JP4173737B2 - カウンターバランス機構及びパン／チルトヘッド - Google Patents

Description

本発明は、カウンターバランス機構に関する。特に、三脚に取り付けられると共に、水平軸の周囲でチルト可能なカメラや他の機器を支持するための、流体（油圧）式ヘッド（ｆｌｕｉｄ ｈｅａｄ）等のパン／チルトヘッドの一部を構成するカウンターバランス機構に関するが、これに限定されない。

カメラ装置を水平軸の周囲の任意の所望の角度でバランスさせて保持可能なヘッドを用いて、カメラ装置を水平軸の周囲でチルトさせる必要がしばしばある。カメラを所望の角度にセットしてからヘッドをその角度に固定するという、手動の機構を用いることもできるが、これは業務目的では不十分で煩わしく、さほど実用的ではない。

過去に多くのカウンターバランス機構が提案されているが、今日まで、実質的に任意の所望の角度の荷重（例えばカメラでは、約５０キログラムまでのかなりの荷重となり得る）に対して効果的に釣り合いをとるカウンターバランス機構を得ることは、非常に困難であると認められている。図１を参照すると、荷重Ｌのカメラが水平軸Ａの周囲を所望の角度だけ回転させられる場合、任意の角度におけるトルクは、荷重Ｌ×軸から荷重までの水平距離Ｌに等しく、これは、垂直からの角度が増加するにつれ、概ね正弦曲線を描いて増加する。カウンターバランス機構はこれを打ち消すことが要求されるが、これは線形関数ではないので、許容可能なサイズ／質量の組み合わせの範囲内で達成するのは困難である。

更に、第一に、支持体上に配置されて傾けられる品物の様々な重量に対して、第二に、品物の様々な重心位置（例えば、三脚に取り付けられたカメラの重心は、三脚の中心の直上に取り付けられた場合の点と一致しない場合がある）に対して、許容誤差を設けなければならない。

本発明は、改良されたカウンターバランス機構を提供する試みにおいて生まれたものである。

第１の態様の本発明によれば、水平軸の周囲でチルトされる（傾けられる）品物を支持する支持体と、前記支持体の回転面に対して垂直な方向に変化するカム面を有する、前記支持体と共に可動なカムと、弾性手段によって付勢されたカム従動子であって、前記支持体が回転すると、前記カム従動子及び前記弾性手段が、前記支持体の回転によって生じるトルクを実質的に打ち消すように及ぼされる戻り力を生じる、カム従動子と、を含む、カウンターバランス機構が提供される。

前記弾性手段は１つ以上のばねであるのが好ましい。

好ましくは、前記支持体上の荷重に従って前記戻り力を変化させる手段が設けられ、前記カム及び前記弾性手段が、前記支持体が回転する中心軸からオフセットされた中心周りに回転可能であり、特定の角度にわたる前記支持体の回転に起因して及ぼされる前記戻り力を変化させるために、前記カム従動子の力が反作用する点である可変反作用点を設定する手段を含む。

本発明によれば、更に、本明細書で説明する新規な特徴の任意の１つ以上を有するカウンターバランス機構又はチルトヘッドが提供される。

次に、添付の図面を参照し、本発明の実施形態を単に例として説明する。

上述したように、図１ａ及び図１ｂを参照すると、プラットフォーム上の荷重が軸の周囲で傾けられると、この荷重は可変のトルクを加える。本発明は、任意の所望の傾斜角度においてこの影響に対する釣り合いをとることが可能な、カメラや他の視聴覚機器用のチルト／パンヘッド等の、チルト可能プラットフォーム用の機構を提供する試みにおいて生まれたものである。

図２を参照すると、チルト／パンヘッドはプラットフォーム１を有し、その上に、カメラ等の支持される装置を取り付けることができる。プラットフォーム１は、離間された２つの長方形の板２、３の上に取り付けられている。板３は、図７に詳細に示されており、板２も同様である。図２及び図３に示されるように、板２には、一方の面から他方の板に向かって延出して概ね環状の軸方向の突起を形成するカム４が設けられている。カムは板と一体であってもよく、又は、板に取り付けられてもよい。カムの高さは、カムの周囲で半径方向に変化する。板２は、水平軸の周囲で、流体が充填された概ね円柱形の本体５に対して相対的に回転可能に取り付けられる。相対回転は、これらの間のベアリング（明確化のために図示せず）の周囲で生じる。同様に、板３は、円柱形の本体６及びハブ２２に対して相対的に回転し、ここでもベアリングが設けられている。本体５及び６は共通構造７に接続されており、共通構造７は、三脚又は他の安定構造に取り付けられるか、又は実際にその一部を構成することもあり、その上にヘッドを取り付けることができる。ヘッドがチルト及びパンヘッドである場合には、この構造７は、水平及び垂直平面の両方における回転が達成されるように、垂直軸周りに回転するよう構成されてもよい。通常はこの範囲又は回転が望ましい。

更なる円柱形の本体（又はドラム）８は、カム４によって定められる環状領域内に位置することが可能なサイズであり、その側面にカム従動子９を有する。これは、一般的に、本体８の外面から延出するスタッド、ピン又は突起１０と、ピンと同軸であってピンに対して自由に回転するよう構成された環状リング１１とを有し、リングはカム４の上面に対してスライド可能である。

本体８は、ハブ２２に最も近い本体表面に開口した複数のボアホール１４が設けられている以外は、概ね中実である。各ボアホールに１つずつの複数のばね１２が取り付けられており、これらの他端部は、ハブ２２に取り付けられるか、又は単にハブ２２によって支持されている。板３は、これに対して相対回転する。他のタイプの弾性手段を設けてもよいが、これらはばねであるのが好ましく、予め応力が与えられているのが好ましい。一実施形態では、各ばねのレーティング（rating）が約９．７２Ｎ／ｍｍである２０個のばねが設けられるが、これに限定されない。

部材８のボアは、単にばねの場所を設けるためのものであり、その代わりに、ばねは、単に、円柱形の本体８の一端部に接触するよう取り付けられてもよい。

使用に際しては、ヘッドアセンブリ１３は、三脚又は他の安定構造の上に配置され、チルトされるカメラ又は他の装置は、適切な手段によってプラットフォーム１に固定される。装置がチルトされる際には、カム４も回転する。ばね１２によってカム従動子がカムに対して押しつけられるので、カム従動子は、カムの作用による動きの縦方向（longitudinal）の成分で移動する。これにより、ばね１２の圧縮の程度が増加又は減少し、ハブ２２が、本体８に対する等しく且つ逆向きの戻り力を生じるので、カム従動子９が、より大きな又は小さな戻り力をカム４に及ぼす。図５に模式的に示されるように、カムの面に対して垂直ではない方向の戻り力Ｆは、力Ｆに対して９０°の成分を有する力も生じ、これは、カム４の動きに抵抗するよう作用する。カムが縦方向に前後に移動するにつれて、ばねにかかる戻り力が変化すると、この抵抗力が変化し、これは、傾いた荷重の可変のトルクに対して釣り合いをとるよう作用する。

プラットフォームが回転する際のトルクの変化は線形ではないので、カムの形状は、この非線形を考慮しなければならない。高さ及び回転の度合いに関するカムのプロファイル（形状）は、次の項目を考慮しなければならない。
（ａ）中心から外れる荷重によって与えられるモーメント
（ｂ）荷重が軸周りに回動することに起因するレバー（てこ）の実効長さの変化
（ｃ）カムの高さによって与えられる圧縮に起因するばねエネルギー
（ｄ）カムの勾配

ばねエネルギーは、予荷重と、カムの高さによって与えられる追加の圧縮とに依存する。尚、カムの高さ及び勾配は相互作用する。プロファイルは、例えば１０分の１度以内までのカム上の各点について計算されるのが好ましいが、他の（例えば、より大きな）増分で与えられてもよく、又は、コンピュータ支援機械で製造される場合には式によって与えられてもよく、これは当業者によって実行可能である。一例では、特定の荷重について、荷重の重心の軸が、傾いた装置の中心軸と一致すると仮定すると、１組のカム及びカムの上昇角度（cam rise angles）は、カムの角度と共に、次のように変化する。

これは、有効搭載量が４０ｋｇ、荷重半径が２５０ｍｍ、各々のレーティングが９．７２Ｎ／ｍｍで自由長さが８９．９ｍｍで最小長さが４４．２７ｍｍの２０個のばねを使用した場合である。

カム従動子がカムの周囲を移動するために、本発明の一実施形態では、カム従動子は拘束され、カムがカム従動子に対して相対的に回転する。

図２には１つの従動子が示されているが、良好な実施と調和するよう、軸回りの力の釣り合いをとるためには、複数の等間隔の従動子が非常に望ましく、一般的に用いられる。

本体８及び２２は、ねじれ方向には互いに関して剛性でありつつ、軸方向には相対移動可能である必要がある。これは、キーやスプライン等の多くの手段によって達成できる。しかし、有害なバックラッシュ又は軸摩擦を回避するために、コーダル接続（chordal link）又は次の方法のいずれかを用いてもよい。この好ましい実施形態では、カム従動子本体８に更に１対の突起２０、２１（図４）が設けられており、使用に際しては、これらがハブ２２の周軸方向突起２２ｂに当たる。カム従動子１０の軸方向の移動を妨げないために、ハブ２２にはカットアウト２２ａが必要な場合もある。要素２０及び２１は、これら及び本体８がハブ２２に対して縦方向にスライド可能なように、本体８からの突起及び回転可能なディスクを有するカム従動子と類似の構成であってもよい。力の釣り合いのために好ましいように、１つ以上の突起を設ける場合には、同数の関連づけられた要素２０及び２１の対（カム従動子）を等間隔で設けてもよい。

上記の実施形態では、カムのプロファイル及び／又はばねのレーティングは、特定の重量の荷重に対して選択され、荷重の傾きに対して釣り合いをとるために等価且つ逆向きの戻り力を与えるために、荷重は、その重心が支持機構に対して特定の位置になるよう取り付けられる。実際には、異なる重量、又は、装置の中心には存在しないかもしれない様々な重心の荷重に対応できるのが望ましい。従って、本発明の好ましい実施形態では、この適応性を提供するための機構が含まれる。

図４は、「エネルギーパック」４０と呼んでもよい装置の部品を示す。これは、従動子１０、２０、２１を有するドラム８と、ハブ２２と、板２２、２６を貫通して板２の中へと延びる軸２３を有するレバー２７とを含む。従って、「エネルギーパック」は、プラットフォームの回転軸Ｏからオフセットした軸周りに回転可能である。軸２３は、ハブ２２の中心穴のキー溝２５に嵌るキー２０（図７）を有するので、ハブ２２（並びに、カム従動子及びばね）は、軸２３と共に回転する。カムも、板の２の中心からオフセットして取り付けられているので、カム及び弾性手段の回転軸は、支持体（ベアリング２６と同軸）の回転軸からオフセットしている。

図６（ａ）及び図６（ｂ）はこの効果を示す。図６（ａ）では、点Ｏはチルト回転の中心であり、Ｄはエネルギーパックの中心であり、Ｅはエネルギーパックの反作用点である。以下に、これを達成する機構を更に説明する。荷重の質量はＫであり、チルト回転の中心Ｏから、αによって与えられると共にαと比例する距離Ｍだけ離れた点Ｇで、重心が作用するよう配置されている。

荷重が角度αだけチルトされると、カム従動子は、反作用点Ｅによって制約されることにより、カムの周囲を角度β°だけ回転する。このカム／ばね構成は、±９０°の間の任意の角度αにおける負荷のトルクＫＭに等しく且つ逆方向の作用を与えるように設計されている。上述したように、これは、荷重及び半径ＯＧが一定であれば正確に計算可能である。荷重Ｋ又は半径ＯＧ（及びそれに従ってＭ）の変化に対応するために、距離Ａを調整してもよい。即ち、反作用点の位置を調整してもよい。モーメントＫＭが減少すると、Ａも低減される必要があり、これによって、カム周囲の従動子の回転Ｂが減少することにより、反作用が減少する。これは図６（ｂ）に示されており、ここでは、点Ｅは、チルト回転の中心Ｏからの距離がＡ’となるよう移動されている。

図６（ａ）と図６（ｂ）との比較からわかるように、角度αが同じ場合、距離ＡがＡからＡ’に減少すると、角度βもβからβ’に変化する。この実際の効果は、カムの異なる部分がカム従動子に作用するので、同じチルト角度に対して、異なる戻り力、及びそれに従って釣り合いをとる力を及ぼすことである。従って、α°チルトされた軽い荷重は、カムの、異なる角度α±Δαにおいてより重い荷重が用いる部分を用いてもよい。例えば、６０°チルトされた軽い荷重は、それより重い荷重が例えば３０°で用いるカムの部分を用いてもよい。

カムの計算は、距離Ａが固定されている場合のαの変化に伴う長さＥＤの変化を考慮する必要がある。図７に示されるように、調整可能な反作用点Ｅは、板３（図２）内のほぼ中心にあるベアリング２４を貫通するレバー２３を設け、キー４０及びキー溝２５を介してハブ２２を駆動することによって達成される。レバー２３は、板６（図２）を貫通して延びており、その中心が、板３及び２の中心から軸がずれて取り付けられると共に、ベアリング２６周りに回転可能である。レバーは、２つのアーム２８及び２９を有する概ねＵ型の部分２７を有し、アーム２８及び２９の間には、アーム間の空隙内をスライド可能な可動キー３０が保持される。板６内に固定された後部部材３１には、スロット又は切取部３２が設けられ、その中では、ピンがねじ山付きボルト３４等に取り付けられ、本体３１の中心から離れるよう及び中心に向かうよう、ボルトに対して相対移動する。これは、例えば、公知の機構によってピンをボルトに対して相対的に移動可能な簡単な回転つまみによって、板の他方の側から調節されるのが好ましい。エネルギーパックが反作用する点を調節するために、ピン３３は適切な半径位置に移動され、これによりキー３０がレバー２３に対して相対的に移動される。この調節は、各異なる荷重で試行錯誤することによって実行可能であり、或いは、一旦荷重が既知になれば及び／又は中心からの荷重の質量のオフセットが既知になれば位置Ｅを設定可能なように、装置を較正できるのがより好ましい。

図１ａ及び図１ｂは、旋回点周りに旋回する荷重を示す図である。 支持装置の一部の概略側面図である。 装置の部分斜視図である。 装置の一部の側面図である。 カムプロファイル及び従動子を示す図である。 図６（ａ）及び図６（ｂ）は、プラットフォームの回転軸からオフセットした軸周りにカム従動子を回転させる効果を示す図である。 本発明の実施形態の一部の分解図である。

Claims (15)

1. 水平軸の周囲でチルトされる品物を支持する支持体と、
   前記支持体の回転面に対して垂直な方向に変化するカム面を有する、前記支持体と共に可動な環状のカムと、
   弾性手段によって付勢されたカム従動子であって、前記支持体が回転すると、前記カム従動子及び前記弾性手段が、前記支持体の回転によって生じるトルクを実質的に打ち消すように及ぼされる戻り力を生じる、カム従動子と、
   を含むカウンターバランス機構であって、
   前記支持体上の荷重に従って前記戻り力を変化させる手段が設けられ、
   前記カムが、前記支持体の回転軸からオフセットした前記カム自体の軸周りに回転可能であり、
   特定の角度にわたる前記支持体の回転に起因して及ぼされる前記戻り力を変化させるために、前記カム従動子の力が反作用する点である可変反作用点を設定する手段を含む、
   カウンターバランス機構。
2. 前記支持体の回転軸からオフセットした軸周りに回転するよう構成されたエネルギーパックを含むカウンターバランス機構であって、前記エネルギーパックが、少なくとも１つのカム従動子と、ハブと、前記支持体の回転軸からオフセットした軸周りでの前記エネルギーパックの回転を可能にするよう構成されたレバーとを有するドラムを含む、請求項１に記載のカウンターバランス機構。
3. 前記カム及び前記弾性手段の回転軸が前記支持体の回転軸からオフセットするように、前記カムがオフセットして取り付けられた、請求項１又は２に記載のカウンターバランス機構。
4. パン／チルトヘッドの一部を構成する、請求項１〜３のいずれかに記載のカウンターバランス機構。
5. 前記弾性手段が１つ以上のばねである、請求項１〜４のいずれかに記載のカウンターバ
   ランス機構。
6. 前記カムが、カム面を与えるために変化する高さを有する、本体からの略環状の突起を形成する、請求項１〜５のいずれかに記載のカウンターバランス機構。
7. 前記支持体が、一方が前記カムを支持する２つの離間された板に取り付けられた、請求項６に記載のカウンターバランス機構。
8. 前記板の他方と相対的に回転移動するよう構成されたハブに対して弾性的に取り付けられた本体上に、少なくとも１つのカム従動子が設けられた、請求項７に記載のカウンターバランス機構。
9. 前記本体が、前記環状のカムによって定められた領域内に嵌り、前記カム従動子が前記本体から外側に突出した、請求項８に記載のカウンターバランス機構。
10. 前記カムのプロファイルが、
    （ａ）中心から外れた荷重によって与えられるモーメント、
    （ｂ）前記軸周りに旋回する荷重に起因するレバーの実行長さの変化、
    （ｃ）カム高さに由来する圧縮に起因するばねエネルギー、及び
    （ｄ）カムの勾配
    を考慮して選択された、請求項１〜９のいずれかに記載のカウンターバランス機構。
11. 前記カム従動子が、前記カムが前記カム従動子に対して相対的に移動するような形状である、請求項１〜１０のいずれかに記載のカウンターバランス機構。
12. 複数の等間隔の従動子を含む、請求項１〜１１のいずれかに記載のカウンターバランス機構。
13. 前記エネルギーパックの一部を構成するレバーがキー溝を構成し、キーが前記キー溝内の可変位置に選択的に配置されて、前記可変反作用点を構成する、請求項２に記載のカウンターバランス機構。
14. 前記カムが環状であり、前記カム従動子が前記環状のカム内に位置する本体上に設けられると共に該本体から外側に突出した、請求項１〜３のいずれかに記載のカウンターバランス機構。
15. 請求項１〜１４のいずれかに記載のカウンターバランス機構を含む、パン／チルトヘッド。

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