JP2008185802A - 雲台装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、チルト角度の変化によるモータの必要起動トルクの変化を少なく抑え、モータのトルク制御を容易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１０において、チルト機構の駆動源となるチルト駆動用のモータ３６の動力を、楕円ギア４０と楕円ギア４６とが組み合わされて構成された可変減速機構を介して、デジタルカメラ１が装着された雲台台座３に伝達してデジタルカメラ１をチルト駆動する。
【選択図】図８

Description

本発明は、デジタルカメラ等の撮像装置が装着可能でチルトやパン等を電動で行う雲台装置に関する。

近年、デジタルカメラの普及に伴い、デジタルカメラのメーカーは、性能アップや多機能化、小型化等でしのぎを削り、早いサイクルでモデルチェンジを行っている。その結果、各家庭で数台のデジタルカメラを所有することが普通となり、使われなくなったデジタルカメラが各家庭で眠っている状況になりつつある。

一方、セキュリティーへの関心、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だしている。家庭用の監視カメラとしては、簡単に設置して手軽に使用することができ、例えば、ペット等の監視、別室の幼児、老人の見守り等の目的で人体センサーを備えた人を検知して携帯電話等に通報する等の簡易監視カメラが提案されている。

そこで、デジタルカメラをパンやチルトが可能な回転式の雲台装置に取り付けて、簡易監視カメラとして使う用途が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−６０９３７号公報

しかしながら、上述のように、デジタルカメラを簡易監視カメラとして使用する場合、雲台装置側にパンやチルトを行うための駆動機構やモータが必要となるが、構造やデザインに制約等があってそれらの設計は容易ではない。

特に、デジタルカメラを雲台装置に装着してチルト駆動させる場合、デジタルカメラの重心とチルト機構の回転軸との距離が大きくなってしまうと、チルト動作時に必要な起動トルクを得るために駆動モータを高トルク化すなわち大型化する必要がある。

例えば、図１２に示すように、雲台台座１０２に接続されたデジタルカメラ１０１の重心の位置ａと当該デジタルカメラ１０１をチルト駆動させる雲台本体１０３のチルト回転軸ｂとの距離をｒとしたときの駆動モータに必要な起動トルクについて説明する。

モータの必要起動トルクＴは、デジタルカメラなど撮像装置や雲台台座等で構成されるチルト部の慣性モーメントをＪ、軸や空気などによる粘性抵抗をＣ、撮像装置と台座の重力による回転モーメントをＴｇとすると、概略的にＴ＝Ｊ＋Ｃ＋Ｔｇで表される。なお、粘性抵抗Ｃについては、慣性モーメントＪや回転モーメントＴｇに対して無視できる量であることから、Ｔ≒Ｊ＋Ｔｇとして説明する。

図１２において、デジタルカメラ１０１の重心位置ａとチルトの回転軸ｂとの距離ｒが大きく離れている場合、必然的に慣性モーメントＪが大きくなり、結果的にモータの必要起動トルクＴが大きくなる。例えば、図１３に示すように、デジタルカメラ１０１が大きく傾いた位置から水平位置へ向かってチルト駆動させる場合、回転モーメントＴｇの影響を大きく受けることになる。回転モーメントＴｇは、デジタルカメラ１０１の重量をＷとすると、Ｔｇ＝ｒ×Ｗｓｉｎθ（θ：重心位置ａの鉛直方向からの回転角＝チルト角度（チルト方向に駆動する角度））＝ｒ×Ｗ１となる。

通常、雲台台座の水平位置を０°とすると、デジタルカメラのチルト可能角度については後方４５°〜前方４５°程度の場合が多く、これより、チルト角度θが最大となる位置（例えば、後方又は前方４５°にチルトした位置）でＴｇが最大になる。このとき、ｓｉｎ０°＝０、ｓｉｎ４５°≒０．７とすると、Ｔｇは、水平位置でＴｇ＝０、後方又は前方４５°にチルトした位置でＴｇ≒０．７ｒＷとなる。この結果、回転モーメントＴｇの値は、チルト角度０°〜４５°の範囲で０〜０．７ｒＷとなり、チルトしたときの停止位置角度の違いにより、モータの必要起動トルクＴが大きく変化し、最適なモータ起動トルクの制御が必要になる。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、モータの必要起動トルクの変化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、結果的に、モータやドライバ回路等の収納に大きなスペースを必要とし、装置の重量も増す。これらは、デザイン上の制約又は雲台の設計上の制約となり、商品性を著しく損なうおそれがある。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、チルト角度の変化によるモータの必要起動トルクの変化を少なく抑え、モータのトルク制御を容易に行うことができる雲台装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１記載の雲台装置は、撮像装置を装着可能な台座と、前記台座に装着された撮像装置をチルト駆動するチルト機構とを備えた雲台装置において、前記チルト機構の駆動源となるチルト駆動モータと前記台座とが減速機を介して伝達駆動されると共に、前記減速機の減速比を可変としたことを特徴とする。

本発明によれば、チルト機構の駆動源となるチルト駆動モータと台座とが減速機を介して伝達駆動されると共に、減速機の減速比を可変とした。これにより、チルト角度の変化によるモータの必要起動トルクの変化を少なく抑え、モータのトルク制御を容易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て詳細に説明する。

［第１の実施形態］
図１は、本発明の実施の形態に係る雲台装置の外観を示す斜視図である。

図１に示す雲台装置１０には、デジタルカメラ１が装着されている。デジタルカメラ１にはアタッチメント２が取り付けられ、それが雲台装置１０の雲台台座３へ取り付けられている。雲台台座３には、デジタルカメラ１に取り付けられたアタッチメント２を保持する保持機構を備える一方、当該保持機構を解除し、雲台台座３からアタッチメント２を取り外すためのリリースボタン４が設けられている。保持機構は、鍵状のフック等で構成される。

また、雲台台座３は、不図示のチルトベース板金に保持されており、チルト回転軸を中心に前方へ４５°又は後方へ４５°までチルト回転する。パンカバー５は、チルトベース板金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°ずつパン回転する。

本体外装６には、ＣＦ（CompactFlash）カードなどのカード型記憶媒体が着脱可能なメモリーカード挿入口７が設けられている。また、本体外装６には、ｉＶＤＲ（Information Versatile Disk for Removable usage）などのリムーバブルＨＤＤを着脱可能なＨＤＤ挿入口８が設けられている。図示例では、１．８インチｉＶＤＲ９が装着されている。

図２は、図１の雲台装置１０に装着可能なデジタルカメラ１の斜視図であり、（ａ）は底面から見た図、（ｂ）は上面から見た図である。

図２（ａ）において、デジタルカメラ１には、その底面に電池交換用の電池蓋１４と、三脚固定用のネジ穴１５とが設けられている。また、デジタルカメラ１は、その側面に、図２（ｂ）に示すような、撮影信号や制御信号をやりとりするＵＳＢコネクタ１６を備える。

図３は、図１のアタッチメント２の斜視図である。

アタッチメント２は、雲台台座３に設けられた保持機構と連携して着脱自在となる中間介在体であり、デジタルカメラ１の側面と底面を覆うようにＬ字形状をしている。デジタルカメラ１の側面に接合される部分の内側には、デジタルカメラ１側のＵＳＢコネクタ１６と接合するコネクタ１７を備える。

また、アタッチメント２は、底面に雲台台座３と接合するためのコネクタ１８を備える。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と一体に固定するための三脚ネジ１９を備える。この三脚ネジ１９がデジタルカメラ１側の三脚固定用のネジ穴１５に螺合することにより、アタッチメント２がデジタルカメラ１に固定される。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本体への電池交換が可能なように設けられた電池蓋２０と、雲台台座３とのロック結合部２１ａ〜２１ｄとを備える。

図４は、アタッチメント２が装着されたデジタルカメラ１の斜視図である。

図４では、三脚ネジ１９が三脚固定用のネジ穴１５に螺合することにより、アタッチメント２がデジタルカメラ１に固定されている。これを雲台装置１０の雲台台座３に取り付けることにより、デジタルカメラ１と雲台装置１０との間でコネクタ１８を介して撮影信号や制御信号のやりとりが行われる。

このように、デジタルカメラ１は、アタッチメント２を装着して雲台台座３へ取り付けられる。このとき、アタッチメント２が装着されたデジタルカメラ１は、雲台台座３のロック機構（図示せず）により固定され、リリースボタン４により取り外される構成になっている。なお、デジタルカメラ１は、アタッチメント２を装着することなく、そのままの状態で雲台台座３へ装着することが可能で、ロック機構により固定され、さらに、リリースボタン等で脱着できる構成であってもよい。

次に、図１の雲台装置１０内部のチルト機構について図５〜図７を参照して説明する。

図５は、雲台装置１０内部のチルト機構の斜視図であり、図６は、雲台装置１０内部のチルト機構の側面図である。

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には、チルト駆動用のモータ３６が取り付けられており、そのモータ３６の駆動軸上にモータプーリ３７が固定されている。

また、チルトベース板金３５からモータ３６の駆動軸と並行に植立された軸（図示せず）に楕円ギア４０が回動可能に嵌合されている。さらに、チルトベース板金３５の両側の立ち起こし部４２，４３には、軸受け４４，４５（図７参照）が設けられ、これらに軸２６，２７（図７参照）が回転可能に貫装している。

軸２６には、楕円ギア４６が圧入されており、楕円ギア４０と噛み合っている。また、楕円ギア４０の中心軸上の小ギアとモータプーリ３７との間には、タイミングベルト３８がかけられている。これより、モータ３６の動力が、モータプーリ３７、タイミングベルト３８、楕円ギア４０、楕円ギア４６を介して雲台台座３へ伝えられ、回転可能となる。

また、チルトベース板金３５には、回路基板が取り付けられ、これにフォトセンサー４７がハンダ付けされている。これらで構成される検知部が雲台台座３に取り付けられ、雲台台座３と連動して動作するフラグ部（図示せず）が移動し、雲台台座３のホームポジションを検出している。図示例では、チルト状態ではなく正面水平を向いた状態を示している。

図７は、雲台装置１０内部のチルト機構を他方から見たときの斜視図である。

チルトベース板金３５の立ち起こし部４３には軸受け４５が設けられ、これに軸部２７が貫装している。また、立ち起こし部４３には、板バネ４８がビス止めされており、雲台台座３のスラスト軸方向のガタを取る機能を果している。

基板５４は、チルト駆動用のモータ３６のドライバ回路が実装された回路基板であり、チルトベース板金３５にビス止めされている。目隠し部材５５は、雲台台座３がチルト回転したときの内部構造を隠す部材である。

以後、雲台台座３が図６の示す状態を水平位置とし、矢印Ａ方向へ回転することを＋（プラス）方向（前方）へ回転、矢印Ｂ方向へ回転することを−（マイナス）方向（後方）へ回転と定義する。

パン機構部については詳細を図示、説明をしないが、チルト機構部と同様に、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。

次に、チルト機構部の動作の詳細な説明を図８を参照して説明する。

図８は、チルト機構部の概念図である。

チルトベース板金（図示せず）に固定されたモータ３６の動力は、モータプーリ３７からタイミングベルト３８を介して、楕円ギア４０の中心軸上に設けられた小ギア４０ｂへ伝達される。楕円ギア４０は、チルトベース板金へ植立された軸６１に回動可能に貫装されている。

楕円ギア４６は、図５及び図６に示す軸２６に相当する軸６２へ圧入され、雲台台座３と一体となり動作する。また、楕円ギア４６は、楕円ギア４０と噛み合っている。

楕円ギア４０の長径をＤ１、短径をＤ２とし、それぞれの半径をｒ１，ｒ２とする。楕円ギア４６の長径をＤ３、短径をＤ４とし、それぞれの半径をｒ３，ｒ４とする。軸６１から軸６２までのピッチ間距離Ｄは、Ｄ＝ｒ１＋ｒ４となっている。

デジタルカメラ１、アタッチメント２、雲台台座３などで構成されるチルト部の重心位置ａの慣性モーメントをＪ、重量をＷとすると、チルト部の回転モーメントＴｇはＴｇ＝ｒ×Ｗｓｉｎθであらわされる。θは重心位置の鉛直方向からの回転角である。

ここで楕円ギア４０，４６のそれぞれのピッチ円をＤ１＝１５ｍｍ、Ｄ２＝１０ｍｍ、Ｄ３＝２２.５ｍｍ、Ｄ４＝１５ｍｍとすると、ｒ１＝７．５、ｒ４＝７．５となり、Ｄ＝７．５＋７．５＝１５ｍｍとなる。このとき、楕円ギア４０から楕円ギア４６の減速比ｕは、ｕ＝ｒ４／ｒ１＝７．５／７．５＝１となる。

次に、チルト部が０°（水平）⇒１５°⇒３０°⇒４５°と傾いていく状態を図９（ａ）〜図９（ｄ）に示す。

図９（ａ）〜図９（ｄ）において、チルト部の重心位置ａにかかる重量Ｗによる回転モーメントＴｇは、上述したように、Ｔｇ＝ｒ×Ｗｓｉｎθ（θ：重心位置の鉛直方向からの回転角）＝ｒ×Ｗ１となる。ｓｉｎ０°＝０、ｓｉｎ４５°≒０．７とすると、水平位置でＴｇ＝０、チルト角度４５°の位置で、Ｔｇ≒０．７ｒＷとなる。

図９（ａ）〜図９（ｄ）より、チルト部が各チルト角度の位置にあるときの楕円ギア４０と楕円ギア４６のピッチ円半径を求める。それをもとに、楕円ギア４０，４６の減速比ｕを求める。

図９（ａ）に示すように、チルト角度θ＝０°の場合、ｒ１ａ＝７．５，ｒ４ａ＝７．５であることから、ｕ＝７．５／７．５＝１となる。

図９（ｂ）に示すように、チルト角度θ＝１５°の場合、ｒ１ｂ＝７．４，ｒ４ｂ＝７．６であることから、ｕ＝７．６／７．４＝１．０３となる。

図９（ｃ）に示すように、チルト角度θ＝３０°の場合、ｒ１ｃ＝７．０，ｒ４ｃ＝８．０であることから、ｕ＝８．０／７．０＝１．１４となる。

図９（ｄ）に示すように、チルト角度θ＝４５°の場合、ｒ１ｄ＝６．１，ｒ４ｄ＝８．９であることから、ｕ＝８．９／６．１＝１．４６となる。

そして、各チルト角度位置における回転モーメントＴｇと、減速比を考慮したギア４０上の負荷トルクＴｇ’（＝Ｔｇ／ｕ）の変化をグラフへプロットすると図１０に示すようになる。ここで、簡略化するために、Ｗ，ｒはそれぞれ定数として無視している。

図１０において、従来のチルト機構では、ギア４０〜ギア４６の減速比を１として、ギア４６上の負荷トルク値が０〜０．７の間で変化する。一方、本実施の形態では、一対の楕円ギア列である楕円ギア４６，４０の可変減速比機構を使用することで、負荷トルク値が０〜０.５（弱）となり、トルク負荷として３０％程度改善されていることがわかる。このように、雲台台座３に装着されたデジタルカメラ１をチルト駆動することにより生ずる、デジタルカメラ１を含む雲台台座３の回転モーメントＴｇの変化に応じて減速比を変えるので、トルク負荷を改善することができる。また、雲台台座３に装着されたデジタルカメラ１の傾斜（チルト）角度の増加に応じて減速比を大きくし、チルト駆動用のモータ３６によるチルト機構の駆動に要する負荷トルクＴｇ’の変動を０〜０．５に平準化した。したがって、チルト駆動用モータ３６の必要起動トルクの変化を少なく抑えることができる。

上記実施の形態によれば、チルト機構の駆動源となるチルト駆動用のモータ３６の動力を、楕円ギア４０，４６が組み合わされた可変減速機構を介して、デジタルカメラ１が装着された雲台台座３に伝達してデジタルカメラ１をチルト駆動する。これにより、雲台台座３に装着されたデジタルカメラ１をチルト駆動する場合において、チルト角度の変化によるチルト駆動用モータ３６の必要起動トルクの変化を少なく抑え、当該モータ３６のトルク制御を容易に行うことができる。

また、大きなトルクを発生する大型モータを使用することなく、モータ３６の小型化、省スペース化を図ることできる。さらに、モータ３６等のコストを削減することができ、安価な雲台装置を設計することができる。

なお、上記第１の実施の形態では、図８において、小ギア４０ｂを便宜上小さく図示しているが、これに限らず、全体の減速比、構成等により、小ギア４０ｂのピッチ円直径を楕円ギア４０の長径Ｄ１より、大きくすることも可能である。

［第２の実施形態］
本発明の第２の実施の形態に係る雲台装置は、モータ、モータプーリ、ベルト等は、上記第１の実施に係る雲台装置と同じように配置されており、上記第１の実施の形態と同様の部分については、同一の符号を用いてその説明を省略する。以下に、上記第１の実施の形態と異なる点のみを説明する。

本第２の実施の形態では、上記第１の実施形態における楕円ギア４０，４６に代えて、セクタギア６５，６３で構成される可変減速機構が適用されている。

各セクタギアのピッチ円半径が、周方向に連続的に変化している例である。

図１１は、本発明の第２の実施形態に係る雲台装置に適用されたチルト機構部のチルト時の状態を示す図であり、（ａ）は水平（０°）時、（ｂ）は−４５°傾斜時を示す。

第１のセクタギア６３は、軸６４（軸６２に相当）に回動可能に嵌合している。第２のセクタギア６５は、軸６６に回動可能に嵌合している。第１及び第２のセクタギア１，２の軸間ピッチＤは、第１及び第２のセクタギア１，２のピッチ円半径が周方向に連続的に変化しており、ｒ１＝ｒ２、ｒ１＋ｒ２＝Ｄの関係にある。さらに、ｒ１’＋ｒ２’＝Ｄというように、ギアの噛み合い点で、第１のセクタギアと第２のセクタギアのピッチ円半径の和がＤとなるように配置されている。

このように、チルト機構において、一対のセクタギアで構成され、各セクタギアのピッチ円半径が周方向に連続的に変化している可変減速比機構を使用する。これにより、水平（チルト角度θ＝０°）時は、第１のセクタギア、第２のセクタギアの減速比が１であり、さらに、＋方向へ回転又は−方向へ回転していくと、減速比が変化していき、上記第１の実施の形態と同じ効果を得ることができる。

本発明の実施の形態に係る雲台装置の外観を示す斜視図である。 図１の雲台装置に装着可能なデジタルカメラの斜視図であり、（ａ）は底面から見た図、（ｂ）は上面から見た図である。 図１のアタッチメントの斜視図である。 アタッチメントが装着されたデジタルカメラの斜視図である。 雲台装置内部のチルト機構の斜視図である。 雲台装置内部のチルト機構の側面図である。 雲台装置内部のチルト機構を他の方向から見たときの斜視図である。 チルト機構部の概念図である。 チルト（傾斜）時のチルト機構部の概念図であり、（ａ）は水平（０°）時、（ｂ）は１５°傾斜時、（ｃ）は３０°傾斜時、（ｄ）は４５°傾斜時を示す。 各チルト角度位置における回転モーメントＴｇと減速比を考慮したギア４０上の負荷トルクＴｇ’の変化を比較した図である。 本発明の第２の実施形態に係る雲台装置に適用されたチルト機構部のチルト時の状態を示す概念図であり、（ａ）は水平（０°）時、（ｂ）は−４５°傾斜時を示す。 従来の雲台装置の外観を示す正面図である。 デジタルカメラに装着された雲台台座がチルトした状態にある雲台装置の側面図である。

符号の説明

１ デジタルカメラ
２ アタッチメント
３ 雲台台座
１０ 雲台装置
３５ チルトベース板金
３６ モータ
３７ モータプーリ
３８ タイミングベルト
４０ 楕円ギア１
４６ 楕円ギア２
６１，６２ 軸

Claims (7)

1. 撮像装置を装着可能な台座と、前記台座に装着された撮像装置をチルト駆動するチルト機構とを備えた雲台装置において、
   前記チルト機構の駆動源となるチルト駆動モータと前記台座とが減速機を介して伝達駆動されると共に、前記減速機の減速比を可変としたことを特徴とする雲台装置。
2. 前記チルト機構は、前記台座に装着された撮像装置をチルト駆動することにより生ずる、前記撮像装置を含む台座の回転モーメントの変化に応じて減速比を変える可変減速比機構を備えることを特徴とする請求項１記載の雲台装置。
3. 前記可変減速比機構は、前記台座に装着された撮像装置の傾斜角度の増加に応じて前記減速比を大きくし、前記チルト駆動モータによるチルト機構の駆動に要するトルク変動を平準化したことを特徴とする請求項２記載の雲台装置。
4. 前記可変減速比機構は、少なくとも一対の楕円ギア列で構成されていることを特徴とする請求項２又は３記載の雲台装置。
5. 前記可変減速比機構は、少なくとも一対のセクタギアで構成され、各セクタギアのピッチ円半径が周方向に連続的に変化していることを特徴とする請求項２又は３記載の雲台装置。
6. 前記台座は、前記撮像装置を着脱自在に保持する保持機構を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の雲台装置。
7. 前記撮像装置は、前記台座に設けられた保持機構と連携して着脱自在となる中間介在体の装着が可能であることを特徴とする請求項６記載の雲台装置。

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