JPH0759369A - 超音波モータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 全体として超小型のエンコーダ付き超音波モ
ータを提供することにある。 【構成】 超音波モータと、この超音波モータのロータ
の外周部に取り付けられ前記ロータの回転角を検出する
容量型エンコーダよりなり、前記超音波モータとエンコ
ーダの駆動源を共用したことを特徴としたものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、エンコーダ付きの超音
波モータに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】周知の如く、超音波モータは例えば３０
０ＫＨｚ程度の高周波でＰＺＴ等を駆動し、発生した超
音波で進行波を造り、摩擦材を介してモータとして回転
力を取り出すようにしたもので、超小型化が可能なもの
である。モータを角度制御，或いは回転制御するような
場合には、モータの回転軸にエンコーダを付加するのが
一般的である。このようなエンコーダ付のモータにおい
ては、モータを駆動するのに駆動源を必要とし、又エン
コーダも駆動源を必要とする。しかし、モータとエンコ
ーダにそれぞれ駆動源を持つことはモータ全体として大
型にならざるを得ず、エンコーダが付加された超音波モ
ータに、モータとエンコーダにそれぞれ駆動源を持つこ
とは、特に超小型化が可能な超音波モータにとってはそ
の特徴が生かされない。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、超音
波モータが持つ上記のような特徴を生かし、全体として
超小型のエンコーダ付きの超音波モ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外周部に取り付けられ
前記ロータの回転角を検出する容量型エンコーダよりな
り、前記超音波モータとエンコーダの駆動源を共用した
ことを特徴としたものである。

【０００５】

【作用】このような本発明では、１個の駆動源で超音波
モータとエンコーダが駆動される。

【０００６】

【実施例】以下図面を用いて本発明を説明する。図１は
本発明に係わるエンコーダ付き超音波モータの一実施例
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。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。１３はロータ１１の回
転軸を示すものである。１４はシールド部材、３０は位
置制御手段を構成する容量結合形のエンコーダを示すも
のである。

【０００８】エンコーダ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
す如く実施例では８個に分極されており、各電極３３ａ
〜３３ｈには分周器４３により互いに４５°ずつ位相が
シフトされた方形波電圧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。

【０００９】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。

【００１０】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の上面に取付けられている。

【００１１】このような構成のエンコーダ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方形波電圧Ｅ
ａ〜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
３１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。

【００１２】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、その回転に応じてエンコーダ３０
を構成する回転円板３２が回転する。この回転円板３２
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１
０のロータ１１の回転角を知ることが出来る。

【００１３】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為には２
４０°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より効果的
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°宛ずれた方形波電圧を電極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。

【００１４】図３はエンコーダ３０を含む本発明に係わ
るエンコーダ付き超音波モータ全体のブロック図であ
る。図において、１０は図１で説明した超音波モータ、
３０はエンコーダである。エンコーダ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１
０のロータ１１の外周部に取り付けられている。

【００１５】４０は発振器で、実施例では４．５ＭＨｚ
の方形波信号を発振する。４１〜４４はそれぞれ分周器
で、分周器４１は発振器４０の出力を１／６６に分周し
（ｆＬ）、分周器４２は発振器４０の出力を１／１６に
分周し（ｆＭ）、分周器４３は発振器４０の出力を１／
６４に分周する。従って、分周器４３の出力周波数は７
０．３ＫＨｚ（ｆＣ）となる。分周器４３により図２の
（ハ）で示した如く、互いに４５°宛位相がシフトされ
た７０．３ＫＨｚの周波数を持つ８個の方形波電圧が得
られ、この方形波電圧は電極３３を構成する分極３３ａ
〜３３ｈにそれぞれ加えられ、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４４は分周器４１の出力を１／３２に分周する。分
周器４４の出力は２．１ＫＨｚ（ｆＲ）となる。

【００１６】５０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、
そのゲート電極はエンコーダ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４１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はエンコーダ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。ＦＥＴ５
０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４４の出力ｆＲが
加えられている。８０はエンコーダ出力が取り出される
出力端子で、位相検出器７０の出力端に接続されてい
る。

【００１７】９０はモータ駆動回路である。前記した分
周器４２より得られる周波数ｆＭの方形波電圧はモータ
駆動回路９０を介して超音波モータ１０に加えられてい
る。このモータ駆動回路９０にはモータ１０を正又は負
方向に回転制御する為のコントロール信号が印加される
端子９１が設けられている。

【００１８】このような構成のエンコーダ付き超音波モ
ータの動作を説明すると次のごとくなる。発振器４０の
発振出力は分周器４１〜４４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４３より得られる
７０．３ＫＨｚの方形波電圧ｆＣは位相が互いに４５°
シフトされてエンコーダ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には駆動回路９０を介して周波数２８１ＫＨｚの
方形波電圧ｆＭが与えられ、モータ１０はこれにより駆
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、エンコーダ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、ＦＥＴスイッチ５０のゲート電極に加えられ
る。一方、分周器４１より得られる６８ＫＨｚの方形波
電圧ｆＬはＦＥＴ６０のドレイン電極に加えられてい
る。このｆＬの方形波電圧とゲート電極に加えられてい
る周波数ｆＣの信号とがＦＥＴスイッチ５０によりヘテ
ロダイン検波され（この場合、乗算）、ＦＥＴ５０のソ
ース電極にはｆＣ＋ｆＬ（１３８．４ＫＨｚ），ｆ
Ｃ（７０．３ＫＨｚ），ｆＬ（６８．２ＫＨｚ），
ｆＣ−ｆＬ＝ｆＳ（２．１ＫＨｚ）の周波数を 含んだ
電圧が出力される。

【００１９】バンドパス増幅器６１は加えられた４つの
方形波電圧のうち，〜の電圧をカツトし、のｆＳ
信号，即ち２．１ＫＨｚの方形波電圧のみを増幅して出
力する。このように、バンドパス増幅器６１よりロータ
１１の回転角の情報を持った２．１ＫＨｚの低い周波数
に変換されたｆＳ信号が取り出される。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。

【００２０】位相検出器７０には分周器４４によって得
られる周波数２．１ＫＨｚの方形波電圧ｆＲが基準電圧
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１１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。ロ
ータ１１の回転角に対応して０〜３６０°に渡って変化
するこの２．１ＫＨｚの周波数を持ち、位相検出器７０
より取り出されるパルス信号は、アブソリュートエンコ
ーダ出力信号として出力端子８０より取り出される。

【００２１】なお、７０．３ＫＨｚという高周波でエン
コーダ３０を駆動させ、ヘテロダイン検波により２．１
ＫＨｚという低い周波数信号に変換したのは、高周波で
エンコーダ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６１を含む後段の回路を汎用の演算増幅器を用い位相
角精度の向上を計ることが出来るようにする為である。

【００２２】このようにして、エンコーダ３０及びヘテ
ロダイン検波部５０を含む回路は超音波モータ１０の角
度制御又は回転制御手段が構成される。このような制御
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。

【００２３】

【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エンコーダ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７．８ｍｍ）のエンコーダ付き
の超音波モータを得ることができる。しかも、基本発振
を分周し、その分周出力を超音波モータの駆動用電源と
して用いると共に、この超音波モータに取り付けられた
容量型エンコーダの駆動及び検出に用いるように構成し
たので、超小型一体化のエンコーダ付き超音波モータを
得ることができる。

【００２４】なお、このような特徴を持つ本発明に係わ
るエンコーダ付きの超音波モータの用途は特に限定する
ものではないが、例えばロボット用としてコントロール
可能な超音波モータとする為には、エンコーダ出力が取
り出される端子８０とモータ駆動回路９０に設けたコン
トロール信号入力端子とを一体化する必要がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる超音波モータの機構部分の一実
施例の斜視図である。

【図２】図１の超音波モータに用いられるエンコーダ部
分の分解平面図である。

【図３】本発明に係わる超音波モータの一実施例のブロ
ック図である。

【符号の説明】

１０ 超音波モータ １１ ロータ ３０ エンコーダ ４０ 方形波発振器

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
   タの外周部に取り付けられ前記ロータの回転角を検出す
   る容量型エンコーダよりなり、前記超音波モータとエン
   コーダの駆動源を共用したことを特徴とする超音波モー
   タ。