JPH027877A - 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した振動波モータ、特に振動
波モータの回転速度制御に関する。

〔従来の技術〕

従来の振動波モータについて、図面を参照して、説明す
る。第２図は進行波によるステータの振動の様子を示す
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図は従来例の回転角検出器
であるタコジェネレータを振動波モータに組合わせた部
分断面を含む正面図、第１２−ａ図、第１２−ｂ図およ
び第１２−０図は振動波モータとタコジェネレータとの
組合わせ例を示す説明図である。

一般に、進行波を利用した円環型振動波モータは、第１
０図に示すように、円環状の弾性共振子１−１の裏面に
共振子１−１と同様な形状の円環状の円環状の振動子１
０−２を装着し、一体化しステータ１０−３を構成して
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
１０−３の上に、同じ円環状の動体くロータ１Ｏ−５）
が、皿バネ１−８等の手段によって、所定の圧力で押し
付けられている。ロータ１０−５の摺動面に、耐磨耗性
のある材料、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
ック材料で形成されたライニング１−４を設けることに
より、ステータ１０−３との磨耗を防止する。

振動子１０−２に振動波型を有する電気信号を入力し、
バイメタル効果により、ステータ１０−３に進行波のた
わみを発生させる。ステータ１〇−３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点Ｅに着目す
ると、その点Ｅは楕円状の軌跡を描く。ライニング２−
４はステータ２−３の進行波の頂点に接触しているので
、ロータ２−５は楕円の頂点部分りの軌跡の方向への磨
耗による移動がきくため、ロータ２−５は進行波の進行
方向とは逆に左に進む、したがって、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。

ところで、装置に組み込んでモータを使用する場合は、
回転角を検出し装置の制御を行なう必要性がある。従来
の振動波モータの使用において、振動波モータの回転角
を検出するために広く採られてきた方法としては、タコ
ジェネレータやポテンションメータなどの回転速成度の
検出器をロータに取り付ける手法である。第１１図に示
すように、振動波モータ１１−１の出力軸１１−３から
出力された回転運動は、タコジェネレータ１１−２内に
伝達されて回転速度が電気信号として出力される。

タコジェネレータと振動波モータとの組合わせ例を第１
２図に示す。第１２−ａ図において、タコジェネレータ
１２−２は、振動波モータ１２−１の背面に位置し、モ
ータの出力軸から歯車などを介さず、直接に回転速度を
出力する。第１２−１〕図は、軸貫通型のタコジェネレ
ータ１２−４を用いて構成した例である。これら二つの
構成例の場合、タコジェネレータが振動波モータの回転
軸に直列に位置するために、軸方向の寸法が大きくなる
。第１２−０図においては、歯車１２−７を介して、タ
コジェネレータ１２−６に回転運動を伝達させた構成で
あり、減速器によるバックラッシュが存在し、また回転
軸に並列してタコジェネレータのスペースが必要となる
。

〔発明が解決しようとする課題〕

回転速度をタコジェネレータなどの検出器を利用して検
出する場合においては、上述のように、検出器とその取
付けのために機構が複雑になるだけでなく、スペースも
大きくなり問題である。さらに、検出器とその取付けの
ための部品点数の増大にともないコストも高くなる。

〔課題を解決するための手段〕

本発明によれば、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共振子とを接着した構造の円
環状ステータと円環状ロータとを加圧接触させる振動波
モータにおいて、円環状ロータの円周上の一部に設けた
圧力を検出する圧力検出器と、前記圧力検出器から得ら
れた出力信号の振動周波数と前記振動子に供給する振動
性の信号の周波数との差を検出する周波数差検出部とを
具備することを特徴とする振動波モータが得られる。

〔発明の作用〕

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
と円環状共振子とを接着した構造の円環状ステータと円
環状ロータとを加圧接触させる振動波モータにおいて、
ロータとステータとの接触は、第２図に示されるように
、ステータに励振された進行波の山の頂点の部分で行な
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り変化する。したがって、ロー
タの一部分に着目すると、ステータとの接触と非接触と
は周期的に繰り返される。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により、進行波
の山と谷とが周期的に繰り返される。ロータの回転速度
によって接触の周期は異なる。

本発明においては、ロータとステータとの接触圧を、ロ
ータに設けられた圧電素子などの圧力検出器を用いて検
出し、その周期と、ステータに供給される振動性電気信
号の周期との差により、ロータの回転速度を検出する。

第８−ａ図はロータが静止している場合のステータに励
振されている進行波の様子およびロータの接触の様子を
示し、第８−ｂ図はロータが回転している場合の進行波
とロータの接触の様子を示す。第９−ａ図は第８−ａ図
のロータ静止時におけるロータで検出される圧力の変化
の様子を示し、第９−ｂ図は第８−ｂ図のロータ回転時
におけるロータで検出される圧力の変化の様子を示す。

以下に、第９−ａ図および第９−ｂ図に示されるような
圧力変化が生じ、この圧力変化の周波数（周期）の差か
ら回転速度が算出できることを、数式を用いて説明する
。

第３−ａ図および第３−ｂ図に示すように、ロータに座
標を固定して、ステータに励振される進行波の振動振幅
の式を導出する。一般に、波長λ［ｍｌ、角周波数ω旨
ａｄ／５ｅｃｌの進行波はξ＝Ａ１ｓｉｎ（ωｔ−２ｒ
ｘ／＾）・・・■となるが、ここで、 Ａ　１［Ｖ］　：振幅 ｔ　［５ｅｃｌ　　：時刻 ｘ［ｍｌ　：位置 である。ロータに設けた極座標に変換し整理するために
、 ｆｊｌｚｌ：ステータに供給される信号の周波数θ［ｒ
ａｄｌ　　：ロータ上の位置 ｎ：ステータに励振された進行波の波数ｒ［ｍｌ：ロー
タの円環の半径 とすると、 λ＝２πｒ　／　ｎ　　　・・・・・・・・・・・・　
■θ＝　ｘ　／　ｒ　　　　　　・・・・・・・・・・
・・　■の関係がある。これらを０式に代入すると、ξ
＝Ａ１ｓｉｎ（２πｆｔ−θｎ）　・・・・・・・・・
　■となる。■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。

ロータが静止している場合については、ロータの一部分
からステータの進行波の振動に着目すると、進行波の伝
搬により、振動の山と谷の部分は周期的に変化し、進行
波の伝搬する速度は、その周波数（周期）と関係する。

進行波の伝搬される速度をｖ　［ｍ／５ｅｃｌとすれば
、 ■＝＾ｆ＝２πｒ　／　ｎ　Ｘ　ｆ　　　　・・・・・
・・・・　■であり、■式に代入して ξ＝Ａ１ｓｉｎ（ｎｖ／ｒＸｔ−ｎθ）・・・・・・　
　■を得る。

一方、ロータが回転速度ｍ［ｒｐｍｌで回転している場
合には、前述のように、ロータはステータに伝搬してい
る進行波の向きと逆向きに回転する。

このため、ロータの一部と接触するステータの進行波は
、ロータからみれば、進行波の伝搬速度がロータの回転
速度に相当する分だけ早くなったことになる。ロータの
回転速度ｍ［ｒｐｍｌは［ｍ／５ｅｃｌの単位に変換す
ると、 ｍ［ｒｐｍｌ　＝ｍ／　６０　Ｘ　２π［ｍ／５ｅｃｌ
　　・・・・・・　■と表される。回転しているロータ
に座標を固定してステータの振動を式で記述すると、 ζ＝Ａ１ｓｉｎ（ｎ　（ｖ＋ｍ／６０Ｘ　２　ｙｒ　）
　／　ｒ　Ｘ　を−ｎθ〕　・・・・・・　■ となる。

圧力検出器の位置θをロータに固定した場合（例えば、
θ＝Ｏ）の０式と０式とは ξ＝Ａ１ｓｉｎ（ｎｖ／ｒＸｔ）　　　−−−−−・−
・　　■ζ＝Ａ１ｓｉｎ（ｎ　　（ｖ＋ｍ／６０Ｘ２ｒ
）／ｒＸｔ・・・・・・・・・　　［相］ となり、ロータが回転速度ｍ　［ｒｐｍｌで回転してい
るときに検出される信号の周波数は、ロータが静止して
いるときに比べて ２πｎｍ／６０ｒ［ｒａｄ／ｓｅｃ］　＝ｎｍ／６０ｒ
［Ｈｚｌ・・・・・・・・・　■ たけ高くなる。

ところで、ステータに進行波を励振するために供給され
ている信号は、 η＝Ａ２ｓｉｎ　（ｎ　ｖ／　ｒ　Ｘ　ｔ＋φ）・・・
・・・・・・＠で示される。ただし、 Ａ２［Ｖ］：振幅 φ［ｒａｄｌ　　：位相差 である。

０式で示される周波数は、■式に示される周波数と同じ
である。したがって、０式の信号と［株］式で示される
検出信号の周波数との差をとることにより、０式で示さ
れる周波数差が検出でき、ｎ。

ｒは設計で定められた既知の変数であるから、回転速度
ｍが求められる。

なお、本説明においては、説明を簡潔にするために、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
検出器から出力される信号は、上記の三角関数で示され
る信号にさまざまな周波数の信号が重畳したものである
。このことは、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、■式で示される
周波数ｆを通過帯域とするフィルタによりノイズ成分の
排除を行なう。

〔実施例〕

次に、本発明の実施例を示した図面を参照して、本発明
をより詳細に説明する。

第１図を参照すると、本発明の第一の実施例において、
軸方向の圧力により生じた歪に対して電圧が変化する圧
力検出器１−６は、ＰＺＴ等のセラミックスの素材から
なる直径３０＋ｍ、厚さ１ｍ■の円環状圧電素子である
。圧力検出器１−６の圧電素子は、第４図に示すように
、電極が分割されており、圧力検出部４−２の圧力が、
振動性の電気信号として、位相差検出部１−１１へ入力
される。圧力検出器１−６のステータ１−３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
ックスを用いてライニング１−４が接合されている。圧
力検出器１−６の他方の面は、ロータ１−５に接合され
ている。

また、円環状の共振子１−１は、燐青銅やアルミ青銅な
どの弾性を有する部材で構成されている。共振子１−１
の下面に接合された振動子（圧電素子）１−２に、電気
振動信号、例えば５５ＫＨｚ、±７０Ｖの正弦波状超音
波を入力して、ステータ１−３屈曲進行波を励振する。

第５図に振動子の電極の様子を示す。

第２図に示すように、ステータ２−３に屈曲進行波が生
じることによって、楕円軌跡Ｆを持つ振動が生しる。こ
の振動をライニング２−４に加圧接触させることによっ
て、ロータ２−５には回転運動が生じる。

ロータに設けた圧力検出器１−６は、萌述のように、ス
テータに励振された屈曲進行波の山と谷とに応じた接触
圧力を検出して電気信号に変換する。圧力検出器１−６
から得られた振動性の信号と、モータ駆動電源１−１２
からステータ１−３に接合された振動子に供給される振
動性信号とは、周波数差検出部１−１１に入力される。

両者の周波数の差が取られ、回転速度に比例した信号を
得る。この信号の基にして、回転速度を検出する。

第７図に位相差検出部１−１１のブロック図を示す。第
７図に示す信号７−１は、バンドパスフィルタ７−３に
入力され、ステータ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により増幅されたのち、ゼロ
クロスコンパレータ７−５により、振動波形の正負が１
と０とに対応するパルス信号に変換される。

一方、ステータに供給する信号から得られる信号７−２
は、ゼロクロスコンパレータ７−６により、前述のよう
に、パルス信号に変換される。両者のパルス信号は、周
波数差検出器７−７により、周波数の差が検出され、回
転速度に比例した信号１−１３を得る。

また、圧力検出器として圧電素子の代りに圧電高分子で
あるＰＶＤＦ　（ポリフッ化ビニリデン）を用いてもよ
い。

第６図に圧力検出器に圧電素子以外の検出器である歪ゲ
ージを用いた第二の実施例を示す。第６図に示すように
、圧力検出器は、圧力検出歪ゲージ６−６をロータ１−
５に取り付け、振幅検出器は振幅検出歪ゲージ６−７を
ステータ１−３に取り付ける。ステータ１−３との接触
圧力に応じて、弾性体で構成されたロータ１−５に弾性
歪が生じる。この歪を、圧力検出歪ゲージ６−６にて、
電気信号に変換する。この信号と、モータ駆動信号源か
らステータに供給される振動性電気信号との周波数の差
を周波数差検出部で検出する。

周波数差検出部からの出力信号１−１３により、ロータ
の回転速度を知ることができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、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共振子
とを接着した構造の円環状ステータと円環状ロータとを
加圧接触させる振動波モータにおいて、円環状ロータの
円周上の一部に設けた圧力を検出する圧力検出器と、こ
の圧力検出器から得られる出力信号の振動周波数と振動
子に供給する振動性信号の周波数との差を検出する周波
数差検出部とを有することにより、ロータの回転速度の
検出が、タコジェネレータなどの回転速度検出機構を必
要とせずに、ロータとステータとの接触を利用してでき
るために、簡単な構成となり、低コスト化と省スペース
化に効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第一の実施例の部分断面を含む正面図
、第２図は進行波によるステータの振動の様子を示す図
、第３−ａ図および第３−ｂ図はロータ１−５に座標を
固定したことを示す図、第４図は圧力検出器の電極の分
割を示した図、第５図は振動子の電極の分割を示した図
、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を含む正面図、第７図は位相差検出
部のブロック図、第８−ａ図はラロータが静止している
場合のステータに励振されている進行波の様子およびロ
ータの接触の様子を示す図、第８−ｂ図はロータが回転
している場合の進行波とロータの接触の様子を示す図、
第９−ａ図は第８−ａ図のロータ静止時におけるロータ
で検出される圧力の変化の様子を示す図、第９−ｂ図は
第８−ｂ図のロータ回転時におけるロータで検出される
圧力の変化の様子を示す図、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図は従
来例の回転速度検出器であるタコジェネレータを振動波
モータに組合わせた部分断面を含む正面図、第１２−ａ
図、第１２−ｂ図および第１２−０図は振動波モータと
タコジェネレータとの組合わせ例を示す図である。 １−１：共振子、１−２．２−２．１０−２：振動子、
１−３．２−３．８−３．１．０−３：ステータ、１−
４．２−４ニライニング、１−５゜２−５．８−５．１
０−５＋ロータ、１−６：圧力検出器、１−８：皿ばね
、１−９．１０−９：出力軸、１−１０：ブラシ、１−
１１　：周波数差検出部、１−１２：モータ駆動電源、
１−１３：信号、Ｄ、Ｅ：ステータ表面上の一点、Ｆ：
楕円軌道、４−１．５−１　：絶縁部分、４−２：圧力
検出部、１０　（ａ）、１０　（ｂ）：電極群、λ：波
長、６−６：圧力検出歪ゲージ、６−７：振幅検出歪ゲ
ージ、Ｐｌ：ロータ静止時の圧力曲線、Ｐ２：ｏ−夕移
動時の圧力曲線、１１−２．１２−２．１２−４．１２
−６：タコジェネレータ、１．１−１．１２−１．１２
−３．１２−５＋振動波モータ、１１−４：検出軸、１
２−７　：歯車。 ／−５）コータ　　／−４ライニンク゛。 代理人　弁理士　　内　原　　晋 竿１囚 ２寸ピーク 革Ｚ図 ′石３鴎図 實賀−す図 Ｉざ−ａ区 竿７図 と−３ヌテゲ ダ）−す図 ／／−／脈動液上−７ ／ ／−４ライニンク・・ 劣／／囚 Ａ−８０−タ 茶１０図 茶、２−９図 フルＺ−乙図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　振動波形を有する電気振動を機械振動に変換する振動
   子と円環状共振子とを接着した構造の円環状ステータと
   円環状ロータとを加圧接触させる振動波モータにおいて
   、円環状ロータの円周上の一部に設けた圧力を検出する
   圧力検出器と、前記圧力検出器から得られた出力信号の
   振動周波数と前記振動子に供給する振動性の信号の周波
   数との差を検出する周波数差検出部とを具備することを
   特徴とする振動波モータ。