JP2508203B2 - 振動波モ―タ - Google Patents

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
ンコーダとの異な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
10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の左方には、同様に円環状をした動体（ロータ）10
−５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て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Ｄに接触している。ロータ２−５は楕円の
頂点Ｄ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２−３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10−９から出力さ
れた回転運動をロータリエンコーダ11−２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12図に示す。

第12図（ａ）は、ロータリエンコーダ12−２を振動波
モータ12−１の背面に位置に、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
ンコーダ12−４を用い、振動波モータ12−３の前方にロ
ータリエンコーダ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が必要と
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と、前記共振子に入力する信号
および前記圧力検出手段からの出力信号を入力してそれ
らの位相差を検出する位相差検出部とを備えている。

〔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Ｄ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。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、またステータに供給する信号を検出し、この両者の
振動性の電気信号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８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８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８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９図は第８図のロータ上の点Ｘの圧力の変化および
第８図のステータに供給する信号の変化を示すグラフで
ある。

点Ｘの圧力は、第９図（ａ）に示すような正弦波を描
いて変化する（ａ〜ｄは第８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９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、この算出の手順の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＝Asin（ωｔ） …（１） ξ＝Acos（ωｔ） …（２） である。ここでω（rad/sec）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、 ξ_１＝Asin（ωｔ）×cos（２πx/λ） …（３） ξ_２＝−Acos（ωｔ）×sin（２πx/λ） …（４） の定在波を合成して ξ＝Asin（ωｔ−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（５）式に代入すると、 ξ＝Asin（２πft−θｎ） …（８） となる。（８）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られた圧力検出器の位
置が、ステータに設定した極座標の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、（８）式において（θ＝０）とすると、 ξ＝Bsin（２πft） …（９） となる。ここでＢ（ｖ）は振幅である。

ロータの圧力検出器の位置が（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、 （８）式において（θ＝ｍ）として、 ξ＝Bsin（２πft−mn） …（10） と表わされる。（10）式で示す信号がロータの圧力検出
器から出力する信号である。ｎはステータを設計すると
きに既知であり、従って（９）式と（10）式との位相差
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。

なお、本発明においては、説明を簡略にするため、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
検出器から出力する信号は上述の三角関数で示す信号に
種々の周波数の信号が重畳したものである。これは位相
差検出に対してノイズとなり、回転角の検出の精度を低
下させる。このとめに（10）式で示す周波数ｆの通過帯
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
分割を示す平面図、第５図は第１図の実施例の振動子の
分極を示す平面図、第７図は第１図の位相差検出部の詳
細を示すブロック図である。

第１図において、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
等の圧電素材で形成した直径30mm厚さ1mmの円環状の圧
力検出器である。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されて互に絶縁部３−6aで絶
縁されている圧力検出器３−6bで検出した圧力を、振動
性の電気信号に変換してブラシ３−10を介して第１図の
位相差検出部３−11に入力する。第１図において、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クスを用いた
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。円環状
の共振子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ている。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55kHz、±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、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３−2aおよ
び３−2bの間をλ/4とし、それらの間に絶縁部３−2cを
設けたものである。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、上述のよ
うにステータ３−３に励振された屈曲進行波の山と谷に
応じた接触圧力を検出して電気信号に変換する。この圧
力検出器３−６で得た振動性の信号３−14と、ステータ
３−３に供給する振動性信号より得られる信号３−15と
は、共に位相差検出部１−11に入力する。

第７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７図に示すように、信号３−14は、バンドパ
スフィルタ７−３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が取り出される。この
信号はアンプ７−４によって増幅されたのち、ゼロクロ
スコンパレータ７−５によって振動波形の正負がそれぞ
れ“1"と“0"に対応するパルス信号に変換されて出力さ
れる。一方、ステータ３−３に供給する信号から得られ
る信号３−15は、ゼロクロスコンパレータ７−６によっ
て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、回転角に比例した出力信号３−12を出力する。

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）を用いてもよ
い。

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図を含む正面図である。

第６図の実施例は、圧力検出器として圧電素子以外の
検出器である歪ゲージを用いた例である。すなわち、第
６図に示すように、圧力検出器としての圧力検出歪ゲー
ジ６−６をロータ６−５に取り付けている。弾性体で形
成されているロータ６−５は、ステータ６−３との接触
圧力に応じた弾性歪みを生じる。この歪みを圧力歪みゲ
ージ６−６で電気信号に変換してブラシ６−10を介して
信号６−14として出力する。またステータ６−３に供給
するモータ駆動電源６−13からの信号６−15は信号６−
14と共に位相差検出部６−11に入力し、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。

〔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、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に、円環状
のロータを加圧して接触させ、円環状のロータの円周上
の一部に設けた圧力検出器によってステータとロータと
の間の圧力を検出し、円環状の共振子に入力する信号と
圧力検出器から出力される電気信号との位相差を位相差
検出部によって検出することにより、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接触圧力を利用して検出でき
るため、構成が簡単な振動波モータが得られるという効
果があり、従って低コストと省スペースを実現すること
ができる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図を含む
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１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図は第１図の実施例の位相
差検出部の詳細を示すブロック図、第８図（ａ）〜
（ｄ）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９図（ａ）および
（ｂ）は第８図のロータ上の点Ｘの圧力の変化および第
８図のステータに供給する信号の変化を示すグラフ、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
示す説明図である。 １−１・２−１・３−１……共振子、１−２・２−２・
３−２……振動子、１−３・２−３・３−３・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・10−５…
…ロータ、１−８・３−８……皿ばね、３−６……圧力
検出器、３−９・10−９……出力軸、３−10・６−10…
…ブラシ、３−12・６−12……出力信号、３−11・６−
11……位相差検出部、３−12・６−12……出力信号、３
−14・３−15・６−14・６−15……信号、６−６……圧
力検出歪ゲージ、７−３……バンドパスフィルタ、７−
４……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
・12−６……ロータリエンコーダ、12−７……歯車列。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項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
   検出手段と、前記共振子に入力する信号および前記圧力
   検出手段からの出力信号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。