JP2008033151A - 雲台装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型のモータでデジタル・カメラ等の撮像装置のチルト駆動、動作が可能であり、さらに、その位置の変化によるトルク変動においても、モータのトルク制御を簡単に行うことができる雲台装置を提供する。
【解決手段】雲台装置１００は、チルト回転中心を通る鉛直線と、撮像装置重心と前記チルト回転中心を結んだ線とのなす角が増大するに従い、チルト台座３を鉛直方向へ戻す戻し力を増大させ、チルトモータのチルト部駆動に要するトルク変動を抑制する回転トルク調整機構を備える。回転トルク調整機構は、チルトモータ３６とチルト台座軸部２６、２７との間の減速機構（ギア３７、４０、４６）と、減速機構に取り付けられチルト台座３を水平位置に付勢する負荷装置（板バネ４８、４９）からなる。
【選択図】図８

Description

本発明は、デジタル・カメラ等の撮像装置を装着し、チルト／パン等を行う電動の雲台装置に関する。

近年、デジタル・カメラが非常な勢いで普及し、各家庭に浸透している。さらに、各メーカーとも、年々、性能アップ、機能アップ、小型化等、早いサイクルでモデルチェンジを行っている。その結果、各家庭に数台のデジタル・カメラの所有は普通となり、使われないで放置されるデジタル・カメラも多い状況となっている。

また、昨今、セキュリティへの関心、重要性の増加に伴い、監視カメラがオフィス、店舗内、駐車場、野外、さらには家庭内へも浸透し出している。家庭用としては、簡単に設置でき、手軽に使用でき、ペット等を監視し、別室の幼児や老人を見守り、人体センサを備え人を検知して携帯電話等に通報する、等の役割を果たす簡易監視カメラが提案されている。

そこで、使わなくなったデジタル・カメラの使用方法、または、日常において、使わないときのデジタル・カメラの使用方法として、それらのカメラをパンチルト回転雲台に取り付けて、簡易監視カメラとして使いたいと言う要望がある。

以上の要望に対しての提案として、特許文献１記載の技術がある。
特開２００３−６０９３７号公報

しかしながら、上記従来例では、図１２に示すように、構造上、デザイン上の制約等により、デジタル・カメラの重心と、チルトの回転軸との距離ｒが大きくなってしまう場合が多々ある。

ここで、符号１０１は、デジタル・カメラ、１０２は雲台台座、１０３は雲台本体を示している。さらに、図中のａは、デジタル・カメラ１０１の縦方向の重心の位置、ｂは、雲台本体１０３のチルト回転軸を示している。

一般的に、モータの必要起動トルクＴは概略的に、Ｔ＝Ｊ＋Ｃ＋Ｔｇで表される。Ｊは、デジタル・カメラなど撮像装置、台座等を含んだチルト系の慣性モーメントを示し、Ｃは軸、空気などによる粘性抵抗、さらに、Ｔｇはデジタル・カメラなどの撮像装置と台座の重力による回転モーメントを示している。ここで、Ｃについては、Ｊ、Ｔｇに比較して無視できる量であり、ここでの説明は省略する。

図１２に示すように、デジタル・カメラなどの撮像装置の重心とチルトの回転軸との距離ｒが大きく離れている場合、必然的にＪが大きくなり、結果的にＴも大きく必要となる。

さらに、例えば図１３に示すように、デジタル・カメラが大きく傾いた位置から水平位置へ向かってチルトを駆動開始させる場合、回転モーメントＴｇの影響を大きく受けることになる。ここで、回転モーメントＴｇはデジタル・カメラの重量をＷとすると、ｒ×Ｗｓｉｎθとなる。

この場合、チルト角度θが最大で、Ｔｇが最大になる。このとき、雲台台座の停止位置の角度による、モータ起動トルクの変化は図１４のようになり、停止位置（角度）により、最適なモータ起動トルクの制御が必要になる。

また、デジタル・カメラが大きく傾いた位置からチルト駆動を開始し、水平位置を通過し、さらに、逆側に大きくチルトする場合、モータトルクの負荷変動は、例えば図１５に示すように、大きな変化となり、水平位置を通過して逆側へチルトしている範囲では、逆にブレーキトルクが必要となる。このように、さらにモータの負荷変動が大きくなり、トルク制御が困難になる。

これに対応するために、大きなトルクを発生させる、大型のモータを使用する必要があり、コストアップとなる。また、モータのトルク負荷変動に対する厳密な制御も必要となり、モータのドライバ回路等の規模も増すことになる。さらにこれらのことよりモータ、ドライバ回路等の収納に大きなスペースを必要とし、装置の重量も増し、これらは、デザイン上の制約、また、雲台の設置上の制約となり、商品性を著しく損なう。

また、チルト駆動機構部のギアのバックラッシガタにより、装着したデジタル・カメラがガタつき、撮影した映像がガタついて見えてしまうという不具合がある。

本発明の目的は、小型のモータでデジタル・カメラ等の撮像装置のチルト駆動、動作が可能であり、さらに、その位置の変化によるトルク変動においても、モータのトルク制御を簡単に行うことができる雲台装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１記載の雲台装置は、撮像装置が装着されるチルト台座を有する雲台装置において、チルト回転中心を通る鉛直線と、前記撮像装置重心と前記チルト回転中心を結んだ線とのなす角が増大するに従い、前記チルト台座を鉛直方向へ戻す戻し力を増大させ、チルトモータのチルト部駆動に要するトルク変動を抑制する回転トルク調整機構を備えることを特徴とする。

雲台装置は、チルト回転中心を通る鉛直線と、撮像装置重心と前記チルト回転中心を結んだ線とのなす角が増大するに従い、チルト台座を鉛直方向へ戻す戻し力を増大させ、チルトモータのチルト部駆動に要するトルク変動を抑制する回転トルク調整機構を備える。

チルトモータのチルト部駆動に要するトルク変動を抑制することができるので、小型のモータでデジタル・カメラ等の撮像装置のチルト駆動、動作が可能であり、さらに、その位置の変化によるトルク変動においても、モータのトルク制御を簡単に行うことができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る雲台装置にデジタル・カメラが取り付けられた状態を示す外観斜視図である。

アタッチメント２は、デジタル・カメラ１に取り付けられ、さらに、雲台装置１００のチルト台座３へ取り付けられる。チルト台座３には、デジタル・カメラ１とアタッチメント２を取り外すリリースボタン４が設けてある。

さらに、チルト台座３は、後述するチルトベース板金部に保持されており、同じく後述するチルト回転軸を中心に、この例では前方向へ４５度、後ろ方向へ４５度、チルト回転する。パンカバー５は、チルトベース板金部に取り付けられていて、パン回転軸（図示せず）を中心に、左右それぞれ１７０度、パン回転する。

また、雲台装置Ａは、本体外装６、ＣＦカードなどのメモリカードを着脱する着脱口７、ｉＶＤＲなどのリムーバブルＨＤＤを着脱する着脱口８を有する。着脱口８には、この例では１．８インチｉＶＤＲ９が装着されている。

図２は、図１におけるデジタル・カメラの外観斜視図であり、（ａ）は、下方から見た図、（ｂ）は、上方から見た図である。

（ａ）に示すように、デジタル・カメラ１は、電池交換用の蓋１４、三脚固定用ネジ穴１５を有する。また、（ｂ）に示すように、デジタル・カメラ１は、撮影信号、制御信号をやりとりするＵＳＢコネクタ１６を有する。

図３は、図１におけるアタッチメントの外観斜視図である。

図３において、アタッチメント２は、１７はデジタル・カメラ１と接合するコネクタを１７と、チルト台座３と接合するコネクタ１８とを有する。コネクタ１７とコネクタ１８は内部で結線されていて、電気的に信号のやりとりが行えるようになっている。

また、アタッチメント２は、デジタル・カメラ１に合体するための三脚ネジ１９を有し、三脚ネジ１９は、デジタル・カメラ１の三脚固定用ネジ穴１５に締め付けられる。さらに、アタッチメント２は、アタッチメント２を取り付けたままでも、デジタル・カメラ１本体の電池を交換できるように取り付けられた電池蓋２０、チルト台座３とのロック結合部２１ａ〜２１ｄを有する。

図４は、図１における合体したデジタル・カメラとアタッチメントの外観斜視図である。

図４において、三脚ネジ１９が三脚固定用ネジ穴１５に締め付けられ、デジタル・カメラ１とアタッチメント２が結合される。そして、デジタル・カメラ１とアタッチメント２をチルトベース台座にロックさせることにより、デジタル・カメラ１の撮影信号、制御信号は、コネクタ１８を介して、雲台本体とやりとりされる。

この例のように、デジタル・カメラ１は、アタッチメント２を装着して、チルト台座３へ取り付けられる。このとき、アタッチメント２を装着されたデジタル・カメラ１は、チルト台座３のロック機構（図示せず）により固定され、逆に、リリースボタン４により、取り外されることが可能になっている。

あるいは、デジタル・カメラ１は、アタッチメント２を装着せずそのままの状態で、チルト台座３へ装着、ロックされ、さらに、着脱されることも可能である。

図５は、図１の雲台装置の要部であるチルト部機構の斜め正面上方からの外観斜視図である。

図５において、チルトベース板金３５は、パン回転機構部（図示せず）に取り付けられていて、パン軸（図示せず）を中心に回動可能に嵌合する。チルトベース板金３５のモータ取り付け部に、モータ３６が取り付けられ、さらにその軸上に、モータギア３７がビスで固定されている。

さらに、チルトベース板金３５に軸３９が植立され、それに、二段ギア４０が自由に回動可能に嵌合され、Ｅリング４１で抜けないように固定されている。さらに、チルトベース板金３５の両側の立ち起こし部４２、４３に、軸受け４４、４５（図６に示す）が固定されていて、チルト台座３のチルトベース台座軸部２６、２７（図６に示す）が回転可能に嵌合している。

さらに、軸部２６には、ギア４６が圧入されており、二段ギア４０の小ギア部と噛み合っている。これより、モータ３６の動力が、モータギア３７、二段ギア４０、ギア４６を介して、チルト台座３へ伝えられ、チルト台座３は回転可能となる。

また、チルトベース板金３５には、基板が取り付けられ、これにフォトセンサ４７がハンダ付けされている。この検知部にギア４６のフラグ部４６ｂが移動し、チルト台座３のホームポジションを検出している。この図ではちょうど、正面水平を向いた位置をフォトセンサ４７が検出したところを示している。

図６は、図１の雲台装置の要部であるチルト部機構の斜め背面上方からの外観斜視図である。

図６は、チルトベース板金３５の立ち起こし部４３に軸受け４５を取り付け、チルト台座３のチルトベース台座軸部２７が嵌合している状態を示している。また、立ち起こし部４３には、板バネ４８がビス止めされている。さらに、チルトベース台座軸部２７には、円形プレート６０が取り付けられており、円形プレート６０は、チルトベース台座軸部２７と一体となり回転動作をする。

図７は、図１の雲台装置の要部であるチルト部機構の側面図である。

図７において、円形プレート６０上に、ピン６１、６２が植立されており、ピン６１、ピン６２の間に、板バネ４８が挟まれて配置されている。

ここで、チルト台座３が図６、図７に示す状態にあるとき、チルト台座３が水平位置であるとし、矢印Ａ方向へ回転することを＋（プラス方向）へ回転、矢印Ｂ方向へ回転することを−（マイナス）方向へ回転と言うこととする。

また、チルト駆動用モータのドライバ回路を実装した基板５４は、チルトベース板金３５にビス止めされている。さらに、チルト台座３が、チルト回転した時の内部構造を隠す目隠し部材５５がある。

パン機構部については詳細を図示、説明しないが、チルト機構部同様に、モータに取り付けられたギア、パン回転部に付けられたギア等により減速、回転させるような構造となっている。

ここで、図６、図７の状態は、チルト台座３が水平位置で停止している状態であり、前述したように、モータ３６の動力を減速して伝達させるための減速ギア列、モータギア３７、二段ギア４０、ギア４６を介して、モータ３６とチルトベース台座軸部２６、２７が連結されている。通常、前記減速ギア列には、バックラッシガタがあり、チルト台座３をガタ付かせてしまう。

本実施の形態では、チルト台座３のチルトベース台座軸部２７に取り付けられている円形プレート６０上に植立されたピン６１、ピン６２の間に、板バネ４８を配置する。このことで、板バネ４８のバネ荷重により、チルト台座３のギア列のバックラッシによるガタ付きを吸収し、チルト台座３を中立位置（水平一）へ保持することができる。

即ち、図７において、チルト台座３が、Ａ方向へバックラッシガタ分で傾こうとした場合、板バネ４８により、Ｂ方向へ付勢される。さらに、チルト台座３が、Ｂ方向へ傾こうとした場合、板バネ４８により、Ａ方向へ付勢される。これにより、チルト台座３は水平位置を保つことができる。

図８は、図５のチルト部機構におけるチルト台座ガタ付き抑止機構の第１の例を示す説明図である。

モータ３６に取り付けられたモータギア３７は、二段ギア４０を介して間接的にギア４６へ噛み合っている。しかし、説明を簡略化するために、モータギア３７は、１段の減速でギア４６へ噛み合い、ギア４６は、チルトベース台座軸部２６、もしくは２７へ嵌合し、チルトベース台座軸部２６、２７を回転中心にチルト台座３が回動するとする。

さらに、ギア４６上に、ピン６１、ピン６２（図示せず）が植立され、板バネ４８により、図中Ｄ方向へ付勢されている。

ここで、板バネ４８により発生し、ピン６１をギア４６の接線方向へ付勢する力をＦとし、ギア４６上のピン６１の位置の半径をＲとすると、ギア４６には、Ｔ＝ＦＲという回転モーメント（トルク）Ｔが発生している。

チルト台座３にロックされているデジタル・カメラ１のチルト系の重心位置のギア４６の中心からの距離をｒとし、デジタル・カメラ１のチルト系の重量によるギア４６の接線方向の力の分力をｆとする。このとき、デジタル・カメラを含むチルト系のチルト台座ベースを回転させようとする回転モーメント（トルク）ｔは、ｔ＝ｆｒとなる。

さらに、モータ３６は、超音波モータ（ＵＳＭ）であるので、停止時の保持トルクＴｍが発生する。それは、モータギア３７のピッチ円の半径をＭｒとし、モータギア３７のピッチ円接線上の力をＭｆとすると、Ｔｍ＝Ｍｆ・Ｍｒとなる。

ここで、図８は、チルト台座３が図中Ｃ方向へ４５°傾いて停止した状態を示す。このとき、デジタル・カメラ１の重量による、チルト台座３（ギア４６）を図中Ｃ方向へ回転させる回転モーメントｔは、板バネ４８で発生するギア４６を図中Ｄ方向へ回転させる回転モーメントＴより大きい。

さらに、このように停止している状態では、ギア４６上において、デジタル・カメラ１の重量によるギア４６をＣ方向へ回転させる回転モーメントｔと、ギア４６が板バネ４８により回転させられようとする回転モーメントＴとの差（ｔ−Ｔ）よりも、モータ３６の保持トルクＴｍが大きい必要がある。

これを式で表すと、ギア４６とモータギア３７の速比をｕとした場合、
Ｔｍ×ｕ＞（ｔ−Ｔ） という関係が必要であり、また ｔ＞Ｔより、
Ｔｍ×ｕ＞ｔ＞Ｔ となる。

また、ここで、板バネ４８がギア４６を回転させるトルクＴは、ギア４６のピッチ円半径をＲ’とし、ピッチ円に接する力をＦ’とすると、Ｔ＝ＦＲ＝Ｆ’Ｒ’となる。また、ｕ＝Ｒ’／Ｍｒであるので、上式は、
Ｍｆ・Ｍｒ×（Ｒ’／Ｍｒ）＞ｆｒ＞（ＦＲ＝Ｆ’Ｒ’） という関係になる。

この状態のとき、図に示すように、ギア４６のギア歯４６ｂとモータギア３７のギア歯３７ｂが当接し、上記の力（トルク）の釣り合い関係が成り立ち、チルト台座３は停止されている。

この図では、Ｃ方向での傾きで説明しているが、逆にＤ方向に傾いても、ピン６２（図示せず）により、全く同じ関係が成り立つ。

このように、前述したように、チルト角度０度（水平位置）の状態は板バネ４８の付勢力によりガタ付きを抑えることができる。さらに、水平位置からプラスマイナスいずれの位置にチルトしていても、板バネ４８の付勢力、デジタル・カメラ１の重力による回転モーメント、さらに、ＵＳＭの保持トルクにより、チルト台座３のガタ付きを抑えることができる。

ここで、この状態より、図中Ｄ方向へ駆動を開始しようとしているとする。図１４で前述したように、チルトの位置角度により、モータの必要起動トルクは大きく変化する。ここで、図９に示すように、板バネ４８の荷重分を回転モーメント（トルク）としてグラフへ重ねてプロットする。モータの必要起動トルクと板バネ荷重分より、補正されたモータ起動必要トルクを算出する。

この例では、グラフが示すように、チルトの位置角度の違いによる、モータの必要起動トルクの差は、板バネの追加により、大幅に改善されることがわかる。ここでは、Ｙ軸の目盛り数でカウントすると、従来形では、モータの必要起動トルクは、２〜９まで変化するのに対して、本実施の形態のように、板バネで補正する場合は、変化が２〜４.５程度となっている。

次に、例えば、マイナス４５°位置から起動開始して、水平位置を通過して、プラス３５°位置まで移動し、停止した場合を考える。これも、図１５で前述したように、起動時に最大トルクが必要となり、その後は、水平位置に行くに従いトルクは減少していき、さらにプラス側へチルトしていくと、ある時点よりモータトルクはマイナスとなる。つまり、ブレーキが必要となる。

ここで、図１０では図９と同様に、板バネ４８の荷重分を回転モーメント（トルク）としてグラフへ重ねてプロットする。さらに同様に、モータの駆動トルクと板バネ荷重分より、補正されたモータ駆動トルクを算出する。

この例でも、チルト角度の変化によるチルトモータの必要トルク（負荷変動トルク）は、板バネの追加により大幅に改善される。ここでも変動トルクの差は、従来形では、６５〜−３５程度の負荷変動に対して、板バネを追加することにより、２０〜０までとなる。

水平位置からさらにプラスへのチルト動作に対して、従来型では、ブレーキが必要になる。一方、板バネ追加による本実施の形態では、板バネの荷重が、水平よりプラス方向では、ブレーキとして働き、負のモータ必要トルク分を、板バネのブレーキ力により相殺していることがわかる。

図１１は、図５のチルト部機構におけるチルト台座ガタ付き抑止機構の第２の例を示す説明図である。

図１１は、チルト台座３が水平に保たれている状態を示す。また、図８の第１の例と同様に、モータギア３７は、１段の減速で、ギア４６へ噛み合い、ギア４６は、チルトベース台座軸部２６、もしくは２７へ嵌合し、チルト台座軸部２６、２７を回転中心にチルト台座３が回動するものとする。

さらに、ギア４６上に、ピン６１、ピン６２が植立され、板バネ４８、板バネ４９が、ピン６１、ピン６２を、それぞれ図中Ｄ方向、Ｃ方向へ付勢している。

これより、チルト台座３が図中Ｃ方向、Ｄ方向へガタ分で傾こうとした場合、板バネ４８でＤ方向へ、板バネ４９によりＣ方向へ付勢され、チルト台座３のギア列のバックラッシによるガタ付きを抑止し、チルト台座３を中立位置へ保持することができる。

ここで、モータ３６の駆動により、ギア４６が図中Ｃ方向へ回動して行くと、ある時点（角度）より、ピン６２と板バネ４９の圧接が解除され、これ以降は、図８の第１の例と同じ効果を得ることができる。図中Ｃ方向へ大きくチルトした状態からモータが駆動するときも、同じ効果が得られる。

（他の実施形態）
上記実施形態では、チルト台座を水平位置に付勢するための負荷装置として、板バネを使用したが、これに限らず、引っ張りコイルバネ、ねじりコイルバネ等の他のバネを用いてもよいし、これらを組合せて使用してもよい。

本発明の実施の形態に係る雲台装置にデジタル・カメラが取り付けられた状態を示す外観斜視図である。 図１におけるデジタル・カメラの外観斜視図である。 図１におけるアタッチメントの外観斜視図である。 図１における合体したデジタル・カメラとアタッチメントの外観斜視図である。 図１の雲台装置の要部であるチルト部機構の斜め正面上方からの外観斜視図である。 図１の雲台装置の要部であるチルト部機構の斜め背面上方からの外観斜視図である。 図１の雲台装置の要部であるチルト部機構の側面図である。 図５のチルト部機構におけるチルト台座ガタ付き抑止機構の第１の例を示す説明図である。 図５におけるモータの起動トルクのチルト位置による変化を示すグラフである。 図５におけるモータの、チルト位置による負荷変動を示すグラフである。 図５のチルト部機構におけるチルト台座ガタ付き抑止機構の第２の例を示す説明図である。 従来例に係る雲台装置がカメラを装着した状態を示す正面図である。 図１２の雲台装置とカメラの側面図である。 従来例に係る雲台装置のモータ起動トルクのチルト位置による変化を示すグラフである。 従来例に係る雲台装置のチルト位置によるモータ負荷変動を示すグラフである。

符号の説明

１ デジタル・カメラ
２ アタッチメント
３ チルト台座
４ リリースボタン
５ パンカバー
６ 本体外装
７ メモリカードを着脱する着脱口
８ リムーバブルＨＤＤを着脱する着脱口
９ １．８インチｉＶＤＲ
１４ 電池交換用の蓋
１５ 三脚固定用のネジ穴
１６ ＵＳＢコネクタ
１７ デジタル・カメラ１側と接合するコネクタ
１８ 雲台台座３側と接合するコネクタ
１１９ 三脚ネジ
２０ 電池蓋
２１ ロック結合部
２６ チルトベース台座軸部
２７ チルトベース台座軸部
３５ チルトベース板金
３６ モータ
３７ モータギア
３９ 軸
４０ 二段ギア
４１ Ｅリング
４２ 立ち起こし部
４３ 立ち起こし部
４４ 軸受け
４５ 軸受け
４６ ギア
４７ フォトセンサ
４８ 板バネ
４９ 板バネ
５４ チルト駆動用モータのドライバ回路を実装した基板
５５ 目隠し部材
６０ 円形プレート
６１ ピン
６２ ピン

Claims (5)

1. 撮像装置が装着されるチルト台座を有する雲台装置において、チルト回転中心を通る鉛直線と、前記撮像装置重心と前記チルト回転中心を結んだ線とのなす角が増大するに従い、前記チルト台座を鉛直方向へ戻す戻し力を増大させ、チルトモータのチルト部駆動に要するトルク変動を抑制する回転トルク調整機構を備えることを特徴とする雲台装置。
2. 前記回転トルク調整機構は、前記チルトモータとチルト台座軸部との間の減速機構と、前記減速機構に取り付けられ前記チルト台座を水平位置に付勢する負荷装置とを備えることを特徴とする請求項１記載の雲台装置。
3. 前記チルトモータは超音波モータであり、前記チルト台座軸部上において、超音波モータの保持トルク＞前記撮像装置の自重による回転モーメント＞前記負荷装置による回転モーメントを満たす関係にあることを特徴とする請求項２記載の雲台装置。
4. 前記負荷装置は、板バネ、引っ張りコイルバネ、ねじりコイルバネを含むバネであることを特徴とする請求項２又は３のいずれかに記載の雲台装置。
5. 前記チルト台座に装着された前記撮像装置を取り外すリリースボタンを有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の雲台装置。

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