(57)【要約】  ジンバルサーボシステムへの使用に適した軸受組立体が提供される。軸受組立体は、ペイロードに結合されるようになった端部を備えるシャフトと、シャフトに被せて設けられたスリーブと、シャフト及びスリーブに回転可能に結合された内側軸受と、スリーブに被せて設けられた外側ハウジングと、スリーブがハウジングに対してシャフト回りに回転するようスリーブ及び外側ハウジングに回転可能に結合された外側軸受と、シャフトを外側ハウジングに対して回転させるよう作動的に構成された第１のモータと、スリーブをシャフト回りに回転させるよう作動的に構成された第２のモータとを有する。第２のモータは、スリーブを所定の方向に所定の速度で回転させてこの所定速度と内側軸受摩擦と関連した速度の合計がシャフト回転方向とは無関係に正のままであるようになっている。
2010509597.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ジンバルサーボシステムへの使用に適した軸受組立体であって、
ペイロードに結合されるようになった端部を備えるシャフトと、
前記シャフトに被せて設けられたスリーブと、
前記スリーブが前記シャフト回りに回転するよう前記シャフト及び前記スリーブに回転可能に結合された内側軸受と、
前記スリーブに被せて設けられた外側ハウジングと、
前記スリーブが前記ハウジングに対して前記シャフト回りに回転するよう前記スリーブ及び前記外側ハウジングに回転可能に結合された外側軸受と、
前記シャフトを前記外側ハウジングに対して回転させるよう作動的に構成された第１のモータと、
前記スリーブを前記シャフト回りに回転させるよう作動的に構成された第２のモータとを有する、軸受組立体。
【請求項２】
前記第２のモータは、前記スリーブを所定の方向にこの所定方向に対応した符号をもつ所定の速度で回転させる、請求項１記載の軸受組立体。
【請求項３】
前記内側軸受は、前記シャフトを回転させると、摩擦外乱を前記シャフトに及ぼし、前記摩擦外乱は、前記シャフト回転の方向に対応した符号をもつ軸受速度に対応しており、
前記スリーブの前記所定速度は、前記所定速度と前記軸受速度の合計が前記シャフト回転の前記方向とは無関係に正のままであるように設定されている、請求項２記載の軸受組立体。
【請求項４】
前記所定速度は、前記所定速度と前記軸受速度の前記合計が毎秒０〜７ラジアンの範囲内にあるように設定されている、請求項３記載の軸受組立体。
【請求項５】
前記第２のモータは、前記第１のモータが作動している間、前記スリーブを前記所定方向に連続的に回転させるようになっている、請求項３記載の軸受組立体。
【請求項６】
ジンバルサーボシステムへの使用に適した軸受組立体であって、
ペイロードに結合されるようになった端部を備えるシャフトを有し、
前記シャフトに回転可能に結合された内側軸受を有し、前記内側軸受は、外レース部材及び内レース部材を有し、前記内側軸受の前記内レース部材は、前記シャフトに結合され、
前記シャフトに被せて設けられたスリーブを有し、前記スリーブは、内面及び外面を有し、前記内側軸受の前記外レース部材は、前記スリーブの前記内面に結合され、
外レース部材及び内レース部材を備えた外側軸受を有し、前記外側軸受の前記内レース部材は、前記スリーブの前記外面に結合され、前記内側軸受の前記外レース部材、前記外側軸受の前記内レース部材、及び前記スリーブは、ひとまとまりとなって、中間レース部材を構成し、
前記スリーブに被せて設けられると共に前記外側軸受の前記外レース部材に結合された外側ハウジングを有し、
前記シャフトを前記外側ハウジングに対して回転させるよう作動的に構成された第１のモータを有し、
前記中間レース部材を前記シャフト回りに回転させるよう作動的に構成された第２のモータを有する、軸受組立体。
【請求項７】
前記第２のモータは、前記中間レース部材を所定の方向にこの所定方向に対応した符号をもつ所定の速度で回転させる、請求項６記載の軸受組立体。
【請求項８】
前記内側軸受は、前記シャフトを回転させると、摩擦外乱を前記シャフトに及ぼし、前記摩擦外乱は、前記シャフト回転の方向に対応した符号をもつ軸受速度に対応しており、
前記所定速度は、前記所定速度と前記軸受速度の合計が前記シャフト回転の前記方向とは無関係に正のままであるように設定されている、請求項７記載の軸受組立体。
【請求項９】
前記所定速度は、前記所定速度と前記軸受速度の前記合計が毎秒０〜７ラジアンの範囲内にあるように設定されている、請求項８記載の軸受組立体。
【請求項１０】
前記第２のモータは、前記第１のモータが作動している間、前記中間レース部材を前記所定方向に連続的に回転させるようになっている、請求項８記載の軸受組立体。
【請求項１１】
輪歯車を更に有し、前記輪歯車は、前記スリーブが前記輪歯車の回転に従って回転するよう前記スリーブに作動的に結合され、前記第２のモータは、前記輪歯車を駆動するよう作動的に構成された歯車モータである、請求項６記載の軸受組立体。
【請求項１２】
前記輪歯車を前記歯車モータに作動的に結合した平歯車を更に有する、請求項１１記載の軸受組立体。
【請求項１３】
前記内側軸受は、前記内レース部材と前記外レース部材との間に設けられた玉軸受を有する、請求項６記載の軸受組立体。
【請求項１４】
前記外側軸受は、前記内レース部材と前記外レース部材との間に設けられた玉軸受を有する、請求項６記載の軸受組立体。
【請求項１５】
前記第１のモータは、前記ハウジングに取り付けられたステータ及び前記シャフトに取り付けられたロータを有する、請求項６記載の軸受組立体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ジンバル式プラットホーム（gimballed platform）の１本又は２本以上の軸線を安定化させるために用いられるジンバルサーボシステム（gimbal servo system）に関する。本発明は、特に、ジンバルサーボシステムに用いられる軸受組立体であって、軸受組立体のジンバル軸受と関連した摩擦を効果的に抑制する軸受組立体に関する。
【０００２】
〔関連出願の説明〕
本願は、２００６年１１月１０日に出願された米国特許仮出願第６０／８６５，３２１号（発明の名称：Frictionless Bearing For Use In Servo Systems）の出願日に関する権益を主張する出願であり、この米国特許仮出願を参照により引用し、その記載内容を本明細書の一部とする。
【背景技術】
【０００３】
ジンバルサーボ機構又はサーボシステムは、典型的には、航空機及び地上車両に搭載される光学システム（「ジンバル式光学システム」）、例えばＴＶカメラ及び赤外線（ＩＲ）カメラのためのジンバル式プラットホームを安定化するために用いられる。その目的は、それぞれの光学システムの視線（ＬＯＳ）の動きを最小限に抑えることにある。従来型ジンバルサーボ機構は、典型的には、プラットホームの１つ又は２つ以上のジンバル軸線回りの運動（例えば、角速度）を検出するためにジンバル式プラットホームに取り付けられた速度センサ（例えば、ジャイロスコープ）を採用している。ジンバルサーボ機構のサーボ又はトルカモータは、プラットホームをそれぞれのジンバル軸線回りに逆回転させて（反対方向に回転させて）検出された動きを補償し、ジンバル式プラットホーム及びかくしてジンバル式プラットホームに取り付けられた光学システムの視線（ＬＯＳ）を安定化させるために用いられる。しかしながら、ジンバル式光学システムに用いられる従来型ジンバル軸受組立体は、典型的には、ジンバル式プラットホームの取り付けベースがジンバル軸受を含むジンバル軸線回りに動くと、ジンバル軸受の摩擦外乱を生じる。ジンバル軸受の摩擦により、トルク外乱が従来型サーボ機構体又はサーボシステムに生じ、この従来型サーボ機構体又はサーボシステムは、これに応答して、光学システムのＬＯＳのジッタ又は望ましくない動きを生じさせ、かかるジッタ又は望ましくない動きは、ジンバル式光学システムの解像力に悪影響を及ぼす場合がある。
【０００４】
或る特定の従来型ジンバルサーボ機構は、光学システムの視線（ＬＯＳ）を許容可能なＬＯＳ安定化誤差レベルまで安定化するためにジンバル軸受の摩擦外乱を是正する種々の設計を採用している。しかしながら、ジンバル式光学システムに関するＬＯＳ安定化誤差のレベルは、特に、例えば標的を識別して追跡するために長焦点距離カメラを採用している光学システムにとっては依然として問題である。
【０００５】
加うるに、或る特定の従来型サーボ安定化ジンバル式プラットホーム（例えば、ボウディッチ（Bowditch）等に付与された米国特許第４，３９５，９２２号明細書に開示されている）は、多くのジンバルを追加し、追加したジンバルと共にフレックスピボット（flex pivot）を用いることによりジンバル軸受摩擦を無くそうとしている。ジンバル軸受摩擦外乱の問題に対するかかる解決策は、ジンバル式システムに不要な複雑さ及びコストを追加する。
【０００６】
図１は、ジンバル式プラットホーム又はペイロード１４の単一軸線１２（例えば、方位軸線）を安定化する従来型軸受組立体付きジンバルサーボシステム１０を断面図で示している。図２は、図１の従来型ジンバルサーボシステム３０の機能ブロック図である。図１に示されているように、従来型軸受組立体は、単一の軸受１６とシール１８とから成る構成を有する。単一軸受１６は、ペイロード１４に取り付けられたジンバルアクスル又はシャフト２０を軸線１２に沿ってハウジング又は支持構造体２２に回転可能に結合してサーボ又はトルカ（torquer）モータ２３（図２に機能の形態で示されたジンバルサーボシステムの一コンポーネント）が、ペイロード１４を回転させてペイロード１４に取り付けられている速度センサ２４によって測定された軸線１２回りのペイロードの運動に対抗して軸線１２回りの角速度を検出することができるようになっている。トルカモータ２３は、典型的には、シャフト２０に取り付けられたロータ２６及び支持構造体２２に取り付けられたステータ２８により具体化されている。
【０００７】
２つの追加の軸受組立体及びジンバルサーボシステム１０（図１には示されていない）は、通常、ジンバル式プラットホーム又はペイロードの角ジンバル軸線（例えば、ピッチ軸線及びロール軸線）を安定化するために採用されている。かくして、３本の運動軸線を備えた従来型ジンバル式プラットホーム又はペイロードは、典型的には、３本の軸線の各々について単一の軸受１６を備えている。
【０００８】
軸受１６は、典型的には、ジンバルシャフト２０の軸線１２回りのペイロード１４の運動方向に摩擦外乱をもたらす。摩擦外乱は、シャフト２０とハウジング又は支持構造体２２の相対速度が符号（又は方向若しくは極性）を変えたときに符号（又は方向若しくは曲線）を急変する。摩擦トルクの変化（摩擦外乱の符号の変化に対応している）は、典型的には、非常に急に生じるので、ジンバルサーボ機構体又はシステムは、これを十分迅速に補償することができない。その結果、ジンバル又はシャフト２０は、サーボ機構の帯域幅の制限及び有限応答時間に起因して、サーボ機構がジンバル又はシャフトを停止させることができる前に動き、その結果、軸線１２回りにジッタ運動が生じる。ジンバル軸受摩擦外乱は、通常、非線形であり、全く予測できないので、従来型ジンバルサーボ機構又はシステムは、摩擦を正確に補償し得ない。
【０００９】
各ジンバル軸線に関する従来型ジンバルサーボシステム３０は、典型的には、サーボコントローラ（図１には示されていない）を有し、かかるサーボコントローラは、速度を指令信号３４（通常、図示されていない車両システムコントローラによって提供される）と速度センサ２４によって検出された角速度の速度差を出力するよう作動的に構成された加算器３２を有している。サーボコントローラは、典型的には、補償器３６を更に有し、この補償器は、加算器３２から出力された速度差を受け取り、速度ループ利得コントローラ３８によって調整され、次に電力増幅器４０によって増幅された補償速度信号を出力するよう作動的に構成されている。電力増幅器から出力された増幅補償速度信号４２は、トルカモータ２３によって受け取られ、このトルカモータは、軸受１６の摩擦外乱４８（これは、シャフト２０回りのペイロード１４の運動方向に対応した信号を有する）により調整された（これは、加算器４６によってモデル化されている）逆回転トルク４４を提供する。ジンバルシャフト２０に及ぼされたときの調整済み逆回転トルク５０には、ジンバルシャフト２０に対応した既知のジンバル慣性の逆数（１／ＪＧ）を効果的に乗算する（これは、乗算器５２によってモデル化されている）。結果として得られたジンバル２０の加速度５４を効果的に積分して（これは、積分器５６によってモデル化されている）、プラットホーム１４の速度５８を生じさせ、この角速度は、速度センサ２４によって検出され、角速度５８と同一方向における軸受１６の摩擦外乱４８を誘起する。
【００１０】
図２に示されているように、補償器３２は、典型的には、折れ点周波数（ωＺ）がジンバルサーボシステム３０の低周波数利得を最大にする一方で、トルカモータ２３により出力された逆回転トルク４４のゼロｄＢクロスオーバ周波数において十分な位相マージンを維持するよう設定された比例積分（ＰＩ）補償器である。ゼロｄＢクロスオーバ周波数は、典型的には、２５〜６０Ｈｚである。補償器３２は、典型的には、積分器５６に起因して無限静的利得を有する。しかしながら、摩擦外乱４８のトルクの周波数におけるサーボシステム３０の利得の制限に起因して、ペイロード１４（及びペイロードを有する光学システムのＬＯＳ）は、摩擦外乱４８の結果としてジッタ運動を生じる。サーボシステム３０のゼロｄＢクロスオーバ周波数を増大させ、それによりサーボシステム３０の開ループ利得を増大させることにより、摩擦外乱４８の効果を減少させることができる。しかしながら、サーボシステム３０の制約、例えば、速度センサ２４の帯域幅の制限又は構造的共振に起因して、通常、軸受摩擦外乱４８の効果を十分低いデブリまで減少させることは可能ではない。
【００１１】
図３Ａ〜図３Ｄは、軸受１６の摩擦外乱４８を誘起し、ジンバル式プラットホーム又はペイロード視線（ＬＯＳ）のジッタを引き起こす支持構造体２２の角運動の効果を示している。図３Ａは、ジンバル（即ち、シャフト２０）に対する図１に示す従来型軸受組立体の支持構造体２２の経時的な角度位置を示す例示のグラフ図である。図３Ｂは、ジンバル２０に対する支持構造体２２の経時的な角速度の例示のグラフ図であり、角速度は、図３Ａに示す角度位置に対応している。図３Ｃは、支持構造体２２を従来型軸受組立体のジンバル２０に結合した軸受１６の摩擦トルクの例示のグラフ図であり、軸受摩擦トルクは、図３Ｂに示されている支持構造体の角速度に生じる。図３Ｄは、図３Ｃに示された軸受１６の摩擦トルクによって生じるジンバル式プラットホーム又はペイロード１４のＬＯＳジッパの例示のグラフ図である。軸受１６及びシール１８を備えた典型的な２軸ジンバル及びサーボシステム３０に関するゼロｄＢクロスオーバ周波数が４０〜５０Ｈｚの場合、軸受摩擦外乱４８に起因したＬＯＳジッタ（図３Ｄに反映されている）は、ピークからピークまでが２００〜３００マイクロラジアンである。かくして、軸受摩擦外乱は、画像解像力がピークからピークまでが２００〜３００マイクロラジアンのＬＯＳジッタの影響を受けるジンバル式光学システムについては依然として問題である。
【００１２】
したがって、上述の問題を解決し、軸受摩擦外乱がジンバル式プラットホーム又はペイロードのジッタを回避するよう効果的に打ち消されるジンバルサーボシステムの実現を可能にする軸受組立体が要望されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】米国特許第４，３９５，９２２号明細書
【発明の概要】
【００１４】
本発明によるシステム、装置及び製造物品は、ジンバルサーボシステムにより安定化されたジンバル式プラットホーム又はペイロードのジッタを効果的に阻止するために軸受によりジンバルに及ぼされる摩擦外乱（「軸受摩擦」）を補償し又は無くすようジンバルサーボシステムに用いられる手段を提供する。
【００１５】
本発明のシステム及び装置によれば、ジンバルサーボシンバルへの使用に適した軸受組立体が提供される。軸受組立体は、ペイロードに結合されるようになった端部を備えるシャフトと、シャフトに被せて設けられたスリーブと、スリーブがシャフト回りに回転するようシャフト及びスリーブに回転可能に結合された内側軸受と、スリーブに被せて設けられた外側ハウジングと、スリーブがハウジングに対してシャフト回りに回転するようスリーブ及び外側ハウジングに回転可能に結合された外側軸受と、シャフトを外側ハウジングに対して回転させるよう作動的に構成された第１のモータと、スリーブをシャフト回りに回転させるよう作動的に構成された第２のモータとを有する。
【００１６】
軸受組立体の一具体化例では、第２のモータは、スリーブを所定の方向にこの所定方向に対応した符号をもつ所定の速度で回転させる。この具体化例では、内側軸受は、シャフトを回転させると、摩擦外乱をシャフトに及ぼす。摩擦外乱は、シャフト回転の方向に対応した符号をもつ軸受速度に対応している。スリーブの所定速度は、所定速度と軸受速度の合計がシャフト回転の方向とは無関係に正のままであるように設定されている。
軸受の速度の合計（及びかくして全軸受摩擦）が符号（又は方向若しくは極性）を決して変えないので、シャフト又はジンバルを安定化するジンバルサーボシステムは、トルクがほぼ一定であり（又は、いくら悪くても、或る程度の低頻度周期的ばらつきを有し）符号（又は方向若しくは極性）を決して変えないので、内側軸受と外側軸受の両方と関連した摩擦トルクを容易に補償することができる。本発明に従って具体化された軸受組立体を利用するジンバルサーボシステムは、代表的には、有限静的利得を有する。かくして、軸受組立体の内側軸受と外側軸受の両方と関連した摩擦トルクにより生じるオフセットは、第１のモータトルクが摩擦トルクを釣合わすことができるよう僅かであり又はゼロである。
【００１７】
本発明の他のシステム、方法、特徴及び利点は、添付の図面及び詳細な説明を吟味すると、当業者には明らかであり又は明らかになろう。かかる追加のシステム、方法、特徴及び利点は全て、本明細書の開示範囲内に含まれ、本発明の範囲に含まれ、そして特許請求の範囲に記載された本発明によって保護されるものである。
【００１８】
本明細書に組み込まれてその一部をなす添付の図面は、本発明の具体化例を示しており、詳細な説明と一緒になって、本発明の利点及び原理を説明するのに役立つ。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】ジンバル式プラットホーム又はペイロードの単一軸線を安定化する従来型軸受組立体及びサーボシステムの断面図である。
【図２】図１のジンバルサーボシステムの機能ブロック図である。
【図３Ａ】単一の軸線ジンバルに対する図１の従来型軸受組立体の支持構造体の角度位置と時間との関係を表すグラフ図である。
【図３Ｂ】単一軸線ジンバルに対する従来型軸受組立体の支持構造体の角速度と時間の関係を表すグラフ図であり、角速度が図３Ａに示された角度位置に対応していることを前提とするグラフ図である。
【図３Ｃ】支持構造体を従来型軸受組立体のジンバルに結合した軸受の摩擦トルクのグラフ図であり、軸受摩擦トルクが、支持構造体の図３Ｂに示された角速度に基づいて生じることを前提するグラフ図である。
【図３Ｄ】図３Ｃに示す軸受摩擦トルクにより生じるジンバル式プラットホーム又はペイロードのＬＯＣジッタにグラフ図である。
【図４】本発明の軸受組立体の断面斜視図である。
【図５】図４に示す軸受組立体を用いた本発明に従って具体化されているジンバルのための例示のジンバルサーボシステムの機能ブロック図である。
【図６Ａ】ジンバル軸線に対する図４の軸受組立体のハウジングの角度位置の時刻歴グラフ図である。
【図６Ｂ】ジンバル軸線に対する軸受組立体ハウジングの角速度の時刻歴グラフ図であり、角速度が図６Ａに示す角度位置に対応していることを前提とする図である。
【図６Ｃ】図６Ｂに示すハウジングの角速度に対する軸受組立体の内側スリーブ又は中間レース部材の角速度の時刻歴グラフ図である。
【図６Ｄ】軸受組立体のシャフトに対する軸受組立体の内側スリーブ又は中間レース部材の角速度の時刻歴グラフ図であり、シャフトがシャフトで支持されたプラットホームのためのジンバルを表し、内側軸受の内レース部材がシャフトに取り付けられ、シャフトが静止状態にあることを前提とする図である。
【図６Ｅ】シャフトに及ぼされる内側軸受の摩擦外乱又はトルクの時刻歴グラフ図である。
【図６Ｆ】図６Ｅに示す内側軸受摩擦外乱又はトルクにより生じるジンバル式プラットホーム又はペイロードのＬＯＳの動きの時刻歴グラフ図である。
【図７】図５に示す例示のジンバルサーボシステムの別の機能ブロック図であり、内側軸受摩擦外乱に対する中間レース部材の速度の影響が、シャフト又はジンバルの速度に対して方向を変えない組み合わせ摩擦外乱により示されている図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
次に添付の図面に示されている本発明の方法、システム及び製品の具体化例を詳細に参照する。
【００２１】
図４は、本発明の軸受組立体４００の断面斜視図である。軸受組立体４００は、以下に更に詳細に説明するようにジンバル式プラットホーム又はペイロードを安定化するためにジンバルサーボシステム（例えば、図５に示すジンバルサーボシステム５００）に使用可能である。軸受組立体４００は、プラットホーム又はペイロード４０２に結合されるようになった端部４０６を備えるシャフト４０４を有する。軸受組立体４００は、内側軸受４０８、外側軸受４１０及び内側軸受４０８と外側軸受４１０との間でシャフト４０４に被せて設けられたスリーブ４１２を有する。
【００２２】
軸受４０８は、内レース部材４１４と、外レース部材４１６と、内レース部材４１４と外レース部材４１６との間に設けられた玉軸受又はころ軸受４１８とを有している。変形具体化例では、玉軸受又はころ軸受４１８に代えて、内レース部材４１４及び外レース部材４１６が同一方向又は逆方向に互いに対して移動することができるようにする別の要素又は材料を用いても良い。例えば、玉軸受又はころ軸受４１８に代えて、ニードル軸受若しくはジャーナル軸受又はころ軸受、玉軸受、ニードル軸受、若しくはジャーナル軸受の任意の組み合わせを用いても良い。
【００２３】
内レース部材４１４は、内レース部材４１４が玉軸受又はころ軸受４１８を介して移動しているときに内側軸受４０８がシャフト４０４に回転可能に結合されるようシャフト４０４に結合され又は取り付けられる。図４に示す具体化例では、内レース部材４１４は、シャフト４０４の周囲にわたって延びている。
【００２４】
スリーブ４１２は、内面４２０及び外面４２２を有している。内側軸受４０８の外レース部材４１８は、スリーブ４１２の内面４２０に結合され又は取り付けられている。かくして、内側軸受４０８は、スリーブ４１２がシャフト４０４回りに回転するよう玉軸受又はころ軸受４１８を介してシャフト４０４及びスリーブ４１２に回転可能に結合されている。
【００２５】
図４に示されているように、外側軸受４１０は、内レース部材４２４、外レース部材４２６及び内レース部材４２４と外レース４２６との間に設けられた玉軸受又はころ軸受４２８を有している。変形具体化例では、玉軸受又はころ軸受４２８に代えて、内レース部材４２４と外レース４２６が同一方向又は逆方向に互いに対して動くことができるようにする別の要素又は材料（例えば、ニードル軸受若しくはジャーナル軸受又はころ軸受、玉軸受、ニードル軸受若しくはジャーナル軸受の任意の組み合わせ）を用いても良い。外側軸受４１０の内レース部材４２４は、内レース部材４２４が玉軸受又はころ軸受４２８を介して動いているときに外側軸受４１０がスリーブ４１２に回転可能に結合されるようスリーブ４１２の外面４２２に結合され又は取り付けられている。
【００２６】
外側ハウジング４３０は、スリーブ４１２に被せて設けられており、この外側ハウジングは、外側軸受４１０の外レース部材４２６に結合されている。かくして、外側軸受４１０は、スリーブ４１２がハウジング４３０に対してシャフト４０４回りに回転するよう玉軸受又はころ軸受４２８を介してスリーブ４１２及び外側ハウジング４３０に回転可能に結合されている。
【００２７】
内側軸受４０８の外レース部材４１６、外側軸受４１０の内レース部材４２４及びスリーブ４１２は、ひとまとまりとなって、中間レース部材４３１を構成している。以下に詳細に説明する本発明によれば、中間レース部材４３１は、ジンバルシャフト４０４回りに一定速度で所定方向に回転して、内側軸受４０８の摩擦外乱（これは、ジンバルシャフト４０４に及ぼされる）が効果的に抑制されると共にジンバルサーボシステム５００が軸受摩擦外乱に起因してＬＯＳジッタを生じさせるのが阻止されるようになっている。
【００２８】
図４を参照すると、軸受組立体４００は、内側軸受４０８を保護する第１のシール４３２及び外側軸受４１０をハウジング４３０の外部の汚染要因物から保護する第２のシール４３４を更に有するのが良い。シール４３２とシール４３４の両方は、スリーブをシャフト４０４回りに回転させたときにスリーブ４１２を擦る密封リップを備えた一端部を有するのが良い。この具体化例では、シール４３２は、シャフト４０４又は内側軸受４０８の内レース部材４１４に取り付けられた別の端部を有する。シール４３４は、ハウジング４３０又は外レース部材４２６に取り付けられた別の端部を更に有する。変形例として、シール４３２，４３４を両方のシール４３２，４３４がスリーブ４１２に取り付けられた端部を有するよう逆にしても良い。この具体化例では、シール４３２の密封リップは、シャフト４０４を擦り、シール４３４の密封リップは、ハウジング４３０を擦る。軸受摩擦又は軸受摩擦外乱と言った場合、軸受摩擦又は軸受摩擦外乱は、密封リップの擦り又はそれぞれのシール４３２又は４３４の摩擦を更に含む。
【００２９】
図４に示されているように、軸受組立体４００は、シャフト４０４をシャフト４０４の中心軸線４３８回りに且つ外側ハウジング４３０に対して回転させ又は駆動するよう作動的に構成されている。一具体化例では、第１のモータ４３６は、ハウジング４３０に取り付けられたステータ４４０及びシャフト４０４に取り付けられたロータ４４２を有するサーボモータ又はトルカモータであり、電流を第１のモータ又はトルカモータ４３６に流すことによりジンバル又はシャフト４０４回りにペイロード４０２にトルクをかけることができるようになっている。
【００３０】
軸受組立体４００は、スリーブ４１２又は中間レース部材４３１をジンバルシャフト４０４回りに回転させるよう作動的に構成された第２のモータ４４４を更に有するのが良い。第２のモータ４４４は、スリーブ４１２又は中間レース部材４３１を所定の方向に（例えば、図４に矢印４４６で示されているように）所定方向４４６に対応した符号をもつ所定の速度で回転させる。ジンバルシャフト４０４にトルクをかけ又は回転させると、内側軸受４０８は、摩擦外乱（図５に符号５４８で示されている）をシャフト４０４に及ぼす。摩擦外乱５４８は、シャフトの回転方向に対応した符号をもつ軸受速度に対応しており、このシャフト回転方向は、スリーブ４１２又は中間レース部材４３１の所定の方向４４６と同一である場合があり又はこれとは逆である場合がある。スリーブ４１２の所定の速度は、第２のモータ４４４によって一定に設定され又は保持され、その結果、スリーブ４１２又は中間レース部材４３１の所定の速度と内側軸受４０８の速度の合計が、シャフト４０４の回転方向とは無関係に正のままであるようになっている。内側軸受４０８及び外側軸受４１０と関連した摩擦外乱の合計５４８は、正のままなので、軸受摩擦外乱と関連した速度方向の急激な変化は、ジンバルサーボシステム５００によっては観察されない。その結果、本発明を具体化することにより、軸受摩擦外乱に起因するＬＯＳジッタは、ジンバルサーボシステムが非常に遅いので軸受摩擦外乱の急変に応答してこれをなくすことができない場合、生じるのが阻止される（そして、事実上なくなる）。
【００３１】
第２のモータ４４４は、スリーブ４１２又は中間レース部材４３１を内側軸受４０８の摩擦外乱の最大速度よりも高い一定速度で回転させるのに十分なトルク容量を備えた電気モータであるのが良い。したがって、中間レース部材４３１に対する内側軸受４０８の内レース部材４１４の相対速度がゼロを通って横切らないほど（例えば、内側軸受摩擦外乱と中間レース部材の摩擦外乱の組み合わせに対応した速度が正又は負のままである）ほど速さが速い限り、第２のモータ第２のモータ４４４を任意の速度又は速さで作動させることができる。
【００３２】
内側軸受４０８の摩擦外乱がジンバル又はシャフト４０４の回転方向と一致した符号をもつ低レベルの速度（例えば、内側軸受速度の±２ラジアン／秒の範囲内）に対応している一具体化例では、スリーブ４１２又は中間レース部材４３１の所定の速度は、所定速度と内側軸受速度（内側軸受摩擦外乱に対応している）の合計が毎秒０〜７ラジアンの範囲内に収まるよう第２のモータ４４４によって設定され又は維持される。
【００３３】
図４に示されている具体化例では、第２のモータ４４４は、第１のモータ４３６が作動していて、内側軸受摩擦がジンバルシャフト４０４に及ぼされている状態で、スリーブ４１２又は中間レース部材４３１を時計回りの方向４４６に回転させるよう構成されている。しかしながら、第２のモータ４４４は、第１のモータ４３６の作動中、スリーブ４１２又は中間レース部材４３１を所定の速度で反時計回りの方向に回転させるよう構成されていても良い。
【００３４】
一具体化例では、第２のモータ４４４は、ハウジング４３０の外面又は内面に取り付けられた歯車モータであるのが良い。この具体化例では、輪歯車４４８は、スリーブ４１２が第２のモータ４４４によって駆動される輪歯車４４６の回転に従って回転するようスリーブ４１２に作動的に結合されるのが良い。平歯車４５０が、輪歯車４４８を第２のモータ又は歯車モータ４４４に作動的に結合するのが良い。図４に示されている具体化例では、平歯車４５０は、遊び歯車４５２を回転させ、この遊び歯車は、輪歯車４４８を平歯車４５０の回転方向とは逆の方向に回転させる。
【００３５】
軸受組立体４００（シャフト４０４に対応したジンバルを安定化するための図５に示されているようなジンバルサーボシステム５００に用いられた場合）は又、サーボコントローラ４５４及びプラットホームのジンバル軸線４３８回り（即ち、シャフト４０４に対応したジンバル回り）の運動（例えば、角速度）を検出するようプラットホーム又はペイロード４０２に取り付けられ又はこの中に設けられた速度センサ４５６（例えば、ジャイロスコープ）を更に有するのが良い。速度センサ４５６は、検出された運動を表すジンバル速度信号４５８をサーボコントローラ４５４に出力するようになっている。ジンバルサーボシステム５００の一部として、サーボコントローラ４５４は、補償速度信号４６０をサーボモータ又はトルカモータ４３６に出力してジンバル速度信号４５８によって反映されたシャフト４０４の回転に対向するようになっている。図４に示す具体化例では、サーボコントローラ４５４は又、トリガ信号４６２を第１のモータ４３６の作動中、第２のモータ４４４に出力し、第２のモータ４４４を促してスリーブ４１２又は中間レース部材４３１を回転させて本発明に従って内側軸受摩擦外乱に起因したジッタの発生を抑制するよう作動的に構成されているのが良い。
【００３６】
変形具体化例では、速度センサ４５６は、タコメータ発電機、増分エンコーダ又はシャフト４１２とハウジング４３０との間に設けられる他の速度センサであって良い。さらに別の具体化例では、速度センサ４５６は、シャフト４１２とハウジング４３０との間に設けられた位置変換器、例えばポテンショメータ、レゾルバ、エンコーダ又はインダクトシンを用いて具体化されても良い。
【００３７】
図５に示されているように、ジンバルサーボシステム５００は、従来型サーボシステム３０に類似したコンポーネントを有するのが良い。しかしながら、外側軸受４１０及び回転スリーブ４１２又は中間レース部材４３１を用いることにより、ジンバルサーボシステム５００は、事実上、スリーブ又は中間レース部材の一方向速度を備えたジンバル又はシャフト４０４に及ぼされる内側軸受摩擦外乱に対向するようになっており、この場合、スリーブ又は中間レース部材の速度は、内側軸受摩擦外乱に対応した速度よりも高い。
【００３８】
例えば、図５に示されている具体化例では、ジンバルサーボシステム５００のサーボコントローラ４５４は、加算器５３２を有し、この加算器は、ジンバル又は内側シャフト４０４回りのジンバル式プラットホーム又はペイロード４０２の検出された運動（即ち、図５のジンバル速度５５８）を反映するために速度指令信号３４（これは、図示していない車両システムコントローラによって提供できる）と速度センサ４５６により出力された角速度信号４５８の速度差を出力するよう作動的に構成されている。サーボコントローラ４５４は、補償器５３６と、速度ループ利得コントローラ５３８と、電力増幅器５４０とを有する。補償器５３６は、加算器５３２から出力された速度差を受け取り、補償速度信号を出力するよう作動的に構成されており、この補償速度信号は、速度ループ利得コントローラ５３８によって調整され、次に電力増幅器４０によって増幅される。
【００３９】
電力増幅器から出力された増幅補償速度信号４６０は、トルカモータ４３６によって受け取られ、このトルカモータは、内側軸受４０８と関連していて、スリーブ４１２又は中間レース部材４３１の速度５６０によってオフセットされた摩擦外乱５４８の速度により調節された（加算器５４６によってモデル化されている）逆回転トルク５４４を提供する。内側軸受摩擦外乱５４８は、スリーブ４１２の速度５６０又は中間レース部材４３１の速度によってオフセットされており、その結果、軸受外乱５４８は、符号を変えるのが阻止され、したがって、軸受摩擦トルクの方向は、一定のままであるようになっている。
【００４０】
調整後又は全逆回転トルク５５０には、ジンバル内側シャフト４０４に加えられると、ジンバルシャフト４０４に対応した既知のジンバル慣性の逆数（１／ＪG）が効果的に乗算される（これは、乗算器５５２によってモデル化されている）。結果的に得られたジンバル加速度５５４は、効果的に積分されて（これは、積分器５５６によってモデル化されている）、速度センサ２４により検出されるプラットホーム４０２の角速度５５８（又は「ジンバル速度」）を生じさせる。しかしながら、上述したように、ジンバルシャフト４０４に及ぼされた（ジンバル速度５５８と同一の方向に）内側軸受４０８の摩擦外乱は、事実上、スリーブ又は中間レース部材４３１の速度５６０によってオフセットされる（これは、加算器５６０によってモデル化されている）。その結果、ジンバルサーボシステム５００の軸受摩擦外乱５４８は、方向を急変せず、正のままであり、それによりジンバル式プラットホーム又はペイロード４０２のジッタ運動が阻止される。
【００４１】
図６Ａ〜図６Ｆは、内側軸受の摩擦外乱及びジンバルサーボシステム５００によるジンバル又はシャフト４０４のその後の安定化に対する外側軸受４１０及び中間レース部材速度５６０の作用効果を示している。図６Ａは、ジンバル軸線４３８及びシャフト４０４に対する軸受組立体のハウジング４３６又は支持構造体の角度位置の例示の時刻歴グラフ図である。図６Ｂは、ジンバル軸線４３８及びシャフト４０４に対する軸受組立体ハウジング４３６又は支持構造体の角速度の時刻歴グラフ図である。この例では、角速度は、図６Ａに示すハウジング４３６の角度位置に対応している。軸受組立体ハウジング４３６の角速度又は運動は、図６Ａでは正弦波として示されているが、任意である。この運動は、車両（例えば、航空機、タンク、トラック又は他の車両）又はハウジング４３６が取り付けられている他の構造体若しくは装置の運動によって引き起こされる。内側シャフト４０４に対するハウジング４３６の相対運動（ハウジング又はシャフトのいずれかの個々の絶対運動又は慣性運動ではない）は、代表的には、ジンバル式プラットホーム又はペイロードを安定化するためのジンバルサーボシステム５００によって検出されて補償される重要な運動である。図６Ａ〜図６Ｆに示されている例示の具体化例では、シャフトは、静止しており又は安定化されており、ハウジング４３５は、運動中である。図６Ｃは、図６Ｂに示すハウジングの角速度に対する軸受組立体４００のスリーブ４１２又は中間レース部材４３１の角速度の例示の時刻歴グラフ図である。図６Ｄは、シャフト４０４及び内側軸受４４０８の内レース部材４１４に対する軸受組立体４００のスリーブ４１２又は中間レース部材４３１の角速度の例示の時刻歴グラフ図である。上述したように、シャフト４０４は、シャフト４０４で支持されたプラットホーム又はペイロード４０２の方位ジンバルを表している。上述したように、シャフト４０４は、ジンバルサーボシステム５００によるシャフト４０４の安定化に起因して静止状態である。第２のモータ４４４によって駆動されるスリーブ４１２及び中間レース部材４３１の速度は、符号を変えないことに注目されたい。図６Ｅは、シャフト４０４に及ぼされる内側軸受４０８の摩擦外乱又はトルク（シャフト４０４のところで測定される）の時刻歴グラフ図である。内側軸受摩擦外乱又はトルクは、一定であり、かくして、プラットホーム又はペイロードのジッタを生じさせるのが阻止されることに注目されたい。図６Ｆは、図６Ｅに示されている内側軸受摩擦外乱又はトルクによって引き起こされるジンバル式プラットホーム又はペイロードのＬＯＳの運動の時刻歴グラフ図である。図６Ｅに示されているＬＯＳの僅かなオフセットは、ジンバル式プラットホームに取り付けられ、本発明の軸受組立体４００を採用した大抵の光学用途又はシステムでは測定できず又は無視できる。しかしながら、軸受組立体４００を用いたジンバルサーボシステム５００は、第１の補償器５３６と速度ループ利得コントローラ５３８との間に別の補償器を用いることにより図６Ｅに反映されているＬＯＳオフセットをゼロにするよう改造可能であり、この場合、他方の補償器は、ＬＯＳオフセットを抑制し又はゼロにするよう構成される。
【００４２】
図７は、図５に示されている例示のジンバルサーボシステムの別の機能ブロック図であり、内側軸受摩擦外乱に対するスリーブ４１２又は中間レース部材４３１の速度の作用効果は、内側軸受４０８の摩擦外乱とスリーブ４１２又は中間レース部材４３１の一方向速度５６０の合計を表す組み合わせ摩擦外乱７０２により示されている。上述したように、組み合わせ状態の摩擦外乱７０２は、ジンバル又はシャフト４０４の速度に対して方向を変えない。かくして、図６Ｆに示すＬＯＳオフセットと一致して、組み合わせ状態の摩擦外乱７０２のゼロ交差７０４は、今や、図７に示されているようにシャフト４０４のゼロ速度７０６からオフセットして離れている。
【００４３】
変形具体化例では、内側軸受４０８及び外側軸受４１０に代えて、ジンバルシャフトをハウジング又は支持構造体に対して回転させるようタンデムに構成された２つのスリップリング組立体を用いても良く、共通スリーブ又はその均等部品が、２つのスリップリング組立体をタンデムに互いに結合する。両方のスリップリングに共通の組立体全体のスリーブ又は部品は、ジンバルシャフトを駆動するスリップリングの摩擦を補償するよう歯車モータ４４４のような小形モータにより駆動される。別の具体化例では、互いに結合された２つの回転継手を用いて油圧回転継手を同様な仕方で設計することができ、モータがジンバルシャフトを駆動する回転継手の摩擦を補償するよう回転継手の共通部品を駆動する。
【００４４】
本発明の具体化例に関する上述の説明は、例示及び説明の目的のために提供されている。これは、排他的ではなく、本発明を開示した形態そのものに限定することはない。上述の教示に照らして改造及び変形が可能であり、又は本発明の実施から改造及び変形を得ることができる。例えば、サーボコントローラ４５４について説明した具体化例のコンポーネント（例えば、加算器５３２、補償器５３６、利得コントローラ５３８及び電力増幅器５４０）をハードウェア又はソフトウェアとハードウェアの組み合わせで具体化できる。例えば、加算器５３２、補償器５３６、ループ利得コントローラ５３８及び電力増幅器５４０を全体として又は部分的に、論理回路、例えば特別注文された特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）又はプログラム可能論理装置、例えばＰＬＡ又はＦＰＧＡに組み込むことができる。変形例として、サーボコントローラ４５４は、中央処理装置（ＣＰＵ）及び例えば補償器５３６及びループ利得コントローラ５３８と関連していて、ＣＰＵによって実行されるコンポーネントプログラムモジュールのホストとして働くメモリを有しても良い。
【００４５】
したがって、本発明の種々の実施形態を説明したが、本発明の範囲に含まれる多くの実施形態及び具体化例が可能であることは当業者には明らかであろう。したがって、本発明は、特許請求の範囲の記載及びその均等範囲による以外に限定されることはない。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図６Ｅ】
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【図６Ｆ】
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【図７】
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【国際調査報告】
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