JPH06230158A

JPH06230158A - 超音波メータ

Info

Publication number: JPH06230158A
Application number: JP1321793A
Authority: JP
Inventors: Eiji Hayashi; 栄二林
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1993-01-29
Filing date: 1993-01-29
Publication date: 1994-08-19

Abstract

(57)【要約】【目的】電気回路で構成される位置制御手段に改良施
して小型化するようにしたもので、全体としてより小型
化され、かつ安価で自動車用として適した超音波メータ
を提供する事を目的とする。【構成】回転軸を有し、この回転軸に指針が取り付け
られた超音波モータ、この超音波モータの回転角に対応
して位相がずれる回転電界を出力する静電容量型の回転
角検出部と、この回転角検出部の出力周波数の位相角を
検出する位相角検出器と、及び被測定信号に対応したパ
ルスと前記位相角検出器の出力パルスとを比較しその比
較結果により前記超音波モータを駆動する駆動信号の位
相の切替え制御を行う駆動回路より成る位置制御手段、
を具備したものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波モータを利用し
て被測定電気量を測定するようにした超音波メータに関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば、自動車の速度，或いはエンジン
回転等を測定するメータとして、現在可動磁石型のメー
タが主流であるが、これは自動生産を可能とした点が大
きい。しかし、可動磁石型メータは下記の欠点がある。外周コイルが大きく、大幅なコストダウン化は望め
ない。固定コイルに一定のパワーを要することから、電気
回路の小型化は難しく、全体として軽量・小型化は困難
である。可動磁石型メータが持つこれらの欠点を除去するものと
して、近時自動車用メータとして超音波メータが提案さ
れている。これは、駆動源として超音波モータを用いた
もので、超小型化が可能，高速応答でかつ静止摩擦が大
きい等、狭い計器盤でかつ過酷な条件下で用いられる自
動車用メータとして適しており、更に強いトルクによる
自動生産が可能である等，超音波モータを利用したメー
タは上記の欠点が除去されたものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】超音波モータをメータ
として使用する場合、回転軸部分を位置制御して指針を
被測定量に対応した位置に停止させる位置制御手段が必
要である。この位置制御手段は電気回路で構成される。
本発明の目的は電気回路で構成される位置制御手段に改
良施して小型化するようにしたもので、全体としてより
小型化され、かつ安価で自動車用として適した超音波メ
ータを提供する事にある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、回転軸を有
し、この回転軸に指針が取り付けられた超音波モータ、
この超音波モータの回転角に対応して位相がずれる回転
電界を出力する静電容量型の回転角検出部と、この回転
角検出部の出力周波数の位相角を検出する位相角検出器
と、及び被測定信号に対応したパルスと前記位相角検出
器の出力パルスとを比較しその比較結果により前記超音
波モータを駆動する駆動信号の位相の切替え制御を行う
駆動回路より成る位置制御手段、を具備したものであ
る。

【０００５】

【作用】このような本発明では、位置制御手段を構成す
る回転角検出部をほぼ１００ＫＨｚという周波で動作さ
せながら、その位相情報を１ＫＨｚという汎用の演算増
幅器で扱える周波数に変換される。

【０００６】

【実施例】以下図面を用いて本発明を詳細に説明する。
図１は本発明の一実施例を示した分解斜視図、図２は拡
大断面構成図である。図１及び図２において、１０は超
音波モータである。この超音波モータは、電歪素子と弾
性体及び動体よりなるもので、電歪素子によって弾性体
表面に振動を与えると弾性波が発生し、その弾性波は弾
性体表面上を伝播する。従って、この弾性体表面に動体
を加圧接触させると弾性波により動体の表面は弾性体表
面に順次点接触し、動体と弾性体との摩擦力により動体
は弾性波とは反対方向に移動するということを動作原理
とするもので、このような超音波モータ自体は例えば特
開昭５９−１２２３８５号等によって既に周知のもので
ある。１１は超音波モータ１０の基板である。

【０００７】２０は位置制御手段を構成する静電容量型
の回転角検出部（ロータリ・エンコーダ）である。位置
制御手段の全体構成については後述する。回転角検出部
２０において、２１は回転電界用電極、２２は集電電
極、２３は回転円板である。回転電界用電極２１と集電
電極２２は同一径の円板で構成され、回転円板２３はそ
れより小さい径の円板で構成されている。２４，２５は
スペーサ、２６は金属リングである。電極２１は３相回
転電界により位置検出をすべく、図３（イ）に示す如く
３分割（各１２０°）されており、その中心部には貫通
孔２１’が形成されている。電極２２はその全部が導体
片で構成されており、中心部には貫通孔２２ａが形成さ
れている。この電極２１は、プリント板２７の片面に印
刷により構成されている。回転円板２３は実施例では
１．６ｍｍの厚さとし、図３（ロ）に示す如くその２／
３が導体部、１／３が絶縁体部で構成され、その中心部
に回転軸２３ａが貫通して設けられている。

【０００８】このような各部からなる回転角検出部２０
は、リング２６の内部に回転円板２３が配置されると共
に、その回転円板の回転軸２３ａの上部が電極２２の貫
通孔２２ａを遊貫し、回転軸２３ａの下部が電極２１の
貫通孔２１’を遊貫するように、電極２２と電板２１と
をリング２６を介して螺子により一体化されるようにな
っている。実施例では、電極２１と２２は一定間隔で、
電極２１と回転円板２３の間，及び電極２２と回転円板
２３の間はそれぞれ極僅かのギャップがあり、その間に
スペーサ２４と２５が挿入される構成となっている。基
板１１とプリント板２７とはスタッド１３と１４を介し
て上下に取り付けられるようになっている。電極２１プ
リント板２７を遊貫した回転円板２３の回転軸２３ａ
は、前記した超音波モータ１０の回転軸部１２に取り付
けられている。これにより、静電容量型の回転角検出部
２０が構成されている。

【０００９】３０は指針、３１はその取付け部、３２は
スケール板である。指針３０の基部は取付け部３１に取
り付けられ、その取付け部３１は前記した電極２２を遊
貫した回転円板２３の回転軸２３ａに取り付けられてい
る。スケール板３２は指針３０と回転角検出部２０との
間に固定配置されている。尚、図２おいて鎖線はシール
ドを示すものである。

【００１０】図４は位置制御手段を含む本発明に係わる
超音波メータ全体の電気的回路図である。図４におい
て、１０は図１で説明した超音波モータ、２０は同じく
回転角検出部で、回転電界用電極２１、集電電極２２、
回転円板２３よりなっている。４０は信号入力端子で、
この入力端子からは自動車の走行速度等に応じたパルス
状の電気信号が入力される。４１は入力された被測定の
パルス信号を周波数ｆｃに関連した一定量のパルス幅に
変換する変換回路である。

【００１１】５０は周波数ｆｏの方形波を発振する発振
器、５１，５２及び５３ａ〜５３ｃはそれぞれ分周器で
ある。実施例では、ｆｏは１８．２４０ＭＨｚ、分周器
５１はｆｏを１／６４に分周し、分周器５２は分周器５
１の出力周波数を１／３２に分周するようになってい
る。分周器５３ａ〜５３ｃはそれぞれ分周器５２の出力
を更に１／６に分周する。その結果、分周器５３ａ〜５
３ｃの出力周波数をｆｃとすると、ｆｃは９５ＫＨｚと
なる。分周器５３ｂ，５３ｃは分周機能と共に位相シフ
ト機能を備えたもので、分周器５３ａの出力を基準位相
（０°）とした場合、分周器５３ｂは分周器５３ａの出
力を（２／３）π位相シフトし、分周器５３ｂは（４／
３）π位相シフトする。このように（２／３）πずつ位
相シフトされた分周器５３ａ〜５３ｃの出力は前記した
回転角検出部２０を構成する回転電界用電極２１に印加
される。即ち、電極２１は３相回転電界により位置検出
をすべく２１ａ〜２１ｃに３分割されており、分周器５
３ａの出力端はその３分割された１つの電極２１ａに、
分周器５３ｂの出力端は電極２１ｂに、又分周器５３ｃ
の出力端は電極２１ｃにそれぞれ接続されている。な
お、周波数の値は一実施例であり、とくに限定するもの
ではない。

【００１２】５４は分周器で、発振器５０の発振周波数
ｆｏを１／１９０に分周する。分周器５４の出力周波数
をｆLとすると、ｆLは９６ＫＨｚとなる。５５はヘテロ
ダイン検波器として用いられる電界効果型トランジスタ
で、そのゲート電極は回転角検出部２０を構成する集電
電極２２に接続され、ドレイン電極は分周器５４の出力
端子に接続され、ソース電極は抵抗素子５６を介して共
通電位点ＣＯＭに接続されている。５７はバンド・パス
増幅器、５８は位相検出器、５９は分周器である。バン
ドパス増幅器５７の入力端子はヘテロダイン検波器５５
と抵抗素子５６の接続点に接続され、出力端子は位相検
出器５８に接続されている。分周器５９は分周器５３ａ
の出力を受け、これを１／９６に分周するもので、その
出力周波数１ＫHｚをｆRとすると、この周波数信号ｆR
は基準位相として位相検出器５８に加えられている。な
お、バンド・パス増幅器５７はデジタル・フイルタで合
ってもよい。

【００１３】６０は積分器、６１は第１図に示す指針３
０の機械的位置を零位置に合わせる為のゼロ・バイアス
回路で、その入力端子は分周器５９に接続されている。
積分器６０には前記変換回路４１を経由した被測定の入
力パルス４０と、位相検出器５８の出力、及び零バイア
ス回路６１の出力が加えられ、この３つの信号を加算積
分する。７０はモータ駆動回路で、前記分周器５１より
得られる２８５ＫＨｚの出力周波数ｆMが与えられ、こ
れを超音波モータ１０に与えるとと共に、積分器６０の
出力信号を受け、その出力信号の極性により超音波モー
タ１０にこのモータを正転させる，又は逆転させる為の
切替え制御信号を与えるようになっている。

【００１４】このような構成の本発明に係わる超音波メ
ータの動作について説明すると次のごとくなる。発振器
５０の発振出力ｆｏは各分周器５１，５２，５３ａ〜５
３ｃ及び５４に加えられて所定の周波数ｆｃ及びｆLに
分周される。互いに位相が１２０°ずれた分周器５３ａ
〜５３ｃの出力ｆｃは、回転角検出部２０を構成する電
極２１の各電極２１ａ〜２１ｃに加えられる。これによ
り、電極２１ａ〜２１ｃは図５の（イ）〜（ハ）に示す
如く１２０°の位相差を伴った電界を発生し、その合成
電界は図５の（ニ）に示す如くその位相差が回転円板２
３の回転角に応じて０°〜３６０°変わる回転電界とな
る。なお、電極２１を３相分割したのは、回転円板２３
が導体電極として動作することにより、第３次高調波を
除去する空間フイルタとして動作させるためである。

【００１５】一方、入力端子４０より被測定のパルス入
力を加えることにより、このパルス入力は積分器６０に
加えられる。この入力パルスは図６の（ハ）に示す如く
パルス幅Ｔ１は一定で、その周期Ｔ２が被測定入力の大
きさに応じて変わるものである。実施例では、パルス入
力はフルスケール値で例えば４００ｐｐｓとしてある。
積分器６０にはこの入力パルス４０と共に、そのパルス
幅Ｔが図６の（ロ）に示す如く０〜３６０°変わる位相
検出器５８の出力、及び図６の（イ）に示す如くゼロ・
バイアス回路６１の出力が加えられている。超音波モー
タ１０には駆動回路７０を介して２８５ＫＨｚの駆動信
号ｆMが与えられている。

【００１６】積分器６０は前記の３つの信号を加算積分
する。積分結果の値が正の場合、駆動回路７０において
駆動信号の位相をπ／２遅らせて超音波モータ１０を逆
回転させる駆動信号を作り、積分器出力が正の場合駆動
回路７０において駆動信号の位相をπ／２進ませて超音
波モータ１０を正回転させる駆動信号を作る。これによ
り、超音波モータ１０は正，又は逆方向に回転する。積
分器６０の出力が零になると、モータ１０の回転は停止
する。

【００１７】超音波モータ１０の回転軸には回転角検出
部２０を構成する回転円板２２が取り付けられており、
その回転円板は超音波モータ１０の回転に伴って回転す
る。この場合、電極２１と集電電極２２間は容量結合さ
れるようになっているので、電極２１の各電極２１ａ〜
２１ｃで作られる電界の合成値である回転電界は集電電
極２２より取り出される。この回転電界は図５の（ニ）
で示した如く超音波モータ１０の回転角に応じて０°〜
３６０°変わるものとなる。周波数ｆｃ（実施例では９
５ＫＨｚ）のこの回転電界は集電電極２２より取り出さ
れた後、電界効果型トランジスタ５５のゲート電極に加
えられる。一方、分周器５４より得られる周波数力ｆL
（実施例では９６ＫＨｚ）の信号は電界効果型トランジ
スタ５５のドレイン電極に加えられる。この周波数力ｆ
Lの信号とゲートに加えられている周波数ｆｃの信号と
が電界効果型トランジスタ５５によりヘテロダイン検波
され（この場合乗算）、電界効果型トランジスタ５５の
ソース電極にはｆｃ＋ｆL（＝１９１ＫＨｚ＋高調
波），ｆｃ，ｆL，及びｆL−ｆｃ＝ｆS（＝１Ｋ
Ｈｚ＋高調波）の信号が出力される。この４つの信号は
バンドパス増幅器５７に加えられ、バンドパス増幅器５
７はこれらの内，のｆS信号，即ち１ＫＨｚの信号の
みを増幅して出力する。即ち、バンドパス増幅器５７
は、位相差の情報を持った１ＫＨｚの低い周波数に変換
された信号を出力する。この信号は位相検出器５８に加
えられる。位相検出器５８には分周器５９によつて得ら
れるｆR（＝１ＫＨｚ）の信号が基準信号として加えら
れており、位相検出器５８はこの基準値に対してバンド
パス増幅器５７の出力の位相を検出し、図６の（ロ）に
示す如くそのパルス幅Ｔが０〜３６０°変わるパルスを
出力する。このパルスは前記したように積分器６０にお
いて入力パルス４０と比較され、入力パルス４０が位相
検出器５８の出力パルスより大きい時には駆動回路７０
を介して超音波モータ１０には逆回転信号が与えられ、
小さいと時には正回転信号が与えられるように駆動信号
の位相が切替え制御される。超音波モータ１０が正，又
は逆回転し、積分器６０の出力が零になると超音波モー
タ１０の回転は停止する。超音波モータ１０の回転位置
は指針３０とスケール板３２により読み取られる。その
指示値は被測定入力４０の大きさとなる。

【００１８】このようにして、回転角検出部２０及びヘ
テロダイン検波器５５を含む回路は、超音波モータ１０
をメータに使用した場合に必要とされる位置制御手段が
構成される。

【００１９】図８は本発明の他の実施例の電気的回路図
である。図４に示した実施例では、発振器の出力を分周
して得た周波数ｆｃとは異なる周波数ｆLでヘテロダイ
ン検波して周波数ｆｃとｆの差の周波数を取り出した
後、この差の周波数の位相角を検出するようにしたが、
図８に示す実施例では集電電極２２より得られる回転電
界でスイッチ５５を駆動し、その出力をバンド・パス増
幅器５７を介して位相検出器５８で位相検出するように
したものである。

【００２０】このような構成の図８の回路は図４の回路
で用いた分周器５４及び５９を省略することが出来、図
４の回路より回路構成を簡略化する事が出来る利点があ
る。なお、図８の回路の駆動周波数ｆｃとしては、１０
０ＫＨｚ程度にする必要がある。

【００２１】上記した図４及び図８の実施例では、位置
制御手段として用いられる回転角検出部２０は容量結合
を利用しているので、回転角検出部２０の構成が簡単で
小型にできる。しかも、一般にこのような容量結合によ
る回転角の検出は絶対容量の変化を取り出すようにして
いる為、容量として取り出すことのできる回転角はせい
ぜい１８０°以内であるが、本発明においては回転静電
界を構成し、回転角を位相変化として取り出すようにし
ているので、３６０°の回転角を検出する事が出来る。
更に、図７に示す如く、回転角検出部２０を構成す電極
２１と集電電極２２間の距離ｇが一定であれば、回転円
板２３の位置が厚さ方向にどの位置にあっても容量その
もの変化はしない。その為、回転円板２３の軸方向の機
械的寸法は特に高精度を必要としないという利点があ
る。また、電極２１と回転円板２３間，及び集電電極２
２と回転円板２３との間にスペーサ（フイルム）２４，
２５を挿入することにより、回転円板２３の滑りがよく
なり、又そのスペーサのεを上げることで、結合容量を
高めることができ、動作を安定させることができる。

【００２２】尚、上述では本発明を主として自動車用と
して説明したが、自動車用に特に限定するものではな
い。

【００２３】

【発明の効果】本発明の第一実施例によれば、位置制御
手段を構成する回転角検出部をほぼ１００ＫＨｚという
周波で動作させながら、その位相情報を１ＫＨｚという
汎用の演算増幅器で扱える周波数に変換するようにして
いるため、回転角検出部の構成を小さく、またバンド・
パス増幅器，或いは位相検出器部分は一般の演算増幅器
で扱える為、小型化され、且つ安価な装置を得ることが
できる。その結果、小型化が可能な超音波モータを利用
したメータとして、極めて好適なメータを得ることが出
来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示した分解斜視図である。

【図２】本発明の一実施例を示した拡大断面構成図であ
る。

【図３】本発明に係わる回転角検出部を構成する回転電
界用電極と集電電極の構成図である。

【図４】位置制御手段を含む本発明の一実施例を示した
電気的回路図である。

【図５】本発明の回転角検出部の動作を説明するための
波形図である。

【図６】本発明の動作を説明するための波形図である。

【図７】本発明に係わる回転角検出部の説明図である。

【図８】本発明の他の実施例の電気的回路図である。

【符号の説明】

１０超音波モータ２０回転角検出部２１回転電界用電極２２集電電極２３回転円板３０指針５５ヘテロダイン検波部５７バンド・パス増幅器５８位相検出器６０積分器７０駆動回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回転軸を有し、この回転軸に指針が取り付
けられた超音波モータ、この超音波モータの回転角に対応して位相がずれる回転
電界を出力する静電容量型の回転角検出部と、この回転
角検出部の出力周波数の位相角を検出する位相角検出器
と、及び被測定信号に対応したパルスと前記位相角検出
器の出力パルスとを比較しその比較結果により前記超音
波モータを駆動する駆動信号の位相の切替え制御を行う
駆動回路より成る位置制御手段、を具備した超音波メー
タ。
【請求項２】回転軸を有し、この回転軸に指針が取り付
けられた超音波モータ、発振器の出力周波数ｆｃがが与
えられ前記超音波モータの回転角に対応して位相がずれ
る回転電界を出力する静電容量型の回転角検出部と、こ
の回転角検出部の出力周波数のを前記周波数ｆｃとは異
なる周波数ｆLで検波して前記周波数ｆｃとｆLの差の周
波数ｆｓを取り出した後，この周波数ｆｓの位相角を検
出する位相角検出器と、及び被測定信号に対応したパル
スと前記位相角検出器の出力パルスとを比較しその比較
結果により前記超音波モータを駆動する駆動信号の位相
の切替え制御を行う駆動回路より成る位置制御手段、を
具備した超音波メータ。
【請求項３】前記静電容量型の回転角検出部は複数個に
分割された電極を持つ回転電界用の円板状電極と、この
回転電界用電極に対して一定の間隔を隔てて固定配置さ
れた円板状の集電電極と、及び前記回転電界用電極と集
電電極との間に配置され超音波モータの回転軸に取り付
けられその一部が導電体の回転円板で構成したことを特
徴とする請求項１及び請求項２記載の超音波メータ。