JP2794692B2 - Ultrasonic motor drive circuit - Google Patents

Ultrasonic motor drive circuit

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JP2794692B2 JP62031102A JP3110287A JP2794692B2 JP 2794692 B2 JP2794692 B2 JP 2794692B2 JP 62031102 A JP62031102 A JP 62031102A JP 3110287 A JP3110287 A JP 3110287A JP 2794692 B2 JP2794692 B2 JP 2794692B2
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    • H02N2/10Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors
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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、超音波モータの駆動回路に関するものであ
る。 (従来の技術) 従来、超音波モータ特に円環状の表面波モータの駆動
回路として、ステータの共振周波数で駆動制御するよう
に構成されているものや、超音波モータの状態をモニタ
ーして駆動周波数として常に適正な周波数となるように
負帰還制御するように構成されているもの等が知られて
いる。 (発明の解決しようとする問題点) しかしながら、前述した共振周波数による制御方式で
は、超音波モータに与える電源周波数を共振周波数とす
る為に、モータへの入力電流が著しく大きくなり、駆動
効率が低下する問題があり、またモータの機械的な振幅
が大きくなり過ぎで騒音を発生する問題もあった。 また、前述した負帰還制御方式では、駆動回路の発振
回路部の発振素子の性能の影響を受けやすい問題があ
り、またモータの状態を検知した後に適性な周波数で制
御する為に、回路の応答性が低下する問題があった。 (問題点を解決するための手段) 上記問題点を解決するために、本発明は、交流電圧を
出力する増幅器と、該増幅器により所定の駆動周波数で
制御される超音波モータと、該超音波モータのピックア
ップ信号を検出し、前記増幅器に正帰還をかけるように
前記ピックアップ信号の位相を変換する移相手段と、前
記駆動周波数を調整する周波数調整手段とを備え、前記
周波数調整手段は、前記駆動周波数が前記超音波モータ
の共振周波数よりも高く、前記超音波モータの***振周
波数よりも低い範囲となるように前記駆動周波数を調整
する第1のコンデンサと、前記範囲内で前記駆動周波数
を微調整するための第2のコンデンサとを有する超音波
モータの駆動回路を提供する。 (作用) 本発明の超音波モータの駆動回路は、超音波モータの
ピックアップ信号を検出し、このピックアップ信号の位
相を変換して前記増幅器に正帰還をかけている。そのた
め、この駆動回路自体は、常に発振する自励振回路とし
て機能する。そして、この自励振回路の発振周波数は、
超音波モータの共振周波数よりも高く、***振周波数よ
りも低い範囲となるようにしているので、駆動周波数も
超音波モータの共振周波数よりも高く、***振周波数よ
りも低い範囲で制御される。そのため、入力電流が著し
く大きくなることを防止しながら所望の出力を取り出す
ことができ、常に最も駆動効率の良い状態で駆動するこ
とが可能となる。 (実施例) 第1図〜第3図は、本発明の実施例であり、第1図は
超音波モータの駆動回路図を示し、第2図は超音波モー
タの等価回路図を示し、第3図は超音波モータの共振及
びインピーダンスの周波数特性を示す特性曲線図を示
す。 第1図において、駆動回路は、超音波モータ1と、移
相器2と、90゜移相器3と、180゜移相器4と、非反転
増幅器A1,A2と、周波数調整用コンデンサC4とから構成
され、超音波モータ1のステータを発振素子として発振
させるものである。次にそれぞれの構成について説明す
る。 この超音波モータ1は、厚電素子が接着された弾性体
からなるステータと、ステータに生じる表面波により駆
動されるロータ(不図示)とからなり、駆動入力部L及
びRには90゜位相のずれた2相周波交流が入力され、ピ
ックアップ部Pからはモータの駆動状態を示すピックア
ップ信号が出力されるように構成されている。 移相器2は、可変抵抗R2と、抵抗R3,R4と、コンデン
サC2と、オペアンプOP1とから構成され、モータのピッ
クアップ部Pから検出されたピックアップ信号の位相
を、可変抵抗R2及びコンデンサC2の値によりθ分だけ位
相をづらしている。このθは以下の式で表される。 θ=−2tan-12πfCR (但し、位相を逆にづらす時は可変抵抗R2とコンデンサ
C2の配置を逆にすればよい。) この移相器2により、ピックアップ信号に対して任意
の位相をもった出力信号を作ることができる。 また、移相器2中のコンデンサC2によって、駆動回路
全体の発振周波数を、超音波モータの共振周波数よりも
高く、***振周波数よりも低い範囲にずらすことができ
る。 90゜移相器3は、抵抗R7と、コンデンサC3と、オペア
ンプOP3とから構成され、入力信号に対して90゜位相の
ずれた出力信号を出力する。 180゜移相器4は、抵抗R5と、抵抗R6と、オペアンプO
P2とから構成され、入力信号に対して180゜位相のずれ
た出力信号を出力する。 スイッチSwは、モータの正転、逆転を制御するスター
トスイッチであり、端子N側にすると、駆動入力部Lよ
りも駆動入力部Rに入力される高周波交流が90゜位相の
進んだものとなり、端子R側にすると、その逆になる。 コンデンサC4は、駆動回路の発振周波数の微調整用コ
ンデンサであって、駆動回路全体の発振周波数を、超音
波モータの共振周波数よりも高く、***振周波数よりも
低い範囲で、所望の状態に微調整することができる。つ
まり、前記コンデンサC2とこのコンデンサC4とによっ
て、駆動回路全体の発振周波数を、超音波モータの共振
周波数よりも高く、***振周波数よりも低い範囲内で、
所定の状態に設定する周波数調整手段として機能する。 第2図は、超音波モータ1の駆動入力部Lの等価回路
を示しており、この等価回路は抵抗RS、インダクタンス
LS、コンデンサCsからなる直列体とコンデンサCOとの並
列回路と、コンデンサCL,CPとから構成され、このコン
デンサCLは駆動入力部LとグランドGとの間の静電容量
であり、コンデンサCPはピックアップ部PとグランドG
との間の静電容量である。同様に、駆動入力部Rも等価
回路が構成されている。 第3図の曲線Qは、超音波モータ1に印加される駆動
周波数と機械的な振動振幅との関係を表す共振曲線を示
す。また、第3図の曲線Zは、第2図の等価回路の並列
回路部分のインピーダンスの変化を示すものである。 次に、駆動回路の動作を説明する。 スイッチSwが端子N側に倒されると、モータ1の不図
示のロータが正転を始め、ピックアップ部Pからピック
アップ信号が出力される。このピックアップ信号の位相
は、入力部LとRに入力される各々の高周波交流の位相
と所定の位相ずれを持つ。このピックアップ信号が入力
される移相器2は、このピックアップ信号の所定の位相
ずれを打ち消すように機能して(該所定の位相ずれと逆
符号の位相ずれを発生し)、出力されるピックアップ信
号の位相が、駆動入力部L及びRに入力された高周波交
流と同相となるよう移相されて、非反転増幅器A1及びA2
に入力される。 このように移相器2により非反転増幅器A1,A2に同相
の高周波交流が入力されることで、駆動回路全体が正帰
還させることになり、すなわち駆動回路全体が発振する
ことになる。ピックアップ部Pでの位相のずれは、ピッ
クアップ部のステータ上での位置や形状によって決まっ
てくるものであり、その移相器2の可変抵抗R2とコンデ
ンサC2とを、ピックアップ信号の位相のずれにより入力
される高周波交流となるように調整すれば良い。 この時の駆動回路の発振周波数は、第2図に示すよう
にモータの等価回路から決まってくる。 すなわち、その発振周波数fは、 f=(1/2π)・{(CS+C0)/CS・C0・(LS+CP+CL)}1/2 である。 この時、モータ1のインピーダンス及び共振周波数曲
線は第3図のようになり、共振周波数frは、 fr=(1/2π)・{1/(LS・CS)}1/2 であり、 また、***振周波数faは、 fa=(1/2π)・{(CS+C0)/(LS・CS・C0)}1/2 である。 モータ1の実際の駆動周波数(発振周波数)fは、第
3図に示す超音波モータ自身の共振周波数ftよりも高い
周波数で行い、最適な周波数としては、 ft<f<fa の条件を満たすと、入力電流が著しく大きくなることを
防止しながら所望の出力を取出すことができ、常に最も
駆動効率の良い状態で駆動することが可能となる。この
駆動周波数は、実験的には共振周波数ftより1〜3%ぐ
らい大きな周波数が良い。 この駆動周波数fの調整は、第1図のコンデンサC4
(静電容量C4)により微調整可能であり、即ち前述した
駆動周波数fの分母が、 CS・C0・(LS+CP+CL+C4)となって調整可能となるも
のである。このように、調整できれば、最適な周波数を
駆動回路組み立て後に任意に設定できる。 以上のように本実施例によれば、駆動回路の超音波モ
ータの圧電素子を発振回路の発振素子として利用すると
共に、ピックアップ信号を検出して移相器により駆動回
路自身に正帰還をかけてモータを共振周波数よりも大き
な周波数で発振させるようにしているので、前述した従
来の超音波モータの問題点を解決することができると共
に、超音波モータが外乱(例えば、温度変化等)により
影響を受けて、駆動周波数(発振周波数)が変化したと
しても容易に追従することができ、駆動効率の低下を招
くことがない効果を奏する。また、発振素子が超音波モ
ータの圧電素子で構成されているので、特別に発振回路
を設ける必要もなく、フィードバック制御が非常に簡単
に行え、回路自体のシンプル化も達成できる。 (本発明の効果) 以上のように、本発明によれば、超音波モータの入力
電流が著しく大きくなることを防止しながら所望の出力
を取り出すことができ、、常に最も駆動効率の良い状態
で駆動することが可能となる。
The present invention relates to a driving circuit for an ultrasonic motor. (Prior Art) Conventionally, as a drive circuit of an ultrasonic motor, particularly an annular surface acoustic wave motor, one configured to drive and control at a resonance frequency of a stator, and a drive frequency by monitoring the state of the ultrasonic motor. There is known a configuration in which negative feedback control is always performed so that an appropriate frequency is obtained. (Problems to be Solved by the Invention) However, in the above-described control method using the resonance frequency, since the power supply frequency applied to the ultrasonic motor is set to the resonance frequency, the input current to the motor becomes extremely large, and the driving efficiency is reduced. There is also a problem that the mechanical amplitude of the motor becomes too large and noise is generated. In addition, the above-described negative feedback control method has a problem that it is easily affected by the performance of the oscillation element of the oscillation circuit section of the drive circuit. There was a problem that the property was reduced. (Means for Solving the Problems) In order to solve the above problems, the present invention provides an amplifier that outputs an AC voltage, an ultrasonic motor controlled at a predetermined driving frequency by the amplifier, and an ultrasonic motor. Detecting a pickup signal of a motor, comprising: a phase shift unit that converts a phase of the pickup signal so as to apply a positive feedback to the amplifier; and a frequency adjustment unit that adjusts the drive frequency. A first capacitor for adjusting the driving frequency so that the driving frequency is higher than the resonance frequency of the ultrasonic motor and lower than the anti-resonance frequency of the ultrasonic motor, and setting the driving frequency within the range. A drive circuit for an ultrasonic motor having a second capacitor for fine adjustment. (Operation) The ultrasonic motor drive circuit of the present invention detects the pickup signal of the ultrasonic motor, converts the phase of the pickup signal, and applies a positive feedback to the amplifier. Therefore, the drive circuit itself functions as a self-exciting circuit that always oscillates. And the oscillation frequency of this self-excited oscillation circuit is
The driving frequency is controlled in a range higher than the resonance frequency of the ultrasonic motor and lower than the anti-resonance frequency because the resonance frequency is set to be higher than the resonance frequency of the ultrasonic motor and lower than the anti-resonance frequency. Therefore, it is possible to take out a desired output while preventing the input current from becoming extremely large, and it is possible to always drive in a state with the highest driving efficiency. (Embodiment) Figs. 1 to 3 show an embodiment of the present invention. Fig. 1 shows a drive circuit diagram of an ultrasonic motor, Fig. 2 shows an equivalent circuit diagram of the ultrasonic motor, and Figs. FIG. 3 is a characteristic curve diagram showing the resonance and impedance frequency characteristics of the ultrasonic motor. In FIG. 1, the driving circuit includes an ultrasonic motor 1, a phase shifter 2, a 90 ° phase shifter 3, a 180 ° phase shifter 4, non-inverting amplifiers A1 and A2, and a frequency adjusting capacitor C4. And oscillates the stator of the ultrasonic motor 1 as an oscillation element. Next, each configuration will be described. The ultrasonic motor 1 includes a stator made of an elastic body to which a thick electric element is adhered, and a rotor (not shown) driven by a surface wave generated in the stator. The two-phase frequency alternating current is input, and a pickup signal indicating the driving state of the motor is output from the pickup unit P. The phase shifter 2 includes a variable resistor R2, resistors R3 and R4, a capacitor C2, and an operational amplifier OP1, and shifts the phase of the pickup signal detected from the pickup unit P of the motor to the variable resistor R2 and the capacitor C2. The phase is shifted by θ for the value. Is represented by the following equation. θ = −2tan -1 2πfCR (However, when the phase is reversed, the variable resistor R2 and capacitor
What is necessary is just to reverse the arrangement of C2. The phase shifter 2 can generate an output signal having an arbitrary phase with respect to the pickup signal. Further, the oscillation frequency of the entire drive circuit can be shifted to a range higher than the resonance frequency of the ultrasonic motor and lower than the anti-resonance frequency by the capacitor C2 in the phase shifter 2. The 90 ° phase shifter 3 includes a resistor R7, a capacitor C3, and an operational amplifier OP3, and outputs an output signal shifted by 90 ° from the input signal. The 180 ° phase shifter 4 includes a resistor R5, a resistor R6, and an operational amplifier O
P2 and outputs an output signal 180 ° out of phase with respect to the input signal. The switch Sw is a start switch for controlling the normal rotation and the reverse rotation of the motor. When the switch N is connected to the terminal N, the high-frequency AC input to the drive input unit R is advanced by 90 ° from the drive input unit L. The opposite is true for terminal R. The capacitor C4 is a capacitor for fine adjustment of the oscillation frequency of the drive circuit, and adjusts the oscillation frequency of the entire drive circuit to a desired state within a range higher than the resonance frequency of the ultrasonic motor and lower than the anti-resonance frequency. Can be adjusted. In other words, by the capacitor C2 and the capacitor C4, the oscillation frequency of the entire drive circuit is higher than the resonance frequency of the ultrasonic motor and lower than the anti-resonance frequency,
It functions as frequency adjustment means for setting a predetermined state. FIG. 2 shows an equivalent circuit of the drive input section L of the ultrasonic motor 1, and this equivalent circuit has a resistance R S , an inductance
L S , a parallel circuit of a series body composed of a capacitor C s and a capacitor C O, and capacitors C L and C P, and the capacitor C L is a capacitance between the drive input unit L and the ground G. And the capacitor CP is connected to the pickup unit P and the ground G
And the capacitance between the two. Similarly, the drive input unit R also forms an equivalent circuit. Curve Q in FIG. 3 shows a resonance curve representing the relationship between the drive frequency applied to the ultrasonic motor 1 and the mechanical vibration amplitude. A curve Z in FIG. 3 shows a change in impedance of a parallel circuit portion of the equivalent circuit in FIG. Next, the operation of the driving circuit will be described. When the switch Sw is tilted to the terminal N side, the rotor (not shown) of the motor 1 starts to rotate forward, and the pickup unit P outputs a pickup signal. The phase of the pickup signal has a predetermined phase shift from the phase of each high-frequency AC input to the input units L and R. The phase shifter 2 to which the pickup signal is input functions to cancel a predetermined phase shift of the pickup signal (generates a phase shift having a sign opposite to the predetermined phase shift), and the pickup signal to be output is output. Are shifted so as to be in phase with the high-frequency AC input to the drive input units L and R, and the non-inverting amplifiers A1 and A2
Is input to When the high-frequency AC having the same phase is input to the non-inverting amplifiers A1 and A2 by the phase shifter 2, the entire drive circuit performs positive feedback, that is, the entire drive circuit oscillates. The phase shift in the pickup unit P is determined by the position and shape of the pickup unit on the stator, and the variable resistor R2 and the capacitor C2 of the phase shifter 2 are shifted by the phase shift of the pickup signal. What is necessary is just to adjust so that it may become the input high frequency alternating current. The oscillation frequency of the drive circuit at this time is determined from the equivalent circuit of the motor as shown in FIG. That is, the oscillation frequency f is f = (1 / 2π) {{(C S + C 0 ) / C S · C 0 · (L S + C P + C L )} 1/2 . At this time, the impedance and resonance frequency curves of the motor 1 are as shown in FIG. 3, and the resonance frequency fr is fr = (1 / 2π)) {1 / (L S · C S )} 1/2 , Moreover, the anti-resonance frequency fa is, fa = (1 / 2π) · {(C S + C 0) / (L S · C S · C 0)} 1/2. The actual driving frequency (oscillation frequency) f of the motor 1 is higher than the resonance frequency ft of the ultrasonic motor itself shown in FIG. 3, and the optimum frequency is ft <f <fa. In addition, a desired output can be taken out while preventing the input current from becoming extremely large, and it is possible to always drive with the highest driving efficiency. The driving frequency is experimentally preferably a frequency that is higher by about 1 to 3% than the resonance frequency ft. The adjustment of the drive frequency f is performed by the capacitor C4 shown in FIG.
Fine adjustment is possible by (capacitance C 4 ), that is, the above-described denominator of the driving frequency f is C S · C 0 · (L S + C P + C L + C 4 ) and can be adjusted. . As described above, if the adjustment can be performed, the optimum frequency can be arbitrarily set after the drive circuit is assembled. As described above, according to the present embodiment, the piezoelectric element of the ultrasonic motor of the drive circuit is used as the oscillation element of the oscillation circuit, and the pickup signal is detected and positive feedback is applied to the drive circuit itself by the phase shifter. Since the motor is caused to oscillate at a frequency higher than the resonance frequency, the above-described problems of the conventional ultrasonic motor can be solved and the ultrasonic motor is affected by disturbance (for example, temperature change). As a result, even if the drive frequency (oscillation frequency) changes, it is possible to easily follow the change, and there is an effect that the drive efficiency is not reduced. Further, since the oscillation element is constituted by the piezoelectric element of the ultrasonic motor, there is no need to provide an oscillation circuit, and the feedback control can be performed very easily, and the circuit itself can be simplified. (Effects of the Present Invention) As described above, according to the present invention, it is possible to take out a desired output while preventing the input current of the ultrasonic motor from becoming extremely large, and to always obtain the best driving efficiency. It becomes possible to drive.

【図面の簡単な説明】 第1図〜第3図は、本発明の実施例であり、第1図は超
音波モータの駆動回路図を示し、第2図は超音波モータ
の等価回路図を示し、第3図は超音波モータの共振及び
インピーダンスの周波数特性を示す特性曲線図を示す。 (主要部分の符号の説明) 1……超音波モータ、2……移相器、 3……90゜移相器、4……180゜移相器、 A1,A2……増幅器
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIGS. 1 to 3 show an embodiment of the present invention. FIG. 1 shows a drive circuit diagram of an ultrasonic motor, and FIG. 2 shows an equivalent circuit diagram of the ultrasonic motor. FIG. 3 is a characteristic curve diagram showing the frequency characteristics of resonance and impedance of the ultrasonic motor. (Explanation of reference numerals of main parts) 1 ... Ultrasonic motor, 2 ... Phase shifter, 3 ... 90 ° phase shifter, 4 ... 180 ° phase shifter, A1, A2 ... Amplifier

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐藤 重正 東京都品川区西大井1丁目6番3号 日 本光学工業株式会社大井製作所内 (72)発明者 佐谷 大助 東京都品川区西大井1丁目6番3号 日 本光学工業株式会社大井製作所内 (56)参考文献 特開 昭61−203873(JP,A) 特開 昭61−224879(JP,A) 特開 昭61−251490(JP,A) 特開 昭61−124276(JP,A)   ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page    (72) Inventor Shigemasa Sato               1-6-3 Nishioi, Shinagawa-ku, Tokyo Sun               The Optical Industry Co., Ltd. Oi Works (72) Inventor Daisuke Saya               1-6-3 Nishioi, Shinagawa-ku, Tokyo Sun               The Optical Industry Co., Ltd. Oi Works                (56) References JP-A-61-203873 (JP, A)                 JP-A-61-224879 (JP, A)                 JP-A-61-251490 (JP, A)                 JP-A-61-124276 (JP, A)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】 1.交流電圧を出力する増幅器と、 該増幅器により所定の駆動周波数で制御される超音波モ
ータと、 該超音波モータのピックアップ信号を検出し、前記増幅
器に正帰還をかけるように前記ピックアップ信号の位相
を変換する移相手段と、 前記駆動周波数を調整する周波数調整手段とを備え、 前記周波数調整手段は、前記駆動周波数が前記超音波モ
ータの共振周波数よりも高く、前記超音波モータの***
振周波数よりも低い範囲となるように前記駆動周波数を
調整する第1のコンデンサと、前記範囲内で前記駆動周
波数を微調整するための第2のコンデンサとを有するこ
とを特徴とする超音波モータの駆動回路。
(57) [Claims] An amplifier that outputs an AC voltage; an ultrasonic motor that is controlled at a predetermined driving frequency by the amplifier; a pickup signal of the ultrasonic motor is detected, and a phase of the pickup signal is applied so as to apply a positive feedback to the amplifier. Phase shifting means for converting, and frequency adjusting means for adjusting the driving frequency, wherein the frequency adjusting means has the driving frequency higher than the resonance frequency of the ultrasonic motor and the anti-resonance frequency of the ultrasonic motor. A driving circuit for an ultrasonic motor, comprising: a first capacitor for adjusting the driving frequency so that the driving frequency is also in a low range; and a second capacitor for finely adjusting the driving frequency in the range. .
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