JPH027876A - 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、特に振動
波モータの回転角制御に関する。

〔従来の技術〕

従来の振動波モータについて、図面を参照して、説明す
る。第２図は進行波によるステータの振動の様子を示す
説明図、第１０図は従来の振動波モータの一例を示す部
分断面を含む正面図、第１１図は従来例の回転角検出器
であるロータリエンコーダを振動波モータに組合わせた
部分断面を含む正面図、第１２−ａ図、第１２−ｂ図お
よび第１２−０図は振動波モータとロータリエンコーダ
との組合わせ例を示す説明図である。

一般に、進行波を利用した円環型振動波モータは、第１
０図に示すように、円環状の弾性共振子１−１の裏面に
共振子１−１と同様な形状の円環状の円環状の振動子１
０−２を装着し、一体化しステータ１０−３を構成して
いる。４：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。ステー
タ１０−３の上に、同じ円環状の動体（ロータ１Ｏ−５
）が、皿バネ１−８等の手段によって、所定の圧力で押
し付けられている。ロータ１０−５の摺動面に、耐磨耗
性のある材料、例えば芳香族ポリアミド繊維を充填材と
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１０−３との磨耗を防止する。

振動子１０−２に振動波型を有する電気信号を入力し、
バイメタル効果により、ステータ１〇−３に進行波のた
わみを発生させる。ステータ１〇−３上の進行波は、第
２図に示すように、ステータの表面上の一点Ｅに着目す
ると、その点Ｅは楕円状の軌跡を描く。ライニング２−
４はステータ２−３の進行波の頂点に接触しているので
、ロータ２−５は楕円の頂点部分りの軌跡の方向への磨
耗による移動がきくため、ロータ２−５は進行波の進行
方向とは逆に左に進む。したがって、ロータ２−５はス
テータ２−３上の進行波の進行方向とは逆に回転する。

ところで、装置に組み込んでモータを使用する場合は、
回転角を検出し装置の制置を行なう必要性がある。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
を検出するな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１１図に示
すように、振動波モータ１１−２の出力軸１１＝３から
出力された回転運動は、検出軸１１−４により、ロータ
リエンコーダ１１−１内に伝達されて回転角が電気信号
として出力される。

ロータリエンコーダと振動波モータとの組合わせ例を第
１２図に示す。第１２−ａ図において、ロータリエンコ
ーダ１２−２は、振動波モータ１２−１の背面に位置し
、モータの出力軸から歯車などを介さず、直接に回転角
を出力する。第１２−ｂ図は、軸貫通型のロータリエン
コーダ１２−４を用いて構成した例である。これら二つ
の構成例の場合、ロータリエンコーダが振動波モータの
回転軸に直列に位置するために、軸方向の寸法が大きく
なる。第１２−０図においては、歯車１２−７を介して
、ロータリエンコーダ１２−６に回転運動を伝達させた
構成であり、減速器によるバックラッシュが存在し、ま
た回転軸に並列してロータリエンコーダのスペースが必
要となる。

〔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などの検出器を利用して検
出する場合においては、上述のように、検出器とその取
付けのために機構が複雑になるだけでなく、スペースも
大きくなり問題である。さらに、検出器とその取付けの
ための部品点数の増大にともないコストも高くなる。

〔課題を解決するための手段〕

本発明によれば、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とを加圧接触させる振動波
モータにおいて、円環状ロータの円周上の一部に設けた
圧力を検出する圧力検出器と、円環状共振子の円周上の
一部に設けた振動振幅を検出する振幅検出器と、前記二
つの検出器から得られた振動性出力信号の位相差を検出
する位相差検出部とを具備することを特徴とする振動波
モータが得られる。

〔発明の作用〕

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は、第２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りの部分で行
なわれている。ロータとステータとが接触する位置は、
進行波の波の動きとロータの回転とにより変化する。

したがって、ロータの一部分に着目すると、ステータと
の接触と非接触とは周期的に繰り返される。同様に、ス
テータの一部分に着目すると、この部分を通過する進行
波により、進行波の山と谷とが周期的に繰り返される。

ロータの回転角に応じて、ロータで検出されるステータ
との接触の有無の周期と、ステータに生じる進行波の周
期との位相の差が変化する。

本発明においては、ロータにおいてステータとの接触を
、圧電素子などの圧力検出器を用いて行ない、進行波の
振幅の検出を、ステータに進行波を励振している圧電素
子の一部を利用するなどして行ない、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。

第８図はステータに励振されている進行波の様子および
ロータの接触の変化の様子を示し、第９図は第８図のロ
ータ上の点Ｘの圧力の変化の様子および第８図のステー
タの点Ｙの伸縮歪の変化の様子を示している。以下に、
第９図に示される位相差ｍｎが生じ、この位相差ｍｎに
より回転角が算出できることを数式を用いて説明する。

第３−ａ図および第３−ｂ図に示すように、ロータに座
標を固定して、ステータ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／ｓｅｃ］の進行波はξ＝Ａｓｉｎ　　（ωｔ−
２πＸ／λ）・・・■となるが、ここで、 Ａ［Ｖ］　　：振幅 ｔ　［ｓｅｃ］　　：時刻 ｘｌｍｌ：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
、 ｆ［Ｈｚ］：ステータに供給される信号の周波数θ［ｒ
ａｄｌ　　：ロータ上の位置 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＝２πｒ　／　ｎ　　　・・・・・・・・・・・・　
■θ＝　ｘ　／　ｒ　　　　　・・・・・・・・・・・
・　■の関係がある。これらを０式に代入すると、ξ＝
Ａｓｉｎ　　（２πｆｔ−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。

ロータの一部に設けられた圧力検出器の位置と、ステー
タの一部に設けられた振幅の検出器の位置とが同じ角度
にある場合については、ステータの検出器部分の進行波
の振幅による振動性信号と、ロータの圧力検出器の部分
から出力される振動性信号とは一致する。すなわち、ス
テータに設けた検出器の位置を、 θ＝０ とすれば、０式は ξ＝Ａｓｉｎ（２πｆｔ）　　　・・・・・・・・・　
■となる。０式はステータに設けた振幅の検出器からの
出力信号である。ロータに設けられた圧力検出器の信号
は振幅が異なり、 ξ＝Ｂｓｉｎ（２πｆｔ）　　　・・・・・・甲　■と
なる。ここで Ｂ［Ｖ］：振幅 である。

ロータの圧力検出器の位置とステータの振幅の検出器と
の位置が回転方向の角度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検出器までの到達
時間が増大する。このなめに、ステータとロータとの検
出器から出力される振動性信号の位相も角度ｍに応じて
変化する。二つの検出器の位置が回転方向の角度ｍ［ｒ
ａｄｌ隔たったときのロータの圧力検出器から出力され
る信号を求める。

ステータに伝搬する進行波の波長が角度［ｒａｄｌで示
すと、 ２π／ｎ　　・・・・・・・・・　■ であり、位相差は ｍｌ（２π／ｎ）Ｘ２π＝ｍｎ　　・・・・・・・・・
　■となるため、ロータの圧力検出器から出力される信
号は、 ξ＝Ｂｓｉｎ　　（２πｆ　ｔ−ｍｎｆ　　−−−−−
−−−−■と表される。ｎはステータの設計により既知
であり、したがって０式と■式との位相差ｍｎを検出す
ることにより、ロータの回転角ｍを知ることができる。

なお、本説明においては、説明を簡潔にするために、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、■式で示される
周波数ｆを通過帯域とするフィルタによりノイズ成分の
排除を行なう。

〔実施例〕

次に、本発明の実施例を示した図面を参照して、本発明
をより詳細に説明する。

第１図を参照すると、本発明の第一の実施例において、
軸方向の圧力により生じた歪に対して電圧が変化する圧
力検出器１−６は、ＰＺＴ等のセラミックスの素材から
なる直径３０ＩＩＩｆｆｉ、厚さ１開の円環状圧電素子
である。圧力検出器１−６の圧電素子は、第４図に示す
ように、電極が分割されており、圧力検出部４−２の圧
力が、振動性の電気信号として、位相差検出部１−１１
へ入力される。圧力検出器１−６のステータ１−３と接
触する表面には、耐磨耗性に優れたエンジニアリングプ
ラスチックスを用いてライニング１−４が接合されてい
る。圧力検出器１−６の他方の面は、ロータ１−５に接
合されている。

また、円環状の共振子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ている。共振子１−１
の下面に接合された振動子（圧電素子）１−２に、電気
振動信号、例えば５５ＫＨｚ、±７０Ｖの正弦波状超音
波を入力して、ステータ１−３屈曲進行波を励振する。

第２図に示すように、ステータ２−３に屈曲進行波が生
じることによって、楕円軌跡Ｆを持つ振動が生じる。

この振動をライニング２−４に加圧接触させることによ
って、ロータ２−５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の一部を、第５図に示す
ように、絶縁部５−１を設けることで分割して進行波の
振幅の検出器１−７を形成する。

ロータに設けた圧力検出器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とに応じた接触
圧力を検出して電気信号に変換する。圧力検出器１−６
から得られた振動性の信号と、ステータ１−３に設けた
振幅の検出器１−７から得られる電気振動信号とは位相
差検出部１−１１に入力される。

第７図に位相差検出部１−１１のブロック図を示す、第
７図に示す信号７−１および７−２は、それぞれバンド
パスフィルタ７−３に入力され、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。これら
の信号は、アンプ７−４により増幅されたのち、ゼロク
ロスコンパレータ７−５により、振動波形の正負が１と
０と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、位相差検出器７−７により、位相差が検出され
回転角に比例した信号１−１２を得る。

また、圧力検出器として圧電素子の代りに圧電高分子で
あるＰＶＤＦ　（ポリフッ化ビニリデン）を用いてもよ
い。

第６図に圧力検出器に圧電素子以外の検出器である歪ゲ
ージを用いた第二の実施例を示す。第６図に示すように
、圧力検出器は、圧力検出歪ゲージ６−６をロータ１−
５に取り付け、振幅検出器は振幅検出歪ゲージ６−７を
ステータ１−３に取り付ける。ステータ１−３との接触
圧力に応じて、弾性体で構成されたロータ１−５に弾性
歪が生じる。この歪を、圧力検出歪ゲージ６−６にて、
電気信号に変換する。またステータの屈曲進行波に伴な
う弾性歪を、振幅歪ゲージ６−７にて、検出して電気信
号に変換する。これら二つの歪ゲージから出力された電
気信号は、位相差検出部１−１１に入力される０位相差
検出部１−１１の出力信号１−１２により、ロータ回転
角を知ることができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、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とを
加圧接触させる振動波モータにおいて、円環状ロータの
円周上の一部に設けた圧力を検出する圧力検出器と、円
環状共振子の円周上の一部に設けた振動振幅を検出する
振幅検出器と、これら二つの検出器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有するこ
とにより、ロータの回転角の検出が、ロータリエンコー
ダなどの回転角検出機構を必要とせずに、ロータとステ
ータとの接触を利用してできるために、簡惟な構成とな
り、低コスト化と省スペース化に効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第一の実施例の部分断面を含む正面図
、第２図は進行波によるステータの振動の様子を示す図
、第３−ａ図および第３−ｂ図はロータ１−５に座標を
固定したことを示す図、第４図は圧力検出器の電極の分
割を示した図、第５図は振幅検出器の電極の分割を示し
た図、第６図は検出器に歪ゲージを用いた本発明の第二
の実施例を示す部分断面を含む正面図、第７図は位相差
検出部のブロック図、第８図はステータに励振されてい
る進行波の様子とロータの接触の変化の様子を示す図、
第９図は第８図のロータ上の点Ｘの圧力の変化の様子と
第８図のステータの点Ｙの伸縮歪の変化の様子を示した
図、第１０図は従来の振動波モータの一例を示す部分断
面を含む正面図、第１１図は従来例の回転角検出器であ
るロータリエンコーダを振動波モータに組合わせた部分
断面を含む正面図、第１２−ａ図、第１２−ｂ図および
第１２−０図は振動波モータとロータリエンコーダとの
組合わせ例を示す図である。 １−１：共振子、１−２．２−２．９−２：振動子、１
−３．２−３．７−３．９−３：ステータ、１−４．２
−４ニライニング、１−５．２−５．７−５．９−５：
ロータ、１−６：圧力検出器、１−７＝振幅検出器、１
−８：皿ばね、１−９．９−９：出力軸、１−１０：ブ
ラシ、１−１１：位相差検出部、１−１２：信号、Ｄ、
Ｅ：ステータ表面上の一点、Ｆ：楕円軌道、４−１゜５
−１：絶縁部分、４−２：圧力検出部、１゜（ａ）、１
０　（ｂ）：電極群、＾：波長、６−６：圧力検出歪ゲ
ージ、６−７：振幅検出歪ゲージ、１１−１．１２−１
．１２−４．１２−６＋ロータリエンコーダ、１．１−
２．１２−１．１２−３．１２−５：振動波モータ、１
１−４：検出軸、１２−７：歯車、９−８：位相差ｍｎ
。 代理人　弁理士；　内　原　　晋 ２−５υ−タ ／ 茶ｌ凶 ／ ２−２季肋５ 茶２ｚ 茶３−ｂ〆 ｐ−ｚ互刀検土邦 蘂４図 第７図 ｔり図 ／／−Ｚ坂動７合り 茶メＺ−久図 導７ｚ−ｂ図 笑／ｆ図 条１Ｚ−（：、図 手続補正書（自発） 平成 年 １．６−９ 月　　　　日 ５、補正の対象 明細書の発明の詳細な説明の欄 ６、補正の内容 １）明細書第１０頁第７行目に「ξ＝　Ｂｓ１ｎ（２ｎ
ｆｔ　−ｍｎｆＪとあるのを［ξ＝Ｂｓｉｎ（２ｎｆｔ
−ｍｎ）　Ｊと補正する。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
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
   円環状ロータとを加圧接触させる振動波モータにおいて
   、円環状ロータの円周上の一部に設けた圧力を検出する
   圧力検出器と、円環状共振子の円周上の一部に設けた振
   動振幅を検出する振幅検出器と、前記二つの検出器から
   得られた振動性出力信号の位相差を検出する位相差検出
   部とを具備することを特徴とする振動波モータ。