JP2005160191A - 駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
低コストながら移動部材の広範囲な移動を確保し、ピッチの細かい周期構造の作成しにくい電極や磁極の代わりに、一様な材質に機械加工を施すして形成される表面形状の周期構造をステップ幅の基本周期とした駆動を行える駆動装置を提供する。
【解決手段】
駆動部２３の歯２３ａの左斜面（駆動面）が、移動部材１０の歯１１の右斜面（従動面）に接近するか接触して、同じ極性の電荷が接近することによる静電的反発力、場合によっては機械的接触反力も加わった力で押圧することとなる。歯２３ａの左斜面により、歯１１の右斜面が押圧されることで、移動部材１０には、その法線方向に反力が生ずるが、移動部材１０は図で左右方向にのみ移動可能であるため、その水平方向分力によって、移動部材１０は、第２アクチュエータ２２の伸長に応じて、図で左方向に押し出される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、駆動装置に属し，平面または曲面に沿う方向の反力を、移動体と駆動体の間に発生させ、両者を相対的に精密にステップ状に駆動するのに好適な駆動装置に関する。

ステップ状の回転あるいは並進運動をもたらす、従来のステップモータは、移動子と固定子の一方あるいは両方に周期構造を与えて、移動子と固定子の相対移動量がその構造上の周期に達するタイミングで電極の正負、あるいは磁極のS極、N極を切り替えることを基本とする（特許文献１参照）。
特開平０５−１７６５２１号公報

ところで、特許文献１に記載のごときリニア式ステップモータにおいては、固定子の範囲内でしか移動子を移動させることができないという問題がある。従って、広範囲に移動子を移動させたい場合には、その範囲全てに固定子を敷設しなくてはならず、設備にかかるコストが膨大なものとなる。

更に、従来のステップモータのステップ幅は周期的に並べる電極や磁極の大きさに制限され、基本ステップを十分小さくすることは困難であった。仮に小さくできたとしてもその駆動力は、個々の電極や磁極の大きさに依存するため実用的な駆動力を発現できないと考えられる。そのため、従来のステップモータでは、大きな周期構造で決まる基本ステップの間を電位や磁力の強さの調節で内挿する方法がとられ、それでも不足するときには、歯車やねじによる縮小機構を追加せざるを得ない状況であった。歯車やねじをステップモータと組み合わせる構造にしても、バックラッシュの存在によってステップの最小幅には限界が生じる問題も残されている。また、歯車の歯やネジ山を小型化してしまうと個々の面の伝える力が弱くなり、この観点からも小型化には限度があった。多数の歯やネジ山を同時に接触させるのもきわめて困難である。

本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、低コストながら移動部材の広範囲な移動を確保し、ピッチの細かい周期構造の作成しにくい電極や磁極の代わりに、一様な材質に機械加工を施して形成される表面形状の周期構造をステップ幅の基本周期とした駆動を行える駆動装置を提供することを目的とする。

第１の本発明の駆動装置は、
相対移動方向に対して傾いた斜面である複数の従動面を含む３次元パターンを備えたパターン部材と、
駆動面を備えた駆動手段と、を有し、
前記従動面と前記駆動面とは、相対的に接近させると媒体を介して一方から他方へと力が伝達されるようになっており、
前記駆動手段は、前記駆動面を第１の方向に移動させることによって、前記媒体を介して一つの従動面に力を伝達することで、前記パターン部材を所定の方向に相対移動させ、更に前記駆動面を前記第１の方向とは異なる第２の方向に移動させることによって、前記駆動面を前記一つの従動面から他の従動面に対向する位置へと相対移動させるようになっており、
前記第１の方向の移動と前記第２の方向の移動とを、前記パターン部材の移動量と前記３次元パターンとに基づいて行うことにより、前記パターン部材をステップ的に相対移動させることを特徴とする。

第２の本発明の駆動装置は、
相対移動方向に対して傾いた斜面である従動面を含む３次元パターンを備えたパターン部材と、
往復移動可能な複数の駆動面を備えた駆動手段と、を有し、
前記従動面と前記駆動面とは、相対的に接近させると媒体を介して一方から他方へと力が伝達されるようになっており、 前記駆動手段は、一つの駆動面を、前記従動面に接近させることによって前記媒体を介して力を伝達することで、前記パターン部材を所定の方向に相対移動させた後、別の駆動面を、前記従動面に接近させることによって前記媒体を介して力を伝達することで、前記パターン部材を前記所定の方向に継続的に相対移動させることを特徴とする。

本発明は、所定の媒体を利用することで電磁気的な反発力あるいはスクイーズ効果等による反発力を発生しうる従動面と駆動面のそれぞれに、互いに嵌合する3次元パターンを刻み、両面を、面に沿う方向に相対移動できる状態に保って互いに接近させると、従動面と駆動面の面に沿う方向に作用する力がバランスする位置まで両面が相対移動して止まることを原理とする駆動装置を提供するものである。

より具体的には、第１の本発明の駆動装置によれば、前記駆動手段が、前記駆動面を第１の方向に移動させることによって、前記媒体を介して一つの従動面に力を伝達することで、前記パターン部材を所定の方向に相対移動させ、更に前記駆動面を前記第１の方向とは異なる第２の方向に移動させることによって、前記駆動面を前記一つの従動面から他の従動面に対向する位置へと相対移動させるようになっており、それにより前記駆動手段が、更に前記駆動面を第１の方向に移動させることによって、前記媒体を介して前記他の従動面に力を伝達することで、前記パターン部材を所定の方向に相対移動させることができ、従って前記第１の方向の移動と前記第２の方向の移動とを、前記パターン部材の相対移動量と前記３次元パターンとに基づいて行うことにより、前記パターン部材をステップ的に相対移動させるから、前記駆動手段はコンパクトな構成で足り、低コストな駆動装置を提供できる。又、前記駆動面における前記第１の方向の移動回数により、前記パターン部材の相対移動量を精度良く制御できる。本発明では、駆動手段が単一である場合を前提にしているので、「ステップ的相対移動」となるが、駆動手段を複数設けて連係的に動作させることで、「連続的相対移動」も実現できる。

尚、「媒体」とは、液体、気体など実体があるものの他、磁気、静電気など実体がないものも含む。更に、「媒体を介して」とは、駆動面と従動面との間に媒体が存在し、それを介して力を伝達する状態にあれば足り、駆動面と従動面の一部が直接接触する場合を含む。又、パターン部材の両端を連結して環状部材とすれば、モータのごとき回転力を発生させる駆動装置となりうる。

第２の本発明の駆動装置は、前記駆動手段が、一つの駆動面を、前記従動面に接近させることによって前記媒体を介して力を伝達することで、前記パターン部材を所定の方向に相対移動させた後、別の駆動面を、前記従動面に接近させることによって前記媒体を介して力を伝達することで、前記パターン部材を前記所定の方向に継続的に相対移動させるので、前記駆動手段はコンパクトな構成で足り、低コストな駆動装置を提供できる。又、前記駆動面におけるのべ駆動回数により、前記パターン部材の相対移動量を精度良く制御できる。

前記従動面は周期的な３次元パターンを有し、前記駆動面は前記３次元パターンの周期と同じ周期の３次元パターンを持つと好ましい。

更に、３次元パターンを周期構造にして、その周期と凹凸の振幅を小さくしたときに、駆動面の面積を広げて、同時に押圧される山の数を増やせば、個々の山の斜面で生じる反発力は小さくとも、駆動面全体では必要な駆動力を発生させることができる。

又、従動面と駆動面を磁気的な力あるいはスクイーズ効果による反力で反発させることは、多数の山の同時の押し込みの際にパターンにピッチの不整があって各斜面の接近量が等しくなくても反発力が全ての斜面で生じる特徴があり、斜面の単なる機械的接触による反力だけを利用する場合より安定した力が発生しやすいというメリットがある。

更に、前記駆動面の往復運動には、前記従動面に沿う方向の相対移動成分も含み、駆動面の１回の押圧による前記パターン部材の相対移動量の調節ができると好ましい。

又、前記駆動面は複数用意され、従動面のパターンに対する駆動面の位相を進行方向にずらせた形で配置され、それらが独立に往復運動することにより、一つの駆動面の押圧で相対移動できる量が小さいときにも複数個の駆動部による押圧による変位を加えることで所定の相対移動量を確保できる。

前記駆動手段は、前記駆動面を備えた駆動部と、前記駆動部を独立に往復駆動する複数のアクチュエータとを備え、前記パターン部材に配置された従動面に対して独立にそれぞれの駆動面を接近させることができ、前記パターン部材の相対移動量に同期させながら順次駆動面を従動面に接近させ、離間させる往復駆動を繰り返すことで所望の相対移動方向と相対移動量を制御できると好ましい。この駆動部は、柔軟な一枚の面になっていて、異なるアクチュエータで押し込むだけなので、上述した位相を変える配置と同じにするには、従動面のパターン周期と徐々にずれる構造すなわち周期をわずかに変えた構造にする、あるいは単に、独立のｎ個の駆動面を一体化した柔軟面とする必要がある。前者だと、例えば、１０００対１００１ぐらいの周期差にして、一個のアクチュエータで押し込む範囲は１０周期分（その間のピッチのずれによる片当たりが１／１００程度）とするといった形式が考えられる。あるいはまた、前者を分かりやすくには、両面のパターン周期ｎ対（ｎ＋１）にして、アクチュエータをｎ個または（ｎ＋１）個配置するとよい。この構造は、ハーモニックドライブ（ＨＤ）のように、内歯と外歯の歯数が１乃至２違うかみ合いをする構成と類似するものである。ＨＤは回転で歯のかみ合いの進行をさせるので、片当たりは生じない。後者だと問題は少ないが、製造上一つの面にｎ個の範囲に分割して位相の異なるパターンを刻むための工夫が必要である。前者のようにすれば、独立した複数の駆動面の位相を調節した配置という組み立て上の困難性が解決される。また、位相を変えない使い方で、静的なステップ駆動をする、すなわち従動面の相対移動にタイミングを合わせない駆動をするときは、アクチュエータの方に駆動面に横方向の運動成分を加えることが望ましい。

前記複数の駆動部の一部がパターン部材の相対移動方向とは逆向きの斜面に接近させられることで相対移動方向と逆向きの力を発生し、相対移動方向の斜面の接近による力との差し引き量だけが、前記パターン部材の相対移動をもたらすと好ましい。

前記駆動手段の往復駆動に、前記従動面に垂直な方向と前記従動面に沿う方向の成分を持たせ、前記従動面に沿う方向の成分の大きさによって、１回の駆動で前記パターン部材が相対移動する量を制御できると好ましい。

更に、前記複数の駆動面のうち一部はそれを押圧することで、前記パターン部材に対して残りの駆動面とは前記パターン部材進行方向に対して逆向きの力を加えるようなタイミングで押圧され、パターン部材に対する力のバランスから所定の方向への力の成分を与えるとともに、従動面と駆動面の間のバックラッシュの影響を取り除く駆動方式が採れると好ましい。

前記従動面および前記駆動面の３次元パターンを構成する凹凸が、両面を互いに深く押し込むことで、相対移動方向の斜面とその逆方向の斜面の両方が接触する形をもち、前記従動部材を静止させるときに、前記駆動面を前記従動面に深く押し込むことで静止性能を高めると、前記パターン部材を静止させるときにその保持力を高め、またバックラッシュの影響を取り除いて前記パターン部材をロックさせることが可能となるので好都合である。

前記従動面の３次元パターンの凸部の頂点側に、前記３次元パターンの周期よりも小さい周期の３次元微細パターンを刻み、この小さい周期を持つ３次元微細パターンと同じ周期の３次元微細パターンを前記駆動面の３次元パターンの凸部の頂点側に刻み、３次元微細パターン同士が対向する状態で前記駆動面を前記従動面に接近させることで、ステップ幅の小さいステップ駆動を実現することのできると好ましい。

前記従動面と前記駆動面の３次元パターンのピッチと個々の凹凸を微細化するだけでは、前記パターン部材の微動は達成できるが、前記パターン部材の高速移動は困難となる。これに対し、本発明のように、前記従動面と前記従動面の３次元パターンの凸部の頂点側に３次元微細パターンを設ければ、まず大きな３次元パターンを用いて高速移動を達成でき、目標地点に近づいたら、小さな３次元微細パターンを用いて微動を達成できることとなる。尚、３次元微細パターンを設けると、前記従動面に含まれる凹凸数はそれだけ多くなり、しかも電磁気的な力あるいはスクイーズ効果での反発力で力を伝えることができるため、所定の方向を向いたすべての山の斜面が力の伝達に寄与するため、ピッチの小型化が駆動力の減少に必ずしも直結しないという特徴を持つ。例えば、１０mm四方の駆動面の大きさと、３次元パターンのピッチを１μmとすれば、１列１方向の斜面だけで１万個の斜面が力の伝達に寄与することになる。

前記パターン部材の相対移動量を測定する測定手段を有すると、前記パターン部材の相対移動量を高精度に制御するのに好都合である。

前記従動面と前記駆動面とは、相対的に接近させるとクーロン力が生じるように等電位に保たれていると好ましい。

前記複数の駆動部の一部が従動面と正負逆の電位に保持され、接近した両面に吸引力を発生させることで、他の駆動面と従動面の間の面に垂直な方向の力をバランスさせ、前記従動面と前記駆動面の垂直方向の距離が所定の範囲内に保持されると好ましい。

前記従動面と前記駆動面とは、相対的に接近させると反発力が生じるように同じ磁極となるよう磁化されているか、相対的に接近させると吸引力が生じるように異なる磁極となるよう磁化されていると好ましい。

前記従動面と前記駆動面との間には液体又は気体が配置されており、前記駆動手段は、前記駆動面に高周波振動を付与することによって、前記液体又は気体にスクイーズ効果を生じさせ、それに基づき前記従動面と前記駆動面との間に反発力が生じるようになっていると好ましい。

以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態にかかる駆動装置を説明する。以下の実施の形態では、駆動手段を固定し、パターン部材を、それに対して相対的に移動する移動部材としているが、これに限らず、パターン部材を固定し、駆動手段を相対的に移動させてもよいことはいうまでもない。図１、２は、本発明の実施の形態にかかる駆動装置の概略構成図であり、図１は駆動状態を示し、図２（電源Ｅ、制御装置３０，センサ３１は図示省略）は静止状態を示す。図１において、剛体であるフレームＦに対向して、移動部材１０が図で左右方向に移動可能に配置されている。移動部材１０は、フレームＦに対向する面に、ラック歯のごとき断面が同じ台形状の歯１１を、複数個等ピッチで配置している。すなわち、移動部材１０は、フレームＦに対向する面が、周期的な３次元パターン形状を有している。歯１１の斜面が従動面を構成する。移動部材１０の表面には、絶縁膜を挟む形で導電性の膜１０ａが形成されている。

フレームＦと移動部材１０との間には、駆動手段である駆動ユニット２０が配置されている。駆動ユニット２０は、フレームＦに取り付けられた圧電素子のごとき伸縮自在な第１アクチュエータ２１と、第１アクチュエータ２１に取り付けられた圧電素子のごとき伸縮自在な第２アクチュエータ２２と、第２アクチュエータ２２に取り付けられた駆動部２３とからなる。駆動部２３は、移動部材１０の歯１１に対向して、同じ周期の３次元パターン形状である歯２３ａを、ここでは３つ有している。歯２３ａの斜面が駆動面を構成する。駆動部２３の表面には、絶縁膜を挟む形で導電性の膜２３ｂが形成されている。導電膜１０ａ、２３ｂは電源Ｅに接続され、その対向する従動面と駆動面の表面とは同じ電位（ここではプラス）に保たれている。

各アクチュエータ２１，２２は、制御装置３０により独立して駆動制御され、それぞれ水平方向、垂直方向に伸縮自在となっている。又、制御装置３０は、移動部材１０の表面に形成されたセンサパターンを読み取る測定手段であるセンサ３１からの信号に基づき、移動部材１０の移動量を検出できるようになっている。ここで、センサパターンとしては、センサ用に特別に校正したパターンを形成してもよく、あるいは従動面として刻んだ立体パターンをそのまま利用しても良い。

次に、本実施の形態の動作について説明する。まず、アクチュエータ２１、２２は縮んだ状態（初期状態）にあるものとする。ここで、不図示のスイッチがオン操作されたことにより、制御装置３０は、第２アクチュエータ２２を駆動することで（第１の方向に）伸長させ、駆動部２３を移動部材１０に向かって接近させる。すると、図１に示す状態では、駆動部２３の歯２３ａの左斜面（駆動面）が、対向する移動部材１０の歯１１の右斜面（一つの従動面）に接近するか接触して、同じ極性の電荷が接近することによる静電的反発力、場合によっては機械的接触反力も加わった力で押圧することとなる。

歯２３ａの左斜面により、歯１１の右斜面が押圧されることで、移動部材１０には、その法線方向に反力が生ずるが、移動部材１０は図で左右方向にのみ移動可能であるため、その水平方向分力によって、移動部材１０は、第２アクチュエータ２２の伸長に応じて、図で左方向に押し出される。すなわち、第２アクチュエータ２２の１回の伸長で、移動部材１０は決まった量、図では立体パターンの周期の１/４だけ精度良くステップ移動することとなる。

その後、制御装置３０が、第２アクチュエータ２２を縮めた後、第１アクチュエータ２１を（第２の方向に）伸長させると、駆動部２３は、移動部材１０に対して進行方向後方（図で右方）に向かって移動し、隣接した歯１１に対して対向した、図１に示す位相関係となる。

更に、制御装置３０は、第２アクチュエータ２２を駆動することで（第１の方向に）伸長させ、駆動部２３を移動部材２０に向かって接近させる。上述と同様に、歯２３ａの左斜面（駆動面）により、対向する歯１１の右斜面（他の従動面又は一つの従動面）が押圧されることで、移動部材１０は、第２アクチュエータ２２の伸長に応じて、図で左方向に押し出される。かかる場合も、第２アクチュエータ２２の１回の伸長で、移動部材１０は決まった量、図では立体パターンの周期の１/４だけ精度良くステップ移動することとなる。

その後、制御装置３０が、第２アクチュエータ２２を縮ませた後、第１アクチュエータ２１を（第２の方向に）縮めると、駆動部２３は、移動部材１０に対して進行方向前方（図で左方）に向かって移動し、隣接した歯１１に対して対向した、図１に示す位相関係に戻る。これで駆動装置の１行程（１／２ステップ駆動）が終了する。以下、同様な行程を経ることで、移動部材１０を継続的に移動させることができる。尚、移動部材１０を逆方向へ移動させる場合、駆動部２３の歯２３ａの右斜面（駆動面）を、移動部材１０の歯１１の左斜面（他の従動面）に接近させるか接触させれば、上述とは逆方向に反発力が作用して、移動が実現することとなる。

移動部材１０が目標位置に到達したことを、センサ３１の信号により認識した制御装置３０は、静止位置に対して第１アクチュエータ２１の伸縮量を調整した後、第２アクチュエータ２２を伸長させることで、駆動部２３を移動部材１０に向かって接近させる。すると、図２に示すように、駆動部２３の歯２３ａの右斜面及び左斜面（移動方向とは逆向きの斜面）が、移動部材１０の歯１１の左斜面及び右斜面に対して接近するか接触して、これを静電的反発力、場合によっては機械的接触反力も加わった力で押圧する。かかる場合、移動部材１０は、歯２３ａ、１１の面に作用する異なる方向への反力により、駆動部２３に対して拘束され、即ち水平方向いずれにも移動しないロック状態が確保される。

図３は、本実施の形態の変形例を示す図２と同様な図である。本変形例においては、駆動部２３の導体膜２３ｂに電荷を供給する電源ＥにスイッチＳを設けた点が異なる。スイッチＳは、図で下方に移動させたとき、駆動部２３の下面（移動部材１０に対向する面）の導体膜２３ｂにプラスの電荷が供給され、図で上方に移動させた（図３に示す状態の）とき、駆動部２３の下面（移動部材１０に対向する面）の導体膜２３ｂにマイナスの電荷が供給されるようになっている。

移動部材１０の移動時には、スイッチＳを、点線で示すように下方へと移動することで、上述したように、駆動部２３の歯２３ａの左又は右斜面が、移動部材１０の歯１１の右又は左斜面に接近するか接触したときに、静電的反発力等を発揮させるため、その移動が可能となる。一方、スイッチＳを、実線で示すように上方へと移動すると、駆動部２３の歯２３ａの下面にマイナスの電荷が生じ、移動部材１０の歯１１の上面にプラスの電荷が生じていることから、両者間に静電的吸引力が発揮されるため、図２に示すように、駆動部２３に対して移動部材１０が離れた状態でも、そのロックを行うことができる。

図４は、第２の実施の形態にかかる駆動装置を示す図１と同様な図である。図４において、フレームＦと駆動部２３との間に配置されたアクチュエータ２４は、図１のアクチュエータ２１，２２の機能を兼ねるものであり、即ち図４の矢印に示すように、側方から見てアクチュエータ２４の下端（即ち駆動部２３）が円運動を描くように２次元的に伸縮する。つまり、駆動手段であるアクチュエータ２４の往復駆動に、従動面に垂直な方向と従動面に沿う方向の成分を持たせ、従動面に沿う方向の成分の大きさによって、１回の押圧で移動部材１０が移動する量を制御できるのである。本変形例においても、上述した実施の形態と同様にして、アクチュエータ２４を動作させることで、移動部材１０を移動させることができる。

図５は、第３の実施の形態にかかる駆動装置を示す図１と同様な図である。上述した実施の形態においては、駆動部２３の駆動面が移動部材１０の従動面から離れたときは、移動部材１０の駆動力が生じないこととなり、従って移動部材１０はステップ的に移動することとなる。

これに対し、本実施の形態においては、駆動ユニット２０を２つ設けることで、一方の駆動部２３の駆動面が移動部材１０の従動面から離れたときは、他方の駆動部２３の駆動面が移動部材１０の従動面に接近して、駆動力を発揮するようにしているので、移動部材１０の移動は連続的となり、より円滑且つ高速な駆動を実現できる。尚、駆動ユニット２０を３つ以上設けて、連係動作させても良いことは言うまでもない。また、複数の駆動ユニットがそれぞれ図４のようにアクチュエータの下端（駆動部）が円運動をする形態をとっても良いことは言うまでもない。さらに、円運動ばかりでなく、駆動面が従動面に対して斜め方向に押し込まれる形の往復運動も利用できる。

図６（ａ）〜（ｄ）は、第４の実施の形態にかかる駆動装置を示す図１と同様な図である。上述した実施の形態においては、駆動部２３は、フレームＦに対してアクチュエータ２１，２２により２次元方向に移動可能となっているが、本実施の形態では、駆動ユニットを複数個設ける代わりに、その駆動部は単一のアクチュエータにより１次元方向にのみ移動可能となっている。

より具体的には、フレームＦに４つの駆動ユニット２０Ａ〜２０Ｄが取り付けらており、各駆動ユニット２０Ａ〜２０Ｄは、フレームＦに取り付けられ個々に動作可能なアクチュエータ２２Ａ〜２２Ｄと、アクチュエータ２２Ａ〜２２Ｄに取り付けられた駆動部２３Ａ〜２３Ｄとを有している。その他の点については、図１に示す実施の形態と同様であるので説明を省略する。

本実施の形態の動作について説明する。まず、各駆動ユニット２０Ａ〜２０Ｄアクチュエータ２１Ａ〜２１Ｄは、縮んだ状態にあるものとする（図６（ａ）参照）。ここで、不図示のスイッチがオン操作されたことにより、不図示の制御装置は、最も左の駆動ユニット２０Ａのアクチュエータ２１Ａを伸長させる（図６（ｂ）参照）。すると、駆動部２３Ａの歯が、移動部材１０に向かって押し出され、その左斜面（駆動面）が、対向する移動部材１０の歯の右斜面（従動面）に接近するか接触して、これを静電的反発力、あるいは機械的接触反力も加わった力で押圧するため、移動部材１０は、アクチュエータ２２Ａの伸長に応じて、図で左方向に押し出される。すなわち、アクチュエータ２２Ａの１回の伸長で、移動部材１０は決まった量、図では立体パターンの周期の１/４だけ精度良くステップ移動することとなる。

続いて、制御装置１０は、アクチュエータ２２Ａを縮めて駆動部２３Ａを退避させると共に（図６（ｃ）参照）、繰り返しの往復運動の時間周期を１/４遅らせて、左から２番目の駆動ユニット２０Ｂのアクチュエータ２２Ｂを伸長させる（図６（ｄ）参照）。すると、駆動部２２Ｂの歯が、移動部材１０に向かって押し出され、その左斜面（駆動面）が、対向する移動部材１０の歯の右斜面（従動面）に当接して、これを押圧するため、移動部材１０は、アクチュエータ２２Ｂの伸長に応じて、図で左方向に押し出される。すなわち、アクチュエータ２２Ｂの１回の伸長で、移動部材１０は決まった量、図では立体パターンの周期の１/４だけ精度良くステップ移動することとなる。

続いて、制御装置１０は、アクチュエータ２２Ｂを縮めて駆動部２３Ｂを退避させると共に、繰り返しの往復運動の時間周期を１/４遅らせて、左から３番目の駆動ユニット２０Ｃのアクチュエータ２２Ｃを伸長させる。すると、駆動部２２Ｃの歯が、移動部材１０に向かって押し出され、その左斜面（駆動面）が、対向する移動部材１０の歯の右斜面（従動面）に当接して、これを押圧するため、移動部材１０は、アクチュエータ２２Ｃの伸長に応じて、図で左方向に押し出される。すなわち、アクチュエータ２２Ｃの１回の伸長で、移動部材１０は決まった量、図では立体パターンの周期の１/４だけ精度良くステップ移動することとなる。

続いて、制御装置１０は、アクチュエータ２２Ｃを縮めて駆動部２３Ｃを退避させると共に、繰り返しの往復運動の時間周期を１/４遅らせて、左から３番目の駆動ユニット２０Ｄのアクチュエータ２２Ｄを伸長させる。すると、駆動部２２Ｄの歯が、移動部材１０に向かって押し出され、その左斜面（駆動面）が、対向する移動部材１０の歯の右斜面（従動面）に当接して、これを押圧するため、移動部材１０は、アクチュエータ２２Ｄの伸長に応じて、図で左方向に押し出される。すなわち、アクチュエータ２２Ｄの１回の伸長で、移動部材１０は決まった量、図では立体パターンの周期の１/４だけ精度良くステップ移動することとなる。これで駆動装置の１行程が終了する。以下、同様な行程を経ることで、移動部材１０を継続的に移動させることができる。なお、駆動面には円運動をさせて、一回の往復運動による移動部材の移動の量を調節しても良いことは言うまでもない。駆動面の運動に、移動部材の移動方向の運動成分を与えることで、駆動面と従動面が移動のための力を及ぼしているときに、両面の滑り方向の運動を生じさせない形態が実現できる。

図７（ａ）、（ｂ）は、第５の実施の形態にかかる駆動装置を示す図６と同様な（ただし、駆動ユニットは２つのみ示す）図であり、図７（ｃ）は、図７（ａ）の矢印VIICで示す部位を拡大して示す図である。本実施の形態においては、図６に示す駆動装置に対して、駆動部及び移動部材の歯形状が異なる。より具体的には、駆動部１２３Ａ、１２３Ｂの歯１２３Ａａ、１２３Ｂａの各先端に、歯１２３Ａａ、１２３Ｂａと相似形状の小歯１２３Ａａ’、１２３Ｂａ’をそれぞれ３つ形成している。一方、移動部材１１０の歯１１１の先端にも、小歯１２３Ａａ’、１２３Ｂａ’に対向して、小歯１１１’を３つ形成している。尚、図７では、導電膜は図示を省略している。複数の小歯１２３Ａａ’、１２３Ｂａ’及び小歯１１１’は、それぞれ３次元微細パターンを形成している。

移動部材１０を高速且つ粗く移動させる場合には、不図示の制御装置は、上述と同様に、アクチュエータ１２２Ａ，１２２Ｂを交互に駆動することで伸長させ、駆動部１２３Ａ，１２３Ｂの歯１２３Ａａ，１２３Ｂａの左斜面（駆動面）を、移動部材１１０の歯１１１の右斜面（従動面）に接近するか接触させる。それにより、上述と同様に移動部材１０の粗動を達成することができる（図７（ｂ）参照）。

一方、移動部材１０を低速且つ精度良く移動させる場合には、不図示の制御装置は、アクチュエータ１２２Ａ（又は１２２Ｂ）を駆動することで伸長させ、図７（ａ）に示すように、３次元微細パターンを対向させた状態で、駆動部１２３Ａ（又は１２３Ｂ）の歯１２３Ａａ（又は１２３Ｂａ）の先端に設けられた小歯１２３Ａａ’（又は１２３Ｂａ’）の左斜面（駆動面）を、移動部材１１０の歯１１１の先端に設けられた小歯１１１’の右斜面（従動面）に接近するか接触させる。それにより、アクチュエータ１２２Ａの微動に応じた移動部材１１０の微動を達成することができる（図７（ｃ）参照）。

図８は、第６の実施の形態にかかる駆動装置を示す図６と同様な（ただし、駆動ユニットは１つのみ示す）図である。本実施の形態においては、図６に示す駆動装置に対して、駆動部２２３の歯２２３ａ、移動部材２１０の歯１１１の表面には、導電膜は設けられておらず、代わりに対向する表面が同極（ここではＮ極）に磁化されている。即ち、不図示の制御装置が、アクチュエータ２２２を駆動することで伸長させ、駆動部２２３の歯２２３ａの左斜面（駆動面）を、移動部材２１０の歯２１１の右斜面（従動面）に接近するか接触させたとき、同じ磁極が接近することによる磁気的反発力、場合によっては機械的接触反力も加わった力で、移動部材２１０は移動するようになっている。

クーロン力で反発力あるいは吸引力を発生させるための電源として、図では直流電源を示したが、従動面と駆動面の電位が等電位であれば、電源は交流電源でも、可変電源でも良い。磁力を利用するときも、磁力で反発させるとき、あるいは吸引させるとき、磁極の方向が所望の方向であれば、交番磁極であっても良いのは言うまでもない。

図では、移動方向が直線的な場合のみを示したが、立体パターンを平面の２方向に周期的に変化する構造にすれば、２方向の移動が可能な駆動装置になることも言うまでもない。平面の代わりに局面に従動面を刻むことも有効である。さらに、移動物体の両面に従動面と駆動面を配置し、移動物体を挟み込むような構造にし、面に垂直方向の力をバランスさせて軸受けの役目も兼ねさせる形態も好ましい。

従来の回転モータのロータとステータを円から展開して平面に配置したことでリニヤーモータが成立することは周知の事実であるが、本発明の駆動装置を適用して、従動面、駆動面の両方を円筒面に配置すれば回転モータが成立することはもちろんである。さらに本モータでは２次元駆動が可能なので、円筒の中心軸回りと、軸に沿う方向の２次元に移動するモータも成立する。さらに、従動面と駆動面を球面に配置すれば、球の中心回りに回転するモータが成立する。

さらに、従動面をベルトのような柔軟物体に配置すれば、ベルトをダイレクトに駆動するモータも成立する。従動面を持つ柔軟な棒の先に物を取り付け、曲がったパイプの中に物を送り込むことも可能になる。又、移動部材と駆動面との間に電荷や磁気等に基づく吸引力や反発力を生じさせることで、移動部材をフローティング状態で支持することができ、それにより非接触型の軸受としても機能させることができる。

たとえば、ワーク（すなわち移動部材）に３次元パターンやセンサパターンを形成すれば、ワークをステージに搭載することなく、任意の高精度移動が達成できる。かかる場合、ワークは非接触で移動するので、ゴミなどの問題を回避でき、ワークの微細加工を行う場合に好適である。

以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定して解釈されるべきではなく、適宜変更・改良が可能であることはもちろんである。例えば、媒体として静電気を用いる場合、駆動面と従動面の一方をプラス電位、他方をマイナス電位として、静電的吸引力を用いて力の伝達を行ってもよい。又、駆動面と従動面との間に、媒体としての液体や気体を介在させ、高周波振動で駆動面を動作させたときに、かかる液体や気体に生じるスクイーズ効果を用いて従動面に反発力を与え、駆動面から従動面への力の伝達を行ってもよい。

本発明の実施の形態にかかる駆動装置の概略構成図である。 本発明の実施の形態にかかる駆動装置の概略構成図である。 本実施の形態の変形例を示す図２と同様な図である。 第２の実施の形態にかかる駆動装置を示す図１と同様な図である。 第３の実施の形態にかかる駆動装置を示す図１と同様な図である。 図６（ａ）〜（ｄ）は、第４の実施の形態にかかる駆動装置を示す図１と同様な図である。 図７（ａ）、（ｂ）は、第５の実施の形態にかかる駆動装置を示す図６と同様な（ただし、駆動ユニットは２つのみ示す）図であり、図７（ｃ）は、図７（ａ）の矢印VIICで示す部位を拡大して示す図である。 第６の実施の形態にかかる駆動装置を示す図６と同様な（ただし、駆動ユニットは１つのみ示す）図である。

符号の説明

１０、１１０，２１０ 移動部材
２０，２０Ａ〜２０Ｄ、２２０ 駆動ユニット
３０ 制御装置
３１ センサ

Claims (14)

1. 相対移動方向に対して傾いた斜面である複数の従動面を含む３次元パターンを備えたパターン部材と、
   駆動面を備えた駆動手段と、を有し、
   前記従動面と前記駆動面とは、相対的に接近させると媒体を介して一方から他方へと力が伝達されるようになっており、
   前記駆動手段は、前記駆動面を第１の方向に移動させることによって、前記媒体を介して一つの従動面に力を伝達することで、前記パターン部材を所定の方向に相対移動させ、更に前記駆動面を前記第１の方向とは異なる第２の方向に移動させることによって、前記駆動面を前記一つの従動面から他の従動面に対向する位置へと相対移動させるようになっており、
   前記第１の方向の移動と前記第２の方向の移動とを、前記パターン部材の相対移動量と前記３次元パターンとに基づいて行うことにより、前記パターン部材をステップ的に相対移動させることを特徴とする駆動装置。
2. 前記従動面は周期的な３次元パターンを有し、前記駆動面は前記３次元パターンの周期と同じ周期の３次元パターンを持つことを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
3. 相対移動方向に対して傾いた斜面である従動面を含む３次元パターンを備えたパターン部材と、
   往復移動可能な複数の駆動面を備えた駆動手段と、を有し、
   前記従動面と前記駆動面とは、相対的に接近させると媒体を介して一方から他方へと力が伝達されるようになっており、
   前記駆動手段は、一つの駆動面を、前記従動面に接近させることによって前記媒体を介して力を伝達することで、前記パターン部材を所定の方向に相対移動させた後、別の駆動面を、前記従動面に接近させることによって前記媒体を介して力を伝達することで、前記パターン部材を前記所定の方向に継続的に相対移動させることを特徴とする駆動装置。
4. 前記従動面は周期的な３次元パターンを有し、前記駆動面は前記３次元パターンの周期と同じ周期の３次元パターンを持つことを特徴とする請求項３に記載の駆動装置。
5. 前記駆動手段は、前記駆動面を備えた駆動部と、前記駆動部を独立に往復駆動する複数のアクチュエータとを備え、前記パターン部材に配置された従動面に対して独立にそれぞれの駆動面を接近させることができ、前記パターン部材の相対移動量に同期させながら順次駆動面を従動面に接近させ、離間させる往復駆動を繰り返すことで所望の相対移動方向と相対移動量を制御できることを特徴とする請求項３又は４に記載の駆動装置。
6. 前記複数の駆動部の一部がパターン部材の相対移動方向とは逆向きの斜面に接近させられることで相対移動方向と逆向きの力を発生し、相対移動方向の斜面の接近による力との差し引き量だけが、前記パターン部材の相対移動をもたらすことを特徴とする請求項５のいずれかに記載の駆動装置。
7. 前記駆動手段の往復駆動に、前記従動面に垂直な方向と前記従動面に沿う方向の成分を持たせ、前記従動面に沿う方向の成分の大きさによって、１回の押圧で前記パターン部材が相対移動する量を制御できることを特徴とする請求項３乃至６のいずれかに記載の駆動装置。
8. 前記従動面および前記駆動面の３次元パターンを構成する凹凸が、両面を互いに深く押し込むことで、相対移動方向の斜面とその逆方向の斜面の両方が接触する形をもち、前記従動部材を静止させるときに、前記駆動面を前記従動面に深く押し込むことで静止性能を高めることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の駆動装置。
9. 前記従動面の３次元パターンの凸部の頂点側に、前記３次元パターンの周期よりも小さい周期の３次元微細パターンを刻み、この小さい周期を持つ３次元微細パターンと同じ周期の３次元微細パターンを前記駆動面の３次元パターンの凸部の頂点側に刻み、３次元微細パターン同士が対向する状態で前記駆動面を前記従動面に接近させることで、ステップ幅の小さいステップ駆動を実現することのできることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の駆動装置
10. 前記パターン部材の相対移動量を測定する測定手段を有することを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の駆動装置。
11. 前記従動面と前記駆動面とは、相対的に接近させるとクーロン力が生じるように等電位に保たれていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の駆動装置。
12. 前記複数の駆動部の一部が従動面と正負逆の電位に保持され、接近した両面に吸引力を発生させることで、他の駆動面と従動面の間の面に垂直な方向の力をバランスさせ、前記従動面と前記駆動面の垂直方向の距離が所定の範囲内に保持されることを特徴とする前記請求項５乃至１１のいずれかに記載の駆動装置。
13. 前記従動面と前記駆動面とは、相対的に接近させると反発力が生じるように同じ磁極となるよう磁化されているか、相対的に接近させると吸引力が生じるように異なる磁極となるよう磁化されていることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれかに記載の駆動装置。
14. 前記従動面と前記駆動面との間には液体又は気体が配置されており、前記駆動手段は、前記駆動面に高周波振動を付与することによって、前記液体又は気体にスクイーズ効果を生じさせ、それに基づき前記従動面と前記駆動面との間に反発力が生じるようになっていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の駆動装置。