JP6313390B2 - モータ及びシステム - Google Patents

Description

本発明は、モータの技術に関する。

球面アクチュエータを用いてカメラ等を支持、回転させることが知られている。例えば、特許文献１では、球体の表面に沿って移動する可動部材にカメラを取り付け、可動部材とともに球体の周りを回転させることが提案されている。

特開２００９−２２５５９１号公報

しかしながら、このような従来の球面アクチュエータは、可動部材として複数のアクチュエータやそれらの電気配線等が球体表面上に露出している。そのため球体表面上のカメラ等の被支持体の取り付け箇所が制限されてしまったり、球面アクチュエータ自身を他の構造体に取り付ける際の妨げになったりする。

本発明は、被支持体の取り付けや、自身の他の構造体への取り付けの自由度を高めることのできるモータに関する技術を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係るモータは、開口部を有し、内側に曲面状の表面を有する筐体と、筐体の内部に配置され、表面に接触する複数のアクチュエータと、複数のアクチュエータに接続されるとともに、開口部から筐体の外部に延びる支持体と、を備える。

この態様では、複数のアクチュエータは筐体内側の曲面状の表面に対してそれぞれ動力を伝達する。これにより、筐体と支持体とは互いに相対移動する。例えば、支持体が他の機器等に固定されている場合は、筐体が支持体の周りを回転する。

ここで、複数のアクチュエータは、筐体の内部に配置されており、筐体の外側には露出していない。そのため、複数のアクチュエータが筐体の外側の部材と干渉することが抑制される。例えば、筐体の外側で被支持体を支持する場合に、被支持体に複数のアクチュエータが接触することが回避される。またモータを他の構造体等へ取り付ける場合において、複数のアクチュエータが他の構造体に接触等することが回避される。すなわち、被支持体のモータへ取り付けや、モータ自身の他の構造体への取り付けの自由度を高めることができる。

表面は、球面の一部であるようにしてもよい。

開口部は、円形であるようにしてもよい。

筐体は、球体の一部であるようにしてもよい。

筐体は、多面体であるようにしてもよい。

筐体は、アクチュエータの駆動により、支持体に対して一つ又は複数の回転軸で回転するようにしてもよい。

筐体は、支持体のヨー軸周りで回転するようにしてもよい。

筐体は、支持体のピッチ軸又はロール軸周りで回転するようにしてもよい。

筐体は、被支持体を支持可能であるようにしてもよい。

被支持体は、筐体の外側の表面に固定されているようにしてもよい。

被支持体は、撮像装置であるようにしてもよい。

複数のアクチュエータの各々は、同一円周上に沿って互いに等間隔に配置されているようにしてもよい。

アクチュエータは、圧電アクチュエータであるようにしてもよい。

圧電アクチュエータは、内側表面に接触するリング状の接触部と、一面で接触部に接触し、他面で支持体に接触する圧電素子とを備えるようにしてもよい。

支持体は、複数のアームと、筐体の外部に位置する基部とを有し、複数のアームの各々は、一端で、互いに異なるアクチュエータに接続され、他端で、基部に接続されているようにしてもよい。

複数のアームの各々は、基部を通る軸に対して互いに対称に配置されているようにしてもよい。

アームの一端と軸との距離は、アームの他端と軸との距離よりも長いようにしてもよい。

アームは、アクチュエータを内側表面に対して押し付けているようにしてもよい。

アームは、板ばねであるようにしてもよい。

板ばねは、基部を通る軸に向かって屈曲した屈曲部を有するようにしてもよい。

支持体は、移動体に固定されるようにしてもよい。

支持体は、移動体に回転可能に接続されるようにしてもよい。

支持体は、支持体のヨー軸周りで回転可能に移動体に接続されるようにしてもよい。

移動体に設けられた電源からアクチュエータに電力が供給されるようにしてもよい。

上記いずれかの態様のモータと、モータが取り付けられた移動体と、を備えるシステムとを構成してもよい。

本発明によれば、被支持体の取り付けや、自身の他の構造体への取り付けの自由度を高めることのできるモータに関する技術を提供することができる。

実施形態にかかるモータを示す模式図である。 図１のアクチュエータを説明するための斜視図である。 図１のモータの動作を説明するための模式図である。 変形例に係るモータを示す斜視図である。 変形例に係るモータを示す斜視図である。 変形例に係るモータを示す斜視図である。 支持体の取付方法を説明するための模式図である。 モータと移動体とを備えるシステムを示す模式図である。 図８のシステムの構成を示すブロック図である。

添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。なお、各図において、同一の符号を付したものは、同一又は同様の構成を示す。

特許請求の範囲、明細書、図面、及び要約書には、著作権による保護の対象となる事項が含まれる。著作権者は、これらの書類の何人による複製に対しても、特許庁のファイル又はレコードに表示される通りであれば異議を唱えない。ただし、それ以外の場合、一切の著作権を留保する。

図１を参照して、実施形態に係るモータの一例を説明する。同図に示すように、モータ１は、筐体１０、３つのアクチュエータ１２及び支持体１４等を備えている。モータ１は、構造体２に連結軸２０を介して接続されている。モータ１は、被支持体３（例えば、カメラ）を支持している。

筐体１０は、中空の球体を一つの平面で切断した形状であり、内壁１００、外壁１０２及び開口部１０４等を有する。

内壁１００の表面（筐体１０の内側表面）は、球面状（球面の一部）である。内壁１００の表面は、曲面状であればよく、例えば、円柱面や回転楕円面の一部であってもよい。

外壁１０２の表面（筐体１０の外側表面）は、球面状（球面の一部）である。外壁１０２の表面は、特に限定はなく、曲面状（円柱面や回転楕円面の一部等）でもよいし、複数の平面からなる多面体（図６参照）や凹凸面等で構成されていてもよい。

外壁１０２には、被支持体３が接続されている。アクチュエータ１２は、筐体１０の内部に配置されており、筐体１０の外部には露出していない。アクチュエータ１２が被支持体３に接触等することが回避できるので、被支持体３は、外壁１０２のどの位置にでも取り付け可能であり、取り付けの自由度は大きい。

被支持体３は、例えば、撮像装置（全天球カメラ、半天球カメラ又はビデオカメラ等）、センサ（画像センサ、音声センサ等）、画像出力装置もしくは音声出力装置（テレビ又はスピーカ等）又は通信装置及びロボットアーム等の機器でもよい。外壁１０２に被支持体３が複数接続されてもよい。複数の被支持体３が接続される場合、それぞれの被支持体は同一のものでもよいし、異なる属性（大きさ、性能又は種類等）のものでもよい。

被支持体３は、外壁１０２に直接又は取付部材等を介して間接的に接続されてもよい。被支持体３は、外壁１０２や取付部材に固定されても良いし、取り外し可能に取り付けられてもよい。被支持体３は、例えば筐体１０に対してワイヤ等で吊り下げる等して、筐体１０に対して相対移動可能に接続されてもよい。なお、取付部材は、外壁１０２と一体成形されていてもよいし、外壁１０２に接着、溶着又は固定手段（ねじや、釘又はピン等）等で固定されていてもよい。

開口部１０４は、内壁１００と外壁１０２とをつなぐ円形の境界部分であり、支持体１４の一部を筐体１０の内部から外部に取り出すための開口を画定している。変形例として、開口部１０４は、矩形状、多角形状又は楕円形状等の他の形状としてもよい。

３つのアクチュエータ１２は、筐体１０の内壁１００の周方向に沿ってそれぞれ均一に離間して配置されている。各アクチュエータ１２は、筐体１０の内壁１００に接触している。変形例として、３つのアクチュエータ１２は、例えば、内壁１００の周方向に沿って互いに不均一に離間して配置されてもよいし、同一円周上ではなく内壁１００の任意の箇所に配置されてもよい。アクチュエータ１２の数に限定はなく、例えば４つ以上でもよい。

アクチュエータ１２は、例えば、圧電アクチュエータ（超音波モータ）であり、図２に示すように、接触部１２０と圧電素子１２２とを有する。

アクチュエータ１２の接触部１２０は、リング状であり、周方向にわたって等間隔で突出片１２０Ａが複数設けられている。突出片１２０Ａは、筐体１０の内壁１００の曲率に対応したアール面を有し、このアール面が内壁１００に接触するようになっている。

アクチュエータ１２の圧電素子１２２は、一面で接触部１２０に固定され、他面で支持体１４の一端１４０Ａに固定されている。圧電素子１２２には、例えば、超音波域の交流電圧が印加される。印加する電圧特性（例えば、振幅、位相差又は周波数等）を変化させることで圧電素子１２２の伸縮が制御され、微小振動が発生する。変形例として、アクチュエータ１２は、直流モータ、交流モータ又は静電気力モータ等でもよい。

アクチュエータ１２を駆動するための電力は、モータ１の内部電源（例えば、支持体１４に搭載したバッテリ等）から供給してもよいし、モータ１の外部電源（例えば、構造体２に搭載したバッテリ等）からケーブルやワイヤ又は無線で供給してもよい。この電力は、モータ１の他の部材や被支持体３を駆動するために用いてもよい。

図１に示すとおり、支持体１４は、３つのアーム１４０と、基部１４２とを有する。３つのアーム１４０と基部１４２とは、一体成形されていてもよいし、互いに接着、溶着又は固定手段（ねじや、釘又はピン等）等で固定されていてもよい。

３つのアーム１４０は、筐体１０の内部から、開口部１０４により画定される開口を通って、筐体１０の外部に延びている。アーム１４０は、筐体１０の内部の一端１４０Ａでアクチュエータ１２に接続され、筐体１０の外部の他端１４０Ｂで基部１４２に接続されている。

３つのアーム１４０は、基部１４２の主面の中心を通る軸Ｏ（本実施形態においては、「ヨー軸」に一致する）に対して互いに軸対称に配置されている。アーム１４０は、一端１４０Ａから他端１４０Ｂに向かうにつれて軸Ｏに近接するように、軸Ｏに対して傾斜している。一端１４０Ａから軸Ｏへの距離（ｄ１）は、他端１４０Ｂから軸Ｏへの距離（ｄ２）よりも長い。

アーム１４０の軸Ｏに対する傾斜角は、一定でもよいし変化させてもよい。例えば、図１及び図２に示すように、アーム１４０は、軸Ｏに対する傾斜角が所定角度（例えば、３０度）以上の屈曲部１４０Ｃを有してもよい。屈曲部１４０Ｃの軸Ｏに対する傾斜角は、アーム１４０の一端１４０Ａから他端１４０Ｂの間で最大になるようにしてもよい。例えば、屈曲部１４０Ｃの軸Ｏに対する傾斜角が、アームの１４０の一端１４０Ａから屈曲部１４０Ｃまでの軸Ｏに対する傾斜角や、アーム１４０の他端１４０Ｃから屈曲部１４０Ｃまでの軸Ｏに対する傾斜角よりも大きくしてもよい。屈曲部１４０Ｃは、開口部１０４の近傍に配置されてもよい。例えば、図１に示す状態（筐体１０のロール軸及びピッチ軸に対する姿勢角が０度で、開口部１０４の開口面が水平面と平行の状態）において、各アーム１４０の屈曲部１４０Ｃが、筐体１０の内部にそれぞれ配置されるようにしてもよい。屈曲部１４０Ｃを有することで、アーム１４０が軸Ｏにさらに近接し、開口部１０４と干渉しにくくなる。これにより、筐体１０の可動範囲を広げることができる。

アーム１４０は、例えば、金属や樹脂等で構成されている。アーム１４０は、例えば、板ばね等の薄厚平板状の弾性部材でもよい。アーム１４０の一端１４０Ａを軸Ｏに近接する方向に弾性変形させた状態で筐体１０内に配置してもよい。この場合、３つのアーム１４０の一端１４０Ａはその復元力により、それぞれが接続するアクチュエータ１２を筐体１０の内壁１００に対して押しつける。そのため、筐体１０が支持体１４から抜け落ちてしまうことが抑制される。変形例として、アーム１４０はアクチュエータ１２を支持さえすれば、他の材質、形状でもよいし、弾性体でなくてもよい。

基部１４２は、筐体１０の外部に位置する。基部１４２は、例えば、連結軸２０を介して構造体２に接続されている。基部１４２は、構造体２に対して固定されてもよいし、相対移動や取り外しできるように接続されてもよい。アクチュエータ１２は、筐体１０の内部に配置されており、筐体１０の外側には露出していないため、アクチュエータ１２が構造体２に干渉しにくくなる。

基部１４２は、構造体２からの振動がアクチュエータ１２や筐体１０に伝達されるのを抑制するために、ダンパ等の衝撃吸収機構を備えてもよい。構造体２としては特に限定はなく、例えば、可動体（例えば、移動体や生体等）や静止体（例えば、各種機器や建築物等）でもよい。

次に、図３を用いて、モータ１の動作について説明する。モータ１は、アクチュエータ１２の駆動により筐体１０及び被支持体３を支持体１４に対して回転させる。

より具体的には、アクチュエータ１２の圧電素子１２２に、例えば超音波域の交流電圧が印加される。すると圧電素子１２２が微小振動する。微小振動により発生した超音波が接触部１２０を介して筐体１０の内壁１００に伝達されると、摩擦力により筐体１０がアクチュエータ１２に対して移動する。これにより、筐体１０が支持体１４に対して例えば、一つ又は複数の回転軸（例えば、ロール軸、ピッチ軸及びヨー軸）周りで回転移動する。筐体１０の姿勢や回転を例えば慣性センサ等で検知しつつ、圧電素子１２２に印加する電圧等を制御することで、筐体１０の支持体１４に対する姿勢や回転を制御することができる。

筐体１０の可動範囲は、例えば、ヨー軸周りでは、３６０度であり、ロール軸及びピッチ軸周りでは、例えば−３０度以上３０度以下とすることができる。なお、ロール軸及びピッチ軸の可動範囲は、筐体１０の開口部１０４の形状や大きさ、支持体１４のアーム１４０の形状や位置等を変更することで適宜変更可能である。

次に、図４乃至図６を用いて、変形例に係るモータ１Ａ、１Ｂ及び１Ｃについて説明する。以下ではモータ１と共通の事柄についての記述を省略し、異なる点についてのみ説明する。

図４乃至図６に示すように、変形例に係るモータ１Ａ、１Ｂ及び１Ｃは、被支持体を複数支持している。具体的には、モータ１Ａは、筐体１０の外壁１０２の同一円周上に４つの被支持体３Ａが互いに等間隔で取り付けられ、頂部に一つの被支持体３Ａが取り付けられている（図４参照）。モータ１Ｂは、筐体１０の外壁１０２の同一円周上に８つの被支持体３Ｂが取り付けられている（図５参照）。モータ１Ｃは、筐体１０の外壁１０２Ｃが５つの矩形状の平面で構成され、それぞれの面に１つずつ被支持体３Ｃが取り付けられている（図６参照）。

図４乃至図６に示す変形例においては、モータ１Ａ、１Ｂ及び１Ｃの支持体１４が接続される構造体２は、例えば、ＤＣサーボモータである。構造体２（ＤＣサーボモータ）は、連結軸２０をヨー軸周りで所望の方向（時計周り又は反時計周り）で回転させ、連結軸２０に固定された支持体１４を回転させる。この場合、筐体１０の構造体２に対する回転は、支持体１４の構造体２に対する回転（回転１）と、筐体１０の支持体１４に対する回転（回転２）とを合わせたものになる。

例えば、筐体１０の支持体１４に対する回転（回転２）をロール軸及びピッチ軸の２軸周りの回転にしてもよい。この場合でも、支持体１４の構造体２に対する回転（回転１）により、筐体１０は、構造体２に対してヨー軸、ロール軸及びピッチ軸の３軸周りで回転可能である。

例えば、筐体１０の支持体１４に対する回転（回転２）をロール軸、ピッチ軸及びヨー軸の３軸周りの回転としてもよい。この場合、ヨー軸周りの大きな動きは構造体２（ＤＣサーボモータ）で行い（回転１）、ヨー軸周りの微小な動きはアクチュエータ１２で行う（回転２）ようにしてもよい。

モータ１Ａ、１Ｂ及び１Ｃの支持体１４の構造体２への接続は、接着、溶着又は固定手段（ねじや、釘、ピン等）等の種々の方法を採用可能である。例えば、図７（Ａ）に示すように、支持体１４の基部１４２及び連結軸２０にそれぞれネジ穴を設け、ネジ２２で両者を締結するようにしてもよい（図７（Ｂ）参照）。

次に、図８及び図９を参照して、このようなモータと移動体とを備えるシステム８について説明する。ここでは、移動体として、無人航空機（Unmanned Aerial Vehicle、以下、「ＵＡＶ」という。）を例に説明する。なお、移動体としては、航空機、空中を移動する他の機器、地上を移動する車両、水上を移動する船舶又はロボット等も含む。

図８に示すとおり、システム８は、ＵＡＶ８０とモータ８２とを有する。

ＵＡＶ８０は、例えば、機体８００、機体８００の上面四方に取り付けられた複数（例えば４つ）の回転翼８０２、機体８００の底面中央に取り付けられた接続部材８０４（例えば、図４乃至７で説明したＤＣサーボモータ２）等を備える。ＵＡＶ８０は、回転翼８０２の回転により揚力及び推進力を生じさせ飛行する。ＵＡＶ８０は、ユーザ操作によるマニュアル飛行、及び、予め設定された経路を飛行する自動飛行等が可能である。

モータ８２は、接続部材８０４を介して、ＵＡＶ８０に接続されている。モータ８２は、モータ１やその変形例のモータ１Ａ、１Ｂ及び１Ｃと同様とすることができ、説明は省略する。モータ８２は、被支持体８４として例えばカメラを支持可能である。モータ８２は、例えば、ヨー軸、ピッチ軸及びロール軸を中心に被支持体８４（例えば、カメラ）を回転させ、ＵＡＶ８０の航行中に被支持体８４（例えば、カメラ）の姿勢を調整する。このとき、モータ８２の複数のアクチュエータは、筐体の内部に配置されているので、モータ８２の駆動により、アクチュエータ１２がＵＡＶ８０と接触することはない。

次に、図９を参照して、システム８の機能構成を説明する。同図に示すとおり、ＵＡＶ８０は、機体８００に接続された回転翼８０２及び接続部材８０４、機体８００に内蔵されたセンサシステム８０６及び通信システム８０８等を備える。接続部材８０４には、モータ８２が接続されている。モータ８２は、被支持体８４を支持可能である。

センサシステム８０６は、ＵＡＶ８０の状態を検知するための各種センサである。センサシステム８０６は、例えば、ＧＰＳ、運動センサ、慣性センサ、近接センサ等を用いて、ＵＡＶの位置、姿勢、速度、角速度又は加速度等を取得する。

通信システム８０８は、ネットワーク８６を介して、外部端末８８と一方向又は双方向で通信する。外部端末８８からの通信は、例えば、ＵＡＶ８０、モータ８２及び被支持体８４の位置や姿勢を変更させるための制御指令を含んでもよい。通信システム８０８からの通信は、センサシステム８０６で検出したＵＡＶ８０の状態についての情報を含んでもよい。

ネットワーク８６は、例えば、無線、ＷｉＦｉ、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）、ワイドエリアネットワーク（ＷＡＮ）、赤外線、ポイントツーポイント（Ｐ２Ｐ）ネットワーク、電気通信ネットワーク及びクラウド通信等の１つ以上を含む。

外部端末８８は、ＵＡＶ８０と通信する通信システム８８０を有している。通信システム８８０は、データをウェブサイトやサーバにアップロード又はデータをウェブサイトからダウンロードできるように、インターネット又は他のネットワークに接続されてもよい。

外部端末８８は、手持ち型又は装着型デバイスであってもよい。外部端末８８は、例えば、スマートフォン、タブレット、ラップトップ、コンピュータ、眼鏡、手袋、ヘルメット、マイクロホン又はこれらの組合せで構成することができる。

外部端末８８は、例えば、キーボード、マウス、ジョイスティック、タッチスクリーン又はディスプレイ等のユーザインターフェースを含むことができる。外部端末８８は、例えば、ＵＡＶ８０からの情報を表示する表示装置を含むことができる。

以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。実施形態が備える各要素及びその配置、材料、条件、形状、サイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、異なる実施形態で示した構成同士を部分的に置換し又は組み合わせることが可能である。

例えば、上記実施形態においては、モータ１は、支持体１４が他の構造体２に固定され、アクチュエータ１２の駆動により筐体１０及び被支持体３が支持体１４及び構造体２に対して回転する。しかしながら、例えば、筐体を他の構造体に対して固定しつつ、支持体が被支持体（例えばカメラ等）を支持するようにして、アクチュエータの駆動により、支持体及び被支持体が筐体及び構造体に対して回転するようにしてもよい。

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ…モータ、１０…筐体、１００…表面、１００…内壁、１０２…外壁、１０２Ｃ…外壁、１０４…開口部、１２…アクチュエータ、１２０…接触部、１２０Ａ…突出片、１２２…圧電素子、１４…支持体、１４０…アーム、１４０Ａ…一端、１４０Ｂ…他端、１４０Ｃ…屈曲部、１４２…基部、２…構造体、２０…連結軸、２２…ネジ、３、３Ａ、３Ｂ、３Ｃ…被支持体、８…システム、８０…ＵＡＶ、８００…機体、８０２…回転翼、８０４…接続部材、８０６…センサシステム、８０８…通信システム、８２…モータ、８４…被支持体、８６…ネットワーク、８８…外部端末、８８０…通信システム

Claims (12)

1. 開口部を有し、内側に曲面状の表面を有する筐体と、
   前記筐体の内部に配置され、前記表面に接触する複数のアクチュエータと、
   前記複数のアクチュエータに接続されるとともに、前記開口部から前記筐体の外部に延びる支持体と、を備え、
   前記支持体は、複数のアームと、前記筐体の外部に位置する基部と、を有し、
   前記複数のアームの各々は、一端で、互いに異なる前記アクチュエータに接続され、他端で、前記基部に接続されている、
   モータ。
2. 前記表面は、球面の一部である、請求項１に記載のモータ。
3. 前記筐体は、被支持体を支持可能である、請求項１又は２に記載のモータ。
4. 前記被支持体は、前記筐体の外側の表面に固定されている、請求項３に記載のモータ。
5. 前記被支持体は、撮像装置である、請求項３又は４に記載のモータ。
6. 前記複数のアクチュエータの各々は、同一円周上に沿って互いに等間隔に配置されている、請求項１から５の何れか一項に記載のモータ。
7. 前記アクチュエータは、圧電アクチュエータである、請求項１から６の何れか一項に記載のモータ。
8. 前記圧電アクチュエータは、前記筐体の内側表面に接触するリング状の接触部と、一面で前記接触部に接触し他面で前記支持体に接触する圧電素子と、を備える、請求項７に記載のモータ。
9. 前記複数のアームの各々は、前記基部を通る軸に対して互いに対称に配置されており、
   前記アームの前記一端と前記軸との距離は、前記アームの前記他端と前記軸との距離よりも長い、請求項１から８の何れか一項に記載のモータ。
10. 前記アームは、前記アクチュエータを前記内側表面に対して押し付けている、請求項１から９の何れか一項に記載のモータ。
11. 前記支持体は、移動体に固定される、請求項１から１０の何れか一項に記載のモータ。
12. 前記支持体は、移動体に回転可能に接続される、請求項１から１０の何れか一項に記載のモータ。

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