(57)【要約】第１図に示すように、第一ガイドレール（１１）と、平行する第二ガイドレール（１２）及び第三ガイドレール（１３）と、が、互いに直交するように土台（２）に取り付けられ、さらにこれらのガイドレールは、両端に取り付けられた軸（４）を中心にして回転する。これらのガイドレールが回転すると、これらのガイドレールに合わせてロータ（１）に取り付けられた指示棒（３）が移動するので、このロータ（１）も回転する。この指示棒（３）に取り付けられたスライダ（２２）が、第三ガイドレール（１３）のスリット（２１）に沿ってスライドする。このとき、これらのガイドレールの間隔によって、指示棒（３）を中心としたロータ（１）の回転角度が決定される。
2004011824.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
球体の一部又は全部を含むロータと、指示棒と、少なくとも１個のスライダと、少なくとも１個の土台と、４個の軸と、６個の軸受けと、第一〜第三の３個のガイドレールと、を含む３自由度回転システムであって、
前記ロータが前記指示棒を備えたことと、
２個の前記軸及び２個の前記軸受けを用いて、前記第一のガイドレールが前記土台に取り付けられたことと、
残りの２個の前記軸及び残りの４個の前記軸受けを用いて、前記第二のガイドレール及び前記第三のガイドレールが前記土台に取り付けられたことと、
少なくとも１個の前記スライダが前記指示棒に取り付けられたか、又は連結されたことと、
を特徴とし、
前記指示棒を前記第一のガイドレールに沿ってスライドさせながら、前記ロータが前記第一のガイドレールを支える２個の前記軸を中心にして回転することと、
前記指示棒を前記第二のガイドレールに沿ってスライドさせながら、前記ロータが前記第一のガイドレールを支える２個の前記軸を中心にして回転することと、
少なくとも１個の前記スライダを前記第三のガイドレールに沿ってスライドさせながら、前記ロータが前記指示棒を中心にして回転することと、
を特徴とする３自由度回転システム。
【請求項２】
請求項１記載の３自由度回転システムにおいて、
前記第一のガイドレール及び前記第二のガイドレールのうち、少なくとも１個にスリットが開けられることにより、前記指示棒がこれらの前記スリットを通ることを特徴とする３自由度回転システム。
【請求項３】
請求項１又は２記載の３自由度回転システムに対して、
第四のガイドレールが前記指示棒に取り付けられたことと、
前記スライダが前記第四のガイドレールをスライドすることと、
を特徴とする３自由度回転システム。
【請求項４】
球体の一部又は全部を含むロータと、指示棒と、少なくとも２個のスライダと、少なくとも１個の土台と、４個の軸と、６個の軸受けと、第一〜第三の３個のガイドレールと、を含む３自由度回転システムであって、
前記ロータが前記指示棒を備えたことと、
２個の前記軸及び２個の前記軸受けを用いて、前記第一のガイドレールが前記土台に取り付けられたことと、
残りの２個の前記軸及び残りの４個の前記軸受けを用いて、前記第二のガイドレール及び前記第三のガイドレールが前記土台に取り付けられたことと、
少なくとも２個の前記スライダが前記指示棒に取り付けられたか、又は連結されたことと、
を特徴とし、
前記指示棒を前記第一のガイドレールに沿ってスライドさせながら、前記ロータが前記第一のガイドレールを支える２個の前記軸を中心にして回転することと、
少なくとも２個の前記スライダを、それぞれ前記第二のガイドレール及び前記第三のガイドレールに沿ってスライドさせながら、前記ロータがこれらの前記ガイドレールを支える２個の前記軸を中心にして回転することと、
少なくとも２個の前記スライダを、それぞれ前記第二のガイドレール及び前記第三のガイドレールに沿ってスライドさせながら、前記ロータが前記指示棒を中心にして回転することと、
を特徴とする３自由度回転システム。
【請求項５】
請求項４記載の３自由度回転システムにおいて、
前記第一のガイドレールにスリットが開けられることにより、前記指示棒がこの前記スリットを通ることを特徴とする３自由度回転システム。
【請求項６】
請求項４又は５記載の３自由度回転システムに対して、
第四のガイドレール及び第五のガイドレールが前記指示棒に取り付けられたことと、
２個の前記スライダが、それぞれこれらの前記ガイドレールをスライドすることと、
を特徴とする３自由度回転システム。
【請求項７】
球体の一部又は全部を含むロータと、指示棒と、少なくとも２個のスライダと、少なくとも１個の土台と、４個の軸と、６個の軸受けと、第一〜第三及び第六の４個のガイドレールと、を含む３自由度回転システムであって、
前記ロータが前記指示棒を備えたことと、
２個の前記軸及び２個の前記軸受けを用いて、前記第一のガイドレール及び前記第六のガイドレールが前記土台に取り付けられたことと、
残りの２個の前記軸及び残りの４個の前記軸受けを用いて、前記第二のガイドレール及び前記第三のガイドレールが前記土台に取り付けられたことと、
少なくとも２個の前記スライダが前記指示棒に取り付けられたか、又は連結されたことと、
を特徴とし、
少なくとも２個の前記スライダを、それぞれ前記第一のガイドレール及び前記第六のガイドレールに沿ってスライドさせながら、前記ロータがこれらの前記ガイドレールを支える２個の前記軸を中心にして回転することと、
少なくとも２個の前記スライダを、それぞれ前記第二のガイドレール及び前記第三のガイドレールに沿ってスライドさせながら、前記ロータがこれらの前記ガイドレールを支える２個の前記軸を中心にして回転することと、
少なくとも２個の前記スライダを、それぞれ前記第二のガイドレール及び前記第三のガイドレールに沿ってスライドさせながら、前記ロータが前記指示棒を中心にして回転することと、
を特徴とする３自由度回転システム。
【請求項８】
請求項７記載の３自由度回転システムにおいて、
前記第一のガイドレール及び前記第六のガイドレールにスリットが開けられることにより、少なくとも２個の前記スライダが、それぞれこれらの前記スリットを通ることを特徴とする３自由度回転システム。
【請求項９】
請求項７又は８記載の３自由度回転システムに対して、
第四のガイドレール及び第五のガイドレールが前記指示棒に取り付けられたことと、
２個の前記スライダが、それぞれこれらの前記ガイドレールをスライドすることと、
を特徴とする３自由度回転システム。
【請求項１０】
請求項１〜９のうちいずれか１項に記載の３自由度回転システムにおいて、
前記指示棒がパイプであることと、
前記指示棒の中を少なくとも１本のワイヤが通ることと、
を特徴とする３自由度回転システム。
【請求項１１】
請求項１〜１０のうちいずれか１項に記載の３自由度回転システムであって、全ての前記軸が２個づつ向い合うように少なくとも１個の前記土台に取り付けられることを特徴とする３自由度回転システム。
【請求項１２】
請求項１〜１０のうちいずれか１項に記載の３自由度回転システムであって、
４個の前記軸受けが２個づつ向い合うように少なくとも１個の前記土台に取り付けられることと、
前記第二のガイドレール及び前記第三のガイドレールの一端に備えられた２個の前記軸が、それぞれ前記土台に取り付けられた２個の前記軸受けに取り付けられることと、
前記第二のガイドレール及び前記第三のガイドレールの別の一端に備えられた２個の前記軸受けが、それぞれ前記第三のガイドレール及び前記第二のガイドレールの前記軸に取り付けられることと、
を特徴とする３自由度回転システム。
【請求項１３】
請求項１〜１０のうちいずれか１項に記載の３自由度回転システムであって、
４個の前記軸受けが２個づつ向い合うように少なくとも１個の前記土台に取り付けられることと、
前記第二のガイドレールの両端に備えられた２個の前記軸が、それぞれ前記土台に取り付けられた２個の前記軸受けに取り付けられることと、
前記第三のガイドレールの両端に備えられた２個の前記軸受けが、それぞれ前記第二のガイドレールの前記軸に取り付けられることと、
を特徴とする３自由度回転システム。
【請求項１４】
請求項１〜１３のうちいずれか１項に記載の３自由度回転システムに対して、少なくとも１個のエンコーダが、前記ガイドレール、前記軸及び前記軸受けのうち少なくとも１つの回転角度を検出することにより、前記ロータの向きを検出することを特徴とする３自由度回転システム。
【請求項１５】
請求項１４記載の３自由度回転システムに対して、
少なくとも１個の前記エンコーダが複数の歯車を介して、前記ガイドレール、前記軸及び前記軸受けのうち少なくとも１個に連結することにより、前記ロータの前記向きを検出することを特徴とする３自由度回転システム。
【請求項１６】
請求項１４又は請求項１５記載の３自由度回転システムに対して、
少なくとも１個の前記エンコーダの各々が１個のアクチュエータを備えたことを特徴とする３自由度回転システム。
【請求項１７】
請求項１〜１３のうちいずれか１項に記載の３自由度回転システムに対して、
少なくとも１個のアクチュエータが、前記ガイドレール、前記軸及び前記軸受けのうち少なくとも１個を回転させることにより、前記ロータを回転させることを特徴とする３自由度回転システム。
【請求項１８】
請求項１７記載の３自由度回転システムに対して、
少なくとも１個の前記アクチュエータが複数の歯車を介して、前記ガイドレール、前記軸及び前記軸受けのうち少なくとも１個に連結することにより、前記ロータを回転させることを特徴とする３自由度回転システム。
【請求項１９】
請求項１４、１５又は１６記載の３自由度回転システムに対して、
少なくとも１個の前記エンコーダが、コンピュータシステムに接続されることにより、前記コンピュータシステムが前記ロータの回転角度を計算することを特徴とする３自由度回転システム。
【請求項２０】
請求項１６、１７又は１８記載の３自由度回転システムに対して、
少なくとも１個の前記アクチュエータが、コンピュータシステムに接続されることにより、前記コンピュータシステムが前記ロータを回転させることを特徴とする３自由度回転システム。
【請求項２１】
請求項２０記載の３自由度回転システムに対して、
前記指示棒と反対方向を撮影するカメラが前記ロータに埋め込まれたことを特徴とする人工眼球。
【請求項２２】
請求項２１記載の人工眼球において、
前記コンピュータシステムが、
前記カメラによって撮影された画像を記憶することと、
前記画像の各画素の順番を入れ替えて出力することと、
により、
前記画像が回転することを特徴とする人工眼球。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、少なくとも３個のガイドレールを用いた３自由度回転システムに関し、詳しくは、１個のガイドレールと残りの２個のガイドレールが直交するように、これらのガイドレールを土台に取り付け、ロータに取り付けられた指示棒及び指示棒に取り付けられた少なくとも１個のスライダが、これらのガイドレールに沿ってスライドしながらこれらのガイドレールを回転させることにより、このロータの向きを検出すると共に、これらのガイドレールをアクチュエータによって回転させることにより、このロータを回転させるものに関する。
【背景技術】  従来から、３自由度モータとして、圧電素子を用いたもの（特開昭６２−２２８３９２、特開平９−３４４０９、特開平９−２１９９８０、特開平１１−１８４５９、国際公開番号ＷＯ０２／１５３５８参照）、同期モータを用いたもの（矢野智昭、金子真、“回転中心を同一とする多自由度アクチュエータの基礎的検討”、日本ロボット学会誌、Ｖｏｌ．１１，Ｎｏ．６，ｐｐ．８７５−８８２、１９９３参照）、ステッピングモータを用いたもの（矢野智昭、鈴木健生、園部増雄、金子真、“回転中心を同一とする多自由度アクチュエータ（第４報）ステップモータの試作と基礎実験”、日本機会学会ロボティクス・メカトロニクス講演会講演論文集、Ｎｏ．Ｅ３０７，ｐｐ．１２１０−１２１１、１９９４参照）及び電磁石を用いたもの（特開昭６２−２２１８５６、特開平５−６４４１７、特開平９−１６８２７５参照）などが多数開発されてきたが、３個のエンコーダを用いて３つの回転軸の角度を検出する場合、少なくとも１個のエンコーダをモータと一緒に回転させる必要があり、構造が複雑になるばかりか、必要以上にモータのトルクを大きくしなければならなかった。また、ステッピングモータを用いた場合には、エンコーダを用いなくても正確な位置決めをすることができるけれども、エンコーダを用いた場合と同様に、少なくとも１個のステッピングモータを少なくとも１つの回転軸を中心に回転させる必要があった。そのため、多自由度移動機構の位置検出方法として、加速度検出器を用いたもの（特開平５−６４４１７、特開平９−１６８２７５）及び電磁石を用いたもの（矢野智昭、金子真、“回転中心を同一とする多自由度アクチュエータ（第６報）多極同期モータの位置決め制御”、第１２回ロボット学会学術講演会、Ｎｏ．１３５４，ｐｐ．１９３−１９４、１９９４参照）なども開発されてきた。しかしながら、これらの方法には以下のような問題点がある。例えば、加速度検出器を用いた場合、構造は単純であり、しかも３自由度の全てに対して制限なく検出することができるけれども、誤差が蓄積されるため、時間と共に位置の精度が悪くなる。また、電磁石を用いた場合、装置自体が重くなったり、磁力線を検出する部分が必要となり、しかもこの磁力線が電子部品に悪影響を及ぼす。
ここで多自由度モータの用途として、３つの回転軸に対して無限に回転する場合以外にも、例えば移動カメラ及びバックミラーのように、一定の範囲内を自由に回転できれば良い場合も多数考えられる。このとき、モータのように駆動する必要がなければ、球面軸受けを用いて簡単に３自由度の回転を実現することができる（例えば、特開平７−３１７７５８、特開平９−１６６１３５及び特開２０００−３０４０３９参照）。そこで、この球面軸受けのロータに指示棒を取り付け、さらにこの指示棒を用いて、直交した２個のガイドレールを回転させることにより、２つの回転軸に対しては、最大で１８０度まで回転角度を検出することができる。しかしながら、この方法では、指示棒を中心に回転するロータの傾きの角度を検出することができないばかりか、このロータがこの指示棒を中心に回転するのを止めることもできない。そこで２個のガイドレールのうちいずれか一方に対して平行になるように、新たなガイドレールが取り付けられた場合、この指示棒に取り付けられたスライダが、この新たなガイドレールに沿って平行移動するならば、このガイドレールは、２つの回転軸の可動範囲を殆んど狭めることなく、このロータを常に一定の傾きに保つことができる。さらに移動カメラ及びバックミラーなどの用途では、このロータを指示棒を中心に３６０度回転させる必要は殆んどなく、このロータの傾きを微調整することができれば、多自由度モータは十分に実用的である。そこで、平行する２個のガイドレールの間隔が変化しても、このスライダがこれらのガイドレールのうちの１個に沿ってスライドすることができれば、これらのガイドレールは最大で１８０度までこのロータの傾きを検出することができる。
これらのことを考慮すると、１個のガイドレールと、平行する２個のガイドレールと、が直交するように組み合わされるので、これらのガイドレールの各々の回転角度を検出するためには、３個のエンコーダが必要であるけれども、これらのガイドレールの回転軸は２つとなる。したがって、ロータの回転に応じてこれらのエンコーダを移動させる必要がないので、このロータの３つの回転軸の回転角度が簡単に検出され得ると期待される。勿論、アクチュエータによって、これらのガイドレールを回転させることにより、このロータは３つの回転軸に対して独立に回転することができると期待される。
そこで、請求項記載の本発明は、１個のガイドレールと、平行する２個のガイドレールと、が直交するように組み合わされ、しかも土台に固定されたエンコーダがこれらのガイドレールの回転角度を検出するような３自由度回転システムを開発することを目的とする。加えて、請求項記載の本発明は、土台に固定されたアクチュエータを用いて、これらのガイドレールを回転させるような３自由度回転システムを開発することも目的とする。
【発明の開示】
請求項１の発明は、球体の一部又は全部を含むロータと、指示棒と、少なくとも１個のスライダと、少なくとも１個の土台と、４個の軸と、６個の軸受けと、第一〜第三の３個のガイドレールと、を含む３自由度回転システムであって、前記ロータが前記指示棒を備えたことと、２個の前記軸及び２個の前記軸受けを用いて、前記第一のガイドレールが前記土台に取り付けられたことと、残りの２個の前記軸及び残りの４個の前記軸受けを用いて、前記第二のガイドレール及び前記第三のガイドレールが前記土台に取り付けられたことと、少なくとも１個の前記スライダが前記指示棒に取り付けられたか、又は連結されたことと、を特徴とし、前記指示棒を前記第一のガイドレールに沿ってスライドさせながら、前記ロータが前記第一のガイドレールを支える２個の前記軸を中心にして回転することと、前記指示棒を前記第二のガイドレールに沿ってスライドさせながら、前記ロータが前記第一のガイドレールを支える２個の前記軸を中心にして回転することと、少なくとも１個の前記スライダを前記第三のガイドレールに沿ってスライドさせながら、前記ロータが前記指示棒を中心にして回転することと、を特徴とする３自由度回転システムである。
本発明は、前記ロータが３自由度で回転する３自由度回転システムの実施形態である。本発明では、前記第一のガイドレール、前記第二のガイドレール及び前記第三のガイドレールは、主に前記ロータの中心に対して円弧状に形成され、これらの前記ガイドレールの回転に応じて前記ロータが回転すると共に、この前記ロータの回転に応じてこれらの前記ガイドレールが回転する。これらの前記ガイドレールの各々は、棒状であっても良いし、スリットを備えても良い。特に、これらの前記ガイドレールの各々がこの前記スリットを備えた場合、この前記ガイドレールは、１枚の板から切り出されても良いし、少なくとも２本のワイヤを組み合せて構成されても良い。前記指示棒の延長線上に前記ロータの中心を通る向きで、この前記指示棒はこの前記ロータに取り付けられる。このとき、この前記指示棒はパイプ状であっても良い。さらに、この前記ロータは中空であっても良い。４個の前記軸は前記第一のガイドレール、前記第二のガイドレール、前記第三のガイドレール及び少なくとも１個の前記土台のうち、いずれに固定されても良い。さらにこれらの前記軸が前記土台に固定される場合、これらの前記軸はスペーサを介してこれらの前記土台に取り付けられていても良い。ただし、２組の前記軸を結んだ２本の回転軸は直交し、さらに、それぞれ前記ロータの中心を通るものとする。前記軸受けにはボールベアリングを用いることもできる。前記第一のガイドレールは２個の前記軸を中心に回転するので、前記指示棒の向きがこの前記ガイドレールの向きと一致する。したがって、この前記ガイドレールの前記向きに応じて、前記ロータはこれらの前記軸を中心に回転する。前記第二のガイドレール及び前記第三のガイドレールは、それぞれ同じ２個の前記軸を中心に回転する。しかしながら、これらの前記軸の各々には２個の前記軸受けが取り付けられるので、これらの前記ガイドレールはそれぞれ独立に回転することができる。さらにこのとき、これらの前記ガイドレールは入れ子状になっても良いし、又は互い違いになっても良い。また、前記第三のガイドレールの両端は、この前記ガイドレールのうち円弧状の部分と前記土台が直交するように形成される。これにより、この前記ガイドレールがこれらの前記軸を通る回転軸を中心にして特定の角度を成す場合、この前記ガイドレールと前記第二のガイドレールの間隔が場所に因らず一定となる。少なくとも１個の前記スライダは前記第三のガイドレールに沿ってスライドするので、これらの前記ガイドレールの前記間隔が長くなると、この前記スライダと前記指示棒を通る直線と、これらの前記ガイドレールが成す角度は９０度に近づき、反対に、これらの前記ガイドレールの前記間隔が短くなると、この前記直線とこれらの前記ガイドレールが成す角度は０度に近づく。したがって、これらの前記ガイドレールの前記間隔を変えることにより、前記指示棒を中心とする前記ロータの回転角度を変更することができる。本発明は全ての前記土台を移動させることなく前記ロータを３自由度で回転させることができるので、３自由度回転システムに関する諸問題が好適に解決される。
請求項２の発明は、請求項１記載の３自由度回転システムにおいて、前記第一のガイドレール及び前記第二のガイドレールのうち、少なくとも１個にスリットが開けられることにより、前記指示棒がこれらの前記スリットを通ることを特徴とする３自由度回転システムである。前記第一のガイドレール及び前記第二のガイドレールは、それぞれ１枚の板から切り出されても良いし、少なくとも２本のワイヤを組み合せて構成されても良い。前記第一のガイドレールは２個の前記軸を中心に回転するので、この前記ガイドレールに開けられた前記スリットを前記指示棒が通ることにより、この前記指示棒の向きがこの前記ガイドレールの向きと一致する。前記第二のガイドレールは残りの２個の前記軸を中心に回転するので、この前記ガイドレールに開けられた前記スリットをこの前記指示棒が通ることにより、この前記指示棒の向きがこの前記ガイドレールの向きと一致する。したがって、これらの前記ガイドレールの向きを検出することにより、この前記指示棒の向きが正確に求められる。本発明は余計な手間を掛けずに前記指示棒の向きを決定することができるので、３自由度回転システムに関する諸問題が好適に解決される。
請求項３の発明は、請求項１又は２記載の３自由度回転システムに対して、第四のガイドレールが前記指示棒に取り付けられたことと、前記スライダが前記第四のガイドレールをスライドすることと、を特徴とする３自由度回転システムである。前記第四のガイドレールは、棒状であっても良いし、スリットを備えても良い。特に、この前記ガイドレールがこの前記スリットを備えた場合、この前記ガイドレールは、１枚の板から切り出されても良いし、少なくとも２本のワイヤを組み合せて構成されても良い。さらに、この前記ガイドレールが傘状になることにより、この前記ガイドレールは強度を増すことができる。この前記ガイドレールは前記指示棒を中心に回転するので、この前記ガイドレールに沿って少なくとも１個の前記スライダがスライドすることにより、この指示棒の回転方向はこの前記指示棒から見たこの前記スライダの方向と一致する。したがって、この前記指示棒の向きと、この前記ガイドレールの向きを検出することにより、この前記指示棒の回転方向が正確に求められる。本発明は全ての前記土台を移動させることなく前記ロータを３自由度で回転させることができるので、３自由度回転システムに関する諸問題が好適に解決される。
請求項４の発明は、球体の一部又は全部を含むロータと、指示棒と、少なくとも２個のスライダと、少なくとも１個の土台と、４個の軸と、６個の軸受けと、第一〜第三の３個のガイドレールと、を含む３自由度回転システムであって、前記ロータが前記指示棒を備えたことと、２個の前記軸及び２個の前記軸受けを用いて、前記第一のガイドレールが前記土台に取り付けられたことと、残りの２個の前記軸及び残りの４個の前記軸受けを用いて、前記第二のガイドレール及び前記第三のガイドレールが前記土台に取り付けられたことと、少なくとも２個の前記スライダが前記指示棒に取り付けられたか、又は連結されたことと、を特徴とし、前記指示棒を前記第一のガイドレールに沿ってスライドさせながら、前記ロータが前記第一のガイドレールを支える２個の前記軸を中心にして回転することと、少なくとも２個の前記スライダを、それぞれ前記第二のガイドレール及び前記第三のガイドレールに沿ってスライドさせながら、前記ロータがこれらの前記ガイドレールを支える２個の前記軸を中心にして回転することと、少なくとも２個の前記スライダを、それぞれ前記第二のガイドレール及び前記第三のガイドレールに沿ってスライドさせながら、前記ロータが前記指示棒を中心にして回転することと、を特徴とする３自由度回転システムである。
本発明は、前記ロータが３自由度で回転する３自由度回転システムの実施形態である。本発明では、前記第一のガイドレール、前記第二のガイドレール及び前記第三のガイドレールは、主に前記ロータの中心に対して円弧状に形成され、これらの前記ガイドレールの回転に応じて前記ロータが回転すると共に、この前記ロータの回転に応じてこれらの前記ガイドレールが回転する。これらの前記ガイドレールの各々は、棒状であっても良いし、スリットを備えても良い。特に、これらの前記ガイドレールの各々がこの前記スリットを備えた場合、この前記ガイドレールは、１枚の板から切り出されても良いし、少なくとも２本のワイヤを組み合せて構成されても良い。前記指示棒の延長線上に前記ロータの中心を通る向きで、この前記指示棒はこの前記ロータに取り付けられる。このとき、この前記指示棒はパイプ状であっても良い。さらに、この前記ロータは中空であっても良い。４個の前記軸は前記第一のガイドレール、前記第二のガイドレール、前記第三のガイドレール及び少なくとも１個の前記土台のうち、いずれに固定されても良い。さらにこれらの前記軸が前記土台に固定される場合、これらの前記軸はスペーサを介してこれらの前記土台に取り付けられていても良い。ただし、２組の前記軸を結んだ２本の回転軸は直交し、さらに、それぞれ前記ロータの中心を通るものとする。前記軸受けにはボールベアリングを用いることもできる。前記第一のガイドレールは２個の前記軸を中心に回転するので、前記指示棒の向きがこの前記ガイドレールの向きと一致する。したがって、この前記ガイドレールの前記向きに応じて、前記ロータはこれらの前記軸を中心に回転する。前記第二のガイドレール及び前記第三のガイドレールは、それぞれ同じ２個の前記軸を中心に回転する。しかしながら、これらの前記軸の各々には２個の前記軸受けが取り付けられるので、これらの前記ガイドレールはそれぞれ独立に回転することができる。さらにこのとき、これらの前記ガイドレールは入れ子状になっても良いし、又は互い違いになっても良い。また、これらの前記ガイドレールの両端は、各々の前記ガイドレールのうち円弧状の部分と前記土台が直交するように形成される。これにより、これらの前記ガイドレールがこれらの前記軸を通る回転軸を中心にして特定の角度を成す場合、これらの前記ガイドレールの間隔が場所に因らず一定となる。前記指示棒には少なくとも２個の前記スライダが向い合って取り付けられているか、又は連結されており、これらの前記スライダは、それぞれこれらの前記ガイドレールに沿ってスライドするので、これらの前記ガイドレールの前記間隔が長くなると、これらの前記スライダとこれらの前記ガイドレールが成す角度は９０度に近づき、反対に、これらの前記ガイドレールの前記間隔が短くなると、これらの前記スライダとこれらの前記ガイドレールが成す角度は０度に近づく。したがって、これらの前記ガイドレールの前記間隔を変えることにより、前記指示棒を中心とする前記ロータの回転角度を変更することができる。さらに、これらの前記ガイドレールの前記間隔の中央にこの前記指示棒が位置するように、これらの前記スライダの位置を調整することにより、この前記指示棒の向きがこれらの前記ガイドレールの前記間隔の前記中央の前記向きと一致するので、この前記向きに応じて、前記ロータは、これらの前記ガイドレールを支える２個の前記軸を中心に回転する。本発明は全ての前記土台を移動させることなく前記ロータを３自由度で回転させることができるので、３自由度回転システムに関する諸問題が好適に解決される。
請求項５の発明は、請求項４記載の３自由度回転システムにおいて、前記第一のガイドレールにスリットが開けられることにより、前記指示棒がこの前記スリットを通ることを特徴とする３自由度回転システムである。前記第一のガイドレールは、１枚の板から切り出されても良いし、少なくとも２本のワイヤを組み合せて構成されても良い。前記第一のガイドレールは２個の前記軸を中心に回転するので、この前記ガイドレールに開けられた前記スリットを前記指示棒が通ることにより、この前記指示棒の向きがこの前記ガイドレールの向きと一致する。したがって、この前記ガイドレールの向きを検出することにより、この前記ガイドレールを支える２個の前記軸を中心としたこの前記指示棒の回転角度が正確に求められる。本発明は余計な手間を掛けずに前記指示棒の向きを決定することができるので、３自由度回転システムに関する諸問題が好適に解決される。
請求項６の発明は、請求項４又は５記載の３自由度回転システムに対して、第四のガイドレール及び第五のガイドレールが前記指示棒に取り付けられたことと、２個の前記スライダが、それぞれこれらの前記ガイドレールをスライドすることと、を特徴とする３自由度回転システムである。前記第四のガイドレール及び前記第五のガイドレールは、棒状であっても良いし、スリットを備えても良い。特に、これらの前記ガイドレールがこの前記スリットを備えた場合、これらの前記ガイドレールは、１枚の板から切り出されても良いし、少なくとも２本のワイヤを組み合せて構成されても良い。さらに、これらの前記ガイドレールが組み合わさって、傘状になることにより、これらの前記ガイドレールは強度を増すことができる。これらの前記ガイドレールは前記指示棒を中心に回転するので、これらの前記ガイドレールに沿って少なくとも２個の前記スライダがスライドすることにより、この指示棒の回転方向はこの前記指示棒から見た、少なくとも１個の前記スライダの方向と一致する。したがって、この前記指示棒の向きと、これらの前記ガイドレールの向きを検出することにより、この前記指示棒の回転方向が正確に求められる。本発明は全ての前記土台を移動させることなく前記ロータを３自由度で回転させることができるので、３自由度回転システムに関する諸問題が好適に解決される。
請求項７の発明は、球体の一部又は全部を含むロータと、指示棒と、少なくとも２個のスライダと、少なくとも１個の土台と、４個の軸と、６個の軸受けと、第一〜第三及び第六の４個のガイドレールと、を含む３自由度回転システムであって、前記ロータが前記指示棒を備えたことと、２個の前記軸及び２個の前記軸受けを用いて、前記第一のガイドレール及び前記第六のガイドレールが前記土台に取り付けられたことと、残りの２個の前記軸及び残りの４個の前記軸受けを用いて、前記第二のガイドレール及び前記第三のガイドレールが前記土台に取り付けられたことと、少なくとも２個の前記スライダが前記指示棒に取り付けられたか、又は連結されたことと、を特徴とし、少なくとも２個の前記スライダを、それぞれ前記第一のガイドレール及び前記第六のガイドレールに沿ってスライドさせながら、前記ロータがこれらの前記ガイドレールを支える２個の前記軸を中心にして回転することと、少なくとも２個の前記スライダを、それぞれ前記第二のガイドレール及び前記第三のガイドレールに沿ってスライドさせながら、前記ロータがこれらの前記ガイドレールを支える２個の前記軸を中心にして回転することと、少なくとも２個の前記スライダを、それぞれ前記第二のガイドレール及び前記第三のガイドレールに沿ってスライドさせながら、前記ロータが前記指示棒を中心にして回転することと、を特徴とする３自由度回転システムである。
本発明は、前記ロータが３自由度で回転する３自由度回転システムの実施形態である。本発明では、前記第一のガイドレール、前記第二のガイドレール、前記第三のガイドレール及び前記第六のガイドレールは、主に前記ロータの中心に対して円弧状に形成され、これらの前記ガイドレールの回転に応じて前記ロータが回転すると共に、この前記ロータの回転に応じてこれらの前記ガイドレールが回転する。ただし、前記第一のガイドレールと前記第六のガイドレールは結合されているか、又は元々一つの材料から作られているものとする。これらの前記ガイドレールの各々は、棒状であっても良いし、スリットを備えても良い。特に、これらの前記ガイドレールの各々がこの前記スリットを備えた場合、この前記ガイドレールは、１枚の板から切り出されても良いし、少なくとも２本のワイヤを組み合せて構成されても良い。前記指示棒の延長線上に前記ロータの中心を通る向きで、この前記指示棒はこの前記ロータに取り付けられる。このとき、この前記指示棒はパイプ状であっても良い。さらに、この前記ロータは中空であっても良い。４個の前記軸は前記第一のガイドレール、前記第二のガイドレール、前記第三のガイドレール及び少なくとも１個の前記土台のうち、いずれに固定されても良い。さらにこれらの前記軸が前記土台に固定される場合、これらの前記軸はスペーサを介してこれらの前記土台に取り付けられていても良い。ただし、２組の前記軸を結んだ２本の回転軸は直交し、さらに、それぞれ前記ロータの中心を通るものとする。前記軸受けにはボールベアリングを用いることもできる。前記第一のガイドレール及び前記第六のガイドレールは、２個の前記軸を中心に一緒に回転するので、これらの前記ガイドレールの間隔の中央にこの前記指示棒が位置するように、これらの前記ガイドレールの位置を調整することにより、この前記指示棒の向きがこれらの前記ガイドレールの前記間隔の前記中央の前記向きと一致する。したがって、この前記向きに応じて、前記ロータはこれらの前記軸を中心に回転する。前記第二のガイドレール及び前記第三のガイドレールは、それぞれ同じ２個の前記軸を中心に回転する。しかしながら、これらの前記軸の各々には２個の前記軸受けが取り付けられるので、これらの前記ガイドレールはそれぞれ独立に回転することができる。さらにこのとき、これらの前記ガイドレールは入れ子状になっても良いし、又は互い違いになっても良い。また、これらの前記ガイドレールの両端は、各々の前記ガイドレールのうち円弧状の部分と前記土台が直交するように形成される。これにより、これらの前記ガイドレールがこれらの前記軸を通る回転軸を中心にして特定の角度を成す場合、これらの前記ガイドレールの間隔が場所に因らず一定となる。前記指示棒には少なくとも２個の前記スライダが向い合って取り付けられているか、又は連結されており、これらの前記スライダは、それぞれこれらの前記ガイドレールに沿ってスライドするので、これらの前記ガイドレールの前記間隔が長くなると、これらの前記スライダとこれらの前記ガイドレールが成す角度は９０度に近づき、反対に、これらの前記ガイドレールの前記間隔が短くなると、これらの前記スライダとこれらの前記ガイドレールが成す角度は０度に近づく。したがって、これらの前記ガイドレールの前記間隔を変えることにより、前記指示棒を中心とする前記ロータの回転角度を変更することができる。さらに、これらの前記ガイドレールの前記間隔の中央にこの前記指示棒が位置するように、これらの前記スライダの位置を調整することにより、この前記指示棒の向きがこれらの前記ガイドレールの前記間隔の前記中央の前記向きと一致するので、この前記向きに応じて、前記ロータは、これらの前記ガイドレールを支える２個の前記軸を中心に回転する。本発明は全ての前記土台を移動させることなく前記ロータを３自由度で回転させることができるので、３自由度回転システムに関する諸問題が好適に解決される。
請求項８の発明は、請求項７記載の３自由度回転システムにおいて、前記第一のガイドレール及び前記第六のガイドレールにスリットが開けられることにより、少なくとも２個の前記スライダが、それぞれこれらの前記スリットを通ることを特徴とする３自由度回転システムである。前記第一のガイドレール及び前記第六のガイドレールは、それぞれ１枚の板から切り出されても良いし、少なくとも２本のワイヤを組み合せて構成されても良い。ただし、これらのガイドレールは２個の前記軸を中心に一緒に回転するものとする。これらの前記ガイドレールはこれらの前記軸を中心に回転するので、少なくとも２個の前記スライダが、それぞれこれらの前記ガイドレールに開けられた前記スリットを通り、さらにこれらの前記スライダの中央に前記指示棒が位置することにより、この前記指示棒の向きがこれらの前記ガイドレールの向きと一致する。したがって、これらの前記ガイドレールの向きを検出することにより、これらの前記ガイドレールを支える２個の前記軸を中心としたこの前記指示棒の回転角度が正確に求められる。本発明は余計な手間を掛けずに前記指示棒の向きを決定することができるので、３自由度回転システムに関する諸問題が好適に解決される。
請求項９の発明は、請求項７又は８記載の３自由度回転システムに対して、第四のガイドレール及び第五のガイドレールが前記指示棒に取り付けられたことと、２個の前記スライダが、それぞれこれらの前記ガイドレールをスライドすることと、を特徴とする３自由度回転システムである。前記第四のガイドレール及び前記第五のガイドレールは、棒状であっても良いし、スリットを備えても良い。特に、これらの前記ガイドレールがこの前記スリットを備えた場合、これらの前記ガイドレールは、１枚の板から切り出されても良いし、少なくとも２本のワイヤを組み合せて構成されても良い。さらに、これらの前記ガイドレールが組み合わさって、傘状になることにより、これらの前記ガイドレールは強度を増すことができる。これらの前記ガイドレールは前記指示棒を中心に回転するので、これらの前記ガイドレールに沿って少なくとも２個の前記スライダがスライドすることにより、この指示棒の回転方向はこの前記指示棒から見た、少なくとも１個の前記スライダの方向と一致する。したがって、この前記指示棒の向きと、これらの前記ガイドレールの向きを検出することにより、この前記指示棒の回転方向が正確に求められる。本発明は全ての前記土台を移動させることなく前記ロータを３自由度で回転させることができるので、３自由度回転システムに関する諸問題が好適に解決される。
請求項１０の発明は、請求項１〜９のうちいずれか１項に記載の３自由度回転システムにおいて、前記指示棒がパイプであることと、前記指示棒の中を少なくとも１本のワイヤが通ることと、を特徴とする３自由度回転システムである。本発明では、前記ロータは前記球体であるか、又はこの前記球体の一部であり、さらにこの前記球体の内部は中空であっても良い。前記ロータには電子部品か機械部品が取り付けられ、少なくとも１本の前記ワイヤが、この前記電子部品及びこの前記機械部品に接続される。このとき、この前記電子部品に接続されたこれらの前記ワイヤのうち、少なくとも１本は電線である。これにより、これらの前記ワイヤは、全ての前記ガイドレールに絡まることなく、この前記ロータから外部に取り出すことができる。本発明は、前記ロータの向きに関係なく、全ての前記ワイヤをこの前記ロータから取り出すことができるので、３自由度回転システムに関する諸問題が好適に解決される。
請求項１１の発明は、請求項１〜１０のうちいずれか１項に記載の３自由度回転システムであって、全ての前記軸が２個づつ向い合うように少なくとも１個の前記土台に取り付けられることを特徴とする３自由度回転システムである。４個の前記軸は前記土台に埋め込まれていても良いし、少なくとも１個の前記土台から切り出されていても良いし、又はスペーサを介して取り付けられていても良い。ただし、２組の前記軸を結んだ２本の回転軸は直交し、さらに、それぞれ前記ロータの中心を通るものとする。前記第二のガイドレール及び前記第三のガイドレールの両端には、それぞれ１個の前記軸受けが取り付けられているか又は形成されており、それぞれ対応する２個の前記軸に接続されている。したがって、これらの前記ガイドレールはそれぞれ独立に回転することができる。前記第一のガイドレール、前記第四のガイドレール及び前記第五のガイドレールのうち少なくとも１個の両端には、２個の前記軸受けが取り付けられているか又は形成されており、それぞれ対応する２個の前記軸受けに接続されている。本発明は全ての前記土台を移動させることなく前記ロータを３自由度で回転させることができるので、３自由度回転システムに関する諸問題が好適に解決される。
請求項１２の発明は、請求項１〜１０のうちいずれか１項に記載の３自由度回転システムであって、４個の前記軸受けが２個づつ向い合うように少なくとも１個の前記土台に取り付けられることと、前記第二のガイドレール及び前記第三のガイドレールの一端に備えられた２個の前記軸が、それぞれ前記土台に取り付けられた２個の前記軸受けに取り付けられることと、前記第二のガイドレール及び前記第三のガイドレールの別の一端に備えられた２個の前記軸受けが、それぞれ前記第三のガイドレール及び前記第二のガイドレールの前記軸に取り付けられることと、を特徴とする３自由度回転システムである。４個の前記軸受けは少なくとも１個の前記土台から形成されても良いし、スペーサを介して取り付けられていても良い。ただし、これらの前記軸受けに接続される２組の前記軸を結んだ２本の回転軸は直交し、さらに、それぞれ前記ロータの中心を通るものとする。前記第二のガイドレール及び前記第三のガイドレールの前記一端には、それぞれ１個の前記軸が取り付けられているか又は形成されており、それぞれ対応する２個の前記軸受けに接続されている。しかもそれぞれの前記ガイドレールの両端のうち前記軸がない方には前記軸受けが取り付けられているか又は形成されており、対応する前記軸が貫通することにより、これらの前記ガイドレールはそれぞれ独立に回転することができる。前記第一のガイドレール、前記第四のガイドレール及び前記第五のガイドレールのうち少なくとも１個の両端には、２個の前記軸が取り付けられているか又は形成されており、それぞれ対応する２個の前記軸受けに接続されている。本発明は全ての前記土台を移動させることなく前記ロータを３自由度で回転させることができるので、３自由度回転システムに関する諸問題が好適に解決される。
請求項１３の発明は、請求項１〜１０のうちいずれか１項に記載の３自由度回転システムであって、４個の前記軸受けが２個づつ向い合うように少なくとも１個の前記土台に取り付けられることと、前記第二のガイドレールの両端に備えられた２個の前記軸が、それぞれ前記土台に取り付けられた２個の前記軸受けに取り付けられることと、前記第三のガイドレールの両端に備えられた２個の前記軸受けが、それぞれ前記第二のガイドレールの前記軸に取り付けられることと、を特徴とする３自由度回転システムである。４個の前記軸受けは少なくとも１個の前記土台から形成されても良いし、スペーサを介して取り付けられていても良い。ただし、これらの前記軸受けに接続される２組の前記軸を結んだ２本の回転軸は直交し、さらに、それぞれ前記ロータの中心を通るものとする。前記第二のガイドレールの前記両端には、それぞれ１個の前記軸が取り付けられているか又は形成されており、それぞれ対応する２個の前記軸受けに接続されている。また前記第三のガイドレールの前記両端には、それぞれ１個の前記軸受けが取り付けられているか又は形成されており、対応する前記軸が貫通することにより、これらの前記ガイドレールはそれぞれ独立に回転することができる。前記第一のガイドレール、前記第四のガイドレール及び前記第五のガイドレールのうち少なくとも１個の両端には、２個の前記軸が取り付けられているか又は形成されており、それぞれ対応する２個の前記軸受けに接続されている。本発明は全ての前記土台を移動させることなく前記ロータを３自由度で回転させることができるので、３自由度回転システムに関する諸問題が好適に解決される。
請求項１４の発明は、請求項１〜１３のうちいずれか１項に記載の３自由度回転システムに対して、少なくとも１個のエンコーダが、前記ガイドレール、前記軸及び前記軸受けのうち少なくとも１つの回転角度を検出することにより、前記ロータの向きを検出することを特徴とする３自由度回転システムである。前記エンコーダは、前記ガイドレール、前記軸及び前記軸受けのうち少なくとも１個の前記回転角度を検出することにより、対応する前記ガイドレールの前記回転角度を検出することができる。このとき、前記エンコーダは少なくとも１個の前記土台に直接固定されても良いし、スペーサ及び筐体を介してこれらの前記土台と接続されても良い。本発明は、３個の前記エンコーダを用いた場合でも、これらの前記エンコーダを移動させることなく前記ロータの向きを検出することができるので、３自由度回転システムに関する諸問題が好適に解決される。
請求項１５の発明は、請求項１４記載の３自由度回転システムに対して、少なくとも１個の前記エンコーダが複数の歯車を介して、前記ガイドレール、前記軸及び前記軸受けのうち少なくとも１個に連結することにより、前記ロータの前記向きを検出することを特徴とする３自由度回転システムである。複数の前記歯車には、平歯車、かさ歯車、円筒ギア及びウォームギアなどが用いられる。これらの前記歯車を組み合せることにより、前記ガイドレールの前記回転角度を高精度に検出することができる。ただし、これらの前記歯車のうち少なくとも１個の中心は、この前記ガイドレールに対応する前記軸と重なるように取り付けられるものとする。本発明は、３個の前記エンコーダを用いた場合でも、これらの前記エンコーダを移動させることなく前記ロータの向きを高精度に検出することができるので、３自由度回転システムに関する諸問題が好適に解決される。
請求項１６の発明は、請求項１４又は請求項１５記載の３自由度回転システムに対して、少なくとも１個の前記エンコーダの各々が１個のアクチュエータを備えたことを特徴とする３自由度回転システムである。１個の前記エンコーダと１個の前記アクチュエータが同じ回転子を共有することにより、この前記エンコーダが検出した前記ガイドレールの前記回転角度に応じて、前記アクチュエータはこの前記ガイドレールの前記回転角度を変更することができる。本発明は、３個の前記エンコーダ及び３個の前記アクチュエータを用いた場合でも、これらの前記エンコーダ及びこれらの前記アクチュエータを移動させることなく前記ロータの向きを高精度に検出することができるので、３自由度回転システムに関する諸問題が好適に解決される。
請求項１７の発明は、請求項１〜１３のうちいずれか１項に記載の３自由度回転システムに対して、少なくとも１個のアクチュエータが、前記ガイドレール、前記軸及び前記軸受けのうち少なくとも１個を回転させることにより、前記ロータを回転させることを特徴とする３自由度回転システムである。前記アクチュエータは、前記ガイドレール、前記軸及び前記軸受けのうち少なくとも１個を前記軸を中心に回転させることにより、対応する前記ガイドレールを回転させることができる。このとき、前記アクチュエータは少なくとも１個の前記土台に直接固定されても良いし、スペーサ及び筐体を介してこれらの前記土台と接続されても良い。本発明は、３個の前記アクチュエータを用いた場合でも、これらの前記アクチュエータを移動させることなく前記ロータを３自由度で回転させることができるので、３自由度回転システムに関する諸問題が好適に解決される。
請求項１８の発明は、請求項１７記載の３自由度回転システムに対して、少なくとも１個の前記アクチュエータが複数の歯車を介して、前記ガイドレール、前記軸及び前記軸受けのうち少なくとも１個に連結することにより、前記ロータを回転させることを特徴とする３自由度回転システムである。複数の前記歯車には、平歯車、かさ歯車、円筒ギア及びウォームギアなどが用いられる。これらの前記歯車を組み合せることにより、前記アクチュエータは小さなトルクで、しかも前記ガイドレールを高精度に回転させることができる。ただし、これらの前記歯車のうち少なくとも１個の中心は、この前記ガイドレールに対応する前記軸と重なるように取り付けられるものとする。本発明は、３個の前記アクチュエータを用いた場合でも、これらの前記アクチュエータを移動させることなく前記ロータの向きを高精度に回転させることができるので、３自由度回転システムに関する諸問題が好適に解決される。
請求項１９の発明は、請求項１４、１５又は１６記載の３自由度回転システムに対して、少なくとも１個の前記エンコーダが、コンピュータシステムに接続されることにより、前記コンピュータシステムが前記ロータの回転角度を計算することを特徴とする３自由度回転システムである。前記コンピュータシステムは、少なくとも１個の前記エンコーダから出力される、前記ガイドレール、前記軸及び前記軸受けのうち少なくとも１つの回転角度に対応した電気信号を入力する。これにより、前記エンコーダの前記電気信号が、前記ロータの前記回転角度に対して比例しなくても、前記コンピュータシステムは、数式及び表を用いて、この前記電気信号からこの前記回転角度を計算することができる。本発明は、前記指示棒の位置に応じて発生する、前記エンコーダの前記電気信号と前記ロータの前記回転角度の間のずれを補正することができるので、３自由度回転システムに関する諸問題が好適に解決される。
請求項２０の発明は、請求項１６、１７又は１８記載の３自由度回転システムに対して、少なくとも１個の前記アクチュエータが、コンピュータシステムに接続されることにより、前記コンピュータシステムが前記ロータを回転させることを特徴とする３自由度回転システムである。少なくとも１個の前記アクチュエータは、前記コンピュータシステムが出力する電気信号を入力する。これにより、前記コンピュータシステムの前記電気信号が、前記ロータの前記回転角度に対して比例しなくても、前記コンピュータシステムは、数式及び表を用いて、この前記回転角度を計算する。本発明は、前記指示棒の位置に応じて発生する、前記コンピュータシステムの前記電気信号と前記ロータの前記回転角度の間のずれを補正することができるので、３自由度回転システムに関する諸問題が好適に解決される。
請求項２１の発明は、請求項２０記載の３自由度回転システムに対して、前記指示棒と反対方向を撮影するカメラが前記ロータに埋め込まれたことを特徴とする人工眼球である。前記カメラのレンズが前記指示棒と反対方向に向き、しかもこの前記レンズの前記光軸が前記指示棒を通るように、この前記カメラは前記ロータに埋め込まれる。さらに、この前記カメラの電線は、パイプ状の前記指示棒の中を通って外部に取り出される。したがって、この前記カメラは外部からの指示により広範囲を撮影することができる。本発明は、前記コンピュータシステムを用いて、前記カメラの前記光軸の向きを制御することができるので、人工眼球に関する諸問題が好適に解決される。
請求項２２の発明は、請求項２１記載の人工眼球において、前記コンピュータシステムが、前記カメラによって撮影された画像を記憶することと、前記画像の各画素の順番を入れ替えて出力することと、により、前記画像が回転することを特徴とする人工眼球である。前記コンピュータシステムは、３自由度回転システムを用いることにより、前記カメラの光軸を中心にして約９０度まで前記画像を回転させることができる。さらに、この前記コンピュータシステムは、この前記画像の各画素の順番を変えることにより、アフィン変換をすることなく、この前記画像を９０度単位で３６０度回転させることができる。したがって、この前記コンピュータシステムは、特別な画像処理システムを用いることなく、この前記画像をほぼ３６０度回転させることができる。本発明は、この特別な前記画像処理システムを用いることなく、前記カメラが撮影した前記画像を任意の角度で回転させることができるので、人工眼球に関する諸問題が好適に解決される。
【図面の簡単な説明】  第１図は、第二ガイドレール及び第三ガイドレールが互い違いで土台に取り付けられた３自由度回転システムの説明図である。
第２図は、第二ガイドレールの外側になるように第三ガイドレールが土台に取り付けられた３自由度回転システムの説明図である。
第３図は、土台に取り付けられた第一ガイドレールの説明図である。
第４図は、第一ガイドレールのスリットを通る指示棒の説明図である。
第５図は、スペーサを介して土台に取り付けられた第一ガイドレールの説明図である。
第６図は、スペーサを介して２個の土台に挟まれたロータの説明図である。
第７図は、スライダの末端が外側に曲げられている場合の説明図である
第８図は、第三ガイドレールのスリットを通るスライダの説明図である。
第９図は、コの字形に曲げられた第三ガイドレールの説明図である。
第１０図は、スライダの末端が内側に曲げられている場合の説明図である
第１１図は、第７図に対して、スライダの末端に止め具が取り付けられている場合の説明図である
第１２図は、指示棒に取り付けられた第四ガイドレールのスリットに沿ってスライダがスライドする３自由度回転システムの説明図である。
第１３図は、スリットを開けられた第四ガイドレールが指示棒に取り付けられた場合の説明図である。
第１４図は、傘状の第四ガイドレールが指示棒に取り付けられた場合の説明図である。
第１５図は、パイプスライダが棒状の第四ガイドレールをスライドする場合の説明図である。
第１６図は、パイプスライダにスライダが取り付けられた場合の説明図である。
第１７図は、第１図に対して、２個のパイプスライダが、それぞれ棒状の第三ガイドレール及び第四ガイドレールに沿ってスライドする場合の説明図である。
第１８図は、パイプスライダが、棒状の第四ガイドレールに沿ってスライドし、このパイプスライダに１個のパイプスライダが連結軸によって連結された場合の説明図である。
第１９図は、パイプスライダが、棒状の第三ガイドレールに沿ってスライドし、このパイプスライダに取り付けられたスライダが第四ガイドレールに沿ってスライドする場合の説明図である。
第２０図は、スライダにパイプスライダが取り付けられた場合の説明図である。
第２１図は、２個のスライダの末端が外側に曲げられている場合の説明図である
第２２図は、第二ガイドレールのスリットを通るスライダの説明図である。
第２３図は、土台に取り付けられた第二ガイドレールの説明図である。
第２４図は、第三ガイドレールのスリットを通るスライダの説明図である。
第２５図は、２個のスライダの末端が内側に曲げられている場合の説明図である。
第２６図は、第二ガイドレール及び第三ガイドレールが互い違いで土台に取り付けられた３自由度回転システムの説明図である。
第２７図は、第二ガイドレールの外側になるように第三ガイドレールが土台に取り付けられた３自由度回転システムの説明図である。
第２８図は、第四ガイドレール及び第五ガイドレールが指示棒に取り付けられている場合の説明図である。
第２９図は、第一ガイドレール及び第六ガイドレールが一体となって土台に取り付けられた３自由度回転システムの説明図である。
第３０図は、第四ガイドレール及び第五ガイドレールが傘状に形成された場合の説明図である。
第３１図は、第２９図に対して、２対のスライダがそれぞれ連結棒によって連結された場合の説明図である。
第３２図は、第２９図に対して、第一ガイドレール及び第六ガイドレールがそれぞれ個別に土台に取り付けられた場合の説明図である。
第３３図は、第２９図に対して、２個のパイプスライダが、それぞれ棒状の第二ガイドレール及び第三ガイドレールに沿ってスライドする場合の説明図である。
第３４図は、第３３図に対して、２個のパイプスライダが、それぞれ棒状の第一ガイドレール及び第六ガイドレールに沿ってスライドする場合の説明図である。
第３５図は、第３４図に対して、２個のパイプスライダが、それぞれ棒状の第四ガイドレール及び第五ガイドレールに沿ってスライドする場合の説明図である。
第３６図は、２個のパイプスライダが、それぞれ棒状の第四ガイドレール及び第五ガイドレールに沿ってスライドし、各々のパイプスライダに２個のパイプスライダが連結軸によって連結された場合の説明図である。
第３７図は、第２６図に対して、第一ガイドレール、第二ガイドレール及び第三ガイドレールに直接エンコーダが接続された場合の説明図である。
第３８図は、第２６図に対して、第一ガイドレール、第二ガイドレール及び第三ガイドレールに取り付けられた歯車の説明図である。
第３９図は、第２６図に対して、第一ガイドレール、第二ガイドレール及び第三ガイドレールに取り付けられた歯車を介してエンコーダが接続された場合の説明図である。
第４０図は、カメラがロータに埋め込まれた人工眼球の説明図である。
【発明を実施するための最良の形態】  以下、本発明の第一ガイドレール１１、第二ガイドレール１２及び第三ガイドレール１３を利用した３自由度回転システム（３  ｄｅｇｒｅｅ−ｏｆ−ｆｒｅｅｄｏｍ  ｒｏｔａｔｉｏｎ  ｓｙｓｔｅｍ）の実施形態を挙げ、図面を参照して説明する。
第１図及び第２図に示すように、３自由度回転システムの基本構造は、球状のロータ１及び円形に刳り貫かれた土台２を組み合わせた球面軸受け構造である。このロータ１には指示棒３が取り付けられている。さらに、この土台２には、第一ガイドレール１１が取り付けられた２個の軸４と、第二ガイドレール１２及び第三ガイドレール１３が取り付けられた２個の軸４と、が互いに直行するように取り付けられている。そこで、この第一ガイドレール１１と、この第二ガイドレール１２及びこの第三ガイドレール１３とが交差する場所に、この指示棒３を配置することにより、この指示棒３はこれらのガイドレールに沿って移動することができる。つまり、このロータ１は、この指示棒３の向きに応じて３自由度に回転することができる。以下では、図面を参照しながら、３自由度回転システムの個々のパーツの機能について説明する。
まず、ロータ１と、回転軸６を中心に回転する第一ガイドレール１１と、が第３図及び第４図に示されている。第３図から明らかなように、このロータ１の中心がこの回転軸６上に位置するように、このロータ１が土台２の中央に配置され、２個の軸４がこの回転軸６上で向い合うように、この土台２に取り付けられている。このとき、この土台２の中心部分は円形に形成され、このロータ１が自由に回転できるようになっている。ただし、この土台２の外形は任意で良い。第一ガイドレール１１の両端には、それぞれ軸受け５が取り付けられているか、又は形成されており、この第一ガイドレール１１がこのロータ１の表面に沿って円弧状に湾曲するように、これらの軸受け５が、それぞれ対応する軸４に取り付けられている。そのため、この第一ガイドレール１１は、この回転軸６を中心に回転することができる。なお、これらの軸受け５にボールベアリングが用いられても良い。
さらに、第４図から明らかなように、指示棒３の延長線がこのロータ１の中心を通るように、この指示棒３がこのロータ１に取り付けられているか、又は形成されている。また、この第一ガイドレール１１にはスリット２１が開けられており、この指示棒３がこのスリット２１の中をスライドすることができる。したがって、このロータ１がこの回転軸６を中心に回転した場合、この指示棒３がこの第一ガイドレール１１を押すことにより、この第一ガイドレール１１も、このロータ１と同じ回転角度だけ、この回転軸６を中心に回転する。反対に、この第一ガイドレール１１がこの回転軸６を中心に回転した場合、この第一ガイドレール１１がこの指示棒３を押すことにより、このロータ１も、この第一ガイドレール１１と同じ回転角度だけ、この回転軸６を中心に回転する。
しかしながら、このロータ１がこのスリット２１の長手方向に沿って回転した場合、この指示棒３がこのスリット２１の中を単にスライドするため、この第一ガイドレール１１は回転しない。したがって、この指示棒３がこのスリット２１の末端に到達するまで、このロータ１は回転することができる。さらに、このロータ１がこの指示棒３を中心軸として回転した場合、この指示棒３がこの第一ガイドレール１１に力を加えないため、この第一ガイドレール１１は回転しない。したがって、このロータ１は、この指示棒３を中心軸として無限に回転することができる。
ところで、第３図及び第４図では、土台２が丁度ロータ１の中央に配置されていたが、これではこのロータ１は不安定になり、この土台２から簡単に外れてしまう。そこで第５図に示すように、この土台２の位置を回転軸６からずらし、さらに、各々の軸４をスペーサ７によってこの土台２に固定することにより、この土台２がこのロータ１を支えることができる。加えて、この土台２が指示棒３の邪魔にならないので、第一ガイドレール１１は１８０度以上回転することができる。ただし、この土台２の中心部分はこのロータ１の接触面に合わせて円形に形成され、さらにこのロータ１とこの土台２の間の摩擦が極力小さくなるように、それぞれの接触面は加工されるものとする。
もっとも、このままではこのロータ１はこの土台２の中で飛び跳ねてしまうので、第６図に示すように、このロータ１を２個の土台２に挟むことにより、このロータ１は安定することができる。また、このようにすれば、３自由度回転システムの組み立ても容易となる。このとき、このロータ１及びこの土台２の間に多数の転動体（一般にはボール）を配置することにより、このロータ１とこの土台２の間の摩擦を極端に小さくすることができるし、このロータ１の振動を抑えることもできる。
さて、ここまでは、１個の第一ガイドレール１１を用いた３自由度回転システムについて説明してきた。しかしながら、このシステムでは、ロータ１の３つの回転軸６のうち、１つの回転軸６を中心とした回転角度しか検出することはできない。ただし、第二ガイドレール１２の回転軸６が第一ガイドレール１１の回転軸６と直交するように、第８図に示す第二ガイドレール１２を土台２に取り付ければ、ロータ１の３つの回転軸６のうち、２つを中心とした回転角度を検出できることは自明である。そこで以下では、第三ガイドレール１３を用いて、ロータ１の３つの回転軸６のうち、残りの１つを中心とした回転角度を検出する方法について説明する。
まず、第７図に示すように、末端が外側に曲げられたスライダ２２を指示棒３に取り付ける。このとき、このスライダ２２のうち、この指示棒３に取り付けられた部分は任意の断面を有すると共に、これらの部分をロータ１の表面に沿って円弧状に湾曲させておくと良い。一方で、このスライダ２２の末端は棒状である。次に、第８図に示すように、第三ガイドレール１３のスリット２１にこのスライダ２２を通した後で、第二ガイドレール１２と同じ回転軸６に取り付ける。このとき、この土台２とこのスリット２１が直交するように、この第三ガイドレール１３の取付部２７とこのスリット２１が形成されることが望ましい。なお、第８図では、このスリット２１とこの取付部２７が成す角度τが９０度になる場合を示しているが、この角度τが９０度を越えるように設計されるならば、この第三ガイドレール１３の回転時に、この取付部２７がこの土台２の下側に大きくはみ出すのを防ぐことができる。さらに、このスリット２１は、このスライダ２２が滑らかにスライドするように、外側に向けて傾けられていると良い。最後に、これらのガイドレールは、入れ子状になるように、この土台２に取り付けられても良いし、また互い違いになるように、この土台２に取り付けられても良い。
さて、第８図に示すように、第二ガイドレール１２及び第三ガイドレール１３が平行になる場合、スライダ２２が、この第三ガイドレール１３のスリット２１の中をスライドすることにより、指示棒３もこれらのガイドレールに平行して移動することができる。しかもこれらのガイドレールの間隔が一定であるため、この指示棒３はその延長線に対して回転することはない。そこで、この間隔が一定のままで、これらのガイドレールが２個の軸４を通る回転軸６を中心に回転する場合を考える。このとき、このロータ１がこの回転軸６を中心に回転すれば、この指示棒３が第二ガイドレール１２を押したり引いたりすることにより、このガイドレールもこのロータ１と同じ回転角度だけ、この回転軸６を中心に回転する。反対に、このガイドレールがこの回転軸６を中心に回転した場合、このガイドレールがこの指示棒３を押したり引いたりすることにより、このロータ１も、このガイドレールと同じ回転角度だけ、この回転軸６を中心に回転する。
ここで、第二ガイドレール１２及び第三ガイドレール１３が独立して回転する場合を考える。このとき、これらのガイドレールの間隔は広くなったり狭くなったりする。そこで、スライダ２２の剛性により、これらのガイドレールの間隔が広くなった場合、このスライダ２２と、これらのガイドレールと、が成す角度θ（第１図及び第２図参照）が９０度に近づく方向に、指示棒３が回転する。反対に、これらのガイドレールの間隔が狭くなった場合、このスライダ２２と、これらのガイドレールと、が成す角度θが０度に近づく方向に、この指示棒３が回転する。したがって、ロータ１がこの指示棒３の延長線に対して回転した場合、回転方向に応じて、これらのガイドレールが成す角度が大きくなったり小さくなったりする。また、これらのガイドレールが成す角度を大きくしたり、小さくすることにより、このロータ１をこの指示棒３の延長線に対して回転させることもできる。このとき、このロータ１は、これらのガイドレールに対して０度〜１８０度の範囲で回転することができる。しかしながら、これらのガイドレールの回転角度の差分だけを用いた場合、０度〜９０度の範囲でしか回転角度を特定することができない。ただし、これらのガイドレールが共に第４図に示すような形状であり、これらのガイドレールが入れ子状に土台２に取り付けられ、さらに外側のガイドレールが指示棒３を跨ぐことができる場合に限り、０度〜１８０度の範囲で回転角度を特定することができる。
さて、ここで、第二ガイドレール１２及び第三ガイドレール１３が独立に回転する場合、これらのガイドレールの回転角度の差分が一定であっても、指示棒３の位置に応じて、これらのガイドレールの間隔が変化するという問題が起る。コンピュータシステムなどを用いて、これらの変化を補正することができれば特に問題はないが、さもなくば、何らかの補正手段が必要になる。そこで、これらのガイドレールのスリット２１を土台２と平行にするために、第９図に示すように、コの字形に折り曲げられた第三ガイドレール１３が用いられる。なお、第二ガイドレール１２も同様にコの字形に曲げられているものとする。これらのガイドレールをこのように曲げることにより、これらのガイドレールが回転軸６を中心にして独立に回転しても、これらのガイドレールは、この回転軸６を中心とする円弧に沿って平行移動する。したがって、これらのガイドレールの回転角度の差分が一定であれば、この指示棒３の位置に関係なくこれらのガイドレールの間隔も一定となる。ただし、この指示棒３の移動範囲は狭くなる。
なお、ここまでは、第７図に示すような、外側に曲げられたスライダ２２を用いた場合について説明したが、代りに、第１０図に示すような、内側に曲げられたスライダ２２を用いても良い。この場合、このスライダ２２は、第三ガイドレール１３の外側から、これらのスリット２１を通るものとする。また、第１１図に示すように、スライダ２２の末端に止め具を取り付けることにより、このスライダ２２がこの第三ガイドレール１３のスリット２１から外れることを防ぐこともできる。
そこで、第１図及び第２図に示すように、請求項１記載の発明に対する３自由度回転システムの実施形態は、直交する第一ガイドレール１１と、第二ガイドレール１２及び第三ガイドレール１３と、有する。特に、請求項１１記載の発明に対する３自由度回転システムの実施形態は、全ての軸４が土台２に取り付けられている。なお、第１図では、この第二ガイドレール１２及びこの第三ガイドレール１３が互い違いにこの土台２に取り付けられている。また、第２図では、これらのガイドレールが入れ子状にこの土台２に取り付けられている。第１図及び第２図では、第２１図に示すようなスライダ２２が用いられているので、この第二ガイドレール１２及びこの第三ガイドレール１３の内側に第一ガイドレール１１が取り付けられている。この理由は、これらのスライダ２２の末端がこの第一ガイドレール１１に引っ掛かるのを防ぐためである。したがって、第２５図に示すようなスライダ２２が用いられた場合、この第二ガイドレール１２及びこの第三ガイドレール１３の外側に第一ガイドレール１１を取り付けた方が良い。さらに、第１図及び第２図に示すように、この第二ガイドレール１２及びこの第三ガイドレール１３が平行になるときに、このスライダ２２がこれらのガイドレールに対して４５度傾くように、これらのガイドレールが土台２に取り付けらたものとする。このとき、これらのガイドレールの回転角度の差分から、指示棒３の延長線を中心としたロータ１の回転角度を簡単に計算することができる。
なお、ここまでは、４個の軸４が土台２に埋め込まれた場合か、又はこの土台２から切り出された場合について説明してきた。しかしながら、これらの軸４のうち少なくとも１個が、第一ガイドレール１１、第二ガイドレール１２及び第三ガイドレール１３のうちのいずれか１端に取り付けられたか、又は形成されても良い。この場合、この土台２に取り付けられるべき少なくとも１個の軸４の位置には、少なくとも１個の軸受け５が取り付けられる。ここで、この土台２に取り付けられた軸受け５にボールベアリングを用いることにより、これらのガイドレールのうち、これらの軸４が取り付けられたものは、土台２から外れ難くなると共に、３自由度回転システムの組み立てが容易となる。特に、請求項１２記載の発明に対する３自由度回転システムの実施形態は、第二ガイドレール１２及び第三ガイドレール１３が互い違いになっているときに効果を発揮し、一方で、請求項１３記載の発明に対する３自由度回転システムの実施形態は、第二ガイドレール１２及び第三ガイドレール１３が入れ子状になっているときに効果を発揮する。
さて、請求項１記載の発明に対する３自由度回転システムの実施形態は、少ない部品点数でロータ１を回転させることができるけれども、スライダ２２の形状が複雑であるという問題がある。したがって、この３自由度回転システムがこのロータ１を安定的に回転させるためには、高い精度で加工されたスライダ２２が必要となり、結果としてこの３自由度回転システムは高価となる。そこで以下では、複雑な形をしたこのスライダ２２を用いない３自由度回転システムについて説明する。
まず、第１２図に示すように、ロータ１の表面に沿って円弧状に湾曲された第四ガイドレール１４が指示棒３に取り付けられたものとする。この第四ガイドレール１４にはスリット２１が開けられ、このスリット２１の中をスライダ２２がスライドする。ただし、このスライダ２２の両端は膨らむように加工されているか、又は第１３図に示すように、この両端に止め具２３が取り付けられている。これにより、このスライダ２２はこのスリット２１から外れなくなる。
そこで、第１２図に示すように、請求項３記載の発明に対する３自由度回転システムの実施形態は、第三ガイドレール１３及び第四ガイドレール１４の交点にスライダ２２が取り付けられる。このとき、このスライダ２２の延長線がロータ１の中心を通るように、これらのガイドレールの傾きが調節されるならば、このスライダ２２はこれらのガイドレールに対して常に垂直になるので、このスライダ２２はこれらのガイドレールのスリット２１の中を滑らかにスライドすることができる。したがって、第一ガイドレール１１が、対応する２個の軸４に対して回転することにより、このスライダ２２はこの第三ガイドレール１３のスリット２１の中をスライドするので、このロータ１もこれらの軸４に対して回転することができる。また、この第二ガイドレール１２が、対応する２個の軸４に対して回転することにより、この第三ガイドレール１３も一緒に回転するので、このロータ１もこれらの軸４に対して回転することができる。さらに、この第二ガイドレール１２及びこの第三ガイドレール１３の間隔を変えることにより、このスライダ２２はこの第四ガイドレール１４のスリット２１の中をスライドするので、このロータ１は指示棒３に対して回転することができる。
ところで、このスライダ２２の場所では、これらのスリット２１は二重に重なるので、これらのガイドレールのうち少なくとも１個が、それぞれの軸４を中心に回転する場合、このスライダ２２の一部にだけ負荷が掛る。したがって、これらのガイドレールが撓む可能性がある。そこで、第１４図に示すように、第四ガイドレール１４を傘状にすれば、この第四ガイドレール１４は頑丈になる。勿論、この第四ガイドレール１４の形状は傘の全部又は一部であっても良い。
さて、ここまでは、全てのガイドレールにスリット２１が開けられた場合について説明してきた。このとき、全てのスライダ２２は、これらのガイドレールのスリット２１の中をスライドすることになる。しかしながら、これらのスリット２１がなくても、これらのスライダ２２はこれらのガイドレールに沿ってスライドすることができる。そこで以下では、これらのガイドレールのうち少なくとも１個が棒状である場合について説明する。
例えば、第１５図に示すように、第四ガイドレール１４が棒状であるとする。このとき、第１６図に示すように、スライダ２２にパイプスライダ２５を取り付けることにより、このパイプスライダ２５はこの第四ガイドレール１４に沿って滑らかにスライドすることができる。ただし、このパイプスライダ２５は、この第四ガイドレール１４に沿って湾曲しているものとする。したがって、このスライダ２２も第三ガイドレール１３のスリット２１の中を滑らかにスライドすることができる。さらに、第１７図に示すように、第三ガイドレール１３も棒状であるとする。このとき、第１８図に示すように、２個のパイプスライダ２５を連結軸２４によって接続すれば、これらのパイプスライダ２５がこの連結軸２４を中心にして自由に回転することにより、これらのパイプスライダ２５はこれらのガイドレールに沿って滑らかにスライドすることができる。ただし、これらのパイプスライダ２５は、それぞれこれらのガイドレールに沿って湾曲しているものとする。また、第１９図に示すように、第三ガイドレール１３が棒状であり、第四ガイドレール１４がスリット２１を備えるものとする。このとき、第２０図に示すように、パイプスライダ２５がこの第三ガイドレール１３に沿ってスライドすることにより、このパイプスライダ２５に取り付けられたスライダ２２がこの第四ガイドレール１４のスリット２１の中を滑らかにスライドすることができる。ただし、このパイプスライダ２５は、この第三ガイドレール１３に沿って湾曲しているものとする。
なお、第１図〜第２０図から明らかなように、請求項１０記載の発明に対する３自由度回転システムの実施形態は、パイプ状の指示棒３を用いることにより、少なくとも１本のワイヤを、全てのガイドレールに絡ませることなく、ロータ１から全てのワイヤを取り出すことができる。このとき、これらのワイヤの一部をコイル状にすることにより、これらのワイヤが全てのガイドレールに不必要な負荷を加えなくて済む。これにより、このロータ１に任意の部品を取り付けることができるので、３自由度回転システムの応用範囲が大きく広がる。
この他に、請求項１記載の発明に対する３自由度回転システムの実施形態は、連結軸２４又はベアリングを介して指示棒３の任意の場所に取り付けられたパイプスライダ２５を棒状の第一ガイドレール１１に沿ってスライドさせることもできる。ただし、このパイプスライダ２５は、この第一ガイドレール１１に沿って湾曲しているものとする。
さて、ここまでは、１個のスライダ２２又は少なくとも１個のパイプスライダ２５が指示棒３に取り付けられているか、又はこの指示棒３に連結されている場合について説明してきた。しかしながら、このような場合、この指示棒３には１方向から力が加えられるので、この指示棒３は不安定になる。そこで以下では、この指示棒３に向い合う２方向から力が均等に加えられる方法について説明する。
まず、第２１図に示すように、末端が外側に曲げられた、２個のスライダ２２を指示棒３に取り付ける。このとき、各々のスライダ２２のうち、この指示棒３に取り付けられた部分は任意の断面を有すると共に、これらの部分をロータ１の表面に沿って円弧状に湾曲させておくと良い。また、これらのスライダ２２の末端は棒状であり、この指示棒３を中心にして、これらの末端が成す角度は、１８０度か、又はそれより僅かに小さい角度に設定されるものとする。次に、第２２図に示すように、この第二ガイドレール１２のスリット２１に１個のスライダ２２を通した後で、第２３図に示すように、第一ガイドレール１１と同様に第二ガイドレール１２を土台２に取り付ける。このとき、この土台２とこのスリット２１が直交するように、この第二ガイドレール１２の取付部２７とこのスリット２１が形成されることが望ましい。なお、第２２図では、このスリット２１とこの取付部２７が成す角度τが９０度になる場合を示しているが、この角度τが９０度を越えるように設計されるならば、この第二ガイドレール１２の回転時に、この取付部２７がこの土台２の下側に大きくはみ出すのを防ぐことができる。さらに、このスリット２１は、このスライダ２２が滑らかにスライドするように、外側に向けて傾けられていると良い。最後に、第２４図に示すように、第三ガイドレール１３をこの第二ガイドレール１２と同様に、この土台２に取り付けるものとする。このとき、これらのガイドレールは、入れ子状になるように、この土台２に取り付けられても良いし、また互い違いになるように、この土台２に取り付けられても良い。
さて、第２４図に示すように、第二ガイドレール１２及び第三ガイドレール１３が平行になる場合、２個のスライダ２２が、それぞれこれらのガイドレールのスリット２１の中をスライドすることにより、指示棒３もこれらのガイドレールに平行して移動することができる。しかもこれらのガイドレールの間隔が一定であるため、この指示棒３はその延長線に対して回転することはない。そこで、この間隔が一定のままで、これらのガイドレールが２個の軸４を通る回転軸６を中心に回転する場合を考える。このとき、このロータ１がこの回転軸６を中心に回転すれば、この指示棒３に取り付けられた２個のスライダ２２がこれらのガイドレールを押したり引いたりすることにより、これらのガイドレールもこのロータ１と同じ回転角度だけ、この回転軸６を中心に回転する。反対に、これらのガイドレールがこの回転軸６を中心に回転した場合、これらのガイドレールがこれらのスライダ２２を押したり引いたりすることにより、このロータ１も、これらのガイドレールと同じ回転角度だけ、この回転軸６を中心に回転する。
ここで、第二ガイドレール１２及び第三ガイドレール１３が独立して回転する場合を考える。このとき、これらのガイドレールの間隔は広くなったり狭くなったりする。そこで、２個のスライダ２２の剛性により、これらのガイドレールの間隔が広くなった場合、これらのスライダ２２と、これらのガイドレールと、が成す角度θ（第１図及び第２図参照）が９０度に近づく方向に、指示棒３が回転する。反対に、これらのガイドレールの間隔が狭くなった場合、これらのスライダ２２と、これらのガイドレールと、が成す角度θが０度に近づく方向に、この指示棒３が回転する。したがって、ロータ１がこの指示棒３の延長線に対して回転した場合、回転方向に応じて、これらのガイドレールが成す角度が大きくなったり小さくなったりする。また、これらのガイドレールが成す角度を大きくしたり、小さくすることにより、このロータ１をこの指示棒３の延長線に対して回転させることもできる。このとき、このロータ１は、これらのガイドレールに対して０度〜１８０度の範囲で回転することができるが、これらのガイドレールの回転角度の差分だけを用いた場合、０度〜９０度の範囲でしか回転角度を特定することができない。そこで、この指示棒３を中心として、これらのスライダ２２の末端が成す角度を１８０度よりも僅かに小さくすることにより、これらのガイドレールの間隔が最大になったとしても、このロータ１が９０度を越えて回転しないようにすることができる。
さて、ここで、第二ガイドレール１２及び第三ガイドレール１３が独立に回転する場合、これらのガイドレールの回転角度の差分が一定であっても、指示棒３の位置に応じて、これらのガイドレールの間隔が変化するという問題が起る。コンピュータシステムなどを用いて、これらの変化を補正することができれば特に問題はないが、さもなくば、何らかの補正手段が必要になる。そこで、第９図に示すように、これらのガイドレールのスリット２１が、土台２と平行になるように、コの字形に折り曲げられた第二ガイドレール１２及び第三ガイドレール１３が用いられる。これらのガイドレールをこのように曲げることにより、これらのガイドレールが回転軸６を中心にして独立に回転しても、これらのガイドレールは、この回転軸６を中心とする円弧に沿って平行移動する。したがって、これらのガイドレールの回転角度の差分が一定であれば、この指示棒３の位置に関係なくこれらのガイドレールの間隔も一定となる。ただし、この指示棒３の移動範囲は狭くなる。
なお、ここまでは、第２１図に示すような、外側に曲げられた２個のスライダ２２を用いた場合について説明したが、代りに、第２５図に示すような、内側に曲げられた２個のスライダ２２を用いても良い。この場合、各々のスライダ２２は、第二ガイドレール１２及び第三ガイドレール１３の外側から、これらのスリット２１を通るものとする。
そこで、第２６図及び第２７図に示すように、請求項４記載の発明に対する３自由度回転システムの実施形態は、直交する第一ガイドレール１１と、第二ガイドレール１２及び第三ガイドレール１３と、を有する。特に、請求項１１記載の発明に対する３自由度回転システムの実施形態は、全ての軸４が土台２に取り付けられている。なお、第２６図では、この第二ガイドレール１２及びこの第三ガイドレール１３が互い違いにこの土台２に取り付けられている。また、第２７図では、これらのガイドレールが入れ子状にこの土台２に取り付けられている。第２６図及び第２７図では、第２１図に示すような２個のスライダ２２が用いられているので、この第二ガイドレール１２及びこの第三ガイドレール１３の内側に第一ガイドレール１１が取り付けられている。この理由は、これらのスライダ２２の末端がこの第一ガイドレール１１に引っ掛かるのを防ぐためである。したがって、第２５図に示すような２個のスライダ２２が用いられた場合、この第二ガイドレール１２及びこの第三ガイドレール１３の外側に第一ガイドレール１１を取り付けた方が良い。さらに、第２６図及び第２７図に示すように、この第二ガイドレール１２及びこの第三ガイドレール１３が平行になるときに、これらのスライダ２２がこれらのガイドレールに対して４５度傾くように、これらのガイドレールが土台２に取り付けらたものとする。このとき、これらのガイドレールの回転角度の差分から、指示棒３の延長線を中心としたロータ１の回転角度を簡単に計算することができる。
なお、ここまでは、４個の軸４が土台２に埋め込まれた場合か、又はこの土台２から切り出された場合について説明してきた。しかしながら、これらの軸４のうち少なくとも１個が、第一ガイドレール１１、第二ガイドレール１２及び第三ガイドレール１３のうちのいずれか１端に取り付けられたか、又は形成されても良い。この場合、この土台２に取り付けられるべき少なくとも１個の軸４の位置には、少なくとも１個の軸受け５が取り付けられる。ここで、この土台２に取り付けられた軸受け５にボールベアリングを用いることにより、これらのガイドレールのうち、これらの軸４が取り付けられたものは、土台２から外れ難くなると共に、３自由度回転システムの組み立てが容易となる。特に、請求項１２記載の発明に対する３自由度回転システムの実施形態は、第二ガイドレール１２及び第三ガイドレール１３が互い違いになっているときに効果を発揮し、一方で、請求項１３記載の発明に対する３自由度回転システムの実施形態は、第二ガイドレール１２及び第三ガイドレール１３が入れ子状になっているときに効果を発揮する。
さて、請求項４記載の発明に対する３自由度回転システムの実施形態は、少ない部品点数でロータ１を回転させることができるけれども、次のような３つの問題がある。第一に、２個のスライダ２２の形状が複雑である。第二に、これらのスライダ２２が、第二ガイドレール１２及び第三ガイドレール１３と接触する面積が狭いので、これらのスライダ２２がスリップし易い。第三に、指示棒３が第一ガイドレール１１のスリット２１の中でふらついてしまうので、このロータ１を安定させることができない。したがって、この３自由度回転システムがこのロータ１を安定的に回転させるためには、高い精度で加工された２個のスライダ２２が必要となり、結果としてこの３自由度回転システムは高価となる。そこで以下では、複雑な形をしたこれらのスライダ２２を用いない３自由度回転システムについて説明する。
まず、第２８図に示すように、ロータ１の表面に沿って円弧状に湾曲された第四ガイドレール１４及び第五ガイドレール１５が指示棒３に取り付けられたものとする。このとき、これらのガイドレールは１枚の平板から作られても良いし、各々のガイドレールをこの指示棒３に取り付けても良い。これらのガイドレールには、それぞれスリット２１が開けられ、各々のスリット２１の中をスライダ２２がスライドする。ただし、各々のスライダ２２の両端は膨らむように加工されているか、又は、第２８図に示すように、これらの両端に止め具２３が取り付けられている。これにより、これらのスライダ２２はこれらのスリット２１から外れなくなる。次に、第一ガイドレール１１及び第六ガイドレール１６が各々の両端において軸受け５を共有し、しかも対応する軸４に取り付けられるものとする。このとき、これらのガイドレールは、第２３図に示すように、このロータ１の表面に沿って円弧状に湾曲される。さらに第２２図に示すように、これらのガイドレールのうち、円弧状に湾曲された部分が土台２に対して垂直になるように、これらのガイドレールは接着されるか、又は１枚の平板から加工される。したがって、これらのガイドレールは平行になる。
そこで、第２９図に示すように、請求項７記載の発明に対する３自由度回転システムの実施形態は、第二ガイドレール１２及び第五ガイドレール１５の交点に第一ガイドレール１１が重なるようにし、第三ガイドレール１３及び第四ガイドレール１４の交点に第六ガイドレール１６が重なるようにし、さらに各々の交点にスライダ２２が取り付けられる。勿論、この第二ガイドレール１２及びこの第四ガイドレール１４の交点と、この第三ガイドレール１３及びこの第五ガイドレール１５の交点と、に、それぞれスライダ２２が取り付けられても良い。このとき、これらのスライダ２２の延長線がロータ１の中心を通るように、これらのガイドレールの傾きが調節されるならば、これらのスライダ２２はこれらのガイドレールに対して常に垂直になるので、これらのスライダ２２はこれらのガイドレールのスリット２１の中を滑らかにスライドすることができる。したがって、この第五ガイドレール１５及びこの第四ガイドレール１４が、対応する軸４に対して回転することにより、これらのスライダ２２はそれぞれこの第二ガイドレール１２のスリット２１及びこの第三ガイドレール１３のスリット２１の中をスライドするので、このロータ１もこれらの軸４に対して回転することができる。また、この第二ガイドレール１２及びこの第三ガイドレール１３が、対応する軸４に対して回転することにより、これらのスライダ２２はそれぞれこの第五ガイドレール１５のスリット２１及びこの第四ガイドレール１４のスリット２１の中をスライドするので、このロータ１もこれらの軸４に対して回転することができる。さらに、この第二ガイドレール１２及びこの第三ガイドレール１３の間隔を変えることにより、これらのスライダ２２はそれぞれこの第五ガイドレール１５及びこの第四ガイドレール１４の中をスライドする。しかもこれらのスライダ２２は、それぞれこの第一ガイドレール１１のスリット２１及びこの第六ガイドレール１６のスリット２１の中をスライドするので、このロータ１は指示棒３に対して回転することができる。
ところで、各々のスライダ２２の場所では、これらのスリット２１は三重に重なるので、これらのガイドレールのうち少なくとも１個が、それぞれの軸４を中心に回転する場合、これらのスライダ２２の一部にだけ負荷が掛る。したがって、これらのガイドレールが撓む可能性がある。そこで以下では、これらのガイドレールの撓みを抑制する方法について説明する。
まず、第３０図に示すように、第四ガイドレール１４及び第五ガイドレール１５を傘状に形成する。これにより、これらのガイドレールの末端が撓むことがなくなる。この方法は、最も簡単であるが、残りのガイドレールの撓みも一緒に抑えることができ、極めて効果的である。
次に、第３１図に示すように、請求項７記載の発明に対する３自由度回転システムの実施形態は、第二ガイドレール１２及び第五ガイドレール１５の交点に第一ガイドレール１１が重なるようにし、第三ガイドレール１３及び第四ガイドレール１４の交点に第六ガイドレール１６が重なるようにする。さらに、この第二ガイドレール１２及びこの第一ガイドレール１１の交点と、この第三ガイドレール１３及びこの第一ガイドレール１１の交点と、この第二ガイドレール１２及びこの第六ガイドレール１６の交点と、この第三ガイドレール１３及びこの第六ガイドレール１６の交点と、に、それぞれスライダ２２が取り付けられる。このとき、これらのスライダ２２の延長線がロータ１の中心を通るように、これらのガイドレールの傾きが調節され、さらに、この第二ガイドレール１２のスリット２１の中をスライドする２個のスライダ２２の一端同士が１個の連結棒２６によって連結される。同様に、この第三ガイドレール１３のスリット２１の中をスライドする２個のスライダ２２の一端同士がもう１個の連結棒２６によって連結される。これにより、この第一ガイドレール１１及びこの第六ガイドレール１６が撓まなくなり、これらのガイドレールのスリット２１の平行が維持される。また、この第四ガイドレール１４及びこの第五ガイドレール１５が撓まなくなり、このロータ１が指示棒３に対して正確に回転する。
この他に、第３２図に示すように、請求項７記載の発明に対する３自由度回転システムの実施形態は、第一ガイドレール１１及び第六ガイドレール１６をそれぞれ独立に回転させることができる。そこで第一ガイドレール１１、第二ガイドレール１２、第三ガイドレール１３及び第六ガイドレール１６を細かく回転させることにより、この３自由度回転システムは、全てのガイドレールを撓ませることなくロータ１を３自由度で回転させることができる。反対に、このロータ１が３自由度で回転した場合、第一ガイドレール１１、第二ガイドレール１２、第三ガイドレール１３及び第六ガイドレール１６が独立して回転することにより、２個のスライダ２２を介してこれらのガイドレールに加わる力を分散させることができる。
さて、ここまでは、全てのガイドレールにスリット２１が開けられた場合について説明してきた。このとき、全てのスライダ２２は、これらのガイドレールのスリット２１の中をスライドすることになる。しかしながら、これらのスリット２１がなくても、これらのスライダ２２はこれらのガイドレールに沿ってスライドすることができる。そこで以下では、これらのガイドレールのうち少なくとも１個が棒状である場合について説明する。
例えば、第３３図に示すように、第二ガイドレール１２及び第三ガイドレール１３が棒状である場合、請求項７記載の発明に対する３自由度回転システムの実施形態は、これらのガイドレールに沿って、２個のスライダ２２がスライドする。このとき、各々のスライダ２２は１個のパイプスライダ２５を備え、これらのガイドレールは、それぞれこれらのパイプスライダ２５の中を通る。そこで、各々のパイプスライダ２５の内側に少なくとも１個の転動体を備えていれば、これらのパイプスライダ２５は、それぞれこれらのガイドレールに沿って滑らかにスライドすることができる。ただし、これらのパイプスライダ２５は、これらのガイドレールに合わせて円弧状に加工されているものとする。これにより、これらのガイドレールの間隔が長くなると、これらのスライダ２２は、それぞれ第一ガイドレール１１及び第六ガイドレール１６に沿ってスライドする。したがって、これらのスライダ２２は、それぞれ第五ガイドレール１５及び第四ガイドレール１４に沿ってスライドし、結果としてロータ１が時計回りに回転する。反対に、この第二ガイドレール１２及びこの第三ガイドレール１３の間隔が短くなると、このロータ１は反時計回りに回転する。このように、これらのパイプスライダ２５が用いられた場合、これらのパイプスライダ２５は第３１図に示すような２個の連結棒２６と同様の効果を発揮し、これらのガイドレールは撓まなくなる。この際に、これらの連結棒２６が必要なくなるので、第四ガイドレール１４及び第五ガイドレール１５が傘状に加工され得る。
さらに、第３４図に示すように、第一ガイドレール１１、第二ガイドレール１２、第三ガイドレール１３及び第六ガイドレール１６が棒状である場合、各々のスライダ２２には２個のパイプスライダ２５が直交するように取り付けられる。なお、これらのパイプスライダ２５は、これらのガイドレールに合わせて円弧状に加工されているものとする。これにより、これらのガイドレールは撓まなくなり、しかも各々のスライダ２２の延長線は常にロータ１の中心を通るようになる。勿論、第四ガイドレール１４及び第五ガイドレール１５が傘状に加工されれば、これらのガイドレールも撓まなくなる。
ところで、第四ガイドレール１４及び第五ガイドレール１５が棒状である場合、どうなるであろうか。例えば、第３５図に示すように、第一〜第六のガイドレールが棒状である場合、請求項７記載の発明に対する３自由度回転システムの実施形態は、それぞれ３個のパイプスライダ２５を備えた２個のスライダ２２を用いる。ただし、これらのパイプスライダ２５が固定された場合、第二ガイドレール１２及び第三ガイドレール１３の間隔が変化しても、この第五ガイドレール１５及びこの第四ガイドレール１４の向きは一定であるので、ロータ１は回転することができない。そこで、第３６図に示すように、この第五ガイドレール１５及びこの第四ガイドレール１４を通す２個のパイプスライダ２５が、それぞれ連結軸２４によって残りのパイプスライダ２５と連結されるものとする。このとき、この第一ガイドレール１１及びこの第六ガイドレール１６を通すこれらのパイプスライダ２５は、それぞれこの連結軸２４を中心にして、残りのパイプスライダ２５と互いに回転することができるので、この第二ガイドレール１２及びこの第三ガイドレール１３の間隔が変化すれば、このロータ１は指示棒３を中心として回転することができる。したがって、請求項７記載の発明に対する３自由度回転システムの実施形態において、第一ガイドレール１１及び第六ガイドレール１６のうち、少なくとも１個が棒状である場合、残りのガイドレールのうち１個でも棒状であれば、この連結棒２６を用いて、複数のパイプスライダ２５を連結すれば良い。
なお、ここでは説明を簡単にするために、第３３図、第３４図及び第３５図に示すような３自由度回転システムについて説明したが、勿論、少なくとも１個のガイドレールが棒状である場合、これらのガイドレールの数だけパイプスライダ２５を用いれば良い。このとき、各々のパイプスライダ２５の内側に少なくとも１個の転動体を備えていれば、これらのパイプスライダ２５は、それぞれ対応するガイドレールに沿って滑らかにスライドすることができる。
この他に、第２６図〜第３５図から明らかなように、請求項１０記載の発明に対する３自由度回転システムの実施形態は、パイプ状の指示棒３を用いることにより、少なくとも１本のワイヤを、全てのガイドレールに絡ませることなく、ロータ１から全てのワイヤを取り出すことができる。このとき、これらのワイヤの一部をコイル状にすることにより、これらのワイヤが全てのガイドレールに不必要な負荷を加えなくて済む。これにより、このロータ１に任意の部品を取り付けることができるので、３自由度回転システムの応用範囲が大きく広がる。
さて、ここまでは、スライダ２２と、第一〜第六のガイドレールと、の関係について説明してきた。以下では、主に第２６図に示した３自由度回転システムを用いて、ロータ１の回転角度の検出方法と、このロータ１の駆動方法について説明する。
第３７図に示すように、請求項１４記載の発明に対する３自由度回転システムの実施形態は、第一ガイドレール１１、第二ガイドレール１２及び第三ガイドレール１３の各々に対して、少なくとも一端に少なくとも１個の軸４が取り付けられた場合、複数のエンコーダ３１及び複数のアクチュエータなどがこれらの軸４に容易に取り付けられ得る。勿論、これらの軸４がこれらのガイドレールに直接取り付けられていない場合には、これらのエンコーダ３１及びこれらのアクチュエータはこれらのガイドレールに直接取り付けられても良い。
ところで、第３７図に示すように、第一ガイドレール１１、第二ガイドレール１２及び第三ガイドレール１３の各々に対して、１個の軸４に１個のエンコーダ３１が直接取り付けられた場合、このエンコーダ３１はこの軸４の延長線上に配置されなければならない。さらに、このエンコーダ３１を回転させるために、これらのガイドレールには大きな負荷が掛るので、これらのガイドレール、指示棒３及び２個のスライダ２２の強度は大きくなければならない。しかしながら、これでは、３自由度回転システムは、大きく、しかも重くなってしまう。そこで、第３８図に示すように、これらのガイドレールの各々に対して、１個のガイドレール、１個の軸４及び１個の軸受け５のうち少なくとも１個に歯車３２を取り付ける。このとき、この歯車３２の回転軸がこの軸４の回転軸６と一致するようにこの歯車３２は固定されるものとする。これにより、各々のエンコーダ３１は任意の向きに設置され得る。さらにギア比を調整することにより、これらのエンコーダ３１は少ないトルクで回転することができる。なお、歯車３２の代りに、クランク又はカムを用いることもできる。
そこで、第３９図に示すように、請求項１５記載の発明に対する３自由度回転システムの実施形態は、各々のエンコーダ３１を任意の位置に配置することができる。なお、第３９図では、各々のガイドレールと、対応するエンコーダ３１の間を、２個のかさ歯車３２が連結しているが、勿論、平歯車、円筒ギア及びウォームギアなどが用いられても良い。さらに、歯車３２の代りに、クランク又はカムを用いることもできる。第３９図から明らかなように、ロータ１が３自由度で回転しても、いずれのエンコーダ３１もこのロータ１と一緒に移動することはない。つまり、これらのエンコーダ３１は、土台２及び筐体に容易に固定され得るので、本発明の利用者は３自由度回転システムを容易に設計することができる。さらに、請求項１６記載の発明に対する３自由度回転システムの実施形態は、少なくとも１個のエンコーダ３１の各々にアクチュエータを搭載する。これにより、本発明は、このロータ１の３自由度の回転角度を検出するだけでなく、このロータ１を３自由度で回転させることもできる。したがって、このロータ１にカメラ４１を搭載した移動カメラのように、撮影位置を特定しながら、任意の場所を撮影するような用途にも、本発明は適している。勿論、請求項１７及び１８記載の発明に対する実施形態のように、第一ガイドレール１１、第二ガイドレール１２及び第三ガイドレール１３の各々にアクチュエータだけを連結することも可能である。特に、アクチュエータとしてステッピングモータが用いられた場合、これらのエンコーダ３１を用いなくても、このロータ１の角度を細かく制御することができる。
最後に、３自由度回転システムでは、ロータ１の回転角度を求めるために、第二ガイドレール１２及び第三ガイドレール１３のそれぞれに接続された２個のエンコーダ３１の回転角度の差分を計算したり、また、これらのガイドレールのスリット２１の中を２個のスライダ２２がスライドした場合に、指示棒３の位置に応じて回転角度を補正しなければならない。そこで、請求項１９記載の発明に対する３自由度回転システムの実施形態は、コンピュータシステムを用いてこれらの計算を行う。さらに、少なくとも１個のアクチュエータを用いてこのロータ１を回転させる場合においても、各々のアクチュエータの回転角度を細かく制御する必要がある。そこで、請求項２０記載の発明に対する３自由度回転システムの実施形態は、このコンピュータシステムを用いてこれらのアクチュエータの制御を行う。このように、コンピュータシステムを用いることにより、本発明の利用者は、３自由度回転システムを簡単に利用することができるようになる。
なお、ここでは、３個のエンコーダ３１及び３個のアクチュエータが用いられる場合について説明してきた。しかしながら、第四ガイドレール１４及び第五ガイドレール１５がそれぞれ独立に回転する場合、これらのガイドレール、これらのガイドレールを支える２個の軸４及びこれらの軸４に取り付けられた２個の軸受け５に、２個のエンコーダ３１及び２個のアクチュエータが取り付けられる。このとき、これらのガイドレールが互い違いになるように、これらのガイドレールがこれらの軸４に取り付けられると、これらのエンコーダ３１及びアクチュエータの取り付けが容易になる。
さて、ここまでは３自由度回転システムについて説明してきた。そこで以下では、この３自由度回転システムの応用について説明する。
第４０図に示すように、請求項２１記載の発明に対する人工眼球の実施形態は、ロータ１にカメラ４１が埋め込まれた３自由度回転システムである。ただし、第４０図では、このカメラ４１は斜線によって表され、さらに第一ガイドレール１１以外の全てのガイドレールは省略されている。このとき、このカメラ４１のレンズ４２は指示棒３と反対方向を向き、しかもこのレンズ４２の光軸４３がこの指示棒３を通るように、このカメラ４１はこのロータ１に埋め込まれれば、コンピュータシステムがこの指示棒３の向きを検出することにより、このコンピュータシステムはこの光軸４３の向きを容易に求めることができる。加えて、このカメラ４１の複数の電線４４がこの指示棒３の中を通ることにより、これらの電線４４はいずれのガイドレールにも絡むことがないので、この指示棒３が土台２に妨げられるまで、このレンズ４２の光軸４３も移動することができる。したがって、この人工眼球は広範囲を撮影することができる。さらに、この土台２の位置をこのロータ１の中心からずらすことと、このロータ１を覆うようにこの土台２に半球状のカバー４５を取り付けることと、により、このカバー４５は、全てのガイドレールの動きを邪魔することなく、このロータ１をホコリや水分などから守ることができる。したがって、本発明の利用者は、携帯電話のような狭い空間にも人工眼球を容易に搭載することができる。
さて、ここまでは、３自由度回転システムが、指示棒３を中心にして約９０度までロータ１を回転させる場合について説明してきた。しかしながら、これでは、このロータ１に埋め込まれたカメラ４１も、このカメラ４１の光軸４３を中心にして約９０度までしか回転することができない。そこで以下では、このカメラ４１が撮影した画像を任意の角度で回転させる方法について説明する。
まず、ロータ１に埋め込まれたカメラ４１が撮影した画像を、一旦コンピュータシステムに記憶する。ただし、このコンピュータシステムのメモリには、この画像の各画素が順番に記憶されているものとする。このとき、これらの画素にガンマ補正のような各種画像処理を加えることもできる。次に、このコンピュータシステムは、この画像が９０度単位で回転するように、これらの画素を順番に出力する。ただし、このメモリにはこれらの画素が順番に記憶されているので、このコンピュータシステムは、この画像の四隅のいずれかから一定の順番でこれらの画素を読み出せば良い。つまり、このコンピュータシステムはアフィン変換をする必要がない。したがって、このコンピュータシステムは、このメモリに対してこれらの画素を読み書きするだけで、この画像を９０度単位で回転させることができる。そこで、このコンピュータシステムが、３自由度回転システムを用いて、カメラ４１を約９０度まで回転させることにより、結果として、カメラ４１が撮影した画像をほぼ３６０度回転させることができる。この方法は、この画像を任意の角度に回転させても、消費電力は変らない。したがって、携帯電話など低消費電力が求められる機器に対して最適である。
以上、本実施形態を説明したが、本発明は上述の実施形態には限定されることはなく、当業者であれば種々なる態様を実施可能であり、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲において本発明の構成を適宜改変できることは当然であり、このような改変も、本発明の技術的範囲に属するものである。
【産業上の利用可能性】  請求項１〜１３記載の発明によれば、ロータ１を３自由度で回転させてもこのロータ１の３つの回転角度を特定することができる。また反対に、第一〜第六のガイドレールを適当に回転させることにより、指示棒３を、特定の向きに、しかもその指示棒３を中心として特定の回転角度になるように移動させることができるので、このロータ１を適当な向きに回転させることもできる。本発明では、これらのガイドレールが、それぞれ軸４と軸受け５を介して土台２に接続されている。つまり、従来の３自由度移動システムのように、ロータ１を特定の方向に回転させるために、土台２自体を回転させる必要がない。したがって、本発明の製造者は、少ない部品で、単純で小さな構造で、しかも安価に３自由度の回転システムを製造することができる。
請求項１０記載の発明によれば、全てのワイヤを指示棒３の中を通すことにより、これらのワイヤを外部に取り出すことができる。しかもこれらのワイヤは電線４４であっても良い。そこでロータ１にカメラ４１を取り付けることにより、移動カメラ４１の設計者は、これらの電線４４を全てのガイドレールに絡ませることなく、容易に移動カメラや人工眼球を設計することができる。さらに、ジョイスティックの製造者が、ロータ１に対して垂直にリニアエンコーダを取り付けた場合、このジョイスティックの利用者は、このリニアエンコーダを前後にスライドさせるだけで、移動カメラのズームを制御することもできるようになる。
請求項１４、１５及び１９記載の発明によれば、３個のエンコーダ３１の出力結果を組み合せることにより、ロータ１の３つの回転角度を検出することができる。したがって、本発明の利用者がトラックボールのようにロータ１を回転させた場合、本発明はロータ１の回転角度を検出することができる。また、本発明の利用者がジョイスティックのように指示棒３を回転させた場合、本発明は指示棒３の回転角度を検出することもできる。さらに従来の多自由度アクチュエータを用いてロータ１を回転させた場合にも、本発明は、ロータ１の回転角度を検出することができる。したがって、本発明を携帯電話のような小型情報端末に搭載することにより、この端末の設計者は、移動カメラを制御する小型軽量のユーザインターフェースを安価に実現することができる。また、ロータ１にカメラ４１を組み込むことにより、本発明の利用者は、移動カメラや人工眼球として本発明を利用することができる。この際に、指示棒３をパイプ状にすることにより、カメラ４１の信号線をロータ１から容易に取り出すことができるので、本発明は移動カメラや人工眼球に対して非常に有効である。
請求項１６、１９及び２０記載の発明によれば、３個のエンコーダ３１の出力結果を組み合せることにより、ロータ１の３つの回転角度を検出することができ、さらに、これらの回転角度に応じてロータ１を回転させることができる。したがって、ロータ１と土台２にそれぞれ支柱を取り付けることにより、本発明の利用者は、ロボットの関節として本発明を利用することができる。また、ロータ１にカメラ４１を組み込むことにより、本発明の利用者は、移動カメラや人工眼球として本発明を利用することができる。この際に、指示棒３をパイプ状にすることにより、カメラ４１の信号線をロータ１から容易に取り出すことができるので、本発明は移動カメラや人工眼球に対して非常に有効である。さらに、本発明を用いてジョイスティックが製造された場合、このジョイスティックの利用者が遠隔地から移動カメラを制御すると共に、この移動カメラの向きをこのジョイスティックに反映させることにより、この利用者はこの移動カメラの向きを実感できるといった双方向インターフェースを実現することができる。
請求項１７、１８及び２０記載の発明によれば、３個のアクチュエータをそれぞれ独立に回転させることにより、これらの回転角度に応じてロータ１を回転させることができる。したがって、本発明の利用者は、雲台として本発明を利用することができる。また、ロータ１に光源を取り付けることにより、本発明の利用者は、サーチライトとして本発明を利用することができる。さらに、ロータ１に鏡を取り付けることにより、本発明の利用者は、電動バックミラー及び電動サイドミラーとして本発明を利用することができる。この他に、アクチュエータとしてステッピングモータを用い、さらにロータ１にカメラ４１を組み込むことにより、本発明の利用者は、移動カメラや人工眼球として本発明を利用することができる。この際に、指示棒３をパイプ状にすることにより、カメラ４１の信号線をロータ１から容易に取り出すことができるので、本発明は移動カメラや人工眼球に対して非常に有効である。
請求項２１記載の発明によれば、ロータ１の中にカメラ４１を埋め込むことにより、人工眼球は、このロータ１の体積を増やすことなく、コンピュータシステムを用いてこのカメラ４１の光軸４３の向きを３自由度で制御することができる。したがって、携帯電話の設計者は、小型化が求められる携帯電話にこの人工眼球を搭載することができる。
請求項２２記載の発明によれば、人工眼球は、アフィン変換など特別な画像処理システムを用いなくても、カメラ４１が撮影した画像を任意の角度で回転させることができる。つまり、例えこの画像のサイズが大きくなったとしても、この人工眼球は、この画像を任意の角度で回転させるために、余計な電力を消費しなくても良い。したがって、携帯電話の設計者は、低消費電力が求められる携帯電話にこの人工眼球を搭載することができる。
【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】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【国際調査報告】
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