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ジンバルとは、物体を軸を中心に回転させるための回転支持機構です。互いに直交する回転軸を持つ3つのジンバルを重ねて配置することで、最も内側のジンバルに取り付けられた物体が、支持部の回転（例えば、最初のアニメーションのように垂直方向）に左右されずに静止するようにすることができます。例えば、船上では、ジャイロスコープ、船内羅針盤、ストーブ、さらにはドリンクホルダーなども、船のピッチングやローリングにもかかわらず水平線に対して常に直立した状態を保つために、ジンバルが用いられています。
コンパスなどを取り付けるのに使われるジンバルサスペンションは、詳細に記述したイタリアの数学者で物理学者のジェロラモ・カルダーノ（1501-1576）にちなんでカルダンサスペンションと呼ばれることもある。しかし、カルダーノはジンバルを発明したわけではなく、また発明したと主張したわけでもない。この装置は古代から知られており、紀元前3世紀にビザンチウムのフィロンによって初めて記述されたが、現代の著者の中には、特定の発明者がいない可能性があるという見解を支持する者もいる。[ 1 ] [ 2 ]
ジンバルは、ギリシャの発明家ビザンチウムのフィロン（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、各面に開口部がある八角形のインク壺について説明しました。この壺は回転させることができ、どの面が上を向いていてもペンを浸してインクを付け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、インク壺を中央に吊り下げ、同心円状の金属リングに取り付けることで実現され、壺をどの方向に回転させてもインク壺は静止したままになります。[ 3 ]
古代中国では、漢王朝（紀元前202年～紀元後220年）の発明家で機械技師の丁煥が紀元後180年頃に ジンバル式香炉を製作した。 [ 3 ] [ 7 ] [ 8 ]より古い時代の司馬祥儒（紀元前179年～紀元後117年）の著作には、紀元前2世紀から中国にジンバルが存在していたことを示唆する記述がある。[ 9 ]梁王朝（502年～557年）には、ジンバルが扉や窓の蝶番に使われていたという記述があり、またある職人がジンバルを用いた携帯用暖房ストーブを武則天（在位690年～705年）に献上したという記録もある。 [ 10 ]香炉に使われた中国のジンバルの現存例は唐王朝初期（618年～907年）のもので、中国の銀細工の伝統の一部であった。 [ 11 ]
フィロンのカルダンサスペンションの説明の信憑性については、フィロンの『空気力学』の中でジンバルの使用法を記述した部分が9世紀初頭のアラビア語訳でしか残っていないという理由で、一部の著者が疑問を呈している。 [ 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の挿入を疑っていた。[ 12 ]しかし、現代の学者にとって依然として基礎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 ] 『空気力学』は本質的に真正なものとみなしている。 [ 14 ]技術史家のジョージ・サートン（1959）もまた、アラビア語版はフィロンの原典を忠実にコピーしたものとみなしても差し支えないと断言し、フィロンが発明者であると明言している。[ 15 ]彼の同僚のマイケル・ルイス（2001）も同様である。[ 16 ]実際、後者の学者による研究（1997 年）は、アラビア語の写本には 1 世紀以降使用されなくなったギリシャ文字の配列が含まれていることを示しており、それによってそれがヘレニズム時代の原本に忠実な写本であるという主張を強化している。 [ 17 ]この見解は、最近では古典学者のアンドリュー・ウィルソン（2002 年）も共有している。[ 18 ]
古代ローマの著述家アテナイオス・メカニクスは、アウグストゥス帝の治世（紀元前30年～紀元後14年）に著作の中で、ジンバルのような機構の軍事的使用について述べており、それを「小さな猿」（ピテーキオン）と呼んでいる。沿岸の町を海側から攻撃する準備をする際、軍事技術者たちは商船を連結して攻城兵器を城壁まで運んだ。しかし、荒波の中で船上の機械が甲板上で転がらないようにするため、アテナイオスは「ピテーキオンを商船の中央に取り付けられたプラットフォームに固定し、どの角度でも機械が直立するようにしなければならない」と助言している。[ 19 ]
古代以降、ジンバルは近東で広く知られていた。ラテン語圏の西方では、この装置への言及が9世紀のレシピ本『絵画の小鍵』（mappae clavicula）に再び現れた。[ 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を描いている（右参照）。近世初期には、乾式コンパスがジンバルに吊り下げられていた。
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）が慣性空間に固定され、船のヨー、ピッチ、ロールの変化を補償するために、最低でも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次元空間におけるすべての軸周りの回転を検出するために、直交配置された3つのジャイロが搭載されています。各ジンバル軸の駆動モーターによってジャイロ出力はゼロに保たれ、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」を通過します。これらのレゾルバは、各ジンバル角度に応じて自動的に行列変換を実行し、必要なトルクが適切なジンバル軸に伝達されるようにします。ヨーのトルクは、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。同様のセンシングプラットフォームは航空機にも使用されています。
慣性航法システムでは、機体の回転によって3つのジンバルリングのうち2つが回転軸と一平面上に揃うと、ジンバルロックが発生することがあります。この状態になると、センシングプラットフォームの姿勢を維持することができなくなります。
宇宙船の推進システムでは、ロケットエンジンは通常、一対のジンバルに取り付けられ、1基のエンジンでピッチ軸とヨー軸の両方に推力を配分できるように設計されている。あるいは、エンジン1基につき1軸のみの推力配分が可能な場合もある。ロール方向を制御するには、ピッチまたはヨーの制御信号が異なる2基のエンジンを使用し、機体のロール軸を中心にトルクを発生させる。
ジンバルは、小型カメラレンズから大型写真望遠鏡まで、あらゆるものを取り付けるためにも使用されます。
携帯型写真撮影機材では、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、非常に長くて重い望遠レンズが使用されるあらゆる場合にも役立ちます。ジンバルヘッドはレンズを重心を中心に回転させるため、動く被写体を追跡しながら簡単かつスムーズに操作できます。
衛星写真では、追跡目的で2軸または3軸の高度-高度マウント[ 22 ]のような非常に大きなジンバルマウントが使用されています。
複数のセンサーを搭載したジャイロ安定化ジンバルは、空中監視アプリケーションにも使用され、空中法執行、パイプラインや送電線の検査、マッピング、ISR（情報収集、監視、偵察）などが含まれます。センサーには、サーマルイメージング、昼光カメラ、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使用されています。例えば、材料サンプルを軸に沿って回転させて、光学特性の角度依存性を研究するために使用されます。[ 24 ]
手持ち式の3軸ジンバルは、カメラの振動や揺れを抑え、カメラオペレーターが手持ち撮影の自由度を確保できるように設計された安定化システムで使用されます。このような安定化システムには、機械式と電動式の2種類があります。
機械式ジンバルは、カメラを取り付けるトップステージ、ほとんどのモデルで伸縮可能な支柱、そしてカメラの重量を相殺するために下部に配置されたモニターとバッテリーを含むスレッドで構成されています。このように、下部を上部よりもわずかに重くし、ジンバルを支点として回転させることで、ステディカムは直立状態を維持します。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で正確に制御できるため、ジンバルに軽く触れるだけでシステム全体を巧みかつ精密にコントロールすることが可能になります。
3つのブラシレスモーターを搭載した電動ジンバルは、カメラオペレーターがカメラを動かしても、すべての軸でカメラを水平に保つことができます。慣性計測ユニット（IMU）が動きを感知し、3つの独立したモーターを使っ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やトラッキングショットなどの意図的な動きと、不要な揺れと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効果が得られ、これはかつてステディカムで実現されていた効果です。ジンバルは、振動や予期せぬ動きによって三脚などのカメラマウントが使用できない自動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。
機械式航海用クロノメーターの精度は、その向きに敏感である。そのため、クロノメーターは通常、航海中の船の揺れから隔離するためにジンバルに取り付けられていた。
ドローンのジンバルシステムは、ヨー、ピッチ、ロール軸に電気モーター（通常はブラシレスサーボモーターを使用）を使用してカメラやセンサーのペイロードをドローンの動きや振動から隔離する安定化機構です。[ 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、高速な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、慣性計測ユニット（IMU）を使用してドローンの動きと向きを正確に推定し[ 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つの軸が平行な構成に駆動されたときに発生する、1つの自由度の喪失であり、システムが縮退した2次元空間内で回転するように「ロック」される現象である。
「ロック」という言葉は誤解を招く恐れがある。ジンバルはどれも拘束されておらず、3つのジンバルはそれぞれサスペンション軸を中心に自由に回転できる。しかしながら、2つのジンバル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ない。
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