JP2009542071A - 改良ジンバル - Google Patents

Abstract

本発明のジンバルは、第１半径の部分的に球形である内面を有したソケット（６）と、そのソケット内に収容され、第１半径よりも小さな第２半径の部分的に球形である外面を有したボール（２）と、そのボールの外面に搭載されている第１アレイの電磁石（５）と、ソケット（６）の内面に搭載されている第２アレイの電磁石（７）と、ソケット内でボールを支持するためにそれら２つのアレイの電磁石の異なる電磁石に対して選択的に電力を供給する手段とを含んでおり、ボールとソケットの部分的に球形である面は共通中心を有して実質的に同心状態であり、電力供給手段はソケットに対するボールの空間方向性を制御している。
【選択図】図１

Description

本発明は改良ジンバルの構造に関し、特にカメラ等の光学センサー（感知機器）を搭載させる改良ジンバルに関する。

直交する２本の軸の周囲でセンサーを独立的に回転させる公知のジンバルの構造は１軸周囲の回転を制御するように別体のベアリングとアクチュエータのセットにそれぞれ搭載された２体の同心ステージ（載置体）またはケージ（籠体）を備えたものであり、外側ステージに搭載された内側ステージはそれら２本の直交軸周囲でセンサーを独立的に回転させる普通の方法に基づいている。同様に、センサーを３本の直交軸周囲で独立的に回転させるためには一方が他方の上に連続して搭載された３体のステージが使用される。

この方法にはいくつかの問題点が付随する。多数の部材のためにこのジンバル構造は信頼度が劣り、高価であり、組立ても複雑である。さらにこれら多数の部材は小型センサー用のジンバルを小型化することを困難にする。

本発明はこれらの諸問題の少なくとも一部を克服すべく完成された。

第１の特徴によれば本発明は、第１半径を有した部分的に球形である内面を有したソケットと、そのソケット内に配置され、第１半径よりも小さな第２半径を有した部分的に球形である外面を有したボールと、そのボールの外面に搭載された第１アレイ（配列）の電磁石と、ソケットの内面に搭載された第２アレイの電磁石と、それら２つのアレイの電磁石の異なる電磁石に対して選択的に電力を供給し、ボールとソケットの部分的に球状である面が実質的に同心である位置でソケット内にボールを保持し、ソケットに対するボールの三次元方向性を制御する手段とを含むジンバル構造体を提供する。

本発明の第１実施例によるジンバル搭載カメラの側面図である。 図１のジンバル搭載カメラの正面図である。 図１のジンバル搭載カメラの断面図である。 図１のジンバル搭載カメラに使用される磁力模様の１例である。 本発明の第２実施例によるジンバル搭載カメラの断面側面図である。

上記の添付概略図を利用し、例示のみを目的とした本発明の好適実施例を解説する。本発明は内側の球形ボールと外側の球形ソケットとでセンサー用ジンバル搭載体を形成する概念に基づいている。これらボールとソケットとは同心状態で提供されており、ボールおよびソケットの両対面にアレンジされた複数の電磁石によってボールはソケット内で懸架されて回転する。

本発明の第１実施例によるジンバル搭載ビデオカメラ構造体１の１例は図１から図４で示されており、３軸回転式である。図１はカメラ構造体１の側面図であり、図２はその正面図である。

このカメラ構造体１は、ビデオカメラを収容する内部収容部３を備えた内部中空球形ボール２を含む。このビデオカメラはボール２の第１前方開口部４からの撮像視野を有している。ボール２は、部分的に球形であり、ボール２と同心の内面と、ビデオカメラの撮像視野の境界を定義する第１前方開口部８とを備えたソケット６内に搭載されている。

ボール２の外面は第１アレイの電磁石５によって実質的に覆われており、ソケット６の内面は第２アレイの電磁石７によって覆われている。これら２つのアレイの電磁石５および７の間隔を最小とし、両者の相互作用力を最大とするために電磁石５および７はボール２とソケット６のそれぞれの面上に、あるいはそれらに近接して配置される。ボール２とソケット６のそれぞれの面に対する電磁石５と７の正確な位置は本発明に必須な要素ではない。電磁石５と７はそれぞれの面に面一状態で配置しても、あるいは例えば電磁石を保護する目的で、または製造の容易化のためにそれら面から凹ませて配置しても構わない。

ボール２とソケット６は、例えば金属、セラミックまたはプラスチック材料のごとき好適な材料で製造できる。ボール２とソケット６の製造に利用される製造方法は選択された材料にもよるが、例えば、フライス削り、鋳造、および成型が可能である。製造を容易にするため、ボール２およびソケット６を複数部材で成型し、製造時にそれら部材を接合することが一般的に好まれる。

利用時にボール２は第１アレイと第２アレイの電磁石５と７との間で作用する相互磁力反発現象によってソケット６内に懸架すなわち浮揚する。ボール２とソケット６との間の物理的な接触によらず磁力反発現象によるボール２の保持は、ボール２とソケットとの間の摩擦を排除し、ボール２のスムーズで制御性が高い動作を提供する。

ソケット６内のボール２の角変位または空間方向性は電磁石５と７のそれぞれにより発生される磁界の強度と極性とを個別に制御することで変更および制御できる。この実施例では第１アレイおよび第２アレイのそれぞれの径方向に対向する電磁石５と７によって発生される磁界の強度と極性は同一となるように制御される。この装置１の対向する面に存在する電磁石５と７の“鏡像現象”はボール２の浮揚が、ボール２の空間方向性の制御に使用される電磁石５と７のそれぞれによって発生される磁界の強度と極性の変化によって妨害されないようにしており、同時にボール２の動作をスムーズにし、さらに予測可能としている。しかしこのことは本発明に本質的なことではない。

好適にはソケット６の外面とボール２の内面は電磁遮蔽材料または異なる材料で成る複数の層で構成されているＥＭ遮蔽複合構造体で覆われている。このＥＭ遮蔽体は電磁石５と７で発生される電磁信号が構造体から脱出し、電磁信号源または妨害源として作用すること、あるいはビデオカメラの操作に影響を及ぼすことを防止する。さらにＥＭ遮蔽体はこの構造体の操作が外部ＥＭ妨害源によって影響を受けるのを防止するであろう。

本実施例では電磁石５と７のそれぞれのアレイは標準アレイであり、それぞれの電磁石は６個の均等に間隔を開けた等距離電磁石によって包囲されている。この配置は特に有用な配置であると考えられる。しかし電磁石５と７の他のアレイ配置であっても利用できる。

必須ではないものの、好適にはアレイの電磁石５と７を規則的対称に配列し、両アレイを同一配列のものとする。これでボール２の動作の制御が単純化するであろう。

図１ではボール２が所定位置に配置され、第１アレイと第２アレイの電磁石５と７は重なり合っている。幾何学的に第１アレイと第２アレイの電磁石５と７が互いに重なり合うためには、第１アレイの電磁石５と第２アレイの電磁石７とが同一パターンで配置され、電磁石５と電磁石７のそれぞれの電磁石間隔が少々異なることが必要である。ソケット６の面の第２アレイの電磁石７の電磁石間の分離距離はボール２の面の第１アレイの電磁石５の電磁石間の分離距離よりも大きく、第１アレイと第２アレイの電磁石５と７は、ボール２とソケット６が同心状態となる中心から同じ放射位置を有する。

球形ボール２と部分的に球形であるソケット６とは同心であると説明したが、ボール２がソケット６内に磁力反発によって懸架されているときのみ同心状態である。ソケット６内でのボール２の動作を可能にするため、ボール２の外面とソケット６の内面との間に少なくとも狭い球面状間隙を提供することが必要である。その結果、電磁石５と７が作動していないときにはボール２はソケット６の底面と接触状態となり、ボール２とソケット６は厳密には同心状態ではない。

例えば電磁石５と７が作動状態ではなく、ボール２の重量がソケット６の面で支持されるとき、あるいは磁性反発力に打ち勝つ程度にカメラ構造体１に十分な加速力が作用してボール２をソケット６の面と接触させる場合を想定すると、ボール２の外面とソケット６の内面が共にスムーズであること、特に電磁石５と７がボール２とソケット６の表面から突出していないことが好適である。さらにボール２とソケット６の対面する面は、片面または両面が潤滑材料で形成されているか、潤滑コーティングを有することによって潤滑化されている。

本実施例では電磁石５と７はそれぞれボール２の外面とソケット６の内面に埋設されており、電磁石５と７の対面する面はボール２とソケット６のそれぞれの面と面一状態となっている。第１アレイと第２アレイの電磁石５と７との間の分離距離を最小にするにはこの構成が好適である。磁力は距離の増加と共に減衰する。よってこの距離を最小化することで電磁石５と７のサイズと消費電力が最低化される。しかし場合によっては電磁石５と７の表面が薄い表面層で覆われるように電磁石５と７をボール２とソケット６の表面内に埋設することが望ましい。この構成は電磁石５と７を環境によるダメージから保護するのに望ましい。

ボール２の外径はソケット６の第１開口部８よりも大きく、いかなる状況であってもボール２はソケット６から事故的に放出されることはない。カメラ構造体１を組み入れるため、ソケット６は３部材で構成されており、ボール２の周囲で組み立てられる。ソケット６の部品間の接合部１４は図２で図示されている。

使用に際しては制御システム（図示せず）は個別にそれぞれの電磁石５と７に供給される電力量を制御し、ソケット６内のボール２の動作を制御する。この制御システムから第１アレイの電磁石５に電力を供給し、同時にビデオカメラからの信号を処理のために送信させるには、電力/データケーブル９がボール２から延び出てソケット６を通過し、外部電源/制御/信号処理システム（説明容易化のため図示せず）と接続される。

ケーブル９はボール２内でビデオカメラと接続されており、個別に電磁石５と接続されている（ボール２内の接続の詳細は図示せず）。ケーブル９はボール２内の第２後方開口部１０を通過し、ソケット６内の第２後方開口部１１を通過する。ソケット６内でボール２の可能な動作範囲は開口部１０と１１のサイズ並びにケーブル９の長さによって規定される。ソケット６に対するボール２の物理的動作程度は、ソケット６の第１前方開口部８のサイズによって設定されているビデオカメラの撮像視野の限界に直接的あるいは自動的には関連づけられるものではない。しかし、ボール２の可能な動作範囲が有効撮像視野に実質的に対応するように装置を設計することが好適である。

ソケット６に対してボール２が回転するときにボール２の外面とソケット６の内面との間にケーブル９を通過させる間隙を提供するために、開口部１１周囲のソケット６の後方部分はケーブル空間１２を提供するように膨出している。この膨出部分でのソケット６の内面は電磁石７を含まない。図３の断面図で示すようにソケット６に対するボール２の回転を規制するために環状制止部１３が第２開口部１０周囲でボール２の面に提供される。この制止部１３はボール２の面から放射状外側に突起しており、ソケット６内でのボール２の回転によって制止部１３をソケット６の膨出部分のエッジと接触させ、ソケット６に対するボール２のさらなる回転を防止する。制止部１３をボール２の第２開口部１０のエッジ周囲で延びる突起リップ体として形成することもできる。

制止部１３はソケット６の内面と係合するように設計されており、ケーブル９によってボール２の回転が妨害される箇所の手前でボール２の回転を防止する。すなわち制止部１３はケーブル９が十分に引張状態とならないようにボール２の回転を防止する。よって制止部１３はソケット６内でボール２の過剰な回転によるケーブル９の損傷または関連接続部および部材へのダメージを防止する。制御システムは、ケーブル９または構造体１の別部材にダメージを与えるようなボール２の制御された動作を許さないように設計されているのが普通である。しかしながら、例えばソケット６が取り付けられている支持構造体が急激に回転すると、あるいはボール２の露出面が外部物体と接触する等、ダメージを与えるようなボール２の非制御または意図しない動作が発生する可能性が存在する。制止部１３はカメラ構造体１に損傷を与えるようなそのような意図しない動作を防止する。

制止部１３は第１開口部８と第２開口部１１の軸周囲のボール２の回転を規制しない。そのような回転を可能にするにはケーブル９はその１端でロータリコネクタに接続されなければならない。あるいは別の制止部をこの軸の周囲の回転を規制するように提供するのが良い。

本実施例ではボールの第１開口部４と第２開口部１０はほぼ同一サイズである。これは必須ではない。ボール２は複数の部材で構成されることが望ましい。これは各部材が結合される前に収容部３の内部の全ての構成部品を組み立て・結合しておくためである。その結果、開口部１０は製造時には電磁石用の孔部（５）にアクセスを提供するためには必要とされず、ケーブル９を通過させるように十分に大きいことのみが要求される。

本実施例においてはソケット６の前方の第１開口部８とケーブル空間１２を提供するソケット６の後方の膨出部は径方向に対向しており、ほぼ同一面積である。結果としての電磁石５と７の第１アレイと第２アレイの対称性は本装置の制御を容易にする。

好適には、本装置は、ボール２とソケット６の動作の物理的限界が、カメラが利用できる全撮像視野のために必要であるよりも少々大きくなるように設計され、ソケット６に対するボール２の動作を制御する制御システムは、ソケット６に対するボール２の動作の最大制御範囲がその撮像視野の限界と対応するように設計されるべきである。これでソケット６に対するボール２の意図しないさらなる動作があってもボール２にその動作の物理的限界に到達させないよう安全マージンが確実に提供される。

本実施例ではボール２の第２開口部１０は第１開口部４と径方向に対向し、ほぼ同サイズであり、開口部１０はケーブル９の通過に必要なサイズよりもずっと大きくなっている。第２開口部１０のこのサイズと位置は本発明に必須ではないが、ボール２内部でのビデオカメラや他の電子部品の容易な組立てを可能にしている。

ボール２の回転を制御するため、各アレイの電磁石５と７のそれぞれによって発生される磁界の強度と極性を個別に制御できる。ボール２を回転させるため、これら２つのアレイの対面すなわち隣接する電磁石５と７の磁界は調節され、ボール２とソケット６との間で望む回転軸周囲で偶力を発生させる。ボール２がソケット６に対して望む位置に到達すると、電磁石５と７の磁界は調節され、偶力を発生させずにボール２を通常位置に保持する。

ソケット６内にてボール２の制御された回転を提供するため、第１アレイと第２アレイの隣接電磁石５と７に制御システムから供給された電力によって発生される磁力の例を図３で示す。

図３は図１で示すカメラ装置１の、ボール２の第１開口部３と第２開口部１０の両方の中心を通る平面に沿った断面である。説明を容易化するため、カメラ装置１は、ボール２が、ボールの第１開口部３がソケットの第１開口部８の中心に存在する前方展望位置に存在するように図示されている。

図３では隣接する対面ペアの電磁石５Ａと７Ａ、５Ｂと７Ｂ並びに５Ｃと７Ｃが示されている。電磁石７Ａから７Ｃおよび５Ａから５Ｃは図３で示されており、ボール２をソケット６と相対的に、紙面に垂直な軸の周囲で時計回りに回転させる磁界を発生させる。このためには電磁石５Ａと７Ａは同一極性（この場合はＮ極）の磁界を発生させる。説明を容易にするためこの装置１の側の電磁石のみを図示する。しかし前述のように同一磁界は第１アレイと第２アレイのそれぞれの径方向に対向して配置された電磁石によっても発生されるであろう。

電磁石５Ｂは反対のＳ極（Ｓ）の磁界を発生させ、対面する電磁石７Ｂは非作動であり、磁界を発生させない（Ｏ）。電磁石５Ｃも非作動であり、磁界を発生させない（Ｏ）が、対面する電磁石７ＣはＮ極（Ｎ）の磁界を発生させる。これら異なる磁極のため、反対極の電磁石５Ｂと７Ｃとの間の実引力は時計回りにボール２を回転させる偶力を発生させる。

これはソケット６内でボール２を回転させるのに利用できる隣接電磁石の磁極パターンのほんの１例であり、他にも多くの可能なパターンが存在する。相互反発性の電磁石５Ａと７ＡのＮ磁界の選択には特に意味はない。技術的に重要な特徴はその相対磁極性である。すなわち異なる電磁石が同一極性であるか否かが、および結果としての反発性が重要なのである。または反対極性であり、引力性であるか否かが重要である。あるいは非作動状態であり、磁界を発生させているか否かが重要なのである。絶対磁極性には特に意味がなく、反対にすることもできる。

図３では本装置１の一つの側の電磁石のみが図示されている。ボール２への磁力が鏡像状態となるように径方向に対向して配置されている電磁石に対して同一パターンの磁力を適用することでソケット６内でのボール２の制御された回転が達成されることが望ましい。電磁石５と７を介して適用されるこのような磁力の鏡像状態の提供は、ボール２がソケット６と同心状態に維持されるよう、ボール２に直線上実磁力を作用させず、偶力のみを作用させる簡単な方法である。

前述のように第１アレイと第２アレイの電磁石５と７のそれぞれに供給される電力は個別に制御でき、それらが発生する磁界を個別に制御できる。第１アレイと第２アレイの電磁石５と７によって発生される磁界の適切な制御によってボール２はソケット６と同心的に同時的に保持され、所望する角度で軸周囲を回転することができる。

ソケット６内でボール２を安定させるため、電磁石５と７の局部化されたグループがアレンジでき、例えばソケット６内のボール２の相対回転に抵抗あるいは防止するために各アレイの電磁石間で局部化された引力を発生させることができる。局部化された位置には引力のみが存在し、２つのアレイの電磁石５と７間の相互反発作用によってボール２はソケット６内に同心的に保持され、ソケット６内でのボール２の磁性浮揚は維持される。

図４は１対の対面電磁石５と７間の局部化磁性引力（ａ＋）のそのような構成の１例を示す。反発力（ａ−）は対面電磁石５と７の隣接対間で維持され、ボール２とソケット６との間の全実反発力は維持される。

図４では４箇所のそのような局部化引力が構造体１の周囲で対称的に配置され、ボール２をソケット６内の正常位置に保持しており、これらの３箇所が示されている。

ボール２は、図３に関して前述した鏡像状態に加えて軸周囲に偶力を発生させることでソケット６内にて回転するが、意図する回転の軸に存在し、他の軸周囲でボール２の動作に抵抗する局部引力あるいは反発力を径方向に対向する位置で発生させることでソケット６に対する直線状動作に対抗してボール２をさらに安定させるように電磁石５と７は制御が可能である。

一般的に、ソケット６内でボール２に所望する回転をさせるよう、異なる電磁石により発生させる必要がある磁界の強度と極性の計算は比較的に複雑である。従って本構造体の制御システムはコンピュータを含むことが想定される。すなわち、オペレータは制御システムに対してボール２にはどのような回転動作が必要であるかを指示すると制御装置の一部を構成するコンピュータは必要な計算をし、異なる電磁石に必要な電力を供給あるいは指示する。

ソケット６内のボール２の回転空間方向性と作動の制御程度の精度は一般的に各アレイの電磁石５と７の数により変動する。電磁石の数が多いと精度が上がる。事実、本実施例においては、制御精度はソケット６の第２アレイ内の電磁石の数による。ソケット６の第２アレイの電磁石７と対面しないボール２の第１アレイの追加電磁石５は精度の向上に貢献しない。

その結果、多くの場合に各アレイの電磁石の数はボール２の制御の必要精度によって決定されるが、ソケット６内でボール２を支持するのに必要な電磁石数よりも多くなり、多くの場合にずっと多くなるであろう。従って、実際の利用時には電磁石の一部あるいは大部分が作動していない場合がしばしばで起きるであろう。

制御のためのアレンジと計算とを単純化するためには一部のみで全部ではない電磁石がボール２の支持に必要とされるが、電磁石の支持と移動の機能を分離することが有利であろう。すなわち、いくつかの適した位置に存在する電磁石グループが選択されてボール２の動きの制御のみを担当し、他の電磁石グループは支持を提供する反発力のみを担当する。

発生するであろう１つの可能な問題は、第１アレイと第２アレイの電磁石が規則的なパターンを有することが望まれるため、しばらく電磁石に電力が供給されていない場合において電力供給が開始されたときソケットに対するボール２の空間方向性を確認することが不可能となることである。この問題を解決するため、ボール２に所定の空間方向性を与えるために所定の電磁石に供給される電力パターンを操作する特殊スイッチが使用できる。あるいは、例えば電力を一方のアレイの１つの電磁石と、この電力が供給された電磁石の相対位置を検出するために使用される他方のアレイの電磁石にのみに供給することも可能である。

前述のようにケーブル９はボール２の電磁石に対して電力と制御信号を運ぶ。これらはボール２内の各電磁石５への別々の電力接続として、あるいはスイッチ装置への電力接続およびデータ接続として提供できる。スイッチ装置にどのような電力を電磁石５のそれぞれに振り向けるべきかを指示するデータはデータ接続を介して提供される。

説明を単純にするため第１実施例では開口部４、８、１０および１１は開いている。しかし実際には、このような状態はジンバル構造体とビデオカメラとを物理的および環境的なダメージに曝すことになる。

図５で示す第２実施例ではソケット６のソケット６の前方開口部８は部分的に球形である透明カバー１５によって封止されている。この透明カバー１５はボール２、ビデオカメラおよびソケット６の内部が物理的に接触するのを阻止する。これで、例えばボール２がソケット６と強制的に接触状態となったり、異物がボール２とソケット６の対面する面の間に入り込んでもボール２とビデオカメラは直接的で物理的な損傷を免れ、カメラ構造体全体へのダメージも防止される。

さらに、もし開口部１１も封止されていれば、カメラ構造体１は全体的に封止状態となり、構造体内部に形成される濃縮による腐食のごとき環境ダメージが防止される。

第１実施例と第２実施例の両方において、ボール２の開口部４はオプションで適した透明層で封止され、ビデオカメラを保護している。

本実施例においてはボール２とソケット６との間のスペースは空状態である。一般的にこの間隙は空気を含んでおり、第２実施例では選択されたガス混合体が含まれる。この間隙はボール２とソケット６との間を潤滑させる潤滑剤及び/又は緩衝剤として作用する液体を含むことができる。間隙が液体を含んでいる場合には、透明カバー１５を有した第２実施例が利用され、その液体が透明でない限り開口部８の少なくとも周囲に液体保持潤滑封止を提供することが必要であろう。

本実施例ではカメラを支持して方向付けるために本発明のジンバルを採用する。別タイプのセンサー（例えば光学機器）やエネルギー発生装置を支持して方向付けるのに同様なアレンジが使用できる。例えば手術で利用するレーザカッタを支持して方向付けることができる。物理装置やエンドエフェクタを移動させたり操作するための複軸サーボとしても使用することもできる。しかしこのようなことは第２実施例のカバー１５とは両立しないのが普通である。

本発明は以上の実施例に限定されない。専門家であれば本発明の範囲内で他のアレンジも着想するであろう。

Claims (9)

1. ジンバルであって、
   第１半径の部分的に球形である内面を有したソケットと、
   該ソケット内に配置され、前記第１半径よりも小さな第２半径の部分的に球形である外面を有したボールと、
   該ボールの前記外面に搭載されている第１アレイの電磁石と、
   前記ソケットの前記内面に搭載されている第２アレイの電磁石と、
   前記ソケット内で前記ボールを支持するために前記２つのアレイの電磁石の異なる電磁石に対して選択的に電力を供給する手段と、
   を含んで成り、前記ボールと前記ソケットの部分的に球形である面は共通中心を有して実質的に同心状態であり、前記電力供給手段は該ソケットに対する該ボールの空間方向性を制御することを特徴とするジンバル。
2. ボールは第１アレイと第２アレイの電磁石間の相互磁性反発力によりソケット内で支持されていることを特徴とする請求項１記載のジンバル。
3. 第１アレイと第２アレイのそれぞれは規則的な対称パターンで配列された複数の電磁石を含んでいることを特徴とする請求項１または２記載のジンバル。
4. 第１アレイと第２アレイの両方の電磁石は同一パターンで配列されていることを特徴とする請求項３記載のジンバル。
5. 第２アレイの電磁石間の分離距離は第１アレイの電磁石間の分離距離よりも大きく、該第１アレイと該第２アレイの対状態の電磁石は共通中心から共通半径の位置に存在することを特徴とする請求項４記載のジンバル。
6. ボールは第１アレイと第２アレイの一部の電磁石間の相互磁性反発力によってソケット内で支持され、該ソケットに対する該ボールの空間方向性は該第１アレイと該第２アレイの異なる電磁石間の磁性相互作用によって制御されることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のジンバル。
7. ボールは中空であることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のジンバル。
8. カメラがボール内に設置されることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のジンバル。
9. 添付の図面を利用して実質的に解説されているジンバル。

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