JPH0241676A - 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１０図は従来の振動波モ
ータの一例の主要部を示す分解斜視図、第１１図は第１
０図の例に回転角検出器であるロークリエンコーダを組
合わせた状態を示す部分断面を含む正面図、第１２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１
０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１−１と同様な形状の円環状の振動子１
−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の上には、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（例えは
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Ｉ・ソ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てきるため、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が
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ど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１１図に示
すように、振動波モータ１１−１の出力軸］０−９から
出力された回転運動をロークリエンコーダ］１２の検出
軸１−５に伝達してロータリエンコーダ１１−２内に伝
達し、その回転角を電気信号として出力する。

このようなローク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１２図に示す。

第１２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１２図（ｂ）は、軸貫通形のロータ
リエンコータ１２４を用い、振動波モータ１２−３の前
方にロータリエコーダ１２−４を配設した例である。こ
の二つの例の場合、ローク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１２図（Ｃ）は、歯車列１２−７を介してロータリ
エンコーダ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、ロータリエンコーダ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
設けた前記ステータと前記ロータとの間の圧力を検出す
るための圧力検出手段を備え、前記圧力検出手段は絶縁
部を挟んで所定の位相角で配設された２種の圧力検出部
を有する圧力検出群を少くとも１組以上価え、前記２種
の圧力検出部のそれぞれから出力する信号を並列に接続
した２個の信号と前記の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
位相差検出部を備えるか、または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ものである。

〔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
において検出されるステータとの接触の有無による振動
性の信号の位相と、ステータに生じる進行波の振幅また
はステータに供給する振動性の信号の位相との位相差は
、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
を用いて検出する。このとき、第３図に示すように、圧
力検出器１−６の設計時に設定した位相角αに相当する
長さだけ隔たった位置に２個の圧力検出部４−１および
４−２を設け、さらにステータの振動の検出をステータ
に供給する信号またはステータに進行波を励振している
圧電素子の一部から出力する信号を利用して進行波の振
幅の検出を行ない、このステータからの信号と、上述の
ロータとステータとの接触圧の変化によって得られる複
数個（圧力検出部は上述のように複数個ある）の信号と
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４図は、ロータの圧力検出部がステータに対して回転
角ｍなる回転位置にある場合の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４図（ａ）〜（ｄ）に示すように、ロータ３−５
とステータ３−４との接触点は、ステータ３−４に供給
する信号（進行波）の進行に伴って順次移動する。

第５図は第３図のロータに設けた位相角αの位置を隔て
た２個の圧力検出部４＝１および４−２からの出力信号
３−１４ａおよび３−１４ｂの変化の状態と、ステータ
に供給するモータ駆動電源からの信号３−１５の状態を
示すグラフである。

第５図に示すように、信号３−１５と信号３−１４ａま
たは３−１４ｂとの間には位相差（ｍｎ＞または（ｍｎ
十αｎ）か生じ、この位相差（ｍｎ）または（ｍｎ＋α
ｎ）によって回転角を算出できる。

以下このことを数式を用いて説明する。

第６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６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　ｃｏｓ（ωｔ）　　　　　　　　　　　
　　−（２）である。ここで（Ａｌ　（ｒａｄ／５ｅｃ
）は角周波数、Ａ　（ｖ）は振幅、ｔ　（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　５
ｉｎ（ωｔ）Ｘ　ｃｏｓ（２ｙｒ　ｘ／λ）　　−（３
）ξ２　＝−Ａ　ｃｏｓ（ωＬ）Ｘ　５ｉｎ（２ｙｔ　
ｘ／λ）−（４）の定在波を合成して δ−Ａｓｉｎ（ωｔ　−２ｙｔｘ／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なめ、ｆ（
１−１ｚ）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　／　Ｊ−・・・（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、 ξ１　＝　Ａ　５ｉｎ（２ｙｒ　ｆｔ）　　　　　　　
　−（８）ξ２　＝　Ａ　ｃｏｓ（２ｙｒ　ｆｔ）　　
　　　　　　−（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、ロータに設けた位相角αの位置を隔てた圧力
検出群の位置が、ステータに設定した極座標で（θ−０
）の位置にある場合、すなわち圧力検出部の位置が（θ
−０）および（θ−α）については、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−〇）および（θ＝０＋α）として、 ζ１＝Ｂｓｉｎ（２πｆｔ＞　　　　　　　　　　−（
１１）ζ２　＝　Ｂ　５ｉｎ（２ｙｒ　ｆｔ　−ａ　ｎ
）　　　　　　　　−（１２）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は、
同様に（１０）式において（θ−０）として、 ７７　−Ｃ５ｉｎ（２ｙｒ　ｆｔ）　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　−（１３）となる。ここでＢお
よびＣ（ｖ）は振幅である。

一方、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かロータ
の検出器に到達するまて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、〈
１ｏ）式において（θ−ｍ）および（θ−ｍ＋α）とし
て、ζ１＝　Ｂ　５ｉｎ（２ｙｒ　ｆｔ　−ｍｎ）　　
　　　　　−（１４）ζ　２　　＝　　Ｂ　５ｉｎ（２
π　ｆＬ−ｍｎ　−ａ　ｎ）　　　　　　　　　−（１
５）と表される。

本発明においては、り１４）式および（１５）式で示す
信号と（８）式または（９）式で示す信号または（１２
）式で示す信号を比較する。また両者の場合とも、ロー
タの回転角か（ｍ）のときには信号の比較による位相差
は（ｍｎ）および（ｍｎ＋αｌ）である。ｎおよびαは
ステータを設計するときに既知である。従って位相差を
検出することによってロータの回転角ｍを求めることか
できる。

ロータ上に、ステータの駆動振動の位相角が０度と１８
０度に相当する角度を除いたあらかじめ定められた角度
分だけ離れた位置に、ｐ個の検出部を設けた場合、すな
わち、その角度をα１α２・・・αＰとした場合におい
ては、位相差を算出するのに必要な信号かｐ個存在する
。ｐ個の信号は互いに異なる位相差を有する信号であり
、したかってロータ上に検出部を１個しか設けない場合
に比較して、ロータが一回転する間にロータの検出器か
ら出力する信号の数かｐ倍に増大したことになる。した
がってその分たけ検出の分解能が向上したことになる。

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。このため、圧力検出群は、ステータに
励振されている振動の波長（λ）の整数倍だけ隔てた位
置に設ける。そして、各検出群を第８図に示すように接
続して信号８−１４ａおよび８−１４ｂを得る。このよ
うにすることにより、検出群より得られる信号８−１４
ａおよび８−１４ｂは、複数個の信号の平均をとった信
号となり、信号３−１４ａおよび３−１４ｂに比較して
（１４）式および〈１５）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、（１５）式で示す周
波数ｆを通過帯域とするフィルタによってこのノイズ成
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の主要部を示す分解斜視
図、第３図は第１図の実施例の振幅検出器の電極の分割
の状態を示す平面図、第５図は第１図の実施例の圧力検
出群の信号をを示すグラフ、第９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り、こ
の共振子３−１の下面に接着された振動子（圧電素子〉
３−２は、電気振動信号（例えば５５　ｋ　Ｈｚ、±７
０Ｖ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。この振動子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
行波が生しることによって楕円軌跡Ｆをもつ振動を生じ
る。この振動をライニング３−４に皿ばね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
転運動か生しる。

３−６は軸方向の圧力によって生ずる歪みに対して電圧
か変化する圧力検出器であり、ＰＺＴ等の圧電セラミク
スの材料で形成した直径３０ｍｍ厚さ］、　ｍｍの円環
状の圧力検出器である。圧力検出器３−６のステータ３
−３と接触する表面には、耐磨耗性に優れたエンジニア
リングプラスヂクスを用いたライニング３−４が接着さ
れている。ロータに設けた圧力検出器３−６は、前述の
ように、ステータ３−３に励振された屈曲進行波の状態
に対応した接触圧力を検出する。圧力検出器３−６は、
第３図に示すように、α度の角度をなす２個の圧力検出
部４−１および４−２に分割してあり、それらの間およ
びその側部には絶縁部５−１および５〜２か設けられて
いる。

第１図の実施例においては、第１図に示すように、ステ
ータ３−３に電源を供給するモータ駆動電源３−１３か
らの駆動信号の一部から抵抗なとでゲインを調整した後
に取り出した信号３〜１５と、圧力検出器３−６がら出
力する複数個の出力信号３−１４ａ・ｌ−１４ｂとを位
相差検出部３−１１に入力して出力信号３−１２ａおよ
び３１２ｂを得ることによって定められた位相差αと波
数りとで演算して回転角を得ることができる。

第９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９図に示す信号３−１４　ａおよび３−１４ｂおよび
３１４．ｎは、それぞれバントパスフィルタ７−３ａお
よび７−３ｂおよび７−３０に入力されてステータ３−
３の振動の周波数を中心周波数とする信号成分が取り出
される。これら信号はそれぞれアンプ７−８ａおよび７
−８ｂおよび７８ｎによって増幅されてゼロクロスコン
パレータ７−６ａおよび７−６ｂおよび７−６ｎによっ
てその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。

これらのパルス信号は位相差検出器７−７ａおよび７−
７　ｎによって位相差が検出され、回転角に比例した信
号３−１２ａおよび３−１．２　ｂとして出力される。

なお、上記の圧力検出器として、圧電素子のかわりに圧
電高分子であるポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）を用
いる方法や歪ゲージを用いる方法もある。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。

第１３図は本発明の第二の実施例の主要部を示す分解斜
視図、第７図は第１３図の実施例の振動子を示す平面図
である。

第１３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７図に示すように、
２個の絶縁部６−２ｃを設けることによって分割し、そ
の間に進行波の振幅を検出するための振幅検出器６−２
ｄを設けたものである。振幅検出器６−２ｄからの信号
６−１５と、ロータ６〜５の圧力検出器６−６からの出
力信号６−１４ａおよび６−１４ｂとは、位相差検出部
６−１１に入力されて回転角を算出するための信号６〜
１２ａおよび６−１２ｂを出力する。

第１４図は本発明の第三の実施例の圧力検出器を示す平
面図、第８図は第１４図の圧力検出器の電気的接続状態
を示す平面図である。

第１４図の圧力検出器８−６は、波長λの整数倍の角度
を隔てた位置に複数個の圧力検出群９５を設けている。

各圧力検出群９−５は、絶縁部９−３を間に挟んで角度
αをなす２個の圧力検出部９−１および９−２と、その
両側部の絶縁部９４とを有している。このように構成し
た圧力検出部８−６は、第８図に示すように接続する。

すなわち複数個の圧力検出部９−１および９−２をそれ
ぞれ並列に接続しておのおのから信号８−１４ａおよび
８−１４ｂを取出す。

このようにして得られた信号８−１４ａおよび８−１４
ｂは、第１図の実施例の信号３　１４ａおよび３−１４
ｂに比較してノイズ成分の少ない信号を得ることができ
る。信号８−１４ａおよび８−１４ｂは、ともに位相差
検出部に入力する。

〔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ダなどの回転角検出
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、簡単の構成の振動
波モータが得られるという効果かある。また、ステータ
の共振周波数以上の間隔で回転角が検出できるため、高
い分解能で回転角の検出ができ、従って低コストで小形
であり、しかも分解能がすぐれた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の主要部を示す分解斜視
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図は第１図の実施
例の圧力検出器を示す平面図、第４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５図は第４図のロータ上の圧力の変化およびス
テータに供給する信号の変化を示すグラフ、第６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、第７図は第１３図の実施例の振動子を示す平面図
、第８図は第１４図の実施例の圧力検出器の電気的接続
状態を示す平面図、第９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、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
第１０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１２
図（ａ）および（ｂ）および（ｃ）は振動波モータとロ
ータリエンコーダとの異った組合せの例を示す説明図、
第１３図は本発明の第二の実施例の主要部を示す分解斜
視図、第１４図は本発明の第三の実施例の圧力検出器を
示す平面図である。 １−１・２−１・３−１・・・共振子、１−２・２２・
３−２・６−２・・・振動子、１−３・２−３・３−３
・６−３・・・ステータ、１−４・２−４３−４・・・
ライニング、１−５・・・検出軸、２−５・３−５・６
−５・１０−５・・・ロータ、１−６・３６・６−６・
８−６・・・圧力検出器、１−８・３８・・・皿ばね、
１０−９・・・出力軸、３−１１・６１　］、−・・位
相差検出部、３−１２ａ−３−１２ｂ３−１４ａ・３−
１４ｂ−３−１５８−１４ａ・８−１４ｂ・・信号、３
−１３・・モータ駆動電源、４−１・４−２・９−１・
９−２・・・圧力検出部、４−３・・・圧力検出群、５
−１・５−２・６２ｃ・９−３・９−４・・・絶縁部、
６−２ｄ・・・振幅検出部、６−６・・・圧力検出歪ゲ
ージ、７−３ａ・７−３ｂ・７−３ｎ・・・バンドパス
フィルタ、７６ａ・７−６ｂ・７−６ｎ・・・ゼロクロ
スコンパレータ、７−８ａ　−７−８ｂ　−７−８ｎ−
・・アンプ、７−７ａ　　７−７ｎ・・・位相差検出部
、１１−１・１２−１・１２−３・１２−５・・・振動
波モータ、１１−２・１２−２・１２−４・１２−６・
・・ロータリエンコーダ、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ための圧力検
   出手段を備え、前記圧力検出手段は絶縁部を挟んで所定
   の位相角で配設された２種の圧力検出部を有する圧力検
   出群を少くとも１組以上備え、前記２種の圧力検出部の
   それぞれから出力する信号を並列に接続した２個の信号
   と前記の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。