JPH01157281A - 超音波モータの角度検出装置 - 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〕 この発明は、進行波型超音波モータの回転角度を検出す
る角度検出装置に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、−ＩＩに使用されているモータは電磁式であるが
、最近、小型化、高速化等においてこの電磁式モータを
上回る超音波モータが提案されている。この超音波モー
タは、超音波振動により回転力を得るという原理のモー
タであり、特に巻線を必要とせず構造が簡単な上、低速
高トルクであることから、小型、軽量化が可能であり、
また減速機構が不要でダイレクトドライブが可能なこと
から、コンパクトにまとめなければならない機器への応
用として注目されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところで今、例えばミサイルの操舵装置等を考えると、
この種の機器の性質上、小型、軽量化が強く望まれ、従
ってこの操舵装置の駆動源として前記のような超音波モ
ータは最適であると考えられる。しかるに、前記ミサイ
ル操舵装置等の機器においては、前記駆動源をサーボモ
ータとして作用させる必要がある。即ち、作動部の角度
検出を行い、この情報を元にフィードバック制御を行う
必要がある。ところが、前記超音波モータはそれ自身に
は角度検出機能を有さす、従って超音波モータを前記の
ような装置のサーボモータとして利用する場合、別途ポ
テンショメータやロータリエンコーダ等の角度検出器が
必要になり、せっかく小型、軽量化することのできる超
音波モータのメリントを半減させるという問題があった
。

この発明は、かかる点に迄みてなされたもので、超音波
モータそれ自体に角度検出機能を付与し、該超音波モー
タを各種の機器にサーボモータとして使用して、装置全
体を小型、軽量化することのできる超音波モータの角度
検出装置を得ることを目的とする。

［問題点を解決するための手段］ この発明に係る超音波モータの角度検出装置は、圧電素
子及び弾性体からなるステータと、このステータに当接
して回転するロータとを有する進行波型超音波モータに
おいて、前記ロータのステータと当接する面の一部に角
度検出用電極を設けるとともに、前記弾性体に角度検出
用電圧を印加する手段と、前記弾性体に発生する進行波
の頂上部が前記ロータの角度検出用電極に接触すること
により得られる信号と前記ステータの圧電素子に印加さ
れる高周波電圧の位相とから前記ロータの角度を求める
ようにしたものである。

〔作用］ この発明においては、超音波モータのロータが回転し、
このロータに設けられた角度検出用電極と弾性体に発生
する進行波の頂上部とが接触すると、前記弾性体には角
度検出用電圧が印加されているので検出電圧が測定され
る。また、ステータの圧電素子に印加されている高周波
電圧の位相と弾性体に発生する進行波の位相とは１対１
に対応しているので、前記検出電圧の測定されたタイミ
ングと前記高周波電圧の位相とを比較すれば、ロータの
角度が検出できる。従って超音波モータ自身に角度検出
機能を持たすことが可能となり、該超音波モータをサー
ボモータとして利用して小型。

軽量な装置が実現できる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図に基づいて説明する。

第１図は本発明の一実施例による角度検出装置を有する
進行波型超音波モータの一部断面斜視図である。図にお
いて、１は圧電素子としての圧電セラミックであり、こ
の圧電セラミック１には電源９により高周波電圧が印加
されている。またこの圧電セラミック１の上部には導電
性材料で形成された弾性体２が固定されており、前記圧
電セラミック１及び弾性体２によりステータ１０が構成
されている。このステータ１０には、ロータ３が対向し
て設けられ、該ロータ３は前記弾性体２の上面に皿ばね
４により押圧されている。

また、前記ロータ３の弾性体２と対向する面の一部には
、角度検出用の電極５が絶縁体８を介して埋設されてお
り、さらに前記弾性体２には角度検出用の直流電圧が電
源７により印加されている。

そして弾性体２に進行波が発生し、その頂上部が前記ロ
ータ３の角度検出用電極５に接触したとき、電位検出器
６に電圧が測定されるようになっている。

次に動作について説明する。

圧電セラミック１は、第５図（ａ）に示すように分極し
て構成され、片側の電極にはＶｓｉｎωｔ、他方には位
相が９０°ずれたＶｃｏｓωｔの高周波電圧が印加され
る。これにより分割された各領域が交互に周方向に伸縮
し、その上部に固定された弾性体２に進行波のたわみ振
動を発生させる。即ち、前記圧電セラミックｌの構成に
より、圧電セラミンク１に生じた振動は弾性体２表面に
表れる進行波に変換される。このとき、前記圧電セラミ
ック１に印加される高周波電圧の位相（第５図■）のＲ
参照）と、弾性体２に発生する進行波の位相とは１対１
に対応している。そして、この進行波が発生したとき、
第３図（ａ）（ｂ）に示すように弾性体２表面のある一
点Ａに着目すると、該点Ａは楕円軌跡を描く。そこで、
前記弾性体２にロータ３を皿ばね４により押圧しておけ
ば、前記楕円軌跡を描く点への接線方向速度成分によっ
て、ロータ３は回転を生じることになる。第３図中、Ｂ
が進行波の進行方向であり、Ｃがロータ３の回転方向で
ある。

このようにして進行波が進行していくと、第４図（ａ）
〜（Ｃ）で示すように、その進行波の頂上に相当する部
分は、ロータ３に対して相対的に第４図の右方向に進ん
でいき、前記ロータ３の一部に設けられている角度検出
用電極５に接触することとなる。第４図（ａ）（ｂ）で
示す状態では電位検出器６の出力はオフであるが、第４
図（Ｃ）に示すような状態となった時点で閉回路が形成
され、これにより電位検出器６に所定の電位が検出され
る。従ってこの電位が検出されるタイミングと前記圧電
セラミックｌに印加される高周波電圧の位相とを比較す
ることにより、ロータ３の角度を検出することが可能と
なる。

この角度検出動作を第５図（ａ）（ｂ）に従ってより詳
細に説明する。なお、第５図（ａ）は圧電セラミックｌ
と弾性体２に発生する進行波及びロータ３との関係を分
かりやすくするために、進行波及びロータ３を展開して
模式的に示したものである。従って、ロータ３は図では
進行波と接する面が曲面で描いであるが、実際は平面で
あることはもちろんである。

前述したように、高周波電圧の位相と弾性体の進行波の
位相とは１対ｌに対応しており、従って高周波電圧の位
相により進行波の頂上部の位置が決定される。今、圧電
セラミック１は第５図（ａ）に示すように分極されてい
るので、進行波の１波長λは３６０＠／９で４０°に対
応する。そしてこれは、弾性体２のある１点がロータ３
に接触した後、次にその１点が再度ロータ３に接触する
までの期間に相当し、第５図（ロ）に示すような高周波
電圧の位相で考えれば３６０°に相当する。従って第５
図（ａ）に示すように、進行波の頂上部がロータ３に接
したある基準位置Ｓｏから、さらに進行した所定の角度
Ｘの位置でロータ３の角度用検出電極５と進行波の頂上
部とが接触したとすると、第５図（１））に示すような
波形Ｐが得られる。この波形Ｐの得られるタイミングθ
は検出可能であるから、第５図（ａ）の４０°とＸ、及
び第５１（ｂ）の３６０゜とθの関係から、 θ／　３６０　＝　ｘ　／　４０ の関係式により、Ｘ、即ち電極５の位置を求めることが
できる。

なお、この実施例では１波長内における角度検出が可能
であり、１波長を越える角度については、全体が９波長
であるので、そのうちのどの波長領域におけるＸである
のかを判定することができない。しかし、例えばこの装
置をミサイルの操舵装置のサーボモータとして利用する
場合は、角度検出範囲は通常±７°ないし±２０°程度
であり、実使用に対しては何ら問題はない。

このように本実施例では、圧電セラミック１に印加され
る高周波電圧の位相と弾性体２に発生する進行波の位相
とが１対１に対応するということに着目して、超音波モ
ータ自身に角度検出機能を持たせたので、超音波モータ
をサーボモータとして利用するとき特に他の角度検出装
置を必要とせず、装置全体を非常に小型、軽量化するこ
とができる。

なお、前記実施例における角度検出用電極の取付は構造
は前記実施例に限定されるものではなく、単に絶縁体を
挟んでロータに貼り付ける等の方法により取りつけても
良い。

また、前記実施例ではロータが導電性材料で形成されて
いる場合を考慮して絶縁体８を設けたが、ロータを非導
電性材料で形成する場合は、前記絶縁体は不要となる。

さらに、本発明では角度検出用の電極に弾性体が接触す
ることによって直流電位を得、これにより角度検出する
ようにしたが、本発明の基本的思想である、高周波電圧
と進行波の位相が１対１に対応しているということを利
用して、弾性体とロータ間の隙間変化によるキャパシタ
容量の変化と前記高周波電圧の位相との関係から角度検
出するようにすることも可能である。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば、圧電素子及び弾性体
からなるステータと、前記弾性体に当接して回転するロ
ータとを有する進行波型超音波モータにおいて、前記ロ
ータの一部に角度検出用電極を設けるとともに、前記弾
性体に角度検出用電圧を印加し、前記弾性体に発生する
進行波の頂上部が前記角度検出用電極に接触して閉回路
が形成されるタイミングと、前記圧電素子に印加される
高周波電圧の位相とを比較してロータの角度ヲ求めるよ
うにしたので、超音波モータ自身に角度検出機能を持た
すことが可能となり、該超音波モータをサーボモータと
して利用して小型、軽量な装置が実現できる効果がある
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による角度検出装置を備えた
超音波モータの一部断面斜視図、第２図はその角度検出
部を拡大して示す図、第３図は超音波モータの作動原理
を説明するための図、第４図は角度検出の動作を説明す
るための図、第５図（ａｌは圧電素子と進行波及びロー
タとの関係を示す展開模式図、第５図（ｂ）は高周波電
圧の位相と角度検出電圧との関係を示す図である。 １・・・圧電セラミ・ンク、２・・・弾性体、３・・・
ロータ、５・・・角度検出用電極、６・・・電位検出器
、７・・・角度検出用電源、９・・・高周波電源、１０
・・・ステータ。 第３図 第４図 第５図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）高周波電圧の印加される圧電素子及びこの圧電素
   子に固定された弾性体を有するステータと、このステー
   タの弾性体に当接して回転するロータとを有する超音波
   モータにおいて、前記ロータの前記弾性体と当接する面
   の一部に角度検出用電極を設けるとともに、前記弾性体
   に角度検出用電圧を印加する手段と、前記弾性体に発生
   する進行波の頂上部が前記ロータの角度検出用電極に接
   触することにより得られる信号と前記圧電素子に印加さ
   れる高周波電圧の位相とから前記ロータの角度を求める
   ようにしたことを特徴とする超音波モータの角度検出装
   置。