JPH1184526A

JPH1184526A - 携帯容易な多自由度カメラ

Info

Publication number: JPH1184526A
Application number: JP9273254A
Authority: JP
Inventors: Shigeki Toyama; 茂樹遠山
Original assignee: Toyama Shigeki
Current assignee: Toyama Shigeki
Priority date: 1997-09-01
Filing date: 1997-09-01
Publication date: 1999-03-26

Abstract

(57)【要約】【目的】使用するステータを３個に限定した球面超
音波モータを駆動手段とすることで、サイズの縮小、重
量の軽量化を行い携帯を容易にして利用範囲を拡大させ
るほか、小型レンズの可動領域を拡大できるので広範囲
の視点移動を可能にする。また、ステータ位置の変更及
び数を３個に限定することで、ベクトルの冗長性を解消
し制御性を向上する。【構成】球面超音波モータを駆動手段とし、ステー
タの数を３個とし、Ｘ−Ｙ平面上においてそれぞれを１
２０度の間隔に配置し、うち一つを保持器２６に固定
し、残りの二つはロータへの押しつけ力を調整可能なよ
うにしておく。さらに、Ｘ−Ｙ平面において、Ｚ軸方向
へ正方向または負方向の角度（図中ではα度で示す）に
傾きを与えてステータ２２を配置し、これを保持器２６
によって保持する。また、残った２つのステータ２３、
２４はＺ軸方向へ正方向または負方向の角度に傾きを与
えて配置する。画像を取り込むための小型カメラはロー
タ２１内に設置し、この時先端のレンズ２７ｂがロータ
２１の外側を向くように配置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、携帯容易な多自由度カ
メラ、詳しくは２つ以上の自由度で任意の視点を選択す
ることのできる携帯容易な多自由度カメラに関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、携帯して使用するなどの利用方
法においては、視点固定型のカメラを使用し、携帯者の
手によって本体の向きを変更することで視点を変更する
という方法が用いられている。これは、従来より提供さ
れている、複数のモータと伝達機構を組み合わせて駆動
手段とした視点方向を変更可能なカメラは、その多くが
駆動部の機構が大型かつ複雑で全体の形状が非常に大き
く、また重量も重いためである。しかしこの視点方向を
変更可能なカメラは独立して任意の視点を正確に選択で
き、また視点変更においても携帯者を介在する必要がな
いので手ぶれ等の影響を排除できるなど、従来の視点固
定型のカメラと比較して有用な特性を有している。

【０００３】そこで、このような視点方向を任意に変更
可能なカメラに関する問題解決の手段として、当特許出
願人はすでにステータを４個使用する球面超音波モータ
によって構成した、「ＳＭＡＬＬＳＩＺＥＳＰＨＥ
ＲＩＣＡＬＭＯＴＯＲＡＳＳＥＭＢＬＹ」（米国特
許、出願番号０８／７９２、１２９）を発明している。
これは球面超音波モータを駆動手段とし、小型カメラを
球体（以下、ロータという）内に埋設して、これに円環
状の駆動手段部（以下ステータという）を４個組み合わ
せることで少なくとも２つ以上の自由度を有し、同様の
自由度で任意の視点を選択できるカメラである。これは
駆動手段に球面超音波モータを用いているため、小型か
つ軽量であることから上記の問題に対しては有用な特徴
を有している。このカメラにおいて視点の移動を操作す
るのはモニターを観察して操作するオペレータで、受像
した画像をモニターによって確認することで必要な視点
を正確に選択できるようになっている。

【０００４】

【考案が解決しようとする課題】この「ＳＭＡＬＬＳ
ＩＺＥＳＰＨＥＲＩＣＡＬＭＯＴＯＲＡＳＳＥＭ
ＢＬＹ」は球面超音波モータによって構成したもので、
これにより多自由度の視点方向を有しながら小型かつ軽
量という特徴を得ている。しかしながら、このような従
来方法にあっては、以下のような課題を有している。

【０００５】このモータの構成は図１に示すように円
環状のステータ２、３、４、５を使用しておりその個数
は４個である。この構成では小型カメラ７がステータ
２、４もしくはステータ３、５の近傍まで移動した場
合、当該ステータに接触して移動が阻害されるか、もし
くはカメラのレンズ部７ｂをステータが覆うことにな
る。この為、有効な視野を持つカメラの移動範囲はステ
ータ２、３、４、５の影響を受けない領域に制限され
る。

【０００６】またカメラの視点移動に関しては、従来
の「ＳＭＡＬＬＳＩＺＥＳＰＨＥＲＩＣＡＬＭＯＴ
ＯＲＡＳＳＥＭＢＬＹ」は現在の視点をオペレータが
モニターで確認し、これを参考に選択手段を操作して視
点移動を行っている。しかし、これではオペレータが介
在しなければ、必要な視点への移動を行うことはできな
い。また、観察対象が移動する場合、視点を移動して追
尾する必要が生じるが、この移動が高速もしくは複雑で
は安定して追従することは困難である。このため追従を
安定して行うにはオペレータに依存するだけではなく、
視点移動に関する制御手段を与える必要がある。

【０００７】カメラの視点移動の制御に関しては、小
型カメラ７を埋設したロータ１を回転移動させ、この回
転量を特許出願番号平５−２５４８６７等の検出手段
によって検出し、この情報を基に駆動ユニットからの出
力を任意に変化させることで可能である。しかし、ステ
ータを４個使用した３自由度を有する球面超音波モータ
では、視点移動に必要となるロータ１の回転移動が十分
安定しない。これは有している自由度の数と発生する角
速度ベクトルの数が異なるという冗長性に起因するもの
である。このため、従来の構造ではロータ１の姿勢制御
が難しく、姿勢制御の軌跡は１９９６年度精密工学会春
季大会学術講演会講演論文集８６９−８７０頁にあ
る、３自由度球面超音波モータの開発 −（第２報）ロ
ータの姿勢制御−に示されているように安定しない。よ
って、ステータを４個使用した「ＳＭＡＬＬＳＩＺＥ
ＳＰＨＥＲＩＣＡＬＭＯＴＯＲＡＳＳＥＭＢＬ
Ｙ」にて姿勢制御を不安定にするベクトルの冗長性を解
消するには構造の変更が必要であった。

【０００８】このように、従来の発明では上記に示した
ような問題が発生し、またこの問題の存在はより広範囲
の分野で利用する際の障害となる。よって本発明は上記
問題点を解消し、小型で軽く携帯が容易で、且つ高い精
度で視点を任意に制御することのできる携帯容易な多自
由度カメラを提供することをその課題とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するた
め、本発明に係る携帯容易な多自由度カメラは小型カメ
ラを支持する球体と、この球体を少なくとも２自由度で
駆動する駆動手段を有するとともに、以下の要件を特徴
としている。（イ）上記小型カメラを上記球体の中心軸上に設置し、
このロータによって小型カメラの先端の向く方向を変更
できるようにしたこと。（ロ）上記駆動手段を上記球体をロータとし、ステータ
の個数を３個に限定することで作業領域の広い球面超音
波モータで構成したこと。（ハ）上記駆動手段を上記球体をロータとし、ステータ
の個数を３個に限定することで全体の形状を小さく、重
量を軽くし、携帯性を向上したこと。（ニ）ステータの個数を３個に限定することで、位置検
出手段を利用した視点移動の制御を安定して行えるこ
と。

【００１０】

【作用】携帯容易な多自由度カメラにおいて、ロータの
姿勢位置を変化する手段である球面超音波モータのステ
ータの個数を３個に限定する。このことによって、視野
角の拡大に対し障害となるステータの配置位置をロータ
の下半球面に集中可能であるので、従来よりも広い視野
角を与えるとともに、ステータの個数が減少し、構造が
簡略化されることから形状、重量ともに小さくなるので
携帯する上で非常に有用となる。また、ステータの個数
を３個に限定することで３自由度駆動において駆動ベク
トルの冗長性が生じないので、ロータの姿勢の制御に安
定をもたらす。

【００１１】

【実施例】図２は携帯容易な多自由度カメラを示し、符
号２１は動力を伝達し、またカメラを支持するための球
体（以下ロータという）、２２、２３、２４は該ロータ
２１の直径上に配置された４つの円環状の駆動手段部
（以下ステータという）を示し、この駆動手段部を保持
する保持器２６とで構成されている。２７はロータ２１
内に納められる小型カメラである。

【００１２】小型カメラ２７はＣＣＤカメラで実現する
ことができ、この小型カメラ２７はロータ２１内に設置
し、この時先端のレンズ２７ｂがロータ２１の外側を向
くように配置されている。

【００１３】この携帯容易な多自由度カメラにあって
は、保持器２６の空洞内に略球体状ないし略球殻状をし
たロータ２１が納められている。このロータ２１は３個
のステータ２２、２３、２４によって保持される。この
ステータはＸ−Ｙ平面上においてそれぞれを配置するこ
とを基本として、ステータのうち一つを固定し、残りの
二つはロータへの押しつけ力を調整可能なようにしてお
く。さらに、Ｘ−Ｙ平面において、Ｚ軸方向へ正方向ま
たは負方向の角度（図中ではα度で示す）に傾きを与え
てステータ２２を配置し、これを保持器２６によって保
持する。また、残った２つのステータ２３、２４はＺ軸
方向へ正方向または負方向の角度に傾きを与えて配置す
る。

【００１４】各ステータ２２、２３、２４は超音波モー
タとして使用されるものであって、上記ロータ２１の駆
動を行うために適当な圧力で押しつけられるとともに、
各々のステータの裏側面には圧電素子２５が貼り付けら
れている。ここに２相の超音波領域に相当する高周波の
交流電圧を印加することによって、ステータ２２、２
３、２４表面上には時間とともに位相が進む進行波が励
起され、この進行波の頂点と接触状態にあるロータ２１
が回転を始めるように設けられたもので、必要な交流電
圧は駆動ユニットより出力される。この駆動ユニットの
出力は制御用の回路を持った制御ユニットからの指示に
よって変更が可能である。このとき各ステータ２２、２
３、２４に印加される２相の交流電圧は制御ユニットか
らの指示に基づいて変化するため、駆動ユニットから出
力される交流電圧の電圧、周波数、位相差を制御するこ
とによって、ロータ２１の回転速度、発生トルク及び回
転方向を変更することが可能である。

【００１５】ステータ２２、２３、２４をＺ軸方向にα
度もしくは−α度傾けていることによって、図３に示す
ようにステータが持つ角速度ベクトル２８、２９、３０
はＺ軸方向に傾きを持ち、他のステータの発生する角速
度ベクトルと合成されてＸ軸、Ｙ軸方向に加えてＺ軸方
向の成分を有するため、この合成ベクトルによってＺ軸
周りの回転力をロータ２１に与えることが可能となる。
この回転力によって、ある程度の傾きを与えたこの球面
超音波モータはＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸回りの３自由度を有
する。

【００１６】これにより、ロータ２１内に設置された小
型カメラ２７はロータ２１の移動に伴ってその向きを変
えるため、ロータ２１の回転を制御することで任意の３
自由度方向の視点を選択できるようになる。

【００１７】またステータの個数は従来型の４個から３
個へと減少し、かつＺ軸方向にα度もしくは−α度傾け
ていることによってステータはロータ２１の下半球側に
集まるため、図２に示すようにステータの占有領域が減
少して作業領域が広くなる。また、摩擦力を利用したモ
ータであるためロータ２１とステータ２２、２３、２４
との組み合わせには微妙な調整が必要であるが、使用す
るステータの個数が減少することから調整が従来よりも
容易になり、整備も簡便である。

【００１８】さらに制御に関しても、本発明のような構
造をなすものにおいては、基本的に与えられる自由度と
駆動ベクトルの数が違うとベクトルの冗長が生じる。こ
の冗長の存在は姿勢などの制御を行う上での障害となる
ため、従来までは拘束条件などを用いて対処しているも
のの、これのみでは不十分であるため駆動は安定しなか
った。しかし、ロータに３自由度を与える必要がある場
合、ステータの数が３個であれば発生する駆動ベクトル
の数とロータの移動可能な自由度の数は双方とも３個で
あるため、ベクトルの冗長性は生じていない。よってロ
ータ２１の移動に必要な方向成分と一致するためロータ
２１の移動に対して影響を及ぼす冗長ベクトルは存在せ
ず、入力に対する応答に均一性が生じることから制御性
が向上し、ロータ２１を円滑に安定して移動可能であ
る。

【００１９】このように、携帯容易な多自由度カメラは
視点方向を変更可能な手段を持っているため、オペレー
タは小型カメラからの情報を表示するモニター部の映像
を確認しながら３自由度の方向に直接視点を移動させ、
必要とする視点に容易に固定することができる。また構
造が簡潔になり、携帯性も向上する。

【００２０】また、このカメラを利用する状況によって
は制御回路部を省略可能になる。図４は携帯容易な多自
由度カメラを携帯型パーソナルコンピュータに代表され
る携帯型情報端末機器に搭載した状態を示している。３
１は携帯型情報端末機器本体を、３２は搭載された携帯
容易な多自由度カメラを示している。この時、多自由度
カメラの各部電源については、情報機器からの供給を受
けることが可能である。また、制御ユニットに関して
は、情報端末機器の演算処理能力を利用し、駆動ユニッ
トへの指示を送ることが可能である。

【００２１】情報端末機器を経由して指令が入力される
と、情報端末機器内で制御ユニットもしくはこれに相当
する箇所が処理を行い、この指令がロータ２１の移動量
に変換されてステータ２２、２３、２４に印加される交
流電流が制御される。これによりロータ２１が与えられ
た指令に連動して回転し、ロータ２１に設置された小型
カメラの視点は目的とする視点へ移動することができ
る。

【００２２】このため、情報端末機器の操作部から視点
移動の指示を送れば、これに応じて視点は移動可能とな
る。これにより、使用者が該情報端末機器のモニター部
３４の映像を確認しながら直接視点を移動させ、必要と
する視点に容易に固定することができる。また、情報端
末機器内にあらかじめ制御プログラムを搭載した場合、
このプログラムの内容に沿って情報端末機器は独自に任
意の視点の画像を撮影することが出来る。

【００２３】通信による情報端末機器の操作が可能な場
合、これに携帯容易な多自由度カメラを搭載していれ
ば、前期と同様の制御方法によって視点選択を任意に遠
隔操作できる。これより、影像を伴う通信において情報
端末機器等に携帯容易な多自由度カメラを搭載して使用
すれば、表示される映像を受信する側から操作すること
ができる。よって、通信によるテレビ会議など、受信す
る側がより多く、正確な情報を必要とする場合には非常
に有効である。

【００２４】加えて、視点の対象物が人間など、一ヶ所
に固定されない移動体である場合、その移動を追尾する
ように駆動ユニットに指示を与えておけば、携帯容易な
多自由度カメラは受像する映像から対象物の移動を確認
し、その対象物に視点が定まるようにステータ２２、２
３、２４に印加する交流電流を制御し、ロータ２１を回
転させて追尾させることも可能である。

【００２５】また、この携帯容易な多自由度カメラを任
意の場所に設置しておけば、その場所の多くの部分を視
野として観察することができる。さらに、この携帯容易
な多自由度カメラに情報端末機器を接続し、通信回線に
接続しておけば、遠距離から遠隔操作によって視点の操
作が可能である。このため、仕事先や出張先の、また自
宅内の内部における、観測カメラとしても有用である。

【考案の効果】

【００２６】ロータの姿勢を変化する手段としてステー
タの個数を３個に限定した作業領域の広い球面超音波モ
ータとすることで、障害となるステータの配置位置をロ
ータの下半球面に集中して従来のステータを４個使用す
るものよりも広い視野角が得られる。またステータの個
数が減少し、構造が簡略化されることから形状、重量と
もに小さく済む。このように小型で軽量なものであれば
設置場所に苦慮する必要もなく、また移動も容易である
ので、携帯する上で非常に有用である。

【００２７】さらに制御に関しても、使用するステータ
は３個であるので、発生する角速度ベクトルの数とロー
タの移動可能な自由度の数は双方とも３個である。この
ため、ロータ２１の移動に対して影響を及ぼす冗長ベク
トルは存在せず、入力に対する応答に均一性が生じるこ
とから制御性が向上し、ロータ２１を安定して円滑に移
動できる。

【００２８】本発明における携帯容易な多自由度カメラ
は、形状及び重量が小さいこと、制御性が高いこととい
う特性から、携帯型情報端末機器への搭載が可能であ
る。これによれば、情報を画像という形で容易に入力す
ることが可能であり、またこの情報端末機器を利用し
た、回線を使用した映像を伴う通信においては、表示さ
れる映像を受信する側から操作することができるため、
回線を使用したテレビ会議など、受信する側がより多
く、正確な情報を必要とする場合に都合がよい。また、
この携帯容易な多自由度カメラを搭載した情報端末機器
を任意の場所に設置しておけば、その場所の多くの部分
を視野とできるため、観測カメラとしても利用可能であ
る。このため、仕事先や出張先の、また自宅内の内部を
任意の視点で観察できる。また、周辺警備、野生動物な
ど、カメラの存在を極力目立たなくする必要がある場合
にも適当である。

【図面の簡単な説明】

【図１】ステータを４個使用する従来型の「ＳＭＡＬＬ
ＳＩＺＥＳＰＨＥＲＩＣＡＬＭＯＴＯＲＡＳＳＥ
ＭＢＬＹ」の斜視図

【図２】本発明に係る携帯容易な多自由度カメラの斜視
図

【図３】ステータをＺ方向に傾けることでＺ軸周りの回
転力を発生する原理を説明するための図

【図４】携帯容易な多自由度カメラを情報端末機器に搭
載した状態を説明するための図

【符号の説明】

１球体２駆動手段３駆動手段４駆動手段５駆動手段６圧電素子７小型カメラ７ｂ小型カメラのレンズ部８保持器２１球体２２駆動手段２３駆動手段２４駆動手段２５圧電素子２６保持器２７小型カメラ２７ｂ小型カメラのレンズ部２８角速度ベクトル２９角速度ベクトル３０角速度ベクトル３１情報端末機器３２情報端末機器に搭載された携帯容易な多自由度
カメラ３３情報端末機器の操作部３４モニター

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】小型カメラを支持する球体と、この球
体を少なくとも２自由度で駆動する駆動手段を有すると
ともに、以下の要件を備えたことを特徴とする、多自由
度カメラ。（イ）上記小型カメラを上記球体の中心軸上に設置し、
このロータによって小型カメラのレンズの向く方向を変
更できるようにしたこと。（ロ）上記駆動手段を上記球体をロータとしステータの
個数を３個に限定した作業領域の広い球面超音波モータ
で構成したこと。（ハ）全体の形状を極めて小型にすることが可能で、携
帯が容易であること。
【請求項２】携帯型パーソナルコンピュータに代表
される情報端末機器に搭載すること。
【請求項３】自動車に代表される移動体に搭載する
こと。
【請求項４】ステータの個数を３個に限定すること
で位置検出手段を利用した視点移動の制御を安定して行
えること。
【請求項５】テレビに代表される影像機器に搭載す
ること。