JP2022076779A - 雲台及び撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回転速度のムラを減らしてスムーズに回転駆動させつつ、回転を急変させたときのガタつきや振動の低減ができる雲台等を提供する。
【解決手段】
カメラユニットを所定方向に回転させるための回転駆動部を有する雲台であって、前記回転駆動部は、駆動源と、所定の回転軸を中心として、前記所定方向に回転する第１の歯車と第２の歯車と、前記第１の歯車および前記第２の歯車と噛み合い、前記駆動源からの駆動力を伝達する第３の歯車と、を有し、前記第１の歯車と、前記第２の歯車と、前記第３の歯車は、はすば歯車で構成され、前記第２の歯車は、前記第１の歯車に対して、前記回転軸方向に移動可能に配置され、前記第２の歯車を前記回転軸方向に付勢する付勢部と、を有する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、カメラ部を所定方向に回転するための雲台等に関するものである。

カメラ部をパン回転およびチルト回転させる撮像装置として、小規模なスタジオでの撮影や、ライブ中継などに用いられるビデオカメラが知られている。これらのカメラは、高画質な映像を得るためには大型で重いレンズ鏡筒を用いる必要があり、大きな駆動力が必要となる。また、滑らかなカメラワークでの映像表現を可能にするために、低速から高速まで幅広い速度範囲でのスムーズな回転駆動が求められている。

従来から、スムーズな回転駆動のために、パン回転またはチルト回転の回転駆動機構として、タイミングベルトとプーリを採用する構成が知られている（特許文献１）。タイミングベルトは駆動機構のバックラッシを除去できるため、カメラをパンもしくはチルト回転させたときのガタつきが減り、スムーズな回転駆動が可能となる。しかし、タイミングベルトは弾性のある部材のため、大型のレンズ鏡筒を高加速度で駆動もしくは停止したときに、ベルトのたわみや伸び縮みで映像が揺れてしまうという問題があった。

そこで、回転駆動機構として、お互いに噛み合う１対の平歯車のうち、片方の平歯車を厚み方向に２分割し、２分割した歯車のうちの一方をばね等で回転軸周りの円周方向に付勢する、いわゆる「シザーズギア」の技術が知られている（特許文献２）。シザーズギアの構成では、バックラッシの除去ができ、回転駆動時のガタつきを抑制できる。

図７は、カメラ部のパンおよびチルト駆動の機構として、従来のシザーズギアを用いた構造の一例を示す。図７に示すように、従来の平歯車によるシザーズ構成では、第１の平歯車５１がチルト回転軸５２もしくはパン回転軸（不図示）に固定され、歯車付きプーリ５３の歯車部と噛み合うことでモータ５６の駆動力を伝達する。

ここで、第２の平歯車５４をコイルばね５５等の付勢手段で回転軸周りの円周方向に付勢する。これによって、第１の平歯車５１の歯と第２の平歯車５４の歯で、歯車付きプーリ５３の歯車部の歯を挟み込むような構成となり、バックラッシを除去することができる。

特開２００５－３２３１８７号公報 特開２００９－５５０７６号公報

しかしながら、上述の特許文献２に開示された従来技術では、シザーズギアの付勢構造によって相手側の歯車と常に強く接触した状態になるため、ギアの回転位相による伝達トルクのムラが大きくなる懸念がある。特に、カメラを低速でパンもしくはチルト回転させたときに速度のムラが発生してしまい、映像が揺れてしまう可能性がある。

伝達トルクのムラを小さくするためには、シザーズギアのばね等の付勢力を弱くする必要がある。しかし大型のレンズ鏡筒を高速で回転させた状態から急停止させたときに慣性で大きなトルクがかかるため、付勢力が弱いとトルクによってレンズ鏡筒が振動し映像の揺れの原因となる。

つまり、平歯歯車でのシザーズギアの構成では、付勢力を大きくすると特に低速駆動時の速度ムラの原因となる一方で、付勢力を小さくするとレンズ鏡筒の慣性によって発生するトルクを保持できず鏡筒が揺れてしまうという課題があった。

例えば、図７に示す構成を例にすると、第２の平歯車５４への付勢力が弱いとカメラ部５０を高速でチルトもしくはパン回転させ急停止させたとき、カメラ部５０の慣性によって発生するトルクがコイルばね５５の力を上回ってしまう。それによって、カメラ部５０が振動してしまう。

一方、第２の平歯車５４への付勢力を強くすれば、高速でチルトもしくはパン回転させたり急停止させたたりしたときのカメラ部の振動は抑えることができる。しかし、第１の平歯車５１および第２の平歯車５４の歯が、歯車付きプーリ５３の歯車部の歯と強く当たることとなり、歯車の回転位相によって伝達トルクに大きなムラが発生する。

このような問題は、例えばある一定の速度でカメラ部５０をチルトもしくはパン方向に回転させるような制御をした場合にも、トルクのムラによって回転速度にムラが発生し、撮影される映像がぶれてしまう原因となる。

図８は、第２の平歯車５４への付勢力が弱い場合の、カメラ部５０のパン回転速度をプロットした例である。台形波の速度を入力しているが、コイルばね５５の力が弱いことで、実際のパン回転速度を見ると起動時や停止時に振動が発生していることがわかる。また、図９は、第２の平歯車５４への付勢力が強い場合の、カメラ部５０のパン回転速度をプロットした例である。この場合は、起動時や停止時の振動は抑制できているが、伝達トルクのムラによって、速度が一定に保てていないことがわかる。

そこで、本発明の目的は、回転速度のムラを減らしてスムーズに回転駆動させつつ、回転を急変させたときのガタつきや振動の低減ができる雲台等を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明の雲台は、
カメラ部を所定方向に回転させるための回転駆動部を有し、
前記回転駆動部は、駆動源と、
所定の回転軸を中心として、前記所定方向に回転する第１の歯車と第２の歯車と、
前記第１の歯車および前記第２の歯車と噛み合い、前記駆動源からの駆動力を伝達する第３の歯車と、を有し、
前記第１の歯車と、前記第２の歯車と、前記第３の歯車は、はすば歯車で構成され、
前記第２の歯車は、前記第１の歯車に対して、前記回転軸方向に移動可能に配置され、
前記第２の歯車を前記回転軸方向に付勢する付勢部と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、回転速度のムラを減らしてスムーズに回転駆動させつつ、回転を急変させたときのガタつきや振動の低減ができる雲台等が実現できる。

本発明の実施例のビデオカメラを示す斜視図である。 実施例のビデオカメラのチルト駆動機構を示す斜視図である。 実施例のはすば歯車を示す分解斜視図である。 実施例のはすば歯車の噛み合いを示す模式図である。 実施例のビデオカメラのパン駆動機構を示す斜視図である。 実施例のビデオカメラのパン回転速度特性をプロットしたグラフである。 従来のビデオカメラの駆動機構の一例を示す斜視図である。 従来のビデオカメラのパン回転速度特性の例をプロットしたグラフである。 従来のビデオカメラのパン回転速度特性の他の例をプロットしたグラフである。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について実施例を用いて説明する。なお、各図において、同一の部材ないし要素については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略ないし簡略化する。
また、実施例においては、撮像装置としてライブ配信等に用いるネットワークカメラにパン、チルト用の雲台を組み合わせた例について説明する。しかし、撮像装置はデジタルスチルカメラ、デジタルムービーカメラ、カメラ付きのスマートフォン、カメラ付きのタブレットコンピュータ、車載カメラなどの撮像機能を有する電子機器等を含む。

図１は、本発明の実施例のビデオカメラ１００を示す斜視図である。
図１に示すように、実施例の撮像装置としてのビデオカメラ（ネットワークカメラ）１００は、カメラ部１０と、パン回転部１１と、ベース部１２と、を有する。

図１に示すビデオカメラ１００は、例えばライブハウスや撮影スタジオの天井を被固定面として設置され、カメラユニットとしてのカメラ部１０をパン方向およびチルト方向に回転させることができる。カメラ部１０をパンおよびチルト回転させ被写体の方向に向けることで、映像制作のための動画撮影やライブ配信用の撮影などが可能になる。また、ビデオカメラ１００は天井に設置されるだけではなく、水平な面に置いて映像を撮影することもできる。

カメラ部１０をパンおよびチルト回転させる際には、回転速度のムラがないスムーズな駆動をさせることで、ブレのない映像を撮影することが可能である。また、カメラ部１０は、高速域から低速域まで幅広い速度領域でのパンおよびチルト回転ができる。そのため不規則な速度で動く被写体に対しても、カメラ部１０を追従させて撮影することができる。

このように、ビデオカメラ１００は、カメラ部１０をパンおよびチルト方向に回転できる。ここでパン回転部１１と、ベース部１２によってカメラ部１０をパン、チルト方向に回転させるための雲台が構成されている。なお、実施例では、カメラ部１０は雲台に装着されていて、ユーザが着脱することはできないが、カメラ部１０を雲台から簡単に着脱できる構成にしてもよい。
次に、ビデオカメラ１００における、チルト駆動機構２００について説明する。チルト駆動機構２００はパン回転部１１内に配置されている。

図２はビデオカメラ１００のチルト駆動機構２００を示す斜視図である。なお、チルト駆動機構（チルト回転駆動部）はカメラ部１０（カメラユニット）を所定方向に回転させるための回転駆動部として機能している。また本実施例ではパン方向の回転とチルト方向の回転の両方ができる構成について説明するが一方の方向の回転だけができるものであってもよい。
図２に示すようにカメラ部１０内のレンズ鏡筒１３は鏡筒支持部材１４に支持されており、鏡筒支持部材１４はチルト回転軸１５を備えている。鏡筒支持部材１４は、パン回転部１１内のパンベース１６に、チルト回転可能に支持されている。

ここで、カメラ部１０のチルト方向への回転は、チルト駆動機構２００によって行われる。チルト駆動機構２００は、駆動源としてのチルトモータ２０、ゴム２１、タイミングベルト２２、歯車付きプーリ２３、第１のはすば歯車２４、第２のはすば歯車２５等から構成される。また歯車付きプーリ２３は、プーリ部２３Ｂと歯車部２３Ａを備え、歯車部２３Ａははすば歯車である。ここで、第１のはすば歯車２４、第２のはすば歯車２５は、それぞれ所定の回転軸を中心として、前記所定方向に回転する第１の歯車、第２の歯車として機能している。また、歯車部２３Ａは前記駆動源からの駆動力を伝達する第３の歯車として機能している。

チルトモータ２０はゴム２１を介してパン回転部１１に取り付けられ、歯車付きプーリ２３は、パン回転部１１に対して回転可能に支持されている。チルトモータ２０と歯車付きプーリ２３のプーリ部２３Ｂはタイミングベルト２２で接続されている。第１のはすば歯車２４は、チルト回転軸１５と中心が略一致するように固定され、歯車付きプーリ２３の歯車部２３Ａと噛み合うように配置されている。

したがって、チルトモータ２０を駆動させるとタイミングベルト２２を介して歯車付きプーリ２３が回転し、さらに歯車付きプーリ２３の歯車部２３Ａと噛み合う第１のはすば歯車２４に回転が伝達され、カメラ部１０をチルト回転させることができる。

次に、チルト駆動機構２００における、第１のはすば歯車２４のバックラッシを除去する構成について図３を用いて説明する。
図３ははすば歯車２４、２５を示す分解斜視図である。
第２のはすば歯車２５は図３に示すように、第１のはすば歯車２４に対して回転はできないが、回転軸方向に平行に移動可能なように配置される。また、第２のはすば歯車２５は、コイルばね２８とばね押さえ２６を介して第１のはすば歯車２４に固定され、常に第１のはすば歯車２４に接近するように回転軸方向に付勢されている。なお複数のコイルばね２８は弾性体であればよく付勢部として機能している。

第１のはすば歯車２４と歯車付きプーリ２３の歯車部２３Ａを噛み合わせた際には、バックラッシが発生する。しかし、第２のはすば歯車２５をコイルばね２８で付勢することによって、図４に示すようにバックラッシを取り除くことが可能になる。
このバックラッシを除去する構成は、歯車付きプーリ２３の歯車部２３Ａの歯を、第１のはすば歯車２４と第２のはすば歯車２５の歯で挟み込むような構成となっていて、いわゆるシザーズギアの構成をとっている。この構成によって、カメラ部１０をチルト方向に回転させたときに、バックラッシによるガタつきがなくなりスムーズな動作が可能となる。

カメラ部１０を高速でチルト回転させ急停止させたとき、カメラ部１０の慣性によって第２のはすば歯車２５にトルクがかかる。このトルクによって、第２のはすば歯車２５のある一歯に発生する力を、図４のＦ１に示す。
図４ははすば歯車２４、２５の噛み合いを示す模式図である。
第２のはすば歯車２５のねじれ角をθとすると、Ｆ１は歯面に垂直方向の力であるＦ１ｃｏｓθと、歯面に接する方向の力Ｆ１ｓｉｎθに分けることができる。

Ｆ１ｓｉｎθによって第２のはすば歯車２５が滑って軸方向に動いてしまうと、バックラッシを除去する構成が成立しなくなる。そのため、コイルばね２８による付勢力Ｆ２を大きい値に設定しＦ１ｓｉｎθによる滑りを抑えることで、常にバックラッシを除去できるような構成を保つ。

ねじれ角θを４５度以下の小さい値（実施例ではθ＝１５°）に設定すれば、Ｆ１ｓｉｎθが小さい値になるため、コイルばね２８による付勢力Ｆ２を小さく設定しても常にバックラッシを除去することができる。また、付勢力Ｆ２を小さくすることで、第２のはすば歯車２５と歯車付きプーリ２３の歯車部２３Ａが強く当たってしまうことを防げる。これによって歯車の回転位相による伝達トルクのムラを小さくすることができ、カメラ部１０をスムーズにチルト回転させることが可能となる。

ここまでで、第１のはすば歯車２４のバックラッシを除去する構成を説明した。第２のはすば歯車２５をスラスト方向に付勢することで、歯車付きプーリ２３の歯車部２３Ａの歯を挟み込んでバックラッシを除去することができる。次に、第２のはすば歯車２５を付勢する構成について詳細に説明する。

図３に示すように、第１のはすば歯車２４は、円弧部の半径が等しい３つの円弧状リブ２４Ａを備えており、円弧状リブ２４Ａは、円弧中心が回転軸と略一致するように回転軸を中心とした円周に沿って配置されている。またｈ、第２のはすば歯車２５の内径は、円弧状リブ２４Ａの外周部と嵌合するように配置される。
第２のはすば歯車２５の内径の嵌合にはわずかにガタがあるため、ガタによって第２のはすば歯車２５が若干斜めに傾いてしまう場合がある。

しかし円弧形状のリブ２４Ａの外径はチルト回転軸１５の外径よりも大きいため、第２のはすば歯車２５をチルト回転軸１５の外径に直接嵌合する場合と比べ、第２のはすば歯車２５の傾きを小さく抑えることができる。また、コイルばね２８は、円弧形状のリブ２４Ａと互い違いに配置される。

この構成によって、第２のはすば歯車２５の嵌合径を大きく保ちつつ、外周付近に付勢力がかけることができる。外周付近に付勢力をかけることで、付勢力のばらつきによる第２のはすば歯車２５の傾きを小さく抑えることができる。
次に、チルト駆動機構２００における、チルトモータ２０の取り付け形状について図２を用いて説明する。チルトモータ２０は、ゴム２１を介して支持板金２７に取り付けられ、支持板金２７がパンベース１６に取り付けられる。また、チルトモータ２０の駆動力は、タイミングベルト２２によって、歯車付きプーリ２３に伝えられる。

ゴム２１とタイミングベルト２２は共に剛性の低い部材であるため、チルトモータ２０の振動がパンベース１６や歯車付きプーリ２３に伝わりづらくなる。これによって、チルトモータ２０の振動によって撮影している映像に揺れが出ることを防ぐことができる。

次に、ビデオカメラ１００における、パン駆動機構３００について説明する。パン駆動機構（パン回転駆動部）３００はカメラユニット１００を所定方向に回転させるための回転駆動部として機能している。
図５はビデオカメラ１００のパン駆動機構３００を示す斜視図である。図５に示すように、パンベース１６はパン回転軸１７を備え、ベース部１２にパン回転可能に支持されている。

カメラ部１０のパン方向への回転は、パン駆動機構３００によって行われる。パン駆動機構３００は、図５に示すように、パンモータ３０、ゴム３１、タイミングベルト３２、歯車付きプーリ３３、第１のはすば歯車３４、第２のはすば歯車３５等から構成される。また歯車付きプーリ３３は、プーリ部３３Ｂと歯車部３３Ａを備え、歯車部３３Ａははすば歯車である。

パンモータ３０はゴム３１を介してベース部１２に取り付けられ、歯車付きプーリ３３は、ベース部に対して回転可能に支持されている。パンモータ３０と歯車付きプーリ３３のプーリ部３３Ｂはタイミングベルト３２で接続されている。第１のはすば歯車３４は、パン回転軸１７と中心が略一致するように固定され、歯車付きプーリ３３の歯車部３３Ａと噛み合うように配置されている。

したがって、パンモータ３０を駆動させるとタイミングベルト３２を介して歯車付きプーリ３３が回転し、さらに歯車付きプーリ３３の歯車部３３Ａと噛み合う第１のはすば歯車３４に回転が伝達される。そして、パンベース１６をパン回転させることができ、これによってカメラ部１０がパン回転可能となる。

第２のはすば歯車３５は、第１のはすば歯車３４に対して回転はできないが、回転軸方向に平行移動できるように配置される。また、第２のはすば歯車３５は、図３に示すように、コイルばね３８とばね押さえ３６を介して第１のはすば歯車３４に固定され、常に第１のはすば歯車３４に接近する方向に付勢される。

パンモータ３０は、ゴム３１を介して支持板金３７に取り付けられ、支持板金３７はベース部１２に取り付けられる。
これらの構成は、前述のチルト駆動機構２００と同様のものであり、バックラッシを除去してスムーズにパン回転させることができる。

図６はビデオカメラ１００のパン回転速度特性をプロットしたグラフである。
急加速もしくは急停止した際にも、バックラッシを低減することで振動が発生しておらず、また一定速度で回転させているときも速度のムラが少ないスムーズな回転ができている。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である
例えば実施例では、カメラ部１０がチルト方向およびパン方向に回転可能であるが、チルト方向もしくはパン方向のどちらかのみに回転可能であってもよい。
また、実施例では、チルト駆動機構２００およびパン駆動機構３００は２段減速としているが、３段以上の減速機構であっても構わない。

１００ ビデオカメラ
２００ チルト駆動機構
３００ パン駆動機構
１０ カメラ部
１１ パン回転部
１２ ベース部
１３ レンズ鏡筒
２０ チルトモータ
２２、３２ タイミングベルト
２３、３３ 歯車付きプーリ
２４、３４ 第１の歯車
２５、３５ 第２の歯車
２８、３８ コイルばね
３０ パンモータ

Claims (9)

1. カメラ部を所定方向に回転させるための回転駆動部を有し、
   前記回転駆動部は、駆動源と、
   所定の回転軸を中心として、前記所定方向に回転する第１の歯車と第２の歯車と、
   前記第１の歯車および前記第２の歯車と噛み合い、前記駆動源からの駆動力を伝達する第３の歯車と、を有し、
   前記第１の歯車と、前記第２の歯車と、前記第３の歯車は、はすば歯車で構成され、
   前記第２の歯車は、前記第１の歯車に対して、前記回転軸方向に移動可能に配置され、
   前記第２の歯車を前記回転軸方向に付勢する付勢部と、を有することを特徴とする雲台。
2. 前記第１の歯車と、前記第２の歯車と、前記第３の歯車のねじれ角が４５度以下であることを特徴とする請求項１に記載の雲台。
3. 前記第３の歯車は、タイミングベルトと噛み合うプーリ部を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の雲台。
4. 前記プーリ部は、前記タイミングベルトによって前記駆動源からの駆動力を伝達するように構成されていることを特徴とする請求項３に記載の雲台。
5. 前記第１の歯車は、円弧部の半径が等しい複数の円弧状リブを備え、
   前記円弧状リブは、円弧中心が前記回転軸と略一致するように配置され、
   前記第２の歯車は、前記円弧状リブの外周部に嵌合することを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の雲台。
6. 前記付勢部は複数の弾性体を備え、
   前記複数の弾性体は、前記回転軸を中心とした円周に沿って配置され、
   前記円弧状リブと互い違いに配置されることを特徴とする請求項５に記載の雲台。
7. 前記所定方向はパン方向とチルト方向の少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項１～６のいずれか１項に記載の雲台。
8. 前記回転駆動部はパン回転駆動部とチルト回転駆動部を含み、前記パン回転駆動部と前記チルト回転駆動部とは、それぞれ前記駆動源と、前記第１の歯車と、前記第２の歯車と、前記第３の歯車と、を有し、
   前記第１の歯車と、前記第２の歯車と、前記第３の歯車は、はすば歯車で構成され、
   前記第２の歯車は、前記第１の歯車に対して、前記回転軸方向に移動可能に配置され、
   前記第２の歯車を前記回転軸方向に付勢する付勢部と、を有することを特徴とする請求項１～７のいずれか１項に記載の雲台。
9. 請求項１～８のいずれか一項に記載の雲台に装着された前記カメラ部を有する撮像装置。

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