JP2013059143A - Multi-degree of freedom actuator - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a multi-degree of freedom actuator which can be made compact.SOLUTION: In order to match the direction of translation thrust with the direction of a drive vector generated by receiving the translation thrust, the multi-degree of freedom actuator Da comprises a plurality of more than two translation thrust elements 2 generating the translation thrust, a rotating body 1 engaging with the plurality of translation thrust elements 2 with a predetermined friction force, and a drive control unit which controls driving of the plurality of translation thrust elements 2. In order to achieve a degree of freedom that cannot be achieved directly by the plurality of translation thrust elements 2, the drive control unit controls the plurality of translation thrust elements 2 so that at least two of a plurality of remaining translation thrust elements 2 are driven in a period when one of the plurality of translation thrust elements 2 is stopped.

Description

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。   The present invention relates to a multi-degree-of-freedom actuator that can move around a plurality of rotation axes.

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。   Actuators that convert input energy into physical motion are incorporated into various devices that perform motion. For example, in an apparatus that handles light, an actuator is used, for example, for driving a focus lens or a zoom lens of an imaging optical system, and for example, an optical axis when a laser beam is incident on an optical modulator or an optical fiber. It is used for alignment, for example, for changing the monitoring direction of a monitoring camera or the like. It is desirable that an actuator used for driving along the optical axis direction of the lens, aligning the optical axis, changing the monitoring direction, and the like can generate movement in a plurality of directions depending on the application. An actuator capable of generating such movements in a plurality of directions is disclosed in Patent Document 1, for example.

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。   The device disclosed in Patent Document 1 is formed of a material attracted by magnetic force, or a rotationally driven sphere having a portion made of a material attracted by magnetic force, and a base for supporting the sphere. And a drive unit configured by a first, second, and third actuator unit, wherein each of the first, second, and third actuator units is expanded by application of a drive signal. The first, second, and third piezoelectric elements are disposed so that the first, second, and third piezoelectric elements extend substantially orthogonal to each other. One end of each is fixed to each other at one intersection to constitute a driving chip, and the other ends of the first, second and third are fixed to the base to support the driving chip so as to be movable in a three-dimensional direction. The first, second and third actuators The sphere unit is rotatably supported by the drive chip, and the base is interposed between the sphere and a drive unit that rotationally drives the sphere by friction between the intersection and the sphere. And a magnetic field generator configured to generate a variable magnetic field for adjusting a frictional force between the sphere and the piezoelectric unit. In the apparatus having such a configuration, drive torque is generated along the drive axis of the drive circle drawn by the drive chips of the first, second, and third actuator units, and the vector sum of these drive torques is actually a sphere. Is a driving torque for rotationally driving (see paragraph [0028]). In paragraph [0015] of Patent Document 1, the sphere is rotationally driven in an arbitrary direction by adjusting the extension amount by adjusting the drive signals applied to the first, second and third actuator units. It is described that it can be made.

特開2010−045895号公報JP 2010-045895 A

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。   By the way, in the apparatus disclosed in Patent Document 1, as described above, each of the first, second, and third actuator units is expanded by application of a drive signal. The piezoelectric element is combined in a triangular pyramid shape and has a drive chip at its apex, and the sphere is rotationally driven by a drive torque along a drive shaft generated by causing the drive chip to perform a circular motion. is there. For this reason, the actuator unit needs a predetermined size with a triangular pyramid shape. Further, since the circuit for generating the driving signal for the piezoelectric element is required for each of 3 × 3 = 9 piezoelectric elements, nine sets are required. For this reason, it is difficult to reduce the size of the apparatus disclosed in Patent Document 1 in terms of structure and circuit scale.

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。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a multi-degree-of-freedom actuator that can be reduced in size.

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。   As a result of various studies, the present inventor has found that the above object is achieved by the present invention described below. That is, the multi-degree-of-freedom actuator according to one aspect of the present invention includes three or more generating the translation thrust so that the direction of the translation thrust and the direction of the drive vector generated by receiving the translation thrust coincide with each other. A plurality of translational thrust elements; a rotating body that engages the plurality of translational thrust elements with a predetermined frictional force; and a drive control unit that controls driving of the plurality of translational thrust elements; In order to realize a degree of freedom that cannot be directly realized by the plurality of translation thrust elements, a plurality of remaining translation thrusts are stopped during a period in which one of the plurality of translation thrust elements is stopped. The plurality of translation thrust elements are controlled so as to drive at least two of the elements.

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。   Since the multi-degree-of-freedom actuator having such a configuration uses a plurality of translational thrust elements that can be reduced in size, it is possible to reduce the size.

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。   In the multi-degree-of-freedom actuator having such a configuration, the one translational thrust element rotates the rotating body around an axis orthogonal to the direction of the translational thrust, and thus the plurality of translational thrust elements are: The rotating body is rotated about an axis orthogonal to the direction of the resultant vector of translational thrusts. Therefore, in the multi-degree-of-freedom actuator having such a configuration, there is a degree of freedom that cannot be directly realized by the plurality of translation thrust elements due to the arrangement positions of the plurality of translation thrust elements with respect to the rotating body. May end up. However, in the multi-degree-of-freedom actuator configured as described above, at least two of the remaining plurality of translation thrust elements during the period in which the drive control unit stops one of the plurality of translation thrust elements. Since the drive of the plurality of translation thrust elements is controlled so as to drive a plurality of translation thrust elements, the multi-degree-of-freedom actuator having the above configuration cannot be directly realized by the plurality of translation thrust elements. Can be realized in a pseudo manner.

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。   The translational thrust means a force that pushes in only one predetermined direction, and the predetermined one direction includes at least one of a positive direction and a negative direction. Therefore, the translational thrust element may be an element capable of generating a translational thrust only in the positive direction, an element capable of generating a translational thrust only in the negative direction, or a translational thrust in both positive and negative directions. The element which can generate | occur | produce may be sufficient.

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。   The degrees of freedom directly realized by the plurality of translation thrust elements are the degrees of freedom directly realized by one of the plurality of translation thrust elements and 2 of the plurality of translation thrust elements. This refers to the degree of freedom that is directly realized by the synthesis by driving two or more simultaneously.

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。   In another aspect, in the above-described multi-degree-of-freedom actuator, preferably, the drive control unit stops a drive period in which the translational thrust element is driven and driving of the translational thrust element following the drive period. When the drive of the translational thrust element is controlled by repeating a drive stop period, and a period composed of the drive period and the drive stop period following the drive transmission period is defined as one cycle, at least Controlling the plurality of translational thrust elements including one different period.

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。   The multi-degree-of-freedom actuator configured as described above stops one of the plurality of translation thrust elements by controlling the plurality of translation thrust elements including at least one different period. Control of the plurality of translation thrust elements that drives at least two of the remaining plurality of translation thrust elements during the period can be realized. That is, the multi-degree-of-freedom actuator having such a configuration can realize the control of the plurality of translational thrust elements by a relatively simple control of varying the period (frequency).

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。   In another aspect, in the above-described multi-degree-of-freedom actuator, preferably, the drive control unit stops driving of the translational thrust element and driving of the translational thrust element following the driving period. The drive stop period is repeated to control the drive of the translation thrust element, and at least one of the plurality of translation thrust elements is stopped from repeating the drive period and the drive stop period. It is to control including a blank period.

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。   The multi-degree-of-freedom actuator configured as described above is configured to control at least one of the plurality of translation thrust elements including the blank period, so that one translation thrust element of the plurality of translation thrust elements. The control of the plurality of translation thrust elements for driving at least two of the plurality of translation thrust elements remaining in the remaining period can be realized. That is, the multi-degree-of-freedom actuator having such a configuration can realize the control of the plurality of translational thrust elements by a relatively simple control of providing the blank period.

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。   In this aspect, the first aspect of controlling the plurality of translation thrust elements so as to control at least one of the plurality of translation thrust elements including the blank period, and at least one of the above-described elements And a second mode of controlling the plurality of translation thrust elements so as to control at least one of the plurality of translation thrust elements including the blank period.

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。   In another aspect, in the above-described multi-degree-of-freedom actuator, preferably, the drive control unit stops driving of the translational thrust element and driving of the translational thrust element following the driving period. Driving the translational thrust element by repeating the drive stop period, and when the ratio between the drive period and the drive stop period is defined as a drive stop ratio, at least one different drive is performed. Controlling the plurality of translational thrust elements including a stop ratio.

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。   The multi-degree-of-freedom actuator having such a configuration controls one of the plurality of translation thrust elements by including at least one different drive stop ratio, thereby allowing one of the plurality of translation thrust elements to be controlled. Control of the plurality of translation thrust elements that drives at least two translation thrust elements among the remaining plurality of translation thrust elements can be realized during the stop period. That is, the multi-degree-of-freedom actuator having such a configuration can realize the control of the plurality of translational thrust elements by a relatively simple control of varying the drive stop ratio (drive stop duty ratio).

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。   This aspect includes the third aspect in which the plurality of translation thrust elements are controlled including the at least one different driving stop ratio described above, the at least one different period as described above, and the at least one above-described period. A fourth aspect of controlling the plurality of translation thrust elements including different drive stop ratios, including at least one different drive stop ratio as described above, and at least one of the plurality of translation thrust elements being the blank A fifth aspect of controlling the plurality of translational thrust elements to control including a period; and at least one different drive stop ratio as described above; including at least one different period as described above; and A sixth aspect of controlling the plurality of translation thrust elements so as to control at least one of the plurality of translation thrust elements including the blank period is included.

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。   The multi-degree-of-freedom actuator according to the present invention can be miniaturized, and can realize a degree of freedom that cannot be directly realized by the plurality of translational thrust elements.

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。It is a figure which shows the structure of the multi-degree-of-freedom actuator in embodiment. 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。It is a figure which shows the structure of the translational thrust element in the multi-degree-of-freedom actuator of embodiment. 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。It is a figure which shows the structure of the 1st aspect of the drive control part in the multi-degree-of-freedom actuator of embodiment. 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。It is a figure which shows the structure of the 2nd aspect of the drive control part in the multi-degree-of-freedom actuator of embodiment. 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。It is a figure for demonstrating operation | movement of the direct freedom degree of the multi-degree-of-freedom actuator in embodiment. 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。It is a figure for demonstrating operation | movement of the pseudo | simulation degree of freedom of the multi-degree-of-freedom actuator in embodiment. 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。It is a figure for demonstrating the drive state of the 1st aspect of each translation thrust element in the multi-degree-of-freedom actuator of embodiment. 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。It is a figure for demonstrating the drive state of the 2nd aspect of each translational thrust element in the multi-degree-of-freedom actuator of embodiment. 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。It is a figure for demonstrating the drive state of the 3rd aspect of each translation thrust element in the multi-degree-of-freedom actuator of embodiment. 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。It is a figure for demonstrating the 1st engagement aspect of the translation thrust element and rotary body in the multi-degree-of-freedom actuator of embodiment. 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。It is a figure for demonstrating the 2nd engagement aspect of the translation thrust element and rotary body in the multi-degree-of-freedom actuator of embodiment. 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。It is a figure for demonstrating the 3rd engagement aspect of the translation thrust element and rotary body in the multi-degree-of-freedom actuator of embodiment. 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。It is a figure for demonstrating the 4th engagement aspect of the translation thrust element and rotary body in the multi-degree-of-freedom actuator of embodiment. 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。It is a figure for demonstrating the other structure of the multi-degree-of-freedom actuator in embodiment.

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。   Hereinafter, an embodiment according to the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the structure which attached | subjected the same code | symbol in each figure shows that it is the same structure, The description is abbreviate | omitted suitably.

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。   FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a multi-degree-of-freedom actuator according to the embodiment. FIG. 1A is a top view, and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. Note that FIG. 1A shows the engaged state between the rotating body 1 and the plurality of translational thrust elements 2, and the rotating body 1 is shown in a transparent state and its outline is shown. FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of a translational thrust element in the multi-degree-of-freedom actuator of the embodiment. FIG. 2A is a side view, and FIG. 2B is an exploded perspective view. FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration of a first aspect of the drive control unit in the multi-degree-of-freedom actuator of the embodiment. FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration of a second mode of the drive control unit in the multi-degree-of-freedom actuator of the embodiment.

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。   The multi-degree-of-freedom actuator Da is a device that can move the rotating body 1 around the axes of a plurality of rotating shafts. For example, as shown in FIGS. 1 to 4, the rotating body 1 and a plurality of translational thrusts An element 2, a base 3, a driver unit 4, and a control unit 5 are provided. The structural configuration of the multi-degree-of-freedom actuator Da will be described first, and then the electrical configuration will be described below.

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。   First, the rotating body 1, the plurality of translational thrust elements 2 and the base 3 which are structural configurations will be described. The base 3 is a member that supports the rotating body 1 and the plurality of translational thrust elements 2 and is, for example, a housing or a frame. By fixing each of the plurality of translation thrust elements 2 to the base 3, the rotating body 1 and the plurality of translation thrust elements 2 are supported by the base 3. For fixing between the base 3 and each of the plurality of translational thrust elements 2, for example, adhesive fixing with an adhesive is used. For example, other methods such as screwing or brazing may be used for the fixing. Further, for example, the translation thrust element 2 may be fixed to the base 3 by integrally forming a support member 23 and a base 3 shown in FIG.

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。   Each of the plurality of translation thrust elements 2 is a device that generates a translation thrust. As described above, the translational thrust means a force that pushes in only one predetermined direction, and the predetermined one direction includes at least one of a positive direction and a negative direction. The plurality of translation thrust elements 2 are three or more, and in the present embodiment, the three first to third translation thrust elements 2-1, 2-2, 2-3, which are the minimum number within the above range, are used. It has. These three first to third translational thrust elements 2-1 to 2-3 are arranged so that the contact points P1 to P3 with respect to the rotating body 1 are symmetrical. In the example shown in FIG. 1, the contact points P1 to P3 are point-symmetric. To illustrate this, FIG. 1A shows a set of points equidistant from the symmetry center P0. A circle is shown by a broken line. These contact points P1 to P3 are points (point contacts) and are located on this circle. More specifically, the three first to third translational thrust elements 2-1 to 2-3 are arranged at approximately equal intervals of about 120 degrees.

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。   In the present specification, when referring generically, it is indicated by a reference symbol without a suffix, and when referring to an individual configuration, it is indicated by a reference symbol with a suffix.

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。   As the translation thrust element 2, any device that generates a translation thrust can be used so that the direction of the translation thrust and the direction of the drive vector generated by receiving the translation thrust coincide with each other. In the embodiment, the translational thrust element 2 is engaged with the rotating body 1 with a predetermined frictional force and generates the translational thrust by reciprocating in a predetermined direction. More specifically, the translational thrust element 2 is a drive device that includes a motion excitation member that engages with the rotating body 1 with a predetermined frictional force and performs asymmetric reciprocation between a forward path and a return path in a predetermined direction. is there. As an example of such a drive device, there is a drive device using an electromechanical conversion element such as a piezoelectric element, which is referred to as SIDM (Smooth Impact Drive Mechanism, “SIDM” is a registered trademark). As an example of the SIDM, there is a driving device having a configuration shown in FIG.

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。   The translation thrust element 2 having the configuration shown in FIG. 2 includes an electromechanical conversion element 21, a motion excitation member 22, and a support member 23.

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。   The electromechanical conversion element 21 is an element that converts input electrical energy into mechanical energy, that is, mechanical motion. For example, the piezoelectric element 21 that converts input electrical energy into mechanical expansion and contraction motion by a piezoelectric effect, and the like. It is.

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(LiNbO)、ニオブ酸タンタル酸カリウム(K(Ta,Nb)O)、チタン酸バリウム(BaTiO)、タンタル酸リチウム(LiTaO)およびチタン酸ストロンチウム(SrTiO)等の無機圧電材料である。 The piezoelectric element 21 as the electromechanical conversion element 21 includes, for example, a laminate and a pair of external electrode portions. The laminated body is formed by alternately laminating a plurality of thin film (layered) piezoelectric layers made of a piezoelectric material and a thin film (layered) internal electrode layer having conductivity. In the present embodiment, the laminate has a quadrangular prism shape as shown in FIG. Each internal electrode layer is formed such that one end (one edge) thereof faces the outside. More specifically, one first internal electrode layer facing each other through the conductive layer among the internal electrode layers has one end facing a predetermined side surface (for example, the left side surface) of the multilayer body. The other second internal electrode layer is formed so that one end thereof faces the side surface (in the above example, the right side surface) facing the predetermined side surface. In this way, each internal electrode layer is configured such that a part thereof alternately faces the outside with a pair of outer peripheral side surfaces facing each other. Examples of the piezoelectric material include so-called PZT, crystal, lithium niobate (LiNbO 3 ), potassium niobate tantalate (K (Ta, Nb) O 3 ), barium titanate (BaTiO 3 ), lithium tantalate (LiTaO 3 ). And inorganic piezoelectric materials such as strontium titanate (SrTiO 3 ).

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。   The pair of external electrode portions are formed on a predetermined surface of the outer peripheral surface of the multilayer body, and supply the electric energy to the multilayer body. More specifically, one first external electrode portion in the pair of external electrode portions is a thin film along the stacking direction on the left side surface so as to be electrically connected to the one first internal electrode layer. The other second external electrode portion is formed in the shape (layered), and the other second internal electrode layer is formed into a thin film (layered) along the stacking direction on the right side surface so as to be electrically connected to the other second internal electrode layer. Formed with. In this manner, the pair of external electrodes are sequentially conducted alternately with the internal electrode layers, and supplies the electric energy to the piezoelectric layers of the multilayer body.

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。   In the piezoelectric element 21 as an example of the electromechanical conversion element 21 having such a configuration, a predetermined voltage is applied to the pair of external electrode units from an external circuit such as a drive control unit illustrated in FIGS. When the electric energy is supplied to each piezoelectric layer of the multilayer body, the multilayer body expands or contracts in the stacking direction due to the piezoelectric effect of each piezoelectric layer.

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。   The motion excitation member 22 is fixed to a piezoelectric element 21 as an electromechanical conversion element 21, and mechanical energy converted from electric energy is transmitted by the piezoelectric element 21. The mechanical energy is transmitted to the rotating body 1 around a predetermined axis. It is a member that causes movement. More specifically, in this embodiment, the motion excitation member 22 is a columnar (axial) member fixed to one end of the piezoelectric element 21 in the stacking direction of the stacked body. For this fixing, for example, an adhesive such as a thermosetting adhesive is used. As the material of the motion excitation member 22, any material such as metal, ceramic, glass, carbon, and a composite material including at least one of them can be used. In the present embodiment, the motion excitation member 22 is formed of a carbon fiber composite. The cross section orthogonal to the longitudinal direction of the motion excitation member 22 may be, for example, any shape such as a rectangle, a polygon, an ellipse, and a circle. The motion excitation member 22 includes a polygonal column, a cylinder, and a weight (polygonal cone). In this embodiment, as shown in FIG. 2, the cross section of the motion excitation member 22 that makes point contact with the rotating body 1 is a chamfered rectangle. The length in the longitudinal direction of the motion excitation member 22 is appropriately determined depending on the size of the rotating body 1 and the like. However, the rotating body 1 does not move in the longitudinal direction of the motion excitation member 22, and the motion excitation member Since 22 only needs to make point contact with the rotating body 1, it can be shortened. Therefore, the translational thrust element 2 configured as shown in FIG. 2 contributes to the downsizing of the multi-degree-of-freedom actuator Da, and is suitable.

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。   The support member 23 is a member that supports the piezoelectric element 21 and the motion excitation member 22 by holding them. As shown in FIG. 2, the support member 23 is formed in a substantially U shape (substantially C shape, substantially U shape). The piezoelectric element 21 and the motion excitation member 22 are supported by the support member 23 by fitting a connection portion between the piezoelectric element 21 and the motion excitation member 22 into the concave portion in the substantially U shape. More specifically, the connection portion between the piezoelectric element 21 and the motion excitation member 22 has three surfaces (a lower surface on the peripheral surface and a pair of side surfaces) excluding one surface (an upper surface on the peripheral surface). Each surface) is in contact with the support member 23. When the connection portion is fitted, a thermosetting adhesive is applied to the outer peripheral surface of the connection portion between the piezoelectric element 21 and the motion excitation member 22 or the inner peripheral surface of the concave portion of the support member 23, and the heating step. As a result, the adhesive is thermally cured, and as a result, the piezoelectric element 21 and the motion excitation member 22 are bonded and fixed to the support member 23. In the example shown in FIG. 2, the connection portion between the piezoelectric element 21 and the motion excitation member 22 is connected and fixed to the support member 23, but the motion excitation member 22 is connected to the support member 23. The piezoelectric element 21 may be connected to the support member 23 and fixed. The support member 23 is fixed to the base 3 on the back surface facing the concave portion in the substantially U shape. More specifically, in the side view, the three translational thrust elements 2-1 to 2-3 have the respective motion excitation members 22 with respect to the base 3 at a predetermined angle θ1 (on the horizontal plane of the base 3). It is fixed and arranged so as to be inclined at a predetermined angle θ1) from the horizontal plane as 0 degree. For the fixing between the base 3 and the support member 23 of the translational thrust element 2, for example, adhesive fixing with an adhesive is used. For example, other methods such as screwing or brazing may be used for the fixing. In the top view, as described above, the three translational thrust elements 2-1 to 2-3 are arranged at approximately equal intervals of about 120 degrees.

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。   Since the support member 23 substantially holds the position in this way, when the laminate of the piezoelectric elements 21 expands and contracts as described above, the expansion and contraction is transmitted to the motion excitation member 22, and the motion excitation member 22 21 reciprocates in conjunction with the expansion and contraction of the laminate in 21.

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。   The rotating body 1 is a member that engages with a plurality of translational thrust elements 2 with a predetermined frictional force. The rotating body 1 can be formed of any material, but in order to improve durability, the rotating body 1 should be formed of a material having excellent wear resistance such as a paper friction material used for a clutch mechanism of a car, for example. Is preferred. In the present embodiment, the rotating body 1 is formed of a magnetic material such as iron, as will be described later. The entire rotating body 1 may be formed of the magnetic body, and only the surface thereof may be formed of the magnetic body. Further, only a part of the surface on which the magnetic force acts may be formed of the magnetic material. Further, a part in the rotating body 1 may be formed of the magnetic body. In this case, the deviation may be present, but it is preferable that there is no deviation from the viewpoint of easily performing drive control of the rotating body.

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。   The surface that engages with the motion excitation member 22 in the rotator 1 may be a curved surface or a flat surface, and the rotator 1 may be a solid member having an arbitrary shape. Therefore, the rotating body 1 may be, for example, a polyhedron as well as a sphere, an elliptic sphere, and a hemisphere from which a part thereof is cut off. The polyhedron is more preferable as the number of faces such as a 14-hedron and a 20-hedron is larger. And in order to move the rotary body 1 more smoothly, it is preferable that the rotary body 1 is a member of the shape where the surface engaged with the some translational thrust element 2 is a curved surface. In this embodiment, as shown in FIG. 1, the rotating body 1 is a sphere or a spherical shell.

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。   In the configuration in which the rotating body 1, the motion excitation member 22 of the translational thrust element 2 and the base 3 are arranged in this order in the direction in which gravity acts (direction of gravity action), the translational thrust element 2 rotates. It is possible to engage the plurality of translational thrust elements 2 and the rotating body 1 with the predetermined frictional force by utilizing the weight of the body 1, but in this configuration, there are restrictions on use and design. Arise. More specifically, for example, when the multi-degree-of-freedom actuator Da is tilted, the rotating body 1 may roll down. For this reason, the multi-degree-of-freedom actuator Da must be used at a fixed location, which causes restrictions on use. Alternatively, in order to prevent the rotator 1 from falling, a fall preventing member is separately required, and design restrictions arise. In order to reduce such usage restrictions and design restrictions, in this embodiment, the multi-degree-of-freedom actuator Da engages the plurality of translational thrust elements 2 and the rotating body 1 with the predetermined frictional force. An urging member that generates an urging force to be generated is further provided. Since such an urging member can be configured more simply, for example, an elastic body such as a compression coil spring or a leaf spring may be used. Such an elastic body is obtained by considering a polygon that apexes the contact points P (P1 to P3) where the motion excitation members 22 of the plurality of translation thrust elements 2 and the rotating body 1 contact each other. Is arranged so as to generate an urging force in a direction toward the plurality of translational thrust elements 2 along the normal direction of the polygon passing through the center of gravity of the polygon. Further, for example, the urging member may be an air compressor that generates a suction attraction by air by sucking air. Such an urging member based on the attractive force attracts the air and thereby apexes the contact points P (P1 to P3) where the motion excitation members 22 of the plurality of translational thrust elements 2 and the rotating body 1 come into contact with each other. When a polygon is considered, it is arranged so as to generate a biasing force in the direction toward the plurality of translational thrust elements 2 along the normal direction of the polygon passing through the center of gravity of the polygon. For example, the biasing member may be a magnet that generates a magnetic force. In the present embodiment, the base 3 is formed by a magnet such as a permanent magnet, and the rotating body 1 is, for example, described above in order to interact with the magnetic field formed by the magnet of the base 3. Thus, it is formed of a magnetic material such as iron. As shown in FIG. 1, the magnetic base 3 acts on the rotating body 1 with a magnetic force (indicated by a relatively thick arrow in FIG. 1B) from the center point Pc toward the base 3. The magnetic force passes through the polygonal center of gravity that apexes the contact points P (P1 to P3) where the motion excitation members 22 of the plurality of translational thrust elements 2 and the rotating body 1 are in contact with each other. It acts on the motion excitation members 22 of the plurality of translational thrust elements 2 substantially equally (indicated by relatively thin arrows in FIG. 1B). Thereby, the motion excitation member 22 of the plurality of translation thrust elements 2 can stably hold the rotating body 1 by this magnetic force. Then, by using the magnetic force to generate the urging force, the plurality of translational thrust elements 2 and the rotating body 1 can be engaged with the predetermined frictional force with an extremely small structure. The magnetic body of the rotating body 1 is preferably a paramagnetic body. By forming the rotator 1 with a paramagnetic material in this way, the magnetic field of the magnet of the base 3 is similarly affected regardless of the rotation state of the rotator 1. The drive control of the rotating body 1 (control of a plurality of translational thrust elements 2) becomes easier. In the above description, the base 3 is formed of a magnet. However, a magnet such as a permanent magnet or an electromagnet may be provided separately from the base 3.

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。   Next, the drive unit 4 and the control unit 5 which are electrical configurations will be described. The drive unit 4 and the control unit 5 are drive control units that control the rotation direction, the rotation amount (rotation displacement), the rotation speed, and the like of the rotating body 1 by controlling the driving of the plurality of translation thrust elements 2. An appropriate circuit is used for the drive control unit including the drive unit 4 and the control unit 5 according to the mode of the translational thrust element 2. When the translational thrust element 2 is the SIDM drive device shown in FIG. 2, for example, the H bridge type drive control circuit shown in FIG. 3 or the half bridge type drive control circuit shown in FIG. Used as

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。   The H bridge type drive control circuit shown in FIG. 3 includes a driver unit 4a and a control unit 5a. The driver unit 4a is a circuit that supplies power to the translational thrust element 2 by applying a predetermined drive voltage to the translational thrust element 2, and for example, as shown in FIG. 3, a transistor Q11 as four switching elements. , Q12, Q13, and Q14. The transistors Q11 and Q12 connected in series are connected between the power source + V and the ground, and the transistors Q13 and Q14 connected in series are connected in parallel to the transistors Q11 and Q12 connected in series. Then, the piezoelectric element 21 of the translational thrust element 2 is connected between a connection point between the transistor Q11 and the transistor Q13 and a connection point between the transistor Q13 and the transistor Q14. The control unit 5a controls the on / off of the transistors Q11 to Q14 in order to control each of the plurality of translation thrust elements 2 so as to drive the rotating body 1 with a desired rotation direction, rotation amount and rotation speed. To S14. Control signals S11 to S14 for turning on and off the transistors Q11 to Q14 are supplied from the control unit 5a to the control terminals of the transistors Q11 to Q14, respectively.

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。   The half-bridge type drive control circuit shown in FIG. 4 includes a driver unit 4b and a control unit 5b. The driver unit 4b is a circuit that supplies power to the translational thrust element 2 by applying a predetermined drive voltage to the translational thrust element 2, and for example, as shown in FIG. 4, a transistor Q21 as two switching elements. , Q22. The transistor Q21 and the transistor Q22 connected in series with each other are connected between the power source + V and the ground, and the piezoelectric element of the translational thrust element 2 is connected between the connection point of the series-connected transistors Q21 and Q22 and the ground. 21 is connected. The control unit 5b controls the on / off of the transistors Q21 and Q22 in order to control each of the plurality of translation thrust elements 2 so as to drive the rotating body 1 with a desired rotation direction, rotation amount, and rotation speed. , S22. Control signals S21 and S22 for turning on and off the transistors Q21 and Q22 are supplied from the control unit 5b to the control terminals of the transistors Q21 and Q22, respectively.

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。   Next, the operation of the multi-degree-of-freedom actuator Da having such a configuration will be described. FIG. 5 is a diagram for explaining the operation of the direct degrees of freedom of the multi-degree-of-freedom actuator in the embodiment. FIG. 5A is a diagram for explaining a translation vector having a degree of freedom directly realized by each of the translation thrust elements 2-1 to 2-3, and FIG. 5B is a diagram illustrating the translation vector. It is a figure for demonstrating the rotation vector which acts on the rotary body 1 of a sphere by. FIG. 6 is a diagram for explaining an operation of pseudo degrees of freedom of the multi-degree-of-freedom actuator in the embodiment. FIG. 7 is a diagram for explaining a driving state of the first aspect of each translational thrust element in the multi-degree-of-freedom actuator of the embodiment. FIG. 8 is a diagram for explaining a driving state of the second aspect of each translational thrust element in the multi-degree-of-freedom actuator of the embodiment. FIG. 9 is a diagram for explaining a driving state of the third aspect of each translational thrust element in the multi-degree-of-freedom actuator of the embodiment. 7 to 9, those drawings (A) are time charts showing the driving state of the first translational thrust element 2-1, and those figures (B) are the second translational thrust element 2-2. FIG. 6C is a time chart showing a driving state of the third translational thrust element 2-3. The horizontal axis in each figure represents time, and the vertical axis in each figure represents the driving state. The level “0” on the vertical axis in each figure represents the stop of driving (operation), and the level “1” on the vertical axis in each figure represents driving (operation).

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。   In order to rotationally move the rotary body 1 of the multi-degree-of-freedom actuator Da around a predetermined axis, one or a plurality of translational thrust elements 2 in the multi-degree-of-freedom actuator Da are driven (operated) to generate a translational thrust. Due to the generated translational thrust, the rotating body 1 engaged with the translational thrust element 2 with a predetermined frictional force rotates around a predetermined axis.

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。   This translational thrust is generated by the following operation when the translational thrust element 2 is the driving device of the SIDM shown in FIG.

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。   For example, in the H-bridge type drive control circuit including the driver unit 4a and the control unit 5a shown in FIG. 3, the transistors Q11 and Q4 and the transistors Q12 and Q13 provided at diagonal positions of the H-bridge are respectively connected to the control signals S11. The transistors Q11 and Q14 and the transistors Q12 and Q13 are driven in opposite phases with each other. As a result, a rectangular wave drive signal is applied to the piezoelectric element 21 of the translational thrust element 2. By setting the duty of the drive signal to about 0.7 ([high level time]: [low level time] = 7: 3), the translational thrust element 2 causes the piezoelectric element 21 to be driven by this drive signal. By performing asymmetric stretching vibration, the asymmetric stretching motion causes the motion excitation member 22 to perform asymmetric reciprocation with a speed difference between a forward path and a return path in a predetermined direction. For example, a thrust force that pushes only in the positive direction is generated. That is, the film stretches slowly in the positive direction and contracts rapidly in the negative direction. That is, the contraction speed in the negative direction is larger than the expansion speed in the positive direction. On the other hand, by setting the duty of the driving signal to about 0.3 ([high level time]: [low level time] = 3: 7), the translational thrust element 2 causes the piezoelectric element 21 to be asymmetrically expanded and contracted. Asymmetrical stretching vibration opposite to the movement is performed, and the movement excitation member 22 performs asymmetrical reciprocating motion with a reverse speed difference between the forward path and the backward path in the one direction due to the reverse asymmetrical stretching movement. As a result, the motion excitation member 22 generates a thrust force that pushes only in the negative direction in the one direction. That is, it slowly expands in the negative direction and rapidly contracts in the positive direction. That is, the contraction speed in the positive direction is larger than the expansion speed in the negative direction.

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。   For example, in the half-bridge type drive control circuit including the driver unit 4b and the control unit 5b shown in FIG. 4, the transistors Q21 and Q22 are driven in opposite phases by the control signals S21 and S22, respectively. As a result, a rectangular wave drive signal is applied to the piezoelectric element 21 of the translational thrust element 2 as described above, and the duty is adjusted as described above, so that the motion excitation member 22 of the translational thrust element 2 is applied to the motion excitation member 22 of the translational thrust element 2. Produces thrust that pushes in only one direction.

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。   Thus, the translational thrust element 2 is in a driving state when the driving signal is supplied. On the other hand, the translational thrust element 2 is in a driving stop state when the supply of the driving signal is stopped.

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。   In this way, the motion excitation member 22 performs a motion in which the speed change is a so-called sawtooth shape by the H bridge type drive control circuit or the half bridge type drive control circuit, and pushes the motion excitation member 22 in only one direction. Thrust is generated. FIG. 5A is a diagram showing the thrust generated in the motion excitation member 22 only in one direction as a translation vector.

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。   As shown in FIG. 5A, in the multi-degree-of-freedom actuator Da having the structure shown in FIG. 1, first, when the translational thrust element 2-1 operates, the translational thrust element 2-1 causes the translational thrust element 2-1. -1 in the direction from the piezoelectric element 21-1 toward the motion excitation member 22-1. As a result, the rotating body 1 engaged with the motion excitation member 22-1 of the translational thrust element 2-1 with a predetermined frictional force performs a rotational motion about the axis orthogonal to the translation vector V1. As shown in FIG. 5A, the X axis is set in the direction from the motion excitation member 22-1 to the piezoelectric element 21-1 in the translational thrust element 2-1, and the Y axis is set to be orthogonal to the X axis. When the XYZ coordinate system in which the Z axis is set so as to be orthogonal to the X axis and the Y axis is provided and the positive direction of the X axis is 0 degrees and the counterclockwise direction is the positive direction, the translation vector V1 is The rotation axis is in the +30 degree direction.

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。   When the translation thrust element 2-2 operates, the translation thrust element 2-2 causes a translation vector V2 in the direction from the piezoelectric element 21-2 to the motion excitation member 22-2 in the translation thrust element 2-2. Arise. As a result, the rotating body 1 engaged with the motion excitation member 22-2 of the translation thrust element 2-2 with a predetermined frictional force performs a rotational motion around the axis orthogonal to the translation vector V2. In the XYZ coordinate system, the translation vector V2 is in the 0 degree direction, and the rotation axis is in the +90 degree direction.

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。   When the translation thrust element 2-3 is operated, the translation thrust element 2-3 generates a translation vector V3 in the direction from the piezoelectric element 21-3 to the motion excitation member 22-3 in the translation thrust element 2-3. Arise. As a result, the rotating body 1 engaged with the motion excitation member 22-3 of the translational thrust element 2-3 with a predetermined frictional force performs a rotational motion around the axis orthogonal to the translation vector V3. In the XYZ coordinate system, the translation vector V3 is in the +60 degree direction, and the rotation axis is in the -30 degree direction.

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。   When a plurality of these three translational thrust elements 2-1 to 2-3 operate simultaneously, a composite vector of a plurality of translation vectors V generated by the plurality of translational thrust elements 2 operating is obtained. Acting on the rotator 1, the rotator 1 performs a rotational motion about an axis orthogonal to the combined vector. For example, all of these three translational thrust elements 2-1 to 2-3 are simultaneously operated with the translational thrust element 2-2 and the translational thrust element 2-3 in the same phase and the translational thrust element 2-1 in the opposite phase. In this case, as shown in FIG. 5B, a composite vector V is generated in the direction (X-axis direction) from the motion excitation member 22-2 to the piezoelectric element 21-2 in the translational thrust element 2-2. Then, with this composite vector V, the rotator 1 rotates around an axis (Y axis) orthogonal to the composite vector V. That is, the rotation vector in this case is in the Y-axis direction.

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。   When the rotary body 1 is rotated around the desired rotation axis, the translational thrust element 2 that does not contribute to the rotary movement may be in a stopped state, but may be in a slip state with respect to the rotary body 1. preferable. For example, when the translational thrust element 2 is the SIDM drive device shown in FIG. 2, the duty of the drive signal is about 0.5 ([high level time]: [low level time] = 5: 5). By doing so, the translational thrust element 2 is in a slip state with respect to the rotating body 1. As a result, the translational thrust element 2 is engaged with the rotating body 1 not by static frictional force but by dynamic frictional force, so that the rotating body 1 can smoothly rotate.

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。   By operating in this way, the multi-degree-of-freedom actuator Da in the present embodiment can move the rotating body 1 around the axes of a plurality of rotating shafts. And since the multi-degree-of-freedom actuator Da in this embodiment uses the several translational thrust element 2 which can be reduced in size, it becomes possible to reduce in size and to contact a rotary body in multiple places, Therefore A bigger driving force is given. Can be obtained. In addition, the multi-degree-of-freedom actuator Da in the present embodiment can be driven with high resolution of, for example, several hundred nanometers or less, and precise position control is possible.

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。   On the other hand, since it operates in this way, there is a degree of freedom that cannot be directly realized by the plurality of translation thrust elements 2 due to the arrangement positions of the plurality of translation thrust elements 2 with respect to the rotating body 1. There is a case. For example, in the configuration shown in FIG. 1, when a polygon that apexes the contact point P (P1 to P3) is considered, the rotation is performed with the polygon normal P0Pc passing through the center of gravity P0 of the polygon as the rotation axis. Motion (degree of freedom) cannot be directly realized by these three first to third translational thrust elements 2-1 to 2-3.

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。   For this reason, in the multi-degree-of-freedom actuator Da of the present embodiment, the drive control unit (drive unit 4 and control unit 5) is directly operated by the three first to third translational thrust elements 2-1 to 2-3. In order to realize a degree of freedom that cannot be realized automatically, the remaining plurality (in the period in which one of the first to third translational thrust elements 2-1 to 2-3 is stopped, These first to third translational thrust elements 2-1 to 2-3 are controlled so as to drive at least two of the two translational thrust elements 2 in the present embodiment. is there. As described above, the drive control unit controls the driving of the first to second translational thrust elements 2 so that the multi-degree-of-freedom actuator Da having such a configuration is directly realized by the plurality of translational thrust elements 2. The degree of freedom that cannot be realized can be realized in a pseudo manner.

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。   More specifically, when the drive of the first to third translational thrust elements 2-1 to 2-3 is controlled in this way, the movement of the rotating body 1 is restricted at the contact point with the translational thrust element 2 that has stopped driving. As a result, the rotating body 1 has only a rotational movement with a contact point with the translational thrust element 2 that has stopped driving as a fulcrum and a line segment passing through the fulcrum contact point and the center P0 of the rotating body 1 as a rotation axis. The translational thrust of the translational thrust element 2 being driven is canceled by the frictional force at the contact point where the other components except for the component contributing to the rotational motion serve as the fulcrum. Thus, the degree of freedom that cannot be directly realized by driving the plurality of translational thrust elements 2 is realized in a pseudo manner. For example, as shown in FIG. 6, during the period in which the driving of the third translational thrust element 2-3 is stopped and the remaining first and second translational thrust elements 2-1 and 2-2 are driven, the rotating body 1 is a rotary motion with a contact point P3 with the third translational thrust element 2-3 stopped driving as a fulcrum and a line segment P3P0 passing through the contact point P3 serving as the fulcrum and the center P0 of the rotating body 1 as a rotation axis. The translational thrusts of the first and second translational thrust elements 2-1 and 2-2 that are being driven can be obtained at the contact P3 where the other components excluding the component that contributes to the rotational motion are the fulcrums. Canceled by frictional force. Thus, a degree of freedom with the line segment P3P0 as the rotation axis that cannot be directly realized by driving the first to third translational thrust elements 2-1 to 2-3 is realized in a pseudo manner.

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。   Further, in the plurality of translation thrust elements 2, a rotational motion obtained by synthesizing the rotational motions restricted by the respective contacts is realized by sequentially switching the translation thrust elements 2 to be stopped in a clockwise direction or a counterclockwise direction. Thus, a degree of freedom that cannot be directly realized by the plurality of translational thrust elements 2 is realized in a pseudo manner. More specifically, in the first period, the driving of the first translational thrust element 2-1 is stopped and the remaining second and third translational thrust elements 2-2 and 2-3 are driven. As a result, this In the first period, the rotating body 1 has a contact P1 with the first translational thrust element 2-1 that has stopped driving as a fulcrum, and a line segment P1P0 that passes through the contact P1 serving as the fulcrum and the center P0 of the rotator 1. In the second period following the first period, the translational thrust element 2 that stops driving is switched, the driving of the second translational thrust element 2-2 is stopped, and the remaining The third and first translational thrust elements 2-3 and 2-1 are driven. As a result, in this second period, the rotating body 1 contacts the second translational thrust element 2-2 that has stopped driving. And a line segment P2P passing through the contact P2 serving as the fulcrum and the center P0 of the rotating body 1 Only in the third period following the second period, the translation thrust element 2 that stops driving is switched, and the drive of the third translation thrust element 2-3 is stopped, The remaining first and second translational thrust elements 2-1 and 2-2 are driven. As a result, in this third period, the rotating body 1 is in contact with the third translational thrust element 2-3 that has stopped driving. Only a rotational motion is generated with the contact point P3 as a fulcrum and the line P3P0 passing through the contact point P3 serving as the fulcrum and the center P0 of the rotating body 1 as a rotation axis. And control of these 1st thru | or 3rd period is repeated sequentially. As described above, the first to third translational thrust elements 2-1 to 2-3 are driven by cyclically performing the control of the first to third periods, so that the three first to third translational elements are driven. A rotational motion (degree of freedom) about the normal line P0Pc that cannot be directly realized by the third translational thrust elements 2-1 to 2-3 is realized in a pseudo manner.

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。   Then, during the period when one of the plurality of translation thrust elements 2 is stopped, at least two of the plurality of translation thrust elements 2 are driven. In addition, examples of a method for controlling the plurality of translational thrust elements include the following methods.

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。   The first method is a method of controlling the drive of the translation thrust element by repeating a drive period for driving the translation thrust element 2 and a drive stop period for stopping the drive of the translation thrust element 2 following the drive period. Then, when a period composed of the drive period and the drive stop period following the drive transmission period is defined as one period, a method of controlling a plurality of translational thrust elements 2 including at least one different period. is there. Such a multi-degree-of-freedom actuator Da using the first method cannot be directly realized by the plurality of translational thrust elements 2 by a relatively simple control of varying the period (frequency). Control of the plurality of translational thrust elements 2 for realizing the above can be realized.

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。   FIG. 7 shows driving patterns of the first to third translational thrust elements 2-1 to 2-3 in the multi-degree-of-freedom actuator Da configured as shown in FIG. 1 when such a first method is used. Yes. In the drive pattern shown in FIG. 7, the first and second translational thrust elements 2-1 and 2-2 are controlled at the same period (frequency), and the third translational thrust element 2-3 is controlled by the first and second translational thrust elements 2-3. The second translational thrust elements 2-1 and 2-2 are controlled with a period (frequency) different from the period (frequency).

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。   The second method is a method of controlling the driving of the translational thrust element 2 by repeating the driving period and the driving stop period following the driving period, and at least one of the plurality of translational thrust elements 2 is controlled. This is a method of controlling the unit including a blank period in which the repetition of the drive period and the drive stop period is stopped. The multi-degree-of-freedom actuator Da using the second method realizes a degree of freedom that cannot be directly realized by the plurality of translational thrust elements 2 by a relatively simple control of providing the blank period. Therefore, control of the plurality of translational thrust elements 2 can be realized.

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。   FIG. 8 shows driving patterns of the first to third translational thrust elements 2-1 to 2-3 in the multi-degree-of-freedom actuator Da configured as shown in FIG. 1 when such a second method is used. Yes. In the drive pattern shown in FIG. 8, the first to third translational thrust elements 2-1 to 2-3 are controlled with the same period (frequency), and the third translational thrust element 2-3 is connected to the drive period. Control is performed including a blank period in which the repetition with the drive stop period is stopped at a predetermined time interval.

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。   The third method is a method of controlling the driving of the translational thrust element 2 by repeating the driving period and the driving stop period following the driving period, and a ratio between the driving period and the driving stop period. Is a method for controlling the plurality of translational thrust elements 2 including at least one different drive stop ratio. Such a multi-degree-of-freedom actuator Da using the third method is directly realized by the plurality of translational thrust elements 2 by relatively simple control of varying the drive stop ratio (duty ratio of drive stop). It is possible to realize control of the plurality of translational thrust elements 2 to realize a degree of freedom that cannot be achieved.

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。   Further, a plurality of methods among these first to third methods may be combined. For example, the fourth method combines the first and second methods, includes at least one different period (frequency) as described above, and includes at least one of the plurality of translational thrust elements 2 as described above. In this method, the plurality of translational thrust elements 2 are controlled so as to be controlled including the blank period.

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。   Further, for example, the fifth method is a combination of the first and third methods, including at least one different period (frequency) as described above, and including at least one different drive stop ratio as described above. This is a method of controlling the translational thrust element 2.

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。   Further, for example, the sixth method is a combination of the third and second methods, includes at least one different drive stop ratio as described above, and at least one of the plurality of translational thrust elements 2 as described above. In this method, the plurality of translational thrust elements 2 are controlled so as to be controlled including the blank period.

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。   Further, for example, the seventh method is a combination of the first to third methods, includes at least one different driving stop ratio as described above, includes at least one different period as described above, and further, as described above. The plurality of translational thrust elements 2 are controlled such that at least one of the plurality of translational thrust elements 2 is controlled including the blank period.

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。   FIG. 9 shows drive patterns of the first to third translational thrust elements 2-1 to 2-3 in the multi-degree-of-freedom actuator Da configured as shown in FIG. 1 when the fourth method is used. Yes. In the drive pattern shown in FIG. 9, the first and second translational thrust elements 2-1 and 2-2 are controlled at the same period (frequency), and the third translational thrust element 2-3 is controlled by the first and second translational thrust elements 2-3. The second translational thrust elements 2-1 and 2-2 are controlled with a period (frequency) different from the period (frequency) of the second translational thrust elements 2-1 and 2-2. Control is performed including a blank period for stopping the repetition at predetermined time intervals.

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。   Control of the plurality of translational thrust elements 2 by each of these methods is performed by the drive control unit including the drive unit 4 and the control unit 5. Since the period (frequency) and the drive stop ratio in each method cannot be directly realized by the plurality of translational thrust elements 2, a desired rotational direction and a desired degree of freedom realized in a pseudo manner are obtained. It is appropriately set according to the rotation speed, the desired rotation axis, and the like.

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。   In the multi-degree-of-freedom actuator Da in the present embodiment, the plurality of translational thrust elements 2 are arranged such that the contact points P (P1 to P3) with respect to the rotating body 1 are point-symmetric. For this reason, since the rotary body 1 is equally supported by the plurality of translational thrust elements 2, the posture of the rotary body 1 can be stably maintained, and the rotary body 1 can be stably driven and controlled. . In addition, the drive control is also facilitated when arranged symmetrically in this way.

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。   The multi-degree-of-freedom actuator Da according to the present embodiment further includes a biasing member that generates a biasing force that engages the plurality of translational thrust elements 2 and the rotating body 1 with a predetermined frictional force. For this reason, in the multi-degree-of-freedom actuator Da in the present embodiment, usage restrictions and design restrictions are reduced. In this embodiment, the urging member is a magnet, and the rotating body 1 is formed of a magnetic body that acts on the magnetic force generated by the magnet. For this reason, the multi-degree-of-freedom actuator Da in the present embodiment can be miniaturized, and it is not necessary to separately input energy from the outside to generate the urging force.

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。   Moreover, in the above-mentioned embodiment, although the urging | biasing member was comprised with one member, you may be comprised with a some member. For example, a plurality of magnets may be used as the urging member, or a magnet and an elastic body may be used.

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。   In the above-described embodiment, the three translational thrust elements 2-1 to 2-3 are fixed so that the motion excitation member 22 is inclined at a predetermined angle θ1 with respect to the base 3 in a side view. In the top view, the three translational thrust elements 2-1 to 2-3 are arranged at approximately equal intervals of about 120 degrees, but the plurality of translational thrust elements 2 may be arranged in a desired plurality of freedom. Under the premise that the degree can be realized, the rotating body 1 can be engaged with a predetermined frictional force in various manners. Hereinafter, an engagement mode between the translational thrust element and the rotating body will be described.

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。   FIG. 10 is a diagram for explaining a first engagement mode between the translational thrust element and the rotating body in the multi-degree-of-freedom actuator of the embodiment. FIG. 11 is a diagram for explaining a second engagement mode between the translational thrust element and the rotating body in the multi-degree-of-freedom actuator according to the embodiment. FIG. 12 is a view for explaining a third engagement mode between the translational thrust element and the rotating body in the multi-degree-of-freedom actuator of the embodiment. 10A is the same as FIG. 1B, and FIG. 10 to FIG. 12 are cross-sectional views taken along the line AA shown in FIG. 1A, as in FIG. 1B. It is. FIG. 13 is a view for explaining a fourth engagement mode between the translational thrust element and the rotating body in the multi-degree-of-freedom actuator of the embodiment. FIG. 13 shows the rotating body 1 in a transparent state in order to show the engaged state between the rotating body 1 and the plurality of translational thrust elements 2 as in FIG.

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。   First, in the first engagement mode, the translational thrust element 2 may be arranged such that the motion excitation member 22 is fixed to the base 3 at an arbitrary angle θ (where θ includes 0 degrees). For example, like the multi-degree-of-freedom actuator Da shown in FIGS. 10A and 1B, the translational thrust element 2 is fixed so that the motion excitation member 22 is inclined with respect to the base 3 at an angle θ1. For example, like the multi-degree-of-freedom actuator Db shown in FIG. 10B, the translational thrust element 2 has its motion excitation member 22 tilted with respect to the base 3 at an angle θ2 larger than the angle θ1. It may be fixed and arranged. Of course, although not shown in the drawing, the translational thrust element 2 may be fixed and disposed so that the motion excitation member 22 is inclined with respect to the base 3 at an angle θ3 smaller than the angle θ1.

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。   The direction from the piezoelectric element 21 toward the motion excitation member 22 may be a direction from the outside toward the center point Pc ′ along the radial direction, as shown in FIG. ), It may be a direction from the center point Pc ′ toward the outside along the radial direction. Here, the direction from the piezoelectric element 21 toward the motion excitation member 22 is the direction from the piezoelectric element 21 toward the motion excitation member 22 when the piezoelectric element 21 and the motion excitation member 22 are projected onto the base 3. The radial direction is a radial direction of a projected circle (a circle formed by the outer peripheral contour of the rotating body 1) of the rotating body 1 formed when the spherical rotating body 1 is projected onto the base 3. The center point Pc ′ is the center point of this circle (projection point of the center point Pc formed when the center point Pc of the rotating body 1 is projected onto the base 3). The following description is also the same.

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。   Further, in the second engagement mode, each of the plurality of translation thrust elements 2 may be fixed and arranged so that each motion excitation member 22 is inclined with respect to the base 3 at a different angle θ. For example, like the multi-degree-of-freedom actuator Dc shown in FIG. 11A, one of the three translational thrust elements 2 has a motion excitation member 22-2 on the base 3. The remaining one of the three translational thrust elements 2 is arranged so as to be inclined at an angle θ42, and the motion excitation member 22-3 has an angle with respect to the base 3 in the remaining one of the three translational thrust elements 2. Although the remaining translational thrust elements 2-1 of the three translational thrust elements 2 are not shown in the figure, the motion excitation member 22-1 is attached to the base 3 while being fixed so as to be inclined at θ43. It is fixed and arranged so as to be inclined at an angle θ41. In the example shown in FIG. 11A, the angle θ43 is different from the angle θ42, and in this example, is larger than the angle θ42. And in this 2nd engagement aspect, like the multi-degree-of-freedom actuator Dd shown to FIG. 11 (B), one translation thrust element 2-2 of the three translation thrust elements 2 is the motion excitation member. 22-2 may be fixed to the base 3 at an angle of 0 degrees. Although not shown, one of the three translational thrust elements 2 may be arranged such that the motion excitation member 22-2 is fixed to the base 3 at an angle of 90 degrees.

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。   Of course, each of the plurality of translational thrust elements 2 is fixed so that each motion excitation member 22 is inclined with respect to the base 3 at the same angle θ as shown in FIGS. 10 (A) and 10 (B). May be arranged.

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。   Further, in the third engagement mode, each of the plurality of translation thrust elements 2 may be fixed and arranged so as to come into contact with the rotating body 1 at an arbitrary position of the rotating body 1. For example, like the multi-degree-of-freedom actuator De shown in FIG. 12, one translation thrust element 2-2 of the three translation thrust elements 2 has a motion excitation member 22-2 having an angle of 0 with respect to the base 3. The remaining one of the three translational thrust elements 2 is arranged so that the motion excitation member 22-3 is inclined with respect to the base 3 at an angle of 90 degrees. And a line segment connecting the contact point P2 of the translation thrust element 2-2 with the rotating body 1 and the center point Pc of the rotation body and the contact point of the translation thrust element 2-1 with the rotating body 1 The angle formed by the line connecting P1 and the center point Pc of the rotating body is fixed so that the angle is 90 degrees, and the remaining translation thrust elements 2-3 of the three translation thrust elements 2 are arranged. Is a line connecting the contact point P1 of the translational thrust element 2-1 with the rotating body 1 and the center point Pc of the rotating body. And an angle formed by a line segment connecting the contact point P3 of the translational thrust element 2-3 with the rotating body 1 and the center point Pc of the rotating body is an angle of 90 degrees, and the translational thrust element The line segment connecting the contact point P2 with the rotating body 1 of 2-2 and the center point Pc of the rotating body, the contact point P3 with the rotating body 1 of the translation thrust element 2-3, and the center point Pc of the rotating body. Are fixed and arranged so that the angle formed by the line segment connecting the two becomes an angle of 45 degrees.

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。   In the fourth engagement mode, each of the plurality of translational thrust elements 2 may be fixed and arranged so as to come into contact with the rotating body 1 in an arbitrary direction. That is, each of the plurality of translation thrust elements 2 may be fixed and arranged so that the longitudinal direction (direction of the translation vector) of each motion excitation member 22 is in contact with the rotating body 1 in an arbitrary direction. Each of the translational thrust elements 2 may be arranged so that the direction from the piezoelectric element 21 toward the motion excitation member 22 (direction of the translation vector) is in contact with the rotating body 1 in an arbitrary direction.

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。   For example, like the multi-degree-of-freedom actuator Df shown in FIG. 13 (A), in the top view, each of the three translational thrust elements 2-1 to 2-3 has the longitudinal direction of each motion excitation member 22 in the radial direction. The two translational thrust elements 2-1 and 2-3 out of the three translational thrust elements 2-1 to 2-3 are piezoelectric elements. While the direction from 21 to the motion excitation member 22 is from the outside to the center, the remaining one translational thrust element 2-2 has a direction from the piezoelectric element 21 to the motion excitation member 22 from the center point Pc ′. The direction is toward the outside. Thus, each of the plurality of translational thrust elements 2 may have different directions from the piezoelectric element 21 toward the motion excitation member 22.

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。   Further, for example, like the multi-degree-of-freedom actuator Dg shown in FIG. 13B, each of the three translational thrust elements 2-1 to 2-3 has a diameter in the longitudinal direction of each of the motion excitation members 22 in a top view. Although it is along the direction, they may be arranged at unequal intervals (intervals different from each other). The translation thrust element 2-1 and the translation thrust element 2-2 are arranged at an interval of an angle of 135 degrees, and the translation thrust element 2-2 and the translation thrust element 2-3 are arranged at an interval of an angle of 90 degrees, The translation thrust element 2-3 and the translation thrust element 2-1 are arranged at an angle of 135 degrees.

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。   Further, for example, like the multi-degree-of-freedom actuator Dh shown in FIG. 13C, each of the three translational thrust elements 2-1 to 2-3 has a diameter in the longitudinal direction of each motion excitation member 22 in a top view. It does not necessarily have to be along the direction, and is along the tangential direction of a circle having a predetermined radius with the point on the line passing through the center point Pc of the rotating body 1 as the center point, and from the piezoelectric element 21 to the motion excitation member 22. The direction to go is arranged in the clockwise direction.

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。   For example, like the multi-degree-of-freedom actuator Di shown in FIG. 13D, each of the three translational thrust elements 2-1 to 2-3 has a diameter in the longitudinal direction of each motion excitation member 22 in a top view. The one along the direction and the one along the tangential direction of a circle having a predetermined radius with the point on the line passing through the center point Pc of the rotating body 1 as the center point may be mixed. Each of the two translation thrust elements 2-1 and 2-3 is along a tangential direction of a circle having a predetermined radius with a point on the line passing through the center point Pc of the rotating body 1 as a center point, and a piezoelectric element. The direction from 21 to the motion excitation member 22 is arranged in the clockwise direction, and the longitudinal direction of the motion excitation member 22 is arranged along the radial direction of the translation thrust element 2-2.

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。   As described above, the plurality of translational thrust elements 2 can be arranged in an arbitrary manner as long as they are arranged to engage with the rotating body 1 with a predetermined frictional force. For this reason, the plurality of translational thrust elements 2 can be arranged so that the multi-degree-of-freedom actuator D is the smallest. Alternatively, the plurality of translational thrust elements 2 can be arranged so as to achieve the simplest drive control in order to realize a desired degree of freedom of the multi-degree-of-freedom actuator D. Alternatively, the plurality of translation thrust elements 2 can directly realize the degree of freedom most frequently used among the desired degrees of freedom of the multi-degree-of-freedom actuator D with one translation thrust element 2. It can also be arranged according to the most frequently used degree of freedom.

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。   In the above description, the multi-degree-of-freedom actuators Da to Di include the three first to third translational thrust elements 2-1 to 2-3, but the four or more translational thrust elements 2 are included. It may be provided. For example, an example of a multi-degree-of-freedom actuator D including four first to fourth translational thrust elements 2-1 to 2-4 is shown in FIG.

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。   FIG. 14 is a diagram for explaining another configuration of the multi-degree-of-freedom actuator according to the embodiment. FIG. 14A shows a first other configuration, and FIG. 14B shows a second other configuration. As in FIG. 1A, FIG. 14 shows the rotating body 1 in a transparent state in order to show the engaged state between the rotating body 1 and the plurality of translational thrust elements 2.

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。   For example, like the multi-degree-of-freedom actuator Dk shown in FIG. 14A, in the top view, each of the four translational thrust elements 2-1 to 2-4 has the longitudinal direction of each motion excitation member 22 in the radial direction. Are arranged at substantially equal intervals of about 90 degrees.

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。   Further, for example, like the multi-degree-of-freedom actuator Dl shown in FIG. 14B, each of the four translational thrust elements 2-1 to 2-4 is a line passing through the center point Pc of the rotating body 1 in a top view. Along the tangential direction of a circle with a predetermined radius centered on the minute point, the direction from the piezoelectric element 21 toward the motion excitation member 22 is arranged in a counterclockwise direction. These four translational thrust elements 2-1 to 2-4 are arranged at substantially equal intervals.

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。   In order to express the present invention, the present invention has been properly and fully described through the embodiments with reference to the drawings. However, those skilled in the art can easily change and / or improve the above-described embodiments. It should be recognized that this is possible. Therefore, unless the modifications or improvements implemented by those skilled in the art are at a level that departs from the scope of the claims recited in the claims, the modifications or improvements are not covered by the claims. To be construed as inclusive.

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
D, Da to Dl Multi-degree-of-freedom actuator 1 Rotating body 2 Translation thrust element 4, 4a, 4b Drive unit 5, 5a, 5b Control unit

Claims (4)

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。
A plurality of three or more translation thrust elements that generate the translation thrust such that the direction of the translation thrust and the direction of the drive vector generated by receiving the translation thrust coincide with each other;
A rotating body that engages the plurality of translational thrust elements with a predetermined frictional force;
A drive control unit for controlling the drive of the plurality of translational thrust elements,
In order to realize a degree of freedom that cannot be directly realized by the plurality of translation thrust elements, the drive control unit is configured to stop one translation thrust element among the plurality of translation thrust elements. A multi-degree-of-freedom actuator, wherein the plurality of translation thrust elements are controlled so as to drive at least two of the plurality of remaining translation thrust elements.
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。
The drive control unit controls driving of the translation thrust element by repeating a drive period for driving the translation thrust element and a drive stop period for stopping driving of the translation thrust element following the drive period. When the period composed of the drive period and the drive stop period following the drive transmission period is defined as one period, the plurality of translational thrust elements are controlled including at least one different period. The multi-degree-of-freedom actuator according to claim 1.
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。
The drive control unit controls driving of the translation thrust element by repeating a drive period for driving the translation thrust element and a drive stop period for stopping driving of the translation thrust element following the drive period. 3. The method according to claim 1, wherein at least one of the plurality of translational thrust elements is controlled including a blank period during which repetition of the drive period and the drive stop period is stopped. The multi-degree-of-freedom actuator described.
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。
The drive control unit controls driving of the translation thrust element by repeating a drive period for driving the translation thrust element and a drive stop period for stopping driving of the translation thrust element following the drive period. When the ratio between the drive period and the drive stop period is defined as a drive stop ratio, the plurality of translation thrust elements are controlled including at least one different drive stop ratio. The multi-degree-of-freedom actuator according to any one of claims 1 to 3.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2019030062A (en) * 2017-07-26 2019-02-21 グンゼ株式会社 Drive device

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