特許 7558553 回転駆動機構及びそれを用いたプラネタリウム投影機

(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】

(24)【登録日】2024-09-20

(45)【発行日】2024-10-01

(54)【発明の名称】回転駆動機構及びそれを用いたプラネタリウム投影機

(51)【国際特許分類】

   G09B 27/00 20060101AFI20240924BHJP

【ＦＩ】

G09B27/00 B

【請求項の数】 16

(21)【出願番号】P 2020127641

(22)【出願日】2020-07-28

(65)【公開番号】P2022024828

(43)【公開日】2022-02-09

【審査請求日】2023-07-28

(73)【特許権者】

【識別番号】508067839

【氏名又は名称】有限会社大平技研

(74)【代理人】

【識別番号】110002354

【氏名又は名称】弁理士法人平和国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】大平 貴之

【審査官】鈴木 崇雅

(56)【参考文献】

【文献】実開昭５８－０６５４４９（ＪＰ，Ｕ）

【文献】実開昭５５－１４４２４２（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開昭６３－１８０７５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－３３３８７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】実公昭４３－０２８９１０（ＪＰ，Ｙ１）

【文献】サーボモータとは，ASPINA，2020年07月13日，［2024年5月1日検索］、インターネット：＜URL：https://jp.aspina-group.com/ja/learning-zone/columns/what-is/004/＞，「トルク/回転数」の欄

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０９Ｂ ２７／００

Ｈ０２Ｐ ５／６８、５／６９５、５／７４

Ｆ１６Ｈ ３／７２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

太陽歯車と、前記太陽歯車と噛み合って当該太陽歯車を中心として自転しながら公転する遊星歯車と、前記遊星歯車と噛み合って当該遊星歯車の外側に設けられる内歯車と、前記遊星歯車の公転運動を取り出す回転要素である遊星キャリアとを含む遊星歯車機構と、
前記太陽歯車、前記内歯車、及び前記遊星キャリアのうちの何れかに、その回転軸が接続されている第１のモータと、
前記太陽歯車、前記内歯車、及び前記遊星キャリアのうちの前記第１のモータが接続されていない何れかに、その回転軸が接続されている第２のモータと、
前記太陽歯車、前記内歯車、及び前記遊星キャリアのうちの前記第１のモータ及び前記第２のモータが接続されていないものに接続され、前記第１のモータの回転と前記第２のモータの回転とを所定の減速比で合成した回転数が可変である連続的な回転を取り出すように構成された出力軸と
を備える回転駆動機構と、
星の像を投影する投影機と、
前記投影機を回転可能に支持する支持部材と
を備え、
前記回転駆動機構は、前記支持部材を回転させるように構成されている、
プラネタリウム投影機。

【請求項2】

前記第１のモータは、ステッピングモータである、請求項１に記載のプラネタリウム投影機。

【請求項3】

前記第２のモータは、サーボモータである、請求項１又は２に記載のプラネタリウム投影機。

【請求項4】

前記第２のモータは、前記第１のモータよりも高速で回転するように構成されている、請求項１～３の何れかに記載のプラネタリウム投影機。

【請求項5】

前記第１のモータは、前記太陽歯車に接続されており、
前記第２のモータは、前記内歯車に接続されており、
前記出力軸は、前記遊星キャリアに接続されている、
請求項１～４の何れかに記載のプラネタリウム投影機。

【請求項6】

前記第１のモータは、前記太陽歯車に接続されており、
前記第２のモータは、前記遊星キャリアに接続されており、
前記出力軸は、前記内歯車に接続されている、
請求項１～４の何れかに記載のプラネタリウム投影機。

【請求項7】

前記出力軸の回転数を所定の臨界回転数未満にするときには、前記第１のモータのみを回転させて前記第２のモータを停止させ、前記出力軸の回転数を前記臨界回転数以上にするときには、前記第２のモータを回転させるように、前記第１のモータ及び前記第２のモータの動作を制御するモータ制御部をさらに備える、請求項１～６の何れかに記載のプラネタリウム投影機。

【請求項8】

前記モータ制御部は、前記臨界回転数を変更できるように構成されている、請求項７に記載のプラネタリウム投影機。

【請求項9】

前記モータ制御部は、前記出力軸の回転数を前記臨界回転数以上にするときには、回転数の増加分に対する前記第１のモータの回転数の増加分を回転数が高いほど減らし、所定の回転数以上では、前記第１のモータの回転数を一定とするように制御する、請求項７又は８に記載のプラネタリウム投影機。

【請求項10】

前記モータ制御部は、前記第２のモータのみを回転させて前記第１のモータを停止させる動作モードをさらに有する、請求項７～９の何れかに記載のプラネタリウム投影機。

【請求項11】

前記第１のモータと前記第２のモータとのうち少なくとも一つの回転位置角度を検出するように構成された角度検出装置をさらに備える、請求項１～１０の何れかに記載のプラネタリウム投影機。

【請求項12】

前記第２のモータに係る回転入力機構に設けられ、前記第２のモータの停止時に作動して当該第２のモータに係る回転入力機構の回転を固定するように構成されたブレーキ機構をさらに備える、請求項１～１１の何れかに記載のプラネタリウム投影機。

【請求項13】

前記第１のモータに係る回転入力機構に設けられ、前記第１のモータの停止時に作動して当該第１のモータに係る回転入力機構の回転を固定するように構成されたブレーキ機構をさらに備える、請求項１～１２の何れかに記載のプラネタリウム投影機。

【請求項14】

太陽歯車と、前記太陽歯車と噛み合って当該太陽歯車を中心として自転しながら公転する遊星歯車と、前記遊星歯車と噛み合って当該遊星歯車の外側に設けられる内歯車と、前記遊星歯車の公転運動を取り出す回転要素である遊星キャリアとを含む遊星歯車機構と、
前記太陽歯車、前記内歯車、及び前記遊星キャリアのうちの何れかに、その回転軸が接続されている第１のモータと、
前記太陽歯車、前記内歯車、及び前記遊星キャリアのうちの前記第１のモータが接続されていない何れかに、その回転軸が接続されている第２のモータと、
前記太陽歯車、前記内歯車、及び前記遊星キャリアのうちの前記第１のモータ及び前記第２のモータが接続されていないものに接続され、前記第１のモータの回転と前記第２のモータの回転とを所定の減速比で合成した回転数が可変である連続的な回転を取り出すように構成された出力軸と、
前記出力軸の回転数を所定の臨界回転数未満にするときには、前記第１のモータのみを回転させて前記第２のモータを停止させ、前記出力軸の回転数を前記臨界回転数以上にするときには、前記第２のモータを回転させるように、前記第１のモータ及び前記第２のモータの動作を制御するモータ制御部と
を備え、
前記モータ制御部は、前記臨界回転数を変更できるように構成されている、
回転駆動機構。

【請求項15】

太陽歯車と、前記太陽歯車と噛み合って当該太陽歯車を中心として自転しながら公転する遊星歯車と、前記遊星歯車と噛み合って当該遊星歯車の外側に設けられる内歯車と、前記遊星歯車の公転運動を取り出す回転要素である遊星キャリアとを含む遊星歯車機構と、
前記太陽歯車、前記内歯車、及び前記遊星キャリアのうちの何れかに、その回転軸が接続されている第１のモータと、
前記太陽歯車、前記内歯車、及び前記遊星キャリアのうちの前記第１のモータが接続されていない何れかに、その回転軸が接続されている第２のモータと、
前記太陽歯車、前記内歯車、及び前記遊星キャリアのうちの前記第１のモータ及び前記第２のモータが接続されていないものに接続され、前記第１のモータの回転と前記第２のモータの回転とを所定の減速比で合成した回転数が可変である連続的な回転を取り出すように構成された出力軸と、
前記出力軸の回転数を所定の臨界回転数未満にするときには、前記第１のモータのみを回転させて前記第２のモータを停止させ、前記出力軸の回転数を前記臨界回転数以上にするときには、前記第２のモータを回転させるように、前記第１のモータ及び前記第２のモータの動作を制御するモータ制御部と
を備え、
前記モータ制御部は、前記出力軸の回転数を前記臨界回転数以上にするときには、回転数の増加分に対する前記第１のモータの回転数の増加分を回転数が高いほど減らし、所定の回転数以上では、前記第１のモータの回転数を一定とするように制御する、
回転駆動機構。

【請求項16】

太陽歯車と、前記太陽歯車と噛み合って当該太陽歯車を中心として自転しながら公転する遊星歯車と、前記遊星歯車と噛み合って当該遊星歯車の外側に設けられる内歯車と、前記遊星歯車の公転運動を取り出す回転要素である遊星キャリアとを含む遊星歯車機構と、
前記太陽歯車、前記内歯車、及び前記遊星キャリアのうちの何れかに、その回転軸が接続されている第１のモータと、
前記太陽歯車、前記内歯車、及び前記遊星キャリアのうちの前記第１のモータが接続されていない何れかに、その回転軸が接続されている第２のモータと、
前記太陽歯車、前記内歯車、及び前記遊星キャリアのうちの前記第１のモータ及び前記第２のモータが接続されていないものに接続され、前記第１のモータの回転と前記第２のモータの回転とを所定の減速比で合成した回転数が可変である連続的な回転を取り出すように構成された出力軸と、
前記第１のモータと前記第２のモータとのうち少なくとも一つの回転位置角度を検出するように構成された角度検出装置と
を備える回転駆動機構。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、回転駆動機構及びそれを用いたプラネタリウム投影機に関する。

【背景技術】

【0002】

滑らかな回転や低速回転から高速回転まで実現できる回転速度制御が要求される例は、産業機器をはじめとして様々ある。特にプラネタリウム投影機では、投影機の回転運動がスクリーンに拡大して投影されるため、その回転は滑らかであることが要求される。このため、プラネタリウム投影機には、回転角の制御性に優れたステッピングモータが使用され、かつマイクロステップ駆動が用いられることがある。これにより、低速時の振動や騒音を抑えた滑らかな回転が実現されている。例えば特許文献１には、ステッピングモータを用いたプラネタリウムについて開示されている。

【0003】

プラネタリウム投影機では、通常は星の動きなどを再現するために高速回転は要求されないものの、シーンの切替り、宇宙船から見た星空を再現するなどの演出において、高速回転する制御を要求されることがある。しかしながら、上述のようなステッピングモータを用いたプラネタリウム投影機などは、高速回転が不得手であって十分な速度を得られなかったり、マイクロステップ駆動の効果が十分得られずに騒音が大きくなってしまったりして、様々な演出に十分に対応できないことがある。例えばこの場合のように、低速から高速まで滑らかに回転できる回転駆動機構があると便利である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２００７－３３３８７０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明は、低速から高速まで滑らかな回転を実現することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の一態様によれば、回転駆動機構は、太陽歯車と、前記太陽歯車と噛み合って当該太陽歯車を中心として自転しながら公転する遊星歯車と、前記遊星歯車と噛み合って当該遊星歯車の外側に設けられる内歯車と、前記遊星歯車の公転運動を取り出す回転要素である遊星キャリアとを含む遊星歯車機構と、前記太陽歯車、前記内歯車、及び前記遊星キャリアのうちの何れかに、その回転軸が接続されている第１のモータと、前記太陽歯車、前記内歯車、及び前記遊星キャリアのうちの前記第１のモータが接続されていない何れかに、その回転軸が接続されている第２のモータと、前記太陽歯車、前記内歯車、及び前記遊星キャリアのうちの前記第１のモータ及び前記第２のモータが接続されていないものに接続され、前記第１のモータの回転と前記第２のモータの回転とを所定の減速比で合成した回転数が可変である連続的な回転を取り出すように構成された出力軸とを備える。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、低速から高速まで滑らかな回転を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１は、一実施形態に係るプラネタリウムシステムの構成例の概略を示す模式図である。

【図2】図２は、一実施形態に係るプラネタリウム投影機の構成例の概略を示す図である。

【図3】図３は、一実施形態に係る回転駆動機構の外観の概要を模式的に示す斜視図である。

【図4】図４は、一実施形態に係る回転駆動機構の構成例の概略を示す模式図である。

【図5】図５は、一実施形態に係る制御における出力軸の回転数と各モータの回転数との関係の一例を示す図である。

【図6】図６は、一実施形態に係る回転駆動機構の制御例の概略を示すフローチャートである。

【図7】図７は、等加速度で変化する出力軸の角位置を示す指令値が入力された場合の、経過時間に対するステッピングモータ及びＡＣサーボモータの目標角位置を示す図である。

【図8】図８は、一変形例に係る制御における出力軸の回転数と各モータの回転数との関係の一例を示す図である。

【図9】図９は、等加速度で変化する出力軸の角位置を示す指令値が入力された場合の、経過時間に対するステッピングモータ及びＡＣサーボモータの目標角位置を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

一実施形態について図面を参照して説明する。本実施形態は、２種類のモータを使った回転駆動機構に関する。本実施形態の回転駆動機構は、低速から高速まで滑らかな回転駆動を実現できる。特に本実施形態は、この回転駆動機構を用いたプラネタリウム投影機とそれを備えるプラネタリウムシステムに関する。

【0010】

［プラネタリウムシステムの構成］
図１は、本実施形態に係るプラネタリウムシステム１の構成例の概略を示す模式図である。図１に示すように、本実施形態のプラネタリウムシステム１は、内面がスクリーン２になっている半球状のドーム３を備える。ドーム３の中央部には、プラネタリウム投影機１０が配置されている。プラネタリウム投影機１０は、ドーム３の内面のスクリーン２に、星の像を投影する。この投影のためのプラネタリウム投影機１０の動作は、制御装置４によって制御される。制御装置４は、コンピュータを備える。制御装置４は、Central Processing Unit（ＣＰＵ）、Application Specific Integrated Circuit（ＡＳＩＣ）、又はField Programmable Gate Array（ＦＰＧＡ）等の集積回路を備える。また、制御装置４は、Read Only Memory（ＲＯＭ）、Random Access Memory（ＲＡＭ）、ストレージ、入力装置、表示装置、各種インターフェースなどを備える。制御装置４は、プログラム又はハードウェアに従って動作する。

【0011】

［プラネタリウム投影機の構成］
図２は、本実施形態に係るプラネタリウム投影機１０の構成例の概略を示す図である。プラネタリウム投影機１０は、それぞれ半球状であり互いに正対して取り付けられた、北天用投影機１１ａと南天用投影機１１ｂとを含む投影機としての恒星球１１を備える。北天用投影機１１ａは、第１の円板１２ａ上に設けられており、南天用投影機１１ｂは、第２の円板１２ｂ上に設けられている。互いに平行な第１の円板１２ａの中心と第２の円板１２ｂの中心とを通り、第１の円板１２ａ及び第２の円板１２ｂに対して垂直に、日周軸部材１３が設けられている。日周軸部材１３は、日周軸受１４に支持されている。日周軸受１４は、日周軸部材１３に対して垂直に伸びる日周ベース１５に固定されている。日周ベース１５には、日周軸モータ２０が配置されている。日周軸モータ２０の出力回転軸には、日周モータ歯車２２が固定されている。日周軸部材１３には、日周軸歯車２３が固定されている。日周モータ歯車２２と日周軸歯車２３とは噛み合っている。日周軸モータ２０の回転が日周軸部材１３に伝達されることで、日周軸モータ２０の回転に応じて、日周軸部材１３がその軸周りに回転し、恒星球１１が日周軸部材１３と一致する日周軸周りに回転する。日周軸部材１３と日周ベース１５との部分には、ロータリーエンコーダ２６が設けられており、日周軸部材１３の回転角度が検出される。

【0012】

日周ベース１５には、日周軸部材１３と直交する緯度軸部材３３が設けられている。緯度軸部材３３は、緯度軸受３４に支持されている。緯度軸受３４は、Ｕ字型をした架台フォーク３５の両端部分に固定されている。架台フォーク３５には、緯度軸モータ４０が配置されている。緯度軸モータ４０の出力回転軸には、緯度モータ歯車４２が固定されている。緯度軸部材３３には、緯度軸歯車４３が固定されている。緯度モータ歯車４２と緯度軸歯車４３とは噛み合っている。緯度軸モータ４０の回転が緯度軸部材３３に伝達されることで、緯度軸モータ４０の回転に応じて、緯度軸部材３３がその軸周りに回転し、日周軸が緯度軸部材３３と一致する緯度軸周りに回転する。緯度軸部材３３と架台フォーク３５との部分には、ロータリーエンコーダ４６が設けられており、緯度軸部材３３の回転角度が検出される。

【0013】

Ｕ字型をした架台フォーク３５の中央部分下部には、緯度軸部材３３と直交する方位軸部材５３が設けられている。方位軸部材５３は、方位軸受５４に支持されている。方位軸受５４は、台座５５に固定されている。方位軸部材５３は、鉛直に設けられている。したがって、緯度軸部材３３は水平に設けられている。台座５５には、方位軸モータ６０が配置されている。方位軸モータ６０の出力回転軸には、方位モータ歯車６２が固定されている。方位軸部材５３には、方位軸歯車６３が固定されている。方位モータ歯車６２と方位軸歯車６３とは噛み合っている。方位軸モータ６０の回転が方位軸部材５３に伝達されることで、方位軸モータ６０の回転に応じて、方位軸部材５３がその軸周りに回転し、架台フォーク３５が方位軸部材５３と一致する方位軸周りに回転する。方位軸部材５３と台座５５との部分には、ロータリーエンコーダ６６が設けられており、方位軸部材５３の回転角度が検出される。

【0014】

日周軸が天の北極及び天の南極を指すように、恒星球１１から投影される星は、地球の自転軸を基準とする赤道座標に基づいた座標で配置されている。したがって、恒星球１１を日周軸周りに回転させることで、星々が投影されるドーム３のスクリーン２にはその星々の日周運動が再現される。また恒星球１１を緯度軸周りに回転させることで、プラネタリウム投影機１０は、地球上の任意の緯度の観測地の星空を再現できる。また、プラネタリウム投影機１０は、方位軸周りにその全体を水平方向に回転させることで、正面の方位を自在に変更することができる。

【0015】

上述の日周軸モータ２０、緯度軸モータ４０及び方位軸モータ６０に、本実施形態に係る２種類のモータを使った回転駆動機構が用いられる。上述のプラネタリウム投影機１０の構造は一例であり、他の構造も取り得る。ただし、一般にプラネタリウム投影機は回転する部分を有しており、回転する部分を回転可能に支持する軸などの支持部材を有する。この支持部材が本実施形態に係る回転駆動機構で回転させられる。

【0016】

［回転駆動機構の構成］
本実施形態に係る回転駆動機構１００について説明する。図３は、回転駆動機構１００の外観の概要を模式的に示す斜視図である。図４は、回転駆動機構１００の構成例の模式図である。図３及び図４に示すように、回転駆動機構１００は、ステッピングモータ１１２と、ＡＣサーボモータ１１６と、遊星歯車機構１２０とを備える。ステッピングモータ１１２は、比較的低速で回転する低速側モータとして機能し、ＡＣサーボモータ１１６は、比較的高速で回転する高速側モータとして機能する。

【0017】

遊星歯車機構１２０は、一般に知られているように、太陽歯車１２２と、太陽歯車１２２と噛み合って太陽歯車１２２を中心として自転しながら公転する複数の遊星歯車１２４と、遊星歯車１２４と噛み合って遊星歯車１２４の外側に設けられる内歯車１２６と、遊星歯車１２４の公転運動を取り出す回転要素である遊星キャリア１２８とを含む構造を有している。

【0018】

本実施形態の回転駆動機構１００では、ステッピングモータ１１２の出力軸である回転軸は、遊星歯車機構１２０の太陽歯車１２２に接続されている。また、ステッピングモータ１１２の回転位置角度は、ロータリーエンコーダ１１３といった角度検出装置で検出される。また、ステッピングモータ１１２の回転軸には、ブレーキ１１４が設けられていてもよい。ブレーキ１１４には、例えば電磁ブレーキが用いられてもよい。ステッピングモータ１１２の停止時には、ステッピングモータ１１２の回転軸は、ブレーキ１１４によって固定される。これは、遊星歯車機構１２０の太陽歯車１２２がブレーキ１１４によって固定されていることと等しい。したがって、ブレーキ１１４のようなブレーキ機構は、ステッピングモータ１１２の回転軸に限らず、ステッピングモータ１１２から遊星歯車機構１２０の太陽歯車１２２に至る回転入力機構のどこに設けられてもよい。ブレーキ機構は、ステッピングモータ１１２の停止時に作動してステッピングモータ１１２に係る回転入力機構の回転を固定する。

【0019】

ＡＣサーボモータ１１６の出力軸である回転軸は、遊星歯車機構１２０の内歯車１２６に接続されている。図３に示す例では、遊星歯車機構１２０の内歯車１２６にはプーリ１４３が設けられており、このプーリ１４３と等しい外径を有するプーリ１４１がＡＣサーボモータ１１６の出力軸に設けられている。ＡＣサーボモータ１１６のプーリ１４１と遊星歯車機構１２０の内歯車１２６のプーリ１４３との間にはベルト１４２が掛けられている。このように、ＡＣサーボモータ１１６の回転は、遊星歯車機構１２０の内歯車１２６に伝達される。なお、ＡＣサーボモータ１１６の出力軸と遊星歯車機構１２０の内歯車１２６との間の動力伝達は、プーリとベルトによらず歯車による等、他の機構によってもよい。

【0020】

また、ＡＣサーボモータ１１６の回転軸には、ブレーキ１１８が設けられている。ＡＣサーボモータ１１６の停止時には、ＡＣサーボモータ１１６の回転軸は、必要に応じてブレーキ１１８によって固定可能となっている。これは、遊星歯車機構１２０の内歯車１２６がブレーキ１１８によって固定されていることと等しい。したがって、ブレーキ１１８のようなブレーキ機構は、ＡＣサーボモータ１１６の回転軸に限らず、ＡＣサーボモータ１１６から遊星歯車機構１２０の内歯車１２６に至る回転入力機構のどこに設けられてもよい。また、ＡＣサーボモータ１１６に、電磁ブレーキ内蔵のモータが用いられてもよい。ブレーキ機構は、ＡＣサーボモータ１１６の停止時に作動してＡＣサーボモータ１１６に係る回転入力機構の回転を固定する。

【0021】

遊星歯車機構１２０の遊星キャリア１２８には、出力軸１３２が設けられており、遊星キャリア１２８の回転が、回転駆動機構１００の出力として出力軸１３２を介して取り出される。この出力軸１３２が、図２を参照して説明したプラネタリウム投影機１０においては、日周モータ歯車２２、緯度モータ歯車４２、方位モータ歯車６２に接続されており、それぞれ、日周軸、緯度軸、方位軸を回転させる。

【0022】

勿論これに限らないが一例として、本実施形態では、各歯車の歯数は以下のようになっている。すなわち、太陽歯車１２２の歯数は２０であり、遊星歯車１２４の歯数は３０であり、遊星歯車１２４は太陽歯車１２２の周囲に４つ設けられており、内歯車１２６の歯数は８０である。したがって、ＡＣサーボモータ１１６を停止させて内歯車１２６が回転していない状態でステッピングモータ１１２を回転させた場合、遊星キャリア１２８の回転数、すなわち、出力軸１３２の回転数は、ステッピングモータ１１２の回転数の１／５になる。また、ステッピングモータ１１２を停止させて太陽歯車１２２が回転していない状態でＡＣサーボモータ１１６を回転させた場合、遊星キャリア１２８の回転数、すなわち、出力軸１３２の回転数は、ＡＣサーボモータ１１６の回転数の４／５になる。また、ステッピングモータ１１２とＡＣサーボモータ１１６との両者を回転させた場合には、出力軸１３２の回転数は、上述の回転数の加算となり、各々のモータの回転数に上述の各々の比率を乗じた値が加算された回転数となる。すなわち、ステッピングモータ１１２の回転数をＳＴＰ、ＡＣサーボモータ１１６の回転数をＡＣとしたときに、出力軸１３２の回転数ＯＵＴは、
ＯＵＴ＝ ＳＴＰ×０．２ ＋ ＡＣ×０．８
となる。

【0023】

ステッピングモータ１１２及びＡＣサーボモータ１１６の動作は、制御装置４内のモータ制御部１５２によって制御される。また、ステッピングモータ１１２のブレーキ１１４及びＡＣサーボモータ１１６のブレーキ１１８の動作は、制御装置４内のモータ制御部１５２によって制御される。また、ロータリーエンコーダ１１３の出力は、モータ制御部１５２によって取得される。

【0024】

［回転駆動機構の動作］
回転駆動機構１００の動作について説明する。一例として、モータ制御部１５２は、入力される指令速度、すなわち、要求されている出力軸１３２の回転数に応じて、図５に示すように、ステッピングモータ１１２及びＡＣサーボモータ１１６の回転数を制御するものとする。

【0025】

この例では、出力軸１３２の回転数の指令速度が１００ｒｐｍ未満の場合、モータ制御部１５２は、ＡＣサーボモータ１１６を停止させ、ブレーキ１１８にＡＣサーボモータ１１６の回転軸を固定させる。この状態で、モータ制御部１５２は、要求されている出力軸１３２の回転数の５倍の回転数でステッピングモータ１１２を回転させる。ブレーキ１１８は、ステッピングモータ１１２から伝達される逆トルクがＡＣサーボモータ１１６の主軸にかかって停止しているべき部材が回転して、回転駆動機構１００の回転精度が乱されることを防止する。

【0026】

出力軸１３２の回転数の指令速度が１００ｒｐｍ以上の場合、モータ制御部１５２は、ステッピングモータ１１２を５００ｒｐｍで回転させ、ブレーキ１１８を解除させ、ＡＣサーボモータ１１６を、
ＡＣ＝（ＯＵＴ－１００）×５／４
で算出される回転数で回転させる。ステッピングモータ１１２の回転が減速比１／５で減速され、ＡＣサーボモータ１１６の回転が減速比４／５で減速され、これらが合成された指令速度に対応した回転数の回転が、出力軸１３２から取り出される。

【0027】

ＡＣサーボモータ１１６が回転して出力軸１３２が高速回転している状態から、出力軸１３２が減速してＡＣサーボモータ１１６が停止するときには、次のように動作する。すなわち、モータ制御部１５２は、ＡＣサーボモータ１１６への例えば指令パルスといった回転指令を停止とした後に、ＡＣサーボモータ１１６のロータリーエンコーダといった回転位置角度センサの出力に基づいて、ＡＣサーボモータ１１６の回転軸が停止又は極めて低速回転になったときを判定する。そして、モータ制御部１５２は、回転軸が停止又は極めて低速回転になったときに、ブレーキ１１８を作動させる。このように回転軸が停止又は極めて低速回転のときにブレーキ１１８を作動させることで、制動にかかる騒音が抑制され、ブレーキ１１８の摩耗が防止される。

【0028】

このように、本実施形態に係る回転駆動機構１００では、低速回転では、低速の位置制御特性に優れたステッピングモータ１１２が用いられ、高速回転では、高速性能に優れたＡＣサーボモータ１１６が主に用いられる。ここで、ステッピングモータ１１２の回転とＡＣサーボモータ１１６の回転とは所定の減速比で合成されるので、出力軸１３２からは回転数が可変である連続的な回転が取り出され得る。

【0029】

出力軸１３２の回転数が１００ｒｐｍ未満の低速回転時には、出力軸１３２はステッピングモータ１１２によって動作する。ステッピングモータ１１２は、回転中に指令パルスに正確に追従した角位置を取るため、出力軸１３２の角位置は正確に制御される。また、このとき、ＡＣサーボモータ１１６は停止しているので、低速駆動時に生じやすいＡＣサーボモータ１１６の回転のジッターは発生しない。出力軸１３２の回転数が１００ｒｐｍをわずかに超える領域では、ＡＣサーボモータ１１６の回転のジッターが発生する可能性があるが、この状況においては、ステッピングモータ１１２によりある程度の回転速度が出力軸１３２に与えられているため、ＡＣサーボモータ１１６に由来するジッターは目立たない。

【0030】

また、ステッピングモータ１１２の最高回転数が低く抑えられているので、ステッピングモータ１１２のマイクロステップ駆動による制振効果が最大限に発揮される。

【0031】

ステッピングモータ１１２に接続された太陽歯車１２２と出力軸１３２に接続された遊星キャリア１２８との減速比が、ＡＣサーボモータ１１６に接続された内歯車１２６と出力軸１３２に接続された遊星キャリア１２８との減速比よりも大きいので、仮にＡＣサーボモータ１１６が急加速して高トルクが発生しても、ステッピングモータ１１２にかかる逆トルクは減速比に応じて低く抑えられる。また、ステッピングモータ１１２の使用領域は、トルクが十分に高い低速領域にとどめられる。また、ＡＣサーボモータ１１６が高トルクを出力しているときは、ステッピングモータ１１２の励磁電流は上げられて、脱調が防がれる。これらによって、ステッピングモータ１１２が脱調するなどの問題は生じにくい。

【0032】

また、ステッピングモータ１１２の最高回転数が低く抑えられている。特に、ステッピングモータ１１２の最高回転数は自起動周波数領域に収まるように抑えられている。このようにすることで、万が一、ステッピングモータ１１２が脱調したとしても、回転は直ちに再開され得る。また、このようにして復帰する場合にも、ステッピングモータ１１２の回転位置角度は、ロータリーエンコーダ１１３を用いて取得されており、位置精度は維持される。

【0033】

ステッピングモータ１１２のみを用いる場合と、ステッピングモータ１１２とＡＣサーボモータ１１６との両方を用いる場合との切替えを行う出力軸１３２の回転数を、ここでは臨界回転数と呼ぶことにする。上述の例では、臨界回転数を一例として１００ｒｐｍとして説明したが、臨界回転数はもちろんどのような値に設定されてもよい。また、臨界回転数は装置により固定された値でなくてよく、条件により変更可能なように回転駆動機構１００は構成されていてもよい。ステッピングモータ１１２を用いた方が位置制御に優れるため、例えば騒音などをある程度許容しながら位置制御を優先させて高速でもステッピングモータ１１２を用いることが好ましい場合もある。また、高速移動中のフィードバックに伴う遅れなどのため位置精度に劣ることがあっても、ある位置からある位置までできるだけ速く移動させたい場合、低速からＡＣサーボモータ１１６を用いて高い加速を得ることが好ましい場合もある。

【0034】

なお、ここでは、出力軸１３２の回転数が高いときには、ステッピングモータ１１２とＡＣサーボモータ１１６との両方が回転する例を示したが、これに限らない。回転数が高いときには、ＡＣサーボモータ１１６のみが回転し、ステッピングモータ１１２が停止するように回転駆動機構１００は制御されてもよい。

【0035】

回転駆動機構１００の動作として、低速回転ではステッピングモータ１１２が用いられ、高速回転ではＡＣサーボモータ１１６が主に用いられる動作モードについて説明したが、回転駆動機構１００は、ステッピングモータ１１２をブレーキ１１４で固定して、ＡＣサーボモータ１１６のみが用いられる、高加速・高速動作モードを備えていてもよい。例えば、ＡＣサーボモータ１１６は、高加速のときはジッターが発生することは殆どなく、ある位置からある位置へ高速で移動させたい場合などには、ＡＣサーボモータ１１６のみが用いられる高加速・高速動作モードが用いられてもよい。このとき、ステッピングモータ１１２のブレーキ１１４は、ＡＣサーボモータ１１６の急な加減速による大きな逆トルクがＡＣサーボモータ１１６からステッピングモータ１１２に伝達され、脱調させることを防ぐ。

【0036】

［回転駆動機構のプラネタリウム投影機への適用］
一般に、プラネタリウム投影機では、超低速での滑らかな動きが要求される。このため、プラネタリウム投影機では、回転角の制御性に優れたステッピングモータが使用され、かつマイクロステップ駆動が併用される。これにより、低速時の振動や騒音が抑えられ、滑らかな回転が実現される。一方で、ステッピングモータは、高速回転が不得手であり、十分な速度を得られなかったり、高速回転しようとしてモータコイルの時定数や逆起電力の影響によりマイクロステップ駆動の効果が十分に得られずに騒音が大きくなってしまったりする問題を有する。

【0037】

通常の星の動きを再現するにあたっては、高い回転速度は要求されないのでステッピングモータの使用で問題は生じない。しかしながら、プラネタリウム投影機では、特定の軸について極めて高い回転速度が要求されることもある。例えば、冬の星空から夏の星空に切替るといったシーンの切替りや、世界中の様々な土地を旅する演出などで土地間を移動した場合の星空の切替りなどの場合である。たとえ投影を止めて星を消したままプラネタリウム投影機を回転させる場合であっても、長い所要時間は演出上の妨げになる。また、宇宙船に乗って宇宙から見た星空を再現する演出では、宇宙船の姿勢の変化を表す回転は、地上から見上げる星空を再現する場合より速く、また複雑な動きとなる。このような場合に、プラネタリウム投影機の日周軸、緯度軸、方位軸の３軸の回転制御では、所望の姿勢の変化を表現するために、特定の軸に要求される回転速度が極めて高くなることがある。したがって、低速のステッピングモータによる動作では、実現できる演出効果が制約されることになる。

【0038】

高速回転が可能となるように、駆動機構に、ステッピングモータに代えて例えばＡＣサーボモータを使用した場合、上述のような演出上の高速回転の問題は解決される。一方で、通常の星の動きを再現するための低速回転時では、回転が滑らかでなくなり、特有のジッターが生じ、スクリーンに投影される天体の動きが滑らかでなくなり見苦しくなるという問題が生じてしまう。

【0039】

これに対して本実施形態に係る回転駆動機構１００によれば、通常の星の動きを再現するにあたっては、ステッピングモータ１１２により、その特性を活かして超低速での滑らかな動きが実現される一方、演出上必要な場合には、ＡＣサーボモータ１１６により、その特性を活かして高速回転が実現される。さらに、遊星歯車機構１２０を用いることで、ステッピングモータ１１２とＡＣサーボモータ１１６とのそれぞれの長所を互いに妨げることなく発揮させることができる。また、遊星歯車機構１２０を用いることで、ステッピングモータ１１２の回転とＡＣサーボモータ１１６の回転とが加算され、出力回転数を滑らかに変化させることができる。

【0040】

本実施形態に係る回転駆動機構１００の制御例について説明する。ここでは、プラネタリウム投影機１０を用いた投影が行われる場合を考える。このとき、投影内容に応じて、日周軸モータ２０、緯度軸モータ４０、方位軸モータ６０としての各々の回転駆動機構１００の動作が要求される。各々の回転駆動機構１００は、要求に応じて停止したり回転したりする。また、要求に応じて、回転駆動機構１００が２つの動作モードで切替えて用いられる。２つの動作モードとは、低速ではステッピングモータ１１２を用い、高速ではＡＣサーボモータ１１６を併用する標準動作モードと、ＡＣサーボモータ１１６のみを用いる高加速・高速動作モードとである。また、ここに示す例では、標準動作モードにおいて、演出等に応じて、ステッピングモータ１１２のみを用いる場合とＡＣサーボモータ１１６を併用する場合とを切替える出力軸１３２の回転数である臨界回転数が変更可能である。

【0041】

ある一つの回転駆動機構１００に関する制御例を図６に示すフローチャートを参照して説明する。この例では、回転駆動機構１００には、所定時間間隔で定期的に出力軸１３２の目標の角位置が指令値として入力される。回転駆動機構１００は、この所定時間の処理サイクルで、入力された目標の角位置に出力軸１３２の角位置を追従させるような制御を繰り返す。ここで、所定時間とは、例えば２０ミリ秒といった値であり、その場合、指令値が毎秒５０回更新されるとことになる。指令値が入力されてから次の指令値が入力されるまでに出力軸１３２の角位置を目標位置まで移動させる必要があるので、上述の時間間隔に応じた出力軸１３２の回転速度が決まることになる。上述のとおり、臨界回転数に応じて、ステッピングモータ１１２のみを用いて出力軸１３２の角位置を目標位置まで移動させることと、ＡＣサーボモータ１１６を併用することとが切替えられるので、ここでは、この切替えに対応する出力軸１３２の角位置の移動量を臨界移動量と称することにする。

【0042】

ステップＳ１において、モータ制御部１５２は、要求される動作特性に応じて決定される動作モードと臨界回転数とに関する情報を取得して、動作モードを設定し、また、臨界移動量を設定する。
ステップＳ２において、モータ制御部１５２は、出力軸１３２の角位置に関する指令値を取得する。
ステップＳ３において、モータ制御部１５２は、現在の出力軸１３２の角位置と指令値に係る目標角位置とに基づいて、出力軸１３２の移動量を算出する。

【0043】

ステップＳ４において、モータ制御部１５２は、動作モードが標準動作モードであるか否かを判定する。動作モードが標準動作モードであるとき、処理はステップＳ５に進む。
ステップＳ５において、モータ制御部１５２は、ステップＳ３で算出した出力軸１３２の移動量が、ステップＳ１で設定した臨界移動量未満であるか否かを判定する。移動量が臨界移動量未満であるとき、処理はステップＳ６に進む。

【0044】

ステップＳ６において、モータ制御部１５２は、ステッピングモータ１１２の現在の角位置と出力軸１３２の移動量と減速比とに基づいて、ステッピングモータ１１２の目標角位置を算出する。

【0045】

ステップＳ７において、モータ制御部１５２は、ＡＣサーボモータ１１６を停止させ、ＡＣサーボモータ１１６のブレーキ１１８を掛けた状態にさせる。この状態で、モータ制御部１５２は、ステッピングモータ１１２をその目標角位置まで移動させる。その後、処理はステップＳ１に戻る。すなわち、標準動作モードで出力軸１３２の移動量が臨界移動量未満の場合には、ステッピングモータ１１２を用いて出力軸１３２を指令された角位置まで回転させたり停止させたりすることが行われる。

【0046】

ステップＳ５において、出力軸１３２の移動量が臨界移動量以上であると判定されたとき、処理はステップＳ８に進む。ステップＳ８において、モータ制御部１５２は、ステッピングモータ１１２の現在の角位置と出力軸１３２の臨界移動量と減速比とに基づいて、ステッピングモータ１１２の目標角位置を算出する。ここで、モータ制御部１５２は、ステッピングモータ１１２を臨界回転数に応じた最高速度で処理サイクルに関する所定時間移動させたときの位置を目標角位置として算出する。また、モータ制御部１５２は、ＡＣサーボモータ１１６の現在の角位置と出力軸１３２の移動量及び臨界移動量と減速比とに基づいて、ＡＣサーボモータ１１６の目標角位置を算出する。ここで、モータ制御部１５２は、出力軸１３２を目標角位置に移動させるためにステッピングモータ１１２の回転に加えて必要なＡＣサーボモータ１１６の回転に関する目標角位置を算出する。

【0047】

ステップＳ９において、モータ制御部１５２は、ステッピングモータ１１２をその目標角位置まで移動させる。また、モータ制御部１５２は、ＡＣサーボモータ１１６をその目標角位置まで移動させる。その後、処理はステップＳ１に戻る。すなわち、標準動作モードで出力軸１３２の移動量が臨界移動量以上の場合には、ステッピングモータ１１２とＡＣサーボモータ１１６とを用いて出力軸１３２を指令された角位置まで回転させることが行われる。

【0048】

ステップＳ４において、動作モードが標準動作モードではなく、高加速・高速動作モードであると判定されたとき、処理はステップＳ１０に進む。ステップＳ１０において、モータ制御部１５２は、ＡＣサーボモータ１１６の現在の角位置と出力軸１３２の移動量と減速比とに基づいて、ＡＣサーボモータ１１６の目標角位置を算出する。

【0049】

ステップＳ１１において、モータ制御部１５２は、ステッピングモータ１１２を停止させ、ステッピングモータ１１２のブレーキ１１４を掛けた状態にさせる。この状態で、モータ制御部１５２は、ＡＣサーボモータ１１６をその目標角位置まで移動させる。その後、処理はステップＳ１に戻る。すなわち、高加速・高速動作モードでは、指令値に応じてＡＣサーボモータ１１６を用いて出力軸１３２を指令された角位置まで回転させたり停止させたりすることが行われる。
以上のように、回転駆動機構１００は、要求に応じた特性を発揮するように動作する。

【0050】

図７は、図５に示す特性で動作する場合において、出力軸１３２の角位置が等加速度となるような指令値が入力されたときの経過時間に対するステッピングモータ１１２及びＡＣサーボモータ１１６の目標角位置を示す図である。点線が出力軸１３２の指令角位置を示し、実線がステッピングモータ１１２の目標角位置を示し、破線がＡＣサーボモータ１１６の目標角位置を示す。このように、出力軸１３２の角位置が指令値として入力されたときに、その移動量に応じて出力軸１３２の移動量が、ステッピングモータ１１２の移動量とＡＣサーボモータ１１６移動量とに振り分けられることになる。

【0051】

ここでは、本実施形態に係る回転駆動機構１００をプラネタリウム投影機１０に適用する場合について説明を行ったが、回転駆動機構１００の用途はもちろんこれに限らない。回転駆動機構１００は、種々の回転体や直動装置の駆動に用いられ得る。例えば、本実施形態に係る回転駆動機構１００は、天体望遠鏡やビデオカメラの支持台、医療機器、半導体製造装置、分析機器などの精密な低速駆動と高速駆動の双方を要求される駆動機構としても好適である。

【0052】

［変形例］
〈２つのモータへの回転の振り分けについて〉
上述した例では、図５を参照して説明したように、所定の臨界回転数までは、ステッピングモータ１１２が出力軸１３２を回転させ、臨界回転数以上の回転数では、ステッピングモータ１１２の回転数は臨界回転数に対応した回転数で一定となり、ＡＣサーボモータ１１６が出力軸１３２をさらに回転させる。しかしながらこれは一例であり、ステッピングモータ１１２とＡＣサーボモータ１１６とへの回転の振り分けはこれに限らない。例えば、所定の臨界回転数までは、ステッピングモータ１１２が出力軸１３２を回転させ、臨界回転数以上の回転数では、出力軸１３２の回転数が高いほど、ＡＣサーボモータ１１６が担う回転の割合が徐々に高くなっていくように、ステッピングモータ１１２とＡＣサーボモータ１１６とが制御されてもよい。すなわち、モータ制御部１５２は、出力軸１３２の回転数を臨界回転数以上にするときには、回転数の増加分に対するステッピングモータ１１２の回転数の増加分を回転数が高いほど減らし、所定の回転数以上では、ステッピングモータ１１２の回転数を一定とするように制御してもよい。

【0053】

図８は、この場合の出力軸１３２の回転数とステッピングモータ１１２及びＡＣサーボモータ１１６の回転数との関係の一例を示す図である。この例では、出力軸１３２の臨界回転数は１００ｒｐｍに設定されている。図５に示した例と同様に、出力軸１３２の回転数の指令速度が１００ｒｐｍ未満の場合、すなわち、ステッピングモータ１１２の回転数が５００ｒｐｍ未満の場合、モータ制御部１５２は、ＡＣサーボモータ１１６を停止させ、要求されている出力軸１３２の回転数の５倍の回転数でステッピングモータ１１２を回転させる。

【0054】

出力軸１３２の回転数の指令速度が１００ｒｐｍ以上の場合、モータ制御部１５２は、出力軸１３２の回転数が高くなるほど、ステッピングモータ１１２の回転数ＳＴＰを、出力軸１３２の回転数ＯＵＴの５倍よりも徐々に低くしていき、ある回転数から一定回転数とする。一方、出力軸１３２の回転数の指令速度が１００ｒｐｍ以上、すなわち、臨界回転数以上において、モータ制御部１５２は、ＡＣサーボモータ１１６の回転数ＡＣを、例えば二次関数に応じて徐々に高くしていき、ステッピングモータ１１２が一定回転数となった回転数以上では出力軸１３２の回転数の増加に比例して増加させる。この場合も当然に、
ＯＵＴ＝ＳＴＰ×１／５＋ＡＣ×４／５
の関係が常に維持される。

【0055】

ステッピングモータ１１２及びＡＣサーボモータ１１６の回転数をこのように制御することで、滑らかな加速及び減速が実現される。

【0056】

図９は、図８に示す特性で動作する場合において、出力軸１３２の角位置が等加速度となるような指令値が入力された場合の経過時間に対するステッピングモータ１１２及びＡＣサーボモータ１１６の目標角位置を示す図である。点線が出力軸１３２の指令角位置を示し、実線がステッピングモータ１１２の目標角位置を示し、破線がＡＣサーボモータ１１６の目標角位置を示す。この図に示すように、出力軸１３２の角位置が指令値として入力されたときに、その移動量に応じて出力軸１３２の移動量が、ステッピングモータ１１２の移動量とＡＣサーボモータ１１６移動量とに振り分けられてもよい。

【0057】

〈遊星歯車への接続について〉
上述の実施形態では、ステッピングモータ１１２が太陽歯車１２２に接続され、ＡＣサーボモータ１１６が内歯車１２６に接続され、遊星キャリア１２８が出力軸１３２とされる例を示したが、これに限らない。例えば、ステッピングモータが太陽歯車に接続されることは変わらずに、ＡＣサーボモータが遊星キャリアに接続され、内歯車が出力軸とされてもよい。ステッピングモータを太陽歯車以外に接続してもよいが、一般に、太陽歯車の減速比が大きいので、太陽歯車にはステッピングモータ１１２が接続されていることが好ましい。

【0058】

〈モータについて〉
２つのモータの組み合わせも、ステッピングモータ１１２とＡＣサーボモータ１１６との組み合わせに限らない。例えば、２つのステッピングモータが用いられてもよい。この場合でも、両モータに係る減速比が異なるため、単一のモータで駆動するよりも広い範囲の回転数が得られる。また、ステッピングモータやＡＣサーボモータに代えて、ＤＣサーボモータ、コアレスモータなど、種々の他のモータが用いられてもよい。２種類の特性が異なるモータが用いられることで、回転駆動機構は、それぞれの特性が活かされたものとなり、また、回転数を幅広い範囲で可変とすることができる。減速比を考慮すると、太陽歯車に低速用のモータが接続され、内歯車又は遊星キャリアに高速用のモータが接続されるのが好ましい。

【0059】

以上、本発明について、好ましい実施形態を示して説明したが、本発明は、前述した実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の範囲で種々の変更実施が可能であることはいうまでもない。

【符号の説明】

【0060】

１ プラネタリウムシステム
２ スクリーン
３ ドーム
４ 制御装置
１０ プラネタリウム投影機
１１ 恒星球
１１ａ 北天用投影機
１１ｂ 南天用投影機
１２ａ 第１の円板
１２ｂ 第２の円板
１３ 日周軸部材
１４ 日周軸受
１５ 日周ベース
２０ 日周軸モータ
２２ 日周モータ歯車
２３ 日周軸歯車
２６ ロータリーエンコーダ
３３ 緯度軸部材
３４ 緯度軸受
３５ 架台フォーク
４０ 緯度軸モータ
４２ 緯度モータ歯車
４３ 緯度軸歯車
４６ ロータリーエンコーダ
５３ 方位軸部材
５４ 方位軸受
５５ 台座
６０ 方位軸モータ
６２ 方位モータ歯車
６３ 方位軸歯車
６６ ロータリーエンコーダ
１００ 回転駆動機構
１１２ ステッピングモータ
１１３ ロータリーエンコーダ
１１４ ブレーキ
１１６ ＡＣサーボモータ
１１８ ブレーキ
１２０ 遊星歯車機構
１２２ 太陽歯車
１２４ 遊星歯車
１２６ 内歯車
１２８ 遊星キャリア
１３２ 出力軸
１４１ プーリ
１４２ ベルト
１４３ プーリ
１５２ モータ制御部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】