ジンバル
シンプルな3軸ジンバルセットの図。センターリングは垂直に固定できます。

ジンバルとは、物体を軸を中心に回転させることができる旋回支持機構です。3つのジンバルを互いに直交する旋回軸で連結することで、最も内側のジンバルに取り付けられた物体を、支持機構の回転（例えば最初のアニメーションでは垂直方向）から独立させることができます。例えば、船舶では、ジャイロスコープ、コンパス、ストーブ、さらにはドリンクホルダーでさえ、船の縦揺れや横揺れにもかかわらず、水平方向に対して垂直を保つためにジンバルが使用されています。

コンパスなどを取り付けるために使用されるジンバル式サスペンションは、その詳細な記述を行ったイタリアの数学者・物理学者ジェロラモ・カルダーノ（1501–1576）にちなんで、カルダン式サスペンションと呼ばれることがあります。しかし、カルダーノはジンバルを発明したわけではなく、また、そう主張したわけでもありません。この装置は古代から知られており、紀元前3世紀にビザンチンのフィロンによって初めて記述されましたが、現代の著述家の中には、特定の発明者がいなかったという説を支持する人もいます。[ 1 ] [ 2 ]

歴史

ヴィラール・ド・オヌクールのスケッチブックに描かれたカルダンの懸濁液（1230年頃）
ジンバルで吊り下げられた近世の乾式コンパス（1570年）

ジンバルは、ギリシャの発明家ビザンツ帝国のフィロン（紀元前280-220年）によって初めて記述されました。[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]フィロンは、各面に開口部を持つ8面のインク壺について記述しました。このインク壺は回転することができ、どの面を上にしてもペンを浸してインクを塗ることができますが、他の面の穴からインクが漏れることはありません。これは、中央のインク壺が一連の同心円状の金属リングに取り付けられているため、壺をどの方向に回転させても固定されたままです。[ 3 ]

古代中国では、漢王朝（紀元前202年-220年）の発明家で機械技術者の丁歓が180年頃に ジンバル香炉を製作しました。 [ 3 ] [ 7 ] [ 8 ]司馬相如（紀元前179-117年）の著作には、ジンバルが紀元前2世紀から中国に存在していたことを示唆する記述があります。[ 9 ]梁王朝（502-557年）にはジンバルがドアや窓の蝶番に使用されていたという記述があり、またある職人が則天武后（在位690-705年）にジンバルを使用した携帯用暖房ストーブを献上しました。[ 10 ]香炉に使われていた中国のジンバルの現存する標本は唐代初期（618-907年）に遡り、中国の銀細工の伝統の一部であった。 [ 11 ]

フィロンによるカルダン式サスペンションの記述の信憑性については、ジンバルの使用について記述しているフィロンの『ニューマティカ』の部分が、9世紀初頭のアラビア語訳でしか現存していないという理由で、一部の研究者から疑問視されてきた。 [ 3 ]そのため、1965年になっても、中国学者のジョセフ・ニーダムは、アラビア語による挿入を疑っていた。[ 12 ]しかし、今でも現代の学者の根拠となっているフランス語訳の著者であるカラ・ド・ヴォーは、[ 13 ] 『ニューマティカ』を本質的に本物とみなしている。[ 14 ]技術史家のジョージ・サートン (1959) も、アラビア語版はフィロンのオリジナルの忠実なコピーであると想定しても安全であると主張し、この発明をフィロンに明確に認めている。[ 15 ]同僚のマイケル・ルイス (2001) も同様の見解を示している。[ 16 ]実際、後者の学者（1997年）による研究では、アラビア語のコピーには1世紀以降使われなくなったギリシャ語の文字の配列が含まれていることが示されており、それによってそれがヘレニズム時代のオリジナルの忠実なコピーであるという主張が強化されています。 [ 17 ]最近、古典学者のアンドリュー・ウィルソン（2002年）もこの見解を共有しています。 [ 18 ]

古代ローマの著述家アテナイオス・メカニコスは、アウグストゥス帝の治世（紀元前30年～紀元後14年）に著作を残し、ジンバルのような機構の軍事的利用について記述し、それを「小さな猿」（ピテキオン）と呼んでいます。海側から沿岸都市を攻撃する準備をする際、軍の技術者は商船を繋ぎ合わせて攻城兵器を城壁まで運びました。しかし、荒波の中で船上の兵器が甲板上で転がるのを防ぐため、アテナイオスは「ピテキオンは商船の中央に取り付けられた台に固定し、どの角度でも直立を保つようにしなければならない」と助言しています。[ 19 ]

古代以降も、ジンバルは近東で広く知られていました。ラテン西方では、9世紀の製図書『絵画の小さな鍵』（mappae clavicula）にこの装置に関する記述が再び見られます。[ 20 ]フランスの発明家ヴィラール・ド・オヌクールは、スケッチブックにジンバルのセットを描いています（右図）。近世初期には、乾いたコンパスがジンバルに吊り下げられていました。

アプリケーション

3つのジンバルを一緒に取り付けたセットでは、それぞれがロール、ピッチ、ヨーの自由度を提供します。

慣性航法

船舶や潜水艦に適用される慣性航法では、慣性航法システム（安定テーブル）を慣性空間に固定し、船舶のヨー、ピッチ、ロールの変化を補正するために、少なくとも3つのジンバルが必要です。この用途では、慣性計測装置（IMU）に3つの直交配置されたジャイロが装備され、3次元空間のすべての軸周りの回転を検知します。ジャイロの出力は、各ジンバル軸の駆動モーターによってゼロに保たれ、IMUの向きが維持されます。これを実現するために、ジャイロの誤差信号は、ロール、ピッチ、ヨーの3つのジンバルに取り付けられた「レゾルバ」に送られます。これらのレゾルバは、各ジンバル角度に応じて自動行列変換を実行し、必要なトルクが適切なジンバル軸に伝達されます。ヨートルクは、ロールとピッチの変換によって解決する必要があります。ジンバル角度は測定されません。航空機にも同様のセンシングプラットフォームが使用されています。

慣性航法システムでは、機体の回転により3つのジンバルリングのうち2つが同一平面内でピボット軸と一直線になった場合にジンバルロックが発生することがあります。この状態が発生すると、センシングプラットフォームの向きを維持できなくなります。

ロケットエンジン

宇宙船の推進において、ロケットエンジンは通常、一対のジンバルに搭載され、1つのエンジンでピッチ軸とヨー軸の両方の軸を中心に推力を方向付けることができます。あるいは、エンジンごとに1つの軸のみを使用する場合もあります。ロール制御には、差動ピッチまたはヨー制御信号を備えた2つのエンジンが使用され、機体のロール軸を中心にトルクを生成します。

写真と画像

スマートフォン用ジンバルを使用する男性
高度・高度・方位マウントに取り付けられたベーカー・ナン衛星追跡カメラ

ジンバルは、小さなカメラレンズから大型の写真用望遠鏡まで、あらゆるものを取り付けるのにも使用されます。

携帯用写真撮影機器では、カメラとレンズのバランスの取れた動きを可能にするために単軸ジンバルヘッドが使用されています。[ 21 ]これは、野生動物の写真撮影だけでなく、非常に長く重い望遠レンズが使用される他の場合にも便利です。ジンバルヘッドはレンズをその重心を中心に回転させるため、動く被写体を追尾しながら簡単かつスムーズに操作できます。

2軸または3軸の高度-高度マウント[ 22 ]の形の非常に大きなジンバルマウントは、追跡目的で 衛星写真に使用されます。

複数のセンサーを内蔵するジャイロスタビライザー付きジンバルは、空中法執行、配管・送電線の検査、地図作成、ISR（情報収集・監視・偵察）などの空中監視用途にも使用されています。搭載されるセンサーには、熱画像撮影、昼光・低照度カメラ、レーザー距離計、照明装置などがあります。[ 23 ]

ジンバルシステムは科学光学機器にも利用されています。例えば、材料サンプルを軸に沿って回転させ、光学特性の角度依存性を調べるために使用されます。[ 24 ]

映画とビデオ

RED カメラ、Teradek レンズ モーター、Angeniuex レンズのリモート コントロールと 3 軸安定化を実現する NEWTON S2 ジンバル。
REDカメラ、Teradekレンズモーター、Angénieuxレンズのリモートコントロールと3軸安定化のためのNEWTON S2ジンバル

手持ち式3軸ジンバルは、カメラの振動やブレを抑え、手持ち撮影の自由度を高めるために設計された安定化システムに使用されます。この安定化システムには、機械式と電動式の2つのバージョンがあります。

機械式ジンバルは、カメラが取り付けられるトップステージと、ほとんどのモデルで伸縮可能な支柱を含むスレッドで構成され、下部にはカメラの重量を相殺するためのモニターとバッテリーが搭載されています。ステディカムは、ジンバルを軸に、下部を上部よりわずかに重くすることで、このように垂直に保持されます。これにより、リグ全体の重心は、たとえ重量がどれだけ重くても、オペレーターの指先にぴったりと収まり、ジンバルを軽く操作するだけで、システム全体を巧みかつ正確に制御できます。

3つのブラシレスモーターを搭載した電動ジンバルは、カメラマンがカメラを動かしても、カメラを全軸で水平に保つことができます。慣性計測装置（IMU）が動きに反応し、3つの独立したモーターを活用してカメラを安定させます。アルゴリズムのガイダンスにより、スタビライザーはパンなどの意図的な動きと不要な揺れによるトラッキングショットの違いを認識できます。これにより、カメラが空中に浮いているように見えるようになります。これは、過去にステディカムによって実現されていた効果です。ジンバルは、振動やその他の予期しない動きのために三脚やその他のカメラマウントが受け入れられないような、車やドローンなどの乗り物に取り付けることができます。

マリンクロノメーター

機械式海洋クロノメーターの歩度は、その姿勢に敏感です。そのため、海上での船舶の揺れの影響を受けないように、クロノメーターは通常ジンバルに取り付けられていました。

ドローン

ドローンジンバルシステムは、ヨー、ピッチ、ロール軸に電動モーター（通常はブラシレスサーボモーターを使用）を使用して、カメラまたはセンサーペイロードをドローンの動きや振動から分離する安定化メカニズムです。[ 25 ] [ 26 ]  このシステムは、カメラが設定されたレベルで安定していることを保証し、高速操縦や風の強い状況でも滑らかで高品質の映像を実現します。このシステムは、慣性測定ユニット（IMU）を使用してドローンの動きと方向を正確に推定し[ 27 ] [ 28 ] [ 29 ]、ジンバル制御ユニット（GCU）を使用してIMUデータとPID制御アルゴリズムを使用してモーターをリアルタイムで動的に調整し、外乱を打ち消します。[ 29 ] [ 30 ]

ジンバルロック

3軸回転ジンバル。2つのジンバルが同じ軸を中心に回転すると、システムの自由度が1つ失われます。

ジンバル ロックとは、3 次元の 3 ジンバル機構において、3 つのジンバルのうち 2 つの軸が平行構成に駆動され、縮退した 2 次元空間での回転に「ロック」されるときに発生する、1 つの自由度の喪失です。

「ロック」という言葉は誤解を招きます。ジンバルは拘束されていません。3つのジンバルはすべて、それぞれのサスペンション軸を中心に自由に回転できます。しかし、ジンバルの2つの軸が平行に配置されているため、1つの軸を中心とした回転に対応できるジンバルは存在しません。

参照

参考文献

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  9. ^ニーダム、ジョセフ（1986年）『中国の科学と文明：第4巻、物理学と物理技術、第2部、機械工学』台北：Caves Books Ltd. pp.233–234。
  10. ^ニーダム、ジョセフ（1986年）『中国の科学と文明：第4巻、物理学と物理技術、第2部、機械工学』台北：Caves Books Ltd.、p.234。
  11. ^ニーダム、ジョセフ（1986年）『中国の科学と文明：第4巻、物理学と物理技術、第2部、機械工学』台北：Caves Books Ltd. pp.234–235。
  12. ^ニーダム、ジョセフ（1986年）『中国の科学と文明：第4巻、物理学と物理技術、第2部、機械工学』台北：Caves Books Ltd.、p.236。
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  30. ^ 「ドローン向けに設計された6つの高性能ジンバルモーター」 LIGPOWER 2025年12月21日閲覧。
  • ウィキメディア・コモンズのジンバル関連メディア
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