JP3060741B2 - 超音波モータの駆動方法 - Google Patents
超音波モータの駆動方法Info
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- JP3060741B2 JP3060741B2 JP4219001A JP21900192A JP3060741B2 JP 3060741 B2 JP3060741 B2 JP 3060741B2 JP 4219001 A JP4219001 A JP 4219001A JP 21900192 A JP21900192 A JP 21900192A JP 3060741 B2 JP3060741 B2 JP 3060741B2
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- Japan
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- ultrasonic motor
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- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、圧電セラミック等の圧
電体を用いて、振動体に弾性波を励振することにより駆
動力を発生する超音波モータの駆動方法に関するもので
ある。
電体を用いて、振動体に弾性波を励振することにより駆
動力を発生する超音波モータの駆動方法に関するもので
ある。
【0002】
【従来の技術】以下、図面を参照しながら超音波モータ
と、その駆動方法の従来技術について説明を行う。
と、その駆動方法の従来技術について説明を行う。
【0003】図4は、弾性進行波方式のリング型超音波
モータの切り欠き斜視図であり、リング形の弾性基板1
のリング面の一方に、駆動用の圧電体としてリング形圧
電セラミック2を接着剤で貼合せてリング形振動体3を
構成している。4は耐磨耗性材料の摩擦材、5は弾性体
であり、互いに貼合せられて移動体6を構成している。
移動体6は摩擦材4を介して、ここでは図示していない
がばね等の加圧手段により振動体3と加圧接触して設置
される。
モータの切り欠き斜視図であり、リング形の弾性基板1
のリング面の一方に、駆動用の圧電体としてリング形圧
電セラミック2を接着剤で貼合せてリング形振動体3を
構成している。4は耐磨耗性材料の摩擦材、5は弾性体
であり、互いに貼合せられて移動体6を構成している。
移動体6は摩擦材4を介して、ここでは図示していない
がばね等の加圧手段により振動体3と加圧接触して設置
される。
【0004】図5は、圧電セラミック2に形成される駆
動電極の構造図であり、弾性進行波の1/4波長相当だ
け位置的にずれた2組の駆動電極Aと駆動電極Bを形成
している。駆動電極Aと駆動電極Bは、それぞれ1/2
波長相当の長さを持つ小電極群からなっている。電極C
と電極Dはそれぞれ3/4波長と1/4波長相当の長さ
を持ち、駆動電極Aと駆動電極Bに1/4波長相当の位
置的なずれを作るために形成している。
動電極の構造図であり、弾性進行波の1/4波長相当だ
け位置的にずれた2組の駆動電極Aと駆動電極Bを形成
している。駆動電極Aと駆動電極Bは、それぞれ1/2
波長相当の長さを持つ小電極群からなっている。電極C
と電極Dはそれぞれ3/4波長と1/4波長相当の長さ
を持ち、駆動電極Aと駆動電極Bに1/4波長相当の位
置的なずれを作るために形成している。
【0005】駆動電極Aと駆動電極Bに、それぞれ90
度位相の異なる2つの交流電圧(例えばsin波とco
s波)を印加すると、図6に示すような撓み振動の進行
波が振動体3に励振される。ここで、図6(a)は撓み
振動の振動姿態を示し、図6(b)は径方向の変位分布
を示している。リング型超音波モータでは径方向1次で
周方向3次以上の撓み振動の進行波が振動体3に励振さ
れる。この進行波の波頭の横方向成分により移動体6は
摩擦駆動され、進行波の振幅に比例した速度で回転運動
をする。
度位相の異なる2つの交流電圧(例えばsin波とco
s波)を印加すると、図6に示すような撓み振動の進行
波が振動体3に励振される。ここで、図6(a)は撓み
振動の振動姿態を示し、図6(b)は径方向の変位分布
を示している。リング型超音波モータでは径方向1次で
周方向3次以上の撓み振動の進行波が振動体3に励振さ
れる。この進行波の波頭の横方向成分により移動体6は
摩擦駆動され、進行波の振幅に比例した速度で回転運動
をする。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】従来の超音波モータ
は、図5の圧電体の電極構造の電極Cまたは電極Dを、
そのまま、あるいは分割して振動体の振動を検出するセ
ンサ電極として用い、このセンサ電極の出力により移動
体の速度を制御するか、移動体にエンコーダなどに代表
される速度検出手段を設置し、この速度検出手段の出力
により移動体の速度を制御していた。
は、図5の圧電体の電極構造の電極Cまたは電極Dを、
そのまま、あるいは分割して振動体の振動を検出するセ
ンサ電極として用い、このセンサ電極の出力により移動
体の速度を制御するか、移動体にエンコーダなどに代表
される速度検出手段を設置し、この速度検出手段の出力
により移動体の速度を制御していた。
【0007】しかし、上記の速度制御方法では、通常速
度時には超音波モータは安定に動作するが、低速時には
振動体の振幅が小さくなりセンサ電極の出力が低下し、
また速度検出手段では出力パルス数が減少して、共に超
音波モータの動作が不安定になるという課題を有してい
た。また、低速時の制御性を改善するためには速度検出
手段の分解能を上げることも考えられるが、速度検出手
段の能力には限界があり、またコストも高くなるという
課題も有していた。
度時には超音波モータは安定に動作するが、低速時には
振動体の振幅が小さくなりセンサ電極の出力が低下し、
また速度検出手段では出力パルス数が減少して、共に超
音波モータの動作が不安定になるという課題を有してい
た。また、低速時の制御性を改善するためには速度検出
手段の分解能を上げることも考えられるが、速度検出手
段の能力には限界があり、またコストも高くなるという
課題も有していた。
【0008】本発明は上記従来の課題を解決するもの
で、移動体に速度検出手段を設置すると共に、圧電体に
センサ電極を設けて、低速時には2つの出力を共に移動
体の制御に用いることにより、常に動作の安定した超音
波モータを提供することを目的とする。
で、移動体に速度検出手段を設置すると共に、圧電体に
センサ電極を設けて、低速時には2つの出力を共に移動
体の制御に用いることにより、常に動作の安定した超音
波モータを提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】超音波モータの移動体に
エンコーダなどの速度検出手段を設け、振動体を構成す
る圧電体に駆動電極と共にセンサ電極を構成し、通常は
上記速度検出手段の出力またはセンサ電極に発生する電
圧により移動体の速度制御を行い、低速時には上記速度
検出手段の出力と、上記速度検出手段の出力間隔の時間
内における速度制御を行うための制御信号として上記セ
ンサ電極に発生する電圧とを共に用いることにより、上
記移動体の速度を制御する。
エンコーダなどの速度検出手段を設け、振動体を構成す
る圧電体に駆動電極と共にセンサ電極を構成し、通常は
上記速度検出手段の出力またはセンサ電極に発生する電
圧により移動体の速度制御を行い、低速時には上記速度
検出手段の出力と、上記速度検出手段の出力間隔の時間
内における速度制御を行うための制御信号として上記セ
ンサ電極に発生する電圧とを共に用いることにより、上
記移動体の速度を制御する。
【0010】
【作用】超音波モータの移動体に速度検出手段を設ける
ことにより、速度検出手段から移動体の回転速度に応じ
たパルス数を得られ、振動体を構成する圧電体に駆動電
極と共にセンサ電極を構成することにより、振動体の進
行波の振幅は移動体の回転速度に比例しているので、移
動体の回転速度に比例したセンサ電極の出力電圧を得る
ことができる。そして、通常は速度検出手段の出力のみ
により移動体の速度制御を行い、低速時には速度検出手
段の出力パルス数が減少するので、出力パルスと共にセ
ンサ電極に発生する電圧を制御信号として用いることに
より、上記移動体の速度を制御することにより、常に動
作の安定した超音波モータを実現する。
ことにより、速度検出手段から移動体の回転速度に応じ
たパルス数を得られ、振動体を構成する圧電体に駆動電
極と共にセンサ電極を構成することにより、振動体の進
行波の振幅は移動体の回転速度に比例しているので、移
動体の回転速度に比例したセンサ電極の出力電圧を得る
ことができる。そして、通常は速度検出手段の出力のみ
により移動体の速度制御を行い、低速時には速度検出手
段の出力パルス数が減少するので、出力パルスと共にセ
ンサ電極に発生する電圧を制御信号として用いることに
より、上記移動体の速度を制御することにより、常に動
作の安定した超音波モータを実現する。
【0011】
【実施例】以下、図面に従って本発明の実施例について
詳細な説明を行う。
詳細な説明を行う。
【0012】図1は、本発明の超音波モータ駆動制御方
法の1実施例である超音波モータ駆動制御回路のブロッ
ク図である。同図において、電圧制御発振回路7は、電
圧により発振周波数を可変することができる制御端子T
を持ち、この制御端子Tの印加電圧に対応した周波数の
発振信号を出力する。電圧制御発振回路7の出力信号は
2分割され、一方の信号は90度移相回路8により90
度だけ移相され、もう一方の信号はそのままで、それぞ
れ90度の位相差を持った2信号が作られる。この2信
号は、それぞれ電力増幅回路A9と電力増幅回路B10
により、超音波モータを駆動するのに十分な電圧値に電
力増幅されて、超音波モータの駆動電極A、Bにそれぞ
れ印加される。
法の1実施例である超音波モータ駆動制御回路のブロッ
ク図である。同図において、電圧制御発振回路7は、電
圧により発振周波数を可変することができる制御端子T
を持ち、この制御端子Tの印加電圧に対応した周波数の
発振信号を出力する。電圧制御発振回路7の出力信号は
2分割され、一方の信号は90度移相回路8により90
度だけ移相され、もう一方の信号はそのままで、それぞ
れ90度の位相差を持った2信号が作られる。この2信
号は、それぞれ電力増幅回路A9と電力増幅回路B10
により、超音波モータを駆動するのに十分な電圧値に電
力増幅されて、超音波モータの駆動電極A、Bにそれぞ
れ印加される。
【0013】その結果、振動体に弾性振動の進行波が励
起され、移動体は進行波の波頭の横方向成分により摩擦
駆動されて進行波の振幅に比例した速度で移動を開始す
る。
起され、移動体は進行波の波頭の横方向成分により摩擦
駆動されて進行波の振幅に比例した速度で移動を開始す
る。
【0014】超音波モータの移動体には回転速度検出用
のロータリーエンコーダ12が設置されており、移動体
の回転速度に応じてパルス電圧を出力する。エンコーダ
12の出力パルスは、直流変換回路13によりパルス周
波数に比例した直流電圧に変換される。
のロータリーエンコーダ12が設置されており、移動体
の回転速度に応じてパルス電圧を出力する。エンコーダ
12の出力パルスは、直流変換回路13によりパルス周
波数に比例した直流電圧に変換される。
【0015】例えば、直流変換回路13は周波数カウン
タとD/Aコンバータより構成され、周波数カウンタで
パルス周波数を計数して、計数値をD/Aコンバータで
直流電圧に変換する。誤差増幅回路14の一方の入力端
子には、目的とする移動体の移動速度に対応した設定電
圧Vd1を入力して、もう一方の入力端子には直流変換回
路13の出力を入力する。誤差増幅回路14は、移動体
の移動速度に対応した電圧と設定電圧Vd1との誤差を増
幅した後に出力し、通常速度の時は、周波数制御回路1
5は上記誤差信号に従って、直流変換回路13の直流出
力が設定電圧Vd1に等しくなるように振動体の駆動周波
数を制御する。
タとD/Aコンバータより構成され、周波数カウンタで
パルス周波数を計数して、計数値をD/Aコンバータで
直流電圧に変換する。誤差増幅回路14の一方の入力端
子には、目的とする移動体の移動速度に対応した設定電
圧Vd1を入力して、もう一方の入力端子には直流変換回
路13の出力を入力する。誤差増幅回路14は、移動体
の移動速度に対応した電圧と設定電圧Vd1との誤差を増
幅した後に出力し、通常速度の時は、周波数制御回路1
5は上記誤差信号に従って、直流変換回路13の直流出
力が設定電圧Vd1に等しくなるように振動体の駆動周波
数を制御する。
【0016】図2は、図1に示した実施例に用いる振動
体を構成する圧電体の電極構造例であり、駆動電極A、
Bとともに1/2波長相当のセンサ電極Eを構成してい
る。振動体に弾性進行波が励起されるとセンサ電極Eに
は、圧電効果により圧電定数と振動体の振動の大きさに
比例した電圧が発生する。
体を構成する圧電体の電極構造例であり、駆動電極A、
Bとともに1/2波長相当のセンサ電極Eを構成してい
る。振動体に弾性進行波が励起されるとセンサ電極Eに
は、圧電効果により圧電定数と振動体の振動の大きさに
比例した電圧が発生する。
【0017】この発生電圧を整流回路16により直流信
号に変換する。誤差増幅回路17の一方の入力端子に
は、上記目的とする移動体の移動速度に対応した設定電
圧Vd2を入力して、もう一方の入力端子には整流回路1
6の出力を入力する。誤差増幅回路17により移動体の
移動速度に対応した電圧と設定電圧Vd2との誤差を増幅
した後に、判別回路18に入力される。判別回路18
は、直流変換回路13の直流出力の大きさを判別し、直
流電圧が予め決めておいた値より小さくなれば、つまり
移動体の速度(回転数)が予め決めておいた値より小さ
くなれば、誤差増幅回路17の出力を周波数制御回路1
5に入力する。周波数制御回路15は、誤差増幅回路1
7の出力が設定電圧Vd2に等しくなるように振動体の駆
動周波数を制御し、直流変換回路13の出力を参考にし
て制御精度を上げる。
号に変換する。誤差増幅回路17の一方の入力端子に
は、上記目的とする移動体の移動速度に対応した設定電
圧Vd2を入力して、もう一方の入力端子には整流回路1
6の出力を入力する。誤差増幅回路17により移動体の
移動速度に対応した電圧と設定電圧Vd2との誤差を増幅
した後に、判別回路18に入力される。判別回路18
は、直流変換回路13の直流出力の大きさを判別し、直
流電圧が予め決めておいた値より小さくなれば、つまり
移動体の速度(回転数)が予め決めておいた値より小さ
くなれば、誤差増幅回路17の出力を周波数制御回路1
5に入力する。周波数制御回路15は、誤差増幅回路1
7の出力が設定電圧Vd2に等しくなるように振動体の駆
動周波数を制御し、直流変換回路13の出力を参考にし
て制御精度を上げる。
【0018】低速時にはエンコーダ12の出力パルス間
隔が長くなるので、直流変換回路13の直流電圧出力も
出力パルスに同期して出力されるので、パルス間隔の時
間内の移動体の変化は検出できない。従って、直流変換
回路13の出力のみで移動体の速度制御をすれば、パル
ス間隔の時間内の移動体の速度変化をなくすことはでき
ない。
隔が長くなるので、直流変換回路13の直流電圧出力も
出力パルスに同期して出力されるので、パルス間隔の時
間内の移動体の変化は検出できない。従って、直流変換
回路13の出力のみで移動体の速度制御をすれば、パル
ス間隔の時間内の移動体の速度変化をなくすことはでき
ない。
【0019】ここで、センサ電極の発生電圧を整流回路
16により直流信号に変換し、上記直流信号を速度制御
すれば、常時移動体の速度制御ができる。しかし、低速
時には振動体の振幅が小さくなり、センサ電極の出力も
小さくなるので、整流回路16の出力のS/Nが劣化す
る。従って、周波数制御回路15により、整流回路16
の出力を制御信号として用い、エンコーダ12の出力パ
ルスに同期してS/Nの良い直流変換回路13の出力で
移動体の速度制御の補正をすれば、常に安定な動作をす
る超音波モータが実現できる。
16により直流信号に変換し、上記直流信号を速度制御
すれば、常時移動体の速度制御ができる。しかし、低速
時には振動体の振幅が小さくなり、センサ電極の出力も
小さくなるので、整流回路16の出力のS/Nが劣化す
る。従って、周波数制御回路15により、整流回路16
の出力を制御信号として用い、エンコーダ12の出力パ
ルスに同期してS/Nの良い直流変換回路13の出力で
移動体の速度制御の補正をすれば、常に安定な動作をす
る超音波モータが実現できる。
【0020】図3は超音波モータの移動体の移動速度の
周波数特性であり、同図に示すように、超音波モータの
振動体は圧電体単体の時と同様に、駆動周波数に対して
ヒステリシス特性を示し、このヒステリシス領域では動
作が不安定になる。従って、超音波モータの駆動はヒス
テリシス領域を避けて、それよりも高い周波数領域で、
しかもセンサ電極の検出電圧が駆動周波数に対して単調
である安定動作周波数領域f1からf2内の周波数領域で
行う。この領域内の駆動周波数fdに対応した速度にな
るように設定電圧を設定すれば、上記の制御により低速
時においても超音波モータの移動速度(回転数)は安定
に設定される。
周波数特性であり、同図に示すように、超音波モータの
振動体は圧電体単体の時と同様に、駆動周波数に対して
ヒステリシス特性を示し、このヒステリシス領域では動
作が不安定になる。従って、超音波モータの駆動はヒス
テリシス領域を避けて、それよりも高い周波数領域で、
しかもセンサ電極の検出電圧が駆動周波数に対して単調
である安定動作周波数領域f1からf2内の周波数領域で
行う。この領域内の駆動周波数fdに対応した速度にな
るように設定電圧を設定すれば、上記の制御により低速
時においても超音波モータの移動速度(回転数)は安定
に設定される。
【0021】上記の実施例では超音波モータを一定電圧
の交流電圧で駆動しているが、移動体の設定速度が低い
ときには駆動電圧を低くし、移動体の設定速度が高いと
きには駆動電圧を高くするというように、移動体の速度
に応じて駆動電圧を変えれば常に効率の良い駆動が可能
になる。
の交流電圧で駆動しているが、移動体の設定速度が低い
ときには駆動電圧を低くし、移動体の設定速度が高いと
きには駆動電圧を高くするというように、移動体の速度
に応じて駆動電圧を変えれば常に効率の良い駆動が可能
になる。
【0022】以上の実施例では、通常速度時には速度検
出手段の出力パルスにより移動体の速度制御をしている
が、振動体の振動が大きくなるのでセンサ電極の出力電
圧により速度制御をしても同様の効果が得られる。ま
た、以上の実施例では駆動周波数範囲を限定して移動体
の速度制御を周波数で行っているが、駆動周波数範囲を
限定して移動体の速度制御を駆動電圧で行っても同様の
効果が得られる。
出手段の出力パルスにより移動体の速度制御をしている
が、振動体の振動が大きくなるのでセンサ電極の出力電
圧により速度制御をしても同様の効果が得られる。ま
た、以上の実施例では駆動周波数範囲を限定して移動体
の速度制御を周波数で行っているが、駆動周波数範囲を
限定して移動体の速度制御を駆動電圧で行っても同様の
効果が得られる。
【0023】
【発明の効果】以上説明したように、本発明では、通常
速度はエンコーダ等の速度検出手段の出力またはセンサ
電極に発生する電圧により移動体の速度制御を行い、低
速時にはセンサ電極に発生する電圧を制御信号と共に速
度検出手段の出力パルスを制御信号として用いることに
より、速度検出手段の分解能を上げなくても常に動作の
安定した超音波モータを実現することができる。
速度はエンコーダ等の速度検出手段の出力またはセンサ
電極に発生する電圧により移動体の速度制御を行い、低
速時にはセンサ電極に発生する電圧を制御信号と共に速
度検出手段の出力パルスを制御信号として用いることに
より、速度検出手段の分解能を上げなくても常に動作の
安定した超音波モータを実現することができる。
【図1】本発明の一実施例の超音波モータの駆動制御回
路のブロック図
路のブロック図
【図2】同実施例モータの圧電体に構成する駆動電極と
センサ電極の平面図
センサ電極の平面図
【図3】同実施例モータの回転数の周波数特性図
【図4】従来の円環形超音波モータの切り欠き斜視図
【図5】同従来の超音波モータの円環形圧電体の電極構
造
造
【図6】(a)は、同従来の超音波モータの撓み振動の
振動姿態図 (b)は、同モータの径方向の変位分布図
振動姿態図 (b)は、同モータの径方向の変位分布図
7 電圧制御発振回路 8 90度移相回路 9 電力増幅回路A 10 電力増幅回路B 11 超音波モータ 12 エンコーダ 13 直流変換回路 14 誤差増幅回路A 15 周波数制御回路 16 整流回路 17 誤差増幅回路B 18 判別回路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 武田 克 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (72)発明者 野島 貴志 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (72)発明者 今田 勝巳 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 平4−87579(JP,A) 特開 平4−165968(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H02N 2/00
Claims (2)
- 【請求項1】 弾性基板に圧電体を結合して振動体を構
成し、上記振動体に加圧接触して移動体を設置し、上記
圧電体に形成された駆動電極に、それぞれ所定の位相差
を持った駆動電圧を印加して上記振動体に進行波を励振
し、上記移動体を移動させる超音波モータにおいて、上
記移動体に速度検出手段を設け、上記圧電体に上記駆動
電極と共にセンサ電極を構成し、通常は上記速度検出手
段の出力またはセンサ電極に発生する電圧により上記移
動体の速度制御を行い、低速時には上記速度検出手段の
出力と、上記速度検出手段の出力間隔の時間内における
速度制御を行うための制御信号として上記センサ電極に
発生する電圧とを共に用いることにより、上記移動体の
速度を制御することを特徴とする超音波モータの駆動方
法。 - 【請求項2】 移動体の速度が低いときは駆動電圧を低
くし、速度が高いときは駆動電圧を高くすることを特徴
とする請求項1記載の超音波モータの駆動方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP4219001A JP3060741B2 (ja) | 1992-08-18 | 1992-08-18 | 超音波モータの駆動方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP4219001A JP3060741B2 (ja) | 1992-08-18 | 1992-08-18 | 超音波モータの駆動方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0670560A JPH0670560A (ja) | 1994-03-11 |
JP3060741B2 true JP3060741B2 (ja) | 2000-07-10 |
Family
ID=16728713
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP4219001A Expired - Fee Related JP3060741B2 (ja) | 1992-08-18 | 1992-08-18 | 超音波モータの駆動方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3060741B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB2425160B (en) * | 2005-04-12 | 2010-11-17 | Perpetuum Ltd | An Electromechanical Generator for, and method of, Converting Mechanical Vibrational Energy into Electrical Energy |
-
1992
- 1992-08-18 JP JP4219001A patent/JP3060741B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH0670560A (ja) | 1994-03-11 |
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