多自由度アクチュエータ
【課題】本発明は、より容易に組み立て可能であって、回転体の位置精度が出し易い多自由度アクチュエータを提供する。
【解決手段】本発明の多自由度アクチュエータＤａは、回転体１と、電気エネルギーを機械エネルギーへ変換する複数の電気機械変換素子３１と、回転体１と所定の摩擦力で係合し、複数の電気機械変換素子３１による各機械エネルギーに基づいて回転体１を多自由度で駆動する駆動力を回転体１に与える単一の固定体とを備える。
【解決手段】本発明の多自由度アクチュエータＤａは、回転体１と、電気エネルギーを機械エネルギーへ変換する複数の電気機械変換素子３１と、回転体１と所定の摩擦力で係合し、複数の電気機械変換素子３１による各機械エネルギーに基づいて回転体１を多自由度で駆動する駆動力を回転体１に与える単一の固定体とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の回転軸回りに運動可能な多自由度アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
入力エネルギーを物理的な運動（機械エネルギー）に変換するアクチュエータは、運動を行う様々な装置に組み込まれている。例えば、光を取り扱う装置では、アクチュエータは、例えば、撮像光学系のフォーカスレンズの駆動やズームレンズの駆動に用いられ、また例えば、レーザ光を光変調器や光ファイバに入射する場合における光軸の調芯に用いられ、また例えば、監視カメラ等の監視方向（視線方向）の変更等に用いられる。このようなレンズの光軸方向に沿った駆動や光軸の調芯や監視方向の変更等に用いられるアクチュエータは、その用途から複数の方向への運動を発生可能であることが望ましい。このような複数の方向への運動を発生可能なアクチュエータは、例えば、特許文献１に開示されている。
【０００３】
この特許文献１に開示の装置は、磁力で吸引される材料で形成され、或いは、磁力で吸引される材料で作られた部分を有する回転駆動される球体と、前記球体を支持するための基台と、第１、第２および第３のアクチュエータユニットで構成される駆動部であって、前記第１、第２および第３のアクチュエータユニットのそれぞれは、駆動信号の印加で伸張される第１、第２および第３の圧電素子を含み、前記第１、第２および第３の圧電素子が互いに略直交して延出されるように配置され、前記第１、第２および第３の圧電素子の一端が１つの交点で互いに固定されて駆動チップを構成し、前記第１、第２および第３の他端が前記基台に固定されて前記駆動チップを３次元方向に運動可能に支持し、前記第１、第２および第３のアクチュエータユニットは、前記駆動チップで前記球体を回転可能に支持し、前記交点と前記球体との摩擦により前記球体を回転駆動する駆動部と、前記球体との間に所定の間隙を介して前記基台に配置され、前記球体および前記圧電ユニット間の摩擦力を調整するための可変の磁場を発生させる磁場発生部とを備えている。このような構成の装置では、第１、第２および第３の各アクチュエータユニットの駆動チップが描く駆動円の駆動軸に沿って駆動トルクが発生し、これらの駆動トルクのベクトル和が実際に球体を回転駆動させる駆動トルクとなる（［００２８］段落参照）。そして、前記特許文献１の［００１５］段落には、第１、第２および第３のアクチュエータユニットに印加する駆動信号を調整して伸張量を調整することで、球体を任意の方向に回転駆動させることができる、と記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−０４５８９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、前記特許文献１に開示の装置は、いわゆるロータ（回転子）に相当する球体と、いわゆるステータ（固定子）に相当する基台と、駆動力を発生する駆動部とは、個別部品で構成されている。このため、前記特許文献１に開示の装置では、これら各部品の組み立てに手間がかかってしまう。また、前記特許文献１に開示の装置は、前記駆動部を構成する第１、第２および第３のアクチュエータユニットにおける各駆動チップで前記球体を回転可能に支持している。このため、前記特許文献１に開示の装置では、第１、第２および第３のアクチュエータユニットの組み立ての際に組み立て位置に誤差が生じてしまうと、前記各駆動チップが設計通りの位置で前記球体を支持しないため、設計通りの性能が発揮されず、その性能が劣化してしまう虞がある。あるいは、前記特許文献１に開示の装置では、製品間における性能のばらつきが生じやすい。
【０００６】
本発明は、上述の事情に鑑みて為された発明であり、その目的は、より容易に組み立て可能であって、回転体の位置精度が出し易い多自由度アクチュエータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者は、種々検討した結果、上記目的は、以下の本発明により達成されることを見出した。すなわち、本発明の一態様にかかる多自由度アクチュエータは、回転体と、電気エネルギーを機械エネルギーへ変換する複数の電気機械変換素子と、前記回転体と所定の摩擦力で係合し、前記複数の電気機械変換素子による各機械エネルギーに基づいて前記回転体を多自由度で駆動する駆動力を前記回転体に与える単一の固定体とを備えることを特徴とする。
【０００８】
回転体を多自由度で駆動するためには、通常、複数の固定体が必要であるが、このような構成の多自由度アクチュエータでは、前記回転体と所定の摩擦力で係合し、前記複数の電気機械変換素子による各機械エネルギーに基づいて前記回転体を多自由度で駆動する駆動力を前記回転体に与える固定体は、単一である。このため、回転体は、固定体に対し組み立てるだけでよい。したがって、このような構成の多自由度アクチュエータは、より容易に組み立てることができ、固定体に対する回転体の位置精度が出し易い。
【０００９】
また、他の一態様では、これら上述の多自由度アクチュエータにおいて、前記複数の電気機械変換素子は、一体化されていることを特徴とする。
【００１０】
このような構成の多自由度アクチュエータは、前記複数の電気機械変換素子も一体化されているので、さらにより容易に組み立てることができ、固定体に対する回転体の位置精度がより出し易い。
【００１１】
また、他の一態様では、これら上述の多自由度アクチュエータにおいて、前記複数の電気機械変換素子は、前記固定体に固定して取り付けられ、前記固定体は、前記複数の電気機械変換素子による各機械エネルギーをそれぞれ分離するための機械エネルギー分離部をさらに備えることを特徴とする。
【００１２】
このような構成の多自由度アクチュエータは、前記複数の電気機械変換素子が前記固定体に固定して取り付けられる場合でも機械エネルギー分離部をさらに備えるので、前記複数の電気機械変換素子による各機械エネルギーを個別に分離し、この個別に分離した機械エネルギーに基づく駆動力を前記回転体に与えることができる。したがって、当該電気機械変換素子に基づく駆動力から他の電気機械変換素子による機械エネルギーを低減もしくは無くすことができるので、前記回転体の駆動制御がより容易となる。
【００１３】
また、他の一態様では、上述の多自由度アクチュエータにおいて、前記機械エネルギー分離部は、互いに隣接する電気機械変換素子の境界に対応する前記固定体の領域を含むように形成された第１溝部であることを特徴とする。
【００１４】
このような構成の多自由度アクチュエータは、前記機械エネルギー分離部が所定の第１溝部であるので、より容易に前記機械エネルギー分離部を前記固定体に形成することができる。
【００１５】
また、他の一態様では、これら上述の多自由度アクチュエータにおいて、前記固定体は、前記電気機械変換素子による機械エネルギーが伝播する領域を規制する機械エネルギー伝播領域規制部をさらに備えることを特徴とする。
【００１６】
このような構成の多自由度アクチュエータは、機械エネルギー伝播領域規制部をさらに備えるので、前記電気機械変換素子による機械エネルギーを適確に前記回転体に与えることができ、よりエネルギー効率が向上する。
【００１７】
また、他の一態様では、上述の多自由度アクチュエータにおいて、前記機械エネルギー伝播領域規制部は、前記電気機械変換素子が取り付けられている前記固定体の第２領域を囲むように形成された第２溝部であることを特徴とする。
【００１８】
このような構成の多自由度アクチュエータは、前記機械エネルギー伝播領域規制部が所定の第２溝部であるので、より容易に前記機械エネルギー伝播領域規制部を前記固定子に形成することができる。
【００１９】
また、他の一態様では、これら上述の多自由度アクチュエータにおいて、前記固定体における前記回転体との係合面の幾何的重心点および前記回転体の中心点を、前記電気機械変換素子の機械運動方向を法線とする仮想平面に投影した場合に、これら前記仮想平面に投影された前記幾何的重心点と前記中心点とは、不一致であることを特徴とする。
【００２０】
このような構成の多自由度アクチュエータは、前記仮想平面に投影された、前記固定体における前記回転体との係合面の幾何的重心点と前記回転体の中心点とが必ずしも一致する必要がないので、回転体に対する固定体の配置位置の自由度が高く、より容易に組み立てることができる。
【００２１】
また、他の一態様では、これら上述の多自由度アクチュエータにおいて、前記固定体は、前記回転体に対し点接触で係合する点接触係合構造体であることを特徴とする。
【００２２】
このような構成の多自由度アクチュエータでは、前記固定体と前記回転体とが点接触で摩擦係合するので、その接触箇所で前記回転体の運動が規制され難く、前記回転体がよりスムーズに運動することができる。
【００２３】
また、他の一態様では、これら上述の多自由度アクチュエータにおいて、前記固定体は、前記回転体に対し線接触で係合する線接触係合構造体であることを特徴とする。
【００２４】
このような構成の多自由度アクチュエータでは、前記固定体と前記回転体とが線接触で摩擦係合するので、上述の点接触で摩擦係合する態様に較べて、前記回転体は、より大きなトルクで運動可能となる。
【００２５】
また、他の一態様では、これら上述の多自由度アクチュエータにおいて、前記固定体は、前記回転体に対し面接触で係合する面接触係合構造体であることを特徴とする。
【００２６】
このような構成の多自由度アクチュエータでは、前記固定体と前記回転体とが面接触で摩擦係合するので、上述の線接触で摩擦係合する態様に較べて、前記回転体は、より大きなトルクで運動可能となる。
【００２７】
また、他の一態様では、これら上述の多自由度アクチュエータにおいて、前記固定体は、前記回転体に対し点接触、線接触および面接触のうちの複数で係合する多様接触係合構造体であることを特徴とする。
【００２８】
このような構成の多自由度アクチュエータでは、前記固定体と前記回転体とが多様な接触態様で接触するので、運動の規制と高トルク化とを好適にバランス（調和）させることができる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明にかかる多自由度アクチュエータは、より容易に組み立てることができ、固定体に対する回転体の位置精度が出し易い。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】実施形態における多自由度アクチュエータの構成を示す図である。
【図２】実施形態の多自由度アクチュエータにおけるステータの構成を示す図である。
【図３】実施形態の多自由度アクチュエータにおける駆動源の構成を示す斜視図である。
【図４】実施形態の多自由度アクチュエータにおけるステータに対する駆動源の取り付けの様子を説明するための図である。
【図５】実施形態の多自由度アクチュエータにおけるステータの他の構成を示す図である。
【図６】実施形態の多自由度アクチュエータにおけるステータのさらに他の構成を示す図である。
【図７】実施形態の多自由度アクチュエータにおけるステータのさらに他の構成を示す図である。
【図８】実施形態の多自由度アクチュエータにおけるステータに設けられた機械エネルギー伝播領域規制部の構成を示す図である。
【図９】実施形態の多自由度アクチュエータにおける駆動源の他の構成を示す斜視図である。
【図１０】実施形態における多自由度アクチュエータの他の構成を示す図である。
【図１１】実施形態の多自由度アクチュエータを用いたゴニオステージの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、本発明にかかる実施の一形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、適宜、その説明を省略する。また、本明細書において、総称する場合には添え字を省略した参照符号で示し、個別の構成を指す場合には添え字を付した参照符号で示す。
【００３２】
図１は、実施形態における多自由度アクチュエータの構成を示す図である。図２は、実施形態の多自由度アクチュエータにおけるステータの構成を示す図である。図２（Ａ）は、係合面側から見た斜視図（正面斜視図）であり、図２（Ｂ）は、前記係合面に対向する裏面側から見た斜視図（背面斜視図）である。図３は、実施形態の多自由度アクチュエータにおける駆動源の構成を示す斜視図である。図４は、実施形態の多自由度アクチュエータにおけるステータに対する駆動源の取り付けの様子を説明するための図である。図４（Ａ）は、ステータに駆動源を取り付けた状態を示し、図４（Ｂ）は、さらに付勢部材をステータに取り付けた状態を示す。
【００３３】
図１において、本実施形態の多自由度アクチュエータＤａは、回転体（回転子、ロータ、移動体）１と、固定体（固定子、ステータ、振動体）２と、駆動源３とを備え、さらに、本実施形態では、付勢部材４とを備えている。
【００３４】
駆動源３は、回転体１を固定体２を介して駆動するための駆動力を発生する部材であり、入力の電気エネルギーを機械エネルギー、すなわち、機械的な運動へ変換する電気機械変換素子３１を備えている。電気機械変換素子３１は、例えば、入力の電気エネルギーを圧電効果によって機械的な伸縮運動に変換する圧電素子３１等である。駆動源３は、本実施形態では、多自由度（複数の自由度）を実現するために、複数の電気機械変換素子３１を備えている。
【００３５】
より具体的には、電気機械変換素子３１としての圧電素子３１は、例えば、積層体と、一組の外部電極部とを備えている。前記積層体は、圧電材料から成る薄膜状（層状）の圧電層と導電性を有する薄膜状（層状）の内部電極層とを交互に複数積層して成るものである。前記積層体は、本実施形態では、図３に示すように、四角柱形状となっている。各内部電極層は、その一方端部（一方縁部）が外部に臨むように形成される。より具体的には、各内部電極層のうちの前記導電層を介して互いに対向する一方の第１内部電極層は、その一方端部が前記積層体における所定の側面に臨むように形成されており、その他方の第２内部電極層は、その一方端部が前記積層体における前記所定の側面に隣接する側面に臨むように形成されている。このように各内部電極層は、その一部が互いに隣接する一組の外周側面で交互に外部に臨むようにそれぞれ構成されている。圧電材料は、例えば、いわゆるＰＺＴ、水晶、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、ニオブ酸タンタル酸カリウム（Ｋ（Ｔａ，Ｎｂ）Ｏ３）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）およびチタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）等の無機圧電材料である。
【００３６】
前記一組の外部電極部は、前記積層体の外周面における所定の面上に形成され、前記電気エネルギーを前記積層体に供給するものである。より具体的には、これら一組の外部電極部における一方の第１外部電極部は、前記一方の第１内部電極層と電気的に接続されるように、前記所定の側面に積層方向に沿って薄膜状（層状）で形成され、その他方の第２外部電極部は、前記他方の第２内部電極層と電気的に接続されるように、前記所定の側面に隣接する側面に積層方向に沿って薄膜状（層状）で形成される。このように一組の外部電極は、各内部電極層と順次交互に導通され、前記電気エネルギーを前記積層体の各圧電層に供給する。
【００３７】
このような構成の電気機械変換素子３１の一例としての圧電素子３１では、一組の外部電極部に、図略の外部駆動回路より所定の駆動電圧が印加されることによって、前記積層体の各圧電層へ電気エネルギーがそれぞれ給電されると、各圧電層の圧電効果によって、前記積層体は、積層方向に伸び、あるいは、縮む。そして、伸び縮みを行うような所定の駆動電圧が周期的に繰り返し一組の外部電極部に印加されることによって、前記積層体は、伸縮を繰り返して振動する。
【００３８】
そして、駆動源３は、本実施形態では、図３に示すように、４個の電気機械変換素子３１としての４個の圧電素子３１−１〜３１−４を一体に備えている。より具体的には、４個の圧電素子３１−１〜３１−４は、それらの振動面を揃えて（駆動停止の静止状態で振動面が面一となるように）、分極の極性を揃えて反時計回り（あるいは時計回り）に順に配置されており（分極の極性を揃えて２×２の２次元アレイ状に配置されており）、互いに隣接する圧電素子３１間には、機械的な運動の相互干渉を低減するために、前記機械的な運動、例えば振動（例えば超音波振動等）を吸収する振動吸収材３２が充填されている。この振動吸収材３２によってこれら４個の圧電素子３１−１〜３１−４は、全体として四角柱形状に一体化されている。
【００３９】
固定体２は、回転体１と所定の摩擦力で係合し、複数の電気機械変換素子３１による各機械エネルギーに基づいて回転体１を多自由度で駆動する駆動力を回転体１に与える単一の部材である。この固定体２には、駆動源２が固定されるように取り付けられている。駆動源３が駆動されると、駆動源３による機械エネルギー、すなわち、機械的な運動は、この固定体２を介して回転体１の駆動に用いられる。固定体２における回転体１と摩擦係合する面が係合面となり、固定体２における駆動源２が固定的に取り付けられる面が取り付け面となる。係合面と取り付け面とは、必ずしも対向している必要はないが、駆動源３による駆動力を固定体２を介して回転体１へ効率よく（減衰が少なく）伝達するために、対向していることが好ましい。
【００４０】
より具体的には、固定体２は、例えば、図２（Ａ）に示すように、一方主面（一方端面、上面）に、回転体１が運動可能な余裕を有して回転体１の一部が略嵌り込む凹部２１を形成した円板形状（短高の円柱形状）の部材である。図２（Ａ）に示す例では、固定体２は、外形円形形状であるが、任意の外形形状であってよい。凹部２１の表面２１ａは、前記回転体１の前記一部の外表面（外球面）と略相似形な曲面となっている（前記回転体１の前記一部におけるその断面の輪郭形状と凹部２１の断面の輪郭形状とが略相似形となっている）。このように凹部２１が該凹部２１に略嵌り込む前記回転体１の前記一部における外表面と略相似形な曲面とされることによって、固定体２は、回転体１を面触点で支持する構造となる。また、このような形状に凹部２１の表面２１ａを形成することにより、前記回転体１の前記一部が固定体２の凹部２１内に落ち込み、これによって固定体２は、より安定的に回転体１を支持することができる。そして、このような構成の固定体２における凹部２１に回転体１を配設することによって、固定体２と回転体１とは、凹部２１の表面２１ａと前記回転体１の前記一部の外表面とで面接触で係合することができる。
【００４１】
そして、固定体２には、本実施形態では、駆動源３における複数の電気機械変換素子３１による各機械エネルギー（各機械的な運動）をそれぞれ分離するための機械エネルギー分離部がさらに設けられている。
【００４２】
より具体的には、固定体２には、例えば、複数の電気機械変換素子３１から成る駆動源３が固定体２に固定的に取り付けられる場合に、固定体２における駆動源３を取り付ける前記取り付け面において、互いに隣接する電気機械変換素子３１の境界に対応する固定体２の第１領域（境界対応領域）を含むように第１溝部が前記機械エネルギー分離部として形成されている。例えば、図３に示す２×２の２次元アレイ状に配置された４個の圧電素子３１−１〜３１−４を備える駆動源３が、前記取り付け面としての固定体２の他方主面（他方端面、底面）に取り付けられる場合であって、固定体２の他方主面における幾何的重心点と駆動源３の振動面（前記４個の圧電素子３１の各振動面から成る振動面）における幾何的重心点とが一致するように、駆動源３が固定体２に固定されて取り付けられる場合では、固定体２の他方主面（前記取り付け面）には、図２（Ｂ）に示すように、互いに直交するとともにそれらの交点が固定体２の他方主面における幾何的重心点と一致する２個の溝部２３−１、２３−２が前記機械エネルギー分離部として形成されている。そして、これら２個の溝部２３−１、２３−２で区切られることによって固定体２の他方主面に形成された４個の領域のそれぞれに、１個の圧電素子３１の振動面が配置されるように、４個の圧電素子３１−１〜３１−４を備える駆動源３は、前記取り付け面としての固定体２の他方主面に固定して取り付けられる。
【００４３】
前記機械エネルギー分離部としての前記第１溝部は、固定体２の他方主面に形成された２個の溝部２３−１、２３−２だけであってもよいが、機械エネルギーをより確実に分離するために、図２に示す例では、図２（Ａ）に示すように、固定体２の一方主面にも、これら２個の溝部２３−１、２３−２に対応する位置に４個の溝部２２−１〜２２−４が前記機械エネルギー分離部としてさらに形成されている。
【００４４】
これら溝部２３、２２における各幅および各深さは、駆動源３における各圧電素子２１によって発生する振動の大きさ（振幅）および周波数等に基づいて、前記機械エネルギー分離部としての機能を好適に発揮するように、適宜に設定される。
【００４５】
回転体１は、駆動源３で発生した駆動力に応じて回転運動する部材である。回転体１は、任意形状の立体の部材でよい。したがって、回転体１は、例えば、球体、楕円球体およびその一部が切り取られたこれらの半球体等だけでなく、多面体およびその一部が切り取られたこれらの半多面体であってもよい。前記多面体は、例えば１４面体や２０面体等の面数が多いほど好ましい。そして、より滑らかに回転体１を運動させるために、回転体１は、固定体２と係合する面が曲面である形状の部材であることが好ましい。本実施形態では、図１に示すように、回転体１は、球体または球殻体である。そして、回転体１は、任意の材料によって形成することができるが、耐久性を向上させるために、例えば車のクラッチ機構等に用いられるペーパ摩擦材等の耐摩耗性に優れた材料によって形成されることが好ましい。本実施形態では、回転体１は、後述するように例えば鉄等の磁性体によって形成される。回転体１は、その全体が前記磁性体で形成されてよく、また、その表面のみが前記磁性体で形成されてよい。また、磁力が作用する表面の一部のみが前記磁性体で形成されてよい。また、回転体１内の一部分が前記磁性体で形成されてよい。この場合において、その偏りがあってもよいが、回転体の駆動制御を容易に行う観点から、その偏りがない方が好ましい。
【００４６】
そして、このような回転体１が駆動源３と一体化された固定体２の凹部２１に略嵌り込むことで、図１に示す多自由度アクチュエータＤａが作成される。ここで、図１に示す多自由度アクチュエータＤａでは、より単純に回転体１の回転駆動を制御することができるように、固定体２における回転体１との前記係合面の幾何的重心点および回転体１の中心点を、駆動源３の電気機械変換素子３１の機械的な運動の方向（機械運動方向）を法線とする仮想平面に投影した場合に、これら前記仮想平面に投影された前記幾何的重心点と前記中心点とは、一致するように、回転体１が固定体２に対し配置される。
【００４７】
回転体１と、駆動源３と一体化された固定体２とが、重力が作用する方向（重力の作用方向）に向かってこの順で配置されている構成では、回転体１の自重を利用することによって、回転体１と固定体２とが前記所定の摩擦力で係合するように、回転体１を固定体２に配置することも可能であるが、この構成では使用上の制約や設計上の制約が生じる。より具体的には、例えば、多自由度アクチュエータＤａを傾けた場合に、回転体１が転がり落ちてしまう可能性がある。そのため、多自由度アクチュエータＤａは、固定した場所で使用しなければならないため、使用上の制約が生じる。あるいは、そのため、回転体１の転落を防止するために、転落防止部材が別途必要となり、設計上の制約が生じる。このような使用上の制約や設計上の制約を低減するために、本実施形態では、多自由度アクチュエータＤａは、回転体１と固定体２とを前記所定の摩擦力で係合させる付勢力を生成する付勢部材をさらに備えて構成されている。
【００４８】
このような付勢部材は、例えば、磁力を発生する磁石であってもよい。本実施形態では、図４（Ｂ）に示すように、付勢部材４は、内部に駆動源３を収容しつつ、その一方端面で固定体２の前記取り付け面に接続されるように配設された円筒形状の例えば永久磁石等の磁石によって形成されており、回転体１は、この付勢部材４の磁石によって形成される磁場と相互作用を行うために、上述したように、例えば鉄等の磁性体によって形成されている。この磁石の付勢部材４によって、回転体１には、固定体２へ向かう磁力が作用し、回転体１と固定体２とは、前記所定の摩擦力で係合しつつ、固定体２は、この磁力によって回転体１を安定的に保持することができる。そして、前記付勢力を発生させるために、前記磁力を用いることによって、極めて小さい構造によって回転体１と固定体２とを前記所定の摩擦力で係合させることができる。この回転体１の磁性体は、常磁性体であることが好ましい。このように常磁性体で回転体１を形成することによって、回転体１の回転状態にかかわらず付勢部材４の磁石の磁場から同じように相互作用を受けるので、このような構成によれば、回転体１の駆動制御（複数の並進推力素子２の制御）がより容易となる。
【００４９】
なお、上述では、付勢部材として磁石が用いられたが、これに限定されるものではない。例えば、より簡易に構成することができることから、前記付勢部材は、圧縮コイルバネや板バネ等の弾性体が用いられてよい。このような弾性体は、例えば、固定体２の前記係合面に対し回転体１を介して対向する側に、回転体１から固定体２へ向かう方向に付勢力を生じさせるように配置される。また例えば、前記付勢部材は、エアを吸引することによってエアによる吸引引力を発生するエアコンプレッサ等が用いられてもよい。このような吸引引力による付勢部材は、エアを吸引することによって、回転体１から固定体２へ向かう方向に付勢力を生じさせるように配置される。
【００５０】
このような構成の多自由度アクチュエータＤａでは、駆動源３が図略の外部駆動回路によって入力の電気エネルギー、例えば所定の波形の駆動電圧が供給されると、駆動源３は、電気機械変換素子３１によって前記電気エネルギーを機械エネルギー、例えば機械的な振動に変換する。この駆動源３で生じた機械エネルギー、ここでは、機械的な振動は、駆動源３がその振動面で固定体２に固定的に取り付けられているので、固定体２に伝達され、固定体２も電気機械変換素子３１の振動方向と同じ方向で機械的に振動する。例えば、図１ないし図４に示す例では、電気機械変換素子３１としての圧電素子３１は、その積層方向に機械的な振動を生じる。この圧電素子３１による機械的な振動によって固定体２も圧電素子３１の積層方向に機械的な振動を生じる。したがって、圧電素子３１の積層方向は、圧電素子３１および固定体２の振動方向である。
【００５１】
ここで、係合面２１ａは、上述したように、球面であるので、係合面２１ａは、駆動源３の電気機械変換素子３１の振動方向（上述では積層方向）と交差している。このため、係合面２１ａには、係合面２１ａの接線方向に駆動力が生じる。この係合面２１ａの接線方向の駆動力によって、固定体２の係合面２１ａに所定の摩擦力で係合している回転体１は、回転運動する。そして、駆動源３は、複数の電気機械変換素子３１、本実施形態では、４個の電気機械変換素子３１を備え、これら複数（ここでは４個）の電気機械変換素子３１が固定体２に固定的に取り付けられているので、この１個の固定体２において、これら電気機械変換素子３１によって複数の方向で前記駆動力を発生することができるから、回転体１は、多自由度で回転運動することができる。
【００５２】
回転体１を多自由度で駆動するためには、通常、前記多自由度に応じた複数の固定体が必要であるが、本実施形態における多自由度アクチュエータＤａでは、回転体１と所定の摩擦力で係合し、複数の電気機械変換素子３１による各機械エネルギーに基づいて回転体１を多自由度で駆動する駆動力を回転体１に与える固定体２は、上述のしたように、単一の部材である。このため、回転体１は、単一の固定体２に対し組み立てるだけでよい。したがって、このような構成の多自由度アクチュエータＤａは、より容易に組み立てることができ、固定体２に対する回転体１の位置精度が出し易い。また、固定体２が単一の部材であるので、多自由度アクチュエータＤａの小型化も図り易い。
【００５３】
そして、本実施形態における多自由度アクチュエータＤａでは、複数の電気機械変換素子３１も一体化されているので、さらにより容易に組み立てることができ、固定体２に対する回転体１の位置精度がより出し易い。また、このように一体化されているので、多自由度アクチュエータＤａの小型化も図り易い。
【００５４】
また、上述の多自由度アクチュエータＤａは、前記機械エネルギー分離部としての溝部２３を備えるので、複数の電気機械変換素子３１が固定体２に固定して取り付けられる場合でも、複数の電気機械変換素子３１による各機械エネルギーを個別に分離し、この個別に分離した機械エネルギーに基づく駆動力を回転体１に与えることができる。したがって、当該電気機械変換素子３１に基づく駆動力から他の電気機械変換素子３１による機械エネルギーを低減もしくは無くすことができるので、回転体１の駆動制御がより容易となる。さらに、上述の多自由度アクチュエータＤａは、前記機械エネルギー分離部としての溝部２２も備えるので、複数の電気機械変換素子３１による各機械エネルギーをより一層個別に分離して回転体１の駆動に供することができ、より一層容易にその駆動を制御することができる。
【００５５】
そして、上述の多自由度アクチュエータＤａは、前記機械エネルギー分離部が溝部２３、２２であるので、より容易に前記機械エネルギー分離部を固定体２に形成することができる。
【００５６】
なお、上述の実施形態では、より大きなトルクを得るために、固定体２は、回転体１に対し面接触で係合する面接触係合構造体であったが、これに限定されるものではなく、他の接触係合構造体であってもよい。上述の多自由度アクチュエータＤａにおいて、例えば、固定体２に代え、回転体１に対し点接触で所定の摩擦力で係合する点接触係合構造体である固定体であってもよく、また例えば、固定体２に代え、回転体１に対し線接触で所定の摩擦力で係合する線接触係合構造体である固定体であってもよく、また例えば、固定体２に代え、回転体１に対し点接触、線接触および面接触のうちの複数で係合する多様接触係合構造体である固定体であってもよい。
【００５７】
図５ないし図７は、実施形態の多自由度アクチュエータにおけるステータの他の構成を示す図である。図５（Ａ）は、ステータの他の構成における第１態様を示し、図５（Ｂ）は、ステータの他の構成における第２態様を示し、そして、図５（Ｃ）は、ステータの他の構成における第３態様を示す。図６（Ａ）は、ステータの他の構成における第４態様を示し、図６（Ｂ）は、ステータの他の構成における第５態様を示し、そして、図６（Ｃ）は、ステータの他の構成における第６態様を示す。図７（Ａ）は、ステータの他の構成における第７および第８態様を示し、図７（Ｂ）は、ステータの他の構成における第７態様での断面構造を示し、そして、図７（Ｃ）は、ステータの他の構成における第８態様での断面構造を示す。
【００５８】
まず、点接触係合構造体の場合について、より具体的に説明すると、例えば、図５（Ａ）に示す第１態様では、固定体６ａは、円板形状の固定体本体６１ａと、球体の一部を平面で切り取った形状（部分球体形状）であって、前記平面で連結するように固定体本体６１ａの一主面上に配設された、複数の支持体６２ａとを備えている。支持体６２ａは、回転体１を点接触で支持可能な個数、例えば、３個以上である。図５（Ａ）に示す第１態様では、支持体６２ａは、３個の支持体６２ａ−１〜６２ａ−３を備えており、これら３個の支持体６２ａ−１〜６２ａ−３は、それらの各幾何的重心点を固定体本体６１ａの前記一主面に投影した場合、三角形、図５（Ａ）に示す例では正三角形を形成するように、固定体本体６１ａの一主面上に配設される。そして、これら３個の支持体６２ａ−１〜６２ａ−３は、好ましくは頂部を除く周面のいずれかの点で回転体１と点接触するように、回転体１の大きさを考慮して、各間の距離が適宜に調整される。なお、所望の駆動方向が制限されている場合には、これら３個の支持体６２ａ−１〜６２ａ−３は、頂部で回転体１と点接触するように、適宜に配設されてもよい。このような構成の固定体６ａにおける３個の支持体６２ａ−１〜６２ａ−３上に回転体１を配設することによって、固定体６ａと回転体１とは、点接触で係合することができる。
【００５９】
また例えば、図５（Ｂ）に示す第２態様では、固定体６ｂは、平面視で四角形である板状の固定体本体６１ｂと、支持体６２ａと同形状である部分球体形状であって、前記平面で連結するように固定体本体６１ｂの一主面上に配設された、複数の支持体６２ｂとを備えている。支持体６２ｂは、回転体１を点接触で支持可能な個数、例えば、３個以上であり、図５（Ｂ）に示す第２態様では、支持体６２ｂは、３個の支持体６２ｂ−１〜６２ｂ−３を備えており、これら３個の支持体６２ｂ−１〜６２ｂ−３は、それらの各幾何的重心点を固定体本体６１ｂの前記一主面に投影した場合、三角形、図５（Ｂ）に示す例では正三角形を形成するように、各間を適宜な距離で固定体本体６１ｂの一主面上に配設される。すなわち、第２態様の固定体６ｂは、第１態様の固定体６ａにおける円板形状の固定体本体６１ａに代え、平面視で四角形である板状の固定体本体６１ｂを備えている。このような構成の固定体６ｂにおける３個の支持体６２ｂ−１〜６２ｂ−３上に回転体１を配設することによって、固定体６ｂと回転体１とは、点接触で係合することができる。
【００６０】
また例えば、図５（Ｃ）に示す第３態様では、固定体６ｃは、固定体本体６１ａと同形状である円板形状の固定体本体６１ｃと、この固定体本体６１ｃの一主面上に配設された複数の支持体６２ｃとを備えている。支持体６２ｃは、回転体１を点接触で支持可能な個数、例えば、３個以上であり、図５（Ｃ）に示す第３態様では、支持体６２ｃは、３個の支持体６２ｃ−１〜６２ｃ−３を備えている。そして、本第３態様では、２個の支持体６２ｃ−１、６２ｃ−２は、支持体６２ａと同形状である部分球体形状であって、前記平面で連結するように固定体本体６１ｃの一主面上に配設され、残余の１個の支持体６２ｃ−３は、三角柱形状であって、前記三角柱の一側面で連結するように固定体本体６１ｃの一主面上に配設される。これら３個の支持体６２ｂ−１〜６２ｂ−３は、それらの各幾何的重心点を固定体本体６１ｃの前記一主面に投影した場合、三角形、図５（Ｃ）に示す例では正三角形を形成するように、各間を適宜な距離で固定体本体６１ｃの一主面に配設される。すなわち、第３態様の固定体６ｃは、第１態様の固定体６ａにおける部分球体形状の支持体６２ａ−３に代え、三角柱形状の支持体６２ｃ−３を備えている。このような構成の固定体６ｃにおける３個の支持体６２ｃ−１〜６２ｃ−３上に回転体１を配設することによって、固定体６ｃと回転体１とは、点接触で係合することができる。そして、支持体６２ｃ−３が三角柱形状であるので、その配設方向を調整することで（部分球体形状の２個の支持体６２ｃ−１、６２ｃ−２における各幾何的重心点を結ぶ線分と、三角柱形状の支持体６２ｃ−３における長手方向に沿う線分とがなす角度を調整することで）、回転体１に与えられる駆動力の方向を調整することができる。
【００６１】
このように第１ないし第３態様では、固定体本体６１ａ〜６１ｃに３個以上の凸部を配設することで点接触係合構造体の固定体６ａ〜６ｃが実現されている。これに対し、次の第４ないし第６態様では、固定体本体６１ｄ〜６１ｆに外周形状が多角形である凹部を形成することで点接触係合構造体の固定体６ｄ〜６ｆが実現されている。
【００６２】
より詳しくは、例えば、図６（Ａ）に示す第４態様では、固定体６ｄは、円板形状の固定体本体６１ｄを備えており、この固定体本体６１ｄには、外周形状が六角形である開口部６３ｄが形成されている。そして、この開口部６３ｄの外周の六角形は、長辺と短辺とが交互に配置された非正六角形であり、このため、固定体６ｄは、回転体１を３箇所の接触点で支持する構造となっている。なお、この開口部６３ｄの外周の六角形は、互いに等辺の正六角形であってもよく、この場合では、固定体６ｄは、回転体１を６箇所の接触点で支持する構造となる。このような構成の固定体６ｄにおける開口部６３ｄに回転体１を配設することによって、固定体６ｄと回転体１とは、点接触で係合することができる。
【００６３】
また、開口部６３ｄの外周面は、固定体本体６１ｄの一主面に垂直な面であってもよい（固定体本体６１ｄの一主面と開口部６３ｄの外周面とは直交していてもよい）が、図６（Ａ）に示す例では、この開口部６３ｄの外周面は、テーパ形状となっており（固定体本体６１ｄの一主面と開口部６３ｄの外周面とは斜交しており）、そのテーパ面が平面となっている。このように外周面をテーパ形状とすることにより、回転体１の一部が固定体本体６１ｄの開口部６３ｄ内に落ち込み、これによって固定体６ｄは、より安定的に回転体１を支持することができ、またその小型化が可能となる。
【００６４】
また例えば、図６（Ｂ）に示す第５態様では、固定体６ｅは、平面視で六角形である板状の固定体本体６１ｅを備えており、この固定体本体６１ｅには、開口部６３ｄと同形状である、外周形状が六角形である開口部６３ｅが形成されている。このため、固定体６ｅは、固定体６ｄと同様に、回転体１を３箇所の接触点で支持する構造となっている。すなわち、第５態様の固定体６ｅは、第４態様の固定体６ｄにおける円板形状の固定体本体６１ｄに代え、平面視で六角形である板状の固定体本体６１ｅを備えている。また、固定体本体６１ｅの外形形状と開口部６３ｅの外周形状とは、略相似形となっている。このような構成の固定体６ｅにおける開口部６３ｅに回転体１を配設することによって、固定体６ｅと回転体１とは、点接触で係合することができる。
【００６５】
また例えば、図６（Ｃ）に示す第６態様では、固定体６ｆは、平面視で三角形である板状の固定体本体６１ｆを備えており、この固定体本体６１ｆには、外周形状が三角形である開口部６３ｆが形成されている。このため、固定体６ｆは、回転体１を３箇所の接触点で支持する構造となっている。また、固定体本体６１ｆの外形形状と開口部６３ｆの外周形状とは、略相似形となっている。このような構成の固定体６ｆにおける開口部６３ｆに回転体１を配設することによって、固定体６ｆと回転体１とは、点接触で係合することができる。
【００６６】
そして、開口部６３ｆの外周面は、固定体本体６１ｆの一主面に垂直な面であってもよい（固定体本体６１ｆの一主面と開口部６３ｆの外周面とは直交していてもよい）が、図６（Ｃ）に示す例では、第４態様と同様に、この開口部６３ｆの外周面は、テーパ形状となっており（固定体本体６１ｆの一主面と開口部６３ｆの外周面とは斜交しており）、そのテーパ面が平面となっている。このように外周面をテーパ形状とすることにより、回転体１の一部が固定体本体６１ｆの開口部６３ｆ内に落ち込み、これによって固定体６ｆは、より安定的に回転体１を支持することができる。
【００６７】
このような点接触係合構造体の固定体６ａ〜６ｆを備える多自由度アクチュエータＤａでは、固定体６ａ〜６ｆと回転体１とが点接触で摩擦係合するので、その接触箇所で回転体１の運動が規制され難く、回転体１がよりスムーズに運動することができる。
【００６８】
次に、線接触係合構造体の場合について、より具体的に説明すると、例えば、図７（Ａ）および（Ｂ）に示す第７態様では、固定体６ｇａは、円板形状の固定体本体６１ｇａを備えており、この固定体本体６１ｇａには、外周形状が円形である開口部６３ｇａが形成されている。そして、開口部６３ｇａの外周面は、テーパ形状となっており（固定体本体６１ｇａの一主面と開口部６３ｇａの外周面とは斜交しており）、図７（Ｂ）にその断面で示すように、そのテーパ面６４ｇａが平面となっている。そして、このテーパ面６４ｇａのいずれかの位置における開口部６３ｇａの直径は、回転体１の外周面のいずれかの位置における該回転体１の直径と同一の寸法あるいは若干大きな寸法となっている。このようにテーパ面６４ｇａが平面とされるとともにそのいずれかの位置における開口部６３ｇａの直径が上述のように設定されることによって、固定体６ｇａは、回転体１を線触点で支持する構造となる。また、このように外周面をテーパ形状とすることにより、回転体１の一部が固定体本体６１ｇａの開口部６３ｇａ内に落ち込み、これによって固定体６ｇａは、より安定的に回転体１を支持することができる。このような構成の固定体６ｇａにおける開口部６３ｇａに回転体１を配設することによって、固定体６ｇａと回転体１とは、線接触で係合することができる。
【００６９】
このような線接触係合構造体の固定体６ｇａを備える多自由度アクチュエータＤａでは、固定体６ｇａと回転体１とが線接触で摩擦係合するので、上述の点接触で摩擦係合する第１ないし第６態様に較べて、回転体１は、より大きなトルクで運動可能となる。
【００７０】
次に、面接触係合構造体の場合について、より具体的に説明すると、例えば、図７（Ａ）および（Ｃ）に示す第８態様では、固定体６ｇｂは、円板形状の固定体本体６１ｇｂを備えており、この固定体本体６１ｇｂには、外周形状が円形である開口部６３ｇｂが形成されている。そして、開口部６３ｇｂの外周面は、テーパ形状となっており（固定体本体６１ｇｂの一主面と開口部６３ｇｂの外周面とは斜交しており）、図７（Ｃ）にその断面で示すように、そのテーパ面６４ｇｂが回転体１の外表面（外球面）の一部と略相似形な曲面となっている（回転体１の断面の輪郭形状の一部とテーパ面６４ｇｂの断面の輪郭形状とが略相似形となっている）。このようにテーパ面６４ｇｂが回転体１の外表面の一部と略相似形な曲面とされることによって、固定体６ｇｂは、回転体１を面触点で支持する構造となる。また、このように外周面をテーパ形状とすることにより、回転体１の一部が固定体本体６１ｇｂの開口部６３ｇｂ内に落ち込み、これによって固定体６ｇｂは、より安定的に回転体１を支持することができる。このような構成の固定体６ｇｂにおける開口部６３ｇｂに回転体１を配設することによって、固定体６ｇｂと回転体１とは、面接触で係合することができる。
【００７１】
このような面接触係合構造体の固定体６ｇｂを備える多自由度アクチュエータＤａでは、固定体６ｇｂと回転体１とが面接触で摩擦係合するので、上述の線接触で摩擦係合する第７態様に較べて、回転体１は、より大きなトルクで運動可能となる。
【００７２】
そして、図示しないが、上述の多自由度アクチュエータＤａにおいて、固定体２、６は、回転体１に対し点接触、線接触および面接触のうちの複数で係合する多様接触係合構造体であってもよい。上述の多自由度アクチュエータＤａにおいて、例えば、点接触および線接触で係合する点線接触係合構造体の固定体が用いられてもよく、また例えば、線接触および面接触で係合する線面接触係合構造体の固定体が用いられてもよく、また例えば、面接触および点接触で係合する面点接触係合構造体の固定体が用いられてもよく、また例えば、点接触、線接触および面接触で係合する点線面接触係合構造体の固定体が用いられてもよい。このような多様接触係合構造体の固定体を備える多自由度アクチュエータＤａでは、前記固定体と回転体１とが多様な接触態様で接触するので、運動の規制と高トルク化とを好適にバランス（調和）させることができる。
【００７３】
以上、種々の態様の固定体２、６を説明したが、これら固定体２、６は、予め決められた仕様を満たすように、回転体１に対する固定体２の配置位置や、固定体２の製造コスト等を勘案することによって適宜に選択される。
【００７４】
また、上述の多自由度アクチュエータＤａにおいて、固定体２、６は、電気機械変換素子３１による機械エネルギーが伝播する領域を規制する機械エネルギー伝播領域規制部をさらに備えてもよい。
【００７５】
図８は、実施形態の多自由度アクチュエータにおけるステータに設けられた機械エネルギー伝播領域規制部の構成を示す図である。
【００７６】
より具体的には、例えば、電気機械変換素子３１を固定的に取り付ける固定体２、６の第２領域を取り囲むように溝部が前記機械エネルギー伝播領域規制部として形成される。図８には、図５（Ｂ）に示す前記第２態様の固定体６ｂに前記機械エネルギー伝播領域規制部がさらに設けられた例が示されており、この図８に示す例では、固定体６ｂにおける固定体本体６１ｂの前記一主面に対向する他方主面（裏面）に、電気機械変換素子３１が固定的に取り付けられる第２領域６６ｄを取り囲むようにリング状（環状、ドーナツ状）の溝部６５ｂが前記機械エネルギー伝播領域規制部として形成されている。前記溝部６５ｂの幅および深さは、電気機械変換素子３１による機械的な振動が前記溝部６５ｂの外側へ伝播しないように、電気機械変換素子３１による機械的な振動の振幅および周波数等に応じて適宜に設定される。
【００７７】
このような前記機械エネルギー伝播領域規制部をさらに備える固定体２、６を用いた多自由度アクチュエータＤａは、機械エネルギーの機械的な振動を前記溝部の外側に伝播しないように前記第２領域内にとどめることができるので、機械エネルギーの機械的な振動を固定体２、６を介してより効率的に回転体１の駆動力とすることができるから、電気機械変換素子３１による機械エネルギーを適確に回転体１に与えることができ、よりエネルギー効率が向上する。
【００７８】
そして、前記機械エネルギー伝播領域規制部を、例えば図８に示すように溝部６５ｂで形成することにより、より容易に前記機械エネルギー伝播領域規制部を固定子２、６に形成することができる。
【００７９】
また、上述の多自由度アクチュエータＤａでは、駆動源３は、角柱形状の複数の圧電素子３１（図１ないし図４に示す例では４個の圧電素子３１−１〜３１−４）を、分極の極性を互いに揃えつつ、全体として角柱形状となるように配列することによって形成されたが、駆動源３は、このような態様に限定されるものではなく、他の態様も採用することができる。
【００８０】
図９は、実施形態の多自由度アクチュエータにおける駆動源の他の構成を示す斜視図である。図９（Ａ）は、その第１態様を示し、図９（Ｂ）は、その第２態様を示し、そして、図９（Ｃ）は、その第３態様を示す。
【００８１】
例えば、その第１態様として、上述の多自由度アクチュエータＤａにおいて、駆動源３に代え、分極の極性を揃えることなく、分極の極性が所定のパターンとなるように複数の圧電素子を配列することによって形成された駆動源が用いられてもよい。より具体的には、例えば、図９（Ａ）に示すように、駆動源７ａは、４個の電気機械変換素子３１として、圧電素子３１−１〜３１−４と同様の４個の圧電素子７１ａ−１〜７１ａ−４を備えている。これら４個の圧電素子７１ａ−１〜７１ａ−４は、それらの振動面を揃えて（駆動停止の静止状態で振動面が面一となるように）、分極の極性が所定のパターンとなるように反時計回り（あるいは時計回り）に順に配置されており（分極の極性が所定のパターンとなるように２×２の２次元アレイ状に配置されており）、互いに隣接する圧電素子３１間には、機械的な運動の相互干渉を低減するために、前記機械的な運動、例えば振動（例えば超音波振動等）を吸収する振動吸収材７２ａが充填されている。この振動吸収材７２ａによってこれら４個の圧電素子７１ａ−１〜７１ａ−４は、全体として四角柱形状に一体化されている。前記分極の極性における前記所定のパターンは、図９（Ａ）に示す例では、分極の極性が反時計回り（あるいは時計回り）に交互に順に配置されるパターンである。すなわち、一方の振動面において、圧電素子７１ａ−１は、−極性を向けて配置され、この圧電素子７１ａ−１の反時計回りに隣接する圧電素子７１ａ−２は、＋極性を向けて配置され、この圧電素子７１ａ−２の反時計回りに隣接する圧電素子７１ａ−３は、−極性を向けて配置され、そして、この圧電素子７１ａ−３の反時計回りに隣接する圧電素子７１ａ−４は、＋極性を向けて配置される。なお、この圧電素子７１ａ−４の反時計回りに隣接する圧電素子は、圧電素子７１ａ−１である。
【００８２】
また例えば、その第２態様として、上述の多自由度アクチュエータＤａにおいて、駆動源３に代え、複数の圧電素子が全体として筒形状となるように連結されて形成された駆動源が用いられてもよい。より具体的には、例えば、図９（Ｂ）に示すように、駆動源７ｂは、３個の電気機械変換素子３１として、３個の圧電素子７１ｂ−１〜７１ｂ−３を備えている。圧電素子３１は、上述したように、積層体と一組の外部電極部とを備え、平面視の形状が矩形である四角柱形状であったが、圧電素子７１ｂは、圧電素子３１と同様な積層体と一組の外部電極部とを備え、平面視の形状が幅のある円弧形状である筒体の一部の形状である。そして、圧電素子７１ｂの一組の外部電極部は、前記筒体の一部における外周面に各間を空けて配置される。これら３個の圧電素子７１ｂ−１〜７１ｂ−３は、それらの振動面を揃えて（駆動停止の静止状態で振動面が面一となるように）、分極の極性を揃えて反時計回り（あるいは時計回り）に順に配置されており、互いに隣接する圧電素子７１ｂ間には、機械的な運動の相互干渉を低減するために、前記機械的な運動、例えば振動（例えば超音波振動等）を吸収する振動吸収材７２ｂが充填されている。この振動吸収材７２ｂによってこれら３個の圧電素子７１ｂ−１〜７１ｂ−３は、全体として筒形状に一体化されている。
【００８３】
また例えば、その第３態様として、上述の多自由度アクチュエータＤａにおいて、駆動源３に代え、分極の極性を揃えることなく、分極の極性が所定のパターンとなるように、複数の圧電素子が全体として筒形状となるように連結されて形成された駆動源が用いられてもよい。より具体的には、例えば、図９（Ｃ）に示すように、駆動源７ｃは、３個の電気機械変換素子３１として、圧電素子７１ｂと同様な３個の圧電素子７１ｃ−１〜７１ｃ−３を備えている。これら３個の圧電素子７１ｂ−１〜７１ｂ−３は、それらの振動面を揃えて（駆動停止の静止状態で振動面が面一となるように）、分極の極性が所定のパターンとなるように反時計回り（あるいは時計回り）に順に配置されており、互いに隣接する圧電素子７１ｃ間には、機械的な運動の相互干渉を低減するために、前記機械的な運動、例えば振動（例えば超音波振動等）を吸収する振動吸収材７２ｃが充填されている。この振動吸収材７２ｃによってこれら３個の圧電素子７１ｃ−１〜７１ｃ−３は、全体として筒形状に一体化されている。前記分極の極性における前記所定のパターンは、図９（Ｃ）に示す例では、一方の振動面において、圧電素子７１ｃ−１は、＋極性を向けて配置され、この圧電素子７１ｃ−１の反時計回りに隣接する圧電素子７１ｃ−２は、−極性を向けて配置され、そして、この圧電素子７１ｃ−２の反時計回りに隣接する圧電素子７１ｃ−３は、＋極性を向けて配置される。なお、この圧電素子７１ｃ−３の反時計回りに隣接する圧電素子は、圧電素子７１ｃ−１である。
【００８４】
ここで、偶数個の圧電素子７１ｃで全体として円筒形状となる駆動源７ｃが形成される場合には、分極の極性が反時計回り（あるいは時計回り）に交互に順に配置されるパターンとなる。
【００８５】
本実施形態の多自由度アクチュエータＤａは、上述したような様々な態様の固定体２、６を用いることができ、そして、上述したような様々な態様の駆動源３、７を用いることができる。したがって、本実施形態の多自由度アクチュエータＤａは、例えば、円板形状（短高の円柱形状）の固定体および円筒形状の駆動源を用いることができ、また例えば、円板形状の固定体および四角柱形状の駆動源を用いることができ、また例えば、角板形状（短高の角柱形状）の固定体および円筒形状の駆動源を用いることができ、また例えば、角板形状の固定体および四角柱形状の駆動源を用いることができる。また、駆動源３、７における電気機械変換素子３１、７１の個数は、回転体１の自由度を基本に、回転体１に作用させる駆動力の個数に応じた適宜な数に設定される。例えば、図５および図６に示す第１ないし第６態様における３点接触の固定体６ａ〜６ｆの場合には、少なくとも３個の電気機械変換素子３１、７１を備える駆動源３、７が用いられる。
【００８６】
図１０は、実施形態における多自由度アクチュエータの他の構成を示す図である。また、上述の多自由度アクチュエータＤａでは、固定体２における回転体１との前記係合面の幾何的重心点および回転体１の中心点を、駆動源３の電気機械変換素子３１の機械的な運動の方向（機械運動方向）を法線とする仮想平面に投影した場合に、これら前記仮想平面に投影された前記幾何的重心点と前記中心点とは、一致するように、回転体１が固定体２に対し配置されたが、例えば、図１０に示すように、これら前記仮想平面に投影された前記幾何的重心点と前記中心点とは、不一致となるように、回転体１が固定体２に対し配置されてもよい。
【００８７】
一例として、この図１０に示す多自由度アクチュエータＤｂは、回転体１と、固定体８と、駆動源３とを備え、さらに、本実施形態では、付勢部材９とを備えている。この多自由度アクチュエータＤｂにおける回転体１および駆動源３は、上述した多自由度アクチュエータＤａにおける回転体１および駆動源３と同様であるので、その説明を省略する。
【００８８】
そして、付勢部材９は、内部に駆動源３を収容しつつ、その一方端面で固定体８の取り付け面に接続されるように配設された断面矩形の筒形状の例えば永久磁石等の磁石によって形成されており、その機能は、付勢部材４と同様である。また、固定体８は、付勢部材９の外形と同様となるように、かつ、固定体８における回転体１との係合面の幾何的重心点および回転体１の中心点を、駆動源３の電気機械変換素子３１の機械的な運動の方向（機械運動方向）を法線とする仮想平面に投影した場合に、これら前記仮想平面に投影された前記幾何的重心点と前記中心点とがずれて不一致となるように回転体１と固定体８とが、配置されるように、固定体２の外縁部をカットした短高の角柱形状（角板形状）の部材であり、その機能は、固定体２と同様である。
【００８９】
このような構成の多自由度アクチュエータＤｂは、前記仮想平面に投影された、前記固定体における前記回転体との係合面の幾何的重心点と前記回転体の中心点とが必ずしも一致する必要がないので、回転体１に対する固定体８の配置位置の自由度が高く、より容易に組み立てることができる。
【００９０】
次に、このような多自由度アクチュエータＤａ、Ｄｂが回転ステージに適用された例について説明する。
【００９１】
図１１は、実施形態の多自由度アクチュエータを用いたゴニオステージの構成を示す図である。図１１（Ａ）は、ステージ部材１０の載置台が水平に制御されている場合を示し、図１１（Ｂ）は、ステージ部材１０の載置台が所定の角度で傾斜するように制御されている場合を示す。図１１は、多自由度アクチュエータＤａがゴニオステージに応用される例を示しているが、多自由度アクチュエータＤｂがゴニオステージに応用される場合もこれを同様である。
【００９２】
図１１において、ゴニオステージＳは、試料Ｏｂを載置するステージ部材１０と、固定体２と、駆動源３と、付勢部材４とを備えている。これらゴニオステージＳにおける固定体２、駆動源３および付勢部材４は、多自由度アクチュエータＤａ、Ｄｂにおける固定体２、６、８、駆動源３、７および付勢部材４、９と同様であり、ゴニオステージＳにおけるステージ部材１０は、その形状が球形ではなく半球体である点を除き、多自由度アクチュエータＤａ、Ｄｂにおける回転体１と同様である。すなわち、このゴニオステージＳは、回転体１を半球形状に変えただけで、多自由度アクチュエータＤａ、Ｄｂと同様に構成されている。
【００９３】
そして、半球形状のステージ部材１０における平面が試料Ｏｂを載せる載置台となり、本実施形態では、図１０に示すように、透明のケースＣＡ内に収容された試料Ｏｂが、半球形状のステージ部材１０における前記平面状に載置される。
【００９４】
このようなゴニオステージＳでは、ステージ部材１０を固定体２、６、８を介して駆動源３、７、９で駆動することによって、ステージ部材１０の中央真上に位置する点を中心にして試料Ｏｂを回転させることができる。すなわち、ステージ部材１０を回転させても（傾斜する回転を含む）、その中心は、変わらない。このため、ゴニオステージＳは、図１１（Ｂ）に示す姿勢をとることができ、ユーザは、試料Ｏｂを斜め方向から観察することが可能となる。
【００９５】
本発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施形態を通して本発明を適切且つ十分に説明したが、当業者であれば上述の実施形態を変更および／または改良することは容易に為し得ることであると認識すべきである。したがって、当業者が実施する変更形態または改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範囲を離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態または当該改良形態は、当該請求項の権利範囲に包括されると解釈される。
【符号の説明】
【００９６】
Ｄａ、Ｄｂ 多自由度アクチュエータ
Ｓ ゴニオステージ
１ 回転体
２、６、６ａ〜６ｆ、６ｇａ、６ｇｂ、８ 固定体
３、７、７ａ〜７ｃ 駆動源
４、９ 付勢部材
２２、２３ 溝部
６５ｂ 溝部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の回転軸回りに運動可能な多自由度アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
入力エネルギーを物理的な運動（機械エネルギー）に変換するアクチュエータは、運動を行う様々な装置に組み込まれている。例えば、光を取り扱う装置では、アクチュエータは、例えば、撮像光学系のフォーカスレンズの駆動やズームレンズの駆動に用いられ、また例えば、レーザ光を光変調器や光ファイバに入射する場合における光軸の調芯に用いられ、また例えば、監視カメラ等の監視方向（視線方向）の変更等に用いられる。このようなレンズの光軸方向に沿った駆動や光軸の調芯や監視方向の変更等に用いられるアクチュエータは、その用途から複数の方向への運動を発生可能であることが望ましい。このような複数の方向への運動を発生可能なアクチュエータは、例えば、特許文献１に開示されている。
【０００３】
この特許文献１に開示の装置は、磁力で吸引される材料で形成され、或いは、磁力で吸引される材料で作られた部分を有する回転駆動される球体と、前記球体を支持するための基台と、第１、第２および第３のアクチュエータユニットで構成される駆動部であって、前記第１、第２および第３のアクチュエータユニットのそれぞれは、駆動信号の印加で伸張される第１、第２および第３の圧電素子を含み、前記第１、第２および第３の圧電素子が互いに略直交して延出されるように配置され、前記第１、第２および第３の圧電素子の一端が１つの交点で互いに固定されて駆動チップを構成し、前記第１、第２および第３の他端が前記基台に固定されて前記駆動チップを３次元方向に運動可能に支持し、前記第１、第２および第３のアクチュエータユニットは、前記駆動チップで前記球体を回転可能に支持し、前記交点と前記球体との摩擦により前記球体を回転駆動する駆動部と、前記球体との間に所定の間隙を介して前記基台に配置され、前記球体および前記圧電ユニット間の摩擦力を調整するための可変の磁場を発生させる磁場発生部とを備えている。このような構成の装置では、第１、第２および第３の各アクチュエータユニットの駆動チップが描く駆動円の駆動軸に沿って駆動トルクが発生し、これらの駆動トルクのベクトル和が実際に球体を回転駆動させる駆動トルクとなる（［００２８］段落参照）。そして、前記特許文献１の［００１５］段落には、第１、第２および第３のアクチュエータユニットに印加する駆動信号を調整して伸張量を調整することで、球体を任意の方向に回転駆動させることができる、と記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−０４５８９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、前記特許文献１に開示の装置は、いわゆるロータ（回転子）に相当する球体と、いわゆるステータ（固定子）に相当する基台と、駆動力を発生する駆動部とは、個別部品で構成されている。このため、前記特許文献１に開示の装置では、これら各部品の組み立てに手間がかかってしまう。また、前記特許文献１に開示の装置は、前記駆動部を構成する第１、第２および第３のアクチュエータユニットにおける各駆動チップで前記球体を回転可能に支持している。このため、前記特許文献１に開示の装置では、第１、第２および第３のアクチュエータユニットの組み立ての際に組み立て位置に誤差が生じてしまうと、前記各駆動チップが設計通りの位置で前記球体を支持しないため、設計通りの性能が発揮されず、その性能が劣化してしまう虞がある。あるいは、前記特許文献１に開示の装置では、製品間における性能のばらつきが生じやすい。
【０００６】
本発明は、上述の事情に鑑みて為された発明であり、その目的は、より容易に組み立て可能であって、回転体の位置精度が出し易い多自由度アクチュエータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者は、種々検討した結果、上記目的は、以下の本発明により達成されることを見出した。すなわち、本発明の一態様にかかる多自由度アクチュエータは、回転体と、電気エネルギーを機械エネルギーへ変換する複数の電気機械変換素子と、前記回転体と所定の摩擦力で係合し、前記複数の電気機械変換素子による各機械エネルギーに基づいて前記回転体を多自由度で駆動する駆動力を前記回転体に与える単一の固定体とを備えることを特徴とする。
【０００８】
回転体を多自由度で駆動するためには、通常、複数の固定体が必要であるが、このような構成の多自由度アクチュエータでは、前記回転体と所定の摩擦力で係合し、前記複数の電気機械変換素子による各機械エネルギーに基づいて前記回転体を多自由度で駆動する駆動力を前記回転体に与える固定体は、単一である。このため、回転体は、固定体に対し組み立てるだけでよい。したがって、このような構成の多自由度アクチュエータは、より容易に組み立てることができ、固定体に対する回転体の位置精度が出し易い。
【０００９】
また、他の一態様では、これら上述の多自由度アクチュエータにおいて、前記複数の電気機械変換素子は、一体化されていることを特徴とする。
【００１０】
このような構成の多自由度アクチュエータは、前記複数の電気機械変換素子も一体化されているので、さらにより容易に組み立てることができ、固定体に対する回転体の位置精度がより出し易い。
【００１１】
また、他の一態様では、これら上述の多自由度アクチュエータにおいて、前記複数の電気機械変換素子は、前記固定体に固定して取り付けられ、前記固定体は、前記複数の電気機械変換素子による各機械エネルギーをそれぞれ分離するための機械エネルギー分離部をさらに備えることを特徴とする。
【００１２】
このような構成の多自由度アクチュエータは、前記複数の電気機械変換素子が前記固定体に固定して取り付けられる場合でも機械エネルギー分離部をさらに備えるので、前記複数の電気機械変換素子による各機械エネルギーを個別に分離し、この個別に分離した機械エネルギーに基づく駆動力を前記回転体に与えることができる。したがって、当該電気機械変換素子に基づく駆動力から他の電気機械変換素子による機械エネルギーを低減もしくは無くすことができるので、前記回転体の駆動制御がより容易となる。
【００１３】
また、他の一態様では、上述の多自由度アクチュエータにおいて、前記機械エネルギー分離部は、互いに隣接する電気機械変換素子の境界に対応する前記固定体の領域を含むように形成された第１溝部であることを特徴とする。
【００１４】
このような構成の多自由度アクチュエータは、前記機械エネルギー分離部が所定の第１溝部であるので、より容易に前記機械エネルギー分離部を前記固定体に形成することができる。
【００１５】
また、他の一態様では、これら上述の多自由度アクチュエータにおいて、前記固定体は、前記電気機械変換素子による機械エネルギーが伝播する領域を規制する機械エネルギー伝播領域規制部をさらに備えることを特徴とする。
【００１６】
このような構成の多自由度アクチュエータは、機械エネルギー伝播領域規制部をさらに備えるので、前記電気機械変換素子による機械エネルギーを適確に前記回転体に与えることができ、よりエネルギー効率が向上する。
【００１７】
また、他の一態様では、上述の多自由度アクチュエータにおいて、前記機械エネルギー伝播領域規制部は、前記電気機械変換素子が取り付けられている前記固定体の第２領域を囲むように形成された第２溝部であることを特徴とする。
【００１８】
このような構成の多自由度アクチュエータは、前記機械エネルギー伝播領域規制部が所定の第２溝部であるので、より容易に前記機械エネルギー伝播領域規制部を前記固定子に形成することができる。
【００１９】
また、他の一態様では、これら上述の多自由度アクチュエータにおいて、前記固定体における前記回転体との係合面の幾何的重心点および前記回転体の中心点を、前記電気機械変換素子の機械運動方向を法線とする仮想平面に投影した場合に、これら前記仮想平面に投影された前記幾何的重心点と前記中心点とは、不一致であることを特徴とする。
【００２０】
このような構成の多自由度アクチュエータは、前記仮想平面に投影された、前記固定体における前記回転体との係合面の幾何的重心点と前記回転体の中心点とが必ずしも一致する必要がないので、回転体に対する固定体の配置位置の自由度が高く、より容易に組み立てることができる。
【００２１】
また、他の一態様では、これら上述の多自由度アクチュエータにおいて、前記固定体は、前記回転体に対し点接触で係合する点接触係合構造体であることを特徴とする。
【００２２】
このような構成の多自由度アクチュエータでは、前記固定体と前記回転体とが点接触で摩擦係合するので、その接触箇所で前記回転体の運動が規制され難く、前記回転体がよりスムーズに運動することができる。
【００２３】
また、他の一態様では、これら上述の多自由度アクチュエータにおいて、前記固定体は、前記回転体に対し線接触で係合する線接触係合構造体であることを特徴とする。
【００２４】
このような構成の多自由度アクチュエータでは、前記固定体と前記回転体とが線接触で摩擦係合するので、上述の点接触で摩擦係合する態様に較べて、前記回転体は、より大きなトルクで運動可能となる。
【００２５】
また、他の一態様では、これら上述の多自由度アクチュエータにおいて、前記固定体は、前記回転体に対し面接触で係合する面接触係合構造体であることを特徴とする。
【００２６】
このような構成の多自由度アクチュエータでは、前記固定体と前記回転体とが面接触で摩擦係合するので、上述の線接触で摩擦係合する態様に較べて、前記回転体は、より大きなトルクで運動可能となる。
【００２７】
また、他の一態様では、これら上述の多自由度アクチュエータにおいて、前記固定体は、前記回転体に対し点接触、線接触および面接触のうちの複数で係合する多様接触係合構造体であることを特徴とする。
【００２８】
このような構成の多自由度アクチュエータでは、前記固定体と前記回転体とが多様な接触態様で接触するので、運動の規制と高トルク化とを好適にバランス（調和）させることができる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明にかかる多自由度アクチュエータは、より容易に組み立てることができ、固定体に対する回転体の位置精度が出し易い。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】実施形態における多自由度アクチュエータの構成を示す図である。
【図２】実施形態の多自由度アクチュエータにおけるステータの構成を示す図である。
【図３】実施形態の多自由度アクチュエータにおける駆動源の構成を示す斜視図である。
【図４】実施形態の多自由度アクチュエータにおけるステータに対する駆動源の取り付けの様子を説明するための図である。
【図５】実施形態の多自由度アクチュエータにおけるステータの他の構成を示す図である。
【図６】実施形態の多自由度アクチュエータにおけるステータのさらに他の構成を示す図である。
【図７】実施形態の多自由度アクチュエータにおけるステータのさらに他の構成を示す図である。
【図８】実施形態の多自由度アクチュエータにおけるステータに設けられた機械エネルギー伝播領域規制部の構成を示す図である。
【図９】実施形態の多自由度アクチュエータにおける駆動源の他の構成を示す斜視図である。
【図１０】実施形態における多自由度アクチュエータの他の構成を示す図である。
【図１１】実施形態の多自由度アクチュエータを用いたゴニオステージの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、本発明にかかる実施の一形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、適宜、その説明を省略する。また、本明細書において、総称する場合には添え字を省略した参照符号で示し、個別の構成を指す場合には添え字を付した参照符号で示す。
【００３２】
図１は、実施形態における多自由度アクチュエータの構成を示す図である。図２は、実施形態の多自由度アクチュエータにおけるステータの構成を示す図である。図２（Ａ）は、係合面側から見た斜視図（正面斜視図）であり、図２（Ｂ）は、前記係合面に対向する裏面側から見た斜視図（背面斜視図）である。図３は、実施形態の多自由度アクチュエータにおける駆動源の構成を示す斜視図である。図４は、実施形態の多自由度アクチュエータにおけるステータに対する駆動源の取り付けの様子を説明するための図である。図４（Ａ）は、ステータに駆動源を取り付けた状態を示し、図４（Ｂ）は、さらに付勢部材をステータに取り付けた状態を示す。
【００３３】
図１において、本実施形態の多自由度アクチュエータＤａは、回転体（回転子、ロータ、移動体）１と、固定体（固定子、ステータ、振動体）２と、駆動源３とを備え、さらに、本実施形態では、付勢部材４とを備えている。
【００３４】
駆動源３は、回転体１を固定体２を介して駆動するための駆動力を発生する部材であり、入力の電気エネルギーを機械エネルギー、すなわち、機械的な運動へ変換する電気機械変換素子３１を備えている。電気機械変換素子３１は、例えば、入力の電気エネルギーを圧電効果によって機械的な伸縮運動に変換する圧電素子３１等である。駆動源３は、本実施形態では、多自由度（複数の自由度）を実現するために、複数の電気機械変換素子３１を備えている。
【００３５】
より具体的には、電気機械変換素子３１としての圧電素子３１は、例えば、積層体と、一組の外部電極部とを備えている。前記積層体は、圧電材料から成る薄膜状（層状）の圧電層と導電性を有する薄膜状（層状）の内部電極層とを交互に複数積層して成るものである。前記積層体は、本実施形態では、図３に示すように、四角柱形状となっている。各内部電極層は、その一方端部（一方縁部）が外部に臨むように形成される。より具体的には、各内部電極層のうちの前記導電層を介して互いに対向する一方の第１内部電極層は、その一方端部が前記積層体における所定の側面に臨むように形成されており、その他方の第２内部電極層は、その一方端部が前記積層体における前記所定の側面に隣接する側面に臨むように形成されている。このように各内部電極層は、その一部が互いに隣接する一組の外周側面で交互に外部に臨むようにそれぞれ構成されている。圧電材料は、例えば、いわゆるＰＺＴ、水晶、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、ニオブ酸タンタル酸カリウム（Ｋ（Ｔａ，Ｎｂ）Ｏ３）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）およびチタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）等の無機圧電材料である。
【００３６】
前記一組の外部電極部は、前記積層体の外周面における所定の面上に形成され、前記電気エネルギーを前記積層体に供給するものである。より具体的には、これら一組の外部電極部における一方の第１外部電極部は、前記一方の第１内部電極層と電気的に接続されるように、前記所定の側面に積層方向に沿って薄膜状（層状）で形成され、その他方の第２外部電極部は、前記他方の第２内部電極層と電気的に接続されるように、前記所定の側面に隣接する側面に積層方向に沿って薄膜状（層状）で形成される。このように一組の外部電極は、各内部電極層と順次交互に導通され、前記電気エネルギーを前記積層体の各圧電層に供給する。
【００３７】
このような構成の電気機械変換素子３１の一例としての圧電素子３１では、一組の外部電極部に、図略の外部駆動回路より所定の駆動電圧が印加されることによって、前記積層体の各圧電層へ電気エネルギーがそれぞれ給電されると、各圧電層の圧電効果によって、前記積層体は、積層方向に伸び、あるいは、縮む。そして、伸び縮みを行うような所定の駆動電圧が周期的に繰り返し一組の外部電極部に印加されることによって、前記積層体は、伸縮を繰り返して振動する。
【００３８】
そして、駆動源３は、本実施形態では、図３に示すように、４個の電気機械変換素子３１としての４個の圧電素子３１−１〜３１−４を一体に備えている。より具体的には、４個の圧電素子３１−１〜３１−４は、それらの振動面を揃えて（駆動停止の静止状態で振動面が面一となるように）、分極の極性を揃えて反時計回り（あるいは時計回り）に順に配置されており（分極の極性を揃えて２×２の２次元アレイ状に配置されており）、互いに隣接する圧電素子３１間には、機械的な運動の相互干渉を低減するために、前記機械的な運動、例えば振動（例えば超音波振動等）を吸収する振動吸収材３２が充填されている。この振動吸収材３２によってこれら４個の圧電素子３１−１〜３１−４は、全体として四角柱形状に一体化されている。
【００３９】
固定体２は、回転体１と所定の摩擦力で係合し、複数の電気機械変換素子３１による各機械エネルギーに基づいて回転体１を多自由度で駆動する駆動力を回転体１に与える単一の部材である。この固定体２には、駆動源２が固定されるように取り付けられている。駆動源３が駆動されると、駆動源３による機械エネルギー、すなわち、機械的な運動は、この固定体２を介して回転体１の駆動に用いられる。固定体２における回転体１と摩擦係合する面が係合面となり、固定体２における駆動源２が固定的に取り付けられる面が取り付け面となる。係合面と取り付け面とは、必ずしも対向している必要はないが、駆動源３による駆動力を固定体２を介して回転体１へ効率よく（減衰が少なく）伝達するために、対向していることが好ましい。
【００４０】
より具体的には、固定体２は、例えば、図２（Ａ）に示すように、一方主面（一方端面、上面）に、回転体１が運動可能な余裕を有して回転体１の一部が略嵌り込む凹部２１を形成した円板形状（短高の円柱形状）の部材である。図２（Ａ）に示す例では、固定体２は、外形円形形状であるが、任意の外形形状であってよい。凹部２１の表面２１ａは、前記回転体１の前記一部の外表面（外球面）と略相似形な曲面となっている（前記回転体１の前記一部におけるその断面の輪郭形状と凹部２１の断面の輪郭形状とが略相似形となっている）。このように凹部２１が該凹部２１に略嵌り込む前記回転体１の前記一部における外表面と略相似形な曲面とされることによって、固定体２は、回転体１を面触点で支持する構造となる。また、このような形状に凹部２１の表面２１ａを形成することにより、前記回転体１の前記一部が固定体２の凹部２１内に落ち込み、これによって固定体２は、より安定的に回転体１を支持することができる。そして、このような構成の固定体２における凹部２１に回転体１を配設することによって、固定体２と回転体１とは、凹部２１の表面２１ａと前記回転体１の前記一部の外表面とで面接触で係合することができる。
【００４１】
そして、固定体２には、本実施形態では、駆動源３における複数の電気機械変換素子３１による各機械エネルギー（各機械的な運動）をそれぞれ分離するための機械エネルギー分離部がさらに設けられている。
【００４２】
より具体的には、固定体２には、例えば、複数の電気機械変換素子３１から成る駆動源３が固定体２に固定的に取り付けられる場合に、固定体２における駆動源３を取り付ける前記取り付け面において、互いに隣接する電気機械変換素子３１の境界に対応する固定体２の第１領域（境界対応領域）を含むように第１溝部が前記機械エネルギー分離部として形成されている。例えば、図３に示す２×２の２次元アレイ状に配置された４個の圧電素子３１−１〜３１−４を備える駆動源３が、前記取り付け面としての固定体２の他方主面（他方端面、底面）に取り付けられる場合であって、固定体２の他方主面における幾何的重心点と駆動源３の振動面（前記４個の圧電素子３１の各振動面から成る振動面）における幾何的重心点とが一致するように、駆動源３が固定体２に固定されて取り付けられる場合では、固定体２の他方主面（前記取り付け面）には、図２（Ｂ）に示すように、互いに直交するとともにそれらの交点が固定体２の他方主面における幾何的重心点と一致する２個の溝部２３−１、２３−２が前記機械エネルギー分離部として形成されている。そして、これら２個の溝部２３−１、２３−２で区切られることによって固定体２の他方主面に形成された４個の領域のそれぞれに、１個の圧電素子３１の振動面が配置されるように、４個の圧電素子３１−１〜３１−４を備える駆動源３は、前記取り付け面としての固定体２の他方主面に固定して取り付けられる。
【００４３】
前記機械エネルギー分離部としての前記第１溝部は、固定体２の他方主面に形成された２個の溝部２３−１、２３−２だけであってもよいが、機械エネルギーをより確実に分離するために、図２に示す例では、図２（Ａ）に示すように、固定体２の一方主面にも、これら２個の溝部２３−１、２３−２に対応する位置に４個の溝部２２−１〜２２−４が前記機械エネルギー分離部としてさらに形成されている。
【００４４】
これら溝部２３、２２における各幅および各深さは、駆動源３における各圧電素子２１によって発生する振動の大きさ（振幅）および周波数等に基づいて、前記機械エネルギー分離部としての機能を好適に発揮するように、適宜に設定される。
【００４５】
回転体１は、駆動源３で発生した駆動力に応じて回転運動する部材である。回転体１は、任意形状の立体の部材でよい。したがって、回転体１は、例えば、球体、楕円球体およびその一部が切り取られたこれらの半球体等だけでなく、多面体およびその一部が切り取られたこれらの半多面体であってもよい。前記多面体は、例えば１４面体や２０面体等の面数が多いほど好ましい。そして、より滑らかに回転体１を運動させるために、回転体１は、固定体２と係合する面が曲面である形状の部材であることが好ましい。本実施形態では、図１に示すように、回転体１は、球体または球殻体である。そして、回転体１は、任意の材料によって形成することができるが、耐久性を向上させるために、例えば車のクラッチ機構等に用いられるペーパ摩擦材等の耐摩耗性に優れた材料によって形成されることが好ましい。本実施形態では、回転体１は、後述するように例えば鉄等の磁性体によって形成される。回転体１は、その全体が前記磁性体で形成されてよく、また、その表面のみが前記磁性体で形成されてよい。また、磁力が作用する表面の一部のみが前記磁性体で形成されてよい。また、回転体１内の一部分が前記磁性体で形成されてよい。この場合において、その偏りがあってもよいが、回転体の駆動制御を容易に行う観点から、その偏りがない方が好ましい。
【００４６】
そして、このような回転体１が駆動源３と一体化された固定体２の凹部２１に略嵌り込むことで、図１に示す多自由度アクチュエータＤａが作成される。ここで、図１に示す多自由度アクチュエータＤａでは、より単純に回転体１の回転駆動を制御することができるように、固定体２における回転体１との前記係合面の幾何的重心点および回転体１の中心点を、駆動源３の電気機械変換素子３１の機械的な運動の方向（機械運動方向）を法線とする仮想平面に投影した場合に、これら前記仮想平面に投影された前記幾何的重心点と前記中心点とは、一致するように、回転体１が固定体２に対し配置される。
【００４７】
回転体１と、駆動源３と一体化された固定体２とが、重力が作用する方向（重力の作用方向）に向かってこの順で配置されている構成では、回転体１の自重を利用することによって、回転体１と固定体２とが前記所定の摩擦力で係合するように、回転体１を固定体２に配置することも可能であるが、この構成では使用上の制約や設計上の制約が生じる。より具体的には、例えば、多自由度アクチュエータＤａを傾けた場合に、回転体１が転がり落ちてしまう可能性がある。そのため、多自由度アクチュエータＤａは、固定した場所で使用しなければならないため、使用上の制約が生じる。あるいは、そのため、回転体１の転落を防止するために、転落防止部材が別途必要となり、設計上の制約が生じる。このような使用上の制約や設計上の制約を低減するために、本実施形態では、多自由度アクチュエータＤａは、回転体１と固定体２とを前記所定の摩擦力で係合させる付勢力を生成する付勢部材をさらに備えて構成されている。
【００４８】
このような付勢部材は、例えば、磁力を発生する磁石であってもよい。本実施形態では、図４（Ｂ）に示すように、付勢部材４は、内部に駆動源３を収容しつつ、その一方端面で固定体２の前記取り付け面に接続されるように配設された円筒形状の例えば永久磁石等の磁石によって形成されており、回転体１は、この付勢部材４の磁石によって形成される磁場と相互作用を行うために、上述したように、例えば鉄等の磁性体によって形成されている。この磁石の付勢部材４によって、回転体１には、固定体２へ向かう磁力が作用し、回転体１と固定体２とは、前記所定の摩擦力で係合しつつ、固定体２は、この磁力によって回転体１を安定的に保持することができる。そして、前記付勢力を発生させるために、前記磁力を用いることによって、極めて小さい構造によって回転体１と固定体２とを前記所定の摩擦力で係合させることができる。この回転体１の磁性体は、常磁性体であることが好ましい。このように常磁性体で回転体１を形成することによって、回転体１の回転状態にかかわらず付勢部材４の磁石の磁場から同じように相互作用を受けるので、このような構成によれば、回転体１の駆動制御（複数の並進推力素子２の制御）がより容易となる。
【００４９】
なお、上述では、付勢部材として磁石が用いられたが、これに限定されるものではない。例えば、より簡易に構成することができることから、前記付勢部材は、圧縮コイルバネや板バネ等の弾性体が用いられてよい。このような弾性体は、例えば、固定体２の前記係合面に対し回転体１を介して対向する側に、回転体１から固定体２へ向かう方向に付勢力を生じさせるように配置される。また例えば、前記付勢部材は、エアを吸引することによってエアによる吸引引力を発生するエアコンプレッサ等が用いられてもよい。このような吸引引力による付勢部材は、エアを吸引することによって、回転体１から固定体２へ向かう方向に付勢力を生じさせるように配置される。
【００５０】
このような構成の多自由度アクチュエータＤａでは、駆動源３が図略の外部駆動回路によって入力の電気エネルギー、例えば所定の波形の駆動電圧が供給されると、駆動源３は、電気機械変換素子３１によって前記電気エネルギーを機械エネルギー、例えば機械的な振動に変換する。この駆動源３で生じた機械エネルギー、ここでは、機械的な振動は、駆動源３がその振動面で固定体２に固定的に取り付けられているので、固定体２に伝達され、固定体２も電気機械変換素子３１の振動方向と同じ方向で機械的に振動する。例えば、図１ないし図４に示す例では、電気機械変換素子３１としての圧電素子３１は、その積層方向に機械的な振動を生じる。この圧電素子３１による機械的な振動によって固定体２も圧電素子３１の積層方向に機械的な振動を生じる。したがって、圧電素子３１の積層方向は、圧電素子３１および固定体２の振動方向である。
【００５１】
ここで、係合面２１ａは、上述したように、球面であるので、係合面２１ａは、駆動源３の電気機械変換素子３１の振動方向（上述では積層方向）と交差している。このため、係合面２１ａには、係合面２１ａの接線方向に駆動力が生じる。この係合面２１ａの接線方向の駆動力によって、固定体２の係合面２１ａに所定の摩擦力で係合している回転体１は、回転運動する。そして、駆動源３は、複数の電気機械変換素子３１、本実施形態では、４個の電気機械変換素子３１を備え、これら複数（ここでは４個）の電気機械変換素子３１が固定体２に固定的に取り付けられているので、この１個の固定体２において、これら電気機械変換素子３１によって複数の方向で前記駆動力を発生することができるから、回転体１は、多自由度で回転運動することができる。
【００５２】
回転体１を多自由度で駆動するためには、通常、前記多自由度に応じた複数の固定体が必要であるが、本実施形態における多自由度アクチュエータＤａでは、回転体１と所定の摩擦力で係合し、複数の電気機械変換素子３１による各機械エネルギーに基づいて回転体１を多自由度で駆動する駆動力を回転体１に与える固定体２は、上述のしたように、単一の部材である。このため、回転体１は、単一の固定体２に対し組み立てるだけでよい。したがって、このような構成の多自由度アクチュエータＤａは、より容易に組み立てることができ、固定体２に対する回転体１の位置精度が出し易い。また、固定体２が単一の部材であるので、多自由度アクチュエータＤａの小型化も図り易い。
【００５３】
そして、本実施形態における多自由度アクチュエータＤａでは、複数の電気機械変換素子３１も一体化されているので、さらにより容易に組み立てることができ、固定体２に対する回転体１の位置精度がより出し易い。また、このように一体化されているので、多自由度アクチュエータＤａの小型化も図り易い。
【００５４】
また、上述の多自由度アクチュエータＤａは、前記機械エネルギー分離部としての溝部２３を備えるので、複数の電気機械変換素子３１が固定体２に固定して取り付けられる場合でも、複数の電気機械変換素子３１による各機械エネルギーを個別に分離し、この個別に分離した機械エネルギーに基づく駆動力を回転体１に与えることができる。したがって、当該電気機械変換素子３１に基づく駆動力から他の電気機械変換素子３１による機械エネルギーを低減もしくは無くすことができるので、回転体１の駆動制御がより容易となる。さらに、上述の多自由度アクチュエータＤａは、前記機械エネルギー分離部としての溝部２２も備えるので、複数の電気機械変換素子３１による各機械エネルギーをより一層個別に分離して回転体１の駆動に供することができ、より一層容易にその駆動を制御することができる。
【００５５】
そして、上述の多自由度アクチュエータＤａは、前記機械エネルギー分離部が溝部２３、２２であるので、より容易に前記機械エネルギー分離部を固定体２に形成することができる。
【００５６】
なお、上述の実施形態では、より大きなトルクを得るために、固定体２は、回転体１に対し面接触で係合する面接触係合構造体であったが、これに限定されるものではなく、他の接触係合構造体であってもよい。上述の多自由度アクチュエータＤａにおいて、例えば、固定体２に代え、回転体１に対し点接触で所定の摩擦力で係合する点接触係合構造体である固定体であってもよく、また例えば、固定体２に代え、回転体１に対し線接触で所定の摩擦力で係合する線接触係合構造体である固定体であってもよく、また例えば、固定体２に代え、回転体１に対し点接触、線接触および面接触のうちの複数で係合する多様接触係合構造体である固定体であってもよい。
【００５７】
図５ないし図７は、実施形態の多自由度アクチュエータにおけるステータの他の構成を示す図である。図５（Ａ）は、ステータの他の構成における第１態様を示し、図５（Ｂ）は、ステータの他の構成における第２態様を示し、そして、図５（Ｃ）は、ステータの他の構成における第３態様を示す。図６（Ａ）は、ステータの他の構成における第４態様を示し、図６（Ｂ）は、ステータの他の構成における第５態様を示し、そして、図６（Ｃ）は、ステータの他の構成における第６態様を示す。図７（Ａ）は、ステータの他の構成における第７および第８態様を示し、図７（Ｂ）は、ステータの他の構成における第７態様での断面構造を示し、そして、図７（Ｃ）は、ステータの他の構成における第８態様での断面構造を示す。
【００５８】
まず、点接触係合構造体の場合について、より具体的に説明すると、例えば、図５（Ａ）に示す第１態様では、固定体６ａは、円板形状の固定体本体６１ａと、球体の一部を平面で切り取った形状（部分球体形状）であって、前記平面で連結するように固定体本体６１ａの一主面上に配設された、複数の支持体６２ａとを備えている。支持体６２ａは、回転体１を点接触で支持可能な個数、例えば、３個以上である。図５（Ａ）に示す第１態様では、支持体６２ａは、３個の支持体６２ａ−１〜６２ａ−３を備えており、これら３個の支持体６２ａ−１〜６２ａ−３は、それらの各幾何的重心点を固定体本体６１ａの前記一主面に投影した場合、三角形、図５（Ａ）に示す例では正三角形を形成するように、固定体本体６１ａの一主面上に配設される。そして、これら３個の支持体６２ａ−１〜６２ａ−３は、好ましくは頂部を除く周面のいずれかの点で回転体１と点接触するように、回転体１の大きさを考慮して、各間の距離が適宜に調整される。なお、所望の駆動方向が制限されている場合には、これら３個の支持体６２ａ−１〜６２ａ−３は、頂部で回転体１と点接触するように、適宜に配設されてもよい。このような構成の固定体６ａにおける３個の支持体６２ａ−１〜６２ａ−３上に回転体１を配設することによって、固定体６ａと回転体１とは、点接触で係合することができる。
【００５９】
また例えば、図５（Ｂ）に示す第２態様では、固定体６ｂは、平面視で四角形である板状の固定体本体６１ｂと、支持体６２ａと同形状である部分球体形状であって、前記平面で連結するように固定体本体６１ｂの一主面上に配設された、複数の支持体６２ｂとを備えている。支持体６２ｂは、回転体１を点接触で支持可能な個数、例えば、３個以上であり、図５（Ｂ）に示す第２態様では、支持体６２ｂは、３個の支持体６２ｂ−１〜６２ｂ−３を備えており、これら３個の支持体６２ｂ−１〜６２ｂ−３は、それらの各幾何的重心点を固定体本体６１ｂの前記一主面に投影した場合、三角形、図５（Ｂ）に示す例では正三角形を形成するように、各間を適宜な距離で固定体本体６１ｂの一主面上に配設される。すなわち、第２態様の固定体６ｂは、第１態様の固定体６ａにおける円板形状の固定体本体６１ａに代え、平面視で四角形である板状の固定体本体６１ｂを備えている。このような構成の固定体６ｂにおける３個の支持体６２ｂ−１〜６２ｂ−３上に回転体１を配設することによって、固定体６ｂと回転体１とは、点接触で係合することができる。
【００６０】
また例えば、図５（Ｃ）に示す第３態様では、固定体６ｃは、固定体本体６１ａと同形状である円板形状の固定体本体６１ｃと、この固定体本体６１ｃの一主面上に配設された複数の支持体６２ｃとを備えている。支持体６２ｃは、回転体１を点接触で支持可能な個数、例えば、３個以上であり、図５（Ｃ）に示す第３態様では、支持体６２ｃは、３個の支持体６２ｃ−１〜６２ｃ−３を備えている。そして、本第３態様では、２個の支持体６２ｃ−１、６２ｃ−２は、支持体６２ａと同形状である部分球体形状であって、前記平面で連結するように固定体本体６１ｃの一主面上に配設され、残余の１個の支持体６２ｃ−３は、三角柱形状であって、前記三角柱の一側面で連結するように固定体本体６１ｃの一主面上に配設される。これら３個の支持体６２ｂ−１〜６２ｂ−３は、それらの各幾何的重心点を固定体本体６１ｃの前記一主面に投影した場合、三角形、図５（Ｃ）に示す例では正三角形を形成するように、各間を適宜な距離で固定体本体６１ｃの一主面に配設される。すなわち、第３態様の固定体６ｃは、第１態様の固定体６ａにおける部分球体形状の支持体６２ａ−３に代え、三角柱形状の支持体６２ｃ−３を備えている。このような構成の固定体６ｃにおける３個の支持体６２ｃ−１〜６２ｃ−３上に回転体１を配設することによって、固定体６ｃと回転体１とは、点接触で係合することができる。そして、支持体６２ｃ−３が三角柱形状であるので、その配設方向を調整することで（部分球体形状の２個の支持体６２ｃ−１、６２ｃ−２における各幾何的重心点を結ぶ線分と、三角柱形状の支持体６２ｃ−３における長手方向に沿う線分とがなす角度を調整することで）、回転体１に与えられる駆動力の方向を調整することができる。
【００６１】
このように第１ないし第３態様では、固定体本体６１ａ〜６１ｃに３個以上の凸部を配設することで点接触係合構造体の固定体６ａ〜６ｃが実現されている。これに対し、次の第４ないし第６態様では、固定体本体６１ｄ〜６１ｆに外周形状が多角形である凹部を形成することで点接触係合構造体の固定体６ｄ〜６ｆが実現されている。
【００６２】
より詳しくは、例えば、図６（Ａ）に示す第４態様では、固定体６ｄは、円板形状の固定体本体６１ｄを備えており、この固定体本体６１ｄには、外周形状が六角形である開口部６３ｄが形成されている。そして、この開口部６３ｄの外周の六角形は、長辺と短辺とが交互に配置された非正六角形であり、このため、固定体６ｄは、回転体１を３箇所の接触点で支持する構造となっている。なお、この開口部６３ｄの外周の六角形は、互いに等辺の正六角形であってもよく、この場合では、固定体６ｄは、回転体１を６箇所の接触点で支持する構造となる。このような構成の固定体６ｄにおける開口部６３ｄに回転体１を配設することによって、固定体６ｄと回転体１とは、点接触で係合することができる。
【００６３】
また、開口部６３ｄの外周面は、固定体本体６１ｄの一主面に垂直な面であってもよい（固定体本体６１ｄの一主面と開口部６３ｄの外周面とは直交していてもよい）が、図６（Ａ）に示す例では、この開口部６３ｄの外周面は、テーパ形状となっており（固定体本体６１ｄの一主面と開口部６３ｄの外周面とは斜交しており）、そのテーパ面が平面となっている。このように外周面をテーパ形状とすることにより、回転体１の一部が固定体本体６１ｄの開口部６３ｄ内に落ち込み、これによって固定体６ｄは、より安定的に回転体１を支持することができ、またその小型化が可能となる。
【００６４】
また例えば、図６（Ｂ）に示す第５態様では、固定体６ｅは、平面視で六角形である板状の固定体本体６１ｅを備えており、この固定体本体６１ｅには、開口部６３ｄと同形状である、外周形状が六角形である開口部６３ｅが形成されている。このため、固定体６ｅは、固定体６ｄと同様に、回転体１を３箇所の接触点で支持する構造となっている。すなわち、第５態様の固定体６ｅは、第４態様の固定体６ｄにおける円板形状の固定体本体６１ｄに代え、平面視で六角形である板状の固定体本体６１ｅを備えている。また、固定体本体６１ｅの外形形状と開口部６３ｅの外周形状とは、略相似形となっている。このような構成の固定体６ｅにおける開口部６３ｅに回転体１を配設することによって、固定体６ｅと回転体１とは、点接触で係合することができる。
【００６５】
また例えば、図６（Ｃ）に示す第６態様では、固定体６ｆは、平面視で三角形である板状の固定体本体６１ｆを備えており、この固定体本体６１ｆには、外周形状が三角形である開口部６３ｆが形成されている。このため、固定体６ｆは、回転体１を３箇所の接触点で支持する構造となっている。また、固定体本体６１ｆの外形形状と開口部６３ｆの外周形状とは、略相似形となっている。このような構成の固定体６ｆにおける開口部６３ｆに回転体１を配設することによって、固定体６ｆと回転体１とは、点接触で係合することができる。
【００６６】
そして、開口部６３ｆの外周面は、固定体本体６１ｆの一主面に垂直な面であってもよい（固定体本体６１ｆの一主面と開口部６３ｆの外周面とは直交していてもよい）が、図６（Ｃ）に示す例では、第４態様と同様に、この開口部６３ｆの外周面は、テーパ形状となっており（固定体本体６１ｆの一主面と開口部６３ｆの外周面とは斜交しており）、そのテーパ面が平面となっている。このように外周面をテーパ形状とすることにより、回転体１の一部が固定体本体６１ｆの開口部６３ｆ内に落ち込み、これによって固定体６ｆは、より安定的に回転体１を支持することができる。
【００６７】
このような点接触係合構造体の固定体６ａ〜６ｆを備える多自由度アクチュエータＤａでは、固定体６ａ〜６ｆと回転体１とが点接触で摩擦係合するので、その接触箇所で回転体１の運動が規制され難く、回転体１がよりスムーズに運動することができる。
【００６８】
次に、線接触係合構造体の場合について、より具体的に説明すると、例えば、図７（Ａ）および（Ｂ）に示す第７態様では、固定体６ｇａは、円板形状の固定体本体６１ｇａを備えており、この固定体本体６１ｇａには、外周形状が円形である開口部６３ｇａが形成されている。そして、開口部６３ｇａの外周面は、テーパ形状となっており（固定体本体６１ｇａの一主面と開口部６３ｇａの外周面とは斜交しており）、図７（Ｂ）にその断面で示すように、そのテーパ面６４ｇａが平面となっている。そして、このテーパ面６４ｇａのいずれかの位置における開口部６３ｇａの直径は、回転体１の外周面のいずれかの位置における該回転体１の直径と同一の寸法あるいは若干大きな寸法となっている。このようにテーパ面６４ｇａが平面とされるとともにそのいずれかの位置における開口部６３ｇａの直径が上述のように設定されることによって、固定体６ｇａは、回転体１を線触点で支持する構造となる。また、このように外周面をテーパ形状とすることにより、回転体１の一部が固定体本体６１ｇａの開口部６３ｇａ内に落ち込み、これによって固定体６ｇａは、より安定的に回転体１を支持することができる。このような構成の固定体６ｇａにおける開口部６３ｇａに回転体１を配設することによって、固定体６ｇａと回転体１とは、線接触で係合することができる。
【００６９】
このような線接触係合構造体の固定体６ｇａを備える多自由度アクチュエータＤａでは、固定体６ｇａと回転体１とが線接触で摩擦係合するので、上述の点接触で摩擦係合する第１ないし第６態様に較べて、回転体１は、より大きなトルクで運動可能となる。
【００７０】
次に、面接触係合構造体の場合について、より具体的に説明すると、例えば、図７（Ａ）および（Ｃ）に示す第８態様では、固定体６ｇｂは、円板形状の固定体本体６１ｇｂを備えており、この固定体本体６１ｇｂには、外周形状が円形である開口部６３ｇｂが形成されている。そして、開口部６３ｇｂの外周面は、テーパ形状となっており（固定体本体６１ｇｂの一主面と開口部６３ｇｂの外周面とは斜交しており）、図７（Ｃ）にその断面で示すように、そのテーパ面６４ｇｂが回転体１の外表面（外球面）の一部と略相似形な曲面となっている（回転体１の断面の輪郭形状の一部とテーパ面６４ｇｂの断面の輪郭形状とが略相似形となっている）。このようにテーパ面６４ｇｂが回転体１の外表面の一部と略相似形な曲面とされることによって、固定体６ｇｂは、回転体１を面触点で支持する構造となる。また、このように外周面をテーパ形状とすることにより、回転体１の一部が固定体本体６１ｇｂの開口部６３ｇｂ内に落ち込み、これによって固定体６ｇｂは、より安定的に回転体１を支持することができる。このような構成の固定体６ｇｂにおける開口部６３ｇｂに回転体１を配設することによって、固定体６ｇｂと回転体１とは、面接触で係合することができる。
【００７１】
このような面接触係合構造体の固定体６ｇｂを備える多自由度アクチュエータＤａでは、固定体６ｇｂと回転体１とが面接触で摩擦係合するので、上述の線接触で摩擦係合する第７態様に較べて、回転体１は、より大きなトルクで運動可能となる。
【００７２】
そして、図示しないが、上述の多自由度アクチュエータＤａにおいて、固定体２、６は、回転体１に対し点接触、線接触および面接触のうちの複数で係合する多様接触係合構造体であってもよい。上述の多自由度アクチュエータＤａにおいて、例えば、点接触および線接触で係合する点線接触係合構造体の固定体が用いられてもよく、また例えば、線接触および面接触で係合する線面接触係合構造体の固定体が用いられてもよく、また例えば、面接触および点接触で係合する面点接触係合構造体の固定体が用いられてもよく、また例えば、点接触、線接触および面接触で係合する点線面接触係合構造体の固定体が用いられてもよい。このような多様接触係合構造体の固定体を備える多自由度アクチュエータＤａでは、前記固定体と回転体１とが多様な接触態様で接触するので、運動の規制と高トルク化とを好適にバランス（調和）させることができる。
【００７３】
以上、種々の態様の固定体２、６を説明したが、これら固定体２、６は、予め決められた仕様を満たすように、回転体１に対する固定体２の配置位置や、固定体２の製造コスト等を勘案することによって適宜に選択される。
【００７４】
また、上述の多自由度アクチュエータＤａにおいて、固定体２、６は、電気機械変換素子３１による機械エネルギーが伝播する領域を規制する機械エネルギー伝播領域規制部をさらに備えてもよい。
【００７５】
図８は、実施形態の多自由度アクチュエータにおけるステータに設けられた機械エネルギー伝播領域規制部の構成を示す図である。
【００７６】
より具体的には、例えば、電気機械変換素子３１を固定的に取り付ける固定体２、６の第２領域を取り囲むように溝部が前記機械エネルギー伝播領域規制部として形成される。図８には、図５（Ｂ）に示す前記第２態様の固定体６ｂに前記機械エネルギー伝播領域規制部がさらに設けられた例が示されており、この図８に示す例では、固定体６ｂにおける固定体本体６１ｂの前記一主面に対向する他方主面（裏面）に、電気機械変換素子３１が固定的に取り付けられる第２領域６６ｄを取り囲むようにリング状（環状、ドーナツ状）の溝部６５ｂが前記機械エネルギー伝播領域規制部として形成されている。前記溝部６５ｂの幅および深さは、電気機械変換素子３１による機械的な振動が前記溝部６５ｂの外側へ伝播しないように、電気機械変換素子３１による機械的な振動の振幅および周波数等に応じて適宜に設定される。
【００７７】
このような前記機械エネルギー伝播領域規制部をさらに備える固定体２、６を用いた多自由度アクチュエータＤａは、機械エネルギーの機械的な振動を前記溝部の外側に伝播しないように前記第２領域内にとどめることができるので、機械エネルギーの機械的な振動を固定体２、６を介してより効率的に回転体１の駆動力とすることができるから、電気機械変換素子３１による機械エネルギーを適確に回転体１に与えることができ、よりエネルギー効率が向上する。
【００７８】
そして、前記機械エネルギー伝播領域規制部を、例えば図８に示すように溝部６５ｂで形成することにより、より容易に前記機械エネルギー伝播領域規制部を固定子２、６に形成することができる。
【００７９】
また、上述の多自由度アクチュエータＤａでは、駆動源３は、角柱形状の複数の圧電素子３１（図１ないし図４に示す例では４個の圧電素子３１−１〜３１−４）を、分極の極性を互いに揃えつつ、全体として角柱形状となるように配列することによって形成されたが、駆動源３は、このような態様に限定されるものではなく、他の態様も採用することができる。
【００８０】
図９は、実施形態の多自由度アクチュエータにおける駆動源の他の構成を示す斜視図である。図９（Ａ）は、その第１態様を示し、図９（Ｂ）は、その第２態様を示し、そして、図９（Ｃ）は、その第３態様を示す。
【００８１】
例えば、その第１態様として、上述の多自由度アクチュエータＤａにおいて、駆動源３に代え、分極の極性を揃えることなく、分極の極性が所定のパターンとなるように複数の圧電素子を配列することによって形成された駆動源が用いられてもよい。より具体的には、例えば、図９（Ａ）に示すように、駆動源７ａは、４個の電気機械変換素子３１として、圧電素子３１−１〜３１−４と同様の４個の圧電素子７１ａ−１〜７１ａ−４を備えている。これら４個の圧電素子７１ａ−１〜７１ａ−４は、それらの振動面を揃えて（駆動停止の静止状態で振動面が面一となるように）、分極の極性が所定のパターンとなるように反時計回り（あるいは時計回り）に順に配置されており（分極の極性が所定のパターンとなるように２×２の２次元アレイ状に配置されており）、互いに隣接する圧電素子３１間には、機械的な運動の相互干渉を低減するために、前記機械的な運動、例えば振動（例えば超音波振動等）を吸収する振動吸収材７２ａが充填されている。この振動吸収材７２ａによってこれら４個の圧電素子７１ａ−１〜７１ａ−４は、全体として四角柱形状に一体化されている。前記分極の極性における前記所定のパターンは、図９（Ａ）に示す例では、分極の極性が反時計回り（あるいは時計回り）に交互に順に配置されるパターンである。すなわち、一方の振動面において、圧電素子７１ａ−１は、−極性を向けて配置され、この圧電素子７１ａ−１の反時計回りに隣接する圧電素子７１ａ−２は、＋極性を向けて配置され、この圧電素子７１ａ−２の反時計回りに隣接する圧電素子７１ａ−３は、−極性を向けて配置され、そして、この圧電素子７１ａ−３の反時計回りに隣接する圧電素子７１ａ−４は、＋極性を向けて配置される。なお、この圧電素子７１ａ−４の反時計回りに隣接する圧電素子は、圧電素子７１ａ−１である。
【００８２】
また例えば、その第２態様として、上述の多自由度アクチュエータＤａにおいて、駆動源３に代え、複数の圧電素子が全体として筒形状となるように連結されて形成された駆動源が用いられてもよい。より具体的には、例えば、図９（Ｂ）に示すように、駆動源７ｂは、３個の電気機械変換素子３１として、３個の圧電素子７１ｂ−１〜７１ｂ−３を備えている。圧電素子３１は、上述したように、積層体と一組の外部電極部とを備え、平面視の形状が矩形である四角柱形状であったが、圧電素子７１ｂは、圧電素子３１と同様な積層体と一組の外部電極部とを備え、平面視の形状が幅のある円弧形状である筒体の一部の形状である。そして、圧電素子７１ｂの一組の外部電極部は、前記筒体の一部における外周面に各間を空けて配置される。これら３個の圧電素子７１ｂ−１〜７１ｂ−３は、それらの振動面を揃えて（駆動停止の静止状態で振動面が面一となるように）、分極の極性を揃えて反時計回り（あるいは時計回り）に順に配置されており、互いに隣接する圧電素子７１ｂ間には、機械的な運動の相互干渉を低減するために、前記機械的な運動、例えば振動（例えば超音波振動等）を吸収する振動吸収材７２ｂが充填されている。この振動吸収材７２ｂによってこれら３個の圧電素子７１ｂ−１〜７１ｂ−３は、全体として筒形状に一体化されている。
【００８３】
また例えば、その第３態様として、上述の多自由度アクチュエータＤａにおいて、駆動源３に代え、分極の極性を揃えることなく、分極の極性が所定のパターンとなるように、複数の圧電素子が全体として筒形状となるように連結されて形成された駆動源が用いられてもよい。より具体的には、例えば、図９（Ｃ）に示すように、駆動源７ｃは、３個の電気機械変換素子３１として、圧電素子７１ｂと同様な３個の圧電素子７１ｃ−１〜７１ｃ−３を備えている。これら３個の圧電素子７１ｂ−１〜７１ｂ−３は、それらの振動面を揃えて（駆動停止の静止状態で振動面が面一となるように）、分極の極性が所定のパターンとなるように反時計回り（あるいは時計回り）に順に配置されており、互いに隣接する圧電素子７１ｃ間には、機械的な運動の相互干渉を低減するために、前記機械的な運動、例えば振動（例えば超音波振動等）を吸収する振動吸収材７２ｃが充填されている。この振動吸収材７２ｃによってこれら３個の圧電素子７１ｃ−１〜７１ｃ−３は、全体として筒形状に一体化されている。前記分極の極性における前記所定のパターンは、図９（Ｃ）に示す例では、一方の振動面において、圧電素子７１ｃ−１は、＋極性を向けて配置され、この圧電素子７１ｃ−１の反時計回りに隣接する圧電素子７１ｃ−２は、−極性を向けて配置され、そして、この圧電素子７１ｃ−２の反時計回りに隣接する圧電素子７１ｃ−３は、＋極性を向けて配置される。なお、この圧電素子７１ｃ−３の反時計回りに隣接する圧電素子は、圧電素子７１ｃ−１である。
【００８４】
ここで、偶数個の圧電素子７１ｃで全体として円筒形状となる駆動源７ｃが形成される場合には、分極の極性が反時計回り（あるいは時計回り）に交互に順に配置されるパターンとなる。
【００８５】
本実施形態の多自由度アクチュエータＤａは、上述したような様々な態様の固定体２、６を用いることができ、そして、上述したような様々な態様の駆動源３、７を用いることができる。したがって、本実施形態の多自由度アクチュエータＤａは、例えば、円板形状（短高の円柱形状）の固定体および円筒形状の駆動源を用いることができ、また例えば、円板形状の固定体および四角柱形状の駆動源を用いることができ、また例えば、角板形状（短高の角柱形状）の固定体および円筒形状の駆動源を用いることができ、また例えば、角板形状の固定体および四角柱形状の駆動源を用いることができる。また、駆動源３、７における電気機械変換素子３１、７１の個数は、回転体１の自由度を基本に、回転体１に作用させる駆動力の個数に応じた適宜な数に設定される。例えば、図５および図６に示す第１ないし第６態様における３点接触の固定体６ａ〜６ｆの場合には、少なくとも３個の電気機械変換素子３１、７１を備える駆動源３、７が用いられる。
【００８６】
図１０は、実施形態における多自由度アクチュエータの他の構成を示す図である。また、上述の多自由度アクチュエータＤａでは、固定体２における回転体１との前記係合面の幾何的重心点および回転体１の中心点を、駆動源３の電気機械変換素子３１の機械的な運動の方向（機械運動方向）を法線とする仮想平面に投影した場合に、これら前記仮想平面に投影された前記幾何的重心点と前記中心点とは、一致するように、回転体１が固定体２に対し配置されたが、例えば、図１０に示すように、これら前記仮想平面に投影された前記幾何的重心点と前記中心点とは、不一致となるように、回転体１が固定体２に対し配置されてもよい。
【００８７】
一例として、この図１０に示す多自由度アクチュエータＤｂは、回転体１と、固定体８と、駆動源３とを備え、さらに、本実施形態では、付勢部材９とを備えている。この多自由度アクチュエータＤｂにおける回転体１および駆動源３は、上述した多自由度アクチュエータＤａにおける回転体１および駆動源３と同様であるので、その説明を省略する。
【００８８】
そして、付勢部材９は、内部に駆動源３を収容しつつ、その一方端面で固定体８の取り付け面に接続されるように配設された断面矩形の筒形状の例えば永久磁石等の磁石によって形成されており、その機能は、付勢部材４と同様である。また、固定体８は、付勢部材９の外形と同様となるように、かつ、固定体８における回転体１との係合面の幾何的重心点および回転体１の中心点を、駆動源３の電気機械変換素子３１の機械的な運動の方向（機械運動方向）を法線とする仮想平面に投影した場合に、これら前記仮想平面に投影された前記幾何的重心点と前記中心点とがずれて不一致となるように回転体１と固定体８とが、配置されるように、固定体２の外縁部をカットした短高の角柱形状（角板形状）の部材であり、その機能は、固定体２と同様である。
【００８９】
このような構成の多自由度アクチュエータＤｂは、前記仮想平面に投影された、前記固定体における前記回転体との係合面の幾何的重心点と前記回転体の中心点とが必ずしも一致する必要がないので、回転体１に対する固定体８の配置位置の自由度が高く、より容易に組み立てることができる。
【００９０】
次に、このような多自由度アクチュエータＤａ、Ｄｂが回転ステージに適用された例について説明する。
【００９１】
図１１は、実施形態の多自由度アクチュエータを用いたゴニオステージの構成を示す図である。図１１（Ａ）は、ステージ部材１０の載置台が水平に制御されている場合を示し、図１１（Ｂ）は、ステージ部材１０の載置台が所定の角度で傾斜するように制御されている場合を示す。図１１は、多自由度アクチュエータＤａがゴニオステージに応用される例を示しているが、多自由度アクチュエータＤｂがゴニオステージに応用される場合もこれを同様である。
【００９２】
図１１において、ゴニオステージＳは、試料Ｏｂを載置するステージ部材１０と、固定体２と、駆動源３と、付勢部材４とを備えている。これらゴニオステージＳにおける固定体２、駆動源３および付勢部材４は、多自由度アクチュエータＤａ、Ｄｂにおける固定体２、６、８、駆動源３、７および付勢部材４、９と同様であり、ゴニオステージＳにおけるステージ部材１０は、その形状が球形ではなく半球体である点を除き、多自由度アクチュエータＤａ、Ｄｂにおける回転体１と同様である。すなわち、このゴニオステージＳは、回転体１を半球形状に変えただけで、多自由度アクチュエータＤａ、Ｄｂと同様に構成されている。
【００９３】
そして、半球形状のステージ部材１０における平面が試料Ｏｂを載せる載置台となり、本実施形態では、図１０に示すように、透明のケースＣＡ内に収容された試料Ｏｂが、半球形状のステージ部材１０における前記平面状に載置される。
【００９４】
このようなゴニオステージＳでは、ステージ部材１０を固定体２、６、８を介して駆動源３、７、９で駆動することによって、ステージ部材１０の中央真上に位置する点を中心にして試料Ｏｂを回転させることができる。すなわち、ステージ部材１０を回転させても（傾斜する回転を含む）、その中心は、変わらない。このため、ゴニオステージＳは、図１１（Ｂ）に示す姿勢をとることができ、ユーザは、試料Ｏｂを斜め方向から観察することが可能となる。
【００９５】
本発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施形態を通して本発明を適切且つ十分に説明したが、当業者であれば上述の実施形態を変更および／または改良することは容易に為し得ることであると認識すべきである。したがって、当業者が実施する変更形態または改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範囲を離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態または当該改良形態は、当該請求項の権利範囲に包括されると解釈される。
【符号の説明】
【００９６】
Ｄａ、Ｄｂ 多自由度アクチュエータ
Ｓ ゴニオステージ
１ 回転体
２、６、６ａ〜６ｆ、６ｇａ、６ｇｂ、８ 固定体
３、７、７ａ〜７ｃ 駆動源
４、９ 付勢部材
２２、２３ 溝部
６５ｂ 溝部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転体と、
電気エネルギーを機械エネルギーへ変換する複数の電気機械変換素子と、
前記回転体と所定の摩擦力で係合し、前記複数の電気機械変換素子による各機械エネルギーに基づいて前記回転体を多自由度で駆動する駆動力を前記回転体に与える単一の固定体とを備えること
を特徴とする多自由度アクチュエータ。
【請求項２】
前記複数の電気機械変換素子は、一体化されていること
を特徴とする請求項１に記載の多自由度アクチュエータ。
【請求項３】
前記複数の電気機械変換素子は、前記固定体に固定して取り付けられ、
前記固定体は、前記複数の電気機械変換素子による各機械エネルギーをそれぞれ分離するための機械エネルギー分離部をさらに備えること
を特徴とする請求項１または請求項２に記載の多自由度アクチュエータ。
【請求項４】
前記機械エネルギー分離部は、互いに隣接する電気機械変換素子の境界に対応する前記固定体の第１領域を含むように形成された第１溝部であること
を特徴とする請求項３に記載の多自由度アクチュエータ。
【請求項５】
前記固定体は、前記電気機械変換素子による機械エネルギーが伝播する領域を規制する機械エネルギー伝播領域規制部をさらに備えること
を特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の多自由度アクチュエータ。
【請求項６】
前記機械エネルギー伝播領域規制部は、前記電気機械変換素子が取り付けられている前記固定体の第２領域を囲むように形成された第２溝部であること
を特徴とする請求項５に記載の多自由度アクチュエータ。
【請求項７】
前記固定体における前記回転体との係合面の幾何的重心点および前記回転体の中心点を、前記電気機械変換素子の機械運動方向を法線とする仮想平面に投影した場合に、これら前記仮想平面に投影された前記幾何的重心点と前記中心点とは、不一致であること
を特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の多自由度アクチュエータ。
【請求項８】
前記固定体は、前記回転体に対し点接触で係合する点接触係合構造体であること
を特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の多自由度アクチュエータ。
【請求項９】
前記固定体は、前記回転体に対し線接触で係合する線接触係合構造体であること
を特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の多自由度アクチュエータ。
【請求項１０】
前記固定体は、前記回転体に対し面接触で係合する面接触係合構造体であること
を特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の多自由度アクチュエータ。
【請求項１１】
前記固定体は、前記回転体に対し点接触、線接触および面接触のうちの複数で係合する多様接触係合構造体であること
を特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の多自由度アクチュエータ。
【請求項１】
回転体と、
電気エネルギーを機械エネルギーへ変換する複数の電気機械変換素子と、
前記回転体と所定の摩擦力で係合し、前記複数の電気機械変換素子による各機械エネルギーに基づいて前記回転体を多自由度で駆動する駆動力を前記回転体に与える単一の固定体とを備えること
を特徴とする多自由度アクチュエータ。
【請求項２】
前記複数の電気機械変換素子は、一体化されていること
を特徴とする請求項１に記載の多自由度アクチュエータ。
【請求項３】
前記複数の電気機械変換素子は、前記固定体に固定して取り付けられ、
前記固定体は、前記複数の電気機械変換素子による各機械エネルギーをそれぞれ分離するための機械エネルギー分離部をさらに備えること
を特徴とする請求項１または請求項２に記載の多自由度アクチュエータ。
【請求項４】
前記機械エネルギー分離部は、互いに隣接する電気機械変換素子の境界に対応する前記固定体の第１領域を含むように形成された第１溝部であること
を特徴とする請求項３に記載の多自由度アクチュエータ。
【請求項５】
前記固定体は、前記電気機械変換素子による機械エネルギーが伝播する領域を規制する機械エネルギー伝播領域規制部をさらに備えること
を特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の多自由度アクチュエータ。
【請求項６】
前記機械エネルギー伝播領域規制部は、前記電気機械変換素子が取り付けられている前記固定体の第２領域を囲むように形成された第２溝部であること
を特徴とする請求項５に記載の多自由度アクチュエータ。
【請求項７】
前記固定体における前記回転体との係合面の幾何的重心点および前記回転体の中心点を、前記電気機械変換素子の機械運動方向を法線とする仮想平面に投影した場合に、これら前記仮想平面に投影された前記幾何的重心点と前記中心点とは、不一致であること
を特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の多自由度アクチュエータ。
【請求項８】
前記固定体は、前記回転体に対し点接触で係合する点接触係合構造体であること
を特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の多自由度アクチュエータ。
【請求項９】
前記固定体は、前記回転体に対し線接触で係合する線接触係合構造体であること
を特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の多自由度アクチュエータ。
【請求項１０】
前記固定体は、前記回転体に対し面接触で係合する面接触係合構造体であること
を特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の多自由度アクチュエータ。
【請求項１１】
前記固定体は、前記回転体に対し点接触、線接触および面接触のうちの複数で係合する多様接触係合構造体であること
を特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の多自由度アクチュエータ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１３−５９１４２（Ｐ２０１３−５９１４２Ａ）
【公開日】平成２５年３月２８日（２０１３．３．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９４５７５（Ｐ２０１１−１９４５７５）
【出願日】平成２３年９月７日（２０１１．９．７）
【出願人】（３０３０００４０８）コニカミノルタアドバンストレイヤー株式会社 (3,255)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月２８日（２０１３．３．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月７日（２０１１．９．７）
【出願人】（３０３０００４０８）コニカミノルタアドバンストレイヤー株式会社 (3,255)
【Ｆターム（参考）】
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