多自由度アクチュエータ
【課題】本発明は、小型化が可能な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、並進推力の方向と前記並進推力を受けて発生する駆動ベクトルの方向とが互いに一致するように、前記並進推力を発生する３個以上の複数の並進推力素子２と、複数の並進推力素子２に所定の摩擦力で係合する回転体１と、複数の並進推力素子２の駆動を制御する駆動制御部とを備え、前記駆動制御部は、複数の並進推力素子２によって直接的に実現することができない自由度を実現するために、複数の並進推力素子２のうちの１個の並進推力素子２を停止する期間に、残余の複数の並進推力素子２のうちの少なくとも２個の並進推力素子２を駆動するように、複数の並進推力素子２を制御する。
【解決手段】本発明の多自由度アクチュエータＤａは、並進推力の方向と前記並進推力を受けて発生する駆動ベクトルの方向とが互いに一致するように、前記並進推力を発生する３個以上の複数の並進推力素子２と、複数の並進推力素子２に所定の摩擦力で係合する回転体１と、複数の並進推力素子２の駆動を制御する駆動制御部とを備え、前記駆動制御部は、複数の並進推力素子２によって直接的に実現することができない自由度を実現するために、複数の並進推力素子２のうちの１個の並進推力素子２を停止する期間に、残余の複数の並進推力素子２のうちの少なくとも２個の並進推力素子２を駆動するように、複数の並進推力素子２を制御する。
【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】
入力エネルギを物理的な運動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に開示の装置では、上述したように、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３個の圧電素子を三角錘形状に組み合わせてその頂点部に駆動チップを有し、この駆動チップに円運動を行わせることによって生じる駆動軸に沿った駆動トルクで、前記球体を回転駆動するものである。このため、アクチュエータユニットは、三角錐形状で所定の大きさが必要となる。また、前記圧電素子の駆動信号を発生する回路は、３×３＝９個の圧電素子それぞれに必要となるため、９セットが必要となる。このため、前記特許文献１に開示の装置では、構造上および回路規模上、その小型化が難しい。
【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、小型化が可能な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、並進推力の方向と前記並進推力を受けて発生する駆動ベクトルの方向とが互いに一致するように、前記並進推力を発生する３個以上の複数の並進推力素子と、前記複数の並進推力素子に所定の摩擦力で係合する回転体と、前記複数の並進推力素子の駆動を制御する駆動制御部とを備え、前記駆動制御部は、前記複数の並進推力素子によって直接的に実現することができない自由度を実現するために、前記複数の並進推力素子のうちの１個の並進推力素子を停止する期間に、残余の複数の並進推力素子のうちの少なくとも２個の並進推力素子を駆動するように、前記複数の並進推力素子を制御することを特徴とする。
【０００８】
このような構成の多自由度アクチュエータは、小型化可能な複数の並進推力素子を用いるので、その小型化が可能となる。
【０００９】
そして、このような構成の多自由度アクチュエータでは、１個の前記並進推力素子は、その並進推力の方向に直交する軸周りに前記回転体を回転運動させるため、前記複数の並進推力素子は、それら並進推力の合成ベクトルの方向に直交する軸周りに前記回転体を回転運動させる。したがって、このような構成の多自由度アクチュエータでは、前記回転体に対する前記複数の並進推力素子の配置位置に起因して、前記複数の並進推力素子によって直接的に実現することができない自由度が存在してしまう場合がある。しかしながら、上記構成の多自由度アクチュエータでは、前記駆動制御部が、前記複数の並進推力素子のうちの１個の並進推力素子を停止する期間に、残余の複数の並進推力素子のうちの少なくとも２個の並進推力素子を駆動するように、前記複数の並進推力素子の駆動を制御するので、上記構成の多自由度アクチュエータは、前記複数の並進推力素子によって直接的に実現することができない自由度を擬似的に実現することができる。
【００１０】
なお、並進推力とは、所定の一方向のみに押し進める力を言い、前記所定の一方向には、正方向および負方向のうちの少なくとも１つが含まれる。したがって、前記並進推力素子は、正方向のみに並進推力を発生可能な素子であってもよく、負方向のみに並進推力を発生可能な素子であってもよく、あるいは、正負の両方向に並進推力を発生可能な素子であってもよい。
【００１１】
そして、複数の並進推力素子によって直接的に実現される自由度とは、当該複数の並進推力素子のうちの１つによって直接的に実現される自由度および当該複数の並進推力素子のうちの２つ以上を同時に駆動することによってその合成により直接的に実現される自由度をいう。
【００１２】
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、好ましくは、前記駆動制御部は、前記並進推力素子を駆動とする駆動期間と該駆動期間に続く前記並進推力素子の駆動を停止する駆動停止期間とを繰り返すことによって前記並進推力素子の駆動を制御するものであって、前記駆動期間と該駆動信期間に続く前記駆動停止期間とから成る期間を１周期と定義した場合に、少なくとも１個の異なる周期を含んで前記複数の並進推力素子を制御することである。
【００１３】
このような構成の多自由度アクチュエータは、少なくとも１個の異なる周期を含んで前記複数の並進推力素子を制御することによって、前記複数の並進推力素子のうちの１個の並進推力素子を停止する期間に、残余の複数の並進推力素子のうちの少なくとも２個の並進推力素子を駆動する前記複数の並進推力素子の制御を実現することができる。すなわち、このような構成の多自由度アクチュエータは、周期（周波数）を異ならせるという比較的簡単な制御によって、前記複数の並進推力素子の制御を実現することができる。
【００１４】
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、好ましくは、前記駆動制御部は、前記並進推力素子を駆動とする駆動期間と該駆動期間に続く前記並進推力素子の駆動を停止する駆動停止期間とを繰り返すことによって前記並進推力素子の駆動を制御するものであって、前記複数の並進推力素子のうちの少なくとも１個を前記駆動期間と前記駆動停止期間との繰り返しを停止する空白期間を含んで制御することである。
【００１５】
このような構成の多自由度アクチュエータは、前記複数の並進推力素子のうちの少なくとも１個を前記空白期間を含んで制御することによって、前記複数の並進推力素子のうちの１個の並進推力素子を停止する期間に、残余の複数の並進推力素子のうちの少なくとも２個の並進推力素子を駆動する前記複数の並進推力素子の制御を実現することができる。すなわち、このような構成の多自由度アクチュエータは、前記空白期間を設けるという比較的簡単な制御によって、前記複数の並進推力素子の制御を実現することができる。
【００１６】
なお、この態様には、前記複数の並進推力素子のうちの少なくとも１個を前記空白期間を含んで制御するように前記複数の並進推力素子を制御する第１態様、および、上述の少なくとも１個の異なる周期を含むとともに、前記複数の並進推力素子のうちの少なくとも１個を前記空白期間を含んで制御するように前記複数の並進推力素子を制御する第２態様が、含まれる。
【００１７】
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、好ましくは、前記駆動制御部は、前記並進推力素子を駆動とする駆動期間と該駆動期間に続く前記並進推力素子の駆動を停止する駆動停止期間とを繰り返すことによって前記並進推力素子の駆動を制御するものであって、前記駆動期間と前記駆動停止期間との割合を駆動停止割合と定義した場合に、少なくとも１個の異なる駆動停止割合を含んで前記複数の並進推力素子を制御することである。
【００１８】
このような構成の多自由度アクチュエータは、少なくとも１個の異なる駆動停止割合を含んで前記複数の並進推力素子を制御することによって、前記複数の並進推力素子のうちの１個の並進推力素子を停止する期間に、残余の複数の並進推力素子のうちの少なくとも２個の並進推力素子を駆動する前記複数の並進推力素子の制御を実現することができる。すなわち、このような構成の多自由度アクチュエータは、駆動停止割合（駆動停止のデューティー比）を異ならせるという比較的簡単な制御によって、前記複数の並進推力素子の制御を実現することができる。
【００１９】
なお、この態様には、上述の少なくとも１個の異なる駆動停止割合を含んで前記複数の並進推力素子を制御する第３態様、上述の少なくとも１個の異なる周期を含むとともに、上述の少なくとも１個の異なる駆動停止割合を含んで前記複数の並進推力素子を制御する第４態様、上述の少なくとも１個の異なる駆動停止割合を含むとともに、前記複数の並進推力素子のうちの少なくとも１個を前記空白期間を含んで制御するように前記複数の並進推力素子を制御する第５態様、および、上述の少なくとも１個の異なる駆動停止割合を含み、上述の少なくとも１個の異なる周期を含み、さらに、前記複数の並進推力素子のうちの少なくとも１個を前記空白期間を含んで制御するように前記複数の並進推力素子を制御する第６態様が、含まれる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明にかかる多自由度アクチュエータは、小型化が可能であり、しかも、前記複数の並進推力素子によって直接的に実現することができない自由度を擬似的に実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【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並進推力素子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制御部の第１態様の構成を示す図である。
【図４】実施形態の多自由度アクチュエータにおける駆動制御部の第２態様の構成を示す図である。
【図５】実施形態における多自由度アクチュエータの直接的自由度の動作を説明するための図である。
【図６】実施形態における多自由度アクチュエータの疑似的自由度の動作を説明するための図である。
【図７】実施形態の多自由度アクチュエータにおける各並進推力素子の第１態様の駆動状態を説明するための図である。
【図８】実施形態の多自由度アクチュエータにおける各並進推力素子の第２態様の駆動状態を説明するための図である。
【図９】実施形態の多自由度アクチュエータにおける各並進推力素子の第３態様の駆動状態を説明するための図である。
【図１０】実施形態の多自由度アクチュエータにおける並進推力素子と回転体との第１係合態様を説明するための図である。
【図１１】実施形態の多自由度アクチュエータにおける並進推力素子と回転体との第２係合態様を説明するための図である。
【図１２】実施形態の多自由度アクチュエータにおける並進推力素子と回転体との第３係合態様を説明するための図である。
【図１３】実施形態の多自由度アクチュエータにおける並進推力素子と回転体との第４係合態様を説明するための図である。
【図１４】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説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
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。
【００２３】
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１（Ａ）は、上面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示すＡＡ線における断面図である。なお、図１（Ａ）は、回転体１と複数の並進推力素子２との係合状態を示すために、回転体１は、透過状態で示され、その輪郭が示されている。図２は、実施形態の多自由度アクチュエータにおける並進推力素子の構成を示す図である。図２（Ａ）は、側面図であり、図２（Ｂ）は、分解斜視である。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制御部の第１態様の構成を示す図である。図４は、実施形態の多自由度アクチュエータにおける駆動制御部の第２態様の構成を示す図である。
【００２４】
多自由度アクチュエータＤａは、複数の回転軸の軸回りに回転体１を運動することができる装置であって、例えば、図１ないし図４に示すように、回転体１と、複数の並進推力素子２と、基台３と、ドライバ部４と、制御部５とを備えている。このような多自由度アクチュエータＤａの構造的な構成の説明をまず行い、次に、電気的な構成の説明を以下に行う。
【００２５】
まず、構造的な構成である回転体１、複数の並進推力素子２および基台３について説明する。この基台３は、回転体１および複数の並進推力素子２を支持する部材であり、例えば、筐体やフレーム等である。複数の並進推力素子２のそれぞれが基台３に固定されることによって、これら回転体１および複数の並進推力素子２は、基台３に支持される。基台３と複数の並進推力素子２のそれぞれとの固定には、例えば、接着剤による接着固定が用いられる。また例えば、前記固定には、ネジ留めやロウ付け等の他の方法が用いられてもよい。また例えば、後述の図２（Ｂ）に示す支持部材２３と基台３とが一体に形成されることによって基台３に並進推力素子２が固定されてもよい。
【００２６】
複数の並進推力素子２は、それぞれ、並進推力を発生する装置である。並進推力とは、上述したように、所定の一方向のみに押し進める力を言い、前記所定の一方向には、正方向および負方向のうちの少なくとも１つが含まれる。複数の並進推力素子２は、３個以上であり、本実施形態では、前記範囲内で最小の個数である３個の第１ないし第３並進推力素子２−１、２−２、２−３を備えている。これら３個の第１ないし第３並進推力素子２−１〜２−３は、回転体１に対する接触箇所Ｐ１〜Ｐ３が対称となるように配置されている。なお、図１に示す例では、前記接触箇所Ｐ１〜Ｐ３は、点対称となっており、このことを示すために、図１（Ａ）には、対称中心Ｐ０から等距離にある点の集合である円が破線で示されている。これら接触箇所Ｐ１〜Ｐ３は、点（点接触）であり、この円上に位置している。より具体的には、３個の第１ないし第３並進推力素子２−１〜２−３は、約１２０度の略等間隔で配置されている。
【００２７】
なお、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。
【００２８】
並進推力素子２は、並進推力の方向と前記並進推力を受けて発生する駆動ベクトルの方向とが互いに一致するように、並進推力を発生する任意の装置を用いることができるが、例えば、本実施形態では、並進推力素子２は、回転体１と所定の摩擦力で係合するとともに、所定の一方向に往復動を行うことによって前記並進推力を発生するものである。より具体的には、並進推力素子２は、回転体１と所定の摩擦力で係合するとともに、所定の一方向における往路と復路とで非対称な往復動を行う運動励起部材を備える駆動装置である。このような駆動装置の一例としてＳＩＤＭ（Smooth Impact Drive Mechanism、「ＳＩＤＭ」は登録商標）と称される、例えば圧電素子等の電気機械変換素子を用いた駆動装置がある。このＳＩＤＭの一例として図２に示す構成の駆動装置がある。
【００２９】
この図２に示す構成の並進推力素子２は、電気機械変換素子２１と、運動励起部材２２と、支持部材２３を備える。
【００３０】
電気機械変換素子２１は、入力の電気エネルギを機械エネルギ、すなわち、機械的な運動に変換する素子であり、例えば、入力の電気エネルギ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２１等である。
【００３１】
この電気機械変換素子２１としての圧電素子２１は、例えば、積層体と、一対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２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の所定の側面（例えば左側側面）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の前記所定の側面に対向する側面（上記例では右側側面）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、その一部が互いに対向する一対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。
【００３２】
前記一対の外部電極部は、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、これら一対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、前記左側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、前記右側側面に積層方向に沿って薄膜状（層状）で形成される。このように一対の外部電極は、各内部電極層と順次交互に導通され、前記電気エネルギを前記積層体の各圧電層に供給する。
【００３３】
このような構成の電気機械変換素子２１の一例としての圧電素子２１では、一対の外部電極部に、例えば後述の図３や図４に示す駆動制御部等の外部回路より所定の電圧が駆動信号として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。
【００３４】
運動励起部材２２は、電気機械変換素子２１としての圧電素子２１に固定され、この圧電素子２１で電気エネルギから変換された機械エネルギが伝達され、この機械エネルギによって回転体１に所定の軸回りの運動を生じさせる部材である。より具体的には、運動励起部材２２は、本実施形態では、圧電素子２１における前記積層体の積層方向の一方端部に固定された柱状（軸状）の部材である。この固定には、例えば熱硬化性接着剤等の接着剤が用いられる。運動励起部材２２の材料は、例えば、金属、セラミック、ガラス、カーボンおよびこれらのうちの少なくとも１つを含む複合材料等の任意の材料を用いることができる。本実施形態では、運動励起部材２２は、カーボンファイバコンポジットで形成された。運動励起部材２２の長手方向に直交する断面は、例えば、矩形、多角形、楕円および円形等の任意の形状でよく、運動励起部材２２は、多角柱体、円柱体および錘体（多角錐体および円錐体）等でよいが、本実施形態では、図２に示すように、運動励起部材２２が回転体１と点接触するような、その断面が、面取りされた四角形となっている。なお、運動励起部材２２の長手方向の長さは、回転体１の大きさ等によって適宜に決定されるが、回転体１が運動励起部材２２の長手方向に移動するものではなく、運動励起部材２２が回転体１に点接触すればよいので、短くすることが可能である。したがって、図２に示すような構成の並進推力素子２は、多自由度アクチュエータＤａの小型化に寄与し、好適である。
【００３５】
支持部材２３は、圧電素子２１および運動励起部材２２を保持することによってこれらを支持する部材である。支持部材２３は、図２に示すように、略コ字形状（略Ｃ字形状、略Ｕ字形状）に形成されている。この略コ字形状における凹部に、圧電素子２１と運動励起部材２２との接続部分が嵌め込まれることによって、圧電素子２１および運動励起部材２２は、支持部材２３に支持される。より具体的には、圧電素子２１と運動励起部材２２との接続部分は、周面において、１個の面（周面における上面）を除く３個の面（周面における下面および一対の側面の各面）で支持部材２３と接している。この接続部分を嵌め込む際に、熱硬化性の接着剤が、圧電素子２１と運動励起部材２２との前記接続部分の外周面または支持部材２３の前記凹部の内周面に塗布され、加熱工程が実施されることによって、前記接着剤が熱硬化し、この結果、圧電素子２１および運動励起部材２２は、支持部材２３に接着されて固定される。なお、図２に示す例では、圧電素子２１と運動励起部材２２との前記接続部分で、これらは、支持部材２３に接続されて固定されたが、運動励起部材２２が支持部材２３に接続されて固定されてもよく、また圧電素子２１が支持部材２３に接続されて固定されてもよい。そして、支持部材２３は、前記略コ字形状における凹部に対向する背面で、基台３に固定されている。より具体的には、側面視にて、３個の並進推力素子２−１〜２−３は、それぞれ、運動励起部材２２が基台３に対して所定の角度θ１（基台３の水平面を０度として前記水平面から所定の角度θ１）で傾くように固定され配置される。基台３と並進推力素子２の支持部材２３との前記固定には、例えば、接着剤による接着固定が用いられる。また例えば、前記固定には、ネジ留めやロウ付け等の他の方法が用いられてもよい。なお、上面視では、上述したように、３個の並進推力素子２−１〜２−３は、約１２０度の略等間隔で配置されている。
【００３６】
このように支持部材２３がその位置を略保持するので、上述のように圧電素子２１の前記積層体が伸縮すると、この伸縮が運動励起部材２２に伝わって、運動励起部材２２は、この圧電素子２１における前記積層体の伸縮動作に連動して往復動することになる。
【００３７】
回転体１は、複数の並進推力素子２に所定の摩擦力で係合する部材である。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、その偏りが無い方が好ましい。
【００３８】
回転体１における運動励起部材２２と係合する面は、曲面であっても、平面であってもよく、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、複数の並進推力素子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。
【００３９】
回転体１、並進推力素子２の運動励起部材２２および基台３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、並進推力素子２は、回転体１の自重を利用することによって複数の並進推力素子２と回転体１とを前記所定の摩擦力で係合させ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、複数の並進推力素子２と回転体１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。このような付勢部材は、例えば、より簡易に構成することができることから、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、複数の並進推力素子２の運動励起部材２２と回転体１とが互いに接触する前記接触点Ｐ（Ｐ１〜Ｐ３）を頂点する多角形を考えた場合に、該多角形の重心を通る該多角形の法線方向に沿うとともに、当該複数の並進推力素子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、複数の並進推力素子２の運動励起部材２２と回転体１とが互いに接触する前記接触点Ｐ（Ｐ１〜Ｐ３）を頂点する多角形を考えた場合に、該多角形の重心を通る該多角形の法線方向に沿うとともに、当該複数の並進推力素子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、磁力を発生する磁石であってもよい。本実施形態では、前記基台３は、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、この基台３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、例えば上述のように鉄等の磁性体によって形成されている。この磁石の基台３によって、図１に示すように、回転体１には、その中心点Ｐｃから基台３へ向かう磁力（図１（Ｂ）に相対的に太い矢符で示す）が作用し、この磁力が複数の並進推力素子２の運動励起部材２２と回転体１とが互いに接触する前記接触点Ｐ（Ｐ１〜Ｐ３）を頂点する多角形の重心を通ることで、この磁力がこれら複数の並進推力素子２の運動励起部材２２に略均等に作用する（図１（Ｂ）に相対的に細い矢符で示す）。これによって複数の並進推力素子２の運動励起部材２２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複数の並進推力素子２と回転体１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基台３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。なお、上述では、基台３を磁石で形成したが、基台３とは別個に永久磁石や電磁石等の磁石が設けられてもよい。
【００４０】
次に、電気的な構成であるドライブ部４および制御部５について説明する。これらドライブ部４および制御部５は、複数の並進推力素子２の駆動を制御することによって、回転体１の回転方向、回転量（回転変位）および回転速度等を制御する駆動制御部である。このドライブ部４および制御部５を備える駆動制御部には、並進推力素子２の態様に応じて適宜な回路が用いられる。並進推力素子２が図２に示すＳＩＤＭの駆動装置である場合には、例えば、図３に示すＨブリッジ型の駆動制御回路や、図４に示すハーフブリッジ型の駆動制御回路が前記駆動制御部として用いられる。
【００４１】
この図３に示すＨブリッジ型の駆動制御回路は、ドライバ部４ａと、制御部５ａとを備える。ドライバ部４ａは、並進推力素子２に所定の駆動電圧を印加することで並進推力素子２に電力供給を行う回路であり、例えば、図３に示すように、４個のスイッチング素子としてのトランジスタＱ１１、Ｑ１２、Ｑ１３、Ｑ１４を備えて構成される。互いに直列に接続されたトランジスタＱ１１およびトランジスタＱ１２は、電源＋Ｖと接地との間に接続され、この直列接続のトランジスタＱ１１およびトランジスタＱ１２に並列に、互いに直列に接続されたトランジスタＱ１３およびトランジスタＱ１４が接続され、トランジスタＱ１１とトランジスタＱ１３との接続点およびトランジスタＱ１３とトランジスタＱ１４との接続点の間に、並進推力素子２の圧電素子２１が接続される。制御部５ａは、所望の回転方向、回転量および回転速度で回転体１を駆動するべく、複数の並進推力素子２のそれぞれを制御するために、トランジスタＱ１１〜Ｑ１４のオンオフを制御する制御信号Ｓ１１〜Ｓ１４を出力する回路である。これらトランジスタＱ１１〜Ｑ１４をオンオフするための制御信号Ｓ１１〜Ｓ１４は、制御部５ａからこれらトランジスタＱ１１〜Ｑ１４の各制御端子のそれぞれに供給される。
【００４２】
また、図４に示すハーフブリッジ型の駆動制御回路は、ドライバ部４ｂと、制御部５ｂとを備える。ドライバ部４ｂは、並進推力素子２に所定の駆動電圧を印加することで並進推力素子２に電力供給を行う回路であり、例えば、図４に示すように、２個のスイッチング素子としてのトランジスタＱ２１、Ｑ２２を備えて構成される。互いに直列に接続されたトランジスタＱ２１およびトランジスタＱ２２は、電源＋Ｖと接地との間に接続され、この直列接続のトランジスタＱ２１およびトランジスタＱ２２の接続点と接地との間に、並進推力素子２の圧電素子２１が接続される。制御部５ｂは、所望の回転方向、回転量および回転速度で回転体１を駆動するべく、複数の並進推力素子２のそれぞれを制御するために、トランジスタＱ２１、Ｑ２２のオンオフを制御する制御信号Ｓ２１、Ｓ２２を出力する回路である。これらトランジスタＱ２１、Ｑ２２をオンオフするための制御信号Ｓ２１、Ｓ２２は、制御部５ｂからこれらトランジスタＱ２１、Ｑ２２の各制御端子のそれぞれに供給される。
【００４３】
次に、このような構成の多自由度アクチュエータＤａの動作について説明する。図５は、実施形態における多自由度アクチュエータの直接的自由度の動作を説明するための図である。図５（Ａ）は、各並進推力素子２−１〜２−３のそれぞれによって直接的に実現される自由度の並進ベクトルを説明するための図であり、図５（Ｂ）は、並進ベクトルによって球体の回転体１に作用する回転ベクトルを説明するための図である。図６は、実施形態における多自由度アクチュエータの疑似的自由度の動作を説明するための図である。図７は、実施形態の多自由度アクチュエータにおける各並進推力素子の第１態様の駆動状態を説明するための図である。図８は、実施形態の多自由度アクチュエータにおける各並進推力素子の第２態様の駆動状態を説明するための図である。図９は、実施形態の多自由度アクチュエータにおける各並進推力素子の第３態様の駆動状態を説明するための図である。これら図７ないし図９において、それらの図（Ａ）は、第１並進推力素子２−１の駆動状態を示すタイムチャートであり、それらの図（Ｂ）は、第２並進推力素子２−２の駆動状態を示すタイムチャートであり、そして、それらの図（Ｃ）は、第３並進推力素子２−３の駆動状態を示すタイムチャートである。各図における横軸は、時間を表し、各図における縦軸は、駆動状態を表す。各図の縦軸におけるレベル“０”は、駆動（稼働）の停止を表し、各図の縦軸におけるレベル“１”は、駆動（稼働）を表している。
【００４４】
多自由度アクチュエータＤａの回転体１を所定の軸回りに回転運動させるべく、多自由度アクチュエータＤａにおける１または複数の並進推力素子２が駆動（稼働）され、並進推力が生じる。この生じた並進推力によって並進推力素子２に所定の摩擦力で係合している回転体１が所定の軸の軸回りに回転運動する。
【００４５】
この並進推力は、並進推力素子２が図２に示すＳＩＤＭの駆動装置である場合には、次にように動作することによって生じる。
【００４６】
例えば、図３に示すドライバ部４ａおよび制御部５ａを備えるＨブリッジ型の駆動制御回路では、Ｈブリッジの対角位置に設けられるトランジスタＱ１１、Ｑ４およびトランジスタＱ１２、Ｑ１３は、それぞれ、各制御信号Ｓ１１〜Ｓ１４によって同相で駆動されるとともに、トランジスタＱ１１、Ｑ１４とトランジスタＱ１２、Ｑ１３とは、相互に逆相で駆動される。これによって、並進推力素子２の圧電素子２１には、矩形波の駆動信号が印加される。そして、前記駆動信号のデューティを０．７程度（［ハイレベルの時間］：［ローレベルの時間］＝７：３）とすることによって、並進推力素子２では、この駆動信号によって圧電素子２１が非対称な伸縮振動を行い、この非対称な伸縮運動によって、運動励起部材２２は、所定の一方向における往路と復路とで速度差のある非対称な往復動を行い、これによって運動励起部材２２には一方向における例えば正方向のみに押し進める推力が生じる。すなわち、正方向には、ゆっくり伸張するとともに、負方向には、急速に収縮する。つまり、負方向の収縮速度は、正方向の伸張速度より大きい。一方、前記駆動信号のデューティを０．３程度（［ハイレベルの時間］：［ローレベルの時間］＝３：７）とすることによって、並進推力素子２では、圧電素子２１が前記非対称な伸縮運動とは逆の非対称な伸縮振動を行い、この逆の非対称な伸縮運動によって、運動励起部材２２は、前記一方向における往路と復路とで逆の速度差のある非対称な往復動を行い、これによって運動励起部材２２には前記一方向における負方向のみに押し進める推力が生じる。すなわち、負方向には、ゆっくり伸張するとともに、正方向には、急速に収縮する。つまり、正方向の収縮速度は、負方向の伸張速度より大きい。
【００４７】
例えば、図４に示すドライバ部４ｂおよび制御部５ｂを備えるハーフブリッジ型の駆動制御回路では、これらトランジスタＱ２１およびトランジスタＱ２２は、それぞれ、各制御信号Ｓ２１、Ｓ２２によって相互に逆相で駆動される。これによって、並進推力素子２の圧電素子２１には、上述と同様に、矩形波の駆動信号が印加され、そのデューティを上述のように調整することによって、並進推力素子２の運動励起部材２２には一方向のみに押し進める推力が生じる。
【００４８】
このように並進推力素子２は、前記駆動信号が供給されることによって駆動状態となる。一方、並進推力素子２は、前記駆動信号の供給が停止されることによって、駆動の停止状態となる。
【００４９】
このようにＨブリッジ型の駆動制御回路またはハーフブリッジ型の駆動制御回路によって、運動励起部材２２は、その速度変化がいわゆる鋸歯状となる運動を行い、運動励起部材２２には一方向のみに押し進める推力が生じる。この運動励起部材２２に生じる一方向のみに押し進める推力を並進ベクトルとして示した図が図５（Ａ）である。
【００５０】
図５（Ａ）に示すように、図１に示す構造の多自由度アクチュエータＤａでは、まず、並進推力素子２−１が動作する場合には、この並進推力素子２−１によって並進推力素子２−１における圧電素子２１−１から運動励起部材２２−１へ向かう方向の並進ベクトルＶ１が生じる。これによって並進推力素子２−１の運動励起部材２２−１に所定の摩擦力で係合している回転体１は、前記並進ベクトルＶ１と直交する軸の軸回りに回転運動を行う。図５（Ａ）に示すように、並進推力素子２−１における運動励起部材２２−１から圧電素子２１−１へ向かう方向にＸ軸を設定し、このＸ軸に直交するようにＹ軸を設定し、これらＸ軸およびＹ軸に直交するようにＺ軸を設定したＸＹＺ座標系を設け、Ｘ軸の正方向を０度として反時計回りを正方向とした場合に、前記並進ベクトルＶ１は、−６０度方向となり、前記回転軸は、＋３０度方向となる。
【００５１】
また、並進推力素子２−２が動作する場合には、この並進推力素子２−２によって並進推力素子２−２における圧電素子２１−２から運動励起部材２２−２へ向かう方向の並進ベクトルＶ２が生じる。これによって並進推力素子２−２の運動励起部材２２−２に所定の摩擦力で係合している回転体１は、前記並進ベクトルＶ２と直交する軸の軸回りに回転運動を行う。前記ＸＹＺ座標系では、前記並進ベクトルＶ２は、０度方向となり、前記回転軸は、＋９０度方向となる。
【００５２】
また、並進推力素子２−３が動作する場合には、この並進推力素子２−３によって並進推力素子２−３における圧電素子２１−３から運動励起部材２２−３へ向かう方向の並進ベクトルＶ３が生じる。これによって並進推力素子２−３の運動励起部材２２−３に所定の摩擦力で係合している回転体１は、前記並進ベクトルＶ３と直交する軸の軸回りに回転運動を行う。前記ＸＹＺ座標系では、前記並進ベクトルＶ３は、＋６０度方向となり、前記回転軸は、−３０度方向となる。
【００５３】
そして、これら３個の並進推力素子２−１〜２−３のうちの複数が同時に動作する場合には、これら動作している複数の並進推力素子２によって生じる複数の並進ベクトルＶの合成ベクトルが回転体１に作用し、回転体１は、この合成ベクトルに直交する軸の軸回りに回転運動を行う。例えば、これら３個の並進推力素子２−１〜２−３全てを同時に、並進推力素子２−２および並進推力素子２−３を同位相で並進推力素子２−１を逆位相で動作させた場合には、図５（Ｂ）に示すように、並進推力素子２−２における運動励起部材２２−２から圧電素子２１−２へ向かう方向（Ｘ軸方向）の合成ベクトルＶが生じる。そして、この合成ベクトルＶによって、回転体１は、前記合成ベクトルＶと直交する軸（Ｙ軸）の軸回りに回転運動を行う。すなわち、この場合における回転ベクトルは、Ｙ軸方向となる。
【００５４】
なお、回転体１を所望の回転軸の軸回りに回転運動させる場合に、この回転運動に寄与しない並進推力素子２は、停止状態としてもよいが、回転体１に対しスリップ状態とすることが好ましい。例えば、並進推力素子２が図２に示すＳＩＤＭの駆動装置である場合には、前記駆動信号のデューティを０．５程度（［ハイレベルの時間］：［ローレベルの時間］＝５：５）とすることによって、並進推力素子２は、回転体１に対しスリップ状態となる。これによって並進推力素子２は、回転体１に対し、静止摩擦力ではなく動摩擦力で係合するため、回転体１は、スムーズに回転運動することができる。
【００５５】
このように動作することによって、本実施形態における多自由度アクチュエータＤａは、複数の回転軸の軸回りに回転体１を運動することができる。そして、本実施形態における多自由度アクチュエータＤａは、小型化可能な複数の並進推力素子２を用いるので、小型化が可能となり、また、複数箇所で回転体に接触するから、より大きな駆動力を得ることができる。また、本実施形態における多自由度アクチュエータＤａは、例えば、数百ナノメータ以下の高分解能の駆動が可能であり、精密な位置制御が可能である。
【００５６】
一方、このように動作するので、回転体１に対する複数の並進推力素子２の配置位置に起因して、これら複数の並進推力素子２によって直接的に実現することができない自由度が存在してしまう場合がある。例えば、図１に示す構成では、前記接触点Ｐ（Ｐ１〜Ｐ３）を頂点する多角形を考えた場合に、該多角形の重心Ｐ０を通る該多角形の法線Ｐ０Ｐｃを回転軸とする回転運動（自由度）は、これら３個の第１ないし第３並進推力素子２−１〜２−３によって直接的に実現することができない。
【００５７】
このため、本実施形態の多自由度アクチュエータＤａでは、前記駆動制御部（ドライブ部４および制御部５）は、この３個の第１ないし第３並進推力素子２−１〜２−３によって直接的に実現することができない自由度を実現するために、第１ないし第３並進推力素子２−１〜２−３のうちの１個の並進推力素子２を停止する期間に、残余の複数（本実施形態では２個）の並進推力素子２のうちの少なくとも２個の並進推力素子２を駆動するように、これら第１ないし第３並進推力素子２−１〜２−３を制御するものである。このように前記駆動制御部が第１ないし第２並進推力素子２の駆動を制御することによって、このような構成の多自由度アクチュエータＤａは、複数の並進推力素子２によって直接的に実現することができない自由度を擬似的に実現することができる。
【００５８】
より具体的には、このように第１ないし第３並進推力素子２−１〜２−３の駆動を制御すると、回転体１は、駆動を停止した並進推力素子２との接点で運動が規制される結果、回転体１は、この駆動を停止した並進推力素子２との接点を支点とし、この支点となる接点と回転体１の中心Ｐ０とを通る線分を回転軸とした回転運動のみが可能となり、駆動している並進推力素子２の並進推力は、この回転運動に寄与する成分を除く他の成分が前記支点となる接点での摩擦力によってキャンセルされる。このように複数の並進推力素子２の駆動によって直接的に実現することができない自由度が擬似的に実現される。例えば、図６に示すように、第３並進推力素子２−３の駆動が停止され、残余の第１および第２並進推力素子２−１、２−２が駆動されている期間では、回転体１は、この駆動を停止した第３並進推力素子２−３との接点Ｐ３を支点とし、この支点となる接点Ｐ３と回転体１の中心Ｐ０とを通る線分Ｐ３Ｐ０を回転軸とした回転運動のみが可能となり、駆動している第１および第２並進推力素子２−１、２−２の並進推力は、この回転運動に寄与する成分を除く他の成分が前記支点となる接点Ｐ３での摩擦力によってキャンセルされる。このように第１ないし第３並進推力素子２−１〜２−３の駆動によって直接的に実現することができない前記線分Ｐ３Ｐ０を回転軸とする自由度が擬似的に実現される。
【００５９】
そして、複数の並進推力素子２において、さらに、この停止する並進推力素子２を時計回りにあるいは反時計回りに順次に切り換えることによって、各接点に規制された各回転運動を合成した回転運動が実現され、複数の並進推力素子２によって直接的に実現することができない自由度が擬似的に実現される。より具体的には、第１期間では、第１並進推力素子２−１の駆動が停止され、残余の第２および第３並進推力素子２−２、２−３が駆動され、この結果、この第１期間では、回転体１は、この駆動を停止した第１並進推力素子２−１との接点Ｐ１を支点とし、この支点となる接点Ｐ１と回転体１の中心Ｐ０とを通る線分Ｐ１Ｐ０を回転軸とする回転運動のみが生じ、前記第１期間に続く第２期間では、駆動を停止する並進推力素子２が切り換えられ、第２並進推力素子２−２の駆動が停止され、残余の第３および第１並進推力素子２−３、２−１が駆動され、この結果、この第２期間では、回転体１は、この駆動を停止した第２並進推力素子２−２との接点Ｐ２を支点とし、この支点となる接点Ｐ２と回転体１の中心Ｐ０とを通る線分Ｐ２Ｐ０を回転軸とする回転運動のみが生じ、そして、前記第２期間に続く第３期間では、駆動を停止する並進推力素子２が切り換えられ、第３並進推力素子２−３の駆動が停止され、残余の第１および第２並進推力素子２−１、２−２が駆動され、この結果、この第３期間では、回転体１は、この駆動を停止した第３並進推力素子２−３との接点Ｐ３を支点とし、この支点となる接点Ｐ３と回転体１の中心Ｐ０とを通る線分Ｐ３Ｐ０を回転軸とする回転運動のみが生じる。そして、これら第１ないし第３期間の制御が順次に繰り返される。このように第１ないし第３並進推力素子２−１〜２−３が前記第１ないし第３期間の制御をサイクリックに順次に行うことによって駆動されることで、これら３個の第１ないし第３並進推力素子２−１〜２−３によって直接的に実現することができない前記法線Ｐ０Ｐｃを回転軸とする回転運動（自由度）が擬似的に実現される。
【００６０】
そして、このような複数の並進推力素子２のうちの１個の並進推力素子２を停止する期間に、残余の複数の並進推力素子２のうちの少なくとも２個の並進推力素子２を駆動するように、これら複数の並進推力素子を制御する手法は、例えば、次のような手法が挙げられる。
【００６１】
第１手法は、並進推力素子２を駆動とする駆動期間と該駆動期間に続く該並進推力素子２の駆動を停止する駆動停止期間とを繰り返すことによって該並進推力素子の駆動を制御する手法であって、前記駆動期間と該駆動信期間に続く前記駆動停止期間とから成る期間を１周期と定義した場合に、少なくとも１個の異なる周期を含んで複数の並進推力素子２を制御する手法である。このような第１手法を用いた多自由度アクチュエータＤａは、前記周期（周波数）を異ならせるという比較的簡単な制御によって、前記複数の並進推力素子２によって直接的に実現することができない自由度を実現するための、前記複数の並進推力素子２の制御を実現することができる。
【００６２】
図７には、このような第１手法を用いた場合における図１に示す構成の多自由度アクチュエータＤａにおける第１ないし第３並進推力素子２−１〜２−３の駆動パターンが示されている。この図７に示す駆動パターンでは、第１および第２並進推力素子２−１、２−２は、同一の周期（周波数）で制御され、第３並進推力素子２−３は、これら第１および第２並進推力素子２−１、２−２の周期（周波数）とは異なる周期（周波数）で制御されている。
【００６３】
また、第２手法は、前記駆動期間と該駆動期間に続く前記駆動停止期間とを繰り返すことによって並進推力素子２の駆動を制御する手法であって、複数の並進推力素子２のうちの少なくとも１個を前記駆動期間と前記駆動停止期間との繰り返しを停止する空白期間を含んで制御する手法である。このような第２手法を用いた多自由度アクチュエータＤａは、前記空白期間を設けるという比較的簡単な制御によって、前記複数の並進推力素子２によって直接的に実現することができない自由度を実現するための、前記複数の並進推力素子２の制御を実現することができる。
【００６４】
図８には、このような第２手法を用いた場合における図１に示す構成の多自由度アクチュエータＤａにおける第１ないし第３並進推力素子２−１〜２−３の駆動パターンが示されている。この図８に示す駆動パターンでは、第１ないし第３並進推力素子２−１〜２−３は、同一の周期（周波数）で制御され、第３並進推力素子２−３は、前記駆動期間と前記駆動停止期間との繰り返しを停止する空白期間を所定の時間間隔で含んで制御されている。
【００６５】
また、第３手法は、前記駆動期間と該駆動期間に続く前記駆動停止期間とを繰り返すことによって並進推力素子２の駆動を制御する手法であって、前記駆動期間と前記駆動停止期間との割合を駆動停止割合と定義した場合に、少なくとも１個の異なる駆動停止割合を含んで前記複数の並進推力素子２を制御する手法である。このような第３手法を用いた多自由度アクチュエータＤａは、駆動停止割合（駆動停止のデューティー比）を異ならせるという比較的簡単な制御によって、前記複数の並進推力素子２によって直接的に実現することができない自由度を実現するための、前記複数の並進推力素子２の制御を実現することができる。
【００６６】
また、これら第１ないし第３手法のうちの複数の手法が組み合わされてもよい。例えば、第４手法は、第１および第２手法を組み合わせ、上述のように少なくとも１個の異なる周期（周波数）を含むとともに、上述のように複数の並進推力素子２のうちの少なくとも１個を前記空白期間を含んで制御するように前記複数の並進推力素子２を制御する手法である。
【００６７】
また例えば、第５手法は、第１および第３手法を組み合わせ、上述のように少なくとも１個の異なる周期（周波数）を含むとともに、上述のように少なくとも１個の異なる駆動停止割合を含んで複数の並進推力素子２を制御する手法である。
【００６８】
また例えば、第６手法は、第３および第２手法を組み合わせ、上述のように少なくとも１個の異なる駆動停止割合を含むとともに、上述のように複数の並進推力素子２のうちの少なくとも１個を前記空白期間を含んで制御するように前記複数の並進推力素子２を制御する手法である。
【００６９】
また例えば、第７手法は、第１ないし第３手法を組み合わせ、上述のように少なくとも１個の異なる駆動停止割合を含み、上述のように少なくとも１個の異なる周期を含み、さらに、上述のように複数の並進推力素子２のうちの少なくとも１個を前記空白期間を含んで制御するように前記複数の並進推力素子２を制御する手法である。
【００７０】
図９には、このような第４手法を用いた場合における図１に示す構成の多自由度アクチュエータＤａにおける第１ないし第３並進推力素子２−１〜２−３の駆動パターンが示されている。この図９に示す駆動パターンでは、第１および第２並進推力素子２−１、２−２は、同一の周期（周波数）で制御され、第３並進推力素子２−３は、これら第１および第２並進推力素子２−１、２−２の周期（周波数）とは異なる周期（周波数）で制御され、そして、第３並進推力素子２−３は、前記駆動期間と前記駆動停止期間との繰り返しを停止する空白期間を所定の時間間隔で含んで制御されている。
【００７１】
このような各手法による複数の並進推力素子２の制御は、ドライブ部４および制御部５を備える前記駆動制御部によって行われる。そして、各手法における周期（周波数）および駆動停止割合は、前記複数の並進推力素子２によって直接的に実現することができないために、擬似的に実現される自由度における所望の回転方向、所望の回転速度および所望の回転軸等に応じて適宜に設定される。
【００７２】
また、本実施形態における多自由度アクチュエータＤａでは、複数の並進推力素子２は、回転体１に対する前記接触箇所Ｐ（Ｐ１〜Ｐ３）が点対称となるように配置されている。このため、回転体１がこれら複数の並進推力素子２によって均等に支持されるので、回転体１の姿勢を安定的に保持することができ、回転体１を安定的に駆動制御することができる。また、このように対称配置されると、駆動制御も容易となる。
【００７３】
また、本実施形態における多自由度アクチュエータＤａでは、複数の並進推力素子２と回転体１とを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いる。このため、本実施形態における多自由度アクチュエータＤａは、使用上の制約や設計上の制約が低減される。そして、本実施形態では、前記付勢部材は、磁石であり、回転体１は、前記磁石によって生成される磁力と作用する磁性体で形成されている。このため、本実施形態における多自由度アクチュエータＤａは、小型化が可能となり、また付勢力の生成に外部からエネルギを別途に投入する必要がない。
【００７４】
また、上述の実施形態では、付勢部材は、１つの部材で構成されたが、複数の部材で構成されてもよい。例えば、付勢部材として、複数の磁石が用いられたり、磁石と弾性体とが用いられてもよい。
【００７５】
また、上述の実施形態では、側面視にて、３個の並進推力素子２−１〜２−３は、それぞれ、運動励起部材２２が基台３に対して所定の角度θ１で傾くように固定され配置され、上面視では、３個の並進推力素子２−１〜２−３は、約１２０度の略等間隔で配置されているが、複数の並進推力素子２は、所望の複数の自由度を実現することができるという前提の下に、回転体１に様々な態様で所定の摩擦力で係合することができる。以下、並進推力素子と回転体との係合態様について説明する。
【００７６】
図１０は、実施形態の多自由度アクチュエータにおける並進推力素子と回転体との第１係合態様を説明するための図である。図１１は、実施形態の多自由度アクチュエータにおける並進推力素子と回転体との第２係合態様を説明するための図である。図１２は、実施形態の多自由度アクチュエータにおける並進推力素子と回転体との第３係合態様を説明するための図である。図１０（Ａ）は、図１（Ｂ）と同一の図であり、また、これら図１０ないし図１２は、図１（Ｂ）と同様に、図１（Ａ）に示すＡＡ線における断面図である。図１３は、実施形態の多自由度アクチュエータにおける並進推力素子と回転体との第４係合態様を説明するための図である。図１３は、図１（Ａ）と同様に、回転体１と複数の並進推力素子２との係合状態を示すために、回転体１は、透過状態で示されている。
【００７７】
まず、第１係合態様では、並進推力素子２は、その運動励起部材２２が基台３に対し任意の角度θ（ただしθは０度を含む）で固定されて配置されてよい。例えば、図１０（Ａ）および図１（Ｂ）に示す多自由度アクチュエータＤａのように、並進推力素子２は、その運動励起部材２２が基台３に対し角度θ１で傾くように固定されて配置されてよく、また例えば図１０（Ｂ）に示す多自由度アクチュエータＤｂのように、並進推力素子２は、その運動励起部材２２が基台３に対し前記角度θ１より大きな角度θ２で傾くように固定されて配置されてよい。もちろん、図示しないが、並進推力素子２は、その運動励起部材２２が基台３に対し前記角度θ１より小さな角度θ３で傾くように固定されて配置されてよい。
【００７８】
なお、圧電素子２１から運動励起部材２２へ向かう方向は、図１０（Ａ）に示すように、径方向に沿って外側から中心点Ｐｃ’へ向かう方向であってよく、また、図１０（Ｂ）に示すように、径方向に沿って中心点Ｐｃ’から外側へ向かう方向であってよい。ここで、前記圧電素子２１から運動励起部材２２へ向かう方向とは、圧電素子２１および運動励起部材２２を基台３へ投影した場合における前記圧電素子２１から運動励起部材２２へ向かう方向であり、前記径方向とは、球体の回転体１を基台３へ投影した場合に形成される回転体１の投影円（回転体１の外周輪郭によって形成される円）の径方向であり、そして、前記中心点Ｐｃ’とは、この円の中心点（回転体１の中心点Ｐｃを基台３へ投影した場合に形成される中心点Ｐｃの投影点）である。以下の説明も同様である。
【００７９】
また、第２係合態様では、複数の並進推力素子２のそれぞれは、各運動励起部材２２が基台３に対し互いに異なる角度θで傾くように固定されて配置されてよい。例えば、図１１（Ａ）に示す多自由度アクチュエータＤｃのように、３個の並進推力素子２のうちの１つの並進推力素子２−２は、その運動励起部材２２−２が基台３に対し角度θ４２で傾くように固定されて配置され、前記３個の並進推力素子２のうちの残余の１つの並進推力素子２−３は、その運動励起部材２２−３が基台３に対し角度θ４３で傾くように固定されて配置され、前記３個の並進推力素子２のうちの残余の並進推力素子２−１は、図示されていないが、その運動励起部材２２−１が基台３に対し角度θ４１で傾くように固定されて配置される。図１１（Ａ）に示す例では、前記角度θ４３は、前記角度θ４２と異なる角度であって、この例では、前記角度θ４２より大きな角度である。そして、この第２係合態様において、図１１（Ｂ）に示す多自由度アクチュエータＤｄのように、３個の並進推力素子２のうちの１つの並進推力素子２−２は、その運動励起部材２２−２が基台３に対し角度０度で固定されて配置されてよい。また、図示しないが、３個の並進推力素子２のうちの１つの並進推力素子２は、その運動励起部材２２−２が基台３に対し角度９０度で固定されて配置されてよい。
【００８０】
もちろん、複数の並進推力素子２のそれぞれは、図１０（Ａ）および図１０（Ｂ）に示すように、各運動励起部材２２が基台３に対し互いに同一の角度θで傾くように固定されて配置されてもよい。
【００８１】
また、第３係合態様では、複数の並進推力素子２のぞれぞれは、回転体１の任意の箇所で回転体１と接触するように固定されて配置されてよい。例えば、図１２に示す多自由度アクチュエータＤｅのように、３個の並進推力素子２のうちの１つの並進推力素子２−２は、その運動励起部材２２−２が基台３に対し角度０度で固定されて配置され、前記３個の並進推力素子２のうちの残余の１つの並進推力素子２−１は、その運動励起部材２２−３が基台３に対し角度９０度で傾くように、かつ、前記並進推力素子２−２の回転体１との接触点Ｐ２と回転体の中心点Ｐｃとを結ぶ線分と、該前記並進推力素子２−１の回転体１との接触点Ｐ１と回転体の中心点Ｐｃとを結ぶ線分とのなす角が角度９０度となるように固定されて配置され、前記３個の並進推力素子２のうちの残余の並進推力素子２−３は、前記並進推力素子２−１の回転体１との接触点Ｐ１と回転体の中心点Ｐｃとを結ぶ線分と、該前記並進推力素子２−３の回転体１との接触点Ｐ３と回転体の中心点Ｐｃとを結ぶ線分とのなす角が角度９０度となるように、かつ、前記並進推力素子２−２の回転体１との接触点Ｐ２と回転体の中心点Ｐｃとを結ぶ線分と、該前記並進推力素子２−３の回転体１との接触点Ｐ３と回転体の中心点Ｐｃとを結ぶ線分とのなす角が角度４５度となるように、固定されて配置される。
【００８２】
また、第４係合態様では、複数の並進推力素子２のそれぞれは、任意の向きで回転体１と接触するように固定されて配置されてよい。すなわち、複数の並進推力素子２のそれぞれは、各運動励起部材２２の長手方向（並進ベクトルの方向）が任意の方向で回転体１と接触するように固定されて配置されてよく、また、複数の並進推力素子２のそれぞれは、圧電素子２１から運動励起部材２２へ向かう方向（並進ベクトルの向き）が任意の方向で回転体１と接触するように固定されて配置されてよい。
【００８３】
例えば、図１３（Ａ）に示す多自由度アクチュエータＤｆのように、上面視では、３個の並進推力素子２−１〜２−３のそれぞれは、各運動励起部材２２の長手方向が径方向に沿うとともに約１２０度の略等間隔で配置されているが、３個の並進推力素子２−１〜２−３のうちの２個の並進推力素子２−１、２−３は、圧電素子２１から運動励起部材２２へ向かう方向が外側から中心へ向かう向きである一方、残余の１個の並進推力素子２−２は、圧電素子２１から運動励起部材２２へ向かう方向が中心点Ｐｃ’から外側へ向かう向きである。このように複数の並進推力素子２のそれぞれは、圧電素子２１から運動励起部材２２へ向かう方向が互いに異なる向きであってよい。
【００８４】
また例えば、図１３（Ｂ）に示す多自由度アクチュエータＤｇのように、上面視では、３個の並進推力素子２−１〜２−３のそれぞれは、各運動励起部材２２の長手方向が径方向に沿っているが、不等間隔（互いに異なる間隔）で配置されてよい。並進推力素子２−１と並進推力素子２−２とは、角度１３５度の間隔で配置され、並進推力素子２−２と並進推力素子２−３とは、角度９０度の間隔で配置され、並進推力素子２−３と並進推力素子２−１とは、角度１３５度の間隔で配置されている。
【００８５】
また例えば、図１３（Ｃ）に示す多自由度アクチュエータＤｈのように、上面視では、３個の並進推力素子２−１〜２−３のそれぞれは、各運動励起部材２２の長手方向が径方向に沿っている必要は必ずしも無く、回転体１の中心点Ｐｃを通る線分上の点を中心点とした所定の半径の円の接線方向に沿うとともに、圧電素子２１から運動励起部材２２へ向かう方向が時計回りの方向で配置されている。
【００８６】
また例えば、図１３（Ｄ）に示す多自由度アクチュエータＤｉのように、上面視では、３個の並進推力素子２−１〜２−３のそれぞれは、各運動励起部材２２の長手方向が径方向に沿うものと回転体１の中心点Ｐｃを通る線分上の点を中心点とした所定の半径の円の接線方向に沿うものとを混合して配置されてよい。２個の並進推力素子２−１、２−３のそれぞれは、回転体１の中心点Ｐｃを通る線分上の点を中心点とした所定の半径の円の接線方向に沿うとともに、圧電素子２１から運動励起部材２２へ向かう方向が時計回りの方向で配置され、並進推力素子２−２は、運動励起部材２２の長手方向が径方向に沿って配置されている。
【００８７】
このように複数の並進推力素子２は、回転体１に対し所定の摩擦力で係合するように配置されれば、任意の態様で配置可能である。このため、複数の並進推力素子２は、多自由度アクチュエータＤが最も小型となるように、配置することができる。あるいは、複数の並進推力素子２は、多自由度アクチュエータＤの所望の自由度を実現するために、最も簡易な駆動制御となるように、配置することもできる。あるいは、複数の並進推力素子２は、多自由度アクチュエータＤの所望の自由度のうちの最も使用頻度の高い自由度を１個の並進推力素子２で直接的に実現することができるように、前記最も使用頻度の高い自由度に合わせて配置することもできる。
【００８８】
なお、上述では、多自由度アクチュエータＤａ〜Ｄｉは、３個の第１ないし第３並進推力素子２−１〜２−３を備えて構成されているが、４個以上の並進推力素子２を備えて構成されてもよい。例えば、４個の第１ないし第４並進推力素子２−１〜２−４を備える多自由度アクチュエータＤの例が、図１４に示されている。
【００８９】
図１４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説明するための図である。図１４（Ａ）は、第１の他の構成を示し、図１４（Ｂ）は、第２の他の構成を示す。図１４は、図１（Ａ）と同様に、回転体１と複数の並進推力素子２との係合状態を示すために、回転体１は、透過状態で示されている。
【００９０】
例えば、図１４（Ａ）に示す多自由度アクチュエータＤｋのように、上面視では、４個の並進推力素子２−１〜２−４のそれぞれは、各運動励起部材２２の長手方向が径方向に沿うとともに約９０度の略等間隔で配置されている。
【００９１】
また例えば、図１４（Ｂ）に示す多自由度アクチュエータＤｌのように、上面視では、４個の並進推力素子２−１〜２−４のそれぞれは、回転体１の中心点Ｐｃを通る線分上の点を中心点とした所定の半径の円の接線方向に沿うとともに、圧電素子２１から運動励起部材２２へ向かう方向が反時計回りの方向で配置されている。そして、これら４個の並進推力素子２−１〜２−４は、略等間隔で配置されている。
【００９２】
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】
【００９３】
Ｄ、Ｄａ〜Ｄｌ 多自由度アクチュエータ
１ 回転体
２ 並進推力素子
４、４ａ、４ｂ ドライブ部
５、５ａ、５ｂ 制御部
【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】
入力エネルギを物理的な運動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に開示の装置では、上述したように、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３個の圧電素子を三角錘形状に組み合わせてその頂点部に駆動チップを有し、この駆動チップに円運動を行わせることによって生じる駆動軸に沿った駆動トルクで、前記球体を回転駆動するものである。このため、アクチュエータユニットは、三角錐形状で所定の大きさが必要となる。また、前記圧電素子の駆動信号を発生する回路は、３×３＝９個の圧電素子それぞれに必要となるため、９セットが必要となる。このため、前記特許文献１に開示の装置では、構造上および回路規模上、その小型化が難しい。
【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、小型化が可能な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、並進推力の方向と前記並進推力を受けて発生する駆動ベクトルの方向とが互いに一致するように、前記並進推力を発生する３個以上の複数の並進推力素子と、前記複数の並進推力素子に所定の摩擦力で係合する回転体と、前記複数の並進推力素子の駆動を制御する駆動制御部とを備え、前記駆動制御部は、前記複数の並進推力素子によって直接的に実現することができない自由度を実現するために、前記複数の並進推力素子のうちの１個の並進推力素子を停止する期間に、残余の複数の並進推力素子のうちの少なくとも２個の並進推力素子を駆動するように、前記複数の並進推力素子を制御することを特徴とする。
【０００８】
このような構成の多自由度アクチュエータは、小型化可能な複数の並進推力素子を用いるので、その小型化が可能となる。
【０００９】
そして、このような構成の多自由度アクチュエータでは、１個の前記並進推力素子は、その並進推力の方向に直交する軸周りに前記回転体を回転運動させるため、前記複数の並進推力素子は、それら並進推力の合成ベクトルの方向に直交する軸周りに前記回転体を回転運動させる。したがって、このような構成の多自由度アクチュエータでは、前記回転体に対する前記複数の並進推力素子の配置位置に起因して、前記複数の並進推力素子によって直接的に実現することができない自由度が存在してしまう場合がある。しかしながら、上記構成の多自由度アクチュエータでは、前記駆動制御部が、前記複数の並進推力素子のうちの１個の並進推力素子を停止する期間に、残余の複数の並進推力素子のうちの少なくとも２個の並進推力素子を駆動するように、前記複数の並進推力素子の駆動を制御するので、上記構成の多自由度アクチュエータは、前記複数の並進推力素子によって直接的に実現することができない自由度を擬似的に実現することができる。
【００１０】
なお、並進推力とは、所定の一方向のみに押し進める力を言い、前記所定の一方向には、正方向および負方向のうちの少なくとも１つが含まれる。したがって、前記並進推力素子は、正方向のみに並進推力を発生可能な素子であってもよく、負方向のみに並進推力を発生可能な素子であってもよく、あるいは、正負の両方向に並進推力を発生可能な素子であってもよい。
【００１１】
そして、複数の並進推力素子によって直接的に実現される自由度とは、当該複数の並進推力素子のうちの１つによって直接的に実現される自由度および当該複数の並進推力素子のうちの２つ以上を同時に駆動することによってその合成により直接的に実現される自由度をいう。
【００１２】
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、好ましくは、前記駆動制御部は、前記並進推力素子を駆動とする駆動期間と該駆動期間に続く前記並進推力素子の駆動を停止する駆動停止期間とを繰り返すことによって前記並進推力素子の駆動を制御するものであって、前記駆動期間と該駆動信期間に続く前記駆動停止期間とから成る期間を１周期と定義した場合に、少なくとも１個の異なる周期を含んで前記複数の並進推力素子を制御することである。
【００１３】
このような構成の多自由度アクチュエータは、少なくとも１個の異なる周期を含んで前記複数の並進推力素子を制御することによって、前記複数の並進推力素子のうちの１個の並進推力素子を停止する期間に、残余の複数の並進推力素子のうちの少なくとも２個の並進推力素子を駆動する前記複数の並進推力素子の制御を実現することができる。すなわち、このような構成の多自由度アクチュエータは、周期（周波数）を異ならせるという比較的簡単な制御によって、前記複数の並進推力素子の制御を実現することができる。
【００１４】
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、好ましくは、前記駆動制御部は、前記並進推力素子を駆動とする駆動期間と該駆動期間に続く前記並進推力素子の駆動を停止する駆動停止期間とを繰り返すことによって前記並進推力素子の駆動を制御するものであって、前記複数の並進推力素子のうちの少なくとも１個を前記駆動期間と前記駆動停止期間との繰り返しを停止する空白期間を含んで制御することである。
【００１５】
このような構成の多自由度アクチュエータは、前記複数の並進推力素子のうちの少なくとも１個を前記空白期間を含んで制御することによって、前記複数の並進推力素子のうちの１個の並進推力素子を停止する期間に、残余の複数の並進推力素子のうちの少なくとも２個の並進推力素子を駆動する前記複数の並進推力素子の制御を実現することができる。すなわち、このような構成の多自由度アクチュエータは、前記空白期間を設けるという比較的簡単な制御によって、前記複数の並進推力素子の制御を実現することができる。
【００１６】
なお、この態様には、前記複数の並進推力素子のうちの少なくとも１個を前記空白期間を含んで制御するように前記複数の並進推力素子を制御する第１態様、および、上述の少なくとも１個の異なる周期を含むとともに、前記複数の並進推力素子のうちの少なくとも１個を前記空白期間を含んで制御するように前記複数の並進推力素子を制御する第２態様が、含まれる。
【００１７】
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、好ましくは、前記駆動制御部は、前記並進推力素子を駆動とする駆動期間と該駆動期間に続く前記並進推力素子の駆動を停止する駆動停止期間とを繰り返すことによって前記並進推力素子の駆動を制御するものであって、前記駆動期間と前記駆動停止期間との割合を駆動停止割合と定義した場合に、少なくとも１個の異なる駆動停止割合を含んで前記複数の並進推力素子を制御することである。
【００１８】
このような構成の多自由度アクチュエータは、少なくとも１個の異なる駆動停止割合を含んで前記複数の並進推力素子を制御することによって、前記複数の並進推力素子のうちの１個の並進推力素子を停止する期間に、残余の複数の並進推力素子のうちの少なくとも２個の並進推力素子を駆動する前記複数の並進推力素子の制御を実現することができる。すなわち、このような構成の多自由度アクチュエータは、駆動停止割合（駆動停止のデューティー比）を異ならせるという比較的簡単な制御によって、前記複数の並進推力素子の制御を実現することができる。
【００１９】
なお、この態様には、上述の少なくとも１個の異なる駆動停止割合を含んで前記複数の並進推力素子を制御する第３態様、上述の少なくとも１個の異なる周期を含むとともに、上述の少なくとも１個の異なる駆動停止割合を含んで前記複数の並進推力素子を制御する第４態様、上述の少なくとも１個の異なる駆動停止割合を含むとともに、前記複数の並進推力素子のうちの少なくとも１個を前記空白期間を含んで制御するように前記複数の並進推力素子を制御する第５態様、および、上述の少なくとも１個の異なる駆動停止割合を含み、上述の少なくとも１個の異なる周期を含み、さらに、前記複数の並進推力素子のうちの少なくとも１個を前記空白期間を含んで制御するように前記複数の並進推力素子を制御する第６態様が、含まれる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明にかかる多自由度アクチュエータは、小型化が可能であり、しかも、前記複数の並進推力素子によって直接的に実現することができない自由度を擬似的に実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【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並進推力素子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制御部の第１態様の構成を示す図である。
【図４】実施形態の多自由度アクチュエータにおける駆動制御部の第２態様の構成を示す図である。
【図５】実施形態における多自由度アクチュエータの直接的自由度の動作を説明するための図である。
【図６】実施形態における多自由度アクチュエータの疑似的自由度の動作を説明するための図である。
【図７】実施形態の多自由度アクチュエータにおける各並進推力素子の第１態様の駆動状態を説明するための図である。
【図８】実施形態の多自由度アクチュエータにおける各並進推力素子の第２態様の駆動状態を説明するための図である。
【図９】実施形態の多自由度アクチュエータにおける各並進推力素子の第３態様の駆動状態を説明するための図である。
【図１０】実施形態の多自由度アクチュエータにおける並進推力素子と回転体との第１係合態様を説明するための図である。
【図１１】実施形態の多自由度アクチュエータにおける並進推力素子と回転体との第２係合態様を説明するための図である。
【図１２】実施形態の多自由度アクチュエータにおける並進推力素子と回転体との第３係合態様を説明するための図である。
【図１３】実施形態の多自由度アクチュエータにおける並進推力素子と回転体との第４係合態様を説明するための図である。
【図１４】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説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
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。
【００２３】
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１（Ａ）は、上面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示すＡＡ線における断面図である。なお、図１（Ａ）は、回転体１と複数の並進推力素子２との係合状態を示すために、回転体１は、透過状態で示され、その輪郭が示されている。図２は、実施形態の多自由度アクチュエータにおける並進推力素子の構成を示す図である。図２（Ａ）は、側面図であり、図２（Ｂ）は、分解斜視である。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制御部の第１態様の構成を示す図である。図４は、実施形態の多自由度アクチュエータにおける駆動制御部の第２態様の構成を示す図である。
【００２４】
多自由度アクチュエータＤａは、複数の回転軸の軸回りに回転体１を運動することができる装置であって、例えば、図１ないし図４に示すように、回転体１と、複数の並進推力素子２と、基台３と、ドライバ部４と、制御部５とを備えている。このような多自由度アクチュエータＤａの構造的な構成の説明をまず行い、次に、電気的な構成の説明を以下に行う。
【００２５】
まず、構造的な構成である回転体１、複数の並進推力素子２および基台３について説明する。この基台３は、回転体１および複数の並進推力素子２を支持する部材であり、例えば、筐体やフレーム等である。複数の並進推力素子２のそれぞれが基台３に固定されることによって、これら回転体１および複数の並進推力素子２は、基台３に支持される。基台３と複数の並進推力素子２のそれぞれとの固定には、例えば、接着剤による接着固定が用いられる。また例えば、前記固定には、ネジ留めやロウ付け等の他の方法が用いられてもよい。また例えば、後述の図２（Ｂ）に示す支持部材２３と基台３とが一体に形成されることによって基台３に並進推力素子２が固定されてもよい。
【００２６】
複数の並進推力素子２は、それぞれ、並進推力を発生する装置である。並進推力とは、上述したように、所定の一方向のみに押し進める力を言い、前記所定の一方向には、正方向および負方向のうちの少なくとも１つが含まれる。複数の並進推力素子２は、３個以上であり、本実施形態では、前記範囲内で最小の個数である３個の第１ないし第３並進推力素子２−１、２−２、２−３を備えている。これら３個の第１ないし第３並進推力素子２−１〜２−３は、回転体１に対する接触箇所Ｐ１〜Ｐ３が対称となるように配置されている。なお、図１に示す例では、前記接触箇所Ｐ１〜Ｐ３は、点対称となっており、このことを示すために、図１（Ａ）には、対称中心Ｐ０から等距離にある点の集合である円が破線で示されている。これら接触箇所Ｐ１〜Ｐ３は、点（点接触）であり、この円上に位置している。より具体的には、３個の第１ないし第３並進推力素子２−１〜２−３は、約１２０度の略等間隔で配置されている。
【００２７】
なお、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。
【００２８】
並進推力素子２は、並進推力の方向と前記並進推力を受けて発生する駆動ベクトルの方向とが互いに一致するように、並進推力を発生する任意の装置を用いることができるが、例えば、本実施形態では、並進推力素子２は、回転体１と所定の摩擦力で係合するとともに、所定の一方向に往復動を行うことによって前記並進推力を発生するものである。より具体的には、並進推力素子２は、回転体１と所定の摩擦力で係合するとともに、所定の一方向における往路と復路とで非対称な往復動を行う運動励起部材を備える駆動装置である。このような駆動装置の一例としてＳＩＤＭ（Smooth Impact Drive Mechanism、「ＳＩＤＭ」は登録商標）と称される、例えば圧電素子等の電気機械変換素子を用いた駆動装置がある。このＳＩＤＭの一例として図２に示す構成の駆動装置がある。
【００２９】
この図２に示す構成の並進推力素子２は、電気機械変換素子２１と、運動励起部材２２と、支持部材２３を備える。
【００３０】
電気機械変換素子２１は、入力の電気エネルギを機械エネルギ、すなわち、機械的な運動に変換する素子であり、例えば、入力の電気エネルギ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２１等である。
【００３１】
この電気機械変換素子２１としての圧電素子２１は、例えば、積層体と、一対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２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の所定の側面（例えば左側側面）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の前記所定の側面に対向する側面（上記例では右側側面）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、その一部が互いに対向する一対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。
【００３２】
前記一対の外部電極部は、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、これら一対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、前記左側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、前記右側側面に積層方向に沿って薄膜状（層状）で形成される。このように一対の外部電極は、各内部電極層と順次交互に導通され、前記電気エネルギを前記積層体の各圧電層に供給する。
【００３３】
このような構成の電気機械変換素子２１の一例としての圧電素子２１では、一対の外部電極部に、例えば後述の図３や図４に示す駆動制御部等の外部回路より所定の電圧が駆動信号として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。
【００３４】
運動励起部材２２は、電気機械変換素子２１としての圧電素子２１に固定され、この圧電素子２１で電気エネルギから変換された機械エネルギが伝達され、この機械エネルギによって回転体１に所定の軸回りの運動を生じさせる部材である。より具体的には、運動励起部材２２は、本実施形態では、圧電素子２１における前記積層体の積層方向の一方端部に固定された柱状（軸状）の部材である。この固定には、例えば熱硬化性接着剤等の接着剤が用いられる。運動励起部材２２の材料は、例えば、金属、セラミック、ガラス、カーボンおよびこれらのうちの少なくとも１つを含む複合材料等の任意の材料を用いることができる。本実施形態では、運動励起部材２２は、カーボンファイバコンポジットで形成された。運動励起部材２２の長手方向に直交する断面は、例えば、矩形、多角形、楕円および円形等の任意の形状でよく、運動励起部材２２は、多角柱体、円柱体および錘体（多角錐体および円錐体）等でよいが、本実施形態では、図２に示すように、運動励起部材２２が回転体１と点接触するような、その断面が、面取りされた四角形となっている。なお、運動励起部材２２の長手方向の長さは、回転体１の大きさ等によって適宜に決定されるが、回転体１が運動励起部材２２の長手方向に移動するものではなく、運動励起部材２２が回転体１に点接触すればよいので、短くすることが可能である。したがって、図２に示すような構成の並進推力素子２は、多自由度アクチュエータＤａの小型化に寄与し、好適である。
【００３５】
支持部材２３は、圧電素子２１および運動励起部材２２を保持することによってこれらを支持する部材である。支持部材２３は、図２に示すように、略コ字形状（略Ｃ字形状、略Ｕ字形状）に形成されている。この略コ字形状における凹部に、圧電素子２１と運動励起部材２２との接続部分が嵌め込まれることによって、圧電素子２１および運動励起部材２２は、支持部材２３に支持される。より具体的には、圧電素子２１と運動励起部材２２との接続部分は、周面において、１個の面（周面における上面）を除く３個の面（周面における下面および一対の側面の各面）で支持部材２３と接している。この接続部分を嵌め込む際に、熱硬化性の接着剤が、圧電素子２１と運動励起部材２２との前記接続部分の外周面または支持部材２３の前記凹部の内周面に塗布され、加熱工程が実施されることによって、前記接着剤が熱硬化し、この結果、圧電素子２１および運動励起部材２２は、支持部材２３に接着されて固定される。なお、図２に示す例では、圧電素子２１と運動励起部材２２との前記接続部分で、これらは、支持部材２３に接続されて固定されたが、運動励起部材２２が支持部材２３に接続されて固定されてもよく、また圧電素子２１が支持部材２３に接続されて固定されてもよい。そして、支持部材２３は、前記略コ字形状における凹部に対向する背面で、基台３に固定されている。より具体的には、側面視にて、３個の並進推力素子２−１〜２−３は、それぞれ、運動励起部材２２が基台３に対して所定の角度θ１（基台３の水平面を０度として前記水平面から所定の角度θ１）で傾くように固定され配置される。基台３と並進推力素子２の支持部材２３との前記固定には、例えば、接着剤による接着固定が用いられる。また例えば、前記固定には、ネジ留めやロウ付け等の他の方法が用いられてもよい。なお、上面視では、上述したように、３個の並進推力素子２−１〜２−３は、約１２０度の略等間隔で配置されている。
【００３６】
このように支持部材２３がその位置を略保持するので、上述のように圧電素子２１の前記積層体が伸縮すると、この伸縮が運動励起部材２２に伝わって、運動励起部材２２は、この圧電素子２１における前記積層体の伸縮動作に連動して往復動することになる。
【００３７】
回転体１は、複数の並進推力素子２に所定の摩擦力で係合する部材である。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、その偏りが無い方が好ましい。
【００３８】
回転体１における運動励起部材２２と係合する面は、曲面であっても、平面であってもよく、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、複数の並進推力素子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。
【００３９】
回転体１、並進推力素子２の運動励起部材２２および基台３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、並進推力素子２は、回転体１の自重を利用することによって複数の並進推力素子２と回転体１とを前記所定の摩擦力で係合させ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、複数の並進推力素子２と回転体１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。このような付勢部材は、例えば、より簡易に構成することができることから、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、複数の並進推力素子２の運動励起部材２２と回転体１とが互いに接触する前記接触点Ｐ（Ｐ１〜Ｐ３）を頂点する多角形を考えた場合に、該多角形の重心を通る該多角形の法線方向に沿うとともに、当該複数の並進推力素子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、複数の並進推力素子２の運動励起部材２２と回転体１とが互いに接触する前記接触点Ｐ（Ｐ１〜Ｐ３）を頂点する多角形を考えた場合に、該多角形の重心を通る該多角形の法線方向に沿うとともに、当該複数の並進推力素子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、磁力を発生する磁石であってもよい。本実施形態では、前記基台３は、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、この基台３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、例えば上述のように鉄等の磁性体によって形成されている。この磁石の基台３によって、図１に示すように、回転体１には、その中心点Ｐｃから基台３へ向かう磁力（図１（Ｂ）に相対的に太い矢符で示す）が作用し、この磁力が複数の並進推力素子２の運動励起部材２２と回転体１とが互いに接触する前記接触点Ｐ（Ｐ１〜Ｐ３）を頂点する多角形の重心を通ることで、この磁力がこれら複数の並進推力素子２の運動励起部材２２に略均等に作用する（図１（Ｂ）に相対的に細い矢符で示す）。これによって複数の並進推力素子２の運動励起部材２２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複数の並進推力素子２と回転体１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基台３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。なお、上述では、基台３を磁石で形成したが、基台３とは別個に永久磁石や電磁石等の磁石が設けられてもよい。
【００４０】
次に、電気的な構成であるドライブ部４および制御部５について説明する。これらドライブ部４および制御部５は、複数の並進推力素子２の駆動を制御することによって、回転体１の回転方向、回転量（回転変位）および回転速度等を制御する駆動制御部である。このドライブ部４および制御部５を備える駆動制御部には、並進推力素子２の態様に応じて適宜な回路が用いられる。並進推力素子２が図２に示すＳＩＤＭの駆動装置である場合には、例えば、図３に示すＨブリッジ型の駆動制御回路や、図４に示すハーフブリッジ型の駆動制御回路が前記駆動制御部として用いられる。
【００４１】
この図３に示すＨブリッジ型の駆動制御回路は、ドライバ部４ａと、制御部５ａとを備える。ドライバ部４ａは、並進推力素子２に所定の駆動電圧を印加することで並進推力素子２に電力供給を行う回路であり、例えば、図３に示すように、４個のスイッチング素子としてのトランジスタＱ１１、Ｑ１２、Ｑ１３、Ｑ１４を備えて構成される。互いに直列に接続されたトランジスタＱ１１およびトランジスタＱ１２は、電源＋Ｖと接地との間に接続され、この直列接続のトランジスタＱ１１およびトランジスタＱ１２に並列に、互いに直列に接続されたトランジスタＱ１３およびトランジスタＱ１４が接続され、トランジスタＱ１１とトランジスタＱ１３との接続点およびトランジスタＱ１３とトランジスタＱ１４との接続点の間に、並進推力素子２の圧電素子２１が接続される。制御部５ａは、所望の回転方向、回転量および回転速度で回転体１を駆動するべく、複数の並進推力素子２のそれぞれを制御するために、トランジスタＱ１１〜Ｑ１４のオンオフを制御する制御信号Ｓ１１〜Ｓ１４を出力する回路である。これらトランジスタＱ１１〜Ｑ１４をオンオフするための制御信号Ｓ１１〜Ｓ１４は、制御部５ａからこれらトランジスタＱ１１〜Ｑ１４の各制御端子のそれぞれに供給される。
【００４２】
また、図４に示すハーフブリッジ型の駆動制御回路は、ドライバ部４ｂと、制御部５ｂとを備える。ドライバ部４ｂは、並進推力素子２に所定の駆動電圧を印加することで並進推力素子２に電力供給を行う回路であり、例えば、図４に示すように、２個のスイッチング素子としてのトランジスタＱ２１、Ｑ２２を備えて構成される。互いに直列に接続されたトランジスタＱ２１およびトランジスタＱ２２は、電源＋Ｖと接地との間に接続され、この直列接続のトランジスタＱ２１およびトランジスタＱ２２の接続点と接地との間に、並進推力素子２の圧電素子２１が接続される。制御部５ｂは、所望の回転方向、回転量および回転速度で回転体１を駆動するべく、複数の並進推力素子２のそれぞれを制御するために、トランジスタＱ２１、Ｑ２２のオンオフを制御する制御信号Ｓ２１、Ｓ２２を出力する回路である。これらトランジスタＱ２１、Ｑ２２をオンオフするための制御信号Ｓ２１、Ｓ２２は、制御部５ｂからこれらトランジスタＱ２１、Ｑ２２の各制御端子のそれぞれに供給される。
【００４３】
次に、このような構成の多自由度アクチュエータＤａの動作について説明する。図５は、実施形態における多自由度アクチュエータの直接的自由度の動作を説明するための図である。図５（Ａ）は、各並進推力素子２−１〜２−３のそれぞれによって直接的に実現される自由度の並進ベクトルを説明するための図であり、図５（Ｂ）は、並進ベクトルによって球体の回転体１に作用する回転ベクトルを説明するための図である。図６は、実施形態における多自由度アクチュエータの疑似的自由度の動作を説明するための図である。図７は、実施形態の多自由度アクチュエータにおける各並進推力素子の第１態様の駆動状態を説明するための図である。図８は、実施形態の多自由度アクチュエータにおける各並進推力素子の第２態様の駆動状態を説明するための図である。図９は、実施形態の多自由度アクチュエータにおける各並進推力素子の第３態様の駆動状態を説明するための図である。これら図７ないし図９において、それらの図（Ａ）は、第１並進推力素子２−１の駆動状態を示すタイムチャートであり、それらの図（Ｂ）は、第２並進推力素子２−２の駆動状態を示すタイムチャートであり、そして、それらの図（Ｃ）は、第３並進推力素子２−３の駆動状態を示すタイムチャートである。各図における横軸は、時間を表し、各図における縦軸は、駆動状態を表す。各図の縦軸におけるレベル“０”は、駆動（稼働）の停止を表し、各図の縦軸におけるレベル“１”は、駆動（稼働）を表している。
【００４４】
多自由度アクチュエータＤａの回転体１を所定の軸回りに回転運動させるべく、多自由度アクチュエータＤａにおける１または複数の並進推力素子２が駆動（稼働）され、並進推力が生じる。この生じた並進推力によって並進推力素子２に所定の摩擦力で係合している回転体１が所定の軸の軸回りに回転運動する。
【００４５】
この並進推力は、並進推力素子２が図２に示すＳＩＤＭの駆動装置である場合には、次にように動作することによって生じる。
【００４６】
例えば、図３に示すドライバ部４ａおよび制御部５ａを備えるＨブリッジ型の駆動制御回路では、Ｈブリッジの対角位置に設けられるトランジスタＱ１１、Ｑ４およびトランジスタＱ１２、Ｑ１３は、それぞれ、各制御信号Ｓ１１〜Ｓ１４によって同相で駆動されるとともに、トランジスタＱ１１、Ｑ１４とトランジスタＱ１２、Ｑ１３とは、相互に逆相で駆動される。これによって、並進推力素子２の圧電素子２１には、矩形波の駆動信号が印加される。そして、前記駆動信号のデューティを０．７程度（［ハイレベルの時間］：［ローレベルの時間］＝７：３）とすることによって、並進推力素子２では、この駆動信号によって圧電素子２１が非対称な伸縮振動を行い、この非対称な伸縮運動によって、運動励起部材２２は、所定の一方向における往路と復路とで速度差のある非対称な往復動を行い、これによって運動励起部材２２には一方向における例えば正方向のみに押し進める推力が生じる。すなわち、正方向には、ゆっくり伸張するとともに、負方向には、急速に収縮する。つまり、負方向の収縮速度は、正方向の伸張速度より大きい。一方、前記駆動信号のデューティを０．３程度（［ハイレベルの時間］：［ローレベルの時間］＝３：７）とすることによって、並進推力素子２では、圧電素子２１が前記非対称な伸縮運動とは逆の非対称な伸縮振動を行い、この逆の非対称な伸縮運動によって、運動励起部材２２は、前記一方向における往路と復路とで逆の速度差のある非対称な往復動を行い、これによって運動励起部材２２には前記一方向における負方向のみに押し進める推力が生じる。すなわち、負方向には、ゆっくり伸張するとともに、正方向には、急速に収縮する。つまり、正方向の収縮速度は、負方向の伸張速度より大きい。
【００４７】
例えば、図４に示すドライバ部４ｂおよび制御部５ｂを備えるハーフブリッジ型の駆動制御回路では、これらトランジスタＱ２１およびトランジスタＱ２２は、それぞれ、各制御信号Ｓ２１、Ｓ２２によって相互に逆相で駆動される。これによって、並進推力素子２の圧電素子２１には、上述と同様に、矩形波の駆動信号が印加され、そのデューティを上述のように調整することによって、並進推力素子２の運動励起部材２２には一方向のみに押し進める推力が生じる。
【００４８】
このように並進推力素子２は、前記駆動信号が供給されることによって駆動状態となる。一方、並進推力素子２は、前記駆動信号の供給が停止されることによって、駆動の停止状態となる。
【００４９】
このようにＨブリッジ型の駆動制御回路またはハーフブリッジ型の駆動制御回路によって、運動励起部材２２は、その速度変化がいわゆる鋸歯状となる運動を行い、運動励起部材２２には一方向のみに押し進める推力が生じる。この運動励起部材２２に生じる一方向のみに押し進める推力を並進ベクトルとして示した図が図５（Ａ）である。
【００５０】
図５（Ａ）に示すように、図１に示す構造の多自由度アクチュエータＤａでは、まず、並進推力素子２−１が動作する場合には、この並進推力素子２−１によって並進推力素子２−１における圧電素子２１−１から運動励起部材２２−１へ向かう方向の並進ベクトルＶ１が生じる。これによって並進推力素子２−１の運動励起部材２２−１に所定の摩擦力で係合している回転体１は、前記並進ベクトルＶ１と直交する軸の軸回りに回転運動を行う。図５（Ａ）に示すように、並進推力素子２−１における運動励起部材２２−１から圧電素子２１−１へ向かう方向にＸ軸を設定し、このＸ軸に直交するようにＹ軸を設定し、これらＸ軸およびＹ軸に直交するようにＺ軸を設定したＸＹＺ座標系を設け、Ｘ軸の正方向を０度として反時計回りを正方向とした場合に、前記並進ベクトルＶ１は、−６０度方向となり、前記回転軸は、＋３０度方向となる。
【００５１】
また、並進推力素子２−２が動作する場合には、この並進推力素子２−２によって並進推力素子２−２における圧電素子２１−２から運動励起部材２２−２へ向かう方向の並進ベクトルＶ２が生じる。これによって並進推力素子２−２の運動励起部材２２−２に所定の摩擦力で係合している回転体１は、前記並進ベクトルＶ２と直交する軸の軸回りに回転運動を行う。前記ＸＹＺ座標系では、前記並進ベクトルＶ２は、０度方向となり、前記回転軸は、＋９０度方向となる。
【００５２】
また、並進推力素子２−３が動作する場合には、この並進推力素子２−３によって並進推力素子２−３における圧電素子２１−３から運動励起部材２２−３へ向かう方向の並進ベクトルＶ３が生じる。これによって並進推力素子２−３の運動励起部材２２−３に所定の摩擦力で係合している回転体１は、前記並進ベクトルＶ３と直交する軸の軸回りに回転運動を行う。前記ＸＹＺ座標系では、前記並進ベクトルＶ３は、＋６０度方向となり、前記回転軸は、−３０度方向となる。
【００５３】
そして、これら３個の並進推力素子２−１〜２−３のうちの複数が同時に動作する場合には、これら動作している複数の並進推力素子２によって生じる複数の並進ベクトルＶの合成ベクトルが回転体１に作用し、回転体１は、この合成ベクトルに直交する軸の軸回りに回転運動を行う。例えば、これら３個の並進推力素子２−１〜２−３全てを同時に、並進推力素子２−２および並進推力素子２−３を同位相で並進推力素子２−１を逆位相で動作させた場合には、図５（Ｂ）に示すように、並進推力素子２−２における運動励起部材２２−２から圧電素子２１−２へ向かう方向（Ｘ軸方向）の合成ベクトルＶが生じる。そして、この合成ベクトルＶによって、回転体１は、前記合成ベクトルＶと直交する軸（Ｙ軸）の軸回りに回転運動を行う。すなわち、この場合における回転ベクトルは、Ｙ軸方向となる。
【００５４】
なお、回転体１を所望の回転軸の軸回りに回転運動させる場合に、この回転運動に寄与しない並進推力素子２は、停止状態としてもよいが、回転体１に対しスリップ状態とすることが好ましい。例えば、並進推力素子２が図２に示すＳＩＤＭの駆動装置である場合には、前記駆動信号のデューティを０．５程度（［ハイレベルの時間］：［ローレベルの時間］＝５：５）とすることによって、並進推力素子２は、回転体１に対しスリップ状態となる。これによって並進推力素子２は、回転体１に対し、静止摩擦力ではなく動摩擦力で係合するため、回転体１は、スムーズに回転運動することができる。
【００５５】
このように動作することによって、本実施形態における多自由度アクチュエータＤａは、複数の回転軸の軸回りに回転体１を運動することができる。そして、本実施形態における多自由度アクチュエータＤａは、小型化可能な複数の並進推力素子２を用いるので、小型化が可能となり、また、複数箇所で回転体に接触するから、より大きな駆動力を得ることができる。また、本実施形態における多自由度アクチュエータＤａは、例えば、数百ナノメータ以下の高分解能の駆動が可能であり、精密な位置制御が可能である。
【００５６】
一方、このように動作するので、回転体１に対する複数の並進推力素子２の配置位置に起因して、これら複数の並進推力素子２によって直接的に実現することができない自由度が存在してしまう場合がある。例えば、図１に示す構成では、前記接触点Ｐ（Ｐ１〜Ｐ３）を頂点する多角形を考えた場合に、該多角形の重心Ｐ０を通る該多角形の法線Ｐ０Ｐｃを回転軸とする回転運動（自由度）は、これら３個の第１ないし第３並進推力素子２−１〜２−３によって直接的に実現することができない。
【００５７】
このため、本実施形態の多自由度アクチュエータＤａでは、前記駆動制御部（ドライブ部４および制御部５）は、この３個の第１ないし第３並進推力素子２−１〜２−３によって直接的に実現することができない自由度を実現するために、第１ないし第３並進推力素子２−１〜２−３のうちの１個の並進推力素子２を停止する期間に、残余の複数（本実施形態では２個）の並進推力素子２のうちの少なくとも２個の並進推力素子２を駆動するように、これら第１ないし第３並進推力素子２−１〜２−３を制御するものである。このように前記駆動制御部が第１ないし第２並進推力素子２の駆動を制御することによって、このような構成の多自由度アクチュエータＤａは、複数の並進推力素子２によって直接的に実現することができない自由度を擬似的に実現することができる。
【００５８】
より具体的には、このように第１ないし第３並進推力素子２−１〜２−３の駆動を制御すると、回転体１は、駆動を停止した並進推力素子２との接点で運動が規制される結果、回転体１は、この駆動を停止した並進推力素子２との接点を支点とし、この支点となる接点と回転体１の中心Ｐ０とを通る線分を回転軸とした回転運動のみが可能となり、駆動している並進推力素子２の並進推力は、この回転運動に寄与する成分を除く他の成分が前記支点となる接点での摩擦力によってキャンセルされる。このように複数の並進推力素子２の駆動によって直接的に実現することができない自由度が擬似的に実現される。例えば、図６に示すように、第３並進推力素子２−３の駆動が停止され、残余の第１および第２並進推力素子２−１、２−２が駆動されている期間では、回転体１は、この駆動を停止した第３並進推力素子２−３との接点Ｐ３を支点とし、この支点となる接点Ｐ３と回転体１の中心Ｐ０とを通る線分Ｐ３Ｐ０を回転軸とした回転運動のみが可能となり、駆動している第１および第２並進推力素子２−１、２−２の並進推力は、この回転運動に寄与する成分を除く他の成分が前記支点となる接点Ｐ３での摩擦力によってキャンセルされる。このように第１ないし第３並進推力素子２−１〜２−３の駆動によって直接的に実現することができない前記線分Ｐ３Ｐ０を回転軸とする自由度が擬似的に実現される。
【００５９】
そして、複数の並進推力素子２において、さらに、この停止する並進推力素子２を時計回りにあるいは反時計回りに順次に切り換えることによって、各接点に規制された各回転運動を合成した回転運動が実現され、複数の並進推力素子２によって直接的に実現することができない自由度が擬似的に実現される。より具体的には、第１期間では、第１並進推力素子２−１の駆動が停止され、残余の第２および第３並進推力素子２−２、２−３が駆動され、この結果、この第１期間では、回転体１は、この駆動を停止した第１並進推力素子２−１との接点Ｐ１を支点とし、この支点となる接点Ｐ１と回転体１の中心Ｐ０とを通る線分Ｐ１Ｐ０を回転軸とする回転運動のみが生じ、前記第１期間に続く第２期間では、駆動を停止する並進推力素子２が切り換えられ、第２並進推力素子２−２の駆動が停止され、残余の第３および第１並進推力素子２−３、２−１が駆動され、この結果、この第２期間では、回転体１は、この駆動を停止した第２並進推力素子２−２との接点Ｐ２を支点とし、この支点となる接点Ｐ２と回転体１の中心Ｐ０とを通る線分Ｐ２Ｐ０を回転軸とする回転運動のみが生じ、そして、前記第２期間に続く第３期間では、駆動を停止する並進推力素子２が切り換えられ、第３並進推力素子２−３の駆動が停止され、残余の第１および第２並進推力素子２−１、２−２が駆動され、この結果、この第３期間では、回転体１は、この駆動を停止した第３並進推力素子２−３との接点Ｐ３を支点とし、この支点となる接点Ｐ３と回転体１の中心Ｐ０とを通る線分Ｐ３Ｐ０を回転軸とする回転運動のみが生じる。そして、これら第１ないし第３期間の制御が順次に繰り返される。このように第１ないし第３並進推力素子２−１〜２−３が前記第１ないし第３期間の制御をサイクリックに順次に行うことによって駆動されることで、これら３個の第１ないし第３並進推力素子２−１〜２−３によって直接的に実現することができない前記法線Ｐ０Ｐｃを回転軸とする回転運動（自由度）が擬似的に実現される。
【００６０】
そして、このような複数の並進推力素子２のうちの１個の並進推力素子２を停止する期間に、残余の複数の並進推力素子２のうちの少なくとも２個の並進推力素子２を駆動するように、これら複数の並進推力素子を制御する手法は、例えば、次のような手法が挙げられる。
【００６１】
第１手法は、並進推力素子２を駆動とする駆動期間と該駆動期間に続く該並進推力素子２の駆動を停止する駆動停止期間とを繰り返すことによって該並進推力素子の駆動を制御する手法であって、前記駆動期間と該駆動信期間に続く前記駆動停止期間とから成る期間を１周期と定義した場合に、少なくとも１個の異なる周期を含んで複数の並進推力素子２を制御する手法である。このような第１手法を用いた多自由度アクチュエータＤａは、前記周期（周波数）を異ならせるという比較的簡単な制御によって、前記複数の並進推力素子２によって直接的に実現することができない自由度を実現するための、前記複数の並進推力素子２の制御を実現することができる。
【００６２】
図７には、このような第１手法を用いた場合における図１に示す構成の多自由度アクチュエータＤａにおける第１ないし第３並進推力素子２−１〜２−３の駆動パターンが示されている。この図７に示す駆動パターンでは、第１および第２並進推力素子２−１、２−２は、同一の周期（周波数）で制御され、第３並進推力素子２−３は、これら第１および第２並進推力素子２−１、２−２の周期（周波数）とは異なる周期（周波数）で制御されている。
【００６３】
また、第２手法は、前記駆動期間と該駆動期間に続く前記駆動停止期間とを繰り返すことによって並進推力素子２の駆動を制御する手法であって、複数の並進推力素子２のうちの少なくとも１個を前記駆動期間と前記駆動停止期間との繰り返しを停止する空白期間を含んで制御する手法である。このような第２手法を用いた多自由度アクチュエータＤａは、前記空白期間を設けるという比較的簡単な制御によって、前記複数の並進推力素子２によって直接的に実現することができない自由度を実現するための、前記複数の並進推力素子２の制御を実現することができる。
【００６４】
図８には、このような第２手法を用いた場合における図１に示す構成の多自由度アクチュエータＤａにおける第１ないし第３並進推力素子２−１〜２−３の駆動パターンが示されている。この図８に示す駆動パターンでは、第１ないし第３並進推力素子２−１〜２−３は、同一の周期（周波数）で制御され、第３並進推力素子２−３は、前記駆動期間と前記駆動停止期間との繰り返しを停止する空白期間を所定の時間間隔で含んで制御されている。
【００６５】
また、第３手法は、前記駆動期間と該駆動期間に続く前記駆動停止期間とを繰り返すことによって並進推力素子２の駆動を制御する手法であって、前記駆動期間と前記駆動停止期間との割合を駆動停止割合と定義した場合に、少なくとも１個の異なる駆動停止割合を含んで前記複数の並進推力素子２を制御する手法である。このような第３手法を用いた多自由度アクチュエータＤａは、駆動停止割合（駆動停止のデューティー比）を異ならせるという比較的簡単な制御によって、前記複数の並進推力素子２によって直接的に実現することができない自由度を実現するための、前記複数の並進推力素子２の制御を実現することができる。
【００６６】
また、これら第１ないし第３手法のうちの複数の手法が組み合わされてもよい。例えば、第４手法は、第１および第２手法を組み合わせ、上述のように少なくとも１個の異なる周期（周波数）を含むとともに、上述のように複数の並進推力素子２のうちの少なくとも１個を前記空白期間を含んで制御するように前記複数の並進推力素子２を制御する手法である。
【００６７】
また例えば、第５手法は、第１および第３手法を組み合わせ、上述のように少なくとも１個の異なる周期（周波数）を含むとともに、上述のように少なくとも１個の異なる駆動停止割合を含んで複数の並進推力素子２を制御する手法である。
【００６８】
また例えば、第６手法は、第３および第２手法を組み合わせ、上述のように少なくとも１個の異なる駆動停止割合を含むとともに、上述のように複数の並進推力素子２のうちの少なくとも１個を前記空白期間を含んで制御するように前記複数の並進推力素子２を制御する手法である。
【００６９】
また例えば、第７手法は、第１ないし第３手法を組み合わせ、上述のように少なくとも１個の異なる駆動停止割合を含み、上述のように少なくとも１個の異なる周期を含み、さらに、上述のように複数の並進推力素子２のうちの少なくとも１個を前記空白期間を含んで制御するように前記複数の並進推力素子２を制御する手法である。
【００７０】
図９には、このような第４手法を用いた場合における図１に示す構成の多自由度アクチュエータＤａにおける第１ないし第３並進推力素子２−１〜２−３の駆動パターンが示されている。この図９に示す駆動パターンでは、第１および第２並進推力素子２−１、２−２は、同一の周期（周波数）で制御され、第３並進推力素子２−３は、これら第１および第２並進推力素子２−１、２−２の周期（周波数）とは異なる周期（周波数）で制御され、そして、第３並進推力素子２−３は、前記駆動期間と前記駆動停止期間との繰り返しを停止する空白期間を所定の時間間隔で含んで制御されている。
【００７１】
このような各手法による複数の並進推力素子２の制御は、ドライブ部４および制御部５を備える前記駆動制御部によって行われる。そして、各手法における周期（周波数）および駆動停止割合は、前記複数の並進推力素子２によって直接的に実現することができないために、擬似的に実現される自由度における所望の回転方向、所望の回転速度および所望の回転軸等に応じて適宜に設定される。
【００７２】
また、本実施形態における多自由度アクチュエータＤａでは、複数の並進推力素子２は、回転体１に対する前記接触箇所Ｐ（Ｐ１〜Ｐ３）が点対称となるように配置されている。このため、回転体１がこれら複数の並進推力素子２によって均等に支持されるので、回転体１の姿勢を安定的に保持することができ、回転体１を安定的に駆動制御することができる。また、このように対称配置されると、駆動制御も容易となる。
【００７３】
また、本実施形態における多自由度アクチュエータＤａでは、複数の並進推力素子２と回転体１とを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いる。このため、本実施形態における多自由度アクチュエータＤａは、使用上の制約や設計上の制約が低減される。そして、本実施形態では、前記付勢部材は、磁石であり、回転体１は、前記磁石によって生成される磁力と作用する磁性体で形成されている。このため、本実施形態における多自由度アクチュエータＤａは、小型化が可能となり、また付勢力の生成に外部からエネルギを別途に投入する必要がない。
【００７４】
また、上述の実施形態では、付勢部材は、１つの部材で構成されたが、複数の部材で構成されてもよい。例えば、付勢部材として、複数の磁石が用いられたり、磁石と弾性体とが用いられてもよい。
【００７５】
また、上述の実施形態では、側面視にて、３個の並進推力素子２−１〜２−３は、それぞれ、運動励起部材２２が基台３に対して所定の角度θ１で傾くように固定され配置され、上面視では、３個の並進推力素子２−１〜２−３は、約１２０度の略等間隔で配置されているが、複数の並進推力素子２は、所望の複数の自由度を実現することができるという前提の下に、回転体１に様々な態様で所定の摩擦力で係合することができる。以下、並進推力素子と回転体との係合態様について説明する。
【００７６】
図１０は、実施形態の多自由度アクチュエータにおける並進推力素子と回転体との第１係合態様を説明するための図である。図１１は、実施形態の多自由度アクチュエータにおける並進推力素子と回転体との第２係合態様を説明するための図である。図１２は、実施形態の多自由度アクチュエータにおける並進推力素子と回転体との第３係合態様を説明するための図である。図１０（Ａ）は、図１（Ｂ）と同一の図であり、また、これら図１０ないし図１２は、図１（Ｂ）と同様に、図１（Ａ）に示すＡＡ線における断面図である。図１３は、実施形態の多自由度アクチュエータにおける並進推力素子と回転体との第４係合態様を説明するための図である。図１３は、図１（Ａ）と同様に、回転体１と複数の並進推力素子２との係合状態を示すために、回転体１は、透過状態で示されている。
【００７７】
まず、第１係合態様では、並進推力素子２は、その運動励起部材２２が基台３に対し任意の角度θ（ただしθは０度を含む）で固定されて配置されてよい。例えば、図１０（Ａ）および図１（Ｂ）に示す多自由度アクチュエータＤａのように、並進推力素子２は、その運動励起部材２２が基台３に対し角度θ１で傾くように固定されて配置されてよく、また例えば図１０（Ｂ）に示す多自由度アクチュエータＤｂのように、並進推力素子２は、その運動励起部材２２が基台３に対し前記角度θ１より大きな角度θ２で傾くように固定されて配置されてよい。もちろん、図示しないが、並進推力素子２は、その運動励起部材２２が基台３に対し前記角度θ１より小さな角度θ３で傾くように固定されて配置されてよい。
【００７８】
なお、圧電素子２１から運動励起部材２２へ向かう方向は、図１０（Ａ）に示すように、径方向に沿って外側から中心点Ｐｃ’へ向かう方向であってよく、また、図１０（Ｂ）に示すように、径方向に沿って中心点Ｐｃ’から外側へ向かう方向であってよい。ここで、前記圧電素子２１から運動励起部材２２へ向かう方向とは、圧電素子２１および運動励起部材２２を基台３へ投影した場合における前記圧電素子２１から運動励起部材２２へ向かう方向であり、前記径方向とは、球体の回転体１を基台３へ投影した場合に形成される回転体１の投影円（回転体１の外周輪郭によって形成される円）の径方向であり、そして、前記中心点Ｐｃ’とは、この円の中心点（回転体１の中心点Ｐｃを基台３へ投影した場合に形成される中心点Ｐｃの投影点）である。以下の説明も同様である。
【００７９】
また、第２係合態様では、複数の並進推力素子２のそれぞれは、各運動励起部材２２が基台３に対し互いに異なる角度θで傾くように固定されて配置されてよい。例えば、図１１（Ａ）に示す多自由度アクチュエータＤｃのように、３個の並進推力素子２のうちの１つの並進推力素子２−２は、その運動励起部材２２−２が基台３に対し角度θ４２で傾くように固定されて配置され、前記３個の並進推力素子２のうちの残余の１つの並進推力素子２−３は、その運動励起部材２２−３が基台３に対し角度θ４３で傾くように固定されて配置され、前記３個の並進推力素子２のうちの残余の並進推力素子２−１は、図示されていないが、その運動励起部材２２−１が基台３に対し角度θ４１で傾くように固定されて配置される。図１１（Ａ）に示す例では、前記角度θ４３は、前記角度θ４２と異なる角度であって、この例では、前記角度θ４２より大きな角度である。そして、この第２係合態様において、図１１（Ｂ）に示す多自由度アクチュエータＤｄのように、３個の並進推力素子２のうちの１つの並進推力素子２−２は、その運動励起部材２２−２が基台３に対し角度０度で固定されて配置されてよい。また、図示しないが、３個の並進推力素子２のうちの１つの並進推力素子２は、その運動励起部材２２−２が基台３に対し角度９０度で固定されて配置されてよい。
【００８０】
もちろん、複数の並進推力素子２のそれぞれは、図１０（Ａ）および図１０（Ｂ）に示すように、各運動励起部材２２が基台３に対し互いに同一の角度θで傾くように固定されて配置されてもよい。
【００８１】
また、第３係合態様では、複数の並進推力素子２のぞれぞれは、回転体１の任意の箇所で回転体１と接触するように固定されて配置されてよい。例えば、図１２に示す多自由度アクチュエータＤｅのように、３個の並進推力素子２のうちの１つの並進推力素子２−２は、その運動励起部材２２−２が基台３に対し角度０度で固定されて配置され、前記３個の並進推力素子２のうちの残余の１つの並進推力素子２−１は、その運動励起部材２２−３が基台３に対し角度９０度で傾くように、かつ、前記並進推力素子２−２の回転体１との接触点Ｐ２と回転体の中心点Ｐｃとを結ぶ線分と、該前記並進推力素子２−１の回転体１との接触点Ｐ１と回転体の中心点Ｐｃとを結ぶ線分とのなす角が角度９０度となるように固定されて配置され、前記３個の並進推力素子２のうちの残余の並進推力素子２−３は、前記並進推力素子２−１の回転体１との接触点Ｐ１と回転体の中心点Ｐｃとを結ぶ線分と、該前記並進推力素子２−３の回転体１との接触点Ｐ３と回転体の中心点Ｐｃとを結ぶ線分とのなす角が角度９０度となるように、かつ、前記並進推力素子２−２の回転体１との接触点Ｐ２と回転体の中心点Ｐｃとを結ぶ線分と、該前記並進推力素子２−３の回転体１との接触点Ｐ３と回転体の中心点Ｐｃとを結ぶ線分とのなす角が角度４５度となるように、固定されて配置される。
【００８２】
また、第４係合態様では、複数の並進推力素子２のそれぞれは、任意の向きで回転体１と接触するように固定されて配置されてよい。すなわち、複数の並進推力素子２のそれぞれは、各運動励起部材２２の長手方向（並進ベクトルの方向）が任意の方向で回転体１と接触するように固定されて配置されてよく、また、複数の並進推力素子２のそれぞれは、圧電素子２１から運動励起部材２２へ向かう方向（並進ベクトルの向き）が任意の方向で回転体１と接触するように固定されて配置されてよい。
【００８３】
例えば、図１３（Ａ）に示す多自由度アクチュエータＤｆのように、上面視では、３個の並進推力素子２−１〜２−３のそれぞれは、各運動励起部材２２の長手方向が径方向に沿うとともに約１２０度の略等間隔で配置されているが、３個の並進推力素子２−１〜２−３のうちの２個の並進推力素子２−１、２−３は、圧電素子２１から運動励起部材２２へ向かう方向が外側から中心へ向かう向きである一方、残余の１個の並進推力素子２−２は、圧電素子２１から運動励起部材２２へ向かう方向が中心点Ｐｃ’から外側へ向かう向きである。このように複数の並進推力素子２のそれぞれは、圧電素子２１から運動励起部材２２へ向かう方向が互いに異なる向きであってよい。
【００８４】
また例えば、図１３（Ｂ）に示す多自由度アクチュエータＤｇのように、上面視では、３個の並進推力素子２−１〜２−３のそれぞれは、各運動励起部材２２の長手方向が径方向に沿っているが、不等間隔（互いに異なる間隔）で配置されてよい。並進推力素子２−１と並進推力素子２−２とは、角度１３５度の間隔で配置され、並進推力素子２−２と並進推力素子２−３とは、角度９０度の間隔で配置され、並進推力素子２−３と並進推力素子２−１とは、角度１３５度の間隔で配置されている。
【００８５】
また例えば、図１３（Ｃ）に示す多自由度アクチュエータＤｈのように、上面視では、３個の並進推力素子２−１〜２−３のそれぞれは、各運動励起部材２２の長手方向が径方向に沿っている必要は必ずしも無く、回転体１の中心点Ｐｃを通る線分上の点を中心点とした所定の半径の円の接線方向に沿うとともに、圧電素子２１から運動励起部材２２へ向かう方向が時計回りの方向で配置されている。
【００８６】
また例えば、図１３（Ｄ）に示す多自由度アクチュエータＤｉのように、上面視では、３個の並進推力素子２−１〜２−３のそれぞれは、各運動励起部材２２の長手方向が径方向に沿うものと回転体１の中心点Ｐｃを通る線分上の点を中心点とした所定の半径の円の接線方向に沿うものとを混合して配置されてよい。２個の並進推力素子２−１、２−３のそれぞれは、回転体１の中心点Ｐｃを通る線分上の点を中心点とした所定の半径の円の接線方向に沿うとともに、圧電素子２１から運動励起部材２２へ向かう方向が時計回りの方向で配置され、並進推力素子２−２は、運動励起部材２２の長手方向が径方向に沿って配置されている。
【００８７】
このように複数の並進推力素子２は、回転体１に対し所定の摩擦力で係合するように配置されれば、任意の態様で配置可能である。このため、複数の並進推力素子２は、多自由度アクチュエータＤが最も小型となるように、配置することができる。あるいは、複数の並進推力素子２は、多自由度アクチュエータＤの所望の自由度を実現するために、最も簡易な駆動制御となるように、配置することもできる。あるいは、複数の並進推力素子２は、多自由度アクチュエータＤの所望の自由度のうちの最も使用頻度の高い自由度を１個の並進推力素子２で直接的に実現することができるように、前記最も使用頻度の高い自由度に合わせて配置することもできる。
【００８８】
なお、上述では、多自由度アクチュエータＤａ〜Ｄｉは、３個の第１ないし第３並進推力素子２−１〜２−３を備えて構成されているが、４個以上の並進推力素子２を備えて構成されてもよい。例えば、４個の第１ないし第４並進推力素子２−１〜２−４を備える多自由度アクチュエータＤの例が、図１４に示されている。
【００８９】
図１４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説明するための図である。図１４（Ａ）は、第１の他の構成を示し、図１４（Ｂ）は、第２の他の構成を示す。図１４は、図１（Ａ）と同様に、回転体１と複数の並進推力素子２との係合状態を示すために、回転体１は、透過状態で示されている。
【００９０】
例えば、図１４（Ａ）に示す多自由度アクチュエータＤｋのように、上面視では、４個の並進推力素子２−１〜２−４のそれぞれは、各運動励起部材２２の長手方向が径方向に沿うとともに約９０度の略等間隔で配置されている。
【００９１】
また例えば、図１４（Ｂ）に示す多自由度アクチュエータＤｌのように、上面視では、４個の並進推力素子２−１〜２−４のそれぞれは、回転体１の中心点Ｐｃを通る線分上の点を中心点とした所定の半径の円の接線方向に沿うとともに、圧電素子２１から運動励起部材２２へ向かう方向が反時計回りの方向で配置されている。そして、これら４個の並進推力素子２−１〜２−４は、略等間隔で配置されている。
【００９２】
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】
【００９３】
Ｄ、Ｄａ〜Ｄｌ 多自由度アクチュエータ
１ 回転体
２ 並進推力素子
４、４ａ、４ｂ ドライブ部
５、５ａ、５ｂ 制御部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
並進推力の方向と前記並進推力を受けて発生する駆動ベクトルの方向とが互いに一致するように、前記並進推力を発生する３個以上の複数の並進推力素子と、
前記複数の並進推力素子に所定の摩擦力で係合する回転体と、
前記複数の並進推力素子の駆動を制御する駆動制御部とを備え、
前記駆動制御部は、前記複数の並進推力素子によって直接的に実現することができない自由度を実現するために、前記複数の並進推力素子のうちの１個の並進推力素子を停止する期間に、残余の複数の並進推力素子のうちの少なくとも２個の並進推力素子を駆動するように、前記複数の並進推力素子を制御すること
を特徴とする多自由度アクチュエータ。
【請求項２】
前記駆動制御部は、前記並進推力素子を駆動とする駆動期間と該駆動期間に続く前記並進推力素子の駆動を停止する駆動停止期間とを繰り返すことによって前記並進推力素子の駆動を制御するものであって、前記駆動期間と該駆動信期間に続く前記駆動停止期間とから成る期間を１周期と定義した場合に、少なくとも１個の異なる周期を含んで前記複数の並進推力素子を制御すること
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】
前記駆動制御部は、前記並進推力素子を駆動とする駆動期間と該駆動期間に続く前記並進推力素子の駆動を停止する駆動停止期間とを繰り返すことによって前記並進推力素子の駆動を制御するものであって、前記複数の並進推力素子のうちの少なくとも１個を前記駆動期間と前記駆動停止期間との繰り返しを停止する空白期間を含んで制御すること
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】
前記駆動制御部は、前記並進推力素子を駆動とする駆動期間と該駆動期間に続く前記並進推力素子の駆動を停止する駆動停止期間とを繰り返すことによって前記並進推力素子の駆動を制御するものであって、前記駆動期間と前記駆動停止期間との割合を駆動停止割合と定義した場合に、少なくとも１個の異なる駆動停止割合を含んで前記複数の並進推力素子を制御すること
を特徴とする請求項１ないし請求項３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】
並進推力の方向と前記並進推力を受けて発生する駆動ベクトルの方向とが互いに一致するように、前記並進推力を発生する３個以上の複数の並進推力素子と、
前記複数の並進推力素子に所定の摩擦力で係合する回転体と、
前記複数の並進推力素子の駆動を制御する駆動制御部とを備え、
前記駆動制御部は、前記複数の並進推力素子によって直接的に実現することができない自由度を実現するために、前記複数の並進推力素子のうちの１個の並進推力素子を停止する期間に、残余の複数の並進推力素子のうちの少なくとも２個の並進推力素子を駆動するように、前記複数の並進推力素子を制御すること
を特徴とする多自由度アクチュエータ。
【請求項２】
前記駆動制御部は、前記並進推力素子を駆動とする駆動期間と該駆動期間に続く前記並進推力素子の駆動を停止する駆動停止期間とを繰り返すことによって前記並進推力素子の駆動を制御するものであって、前記駆動期間と該駆動信期間に続く前記駆動停止期間とから成る期間を１周期と定義した場合に、少なくとも１個の異なる周期を含んで前記複数の並進推力素子を制御すること
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】
前記駆動制御部は、前記並進推力素子を駆動とする駆動期間と該駆動期間に続く前記並進推力素子の駆動を停止する駆動停止期間とを繰り返すことによって前記並進推力素子の駆動を制御するものであって、前記複数の並進推力素子のうちの少なくとも１個を前記駆動期間と前記駆動停止期間との繰り返しを停止する空白期間を含んで制御すること
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】
前記駆動制御部は、前記並進推力素子を駆動とする駆動期間と該駆動期間に続く前記並進推力素子の駆動を停止する駆動停止期間とを繰り返すことによって前記並進推力素子の駆動を制御するものであって、前記駆動期間と前記駆動停止期間との割合を駆動停止割合と定義した場合に、少なくとも１個の異なる駆動停止割合を含んで前記複数の並進推力素子を制御すること
を特徴とする請求項１ないし請求項３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１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１３−５９１４３（Ｐ２０１３−５９１４３Ａ）
【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２０１１−１９４５７６（Ｐ２０１１−１９４５７６）
【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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