JP3051181B2

JP3051181B2 - 釣合って関節連結されたミラーを有する観察装置

Info

Publication number: JP3051181B2
Application number: JP9515205A
Authority: JP
Inventors: レイ・イーマックベイ、; ヨン − ウエイ・エーウー、; ジョンアナグノスト、
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1995-10-11
Filing date: 1996-10-09
Publication date: 2000-06-12
Anticipated expiration: 2016-10-09
Also published as: IL121048A0; WO1997013655A1; US5815302A; KR100241672B1; EP0792219A1; JPH10503862A; IL121048A; EP0792219B1; DE69611079D1; DE69611079T2

Description

【発明の詳細な説明】［発明の技術的背景］ 1.技術分野本発明はビークルで使用される観察装置、特に光学的
開口を通って視界または視線を導くための釣合って関節
連結されたミラーを使用しているこのような観察装置に
関する。光学的開口はビークルの外部壁により限定さ
れ、窓にはめられた材料により閉じられる。観察装置の
使用者の視界または視線は可変角度でこの光学的開口を
通過し、使用者が外部の情景の異なった部分を観察する
ことを可能にする。この光学的開口は例えば装甲車の観
察窓または潜水艦の潜望鏡により限定される。関節連結
ミラーは、高低角平面またはその代わりに高低角平面と
方位角平面との両者で光学的開口を通して視界を導き、
またビークルが移動するため高低角平面と方位角平面と
の両者で補償するように動かされる。結果として、光学
的開口を通して外方向の安定した視界がビークル内部の
使用者に与えられる。

2.関連技術の説明種々のタイプの観察システムがビークル内の人員に外
部の視界を与えるためビークルで通常使用される。内部
の人員がそれを通じて見張ることができるビークルの簡
単な窓の開口は、この目的では恐らく最も簡単な手段で
あろう。初期の装甲車の簡単な観察スリットがこの手段
の１例である。環境的保護を与えるため窓部材がこのよ
うな簡単な窓の開口に設けられる。さらに、装甲車の出
現以来、観察スリット形態の窓、プリズム潜望鏡状装
置、潜望鏡は装甲車内の人員に外界の視界を与えるため
に使用されている。ある場合、これらの潜望鏡は複数の
ミラーを含んでおり、回転式であり、それによって使用
者は水平方向を横切る方位角で装置を掃引することがで
きる。別のケースでは、潜望鏡状装置は複数のプリズム
の形態であり、これはビークルの乗員のうちの一人の位
置周辺の円形アレイにビークルのキュポラをセットされ
ている。この場合、ビークルの乗組員にはビークル外部
のセグメントを方位角で表示している円周上の複数の隣
接画像が与えられる。乗組員の高低方向の視界は非常に
限定されることが理解できるであろう。

これらのそれぞれのケースでは、装置の使用者に与え
られる視界は安定されず、またはビークルの運動に対し
て補償されない。結果として、ビークルが運動中である
とき、与えられる画像は自動車の移動により振動してぼ
けを生じるので、使用者にとって外界を観察するのがか
なり困難である。

例えば戦車、装甲自動車等の現在装甲車で使用されて
いるさらに近代的で効率的な観察手段は、自動車の観察
塔部分上の開口に取付けられたかなり大きな窓を有する
共通の運動補償観察装置を使用している。観察塔部分は
通常ビークルの砲塔に取付けられ、したがって窓を通じ
る視界の粗方位方向が垂直軸を中心に砲塔を回転するこ
とによって実現される。窓を通る視界を高低方向で導く
ため、ミラーが窓の背後に取付けられ、ミラーの幾何学
的な質量中心部に通常配置される水平な高低角軸を中心
に回転される。この回転されたミラーは、窓を通って入
る光を外部の情景から下方向に光透過性光学システムま
たは光学的センサへ導く。（望遠鏡システム等の）光透
過性光学システムを使用する観察システムの場合、シス
テム使用者は、外部情景を直接観察するため光の窓を通
して入る光を接眼レンズで受ける。電荷結合装置等の光
学的センサを用いる観察システムにより、窓を通って入
る光は回転ミラーからセンサへ誘導され、使用者はテレ
ビジョンモニタ上で外部情景を観察する。

いずれの場合にも、使用者は視界を高低角方向で誘導
するため水平の高低角軸を中心にミラーを怪点するよう
に遠隔制御装置を使用する。この構成は観察者が窓を通
して（水平および外方向を観察することに加えて）ある
角度内で上方向および下方向を観察することを可能にす
る。このような観察システムは一般的に微高低角方向お
よび微方位角方向の動揺の補償を含んでおり、したがっ
てビークルが起伏のある地形で動作するときでさえも使
用者に外部情景の安定した視界が与えられる。

同様の観察システムが潜水艦の潜望鏡へ組込まれ、潜
水艦内の使用者が水を横切って水平方向と，空方向に向
けて上方を見渡すことを可能にする。この後者の場合、
システムにより与えられる観察の安定化は潜水艦の横揺
れおよび縦揺れを補償する。

これらの一般的なシステムでは、ジャイロスコープ感
知（例えば角速度感知）および補償は、水平の微高低角
軸と垂直の微方位角軸との両者を中心に回転するミラー
の位置を制御するアクチュエータにより行われる。これ
らのアクチュエータによりミラーに与えられる運動はビ
ークルの運動に対して補償され、それによって使用者に
与えられる視界が安定化される。このような補償なしで
は、例えば視界は、地上でビークルが移動するとき揺れ
または振動し、海上のビークルでは横揺れおよび縦揺れ
により振動する。

このような観察システムは典型的に軍事用ビークルで
使用されるので、これらは起伏のある場所での使用およ
び過酷な環境で使用するように設計されなければならな
い。一般的な観察システムの窓は、特にこの窓の寸法が
敵によるビークルの監視能力に関連するので、敵に対す
る注目度および敵の動作に対する抵抗に関してシステム
全体の中でも問題となる部品である。さらに、窓は軍事
用ビークルの使用環境で見られる自然の危険に対しても
脆弱である。戦車または装甲車の外部装甲の強度と比較
して、窓は非常に壊れやすく脆弱である。潜水艦の観察
システムの場合、同様に窓は潜水艦の外部船体よりも非
常に損傷を受けやすく、潜水艦が潜水するときに水圧に
耐えることができなければならない。また船員の安全性
も窓の信頼性に依存する。

その結果、このような観察システムの窓を小さく作る
ことが、観察システムはシステムを用いるビークルの注
目度を減少するためにも所望される。それ故、窓の寸法
は最小にされ、関係する所望な視界（即ち使用者の視界
が高低方向で移動される角度）を維持する。

一般的な観察システムは幾何学的中心付近、したがっ
て重心付近で支持される回転ミラーを使用し、したがっ
てビークルが移動するときビークルの直線運動は使用者
の視界をシフトするようなトルク効果をミラーに与えな
い。結果として、水平の高低角軸を中心にしたミラーの
回転動作は、かなりの弧の長さでミラーの縁部を振動さ
せる。水平な高低角軸を中心にした弓状の運動で、ミラ
ーが窓のどこかに衝突しないように、窓の内部に最も近
接したミラー縁部を窓から離れさせなければならない。

ミラーの寸法は、観察システムにより与えられる視界
と、光学的開口の寸法に関連する。特定の寸法のミラー
では、高低角方向で関係する視界（即ち視界が高低角方
向で移動される角度）はミラー縁部が振動するアーク
（円弧）の寸法に関連する。通常の観察システムでは、
垂直方向の窓の寸法は、窓の寸法と、関係する視界（即
ち高低角方向でのミラーの角度動作）、ミラーの最も近
接する縁部が窓の内部に衝突することを防止するための
必要な隙間により決定される。このタイプの一般的なミ
ラーの取付けは所望な光学的開口、視界、関係視界の角
度を使用者へ提供するため、不所望に大きな窓の寸法を
必要としている。

したがって、観察システム、特に軍事応用で使用され
る観察システムの分野において、所望の光学的システム
設計および安定した視界を維持しながら、システムによ
り与えられる関係視界の寸法に関して垂直方向の窓寸法
を最小にする観察システムが所望される。

［発明の要約］通常の技術の欠点を考慮すると、本発明の主要な目的
は１以上のこれらの欠点を克服することである。

本発明の別の目的は、システムの関係する所望な視界
を減少せずに外部の視界を提供するためにビークルで使
用される光学システムの窓の寸法を最小にすることであ
る。

本発明のさらに別の目的は、例えば自動推進の地上ビ
ークルまたは観察装置を搭載する他のプラットフォーム
の運動により観察装置の位置に存在する動揺にもかかわ
らず観察装置の使用者に与えられる視界を安定すること
である。

さらに、本発明の目的はこのような観察装置を提供す
ることであり、ここで観察装置の関節連結ミラーヘッド
は、装置がそれ自体をミラーヘッドの位置に調節するこ
とによって釣合わせることができる。

本発明の観察装置は、観察者に情景の画像を提供する
ように情景からの光を反射する選択的に角度を設定され
るミラーと、回動軸を中心に回動し、ミラーを支持する
支持アームを具備して支持構造と、回動軸を中心に回動
する釣合手段と、釣合手段の回動軸と支持アームの回動
軸とを連結する連結部材とを具備し、支持構造の支持ア
ームは、情景に関するミラーの高低角の角度を選択的に
変化させるようにその第１の端部付近において回動軸に
回動可能に取付けられ、支持アームの第１の端部と反対
側の第２の端部付近において前記ミラーを支持し、釣合
手段はその端部において支持構造に取付けられた釣合手
段の回動軸に回動可能に取付けられ、支持アームの回動
軸と前記釣合手段の回動軸とは平行に並んで配置され、
フレキシブルなベルト状部材によって構成された前記連
結部材によって結合されており、前記ミラーおよび支持
アームの重量によって生成される支持アームの回動軸を
中心とするトルクと、前記釣合手段の重量によって生成
される釣合手段の回動軸を中心とするトルクとはミラー
の運動において反対で釣合うように構成されていること
を特徴とする。

本発明の１実施形態の観察装置では、光学システムは
ビークルの内部に配置され、通常高低角軸と方位角軸に
関してミラーを移動し安定する関節連結取付け構造と、
光軸を有する光学センサと、ビークルに配置される窓
と、装置の使用者に与えられる視界の視線を誘導するた
め窓近辺に斜めに位置する関節連結ヘッドミラーとを含
んでいる。定義上、高低軸は実質上水平に平行であり、
方位軸は実質上水平に垂直である。

特に、光学システムの好ましい１実施形態は、関係す
る特定の視界にわたって高低角および方位角の両方向に
関してミラーを関節連結する関節連結システムを含んで
いる。ミラーが高低角軸を中心に回転するならば、光ビ
ームの視線は垂直面（即ち水平面の上および下）に沿っ
て移動する。ミラーが方位角軸を中心に回転するなら
ば、光ビームの視線は水平面（即ち水平面の前方向およ
び後方向）に沿って移動する。

関節連結システムは１対のアクチュエータを有し、即
ち大きい範囲にわたってミラーを駆動する粗アクチュエ
ータと、小さい範囲にわたってミラーを駆動する微アク
チュエータである。アクチュエータはその間に機械的に
結合されたアームを有する。各アクチュエータはそれぞ
れの高低角軸を中心にミラーを回転するように駆動す
る。粗アクチュエータは可動な支持組立体に結合され、
高低角軸がミラーの縁部、特に窓に隣接したミラーの縁
部にできる限り近接して位置するように位置付けられ
る。微アクチュエータはほぼミラーの後面の幾何学的中
心部に取付けられ、それによってミラーは微アクチュエ
ータの高低角軸を中心に静的に平衡される。

本発明にしたがった光学システムの１つの利点は、窓
を光ビームよりも僅かに大きくするだけでよいことであ
る。ミラー縁部と粗アクチュエータの高低角軸との間の
半径距離が小さいとき、ミラー縁部の水平および垂直変
位はしたがって、ミラーが回転する角度（即ち高低方向
の関係する視界）に関して小さい。それ故、窓の垂直寸
法は所望の関係する視界を維持するためミラーの小さい
垂直変位のみに適合しなければならない。例えば窓の最
小の垂直寸法は高低の関係する小さい視界の光ビームの
直径よりも僅かに大きい。より一般的には、窓の垂直寸
法は光ビームの直径プラスミラー縁部の垂直変位と実質
上等しいかまたはそれよりも僅かに大きい。

本発明の別の特徴はヘッドミラーが安定化されること
である。ヘッドミラーの安定化はオペレータに対して情
景を不明瞭にする動揺または振動を除去するので重要で
ある。それ故、ミラーは軸を中心に静的に平衡される必
要がある。粗アクチュエータの高低角軸がシステムの唯
一の軸であるならば、ミラーのバルク質量は高低角軸に
対して中心を外して位置され、それによって実質的にミ
ラーに振動が生じる。それ故、微アクチュエータは高低
角軸がミラーのほぼ幾何学的中心部（またはミラーの重
心部近く）に位置するように位置され、したがって、こ
の軸を中心にミラーを静的に平衡し、実質上振動を除去
し、そうでなければ振動が存在する。

本発明のさらに別の特徴は、２つの高低角アクチュエ
ータが所望の関係する視界にわたってミラーを回転させ
るように駆動するため共同して動作することであり、粗
アクチュエータは低い正確度でミラーを迅速に大きな範
囲にわたって駆動し、微アクチュエータは高い正確度で
ミラーを小さい範囲にわたって駆動する。

本発明の別の特徴は、ミラーヘッドが観察装置を搭載
するプラットフォームの垂直線形加速度および水平線形
加速度に関して慣性的に平衡されることであり、それに
よってこれらの加速度は装置の視線位置に悪影響せず、
装置の使用者に安定した視界を提供するようにこれらの
加速度を活動的に補償するためのこの視線の安定化シス
テムを必要としない。

本発明の付加的な目的および利点は添付図面を伴った
本発明の特定の好ましい例示的な実施形態の以下の説明
を読むことにより当業者に明白になるであろう。図面で
の同一の参照符号は全てのうち幾つかの図で同一の特性
または、構造或いは機能上類似している特性を示してい
る。

［図面の簡単な説明］図１は本発明を実施した観察システム装置の側面図で
ある。

図２は図面を明瞭にするために部品を解体し除去した
図１で見られる観察装置の分解斜視図である。

図3aと3bは図１および２で見られる装置を伴って使用
する制御システムの関連ブロック図である。

［好ましい実施例の詳細な説明］相互に関連して図１、２を参照すると、観察装置は全
体を10で示されている。観察装置10は選択的に可動であ
り、さらに以下説明するように２つの直交する軸を中心
に安定されている。観察装置10は例えばビークルの砲塔
14上に搭載される観察塔部分12内に配置され、このビー
クルは一般的に矢印の参照符号16で示されている。砲塔
14は18で任意に示されている垂直の方位角軸を中心に回
転可能である。方位角軸18は観察塔部分12を通過されて
も或いは通過されなくてもよい。当業者は砲塔14が代わ
りに潜望鏡チューブの形状をとり、潜望鏡チューブも垂
直の方位角軸を中心に回転されてもよいことを認識する
であろう。ビークル16は（例えば戦車または装甲車等
の）地上ビークル、（潜水艦等の）海上ビークル、また
は（固定翼航空機またはヘリコプター等の）空中ビーク
ルである。潜水艦の場合、観察塔部分12は潜望鏡チュー
ブの上端部で支持され、これは水面よりも高く上昇して
いるとき、使用者に水平方向の周辺の視界を与えるよう
に垂直の方位角軸を中心に回転する。それぞれの場合、
垂直の方位角軸18を中心とする砲塔および／または観察
塔部分の回転、或いは潜望鏡チューブの回転は、観察装
置10により観察者へ与えられる観察方向または視線の粗
方位調節を達成するために使用される。

観察塔部分12は窓の開口22を限定する外部包囲壁20を
含んでいる。この窓開口22はビークル16の外界の視界が
得られる光学開口を限定する。開口22は平坦な透明窓部
材24により閉じられる。装甲車の場合、窓部材24は例え
ば比較的厚い防弾ガラス、またはLEXANシート材料で形
成される。外部壁22は窓部材24を支持し、また空洞また
はチャンバ26を包囲する。この空洞26は少なくとも部分
的に下方向で開口する。空洞26に装置10が収容されてい
る。装置10は全体が符号28で示されている傾斜したミラ
ーを含んでいる。ミラー28は窓部材24に関して後下方向
に傾斜され、したがって窓部材を通って入る光は下方向
（矢印30により示されているように）に導かれる。窓部
材24を通り、ミラー28から反射される光は一般的に符号
32で示されているように種々の画像装置へ導かれる。

画像装置32には制限はなく、光透過型望遠鏡、または
電荷結合装置または画像倍管等の感光性センサを含んで
もよい。光透過型望遠鏡型である画像装置の場合、観察
装置の使用者は外界の視界を得るため窓部材24を経て接
眼レンズで受けられる光を観察する。このような望遠鏡
は光学システムにより範囲を定められた視界を有し、こ
の視界内で使用者は離れた目標を観察する。視界は、図
１では符号32′で示されている。光学システムの十分な
視界に必要な垂直方向のミラー28の寸法は光学システム
の対物レンズ（図示せず）の寸法と、レンズとミラー28
間の距離と、使用者が高低角平面において視界を移動す
ることを可能にするため移動されるミラー28の角度によ
り決定される。高低角平面におけるこの運動の範囲がこ
のシステムによって観察できる視界の全体の範囲であ
る。

電荷結合装置その他の感光性センサが光を受けるため
に使用される場合（矢印30の方向において）、使用者は
テレビジョンモニタまたは陰極線管上で外界を観察す
る。この場合でも、センサに関係する光学システムまた
はセンサ自体の寸法は装置10の視界（角度範囲32′）を
設定する。それぞれの場合、装置10の使用者には方位角
平面および高低角平面で数度の範囲の定められた視界が
与えられる。これらの２つの面における視界は相互に等
しい必要はない。

図面を観察すると、観察方向の粗方位調節（この粗調
節は垂直軸18を中心に砲塔または潜望鏡チューブと共に
観察塔部分12を回転することにより行われる）に加え
て、観察装置10の使用者は水平軸34を中心にミラー28を
回転することにより、高低角方向で装置により与えられ
る視界を選択的に移動することができることを理解され
よう。遠隔制御装置（図示せず）とアクチュエータ（以
下説明する）は軸34を中心にミラー28の回転的動作を選
択的に行うために使用される。従って観察装置10の使用
者は、システムの観察することができの視界の全範囲内
で（即ち使用者が選択的に移動することができる高低角
平面におけるミラーの角度変化範囲内で）外界を選択的
に観察することができ、その視界の範囲はミラー28に与
えられる軸34を中心にする回転角度範囲およびミラーの
寸法によって定められる。装置10は（砲塔または潜望鏡
チューブがフル回転により回転されることができるなら
ば）使用者に360度の全ての方位視界を与えることが可
能である。

さらに、ビークル16の運動にかかわらず、ここでは時
には視線（またはLOS）と呼ばれる装置10により与えら
れる視界を安定化するために、方位角平面および高低角
平面の両者におけるミラーの動揺に対してジャイロスコ
ープ（角速度）感知装置および角補償装置が設けられ
る。この補償については以下詳細に説明する。しかしな
がら、概観して、図２を参照すると、方位角平面での微
細な位置補償を行うため、装置10はミラー28を支持する
ターンテーブル部材38を含んでいる。ターンテーブル部
材38は比較的小さい（即ち約５度）の角度範囲で垂直ス
テム40を中心に回転する。ステム40は（介在するベース
プレート部材40′を経て）観察塔部分12の天井に固定さ
れ、それによって、垂直の微方位角補償軸42を限定し、
この軸42は方位角軸18と実質上平行である（これに必ず
しも一致する必要はないが）。ターンテーブル部材38は
２軸の角速度センサ44を支持しており、これは出力信号
を与えるため軸42を中心にした角度の動揺に感応する。
角速度センサ44はまた以後説明するように別の直交軸を
中心にした角度の動揺にも感応し、別の第２の出力信号
もこのセンサから得られる。

当業者は角速度センサ44が実際の回転式ジャイロスコ
ープを含んでも、或いは含まなくてもよいことを認識す
るであろう。回転式ジャイロスコープを含まない角速度
センサの場合、種々の既知の手段が軸42を中心にした回
動角度の変化を示す出力信号を与えるために使用され
る。例えば角速度センサ44は、流体力学装置、ピエゾセ
ラミック発振器、水晶発振器、光ファイバジャイロ、ま
たはリングレーザジャイロタイプの角速度センサであっ
ても、またはそれを含んでもよい。

トルクモータアクチュエータ46はベアリング48と同軸
的にステム40に配置され、このベアリングを介してステ
ム40がターンテーブル部材38を支持している。トルクモ
ータ46はセンサ44により与えられる角速度信号に応答し
て小さい方位修正角度を通じてミラー28を運動させるた
めに使用され、それによってビークルの運動により生じ
るこのミラーの角度位置の動揺を（ビークルに関してで
はなく、静止または固定した外界の慣性的な基準フレー
ムに関して）補償する。即ち、（ビークル16の運動およ
び衝突から生じる）方位角平面で使用者に与えられる画
像の振動はミラー28を安定化することによって除去され
る。

ターンテーブル部材38は回転可能にＨ型アーム50を支
持し、これに弓状のギアラック52が固定されている。Ｈ
型アーム50はそれぞれ細長いアーム部50′と50″を含ん
でいる。１対の軸ピン54はターンテーブル部材38とアー
ム50との回転的接続を限定し、軸34を規定している。粗
高低角アクチュエータ56はターンテーブル部材38から延
在するフランジ58上に支持されている。このアクチュエ
ータ56はギアラック52と結合されて駆動する回転式ピニ
オンギア60を含んでいる。アクチュエータ56はロータリ
ー可変差動変成器（RVDT）またはリゾルバを含んでお
り、これは符号56′で示され、それぞれ粗高低角度位置
信号を与える。装置10の使用者は軸34を中心にアーム50
を回転するためアクチュエータ56の運動を関節的に行う
ことにより高低角平面で与えられる視界を遠隔的に移動
する。

ターンテーブル部材38により支持されている端部と反
対側のアーム50の端部では、アーム50は全体を符号62で
示される微高低角センサおよびアクチュエータ組立て体
を支持している。この微高低角センサおよびアクチュエ
ータ組立て体62はクロスバー部材64を含んでおり、これ
は軸ピン66によりＨ型アーム50の２つの対向面間で回転
可能に支持される。当業者はピン（軸ピン66等）以外の
種類の回転支持装置が設けられてもよことを認識するで
あろう。２個の軸ピン66は協同してミラー28の微高低軸
66′を固定している。ミラー28を支持するミラーヘッド
68はこのミラーヘッド68の幾何学的および質量中心部近
くに位置するステム70によりクロスバー部材64に取付け
られる。ステム70は、クロスバー部材64の中心部付近に
形成される穴（図示せず）に受けられる。さらに、当業
者はミラー28、ミラーヘッド68、ステム70が互いに一体
化して形成されてもよいことを認識するであろう。ミラ
ーヘッド68はクロスバー部材64に関して強固に取付けら
れる。クロスバー部材64はその両端部に隣接して穴のあ
る１対の耳部72、74を有する。

耳部72の穴には、２軸の微高低角速度センサ76が取付
けられ、これは軸ピン66により取付けられた微高低角軸
66′を中心にした角速度に応答する。センサ76はまた微
高低軸に垂直な第２の直交軸を中心にした速度にも応答
し、それによって第２の送度信号もまたこのセンサから
得られる。耳部74の穴は微高低角アクチュエータ78を受
ける。このアクチュエータ78はボイスコイルタイプであ
り、供給された微高低角補償信号に応答して長さを変化
するため拡大または収縮する。微高低角アクチュエータ
78はＨ型アーム50のクロスバー部分82から突出するタブ
80に作用する。従って、クロスバー部材64は、アクチュ
エータ78の拡大または収縮に応答して軸66′を中心にし
た角度を僅かにずらされる（即ち約５度の角度まで）。
線形の可変差動変成器（LVDT）84の形態の角度位置セン
サはＨ型アーム50のクロスバー位置82の穴を設けられた
小さいタブ86で支持される。このLVDT84はクロスバー部
材64に取付けられている比較的可動な感知ステム88を含
んでいる。当業者は他のタイプの位置センサも本発明の
実施に使用されてもよいことを認識するであろう。この
LVDT84はミラーヘッド68（およびミラー28）の補償され
た角度位置を示す電子フィードバック信号を与える。し
たがって角度運動における限定された微高低角度範囲の
ミラーヘッド68の角度位置はセンサ84により与えられる
信号から知ることができる。

アーム50、ミラーヘッド68、アーム50に取付けられた
その他の部品と釣合わせたトルクを生成するために軸ピ
ン54のうちの１つは延長部90を含み、それはＨ型アーム
50の回動とともに回動するように駆動される。ハンマー
形状の釣合アーム92はピン部材94によってターンテーブ
ル部材38に回転可能に取り付けられる。即ち、釣合アー
ム92は比較的広がったヘッド部92′を含んでおり、した
がってアーム92は全体としてほぼハンマー形状を有して
いる。ピン94は軸ピン54の延長部90と同一直径の延長部
96も含んでおり、釣合アーム92の回動とともに回動する
ように駆動される。ピン54とピン94の部分90、96は金属
のベルト状部材98よりなる連結部材によって結合されて
駆動される。このベルト部材98は各延長部90、96を包む
完全なループに形成され、例えばベルト状部材98の対応
する穴をそれぞれ通過し、螺合してそれぞれのピン部分
90、96に固定されるそれぞれ１対の捩子によりそこに固
定される。したがって、ベルト部材98は相互に同期して
動作するように駆動的にＨ型アーム50と釣合アーム92の
回動軸を接続する。これらのアーム50、92はミラーの傾
斜運動において同一方向に運動し、常に実質上相互に平
行に維持される。

ピン94を中心とする釣合アーム92の質量モーメント
は、ミラーヘッド68と、アーム50に取付けられている他
の部品と、アーム50自身とによる質量モーメントに実質
上等しいように選択される。結果として、アーム50が高
低角平面で装置10により与えられる視界を移動するよう
に軸34を中心に角度的に移動されるとき、釣合アームは
アーム50と平行に移動し、したがってこれらの２つのア
ームは相互に釣合う。また、装置10が垂直加速度にさら
されるとき、本発明のようにしなければこの加速度はア
ーム50とミラーヘッド68を上下振動し、観察者に与えら
れる視界も上下振動させるが、その場合に本発明では、
アーム92と50の質量モーメントは相互に反対方向であ
り、したがってミラーヘッド68の上下振動は実質上除去
される。例えば、ビークル16がバンプに衝突して垂直上
方向の加速度が装置10に与えられるならば、Ｈ型アーム
50はミラーの慣性に抗してその角度を保持するようなト
ルクがアーム50の回動軸であるピン54に作用し、一方、
釣合アーム92にも釣合いアーム92の慣性に抗してその角
度を保持するようなトルクがアーム50の回動軸であるピ
ン94に作用する。アーム92と50のモーメントは実質上同
一に選択されるので、ピン54と94における結果的なモー
メントも等しくその方向は反対である。同様に下方向加
速度が垂直に装置10に供給される場合にも反対方向の平
衡したモーメントが生じる。

図3aと3bを見ると、装置10で使用するためのフィード
バック制御システム100が示されている。図3aと3bを概
観すると、制御システム100が角速度センサ44、76を含
んでいることが分かる。これらの２つのセンサはそれぞ
れ垂直方位角軸42についてミラーヘッド68の慣性角速度
を示す信号（図３では符号A_azで示されている）と、こ
のセンサ44からの第２の信号（符号A_az2で示されてい
る）とをそれぞれ提供し、センサ76は、このセンサから
の第２の加速度信号（信号A_e12により示されている）微
高低角軸66′についてのミラーヘッド68の慣性角速度の
信号（符号A_e1で示されている）を提供する。これらの
信号はLOS安定制御装置102に伝送される。

また制御装置102には信号P_feとP_ceがLVDT84とRVDT5
6′によってそれぞれ与えられる。制御装置102は最初に
説明したように高低角方向で使用者による視線の移動指
令を指示した信号El_rc（高低角度速度指令）を付加的に
受信する。また制御装置102は方位方向における視線の
移動に関する使用者の指令を示した信号AZ_rcを受信し、
それに応答することができる。ビークルの砲塔または潜
水艦の潜望鏡チューブの粗調節を行う必要なく、水平方
向に沿って使用者の指令下で小さい視線の動作を操縦す
ることを所望する場合にこの付加的な信号は使用され、
そうでなければ視線のこのような小さい動作を必要とす
る。容易に理解されるように、観察装置のこの付加的な
装置は、高低角および方位入力能力の両者を有する遠隔
制御装置（図示せず）を単に使用者に与えることによっ
て前述した装置で構成されてもよい。使用者入力に応答
して視線についてのこの付加的な水平（方位）操縦を実
行するために前述の観察装置10の構成について変更は必
要ない。

図3bを見ると、制御装置102が観察装置10の使用者か
らの信号EL_rcと、合計結合部106からの信号（負の値）
との両者を受信する合計結合部104を含んでいることが
分かる。結合部106は信号A_az2（負の値）と信号A_e1から
発生した条件付き信号との合計として指示された信号を
結合部104へ提供する。信号二倍ユニット108は信号A_e1
を受信し、この信号を係数２により実効的に増幅し、結
果的な二倍の信号を合計結合部106へ供給する。高低角
方向における実効的であるほぼ完全な慣性釣合のため
に、制御装置102の微高低角制御装置は以下の機能を行
う安定ループ補償素子110のみを用いて微高低角方向で
ミラー68の正確な制御を行うことができる。

ここでＫは利得定数であり、ω_ｚとω_ｐは進み遅れ回
路網であり、ω_ｉは積分進み回路網である。サーボパラ
メータω_ｚとω_ｐとω_ｉは所望の安定帯域幅を与えるよ
うに選択される。

微高低角ループ補償素子110は導線112に沿って指令信
号を提供し、これは増幅器114により増幅される。増幅
器114は（矢印の参照符号116により指示されている）制
御信号を微高低角アクチュエータ78に提供し、図２を再
度考慮する。オペレータからの高低角位置変更指令に対
する視線の最も円滑で最も線形の応答を提供するために
オペレータの入力信号El_rcは粗位置サーボ56（図２を再
考慮）に直接与えられるのではなく、代わりに微位置サ
ーボアクチュエータ78への入力として与えられることに
留意する必要がある。微高低角サーボ78がその物理的停
止部に反して駆動することを防止するため、粗い位置サ
ーボ56が微高低角サーボ78に従属的に連動される。即ち
粗高低角エラーは、ミラーヘッド68の微高低角位置角度
と、信号P_ceにより示される粗高低角度との間の差とし
て計算される。図3bを見ると、２つの信号P_feとP_ceが合
計結合部118で合計され（信号P_ceは負の値を有する）、
（矢印の参照符号120で示されている）結果的な差信号
は以下の関係を行う粗い位置ループ補償素子122に与え
られることが分かる。

ここでK_Pは利得定数であり、ω_pzとω_ppは進み遅れ回
路網であり、サーボパラメータは所望の粗い位置ループ
帯域幅を提供するように選択される。粗位置ループ補償
素子122は（矢印の参照符号122′で示されている）出力
信号を粗位置増幅器124へ提供する。増幅器124は信号12
6を粗い位置アクチュエータ56へ提供し、図２を再度考
慮する。微位置サーボシステムは十分に広い帯域幅と、
十分に高速度の応答時間を有するので、高低角方向の視
線の係合は他の方法で生じ、それはオペレータが高低角
方向でこの視線の移動を指令したときピニオン60のギア
歯とギアラック52とのかみ合わせがアクチュエータ78に
より補償されるためである。即ち、アーム50はその角度
位置で僅かに引っ掛かるが、オペレータはアーム50に関
連する組立て62とミラーヘッド68の補償角度調節のため
に係合を可視的に検出しない。

図3bを見ると、別の合計結合部128も信号P_feとP_ceを
受信することが分かる。しかしながらこの合計結合部12
8はこれらの両者の信号を正の値として受信し、したが
って（矢印符号130で示されている）結果的な信号は共
に加算したこれらの２つの信号値を有する。結果的な信
号130は三角関数発生器132により作用され、この三角関
数発生器はP_feとP_ceの合計により表される角度値の正弦
値を発見する。（矢印134で示されている）結果的な正
弦値の信号は乗算器回路136（利得係数２を有する増幅
器が効率的）により二倍にされる。（矢印138で示され
ている）結果的に二倍にされた正弦値の信号は乗算器14
0で信号A_e12により乗算される。（矢印142で示されてい
る）結果として乗算されて二倍にされた正弦値の信号は
合計結合部144で信号A_azに付加される。前述したように
（矢印146で示された）結果的な信号は（負の値とし
て）合計結合部148を通って伝送され、ここでは観察装
置の使用者から指令された方位スルーレートを示した信
号150が所望ならば付加される。（矢印152で示されてい
る）結果的な信号は、素子110および先に説明した式１
で示されているのと同一動作を機能的に行う方位安定化
ループ補償素子154に与えられる。結果的な信号156は増
幅器158に与えられ、これは図２を再度参照して分かる
ように、増幅された信号160をトルクモータ46へ与え
る。

前述の信号処理の結果として、制御装置は先に示して
いる感知された可変値に関してミラーヘッド68の以下の
制御アルゴリズムを行う。

高低角信号₁₂₆＝2A_e1−A_az2 方位角信号₁₆₀＝A_az＋2A_e12sin（ε_ｆ＋ε_ｃ）信号処理およびミラーヘッド68の角度補償の結果とし
て、観察装置の使用者の視線は装置10が搭載されるビー
クルまたは他のプラットフォームの運動および角度動揺
に対して補償される。即ち、ビークルの運動は補償さ
れ、観察装置10自体の不所望な影響のために視線を変化
させるビークルの角度妨害も補償される。この補償は、
慣性の基準フレームに関するミラーヘッド68の単なる角
度位置ではなく装置の使用者に与えられる視線で効率的
であり、（ミラー68が慣性基準フレームに関して安定さ
れていても観察者の視線が移動するように観察者はビー
クル16と共に移動することを再度考慮する）ビークルの
運動軸に関する使用者の視線角度に関係しない。即ち使
用者の視線がビークルの前方への運動軸に平行であるよ
うに使用者が前方を見ているならば、ビークルの縦揺れ
および横揺れは、それぞれミラーヘッド68の高低角およ
び方位角調節により補償されることが理解できよう。前
方の視線により、ビークルの横揺れは単に観察される情
景の傾斜として見られる。

しかしながら、（例えば）視線が動作線に対して45度
であるならば、ビークルの上下動、片揺れ、横揺れは全
て、ミラーヘッド68の高低角および方位角軸の両者に影
響する角度妨害の成分を有する。この状況および類似の
状況下では、本発明はビークル自体に関するミラーヘッ
ドの感知された角度位置と共に、高低角および方位軸を
中心に角速度を感知することによって、またミラーヘッ
ド68に関する２つの直交軸で感知される角速度成分を結
合することによって（即ちそれぞれ高低角軸および方位
軸を中心にした角速度を指示する信号と２つの軸速度セ
ンサ44、76からの付加的な直交信号の使用によって）、
観察装置10の視線の真の安定化を与え、それによって各
アクチュエータ46、78に補償信号を与える。

また、高低角平面で視線を移動するように観察装置へ
の使用者入力が粗高低角軸ではなく微高低角軸に供給さ
れるため、使用者は第１に情景の高低角における視線の
明白な動作をできる限り応答し円滑であることを確実に
される。即ち、粗高低角軸と微高低角軸の相互関係が視
線に対して移動するために使用され、それによって観察
装置への使用者入力に対する装置10の応答は、最も感度
があり応答性のあるレベルでLOS安定化装置の直接応用
により円滑にされる。ラック52上におけるアクチュエー
タピニオンギア60の係合は自動的に補償され、使用者に
可視ではない。従って、装置の使用者はさらに観察され
る情景が円滑で振動のない視界であることを確実にされ
る。

本発明は特に好ましい実施形態を参照にして説明した
が、このような説明は本発明の限定を意味するものでは
ない。本発明は当業者により、多くの変形、代替、均等
物によって実施することができる。本発明の示され、説
明された好ましい実施形態は単なる例示であり、本発明
の技術的範囲を限定しない。したがって、ほ発明は請求
の範囲の技術的範囲によってのみ限定されることを意図
している。

フロントページの続き (72)発明者アナグノスト、ジョンアメリカ合衆国、カリフォルニア州 90503、トランス、トゥーハンドレッドフォーティーセカンド・ストリート 4022 (56)参考文献特開平４−201749（ＪＰ，Ａ) 実開平５−84535（ＪＰ，Ｕ) 米国特許4764002（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02B 23/08 B60R 1/00 - 1/10 B63G 8/38 G02B 7/182 G02B 7/198

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】観察者に情景の画像を提供するように情景
からの光を反射する選択的に角度を設定されるミラー
と、回動軸を中心に回動し、前記ミラーを支持する支持アー
ムを具備している支持構造と、回動軸を中心に回動する釣合手段と、釣合手段の回動軸と支持アームの回動軸とを連結する連
結部材とを具備し、前記支持構造の支持アームは、情景に関する前記ミラー
の高低角の角度を選択的に変化させるようにその第１の
端部付近において回動軸に回動可能に取付けられ、支持
アームの第１の端部と反対側の第２の端部付近において
前記ミラーを支持し、前記釣合手段はその端部において支持構造に取付けられ
た釣合手段の回動軸に回動可能に取付けられ、前記支持アームの回動軸と前記釣合手段の回動軸とは平
行に並んで配置され、フレキシブルなベルト状部材によ
って構成された前記連結部材によって結合されており、
前記ミラーおよび支持アームの重量によって生成される
支持アームの回動軸を中心とするトルクと、前記釣合手
段の重量によって生成される前記釣合手段の回動軸を中
心とするトルクとはミラーの運動において反対で釣合う
ように構成されていることを特徴とする観察者の視線を
選択的に導くための観察装置。
【請求項２】前記釣合手段は前記支持構造に回動可能に
取付けられたアームを含んでいる請求項１記載の観察装
置。
【請求項３】前記連結部材のフレキシブルなベルト状部
材は前記支持アームと前記釣合手段のアームとを同期し
て移動させるように構成されている請求項２記載の観察
装置。
【請求項４】前記支持アームと前記釣合手段のアームは
実質上相互に平行に維持されるように同一方向の角度運
動で相互に同期して移動する請求項３記載の観察装置。
【請求項５】さらに、１対の２軸角速度センサを含んで
いる制御システムを具備し、これらの２軸角速度センサ
はそれぞれ１対の出力信号を生成し、一方の信号は高低
角軸と方位角軸のうちの一方を中心とする前記ミラーの
角速度を示し、他方の信号は前記高低または方位角軸の
それぞれに直交する軸を中心にした前記ミラーの角速度
を示している請求項１記載の観察装置。