JP6659035B2 - 多方向駆動装置及び自動カメラ - Google Patents

Description

本発明は、支持部材の先端に設置したカメラ、ロボットアーム等の被作動体の位置およびまたは向きを複数の自由度で調整することができる多方向駆動装置及び自動カメラに関する。

カメラ、ロボットアーム等の被作動体を被駆動体となるＸＹステージにより回転制御する技術が知られている。
例えば、特許文献１に示される多方向駆動装置では、ＸＹステージを有する被駆動体と、該被駆動体の表面に接触して該被駆動体を第１の方向に駆動する第１駆動力伝達部と、該被駆動体の他の部分に接触して該被駆動体を第１の方向とは異なる第２の方向に駆動する第２駆動力伝達部と、を具備する。
また、上記多方向駆動装置では、被駆動体と第１駆動力伝達部とが歯車の歯筋方向に相互変位であり、該被駆動体と第２駆動力伝達部とが歯車の歯筋方向に相互変位可能となっており、これにより該被駆動体に設置される被作動体の角度を自在に調整できる。

特開２０１１−１９６４８７号公報

ところで、特許文献１に示される多方向駆動装置は、被駆動体と第１、第２駆動力伝達部とが歯車の歯筋方向に相互変位であるものの、全体としてはＸＹステージ上にて被駆動体を第１方向または第２方向に移動可能とするものである。
このため、特許文献１に示される多方向駆動装置では、例えば、第１方向または第２方向に直交する第３方向（ｚ軸方向）に回転または移動させることはできず、仮に第３方向に変位させるためには、新たな機構を付加する必要があり、構成が複雑化するという問題があった。

一方、特許文献１とは異なる技術として図９に示されるジンバル機構９０が提供されている。
このジンバル機構９０は、外枠９１内にｚ軸を中心として回転自在に内枠９２を設け、該内枠９２内にｙ軸を中心として回転自在にカメラ支持部材９３を設け、該カメラ支持部材９３内にｘ軸方向を中心として回転自在な被作動体（図示略）を設けた構成である。
しかしながら、このようなジンバル機構９０では、可動角が小さく、被作動体となるカメラで確認できる視野が狭く限られるとともに、全体の機構が大きくなり過ぎ重量も増すという問題があった。

この発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであって、簡易な構成の駆動機構により被作動体の位置およびまたは向きを複数の自由度で調整することが可能な多方向駆動装置及び自動カメラを提供するものである。

上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明の多方向駆動装置は、凹凸を有する球面を備えた従動部材と、該従動部材の凹凸に接触して該従動部材に回転力を発生させる回転駆動部と、該回転駆動部により回転させられる前記従動部材に連結される支持部材と、を具備し、前記従動部材は前記球面に沿って回転可能であることを特徴とする。

本発明によれば、従動部材から外方に延びる支持部材の先端の被作動体位置およびまたは向きを調整することが可能となる。

本発明の実施形態に係る多方向駆動装置の斜視図である。 本発明の第一の実施形態に係る多方向駆動装置の斜視図である。 Ａは図２の多方向駆動装置をＩＩＩから見た場合の断面図、Ｂは歯車の噛み合い部の拡大図である。 Ａは図２の多方向駆動装置のＩＶから見た場合の断面図、Ｂは歯車の噛み合い部分の拡大図である。 図２の多方向駆動装置の従動部材を矢印Ａ方向に回転させたことを示す斜視図である。 図２の多方向駆動装置の従動部材を矢印Ｂ方向に回転させたことを示す斜視図である。 図２の多方向駆動装置の従動部材を矢印Ｃ方向に回転させたことを示す斜視図である。 回転駆動部として用いられる遊星歯車機構を示す平面図である。 一般的なジンバル機構を示す斜視図である。

（実施形態）
本発明に係る多方向駆動装置１００の実施形態について図１を参照して説明する。
図１において、符号１で示されるものは回転自在な従動部材であって、凹凸部２を有する球面３を備えている。
この従動部材１の周囲には、該従動部材１の凹凸部２に接触して該従動部材１に回転力を発生させる回転駆動部４〜６が設けられている。この実施形態において、前記回転駆動部４〜６は複数設けられていて、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸のそれぞれを中心に回転する。
これら回転駆動部４〜６は、互いに異なる方向（図示例では互いに直交するｘ軸、ｙ軸、ｚ軸）に向けられた回転軸４Ａ〜６Ａを中心に従動部材１を回転させる回転駆動体４Ｂ〜６Ｂ（例えば、歯車）を有する。
具体的には、回転駆動部４はｘ軸に沿う回転軸４Ａを中心に従動部材１を回転させる回転駆動体４Ｂと、該回転駆動体４Ｂを駆動するための駆動モータ４Ｃとを具備する。また、回転駆動部５はｙ軸に沿う回転軸５Ａを中心に従動部材１を回転させる回転駆動体５Ｂと、該回転駆動体５Ｂを駆動するための駆動モータ５Ｃとを具備する。また、回転駆動部６はｚ軸に沿う回転軸６Ａを中心に従動部材１を回転させる回転駆動体６Ｂと、該回転駆動体６Ｂを駆動するための駆動モータ６Ｃとを具備する。

また、これら回転駆動部４〜６により回転させられる従動部材１には支持部材７が連結されて一体に回転するようになっている。
この実施形態における支持部材７は、一端部が従動部材１に連結されかつ他端部にカメラ、ロボットアーム等の被作動体Ｍが連結されるものであって、回転駆動部４〜６により従動部材１が回転駆動された場合に、該従動部材１に追従して、回転軸４Ａ〜６Ａを中心として他端部側の被作動体Ｍを動作させることができる。
これにより被作動体Ｍとなるカメラ、ロボットアームが、回転駆動部４〜６の回転軸４Ａ〜６Ａを中心に三次元空間内にてその位置およびまたは向きを自由に調整することが可能となる。

以上詳細に説明したように、本実施形態に示される多方向駆動装置１００によれば、従動部材１の凹凸部２に接触して該従動部材１に回転力を発生させる複数の回転駆動部４〜６を具備し、かつこれら回転駆動部４〜６により、互いに異なる方向（ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸）に向けられた回転軸４Ａ〜６Ａを中心に該従動部材１を回転させるようにした。
そして、これら各回転駆動部４〜６を個別に駆動することにより、従動部材１一端部が連結された支持部材７の先端の被作動体Ｍの位置およびまたは向きを複数の自由度で調整することが可能となる。
すなわち、本実施形態に示される多方向駆動装置１００では、互いに異なる方向の回転軸４Ａ〜６Ａを中心として、球面状の従動部材１を回転させる複数の回転駆動部４〜６を設けた簡易な構成により、従動部材１から外方に延びる支持部材７の先端の被作動体Ｍ位置およびまたは向きを、三次元空間内にて複数の自由度で調整することが可能となる。

なお、上述した複数の回転駆動部４〜６は、互いに交差する方向に向けられたｘ軸、ｙ軸およびｚ軸からなる三つの回転軸４Ａ〜６Ａを中心に回転する回転駆動体４Ｂ〜６Ｂを有するものであるが、これらｘ軸、ｙ軸、ｚ軸は互いに直交する方向に向けられることが好ましい。
また、従動部材１の球面３上に形成された凹凸部２の凸部２Ａは、互いに交差または直交する方向に沿って互いに間隔をおきかつ正面視格子状に形成することで、回転駆動部４〜６の回転駆動体が、従動部材１に噛合して該従動部材１に回転力を発生させることが好ましい。

＜第一の実施形態＞
本発明の第一の実施形態に係る多方向駆動装置１０１について、図２〜図７を参照して説明する。
図２において符号１０で示されるものは全体として球状に形成された従動部材であって、ホルダー１１の凹状球面１２内に回転自在に配置されている。

従動部材１０の周囲には、該従動部材１０に回転力を発生させる複数の回転駆動部１３〜１５が設けられている。
これら回転駆動部１３〜１５は、互いに異なる方向（ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸）に向けられた回転軸１３Ａ〜１５Ａを中心に従動部材１０を回転させる回転駆動体１３Ｂ〜１５Ｂを有するものであって、これらｘ軸、ｙ軸、ｚ軸は互いに交差するまたは直交する方向に向けられている。

具体的には、回転駆動部１３は、図３に示されるように、ホルダー１１の内部（図面では下部）に配置されるものであって、従動部材１０の球面２０に形成された凹凸部２１に噛合しかつ回転軸１３Ａ（ｘ軸に沿う）を中心として回転する一対の歯車２２が、回転駆動体１３Ｂとして設けられている。
また、この回転駆動体１３Ｂには、歯車２２に噛合して該歯車２２を回転駆動する駆動歯車２３も含まれる。

従動部材１０に形成された凹凸部２１は、ホルダー１１凹凸部に滑らかに接触する歯形をしており、該従動部材１０は、ピッチ円より先が無い歯車をｙ軸中心に回転させた立体構造をしている。また、従動部材１０は、噛合する回転駆動体１３Ｂの歯車２２によってx軸回りの矢印Ａ方向（図２および図３参照）に回転駆動される。また、回転駆動体１３Ｂを駆動する駆動歯車２３は、図２に示されるように駆動源となる駆動モータ２４に接続されている。すなわちこの実施形態における前記凹凸部２１は、前記球面２０の一つの軸（ｙ軸）を中心とする複数の同心円状の突条（若しくは溝）を前記一つの軸の方向に回転駆動部１３、１４の歯車２２のピッチに応じた相互間隔で設けた構成となっている。
そして、以上のような構成により、駆動モータ２４により駆動歯車２３が駆動されて、該駆動歯車２３とともに従動歯車２２が回転駆動された場合に、ホルダー１１内の従動部材１０が矢印Ａ方向（図２および図３ＡおよびＢ参照）に回転される。

また、回転駆動部１４は、図４ＡおよびＢに示されるように、球状の従動部材１０の内部に配置されるものであって、ホルダー１１の凹状球面１２内に形成された凹凸部３０に噛合しかつ回転軸１４Ａ（ｙ軸に沿う）を中心として回転する一対の歯車３１が、回転駆動体１４Ｂとして設けられている。
また、この回転駆動体１４Ｂには、歯車３１に噛合して該歯車３１を回転駆動する駆動歯車３２が含まれる。
ホルダー１１の凹状球面１２内に形成された凹凸部３０は、内歯車を歯のピッチ円弧上でカットしたものをx軸中心に回転させた立体構造をしている。また、ホルダー１１に噛合する回転駆動体１４Bの歯車３１によって、従動部材１０は、ホルダー１１に対して、ｙ軸回りの矢印B方向（図２及び図４ＡおよびＢ参照）に回転される。また、回転駆動体１４Ｂを駆動する駆動歯車３２は駆動源となる駆動モータに接続されているが、図面では省略されている。
そして、以上のような構成により、駆動モータにより駆動歯車３２が駆動されて、該駆動歯車３２とともに従動歯車３１が回転駆動された場合に、ホルダー１１内の従動部材１０が矢印Ｂ方向（図２〜図４ＡおよびＢ参照）に回転される。

また、回転駆動部１５は、図２に示されるように、ホルダー１１の下方に配置されるものであって、回転軸１５Ａ（ｚ軸に沿う）を中心として回転する一対の歯車４０が、回転駆動体１５Ｂとして設けられている。
この回転駆動体１５Ｂには、歯車４０に噛合して該歯車４０を回転駆動する駆動歯車４１が含まれている。
また、駆動歯車４１には、動力源となる駆動モータ（図示略）が接続されているが、図面では省略されている。
そして、以上のような構成により、図示しない駆動モータにより駆動歯車４１とともに歯車４０が駆動された場合に、ホルダー１１内の従動部材１０が、該ホルダー１１とともに矢印Ｃ方向（図２〜図４ＡおよびＢ参照）に回転される。

また、従動部材１０には図５〜図７に示されるように支持部材１６が連結されている。
この支持部材１６は、一端部が従動部材１０に連結され、かつ他端部にカメラ、ロボットアーム等の被作動体Ｍが連結されるものであって、回転駆動部１３〜１５により従動部材１０が回転駆動された場合、該従動部材１０に追従して、回転軸（ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸）を中心として他端部側の被作動体Ｍを動作させる。
また、この支持部材１６が配置される従動部材１０の取付け箇所は、ホルダー１１の一部が切り欠かれて（符号１１Ａで示す）該従動部材１０の表面が露出した部分であり、このホルダー１１の切欠部１１Ａを通じて支持部材１６先端の被作動体Ｍが動作される。

そして、上記多方向駆動装置１０１では、回転駆動部１３により回転駆動体１３Ｂがｘ軸を中心として駆動された場合には、該回転駆動体１３Ｂに噛合された従動部材１０が矢印Ａ方向に回転駆動され、これに連動して該従動部材１０に連結された被作動体Ｍも同じく矢印Ａ方向に回転駆動される（図５参照）。ここで、矢印Ａ方向に回転した後の回転駆動部１４の軸線をｙ´で示す。
また、回転駆動部１４により回転駆動体１４Ｂがｙ軸を中心として駆動された場合には、該回転駆動体１４Ｂに噛合された従動部材１０が矢印Ｂ方向に回転駆動され、これに連動して該従動部材１０に連結された被作動体Ｍも同じく矢印Ｂ方向に回転駆動される（図６参照）。
また、回転駆動部１５により回転駆動体１５Ｂがｚ軸を中心として駆動された場合には、該回転駆動体１５Ｂに噛合されたホルダー１１が矢印Ｃ方向に回転駆動され、これに連動して該ホルダー１１内の従動部材１０に連結された被作動体Ｍも同じく矢印Ｃ方向に回転駆動される（図７参照）。

そして、以上のように回転駆動部１３〜１５によって従動部材１０がｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を中心に個別に回転駆動されることによって、該従動部材１０に連結された被作動体Ｍの位置およびまたは向きを複数の自由度で調整することができる。

以上詳細に説明したように本実施形態に係る多方向駆動装置１０１によれば、従動部材１０の凹凸部２１に接触して該従動部材１０に回転力を発生させる複数の回転駆動部１３〜１５を具備し、かつこれら回転駆動部１３〜１５により、互いに異なる方向に向けられた回転軸（ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸）を中心に該従動部材１０を回転させるようにした。
そして、これら各回転駆動部１３〜１５を個別に駆動することにより、従動部材１０に一端部が連結された支持部材１６の先端の被作動体Ｍ位置およびまたは向きを、複数の自由度で調整することが可能となる。
すなわち、本実施形態に係る多方向駆動装置１０１は、互いに異なる方向の回転軸（ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸）を中心として、球面状の従動部材１０を回転させる複数の回転駆動部１３〜１５を設けた簡易な構成により、従動部材１０から外方に延びる支持部材１６先端の被作動体Ｍ位置およびまたは向きを、三次元空間内にて複数の自由度で調整することが可能となる。被作動体Ｍとして、カメラをその光軸をｙ軸と一致させて設けた場合、カメラの撮影方向をｘ軸、ｚ軸を中心とする２自由度で操作するとともに、ｙ軸を中心とした回転によって画像の向き（天地）を自在に調整することができる。

なお、上述した複数の回転駆動部１３〜１５は、互いに交差する方向に向けられたｘ軸、ｙ軸およびｚ軸からなる三つの回転軸１３Ａ〜１５Ａを中心に回転する回転駆動体１３Ｂ〜１５Ｂを有するものであるが、これらｘ軸、ｙ軸、ｚ軸は互いに直交する方向に向けられることが好ましい。

また、ｚ軸を中心として従動部材１０を回転駆動する回転駆動部１５は、駆動歯車４１と従動歯車４０により構成した。しかし、当該構成について、図８に示されるように、駆動歯車４１の筒状体内周面にリング状となる従動歯車４０´を一体設けるとともに、これら歯車４０´・４１の間に複数の遊星歯車４２を介在させた遊星歯車機構５０としても良い。

また、本発明は、従動部材１０の球面２０に形成された凹凸部２１に噛合して該従動部材１０を駆動する回転駆動体１３を含む、３個の回転駆動体１３〜１５を有する構成である。
そして、図２〜図７に示される実施形態では、回転駆動体１３のみが従動部材１０の球面２０の全面に形成された凹凸部２１に噛合している。しかし、これに限定されず、本実施形態においては、例えば、ｘ軸回転用の凹凸部２１、ｙ軸回転用の凹凸部２１、ｚ軸回転用の凹凸部２１というように方向別に複数の凹凸部を適宜設け、これに噛合する回転駆動部を設けても良い。
その際、凹凸部に噛合する回転駆動部以外の回転駆動部は、回転駆動体１４、１５に示される構成を適宜採用すると良い。また支持部材１６の長さ、取り付け角度、取り付け位置は実施形態に限定されるものではなく、被作動体Ｍの機能、用途に応じて異なる態様としても良い。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

本発明は、簡易な方式により、支持部材の先端に設置したカメラ、ロボットアーム等の被作動体の位置およびまたは向きを複数の自由度で調整することができる多方向駆動装置に関する。

１ 従動部材
２ 凹凸部
３ 球面
４ 回転駆動部
４Ａ 回転軸
４Ｂ 回転駆動体
５ 回転駆動部
５Ａ 回転軸
５Ｂ 回転駆動体
６ 回転駆動部
６Ａ 回転軸
６Ｂ 回転駆動体
７ 支持部材
１０ 従動部材
１１ ホルダー
１２ 凹状球面
１３ 回転駆動部
１３Ａ 回転軸
１３Ｂ 回転駆動体
１４ 回転駆動部
１４Ａ 回転軸
１４Ｂ 回転駆動体
１５ 回転駆動部
１５Ａ 回転軸
１５Ｂ 回転駆動体
１６ 支持部材
２０ 球面
２１ 凹凸部
２２ 歯車
２３ 駆動歯車
３０ 凹凸部
３１ 歯車
３２ 駆動歯車
４０ 歯車
４１ 駆動歯車
５０ 遊星歯車機構
１００ 多方向駆動装置
１０１ 多方向駆動装置
Ｍ 被作動体

Claims (11)

1. 凹凸を有する球面を備えた従動部材と、
   該従動部材の凹凸に接触して該従動部材に回転力を発生させる回転駆動部と、
   該従動部材に被作動体を支持する支持部材と、を具備し、
   前記従動部材は前記球面に沿って回転可能であって、
   前記回転駆動部は、互いに交差する方向に向けられたｘ軸、ｙ軸およびｚ軸の三つの回転軸を中心にそれぞれ回転する回転駆動体を有し、
   前記凹凸を有する球面を備えた従動部材を回転自在に支持する凹状球面を有するホルダーをさらに有しており、
   前記ｘ軸を中心に駆動される回転駆動部の回転駆動体は、前記ホルダーの内部に配置されかつ前記従動部材の球面に形成された凹凸に接触して該従動部材に回転力を発生させ、
   前記ｙ軸を中心に駆動される回転駆動部の回転駆動体は、前記従動部材の内部に配置されかつ前記ホルダーの凹状球面に形成された凹凸に接触して該従動部材に回転力を発生させ、
   前記ｚ軸を中心に駆動される回転駆動部の回転駆動体は、前記ホルダーに回転力を発生させることを特徴とする多方向駆動装置。
2. 前記支持部材は、前記従動部材に一端部が連結され、前記被作動体に他端部が連結されたことを特徴とする請求項１に記載の多方向駆動装置。
3. 前記回転駆動部は複数設けられ、前記従動部材は前記複数の回転駆動部によって、互いに異なる中心軸を中心として回転駆動されることを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載の多方向駆動装置。
4. 前記ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸は互いに直交する方向に向けられたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の多方向駆動装置。
5. 前記回転駆動部は、前記従動部材の凹凸に接触して該従動部材に回転力を発生させることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の多方向駆動装置。
6. 前記従動部材の球面上に形成された凹凸部は、互いにリング状をなしかつ互いに平行に形成されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の多方向駆動装置。
7. 前記回転駆動部の回転駆動体は歯車によって構成されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の多方向駆動装置。
8. 前記従動部材の球状周面に形成される凹凸部は、ピッチ円より先がない平歯車を前記ｙ軸に平行した軸を中心に回転させ、凹凸部が互いにリング状をなしかつ互いに平行に形成される立体構造をし、前記ｘ軸を中心とする回転駆動体と噛合され、前記ホルダー球面に形成される凹凸部は、ピッチ円より先がない内歯車を前記ｘ軸に平行した軸を中心に回転させ、凹凸部が互いにリング状をなしかつ互いに平行に形成される立体構造をし、前記ｙ軸を中心とする回転駆動体と噛合していることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の多方向駆動装置。
9. 前記ｚ軸を中心に駆動される回転駆動部は、回転駆動体となる駆動歯車と、前記ホルダーに一体に固定されて該駆動歯車との噛合により該ホルダーを回転させる従動歯車とを有
   することを特徴とする請求項８に記載の多方向駆動装置。
10. 前記ｚ軸を中心に駆動される回転駆動部は、遊星歯車機構により構成されていることを特徴とする請求項８に記載の多方向駆動装置。
11. 請求項２〜１０のいずれか１項に記載の多方向駆動装置に設けられた支持部材の他端部に被支持部材としてカメラを設けたことを特徴とする自動カメラ。

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