JPH0349572A - 磁気エンコーダ一体型超音波サーボモータ - 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】 ［発明のＭ業上の利用分野コ 本発明は，超音波振動を利用して超音波振動子の往復運
動を可動子の走行方向の運動に変換させるようにしたも
ので，特にサーボ用に適するようにロータリ磁気エンコ
ーダ一体型の超音波サーボモー夕に関し，ロータリ形，
リニア形の超音波サーボモータ何れにも適用されるもの
である。

［従来技術とその問題点］ 超音波モータは，超音波の持つ強力な振動エネルギーを
利用して機械エネルギーを得るようにしたアクチュエー
夕であり，近年，この種のモータが実用化されるに至っ
ている。

この種の超音波モータとしては，固定子と可動子と備え
．これらの固定子と可動子のうち少なくとも一方は１複
数の電歪素子で駆動される一つの振動子を含み，前記電
歪素子の引き出しリード線は駆動電源に接続され，固定
子と可動子はトルクを伝達する為に振動子の表面上の少
なくとも一点において互いに押し合い，そして電歪素子
に加える超音波エネルギーを機械振動エネルギーに変換
させ，該ＲＶｘ的振動エネルギーを可動子の一方向運動
に変換できるようにした技術が特開昭５２２９１９２号
公報等に開示されている。

なお，ここでは．ｍｈｉ的振動エネルギ〜とじて．進行
振動波（弾性表面波）を用い，該振動波によって可動子
を摩擦駆動するようにし，かつその際少なくとも，一つ
の電歪素子の振動によって定在波を発生させるような構
成の超音波モータについて述べる。

第２２図は，この種の超音波モータの原理を示すもので
，１は可動子，２は弾性振動子（弾性体〉とする。

Ｘ軸は，振動子２の表面上に起きる表面波（進行振動波
）の進行方向を示し，Ｚ軸はその法線方向とする。Ｐは
加圧方向を示す。

弾性振動子２には，図示しない電気機械変換素子として
用いた電歪素子により，振動を与えると，進行振動波が
発生し，振動子２の表面上を伝播していく．この振動波
は．縦波と横波を伴った振動波で．その質点の運動は，
楕円軌道を描く振動となる。

質点Ａについて着目すると，短軸幅Ｕ，長軸幅Ｗの楕円
運動を行っており，振動波の進行方向を＋Ｘ方向とする
と楕円運動は反時計方向に回転している。

この振動波は．一波長ごとに項点Ａ， Ａ′．・・・を有し．その頂点速度は，Ｘ成分のみであ
って，■−２πｆｕ（ただし．ｆは振動振動数〉である
。そこで，この表面に可動子１の表面を加圧接触させる
と，可動子１の表面は，頂点Ａ，Ａ″，・・　のみに接
触するから，可動子１は振動子２との摩擦力により矢印
Ｎ方向に駆動されることになる。

矢印Ｎ方向の可動子１の移動速度は，振動数ｆに比例す
る。また，加圧接触による摩擦駆動を行うため．短軸幅
Ｕばかりでなく，長袖福Ｗにも依存する。すなわち，可
動子１の移動速度は１楕円運動の大きさに比例し，楕円
振動の大きい方が速度か速いことになる。したがって，
可動子１の速度は，電歪素子に加える電圧に比例する。

第２３図は，回転形超音波モータにおける弾性振動子と
電歪素子の分解斜視図で，同図に示ずように電歪素子３
は，電歪素子３ａ群と電歪素子３ｂ群とからなる。複数
の電歪素子３ａ許は．振動波の波長λの２分の１のピッ
チで配列され．複数の電歪素子３ｂｙ￥も同じくλ／２
ピッチで配列されている。

なお９電歪素子３は，このように複数並べず第２４図に
示すように環状の単体の素子３にしそれを上記ピッチに
分極処理し．分極処理部３ａと３ｂとにしてもよい。ｔ
歪素子３ａと３ｂの互いのピッチは，（ｎｏ＋１／４）
　　λ　（但し，ｎＱ　＝Ｑ，１．２．　　・・・）す
れた位相差的配列がなされる。

電歪素子３ａの各々には，リード線４が接続され，電歪
素子３ｂの各々にはリード線５が接続されて，その各々
は，交流電源７と９０”位相器８に接続される（第２５
図参照）。また振動子２には，リード線６が接続され，
交流電源７に接続される。

このように構成された超音波モータの動作原理は，第２
５図に示すようになる。

上記したように電歪素子３ａ群及ひ３ｂ群は，弾性振動
子２の共振周波数から最も効率が良く進行振動波を得る
ことのできるような間隔で弾性振動子２に貼着した，例
えばチタン酸バリウム（ＢａＴｉ○，），チタン酸ジル
コン酸釦（ＰＺＴ）等の電歪素子であり，第２５図にお
いては振動子２に接着された電歪素子３ａ，３ｂ群は説
明の便宜上，隣接して現れているが，上記のλ／４の位
相ずれの条件を満足しているため．第２３図に示す電歪
素子３ａ，３ｂ群の配列と実質的に等価なものである。

電歪素子３ａはリード線４に，電歪素子３ｂはリード線
５に接続されている。第２５図において，電歪素子３ａ
，３ｂ中の＋は，交流電源が正側の周期にあるとき伸び
，一は正側の周期で縮む状態になっていることを示して
いる。

振動子２を電歪素子３ａ及び３ｂの一方の電極にし，電
歪素子３ａには交流電源７から，■一■。ｓｉｎω，と
いう交流電圧を供給しており，図からも明らかなように
，リード線４にはＶ一Ｖ。ｓｉｎω，の交流電圧が加わ
る。電歪素子３ｂには９０’位相器８によりＶ＝Ｖｏｓ
ｉｎ（ωｔ±π／２〉の交流電圧が加えられる。

式中の＋，−は，可動子１の移動方向によって位相器８
によって切り換える。ずなわち，９０゜位相器８によっ
て十側に切り換えると＋９０゜位相がずれて正方向に動
き，一測に切り換えると９０゜位相がずれて逆方向に動
く。

いま，位相器８を一側に切り換えてあり，電歪素子３ｂ
には，　Ｖ＝Ｖｏｓ　ｉ　ｎ　（ωｔ　−π／２）の交
流電圧が印加されるとする。電歪素子３ａが．単独で電
圧Ｖ＝Ｖ，）ｓｉｎω，により振動した場合は，同図（
ａ）に示すような定在波による振動が起こり，電歪素子
３ｂが，唯独で電圧”ｖ’−＝ＶｏＳ　ｉ　ｎ　（　ω
ｔ−π／２）により振動した場合は，同図＜ｂ＞に示す
ような定在波による振動が起こる。上記位相のずれた２
つの交流を同時に各々の電歪素子３ａ．３ｂに印加する
と，振動′．Ｉ！．（よ進行性になる。

同図（イ〉〜（二）は，時間に応じた振動子２の振動状
態を示し， （イ）は時間ｔ＝２　ｎπ／ω （口）はｔ−π／２ω＋２ｎπ／ω， （ハ）はｔ＝π／ω＋２ｎπ／ω （二）はｔ＝３π／２ω の時のもので，振動波の波面は矢印Ｘ方向に進行する。

このような進行性の振動波は，縦波と横波を伴っており
，第２２図に示すように振動子２の駆動面の任意の質点
は反時計方向の楕円運動を行う。したがって，駆動面に
圧接される可動子１が矢印Ｎ方向に移動する。

ここで２９０゜位相器８によって，＋９０゜位相をずら
せば１振動波はーＸ方向に進行し，駆動面に圧接される
可動子１は矢印Ｎ方向と逆方向に移動する。

このように進行性振動波によって駆動される超音波モー
タは，極めて簡単な横１戊で正逆転の切換か可能となっ
ている。

このような構造の超音波モータは７非常に有用なもので
あるが，この超音波モータにおいては固定子となる弾性
振動子（弾性体）２と可動子１を加圧接触させなければ
ならない。そのために，一般には圧縮ばねや板ばねを用
いて可動子１と弾性振動子２とを加圧接触させている。

然るに，このような構成によると，押圧力に経時的変動
が発生して，回転むらが生じるほか，また押圧力を付勢
する機械の変化により．発生トルク，推力に変動をきた
し，その特性を一定に維持できなくなる欠点があるほか
，上記押圧力付勢機構によって超音波七ータを小型化で
きないほか，押圧力の調整が厄介で，安価に量産できな
い欠点があった。

また．一般の小型超音波モータにおいては，弾性振動子
２の振動振幅は．１μｍ内外と非常に小さいが，可動子
１と振動子２の両面（なお，これらの間に後記するよう
にスライダを用いる場合も同様である）の平面精度が機
械振幅の精度以上にない場合は，超音波モータの回転ま
たは移動か一様に行われず，回転または移動が行われな
い場合がある。

なお，超音波モータは，弾性振動子２の振動の波の１云
播方向の動きを可動子１が摩擦力を介して受け取る原理
となっており，摩擦力は可動子１，弾性振動子２間の接
触圧及び摩擦係数で決まる。

いま．弾性振動子２，あるいは可動子１の一部が平面で
なく，若干歪んでいる場合には，可動子１，弾性振動子
２間は全面が接触しないため，可動子１，弾性振動子２
が超音波モータ固有の振動以外の可聴音（不用音）を発
生するため，′！ａ音発生の原因になる欠点がある。

また超音波モータの回転トルク，推力は，印加電圧の大
きさによって変化するが．機械的には可動子１（スライ
ダがある場合にはスライダ）と弾性振動子２の接触状態
によっても大きく変化する。

そこで，安定した回転トルク，推力を得るためには，可
動子１〈スライダ〉と弾性振動子２の押圧力が常に一定
であることが望ましいが，その場合に押圧力が余り大き
すぎると，摩擦力が大きくなって発生トルク，推力が小
さくなる一方，押圧力が小さすぎると，進行振動波の伝
達に損失がでて，上記同様に発生トルク，推力が小さく
なる欠点が有るため，従来において押圧力を微妙に調節
しなければならず，その調節が厄介であるため量産性に
ほれない欠点があった。

更にまた，このように有用な超音波モータにおいて，こ
れをサーボをかけて各種の速度制御，位置制御を行うに
は，エンコーダ等の各種の変移量検出手段が必要になる
． 特に超音波モータでは，微妙なミクロン単位の回転送り
等の偏位が可能なため，用いるエンコーダも高精度のも
のを用いれば，より高精度の位置決め制御等が可能にな
る。しかしながら，この超音波モータに高精度のエンコ
ーダを付設すると，このエンコーダ等が大きくなり，ま
た超音波モタは振動を利用していることから，エンコー
ダとのカップリング精度もシビアに要求され，大型且つ
高価なエンコーダ付き超音波モータになる欠点があった
。

また上記のように単体としてのエンコーダを用いる変わ
りに，エンコーダの構成要素をなすロタリエンコーダ用
メインスケールを回転軸に固定し，該メインスケールに
対向して固定側にインデックススケールを固定して対向
させ，これら２つのスケールを介して発光素子と受光素
子を設けて光学式エンコーダを内蔵する方法があるが，
この方法によっても超音波モータを大きくするのみなら
ず，超音波モータから発生する摩耗紛によって，エンコ
ーダ信号に誤差をきたすので，信頼性に乏しいものとな
っていた。

そしてまた，超音波モータでは微妙な送りが原理的に可
能なため，エンコーダを付設して超音波サーボモー夕を
構成してミクロン，あるいはサブミクロンといった高精
度の位置決め等のサーボを行う場合，超音波モータの振
動対策を十分に工夫しておかなければ，高精度の位置決
め等のサーボを行うことができなくなる。

また，高精度且つ高価なエンコーダを付設すると，エン
コーダ付き超音波サーボモータが大型になる欠点があり
，小型且つ安価なエンコ〜ダ内蔵超音波サーボモータは
．とても構或できるものでなかった。

更にまた，エンコーダと同じ目的を達成できるものとし
ては，レゾルバが知られているが，レゾルバ単体を用い
た場合には，上記エンコーダを用いた場合同様の欠点を
持っほが，当該レゾルバは非常に高価なため，当該レゾ
ルバを用いた超音波サーボモータは高価且つ大型になる
欠点をもつ。

このため，レゾルバ単体を用いず，レゾルバを構或する
要素を分解して，超音波モータに組み込み形或すること
も考えられるものの，一般の電磁式モータに適用する場
合と比較すると，当該超音波モータの場合にはレゾルバ
の構成要素を合理的に組み込み適用する構造になってお
らず１当該レゾルバの採用は困難であった。

［発明の課題コ 本発明は．厄介な押圧力の調整機構とその調整を不要に
し，磁気的な吸引力を用いて可動子と弾性振動子に加え
られる押圧力を一定に保持して安定な押圧力を得，雑音
がなく，安定且つバラツキの少ない回転トルク，推力を
発生させ，信頼性が高く．部品点数が少なく，小型且つ
安価に量産できる高精度の位置決め等のサーボが可能な
磁気エンコーダ一体型超音波サーボモー夕を得ることが
できるようにしたものである． また本発明では超音波モータを超音波サーボモー夕に構
成するに当たって．信頼性の高い磁気エンコーダを設け
るようにしているが，単体としての高価な磁気エンコー
ダを用いることなく，磁気的な吸引力を用いて可動子と
弾性振動子に加えられる押圧力を一定に保持するための
押圧力調整のために用いる永久磁石を備えた可動子若し
くは当該永久磁石を磁気エンコーダの構成要素と兼用さ
せることで，磁気エンコーダ一体型とし．超音波モータ
を超音波サーボモー夕に構成し，当該超音波サーボモー
夕を安価且つ小型に構成できるようにしたものである。

特に，磁気エンコーダ一体型としているので．光学式エ
ンコーダを内蔵した場合のように超音波モータの可動子
と振動子との摩擦接触によって発生する粉塵等による悪
影響が全く生じない。

また，磁気エンコーダの磁気センサとして磁気抵抗素子
を用いることで．磁気抵抗素子から得られるエンコーダ
信号を電気的に分解能を上げることによって，高精度な
磁気エンコーダを安価に一体型構成できる。

更に磁気エンコーダ一体型としても，その為に当該超音
波サーボモー夕を特別に大型且つコストの高いものにす
ることなく，磁気エンコーダ一体型の超音波サーボモー
タを小型且つ安価に量産できる。

本発明は，上記の効用を発揮させることができる磁気エ
ンコーダ一体型超音波サーボモー夕を得ることを課題に
成されたものである。

［発明の課題達成手段］ かかる本発明の課題は，弾性体と．該弾性体に固着され
る電歪素子等の電気機械変換素子と，上記弾性体に加圧
接触される可動子とにより構成される超音波モータにお
いて，可動子を永久磁石を含んで構成し，該永久磁石と
対向する弾性体等の固定子若しく固定子部を磁化し易い
材料を用いて楕成し．上記永久磁石と上記固定子の磁化
され易い材料間に磁気的な結合力を作用させて当該可動
子と上記弾性体の加圧接触を磁気的に行う機構を設け，
上記可動子にＮｉ，Ｓ極の磁極を交互等間隔に微細ピッ
チで多極着磁した磁気エンコーダ磁極を形成し，該磁気
エンコーダ磁極に対向して上記磁気エンコーダ磁極を検
出する磁気センサを配設した磁気エンコーダ一体型超音
波サーボモータを提供することで達戒できる。

［発明の実施例］ 本発明は，回転形およびリニア形いずれの超音波サーボ
モー夕にも適用できるものであるが，以下においては，
回転形超音波サーボモー夕についての実施例を説明する
。

［発明の第１実施例コ 第１図は，本発明の第１実施例を示すロークリ磁気エン
コーダ一体型超音波サーボモータ９の縦断面図，第２図
は同超音波サーボモータ９の一部切欠斜視図である。

主に，第１図及び第２図を用いて本発明の第１実施例と
してのロータリ磁気エンコーダ一体型超音波サーボモー
タ９を説明していく。

ロータリ磁気エンコーダ一体型超音波サーボモータ９は
軸方向接触型となっており，アルミニウムや磁性体等の
適宜な材質で構成された固定体１０と，この固定体１０
に固定された同じくアルミニウムや磁性体等の適宜な材
質で構成されたカップ型ケーシング１１によってロータ
リ磁気エンコーダ一体型超音波サーボモータ本体１２を
形成している。固定体１０の下部には，図示しない透孔
が形或され，リード線を通すようにしてぃる。

固定体１０の内周部には，リング状突起１３が一体形威
され，その内周部にはベアリンクハウス１４が固定され
，ベアリングハウス］４に装着されたベアリング１５に
よって回転軸１６が回動自在に支持されている。

また固定体１０の上には，円環状の磁性体等からなる振
動吸収体１７が固定され，該振動吸収体１７の上には当
該吸収体ｌ７側の面に上記第２３図又は第２４図に示し
たと同じような機械電気変換素子として用いた電歪素子
３を接着した第３図に示すような円環状の磁化され易い
金属材料，例えば鋼２焼き入れ鋼，工具鋼，樹脂混入磁
性体あるいは鉄材等で形或された弾性振動子１８が固定
されている。

この弾性振動子１８の内周下面は，上記リング状突起１
３の上面に固定されている。

回転軸１６の上部は．上記ケーシング１１の凸部ｌ９の
内周に固定されたベアリングハウス２０に装着されたベ
アリング２１によって回動自在に支持されている。回転
軸１６には，プラスチックマグネット等で形成されたマ
グネットロータ２２が固定され，回転軸１６と一体回動
するようになっている。なお，このプラスチックマグネ
ットで形成された円板状のマグネットロータ２２はこれ
を所定の形状にプラスチックマグネットのモールド戒形
時に回転軸１６と一体化して互いの位置決めを行い，マ
グネットロータ２２のダイナミックバランスを予め取っ
ている。

また，このマグネットロータ２２は，必ずしもプラスチ
ックマグネットで形成する必要はなく池の種類のマグネ
ットでも良く　またマグネットを直接，回転軸１６と一
体化する必要はなく，他の部材を用いてマグネットロー
タ２２と回転軸１６とを一体化しても良い。更にまた，
マグネットロータ２２を，特にブラチックマグネットで
形或するような場合には，ヨーク材やガラス繊維等の適
宜な部材を用いて一体形成して．補強されたものを用い
ることが望ましい。

マグネットロータ２２の外周には，上下に突出する円環
状突起２３が一体形成され，円環状突起２３の下面には
厚みの薄い耐摩耗性に優れた円環状の樹脂．硬質ゴム，
真鍮，ガラス，焼結度の低いセラミックス，アルミナ，
シリコンカーバイト，二酸化ケイ素，エンジニアリング
プラスチック，熱硬化性樹脂またはこれらの共重合体や
混合物，樹脂含浸カーボンファイバフェルト（カーボン
ファイバフェルトとしては，ポリアクリロニトリル繊維
系，石油ピッチ系，フェノール繊維系の繊維を原料とす
る炭素繊維フェルトまたは黒鉛繊維フェルト等が望まし
く，樹脂はエボキシ樹脂フェノール樹脂，ポリエステル
樹脂，ポリウレタン樹脂，合或ゴム等が望ましい。）、
あるいはこれら等の複合材料で形成され，望ましくはロ
ックウェル硬度Ｒ形で４０〜１２０程度の材質からなる
スライダ２４が固定され，上記弾性振動子１８と摩擦接
触するようになっている。

マグネットロータ２２の円環状突起２３のスライダ２４
を介して上記弾性振動子２３と当接する下端面には，第
４図に示すように磁性体からなる弾性振動子２３と磁気
的吸引がなされるようにＳ極（またはＮｊＦｆ１であっ
ても良い）の磁極が着磁され，その面に磁気的押圧力発
生用永久磁石２５を形成している。

なお，磁性体からなる弾性振動子１８と磁気的押圧力発
生用永久磁石２５間には，非磁性体からなるスライダ２
４が介在しているが，このスライダ２４の厚みは一般的
に０．５ｍｍ程度であるので，弾性振動子１８と永久磁
石２５の安定した磁気的な押圧力を維持することに関し
ては無視できる。

上記押圧力発生用永久磁石２５の代わりに第５図に示す
ようにＮ極，Ｓ極を２Ｐ（Ｐは１以上の整数）個着磁し
た磁気的押圧力発生用永久磁石２５″を形成したマグネ
ットロータ２２　を用いてもよい。

上記弾性振動子１８は，第ｌ図乃至第３図から明らかな
ように円板状の円環体になっているが，中央部は内外周
に比較して厚みの薄い凹部１８ａに形成され，振動効率
を高めるようにしてる６また内周部１８ｂを比較的厚み
を持たせて形或しているのは，当該弾性振動子１８を固
定体１０に堅固に固定できるようにするためで，外周部
１８ｃを更に厚みのあるものに形成しているのは，この
部分１８ｃに振動がかかるために強度性を持たせるため
，並びに弾性率を高めて振動効率を上げるためである。

なお，外周部１８ｂは，半径外側方向に至るに従って高
さが高くなるように傾斜面に形成しておくと，駆動効率
が良くなると共に回転むらが少なくなって望ましいもの
となる。

第２図及び第３図に示すように弾性振動子１８の外周部
１８ｃの上記スライダ２４と摺接する面には，多数のス
リット２８を形或している。これは，弾性振動子１８と
スライダ２４とが，摩擦接触することにより生ずるスラ
イダ２４の摩耗紛を接触面から逃がすため等の理由によ
る。しかし，上記した望ましい材質のスライダ２４を用
いる場合には，上記摩耗紛を殆ど無くすことができる。

マグネットロータ２２，２２″の外周には，第４図また
は第５図に示すように周方向に沿ってＮ極，Ｓ極の磁極
を交互に微細なピッチ（第４図及び第５図では，図面の
便宜上，Ｎ極，Ｓ極の磁極は比較的大きく描いている。

このことは，以下に示す実施例の場合でも同様である。

）で，例えば，２００μｍピッチで交互にラジアル配向
（多極になっていることから，これを極配向ともいうが
，それぞれの磁極がラジアル方向に着磁されていること
からラジアル配向という）にｙｌａｔ着磁してロータリ
磁気エンコーダ３３の為のロータリ磁気エンコーダ磁ｉ
３１を形成している。

該磁気エンコーダ磁極３１と径方向の微細な空１ｉ３ｉ
３５を介して，上記ケーシング１１の内周に配設された
少なくともＡ相１Ｂ相の磁気エンコ−ダ信号を得ること
のできる１個の磁気抵抗素子３２を対向させている。尚
，上記ケーシング１１がアルミニウム等の非磁性体で形
成されている場合には，磁気抵抗素子３２の上記磁気エ
ンコーダ磁横３１と対向する反対側の背面に磁性体，例
えばパーマロイを配設して，外界の磁界からの影響を受
けにくくすると良い。

また，この磁気抵抗素子３２の変わりに，ホール素子，
ホールＩＣ，磁気ヘッド等の他の磁気センサを用いても
良いが，磁気エンコーダ磁［３１は，微細なピッチでＮ
極，Ｓ極が交互に形或されているため，Ａ相，Ｂ相の磁
気エンコーダ信号を得るには，２個の磁気センサを互い
に電気角で９０’位相をずらせて配設しなくてはならな
いため，組立調整が厄介になるので，できれば磁気セン
サとしては磁気抵抗素子３２を用いるのが望ましい。

特にこの磁気抵抗素子３２は，一つの磁気センサであり
ながら，Ａ相及びＢ相の磁気エンコーダ信号が得られる
のみならず，磁気抵抗素子３２のパターンの設計仕様に
よってはＺ相の信号まで容易に得ることができて望まし
いものとなる。したがって，この実施例では，磁気セン
サとして，磁気抵抗素子３２を用いている。

上記磁気エンコーダ磁極３１と磁気抵抗素子３２とで，
ロータリ磁気エンコーダ３３を形成している． ［発明の第２実施例］ 第６図及び第７図は，発明の第２実施例を示すもので，
第１図及び第２図と共通の箇所には，同一符号を用いて
その説明を省略し，異なる箇所についてのみ説明すると
，このロータリ磁気エンコーダ一体型超音波サーボモー
タ９′は．弾性振動子１８の凹部１８ａと対向するマグ
ネットロタ２２゜゜の下面に第８図に示すように円環状
にＮ極，Ｓ極の磁極を交互に微細ピッチで多極着磁して
ロークリ磁気エンコーダ磁極３１′を形成している。こ
の場合の磁気エンコーダ磁極３１は，アキシャル配向く
この場合も．上記同様に掻配向というが，各磁極が軸方
向に着磁されているのでアキシャル配向という）の着磁
となっている。

上記磁気エンコーダ磁Ｍ１３　１　’と軸方向の空隙を
介して対向する弾性振動子１８の凹部１８ａに磁気抵抗
素子３２を配設して上記磁気エンコーダ磁極３１′を検
出している。

なお，このマグネットロータ２２゛゜においても，マグ
ネットロータ２２と同様な位置に永久磁石２５を着磁形
成し，該永久磁石２５と弾性振動子１８の外周部１８ｃ
の頂面と磁気的に吸引されるようにしている。なお，第
６図において，符号２６は，磁性体基板を示す。

［発明の第３実施例］ 第９図は第３実施例のロータリ磁気エンコーダ一体型超
音波サーボモータ９′゜の縦断面図を示すもので，マグ
ネットロータ２２″゛゜の上面に上記磁気エンコーダ磁
極３１“同様のロータリ磁気エンコーダ磁極３１゜′を
着磁形成し，該磁極３１″に軸方向の空隙を介して対向
するケーシング１１の内面に磁気抵抗素子３２を配設し
たものとなっている． ［発明の第４実施例］ 第１０図及び第１１図を参照して，発明の第４実施例の
ロータリ磁気エンコーダ一体型超音波サーボモータ９′
′′を説明すると，このサーボモータ９″″は，マグネ
ットロータ２２の変わりに同様な形状の円板状ロータ２
２′′′′を用いている， この円板状ロータ２２゜″′は，後記する弾性振動子１
８゜に用いた金属よりも耐摩耗を有し，且つ硬度の低い
金属を用いると有用で，具体的な例を示すと銅，銅合金
，アルミニウム，アルミニウム合金，亜鉛合金が有効な
ためこれ等の適宜な非鉄金属を用いて形或している。

このような非鉄金属が円板状ロータ ２２”　”として有用な理由は，円板状ロータ２２゜゛
゜゜は固定子である弾性振動子１８′の共振特性の回転
に寄与する周方向の成分のみを取り出せば良いため，弾
性振動子１８′の上下（軸）方向の振動を適度に吸収し
て回転成分のみを有効に取り出すことができるからであ
る。

なお，円板状ロータ２２”　’“に用いて有用な材料と
して．別なものを示すと，上記非鉄金属とは逆の性質，
すなわち．ａ度に摩耗してすり減っていく性質を有する
材料，例えば，真鍮，ガラス．焼結度の低いセラミック
ス，アルミナ，シリコンカーバイト．二酸化珪素等が有
用である。

それらの材料は，円板状ロータ２２”　”が上下振動を
繰り返し行っているうちに表面層が疲労してくると，表
面より脱落して新しい表面層が形成され，常に新しい表
面層の摩擦係数が得られ，有効なトルク或分を取り出す
ことができるため有用である。この性質は，特に高トル
ク，耐久性の点で，重要な性質である。

更にまた，円板状ロータ２２゜′゜゛は，２種の材料の
複合化によっても上記同様の望ましい効果，すなわち，
耐摩耗性と有効な摩擦係数，あるいは常に新鮮な表面層
に有効な摩擦係数を得ることができる。

このような複合材料としては，金属一非金属，あるいは
非金属一非金属のそれぞれの組み合わせが存在し，交互
にこれらの金属を周方向に配設したり，同心状に配設し
たり，厚み方向に配設することで可能になる。

上記したように，円板状ロータ２２”　’″を非鉄金属
を用いて構成したので，この実施例における弾性振動子
１８′も非鉄金属を用いて形成するのに望ましい材料を
以下に説明する。

弾性振動子１８゛の材料としては，円板状ロタ２２“゛
゜よりも耐摩耗性．硬度性及び強靭性に優れた金属を用
いると有用で，磁性体の場合には，＃Ｉ，焼き入れ鋼．
工具鋼等が適するか，非鉄金属としては．ジュラルミン
，チタン合金，リン青銅，ベリリウム鋼，タングステン
，クロム，コバルトおよびこれらの合金を用いると有用
で．これらの適宜な非鉄金属を用いて上記弾性振動子１
８゛を形成している。

上記弾性振動子１８′は，電歪素子３とで，一種の共振
子をｍ戒しているが，その共振のいわゆるＱがなるべく
大きいことが望ましいが，上記弾性振動子１８′を構或
する非鉄金属は，通常の超音波モータの使用周波数１　
０　Ｋ　Ｈ　ｚ〜ＩＯＯＫ８２程度の範囲内では，超音
波の吸収係数は非常に小さく，高い共振器のＱが得られ
て望ましいものとなる。

上記円板状ロータ２２”　”の下面凹部２２“′゜′ａ
位置には．第１２図に示すような円環状マグネット２７
が固定されている．このマグネット２７の下面の外周部
には，Ｎｉ，Ｓｆ！の磁極を交互等間隔にアキシャル配
向で周方向に沿って微細なピッチで多極着磁したロータ
リ磁気エンコーダ磁極３１′′を形成しており，該磁気
エンコーダ磁極３１゛“の内周部には，同じくアキシャ
ル配向でＳｉに着磁した磁気的押圧力発生用永久磁石２
５゛を形成している。なお，磁気エンコーダ磁ｆｉ３１
’″゛と磁気的押圧力発生用永久磁石２５″間に磁性体
を介在させておくと更に都合が良い。

上記円環状マグネット２７と軸方向の空隙を介して対向
する弾性振動子１８の凹部１８’ａ面には．第１２図に
示すような円環状磁性体４４を配設して，上記磁気的押
圧力を発生するようにしている。また，円環状磁性体４
４には，上記磁気エンコーダ磁極３１゛″と対向する位
置に磁気抵抗素子収納用四部を設けて，この凹部に磁気
抵抗素子３２を配設して，磁気エンコーダ磁極３１”　
’を検出するようにし，磁気エンコーダ磁極３１′”′
と磁気抵抗素子３２とで，ロータリ磁気エンコーダを形
成している。

なお，第１０図及び第１１図において，符号１８’　ａ
，１８’　ｂ，１８゜　Ｃそれぞれは，第１図及び第２
図に示゛した符号１８ａ，１８ｂ，１８ｃに対応するも
ので，同一部を示している。

また，この実施例では，上記永久磁石２５と磁性体４４
とは，微小空隙部を介して磁気的に吸引し合って押圧力
を発生して，永久磁石２５゛と磁性体４４とは，吸着接
着していない為，摩擦力が発生しないばかりか，永久磁
石２５″の減磁の問題は無視できる。このようなことは
，以下の実施例でも同様である。

［その他の実施例］ なお，この実施例の場合の円環状マグネット２７に代え
て，第１３図に示すようにＮｆ！，Ｓ極の磁極を２Ｐ（
Ｐは１以上の整数〉個有する磁気的押圧力発生用永久磁
石２５゛゜を形成した円環状マグネット２７′を用いて
も良い．またこれらの円環状マグネット２７．２７′を
用いる場合に，弾性振動子１８゛に代えて上記磁性体か
らなる弾性振動子１８を用いる場合には，上記円環状磁
性体４４は不要にでき，この場合にはマグネット２７．
２７″を軸方向に厚みのあるものを用いて更に磁気的押
圧力を高めることができる。

更にまた，弾性振動子１８．１８’が円環状となってお
り，凹部１８ａ，１８’　ａ及び内周部１８ｂ．１８゜
ｂを形成していないものを用いる場合には，上記マグネ
ット２７．２７’と対向する固定体１０面に磁性体４４
を配設すれば良く，あるいは固定体１０が磁性体である
場合は，固定体１０をマグネット２７．２７’側に突出
形成したり，マグネット２７．２７゜の厚みを増すと都
合の良いものとなる。

［発明の第５実施例］ 発明の第５実施例は，上記第１２図に示した磁性体４４
に代えて，第１４図に示すようにマグネット２７′の永
久磁石２５゜′と磁気的に吸引し合う磁極，この場合は
，永久磁石２５゛゜がＳ極となっているために，Ｎ極に
着磁した磁気的押圧力発生用永久磁石２５”　”を上記
永久磁石２５゜”と対向する面にアキシャル配向で着磁
形或したステータ永久磁石４５を用いても良く，或いは
第１５図に示すようにＮ極，Ｓ極の磁極が第１３図に示
したマグネット２７゛の永久磁石２５”　’　と互いに
磁気的に吸引し合うように同極数の着磁極を施した磁気
的押圧力発生用永久磁石２５”　”　’を有するステー
タ永久磁石４５″を用いても良い。

第１５図に示した永久磁石４５′の ２５”　”　’と第１３図に示した永久磁石２５”　”
　とは，互いに対向する異極と吸着し合うため，強力な
磁気的押圧力を発生することができる。

［発明のその他の実施例コ 本発明のその他の実施例としては．上記マグネット２７
，２７゜をロータ２２”　’“の上面に設け，該マグネ
ット２７．２７’　と空隙を介して対向するケーシング
１１面に上記磁性体４４同様の磁性体４４および磁気抵
抗素子３２を設けるか，あるいはケーシング１ｌを磁性
体にて形或したり，あるいは磁性体４４に代えてステー
タ永久磁石４５．４５”を設けることで，上記実施例同
様の目的を達成できる。

第１６図は，上記磁気エンコーダ磁極３１と磁気抵抗素
子３２とで構成されるロータリ磁気式エンコーダ３３の
説明図で，マグネットロータ２２の外周には．上記した
ようにＮ極（符号３４Ｎとする），Ｓ８ｉ！（符号３４
Ｓとする）の磁極を交互等間隔に微細ピッチで多極着磁
したロータリ磁気エンコーダ磁極３１（なお，他のロー
クリ磁気エンコーダ磁極３１“，・・・　３１゜′゜に
ついても同様となるので，代表として当該磁気エンコー
ダ磁極３１を説明する）が形成され，径方向の空隙３５
を介して対向する固定側（上記ケーシング１１）位置に
磁気抵抗素子（ＭＲセンサ）３２を対向配設して形成し
ている（第１実施例の場合）。

上記磁気エンコーダ磁極３１のＮ極３４Ｎ，Ｓ極３４Ｓ
それぞれの磁極幅は，λ゛　（電気角で２πで表される
幅に等しい）幅で着磁されている。

また磁気抵抗素子３２は，例えば強磁性体磁気抵抗効果
素子を用いるとして，先ず磁気エンコダ３３の原理を説
明するために．磁気抵抗素子３２を構成する強磁性体薄
膜で形成された素線である磁気抵抗エレメント３６につ
いて第１７図を用いて説明する。

この磁気抵抗エレメント３６は，数千人単位程度の厚み
でＮｉ−Ｃｏ系の金属薄膜｛強磁性金属薄膜｝をガラス
等の基板に真空蒸着やエッチング等の手段で形成するこ
とで上記磁気抵抗素子３２を形成できる。

磁気抵抗エレメンＩ−３６は，第１７図に示すように，
これに流れる電流工と磁界（磁束〉３７どの方向が垂直
となるように配設しておくと．磁束３７は，Ｎ極３４Ｎ
からＳ極３４Ｓに向かう。

この磁気抵抗エレメント３６は２第１８図に示すように
磁界３７内において横方向の磁束３７Ｘによって，抵抗
値の減少をきたす。尚，３７Ｙは，縦方向の磁束を示す
。

このときの磁気抵抗エレメント３６の抵抗の変化率は２
数％で，磁気エンコーダ磁極３１の一磁極の幅をλ′と
したとき，λ′／４及び３λ゜／４の位置における時の
磁気抵抗エレメント３６の抵抗値をＲ，抵抗の変化値を
Δｒとすると．Ｉｉ！極（３４Ｎまたは３４Ｓ）と磁気
抵抗エレメント３６の位相θ（一磁極幅３４Ｎ，３４Ｓ
をそれぞれ電気角で２πとしたときの位相θとする）に
おける抵抗値Ｒ（θ〉は， Ｒ（θ）＝Ｒ一Δｒ　−　ｃｏｓθ　　（１）で表すこ
とができる。

横方向の磁束＜ｒｉｉ界）３７Ｘは，位相θ，磁気抵抗
エレメント３６及び磁気エンコーダ磁極３１の距離に関
係し，磁気抵抗エレメント３６も．それに応じた抵抗値
Ｒをとる。

尚，磁気抵抗素子３２の場合．ホール素子等の他の磁気
センサと異なり．Ｉ：ｇｉ界中心（Ｎ極３４Ｎ，Ｓ極３
４Ｓそれぞれの中間部のところの磁界状態）では，無磁
界（Ｎ極３４ＮとＳ極３４Ｓの境界部のところの磁界状
態〉と同様に出力信号か変化しないという特徴がある。

上記した■本の磁気抵抗エレメント３６を有する磁気抵
抗素子３２によっては，人相及びＢ相の磁気エコーダ信
号を得ることができないので，第１９図に示すように４
本の磁気抵抗エレメン１・３６ａ，３６ｂ，３６ａ’　
，３６ｂ’　をそれぞれ順次にλ′／４だけずらして形
成し，Ａ相及びＢ相の磁気エンコーダ信号を得るように
している。

この磁気抵抗素子３２は，Ａ相の磁気エンコダ信号を得
るために２つの磁気抵抗エレメント３６ａ，３６ａ’　
と．Ｂ相の磁気エンコーダ信号を得るために磁気抵抗エ
レメント３６ｂ３６ｂ′を形成したものとなっている。

磁気抵抗エメント３６ａと３６ａ゜は，互いに逆位相と
なるように２磁気エンコーダ磁極３１の一磁極（Ｎ極３
４ＮまたはＳ極３４Ｓ）の幅をλ゜　（電気角で２π）
とするとき，λ′／２幅ずらせて形成している。

同様に磁気抵抗エレメント３６ｂと３６ｂ゛とは，互い
に逆位相となるように，λ′／２幅ずらせて形成してい
る。

また磁気抵抗エレメント３６ａと３６ｂ，及び３６ａ”
と３６ｂ゛とは，互いに＾゜／４幅ずらして形成されて
いる。

従って，磁気抵抗素子３２は，λ′／４ビッチずれて順
次，磁気抵抗エレメント３６ａ３６ｂ，３６ａ’　　．
３６ｂ’　を形或している。

このように形成された磁気抵抗素子３２からの磁気エン
コーダ信号を処理する回路としては，例えば第２０図に
示すようなものを用いる。

この磁気エンコーダ信号処理回路３８は，抵抗器３９−
１，　　・・・，３９−４により，ブリッジを構或して
抵抗変化を電圧変化に変換し，コンパレータ４０−１．
４０−２により，第２１図（ａ）．（ｂ）に示すような
９０゜位相が異なる２つの矩形波のエンコータ信号４１
−１，４１２を得ることができるようにしている。

この矩形波のエンコーダ信号４１−１．４１２をカウン
タによって計数すれば，ロータリ磁気エンコーダ３３の
回転角を計測できる。

この矩形波のエンコーダ信号４１−１．４１−２は，２
逓倍形回転方向弁別回路４２に加えることで，右回転パ
ルス及び左回転パルスを得て，このアップ信号またはダ
ウン信号を，アップダウンカウンタ４３に加えることで
，現在の回転角を得る。

したがって，本発明の超音波サーボモータ９によると，
上記したように電歪索子３に位相のすれた２つの交流を
同時に印加して，進行性振動波を発生させることによっ
て，マグネットロータ２２を所定方向に回転させること
ができ，該ロータ２２が回転するとこの外周に形或され
た磁気エンコーダ磁極３１も回転するので，これを磁気
抵抗素子３２で検出すれば．回転角，回転方向，回転速
度等が判別し，フィードバックルーブして図示しないコ
ントローラを介して，電歪素子３への通電をコントロー
ルすることにより，当該超音゛波サーボモータ９の回転
速度，回転方向，位置決め等のサーボを行うことができ
る。また，マグネットロータ２２は，これに形成した永
久磁石２５と磁性体でできた弾性振動子１８とが，望ま
しい磁気的押圧力によってスライダ２４を介して加圧接
触しているので２上記したような望ましい進行振動波を
発生させることができる。その他の超音波サーボモータ
９’　．９”　．９”　’についても同様である。

［発明の効果コ 以上から明らかなように，本発明の超音波サーボモー夕
は，従来の超音波モータをほとんど大きくすることなく
，磁気エンコーダを超音波モータと一体型に構成できる
ため，小型高精度のロータ？磁気エンコーダ一体型の超
音波サーボモー夕を安価且つ容易に量産できる。しかも
．厄介な押圧力の調整１ｆｉ横とその調整を不要にし，
磁気的な吸引力を用いて可動子と弾性振動子に加えられ
る押圧力を一定に保持して安定な押圧力を得，雑音かな
く，安定且つバラツキの少ない回転トルク，推力を発生
させ，信頼性が高く，部品点数か少なく，小型且つ安価
に量産できる高精度の位■決め等のサーボを行うことが
できる磁気エンコータ一体型超音波サーボモータを得る
ことができる。

また本発明では超音波モータを超音波サーボモータに禍
成するに当たって，信頼性の高い磁気エンコーダを設け
るようにしているが，単体としての高価な磁気エンコー
ダを用いることなく，磁．気的な吸引力を用いて可動子
と弾性振動子に加えられる押圧力を一定に保持するため
の押圧力Ａ整のために用いる永久磁石を磁気エンコーダ
の楕成要素と兼用させることで，磁気エンコーダ一体型
とし，超音波モータを超音波サーボモー夕に構成し，当
該超音波サーボモー夕を安価且つ小型に横戒でき，容易
に量産できる。

特に，磁気エンコーダ一体型としているので，光学式エ
ンコーダを内蔵した場合のように超音波モータの可動子
と振動子との摩擦接触によって発生する粉塵等による悪
影響が全く生じない。

また，磁気エンコーダの磁気センサとして磁気抵抗素子
を用いることで，磁気抵抗素子から得られるエンコーダ
信号を電気的に分解能を上げることによって，高精度な
磁気エンコーダを安価に一体型構或できる。

更に磁気エンコーダ一体型としても，その為に当該超音
波サーボモー夕を特別に大型且つコストの高いものにす
ることなく，磁気エンコーダ一体型の超音波サーボモー
タを小型且つ安価に量産できる。

また磁気的押圧力を磁気的に行っているのでこの磁気的
押圧力は，永久磁石の磁化力を所定の大きさになるよう
に予め着磁設定しておけば良いので，厄介な押圧力の設
定を不要にでき．常に一定した磁気的押圧力を得ること
ができ，一定品質のものを安定して安価に量産できる効
果がある。

なお，本発明においては，ｒｉｉ気的押圧力発生機構を
設けているが．従来に比較して非常に簡易で安価なバネ
による押圧力発生機構との併用を採用すれば，本発明は
更に信頼性が高く，また組立も容易になり，ｉｔ産に適
するものとなる。

【図面の簡単な説明】

第１５！ｌは本発明の第１実施例としてのロータリ磁気
エンコーダ一体型超音波サーボモータの縦断面図．第２
図は同超音波サーボモータの一部縦断切欠斜視図，第３
図は同超音波サーボモータの弾性振動子の一部縦断切欠
斜視図，第４図はロータリ磁気エンコーダ磁極及び磁気
的押圧力発生用永久磁石を形成したマグネットロータの
下面斜視図，第５図は別のロータリ磁気エンコーダ磁極
及び磁気的押圧力発生用永久磁石を形成したマグネット
ロータの下面斜視図，第６図は本発明第２実施例のロー
タリ磁気エンコーダ一体型超音波サーボモータの縦断面
図，第７図は同超音波サーボモー夕の一部縦断切欠斜視
図．第８図はロータリ磁気エンコーダ磁極を形成しだマ
グネットロータの下面斜視図，第９図は本発明第３実施
例のロータリ磁気エンコーダ一体型超音波サーボモータ
の縦断面図，第１０図は本発明第４実施例のロータリ磁
気エンコーダ一体型超音波サーボモータの縦断面図，第
１１図は同超音波サーボモー夕の一部縦断切欠斜視図，
第１２図は同超音波サーボモタに用いたロータリ磁気エ
ンコーダ磁極を形成した円環状マグネットと円環状磁性
体との分解斜視図，第１３図は他の実施例を示すロータ
リ磁気エンコーダ磁極を形成した円環状マグネットの下
面斜視図，第１４図及び第１５図はそれぞれ他の実施例
を示ずためのステータ永久磁石の上面斜視図，第１６図
はマグネットロータのロータリ磁気エンコーダ磁極と磁
気抵抗素子で横或されるロータリ磁気エンコーダの概略
説明図，第１７図乃至第１９図はロータリ磁気エンコー
ダ磁極と磁気抵抗素子との関係説明図．第２０図はロー
タリ磁気エンコーダ信号処理回路の諸ＥＩＪＩ図．ｌＥ
２１図は同磁気エンコーダ信号処理回路から得られるエ
ンコーダ信号の波形図，第２２図は超音波モータの原理
の説明図，第２３図は弾性振動子と電歪素子の分解図，
第２４図は電歪素子の別の実施例の平面図．第２５図は
超音波モータの駆動原理の説明図である。 ［符号の説明］ １・・・可動子， ２・・・弾性振動子， ３．３ａ．３ｂ・・・電歪素子， ４，５．６・・　・リード線， ７・・・交流電源， ８・・・９０”位相器， ９．９’　．９”　，９゜゜゜　・・・ロータリ磁気エ
ンコーダ一体型超音波サーボモータ，１０・・・固定体
， １１・・・カップ型ゲーシング， １２・・・ロークリ磁気エンコーダ一体型超音波サーボ
モータ本体， １３・・・リング壮卆紀， １４・・・ベアリンクハウス， １５・・・ベアリング， １６・・・回転軸， １７・・・振動吸収体， １８．１８’　　・・・弾性振動子 １８ａ，１８’　ａ・・・凹部， １８ｂ，１８’　ｂ・・・内周部， １８ｃ，１８’　ｃ・・・外周部， １つ・・・凸部， ２０・・・ベアリングハウス， ２ｌ・・・ベアリング． ２２．２２’　，２２゜’　，２２’ ネットロー夕， ２２”″″　・・・円板状ロー夕， ２２”　”　　　　・・下面凹部 ａ　・ ２３・・・円環状突起， ２４・・・スライダ． ２５．２５’　．　　・・・．２５”　”気的押圧力発
生用永久磁石， ２６・・・磁性体基板， マグ ・磁 ２７．２７’　　・・・円環状マグネット２８・・　・
スリット． ３１．３１’　　３１′’　，３１”“・・・ロタリ磁
気エンコーダ磁極， ３２・・・磁気抵抗素子， ３３・・・ロータリ磁気エンコーダ， ３４Ｎ・・・Ｎ極 ３４Ｓ・・・Ｓ極 ３５・・・空隙 ３６．３６ａ．３６ａ　　，３６ｂ．３６ｂ・・・・・
磁気抵抗エレメント， ３７・・・磁界， ３７Ｘ・・・横方向の磁束， ３７Ｙ・・・縦方向の磁束， ３８・・・磁気エンコーダ信号処理回路３９−１　・・
．３９−４・・・抵抗器，４０−１．４０−２・・・コ
ンパレータ，４１−１．４１−２・・・エンコーダ信号
４２・・・２逓倍形方向弁別回路 ４３・・・アップダウンカウンタ， ４４　・ ・円環状磁性体 ４５ ４５゜ ・ステータ永久磁石。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）弾性体と，該弾性体に固着される電歪素子等の電
   気機械変換素子と，上記弾性体に加圧接触される可動子
   とにより構成される超音波モータにおいて，可動子を永
   久磁石を含んで構成し，該永久磁石と対向する弾性体等
   の固定子若しく固定子部を磁化し易い材料を用いて構成
   し，上記永久磁石と上記固定子の磁化され易い材料間に
   磁気的な結合力を作用させて当該可動子と上記弾性体の
   加圧接触を磁気的に行う機構を設け，上記可動子にＮ極
   ，Ｓ極の磁極を交互等間隔に微細ピッチで多極着磁した
   磁気エンコーダ磁極を形成し，該磁気エンコーダ磁極に
   対向して上記磁気エンコーダ磁極を検出する磁気センサ
   を配設してなる，磁気エンコーダ一体型超音波サーボモ
   ータ。
2. （２）上記磁気エンコーダ磁極は，可動子の永久磁石に
   着磁形成してなる、特許請求の範囲第（１）項記載の磁
   気エンコーダ一体型超音波サーボモータ。
3. （３）上記可動子は，マグネットロータとなっており，
   該マグネットロータに弾性体と磁気的な結合力により互
   いに吸引し合う磁気適押圧力発生用永久磁石とロータリ
   磁気エンコーダ磁極を形成してなる，特許請求の範囲第
   （１）項記載の磁気エンコーダ一体型超音波サーボモー
   タ。
4. （４）上記磁気エンコーダ磁極は，磁気的な結合力によ
   り，互いに吸引し合う永久磁石と弾性体とが直接対向す
   る面以外の上記永久磁石面に形成してなる，特許請求の
   範囲第（２）項記載の磁気エンコーダ一体型超音波サー
   ボモータ。