JPH08182358A - 回転装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 環状ロータおよび環状ステータを備え、進行
弾性波がステータにおいて生成される、回転装置を提供
する。 【解決手段】 回転装置は、振動し、予め定められた共
振周波数内の周波数にて進行表面波を生成するように励
起するステータ（２１）を含む。ロータ（２８）は、ス
テータにおける振動が同じ周波数でより小さな振幅の振
動を生成するように設計される。振動センサ（３０）
は、信号を与えるようにロータ上に取付けられる。ステ
ータの励起周波数とロータ上で検出される振動周波数と
の間の周波数における差は、ロータの回転速度に対応す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の分野】この発明は、表面弾性波装置に関する。

【０００２】

【関連技術の議論】表面弾性波モータは、たとえば、
Ｔ．サシダ（T.Sashida ）の米国特許第４，５６２，３
７４号において説明されている。そのようなモータの動
作原理は、サシダ特許の図１を再現する添付図１に示さ
れている。固定弾性体１の表面で生成されたレイリー波
型の進行表面波は、この本体の表面においてリップルを
引起こす。可動部２が本体１に対して作用されると、部
分２はこれらのリップルの先端Ａ−Ａ′の変位によって
駆動される。先端Ａ−Ａ′は楕円経路Ｑを辿り、それら
の横方向変位速度は発振周波数およびそれらの変位の振
幅と関連する。実際のところ、表面波の励起周波数は、
その表面にこれらの波が与えられる本体の共振周波数に
近い周波数であるべきである。これらのリップルが生成
される表面と直角をなす先端の変位の無視し得ない振幅
（たとえばおよそ１０μｍ）を維持することが所望であ
るならば、この周波数はごく小さな範囲内でしか変更で
きない。共振周波数に対して周波数がわずかに異なるだ
けで大きな振幅変動をもたらす。このように矢印Ｎの方
向に沿った先端Ａ−Ａ′の変位速度と励起周波数との間
の関係は、複雑な非線形関係である。

【０００３】米国特許第４，５６２，３７４号の表面弾
性波モータは、決定されたトルク、および停止したとき
の保持トルク（すなわち、信号がなければ、移動部分２
は固定部分１に対して作用され、それによって２つの部
分間に無視し得ない摩擦力が引起こされる）にとって能
率が比較的良好で小さく軽いという利点を有する。

【０００４】しかしながら、このモータには、センサお
よびフィードバックループシステムを設けることによっ
てしかその速度が制御できないという欠点がある。装置
の位置を制御すべきときも同じシステムが必要である。
そのようなセンサおよびフィードバックループを使用す
るとモータにかかるコストが高くなり、このモータの利
点を妨げてしまう。

【０００５】この問題を解決するために、サトシ セガ
ワ（NEC,Res. & Develop.,Vol.33,No.1,1992年１月）
は、モータそれ自体に変位センサを組入れることを提案
した。

【０００６】この発明の図２は、モータの具体例に関す
る上述の論文の図１を再現したものであり、ここではス
テータおよびロータがばね１３によって相互に作用する
環状の対向する部分１１および１２により構成される。
圧電セラミック１４からなる励起システムはステータ１
１の後表面に固定され、その中で表面弾性波を生成す
る。ライニング１５および検出圧電セラミックリング１
６が、ステータリング１１とロータリング１２との間に
連続しておかれる。

【０００７】Ｓ．セガワ（S.Segawa）は、ステータの表
面弾性波によって引起こされかつ環状ライニング１５に
よって検出リング１６に伝えられる圧縮により、ロータ
とステータとの間の位相シフトの検出が可能になり、そ
れによってステータに対するロータの角位置が示される
ことを教示している。

【０００８】この装置は比較的複雑であるという欠点が
ある、というのもさまざまな部分を適切に配線しなけれ
ばならない特別な圧電リングによって構成される検出器
を使用することが必要だからである。さらに、この検出
器をステータに対して直接適用することはできないの
で、付加的なライニングを設けなければならない。これ
らのさまざまな付加的な部分は、ロータの慣性を増し、
ゆえに特にその応答時間を増す。さらに、位相検出シス
テムは、複雑で正確な電子回路と、好ましくはＳ．セガ
ワによって提案されたようなデジタルシステムとを使用
することを必要とする。

【０００９】

【発明の概要】この発明の目的は、環状ロータおよび環
状ステータを備え、進行弾性波がステータにおいて生成
される回転装置であって、ロータおよびステータの相対
速度を検出するための簡単な手段を含む回転装置を提供
することである。

【００１０】この発明のさらなる目的は、このような装
置を、ステータによって駆動されないロータに関連のシ
ャフトの回転速度センサとして使用することである。

【００１１】これらの目的を達成するために、この発明
の実施例において、ロータの大きさは、これらの２つの
部分の一方が他方に対して固定されるときステータの振
動が同じ周波数およびより小さな振幅を有する振動をロ
ータにおいて励起するように設計され、ステータにより
ロータに引起こされる振動が、検出される。

【００１２】この発明の第１の局面に従えば、表面弾性
波がステータと同じモードおよび実質的に同じ範囲内の
共振周波数を有するようにロータの大きさが設計されて
いる。

【００１３】この発明の第２の局面に従えば、ロータは
その主表面と直角をなす方向に沿って高い可撓性（コン
プライアンス）を有するように設計されている。このた
め、ロータの下部表面に対して与えられる変形は、上部
表面に対するものの２倍である。

【００１４】より特定的には、この発明は、一方が他方
に対して回転し、かつそれらの対向する表面によって互
いに接触する２つの同軸環状部分を含む回転装置を提供
する。第１の部分が振動され、第１の部分の予め定めら
れた大きさ（rank）の共振周波数の範囲内の周波数で進
行表面波を生成する。第２の部分は、これらの２つの部
分の一方が他方に対して固定されるとき、第１の部分に
おける振動が、同じ周波数でより小さな振幅を有する振
動を第２の部分において生成するようにされる。振動検
出器は第２の部分上に取付けられる。回路により、第１
の部分の励起周波数と第２の部分上で検出される振動周
波数との間の周波数差に対応する信号が与えられる。こ
の差は２つの環状部分の相対的回転速度に対応する。

【００１５】この発明の実施例に従えば、第１の部分は
ステータであって、第２の部分はロータである。

【００１６】この発明の第１の局面に従えば、ロータの
大きさは、ステータと同じモードでかつ実質的には同じ
範囲内で表面弾性波に共振周波数を与えるようにされ
る。

【００１７】この発明の第２の局面に従えば、ロータ
は、軸方向に沿って高い可撓性（コンプライアンス）を
有するように設計される。発明の実施例において、ロー
タは回転シャフトと小さな断面を有する回転リングとの
間に薄い連続シートを含み、振動検出器はリングの近く
の薄いシート上におかれるセラミックからなる。

【００１８】この発明に実施例に従えば、対向する部分
間の摩擦係数は高く、差信号が制御回路の第１の入力に
与えられ、その第２の入力は基準信号を受取る。

【００１９】この発明の実施例に従えば、回転装置はタ
コメータを構成し、２つの対向する部分間の摩擦係数は
低く、第１の部分は固定され、第２の部分は速度が測定
されるべき駆動シャフトと一体となっている。

【００２０】この発明の前掲および他の目的、特徴、局
面、および利点は、添付図面と関連付けられるとき、こ
の発明の以下の詳しい説明から明らかになるであろう。

【００２１】

【詳しい説明】図３は、この発明に従った回転装置の詳
しい実施例を示し、図２のステータ１１と同様のステー
タ２１を含み、その背面は図２のドライバ１４と同様の
圧電ドライバ２２に結合されている。圧電ドライバ２２
は極性が交互になった多位相環状エレメントであり、図
４に示されているように補助測定電極を含む。この圧電
ドライバは接続配線２４を介して端子ブロック２３に結
合される。ステータ２１はカバー２６を有するフレーム
２５に接続される。環状ロータ２８はステータに接触す
る。圧電センサ３０はロータ２８の周辺の少なくとも１
つの点におかれる。随意のコーティング材料３２がステ
ータおよびロータの対向する面の少なくとも一方の上に
おかれる。ロータは、たとえば駆動ディスク３６、ステ
ータに対してロータを付勢するばね３７、およびディス
クサポート３８を含む１組の部分によってフレームおよ
びそのカバーと一体となっているローラ３３および３４
上に取付けられたシャフト３２に接続される。一実施例
では、ディスクサポート３８は供給ディスク３９に接続
され、その内部表面は圧電センサ３０の信号を受取る配
線に接続され、その外部表面は、スライドブラシ４０を
備え端子ブロック４１上に信号を与えるコレクタを含
む。

【００２２】この機械的構成は、単なる例であって、特
にロータをシャフトに接続する部分およびセンサ３０と
端子ブロック４１との間の電気的接続モードにはさまざ
まな変更の余地がある。たとえば、センサの信号は２つ
の配線上だけで利用可能な低エネルギ信号であるので、
回転変圧器装置を容易に使用することができ、壊れやす
いコレクタシステムの使用を回避する。

【００２３】たとえばＳ．サガワによって説明された装
置などの従来の圧電回転装置では、ロータの振動特性お
よび特に進行表面波伝搬特性は考慮されていない。ロー
タは基本的にステータによって駆動されやすい剛性エレ
メントとして考えられている。実際のところ、小さいモ
ータでは、このロータを厳密に不活性の状態にあると考
えることはできず、ステータの振動によって引起こされ
る振動が不可避的にロータに生ずる。このため、一般的
に、ロータは厳密にはステータとは別個の予め定められ
た振動モードの固有周波数を有する。たとえば、ステー
タがモード９で４０ｋＨｚで励起されると、ロータは必
ずしもモード９にはないたとえば３０ないし５０ｋＨｚ
の範囲の何らかの共振周波数を有する。ロータにおける
振動はゆえに、周波数および位相については、ステータ
の振動に関連しない。これはこの発明に従ったロータの
速度検出モードの使用を可能にしないという事実からは
別としても、これはステータに与えられる周波数とロー
タにて生成されるスプリアス周波数との間のうなりのた
めに可聴周波数においてノイズを引起こす。このよう
に、励起周波数は高く（およそ４０ｋＨｚであって、す
なわち可聴周波数より上で）さらに回転周波数は低い
（１分当たり数回（run ）の周波数、すなわち可聴周波
数より下である）ので、駆動された圧電モータは理論上
ノイズが少ないにもかかわらず、出願人に従えばこれら
のモータには、上述したうなりのために、実際には比較
的ノイズがある。

【００２４】この発明は、ステータにおいて生成される
表面波と相関する軸方向振動の生成をロータにおいて増
大するように適合されたロータ構造を提供する。

【００２５】この発明の第１の局面に従えば、ロータ
が、ステータと同じ範囲内にあるが品質係数または共振
ファクタがより低い共振周波数、すなわち進行波を伝搬
する可能性を有するように、ロータの大きさおよびその
構成材料が選択される。この目的のために、簡単な解決
法として、実質的にはステータと同じであるが、共振周
波数をわずかにシフトするために厚みが異なるなどわず
かに違いがあるロータを使用する。このようにして、ス
テータが励起されると、ステータの進行波と同じ周波数
を有するがその進行波より振幅が小さな進行波が、ステ
ータと対向するロータの内部表面上に引き起こされる。
それで圧電センサ３０はこの波を検出し得る。センサは
２つだけの出力を含み、ステータに対してロータの背面
上に位置付けられるので、容易に配線できる小さいセン
サであり得る。

【００２６】上述のように、ロータが、所望の周波数お
よびモードについて、ゼロではないがステータのそれよ
りもより小さな品質係数または共振ファクタを有するこ
とが重要である。そうでなければ、実質的に同じ振幅を
有する変形がステータ上にもロータ上にも生じてしまう
ことになり、図１において述べられた効果はもはや起こ
り得ない。なぜならロータの各々の上昇リップルがロー
タの下降リップルに対応することになり、それによって
回転をブロックすることになるからである。

【００２７】ロータが回転しないとき、ロータにおいて
生成される波はステータにおける波と同じ周波数を有し
ている。ロータがステータに対して回転するとき、ロー
タおよびステータにおいて生成される波の周波数はステ
ータに対するロータの相対回転速度だけシフトされてい
る。したがって、ステータが周波数ｆｓで励起されると
き、ロータ上の信号は周波数ｆｒ＝ｆｓ＋Ｆを有し、Ｆ
はロータの回転周波数に対応すると考えることができ
る。この関係において、Ｆはｆｓよりもかなり小さく、
さらにロータはステータによって駆動されると考えられ
る。

【００２８】この発明の第２の局面に従えば、ロータの
形状は、軸方向に沿ったその可撓性（コンプライアン
ス）がその下部表面に与えられる軸方向振動がその上部
表面の対応の変形を引起こすのに十分であるように設計
される。この結果は、たとえば、変形可能でシャフトと
リングとの間に可撓性のある接続ディスクを有するロー
タを用いるか、またはステータリングと接触するように
設計されたロータ形状のホイールを用いることで達成で
きる。

【００２９】そのような構造が図４の断面図に概略的に
示されている。ステータリング４５は、（１ミリメート
ルより厚みが小さい）非常に薄いディスクまたはシート
４４を介してシャフト３２上に取付けられており、ステ
ータリング４５の大きさ（数ミリメートル）および（ジ
ュラル（Dural ））などの材料はステータリングに軸方
向に沿って十分な可撓性を与えるように選択される。ロ
ータがステータによって駆動され得るように、この可撓
性は高すぎてもいけない。圧電センサ３０は好ましくは
リング４５に近い薄いシート４４上に取付けられる。

【００３０】図５は、ロータに受取られる信号を使用す
る一例を示している。図５は、ステータと組合せられた
励起セラミック２２を表わし、その２位相の励起信号は
２位相のインバータ５０によって与えられる。セラミッ
ク２２はさらに、検出器に対応する領域５１を含み、周
波数ｆｓの信号を与え、それからステータが励起され
る。ロータ２８は圧電センサ３０を支持し、これは周波
数ｆｒの信号を与え、周波数ｆｒは、前述したように、
ロータの選択された機械的特性および振動の特性のため
に、ｆｓ＋Ｆに等しい。加算−阻止ミキシング回路５３
は周波数Ｆの信号を与える。この信号は調節ループに与
えられ、２位相インバータ５０に与えられた周波数を制
御し、制御モードにおいて、モータの回転周波数を固定
する。調節ループは従来通り、たとえば、周波数Ｆを基
準周波数Ｆ₀ と比較するためのコンパレータ５５を含
む。エラー信号がその後フィルタ５７に与えられ、さら
に電圧制御発振器５９に与えられ、その出力は２位相イ
ンバータによって分割され、励起セラミック２２に与え
られる。

【００３１】この検出および制御モードは特に簡単であ
ることが理解されるだろう。先行技術では、さらに上述
の説明では、回転装置は、ロータがステータによって駆
動されるモータとして表されている。

【００３２】この発明の局面に従えば、ステータまたは
ロータのコーティング３２は、対向する表面が非常に滑
りやすいようにされている（たとえば、テフロンでコー
ティングされている）。こうしてステータの振動はロー
タに送られる。しかしながら、このロータはステータに
よって回転されるのではない。したがってシャフト３２
は、その回転速度を測定すべき異なった装置によって回
転されるように設計されている。したがって、ロータの
出力信号ｆｒは単にステータの出力信号ｆｓと比較され
るだけで、所望の周波数Ｆにて信号を得る。これは簡単
なタコメータセンサを構成し、それに対してこの発明の
第１の局面に従って述べられたロータが特に良好に適合
される。また、回転方向は差ｆｒ−ｆｓの符号によって
決定される。

【００３３】この発明は高速センサまたはタコメータセ
ンサに対して開示されたが、より複雑な電子回路によっ
て、ステータ波とロータ波との間の位相シフトを測定す
ることも可能であり、これは、この発明とは対照的に速
度情報を与えるように使用するにはより複雑である先行
技術の装置によって達成されるのと同じ位置の表示を与
える。

【図面の簡単な説明】

【図１】先行技術およびその問題を示す図である。

【図２】先行技術およびその問題を示す図である。

【図３】この発明に従った回転装置の実施例を示す図で
ある。

【図４】この発明に従ったロータの実施例を示す図であ
る。

【図５】この発明に従った回転装置に適合された電子シ
ステムの実施例の図である。

【符号の説明】

２１ ステータ ２８ ロータ ３０ 圧電センサ ５３ 加算−阻止ミキシング回路

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一方が他方に対して回転する２つの同軸
   向環状部分を含む回転装置であって、対向する表面は接
   触しており、第１の部分（２１）は、振動し、前記第１
   の部分の予め定められた大きさの共振周波数の範囲内の
   周波数で進行表面波を生成するように励起され、 第２の部分（２８）は、これらの２つの部分の一方が他
   方に対して固定されるとき、第１の部分における振動
   が、同じ周波数およびより小さな振幅を有する振動を第
   ２の部分において生成するようにされ、 振動検出器（３０）は第２の部分上に取付けられ、 第１の部分の励起周波数と第２の部分上で検出される振
   動周波数との間の周波数差に対応する信号（Ｆ）を与え
   るための手段（５３）が設けられ、前記差は、２つの環
   状部分の相対回転速度に対応する、回転装置。
2. 【請求項２】 第１の部分はステータであって、第２の
   部分はロータである、請求項１に記載の回転装置。
3. 【請求項３】 ロータの大きさは、表面弾性波がステー
   タと同じモードおよび実質的に同じ大きさの範囲内で共
   振周波数を有するように設計される、請求項２に記載の
   回転装置。
4. 【請求項４】 ロータは、軸方向に沿って高い可撓性
   （コンプライアンス）を有するように設計される、請求
   項２に記載の回転装置。
5. 【請求項５】 ロータは、回転シャフトと小さな断面を
   有するロータリングとの間に薄い接続シートを含み、振
   動検出器はリングの近くの薄いシート上に置かれたセラ
   ミックからなる、請求項４に記載の回転装置。
6. 【請求項６】 モータを構成し、対向する部分間の摩擦
   係数は高く、差信号が制御回路（５５、５７、５９、５
   ０）の第１の入力に与えられ、第２の入力は基準信号
   （Ｆ₀ ）を受取る、請求項１に記載の回転装置。
7. 【請求項７】 タコメータを構成し、２つの対向する部
   分間の摩擦係数は低く、第１の部分（２１）は固定さ
   れ、第２の部分（２８）は、速度が測定される駆動シャ
   フト（３２）と一体となる、請求項１に記載の回転装
   置。