特許 7467265 カメラスタビライザ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-04-05

(45)【発行日】2024-04-15

(54)【発明の名称】カメラスタビライザ

(51)【国際特許分類】

   G03B 17/56 20210101AFI20240408BHJP

   G03B 5/00 20210101ALI20240408BHJP

   H04N 5/222 20060101ALI20240408BHJP

【ＦＩ】

G03B17/56 A

G03B5/00 J

H04N5/222 100

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2020121203

(22)【出願日】2020-07-15

(65)【公開番号】P2022018239

(43)【公開日】2022-01-27

【審査請求日】2023-03-28

(73)【特許権者】

【識別番号】000231073

【氏名又は名称】日本航空電子工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100121706

【弁理士】

【氏名又は名称】中尾 直樹

(74)【代理人】

【識別番号】100128705

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 幸雄

(74)【代理人】

【識別番号】100147773

【弁理士】

【氏名又は名称】義村 宗洋

(72)【発明者】

【氏名】中谷 聡

(72)【発明者】

【氏名】大田 有純

【審査官】越河 勉

(56)【参考文献】

【文献】特表２０１７－５０８１０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１５／０１７６７５２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】韓国公開特許第１０－２０１６－０１０１１８２（ＫＲ，Ａ）

【文献】特開２００６－０８５５３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－３６９０４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－０５９３６２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０３Ｂ １７／５６

Ｇ０３Ｂ ５／００－５／０８

Ｈ０４Ｎ ５／２２２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

バネ軸受けで支持されたジンバルを有するカメラスタビライザであって、
前記ジンバルを回転させるモータと、
前記ジンバルに取り付けられ、前記ジンバルの角速度を検出するジンバル用ジャイロと、
目標とする前記ジンバルの角速度である目標角速度と前記ジンバル用ジャイロで検出した角速度との差に基づいて前記モータを制御する制御部と、
外乱に起因したデータを含む前記ジンバルの角度を求めるためのデータを取得する検出部と、
を備え、
前記制御部は、前記ジンバル用ジャイロで検出した角速度の積分値と前記検出部で取得したデータに基づいて求めた角度である検出角度との差に基づいて、前記モータの制御を補正する
ことを特徴とするカメラスタビライザ。

【請求項2】

請求項１記載のカメラスタビライザであって、
前記検出部は、前記バネ軸受けが取り付けられている筐体に取り付けられ、前記筐体の角速度を検出する外乱検出用ジャイロを有し、
前記検出角度は、前記外乱検出用ジャイロで検出した角速度の積分値である
ことを特徴とするカメラスタビライザ。

【請求項3】

請求項１記載のカメラスタビライザであって、
前記検出部は、前記モータに生じる逆起電圧を検出し、
前記検出角度は、検出された逆起電圧から求めた角速度の積分値である
ことを特徴とするカメラスタビライザ。

【請求項4】

請求項１記載のカメラスタビライザであって、
前記検出部は、前記ジンバルの角度を検出する角度センサを有し、
前記検出角度は、前記角度センサで検出した角度である
ことを特徴とするカメラスタビライザ。

【請求項5】

請求項１から４のいずれかに記載のカメラスタビライザであって、
前記制御部は、前記ジンバル用ジャイロで検出した角速度の積分値と前記検出角度との差にあらかじめ定めたバネ定数を乗算し、あらかじめ定めたトルク定数で除算し、あらかじめ定めたゲインを乗算した値を前記モータへの入力の補正値とする
ことを特徴とするカメラスタビライザ。

【請求項6】

請求項１から５のいずれかに記載のカメラスタビライザであって、
２つの回転軸を有する外部ジンバルと、２つの回転軸を有する内部ジンバルを備え、
前記のバネ軸受けで支持されたジンバルは、内部ジンバルである
ことを特徴とするカメラスタビライザ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、カメラを安定に保持するためのカメラスタビライザに関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１に示されたようなカメラスタビライザが従来技術として知られている。図７に特許文献１の図１を示す。図１のカメラスタビライザでは、ヘリコプタなどのボディに固定されるカバー７ａと、カバー７ａに対する回転軸（外部アジマス軸部１９）を有する外部ジンバルと、外部ジンバルに対して３つの回転軸（ロール軸部３１、内部アジマス軸部３２、内部エレベーション軸部３３）を有する内部ジンバルとを備えている。カメラスタビライザでは、このように複数の軸を外部ジンバルと内部ジンバルに配置することでカメラの視軸を目標とする視軸に安定させている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開平８－２９７３２４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、カメラスタビライザは、空力などの大きな外乱を受ける。特に、外部ジンバルが受けた外力を内部ジンバルに伝えない工夫が求められる。この工夫として、外部ジンバルの軸受けにはボールベアリングを用い、内部ジンバルの軸受けにはバネ軸受けを用いることがある。しかし、バネ軸受けの場合、バネの反力により防振性能（空間安定性能）が劣化するという問題がある。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、バネ軸受けで支持されたジンバルを有するカメラスタビライザにおいて、ジンバルの防振性能を向上することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明のカメラスタビライザは、バネ軸受けで支持されたジンバルを有する。本発明のカメラスタビライザは、ジンバルを回転させるモータと、ジンバル用ジャイロと、制御部と、検出部とを備える。ジンバル用ジャイロは、ジンバルに取り付けられ、ジンバルの角速度を検出する。制御部は、目標とするジンバルの角速度である目標角速度とジンバル用ジャイロで検出した角速度との差に基づいてモータを制御する。検出部は、ジンバルの角度を求めるためのデータを取得する。制御部は、ジンバル用ジャイロで検出した角速度の積分値と検出部で取得したデータに基づいて求めた角度である検出角度との差に基づいて、モータの制御を補正する。

【発明の効果】

【0006】

本発明のカメラスタビライザによれば、ジンバル用ジャイロで検出した角速度の積分値と検出部で取得したデータに基づいて求めた角度である検出角度との差に基づいて、モータの制御を補正するので、外乱による角度のずれを考慮してモータを制御できる。したがって、ジンバルの防振性能を向上できる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】カメラスタビライザの構成例を示す図。

【図2】カメラスタビライザの制御ブロック図。

【図3】検出部５００が外乱検出用ジャイロ５１０を有する場合のカメラスタビライザの制御ブロック図。

【図4】検出部５００が逆起電圧検出手段５２０を有する場合のカメラスタビライザの制御ブロック図。

【図5】検出部５００が角度センサ５３０を有する場合のカメラスタビライザの制御ブロック図。

【図6】外乱に対する制御がない場合と外乱に対する制御がある場合の違いをシミュレーションした結果を示す図。

【図7】特許文献１の図１を示す図。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。なお、同じ機能を有する構成部には同じ番号を付し、重複説明を省略する。

【実施例1】

【0009】

＜カメラスタビライザ全体の構成＞
図１にカメラスタビライザの構成例を示す。カメラスタビライザ１００は、ヘリコプタなどのボディに固定されるカバー１１０と、カバー１１０に対して２つの回転軸（外部第１軸２１１，外部第２軸２１２）を有する外部ジンバル２１０と、外部ジンバル２１０に対して２つの回転軸（内部第１軸３１１，内部第２軸３１２）を有する内部ジンバル３１０と、制御部４００と、検出部５００を備える。例えば、外部第１軸２１１をアジマス軸、外部第２軸２１２をエレベーション軸、内部第１軸３１１をアジマス軸、内部第２軸３１２をロール軸とするなど、軸の方向は適宜軸を定めればよい。

【0010】

カバー１１０は、外部第１軸２１１の軸受けである外部第１軸受け１２１と、外部第２軸２１２の軸受けである外部第２軸受け１２２と、外部第１軸２１１回りに外部ジンバル２１０を回転させる外部第１モータ１３１、外部第２軸２１２回りに外部ジンバル２１０を回転させる外部第２モータ１３２を有する。外部第１軸受け１２１と外部第２軸受け１２２は、ボールベアリングである。外部ジンバル２１０は、内部第１軸３１１の軸受けである内部第１軸受け２２１と、内部第２軸３１２の軸受けである内部第２軸受け２２２と、内部第１軸３１１回りに内部ジンバル３１０を回転させる内部第１モータ２３１、内部第２軸３１２回りに内部ジンバル３１０を回転させる内部第２モータ２３２、外部ジンバル２１０の角速度を３軸方向で検出する外部ジャイロ２４０を有する。内部ジンバル３１０は、内部ジンバル３１０の角速度を３軸方向で検出する内部ジャイロ３４０を有する。カメラ６００は、内部ジンバル３１０内に配置される。

【0011】

制御部４００は、目標とする外部ジンバル２１０の角速度である目標角速度と外部ジャイロ２４０で検出した角速度との差に基づいて外部第１モータ１３１と外部第２モータ１３２を制御する。また、制御部４００は、目標とする内部ジンバル３１０の角速度である目標角速度と内部ジャイロ３４０で検出した角速度との差に基づいて内部第１モータ２３１と内部第２モータ２３２を制御する。検出部５００は、内部ジンバル３１０の角度を求めるためのデータを取得する。検出部５００は、外乱検出用ジャイロ５１０、逆起電圧検出手段５２０、角度センサ５３０のいずれかを有する。

【0012】

カメラスタビライザ１００の場合、外部第１軸２１１と外部第２軸２１２は空力などの大きな外乱を受けるが、内部第１軸３１１と内部第２軸３１２は慣性空間に保持しやすい。しかし、外乱は、外部第１軸２１１と外部第２軸２１２から、ある程度は内部第１軸３１１と内部第２軸３１２に伝達してしまう。そこで、本発明では、内部第１軸受け２２１と内部第２軸受け２２２をバネ軸受けとする。バネ軸受けにすることで、内部第１軸３１１と内部第２軸３１２に伝達される外乱に起因するトルクを線形にできる。その一方で、バネ軸受けの場合、バネの反力により防振性能（空間安定性能）が劣化する。そこで、後述するように、バネ軸受けで支持された内部ジンバル３１０の軸ごとに、以下のように制御する。

【0013】

＜バネ軸受けで支持されたジンバルの軸ごとの制御＞
ここでは、バネ軸受けで支持されたジンバルの１軸の制御について説明する。そこで、以下の説明では、「内部ジンバル３１０」を「ジンバル３１０」、「内部ジャイロ３４０」を「ジンバル用ジャイロ３４０」、「内部第１モータ２３１」を「モータ２３１」と呼び方を変えることで、一般化して説明する。以下の説明は、「内部第２モータ２３２」についても同様に適用できる。

【0014】

図２に、カメラスタビライザの制御ブロック図を示す。実施例１のカメラスタビライザ１００は、ジンバル３１０を回転させるモータ２３１と、ジンバル用ジャイロ３４０と、制御部４００と、検出部５００とを備える。ジンバル用ジャイロは３４０、ジンバル３１０に取り付けられ、ジンバル３１０の角速度を検出する。制御部４００は、目標とするジンバル３１０の角速度である目標角速度ω_ｃｍｄとジンバル用ジャイロ３４０で検出した角速度との差に基づいてモータ２３１を制御する。検出部５００は、ジンバル３１０の角度を求めるためのデータを取得する。制御部４００は、ジンバル用ジャイロ３４０で検出した角速度の積分値と検出部５００で取得したデータに基づいて求めた角度である検出角度との差に基づいて、モータ２３１の制御を補正する。

【0015】

制御部４００は、補償器４１０を有し、ジンバルの回転軸回りの慣性モーメントＪ（ｋｇ・ｍ^２）、モータ２３１のインダクタンス（Ｈ）と抵抗値（Ω）とトルク定数Ｋｔ（Ｎｍ／Ａ）、逆起電圧定数Ｋｅ（Ｖ／（ｒａｄ／ｓｅｃ））、バネ軸受けのバネ定数を記録している。また、図２中の「１／ｓ」は時間積分を意味している。

【0016】

制御部４００は、目標とするジンバル３１０の角速度である目標角速度ω_ｃｍｄ（ｒａｄ／ｓｅｃ）とジンバル用ジャイロ３４０で検出した角速度との差を補償器４１０に入力する。補償器４１０は制御を安定化させる機能を有する。補償器４１０については、周知な技術なので説明を省略する。制御部４００は、補償器４１０からの出力電圧と、モータ２３１の逆起電圧２３３によって生じる電圧と、ジンバル用ジャイロ３４０で検出した角速度の積分値と検出部５００で取得したデータに基づいて求めた角度である検出角度との差に基づく補正用の電圧から、モータ２３１に入力される電圧を求める。制御部４００は、モータ２３１のインダクタンス（Ｈ）と抵抗値（Ω）とトルク定数Ｋｔ（Ｎｍ／Ａ）を用いてモータ２３１で生じるトルク（Ｎｍ）を求める。そして、制御部４００は、慣性モーメントＪで除算し、時間積分することでジンバル３１０の角速度（ｒａｄ／ｓｅｃ）を求める。この角速度をもう一度時間積分すれば、カメラ６００の視軸の角度（あらかじめ定めた基準に対する角度）を求めることができる。

【0017】

実際の角速度は、ジンバル用ジャイロ３４０で検出され、補償器４１０の入力にフィードバックされる。検出部５００は、ジンバル３１０の角度を求めるためのデータを取得する。検出部５００が取得するデータには、外乱に起因したデータが含まれている。制御部４００は、ジンバル用ジャイロ３４０で検出した角速度の積分値と検出部５００で取得したデータに基づいて求めた角度である検出角度との差（角度の差４５０）を求める。制御部４００は、角度の差にバネ定数を乗算し、トルク定数Ｋｔで除算することでモータ２３１に流す電流の補正値を求める。制御部４００は、さらに、ゲインを乗算し、モータ２３１の制御を補正するための電圧を求める。ゲインは、モータの抵抗値を考慮しながら補正の程度を調整するために乗算している。

【0018】

つまり、制御部４００は、ジンバル用ジャイロ３４０で検出した角速度の積分値と検出角度との差にあらかじめ定めたバネ定数を乗算し、あらかじめ定めたトルク定数で除算し、あらかじめ定めたゲインを乗算した値をモータ２３１への入力の補正値としている。外乱は、ジンバル３１０の角速度とモータ２３１から出力されるトルクに影響を与えているが、図２の点線で示した情報は、制御部４００の計算には含まれない。制御部４００は、外乱による影響を検出部５００が取得するデータに基づいて低減する。

【0019】

図３に、検出部５００が外乱検出用ジャイロ５１０を有する場合のカメラスタビライザの制御ブロック図を示す。検出部５００は、外乱検出用ジャイロ５１０を有する。外乱検出用ジャイロ５１０は、バネ軸受けが取り付けられている筐体に取り付けられ、筐体の角速度を検出する。筐体とは、例えば、バネ軸受けで支持されたジンバルが「内部ジンバル」のときは「外部ジンバル」であり、バネ軸受けで支持されたジンバルが「外部ジンバル」のときはヘリコプタのボディに固定される「カバー」である。また、バネ軸受けで支持されたジンバルが「内部ジンバル」のときは外部ジャイロを外乱検出用ジャイロ５１０として利用してもよい。前述の検出角度は、外乱検出用ジャイロ５１０で検出した角速度の積分値である。

【0020】

図４に、検出部５００が逆起電圧検出手段５２０を有する場合のカメラスタビライザの制御ブロック図を示す。検出部５００は、逆起電圧検出手段５２０を用いてモータ２３１に生じる逆起電圧Ｖを検出する。制御部４００は、記録している逆起電圧定数Ｋｅで検出された逆起電圧を除算して角速度を求め、角速度の積分値を前述の検出角度とする。

【0021】

図５に、検出部５００が角度センサ５３０を有する場合のカメラスタビライザの制御ブロック図を示す。検出部５００は、ジンバルの角度（あらかじめ定めた基準に対する角度）を検出する角度センサ５３０を有する。制御部４００は、角度センサ５３０で検出した角度を前述の検出角度とする。

【0022】

図６は、外乱に対する制御がない場合と外乱に対する制御がある場合の違いをシミュレーションした結果を示す図である。外乱に対する制御がない場合とは、図５の検出部５００、角度センサ５３０、角度の差４５０，４５１、バネ定数４５２、１／Ｋｔ４５３、ゲイン４５４がない場合である。外乱に対する制御がある場合は、図５に示した制御ブロックの場合である。横軸は時間（ｓｅｃ）、縦軸は視軸がずれた角度（°）を示しており、一定の周期で外乱を与えた結果が示されている。外乱に対する制御がない場合に比べ、外乱に対する制御がある場合の方が、角度の変動を半分以下にできていることが分かる。

【0023】

本発明のカメラスタビライザによれば、ジンバル用ジャイロで検出した角速度の積分値と検出部で取得したデータに基づいて求めた角度である検出角度との差に基づいて、モータの制御を補正するので、外乱による角度のずれを考慮してモータを制御できる。したがって、ジンバルの防振性能を向上できる。

【0024】

特に、図１に示したような２つの回転軸（外部第１軸２１１，外部第２軸２１２）を有する外部ジンバル２１０と、２つの回転軸（内部第１軸３１１，内部第２軸３１２）を有する内部ジンバル３１０を備えるカメラスタビライザ１００において、内部ジンバル３１０の回転軸（内部第１軸３１１，内部第２軸３１２）の軸受けをバネ軸受けとすれば、内部ジンバル３１０に伝達される外乱に起因するトルクを線形にできる。そして、バネ軸受けのバネの反力による制御への影響を、図２～５に示した制御ブロックを用いた制御によって低減すれば、外乱に起因するトルクの影響を低減しやすい。その結果、防振性能（空間安定性能）の向上が期待できる。

【符号の説明】

【0025】

１００ カメラスタビライザ １１０ カバー
１３１ 外部第１モータ １３２ 外部第２モータ
２１０ 外部ジンバル ２１１ 外部第１軸
２１２ 外部第２軸 ２３１ 内部第１モータ，モータ
２３２ 内部第２モータ ２４０ 外部ジャイロ
３１０ 内部ジンバル，ジンバル ３１１ 内部第１軸
３１２ 内部第２軸 ３４０ 内部ジャイロ，ジンバル用ジャイロ
４００ 制御部 ４１０ 補償器
５００ 検出部 ５１０ 外乱検出用ジャイロ
５２０ 逆起電圧検出手段 ５３０ 角度センサ
６００ カメラ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】