JP2009210709A - カメラスタビライザ - Google Patents

Abstract

【課題】 カメラスタビライザにおいて、視軸振れを抑えるために回転部のマスアンバランスを調整する必要があるが、その調整作業が複雑でかつ時間を要するため、装置の運用面で制約を生じていた。また、実装スペースの小さいアンバランス調整機構が望まれていた。
【解決手段】 アクチュエータ１〜４が備えられ液体６の封入されたシリンダ１０１〜１０４と、各シリンダを連結する連結ホース５と、制御ユニット９とからマスバランス調整機構を構成し、制御ユニット９によりアクチュエータ１〜４を駆動することでシリンダの重心位置を移動させ、アンバランストルクを調整する構成とした。
【選択図】 図１

Description

この発明は、カメラを回転可能に支持するジンバル装置について、そのマスアンバランスを調整する機構を有したカメラスタビライザに関するものである。

移動体に搭載されるカメラを有したジンバル装置は、カメラの視軸振れを抑えるため、回転部のマスバランスを調整する必要がある。また、カメラがズームレンズやフォーカスレンズを有する場合、レンズの駆動量に応じてバランスウエイトをレンズの重心とは逆方向に駆動し、マスバランスを補正する必要がある。

このような調整機構の一例としては、ジンバル装置のフレームあるいはカメラに、バランス調整用のバランスウエイトを固定する機構が一般的である。また、レンズ駆動時のマスバランスを調整する機構として、ジンバル装置に回転支持されたカメラ上部にボールねじを配置し、ボールねじを駆動することでバランスウエイトの位置を移動させる従来技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平８−２２０６８号公報（図１）

バランスウエイトを接着やねじ締結等で固定してマスバランスを調整する場合、ジンバル装置の利用面で３つの課題があった。

１つ目は、使用時にカメラの交換作業が発生した際、バランスウエイトの取外しおよび再取付け作業が必要となるが、ジンバル装置を移動体に設置したままの状態では、この作業を実施することが難しく、カメラの交換ができない。この場合、ジンバル装置全体を移動体から取外す必要があるため、整備性が悪く、時間を要するという問題があった。
２つ目は、ジンバル装置を移動体から取外した後であっても、カメラ交換時にバランスウエイトの分解および再組立を伴う細かい調整作業が必要となる。このため、フィールドでの交換作業は困難となり、交換作業に適した場所での作業が必要となる点である。
３つ目は、マスバランス調整作業が複雑でありかつ時間を要するため、ジンバルの使用中に性能の異なるカメラを載せ換えた後、即座にマスバランスを調整して、使用を再開するといった利用ができない点である。

また、ジンバル装置にバランス調整機構を実装する従来のカメラでも、次の課題があった。カメラがフォーカスレンズやズームレンズなど駆動レンズを有する場合、従来技術のようにカウンタウエイトをボールねじで直線的に駆動させるバランス調整機構を設けると、レンズ駆動量に応じた長い直線上のスペースが必要となる。このため、実装スペースの厳しいジンバル装置内部では、そのバランス調整機構を実装するためのスペースを確保することが困難となるという問題があった。

この発明は、係る課題を解決するために成されたものであり、ジンバルを設置した状態で回転部のマスバランス調整を行うとともに、実装スペースを抑えてマスバランス調整を行うことを可能とする、バランス調整機構を得ることを目的とする。

この発明によるカメラスタビライザは、カメラの搭載された回転部を、回転軸周りに回転可能に支持するジンバルと、上記ジンバルのマスバランスを調整するバランス調整機構とを備え、上記バランス調整機構は、上記ジンバルに取付けられたホースと、上記回転部の回転軸の周囲に分散して配置され、上記ホースに連結されて、液体が封入された複数のシリンダと、上記シリンダの液量をそれぞれ調整するアクチュエータとを具備したものである。

また、ホースに連結され、上記シリンダおよびホースに内在する液体の液量を調整するリザーバタンクを備えても良い。

この発明によれば、ジンバルを設置した状態で回転部のマスバランス調整を行うことができるとともに、実装スペースを抑えたマスバランス調整機構を得ることができる。

実施の形態１．
図１はこの発明に係る実施の形態１によるカメラスタビライザの構成を示す図であり、図２はこのカメラスタビライザに搭載されるマスバランス調整機構の構成を示す図である。

図１において、カメラスタビライザは、カメラ１１と、カメラ１１を保持するジンバルフレーム１２と、ジンバルフレーム１２を回転可能に支持するロータを有した軸受ユニット１６と、軸受ユニット１６のステータを保持する固定フレーム１０と、制御ユニット９とを備える。カメラ１１は焦点調整およびズーミングを行うズームフォーカスレンズを有する。カメラ１１およびジンバルフレーム１２および軸受ユニット１６のロータは、カメラスタビライザにおけるジンバルの回転部を構成する。ジンバルフレーム１２は、軸受ユニット１６により両側を支持され、固定フレーム１０により回転軸１３周りに回転可能な状態で搭載されている。ジンバルフレーム１２は、カメラスタビライザにおける軸受ユニット１６の周辺にジンバル駆動モータ１４が設けられ、ジンバル駆動モータ１４は制御ユニット９に電気的に接続される。また、ジンバルフレーム１２は、回転軸１３に直交する２軸方向にシリンダ１０１、１０２およびシリンダ１０３、１０４が分散して配置され、またジンバルフレーム１２の側面に這わせて連結ホース５を配置している。

図２はマスバランス調整機構を回転軸１３の方向から見た図である。図において、シリンダ１０１〜１０４、連結ホース５、および制御ユニット９は、マスバランス調整機構を構成する。各シリンダ１０１〜１０４は連結ホース５により接続され、シリンダ１０１〜１０４および連結ホース５の内部には液体６が封入されている。また、各シリンダ１０１〜１０４にはシリンダ内をピストン運動するアクチュエータ１〜４が設けられ、アクチュエータ１〜４が各シリンダ１０１〜１０４内を直線的に可動することで、各シリンダ１０１〜１０４に内在する液体６の液量が変化し、連結ホース５を通じて各シリンダ間で液体６が移動することで、各シリンダにおける液量が調整される。この液量調整により、各シリンダ内部の液体重量が変化し、この重量変化に応じて回転軸１３周りの重心位置が移動し、アンバランストルク（アンバランスモーメント）を発生させる。各アクチュエータ１〜４は制御ユニット９に電気的に接続され、駆動制御される。また、アクチュエータ１、２およびアクチュエータ３、４は対をなし、対をなす一方のアクチュエータ駆動時は対をなすもう一方のアクチュエータが差動で駆動する構成となっている。例えば、アクチュエータ１、２を駆動することで、シリンダ１０１内の液量の増加分とシリンダ１０２内の液量の減少分が同量となるので、回転軸１３周りに発生させるアンバランストルクが同方向に作用し、アンバランストルクの増倍作用を有する。また、アクチュエータ１、２が回転軸１３に対して対称配置されるので、この液量変化によって、アクチュエータ１、２の可動方向に重心位置を移動させ、アンバランストルクを発生させて、マスバランスを調整することが可能となる。このアンバランストルクはシリンダ内における液体６の質量とその重心位置との積算により決まる。

なお、アクチュエータ３、４は、アクチュエータ１、２と配置方向が直交するので、マスバランスの調整方向が異なることを除き、アクチュエータ１、２と同様に動作する。
また、シリンダ内に封入される液体６は、その比重を変化させることで、マスバランスの調整範囲を変えることができる。図７は液体６の種類と、その比重を例示する表である。マスバランスの調整範囲を大きくするときは比重の重い水銀やジブロモクロロエタンなどを用い、調整範囲を小さくして調整精度を高めるときは比重の軽い水やエチレングリコールなどを用いる。

次に、この実施の形態１によるカメラスタビライザの動作について説明する。
このカメラスタビライザは、マスバランス調整機構によりマスバランスが調整された状態で、カメラ１１を回転駆動する。この際、制御ユニット９は、図示しない角速度センサおよび角度センサにより検出されるジンバルフレーム１２の角速度および回転角度に基づいて、ジンバル駆動モータ１４に駆動電流を印加し、カメラ１１の視線が所望の方向を指向するように、ジンバルフレーム１２の回転速度および回転角度を制御する。このようにジンバル回転部を回転駆動することでカメラ１１の視軸振れを補償し、カメラ１１の視線を空間的に所望方向に安定化させることが可能となる。このカメラ１１の視線を精度良く空間安定させるためには、ジンバル回転部のマスバランスを調整する必要がある。

次に、この実施の形態１によるジンバル回転部のマスバランス調整機構について、動作を説明する。
マスバランスの未調整時には、ジンバル回転部の回転軸１３周りに重心位置がずれているため、大きなアンバランストルクが発生する状態にある。このため、制御ユニット９にてジンバルフレーム１２が一定の角速度で回転するようにジンバル駆動モータ１４を駆動し、ジンバル駆動モータ１４の電流値を計測することで、電流値の変化からアンバランストルクのトルク量を算出する。

続いて、アクチュエータ１〜４を駆動してシリンダ１０１〜１０４内の液量を調整する。この駆動時に移動した液体によるマスバランス変化量は、液体６の密度、回転軸からのアクチュエータ１〜４までの距離、およびその駆動によるシリンダ内の液量により算出することができる。このため、制御ユニット９にて、アクチュエータ１〜４の駆動による液量を制御することにより、ジンバルの回転部のマスバランスを調整することができる。これにより、回転部のアンバランストルクを打ち消す方向に、アクチュエータ１、２およびアクチュエータ３、４を駆動することで、ジンバル回転部のアンバランストルクを調整することができる。

図３は、マスバランス調整機構の作動による液量の状態変化の例を説明するための図であり、（ａ）は上下のバランスを調整する例を示し、（ｂ）は左右のバランスを調整する例を示す図である。
図３（ａ）において、アクチュエータ３、４を上方に移動することでシリンダ１０４の液量を増やし、対をなすシリンダ１０３の液量を同量分減らす。これにより、ジンバル回転部の重心位置を上方に移動することができる。
また、図３（ｂ）において、アクチュエータ１、２を左方に移動することでシリンダ１０１の液量を増やし、対をなすシリンダ１０２の液量を同量分減らす。これにより、ジンバル回転部の重心位置を左方に移動することができる。
なお、アクチュエータ３、４を下方もしくはアクチュエータ１、２を右方に移動させる場合は、図３（ａ）もしくは（ｂ）と逆方向に重心位置を移動させることができる。

かくして、各アクチュエータ１〜４によるシリンダ内の液量調整を行うことで、ジンバル回転部のマスバランスの調整を行うことが可能となる。また、この際、バランスウエイトの分解および再組立は不要である。すなわち、カメラ交換の実施時にバランス変化があっても、ジンバル装置を構成するカメラスタビライザ本体を、移動体から取外す作業が不要となり、その整備性が向上することとなる。

また、バランスウエイトの分解および再組立を伴う細かい調整作業が不要となるため、フィールドでのカメラ交換作業が可能となるとともに、運用中に性能の異なるカメラを載せ換えても、マスバランスの調整機構を駆動することで、即座にカメラスタビライザの運用を再開することが可能となる。

またこれにより、マスバランス調整機構によりマスバランス調整作業が自動化されるため、同等インタフェースを有するカメラに対して共通のジンバルを用いることができ、ジンバルのプラットフォーム化が可能となる。

さらに、小型のシリンダを分散配置し、可撓性に優れ実装スペースの小さいホースで連結することで、アクチュエータの可動量が少なく、かつ実装スペースを抑えたマスバランス調整機構を構成することができる。これにより、実装スペースの厳しいジンバル内部であっても、マスバランス調整機構を実装するためのスペースを充分に確保することができる。

実施の形態２．
上記実施の形態１では、レンズ駆動や光学系の切替動作を実施しないカメラ非動作時のマスバランス調整を例にして説明した。この実施の形態２では、カメラ動作時のマスバランス調整について説明する。

図４は、カメラ１１が視野切替用レンズを有している場合やズームフォーカスレンズを有している場合に、マスバランス調整を行うカメラスタビライザの構成を説明する図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面断面図である。

図において、レンズ１５は上下に配置されたズーム倍率の異なる２つのズームフォーカスレンズであり、視野切替用レンズ１７は上下に回転することで、レンズ１５の上側レンズと下側レンズの視野を、符号１９の矢印方向に切替えて使用することができる。
ここで、例えば視野切替用レンズ１７を上方に移動させ、レンズ１５の上側レンズを使用状態とした場合、視野切替用レンズ１７の移動に伴って重心位置が上方向に大きく移動し、アンバランストルクが発生する。

この視野切替時に、実施の形態１と同様に、制御ボックス９にてジンバル駆動モータ１４の電流値を計測することで、電流値の変化からアンバランストルクを算出する。この算出値に基づいて、各アクチュエータ１〜４によるシリンダ内液量の調整量を求め、視野切替用レンズ１７の移動により増加したアンバランストルクを打ち消すように、シリンダ１０１〜１０４内の液量を変化させる（図の例では、シリンダ１０３の液量を増加させるとともにシリンダ１０４の液量を減少させ、液体の重心位置が下側に移動するように各アクチュエータ３、４を駆動する）。これによって、視野切替時にもアンバランストルクを一定に保つことができる。

また、レンズ１５はズームおよびフォーカス駆動によって、符号１８の矢印方向にレンズ重心が移動することとなる。レンズ１５のズームを切替え、レンズ１５の重心位置を図の左方向（カメラ視線の前後方向）に移動した場合は、回転軸１３周りに、ズームレンズフォーカス１５における、質量と重心の移動位置との積算に等しいアンバランストルクが発生し、アンバランストルクが増加することになる。このズームフォーカスレンズ１５が駆動する際に、図の左右方向に配置したアクチュエータ１、２を駆動し、シリンダ１０１、１０２の液量を調整することで、増加したアンバランストルクとは逆向きかつ同等なアンバランストルクを発生させるよう、マスバランス調整することができる。これにより、ズームフォーカスレンズ１５の駆動時にも、マスバランスを一定に保つことが可能となる。

このように、カメラ１１が視野切替機能を有して視野切替時に重心位置が大きく移動する場合であっても、アクチュエータを駆動してシリンダ内の液量を調整することで、実施の形態１と同様、小さな実装スペースで、マスバランスを調整することが可能となる。

実施の形態３．
図５は実施の形態３によるマスバランス調整機構を示す図であり、（ａ）は構成図、（ｂ）６はその可動状態を示す図である。
図において、実施の形態１で説明した図２のマスバランス調整機構に、アクチュエータ７、８、シリンダ１０７およびリザーバ１０８を搭載した形態を示している。すなわち、実施の形態１に加えて、回転軸１３の近辺にシリンダ１０７およびリザーバ１０８を搭載している。なお、図示の都合上、シリンダ１０７およびリザーバ１０８が回転軸１３の近辺に配置されたように記載していないが、実際はホース５に接続されて回転軸１３の近辺に配置される。

カメラスタビライザを用いて移動目標を追尾する時に、カメラ１１の視軸の安定性が要求される場合、シリンダ１０７内の液体６を、各シリンダ１０１〜１０４へ等しく分配供給することで、各シリンダの質量を増加させることができる。これにより、回転軸１３周りのイナーシャを増加させることができる。また、シリンダ１０７およびリザーバ１０８は回転軸１３の近辺にあるので、イナーシャの変化は少ない。

なお、リザーバ８は、アクチュエータ７によりシリンダ１０７から押し出された液体量とシリンダ１０１〜１０４内に取り込まれた液体量の差分をとりこむ機能を果たしている。すなわち、シリンダ１０７とリザーバ８の液量の移動により重心位置が移動しないようにしている。この際、各アクチュエータ１〜４内に分配する液体の質量を等しく増加させることにより、アンバランスを一定に保った状態でイナーシャを増加させることができる。これにより、カメラスタビライザにイナーシャスタビライズ機能を付加することができ、実施の形態１に比べてさらに視軸を安定させることが可能となる。

この発明に係る実施の形態１によるカメラスタビライザの構成示す図である。 実施の形態１によるマスバランス調整機構の構成を示す図である。 マスバランス調整機構の調整例として、装置の作動による液量の状態変化の例を示す図である。 この発明の実施の形態２によるカメラスタビライザの構成を示す図であり、（ａ）正面図、（ｂ）側面図である。 この発明の実施の形態３によるマスバランス調整機構の構成を示す図である。 シリンダに封入する液体の種類とその比重を例示する表である。

符号の説明

１〜４ アクチュエータ、５ 連結ホース、６ 液体、７ アクチュエータ、８ リザーバ、９ 制御ボックス、１０ 固定フレーム、１１ カメラ、１２ ジンバルフレーム、１３ 回転軸、１４ ジンバル駆動モータ、１５ レンズ、１６ 軸受ユニット、１７ 視野切替用レンズ、１０１〜１０４ シリンダ。

Claims (2)

1. カメラの搭載された回転部を、回転軸周りに回転可能に支持するジンバルと、
   上記ジンバルのマスバランスを調整するバランス調整機構と、
   を備え、
   上記バランス調整機構は、
   上記ジンバルに取付けられたホースと、
   上記回転部の回転軸の周囲に分散して配置され、上記ホースに連結されて、液体が封入された複数のシリンダと、
   上記シリンダの液量をそれぞれ調整するアクチュエータと、
   を具備したことを特徴とするカメラスタビライザ。
2. 上記ホースに連結され、上記シリンダおよびホースに内在する液体の液量を調整するリザーバを備えたことを特徴とする請求項１記載のカメラスタビライザ。

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