JP3141525B2 - 超音波モータの駆動制御方法 - Google Patents
超音波モータの駆動制御方法Info
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- JP3141525B2 JP3141525B2 JP04142414A JP14241492A JP3141525B2 JP 3141525 B2 JP3141525 B2 JP 3141525B2 JP 04142414 A JP04142414 A JP 04142414A JP 14241492 A JP14241492 A JP 14241492A JP 3141525 B2 JP3141525 B2 JP 3141525B2
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、圧電体により励振した
弾性振動を駆動力とする超音波モータの駆動制御方法に
関するものである。
弾性振動を駆動力とする超音波モータの駆動制御方法に
関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、圧電セラミック等の圧電体及び、
金属等の弾性基板により構成された振動体を共振周波数
近傍で励振し、これを駆動力とする超音波モータが注目
されている。以下に、図面を参照しながら従来の超音波
モータについての説明を行う。
金属等の弾性基板により構成された振動体を共振周波数
近傍で励振し、これを駆動力とする超音波モータが注目
されている。以下に、図面を参照しながら従来の超音波
モータについての説明を行う。
【0003】図2は超音波モータの切り欠き斜視図であ
り、弾性基板1の一面に、圧電体2を貼り合わせて振動
体3を構成している。また弾性基板1の他方の面には、
突起体4が設置されている。5は弾性体、6は耐摩耗性
材料よりなる摩擦材であり、互いに貼り合わせて移動体
7を構成している。移動体7は、摩擦材6を介して振動
体3の突起体4に加圧接触させられている。
り、弾性基板1の一面に、圧電体2を貼り合わせて振動
体3を構成している。また弾性基板1の他方の面には、
突起体4が設置されている。5は弾性体、6は耐摩耗性
材料よりなる摩擦材であり、互いに貼り合わせて移動体
7を構成している。移動体7は、摩擦材6を介して振動
体3の突起体4に加圧接触させられている。
【0004】このように構成された超音波モータにおい
て、圧電体2に交番電界を印加すると振動体3には、周
方向に曲げ振動の進行波が励振され、移動体7が摩擦力
により進行波の進行方向と逆向きに駆動される。図3
は、上記超音波モータにおける圧電体2の電極構造の一
例を示しており、周方向に9波の曲げ振動を励振するよ
うに構成している。同図において、A,Bは、それぞれ
2分の1波長相当の小領域からなる駆動電極である。C
は4分の3波長、Dは4分の1波長の長さの電極であ
る。従って、Aの駆動電極とBの駆動電極とは互いに、
位置的に4分の1波長(=90度)の位相差を持つ。ま
た、駆動電極A,B内の隣合う小電極部は、交互に反対
に厚み方向に分極されている。圧電体2の弾性基板1と
の接着面は図3に示された面と反対の面であり、電極は
平面電極である。使用時には、斜線で示したようにそれ
ぞれ短絡して用いられる。この駆動電極A,Bに式
(1),(2)で表される電圧V1、及びV2をそれぞれ
印加すれば、振動体3には式(3)で表される円周方向
に進行する曲げ振動の進行波が励振される。
て、圧電体2に交番電界を印加すると振動体3には、周
方向に曲げ振動の進行波が励振され、移動体7が摩擦力
により進行波の進行方向と逆向きに駆動される。図3
は、上記超音波モータにおける圧電体2の電極構造の一
例を示しており、周方向に9波の曲げ振動を励振するよ
うに構成している。同図において、A,Bは、それぞれ
2分の1波長相当の小領域からなる駆動電極である。C
は4分の3波長、Dは4分の1波長の長さの電極であ
る。従って、Aの駆動電極とBの駆動電極とは互いに、
位置的に4分の1波長(=90度)の位相差を持つ。ま
た、駆動電極A,B内の隣合う小電極部は、交互に反対
に厚み方向に分極されている。圧電体2の弾性基板1と
の接着面は図3に示された面と反対の面であり、電極は
平面電極である。使用時には、斜線で示したようにそれ
ぞれ短絡して用いられる。この駆動電極A,Bに式
(1),(2)で表される電圧V1、及びV2をそれぞれ
印加すれば、振動体3には式(3)で表される円周方向
に進行する曲げ振動の進行波が励振される。
【0005】 V1=V0sin(ωt) (1) V2=V0cos(ωt) (2) ξ =ξ0cos(ωt−kx) (3) ただし、V0は電圧の最大値、ωは角周波数、tは時
間、ξは曲げ振動の振幅値、ξ0は曲げ振動の振幅の最
大値、kは波数、xは位置を示す。
間、ξは曲げ振動の振幅値、ξ0は曲げ振動の振幅の最
大値、kは波数、xは位置を示す。
【0006】図4は、振動体3の表面のA点が進行波を
励振することによって、長軸2w、短軸2uの楕円運動
をし、振動体3上に加圧して設置された移動体7が、楕
円の頂点A近傍で接触し、摩擦力により波の進行方向と
は逆方向に(4)式で表される速度vで運動する様子を
示している。
励振することによって、長軸2w、短軸2uの楕円運動
をし、振動体3上に加圧して設置された移動体7が、楕
円の頂点A近傍で接触し、摩擦力により波の進行方向と
は逆方向に(4)式で表される速度vで運動する様子を
示している。
【0007】 v=ω×u (4) 図5は圧電体の等価回路であり、圧電体は、電気的容量
C08、電気系−機械系変換トランス(変換係数N)
9、機械的弾性定数Cm10、質量Lm11、機械的損失
Rm12とで表され、力Fとして出力される。圧電体に
電圧Vを印加すると、総電流i13が流れる。この総電
流i13は、電気的容量C08に流れる電流である電気
腕電流ie14と電気系−機械系変換トランス9に流れ
る電流である機械腕電流im15とからなる。この機械
腕電流im15が、電気系−機械系変換トランス9によ
り(5)式で表される変位速度vdに変換される。
C08、電気系−機械系変換トランス(変換係数N)
9、機械的弾性定数Cm10、質量Lm11、機械的損失
Rm12とで表され、力Fとして出力される。圧電体に
電圧Vを印加すると、総電流i13が流れる。この総電
流i13は、電気的容量C08に流れる電流である電気
腕電流ie14と電気系−機械系変換トランス9に流れ
る電流である機械腕電流im15とからなる。この機械
腕電流im15が、電気系−機械系変換トランス9によ
り(5)式で表される変位速度vdに変換される。
【0008】 vd=dξ/dt (5) 従って、総電流i13、或いは機械腕電流im15によ
って、変位ξを求めることができる。
って、変位ξを求めることができる。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】移動体の速度は、振動
体の曲げ振動の振幅の瞬時値に比例し、曲げ振動の振幅
の瞬時値は振動体を構成する圧電体に流れる機械腕電流
imに比例する。そこで、この機械腕電流imを検出し、
これを利用することにより移動体の移動速度を安定に制
御することができる。しかしながら、従来の機械腕電流
im検出回路に於いては、圧電体に設けられた2組の駆
動電極の中の1組を流れる機械腕電流i mを検出して速
度情報としていたが、超音波モータの外径が小さくなる
にしたがって、共振抵抗が大きくなり必要な移動体の移
動速度(振幅の瞬時値)を得るためには、高い駆動電圧
が必要になる。そのため、電気腕電流が増加して電気腕
電流ie/機械腕電流imが大きくなり、総電流iより電
気腕電流ieをキャンセルして機械腕電流imを検出する
ことが困難となり、機械腕電流imの検出精度が悪くな
る。このため、1組の駆動電極を流れる機械腕電流im
を用いた駆動制御方法では、移動体の移動速度を安定に
精度良く制御駆動することが困難であるという課題を有
していた。
体の曲げ振動の振幅の瞬時値に比例し、曲げ振動の振幅
の瞬時値は振動体を構成する圧電体に流れる機械腕電流
imに比例する。そこで、この機械腕電流imを検出し、
これを利用することにより移動体の移動速度を安定に制
御することができる。しかしながら、従来の機械腕電流
im検出回路に於いては、圧電体に設けられた2組の駆
動電極の中の1組を流れる機械腕電流i mを検出して速
度情報としていたが、超音波モータの外径が小さくなる
にしたがって、共振抵抗が大きくなり必要な移動体の移
動速度(振幅の瞬時値)を得るためには、高い駆動電圧
が必要になる。そのため、電気腕電流が増加して電気腕
電流ie/機械腕電流imが大きくなり、総電流iより電
気腕電流ieをキャンセルして機械腕電流imを検出する
ことが困難となり、機械腕電流imの検出精度が悪くな
る。このため、1組の駆動電極を流れる機械腕電流im
を用いた駆動制御方法では、移動体の移動速度を安定に
精度良く制御駆動することが困難であるという課題を有
していた。
【0010】本発明は上記課題を解決し、安定な速度制
御が可能な超音波モータの駆動制御方法を提供すること
を目的とするものである。
御が可能な超音波モータの駆動制御方法を提供すること
を目的とするものである。
【0011】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明の駆動方法は、圧電体を交流電圧で駆動し、前
記圧電体と弾性体とから構成される振動体に弾性進行波
を励振することにより、前記振動体上に接触して設置さ
れた移動体を移動させる超音波モータの駆動方法におい
て、前記圧電体に設けられた少なくとも2組の駆動電極
のうち、少なくとも2組の駆動電極を流れる機械腕電流
をおのおの独立して検出して、それぞれを加え合わせた
信号を差動増幅器の一方の入力端に入力し、前記圧電体
に流れる総電流の信号を前記差動増幅器の他の入力端に
入力し、前記差動増幅器の出力信号を速度制御信号とし
て用いることを特徴とする。
に本発明の駆動方法は、圧電体を交流電圧で駆動し、前
記圧電体と弾性体とから構成される振動体に弾性進行波
を励振することにより、前記振動体上に接触して設置さ
れた移動体を移動させる超音波モータの駆動方法におい
て、前記圧電体に設けられた少なくとも2組の駆動電極
のうち、少なくとも2組の駆動電極を流れる機械腕電流
をおのおの独立して検出して、それぞれを加え合わせた
信号を差動増幅器の一方の入力端に入力し、前記圧電体
に流れる総電流の信号を前記差動増幅器の他の入力端に
入力し、前記差動増幅器の出力信号を速度制御信号とし
て用いることを特徴とする。
【0012】
【作用】2組の駆動電極の機械腕電流imを検出するこ
とにより、機械腕電流im検出のS/N比の改善を図
り、精度良く超音波モータの速度情報を取り出すことが
でき、その結果安定に精度良く超音波モータを駆動制御
することができる。
とにより、機械腕電流im検出のS/N比の改善を図
り、精度良く超音波モータの速度情報を取り出すことが
でき、その結果安定に精度良く超音波モータを駆動制御
することができる。
【0013】
【実施例】以下に本発明の一実施例を図1を参照しなが
ら説明する。
ら説明する。
【0014】図1は、本発明の一実施例である超音波モ
ータの駆動回路のブロック図である。電圧制御発振器1
6の出力は2分割され、一方は直接電力増幅器A17
に、他方は90度位相器18を介して電力増幅器B19
に接続されている。上記電力増幅器A17の出力側は、
コイルA20を通して圧電体2及び、圧電体2上に設け
られた2組の駆動電極の一方の駆動電極下の圧電体2の
電気的な容量と等価な電気的な容量を有するキャパシタ
A21に印加される。また、電力増幅器B19の出力側
はコイルB22を介して圧電体2及び、圧電体2上に設
けられた2組の駆動電極の一方の駆動電極下の圧電体2
の電気的な容量と等価な電気的な容量を有するキャパシ
タB23に印加される。また、キャパシタA21とキャ
パシタB23の出力は抵抗A24に接続され、抵抗A2
4の他端は接地されている。また、圧電体2の出力側は
抵抗B25に接続されており、また抵抗B25の他端は
接地されており、抵抗A24と抵抗B25の抵抗値は互
いに等しい。抵抗A24のキャパシタA21及びキャパ
シタB23の出力端に接続されている側及び、抵抗B2
5の圧電体2に接続されている側は差動増幅器A26の
入力端にそれぞれ接続されており、差動増幅器A26の
出力は整流器27を介して差動増幅器B28の一方の入
力端に接続されている。また、差動増幅器B28の他方
の入力には速度設定値29が接続されており、差動増幅
器B28の出力は電圧制御発振器16の周波数制御端子
に接続されている。
ータの駆動回路のブロック図である。電圧制御発振器1
6の出力は2分割され、一方は直接電力増幅器A17
に、他方は90度位相器18を介して電力増幅器B19
に接続されている。上記電力増幅器A17の出力側は、
コイルA20を通して圧電体2及び、圧電体2上に設け
られた2組の駆動電極の一方の駆動電極下の圧電体2の
電気的な容量と等価な電気的な容量を有するキャパシタ
A21に印加される。また、電力増幅器B19の出力側
はコイルB22を介して圧電体2及び、圧電体2上に設
けられた2組の駆動電極の一方の駆動電極下の圧電体2
の電気的な容量と等価な電気的な容量を有するキャパシ
タB23に印加される。また、キャパシタA21とキャ
パシタB23の出力は抵抗A24に接続され、抵抗A2
4の他端は接地されている。また、圧電体2の出力側は
抵抗B25に接続されており、また抵抗B25の他端は
接地されており、抵抗A24と抵抗B25の抵抗値は互
いに等しい。抵抗A24のキャパシタA21及びキャパ
シタB23の出力端に接続されている側及び、抵抗B2
5の圧電体2に接続されている側は差動増幅器A26の
入力端にそれぞれ接続されており、差動増幅器A26の
出力は整流器27を介して差動増幅器B28の一方の入
力端に接続されている。また、差動増幅器B28の他方
の入力には速度設定値29が接続されており、差動増幅
器B28の出力は電圧制御発振器16の周波数制御端子
に接続されている。
【0015】以上のように構成された超音波モータの駆
動制御回路について、以下にその動作を説明する。
動制御回路について、以下にその動作を説明する。
【0016】電圧制御発振器16から目標速度に対応す
る駆動周波数の信号が発せられる。ここで前記信号は2
分割され、一方は90度位相器18を通り、電力増幅器
B19によって超音波モータを駆動する電圧に増幅され
る。また、他方は電力増幅器A17によって超音波モー
タを駆動する電圧に増幅される。さらに電力増幅器19
から発せられた信号は、コイルB22を通って圧電体2
及びキャパシタB23に印加され、同様に電力増幅器A
17から発せられた信号はコイルA20を通って圧電体
2及びキャパシタA21に印加される。このとき圧電体
2には印加電圧の周波数及び電圧値に応じた総電流が流
れ、抵抗B25によりこの総電流は電圧信号に変換され
差動増幅器A26の一方の入力端に入力される。また、
キャパシタA21とキャパシタB23には印加電圧に応
じた、圧電体2の電気腕電流と等価な電流が流れ、それ
ぞれを加え合わせたものが抵抗A24により電圧信号に
変換され、差動増幅器A26の他方の入力端に入力され
る。差動増幅器A26の出力は、圧電体2に流れる総電
流より得られる電圧値から、キャパシタA21とキャパ
シタB23より得られる圧電体2の電気腕電流と等価な
電流より得られる電圧値を差し引いたものであり、これ
は圧電体2を流れる総機械腕電流となる。ここで圧電体
2上に設けられた一方の駆動電極に流れる総電流I
Aは、 IA=(IeA+ImA)sin(ωt) (6) 他方に流れる総電流IBは、 IB=(IeB+ImB)cos(ωt) (7) また、圧電体2の電気的な容量と等価な電気的な容量を
有するキャパシタに流れる電気腕電流と等価な電流Ie
は、 Ie=IeAsin(ωt)+IeBcos(ωt) (8) と表せる。ここで、IeA、IeBはそれぞれの駆動電極を
流れる電気腕電流の最大値、ImA、ImBはそれぞれの駆
動電極を流れる機械腕電流の最大値、tは時間、ωは電
圧の角周波数である。差動増幅器A26の出力端に発生
する電圧は、圧電体2を流れる総機械腕電流を電圧値に
変換したものであり、式(6),(7),(8)よりI
mB=ImAの場合、一方の駆動電極を流れる機械腕電流を
検出した場合の√2倍の信号が検出できることになり、
S/N比が向上し検出精度が良くなる。また、差動増幅
器A26の出力である機械腕電流より得られた電圧値
は、整流器27を介して直流信号に変換され、差動増幅
器B28の一方の入力とされる。ここで、差動増幅器B
28の他方には速度設定値29が入力されており、これ
らの差より電圧制御発振器に訂正動作を掛け超音波モー
タを一定速度で駆動することを可能にする。
る駆動周波数の信号が発せられる。ここで前記信号は2
分割され、一方は90度位相器18を通り、電力増幅器
B19によって超音波モータを駆動する電圧に増幅され
る。また、他方は電力増幅器A17によって超音波モー
タを駆動する電圧に増幅される。さらに電力増幅器19
から発せられた信号は、コイルB22を通って圧電体2
及びキャパシタB23に印加され、同様に電力増幅器A
17から発せられた信号はコイルA20を通って圧電体
2及びキャパシタA21に印加される。このとき圧電体
2には印加電圧の周波数及び電圧値に応じた総電流が流
れ、抵抗B25によりこの総電流は電圧信号に変換され
差動増幅器A26の一方の入力端に入力される。また、
キャパシタA21とキャパシタB23には印加電圧に応
じた、圧電体2の電気腕電流と等価な電流が流れ、それ
ぞれを加え合わせたものが抵抗A24により電圧信号に
変換され、差動増幅器A26の他方の入力端に入力され
る。差動増幅器A26の出力は、圧電体2に流れる総電
流より得られる電圧値から、キャパシタA21とキャパ
シタB23より得られる圧電体2の電気腕電流と等価な
電流より得られる電圧値を差し引いたものであり、これ
は圧電体2を流れる総機械腕電流となる。ここで圧電体
2上に設けられた一方の駆動電極に流れる総電流I
Aは、 IA=(IeA+ImA)sin(ωt) (6) 他方に流れる総電流IBは、 IB=(IeB+ImB)cos(ωt) (7) また、圧電体2の電気的な容量と等価な電気的な容量を
有するキャパシタに流れる電気腕電流と等価な電流Ie
は、 Ie=IeAsin(ωt)+IeBcos(ωt) (8) と表せる。ここで、IeA、IeBはそれぞれの駆動電極を
流れる電気腕電流の最大値、ImA、ImBはそれぞれの駆
動電極を流れる機械腕電流の最大値、tは時間、ωは電
圧の角周波数である。差動増幅器A26の出力端に発生
する電圧は、圧電体2を流れる総機械腕電流を電圧値に
変換したものであり、式(6),(7),(8)よりI
mB=ImAの場合、一方の駆動電極を流れる機械腕電流を
検出した場合の√2倍の信号が検出できることになり、
S/N比が向上し検出精度が良くなる。また、差動増幅
器A26の出力である機械腕電流より得られた電圧値
は、整流器27を介して直流信号に変換され、差動増幅
器B28の一方の入力とされる。ここで、差動増幅器B
28の他方には速度設定値29が入力されており、これ
らの差より電圧制御発振器に訂正動作を掛け超音波モー
タを一定速度で駆動することを可能にする。
【0017】以上のように本発明の超音波モータの駆動
制御方法によって、圧電体を流れる機械腕電流を精度良
く検出することができ、この機械腕電流を用いることに
より安定に速度制御可能な超音波モータを提供すること
ができる。
制御方法によって、圧電体を流れる機械腕電流を精度良
く検出することができ、この機械腕電流を用いることに
より安定に速度制御可能な超音波モータを提供すること
ができる。
【0018】尚、上記実施例では、圧電体上の駆動電極
が2組の場合について説明したが、3組以上の駆動電極
の超音波モータの場合にも本発明が有効であることは勿
論であり、例えば4組の駆動電極を用いた超音波モータ
の場合には、2組または3組または4組全ての駆動電極
に流れる機械腕電流を検出し、上記検出機械腕電流を速
度制御に用いることにより安定に速度制御可能な超音波
モータを提供することができる。
が2組の場合について説明したが、3組以上の駆動電極
の超音波モータの場合にも本発明が有効であることは勿
論であり、例えば4組の駆動電極を用いた超音波モータ
の場合には、2組または3組または4組全ての駆動電極
に流れる機械腕電流を検出し、上記検出機械腕電流を速
度制御に用いることにより安定に速度制御可能な超音波
モータを提供することができる。
【0019】
【発明の効果】以上のように本発明の駆動方法によっ
て、精度良く機械腕電流を検出することができ、動作が
安定し、しかも駆動効率の良い超音波モータを提供する
ことができる。
て、精度良く機械腕電流を検出することができ、動作が
安定し、しかも駆動効率の良い超音波モータを提供する
ことができる。
【図1】本発明の一実施例における超音波モータの駆動
方法を実施するために用いる回路のブロック図
方法を実施するために用いる回路のブロック図
【図2】超音波モータの切り欠き斜視図
【図3】超音波モータの圧電体の電極構造を示す平面図
【図4】超音波モータの動作原理説明図
【図5】圧電体の等価回路図
1 弾性基板 2 圧電体 3 振動体 7 移動体 15 機械腕電流
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平4−26382(JP,A) 特開 平1−114379(JP,A) 特開 平1−198282(JP,A) 特開 昭64−34185(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H02N 2/00
Claims (2)
- 【請求項1】圧電体を交流電圧で駆動し、前記圧電体と
弾性体とから構成される振動体に弾性進行波を励振する
ことにより、前記振動体上に接触して設置された移動体
を移動させる超音波モータの駆動方法において、前記圧
電体に設けられた少なくとも2組の駆動電極のうち、少
なくとも2組の駆動電極を流れる機械腕電流をおのおの
独立して検出して、それぞれを加え合わせた信号を差動
増幅器の一方の入力端に入力し、前記圧電体に流れる総
電流の信号を前記差動増幅器の他の入力端に入力し、前
記差動増幅器の出力信号を速度制御信号として用いるこ
とを特徴とする超音波モータの駆動制御方法。 - 【請求項2】差動増幅器の出力信号を、第2の差動増幅
器の一方の入力端に入力し、前記第2の差動増幅器の他
方の入力端には速度設定値を入力し、前記第2の差動増
幅器の出力信号を速度制御信号として用いることを特徴
とする請求項1記載の超音波モータの駆動制御方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP04142414A JP3141525B2 (ja) | 1992-06-03 | 1992-06-03 | 超音波モータの駆動制御方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP04142414A JP3141525B2 (ja) | 1992-06-03 | 1992-06-03 | 超音波モータの駆動制御方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05336767A JPH05336767A (ja) | 1993-12-17 |
| JP3141525B2 true JP3141525B2 (ja) | 2001-03-05 |
Family
ID=15314782
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP04142414A Expired - Fee Related JP3141525B2 (ja) | 1992-06-03 | 1992-06-03 | 超音波モータの駆動制御方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3141525B2 (ja) |
-
1992
- 1992-06-03 JP JP04142414A patent/JP3141525B2/ja not_active Expired - Fee Related
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