特許 7556685 ジンバル装置、及びそれを備えたカメラシステム

(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】2024-09-17

(45)【発行日】2024-09-26

(54)【発明の名称】ジンバル装置、及びそれを備えたカメラシステム

(51)【国際特許分類】

   G03B 17/56 20210101AFI20240918BHJP

   G03B 15/00 20210101ALI20240918BHJP

   H04N 5/222 20060101ALI20240918BHJP

【ＦＩ】

G03B17/56 A

G03B15/00 P

H04N5/222 100

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2019233855

(22)【出願日】2019-12-25

(65)【公開番号】P2021103214

(43)【公開日】2021-07-15

【審査請求日】2022-12-05

(73)【特許権者】

【識別番号】000133227

【氏名又は名称】株式会社タムロン

(74)【代理人】

【識別番号】100094569

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 伸一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100103610

【弁理士】

【氏名又は名称】▲吉▼田 和彦

(74)【代理人】

【識別番号】100109070

【弁理士】

【氏名又は名称】須田 洋之

(74)【代理人】

【氏名又は名称】松下 満

(74)【代理人】

【識別番号】100098475

【弁理士】

【氏名又は名称】倉澤 伊知郎

(74)【代理人】

【識別番号】100130937

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 泰史

(74)【代理人】

【識別番号】100123630

【弁理士】

【氏名又は名称】渡邊 誠

(72)【発明者】

【氏名】村上 匡亮

【審査官】東松 修太郎

(56)【参考文献】

【文献】登録実用新案第３２１５９３４（ＪＰ，Ｕ）

【文献】米国特許第１０５０６３３４（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１８／０１１３４６２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１９－０４５６９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－０４５６９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】登録実用新案第３２０４７０５（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開２０１５－１７７５３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－２００３７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】意匠登録第１６１８３０４（ＪＰ，Ｓ）

【文献】スタパ齋藤，スタパ齋藤の「スタパトロニクスMobile」サンコーの手持ちジンバルがイケてる!!，ケータイWatch，日本，2015年02月09日，https://k-tai.watch.impress.co.jp/docs/column/stapa/687357.html

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０３Ｂ １７／５６

Ｇ０３Ｂ １５／００

Ｈ０４Ｎ ５／２２２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

カメラを取り付けて使用するジンバル装置であって、
カメラの光軸を所定の方向に向けて固定する取付面を備えたカメラマウント部を有し、上記カメラマウント部は、カメラの筐体の前縁を平行に向けて取り付けるように、前縁が直線状に構成され、
さらに、
上記カメラマウント部を、第１の軸線を中心に回動させる第１モータと、
上記カメラマウント部と上記第１モータを連結する第１連結部材と、
上記カメラマウント部を、第２の軸線を中心に回動させる第２モータと、
上記第１モータと上記第２モータを連結する第２連結部材と、
上記カメラマウント部を、第３の軸線を中心に回動させる第３モータと、
上記第２モータと上記第３モータを連結する第３連結部材と、
上記第３モータに連結され、上記ジンバル装置を支持するための支持部と、
上記第１、第２、第３モータを制御する制御部と、
を有し、
上記第１、第２、第３の軸線は、互いに異なる方向に向けられると共に、上記第１、第２、第３の軸線のうちの少なくとも１本は、上記カメラマウント部の取付面と平行に向けられた平行軸線であり、
上記カメラマウント部には、その前縁と、上記カメラマウント部に取り付けられたカメラの光軸が直交するように、カメラが固定されると共に、上記カメラマウント部の前縁は、上記平行軸線に対して斜めに向くように形成されていることを特徴とするジンバル装置。

【請求項2】

上記制御部は、上記第１、第２、第３モータのうち、少なくとも２つを同時に回動させることにより、上記カメラをピッチング運動させる請求項１記載のジンバル装置。

【請求項3】

上記第１の軸線は上記カメラマウント部の取付面と平行に向けられた平行軸線であり、上記制御部は、少なくとも上記第１モータ及び上記第２モータを同時に回動させることにより、上記カメラをピッチング運動させる請求項２記載のジンバル装置。

【請求項4】

上記第１の軸線は上記カメラマウント部の取付面と平行に向けられた平行軸線であり、上記カメラマウント部の前縁と、上記第１の軸線との為す角は１５度乃至７５度である請求項１乃至３の何れか１項に記載のジンバル装置。

【請求項5】

上記第１の軸線は上記カメラマウント部の取付面と平行に向けられた平行軸線であり、上記第２の軸線は、上記カメラマウント部に向けて上方に向くように、水平面に対して傾斜している請求項１乃至４の何れか１項に記載のジンバル装置。

【請求項6】

カメラを支持するジンバル装置を備えたカメラシステムであって、
請求項１乃至５の何れか１項に記載のジンバル装置と、
このジンバル装置に取り付けられたカメラと、
を有することを特徴とするカメラシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ジンバル装置に関し、特に、カメラを取り付けて使用するジンバル装置、及びそれを備えたカメラシステムに関する。

【背景技術】

【0002】

特開２０１９－４５６９０号公報（特許文献１）には、ジンバル装置が記載されている。このジンバル装置は、Ｌ字形の第一、第二、第三アームでジンバル機構部を構成し、カメラを取り付ける装着ステージを三つの軸それぞれで片持ちさせ、一対のハンドルがベース部から同一方向に突出している。この基本状態において、ジンバル装置は、ジンバル機構部をベース部に対してハンドルと同じ側に位置させると共に、ベース部におけるハンドルの突出方向とは反対側の面が設置面に当接し、自立するように構成されている。また、第一、第二、第三アーム及びベース部を連結するように、第一、第二、第三モータが夫々設けられている。

【0003】

ジンバル装置に取り付けられたカメラを所望の向きに向ける際は、各モータを回動させ、各Ｌ字形のアーム間の相対的な角度を変化させる。ここで、特許文献１に記載されているような一般的な構造のジンバル装置においては、カメラの質量が各アーム及びモータ等の質量に対して十分に小さい場合には、第一、第二、第三モータの各回転軸の延長線が、夫々、装着ステージに取り付けられたカメラの重心点近傍を通る。換言すれば、各モータの回転軸の延長線の交点が、カメラの重心点と概ね一致するように調整されている。カメラの取り付けをこのように調整しておくことにより、カメラが如何なる向きに向けられた場合にも、カメラがその姿勢を維持するために各モータが発生する必要があるトルクを極めて小さくすることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１９－４５６９０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、例えば、ズーム機能を備えたカメラをジンバル装置に取り付けた場合には、カメラの重心点の位置が変化してしまうという問題がある。一般に、ズーム機能を備えたカメラのレンズ鏡筒は、設定された画角に応じて光軸方向に伸縮されるので、このレンズ鏡筒の伸縮と共にカメラ全体の重心点の位置も光軸方向に移動してしまう。このため、或る画角において、各モータの回転軸の延長線の交点がカメラの重心点と一致するように調整されていたとしても、カメラの画角を変化させることにより、重心点が移動されると、延長線の交点とカメラの重心点が一致しなくなる。このような場合には、カメラが静止している状態であっても、モータは、カメラがその姿勢を維持できるように、トルクを生成し続ける必要がある。

【0006】

この結果、ジンバル装置のモータは、カメラの方向を変えるために必要なトルクに加え、カメラの姿勢を維持するために必要なトルクも発生させることが要求され、モータに対する要求トルクが大きくなる。このため、より高出力なモータが必要となり、或いは、同一出力のモータを採用してもジンバル装置の応答性が低下してしまうという問題がある。

【0007】

従って、本発明は、取り付けられたカメラの重心移動に対し、より低出力なモータで対応することができるジンバル装置、及びそれを備えたカメラを提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上述した課題を解決するために、本発明は、カメラを取り付けて使用するジンバル装置であって、カメラの光軸を所定の方向に向けて固定する取付面を備えたカメラマウント部を有し、カメラマウント部は、カメラの筐体の前縁を平行に向けて取り付けるように、前縁が直線状に構成され、さらに、カメラマウント部を、第１の軸線を中心に回動させる第１モータと、カメラマウント部と第１モータを連結する第１連結部材と、カメラマウント部を、第２の軸線を中心に回動させる第２モータと、第１モータと第２モータを連結する第２連結部材と、カメラマウント部を、第３の軸線を中心に回動させる第３モータと、第２モータと第３モータを連結する第３連結部材と、第３モータに連結され、ジンバル装置を支持するための支持部と、第１、第２、第３モータを制御する制御部と、を有し、第１、第２、第３の軸線は、互いに異なる方向に向けられると共に、第１、第２、第３の軸線のうちの少なくとも１本は、カメラマウント部の取付面と平行に向けられた平行軸線であり、カメラマウント部には、その前縁と、カメラマウント部に取り付けられたカメラの光軸が直交するように、カメラが固定されると共に、カメラマウント部の前縁は、平行軸線に対して斜めに向くように形成されていることを特徴としている。

【0009】

このように構成された本発明においては、カメラを取り付けたカメラマウント部と第１モータが第１連結部材によって連結され、第１モータと第２モータが第２連結部材によって連結され、第２モータと第３モータが第３連結部材によって連結される。第１、第２、第３モータは制御部によって制御されると共に、各モータがカメラマウント部を夫々回動させる第１、第２、第３の軸線は、互いに異なる方向に向けられている。また、第１、第２、第３の軸線のうちの少なくとも１本は、カメラマウント部の取付面と平行に向けられ、この平行軸線は、カメラマウント部の前縁に対して斜めに向けられている。

【0010】

このように構成された本発明によれば、平行軸線が、カメラマウント部の前縁に対して斜めに向けられているので、カメラの光軸方向の重心移動に対し、より低出力なモータで対応することができる。即ち、特許文献１に記載されているような、従来のジンバル装置においては、カメラマウント部に連結された第１モータの回転軸が、カメラの光軸に直交する方向に向けられている。このため、カメラの重心点が光軸方向に移動すると、この移動によって発生するモーメントを打ち消すために、第１モータのみがトルクを発生する。従って、カメラの重心点が移動した場合には、第１モータは、カメラの姿勢を維持するために、重心の移動距離とカメラの重量を乗じたトルクを余分に発生させる必要がある。

【0011】

これに対して、上記のように構成された本発明によれば、平行軸線がカメラの光軸と直交する軸線に対して斜めに向けられている。このため、カメラの重心点の移動により発生するモーメントを打ち消すためのトルクを発生するモータが１つに集中せず、打ち消すためのトルクが複数のモータによって分担される。これにより、各モータ出力の余裕度が大きくなり、カメラの重心移動に対し、より低出力なモータで対応することが可能となる。

【0012】

本発明において、好ましくは、制御部は、第１、第２、第３モータのうち、少なくとも２つを同時に回動させることにより、カメラをピッチング運動させる。
また、本発明において、好ましくは、第１の軸線はカメラマウント部の取付面と平行に向けられた平行軸線であり、制御部は、少なくとも第１モータ及び第２モータを同時に回動させることにより、カメラをピッチング運動させる。

【0013】

さらに、本発明において、好ましくは、第１の軸線はカメラマウント部の取付面と平行に向けられた平行軸線であり、カメラマウント部の前縁と、第１の軸線との為す角は１５度乃至７５度である。

【0014】

また、本発明において、好ましくは、第１の軸線はカメラマウント部の取付面と平行に向けられた平行軸線であり、第２の軸線は、カメラマウント部に向けて上方に向くように、水平面に対して傾斜している。

【0015】

さらに、本発明は、カメラを支持するジンバル装置を備えたカメラシステムであって、本発明のジンバル装置と、このジンバル装置に取り付けられたカメラと、を有することを特徴としている。

【発明の効果】

【0016】

本発明のジンバル装置、及びそれを備えたカメラによれば、取り付けられたカメラの重心移動に対し、より低出力なモータで対応することができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明の第１実施形態によるカメラシステムの外観を示す斜視図である。

【図2】本発明の第１実施形態によるカメラシステムの上面図である。

【図3】従来のジンバル装置における各モータの回転軸と、カメラの姿勢角の関係を模式的に表す説明図である。

【図4】本発明の第１実施形態によるジンバル装置における各モータの回転軸と、カメラの姿勢角の関係を模式的に表す説明図である。

【図5】本発明の第２実施形態によるカメラシステムの外観を示す斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

次に、添付図面を参照して、本発明の第１実施形態によるカメラシステムを説明する。
図１は、本発明の第１実施形態によるカメラシステムの外観を示す斜視図である。図２は、本発明の第１実施形態によるカメラシステムの上面図である。

【0019】

図１に示すように、本実施形態のカメラシステム１は、ジンバル装置２と、このジンバル装置２に取り付けられたカメラ４から構成されている。
本実施形態のカメラシステム１は、ジンバル装置２の把持部に設けられたジョイスティックを操作することにより、カメラ４を所望の方向に向けることができる。また、ジンバル装置２の種々の動作モードを選択することにより、カメラ４の視野の振れを抑制しながら、撮影者の意図に沿った撮影をすることができる。

【0020】

カメラ４は、本実施形態においては、動画撮影用のデジタルビデオカメラであり、ズーム機能を備えている。また、カメラ４は、ズーム機能により画角を変化させると、そのレンズ鏡筒４ａが伸縮するように構成されており、これに伴いカメラ４の重心位置も、カメラ４の光軸Ａに沿って移動される。なお、本実施形態においてカメラ４は、動画撮影用のデジタルビデオカメラであるが、動画撮影用、静止画撮影用の任意のカメラに本発明を適用することができる。

【0021】

図１に示すように、ジンバル装置２は、カメラ４を取り付けるためのカメラマウント部６と、このカメラマウント部６を、第１の軸線Ａ１を中心に回動させる第１モータ８と、第２の軸線Ａ２を中心に回動させる第２モータ１０と、第３の軸線Ａ３を中心に回動させる第３モータ１２と、を有する。さらに、ジンバル装置２は、カメラマウント部６と第１モータ８を連結する第１連結部材１４と、第１モータ８と第２モータ１０を連結する第２連結部材１６と、第２モータ１０と第３モータ１２を連結する第３連結部材１８と、撮影者によって把持される支持部である把持部２０と、を有する。

【0022】

また、図１は、ジンバル装置２の基本状態を示しており、この基本状態においては、第１の軸線Ａ１、第２の軸線Ａ２、及び第３の軸線Ａ３は、互いに異なる方向に向けられると共に、互いに直交している。さらに、基本状態においては、カメラ４のレンズ鏡筒４ａはワイド端（レンズ鏡筒４ａが最も短くなった状態）に設定され、この状態におけるカメラ４の重心は点Ｇ１に位置する。なお、以下では、カメラ１の質量に対して、第１乃至第３連結部材、及び第１乃至第３モータの質量は十分小さく、無視できるものとして説明する。

【0023】

図２に示すように、カメラマウント部６は、カメラ４を固定するようになった平面の取付面６ａを備えたプレート状の部材である。また、本実施形態においては、図１に示す基本状態において、取付面６ａは、第１の軸線Ａ１、及び第２の軸線Ａ２と平行に向けられ、第３の軸線Ａ３と直交するように向けられている。従って、本実施形態において、第１の軸線Ａ１及び第２の軸線Ａ２は、基本状態において取付面６ａと平行に向けられた平行軸線である。

【0024】

また、カメラマウント部６は、その前縁６ｂと、カメラ４の筐体の前縁４ｂが平行になるよう、カメラ４を取り付けるように構成されている。これにより、カメラ４は、その光軸Ａと、カメラマウント部６の前縁が直交するように、カメラマウント部６に取り付けられる。また、この状態では、カメラマウント部６の取付面６ａと、カメラ４の光軸Ａは、平行に向けられる。

【0025】

第１モータ８は、第１連結部材１４と第２連結部材１６を相対的に回動させるように設けられ、第１連結部材１４を介してカメラマウント部６に連結されている。第１モータ８は、第１連結部材１４を介してカメラマウント部６及びそれに取り付けられたカメラ４を、基本状態において、第１の軸線Ａ１を中心に回動させるように構成されている。本実施形態において、第１連結部材１４はＬ字形に屈曲して形成されており、これにより、カメラマウント部６の取付面６ａは、第１の軸線Ａ１よりも、図１における下方に位置し、取付面６ａに取り付けられたカメラ４の重心点Ｇ１は、ほぼ第１の軸線Ａ１上に位置している。

【0026】

第２モータ１０は、第２連結部材１６と第３連結部材１８を相対的に回動させるように設けられ、第２連結部材１６を介して第１モータ８に連結されている。これにより、第２モータ１０は、第２連結部材１６、第１モータ８、及び第１連結部材１４を介して、カメラマウント部６及びそれに取り付けられたカメラ４を、基本状態において、第２の軸線Ａ２を中心に回動させる。本実施形態において、第２連結部材１６は水平面内において屈曲して延びるように形成されており、これにより、第２の軸線Ａ２は、水平面内において第１の軸線Ａ１と直角に交わるように向けられる。また、カメラマウント部６に取り付けられたカメラ４の重心点Ｇ１は、概ね第１の軸線Ａ１と第２の軸線Ａ２の交点に位置している。

【0027】

第３モータ１２は、第３連結部材１８と把持部２０を相対的に回動させるように設けられ、第３連結部材１８を介して第２モータ１０に連結されている。これにより、第３モータ１２は、第３連結部材１８、第２モータ１０、第２連結部材１６、第１モータ８、及び第１連結部材１４を介して、カメラマウント部６及びそれに取り付けられたカメラ４を、基本状態において、第３の軸線Ａ３を中心に回動させる。本実施形態において、第３の軸線Ａ３は鉛直方向に向けられている。また、第３連結部材１８は鉛直面内において屈曲して延びるように形成されており、これにより、第３の軸線Ａ３は、水平方向に向けられた第１の軸線Ａ１、及び第２の軸線Ａ２と夫々直角に交わる。即ち、第１の軸線Ａ１、第２の軸線Ａ２、及び第３の軸線Ａ３は互いに直交している。また、カメラマウント部６に取り付けられたカメラ４の重心点Ｇ１は、概ね、第１の軸線Ａ１、第２の軸線Ａ２、及び第３の軸線Ａ３の交点に位置している。

【0028】

把持部２０は、第３モータ１２に取り付けられた丸棒状の部材であり、第３モータ１２の下側から下方に向かって鉛直方向に延び、撮影者によって把持される。また、把持部２０の側面には操作部２０ａが設けられており、この操作部２０ａを操作することにより、カメラマウント部６に取り付けられたカメラ４を所望の方向に向けることができる。また、操作部２０ａを操作することにより、ジンバル装置２の作動モードを選択することができ、保持モード、追随モード等を設定することができる。

【0029】

さらに、把持部２０には、第１モータ８、第２モータ１０、及び第３モータ１２を制御する制御部２０ｂが内蔵されている。制御部２０ｂは、各モータに内蔵されたロータリーエンコーダ（図示せず）、及び把持部２０に内蔵されたジャイロセンサ（図示せず）等の検出信号に基づいて、カメラ４を所定の方向に向けるために必要な、各モータの回転角を計算する。制御部２０ｂは、計算された各モータの回転角に基づいて、各モータに制御信号を送り、カメラマウント部６に取り付けられたカメラ４の姿勢を制御するように構成されている。

【0030】

また、本実施形態において、把持部２０は、鉛直方向に向けられた丸棒状の部材から構成されているが、把持部２０を種々の形状に構成することができる。例えば、把持部を、水平方向に向けられたベース部材と、その両端に設けられたハンドル部から構成される形態とすることもできる。或いは、把持部を、ジンバル装置２を種々の支持構造物に取り付けるための支持部として構成することもできる。

【0031】

ここで、上記のように、カメラ４の重心点Ｇ１（より厳密には、カメラ４及びカメラ４と一体となって回動する部分の重心点）は、各モータが回転する各軸線の交点と、ほぼ一致している。このため、カメラ４の重心に作用する重力が、各モータの軸線の周りに作用させる力のモーメントは実質的にゼロとなり、各モータが実質的にトルクを出力することなく、カメラ４は、任意の姿勢を維持することができる。

【0032】

また、本実施形態のジンバル装置２において、第３モータ１２が、制御部２０ｂによって回動されることにより、カメラ４をヨーイング（鉛直軸を中心とした回動）させることができる。一方、カメラ４をローリング（カメラ４の光軸Ａを中心とした回動）させる場合、及びピッチング（水平面内でカメラ４の光軸Ａに直交する軸線を中心とした回動）させる場合には、主として第１モータ８及び第２モータ１０が、制御部２０ｂによって同時に回動される。

【0033】

なお、従来のジンバル装置においては、基本状態において、何れか１つのモータの回転軸が、カメラの光軸に直交する軸線上に配置されており、このモータだけを回動させることにより、カメラをピッチングさせることができる。これに対して、本実施形態のジンバル装置２においては、図２に示すように、基本状態において、カメラマウント部６の前縁６ｂが、第１の軸線Ａ１、第２の軸線Ａ２に対して斜めに（非平行、且つ非直角に）向けられており、この前縁６ｂと平行にカメラ４を取り付けるように構成されている。

【0034】

このため、カメラマウント部６の取付面６ａに平行な（水平方向に向けられた）第１の軸線Ａ１及び第２の軸線Ａ２は、何れも、カメラ４の光軸Ａと直交する軸線ＡＲに対して斜めに向けられる。この結果、本実施形態のジンバル装置２においては、カメラマウント部６の取付面６ａに取り付けられたカメラ４をピッチングさせる場合には、第１モータ８及び第２モータ１０が同時に回動される。同様に、本実施形態のジンバル装置２においては、第１の軸線Ａ１及び第２の軸線Ａ２が、何れも、カメラ４の光軸Ａに対して斜めに向けられている。このため、本実施形態のジンバル装置２においては、カメラ４をローリングさせる場合にも、第１モータ８及び第２モータ１０を同時に回動させる。

【0035】

一方、カメラ４のズーム機能を使用して、レンズ鏡筒４ａの画角をテレ端側に変更した場合にはレンズ鏡筒４ａが伸長される。これに伴い、カメラ４の重心点Ｇ１は光軸Ａ方向に距離Ｌ移動し、重心点Ｇ２（図２）へ移る。このように、重心点が基本状態におけるＧ１からＧ２へ移動されると、重心点Ｇ２と、第１乃至第３の軸線の交点が一致しなくなる。この状態においては、重心点Ｇ２に作用する重力は、第１の軸線Ａ１及び第２の軸線Ａ２の周りに力のモーメントを発生する。この結果、重心点がＧ２に移動された状態では、カメラ４の姿勢を維持するために、第１モータ８及び第２モータ１０がトルクを発生する必要がある。換言すれば、カメラ１の重心点がＧ１に位置する状態では、カメラ１の姿勢を維持するために各モータに要求される出力トルクは極小にされていたが、重心点がＧ２に移動されることにより、姿勢維持のために要求される出力トルクが増大する。

【0036】

即ち、重力によって発生する力のモーメントを打ち消すために、第１モータ８は、カメラ４の重量に、第１の軸線Ａ１から重心点Ｇ２までの距離Ｌ１を乗じたトルクを発生する。また、第２モータ１０は、カメラ４の重量に、第２の軸線Ａ２から重心点Ｇ２までの距離Ｌ２を乗じたトルクを発生する。これらのトルクは、カメラ４の重量に、重心点の移動距離Ｌを乗じたトルクよりも小さくなる。このように、カメラ４の姿勢を維持するために必要なトルクの負担が、第１モータ８、第２モータ１０に分散され、各モータが生成すべきトルクが軽減される。

【0037】

これに対し、従来のジンバル装置においては、何れか１つのモータの回転軸が、カメラの光軸に直交する軸線（図２における軸線ＡＲに対応）上に配置されており、カメラの光軸方向の重心点移動に基づいて発生した力のモーメントは、その１つのモータが発生するトルクのみによって打ち消される。即ち、従来のジンバル装置においては、カメラの重心点が移動された状態においては、カメラの姿勢を維持するために、カメラの重量に、重心点の移動距離（図２における距離Ｌに対応）を乗じたトルクを、１つのモータで発生させる必要がある。

【0038】

このため、従来のジンバル装置においては、カメラの重心点が移動された場合に、カメラの姿勢を維持するために発生させるトルクが１つのモータに集中してしまう。この結果、カメラの姿勢維持に使用されるモータに、大型の強力なモータを採用する必要がある。また、カメラの姿勢維持に使用されるモータとして、他のモータと同一のものを採用した場合には、姿勢維持に使用されるモータが生成可能なトルクに余裕が少なくなり、ジンバル装置の応答性が低下してしまう。

【0039】

また、上述したように、第１モータ８は、基本状態においてカメラマウント部６を第１の軸線Ａ１を中心に回動させ、第２モータ１０は、基本状態においてカメラマウント部６を第２の軸線Ａ２を中心に回動させ、第３モータ１２は、基本状態においてカメラマウント部６を第３の軸線Ａ２を中心に回動させる。これらの関係は、ジンバル装置２が基本状態から外れることにより変化するが、基本状態から外れた状態においても、同様に、各モータが生成すべきに出力トルクを軽減する効果が発揮される。

【0040】

以上の説明は、上記のようにカメラ１の質量に対して、第１乃至第３連結部材、及び第１乃至第３モータの質量が十分小さく、無視できる場合のものであるが、実際には各連結部材及び各モータには質量があり、これらが無視できない場合もある。しかしながら、各連結部材及び各モータの質量が無視できない場合であっても、これらの質量も含めて、基本状態を維持するために各モータに要求される出力トルクが極小となるように、ジンバル装置２を設計することが可能である。或いは、基本状態を維持するために要求される各モータの出力トルクを極小にできるよう、ジンバル装置２を調整可能に設計することも可能である。なお、これらの場合には、カメラ４自体の重心点は必ずしも第１乃至第３の軸線上には位置せず、第１乃至第３の軸線は必ずしも交差しない。

【0041】

さらに、上記のように第１乃至第３の軸線上に、カメラ４自体の重心点が位置しない場合であっても、ズーム機能の使用等によりカメラ４の重心が移動されると、カメラ４の姿勢を維持するために各モータに要求される出力トルクが極小値よりも増大することは同様である。しかしながら、このような場合であっても、本実施形態のジンバル装置２のように、第１の軸線Ａ１及び第２の軸線Ａ２を、カメラ４の光軸Ａと直交する軸線ＡＲに対して斜めに配置することにより、カメラ４の姿勢を維持するために要求されるトルクを複数のモータに振り分けることができ、各モータのトルク負担を軽減する効果を得ることができる。即ち、第１乃至第３の軸線上に、カメラ４自体の重心点が位置しない場合においても、上記で説明した本実施形態のジンバル装置２と同様の効果を得ることができる。

【0042】

次に、図３及び図４を参照して、制御部２０ｂによる各モータの制御を説明する。
図３は、従来のジンバル装置における各モータの回転軸と、カメラの姿勢角の関係を模式的に表す説明図である。図４は、本発明の第１実施形態によるジンバル装置２における各モータの回転軸と、カメラ４の姿勢角の関係を模式的に表す説明図である。

【0043】

まず、図３に示すように、従来のジンバル装置においては、第１モータ８’の回転軸がカメラのピッチ軸ｙの方向に向けられ、第２モータ１０’の回転軸がカメラの光軸と一致したロール軸ｘの方向に向けられ、第３モータ１２’の回転軸がカメラのヨー軸ｚの方向に向けられている。このため、カメラを角度ｖだけピッチングさせる場合には第１モータ８’を角度ｖ回動させれば良い。同様に、カメラを角度ｕだけローリングさせる場合には第２モータ１０’を角度ｕ回動させ、角度ｗだけヨーイングさせる場合には第３モータ１２’を角度ｗ回動させる。

【0044】

これらのロール軸ｘ回りの角度ｕの回動、ピッチ軸ｙ回りの角度ｖの回動、及びヨー軸ｚ回りの角度ｗの回動に夫々対応する回転行列Ｒ_x（ｕ）、Ｒ_y（ｖ）、Ｒ_z（ｗ）は、次の数式（１）～（３）のように表すことができる。

【0045】

従って、カメラ側から順にピッチ軸用、ロール軸用、ヨー軸用のモータが設けられた従来のジンバル装置において、ロール軸ｘ、ピッチ軸ｙ、ヨー軸ｚ回りの回動が同時に行われた場合のカメラの回動を表す回転行列Ｒ_gcは、数式（４）により計算することができる。

【0046】

次に、本実施形態のジンバル装置２においては、図２に示すように、カメラ４の光軸Ａが、第１の軸線Ａ１（ピッチ軸ｙ）及び第２の軸線Ａ２（ロール軸ｘ）に対して斜めに向けられている。このため、単に第１モータ８を回動させ、第１の軸線Ａ１の周りにカメラを回動させても、カメラ４は純粋なピッチング運動（ローリング、ヨーイングを含まないピッチング）をしない。本実施形態においては、制御部２０ｂ（図１）は、カメラ４に純粋なピッチング運動をさせる場合には、第１モータ８に加え、第２モータ１０、第３モータ１２をも作動させる。以下では、カメラ４が、ヨー軸ｚ回りに角度ａ回動して取り付けられている場合における制御部２０ｂによる各モータの制御を説明する。

【0047】

上記のように、本実施形態のジンバル装置２においては、図４に示すように、カメラ４の光軸Ａがヨー軸ｚ周りに角度ａ回動された状態にあり、光軸Ａがロール軸ｘ、ピッチ軸ｙに対して斜めにされている。なお、角度ａの絶対値は９０゜未満とする。この状態におけるカメラの姿勢を表す回転行列Ｒ_gは、ヨー軸ｚ周りの角度ａの回転行列Ｒ_z（ａ）を数式（４）に右側から乗じることにより、求めることができる。即ち、数式（５）により、カメラの姿勢を表す回転行列Ｒ_gを求めることができる。

【0048】

ここで、カメラ４を角度ｂだけピッチングさせるために必要な各モータの回転角度ｕ、ｖ、ｗは、角度ｂのピッチングを表す回転行列Ｒ_pitch＝Ｒ_y（ｂ）の各要素を、回転行列Ｒ_gの各要素と等置することにより、数式（６）に基づいて求めることができる。

【0049】

数式（６）において、ｒ₃₁、ｒ₃₂に注目すると、

数式（７）（８）よりｃｏｓ ｕ ｓｉｎ ｖを消去すると、

となる。なお、０゜＜｜ａ｜＜９０゜より、ｓｉｎ ａ≠０、ｃｏｓ ａ≠０である。数式（９）をｓｉｎ ｕについて解くと、

が得られ、数式（１０）をｕについて解くと、

となる。なお、数式（１１）は、０゜＜｜ａ｜＜９０゜から導かれる数式（１０）の解のうち、基本状態のｕ＝０を含む－９０゜＜ｕ＜＋９０゜の条件を満足する解を選択した。

【0050】

次に、数式（８）をｓｉｎ ｖについて解くと、

となる。なお、０゜＜｜ａ｜＜９０゜より、ｓｉｎ ａ≠０、ｃｏｓ ｕ≠０である。数式（１２）のｓｉｎ ｕに数式（１０）を代入すると共に、ｃｏｓ ｕに三角関数の公式

を代入して整理すると、

となる。数式（１３）より、ｂ＝－９０゜のときｖ＝－９０゜であり、ｂ＝＋９０゜のときｖ＝＋９０゜であることがわかる。

【0051】

一方、数式（６）において、ｒ₃₃に注目すると、

の関係が成り立つ。数式（１４）を、上記のｂとｖの関係を満足するようにｖについて解くと、

が得られる。

【0052】

次に、数式（６）において、ｒ₁₁、ｒ₁₂に注目すると、

の関係が得られる。数式（１６）（１７）からｃｏｓ ｗｃｏｓ ｖを消去すると、

となる。なお、０゜＜｜ａ｜＜９０゜より、ｓｉｎ ａ≠０、ｃｏｓ ｕ≠０である。さらに、数式（１８）に、上述した三角関数の公式、及び数式（１０）を代入し、ｓｉｎ ｗについて解くと、

となる。数式（１９）をｗについて解くと、

となる。ただし、ｂ＝０の場合において、基本状態でｕ＝０、ｖ＝０となり、解がｗ＝－ａを含む（この場合において、カメラ４をヨー軸ｚ周りに角度ａだけ回動させることにより、カメラ４が被写体に向けられる）条件を満足するように解を選択した。

【0053】

以上のように、カメラ４を角度ｂピッチング運動させる場合には、制御部２０ｂは各モータに信号を送り、第１モータ８を数式（１５）によって計算される角度ｖ、第２モータ１０を数式（１１）によって計算される角度ｕ、第３モータ１２を数式（２０）によって計算される角度ｗ回動させる。このように、本実施形態のジンバル装置２は、カメラ４に純粋なピッチング運動をさせるために、第１乃至第３モータを上記のように回動させる。例えば、把持部２０に設けられた操作部２０ａによって、カメラ４がピッチング運動するよう操作がなされた場合には、制御部２０ｂは数式（１５）（１１）（２０）に従って回転角を計算し、各モータに制御信号を送る。

【0054】

次に、カメラ４を角度ｃだけローリングさせるために必要な各モータの回転角度ｕ、ｖ、ｗは、角度ｃのローリングを表す回転行列Ｒ_roll＝Ｒ_x（ｃ）の各要素を、回転行列Ｒ_gの各要素と等置することにより、数式（２１）に基づいて求めることができる。

【0055】

数式（２１）において、ｒ₃₁、ｒ₃₂に注目すると、

数式（２２）（２３）よりｃｏｓ ｕ ｓｉｎ ｖを消去すると、

となる。なお、０゜＜｜ａ｜＜９０゜より、ｓｉｎ ａ≠０、ｃｏｓ ａ≠０である。数式（２４）をｓｉｎ ｕについて解くと、

が得られ、数式（２５）をｕについて解くと、

となる。なお、数式（２６）は、０゜＜｜ａ｜＜９０゜から導かれる数式（２５）の解のうち、基本状態のｕ＝０゜を含む、－９０゜＜ｕ＜＋９０゜の条件を満足する解を選択した。

【0056】

次に、数式（２２）をｓｉｎ ｖについて解くと、

となる。なお、０゜＜｜ａ｜＜９０゜より、ｃｏｓ ａ≠０、－９０゜＜ｕ＜＋９０゜より、ｃｏｓ ｕ≠０である。数式（２７）のｓｉｎ ｕに数式（２５）を代入すると共に、ｃｏｓ ｕに三角関数の公式

を代入して整理すると、

となる。数式（２８）より、ｃ＝－９０゜のときｖ＝－９０゜であり、ｃ＝＋９０゜のときｖ＝＋９０゜であることがわかる。

【0057】

一方、数式（２１）において、ｒ₃₃に注目すると、

の関係が成り立つ。数式（２９）を、上記のｃとｖの関係を満足するようにｖについて解くと、

が得られる。

【0058】

次に、数式（２１）において、ｒ₂₁、ｒ₂₂に注目すると、

の関係が得られる。数式（３１）（３２）からｓｉｎ ｗｃｏｓ ｖを消去すると、

となる。なお、０゜＜｜ａ｜＜９０゜より、ｓｉｎ ａ≠０、ｃｏｓ ａ≠０である。さらに、数式（３３）に、上述した三角関数の公式、及び数式（２５）を代入し、ｃｏｓ ｗについて解くと、

となる。数式（３４）をｗについて解くと、

となる。ただし、ｃ＝０の場合において、基本状態でｕ＝０、ｖ＝０となり、解がｗ＝－ａを含む（この場合において、カメラ４をヨー軸ｚ周りに角度ａだけ回動させることにより、カメラ４が被写体に向けられる）条件を満足するように解を選択した。

【0059】

即ち、カメラ４を角度ｃだけローリング運動させる場合には、制御部２０ｂは各モータに信号を送り、第１モータ８を数式（３０）によって計算される角度ｖ、第２モータ１０を数式（２６）によって計算される角度ｕ、第３モータ１２を数式（３５）によって計算される角度ｗ回動させる。このように、本実施形態のジンバル装置２は、カメラ４に純粋なローリング運動をさせるために、第１乃至第３モータを上記のように回動させる。例えば、把持部２０に設けられた操作部２０ａによって、カメラ４がローリング運動するよう操作がなされた場合には、制御部２０ｂは数式（３０）（２６）（３５）に従って回転角を計算し、各モータに制御信号を送る。

【0060】

なお、カメラ４を所定の角度ヨーイング運動させる場合には、制御部２０ｂは第３モータ１２のみをその角度だけ回動させる。

【0061】

このように、制御部２０ｂは、各軸周りの回転行列を合成して、座標変換をすることにより、カメラ４を所望の方向に向けるために必要な各モータの回転角度を計算し、各モータに制御信号を出力する。具体的には、各モータの回転軸が、ピッチ軸、ロール軸、ヨー軸方向に夫々向けられている基本的なジンバル装置の回転行列Ｒ_gcに、カメラ４の光軸Ａの傾きを表す回転行列を乗じることにより、本実施形態のジンバル装置２における回転行列Ｒ_gを計算し、カメラ４の姿勢を計算する。さらに、カメラ４を所望の方向に向けるために必要な第１モータ８、第２モータ１０、第３モータ１２の回転角度は、回転行列Ｒ_gに基づいて計算される。

【0062】

図３に示すように、従来のジンバル装置では、カメラから近い順に、カメラをピッチ軸ｙ周りに回動させる第１モータ８’、ロール軸ｘ周りに回動させる第２モータ１０’、ヨー軸ｚ周りに回動させる第３モータ１２’が配置され、カメラの光軸Ａはロール軸ｘと平行にされていた。このような基本的なジンバル装置に対し、本実施形態のジンバル装置２では、図４に示すように、カメラ４の光軸Ａが角度ａだけ、第１モータ８の方を向くように斜めにされている。即ち、本実施形態においては、水平面内において、カメラ４の光軸Ａとロール軸ｘ（第２モータ１０の回転軸）の為す角が角度ａとなるように、光軸Ａが斜めにされている。

【0063】

この角度ａは約４５度程度に設定するのが良く、これにより、カメラ４の重心点が光軸Ａ方向に移動した場合における第１モータ８と第２モータ１０の発生トルクの負担を均等に近くすることができ、各モータの負担を軽減することができる。好ましくは、角度ａは約１５度乃至約７５度に設定し、より好ましくは、約４０度乃至約５０度に設定する。また、カメラ４の光軸Ａは、第１モータ８の方を向くように斜めにされるのが良い。これにより、図２に示すように、カメラ４の後方に空間ができるため、ファインダーを覗く撮影者の視界が、第２モータ１０や、第２連結部材１６によって妨げられるのを防止することができる。

【0064】

なお、本実施形態のジンバル装置２は、カメラ４から近い順に、カメラ４をピッチ軸ｙ、ロール軸ｘ、ヨー軸ｚ周りに回動させるモータが配置され、ロール軸ｘに対してカメラ４の光軸Ａが斜めにされている。これに対して、変形例として、各モータの回転軸を配置する順序は、適宜変更することができる。例えば、カメラ４から近い順に、ロール軸ｘ、ピッチ軸ｙ、ヨー軸ｚ周りにカメラ４を回動させるモータを配置しても良い。

【0065】

本発明の第１実施形態のジンバル装置２によれば、平行軸線である第１の軸線Ａ１、第２の軸線Ａ２が、取付面６ａと平行、且つカメラ４の光軸Ａと直交する軸線ＡＲに対して斜めに向けられているので、カメラ４の光軸Ａ方向の重心移動に対し、より低出力なモータで対応することができる。

【0066】

また、本実施形態のジンバル装置２によれば、制御部２０ｂは、第１、第２、第３モータを同時に回動させることにより、カメラ４をピッチング運動させる。このため、カメラ４の重心が光軸Ａ方向に移動されたとき、カメラ４の姿勢を維持するためのトルクが複数のモータに分散され、各モータの負担を軽減することができる。

【0067】

さらに、本実施形態のジンバル装置２によれば、第１の軸線Ａ１及び第２の軸線Ａ２がカメラマウント部６の取付面６ａと平行に向けられた平行軸線であり、制御部２０ｂは、主として第１モータ８及び第２モータ１０を同時に回動させることにより、カメラ４をピッチング運動させる。このため、第３の軸線Ａ３は鉛直方向に向けられるので、第１モータ８、第２モータ１０、第１連結部材１４、第２連結部材１６、及び第３連結部材１８を駆動すべき第３モータ１２の負担が軽減され、各モータの負担を分散させることができる。

【0068】

また、本実施形態のジンバル装置２によれば、第１の軸線Ａ１はカメラマウント部６の取付面６ａと平行に向けられた平行軸線であり、取付面６ａと平行、且つカメラ４の光軸Ａと直交する軸線ＡＲと、第１の軸線Ａ１との為す角は約４５度である。このため、カメラ４の重心が光軸Ａ方向に移動されたとき、カメラ４の姿勢を維持するためのトルクが第１モータ８と第２モータ１０でほぼ均等に分散され、各モータの負担を軽減することができる。

【0069】

次に、図５を参照して、本発明の第２実施形態によるカメラシステム１００を説明する。
図５は、本発明の第２実施形態によるカメラシステムの外観を示す斜視図である。本実施形態のカメラシステムは、そのジンバル装置の第２の軸線が向けられている方向が、上述した第１実施形態とは異なる。従って、ここでは、本発明の第２実施形態の、第１実施形態とは異なる部分のみを説明し、同様の構成については説明を省略する。

【0070】

図５に示すように、本実施形態のカメラシステム１００は、ジンバル装置１０２と、このジンバル装置１０２に取り付けられたカメラ１０４から構成されている。
図５に示すように、ジンバル装置１０２は、カメラ１０４を取り付けるためのカメラマウント部１０６と、このカメラマウント部１０６を、第１の軸線Ａ１を中心に回動させる第１モータ１０８と、第２の軸線Ａ２を中心に回動させる第２モータ１１０と、第３の軸線Ａ３を中心に回動させる第３モータ１１２と、を有する。さらに、ジンバル装置１０２は、カメラマウント部１０６と第１モータ１０８を連結する第１連結部材１１４と、第１モータ１０８と第２モータ１１０を連結する第２連結部材１１６と、第２モータ１１０と第３モータ１１２を連結する第３連結部材１１８と、撮影者によって把持される支持部である把持部１２０と、を有する。また、カメラ１０４は、カメラマウント部１０６の取付面１０６ａに固定される。

【0071】

また、図５は、ジンバル装置１０２の基本状態を示しており、この基本状態においては、第１の軸線Ａ１、第２の軸線Ａ２、及び第３の軸線Ａ３は、互いに異なる方向に向けられている。また、第１実施形態においては、第１乃至第３の軸線は互いに直交していたが、本実施形態においては、第２の軸線Ａ２がカメラマウント部１０６に向けて上方に向くように、水平面に対して傾斜している。これにより、カメラ１０４を第２の軸線Ａ２を中心に回動させる第２モータ１１０が、カメラ１０４よりも下方に位置するため、カメラ１０４の後方に撮影者の視界を遮るものがなく、撮影者はファインダーを容易に覗くことができる。

【0072】

さらに、本発明の第１実施形態のジンバル装置２においては、第１の軸線Ａ１及び第２の軸線Ａ２が、カメラマウント部６の取付面６ａに平行な平行軸線であった。これに対し、本実施形態のジンバル装置１０２においては、第１の軸線Ａ１のみが、カメラマウント部１０６の取付面１０６ａに平行な平行軸線である。本実施形態においても、カメラ１０４は斜めに取り付けられるため、取付面１０６ａと平行、且つカメラ１０４の光軸Ａと直交する軸線ＡＲは、平行軸線である第１の軸線Ａ１に対して斜めに向けられている。

【0073】

このため、カメラ１０４の重心点が光軸Ａ方向に移動された場合において、重心点に作用する重力に基づく力のモーメントを打ち消すトルクが、第１モータ１０８のみによって負担されることはなく、主として、第１モータ１０８及び第２モータ１１０によって負担される。これにより、本実施形態においても、カメラ１０４の重心点が移動された場合において、カメラ１０４の姿勢を維持するために必要なトルクの負担が１つのモータに集中せず、トルク負担を軽減することができる。

【0074】

また、本実施形態においても把持部１２０には制御部（図示せず）が内蔵され、この制御部により第１乃至第３モータが制御されている。本実施形態における各モータの回転角の制御についても、第１実施形態と同様に、回転行列を合成することにより計算することができる。

【0075】

以上、本発明の実施形態を説明したが、上述した実施形態に種々の変更を加えることができる。特に、上述した実施形態において、ジンバル装置は撮影者が把持して使用するように構成されていたが、台座等の任意の構造物に取り付けて使用するタイプのジンバル装置に本発明を適用することもできる。また、上述した実施形態においては、把持部はカメラの下方に配置されていたが、カメラを上方から吊り下げるタイプのジンバル装置に本発明を適用することもできる。さらに、上述した実施形態においては、制御部は把持部に内蔵されていたが、制御部は、ジンバル装置の任意の位置に内蔵させることができると共に、複数の部材に分散して内蔵することもできる。また、上述した実施形態においては、カメラはカメラマウント部の取付面に取り付けられていたが、カメラとカメラマウント部を一体としたカメラシステムを構成することもできる。

【0076】

また、上述した実施形態において、レンズ鏡筒は、画角がワイド端側に設定されたときレンズ鏡筒が最も短くなり、テレ端側に設定されたとき最も長くなるように構成されていた。これに伴い、カメラの重心は、レンズ鏡筒がワイド端側に設定されたとき最も撮影者の近くに位置し、テレ端側に設定されたとき最も撮影者から離れて位置していた。また、ジンバル装置は、レンズ鏡筒がワイド端側に設定された基本状態において、カメラの姿勢を維持するために必要な各モータの出力トルクが極小になるように構成されていた。しかしながら、設定画角と重心位置の関係が上記とは異なるカメラにも本発明を適用することもでき、また、フォーカス調整によって重心位置が移動するカメラにも本発明を適用することもできる。さらに、上述した実施形態においては、カメラの重心が最も撮影者の近くに位置する状態で、姿勢を維持するために必要な出力トルクが極小になるように構成されていたが、これ以外の重心位置で出力トルクが極小になるように、本発明のジンバル装置を構成することもできる。例えば、カメラの重心が移動する範囲の中間点において、姿勢を維持するために必要な出力トルクが極小になるように本発明を構成することも好適である。

【符号の説明】

【0077】

１ カメラシステム
２ ジンバル装置
４ カメラ
４ａ レンズ鏡筒
４ｂ 前縁
６ カメラマウント部
６ａ 取付面
６ｂ 前縁
８ 第１モータ
１０ 第２モータ
１２ 第３モータ
１４ 第１連結部材
１６ 第２連結部材
１８ 第３連結部材
２０ 把持部（支持部）
２０ａ 操作部
２０ｂ 制御部
１００ カメラシステム
１０２ ジンバル装置
１０４ カメラ
１０６ カメラマウント部
１０６ａ 取付面
１０８ 第１モータ
１１０ 第２モータ
１１２ 第３モータ
１１４ 第１連結部材
１１６ 第２連結部材
１１８ 第３連結部材
１２０ 把持部（支持部）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】