(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータに発生させた微少振動で略球状のロータを多自由度に回転駆動する球面アクチュエータと、ロータに保持された制御対象物とからなる方向制御装置において、
前記制御対象物を前記ロータに回転自在に保持させ、前記ロータ以外の静止部材に対する前記制御対象物の回転を抑制する回転拘束手段を設けたことを特徴とする方向制御装置。
【請求項２】
前記回転拘束手段は、前記制御対象物の回転中心から外れた、該制御対象物の後端部の外周面に重りを下げることによって制御対象物の回転を抑制するものであることを特徴とする、請求項１に記載の方向制御装置。
【請求項３】
前記回転拘束手段は、前記ロータ以外の静止部材と前記制御対象物との間に張設された弾性体によって制御対象物の回転を制御するものであることを特徴とする、請求項１に記載の方向制御装置。
【請求項４】
前記回転拘束手段は、前記ロータ以外の静止部材と前記制御対象物との間に設けられた、捩れに対する弾性復元力を有する部材であることを特徴とする、請求項１に記載の方向制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、球面アクチュエータのロータ（球面体）を摩擦駆動して回転させることにより制御対象物の向き（方向）を自在に制御する方向制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
球面アクチュエータのロータにカメラを保持させた方向制御装置は、特開平９−６４３５号公報や特開平９−５４３５６号公報に開示されている。このような方向制御装置、すなわちカメラを保持した球面アクチュエータの構造を図１に示す。球面アクチュエータ１は、４個のステータ２，２，３，３を略球状をしたロータ４の外周円に沿って配置し、これらのステータ２，２，３，３によってロータ４を支持している。各ステータ２，２，３，３は、図２（ａ）（ｂ）に示すような回転型表面波振動子からなる。すなわち、金属等の弾性材料によって形成された弾性部材５は略皿状をしており、その外周部表面には一定ピッチ毎に接触片６が突設されて環状に配列しており、接触片６と対向して弾性部材５の外周部裏面にはＰＺＴ等の圧電素子７が張り付けられている。ステータ２，２，３，３は、接触片６をロータ４と接触させるようにしてロータ４を支持するようになっており、そのため接触片６の表面にはロータ４の表面曲率と同一の曲率を有する凹状のアール面８が施されている。また、カメラ９は、ロータ４の中心を通過するようにしてロータ４内に固定されている。
【０００３】
しかして、ステータ２，２，３，３は超音波モータの原理によってロータ４を駆動するものであって、圧電素子７を振動させることによって弾性部材５の接触片６の表面にたわみ振動や伸縮振動等の表面波振動を発生させるものである。ステータ２，２，３，３はロータ４に圧接しているので、ステータ２，２，３，３が駆動されていない場合には、ロータ４は回転できない。しかし、圧電素子７を所定の駆動モードで駆動すると、弾性部材５の表面を円周方向に進む進行波（たわみ進行波）により接触片６の表面の粒子が楕円軌道を描いて運動し、ロータ４の表面がステータ２，２，３，３の円周方向に沿って移動する。この結果、ロータ４は駆動されているステータ２，２，３，３の軸心の回りに回転する。また、進行波を発生させないステータ２，２，３，３には定在波を発生させてロータ４との摩擦を軽減する。従って、これらの各ステータ２，２，３，３を駆動制御することによりロータ４を回転させ、カメラ９を任意の方向へ任意の角度だけ回転させることができる。
【０００４】
このような方向制御装置１０にあっては、球面アクチュエータ１を駆動してロータ４を回転させることにより、カメラ９の指向角（監視方向）を自在かつスムーズに変化させることができる。また、このような方向制御装置１０によれば、カメラ９を球面アクチュエータ１内に内蔵することができるので、カメラ９を用いたモニター装置などを小型化することができる。さらには、カメラ９をロータ４の回転中心上に配置すれば、ロータ４の回転中心とカメラ９の中心をほぼ一致させることができるので、カメラ９の方向制御のためのアルゴリズムも簡単になるという利点がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図１のような方向制御装置に用いられている球面アクチュエータ１では、ロータ４を回転させてカメラ９を任意の方向（指向角）に向けると共にカメラ９を通して見る画面の傾き（カメラ９の光軸回りの回転角度）も制御することができるが、ロータ４の瞬時回転軸（つまり、回転トルク）は、対向するステータ２，２，３，３どうしを結ぶ２方向（あるいは、この２方向の瞬時回転軸のベクトル合成として、４個のステータ２，２，３，３の軸心方向を含む平面内）にしかなく、ロータ４をカメラ９の光軸回りに瞬時回転制御することはできなかった。
【０００６】
このため、ロータ４を回転させてカメラ９の方向を変化させると、それに連れてカメラ９の角度がほぼ鉛直方向から回転し、モニター装置の画面の像も傾いてしまうという問題があった。もちろん、カメラ９を目的とする方向に向けた後、カメラ９の角度が真っ直ぐになるようにロータ４を回転させることはできるが、ロータ４はカメラ９の光軸回りに瞬時回転軸を持たないから、２つのステータ２，２，３，３回りの回転を交互に繰り返すことによってカメラ９の角度を補正する必要があり、制御が複雑になるとともに画面が移動したり、ぶれ動いたりする問題がある。
【０００７】
また、ロータの最大円周よりも小さな円周回りでロータに各ステータを接触させることにより、各ステータからロータに働く回転トルクが３次元方向を向くようにすれば、ロータに任意方向の瞬時回転軸を持たせることができ、カメラの角度（画像）を常にまっすぐに保持させることができる。
【０００８】
このような構造では、カメラの光軸回りにロータを回転させることが可能になるが、ステータが球面アクチュエータの前面側に集まるので、カメラの方向（指向角）の駆動範囲が狭くなったり、ロータを制御するために３自由度の回転位置検出手段が必要となる不具合がある。また、３自由度の制御アルゴリズムは、２自由度の制御アルゴリズムに比較して非常に複雑になる。これは、２自由度の動きは、一つの平面（４個のステータの軸心を含む平面）上の動きに変換できるが、３自由度になるとオイラー角表現などが必要になるためである。
【０００９】
本発明は叙上の従来例の欠点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、球面アクチュエータによって制御対称物の方向を自由に制御することができ、しかも簡単な構造によって制御対称物がいずれの方向を向いていても制御対称物の角度を常にほぼ一定角度に保つことができる方向制御装置を提供することにある。
【００１０】
【発明の開示】
請求項１に記載の方向制御装置は、ステータに発生させた微少振動で略球状のロータを多自由度に回転駆動する球面アクチュエータと、ロータに保持された制御対象物とからなる方向制御装置において、前記制御対象物を前記ロータに回転自在に保持させ、前記ロータ以外の静止対象物に対する前記制御対象物の回転を抑制する回転拘束手段を設けたことを特徴としている。
【００１１】
この方向制御装置にあっては、制御対象物がロータに回転自在に保持されており、回転拘束手段によって制御対象物の回転を抑制するようにしているから、ロータを回転させて制御対象物の方向を変化させても回転拘束手段によって制御対象物の角度をほぼ一定に保つことができる。しかも、制御対象物の角度を補正するために、第１番目の従来例のようにロータを制御対象物の軸心回り以外の方向へ動かす必要がないので、制御対象物の角度を補正することによって制御対象物の方向がぶれ動くこともない。
【００１２】
また、このような回転拘束手段は機械的手段によって構成することができるので、ロータないし球面アクチュエータの制御が２自由度の制御で済み、３自由度球面アクチュエータを用いる場合のように複雑な３自由度の制御を行なう必要がないので、簡単な制御アルゴリズムを用いることができる。さらに、３自由度球面アクチュエータを用いる場合のように、３自由度の回転位置検出手段も必要なく、ロータの回転範囲が狭くなることもない。
【００１３】
上記回転拘束手段としては、制御対象物の回転中心から外れた位置に重力を及ぼすことによって制御対象物の回転を抑制するものを用いることができる。重力を及ぼすためには、重りなどを用いることができ、重力方向に対して制御対象物の角度をほぼ一定に保つことができる。
【００１４】
また、上記回転拘束手段としては、ロータ以外の静止部材と制御対象物との間に張設された弾性体によって制御対象物の回転を抑制するものを用いることができる。弾性体としては、スプリング、ゴムバンド等を用いることができ、ケーシング等の静止部材に対して制御対象物の角度をほぼ一定に保つことができる。
【００１５】
また、上記回転拘束手段としては、ロータ以外の静止部材と制御対象物との間に設けられた、捩れに対する弾性復元力を有する部材でもよい。捩れに対する弾性復元力を有する部材としては、例えば線状の弾性体や面状の弾性体を用いることができ、制御対象物が回転しようとすると、この弾性復元力によって制御対象物の角度がほぼ一定に保たれる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
図３、図４及び図５は、それぞれ本発明の一実施形態による方向制御装置２１を示す正面側からの斜視図、背面側からの斜視図及び断面図である。この方向制御装置２１は、球面アクチュエータ２２のロータ２３内にカメラ２４を回転自在に保持させたものであって、球面アクチュエータ２２はケーシング２５内に取り付けられた４個のステータ２６，２６，２７，２７でロータ２３を保持した構造となっている。また、カメラ２４で撮影された像は、例えば別な場所に設置されたモニター装置のディスプレイ（図示せず）に映されたり、ビデオフィルムに録画されたりするようになっている。以下、この実施形態の方向制御装置２１を詳しく説明する。ただし、球面アクチュエータ２２の基本構造や動作は前記球面アクチュエータ（図１、図２）と同じであるので、詳細は省略する。
【００１７】
図中２４は、撮像用のＣＣＤやレンズを納めた小型カメラであって、略棒状に形成されている。このカメラ２４は、図５に示すようにカメラホルダー２８内に圧入一体化されており、カメラホルダー２８に保持されたカメラ２４は、球状のロータ２３の中心にあけられた通孔２９内に挿入されている。また、カメラホルダー２８は、ロータ２３の通孔２９内に設けられたベアリング３０によって両端部を支持されており、カメラ２４はロータ２３内で光軸回りに自在に回転できるようになっている。
【００１８】
微小振動を発生する４個のステータ２６，２６，２７，２７は、ケーシング２５内に取り付けられ、ロータ２３の最大外周円に沿って配置されている。対向するステータ２６，２６，２７，２７のうち、一方のステータ２６，２７はケーシング２５内に板バネ３１を介して取り付けられており、他方のステータ２６，２７は皿バネ３２とバネ受けプレート３３を介してケーシング２５内に取り付けられており、板バネ３１と皿バネ３２の弾性力によって両ステータ２６，２６，２７，２７をロータ２３に押圧させると共に、調整ネジ３４によってバネ受けプレート３３を動かすことで皿バネ３２の弾性力を変化させ、ステータ２６，２６，２７，２７のロータ２３への圧接力を調整できるようにしている。また、ステータ２６，２６，２７，２７及びロータ２３等をケーシング２５内に組み込んだ後、ケーシング２５の正面及び背面にそれぞれカバー３５，３６を取り付けることによってロータ２３等の脱落を防止している。正面のカバー３５の窓３７からは、図３のようにロータ２３やカメラ２４が露出しており、背面のカバー３６の窓３８からは、図４のようにロータ２３やカメラホルダー２８が露出している。なお、３９は各ステータ２６，２６，２７，２７を駆動するための信号線を通すための孔である。
【００１９】
しかして、この方向制御装置２１にあっては、球面アクチュエータ２２を駆動してロータ２３を回転させることにより、カメラ２４の方向（指向角）をカバー３５の窓３７が開口している範囲内で任意の方向へ向けることができる。
【００２０】
また、この方向制御装置２１にあっては、隣接するステータ２６，２６，２７，２７の中間位置に対応させて背面のカバー３６に４本のポスト４０を立ててあり、各ポスト４０とカメラホルダー２８の後端部の外周面との間にそれぞれ引張コイルバネ４１を張設している。なお、図５に見えるカメラホルダー２８の孔４２は、カメラ２４のコードを引き出すためのものである。
【００２１】
よって、ロータ２３の回転によりカメラ２４の方向が変化したとき、それに伴ってカメラ２４の角度が回転しようとしても、カメラホルダー２８を介してカメラ２４に引張コイルバネ４１の引っ張り力が働いているので、各引張コイルバネ４１の引っ張り力がバランスする位置にカメラホルダー２８を保持させようとし、この結果、カメラ２４の角度は常にほぼ一定となるように（つまり、画像が常に真っ直ぐとなるように）保持される。ただし、ロータ２３は、各ステータ２６，２６，２７，２７で押さえ付けられた状態にあって保持トルクが働いているから、引張コイルバネ４１によってロータ２３が回転することはない。引張コイルバネ４１のばね定数は、ベアリング３０に支持されたカメラ２４を回転させることができる最小の定数に設定すれば、球面アクチュエータ２２の駆動効率がよい。
【００２２】
この方向制御装置にあっては、ロータ２３を回転させてカメラ２４の方向を変化させても引張コイルバネ４１の弾性力によってカメラ２４は常にほぼ一定の角度となるように制御されるので、モニター装置のディスプライ等の画像が傾いたり、ぶれたりせず、良好な画像が得られる。しかも、ステータ２６，２６，２７，２７を一平面上に配置することができるので、簡単な構成になり、さらに、３自由度回転位置の検出機構が不要になるので、構造を簡略化でき、製造コストを安価にできる。また、３自由度球面アクチュエータのようにステータを立体的に配置する必要がないので、ステータ２６，２６，２７，２７の配置を平面的にでき、この結果、ロータ２３ないしカメラ２４の駆動範囲が狭くならない、ロータ２３の制御を２自由度で行えるので、簡単な制御アルゴリズムを使える、最低２個のステータ（対向するステータのうち、一方はベアリング等に置き換えることができる）で実現できる、組立や調整が容易になる、といった利点がある。
【００２３】
なお、回転拘束手段として用いるバネは、カメラ２４の方向駆動範囲において、バネ復元力が働いていれば引張コイルバネ、圧縮コイルバネのどちらを用いても効果は同様である。また、コイルバネに限らず、例えばＳ字状に屈曲させた線状バネを用いることもできる。また、この実施形態では、ケーシング２５の背面側に引張コイルバネ４１を張ったが、ケーシング２５の前面側に引張コイルバネ４１を張ってカメラ２４の角度を保持するようにしてもよい。
【００２４】
（第２の実施形態）
図６は本発明の別な実施形態による方向制御装置５１の背面側からの斜視図である。この実施形態では、背面のカバー３６に立てた１本のポスト４０とカメラホルダー２８の後端部の外周面との間に１本の引張コイルバネ４１を張設している。この実施形態では、引張コイルバネ４１の引っ張り力が最も小さくなるようにカメラホルダー２８が回転することによりカメラ２４がほぼ真っ直ぐに保持される。このように１本の引張コイルバネ４１によってもカメラ２４の回転を抑制することができ、構造をより簡略化することができ、コストも安価にすることができる。
【００２５】
（第３の実施形態）
図７は本発明の別な実施形態による方向制御装置５２の背面側からの斜視図である。この実施形態では、図３〜図５の実施形態の引張コイルバネ４１に代えて４本のゴムバンド５３を用いている。この場合も、ロータ２３の回転に伴ってカメラ２４の角度が変化すると、ゴムバンド５３の弾性力によってカメラ２４が元の角度へ復帰させられる。なお、この場合も、ゴムバンド５３は、ロータ２３の駆動を抑制せずにカメラ２４の角度を補正できる範囲の弾性係数に設定すればよい。
【００２６】
（第４の実施形態）
図８は本発明のさらに別な実施形態による方向制御装置５４を示す背面側からの斜視図である。この方向制御装置５４では、カメラ２４の回転拘束手段として重り５５を用いている。すなわち、カメラホルダー２８の後端部の外周面には、重り５５をつけた紐５６が結ばれている。従って、ロータ２３の回転によりカメラ２４の方向が変化したとき、それに伴ってカメラ２４の角度が回転しても、カメラホルダー２８には元の角度に戻そうとする回転モーメントが発生するので、重り５５の結ばれている部分が最下点になるようにカメラホルダー２８が回転し、この結果、カメラ２４の角度は常にほぼ一定に保持される。この場合も、おもり５５の質量は、ベアリング３０に支持されたカメラホルダー２８を回転させることのできる最小の質量に設定すれば駆動効率がよい。なお、重り５５は図８に示したように紐５６によってカメラホルダー２８に取り付ける必要はなく、カメラホルダー２８の重心を軸心から偏心させるようにしてカメラホルダー２８の外周面の一部に取り付けてあってもよい。
【００２７】
（第５の実施形態）
図９は本発明のさらに別な実施形態による方向制御装置５７を示す背面側からの斜視図である。この方向制御装置５７では、カメラ２４の回転拘束手段としてＣＲスポンジのシートやゴムシートのような面状弾性体５８を用いている。すなわち、面状弾性体５８の外周部は背面のカバー３６の開口３８周縁に固定してあり、面状弾性体５８の内周部はカメラホルダー２８の後端部の外周面に固定してある。また、この面状弾性体５８は、ロータ２３に接触するのを防止するためと、ロータの回転に連れて変形し易いように、平面状に張られておらず、立体的な形状（例えば、お椀形）に形付けられている。なお、面状弾性体を所望の形状に形付けるためには、その形状に成形してもよく、あるいは、弾性変形可能な、形状保持用の芯材５９を面状弾性体５８内に入れてもよい。
【００２８】
しかして、ロータ２３が回転する場合には、面状弾性体５８は変形することによってロータ２３の回転を妨げないが、ロータ２３の回転によりカメラ２４の方向が変化すると、カメラ２４の回転によって面状弾性体５８がカメラ２４の回りに捩れるので、面状弾性体５８には捩れに対する弾性復元力が発生し、カメラ２４の角度を元通りに保持する。なお、この面状弾性体は、球面アクチュエータの前面側に設けてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】球面アクチュエータの基本構造を説明する一部破断した正面図である。
【図２】（ａ）（ｂ）はステータの構造を示す正面図及び断面図である。
【図３】本発明の一実施形態による方向制御装置を示す正面側からの斜視図である。
【図４】同上の方向制御装置の背面側からの斜視図である。
【図５】同上の方向制御装置の断面図である。
【図６】本発明の別な実施形態による方向制御装置を示す背面側からの斜視図である。
【図７】本発明のさらに別な実施形態による方向制御装置を示す背面側からの斜視図である。
【図８】本発明のさらに別な実施形態による方向制御装置を示す背面側からの斜視図である。
【図９】本発明のさらに別な実施形態による方向制御装置を示す背面側からの斜視図である。
【符号の説明】
２２  球面アクチュエータ
２３  ロータ
２４  カメラ
２６，２７  ステータ
２８  カメラホルダー
３０  ベアリング
４０  ポスト
４１  引張コイルバネ
５３  ゴムバンド
５５  重り
５６  紐
５８  面状弾性体
【図１】
0003868098.tif 000002
【図２】
0003868098.tif 000003
【図３】
0003868098.tif 000004
【図４】
0003868098.tif 000005
【図５】
0003868098.tif 000006
【図６】
0003868098.tif 000007
【図７】
0003868098.tif 000008
【図８】
0003868098.tif 000009
【図９】
0003868098.tif 000010