JP3123040B2 - 超音波メータ - Google Patents

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、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
は上記の可動磁石型メータが持つ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】上記のような特徴を持
つ超音波モータを利用したメータにおいて、本願出願人
は本願出願と同日付けで超音波モータの回転軸に回転角
検出部及び指針を取り付けるようにした「超音波メー
タ」を出願した。しかし、このように超音波モータの回
転軸に回転角検出部及び指針を取り付けるようにした場
合、高さが高いものとなる。例えば狭い自動車の中，或
いは狭い室内に取り付けられるようなメータとしては、
可及的に薄型のものが必要とされる。本発明は安価で，
超薄型のメータが得られるように改良された超音波メー
タを提供することをことを目的としたものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、超音波モータ
と、この超音波モータの回転角を検出する回転角検出部
を備えた超音波メータにおいて、超音波モータと回転角
検出部を分離し、超音波モータの回転を摩擦係合により
回転角検出部に伝達するように構成したものである。

【０００５】

【作用】このような本発明では、超音波モータの回転は
摩擦係合により超音波モータより分離された回転角検出
部に伝達される。

【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は本発明に係わる超音波メータの一実施例を示した
斜視図である。図において、１０は超音波モータ、１１
はその回転軸である。１２はその中心部が回転軸１１に
取り付けられ、回転軸１１と一緒に回転する円形状の回
転体である。１３はプリント板で、超音波モータ１０は
このプリント板１３に取り付けられている。超音波モー
タ１０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したもので、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。

【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。回転
角検出部２０の分解図を図２に示す。図２において、２
１は回転電界用電極、２２は集電電極、２３は回転円
板、２４，２５はスペーサである。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。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
において、回転円板２３の上部にはスペーサ２５を介し
て所定の間隙をおいて集電電極２２が固定配置され、又
回転円板２３の下部にはスペーサ２４を介して所定の間
隙をおいて電極２１が固定配置されている。回転円板２
３に設けられた回転軸２３ａの上部はスペーサ２５及び
電極２２の貫通孔２２ａを遊貫し、又回転軸２３ａの下
部はスペーサ２４及び電極２１の貫通孔２１’を遊貫し
たのち、プリント板１３に回転可能に取り付けられてい
る。この場合、図１に示す如く回転円板２３の外周面
と、前記した超音波モータ１０の回転軸１１に取り付け
られた回転体１２の外周面が摩擦係合し、超音波モータ
１０の回転に伴って回転円板２３が回転軸２３ａを軸と
して回転できるようになっている。尚、図２において、
１２は超音波モータ１０の回転軸１１に取り付けられ、
回転円板２３に摩擦係合している回転体を示すものであ
る。このように、回転円板２３は超音波モータ１０との
摩擦係合により回転するようになっているので、回転体
１２と回転円板２３の双方又は一方の外周囲面は、摩擦
体である必要がある。

【０００９】３０は指針、３１はその基部、３２はスケ
ール板である。基部３１は前記した回転角検出部２０を
構成する集電電極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３
０と回転角検出部２０との間に固定配置されている。

【００１０】図４は回転角検出部２０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２
２、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】図１に示す如く、超音波モータ１０の回転
軸１１には回転体１２を介して回転角検出部２０を構成
する回転円板２２の周面が摩擦結合されているので、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。このような位置制御手段を構成する各電気
回路は集積化され、その集積回路は図１に示す記号８０
としてプリント板１３に取り付けられている。

【００１９】なお、実施例では回転角検出部２０の回転
軸２３ａに指針３０を取り付けた場合を説明したが、指
針３０を超音波モータ１０の回転軸１１に取り付けるよ
うにしてもよい。

【００２０】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。

【００２１】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。

【００２２】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
超小型にできる。しかも、一般に従来のこのような容量
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２２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。

【００２３】なお、上述では本発明のメータを主として
自動車用として説明したが、特に自動車用に限定するも
のではない。

【００２４】

【発明の効果】超音波モータは超薄型に構成する事が出
来る。又、超音波モータをメータとする場合に必要とさ
れる位置制御手段を構成する静電容量型の回転角検出部
も超薄型に構成することができる。本発明によれば、こ
のような超薄型の超音波モータと回転角検出部とを分離
して構成したので、全体の厚さを極めて薄い超音波メー
タを得る事が出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる超音波メータの一実施例を示し
た斜視図である。

【図２】本発明に係わる回転角検出部の分解構成図であ
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 ８０ 集積回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G12B 11/04

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超音波モータと、この超音波モータの回
   転角を検出する回転角検出部を備えた超音波メータにお
   いて、超音波モータと回転角検出部を分離し、超音波モ
   ータの回転を摩擦係合により回転角検出部に伝達するよ
   うに構成したことを特徴とする超音波メータ。
2. 【請求項２】回転角検出部の回転軸に指針を取り付ける
   ようにした請求項１記載の超音波メータ。
3. 【請求項３】超音波モータの回転軸に指針を取り付ける
   ようにした請求項１記載の超音波メータ。
4. 【請求項４】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、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摩擦係合されその一部が導
   電体の回転円板とで構成されたことを特徴とする請求項
   １記載の超音波メータ。