JP6441720B2 - 回転機構及び回転式スキャナ - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、回転機構及び回転式スキャナに関する。

従来、回転体に電力や信号を伝達するための機構としてスリップリングが知られている。典型的なスリップリングは、導電性のブラシを回転体に固定した導電性の回転リングに接触させることによって、電力や信号を回転体に伝達する構成を有している（例えば特許文献１参照）。

特開２０１５−２２９４２号公報

しかしながら、従来の一般的な産業用のスリップリングは構造が複雑で重いため、航空機のように重量に制限がある移動体への搭載には不向きである。また、導電性のブラシの消耗や変形等に伴うメンテナンスが必要となる。一方、電話の受話器のケーブルを絡ませないようにするための回転機構に用いられるような、構造を単純化した簡易なスリップリングには、電力供給や信号伝達が安定しないという問題がある。

そこで、本発明は、信頼性及び軽量化を両立しつつ電力又は信号を回転体に伝達できるようにすることを目的とする。

本発明の実施形態に係る回転機構は、ステータとロータとを備える。ステータは、第１の電極を有する。ロータは、前記ステータに対して回転し、第２の電極を有する。前記第２の電極は、少なくとも前記ロータが回転している状態において前記第１の電極と接触する湾曲したフィルム状又は板状の部分を有する。
また、本発明の実施形態に係る回転式スキャナは、前記回転機構、センサ及び動力部を備える。センサは、前記回転機構の前記ロータ側に取付けられ、前記第２の電極を介して信号の入力及び出力の少なくとも一方を行う。動力部は、前記ロータの回転軸に動力を負荷することによって前記ロータとともに前記センサを回転させる。

本発明の第１の実施形態に係る回転機構の構成を示す縦断面図。 図１に示す回転機構の位置Ａ−Ａにおける横断面図。 図１に示す回転機構の位置Ｂ−Ｂにおける横断面図。 図１に示す回転機構を用いた回転式スキャナの構成例を示す図。 本発明の第２の実施形態に係る回転機構の構成を示す横断面図。

本発明の実施形態に係る回転機構及び回転式スキャナについて添付図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
（構成及び機能）
図１は本発明の第１の実施形態に係る回転機構の構成を示す縦断面図、図２は図１に示す回転機構の位置Ａ−Ａにおける横断面図、図３は図１に示す回転機構の位置Ｂ−Ｂにおける横断面図である。

回転機構１は、所望の回転体に信号及び電力の少なくとも一方を伝達するための機構である。そのために、回転機構１は、ステータ（固定子）２及びロータ（回転子）３を有する。ステータ２は、第１の電極４を有する。ロータ３は、第２の電極５を有する。

ステータ２は、中心に貫通孔を有する二重円筒状のプラスチック等の絶縁体で構成することができる。外側の円筒部分と内側の円筒部分は、一端側で連結することができる。ステータ２の外周面には、必要な数の第１の電極４が設けられる。図示された例では、３つのリング状の第１の電極４が、互いに異なる軸方向の位置に、ステータ２の外周面側に露出するように設けられている。リング状の各第１の電極４の一部は、ステータ２の外側の円筒部分と内側の円筒部分との間に形成される空間に突出している。

ステータ２の外側の円筒部分と内側の円筒部分との間に形成される空間は、第１の電極４と接続される第１の電線６を通すための空間として利用される。すなわち、外側の円筒部分と内側の円筒部分との間は、一端が閉塞されているが、他端が開放されている。このため、外側の円筒部分及び内側の円筒部分の開放された他端から第１の電極４の数と同数の第１の電線６を挿入することができる。そして、ステータ２の外側の円筒部分と内側の円筒部分との間の空間に挿入された各第１の電線６を、ステータ２の外側の円筒部分と内側の円筒部分との間に突出する各第１の電極４に、それぞれ接続することができる。

一方、ロータ３は、ステータ２に対して回転可能な構造を有している。具体例として、図示されるように、一端が閉口する円筒状の絶縁体の中心に、回転軸３Ａを設けてロータ３を構成することができる。回転軸３Ａをプラスチック等の絶縁体で構成する場合には、ロータ３の円筒状の部分と回転軸３Ａとを１つの部品として成形することもできる。但し、回転軸３Ａに強度が要求される場合には、金属等の任意の材料で回転軸３Ａを構成することができる。

ロータ３の円筒状の部分は、ステータ２の外側の円筒部分よりも大きいサイズとなっている。そして、ロータ３の回転軸３Ａは、ステータ２の中心に形成された貫通孔に挿入される。これにより、ステータ２は、ロータ３の内部に収納される。

ロータ３の第２の電極５は、ステータ２の外側となる位置に配置される。ロータ３の第２の電極５は、ステータ２の第１の電極４と接触させるための電極である。従って、図示された例では、３つの第１の電極４と、それぞれ軸方向において略同じ位置となるように、３つの第２の電極５がロータ３に設けられている。

第２の電極５は、両端がロータ３を構成する円筒状の部分から外部に突出する帯状の電極である。すなわち、ロータ３を構成する円筒状の部分に貫通孔が設けられ、帯状の第２の電極５の両端が円筒状の部分の貫通孔に挿入される。従って、第２の電極５の中央側は、ロータ３の内部となる。

ロータ３の円筒状の部分から外部に突出した第２の電極５の一端には、第２の電線７が接続される。そのため、第２の電極５の端部を、２枚の板状の導体を貼合せた剛体とすることができる。

更に、第２の電極５は、少なくともロータ３が回転している状態において第１の電極４と接触する湾曲したフィルム状の部分５Ａを有する。すなわち、図２及び図３に示すように、第２の電極５は、ロータ３の内部においてステータ２の外形に沿って湾曲するフィルム状の部分５Ａを有する。フィルム状の部分５Ａは、可撓性又は弾性を有する銅箔等の薄い導体で構成することができる。

つまり、ステータ２に設けられたリング状の第１の電極４に、可撓性又は弾性を有する帯状の第２の電極５が宛てがわれる。そして、ロータ３が回転すると、帯状の第２の電極５は、滑りながらリング状の第１の電極４に接触する。そこで、ステータ２に、ロータ３の回転中に帯状の第２の電極５の湾曲したフィルム状の部分５Ａが軸方向にずれることを防止するためのガイド２Ａを設けることが望ましい。

図示された例では、ステータ２にガイド２Ａとしてリング状の溝が形成され、溝の底面がリング状の第１の電極４の表面となっている。そして、ステータ２の溝及びリング状の第１の電極４の幅よりも狭い第２の電極５のフィルム状の部分５Ａがステータ２の溝に宛がわれている。これにより、フィルム状の部分５Ａのずれを防止することができる。

更に、第２の電極５の両端には重り８が設けられる。従って、ロータ３が回転すると、重り８には遠心力が生じる。そうすると、ロータ３が回転している状態において、重り８の遠心力によってフィルム状の部分５Ａが遠心力が作用する方向に引張られる。このため、フィルム状の部分５Ａの張力によって、フィルム状の部分５Ａが第１の電極４に強く接触する。これにより、ロータ３の回転時においてフィルム状の部分５Ａと第１の電極４との間における接触を確保することができる。特に、ロータ３の回転速度が速くなる程、遠心力が増加するため、フィルム状の部分５Ａがより強く第１の電極４に接触することになる。

従って、第２の電極５の両端部分は、ロータ３の貫通孔内を滑ることができるように構成される。このため、第２の電極５の両端部分のサイズと、第２の電極５の両端部分を挿入するための、ロータ３の貫通孔のサイズとの間における公差は、隙間嵌めの公差にすることが適切である。

第２の電極５のフィルム状の部分５Ａに遠心力を作用させるためには、少なくとも１つの重り８が必要である。従って、帯状の第２の電極５の両端を重ねて１つの重り８を第２の電極５の端部に設けるようにしてもよい。或いは、帯状の第２の電極５の両端を重ねずに一端にのみ重り８を設け、他端をロータ３に固定するようにしてもよい。

但し、重り８が１つであると、ロータ３の遠心力に偏りが生じ、ロータ３の中心が偏心する恐れがある。そこで、図示されるように、第２の電極５に、遠心力が互いに逆向きに発生する２つの重り８を設けることが望ましい。この場合には、図示されるように、２つの重り８の間に２枚のフィルム状の部分５Ａを設け、２枚のフィルム状の部分５Ａの間にステータ２を配置することができる。すなわち、２枚のフィルム状の部分５Ａでリング状の第１の電極４を挟み込むことができる。

また、３枚以上のフィルム状の部分５Ａを設け、３つ以上の重り８をフィルム状の部分５Ａの端部に設けることもできる。その場合には、複数のフィルム状の部分５Ａの少なくとも１つがリング状の第１の電極４と接触するようにすればよい。

但し、図示されるように２枚のフィルム状の部分５Ａ及び２つの重り８を配置することが、フィルム状の部分５Ａと第１の電極４との間における接触面積及び圧力を十分に確保する観点から好適である。

フィルム状の部分５Ａの端部を剛体の部分と接続する方法は任意である。例えば、２枚の板状の導体の間にフィルム状の部分５Ａの端部を挟んでネジやはんだ付け等で固定することもできる。或いは、フィルム状の部分５Ａの端部を、剛体の部分に直接はんだ付け等で接続してもよい。

逆に、第２の電極５の両端に剛体部を設けずに、フィルム状の部分５Ａのみで第２の電極５を構成するようにしてもよい。その場合には、重り８で２枚のフィルム状の部分５Ａの端部を束ねて保持するようにしてもよい。すなわち、重り８が第２の電極５の保持部材を兼ねるようにしてもよい。また、第２の電極５自体の端部に重さを設けて重り８として用いてもよい。

重り８の重さは、ロータ３の回転速度及び重り８の回転半径に基づいて決定することができる。重り８の材料は、必要な重さが得られれば任意である。従って、重り８が第２の電極５の一部でなければ、鉄や鋼等の金属に限らず、不導体で構成することもできる、

以上のような構成を有する回転機構１を介して、第１の電線６をそれぞれ対応する第２の電線７と接続することができる。第１の電線６及び第２の電線７は、電源から電力を供給するための電力線であっても良いし、制御装置からの制御信号を送信するための信号線であってもよい。或いは、第１の電線６及び第２の電線７は、所望のセンサからの検出信号を信号処理装置に送信するための信号線であってもよい。このため、回転機構１を電力又は信号を伝達する必要がある様々な回転体の構成要素として用いることができる。

図４は、図１に示す回転機構１を用いた回転式スキャナの構成例を示す図である。

回転式スキャナ１０は、少なくとも回転機構１、センサ１１及び動力部１２を用いて構成される。回転式スキャナ１０には、必要に応じて制御装置１３を設けることもできる。

センサ１１は、回転機構１のロータ３側に取付けられる。そして、センサ１１は第２の電線７及びロータ３側の第２の電極５を介して信号の入力及び出力の少なくとも一方を行うように構成されている。センサ１１としては、走査対象となる物理量に応じて任意のセンサを用いることができる。

例えば、回転式スキャナ１０をレーザスキャナとする場合には、レーザ用のセンサを回転機構１のロータ３側に搭載することができる。レーザスキャナは、センサと計測対象物との間におけるレーザパルスの往復時間を計測することによって計測対象物までの距離を計測する装置である。また、３次元レーザスキャナでは、レーザパルスの照射角度を計測することによって計測対象点の３次元空間座標を取得することができる。

動力部１２は、ロータ３の回転軸３Ａに動力を負荷するモータ等の装置である。すなわち、動力部１２によってロータ３とともにセンサ１１が回転する。

制御装置１３は、センサ１１に制御信号を送信する一方、センサ１１からの検出信号を受信して信号処理を行う装置である。従って、制御装置１３は、第１の電線６によってステータ２の第１の電極４と接続される。制御装置１３には、センサ１１に電力を供給する電源としての機能を設けてもよい。また、動力部１２を制御することによって、センサ１１の回転角度を制御する機能を、制御装置１３に設けてもよい。

そして、制御装置１３からセンサ１１に入出力される電力及び信号を、回転機構１を介して制御装置１３とセンサ１１との間で送受信することができる。

以上のように、回転機構１及び回転式スキャナ１０は、重り８の遠心力を利用してステータ２側の第１の電極４とロータ３側の第２の電極５との間における接触を確保するようにしたものである。

（効果）
このため、回転機構１によれば、回転体への電力や信号の入出力を安定的に行うことができる。しかも、回転機構１の構造は非常に単純である。すなわち、回転機構１の構造は、同心円状にパーツを重ねただけの構造である。このため、回転機構１の小型化及び軽量化が容易である。また、回転機構１の組立及び解体も容易である。

従って、回転機構１を用いれば、導電性のブラシを導電性の回転リングに接触させることによって電力や信号を回転体に伝達する従来のスリップリングでは困難であった回転体への電力や信号の伝達が可能となる。

例えば、ヘリコプタ、ヘリコプタのラジコン、無人航空機、自動車或いは自動車のラジコンのような移動体には、重量の重いスリップリングやサイズが大きいスリップリングを搭載することが困難である。また、振動や慣性力を伴う移動体にスリップリングを搭載すると、接触不良が生じる場合がある。

これに対して、回転機構１は高い信頼性を有し、かつ重量及びサイズが小さいため、上述したような移動体であっても搭載することができる。このため、レーザスキャナ等を回転機構１を介して移動体に搭載することが可能となる。これにより、従来は、自由に回転させることができなかった航空機搭載用のレーザスキャナを３６０度方向に自由に回転させることが可能となる。また、小型のラジコンカーに回転式のレーザスキャナを搭載することも可能となる。

もちろん、ラジコンのヘリコプタ、ラジコンでない無人のヘリコプタ或いは有人のヘリコプタの回転翼を回転機構１のロータ３側に固定し、ヘリコプタの回転翼側に取付けられた任意の装置に電力の供給又は信号の入出力を行うこともできる。その場合、回転機構１のロータ３を回転させるためのモータと、ヘリコプタの回転翼を回転させるためのモータとを共通にすることができる。

（第２の実施形態）
図５は本発明の第２の実施形態に係る回転機構の構成を示す横断面図である。

図５に示された第２の実施形態における回転機構１Ａでは、ロータ３側の第２の電極５の構成が第１の実施形態における回転機構１と相違する。第２の実施形態における回転機構１Ａの他の構成及び作用については第１の実施形態における回転機構１と実質的に異ならないため同一の構成又は対応する構成については同符号を付して説明を省略する。

第２の実施形態における回転機構１Ａに備えられるロータ３側の帯状の第２の電極５は、弾性力によってステータ２側の第１の電極４と接触する湾曲した板状の部分５Ｂを有する。従って、第２の電極５の端部には、必ずしも重り８を設ける必要がない。

このような第２の実施形態における回転機構１Ａによっても、第１の実施形態における回転機構１と同様な効果を得ることができる。

（他の実施形態）
以上、特定の実施形態について記載したが、記載された実施形態は一例に過ぎず、発明の範囲を限定するものではない。ここに記載された新規な方法及び装置は、様々な他の様式で具現化することができる。また、ここに記載された方法及び装置の様式において、発明の要旨から逸脱しない範囲で、種々の省略、置換及び変更を行うことができる。添付された請求の範囲及びその均等物は、発明の範囲及び要旨に包含されているものとして、そのような種々の様式及び変形例を含んでいる。

１、１Ａ 回転機構
２ ステータ（固定子）
２Ａ ガイド
３ ロータ（回転子）
３Ａ 回転軸
４ 第１の電極
５ 第２の電極
５Ａ フィルム状の部分
５Ｂ 板状の部分
６ 第１の電線
７ 第２の電線
８ 重り
１０ 回転式スキャナ
１１ センサ
１２ 動力部
１３ 制御装置

Claims (7)

1. 第１の電極を有するステータと、
   前記ステータに対して回転し、第２の電極を有するロータとを備え、
   前記第２の電極は、少なくとも前記ロータが回転している状態において前記第１の電極と接触する湾曲したフィルム状又は板状の部分を有する回転機構。
2. 前記第２の電極は、可撓性又は弾性を有する湾曲したフィルム状の部分を有し、
   前記第２の電極に、前記ロータが回転している状態において遠心力によって前記フィルム状の部分を前記遠心力が作用する方向に引張ることにより、前記フィルム状の部分と前記第１の電極との間における接触を確保するための重りを設けた請求項１記載の回転機構。
3. 前記第２の電極に、遠心力が互いに逆向きに発生する２つの重りを設けた請求項２記載の回転機構。
4. 前記２つの重りの間に２枚のフィルム状の部分を設け、前記２枚のフィルム状の部分の間に前記ステータを配置した請求項３記載の回転機構。
5. 前記第２の電極は、弾性力によって前記第１の電極と接触する湾曲した板状の部分を有する請求項１記載の回転機構。
6. 前記ステータに、前記第２の電極の前記湾曲した部分におけるずれを防止するためのガイドを設けた請求項１乃至５のいずれか１項に記載の回転機構。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の回転機構と、
   前記回転機構の前記ロータ側に取付けられ、前記第２の電極を介して信号の入力及び出力の少なくとも一方を行うセンサと、
   前記ロータの回転軸に動力を負荷することによって前記ロータとともに前記センサを回転させる動力部と、
   を備える回転式スキャナ。

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