モータ及びシステム

本発明は、モータの技術に関する。

球面アクチュエータを用いてカメラ等を支持、回転させることが知られている。例えば、特許文献1では、球体の表面に沿って移動する可動部材にカメラを取り付け、可動部材とともに球体の周りを回転させることが提案されている。

特開2009−225591号公報

しかしながら、このような従来の球面アクチュエータは、可動部材として複数のアクチュエータやそれらの電気配線等が球体表面上に露出している。そのため球体表面上のカメラ等の被支持体の取り付け箇所が制限されてしまったり、球面アクチュエータ自身を他の構造体に取り付ける際の妨げになったりする。

本発明は、被支持体の取り付けや、自身の他の構造体への取り付けの自由度を高めることのできるモータに関する技術を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係るモータは、開口部を有し、内側に曲面状の表面を有する筐体と、筐体の内部に配置され、表面に接触する複数のアクチュエータと、複数のアクチュエータに接続されるとともに、開口部から筐体の外部に延びる支持体と、を備える。

この態様では、複数のアクチュエータは筐体内側の曲面状の表面に対してそれぞれ動力を伝達する。これにより、筐体と支持体とは互いに相対移動する。例えば、支持体が他の機器等に固定されている場合は、筐体が支持体の周りを回転する。

ここで、複数のアクチュエータは、筐体の内部に配置されており、筐体の外側には露出していない。そのため、複数のアクチュエータが筐体の外側の部材と干渉することが抑制される。例えば、筐体の外側で被支持体を支持する場合に、被支持体に複数のアクチュエータが接触することが回避される。またモータを他の構造体等へ取り付ける場合において、複数のアクチュエータが他の構造体に接触等することが回避される。すなわち、被支持体のモータへ取り付けや、モータ自身の他の構造体への取り付けの自由度を高めることができる。

表面は、球面の一部であるようにしてもよい。

開口部は、円形であるようにしてもよい。

筐体は、球体の一部であるようにしてもよい。

筐体は、多面体であるようにしてもよい。

筐体は、アクチュエータの駆動により、支持体に対して一つ又は複数の回転軸で回転するようにしてもよい。

筐体は、支持体のヨー軸周りで回転するようにしてもよい。

筐体は、支持体のピッチ軸又はロール軸周りで回転するようにしてもよい。

筐体は、被支持体を支持可能であるようにしてもよい。

被支持体は、筐体の外側の表面に固定されているようにしてもよい。

被支持体は、撮像装置であるようにしてもよい。

複数のアクチュエータの各々は、同一円周上に沿って互いに等間隔に配置されているようにしてもよい。

アクチュエータは、圧電アクチュエータであるようにしてもよい。

圧電アクチュエータは、内側表面に接触するリング状の接触部と、一面で接触部に接触し、他面で支持体に接触する圧電素子とを備えるようにしてもよい。

支持体は、複数のアームと、筐体の外部に位置する基部とを有し、複数のアームの各々は、一端で、互いに異なるアクチュエータに接続され、他端で、基部に接続されているようにしてもよい。

複数のアームの各々は、基部を通る軸に対して互いに対称に配置されているようにしてもよい。

アームの一端と軸との距離は、アームの他端と軸との距離よりも長いようにしてもよい。

アームは、アクチュエータを内側表面に対して押し付けているようにしてもよい。

アームは、板ばねであるようにしてもよい。

板ばねは、基部を通る軸に向かって屈曲した屈曲部を有するようにしてもよい。

支持体は、移動体に固定されるようにしてもよい。

支持体は、移動体に回転可能に接続されるようにしてもよい。

支持体は、支持体のヨー軸周りで回転可能に移動体に接続されるようにしてもよい。

移動体に設けられた電源からアクチュエータに電力が供給されるようにしてもよい。

上記いずれかの態様のモータと、モータが取り付けられた移動体と、を備えるシステムとを構成してもよい。

本発明によれば、被支持体の取り付けや、自身の他の構造体への取り付けの自由度を高めることのできるモータに関する技術を提供することができる。

実施形態にかかるモータを示す模式図である。

図1のアクチュエータを説明するための斜視図である。

図1のモータの動作を説明するための模式図である。

変形例に係るモータを示す斜視図である。

変形例に係るモータを示す斜視図である。

変形例に係るモータを示す斜視図である。

支持体の取付方法を説明するための模式図である。

モータと移動体とを備えるシステムを示す模式図である。

図8のシステムの構成を示すブロック図である。

添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。なお、各図において、同一の符号を付したものは、同一又は同様の構成を示す。

特許請求の範囲、明細書、図面、及び要約書には、著作権による保護の対象となる事項が含まれる。著作権者は、これらの書類の何人による複製に対しても、特許庁のファイル又はレコードに表示される通りであれば異議を唱えない。ただし、それ以外の場合、一切の著作権を留保する。

図1を参照して、実施形態に係るモータの一例を説明する。同図に示すように、モータ1は、筐体10、3つのアクチュエータ12及び支持体14等を備えている。モータ1は、構造体2に連結軸20を介して接続されている。モータ1は、被支持体3(例えば、カメラ)を支持している。

筐体10は、中空の球体を一つの平面で切断した形状であり、内壁100、外壁102及び開口部104等を有する。

内壁100の表面(筐体10の内側表面)は、球面状(球面の一部)である。内壁100の表面は、曲面状であればよく、例えば、円柱面や回転楕円面の一部であってもよい。

外壁102の表面(筐体10の外側表面)は、球面状(球面の一部)である。外壁102の表面は、特に限定はなく、曲面状(円柱面や回転楕円面の一部等)でもよいし、複数の平面からなる多面体(図6参照)や凹凸面等で構成されていてもよい。

外壁102には、被支持体3が接続されている。アクチュエータ12は、筐体10の内部に配置されており、筐体10の外部には露出していない。アクチュエータ12が被支持体3に接触等することが回避できるので、被支持体3は、外壁102のどの位置にでも取り付け可能であり、取り付けの自由度は大きい。

被支持体3は、例えば、撮像装置(全天球カメラ、半天球カメラ又はビデオカメラ等)、センサ(画像センサ、音声センサ等)、画像出力装置もしくは音声出力装置(テレビ又はスピーカ等)又は通信装置及びロボットアーム等の機器でもよい。外壁102に被支持体3が複数接続されてもよい。複数の被支持体3が接続される場合、それぞれの被支持体は同一のものでもよいし、異なる属性(大きさ、性能又は種類等)のものでもよい。

被支持体3は、外壁102に直接又は取付部材等を介して間接的に接続されてもよい。被支持体3は、外壁102や取付部材に固定されても良いし、取り外し可能に取り付けられてもよい。被支持体3は、例えば筐体10に対してワイヤ等で吊り下げる等して、筐体10に対して相対移動可能に接続されてもよい。なお、取付部材は、外壁102と一体成形されていてもよいし、外壁102に接着、溶着又は固定手段(ねじや、釘又はピン等)等で固定されていてもよい。

開口部104は、内壁100と外壁102とをつなぐ円形の境界部分であり、支持体14の一部を筐体10の内部から外部に取り出すための開口を画定している。変形例として、開口部104は、矩形状、多角形状又は楕円形状等の他の形状としてもよい。

3つのアクチュエータ12は、筐体10の内壁100の周方向に沿ってそれぞれ均一に離間して配置されている。各アクチュエータ12は、筐体10の内壁100に接触している。変形例として、3つのアクチュエータ12は、例えば、内壁100の周方向に沿って互いに不均一に離間して配置されてもよいし、同一円周上ではなく内壁100の任意の箇所に配置されてもよい。アクチュエータ12の数に限定はなく、例えば4つ以上でもよい。

アクチュエータ12は、例えば、圧電アクチュエータ(超音波モータ)であり、図2に示すように、接触部120と圧電素子122とを有する。

アクチュエータ12の接触部120は、リング状であり、周方向にわたって等間隔で突出片120Aが複数設けられている。突出片120Aは、筐体10の内壁100の曲率に対応したアール面を有し、このアール面が内壁100に接触するようになっている。

アクチュエータ12の圧電素子122は、一面で接触部120に固定され、他面で支持体14の一端140Aに固定されている。圧電素子122には、例えば、超音波域の交流電圧が印加される。印加する電圧特性(例えば、振幅、位相差又は周波数等)を変化させることで圧電素子122の伸縮が制御され、微小振動が発生する。変形例として、アクチュエータ12は、直流モータ、交流モータ又は静電気力モータ等でもよい。

アクチュエータ12を駆動するための電力は、モータ1の内部電源(例えば、支持体14に搭載したバッテリ等)から供給してもよいし、モータ1の外部電源(例えば、構造体2に搭載したバッテリ等)からケーブルやワイヤ又は無線で供給してもよい。この電力は、モータ1の他の部材や被支持体3を駆動するために用いてもよい。

図1に示すとおり、支持体14は、3つのアーム140と、基部142とを有する。3つのアーム140と基部142とは、一体成形されていてもよいし、互いに接着、溶着又は固定手段(ねじや、釘又はピン等)等で固定されていてもよい。

3つのアーム140は、筐体10の内部から、開口部104により画定される開口を通って、筐体10の外部に延びている。アーム140は、筐体10の内部の一端140Aでアクチュエータ12に接続され、筐体10の外部の他端140Bで基部142に接続されている。

3つのアーム140は、基部142の主面の中心を通る軸O(本実施形態においては、「ヨー軸」に一致する)に対して互いに軸対称に配置されている。アーム140は、一端140Aから他端140Bに向かうにつれて軸Oに近接するように、軸Oに対して傾斜している。一端140Aから軸Oへの距離(d1)は、他端140Bから軸Oへの距離(d2)よりも長い。

アーム140の軸Oに対する傾斜角は、一定でもよいし変化させてもよい。例えば、図1及び図2に示すように、アーム140は、軸Oに対する傾斜角が所定角度(例えば、30度)以上の屈曲部140Cを有してもよい。屈曲部140Cの軸Oに対する傾斜角は、アーム140の一端140Aから他端140Bの間で最大になるようにしてもよい。例えば、屈曲部140Cの軸Oに対する傾斜角が、アームの140の一端140Aから屈曲部140Cまでの軸Oに対する傾斜角や、アーム140の他端140Cから屈曲部140Cまでの軸Oに対する傾斜角よりも大きくしてもよい。屈曲部140Cは、開口部104の近傍に配置されてもよい。例えば、図1に示す状態(筐体10のロール軸及びピッチ軸に対する姿勢角が0度で、開口部104の開口面が水平面と平行の状態)において、各アーム140の屈曲部140Cが、筐体10の内部にそれぞれ配置されるようにしてもよい。屈曲部140Cを有することで、アーム140が軸Oにさらに近接し、開口部104と干渉しにくくなる。これにより、筐体10の可動範囲を広げることができる。

アーム140は、例えば、金属や樹脂等で構成されている。アーム140は、例えば、板ばね等の薄厚平板状の弾性部材でもよい。アーム140の一端140Aを軸Oに近接する方向に弾性変形させた状態で筐体10内に配置してもよい。この場合、3つのアーム140の一端140Aはその復元力により、それぞれが接続するアクチュエータ12を筐体10の内壁100に対して押しつける。そのため、筐体10が支持体14から抜け落ちてしまうことが抑制される。変形例として、アーム140はアクチュエータ12を支持さえすれば、他の材質、形状でもよいし、弾性体でなくてもよい。

基部142は、筐体10の外部に位置する。基部142は、例えば、連結軸20を介して構造体2に接続されている。基部142は、構造体2に対して固定されてもよいし、相対移動や取り外しできるように接続されてもよい。アクチュエータ12は、筐体10の内部に配置されており、筐体10の外側には露出していないため、アクチュエータ12が構造体2に干渉しにくくなる。

基部142は、構造体2からの振動がアクチュエータ12や筐体10に伝達されるのを抑制するために、ダンパ等の衝撃吸収機構を備えてもよい。構造体2としては特に限定はなく、例えば、可動体(例えば、移動体や生体等)や静止体(例えば、各種機器や建築物等)でもよい。

次に、図3を用いて、モータ1の動作について説明する。モータ1は、アクチュエータ12の駆動により筐体10及び被支持体3を支持体14に対して回転させる。

より具体的には、アクチュエータ12の圧電素子122に、例えば超音波域の交流電圧が印加される。すると圧電素子122が微小振動する。微小振動により発生した超音波が接触部120を介して筐体10の内壁100に伝達されると、摩擦力により筐体10がアクチュエータ12に対して移動する。これにより、筐体10が支持体14に対して例えば、一つ又は複数の回転軸(例えば、ロール軸、ピッチ軸及びヨー軸)周りで回転移動する。筐体10の姿勢や回転を例えば慣性センサ等で検知しつつ、圧電素子122に印加する電圧等を制御することで、筐体10の支持体14に対する姿勢や回転を制御することができる。

筐体10の可動範囲は、例えば、ヨー軸周りでは、360度であり、ロール軸及びピッチ軸周りでは、例えば−30度以上30度以下とすることができる。なお、ロール軸及びピッチ軸の可動範囲は、筐体10の開口部104の形状や大きさ、支持体14のアーム140の形状や位置等を変更することで適宜変更可能である。

次に、図4乃至図6を用いて、変形例に係るモータ1A、1B及び1Cについて説明する。以下ではモータ1と共通の事柄についての記述を省略し、異なる点についてのみ説明する。

図4乃至図6に示すように、変形例に係るモータ1A、1B及び1Cは、被支持体を複数支持している。具体的には、モータ1Aは、筐体10の外壁102の同一円周上に4つの被支持体3Aが互いに等間隔で取り付けられ、頂部に一つの被支持体3Aが取り付けられている(図4参照)。モータ1Bは、筐体10の外壁102の同一円周上に8つの被支持体3Bが取り付けられている(図5参照)。モータ1Cは、筐体10の外壁102Cが5つの矩形状の平面で構成され、それぞれの面に1つずつ被支持体3Cが取り付けられている(図6参照)。

図4乃至図6に示す変形例においては、モータ1A、1B及び1Cの支持体14が接続される構造体2は、例えば、DCサーボモータである。構造体2(DCサーボモータ)は、連結軸20をヨー軸周りで所望の方向(時計周り又は反時計周り)で回転させ、連結軸20に固定された支持体14を回転させる。この場合、筐体10の構造体2に対する回転は、支持体14の構造体2に対する回転(回転1)と、筐体10の支持体14に対する回転(回転2)とを合わせたものになる。

例えば、筐体10の支持体14に対する回転(回転2)をロール軸及びピッチ軸の2軸周りの回転にしてもよい。この場合でも、支持体14の構造体2に対する回転(回転1)により、筐体10は、構造体2に対してヨー軸、ロール軸及びピッチ軸の3軸周りで回転可能である。

例えば、筐体10の支持体14に対する回転(回転2)をロール軸、ピッチ軸及びヨー軸の3軸周りの回転としてもよい。この場合、ヨー軸周りの大きな動きは構造体2(DCサーボモータ)で行い(回転1)、ヨー軸周りの微小な動きはアクチュエータ12で行う(回転2)ようにしてもよい。

モータ1A、1B及び1Cの支持体14の構造体2への接続は、接着、溶着又は固定手段(ねじや、釘、ピン等)等の種々の方法を採用可能である。例えば、図7(A)に示すように、支持体14の基部142及び連結軸20にそれぞれネジ穴を設け、ネジ22で両者を締結するようにしてもよい(図7(B)参照)。

次に、図8及び図9を参照して、このようなモータと移動体とを備えるシステム8について説明する。ここでは、移動体として、無人航空機(Unmanned Aerial Vehicle、以下、「UAV」という。)を例に説明する。なお、移動体としては、航空機、空中を移動する他の機器、地上を移動する車両、水上を移動する船舶又はロボット等も含む。

図8に示すとおり、システム8は、UAV80とモータ82とを有する。

UAV80は、例えば、機体800、機体800の上面四方に取り付けられた複数(例えば4つ)の回転翼802、機体800の底面中央に取り付けられた接続部材804(例えば、図4乃至7で説明したDCサーボモータ2)等を備える。UAV80は、回転翼802の回転により揚力及び推進力を生じさせ飛行する。UAV80は、ユーザ操作によるマニュアル飛行、及び、予め設定された経路を飛行する自動飛行等が可能である。

モータ82は、接続部材804を介して、UAV80に接続されている。モータ82は、モータ1やその変形例のモータ1A、1B及び1Cと同様とすることができ、説明は省略する。モータ82は、被支持体84として例えばカメラを支持可能である。モータ82は、例えば、ヨー軸、ピッチ軸及びロール軸を中心に被支持体84(例えば、カメラ)を回転させ、UAV80の航行中に被支持体84(例えば、カメラ)の姿勢を調整する。このとき、モータ82の複数のアクチュエータは、筐体の内部に配置されているので、モータ82の駆動により、アクチュエータ12がUAV80と接触することはない。

次に、図9を参照して、システム8の機能構成を説明する。同図に示すとおり、UAV80は、機体800に接続された回転翼802及び接続部材804、機体800に内蔵されたセンサシステム806及び通信システム808等を備える。接続部材804には、モータ82が接続されている。モータ82は、被支持体84を支持可能である。

センサシステム806は、UAV80の状態を検知するための各種センサである。センサシステム806は、例えば、GPS、運動センサ、慣性センサ、近接センサ等を用いて、UAVの位置、姿勢、速度、角速度又は加速度等を取得する。

通信システム808は、ネットワーク86を介して、外部端末88と一方向又は双方向で通信する。外部端末88からの通信は、例えば、UAV80、モータ82及び被支持体84の位置や姿勢を変更させるための制御指令を含んでもよい。通信システム808からの通信は、センサシステム806で検出したUAV80の状態についての情報を含んでもよい。

ネットワーク86は、例えば、無線、WiFi、ローカルエリアネットワーク(LAN)、ワイドエリアネットワーク(WAN)、赤外線、ポイントツーポイント(P2P)ネットワーク、電気通信ネットワーク及びクラウド通信等の1つ以上を含む。

外部端末88は、UAV80と通信する通信システム880を有している。通信システム880は、データをウェブサイトやサーバにアップロード又はデータをウェブサイトからダウンロードできるように、インターネット又は他のネットワークに接続されてもよい。

外部端末88は、手持ち型又は装着型デバイスであってもよい。外部端末88は、例えば、スマートフォン、タブレット、ラップトップ、コンピュータ、眼鏡、手袋、ヘルメット、マイクロホン又はこれらの組合せで構成することができる。

外部端末88は、例えば、キーボード、マウス、ジョイスティック、タッチスクリーン又はディスプレイ等のユーザインターフェースを含むことができる。外部端末88は、例えば、UAV80からの情報を表示する表示装置を含むことができる。

以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。実施形態が備える各要素及びその配置、材料、条件、形状、サイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、異なる実施形態で示した構成同士を部分的に置換し又は組み合わせることが可能である。

例えば、上記実施形態においては、モータ1は、支持体14が他の構造体2に固定され、アクチュエータ12の駆動により筐体10及び被支持体3が支持体14及び構造体2に対して回転する。しかしながら、例えば、筐体を他の構造体に対して固定しつつ、支持体が被支持体(例えばカメラ等)を支持するようにして、アクチュエータの駆動により、支持体及び被支持体が筐体及び構造体に対して回転するようにしてもよい。

1、1A、1B、1C…モータ、10…筐体、100…表面、100…内壁、102…外壁、102C…外壁、104…開口部、12…アクチュエータ、120…接触部、120A…突出片、122…圧電素子、14…支持体、140…アーム、140A…一端、140B…他端、140C…屈曲部、142…基部、2…構造体、20…連結軸、22…ネジ、3、3A、3B、3C…被支持体、8…システム、80…UAV、800…機体、802…回転翼、804…接続部材、806…センサシステム、808…通信システム、82…モータ、84…被支持体、86…ネットワーク、88…外部端末、880…通信システム