JPH07154981A - 表面弾性波モータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 予め定められた基準によってその速度および
／または位置を直接制御できる進行表面弾性波モータを
提供する。 【構成】 このモータは、一方が他方に関して可動であ
りかつ互いに接触する対向表面を有する２つの部分（２
２、２３）を含む。各々の部分の各々の面する表面に
は、同じ方向の進行表面弾性波が発生される。これらの
部分の相対速度または位置は進行波の相対周波数または
位相に影響を与えることによって調整される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の背景】本発明は、表面弾性波モータに関する。

【０００２】

【関連技術に関する議論】表面弾性波モータは、たとえ
ばＴ．サシダ（T. Sashida) による米国特許第ＵＳ−Ａ
−４，５６２，３７４号に記載される。そのようなモー
タの動作原理はサシダへの特許の図１に示されており、
添付の図１にそれを再現している。固定された弾性体１
の表面に発生されるレイリー (Rayleigh) 型の進行表面
波によって、この弾性体の表面にリプルが生じる。可動
部分２が弾性体１に対して押しつけられれば、部分２は
これらのリプルの頂点Ａ−Ａ′の変位によって駆動され
る。頂点Ａ−Ａ′は楕円形の経路Ｑに沿っており、その
横方向の変位速度はそれらの変位の振幅および発振周波
数に関連する。実際には、表面波の励起周波数はその表
面でこれらの波を発生させることが望ましい弾性体の共
振周波数に近くなければならず、リプルの頂点の無視で
きないほどの振幅（たとえば約１０μｍ）を維持するこ
とが望ましい場合には、この周波数は僅かな範囲内でし
か変えることができない。周波数が共振周波数に関して
僅かに一致していなければ、重大な振幅の変動が生じ
る。したがって、頂点ＡおよびＡ′の矢印Ｎ方向の動き
の速度と励起周波数との間の関係は、複雑な非線形の関
係である。

【０００３】米国特許第ＵＳ−Ａ−４，５６２，３７４
号の表面弾性発生モータには、非常に低ノイズであり
（励起信号の周波数が聞き取れない範囲たとえば２０な
いし１００ｋＨｚの範囲内であるため）、比較的高性能
であり、定められたトルクの割には小型で軽量であり、
高い保持トルクを有する（すなわち、信号が与えられて
いないとき可動部分２が固定部分１に対して押しつけら
れ、無視できないほどの摩擦力がこれらの２つの部分の
間に存在する）という利点を有する。

【０００４】しかしながら、そのようなモータの欠点
は、センサおよびサーボ制御ループを含むシステムを用
いることによってしかその速度を制御できないことであ
る。このモータの位置を制御することが望ましい場合に
も同じシステムが必要である。そのようなセンサおよび
サーボ制御ループを用いればモータは非常に複雑でかつ
コストが非常に高くなり、これはその基本的な利点に匹
敵する程の欠点である。

【０００５】

【発明の概要】したがって、本発明の目的は、速度また
は位置センサおよび関連するサーボ制御ループを設ける
必要なく、予め定められた基準によってその速度および
／または位置を直接制御できる進行表面弾性波モータを
提供することである。

【０００６】これらの目的を達成するために、本発明
は、一方が他方に関して可動でありかつ互いに接触する
対向表面を有する２つの部分と、各々の部分に関連し各
々の対向表面に同じ方向の進行表面弾性波を発生させる
手段と、進行波の相対周波数または位相を調節するため
の制御手段とを含むモータを提供する。

【０００７】本発明の一実施例に従えば、この２つの可
動部分は実質的に同一のものであり、かつ同じ共振音響
周波数を有する。

【０００８】本発明の一実施例に従えば、２つの部分に
発生される進行波は共振周波数に近い周波数を有する。

【０００９】本発明の一実施例に従えば、制御手段は、
２つの部分の各々に与えられる進行波の間に基準位相に
関する予め定められた位相差を与え、それによってこれ
らの２つの部分の一方はその他方の部分に関して予め定
められた距離だけ動く。

【００１０】本発明の一実施例に従えば、２つの部分の
各々に発生される進行波は共振周波数に近い異なる周波
数を有し、それによって２つの部分の一方の他方に関す
る回転速度が予め定められる。

【００１１】本発明の一実施例に従えば、可動部分は、
互いに接する対向リムを有する２つの同軸のリングであ
る。

【００１２】本発明の一実施例に従えば、各々の部分の
接触表面の反対側の表面に接合されるセラミックリング
の反対の極性を有するセクタを構成する圧電セラミック
部分によって進行波が与えられる。

【００１３】本発明に従ったモータの別の利点は、２つ
の部分に同時に発生されるリプルが２つの協働するギア
の歯であると考えることができるため、本発明に従った
モータのトルクは依然として従来のモータのトルクより
も大きいことである。従来の配列に比べて、可動部分が
固定部分からスライドして離れる恐れは少なくなる。

【００１４】本発明の上述のおよび他の目的、特徴およ
び利点は、以下に図面を参照して示す本発明の好ましい
実施例の詳細な説明から明らかになるであろう。

【００１５】

【好ましい実施例の詳細な説明】図２は、本発明に従っ
たモータアセンブリが基づく原理を概略的に示してい
る。モータアセンブリは２つの部分１１および１２を含
み、その一方は他方に関して可動である。部分１１およ
び１２はそれぞれ互いに面する表面１３および１４を有
する。互いに面する表面１３および１４において表面弾
性波、より正確には同じ方向を有するラム波（Lamb's w
ave)を発生させるために、部分１１および１２の各々は
音響的に励起される。部分１１および１２の厚さは、励
起信号の波長に関して大きすぎないようにされる。した
がって、部分１１のマークＡが部分１２のマークＢに面
するストップ位置から始まり、さらに２つの進行波が同
じ周波数と同じ位相とを有すると考えると、部分１１と
１２とはその一方が他方に関して動かずマークＡおよび
Ｂは重なったままである。

【００１６】部分１１に与えられる表面波の位相に関し
て部分１２に与えられる表面波に位相シフトφが与えら
れれば、変位ｘ＝λφ／２π（ここでλは表面波の波長
である）が得られる。これにより、たとえばステッピン
グモータまたは位置決め装置となり得る完全に決定され
た変位を得ることができる。

【００１７】部分１２に発生される進行波の位相が部分
１１に発生される進行波の位相に関して絶えず変化すれ
ば、すなわち、部分１２の波周波数ω′が部分１１の表
面波の周波数と値Δωだけ異なっていれば、部分１２は
部分１１に関して速度ｖ＝λΔω／２πで動く。

【００１８】以下の説明からわかるように、部分１１お
よび１２が、その一方が他方に押しつけられるリムを有
するリングである本発明の好ましい実施例において、２
つの波間のシフトφによって値θ＝φ／ｎ（ここでｎは
２つのリングに励起される振動モードのランクである）
だけ角回転が生じる。同様に、周波数差Δωを有する表
面波がこれらの円形の部分に与えられれば、この部分の
うちの一方は他方に関して角周波数Ω＝Δω／ｎで回転
する。

【００１９】図３は、本発明に従ったモータの一実施例
を概略的に示している。モータは、リングの形状のステ
ータ２２とリングの形状のロータ２３とを含む。表面弾
性波が等しい共振周波数を有するように、ステータ２２
とロータ２３とは実質的に同一の部分によって構成され
る。リングにおいて特定の振動共振モードを励起するよ
うに設計される圧電素子２４および２５は、それぞれロ
ータ２３およびステータ２２に関連する。図５を参照し
て以下に説明するように、もちろん、リング２２および
２３の一方を他方に対して押しつけるための手段と、リ
ング２３がリング２２に関して回転できるようにする軸
とリング２３とを一体にさせる手段とが設けられる。

【００２０】圧電素子は、たとえば上述の米国特許番号
第４，５６２，３７４号に記載のもののようないかなる
従来の手段も可能である。

【００２１】図４は、リング２３に関連する例示的な励
起システム２５を示している。この励起システムは、両
方の極性の活性セクタと中性の領域とを形成するように
バイアスされる圧電セラミックリングによって構成され
る。セクタの第１の組３０は実質的にリング面の半分に
対応し、セクタの第２の組４０は実質的にリングの第２
の半分に対応する。好ましくは、リング面の僅かな部分
に対応し、振動を検出するための付加的な部分５０も設
けられる。これらの組３０および４０は、予め定められ
た数のセクタ３１ないし３４および４１ないし４４にそ
れぞれ分割される。各々のセクタの極性は隣接するセク
タの極性と反対であり、そのため反対の極性を有する２
つのセクタの２つの表面の間の予め定められた極性の電
圧によって、たとえば一方のセクタが収縮し他方のセク
タが伸長するというように反対の方向に変位する。セラ
ミック部分３０の見える表面は第１の電極３５によって
覆われ、部分４０の見える表面は第２の電極４５によっ
て覆われ、部分５０の見える表面は電極５５によって覆
われる。第４の電極（図示せず）は、３つのセラミック
３０、４０および５０の裏面の電極を構成する。一方が
他方に関して９０°シフトされた波が、電極３５および
４５の各々と裏面の電極との間に与えられる。適切な周
波数が電極に与えられれば、セクタの数および表面は予
め定められた振動モードを励起するように選択される。
たとえば、振動モード９を励起するためには、所定の極
性のセクタの各々は実質的にリング周辺の１：１８を占
める。

【００２２】上述の説明は、圧電素子がモータリング２
２および２３に接合されることを示している。励起シス
テムを応用するための他のいかなる方法も、たとえばリ
ング上に置かれる圧電セラミック層において用いること
ができる。

【００２３】図５は、本発明に従ったモータの一実施例
の軸方向の断面図であり、ロータ２３およびステータ２
２、ならびにそれらの励起圧電セラミック２４および２
５を示している。ロータ２３はリングサポート６１に固
定され、このリングサポート６１には、ロータコネクタ
６４の対応するコンタクトに接触するスライディングコ
ンタクト６３を含む供給プレート６２が装着される。ロ
ータアセンブリは弾性圧縮エレメント６５を介して、ロ
ータシャフト６７に関連する駆動リング６６に結合され
る。ロータシャフト６７は、ステータリング２２が装着
されるフレーム７０のローラ６８および６９において回
転する。さらに、コネクタ７２は、ステータの励起圧電
セラミックに関連する。

【００２４】さらに、図には示していないが、互いに押
しつけられているロータの表面および／またはステータ
の表面は、高い摩擦因子を有するようにコーティングさ
れる。このコーティングもまた非常に硬くなければなら
ない。ロータリングおよびステータリングは、たとえば
ベリリウム青銅からなる。

【００２５】もちろん、図５は、本発明に従ったモータ
の例示的な一実施例にしかすぎない。上述のように、同
じ共振周波数を有するステータおよびロータを得るため
に、軸対称であり、かつステータとロータとがモータの
軸に垂直な平面に関して対称であるモータを使用するこ
とが好ましい。しかしながら、本発明は、上述の米国特
許番号第４，５６２，３７４に記載されるように、周辺
リムによって励起されるシステムに適合されてもよく、
または線系に適合されてもよい。

【００２６】上述の実施例では、ロータの圧電励起素子
の電源は、スライディングコンタクトを含むシステムに
よって得られる。都合よくは他のシステムも用いること
ができる。たとえば、モータが１回転未満だけまたは数
回転だけ回転してから逆方向に回転するようにされなけ
ればならない場合、ロータに対するコンタクトは単にフ
レキシブルワイヤが可能である。さらに、圧電セラミッ
クの励起周波数がたとえば約４０ｋＨｚのように比較的
高いため（これに対して、回転速度はロータとステータ
との間の周波数差によって固定される）、都合よくは、
回転変圧器を介する電源を用いることができる。そのよ
うな解決法は、電源周波数がファクタ（約２ないし１
０）によって回転周波数と関連する従来のモータ、すな
わち電源周波数が、小型の回転変圧器の満足のいく効果
が得られない約２０−１００Ｈｚである従来のモータで
は行なうことができない。

【００２７】当業者は、本発明に従った構造を制御する
ために発振器および位相シフタを含むシステムを製造す
ることができる。そのような電源システムのブロック図
は図６に示されている。

【００２８】図６において、発振器８０は２つの出力８
１および８２を含む。制御信号がない場合、出力８１お
よび８２は同一であり、かつリング２２および２３に関
する選択された共振モードに対応する。

【００２９】位置制御端子８３に制御信号がある場合、
端子８１に端子８２の発振位相に関して予め定められた
位相シフトが与えられ、速度制御端子８４に信号がある
場合、出力８１の周波数は、出力端子８２の周波数に関
してΔωだけシフトされる。出力８１および８２の各々
は位相シフトおよび増幅ブロック８５および８６にそれ
ぞれ与えられ、この位相シフトおよび増幅ブロックは出
力ＡおよびＢに基準端子Ｃに関して９０°シフトされた
信号を与える。シフトされた信号は、図４を参照して説
明した方法でステータ２２およびロータ２３の圧電セラ
ミックセクタに与えられる。図４を参照して説明したよ
うに、各々の部分は、各々のリングの表面波の増幅の信
号２２−１および２３−１の特性を与える検出圧電素子
２２−５０および２３−５０をそれぞれさらに含む。従
来、信号２２−１および２３−１は、増幅器８５および
８６の振幅を調節するため、または発振器８０の中心周
波数を調節するために用いることができる。

【００３０】図７は、本発明に従った構造を制御するた
めの回路の例示的な一実施例をより詳細に示している。
図７にも、制御端子Ａ、ＢおよびＣと、検出信号２２−
１および２３−１をそれぞれ与えるための端子とをそれ
ぞれ含むステータ２２およびロータ２３の制御圧電素子
が示されている。ステータ２２の端子ＡおよびＢとロー
タ２３の端子ＡおよびＢはそれぞれ二相インバータ９１
および９２によって供給され、これらの二相インバータ
９１および９２はそれぞれレギュレータ９３および９４
を介して直流電源電圧源＋ＶＣＣに接続される。好まし
くは、レギュレータ９３は固定されレギュレータ９４は
調節可能である。二相インバータはそれぞれ、出力周波
数が電圧（ＶＤＤ）によって制御される発振器９５およ
び９６によって制御され、その制御方法を以下に説明す
る。

【００３１】信号２２−１および２３−１は、振幅検出
器１０１および１０２にそれぞれ与えられる。加算器１
０３によって、検出器１０１の出力信号と検出器１０２
の出力信号との和が得られる。この和は、和から基準レ
ベルを減算する差動増幅器または減算器１０４に与えら
れる。差または誤差信号がレギュレータ１０５に与えら
れ、このレギュレータ１０５の出力は発振器９５を制御
する。

【００３２】振幅検出器１０２はまた減算器１０７に与
えられる出力も有し、この減算器１０７はこの出力から
基準電圧を減算して、二相インバータ９２の振幅を制御
するレギュレータ９４を選択的に制御する。

【００３３】発振器９５および９６の出力信号は周波数
をｎによって分割する周波数分割器１１１および１１２
にそれぞれ与えられ、ここでｎは励起された振動モード
のランクである。分割器１１１および１１２によって分
割された信号の出力は位相コンパレータ１１３に与えら
れ、この位相コンパレータ１１３の出力はフィルタ１１
４を介して減算器（または差動増幅器）１１５の第１の
入力に与えられ、この減算器１１５の他の入力１１６は
基準位置信号を受け取る。差動増幅器１１５の出力はレ
ギュレータ１１７を介して発振器９６の制御端子に与え
られる。

【００３４】したがって、端子１１６に与えられる直流
信号を選択することによってその位置を制御することが
できる本発明に従ったモータが得られる。

【００３５】これにより、本発明は所望の目的を達成
し、本発明に従ったモータは以下の利点を有する。

【００３６】−高周波数で励起されるため、低ノイズで
あること。 −回転速度が低速であるため、減衰器を用いる必要がな
いこと。

【００３７】−保持トルクが高いこと。 −位置決め制御が正確であること。

【００３８】−速度制御が正確であること。 −時定数が低いこと。

【００３９】−実際に回転速度に依存せずに駆動トルク
が高いこと。

【図面の簡単な説明】

【図１】先行技術に従った表面弾性波モータが基づく原
理を概略的に示す図である。

【図２】本発明に従った表面弾性波モータが基づく原理
を概略的に示す図である。

【図３】本発明に従ったアキシャルタイプのモータの形
状を概略的に示す図である。

【図４】図３のモータのアーマチュアに関する励起圧電
セラミックの例示的な配列を示す図である。

【図５】本発明に従ったモータの例示的な一実施例を示
す図である。

【図６】本発明に従ったモータを制御するための方法の
一実施例を概略的に示す図である。

【図７】本発明に従ったモータのための制御システムを
より詳細に示す図である。

【符号の説明】

２２ ステータ ２３ ロータ ２４ 圧電素子 ２５ 圧電素子

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一方が他方に関して可動でありかつ互い
   に接触する対向表面（１３、１４）を有する２つの部分
   （１１、１２；２２、２３）と、 各々の部分に関連し、各々の面する表面に同じ方向の進
   行弾性波を発生させる手段（２４、２５）と、 前記進行波の相対周波数または位相を調節するための制
   御手段とを含む、モータ。
2. 【請求項２】 前記２つの部分は実質的に同一であり、
   かつ同じ共振音響周波数を有する、請求項１に記載のモ
   ータ。
3. 【請求項３】 ２つの部分に発生される進行波は、前記
   共振周波数に近い周波数を有する、請求項２に記載のモ
   ータ。
4. 【請求項４】 制御手段は、２つの部分の各々に与えら
   れる進行波の間に基準位相に関する予め定められた位相
   差を与え、それによって２つの部分のうちの一方が他方
   の部分に関して予め定められた距離だけ動く、請求項３
   に記載のモータ。
5. 【請求項５】 前記２つの部分の各々に発生される進行
   波は前記共振周波数に近い異なる周波数を有し、それに
   よって、２つの部分のうちの一方の他方の部分に関する
   回転速度は予め定められる、請求項２に記載のモータ。
6. 【請求項６】 前記可動部分は、互いに接触する対向リ
   ムを有する２つの同軸のリングである、請求項１ないし
   請求項５のいずれかに記載のモータ。
7. 【請求項７】 進行波は、各々の部分の接触している表
   面の反対側の表面に接合されるリングの反対の極性のセ
   クタを構成する圧電セラミック部分によって与えられ
   る、請求項１ないし請求項６のいずれかに記載のモー
   タ。