JPH0633989Y2 - 模型用レートジャイロ - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本考案は、模型航空機等の運動軸の一軸を安定させるた
めに用いられるレートジャイロに係り、特に、無線操縦
される模型ヘリコプタの安定増強装置として使用するの
に適した模型用レートジャイロに関する。

〔従来の技術〕 無線による模型ヘリコプタの操縦は固定翼機に比べて難
しく、特に、ホバリング時におけるヨー軸まわりの操縦
技術の習得は、初心者にとっては極めて困難なものとさ
れている。

これは、ホバリング中のヘリコプタがヨー軸まわりの安
定性を備えていないことによる。

そのため、エンジンの出力変化に伴うロータのトルク変
動や突風等の外乱によって機首が左右に振られると、そ
の揺れが減衰されずに、機体がヨー軸まわりに回転して
しまう。

そこで、このような特性を有するヘリコプタに、ヨー軸
まわりの安定性を与え、その安定した飛行を助けるため
のシステムとして、レートジャイロを利用した安定増強
装置が用いられている。

この安定増強装置は、レートジャイロによって検出した
ヘリコプタのヨー軸まわりの揺れの角速度をテールロー
タのピッチ制御用サーボモータにフィードバックし、そ
の揺れを止める方向にテールロータのピッチを自動制御
することにより、機首の左右への揺れを防止するように
したものである。

第５図は上記安定増強装置に用いられる従来の模型用レ
ートジャイロの一例の概略構造の説明図で、（ａ）は平
面図、（ｂ）は背面図である。

同図において、フレーム01には一対のブラケット02,02
が固着されており、これらのブラケット02,02にベアリ
ングを介してジンバル03のジンバル軸04,04が回転自在
に支持されている。

このジンバル03には、ジンバル軸04の軸線に直交するシ
ャフト05（回転軸）を有するモータ06が取り付けられて
いる。

シャフト05は、その両端にそれぞれフライホイール07,0
7が固着されている。

そして、ジンバル軸04の一端部には、アーム08が固着さ
れており、このアームに中点を固定したセンタリング用
のスプリング09が装着されている。

スプリング09の両端はフレーム01に挟持され、水平方向
に滑動可能にされている。

このスプリング09によって、ジンバル03がセンタリング
位置（ニュートラル位置）に付勢されるようになってい
る。

なお、スプリング09に代えて、フレームに両端を固定
し、中点をアームに固定したコイルバネを用いたものも
ある。

また、ジンバル軸04の他端部には、回転角度センサ010
が配設され、ジンバル03の回転角度が検出されるように
なっている。

この回転角度センサーとしては、機体の軽量化と構造の
簡易化およびコストの面から、所謂ホール素子を用いた
磁気検知器（以下、ホールセンサと称する）を採用して
いる。

上記のような構成のレートジャイロをヘリコプタのヨー
軸まわりの安定増強装置として用いる場合には、ジンバ
ル03のジンバル軸04とモータ06のシャフト05とが共に水
平となるようにして機体に搭載し、モータ06によってフ
ライホイール07,07を、例えば矢印Ａ方向に高速で回転
駆動させる。

この状態で、飛行中の機体が角速度ωで機首を矢印Ｂ方
向に振ったとすると、ジャイロプリセッションによって
その角速度ωに比例した回転モーメントがジンバル03に
作用し、ジンバル軸04が矢印Ｃ方向に回転する。

これにしたがって、弾性変形するスプリング09のばね力
とジンバル03に作用する回転モーメントとが釣り合った
位置において、ジンバル03の回転が停止する。

このとき、ジンバル03の回転角度は前記機体の角速度ω
に追従した大きさのものとなる。

したがって、ジンバル03の回転角度を検出するホールセ
ンサ010からは、その角速度ωに応じた電気信号が出力
される。

そして、この電気信号はサーボモータにフィードバック
され、サーボモータはテールロータのピッチを調整して
機首を矢印Ｂ′方向に復元させるように制御する。

こうして、ヘリコプタにヨー軸まわりの安定性が付与さ
れる。

第６図はホール素子を用いた従来の回転角度センサの動
作説明図であって、（ａ）はジンバル軸04がセンタリン
グ状態にあるときを、（ｂ）はジンバル軸04が角度θだ
け回転して第５図のスプリング09の弾性力と釣り合った
状態を示す。

同図において、04はジンバル軸、015はマグネット、016
はホールセンサ、017はセンサ基板である。

ジンバル軸04の端部には、その下面に切り欠き部04aが
形成されており、この切り欠き部04aにマグネット015
（例えば、コバルトマグネット）が固着されている。

このマグネット015は、図示の如く水平方向に着磁され
ており、センタリング状態では、磁束Ｂはホールセンサ
016を水平に鎖交している。

そして、マグネット015に近接した位置にホールセンサ0
16を搭載したセンサ基板017が設置されている。

ホールセンサ016は、InSb,GaAsなどの半導体からなり、
マグネット015から垂直に到来する磁束をＢ、ホールセ
ンサ016に流す動作電流をIc、出力電圧（出力信号：回
転角度検出信号）をＶとしたとき、 Ｖ＝Ｂ×Icの検出信号を出力する。

このような構成により、ジンバル軸04がセンタリング位
置にある（ａ）に示した状態での該ホールセンサ016に
鎖交する磁束をBcとすると、その出力信号Vcは、 Vc＝Bc×Ic となる。

この時のホールセンサ016に垂直に鎖交する磁束成分は
０であるから、ホールセンサ016からは回転角度検出信
号は０となる。

一方、ジンバル軸04が角度θだけ回転したとき、その回
転によりマグネット015はホールセンサ016に対してその
位置が移動し、マグネット015からホールセンサ016に垂
直に鎖交する磁束成分は、Bc・sinθとなって、そのと
きのホールセンサ016の出力信号Vrは、 Vr＝Bc・sinθ×Ic となる。

このように、ジンバル軸04の回転がセンタリングスプリ
ング09の弾性力と釣り合った時のホールセンサ016の出
力信号Vrは、ジンバル軸04の回転角度に伴うマグネット
からの鎖交磁束の変化に追従することを利用し、この出
力信号をテールロータのピッチ制御信号として前記した
ように機首の向きを復元させる。

［考案が解決しようとする課題］ しかし、上記したように、レートジャイロのジンバル軸
に固定されるマグネットは、ジンバル軸の回転中心から
離れて設置されているため、ジンバル軸の回転角度が増
すにつれてセンサー基板に搭載したホールセンサとマグ
ネットとの間の距離が変化する。

このホールセンサとマグネットとの間の距離の変化は、
ジンバル軸の回転中心とマグネットの間の距離をD,ジン
バル軸の回転角度をθとしたとき、Ｄ・cosθに依存し
てホール素子から遠くなる。

一般に、磁界の強さは距離の２乗に反比例するものであ
るため、ジンバル軸の回転角度が増すにつれてホールセ
ンサに鎖交する磁界は非直線的に減少することになる。

そのため、ホールセンサによるジンバル軸の回転角度検
出信号の直線性が損なわれ、回転角度が増加するに従っ
て検出信号の大きさが急激に減少してしまい、有効検出
範囲（ダイナミックレンジ）が狭くなってしまうという
問題があった。

このことは、模型用レートジャイロにとって、かなりの
不利をもたらす。

すなわち、模型用のレートジャイロの機械的精度の追求
は、価格の面で制約があり、例えばセンタリング用のス
プリングの拘束力を大きくし、回転角度が小さくして検
出できる角速度の範囲すなわちダイナミックレンジを大
きくすると、機械的な公差や摩擦の影響が大きくなっ
て、小さな角速度の検出感度が低下してしまうという問
題がおこる。

また、従来技術では、マグネットとホールセンサの間の
距離，相互の傾き，使用するマグネットとホールセンサ
の性能ばらつき，組み立て精度のばらつきによって、検
出感度に大きな差が生じ、さらに使用環境での温度，湿
度、あるいは振動によりその検出信号が影響されるとい
う問題があった。

本考案の目的は、上記従来技術の諸問題点を解消し、検
出感度が安定かつ正確で、ダイナミックレンジの広い優
れた機能の模型用レートジャイロを提供することにあ
る。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、本考案は、 ジンバル軸を有し、フレームによりそのジンバル軸の軸
線のまわりに回転自在に支持されるジンバルと、 上記ジンバルにより前記ジンバル軸に直交する軸線のま
わりに回転自在に支持され、モータによって回転駆動さ
れるフライホイールと、 前記フレームと前記ジンバルとの間に設けられて、前記
ジンバルを中立位置に付勢するセンタリングスプリング
と、 を備えた模型用レートジャイロにおいて、 前記ジンバル軸上の軸線近傍に固定され、このジンバル
軸と共に回転するホールセンサなどの磁気検知器と、 前記フレームに嵌合固定され、上記磁気検知器に齊一磁
界を与える磁束発生装置と、 を設けたことを特徴とする。

また、上記磁束発生装置を、 前記フレームに嵌合固定され、前記磁気検知センサを間
隔をもって挟持する位置に設置された２つのマグネット
と、このマグネットを支持する略環状をなすマグネット
ホルダーと、 から構成したことを特徴とする。

［作用］ ジンバル軸の軸線近傍に磁気検知器を固定し、この磁気
検知器に対して齊一磁界を与える磁束発生装置をケーシ
ング側に設置したことで、ジンバル軸の回転角度の大き
さに係わらずに、磁気検知器から該ジンバル軸の回転角
度に比例した回転角度検出信号を得ることができる。

磁気検知器が常に磁束発生装置からの齊一磁界中で、該
磁束発生装置から等距離の位置で上記ジンバル軸の回転
に伴って回転するものであるため、その回転角度検出信
号は、磁気検知器に鎖交する磁束の量にのみ依存する。

したがって、ジンバル軸の回転角度の小さい領域から大
きい領域に至る広い範囲において正確な検知信号が得ら
れ、所謂ダイナミックレンジの広い回転角度の検出が可
能となる。

このような構造のジンバルを用いたレートジャイロを模
型用航空機のヨー軸まわりの安定増強装置として用いる
ことで、極めて安定な操縦制御ができる。

［実施例］ 以下、本考案の実施例につき、図面を参照して詳細に説
明する。

第１図は本考案による模型用レートジャイロの一実施例
の構成を説明する分解斜視図、第２図はジンバルユニッ
トの要部斜視図、第３図は回転角度センサ部の詳細な説
明図であって、１は上部ケーシング、２は下部ケーシン
グ、３はジンバル、４はジンバル軸、５はシャフト、６
はモータ、７はフライホイール、９はセンタリングスプ
リング、10はベアリング、13はネジ、16はホールセン
サ、18はフレキシブルプリント基板、20はマグネットホ
ルダー、21はコードである。

第１図に示したように、このレートジャイロは、中央か
ら上下に分割されるフレームとしての上部ケーシング１
と下部ケーシング２を備え、これら上部，下部ケーシン
グ1,2を組み合わせたケーシングの内部にジンバルユニ
ット30が収容されるようになっている。

このケーシングは前室11aと後室11bを持ち、前室11aに
回転角度センサ部が収容され、後室11bにジンバル3,モ
ータ6,フライホイール７からなるジンバル部が収容され
る。

ジンバル部はモータ６とこのモータ６に装着するジンバ
ルリング40、およびモータ６のシャフト５に取り付けた
フライホイール7,7を有している。

ジンバルリング40からは、モータ６のシャフト５と直交
するごとく両方向に突出したジンバル軸４を持ち、これ
らジンバル軸４をベアリング10,10を介してケーシング
のベアリング受け2a,2aに支持している。

ジンバル軸４の一方の端部には、切り欠き4aが形成さ
れ、この切り欠き4aにセンタリングスプリング９とホー
ルセンサ16を搭載したフレキシブルプリント基板18がネ
ジ13で固定されている。

このフレキシブルプリント基板18を取り囲むように、上
記ホールセンサ16の両側に配置された２個のマグネット
15-1,15-2を持つマグネットホルダー20が配置されてい
る。

マグネットホルダー20は環状をなし、その外周に凸状20
aを有しており、この凸状20aがケーシングのホルダー受
け20aの凹部20bに嵌合固定されている。

また、上記センタリングスプリング９は端縁に凸部9aが
形成されており、この突部9aがケーシングの凹部9bにお
いて上部ケーシング１と下部ケーシング２により挟持さ
れるようになっている。

上記ホールセンサ16を搭載したフレキシブルプリント基
板18とマグネット15-1,15-2を持つマグネットホルダー2
0からなるセンサ部は、ケーシングの前室11aに収容され
る。

センサ部を構成するフレキシブルプリント基板18は環状
をなし、その上部に前記ホールセンサ16を搭載すると共
に、その円周にホールセンサ16への動作電流印加とその
出力信号取り出し用配線、およびモータ６への駆動電流
供給用配線とが形成されており、その下部には外部回路
に接続するコードが接続され、ジンバル軸４の回転に応
じて自由に変形することにより、ジンバル軸の回転に対
して配線の拘束力がバランスするように作用する。

そして、上記コード21によりモータ６への給電とホール
センサ16の動作電流供給および回転角度検出信号の取り
出しを行なう。

第２図において、ジンバル３は円筒状のジンバルリング
40とこのジンバルリング40か外方に延出した一対のジン
バル軸4,4を持ち、これらジンバル軸4,4はジンバルリン
グ40の一本の直径上に位置するものとされる。

そして、ジンバル軸4,4は、各ケーシング1,2のベアリン
グ受け2a,2aに装着されるベアリング10,10でフレームを
なすケーシングに回転自在に支持されるようになってい
る。

ジンバルリング40には、モータ６が嵌合固定され、その
シャフト5,5にそれぞれフライホイール7,7が固着されて
いる。

シャフト５の軸線とジンバル軸４の軸線とは互いに直交
するものとされている。

第３図において、（ａ）はセンサ部の正面図、（ｂ）は
側面図である。

同図において、ジンバル軸４の切り欠き4aには、センタ
リングスプリング９とフレキシブルプリント基板18の一
端がネジ13で固定され、フレキシブルプリント基板18と
モータとは給電線21-1で接続されている。

フレキシブルプリント基板18の下端はネジ14で下部ケー
シング２に固定されており、ジンバル軸４が回転する
と、このフレキシブルプリント基板18はその可撓性によ
って、左右バランスして変形する。

ジンバル軸４に固定されたフレキシブルプリント基板18
上に搭載したホールセンサ16を挟んで、２つのマグネッ
ト15-1,15-2が配置される。

これらのマグネット15-1,15-2は、マグネットホルダー2
0の内周に固定され、ホールセンサ16に対して斉一磁界
を与える。

ホールセンサ16は、ジンバル軸４がセンタリング状態に
あるときに、その磁束受容面が垂直方向に向くように搭
載され、このとき、このホールセンサ16に対して、磁束
が水平方向に通過するように磁界発生装置が設置され
る。

この磁界中において、ジンバル軸４の回転によりホール
センサ16が回転すると、その回転に応じた量の磁束がホ
ールセンサ16に鎖交する。

このような配置により、ジンバル軸４が回転してもマグ
ネットとホールセンサ間の距離は変化しないため、ま
た、ホールセンサ16を通過する磁界の強さはジンバル軸
の回転すなわちホールセンサの回転に係わらずに変化せ
ず、ホールセンサの出力信号はジンバル軸の回転角度に
線形に比例したものとなる。

（なお、ホールセンサの磁束受容面が水平方向を向くよ
うに設置、磁束が垂直方向に通過するように構成するこ
ともできる） 第４図は上記実施例の構成におけるジンバル軸回転角度
検出作用の説明図であり、マグネット15-1,15-2で形成
される齊一磁界に対するホールセンサ16の位置は、ジン
バル軸４が中立位置にある（ａ）の場合と、ジンバル軸
４がθだけ回転した（ｂ）の場合の何れにおいても変わ
らず、ジンバル軸４の回転角度に応じてホールセンサ16
の鎖交磁束が変化するのみである。

（ａ）のセンタリング状態では、ホールセンサ16に垂直
に鎖交する磁束成分は０、ホールセンサ16の出力は０で
あり、ジンバル軸４が角度θだけ回転した（ｂ）の状態
では、ホールセンサ16に垂直に鎖交する磁束成分はBsin
θとなる。

すなわち、ホールセンサ16に垂直に鎖交する磁束は、ジ
ンバル軸４の回転角度θに対してsinθ倍となり、ホー
ル素子16の動作電流をIc,磁束をB,検出電圧をＶとする
と、 Ｖ＝Ic×Bsinθ となって、角度θが増大するにつれてホールセンサ16の
出力信号は大きくなり、検出信号はジンバル軸の回転角
度にのみ依存する。

このように、ジンバル軸の回転角度が増しても、ホール
センサとマグネットとの間の距離に変化がないため、ホ
ールセンサの磁気検出可能範囲の制限が緩和され、すな
わちダイナミックレンジが広くなり、センタリングスプ
リングの弾性力を小さくして小さな角速度の検出感度を
上げることができる。

また、左右に配置したマグネットによって、ホール素子
に齊一磁界を作用させるものであるため、マグネットと
ホールセンサの間の距離，相互の傾き，使用するマグネ
ットとホールセンサの性能ばらつき，組み立て精度のば
らつきによる検出感度に差が生ぜず、さらに使用環境で
の温度，湿度、あるいは振動によりその検出信号が影響
されることが少なくなる。

そのため、検出感度は安定かつ正確で、ダイナミックレ
ンジの広い優れた機能の模型用レートジャイロを提供で
きる。

また、ジンバル軸４に一端を固定したフレキシブルプリ
ント基板18に回転角度センサであるホールセンサ16を搭
載し、質量の大きなマグネットをケーシング側に設置し
たことによって、ジンバルの回転レスポンスが良好とな
り、またマグネットのみを着脱交換することが容易であ
るために、センサーの感度設定，調整が極めて簡単とな
り、後段に使用するコントロール回路の設計に対する負
担を軽減できる、などの優れた機能を有している。

なお、上記実施例では、ジンバル軸４に対するホールセ
ンサ16の設置を、モータ６の駆動電流供給用配線と回転
角度検出信号出力の取り出し用配線とを伴ったフレキシ
ブルプリント基板を利用しているが、本考案はこれに限
られるものではなく、ホールセンサ16のみを搭載した基
板をジンバル軸４に取り付け、このホールセンサに対し
て、それを何れかからの方向から間隔を持って挟持し、
ジンバル軸の回転速度に係わらずに、ホールセンサ16に
齊一な磁界を作用させる構造を基本とすればよい。

以上において、ホールセンサに与える齊一磁界は、少な
くともホールセンサの回転領域において均一な磁束密度
の磁界分布をもつ磁界を意味し、実施例に示したように
２個のマグネットを用いるものに限らず、１個または３
個以上、あるいはホールセンサを囲むリング状マグネッ
トを用いて形成し、もしくは電磁コイルにより形成する
ことも可能である。

そして、上記実施例では、センタリング状態におけるホ
ールセンサの出力信号が最小（０）とし、ジンバル軸の
回転角度が増すに従ってホールセンサの出力が大きくな
るようにしているが、これとは逆に、センタリング状態
におけるホールセンサの出力信号が最大とし、ジンバル
軸の回転角度が増すに従ってホールセンサの出力が小さ
くなるように、ホールセンサと磁束発生装置を構成して
もよいものである。

なお、ホールセンサに与える齊一磁界は、少なくともホ
ールセンサの回転領域において強度変化がなく、好まし
くは均一な磁束密度の磁界分布をもつ磁界を意味し、上
記実施例に示したような２個のマグネットを用いるもの
に限らず、１個または３個以上、あるいはホールセンサ
を囲むリング状マグネットを用いて形成し、もしくは電
磁コイルにより形成することも可能である。

また、マグネットの支持も、環状のマグネットホルダー
に限らず、矩形枠あるいはたの形状の部材を用いてもよ
く、ケーシングに直接固定する構造としてもよい。

［考案の効果］ 以上説明したように、本考案によれば、ジンバル軸の軸
線近傍に磁気検知器を固定し、この磁気検知器に対して
齊一磁界を与える磁束発生装置をケーシング側に設置し
たことで、ジンバル軸の回転角度の大きさに係わらず
に、磁気検知器から該ジンバル軸の回転角度に比例した
回転角度検出信号を得ることができる。

そして、磁気検知器が常に磁束発生装置からの齊一磁界
中で、該磁束発生装置から等距離の位置で上記ジンバル
軸の回転に伴って回転するものであるため、その回転角
度検出信号は、磁気検知器に鎖交する磁束の量にのみ依
存する。

したがって、ジンバル軸の回転角度の小さい領域から大
きい領域に至る広い範囲において正確な検知信号が得ら
れ、所謂ダイナミックレンジの広い回転角度の検出が可
能とななる。

このような構造としたジンバルを用いたレートジャイロ
を模型用航空機のヨー軸まわりの安定増強装置として用
いることで、極めて安定な操縦制御を可能とすることが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案による模型用レートジャイロの一実施例
の構成を説明する分解斜視図、第２図はジンバルユニッ
トの要部斜視図、第３図は回転角度センサ部の詳細な説
明図、第４図はジンバル軸回転角度検出作用の説明図、
第５図は模型航空機の安定増強装置に用いられる従来の
模型用レートジャイロの一例の概略構造の説明図、第６
図はホールセンサを用いた従来の回転角度センサの動作
説明図である。 １……上部ケーシング、２……下部ケーシング、３……
ジンバル、４……ジンバル軸、５……モータのシャフ
ト、６……モータ、７……フライホイール、９……セン
タリングスプリング、10……ベアリング、13……ネジ、
16……磁気検知器としてのホールセンサ、18……フレキ
シブルプリント基板、20……マグネットホルダー、21…
…モータへの駆動電流給電およびホールセンサの作動電
流供給と回転角度検出信号出力用のコード。

Claims (2)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】ジンバル軸を有し、フレームによりそのジ
   ンバル軸の軸線のまわりに回転自在に支持されるジンバ
   ルと、 上記ジンバルにより前記ジンバル軸に直交する軸線のま
   わりに回転自在に支持され、モータによって回転駆動さ
   れるフライホイールと、 前記フレームと前記ジンバルとの間に設けられて、前記
   ジンバルを中立位置に付勢するセンタリングスプリング
   と、 を備えた模型用レートジャイロにおいて、 前記ジンバル軸上の軸線近傍に設置され、このジンバル
   軸と共に回転する磁気検知器と、 前記フレームに装着され、上記磁気検知器に齊一磁界を
   与える磁束発生装置と、 を設けたことを特徴とする模型用レートジャイロ。
2. 【請求項２】請求項（１）において、 前記磁束発生装置を、 前記フレームに嵌合固定され、前記磁気検知器を間隔を
   もって挟持する位置に設けた２つのマグネットと、この
   マグネットを支持する略環状をなすマグネットホルダー
   と、 から構成したことを特徴とする模型用レートジャイロ。