JP4526011B2 - 駆動装置 - Google Patents

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。

ロータを摩擦駆動する超音波モータが知られている。このような超音波モータの一例が特許文献１に開示されている。
特開２００３−２４４９７６号公報

ところで、特許文献１に記載のごとき超音波モータにおいては、ロータに対して振動体を摩擦接触させるために、摩擦により生じた摩擦粉などの処理をどうするかという問題がある。特に半導体製造装置などにおいては、たとえ生じた摩擦粉が小さなものであっても製品不良を招く恐れがある。そこで、特許文献１に記載の超音波モータにおいては、摩擦粉を捕獲する付着部材を設けることで、その飛散を抑制するようにしている。また、ロータに対して振動体から、摩擦力によって力を伝える必要があるため潤滑によって摩耗の低減を図ることもできない。

ところが、かかる付着部材により完全に摩擦粉を捕獲できるとはいいがたく、また付着部材を設けることでコストが増大するという問題もある。

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移動を確保し、摩擦粉の発生を抑制でき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、
複数の凸部もしくは凹部を有するパターン部材と、
前記凸部もしくは凹部の側面に駆動面を接触させて押圧することにより、前記パターン部材を駆動する駆動部と、を有し、
前記凸部もしくは凹部の側面に接触して押圧する前記駆動面の駆動方向は、接触する前に前記駆動面が前記凸部もしくは凹部に接近する方向と異なり、押圧のときは、前記凸部もしくは凹部と前記駆動面との間に滑りが発生しないように構成されており、
前記凸部もしくは凹部は第１の楔状面を有し、前記駆動面は前記第１の楔状面に対応した第２の楔状面を有し、
前記第１の楔状面は、等ピッチで配列された台形状の第１の歯によって規定されており、
前記第２の楔状面は、前記第１の歯に対向して当該第１の歯と同じ周期で形成された第２の歯によって規定されており、
前記第１の歯と前記第２の歯を各歯の配列方向に隙間が形成されないように噛み合わせて前記楔状面同士を係合させることで、前記パターン部材の移動を阻止することを特徴とする。

第２の本発明の駆動装置は、
複数の凸部もしくは凹部を有するパターン部材と、
前記凸部もしくは凹部の側面に駆動面を接触させて押圧することにより、前記パターン部材を繰り返しステップ的に駆動する駆動部と、を有し、
前記凸部もしくは凹部の側面に接触して押圧する前記駆動面から前記凸部もしくは凹部へ、摩擦力を介さずに駆動力の伝達が行われるように構成されており、
前記凸部もしくは凹部は第１の楔状面を有し、前記駆動面は前記第１の楔状面に対応した第２の楔状面を有し、
前記第１の楔状面は、等ピッチで配列された台形状の第１の歯によって規定されており、
前記第２の楔状面は、前記第１の歯に対向して当該第１の歯と同じ周期で形成された第２の歯によって規定されており、
前記第１の歯と前記第２の歯を各歯の配列方向に隙間が形成されないように噛み合わせて前記楔状面同士を係合させることで、前記パターン部材の移動を阻止することを特徴とする。

本発明の駆動装置は、複数の凸部もしくは凹部を有する移動部材と、前記凸部もしくは凹部の側面に駆動面を接触させて押圧することにより、前記移動部材を駆動する駆動部と、を有し、前記凸部もしくは凹部に接触して押圧する前記駆動面の駆動方向は、接触する前に前記駆動面が前記凸部もしくは凹部に接近する方向と異なり、滑りが発生しない形をとるか、摩擦力を必要としないために滑りが発生する形式でも潤滑剤で摩耗を低減できる形となるので、従来技術の超音波モータとは本質的に異なる。より具体的には、隣接する前記凸部もしくは凹部を避けながらそれらに駆動面を所定の方向に接近させ、前記凸部もしくは凹部に前記駆動面が接触した後には、その接触面に滑りが生じない方向（前記所定の方向とは異なる駆動方向）に押圧することで、前記凸部もしくは凹部と前記駆動面とが滑りを生じることなく、前記移動部材を移動させるので、本来的に摩擦粉が生じることがなく、ゴミの問題を解決できるため、半導体製造装置などにも適用可能である。あるいは前記凸部もしくは凹部と前記駆動面とが接触している間の摩擦力を極力下げても力の伝達に支障がないため、両面間の滑りを潤滑によって滑らかにして摩耗を低減することもでき、２次元的に移動することができる安価な平面ステージとして適用することも可能である。

また、本発明の駆動装置は、前記凸部もしくは凹部に、等ピッチで配列された台形状の第１の歯によって規定される第１の楔状面を設け、前記駆動面に、第１の歯と同じ周期で形成された第２の歯によって規定される第２の楔状面を設け、この楔状面同士を、各歯の配列方向に隙間が形成されないように噛み合わせて係合させることにより、前記パターン部材の移動を阻止する。よって、別個に移動部材のロック機構などを設ける必要がなく、便利である。

前記移動部材の凸部もしくは凹部は、周期構造になっていると、その周期でのステップ状の駆動ができるので好ましい。

前記移動部材の凸部もしくは凹部は、マトリクス状に配置されていると、前記移動部材を交差する複数の方向に任意に移動させることができるので好ましい。

複数の前記駆動面が、同時に前記凸部もしくは凹部と接触するようになっており、前記凸部もしくは凹部及び前記駆動面の少なくとも一方は、弾性体から形成されているので、同時に複数の前記駆動面が前記凸部もしくは凹部と接触する場合に、寸法精度に関わらず均一な接触を確保することができる。

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、前記凸部もしくは凹部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ると好ましい。

前記駆動面は円運動すると好ましい。また、円筒面に沿って前記パターン部材および前記駆動部の駆動面を配置して、前記凸部もしくは凹部を前記円筒面に沿ってマトリクス状に配置し、前記パターン部材を、前記円筒面の中心軸まわりもしくは当該中心軸に沿った方向に駆動することができる。あるいは、球面に沿って前記パターン部材および前記駆動部の駆動面を配置して、前記凸部もしくは凹部を前記球面に沿ってマトリクス状に配置し、前記パターン部材を、前記球面の球心回りの方向に駆動することができる。

前記移動部材の移動量を測定する測定手段を有すると、前記移動部材の移動量を高精度に制御するのに好都合である。

図１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る。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、断面が同じ矩形形状の歯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パターン形状を有している。歯１１が凸部を構成する。

フレームＦと移動部材１０との間には、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の側面が駆動面を構成する。

各アクチュエータ２１，２２は、不図示の制御装置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、不図示の制御装置は、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、図１（ａ）に示すように、アクチュエータ２１、２２は伸びた状態（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、制御装置は、第２アクチュエータ２２を駆動することで（図で上方に）収縮させ、駆動部２３を移動部材１０の歯１１から遠ざける（図１（ｂ）参照）。その後、制御装置は、第１アクチュエータ２１を駆動することで（図で右方に）収縮させ（図１（ｃ）参照）、歯２３ａを隣接する歯１１のピッチだけ移動させる。その後、制御装置は、第２アクチュエータ２２を駆動することで（図で下方に）伸長させると、歯２３ａの左側面が歯１１の右側面に接触する位置にくる。

かかる状態で、制御装置が、第１のアクチュエータ２１を伸長させると、歯１１が歯２３ａから押圧されることで、移動部材１０は図で左方へと移動することとなる（図１（ａ）参照）。これで駆動装置の１行程（１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の右側面（駆動面）を、移動部材１０の歯１１の左側面に接触させて同様な動作を行えばよい。

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の伸縮量を調整することで、移動部材１０を適切な位置に制止させることができる。

本実施の形態によれば、歯２３ａが歯１１に接近するときの方向（上下方向）と、接触した後の駆動方向と（左右方向）とが異なるため、隣接する歯１１に干渉することなく、歯２３ａを駆動対象の歯１１に接近させることができ、且つ駆動時には歯２３ａが歯１１に接触するだけで滑りを生じさせないので、摩擦粉が発生するおそれがなく、クリーンルームなど清浄な環境下で用いることが可能である。尚、歯２３ａと歯１１の少なくとも一方を樹脂などの弾性体から形成すれば、同時に複数の歯を接触させる場合にも歯当たりが均一化されるので、重量物の駆動も容易となる。

図２は、本実施の形態の変形例を示す図である。本変形例は、図１の実施の形態に対して、駆動部２３’の歯２３ａ’の形状及び移動部材１０’の歯１１’の形状のみが異なっているので、それ以外の説明は省略する。より具体的には、移動部材１０’は、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。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。

本実施の形態の基本的動作に関しては、上述の実施の形態と同様である。但し、図２から明らかなように、凸部である歯１１’は（第１の）楔状面を有し、歯２３ａ’は歯１１’の楔状面に対応した（第２の）楔状面を有している。従って、図２に示すように、第２アクチュエータ２２を伸長させて移動部材１０’に駆動部２３’を押しつけた状態では、楔状面同士が係合しあうことで、移動部材１０’が左右いずれの方向にも移動できなくなり、別個に移動部材のロック機構などを設ける必要がないため便利である。

図３は、別な実施の形態にかかる駆動装置の概略斜視図である。図３において、平板状の移動部材１１０は、その上面に切頭四角錐状の歯（凸部であり、断面は図２の歯形状に類似）１１１をマトリクス状に等ピッチで配置している。一方、板状の駆動部１２３は、移動部材１１０の歯１１１に対向して、同じ周期の３次元パターン形状である歯１２３ａを、ここでは３×３の９個有している。歯１２３ａの斜面が駆動面を構成する。図３では省略しているが、Ｘ方向とＹ方向に駆動できるよう、上述の実施の形態の第１，第２アクチュエータを１セットずつ配置している。

本実施の形態の特徴は、Ｘ方向に設けられた第１，第２アクチュエータにより、移動部材１１０をＸ方向に移動させることができ、且つＹ方向に設けられた第１，第２アクチュエータにより、移動部材１１０をＹ方向に移動させることができ、すなわち移動部材１１０の２次元移動が実現できることにある。尚、駆動部１２３を移動部材１１０に押しつけることで、ロック機能も実現できる。

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、凸部、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、凸部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。

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、ワークに対して滑りが生じないので、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、移動部材には凸部でなく凹部を設けることもできる。図３に示す例では、移動部材の表面には切頭四角錐状の歯を形成しているが、その代わりに駆動部の歯と同様な形状もしくは円錐形状の凹部を形成してもよい。

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。 変形例にかかる駆動装置の概略構成図である。 別な実施の形態にかかる駆動装置の概略斜視図である。

符号の説明

１０、１０’、１１０ 移動部材
１１、１１’、１１１ 歯
２０ 駆動ユニット
２３、２３’、１２３ 駆動部
３１ センサ

Claims (7)

1. 複数の凸部もしくは凹部を有するパターン部材と、
   前記凸部もしくは凹部の側面に駆動面を接触させて押圧することにより、前記パターン部材を駆動する駆動部と、を有し、
   前記凸部もしくは凹部の側面に接触して押圧する前記駆動面の駆動方向は、接触する前に前記駆動面が前記凸部もしくは凹部に接近する方向と異なり、押圧のときは、前記凸部もしくは凹部と前記駆動面との間に滑りが発生しないように構成されており、
   前記凸部もしくは凹部は第１の楔状面を有し、前記駆動面は前記第１の楔状面に対応した第２の楔状面を有し、
   前記第１の楔状面は、等ピッチで配列された台形状の第１の歯によって規定されており、
   前記第２の楔状面は、前記第１の歯に対向して当該第１の歯と同じ周期で形成された第２の歯によって規定されており、
   前記第１の歯と前記第２の歯を各歯の配列方向に隙間が形成されないように噛み合わせて前記楔状面同士を係合させることで、前記パターン部材の移動を阻止することを特徴とする駆動装置。
2. 複数の凸部もしくは凹部を有するパターン部材と、
   前記凸部もしくは凹部の側面に駆動面を接触させて押圧することにより、前記パターン部材を繰り返しステップ的に駆動する駆動部と、を有し、
   前記凸部もしくは凹部の側面に接触して押圧する前記駆動面から前記凸部もしくは凹部へ、摩擦力を介さずに駆動力の伝達が行われるように構成されており、
   前記凸部もしくは凹部は第１の楔状面を有し、前記駆動面は前記第１の楔状面に対応した第２の楔状面を有し、
   前記第１の楔状面は、等ピッチで配列された台形状の第１の歯によって規定されており、
   前記第２の楔状面は、前記第１の歯に対向して当該第１の歯と同じ周期で形成された第２の歯によって規定されており、
   前記第１の歯と前記第２の歯を各歯の配列方向に隙間が形成されないように噛み合わせて前記楔状面同士を係合させることで、前記パターン部材の移動を阻止することを特徴とする駆動装置。
3. 前記パターン部材の凸部もしくは凹部は、マトリクス状に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の駆動装置。
4. 複数の前記駆動面が、同時に前記凸部もしくは凹部と接触するようになっており、前記凸部もしくは凹部及び前記駆動面の少なくとも一方は、弾性体から形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の駆動装置。
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、前記凸部もしくは凹部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ることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の駆動装置。
6. 円筒面に沿って前記パターン部材および前記駆動部の駆動面が配置され、
   前記凸部もしくは凹部は、前記円筒面に沿ってマトリクス状に配置され、
   前記駆動部は、前記パターン部材を、前記円筒面の中心軸まわりもしくは当該中心軸に沿った方向に駆動することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の駆動装置。
7. 球面に沿って前記パターン部材および前記駆動部の駆動面が配置され、
   前記凸部もしくは凹部は、前記球面に沿ってマトリクス状に配置され、
   前記駆動部は、前記パターン部材を、前記球面の球心回りの方向に駆動することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の駆動装置。