JPH0241675A - 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クリエンコーダを
組合わぜな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の左方には、同様に円環状をした動体くロータ）１０
５が設けられており、皿はね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−っの点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１５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、軸貫通形のローク
リエンコーダ１２４を用い、振動波モータ１２−３の前
方にロークリエコーダ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
エンコータ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
並べるなめ、ロータリエンコーダ１２−６の分たけ余分
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クリエンコ
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前記
円環状の共振子の振動の波長に相当する長さを隔てた位
置に設けた複数個の圧力検出部を有し、前記圧力検出手
段から出力する信号と前記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たものか、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し、また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い、このステータからの信号の位
相と上述のロータとステータとの接触圧力によって得ら
れる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６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６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６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７図は第６図のロータ上の点Ｘの圧力の変化および第
６図のステータの点Ｙの伸縮歪の変化の状態を示すグラ
フである。

点Ｘの圧力は、第７図（ａ）に示すような正弦波を画い
て変化する（ａ〜ｄは第６図の（ａ）〜（ｄ）に対応す
る）。これに対してステータ上の点Ｙの伸縮歪は、第７
図（ｂ）に示すような波形を示し、点Ｘの圧力とステー
タ上の点Ｙの伸縮歪との間には位相差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を数式を用いて説明
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＝Ａｓ　ｉ　ｎ　（ωｔ）　　　　　　　　　−（１
）ξ−Ａｃ　ｏ　ｓ　（ωｔ　）　　　　　　　　　　
−（２）である。ここでω（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、ξｌ＝　Ａ　５
ｉｎ（ωｔ）Ｘ　ｃｏｓ（２ｙｒ　ｘ／λ）　　　　−
（３）ξ２＝　−Ａ　ｃｏｓ（ωｔ）Ｘ　５ｉｎ（２π
ｘ／λ”）　　・（４）の定在波を合成して δ−Ａｓｉｎ（ωし一２πＸ／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（１）および〈２）および
（５）式に代入すると、 ξ１＝　Ａ　５ｉｎ（２ｙｒ　ｆｔ）　　　　　　　　
　−（８）ξ２　＝Ａｃｏｓ（２πｆｔ）　　　　　　
　　　−（９）δ　　　−Ａ　　５ｉｎ（２ｙｒ　　ｆ
ｔ−θ　ｎ）　　　　　　　　　　　　　　　　−（１
０）となる。（］Ｏ）式かステータに励振される進行波
の振幅を表す式である。

ところて、ロータの一部に設けた圧力検出器の位置が、
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−０）とすると、 ξ＝　Ｂ　５ｉｎ（２ｙｒ　ｆｔ）　　　　　　　　　
　　−（１１）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も同
様に（１０）式において〈θ−０）として、７７　＝　
Ｃ５ｉｎ（２ｒ　ｆｔ）　　　　　　　　　　−（１２
）となる。ここでＢおよびＣ（ｖ）は振幅である。

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、 （１０〉式において（θ−ｍ）として、ζ−Ｂ　５ｉｎ
（２ｙｔ　ｆｔ　−ｍｎ＞　　　　　　　　−（１３）
と表わされる。

本発明においてはく１３）式で示す信号と（８）式また
は（９）式もしくは（１２）式て示ず信号とを比較する
。両者の場合とも、ロータの回転角が（ｍ＞のときには
、信号の比較による位相差は（ｍｎ）である。ｎはステ
ータを設計するときに既知である。

従って位相差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、」−記の説明においては、説明を簡潔にするため
、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、上記の三角関数で示し
た信号のほかに、種々の周波数の信号か重畳したもので
ある。これは位相差検出に対してノイズとなり、回転角
検出の精度を低下させる。このためにロータの圧力検出
部を、ステータに励振される振動の波長の整数倍分たけ
隔たったロータの円周上の位置に複数個設け、それぞれ
の出力信号を重ね合わせることによってノイズ成分を低
減させることがてきる。波長λは、極座標に変換すると
（６）式て示されるので、進行波の波長を角度で示すと （波長）−２π／ｎ　　　　　　　　　　・・・（１４
）となる。従って、振動の波長λの整数倍分たけ離れた
位置に圧力検出部を設けることは、ロータ上に θ−ｍ・（ｍ＋２　π／ｎ）・（ｍ＋４　π／ｎ）　　
・・・（２ｎ　　π／ｎ）・・（１５） の角度で検出部を設けることである。従って、ロータの
各圧力検出器から出力する信号は、（１０）式と同し形
の信号であり、回転角度の検出に必要な信号成分の振幅
Ｂか大きくなるため、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、（１３）式で示す周
波数ｆを通過帯域とするフィルタによってノイズ成分の
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８図は第１図の実施例の圧力検出器の電極の分
割を示す平面図である。第５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る。共
振子３−１の下面に接着されている振動子（圧電素子）
３−２は、電気信号（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、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３５に回転運動
が生し、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、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素材で形成した
直径３０ｍｌ１１厚さ１　ｍｍの円環状の圧力検出器で
ある。圧力検出器３−６は、第８図に示すように、電極
か五つに分割しである。

第８図は第１図のステータ３−３を波数５の波で励振す
る場合の図であり、このため、５個の圧力検出部４−２
の隣接するものの間隔は１波長分に相当する７２度に設
定しており、それらの間は絶縁部４−１となっている。

これら５個の圧力検出部４−２て検出した圧力は、振動
性の信号３−１４として位相差検出部３−１１に入力す
る。圧力検出部３−６かステータ３−３と接触する表面
には、耐磨耗性に優れたエンシ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３５に接着されている。

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を励振する屈曲進行波の山と谷とに
対応する接触圧力を検出して電気信号３−１４に変換し
て出力する。

一方、ステータ３−３に供給されるモータ駆動電源３−
１３の一部から抵抗などでゲインを調整した後に取り出
した信号３−１５も、上記の信号３−１４と共に位相差
検出部３−１１に入力する。

第５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５図に示すように、信号３１４および３−１
５は、それぞれバンドパスフィルタ７−３および７−９
に入力してステータ３３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。これら信号はアンプ７−
４および７−６によって増幅されたのち、ゼロクロスコ
ンパレータ７−５および７−６によって振動波形の正負
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
例した信号３−１２を出力する。

第９図は本発明の第二の実施例を示す正面図、第４図は
第９図の実施例の振動子の電極の分割状態を示す平面図
である。

第９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４図の平面図に示すよ
うに、絶縁部６−２Ｃを設けることによって電極を分割
し、その間に進行波の振幅を検出するための振幅検出器
６−７を設けたものである。この振幅検出器６−７から
の信号６−１５と、圧力検出器６−６からの出力信号６
−１４とは、位相差検出部６−１１に入力される。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かで゛きる。

なお、上述の各実施例において、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ヒリニテン
（ＰＶＤＦ）を用いる方法や歪みゲージを用いる方法が
ある。ＰＶＤＦを用いる場合は、その厚さが１００μｍ
程度で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。

〔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
８１楕を用いずに、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、構成が簡単な振
動波モータか得られるという効果がある。また、圧力検
出器から出力する複数個の信号を処理することにより、
高精度で回転角の検出ができ、従って低コストでかつ省
スペースであり、しかも精度のよい振動波モータが得ら
れるという効果かある。

【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
（１〕）は振動波モータの回転］　８ を算出するな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９図の実施例の振動子
の電極の分割の状態を示す平面図、第５図は第１図の実
施例の位相差検出部の詳細を示すブロック図、第６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７図は第６図のロータ上の点Ｘ
の変化および第６図のステータ上の点Ｙの伸縮歪の変化
を示すグラフ、第８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９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１
２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。 １−１・２−１・３−１・・・共振子、１−２２２・３
−２・６−２・・振動子、１−３２−３・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
・］０−５・・・ロータ、１−６・３６・６−６・・・
圧力検出器、１−８　３−８・・皿ばね、３−９・１０
−９・・出力軸、３−１１・６１１・・・位相差検出部
、３−１２・６−１２・・・出力信号、３−１４・３−
１５・６−１４・６−１５・・・信号、４−１・・・絶
縁部、４−２・・・圧力検出部、７−３・７−９・・・
バンドパスフィルタ、７−４・７−８・・・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・１
２−５・・・振動波モータ、１１−２・１２−２・１２
−４・１２−６・・・ロークリエンコーダ、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前記円環状の共振子
   の振動の波長に相当する長さを隔てた位置に設けた複数
   個の圧力検出部を有し、前記圧力検出手段から出力する
   信号と前記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
   と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。