特許 6351697 支持機構及びシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6351697

(24)【登録日】2018年6月15日

(45)【発行日】2018年7月4日

(54)【発明の名称】支持機構及びシステム

(51)【国際特許分類】

   H02N 2/12 20060101AFI20180625BHJP

   H02N 2/14 20060101ALI20180625BHJP

【ＦＩ】

   H02N2/12

   H02N2/14

【請求項の数】7

【全頁数】20

(21)【出願番号】特願2016-240121(P2016-240121)

(22)【出願日】2016年12月12日

(65)【公開番号】特開2018-98871(P2018-98871A)

(43)【公開日】2018年6月21日

【審査請求日】2016年12月12日

(73)【特許権者】

【識別番号】513068816

【氏名又は名称】エスゼット ディージェイアイ テクノロジー カンパニー リミテッド

【氏名又は名称原語表記】ＳＺ ＤＪＩ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＣＯ．，ＬＴＤ

(74)【代理人】

【識別番号】100079108

【弁理士】

【氏名又は名称】稲葉 良幸

(74)【代理人】

【識別番号】100109346

【弁理士】

【氏名又は名称】大貫 敏史

(74)【代理人】

【識別番号】100117189

【弁理士】

【氏名又は名称】江口 昭彦

(74)【代理人】

【識別番号】100134120

【弁理士】

【氏名又は名称】内藤 和彦

(74)【代理人】

【識別番号】100108213

【弁理士】

【氏名又は名称】阿部 豊隆

(72)【発明者】

【氏名】小山 高志

(72)【発明者】

【氏名】瞿 宗耀

【審査官】 森山 拓哉

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００９−２２５５９１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｎ ２／１２

Ｈ０２Ｎ ２／１４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

曲面状の表面を有する第一部材と、
前記表面上を移動する複数のアクチュエータと、
前記複数のアクチュエータに接続され、前記第一部材の周りを回転する第二部材と、を備え、
前記第二部材は、複数の被支持体の少なくとも２つを、前記第一部材を挟んで互いに反対側の位置で支持可能であるとともに、前記第一部材のヨー軸周りに回転可能であり、
前記複数の被支持体を支持した前記第二部材の重心は、前記ヨー軸上に位置する、
支持機構。

【請求項2】

前記第二部材または前記複数の被支持体の少なくとも一つに取り付けられる慣性センサを備える、請求項１に記載の支持機構。

【請求項3】

前記複数のアクチュエータは、前記第一部材の前記表面に接触する、請求項１又は２に記載の支持機構。

【請求項4】

前記第一部材は球体であり、
前記複数のアクチュエータは、前記球体表面の同一円周上に沿って等間隔で配置されている、請求項１から３の何れか一項に記載の支持機構。

【請求項5】

前記第一部材は、基体に対して固定されている、請求項１から４の何れか一項に記載の支持機構。

【請求項6】

前記支持機構は、前記第一部材に接続する基体を介して移動体に接続される、請求項１から５の何れか一項に記載の支持機構。

【請求項7】

請求項１から６の何れか一項に記載の支持機構と、
前記支持機構が取り付けられた移動体と、
を備える、システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、支持機構の技術に関する。

【背景技術】

【0002】

球面アクチュエータを用いてカメラ等を支持す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回転する可動部材の台座にカメラを一つ取り付けて、可動部材とともに球体の周りを回転させる球面アクチュエータが提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００９−２２５５９１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、この球面アクチュエータは、可動部材の重心がカメラのある台座側に大きく偏っている。そのため、可動部材の回転に伴って球面アクチュエータの重心が大きく変動してしまう。

【0005】

本発明の目的は、駆動に伴う重心変動を抑制する支持機構に関する技術を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

一態様において、支持機構は、曲面状の表面を有する第一部材と、この表面上を移動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、第一部材の周りを回転する第二部材と、を備え、第二部材は、複数の被支持体の少なくとも２つを、第一部材を挟んで互いに反対側の位置で支持可能である。

【0007】

この態様では、複数のアクチュエータは、第一部材の曲面状の表面上を移動する。複数のアクチュエータに接続された第二部材もこの表面に沿って移動し、第一部材の周りを回転する。第二部材は、複数の被支持体を支持可能であるので、第二部材により支持された複数の被支持体も、第一部材の周りを回転する。

【0008】

ここで、第二部材に支持される被支持体の少なくとも２つは、第一部材を挟んで互いに反対側に位置する。これらの被支持体は、その自重により第二部材に対して互いに反対方向の力（回転モーメント）を作用させる。

【0009】

これにより、第二部材に一つの被支持体のみが支持されている場合や複数の被支持体が同じ側のみで支持されている場合に比べて、第二部材の重心は、第二部材の回転中心に対して近づく。そのため、第二部材の駆動（第一部材周りの第二部材及び複数の被支持体の回転）に伴う支持機構の重心変動を抑制できる。

【0010】

第二部材は、第一部材を囲むリングを有するようにしてもよい。

【0011】

複数の被支持体は、リングの周方向に等間隔で支持されるようにしてもよい。

【0012】

複数の被支持体は、異なる重量の被支持体を含むようにしてもよい。

【0013】

複数の被支持体は、同一重量の被支持体を含むようにしてもよい。

【0014】

第二部材は、第一部材のヨー軸周りに回転可能であり、複数の被支持体を支持した第二部材の重心はヨー軸上に位置するようにしてもよい。

【0015】

この態様では、複数の被支持体を支持した状態で、第二部材の重心がヨー軸に対してバランスするので、第二部材を水平姿勢（水平面（地面）に平行な姿勢）に維持するのに必要なトルクを減少させることができる。また、第二部材のヨー軸周りの回転に伴って支持機構の重心が変動することも抑制できる。

【0016】

複数の被支持体は、異なる種類の被支持体を含むようにしてもよい。

【0017】

複数の被支持体は、同一種類の被支持体を含むようにしてもよい。

【0018】

複数の被支持体の少なくとも一つは、全天球カメラまたは半天球カメラであるようにしてもよい。

【0019】

複数の被支持体の少なくとも一つは錘であるようにしてもよい。

【0020】

第二部材または複数の被支持体の少なくとも一つに取り付けられる慣性センサを備えるようにしてもよい。

【0021】

他の態様において、支持機構は、曲面状の表面を有する第一部材と、この表面上を移動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、第一部材の周りを回転する第二部材と、第二部材に取り付けられた慣性センサと、を備えるようにしてもよい。

【0022】

この態様では、複数のアクチュエータは、第一部材の曲面上の表面を移動する。複数のアクチュエータに接続された第二部材もこの表面に沿って移動し、第一部材の周りを回転する。ここで、第二部材には、慣性センサが取り付けられているので、第二部材の動きを簡易な構成で検知し、第一部材の周りの姿勢や回転を制御することができる。

【0023】

慣性センサは、角速度センサまたは加速度センサであるようにしてもよい。

【0024】

慣性センサに基づいて、第二部材の位置、姿勢（ピッチ角、ロール角、ヨー角等）、角速度及び角加速度の少なくとも一つを検知するようにしてもよい。

【0025】

第一部材は、基体に接続されており、慣性センサは、第二部材と基体との相対位置または第二部材と支持機構の外部の所定の参照位置との相対位置に基づいて較正されるようにしてもよい。

【0026】

第二部材は、一つまたは複数の被支持体を支持可能であるようにしてもよい。

【0027】

慣性センサにより検知した第二部材の動きに基づいて、少なくとも一つの被支持体の姿勢が制御されるようにしてもよい。

【0028】

慣性センサは、少なくとも一つの被支持体に取り付けられているようにしてもよい。

【0029】

慣性センサは、被支持体から離間しているようにしてもよい。

【0030】

慣性センサは、被支持体の駆動中に第二部材の動きを検知するようにしてもよい。

【0031】

第一部材は、基体に接続されており、基体は、慣性センサをさらに有するようにしてもよい。

【0032】

慣性センサは、少なくとも第一部材のピッチ軸及びロール軸のいずれかに対する第二部材の姿勢角を検知するようにしてもよい。

【0033】

基体が有する慣性センサは、第一部材のヨー軸に対する第二部材または基体の姿勢角を検知するようにしてもよい。

【0034】

少なくとも第二部材の姿勢角及び基体の姿勢角を用いて、第二部材を基体に対して較正するようにしてもよい。

【0035】

複数のアクチュエータは、所定の姿勢角に基づいて第二部材を移動させるようにしてもよい。

【0036】

所定の姿勢角に基づいて複数のアクチュエータが出力するトルクを決定するようにしてもよい。

【0037】

ＰＩＤコントローラを用いてトルクを決定するようにしてもよい。

【0038】

ＰＩＤコントローラは、第二部材に設けられているようにしてもよい。

【0039】

第一部材は、基体に接続され、ＰＩＤコントローラは、基体に設けられているようにしてもよい。

【0040】

支持機構は、第一部材に接続される基体を介して移動体に接続され、ＰＩＤコントローラは、移動体に設けられているようにしてもよい。

【0041】

ＰＩＤコントローラは、慣性センサによって検知された姿勢角と所定の姿勢角との差に基づいて角速度を決定し、決定した角速度と慣性センサによって検知された角速度との差に基づいて、トルクを決定するようにしてもよい。

【0042】

複数のアクチュエータは、第一部材の表面に接触するようにしてもよい。

【0043】

第一部材の表面は球状であり、複数のアクチュエータは、表面の大円または小円に沿って等間隔で配置されているようにしてもよい。

【0044】

第一部材は、基体に対して固定されているようにしてもよい。

【0045】

第二部材は、第一部材の周りを少なくとも第一部材のロール軸、ピッチ軸またはヨー軸周りで回転するようにしてもよい。

【0046】

第一部材は、基体にモータを介して回転可能に接続されているようにしてもよい。

【0047】

第一部材または基体は、モータのロータに取り付けられているようにしてもよい。

【0048】

モータの回転角は、磁気センサを用いて検知されるようにしてもよい。

【0049】

モータは、第一部材を基体に対して第一部材のヨー軸周りに回転させるようにしてもよい。

【0050】

第二部材は、第一部材の周りを少なくとも第一部材のロール軸またはピッチ軸周りで回転するようにしてもよい。

【0051】

第二部材は、第一部材の周りをさらに第一部材のヨー軸周りで回転するようにしてもよい。

【0052】

外部の電源から支持機構へ電力が供給されるようにしてもよい。

【0053】

第一部材は、基体に接続され、基体に電源が設けられているようにしてもよい。

【0054】

支持機構は、第一部材に接続する基体を介して移動体に接続され、移動体に電源が設けられているようにしてもよい。

【0055】

支持機構は、第一部材に接続する基体を介して移動体に接続されるようにしてもよい。

【0056】

一態様において、上記いずれかの態様の支持機構と、支持機構が取り付けられた移動体とを備えるシステムを構成してもよい。

【0057】

一態様において、曲面状の表面を有する第一部材と、この表面上を移動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、慣性センサが取り付けられた第二部材と、を備える支持機構を駆動する方法であって、慣性センサを用いて第二部材の動きを検知する工程と、検知した第二部材の動きに基づいて複数のアクチュエータを駆動して、第二部材を第一部材の周りで回転させる工程と、を含む方法を構成してもよい。

【0058】

この態様では、複数のアクチュエータは、第一部材の曲面状の表面を移動する。複数のアクチュエータに接続された第二部材もこの表面に沿って移動し、第一部材の周りを回転する。ここで、第二部材には、慣性センサが取り付けられているので、第二部材の動きを簡易な構成で検知し、第一部材の周りの姿勢や回転を制御することができる。

【発明の効果】

【0059】

本発明によれば、駆動に伴う重心変動を抑制する支持機構に関する技術を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0060】

【図1】支持機構を備えたシステムの構成を示すブロック図である。

【図2】（Ａ）は、支持機構の一例を示す斜視図であり、（Ｂ）は、アクチュエータの配置を説明するための模式図である。

【図3】支持機構の一例を示す斜視図である。

【図4】（Ａ）は、３つの被支持体の支持位置の一例を示す模式図であり、（Ｂ）は、２つの被支持体の支持位置の一例を示す模式図である。

【図5】支持機構の一例を示す斜視図である。

【図6】支持機構の較正方法を説明するためのブロック図である。

【図7】支持機構の較正方法を説明するためのフローチャートである。

【図8】支持機構のＰＩＤ制御を説明するためのブロック図である。

【図9】支持機構の制御方法を説明するためのフローチャートである。

【図10】無人航空機を示す斜視図である。

【図11】支持機構を取り付けた無人航空機の構成を示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0061】

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。以下の実施形態において説明する構成は一例に過ぎず、本発明は図示された構成に限定されるものではない。各実施形態及びその変形例は、技術的に可能な限り、置換または組合せできる。なお、以下の説明では、同一または同様の構成には、特に断りのない限り、同一の名称を用いている。

【0062】

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、特許庁のファイルまた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。

【0063】

図１を参照して、支持機構と可動体とを備えたシステムの構成例を説明する。同図に示すように、システム１は、支持機構１００と可動体１０１とが基体１０３を介して連結して構成されている。

【0064】

支持機構１００は、固定子１０５（第一部材）、フレーム１０７（第二部材）及び複数のアクチュエータ１０９等を備える。固定子１０５と複数のアクチュエータ１０９とは、モータ組立体１１１を構成する。

【0065】

固定子１０５は、球状表面を有する球体である。変形例として、固定子１０５は、曲面状の表面を有する他の形状、例えば、半球体、円筒体、回転楕円体等であってもよい。

【0066】

フレーム１０７は、複数のアクチュエータ１０９に接続されている。フレーム１０７は、一つまたは複数の被支持体を支持可能である。被支持体は、フレーム１０７に支持される物体である。例えば、被支持体は、撮像装置（全天球カメラ、半天球カメラ、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、スピーカ等）または通信装置及びロボットアーム等の機器でもよい。例えば、被支持体は、この機器に対して重量を釣り合わせるための錘でもよい。フレーム１０７は、例えばその表面上に被支持体を固定して直接支持してもよいし、フレームに接続された取付部材等を介して被支持体を間接的に支持してもよい。

【0067】

複数のアクチュエータ１０９は、固定子１０５に対する回転子として機能する。複数のアクチュエータ１０９は、固定子１０５に接触して球状表面上を移動し、フレーム１０７を固定子１０５に対して例えば３軸（ロール軸、ピッチ軸、ヨー軸）で回転させる。

【0068】

複数のアクチュエータ１０９は、例えば、圧電アクチュエータである。圧電アクチュエータは、電圧の印加により圧電素子が微小振動する。この微小振動により発生した超音波が固定子１０５の球状表面に伝達されると、摩擦力により複数のアクチュエータ１０９が固定子１０５の表面に沿って移動する。これに伴い複数のアクチュエータ１０９に接続されたフレーム１０７も固定子１０５に対して回転する。複数のアクチュエータ１０９のそれぞれに印加する電圧を制御することで、フレーム１０７の固定子１０５に対する姿勢や回転が制御できる。

【0069】

モータ組立体１１１は、固定子１０５と、複数のアクチュエータ１０９とから構成される。モータ組立体１１１は、例えば、フレーム１０７に直接力（例えば、超音波）を作用させるモータであり、フレーム１０７を基体１０３及び可動体１０１に対して一つまたは複数軸で回転させる。変形例として、モータ組立体１１１は、駆動力にコイルやマグネットによる電磁力を利用するモータでもよい。

【0070】

可動体１０１は、例えば、移動体である。移動体としては、無人航空機（Unmanned Aerial Vehicle、以下、「ＵＡＶ」という。）、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、ロボット等が含まれる。変形例として、可動体１０１は、生体（人、動物）、生体に支持または装着されるデバイスでもよい。

【0071】

基体１０３は、支持機構１００と可動体１０１とを接続する。基体１０３は、支持機構１００と可動体１０１とが互いに相対移動しないように両者を接続してもよい。または、基体１０３は、支持機構１００と可動体１０１とが相対移動（例えば、一つまたは複数軸で回転）するように両者を接続してもよい。変形例として、基体１０３を用いずに、支持機構１００と可動体１０１とが直接連結されてもよい。

【0072】

図２を参照して、支持機構の一例を示す。図２（Ａ）に示すように、支持機構２００は、固定子２０１、３つの圧電アクチュエータ２０３−１、２０３−２及び２０３−３（以下、まとめて「圧電アクチュエータ２０３」ともいう）、接続部材２０４、フレーム２０９並びにシャフト２１１等を備えている。

【0073】

支持機構２００は、シャフト２１１を介して基体２１３に連結されている。同図中、互いに直交する３つの軸２０７−１、２０７−２及び２０７−３は、それぞれ、ヨー軸、ピッチ軸及びロール軸である。

【0074】

固定子２０１は、球状表面を有する球体であり、表面上の一点において棒状のシャフト２１１の一端に固定されている。シャフト２１１は、他端にて基体２１３に固定されている。

【0075】

圧電アクチュエータ２０３は、固定子２０１に接続され、固定子２０１の表面上（シャフト２１１が固定されている箇所を除く）を移動する。圧電アクチュエータ２０３は、固定子２０１の同一円周上に沿って、より具体的には、固定子２０１を構成する球体の小円（固定子２０１をその中心を含まない平面で切ったときの切断円）の周方向に沿ってそれぞれ均一に離間して配置される。ここでは、圧電アクチュエータ２０３は、固定子２０１の中心に対して互いに相対角度１２０度離間して配置されている。

【0076】

この小円の大きさは、図２（Ｂ）に示すように、ピッチ軸２０７−２及びロール軸２０７−３を含む面に対する圧電アクチュエータ２０３の姿勢角αで規定される。姿勢角αは、例えば、０度から±８５度等とすることができる。

【0077】

変形例として、圧電アクチュエータ２０３は、小円の周方向に沿って不均一に配置されてもよい。また、圧電アクチュエータ２０３は、固定子２０１の表面上の大円（固定子２０１をその中心を含む平面で切ったときの切断円）に沿って均一または不均一に配置されてもよい（この場合、図２（Ｂ）の姿勢角αは０度になる）。また、圧電アクチュエータの数に限定はなく、例えば４つ以上としてもよい。

【0078】

圧電アクチュエータ２０３は、それぞれ圧電素子を備える。圧電素子には、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、位相差及び周波数等）を変化させることで圧電素子の伸縮が制御される。これにより圧電アクチュエータ２０３は、それぞれ角速度ベクトル２０５−１、２０５−２及び２０５−３で固定子２０１の表面上を移動する。

【0079】

圧電アクチュエータ２０３を駆動するための電力は、支持機構２００の内部の電源（例えば、フレーム２０９に搭載したバッテリ等）から供給してもよいし、支持機構２００の外部の電源（例えば基体２１３または基体２１３が接続される可動体のバッテリ等）からケーブルやワイヤまたは無線で供給してもよい。この電力は、支持機構２００の他の部材または支持機構２００に接続された他の構成を駆動するためにも用いることができる。

【0080】

接続部材２０４は、例えば、薄厚平板状の弾性部材であり、圧電アクチュエータ２０３それぞれをフレーム２０９の周方向に沿って接続する。このとき、接続部材２０４は、圧電アクチュエータ２０３を固定子２０１の中心方向に対して一方向に偏るような力を加えて、固定子２０１に予め負荷を付与してもよい。この場合、圧電アクチュエータ２０３が固定子２０１から外れてしまうことが抑制される。接続部材２０４は、フレーム２０９と一体成形されていてもよいし、フレーム２０９とは別体で接着、溶着または固定手段（ねじや、釘、ピン等）で接続されていてもよい。変形例として、フレーム２０９と接続部材２０４とを、互いに取り外し可能に接続してもよい。

【0081】

フレーム２０９は、リング状であり、固定子２０１の外周面を囲むように配置されている。フレーム２０９のリングの半径は、圧電アクチュエータ２０３が配置される固定子２０１の小円または大円の半径よりも少なくとも大きく、フレーム２０９の固定子２０１周りの回転の障害にならない大きさである。

【0082】

変形例として、フレーム２０９は、固定子２０１の外周の一部を覆うような平板状（例えば、図５のフレーム５０３を参照）や多角形等の他の形状であってもよい。フレーム２０９は、点対称又は軸対称の形状でもよいし、非対称の形状でもよい。

【0083】

フレーム２０９は、圧電アクチュエータ２０３の固定子２０１上の移動により、角速度ベクトル２０５−１、２０５−２及び２０５−３の合力からなる角速度ベクトルを有する。これにより、フレーム２０９は、固定子２０１に対して３軸（ヨー軸２０７−１、ピッチ軸２０７−２及びロール軸２０７−３）周りに所定の可動域で回転する。変形例として、フレーム２０９は、３つの軸のいずれか２軸または１軸周りのみで回転するようにしてもよい。

【0084】

フレーム２０９は、一つまたは複数の被支持体を支持することができる。図２（Ａ）に示す例では、フレーム２０９の表面上に一つの被支持体２０６が固定されている。被支持体２０６は、フレーム２０９の動きに連動して固定子２０１に対して回転する。

【0085】

変形例として、フレーム２０９は、被支持体２０６をフレーム２０９の内部に収容してもよい。また、フレーム２０９は、取付部材を用いて被支持体をフレーム２０９の上方、側方または下方等に間接的に支持してもよい。このような取付部材は、フレーム２０９と一体成形されていてもよいし、フレーム２０９に接着、溶着または固定手段（ねじや、釘、ピン等）等で接続されていてもよい。また、フレーム２０９は、例えば被支持体２０６をワイヤで吊り下げる等して、被支持体２０６をフレーム２０９に対して相対移動可能に支持してもよい。また、フレーム２０９は、被支持体２０６をフレーム２０９に対して取り外し可能に支持してもよい。

【0086】

シャフト２１１は、例えば、ヨー軸２０７−１方向に伸びる棒状部材である。シャフト２１１は、一端で固定子２０１に固定され、他端で基体２１３に固定される。すなわち、シャフト２１１は、固定子２０１と基体２１３とを互いに相対移動できないように連結する。シャフト２１１の形状や大きさには特に限定はない。変形例として、シャフト２１１を用いずに、固定子２０１と基体２１３とを直接連結してもよい。

【0087】

基体２１３は、可動体（例えば、移動体や生体）や静止体（例えば、建築物）等の他の物体に接続可能である。基体２１３は、他の物体の表面（例えば、移動体の筐体内側または外側表面）に接続されてもよい。基体２１３は、他の物体の一部（例えば、移動体の筐体の一部）を構成してもよい。基体２１３は、他の物体に対して相対移動できないように固定されてもよいし、相対移動できるように接続されてもよい。基体は、他の物体に対して、取り外し可能に接続されてもよい。基体２１３は、接続する他の物体からの振動が支持機構２００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。

【0088】

図３を参照して、支持機構の他の例を示す。図３に示す支持機構３００は、固定子３１５が基体３０３に対してヨー軸３０１周りで回転可能である点で、図２で説明した支持機構２００とは異なる。

【0089】

支持機構３００のその余の構成（固定子３１５、圧電アクチュエータ３１１、フレーム３１３）は、支持機構２００の対応する構成（固定子２０１、圧電アクチュエータ２０３、フレーム２０９）と同一または同様の構成をとることができる。なお、図３においては、フレーム３１３に３つの被支持体３０９が支持された様子が示されているが、被支持体３０９の配置及び数はこれに限定されるものではない。

【0090】

図３に示すように、シャフト３０７は、一端で固定子３１５に固定され、他端でモータ３０５のロータ（回転子）に固定されている。モータ３０５の筐体（固定子）は、シャフト３０７に接続されている。モータ３０５は、例えば、ＤＣサーボモータであり、ヨー軸３０１周りで所望の方向（時計周りまたは反時計周り）で回転する。モータ３０５は、例えば、エンコーダやポテンショメータを有しており、その回転角や回転速度が検知可能である。

【0091】

固定子３１５は、モータ３０５により、基体３０３に対してヨー軸周りで回転する。すなわち、フレーム３１３の基体３０３に対する回転は、固定子３１５の基体３０３に対するヨー軸周りの回転（回転１）と、フレーム３１３の固定子３１５に対する回転（回転２）とを合せたものになる。

【0092】

フレーム３１３の固定子３１５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、固定子３１５の基体３０３に対するヨー軸周りの回転（回転１）により、フレーム３１３は、基体３０３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。

【0093】

フレーム３１３の固定子３１５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をモータ３０５に担わせ、ヨー軸周りの微小な動きを圧電アクチュエータ３１１に担わせるようにしてもよい。

【0094】

図４を参照して、支持機構が複数の被支持体を支持する際の支持位置について説明する。図４（Ａ）は、重量が同一の３つの被支持体を支持する場合の一例であり、図４（Ｂ）は、重量が異なる２つの被支持体を支持する場合の一例である。いずれの例においても、フレームは、複数の被支持体の少なくとも２つを、回転子を挟んで互いに反対側の位置で支持する。すなわち、被支持体の一方と被支持体の他方との相対角度（回転子の中心から一方の被支持体４０１−１に延びる半直線と、回転子の中心から他方の被支持体に延びる半直線とがなす角度）が９０度より大きくなる。

【0095】

図４（Ａ）に示すように、３つの被支持体４０１−１、４０１−２、４０１−３（以下、「被支持体４０１」ともいう。）は、重量が同一であり、固定子４０８に対して互いに反対側に位置する。より具体的には、被支持体４０１は、リング状のフレーム４０７の周方向に互いに等間隔（相対角度１２０度）で、かつ、３つの圧電アクチュエータ４１０−１、４１０−２、４１０−３（以下、「圧電アクチュエータ４１０」ともいう。）の中間に位置する。

【0096】

これにより、被支持体４０１を支持した状態のフレーム４０７（被支持体４０１及び圧電アクチュエータ４１０等のフレーム４０７とともに回転する物体を含む）の重心４０５が、ヨー軸４０３上に位置する。すなわち、フレーム４０７は、ヨー軸４０３に対して重量がバランスする。

【0097】

これにより、フレーム４０７を水平姿勢に維持するのに必要なトルクを減少させることができる。また、フレーム４０７のヨー軸４０３周りの回転に伴って支持機構の重心が変動することも抑制できる。

【0098】

フレーム４０７の重心４０５は、フレーム４０７に一つの被支持体のみが支持されている場合や複数の被支持体が固定子４０８の同じ側のみで支持されている場合に比べて、回転中心Ｏに近くなっている（回転中心Ｏと一致してもよい）。そのため、その余の回転軸（ピッチ軸又はロール軸）に対して姿勢を維持する際のトルクも減少する。また、フレーム４０７のこれらの回転軸周りの回転に伴って支持機構の重心が変動することも抑制できる。

【0099】

この支持機構を例えばＵＡＶに取り付けて例えばカメラ等の撮像装置を支持するようにしてもよい。この場合、例えば、カメラを水平方向（水平面（地面）に対し平行な方向）に維持したまま撮像をしても、フレーム４０７を水平姿勢に維持するのに必要なトルクが少なくてすむ。すなわちカメラの水平姿勢を維持するために圧電アクチュエータ４１０に印加する電力を小さくできる。また、撮像対象に向けてカメラを水平方向で回転させても、フレーム４０７のヨー軸４０３周りの回転に伴う重心変動が抑制できるので、航行中のＵＡＶのバランスが崩れることを抑制できる。

【0100】

図４（Ｂ）は、互いに重量の異なる２つの被支持体を支持する場合の例である。被支持体４１１と４１３とは、それぞれフレーム４０９の周方向に沿って配置され、互いに対向するように（相対角度１８０度の対称位置）位置する。より具体的には、被支持体４１１は、フレーム４０９の周方向で、圧電アクチュエータ４１０−１と４１０−３との中間に位置する。被支持体４１３は、圧電アクチュエータ４１０−２に対向してフレーム４０９の半径方向外側に位置する。フレーム４０９（被支持体４１１、４１３、３つの圧電アクチュエータ４１０−１、４１０−２、４１０−３等ともに回転する物体を含む）の重心は、少なくとも一つの回転軸（例えば、ヨー軸）上に位置する。

【0101】

被支持体のフレーム上の位置は、被支持体の総数、各被支持体の大きさ、重さ、形状等に応じて適宜変更できる。例えば、支持機構またはフレームがヨー軸に対して対称形の場合、複数の被支持体の重量がヨー軸においてバランスするように（それぞれのヨー軸に対する回転モーメントが互いに打ち消し合うように）、被支持体を配置してもよい。例えば、同じ重さの複数の被支持体を支持する場合は、これらの被支持体をヨー軸周りに均等に配置する。一方、異なる重さの複数の被支持体を支持する場合は、（ヨー軸に対するそれぞれの回転モーメントが互いに打ち消されるように）重い被支持体をヨー軸のより近くに配置し、軽い被支持体をヨー軸のより遠くに配置する。これにより、被支持体を支持したフレームのヨー軸に対する重量がバランスする（重心がヨー軸上に位置する）。

【0102】

複数の被支持体の種類は、同一でも互いに異なっていてもよい。例えば、被支持体の少なくとも一つは、撮像装置（全天球カメラ、半天球カメラ、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、スピーカ等）または通信装置及びロボットアーム等の機器でもよい。例えば、被支持体の少なくとも１つは、この機器に対して重量を釣り合わせるための錘でもよい。錘は、フレームに別途取り付けられてもよいし、フレームに一体成形されてもよい。

【0103】

図５を参照して、慣性センサを備える支持機構の一例を示す。同図に示すように、支持機構５００は、慣性センサ５０１、平板状のフレーム５０３、球状の固定子５０５、棒状のシャフト５０７、被支持体５０９、複数の圧電アクチュエータ５１１等を備えている。支持機構５００は、慣性センサ５０１を備えている点を除いては、例えば、図１から図３で説明した支持機構１００、支持機構２００または支持機構３００と同一または同様の構成にすることができる。

【0104】

慣性センサ５０１は、対象の加速度、角速度又は角加速度を検出するためのセンサ（Inertial Measurement Unit：ＩＭＵ）であり、例えば、センサの３軸に対し３つの角速度センサ（ジャイロセンサ）と３つの加速度センサを取り付けたセンサ群である。変形例として、慣性センサ５０１は、角速度センサや加速度センサの誤差を補正するための地磁気センサ、傾斜センサ及びＧＰＳ等を含んでもよい。慣性センサ５０１は、一つでも複数でもよい。

【0105】

慣性センサ５０１は、平板状のフレーム５０３の表面上に固定されている。フレーム５０３に支持される被支持体５０９は、例えば、カメラのように撮像対象に応じてその位置や姿勢が制御されるものであってもよい。被支持体５０９が、制御装置を備える場合、慣性センサ５０１は、被支持体５０９の制御装置に電気的に接続されてもよい。

【0106】

フレーム５０３が固定子５０５の周りを回転すると、慣性センサ５０１及び被支持体５０９も固定子５０５の周りを回転する。すなわち、慣性センサ５０１の動きは、フレーム５０３及び被支持体５０９の動きに連動する。ここで、慣性センサ５０１とフレーム５０３及び被支持体５０９との位置関係は既知である。そのため、慣性センサ５０１は、フレーム５０３及び被支持体５０９の動き（例えば、位置、姿勢、角速度、角加速度等）を検知できる。すなわち、動きの検知に、例えばエンコーダ等の複雑な構成は不要になる。検知した動きは、フレーム５０３及び被支持体５０９の位置や姿勢の制御に用いられる。

【0107】

慣性センサ５０１は、フレーム５０３に一体成形されていてもよいし、例えば、接着、溶着、固定手段（ねじや、釘、ピン等）で取り外しできないように接続されていてもよい。慣性センサ５０１のフレーム５０３における位置や数は、適宜設定可能である。例えば、動きを検知する対象となる被支持体５０９上またはその近傍に慣性センサ５０１を取り付けてもよい。

【0108】

変形例として、慣性センサ５０１は、フレーム５０３に取り外し可能に接続されてもよい。また、慣性センサ５０１は、フレーム５０３にダンパ等の他の部材を介して間接的に接続されてもよい。

【0109】

図６及び図７を参照して、このような慣性センサを用いた支持機構の較正（初期化）方法を説明する。図６に示すように、支持機構６００は、球状の固定子６０２に複数の圧電アクチュエータ６０４を介して回転可能に接続されたフレーム６０５を備える。フレーム６０５には、慣性センサ６０９が固定されるとともに、一つまたは複数の被支持体６１０が支持されている。

【0110】

支持機構６００は、固定子６０２に接続されたシャフト６０６を介して、基体６０３に接続されている。基体６０３は、センサ６０７を備える。フレーム６０５は、固定子６０２及び基体６０３に対して、３軸（ヨー軸６０１−１、ピッチ軸６０１−２及びロール軸６０１−３）周りで回転する。支持機構６００は、例えば、図５で示した支持機構５００と同一または同様の構成とすることができる。

【0111】

慣性センサ６０９は、例えば、加速度センサと角速度センサに加えて、地磁気センサを備えてもよい。この場合、慣性センサ６０９は、フレーム６０５のピッチ軸６０１−２及びロール軸６０１−３に対する姿勢角を加速度センサと角速度センサで検知し、フレーム６０５のヨー軸６０１−１に対する姿勢角は地磁気センサ（例えばコンパス）で検知してもよい。

【0112】

センサ６０７は、基体６０３の位置または姿勢を検知するセンサである。センサ６０７は、例えば慣性センサであり、加速度センサ、角速度センサ及び地磁気センサを備えてもよい。例えば、センサ６０７は、基体６０３のヨー軸６０１−１に対する姿勢角を、地磁気センサ（例えばコンパス）で検知してもよい。

【0113】

センサ６０７は、基体６０３に固定されている。センサ６０７は、基体６０３に一体成形されていてもよいし、例えば、接着、溶着または固定手段（ねじや、釘、ピン等）で取り外しできないように接続されていてもよい。

【0114】

変形例として、基体６０３が例えば可動体に固定され、基体６０３と可動体の動きが連動する場合、センサ６０７を基体６０３ではなく可動体に設け、センサ６０７で可動体の位置または姿勢を検知するようにしてもよい。

【0115】

図７を参照して、支持機構６００の較正（初期化）手順を説明する。較正は、例えば支持機構６００、被支持体６１０、基体６０３または可動体等に設けられた制御装置によって行うことができる。制御装置は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と半導体メモリなどの記憶媒体とから構成され、記憶媒体に記憶されたプログラムを実行し、各種の機能を実現する。

【0116】

ステップ７０１において、フレーム６０５のピッチ軸６０１−２及びロール軸６０１−３に対する姿勢角が慣性センサ６０９により検出される。

【0117】

ステップ７０３において、制御装置は、ステップ７０１で検出した姿勢角に基づいて、フレーム６０５を、ピッチ軸６０１−２及びロール軸６０１−３周りで参照位置まで回転させる。参照位置は、例えば、支持機構６００の外部の所定位置（例えば、地面（水平）のような固定位置）としてもよいし、基体６０３の主平面としてもよい。変形例として、ステップ７０３は、ステップ７０７と同時またはステップ７０７の後に行ってもよい。

【0118】

ステップ７０５において、フレーム６０５のヨー軸６０１−１に対する姿勢角が慣性センサ６０９の例えば地磁気センサにより検出される。また、基体６０３のヨー軸６０１−１に対する姿勢角が慣性センサ６０９の例えば地磁気センサを用いて検出される。

【0119】

ステップ７０７において、制御装置は、ステップ７０５で検出したフレーム６０５及び基体６０３それぞれのヨー軸６０１−１に対する姿勢角に基づいて、フレーム６０５をヨー軸６０１−１周りで参照位置まで回転させる。参照位置は、基体６０３が可動体に取り付けられる場合、例えば、可動体の進行方向としてもよい。固定子６０２が基体６０３に対してヨー軸周りで回転可能に接続されている場合は、制御装置は、固定子６０２を基体６０３に対して回転させてもよい。

【0120】

図８を参照して、このような慣性センサを用いて、フィードバック制御により圧電アクチュエータの出力（トルク）を決定する方法について説明する。フィードバック制御は、Ｐ制御、ＰＤ制御、ＰＩ制御、ＰＩＤ制御またはこれらの組み合わせを含むことができる。ここではＰＩＤ制御を用いた例で説明する。

【0121】

図８に示すとおり、フィードバックループ８００は、制御装置８０２、センサ８０４（例えば、慣性センサ）、アクチュエータ８０６（例えば、圧電アクチュエータ）及びフレーム８０８等を備える。ここで、センサ８０４、アクチュエータ８０６及びフレーム８０８は、例えば、図５の支持機構５００または図６の支持機構６００の対応する構成（慣性センサ５０１及び６０９、圧電アクチュエータ５１１及び６０４、フレーム５０３及び６０５）と同一または同様の構成とすることができる。

【0122】

制御装置８０２は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と半導体メモリなどの記憶媒体とから構成される。制御装置８０２は、記憶媒体に記憶されたプログラムを実行し、各種の機能を実現する。制御装置８０２は、支持機構のフレーム（例えば、図５の支持機構５００のフレーム５０３や図６の支持機構６００のフレーム６０５等）、基体（例えば、図６の基体６０３等）及び基体が接続される可動体等の一部または全部に設けられている。

【0123】

制御装置８０２には、目標（所定）の姿勢角８１０が入力される。姿勢角８１０は、例えば、フレームまたは被支持体の所望の姿勢（ロール角、ピッチ角、ヨー角）である。また、制御装置８０２には、センサ８０４からフレーム８０８の姿勢角８１２が入力される。姿勢角８１２は、例えば、センサ８０４の角速度センサ（ジャイロセンサ）で検出したフレーム８０８の現在または直近の角速度を積分することで算出される。

【0124】

制御装置８０２は、姿勢角８１０と姿勢角８１２との差分８１４を算出し、第一ＰＩＤコントローラ８１６に入力する。第一ＰＩＤコントローラ８１６から出力される角速度８１８は、フレーム８０８を所望の姿勢にするための角速度である。

【0125】

制御装置８０２には、センサ８０４から、フレーム８０８の角速度８２０が入力される。角速度８２０は、例えば、センサ８０４の角速度センサ（ジャイロセンサ）で検出したフレーム８０８の現在または直近の角速度である。

【0126】

制御装置８０２は、角速度８１８と角速度８２０との差分８２２を算出し、第二ＰＩＤコントローラ８２４に入力する。第二ＰＩＤコントローラから出力されるトルク８２６は、フレーム８０８を所望の姿勢にするためにアクチュエータ８０６が出力すべきトルクである。

【0127】

制御装置８０２は、トルク８２６を出力するようにアクチュエータ８０６に指令を送る。指令を受けたアクチュエータ８０６は、支持機構の固定子にトルク８２６を加えて固定子上を移動する。これにより、フレーム８０８は、所望の姿勢に向けて回転される。

【0128】

図９を参照して、支持機構の制御方法について説明する。この制御方法は、図１から図８を用いて説明した支持機構及びその変形例のいずれにも適用可能である。支持機構の制御は、例えば、図８で説明した制御装置８０２を用いて行ってもよいし、別の制御装置を用いてもよい。

【0129】

ステップ９０１において、支持機構のフレームを回転させるに先立ち、制御装置は、支持機構の較正（初期化）を行う。制御装置は、例えば、図７のステップ７０１から７０７で説明した較正方法を用いて、フレームを参照位置（例えば、水平かつ可動体の進行方向等）に対して位置合わせする。

【0130】

ステップ９０３において、制御装置は、フレームに設けられた慣性センサ（例えば、図５の慣性センサ５０１または図６の慣性センサ６０９等）を用いて、フレームの動きを検知する。

【0131】

ステップ９０５において、制御装置は、ステップ９０３で検知したフレームの動きに基づいて、例えば図８を用いて説明したＰＩＤ制御を行う。制御装置は、ＰＩＤ制御により決定したトルクに基づいて、圧電アクチュエータを駆動させ、フレームを所望の姿勢まで回転させる。

【0132】

図１０を参照して、支持機構が取り付けられる可動体について説明する。ここでは、ＵＡＶを例に説明する。同図に示すとおり、ＵＡＶ１０００は、互いに所定の離間距離１０１０で位置する４つの回転翼１００２、１００４、１００６及び１００８を備える。ＵＡＶ１０００は、これらの回転翼の回転により揚力及び推進力を生じさせ、飛行する。ＵＡＶ１０００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。

【0133】

変形例として、ＵＡＶ１０００の回転翼の数は４つに限定されるものではなく、１つでもよいし、複数でもよい。また、ＵＡＶ１０００は、回転翼を有さずに固定翼を有してもよいし、回転翼及び固定翼の双方を有してもよい。

【0134】

図１１を参照して、このようなＵＡＶに、支持機構を取り付けた例を説明する。同図に示すとおり、ＵＡＶ１１００は、回転翼等の推進機構１１０６、センサシステム１１０８及び通信システム１１１０等を備える。ＵＡＶ１１００には、支持機構１１０２が接続されている。支持機構１１０２は、被支持体１１０４を支持可能である。

【0135】

支持機構１１０２及び被支持体１１０４は、図１から図９を用いて説明した支持機構お及び被支持体を適宜用いることができる。支持機構１１０２は、例えばＵＡＶ１１００の底面中央に接続される。

【0136】

支持機構１１０２は、被支持体１１０４として例えば複数のカメラ（例えば２つ）を支持可能である。支持機構１１０２は、例えば、ヨー軸、ピッチ軸及びロール軸を中心にカメラを回転させ、ＵＡＶ１１００の航行中にカメラの姿勢を調整する。

【0137】

このとき、支持機構１１０２は、図４を用いて説明したと同様に、被支持体１１０４（複数のカメラ）の重量を回転軸または回転中心に対してバランスさせることができる。これにより航行中にカメラの姿勢を変えても回転に伴う重心変動を抑制できる。そのため、航行中のＵＡＶ１１００のバランスが崩れることを抑制できる。支持機構１１０２は、ＵＡＶ１１００の複数のカメラを支持するジンバルとして機能する。

【0138】

センサシステム１１０８は、ＵＡＶ１１００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１１０８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、ＵＡＶ１１００の位置、姿勢、速度、角速度または加速度等を取得する。センサシステム１１０８は、例えば、図６で説明したセンサ６０７を含んでもよい。

【0139】

通信システム１１１０は、ネットワーク１１１６を介して、外部端末１１１２と一方向または双方向で通信する。外部端末１１１２からの通信は、例えば、ＵＡＶ１１１０、支持機構１１０２及び被支持体１１０４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１１１０からの通信は、センサシステム１１０８で検出したＵＡＶ１１００の状態についての情報を含んでもよい。

【0140】

ネットワーク１１１６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。

【0141】

外部端末１１１２は、ＵＡＶ１１００と通信する通信システム１１１４を有している。通信システム１１１４は、データをウェブサイトやサーバにアップロードまた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、インターネットまたは他のネットワークに接続されてもよい。

【0142】

外部端末１１１２は、手持ち型または装着型デバイスであってもよい。外部端末１１１２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、マイクロホンまたはこれらの組合せで構成することができる。

【0143】

外部端末１１１２は、例えば、キーボード、マウス、ジョイスティック、タッチスクリーンまた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１１１２は、例えば、ＵＡＶ１１００からの情報を表示する表示装置を含むことができる。

【0144】

本発明は、上記の態様に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、他の様々な変更を加えて実施することができる。すなわち、上記の態様はあらゆる点で単なる例示にすぎず、限定的に解釈されるものではなく、様々な変形例を採用することができる。

【符号の説明】

【0145】

１……システム、１００……支持機構、１０１……可動体、１０３……基体、１０５……固定子、１０７……フレーム、１０９……アクチュエータ、１１１……モータ組立体
２００……支持機構、２０１……固定子、２０３、２０３−１、２０３−２、２０３−３……圧電アクチュエータ、２０４……接続部材、２０５−１、２０５−２、２０５−３……角速度ベクトル、２０６……被支持体、２０７−１……ヨー軸、２０７−２……ピッチ軸、２０７−３……ロール軸、２０９……フレーム、２１１……シャフト、２１３……基体
３００……支持機構、３０１……ヨー軸、３０３……基体、３０５……モータ、３０７……シャフト、３０９……被支持体、３１１……圧電アクチュエータ、３１３……フレーム、３１５……固定子
４０１、４０１−１、４０１−２、４０１−３……被支持体、４０５……重心、４０７、４０９……フレーム、４０８……固定子、４１０……圧電アクチュエータ、４１１、４１３…………被支持体
５００……支持機構、５０１……慣性センサ、５０３……フレーム、５０５……固定子、５０７……シャフト、５０９……被支持体、５１１……圧電アクチュエータ
６００……支持機構、６０１−１……ヨー軸、６０１−２……ピッチ軸、６０１−３……ロール軸、６０２……固定子、６０３……基体、６０４……圧電アクチュエータ、６０５……フレーム、６０６……シャフト、６０７……センサ、６０９……慣性センサ、６１０……被支持体
８００……フィードバックループ、８０２……制御装置、８０４……センサ、８０６……アクチュエータ、８０８……フレーム、８１０、８１２……姿勢角、８１４……差分、８１６……第一ＰＩＤコントローラ、８１８、８２０……角速度、８２２……差分、８２４……第二ＰＩＤコントローラ、８２６……トルク
１００２、１００４、１００６、１００８……回転翼、１０１０……離間距離
１１０２……支持機構、１１０４……被支持体、１１０６……推進機構、１１０８……センサシステム、１１１０……通信システム、１１１２……外部端末、１１１４……通信システム、１１１６……ネットワーク

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】