形状のジャイロケース２
０と該ジャイロケース２０を２軸の自由度にて回転可能
に支持する支持装置とを有する。この支持装置は、図１
には示されていないが、例えば、図５を参照して説明し
た如き構造を有するものであってよい。

【００５１】ジャイロケース２０は密閉構造を有し、高
速回転するジャイロロータ２１を内蔵する。ジャイロケ
ース２０の内部は高真空に維持されてよい。ジャイロロ
ータ２１は中心軸線（以下、単に中心軸線という。）周
りに対称的な円盤状の形状を有し、この中心軸線がスピ
ン軸線である。

【００５２】ジャイロロータ２１は、上面及び下面にて
中心軸線に沿ってロータ軸２１Ａ、２１Ｂを有する。ロ
ータ軸２１Ａ、２１Ｂはジャイロケース２０に装着され
た適当な軸受２３Ａ、２３Ｂによって回転可能に支持さ
れている。

【００５３】ジャイロケース２０の円周外面にはピッチ
軸４、４’が取り付けられており、斯かるピッチ軸４、
４’はジンバル環５（図５参照）のピッチ軸受４、４’
に回転可能に支持されている。ジンバル環５のロール軸
７、７’は、支持部材８、８’に装着されたロール軸受
け９、９’によってそれぞれ回転可能に支持されてい
る。

【００５４】ジャイロケース２０の下面にはばね２５が
取り付けられ、このばね２５の下端は基台１０に装着さ
れている。このばね２５によってジャイロケース２０は
基台１０に対して所定の角度以上に傾斜することが制限
される。

【００５５】本例の起立装置３０はジャイロケース２０
の上面２０Ａに装着されており、中心軸線に沿って配置
された主軸３１と該主軸３１の周囲に装着された軸受３
３Ａ、３３Ｂと該軸受３３Ａ、３３Ｂを介して主軸３１
に支持された回転部材４１とを有する。主軸３１はジャ
イロケース２０に固定的に装着され、回転部材４１は主
軸３１に対して回転可能に支持されている。

【００５６】回転部材４１は中心軸線に対して非対称的
な形状を有し、中心軸線周りのボス部４１Ａとそれより
半径方向外方に延在するアーム部４１Ｂとを有する。ボ
ス部４１Ａは軸受３３Ａ、３３Ｂの外輪に装着されてい
る。

【００５７】本例の起立装置は、回転部材４１を中心軸
線周りに回転させるための回転駆動機構を有する。本例
の回転駆動機構は、アーム部４１Ｂの先端部４１Ｃ、即
ち、半径方向外方の端部に取り付けられたステップモー
タ４３と該ステップモータ４３の回転軸に取り付けられ
た比較的小さな径のベルト車３５と主軸３１の上端に取
り付けられた比較的大きな径のベルト車４５と２つのベ
ルト車３５、４５の外周に沿って装着されたベルト４７
とを有する。

【００５８】ステップモータ４３が作動されると小さな
ベルト車３５が回転し、ベルト４７が２つのベルト車３
５、４５の外周に沿って走行する。大きなベルト車４５
はジャイロケース２０に対して固定的に装着されており
回転しない。従ってベルト４７が走行すると回転部材４
１が主軸３１周りに回転する。

【００５９】ここでは回転駆動機構の例としてベルト伝
導装置を説明したが、歯車伝導装置、摩擦伝導装置等が
使用されてもよい。しかしながら、回転部材４１をでき
るだけ振動が少なく且つ円滑に回転させるためにはベル
ト伝導装置が好ましい。

【００６０】回転部材４１のアーム部４１Ｂの先端４１
Ｃにはステップモータ４３に隣接して２つの加速度計５
１、５３が取り付けられており、ボス部４１Ａの下端に
はゼロクロス発信器５５が設けられている。ゼロクロス
発信器５５は、ボス部４１Ａの下端に装着された第１の
接点部５５Ａとそれに対応してジャイロケース２０の上
面２０Ａに装着された第２の接点部５５Ｂとを含むよう
に構成されてよい。

【００６１】回転部材４１が回転すると第１の接点部５
５Ａが第２の接点部５５Ｂに接触し、それによってゼロ
クロス信号が生成されるように構成されてよい。尚、こ
のゼロクロス発信器５５は、第１の接点部５５Ａの代わ
りにシャドーピン、第２の接点部５５Ｂの代わりにフォ
トセンサを使用した非接触構造の光学式のものであって
もよい。

【００６２】２つの加速度計５１、５３は回転部材４１
の傾斜角、即ち、ジャイロケース２０の水平面に対する
傾斜角を検出する。半径加速度計５１は半径方向の入力
軸を有するように配置され、接線加速度計５３は接線方
向の入力軸を有するように配置される。尚、加速度計の
代わりに同様な機能を有する傾斜計が使用されてよい。

【００６３】回転部材４１が１回転すると、アーム部の
先端４１Ｃに配置された２つの加速度計５１、５３は中
心軸線周りに円を描く。半径加速度計５１は、この円の
半径の水平面に対する傾斜角を検出し、接線加速度計４
３は、この半径に直交する円の接線の水平面に対する傾
斜角を検出する。

【００６４】図２を参照して本例の起立装置の機能を説
明する。図２はジャイロケース２０の上面２０Ａを示
す。図示のようにジャイロケース２０の上面２０Ａの中
心に原点Ｏをとり、上面２０Ａに沿ってＸ軸及びＹ軸を
とり、中心軸線に沿ってＺ軸（紙面に垂直に）をとる。
起立装置３０は非対称的な形状を有し、その重心Ｇは中
心軸線上より偏倚している。回転部材４１が回転すると
その重心Ｇも円周上に沿って移動する。重心Ｇと原点Ｏ
を結ぶ線がＸ軸の正の側となす角をφとする。

【００６５】これは質量ｍの等価質量７０がジャイロケ
ース２０の上面２０Ａにて半径Ｒの円周上を移動してい
ることと等価である。ジャイロケース２０の上面２０
Ａ、即ち、ＸＹ平面は水平面に対して傾斜しており、例
えば、Ｘ軸方向の回転軸線周りに傾斜角θだけ回転傾斜
し、Ｙ軸方向に最大傾斜面を有するものとする。図示の
ようにＹ軸の正の側が高く（符号Ｈにて示す。）、Ｙ軸
の負の側が低く（符号Ｌにて示す。）なるように傾斜し
ている。

【００６６】実際にはジャイロケース２０は歳差運動し
ており、最大傾斜方向はゆっくり回転している。しかし
ながら、この回転速度は十分遅く、ここでは無視する。

【００６７】図８を参照して説明したように、ジャイロ
ケース２０の傾斜角θを減少させるためには、Ｙ軸周り
のプリセッショントルクＴ_PYをジャイロケース２０に印
加すればよい。等価質量７０によってＹ軸周りのプリセ
ッショントルクＴ_PYを生成するためには、等価質量７０
をＸ軸の正の側に配置すればよい。例えば、等価質量７
０が正の側のＸ軸上にあるとき（φ＝０）、Ｙ軸周りの
プリセッショントルクＴ_PYはＴ_PY＝ｍｇＲである。

【００６８】等価質量７０が半径Ｒの円周状の経路を移
動してＸ軸に対して中心角がφの位置にある場合を考え
る。この場合、Ｙ軸周りのプリセッショントルクＴ_PYは
Ｔ_PY＝ｍｇＲｃｏｓθ_Xｃｏｓφであり、Ｘ軸周りのプ
リセッショントルクＴ_PXはＴ _PX＝ｍｇＲｃｏｓθ_Yｓｉ
ｎφである。等価質量７０がジャイロケース２０の最大
傾斜方位（Ｙ軸）に近づくに従って、Ｙ軸周りのプリセ
ッショントルクＴ_PYは小さくなり、Ｘ軸周りのプリセッ
ショントルクＴ_PXは大きくなる。

【００６９】本例の起立装置３０は次のような２つのモ
ードにて運転される。（１）定常運転モードジャイロケース２０の傾斜角θが所定の値より小さい場
合には、この定常運転モードにて作動される。定常運転
モードでは、回転部材４１は一定の回転速度にて中心軸
線周りを回転する。これは、等価質量７０が、ジャイロ
ケース２０の上面２０Ａ上を半径Ｒの円周上に沿って一
定速度にて移動している場合に相当する。実際には、等
価質量７０の自重によってプリセッショントルクＴ_Pが
生成されるが、ジャイロケース２０の傾斜角θが十分小
さいため、その影響を無視することができる。

【００７０】（２）プリセションモードジャイロケース２０の傾斜角θが所定の値より大きくな
った場合には、このプリセションモードにて作動され
る。回転部材４１が反時計方向（上から見て）に回転し
ているとする。プリセションモードモードでは、回転部
材４１はＸ軸の正の側では比較的遅い速度（符号Ｓにて
示す。）にて回転し、Ｘ軸の負の側では比較的早い速度
（符号Ｑにて示す。）にて移動する。

【００７１】これは、等価質量７０がジャイロケース２
０の上面２０Ａ上を半径Ｒの円周上を反時計方向に移動
しており、円周状の経路のうち、右半分の上り坂、即
ち、Ｘ軸の正の側では比較的遅い速度（符号Ｓにて示
す。）にて移動し、左半分の下り坂、即ち、Ｘ軸の負の
側では比較的早い速度（符号Ｑにて示す。）にて移動し
ている場合に相当する。

【００７２】Ｘ軸の正の側では等価質量７０の滞在時間
が比較長くなり、Ｘ軸の負の側では滞在時間が比較的短
くなる。それによってＹ軸周りのプリセッショントルク
Ｔ_PYが生成される。こうして、プリセションモードで
は、ジャイロケース２０の最大傾斜線周りのプリセッシ
ョントルクＴ_Pを生成され、このトルクＴ_Pはジャイロ
ロータ２のスピン軸線の傾斜が減少するように作用す
る。

【００７３】図３及び図４を参照して本例の起立装置の
制御系を説明する。図３に示す例では１つの加速度計５
３を使用し、図４に示す例では２つの加速度計５１、５
３を使用する。図３の例によると起立装置３０は接線加
速度計５３と傾斜角演算部６１とゼロクロス発信器５５
と回転速度演算部６３とステープモータ駆動部６５とス
テップモータ４３とを有する。図４の例によると起立装
置３０は半径加速度計５１及び接線加速度計５１と傾斜
角演算部６１と最大傾斜方位演算部６２とゼロクロス発
信器５５と回転速度演算部６３とステープモータ駆動部
６５とステップモータ４３とを有する。

【００７４】上述のように、半径加速度計５１は、半径
加速度計５１が描く円の半径の水平面に対する傾斜角、
即ち、半径傾斜角θ_Rを検出し、接線加速度計５３は、
接線加速度計５３が描く円の半径に直交する接線の水平
面に対する傾斜角、即ち、接線傾斜角θ_Tを検出する。

【００７５】再び図２を参照すると、半径傾斜角θ
_Rは、回転部材のアーム部４１Ｂが最大傾斜方向に沿っ
て配置されたとき、即ち、Ｙ軸上の点Ｈ及びＬにあると
き、最大及び最小となり、両側のＸ軸上に配置されたと
きにゼロとなる。接線傾斜角θ_Tは、回転部材のアーム
部４１Ｂが最大傾斜方向に沿って配置されたとき、即
ち、Ｙ軸上の点Ｈ及びＬにあるときゼロとなり、両側の
Ｘ軸上に配置されたときに最大及び最小となる。半径傾
斜角θ_Rと接線傾斜角θ_Tの位相は互いに９０°ずれて
いる。

【００７６】再び図３を参照する。傾斜角演算部６１は
接線加速度計５３からの出力信号を入力して、現在の回
転部材のアーム部４１Ｂが配置された位置における、接
線傾斜角θ_Tを演算する。接線傾斜角θ_Tの最大値及び
最小値が所定の値を越えた場合には上述のようにプリセ
ションモードに切り換えられる。

【００７７】プリセションモードの動作を説明する。回
転速度算部６３は、傾斜角演算部６１から出力された現
在の接線傾斜角θ_Tとゼロクロス発信器５５からのゼロ
クロス信号を入力して回転部材４１の所望回転速度を演
算する。

【００７８】回転部材４１の所望回転速度は、１周の半
分の上り坂では比較的低速度にて回転し、１周の他の半
分の下り坂では比較的高速度にて回転するように、設定
される。一方、接線傾斜角θ_Tは、１周の半分の上り坂
では増加して最大値となりその後減少してゼロとなり、
１周の他の半分の下り坂では減少して最小値となりその
後増加してゼロとなる。従って、接線傾斜角θ_Tの増減
は、回転部材４１の所望回転速度と対応している。

【００７９】ステープモータ駆動部６５は回転速度演算
部６３より出力された所望回転速度信号よりモータ駆動
命令を発信する。それによってステップモータ４３は回
転部材４１の回転速度を増減する。尚、接線加速度計５
３の代わりに半径加速度計５１を使用することも可能で
ある。半径加速度計５１の出力信号θ_Rは、上述のよう
に、接線加速度計５３の出力信号θ_Tより９０°位相が
ずれており、それを考慮すれば、半径傾斜角θ_Rより回
転部材４１の所望回転速度を演算することができる。図
４の例では、接線加速度計５３に加えて更に、半径加速
度計５１及び最大傾斜方位演算部６２が設けられてい
る。最大傾斜方位演算部６２は半径加速度計５１から出
力された半径傾斜角θ_Rと接線加速度計５３から出力さ
れた接線傾斜角θ_Tとを入力して、ジャイロケース２０
の上面２０Ａの最大傾斜方位φ_MAXを演算する。

【００８０】回転速度演算部６３は、最大傾斜方位φ
_MAXと現在の回転部材のアーム部４１Ｂの方位φとよ
り、現在の回転部材４１の所望の回転速度を演算する。
回転部材４１の所望の回転速度は、上り坂の最低速度位
置（図２の正の側のＸ軸上の位置）にて、プリセッショ
ントルクＴ_Pが最大となるように、連続的に変化させる
ことができる。また所望の回転速度は、下り坂の高速度
領域では比較的高速度に設定される。

【００８１】本例によると、半径傾斜角θ_Rと接線傾斜
角θ_Tの増減と無関係に、所望のプリセッショントルク
Ｔ_Pが得られるように、回転部材４１の所望の回転速度
が設定されることができる。例えば、上り坂の最低速度
位置（図２の正の側のＸ軸上の位置）にて、回転部材４
１のアーム部４１Ｂを短時間だけ静止させることも可能
である。

【００８２】上述のように、ジャイロケース２０は歳差
運動しており、最大傾斜方位φ_MAXは比較的遅い周期に
てゆっくり変化する。従って、回転部材４１の回転速度
を切り換える位置（例えば、φ_MAX及びφ_MAX＋１８０
°）又は最小速度位置は同一の周期にてゆっくり変化す
る。

【００８３】以上本発明の実施の形態について詳細に説
明したが、本発明はこれらの例に限定されることなく特
許請求の範囲に記載された発明の範囲にて様々な変更等
が可能であることは当業者にとって理解されよう。

【００８４】本発明の起立装置３０を水平儀に適用した
例について説明したが、本発明の起立装置は水平儀ばか
りでなく、エネルギ蓄積装置、電力貯蔵装置等、内部に
高速で回転する回転体を含む装置であるならどのような
装置にも適用される。

【００８５】

【発明の効果】本発明による起立装置は、伝達機構、減
速機構及び調速機構の構造が簡単で組立調整が短時間と
なる利点を有する。

【００８６】本発明による起立装置では、複雑な減速機
構及び調速機構を有さないから、潤滑のために保守点検
が必要でない利点を有する。

【００８７】本発明によると、ジャイロケースを完全な
密閉構造にすることができるから、内部にゴミ等が侵入
して寿命が短くなることがない利点を有する。またジャ
イロケースの内部を高真空に維持することによって、ジ
ャイロロータを長時間高速にて回転させることができる
利点を有する。

【００８８】本発明による起立装置では、従来の装置の
ボールを使用しないからボールの移動に起因する不感帯
が生ずることがなく正確な起立トルクを発生させること
ができる利点を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による起立装置の断面構成を示す図であ
る。

【図２】本発明による起立装置の動作を説明するため説
明図である。

【図３】本発明による起立装置の制御系の第１の例を示
すブロック図である。

【図４】本発明による起立装置の制御系の第２の例を示
すブロック図である。

【図５】従来の起立装置を水平儀に使用した例を示す概
略図である。

【図６】従来の起立装置の断面構成を示す図である。

【図７】従来の起立装置の平面構成を示す図である。

【図８】従来の起立装置の動作を説明するための説明図
である。

【符号の説明】

１ジャイロケース１−１溝１−２突起部１−３軸受２ジャイロロータ２−１ロータ軸３起立装置３−１磁石３−２太陽歯車３−３ボス３−４軸受３−５回転部材３−６円環部材３−７軸３−８遊星歯車３−９ラチェット歯車３−１０ラチェット部材３−１０Ａ軸３−１１、３−１２アーム３−１３当て金３−１４ローラ３−１５ボール４、４’ ピッチ軸５ジンバル環６、６’ ピッチ軸受７、７’ ロール軸８、８’ 支持部材９、９’ ロール軸受１０基台１１ピッチ角発信器１２ロール角発信器２０ジャイロケース２１ジャイロロータ２１Ａ、２１Ｂロータ軸２３Ａ、２３Ｂ軸受２５ばね３０起立装置３１主軸３３Ａ、３３Ｂ軸受３５ベルト車４１回転部材４１Ａボス部４１Ｂアーム部４１Ｃ先端部４３ステップモータ４５ベルト車４７ベルト５１、５３加速度計５５ゼロクロス発信器６１傾斜角演算部６２最大傾斜方位演算部６３回転速度演算部６５ステップモータ駆動部７０等価質量

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】中心軸線周りに高速回転する回転体と該
回転体を内蔵するハウジングと該ハウジングを支持する
支持装置とを有する回転体装置に装着されるように構成
され、上記回転体の中心軸線が常に鉛直方向を指向する
ように上記ハウジングを起立させるための起立装置にお
いて、上記回転体の中心軸線に沿って且つ上記ハウジングより
外方に突出して取り付けられた主軸と、該主軸周りに回
転可能に装着された回転部材と、上記回転部材上に上記
中心軸線より偏倚した位置に装着されたモータと、該モ
ータの回転軸の回転を上記主軸に伝導するための回転伝
導装置と、を有し、上記モータの回転軸が回転すると上
記回転伝導装置によって上記回転部材は上記主軸周りに
回転するように構成されていることを特徴とする起立装
置。
【請求項２】請求項１記載の起立装置において、鉛直
線に対する上記中心軸線の傾斜角が所定の角度より小さ
いときには定常モードにて作動し鉛直線に対する上記中
心軸線の傾斜角が所定の角度より大きいときにはプリセ
ッションモードにて作動し、上記定常モードでは上記回
転部材は一定の回転速度にて上記主軸周りを回転し、上
記プリセッションモードでは上記回転部材は上り坂の経
路ではより低速度にて回転し下り坂の経路ではより高速
にて回転するように構成されていることを特徴とする起
立装置。
【請求項３】請求項１又は２記載の起立装置におい
て、上記中心軸線の傾斜角を検出するための加速度計又
は傾斜計と該加速度計又は傾斜計の出力信号より上記回
転部材の所望速度を演算する回転速度演算部と上記モー
タに供給する駆動信号を生成するためのモータ駆動部と
を含む制御ループを有することを特徴とする起立装置。
【請求項４】請求項１又は２記載の起立装置におい
て、上記中心軸線の傾斜角を検出するために上記回転部
材の描く円の半径の水平面に対する傾斜角と該円の接線
の水平面に対する傾斜角を検出するための２つの加速度
計又は傾斜計と該２つの加速度計又は傾斜計の出力信号
より上記ハウジングの最大傾斜軸方位を演算するための
最大傾斜軸方位演算部と上記回転部材の所望速度を演算
する回転速度演算部と上記モータに供給する駆動信号を
生成するためのモータ駆動部とを含む制御ループを有す
ることを特徴とする起立装置。
【請求項５】請求項１、２、３又は４記載の起立装置
において、上記回転伝導装置は上記モータの回転軸に装
着された第１のベルト車と上記主軸に装着された第２の
ベルト車と上記２つのベルト車の円周面を走行するベル
トとを含むように構成されていることを特徴とする起立
装置。
【請求項６】中心軸線周りに高速回転する回転体と該
回転体を内蔵するハウジングと該ハウジングを支持する
支持装置とを有する回転体装置部と、上記回転体の中心
軸線が常に鉛直方向を指向するように上記ハウジングを
起立させるための起立装置部と、を有する回転体装置に
おいて、上記回転体の中心軸線に沿って且つ上記ハウジングより
外方に突出して取り付けられた主軸と、該主軸周りに回
転可能に装着された回転部材と、上記回転部材上に上記
中心軸線より偏倚した位置に装着されたモータと、該モ
ータの回転軸の回転を上記主軸に伝導するための回転伝
導装置と、を有し、上記モータの回転軸が回転すると上
記回転伝導装置によって上記回転部材は上記主軸周りに
回転するように構成されていることを特徴とする回転体
装置。
【請求項７】請求項６記載の回転体装置において、上
記ハウジングは密閉構造を有し、内部は高真空に維持さ
れていることを特徴とする回転体装置。
【請求項８】請求項６又は７記載の回転体装置におい
て、上記支持装置は上記ハウジングを、基台に平行なロ
ール軸線周りに及び該ロール軸線に直交するピッチ軸線
周りに回転可能に支持するように構成されていることを
特徴とする回転体装置。
【請求項９】請求項８記載の回転体装置において、上
記支持装置は上記ハウジングの周囲を囲むように延在し
且つ上記ハウジングをピッチ軸線周りに回転可能に支持
するジンバル環を有し、該ジンバル環は基板に装着され
た１対の支持部材によってロール軸線周りに回転可能に
支持されていることを特徴とする回転体装置。