JP3868098B2 - Direction control device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、球面アクチュエータのロータ(球面体)を摩擦駆動して回転させることにより制御対象物の向き(方向)を自在に制御する方向制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
球面アクチュエータのロータにカメラを保持させた方向制御装置は、特開平9−6435号公報や特開平9−54356号公報に開示されている。このような方向制御装置、すなわちカメラを保持した球面アクチュエータの構造を図1に示す。球面アクチュエータ1は、4個のステータ2,2,3,3を略球状をしたロータ4の外周円に沿って配置し、これらのステータ2,2,3,3によってロータ4を支持している。各ステータ2,2,3,3は、図2(a)(b)に示すような回転型表面波振動子からなる。すなわち、金属等の弾性材料によって形成された弾性部材5は略皿状をしており、その外周部表面には一定ピッチ毎に接触片6が突設されて環状に配列しており、接触片6と対向して弾性部材5の外周部裏面にはPZT等の圧電素子7が張り付けられている。ステータ2,2,3,3は、接触片6をロータ4と接触させるようにしてロータ4を支持するようになっており、そのため接触片6の表面にはロータ4の表面曲率と同一の曲率を有する凹状のアール面8が施されている。また、カメラ9は、ロータ4の中心を通過するようにしてロータ4内に固定されている。
【0003】
しかして、ステータ2,2,3,3は超音波モータの原理によってロータ4を駆動するものであって、圧電素子7を振動させることによって弾性部材5の接触片6の表面にたわみ振動や伸縮振動等の表面波振動を発生させるものである。ステータ2,2,3,3はロータ4に圧接しているので、ステータ2,2,3,3が駆動されていない場合には、ロータ4は回転できない。しかし、圧電素子7を所定の駆動モードで駆動すると、弾性部材5の表面を円周方向に進む進行波(たわみ進行波)により接触片6の表面の粒子が楕円軌道を描いて運動し、ロータ4の表面がステータ2,2,3,3の円周方向に沿って移動する。この結果、ロータ4は駆動されているステータ2,2,3,3の軸心の回りに回転する。また、進行波を発生させないステータ2,2,3,3には定在波を発生させてロータ4との摩擦を軽減する。従って、これらの各ステータ2,2,3,3を駆動制御することによりロータ4を回転させ、カメラ9を任意の方向へ任意の角度だけ回転させることができる。
【0004】
このような方向制御装置10にあっては、球面アクチュエータ1を駆動してロータ4を回転させることにより、カメラ9の指向角(監視方向)を自在かつスムーズに変化させることができる。また、このような方向制御装置10によれば、カメラ9を球面アクチュエータ1内に内蔵することができるので、カメラ9を用いたモニター装置などを小型化することができる。さらには、カメラ9をロータ4の回転中心上に配置すれば、ロータ4の回転中心とカメラ9の中心をほぼ一致させることができるので、カメラ9の方向制御のためのアルゴリズムも簡単になるという利点がある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
図1のような方向制御装置に用いられている球面アクチュエータ1では、ロータ4を回転させてカメラ9を任意の方向(指向角)に向けると共にカメラ9を通して見る画面の傾き(カメラ9の光軸回りの回転角度)も制御することができるが、ロータ4の瞬時回転軸(つまり、回転トルク)は、対向するステータ2,2,3,3どうしを結ぶ2方向(あるいは、この2方向の瞬時回転軸のベクトル合成として、4個のステータ2,2,3,3の軸心方向を含む平面内)にしかなく、ロータ4をカメラ9の光軸回りに瞬時回転制御することはできなかった。
【0006】
このため、ロータ4を回転させてカメラ9の方向を変化させると、それに連れてカメラ9の角度がほぼ鉛直方向から回転し、モニター装置の画面の像も傾いてしまうという問題があった。もちろん、カメラ9を目的とする方向に向けた後、カメラ9の角度が真っ直ぐになるようにロータ4を回転させることはできるが、ロータ4はカメラ9の光軸回りに瞬時回転軸を持たないから、2つのステータ2,2,3,3回りの回転を交互に繰り返すことによってカメラ9の角度を補正する必要があり、制御が複雑になるとともに画面が移動したり、ぶれ動いたりする問題がある。
【0007】
また、ロータの最大円周よりも小さな円周回りでロータに各ステータを接触させることにより、各ステータからロータに働く回転トルクが3次元方向を向くようにすれば、ロータに任意方向の瞬時回転軸を持たせることができ、カメラの角度(画像)を常にまっすぐに保持させることができる。
【0008】
このような構造では、カメラの光軸回りにロータを回転させることが可能になるが、ステータが球面アクチュエータの前面側に集まるので、カメラの方向(指向角)の駆動範囲が狭くなったり、ロータを制御するために3自由度の回転位置検出手段が必要となる不具合がある。また、3自由度の制御アルゴリズムは、2自由度の制御アルゴリズムに比較して非常に複雑になる。これは、2自由度の動きは、一つの平面(4個のステータの軸心を含む平面)上の動きに変換できるが、3自由度になるとオイラー角表現などが必要になるためである。
【0009】
本発明は叙上の従来例の欠点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、球面アクチュエータによって制御対称物の方向を自由に制御することができ、しかも簡単な構造によって制御対称物がいずれの方向を向いていても制御対称物の角度を常にほぼ一定角度に保つことができる方向制御装置を提供することにある。
【0010】
【発明の開示】
請求項1に記載の方向制御装置は、ステータに発生させた微少振動で略球状のロータを多自由度に回転駆動する球面アクチュエータと、ロータに保持された制御対象物とからなる方向制御装置において、前記制御対象物を前記ロータに回転自在に保持させ、前記ロータ以外の静止対象物に対する前記制御対象物の回転を抑制する回転拘束手段を設けたことを特徴としている。
【0011】
この方向制御装置にあっては、制御対象物がロータに回転自在に保持されており、回転拘束手段によって制御対象物の回転を抑制するようにしているから、ロータを回転させて制御対象物の方向を変化させても回転拘束手段によって制御対象物の角度をほぼ一定に保つことができる。しかも、制御対象物の角度を補正するために、第1番目の従来例のようにロータを制御対象物の軸心回り以外の方向へ動かす必要がないので、制御対象物の角度を補正することによって制御対象物の方向がぶれ動くこともない。
【0012】
また、このような回転拘束手段は機械的手段によって構成することができるので、ロータないし球面アクチュエータの制御が2自由度の制御で済み、3自由度球面アクチュエータを用いる場合のように複雑な3自由度の制御を行なう必要がないので、簡単な制御アルゴリズムを用いることができる。さらに、3自由度球面アクチュエータを用いる場合のように、3自由度の回転位置検出手段も必要なく、ロータの回転範囲が狭くなることもない。
【0013】
上記回転拘束手段としては、制御対象物の回転中心から外れた位置に重力を及ぼすことによって制御対象物の回転を抑制するものを用いることができる。重力を及ぼすためには、重りなどを用いることができ、重力方向に対して制御対象物の角度をほぼ一定に保つことができる。
【0014】
また、上記回転拘束手段としては、ロータ以外の静止部材と制御対象物との間に張設された弾性体によって制御対象物の回転を抑制するものを用いることができる。弾性体としては、スプリング、ゴムバンド等を用いることができ、ケーシング等の静止部材に対して制御対象物の角度をほぼ一定に保つことができる。
【0015】
また、上記回転拘束手段としては、ロータ以外の静止部材と制御対象物との間に設けられた、捩れに対する弾性復元力を有する部材でもよい。捩れに対する弾性復元力を有する部材としては、例えば線状の弾性体や面状の弾性体を用いることができ、制御対象物が回転しようとすると、この弾性復元力によって制御対象物の角度がほぼ一定に保たれる。
【0016】
【発明の実施の形態】
(第1の実施形態)
図3、図4及び図5は、それぞれ本発明の一実施形態による方向制御装置21を示す正面側からの斜視図、背面側からの斜視図及び断面図である。この方向制御装置21は、球面アクチュエータ22のロータ23内にカメラ24を回転自在に保持させたものであって、球面アクチュエータ22はケーシング25内に取り付けられた4個のステータ26,26,27,27でロータ23を保持した構造となっている。また、カメラ24で撮影された像は、例えば別な場所に設置されたモニター装置のディスプレイ(図示せず)に映されたり、ビデオフィルムに録画されたりするようになっている。以下、この実施形態の方向制御装置21を詳しく説明する。ただし、球面アクチュエータ22の基本構造や動作は前記球面アクチュエータ(図1、図2)と同じであるので、詳細は省略する。
【0017】
図中24は、撮像用のCCDやレンズを納めた小型カメラであって、略棒状に形成されている。このカメラ24は、図5に示すようにカメラホルダー28内に圧入一体化されており、カメラホルダー28に保持されたカメラ24は、球状のロータ23の中心にあけられた通孔29内に挿入されている。また、カメラホルダー28は、ロータ23の通孔29内に設けられたベアリング30によって両端部を支持されており、カメラ24はロータ23内で光軸回りに自在に回転できるようになっている。
【0018】
微小振動を発生する4個のステータ26,26,27,27は、ケーシング25内に取り付けられ、ロータ23の最大外周円に沿って配置されている。対向するステータ26,26,27,27のうち、一方のステータ26,27はケーシング25内に板バネ31を介して取り付けられており、他方のステータ26,27は皿バネ32とバネ受けプレート33を介してケーシング25内に取り付けられており、板バネ31と皿バネ32の弾性力によって両ステータ26,26,27,27をロータ23に押圧させると共に、調整ネジ34によってバネ受けプレート33を動かすことで皿バネ32の弾性力を変化させ、ステータ26,26,27,27のロータ23への圧接力を調整できるようにしている。また、ステータ26,26,27,27及びロータ23等をケーシング25内に組み込んだ後、ケーシング25の正面及び背面にそれぞれカバー35,36を取り付けることによってロータ23等の脱落を防止している。正面のカバー35の窓37からは、図3のようにロータ23やカメラ24が露出しており、背面のカバー36の窓38からは、図4のようにロータ23やカメラホルダー28が露出している。なお、39は各ステータ26,26,27,27を駆動するための信号線を通すための孔である。
【0019】
しかして、この方向制御装置21にあっては、球面アクチュエータ22を駆動してロータ23を回転させることにより、カメラ24の方向(指向角)をカバー35の窓37が開口している範囲内で任意の方向へ向けることができる。
【0020】
また、この方向制御装置21にあっては、隣接するステータ26,26,27,27の中間位置に対応させて背面のカバー36に4本のポスト40を立ててあり、各ポスト40とカメラホルダー28の後端部の外周面との間にそれぞれ引張コイルバネ41を張設している。なお、図5に見えるカメラホルダー28の孔42は、カメラ24のコードを引き出すためのものである。
【0021】
よって、ロータ23の回転によりカメラ24の方向が変化したとき、それに伴ってカメラ24の角度が回転しようとしても、カメラホルダー28を介してカメラ24に引張コイルバネ41の引っ張り力が働いているので、各引張コイルバネ41の引っ張り力がバランスする位置にカメラホルダー28を保持させようとし、この結果、カメラ24の角度は常にほぼ一定となるように(つまり、画像が常に真っ直ぐとなるように)保持される。ただし、ロータ23は、各ステータ26,26,27,27で押さえ付けられた状態にあって保持トルクが働いているから、引張コイルバネ41によってロータ23が回転することはない。引張コイルバネ41のばね定数は、ベアリング30に支持されたカメラ24を回転させることができる最小の定数に設定すれば、球面アクチュエータ22の駆動効率がよい。
【0022】
この方向制御装置にあっては、ロータ23を回転させてカメラ24の方向を変化させても引張コイルバネ41の弾性力によってカメラ24は常にほぼ一定の角度となるように制御されるので、モニター装置のディスプライ等の画像が傾いたり、ぶれたりせず、良好な画像が得られる。しかも、ステータ26,26,27,27を一平面上に配置することができるので、簡単な構成になり、さらに、3自由度回転位置の検出機構が不要になるので、構造を簡略化でき、製造コストを安価にできる。また、3自由度球面アクチュエータのようにステータを立体的に配置する必要がないので、ステータ26,26,27,27の配置を平面的にでき、この結果、ロータ23ないしカメラ24の駆動範囲が狭くならない、ロータ23の制御を2自由度で行えるので、簡単な制御アルゴリズムを使える、最低2個のステータ(対向するステータのうち、一方はベアリング等に置き換えることができる)で実現できる、組立や調整が容易になる、といった利点がある。
【0023】
なお、回転拘束手段として用いるバネは、カメラ24の方向駆動範囲において、バネ復元力が働いていれば引張コイルバネ、圧縮コイルバネのどちらを用いても効果は同様である。また、コイルバネに限らず、例えばS字状に屈曲させた線状バネを用いることもできる。また、この実施形態では、ケーシング25の背面側に引張コイルバネ41を張ったが、ケーシング25の前面側に引張コイルバネ41を張ってカメラ24の角度を保持するようにしてもよい。
【0024】
(第2の実施形態)
図6は本発明の別な実施形態による方向制御装置51の背面側からの斜視図である。この実施形態では、背面のカバー36に立てた1本のポスト40とカメラホルダー28の後端部の外周面との間に1本の引張コイルバネ41を張設している。この実施形態では、引張コイルバネ41の引っ張り力が最も小さくなるようにカメラホルダー28が回転することによりカメラ24がほぼ真っ直ぐに保持される。このように1本の引張コイルバネ41によってもカメラ24の回転を抑制することができ、構造をより簡略化することができ、コストも安価にすることができる。
【0025】
(第3の実施形態)
図7は本発明の別な実施形態による方向制御装置52の背面側からの斜視図である。この実施形態では、図3〜図5の実施形態の引張コイルバネ41に代えて4本のゴムバンド53を用いている。この場合も、ロータ23の回転に伴ってカメラ24の角度が変化すると、ゴムバンド53の弾性力によってカメラ24が元の角度へ復帰させられる。なお、この場合も、ゴムバンド53は、ロータ23の駆動を抑制せずにカメラ24の角度を補正できる範囲の弾性係数に設定すればよい。
【0026】
(第4の実施形態)
図8は本発明のさらに別な実施形態による方向制御装置54を示す背面側からの斜視図である。この方向制御装置54では、カメラ24の回転拘束手段として重り55を用いている。すなわち、カメラホルダー28の後端部の外周面には、重り55をつけた紐56が結ばれている。従って、ロータ23の回転によりカメラ24の方向が変化したとき、それに伴ってカメラ24の角度が回転しても、カメラホルダー28には元の角度に戻そうとする回転モーメントが発生するので、重り55の結ばれている部分が最下点になるようにカメラホルダー28が回転し、この結果、カメラ24の角度は常にほぼ一定に保持される。この場合も、おもり55の質量は、ベアリング30に支持されたカメラホルダー28を回転させることのできる最小の質量に設定すれば駆動効率がよい。なお、重り55は図8に示したように紐56によってカメラホルダー28に取り付ける必要はなく、カメラホルダー28の重心を軸心から偏心させるようにしてカメラホルダー28の外周面の一部に取り付けてあってもよい。
【0027】
(第5の実施形態)
図9は本発明のさらに別な実施形態による方向制御装置57を示す背面側からの斜視図である。この方向制御装置57では、カメラ24の回転拘束手段としてCRスポンジのシートやゴムシートのような面状弾性体58を用いている。すなわち、面状弾性体58の外周部は背面のカバー36の開口38周縁に固定してあり、面状弾性体58の内周部はカメラホルダー28の後端部の外周面に固定してある。また、この面状弾性体58は、ロータ23に接触するのを防止するためと、ロータの回転に連れて変形し易いように、平面状に張られておらず、立体的な形状(例えば、お椀形)に形付けられている。なお、面状弾性体を所望の形状に形付けるためには、その形状に成形してもよく、あるいは、弾性変形可能な、形状保持用の芯材59を面状弾性体58内に入れてもよい。
【0028】
しかして、ロータ23が回転する場合には、面状弾性体58は変形することによってロータ23の回転を妨げないが、ロータ23の回転によりカメラ24の方向が変化すると、カメラ24の回転によって面状弾性体58がカメラ24の回りに捩れるので、面状弾性体58には捩れに対する弾性復元力が発生し、カメラ24の角度を元通りに保持する。なお、この面状弾性体は、球面アクチュエータの前面側に設けてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】球面アクチュエータの基本構造を説明する一部破断した正面図である。
【図2】(a)(b)はステータの構造を示す正面図及び断面図である。
【図3】本発明の一実施形態による方向制御装置を示す正面側からの斜視図である。
【図4】同上の方向制御装置の背面側からの斜視図である。
【図5】同上の方向制御装置の断面図である。
【図6】本発明の別な実施形態による方向制御装置を示す背面側からの斜視図である。
【図7】本発明のさらに別な実施形態による方向制御装置を示す背面側からの斜視図である。
【図8】本発明のさらに別な実施形態による方向制御装置を示す背面側からの斜視図である。
【図9】本発明のさらに別な実施形態による方向制御装置を示す背面側からの斜視図である。
【符号の説明】
22 球面アクチュエータ
23 ロータ
24 カメラ
26,27 ステータ
28 カメラホルダー
30 ベアリング
40 ポスト
41 引張コイルバネ
53 ゴムバンド
55 重り
56 紐
58 面状弾性体[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a direction control device that freely controls the direction (direction) of an object to be controlled by frictionally driving and rotating a rotor (spherical body) of a spherical actuator.
[0002]
[Prior art]
A direction control device in which a camera is held by a rotor of a spherical actuator is disclosed in Japanese Patent Laid-Open Nos. 9-6435 and 9-54356. FIG. 1 shows the structure of such a direction control device, that is, a spherical actuator holding a camera. The
[0003]
The
[0004]
In such a
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In the
[0006]
For this reason, when the direction of the camera 9 is changed by rotating the
[0007]
In addition, if each stator is brought into contact with the rotor around a circumference smaller than the maximum circumference of the rotor so that the rotational torque acting on the rotor from each stator is directed in the three-dimensional direction, the rotor can be instantaneously rotated in any direction. An axis can be provided, and the camera angle (image) can always be kept straight.
[0008]
In such a structure, it is possible to rotate the rotor around the optical axis of the camera. However, since the stator is gathered on the front surface side of the spherical actuator, the driving range of the camera direction (directing angle) becomes narrower, or the rotor In order to control the rotation position detecting means with 3 degrees of freedom. Further, the control algorithm with 3 degrees of freedom is very complicated as compared with the control algorithm with 2 degrees of freedom. This is because a motion with two degrees of freedom can be converted into a motion on one plane (a plane including the axis of the four stators), but Euler angle representation is required when the degree of freedom is three.
[0009]
The present invention has been made in view of the drawbacks of the above-described conventional example, and the object of the present invention is to freely control the direction of the control symmetry object by the spherical actuator and to control symmetry by a simple structure. An object of the present invention is to provide a direction control device that can always keep the angle of a control symmetrical object at a substantially constant angle regardless of which direction the object is directed.
[0010]
DISCLOSURE OF THE INVENTION
The direction control device according to
[0011]
In this direction control device, the controlled object is rotatably held by the rotor, and rotation of the controlled object is suppressed by the rotation restricting means. Therefore, the rotor is rotated to rotate the controlled object. Even if the direction is changed, the angle of the controlled object can be kept substantially constant by the rotation restricting means. Moreover, in order to correct the angle of the control object, it is not necessary to move the rotor in a direction other than around the axis of the control object as in the first conventional example, so that the angle of the control object is corrected. Therefore, the direction of the controlled object does not move.
[0012]
Further, since such rotation restraining means can be constituted by mechanical means, the control of the rotor or the spherical actuator can be controlled by two degrees of freedom, and the complicated three degrees of freedom as in the case of using the three degree of freedom spherical actuator is used. A simple control algorithm can be used because it is not necessary to perform this degree of control. Further, as in the case of using a three-degree-of-freedom spherical actuator, there is no need for three-degree-of-freedom rotational position detecting means, and the rotation range of the rotor is not narrowed.
[0013]
As the rotation restraining means, one that suppresses the rotation of the control object by applying gravity to a position deviated from the rotation center of the control object can be used. In order to exert gravity, a weight or the like can be used, and the angle of the controlled object can be kept substantially constant with respect to the direction of gravity.
[0014]
Further, as the rotation restraining means, a member that suppresses the rotation of the control object by an elastic body stretched between the stationary member other than the rotor and the control object can be used. As the elastic body, a spring, a rubber band, or the like can be used, and the angle of the controlled object can be kept substantially constant with respect to a stationary member such as a casing.
[0015]
In addition, the rotation restraining means may be a member provided between a stationary member other than the rotor and the control target and having an elastic restoring force against torsion. As a member having an elastic restoring force against torsion, for example, a linear elastic body or a planar elastic body can be used. When the controlled object is to be rotated, the angle of the controlled object is substantially reduced by the elastic restoring force. Kept constant.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(First embodiment)
3, 4 and 5 are a perspective view from the front side, a perspective view from the back side, and a cross-sectional view showing the
[0017]
In the figure,
[0018]
Four
[0019]
Thus, in this
[0020]
Further, in this
[0021]
Therefore, when the direction of the
[0022]
In this direction control device, even if the direction of the
[0023]
It should be noted that the effect of the spring used as the rotation restraint means is the same regardless of whether a tension coil spring or a compression coil spring is used in the direction drive range of the
[0024]
(Second Embodiment)
FIG. 6 is a perspective view from the back side of the
[0025]
(Third embodiment)
FIG. 7 is a perspective view from the back side of the
[0026]
(Fourth embodiment)
FIG. 8 is a perspective view from the back side showing a
[0027]
(Fifth embodiment)
FIG. 9 is a rear perspective view showing a
[0028]
Thus, when the
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a partially broken front view illustrating a basic structure of a spherical actuator.
FIGS. 2A and 2B are a front view and a cross-sectional view showing a structure of a stator.
FIG. 3 is a front perspective view showing the direction control device according to the embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a perspective view from the back side of the direction control device.
FIG. 5 is a cross-sectional view of the directional control device.
FIG. 6 is a rear perspective view showing a direction control device according to another embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a rear perspective view showing a direction control device according to still another embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a rear perspective view showing a direction control device according to still another embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a rear perspective view showing a direction control device according to still another embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
22
Claims (4)
前記制御対象物を前記ロータに回転自在に保持させ、前記ロータ以外の静止部材に対する前記制御対象物の回転を抑制する回転拘束手段を設けたことを特徴とする方向制御装置。In a directional control device that includes a spherical actuator that rotates a substantially spherical rotor with a small amount of vibration generated in a stator in multiple degrees of freedom, and a control object held by the rotor.
A direction control device comprising a rotation restraining means for holding the control object rotatably on the rotor and suppressing rotation of the control object relative to a stationary member other than the rotor.
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