JP2000214929A - 圧電アクチュエ―タ駆動装置の校正方法 - Google Patents
圧電アクチュエ―タ駆動装置の校正方法Info
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- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
- H02N2/02—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
- H02N2/04—Constructional details
- H02N2/043—Mechanical transmission means, e.g. for stroke amplification
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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- H02N2/02—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
- H02N2/06—Drive circuits; Control arrangements or methods
- H02N2/062—Small signal circuits; Means for controlling position or derived quantities, e.g. for removing hysteresis
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- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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- Control Of Position Or Direction (AREA)
- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 アクチュエータの経路が周囲の環境条件及び
圧電性の不安定性に左右されない圧電アクチュエータ駆
動装置の校正方法を提供する。 【解決手段】 制御電子回路、圧電アクチュエータ及び
少なくとも1つのリミットストップからなる圧電アクチ
ュエータ駆動装置の校正方法は、制御量及び該制御量に
対応する制御位置の自動的検出を、リミットストップ
(9)における衝突時点t1、t2を決定することによっ
て行い、そのためにアクチュエータ出力部(4)がリミ
ットストップ(9)に突き当たるときの圧電スタック
(3)の電荷の変化を制御電子回路により測定、記録す
ることを特徴とする。
圧電性の不安定性に左右されない圧電アクチュエータ駆
動装置の校正方法を提供する。 【解決手段】 制御電子回路、圧電アクチュエータ及び
少なくとも1つのリミットストップからなる圧電アクチ
ュエータ駆動装置の校正方法は、制御量及び該制御量に
対応する制御位置の自動的検出を、リミットストップ
(9)における衝突時点t1、t2を決定することによっ
て行い、そのためにアクチュエータ出力部(4)がリミ
ットストップ(9)に突き当たるときの圧電スタック
(3)の電荷の変化を制御電子回路により測定、記録す
ることを特徴とする。
Description
【0001】本発明は、制御電子回路、圧電アクチュエ
ータ及び少なくとも1つのリミットストップからなる圧
電アクチュエータ駆動装置の校正方法に関する。
ータ及び少なくとも1つのリミットストップからなる圧
電アクチュエータ駆動装置の校正方法に関する。
【0002】
【従来の技術】制御電子回路と圧電アクチュエータから
なる圧電アクチュエータ駆動装置はDE−AS 43 0
3 125から知られている。ここに開示されている発
明については、特にヒステリシスによる影響が減少され
るように、電圧と制御運動の結合をよくする回路配置を
提供することが望まれる。それ故出力信号が第1のアク
チュエータ駆動装置の制御運動と線形に結合している、
第2のアクチュエータを配置することが提案されてい
る。
なる圧電アクチュエータ駆動装置はDE−AS 43 0
3 125から知られている。ここに開示されている発
明については、特にヒステリシスによる影響が減少され
るように、電圧と制御運動の結合をよくする回路配置を
提供することが望まれる。それ故出力信号が第1のアク
チュエータ駆動装置の制御運動と線形に結合している、
第2のアクチュエータを配置することが提案されてい
る。
【0003】温度又は機械的な負荷等の圧電アクチュエ
ータ駆動装置の環境条件が変化するとき、圧電性セラミ
ックの不安定作用が老化のために生じるようになり、ア
クチュエータの上昇を止める(hubaufloesender)圧電ア
クチュエータ駆動装置の正確な機能が損なわれる。これ
は制御行程信号のフィードバックを有する制御された、
且つ調整されたシステムにあてはまる。圧電制御される
弁、特に自動車技術における燃料噴射弁にとっては、ア
クチュエータ駆動装置の正確な機能は相当な技術的及び
経済的意義のあるものである。
ータ駆動装置の環境条件が変化するとき、圧電性セラミ
ックの不安定作用が老化のために生じるようになり、ア
クチュエータの上昇を止める(hubaufloesender)圧電ア
クチュエータ駆動装置の正確な機能が損なわれる。これ
は制御行程信号のフィードバックを有する制御された、
且つ調整されたシステムにあてはまる。圧電制御される
弁、特に自動車技術における燃料噴射弁にとっては、ア
クチュエータ駆動装置の正確な機能は相当な技術的及び
経済的意義のあるものである。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、調整
行程が周囲の環境条件及び圧電性の不安定性に左右され
ない圧電アクチュエータ駆動装置を提供することであ
る。
行程が周囲の環境条件及び圧電性の不安定性に左右され
ない圧電アクチュエータ駆動装置を提供することであ
る。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記の課題は本発明の請
求項1及び請求項6の特徴によって解決される。即ち、
本発明は、請求項1に記載のように制御電子回路、圧電
アクチュエータ及び少なくとも1つのリミットストップ
からなる圧電アクチュエータ駆動装置の校正方法であっ
て、制御量及び該制御量に関連付けられた制御位置の自
動的検出を、リミットストップ(9)における衝突時点
t1、t2を決定することによって行い、そのためにアクチ
ュエータ出力部(4)がリミットストップ(9)に突き
当たるときの圧電スタック(3)の電荷の変化を制御電
子回路により測定、記録することを特徴とする。更に、
本発明は、制御電子回路、圧電アクチュエータ及び少な
くとも1つのリミットストップからなる圧電アクチュエ
ータ駆動装置の校正方法であって、制御量及び該制御量
に関連付けられた制御位置の自動的検出を、リミットス
トップ(9)における衝突時点t1、t2を決定することに
よって行い、そのためにアクチュエータ出力部(4)が
リミットストップ(9)に突き当たるときの圧電スタッ
ク(3)の電荷インパルスの発生を制御電子回路により
測定、記録することを特徴とする。更に本発明の別の構
成は下位の請求項にあげられている。
求項1及び請求項6の特徴によって解決される。即ち、
本発明は、請求項1に記載のように制御電子回路、圧電
アクチュエータ及び少なくとも1つのリミットストップ
からなる圧電アクチュエータ駆動装置の校正方法であっ
て、制御量及び該制御量に関連付けられた制御位置の自
動的検出を、リミットストップ(9)における衝突時点
t1、t2を決定することによって行い、そのためにアクチ
ュエータ出力部(4)がリミットストップ(9)に突き
当たるときの圧電スタック(3)の電荷の変化を制御電
子回路により測定、記録することを特徴とする。更に、
本発明は、制御電子回路、圧電アクチュエータ及び少な
くとも1つのリミットストップからなる圧電アクチュエ
ータ駆動装置の校正方法であって、制御量及び該制御量
に関連付けられた制御位置の自動的検出を、リミットス
トップ(9)における衝突時点t1、t2を決定することに
よって行い、そのためにアクチュエータ出力部(4)が
リミットストップ(9)に突き当たるときの圧電スタッ
ク(3)の電荷インパルスの発生を制御電子回路により
測定、記録することを特徴とする。更に本発明の別の構
成は下位の請求項にあげられている。
【0006】上記の課題を解決するために圧電アクチュ
エータ駆動装置の自動的校正方法は有利に圧電効果を利
用して提供される。この構成は必要に応じて又は周期的
に行われる。追加の構成要素を必要とすることなく、本
発明の方法を制御電子回路、アクチュエータ及び2つの
リミットストッパからなる通常のアクチュエータ駆動装
置によって行うことができる。
エータ駆動装置の自動的校正方法は有利に圧電効果を利
用して提供される。この構成は必要に応じて又は周期的
に行われる。追加の構成要素を必要とすることなく、本
発明の方法を制御電子回路、アクチュエータ及び2つの
リミットストッパからなる通常のアクチュエータ駆動装
置によって行うことができる。
【0007】本発明によれば、圧電効果の利用は圧電効
果が機械的特性と電気的特性を結合させることによる。
例えば、剛性のリミットストップに突き当たり圧電アク
チュエータが動かなくなる一つの極端な場合とか、又
は、阻止されずにアクチュエータが長手方向に変形する
別の極端な場合における、機械的な周縁の条件の変化
は、アクチュエータが動かなくなったときのアクチュエ
ータの圧電スタックの電荷CBが圧電スタックが自由に
積層されているときの電荷CFよりも小さいように、電
気的な影響をもたらす。前記した極端な場合については
式
果が機械的特性と電気的特性を結合させることによる。
例えば、剛性のリミットストップに突き当たり圧電アク
チュエータが動かなくなる一つの極端な場合とか、又
は、阻止されずにアクチュエータが長手方向に変形する
別の極端な場合における、機械的な周縁の条件の変化
は、アクチュエータが動かなくなったときのアクチュエ
ータの圧電スタックの電荷CBが圧電スタックが自由に
積層されているときの電荷CFよりも小さいように、電
気的な影響をもたらす。前記した極端な場合については
式
【0008】
【数1】CB=CF(1−k2) 但し、材料パラメータkは所謂値が典型的に0.65で
ある結合係数である、
ある結合係数である、
【0009】が有効である。前記した2つの極端な場合
の間で、圧電スタックの電荷は圧電スタックに及ぼされ
る運動抑止度にしたがって連続的に作用する。
の間で、圧電スタックの電荷は圧電スタックに及ぼされ
る運動抑止度にしたがって連続的に作用する。
【0010】
【発明の実施の形態】図面に基づいて、本発明の実施例
について詳細に説明する。図1は2つのリミットストッ
プ(Anschlaegen)を有する圧電アクチュエータを示す。
図2は前記アクチュエータにおける自動校正方法用の自
動的信号推移を示す。
について詳細に説明する。図1は2つのリミットストッ
プ(Anschlaegen)を有する圧電アクチュエータを示す。
図2は前記アクチュエータにおける自動校正方法用の自
動的信号推移を示す。
【0011】図1に示す圧電アクチュエータ1は、圧電
スタック3の片側を支持する支持フレーム2からなる。
アクチュエータ出力部4は桿として形成されており、こ
の桿は圧電スタック3の自由端5と該自由端に対して位
置ずれした刃先状支持体6の間で旋回可能に支持されて
おり、圧力ばね7によってこの位置に保持されている。
前記刃先状支持体6は支持フレーム2に堅固に支持され
ている。
スタック3の片側を支持する支持フレーム2からなる。
アクチュエータ出力部4は桿として形成されており、こ
の桿は圧電スタック3の自由端5と該自由端に対して位
置ずれした刃先状支持体6の間で旋回可能に支持されて
おり、圧力ばね7によってこの位置に保持されている。
前記刃先状支持体6は支持フレーム2に堅固に支持され
ている。
【0012】圧電スタックの長手方向変形は矢印8で示
すようにアクチュエータ出力部4の制御行程をもたら
す。この制御行程は2つの固定されたリミットストップ
9によって制限される。
すようにアクチュエータ出力部4の制御行程をもたら
す。この制御行程は2つの固定されたリミットストップ
9によって制限される。
【0013】前記した実施例と相違して、本発明の方法
を実施するためのアクチュエータとして、専門家に知ら
れている他の型のアクチュエータ、例えばベンディング
フォーム(Biegeformen) 、油圧式又は機械式上昇伝動装
置(Hubuebersetzung)を有する圧電スタックアクチュエ
ータ等の他の型のアクチュエータを使用することができ
る。
を実施するためのアクチュエータとして、専門家に知ら
れている他の型のアクチュエータ、例えばベンディング
フォーム(Biegeformen) 、油圧式又は機械式上昇伝動装
置(Hubuebersetzung)を有する圧電スタックアクチュエ
ータ等の他の型のアクチュエータを使用することができ
る。
【0014】また、本発明の方法は、更に下記のよう
に、前記したアクチュエータとは相違して、一つのリミ
ットストップのみを有するアクチュエータを利用するこ
ともできる。
に、前記したアクチュエータとは相違して、一つのリミ
ットストップのみを有するアクチュエータを利用するこ
ともできる。
【0015】本発明の方法を図2に示す信号推移に基づ
いて以下に述べる。この実施例において、圧電スタック
3は物理的制御量としての電圧Uによって制御される。
しかし、更に以下に述べるように物理的制御量として電
荷Qを利用することもできる。制御量としての電荷Qに
よって圧電要素で生ずる誘電ヒステリシスを避けること
ができる。更に別の本発明の方法の変形は、リミットス
イッチに接近するときに生ずる電荷インパルスを測定技
術により評価することにある。
いて以下に述べる。この実施例において、圧電スタック
3は物理的制御量としての電圧Uによって制御される。
しかし、更に以下に述べるように物理的制御量として電
荷Qを利用することもできる。制御量としての電荷Qに
よって圧電要素で生ずる誘電ヒステリシスを避けること
ができる。更に別の本発明の方法の変形は、リミットス
イッチに接近するときに生ずる電荷インパルスを測定技
術により評価することにある。
【0016】更に以下に2つの圧力制御のための変形を
述べる。電圧Uが、圧電スタック3の制御のために傾斜
関数10として形成される。この傾斜関数10には、本
発明においては、次の関数の関係を満たす高周波数正弦
波電圧信号11が重なる。
述べる。電圧Uが、圧電スタック3の制御のために傾斜
関数10として形成される。この傾斜関数10には、本
発明においては、次の関数の関係を満たす高周波数正弦
波電圧信号11が重なる。
【0017】
【数2】US(t)=U0 sin(ωt) 但し、U0 ≪URの最大値及び1/ω≪URの増大時間で
ある。
ある。
【0018】かくのごとく電圧Uによって制御されるア
クチュエータを通る電流の経時推移が、測定され、狭い
帯域幅を有する帯域フィルタで測定周波数ωに濾過され
る。このフィルターは電流Iに対して下記の式の測定信
号12をもたらす。
クチュエータを通る電流の経時推移が、測定され、狭い
帯域幅を有する帯域フィルタで測定周波数ωに濾過され
る。このフィルターは電流Iに対して下記の式の測定信
号12をもたらす。
【0019】
【数3】IS(t)=ωC(t)U0 但し、C(t)=アクチュエータの作動の経時推移におい
てリミットストップによって変化する機械的自由度によ
って生ずる圧電要素の可変電気容量である。
てリミットストップによって変化する機械的自由度によ
って生ずる圧電要素の可変電気容量である。
【0020】時点t1においてアクチュエータ1の桿の
自由端がリミットストップ9の一つに衝突するとき、測
定された電流値IS(t)は、先に述べたように圧電効果故
に圧電スタックが動かない場合の圧電スタック3の電気
容量C(t)が僅かな運動阻害の場合の圧電スタックの電
気容量と比べて更に小さいので、減少せしめられる。
自由端がリミットストップ9の一つに衝突するとき、測
定された電流値IS(t)は、先に述べたように圧電効果故
に圧電スタックが動かない場合の圧電スタック3の電気
容量C(t)が僅かな運動阻害の場合の圧電スタックの電
気容量と比べて更に小さいので、減少せしめられる。
【0021】本発明によれば、第1のリミットストップ
9の制御位置x1は、測定信号12から求めることができ
る、測定信号12の急激変化時点t1によって検出され
る。この検出は比較回路その他の適当な評価方法によっ
て測定電流の振幅の変化を求めることによって行われ
る。
9の制御位置x1は、測定信号12から求めることができ
る、測定信号12の急激変化時点t1によって検出され
る。この検出は比較回路その他の適当な評価方法によっ
て測定電流の振幅の変化を求めることによって行われ
る。
【0022】校正のために、前記求められた時点t1に
おける制御量U1=UR(t1)は第1のリミットストップの
検出された制御位置x1に関連付けられる。測定信号12
の急激変化が第2のリミットストップ9において時点t
2において同様におこり、制御量U2=UR(t2)は測定時
点t2から求められた制御位置x2に関連付けられる。
おける制御量U1=UR(t1)は第1のリミットストップの
検出された制御位置x1に関連付けられる。測定信号12
の急激変化が第2のリミットストップ9において時点t
2において同様におこり、制御量U2=UR(t2)は測定時
点t2から求められた制御位置x2に関連付けられる。
【0023】リミットストップ9の間の制御位置を校正
するために、物理的関数x(U)が既知ならば該関数値を
数学的に補間法によって求めることができる。最も単純
な場合、それは線形補間である。
するために、物理的関数x(U)が既知ならば該関数値を
数学的に補間法によって求めることができる。最も単純
な場合、それは線形補間である。
【0024】圧電スタック3が電荷Qによって制御され
るとき、この制御は低周波数正弦波の推移によって行わ
れる。この電荷の推移には電荷Qの高周波数成分
るとき、この制御は低周波数正弦波の推移によって行わ
れる。この電荷の推移には電荷Qの高周波数成分
【数4】QS(t)=Q0sin(ωt)
【0025】が重なる。自由な又はリミットストップ9
において動かない圧電スタック3に基づいて圧電スタッ
ク3の機械的な限界条件が変化すると、圧電アクチュエ
ータにおける電圧が変化する。電圧の経時推移は前記実
施例の変形にしたがって電気的帯域フィルターによって
測定周波数ωに濾過され、且つこのようにして濾過され
たものは、リミットストップでおこる急激変化時点t1
及び t2を決定するための式
において動かない圧電スタック3に基づいて圧電スタッ
ク3の機械的な限界条件が変化すると、圧電アクチュエ
ータにおける電圧が変化する。電圧の経時推移は前記実
施例の変形にしたがって電気的帯域フィルターによって
測定周波数ωに濾過され、且つこのようにして濾過され
たものは、リミットストップでおこる急激変化時点t1
及び t2を決定するための式
【0026】
【数5】US(t)=Q0C(t)sin(ωt)
【0027】の測定信号として用いられる。これらの時
点からリミットストップ位置x1とx2が検出され、各リミ
ットストップに関連付けられた制御量Q1=QS(t1)及び
Q2=QS(t2)が導かれ、校正のために使用される。
点からリミットストップ位置x1とx2が検出され、各リミ
ットストップに関連付けられた制御量Q1=QS(t1)及び
Q2=QS(t2)が導かれ、校正のために使用される。
【0028】前記の実施例からはずれて、1つだけのリ
ミットストップが本発明の目的のために利用されると
き、中間位置の校正のための補間法は不可能である。し
かし外挿法が中間の及び制御できない調整の位置精度を
相当に高めることを達成することができる。それ故前記
の方法にしたがって制御すべきリミットストップが、電
圧U又は電荷Qを使用して、物理的制御量として求めら
れアクチュエータの上昇制御のための電気的制御におけ
る零点補正のために利用される。
ミットストップが本発明の目的のために利用されると
き、中間位置の校正のための補間法は不可能である。し
かし外挿法が中間の及び制御できない調整の位置精度を
相当に高めることを達成することができる。それ故前記
の方法にしたがって制御すべきリミットストップが、電
圧U又は電荷Qを使用して、物理的制御量として求めら
れアクチュエータの上昇制御のための電気的制御におけ
る零点補正のために利用される。
【0029】リミットストップの認識は電荷インパルス
の評価によっても行うことができる。電圧又電荷制御型
アクチュエータがその2つのリミットストップの位置の
間で動的に作動するとき、桿4がリミットストップ9に
衝突するときに圧電スタック3に急に力が及ぼされるこ
とに基づいて電荷インパルスを決定することができる。
リミットストップに対する時点t1及びt2を、電荷イン
パルスを時間的に十分に限定された電気制御信号と相関
させる方法で求めることができる。この校正は、例えば
前記方法におけるようにリミットストップの位置x1及び
x2の検出及び前記位置に関係付けられた制御量U1及び
U2を導き出す前記方法において、又は電荷Q1及びQ2
を制御するときに行われる。
の評価によっても行うことができる。電圧又電荷制御型
アクチュエータがその2つのリミットストップの位置の
間で動的に作動するとき、桿4がリミットストップ9に
衝突するときに圧電スタック3に急に力が及ぼされるこ
とに基づいて電荷インパルスを決定することができる。
リミットストップに対する時点t1及びt2を、電荷イン
パルスを時間的に十分に限定された電気制御信号と相関
させる方法で求めることができる。この校正は、例えば
前記方法におけるようにリミットストップの位置x1及び
x2の検出及び前記位置に関係付けられた制御量U1及び
U2を導き出す前記方法において、又は電荷Q1及びQ2
を制御するときに行われる。
【図1】2つのリミットストップを有する圧電アクチュ
エータの略図である。
エータの略図である。
【図2】アクチュエータにおける自動校正方法用の自動
的信号推移を示すグラフである。
的信号推移を示すグラフである。
1 圧電アクチュエータ 2 支持フレーム 3 圧電スタック 4 アクチュエータ出力部 5 圧電スタックの自由端 6 刃先状支持部 7 圧力ばね 8 矢印 9 リミットストップ 10 傾斜関数 11 高周波数正弦波電圧信号 12 測定信号
Claims (8)
- 【請求項1】 制御電子回路、圧電アクチュエータ及び
少なくとも1つのリミットストップからなる圧電アクチ
ュエータ駆動装置の校正方法であって、制御量及び該制
御量に関連付けられた制御位置の自動的検出を、リミッ
トストップ(9)における衝突時点t1、t2を決定するこ
とによって行い、そのためにアクチュエータ出力部
(4)がリミットストップ(9)に突き当たるときの圧
電スタック(3)の電荷の変化を制御電子回路により測
定、記録することを特徴とする圧電アクチュエータ駆動
装置の校正方法。 - 【請求項2】 圧電スタック(3)を、傾斜関数(1
0)が高周波数正弦波電圧信号US(t)(11)に重なる
ように、電圧URの傾斜関数(10)によって制御し、
帯域フィルタによって信号US(t)の周波数ωに濾過され
た圧電スタック(3)にかけられる電流の推移IS(t)
を、衝突時点t1、t2を決定するための測定信号(12)
として使用することを特徴とする請求項1に記載の圧電
アクチュエータ駆動装置の校正方法。 - 【請求項3】 圧電スタック(3)を、電荷Qの低周波
数正弦波関数によって、低周波数正弦波関数が高周波数
正弦波電荷信号QS(t)と重なるように、制御し、帯域フ
ィルタによって信号QS(t)の周波数ωに濾過された圧電
スタック(3)にかけられる電圧の推移US(t)を、衝突
時点t1、t2を決定するための測定信号として使用するこ
とを特徴とする請求項1に記載の圧電アクチュエータ駆
動装置の校正方法。 - 【請求項4】 アクチュエータ(1)の制御行程をその
両側において一つのリミットストップ(9)によって夫
々制限し、アクチュエータ出力部がリミットストップに
突き当たる位置の校正を行った後、中間の位置の校正を
既知の作動関数x(U)又はx(Q)による数学的補間法
によって行うことを特徴とする請求項1乃至3の何れか
一項に記載の圧電アクチュエータ駆動装置の校正方法。 - 【請求項5】 アクチュエータ(1)の制御行程をリミ
ットストップ(9)によって片側で制限し、衝突位置の
校正を行った後、他の制御位置の制御の精度を外挿法に
よって高め、その場合において外挿のため、校正した衝
突位置を零点ずれ補正のために使用することを特徴とす
る請求項1乃至3の何れか一項に記載の圧電アクチュエ
ータ駆動装置の校正方法。 - 【請求項6】 制御電子回路、圧電アクチュエータ及び
少なくとも1つのリミットストップからなる圧電アクチ
ュエータ駆動装置の校正方法であって、制御量及び該制
御量に関連付けられた制御位置の自動的検出を、リミッ
トストップ(9)における衝突時点t1、t2を決定するこ
とによって行い、そのためにアクチュエータ出力部
(4)がリミットストップ(9)に突き当たるときのア
クチュエータ(1)の圧電スタック(3)の電荷インパ
ルスの発生を制御電子回路により測定、記録することを
特徴とする圧電アクチュエータ駆動装置の校正方法。 - 【請求項7】 衝突時点t1、t2の記録を、時間的に十分
に限定された制御信号によって測定された電荷インパル
スを補正することによって行うことを特徴とする請求項
6に記載の圧電アクチュエータ駆動装置の校正方法。 - 【請求項8】 校正を必要に応じて又は周期的に行うこ
とを特徴とする請求項1乃至7の何れか一項に記載の圧
電アクチュエータ駆動装置の校正方法。
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