JPH02299479A - 振動波モータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は超音波を駆動源とした振動波モータに関し、と
くに振動波モータの回転角の検出に関するものである。

（従来の技術） 第６図は一般的な振動波モータの進行波によるステータ
の振動の状態を示す説明図、第７図は従来の振動波モー
タの一例を示す斜視図、第８図、第９図は回転角検出機
能を備えた超音波モータの従来例をしめず斜視図である
。

一般に、進行波を利用した円環型振動波モータは、第７
図の斜視図に示すように円環状の弾性共振子１−１の裏
面に円環状の振動子７−２を接着することにより一体化
し、ステータ７−３を構成している。ここで使用する振
動子としてはセラミックスの一種である圧電素子が用い
られることが多い。そしてステータ７−３の上に同じ円
環状の動体（ロータ７−５）がばね１−８の手段によっ
て所定の圧力で押し付けられている。そのロータ７−５
の摺動面には耐摩耗のある材料、例えば芳香族ポリアミ
ド遷移を充填材とし、ポリウレタン樹脂をマトリックス
とした複合プラスチック材料で形成されたライニング１
−４を設けることにより、ステータ７−３との摩耗を防
止する。振動子７−２に振動波型を有する電気信号を入
力しバイモルフ効果によりステータ７−３に進行波のた
わみ振動を発生させる。ステータ７−３上の進行波は、
第６図の説明図に示すように、ステータの表面上の１つ
の点Ｅに着目すると、進行波の伝搬とともに点Ｅは図中
（ａＸｂＸｃＸｄ）のように変化して楕円状の軌跡を描
く。ライニング６−４はステータ６−３の進行波の頂点
に接触しているので、ロータ７−５は楕円の頂点部分の
軌跡の方向への摩擦による移動がきくため、ロータ６−
５は進行波の進行方向とは逆に左に進む。従って、ロー
タ６−５はステータ６−３上の進行波の進行方向とは逆
に回転する。

ところで装置に組み込みモータを使用する場合は、回転
角を検出し装置の制御を行う必要性が生じる。従来の振
動波モータの使用において、振動波モータの回転角を検
出するために広く採られてきた方法としては、ロータリ
エンコーダやポテンションメータなどの回転角度の検出
器をロータに取り付ける手法である。第８図の従来の構
成図に示すように振動波モータの出力軸８−３より出力
された回転運動はロータリエンコーダ８−１内に伝達さ
れ回転角が電気信号として出力される。このように従来
の方法においては振動波モータの回転角を検出するには
ロータリエンコーダなど特別な検出器が必要となる。

また上記エンコーダによる回転角検出手法とは異なる方
法として、第９図に示すように、ステータとロータとの
圧力をロータで検出するための圧力検出部９−７を備え
た振動波モータが本発明者から出願（特願昭６３−１８
４１６４号明細書、特願昭６３−１５７２８９号明細書
）されている。第９図はこの手法による構成を説明した
斜視図である。この手法はステータ９−３に励振されて
いる進行波の一部をステータ９−３との圧力振動として
ロータ９−５で検出し、この振動性検出信号とステータ
の振動との位相差を位相差検出部９−１１により検出す
る。そしてこの位相差はロータの回転角に比例すること
から、この位相差をもとに回転角を知ることができる。

この手法ではロータとステータとに加圧力を与えるばね
１−８とステータとの摩擦接触を担うライニング１−４
の間に圧力検出部９−７を設ける必要がある。

（発明が解決しようとする課題） 回転角をロータリエンコーダやポテンションメータなど
の検出器を利用して検出する場合においては従来の技術
のところで説明したように検出器とその取り付けのため
に機構が必要であり、構成が複雑でスペースも大きくな
る。さらに検出器とその取り付けのための部品点数の増
大にともないコストも高くなる。

また、圧力検出部を備え、ロータとステータとの振動性
信号の位相差を検出してロータの回転角を得る手法にお
いては、ロータとステータとを加圧するばねとステータ
接触面との間に圧力検出部を設けなければならず、ロー
タの構成が複雑で精密な加工と組立技術が必要になるた
めコストも高くなる。

本発明の目的は、上記課題を解決し、簡単な構成で、省
スペース、低コストの振動波モータを提供することにあ
る。

（課題を解決するための手段） 本発明は、振動波形を有する電気振動を機械振動に変換
する振動子と共振子とを接合した構造のステータとロー
タとを加圧接触させる振動波モータにおいて、ロータと
ステータとの接触面を除くロータの一部に設けた振動検
出部と、ステータの一部に設けた振動を検出する振動検
出部と、前記２つの検出部から得られる振動性出力信号
の位相差を検出する位相差検出部とを備える振動波モー
タとするか、あるいは前記の振動波モータにおいて、前
記の振動子に入力する信号を分岐した信号を、前記のス
テータの一部に設けた振動を検出する振動検出部と、こ
の振動検出部から得られる振動性出力信号に代えて位相
差検出部に入力するようにした振動波モータとする。

（作用） 振動波形を有する電気振動を機械振動に変換する振動子
と円環状共振子とを接着した構造の円環状ステータと円
環状ロータを加圧接触させる振動波モータにおいて、ロ
ータとステータとの接触は第６図に示されるようにステ
ータに励振された進行波の山の頂点の部分で行われてい
る。一方ロータにはステータとの接触によ、り加振され
てステータと同じ周期を成分にもつ振動が励振される。

ステータの接触により加振されたロータの一部分を進行
波が通過する周期と、ステータの一部分を通過する進行
波の周期との位相差はステータの回転角に比例して変化
する。本発明はステータとの接触により周期的振動が励
振されたロータの振動をロータに設けた圧電素子やＰＶ
ＤＦ（ポリフッカビニリデン）などを素材とする振動検
出器°により電気信号として取り出し、またステータに
励振されている進行波の振動はステータに設けた圧電素
子の振動検出器から発生する電気信号が、あるいはステ
ータの振動子に入力する信号を分岐して電気信号を取り
出す。そしてロータとステータとの両者の振動性電気信
号の位相を比較することによりロータの回転角を検出す
るものである。第２図（ａＸｂ）の上部にステータに励
振されている進行波とロータの接触の変化のようすを示
し、第２図（ａＸｂ）の下部はロータの振動の信号波形
の変化とステータ振動の変化のようすを示している。以
下に第２図（ａＸｂ）を参考にして、ロータがステータ
にたいしてｍ［ｒａｄ１回転した場合に位相差ｍ−ｎ［
ｒａｄｌが生じ、これより回転角が算出できることを数
式を用いて説明する。

まず、ス戸−夕に励振される進行波の振動振幅の式を導
出する。一般に波長λ［ｍｌ、角周波数ω［ｒａｄ／５
ｅｃｌの進行波は ξ＝Ａｓｉｎ（ωｔ−２ｎｚ／λ）　　、、、、、、、
、、、、、、、、、、、、　　■となるが、ここで Ａ［Ｖ］：　　振幅 ｔ［５ｅｃｌ：　　時刻 ｘ［ｍｌ：　　位置 である。ロータに設けた極座標に変換し整理するために ［Ｈｚｌ：　　ステータに供給される信号の周波数（周
期） θ［ｒａｄｌ：　ロータの振動検出器上の検出部の位置 ｎ：　ステータに励振された進行波の波数ｒ［ｍｌ：　
　ロータの円環の半径 とすると、 λ＝２ｎｒ／ｎ　、、、、、、、、、、、、、、、、−
、、、−−−−−０−０−■θ＝ｘ／ｒ　　、、、、、
、、、、、、、、、、、、、、０００１．、、、、．０
．　　■の関係がありこれらを０式に代入するとξ＝Ａ
ｓｉｎ（２ｎｆｔ−θｎ）　、、、、、、、、、、、、
、、、、、、、、■となる。０式がステータに励振され
る進行波の振幅を表す式である。

第２図（ａ）に示すようにロータの一部に設けられた振
動検出部１−６の位置と、ステータの基準位置２−１０
とが同じ角度にある場合にづいては、ステータの進行波
振動による振動性信号１−ｃとロータの振動検出部の部
分から出力される振動性信号１−ｂとは一致する。すな
わちステータの基準位置２−１０をθ＝０ とすれば０式は ）、＝Ａｓｉｎ（２ａｆｔ）　、、、、、、、、、、、
、、、、、、、−−−０８，−■となる。０式はステー
タの基準位置２−１０からの出力信号である。ロータに
設けられた振動検出部の信号は振幅が異なり、 ζ＝Ｂｓｉｎ（２ｎｆｔ）　、、、、、、、、、、、、
、、、、、、、、、、、、、　　■となる。ここで Ｂ［Ｖ］：　　振幅 である。

ロータが回転して第２図（ｂ）に示すようにロータの振
動検出部１−６の位置とステータの基準位置２−１０が
回転方向の角度ｍ［ｒａｄｌ隔たった場合には、ステー
タに励振されている進行波の振動がロータの検出部まで
到達するまでの時間が変化する。このためにステータと
ロータとの検出部より出力される振動性信号の位相も角
度ｍ［ｒａｄｌに応じて変化する。

２つの検出部の位置が回転方向の角度ｍ［ｒａｄｌ隔た
った時のロータの振動検出部から出力される信号をもと
める。ステータに伝搬する進行波の波長が角度［ｒａｄ
ｌで示すと ２ｎ／ｎ　、、、、−０−０−１−＝−”０．””’　
　■であり、位相差は ｍｌ（２ｎ／ｎ）Ｘｎ＝ｍ−ｎ　、、、１０．、、、、
、、．１．、．１１．■どなるため、ロータの振動検出
部１−６から出力される信号は、 ζ＝Ｂｓｉｎ（２ｎｆｔ−ｍ、ｎ）　、、、、、、、、
、、、、、、、、、、、　　■と表される。ｎはステー
タの設計により既知であり、従って■式と■式との位相
差ｍ−ｎを検出することによりロータの回転角ｍ［ｒａ
ｄｌを知ることができる。

ステータの基準位置の振動を得る手段としてはステータ
に接合された振動子の一部に振動検出部１−９のための
電極を設けて、ここより発生する電気信号１ａ−ｃを利
用するか、あるいはステータを励振する振動子に供給す
る電気信号を分岐して得た信号１ｂ−ｃを利用する。

なお、本発明においては説明を簡潔にするため振動性を
有する信号を単純な三角関数で示したが実際に検出器か
ら出力される信号は上記の三角関数で示される信号にさ
まざまな周波数の信号が重畳したものである。このこと
は位相差検出に対してノイズとなり回転角検出の精度を
低下させる。

このために第５図（ａＸｂ）ｉ示すように、■式で示さ
れる周波数ｆを通過帯域とするフィルタ５−１によりノ
イズ成分の排除を行なう。

（実施例） 第１図（ａＸｂ）は本発明の実施例の斜視図、第３図は
振動検出部の電極の分割を示した説明図、第４図は振幅
検出器の電極の分割を示した説明図、第５図（ａＸｂ）
は位相差検出部を示すブロック図である。

第１図（ａＸｂ）において１−６はロータの振動により
生　　。

じた歪みに対して電圧が変化する振動検出部であり、Ｐ
ＺＴ等の圧電セラミクスの素材からなる直径３０ｍｍ、
厚さ０．５ｍｍの円環状振動検出器１−７である。振動
検出部１−６は第３図に示すように圧電素子数の振動検
出器１−７の電極が分割されており振動検出部１−６の
振動が振動性の電気信号として第１図（ａＸｂ）の位相
差検出部１ａ−１１，１ｂ−１１へ入力される。第１図
（ａ）（ｂ）においてロータがステータと接触する表面
には耐摩耗性に優れたエンジニアリングプラスチフスを
用いてライニング１−４が接合されている。また１−１
は燐青銅やアルミ青銅などの弾性を有する部材で構成さ
れた円環状の共振子であり、共振子ｌ、１の下面に接合
された振動子（圧電素子）ｌａ−２に電気振動信号、例
えば４２ｋＨｚ、±１００ｖの超音波領域の周波数を有
する電気信号を入力してステータ１−３屈曲進行波を励
振する。第６図の説明図に示すようばステータ６−３に
屈曲進行波が生じることによって楕円軌跡をもつ振動が
生じる。この振動をライニング６−４に加圧接触させる
ことによってロータ６−５には回転運動が生じる。さら
にステータに接合されている振動子６−２の一部を第４
図の説明図に示すように絶縁部４−１を設けることで電
極を分割してステータの振動の検出部１−９を形成する
。

ロータに設けた振動検出部１−６は前述のようにステー
タに励振された屈曲進行波の山と谷に応じた接触振動を
検出して電気信号に変換される。第１図（ａ）に示され
た本発明の第１の実施例においては、前記の振動検出部
１−６より得られた振動性の信号１−すと、ステータ１
．３に設けた振幅の検出部１−９より得られる電気振動
信号１ａ−ｃとは位相差検出部１ａ−１１に入力される
。第５図（ａ）に位相差検出部１ａ−１１のブロック図
を示す。第５図（ａ）に示す信号１ａ−ｃ、　１−ｂは
それぞれ帯域通過フィルタ５−１に入力されてステータ
の振動の周波数を中心周波数とする信号成分が取り出さ
れる。この信号はゼロクロス比較器５−２により振動波
形の正負が１と０に対応するパルス信号に変換される。

両者のパルス信号は位相差検波器５−３により位相差が
検出され回転角に比例したパルス幅を有する信号１−ａ
を得る。また、第１図（ｂ）に示した本発明第２の実施
例においてはステータ１−３の検出部１−９から得られ
る信号１ａ−ｃに代えて、モータを駆動する信号から分
岐して得られる信号１ｂ−ｃを第５図（ｂ）に示すよう
に位相検波器５−３に入力し、ロータの振動検出信号１
−ｂから得た信号との位相差信号１．−ａを得る。

また振動検出部として圧電素子がわりに圧電高分子であ
るＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）を素材に用いるこ
とでより薄くて軽量の振動検出部を構成することができ
る。

（発明の効果） 以上説明したように本発明の振動波モータによれば、ロ
ータの回転角の検出がロータリエンコーダ、ポテンショ
ンメータなどの回転角検出器を必要とせず簡単な構成で
行えるため部品点数を削減でき、またステータの振動を
ロータで検出する振動波モータの場合においても、従来
の手法にくらべ振動検出器をロータの外部に取り付ける
ことができるために精密な加工と複雑な組立作業が不要
であり、省スペース化と低コスト化とに効果がある。

図面の簡単な説明 第１図（ａＸｂ）は本発明の実施例を示す分解斜視図、
第２図（ａＸｂ）は本発明のステータとロータの振動の
様子と出力電気信号の様子を説明した説明図、第３図は
振動検出器を電極分割してつくられた振動検出部を示し
た説明図、第４図は振動子を電極分割してつくられた振
幅検出部を示した説明図、第５図（ａＸｂ）は位相差検
出部を説明したブロック図、第６図（ａ）〜（ｄ）は進
行波によるステータの振動の様子を示す説明図、第７図
は従来の振動波モータの一例を示す分解斜視図、第８図
は回転角検出器であるロータリエンコーダを振動波モー
タに組み合せた従来の回転角検出機能をもつ振動波モー
タを示す分解斜視図、第９図は回転角検出器である圧力
検出器を用いて回転角を検出する従来の振動波モータを
示した分解斜視図である。

１−１・・・共振子、 １ａ−２，１ｂ−２，１−２，６−２，７−２，９−２
・・・振動子、１ａ−３，１ｂ−３，１−３，６−３，
７−３，９−３・・・ステータ、１−４．２−４．６−
４・・ライニング、１−５．２−５．６−５．７−５．
８−５．９−５・・・ロータ、１．６・・・振動検出部
、１．７・・・振動検出器、１−８・・・ばね、１．９
・・・検出部、４−１・・・絶縁部、８−３・・・出力
軸、１ａ−１０，１ｂ−１０，９−１０・・・モータ駆
動信号発生部、１ａ−１１，１ｂ−１１，９−１１・・
・位相差検出部、Ｅ・・・ステータ表面上の一点、 ８−１・・・ロータリエンコーダ、 ５−１・・・帯域通過フィルタ、

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 　（１）振動波形を有する電気振動を機械振動に変換す
   る振動子と共振子とを接合した構造のステータとロータ
   とを加圧接触させる振動波モータにおいて、ロータとス
   テータとの接触面を除くロータの一部に設けた振動検出
   部と、ステータの一部に設けた振動を検出する振動検出
   部と、前記２つの検出部から得られる振動性出力信号の
   位相差を検出する位相差検出部とを備えることを特徴と
   する振動波モータ。
2. （２）請求項１記載の振動波モータにおいて、前記の振
   動子に入力する信号を分岐した信号を、前記のステータ
   の一部に設けた振動を検出する振動検出部から得られる
   振動性出力信号に代えて、位相差検出部に入力すること
   を特徴とする振動波モータ。