(57)【要約】【課題】二重の円形フレームを採用したジャイロコンパスにあって、被測定体であるコマを自由傾斜を簡単な構造で実現し、以って北方位検出を経済的、効果的に行うことの出来るメカニカルジャイロ構造を提供する。【解決手段】回転時の支点１０を有する保持部１３を備えたコマ２を設け、保持部１３の周りにそれぞれ間隔を置いて同一平面配置可能な二重の円形フレーム４１、４２を有し、保持部１３と内側の円形フレーム４１と、および内側の円形フレーム４１と外側の円形フレーム４２との間に同一平面配置時に互いに直交する回転軸４３、４４を設けた自由傾斜体３を装置本体１に設けて保持部１３の支点１０を二重の円形フレーム４１、４２の回動の中心とし、コマ２を自由傾斜可能として保持することによってコマ２の両側部１４、１５をフリーとなし、コマ２の両側部のいずれかに設けた被計測部であるコマ端１４または１５に向けて装置本体１に位置測定器５を設け、コマ２を回転させる回転駆動源である回転モータ４を設け、コマ２の回転に伴う傾斜を位置測定器５によって測定し、以って北方位を計測する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ジャイロコンパスの原理を用いて北方位を計測するためのメカニカルジャイロ構造において、
回転時の支点を有する保持部を備えたコマを設け、前記保持部の周りにそれぞれ間隔を置いて同一平面配置可能な二重の円形フレームを有し、前記保持部と内側の円形フレームと、および内側の円形フレームと外側の円形フレームとの間に同一平面配置時に互いに直交する回転軸を設けた自由傾斜体を装置本体に設けて前記保持部の支点を二重の円形フレームの回動の中心とし、前記コマを自由傾斜可能として保持することによってコマの両側部をフリーとなし、前記コマの両側部のいずれかに設けた被計測部に向けて装置本体に位置測定器を設け、前記コマを回転させる回転駆動源を設け、前記コマの回転に伴う傾斜を前記位置測定器によって測定し、以って北方位を計測することを特徴とするメカニカルジャイロ構造。
【請求項２】
請求項１において、前記コマを前記保持部を介して一体とされた両側コマ部から構成し、前記保持部は軸受を備えた軸受体を有し、いずれかのコマ部または両側のコマ部に設けた凹部に回転モータを設けて前記回転駆動源としたことを特徴とするメカニカルジャイロ構造。
【請求項３】
請求項２において、前記二重の円形フレーム、回転軸、軸受体およびコマ部に導電性材料を埋め込み、前記回転モータに導電させることを特徴とするメカニカルジャイロ構造。
【請求項４】
請求項１において、前記コマの一端である被計測部を位置センサ感応部となし、この位置センサ感応部に対向して前記装置本体に位置センサを設けたことを特徴とするメカニカルジャイロ構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被測定体である回転体が回転する時に回転軸が地球自転軸に沿う方向の北に傾くジャイロコンパスの原理を用いて北方位を計測するメカニカルジャイロ構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ジャイロコンパスは蝶番で懸架されたコマ軸が地球の自転軸と平行方向となり、それが維持されるのを利用した真方位を示す儀器として知られている。
【０００３】
特許文献１には、回転可能な機器ケーシングを有する自動測定ジャイロコンパスであって、上記ケーシング中には支持バンドに懸架されたジャイロ振子が配置されており、該ジャイロコンパスの回転振動の信号量がオプトエレクトロニック測定装置を用いて取出され中央制御プロセッサにて評価アルゴリズムを用いて指北位置偏差の測定のため評価されるように構成されているものにおいて、上記オプトエレクトロニック測定装置によっては１つの振動周期の小さな端数部分に亙って、自由に振動するジャイロ振子の、機器零（基準）点に対して相対的な夫々の偏差角度及び該偏差角度に所属する角速度及び角速度が検出され、当該中央プロセッサによっては機器零（基準）マークの指北位置偏差（偏位）がジャイロ振子の正規化（基準化）された運動方程式を介して計算され指北位置偏差（偏位）に比例する信号の送出および／又は当該指北位置偏差（偏位）のディスプレイがなされるように構成されている自動測定ジャイロコンパスが記載されている。
【０００４】
特許文献２には、基準台上に設置された、直交する２軸の傾斜計と１軸回転機構と、１軸回転機構に取付けられた１軸レートジャイロを具備すると共に、１軸回転機構制御部と、１軸レートジャイロの基準方位からの回転角及び各回転位置で得られた地球時点の角速度より仮想方位と振幅を求め、これら仮想方位角及び振幅と２軸傾斜角によって得られたロール角、ピッチ角及び外部より入力された検出地点の緯度とにより検出地点での方位角を検出する方位演算部とを備えたレートジャイロ方位計が記載されている。
【０００５】
非特許文献１には、航法システムに使用するジャイロとしては、レート積分ジャイロ、２軸自由フリージャイロ、レーザジャイロなどがあることが記載されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平５−２４８８７１号公報
【特許文献２】
特開平７−１６７６５８号公報
【非特許文献１】
計測制御技術事典（計測自動制御学会）、４３１頁
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来において、方位計測では、方位磁石やジャイロ効果における歳差を加速度計などによって検出するレートジャイロなどが実用に供されており、方位の計測では複数の計測装置や計測センサによる計測または一台の計測センサの場合には、複数回の計測を必要とし、計測が複雑化する不都合があった。また、実用のジャイロは、「コマのような回転軸の向きを変えようとした際に加えた力の方向と直角の方向に回転軸が動く」ジャイロ効果の歳差現象を利用して角度変位を検知するジャイロスコープであり、「コマのような回転軸の向きが他から力が働かなければ回転軸の地球自転軸に平行な方向は変わらない」ジャイロ効果を利用した回転軸がいつも北を向くジャイロコンパスの構造とは異なるため、他からの力など間接的な現象に伴うために計測誤差を含みやすい欠点があり、必ずしも経済的、効果的な測定手段とはいえない面があった。
【０００８】
また、円形フレームを採用したジャイロコンパスにあっては、ジャイロ効果を北方位検出に利用する構成において、コマの回転軸の両端が円形フレームの支点として接続するものであるために構造が複雑化して北方位検出のための装置は大きくなり、必ずしも経済的、効果的な測定手段とは言えない面があった。
【０００９】
本発明は、二重の円形フレームを採用したジャイロコンパスにあって、被測定体であるコマを自由傾斜を簡単な構造で実現し、以って北方位検出を経済的、効果的に行うことの出来るメカニカルジャイロ構造を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
コマのような回転軸がいつも北を向くジャイロコンパスのジャイロ効果を北方位検出に利用するため、従来、コマの回転軸の両端が円形フレームの内側の支点になっていた構造に対して、円形フレームの中心点にコマの支点を１点だけ設ける構造によって、その両端をフリーにし、両端の傾きを方位検出に利用し、ジャイロコンパスの北方位を直接的に検知する構造とした。
北方位を簡便に評価するため、前述のコマ部軸の一端を非接触のデジタイザーあるいは変位センサ（変位検出器）によって検出することによって、コマのような回転軸がいつも北を向くジャイロコンパスの現象を実際の計測に利用できる構造を簡便に実現できる。
【００１１】
互いに直交するに回転軸を有する二重の円形フレームの回動中心にコマの支点を有し、内側の円形フレームを含む面と内側回転軸に直交し、かつ、支点を通る軸を中心に回転するコマを配置し、コマの回転に伴ってジャイロコンパス現象を呈するジャイロ効果が発生してコマの軸が地球自転軸に平行な方向に自在に傾斜できる構造を有するジャイロコンパスの現象を実現したメカニカルジャイロを構成する。
【００１２】
前述のメカニカルジャイロにおいて、コマの回転を摩擦抵抗無く実現するため、円形フレームに銅などの導電性材料を埋め込み、また、二回転軸の軸体および軸受にも銅などの埋め込みによって導電性を保ち、コマの中に配置したマイクロモータなどの回転駆動源へ電力を供給できる構造を実現し、この構造がコマの自在な回転およびコマ回転軸の自在な傾斜を維持しつつジャイロ効果を発生させる細かい点を達成する構造とする。
前述のメカニカルジャイロにおいて、コマの回転によるジャイロ効果に伴ってコマ部軸が傾斜し、その方向をデジタイザーや変位センサなどによって外側フレームを取付けた装置本体に対する方位角として検出し、北方位を評価する構造とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
本発明は、岩盤開発、石油削井あるいは飛行・走行物の制御等において、方位を計測する手段として採用される。
【００１４】
具体的には、土木・資源分野の岩盤・地盤や岩盤内空洞近傍において、岩盤内の方位を計測監視する目的で用いられる。例えば、地滑り監視地盤やダムサイト地盤における地盤変状方向を監視するために、地盤内の孔井において、摺動しつつ簡便に方位を連続的に計測する。また、石油資源開発分野の岩盤内孔井において、孔井の位置を評価する目的で用いられる。例えば、地表の孔口から孔以内を連続的に摺動しつつ方位を連続的に計測し、地下地盤内における孔井の三次元位置を的確に標定する。
他方、飛行物体や走行物体の移動方向制御を目的とし、これら移動物体の方向を方位として検出する。具体的に説明する。
【００１５】
図１は、本発明の実施例であるメカニカルジャイロ１００の構成を断面で示す。図１において、メカニカルジャイロ１００は、装置本体１、装置本体１内のコマ２、コマ２を装置本体１に取付けるための二重の回転フレームからなる自由傾斜体３、コマ２内の回転モータ４である回転駆動源および装置本体１の内側に設けた位置センサ５等から構成される。
コマ２の中心軸上であって、同一平面上で互いに直交する二回転軸を有する二重の円形フレームの回動中心にコマの支点１０を有する。
【００１６】
このように、図１は、メカニカルジャイロの構造概要を示す。ここでは、互いに直交するに回転軸４３、４４を有する二重の円形フレーム４１、４２の中心にコマの支点１０を有し、内側の円形フレーム４１を含む面と内回転軸４３に直交し、かつ支点１０を通る軸を中心に回転するコマ２を配置し、コマ２の回転に伴ってジャイロコンパス現象を呈するジャイロ効果が発生してコマの軸６が地球自転軸に平行な方向に自在に傾斜できる構造を実現している。
【００１７】
図２は、図１の一部の構成であって、コマ２およびこれを保持、回転させる構造を示す。図２において、コマ２は上下の両側コマ部１１、１２とこれらをつなぎ、かつ保持することになる保持部１３およびコマ部１１、１２の先端にコマ部端１４、１５を有し、一方のコマ部端１４は位置センサ感応部となる。
コマ部１１、１２にはそれぞれ凹部１６、１７が形成され、その中央部にコマ回転軸１８、１９が形成され、より具体的にはコマ回転軸１８、１９が保持部１３によって連結される構造となる。尚、保持部１３はコマ回転軸１８、１９の一部をなすと考えてもよい。この場合は保持部１３をコマ回転軸の一部と読み替える。
【００１８】
保持部１３は、軸受２０を備えた軸受体２１を有し、軸受体２１に対しコマ２は回転可能とされる。前述の凹部１６、１７にはマイクロモータなどの回転モータ２２、２３が設けられて回転駆動源とされる。回転モータ４は一方の側の凹部に設けられるようにしてもよい。
この保持部１３の中央点にコマの支点１０が形成される。保持部１３の軸受体２１に内回転軸４３の一端が接続され、他端は内側のフレームの内側に回転可能に設けられる。
このように、図２はコマ２の詳細構造を示し、コマ２は中心となる支点１０を含む回転軸に沿って軸対象かつ支点から回転軸６の両方向に対して対象に形成されており、コマ２の回転が偏振しない構造とされている。
【００１９】
図３および図４は、コマ２の保持部１３に対して対向配置される自由傾斜体３を構成することになる二重の円形フレームおよび双方の円形フレームを接続する二回転軸配置構成およびこの配置構成に伴うコマ２のコマ部端１４、１５の配設状態を示し、図３はそのための斜視図、図４は断面平面図である。これらの図において、保持部１３の軸受体２１と内側の円形フレーム４１と、および内側の円形フレーム４１と外側の円形フレーム４２との間に内回転軸４３および外回転軸４４が回転軸心４５、４６を中心として回転可能に配設される。この場合に、構成された二重の円形フレーム４１、４２は同一平面配置可能とされる。図においては、静止時において二重の円形フレーム４１、４２が同一平面配置とされている。
この同一平面配置時に二回転軸、すなわち内回転軸４３および外回転軸４４は直交する配置となる。このような配置構成によって図１に示すコマ２は、全方向に自由傾斜可能とされ、コマ部端１４、１５は拘束されていないフリー端とされる。
【００２０】
このようにすることによって回転時の支点を有する保持部１３を備えたコマ２を設け、保持部１３の周りにそれぞれ間隙を置いて同一平面配置可能な二重の円形フレーム４１、４２を有し、保持部１３と内側の円形フレーム４１と、および内側の円形フレーム４１と外側の円形フレーム４２との間に同一平面配置時に互いに直交する回転軸４３、４４を設けた自由傾斜体３を装置本体１に設けて保持部１３の支点１０を二重の円形フレーム４１、４２の回動の中心とし、コマ２を自由傾斜可能として保持することによってコマの両側部をフリーとした構造を得る。
【００２１】
図５は、円形フレーム４１、４２および回転軸４３、４４にそれぞれ導電性材料５１、５２を埋め込む構造を示す。二重の円形フレーム４１、４２、二回転軸４３、４４、軸受体２１（軸受２０を含む）およびコマ部１１、１２に導電性材料５１を埋め込み、回転モータ１６、１７に電源（図示せず）から電流を供給できるように導電性構造とする。
【００２２】
このように、図５は、モータ電力の供給構造例を示し、図１において、コマ部１１、１２の回転を摩擦抵抗無く実現するため円形フレーム４１、４２に銅などの導電性材料５１、５２等を埋め込み、また二回転軸４３、４４の軸受体２１および軸受２０にも銅などの埋め込みによって導電性を保ち、コマ部１１、１２の中に配置したマイクロモータ（回転モータ４）など回転動力へ電力を供給できる構造を実現し、この構造がコマ部１１、１２の自在な回転およびコマ部回転軸の自在な傾斜を維持しつつジャイロ効果を発生させるコマ回転を達成する構造となる。
【００２３】
図１において、コマ部端１４に対向して装置本体１には位置センサ５が設けてある。この位置センサ５は、デジタイザーなどの位置を検出するためのものである。変位を位置情報に変換するものであってもよい。位置センサ５のコマ部端１４に対向する面は所定の曲面とされ、位置検出に伴って直ちに北方位が計測される。
【００２４】
コマ２の回転軸６の傾斜方向をコマ２のジャイロ効果による傾きに対する抵抗を排除して検知するため、非接触計測によってコマ２の回転軸６の一端の位置を検出する方法の一例を示しており、この自在に動くコマ２の回転軸の一端から適度な等間隔になる曲面の構造の、例えばデジタイザーを配している。デジタイザー上においてコマ２の回転軸６の一端が最も近づいた位置を検出することにより、メカニカルジャイロの本体に対する北方向が特定される。
【００２５】
このように、コマ２の両側部のいずれかに設けた被計測部となるコマ部端１４に向けて装置本体１に位置測定器５を設け、被測定体となるコマ２を回転させる回転駆動源である回転モータ１６、１７を設け、被測定体の回転に伴う傾斜を前記位置測定器５によって測定し、以って北方位を測定することのできるメカニカルジャイロが構成される。
【００２６】
以上のように、保持部１３、すなわちコマ回転軸１８、１９を軸受２０を介して内回転軸４３、内側のフレーム４１、外回転軸４２、外側のフレーム４４を介して装置本体に自由傾斜可能にして同一方向で、図にあっては左右方向で保持することによってコマ２のコマ部端１４、１５をフリー構造として、位置センサ感応部とする簡便な構造を得ることが出来る。
【００２７】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、同一平面配置可能な二重の円形フレーム構成によって自由傾斜体を構成することによってコマ、すなわち被測定体の計測部となるコマ端をフリー構造とすることができ、このフリー構造のコマ端を利用した簡便な方位を計測するメカニカルジャイロ構造を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の概略構成を示す構造図。
【図２】図１の一部の構成の詳細構造図。
【図３】二重の円形フレーム構成を示す斜視図。
【図４】図３の平面図。
【図５】導電性材料の埋め込み状態を示す図。
【符号の説明】
１…装置本体、２…コマ、３…自由傾斜体、４…回転モータ、５…位置センサ、６…軸、１０…コマ支点、１１、１２…コマ部、１３…保持部、１４、１５…コマ端、１６、１７…凹部、１８、１９…コマ回転軸、２０…軸受、２１…軸受体、４１…内側のフレーム、４２…外側のフレーム、４３…内回転軸、４４…外回転軸、５１…導電材料、１００…メカニカルジャイロ。
【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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