JPH11223528A

JPH11223528A - 安定化支持台装置

Info

Publication number: JPH11223528A
Application number: JP10326454A
Authority: JP
Inventors: Steven Tritchew; トリトチュースティーブ; Raigo Alas; アラスライゴー; Michael D Lewis; ディー．ルイスマイケル
Original assignee: Wescam Inc
Current assignee: Wescam Inc
Priority date: 1997-11-17
Filing date: 1998-11-17
Publication date: 1999-08-17
Also published as: GB9824233D0; GB2334333B; US5897223A; GB2334333A

Abstract

(57)【要約】【課題】従来の欠点を解消した安定化支持台装置を提供
すること。【解決手段】ペイロードを支持構造体の角度変位、並
進及び角度振動から分離するための安定化支持台装置で
あって、ペイロードを支持する内側ジンバル１と、縦揺
れ軸、横揺れ軸、及び片揺れ軸線回りの運動に対して内
側ジンバル１に制限された角度変位量を与えるように内
側シンバル１を内部に有しかつ支持する弾力シェル２
と、内側ジンバル１と弾力シェル２を内部に有する外側
ジンバル３と、弾力シェル２と外側ジンバル３の間に連
結され、弾力シェル２の両端に配置された減衰コイルば
ねからなる２つの対称列を有する受動振動分離器とを含
む。

Description

【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(paylo
ad) を、支持構造体の角度変位、並進及び角度振動から
分離するための安定化支持台(stabilized platform) に
関する。

【０００２】

【従来の技術】飛行機、自動車、または船舶等の乗物の
移動に関してカメラまたは赤外線映像装置等の映像装置
を作動させることが望ましいとき、この映像装置は、何
らかの方法で安定化させることが通常必要である。

【０００３】例えば、１９７２年２月に発行されたリー
ビット(Leavitt) 他の米国特許第３，６３８，５０２号
には、カメラが球面保護整形板(spherical protective
fairing)の中央に配置された自在継手で支持され、かつ
自在継手がコンプリアント振動分離器(compliant vibra
tion isolator)によって支持されている、安定化された
カメラマウントが記載されている。

【０００４】一組の３直交軸型ジャイロスコープがカメ
ラ支持台に取付けられ、このジャイロスコープからの反
動力は、支持台を直接安定化させるようにする。さら
に、ジャイロスコープの歳差軸線上に置かれた角度変換
器を使用することにより、角度比を感知するとともに、
上記米国特許の場合と同様にムービングウエイトサーボ
モータ及び磁気トルクモータの組み合わせ、あるいは１
９９１年２月に発行したゴッドマン(Goodman) の米国特
許第４，９８９，４６６号のように自在継手の３軸を駆
動する３つの磁気トルクモータを用いて、支持台に補正
用のモーメントを自動的に加える。

【０００５】各々の場合、この自在継手の種々の軸が動
きを抑制するために用いられており、通常の磁気トルク
モータがこのために使用される。これらのモータは、自
在継手の支持体に取付けらなければならず、それらは、
ペイロード、即ち、映像装置を囲むことができる組立体
の中央部に多くの容積を占めることになる。

【０００６】このような従来技術において、安定化支持
台は、コンプリアント振動分離器と自在継手を支持する
構造に対して干渉する領域を救済しなければならない。
その結果、可能なペイロード空間はさらに狭まることに
なる。この空間の損失があるとしても、従来のような組
立体を支持するとき、支持車両の操縦性は、一定不変に
制限される。

【０００７】従来の技術では、別の問題が生じる。例え
ば、地上の対象物の上を飛ぶために、そして同時に、こ
の対象物をカメラで追跡するために、航空機の装備とし
て必要となる場合、従来の方位角の操舵法を高めること
によって、オペレータは、ジンバルロックとして知られ
る現象が起こらないようにする。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】このようなことから、
本発明の目的は、この種の公知の安定化支持台装置の上
記欠点を実質的に克服する改良された安定化支持台装置
を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は各請求項に記載の構成を備えている。本発
明によれば、ペイロードを、支持構造体の角度変位、並
進及び角度振動から分離するための安定化支持台装置
は、ペイロードを支持する内側ジンバルと、縦揺れ軸、
横揺れ軸、及び片揺れ軸線回りの運動に対して前記内側
ジンバルに制限された角度変位量を与えるように前記内
側シンバルを内部に含みかつ支持する弾力シェルと、前
記内側ジンバルと前記弾力シェルを内部に含む外側ジン
バルと、前記弾力シェルと外側ジンバルの間に連結さ
れ、前記弾力シェルの両端に配置された減衰コイルばね
からなる２つの対称列を有する受動振動分離器とを含む
ことを特徴としている。

【００１０】また、安定化支持台装置は、少なくとも３
つの磁気トルクモータの列を有し、この各磁気トルクモ
ータは、弾力シェルによって支持された電気的に励磁可
能なコイル部分と、内側ジンバルによって支持される磁
気構造部分とを有し、また、前記磁気トルクモータは、
１つの作用軸を有し、この軸に沿って内側ジンバルを位
置決める力が加えられ、他の２つの軸回りには自由に動
けるようにし、さらに、制御されたモーメントをどの回
転軸回りにも前記内側ジンバルに対して加えるように前
記磁気トルクモータの励磁を制御するためのコントロー
ラを有していることを特徴としている。

【００１１】また、安定化支持台装置は、弾力シェルに
よって支持される第１部分と、前記内側ジンバルによっ
て支持される第２部分と、前記第１，第２部分間にエア
ギャップとを有する少なくとも１つの容量性角度センサ
を有し、この角度センサは、前記第１，第２部分間の相
対的な動きに応答する。

【００１２】さらに、安定化支持台装置は、３つの直交
する軸方向に片揺れを与えるために、受動振動分離器の
減衰コイルばねの各列が、弾力シェルの両側を取り巻い
て伸びている。また、受動振動分離器を外側ジンバルに
連結しかつ外側ジンバルの角度変位に応答する偏心機構
が設けられ、前記分離器の静的変位を補正することによ
り外側ジンバルの最適位置に弾力シェルを位置決めるよ
うにする。

【００１３】内側ジンバルは、少なくとも１つのファイ
バー光学ジャイロを支持し、所定の軸回りに内側ジンバ
ルの角度変位における信号を出力するように作動する。

【００１４】また、安定化支持台装置は、外側ジンバル
を支持する第１取付部材を含み、外側ジンバルは、仰角
軸の回りに前記第１取付部材に対して角度調整可能であ
る。さらに、第１取付部材を支持する第２取付部材を含
み、第１取付部材は、仰角軸に対して直交する水平軸回
りに前記第２取付部材に対して角度調整可能である。第
２取付部材は、それ自体垂直軸回りに角度調整可能にす
ることもできる。

【００１５】また、安定化支持台装置は、外側ジンバル
を支持する取付部材を含み、外側ジンバルは、仰角軸の
回りに前記取付部材に対して角度調整可能であり、前記
取付部材は、それ自体垂直軸回りに角度調整可能であ
る。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明の実施形態を図面に基づい
て説明する。図面を参照すると、回転する３つの外軸を
有する安定化支持台装置が図１に示されている。この安
定化支持台装置は、ペイロード、即ち、映像装置を含む
単一の剛性体からなる内側ジンバル１と、種々の位置及
び運動用としてのセンサとアクチュエータを有する。

【００１７】一般的に、ペイロードは、主センサに対し
て照準点を合わせた１つまたはそれ以上のセンサの列を
有する。種々の位置及び運動用のセンサ及びアクチュエ
ータが内側ジンバル１の一部分にあり、これらについて
は、図５の説明とともに詳述する。内側ジンバル１は、
ほぼ球面状で中央に水平の円筒通路９を有する。

【００１８】内側ジンバル１は、軽い中空シェル２内に
はめ込められる。以後、これを弾力シェル(sprung shel
l)という。弾力シェルの一部分である円筒バー１０は、
円筒通路９を貫通し、中心回動軸１１上に内側ジンバル
１を支持する。

【００１９】回動軸１１は、内側ジンバルが３つの直交
軸、即ち、縦揺れ軸、横揺れ軸、及び片揺れ軸の回り
に、わずかな角度の範囲で、一般的には±５度の範囲以
下で自由に動けるようにする。

【００２０】円筒通路９は、このような角度変位を許容
するために、即ち、内側ジンバル１がバー１０に接触し
ないような大きさとなっている。同様に、内側ジンバル
１の外側周辺は、弾力シェル２の隣接部分を妨害しない
ように形作られている。

【００２１】内側ジンバル１の重さは、正確にかつ中心
回動軸１１の回り（３つの直交軸のずべての回り）で、
後で詳述するような方法によって正確にかつ中立に均衡
する。

【００２２】内側ジンバル１と弾力シェル２の組み合わ
せは、延長コイルばねと、受動振動分離器を形成する流
体ダッシュポット１２からなる２つの対称列によって支
持されている。この受動振動分離器については、図５〜
図７に関連して後述する。

【００２３】この受動振動分離器１２は、外側ジンバル
を形成し、かつ内側ジンバル１の外側包囲体の一部分と
なるリング構造体３により支持される。内側ジンバル１
は、３つ以上の磁気トルクモータ１３の列によって弾力
シェル２に対してトルクを有する。このトルクモータ１
３の構成および作動原理は、図３に関連して後に説明さ
れる。

【００２４】弾力シェル２に対する内側ジンバル１の制
限された角度変位は、容量性角度センサ１４の列によっ
て測定される。この構成及び作動原理も図４に関連して
説明する。

【００２５】上述した外側包囲体は、外側ジンバルリン
グ３と半球状の前側及び後側のカバー４ａ，４ｂからな
っている。機械的な固定具に加えて、カバー４ａ，４ｂ
を外側ジンバル３に取付けるために、ウエザーシールと
ＥＭＩシール（図示略）を有し、内側ジンバル１を外部
から保護する。前側カバー４ａは、内側ジンバル１に取
付られたセンサの列と整合した窓の列がある。各センサ
は、対応するセンサ及びセンサから得られる像の品質に
影響しない特性を有するスペクトル帯を透過する材料か
らなる窓を有する。

【００２６】本発明のこの実施形態では、３つの回転軸
を有しており、外部包囲体は、水平ヨーク７に支持され
ている。このヨーク７は、軸受と、外部包囲体を回転し
かつその内容物を仰角軸(elevation axis)１５の回りに
回転できるサーボアクチュエータとを含んでいる。この
サーボアクチュエータは、図６に関連して詳細に説明す
る。回転軸の仰角は、電気ケーブルを巻き上げることに
より制限され、このケーブルは、内側ジンバル１を支持
構造体に連結するために用いる。必要ならば、軸１５の
回りに制限されない回転を与えるために、これらのケー
ブルは、軸１５に連結した電気スリップリングに貫通さ
せることができる。

【００２７】水平ヨーク７は軸受で片持ち形式で取付ら
れ、この軸受にサーボアクチュエータ（図６において詳
述する）が備えつけられ、電気ケーブルの巻き上げによ
ってのみ制限された水平軸回りにヨーク７を回転でき
る。さらに、必要ならば、この水平軸の回りに制限され
ない回転を与えるために、ケーブルは、水平軸に取付け
られる電気スリップリングに貫通させることができる。

【００２８】水平ヨーク７は、片持ちキャリア８で軸受
によって支持され、この片持ちキャリア８は、垂直の方
位角軸回りに動けるように軸受１７によって支持されて
いる。この回転軸は、また、図６に関連して詳述される
サーボアクチュエータを備えている。

【００２９】軸受１７は、支持構造体の一部である固定
具６に取付られている。さらに、この軸回りの回転角度
は、電気ケーブルの巻き上げによって制限され、前と同
様に、この軸もまた、いずれかの方向に制限されない回
転を与えるために、電気スリップリングを備えることが
できる。

【００３０】２つの外軸を有する安定化支持台装置は、
外側包囲体４ａ，４ｂとその内容物が図１のように水平
ヨーク７の代わりに垂直ヨーク５によって支持されてい
ることを除いて、図１と同様な図２に示されている。こ
の垂直ヨーク５は、軸受１７とそのサーボアクチュエー
タを介して固定具６によって直接支持されている。

【００３１】図３(a) は、図１，図２に示す磁気トルク
モータ１３の１つを示す斜視図である。矩形状コイル２
０は、適当な混合物でポッチング(potting) した矩形
（図示略）のまわりにワイヤを巻き付けることによって
作られる。このコイル２０は、図１，図２に示すように
弾力シェル２に取付られる。モータ１３の他の部分は、
内側ジンバル１によって支持され、希土類磁石２１及柔
らかいが高い透磁率を有する材料の磁気構造体２２を含
んでいる。この磁気構造体２２は、適当な方法で互いに
取り付けられる前に、モータコイル２０を磁気構造体２
２に取り付けることができるように２つの部分２２ａ，
２２ｂを有する。磁気構造体２２の目的は、コイル２０
の上面から離れる方向に磁界を向けることである。

【００３２】電流がコイル２０を通過すると、コイルの
底面を通過する磁界は、巻き方向に直交する矢印２３に
よって示す方向に磁力を発生する。磁気構造体２２は、
コイルがこの構造体２２に対して矢印２３の方向のみな
らず矢印２４によって示す直交方向にも磁石２１の軸線
２５回りに自由に動けるような形状である。

【００３３】この磁気構造体２２は、これがコイル２０
に触れることなく図１，図２において中心回動軸１１の
回りで上述の制限された角度の範囲で回転できるように
湾曲した形状に形作られている。

【００３４】図３(b) は、トルクモータ１３の好ましい
列を示す平面図（この例では４つの列が示されてい
る。）であり、３つの直交軸のいずれかの軸回りに内側
ジンバル上で一斉に力モーメントが働く。２つのモータ
２６，２８（実線で示す）が弾力シェル２の頂部に固定
されかつ２つのモータ２７，２９（破線で示す）がシェ
ルの床に固定されている。

【００３５】片揺れ軸の回りに力モーメントが働くよう
に望む場合、４つのモータのすべてのコイル２０は、矢
印３０で示す方向に等しい力を生じさせるように励磁さ
れる。これらの力により生じたモーメントは、電流の大
きさに比例する片揺れ軸回りのモーメントを作り出すよ
うに結合するが、横揺れ軸及び縦揺れ軸回りのモーメン
トが生じないように清算する。

【００３６】横揺れ軸回りの力モーメントが働くように
望む場合、前記各モータのコイル２０は、矢印３１で示
す方向に等しい力を生じさせるように励磁される。これ
らの力により生じたモーメントは、コイル電流の大きさ
に比例する横揺れ軸回りのモーメントを作り出すように
結合するが、片揺れ軸及び縦揺れ軸回りのモーメントが
生じないように清算する。

【００３７】同様に、縦揺れ軸回りの力モーメントが働
くように望む場合、各モータのコイル２０は、矢印３２
で示す方向に等しい力を生じさせるように励磁される。
これらの力により生じたモーメントは、コイル電流の大
きさに比例する縦揺れ軸回りのモーメントを作り出すよ
うに結合するが、横揺れ軸及び片揺れ軸回りのモーメン
トが生じないように清算する。

【００３８】３つの軸回りの全てモーメントが同時に働
くように望む場合、方向３０，３１，３２へのコイル電
流の初めの３組は、各軸回りの所望のモーメントを発生
するために（大きさと方向において）、増減しなければ
ならない。そして、各コイルに対して合算され同時に加
えられる。

【００３９】図４は、図１，図２に示された容量性角度
センサ１４の作動原理を説明する。２つのセンサの列
は、内側ジンバル１が弾力シェル２に対して自由に回転
することにより、３つの直交軸回りの３つの小さな角度
を測定するのに用いる。各センサ１４は、導電性フィル
ムで両面を被覆された誘電体材料の２つのディスク３
５，３６を有する。各ディスク３５，３６は、（平面の
ディスクというよりむしろ）球面の部分品として形成さ
れ、この各球面の半径は、中心回動軸からのディスクの
位置までの距離に相当する。各ディスク３５，３６は、
各球面が回動点で同心となるように取付られている。

【００４０】列状の各センサは類似の励起ディスク３５
とより大きな感知用ディスク３６を有する。より大きな
感知用ディスク３６において、凹面上の導電性フィルム
は、４つの等しい４分円４０，４１，４２，４３に分け
られ、各々は、誘電体の帯によって分離される。励起デ
ィスク３５は、内側ジンバル構造体１に取付けられ、感
知用ディスク３６は、弾力シェル２に取付けられる。こ
の２つのディスク３５，３６は、小さなエアギャップに
より分離される。励起ディスク３５の凸面と感知用ディ
スク３６の各４分円４０，４１，４２，４３は、可変容
量値を有する。これらの４分円４０，４１，４２，４３
は、また、感知用ディスクの導電性凸面を有する誘電体
を介して４つの固定容量値を形成する。

【００４１】電子発振器３７が、励起ディスク３５と２
つの外側接地導電表面との間に正弦波の励起電圧を加え
るために用いられる。４つの可変キャパシタと４つの固
定キャパシタが２つの容量性ブリッジ回路として連結さ
れる。各ブリッジ回路の出力は、位相感知整流器（ＰＳ
Ｒ）回路３８によって調整され、この整流器回路は、ブ
リッジの不平衡の大きさと方向を直流電圧に変換するも
のであり、この電圧の大きさは、不平衡の量に比例し、
かつその極性が、不平衡の方向に影響する。励起ディス
ク３５が感知用ディスク３６の上方中央に配置される
と、両ブリッジ回路は、平衡し、かつ両位相感知整流器
回路は、出力がゼロボルトになる。

【００４２】励起ディスク３５が中央位置から矢印３９
の方向に移動すると、その結果による容量変化によっ
て、４分円４０，４２によって形成されるブリッジが次
第に不平衡となり、これに関連するＰＳＲ回路３８は、
オフセット角度に比例する出力電圧を発生する。４分円
４１，４３によって形成される他のブリッジは、平衡状
態を維持し、これに関連するＰＳＲ回路（図示略）は、
出力がゼロボルトのままである。同様に、励起ディスク
３５が中央位置から矢印３９に対して直角の方向にオフ
セットすると、第２のＰＳＲ回路３８は、適当な出力電
圧を生じ、一方、第１のＰＳＲ回路３８は、出力がゼロ
ボルトのままである。

【００４３】励起ディスク３５が斜めの方向にオフセッ
トされると、２つのＰＳＲ回路３８の出力は、生じる変
位を２つの成分、即ち、矢印３９に平行な成分と直交す
る成分に分解する。３つの直交軸の角度変位をすべて測
定する必要があるので、既知の角度で分離した２つの容
量性センサ１４の列が、図１，図２に示したように必要
とされる。

【００４４】２つの容量性センサ１４を結ぶ線上の中間
点の回りの回転を示す第３の角度は、この列の２つのセ
ンサ１４を結ぶ線に対して直交する方向における変位差
をとることによって得られる。

【００４５】図６は、受動振動分離器の主構成を示す。
この分離器から垂下した質量４４は、内側ジンバル１と
弾力シェル２の組み合わせである。この質量４４は、伸
長スプリング４５の２つの円錐列によって支持され、こ
のスプリングは、外側ジンバル３によって支持される２
つのディスクにより支持されている。

【００４６】スプリング４５は、この列に生じるバネ定
数が図１，図２で定義した３つの直交方向ｘ，ｙ，ｚに
等しい方向に向いている。それゆえ、３つの方向におけ
る固有振動数も等しい。また、コイルスプリング４５と
その列の形状因子及び材料は、質量４４の所定値に対す
る固有振動数の数値が予め設定できるように選択され
る。さらに、この質量４４の各側に置かれるスプリング
４５は、図示するように円錐形に配置され、各円錐は、
外側包囲体の球面形状にほぼ一致している。

【００４７】さらに、スプリング４５は、４７ａ，４７
ｂで示すように角度を有する対として配置され、図１，
図２に示したモータ列１３によって縦揺れ軸の回りに加
えられるモーメントに対して確かな抵抗を与える。ま
た、スプリング４５の列は、図１，図２，及び図５(a)
における仰角軸１５回りに対称となるように配置され、
その結果、このスプリング列の特性は、外側ジンバル３
が仰角軸の回りに回転するにつれて変化する姿勢に対し
て変化しない。

【００４８】分離器の共振時の発振器の振幅は、弾力シ
ェル２に取付けられて２つのダッシュポット４６が互い
に直交する方向に作用する、少なくとも６個の流体ダッ
シュポット４６の列によって制御される。このダッシュ
ポットの流体は、液体またはガスである。

【００４９】各ダッシュポット４６のピストンは、各端
部にボールジョイントを有するロッドによってそれぞれ
のディスク４８に連結され、分離器が、３つの直交する
方向のすべてに対してダッシュポット４６を束縛するこ
となく同時に変位することができる。

【００５０】質量がスプリングによって支持される時、
この支持された質量が沈下し、あるいは静的変位が起こ
るという、受動振動分離器の特性は良く知られている。
この沈下は、図５(a) に誇張した形で示されている。ま
た、このような静的な変位の大きさは、分離器の固有振
動数に関係するが、垂下した質量の大きさとは無関係で
ある。この関係は、次式によって与えられる。

【００５１】Ｆ＝（ｇ／ｄ）／２π ここで、Ｆは固有振動数（Ｈｚ）であり、ｇとｄは、一
定単位の組み合わせにおける重力加速度と静的変位であ
る。

【００５２】この関係から、静的変位が増加すると、固
有振動数が減少することがわかる。低い固有振動数が望
ましい。しかし、大きな静的変位は、全ての高さ姿勢に
対して弾力シェル２と外側包囲体３，４ａ，４ｂの間に
物理的スキマを設けなければならないので好ましくな
く、この結果、外側包囲体も、弾力シェル２の大きさに
比較して好ましくないほど大きくなってしまう。

【００５３】振動分離器を形成するための質量を垂下す
るために、焼入れ鋼のスプリングを用いると、各スプリ
ングは、その質量及びコイルのコンプライアンスによっ
て、それ自体、長手方向及び横方向の両方の多くの共振
モードを有することになる。これらの多くの共振の１つ
またはそれ以上が、乗物の振動スペクトルによって励起
されるので、そのため、安定化支持台装置が取り付けら
れる。

【００５４】焼き入れスプリングを用いると、共振の鋭
さの係数であるＱを非常に高くすることができる（１０
０のオーダー）。このような共振状態の１つまたはそれ
以上は、スプリング材料に過度の応力が繰り返し与えら
れることになり、早期の疲労破壊が生じる。

【００５５】それゆえ、各スプリング４５は、共振にお
けるＱをかなり減少させるように弱める。これは、各ス
プリングに対して摩擦による減衰を付加することに達成
される。この摩擦減衰は、適当な材料からなる所定長さ
で、かつスプリングの内径よりも大きな外径を有する組
みひも状のロープによって与えられる。

【００５６】このロープは、スプリングを強制的に引っ
張って十分にスプリングが伸びた長さに切断される。締
まりばめにより生じる圧力によってスプリングの内径に
対して半径方向の力が加わる。スプリングの長さに小さ
な周期的変化を与えることによって、スプリングとロー
プとの間の摩擦が生じ、すべてのスプリング共振のＱ係
数を減じて疲労寿命が延長される。この摩擦は、振動分
離器の共振周波数に対して効果的であり、ダッシュポッ
トダンパ４６の作用を増大させる。

【００５７】図６及び図７は、静的変位にほぼ等しい変
位によって垂下した質量を上昇させるために使用する機
構を示しており、これにより、弾力シェル２は、仰角の
全範囲に対して外側包囲体３，４ａ，４ｂの中央にとど
まる。

【００５８】図６及び図７は、同一機構の異なる２つの
状態を示しており、それは、約１２０°の回転によって
分けられた２つの異なる仰角に対応している。図６及び
図７に示された２つの機構は、垂下した質量の各側に１
つ設けられる。反対側に配置される機構は、図に示す機
構の鏡像となる。

【００５９】図７を参照すると、垂直支持部材５０は、
図１，図２にそれぞれ示す水平ヨーク構造７または垂直
ヨーク構造５と一体化する部分である。シャフト５１
は、この支持部材５０に強固に取付けられる。シャフト
５１（及び外側ジンバル３の後面に取付けられる大きな
ボール軸受（ここでは図面に示されていない））は、外
側ジンバルリング３を支持し、このリングが仰角軸の回
りに回転できるようにする。

【００６０】外側軸受面５２を有する偏心部材５３は、
シャフト５１に取付けられる。部材５３の偏心量は、ス
プリング分離器の静的変位に等しくなり、この静的変位
とは反対側のほぼ上方に偏心している。偏心部材５３の
外側軸受面５２は、図６及び図７において、分離器のス
プリング支持ディスク４８の中央部を支持し、このディ
スクを軸受軸の回りに自由に回転できるようにする。

【００６１】３つの他のシャフト５７ａ，５７ｂ，５７
ｃは、外側ジンバル３に強固に取付られ、第１のシャフ
ト５１に平行にかつジンバル３の円周上に配置されてい
る。これらのシャフトは、それぞれ、偏心部材５５ａ，
５５ｂ，５５ｃを支持し、これらの偏心部材は、内側及
び外側の軸受面を有し、偏心部材５３と同一の偏心量を
有している。偏心部材５５ａ，５５ｂ，５５ｃの外側軸
受面は、また、スプリング支持ディスク４８を支持し、
かつ軸受面５２回りの自由な回転を拘束する。

【００６２】外側包囲体は、図７に示すように１２０°
を含む角度に仰角アクチュエータによって駆動されると
き、分離器スプリング支持ディスク４８は、シャフト５
７ａ，５７ｂ，５７ｃ及び偏心部材５５ａ，５５ｂ，５
５ｃによって回転するようになる。しかし、分離器支持
ディスク４８の中心部は、偏心部材５３の偏心量によっ
て高さが上昇する。

【００６３】外側偏心部材５５の数が２以下であると問
題が生じる。例えば、２つの偏心部材５３，５５ｃが図
７に示すようにその回転が整合していると、この２つの
部材は、反対方向に回転するようになり、それらの外側
偏心軸受面はディスク内で束縛されてしまう。この回転
方向における不確かさを解決するために、２つの偏心部
材５５ｃ，５３が整合しているとき、他の２つの偏心部
材５５ａ，５５ｂは、偏心部材５３に対してその回転を
整合させないで、回転が止まらないように、この時点で
の回転方向を拘束する。

【００６４】図８は、内側ジンバル１のペイロード支持
台上の複数のセンサ及びアクチュエータの配置を示す。
これらのセンサ及びアクチュエータを支持するペイロー
ド支持台の構造は、明瞭化のために省かれている。ペイ
ロード支持台のこれらの部品の配置は、ペイロードの構
造とともに変更可能であるが、それらの相対的角度の向
きは同一である。これらのセンサ及びアクチュエータ
は、図１０，図１１に関連して後述する制御装置の一部
である。

【００６５】部品１３，１４は、それぞれ、磁気トルク
モータの列と、容量性センサの列である。各感知軸を有
する３つのファイバー光学ジャイロ（ＦＯＧ）６０の列
は、ｘ，ｙ，ｚ軸がそれぞれ横揺れ、縦揺れ、および片
揺れとして示される各軸回りに回転するように、直交配
置されかつ図面に示されている。このセンサの目線上
に、ｘ軸に対する照準規定がある。

【００６６】各ＦＯＧ６０は、慣性座標に対する感知軸
の回りの回転速度に相当するデジタル信号を出力する。
デジタル出力を有する傾斜計６１が、ｙ軸に対する垂直
を見出すために用いられる。この傾斜計６１は、縦揺れ
角度に対する垂直を示すことができる。選択的に、一対
の直交系の線形加速度計が傾斜計６１の代わりに使用す
ることもできる。この場合では、２つの加速度計の出力
を電気的に解析して縦揺れ角度を計算する。

【００６７】第２の傾斜計６２またはその代わりの線形
加速度計が、ｘ軸に対する垂直を見つけるのに用いられ
る。この傾斜計６２は、横揺れ角度を±４５°の範囲に
わたあるいは縦揺れ角度に独立して示すことができる。
同一のサーボアクチュエータ６３，６４，６５は、正確
に移動するウエイト６３ａ，６４ａ，６５ａをその各軸
に沿ってそれぞれ位置決めることができる。この３つの
アクチュエータ６３，６４，６５は、ｘ，ｙ，ｚ軸に対
してのそれぞれ平行な軸に対応して指向されている。

【００６８】図９は、外側軸駆動の一般的な装置を示
す。外側軸、即ち、仰角軸、利用できるならば水平軸、
および方位角軸の各々が、このような駆動のために設け
られている。これらの一対の軸の各々は、単一または一
対のボール軸受（図示略）によって支持されている。リ
ングべべル歯車６６が各軸駆動部の移動または駆動用半
部に取付けられる。このリング歯車６６は、ベベルギア
ピニオンによって駆動され、このピニオンは、電気モー
タおよびギアヘッド６８によって駆動される。アンチバ
ックラッシ用ベベル歯車６９は、軸の移動角度を正確に
測定するために用いられるインクリメンタルシャフトエ
ンコーダ７０を駆動する。

【００６９】この種のインクリメンタルシャフトエンコ
ーダは、相対角度のみを測定できるもので、絶対角度を
測定するものではない。絶対角度を測定するためには、
これらの装置は、エンコーダ軸の１回転につき１回、正
確なパルスを出力する必要がある。

【００７０】大きなリングギアの絶対角度を測定するこ
とを望む場合、歯車機構による回転に対して多数のイン
デックスパルスによって生じる問題が起こる。光遮断器
またはスロット光学スイッチ(slotted optical switch)
７１が駆動部の固定部分に取り付けら、そして、フラッ
グ７２が回転部分に取付けられる。エンコーダ７０は、
インデックスパルスの１つが、移動フラッグ７２によっ
てスロットスイッチ７１の作動と同時に起こる。この２
つの信号は、論理的にアンド回路に結合され、多くのイ
ンデックスパルス１つだけを出力する。スロットスイッ
チの作動およびインデックスパルスの発生に対して、ゲ
ート６６とゲート６９間の減速ギア比は整数値でなけれ
ばならない。図１０は、図１に示したように、３つの外
側軸を有する本発明の実施形態に置ける制御装置のブロ
ック図である。この制御装置は、単一のマイクロプロセ
ッサに基づいている。このプロセッサの第１の制御アル
ゴリズムは、図において分離したブロックで示されてい
る。内側ジンバル１に取り付けるＦＯＧ列６０は、慣性
座標に対するジンバルの回転速度を検出する。外部操縦
指令７５（例えば、ゼロ）がない場合、プロセッサの内
側ジンバル制御アルゴリズムは、計算され、かつトルク
モータ列１３がネガティブフィードバックの原理を用い
て内側ジンバルへの小さな補正モーメントを加え、空間
における内側ジンバルの角度指向を維持する。

【００７１】容量性角度センサ１４は、外側ジンバル３
と内側ジンバル１との間で、３つの直交軸回りの角度変
位を感知する。プロセッサの外側ジンバル制御アルゴリ
ズムは、３つの角度変位を仰角、水平、方位角の各軸の
現在の方向を決めるために、シャフトエンコーダ７０を
用いて、仰角、水平、方位角の各駆動部の軸と整合する
成分に分解する。分解された角度変位の成分は、これら
の軸上のアクチュエータを駆動するために用いられ、容
量性センサ１４の３つの角度変位の各々をゼロにする。
すなわち、これらのセンサを絶えず中心付けて、外側ジ
ンバル３を内側ジンバル１の方向に従わせる。

【００７２】外部操縦信号７５が発生すると、この２つ
の信号は、軸ｘ，ｙ，ｚを感知するＦＯＧと整合した３
つの角速度ベクトル成分に分解され、シャフトエンコー
ダ７０と容量性角度センサの列によって示された両方の
角度を用いて、内側ジンバル１の電流の方向を決定す
る。

【００７３】３つのネガティブフィードバック制御ルー
プにより、内側ジンバル１を外部速度操縦信号に従うよ
うに駆動する。外側ジンバル制御アルゴリズムは、外側
ジンバル３が前と同様に移動する内側ジンバル１に従う
ようにさせる。

【００７４】内側ジンバル制御アルゴリズムは、内側ジ
ンバル１のｘ軸の仰角および方位角７６、即ち、照準規
定センサの目線上で、シャフトエンコーダ７０と容量性
角度センサ１４の各々によって示された両方の角度を用
いる支持構造体に対する仰角および方位角７６を計算
し、そして、この情報を使用者に連続して伝達する。

【００７５】取付境界面介してジンバルに伝達された振
動が現れる場合、これらの振動が、内側ジンバル１を回
転する動的モーメントを付加しないように、中心回動軸
１１の上方の内側ジンバル１と静的に正確にバランスす
ることが重要である。このプロセッサの自動バランスア
ルゴリズムは、必要とするトルクモータ列によって加え
られる長期間の制御モーメントを計算し、内側ジンバル
１を空間に静止させるように維持し、３つの各アクチュ
エータ６３，６４，６５でのウエイト６３ａ，６４ａ，
６５ａの位置を変えて、このような長期間の制御モーメ
ントをゼロまたは最小にする。

【００７６】内側ジンバル１の方向は、空間内で静止す
るように維持され、地球が１時間当たり１５°の速度で
回転するとき、センサ列における水平軸の像が明らかに
この速度で回転するようにさせる。内側ジンバル１上で
の縦揺れおよび横揺れの傾斜計６１，６２は、自動速度
操縦信号を発生するために用いられ、この信号により像
を水平レベルに維持するように内側ジンバル１を操縦す
る。

【００７７】プロセッサの慣性座標での計算アルゴリズ
ムは、各ＦＯＧ６０からの角速度情報を用いて、慣性航
行システムで一般的に行われるように、オイラー(Eule
r) 角度の形式における目線上の姿勢および機首方位を
計算し、そして、この角度情報７７を垂直に対する仰角
と、慣性座標に対する方位角の形式で連続して使用者に
伝達する。

【００７８】図１１は、図２に示したように、２つの外
軸を有する本発明の実施形態における制御装置のブロッ
ク図である。この制御装置の作動は、水平軸駆動部がな
いことを除いて図１０において説明したものと同一であ
る。

【００７９】この制御信号は、軸７８を駆動するために
一般的に発生し、内側ジンバル制御アルゴリズムにフィ
ードバックせず、また、ネガティブフィードバックを用
いる容量性角度センサの横揺れ成分をゼロにするよう
に、ｘ軸回りに内側ジンバルを操縦するのに使用され
る。

【００８０】これにより、内側ジンバル１は、ｘ軸回り
に支持構造体を比較的ゆっくり姿勢変化することには従
うが、画像品質の劣化を生じさせる比較的急激な姿勢変
化には従わない。これは、映し出された水平軸が支持構
造体の姿勢変化に従うようにさせる。横揺れおよび縦揺
れの傾斜計６１，６２は、もはや水平レベルを維持する
ためには使用されず、オイラー角度を計算するために用
いるだけである。

【００８１】図１２は、本発明の更なる実施形態に従う
弾性シェル１０２を示し、このシェルは、主シェル本体
部分１０２ｃの両側に一対のシェルディスク１０２ａ，
１０２ｂを有する。シェルディスク１０２ａ，１０２ｂ
は、半径方向内側位置において主本体部分１０２ｃだけ
と一体に連結されている。スプリング４５は、半径方向
外側位置でシェルディスク１０２ａ，１０２ｂに連結さ
れている。

【００８２】シェルディスク１０２ａ，１０２ｂは、比
較的薄く、かつスプリング４５によって加えられた力に
応答して弾性的に曲げることができ、スプリング列の延
長部とみなすことができる。それゆえ、このような湾曲
には耐えることができる。主本体部分１０２ｃは、他の
方法で主本体部分１０２ｃを曲げさせるようなスプリン
グ力に屈服せず、このような方法によって、磁気トルク
モータ１３と容量性角度センサ１４の正確さに影響を与
えることがない。

【００８３】こうして、本発明の好ましい実施形態に従
う安定化支持台装置は、３つの角度軸の回りで安定化さ
せ、最小の角度変位を可能にするとともに、固有の制限
されない自由な角度範囲を有する３つまたは２つの軸を
備えた外側構造体によって支持されている内側ペイロー
ド構造を有する。

【００８４】内側ペイロード構造は、最小の大きさでか
つトルクモータまたは角度変換器によって邪魔にならな
いで、中央に配置された自在継手によって支持される。
その代わり、自在継手の個別の軸に対して制約されない
ユニークな設計の磁気トルクモータの列が用いられる。

【００８５】特に、各磁気トルクモータは、力が加えら
れるが抑制されない、即ち、２つまたは他の回転軸回り
に自由に動けるような活動方向を有する。これらのモー
タが協力して励磁されると、制御されたモーメントがど
の回転軸の回りにも加えられることから、このようなモ
ータの３つまたはそれ以上の列は、その方向合わせがさ
れる。この列は、ペイロード構造体の周囲に配置され、
最大制御モーメントが最小の力で発生させることができ
る。角度変換器の列は、単一の回転軸に抑制されず、ま
たペイロード構造体の周囲に配置されており、外側構造
体に対してペイロード構造体の回転角度を測定するのに
用いられる。

【００８６】このような角度変換器の配置は、最小の線
形軌跡に対して最大の角度限界を与える。全ての姿勢の
受動振動分離器は、内側ペイロード構造体を用いて回転
し、支持構造体をクリアにするために必要な救済を最小
にするために用いられる。ユニークな機構が、受動振動
分離器に包含されており、これは、分離器の静的変位に
対する自動的な補償を行い、内側構造体と外側構造体と
の間の隙間を最小にする。

【００８７】安定化と制御遠隔操縦は、重量があり、複
雑で、制限的な信頼性を有する傾向にある機械的なジャ
イロを用いることなく達成される。これらのジャイロで
は、制限されたバンド幅とダイナミックレンジを有する
ため、閉ループ、即ちネガティブフィードバック制御
装置においてその有効性が制限される。このような制限
は、支持台安定化を達成できる度合に制限を与える。

【００８８】その代わり、本発明によれば、複数のファ
イバー光学ジャイロ（ＦＯＧ）センサが使用される。こ
れらは、回転するまたは振動する質量の慣性的効果より
も相対論的効果に基づいている。ペイロード構造体上の
傾斜計または加速度計の列は、地球の回転速度に対する
補正のために、また垂直基準を維持するために使用され
る。ペイロード構造体上のサーボ位置決めウエイトの
列も中心回動軸の回りで前記構造体の中立の静的平衡を
自動的に確立しかつ維持するために使用される。

【００８９】外軸駆動部の配置及び手順は、本発明に従
って支持された映像装置を用いる乗物の運動性は、過度
に制限されないようになっている。３つの外軸を有する
本発明の実施形態では、外軸の配置は、目線の方向に十
分制御できる能力を備えており、水平の画像レベルを自
動的に保持する能力ばかりでなく、目標を追跡する十分
な能力を含んでいる。２つの外軸を有する本発明の実施
形態では、外軸の配置及び内軸の制御方法により、照準
規定された画像の横揺れ軸回りに乗物の小さくて急速な
姿勢変化を取り除いて、画像の品質を維持し、過度にそ
の運動性を制限することなくその乗物の大きく緩慢な姿
勢変化に従うようにする能力を含んでいる。

【００９０】本発明は、移動支持構造体また乗物に対す
る照準規定センサの目線角度を測定し、かつディジタル
形式で使用者にこの情報を連続的に伝達する能力を提供
する。本発明はまた、垂直及び慣性方位角に対して照準
規定された目線角度を計算すし、さらに、この情報をデ
ィジタル形式で連続して使用者に伝達するための能力を
提供する。

【００９１】本発明の他の実施形態は、当業者であれば
容易に明らかになり、本発明の範囲は、付随する特許請
求の範囲によって限定される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に従って、３つの回転軸を
有し、かつ主要構成部品を示す安定化支持台装置の分解
図である。

【図２】２つの回転軸を有する、本発明の別の実施形態
を示す安定化支持台装置の分解図である。

【図３】図１，図２に用いられる磁気トルクモータを示
し、(a) は、このモータ斜視図であり、(b) は、磁気ト
ルクモータの好ましい配列を示す平面図である。

【図４】容量性角度センサの作動原理を示し、(a) は、
その正面図であり、(b) は、(a) のＢ−Ｂ線に沿って見
た断面構成図である。

【図５】振動分離器の主構成部品を示し、(a) は、その
正面図であり、(b) は、その側面図である。

【図６】振動分離器の静的変位を補正するための機構を
示す斜視図である。

【図７】振動分離器の静的変位を補正するための別の機
構を示す斜視図である。

【図８】ペイロード支持台上のセンサ及びアクチュエー
タの配置を示す構成斜視図である。

【図９】外軸駆動装置を示す構成斜視図である。

【図１０】３つの外軸を有する支持台装置の制御システ
ムを示すブロック図である。

【図１１】２つの外軸を有する支持台装置の制御システ
ムを示すブロック図である。

【図１２】図５(a) 及び図５(b) の振動分離器の主構成
部品を示し、(a) は、修正したばねシェルを用いた正面
図であり、(b) は、その側面図である。

【符号の説明】

１内側ジンバル２弾力シェル３外側ジンバルリング７ヨーク１０バー１１中心回動軸１２受動振動分離器１３磁気トルクモータ１４容量性角度センサ２０コイル４５スプリング６０ジャイロ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ライゴーアラスカナダ国エヌ１エイチ７ジェー９オンタリオグエルフカレイクレッセント 19 (72)発明者マイケルディー．ルイスカナダ国エル７エム３エックス９オンタリオバーリングトンカルディフクレス． 3354

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ペイロードを、支持構造体の角度変位、並
進及び角度振動から分離するための安定化支持台装置で
あって、ペイロードを支持する内側ジンバルと、縦揺れ軸、横揺れ軸、及び片揺れ軸線回りの運動に対し
て前記内側ジンバルに制限された角度変位量を与えるよ
うに前記内側シンバルを内部に含みかつ支持する弾力シ
ェルと、前記内側ジンバルと前記弾力シェルを内部に含む外側ジ
ンバルと、前記弾力シェルと外側ジンバルの間に連結され、前記弾
力シェルの両端に配置された減衰コイルばねからなる２
つの対称列を有する受動振動分離器とを含む安定化支持
台装置。
【請求項２】少なくとも３つの磁気トルクモータの列を
有し、この各磁気トルクモータは、弾力シェルによって
支持された電気的に励磁可能なコイル部分と、内側ジン
バルによって支持される磁気構造部分とを有し、また、
前記磁気トルクモータは、１つの作用軸を有し、この軸
に沿って内側ジンバルを位置決める力が加えられ、他の
２つの軸回りには自由に動けるようにし、さらに、制御
されたモーメントをどの回転軸回りにも前記内側ジンバ
ルに対して加えるように前記磁気トルクモータの励磁を
制御するためのコントローラを有していることを特徴と
する請求項１記載の安定化支持台装置。
【請求項３】前記弾力シェルによって支持される第１部
分と、前記内側ジンバルによって支持される第２部分
と、前記第１，第２部分間にエアギャップとを有する少
なくとも１つの容量性角度センサを有し、この角度セン
サは、前記第１，第２部分間の相対的な動きに応答し
て、前記弾力シェルに対して内側ジンバルの角度位置を
示す信号を発生することを特徴とする請求項１記載の安
定化支持台装置。
【請求項４】受動振動分離器の減衰コイルばねの各列
は、弾力シェルの両側を取り巻いて伸びており、３つの
直交する軸方向に片揺れを与えることを特徴とする請求
項１記載の安定化支持台装置。
【請求項５】受動振動分離器を外側ジンバルに連結し、
前記分離器の静的変位を補正することにより外側ジンバ
ルの最適位置に弾力シェルを位置決めるために、前記外
側ジンバルの角度変位に応答する偏心機構を有すること
を特徴とする請求項１記載の安定化支持台装置。
【請求項６】内側ジンバルは、少なくとも１つのファイ
バー光学ジャイロを支持し、所定の軸回りに内側ジンバ
ルの角度変位における信号を出力するように作動するこ
とを特徴とする請求項１記載の安定化支持台装置。
【請求項７】外側ジンバルを支持する第１取付部材を含
み、前記外側ジンバルは、仰角軸の回りに前記第１取付
部材に対して角度調整可能であることを特徴とする請求
項１記載の安定化支持台装置。
【請求項８】第１取付部材を支持する第２取付部材を含
み、前記第１取付部材は、仰角軸に対して直交する水平
軸回りに前記第２取付部材に対して角度調整可能である
ことを特徴とする請求項７記載の安定化支持台装置。
【請求項９】第２取付部材は、それ自体垂直軸回りに角
度調整可能であることを特徴とする請求項８記載の安定
化支持台装置。
【請求項１０】外側ジンバルを支持する取付部材を含
み、前記外側ジンバルは、仰角軸の回りに前記取付部材
に対して角度調整可能であり、前記取付部材は、それ自
体垂直軸回りに角度調整可能であることを特徴とする請
求項１記載の安定化支持台装置。
【請求項１１】弾力シェルは、主本体部分と、シェル両
側に置かれかつ半径方向内側位置でのみ前記主本体部分
に連結されている一対のシェルディスクとを有し、前記
減衰コイルばねは、半径方向外側位置でシェルディスク
に連結されていることを特徴とする請求項１記載の安定
化支持台装置。