(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性体と非磁性体とが交互に配列されたリング形状の回転コアと、
内部にリング形状の空間を形成し、前記空間に前記回転コアを収容するチューブケースと、
前記チューブケースに巻き取られ、一定間隔で配置された複数のコイルと、
前記コイルに電流を供給する電源と、
前記電源を制御するコントローラとを含むことを特徴とするジャイロスコープ。
【請求項２】
磁性体と非磁性体とが交互に配列されたリング形状の回転コアと、
前記回転コアに離隔して巻き取られ、一定間隔で配置された複数のコイルと、
前記コイルに電流を供給する電源と、
前記電源を制御するコントローラとを含むことを特徴とするジャイロスコープ。
【請求項３】
内部にリング形状の空間を形成し、前記空間に前記回転コアおよび前記コイルを収容するチューブケースをさらに含むことを特徴とする請求項２記載のジャイロスコープ。
【請求項４】
前記回転コアの磁性体は、永久磁石または軟鉄であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項記載のジャイロスコープ。
【請求項５】
前記空間は、密閉されて真空状態であることを特徴とする請求項１または３記載のジャイロスコープ。
【請求項６】
請求項１記載のジャイロスコープを内部または外部に装着したことを特徴とする飛行機。
【請求項７】
請求項１記載のジャイロスコープを内部または外部に装着したことを特徴とするヘリコプター。
【請求項８】
請求項１記載のジャイロスコープを内部または外部に装着したことを特徴とする自動車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁気の誘導起電力の原理を利用して高速回転する軽量の低騷音ジャイロスコープに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ジャイロスコープは、角運動量保存の法則に基づいて高速回転する回転体の慣性を利用した機器であって、かなり昔から多様な分野で利用されてきた技術である。質量が速く回転する時には、外部から回転体の方向を変える力が作用しても、回転による角運動量保存の性質により、回転しない時より回転体の軸方向の変化に対する抵抗力が非常に大きくなるため、軸方向が変わることなく、元の方向を維持しようとする性質がある。
【０００３】
従来のジャイロスコープは、大きく、真空を回転動力として利用するものと、電気モータを回転動力として利用するものとに分けられる。
【０００４】
このうち、真空を利用する方法は、回転体に翼をつけることで空気の流れに応じてジャイロスコープの質量が回転するようにしたもので、ジャイロスコープの構造が比較的簡単であるという相対的な利点があるため、主に、小型の計測器に用いられる。この方法は、ジャイロスコープが、他の種類のジャイロスコープと同様に、外部支持構造物の回転台（ｇｉｍｂａｌ）に支持される構造となっているが、外部回転台と相対的な回転が生じる時、外部に連結された真空ホースラインを配管する方法が難しく、外部に必ず真空ポンプがなければならない。
【０００５】
電気モータを利用した方法は、円板形の回転体が回転軸を有しており、該回転軸は、電気モータに直接連結されるか、回転速度を高めるための加速ギヤを経て電気モータに連結される構造を有しており、回転質量の回転軸は、自由に回転が可能な、外部に位置した回転台（ｇｉｍｂａｌ）に支持される構造となっていることは、他のジャイロスコープと同一である。
【０００６】
このような構造は、ジャイロスコープの回転のためのモータが必要であり、ホイールが直角方向に交差することにより、体積および重量が増加してしまう。また、より大きな問題は、騷音が激しく、空気摩擦によるエネルギー損失が大きいという欠点があり、外部電気動力供給線を配線する方法が複雑である。
【０００７】
かつては計測器にこのような回転慣性を利用したジャイロスコープを用いることが一般的であったが、今日は、レーザや微細電子回路を用いた、より精密で安価な方向指示計などが開発、使用されていて、既存の回転慣性を利用したジャイロスコープの使用が減少している。
【０００８】
また、ジャイロスコープを船舶に装着して船の揺れを低減させる安定化用途に用いようとする試みは随分前から行われてきた。しかし、現在は、船でもほとんど使用されておらず、飛行機や自動車のような他の移動手段に適用しようとする試みはなかった。
【０００９】
船舶を除いた他の移動手段に使用できない最大の理由は、このような目的で使用するためには、ジャイロスコープの物理的慣性力が大きくなけれればならないからであるが、ジャイロスコープの慣性力を大きくするためには、回転質量をより大きく、重くするか、より高速で回転させなければならないため、重量増加の問題、設置空間増加の問題、高速回転による騷音発生の問題、および持続的なエネルギー供給が必要なエネルギー供給の問題、エネルギー損失の問題などといった困難があるからである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、電磁気の誘導起電力の原理を利用して高速回転する軽量の低騷音ジャイロスコープを製作し、これを用いた適用例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】
【００１１】
本発明の一実施形態にかかる磁気ジャイロスコープは、磁性体と非磁性体とが交互に配列されたリング形状の回転コアと、内部にリング形状の空間を形成し、前記空間に前記回転コアを収容するチューブケースと、前記チューブケースに巻き取られ、一定間隔で配置された複数のコイルと、前記コイルに電流を供給する電源と、前記電源を制御するコントローラとを含む。
【００１２】
本発明の他の実施形態にかかる磁気ジャイロスコープは、磁性体と非磁性体とが交互に配列されたリング形状の回転コアと、前記回転コアに離隔して巻き取られ、一定間隔で配置された複数のコイルと、前記コイルに電流を供給する電源と、前記電源を制御するコントローラとを含む。
【００１３】
この時、内部にリング形状の空間を形成し、前記空間に前記回転コアおよび前記コイルを収容するチューブケースをさらに含むことができる。
【００１４】
前記一実施形態または他の実施形態において、前記回転コアの磁性体は、永久磁石または軟鉄であることを特徴とする。
【００１５】
前記一実施形態または他の実施形態において、前記空間は、密閉されて真空状態であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のジャイロスコープは、従来のジャイロスコープに比べて構造が簡単で軽量化することができ、経済的な製作が可能であり、真空内で回転が生じるため、騷音を最小化することができ、摩擦抵抗が少なく、エネルギー使用量が最小化され、これにより、回転速度を既存の２０，０００ｒｐｍから１００，０００ｒｐｍ以上の超高速にすることができるという利点があるため、ジャイロスコープの重量が小さいながらも、より高性能の慣性力を発揮することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態にかかるジャイロスコープを示す平面図である。
【図２】図１に示されたジャイロスコープの平断面図である。
【図３】図１に示されたジャイロスコープの横断面図である。
【図４】本発明の他の実施形態にかかるジャイロスコープを示す平断面図である。
【図５】本発明のジャイロスコープを適用した垂直離着陸機を示している。
【図６】本発明のジャイロスコープを適用した自動車を示している。
【図７】既存の真空式またはモータ式ジャイロスコープを、本発明のジャイロスコープに代替適用した計測器の一実施形態として姿勢計を示したものである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明は、多様な変換を加えることができ、様々な実施形態を有することができるが、特定の実施形態を図面に例示し詳細に説明する。しかし、これは、本発明を特定の実施形態に対して限定しようとするものではなく、本発明の思想および技術範囲に含まれるすべての変換、均等物または代替物を含むと理解されなければならない。
【００１９】
以下、図１ないし図３を参照して、本発明のジャイロスコープを説明する。図１は、本発明の一実施形態にかかるジャイロスコープ１００を示す平面図であり、図２は、図１に示されたジャイロスコープ１００の平断面図であり、図３は、図１に示されたジャイロスコープ１００の横断面図である。
【００２０】
本実施形態のジャイロスコープ１００は、両端が当接して内部にリング形状の空間が形成されたチューブケース２０と、チューブケース２０の内部空間に収容され、その中で回転するリング形状の回転コア１０と、チューブケース２０に巻き取られた金属線で、チューブケース２０に一定間隔をおいて配置された複数のコイル３０と、これを制御する制御部４０とから構成される。
【００２１】
本実施形態のジャイロスコープ１００は、従来の機械式ジャイロスコープとは異なり、電気モータによって回転するのではなく、電磁気誘導原理を利用してコイル３０に電流を印加することによって回転コア１０が回転する。
【００２２】
誘導起電力とは、時間とともに変化する磁場内部の導体あるいは磁場内で動く導体で発生した起電力であり、巻き取られた金属線に電流を印加すると、電子の移動によって電場と磁場が形成され、これら電場および磁場内には、磁性を帯びる軟鉄または永久磁石のような磁性体に力が加えられるようになる。このような力をローレンツ力といい、本発明では、この力によって回転コア１０が回転できる。
【００２３】
回転コア１０は、図２に示されるように、磁性体１１と非磁性体１２とが交互に配列され、磁性体１１は、上述のように、永久磁石または軟鉄のような金属を含む。コイルによって誘導された磁場と反応して回転する回転体は、永久磁石を用いることが一般的であるが、磁性が誘導される軟鉄などの材料を用いることも、内部回転コアを回転させるのに何ら問題がない。
【００２４】
磁性体１１の間毎に非磁性体１２が配置され、リング形状の回転コア１０を構成する。磁性体１１と非磁性体１２とを交互に配置したことは、内部回転体が磁性体１１のみからなると、外部に設けられたコイル３０で誘導される磁場と内部の磁性体１１とが、互いに吸引力と反発力が交互に作用できない問題を解決するための方策である。
【００２５】
図３を参照すれば、回転コア１０やチューブケース２０の断面が円形に示されているが、必ずしも円形である必要はなく、回転コア１０を収容するチューブケース２０の内部空間の形状に応じて、楕円形、四角形、三角形、ピーナッツ形などの多様な断面形状となり得、円形断面に限定されない。
【００２６】
磁性体１１および非磁性体１２の個数は、ジャイロスコープ１００の使用用途や大きさなどに応じて異なり得、磁性体１１と非磁性体１２とは交互に配置されるため、磁性体１１および非磁性体１２の個数は等しい。それぞれの磁性体１１および非磁性体１２の大きさは必ずしも一定である必要はない。
【００２７】
磁性体１１として永久磁石を用いた実施形態が図２に示されており、それぞれの磁性体１１は、Ｓ極１１（ａ）とＮ極１１（ｂ）が同じ方向に向かうように配置する。
【００２８】
チューブケース２０は、内部が空のチューブの両端が当接したリング形状の部材であって、内部のリング形状の空間が形成され、この空間に回転コア１０が収容される。内部空間で回転コア１０が回転しなければならないため、内部空間の大きさは、回転コア１０よりやや大きく製作されなければならない。
【００２９】
回転コア１０の回転時、摩擦力を最小化するために、チューブケース２０の空間に摩擦係数を最小化できるように表面処理を行うか、チューブケース２０の空間を真空にする方法などが利用できる。
【００３０】
特に、チューブケース２０の内部に形成された空間を真空にすれば、第一、騷音の発生を遮断することができ、第二、空気摩擦によるエネルギー損失を無くすことにより、エネルギー効率を高めることができるという利点がある。
【００３１】
チューブケース２０の空間は、密閉された状態にすることが好ましいが、必ず密閉されなければならないというわけではない。すなわち、密閉された空間を形成しなくても、後述するコイル３０と内部回転コア１０とが離隔し、コイル３０に流れる電流によって回転コア１０が回転可能であれば、同一の作動原理によって回転コア１０を回転させるのに何ら問題がない。
【００３２】
チューブケース２０の材質は、回転コア１０とコイル３０との間の磁気力線および電気力線を妨げないために、プラスチックなどのような非磁性体１２を用いることもでき、磁力線を強化するために、鉄などのような、磁気が誘導される材質で構成することもできる。チューブケース２０は、回転コア１０の回転軸と垂直に回転可能な回転台（ｇｙｍｂａｌ）と締結し、移動手段または計測器などに固定される。
【００３３】
コイル３０は、回転コア１０に離隔して巻き取られ、一定間隔で配置される金属線である。図１に示されるように、回転コア１０がチューブケース２０に収容された場合、コイル３０はチューブケース２０に巻き取られる。すなわち、コイル３０は、図１に示されるように、回転コア１０およびチューブケース２０のリング形状に沿って巻き取られ、一定間隔をおいて複数個配置される。
【００３４】
この時、コイル３０の個数は、回転コア１０の磁性体１１または非磁性体１２の数と等しくすることができ、必要時には、コイルの数がより多いか少なく調整することもできる。
【００３５】
コイル３０に電流が流れると、電子の移動によって電場と磁場が発生し、これにより、磁性体１１の回転コア１０は力を受けて回転するようになる。この時、加える電流の強度および周波数を調整すると、回転コア１０の回転速度と速度増加率を調整することができる。
【００３６】
制御部４０は、ジャイロスコープ１００の回転速度、速度増加率、最終速度などを制御する装置であって、コイル３０に電流を印加する電源４１と、電流供給の有無、電流の強度、周波数および電流の方向などを制御する役割を果たすコントローラ４２とを含む。
【００３７】
図４は、本発明の他の実施形態にかかるジャイロスコープ１００を示す平断面図である。本実施形態のジャイロスコープ１００は、回転コア１０と、コイル３０と、回転コア１０とコイル３０を内部空間に収容するチューブケース２５と、これを制御する制御部４０とから構成される。
【００３８】
回転コア１０は、磁性体と非磁性体とが交互に配置されたリング形状の部材であり、前述した実施形態の回転コア１０と同一であるので、詳細な説明は省略する。
【００３９】
コイル３０は、回転コア１０に離隔して巻き取られ、一定間隔で配置される金属線である。すなわち、コイル３０は、図４に示されるように、回転コア１０のリング形状に沿って巻き取られ、一定間隔をおいて複数個配置される。前述した実施形態とは異なり、回転コア１０とコイル３０との間にチューブケースが位置せず、回転コア１０がコイル３０を内部を通りながら回転できるように、コイル３０は回転コア１０と離隔して巻き取られ、各コイル３０の一端部はチューブケース２５によって支持される。
【００４０】
本実施形態のチューブケース２５は、前述した実施形態のチューブケース２０とは異なり、回転コア１０とコイル３０をすべて内部空間に収容する。チューブケース２５は、回転コア１０が回転する内部の空間を保護し、摩擦力を最小化し、騷音を遮断するために、真空状態にすることができる。それ以外の特性は、前述した実施形態のチューブケース２０と類似するので、詳細な説明は省略する。
【００４１】
コイル３０に流れる電流を調整してジャイロスコープ１００の作動を制御する制御部４０は、前述した実施形態の制御部４０と同一である。
【００４２】
本発明のジャイロスコープは、従来のジャイロスコープに比べて構造が簡単で軽量化することができる。また、摩擦抵抗が少なく、エネルギー消費を低減し、騷音を最小化することができると同時に、回転速度を大幅に増加させることができるため、小さい重量で大きい慣性力が得られるという利点がある。
【００４３】
したがって、従来、大きさが大きく複雑で重い重量のため適用できなかった航空機のような軽量移動手段や、自動車のような小型移動手段のほか、多様な計測器にも容易に適用可能であり、従来のジャイロスコープのように、回転体の回転のために直接モータが作動するのではないことから、騷音問題が発生せず、エネルギー効率が高いため、その活用範囲が大幅に拡大できる。
【００４４】
飛行機のうち、垂直離着陸機は、離着陸時、機体の姿勢を水平に維持することが非常に重要で難しい技術である。既存の技術は、ジェットエンジンの吸入口と噴射口をコンピュータで自動制御することにより、離着陸時、飛行機機体の水平姿勢を維持しているが、このような方法では常に一定の安定性を維持しにくく、不安定である。
【００４５】
このように、離着陸時の不安定な姿勢を安定化するために、本発明のジャイロスコープ１００を適用した垂直離着陸機が図５に示されている。飛行機に付加される装備は自重を最小化しなければならないが、本発明のジャイロスコープ１００は、その構造が簡単で軽量であるため、垂直離着陸機の内部や外部に追加的に装着することも非常に容易である。図５に示されるように、垂直離着陸機の本体の下面にジャイロスコープ１００を配置した一実施形態が提示されている。
【００４６】
旅客機や軽飛行機なども離着陸時に姿勢の安定化が非常に重要な問題であり、特に、側風が強い場合には、飛行機の揺れが激しく、離着陸が非常に危なかったり不可能な場合も多い。また、高空でも乱気流に入ると、機体の揺れが非常に大きくなるが、ジャイロスコープを旅客機の翼や胴体などに装着すると、前記のような様々な危険性や揺れが激しい条件においても、飛行機の姿勢を安定化することができる。
【００４７】
ヘリコプターは、風が吹くと揺れが多いか、激しい場合、飛行が不可能な場合が多く、同時に自体の重量を最小化する必要がある飛行体であって、本発明のジャイロスコープは、その構造が簡単で軽量であるため、ヘリコプター本体の下部または上部にジャイロスコープを装着すると、ジャイロスコープの方向維持の性質によってヘリコプターの揺れを最小化することができる。
【００４８】
車両の揺れを低減するために、従来は、バネとショックアブソーバという衝撃緩和装置を用いていたが、道路上のマンホールの蓋や凹凸面を通る際は自動車の揺れが大きくなり、特に、未舗装道路のように路面が均一でなかったり、スピードバンプのように凹凸の大きさが大きい場合には、車両の揺れが激しく、搭乗者に大きな不快感を与えるため、車体の揺れを最小化する技術が必要である。
【００４９】
図６は、本発明のジャイロスコープ１００を適用した自動車を示している。従来のジャイロスコープは、重量および体積が大きく、複雑な形状と騷音問題のため、自動車への適用が難しかったが、本発明のジャイロスコープ１００は、その大きさが小さく、騷音が少なく、自動車への適用が容易である。
【００５０】
上述したジャイロスコープ１００は、従来型ジャイロスコープを用いる飛行機や船舶の航法装備である姿勢計（ａｔｔｉｔｕｄｅ  ｉｎｄｉｃａｔｏｒ）に使用できる。姿勢計は、水平バーを介して装着された装置の前後左右の水平の有無が分かる装置であって、図７は、既存の真空式またはモータ式ジャイロスコープを、本発明のジャイロスコープ１００に代替適用した計測器の一実施形態として姿勢計を示したものである。
【００５１】
姿勢計と類似のジャイロスコープを用いる航法装備は、方向指示計（ｈｅａｄｉｎｇ  ｉｎｄｉｃａｔｏｒ）、回転状態計（ｔｕｒｎ  ｃｏｏｒｄｉｎａｔｏｒ）などが挙げられる。
【００５２】
方向指示計は、マグネチックコンパスと併用される機器であって、飛行機や船の胴体の進行方向を指示する計器である。マグネチックコンパスの場合には、揺れが激しく、飛行機が水平でなければエラーが生じるため、方向指示計が常に共に使用される。このような機能を実現するためのものとして、方向指示計は、ジャイロスコープを垂直に立てて回転させることで飛行機の方向を指示する装置である。
【００５３】
回転状態計は、飛行機の旋回率とロールレートを感知する装置であって、回転台が斜めに装着され、ジャイロスコープの回転軸と回転台の軸とは異なる平面に位置する。
【００５４】
本発明のジャイロスコープ１００は、従来のジャイロスコープに比べて構造が単純で軽いため、本発明のジャイロスコープ１００を装着した姿勢計、方向指示計および回転状態計のような計測計の小型化が可能で、精度が増加する。
【００５５】
また、本発明のジャイロスコープのような慣性維持装置は、ビルの上部に設けられた耐震、除振装置を代替することができ、橋梁の主塔の上部にも同様の目的で使用できる。また、つり橋や斜張橋のような長大橋の場合、台風による橋梁上板の撓みや振動が常に問題となるが、このような振動を制御するためにも使用可能である。
【００５６】
以上、本発明の好ましい実施形態を参照して説明したが、当該技術分野における通常の知識を有する者であれば、下記の特許請求の範囲に記載された本発明の思想および領域を逸脱しない範囲内で本発明を多様に修正および変更可能であることを理解することができる。
【００５７】
本発明は、２０１１年１月２５日付で出願された韓国特許出願第１０−２０１１−０００７４９１号の出願日の利益を主張し、その内容のすべては本明細書に組み込まれる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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