JPH06242269A - 超音波メータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 薄型の超音波メータを得ることを目的とす
る。 【構成】 超音波モータと、この超音波モータのロータ
の回転角を検出する回転角検出部を含む位置制御手段を
備えた超音波メータにして、前記回転角検出部を超音波
モータのロータの外周部に取り付けたもの。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波モータを利用し
て被測定電気量を測定するようにした超音波メータに関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】超音波モータを駆動源として利用するよ
うにした超音波メータは、在来の可動コイル形メータ，
或いは可動磁石形計器等に比較して小型化が可能，高速
応答で且つ静止摩擦が大きい等の特徴があり、狭い場所
で且つ過酷な環境下で用いられる例えば自動車用メータ
等に用いて好適なものである。このような特徴をもつ超
音波モータを利用したメータにおいて、本願出願人は特
願平５−１３２１７号で超音波モータの回転角を検出す
る回転角検出部をモータの回転軸に取り付ける様にした
「超音波メータ」を提案した。しかし、このようにモー
タの回転軸に回転角検出部を取り付ける様にしたメータ
においては厚みが増し、自動車用メータとして用いるよ
うな場合に好ましいものではない。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、構成
部品が少なく，且つ薄型のメータが得られるように改良
された超音波メータを提供することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、超音波モータ
と、この超音波モータのロータの回転角を検出する回転
角検出部を含む位置制御手段を備えた超音波メータにし
て、前記回転角検出部を超音波モータのロータの外周部
に取り付けたものである。

【０００５】

【作用】このような本発明では、超音波モータのロータ
の回転に伴って回転角検出部が回転し、これによってモ
ータの回転角が検出される。

【０００６】

【実施例】以下図面を用いて本発明を説明する。図１は
本発明に係わる超音波メータの一実施例を示した斜視図
である。なお、図は一部を断面で示してある。図におい
て、１０は超音波モータ、２０はプリント板である。超
音波モータ１０はロータ（アウターロータ）１１とベー
ス１２よりなっている。超音波モータ１０は、電歪素子
と弾性体及びロータよりなるもので、電歪素子によって
弾性体表面に振動を与えると弾性波が発生し、その弾性
波は弾性体表面を伝播する。従って、この弾性体表面に
ロータを加圧接触させると弾性波によりロータの表面は
弾性体表面に順次点接触し、弾性体との摩擦力によりロ
ータは弾性波とは反対方向に移動するということを動作
原理とするもので、このような超音波モータ自体は例え
ば特開昭５９−１２２３８５号等によって既に周知のも
のである。

【０００７】プリント板２０には超音波モータ１０（以
下、単にモータという）のロータ１１の径より僅かに大
きい径の穴２１が設けられており、モータ１０はロータ
１１部分がその穴２１を遊貫するように配置され、ベー
ス１２部分がプリント板２０の裏面に取り付けられてい
る。ベース１２にはその内部に電歪素子が取り付けら
れ、且つ中心固定軸があり、ボールベアリングでロータ
１１を支えるようになっている。

【０００８】３０は位置制御手段を構成する容量結合形
の回転角検出部（ロータリエンコーダ）、４０はシール
ド部材、４１は指針である。指針４１は自由に交換でき
るように、取付け部４２を介してロータ１１の上面に取
り付けられるようになっている。

【０００９】回転角検出部３０において、３１は集電用
の極板、３２は回転円板、３３は回転電界発生用の電極
である。極板３１と回転円板３２及び電極３３は何れも
環状のもので、これらの平面図を図２の（イ），
（ロ），（ハ）に示す。電極３３は図１に示したプリン
ト板２０の表面において、ロータ１１の周囲に環状のパ
ターンとして形成されている。この電極３３は図２の
（ハ）に示す如く８個に分極されており、各電極３３ａ
〜３３ｈには分周器５３により互いに４５°ずつ位相が
シフトされた交流電圧Ｅａ〜Ｅｈが印加され、これによ
って０〜３６０°に渡る回転電界が発生するようになっ
ている。

【００１０】回転円板３２はプリント板２０にパターン
として形成した電極３３と僅かの間隙を介して対向する
ようにロータ１１の外周部に取り付けられており、ロー
タ１１と共に回転するようになっている。この回転円板
は非導電材で構成したもので、その表面には図２の
（ロ）に示す如く、２４０°に渡って導体板３２ａが取
り付けられている。この導体板３２ａは互いに絶縁され
るように複数個に分割され、各分割片は中心に対して僅
かに渦巻状の方向になるように取り付けられている。回
転円板３２の裏面にも表面に取り付けられた導体板３２
ａと同様に複数個に分割された導体板が取り付けられて
おり、表裏対向する各導体片はスルーホールによって互
いに導通するようになっている。

【００１１】前記したシールド部材４０は断面コ字状の
もので、全体が環状をしており、図１に示すプリント板
２０の表面に形成した電極３３の周囲において、プリン
ト板２０に取り付けられるようになっている。図２に示
す環状の集電用極板３１は、図１における回転円板３２
に僅かの間隙を介して対向するように、その周囲がシー
ルド部材４０の上面に固着されている。

【００１２】このような構成の回転角検出部３０におい
て、図２に示す如く電極３３を構成する分極３３ａ〜３
３ｈに互いに４５°ずつ位相がシフトした交流電圧Ｅａ
〜Ｅｈを印加すると、０〜３６０°に渡って回転電界が
発生する。この回転電界を図１に示す如く集電用極板３
１で閉塞することにより、回転電界の電位は集電用極板
３１に伝わり、この極板３１より回転電界を取り出すこ
とができる。

【００１３】ここで、モータ１０を駆動させそのロータ
１１を回転させると、その回転に応じて回転角検出部３
０を構成する回転円板３２が回転する。この回転円板３
２の回転に応じて集電用極板３１より取り出される回転
電界の位相角は０〜３６０°に渡って変化する。従っ
て、集電用極板３１より取り出される回転電界の位相角
の変化を検出することにより、回転円板３２，即ちモー
タ１０のロータ１１の回転角を知ることが出来る。

【００１４】上述の実施例において、回転円板３２に２
４０°に渡って導体面３２ａを形成した場合について説
明したが、これは２４０°にすることにより０〜３６０
°の範囲において第３高調波の（＋）と（−）部分が互
いにキャンセルされ、出力として表れないようにする為
のものである。尚、第３高調波の影響を無くすには２４
０°だけではなく、１２０°，即ち回転円板３２の導体
面３２ａの角度を３６０°／３の整数倍に選べば良い。
同様の考えにより、導体面３２ａの角度を３６０°／５
の整数倍に選べば、第５高調波の影響を無くす事が出来
る。又、導体板３２ａを複数個に分割したが、これは回
転円板３２が傾いてモータロータ１１に取り付けられて
も、その影響を少なくする為である。なお、この回転円
板３２の傾斜の影響をなくすには導体板３２ａの分割数
を多く、例えばメッシュ方式にした方が効果的である。
又、各分割片を中心に対して僅かに渦巻状の方向になる
ように取り付けたのは、回転電界を発生させる為に４５
°宛ずれた交流電圧を電極３３ａ〜３３ｈに与えている
が、各４５°の境目においてリニアリテイが悪くならな
いようにする為である。

【００１５】図３は回転角検出部３０を含む本発明に係
わる超音波メータ全体の電気的回路図である。図におい
て、１０は図１で説明した超音波モータ、３０は回転角
検出部である。回転角検出部３０は図１で説明した如く
集電用極板３１、回転円板３２及び回転電界発生用電極
３３よりなるもので、回転円板３２はモータ１０のロー
タ１１の外周部に取り付けられている。

【００１６】４０は被測定信号、４１は保護回路、４２
はパルス幅変調回路である。被測定信号４０は保護回路
４１を介してパルス幅変調回路４２に加えられて被測定
信号４０の大きさに対応したパルス幅信号に変調され
る。

【００１７】５０は発振器で、実施例では2.3ＭＨｚの
方形波信号を発振する。５１〜５４はそれぞれ分周器
で、分周器５１は発振器５０の出力を１／５０に分周し
（ｆＬ）、分周器５２は発振器５０の出力を１／８に分
周し（ｆＭ）、分周器５３は発振器５０の出力を１／４
８に分周する。従って、分周器５３の出力信号は４８Ｋ
Ｈｚ（ｆＣ）となる。分周器５３は図２の（ハ）で示し
た如く、互いに４５°宛位相がシフトされた４８ＫＨｚ
の８つの方形波信号を出力し、この信号は電極３３を構
成する分極３３ａ〜３３ｈに加えられ、これにより電極
３３は図１及び図２で説明した如く回転電界を発生す
る。又、分周器５４は分周器５１の出力を１／２４に分
周する。分周器６４の出力は１．９３ＫＨｚ（ｆＲ）と
なる。

【００１８】６０はヘテロダイン検波器として用いられ
る電界効果形トランジスタ（以下、ＦＥＴという）で、
そのゲート電極は回転角検出部３０を構成する集電用電
極３１に接続され、ドレイン電極は分周器５１の出力端
子に接続されている。６１はバンドパス増幅器、６２は
波形整形用の比較器、７０は回転角検出部３０から得ら
れる回転電界の位相を検出する位相検出器である。ＦＥ
Ｔ７０のソース電極はバンドパス増幅器６１及び比較器
６２を介して位相検出器７０に接続されている。位相検
出器７０には基準位相信号として、分周器５４の出力ｆ
Ｒが加えられている。

【００１９】８０はサーボ制御回路、８１は駆動回路で
ある。サーボ制御回路８０にはパルス幅変調器４２の出
力と、位相検出器７０の出力が与えられて両信号の位相
の比較を行うと共に、分周器５２で得られる２８５ＫＨ
ｚの方形波信号（ｆＭ）が加えられている。このｆＭ信
号は駆動回路８１を介してモータ１０に与えられ、モー
タ１０はこの２８５ＫＨｚのｆＭ信号によって駆動され
る。８２は電源遮断回路で、メータの動作中は１２Ｖの
電池電源を駆動回路８１に供給し、メータが動作してい
ない時サーボ制御回路８０からの信号を受けて電池電源
を遮断する機能を有する。９０はモータ１０の温度を検
出する温度検出回路、９１は温度検出回路９０の出力を
受け、発振器５０の発振周波数を制御する温度制御回路
で、この温度制御回路９１の出力によりモータ１０の温
度補償が行われる。なお、分周器５４が出力するｆＲ信
号は、パルス幅変調器４２に基準信号として与えられて
いる。

【００２０】このような構成の超音波メータの動作を説
明すると次のごとくなる。被測定入力４０はパルス幅変
調器４２によりパルス幅信号に変調されてサーボ制御回
路８０に与えられる。一方、発振器５０の発振出力は分
周器５１〜５４に与えられてそれぞれ所定の分周比に従
って分周される。分周器５３より得られる４８ＫＨｚの
ｆＣ信号は位相が互いに４５°シフトされて回転角検出
部３０を構成する電極３３に与えられ、これにより電極
３３は回転電界を発生する。モータ１０にはサーボ制御
回路８０及び駆動回路８１を介して周波数２８５ＫＨｚ
の駆動信号ｆＭが与えられ、これにより駆動される。モ
ータ１０のロータ１１の外周部には図１で示した如く回
転角検出部３０を構成する回転円板３２が取り付けられ
ており、この回転円板３２はロータ１１の回転と共に回
転する。回転円板３２が回転すると、その回転角に応じ
て電極３３が発生する回転電界の位相が０〜３６０°の
範囲において変化する。この位相変化の情報を含んだ周
波数ｆＣの回転電界は集電極３１より取り出され、ＦＥ
Ｔ６０のゲート電極に加えられる。一方、分周器５１よ
り得られる４６ＫＨｚの信号ｆＬはＦＥＴ６０のドレイ
ン電極に加えられている。このｆＬ信号とゲート電極に
加えられている周波数ｆＣの信号とがＦＥＴ６０により
ヘテロダイン検波され（この場合、乗算）、ＦＥＴ６０
のソース電極にはｆＣ＋ｆＬ（９４ＫＨｚ），ｆＣ
（４８ＫＨｚ），ｆＬ（４６ＫＨｚ），ｆＣ−ｆＬ
＝ｆＳ（２ＫＨｚ）の信号が出力される。

【００２１】バンドパス増幅器６１は加えられた４つの
信号のうち，〜の信号をカツトし、のｆＳ信号，
即ち２ＫＨｚの信号のみを増幅して出力する。このよう
に、バンドパス増幅器６１はロータ１１の回転角の情報
を持った２ＫＨｚの低い周波数に変換されたｆＳ信号を
出力する。このｆＳ信号は比較器６２で波形整形された
のち位相検出器７０に加えられる。位相検出器７０には
分周器５４によってよって得られる周波数１．９３ＫＨ
ｚのｆＲ信号が基準信号として加えられており、位相検
出器７０はこの基準位相に対してｆＳ信号の位相を検出
する。即ち、位相検出器７０はそのパルス幅がロータ１
１の回転角に対応して０〜３６０°に渡って変化するパ
ルス信号を出力する。

【００２２】このパルス信号はサーボ制御回路８０に加
えられて被測定信号４０に応じたパルスの位相と比較さ
れ、その比較結果に応じて駆動回路８１はモータ１０に
加えられているｆＭ信号の位相，即ちモータ１０の駆動
信号の位相をπ／２進ませるか，或いは遅らせるかして
モータ１０を正，又は逆方向に回転させる。両入力信号
の位相が一致するとモータ１０の回転は停止する。モー
タ１０のロータ１１には図１に示した如く指針４１が取
り付けられているので、この指針と図外の文字板とによ
ってロータ１１の回転位置が読み取られる。その指示値
は被測定信号４０の大きさとなる。

【００２３】なお、４８ＫＨｚという高周波で回転角検
出部３０を駆動させ、ヘテロダイン検波により２ＫＨｚ
という低い周波数信号に変換したのは、高周波で回転角
検出部３０を駆動させることによりこの部分を小型化さ
せると共に、低い周波数信号によりバンドパス増幅器６
１を含む後段の回路を汎用の演算増幅器を用いることが
出来るようにする為である。

【００２４】このようにして、回転角検出部３０及びヘ
テロダイン検波部６０を含む回路は超音波モータ１０を
メータに使用した場合に必要とされる位置制御手段が構
成される。このような位置制御手段を構成する各電気回
路は集積化され、その集積回路は図１に示す記号１００
としてプリント板２０に取り付けられている。

【００２５】

【発明の効果】本発明によれば、超音波モータのロータ
の回転角を検出する回転角検出部を超音波モータのロー
タの外周部に取り付けるように構成したので、全体とし
て薄型（実施例では高さが４．８ｍｍ）の超音波メータ
を得ることができる。しかも、超音波モータの回転軸に
回転角検出部を取り付けるようにした既提案の超音波メ
ータではモータ軸の振動に異常が発生したが、ロータの
外周部に回転角検出部を取り付けるように構成した本発
明のメータにおいてはこのような異常振動が起こる事は
ない。このような特徴を持つ本発明に係わる超音波メー
タの用途は特に限定するものではないが、狭い場所に取
り付けられ，且つ過酷な条件で用いられる自動車用メー
タとして特に好適である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる超音波メータの機構部分の実施
例の斜視図である。

【図２】図１の超音波メータに用いられる回転角検出部
の分解平面図である。

【図３】本発明に係わる超音波メータの実施例の電気的
回路図である。

【符号の説明】

１０ 超音波モータ １１ ロータ ３０ 回転角検出部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】超音波モータと、この超音波モータのロー
   タの回転角を検出する回転角検出部を含む位置制御手段
   を備えた超音波メータにして、前記回転角検出部を超音
   波モータのロータの外周部に取り付けたことを特徴とす
   る超音波メータ。