JPH0241674A - 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、超音波を駆動源とする振動波モータに関する
。

〔従来の技術〕

第２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８図は従来の振動波モー
タの一例の主要部を示す部分断面を含む正面図、第９図
は第８図の例に回転角検出器であるロータリエンコーダ
を組合わせた状態を示す部分断面を含む正面図、第１０
図（ａ）および（ｂ）および（ｃ）は振動波モータとロ
ータリエンコータとの異った組合せの例を示す説明図で
ある。

一般に進行波を利用した円環形の振動波モータは、第８
図に示すように、円環状の弾性の共振子１−１の裏面に
、この共振子］−１と同様な形状の円環状の振動子］−
２を接着して一体化したステータ１−３を有している。

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。ステータ１−３
の左方には、同様に円環状をした動体くロータ）１０５
が設けられており、皿ばね１−８等の加圧手段によって
所定の圧力で押圧されている。ロータ１０−５のステー
タ１−３との摺動面に、耐磨耗性を有する材料（例えば
芳香族ポリアミ１へ繊維を充填材とし、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
したライニング１−４を設けることにより、ステータ１
−３の磨耗を防止している。振動子１−２に振動波形を
有する電気信号を入力してバイメタル効果によってステ
ータ１−３に進行波のたわみ振動を発生させる。ステー
タ１−３上の進行波は、第２図に示すように、ステータ
の表面上の一つの点Ｅに着目すると、この点Ｅは楕円状
の軌跡Ｆを描く。ライニング２−４はステータ２−３の
進行波の頂点りに接触している。ロータ２−５は楕円の
頂点りの軌跡の方向へ摩擦によって移動できるため、ロ
ータ２−５は進行波の進行方向Ｓとは逆の方向に左に進
む。従って、ロータ２−５はステータ２３上の進行波の
進行方向とは逆に回転する（矢印Ｒ）。

ところで、振動波モータを、装置に組込んで使用する場
合は、その回転角を検出して装置の制御を行う必要性か
ある。振動波モータの使用のときにその回転角を検出す
るために広く採られてきた従来の手段は、ロータリエン
コーダやポテンションメータなとの回転角度の検出器を
ロータに取付ける手段である。すなわち、第９図に示す
ように、振動波モータ１１−１の出力軸１０−９から出
力された回転運動をロークリエンコーダ１１−２の検出
軸］−５に伝達してロークリエンコーダ１１２内に伝達
し、その回転角を電気信号として出力する。

このようなロータリエンコーダと振動波モータとのいく
つかの組合せの例を第１０図に示す。

第１０図（ａ）は、ロータリエンコーダ１２２を振動波
モータ１２−１の背面に位置し、振動波モータの出力軸
から歯車などを介さずに直接に回転角を検出するように
したものである。第１０図（ｂ）は、軸貫通形のローク
リエンコーダ１２４を用い、振動波モータ１２−３の前
方にロータリエコータ１２−４を配設した例である。こ
の二つの例の場合、ロータリエンコーダを振動波モータ
と直列に配設するため、全体の軸方向の長さが長くなる
。第１０図（Ｃ）は、歯車列１２−７を介してロータリ
エンコータ１２−６に振動波モータ１２−５の回転運動
を伝達するようにした例であり、歯車列１２−７におけ
るバックラッシュが存在し、また２本の回転軸を並列に
並べるため、ロークリエンコーダ１２−６の分だけ余分
にスペースか必要となる。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述のように、振動波モータの回転角をロータリエンコ
ーダやポテンションメータ等の検出器を用いて検出する
場合、検出器を振動波モータに取り付けるための機構が
複雑となり、またそのためのスペースも大きくなるとい
う問題がある。さらに、検出器とその取付けのために部
品の点数が増大し、これにともなってコストも高くなる
という問題もある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の振動波モータは、一定周波数の振動波形を有す
る電気信号を入力して機械振動に変換する振動子と前記
振動子と結合した円環状の共振子とを有する円環状のス
テータと、前記ステータに加圧されて接触する円環状の
ロータとを備える振動波モータにおいて、前記ロータに
設けた前記ステークと前記ロータとの間の圧力を検出す
る圧力検出手段を備え、前記圧力検出手段は前記円環状
の共振子の振動の波長の１／２の長さを隔てた位置に対
をなして設けた２個の圧力検出部と前記対をなす２個の
圧力検出部の中間に設けた第三の圧力検出部とを有し、
前記対をなす２個の圧力検出部から出力される信号を短
絡した信号と前記第三の圧力検出部から出力する信号と
を入力してそれらの差の信号を出力する差信号生成部と
、前記差信号生成部から出力する信号と前記円環状の共
振子に入力する信号を分岐した信号とを入力してそれら
の位相差を検出する位相差検出部とを備えたものか、ま
たは、前記円環状の共振子の円周上の一部に入力電気信
号の振動の振幅を検出するための振幅検出器を設け、こ
の振幅検出器からの出力信号を円環状の共振子に入力す
る信号を分岐した信号に代えて位相差検出部に入力する
ようにしたちのである。

〔作用〕

一定周波数の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の共振子とを接着した円環状のス
テータと円環状のロータとを加圧して接触させる振動波
モータは、ロータとステータとの接触は、第２図に示す
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って変化す
る。従って、ロータの一部分に着目すると、その部分の
ステータとの接触の有無は周期的に繰返される。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
行波の山と谷が周期的に繰り返される。そして、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
に生じる進行波の振動またはステータに供給する信号と
の位相の差はロータの回転角に応じて変化する。本発明
は、ロータとステータとの接触の状態を圧電素子などの
圧力検出器を用いて検出し、またステータの振動の検出
をステータに供給する信号から行うか、またはステータ
に進行波を励振している圧電素子の一部を利用して進行
波の振幅の検出を行い、このステータの信号と上述のロ
ータとステータとの接触圧力によって得られる信号との
位相を比較することによってロータの回転角を検出する
ものである。

第６図は、ステータに励振されている進行波とロータの
接触の変化の状態を示す説明図である。

第６図に示すように、ロータ８−５の上の一点Ｘは、ス
テータ８−３に供給する信号（進行波）の進行方向Ｓと
反対方向に第６図（ａ）〜（ｄ）の順に進行し、この進
行に伴ってその圧力も周期的に変化する。

第７図は第６図のロータに設けた点Ｘの位置にある圧力
検出部からの出力信号の変化および第６図のステータに
供給する駆動信号から得られる信号またはステータの振
動振幅の検出部からの信号を示すグラフである。

点Ｘの圧力は、第７図（ａ＞に示すような正弦波を描い
て変化する（ａ〜ｄは第６図の（ａ）〜（ｄ）に対応す
る）。これに対してステータに供給する信号は、第７図
（ｂ）に示すような波形を示し、点Ｘの圧力とステータ
に供給する信号との間には位相差ｍｎを生ずる。この位
相差ｍｎによって振動波モータの回転角を算出すること
ができる。以下この算出の手順を数式を用いて説明する
。

第３図（ａ）および（ｂ）は振動波モータの回転角を算
出するためステータ上に設けた座標軸を示すための平面
図および断面図である。

第３図の説明図に示すように、ステータ１−３上に座標
を定めて、ステータ１−３に励振される進行波の振動の
振幅の式を導出する。

ステータに進行波を励振するために、振動子に供給され
る電気信号は、 ξ＝　Ａ　５ｉｎ（ωｔ）　　　　　　　　　　　　−
（１）ξ＝　Ａ　Ｃ０５（ωｔ）　　　　　　　　　　
　　　−（２＞である。ここで（Ａ）　（ｒａｄ／５ｅ
ｃ）は角周波数、Ａ　（ｖ）は振幅、ｊ　（ｓｅｃ）は
時間である。

二つの入力信号による波長をλｍとし、ξ１　＝　Ａ　
５ｉｎ（ωｔ）Ｘ　ｃｏｓ（２πＸ／＾）　　　−（３
）ξ２　＝−Ａ　ｃｏｓ（ωｔ）Ｘ　５ｉｎ（２πＸ／
λ）　　−（４）の定在波を合成して δ−Ａｓｉｎ（ωＬ−２πＸ／λ）　　　　　−（５）
で示す進行波がステータに励振される。ここでＡ（ｖ）
は振幅、ｔ　（ｓｅｃ）は時間、ｘ　（ｍ）は位置であ
る。

ステータに設けた極座標に変換して整理するため、ｆ　
（Ｈｚ）をステータに供給する信号の周波数（周期）、
θ（ｒａｄ）をステータ上の位置、ｎをステータに励振
した進行波の波数、ｒ　（ｍ＞をステータの円環の半径
とすると、 λ−２πｒ　／　ｎ　　　　　　　　　　　・・・（６
）θ＝　ｘ　／　ｒ　　　　　　　　　　　　　　　・
・・（７）の関係があり、これらを（１）および（２）
および（５）式に代入すると、 ξ＋　＝　Ａ　５ｉｎ（２ｙｒ　ｆｔ）　　　　　　　
　−（８）ξ２　＝　Ａ　ｃｏｓ（２πｆｔ）　　　　
　　　　−（９）δ　＝　Ａ　５ｉｎ（２ｙｒ　ｆｔ−
θｎ）　　　　　　−（１０）となる。（１０）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。

ところで、ロータの一部に設けた圧力検出器の位置が、
ステータに設定した極座標でθ−０の位置にある場合は
、ロータの圧力検出器の部分から出力される振動性の信
号は、（１０）式において（θ−Ｏ）とすると、 ξ−Ｂ　５ｉｎ（２ｙｒ　ｆｔ）　　　　　　　　　　
　　−（１１）となる。

ステータの振動検出器から出力される振動性の信号も同
様に、（１０）式において（θ−〇）として、 δ＝　Ｃ５ｉｎ（２πｆｔ）　　　　　　　　　　　　
−（１２＞となる。ここでＢおよびＣ（ｖ）は振幅であ
る。

ロータの圧力検出部の位置が（θ−ｍ　（ｒａｄ））の
場合は、ステータに励振されている進行波がロータの検
出器に到達するまでにある時間を要する。

このため、ステータに供給する振動性の信号とロータの
検出器から出力する振動性の信号との位相差は、角度ｍ
に応じて変化する。ロータの圧力検出器から出力する信
号は、（１０〉式において（θ−ｍ）として、 δ−Ｂ　５ｉｎ（２ｙｒ　ｆｔ　−ｍｎ）　　　　　　
　　　−（１３）と表わされる。

本発明においては、（１３）式で示す信号と（８）式ま
たは（９〉式で示す信号とを比較する。または、（１３
）式で示す信号と（１２）式で示す信号とを比較する。

両者の場合とも、ロータの回転角がｍのときには、信号
の比較による位相差はｍｎである。ｎはステータを設計
するときに既知であり、従って位相差ｍｎを検出するこ
とによってロータの回転角ｍを求めることができる。

しかし、実際には検出器から出力する信号は、上記の三
角関数で示す信号のほかに、種々の周波数の信号が重畳
したものである。特にロータとステータとの加圧力の偏
りによって低周波振動のノイズが発生するが、本発明に
おいては、この低周波成分の信号を低減するために、第
１図＜ａ）に示すように（８）式または（９）式で示す
ステータに供給する信号の波長の１／２隔たった角度に
おいて対をなした圧力検出部４−２を設け、さらにこの
圧力検出部４−２の間に他の圧力検出部４−１を設けて
圧力検出群４−３を形成している。この対をなした圧力
検出部４−２に検出される二つの信号は、それぞれ位相
がλ／２ずれた信号であり、進行波による波長はλであ
るため、これら二つの信号を重ね合わせると、その進行
波による振動成分は打ち消しあって減少し、加圧力の偏
りによる有害な低周波成分信号のみとなる。次に圧力検
出部４−１から得られる信号３−１６と圧力検出部４−
２から得られる信号３−１７との差をとると、進行波成
分による信号３−１４か得られ、この信号３−１４は（
１３〉式で示す信号に近い信号となってノイズの低減化
を図ることができる。

さらにノイズの低減を図るために、（１３）式で示す周
波数ｆを通過帯域とするフィルタを設け、これによって
ノイズ成分の排除を行なう。

〔実施例〕

次に本発明の実施例について図面を参照して説明する。

第１図は本発明の第一の実施例を示す部分断面を含む正
面図、第４図は第１図の実施例の圧力検出器の電極の分
割を示す説明図、第１２図は第１図の実施例の差信号生
成部の詳細を示す回路図、第１３図は第１図の実施例の
位相差検出部の詳細を示すフロック図である。

第１図において、３−１は燐青銅やアルミ青銅などの弾
性を有する材料で形成された円環状の共振子である。共
振子３−１の下面に接着されている振動子（圧電素子）
３−２は、電気信号（例えば５５　ｋ　Ｈｚ、±７０Ｖ
の正弦波状の超音波）を入力してステータ３−３の屈曲
進行波を励振する。振動子３−２は、先に第２図を参照
して説明したように、ステータ３−３に屈曲進行波が生
じることによって、楕円軌跡Ｆをもつ振動を生ずる。こ
の振動をライニング３−４に皿はね３−８によって加圧
して接触させることによって、ロータ３−５に回転運動
が生じ、出力軸３−９に伝達される。

ロータ３−５に設けた圧力検出器３−６は、軸方向の圧
力によって生ずる歪みに対して電圧が変化する圧力検出
器であり、ＰＺＴ等の圧電セラミクスの素材で形成した
直径３０ｍｍ厚さ１　ｍｍの円環状の圧力検出器である
。圧力検出器３−６がステータ３−３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フスを
用いたライニング３−４が接着されている。圧力検出器
３−６の他方の面は、ロータ３−５に接着されている。

ロータ３−５に設けた圧力検出器３−６は、上述のよう
に、ステータ３−３を励振する屈曲進行波の山と谷とに
対応する接触圧力を検出する。圧力検出器３−６は、第
４図に示すように、電極が複数個に分割しである。第４
図は、ステータ３−３を波数５の波で励振する場合の図
であり、このため、対をなした２個の圧力検出部４−２
の間隔は励振波の波長λの１／２波長分にあたる３６度
に設定されている。この２個の圧力検出部４−２の間に
は、他の圧力検出部４−１が設けられており、これらの
圧力検出部４−１および４−２は圧力検出群４−３を構
成している。対をなした２個の圧力検出部４−２からの
信号は、短絡されて一つの信号３−１７として圧力検出
部４−２からの信号３−１６とともに差信号生成部３−
１８に入力する。

第１２図は差信号生成部３−１８の詳細を示ず回路図で
ある。

第１２図に示すように、信号３−１６および３１７は、
１０にΩの抵抗を介してオペアンプ３１９に入力し、こ
こで合成されて信号３−１４を出力する。差信号生成部
３−１８からの出力信号３−１４は位相差検出部３−１
１に入力する。

一方、ステータ３−３に供給されるモータ駆動電源３−
１３の一部から抵抗などでゲインを調整した後に取り出
した信号３−１５も、上記の差信号生成部３−１８から
の出力信号３−１４と共に位相差検出部３−１１に入力
する。

第１３図は位相差検出部３−１１の詳細を示すブロック
図である。

第１３図に示すように、信号３−１４および３１５は、
それぞれバンドパスフィルタ７−３および７−９に入力
してステータ３−３の振動の周波数を中心周波数とする
信号成分か取り出される。

これら信号はアンプ７−４および７−６によって増幅さ
れたのち、ゼロクロスコンパレータ７−５および７−６
によって振動波形の正負がそれぞれ“１゛と′Ｏ”′に
対応するパルス信号に変換されて出力される。この両者
のパルス信号は、位相差検出器７−７によってその位相
差を検出され、回転角に比例した信号３−１２を出力す
る。

第１１図は本発明の第二の実施例を示す正面図、第５図
は第１１図の実施例の振動子の電極の分割状態を示す平
面図である。

第１１図の実施例においては、ステータ６−３に接着さ
れている振動子６−２の一部を、第５図の平面図に示す
ように、絶縁部６−２Ｃを設けることによって電極を二
つの電極群に分割し、その間に進行波の振幅を検出する
ための振幅検出器６−２ｄを設けたものである。

振動子６−２は、第５図に示すように、λ／２幅の複数
の電極を正負交互に隣接させた二つの電極群６−２ａお
よび６−２ｂの間をλ／４とし、この一つの電極群６−
２ａおよび６〜２ｂの間に振幅検出器６−２ｄを設け、
振幅検出器６−２ｄの両側に絶縁部６−２ｃを設けであ
る。

この振幅検出器６−２ｄからの信号６−１５と、圧力検
出器６−６からの信号６−１６および６１７とを入力し
て差信号生成部６−１８で生成した信号６−１４とは、
位相差検出部６−１１に入力される。この位相差検出部
６−１１の出力信号６−１２によってロータ６−５の回
転角を知ることができる。

なお、上述の各実施例において、圧力検出器として圧電
素子のかわりに圧電高分子であるポリフッ化ビリニデン
（ＰＶＤＦ）を用いる方法や歪みゲージを用いる方法が
ある。ＰＶＤＦを用いる場合は、その厚さが１００μｍ
程度てあって圧電素子に比較して薄いため、圧力検出機
構の厚さを薄くすることができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の振動波モータは、ロータ
の回転角の検出をロータリエンコータなどの回転角検出
機構を用いずに、ロータとステータとの間の接触圧力を
利用して検出することができるため、構成か簡単な振動
波モータか得られるという効果がある。また、ロータと
ステータとの加圧力の偏りによるノイス成分を除去でき
るため、高精度で回転角の検出ができ、従って低コスト
てかつ省スペースであり、しかも精度のよい振動波モー
タが得られるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第一の実施例を示す部分断面を含む正
面図、第２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３図（ａ）および
（ｂ）は振動波モータの回転を算出するためのステータ
上に設けた座標軸を示すための平面図および断面図、第
４図は第１図の実施例の圧力検出器の電極の分割を示す
平面図、第５図は第１１図の実施例の振動子の電極の分
割を示す平面図、第６図は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状態を示す説明図、第７図
は第６図のロータ上の点Ｘの変化および第６図のステー
タに供給する信号の変化を示すクラ７、第８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９
図は第８図の例に回転角検出器であるロータリエンコー
ダを組合わせた状態を示す部分断面を含む正面図、第１
０図（ａ）および（ｂ）および（Ｃ）は振動波モータと
ロータリエンコータとの異った組合せの例を示す説明図
、第１１図は本発明の第二の実施例の主要部を示す部分
断面を含む正面図、第１２図は第１図の実施例の差信号
生成部の詳細を示す回路図、第１３図は第１図の実施例
の位相差検出部の詳細を示すフロック図である。 １−１・２−１・３−１・・・共振子、１−２・２２・
３−２・６−２・・・振動子、１−３・２−３３−３・
６−３・・ステータ、１−４・２−４・３−４・ライニ
ング、１−５・・検出軸、２−５・３−５・６−５・１
０−５・・・ロータ、１−８・３８・・・皿はね、３−
６・・・圧力検出器、３−９・１０−９・・・出力軸、
３−１１・６−１１・・位相差検出部、３−１２・６−
１２　・出力信号、３−１４３−１５・３−１６・３−
１７・６−１４・６１５・６−１６・６−１７・・・信
号、３−１８・６−１８・・・差信号生成部、４−１・
４−２・・・圧力検出部、７−３・７−９・・・バンド
パスフィルタ、７−４・７−８・・・アンプ、７−５・
７−６・・・ゼロクロスコンパレータ、７−７・・・位
相差検出器、１１−１・１２−１・１２−３・１２−５
・・・振動波モータ、１１−２・１２−２・１２−４・
１２６・・・ロータリエンコータ、１２−７・・・歯車
列。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 　（１）　一定周波数の振動波形を有する電気信号を入
   力して機械振動に変換する振動子と前記振動子と結合し
   た円環状の共振子とを有する円環状のステータと、前記
   ステータに加圧されて接触する円環状のロータとを備え
   る振動波モータにおいて、前記ロータに設けた前記ステ
   ータと前記ロータとの間の圧力を検出する圧力検出手段
   を備え、前記圧力検出手段は前記円環状の共振子の振動
   の波長の１／２の長さを隔てた位置に対をなして設けた
   ２個の圧力検出部と前記対をなす２個の圧力検出部の中
   間に設けた第三の圧力検出部とを有し、前記対をなす２
   個の圧力検出部から出力される信号を短絡した信号と前
   記第三の圧力検出部から出力する信号とを入力してそれ
   らの差の信号を出力する差信号生成部と、前記差信号生
   成部から出力する信号と前記円環状の共振子に入力する
   信号を分岐した信号とを入力してそれらの位相差を検出
   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、円
   環状の共振子の円周上の一部に入力電気信号の振動の振
   幅を検出するための振幅検出器を設け、この振幅検出器
   からの出力信号を円環状の共振子に入力する信号を分岐
   した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。