JPS63300995A - 超音波モ−タ駆動式指示計器 - 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、車輌の走行速度計やエンジン回転計等に使用
される電気式の指示計器に係り、特に測定事象の変化量
を指標板の指標と回動指針との位置対比によって指示す
る指針駆動源として超音波モータを使用した超音波モー
タ駆動式指示計器に関するものである。

［従来の技術］ 従来より、たとえば車輌の走行速度計やエンジン回転計
等に使用される電気式指示計器として、その指針駆動源
に種々の電圧計、電流計が用いられており、特に可動コ
イル式計器や交叉コイル型可動磁石式計器は適宜配設環
境に応じた指示トルクを選定し得また自由にその回動角
も選べることから多くの指示計器に利用されている。

また、ステッピングモータ利用の指示計器も入力信号を
パルス信号としたときの制御の簡易性からたとえば実開
昭５２−１４２　、８８６号、特開昭５７−５４，８６
７号公報等で知られ構成が種々提案されている。

こうした電気式指示計器は、特に車輌用速度計やエンジ
ン回転計で在来から知られている伝達ケーブルを使った
渦電流式計器に対し、ケーブルの不規則回転による指示
不良や伝達異音のない指示計器として多くの車輌に採用
されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかるに、前記電気式指示計器としての可動コイル式計
器や交叉コイル型可動磁石式計器は特に車輌等の激しい
振動条件下で使用されるに際して、その振動による指針
の針振れ現象が生じ易く、これを緩和するために指針軸
や磁石ケースにダンパオイルを設け、あるいは大きな駆
動電流を流してトルクを大きくする等の対策を講じてい
るが、ダンパオイルによる緩和方式は、計器の可動部自
体の動きを制するものであるため、逆に入力信号の変化
に対する応答性が悪くなるという問題を有し、また駆動
電流を大きくしても低速域における周期の大きな入力信
号に応答して針振れを生ずるという問題を解消し得なか
った。

また、ステッピングモータを駆動源とした指示計器にお
いては、その回転トルク自体それ程太きなものではない
ため、やはり激しい振動条件下における使用の際に、滑
らかなステップ駆動が得られず、大きなＩ・ルクを得る
ためにはかなり大型のモータを使用せねばならないとい
う小型、薄型化のための障害を有していた。

しかも、上記各電気式指示計器は全て電気−磁気結合と
いう磁気要素を必ず含んでいるため、外部磁界による影
響あるいは逆に計器自体の磁気による外部電磁装置への
影響が少なからず生じ、シールドケース内に計器を収納
して内外の磁気的干渉を防止しなければならないという
問題を有していた。

〔問題を解決するための手段〕

本発明は、近時注目されてきている超音波モータを指示
計器の駆動源として採用することにより、計器の小型、
薄型化を計りながら、激しい振動条件下でも安定した指
示を可能とし、さらに外部磁界の大きな環境下でも全く
磁気干渉の影響のない指示計器を提供せんとするもので
、ハウジングに超音波モータのステータ部分を固定し、
ロータ部分のロータ出力軸に指針を固着し、これと対比
判読可能に指標板を配設固定して計器本体を構成すると
ともに、測定事象の変化量に応じた電気信号を受け、ス
テータ部分を駆動するための制御信号を出力し、ロータ
部分の回動に基づく位置検出手段からの回動位置信号を
受けてステータ部分の圧電振動子への信号供給制御をな
す位置決め制御手段と、この制御手段からの制御信号に
基づいて圧電振動子に駆動信号を印加する駆動手段とを
備える。

〔作用〕

位置決め指令手段は、たとえば車輌の走行速度等の判定
事象の変化量に応じた電気信号と、超音波モータのロー
タ部分もしくはこれと連動する指針の回動位置を検出す
る位置検出手段からの回動位置信号とにより、ロータ部
分すなわち指針の指示位置を決定し、これに基づいて指
針は指標板の対応する位置を回動指示する。超音波モー
タはその大なる回転トルクと静止トルクによって外部の
激しい振動条件下でも針振れを生ずることな（安定した
指示を与え、さらに外部との磁気干渉のない正確な指示
を与える。

〔実施例］ 超音波モータは、その構造的特徴から大きな回転トルク
が得られ、またその摩擦係合により非稼動時の静止トル
クが大きいことも知られるところである。

超音波モータには、その機構的特徴によって太き（進行
波型超音波モータとねじり結合子型超音波モータとに分
かれ、これらは特開昭５５−１２５，０５２号をはじめ
として特開昭５９−１２２．３８７号、特開昭６１−５
２．１６７号等で知られている。

代表的構造として、進行波型超音波モータは第１図に示
されるディスクタイプがあげられる。これは夫々９０度
位相をずらせた２枚の圧電セラミック１に９０度位相の
ずれた交流電圧を加えることにより、進行波が発生し、
ステンレス等の弾性体２に逆向きの楕円軌跡の振動が生
じ、これに回転体３をライニング材４を介して適圧で押
しつけることにより、回転体３が進行波方向とは逆方向
に移勅２回転するものである。５は固定台であり・ナツ
ト６によって、圧電セラミック１および弾性体２からな
るステータ部分７と、回転体３およびライニング材４か
らなるロータ部分８とを適圧で結合している。

また、ねじり結合子型超音波モータは第２図に示すよう
に、厚さ方向に印加する電気信号によって厚み方向に振
動する複数個の圧電振動子９を分極の向きが隣同志反平
行となるよう積み重ねて成るたて振動子１０と、分極方
向と斜交する方向に圧縮力が作用するジュラルミン等の
ねじり結合子１１とをボルト１２により結合してステー
タ部分１３を構成し、ロータ１４をねじり結合子１１に
固定するボルト１５とボルト１５により押しつけられる
スプリング１６によってねじり結合子１１の上面に適正
に圧接してなるものである。このタイプは圧電振動子９
に電気信号を印加することにより圧電振動子９に伸縮振
動が生じ、これがたて振動子１０で共鳴増幅され、ねじ
り結合子１１に強力なねじり振動を生じさせる。この結
果ねじり結合子１１の突起上面にねじり振動とたて振動
とが合成された楕円振動が生じ、この面に圧接されたロ
ータ１４にたて振動で浮力。

ねじり振動で回転力を与え０、ロータ１４の回転を生じ
させるものである。

なお、原理的には上記２つのタイプで代表されるが、超
音波振動を利用した同作動原理に基づいて、種々の形状
で設計され得ることはここに詳細を要しないであろう。

以上のごとく超音波モータは、その使用条件により種々
のタイプが利用でき、測定事象の内容に応じて速度制御
や位置制御を適応できる。特に前述した進行波型超音波
モータにおいては２、夫々９０度位相をずらせた２仮の
圧電セラミック１に、９０度位相のずれた交流電圧を正
相、逆相に切換印加することによってその進行波方向を
変えることができ、これに伴ってロータ部分８の回転方
向も自由に制御できることから、位置制御に適している
。

本発明は、上記超音波モータの強力な回転トルクと静止
トルクが、その動作原理から激しい外部振動にも耐え得
ることに着目し、かつ磁気干渉のない小型、薄型化の特
徴を生かして、たとえば車輌の走行速度計等の指示計器
の駆動源として採用して、その位置制御機能により正確
な指示を与える指示計器を得んとするもので、以下に詳
細を説明する。

第３図は超音波モータを組み込んだ指示計器本体の具体
的構成を示す車輌用の走行速度計に適用した実施例であ
る。

図において、ハウジング１７内に超音波モータ１８のス
テータ部分１９を固定台２０によってボルト２１で固定
し、ロータ部分２２のロータ出力軸２３の先端に指針２
４を固着している。指針２４の下方には車輌の走行速度
を表す指標としての目盛２５を施した指標板２６がハウ
ジング１７の段部に固定され、上方には透視板２７がや
はりハウジング１７の段部にて固定されている。ロータ
出力軸２３には指標板２６に設けた穴を通して指針２４
の基部をその先端に圧入等で固着しているが、指針２４
の基部を指標板２６の穴を通して下方に伸長してロータ
出力軸２３に固着することもできる。

超音波モータ１８を駆動源とした指示計器の本体構造は
このようにきわめて簡易に構成でき、回路部２８により
走行速度に応じた信号を入力端子から入力して、それに
基づく位置制御で指針２４の回動指示制御をなすことが
できる。

超音波モータ１８は第３図Ａに示したようにハウジング
１７によってその回動部分を囲っており、これにより充
分安定した指示駆動が得られるが、ロータ部分２２の周
囲に接触し易い他部品が配される場合には、第４図に示
すようにロータ部分２２をステータ部分１９とともに、
ケース状の固定台２０によって収納し、ロータ出力軸２
３のみを導出する構成とすれば、他部品との接触の心配
はない。また、ベアリング２９によりロータ出力軸２３
の回転も円滑となり、さらにその密閉効果により、外部
からの鉄粉等がロータ部分２２やステータ部分１９に付
着して回動に不具合を生じる心配もない。

車輌の走行速度を上記指示計器にて指示するためには、
ロータ部分２２を位置制御して指針２４を走行速度に対
応する指標板２６の目盛２５位置に回動制止しなければ
ならず、こうした位置制御はロータ部分２２の回動位置
を検出してフィードバックする位置検出手段が必要とな
るが、これは一般によく知られているロータリエンコー
ダ等で容易に構成できるため特に指示計器の構造内には
示さない。

上記第３図あるいは第４図で示した指示計器を走行速度
計として機能させるための回路構成を、基本的構成によ
って第５図にて説明する。

車輌の走行速度に応じた電気信号は、たとえば電磁ピッ
クアップやホトセンサによって構成される自動車のギヤ
ボックスあるいは自動２輪車の車輪部分に設けられたパ
ルス発生器３０により得ることができる。パルス発生器
３０から発生する走行速度に比例した周波数のパルス信
号は、位置決め制御回路３１に入力され、位置決め制御
回路３１ではパルス信号の周期あるいは周波数に基づい
て走行速度を逐次検出し、その計測値の大きさに基づい
た制御信号を駆動回路３２に供給する。駆動回路３２で
は上記制御信号に基づき、超音波モータ１８のステータ
部分１９における各々９０度位相をずらせて積層した圧
電セラミック３３．３４に９０度位相のずれた交流信号
を印加し、弾性体とともにステータ部分１９に進行波を
生じさせ、これによりロータ部分２２に進行波と逆方向
の回転を生じさせる。

ロータ部分２２の回転は、回動位置検出手段としてのた
とえばロークリエンコーダ３５に伝えられ、このローク
リエンコーダ３５によってロータ部分２２の回転状態（
回動位置）が検出されて、回動位置に応じた回動位置信
号が位置決め制御回路３１にフィードバックされる。

位置決め制御回路３１では、ロークリエンコーダ３５か
らの回動位置信号と、パルス発生器３０からの信号に基
づいて求めた走行速度に対応する検出信号により、ロー
タ部分２２に固着された指針２４が対応する目盛２５上
の速度位置にて回動制止するべく制御信号の供給制御を
なし、駆動回路３２による圧電セラミック３３．３４へ
の交流信号の位相切換えと回動速度を制御する。

位置決め制御回路３１における走行速度変化への応答性
は、パルス信号の周期測定による速度検出が良好である
が、周波数測定方式によっても充分実用化は可能で指示
の滑らかさも大きく異なることはない。位置決め制御は
直前の検出速度と最新の検出速度に基づき、またローク
リエンコーダ３５からの回動位置信号に基づいて、増加
方向への変化か減少方向への変化かを求め、次いで得ら
れた方向判定に従って回動方向を決定し、駆動回路３２
における圧電セラミック３３．、３４への交流信号の位
相を切換え制御することにより、速度変化に追従したロ
ータ部分２２の回動方向制御をなす。さらに、最新の検
出速度に対応するロークリエンコーダ３５からの回動位
置信号により、増加もしくは減少方向に回動制御してい
た駆動回路３２からの駆動信号出力を停止し、その位置
にてロータ部分２２を制止することにより、ロータ出力
軸２３に固着した指針２４を指標板２６上の対応する目
盛２５上にて制止維持する。駆動信号の停止は、ステー
タ部分１９の振動を止め、ロータ部分２２はステータ部
分１９との摩擦による強力な静止トルクにより、外部振
動にも全く影響されない安定した指示をなす。

以上により、超音波モータ１５を駆動源として、車輌の
走行速度を指針２４と指標板２６との対比判読にて、従
来指示計器と同様求めることができ、指示外観的には第
３図Ｂにて示されるように変わるところはないが、計器
の厚さは超音波モータ１８と指標板２６および指針２４
によってのみ決定され、従来の可動コイル式計器等に比
してきわめて薄型となる。また、指針軸を有する従来計
器においては、円滑な指示を得るために軸受は等に工夫
を要していたが、これら安定指示のための駆動トルクの
確保についても何らの不安要素もなく、それに伴う周辺
部材の付加の必要もない。

さらに、超音波モータ１８の駆動原理から、外部との磁
気干渉を起こして指示誤差を招いたり、あるいは外部電
磁装置への磁気障害を及ぼす要素が全くないため、シー
ルドケース等の保護対策の必要もなく、きわめてコンパ
クトに構成することができる。

しかも、ロータ部分２２の回転もきわめて滑らかであっ
て、かつ応答性に秀れているため、測定事象の変化にも
容易に追従し得、その強力な回転トルクと合いまってき
わめて安定した計測指示が可能となる。

また、測定事象の不規則な微小変動に対しても、従来た
とえばダンパオイルで緩衝していたものに対し、位置決
め制御回路３１内での回路的な不感能幅を設けることに
より容易に対応できる。

なお、上述した実施例は単一のハウジング１７内に超音
波モータ１８を収納して、速度計単体での構成を示した
ものであるが、その組付構造はこれに限定されることな
く種々の変形が可能である。たとえば、他の計器本体と
１つのハウジング内に並設される場合には、第６図に示
すように、一旦専用の固定ハウジング３６（コ字状フレ
ーム）に超音波モータ１８を固定し、このハウジング３
６に指標板２６を架設した形で計器本体を構成し、これ
を他の計器本体３７との共通のハウジング１７内に収納
固定することもできる。また、指標板２６は単一計器に
専用の分離形に限らず、隣接する他の計器３７の指標板
３８と一体型の一枚板とし、その対応する表面に指標と
なる目盛を施すこともできる。

特に、車輌用指示計器としては、走行速度計の他にエン
ジン回転計、燃料残量計、冷却水温計等が各々単一計器
として並設され、あるいは１つのハウジング内に収納配
設される構造が用いられるが、これら各種指示計器の駆
動源として各々超音波モータを採用すれば、計器装置全
体の小型、薄型化が可能となり、各計器の安定した指示
が得られる。この場合も、各計器の指標板を共通として
その下方に超音波モータを各々配設固定してもよいし、
あるいは各計器毎に独立した指標板を設け、見返し板に
よって内部を覆う構成としてもよい。

また、指針として上記各実施例に示した棒状のものを使
用する代わりに、回転円板をロータ出力軸に固着し、こ
の円板上に線状指針や色分は仕切を施したものを採用す
ることもでき、指標板も指針の下方でなく、上方に配設
した透明板に目盛を形成して透視する構成も可能である
。

いずれにしても、指示計器の指針駆動源として超音波モ
ータを用い、ロータ出力軸に直接あるいはギ、ヤを用い
た拡大機構等を介して指針を固着することで、従来の電
気式指示計器では得られなかった高性能の指示計器が得
られるものである。

〔発明の効果〕

以上のように、本発明は指示計器の指針駆動源として超
音波モータを用い、ステータ部分をハウジング側に固定
し、ロータ部分のロータ出力軸に指針を固着して指標板
上の指標との対比判読をなすべく位置決め制御する構成
としたことにより、特に車輌等の激しい振動条件下に使
用して振動形容による針振れのない安定した指示が可能
となり、さらに外部とのｆｎ気干渉のない正確な指示を
得ることができ、これに伴ってこれらの対策要素を別途
付加する必要がないため、きわめてコンパクトな計器構
造となり、超音波モータの小型、薄型性能と合いまって
、計器装置全体の小型、薄型化が可能となる。

また、超音波モータの低速駆動安定性により計器指針の
回動位置制御も確実になすことができ、測定事象の変化
への追従も自然な動きとなって、その指示性能も従来の
電気式指示計器にない秀れたものとすることができ、特
に激しい振動条件下で使用される車輌用指示計器に適用
してきわめて顕著な効果が期待できるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明の指示計器に適用される超
音波モータの代表的構造図、第３図Ａは本発明に係る超
音波モータ駆動式指示計器の一実施例を示す断面図、第
３図Ｂは同指示計器の正面図、第４図は第３図指示計器
における超音波モータの別形態による構成を示す要部断
面図、第５図は同指示計器を車輌用速度計として駆動す
るための基本的回路ブロック図、第６図は本発明に係る
超音波モータ駆動式指示計器構造の他の実施例を示す断
面図である。 １７．３６−ハウジング １８・−超音波モータ １９−　ステータ部分 ２０−固定台 ２２−　　ロータ部分 ２３−・ロータ出力軸 ２４−・指針 ２５−・−指標としての目盛 ２６−・−指標板 ３０−パルス発生器 ３１−・−位置決め制御回路 ３２−・−駆動回路 ３３．３４−圧電セラミック ３５−位置検出手段としてのロークリエンコーダ第１図 ｇ２　図 ＬＭ　　　　　　　　　　　　　　ｆｆｉ第４図 第５２ 第６図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ハウジングに超音波モータのステータ部分を固定し、こ
   のステータ部分の振動によって回動するロータ部分のロ
   ータ出力軸に、これとほぼ直交して指針を固着し、この
   指針と対比判読し得るよう測定事象の変化量を表す指標
   を施した指標板を配設固定して計器本体を構成するとと
   もに、測定事象の変化量に応じた電気信号を受け、上記
   超音波モータのステータ部分を上記電気信号に応じて駆
   動するための制御信号を出力し、ステータ部分の振動に
   よるロータ部分の回動に基づく位置検出手段からの回動
   位置信号を受けて圧電振動子への信号供給制御をなす位
   置決め制御手段と、この制御手段からの制御信号に基づ
   いてステータ部分の圧電振動子に駆動信号を印加する駆
   動手段とを備えてなる超音波モータ駆動式指示計器。