(57)【要約】【課題】高精度な回転制御を行うことができ、静音性に優れ、小型化が容易な回転台装置を提供する。【解決手段】回転台装置は、振動波モータ１９の出力回転軸２２に、被回転体１４を固定するための台座１３が固着されており、台座１３と被回転体１４とを合わせた質量の重心は出力回転軸２２からずれている。また、圧縮ばね１２の一端が出力回転軸２２からずれた位置に固定されており、圧縮ばね１２の加圧力が出力回転軸２２まわりの回転トルクに変換される。被回転体１４と台座１３とを合わせた重心が重力線上にあり、かつ、圧縮ばね１２が発生する力軸線と圧縮ばね１２の他端がこの重力線上にあるときに、圧縮ばね１２は最圧縮状態となっている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動源としての振動波モータと、
前記振動波モータの駆動力を出力する出力回転軸と、
被回転体を固定するための台座と、を備え、
前記台座は前記出力回転軸に固着されており、前記台座と前記被回転体とを合わせた質量の重心が前記出力回転軸からずれていることを特徴とする回転台装置。
【請求項２】
加圧力を発生させる加圧ばねを有し、前記加圧ばねの加圧力を前記出力回転軸まわりの回転トルクに変換するために前記出力回転軸からずれた位置に前記加圧ばねの一端が固定されてなる加圧力−回転トルク変換機構と、を更に備え、
前記被回転体と前記台座とを合わせた重心が重力線上にあり、かつ、前記加圧ばねが発生する力軸線と前記加圧ばねの他端が前記重力線上にあるときに、前記加圧ばねが最圧縮状態となっていることを特徴とする請求項１記載の回転台装置。
【請求項３】
駆動源としての振動波モータと、
前記振動波モータの駆動力を出力する出力回転軸と、
加圧力を発生させる加圧ばねを有し、前記加圧ばねの加圧力を前記出力回転軸まわりの回転トルクに変換するために前記出力回転軸からずれた位置に前記加圧ばねの一端が固定されてなる加圧力−回転トルク変換機構と、
回転中心が前記出力回転軸からずれた位置に設けられた台座を備え、前記台座に被回転体が固定された状態において前記台座と前記被回転体とを合わせた質量の重心が前記台座の回転中心からずれた状態に保持される被回転体保持機構と、
前記加圧力−回転トルク変換機構によって発生した回転トルクによって前記台座を回転させるトルク伝達機構と、を備えることを特徴とする回転台装置。
【請求項４】
前記加圧ばねによる負荷モーメントの相殺機構を更に備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の回転台装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転台装置に関し、例えば、任意のパターンを被回転体に投影し、投影されたパターンの変形を撮像装置により撮影して複数の画像を得て、これらの画像から計算により三次元形状をモデル化する三次元測定器に好適に用いられる回転台装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
被回転体に対して、スチルカメラやビデオカメラ、高感度カメラ、暗視カメラ等、各種の撮像装置を水平方向や垂直方向で回転させて複数の画像を撮影し、得られた画像から被回転体の三次元モデル画像を作成する三次元測定器が知られている（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００３】
三次元測定器を構成する回転台装置としては、被回転体や撮像装置の重量に見合ったトルクと大きさを有する駆動装置を備えたものが選択され、用いられている。近時、回転台装置に対する小型化や静音化の要望は強く、これに対して、例えば、遊星ギア等の減速機構を設けて小型化を図っている。
【０００４】
また、例えば、歯科医療関連分野では、義歯加工機械に三次元測定器が用いられており、近年では、歯型を作らずに対象形状を測定して義歯を加工作製することができるようになってきている。このような三次元測定器では、高い回転精度と高解像な画像データの取得が必要になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特公平５−４３２４４号公報
【特許文献２】特開平７−２８０５３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、遊星ギア等の減速機構では、不快な駆動音が発生するという問題や、バックラッシュが大きいために、高い回転精度を得ることが困難であり、そのため、高精度な画像を得ることが難しいという問題がある。特に、駆動音に関しては、民製用途では受け入れられ難いレベルのものとなっている。
【０００７】
また、高解像な画像データを得るための撮像装置として高精度の大判ＣＭＯＳセンサやＣＣＤセンサ等を搭載した小型の撮像装置が安価に入手可能となってきており、このような小型撮像装置を用いて構成される小型三次元測定器に適した回転台装置が切望されている。
【０００８】
本発明の目的は、高精度な回転制御を行うことができ、静音性に優れ、小型化が容易な回転台装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の請求項１に係る回転台装置は、駆動源としての振動波モータと、前記振動波モータの駆動力を出力する出力回転軸と、被回転体を固定するための台座と、を備え、前記台座は前記出力回転軸に固着されており、前記台座と前記被回転体とを合わせた質量の重心が前記出力回転軸からずれていることを特徴とする。
【００１０】
本発明の請求項２に係る回転台装置は、請求項１に係る回転台装置において、加圧力を発生させる加圧ばねを有し、前記加圧ばねの加圧力を前記出力回転軸まわりの回転トルクに変換するために前記出力回転軸からずれた位置に前記加圧ばねの一端が固定されてなる加圧力−回転トルク変換機構と、を更に備え、前記被回転体と前記台座とを合わせた重心が重力線上にあり、かつ、前記加圧ばねが発生する力軸線と前記加圧ばねの他端が前記重力線上にあるときに、前記加圧ばねが最圧縮状態となっていることを特徴とする。
【００１１】
本発明の請求項３に係る回転台装置は、駆動源としての振動波モータと、前記振動波モータの駆動力を出力する出力回転軸と、加圧力を発生させる加圧ばねを有し、前記加圧ばねの加圧力を前記出力回転軸まわりの回転トルクに変換するために前記出力回転軸からずれた位置に前記加圧ばねの一端が固定されてなる加圧力−回転トルク変換機構と、回転中心が前記出力回転軸からずれた位置に設けられた台座を備え、前記台座に被回転体が固定された状態において前記台座と前記被回転体とを合わせた質量の重心が前記台座の回転中心からずれた状態に保持される被回転体保持機構と、前記加圧力−回転トルク変換機構によって発生した回転トルクによって前記台座を回転させるトルク伝達機構と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
本発明の請求項４に係る回転台装置は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の回転台装置において、前記加圧ばねによる負荷モーメントの相殺機構を更に備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１記載の回転台装置によれば、振動波モータを用いて被回転体をダイレクトに駆動するため、高精度な回転制御（角度制御、速度制御、停止制御）を実現することができる。これにより、請求項１記載の回転台装置を用いた三次元測定器では、高精度な画像データを容易に取得することができるようになる。また、振動波モータを用いることで、小型化を容易に実現しながら、大きなトルクを得ることができ、無通電時には大きな保持力を得ることができる。更に、振動波モータを用いることで、静音性を飛躍的に向上させることができる。なお、振動波モータは、電磁モータのように磁界を発生させるコイルを備えていないため、動作原理上、電磁ノイズが発生しない。そのため、例えば、電子精密機器等と併用しても、電子精密機器に誤作動を生じさせる悪影響を与えない。
【００１４】
請求項２記載の回転台装置によれば、加圧ばねを用いて加圧力−回転トルク変換機構を構成し、その配置を適切に設定することにより、安価でしかも小型な構成を容易に実現することができる。例えば、低トルクの振動波モータでも、加圧ばねによる大きな回転トルクを得ることができる。
【００１５】
請求項３記載の回転台装置によれば、振動波モータの出力回転軸と台座の回転中心とが一致していない構造であっても、トルク伝達機構を用いることによって、請求項１記載の回転台装置と同様の効果を得ることができる。
【００１６】
請求項４記載の回転台装置によれば、旋回台（雲台）等として好適な構成とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１実施形態に係る回転台装置の概略構造を示す側面図である。
【図２】第１実施形態に係る回転台装置の、圧縮ばねが最圧縮状態にあるときの正面図である。
【図３】第１実施形態に係る回転台装置の、圧縮ばねが傾斜した状態にあるときの正面図である。
【図４】図１に示される圧縮ばねの変位を示す模式図である。
【図５】図１に示される圧縮ばねの変位を示す模式図である。
【図６】第２実施形態に係る回転台装置を示す模式図である。
【図７】第３実施形態に係る回転台装置を示す模式図である。
【図８】第４実施形態に係る回転台装置を示す模式図である。
【図９】第１実施形態に係る回転台装置の動作を示す模式図である。
【図１０】第１に示される圧縮ばねが伸張した状態での長さを示す模式図である。
【図１１】第１実施形態に係る回転台装置で得られる回転トルクを示す図である。
【図１２】第３実施形態に係る回転台装置に用いられる負荷モーメントの相殺機構を示す模式図である。
【図１３】負荷モーメントの相殺機構の特性を示す図である。
【図１４】振動波モータの応答性（ステップ応答）を示す図である。
【図１５】振動波モータの概略構造を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明に係る回転台装置は、摩擦駆動を行う振動波モータに、振動波モータの回転軸に対して重心質量が重力方向に存在する状態で加圧力の最大点を取る（最圧縮状態となる）機構を組み合わせて構成される。以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１９】
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る回転台装置の概略構造を示す側面図である。回転台装置は、回転台装置筐体１７と、駆動源として回転台装置筐体１７に固定された振動波モータ１９と、振動波モータ１９の駆動力を出力する出力回転軸２２に固着された台座１３と、台座１３の回転角度を検出する回転位置検出器２１とを備えている。
【００２０】
回転台装置筐体１７は、例えば、三次元測定器等の機器本体に固定される構造体である。台座１３は、ねじ等を用いて振動波モータ１９の出力回転軸２２に固定される。台座１３には、被回転体１４が固定される。被回転体１４は、測定対象物や撮像装置等である。
【００２１】
回転位置検出器２１は、振動波モータ１９の反出力側に配置されており、台座１３の回転角度を直接に検出し、その検出結果によって振動波モータ１９の駆動が制御される。振動波モータ１９の好ましい構成については後に詳細に説明する。
【００２２】
この回転台装置では、台座１３に設けられた台座側固定部材２０と回転台装置筐体１７に設けられた筐体側固定部材１８との間で加圧力を発生させるために、加圧力−回転トルク変換機構としての加圧ばね（圧縮ばね）１２が、その一端が台座側固定部材２０に取り付けられ、その他端が筐体側固定部材１８に取り付けられて、配置されている。
【００２３】
図２は圧縮ばねが最圧縮状態にあるときの回転台装置の正面図であり、図２に示されるように、台座１３の回転角度が０°のときに、台座１３及び被回転体１４を合わせた重心が重力方向（最も下側）にあり、このとき、圧縮ばね１２は最圧縮状態となっている。つまり、被回転体１４と台座１３とを合わせた重心が重力線上にあり、かつ、圧縮ばね１２が発生する力軸線と圧縮ばね１２の他端（台座側固定部材２０側）がこの重力線上にあるときに、圧縮ばね１２が最圧縮状態となっている。このときの圧縮ばね１２の全長をＤ１とする。
【００２４】
図３は圧縮ばねが傾斜した状態にあるときの回転台装置の正面図である。図３に示されるように、台座１３が任意の角度θだけ回転した状態では、圧縮ばね１２は、図２に示される状態よりも伸びた状態となっており、そのときの全長をＤ２とする。当然に、Ｄ１＜Ｄ２の関係が成り立つ。
【００２５】
図１１に回転台装置で得られる回転トルクの大きさを表した図を示す。図１１の横軸は角度θである。図２に示される圧縮ばね１２の最圧縮状態は、図１１の横軸において０°で示される位置に対応する。図３に示されるように、角度θの絶対値が大きくなるほど、回転トルクも大きくなることがわかる。
【００２６】
図１０は、圧縮ばねが伸張した状態での長さを示す模式図である。図１０から、圧縮ばね１２の変位量を計算により求めることができることがわかる。台座側固定部材２０は回転中心である出力回転軸２２から距離Ｂだけずれたところに位置しており、上述の通り、圧縮ばね１２の一端は台座側固定部材２０に固定されている。また、回転台装置筐体１７に設けられている筐体側固定部材１８は、回転中心である出力回転軸２２から距離Ｃの位置にあり、上述の通り、圧縮ばね１２の他端が筐体側固定部材１８に固定されている。よって、Ｄ１は“Ｄ１＝Ｃ−Ｂ”により求めることができ、Ｄ２は図１０に併記した式により求めることができる。
【００２７】
図４は圧縮ばねの変位を示す模式図である。図４に示される符号１１は、回転中心（出力回転軸２２）から距離Ｂにある軌跡を示している。軌跡１１は、換言すれば、圧縮ばね１２の一端（台座側固定部材２０側）の軌跡である。図３に示される角度θを図１１に示されるように、−９０°〜９０°の範囲で変化させた場合、その軌跡１１は半円となるが、ここでは、この半円を含む円で示すこととする。
【００２８】
符号１６は、台座１３と被回転体１４の重量の総和に基づく重心の位置を示しており、重力方向に重量が発生していることを太矢印（重量）で図中に示している。また、圧縮ばね１２の力の発生方向と伸び具合を細矢印（符号１２）で表している。図４に示す０°、９０°、−９０°は、図３及び図１０に示した角度θを示している。図５は図４の圧縮ばね１２に関する部分のみを表した図である。
【００２９】
図９は回転台装置の動作を示す模式図であり、図４と同様に、圧縮ばね１２の状態毎に重心１６の位置を示したものである。図９（ｂ）に示されるように、角度θが０°のときは、圧縮ばね１２は最圧縮状態にあり、図９（ａ）に示すように、角度θが＋９０°側へ回転するほど圧縮ばね１２は伸び、同様に、図９（ｃ）に示すように、角度θが−９０°側へ回転する場合も、圧縮ばね１２は伸びる。図９（ａ），（ｃ）における回転トルクの大きさは、図１１に示されるように、角度θに依存する。
【００３０】
［第２実施形態］
図６は本発明の第２実施形態に係る回転台装置を示す模式図である。図６は図４と同様の手法で描かれている。この回転台装置は、トルク伝達機構１５を用いることによって、振動波モータ１９（図６に不図示）の出力回転軸２２の位置から離れた位置に回転軸を有する台座１３をその回転軸まわりに回転させることができることを示している。台座１３は、台座１３に被回転体１４が固定された状態において、台座１３と被回転体１４とを合わせた質量の重心が台座１３の回転軸からずれた状態に保持する被回転体保持機構として機能する。
【００３１】
圧縮ばね１２の一端は円板１１Ａに固定されており、この円板１１Ａが圧縮ばね１２の伸縮に対応して回転する。駆動力のトルク伝達機構１５としてギア、ローラ又はベルト（図６では実体を図示せず、円板１１Ａと接触する部分の軌跡としての円を図示している）等を用いて、円板１１Ａの回転トルクを台座１３へと伝達し、台座１３を回転させる。このとき、図１１の破線で示されるように、トルク伝達機構１５を用いることにより、台座１３を回転させるトルクの大きさを任意に調整することができる。なお、図１１の破線は、トルク伝達機構１５として減速器を用いることにより、トルクを大きくした例を示している。
【００３２】
［第３実施形態］
図７は本発明の第３実施形態に係る回転台装置を示す模式図である。図７は図４と同様の手法で描かれている。この回転台装置は、負荷モーメントの相殺機構を備えることで横ずれ成分を補正することができる構造を有している。このような構成とすることで、例えば、被回転体１４として放送用カメラを設置するためのカメラ雲台等として、好適となる。
【００３３】
図１２は負荷モーメントの相殺機構を示す模式図である。負荷モーメントの相殺機構とは、円板１０３（回転中心１２３）に作用した負荷モーメントによって撮像装置１１０が所定位置から距離Ｌだけずれた場合に、定荷重ばね１０１によって負荷モーメントをキャンセルすることで、撮像装置１１０の位置を修正する機構である。図１３は回転角度とモーメントの関係を示す模式図であり、この回転台装置では、図１１と図１３の各特性を足し合わせが可能であることがわかる。
【００３４】
［第４実施形態］
図８は本発明の第４実施形態に係る回転台装置を示す模式図である。この回転台装置は、上述した第２実施形態に係る回転台装置と第３実施形態に係る回転台装置の特徴を併せ持つものである。なお、そのため、ここでの詳細な説明は省略する。
【００３５】
［振動波モータ］
上述した本発明の一連の実施形態に係る回転台装置に用いられる振動波モータ１９の望ましい構成例について説明する。図１５は振動波モータの概略構造を示す断面図である。
【００３６】
振動波モータ１９は、リング状の金属弾性体１と、金属弾性体１の片面に取り付けられた摺動部材３と、摺動部材３を介して金属弾性体１に加圧接触するように配置された移動体としてのロータ５と、金属弾性体１において摺動部材３が取り付けられている面の反対面に取り付けられた圧電素子２とを備えている。
【００３７】
摺動部材３は、摺動性のよいＰＴＦＥ等の有機材料や酸化皮膜、メッキ膜等の耐摩耗性の高い金属材料で形成されており、例えば、接着剤を用いて金属弾性体１に接着されている。圧電素子２は、振動波モータ１９の駆動源となる電気−機械エネルギー変換素子であり、例えば、接着剤を用いて金属弾性体１に接着されている。
【００３８】
圧電素子２には、給電基板４を介して交番信号となる電圧が加えられ、２つの定在波の合成により進行波を金属弾性体１に形成し、これによりロータ５を金属弾性体１に対して相対移動させる。つまり、リング状振動波モータにおいては、圧電材料（圧電素子）に所定の周波数信号の電界をかけて振動体に振動を励起し、この振動により、振動体と振動体に接触するロータ（移動体）とを相対移動させる。
【００３９】
このような構造を有する振動波モータ１９は、保持力を発生するという特徴を備えている。つまり、振動波モータ１９は、無通電時にはディスクブレーキと同様の摩擦効果により、大きな保持力を有する。そのため、一般的な電磁モータと比較して、無通電時には数倍の保持力を有する。また、振動波モータ１９は、省電力で、起動トルクを大きく取ることができる。そのため、小型化にも有利である。
【００４０】
更に、振動波モータ１９は優れた高速応答性を備える。図１４は振動波モータの応答性（ステップ応答）を示す図である。図１４から、１ミリ秒での立ち上げが可能な高速応答性を示すことがわかる。加えて、振動波モータ１９では、瞬時に回転方向を転換することができる。これは、常に駆動面（摺動面）が接触しているからであり、振動波モータ１９の駆動位相を入れ替えると、ミリ秒レベルでの応答性による力と方向の変換が可能である。
【００４１】
ところで、本発明の各実施形態に係る回転台装置のように、回転軸に対して重心が重力方向に存在する状態で圧縮ばね（加圧ばね）の加圧力が最大点を取る機構を備えた回転台装置では、駆動源として電磁モータ（例えば、ブラシレス、ステッピング、コアード、コアレス）は不適である。その理由は次の通りである。
【００４２】
すなわち、本発明の各実施形態に係る回転台装置では、図１１で示したように、圧縮ばねの最大加圧点（θ＝０°）の位置で方向と力が入れ替わる位置、すなわち、力の発生する方向が不定な特異点が存在する。これに対し、電磁モータでは、駆動原理から電磁力の磁界で動作方向（回転方向）と力とが定まるため、一般的に、回転力としてのイナーシャが発生して回転方向とトルクが決まり、停止時においては力の方向が不定になって、制御的破綻が起こる。
【００４３】
以上の説明の通り、本発明に係る回転台装置は、三次元測定器や雲台装置をはじめとして、その他にも監視カメラシステム、高精細画像記録システム等の様々な用途に用いることができ、特に、医療現場において使われる三次元測定器に好適に用いられる。その１つの理由としては、静音性が高められているために、子供等の患者が治療を受ける医療現場では、動作音が患者に不安を与えず、これによりスムーズな医療行為が行なえるようになるということが挙げられる。また、別の理由として、使用時に電磁ノイズが発生しないことで、他の医療機器が誤動作する心配がなく、医療作業の信頼性を向上させることができることが挙げられる。
【符号の説明】
【００４４】
１    金属弾性体
２    圧電素子（電気−機械変換素子）
３    摺動部材
４    給電基板
５    ロータ
１１    軌跡
１１Ａ    円板
１２    圧縮ばね（加圧ばね）
１３    台座
１４    被回転体
１５    トルク伝達機構
１６    重心
１７    回転台装置筐体
１８    筐体側固定部材
１９    振動波モータ
２０    台座側固定部材
２１    回転位置検出器
２２    出力回転軸
１０１    定荷重ばね
１０３    円板
１２３    回転中心
１１０    撮像装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2010183780.tif 000013
【図１２】
2010183780.tif 000014
【図１３】
2010183780.tif 000015
【図１４】
2010183780.tif 000016
【図１５】
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