特開 2022-149448 ジンバル及びそれを有するシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022149448

(43)【公開日】2022-10-06

(54)【発明の名称】ジンバル及びそれを有するシステム

(51)【国際特許分類】

   H04N 5/222 20060101AFI20220929BHJP

   H04N 5/232 20060101ALI20220929BHJP

   G03B 17/56 20210101ALI20220929BHJP

【ＦＩ】

H04N5/222 100

H04N5/232 480

G03B17/56 A

【審査請求】有

【請求項の数】11

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021051616

(22)【出願日】2021-03-25

(71)【出願人】

【識別番号】000104630

【氏名又は名称】キヤノンプレシジョン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100110412

【弁理士】

【氏名又は名称】藤元 亮輔

(74)【代理人】

【識別番号】100104628

【弁理士】

【氏名又は名称】水本 敦也

(72)【発明者】

【氏名】山本 陽平

(72)【発明者】

【氏名】小林 大毅

(72)【発明者】

【氏名】會津 誠世

【テーマコード（参考）】

2H105

5C122

【Ｆターム（参考）】

2H105AA06

2H105AA11

2H105AA53

2H105AA55

5C122DA03

5C122DA04

5C122EA41

5C122EA58

5C122GD09

5C122GD12

5C122GE04

5C122HA75

5C122HA77

5C122HA78

5C122HA82

5C122HA88

5C122HB01

5C122HB10

(57)【要約】

【課題】角度検出センサの校正が可能な小型のジンバル及びそれを有するシステムを提供すること。
【解決手段】ジンバルは、被支持部を所定の姿勢で安定させるジンバルであって、被支持部の加速度を検出する加速度センサと、加速度を用いて被支持部の姿勢情報を算出する第１算出部と、ステータ部材に対して回転可能なロータ部材を備える回転部と、回転部の回転角度を検出する角度検出センサと、姿勢情報と回転角度に基づく回転部の角度情報とを用いて角度情報の補正値を算出する第２算出部とを有する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

被支持部を所定の姿勢で安定させるジンバルであって、
前記被支持部の加速度を検出する加速度センサと、
前記加速度を用いて前記被支持部の姿勢情報を算出する第１算出部と、
ステータ部材に対して回転可能なロータ部材を備える回転部と、
前記回転部の回転角度を検出する角度検出センサと、
前記姿勢情報と前記回転角度に基づく前記回転部の角度情報とを用いて前記角度情報の補正値を算出する第２算出部とを有することを特徴とするジンバル。

【請求項2】

前記姿勢情報は、前記被支持部の前記回転部の回転軸周りの角度に関する情報であることを特徴とする請求項１に記載のジンバル。

【請求項3】

前記補正値を用いて前記角度情報を補正する補正部を更に有することを特徴とする請求項１又は２に記載のジンバル。

【請求項4】

前記補正値を記憶する記憶部を更に有する請求項１乃至３の何れか一項に記載のジンバル。

【請求項5】

前記被支持部の角加速度を検出するジャイロセンサを更に有し、
前記第１算出部は、前記加速度と前記角加速度とを用いて前記姿勢情報を算出することを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載のジンバル。

【請求項6】

前記回転部は、第１回転部及び第２回転部を含み、
前記角度検出センサは、前記第１回転部の第１回転角度を検出する第１角度検出センサ、及び前記第２回転部の第２回転角度を検出する第２角度検出センサを含み、
前記第２算出部は、前記姿勢情報と前記第１回転角度に基づく前記第１回転部の第１角度情報とを用いて算出される前記第１角度情報の補正値と、前記姿勢情報と前記第２回転角度に基づく前記第２回転部の第２角度情報とを用いて算出される前記第２角度情報の補正値とを同時に算出することを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載のジンバル。

【請求項7】

前記角度検出センサは、前記ロータ部材に固定されるマグネットを備える磁気式エンコーダであることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載のジンバル。

【請求項8】

前記角度検出センサは、前記回転部の回転軸に直交する方向において前記マグネットと対向する位置に配置される磁気センサを備えることを特徴とする請求項７に記載のジンバル。

【請求項9】

前記被支持部を支持する支持部を更に有することを特徴とする請求項１乃至８の何れか一項に記載のジンバル。

【請求項10】

請求項１乃至９の何れか一項に記載のジンバルと、
前記ジンバルによって支持される被支持部とを有することを特徴とするシステム。

【請求項11】

前記被支持部は、撮像装置であることを特徴とする請求項１０に記載のシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ジンバル及びそれを有するシステムに関する。

【背景技術】

【0002】

ジンバルは一般的に、ステータ及びロータを備えるモータと、ステータに対するロータの回転角度を検出する角度検出センサとを有する。特許文献１には、摩擦抵抗の低減と制御性向上のために非接触式の角度検出センサを有するジンバルが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特表２０１７－５０１６６７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１のジンバルにおいて、角度検出センサの校正を行うためには校正装置に接続するための部品が必要となり、ジンバルの小型化が困難となる。

【0005】

本発明は、角度検出センサの校正が可能な小型のジンバル及びそれを有するシステムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の一側面としてのジンバルは、被支持部を所定の姿勢で安定させるジンバルであって、被支持部の加速度を検出する加速度センサと、加速度を用いて被支持部の姿勢情報を算出する第１算出部と、ステータ部材に対して回転可能なロータ部材を備える回転部と、回転部の回転角度を検出する角度検出センサと、姿勢情報と回転角度に基づく回転部の角度情報とを用いて角度情報の補正値を算出する第２算出部とを有することを特徴とする。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、角度検出センサの校正が可能な小型のジンバル及びそれを有するシステムを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】実施例１のジンバルを有するシステムの構成を示す概略図である。

【図2】実施例１のジンバルの構成を示す概略図である。

【図3】実施例１の第１回転駆動部の構成を示す概略図である。

【図4】実施例１のモータの角度情報の補正値の算出方法を示すフローチャートである。

【図5】実施例２のジンバルの構成を示す概略図である。

【図6】実施例２の第１回転駆動部の構成を示す概略図である。

【図7】実施例２のモータの角度情報の補正値の算出方法を示すフローチャートである。

【図8】実施例３のジンバルの構成を示す概略図である。

【図9】実施例３のモータの角度情報の補正値の算出方法を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

【実施例0010】

図１は、実施例１のジンバルを有するシステム１００の構成を示す概略図である。システム１００は、ジンバル、及びジンバルによって固定される被支持部１０１を有する。ジンバルは、被支持部１０１を所定の姿勢で安定させることが可能である。被支持部１０１は、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ等の撮像装置でもよいし、センサ等の検出装置でもよい。

【0011】

ジンバルは、被支持部１０１を支持する支持部１０２を有する。また、ジンバルは、第１回転駆動部１０３、第２回転駆動部１０４、及び第３回転駆動部１０５を有する。第１乃至第３回転駆動部１０３，１０４，１０５はそれぞれ、被支持部１０１をＸ軸周り、Ｙ軸周り、Ｚ軸周りに回転させる。また、ジンバルは、使用者がジンバルを保持するための保持部１０６を有する。更に、ジンバルは、支持部１０２と第１回転駆動部１０３とを連結する連結部材１０７、第１回転駆動部１０３と第２回転駆動部１０４とを連結する連結部材１０８、及び第２回転駆動部１０４と第３回転駆動部１０５とを連結する連結部材１０９を有する。

【0012】

図２は、本実施例のジンバルの構成を示す概略図である。支持部１０２は、第１加速度センサ１１０、第２加速度センサ１１１、及び第３加速度センサ１１２を有する。第１乃至第３加速度センサ１１０，１１１，１１２はそれぞれ、被支持部１０１のＸ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向の加速度を検出する。また、第１乃至第３加速度センサ１１０，１１１，１１２は、検出した加速度を制御部１１３に出力する。

【0013】

第１回転駆動部１０３は、第１モータ１１８、第１角度検出センサ１１９、及び第１モータ駆動部１２０を有する。第２回転駆動部１０４は、第２モータ１２１、第２角度検出センサ１２２、及び第２モータ駆動部１２３を有する。第３回転駆動部１０５は、第３モータ１２４、第３角度検出センサ１２５、及び第３モータ駆動部１２６を有する。

【0014】

制御部１１３は、姿勢推定部（第１算出部）１１４、駆動指令部１１５、信号処理部（第２算出部）１１６、及び記憶部１１７を有する。

【0015】

姿勢推定部１１４は、ＣＰＵ、ＧＰＵ、ＤＳＰ、Ａ／Ｄ変換素子等の素子や、ＦＰＧＡ、ＡＳＩＣ等の回路から構成される。姿勢推定部１１４は、第１乃至第３加速度センサ１１０，１１１，１１２により検出された加速度を用いて以下の式（１）乃至（３）で表される被支持部１０１の姿勢情報（θ_ｘ，θ_ｙ，θ_ｚ）を算出する。なお、姿勢情報とは本実施例では、被支持部１０１のモータの回転軸周りの角度に関する情報である。

【0016】

【数1】

【0017】

ここで、ＡＴＡＮ２（Ｘ，Ｙ）は、象限を判別して位相０～２πに変化する逆正接演算関数である。αｘ，αｙ，αｚはそれぞれ、被支持部１０１のＸ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向の加速度である。

【0018】

駆動指令部１１５は、ＣＰＵ、ＧＰＵ、ＤＳＰ、Ａ／Ｄ変換素子等の素子や、ＦＰＧＡ、ＡＳＩＣ等の回路から構成される。駆動指令部１１５は、姿勢推定部１１４により算出された被支持部１０１の姿勢情報と信号処理部１１６により算出された各回転駆動部のモータ（回転部）の角度情報とを用いて被支持部１０１が所定の姿勢で安定するようにモータの駆動量を算出する。駆動指令部１１５は、算出した駆動量に対応する駆動信号を各回転駆動部に送信する。駆動信号は例えば、パルス信号、ＰＷＭ信号、又はシリアル信号等である。

【0019】

信号処理部１１６は、ＣＰＵ、ＧＰＵ、ＤＳＰ、Ａ／Ｄ変換素子等の素子や、ＦＰＧＡ、ＡＳＩＣ等の回路から構成される。信号処理部１１６は、各回転駆動部の角度検出センサにより検出される各モータの回転角度を用いてモータの角度情報（φ_ｘ，φ_ｙ，φ_ｚ）を算出する。また、信号処理部１１６は、姿勢推定部１１４により算出された被支持部１０１の姿勢情報とモータの角度情報とを用いてモータの角度情報の補正値を算出する。なお、信号処理部１１６は、姿勢推定部１１４及び駆動指令部１１５の少なくとも一方の動作を実行してもよい。

【0020】

以下、第１回転駆動部１０３の第１モータ１１８の角度情報の補正値の具体的な算出方法を説明する。

【0021】

まず、信号処理部１１６は、所定の姿勢情報θ_ｘｎ（ｎ＝１、２・・・Ｎ）に対応する第１モータ１１８の角度情報φ_ｘｎを取得する。姿勢情報θ_ｘｎ及び角度情報φ_ｘｎは、予め値の小さい順に並べ替えられていてもよい。

【0022】

次に、信号処理部１１６は、以下の式（４）で表される所定の姿勢における第１モータ１１８の角度情報φ_ｘｎの角度誤差ＩＮＬ（φ_ｘｎ）を算出する。

【0023】

【数2】

【0024】

角度情報φ_ｘに対応する角度誤差ＩＮＬ（φ_ｘ）は、フーリエ級数展開により、以下の式（５）で近似される。

【0025】

【数3】

【0026】

係数Ａ_ｘ0，Ａ_ｘｍ（ｍ＝１，２，３，４），Ｂ_ｘｍ（ｍ＝１，２，３，４）を求めることで、角度情報φ_ｘに対応する角度誤差ＩＮＬ（φ_ｘ）の近似値を算出することができる。

【0027】

係数Ａ_ｘ0，Ａ_ｘｍ，Ｂ_ｘｍはそれぞれ、以下の式（６）乃至（８）で求められる。

【0028】

【数4】

【0029】

係数Ａ_ｘ0，Ａ_ｘｍ，Ｂ_ｘｍは、第１モータ１１８の角度情報の補正値として記憶部１１７に記憶される。なお、本実施例では、角度誤差ＩＮＬ（φ_ｘ）は、４次の近似式で表されているが、５次以上の近似式で表されてもよい。

【0030】

信号処理部１１６は、同様の処理を行うことで第２回転駆動部１０４の第２モータ１２１、及び第３回転駆動部１０５の第３モータ１２４の角度情報の補正値を算出することができる。

【0031】

信号処理部１１６は、算出した補正値を用いてモータの角度情報（φ_ｘ，φ_ｙ，φ_ｚ）を補正し、以下の式（９）乃至（１１）で表されるモータの補正後の角度情報（φ’_ｘ，φ’_ｙ，φ’_ｚ）を算出する。

【0032】

【数5】

【0033】

なお、本実施例では、信号処理部１１６が角度情報を補正する補正部として機能するが、信号処理部１１６とは別に補正部を設けてもよい。

【0034】

角度情報の精度を向上させるために、補正値の算出と記憶、及び角度情報の補正を複数回行ってもよい。

【0035】

記憶部１１７は、ＲＯＭ、ＲＡＭ、及びハードディスク等の記憶媒体から構成される。記憶部１１７は、信号処理部１１６により算出されたモータの角度情報の補正値を記憶する。また、記憶部１１７は、姿勢推定部１１４、駆動指令部１１５、及び信号処理部１１６に実行させるプログラムを記憶してもよい。補正値やプログラムは、記憶部１１７の不揮発性記憶媒体に保存される。なお、記憶部１１７は、１つの記憶媒体から構成されてもよいし、複数の記憶媒体から構成されてもよい。

【0036】

図３は、第１回転駆動部１０３の構成を示す概略図である。第２及び第３回転駆動部１０４，１０５の構成は第１回転駆動部１０３の構成と同様であるため、本実施例では第２及び第３回転駆動部１０４，１０５の構成の詳細な説明は省略する。

【0037】

第１モータ１１８は、ステータ部材１２７、ロータ部材１２８、回転軸１２９、上側軸受け１３０、及び下側軸受け１３１を有する。上側軸受け１３０及び下側軸受け１３１はそれぞれ、回転軸１２９の第１端側及び第２端側に設けられている。ロータ部材１２８は、ステータ部材１２７に対して回転可能である。本実施例では、ステータ部材１２７にコイル１３２が取り付けられ、ロータ部材１２８にマグネット１３３が取り付けられているが、ステータ部材１２７にマグネット１３３が取り付けられ、ロータ部材１２８にコイル１３２が取り付けられてもよい。

【0038】

第１角度検出センサ１１９は、マグネット１３４及び磁気センサ１３５を有する。マグネット１３４は、円盤状の形状を有し、回転軸１２９の第１端に取り付けられている。磁気センサ１３５は、マグネット１３４と対向する位置に配置されている。第１角度検出センサ１１９は本実施例では磁気式エンコーダ（電磁誘導式エンコーダ）であるが、本発明はこれに限定されない。第１角度検出センサ１１９は、光学式エンコーダや、静電容量式エンコーダであってもよい。なお、磁気センサ１３５は、本実施例では第１モータ駆動部１２０に取り付けられているが、第１モータ駆動部１２０に取り付けられている必要はない。

【0039】

第１モータ駆動部１２０は、ＣＰＵ、ＧＰＵ、Ａ／Ｄ変換素子、ＦＥＴ等の素子や、ＦＰＧＡ、ＡＳＩＣ等の回路から構成される。第１モータ駆動部１２０は、ケーブル１３７を介して制御部１１３に接続される電気接続部１３６を有する。第１モータ駆動部１２０は、駆動指令部１１５からの駆動信号を受信し、第１モータ１１８を回転させる。

【0040】

図４は、本実施例の第１乃至第３モータ１１８，１２１，１２４の角度情報の補正値の算出方法を示すフローチャートである。本実施例では、第１モータ１１８の角度情報の補正値を算出する場合について説明する。

【0041】

ステップＳ１００では、支持部１０２を手動により、又は第１モータ１１８により、Ｘ軸周りに回転させる。なお、第３回転駆動部１０３の角度情報の補正値を算出する際に支持部１０２をＺ軸周りに回転させる場合、予め支持部１０２をＸ軸周り、又はＹ軸周りに９０度回転させておく。

【0042】

ステップＳ１０１では、姿勢推定部１１４は、第２及び第３加速度センサ１１１，１１２により検出された加速度を用いて被支持部１０１の姿勢情報θ_ｘを算出する。

【0043】

ステップＳ１０２では、制御部１１３は、姿勢情報θ_ｘが予め設定した所定の姿勢情報であるかどうかを判定する。姿勢情報θ_ｘが所定の姿勢情報である場合と判定された場合、ステップＳ１０３に進み、そうでないと判定された場合、ステップＳ１００に戻る。

【0044】

ステップＳ１０３では、信号処理部１１６は、第１角度検出センサ１１９により検出された第１モータ１１８の回転角度を用いて第１モータ１１８の角度情報φ_ｘを算出する。

【0045】

ステップＳ１０４では、制御部１１３は、支持部１０２が３６０度以上回転し、所定の全姿勢での第１モータ１１８の角度情報φ_ｘの算出が完了したかどうかを判定する。支持部１０２が３６０度以上回転し、所定の全姿勢での第１モータ１１８の角度情報φ_ｘの算出が完了されたと判定された場合、ステップＳ１０５に進み、そうでないと判定された場合、ステップＳ１００に戻る。

【0046】

ステップＳ１０５では、信号処理部１１６は、被支持部１０１の姿勢情報θ_ｘと第１モータ１１８の角度情報φ_ｘとを用いて第１モータ１１８の角度情報φ_ｘの補正値を算出する。

【0047】

ステップＳ１０６では、記憶部１１７は、第１モータ１１８の角度情報φ_ｘの補正値を記憶する。

【0048】

図４のフロー終了後、記憶部１１７に記憶された補正値は、モータの角度情報を補正する際に用いられる。

【0049】

なお、同様の処理を実行することで、第２及び第３モータ１２１，１２４の角度情報の補正値を算出することができる。

【0050】

以上説明したように、本実施例では被支持部１０１の姿勢情報とモータの角度情報とを用いてモータの角度情報の補正値を算出する。モータの角度情報の補正値を算出する際に姿勢情報を用いることで、校正装置を接続しなくても、角度検出センサの校正を行うことができる。また、モータの角度情報を補正することで、高精度かつ高効率なジンバルを実現することができる。また、本実施例のジンバルでは、組み立てた後でも、モータの角度情報の補正値を算出可能である。

【実施例0051】

本実施例のジンバルを有するシステムの構成は、基本的には実施例１のシステムと同様である。本実施例では、実施例１と異なる構成について説明し、実施例１と同様の構成については説明を省略する。

【0052】

図５は、本実施例のジンバルの構成を示す概略図である。支持部１０２は、第１乃至第３加速度センサ１１０，１１１，１１２に加えて第１ジャイロセンサ２０１、第２ジャイロセンサ２０２、及び第３ジャイロセンサ２０３を有する。第１乃至第３ジャイロセンサ２０１，２０２，２０３はそれぞれ、被支持部１０１のＸ軸周り、Ｙ軸周り、及びＺ軸周りの角加速度を検出する。また、第１乃至第３ジャイロセンサ２０１，２０２，２０３は、検出した角加速度を制御部１１３に出力する。

【0053】

姿勢推定部１１４は、第１乃至第３加速度センサ１１０，１１１，１１２により検出された加速度、及び第１乃至第３ジャイロセンサ２０１，２０２，２０３により検出された角加速度を用いて被支持部１０１の姿勢情報（θ_ｘ，θ_ｙ，θ_ｚ）を算出する。姿勢情報は、加速度センサ及びジャイロセンサの出力に対してＭａｄｇｗｉｃｋ Ｆｉｌｔｅｒ処理を実施することで算出される。本実施例では、加速度センサの出力に加えて、ジャイロセンサの出力を用いることで、姿勢情報をより高精度に算出することができる。

【0054】

図６は、第１回転駆動部１０３の構成を示す概略図である。第２及び第３回転駆動部１０４，１０５の構成は第１回転駆動部１０３の構成と同様であるため、本実施例では第２及び第３回転駆動部１０４，１０５の構成の詳細な説明は省略する。

【0055】

第１モータ１１８は、ステータ部材１２７、ロータ部材１２８、回転軸２０４、上側軸受け１３０、及び下側軸受け１３１を有する。回転軸２０４は中空構造で、回転軸２０４の内部にはケーブル１３７が通っている。

【0056】

第１角度検出センサ１１９は、マグネット２０５及び磁気センサ２０６を有する。マグネット２０５は、リング状の形状を有し、回転軸２０４の端部に取り付けられている。磁気センサ２０６は、マグネット２０５の径方向（第１モータの回転軸に直交する方向）においてマグネット２０５と対向する位置に配置されている。

【0057】

中空構造の回転軸２０４を採用すると共に、磁気センサ２０６をマグネット２０５の径方向の位置に配置することで、第１モータ駆動部１２０と第１モータ１１８との間の距離を小さくすることができ、第１回転駆動部１０３を小型化することができる。

【0058】

図７は、本実施例の第１乃至第３モータ１１８，１２１，１２４の角度情報の補正値の算出方法を示すフローチャートである。本実施例では、第１モータ１１８の角度情報の補正値を算出する場合について説明する。

【0059】

ステップＳ２００の処理は、図４のステップＳ１００の処理と同様であるため、詳細な説明は省略する。

【0060】

ステップＳ２０１では、姿勢推定部１１４は、加速度センサにより検出された加速度及びジャイロセンサにより検出された角加速度を用いて被支持部１０１の姿勢情報θ_ｘを算出する。

【0061】

ステップＳ２０２乃至ステップＳ２０６の処理はそれぞれ、図４のステップＳ１０２乃至ステップＳ１０６の処理と同様であるため、詳細な説明は省略する。

【0062】

なお、同様の処理を実行することで、第２及び第３モータ１２１，１２４の角度情報の補正値を算出することができる。

【0063】

本実施例では、姿勢情報を実施例１に比べて精度よく算出することできるため、より高精度かつ高効率なジンバルを実現することができる。また、本実施例では、回転駆動部の構成を実施例１の回転駆動部の異なる構成とすることで、ジンバルをより小型化することができる。なお、本実施例の角度検出センサの配置では、角度検出センサの校正は必須である。