(57)【要約】【課題】２つの超音波モータにおける２つの回転子に対して適切な予圧を同時に付与することの可能な負荷重量物完全三自由度駆動装置の提供。【解決手段】超音波モータ固定部材３に上方配置された第１の超音波モータ１における回転子１ｂの軸回転運動と、当該超音波モータ固定部材３に下方配置された第２の超音波モータ２における回転子２ｂの軸傾斜運動とを合成して得られる完全三自由度方向の軸運動を負荷重量物βに伝達する第１及び第２の水平翼部材４及び５並びに複数の第１の弾性体８，８，…と、伝達された軸運動における軸傾斜運動に伴って当該負荷重量物βに生じる傾斜負荷トルクを軽減補償する平衡用ユニバーサルジョイント６、同平衡用ユニバーサルジョイント６における回転子６ａ、平衡水平翼部材７、複数の第２の弾性体９，９，…及びカウンタウェイト１０とを具備する特徴的構成手段の採用。【選択図】図１
2004357397.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉛直上方に軸支される負荷重量物を完全三自由度方向に駆動するための負荷重量物完全三自由度駆動装置であって、
それぞれ、複数の圧電素子を重層して構成された円筒形の固定子と、それら複数の圧電素子への交流電圧の印加に伴って当該固定子に生じる超音波振動により回動する球形の回転子とを有して構成され、当該超音波振動の態様に応じ、対応する当該各回転子の軸回転運動及び軸傾斜運動をそれぞれ独立並行して行う第１及び第２の超音波モータと、
これら第１及び第２の超音波モータにおける前記各回転子が、対応する各固定子の各上面にそれぞれ位置するよう、当該第１及び第２の超音波モータにおける当該各固定子を前記負荷重量物の鉛直軸支方向に沿って上下に配置固定する超音波モータ固定部材と、
この超音波モータ固定部材に上方配置された前記第１の超音波モータにおける前記回転子の前記軸回転運動と、当該超音波モータ固定部材に下方配置された前記第２の超音波モータにおける前記回転子の前記軸傾斜運動とを合成し、その合成により得られる前記完全三自由度方向の軸運動を前記負荷重量物に伝達する軸運動合成伝達手段と、
この軸運動合成伝達手段により前記負荷重量物に伝達された前記軸運動における前記軸傾斜運動に伴って当該負荷重量物に生じる傾斜負荷トルクを、その逆向きの偶力トルクにより軽減補償する傾斜負荷トルク補償手段と、を有して構成される、
ことを特徴とする負荷重量物完全三自由度駆動装置。
【請求項２】
前記軸運動合成伝達手段は、
前記超音波モータ固定部材に上方配置された前記第１の超音波モータにおける前記固定子の上面に、対応する前記回転子が前記軸回転運動及び前記軸傾斜運動自在に圧接載置されるよう、当該回転子に対して鉛直下方に向かう定常的な予圧を付与する第１の予圧付与手段と、
前記超音波モータ固定部材に下方配置された前記第２の超音波モータにおける前記固定子の上面に、対応する前記回転子が前記軸傾斜運動自在に圧接載置されるよう、当該回転子に対して鉛直下方に向かう定常的な予圧を付与する第２の予圧付与手段と、
前記超音波モータ固定部材における底面の中心下方に回転子を軸支固定された全方位傾斜運動自在な平衡用ユニバーサルジョイントと、
この平衡用ユニバーサルジョイントにおける前記回転子を下支えし、前記負荷重量物の前記鉛直軸支方向に対し直交方向に水平外延した平衡水平翼部材と、を有して構成される、
ことを特徴とする請求項１に記載の負荷重量物完全三自由度駆動装置。
【請求項３】
前記第２の予圧付与手段は、
前記第２の超音波モータにおける前記回転子の前記軸傾斜運動を前記平衡水平翼部材に伝達する機能手段を具備し、
前記第１の予圧付与手段は、
前記第２の予圧付与手段で得られる前記第２の超音波モータにおける前記回転子の前記軸傾斜運動を、前記第１の超音波モータにおける前記回転子と前記負荷重量物との間に連結固定された軸支回転シャフトに伝達する機能手段を具備する、
ことを特徴とする請求項２に記載の負荷重量物完全三自由度駆動装置。
【請求項４】
前記第１の予圧付与手段は、
前記軸支回転シャフトの前記鉛直軸支方向に対し直交方向に水平外延した円板翼部を具備すると共に、前記第１の超音波モータにおける前記回転子を、当該回転子に下端を固定されボールベアリング及びロータリーエンコーダを装着した前記回転シャフトを介して、前記軸回転運動自在に当該ボールベアリング及びロータリーエンコーダ共々収容保持する突立円筒ボス部を具備する第１の水平翼部材と、
この第１の水平翼部材における前記円板翼部と前記第２の予圧付与手段との間にそれぞれ両端を接続されて、当該第１の水平翼部材を鉛直下方にそれぞれ等しい引っ張り力で牽引する複数の第１の弾性体と、を有して構成され、
前記第２の予圧付与手段は、
前記第２の超音波モータにおける前記回転子に基端を固定され、前記軸支回転シャフトの前記鉛直軸支方向に対し直交方向に水平放射状に相互等間隔で外延した複数の放射翼部を具備してなる第２の水平翼部材と、
この第２の水平翼部材における前記複数の放射翼部と前記平衡水平翼部材との間にそれぞれ両端を接続されて、当該第２の水平翼部材を鉛直下方にそれぞれ等しい引っ張り力で牽引する複数の第２の弾性体と、を有して構成される、
ことを特徴とする請求項３に記載の負荷重量物完全三自由度駆動装置。
【請求項５】
前記複数の第１の弾性体は、それぞれ、
前記第１の超音波モータにおける前記回転子の中心からそれぞれ等距離、相互等間隔に位置する前記第１の水平翼部材における前記円板翼部の下面外周域と、前記第２の超音波モータにおける前記回転子の中心からそれぞれ等距離に位置する前記第２の水平翼部材における前記複数の放射翼部の上面外端域との間に張設され、
前記第２の超音波モータにおける前記回転子の前記軸傾斜運動を、前記第１の超音波モータにおける前記回転子に連結固定された前記軸支回転シャフトに伝達する前記機能手段を具備する、
ことを特徴とする請求項４に記載の負荷重量物完全三自由度駆動装置。
【請求項６】
前記複数の第２の弾性体は、それぞれ、
前記第２の超音波モータにおける前記回転子の中心からそれぞれ等距離に位置する前記第２の水平翼部材における前記複数の放射翼部の下面外端域と、前記平衡用ユニバーサルジョイントにおける前記回転子の中心からそれぞれ等距離、相互等間隔に位置する前記平衡水平翼部材の上面外周域との間に張設され、
前記第２の超音波モータにおける前記回転子の前記軸傾斜運動を前記平衡水平翼部材に伝達する前記機能手段を具備する、
ことを特徴とする請求項５に記載の負荷重量物完全三自由度駆動装置。
【請求項７】
前記第２の予圧付与手段は、
前記第２の超音波モータにおける前記回転子の前記軸傾斜運動を前記平衡水平翼部材に伝達する機能手段を具備し、
前記第１の予圧付与手段は、
前記平衡水平翼部材に伝達された前記第２の超音波モータにおける前記回転子の前記軸傾斜運動を、前記第１の超音波モータにおける前記回転子と前記負荷重量物との間に連結固定された軸支回転シャフトに伝達する機能手段を具備する、
ことを特徴とする請求項２に記載の負荷重量物完全三自由度駆動装置。
【請求項８】
前記第１の予圧付与手段は、
前記軸支回転シャフトの前記鉛直軸支方向に対し直交方向に水平外延した円板翼部を具備すると共に、前記第１の超音波モータにおける前記回転子を、当該回転子に下端を固定されボールベアリング及びロータリーエンコーダを装着した前記回転シャフトを介して、前記軸回転運動自在に当該ボールベアリング及びロータリーエンコーダ共々収容保持する突立円筒ボス部を具備する第１の水平翼部材と、
この第１の水平翼部材における前記円板翼部と前記平衡水平翼部材との間にそれぞれ両端を接続されて、当該第１の水平翼部材を鉛直下方にそれぞれ等しい引っ張り力で牽引する複数の第１の弾性体と、を有して構成され、
前記第２の予圧付与手段は、
前記第２の超音波モータにおける前記回転子に基端を固定され、前記軸支回転シャフトの前記鉛直軸支方向に対し直交方向に水平放射状に相互等間隔で外延した複数の放射翼部を具備してなる第２の水平翼部材と、
この第２の水平翼部材における前記複数の放射翼部と前記平衡水平翼部材との間にそれぞれ両端を接続されて、当該第２の水平翼部材を鉛直下方にそれぞれ等しい引っ張り力で牽引する複数の第２の弾性体と、を有して構成される、
ことを特徴とする請求項７に記載の負荷重量物完全三自由度駆動装置。
【請求項９】
前記複数の第１の弾性体は、それぞれ、
前記第１の超音波モータにおける前記回転子の中心からそれぞれ等距離、相互等間隔に位置する前記第１の水平翼部材における前記円板翼部の下面外周域と、前記平衡用ユニバーサルジョイントにおける前記回転子の中心からそれぞれ等距離、相互等間隔に位置する前記平衡水平翼部材の上面外周域との間に張設され、
前記平衡水平翼部材に伝達された前記第２の超音波モータにおける前記回転子の前記軸傾斜運動を、前記第１の超音波モータにおける前記回転子に連結固定された前記軸支回転シャフトに伝達する前記機能手段を具備する、
ことを特徴とする請求項８に記載の負荷重量物完全三自由度駆動装置。
【請求項１０】
前記複数の第２の弾性体は、それぞれ、
前記第２の超音波モータにおける前記回転子の中心からそれぞれ等距離に位置する前記第２の水平翼部材における前記複数の放射翼部の下面外端域と、前記平衡用ユニバーサルジョイントにおける前記回転子の中心からそれぞれ等距離、相互等間隔に位置する前記平衡水平翼部材の上面外周域との間に張設され、
前記第２の超音波モータにおける前記回転子の前記軸傾斜運動を前記平衡水平翼部材に伝達する前記機能手段を具備する、
ことを特徴とする請求項９に記載の負荷重量物完全三自由度駆動装置。
【請求項１１】
前記第１の水平翼部材及び第２の水平翼部材との間の前記平衡水平翼部材における前記複数の第１及び第２の弾性体の張設位置は、
近接する当該第１及び第２の弾性体の組ごとに、それぞれ、前記平衡用ユニバーサルジョイントにおける前記回転子の中心を通過する各同一放射線上に位置する当該平衡水平翼部材の前記上面外周域に沿って並立して設定される、
ことを特徴とする請求項１０に記載の負荷重量物完全三自由度駆動装置。
【請求項１２】
前記第１の水平翼部材及び第２の水平翼部材との間の前記平衡水平翼部材における前記複数の第１及び第２の弾性体の張設位置は、
隣接する当該第１及び第２の弾性体につき、前記平衡用ユニバーサルジョイントにおける前記回転子の中心を含む同一円上に位置する当該平衡水平翼部材の前記上面外周域に沿って交互に設定される、
ことを特徴とする請求項１０に記載の負荷重量物完全三自由度駆動装置。
【請求項１３】
前記傾斜負荷トルク補償手段は、
前記平衡用ユニバーサルジョイントにおける前記回転子の中心の鉛直下方に位置する前記平衡水平翼部材の中央凹陥部外底面に固定されたカウンタウェイトである、
ことを特徴とする請求項２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１又は１２に記載の負荷重量物完全三自由度駆動装置。
【請求項１４】
前記軸運動合成伝達手段は、
前記平衡用ユニバーサルジョイント及び前記平衡水平翼部材に代えて、
前記超音波モータ固定部材の下方領域に一体連結形成され、前記軸支回転シャフトの前記鉛直軸支方向に対し直交方向に水平外延した下方水平円板翼部を有して構成される、
ことを特徴とする請求項２に記載の負荷重量物完全三自由度駆動装置。
【請求項１５】
前記第１の予圧付与手段は、
前記第２の予圧付与手段で得られる前記第２の超音波モータにおける前記回転子の前記軸傾斜運動を、前記第１の超音波モータにおける前記回転子と前記負荷重量物との間に連結固定された軸支回転シャフトに伝達する機能手段を具備する、
ことを特徴とする請求項１４に記載の負荷重量物完全三自由度駆動装置。
【請求項１６】
前記第１の予圧付与手段は、
前記軸支回転シャフトの前記鉛直軸支方向に対し直交方向に水平外延した円板翼部を具備すると共に、前記第１の超音波モータにおける前記回転子を、当該回転子に下端を固定されボールベアリング及びロータリーエンコーダを装着した前記回転シャフトを介して、前記軸回転運動自在に当該ボールベアリング及びロータリーエンコーダ共々収容保持する突立円筒ボス部を具備する第１の水平翼部材と、
この第１の水平翼部材における前記円板翼部と前記第２の予圧付与手段との間にそれぞれ両端を接続されて、当該第１の水平翼部材を鉛直下方にそれぞれ等しい引っ張り力で牽引する複数の第１の弾性体と、を有して構成され、
前記第２の予圧付与手段は、
前記第２の超音波モータにおける前記回転子に基端を固定され、前記軸支回転シャフトの前記鉛直軸支方向に対し直交方向に水平放射状に相互等間隔で外延した複数の放射翼部を具備してなる第２の水平翼部材と、
この第２の水平翼部材における前記複数の放射翼部と前記超音波モータ固定部材における前記下方水平円板翼部との間にそれぞれ両端を接続されて、当該第２の水平翼部材を鉛直下方にそれぞれ等しい引っ張り力で牽引する複数の第２の弾性体と、を有して構成される、
ことを特徴とする請求項１５に記載の負荷重量物完全三自由度駆動装置。
【請求項１７】
前記複数の第１の弾性体は、それぞれ、
前記第１の超音波モータにおける前記回転子の中心からそれぞれ等距離、相互等間隔に位置する前記第１の水平翼部材における前記円板翼部の下面外周域と、前記第２の超音波モータにおける前記回転子の中心からそれぞれ等距離に位置する前記第２の水平翼部材における前記複数の放射翼部の上面外端域との間に張設され、
前記第２の超音波モータにおける前記回転子の前記軸傾斜運動を、前記第１の超音波モータにおける前記回転子に連結固定された前記軸支回転シャフトに伝達する前記機能手段を具備する、
ことを特徴とする請求項１６に記載の負荷重量物完全三自由度駆動装置。
【請求項１８】
前記複数の第２の弾性体は、それぞれ、
前記第２の超音波モータにおける前記回転子の中心からそれぞれ等距離に位置する前記第２の水平翼部材における前記複数の放射翼部の下面外端域と、前記超音波モータ固定部材における下方領域構成面の中心からそれぞれ等距離、相互等間隔に位置する前記下方水平円板翼部の上面外周域との間に張設される、
ことを特徴とする請求項１７に記載の負荷重量物完全三自由度駆動装置。
【請求項１９】
前記傾斜負荷トルク補償手段は、
前記複数の第２の弾性体自身である、
ことを特徴とする請求項１６、１７又は１８に記載の負荷重量物完全三自由度駆動装置。
【請求項２０】
前記傾斜負荷トルク補償手段は、
前記第２の水平翼部材における前記複数の放射翼部の最外端域にそれぞれ配置固定される共に質量の等しい複数の分散カウンタウェイトである、
ことを特徴とする請求項４、５、６、８、９、１０、１１、１２、１６、１７、１８又は１９に記載の負荷重量物完全三自由度駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、負荷重量物完全三自由度駆動装置に関し、詳しくは、鉛直上方に軸支される負荷重量物を完全三自由度方向に駆動するための負荷重量物完全三自由度駆動装置に係わる。
【０００２】
【従来の技術】
近年、人間型ロボットの関節機構など、高トルク、高自由度動作を要求される部位に使用されるアクチュエータとして、従来の１自由度電磁式サーボモータに代り、省スペース、高トルクの多自由度超音波モータの適用が期待されている。特に、人間型ロボットの首関節機構のように、負荷重量物たる頭部を鉛直に支えつつその姿勢を多自由度に変位させる必要のある部位に対し、この種の多自由度超音波モータの応用が大いに期待されている。
【０００３】
一般に、多自由度超音波モータは、互いに振動方向が異なる複数の圧電素子を積層してなる円筒形の固定子（ステータ）と、この固定子上に密着して載置された球形の回転子（ロータ）とを有して構成される。この種の多自由度超音波モータにおける固定子の圧電素子に、周波数が等しく互いに位相が異なる交流電圧を印加すると、各圧電素子に固有振動が励起されて超音波が発生し、それら固有振動モードの組み合せにより、固定子に密着して載置されたの回転子が任意の方向に回転するようになる。
【０００４】
なお、現状の多自由度超音波モータとしては、固有振動モードの異なる３種類の圧電素子を、それぞれ縦及び横たわみ振動方向並びに上下伸縮振動方向に割り振った構成のものが研究されており、その詳細については、以下に示す非特許文献１に記載されている。
【０００５】
【非特許文献１】
前野隆司、竹村研治郎、‘縦振動と横振動の縮退に基づく多自由度超音波モータの開発’、日本ロボット学会誌、ｖｏｌ．１６、Ｎｏ．８、ｐｐ１１１５−１１２２、１９９８年
【０００６】
このように固定子に密着して載置された回転子をもつ多自由度超音波モータを駆動する場合、当該多自由度超音波モータの回転子に適切な予圧が為されれば、当該回転子に高い回転トルクを得ることが可能となる。特に、その静止時においては、特別な駆動制御を行うことなしに、同回転子に高い静止トルクを得ることが可能である。また、この種の多自由度超音波モータにおける固定子の各圧電素子に発生する超音波固有振動の周波数は、人間の可聴域外の値である２０ｋＨｚ以上であるため、その駆動に際して騒音が発生しないという利点がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この種の多自由度超音波モータの回転子を駆動する場合において、その１方向あたりの回転方向制御を行うには、固定子の圧電素子のうち２種類の振動方向を生じるものを同時に作動させなければならないため、存在する３種類の圧電素子を同時に作動させたとしても、最大２方向の回転方向制御が機構上の限界となる。このため、人間の首関節動作のように、頭部を傾斜させながら回転させるといった運動を、１つの多自由度超音波モータにより実現することは困難である。
【０００８】
また、上記多自由度超音波モータにより完全三自由度駆動制御を実現するにあたり、３種類の圧電素子を時間軸上で選択的に作動させて、その作動対象を高速で切り換えるなどの手法も考えられるが、このような手法を採用した場合、切換周波数として人間の可聴域内の値を選定する必要がある。この結果、その可聴域内にある切換周波数の音が固定子から騒音として発生し、静粛性をひとつの特徴とする多自由度超音波モータの利点が大きく損なわれてしまう。
【０００９】
これに対し、以上のような問題を回避するための他の手法として、２つの多自由度超音波モータを利用することが考えられるが、この場合、存在する２つの回転子に対して適切な予圧を同時に付与する必要がある。
【００１０】
また、上記の場合において、人間型ロボットの首関節機構のように、頭部などの負荷重量物を鉛直に支える必要があるときは、その負荷重量物の傾斜時に生じる傾斜負荷トルクを軽減させて、その倒れ込みなどを防止する必要がある。その際、負荷重量物の将来的な質量増加にも対処できることが望ましい。
【００１１】
ここにおいて、本発明の解決すべき主要な目的は、次のとおりである。
【００１２】
即ち、本発明の第１の目的は、２つの超音波モータにおける２つの回転子に対して適切な予圧を同時に付与することの可能な負荷重量物完全三自由度駆動装置を提供せんとするものである。
【００１３】
本発明の第２の目的は、駆動対象となる負荷重量物の傾斜時に生じる傾斜負荷トルクを軽減補償することの可能な負荷重量物完全三自由度駆動装置を提供せんとするものである。
【００１４】
本発明の第３の目的は、負荷重量物の質量に依存せずに傾斜負荷トルクを軽減補償することの可能な負荷重量物完全三自由度駆動装置を提供せんとするものである。
【００１５】
本発明の他の目的は、明細書、図面、特に特許請求の範囲の各請求項の記載から、自ずと明らかとなろう。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明装置においては、第１及び第２の超音波モータにおける各回転子が、対応する各固定子の各上面にそれぞれ位置するよう、当該第１及び第２の超音波モータにおける当該各固定子を負荷重量物の鉛直軸支方向に沿って上下に配置固定する超音波モータ固定部材と、上方配置された第１の超音波モータにおける回転子の軸回転運動と、下方配置された第２の超音波モータにおける回転子の軸傾斜運動とを合成して得られる完全三自由度方向の軸運動を負荷重量物に伝達する軸運動合成伝達手段と、伝達された軸運動における軸傾斜運動に伴って当該負荷重量物に生じる傾斜負荷トルクを軽減補償する傾斜負荷トルク補償手段とを具備させる、という特徴的構成手段を講じる。
【００１７】
さらに、具体的詳細に述べると、当該課題の解決では、本発明が次に列挙する上位概念から下位概念に亙る新規な特徴的構成手段を採用することにより、上記目的を達成するよう為される。
【００１８】
即ち、本発明装置の第１の特徴は、鉛直上方に軸支される負荷重量物を完全三自由度方向に駆動するための負荷重量物完全三自由度駆動装置であって、それぞれ、複数の圧電素子を重層して構成された円筒形の固定子と、それら複数の圧電素子への交流電圧の印加に伴って当該固定子に生じる超音波振動により回動する球形の回転子とを有して構成され、当該超音波振動の態様に応じ、対応する当該各回転子の軸回転運動及び軸傾斜運動をそれぞれ独立並行して行う第１及び第２の超音波モータと、これら第１及び第２の超音波モータにおける前記各回転子が、対応する各固定子の各上面にそれぞれ位置するよう、当該第１及び第２の超音波モータにおける当該各固定子を前記負荷重量物の鉛直軸支方向に沿って上下に配置固定する超音波モータ固定部材と、この超音波モータ固定部材に上方配置された前記第１の超音波モータにおける前記回転子の前記軸回転運動と、当該超音波モータ固定部材に下方配置された前記第２の超音波モータにおける前記回転子の前記軸傾斜運動とを合成し、その合成により得られる前記完全三自由度方向の軸運動を前記負荷重量物に伝達する軸運動合成伝達手段と、この軸運動合成伝達手段により前記負荷重量物に伝達された前記軸運動における前記軸傾斜運動に伴って当該負荷重量物に生じる傾斜負荷トルクを、その逆向きの偶力トルクにより軽減補償する傾斜負荷トルク補償手段とを有して構成されてなる、負荷重量物完全三自由度駆動装置の構成採用にある。
【００１９】
本発明装置の第２の特徴は、上記本発明装置の第１の特徴における前記軸運動合成伝達手段が、前記超音波モータ固定部材に上方配置された前記第１の超音波モータにおける前記固定子の上面に、対応する前記回転子が前記軸回転運動及び前記軸傾斜運動自在に圧接載置されるよう、当該回転子に対して鉛直下方に向かう定常的な予圧を付与する第１の予圧付与手段と、前記超音波モータ固定部材に下方配置された前記第２の超音波モータにおける前記固定子の上面に、対応する前記回転子が前記軸傾斜運動自在に圧接載置されるよう、当該回転子に対して鉛直下方に向かう定常的な予圧を付与する第２の予圧付与手段と、前記超音波モータ固定部材における底面の中心下方に回転子を軸支固定された全方位傾斜運動自在な平衡用ユニバーサルジョイントと、この平衡用ユニバーサルジョイントにおける前記回転子を下支えし、前記負荷重量物の前記鉛直軸支方向に対し直交方向に水平外延した平衡水平翼部材とを有して構成されてなる、負荷重量物完全三自由度駆動装置の構成採用にある。
【００２０】
本発明装置の第３の特徴は、上記本発明装置の第２の特徴における前記第２の予圧付与手段が、前記第２の超音波モータにおける前記回転子の前記軸傾斜運動を前記平衡水平翼部材に伝達する機能手段を具備し、前記第１の予圧付与手段が、前記第２の予圧付与手段で得られる前記第２の超音波モータにおける前記回転子の前記軸傾斜運動を、前記第１の超音波モータにおける前記回転子と前記負荷重量物との間に連結固定された軸支回転シャフトに伝達する機能手段を具備してなる、負荷重量物完全三自由度駆動装置の構成採用にある。
【００２１】
本発明装置の第４の特徴は、上記本発明装置の第３の特徴における前記第１の予圧付与手段が、前記軸支回転シャフトの前記鉛直軸支方向に対し直交方向に水平外延した円板翼部を具備すると共に、前記第１の超音波モータにおける前記回転子を、当該回転子に下端を固定されボールベアリング及びロータリーエンコーダを装着した前記回転シャフトを介して、前記軸回転運動自在に当該ボールベアリング及びロータリーエンコーダ共々収容保持する突立円筒ボス部を具備する第１の水平翼部材と、この第１の水平翼部材における前記円板翼部と前記第２の予圧付与手段との間にそれぞれ両端を接続されて、当該第１の水平翼部材を鉛直下方にそれぞれ等しい引っ張り力で牽引する複数の第１の弾性体とを有して構成され、前記第２の予圧付与手段が、前記第２の超音波モータにおける前記回転子に基端を固定され、前記軸支回転シャフトの前記鉛直軸支方向に対し直交方向に水平放射状に相互等間隔で外延した複数の放射翼部を具備してなる第２の水平翼部材と、この第２の水平翼部材における前記複数の放射翼部と前記平衡水平翼部材との間にそれぞれ両端を接続されて、当該第２の水平翼部材を鉛直下方にそれぞれ等しい引っ張り力で牽引する複数の第２の弾性体とを有して構成されてなる、負荷重量物完全三自由度駆動装置の構成採用にある。
【００２２】
本発明装置の第５の特徴は、上記本発明装置の第４の特徴における前記複数の第１の弾性体が、それぞれ、前記第１の超音波モータにおける前記回転子の中心からそれぞれ等距離、相互等間隔に位置する前記第１の水平翼部材における前記円板翼部の下面外周域と、前記第２の超音波モータにおける前記回転子の中心からそれぞれ等距離に位置する前記第２の水平翼部材における前記複数の放射翼部の上面外端域との間に張設され、前記第２の超音波モータにおける前記回転子の前記軸傾斜運動を、前記第１の超音波モータにおける前記回転子に連結固定された前記軸支回転シャフトに伝達する前記機能手段を具備してなる、負荷重量物完全三自由度駆動装置の構成採用にある。
【００２３】
本発明装置の第６の特徴は、上記本発明装置の第５の特徴における前記複数の第２の弾性体が、それぞれ、前記第２の超音波モータにおける前記回転子の中心からそれぞれ等距離に位置する前記第２の水平翼部材における前記複数の放射翼部の下面外端域と、前記平衡用ユニバーサルジョイントにおける前記回転子の中心からそれぞれ等距離、相互等間隔に位置する前記平衡水平翼部材の上面外周域との間に張設され、前記第２の超音波モータにおける前記回転子の前記軸傾斜運動を前記平衡水平翼部材に伝達する前記機能手段を具備してなる、負荷重量物完全三自由度駆動装置の構成採用にある。
【００２４】
本発明装置の第７の特徴は、上記本発明装置の第２の特徴における前記第２の予圧付与手段が、前記第２の超音波モータにおける前記回転子の前記軸傾斜運動を前記平衡水平翼部材に伝達する機能手段を具備し、前記第１の予圧付与手段が、前記平衡水平翼部材に伝達された前記第２の超音波モータにおける前記回転子の前記軸傾斜運動を、前記第１の超音波モータにおける前記回転子と前記負荷重量物との間に連結固定された軸支回転シャフトに伝達する機能手段を具備してなる、負荷重量物完全三自由度駆動装置の構成採用にある。
【００２５】
本発明装置の第８の特徴は、上記本発明装置の第７の特徴における前記第１の予圧付与手段が、前記軸支回転シャフトの前記鉛直軸支方向に対し直交方向に水平外延した円板翼部を具備すると共に、前記第１の超音波モータにおける前記回転子を、当該回転子に下端を固定されボールベアリング及びロータリーエンコーダを装着した前記回転シャフトを介して、前記軸回転運動自在に当該ボールベアリング及びロータリーエンコーダ共々収容保持する突立円筒ボス部を具備する第１の水平翼部材と、この第１の水平翼部材における前記円板翼部と前記平衡水平翼部材との間にそれぞれ両端を接続されて、当該第１の水平翼部材を鉛直下方にそれぞれ等しい引っ張り力で牽引する複数の第１の弾性体とを有して構成され、前記第２の予圧付与手段が、前記第２の超音波モータにおける前記回転子に基端を固定され、前記軸支回転シャフトの前記鉛直軸支方向に対し直交方向に水平放射状に相互等間隔で外延した複数の放射翼部を具備してなる第２の水平翼部材と、この第２の水平翼部材における前記複数の放射翼部と前記平衡水平翼部材との間にそれぞれ両端を接続されて、当該第２の水平翼部材を鉛直下方にそれぞれ等しい引っ張り力で牽引する複数の第２の弾性体とを有して構成されてなる、負荷重量物完全三自由度駆動装置の構成採用にある。
【００２６】
本発明装置の第９の特徴は、上記本発明装置の第８の特徴における前記複数の第１の弾性体が、それぞれ、前記第１の超音波モータにおける前記回転子の中心からそれぞれ等距離、相互等間隔に位置する前記第１の水平翼部材における前記円板翼部の下面外周域と、前記平衡用ユニバーサルジョイントにおける前記回転子の中心からそれぞれ等距離、相互等間隔に位置する前記平衡水平翼部材の上面外周域との間に張設され、前記平衡水平翼部材に伝達された前記第２の超音波モータにおける前記回転子の前記軸傾斜運動を、前記第１の超音波モータにおける前記回転子に連結固定された前記軸支回転シャフトに伝達する前記機能手段を具備してなる、負荷重量物完全三自由度駆動装置の構成採用にある。
【００２７】
本発明装置の第１０の特徴は、上記本発明装置の第９の特徴における前記複数の第２の弾性体が、それぞれ、前記第２の超音波モータにおける前記回転子の中心からそれぞれ等距離に位置する前記第２の水平翼部材における前記複数の放射翼部の下面外端域と、前記平衡用ユニバーサルジョイントにおける前記回転子の中心からそれぞれ等距離、相互等間隔に位置する前記平衡水平翼部材の上面外周域との間に張設され、前記第２の超音波モータにおける前記回転子の前記軸傾斜運動を前記平衡水平翼部材に伝達する前記機能手段を具備してなる、負荷重量物完全三自由度駆動装置の構成採用にある。
【００２８】
本発明装置の第１１の特徴は、上記本発明装置の第１０の特徴における前記第１の水平翼部材及び第２の水平翼部材との間の前記平衡水平翼部材における前記複数の第１及び第２の弾性体の張設位置が、近接する当該第１及び第２の弾性体の組ごとに、それぞれ、前記平衡用ユニバーサルジョイントにおける前記回転子の中心を通過する各同一放射線上に位置する当該平衡水平翼部材の前記上面外周域に沿って並立して設定されてなる、負荷重量物完全三自由度駆動装置の構成採用にある。
【００２９】
本発明装置の第１２の特徴は、上記本発明装置の第１０の特徴における前記第１の水平翼部材及び第２の水平翼部材との間の前記平衡水平翼部材における前記複数の第１及び第２の弾性体の張設位置が、隣接する当該第１及び第２の弾性体につき、前記平衡用ユニバーサルジョイントにおける前記回転子の中心を含む同一円上に位置する当該平衡水平翼部材の前記上面外周域に沿って交互に設定されてなる、負荷重量物完全三自由度駆動装置の構成採用にある。
【００３０】
本発明装置の第１３の特徴は、上記本発明装置の第２、第３、第４、第５、第６、第７、第８、第９、第１０、第１１又は第１２の特徴における前記傾斜負荷トルク補償手段が、前記平衡用ユニバーサルジョイントにおける前記回転子の中心の鉛直下方に位置する前記平衡水平翼部材の中央凹陥部外底面に固定されたカウンタウェイトである、負荷重量物完全三自由度駆動装置の構成採用にある。
【００３１】
本発明装置の第１４の特徴は、上記本発明装置の第２の特徴における前記軸運動合成伝達手段が、前記平衡用ユニバーサルジョイント及び前記平衡水平翼部材に代えて、前記超音波モータ固定部材の下方領域に一体連結形成され、前記軸支回転シャフトの前記鉛直軸支方向に対し直交方向に水平外延した下方水平円板翼部を有して構成されてなる、負荷重量物完全三自由度駆動装置の構成採用にある。
【００３２】
本発明装置の第１５の特徴は、上記本発明装置の第１４の特徴における前記第１の予圧付与手段が、前記第２の予圧付与手段で得られる前記第２の超音波モータにおける前記回転子の前記軸傾斜運動を、前記第１の超音波モータにおける前記回転子と前記負荷重量物との間に連結固定された軸支回転シャフトに伝達する機能手段を具備してなる、負荷重量物完全三自由度駆動装置の構成採用にある。
【００３３】
本発明装置の第１６の特徴は、上記本発明装置の第１５の特徴における前記第１の予圧付与手段が、前記軸支回転シャフトの前記鉛直軸支方向に対し直交方向に水平外延した円板翼部を具備すると共に、前記第１の超音波モータにおける前記回転子を、当該回転子に下端を固定されボールベアリング及びロータリーエンコーダを装着した前記回転シャフトを介して、前記軸回転運動自在に当該ボールベアリング及びロータリーエンコーダ共々収容保持する突立円筒ボス部を具備する第１の水平翼部材と、この第１の水平翼部材における前記円板翼部と前記第２の予圧付与手段との間にそれぞれ両端を接続されて、当該第１の水平翼部材を鉛直下方にそれぞれ等しい引っ張り力で牽引する複数の第１の弾性体とを有して構成され、前記第２の予圧付与手段が、前記第２の超音波モータにおける前記回転子に基端を固定され、前記軸支回転シャフトの前記鉛直軸支方向に対し直交方向に水平放射状に相互等間隔で外延した複数の放射翼部を具備してなる第２の水平翼部材と、この第２の水平翼部材における前記複数の放射翼部と前記超音波モータ固定部材における前記下方水平円板翼部との間にそれぞれ両端を接続されて、当該第２の水平翼部材を鉛直下方にそれぞれ等しい引っ張り力で牽引する複数の第２の弾性体とを有して構成されてなる、負荷重量物完全三自由度駆動装置の構成採用にある。
【００３４】
本発明装置の第１７の特徴は、上記本発明装置の第１６の特徴における前記複数の第１の弾性体が、それぞれ、前記第１の超音波モータにおける前記回転子の中心からそれぞれ等距離、相互等間隔に位置する前記第１の水平翼部材における前記円板翼部の下面外周域と、前記第２の超音波モータにおける前記回転子の中心からそれぞれ等距離に位置する前記第２の水平翼部材における前記複数の放射翼部の上面外端域との間に張設され、前記第２の超音波モータにおける前記回転子の前記軸傾斜運動を、前記第１の超音波モータにおける前記回転子に連結固定された前記軸支回転シャフトに伝達する前記機能手段を具備してなる、負荷重量物完全三自由度駆動装置の構成採用にある。
【００３５】
本発明装置の第１８の特徴は、上記本発明装置の第１７の特徴における前記複数の第２の弾性体が、それぞれ、前記第２の超音波モータにおける前記回転子の中心からそれぞれ等距離に位置する前記第２の水平翼部材における前記複数の放射翼部の下面外端域と、前記超音波モータ固定部材における下方領域構成面の中心からそれぞれ等距離、相互等間隔に位置する前記下方水平円板翼部の上面外周域との間に張設されてなる、負荷重量物完全三自由度駆動装置の構成採用にある。
【００３６】
本発明装置の第１９の特徴は、上記本発明装置の第１６、第１７又は第１８の特徴における前記傾斜負荷トルク補償手段が、前記複数の第２の弾性体自身である、負荷重量物完全三自由度駆動装置の構成採用にある。
【００３７】
本発明装置の第２０の特徴は、上記本発明装置の第４、第５、第６、第８、第９、第１０、第１１、第１２、第１６、第１７、第１８又は第１９の特徴における前記傾斜負荷トルク補償手段が、前記第２の水平翼部材における前記複数の放射翼部の最外端域にそれぞれ配置固定される共に質量の等しい複数の分散カウンタウェイトである、負荷重量物完全三自由度駆動装置の構成採用にある。
【００３８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態につき、添付図面を参照しつつ、その第１〜第６装置例を順に挙げて説明する。
【００３９】
（第１装置例）
まず、本発明の基本的構成をなす第１装置例について説明する。図１は、本発明の第１装置例に係る負荷重量物完全三自由度駆動装置の構成を示す部分縦断面図であり、図２（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、図１に示される平衡水平翼部材及び第２の水平翼部材の各底面図である。
【００４０】
同図に示すように、本第１装置例に係る負荷重量物完全三自由度駆動装置α１は、鉛直上方に軸支される負荷重量物βを完全三自由度方向に駆動するために、第１及び第２の多自由度超音波モータ１及び２と、超音波モータ固定部材３と、第１の水平翼部材４と、第２の水平翼部材５と、平衡用ユニバーサルジョイント６と、平衡水平翼部材７と、複数の第１の弾性体８，８，…と、複数の第１の弾性体９，９，…と、カウンタウェイト１０とを有して構成される。
【００４１】
このうち、第１及び第２の多自由度超音波モータ１及び２は、それぞれ、複数の圧電素子（図の付点領域。符号は付さず）を重層して構成された円筒形の固定子１ａ，２ａと、それら複数の圧電素子への交流電圧の印加に伴って当該固定子１ａ，２ａに生じる超音波振動により回動する球形の回転子１ｂ，２ｂとを有して構成され、これらにより、当該超音波振動の態様に応じ、対応する当該各回転子１ｂ，２ｂの軸回転運動及び軸傾斜運動をそれぞれ独立並行して行う２つの超音波モータが構成される。なお、当該第１及び第２の多自由度超音波モータ１及び２における各固定子１ａ，２ａから各回転子１ｂ，２ｂに対する当該各回転子１ｂ，２ｂの軸回転方向及び軸傾斜方向への拘束力は存在しない。
【００４２】
また、超音波モータ固定部材３は、第１及び第２の多自由度超音波モータ１及び２における各回転子１ｂ，２ｂが、対応する各固定子１ａ，２ａの各上面にそれぞれ位置するよう、当該第１及び第２の多自由度超音波モータ１及び２における当該各固定子１ｂ，２ｂを負荷重量物βの鉛直軸支方向に沿って上下に配置固定する部材である。なお、当該超音波モータ固定部材３は、第２の多自由度超音波モータ２における回転子２ｂの軸傾斜運動に伴う第２の水平翼部材５の傾斜を阻害することのないよう、複数の支柱３ａ，３ａ，…（図１には、２本の支柱３ａ，３ａを示したが、実際には、図２に示すように４本であることが望ましい）を具備している。また、当該超音波モータ固定部材３は、本負荷重量物完全三自由度駆動装置α１を設置しようとするロボットなどの物体（図示せず）の静止座標系に固定される。
【００４３】
さらに、第１の水平翼部材４は、軸支回転シャフトγの鉛直軸支方向に対し直交方向に水平放射状に相互等間隔で外延した複数の放射翼部４ａ，４ａ，…（水平外延した円板翼部を具備する第１の水平翼部材としても可）を具備し、第１の多自由度超音波モータ１における回転子１ｂを、当該回転子１ｂに下端を固定された軸支回転シャフトγを介して軸回転運動自在に収容保持する突立円筒ボス部４ｂを具備する部材であり、第２の水平翼部材５は、第２の多自由度超音波モータ２における回転子２ｂに基端を固定され、軸支回転シャフトγの鉛直軸支方向に対し直交方向に水平放射状に相互等間隔で外延した複数の放射翼部５ａ，５ａ，…を具備した部材である。
【００４４】
そして、平衡用ユニバーサルジョイント６は、超音波モータ固定部材３における底面の中心下方に回転子６ａを軸支固定された全方位傾斜運動自在な部材であり、平衡水平翼部材７は、この平衡用ユニバーサルジョイント６における回転子６ａを下支えし、軸支回転シャフトγの鉛直軸支方向に対し直交方向に水平放射状に相互等間隔で外延した複数の放射翼部７ａ，７ａ，…（水平外延した円板翼部を具備する平衡用ユニバーサルジョイントとしても可）を具備した部材である。
【００４５】
これに対し、複数の第１の弾性体８，８，…は、それぞれ、第１の多自由度超音波モータ１における回転子１ｂの中心からそれぞれ等距離（点対称）に位置する第１の水平翼部材４における放射翼部４ａ，４ａ，…の下面外端域（又は円板翼部の下面外周域）と、第２の多自由度超音波モータ２における回転子２ｂの中心からそれぞれ等距離（点対称）に位置する第２の水平翼部材５における複数の放射翼部５ａ，５ａ，…の上面外端域との間に、それらの自然長より伸張した状態で張設されて、当該第１の水平翼部材４を鉛直下方にそれぞれ等しい引っ張り力で牽引する部材であり、第２の多自由度超音波モータ２における回転子２ｂの軸傾斜運動を、第１の多自由度超音波モータ１における回転子１ｂに連結固定された軸支回転シャフトγに伝達する機能手段を具備するものである。
【００４６】
また、複数の第２の弾性体９，９，…は、それぞれ、第２の多自由度超音波モータ２における回転子２ｂの中心からそれぞれ等距離（点対称）に位置する第２の水平翼部材５における複数の放射翼部５ａ，５ａ，…の下面外端域と、平衡用ユニバーサルジョイント６における回転子６ａの中心からそれぞれ等距離（点対称）に位置する平衡水平翼部材７における複数の放射翼部７ａ，７ａ，…の上面外端域（又は円板翼部の上面外周域）との間に、それらの自然長より伸張した状態で張設されて、当該第２の水平翼部材５を鉛直下方にそれぞれ等しい引っ張り力で牽引する部材であり、第２の多自由度超音波モータ２における回転子２ｂの軸傾斜運動を平衡水平翼部材７に伝達する機能手段を具備するものである。
【００４７】
ここで、上記複数の第１の弾性体８，８，…としては、その適用に際し、弾性定数（バネ定数）及び自然長がそれぞれ等しいものを選定し、また、上記複数の第２の弾性体９，９，…に関しても、弾性定数及び自然長がそれぞれ等しいものを選定する。特に、複数の第１の弾性体８，８，…には、十分に高い弾性定数を有するものを選定し、これに対し、複数の第２の弾性体９，９，…には、それら複数の第１の弾性体８，８，…の２倍程度の引っ張り力を生じうる弾性定数を有するものを選定する（実際に、複数の第２の弾性体９，９，…は、複数の第１の弾性体８，８，…の２倍程度の引っ張り力を生じるように張設される）。
【００４８】
また、複数の第１の弾性体８，８，…及び複数の第２の弾性体９，９，…を、実際に、第１の水平翼部材４における放射翼部４ａ，４ａ，…と第２の水平翼部材５における複数の放射翼部５ａ，５ａ，…との間、及び当該複数の放射翼部５ａ，５ａ，…と平衡水平翼部材７における複数の放射翼部７ａ，７ａ，…との間に張設する場合、それらの各取付位置は、第１の多自由度超音波モータ１における回転子１ｂ、第２の多自由度超音波モータ２における回転子２ｂ、及び平衡用ユニバーサルジョイント６における回転子６ａの各中心を通る各水平基準面Ｓ１，Ｓ２及びＳ３上に設定するとよい（図１参照）。但し、本第１装置例に係る負荷重量物完全三自由度駆動装置α１では、第２の水平翼部材５における複数の放射翼部５ａ，５ａ，…の上面及び下面外端部に、複数の第１の弾性体８，８，…及び複数の第２の弾性体９，９，…が同時に取り付けられるため、それら各取付位置の中間にあたる当該第２の水平翼部材５の二等分面上に、対応する水平基準面Ｓ２を位置させるとよい（図１参照）。
【００４９】
さらに、複数の第１の弾性体８，８，…及び複数の第２の弾性体９，９，…の素材としては、共にそれぞれ、その伸縮時の静音性に優れたゴムなどの樹脂素材（合成ゴムなどの合成樹脂素材を含む）からなるものを採用するのが好適ではあるが、その静音性に対する要求が高くない場合には、金属製のつる巻バネからなるものを適用することができる。
【００５０】
そして、以上の第１の水平翼部材４及び複数の第１の弾性体８，８，…を以って、第１の多自由度超音波モータ１における固定子１ａの上面に、対応する回転子１ｂが軸回転運動及び軸傾斜運動自在に圧接載置されるよう、当該回転子１ｂに対して鉛直下方に向かう定常的な予圧を付与する第１の予圧付与手段が構成され、また、第２の水平翼部材５及び複数の第２の弾性体９，９，…を以って、第２の多自由度超音波モータ２における固定子２ａの上面に、対応する回転子２ｂが軸傾斜運動自在に圧接載置されるよう、当該回転子２ｂに対して鉛直下方に向かう定常的な予圧を付与する第２の予圧付与手段が構成される。そしてさらに、これら第１及び第２の予圧付与手段並びに平衡用ユニバーサルジョイント６及び平衡水平翼部材７を以って、第１の多自由度超音波モータ１における回転子１ｂの軸回転運動と第２の多自由度超音波モータ２における回転子２ｂの軸傾斜運動とを合成し、その合成により得られる完全三自由度方向の軸運動を負荷重量物βに伝達する軸運動合成伝達手段が構成される。
【００５１】
そして、カウンタウェイト１０は、平衡用ユニバーサルジョイント６における回転子６ａの中心の鉛直下方に位置する平衡水平翼部材７に固定されて、上記軸運動合成伝達手段により負荷重量物βに伝達された軸運動における軸傾斜運動に伴って当該負荷重量物βに生じる傾斜負荷トルクを、当該カウンタウェイト１０の質量及びその重心並びにその設置位置（平衡用ユニバーサルジョイント６における回転子６ａの中心からの距離）から決定される、逆向きの偶力トルクにより軽減補償する部材である。
【００５２】
なお、図１に示すように、第１の水平翼部材４は、第１の多自由度超音波モータ１における回転子１ｂが、当該回転子１ｂに下端を固定された軸支回転シャフトγを介して軸回転運動自在に収容保持されるように、当該軸支回転シャフトγ自身を軸回転運動自在とするボールベアリング１１の外輪部分を上方から突立円筒ボス部４ｂ内に押え込むと同時に、その内輪部分を下方から軸受部材１２により支持させる構成を採用している。この第１の水平翼部材４における構成は、第２の多自由度超音波モータ２における回転子２ｂの軸傾斜運動を、第２の水平翼部材５及び複数の第１の弾性体８，８，…を介して、第１の多自由度超音波モータ１における回転子１ｂに連結固定された軸支回転シャフトγに伝達するための機能手段の一部であり、当該機能手段が達成されさえすれば、図示のもの以外の任意の構成を採用することができる。
【００５３】
また、同図に示すように、ボールベアリング１１の上方領域に位置する突立円筒ボス部４ｂ内の軸支回転シャフトγ及び第１の水平翼部材４には、それぞれ、ロータリーエンコーダ１３の内輪部分及び外輪部分が対向して配置固定されており、この構成により、当該軸支回転シャフトγの第１の水平翼部材４に対する相対的な回転角が計測されるようになっている。なお、第１の水平翼部材４自身は、本発明の構成上、第１の多自由度超音波モータ１における回転子１ｂの軸回転運動に追随しないため、このとき計測される相対回転角は、静止座標系における軸支回転シャフトγの回転角と等しいものになる。
【００５４】
一方、図２（ａ）に示すように、第２の水平翼部材５は、軸支回転シャフトγの鉛直軸支方向に対し直交方向に水平放射状に相互等間隔で外延した８片の放射翼部５ａ，５ａ，…を具備しており、これに対応し、当該第２の水平翼部材５の上面及び下面外端域には、それぞれ、８本の第１の弾性体８，８，…及び８本の第２の弾性体９，９，…が、第２の多自由度超音波モータ２の回転子２ｂの中心から等距離（点対称）、相互等間隔で取り付けられる。このように、第１の弾性体８，８，…及び第２の弾性体９，９，…の各数をそれぞれ８本以上に選定して、これらを等距離、相互等間隔に位置させれば、負荷重量物β及びカウンタウェイト１０の任意方向への傾斜の影響による各弾性体の伸張量の差を微小なものに抑制することが可能となる。
【００５５】
また、図２（ｂ）に示すように、平衡水平翼部材７は、上記第２の水平翼部材５と同様な形態、即ち、軸支回転シャフトγの鉛直軸支方向に対し直交方向に水平放射状に相互等間隔で外延した８片の放射翼部７ａ，７ａ，…を具備しており、これに対応し、当該第２の水平翼部材５の上面外端域には、それぞれ、８本の第２の弾性体９，９，…が、平衡用ユニバーサルジョイント６における回転子６ａの中心からそれぞれ等距離（点対称）、相互等間隔で取り付けられる。これにより、上記第２の水平翼部材５と協働して、負荷重量物β及びカウンタウェイト１０の任意方向への傾斜の影響による各弾性体の伸張量の差が微小なものに抑制される。
【００５６】
なお、同図に示すように、上記平衡水平翼部材７における複数（８片）の放射翼部７ａ，７ａ，…により形成される複数（８領域）の扇状の間隙のうち、当該水平翼部材７の底面中心において直行する２直線上にそれぞれ位置する任意の２領域の間隙には、その水平翼部材７の面方向に沿って２つの平面反射板１４ａ及び１４ｂが設置される。これら平面反射板１４ａ及び１４ｂは、その鉛直下方における対応箇所にそれぞれ設置された２つの光学式測距センサ１５ａ及び１５ｂと共に利用され、当該光学式測距センサ１５ａ及び１５ｂから発射されて平面反射板１４ａ及び１４ｂで反射される光線により、平面反射板１４ａ及び１４ｂと光学式測距センサ１５ａ及び１５ｂとの間の各相対距離を計測し、これにより、水平翼部材７の傾斜角（第１の多自由度超音波モータ１における回転子１ｂの軸傾斜角と等価）を計測するためのものである。
【００５７】
なお、場合により、上記２つの平面反射板１４ａ及び１４ｂは、第１の水平翼部材４における複数の放射翼部４ａ，４ａ，…により形成される複数の扇状の間隙に設置するようにしてもよく、これに対応し、２つの光学式測距センサ１５ａ及び１５ｂは、超音波モータ固定部材３の一部に設置するようにしてもよい。
【００５８】
以上のように構成された本第１装置例に係る負荷重量物完全三自由度駆動装置α１の動作の概要を説明すれば、以下のようになる。
【００５９】
まず、第１及び第２の多自由度超音波モータ１及び２における各固定子１ａ，２ａの各圧電素子に交流電圧を印加して、当該各固定子１ａ，２ａに、それぞれ軸回転方向及び軸傾斜方向に関する固有振動モードを生じさせるための超音波を発生させると、第１及び第２の多自由度超音波モータ１及び２における各回転子１ｂ，２ｂは、対応する固有振動モードにより、それぞれ軸回転運動及び軸傾斜運動を行う。
【００６０】
これに伴い、第１の多自由度超音波モータ１における回転子１ｂは、第１の水平翼部材４におけるボールベアリング１１により保持された軸支回転シャフトγを介しながら、自らに生じた軸回転運動を負荷重量物βに伝達し、その一方で、第２の多自由度超音波モータ２における回転子２ｂは、自らに生じた軸傾斜運動を第２の水平翼部材５に伝達する。
【００６１】
そして、第２の水平翼部材５は、第２の多自由度超音波モータ２における回転子２ｂから伝達された軸傾斜運動を、その複数の放射翼部５ａ，５ａ，…の上面外端域に接続された複数の第１の弾性体８，８，…を介しながら第１の水平翼部材４に伝達すると共に、複数の放射翼部５ａ，５ａ，…の下面外端域に接続された複数の第２の弾性体９，９，…を介しながら平衡水平翼部材７に伝達する。
【００６２】
このとき、複数の第１の弾性体８，８，…及び複数の第２の弾性体９，９，…は、負荷重量物β及びカウンタウェイト１０の任意方向への傾斜による伸張量の差が微小なものとなるよう設定されているため、第１の水平翼部材４及び平衡水平翼部材７は、対応する第１の多自由度超音波モータ１における回転子１ｂ及び平衡用ユニバーサルジョイント６における回転子６ａの各中心を回転中心としながら、それぞれ、第２の水平翼部材５の軸傾斜運動にほぼ完全に追随して（互いの平行関係を保持して）軸傾斜運動を行う。
【００６３】
この結果、第１の水平翼部材４は、現在、第１の多自由度超音波モータ１における回転子１ｂの軸回転運動に伴って回転している軸支回転シャフトγに対し、自らに伝達された軸傾斜運動をボールベアリング１１を介して伝達する。
【００６４】
そして、以上により、第１の多自由度モータ１における回転子１ｂの軸回転運動と、第２の多自由度超音波モータ２における回転子２ｂの軸傾斜運動とが合成され、これに基づく完全三自由度方向の軸運動が、軸支回転シャフトγを介しながら負荷重量物βに伝達されるようになる。
【００６５】
一方、平衡水平翼部材７は、その底面に固定されたカウンタウェイト１０に対し、自らに伝達された軸傾斜運動を伝達するが、これによってカウンタウェイト１０に生じる傾斜角は、第１の水平翼部材４と平衡水平翼部材７との間の平行関係保持により、軸支回転シャフトγ上の負荷重量物βに生じた傾斜角にほぼ一致するようになる。このため、負荷重量物βに伝達された軸運動における軸傾斜運動に伴って当該負荷重量物βに生じる傾斜負荷トルクは、逆向きに傾斜したカウンタウェイト１０に生じる偶力トルクによりほぼ完全に打ち消されるようになる。
【００６６】
なお、カウンタウェイト１０の質量は、超音波モータ固定部材３に固定された平衡用ユニバーサルジョイント６によって全て支えられているため、そのカウンタウェイト１０の質量が、第１及び第２の多自由度超音波モータ１及び２における各回転子１ｂ，２ｂに付与すべき予圧に及ぼす悪影響は何ら存在しない。このため、カウンタウェイト１０の質量に対する制約は一切存在せず、負荷重量物βの質量の如何によらず傾斜負荷トルクを軽減補償することが可能となる。
【００６７】
（第２装置例）
次に、傾斜負荷トルク補償手段として複数の分散カウンタウェイトを適用した場合の第２装置例について説明する。図３は、本発明の第２装置例に係る負荷重量物完全三自由度駆動装置の構成を示す部分縦断面図である。なお、本図には、既に第１装置例において説明したものと同一又は同等の構成要素につき共通の符号を付し、その詳細な説明については省略するものとする（以下、他の装置例につき同じ）。
【００６８】
同図に示すように、本第２装置例に係る負荷重量物完全三自由度駆動装置α２は、第１装置例におけるカウンタウェイト１０に代えて、共に質量の等しい複数の分散カウンタウェイト１０ａ，１０ａ、…を、第２の水平翼部材５における複数の放射翼部５ａ，５ａ、…の最外端域にそれぞれ配置固定して構成される。
【００６９】
以上の構成を採用した場合、複数の分散カウンタウェイト１０ａ，１０ａ，…における各質量の総和が、第２の水平翼部材５を通じて、第２の多自由度超音波モータ２における回転子２ｂに付与されるようになり、特にその総質量が大きい場合には、これを当該回転子２ｂに対する予圧として効率的に生かすことが可能となる。
【００７０】
（第３装置例）
次に、傾斜負荷トルク補償手段として、第１装置例に示した複数の第２の弾性体９，９，…を適用した場合の第３装置例について説明する。図４は、本発明の第３装置例に係る負荷重量物完全三自由度駆動装置の構成を示す部分縦断面図である。
【００７１】
同図に示すように、本第３装置例に係る負荷重量物完全三自由度駆動装置α３は、第１装置例におけるカウンタウェイト１０に代えて、既に説明した複数の第２の弾性体９，９，…を傾斜負荷トルク補償手段として利用するものであり、これを実現するため、第１装置例において軸運動合成伝達手段の一部を構成する平衡水平翼部材７及び平衡用ユニバーサルジョイント１０に代えて、超音波モータ固定部材３の下方領域に一体連結形成され、軸支回転シャフトγの鉛直軸支方向に対し直交方向に水平放射状に相互等間隔で外延した複数の下方水平翼部３ｂ，３ｂ，…（水平外延した円板翼部からなる下方水平翼部としても可）を採用して構成される。
【００７２】
ここで、複数の第２の弾性体９，９，…は、それぞれ、弾性定数及び自然長がそれぞれ等しく、第２の多自由度超音波モータ２における回転子２ｂの中心からそれぞれ等距離（点対称）に位置する第２の水平翼部材５における複数の放射翼部５ａ，５ａ，…の下面外端域と、超音波モータ固定部材３における下方領域構成面の中心からそれぞれ等距離（点対称）に位置する超音波モータ固定部材３における下方水平翼部３ｂ，３ｂ，…の上面外端域（又は円板翼部の上面外周域）との間に、それらの自然長より伸張した状態で張設されて、当該第２の水平翼部材５を鉛直下方にそれぞれ等しい引っ張り力で牽引する部材である。
【００７３】
このように、上記複数の第２の弾性体９，９，…を、第２の水平翼部材５における複数の放射翼部５ａ，５ａ，…と超音波モータ固定部材３における下方水平翼部３ｂ，３ｂ，…との間に張設することで、第２の多自由度超音波モータ２における回転子２ｂが軸傾斜運動を行っていない定常時には、静止座標系におい直交方向に水平な状態を保つようになり、それが軸傾斜運動を行って負荷重量物βが傾斜したときには、それぞれの第２の弾性体９，９，…の伸張量（引っ張り力）の差から生じる逆方向の偶力トルクが、その負荷重量物βの傾斜に伴う傾斜負荷トルクを軽減するよう作用する。このとき、それぞれの第２の弾性体９，９，…としては、負荷重量物βの最大傾斜時における偶力トルクが、そのときの傾斜負荷トルクと一致するような弾性定数を有するものを適用すると効果的である。
【００７４】
なお、これら複数の第２の弾性体９，９，…において、負荷重量物βの傾斜方向の違いによる上記偶力トルクの大きさを均質化するには、第１装置例で説明したのと同様に、その本数を８本以上に選定することが好ましく、それを８本とした場合、偶力トルクの大きさの違いは数パーセント以内に抑えることができる。また、複数の第２の弾性体９，９，…として直径の小さいものを採用してその本数を増加させ、或いは、それらの取付長を長くすることにより、上記偶力トルクの大きさの違いをさらに小さく抑えることが可能となる。
【００７５】
ここで、複数の第２の弾性体９，９，…を、実際に、第２の水平翼部材５における複数の放射翼部５ａ，５ａ，…と超音波モータ固定部材３における下方水平翼部３ｂ，３ｂ，…との間に張設する場合、それらの第２の水平翼部材５に対する取付位置は、第２の多自由度超音波モータ２における回転子２ｂの中心を通る水平基準面Ｓ２上に設定するとよい。また、複数の第１の弾性体８，８，…を、第１の水平翼部材４における複数の放射翼部４ａ，４ａ，…と第２の水平翼部材５における複数の放射翼部５ａ，５ａ，…との間に張設する際は、それら複数の第１の弾性体８，８，…の取付位置よりも上に、対応する水平基準面Ｓ１を位置させるとよい。以上のような構造設定とすることで、負荷重量物βの傾斜角に応じて増加する傾斜負荷トルクと、複数の第２の弾性体９，９，…の伸張に伴って増加する偶力トルクとがほぼ比例関係を有するようになり、所要の傾斜負荷トルクの軽減補償が効率的に為されるようなる。
【００７６】
なお、前述の第２装置例で説明した複数の分散カウンタウェイト１０ａ，１０ａ，…は、本第３装置例にも適用することが可能である。この場合、複数の第２の弾性体９，９，…だけでは難しい傾斜負荷トルクの軽減補償を補助する効果が期待できる。
【００７７】
（第４装置例）
次に、第１装置例に示した複数の第１の弾性体８，８，…の取付位置を変更した場合の第４装置例について説明する。図５は、本発明の第４装置例に係る負荷重量物完全三自由度駆動装置の構成を示す部分縦断面図であり、図６は、図５に示される平衡水平翼部材の底面図である。
【００７８】
同図に示すように、本第４装置例に係る負荷重量物完全三自由度駆動装置α４における複数の第１の弾性体８，８，…は、それぞれ、第１の多自由度超音波モータ１における回転子１ｂの中心からそれぞれ等距離（点対称）に位置する第１の水平翼部材４における放射翼部４ａ，４ａ，…の下面外端域（又は円板翼部の下面外周域）と、平衡用ユニバーサルジョイント６における回転子６ａの中心からそれぞれ等距離（点対称）に位置する平衡水平翼部材７における複数の放射翼部７ａ，７ａ，…の上面外端域（又は円板翼部の上面外周域）との間に、それらの自然長より伸張した状態で張設されて、当該第１の水平翼部材４を鉛直下方にそれぞれ等しい引っ張り力で牽引する部材を構成する（図５参照）。
【００７９】
このとき、第１の水平翼部材４及び第２の水平翼部材５との間の平衡水平翼部材７における複数の第１の弾性体８，８，…及び複数の第２の弾性体９，９，…の張設位置は、近接する当該第１及び第２の弾性体の組８，９ごとに、それぞれ、平衡用ユニバーサルジョイント６における回転子６ａの中心を通過する各同一放射線上に位置する当該平衡水平翼部材７における複数の放射翼部７ａ，７ａ，…の上面外端域に沿って並立して設定される（図６参照）。
【００８０】
なお、本第４装置例においては、第１装置例における場合と異なり、複数の第２の弾性体９，９，…の引っ張り力は、複数の第１の弾性体８，８，…の引っ張り力と同程度に設定すれば足りる。また、前述の第２装置例で説明した複数の分散カウンタウェイト１０ａ，１０ａ，…は、第２の水平翼部材５における複数の放射翼部５ａ，５ａ、…をさらに外方へ延設するなどして形態を工夫すれば、本第４装置例に対しても同様に適用することが可能である（カウンタウェイト１０は排除）。
【００８１】
（第５装置例）
次に、第４装置例に示した複数の第１の弾性体８，８，…の取付位置をさらに変更した場合の第５装置例について説明する。図７は、本発明の第５装置例に係る負荷重量物完全三自由度駆動装置の構成を示す部分縦断面図であり、図８は、図７に示される平衡水平翼部材の底面図である。
【００８２】
同図に示すように、本第５装置例に係る負荷重量物完全三自由度駆動装置α５における複数の第１の弾性体８，８，…は、第４装置例における場合と同様、それぞれ、第１の多自由度超音波モータ１における回転子１ｂの中心からそれぞれ等距離（点対称）に位置する第１の水平翼部材４における放射翼部４ａ，４ａ，…の下面外端域（又は円板翼部の下面外周域）と、平衡用ユニバーサルジョイント６における回転子６ａの中心からそれぞれ等距離（点対称）に位置する平衡水平翼部材７における複数の放射翼部７ａ，７ａ，…の上面外端域（又は円板翼部の上面外周域）との間に、それらの自然長より伸張した状態で張設されて、当該第１の水平翼部材４を鉛直下方にそれぞれ等しい引っ張り力で牽引する部材を構成する（図７参照）。
【００８３】
このとき、第１の水平翼部材４及び第２の水平翼部材５との間の平衡水平翼部材７における複数の第１の弾性体８，８，…及び複数の第２の弾性体９，９，…の張設位置は、隣接する当該第１及び第２の弾性体８，９につき、平衡用ユニバーサルジョイント６における回転子６ａの中心を含む同一円上に位置する当該平衡水平翼部材７おける複数の放射翼部７ａ，７ａ，…の上面外端域に沿って交互に設定される（図８参照）。
【００８４】
以上の構成を採用することにより、本第５装置例によれば、前述した第４装置例における場合よりも占有空間を縮小させることが可能となる。また、複数の第２の弾性体９，９，…の引っ張り力の設定や、複数の分散カウンタウェイト１０ａ，１０ａ，…の適用に関しては、前述の第４装置例で説明したものに準ずる。
【００８５】
（第６装置例）
最後に、第１の超音波モータとして単軸超音波モータを適用した場合の第６装置例について説明する。図９は、本発明の第６装置例に係る負荷重量物完全三自由度駆動装置の構成を示す部分縦断面図である。
【００８６】
同図に示すように、本第６装置例に係る負荷重量物完全三自由度駆動装置α６は、第５装置例における第１の多自由度超音波モータ１に代えて、対応する回転子の軸回転運動のみ可能な単軸超音波モータ１６を適用して構成される。
【００８７】
ここで、上記単軸超音波モータ１６は、その固定子１６ａの上面にモータ回転子シャフト１６ｂを具備して構成され、さらに、このモータ回転子シャフト１６ｂの上面に、モータ用ユニバーサルジョイント１７における球形の回転子１７ａを載置した構成を採用している。また、モータ用ユニバーサルジョイント１７の回転軸は、負荷重量物βに連なる軸支回転シャフトγとして適用される。
【００８８】
以上の構成をもつ単軸超音波モータ１６は、第１〜第５装置例に示した軸回転運動のみを行う第１の多自由度超音波モータ１と動作形態が全く同じであることから、当該単軸超音波モータ１６は、それら第１〜第５装置例に対しても同様に適用することが可能である。この場合、単軸超音波モータ１６が第１の多自由度超音波モータ１に比して小型であることから、装置の省スペース化を図ることが可能となる。なお、複数の分散カウンタウェイト１０ａ，１０ａ，…の適用に関しては、前述の第４装置例で説明したものに準ずる。
【００８９】
以上、本発明の実施の形態につき、第１〜第６装置例を挙げて説明したが、本発明は、必ずしも上述した手段にのみ限定されるものではなく、後述する効果を有する範囲内において、適宜、変更実施することが可能なものである。
【００９０】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、２つの超音波モータにおける２つの回転子に対して適切な予圧を同時に付与することが可能になると共に、駆動対象となる負荷重量物の傾斜時に生じる傾斜負荷トルクをその質量に依存することなく軽減補償することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１装置例に係る負荷重量物完全三自由度駆動装置の構成を示す部分縦断面図である。
【図２】図１に示される平衡水平翼部材及び第２の水平翼部材の各底面図である。
【図３】本発明の第２装置例に係る負荷重量物完全三自由度駆動装置の構成を示す部分縦断面図である。
【図４】本発明の第３装置例に係る負荷重量物完全三自由度駆動装置の構成を示す部分縦断面図である。
【図５】本発明の第４装置例に係る負荷重量物完全三自由度駆動装置の構成を示す部分縦断面図である。
【図６】図５に示される平衡水平翼部材の底面図である。
【図７】本発明の第５装置例に係る負荷重量物完全三自由度駆動装置の構成を示す部分縦断面図である。
【図８】図７に示される平衡水平翼部材の底面図である。
【図９】本発明の第６装置例に係る負荷重量物完全三自由度駆動装置の構成を示す部分縦断面図である。
【符号の説明】
α１〜α６…負荷重量物完全三自由度駆動装置
β…負荷重量物
γ…軸支回転シャフト
Ｓ１〜Ｓ３…水平基準面
１…第１の多自由度超音波モータ
１ａ…固定子
１ｂ…回転子
２…第２の多自由度超音波モータ
２ａ…固定子
２ｂ…回転子
３…超音波モータ固定部材
３ａ…支柱
３ｂ…下方水平翼部
４…第１の水平翼部材
４ａ…放射翼部
４ｂ…突立円筒ボス部
５…第２の水平翼部材
５ａ…放射翼部
６…平衡用ユニバーサルジョイント
６ａ…回転子
７…平衡水平翼部材
７ａ…放射翼部
８…第１の弾性体
９…第２の弾性体
１０…カウンタウェイト
１０ａ…分散カウンタウェイト
１１…ボールベアリング
１２…軸受部材
１３…ロータリーエンコーダ
１４ａ，１４ｂ…平面反射板
１５ａ，１５ｂ…光学式測距センサ
１６…単軸超音波モータ
１６ａ…固定子
１６ｂ…モータ回転子シャフト
１７…モータ用ユニバーサルジョイント
１７ａ…回転子
【図１】
2004357397.tif 000003
【図２】
2004357397.tif 000004
【図３】
2004357397.tif 000005
【図４】
2004357397.tif 000006
【図５】
2004357397.tif 000007
【図６】
2004357397.tif 000008
【図７】
2004357397.tif 000009
【図８】
2004357397.tif 000010
【図９】
2004357397.tif 000011