JP4522055B2 - Driving method and driving apparatus for ultrasonic motor - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波モータの駆動方法と駆動装置に関し、より具体的には共振型超音波モータの微動制御に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、図7に示すように、2個の超音波振動子101a・101bと、超音波振動子101a・101bを所定の角度(例えば、90度)で保持する保持部材102と、略V字型の形状を有し、その頂点部で被駆動体であるロータ105と接し、その端部(V字型の開いている方)で超音波振動子101a・101bと接続されたヘッド103と、を備えた共振型の超音波モータ100が知られている(例えば、特許文献1参照)。
【0003】
この超音波モータ100では、超音波振動子101a・101bを位相が90度ずれた共振周波数でそれぞれ駆動することにより、ヘッド103の先端部には楕円運動が生ずる。楕円運動するヘッド103を一定の力でロータ105の端面に押し付けると、ヘッド103とロータ105との間に生ずる摩擦力によってロータ105の外周の接線方向への推力が加わるために、ロータ105を回転させることができる(以下これを「共振駆動」という)。
【0004】
【特許文献1】
特開2000−152671号公報(第24〜29段落、第1図)
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、超音波振動子101a・101bに共振周波数帯域の所定周波数の交流電圧を印加して超音波振動子101a・101bを駆動し、その後に超音波振動子101a・101bの駆動を停止しても、ヘッド103が慣性によって微小に動く。このとき、ヘッド103がロータ105に推力を加えてしまうために、ロータ105を高精度で位置決めする(例えば、ナノメートルオーダーで位置決めする)ことは困難である。
【0006】
これを解決するために、直流電圧による微少変位コントロールが考えられる(以下これを「直流駆動」という)。直流駆動では、ストロークに制限があり、無限に送ることはできない。このため、このような制御を行う場合、直流電圧による変位が共振による高速駆動の位置決め精度より大きいことが必要である。
共振駆動による高速移動後の停止位置から目的位置までの距離が直流による変位より長い場合、直流駆動によって目的位置には到達できず、高精度の位置決めが完結しない。
【0007】
しかしながら、モータを小さくしたい場合など、圧電セラミックス部分の大きさが小さくなった場合、直流駆動による変位が共振駆動による高速駆動の位置決め精度より小さくなくなってしまうため、高精度の位置決めを行うことができないという問題が生じた。
【0008】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、高精度な位置決めを可能とする超音波モータの駆動方法を提供することを目的とする。また本発明は、高速かつ高精度な位置決めを可能とする超音波モータの駆動方法を提供する。さらに本発明はこのような超音波モータの駆動に用いる駆動装置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】
本発明によれば、圧電素子を備えたランジュバン型の2個の超音波振動子と、前記2個の超音波振動子を所定の角度で保持する保持部材と、略V字型の形状を有し、その頂点部で被駆動体と接し、その端部で前記2個の超音波振動子と接続された接触部材と、を備えた超音波モータの駆動方法において
位置センサによって前記被駆動体が目標位置に対して所定の距離に近づいたことを検出すると、駆動制御装置は共振駆動信号を発生させる第1フィードバック制御装置の動作を停止させ、次に直流電圧信号を発生させる第2フィードバック制御装置の動作開始を指令し、
前記直流電圧信号は信号反転器によって正負の反転処理が行われた後に2つの増幅器の一方に入力される逆電圧と、直接に2つの増幅器の他方に入力される順電圧とに分かれていて、一定の電圧値まで増幅された後に前記2個の超音波振動子の一方が具備する圧電素子に順電圧を印加し、且つ前記2個の超音波振動子の他方が具備する圧電素子に逆電圧を印加することで前記超音波モータを駆動して前記被駆動体を目標位置に位置決めするものであり、
前記2個の超音波振動子の一方が具備する圧電素子にかける直流電圧を変化させることにより、前記接触部材を微小に動かして前記接触部材に接した被駆動体を一方向に動かすことと、
前記被駆動体が目標位置に依然として到達しない場合は、前記2個の超音波振動子が具備する圧電素子に印加する前記直流電圧信号の正負を急激に逆転させることで
前記接触部材の速度を急激に変化させて、前記接触部と、接している被駆動体との間を滑らせる(以下これを「すべり駆動」という)ことを特徴とする超音波モータの駆動方法、が提供される。
【0010】
このような超音波モータの駆動方法によれば、被駆動体を無限に高精度で動かすことができるので、共振駆動による高速駆動の位置決め精度が直流駆動による駆動範囲内より悪い場合でも、高精度に位置決めすることができる。
【0011】
この超音波モータの駆動方法によれば、最初は超音波振動子を共振駆動することによって短時間で被駆動体を目的位置の近傍まで移動させることができ、被駆動体が目的位置の近傍に到達した後に超音波振動子を直流駆動する、より正確に言えば、圧電素子に直流電圧を印加して超音波振動子に静的変位が生じるように超音波振動子を駆動する、ことによって、被駆動体を目的位置に高精度に位置決めすることができる。このとき、高速移動後の停止位置が直流駆動による駆動範囲を超えていた場合、もしくは外乱などによって直流駆動の範囲外に位置がずれた場合に、本発明による直流駆動とすべり駆動を組み合わせた駆動方法によって直流駆動の範囲内まで目的位置に近づくことができ、直流駆動による高精度の位置決めが可能となる。
【0012】
なお、被駆動体が回転体であり、この回転体を所定角度回転させる場合には、最初に超音波振動子を共振駆動することにより回転体を目的角度付近にまで高速で回転させ、その後、直流駆動して回転角度を高精度に位置決めすることができる。このとき、高速移動後の停止位置が直流駆動による駆動範囲を超えていた場合、もしくは外乱などによって直流駆動の範囲外に位置がずれた場合に、本発明による直流駆動とすべり駆動を組み合わせた駆動方法によって直流駆動の範囲内まで目的位置に近づくことができ、直流駆動による高精度の位置決めが可能となる。
【0013】
このような超音波モータの駆動方法においては、超音波振動子を直流駆動して被駆動体を微小に一方向に動かした後には、圧電素子に直流電圧を印加した状態で保持することにより、被駆動体を一定の位置で保持する。この状態で外乱などにより直流電圧による変位の範囲を超えた場合に、本方式を用いて前記範囲内に移動させて、直流電圧による変位の範囲内に戻すことができる。超音波振動子のすべり駆動の方法としては、2個の超音波振動子のうちの一方の圧電素子だけ駆動電圧を急激に変化させる方法と、2個の超音波振動子の一方の圧電素子を順電圧で急激に変位させ、他方の圧電素子を逆電圧で急激に変位させる方法とがある。
【0014】
本発明によれば、このようにして超音波モータを駆動するための駆動装置が提供される。すなわち、圧電素子を備えたランジュバン型の2個の超音波振動子と、前記2個の超音波振動子を所定の角度で保持する保持部材と、略V字型の形状を有し、その頂点部で被駆動体と接し、その端部で前記2個の超音波振動子と接続された接触部材と、を備えた超音波モータの駆動装置において、前記被駆動体の位置を検出する位置センサと、前記超音波振動子を交流電圧で共振駆動することによって前記被駆動体を動かす共振駆動装置と、
前記2個の超音波振動子が具備する圧電素子を直流電圧で駆動して前記接触部材を動かすことにより、前記接触部材に接している前記被駆動体を一方向に動かす直流駆動装置と、前記位置センサの検出信号にしたがって前記共振駆動装置または前記直流駆動装置を駆動させる駆動信号を送る駆動制御装置と、
前記共振駆動装置に具備され、前記駆動制御装置からの前記駆動信号により前記超音波モータを共振駆動させるための交流電圧を発生させ、増幅器に送る第1フィードバック制御装置と、
前記直流駆動装置に具備され、前記前記駆動制御装置からの前記駆動信号により前記超音波モータを直流駆動させるための直流電圧を発生させ、増幅器に送る第2フィードバック制御装置と、
前記直流駆動装置に具備され、直流電圧の正負を逆転する信号反転器と、
2つの増幅器と、
を具備し、
前記位置センサによって前記被駆動体が目標位置に対して所定の距離に近づいたことを検出すると、前記駆動制御装置は前記第1フィードバック制御装置の動作を停止させ、次に前記第2フィードバック制御装置の動作開始を指令し、
直流電圧は前記信号反転器によって正負の反転処理が行われた後に前記2つの増幅器の一方に入力される逆電圧と、直接に前記2つの増幅器の他方に入力される順電圧とに分かれていて、一定の電圧値まで増幅された後に前記2個の超音波振動子の一方が具備する圧電素子に順電圧を印加し、且つ前記2個の超音波振動子の他方が具備する圧電素子に逆電圧を印加することで前記超音波モータを駆動して前記被駆動体を目標位置に位置決めするものであり、
被駆動体の位置が目標位置から、あらかじめ定められた範囲外にある場合、または前記圧電素子に印加される直流電圧が前記圧電素子の許容限界まで達したにもかかわらず目標位置に来ない場合、
前記圧電素子を直流電圧で変位させて前記接触部材を動かすことにより、前記接触部材に接している被駆動体を動かすことと、
前記2個の超音波振動子が具備する圧電素子に印加する直流電圧の正負を急激に逆転させることで
前記接触部材の速度を急激に変化させて、前記接触部と接している被駆動体との間を滑らせることを繰り返すことによって、前記接触部材に接している被駆動体を指示された位置からあらかじめ定められた範囲内に動かすことを特徴とする超音波モータ駆動装置、が提供される。
本発明によれば、位置決め精度を位置検出センサの検出限界(分解能の限界)まで高めることができる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図1は超音波モータ10の概略構成を示す説明図である。この超音波モータ10は、先に図7に示した超音波モータ100と同じ構造を有するが、改めてより詳しく超音波モータ10の構造について説明する。
【0016】
超音波モータ10は、ランジュバン型の構造を有する2個の超音波振動子11a・11bと、超音波振動子11a・11bを90度の角度で保持する保持部材12と、被駆動体15に接する略V字型の形状を有するヘッド13とを有している。保持部材12には押圧機構14が取り付けられており、押圧機構14は所定の力でヘッド13を被駆動体15に押しあてている。
【0017】
超音波振動子11a・11bは同じ構造を有する。超音波振動子11aは、両端がネジ切りされたボルト21と、ボルト21のネジ溝に嵌合するネジ穴を有する袋ナット22と、ボルト21を通すことができる2枚のリング状の圧電板23a・23bと、ボルト21を通すことができるリング状の電極板24a〜24cとを有している。超音波振動子11bは、超音波振動子11aと同様に、ボルト21´と、袋ナット22´と、2枚のリング状の圧電板23a´・23b´と、リング状の電極板24a´〜24c´とを有している。圧電板23a・23b・23a´・23b´の表裏面には電極(図示せず)が形成されている。
【0018】
保持部材12にはボルト21を通すための孔部が設けられている。ヘッド13は、被駆動体15に接する当接部13aと、超音波振動子11a・11bと連結される連結部13b・13b´と、当接部13aと連結部13b・13b´とを連結するネック部13c・13c´から構成されており、連結部13b・13b´にはそれぞれボルト21・21´のネジ溝に嵌合するネジ穴が形成されている。なお、圧電板23a・23bは袋ナット22とヘッド13の連結部13bによって所定の力で締め付けられ、これによってランジュバン型の超音波振動子11aが得られることから、ヘッド13の連結部13bは超音波振動子11aの構成要素でもある。同様に、連結部13b´は超音波振動子11bの構成要素でもある。
【0019】
図1に示されるように、圧電板23a・23bが電極板24a〜24cに挟まれるように配置し、これら圧電板23a・23bと電極板24a〜24cおよび保持部材12の孔部にボルト21を通し、ボルト21の端部にそれぞれヘッド13と袋ナット22を取り付ける。これによって圧電板23a・23bは所定の力で締め付けられる。このように、超音波モータ10においては、ヘッド13は被駆動体15に推力を与えるだけでなく、圧電板23a・23bを締め付けてランジュバン型振動子を構成する部材としての役割を担っている。勿論、2個のナットで圧電体23a・23bを締め付けて構成されるランジュバン型振動子を準備し、一方のナットをヘッド13の連結部13bにネジ止めや接着剤による接着や溶接等によって取り付けることによって、超音波モータ10と同等の超音波モータを構成してもよい。
【0020】
圧電板23a・23bには、PZT系等の圧電セラミックスが好適に用いられる。圧電板23a・23bの分極の向きは、圧電板23a・23bの間に挟まれている電極板24bについて対称となっている。また、電極板24a・24cは互いに電気的に接続されている。したがって、電極板24bと電極板24cとの間に電圧を印加すると、圧電板23a・23bには同じ位相で変位(振動)が生ずる。つまり、圧電板23a・23bがその厚み方向に共に伸び、または、共に縮む。
【0021】
通常、ボルト21と袋ナット22と保持部材12は金属製であり、この場合には電極板24a・24cは保持部材12を介して袋ナット22と導通する。このため、保持部材12または超音波振動子11aの袋ナット22を圧電体23a・23bを駆動するための接地電極として用いることができ、このときに超音波振動子11bが具備する圧電板23a´・23b´を駆動するためのアースを同時にとることができる。
【0022】
超音波振動子11aの圧電板23a・23bを伸縮させ、またこれと同時に超音波振動子11bの圧電板23a´・23b´を伸縮させた際には、ヘッド13のネック部13c・13c´が適度にしなって、超音波振動子11a・11bの変位が当接部13aにおいて合成され、これによって当接部13aが変位する。
【0023】
ヘッド13には、耐摩耗性に優れる材料、例えば、ステンレスや超硬合金等の金属材料や、アルミナや窒化ケイ素、炭化ケイ素等のセラミックスが用いられる。ヘッド13が金属製であれば、ヘッド13にボルト21と連結するためのネジ溝を形成することが容易である。ヘッド13が金属製であっても、ヘッド13は電極板24aと導通するために、保持部材12または超音波振動子11a・11bの袋ナット22・22´のいずれかを接地すれば、ヘッド13もまた接地される。なお、ヘッド13を金属材料で作製し、その当接部13aの表面に窒化ケイ素等のコーティングを施すことも好ましい。また、ヘッド13を金属材料で作製し、当接部13aにセラミック部材を配設し、このセラミック部材が実質的に被駆動体15と接するようにしてもよい。
【0024】
押圧機構14としては、例えば、エアーシリンダや油圧シリンダ、スプリングコイル等が用いられる。
【0025】
このような構造を有する超音波モータ10を共振駆動する場合には、超音波振動子11aと超音波振動子11bとを、位相が90度ずれた交流電圧で駆動する。例えば、図1に示されるように、超音波振動子11aの電極板24bにV=V0sin(2πft)(V0;ゼロ−ピーク電圧、f;周波数、t;時間)の交流電圧を印加し、これと同時に超音波振動子11bの電極板24b´にV=V0cos(2πft)の交流電圧を印加する。これによって超音波振動子11a・11bが伸縮し、当接部13aには図1に示すような反時計回りの楕円運動が生じ、被駆動体15は+Xの向きに移動する。
【0026】
逆に超音波振動子11aにV=V0cos(2πft)を印加し、超音波振動子11bにV=V0sin(2πft)の交流電圧を印加すれば、時計回りの楕円運動が生じるために、被駆動体15を−Xの向きに移動させることができる。また、超音波振動子11aにV=V0sin(2πft)を印加し、超音波振動子11bにV=−V0cos(2πft)の交流電圧を印加すれば、時計回りの楕円運動が生じるために、被駆動体15を−Xの向きに移動させることができる。
【0027】
このように超音波モータ10を共振駆動させた場合の被駆動体15の位置決め精度は、超音波振動子11a・11bを駆動する電圧を切っても当接部13aが慣性によって微小に動くために、数十〜数百ナノメートルオーダーが限界である。そこで被駆動体15をより高精度に位置決めするために、超音波モータ10を直流電圧により駆動する。
【0028】
図2は超音波モータ10を直流駆動する形態の一例を示す説明図である。図2に示されるように、超音波振動子11aの圧電板23a・23bに順電圧(分極の向きと電界の向きが同じ場合)を印加すると、圧電縦効果によって圧電板23a・23bが厚み方向に伸びて当接部13aは矢印Aの方向に変位しようとする。このときに、当接部13aが被駆動体15を+Xの向きに推力を加え、被駆動体15は当接部13aと接した状態で+Xの向きに移動する。
【0029】
また、図2に示すように、超音波振動子11aの圧電板23a・23bに順電圧を印加すると同時に、超音波振動子11bの圧電板23a´・23b´に逆電圧(分極の向きと電界の向きが逆の場合)を印加すると、圧電板23a´・23b´が縮むために、当接部13aの変位量が大きくなる。つまり、被駆動体15の移動範囲を広くすることができる。このような超音波振動子11a・11bの直流駆動による当接部13aの駆動制御範囲、つまり当接部13aの変位量は、超音波振動子11a・11bを共振駆動した際の当接部13aの位置決め精度長さよりも長いことが好ましいが、モータの大きさなどにより駆動制御範囲が位置決め精度長さよりみじかいことも考えられる。
また、外乱などによって位置決め位置が駆動制御範囲を超えてしまうことも考えられる。
【0030】
このようなときに圧電板23a・23b、23a´・23b´にかける電圧を急激に変化させて、13aの動く速度を急激に変化させると被駆動体15は追随できず、13aのみ移動し、再度目的位置に向かって直流駆動が可能となる。
【0031】
このように、直流の駆動範囲を超えた場合でも共振駆動を用いることなく直流駆動による位置決めを継続できるため、直流駆動範囲が共振駆動時の位置決め精度以下のモータを使用した場合でも、直流駆動による位置決め精度が確保される。
【0032】
図6は、超音波振動子11aの圧電板23a・23bに順電圧、超音波振動子11bの圧電板23a´・23b´に逆電圧を鋸波状に印加することによって、超音波モータ10を駆動した場合の応答性を示すグラフ、図5はそのときの印加電圧を示すグラフである。図6から、直流駆動とすべり駆動の連続によって約1μm/secで1方向に移動していることが確認された。
【0033】
次に、超音波モータ10を共振駆動と直流駆動とすべり駆動を組み合わせて駆動する方法について説明する。図3は超音波モータ10の駆動装置50を示す説明図である。駆動装置50は、被駆動体15の位置を検出する位置センサ31と、超音波モータ10を共振駆動する共振駆動装置32と、超音波モータ10を直流駆動する直流駆動装置33と、位置センサ31の検出信号にしたがって共振駆動装置32または直流駆動装置33に駆動指令信号を送る駆動制御装置(CPU)34と、を具備している。共振駆動装置32と直流駆動装置33は増幅器35a・35bを共有しており、さらに共振駆動装置32は第1フィードバック制御装置36と位相制御装置37とを有し、直流駆動装置33は第2フィードバック制御装置38と信号反転器39とを有している。
【0034】
位置センサ31としては、レーザを利用した非接触光学式センサシステムが好適に用いられる。例えば、被駆動体15には被駆動体15の位置を示すためのマーキング(図示せず)が施されており、位置センサ31は反射光パターンから被駆動体15の位置を検出する。
【0035】
第1フィードバック制御装置36は、駆動制御装置(CPU)34から超音波モータ10を共振駆動させる指令信号を受信すると、超音波モータ10を共振駆動させるための共振駆動信号を発生させ、それを増幅器35a・35bに送る。また第1フィードバック制御装置36は、位置センサ31の検出信号を受信して、被駆動体15の移動速度を調節する。このため第1フィードバック制御装置36は、共振駆動信号の波形を適宜変形させる(例えば、ゼロ−ピーク電圧値を変化させる)ことができるようになっている。
【0036】
第1フィードバック制御装置36から増幅器35a・35bへは同一波形の共振駆動信号が出力される。このため一方の増幅器、つまり増幅器35aに送られる共振駆動信号は増幅器35aに入力される前に位相制御装置37によって位相を90度ずらされる。例えば、第1フィードバック制御装置36から出力される共振駆動信号がV=V0sin(2πft)である場合には、増幅器35bにはこのV=V0sin(2πft)の共振駆動信号が入力されるが、増幅器35aには位相制御装置37によって位相制御されたV=V0cos(2πft)またはV=−V0cos(2πft)の共振駆動信号が入力される。
【0037】
なお、第1フィードバック制御装置36から出力される共振駆動信号はV=V0cos(2πft)であってもよい。この場合には、位相制御装置37からは、V=V0sin(2πft)またはV=−V0sin(2πft)の共振駆動信号が出力される。
【0038】
第2フィードバック制御装置38は、駆動制御装置(CPU)34から超音波モータ10を直流駆動させる指令信号を受け取ると、超音波モータ10を直流駆動させるための直流電圧信号を発生させ、それを増幅器35a・35bに送る。また第2フィードバック制御装置38は、位置センサ31からの信号を受信して、直流電圧信号の電圧値を適宜調整して増幅器35a・35bに送ることができるようになっている。
【0039】
第2フィードバック制御装置38から増幅器35a・35bへは同じ直流電圧信号が出力される。このため増幅器35aに送られる直流電圧信号は増幅器35aに入力される前に信号反転器39によって正負を逆転される。これにより、例えば、超音波振動子11aの圧電板23a・23bに順電圧を印加した際に、超音波振動子11bの圧電板23a´・23b´に逆電圧を印加することができる。
【0040】
図4は駆動装置50を用いて、被駆動体15を、被駆動体15のK点が位置S1にある状態から目的位置S2に位置する状態となるように、移動させる場合の制御範囲を示す説明図であり、図4(a)はその全体図を、図4(b)は図4(a)中の点線枠を中心とした拡大図である。
【0041】
初期状態では、位置センサ31はK点が位置S1にある(被駆動体15は2点鎖線で示す位置にある)ことを示す検出信号を駆動制御装置(CPU)34に送っている。なお、被駆動体15は、被駆動体15が移動した際にK点が目的位置S2等にあることを位置センサ31が検出できるように、マーキングされている。この状態から、例えばオペレータによって、K点を目的位置S2へ移動させることを指示する信号が駆動制御装置(CPU)34に入力される。駆動制御装置(CPU)34は、位置センサ31から受信した位置検出信号から、共振駆動装置32または直流駆動装置33のどちらを駆動させるかを判断する。
【0042】
超音波モータ10の直流駆動による被駆動体15の移動可能距離をLとすると、直流駆動装置33による位置決めが可能な範囲は、図4(b)に示されるように、目的位置S2から距離Lだけ離れた位置S5と位置S6の間となる。ここで、位置S1はこの位置S5〜位置S6の間から外れているものとする。そのため、駆動制御装置(CPU)34は共振駆動装置32に動作指令信号を送り、共振駆動装置32が被駆動体15の駆動を開始する。
【0043】
超音波モータ10は、常にK点を目的位置S2に位置するように被駆動体15を位置決めする駆動精度は有していない。そこでK点が位置S5〜位置S6の間(好ましくは位置S3〜位置S4の間)に入るように、被駆動体15を移動させる。なお、「K点が目的位置S2に位置する」とは、位置センサ31による被駆動体15の位置検出の結果、K点が目的位置S2にあると判断される状態をいい、その精度はセンサによって異なるが例えばレーザー測長器を使用した場合±0.7nm以下の範囲である。
【0044】
具体的には、共振駆動装置32が具備する第1フィードバック制御装置36は、共振駆動信号(例えば、V=V0sin(2πft))を発生させて増幅器35a・35bに送る。前述したように、増幅器35aには位相制御装置37によって位相が90度ずれた共振駆動信号(V=V0cos(2πft))が入力される。増幅器35a・35bは入力された共振駆動信号の電圧増幅を行い、この電圧増幅された信号が超音波振動子11a・11bにそれぞれ入力される。これにより超音波モータ10が共振駆動され、被駆動体15が移動を開始する。
【0045】
被駆動体15を目的位置S2から所定距離離れた位置S7まで高速で移動させるために、第1フィードバック制御装置36から出力される共振駆動信号のゼロ−ピーク電圧値と周波数が定められる。なお、増幅器35a・35bにおける共振駆動信号の増幅率は速度一定となるようにコントロールされる。
【0046】
被駆動体15の位置は位置センサ31によって検出され、その検出信号は駆動制御装置(CPU)34と第1フィードバック制御装置36に送られる。駆動制御装置(CPU)34は、K点が位置S5と位置S6の間(より好ましくは位置S3と位置S4の間)に入ったという検出信号を位置センサ31から受信するまで共振駆動装置32に動作指令信号を送る。これに対し、第1フィードバック制御装置36は、K点が位置S7を超えて目的位置S2側に入ったという検出信号を位置センサ31から受信した場合には、被駆動体15の移動速度を減速させて、K点が位置S5と位置S6の間入りやすくする。
【0047】
被駆動体15の移動速度を下げる方法としては、共振駆動信号のゼロ−ピーク電圧値を下げ、または、周波数を共振周波数およびその近傍において変える方法が挙げられる。ここで、「共振周波数およびその近傍」とは超音波モータ10が実質的に共振駆動する周波数を指す。第1フィードバック制御装置36は、被駆動体15の移動速度を減速させた後に、位置センサ31からK点が位置S5と位置S6の間に入ったという検出信号を受信するまで、共振駆動信号を増幅器35a・35bに出力する。
【0048】
K点が位置S5と位置S6の間に入ったら、駆動制御装置(CPU)34は、第1フィードバック制御装置36の動作を停止させ、次に第2フィードバック制御装置38の動作開始を指令する。直流駆動装置33による被駆動体15の駆動では、第2フィードバック制御装置38が、位置センサ31から検出信号を受けながら、直流電圧信号を増幅器35a・35bに送る。前述したように、増幅器35aに向けて送られる直流電圧信号は、増幅器35aに入力される前に信号反転器39によって正負の反転処理が行われる。増幅器35a・35bでは直流電圧信号が一定の電圧値まで増幅され、超音波振動子11aの圧電板23a・23bと超音波振動子11bの圧電板23a´・23b´に印加される。これにより、当接部13aを微小に動かして、位置センサ31の検出精度限界まで、K点を目的位置S2に位置決めする。
【0049】
ここで、K点がS5とS6の範囲を超えた場合、または、超音波振動子11aの圧電板23a・23bと超音波振動子11bの圧電板23a´・23b´に印加される電圧が素子の許容限界まで達したにもかかわらずS2の位置に来ない場合、直流信号の電圧の正負を逆転する。こうしてすべり駆動を起こさせてK点をずらし、直流駆動を再開する。
【0050】
被駆動体15の位置決めが終了しても、超音波振動子11aの圧電板23a・23bと超音波振動子11bの圧電板23a´・23b´には、K点が常に目的位置S2にあるように、第2フィードバック制御装置38は位置センサ31からの検出信号を受信しながら、超音波振動子11aの圧電板23a・23bと超音波振動子11bの圧電板23a´・23b´に印加される直流電圧信号の電圧値を適宜変化させる。被駆動体15が目的位置S2にある状態で、例えば被駆動体15に取り付けられた図示しない被加工体に所定の加工が施されたら、K点をさらに別の位置に、上述したようにK点を位置S1から目的位置S2へ移動させた方法と同じ方法で、移動させる。
【0051】
以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明はこのような形態に限定されるものではない。例えば、上記説明においては、被駆動体15を直線移動させた形態について説明したが、回転自在なロータの外周端面にヘッド13の当接部13aを押しあてて超音波モータ10を駆動すれば、ロータの回転角度を高精度に制御することができる。超音波振動子11a・11bが具備する圧電板の数は、1個でもよく3個以上であってもよい。
【0052】
【発明の効果】
上述の通り、本発明によれば、圧電素子を共振駆動して接触部材(ヘッド)に楕円運動を生じさせることにより短時間で被駆動体を目的位置の近傍まで移動させることができ、その後に、接触部材に慣性を生じさせることなく、被駆動体に力を加えて被駆動体を微小に動かすことができるので、被駆動体を従来よりも高精度に位置決めすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の駆動方法が適用される超音波モータの概略構成を示す平面図(上側)および断面図(下側)。
【図2】超音波モータを直流駆動する形態の一例を示す説明図。
【図3】超音波モータの駆動装置の概略構成を示す説明図。
【図4】被駆動体を所定位置に移動させる場合の制御範囲を示す説明図。
【図5】本発明の駆動方法適用時の印加電圧の一例を示す説明図。
【図6】本発明のすべり駆動の一例を示す説明図。
【図7】従来の超音波モータの一例を示す説明図。
【符号の説明】
10;超音波モータ
11a・11b;超音波振動子
12;保持部材
13;ヘッド
13a;当接部
13b;連結部
13c;ネック部
14;押圧機構
15;被駆動体
21・21´;ボルト
22・22´;袋ナット
23a・23b・23a´・23b´;圧電板
24a〜24c;24a´〜24c´;電極板
31;位置センサ
32;共振駆動装置
33;直流駆動装置
34;駆動制御装置(CPU)
35a・35b;増幅器
36;第1フィードバック制御装置
37;位相制御装置
38;第2フィードバック制御装置
39;信号反転器
100;超音波モータ
101a・101b;超音波振動子
102;保持部材
103;ヘッド
105;ロータ
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a driving method and a driving apparatus of an ultrasonic motor, and more specifically to fine movement control of a resonant ultrasonic motor.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as shown in FIG. 7, two ultrasonic transducers 101a and 101b, a holding member 102 that holds the ultrasonic transducers 101a and 101b at a predetermined angle (for example, 90 degrees), and a substantially V-shape A head 103 which is in contact with the rotor 105 which is a driven body at the apex portion thereof, and which is connected to the ultrasonic transducers 101a and 101b at its end portion (the V-shaped open side). A resonance-type ultrasonic motor 100 provided is known (see, for example, Patent Document 1).
[0003]
In this ultrasonic motor 100, the ultrasonic transducers 101 a and 101 b are driven at resonance frequencies whose phases are shifted by 90 degrees, whereby elliptical motion occurs at the tip of the head 103. When the elliptically moving head 103 is pressed against the end face of the rotor 105 with a constant force, a thrust force in the tangential direction of the outer periphery of the rotor 105 is applied by the frictional force generated between the head 103 and the rotor 105, so that the rotor 105 rotates. (Hereinafter, this is referred to as “resonance driving”).
[0004]
[Patent Document 1]
JP 2000-152671 A (paragraphs 24 to 29, FIG. 1)
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, even if the ultrasonic vibrators 101a and 101b are driven by applying an AC voltage having a predetermined frequency in the resonance frequency band to the ultrasonic vibrators 101a and 101b, and then the driving of the ultrasonic vibrators 101a and 101b is stopped. The head 103 moves minutely due to inertia. At this time, since the head 103 applies a thrust to the rotor 105, it is difficult to position the rotor 105 with high accuracy (for example, positioning on the nanometer order).
[0006]
In order to solve this, a minute displacement control by a DC voltage can be considered (hereinafter referred to as “DC drive”). In direct current drive, the stroke is limited and cannot be sent indefinitely. For this reason, when such control is performed, it is necessary that the displacement due to the DC voltage is larger than the positioning accuracy of the high-speed drive due to resonance.
When the distance from the stop position to the target position after high-speed movement by resonance driving is longer than the displacement due to direct current, the target position cannot be reached by direct current driving, and high-precision positioning is not completed.
[0007]
However, when the size of the piezoelectric ceramic portion is reduced, for example, when it is desired to make the motor smaller, the displacement due to the direct current drive is not smaller than the positioning accuracy of the high-speed drive due to the resonance drive, and thus high-accuracy positioning cannot be performed. The problem that occurred.
[0008]
The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide an ultrasonic motor driving method that enables highly accurate positioning. The present invention also provides an ultrasonic motor driving method that enables high-speed and highly accurate positioning. A further object of the present invention is to provide a driving apparatus used for driving such an ultrasonic motor.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, there are two Langevin type ultrasonic transducers each including a piezoelectric element, a holding member that holds the two ultrasonic transducers at a predetermined angle, and a substantially V-shaped configuration. And a contact member which is in contact with the driven body at the apex portion and connected to the two ultrasonic transducers at the end portion thereof, and a method of driving the ultrasonic motorIn,
When the position sensor detects that the driven body has approached a predetermined distance from the target position, the drive control apparatus stops the operation of the first feedback control apparatus that generates the resonance drive signal, and then the DC voltage signal. Command to start the operation of the second feedback control device for generating
The DC voltage signal is divided into a reverse voltage input to one of the two amplifiers after being subjected to positive / negative inversion processing by a signal inverter, and a forward voltage directly input to the other of the two amplifiers, A forward voltage is applied to the piezoelectric element included in one of the two ultrasonic transducers after being amplified to a certain voltage value, and a reverse voltage is applied to the piezoelectric element included in the other of the two ultrasonic transducers. To drive the ultrasonic motor to position the driven body at a target position,
Changing the DC voltage applied to the piezoelectric element included in one of the two ultrasonic transducers to move the contact member in a small direction by moving the contact member in one direction;
When the driven body still does not reach the target position, the sign of the DC voltage signal applied to the piezoelectric elements included in the two ultrasonic transducers is abruptly reversed.
A method for driving an ultrasonic motor, wherein the speed of the contact member is rapidly changed to slide between the contact portion and a driven body in contact (hereinafter referred to as “sliding drive”). Is provided.
[0010]
According to such a driving method of the ultrasonic motor, the driven body can be moved with infinitely high accuracy, so even if the positioning accuracy of high-speed driving by resonance driving is worse than the driving range by DC driving, high accuracy is achieved. Can be positioned.
[0011]
According to this ultrasonic motor driving method, the driven body can be moved to the vicinity of the target position in a short time by resonantly driving the ultrasonic vibrator, and the driven body is moved to the vicinity of the target position. Driving the ultrasonic transducer after reaching it, more precisely, by applying a direct voltage to the piezoelectric element and driving the ultrasonic transducer to produce a static displacement in the ultrasonic transducer, The driven body can be positioned at the target position with high accuracy. At this time, when the stop position after high-speed movement exceeds the driving range by DC driving, or when the position shifts outside the DC driving range due to disturbance or the like, driving combining DC driving and sliding driving according to the present invention By the method, the target position can be approached to within the range of DC driving, and high-precision positioning by DC driving becomes possible.
[0012]
In addition, when the driven body is a rotating body and the rotating body is rotated by a predetermined angle, the rotating body is rotated at high speed to the vicinity of the target angle by first resonantly driving the ultrasonic transducer, and then The rotation angle can be positioned with high accuracy by direct current driving. At this time, when the stop position after high-speed movement exceeds the driving range by DC driving, or when the position shifts outside the DC driving range due to disturbance or the like, driving combining DC driving and sliding driving according to the present invention By the method, the target position can be approached to within the range of DC driving, and high-precision positioning by DC driving becomes possible.
[0013]
In such a driving method of the ultrasonic motor, after the ultrasonic vibrator is DC-driven and the driven body is moved in one direction minutely, by holding a DC voltage applied to the piezoelectric element, Hold the driven body in a fixed position. In this state, when the range of displacement due to DC voltage is exceeded due to disturbance or the like, it can be moved within the range by using this method and returned to the range of displacement due to DC voltage. As a method of sliding the ultrasonic transducer, a method in which the drive voltage is rapidly changed by only one piezoelectric element of the two ultrasonic transducers, and one piezoelectric element of the two ultrasonic transducers are used. There is a method of abruptly displacing with a forward voltage and abruptly displacing the other piezoelectric element with a reverse voltage.
[0014]
According to the present invention, a driving device for driving the ultrasonic motor in this way is provided. That is, two Langevin type ultrasonic transducers provided with a piezoelectric element, a holding member for holding the two ultrasonic transducers at a predetermined angle, and a substantially V-shaped shape, its apex An ultrasonic motor drive device comprising: a contact member that is in contact with a driven body at a portion and connected to the two ultrasonic vibrators at an end portion thereofInA position sensor that detects the position of the driven body, and a resonance driving device that moves the driven body by resonance driving the ultrasonic transducer with an alternating voltage;
The two ultrasonic transducersHasA DC driving device that moves the driven member in contact with the contact member in one direction by driving the piezoelectric element with a DC voltage to move the contact member, and the resonance driving device according to a detection signal of the position sensor Or a drive control device for sending a drive signal for driving the DC drive device;
A first feedback control device that is provided in the resonance drive device, generates an AC voltage for resonance driving the ultrasonic motor by the drive signal from the drive control device, and sends the AC voltage to an amplifier;
A second feedback control device that is provided in the DC drive device, generates a DC voltage for DC driving of the ultrasonic motor by the drive signal from the drive control device, and sends the DC voltage to an amplifier;
A signal inverter provided in the DC drive device for reversing the polarity of the DC voltage;
Two amplifiers,
Comprising
When the position sensor detects that the driven body has approached a predetermined distance from the target position, the drive control device stops the operation of the first feedback control device, and then the second feedback control device. Command to start
The DC voltage is divided into a reverse voltage that is input to one of the two amplifiers after being subjected to positive / negative inversion processing by the signal inverter, and a forward voltage that is directly input to the other of the two amplifiers. A forward voltage is applied to the piezoelectric element included in one of the two ultrasonic transducers after being amplified to a certain voltage value, and reversely applied to the piezoelectric element included in the other of the two ultrasonic transducers. The ultrasonic motor is driven by applying a voltage to position the driven body at a target position,
The position of the driven body isTarget positionIf it is outside the predetermined rangeOr if the DC voltage applied to the piezoelectric element has reached the allowable limit of the piezoelectric element but does not come to the target position,
Moving the driven member in contact with the contact member by displacing the piezoelectric element with a DC voltage and moving the contact member;
The two ultrasonic transducersHasBy suddenly reversing the polarity of the DC voltage applied to the piezoelectric element
The speed of the contact member is changed abruptlyThen, by repeatedly sliding between the contact portion and the driven body in contact with the contact portion, the driven body in contact with the contact member is moved from a designated position to a predetermined range.An ultrasonic motor driving device is provided.
According to the present invention, the positioning accuracy can be increased to the detection limit (resolution limit) of the position detection sensor.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of the ultrasonic motor 10. Although this ultrasonic motor 10 has the same structure as the ultrasonic motor 100 previously shown in FIG. 7, the structure of the ultrasonic motor 10 will be described again in more detail.
[0016]
The ultrasonic motor 10 is in contact with two driven vibrators 15, two ultrasonic vibrators 11 a and 11 b having a Langevin structure, a holding member 12 that holds the ultrasonic vibrators 11 a and 11 b at an angle of 90 degrees. And a head 13 having a substantially V-shape. A pressing mechanism 14 is attached to the holding member 12, and the pressing mechanism 14 presses the head 13 against the driven body 15 with a predetermined force.
[0017]
The ultrasonic transducers 11a and 11b have the same structure. The ultrasonic transducer 11a includes a bolt 21 having both ends threaded, a cap nut 22 having a screw hole that fits into a screw groove of the bolt 21, and two ring-shaped piezoelectric plates through which the bolt 21 can pass. 23a and 23b, and ring-shaped electrode plates 24a to 24c through which the bolts 21 can pass. Similar to the ultrasonic transducer 11a, the ultrasonic transducer 11b includes a bolt 21 ', a cap nut 22', two ring-shaped piezoelectric plates 23a 'and 23b', and ring-shaped electrode plates 24a 'to 24a'. 24c '. Electrodes (not shown) are formed on the front and back surfaces of the piezoelectric plates 23a, 23b, 23a ', and 23b'.
[0018]
The holding member 12 is provided with a hole for allowing the bolt 21 to pass therethrough. The head 13 connects the contact portion 13a in contact with the driven body 15, the connection portions 13b and 13b 'connected to the ultrasonic transducers 11a and 11b, and the contact portion 13a and the connection portions 13b and 13b'. Neck portions 13c and 13c 'are formed, and screw holes are formed in the connecting portions 13b and 13b' to fit into the screw grooves of the bolts 21 and 21 ', respectively. The piezoelectric plates 23a and 23b are fastened with a predetermined force by the connecting portion 13b of the cap nut 22 and the head 13, thereby obtaining the Langevin type ultrasonic transducer 11a. It is also a component of the acoustic wave oscillator 11a. Similarly, the connecting portion 13b ′ is also a constituent element of the ultrasonic transducer 11b.
[0019]
As shown in FIG. 1, the piezoelectric plates 23 a and 23 b are arranged so as to be sandwiched between the electrode plates 24 a to 24 c, and bolts 21 are inserted into the holes of the piezoelectric plates 23 a and 23 b, the electrode plates 24 a to 24 c and the holding member 12. The head 13 and the cap nut 22 are attached to the end portions of the bolts 21, respectively. Accordingly, the piezoelectric plates 23a and 23b are fastened with a predetermined force. Thus, in the ultrasonic motor 10, the head 13 not only gives thrust to the driven body 15, but also plays a role as a member constituting the Langevin type vibrator by tightening the piezoelectric plates 23a and 23b. Of course, a Langevin type vibrator constituted by fastening the piezoelectric bodies 23a and 23b with two nuts is prepared, and one nut is attached to the connecting portion 13b of the head 13 by screwing, bonding with an adhesive, welding or the like. Thus, an ultrasonic motor equivalent to the ultrasonic motor 10 may be configured.
[0020]
For the piezoelectric plates 23a and 23b, piezoelectric ceramics such as PZT are preferably used. The directions of polarization of the piezoelectric plates 23a and 23b are symmetric with respect to the electrode plate 24b sandwiched between the piezoelectric plates 23a and 23b. The electrode plates 24a and 24c are electrically connected to each other. Therefore, when a voltage is applied between the electrode plate 24b and the electrode plate 24c, the piezoelectric plates 23a and 23b are displaced (vibrated) in the same phase. That is, the piezoelectric plates 23a and 23b extend in the thickness direction or contract together.
[0021]
Usually, the bolt 21, the cap nut 22, and the holding member 12 are made of metal, and in this case, the electrode plates 24 a and 24 c are electrically connected to the cap nut 22 through the holding member 12. Therefore, the holding member 12 or the cap nut 22 of the ultrasonic transducer 11a can be used as a ground electrode for driving the piezoelectric bodies 23a and 23b. At this time, the piezoelectric plate 23a ′ included in the ultrasonic transducer 11b is provided. -The earth for driving 23b 'can be taken simultaneously.
[0022]
When the piezoelectric plates 23a and 23b of the ultrasonic transducer 11a are expanded and contracted, and at the same time, the piezoelectric plates 23a 'and 23b' of the ultrasonic transducer 11b are expanded and contracted, the neck portions 13c and 13c 'of the head 13 are moved. As a result, the displacements of the ultrasonic transducers 11a and 11b are synthesized at the contact portion 13a, and thereby the contact portion 13a is displaced.
[0023]
For the head 13, a material having excellent wear resistance, for example, a metal material such as stainless steel or cemented carbide, or a ceramic such as alumina, silicon nitride, or silicon carbide is used. If the head 13 is made of metal, it is easy to form a screw groove for connecting the bolt 13 to the head 13. Even if the head 13 is made of metal, since the head 13 is electrically connected to the electrode plate 24a, if either the holding member 12 or the cap nuts 22 and 22 'of the ultrasonic transducers 11a and 11b are grounded, the head 13 Are also grounded. It is also preferable that the head 13 is made of a metal material, and the surface of the contact portion 13a is coated with silicon nitride or the like. Alternatively, the head 13 may be made of a metal material, and a ceramic member may be disposed on the contact portion 13 a so that the ceramic member substantially contacts the driven body 15.
[0024]
As the pressing mechanism 14, for example, an air cylinder, a hydraulic cylinder, a spring coil, or the like is used.
[0025]
When the ultrasonic motor 10 having such a structure is driven to resonate, the ultrasonic vibrator 11a and the ultrasonic vibrator 11b are driven with an AC voltage whose phase is shifted by 90 degrees. For example, as shown in FIG. 1, V = V is applied to the electrode plate 24b of the ultrasonic transducer 11a.0sin (2πft) (V0A zero-peak voltage, f; frequency, t; time), and at the same time, V = V is applied to the electrode plate 24b 'of the ultrasonic transducer 11b.0An AC voltage of cos (2πft) is applied. As a result, the ultrasonic transducers 11a and 11b expand and contract, and a counterclockwise elliptical motion as shown in FIG. 1 occurs in the contact portion 13a, and the driven member 15 moves in the + X direction.
[0026]
Conversely, V = V is applied to the ultrasonic transducer 11a.0cos (2πft) is applied, and V = V is applied to the ultrasonic transducer 11b.0When an alternating voltage of sin (2πft) is applied, clockwise elliptical motion is generated, so that the driven body 15 can be moved in the −X direction. Further, V = V is applied to the ultrasonic transducer 11a.0sin (2πft) is applied, and V = −V is applied to the ultrasonic transducer 11b.0When an alternating voltage of cos (2πft) is applied, a clockwise elliptical motion is generated, so that the driven body 15 can be moved in the −X direction.
[0027]
The positioning accuracy of the driven body 15 when the ultrasonic motor 10 is driven to resonate in this way is that the contact portion 13a moves minutely due to inertia even when the voltage for driving the ultrasonic transducers 11a and 11b is turned off. The order of tens to hundreds of nanometers is the limit. Therefore, in order to position the driven body 15 with higher accuracy, the ultrasonic motor 10 is driven by a DC voltage.
[0028]
FIG. 2 is an explanatory diagram showing an example of a mode in which the ultrasonic motor 10 is DC driven. As shown in FIG. 2, when a forward voltage (when the polarization direction and the electric field direction are the same) is applied to the piezoelectric plates 23a and 23b of the ultrasonic transducer 11a, the piezoelectric plates 23a and 23b are moved in the thickness direction by the piezoelectric longitudinal effect. The contact portion 13a tends to be displaced in the direction of arrow A. At this time, the contact portion 13a applies a thrust force to the driven body 15 in the + X direction, and the driven body 15 moves in the + X direction in contact with the contact portion 13a.
[0029]
As shown in FIG. 2, a forward voltage is applied to the piezoelectric plates 23a and 23b of the ultrasonic transducer 11a, and at the same time, a reverse voltage (polarization direction and electric field) is applied to the piezoelectric plates 23a 'and 23b' of the ultrasonic transducer 11b. Is applied), the piezoelectric plates 23a 'and 23b' are contracted, and the displacement of the contact portion 13a is increased. That is, the movement range of the driven body 15 can be widened. The drive control range of the contact portion 13a by the direct current drive of the ultrasonic transducers 11a and 11b, that is, the displacement amount of the contact portion 13a is the contact portion 13a when the ultrasonic transducers 11a and 11b are driven to resonate. The positioning accuracy length is preferably longer than the positioning accuracy length, but it is also conceivable that the drive control range is smaller than the positioning accuracy length depending on the size of the motor.
It is also conceivable that the positioning position exceeds the drive control range due to disturbance or the like.
[0030]
In such a case, if the voltage applied to the piezoelectric plates 23a, 23b, 23a ', 23b' is suddenly changed, and the moving speed of 13a is suddenly changed, the driven body 15 cannot follow, only 13a moves, The DC drive can be performed again toward the target position.
[0031]
In this way, positioning by DC driving can be continued without using resonance driving even when the DC driving range is exceeded, so even when a motor whose DC driving range is below the positioning accuracy during resonance driving is used, Positioning accuracy is ensured.
[0032]
FIG. 6 shows that the ultrasonic motor 10 is driven by applying a forward voltage to the piezoelectric plates 23a and 23b of the ultrasonic transducer 11a and a reverse voltage to the piezoelectric plates 23a 'and 23b' of the ultrasonic transducer 11b in a sawtooth shape. FIG. 5 is a graph showing the applied voltage at that time. From FIG. 6, it was confirmed that the movement in one direction was about 1 μm / sec due to continuous DC driving and sliding driving.
[0033]
Next, a method for driving the ultrasonic motor 10 by combining resonance driving, DC driving, and sliding driving will be described. FIG. 3 is an explanatory diagram showing the driving device 50 of the ultrasonic motor 10. The driving device 50 includes a position sensor 31 that detects the position of the driven body 15, a resonance driving device 32 that drives the ultrasonic motor 10 to resonate, a DC driving device 33 that drives the ultrasonic motor 10 by DC, and a position sensor 31. And a drive control device (CPU) 34 for sending a drive command signal to the resonance drive device 32 or the DC drive device 33 according to the detection signal. The resonance driving device 32 and the DC driving device 33 share the amplifiers 35a and 35b. Further, the resonance driving device 32 has a first feedback control device 36 and a phase control device 37, and the DC driving device 33 has a second feedback. A control device 38 and a signal inverter 39 are included.
[0034]
As the position sensor 31, a non-contact optical sensor system using a laser is preferably used. For example, marking (not shown) for indicating the position of the driven body 15 is provided on the driven body 15, and the position sensor 31 detects the position of the driven body 15 from the reflected light pattern.
[0035]
When the first feedback control device 36 receives a command signal for resonantly driving the ultrasonic motor 10 from the drive control device (CPU) 34, the first feedback control device 36 generates a resonant drive signal for resonantly driving the ultrasonic motor 10, and amplifies it. Send to 35a and 35b. The first feedback control device 36 receives the detection signal of the position sensor 31 and adjusts the moving speed of the driven body 15. Therefore, the first feedback control device 36 can appropriately change the waveform of the resonance drive signal (for example, change the zero-peak voltage value).
[0036]
A resonance drive signal having the same waveform is output from the first feedback control device 36 to the amplifiers 35a and 35b. Therefore, the phase of the resonance drive signal sent to one amplifier, that is, the amplifier 35a, is shifted by 90 degrees by the phase controller 37 before being input to the amplifier 35a. For example, the resonance drive signal output from the first feedback control device 36 is V = V.0In the case of sin (2πft), the amplifier 35b has this V = V0A resonance drive signal of sin (2πft) is input, but the amplifier 35a is phase-controlled by the phase control device 37 V = V0cos (2πft) or V = −V0A resonance driving signal of cos (2πft) is input.
[0037]
The resonance drive signal output from the first feedback control device 36 is V = V0It may be cos (2πft). In this case, V = V from the phase control device 37.0sin (2πft) or V = −V0A resonance drive signal of sin (2πft) is output.
[0038]
When receiving a command signal for direct drive of the ultrasonic motor 10 from the drive control unit (CPU) 34, the second feedback control device 38 generates a direct current voltage signal for direct drive of the ultrasonic motor 10 and amplifies it. Send to 35a and 35b. The second feedback control device 38 can receive a signal from the position sensor 31 and appropriately adjust the voltage value of the DC voltage signal and send it to the amplifiers 35a and 35b.
[0039]
The same DC voltage signal is output from the second feedback control device 38 to the amplifiers 35a and 35b. For this reason, the DC voltage signal sent to the amplifier 35a is inverted by the signal inverter 39 before being input to the amplifier 35a. Thereby, for example, when a forward voltage is applied to the piezoelectric plates 23a and 23b of the ultrasonic transducer 11a, a reverse voltage can be applied to the piezoelectric plates 23a 'and 23b' of the ultrasonic transducer 11b.
[0040]
FIG. 4 shows a control range when the driven body 15 is moved from the state where the point K of the driven body 15 is located at the position S1 to the state located at the target position S2, using the driving device 50. 4A is an explanatory diagram, FIG. 4A is an overall view thereof, and FIG. 4B is an enlarged view centering on a dotted frame in FIG. 4A.
[0041]
In the initial state, the position sensor 31 sends a detection signal indicating that the point K is at the position S1 (the driven body 15 is at the position indicated by the two-dot chain line) to the drive control device (CPU) 34. The driven body 15 is marked so that the position sensor 31 can detect that the K point is at the target position S2 or the like when the driven body 15 moves. From this state, for example, an operator inputs a signal for instructing to move the point K to the target position S2 to the drive control device (CPU) 34. The drive control device (CPU) 34 determines from the position detection signal received from the position sensor 31 whether to drive the resonance drive device 32 or the DC drive device 33.
[0042]
Assuming that the movable distance of the driven body 15 by direct current driving of the ultrasonic motor 10 is L, the range in which positioning by the direct current driving device 33 is possible is as shown in FIG. It is between position S5 and position S6 which are separated by a distance. Here, it is assumed that the position S1 is out of the positions S5 to S6. Therefore, the drive control device (CPU) 34 sends an operation command signal to the resonance drive device 32, and the resonance drive device 32 starts driving the driven body 15.
[0043]
The ultrasonic motor 10 does not have driving accuracy for positioning the driven body 15 so that the K point is always located at the target position S2. Therefore, the driven body 15 is moved so that the point K enters between the positions S5 and S6 (preferably between the positions S3 and S4). Note that “the K point is located at the target position S2” refers to a state in which it is determined that the K point is at the target position S2 as a result of the position detection of the driven body 15 by the position sensor 31. For example, when a laser length measuring device is used, the range is ± 0.7 nm or less.
[0044]
Specifically, the first feedback control device 36 included in the resonance driving device 32 is configured to output a resonance driving signal (for example, V = V0sin (2πft)) is generated and sent to the amplifiers 35a and 35b. As described above, the amplifier 35a has a resonance drive signal (V = V) whose phase is shifted by 90 degrees by the phase controller 37.0cos (2πft)) is input. The amplifiers 35a and 35b perform voltage amplification of the inputted resonance driving signal, and the voltage amplified signals are inputted to the ultrasonic transducers 11a and 11b, respectively. As a result, the ultrasonic motor 10 is driven to resonate, and the driven body 15 starts to move.
[0045]
In order to move the driven body 15 at a high speed from the target position S2 to the position S7 that is a predetermined distance away, the zero-peak voltage value and the frequency of the resonance drive signal output from the first feedback control device 36 are determined. The amplification factor of the resonance drive signal in the amplifiers 35a and 35b is controlled so that the speed is constant.
[0046]
The position of the driven body 15 is detected by a position sensor 31, and the detection signal is sent to a drive control device (CPU) 34 and a first feedback control device 36. The drive control device (CPU) 34 notifies the resonance drive device 32 until it receives a detection signal from the position sensor 31 that the point K has entered between the positions S5 and S6 (more preferably between the positions S3 and S4). Send an operation command signal. On the other hand, when the first feedback control device 36 receives a detection signal from the position sensor 31 that the point K exceeds the position S7 and enters the target position S2, the first feedback control device 36 decelerates the moving speed of the driven body 15. Thus, the K point is easily inserted between the positions S5 and S6.
[0047]
As a method of reducing the moving speed of the driven body 15, a method of reducing the zero-peak voltage value of the resonance drive signal or changing the frequency at and near the resonance frequency can be mentioned. Here, “resonance frequency and its vicinity” refers to a frequency at which the ultrasonic motor 10 is substantially resonantly driven. The first feedback control device 36 reduces the moving speed of the driven body 15 and then outputs the resonance drive signal until receiving a detection signal from the position sensor 31 that the point K is between the positions S5 and S6. It outputs to amplifier 35a * 35b.
[0048]
When the point K enters between the positions S5 and S6, the drive control device (CPU) 34 stops the operation of the first feedback control device 36, and then commands the second feedback control device 38 to start operation. In driving the driven body 15 by the DC drive device 33, the second feedback control device 38 sends a DC voltage signal to the amplifiers 35 a and 35 b while receiving the detection signal from the position sensor 31. As described above, the DC voltage signal sent to the amplifier 35a is subjected to positive / negative inversion processing by the signal inverter 39 before being input to the amplifier 35a. In the amplifiers 35a and 35b, the DC voltage signal is amplified to a certain voltage value and applied to the piezoelectric plates 23a and 23b of the ultrasonic transducer 11a and the piezoelectric plates 23a 'and 23b' of the ultrasonic transducer 11b. Thereby, the contact part 13a is moved minutely, and the point K is positioned at the target position S2 up to the detection accuracy limit of the position sensor 31.
[0049]
Here, when the K point exceeds the range of S5 and S6, or the voltage applied to the piezoelectric plates 23a and 23b of the ultrasonic transducer 11a and the piezoelectric plates 23a 'and 23b' of the ultrasonic transducer 11b is the element. If the S2 position is not reached even though the allowable limit is reached, the polarity of the DC signal voltage is reversed. In this way, the sliding drive is caused to shift the K point, and the DC driving is resumed.
[0050]
Even when the positioning of the driven body 15 is completed, the K point is always at the target position S2 on the piezoelectric plates 23a and 23b of the ultrasonic transducer 11a and the piezoelectric plates 23a 'and 23b' of the ultrasonic transducer 11b. In addition, the second feedback control device 38 receives the detection signal from the position sensor 31 and applies it to the piezoelectric plates 23a and 23b of the ultrasonic transducer 11a and the piezoelectric plates 23a 'and 23b' of the ultrasonic transducer 11b. The voltage value of the DC voltage signal is changed as appropriate. In a state where the driven body 15 is at the target position S2, for example, if predetermined processing is performed on a workpiece (not shown) attached to the driven body 15, the K point is set to another position as described above. The point is moved by the same method as the method of moving the point from the position S1 to the target position S2.
[0051]
As mentioned above, although embodiment of this invention has been described, this invention is not limited to such a form. For example, in the above description, the form in which the driven body 15 is linearly moved has been described. However, if the ultrasonic motor 10 is driven by pressing the contact portion 13a of the head 13 against the outer peripheral end surface of the rotatable rotor, The rotation angle of the rotor can be controlled with high accuracy. The number of piezoelectric plates included in the ultrasonic transducers 11a and 11b may be one or three or more.
[0052]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the driven body can be moved to the vicinity of the target position in a short time by resonantly driving the piezoelectric element and causing the contact member (head) to generate an elliptical motion. Since the driven member can be moved minutely by applying force to the driven member without causing inertia in the contact member, the driven member can be positioned with higher accuracy than in the prior art.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view (upper side) and a cross-sectional view (lower side) showing a schematic configuration of an ultrasonic motor to which a driving method of the present invention is applied.
FIG. 2 is an explanatory diagram showing an example of a mode in which an ultrasonic motor is DC-driven.
FIG. 3 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of an ultrasonic motor driving device.
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a control range when a driven body is moved to a predetermined position.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing an example of an applied voltage when the driving method of the present invention is applied.
FIG. 6 is an explanatory diagram showing an example of a sliding drive according to the present invention.
FIG. 7 is an explanatory diagram showing an example of a conventional ultrasonic motor.
[Explanation of symbols]
10; Ultrasonic motor
11a, 11b; ultrasonic transducer
12: Holding member
13; Head
13a; contact part
13b; connecting part
13c; neck part
14: Pressing mechanism
15; driven body
21 ・ 21 '; Bolt
22.22 '; cap nut
23a, 23b, 23a ', 23b'; Piezoelectric plate
24a-24c; 24a'-24c '; electrode plate
31; Position sensor
32; Resonant drive device
33; DC drive
34; Drive control device (CPU)
35a, 35b; amplifier
36; first feedback control device
37; Phase control device
38; second feedback control device
39; Signal inverter
100; ultrasonic motor
101a, 101b; ultrasonic transducer
102; holding member
103; head
105; rotor

Claims (3)

圧電素子を備えたランジュバン型の2個の超音波振動子と、前記2個の超音波振動子を所定の角度で保持する保持部材と、略V字型の形状を有し、その頂点部で被駆動体と接し、その端部で前記2個の超音波振動子と接続された接触部材と、を備えた超音波モータの駆動方法において
位置センサによって前記被駆動体が目標位置に対して所定の距離に近づいたことを検出すると、駆動制御装置は共振駆動信号を発生させる第1フィードバック制御装置の動作を停止させ、次に直流電圧信号を発生させる第2フィードバック制御装置の動作開始を指令し、
前記直流電圧信号は信号反転器によって正負の反転処理が行われた後に2つの増幅器の一方に入力される逆電圧と、直接に2つの増幅器の他方に入力される順電圧とに分かれていて、一定の電圧値まで増幅された後に前記2個の超音波振動子の一方が具備する圧電素子に順電圧を印加し、且つ前記2個の超音波振動子の他方が具備する圧電素子に逆電圧を印加することで前記超音波モータを駆動して前記被駆動体を目標位置に位置決めするものであり、
前記2個の超音波振動子の一方が具備する圧電素子にかける直流電圧を変化させることにより、前記接触部材を微小に動かして前記接触部材に接した被駆動体を一方向に動かすことと、
前記被駆動体が目標位置に依然として到達しない場合は、前記2個の超音波振動子が具備する圧電素子に印加する前記直流電圧信号の正負を急激に逆転させることで
前記接触部材の速度を急激に変化させて、前記接触部と、接している被駆動体との間を滑らせることを特徴とする超音波モータの駆動方法。
Two Langevin type ultrasonic transducers provided with piezoelectric elements, a holding member for holding the two ultrasonic transducers at a predetermined angle, and a substantially V-shaped shape, In a driving method of an ultrasonic motor comprising: a contact member that is in contact with a driven body and is connected to the two ultrasonic vibrators at an end thereof;
When the position sensor detects that the driven body has approached a predetermined distance from the target position, the drive control apparatus stops the operation of the first feedback control apparatus that generates the resonance drive signal, and then the DC voltage signal. Command to start the operation of the second feedback control device for generating
The DC voltage signal is divided into a reverse voltage input to one of the two amplifiers after being subjected to positive / negative inversion processing by a signal inverter, and a forward voltage directly input to the other of the two amplifiers, A forward voltage is applied to the piezoelectric element included in one of the two ultrasonic transducers after being amplified to a certain voltage value, and a reverse voltage is applied to the piezoelectric element included in the other of the two ultrasonic transducers. To drive the ultrasonic motor to position the driven body at a target position,
Changing the DC voltage applied to the piezoelectric element included in one of the two ultrasonic transducers to move the contact member in a small direction by moving the contact member in one direction;
When the driven body still does not reach the target position, the speed of the contact member is rapidly increased by reversing the sign of the DC voltage signal applied to the piezoelectric elements included in the two ultrasonic transducers. The method for driving an ultrasonic motor is characterized by sliding between the contact portion and a driven body in contact with the contact portion.
圧電素子を備えたランジュバン型の2個の超音波振動子と、前記2個の超音波振動子を所定の角度で保持する保持部材と、略V字型の形状を有し、その頂点部で被駆動体と接し、その端部で前記2個の超音波振動子と接続された接触部材と、を備えた超音波モータの駆動方法であって、
前記被駆動体が目標位置に対して所定の距離に近づいたことを検出し、
前記2個の超音波振動子の一方が具備する圧電素子を順電圧で変位させ、他方が具備する圧電素子を逆電圧で変位させることにより、前記接触部材を動かして前記接触部材に接した被駆動体を一方向に動かすことを行い、
前記被駆動体が目標位置に依然として到達しない場合は、
前記2個の超音波振動子の一方が具備する圧電素子に印加する直流の順電圧、且つ他方の超音波振動子が具備する圧電素子に印加する直流の逆電圧の正負を急激に逆転させることで
前記接触部材の速度を急激に変化させて、前記接触部と、接している被駆動体との間を滑らせることを特徴とする超音波モータの駆動方法。
Two Langevin type ultrasonic transducers provided with piezoelectric elements, a holding member for holding the two ultrasonic transducers at a predetermined angle, and a substantially V-shaped shape, A method of driving an ultrasonic motor comprising: a contact member that is in contact with a driven body and is connected to the two ultrasonic vibrators at an end thereof;
Detecting that the driven body has approached a predetermined distance from the target position;
The piezoelectric element included in one of the two ultrasonic transducers is displaced with a forward voltage, and the piezoelectric element included in the other is displaced with a reverse voltage, so that the contact member is moved and contacted with the contact member. Move the drive in one direction ,
If the driven body still does not reach the target position,
The direct forward voltage applied to the piezoelectric element included in one of the two ultrasonic vibrators and the positive / negative of the reverse voltage applied to the piezoelectric element included in the other ultrasonic vibrator are rapidly reversed. A method of driving an ultrasonic motor, wherein the speed of the contact member is rapidly changed to slide between the contact portion and a driven body in contact therewith.
圧電素子を備えたランジュバン型の2個の超音波振動子と、前記2個の超音波振動子を所定の角度で保持する保持部材と、略V字型の形状を有し、その頂点部で被駆動体と接し、その端部で前記2個の超音波振動子と接続された接触部材と、を備えた超音波モータの駆動装置において、前記被駆動体の位置を検出する位置センサと、前記超音波振動子を交流電圧で共振駆動することによって前記被駆動体を動かす共振駆動装置と、
前記2個の超音波振動子が具備する圧電素子を直流電圧で駆動して前記接触部材を動かすことにより、前記接触部材に接している前記被駆動体を一方向に動かす直流駆動装置と、前記位置センサの検出信号にしたがって前記共振駆動装置または前記直流駆動装置を駆動させる駆動信号を送る駆動制御装置と、
前記共振駆動装置に具備され、前記駆動制御装置からの前記駆動信号により前記超音波モータを共振駆動させるための交流電圧を発生させ、増幅器に送る第1フィードバック制御装置と、
前記直流駆動装置に具備され、前記前記駆動制御装置からの前記駆動信号により前記超音波モータを直流駆動させるための直流電圧を発生させ、増幅器に送る第2フィードバック制御装置と、
前記直流駆動装置に具備され、直流電圧の正負を逆転する信号反転器と、
2つの増幅器と、
を具備し、
前記位置センサによって前記被駆動体が目標位置に対して所定の距離に近づいたことを検出すると、前記駆動制御装置は前記第1フィードバック制御装置の動作を停止させ、次に前記第2フィードバック制御装置の動作開始を指令し、
直流電圧は前記信号反転器によって正負の反転処理が行われた後に前記2つの増幅器の一方に入力される逆電圧と、直接に前記2つの増幅器の他方に入力される順電圧とに分かれていて、一定の電圧値まで増幅された後に前記2個の超音波振動子の一方が具備する圧電素子に順電圧を印加し、且つ前記2個の超音波振動子の他方が具備する圧電素子に逆電圧を印加することで前記超音波モータを駆動して前記被駆動体を目標位置に位置決めするものであり、
被駆動体の位置が目標位置から、あらかじめ定められた範囲外にある場合、または前記圧電素子に印加される直流電圧が前記圧電素子の許容限界まで達したにもかかわらず目標位置に来ない場合、
前記圧電素子を直流電圧で変位させて前記接触部材を動かすことにより、前記接触部材に接している被駆動体を動かすことと、
前記2個の超音波振動子が具備する圧電素子に印加する直流電圧の正負を急激に逆転させることで
前記接触部材の速度を急激に変化させて、前記接触部と接している被駆動体との間を滑らせることを繰り返すことによって、前記接触部材に接している被駆動体を指示された位置からあらかじめ定められた範囲内に動かすことを特徴とする超音波モータ駆動装置。
Two Langevin type ultrasonic transducers provided with piezoelectric elements, a holding member for holding the two ultrasonic transducers at a predetermined angle, and a substantially V-shaped shape, contact with the driven body, the driving device of the ultrasonic motor and a contact member connected to the two ultrasonic transducers at its ends, a position sensor for detecting a position of the driven body, A resonance driving device for moving the driven body by resonance driving the ultrasonic vibrator with an alternating voltage;
A DC driving device that moves the driven body in contact with the contact member in one direction by driving the piezoelectric element included in the two ultrasonic transducers with a DC voltage to move the contact member; A drive control device for sending a drive signal for driving the resonance drive device or the DC drive device according to a detection signal of a position sensor;
A first feedback control device that is provided in the resonance drive device, generates an AC voltage for resonance driving the ultrasonic motor by the drive signal from the drive control device, and sends the AC voltage to an amplifier;
A second feedback control device that is provided in the DC drive device, generates a DC voltage for DC driving of the ultrasonic motor by the drive signal from the drive control device, and sends the DC voltage to an amplifier;
A signal inverter provided in the DC drive device for reversing the polarity of the DC voltage;
Two amplifiers,
Comprising
When the position sensor detects that the driven body has approached a predetermined distance from the target position, the drive control device stops the operation of the first feedback control device, and then the second feedback control device. Command to start
The DC voltage is divided into a reverse voltage that is input to one of the two amplifiers after being subjected to positive / negative inversion processing by the signal inverter, and a forward voltage that is directly input to the other of the two amplifiers. A forward voltage is applied to the piezoelectric element included in one of the two ultrasonic transducers after being amplified to a certain voltage value, and reversely applied to the piezoelectric element included in the other of the two ultrasonic transducers. The ultrasonic motor is driven by applying a voltage to position the driven body at a target position,
When the position of the driven body is outside the predetermined range from the target position , or when the DC voltage applied to the piezoelectric element has reached the allowable limit of the piezoelectric element but does not reach the target position ,
Moving the driven member in contact with the contact member by displacing the piezoelectric element with a DC voltage and moving the contact member;
A driven body in contact with the contact portion by rapidly changing the speed of the contact member by abruptly reversing the sign of the DC voltage applied to the piezoelectric elements included in the two ultrasonic transducers ; An ultrasonic motor driving device characterized in that the driven body in contact with the contact member is moved within a predetermined range from the instructed position by repeating sliding between the two .
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