JPS63253882A - 進行波ステツプモ−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〕 本発明は進行波モータの改良に関する。更に詳しくは進
行波モータにステップモータとしての機能を与える構成
に関する。

〔従来の技術〕

いわゆる超音波モータと称される型のモータの一つに進
行波型モータと言われるものがある。従来例として例え
ば第３図の如きものが提案されている。図において、１
はモータの７１ウジング、２は浅いカップ状のステータ
、４は伏せたカップ状のロータ、５はロータの出力軸、
６は軸受、７はロータ４をステータ２側へ圧接するバネ
である。

ステータ２のカップ状の縁の上面は摺動面をなし、ロー
タ４の下面と極めて均一な面圧で接触している。６はス
テータ２の下面に接着された薄板状の圧電素子であり、
これに面電極１０が施されている。面電極１０は例えば
特開昭５８−１４８６８２、特開昭５９−１１０３８９
．特開昭５９−１４８５８１等に開示された如（円周方
向に多数の電極群に分割され、ある間隔ごとに結線され
て２群にわけられ、各群には駆動回路８の複数の出力９
（同じ周波数で位相のずれた２組の出力から成る）が供
給されて一定周波数ながら各々位相のずれた振動電圧が
与えられる結果、ステータ２には円周方向に進行波が生
起され連環するようになる。

するとステータ２の摺動面の頂上部はモータ軸５と共軸
な円筒面に沿った微小な楕円運動を始める結果、ロータ
４の摺動面を一定の方向に送りあるいは斜め方向に突き
上げる微細運動を高周波で繰り返すので、ロータ４はそ
の方向に少しづつ回転させられる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ローターがステーターを送る上記微細運動は例えて言え
ば不規則に配置された無数の微少なラチェット送り機構
が一斉に動作しているようなもので、振巾も一定してい
ないので、進行波を生じている超音波ｃ数１０〜数１０
０　ｋＨｚ）の振動回数とローターの回転角度とには大
まかな対応しかない。

従ってローターの回転角を制御する目的のためにはロー
ター軸又はローター軸から減速した軸に磁気センサー又
は光センサーや回転エンコーダのような装置を設けて角
度を検出し駆動入力の印加又は中止を行わせるフィード
バック制御装置を附属させることが必要であり、いわゆ
るパルスモータのようなオーブンループの制御が出来な
い欠点があり、またフィードバックのためのメカニズム
や回路が複雑になり消費電力も多（なりがちである。

本発明の目的は、進行波モータにおいてロータの回転角
度をオーブンループで制御しうる、いわば超音波駆動の
擬似的ステップモータを提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

１つのロータに対して１対の進行波を発生するステータ
を係合させ、各ステータとロータとは駆動トルクがロー
タの回転角に応じて周期的に変化しかつステータの夫々
に対する前記駆動トルクの変化が角度的にずれており、
かつステータの夫々に対する電気的駆動入力が交互にか
つそれぞれ所定の時間づつ与えられるように構成したこ
とである。

〔作用〕

まず一方のステータに電気的駆動入力が与えられること
によってロータが回転を始めるが、そのうちロータとス
テータとの有効接触面積が減少して回転角がαだけ進む
と駆動トルクが減少してロータは停止する。ステータに
電気的駆動入力を与える時間はもちろんロータが角度α
だげ回転するに十分なだけ取る。ロータが角度αだけ回
転し終った後あるいは角度αの終期にさしかかったとこ
ろで今度は他方のステータを駆動する。このステータが
ロータに生ずる駆動トルクの増減の位相は先のステータ
のものとずれているので、ロータは他方のステータによ
って再び駆動され、同じ（角αだけ進むと駆動トルクの
減少により再び停止する。

この過程を繰返すことによりロータは繰返し回数に２α
を乗じた角度づつ回転し、実質的に２相のステップモー
タとして動作する。

〔実施例〕

第１図は本発明の一実施例の断面図、第２図囚はロータ
の摺動面の部分下面図、同図（Ｂ）はステータの摺動面
の部分平面図である。１１はハウジング、１２はステー
タで機能的には略独立に循環進行波を発生できる１対の
ステータ要素であるステータＡ１２ａとステータＢ１２
ｂとから成っており、両者は同心的に配置されている。

本実施例では１体のブロックに円弧溝１２Ｃを入れて２
つの要素を分離し形成している。ステータ１２の下面に
は１枚の圧電素子１６が貼りつけられ、更にその上面及
び（または）下面にはステータＡ１２ａ駆動用の電極群
Ａ１６及びステータＢ１２ｂ駆動用の電極群Ｂ１７がそ
れぞれのステータ要素の直下に同心的に配列されている
。電極群Ａ１６は駆動回路Ａ１８の出力により、電極群
Ｂ１７は駆動回路Ｂ１９の出力により駆動される。

各々の電極群に接続された駆動回路に出力が生起したと
き、その電極群に対応したステータ要素にのみ駆動に十
分な振巾を有する進行波が生起され、他方のステータ要
素には進行波が生じないか又は弱められた駆動力が作用
してロータとの間の摩擦力を軽減する程度Ｃ積極的にロ
ータを駆動はしないが静止摩擦状態からは脱し、更に摩
擦係数が小さくなるような）となっている。ロータ１４
．ステータＡ１２ａ、ステータＢ１２ｂの各摺動面には
図示のように扇形の凸部１４ａ、１２ａ１．１２ｂ１が
設けられ（図上で斜線部で示した０その中間がそれぞれ
凹部１４’）−１２ａｔ、１２ｂ、となっている。更に
ステータ１２の凸部１２ａ、と１２ｂ１　とは凹凸の角
度ピッチに対し図示のように半分だけずれている。ロー
タ１４がステータ１２と摺動しつつ回転するとき、各ス
テータ要素とロータとの接触面積は（接触は凸部のみで
起るので）角度位相差を伴って変化し、一方のステータ
要素と最大の面積で接触するとき、他方のステータ要素
とロータとの接触面積は最小となる。

（理論的にはゼロであってもよい。）本モータの動作に
ついて述べる。

まずロータ摺動面の凸部１４ａがステータ摺動面の凸部
１２ａ１と最大面積で当接しているとする。このとき駆
動回路１８のみを動作させるとステータＡ１２ａに進行
波が生じ、ロータは起動する。ロータ軸１５の発生トル
クはステータとの接触面積に比例するため、出発時のト
ルクは最大であるが、駆動信号を持続してもロータ１４
の回転と共に上記接触面積は次第に減ってゆき出力トル
クも減少してゆき、やがて負荷トルクと釣合ったところ
で停止する。このときロータ摺動面の凸部１４ａとステ
ータＡの摺動面の凸部１２ａ、との接触面積はほぼ最小
値に近（なっており、代ってロータ摺動面の凸部１４ａ
とステータＢの摺動面の凸部１２ｂ、との接触面積が最
大値に近くなっている。これでロータ１２の１ステツプ
の回転が達成されるが、そのためにはａ−夕１４が途中
で停止することのないよう、駆動回路１８の動作時間は
十分とることとする。

次のステップ運動をさせるためには駆動入力信号又は出
力信号をカットするなどして駆動回路１８の動作を停止
させ、代って駆動回路１９を上記と同じ要領で動作させ
るとロータ１４とステータＡ１２ｂとの係合運動により
次の１ステツプ運動が達成される。

以下２つの駆動回路を交互に切換えて反復して動作させ
ることにより、切換え回数に対応した回数のロータ１４
のステップ運動が得られる。１ステツプの回転角はロー
タの凸部のピッチ角の半分である。尚１５はロータの出
力軸、１６は軸受、１７は摺動圧力を与える圧接用バネ
である。

第４図は本発明の第２実施例の断面図である。

前実施例においては、２つのステータ要素をロータの同
じ側に配置したが、本実施例においてはそれらをロータ
の反対側にそれぞれ配置した。

２１はハウジング、２４は上下両面に摺動面を持つロー
タ、２６はステータ要素Ａに対応する下ステータ、２７
はステータ要素Ｂに対応する上ステータで、これらはバ
ネ６４により押圧されるので、すべての摺動面を同一寸
法にしておけば自動的に面圧条件も上下で等しくなる。

ロータ２４の上側と上ステータ２７の摺動面には前実施
例のように円周方向に同数の凹凸面が刻まれており、ロ
ータ２４の下側と下ステータ２６の各摺動面も同様に加
工されているが、上下の摺動面で重なりが極大又は極小
となる角度（ハウジング２１に対する）は略半ピツチ、
ずらしであることは動作原理より当然である。駆動回路
６０はその出力を電極群３５に与えて圧電素子２８を励
振して下ステータ２６に進行波を生起せしめ、駆動回路
３１はその出力を電極群６６に与えて圧電素子２９を励
振しテ上ステータ２６に進行波を生起せしめる。この駆
動を上下交互に間欠的に行うことによってロータ２４の
出力軸６２がステップ回転運動を行うことは前実施例で
の説明から自明であろう。

次に図示しない構造上の変形を加えた他の実施例につい
て言及する。

（１）　　ロータ又はステータに設ける凸部の数は原理
的には２以上例えば数１００個まで自由である。

（２）公知の従来例ではステータ摺動面における進行波
の振巾を稼ぐため、多数の放射状の溝を摺動面に垂直に
深く切り込んで、ステータを多数の片持梁の集合体とし
、これらに屈曲振動を起こさせるものがあるが、これを
本発明に適用することができる。すなわち１つの凸部を
円周方向に数分割して１つの凸部を何個かの片持梁の集
合体とする。極端な場合、１個の突部を１個の片持梁で
構成してもよい。

（３）　　ロータ、ステータの摺動面に適当な摩擦係数
を持たせるため全面一様なライニング加工を施すことも
公知である。本発明ではこれを発展させ、上述の本発明
実施例の摺動面の凸部の位置に摩擦係数の大きな材料（
例えば金属）、凹部の位置に摩擦係数の小さな材料（例
えばテフロン）をモザイク状に交互に配置し、しかも摺
動面全体が同一平面となるよう加工してもよい。

これにより圧接バネが強力でも凸部が相手面に圧痕を与
えること及び−凸部同志がずれて「踏み外し」を起すこ
とを防止できる。これは摺動面の一方のみに適用しても
よい。

（４）同じ（摺動面の凹凸をな（す手段として、例えば
摺動面に部分メッキ又は薄膜コーティングを施し、処理
部と非処理部又は処理の異なる部分とに摩擦係数の差を
与えるようにしてもよい。

あるいはステータ及びロータの摺動面を多孔質の材料で
構成し、部分的に低摩擦係数の樹脂等を含浸させてもよ
い。これも摺動面の一方のみに適用可能である。

（５）両方が凹凸型の摺動面における、凸部同志の踏み
外し現象が起こるとロータの運動に対しで致命的である
。これを防ぐためにロータ又はステータの少くとも一方
の凸部の角度巾を凹部の角度巾より太き（設定しておく
。これにより、回転中いかなる角度においても常に凸部
は凹部をまたいでブリッジするので踏み外し現象は防止
される。

（６）２つのステータ要素が完全に交互駆動されている
と、駆動を休止（進行波が生起していない）ステータ要
素とロータとの摺動面の摩擦は動摩擦よりも静止摩擦に
近づき、折角他のステータ要素によって駆動されている
ロータに摩擦ブレーキをかける結果となる傾向がある。

この好ましくない効果をさけるために原理的には休止し
ていてもよい側のステータ要素に弱い駆動入力を与えて
、強い送りトルクを生じる程ではないが摺動面が動摩擦
となる程度の状態にすることができる。（後述の第５図
の説明参照） （７）前項と同じ目的で、但し休止すべき例のステータ
要素が全く送りトルクを発生しないように、電極群に与
える信号の位相差を除き（０２群の電極の一方のみを駆
動０２群の電極を同位相で駆動）該ステータ要素には進
行波でな（定住波を起こさせるようにしてもよい。

次に第５図は本発明に適用される駆動回路システムの一
実施例を示し駆動出力の切替えシステムの具体例を示す
ものである。１８（又は６０）％１９（又は６１）は第
１（又は第２）実施例における各ステータ要素を駆動す
る駆動回路であり、１６（又は６５）、１７（又は６６
）は第１（又は第２）実施例における駆動用の電極群で
ある。６７はステータ要素の駆動切替え信号を作成する
低周波の発振器（これは進行波モータを低速かつ一定速
度でステップ運動させる場合の実施例で、出力信号の周
波数は例えばＩ　Ｈｚ　）、６８は該発振器の出力を入
力とし、Ｑ及びＱ出力を入力のある度に交互に反転させ
るフリップフロップ回路、３９％４０は各々駆動回路の
出力線に挿入されたゲート回路群で、フリップフロップ
回路の出力状態によって制御されて開閉２状態のいずれ
かをとり、開状態のときは各駆動回路の出力信号（正弦
波信号又はパルス信号）を各電極群へ通過させ、閉状態
のときは遮断する。この開閉が２つの出力線群に対し交
互に行われることは図示構成により明らかであろう。４
１．４２は抵抗やコンデンサ等のインピーダンス素子群
で、各々の素子はゲート回路群６９．４０の各々のゲー
ト回、路の入力端と出力端を結んでいる。従ってゲート
回路群６９又は４０の一方が開、他方が閉となったとき
、開側のゲート群は駆動回路の出力をフルに対応電極群
に通過させ、閉側ではインピーダンス素子で弱められた
駆動回路出力が対応する電極群に供給される。このイン
ピーダンス素子を設けた構成の目的は前記６で述べた非
駆動要素の摩擦を軽減することであって、本発明の原理
的構成に対してはインピーダンス素子を省いてもよい。

かくして本実施例回路系では例えばＩ　Ｆｌｚの定速定
周波ステップ駆動が達成される。もし不等速・任意のス
テップ運動をさせたいときは発振器３７に代って任意の
ステップ信号を生ずる回路を接続すればよい。

また各ステータ要素が相異なる周波数の駆動信号を必要
とするとき（例えば第１実施例における一般的な場合の
如く機構的に同一寸法でな（各々の生起する進行波の周
波数が異なるとき）は図示のように駆動回路を分けるが
、もし各ステータ要素に生ずる進行波の周波数も駆動出
力波形も等しくてよい設計ができる場合には２組の駆動
回路１８（又は６０）と１９（又は３１）とを共通化し
１個の駆動回路４６としてもよい。

（駆動回路４１は位相の異なる２組の出力線を持ち、そ
れぞれが分岐してゲート回路群４１と４２のそれぞれの
ゲート回路の入力端に供給される。）他にも駆動回路系
の構成は種々考えられる。

例えば出力を制御するのに駆動回路側の電源を０Ｎ−Ｏ
ＦＦ制御するとか、出力信号線の終端にドライバー用の
電力増巾トランジスタを各々挿入し、制御信号作成側の
消費電力負担を軽減する等である。また前記７の記載に
対応させるため、ケート回路群（広義にはスイッチ作用
を有する回路素子でよい）によって出力信号の位相を切
替える構成とする等である。

尚以上説明した各実施例の他、リング型ロータあるいは
種々の公知例との結合による変形が可能であるし、本発
明の実施例において回転角のフィードバックシステムを
も備えさせておけば、必要に応じてステップ？ｔｉｊ制
御から各ステータ要素の連続駆動によるフィードバック
制御に切替えることもできる。

〔発明の効果〕

本発明は比較的簡単な構成により、進行波モータのオー
ブンループ的ステップ制御を行うことを可能にしたので
、進行波モータの諸特徴（構造簡素化、軽量、リング型
可能、高トルク、高効率等）をステップモータに加える
ことができ、ステップ回転角の設計自由度も広（、進行
波モータの適用範囲を大巾に広げることができた効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施例の断面図、第２図（５）はロ
ータの摺動面の部分下面図、同図（Ｂｌ’４ステータの
摺動面の部分平面図、第３図は従来例の断面図、第４図
は本発明の他の実施例の断面図、第５図は本発明の駆動
回路システムの１実施例を示すブロック線図である。 １１％２１・・・・・・ハウジング、 １４．２４・・・・・・ロータ、 １２ａ・・・・・・ステータＡ１ １２ｂ・・・・・・ステータＢ。 ２６・・・・・・下ステータ、 ２７・・・・・・上ステータ。 １８．１９，３０，３１・・・・・・駆動回路、１６．
１７．６５．６６・・・・・・電極群、１３．２８．２
９・・・・・・圧電素子、６７・・・・・・発振回路、 ６８・・・・・・フリップフロップ回路、３９．４０・
・・・・・ゲート回路。 （Ｂ） Ｔｌｃ ：５４　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. リング状の摺動面を有するステータ、該ステータの少く
   とも一部をなす圧電素子、該圧電素子の表面に設けられ
   た電極群、前記摺動面に圧接されて該摺動面に垂直な軸
   のまわりに回転可能に支承されたロータ、前記電極群を
   構成する個々の電極に位相差の異なる振動電圧を選択的
   に与えて前記摺動面に円周方向に進行する弾性進行波を
   生起せしめる駆動回路出力とを有する進行波モータにお
   いて、前記ステータは摺動面を複数有し、該複数の摺動
   面は同軸的であって各々独立に進行波を生起できるよう
   それぞれに対応する少くとも一部が独立した電極群およ
   び駆動回路出力とを備え、前記複数の摺動面および該摺
   動面に接する前記ロータの面は各々凹凸部、又は摩擦係
   数を異にする部分を有し、該凹凸部又は摩擦係数を異に
   する部分の形状位置関係は前記ロータの１回転中にロー
   タ側の凸部又は摩擦係数の大なる部分とステータ側の凸
   部又は摩擦係数の大なる部分との接触面積が周期的に増
   減しかつ前記複数の摺動面の各々の凸部又は摩擦係数の
   大なる部分とロータ側の凸部又は摩擦係数の大なる部分
   との接触面積の変化はそれぞれ位相が異なるような関係
   にあると共に、前記各摺動面に進行波を交互に生起させ
   又は強度を変化させる回路手段を更に備えたことを特徴
   とする進行波ステップモータ。