JP6105673B2

JP6105673B2 - 三次元駆動装置

Info

Publication number: JP6105673B2
Application number: JP2015107779A
Authority: JP
Inventors: 裕明杉原
Original assignee: Shinano Kenshi Co Ltd
Current assignee: Shinano Kenshi Co Ltd
Priority date: 2014-05-30
Filing date: 2015-05-27
Publication date: 2017-03-29
Anticipated expiration: 2035-05-27
Also published as: WO2015182710A1; JP2016006506A

Description

本発明は、三次元駆動装置に関する。

防犯用エリアセンサや建築土木用の三次元測距などの用途で、三次元光走査装置が提案されている。

たとえば、特許文献１には、ミラーを有する共振型ガルバノスキャナを、その回転軸と垂直かつ交差する回転軸を有するガルバノスキャナで支持した光走査装置が開示されている。また、特許文献２には、投光部と受光部とを有する三次元測距装置が開示されている。

特開２００３−３４４７９７号公報特開２００９−２３６７７４号公報

しかし、特許文献１に開示された光走査装置を用いて三次元空間に照射する場合、光源を別体で、他の位置に設置する必要があり、装置構成が複雑になってしまう。また、特許文献２に開示された三次元測距装置は、投光部が鏡の上部にあるため、垂直方向の走査において、自装置の真上まで走査することはできない。さらに、上部にある投光部を支持するための支柱部分が水平方向の３６０度の走査を妨げている。

本発明は、このような背景の下に行われたものであって、簡単な構成によって三次元空間の広範囲に光を照射することができる三次元駆動装置を提供することを目的とする。

本発明は、中空軸と、中空軸を周方向に回転させるモータと、中空軸の中心軸と共通の中心軸を有し、中空軸の中心部に配置される第一の平歯車と、第一の平歯車と噛合い、中空軸内に配置される傘歯車と、傘歯車と噛合い、中空軸内に配置され、中空軸の中心軸と直交する回転軸を有する第二の平歯車と、を有し、第一の平歯車は、中空軸の回転に係らず不動であり、傘歯車および第二の平歯車は、中空軸の回転と共に中空軸の周方向に移動して回動し、中空軸の中心軸と第二の平歯車の回転軸とは互いに直交することを特徴とする三次元駆動装置である。

さらに、本発明の三次元駆動装置は、モータは、中空軸にロータが結合した中空モータであることができる。

また、第一の平歯車の中心軸側は、中空構造であり、中心軸の軸方向に光を照射する光源と、第二の平歯車の回転軸に取り付けられ、第二の平歯車の回転によって反射面の角度が変更され、光源から照射される光を反射する鏡と、を有することができる。

また、このときには、中空軸の外壁の一部は、鏡による反射光の進路を妨げないように切欠きが設けられることが好ましい。

また、光源と共に設けられ、光源から照射された光の回帰光を受光する受光部と、光源から照射された光が外部に放射された方向および光源から照射された光と受光部で受光された回帰光との比較結果により外部の状況を検出する外部状況検出部と、を有するようにしてもよい。

さらに、中空軸の外周に沿い、周方向の位置に応じて高さが変化する壁面を有するようにしてもよい。

本発明によれば、簡単な構成によって三次元空間の広範囲に光を照射することができる。

本発明の第一の実施の形態に係る三次元駆動装置の要部構成を示す図である。図１の三次元駆動装置の第一の平歯車、傘歯車、第二の平歯車、鏡、および光源の配置関係を示す図である。図１の三次元駆動装置の斜視図である。本発明の第二の実施の形態に係る三次元駆動装置の要部構成を示す図である。図４の壁面の高さと走査方向との関係を示す図である。

（第一の実施の形態）
本発明の第一の実施の形態に係る三次元駆動装置１を図１〜図３を参照しながら説明する。なお、図３では、図１に示す歯車の図示は省略してある。

三次元駆動装置１は、図１および図３に示すように、中空軸１０と、中空軸１０を周方向に回転させる中空モータＭと、中空軸１０の中心軸１１と共通の中心軸を有し、中空軸１０の中心部に配置される第一の平歯車１２と、平歯車１２と噛合い、中空軸１０内に配置される傘歯車１３と、傘歯車１３と噛合い、中空軸１０内に配置され、中空軸１０の中心軸１１と直交する回転軸１４を有する第二の平歯車１５と、を有し、平歯車１２は、中空軸１０の回転に係らず不動であり、傘歯車１３および平歯車１５は、中空軸１０の回転と共に中空軸１０の周方向に移動して回動し、中空軸１０の中心軸１１と平歯車１５の回転軸１４とは互いに直交する。

さらに、三次元駆動装置１は、図１に示すように、平歯車１２の中心軸１１側は、中空構造１６であり、平歯車１２の中心軸１１の軸方向に光を照射する光源１７と、平歯車１５の回転軸１４に取り付けられ、平歯車１５の回転に伴い反射面の角度が変更され、光源１７から照射される光を反射する鏡１８と、を有する。なお、光源１７は、中空モータＭの中空構造内やモータの外部に設けられており、ＬＥＤ（発光ダイオード）やレーザである。また、鏡１８は、回転軸１４に取り付けられると説明したが、実際には、平歯車１５の回転軸１４を含むシャフト２０に取り付けられる。シャフト２０への鏡１８の取り付け方法としては、たとえば、鏡１８の表裏２枚の反射板で、シャフト２０を挟み込むようにして取り付けることができる。

平歯車１２、傘歯車１３、平歯車１５、光源１７、鏡１８、およびシャフト２０の配置関係を図１とは垂直方向に９０度異なる方向から見ると図２に示すようになる。平歯車１２の配置方向と平歯車１５の配置方向は、互いに９０度異なる。

三次元駆動装置１は、たとえば、図３に示すように、中空モータＭのロータ（不図示）に、中空軸１０を載置し、中空モータＭを駆動することで、中空軸１０を回転させることができる。光源１７は、たとえば、中空モータＭの中空構造２１に配置することができる。これによれば、中空軸１０を１つの中空モータＭによって回転させることで、平歯車１５が回転軸１４を中心にして回転し、傘歯車１３を介して平歯車１２を中心にして回転する。こうして中心軸１１と回転軸１４とが互いに直交する異なる２つの回転運動を発生させることができる。

このように、中空軸１０が回転することで、シャフト２０の軸方向を水平方向とし、鏡１８の回転方向（シャフト２０の軸の回転方向）を鏡１８の垂直方向とするとき、鏡１８の水平方向の向きが変更され、平歯車１５が回転することで、鏡１８の垂直方向の向きが変更される。このとき、光源１７から鏡１８に向けて照射される光は、水平方向および垂直方向に同時に向きが変更され、三次元空間に照射される。

なお、平歯車１２と平歯車１５のギア比を適宜変更することにより、鏡１８が水平方向に１回転する間に、鏡１８が垂直方向に何回転するかを変更することができる。たとえば、平歯車１２と平歯車１５のギア比を２：１とすれば、鏡１８が水平方向に１回転する間に、鏡１８は垂直方向に半回転する。また、平歯車１２と平歯車１５のギア比を１：１とすれば、鏡１８が水平方向に１回転する間に、鏡１８は垂直方向に１回転する。あるいは、平歯車１２と平歯車１５のギア比を１：２とすれば、鏡１８が水平方向に１回転する間に、鏡１８は垂直方向に２回転する。

また、上記では説明の簡便さのために、水平方向と垂直方向のギア比として２：１や１：２などの単純なものを用いたが、目的によっては異なる数値を採用可能である。たとえば、三次元空間に対して一定の空間密度で光の照射を行うためにはギア比として８：７や３０：２９のようなギア比を用いることもできる。このような最小公倍数の大きいギア比を用いると空間に対しての光線の照射が細かい網目状とすることが可能となる。歯車を用いる限りギア比は整数比となるが、歯車の代わりに摩擦変速機（図示せず）を用いる場合にはギア比を無理数など任意の値とすることもできる。また、ギア比を１００：１や５００：１にように大きく異ならせてもよい。これは、中空モータＭは比較的高い回転速度で常用できることに対して鏡１８は耐久性や精度を考慮して比較的低い回転速度で常用することが好ましいからである。このようにギア比が極端に異なる場合には歯車の代わりにウォームギヤ（図示せず）を用いてもよい。

さらに、中空軸１０の外壁の一部は、鏡１８による反射光の進路を妨げないように切欠き１９が設けられる。

以上説明したように、三次元駆動装置１によれば、中空軸１０と、中空軸１０の中心軸１１と共通の中心軸を有し、中空軸１０の中心部に配置される平歯車１２と、平歯車１２と噛合い、中空軸１０内に配置される傘歯車１３と、傘歯車１３と噛合い、中空軸１０内に配置され、中空軸１０の中心軸１１と直交する回転軸１４を有する平歯車１５と、を有するので、簡単な構成によって三次元空間の広範囲に光を照射することができる。特に、１つの動力によって、水平方向および垂直方向に照射することができる。また、光源１７が平歯車１２の中空構造１６に設けられているので、垂直方向の走査については、自装置の真上までも走査可能であり、また、水平方向の走査については、自装置の全周方向（３６０度方向）の走査が可能である。

なお、シャフト２０は、中心軸１１と直交しているので中心軸１１に沿って照射される光は鏡１８が立直した状態において真上に到達できない。この問題に対応するため、シャフト２０が中心軸１１と直交する箇所に鏡１８が立直した際に光が透過可能な孔（図示せず）を設けたり、シャフト２０の該当箇所や全体を光が透過可能な部材で構成してもよい。

以上の説明では、モータＭは、そのロータが中空軸と結合して周方向に回転させる中空モータとしたが、中空ではないモータで中空軸１０を回転駆動させるものでもよい。たとえば、中空軸１０の外周をベルト等で結合して回転させる構造でもよい。

また、以上の説明では、光源１７から三次元空間に光を照射する例を説明したが、図３に示すように、光源１７から照射した光の反射光を受光する受光部３１を設け、距離算出部３６で、照射した光が反射して回帰する時間により到達距離を算出する距離算出部３６を設けることで、レーダ装置や測距装置とすることができる。また、図３では、照射光路と反射光路を併記したが、照射系と反射系を同一光軸とし、ハーフミラーで照射光と反射光を分離する光学系を設けることで、光源と受光部とを分離して設けることができる。

（第二の実施の形態）
本発明の第二の実施の形態に係る三次元駆動装置１ａを図４および図５を参照しながら説明する。三次元駆動装置１ａは、三次元駆動装置１と一部が異なる。よって、三次元駆動装置１と同一または同一系の部材には、三次元駆動装置１と同一または同一系の符号を付すこととする。

三次元駆動装置１ａは、三次元駆動装置１の中空軸１０の外周に沿い、周方向の位置に応じて高さが変化する壁面３０をさらに有する構成である。また、三次元駆動装置１ａは、三次元駆動装置１の光源１７の他に、受光部３１を有する。さらに、光源１７から照射された光が外部に放射された方向（すなわち、走査方向）および光源１７から照射された光と受光部３１で受光された回帰光との比較結果により外部の状況を検出する外部状況検出部３２を有する。これにより、三次元駆動装置１ａは、レーダ装置または測距装置としての機能を有することができる。上述の比較結果の一例としては、光源１７から照射された光が回帰光となり受光部３１で受光されるまでの経過時間（時間差）などである。

このような三次元駆動装置１ａにおける壁面３０の利用方法について、以下に説明する。

レーダ装置または測距装置としての三次元駆動装置１ａを周囲の状況を観測したい部屋などの空間の所定の位置に載置し、レーダ装置または測距装置としての機能を稼働させる。このとき、中空軸１０が１回転する間に、平歯車１５が少なくとも２回転するようなギア比とすると、鏡１８の表裏を合わせて４回、壁面３０の内周面の走査が実施される。これにより外部状況検出部３２には、中空軸１０の直近にある壁面３０の状況が検出される。すなわち、外部状況検出部３２には、たとえば光源１７の配置位置などの所定の測定基準点から壁面３０の内周面までの距離が検出される。そのときに、壁面３０の高さ（壁面３０の上縁）は、垂直方向において測定距離が急に変化する（長くなる）位置として容易に検出が可能である。このとき壁面３０の高さは、周方向において、変化するようになっている。したがって、壁面３０の高さを調べることで、その高さを有する周方向の壁面３０の箇所を特定することができる。

このようにして検出した壁面３０の高さの検出結果を図５に示す。図５は、横軸に走査方向をとり、縦軸に壁面３０の高さをとる。図５の例では、壁面３０が最も低い位置（図５では２０ｍｍ）を走査方向が０度（＝３６０度）であるとし、壁面３０が最も高い位置（図５では４０ｍｍ）を走査方向が１８０度であるとする。このようにすることで、０度〜１８０度または１８０度〜３６０度の間の壁面３０の高さに対する走査方向を特定することができる。さらに、壁面３０の検出結果が時間の経過と共に漸増しているか漸減しているかを調べることで、０度〜１８０度の間にあるか１８０度〜３６０度の間にあるかを調べることができる。

たとえば、図５に示すように、壁面３０の高さが３０ｍｍのときの走査方向は７０度または２９０度であると特定できる。ここで、壁面３０の高さの検出結果が時間の経過と共に漸増していれば７０度であり、漸減していれば２９０度である。

さらに、たとえば、三次元駆動装置１ａの筐体に記されている方位指標３３，３４をそれぞれ北と南に一致させることにより、レーダ装置または測距装置の走査方向が東西南北のいずれの方向であるかも併せて特定することができる。これによれば、壁面３０の高さが最小となる位置がそのまま磁極の北（０度）になり、壁面３０の高さが最大となる位置がそのまま磁極の南（１８０度）になる。

なお、壁面３０の高さの最小値は、たとえば、切欠き１９の下縁の高さに合わせることが好ましい。これによれば、壁面３０の上縁が切欠き１９の下縁に隠れて検出できなくなることを避けることができる。また、壁面３０の高さの最大値は、図５の例では、最小値（２０ｍｍ）の２倍（４０ｍｍ）としたが、光源１７からの照射光を妨げないためには、壁面３０の高さの最大値と最小値との差分は、小さい方が好ましい。したがって、外部状況検出部３２の分解能に応じて、壁面３０の高さの最大値と最小値との差分は、なるべく小さくすることがよい。

このようにして、外部状況検出部３２は、壁面３０の高さの検出結果から走査方向を特定することができる。これにより、外部状況検出部３２は、走査方向および光源１７から照射された光が回帰光となり受光部３１で受光されるまでの経過時間（時間差）等から外部の状況を検出することができる。

従来は、レーダ装置または測距装置の走査方向を知るには、光の照射方向を検出するためのロータリエンコーダ等の装置を別途用意しなければならなかった。これに対し、三次元駆動装置１ａによれば、簡単な壁面３０を有することで、ロータリエンコーダ等の高価な装置を装備することなく、レーダ装置または測距装置の走査方向を知ることができる。

（その他の実施の形態）
上述の実施の形態では、光源１７または受光部３１をモータＭの中空構造１６内あるいは中心軸１１の軸方向に配置した。このような光源１７または受光部３１の配置は、装置の製作コストや製作工数の点から有利であるが、製作コストや製作工数を考慮しなければ、配置位置は他の位置であってもよい。たとえば、中空軸１０の上部に支柱を設け、鏡１８の上部に光源１７または受光部３１を配置してもよい。この場合、光源１７または受光部３１への給電は、回転体に電力を供給するスリップリングを介して行うことができる。
また、光源１７、受光部３１の配置は、モータＭの中空軸の下部の延長上でモータＭの外部（図面下部）でもよい。さらに、照射光や回帰光が平歯車１２の中空構造中を通過すればよいので、４５°ミラーやハーフミラー等で光学的に光路を折り曲げた位置に光源１７、受光部３１を設けることも可能である。
このような構造とすることで、中空軸１０が短くなり構造的に堅牢化し高速回転が可能となる。さらには光源１７、受光部３１を複数組用意して用途に応じて切換えたり取替えたりするなどの機能を付与することができ、汎用化が可能となる。

１…三次元駆動装置、１０…中空軸、１１…中心軸（中空軸の中心軸、第一の平歯車の中心軸）、１２…平歯車（第一の平歯車）、１３…傘歯車、１４…中心軸（第二の平歯車の中心軸）、１５…平歯車（第二の平歯車）、１６，２１…中空構造、１７…光源、１８…鏡、１９…切欠き、２０…シャフト、３０…壁面、３１…受光部、３２…外部状況検出部、３３…方位指標、３４…方位指標、３６…距離算出部、Ｍ…中空モータ

Claims

中空軸と、
前記中空軸を周方向に回転させるモータと、
前記中空軸の中心軸と共通の中心軸を有し、前記中空軸の中心部に配置される第一の平歯車と、
前記第一の平歯車と噛合い、前記中空軸内に配置される傘歯車と、
前記傘歯車と噛合い、前記中空軸内に配置され、前記中空軸の中心軸と直交する回転軸を有する第二の平歯車と、
前記中心軸の軸方向に光を照射する光源と、
前記第二の平歯車の回転軸に取り付けられ、前記第二の平歯車の回転によって反射面の角度が変更され、前記光源から照射される光を反射する鏡と、
を有し、
前記第一の平歯車の中心軸側は、中空構造であり、
前記第一の平歯車は、前記中空軸の回転に係らず不動であり、
前記傘歯車および前記第二の平歯車は、前記中空軸の回転と共に前記中空軸の周方向に移動して回動し、
前記中空軸の中心軸と前記第二の平歯車の回転軸とは互いに直交する、
ことを特徴とする三次元駆動装置。
請求項１記載の三次元駆動装置において、
前記モータは、前記中空軸にロータが結合した中空モータである
ことを特徴とする三次元駆動装置。
請求項１または２記載の三次元駆動装置において、
前記中空軸の外壁の一部は、前記鏡による反射光の進路を妨げないように切欠きが設けられる、
ことを特徴とする三次元駆動装置。
請求項１から３のいずれか１項記載の三次元駆動装置において、
前記光源と共に設けられ、前記光源から照射された光の回帰光を受光する受光部と、
前記光源から照射された光が外部に放射された方向および前記光源から照射された光と前記受光部で受光された回帰光との比較結果により外部の状況を検出する外部状況検出部と、
を有する、
ことを特徴とする三次元駆動装置。
請求項４記載の三次元駆動装置において、
前記中空軸の外周に沿い、周方向の位置に応じて高さが変化する壁面を有する、
ことを特徴とする三次元駆動装置。