JP2009109005A - 旋回駆動機構 - Google Patents

Abstract

【課題】軸方向寸法の小さい電力・信号伝送部を内蔵した旋回駆動機構を提供する。
【解決手段】基台と、電気機器が搭載された旋回枠と、基台および旋回枠間の軸受装置と、旋回枠を基台に対して旋回軸周りに旋回させる駆動装置と、基台および旋回枠間で電力および信号を伝送する非接触電力・信号伝送装置とを備えた旋回駆動機構において、非接触電力・信号伝送装置を囲むように転がり軸受装置および駆動装置の減速装置を配置した旋回駆動機構。
【効果】電力・信号伝送部を内蔵した旋回駆動機構の軸方向寸法を小さくできる。
【選択図】図１

Description

この発明は、旋回駆動機構に関するもので、特に、相対的に旋回できる２つの部材間で電力および信号を伝送できる旋回駆動機構に関するものである。

従来、監視カメラやアンテナの旋回機構およびロボットの関節部分など、２つの部分間で電力および信号の伝送をしながら相対的に旋回駆動させるための旋回駆動機構が知られている。このような機構においては、支持体と、回転体と、回転体を回転させる駆動歯車装置と、支持体および回転体間で電力および信号を伝送する非接触電力・信号伝送装置とを備えていて、シャフトは、軸方向に離れた２つの軸受によって支持されていて、光カプラ、伝送用トランス、駆動歯車装置がシャフトに沿って並べて配置されている（例えば特許文献１参照）。

特開昭６０-２３０７２５号

このような旋回駆動機構では、構成部品が軸方向に並べて配置されているため、機構全体が軸方向に長くなっていた。

従ってこの発明の目的は、機構の軸方向寸法を小さくでき、電力・信号伝送部を内蔵した旋回駆動機構を提供することである。

この発明に係る旋回駆動機構は、第１および第２の部材と、上記第１および第２の部材間に設けられて、上記第１および第２の部材を互いに旋回軸回りに旋回可能に支持する軸受装置と、上記第１および第２の部材を旋回させる駆動装置と、上記第１および第２の部材に設けられ、上記第１および第２の部材間で電力および信号を伝送する非接触電力・信号伝送装置とを備えた旋回駆動機構において、上記軸受装置が円環状であって、上記非接触電力・信号伝送装置が上記円環状の軸受装置によって囲まれていることを特徴とする旋回駆動装置である。

この発明によれば、旋回駆動機構を軸方向に短く構成できるため、電力・信号伝送部を内蔵した旋回駆動機構を小型化できる。

実施の形態１．
図１および図２において、この発明の旋回駆動機構は監視カメラに適用されている例であり、２組の平型の枠組みフレームである第１の部材１および第２の部材２と、第１および第２の部材１および２を相対的に旋回軸３回りに旋回可能に支持する軸受装置４とを備えている。図示の例では、監視カメラの基台となる第１の部材１は、支持基板５と、支持基板５上に取り付けられた静止側回路基板６と、支持基板５上で静止側回路基板６を囲んで設けられた軸受装置４の内輪７とを備えている。

基台である第１の部材１上に回転可能に支持された第２の部材２は、監視カメラ（図示してない）の取付台である旋回基板８と、旋回基板８上に取り付けられた旋回側回路基板９と、旋回基板８上で旋回側回路基板９を囲んで設けられた軸受装置４の外輪１０とを備えている。外輪１０は内輪７との間に軸受転がり要素（軸受玉）１１を保持して、支持基板５あるいは旋回基板８の外周に沿って周囲を囲んだ大径の転がり軸受である軸受装置４を構成している。図示の例では、この軸受装置４の内輪７は支持基板５と連続した合成樹脂製の一体部品として構成されていて樹脂製であり、外輪１０も旋回基板８とは別部品ではあるが同様の樹脂製であって、軸受装置４は、それぞれの軸受転がり要素である軸受玉１１を４箇所で支持する樹脂製の軸受レース（内輪７および外輪１０）を持つ４点接触軸受である。

静止側回路基板６上には、軸受装置４の内側で旋回軸３上に、例えば光デバイス１３が搭載されており、その周囲には静止側コア１４に巻かれた巻線１５が取り付けられており、さらにその周囲にはライトガイド１６が配置されていてこのライトガイド１６にはＬＥＤ１７が組み合わされている。

旋回側回路基板９上には、静止側回路基板６と同様に、軸受装置４の内側で旋回軸３上に、光デバイス１３に対して離れて対向した旋回側の光デバイス１８が搭載されており、その周囲には静止側コア１４および巻線１５に対して離れて対向した旋回側コア１９および巻線２０が取り付けられており、さらにその周囲にはライトガイド１６およびＬＥＤ１７に対して離れて対応したＬＥＤ２１が配置されている。

このように静止側回路基板６上に配置された光デバイス１３、静止側コア１４、巻線１５、ライトガイド１６およびＬＥＤ１７は、それぞれ旋回基板８上に配置された光デバイス１８、旋回側コア１９、巻線２０およびＬＥＤ２１が対応した位置に対向配置されている。これらの対応した組合せのうち、光デバイス１３および１８で構成された光カプラ２２は例えば画像信号をアナログの強弱信号で送受信し、コア１４と巻線１５およびコア１９と巻線２０で構成された電力伝送トランス２３は電力を伝送し、ライトガイド１６とＬＥＤ１７および２１で構成された光カプラ２４はカメラ制御信号などの送受信をするものである。

このように、これらの構成要素１３〜２１で構成された光カプラ２２、電力伝送トランス２３および光カプラ２４は、円環状の軸受装置４によって囲まれていて、第１および第２の部材１および２に設けられ、第１および第２の部材１および２の間で電力および信号を伝送する非接触電力・信号伝送装置２５を構成している。

旋回駆動機構はまた、第１および第２の部材１および２を相対的に旋回させるための駆動装置２６を備えている。駆動装置２６は、旋回基板８の外周縁部に設けられた軸受装置４の外輪１０の外周部に設けられたウオームホイール２７を持っている。このウオームホイール２７は、支持基板５に取り付けられたステップモータ２８のモータ軸２９によって駆動されるウオーム３０と噛み合わされていて、減速機構３１を構成している。ステップモータ２８が駆動されると、ウオーム３０の回転によりウオームホイール２７が減速回転されて旋回基板８が減速駆動される。

図１および図２において、ステップモータ２８を駆動すると、モータ軸２９を介してウオーム３０が回転し、このウオーム３０と噛み合ったウオームホイール２７が旋回する。ウオームホイール２７の旋回と共に、外輪１０が、外輪１０の内周部に設けられた押さえリング１２およびＯリング３２と共に回転し、外輪１０に取り付けられた旋回基板８および旋回側回路基板９を回転させ、旋回基板８上に設けられている非接触電力・信号伝送部を回転させる。

回転部は、軸受玉１１の転動によって保持されるため、長期間にわたって滑らかな回転が得られる。軸受玉１１は、外輪と１点、押さえリング１２と１点、内輪７と２点で接触するいわゆる４点接触軸受である。４点接触軸受は、ラジアル方向、スラスト方向の荷重を保持でき、また、軸受内外輪に作用するモーメント荷重も支持できる。このため、軸受玉が２点接触となる単列深溝軸受では、２列が必要となる旋回軸において、４点接触軸受を用いれば１列で構成でき、旋回機構の軸方向の長さを短縮できることになる。また、軸受玉１１をステンレス、外輪１０、押さえリング１２、内輪７をＰＯＭ（ポリアセタール）で構成した要素実験において、１億回転相当の加速寿命試験を実施して、異常摩耗やがたの増加などの問題が発生しないことを確認できている。内外輪の材料をＰＯＭとすることによって、内外輪と旋回機構の保持部材を兼用でき、部品点数を削減でき、旋回機構を小型に構成できる。

軸受の内側に非接触信号伝送部および非接触電力伝送部を設け、さらに、軸受の外側に減速機およびモータを配置することによって、旋回機構全体の軸方向長さを短縮できている。また、減速機をウオームとすることによって、減速比を４５程度と大きく取れ、ステップモータに角度むらがある場合においても、旋回軸での角度むらは減速比分で低減されるため、ステップモータの角度むらを許容して、安価なステップモータを採用できる利点がある。

たとえば、旋回軸の角度精度を０.１°とすれば、ステップモータの軸での角度精度は減速比４５を乗じた４.５°となるが、ステップモータにステップ角１８°のモータを選定すれば、ステップモータの角度分解能を高めるいわゆるマイクロステップ駆動をする際のマイクロステップ分割数は４に相当する。マイクロステップ駆動の分割数は４から６４程度であるが、減速比を大きくとることによって、マイクロステップ駆動の分割数を４程度に小さくし、制御系を簡素化して、安価な駆動機構が得られる利点がある。

実施の形態２．
図３および４には本発明の旋回駆動機構の別の実施の形態を示す。図１に示す旋回駆動機構においては、軸受装置４が、第１の部材１に設けられた内輪７と第２の部材２に設けられた外輪１０とを持っているが、図３および４に示す旋回駆動機構においては、第１の部材１に設けられた外輪１０と、第２の部材２に設けられた内輪７とを持っている。内輪７は第２の部材２と一体に連続した一部品として構成することもできる。

軸受装置４の内輪７は旋回側回路基板９の外周縁部に固着され、その外周部に周方向のＶ字型断面の溝が形成されていて、溝内には軸受転がり要素（軸受玉）１１が並べて受け入れられている。軸受転がり要素（軸受玉）１１は、第１の部材１に固着された外輪１０の内周部の内向き斜面を持つ立ち上がり部と、この内向き斜面と協働してＶ字型断面の溝を形成するホルダとによって所定の位置に保持されていて、転がり軸受を構成している。

駆動装置２６の減速機構の一部であるウオームホイール２７は旋回側回路基板９に取り付けられている内輪７に取り付けられていて、ウオーム３０を回転させるモータ２８は第１の部材１によって支持されている。

その他の構成は図１および２に示した実施の形態と同様である。

実施の形態３．
図５に示す旋回駆動機構においては、第１の旋回駆動機構３５は固定側である第１の部材１に対して駆動装置２６によって旋回軸３回りに旋回できる第２の部材２を持っており、第２の部材２にはＬ字型の支持金具３６を持つ連結装置３７によって第２の旋回駆動機構３８の固定側である第１の部材１が連結されていて、この第１の部材１に対しては第２の部材２が駆動装置２６によって、第１の旋回軸３に対して直角な旋回軸３９回りに旋回できるようにされている。第２の旋回駆動機構３８の旋回側回路基板９上には監視カメラ４０が取り付けられている。

即ち、通常は旋回側である第２の部材２の旋回側回路基板９には監視カメラなどが取り付けられるが、図５の例では監視カメラ４０は第２の旋回駆動機構３８を介して互いに直交する旋回軸３および３９の回りで旋回できるように取り付けられている。第１および第２の旋回駆動機構は監視カメラ４０と共に全体がハウジング４１で覆われていて耐環境性を高めてある。

図５の例においては、上部の旋回機構はいわゆるパン軸の旋回機構であり、鉛直軸まわりに回転する。このパン軸の回転部にＬ字型アングルを持つ支持金具３６を介して結合された下部の旋回機構はいわゆるティルト軸であり、水平軸まわりに回転する。このように構成すれば、監視カメラ４０はパン軸である第１の旋回軸３およびティルト軸である第２の旋回軸３９回りの旋回によって、設置された天井から下の半球面すべてに指向することができ、設置された室内を監視することができる。

このとき、旋回機構として、パン軸とティルト軸を共通化することによって、各々を別個に開発する場合に比べて開発期間を短縮でき、また、共通の部品を使用することによって量産効率を高め、低コストに製作できるメリットがある。

実施の形態４．
図６および図７において、旋回駆動機構の減速装置３１がは、軸受装置４の外輪１０に取り付けられた平歯車４１と、この平歯車４１に噛み合うピニオンギヤ４２とによって構成されている。その他の構成は図１および２に示す旋回駆動機構と同様である。平歯車はウオームギアほど減速比を大きくとれないため、ウオームに比べるとステップモータ２８の角度むらが旋回量に大きく出るが、平歯車はウオームギアよりも効率がよいため、ステップモータ２８の負荷を低減できる効果がある。

樹脂レース軸受の許容荷重を見積もるために、軸受玉１１と内輪７および外輪１０（レース）との間の接触部の応力をヘルツの理論で計算してみる。ヘルツの理論は、例えば、新版機械設計便覧（発行所：丸善、昭和４８年１月２５日発行、昭和５６年９月２０日第６刷発行、編者：機械設計便覧編集委員会、発行者：飯泉新吾）の表１１・１０７、頁１２２９に計算式が記載されているように、弾性体の接触応力の計算式を与えるものである。この計算式を用いて、ＢＮＬジャパン社製の市販の樹脂レース軸受ＣＭ６３０５／４Ｎ／Ｄ（深溝）、内外輪材料ＰＬ(ポリアセタール)、玉材料ＳＵＪ２（鋼）に関し、許容荷重４０ｋｇｆからＰＯＭの最大圧縮ヘルツ接触応力を求めると１４０ＭＰａが得られる。

一方、本発明における樹脂レースの４点接触玉軸受の諸元の一例として、内外輪材料ＰＯＭ、玉材料ＳＵＪ２、玉個数２５個、玉径６ｍｍとし、玉１個とレースの押付け力が１Ｎとなるように与圧を与えるとき、最大圧縮ヘルツ応力は４７ＭＰａとなり、上記１４０ＭＰａより小さいため、実現可能であることがわかる。

このように与圧を与えることによって４点接触軸受のがたを取り除くことができ、精度の良い旋回駆動機構が得られる利点がある。

実施の形態５．
図８にはこの発明の実施の形態５による旋回駆動機構を示す。図８において、３２は図１と同様のＯリングであり、第１の部材１によって旋回軸方向に押し付ける予圧力を与える。この予圧力を押さえリング１２へ伝達して、軸受玉４を外輪１０へ押付けて軸受の隙間を詰めて、軸受の回転精度や剛性を確保する。このとき、押さえリング１２に４５°のテーパ角度を設けることによって、押さえリング１２の反力は４５°に傾き、旋回軸半径方向の力成分が発生する。この成分に対しては、Ｏリング３２と外輪１０の接触力５２が釣り合う。このように構成すると押さえリング１２と外輪１０の間に隙間を設けた場合においても、押さえリング１２ならびに内輪７を中央に押し戻すセンタリング効果が得られる。センタリング効果によって旋回軸の傾きが中心に保たれて、視野の正確な制御が可能となる。Ｏリング３２と外輪１０の接触を促進させるため、Ｏリング３２の一箇所を切断してＣ字型としてもよい。

なお、図８ではＯリング３２と外輪１０とが直接接触する場合を示したが、Ｏリング３２と外輪との間に隙間がある場合においても、押さえリング１２の４５°反力の旋回軸半径方向成分に対して、Ｏリング３２と第１の部材１との摩擦力が釣り合って、同様のセンタリング効果を得ることができる。

またこの実施の形態では４５°の場合について示したが、他の角度においても、旋回軸半径方向の反力成分に応じて同様のセンタリング効果が得られる。

この発明の実施の形態１による旋回駆動機構を示す断面図である。 図１の旋回駆動機構の概略平面図である。 この発明の実施の形態２による旋回駆動機構を示す断面図である。 図３の旋回駆動機構の概略平面図である。 この発明の実施の形態３による監視カメラの概略全体図である。 この発明の実施の形態４による旋回駆動機構を示す断面図である。 図６の旋回駆動機構の概略平面図である。 この発明の実施の形態５による旋回駆動機構を示す断面図である。

符号の説明

１ 第１の部材、２ 第２の部材、３ 旋回軸、４ 軸受装置、５ 支持基板、６ 静止側回路基板、７ 内輪、８ 旋回基板、９ 旋回側回路基板、１０ 外輪、１１ 軸受玉、１２ 押さえリング、１３ 光デバイス、１４ 静止側コア、１５ 巻線、１６ ライトガイド、１７ ＬＥＤ、１８ 光デバイス、１９ 旋回側コア、２０ 巻線、２１ ＬＥＤ、２２ 光カプラ、２３ 電力伝送トランス、２４ 光カプラ、２５ 非接触電力・信号伝送装置、２６ 駆動装置、２７ ウオームホイール、２８ ステップモータ、２９ モータ軸、３０ ウオーム、３１ 減速機構、３２ Ｏリング、３３ 旋回駆動機構、３４ 支持金具、３５ 連結装置、３６ 旋回駆動機構、３７ 旋回軸、３８ 監視カメラ、３９ ハウジング、４０ 平歯車、４１ ピニオンギヤ。

Claims (12)

1. 第１および第２の部材と、
   上記第１および第２の部材間に設けられて、上記第１および第２の部材を互いに旋回軸回りに旋回可能に支持する軸受装置と、
   上記第１および第２の部材を旋回させる駆動装置と、
   上記第１および第２の部材に設けられ、上記第１および第２の部材間で電力および信号を伝送する非接触電力・信号伝送装置とを備えた旋回駆動機構において、
   上記軸受装置が円環状であって、
   上記非接触電力・信号伝送装置が上記円環状の軸受装置によって囲まれていることを特徴とする旋回駆動機構。
2. 上記駆動装置が上記第１の部材に取り付けられたモータと、上記円環状の軸受装置を囲んで上記第２の部材に取り付けられ、上記モータによって駆動されて上記第２の部材を減速駆動する減速機構とを備えていることを特徴とする請求項１に記載の旋回駆動機構。
3. 上記駆動装置の減速機構が、ウオーム歯車減速機構であることを特徴とする請求項２に記載の旋回駆動機構。
4. 上記駆動装置の減速機構が、平歯車減速機構であることを特徴とする請求項２に記載の旋回駆動機構。
5. 上記軸受装置が、転がり軸受であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の旋回駆動機構。
6. 上記軸受装置が、上記第１の部材に設けられた内輪と上記第２の部材に設けられた外輪とを持つことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の旋回駆動機構。
7. 上記軸受装置が、上記第１の部材に設けられた外輪と上記第２の部材に設けられた内輪とを持つことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の旋回駆動機構。
8. 上記軸受装置の内輪あるいは外輪が、上記第１あるいは第２の部材と一体に連続して一部品をなしていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の旋回駆動機構。
9. 上記軸受装置が、樹脂製の軸受レースを持つ４点接触軸受であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の旋回駆動機構。
10. 上記軸受装置の外輪の片側を構成する押さえリングの予圧受圧面が、テーパー状であることを特徴とする請求項９に記載の旋回駆動機構。
11. 上記非接触電力・信号伝送装置が、電力伝送トランスを備えていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の旋回駆動機構。
12. 上記非接触電力・信号伝送装置が、光カプラを備えていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の旋回駆動機構。

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