特開 2023-180506 ジャイロコンパス

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023180506

(43)【公開日】2023-12-21

(54)【発明の名称】ジャイロコンパス

(51)【国際特許分類】

   G01C 19/18 20060101AFI20231214BHJP

   G01C 19/08 20060101ALI20231214BHJP

   G01C 19/28 20060101ALI20231214BHJP

   G01C 19/38 20060101ALI20231214BHJP

【ＦＩ】

G01C19/18

G01C19/08

G01C19/28

G01C19/38 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022093869

(22)【出願日】2022-06-09

(71)【出願人】

【識別番号】000003388

【氏名又は名称】東京計器株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100107928

【弁理士】

【氏名又は名称】井上 正則

(74)【代理人】

【識別番号】110003362

【氏名又は名称】弁理士法人ｉ．ＰＡＲＴＮＥＲＳ特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】渡邉 拓也

(72)【発明者】

【氏名】小山 貴志

(72)【発明者】

【氏名】西泉 翔太

(57)【要約】

【課題】方位精度を向上させる。
【解決手段】航行体に固定的に設置される盤器２４と、ジャイロロータＧを内蔵するジャイロケース１と、盤器２４に対して、ジャイロロータＧのスピン軸方向を向くジンバル軸と、ジンバル軸と直交して水平面と平行する水平軸とに直交する垂直軸周りに回転可能に設けられた垂直環１６と、垂直環１６によりジンバル軸周りに回転可能に軸支されるとともにジャイロケース１を水平軸周りに回転可能に軸支するか、または、垂直環１６により水平軸周りに回転可能に軸支されるとともにジャイロケース１をジンバル軸周りに回転可能に軸支する水平環１２と、ジャイロケース１を水平軸周りに回転させる水平サーボモータ１０と、垂直環１６に設けられ、垂直環１６を垂直軸周りに回転させる方位サーボモータ１９とを備えた。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

航行体に固定的に設置される盤器と、
ジャイロロータを内蔵するジャイロケースと、
前記盤器に対して、前記ジャイロロータのスピン軸方向を向くジンバル軸と、該ジンバル軸と直交して水平面と平行する水平軸とに直交する垂直軸周りに回転可能に設けられた垂直環と、
前記垂直環により前記ジンバル軸周りに回転可能に軸支されるとともに前記ジャイロケースを前記水平軸周りに回転可能に軸支するか、または、前記垂直環により前記水平軸周りに回転可能に軸支されるとともに前記ジャイロケースを前記ジンバル軸周りに回転可能に軸支する水平環と、
前記ジャイロケースを前記水平軸周りに回転させる水平回転駆動部と、
前記垂直環に設けられ、該垂直環を前記垂直軸周りに回転させる垂直回転駆動部と
を備えるジャイロコンパス。

【請求項2】

前記水平環は、前記垂直環により前記水平軸周りに回転可能に軸支されるとともに前記ジャイロケースを前記ジンバル軸周りに回転可能に軸支し、
前記水平回転駆動部は、前記垂直環に設けられることを特徴とする請求項１に記載のジャイロコンパス。

【請求項3】

前記ジャイロケースの姿勢を保持するように前記水平回転駆動部と前記垂直回転駆動部とを制御する制御部と、
前記盤器を含む固定部と、前記ジャイロケースと前記垂直環と前記水平環とを含む回転部とが、固定子と回転子とを含む回転コネクタとを更に備え、
前記回転コネクタは、前記制御部と前記水平回転駆動部と前記垂直回転駆動部とに電力を供給する第１伝送路と、前記制御部と前記ジャイロコンパスの外部との通信路である第２伝送路とを有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のジャイロコンパス。

【請求項4】

前記回転コネクタは、ロータリートランスであり、
前記第１伝送路は、前記固定子に設けられた第１固定コイルと、前記回転子に設けられた第１回転コイルにより構成され、
前記第２伝送路は、前記固定子に設けられた第２固定コイルと、前記回転子に設けられた第２回転コイルにより構成されることを特徴とする請求項３に記載のジャイロコンパス。

【請求項5】

前記第１固定コイルと前記第２固定コイルは、前記固定子に設けられた１つの溝内に重ねて設けられ、
前記第１回転コイルと前記第２回転コイルは、前記回転子に設けられた１つの溝内に重ねて設けられることを特徴とする請求項４に記載のジャイロコンパス。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ジャイロコンパスに関する。

【背景技術】

【0002】

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。

【0003】

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、ジャイロケースの変位を無接触により検出する技術が既知である。

【0004】

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コンパス、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方向を向くジンバル軸、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。

【0005】

また、一般的に、ジャイロコンパスは、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。固定部から垂直軸周り及び水平軸周りに回転可能に支持された回転部への電力の供給、追従制御や方位の演算を行うための固定部と回転部との通信は、固定子と回転子とを有するスリップリングやロータリートランスなどの回転コネクタを介してなされる。回転部には、垂直軸周りに回転可能に固定部としての盤器により支持される垂直環と、水平軸周りに回転可能に垂直環により支持される水平環とが含まれる。

【0006】

このようなジャイロコンパスとして、電源を供給するための電源チャンネルと方位追従系、水平追従系のそれぞれに掛かる信号を送受信するための２つの信号チャンネルを有するロータリートランスを備えるジャイロコンパス、が知られている（特許文献２参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特許第０８８５７３０号明細書

【特許文献2】特許第３４６７６３３号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

回転コネクタを備えたジャイロコンパスにおいては、方位追従信号に従って方位偏差を低減させるように垂直環を回転させる方位サーボモータが設けられ、回転コネクタを介して回転部から方位追従信号が固定部に設けられた方位サーボモータへ送信される。スリップリングには機械的摩耗などに起因する接点不良が生じやすく、ロータリートランスには無接点通信による通信の遅れや通信エラーなどが生じ得る。よって、回転コネクタを介した方位サーボモータの制御においては、方位誤差が発生して方位精度が低下する、という問題がある。

【0009】

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、方位精度を向上させる技術を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

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コンパスは、航行体に固定的に設置される盤器と、ジャイロロータを内蔵するジャイロケースと、前記盤器に対して、前記ジャイロロータのスピン軸方向を向くジンバル軸と、該ジンバル軸と直交して水平面と平行する水平軸とに直交する垂直軸周りに回転可能に設けられた垂直環と、前記垂直環により前記ジンバル軸周りに回転可能に軸支されるとともに前記ジャイロケースを前記水平軸周りに回転可能に軸支するか、または、前記垂直環により前記水平軸周りに回転可能に軸支されるとともに前記ジャイロケースを前記ジンバル軸周りに回転可能に軸支する水平環と、前記ジャイロケースを前記水平軸周りに回転させる水平回転駆動部と、前記垂直環に設けられ、該垂直環を前記垂直軸周りに回転させる垂直回転駆動部とを備える。

【発明の効果】

【0011】

本発明の実施形態によれば、方位精度を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】第１実施形態に係るジャイロコンパスを示す概略斜視図である。

【図2】検出部の構成を示す概略図である。

【図3】方位追従系の構成を示す概略図である。

【図4】水平追従系の構成を示す概略図である。

【図5】ジャイロロータの指北作用を示す概略図である。

【図6】制振系の構成を示す概略図である。

【図7】第１実施形態に係るロータリートランスの構成を示す縦断面図である。

【図8】第１実施形態に係る制御系の構成要素の配置を示すブロック図である。

【図9】第２実施形態に係るジャイロコンパスを示す概略斜視図である。

【図10】第２実施形態に係る制御系の構成要素の配置を示すブロック図である。

【図11】第３実施形態に係るロータリートランスの構成を示す縦断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

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。

【0014】

＜第１実施形態＞
（ジャイロコンパスの構成）
第１実施形態に係るジャイロコンパス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コンパス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、航行体としての船舶に搭載されるジャイロコンパスを示す。

【0015】

図１に示すように、本実施形態に係るジャイロコンパス９０１は、ジャイロケース１と、タンク２と、水平環１２と、垂直環１６と、内部空間が画成された略円柱状に形成された盤器２４と、ジャイロコンパスを制御する制御部（図１には不図示）とを備える。ジャイロケース１、タンク２、水平環１２、及び垂直環１６は、盤器２４の内部空間に収容される。水平環１２は、環状に形成され、タンク２を水平方向に沿って囲繞するように配される。垂直環１６は、環状に形成され、タンク２を垂直方向に沿って囲繞するように配される。

【0016】

ジャイロケース１は、内部空間を画成するとともに液密性を有する球体状に形成され、ジャイロケース１の内部空間にはジャイロロータＧが内蔵される。タンク２はジャイロケース１を収容する容器であり、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る。懸吊線３は、その上端がタンク２に接続され、その下端がジャイロケース１に接続される。タンク２の内部空間には、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。ジャイロロータＧのスピン軸線は、南北方向を向くように構成される。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６Ａ，６Ｂが装着される。

【0017】

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８Ａ，８Ｂが接続され、水平軸８Ａ，８Ｂ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。水平軸８Ａ，８Ｂ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１３Ａ，１３Ｂに軸支される。水平環１２には、水平ピニオン１１を回転させる水平サーボモータ１０が取り付けられ、水平軸８Ａには、水平ピニオン１１と噛合する水平歯車９が設けられる。

【0018】

水平環１２において、水平軸８Ａ，８Ｂ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１４Ａ，１４Ｂが接続される。ジンバル軸１４Ａ，１４Ｂの軸線はスピン軸線方向を向き、ジンバル軸１４Ａ，１４Ｂ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１５Ａ，１５Ｂに軸支される。

【0019】

垂直環１６において、ジンバル軸１４Ａ，１４Ｂ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１７Ａ，１７Ｂが接続される。垂直軸１７Ａ，１７Ｂの軸線は鉛直方向を向き、垂直軸１７Ａ，１７Ｂのそれぞれは、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２５Ａ，２５Ｂに軸支される。垂直軸受け２５Ｂは、盤器２４の上面に設けられる。垂直軸受け２５Ａは、方位歯車２１の上面、または盤器２４の底面に固定されたベース２７に設けられる。なお、図１においては、方位歯車２１の上面に設けられる垂直軸受け２５Ａが示される。

【0020】

垂直環１６には、方位ピニオン２０を回転させる方位サーボモータ１９が取り付けられる。ベース２７には方位ピニオン２０と噛合する方位歯車２１が設けられる。

【0021】

盤器２４の上面には垂直軸１７Ｂと一体回転可能に接続されるコンパスカード２２が盤器２４に対して相対回転可能に設けられる。また、盤器２４の上面には、コンパスカード２２に対応して、ジャイロコンパス９０１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。ジャイロコンパス９０１は、基線２６が船首方位を向くように船舶に設置される。

【0022】

ジャイロコンパス９０１は、水平軸８Ａ，８Ｂ、ジンバル軸１４Ａ，１４Ｂ、垂直軸１７Ａ，１７Ｂ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る。検出部６Ａ，６Ｂ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１７Ａ，１７Ｂ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が駆動される。また、検出部６Ａ，６Ｂ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８Ａ，８Ｂ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が駆動される。

【0023】

（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。なお、２つの検出部は同様の構成であるため、図２には、北方側の検出部が代表して示される。

【0024】

図２に示すように、検出部６Ａは、１次側コイル４Ｎと、２次側コイル５Ｎと、制振コイル４０Ｎとを備える。１次側コイル４Ｎ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。２次側コイル５Ｎは、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。制振コイル４０Ｎは、２次側コイル５Ｎと同様にタンク２の内面に設けられる。また、検出部６Ｂは、１次側コイル４Ｓと、２次側コイル５Ｓと、制振コイル４０Ｓとを備える。１次側コイル４Ｓ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。２次側コイル５Ｓは、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。制振コイル４０Ｓは、２次側コイル５Ｓと同様にタンク２の内面に設けられる。

【0025】

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とが東西方向に並置されて設けられ、矩形コイル５ＮＵと５ＮＬとが上下方向に並置されて設けられる。同様に、矩形コイル５ＳＷと５ＳＥとが東西方向に並置されて設けられ、矩形コイル５ＳＵと５ＳＬとが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る。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。

【0026】

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。

【0027】

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。

【0028】

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）に変位した場合、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。

【0029】

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）に変位した場合は、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、西方向に変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。

【0030】

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。

【0031】

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。

【0032】

（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。

【0033】

ジャイロケース１に対してタンク２が垂直軸周りに回転変位すると、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の出力端子である方位出力端子４－１に電圧信号が生じる。この方位出力端子４－１に生じた電圧信号は、後述する方位偏差検出部４０（図８参照）に入力され、方位偏差検出部４０は、入力された電圧信号に基づいて、ジャイロケース１に対するタンク２の鉛直軸線周りの偏角を方位偏差として算出し、この方位偏差をゼロとする方位追従信号を出力する。方位偏差検出部４０により出力された方位追従信号は、方位サーボ増幅器３０を介して方位サーボモータ１９に入力される。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。

【0034】

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。

【0035】

（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。

【0036】

ジャイロケース１に対してタンク２が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、後述する水平偏差検出部４１（図８参照）に入力され、水平偏差検出部４１は、入力された電圧信号に基づいて、ジャイロケース１に対するタンク２の水平軸周りの偏角を水平偏差として算出し、この水平偏差をゼロとする水平追従信号を出力する。水平偏差検出部４１により出力された水平追従信号は、水平サーボ増幅器３１を介して水平サーボモータ１０に入力される。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。

【0037】

（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。

【0038】

ジャイロコンパス９０１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を検出する、検出部６Ａ，６Ｂそれぞれにおける制振コイル４０Ｎ，４０Ｓにより構成される。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。

【0039】

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，Ａ’をジャイロロータＧの指北側とする。

【0040】

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Ｐ－Ｏ２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。

【0041】

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。

【0042】

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８Ａ，８Ｂ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。

【0043】

ジャイロコンパス９０１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コンパス９０１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変位させ、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。

【0044】

なお、懸吊線３は僅かに剛性を有するため、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。

【0045】

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６Ａ，６Ｂ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６Ａ，６Ｂ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４０Ｎ，４０Ｓを有する。

【0046】

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。

【0047】

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、方位サーボ増幅器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に基づいて変位させる。

【0048】

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変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。

【0049】

（ロータリートランスの構成）
第１実施形態に係るロータリートランスの構成について説明する。図７は、本実施形態に係るロータリートランスの構成を示す縦断面図である。

【0050】

ジャイロコンパス９０１において、盤器２４を含む固定部と、ジャイロケース１とタンク２と水平環１２と垂直環１６とを含む回転部との伝送は、ロータリートランス６０を介してなされる。図７に示すように、ロータリートランス６０は、固定子６０１と回転子６０２とを有し、固定子６０１及び回転子６０２は、いずれも円環状、具体的には中心に貫通孔が形成された円盤状に形成される。回転子６０２は、回転子６０２の底面が固定子６０１と対向するように固定子６０１に対して相対回転可能に設けられる。

【0051】

固定子６０１の上面には、互いに径が異なる２つの円環状の溝が形成される。２つの溝のそれぞれには、いずれも円環状に形成された第１固定コイル６０１－１、第２固定コイル６０１－２が嵌合される。第１固定コイル６０１－１は、第２固定コイル６０１－２よりも大きな径に形成され、第２固定コイル６０１－２に対して径外側に位置する。

【0052】

回転子６０２の底面には、互いに径が異なる２つの円環状の溝が形成される。２つの溝のそれぞれには、いずれも円環状に形成された第１回転コイル６０２－１、第２回転コイル６０２－２が嵌合される。第１回転コイル６０２－１は、第２回転コイル６０２－２よりも大きな径に形成され、第２回転コイル６０２－２に対して径外側に位置する。

【0053】

第１固定コイル６０１－１と第１回転コイル６０２－１とによれば、無接点の第１伝送路ＣＨ１が構成される。同様に、第２固定コイル６０１－２と第２回転コイル６０２－２とによれば、無接点の第２伝送路ＣＨ２が構成される。後に詳述するように、第１伝送路ＣＨ１は、電力を供給するための伝送路として使用され、第２伝送路ＣＨ２は、シリアル通信を行うための伝送路として使用される。

【0054】

なお、第２伝送路ＣＨ２によりシリアル通信を行うことによって、第２固定コイル６０１－２と第２回転コイル６０２－２に誘導される第１伝送路ＣＨ１の周波数信号の干渉を低減することができる。また、シリアル通信に用いる周波数を電力供給に用いる周波数の２～１００倍とすることによって、第１伝送路ＣＨ１と第２伝送路ＣＨ２との干渉が更に低減される。

【0055】

（制御系の構成）
第１実施形態に係るジャイロコンパスの制御系の構成について説明する。図８は、本実施形態に係る制御系の構成要素の配置を示すブロック図である。

【0056】

図８に示すように、盤器２４には、インターフェース部７０、通信回路７１、電源部８１が設けられる。また、垂直環１６には、方位サーボモータ１９、方位サーボ増幅器３０、方位偏差検出部４０、水平偏差検出部４１、コンパス演算部５０、通信回路７２、整流回路８２が設けられる。また、水平環１２には、水平サーボモータ１０、水平サーボ増幅器３１が設けられる。方位偏差検出部４０、水平偏差検出部４１、コンパス演算部５０によって制御部が構成される。

【0057】

インターフェース部７０は、ジャイロコンパス９０１が搭載される船舶の緯度、速度をそれぞれ示す緯度信号λ、速度信号Ｖをジャイロコンパス９０１に入力し、ジャイロコンパス９０１から船舶の船首方位を示す方位信号Φを出力するための入出力部である。通信回路７１は、ロータリートランス６０における第２伝送路ＣＨ２を介して、垂直環１６に設けられた通信回路７２とシリアル通信を行う。電源部８１は、ロータリートランス６０における第１伝送路ＣＨ１を介して、垂直環１６に設けられた整流回路８２に交流電力を供給する。

【0058】

通信回路７２は、盤器２４に設けられた通信回路７１とシリアル通信を行う。コンパス演算部５０は、方位偏差検出部４０により算出された方位偏差と、通信回路７１，７２によるシリアル通信を介して取得される緯度信号λ、速度信号Ｖとに基づいて、方位信号Φを算出する。コンパス演算部５０により算出された方位信号Φは、シリアル通信を介してインターフェース部７０からジャイロコンパス９０１の外部に出力される。

【0059】

整流回路８２は、水平サーボモータ１０、水平サーボ増幅器３１、方位サーボモータ１９、方位サーボ増幅器３０に直流電力を供給するジャイロ電源を生成するとともに、方位偏差検出部４０、水平偏差検出部４１、コンパス演算部５０に直流電流を供給する制御電源を生成する。なお、ロータリートランス６０により変圧した互いに異なる複数の電圧を整流回路８２に供給することによって、ジャイロコンパス９０１から変圧器を省略することができる。

【0060】

従来のジャイロコンパスにおいては、方位サーボモータと方位サーボ増幅器とが盤器に設けられることによって、方位偏差検出部から方位サーボ増幅器へ方位追従信号をシリアル通信により送信するための更なる伝送路が回転コネクタに設けられていた。これによって、従来のジャイロコンパスにおいては、不安定な伝送路を介して方位追従信号が送信されることに起因して、方位追従系に追従誤差が生じ、方位精度が低下していた。

【0061】

本実施形態に係るジャイロコンパス９０１によれば、方位サーボモータと方位サーボ増幅器とが垂直環１６に設けられることによって、ロータリートランス６０における伝送路を経由せずに方位追従信号が送信されるため、方位精度を向上させることができる。

【0062】

なお、本実施形態においては、同種類、即ち互いに同様に構成された２つのサーボモータを水平サーボモータ１０、方位サーボモータ１９とし、水平サーボモータ１０と、方位サーボモータ１９とで電源及び駆動回路を共用することによって、電源及び駆動回路の小型化、効率化及び発熱抑制が達成される。また、電源及び駆動回路の効率化によれば、ジャイロコンパス９０１の動作に悪影響を及ぼす電源ノイズの発生要因、発生箇所の特定が容易となる。

【0063】

＜第２実施形態＞
第２実施形態に係るジャイロコンパスの構成について説明する。図９は、本実施形態に係るジャイロコンパスを示す概略斜視図である。図１０は、本実施形態に係る制御系の構成要素の配置を示すブロック図である。

【0064】

図９、図１０に示すように、本実施形態に係るジャイロコンパス９０２は、水平サーボモータ１０、水平サーボ増幅器３１が垂直環１６に設けられている点において、第１実施形態に係るジャイロコンパス９０１とは異なる。また、ジャイロコンパス９０２は、水平サーボモータ１０が垂直環１６に設けられるため、水平軸８Ａ，８Ｂ及びジンバル軸１４Ａ，１４Ｂが設けられる構成要素がジャイロコンパス９０１とは異なる。

【0065】

ジンバル軸１４Ａ、１４Ｂは、タンク２においてジャイロロータＧのスピン軸線方向に互いに対向する２箇所に接続される。また、ジンバル軸１４Ａ、１４Ｂは、水平環１２においてスピン軸線方向に互いに対向する２箇所に設けられたジンバル軸受け１５Ａ，１５Ｂに軸支される。

【0066】

水平軸８Ａ，８Ｂは、水平環１２においてジンバル軸１４Ａ、１４Ｂの軸線と直交する直線と交わる互いに対向する２箇所に接続される。また、水平軸８Ａ，８Ｂは、垂直環１６において水平軸８Ａ，８Ｂの軸線方向に互いに対向する２箇所に設けられた水平軸受け１３Ａ，１３Ｂに軸支される。

【0067】

本実施形態に係るジャイロコンパス９０２によれば、方位サーボモータ１９、方位サーボ増幅器３０、水平サーボモータ１０、及び水平サーボ増幅器３１が垂直環１６に設けられることによって、方位追従系、水平追従系に係る基板を共有することができ、ジャイロコンパス９０２をより小型化、効率化することができる。また、部品点数や配線数も低減することができ、ジャイロコンパス９０２をより安価に製造することができる。

【0068】

＜第３実施形態＞
第３実施形態に係るジャイロコンパスについて説明する。図１１は、本実施形態に係るロータリートランスの構成を示す縦断面図である。

【0069】

第３実施形態に係るジャイロコンパス９０３（不図示）は、ロータリートランス６０に代えて、ロータリートランス６１を備える点において、第２実施形態に係るジャイロコンパス９０２とは異なる。ロータリートランス６１は、図１１に示すように、固定子６０１、回転子６０２のそれぞれに１つの溝のみが形成される点において、ロータリートランス６０とは異なる。

【0070】

固定子６０１の溝には、互いに同一の径を有する円環状に形成された第１固定コイル６０１－１と第２固定コイル６０１－２とが嵌合される。この際、第２固定コイル６０１－２は、第１固定コイル６０１－１に対して回転子６０２側に位置する。

【0071】

回転子６０２の溝には、互いに同一の径を有する円環状に形成された第１回転コイル６０２－１と第２回転コイル６０２－２とが嵌合される。この際、第２回転コイル６０２－２は、第１回転コイル６０２－１に対して固定子６０１側に位置する。

【0072】

ロータリートランス６０と同様に、第１固定コイル６０１－１と第１回転コイル６０２－１とによれば、無接点の第１伝送路ＣＨ１が構成される。同様に、第２固定コイル６０１－２と第２回転コイル６０２－２とによれば、無接点の第２伝送路ＣＨ２が構成される。

【0073】

このようなロータリートランス６１によれば、ロータリートランス６０よりも径を小さくすることができ、ジャイロコンパス９０３をより小型化することができる。

【0074】

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。

【0075】

なお、第１実施形態、及び第２実施形態において、ジャイロコンパス９０１，９０２が回転コネクタとしてロータリートランス６０を備えるものとしたが、回転コネクタとしてスリップリングを備えるものとしても良い。

【符号の説明】

【0076】

Ｇ ジャイロロータ
１ ジャイロケース
２ タンク
１０ 水平サーボモータ（水平回転駆動部）
１２ 水平環
１６ 垂直環
１９ 方位サーボモータ（垂直回転駆動部）
２４ 盤器
２７ ベース
６０、６１ ロータリートランス
９０１，９０２，９０３ ジャイロコンパス

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】