JP2006046590A - 回転伝達装置及びカメラ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ウォーム１とウォームホイール３により回転動力を伝達する回転伝達装置で、ウォーム１とウォームホイール３との歯面間の隙間（バックラッシ）の低減と滑らかな回転動作とを両立させる。
【解決手段】 前記ウォーム１を保持するウォームベース２と、前記ウォームホイール３を保持するウォームホイールベース６と、前記ウォームベース２と前記ウォームホイールベース６との間に設けられて前記ウォーム１と前記ウォームホイール３との法線方向に変位するアクチュエータ１２と、前記アクチュエータ１２の変位を制御するアクチュエータ変位制御手段と、を備えた。
【選択図】 図３

Description

本発明は、ウォーム及びウォームホイール（ウォーム歯車）を使用した回転伝達機構を有する回転伝達装置やカメラ装置などに関し、特に、バックラッシの除去を行う技術に関する。

図１は、回転伝達装置の一例を示す斜視図である。ここでは、説明の便宜上から、後述する本発明の一実施例に係る図１を参照して説明するが、本発明を限定する意図は全く無い。
ウォーム１は、ウォームベース２に対してベアリング（図示せず）を介して回転可能な状態で取り付けられており、その一端は動力源であるモータ（図示せず）の回転軸に固定され、この減速機構の入力側となっている。
ウォームホイール（ウォーム歯車）３は、回転軸４に取り付けられており、回転軸４はベアリング（図示せず）を介してウォームホイールベース６に回転可能な状態で取り付けられており、この減速機構の出力側となっている。

ウォームベース２は一対の板バネ９ａ、９ｂを介してウォームホイールベース６に互いの歯面が密着してバックラッシがゼロ（０）になる位置に取り付けられている。ウォームベース２は一対の板バネ９ａ、９ｂで支持されているため、ウォーム１の軸方向及び接線方向には支持剛性を有しながら法線方向にのみ弾性を有しており、歯面に作用する法線方向の力に追従して歯面の接触を保ちながら可動する。
本例における押し付け力は板バネ９ａ、９ｂの撓みによる弾性力によるものであり、その追従動作は噛み合い点における摩擦力の法線方向成分によっている。

バネ力の選定にあたっては、ウォーム１のウォームホイール３に対する追従性を重視するとバネは柔らかいものが有効であるが、この場合にはバックラッシは除去されるが外部からの負荷によってこのバネ９ａ、９ｂが撓みやすいことから、減速機構における剛性感が損なわれる。一方、剛性を重視して強いバネを選定すると、追従性を確保することができず、回転動作に影響を与え、場合によっては回転することができなくなってしまう。
このように、追従性と剛性との二つの要求を両立させることが困難であった。

特開２００４−１０８４４３号公報 特開２００３−１６６６０２号公報

歯車による伝達機構が滑らかな回転を行うためには、歯面間にわずかな隙間（バックラッシ）が必要である。これは歯車及び歯車が取り付けられている伝達機構の加工精度及び組立精度などを吸収するためである。バックラッシをなくして組み立てると、歯面の摩擦力が増し、大きな回転力が必要となり、最悪では回転不能になり、また、歯面の磨耗が進み、これが隙間を増やしてしまうことになる。
精密な位置決めを要求される装置では、このわずかな隙間（バックラッシ）が問題となる。停止時に同一方向から停止することなどにより停止精度は改善されるが、停止時に外力が作用すると位置ずれを起こし、また、外力が振動である場合には揺れを起こすなど問題があった。この揺れをなくすためは、外部に停止時に作動するブレーキ機構を付加することなどが必要であった。

ウォームギヤを用いた減速機構では、動力伝達時に歯面にウォームから見て軸方向、接線方向、法線方向の３方向に力が働いている。
減速機構のバックラッシを少なくするためには、軸間距離を狭く調整して組み立てる。しかし、過度に軸間距離を狭くすると、歯車などの加工精度並びに組立誤差による回転の振れを吸収できず、滑らかな回転ができなくなる。

このような点を改善するために、例えば、ウォームを支持しているウォームハウジング（ウォームベース）と共に、法線方向に働く力に対して平行に動作して、他の２方向には機械的に拘束する機構を設けることが考えられる。また、例えば、ウォームをウォームホイールとの密着状態を保ちながら法線方向に働く力に追従させるためのバネ要素を設けて、バックラッシの除去と滑らかな回転の両立を図ることが考えられる。

しかしながら、密着性を保ちながらバックラッシを無くすことは可能であるが、外部負荷が接続されているウォームホイールに外部負荷による回転力が加わると、これが噛み合い点に作用してバネを撓ませてウォームを動かしてしまう。このとき、ウォームホイール側はわずかに回転することになる。この状態であっても、歯面は密着しており、バックラッシはゼロ（０）であるが、被駆動部に動きを与えてしまう。つまり、機構的な剛性感が損なわれるという問題があった。特に、風圧など外力による影響が大きい機構では問題となっていた。

本発明は、このような従来の事情に鑑み為されたもので、ウォーム及びウォームホイール（ウォーム歯車）を使用した回転伝達機構を有する構成において、ウォームとウォームホイールとの歯面間の隙間（バックラッシ）の低減と滑らかな回転動作とを両立させることができる回転伝達装置やカメラ装置などを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る回転伝達装置では、次のような構成により、ウォームとウォームホイールにより回転動力を伝達する。
すなわち、前記ウォームを保持するウォームベースと、前記ウォームホイールを保持するウォームホイールベースと、前記ウォームベースと前記ウォームホイールベースとの間に設けられて前記ウォームと前記ウォームホイールとの法線方向に変位するアクチュエータを備える。そして、アクチュエータ変位制御手段が、前記アクチュエータの変位を制御する。
従って、ウォームとウォームホイールとの法線方向におけるアクチュエータの変位が制御されることにより、ウォームとウォームホイールとの法線方向における距離を調整することができ、これにより、例えば、ウォームとウォームホイールとの歯面間の隙間（バックラッシ）の低減と滑らかな回転動作とを両立させることができる。

ここで、ウォームや、ウォームベースや、ウォームホイールや、ウォームホイールベースなどの各部としては、それぞれ、種々なものが用いられてもよい。
また、アクチュエータとしては、例えば、大きさが変位する種々なものが用いられてもよい。
また、アクチュエータは、例えば、ウォームベース及びウォームホイールベースのそれぞれに接触するように設けられ、当該アクチュエータの大きさの変位に応じてウォームベースとウォームホイールベースとの間の距離（ウォームとウォームホイールとの間の距離）が調整可能なように設けられる。
また、アクチュエータ変位制御手段としては、例えば、アクチュエータの大きさを制御する種々なものが用いられてもよい。

本発明に係る回転伝達装置では、一構成例として、次のような構成とした。
すなわち、歯面間隙間情報検出手段が、前記ウォームと前記ウォームホイールとの歯面間の隙間に関する情報を検出する。そして、前記アクチュエータ変位制御手段は、前記歯面間隙間情報検出手段により検出される情報に基づいて決定される歯面間の隙間の変化が補償されるように、前記アクチュエータの変位を制御する。
従って、ウォームとウォームホイールとの歯面間の隙間（バックラッシ）の変化が補償されるようにアクチュエータの変位が制御されることにより、例えば、当該隙間を適切な距離に保つことができる。

ここで、ウォームとウォームホイールとの歯面間の隙間に関する情報としては、種々なものが用いられてもよく、例えば、直接的に歯面間の隙間の距離の情報を検出して当該情報を用いることや、或いは、歯面間の隙間の距離を確定的に又は推定的に決定することが可能な情報として、温度などの環境に関する情報を用いることや、ウォームを回転させるモータへ供給される電流若しくは電圧などの値の情報を用いることなどができる。
また、歯面間の隙間の変化が補償されるように制御する態様としては、例えば、歯面間の隙間の距離が大きくなった場合には当該距離を小さくするように制御する一方で歯面間の隙間の距離が小さくなった場合には当該距離を大きくするように制御する態様や、或いは、歯面間の隙間の距離を所定の値に保持するように制御する態様などを用いることができる。

本発明に係るカメラ装置では、次のような構成とした。
すなわち、上記したような回転伝達装置と、カメラを備えた。そして、前記回転伝達装置により前記カメラを旋回させる。
従って、回転伝達装置ではウォームとウォームホイールとの歯面間の隙間（バックラッシ）の低減と滑らかな回転動作とを両立させることができ、これにより、回転伝達装置により安定してカメラを旋回させて、カメラにより質の良い画像を撮像することができる。
ここで、カメラとしては、種々なものが用いられてもよい。
また、回転伝達装置によりカメラを旋回させる態様としては、種々な態様が用いられてもよい。

以上説明したように、本発明に係る回転伝達装置やカメラ装置によると、ウォームと、ウォームホイールと、ウォームを保持するウォームベースと、ウォームホイールを保持するウォームホイールベースを備えて、ウォームとウォームホイールにより回転動力を伝達する構成において、ウォームベースとウォームホイールベースとの間に設けられてウォームとウォームホイールとの法線方向に変位するアクチュエータの変位を制御するようにしたため、ウォームとウォームホイールとの法線方向における距離を調整することができ、これにより、例えば、ウォームとウォームホイールとの歯面間の隙間（バックラッシ）の低減と滑らかな回転動作とを両立させることができる。

本発明に係る一実施例を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施例に係る回転伝達装置の斜視図である。
図２は、本発明の一実施例に係る回転伝達装置の断面図（図１のＸ−Ｘ矢視断面図）である。
図３は、本発明の一実施例に係る回転伝達装置の分解斜視図である。
図４は、本発明の一実施例に係る回転伝達装置の平面図である。
図１〜図４に示されるように、本例の回転伝達装置は、ウォーム１と、ウォームベース２と、ウォームホイール（ウォーム歯車）３と、回転軸４と、ベアリング５と、ウォームホイールベース６と、滑り軸受け７と、シャフト８と、一対の板バネ９ａ、９ｂと、ストッパプレート１０と、バネホルダ１１と、圧電素子アクチュエータ１２と、ネジ１３（図では、１個のみに符号を付してある）を備えて構成されている。

ウォーム１は、ウォームベース２に対してベアリング（図示せず）を介して回転可能な状態で取り付けられており、その一端は動力源であるモータ（図示せず）の回転軸に固定され、この減速機構の入力側となっている。
ウォームホイール３は、回転軸４に取り付けられており、回転軸４はベアリング５を介してウォームホイールベース６に回転可能な状態で取り付けられており、この減速機構の出力側となっている。

ウォームベース２には滑り軸受け７が取り付けられており、ウォームベース２は、一対のシャフト８を介して、ウォームホイールベース６に対してウォーム１の軸方向及び接線方向には高い支持剛性を有しながら法線方向にのみ滑らかに可動するように取り付けられている。
また、ウォームベース２は、一対の板バネ９ａ、９ｂを介して、ウォームホイールベース６及びストッパプレート１０から成る固定側に取り付けられたバネホルダ１１に取り付けられている。

このような構成では、図４に示されるように、板バネ９ａ、９ｂは、その両端がウォームベース２に固定されるとともに、その中央部がバネホルダ１１に固定される。バネホルダ１１を回転軸４の方向にずらせてストッパプレート１０に固定することにより、撓み量を与え、これにより生じるバネ力によりウォーム１がウォームホイール３に密着させられるようになっている。
本例では、この板バネ９ａ、９ｂは、噛合い点に作用する法線方向の力の作用点と同じ高さに取り付けられている。

また、ウォームホイールベース６には、印加電圧に応じた伸縮動作を行う圧電素子アクチュエータ１２が固定されており、圧電素子アクチュエータ１２の一端はウォームハウジング（ウォームベース）２に接触している。
ここで、圧電素子アクチュエータ１２に電圧を加えると、その圧電効果により素子が変位して（本例では、伸びて）、ウォームハウジング（ウォームベース）２をバネ力に抗して押し、この結果、ウォーム１とウォームホイール３の各軸を離す方向に作用して、歯面間の密着力が弱くなる。
一方、圧電素子アクチュエータ１２の電圧を減らすと、その圧電効果により素子が変位して（本例では、縮んで）、ウォームハウジング（ウォームベース）２をバネ力に抗して押す力が弱まり、この結果、ウォーム１とウォームホイール３の各軸を近づける方向に作用して、歯面間の密着力が強くなる。
これを使用して、本例では、圧電素子アクチュエータ１２に印加する電圧を制御することにより、ウォーム１とウォームホイール３との歯面の密着力を任意に制御することができる。

図５には、本例の回転伝達装置に備えられた制御部分（制御ブロック）の一例を示してある。
本例の制御ブロックには、ウォーム１に接続されたモータ２２を動作させる構成部として、電力を供給するモータ電源２３と、モータ電源２３からの電力によりモータ２２を動作させるモータドライバ２４を備えており、また、圧電素子アクチュエータ１２を制御する構成部として、モータ電源２３からの電流値を検出する電流計２５と、電流計２５による検出結果に基づいて圧電素子コントローラ２６を制御する制御部２１と、制御部２１からの制御に応じて圧電素子アクチュエータ１２を制御する圧電素子コントローラ２６を備えている。

図５を参照して、本例の制御ブロックにおける制御方法を示す。
制御部２１は、モータ２２が回転している時に、モータ電源２３から供給されるモータドライバ２４による消費電流を電流計２５で監視し、この監視結果に基づいて、圧電素子コントローラ２６を制御する。具体的には、制御部２１は、歯面間の摩擦量の増加に伴ってモータ駆動電流（電流計２５による検出値）が増加した場合には、圧電素子コントローラ２６へ電圧印加（電圧増加）の指令を与えて、圧電素子アクチュエータ１２を伸び方向に変位させることにより、歯面間の密着力を弱めて、回転状態を保持する。一方、制御部２１は、負荷が軽減されて、モータドライバ２４による消費電流（電流計２５による検出値）が減少した場合には、圧電素子コントローラ２６へ電圧減少の指令を与えて、圧電素子アクチュエータ１２を縮み方向に変位させることにより、歯面間の密着力を強くする。
このような制御を連続的に実行することにより、ウォーム１とウォームホイール３との歯面間の負荷の変化に応じて最適な密着力を維持することができる。

ここで、本例では、圧電素子アクチュエータ１２の制御因子としてモータドライバ２４による消費電流を用いたが、他の構成例として、負荷の増減を直接的に検出して制御因子として用いる構成や、周囲温度などの環境に関する条件（環境条件）を検出して制御因子として用いる構成などとすることも可能であり、また、複数の制御因子を併用する構成とすることも可能である。
また、他の構成例として、モータ２２の回転の有無などを検出して、回転中には隙間（バックラッシ）を取ってスムーズな回転動作を行う一方、回転の停止中には歯面を強く密着させて隙間（バックラッシ）を無くすというように、２値的な制御を行う構成とすることも可能である。
また、例えば、シャフト８の先端などの位置にコイルバネなどのバネを設けて、ウォームベース２とウォームホイールベース６或いはストッパプレート１０との間に弾性力を持たせるような構成とすることも可能である。

以上のように、本例の回転伝達装置では、次のようなウォーム歯車減速機構（１）〜（４）を実現し、また、監視カメラ装置などへの応用例（５）を実現する。
（１）本例のウォーム歯車減速機構では、ウォーム１とウォームホイール（ウォーム歯車）３により回転動力を伝達する機構において、ウォーム１をウォームホイール３の法線方向には剛性が低く接線方向には非常に剛性を高く支持し、この支持機構に対してバネ９ａ、９ｂによってウォームホイール３の法線方向に力を加えてウォーム１とウォームホイール３との互いの歯面を密着させてバックラッシを除去し、また、ウォーム１及びウォームホイール３の回転振れに起因した歯面圧力の変動による回転トルクの変動を除去する。

（２）本例のウォーム歯車減速機構では、上記したウォーム１の支持機構は、ウォーム１の両軸端に設けたラジアル及びスラストの両方向を支持する軸受け７と、この両軸の軸受け７を保持する軸受けベースと、この軸受けベースに取り付けられたウォーム１の軸方向に伸びる２枚の平行板バネ９ａ、９ｂと、この平行板バネ９ａ、９ｂの端部を固定したウォームベース２を具備した。また、このウォームベース２とウォームホイールベース６或いはストッパプレート１０との間にウォームホイール３の法線方向にバネ力が発生するように配設したバネを具備することも可能である。
（３）本例のウォーム歯車減速機構では、上記した平行板バネ９ａ、９ｂを、これに作用する力の方向と同一の軸上に配置した。
（４）本例のウォーム歯車減速機構では、上記したウォームベース２に対して平行板バネ９ａ、９ｂのバネ力に抗する方向に作用するアクチュエータ１２を具備し、このアクチュエータ１２の変位を制御することにより、歯面間の隙間（バックラッシ）を状況に応じて連続的且つ能動的に最適値に保つ。

また、本例の回転伝達装置の機能を備えた監視カメラ装置などのカメラ装置や、本例の回転伝達装置の機能を備えた監視カメラ旋回装置などのカメラ旋回装置などを実現することができる。
（５）例えば、カメラ装置やカメラ旋回装置などでは、本例のようなウォーム歯車減速機構を使用してカメラを旋回させることにより、駆動対象であるカメラの減速機構のバックラッシに起因する揺れを除去することができ、これにより、撮影画面の質を向上させる。

上述のように、本例の回転伝達装置などでは、ウォームハウジング（ウォームベース２）に取り付けられているウォーム１とウォームホイール３との歯面間の密着力を制御して密着状態から隙間（バックラッシ）のある状態まで自由に作り出すことができるようにウォームハウジングをバネ力に抗して動かすことができる直動型のアクチュエータ１２を具備し、状況に応じて歯面間の距離を可変できるようにした。これにより、歯面間の密着力を連続的且つ能動的に制御することが可能である。

従って、本例の回転伝達装置などでは、バックラッシの低減と滑らかな回転動作との両立を実現することができ、歯面間の摩擦力が低減されるため、歯面の磨耗の進行を遅らせて歯車の寿命を延ばすことができる。
また、例えば従来ではバックラッシの低減と滑らかな回転とを両立させるためには熟練者による組立調整が要求されたが、本例では、バックラッシの調整はバネ力やアクチュエータ１２が受け持つため、ほぼ無調整での組立が可能となり、組立時間の低減を実現することができる。

また、本例では、アクチュエータ１２を具備したことにより、密着力を能動的に制御することができ、これにより、例えば、歯面間の密着性を重視したバネ力の強いバネ要素を選定することが可能となり、停止中における外力による影響を大幅に軽減し、滑らかな回転動作を阻害することなく回転機構の十分な剛性を確保することができる。
特に、外力による影響が大きい屋外に設置する監視カメラの旋回装置などでは、わずかなバックラッシや剛性不足であっても高倍率のレンズで撮影した画像では風や振動を受けると画面が揺れて見にくい画面となることがあったが、本例の機構により、このような問題を解消することができる。

なお、本例の回転伝達装置やカメラ装置などでは、ウォーム１とウォームホイール３との歯面の隙間に関する情報として、モータ電源２３からモータ２２のモータドライバ２４へ供給される電流の値の情報を電流計２５により検出する機能により歯面間隙間情報検出手段が構成されており、電流計２５による検出結果に基づいて制御部２１が圧電素子コントローラ２６を介してアクチュエータの一例である圧電素子アクチュエータ１２の変位を制御する機能によりアクチュエータ変位制御手段が構成されている。

ここで、本発明に係る回転伝達装置やカメラ装置やカメラ旋回装置などの構成としては、必ずしも以上に示したものに限られず、種々な構成が用いられてもよい。また、本発明は、例えば、本発明に係る処理を実行する方法或いは方式や、このような方法や方式を実現するためのプログラムや当該プログラムを記録する記録媒体などとして提供することも可能であり、また、種々な装置やシステムとして提供することも可能である。
また、本発明の適用分野としては、必ずしも以上に示したものに限られず、本発明は、種々な分野に適用することが可能なものである。
また、本発明に係る回転伝達装置やカメラ装置やカメラ旋回装置などにおいて行われる各種の処理としては、例えばプロセッサやメモリ等を備えたハードウエア資源においてプロセッサがＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）に格納された制御プログラムを実行することにより制御される構成が用いられてもよく、また、例えば当該処理を実行するための各機能手段が独立したハードウエア回路として構成されてもよい。
また、本発明は上記の制御プログラムを格納したフロッピー（登録商標）ディスクやＣＤ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｃ）−ＲＯＭ等のコンピュータにより読み取り可能な記録媒体や当該プログラム（自体）として把握することもでき、当該制御プログラムを当該記録媒体からコンピュータに入力してプロセッサに実行させることにより、本発明に係る処理を遂行させることができる。

本発明の一実施例に係る回転伝達装置を示す斜視図である。 本発明の一実施例に係る回転伝達装置を示す断面図である。 本発明の一実施例に係る回転伝達装置を示す分解斜視図である。 本発明の一実施例に係る回転伝達装置を示す平面図である。 本発明の一実施例に係る回転伝達装置に備えられた制御ブロックの一例を示す図である。

符号の説明

１・・ウォーム、 ２・・ウォームベース、 ３・・ウォームホイール（ウォーム歯車）、 ４・・回転軸、 ５・・ベアリング、 ６・・ウォームホイールベース、 ７・・滑り軸受け、 ８・・シャフト、 ９ａ、９ｂ・・板バネ、 １０・・ストッパプレート、 １１・・バネホルダ、 １２・・圧電素子アクチュエータ、 １３・・ネジ、 ２１・・制御部、 ２２・・モータ、 ２３・・モータ電源、 ２４・・モータドライバ、 ２５・・電流計、 ２６・・圧電素子コントローラ、

Claims (3)

1. ウォームとウォームホイールにより回転動力を伝達する回転伝達装置において、
   前記ウォームを保持するウォームベースと、
   前記ウォームホイールを保持するウォームホイールベースと、
   前記ウォームベースと前記ウォームホイールベースとの間に設けられて前記ウォームと前記ウォームホイールとの法線方向に変位するアクチュエータと、
   前記アクチュエータの変位を制御するアクチュエータ変位制御手段と、
   を備えたことを特徴とする回転伝達装置。
2. 請求項１に記載の回転伝達装置において、
   前記ウォームと前記ウォームホイールとの歯面間の隙間に関する情報を検出する歯面間隙間情報検出手段を備え、
   前記アクチュエータ変位制御手段は、前記歯面間隙間情報検出手段により検出される情報に基づいて決定される歯面間の隙間の変化が補償されるように前記アクチュエータの変位を制御する、
   ことを特徴とする回転伝達装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の回転伝達装置と、カメラを備え、
   前記回転伝達装置により前記カメラを旋回させる、
   ことを特徴とするカメラ装置。

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