(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
スピン軸を略々水平にしたジャイロロータを内蔵するジャイロケースと、
前記ジャイロケースを包囲し且つ内部に液体を収納する容器と、
前記ジャイロケースを前記容器内に支持する第１の支持装置と、
前記容器を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、
前記容器を前記ジャイロケースに対して垂直軸線周りに追従させるための方位追従ループと、
前記ジャイロロータの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前記ジャイロケースに対して垂直軸線周りに印加するための制振ループと、
前記方位追従ループ又は制振ループ内に設けられ、前記容器と前記ジャイロケースの間に発生するトルクの粘性トルク係数Ｃ及び捩じりトルク係数ｋTの比Ｃ／ｋTに略等しい時定数ＴFを有する１次遅れフィルタと、
を有するジャイロコンパスにおいて、
前記方位追従ループ又は制振ループ内に誤差修正用信号を発生するための誤差修正用信号発生装置を設け、
前記誤差修正用信号発生装置の出力信号に第１の伝達関数を乗算して得られた信号を前記１次遅れフィルタに入力し、
前記第１の伝達関数を乗算して得られた信号に更に第２の伝達関数を乗算して得られた信号を前記１次遅れフィルタの出力信号に加算し、
前記１次遅れフィルタの出力信号に必要な変化を与えて前記容器を前記ジャイロケースに対して垂直軸線周りに回転偏倚させるように構成されていることを特徴とするジャイロコンパス。
【請求項２】
請求項１記載のジャイロコンパスにおいて、前記第１の伝達関数は定数１であり、前記第２の伝達関数は定数０であることを特徴とするジャイロコンパス。
【請求項３】
請求項１記載のジャイロコンパスにおいて、前記第１の伝達関数は符号が負の定数であり、前記第２の伝達関数は定数１であることを特徴とするジャイロコンパス。
【請求項４】
請求項１記載のジャイロコンパスにおいて、前記制振ループは前記容器に対する前記ジャイロケースの相対的変位を検出するための変位検出ピックアップを有し、前記誤差修正用信号発生装置は前記変位検出ピックアップの出力端子に接続されていることを特徴とするジャイロコンパス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は高精度を要求される船舶等のためのジャイロコンパスに関し、特に高速度にて運行する船舶のためのジャイロコンパスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のジャイロコンパスの例として本願出願人と同一人の所有による日本国特許第８８５７３０号（特公昭５２−１００１７号）に開示されたジャイロコンパスがある。以下に、このジャイロコンパスについて説明するが、詳細は同特許公報を参照されたい。
【０００３】
図２に示すように、ジャイロコンパスは、高速にて回転するジャイロロータ（破線で示す。）とこのジャイロロータを内蔵し液密構造を有するジャイロ球又はジャイロケース１とジャイロケース１を包囲するタンク２とジャイロケース１を支持する懸吊線３とを有する。懸吊線３の上端はタンク２に接続され、下端はジャイロケース１に接続されている。タンク２内には高粘性のダンピングオイルの如き液体７が充填されている。
【０００４】
ジャイロケース１とタンク２には、それぞれジャイロケース１とタンク２の間の相対的変位を検出するための無接触偏位検出装置６が装着されている。無接触偏位検出装置６は、ジャイロケース１の外面に装着された１次側４Ｎ、４Ｓとタンク２の内面に装着された２次側５Ｎ、５Ｓとを有する。これらの１次側４Ｎ、４Ｓ及び２次側５Ｎ、５Ｓは、ジャイロの北側及び南側に装着される、即ち、子午線方向に沿って水平に配置されたジャイロロータのスピン軸線の延長線がジャイロケース１及びタンク２と交差する位置に装着される。無接触偏位検出装置６の詳細は後に説明する。
【０００５】
タンク２の赤道上のスピン軸線と直交する位置に１対の水平軸８、８’が装着され、この水平軸８、８’は、タンク２を囲むように配置された水平環１２に装着された水平軸受け１３、１３’の内輪に装着されている。一方の水平軸８には水平歯車９が装着され、この水平歯車９は水平環１２に装着された水平追従サーボモータ１０の水平ピニオン１１に噛合している。
【０００６】
水平環１２には、水平軸受け１３、１３’と直交する位置にジンバル軸１４、１４’が装着され、このジンバル軸１４、１４’は、タンク２を囲むように配置された垂直環１６に装着されたジンバル軸受け１５、１５’の内輪に装着されている。垂直環１６の上下両端には垂直軸１７、１７’が装着され、この垂直軸１７、１７’は盤器２４の垂直軸受け２５、２５’の内輪に装着されている。
【０００７】
下側の垂直軸１７には方位歯車２１が装着され、この方位歯車２１は盤器２４に装着された方位追従サーボモータ１９の方位ピニオン２０に噛合している。上側の垂直軸１７’には、コンパスカード２２が装着されている。盤器２４の上面にはコンパスカード２２に対応するように、基板２３が装着されている。基板２３には船首方向を示す基線２６が記されている。
【０００８】
図３、図４及び図５を参照して、無接触偏位検出装置６の構造及び機能を説明する。図３は無接触偏位検出装置６の２対のピックアップのうち、北側のピックアップのみを示した図である。北側のピックアップはジャイロケース１の外面に装着された１次側コイル４Ｎとタンク２の内面に装着された２次側コイル５Ｎとを有する。
【０００９】
１次側コイル４Ｎの巻線はジャイロの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 、ａ1 にて示す交番磁場を生成する。
【００１０】
２次側コイル５Ｎは４個の矩形コイル５ＮＷ、５ＮＥ、５ＮＵ、５ＮＬよりなり、第１の対のコイル５ＮＷ、５ＮＥは横方向に並べられ、第２の対のコイル５ＮＵ、５ＮＬは上下方向に並べられている。また、横方向のコイル５ＮＷ、５ＮＥは互いに差動的に接続され、上下方向のコイル５ＮＵ、５ＮＬは互いに差動的に接続されている。
【００１１】
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を考える。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を貫通するから、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。従って、横方向のコイル５ＮＷ、５ＮＥの出力端子２−１及び上下方向のコイル５ＮＵ、５ＮＬの出力端子２−２には出力電圧は生じない。
【００１２】
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３にて矢印Ｗ方向）に偏倚した場合を考える。１次側コイル４Ｎによる磁束のうち、東側の矩形コイル５ＮＥを貫通する磁束は増加し、その誘起電圧が増加する。一方、西側の矩形コイル５ＮＷを貫通する磁束は減少し、その誘起電圧が減少する。従って、横方向のコイル５ＮＷ、５ＮＥの出力端子２−１に差動電圧が生ずる。上下方向のコイル５ＮＵ、５ＮＬの出力端子２−２には出力電圧は生じない。
【００１３】
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３にて矢印Ｅ方向）に偏倚した場合は、西方向に偏倚した場合と逆である。１次側コイル４Ｎによる磁束のうち、西側の矩形コイル５ＮＷを貫通する磁束は増加し、その誘起電圧が増加し、東側の矩形コイル５ＮＥを貫通する磁束は減少し、その誘起電圧が減少する。従って、横方向のコイル５ＮＷ、５ＮＥの出力端子２−１には、西方向に偏倚した場合と逆極性の差動電圧が生ずる。上下方向のコイル５ＮＵ、５ＮＬの出力端子２−２には出力電圧は生じない。
【００１４】
２次側コイル５Ｎが１次側コイル４Ｎに対して上下方向（図３にて矢印ＥＷに垂直方向）に偏倚した場合も同様である。１次側コイル４Ｎによる磁束のうち、上側の矩形コイル５ＮＵを貫通する磁束は減少又は増加し、下側の矩形コイル５ＮＬを貫通する磁束は増加又は減少する。上側の矩形コイル５ＮＵの誘起電圧が減少又は増加し、下側の矩形コイル５ＮＬの誘起電圧が増加又は減少する。上下方向のコイル５ＮＵ、５ＮＬの出力端子２−２に差動電圧が生ずる。
【００１５】
こうして、タンク２のＮ端がジャイロケース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の２対の矩形コイル５ＮＷ、５ＮＥ、５ＮＵ、５ＮＬの出力端子２−１、２−２に差動電圧が生ずる。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。
【００１６】
図４を参照して説明する。ここでは、無接触偏位検出装置６によって、ジャイロケース１に対するタンク２の垂直軸周りの回転偏差を検出する機能を説明する。図４はジャイロケース１を上側から見た図であり、無接触偏位検出装置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２次側コイル５Ｎ、５Ｓのうち、横方向の２対のコイル５ＮＷ、５ＮＥ及び５ＳＷ、５ＳＥが示されている。
【００１７】
上述のように北側のコイル５ＮＷ、５ＮＥ及び南側のコイル５ＳＷ、５ＳＥはそれぞれ差動的に接続されているが、更に、北側のコイル５ＮＷ、５ＮＥの出力端子２−１と南側のコイル５ＳＷ、５ＳＥの出力端子３−１は差動的に接続されている。従って、タンク２がジャイロケース１に対して横方向に、即ち、東西方向に並進的に移動した場合、北側のコイル５ＮＷ、５ＮＥの出力端子２−１に生ずる差動電圧と南側のコイル５ＳＷ、５ＳＥの出力端子３−１に生ずる差動電圧は、大きさ及び極性が等しくなり、互いに打ち消し合い、出力端子３−２には出力電圧は生じない。
【００１８】
しかしながら、タンク２がジャイロケース１に対して垂直軸線Ｏ（紙面に垂直）周りに回転すると、北側のコイル５ＮＷ、５ＮＥの出力端子２−１に生ずる差動電圧と南側のコイル５ＳＷ、５ＳＥの出力端子３−１に生ずる差動電圧は、大きさが等しく極性が反対となり、出力端子３−２に差動電圧が生ずる。この差動電圧の極性及び大きさは、ジャイロケース１に対するタンク２の垂直軸線周りの回転変位の方向及び大きさを示す。
【００１９】
図５を参照して説明する。ここでは、無接触偏位検出装置６によって、ジャイロケース１に対するタンク２の水平軸周りの回転偏差を検出する機能を説明する。図５はジャイロケース１を横側から見た図であり、無接触偏位検出装置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２次側コイル５Ｎ、５Ｓのうち、上下方向の２対のコイル５ＮＵ、５ＮＬ及び５ＳＵ、５ＳＬが示されている。
【００２０】
同様に、北側の２次側コイル５ＮＵ、５ＮＬと南側の２次側コイル５ＳＵ、５ＳＬは差動的に接続されている。従って、タンク２がジャイロケース１に対して上下方向に並進的に移動した場合、出力端子４−１には出力電圧は生じない。しかしながら、タンク２がジャイロケース１に対して水平軸線（東西軸線）周りに回転すると、出力端子４−１に差動電圧が生ずる。この差動電圧の極性及び大きさは、ジャイロケース１に対するタンク２の水平軸線周りの回転変位の方向及び大きさを示す。
【００２１】
ジャイロケース１に対してタンク２が垂直軸線周り及び水平軸周りの回転偏差した場合を説明したが、タンク２に対してジャイロケース１が垂直軸線周り及び水平軸周りの回転偏差した場合も同様である。無接触偏位検出装置６によって、ジャイロケース１とタンク２の間の回転偏差角を検出することができる。
【００２２】
図４を参照して方位追従系を説明する。ジャイロケース１に対してタンク２が垂直軸線周りに回転偏倚すると、無接触偏位検出装置６の垂直出力端子３−２に電圧信号が生ずる。この垂直出力端子３−２に生じた電圧信号は、サーボ増幅器３０を介して又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は垂直軸線周りに回転し、タンク２とジャイロケース１の間の相対的回転偏倚がゼロとなる。
【００２３】
こうして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のスピン軸線の方位に追従する。従ってコンパスカード２２のＮ字は常にジャイロロータのスピン軸線の方位に追従することとなる。従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。
【００２４】
また、この方位追従系によって、タンク２とジャイロケース１の間の相対的回転偏倚は常にゼロとなるから、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。従って、この方位追従系によって、ジャイロケース１に如何なる外乱も印加されることはない。
【００２５】
この方位追従系には、ジャイロの加速度誤差、速度誤差及び緯度誤差等を修正するための誤差修正用信号発生装置３−３が設けられている。誤差修正用信号発生装置３−３は、船舶の加速度、速度又は緯度に起因した誤差に対応した電圧信号を生成し、それをサーボ増幅器３０を介して又は介さないで方位サーボモータ１９に印加する。方位サーボモータ１９は方位追従系による追従を偏倚させるように、タンク２を回転させる。それによって、懸吊線３に捩じり応力が生成され、ジャイロケース１は垂直軸線周りに回転偏倚し、ジャイロの加速度誤差、速度誤差及び緯度誤差等が修正される。
【００２６】
図５を参照して水平追従系を説明する。ジャイロケース１に対してタンク２が水平軸線周りに回転偏倚すると、無接触偏位検出装置６の水平出力端子４−１に電圧信号が生ずる。この水平出力端子４−１に生じた電圧信号は、サーボ増幅器３１を介して又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は水平軸線周りに回転し、タンク２とジャイロケース１の間の相対的回転偏倚がゼロとなる。
【００２７】
図６を参照してジャイロの指北作用を説明する。図６はジャイロケース１がタンク２内に配置された状態を略線的に示したものであり、タンク２内には高粘性のダンピング液７が充填されており、ジャイロケース１はダンピング液７に漬かる状態で懸吊線３によって懸吊されている。
【００２８】
ここで、ジャイロケース１の重心の位置をＯ1 、タンク２の中心位置をＯ2 とする。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とする。タンク２の中心軸線は線ＰＯ2 を通る。ジャイロロータ（破線の矩形部分）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上の点をＡ’、Ｂ’とする。更に、水平面をＨ−Ｈ’とする。
【００２９】
ジャイロロータ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の重心の位置Ｏ1 はタンク２の中心位置Ｏ2 に一致する。
【００３０】
ジャイロロータ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の指北端のＡ側が水平面Ｈ−Ｈ’に対して上昇していると仮定する。上述のように水平追従サーボ系によって、タンク２はジャイロロータの傾斜角θに追従して水平軸線周りに回転傾斜する。従って、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。
【００３１】
外力が作用しないと、懸吊線３は鉛直線に一致する。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Ｏ1 と取り付け点Ｑの間の距離をｒとし、ジャイロケース１のダンパー液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は次のように表される。
【００３２】
【数１】
Ｍ＝Ｔｒｓｉｎθ＝ｍｇｒｓｉｎθ
【００３３】
このモーメントＭはジャイロロータに対するトルクとして水平軸線（重心Ｏ1 を通り紙面に垂直な線）周りに作用する。こうして、「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の周りに加える」ことができるから、指北力が生成され、ジャイロコンパスを得ることができる。上記の距離ｒ、重量ｍｇ及びジャイロの角運動量を選択することによって、指北運動の周期を数１０分〜百数１０分とすることができる。
【００３４】
図７を参照してジャイロの制振装置を説明する。上述のようなジャイロコンパスに使用される制振装置は、「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の垂直軸の周りに加える」ように構成されている。上述のように、ジャイロロータのスピン軸線が水平面Ｈ−Ｈ’に対して傾斜角θだけ傾斜すると、水平追従系の作用によって、タンク２も水平面Ｈ−Ｈ’に対して傾斜角θだけ傾斜する。
【００３５】
図６に図示したように、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。従って、このジャイロケース１の相対的な移動量ξを電気的に検出し、この検出量に対応して、方位追従系の追従位置を偏倚させ、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。
【００３６】
尚、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、実際には破線にて示すように撓み曲線を描く。従って、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。従って、ここでは斯かる移動量の変化を無視して説明する。
【００３７】
図７は制振系を示す図であり、ジャイロケース１を上側から見た図である。制振系は方位追従系に付加的に設けられている。無接触偏位検出装置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２次側コイル５ＮＷ、５ＮＥ及び５ＳＷ、５ＳＥと５ＮＵ、５ＮＬ及び５ＳＵ、５ＳＬが示されている。
【００３８】
図示のように、２次側コイルの南北側に更に変位検出用の１対のコイル１４−２、１４−３が設けられている。この変位検出用コイル１４−２、１４−３は、２次側コイルの横側のコイル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。変位検出用コイル１４−２、１４−３の出力端子１４−１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。
【００３９】
出力端子１４−１は、方位追従系の出力端子３−２に加算的に接続され、サーボ増幅器３０を介して又は介すること無く、方位サーボモータ１９の制御巻線に接続されている。従って、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、出力端子１４−１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偏倚させる。
【００４０】
タンク２は垂直軸線周りに、方位追従系の動作に対して偏倚するように、回転偏倚し、懸吊線３に捩じりトルクが生ずる。それによってジャイロケース１は、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る。こうして、ジャイロの制振作用が生成される。
【００４１】
図８を参照してジャイロの制振作用を更に詳細に説明する。図８は図７の制振系をブロック図として表したものである。ジャイロケース１のスピン軸線方向の移動量がξのとき、タンク２を垂直軸線周りに捩じり角Ψだけ回転させるために必要な、出力端子１４−１の電圧信号Ｖ14を求める。誤差修正用信号発生装置３−３の出力電圧がゼロボルトであると仮定する。
【００４２】
タンク２が垂直軸線周りに捩じり角Ψだけ回転すると、懸吊線３に捩じりトルクＴZ ＝ｋT Ψが生成され、ジャイロケース１は捩じりトルクＴZ ＝ｋT Ψを受ける。
【００４３】
一方、制振用ダンピングトルクは、ジャイロケース１のスピン軸線に沿った方向の移動量ξに比例するから、比例定数μを用いて、μξと表される。これは、捩じりトルクｋT Ψに等しいはずである。
【００４４】
【数２】
ＴZ ＝ｋT Ψ＝μξ
【００４５】
従って、タンク２の垂直軸線周りの捩じり角Ψは、次のようになる。
【００４６】
【数３】
Ψ＝μξ／ｋT 
【００４７】
ここで、出力端子１４−１の電圧信号Ｖ14に対するタンク２の垂直軸線周りの捩じり角Ψの比をｑとする。
【００４８】
【数４】
ｑ＝Ψ／Ｖ14
【００４９】
結局、出力端子１４−１の電圧信号Ｖ14はゲインｑを用いて次のように表される。
【００５０】
【数５】
Ｖ14＝Ψ／ｑ＝μξ／ｑｋT 
【００５１】
ジャイロケース１の移動量ξにブロック内の伝達関数を順に乗算することによって、制振用ダンピングトルクＴZ としてμξが得られる。
【００５２】
図８Ｂは、２つのブロックを合体して１つのブロックに表したものである。図８Ｃは、タンク２内の液体７の粘性を考慮した場合のブロック図である。タンク２を垂直軸線周りに捩じり角Ψだけ回転させると、回転角速度ｄΨ／ｄｔに比例した粘性トルクがジャイロケース１に作用する。従って、ジャイロケース１が受けるトルクＴZ は次のようになる。
【００５３】
【数６】
ＴZ ＝（Ｃｓ＋ｋT ）Ψ
【００５４】
Ｃは粘性トルク係数、ｓはラプラス演算子である。この場合、ジャイロケース１が受けるトルクＴZ は、粘性トルクＣｓΨを含み、制振用ダンピングトルクＴZ として移動量ξに比例したトルクμξを得ることが困難となる。従って、図８Ｄに示すように、時定数ＴF の１次遅れフィルタを挿入する必要がある。１次遅れフィルタは、例えば、サーボ増幅器３０に設けられてよい。
【００５５】
【発明が解決しようとする課題】
従来のジャイロコンパスは、運行速度が例えば、１０〜２０ノットである通常の船舶では問題なしに所定の優れた性能を発揮する。しかしながら、近年、高速船が増加し、高速船に搭載されるジャイロコンパスの規格が制定される計画がある。例えば、７０ノットまで対応可能なジャイロコンパスの規格が制定される計画がある。
【００５６】
このような高速船では、加減速又は旋回時にジャイロコンパスに加わる南北方向の加速度が大きくなり、指北装置等に影響を与える。例えば、上述のようなジャイロ球方式の指北装置を使用する場合、タンク２中のジャイロケース１がタンク２の内面に衝突する可能性がある。ジャイロケース１の衝突を防止するために液体７の粘性を高くすることが考えられるが、液体７の粘性を高くすると、数６の式の粘性トルクの項が大きくなり、ジャイロケース１に印加する制振用ダンピングトルクＴZ として移動量ξに比例したトルクμξを得ることが困難となる。従って、従来のジャイロコンパスでは、タンク２中の液体７の粘性を高くすることができなかった。
【００５７】
高速船では、「ジャイロの速度誤差及び加速度誤差」が共に大きな値となる問題がある。速度誤差は船舶が地球上を移動することに起因する誤差である。船舶が地球表面に沿って移動することは、船舶が地球の中心の周りに円運動することである。従って、船舶は地球の自転による円運動と航行による円運動を合成した運動をする。即ち、船舶は地球の自転軸周りの自転と同時に他の自転軸周りの自転を行っている。ジャイロはこの「２つの自転のベクトルの合成方向」を指向することとなり、それによって発生する誤差が速度誤差である。
【００５８】
加速度誤差は、船舶が加減速、旋回等を行ったときに加速度が指北装置に水平方向に作用するために発生する過渡的な誤差である。上述のジャイロコンパスの例ではジャイロケース１に加速度が作用することによってこの加速度誤差が発生する。加速度誤差は速度誤差に比べて、複雑な内容を有する。
【００５９】
しかしながら、速度誤差も加速度誤差も、力学的に解析可能であり、複雑な手順を必要とする場合があるが、略完全に除去することができる。
【００６０】
従来の速度誤差及び加速度誤差の除去方法では、ジャイロロータのスピン軸線に直交する軸線周りに制御トルクを印加する。より詳細には、東西方向の水平軸線周りと垂直軸線周りに、制御トルクを印加する。少なくとも、垂直軸線周りに、制御トルクを印加する必要がある。
【００６１】
上述のジャイロコンパスの例では、誤差修正用信号発生装置３−３の出力を方位追従系又は制振系に付加することによって速度誤差及び加速度誤差が除去されるように構成されている。タンク２をジャイロケース１に対して垂直軸線周りに相対的に偏倚させることによって、懸吊線３に捩じりトルクを発生させ、それによってジャイロケース１にトルクを加えて制御トルクを作ることができる。
【００６２】
しかしながら、速度誤差及び加速度誤差の値が大きくなると、懸吊線３に生ずる捩じりトルクは大きくなる。懸吊線３に生ずる捩じりトルクに耐えることができるように、懸吊線３の捩じり定数を大きくすると、方位追従系の追従精度が低下し、高精度のジャイロコンパスが得られなくなる。
【００６３】
従って、従来のジャイロコンパスでは、速度誤差及び加速度誤差の値が大きくなると、垂直軸トルカ等を設け、誤差修正用信号発生装置３−３の出力を垂直軸トルカ等に供給するように構成する必要があった。
【００６４】
本発明は斯かる点に鑑み、タンク２中の液体７として、高粘度のダンピング液を使用することができるようにすることを目的とする。
【００６５】
本発明は斯かる点に鑑み、垂直軸トルカ等を設けること無しに、大きな速度誤差及び加速度誤差を除去することができるようにすることを目的とする。
【００６６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明に係るジャイロコンパスは、スピン軸を略々水平にしたジャイロロータを内蔵するジャイロケースと、前記ジャイロケースを包囲し且つ内部に液体を収納する容器と、前記ジャイロケースを前記容器内に支持する第１の支持装置と、前記容器を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、前記容器を前記ジャイロケースに対して垂直軸線周りに追従させるための方位追従ループと、前記ジャイロロータの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前記ジャイロケースに対して垂直軸線周りに印加するための制振ループと、前記方位追従ループ又は制振ループ内に設けられ、前記容器と前記ジャイロケースの間に発生するトルクの粘性トルク係数Ｃ及び捩じりトルク係数ｋTの比Ｃ／ｋTに略等しい時定数ＴFを有する１次遅れフィルタと、を有するジャイロコンパスにおいて、前記方位追従ループ又は制振ループ内に誤差修正用信号を発生するための誤差修正用信号発生装置を設け、前記誤差修正用信号発生装置の出力信号に第１の伝達関数を乗算して得られた信号を前記１次遅れフィルタに入力し、前記第１の伝達関数を乗算して得られた信号に更に第２の伝達関数を乗算して得られた信号を前記１次遅れフィルタの出力信号に加算し、前記１次遅れフィルタの出力信号に必要な変化を与えて前記容器を前記ジャイロケースに対して垂直軸線周りに回転偏倚させるように構成されていることを特徴とするものである。
【００６７】
１次遅れフィルタの時定数ＴF を比Ｃ／ｋT に等しく設定するだけで、所定の制振用ダンピングトルクを得ることができるから、容器の液体の粘性を高くすることができる。従って、高速船が加減速又は旋回しても、ジャイロケースが容器に衝突することがない。
【００６８】
本発明によると、上記方位追従ループ又は制振ループ内に誤差修正用信号を発生するための誤差修正用信号発生装置を設け、上記誤差修正用信号発生装置の出力信号に第１の伝達関数を乗算して得られた信号を上記１次遅れフィルタに入力し、上記第１の伝達関数を乗算して得られた信号に更に第２の伝達関数を乗算して得られた信号を上記１次遅れフィルタの出力信号に加算し、上記１次遅れフィルタの出力信号に必要な変化を与えて上記容器を上記ジャイロケースに対して垂直軸線周りに回転偏倚させるように構成されている。
【００６９】
垂直軸トルカ等を設けること無しに、速度誤差、加速度誤差、緯度誤差等を除去するための付加的トルクをジャイロケースに印加することができる。
【００７０】
本発明の例によると、例えば、上記第１の伝達関数は定数１であり、上記第２の伝達関数は定数０である。また、上記第１の伝達関数は符号が負の定数であり、上記第２の伝達関数は定数１である。
【００７１】
本発明のジャイロコンパスにおいて、上記制振ループは上記容器に対する上記ジャイロケースの相対的変位を検出するための変位検出ピックアップを有し、上記誤差修正用信号発生装置は上記変位検出ピックアップの出力端子に接続されている。従って、従来のジャイロコンパスの制振系を利用することができる。
【００７２】
【発明の実施の形態】
図１を参照して本発明のジャイロコンパスの例を説明する。図１は、図８と同様な本例のジャイロコンパスの制振系のブロック図である。図１Ａを参照して本発明の第１の例を説明する。本例の制振系の制御ループの入力はジャイロケース１の移動量ξであり、制御ループの出力は、ジャイロケース１が受ける制振用ダンピングトルクＴZ ＝μξである。
【００７３】
ジャイロケース１の移動量ξは、図７を参照して説明した無接触偏位検出装置６の２次側コイルの南北側に付加的に設けられた変位検出用コイル１４−２、１４−３によって検出されてよい。ジャイロケース１がスピン軸線方向に移動すると、変位検出用コイル１４−２、１４−３の出力端子１４−１に、ジャイロケース１の移動量ξに比例した出力電圧Ｖ14が生ずる。
【００７４】
この出力電圧Ｖ14によって、制振用ダンピングトルクＴZ ＝μξが得られる条件を求める。ジャイロケース１の移動量ξに、各ブロック内の伝達関数を順次乗算し、その結果を制振用ダンピングトルクＴZ ＝μξに等しいと置くと次の関係が得られる。
【００７５】
【数７】
ＴF ＝Ｃ／ｋT 
【００７６】
この式から明らかなように、本例によると、１次遅れフィルタの時定数ＴF を粘性トルク係数Ｃと捩じりトルク係数ｋT の比Ｃ／ｋT に等しくすることによって、所定の制振用ダンピングトルクＴZ ＝μξを得ることができる。
【００７７】
懸吊線３の捩じりトルク係数ｋT が一定であると仮定すると、タンク２内の液体７による粘性トルク係数Ｃの値に依存して、１次遅れフィルタの時定数ＴF を変化させればよい。それによって、制振用ダンピングトルクＴZ ＝μξを得ることができる。例えば、タンク２内の液体７による粘性トルク係数Ｃが大きい場合には、１次遅れフィルタの時定数ＴF を大きくし、粘性トルク係数Ｃが小さい場合には、１次遅れフィルタの時定数ＴF を小さくすればよい。
【００７８】
本例によると、１次遅れフィルタの時定数ＴF を大きくすることによって、タンク２内の液体７として高粘度のダンピング液を用いることができる。従って、高速船が加減速又は旋回しても、ジャイロケース１がタンク２の内面に衝突することが防止される。
【００７９】
１次遅れフィルタの時定数ＴF が大きいと、タンク２を垂直軸線周りに捩じり角Ψだけ回転させる場合、回転角速度ｄΨ／ｄｔが小さくなる。数６の式の第１項の粘性トルクは、液体７の粘度と回転角速度ｄΨ／ｄｔに比例する。従って、液体７の粘度が大きくても、回転角速度ｄΨ／ｄｔが小さければ、粘性トルクは小さく、適正な制振用ダンピングトルクを得ることができる。
【００８０】
１次遅れフィルタは、図７に示した制振系の制御ループにおいて方位サーボモータ１９の入力側の適当な位置に設けられる。方位サーボ増幅器３０が設けられている場合には方位サーボ増幅器３０内に設けられてよい。
【００８１】
図１Ｂを参照して本発明の第２の例を説明する。本例の制振系の制御ループの入力は、ジャイロケース１の移動量ξとこの移動量ξの関数ｆ（ξ）である。関数ｆ（ξ）に第１の伝達関数ｚ1 が乗算されて、１次遅れフィルタの入力に加算される。関数ｆ（ξ）に第１及び第２の伝達関数ｚ1 、ｚ2 乗算されて、１次遅れフィルタの出力に加算される。
【００８２】
従って、ジャイロケース１の移動量ξに対応した制振用ダンピングトルクμξとそれに加えて付加的トルクＴE が、ジャイロケース１に印加される。
【００８３】
【数８】
ＴZ ＝μξ＋ＴE 
【００８４】
第１及び第２の伝達関数ｚ1 、ｚ2 を適当に選択することによって、所望の付加的トルクＴE を得ることができる。例えば、ジャイロの速度誤差、加速度誤差等を修正するための付加的トルクＴE を得ることができる。以下に付加的トルクＴE として２つの例を説明する。
【００８５】
（１）付加的トルクＴE がｆ（ξ）に等しい場合
出力トルクＴZ は次のように表される。
【００８６】
【数９】
ＴZ ＝μξ＋ｆ（ξ）
【００８７】
この出力トルクＴZ は制振用ダンピングトルクμξ以外に付加的トルクＴE として関数ｆ（ξ）を含む。これは、第１の伝達関数がｚ1 ＝１、第２の伝達関数がｚ2 ＝０の場合である。この付加的トルクｆ（ξ）は、例えば、速度誤差、加速度誤差等を修正するためのトルクであってよい。
【００８８】
（２）付加的トルクＴE がＫｓξに等しい場合
出力トルクＴZ は次のように表される。
【００８９】
【数１０】
ＴZ ＝μξ＋Ｋｓξ＝（μ＋Ｋｓ）ξ
【００９０】
Ｋは定数、ｓはラプラス演算子である。この出力トルクＴZ は制振用ダンピングトルクμξ以外に付加的トルクとして、ジャイロケース１の移動速度に比例したトルクＫｓξを含む。これは、図１Ｃに示すように、第１の伝達関数がｚ1 ＝−Ｋ／Ｃ、第２の伝達関数がｚ2 ＝１、更に、関数ｆ（ξ）がｆ（ξ）＝ξの場合である。この付加的トルクＫｓξは、加速度誤差を修正するためのトルクであってよい。
【００９１】
本例の場合、制振系の制御ループの入力は、ジャイロケース１の移動量ξとこの移動量ξの関数ｆ（ξ）である。これらは、変位検出用コイル１４−２、１４−３の出力端子１４−１からの出力電圧Ｖ14のみを使用して得られる。即ち、本例によると、変位検出用コイル１４−２、１４−３の出力電圧Ｖ14を使用して、制振用ダンピングトルクμξばかりでなく、所望の付加的トルクＴE を得ることができる。こうして、本例によると、垂直トルカ等を設けることなく、従来の装置を利用し、図１Ｂ、１Ｃに示す制御ブロックを形成することによって、大きな速度誤差、加速度誤差等を修正することができる。
【００９２】
尚、図１Ａの例は、図１Ｂの例において、第１の伝達関数がｚ1 ＝０、第２の伝達関数がｚ2 ＝０の場合に相当する。従って、図１Ｂに示したブロック図が本発明を一般化して表したものである。即ち、第１の伝達関数がｚ1 ＝０、第２の伝達関数がｚ2 ＝０の場合には、ジャイロケース１に制振用ダンピングトルクμξのみが印加されるが、第１及び第２の伝達関数ｚ1 、ｚ2 として、共にゼロとなる以外の適当な値又は関数を選択することによって、速度誤差、加速度誤差等を除去するための所望の付加的なトルクを生成することができる。
【００９３】
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。
【００９４】
【発明の効果】
本発明によると、高速度にて運行する高速船であっても、制振ループに設けた１次遅れフィルタの時定数を所定の値に設定するだけで、タンク内の液体として、高粘度の液体を使用することができるから、船舶が加減速又は旋回しても、ジャイロケースがタンクの内面に衝突することが防止される利点がある。
【００９５】
本発明によると、高速度にて運行する高速船であっても、特別に垂直トルカ等を設けることなしに、従来のジャイロコンパスの構成を利用することによって、加速度誤差及び速度誤差等の修正することができる利点がある。
【００９６】
本発明によると、１次遅れフィルタの時定数を所定の値に設定するだけで、加速度誤差及び速度誤差等の修正に必要な垂直軸線周りのトルクをジャイロロータ１に印加することができる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のジャイロコンパスの制振装置のブロック図である。
【図２】従来のジャイロコンパスの構成例を示す図である。
【図３】従来のジャイロコンパスの無接触偏位検出装置の主要部の構成例を示す図である。
【図４】従来のジャイロコンパスの方位追従系の構成例を示す図である。
【図５】従来のジャイロコンパスの水平追従系の構成例を示す図である。
【図６】従来のジャイロコンパスの指北装置の構成例を示す図である。
【図７】従来のジャイロコンパスの制振装置の構成例を示す図である。
【図８】従来のジャイロコンパスの制振装置のブロック図である。
【符号の説明】
１  ジャイロケース、  ２  タンク、  ３  懸吊線、  ３−３  誤差修正用信号発生装置、  ４Ｎ，４Ｓ  １次コイル、  ５Ｎ，５Ｓ  ２次コイル、  ６  無接触偏位検出装置、  ７  液体、  ８，８’  水平軸、  ９  水平歯車、  １０水平追従サーボモータ、  １１  水平ピニオン、  １２  水平環、  １３，１３’  水平軸受け、  １４，１４’  ジンバル軸、  １５，１５’  ジンバル軸受け、  １６  垂直環、  １７，１７’  垂直軸、  １９  方位追従サーボモータ、  ２０  方位ピニオン、  ２１  方位歯車、  ２２  コンパスカード、  ２３  基板、  ２４  盤器、  ２５，２５’  垂直軸受け、  ２６  基線、  ３０，３１  サーボ増幅器
【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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【図８】
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