(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ペイロードを支持構造体の角運動から隔離する被安定化プラットホーム装置であって、
支持構造体に固定自在になっているベース集成体と、
ベース集成体に担持され、かつ、２つ以上の異なる軸線を中心にベース集成体に対して角運動を行うように取着されたペイロード安定化集成体とを備え、前記軸線のうち第１の軸線以外の軸線の各々はそれぞれの先行順位の軸線を中心として回動し、
軸線の少なくとも１つはその先行順位の軸線に対して非直角をなすとともに、ベース集成体に対して制限された角運動を行うように取着され、
前記軸線は共通のポイントにおいて遭遇する延長部を有することを特徴とする被安定化プラットホーム装置。
【請求項２】
ペイロードを支持構造体の角運動から隔離する被安定化プラットホーム装置であって、
支持構造体に固定自在になっているベース集成体と、
ベース集成体に担持され、かつ、２つ以上の異なる軸線を中心にベース集成体に対して角運動を行うように取着されたペイロード安定化集成体とを備え、前記軸線のうち第１の軸線以外の軸線の各々はそれぞれの先行順位の軸線を中心として回動し、
軸線の少なくとも１つはその先行順位の軸線に対して非直角をなすとともに、ベース集成体に対して制限された角運動を行うように取着され、
前記軸線は共通のポイントにおいて遭遇する延長部を有し、
前記２つ以上の異なる軸線は３つの軸線であり、
ペイロード安定化集成体は、
前記３つの軸線のうちの第１の軸線を中心としてベース集成体に対して制限された角運動を行うようにベース集成体に１端が回動自在に取着された第１の角度調整アームと、
前記３つの軸線のうちの第２の軸線を中心として第１の角度調整アームに対して制限された角運動を行うように第１の角度調整アームの別の端部に１端が回動自在に取着された第２の角度調整アームと、
前記３つの軸線のうちの第３の軸線を中心として第２の角度調整アームに対して制限された角運動を行うように第２の角度調整アームの別の端部に回動自在に取着されたペイロードキャリヤとを備えることを特徴とする被安定化プラットホーム装置。
【請求項３】
前記共通のポイントは前記ペイロードの周辺部内にあることを特徴とする請求項１または２に記載の被安定化プラットホーム装置。
【請求項４】
前記２つ以上の異なる軸線は３つの軸線であり、
ペイロード安定化集成体は、
前記３つの軸線のうちの第１の軸線を中心としてベース集成体に対して制限された角運動を行うようにベース集成体に１端が回動自在に取着された第１の角度調整アームと、
前記３つの軸線のうちの第２の軸線を中心として第１の角度調整アームに対して制限された角運動を行うように第１の角度調整アームの別の端部に１端が回動自在に取着された第２の角度調整アームと、
前記３つの軸線のうちの第３の軸線を中心として第２の角度調整アームに対して制限された角運動を行うように第２の角度調整アームの別の端部に回動自在に取着されたペイロードキャリヤとを備えることを特徴とする請求項１に記載の被安定化プラットホーム装置。
【請求項５】
少なくとも３つの磁気トルクモータのアレイを備え、各モータはベース集成体により担持される電気励磁コイル部及びペイロード安定化集成体により担持される磁気構造部を有し、各磁気トルクモータはペイロード安定化集成体を位置決めする力が印加される能動軸を有するとともに他の２つの軸線を中心とする運動の自由度を有しており、更にいずれかの回転軸を中心として制御されたモーメントをペイロード安定化集成体に印加するようにモータの励磁を制御するコントローラを備えることを特徴とする請求項１または２に記載の被安定化プラットホーム装置。
【請求項６】
第１の部分がベース集成体に担持され、かつ、第２の部分がペイロード安定化集成体により担持されるとともに、エアギャップが前記第１の部分と第２の部分との間に画成されている少なくとも１つの容量角度センサを備えており、前記容量角度センサは前記第１の部分と前記第２の部分との相対的な動きに応答することによりベース集成体に対するペイロード安定化集成体の角度位置を示す信号を提供することを特徴とする請求項１または２に記載の被安定化プラットホーム装置。
【請求項７】
ペイロード安定化集成体は、所定の軸を中心とするペイロード安定化集成体の角運動の信号を提供するように動作する少なくとも１つの角速度センサを担持することを特徴とする請求項１または２に記載の被安定化プラットホーム装置。
【請求項８】
角速度センサは繊維光学ジャイロであることを特徴とする請求項７に記載の被安定化プラットホーム装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ペイロード(payload)を支持構造体の角運動から隔離する被安定化プラットホームシステム即ち装置(stabilized platform system)に関する。
【０００２】
【従来の技術】
映画用カメラ及びビデオカメラのような画像形成装置は、所望の視点を得るために、不安定な構造体に一層頻繁に取着されるようになってきているので、像安定化装置の必要性がより高まっている。今日使用されている焦点長さの大きいビデオレンズを用いた場合には、スタジオのコンクリートの床に置いた三脚台であっても、望ましくない動きを伝えて、撮影即ちショットを台無しにする可能性がある。足場、クレーン及び移動車両はいずれも、有意のレベルの動きを伝えるので、焦点長さの大きい画像装置の使用が制限されてしまう。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
かかる問題は、１９７２年２月１日付けで付与されたリービット(Leavitt)等の米国特許第３，６３８，５０２号及び１９９１年２月５日付けで付与されたグッドマンの米国特許第４，９８９，４６６号に記載されているような被安定化プラットホームシステム即ち装置を使用することにより解消することができる。しかしながら、これらの特許に記載されているプラットホーム装置は、例えば、複雑であり、サイズが大きく、しかも重量があるといったような多くの欠点をもっている。
【０００４】
１９９９年４月２７日に付与されたトリッチュー(Tritchew)等の米国特許第５，８９７，２２３号には、支持構造体の角運動及び並進振動からペイロードを隔離する改良された被安定化プラットホームが記載されている。本明細書においては、この米国特許を引用してその説明に代える。このプラットホーム装置は、ペイロードを担持する内側ジンバルと、ピッチ軸、ロール軸及びヨー軸を中心とする限定された量の角運動を内側ジンバルが行うことができるように内側ジンバルを担持するばね付勢されたシェル(sprung shell)と、ばね付勢されたシェル及び内側ジンバルを含む外側ジンバルと、ばね付勢シェルと外側ジンバルとの間に連結されるとともに、ばね付勢シェルの両側に対称に配列された２つの減衰コイルばねが配置されている受動振動アイソレータとを有している。内側ジンバルと外側ジンバルとの間で測定される角度位置は、エラー信号として使用されて、外側ジンバルを内側ジンバルに追従するように駆動することにより、大きな範囲のステアリング動作を許容するようになっている。
【０００５】
このように構成された、トリッチューの特許、即ち、米国特許第５，８９７，２２３号に記載のプラットホーム装置は、上記したリービット等の特許及びグッドマンの特許を改良するものであるが、ユニバーサルジョイントと支持構造体が、依然として、内側ジンバルの中央領域を占有している。大型のビデオカメラ及びフィルムカメラのような単一のセンサを使用する場合には、トリッチューの特許のプラットホーム装置では、大型の釣合重りを使用することにより、センサを中央のピボットを中心として釣り合わせる必要がある。従って、このようなセンサに対するかかるプラットホームのサイズと重量は、有意のものとなる。
【０００６】
中央領域を開放する従来のジンバル方法は、支持軸を介して互いに直交して連結されるとともに、ペイロードの周囲に配置された大型のジンバルリングを使用する必要がある。かかる大型のリングは、構造的な共振及び慣性作用により装置の性能を制限するものとなる。
【０００７】
このような先行技術のプラットホーム装置が遭遇する別の問題点として、映画及び放送産業において現在使用されている標準的なフィルムまたはビデオのカメラパッケージにかかる装置を適用することが困難であるということがある。これに代えて、特注のカメラパッケージが、ジンバル装置に関して操作することができるように設計されている。ある程度の互換性がこれらの装置に組み込まれているが、このカメラパッケージは、注文設計の特性を依然として有するものとなっている。
【０００８】
標準的なカメラパッケージを利用することができるように、数多くの非安定化カメラステアリングヘッドが開発されている。かかるステアリングヘッドは、カメラの望ましくない動きに寄与する低周波の構造的な共振を起こしやすい大きな開放構造体を備える傾向にある。このようなステアリングヘッドを安定化させるために、幾つかの試みがなされている。しかしながら、これらの大型の開放構造体のトルクは、得られる装置の帯域幅を著しく制限するものとなる。
【０００９】
本発明の目的は、先行技術の上記した課題を少なくとも実質上解決することができる被安定化プラットホーム装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、ペイロードを支持構造体の角運動(angular motion)から隔離する被安定化プラットホーム装置が提供されている。この被安定化プラットホーム装置は、支持構造体に固定自在になっているベース集成体と、ベース集成体に担持されかつ２つ以上の異なる軸線を中心にベース集成体に対して角運動を行うように取着されたペイロード安定化集成体(payload stabilizing assembly)とを備えている。軸線のうち第１の軸線以外の軸線の各々はそれぞれの先行順位の軸線を中心として回動する。軸線の少なくとも１つは、その先行順位の軸線に対して非直角をなすとともに、ベース集成体に対して制限された角運動を行うように取着されている。軸線は、共通のポイント(common point)において遭遇する延長部を有しており、共通のポイントは、ペイロードの周辺部内にあるのが好ましい。なお、先行順位の軸線は、複数の軸線を第１の軸線、第２の軸線、第３の軸線などど番号を付して区別したとき、先の順位にある軸線を意味するものであり、第２の軸線の先行順位の軸線は第１の軸線であり、第３の軸線の先行順位の軸線は第２の軸線である。
【００１１】
ペイロード安定化集成体は、３つの軸線を中心にベース集成体に対して角運動を行うように取着されており、前記３つの軸線のうちの第１の軸線を中心としてベース集成体に対して制限された角運動を行うようにベース集成体に１端が回動自在に取着された第１の角度調整アーム(angular adjustment arm)と、前記３つの軸線のうちの第２の軸線を中心として第１の角度調整アームに対して制限された角運動を行うように第１の角度調整アームの別の端部に１端が回動自在に取着された第２の角度調整アームと、前記３つの軸線のうちの第３の軸線を中心として第２の角度調整アームに対して制限された角運動を行うように第２の角度調整アームの別の端部に回動自在に取着されたペイロードキャリヤとを備えることができる。
【００１２】
プラットホーム装置はまた、少なくとも３つの磁気トルクモータのアレイを備えることができ、各モータはベース集成体により担持される電気励磁(electrically energizable)コイル部及びペイロード安定化集成体により担持される磁気構造部を有し、各磁気トルクモータはペイロード安定化集成体を位置決めする力が印加される能動軸(active axis)を有するとともに、他の２つの軸を中心とする運動の自由度を有しており、プラットホーム装置は更に、いずれかの回転軸を中心として制御されたモーメントをペイロード安定化集成体に印加するようにモータの励磁を制御するコントローラを備えることができる。
【００１３】
被安定化プラットホーム装置は、第１の部分がベース集成体に担持され、第２の部分がペイロード安定化集成体により担持されるとともに、エアギャップが前記第１の部分と第２の部分との間に画成された少なくとも１つの容量角度センサ(capacitive angle sensor)を備えることができ、前記容量角度センサは、第１の部分と第２の部分との相対的な動きに応答することによりベース集成体に対するペイロード安定化集成体の角度位置を示す信号を提供するように構成することができる。
【００１４】
ペイロード安定化集成体は、所定の軸線を中心とするペイロード安定化集成体の角運動の信号を提供するように動作する少なくとも１つの角速度センサを担持することができる。
【００１５】
角速度センサは、繊維光学ジャイロとすることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を、添付図面に示す実施の形態に関して説明する。
【００１７】
図１について説明すると、カメラのブームのような支持構造体（図示せず）に固着することができる、ベース集成体の形態をなした外側ジンバルと、ペイロード安定化集成体の形態をなす内側ジンバルと、２個構成のケーシング１６とを有する被安定化プラットホーム装置が示されている。
【００１８】
ベース集成体１２は、支持構造体に対してボルト（図示せず）により固定することができる８角形のベース部材１８を有している。ベース部材１８は、周辺に略等間隔で離隔配置され、かつ、上方及び外方へ斜めに延びるように配置された４つのトルクモータの電気励磁コイル部２０を担持している。この種のトルクモータは、上記した米国特許第５，８９７，２２３号において、より詳細に説明されている。ベース部材１８はまた、隣接した対をなすモータコイル部２０間に配置され、かつ、ベース部材１８の周辺部から上方及び外方へ斜めに延びる１対の容量角度センサの、直径方向に対向する容量センサアレイ２２を担持している。この種の容量角度センサもまた、米国特許第５，８９７，２２３号において説明されている。
【００１９】
ベース部材１８の中央部には、以下において一層詳細に説明するように、ペイロード安定化集成体１４の動きを制限する円形のストップ部２４が設けられている。ベース部材１８はまた、ベース部材１８の周辺部から上方及び外方へ延びるとともに、隣接した対をなすモータコイル部２０間に配置されている、ペイロード安定化集成体１４の取り付けアーム２６を担持しており、容量センサアレイ２２を挟持する１対のモータコイル部２０が取り付けアーム２６のそれぞれの側に配置されるようになっている。
【００２０】
次に、図２及び３について説明すると、ペイロード安定化集成体１４は、ベース集成体１２の取り付けアーム２６にボルト（図示せず）により固定することができる取り付けアーム２８を有している。参照番号３０で示されている第１の角度調整アームが配設されており、この調整アーム３０は、一端が、以下においてより詳細に説明するように上方及び内方へ傾斜して画定されている軸線Ａ（第１の軸線）を中心として取り付けアーム２８に対して制限された量の角運動を行うことができるように、取り付けアーム２８にベアリング３２により回動自在に取着されている。第２の角度調整アーム３４が配設されており、この第２の角度調整調整アーム３４は、一端が、以下において一層詳細に説明するように、上方及び内方へ傾斜して画定された軸線Ｂ（第２の軸線）を中心として第１の調整アーム３０に対して制限された量の角運動を行うことができるように、第１の調整アーム３０の他端にベアリング３６により回動自在に取着されている。
【００２１】
ペイロードキャリヤ４０が、垂直軸線Ｃ（第３の軸線）を中心として、第２の調整アーム３４に対して制限された量の角運動を行うことができるように、第２の調整アーム３４の他端にベアリング４２により回動自在に取着されている。軸線Ａ、Ｂ及びＣは、延長すると、ペイロード安定化集成体から上方へ幾分離れた距離のところにあり、かつ、ペイロードが取着されたときに、ペイロード（図示せず）の周辺部内にあるポイントＤにおいて遭遇する。図１に示すように、安定化集成体１４の直交するロール(role)軸ｘ、ピッチ(pitch)軸ｙ及びヨー(yaw)軸ｚは、軸線Ａ、Ｂ及びＣが遭遇するポイントＤにおいて遭遇するとともに、該ポイントを通過するように画定されている。
【００２２】
図１及び２について再度説明すると、取り付けプレート４４が、ペイロードキャリヤ４０の底部に適宜の態様で固定されており、取り付けプレート４４は、ベース集成体１２に配設された構成部材と連係するモータ及びセンサ素子を担持している。かくして、取り付けプレート４４は、周辺部に略等間隔で離隔配置され、かつ、ベース集成体１２に取着された電気励磁コイル部２０と協働するように角度をなして配置された４つのトルクモータの磁気構造体部４６を担持している。同様に、取り付けプレート４４もまた、隣接した対をなす磁気構造体部４６間に配置され、かつ、ベース集成体４８の容量センサアレイ２２と協働するように角度をなして配置されている２つの容量角度センサの容量励磁プレート４８を担持している。ペイロードキャリヤ４０はまた、繊維光学ジャイロ（ＦＯＧ）５０のような角速度センサ(angular rate sensor)を担持している。この角速度センサは、米国特許第５，８９７，２２３号に記載されているのと同じ態様で使用することができる。
【００２３】
安定化集成体１４はまた、ペイロードキャリヤ４０の頂部にボルト（図示せず）により固定されたペイロードインターフェースプレート５２を有している。環状構造部材５４が、安定化集成体１４の取り付けアーム２８の頂部と、ベース部材１８に配置されかつモータコイル部２０及び容量センサアレイ２２が取着された取り付けプレート２１、２３の上端部と、更には取り付けアーム２６の上端部とにボルト（図示せず）により固定されている。
【００２４】
図４には、調整アームベアリング３２、３６及び４２の構造が示されている。各ベアリングは、ベアリングシャフト６０と、２つのベアリング部材６２と、下端部に配設されたベアリングキャップ６４と、上端部に配設された保持リング６６と、シャフト保持ピン６８とを有している。
【００２５】
図５には、磁気トルクモータの１つがより詳細に示されている。即ち、図５には、ベース集成体１２により担持された電気励磁コイル部２０と、安定化集成体１４により担持されている磁気構造体部４６とが示されている。かかる構成は、米国特許第５，８９７，２２３号において、一層詳細に説明されている。
【００２６】
図６には、４つの磁気トルクモータ２０、４６及び２つの容量角度センサ２２、４８と、図１及び３に示すピボット軸Ａ、Ｂ及びＣの集束点Ｄに対するこれらの部材の関係が、平面図として示されている。
【００２７】
図７は、同じ構成部材に関する図１乃至３と同様の斜視図である。
【００２８】
図８は、本発明の上記した実施の形態の制御装置のブロック図である。制御装置は、１つのマイクロプロセッサを基本としており、米国特許第５，８９７，２２３号に記載の制御装置と略同様に構成されている。
【００２９】
このマイクロプロセッサの主たる制御アルゴリズムが、この図において別個のブロックとして示されている。ペイロードキャリヤ４０に取着された角速度センサ（即ちＦＯＧ）アレイ５０は、慣性座標(inertial coordinate)に対するキャリヤ４０の回転速度を検出する。外部ステアリング指令７０がない（即ち零の要求速度(demanded rate)の）場合には、プロセッサの内側ジンバル制御アルゴリズムは計算を行い、トルクモータアレイ２０が負のフィードバックの主体(principal)を使用して内側ジンバルに小さな補正モーメントを印加することにより、空間におけるペイロード安定化集成体の角度配向を保持する。容量角度センサ２２は、３つの直交軸線を中心とするベース集成体１２とペイロード安定化集成体１４との間の角度変位を感知する。
【００３０】
プロセッサの外側ジンバル制御アルゴリズムは、３つの角度変位を、外部の追従装置の軸線即ちサーボ軸線と整合された成分に分析する。次に、これらの変位を利用して、ステアリング指令をつくって追従ステアリング装置を駆動することにより、容量センサ２２の３つの角度変位のそれぞれを無効にし、即ち、これらのセンサを連続して中心に配置し、追従ステアリング装置がペイロード安定化集成体１４の配向に従うようにさせる。追従ステアリング装置からの位置フィードバックは、かかる情報が利用されるときに、外側ジンバル制御アルゴリズムの一部として使用することができる。
【００３１】
外部ステアリング信号７０があるときには、これらの信号は、容量角度センサアレイにより支持される角度と、（利用することができる場合には）追従ステアリング装置からフィードバックされる位置とを使用して、角速度感知軸線Ｘ、Ｙ及びＺ軸と整合された３つの角速度ベクトル成分に分析され、ペイロード安定化集成体１４の現在の配向位置を定める。３つの負のフィードバック制御ループは、次に、ペイロード安定化集成体１４を駆動し、外部速度ステアリング信号に追従する。外側ジンバル制御アルゴリズムにより、追従ステアリング装置は、動いているペイロード安定化集成体１４に上記したように追従する。
【００３２】
ペイロード安定化集成体１４の配向が、空間において固定保持されている場合には、アース(earth)は１時間あたり１５度の速度で回転し、カメラの地平線の画像を、この速度のある成分で見かけ上回転させる。ペイロード安定化集成体１４に取着されているピッチ及びロール傾斜計(inclinometer)を使用して自動速度ステアリング信号を発生させ、カメラの画像のレベルを水平に保持することができる。
【００３３】
別のステアリングモード（追従モード）が、容量センサ２２により測定されたこの３つの角度変位を使用して３つのステアリング指令７０を発生させ、容量センサ２２のこれらの変位のそれぞれを無効にし、即ち、これらのセンサを連続的に中心におくことにより、ペイロード安定化集成体１４を支持構造体の配向に従わせることができる。かかるモードにおいては、被安定化プラットホームは、ペイロードと支持構造体との間で低域フィルタとして作用する。このようなステアリングモードは、三脚台及び手動ステアリングヘッドとともに使用することができる。
【００３４】
２つの回転軸線だけとするように１つの調整アームを省略することができる。あるいは、更なる調整アームを設けて回転軸線を４つにすることができる。
【００３５】
当業者にとって、本発明の別の実施の形態は明らかである。本発明の範囲は、特許請求の範囲に定められる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明の被安定化プラットホーム装置は、以上のように構成されているので、従来技術が有する課題を実質上解決することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】被安定化プラットホーム装置の分解斜視図である。
【図２】本発明の一の実施例に係る被安定化プラットホーム装置の斜視図であり、幾つかの部材を省略して他の部材を一層明瞭に示している。
【図３】図１及び２に示すプラットホームに組み込まれているユニバーサルジョイント構造体の斜視図である。
【図４】図３に示すユニバーサルジョイント構造体の分解斜視図である。
【図５】プラットホーム装置に組み込まれている磁気トルクモータの１つを示す斜視図である。
【図６】プラットホーム装置に組み込まれているトルクモータと容量センサアレイを示す図である。
【図７】図６に示すトルクモータ及び容量角度センサアレイを示す斜視図である。
【図８】プラットホーム装置の制御装置を示すブロック図である。
【符号の説明】
１２  ベース集成体
１４  ペイロード安定化集成体
１６  ２個構成のケーシング
１８  ベース部材
２０  電気励磁コイル部
２２  容量センサアレイ
２４  ストップ部
２６  取り付けアーム
２８  取り付けアーム
３０  角度調整アーム
３２  ベアリング
３４  角度調整アーム
３６  ステアリング
４０  ペイロードキャリヤ
４２  ベアリング
４４  取り付けプレート
４６  磁気構造体部
４８  ベース集成体
５２  ペイロードインターフェースプレート
５４  構造部材
６０  ベアリングシャフト
６２  ベアリング部材
６４  ベアリングキャップ
６６  ベアリングリング
６８  シャフト保持ピン
７０  外部ステアリング指令
Ａ  軸線
Ｂ  軸線
Ｃ  軸線
Ｄ  ポイント
ｘ  ロール軸
ｙ  ピッチ軸
ｚ  ヨー軸
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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