JPH0382380A - 超音波動モータ - 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 圧電、電歪、磁歪などの電気−機械変換子を利用する超
音波動モータおよび表面波動モータの制御と位置検出に
関する。

従来の技術 近年、圧電体などの電気−機械変換子を用いた超音波動
モータまたは表面波動モータ（以下超音波動モータに総
称）が各種開発されている。この超音波動モータは、パ
ワーデンシティが高く、応答性に優れて、微細なステッ
プ駆動が可能である。

そのためＡＣ−ＤＣサーボモータやバリアプルステップ
モータなどの新機能が期待できる。しかし可動子（ロー
タ）の回転速度や回転角度などの超音波動モータの回転
情報を検出するには、従来と同様の磁気的あるいは光学
的手段を用いたエンコーダを別に付加する必要があった
。このような不便を避けるために超音波動モータに検出
器を組み込んだものとして、例えば特開昭６２−２２１
８８５号公報に開示されているように、固定子（ステー
タ）と接触する可動子の摺動面に溝を設けて、固定子に
発生する表面波に生じた波形歪を検出して、回転情報と
して得るものがある。また固定子と可動子との接触によ
って可動子に生ずる圧力分布の変化を検出して、可動子
の回転角を知る試みもされている。　（例えば、瀬用哲
ほか１名、　「回転角検出機能をもつ超音波モータとそ
の制御」。

第３１回自動制御連合講演会、昭６３．１０．２５〜２
７）。

発明が解決しようとする課題 以上に説明したように、超音波動モータに既存のエンコ
ーダを別付加すると、モータ自身の容積が大きくなり、
機器への組込みが制限されたり、製造コスト増を招いた
りする。よって特開昭６２−２２１８８５号公報などは
、照合波動モータの内部にエンコーダを組み込む一つの
新しい試みである。しかし、この発明では圧を体の入力
電極の一部を表面波に生じた波形歪の検出用に割愛して
いる。このため、表面波を生じさせる入力電圧に不連続
が生じて、回転むらなどの不安定要因になることが避け
られない、また情報の精度を高めようとすると、検出電
極を多くしなければならず、入力電極面積が減少して駆
動効率の低下を招いた。

また後者の研究発表の例では、圧力分布を検出するため
に、圧電素子に発生した信号を回転する可動子から取り
出す構造となっているので、その複雑さが製造コストの
増大と信頼性の低下を招いている。

そこで本発明はこのような課題の解決に着目したもので
あり、照合波動モータが別付加のエンコーダを用いるこ
となく、簡易な手段で可動子の回転速度や回転角度など
の回転と位置の情報の検出を容易に可能としたものであ
る。

課題を解決するための手段 係る課題を解決するために本発明は、次の技術的手段を
有している。すなわちまず可動子には、例えば電気−機
械変換子である圧電体を用いる。

好ましくは、固定子に用いる圧電体と同様の構成の圧電
体を弾性材料に固着させて可動子を構成する。あるいは
可動子の固定子との接触面またはその対面を含む接触面
に垂直な軸上のどこかに溝、突起または曲率の変化など
の凹凸、空孔または硬度差を可動子の移動方向に設ける
。一方、固定子にはリングまたは円板状であって、移動
子の移動方向に複数分割した極性と電極を有する、例え
ば圧電体などに代表される電気−機械変換子を固着させ
、好ましくはその対面、すなわち固定子の移動子との接
触面に向けて突起を設ける。そして圧電体の入力側電極
端子に高周波帯域フィルタおよび検出端子には低周波帯
域フィルタ設け、駆動信号を圧電体に与え、駆動信号の
変化を検出端子で検出できるようにした。

作用 本構成では、固定子の電気−機械変換子（ここでは圧電
体〉に増幅された駆動用パワードライブ信号を高周波帯
域フィルタを通して印加すると、圧電逆効果でもって圧
電体に圧縮や膨張の歪が生じる。この現象により、固定
子には進行する振動波が励起される。この進行する振動
波によって固定子に接触する可動子が駆動される。しが
し同時に、可動子の圧を体には、固定子の機械振動のエ
ネルギーが駆動信号に同期して電荷量として蓄積された
り放出されたりする。この現象により可動子は固定子と
同じ波長で定常的に振動変形することになる。よって定
常的に振動変形した可動子が固定子に対して相対的に位
置移動すると、その位置での音響機械インピーダンスが
相違することになる。その結果、固定子の圧電体への印
加信号の電圧や電流値に変化が生じる。

また可動子の固定子との接触面またはその対面を含む接
触面に垂直な軸上に凹凸、空孔または硬度差を設けた可
動子でも同様にそれらの構成要素により、可動子と固定
子が相対移動をすると、その場所での音響機械インピー
ダンスの相違となりて現れる。このことにより、固定子
の圧電体への印加信号の電流値や電圧値に変化が生じる
。

このように音響機械インピーダンスの変化による駆動電
気信号の揺らぎは、可動子の移動位置によって規則性を
もって発生する。よってこの揺らぎを低周波帯域フィル
タを介して取り出し、アナログ回路処理やディジタル回
路処理することにより可動子の運動情報として検出する
。

またこの運動情報を入力信号に重畳させると、回転に影
響しない微小なトルクリップルや速度リップルとして検
出可能であり、速度検出と共に絶対位置の検出が可能と
なる。

実施例 以下に本発明の実施例を添付図面にもとづいて説明する
。なお各実施例の説明において、同様の部材には同一の
符号をつけて説明の重複を避けた。

照合波動モータは、例えば特開昭６１−２７７３８６な
どに開示されている円板型の照合波動モータが有利であ
る。この場合、照合波動モータは第２図に示すような基
本構成を有する０図中１は固定子であって、円板形状の
振動体２と圧電素子３ａ、３ｂを重ね合わせて固着して
構成される。

圧電素子３ａの表面には４５度毎の領域に分割された８
個の電極４ａが、銀などの導電材料の付着によって形成
されている。一方、圧電素子３ａの裏面には前記ｍ１ｔ
ｔｓ掻と興なり、無分割の全面電極５ａ（図示せず）が
形成されている０以上のように構成された圧電素子３ａ
は、相隣合う電極の領域において厚み方向に互いに異な
るように分極されている。よって圧電素子３ａには、８
個の互い這いにプラスとマイナス極性を有する４組の領
域が構成される。また圧電素子３ｂも圧電素子３ａと同
じ構造であって、交互にプラスとマイナス極性を有する
４組の領域が構成されている。前記圧電素子３ａと３ｂ
の相対位置は、最大振幅位置が各々の電極の中央となる
ように、圧電素子３ａ、３ｂ各々の電極の境界が９０度
の位相ずれした関係にある。Ｉｉ動体２は、圧電素子３
ａまたは３ｂと同等ないし２０倍程度の厚みのアルミニ
ウム、黄銅、ステンレスなどの金属製でその表面には、
例えば直径の約１／２程度となる位置に振動伝達部であ
る突起６が形成されている。この突起６の数は、圧電素
子３ａまたは３ｂの電極数８の最小奇数倍である３倍、
総計２４個に設定しである。

また中心には小穴が設けられ、第１図に部分的に示すよ
うに、ベアリング７が圧入されている。このように構成
された固定子１は、綬街材１１によって音響的に隔離さ
れ、ベース１２上に設置されている。固定子１の上部に
は、シャフト８を１弾性体９に填め合い固定した可動子
１０が突起６に面接触して配置されている。可動子１０
の下面の固定子１との接触面には、熱硬化性樹脂と炭素
繊維の複合材料からなる摩擦係数が大きくて耐摩耗性の
摺動材１３が張付けられている。また可動子１０の上面
には、固定子１に固着された円板形状の圧電素子３ａま
たは３ｂと同形状の圧電素子３ｃ、３ｄが、各々の電極
の境界が９０度の位相差をもつ位置で固着されている。

以上のように構成したものを第１図に示すように、固定
子１により定まる３０ｋＨｚから７０ｋＨｚの駆動周波
数にて発振器１４により発振された出力信号を分岐し、
一方を直接増幅器１５ａに、他方を位相器１６を介して
正方向または逆方向回転用に設定された±９０度の位相
シフトを選定して増幅器１５ｂに入力する。前記発振器
１４の出力信号を直接増幅器１５ａで増幅した信号をリ
ード線１７ａより圧電素子３ａに、また位相器１６を介
して増幅器１５ｂで増幅した信号をリード線１７ｂより
圧電素子３ｂに印加する。それにより固定子１には、圧
電素子３ａおよび３ｂの分極方向が互いに異なる領域の
一対を１波長として、圧電素子３ａおよび３ｂの各々に
対応して周方向に位相が９０度ずれた４波長の２組の励
振波が発生する。この二つの励振波が固定子ｌ内で合成
されて、固定子１には進行する振動波が生じる。進行す
る振動波が生じている固定子１の突起６の上面は、振動
の頂点より０度から±９０度の範囲で位相ずれした位置
で可動子１０の摺動材１３に接触し、しかもその前記頂
点近傍の接触位置が時間と共に移動するため、可動子１
０には前記振動波とは逆方向成分の力が伝達される。よ
って可動子１０は、固定子１により定まる駆動周波数に
より横方向の位置移動を繰り返す結果、数ｒｐｍから数
百ｒｐｍの範囲で回転運動する。一方では可動子１０は
、固定子１から突起６と摺動材１３を経て直的に拘束さ
れたｉｔ波が励起される。このことは駆動時に、可動子
１０には常に固定子１によって励起された２次振動波が
生じて、振動変形していることを示している。

第３図は、可動子１０が駆動されているとき、固定子１
と可動子１０との接触状層を瞬間的に見たところを模式
的に拡大して示したものである。

この場合（ａ）では固定チエの突起６が、固定子１の振
動で可動子１０に生じた二次振動によって、固定子１と
同じ波長で振動変形する可動子１０の波の凹部に位置し
ている。また（ｂ）ではこれとは逆に固定子１の突起６
が、可動子１０の波の凸部に位置している。そしてこの
図が示すように、固定子１と可動子１０の接触面が介在
する局所的な音響機械的インピーダンスは、圧電素子３
Ｃ１３ｄと振動体２と突起６と摺動材１３と弾性体９お
よび圧電素子３ａ、３ｂによって直列に形式され、その
値は固定子１と可動子１０との相対位置関係で変化する
。その結果、固定子１の圧電素子３ａ、３ｂにおける駆
動信号の揺らぎとなって現れる。第４図は、このときの
駆動信号の電流値の時間的変化を示したものである。固
定子１と可動子１０の相対位置関係の音響機械的インピ
ーダンスの変化により、図中破線のように駆動信号の電
流値がＡＭ変調をかけられることになる。

また、この現象は次のようにも説明できる。圧電素子３
ａおよび３ｂの総計１６極の電極４ａ、４ｂは、その中
央部を最大振幅として突起６を介して可動子１０の回転
速度より３〜５桁多い進行波の繰り返し周期で可動子１
０と間接的に接触している。従って全ての電極４ａ、４
ｂは、可動子１０に対して最大感度の接触状態になり、
１回転につき１６周期の定状変化特性を保有する。よっ
て可動子１０が回転すると、前記１６極の電極４ａ、４
ｂには、可動子１０と固定子１との接触界面の状態を時
系列的に突起６を介して圧電素子３ａおよび３ｂの圧電
正効果によって電荷の発生量の変化信号として連続して
出力する。

以上のように、駆動信号の揺らぎとして現れた現象を、
リード線１７ｃから低周波帯域フィルタ１８を介して、
ＡＭ成分だけを抜き取る。そうすれば可動子１０の回転
速度に見合う信号を検出端子１９で得られる６、ｔた前
記圧電素子３ａと３ｂとは９０度の位置位相差をもつの
で、それぞれに結合されているリード線１７ａ、１７ｂ
においては２倍の精度で、それを検出できる。この検出
端子１９にて得られた信号は、ｐ−ｖ２換器で処理する
か、ＴＴＬなどを用いてディジタル化して、従来から用
いられているＰＷＭ回路やＰＡＭ回路に接続し、超音波
モータの回転を制御する。

なお、本実施例では可動子１０に、２枚の圧電素子３Ｃ
１３ｄを用いたが、１枚でも十分に機能が発揮できる。

また、圧電素子３ｃ、３ｄを弾性体９の下面で摺動材１
３との間に貼付けても同じ機能が得られる。

第５図は本発明によってなる他の実施例に係る４組の可
動子を示した。それらは前記実施例とは異なり、可動子
に圧電素子を用いない構成である。

モータの主要な構造とその駆動回路は第１５！ｉ及び第
２図で示したものと同様であるので詳細な説明は省略す
る。まず第５図（ａ）は、摺動材１３を弾性体９かち取
り外した状態を示しである０弾性体９には、摺動材１３
が貼付ける位置に、円周方向に８個の穴２０を開けてい
る。また図（ｂ）では、弾性体９の上面に４組の梁２１
を設けている。

さらにｒＩＡ（ｃ）では、摺動材１３の固定子と接する
面に、円周方向に８本の溝２２を彫っである。

これらは全て可動子の回転する状態を、固定子とによっ
て構成される音響機械的インピーダンスの変化として、
前記実施例のごとく検出される。この実施例をさらに発
展させて、図（ｄ）のように円周方向に彫った溝２２の
幅または深さを変えることにより、可動子の絶対的な位
置における音響機械的インピーダンスの違いを検出し、
可動子の絶対位置を知ることができる。この場合、１回
転に１周期の周期性を保有するロータの移動及び位Ｉ情
報を共に保有するので、最新の１回転の情報をリアルタ
イムで後続のメモリ回路などの記憶部に記憶して、簡単
なＦＦ７回路などで処理することにより、各々の単周器
波数成分に分解して、次の１回転中の同様にして得た周
波数成分と比較することによりさらに高精細度の位置検
出が可能である。

また図５の実施例では、全て可動子の円周方向への形状
的な変化をつけたが、これを円周方向への弾性体の材料
的な密度の変化で代用することも可能である。もちろん
可動子に圧電素子を用いた場合も同様であり、圧電素子
の極数の増加や面積を変化させることにより、高精細度
の位置検出が可能である。さらに溝などによって付けら
れた音響機械的インピーダンスの変化数を、固定子の圧
電体の電極数の偶数倍に設定すると、より感度が上がっ
た検出が可能である。

以上の実施例は、回転する構造のモータについて説明し
たものであるが、直線に動くモータでも基本的な考えが
戒り立つ。

発明の効果 本発明により、照合波動モータを構成する固定子と、円
周方向に二次振動で変形を受けたり構造的に変化した可
動子との相対的な位置の音響機械インピーダンスの違い
を、固定子の駆動用圧電素子に生じる電気信号の揺らぎ
として検出することにより、外部にエンコーダを取り付
けることなく。

簡便に可動子の運動や位置の情報を得ることができた。

この情報を元に制御をかけることにより照合波動モータ
は、負荷の変動を受けても安定して駆動ができるように
なった。

また固定子や可動子の圧電素子やその分割極致を増した
り、可動子の形状や密度の変化数を増すことにより、さ
らに数倍程度の以上の高分解能で可動子の運動や位置の
検出が可能となった。

また直近の１回転の情報をメモリ回路に記憶し、ついで
ＦＦ７回路で各々の単周波数成分に分解して、次の１回
転中の同様にして得た単周波成分と比較することにより
、さらに高分解能で可動子の運動や位置の検出が可能と
なった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例における照合波動モータの信
号処理回路を含む全体構成図、第２図はその基本構成部
品図、第３図および第４図はその動作原理の説明図であ
る。第５図は本発明の他の実施例における照合波動モー
タの可動子の斜視図である。 １・・・・固定子、２・・・・振動体、３ａ、３ｂ、３
Ｃ１３ｄ、３ｅ、３　ｆ　・−・圧電素子、４ａ、４ｂ
、４ｃ、４ｄ、　４ｅ、　４ｆ・・・・電極、　６・・
・・突起、７・・・・ベアリング、８・・・・シャフト
、９・・・・弾性体、１０・・・・可動子、１３・・・
・摺動材、１４・・・・発振器、１５ａ、１５ｂ・・・
・増幅器、１６・・・・位相器、１８・・・・低周波帯
域フィルタ、２０・・・・穴、２１・・・・梁、　２２
・・・・溝。

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. （１）電気−機械変換子と弾性体の合体構造により表面
   に進行する振動波を生じている固定子と、該固定子に接
   触して相対運動する可動子とを備えた超音波動モータに
   おいて、該可動子の固定子に対する相対位置による可動
   子と固定子の摺動面が介在する系の音響機械的インピー
   ダンスの相違を該固定子の電気−機械変換子に生じる電
   圧または電流値の変化として検出し、これに対応する該
   可動子の運動状態及び位置の情報を知ることを特徴とす
   る超音波動モータ。
2. （２）前記超音波動モータにおいて、該可動子の固定子
   に対する相対位置による可動子と固定子の摺動面が介在
   する系の音響機械的インピーダンスの相違を該固定子の
   電気−機械変換子への入力電圧または入力電流の値の変
   化として検出したことを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の超音波動モータ。
3. （３）前記超音波動モータにおいて、固定子の電気−機
   械変換子の振動領域を可動子の回転または移動方向に分
   割し、該分割された個々の領域毎に高周波帯域フィルタ
   に接続した印加電力端子及び低周波帯域フィルタに接続
   した電流または電圧検出端子を設け、高周波電力を電気
   −機械変換子に加え、そこで発生した低周期の電圧また
   は電流値の変化を検出して複数の情報を得ることを特徴
   とする特許請求の範囲第２項記載の超音波動モータ。
4. （４）前記超音波動モータにおいて、該可動子が弾性体
   と少なくとも厚み方向に単層以上重ねられた電気−機械
   変換子との合体構造からなり、該固定子に生じている進
   行波により該可動子に厚み方向に変形を伴う定在的また
   は相対的な二次振動波を励起させ、該音響機械的インピ
   ーダンスを相違させたことを特徴とする特許請求の範囲
   第１項および第２項記載の超音波動モータ。
5. （５）前記超音波動モータにおいて、可動子の電気−機
   械変換子の区分された極性の領域の数が、固定子のそれ
   の整数倍であうて、固定子に生じている進行波の整数倍
   の周期で該可動子に厚み方向に変形を伴う定在的または
   相対的な二次振動波を生じさせたことを特徴とする特許
   請求の範囲第４項記載の超音波動モータ。
6. （６）前記超音波動モータにおいて、該可動子の電気−
   機械変換子が複数層重ねられた構造であって、それぞれ
   の電気−機械変換子の区分された極性の領域が０度から
   １００度の位相差をもった位置にあることを特徴とする
   特許請求の範囲第５項記載の超音波動モータ。
7. （７）前記超音波動モータにおいて、該可動子と該固定
   子との摺動面に垂直な軸上またはその近傍であつて、可
   動子の回転または移動方向に該可動子が不連続に区分さ
   れる少なくとも一つの凹凸、空孔または硬度差を設ける
   ことにより、該音響機械的インピーダンスを相違する構
   成としたことを特徴とする特許請求の範囲第１項および
   第２項記載の超音波動モータ。
8. （８）前記超音波動モータにおいて、可動子の回転また
   は移動方向に該摺動面が不連続に区分される少なくとも
   一つの凹凸または硬度差を該可動子の固定子との接触面
   上またはその近傍に設けることにより、該音響機械的イ
   ンピーダンスを相違する構成としたことを特徴とする特
   許請求の範囲第１項および第２項記載の超音波動モータ
   。
9. （９）前記超音波動モータにおいて、該可動子の該固定
   子との接触面に設けた溝の幅や深さ、または突起の幅や
   高さ、さらには摺動面の硬度の高低のうち少なくとも一
   つの項目について、可動子の回転または移動方向に不定
   の量で区分し、該音響機械的インピーダンスを位置的に
   多様に変化させ、前記検出する電圧または電流値の大き
   さによって該可動子の位置を判定することを特徴とする
   特許請求の範囲第７項および第８項記載の超音波動モー
   タ。
10. （１０）前記超音波動モータにおいて、該固定子と該可
    動子との接触面に関して可動子の移動方向に、該固定子
    には固定子の電気−機械変換子の電極数の奇数倍の突起
    を、該可動子には固定子の電気−機械変換子の電極数の
    偶数倍の該音響機械的インピーダンスの相違部を設け、
    前記検出する電圧または電流値の変化幅を最大にしたこ
    とを特徴とする特許請求の範囲第１項および第２項記載
    の超音波動モータ。