(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電素子と前記圧電素子の変位を拡大する変位拡大機構とを有し、一次固有振動周波数ｆを有する圧電アクチュエータを、前記圧電素子に印加する電圧を１／ｆ以下の期間で初期電圧から最終目標電圧まで変化させる駆動方法において、
前記圧電素子に印加する電圧を初期電圧から最終目標電圧まで変化させる駆動期間は、電圧印加期間を含んでおり、
電圧印加期間は時間ｔに比例して変化する電圧Ｖであり、
前記電圧印加期間は、容量性負荷としての前記圧電素子に一定の電流を流入させて、電流の流入時間に比例して前記圧電素子への印加電圧を上昇させ、あるいは前記圧電素子から一定の電流を流出させて、電流の流出時間に比例して前記圧電素子への印加電圧を下降させるものであり、
一定の電流をＩ、前記圧電素子の静電容量をＣ、一定の電流の流入あるいは流出時間をｔとしたときに、前記最終目標電圧までの電圧変化の終了とともに変位が振動なく静止するように、Ｖ＝ｔＩ／Ｃで表される電圧を前記圧電素子に印加し、
前記電圧印加期間において目標電圧が設定されており、
前記目標電圧が初期電圧から最終目標電圧までの間の中間目標電圧の場合は、当該目標電圧に到達すると当該電圧印加期間を終了させ、
前記駆動期間は、少なくとも２個以上の電圧印加期間と少なくとも１個の電圧保持期間とを含むか、または連続した３個以上の電圧印加期間を含んでおり、
前記駆動期間は、前記圧電アクチュエータの一次固有振動周波数をｆとすると、１／ｆ未満であり、
各電圧印加期間における各目標電圧は、当該電圧印加期間の開始時の電圧よりも最終目標電圧に近い電圧である、圧電アクチュエータの駆動方法。
【請求項２】
前記駆動期間は、Ｎ（Ｎは２以上の整数）個の電圧印加期間を含んでおり、電圧印加期間後、次の電圧印加期間開始までの間に時間がある場合、当該時間は目標電圧を保持する電圧保持期間であり、
前記電圧保持期間の電圧が前記中間目標電圧である場合、前記Ｎ個の電圧印加期間のそれぞれにおいて前記圧電素子に印加する電圧が対応する前記中間目標電圧に到達すると、当該電圧印加期間を終了させて、次の電圧印加期間が開始されるまで電流の流入流出を遮断し、前記圧電素子の静電容量にて前記圧電素子に印加される電圧を保持する請求項１に記載の圧電アクチュエータの駆動方法。
【請求項３】
前記中間目標電圧に到達する電圧印加期間は、
前記圧電素子の静電容量をＣ、前記圧電素子への印加電圧をＶ、前記電圧印加期間内に前記圧電素子に流れる電流をＩとすると、ｔ＝ＣＶ／Ｉで表される時間に終了する請求項１または２に記載の圧電アクチュエータの駆動方法。
【請求項４】
前記駆動期間は、電圧保持期間と、その両側の２つの電圧印加期間とを有し、
前記圧電アクチュエータの一次固有振動周波数をｆとすると、１／ｆ未満の時間で振動なく静止する駆動状態にある圧電アクチュエータは、各電圧印加期間における電流を同じとした状態で、電圧を変化させて、振動なく静止する駆動状態を保ったまま、前記駆動期間を変更する請求項１乃至３のいずれかに記載の圧電アクチュエータの駆動方法。
【請求項５】
前記駆動期間は、前記圧電アクチュエータの一次固有振動周波数をｆとすると、１／ｆ以下であり、
初期電圧が最終目標電圧よりも低い場合に、前記駆動期間の前半に前記圧電素子に印加される電圧のピーク値が存在し、かつ前記駆動期間の後半に前記圧電素子に印加される電圧のボトム値が存在し、この場合の前記ピーク値は、前記初期電圧と前記最終目標電圧との中間電圧より高く、かつ前記最終目標電圧以下の前記目標電圧であり、かつ前記ボトム値は、前記中間電圧未満で前記初期電圧以上の前記目標電圧であり、
初期電圧が最終目標電圧よりも高い場合に、前記駆動期間の前半に前記圧電素子に印加される電圧のボトム値が存在し、かつ前記駆動期間の後半に前記圧電素子に印加される電圧のピーク値が存在し、この場合のボトム値は、前記中間電圧以下で前記最終目標電圧以上の前記目標電圧であり、かつ前記ピーク値は前記中間電圧以上で前記初期電圧以下の前記目標電圧である請求項１乃至３のいずれかに記載の圧電アクチュエータの駆動方法。
【請求項６】
前記駆動期間は、３個の電圧印加期間と、この電圧印加期間の合間の２個の電圧保持期間とで構成され、
第１の目標電圧は最終目標電圧であり、第２の目標電圧は初期電圧であり、
前記圧電アクチュエータの一次固有振動周波数をｆとすると、１／ｆ未満で振動無く静止する駆動状態にある圧電アクチュエータは、各電圧印加期間における電流の絶対値を同一にした状態で、電圧を変化させて、振動なく静止する駆動状態を保ったまま前記駆動期間を変更する請求項５に記載の圧電アクチュエータの駆動方法。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかの駆動方法により前記圧電アクチュエータを駆動する駆動部を備える圧電アクチュエータの駆動回路。
【請求項８】
前記駆動部は、
第１基準電圧を前記圧電素子の一端に印加するか否かを切り替える第１切替回路と、
前記第１基準電圧よりも電圧レベルの低い第２基準電圧を前記圧電素子の一端に印加するか否かを切り替える第２切替回路と、
前記第１切替回路が前記第１基準電圧を前記圧電素子の一端に印加するように切り替えているときに、前記圧電素子に流入する電流が一定になるように電流制限を行う第１電流制限回路と、
前記第２切替回路が前記第２基準電圧を前記圧電素子の一端に印加するように切り替えているときに、前記圧電素子から流出する電流が一定になるように電流制限を行う第２電流制限回路と、を有する請求項７に記載の駆動回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、変位拡大機構を有する圧電アクチュエータを目標位置まで高速に移動し、かつ短時間で静止させる駆動方法および駆動回路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
圧電効果によって電気エネルギーから機械エネルギーへのエネルギー変換を行う圧電素子は、変換効率が高く、小型で、微小変位の制御にすぐれていることから、圧電アクチュエータとして位置決め等に広く用いられている。ただし、圧電素子自体の変位量は小さいので、必要な変位を得るために変位拡大機構を組み合わせて使用されることが多い。
【０００３】
図１は変位拡大機構を有する圧電アクチュエータを示す図である。圧電素子１に接合される機械構造物である変位拡大機構１００は、圧電素子１が長さ方向の一端部に当接するＵ字形の第１の当接部材５２と他端部に当接する第２の当接部材５３との間に取付けられており、端子５１、５１間に電圧が印加されることにより、圧電素子１に軸方向の変位が生じ、その発生変位がヒンジ５４、５５を介して左右のアーム５６、５６に伝達され、さらにアーム５６の先端に取付けられた弾性材５７を介し、対象物に当接する結合部材５８に拡大した変位を与える構成になっている。この拡大した変位の大きさは１ｍｍ未満であるため、当該変位を高速で実現するとともに、短時間で静止させることが必要である。
【０００４】
圧電素子１の端子５１、５１間に電圧を印加するために接続される電気回路を、以下の説明では駆動回路と呼ぶ。
【０００５】
従来の圧電素子１の駆動回路の例を図４９（ａ）（ｂ）（ｃ）に示す。以下、この駆動回路をスイッチ駆動回路と呼ぶ。図４９（ａ）はスイッチ駆動回路の全体図である。圧電素子１は２個の端子を有し、一方の端子はグランドに接続されており、他方の端子はインダクタＬ１０１および抵抗Ｒ１０１を介して電圧出力Ｖｏｕｔに設定されている。電圧出力Ｖｏｕｔは圧電素子１への印加電圧を決める電圧であり、この電圧は、定電圧源２の出力ノード２ａから出力される定電圧ＶＨと定電圧源３の出力ノード３ａから出力される定電圧ＶＬを、スイッチＳ１０１およびスイッチＳ１０２の作用により選択した電圧である。なお、定電圧源２のグランドノード２ｂおよび定電圧源３のグランドノード３ｂは、いずれも接地されている。そして、定電圧ＶＨと定電圧ＶＬの間にはＶＨ＞ＶＬの関係がある。すなわち、定電圧源２は高電位源であり、定電圧源３は低電位源であり、定電圧源２は定電圧源３よりも高い電位を出力する。
【０００６】
ここで、上記のスイッチＳ１０１およびスイッチＳ１０２の作用について説明する。スイッチＳ１０１およびスイッチＳ１０２は、それぞれ開閉制御信号ＳＣ１０１および開閉制御信号ＳＣ１０２によって開閉を制御される。具体的には、開閉制御信号ＳＣ１０１の論理レベルがロウ（Ｌ）の時にスイッチＳ１０１が閉じ、開閉制御信号ＳＣ１０２の論理レベルがロウ（Ｌ）の時にスイッチＳ１０２が閉じる。ここに、開閉制御信号ＳＣ１０１は制御入力Ｓｉｎの論理レベルを論理反転回路Ｇ１０１によって逆論理にしたものである。また、開閉制御信号ＳＣ１０２は制御入力Ｓｉｎの論理レベルを論理非反転回路Ｇ１０２によって同一論理にしたものである。これらの関係を図４９（ｂ）に表として示す。すなわち、制御入力Ｓｉｎの論理レベルがハイ（Ｈ）の時にスイッチＳ１０１が閉じ、電圧出力Ｖｏｕｔは定電圧ＶＨになる。また、制御入力Ｓｉｎの論理レベルがロウ（Ｌ）の時にスイッチＳ１０２が閉じ、電圧出力Ｖｏｕｔは定電圧ＶＬになる。このように、電圧出力Ｖｏｕｔは２種類の定電圧ＶＨおよび定電圧ＶＬをスイッチＳ１０１およびスイッチＳ１０２の作用によって切り替えて出力する。定電圧ＶＨおよび定電圧ＶＬは直流電圧であり、かつ上述のようにＶＨ＞ＶＬの関係がある。一方、圧電素子１は容量性の部品である。このため、スイッチＳ１０１およびスイッチＳ１０２の作用により電圧出力Ｖｏｕｔが切り替えられると、容量性の部品である圧電素子１の印加電圧が急激に変動して、過大な過渡電流を生じる。この過渡電流は定電圧源２および定電圧源３、スイッチＳ１０１、Ｓ１０２に損傷を与えるおそれがあるため、上述のように圧電素子１の他方の端子と電圧出力Ｖｏｕｔの間には、過渡電流抑圧回路としてのインダクタＬ１０１および抵抗Ｒ１０１が直列に接続されている。
【０００７】
図４９（ｂ）に対応するタイムチャートを図５０および図５１に示す。図５０は制御入力Ｓｉｎの論理レベルの時間に対する変化を示したタイムチャートである。時刻ｔａ以前はＳｉｎの論理レベルはロウ（Ｌ）であり、時刻ｔａにおいて論理レベルはハイ（Ｈ）に変化し、時刻ｔｂにおいて論理レベルはロウ（Ｌ）に変化する。図５１は電圧出力Ｖｏｕｔの時間に対する変化を示したタイムチャートである。時間を表わす横軸における時刻ｔａおよびｔｂは、図５０の時刻ｔａおよびｔｂに対応している。時刻ｔａ以前において電圧出力ＶｏｕｔはＶＬであり、時刻ｔａにおいて電圧出力ＶｏｕｔはＶＨに上昇し、時刻ｔａ以後において電圧出力ＶｏｕｔはＶＨを保持する（ＶＨ＞ＶＬ）。そして時刻ｔｂにおいて電圧出力ＶｏｕｔはＶＬに下降し、時刻ｔｂ以後において電圧出力ＶｏｕｔはＶＬを保持する。ここに、印加電圧ＶＨとＶＬの差分が大きいほど圧電素子１の変位は大きくなる。このため、大きな変位を得るためにはＶＨを正電圧とし、ＶＬを負電圧とすることが有効である。ただし、圧電素子１の特性上、ＶＬの絶対値はＶＨの絶対値よりもかなり小さい。一例として、ＶＨ＝１００Ｖに対してＶＬ＝−１５Ｖに設定する駆動回路がある。一方、それほど大きな変位を必要としない場合、あるいは図４９（ａ）において定電圧源２および定電圧源３を使用すると、定電圧源が２個必要になってコストアップにつながると判断された場合等には、定電圧源３を使用しない回路とすることもある。具体的には、図４９（ａ）において、一点鎖線領域Ｅ内の回路を図４９（ｃ）の回路に置換し、定電圧源３を省略するとともに、スイッチＳ１０２により選択される電圧を負電圧のＶＬからグランド、すなわち０Ｖとする。この場合には、図４９（ｂ）および図５１におけるＶｏｕｔの電圧ＶＬは０Ｖになる。そして、定電圧源２は高電位源であり、グランドは低電位源であり、定電圧源２はグランドよりも高い電位を出力する。この関係は、定電圧源２と定電圧源３を使用した場合の関係と同一である。
【０００８】
圧電素子１への印加電圧は矩形波に限定されるので、印加電圧の立ち上がりおよび立ち下がりは極めて急峻になる。このため、圧電素子１の変位も極めて急峻になり、変位の際に変位拡大機構を有する圧電アクチュエータの一次固有振動周波数等による大きな振動が発生する。これによって、圧電素子１が変位後に静止するまでに時間を要する。この問題を解決するための対策を施した圧電素子１の駆動回路の例を図５２に示す。以下、この駆動回路を任意波形駆動回路と呼ぶ。図５２において任意波形発生部１０１は、１０μｓから１ｍｓ程度の微小時間Δｔの間に、任意の大きさの矩形波電圧Ｖｏ１を波形出力１０１ａに送出する機能を有する。微小時間Δｔおよび矩形波電圧Ｖｏ１の値は、手動およびソフトウェアにより設定する。任意波形発生部１０１により送出される矩形波電圧Ｖｏ１は、負荷を接続した状態で電流をほとんど供給することができない。そこで、波形出力１０１ａを電力増幅器１０３の入力１０３ｉに接続して、負荷に十分な電流を供給できる定電圧源出力としての負荷駆動電圧Ｖｏ２を増幅出力１０３ｏに送出する。そして、圧電素子１は、図４９（ａ）と同様に一方の端子がグランドに接続され、他方の端子が上記増幅出力１０３ｏに接続されている。これにより、圧電素子１に負荷駆動電圧Ｖｏ２が供給される。
【０００９】
上述のように、任意波形駆動回路において、負荷駆動電圧Ｖｏ２はその値を微小時間Δｔの間に任意の大きさとすることができる。負荷駆動電圧Ｖｏ２の時間に対する変化の例を図５３に示す。図５３において、負荷駆動電圧Ｖｏ２の定電圧ＶＨは正電圧で、定電圧ＶＬは０Ｖである。もちろん、スイッチ駆動回路と同様に定電圧ＶＬを負電圧としてもよい。そして、負荷駆動電圧Ｖｏ２は定電圧ＶＨおよび定電圧ＶＬの間を微小時間Δｔ単位に緩やかに上昇あるいは下降している。具体的には、時刻ｔｃ以前において負荷駆動電圧Ｖｏ２はＶＬからＶＨに向けて微小時間Δｔごとに緩やかに上昇し、時刻ｔｃから時刻ｔｄまでは負荷駆動電圧Ｖｏ２はＶＨを保持し、時刻ｔｄから時刻ｔｅまでは負荷駆動電圧Ｖｏ２はＶＨからＶＬに向けて微小時間Δｔごとに緩やかに下降し、時刻ｔｅ以後において負荷駆動電圧Ｖｏ２はＶＬを保持する。
【００１０】
ここで、任意波形駆動回路を用いて定電圧ＶＨと定電圧ＶＬの間の電圧の変化を緩やかにすることにより、圧電素子１が変位する際に変位拡大機構を有する圧電アクチュエータの一次固有振動周波数による振動を防止して、速やかに制動させることができる。以下、この制動を傾斜電圧制動と呼ぶ。傾斜電圧制動は、圧電素子１への印加電圧を初期電圧から最終目標電圧まで変化させる駆動期間を有し、駆動期間は変位拡大機構を有する圧電アクチュエータの一次固有振動周波数ｆにより１／ｆで表わされる時間である。また、駆動期間は１つの電圧印加期間であり、それは初期電圧において最終目標電圧を目標電圧として、一定の変化率で印加電圧の変化を開始し、上記１／ｆの時間において終了する期間である。なお、上記の変位拡大機構を有する圧電アクチュエータの一次固有振動周波数とは、圧電素子１に接合される機械構造物の質量のみで決まるものではない。それは、図１に示す変位拡大機構付き圧電アクチュエータ１００の動作時において、圧電素子１が受ける外力、与圧、摩擦、および結合部材５８に当接する対象物の質量等、すべての力および質量によって決まる一次固有振動周波数である。
【００１１】
傾斜電圧制動の原理を、図５４乃至図５８を用いて説明する。図５４は、図５３の負荷駆動電圧（印加電圧）Ｖｏ２の時間に対する変化を模式化した傾斜電圧制動のグラフである。図５４において、縦軸は印加電圧を示すが、簡単のために電圧と表記している。また、時間を表す横軸における時刻の表記で、図５３における時刻ｔｃは、図５４において時刻１／ｆとなっている。ここに、ｆは変位拡大機構を有する圧電アクチュエータの一次固有振動周波数である。また、時刻０から時刻１／ｆまでの間を６等分して、１／６ｆから５／６ｆと表記している。同様に、図５３における時刻ｔｄは、図５４において時刻Ｔｒｓとなっている。また、時刻Ｔｒｓから電圧がＶＬになるまでの時刻との間を６等分して、Ｔｒｓ＋１／６ｆからＴｒｓ＋１／ｆと表記している。なお、以下の説明では、圧電素子１への印加電圧を低い電圧から高い電圧へ変化させる電圧印加期間を印加電圧上昇期間と呼び、圧電素子１への印加電圧を高い電圧から低い電圧へ変化させる電圧印加期間を印加電圧下降期間と呼ぶ。また、印加電圧を低い初期電圧から高い最終目標電圧へ変化させて、圧電素子１が伸びる方向（図１における矢印Ａ方向）に変位させる駆動期間を上昇の駆動期間と呼び、印加電圧を高い初期電圧から低い最終目標電圧へ変化させて、圧電素子１が縮む方向（図１における矢印Ｂ方向）に変位させる駆動期間を下降の駆動期間と呼ぶ。ここに、上昇の駆動期間および下降の駆動期間の各名称における上昇ならびに下降は、図１に示す変位拡大機構を有する圧電アクチュエータにおける各駆動期間において、結合部材５８に当接する対象物が移動する方向とは無関係である。
【００１２】
図５４において、時刻０から時刻１／ｆまでの間に電圧がＶＬからＶＨまで上昇する区間を区間［１］、時刻１／ｆから時刻Ｔｒｓまでの間に電圧がＶＨを保持する区間を区間［２］、時刻Ｔｒｓから時刻Ｔｒｓ＋１／ｆまでの間に電圧がＶＨからＶＬまで下降する区間を区間［３］、時刻Ｔｒｓ＋１／ｆ以後に電圧がＶＬを保持する区間を区間［４］としている。図５４には、時刻０から始まる駆動期間と、時刻Ｔｒｓから始まる駆動期間の２つの駆動期間が示されている。ここに、時刻０から始まる駆動期間は、初期電圧が低い電圧ＶＬであり、最終目標電圧が高い電圧ＶＨであり、区間［１］が電圧印加期間である。よって、区間［１］は印加電圧上昇期間であり、この駆動期間は上昇の駆動期間である。また、時刻Ｔｒｓから始まる駆動期間は、初期電圧が高い電圧ＶＨであり、最終目標電圧が低い電圧ＶＬであり、区間［３］が電圧印加期間である。よって、区間［３］は印加電圧下降期間であり、この駆動期間は下降の駆動期間である。区間［１］および区間［３］の開始から完了までの時間はいずれも１／ｆである。また、任意波形駆動回路で駆動する場合には、区間［１］および区間［３］における実際の電圧の変化は、図５３に示すように微小時間Δｔごとに上昇あるいは下降しているのであるが、図５４においては簡単のため、当該区間において一様に上昇あるいは下降するように表記している。
【００１３】
今、電圧ＶＨ＝１００Ｖ、電圧ＶＬ＝０Ｖ、変位拡大機構を有する圧電アクチュエータの一次固有振動周波数ｆ＝１ｋＨｚの場合の傾斜電圧制動の動作原理について、図５５乃至図５８を用いて説明する。図５５は、圧電素子１の印加電圧を時刻０において上昇に転じた時の、圧電素子１の印加電圧と変位拡大機構を有する圧電アクチュエータの変位（図１における結合部材５８の変位）を示したグラフである。ここに、時刻０以前の電圧は０Ｖである。電圧は時刻１．００ｍｓ（＝１／ｆ）において１００Ｖに到達するように一様に上昇させている。実線が電圧で、破線が変位である。説明の都合上、両者を重ね書きしてある。
【００１４】
図５５において、変位拡大機構を有する圧電アクチュエータは、印加電圧を０Ｖから１００Ｖに上昇させることにより、初期位置である０μｍから目標位置である３００μｍまでの変位が得られる。図示されない変位の縦軸は、電圧０Ｖに０μｍが対応し、電圧１００Ｖに３００μｍが対応する。この変位のグラフは、傾きが大きいほど速度が大きいことを示し、水平な部分は速度が０、すなわち静止していることを示す。また、電圧のグラフと変位のグラフが離間している場合には、その離間距離が大きいほど、加速度が大きいことを示す。一方、電圧のグラフと変位のグラフが重なっている場合には、当該変位は当該電圧によって生ずることが期待される変位に一致しており、加速度が０であることを示す。
【００１５】
いま、変位拡大機構を有する圧電アクチュエータの一次固有振動周波数をｆとすると、電圧を時刻１／ｆすなわち１．００ｍｓにおいて最終目標電圧に到達するように一定の傾きで上昇させる。時刻０において電圧が上昇に転じると、図５５に示すように、圧電素子１に接合された機械構造物は加速度を得て変位を開始する。この変位開始時において、機械構造物は急峻な電圧の変化に追随できない。すなわち、電圧のグラフが右上がりの直線であるのに対して、変位のグラフは電圧のグラフから離間して、略水平方向に変化を開始してから徐々に傾きが大きくなる曲線を描き、前記一次固有振動周波数ｆで振動するように変位する。この時、前記一次固有振動周波数ｆ＝１ｋＨｚなので、時刻０から時刻１／ｆすなわち１．００ｍｓまでが変位の周期に一致する。また、時刻０における速度は０であり、そこから印加電圧により加速度を得て変位を開始するので、上記変位の周期が経過した時刻１．００ｍｓにおける速度もまた０である。図５５において、時刻１．００ｍｓ以後の電圧を１００Ｖに保持した時の電圧および変位を、図５６に示す。これは、図５４の区間［１］および区間［２］に相当する。当該区間を図５６にも記載している。図５５においては、時間の経過とともに電圧が一定の割合で上昇するので、変位は１．００ｍｓを周期として繰り返す。この時、時刻１．００ｍｓの位置において変位と電圧が重なっているので、時刻１．００ｍｓには機械構造物に加速度が生じない。かつ、上述のように時刻１．００ｍｓにおける変位拡大機構を有する圧電アクチュエータの変位のグラフは水平であり、その速度は０であるから、時刻１．００ｍｓにおいて機械構造物が停止する。そこで図５６のように、時刻１．００ｍｓ以後（区間［２］）の電圧を１００Ｖに保持すると、時刻１．００ｍｓ以降も加速度を有さず、かつ速度を有さない状態、すなわち停止状態が継続する。このように、時刻１．００ｍｓ以降において、変位拡大機構を有する圧電アクチュエータの一次固有振動周波数ｆによる振動は発生しないので、速やかな制動が可能となる。
【００１６】
図５７は、圧電素子１の印加電圧を時刻Ｔｒｓにおいて下降に転じた時の、圧電素子１の印加電圧と変位拡大機構を有する圧電アクチュエータの変位を示したグラフである。ここに、時刻Ｔｒｓ以前の電圧は１００Ｖである。電圧は時刻Ｔｒｓ＋１．００ｍｓ（＝Ｔｒｓ＋１／ｆ）において０Ｖに到達するように一様に下降させている。実線が電圧で、破線が変位である。説明の都合上、両者を重ね書きしてある。
【００１７】
図５７において、変位拡大機構を有する圧電アクチュエータは、印加電圧を１００Ｖから０Ｖに下降させることにより、初期位置である３００μｍから目標位置である０μｍまでの変位を得られる。図示されない変位の縦軸は、電圧１００Ｖに３００μｍが対応し、電圧０Ｖに０μｍが対応する。図５７における変位のグラフの傾きと速度の関係、および電圧のグラフと変位のグラフの相互位置と加速度の関係は、図５５と同じである。
【００１８】
時刻Ｔｒｓにおいて電圧が下降に転じると、図５７に示すように、圧電素子１に接合された機械構造物は加速度を得て変位を開始する。この変位開始時において、機械構造物は急峻な電圧の変化に追随できない。すなわち、電圧のグラフが右下がりの直線であるのに対して、変位のグラフは電圧のグラフから離間して、略水平方向に変化を開始してから徐々に傾きが大きくなる曲線を描き、前記一次固有振動周波数ｆで振動するように変位する。この時、前記一次固有振動周波数ｆ＝１ｋＨｚなので、時刻Ｔｒｓから時刻Ｔｒｓ＋１／ｆすなわちＴｒｓ＋１．００ｍｓまでが変位の周期に一致する。また、時刻Ｔｒｓにおける速度は０であり、そこから印加電圧により加速度を得て変位を開始するので、上記変位の周期が経過した時刻Ｔｒｓ＋１．００ｍｓにおける速度もまた０である。図５７において、時刻Ｔｒｓ＋１．００ｍｓ以後の電圧を０Ｖに保持した時の電圧および変位を、図５８に示す。これは、図５４の区間［２］乃至区間［４］に相当する。当該区間を図５８にも記載している。図５７においては、時間の経過とともに電圧が一定の割合で下降するので、変位は１．００ｍｓを周期として繰り返す。これに対して図５８においては、時刻Ｔｒｓ＋１．００ｍｓ以後（区間［４］）の電圧は０Ｖに保持される。この時、時刻Ｔｒｓ＋１．００ｍｓの位置において変位と電圧が重なっているので、時刻Ｔｒｓ＋１．００ｍｓには機械構造物に加速度が生じない。かつ、上述のように時刻Ｔｒｓ＋１．００ｍｓにおける変位拡大機構を有する圧電アクチュエータの変位のグラフは水平であり、その速度は０であるから、時刻Ｔｒｓ＋１．００ｍｓにおいて機械構造物が停止する。時刻Ｔｒｓ＋１．００ｍｓ以降も電圧は０Ｖに保持され、加速度を有さず、かつ速度を有さない状態、すなわち停止状態が継続する。このように、時刻Ｔｒｓ＋１．００ｍｓ以降において、変位拡大機構を有する圧電アクチュエータの一次固有振動周波数ｆによる振動は発生しないので、速やかな制動が可能となる。
【００１９】
以上のように、傾斜電圧制動は一次固有振動周波数を利用する制動であり、一次固有振動周波数による振動を打ち消して、速やかに制動させるものである。そして、任意波形駆動回路を用いた傾斜電圧制動を採用することにより、圧電素子１が変位する際に変位拡大機構を有する圧電アクチュエータの一次固有振動周波数による振動を防止して、速やかに制動させることができる。
【００２０】
上述のように、傾斜電圧制動における電圧印加期間は、初期電圧において最終目標電圧を目標電圧として、一定の変化率で印加電圧の変化を開始し、終了するまでの時間は変位拡大機構を有する圧電アクチュエータの一次固有振動周波数ｆにより１／ｆで表わされる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２１】
【特許文献１】特開２００９−３８８７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
以上の傾斜電圧制動の動作原理の説明においては、簡単のため、理想的な圧電素子１に接合される理想的な機械構造物を想定した。しかし、実際には、圧電素子１の変位は印加電圧に正確に比例せず、また印加電圧の上昇時と下降時で異なる軌跡となる非線形的な曲線、すなわちヒステリシス曲線を描く。印加電圧の変化に対して変位がヒステリシス曲線を描く例を、図５９に示す。
【００２３】
図５９において、印加電圧を０Ｖから１００Ｖに上昇させた時の変位のグラフはｗ１のようになり、印加電圧を１００Ｖから０Ｖに下降させた時の変位のグラフはｗ２のようになる。ここに、説明の理解を助けるために、印加電圧の変化の方向を示す矢印をｗ１とｗ２の各グラフに重ね書きしてある。このように、ｗ１とｗ２のグラフが示す印加電圧対変位の特性は、明らかに異なっている。このため、例えば一点鎖線で示す同一の印加電圧５０Ｖに対応する変位は、印加電圧を０Ｖから１００Ｖに上昇させた場合（ｗ１のグラフ上）は約４μｍであるが、印加電圧を１００Ｖから０Ｖに下降させた場合（ｗ２のグラフ上）は約５．２μｍとなる。すなわち、両者の値は異なっている。このようになる原因は、圧電素子１が抵抗成分を有するために印加電圧に損失が発生すること、ならびに圧電素子１に接合された機械構造物が圧電素子１への印加電圧により変位する際に圧電素子１が機械構造物に与えるエネルギーの一部が消費されること、および機械構造物が変位する際の摩擦や変形に伴うエネルギーの損失が発生すること等である。このため、実際の傾斜電圧制動においては、機械構造物の速度が０、かつ加速度が０という状態で停止する時刻は、図５６に示す時刻１．００ｍｓ（１／ｆ）および図５８に示す時刻Ｔｒｓ＋１．００ｍｓ（Ｔｒｓ＋１／ｆ）ではなく、これらの時刻から少しずれた時刻となる。そこで、以下の調整を行うことで、速度が０、かつ加速度が０で停止する時刻を見つけて、その時刻において停止させるようにする。まず変位拡大機構を有する圧電アクチュエータを構成する圧電素子１に対して、図５２に示す任意波形駆動回路を用いて図５３の電圧を印加する。そして、圧電素子１に接合した機械構造物に変位計（変位を例えば図５６のように波形として表示する市販の測定器）を取付けて、機械構造物の変位の波形を表示させる。次に、機械構造物の停止時における当該波形の振動が最小になるように、波形を確認しながら任意波形駆動回路の出力を変化させる。この振動が最小となる時刻が、上記の機械構造物の速度が０、かつ加速度が０という状態で停止する時刻である。
【００２４】
しかし、任意波形駆動回路および傾斜電圧制動には、以下の問題点がある。まず、任意波形駆動回路の問題点は、例えば図５３のような時間変化を有する電圧波形を決定するために必要なパラメータが多くなり、それに伴って演算のための回路規模が大きくなり、制御が複雑になることである。また、上述のように、機械構造物の変位を確認しながら、停止時の振動が最小になるように任意波形駆動回路の出力を変化させる調整が必要になる。しかし、任意駆動回路の出力を変化させるためには、多くのパラメータを変更する必要が生じることが多く、出力決定までに時間を要する。このため、調整に多大な時間を要する。
【００２５】
また、駆動期間を変更する際には、上述の調整のように、停止時の振動が最小になる状態を保持したままで駆動時間を変更しなくてはならない。ところが、傾斜電圧制動においては、変位拡大機構を有する圧電アクチュエータの移動時間、すなわち駆動期間が、圧電素子１に接合される機械構造物の一次固有振動周波数ｆにより決定される時間１／ｆに限定されてしまう。これが傾斜電圧制動の問題点である。変位拡大機構を有する圧電アクチュエータの移動時間を１／ｆより高速化したいという要請は大きい。また、図５４における区間［１］の終了時点において、図１に示す結合部材５８が対象物に当接する際の衝撃を抑えるために、区間［１］の移動時間を変化させることによって調整したいという要請も大きい。さらに、前記の調整とともに、図５４における区間［３］の移動時間を高速化することにより、全体の動作時間を高速化したいという要請も大きい。しかし、上述のように、傾斜電圧制動においては、変位拡大機構を有する圧電アクチュエータの移動時間が１／ｆに限定されてしまうので、これらの要請に対応することはできない。
【００２６】
さらに、変位拡大機構を有する圧電アクチュエータは、上述の一次固有振動周波数ｆ以外にも、高次の固有振動周波数を有する場合がある。そして、高次の固有振動周波数が多数存在し、圧電素子１に接合した機械構造物に非常に複雑な振動を発生させる場合がある。この振動は共振現象であるため、共振点を外れれば振動は急速に減衰する。すなわち、駆動期間を変化させることができれば、共振点を回避して、振動を最小にすることが可能である。しかしながら、上述のように、傾斜電圧制動においては、変位拡大機構を有する圧電アクチュエータの移動時間、すなわち駆動期間が１／ｆに限定されてしまうので、高次の固有振動周波数に基づく振動を最小にすることはできない。
【００２７】
本発明の目的は、変位拡大機構を有する圧電アクチュエータにおいて、簡単な駆動回路により、該アクチュエータが具備する圧電素子に接合された機械構造物の一次固有振動周波数による振動を防止して、圧電素子の駆動期間を短縮させたいという要請および駆動期間を容易に変化させたいという要請に対応することが可能な駆動方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２８】
上記の課題を解決するために、本発明の一実施形態によれば、圧電素子と前記圧電素子の変位を拡大する変位拡大機構とを有し、一次固有振動周波数ｆを有する圧電アクチュエータを、前記圧電素子に印加する電圧を１／ｆ以下の期間で初期電圧から最終目標電圧まで変化させる駆動方法において、
前記圧電素子に印加する電圧を初期電圧から最終目標電圧まで変化させる駆動期間は、電圧印加期間を含んでおり、
電圧印加期間は時間ｔに比例して変化する電圧Ｖであり、
前記電圧印加期間は、容量性負荷としての前記圧電素子に一定の電流を流入させて、電流の流入時間に比例して前記圧電素子への印加電圧を上昇させ、あるいは前記圧電素子から一定の電流を流出させて、電流の流出時間に比例して前記圧電素子への印加電圧を下降させるものであり、
一定の電流をＩ、前記圧電素子の静電容量をＣ、一定の電流の流入あるいは流出時間をｔとしたときに、前記最終目標電圧までの電圧変化の終了とともに変位が振動なく静止するように、Ｖ＝ｔＩ／Ｃで表される電圧を前記圧電素子に印加する圧電アクチュエータの駆動方法が提供される。
【００２９】
前記電圧印加期間において目標電圧が設定されていてもよく、
前記目標電圧が初期電圧から最終目標電圧までの中間目標電圧の場合は、当該目標電圧に到達すると当該電圧印加期間を終了させてもよい。
【００３０】
前記駆動期間は、Ｎ（Ｎは２以上の整数）個の電圧印加期間からなり、電圧印加期間後、次の電圧印加期間開始までの間に時間がある場合、当該時間は目標電圧を保持する電圧保持期間であり、
前記電圧保持期間の電圧が前記中間目標電圧である場合、前記Ｎ個の電圧印加期間のそれぞれにおいて前記圧電素子に印加する電圧が対応する前記中間目標電圧に到達すると、当該電圧印加期間を終了させて、次の電圧印加期間が開始されるまで電流の流入流出を遮断し、前記圧電素子の静電容量にて前記圧電素子に印加される電圧を保持してもよい。
【００３１】
前記中間目標電圧に到達する電圧印加期間は、
前記圧電素子の静電容量をＣ、前記圧電素子への印加電圧をＶ、前記電圧印加期間内に前記圧電素子に流れる電流をＩとすると、ｔ＝ＣＶ／Ｉで表される時間に終了してもよい。
【００３２】
前記駆動期間は、前記圧電アクチュエータの一次固有振動周波数をｆとすると、１／ｆであってもよく、
前記駆動期間は、一つの電圧印加期間で構成されてもよく、
前記圧電素子の静電容量をＣとすると、前記電圧印加期間における前記圧電素子に流入または前記圧電素子から流出する電流Ｉ１が、Ｉ１＝（Ｖ１−Ｖ０）×Ｃ×ｆで表される一定電流になるように、前記圧電アクチュエータを駆動してもよい。
【００３３】
前記駆動期間は、少なくとも１個の電圧保持期間、または連続した３個以上の電圧印加期間を含んでいてもよく、
前記駆動期間は、前記圧電アクチュエータの一次固有振動周波数をｆとすると、１／ｆ以下であってもよく、
各電圧印加期間における各目標電圧は、当該電圧印加期間の開始時の電圧よりも最終目標電圧に近い電圧であってもよい。
【００３４】
前記駆動期間は、電圧保持期間と、その両側の２つの電圧印加期間とを有していてもよく、
前記圧電アクチュエータの一次固有振動周波数をｆとすると、１／ｆ以下の時間で振動なく静止する駆動状態にある圧電アクチュエータは、各電圧印加期間における電流を同じとした状態で、振動なく静止する駆動状態を保ったまま、前記駆動期間を変更してもよい。
【００３５】
前記駆動期間は、前記圧電アクチュエータの一次固有振動周波数をｆとすると、１／ｆ以下であってもよく、
初期電圧が最終目標電圧よりも高い場合に、前記駆動期間の前半に前記圧電素子に印加される電圧のピーク値が存在し、かつ前記駆動期間の後半に前記圧電素子に印加される電圧のボトム値が存在し、この場合の前記ピーク値は、前記初期電圧と前記最終目標電圧との中間電圧より高く、かつ前記最終目標電圧以下のいずれかの前記目標電圧であり、かつ前記ボトム値は、前記中間電圧未満で前記初期電圧以上のいずれかの前記目標電圧であってもよく、
初期電圧が最終目標電圧よりも低い場合に、前記駆動期間の前半に前記圧電素子に印加される電圧のボトム値が存在し、かつ前記駆動期間の後半に前記圧電素子に印加される電圧のピーク値が存在し、この場合のボトム値は、前記中間電圧以下で前記最終目標電圧以上のいずれかの前記目標電圧であり、かつ前記ピーク値は前記中間電圧以上で前記初期電圧以下のいずれかの前記目標電圧であってもよい。
【００３６】
前記駆動期間は、３個の電圧印加期間と、この電圧印加期間の合間の２個の電圧保持期間とで構成されてもよく、
第１の目標電圧は最終目標電圧であり、第２の目標電圧は初期電圧であってもよく、
前記圧電アクチュエータの一次固有振動周波数をｆとすると、１／ｆ以下で振動無く静止する駆動状態にある圧電アクチュエータは、各電圧印加期間における電流の絶対値を同一にした状態で、電流の絶対値を変化させて、振動なく静止する駆動状態を保ったまま前記駆動期間を変更してもよい。
【００３７】
上述したいずれかの駆動方法により前記圧電アクチュエータを駆動する駆動部を備えていてもよい。
【００３８】
前記駆動部は、
第１基準電圧を前記圧電素子の一端に印加するか否かを切り替える第１切替回路と、
前記第１基準電圧よりも電圧レベルの低い第２基準電圧を前記圧電素子の一端に印加するか否かを切り替える第２切替回路と、
前記第１切替回路が前記第１基準電圧を前記圧電素子の一端に印加するように切り替えているときに、前記圧電素子に流入する電流が一定になるように電流制限を行う第１電流制限回路と、
前記第２切替回路が前記第２基準電圧を前記圧電素子の一端に印加するように切り替えているときに、前記圧電素子から流出する電流が一定になるように電流制限を行う第２電流制限回路と、を有していてもよい。
【発明の効果】
【００３９】
本発明によれば、簡単な駆動回路により、圧電素子に接合された変位拡大機構の一次固有振動周波数による振動を防止できる。これにより、圧電素子への駆動期間を短縮でき、圧電アクチュエータを高速に動作させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】変位拡大機構を有する圧電アクチュエータを示す図。
【図２】（ａ）  本発明の第１の実施形態における圧電素子の駆動回路の全体図、（ｂ）  図２（ａ）の回路の動作の論理を示す図、（ｃ）  図２（ａ）の回路における一点鎖線領域Ｃ内の置換例を示す図。
【図３】最大電流制限回路の具体例を示す図。
【図４】定電流による電圧レベル遷移時間変更方法を説明する図。
【図５】二段電圧制動における圧電素子の印加電圧の時間に対する変化を示すグラフ。
【図６】二段電圧制動の動作原理の説明図。
【図７】二段電圧制動の動作原理の説明図。
【図８】二段電圧制動の動作原理の説明図。
【図９】二段電圧制動の動作原理の説明図。
【図１０】二段電圧制動の動作原理の説明図。
【図１１】二段電圧制動の動作原理の説明図。
【図１２】二段電圧制動における圧電素子の印加電圧の時間に対する変化を示すグラフ。
【図１３】二段電圧制動の動作原理の説明図。
【図１４】二段電圧制動の動作原理の説明図。
【図１５】二段電圧制動における圧電素子の印加電圧の時間に対する変化を示すグラフ。
【図１６】二段電圧制動の動作原理の説明図。
【図１７】二段電圧制動の動作原理の説明図。
【図１８】二段電圧制動の動作原理の説明図。
【図１９】二段電圧制動の動作原理の説明図。
【図２０】二段電圧制動の動作原理の説明図。
【図２１】二段電圧制動の動作原理の説明図。
【図２２】プレパルス電圧制動における圧電素子の印加電圧の時間に対する変化を示すグラフ。
【図２３】プレパルス電圧制動の動作原理の説明図。
【図２４】プレパルス電圧制動の動作原理の説明図。
【図２５】プレパルス電圧制動の動作原理の説明図。
【図２６】プレパルス電圧制動の動作原理の説明図。
【図２７】プレパルス電圧制動の動作原理の説明図。
【図２８】プレパルス電圧制動の動作原理の説明図。
【図２９】プレパルス電圧制動の動作原理の説明図。
【図３０】プレパルス電圧制動の動作原理の説明図。
【図３１】プレパルス電圧制動における圧電素子の印加電圧の時間に対する変化を示すグラフ。
【図３２】プレパルス電圧制動の動作原理の説明図。
【図３３】プレパルス電圧制動の動作原理の説明図。
【図３４】プレパルス電圧制動における圧電素子の印加電圧の時間に対する変化を示すグラフ。
【図３５】プレパルス電圧制動の動作原理の説明図。
【図３６】プレパルス電圧制動の動作原理の説明図。
【図３７】多段電圧制動の動作原理の説明図。
【図３８】プレパルス中間電圧制動の動作原理の説明図。
【図３９】プレパルス中間電圧制動の動作原理の説明図。
【図４０】プレパルス中間電圧制動の動作原理の説明図。
【図４１】多段電圧制動の変形例の動作原理の説明図。
【図４２】多段電圧制動の変形例の動作原理の説明図。
【図４３】プレパルス中間電圧制動の変形例の動作原理の説明図。
【図４４】プレパルス中間電圧制動の変形例の動作原理の説明図。
【図４５】プレパルス中間電圧制動の変形例の動作原理の説明図。
【図４６】多段電圧制動の変形例の動作原理の説明図。
【図４７】プレパルス中間電圧制動の変形例の動作原理の説明図。
【図４８】（ａ）  本発明における定電圧源と最大電流制限回路を組み合わせた駆動回路の全体図、（ｂ）  図４８（ａ）の回路の動作の論理を示す図、（ｃ）  図４８（ａ）における一点鎖線領域Ｄ内の置換例を示す図。
【図４９】（ａ）  従来技術における圧電素子の駆動回路の例としてのスイッチ駆動回路の全体図、（ｂ）  図４９（ａ）の回路の動作の論理を示す図。
【図５０】図４９（ｂ）に対応するタイムチャート。
【図５１】図４９（ｂ）に対応するタイムチャート。
【図５２】従来技術における圧電素子の駆動回路の例としての任意波形駆動回路の図。
【図５３】任意波形駆動回路における負荷駆動電圧の時間に対する変化の例を示す図。
【図５４】傾斜電圧制動における圧電素子の印加電圧の時間に対する変化を示すグラフ。
【図５５】傾斜電圧制動の動作原理の説明図。
【図５６】傾斜電圧制動の動作原理の説明図。
【図５７】傾斜電圧制動の動作原理の説明図。
【図５８】傾斜電圧制動の動作原理の説明図。
【図５９】傾斜電圧制動の動作原理の説明図。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
【００４２】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態における圧電素子１の駆動回路（電気回路）を、図２（ａ）（ｂ）（ｃ）に示す。図２（ａ）は駆動回路の全体図である。この駆動回路は後述のように、上昇の駆動期間における初期電圧ＶＬおよび最終目標電圧ＶＨと、下降の駆動期間における初期電圧ＶＨおよび最終目標電圧ＶＬを、高電位源としての定電圧源２と低電位源としての定電圧源３とにより得るものである。本実施形態による駆動回路は、定電圧源２からの電圧（第１基準電圧）を圧電素子１の一端に印加するか否かを切り替える第１の切替部（第１切替回路）４Ｓと、第１基準電圧よりも電圧レベルの低い定電圧源３からの電圧（第２基準電圧）を圧電素子１の一端に印加するか否かを切り替える第２の切替部（第２切替回路）５Ｓと、第１の切替部４Ｓが第１基準電圧を圧電素子１の一端に印加するように切り替えているときに、圧電素子１に流入する電流が一定になるように電流制限を行う最大電流制限回路（第１電流制限回路）４と、第２の切替部５Ｓが第２基準電圧を圧電素子１の一端に印加するように切り替えているときに、圧電素子１から流出する電流が一定になるように電流制限を行う最大電流制限回路（第２電流制限回路）５と、を有する。圧電素子１は２個の端子を有し、一方の端子はグランドに接続されており、他方の端子は電流入出力ノードＮｉｏに接続されている。電流入出力ノードＮｉｏに流れる電流Ｉｉｏは、最大電流制限回路４の電流出力ノード４ｙから圧電素子１に向けて流入する流入電流Ｉｃｉと、最大電流制限回路５の電流入力ノード５ｘに向けて圧電素子１から流出する流出電流Ｉｃｏとのいずれか一方を、最大電流制限回路４内のスイッチＳ１および最大電流制限回路５内のスイッチＳ２の作用により選択した電流である。最大電流制限回路４の電流入力ノード４ｘは高電位源としての定電圧源２の出力ノード２ａに接続され、そこには定電圧ＶＨが印加されている。すなわち、最大電流制限回路４は、定電圧源２の出力ノード２ａから出力される定電圧ＶＨの最大電流を一定の制限値にするとともに、スイッチＳ１の作用によって圧電素子１と定電圧源２とを接続して、定電圧源２から圧電素子１に一定の制限値となった電流を流入させ、あるいは圧電素子１と定電圧源２との接続を解除して、前記電流の流入を停止させる第１の切替部４Ｓを構成する。一方、最大電流制限回路５の電流出力ノード５ｙは低電位源としての定電圧源３の出力端子３ａに接続され、そこには定電圧ＶＬが印加されている。すなわち、最大電流制限回路５は、定電圧源３の出力ノード３ａから出力される定電圧ＶＬの最大電流を一定の制限値にするとともに、スイッチＳ２の作用によって圧電素子１と定電圧源３とを接続して、圧電素子１から定電圧源３に一定の制限値となった電流を流出させ、あるいは圧電素子１と定電圧源３との接続を解除して、前記電流の流出を停止させる第２の切替部５Ｓを構成する。ここに、定電圧源２の出力である電位ＶＨと定電圧源３の出力である電位ＶＬの間にはＶＨ＞ＶＬの関係があり、上記のように、定電圧源２は高電位源として、また定電圧源３は低電位源として動作する。なお、定電圧源２のグランドノード２ｂおよび定電圧源３のグランドノード３ｂは、いずれも接地されている。定電圧源２，３と最大電流制限回路４，５とで駆動部が構成されている。
【００４３】
次に、上記のスイッチＳ１およびスイッチＳ２の作用について説明する。スイッチＳ１およびスイッチＳ２は、それぞれ開閉制御信号ＳＣ１および開閉制御信号ＳＣ２によって開閉を制御される。具体的には、開閉制御信号ＳＣ１の論理レベルがロウ（Ｌ）の時にスイッチＳ１が閉じ、開閉制御信号ＳＣ２の論理レベルがロウ（Ｌ）の時にスイッチＳ２が閉じる。ここに、開閉制御信号ＳＣ１は制御入力Ｓｉｎ１の論理レベルを論理反転回路Ｇ１１によって逆論理にしたものである。また、開閉制御信号ＳＣ２は制御入力Ｓｉｎ２の論理レベルを論理反転回路Ｇ１２によって逆論理にしたものである。これらの関係を図２（ｂ）に示す。
【００４４】
電圧印加期間が、圧電素子１への印加電圧を初期電圧から目標電圧に向けて上昇させる印加電圧上昇期間の場合には、第１の切替部４Ｓは圧電素子１と定電圧源２とを接続し、第２の切替部５Ｓは圧電素子１と定電圧源３との接続を解除する。すなわち、図２（ｂ）に示すように、制御入力Ｓｉｎ１の論理レベルがハイ（Ｈ）であり、かつ制御入力Ｓｉｎ２の論理レベルがロウ（Ｌ）の時にスイッチＳ１が閉じ、最大電流制限回路４の電流出力ノード４ｙから電流入出力ノードＮｉｏを通って圧電素子１に向けて流入電流Ｉｃｉが流入し、印加電圧上昇期間が開始する。そして、図２（ａ）に示す圧電素子１への印加電圧Ｖｐが定電圧ＶＨに到達して定電圧源２の出力と同電位（図２（ｂ）において、Ｖｐの最終値がＶＨ）になると、流入電流Ｉｃｉが停止して印加電圧上昇期間は終了する。
【００４５】
また、電圧印加期間が、圧電素子１への印加電圧を初期電圧から目標電圧に向けて下降させる印加電圧下降期間の場合には、第１の切替部４Ｓは圧電素子１と定電圧源２との接続を解除し、第２の切替部５Ｓは圧電素子１と定電圧源３とを接続する。すなわち、図２（ｂ）に示すように、制御入力Ｓｉｎ１の論理レベルがロウ（Ｌ）であり、かつ制御入力Ｓｉｎ２の論理レベルがハイ（Ｈ）の時にスイッチＳ２が閉じ、圧電素子１から電流入出力ノードＮｉｏを通って最大電流制限回路５の電流入力ノード５ｘに向けて流出電流Ｉｃｏが流出し、印加電圧下降期間が開始する。そして、図２（ａ）に示す圧電素子１への印加電圧Ｖｐが定電圧ＶＬに到達して定電圧源３の出力と同電位（図２（ｂ）において、Ｖｐの最終値がＶＬ）になると、流出電流Ｉｃｏが停止して印加電圧下降期間は終了する。
【００４６】
なお、制御入力Ｓｉｎ１の論理レベルがロウ（Ｌ）であり、かつ制御入力Ｓｉｎ２の論理レベルがロウ（Ｌ）の場合については後述する。ここに、制御入力Ｓｉｎ１の論理レベルがハイ（Ｈ）であり、かつ制御入力Ｓｉｎ２の論理レベルがハイ（Ｈ）となる設定は、スイッチ１およびスイッチ２が同時に閉じるため、設定不可となっている。実際の回路においては、必要に応じて、そのような設定ができないように、図示されない設定禁止回路を設けても良い。
【００４７】
ところで、印加電圧ＶＨとＶＬの差分が大きいほど圧電素子１の変位は大きくなる。このため、大きな変位を得るためにはＶＨを正電圧とし、ＶＬを負電圧とすることが有効である。ただし、圧電素子１の特性上、ＶＬの絶対値はＶＨの絶対値よりもかなり小さい。一例として、ＶＨ＝１００Ｖに対してＶＬ＝−１５Ｖの回路がある。一方、それほど大きな変位を必要としない場合、あるいは図２（ａ）において定電圧源２および定電圧源３を使用すると、定電圧源が２個必要になってコストアップにつながると判断された場合等には、定電圧源３を使用しない回路とすることもある。具体的には、図２（ａ）において、一点鎖線領域Ｋ内の回路を図２（ｃ）の回路に置換し、定電圧源３をなくすとともに、最大電流制限回路５の電流出力５ｙに接続される電圧を負電圧のＶＬからグランド、すなわち０Ｖとする。この場合は、低電位源としてグランドを使用しており、ＶＬ＝０Ｖとなる。そして、図２（ｂ）におけるＶｐの最終値の電圧ＶＬは０Ｖになる。以下、本発明の第１の実施形態に関する説明においては、ＶＬ＝０Ｖとして記載する。
【００４８】
最大電流制限回路４の具体例を図３に示す。この最大電流制限回路４において、電流入力ノード４ｘと電流出力ノード４ｙの間に電界効果トランジスタ（以下ＦＥＴと記載）Ｑ１と抵抗Ｒ１を直列に接続している。ＦＥＴＱ１と抵抗Ｒ１は、電流入力ノード４ｘから電流出力ノード４ｙに向けて流れる電流が一定値になるように制御する機能の一部を構成する。また、ＦＥＴＱ１は、電流入力ノード４ｘと電流出力ノード４ｙとを接続して、前記一定値となった電流を電流入力ノード４ｘから電流出力ノード４ｙに向けて流すことと、その接続を解除して、前記一定値となった電流を電流入力ノード４ｘと電流出力ノード４ｙとの間で遮断することを選択するスイッチ機能（図２（ａ）におけるスイッチＳ１に相当）も併せて有する。すなわち、図３に示す最大電流制限回路４は、第１の切替部４Ｓとしての機能を有する。
【００４９】
なお、この最大電流制限回路４は一例であり、電流が一定値になるように制御する機能と、その一定値となった電流を流すか遮断するかを選択するスイッチ機能の２つの機能を有する回路であれば、その構成は図３の最大電流制限回路４に限定されるものではない。
【００５０】
以下に、図３を用いて最大電流制限回路４について説明する。電流入力ノード４ｘはＦＥＴ（電界効果トランジスタ）Ｑ１のドレインに接続されている。ＦＥＴＱ１のソースは抵抗Ｒ１の一端およびオペアンプＵ１の＋（プラス）入力に接続されている。抵抗Ｒ１の他端は電流出力ノード４ｙおよびオペアンプＵ１の−（マイナス）入力に接続されている。オペアンプＵ１の出力は、オペアンプＵ２の−（マイナス）入力に接続されている。ここに、オペアンプＵ１には図示されない周辺回路が接続され、予め決められたｎ倍の増幅率を得るようになっている。オペアンプＵ２の＋（プラス）入力は、基準電圧発生部Ｎから供給される直流電圧である基準電圧Ｖｒｅｆに接続されている。オペアンプＵ２の出力は、抵抗Ｒ２の一端に接続されている。抵抗Ｒ２の他端は、ＦＥＴＱ１のゲートおよびスイッチＳ１ａの一端に接続されている。スイッチＳ１ａの他端は、ＦＥＴＱ１のゲートに印加してドレインとソースの導通を遮断することができる遮断電圧Ｖｏｆｆに接続されている。スイッチＳ１ａの開閉は、開閉制御信号ＳＣ１により行われる。すなわち、開閉制御信号ＳＣ１の論理レベルがハイ（Ｈ）の時にスイッチＳ１ａが閉じる。ここに、開閉制御信号ＳＣ１は制御入力Ｓｉｎ１の論理レベルを論理反転回路Ｇ１１によって逆論理にしたものである。すなわち、制御入力Ｓｉｎ１がロウ（Ｌ）の時にスイッチＳ１ａが閉じ、制御入力Ｓｉｎ１がハイ（Ｈ）の時にスイッチＳ１ａが開く。
【００５１】
以上の構成を有する最大電流制限回路４の動作について、以下に説明する。制御入力Ｓｉｎ１がロウ（Ｌ）の時はスイッチＳ１ａが閉じており、これにより遮断電圧ＶｏｆｆがＦＥＴＱ１のゲートに印加される。この時、ドレインとソースの導通が遮断され、電流入力ノード４ｘと電流出力ノード４ｙとの間の接続が解除される。また、制御入力Ｓｉｎ１がハイ（Ｈ）の時はスイッチＳ１ａが開いており、これにより遮断電圧ＶｏｆｆがＦＥＴＱ１のゲートに印加されない。この時、ドレインとソースとの間が導通して、電流入力ノード４ｘと電流出力ノード４ｙとの間が接続される。
【００５２】
そして、電流入力ノード４ｘからＦＥＴＱ１のドレイン、ソースを経由して、電流出力ノード４ｙまで電流Ｉｃが流れる。
【００５３】
初期状態において、制御入力Ｓｉｎ１はロウ（Ｌ）である。これをハイ（Ｈ）にすると、ＦＥＴＱ１のドレインとソースの間は導通して、電流入力ノード４ｘからＦＥＴＱ１のドレインおよびソースを経由して、電流出力ノード４ｙまで電流Ｉｃが流れる。この電流が抵抗Ｒ１を通過すると、抵抗Ｒ１の両端に電圧Ｖ１＝Ｉｃ×Ｒ１を生じる。この電圧はオペアンプＵ１の＋（プラス）入力と−（マイナス）入力に接続され、オペアンプＵ１の増幅作用によりｎ倍されてｎＶ１として出力される。この電圧ｎＶ１はオペアンプＵ２の−（マイナス）入力に接続され、＋（プラス）入力に接続された基準電圧Ｖｒｅｆと比較される。ｎＶ１＞Ｖｒｅｆの時にはオペアンプＵ２の出力が低下して、ＦＥＴＱ１のゲート電圧が低下する。これにより、電流Ｉｃが小さくなり、抵抗Ｒ１の両端の電圧Ｖ１も小さくなる。そして、ｎＶ１も小さくなり、ｎＶ１＝Ｖｒｅｆとなるまでこれが繰り返される。逆にｎＶ１＜Ｖｒｅｆの時にはオペアンプＵ２の出力が上昇して、ＦＥＴＱ１のゲート電圧が上昇する。これにより、電流Ｉｃが大きくなり、抵抗Ｒ１の両端の電圧Ｖ１も大きくなる。そして、ｎＶ１も大きくなり、ｎＶ１＝Ｖｒｅｆとなるまでこれが繰り返される。
【００５４】
以上のように、最大電流制限回路４は電流ＩｃがｎＶ１＝Ｖｒｅｆを満足する一定の電流値となるように動作する。また、ｎＶ１＝ＶｒｅｆおよびＶ１＝Ｉｃ×Ｒ１という２つの式から、上記一定の電流値は抵抗Ｒ１あるいは基準電圧Ｖｒｅｆを変更することにより、比較する値を設定することができることがわかる。
【００５５】
最大電流制限回路４において、上記比較する値を制限値と呼び、最大電流制限回路４を流れる電流Ｉｃは、制限値により設定された電流に一致する一定の電流となる。なお、この一定の電流が最大電流制限回路４を流れるのは、電流出力ノード４ｙが電流入力ノード４ｘと同じ電圧に到達するまでの間である。その理由は、以下のとおりである。電流出力ノード４ｙが電流入力ノード４ｘと同じ電圧に到達すると、抵抗Ｒ１の両端の電位差がなくなる。すると、ＦＥＴＱ１のゲート電圧が上昇しても、ＦＥＴＱ１においてドレインとソースの間が完全に導通する状態まで到達してしまえば、それ以上ＦＥＴＱ１のドレインとソースの間のインピーダンスを下げて電流を増加させることはできなくなる。
【００５６】
その結果、上記のｎＶ１＝Ｖｒｅｆの関係を維持することができなくなり、制限値により設定された一定値の電流を流すことができなくなるためである。
【００５７】
なお、上記のように、第１の切替部４Ｓおよび第２の切替部５Ｓにおいて、最大電流制限回路４および最大電流制限回路５に流れる一定の電流は制限値以下に設定されている。この設定機能は、スイッチ機能を有する素子であるＦＥＴＱ１の過大電流保護機能としても作用し、ＦＥＴＱ１の破損防止が可能である。従って、電圧印加期間に電流の制限を設けない駆動方法の場合には、スイッチ機能を有する素子の最大許容電流値を制限値とすることができる。
【００５８】
また、図３においては、専用のスイッチＳ１ａの開閉によってＦＥＴＱ１のドレインとソースの導通および遮断を実現している。しかし、遮断とは電流Ｉｃが流れないことであるから、専用のスイッチＳ１ａを設ける代わりに、例えばＶｒｅｆの値を０に設定することにより、電流Ｉｃを０としてもよい。
【００５９】
以上の説明は最大電流制限回路４に関するものであるが、最大電流制限回路５の構成と動作も最大電流制限回路４と同一であるため、その説明は省略する。
【００６０】
なお、電流印加期間における目標電圧が高電位源あるいは低電位源の出力電圧である場合に、印加電圧期間を開始してからその目標電圧に到達した時点、すなわち図２（ａ）において最大電流制限回路４の電流出力ノード４ｙが電流入力ノード４ｘと同じ電圧に到達した時点で、図３における抵抗Ｒ１あるいは基準電圧Ｖｒｅｆを変更することにより設定される制限値により設定された定電流が流れる状態は終了し、電圧印加期間が終了する。最大電流制限回路５についても、電流出力ノード５ｙが電流入力ノード５ｘと同じ電圧に到達した時点で、同様に電圧印加期間が終了する。
【００６１】
ここで、定電圧源と最大電流制限回路を組み合わせて圧電素子１を駆動すると、圧電素子１の印加電圧について、任意の立ち上がり時間および立ち下がり時間を得ることが可能である。その原理を以下に説明する。この原理は、圧電素子１が容量性の部品であることを利用している。まず、次の２つの定義がある。
【００６２】
定義１：１ファラドは、１クーロンの電気量を充電したときに１ボルトの直流電圧を生じる２導体間の静電容量である。
【００６３】
定義２：１クーロンは、１秒間に１アンペアの電流によって運ばれる電荷（電気量）である。
【００６４】
定義１により、電気量をＱ、電圧をＶ、静電容量をＣとすると、
Ｃ＝Ｑ／Ｖ                                  式（１）
である。また、定義２により、電荷（電気量）をＱ、時間をｔ、電流をＩとすると、
Ｑ＝ｔＩ                                    式（２）
である。式（１）より
Ｑ＝ＣＶ                                    式（３）
となるので、式（３）を式（２）に代入して
ＣＶ＝ｔＩ                                  式（４）
となる。式（４）を変形して、
Ｖ＝ｔＩ／Ｃ                                式（５）
Ｉ＝ＣＶ／ｔ                                式（５ａ）
となる。
【００６５】
式（５）より、電流Ｉと静電容量Ｃが一定の場合に、電圧Ｖは時間ｔに比例して変化する。その際の比例定数はＩ／Ｃである。この時、Ｉ＞０であれば、電圧Ｖは時間ｔに比例して上昇し、Ｉ＜０であれば、電圧Ｖは時間ｔに比例して下降する。また、電流Ｉが変化すると、上記比例定数が変化する。また、式（５ａ）を変形すると、
ｔ＝ＣＶ／Ｉ                                式（５ｂ）
となる。式（５ｂ）は、ある決まった電圧Ｖに到達する時間ｔが、電流Ｉによって変化することを示す。
【００６６】
ここで、Ｃを圧電素子１の容量（一定値）、Ｉを最大電流制限回路において設定した制限値に基づく定電流とすると、制限値の設定によって、時間ｔに比例して変化し、その比例定数が定電流Ｉによって決まる電圧Ｖを得ることができる。図２（ａ）において、電圧印加期間が、圧電素子１への印加電圧を初期電圧ＶＬから目標電圧ＶＨに向けて上昇させる印加電圧上昇期間の場合には、最大電流制限回路４において制限値を設定して、流入電流Ｉｃｉを定電流とすることにより、時間ｔに対して前記定電流の値によって決まる比例定数に比例して上昇する電圧が得られる。そして、電圧Ｖが初期電圧ＶＬから目標電圧ＶＨまで上昇する時間ｔは、式（５ｂ）において、Ｃを圧電素子１の容量、Ｖ＝ＶＨ−ＶＬ、Ｉを前記定電流の値（＞０）とすることによって求められる。また、電圧印加期間が、圧電素子１への印加電圧を初期電圧ＶＨから目標電圧ＶＬに向けて下降させる印加電圧下降期間の場合には、最大電流制限回路５において制限値を設定して、流出電流Ｉｃｏを定電流とすることにより、時間ｔに対して前記定電流の値によって決まる比例定数に比例して下降する電圧が得られる。そして、電圧Ｖが初期電圧ＶＨから目標電圧ＶＬまで下降する時間ｔは、式（５ｂ）において、Ｃを圧電素子１の容量、Ｖ＝ＶＬ−ＶＨ、Ｉを前記定電流の値（＜０）とすることによって求められる。以下の説明においては、この方法を、定電流による電圧レベル遷移時間変更方法と呼ぶ。図４は定電流による電圧レベル遷移時間変更方法を説明する図であり、図４の上側のグラフは各期間ごとに圧電素子１に流れる定電流Ｉの値を変えた図、下側のグラフはこの状態での圧電素子１への印加電圧を示す図である。この方法は、圧電素子１が一定の静電容量Ｃを有する容量性負荷であることを利用したものである。図４に示すように、ある期間に圧電素子１に定電流Ｉを流せば、この期間における圧電素子１への印加電圧Ｖは、時間に応じて線形に変化するようになる。よって、定電流Ｉの値がわかれば、式（５）により、一定の傾きを有する圧電素子１への印加電圧Ｖを決めることができる。この方法によれば、定電流Ｉの値を変更することにより、電圧の傾きが様々に変化する印加電圧Ｖを、容易に発生させることができる。このように、圧電素子１の静電容量Ｃに着目して、圧電素子１に一定電流を流した状態で、式（５）を満たすように圧電素子１への印加電圧Ｖを決めることは、従来まったくなされていなかった制御手法である。
【００６７】
ここで、図３に示す最大電流制限回路４において制限値を設定する方法について説明する。上述のように、図３において最大電流制限回路４内を流れる電流Ｉｃを一定値の定電流とするためには、ｎＶ１＝ＶｒｅｆおよびＶ１＝Ｉｃ×Ｒ１という２つの式から、抵抗Ｒ１あるいは基準電圧Ｖｒｅｆを変更することにより、比較する値すなわち制限値を設定して、電流Ｉｃが制限値となるようにすればよい。抵抗Ｒ１の値の調整は、例えば抵抗Ｒ１として可変抵抗を使用し、最大電流制限回路４内を流れる電流Ｉｃの値を図示されない電流計により計測しながら、抵抗値を設定して電流Ｉｃが制限値Ｉとなった抵抗値で固定すればよい。また、基準電圧発生部Ｎの出力である基準電圧Ｖｒｅｆの調整方法は、例えば基準電圧発生部Ｎとしてディジタル／アナログ変換器を使用し、ディジタル入力値を手動あるいはソフトウェアにより設定して電流Ｉｃが制限値Ｉとなったディジタル入力値で固定すればよい。図３の例においては、制限値Ｉを一度決定した後に変更する必要がない場合には抵抗Ｒ１の設定が適しており、必要に応じて制限値Ｉを変更する必要がある場合には基準電圧Ｖｒｅｆの調整が適している。必要に応じて制限値Ｉを変更する例として、ある印加電圧上昇期間と次の印加電圧上昇期間の電流値が異なる場合、あるいはある印加電圧下降期間と次の印加電圧下降期間の電流値が異なる場合がある。その場合には、図２（ａ）の回路において、次の電圧印加期間の開始前にＶｒｅｆをソフトウェアにより調整して対応する。
【００６８】
本発明の第１の実施形態について、以下に説明する。図５４に示す傾斜電圧制動は、上述のように、圧電素子１への印加電圧を初期電圧から最終目標電圧まで変化させる駆動期間を有し、駆動期間は変位拡大機構を有する圧電アクチュエータの一次固有振動周波数ｆにより１／ｆで表わされる時間である。また、図５４の傾斜電圧制動では、駆動期間は１つの電圧印加期間であり、それは初期電圧において最終目標電圧を目標電圧として、一定の変化率で印加電圧の変化を開始し、上記１／ｆの時間において終了する期間である。本発明の第１の実施形態は、この傾斜電圧制動を、図２（ａ）に示す駆動回路によって実現するものである。以下に、その実現方法を説明する。具体的には式（５ａ）において、初期電圧をＶ０、目標電圧をＶ１、変位拡大機構を有する圧電アクチュエータの一次固有振動周波数をｆとすると、ｔ＝１／ｆ、Ｖ＝Ｖ１−Ｖ０とすれば、図５４のような傾斜電圧制動の印加電圧波形を生成することができる。すなわち、図２（ａ）の回路を用いて、印加電圧上昇期間において圧電素子１に流入する電流（図２（ａ）におけるＩｃｉ）あるいは印加電圧下降期間において圧電素子１から流出する電流（図２（ａ）におけるＩｃｏ）の制限値Ｉを、
Ｉ＝（Ｖ１−Ｖ０）×Ｃ×ｆ                        式（６）
のように決めて、電流の流入あるいは流出開始から圧電素子１への印加電圧が目標電圧に到達するまでの間はこの制限値Ｉを保持すればよい。
【００６９】
具体的には、式（６）においてＶ１−Ｖ０＞０は印加電圧上昇期間（図５４の区間［１］）に対応し、この時図２（ａ）において電流入出力Ｉｉｏは流入電流Ｉｃｉとなり、圧電素子１に向けて電流が流入する。そして、上述のように所定の時間（ここでは１／ｆ）が経過すると、図２（ａ）に示す圧電素子１への印加電圧Ｖｐは定電圧ＶＨに到達する。また、Ｖ１−Ｖ０＜０は印加電圧下降期間（図５４の区間［３］）に対応し、この時図２（ａ）において電流入出力Ｉｉｏは流出電流Ｉｃｏとなり、圧電素子１から電流が流出する。そして、上述のように所定の時間（ここでは１／ｆ）が経過すると、図２（ａ）に示す圧電素子１への印加電圧Ｖｐは定電圧ＶＬに到達する。
【００７０】
ここに、以上の説明は、図２（ａ）に示す圧電素子１が理想的な圧電素子１であり、かつ図１において圧電素子１に接合される機械構造物である変位拡大機構１００が理想的な機械構造物であることを想定したものである。しかし、上述のように、実際には圧電素子１が抵抗成分を有するために印加電圧に損失が発生すること、ならびに圧電素子１に接合された機械構造物が圧電素子１への印加電圧により変位する際に圧電素子１が機械構造物に与えるエネルギーの一部が消費されること、および機械構造物が変位する際の摩擦や変形に伴うエネルギーの損失が発生すること等がある。このため、制限値Ｉを式（６）のように決定した時に、図２（ａ）に示す圧電素子１への印加電圧が目標電圧に到達する時刻は、変位拡大機構を有する圧電アクチュエータの一次固有振動周波数ｆにより１／ｆで表わされる時刻、すなわち速度が０、かつ加速度が０で停止する時刻から少しずれた時刻となる。そこで、以下の調整を行うことで、速度が０、かつ加速度が０で停止する時刻を見つけて、その時刻において停止させるようにする。まず変位拡大機構を有する圧電アクチュエータを構成する圧電素子１に対して、図２（ａ）に示す最大電流制限回路４および最大電流制限回路５を用いて、式（６）で決定される制限値Ｉを設定する。そして、圧電素子１に接合した機械構造物に変位計を取付けて、機械構造物の変位の波形を表示させる。次に、機械構造物の停止時における当該波形の振動が最小になるように、波形を確認しながら制限値Ｉを変化させる。この振動が最小となる時刻が、上記の機械構造物の速度が０、かつ加速度が０という状態で停止する時刻である。
【００７１】
以上のように、本発明の第１の実施形態においては、圧電素子１に流入する電流および圧電素子１から流出する電流を、圧電素子１の静電容量から決定される一定値の定電流とすることによって、傾斜電圧制動における圧電素子１の印加電圧を容易に設定することができる。その設定のための調整は電流の調整のみであり、容易でしかも時間がかからない。また、これを実現する駆動回路は、従来技術における任意波形駆動回路に比べて、回路規模がはるかに小さい。
【００７２】
以上のように、本発明の第１の実施形態においては、図５４に示す傾斜電圧制動に対して定電流による電圧レベル遷移時間変更方法を適用して、圧電素子１の印加電圧を初期電圧から目標電圧まで変化させる時間を、変位拡大機構を有する圧電アクチュエータの一次固有振動周波数ｆにより１／ｆで表わされる時間に容易に設定している。
【００７３】
（第２の実施形態）
ところで、変位拡大機構を有する圧電アクチュエータを構成する圧電素子１の印加電圧の変化の形態すなわち制動方法は、上記の傾斜電圧制動に限定されるものではない。他にもいくつかの制動方法が存在する。本発明の第２の実施形態においては後述のように、これらの傾斜電圧制動以外の制動方法についても、定電流による電圧レベル遷移時間変更方法を適用する。
【００７４】
本発明の第２の実施形態において、定電流による電圧レベル遷移時間変更方法を適用する二段電圧制動について説明する。二段電圧制動は、圧電素子１への印加電圧を初期電圧から最終目標電圧まで変化させる駆動期間を有し、駆動期間は変位拡大機構を有する圧電アクチュエータの一次固有振動周波数ｆにより１／ｆで表わされる時間以下である。すなわち、駆動期間は傾斜電圧制動以下の期間となる。また、駆動期間は第１の電圧印加期間と最終電圧印加期間の２つの電圧印加期間である。第１の電圧印加期間は、初期電圧において第１の目標電圧までの印加電圧の変化を開始して、次の電圧印加期間が開始するまでに、すなわち予備駆動期間以内に完了する期間である。このとき、電圧印加期間完了から次の電圧印加期間開始までに時間がある場合は、当該時間は電圧保持期間となり、圧電素子１への印加電圧は保持される。また、最終電圧印加期間は、上記予備駆動期間経過時に最終目標電圧までの印加電圧の変化を開始して完了する期間である。すなわち、二段電圧制動は２個の電圧印加期間と１個の電圧保持期間よりなる。ここに、第１の目標電圧は初期電圧と最終目標電圧の中央値から最終目標電圧までの間の電圧である。すなわち、二段電圧制動は、最終目標電圧に到達する最終電圧印加期間の前に、予備駆動期間内に第１の目標電圧に到達する第１の電圧印加期間を有している。言い換えれば、二段電圧制動から第１の電圧印加期間を削除した制動方法が傾斜電圧制動である。
【００７５】
なお、上述の「第１の目標電圧は初期電圧と最終目標電圧の中央値から最終目標電圧までの間の電圧である」の意味するところは、該中央値および最終目標電圧は第１の目標電圧の範囲に含まれないというものである。以下、本発明の各実施形態においては、Ｘ、Ａ、Ｂをいずれも電圧としたとき、「ＸはＡからＢまでの間の電圧である」あるいは「ＡからＢまでの間の電圧Ｘ」と表記した場合には、Ａ＜ＢのときＡ＜Ｘ＜Ｂを、またＡ＞ＢのときＡ＞Ｘ＞Ｂを意味するものとする。
【００７６】
二段電圧制動の動作原理について、図５乃至図１７を用いて説明する。図５は、二段電圧制動における圧電素子１の印加電圧の時間に対する変化を示すグラフである。縦軸は印加電圧を示すが、簡単のために電圧と表記している。図５には、時刻０において開始される駆動期間（区間［１］乃至区間［３］）と、時刻Ｔｒｓにおいて開始される駆動期間（区間［５］乃至区間［７］）の２つの駆動期間が示されている。時刻０において開始される駆動期間は、初期電圧をＶＬ、第１の目標電圧をＶＭ、最終目標電圧である第２の目標電圧をＶＨとし、第１の電圧印加期間である区間［１］、最終電圧印加期間であり第２の電圧印加期間である区間［３］を有する。そして、第１の電圧印加期間を含む予備駆動期間Ｔ１を有する。第１の電圧印加期間は、印加電圧を低い初期電圧から高い第１の目標電圧へ変化させるので、印加電圧上昇期間である。また、第２の電圧印加期間は、印加電圧を低い第１の目標電圧から高い第２の目標電圧へ変化させるので、印加電圧上昇期間である。そして、駆動期間は、印加電圧を低い初期電圧から高い最終目標電圧へ変化させるので、上昇の駆動期間である。
【００７７】
図５において、時刻０において電圧は定電圧ＶＬから定電圧ＶＨ（ＶＨ＞ＶＬ）に向けて上昇を開始する（区間［１］）。そして、時刻ｔ３１において定電圧ＶＬと定電圧ＶＨの中間となる中間電圧ＶＭに到達する。次に電圧は時刻Ｔ１までの間は中間電圧ＶＭを保持する（区間［２］）。ここで、変位拡大機構を有する圧電アクチュエータの一次固有振動周波数をｆとすると、Ｔ１＝３／６ｆ（＝１／２ｆ）に設定してある。次に、時刻Ｔ１において電圧は中間電圧ＶＭから定電圧ＶＨに向けて上昇を開始する（区間［３］）。そして、時刻Ｔ１＋ｔ３１において定電圧ＶＨに到達する。次に電圧は時刻Ｔｒｓまでの間は定電圧ＶＨを保持する（区間［４］）。
【００７８】
また、時刻Ｔｒｓにおいて開始される駆動期間は、初期電圧をＶＨ、第１の目標電圧をＶＭ、最終目標電圧である第２の目標電圧をＶＬとし、第１の電圧印加期間である区間［５］、最終電圧印加期間であり第２の電圧印加期間である区間［７］を有する。そして、第１の電圧印加期間を含む予備駆動期間Ｔ１を有する。第１の電圧印加期間は、印加電圧を高い初期電圧から低い第１の目標電圧へ変化させるので、印加電圧下降期間である。また、第２の電圧印加期間は、印加電圧を高い第１の目標電圧から低い第２の目標電圧へ変化させるので、印加電圧下降期間である。そして、駆動期間は、印加電圧を高い初期電圧から低い最終目標電圧へ変化させるので、下降の駆動期間である。図５において、時刻Ｔｒｓにおいて電圧は定電圧ＶＨから定電圧ＶＬに向けて下降を開始する（区間［５］）。そして、時刻Ｔｒｓ＋ｔ４１において定電圧ＶＨと定電圧ＶＬの中間となる中間電圧ＶＭに到達する。次に電圧は時刻Ｔｒｓ＋Ｔ１までの間は中間電圧ＶＭを保持する（区間［６］）。ここで、変位拡大機構を有する圧電アクチュエータの一次固有振動周波数をｆとすると、Ｔ１＝３／６ｆ（＝１／２ｆ）に設定してある。また、区間［２］における中間電圧ＶＭと区間［６］における中間電圧ＶＭは、いずれもＶＨとＶＬの中央値である。次に、時刻Ｔｒｓ＋Ｔ１において電圧は中間電圧ＶＭから定電圧ＶＬに向けて下降を開始する（区間［７］）。そして、時刻Ｔｒｓ＋Ｔ１＋ｔ４１において定電圧ＶＬに到達する。時刻Ｔｒｓ＋Ｔ１＋ｔ４１以後は電圧は定電圧ＶＬを保持する（区間［８］）。
【００７９】
以上のように、二段電圧制動においては、電圧を低い初期電圧であるＶＬから高い目標電圧であるＶＨまで変化させる印加電圧上昇期間と、高い初期電圧であるＶＨから低い目標電圧であるＶＬまで変化させる印加電圧下降期間がある。印加電圧上昇期間における目標電圧は、第１の目標電圧である中間電圧ＶＭと第２の目標電圧であるＶＨからなる。そして、電圧を初期電圧から中間電圧ＶＭまで変化させる第１の印加電圧上昇期間を予備駆動期間としてのＴ１以内に完了し、電圧を中間電圧ＶＭから第２の目標電圧であるＶＨまで変化させる第２の印加電圧上昇期間をＴ１から開始する。また、印加電圧下降期間における目標電圧は、第１の目標電圧である中間電圧ＶＭと第２の目標電圧であるＶＬからなる。そして、電圧を初期電圧から中間電圧ＶＭまで変化させる第１の印加電圧下降期間を予備駆動期間としてのＴ１以内に完了し、電圧を中間電圧ＶＭから第２の目標電圧であるＶＬまで変化させる第２の印加電圧下降期間をＴ１から開始する。ここで、Ｔ１は、変位拡大機構を有する圧電アクチュエータの一次固有振動周波数ｆに基づいて、Ｔ１＝３／６ｆ（＝１／２ｆ）に設定する。この設定により、時刻Ｔ１＋ｔ３１において電圧がＶＨに到達してその値を保持した時、および時刻Ｔｒｓ＋Ｔ１＋ｔ４１において電圧がＶＬに到達してその値を保持した時に、上記一次固有振動周波数ｆによる振動を防止して、速やかに制動させることができる。
【００８０】
今、電圧ＶＨ＝１００Ｖ、電圧ＶＬ＝０Ｖ、ＶＭ＝５０Ｖ、変位拡大機構を有する圧電アクチュエータの一次固有振動周波数ｆ＝１ｋＨｚの場合の二段電圧制動の動作原理について、図６乃至図１１を用いて説明する。図６は、圧電素子１の印加電圧を時刻０においてステップ状に上昇させた時の、変位拡大機構を有する圧電アクチュエータの変位を示したグラフである。ここに、時刻０以前の電圧は０Ｖである。電圧は時刻０において１００Ｖの１／２である５０Ｖに到達するようにステップ状に上昇させている。実線が電圧で、破線が変位である。説明の都合上、両者を重ね書きしてある。図６において、変位拡大機構を有する圧電アクチュエータは、印加電圧を０Ｖから１００Ｖに上昇させることにより、初期位置である０μｍから目標位置である３００μｍまでの変位を得られる。図示されない変位の縦軸は、電圧０Ｖに０μｍが対応し、電圧１００Ｖに３００μｍが対応する。この変位のグラフは、傾きが大きいほど速度が大きいことを示し、水平な部分は速度が０、すなわち静止していることを示す。また、電圧のグラフと変位のグラフが離間している場合には、その離間距離が大きいほど、加速度が大きいことを示す。一方、電圧のグラフと変位のグラフが重なっている場合には、当該変位は当該電圧によって生ずることが期待される変位に一致しており、加速度が０であることを示す。
【００８１】
時刻０において電圧が５０Ｖに上昇すると、図６に示すように、圧電素子１に接合された機械構造物は加速度を得て変位を開始する。この変位開始時において、機械構造物は急峻な電圧の変化に追随できない。すなわち、電圧のグラフがステップ状に変化するのに対して、変位のグラフは電圧のグラフから離間して、略水平方向に変化を開始してから徐々に傾きが大きくなる曲線を描き、前記一次固有振動周波数ｆで振動するように変位する。なお、この振動の振幅は、上述の傾斜電圧制動における一次固有振動周波数ｆの振動の振幅よりもはるかに大きく、機械構造物は傾斜電圧制動よりも大きな加速度を得る。これが傾斜電圧制動よりも二段電圧制動の方が移動時間の早い制動となる理由である。この時、機械構造物の一次固有振動周波数ｆ＝１ｋＨｚなので、時刻０から時刻１／ｆすなわち１．００ｍｓまでが変位の周期に一致する。また、時刻０における速度は０であり、そこから印加電圧により加速度を得て変位を開始するので、上記変位の周期が経過した時刻１．００ｍｓにおける速度もまた０である。なお、仮にこの電圧を保持し続けると、振動は振幅の１／２に相当する位置において静定する。以後、この位置を静定位置と呼ぶ。すなわち、５０Ｖを静定位置とすると、変位の最大値は０Ｖから５０Ｖまでの変位の２倍となる１００Ｖの位置に相当する変位となる。そして、図６において電圧のグラフと変位のグラフが交差する時刻０．２５ｍｓ以降において、機械構造物は時刻０．２５ｍｓ以前とは逆方向の加速度を得て、減速を開始する。図６で電圧が５０Ｖまで上昇して保持された後の時刻０．５０ｍｓ（＝１／２ｆ）において、電圧をステップ状に上昇させて１００Ｖにして保持した時の電圧および変位を図７に示す。これは、図５の区間［１］乃至区間［４］に相当する。図６においては、時間が経過しても電圧が５０Ｖに保持されたままなので、変位は１．００ｍｓを周期として繰り返す。これに対して図７においては、時刻０．５０ｍｓ以後（図５における区間［４］）の電圧は１００Ｖに保持される。この時、時刻０．５０ｍｓの位置において変位と電圧が重なっているので、時刻０．５０ｍｓ以後には機械構造物に加速度が生じない。かつ、上述のように時刻０．５０ｍｓにおける機械構造物の速度は０であるから、時刻０．５０ｍｓにおいて機械構造物が停止する。以上のように、停止の際には、変位拡大機構を有する圧電アクチュエータの一次固有振動周波数ｆによる振動は発生しないので、速やかな制動が可能となる。
【００８２】
以上の図６および図７を用いた二段電圧制動の原理に関する説明においては、時刻０において電圧が瞬時に０Ｖから５０Ｖまで上昇し、かつ、時刻０．５０ｍｓにおいて電圧が瞬時に５０Ｖから１００Ｖまで上昇している。しかし、実際の動作は図５に示すように、電圧がＶＬ（０Ｖ）からＶＭ（５０Ｖ）まで上昇する際には立ち上がり時間ｔ３１を要し、電圧がＶＭ（５０Ｖ）からＶＨ（１００Ｖ）まで上昇する際には立ち上がり時間ｔ３１を要する。図７を図５の電圧波形に合わせて、区間［１］乃至区間［４］を記したものを図８に示す。図７における変位の静定位置の時刻が０．５０ｍｓであるのに対して、図８における変位の静定位置の時刻は０．５０ｍｓ＋ｔ３１であり、やや遅くなる。
【００８３】
図９は、圧電素子１の印加電圧を時刻Ｔｒｓにおいてステップ状に下降させた時の、変位拡大機構を有する圧電アクチュエータの変位を示したグラフである。ここに、時刻Ｔｒｓ以前の電圧は１００Ｖである。電圧は時刻Ｔｒｓにおいて１００Ｖの１／２である５０Ｖに到達するようにステップ状に下降させている。実線が電圧で、破線が変位である。説明の都合上、両者を重ね書きしてある。図９において、変位拡大機構を有する圧電アクチュエータは、印加電圧を１００Ｖから０Ｖに下降させることにより、初期位置である３００μｍから目標位置である０μｍまでの変位を得られる。図示されない変位の縦軸は、電圧１００Ｖに３００μｍが対応し、電圧０Ｖに０μｍが対応する。図９における変位のグラフの傾きと速度の関係、および電圧のグラフと変位のグラフの相互位置と加速度の関係は、図６と同じである。時刻Ｔｒｓにおいて電圧が５０Ｖに下降すると、図９に示すように、圧電素子１に接合された機械構造物は加速度を得て変位を開始する。この変位開始時において、機械構造物は急峻な電圧の変化に追随できない。すなわち、電圧のグラフがステップ状に変化するのに対して、変位のグラフは電圧のグラフから離間して、略水平方向に変化を開始してから徐々に傾きが大きくなる曲線を描き、前記一次固有振動周波数ｆで振動するように変位する。なお、この振動の振幅は、上述の傾斜電圧制動における一次固有振動周波数ｆの振動の振幅よりもはるかに大きく、機械構造物は傾斜電圧制動よりも大きな加速度を得る。これが傾斜電圧制動よりも二段電圧制動の方が移動時間の早い制動となる理由である。この時、機械構造物の一次固有振動周波数ｆ＝１ｋＨｚなので、時刻Ｔｒｓから時刻Ｔｒｓ＋１／ｆすなわち１．００ｍｓまでが変位の周期に一致する。また、時刻Ｔｒｓにおける速度は０であり、そこから印加電圧により加速度を得て変位を開始するので、上記変位の周期が経過した時刻Ｔｒｓ＋１．００ｍｓにおける速度もまた０である。なお、仮にこの電圧を保持し続けると、振動は振幅の１／２に相当する位置において静定する。以後、この位置を静定位置と呼ぶ。すなわち、５０Ｖを静定位置とすると、変位の最大値は１００Ｖから５０Ｖまでの変位の２倍となる０Ｖの位置に相当する変位となる。そして、図９において電圧のグラフと変位のグラフが交差する時刻Ｔｒｓ＋０．２５ｍｓ以降において、機械構造物は時刻Ｔｒｓ＋０．２５ｍｓ以前とは逆方向の加速度を得て、減速を開始する。図９で電圧が５０Ｖまで下降して保持された後の時刻Ｔｒｓ＋０．５０ｍｓ（＝Ｔｒｓ＋１／２ｆ）において、電圧をステップ状に下降させて０Ｖにした時の電圧および変位を図１０に示す。これは、図５の区間［４］乃至区間［８］に相当する。図９においては、時間が経過しても電圧が５０Ｖに保持されたままなので、変位は１．００ｍｓを周期として繰り返す。これに対して図１０においては、時刻Ｔｒｓ＋０．５０ｍｓ以後（図１０における区間［８］）の電圧は０Ｖに保持されるので、時刻Ｔｒｓ＋０．５０ｍｓ以後には機械構造物に加速度が生じない。かつ、上述のように時刻Ｔｒｓ＋０．５０ｍｓにおける機械構造物の速度は０であるから、時刻Ｔｒｓ＋０．５０ｍｓにおいて機械構造物が���止する。以上のように、停止の際には、変位拡大機構を有する圧電アクチュエータの一次固有振動周波数ｆによる振動は発生しないので、速やかな制動が可能となる。
【００８４】
以上の図９および図１０を用いた二段電圧制動の原理に関する説明においては、時刻Ｔｒｓにおいて電圧が瞬時に１００Ｖから５０Ｖまで下降し、かつ、時刻Ｔｒｓ＋０．５０ｍｓにおいて電圧が瞬時に５０Ｖから０Ｖまで下降している。しかし、実際の動作は図５に示すように、電圧がＶＨ（１００Ｖ）からＶＭ（５０Ｖ）まで下降する際には立ち下がり時間ｔ４１を要し、電圧がＶＭ（５０Ｖ）からＶＬ（０Ｖ）まで下降する際には立ち下がり時間ｔ４１を要する。図１０を図５の電圧波形に合わせて、区間［４］乃至区間［８］を記したものを図１１に示す。図１０における変位の静定位置の時刻がＴｒｓ＋０．５０ｍｓであるのに対して、図１１における変位の静定位置の時刻はＴｒｓ＋０．５０ｍｓ＋ｔ４１であり、やや遅くなる。
【００８５】
以上に説明したように、二段電圧制動においては、圧電素子１への印加電圧をステップ状に変化させるため、圧電素子１に接合された機械構造物が印加電圧の急激な変化に追随することができない。このため、印加電圧をステップ状に変化させた直後において、同一の時刻における機械構造物の変位に対応する印加電圧と実際の印加電圧が大きく離間している。これにより、機械構造物は傾斜電圧制動よりも大きな加速度を得ることができる。すなわち、機械構造物を速度０から加速させて最高速度に到達させるまでの時間と、最高速度から減速させて速度０に到達させるまでの時間の両方が、傾斜電圧制動よりも短くなる。これは、二段電圧制動における駆動期間が、傾斜電圧制動における駆動期間よりも短くなることに他ならない。
【００８６】
ところで、上述のように、二段電圧制動においては、変位拡大機構を有する圧電アクチュエータの一次固有振動周波数ｆに基づいて、予備駆動期間Ｔ１を３／６ｆ（＝１／２ｆ）に設定することにより、印加電圧が最終目標電圧に到達してその値を保持した時に、上記一次固有振動周波数ｆによる振動を防止して、速やかに制動させることができる。この予備駆動期間Ｔ１の値は３／６ｆに限定されており、このため、駆動期間も図８におけるＴ１＋ｔ３１および図１１におけるＴ１＋ｔ４１に限定されてしまう。上記一次固有振動周波数ｆによる振動を防止して、速やかに制動させることができる状態を保持したままで、駆動期間を変化させるためには、ｔ３１およびｔ４１を変化させることができなくてはならない。
【００８７】
ここで、本発明の第２の実施形態として、図２（ａ）に示す駆動回路を用いて、上述の定電流による電圧レベル遷移時間変更方法を二段電圧制動に適用して、駆動期間を変化させることについて説明する。上述のように、二段電圧制動における印加電圧の立ち上がり時間は、図５に示す電圧ＶＬ（図８および図１１における０Ｖ）と電圧ＶＭ（図８および図１１における５０Ｖ）との間において時間ｔ３１であり、電圧ＶＭ（図８および図１１における５０Ｖ）と電圧ＶＨ（図８および図１１における１００Ｖ）との間において時間ｔ３１である。また、印加電圧の立ち下がり時間は、図５に示す電圧ＶＨ（図８および図１１における１００Ｖ）と電圧ＶＭ（図８および図１１における５０Ｖ）との間において時間ｔ４１であり、電圧ＶＭ（図８および図１１における５０Ｖ）と電圧ＶＬ（図８および図１１における０Ｖ）との間において時間ｔ４１である。これらの立ち上がり時間ｔ３１および立ち下がり時間ｔ４１を変化させることで、電圧の上昇および下降の速度を変化させ、その結果、一次固有振動周波数による振動を防止して、速やかに制動させることができる状態を保ったままで、変位拡大機構を有する圧電アクチュエータの変位における駆動期間を変化させることができる。この図５における立ち上がり時間および立ち下がり時間としてのｔ３１およびｔ４１をそれぞれ変化させて長くしたときの電圧波形を、図１２乃至図１４に示す。図１２を図５と比較すると、共通点および差異は、以下のとおりである。まず共通点は、区間［１］の開始時刻（０）から区間［２］の完了時刻（３／６ｆ）までの予備駆動期間Ｔ１と、区間［５］の開始時刻（Ｔｒｓ）から区間［６］の完了時刻（Ｔｒｓ＋３／６ｆ）までの予備駆動期間Ｔ１である。図１２において、これらの予備駆動期間Ｔ１は、図５と同一の値である３／６ｆに設定されている。一方、差異は、図１２において、区間［１］、区間［３］における立ち上がり時間ｔ３２および区間［５］、区間［７］における立ち下がり時間ｔ４２が、それぞれ図５における立ち上がり時間ｔ３１および立ち下がり時間ｔ４１よりも長いことである。ここに、区間［１］の開始から区間［３］の完了までの時間、すなわち第１の印加電圧上昇期間の開始から第２の印加電圧上昇期間の完了までの時間を見ると、図１２はＴ１＋ｔ３２であり、図５はＴ１＋ｔ３１である。そして、上述のように、図１２における立ち上がり時間ｔ３２は図５における立ち上がり時間ｔ３１よりも長い。よって、第１の印加電圧上昇期間の開始から第２の印加電圧上昇期間の完了までの時間は、図１２の方が図５よりも長い。同様に、区間［５］の開始から区間［７］の完了までの時間、すなわち第１の印加電圧下降期間の開始から第２の印加電圧下降期間の完了までの時間を見ると、図１２はＴ１＋ｔ４２であり、図５はＴ１＋ｔ４１である。そして、上述のように、図１２における立ち下がり時間ｔ４２は図５における立ち下がり時間ｔ４１よりも長い。よって、第１の印加電圧下降期間の開始から第２の印加電圧下降期間の完了までの時間もまた、図１２の方が図５よりも長い。これらの時間の差異を生じる原因は、図１２の方が図５よりも電圧の立ち上がり時間および立ち下がり時間が長いためである。図１２における時間０から１／ｆまでの範囲および時間ＴｒｓからＴｒｓ＋１／ｆまでの範囲について、電圧ＶＨを１００Ｖ、電圧ＶＬを０Ｖ、電圧ＶＭを５０Ｖとした場合の電圧と変位を、図８および図１１と同様に記したものを、図１３および図１４に示す。図１３および図１４と図１２の対応は、図８および図１１と図５の対応と同様なので、説明は省略する。
【００８８】
図１２における立ち上がり時間ｔ３２および立ち下がり時間ｔ４２をそれぞれさらに長くして、区間［２］および区間［６］を極めて短くしたときの電圧波形を、図１５乃至図１７に示す。図１５を図１２と比較すると、共通点および差異は、以下のとおりである。まず共通点は、区間［１］の開始時刻（０）から区間［２］の完了時刻（３／６ｆ）までの予備駆動期間Ｔ１と、区間［５］の開始時刻（Ｔｒｓ）から区間［６］の完了時刻（Ｔｒｓ＋３／６ｆ）までの予備駆動期間Ｔ１である。図１５において、これらの時間Ｔ１は、図１２と同一の値である３／６ｆに設定されている。一方、差異は、図１５において、区間［１］、区間［３］における立ち上がり時間ｔ３３および区間［５］、区間［７］における立ち下がり時間ｔ４３が、それぞれ図１２における立ち上がり時間ｔ３２および立ち下がり時間ｔ４２よりも長いことである。ここに、区間［１］の開始から区間［３］の終了までの時間、すなわち第１の印加電圧上昇期間の開始から第２の印加電圧上昇期間の完了までの時間は、図１５はＴ１＋ｔ３３であり、図１２はＴ１＋ｔ３２である。そして、上述のように、図１５における立ち上がり時間ｔ３３は図１２における立ち上がり時間ｔ３２よりも長い。よって、第１の印加電圧上昇期間の開始から第２の印加電圧上昇期間の完了までの時間は、図１５の方が図１２よりも長い。同様に、区間［５］の開始から区間［７］の完了までの時間は、図１５はＴ１＋ｔ４３であり、図１２はＴ１＋ｔ４２である。そして、上述のように、図１５における立ち下がり時間ｔ４３は図１２における立ち下がり時間ｔ４２よりも長い。よって、上記区間［５］の開始から区間［７］の完了までの時間、すなわち第１の印加電圧下降期間の開始から第２の印加電圧下降期間の完了までの時間もまた、図１５の方が図１２よりも長い。これらの時間の差異を生じる原因は、図１５の方が図１２よりも電圧の立ち上がり時間および立ち下がり時間が長いためである。図１５における時刻０から１／ｆまでの範囲および時刻ＴｒｓからＴｒｓ＋１／ｆまでの範囲について、電圧ＶＨを１００Ｖ、電圧ＶＬを０Ｖ、電圧ＶＭを５０Ｖとした場合の電圧と変位を、図１３および図１４と同様に記したものを、図１６および図１７に示す。図１６および図１７と図１５の対応は、図１３および図１４と図１２の対応と同様なので、説明は省略する。
【００８９】
ここに、図５、図１２、図１５の順に、第１の印加電圧上昇期間の開始から第２の印加電圧上昇期間の完了までの期間および第１の印加電圧下降期間の開始から第２の印加電圧下降期間の完了までの期間が長くなっている。これらの期間は、いずれも駆動期間に他ならない。これらの期間すなわち駆動期間の最大値は図１５よりもさらに立ち上がり時間ｔ３３および立ち下がり時間ｔ４３を大きくして、区間［２］および区間［６］の時間を極限まで０に近づけた場合、すなわち図５４に示す傾斜電圧制動と同じ１／ｆである。また、最小値は図５よりもさらに立ち上がり時間ｔ３１および立ち下がり時間ｔ４１を小さくして極限まで０に近づけた場合、すなわち３／６ｆ（＝１／２ｆ）である。このように、従来技術の傾斜電圧制動が、図５４において電圧を一様に上昇あるいは下降させる時間、すなわち駆動期間としての区間［１］および区間［３］の時間が１／ｆに限定され、変化させることができなかったのに対して、駆動期間を１／２ｆから１／ｆまでの範囲で変化させることができるという効果を有している。
【００９０】
以上の二段電圧制動の動作原理に関する説明およびその駆動期間を変化させることに関する説明においては、簡単のため、理想的な圧電素子１に接合された理想的な機械構造物を想定している。しかし、実際には上述のように、圧電素子１が抵抗成分を有するために印加電圧に損失が発生し、また圧電素子１に接合された機械構造物が圧電素子１への印加電圧により変位する際に圧電素子１が機械構造物に与えるエネルギーの一部が消費され、さらに機械構造物が変位する際の摩擦や変形に伴うエネルギーの損失が発生する。このため、時間と電圧の関係を示すグラフは図５乃至図１７から少しずれたものとなる。例えば図６乃至図１１あるいは図１３、図１４、図１６、図１７においては、初期電圧と最終目標電圧の中央値が第１の目標電圧である。しかし、実際の圧電素子１に接合された実際の機械構造物の場合には、印加電圧が最終目標電圧に到達した時点で一次固有振動周波数ｆによる振動が発生することなく機械構造物が停止するための第１の目標電圧は、初期電圧と最終目標電圧の中央値から最終目標電圧までの間の電圧である。また、図８、図１１、図１３、図１４、図１６、図１７においては、予備駆動期間Ｔ１は０．５０ｍｓであり、これは一次固有振動周波数ｆにより１／ｆで表わされる１．００ｍｓに対して１／２ｆの時間である。しかし、実際の圧電素子１に接合された実際の機械構造物の場合には、印加電圧が最終目標電圧に到達した時点で一次固有振動周波数ｆによる振動が発生することなく機械構造物が停止するための予備駆動期間Ｔ１は、１／２ｆから１／ｆまでの間の時間である。また、図５乃至図１７においては、第１の目標電圧を初期電圧と最終目標電圧との中央値としているため、第１の電圧印加期間と第２の電圧印加期間は同一である。しかし、上述のように、実際の第１の目標電圧は、初期電圧と最終目標電圧の中央値から最終目標電圧までの間の電圧であるため、実際の第１の電圧印加期間と第２の電圧印加期間は同一にはならない。これらの理由により、図５、図１２、図１５において、印加電圧が最終目標電圧に到達した時点で一次固有振動周波数ｆによる振動が発生することなく機械構造物が停止するための第１の目標電圧ＶＭと予備駆動期間Ｔ１については、上述の傾斜電圧制動における調整と同様に機械構造物に変位計を取付けて、その変位を確認しながら、一次固有振動周波数ｆによる振動が最小になるように調整を行う必要がある。この調整方法については、後述する。また、これらの調整を行って、第１の目標電圧と予備駆動期間を決定した段階において駆動期間が決定される。
【００９１】
本発明の第２の実施形態においては、図２（ａ）に示す駆動回路を用いて、上述の定電流による電圧レベル遷移時間変更方法により、二段電圧制動における印加電圧の立ち上がり時間および立ち下がり時間を変化させて、電圧印加期間を変化させ、これによって駆動期間を変化させる。
【００９２】
最初に、二段電圧制動における電圧印加期間の概要について説明する。二段電圧制動における印加電圧上昇期間においては、圧電素子１に電流を流入させて圧電素子１への印加電圧を低い初期電圧から高い目標電圧まで変化させ、印加電圧下降期間においては、圧電素子１から電流を流出させて圧電素子１への印加電圧を高い初期電圧から低い目標電圧まで変化させる。これは、上述の傾斜電圧制動と同様である。ただし、二段電圧制動の電圧印加期間において、目標電圧は初期電圧から最終目標電圧までの間にある。そして、予備駆動期間内に当該目標電圧に到達する場合に、当該目標電圧を目標中間電位とし、後述のように、圧電素子１への印加電圧が目標中間電位に到達したことにより、電圧印加期間を完了する。以後は予備駆動期間経過時まで、圧電素子１への電流の流入および圧電素子１からの電流の流出をいずれも遮断する。この遮断により、圧電素子１の印加電圧は圧電素子１自体が有する静電容量によって保持される。この保持された電圧が、初期電圧と最終目標電圧の間にある第１の目標電圧となる。すなわち、目標中間電位の設定を行うことにより、第１の目標電圧の設定を自在に行うことができる。以後、この方法を、中間電圧を得る方法１と呼ぶ。なお、印加電圧の立ち上がり開始時刻あるいは立ち下がり開始時刻から、印加電圧が目標中間電位に到達するまでの時間ｔは、式（５ｂ）においてＩを定電流、Ｖを目標中間電位、Ｃを圧電素子１の容量として、求めればよい。この方法は簡単にｔを求めることができる。
【００９３】
なお、中間電圧を得る方法１においては、上述のように、圧電素子１の印加電圧が目標中間電位に到達すると電圧印加期間を完了し、以後予備駆動時間経過時まで、圧電素子１への電流の流入および圧電素子１からの電流の流出をいずれも遮断する。ここに、上記の遮断は、図２（ａ）の駆動回路を用いて、第１の切替部４Ｓが第１の定電圧源２と圧電素子１との接続を解除するとともに、第２の切替部５Ｓが第２の定電圧源３と圧電素子１との接続を解除することにより行うことができる。具体的には、図２（ｂ）おいて、制御入力Ｓｉｎ１の論理レベルがロウ（Ｌ）であり、かつ制御入力Ｓｉｎ２の論理レベルがロウ（Ｌ）である状態にすればよい。この時、図２（ａ）において、スイッチＳ１およびスイッチＳ２がいずれも開き、電流入出力ノードＮｉｏはどこにも接続されない。この状態になると、圧電素子１への電流の流入および圧電素子１からの電流の流出はいずれもなくなる。すなわち、圧電素子１の端子間の電圧Ｖｐは現状を維持し、これを中間電圧ＶＭすなわち目標中間電位とすることができる。
【００９４】
ここまでの二段電圧制動についての説明においては、圧電素子１の印加電圧の目標中間電位到達時から予備駆動時間経過時まで、圧電素子１への電流の流入および圧電素子１からの電流の流出をいずれも遮断する際に、圧電素子１の印加電圧は圧電素子１自体が有する静電容量によって保持されると述べた。しかし、これは理論上の説明であり、実際の圧電素子１は静電容量以外に抵抗成分を有するため、漏れ電流が発生する。そのため、圧電素子１への電流の流入および圧電素子１からの電流の流出をいずれも遮断した場合には、この漏れ電流によって圧電素子１の印加電圧は徐々に変化する。しかしながら、電圧印加期間の完了から予備駆動時間経過時までの時間はごく短いので、動作に対する実質的な影響は少ない。
【００９５】
以上のように、本発明の第２の実施形態においては、図２（ａ）に示す定電圧源２の出力ＶＨおよび定電圧源３の出力ＶＬのいずれとも異なる目標中間電位、すなわち第１の目標電圧ＶＭを容易に得ることができる。しかも、この第１の目標電圧ＶＭの値は変化させることが可能である。これを実現するための図２（ａ）に示す駆動回路は、図５２に示す任意波形駆動回路に比べて、回路規模がはるかに小さい。
【００９６】
ここで、二段電圧制動において、図５に示す第１の目標電圧ＶＭと予備駆動期間Ｔ１の設定と調整、および上述の印加電圧の立ち上がり時間、立ち下がり時間の設定と調整について説明する。これらの設定と調整もまた、上述の傾斜電圧制動の場合と同様に、図２（ａ）の駆動回路を用いて行う。
【００９７】
まず、図５における予備駆動期間Ｔ１を、変位拡大機構を有する圧電アクチュエータの一次固有振動周波数ｆを用いて３／６ｆに設定する。これが初期値となる。そして、上昇の駆動期間である区間［１］乃至区間［３］においては、上述のように、印加電圧上昇期間である区間［１］および区間［３］における制御入力Ｓｉｎ１の論理レベルをハイ（Ｈ）とし、同時に制御入力Ｓｉｎ２の論理レベルをロウ（Ｌ）とする。これにより、圧電素子１に電流Ｉｃが流入する。この時、電流Ｉｃの値は、スイッチ機能を有する素子であるＦＥＴＱ１の最大許容電流値を超えない範囲で、印加電圧の立ち上がり時間および立ち下がり時間が十分に短くなるように、なるべく大きな値を初期値として設定しておく。また、区間［２］においては、上述のように第１の目標電圧ＶＭを保持するために、制御入力Ｓｉｎ１の論理レベルをロウ（Ｌ）とし、同時に制御入力Ｓｉｎ２の論理レベルをロウ（Ｌ）とする。これにより、圧電素子１への電流Ｉｃの流入は遮断される。
【００９８】
同様に、下降の駆動期間である区間［５］乃至区間［７］においては、上述のように、印加電圧下降期間である区間［５］および区間［７］における制御入力Ｓｉｎ１の論理レベルをロウ（Ｌ）とし、同時に制御入力Ｓｉｎ２の論理レベルをハイ（Ｈ）とする。これにより、圧電素子１から電流Ｉｃが流出する。この時、電流Ｉｃの値は、スイッチ機能を有する素子であるＦＥＴＱ１の最大許容電流値を超えない範囲で、印加電圧の立ち上がり時間および立ち下がり時間が十分に短くなるように、なるべく大きな値を初期値として設定しておく。また、区間［６］においては、上述のように第１の目標電圧ＶＭを保持するために、制御入力Ｓｉｎ１の論理レベルをロウ（Ｌ）とし、同時に制御入力Ｓｉｎ２の論理レベルをロウ（Ｌ）とする。これにより、圧電素子１からの電流Ｉｃの流出は遮断される。なお、区間［２］および区間［６］において制御入力Ｓｉｎ１および制御入力Ｓｉｎ２の論理レベルを設定するためには、印加電圧が当該区間の電圧すなわち第１の目標電圧ＶＭに到達したことを知ることが必要になる。これを実現するためには、上述のように、印加電圧の立ち上がり開始時刻あるいは立ち下がり開始時刻から印加電圧が第１の目標電圧ＶＭに到達する時刻までの時間を式（５ｂ）により求めればよい。
【００９９】
以上の設定を行ったら、次に調整を行う。まず上昇の駆動期間においては、図５における区間［３］が完了して区間［４］が開始する時刻において、変位拡大機構を有する圧電アクチュエータの変位を、変位計を使用して確認する。そして、変位計を見ながら、発生する振動の最大変位が目標電圧１００Ｖに対する期待値３００μｍになるように、上記の中間電圧ＶＭの値を、初期電圧ＶＬと第２の目標電圧ＶＨの中央値と第２の目標電圧ＶＨとの間の範囲で調整する。ここに、発生する振動の最大変位が目標電圧１００Ｖに対する期待値３００μｍになるということは、印加電圧と変位との関係が図６のようになることである。次に下降の駆動期間においても、中間電圧ＶＭについて同様の調整を行う。
【０１００】
以上のように中間電圧ＶＭの調整を行ってから、予備駆動期間Ｔ１の調整を行う。その方法を、以下に説明する。まず、上昇の駆動期間においては、図５における区間［３］が完了して区間［４］が開始する時刻において、変位拡大機構を有する圧電アクチュエータが停止する際の変位を、変位計を使用して確認する。そして、この停止の際の変位が静定するまでに発生する振動が最も小さくなるように、上記の予備駆動期間Ｔ１の値を調整する。具体的には、図２（ａ）における制御入力Ｓｉｎ１およびＳｉｎ２の論理レベルをハイ（Ｈ）およびロウ（Ｌ）に設定する時間を調整することにより、上記時刻Ｔ１の値を調整する。次に、下降の駆動期間においても、予備駆動期間Ｔ１について同様の調整を行う。ここに、上述のように、実際の変位拡大機構を有する圧電アクチュエータにおいては、上昇の駆動期間と下降の駆動期間における中間電圧ＶＭが異なるため、上昇の駆動期間と下降の駆動期間における予備駆動期間Ｔ１の値は異なる。
【０１０１】
以上説明した予備駆動期間Ｔ１の設定および調整によって、前記一次固有振動周波数成分の振動が発生しなくなる。次に、駆動期間を変化させる。ここでは、図２（ａ）における最大電流制限回路４および最大電流制限回路５における制限値の設定を変化させることにより、各電圧印加期間を変化させ、駆動期間を変化させる。具体的には、図５における区間［３］が完了して区間［４］が開始する時刻および区間［７］が完了して区間［８］が開始する時刻において、変位拡大機構を有する圧電アクチュエータが停止する際の変位を、変位計を使用して確認する。
【０１０２】
なお、この際に、予備駆動期間Ｔ１の調整を終了しているので、停止の際の変位が静定するまでに発生する振動は最も小さくなっているはずである。しかし、これはあくまで理論上の説明である。上述のように、実際の変位拡大機構を有する圧電アクチュエータにおいては、圧電素子１が抵抗成分を有するために印加電圧に損失が発生し、また圧電素子１に接合された機械構造物が圧電素子１への印加電圧により変位する際に圧電素子１が機械構造物に与えるエネルギーの一部が消費され、さらに機械構造物が変位する際の摩擦や変形に伴うエネルギーの損失が発生する。これらの要因のため、制限値を変化させると、再び変位拡大機構を有する圧電アクチュエータの一次固有振動周波数成分の振動が発生することがある。その場合には、再度予備駆動期間Ｔ１の調整を行ってから、制限値を変化させれば、振動は発生しなくなる。
【０１０３】
ここまでの説明においては、二段電圧制動における同じ駆動期間を構成する２つの電圧印加期間の制限値は同一であるとした。例えば、図５、図１２、図１５において時間に対する印加電圧の変化を比較すると、上昇の駆動期間を構成する２つの印加電圧上昇期間（区間［１］および区間［３］）における印加電圧の立ち上がり時間は、図５、図１２、図１５の順に長くなっている。しかし、同一の図内において、２つの印加電圧上昇期間における印加電圧の立ち上がり時間、区間［１］と区間［３］の時間は同一である。これは２つの印加電圧上昇期間において、制限値が同一であることに他ならない。そして、図５、図１２、図１５における上昇の駆動期間において、予備駆動期間Ｔ１はすべて３／６ｆである。図５、図１２、図１５における下降の駆動期間に関しても同様である。このことは、予備駆動期間Ｔ１を一定値にして、定電流による電圧レベル遷移時間変更方法により、二段電圧制動における印加電圧の立ち上がり時間および立ち下がり時間を変化させて、電圧印加期間を変化させるという説明に一致する。なお、参考までに、二段電圧制動の原理を示す図７に対応して、印加電圧の立ち上がり時間を長くした場合の時間に対する印加電圧の変化と変位を、図１８および図１９に示す。図１８における印加電圧の立ち上がり時間ｔ３４は０．１７ｍｓ（＝１／６ｆ）であり、予備駆動期間Ｔ１は０．５０ｍｓ（＝３／６ｆ）である。そして、駆動期間は０．６７ｍｓ（＝４／６ｆ）である。これに対して、図１９における印加電圧の立ち上がり時間ｔ３５は０．３３ｍｓ（＝２／６ｆ）であり、予備駆動期間Ｔ１は０．５０ｍｓ（＝３／６ｆ）である。そして、駆動期間は０．８３ｍｓ（＝５／６ｆ）である。すなわち、図１８および図１９において、予備駆動期間Ｔ１は同一の０．５０ｍｓであるが、印加電圧の立ち上がり時間は図１８の０．１７ｍｓに対して、図１９は０．３３ｍｓであるため、駆動期間は、予備駆動期間に印加電圧の立ち上がり時間を加算して、図１８は０．５０ｍｓ＋０．１７ｍｓ＝０．６７ｍｓであり、図１９は０．５０ｍｓ＋０．３３ｍｓ＝０．８３ｍｓである。また、第１の目標電圧ＶＭは、図１８と図１９のいずれも同一の５０Ｖである。この値は、初期電圧０Ｖと最終目標電圧１００Ｖの中央値である。その理由は、初期電圧から第１の目標電圧までの印加電圧の立ち上がり時間により決まる正の加速度が機械構造物を加速させ、第１の目標電圧から最終目標電圧までの立ち上がり時間により決まる負の加速度が機械構造物を減速させ、これらの両加速度が同一であるためである。このため、図１８と図１９において、破線で示される変位のグラフは第１の目標電圧ＶＭを横切る点に関して点対称になっている。
【０１０４】
なお、図１８および図１９は、印加電圧上昇期間における印加電圧の立ち上がり時間を比較したものであるが、印加電圧下降期間における印加電圧の立ち下がり時間に関する比較も同様であるので、ここでは説明を省略する。
【０１０５】
このように、二段電圧制動の同一の駆動期間を構成する各電圧印加期間において、印加電圧の立ち上がり時間あるいは立ち下がり時間を同一の値にすることにより、第１の目標電圧を同一の値に保持したままで、最終目標電圧に到達して停止する際の一次固有振動周波数による振動を抑制して、駆動期間を容易に変化させることができる。
【０１０６】
これに対して、同一の駆動期間を構成する２つの印加電圧上昇期間において、印加電圧の立ち上がり時間を異なる値に設定した場合について、図２０および図２１を用いて説明する。図２０および図２１は、いずれも駆動期間が０．６７ｍｓ（＝４／６ｆ）の場合に、２つの印加電圧上昇期間の立ち上がり時間が異なる場合の印加電圧および変位のグラフである。図２０においては、初期電圧から第１の目標電圧までの印加電圧の立ち上がり時間ｔ３５が、第１の目標電圧から最終目標電圧までの印加電圧の立ち上がり時間ｔ３６よりも長い場合である。この場合は、ｔ３５によって決まる正の加速度がｔ３６によって決まる負の加速度よりも小さい。このため、最終目標電圧に到達して停止する際の一次固有振動周波数による振動を抑制するためには、中間目標電圧を初期電圧と最終目標電圧の中央値よりも最終目標電圧に近い値である５５Ｖに設定して、機械構造物を小さい正の加速度によって長時間加速した後で、大きい負の加速度によって短時間減速する必要がある。すなわち、図２０において、破線で示される変位のグラフは第１の目標電圧ＶＭを横切る点に関して点対称になっていない。
【０１０７】
一方、図２１は、図２０における２つの立ち上がり時間ｔ３５とｔ３６を入れ替えたものである。この場合は、ｔ３６によって決まる正の加速度がｔ３５によって決まる負の加速度よりも大きい。このため、最終目標電圧に到達して停止する際の一次固有振動周波数による振動を抑制するためには、中間目標電圧を初期電圧と最終目標電圧の中央値よりも初期電圧に近い値である４５Ｖに設定して、機械構造物を大きい正の加速度によって短時間加速した後で、小さい負の加速度によって長時間減速する必要がある。この場合も、図２０と同様に、図２１において破線で示される変位のグラフは第１の目標電圧ＶＭを横切る点に関して点対称になっていない。さらに、図２０と図２１を比較すると、駆動期間は同一の０．６７ｍｓ（＝４／６ｆ）であるが、予備駆動期間は図２０においてはＴ１１（＝０．５８ｍｓ）であり、図２１においてはＴ１２（＝０．３３ｍｓ）である。すなわち、２つの印加電圧上昇期間における印加電圧の立ち上がり時間が異なる場合は、駆動期間が同一であっても、第１の目標電圧や予備駆動期間が異なる結果となる。このため、駆動期間を変化させる際に、印加電圧の立ち上がり時間すなわち制限値を変化させるだけではなく、第１の目標電圧や予備駆動期間までも変化させることになる。これは、上述の第１の目標電圧、予備駆動期間、制限値等の調整が煩雑になることを意味する。すなわち、同一の駆動期間を構成する２つの印加電圧上昇期間における印加電圧の立ち上がり時間は、同一にすることが好ましい。
【０１０８】
なお、ここまでの説明は、印加電圧上昇期間における印加電圧の立ち上がり時間を比較したものであるが、印加電圧下降期間における印加電圧の立ち下がり時間に関する比較も同様であるので、ここでは説明を省略する。すなわち、同一の駆動期間を構成する２つの印加電圧下降期間における印加電圧の立ち下がり時間もまた、立ち上がり時間と同様の理由により、同一にすることが好ましい。
【０１０９】
また、二段電圧制動は図５、図１２、図１５の順に、駆動期間が長くなり、かつ第１の目標電圧ＶＭを保持する時間すなわち区間［２］の時間が短くなっていく。その極限の状態すなわち駆動期間が最大となり、かつ区間［２］の時間が０になったものが、図５４に示す傾斜電圧制動である。図５４において、印加電圧上昇期間（区間［１］）および印加電圧下降期間（区間［３］）における印加電圧の立ち上がり時間および立下り時間は、期間開始から期間終了まで同一である。そして、図５４における区間［１］は図５、図１２、図１５における区間［１］乃至区間［３］に対応し、図５４における区間［３］は図５、図１２、図１５における区間［５］乃至区間［７］に対応する。これらの事実により、図５、図１２、図１５において、区間［１］と区間［３］の立ち上がり時間は同一であるべきであり、同様に、区間［５］と区間［７］の立ち下がり時間は同一であるべきである。すなわち、二段電圧制動と傾斜電圧制動の関係からも、二段電圧制動において、最終目標電圧に到達して停止する際の一次固有振動周波数による振動を抑制するためには、同一の駆動期間を構成する２つの電圧印加期間における印加電圧の立ち上がり時間あるいは立ち下がり時間を同一にすることが好ましいことが明白である。
【０１１０】
以上のように、二段電圧制動における駆動期間を変化させるには、図２（ａ）の駆動回路を用いて制限値を変化させて、印加電圧の立ち上がり時間あるいは立ち下がり時間を変化させればよい。また、図２（ａ）の駆動回路は、上述のように、従来技術における任意波形駆動回路に比べて、回路規模がはるかに小さい。
【０１１１】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態において、定電流による電圧レベル遷移時間変更方法を適用するプレパルス電圧制動について説明する。プレパルス電圧制動は、圧電素子１への印加電圧を初期電圧から最終目標電圧まで変化させる駆動期間を有し、駆動期間は変位拡大機構を有する圧電アクチュエータの一次固有振動周波数ｆにより１／ｆで表わされる時間以下である。すなわち、駆動期間は傾斜電圧制動以下の期間となる。また、駆動期間は第１の電圧印加期間、第２の電圧印加期間、最終電圧印加期間の３つの電圧印加期間である。第１の電圧印加期間および第２の電圧印加期間は、それぞれ対応する第１の予備駆動期間および第２の予備駆動期間を有する。第１の電圧印加期間は、初期電圧において第１の目標電圧までの印加電圧の変化を開始して、第１の予備駆動期間以内に完了する期間である。第２の電圧印加期間は、第１の予備駆動期間経過時に第２の目標電圧までの印加電圧の変化を開始して、第２の予備駆動期間以内に完了する期間である。また、最終電圧印加期間は、第２の予備駆動期間経過時に最終目標電圧までの印加電圧の変化を開始して完了する期間である。ここに、第１の目標電圧は最終目標電圧であり、第２の目標電圧は初期電圧である。すなわち、プレパルス電圧制動は、初期電圧から最終目標電圧に到達するまでに、一度最終目標電圧に到達してから初期電圧に戻り、再度最終目標電圧に到達するものである。
【０１１２】
このように、プレパルス電圧制動は初期電圧と最終目標電圧の２種類の電圧を用いた制動方法である。従って、図２（ａ）に示す高電位源としての定電圧源２と、低電位源としての定電圧源３の２種類の電位源により実現可能であり、使用する電気回路の規模が小さい。また後述のように、各予備駆動期間の範囲が比較的狭いので、調整も容易である。
【０１１３】
以下、プレパルス電圧制動について、図２２乃至図３６を用いて説明する。図２２は、プレパルス電圧制動における圧電素子１の印加電圧の時間に対する変化を示すグラフである。縦軸は印加電圧を示すが、簡単のために電圧と表記している。図２２には、時刻０から始まる駆動期間（区間［１］乃至区間［５］）と時刻Ｔｒｓから始まる駆動期間（区間［７］乃至区間［１１］）の２つが示されている。時刻０から始まる駆動期間は、初期電圧をＶＬとし、第１の目標電圧をＶＨ、第２の目標電圧をＶＬとし、最終目標電圧である第３の目標電圧をＶＨとしている。そして、第１の電圧印加期間である区間［１］、第２の電圧印加期間である区間［３］、最終電圧印加期間であり第３の電圧印加期間である区間［５］からなり、第１の電圧印加期間を含む第１の予備駆動期間Ｔ１、第２の電圧印加期間を含む第２の予備駆動期間Ｔ２を有する。ここに、第１の電圧印加期間は、印加電圧を低い初期電圧から高い第１の目標電圧へ変化させるので、印加電圧上昇期間である。また、第２の電圧印加期間は、印加電圧を高い第１の目標電圧から低い第２の目標電圧へ変化させるので、印加電圧下降期間である。また、第３の電圧印加期間は、印加電圧を低い第２の目標電圧から高い最終目標電圧へ変化させるので、印加電圧上昇期間である。そして、この駆動期間は、印加電圧を低い初期電圧から高い最終目標電圧へ変化させるので、上昇の駆動期間である。
【０１１４】
時刻０において電圧は定電圧ＶＬから定電圧ＶＨ（ＶＨ＞ＶＬ）に向けて上昇を開始する（区間［１］）。電圧が定電圧ＶＨに到達する時刻はｔ１１である。次に電圧は時刻Ｔ１までの間は定電圧ＶＨを保持する（区間［２］）。時刻Ｔ１において電圧は定電圧ＶＨから定電圧ＶＬに向けて下降を開始する（区間［３］）。電圧が定電圧ＶＬに到達する時刻はＴ１＋ｔ２１である。次に電圧は時刻Ｔ１＋Ｔ２までの間は定電圧ＶＬを保持する（区間［４］）。そして、時刻Ｔ１＋Ｔ２において電圧は定電圧ＶＬから定電圧ＶＨに向けて上昇を開始する（区間［５］）。電圧が定電圧ＶＨに到達する時刻はＴ１＋Ｔ２＋ｔ１１である。ここで、圧電素子１に接合される機械構造物の一次固有振動周波数をｆとすると、Ｔ１＝Ｔ２＝１／６ｆに設定してある。時刻Ｔ１＋Ｔ２＋ｔ１１以後は、時刻Ｔｒｓまで電圧は定電圧ＶＨを保持する（区間［６］）。
【０１１５】
次に時刻Ｔｒｓから始まる駆動期間は、初期電圧をＶＨとし、第１の目標電圧をＶＬ、第２の目標電圧をＶＨとし、最終目標電圧である第３の目標電圧をＶＬとしている。そして、第１の電圧印加期間である区間［７］、第２の電圧印加期間である区間［９］、最終電圧印加期間であり第３の電圧印加期間である区間［１１］からなり、第１の電圧印加期間を含む第１の予備駆動期間Ｔ１、第２の電圧印加期間を含む第２の予備駆動期間Ｔ２を有する。ここに、第１の電圧印加期間は、印加電圧を高い初期電圧から低い第１の目標電圧へ変化させるので、印加電圧下降期間である。また、第２の電圧印加期間は、印加電圧を低い第１の目標電圧から高い第２の目標電圧へ変化させるので、印加電圧上昇期間である。また、第３の電圧印加期間は、印加電圧を高い第２の目標電圧から低い最終目標電圧へ変化させるので、印加電圧下降期間である。そして、この駆動期間は、印加電圧を高い初期電圧から低い最終目標電圧へ変化させるので、下降の駆動期間である。
【０１１６】
時刻Ｔｒｓにおいて電圧は定電圧ＶＨから定電圧ＶＬに向けて下降を開始する（区間［７］）。電圧が定電圧ＶＬに到達する時刻はＴｒｓ＋ｔ２１である。次に電圧は時刻Ｔｒｓ＋Ｔ１までの間は定電圧ＶＬを保持する（区間［８］）。時刻Ｔｒｓ＋Ｔ１において電圧は定電圧ＶＬから定電圧ＶＨに向けて上昇を開始する（区間［９］）。電圧が定電圧ＶＨに到達する時刻はＴｒｓ＋Ｔ１＋ｔ１１である。次に電圧は時刻Ｔｒｓ＋Ｔ１＋Ｔ２までの間は定電圧ＶＨを保持する（区間［１０］）。そして、時刻Ｔｒｓ＋Ｔ１＋Ｔ２において電圧は定電圧ＶＨから定電圧ＶＬに向けて下降を開始する（区間［１１］）。電圧が定電圧ＶＬに到達する時刻はＴｒｓ＋Ｔ１＋Ｔ２＋ｔ２１である。時刻Ｔｒｓ＋Ｔ１＋Ｔ２＋ｔ２１以後において電圧は定電圧ＶＬを保持する（区間［１２］）。
【０１１７】
以上のように、プレパルス電圧制動においては、電圧がＶＬからＶＨまで上昇する時間（立ち上がり時間）はｔ１１、電圧がＶＨからＶＬまで下降する時間（立ち下がり時間）はｔ２１である。また、圧電素子１に電圧を印加して駆動する駆動期間は、区間［１］乃至区間［５］および区間［７］乃至区間［１１］である。それぞれの駆動期間は、印加電圧を現在電圧から目標電圧まで変化させる複数の電圧印加期間からなる。すなわち、区間［１］乃至区間［５］については、初期電圧であるＶＬにおいて第１の目標電圧であるＶＨまでの印加電圧の変化を開始して、第１の駆動期間としてのＴ１以内に完了する第１の電圧印加期間が区間［１］である。そして、Ｔ１到達時において第２の目標電圧であるＶＬまでの印加電圧の変化を開始して、第２の駆動期間としてのＴ２以内に完了する第２の電圧印加期間が区間［３］である。そして、Ｔ２到達時において第３の目標電圧であるＶＨまでの印加電圧の変化を開始する第３の電圧印加期間が区間［５］である。ここに、第２の目標電圧は初期電圧と同じＶＬであり、第１の目標電圧は第３の目標電圧と同じＶＨである。同様に、区間［７］乃至区間［１１］については、初期電圧であるＶＨにおいて第１の目標電圧であるＶＬまでの印加電圧の変化を開始して、第１の駆動期間としてのＴ１以内に完了する第１の電圧印加期間が区間［７］である。そして、Ｔ１到達時において第２の目標電圧であるＶＨまでの印加電圧の変化を開始して、第２の駆動期間としてのＴ２以内に完了する第２の電圧印加期間が区間［９］である。そして、Ｔ２到達時において第３の目標電圧であるＶＬまでの印加電圧の変化を開始する第３の電圧印加期間が区間［１１］である。ここに、第２の目標電圧は初期電圧と同じＶＨであり、第１の目標電圧は第３の目標電圧と同じＶＬである。ここで、プレパルス電圧制動における時間Ｔ１およびＴ２は、変位拡大機構を有する圧電アクチュエータの一次固有振動周波数ｆに基づいて、Ｔ１＝Ｔ２＝１／６ｆに設定する。この設定により、駆動期間が完了して印加電圧がＶＨに保持された時（区間［５］の完了時）あるいはＶＬに保持された時（区間［１１］の完了時）に、上記一次固有振動周波数ｆによる振動を防止して、速やかに制動させることができる。今、電圧ＶＨ＝１００Ｖ、電圧ＶＬ＝０Ｖ、変位拡大機構を有する圧電アクチュエータの一次固有振動周波数ｆ＝１ｋＨｚの場合のプレパルス電圧制動の動作原理について、図２３乃至図３０を用いて説明する。図２３は、プレパルス電圧制動において圧電素子１の印加電圧を時刻０においてステップ状に上昇させた時の、変位拡大機構を有する圧電アクチュエータの変位を示したグラフである。ここに、時刻０以前の電圧は０Ｖである。電圧は時刻０において１００Ｖに到達するようにステップ状に上昇させている。実線が電圧で、破線が変位である。説明の都合上、両者を重ね書きしてある。図２３において、変位拡大機構を有する圧電アクチュエータは、印加電圧を０Ｖから１００Ｖに上昇させることにより、初期位置である０μｍから目標位置である３００μｍまでの変位を得られる。図示されない変位の縦軸は、電圧０Ｖに０μｍが対応し、電圧１００Ｖに３００μｍが対応する。この���位のグラフは、傾きが大きいほど速度が大きいことを示し、水平な部分は速度が０、すなわち静止していることを示す。また、電圧のグラフと変位のグラフが離間している場合には、その離間距離が大きいほど、加速度が大きいことを示す。一方、電圧のグラフと変位のグラフが重なっている場合には、当該変位は当該電圧によって生ずることが期待される変位に一致しており、加速度が０であることを示す。
【０１１８】
時刻０において電圧が１００Ｖに上昇すると、図２３に示すように、圧電素子１に接合された機械構造物は加速度を得て変位を開始する。この変位開始時において、上述の二段電圧制動における図６と同様に、機械構造物は急峻な電圧の変化に追随できない。すなわち、電圧のグラフがステップ状に上昇するのに対して、変位のグラフは電圧のグラフから離間して、略水平方向に変化を開始してから徐々に傾きが大きくなる曲線を描く。この時、変位拡大機構を有する圧電アクチュエータの一次固有振動周波数ｆ＝１ｋＨｚなので、時刻０から時刻１／ｆすなわち１．００ｍｓまでが変位の周期に一致する。また、時刻０における速度は０であり、そこから印加電圧により加速度を得て変位を開始するので、上記変位の周期が経過した時刻１．００ｍｓにおける速度もまた０である。仮にこの状態が継続したとすると、この周期１．００ｍｓの変位は時間の経過とともに徐々に振幅が小さくなり、最後には振幅の１／２に相当する位置において静定する。以後、この位置を静定位置と呼ぶ。すなわち、変位の最大値は０Ｖから１００Ｖまでの変位の２倍となる２００Ｖの位置となる。
【０１１９】
図２３で電圧が１００Ｖまで上昇して保持された後の時刻０．１７ｍｓ（＝１／６ｆ）において、電圧をステップ状に下降させて０Ｖにした時の電圧および変位を図２４に示す。ここで、図２４において、時刻０．１７ｍｓにおける変位は電圧が５０Ｖに上昇した位置に対応している。この時刻０．１７ｍｓの直前の電圧は１００Ｖであり、当該位置に対応する電圧よりも５０Ｖ大きい。すなわち、時刻０．１７ｍｓの直前における機械構造物には、圧電素子１の印加電圧５０Ｖに相当する正の加速度が与えられる。そして、時刻０．１７ｍｓの直後の電圧は０Ｖであり、当該位置に対応する電圧よりも５０Ｖ小さい。すなわち、時刻０．１７ｍｓの直後における機械構造物には、圧電素子１の印加電圧５０Ｖに相当する負の加速度が与えられる。このように、時刻０．１７ｍｓの前後において、機械構造物に与えられる加速度は絶対値が同じで方向が逆転する。すなわち、図２４における変位の波形は、図２３における変位波形（原波形）の時刻０．１７ｍｓ以後の変位量と、図２３の変位波形全体を上下逆転させて、その起点（逆転前の時刻０の位置）を上記の時刻０．１７ｍｓの位置に移動した波形（シフト波形）の変位量とを合成したものになる。ここに、変位量の定義は、以下のとおりである。ある時刻における変位波形の変位量をＤ、当該時刻の変位波形の位置を縦軸の電圧の数値で読んだ値をα、変位波形の起点における位置を縦軸の電圧の数値で読んだ値をβとすると、
Ｄ＝α−β                  式（７）
である。式（７）を上記の原波形とシフト波形について算出すると、原波形は変位量Ｄ＞０であり、シフト波形は変位量Ｄ＜０である。このため、時刻０．１７ｍｓ以後において両者の変位量を合成した変位の波形は、図２４に示すように原波形よりも縦軸に関して負側（下側）に移動した形状になる。図２４から明らかなように、時刻０．３３ｍｓ（＝２／６ｆ）において変位が最大となり、その位置は上述の静定位置である。
【０１２０】
また、時刻０．３３ｍｓにおける速度は０である。その理由は、時刻０．１７ｍｓ以降の加速度は、上述のように、時刻０から時刻０．１７ｍｓ（＝１／６ｆ）までの加速度と絶対値が同じで方向が逆転するためである。この絶対値が同じで方向が逆転する加速度の作用により、時刻０．１７ｍｓ（＝１／６ｆ）からさらに０．１７ｍｓ（＝１／６ｆ）経過後の時刻０．３３ｍｓ（＝２／６ｆ）において、時刻０と同じ速度すなわち速度０となる。また、時刻０．１７ｍｓ（＝１／６ｆ）以降の前記加速度の作用により、時刻０．１７ｍｓ（＝１／６ｆ）から時刻０．３３ｍｓ（＝２／６ｆ）までの変位は、時刻０から時刻０．１７ｍｓ（＝１／６ｆ）までの変位に対して、時刻０．１７ｍｓに関して点対称となる。すなわち、時刻０における変位は電圧０Ｖの位置に対応し、時刻０．３３ｍｓ（＝２／６ｆ）における変位は電圧１００Ｖの位置に対応する。よって、図２５のように時刻０．３３ｍｓにおいて電圧を再度０Ｖから１００Ｖにステップ状に上昇させて保持すると、この時刻以後には機械構造物に加速度が生じない。すなわち、時刻０．３３ｍｓにおいて機械構造物が停止する。以上のように、この停止の際には、変位拡大機構を有する圧電アクチュエータの一次固有振動周波数ｆによる振動は発生しないので、速やかな制動が可能となる。
【０１２１】
以上の図２３乃至図２５を用いたプレパルス電圧制動の原理に関する説明においては、時刻０、０．１７ｍｓ、０．３３ｍｓにおいて電圧が瞬時に０Ｖから１００Ｖまで上昇し、あるいは瞬時に１００Ｖから０Ｖまで下降している。しかし、実際の動作は図２２に示すように、電圧がＶＬ（０Ｖ）からＶＨ（１００Ｖ）まで上昇する際には立ち上がり時間ｔ１１を要し、電圧がＶＨ（１００Ｖ）からＶＬ（０Ｖ）まで下降する際には立ち下がり時間ｔ２１を要する。図２５を図２２の電圧波形に合わせて、区間［１］乃至区間［６］を記したものを図２６に示す。図２５における変位の静定位置の時刻が０．３３ｍｓであるのに対して、図２６における変位の静定位置の時刻は０．３３ｍｓ＋ｔ１１であり、やや遅くなる。
【０１２２】
図２７は、プレパルス電圧制動において圧電素子１の印加電圧を時刻Ｔｒｓにおいてステップ状に下降させた時の、変位拡大機構を有する圧電アクチュエータの変位を示したグラフである。ここに、時刻Ｔｒｓ以前の電圧は１００Ｖである。電圧は時刻Ｔｒｓにおいて０Ｖに到達するようにステップ状に下降させている。実線が電圧で、破線が変位である。説明の都合上、両者を重ね書きしてある。図２７において、変位拡大機構を有する圧電アクチュエータは、印加電圧を１００Ｖから０Ｖに下降させることにより、初期位置である３００μｍから目標位置である０μｍまでの変位を得られる。図示されない変位の縦軸は、電圧１００Ｖに３００μｍが対応し、電圧０Ｖに０μｍが対応する。図２７における変位のグラフの傾きと速度の関係、および電圧のグラフと変位のグラフの相互位置と加速度の関係は、図２３と同じである。
【０１２３】
時刻Ｔｒｓにおいて電圧が０Ｖに下降すると、図２７に示すように、圧電素子１に接合された機械構造物は加速度を得て変位を開始する。この変位開始時において、上述の二段電圧制動における図９と同様に、機械構造物は急峻な電圧の変化に追随できない。すなわち、電圧のグラフがステップ状に下降するのに対して、変位のグラフは電圧のグラフから離間して、略水平方向に変化を開始してから徐々に傾きが大きくなる曲線を描く。この時、変位拡大機構を有する圧電アクチュエータの一次固有振動周波数ｆ＝１ｋＨｚなので、時刻Ｔｒｓから時刻Ｔｒｓ＋１／ｆすなわちＴｒｓ＋１．００ｍｓまでが変位の周期に一致する。また、時刻Ｔｒｓにおける速度は０であり、そこから印加電圧により加速度を得て変位を開始するので、上記変位の周期が経過した時刻Ｔｒｓ＋１．００ｍｓにおける速度もまた０である。仮にこの状態が継続したとすると、この周期１．００ｍｓの変位は時間の経過とともに徐々に振幅が小さくなり、最後には振幅の１／２に相当する位置において静定する。以後、この位置を静定位置と呼ぶ。すなわち、変位の最大値は１００Ｖから０Ｖまでの変位の２倍となる−１００Ｖの位置となる。
【０１２４】
図２７で電圧が０Ｖまで下降して保持された後の時刻Ｔｒｓ＋０．１７ｍｓ（＝Ｔｒｓ＋１／６ｆ）において、電圧をステップ状に上昇させて１００Ｖにした時の電圧および変位を図２８に示す。こで、図２８において、時刻Ｔｒｓ＋０．１７ｍｓにおける変位は電圧が５０Ｖに下降した位置に対応している。この時刻Ｔｒｓ＋０．１７ｍｓの直前の電圧は０Ｖであり、対応位置との差は電圧に置き換えると５０Ｖに相当する。すなわち、時刻Ｔｒｓ＋０．１７ｍｓの直前における機械構造物には、圧電素子１の印加電圧５０Ｖに相当する正の加速度が与えられる。そして、時刻Ｔｒｓ＋０．１７ｍｓの直後の電圧は１００Ｖであり、当該位置に対応する電圧よりも５０Ｖ大きい。すなわち、時刻Ｔｒｓ＋０．１７ｍｓの直後における機械構造物には、圧電素子１の印加電圧５０Ｖに相当する負の加速度が与えられる。このように、時刻Ｔｒｓ＋０．１７ｍｓの前後において、機械構造物に与えられる加速度は絶対値が同じで方向が逆転する。すなわち、図２８における変位の波形は、図２７における変位波形（原波形）の時刻Ｔｒｓ＋０．１７ｍｓ以後の変位量と、図２７の変位波形全体を上下逆転させて、その起点（逆転前の時刻Ｔｒｓの位置）を上記の時刻Ｔｒｓ＋０．１７ｍｓの位置に移動した波形（シフト波形）の変位量とを合成したものになる。ここに、変位量の定義は、上述のとおり、式（７）である。式（７）を上記の原波形とシフト波形について算出すると、原波形は変位量Ｄ＜０であり、シフト波形は変位量Ｄ＞０である。このため、時刻Ｔｒｓ＋０．１７ｍｓ以後において両者の変位量を合成した変位の波形は、図２８に示すように原波形よりも縦軸に関して正側（上側）に移動した形状になる。図２８から明らかなように、時刻Ｔｒｓ＋０．３３ｍｓ（＝Ｔｒｓ＋２／６ｆ）において変位が最大となり、その位置は上述の静定位置である。また、時刻Ｔｒｓ＋０．３３ｍｓにおける速度は０である。その理由は、時刻Ｔｒｓ＋０．１７ｍｓ以降の加速度は、上述のように、時刻Ｔｒｓから時刻Ｔｒｓ＋０．１７ｍｓ（＝Ｔｒｓ＋１／６ｆ）までの加速度と絶対値が同じで方向が逆転するためである。この絶対値が同じで方向が逆転する加速度の作用により、時刻Ｔｒｓ＋０．１７ｍｓ（＝Ｔｒｓ＋１／６ｆ）からさらにＴｒｓ＋０．１７ｍｓ（＝Ｔｒｓ＋１／６ｆ）経過後の時刻Ｔｒｓ＋０．３３ｍｓ（＝Ｔｒｓ＋２／６ｆ）において、時刻Ｔｒｓと同じ速度すなわち速度０となる。また、時刻Ｔｒｓ＋０．１７ｍｓ（＝Ｔｒｓ＋１／６ｆ）以降の前記加速度の作用により、時刻Ｔｒｓ＋０．１７ｍｓ（＝Ｔｒｓ＋１／６ｆ）からさらに０．１７ｍｓ（＝１／６ｆ）経過後の時刻Ｔｒｓ＋０．３３ｍｓ（＝Ｔｒｓ＋２／６ｆ）において、時刻Ｔｒｓと同じ速度すなわち速度０となる。また、時刻Ｔｒｓ＋０．１７ｍｓ（＝Ｔｒｓ＋１／６ｆ）以降の前記加速度の作用により、時刻Ｔｒｓ＋０．１７ｍｓ（＝Ｔｒｓ＋１／６ｆ）から時刻Ｔｒｓ＋０．３３ｍｓ（＝Ｔｒｓ＋２／６ｆ）までの変位は、時刻Ｔｒｓから時刻Ｔｒｓ＋０．１７ｍｓ（＝Ｔｒｓ＋１／６ｆ）までの変位に対して、時刻Ｔｒｓ＋０．１７ｍｓに関して点対称となる。すなわち、時刻Ｔｒｓにおける変位は電圧１００Ｖの位置に対応し、時刻Ｔｒｓ＋０．３３ｍｓ（＝Ｔｒｓ＋２／６ｆ）における変位は電圧０Ｖの位置に対応する。よって、図２９のように時刻Ｔｒｓ＋０．３３ｍｓにおいて電圧を再度１００Ｖから０Ｖにステップ状に下降させて保持すると、この時刻以後には機械構造物に加速度が生じない。すなわち、時刻Ｔｒｓ＋０．３３ｍｓにおいて機械構造物が停止する。以上のように、この停止の際には、変位拡大機構を有する圧電アクチュエータの一次固有振動周波数ｆによる振動は発生しないので、速やかな制動が可能となる。
【０１２５】
以上の図２７乃至図２９を用いたプレパルス電圧制動の原理に関する説明においては、時刻Ｔｒｓ、Ｔｒｓ＋０．１７ｍｓ、Ｔｒｓ＋０．３３ｍｓにおいて電圧が瞬時に１００Ｖから０Ｖまで下降し、あるいは０Ｖから１００Ｖまで上昇している。しかし、実際の動作は図２２に示すように、電圧がＶＨ（１００Ｖ）からＶＬ（０Ｖ）まで下降する際には立ち下がり時間ｔ２１を要し、電圧がＶＬ（０Ｖ）からＶＨ（１００Ｖ）まで上昇する際には立ち上がり時間ｔ１１を要する。図２９を図２２の電圧波形に合わせて、区間［６］乃至区間［１２］を記したものを図３０に示す。図２９における変位の静定位置の時刻がＴｒｓ＋０．３３ｍｓであるのに対して、図３０における変位の静定位置の時刻はＴｒｓ＋０．３３ｍｓ＋ｔ２１であり、やや遅くなる。
【０１２６】
以上のように、プレパルス電圧制動は３個の電圧印加期間と２個の電圧保持期間よりなる。すなわち、圧電素子１の印加電圧を初期電圧から最終目標電圧に一致する第１の目標電圧までステップ状に変化させてから電圧を保持し、さらに第１の目標電圧から初期電圧に一致する第２の目標電圧までステップ状に変化させてから電圧を保持し、その後第２の目標電圧から最終目標電圧までステップ状に変化させている。このため、圧電素子１に接合された機械構造物が電圧の急激な変化に追随することができず、印加電圧をステップ状に変化させた直後において、同一の時刻における機械構造物の変位に対応する印加電圧と実際の印加電圧が大きく離間している。そして、この離間値を決定するのは、前記ステップ状に変化を開始する電圧と終了する電圧との差分である。この差分は、上述の二段電圧制動における当該の差分よりも大きい。このため、プレパルス電圧制動においては、変位に対応する電圧と実際の印加電圧との差分が二段電圧制動における当該の差分よりも大きくなり、その差分である電圧に相当する大きな加速度を上記機械構造物に与えることができる。すなわち、機械構造物は速度０の時点で大きな正の加速度を得て速やかに加速し、速度が最大となった時点で前記正の加速度と絶対値が同じで方向が逆転する大きな負の加速度を得て速度０となり停止する。このため、上述の二段電圧制動よりも短い駆動期間を確保することができる。
【０１２７】
ところで、上述のように、プレパルス電圧制動においては、変位拡大機構を有する圧電アクチュエータの一次固有振動周波数ｆに基づいて、第１の予備駆動期間Ｔ１を１／６ｆに設定するとともに、第２の予備駆動期間Ｔ２を１／６ｆに設定することにより、印加電圧が最終目標電圧に到達してその値を保持した時に、上記一次固有振動周波数ｆによる振動を防止して、速やかに制動させることができる。この第１の予備駆動期間Ｔ１の値および第２の予備駆動期間Ｔ２の値は、それぞれ１／６ｆおよび１／６ｆに限定されており、このため、駆動期間も図２６におけるＴ１＋Ｔ２＋ｔ１１および図３０におけるＴ１＋Ｔ２＋ｔ２１に限定されてしまう。上記一次固有振動周波数ｆによる振動を防止して、速やかに制動させることができる状態を保持したままで、駆動期間を変化させるためには、第１の予備駆動期間および第２の予備駆動期間を変化させることができなくてはならない。
【０１２８】
ここで、本発明の第３の実施形態として、図２（ａ）に示す駆動回路を用いて、上述の定電流による電圧レベル遷移時間変更方法をプレパルス電圧制動に適用して、駆動期間を変化させることについて説明する。上述のように、プレパルス電圧制御における印加電圧の立ち上がり時間および立ち下がり時間は、図２２に示す電圧ＶＨ（図２６および図３０における１００Ｖ）と電圧ＶＬ（図２６および図３０における０Ｖ）との間において、それぞれ時間ｔ１１および時間ｔ２１である。この立ち上がり時間ｔ１１および立ち下がり時間ｔ２１を変化させることにより、電圧の上昇および下降の速度が変化し、その結果、変位拡大機構を有する圧電アクチュエータの一次固有振動周波数ｆによる振動を防止して、速やかに制動させることができる状態を保持したままで、駆動期間を変化させることができる。
【０１２９】
ところで、上述のように、プレパルス電圧制動における駆動期間は、一つの駆動期間内に印加電圧上昇期間と印加電圧下降期間を含んでいる。従って、印加電圧の立ち上がり時間および立ち下がり時間を変化させるための制限値の種類は、以下のようになる。すなわち、まず上昇の駆動期間における印加電圧上昇期間（図２２の区間［１］および区間［５］）の制限値および印加電圧下降期間（図２２の区間［３］）の制限値であり、計２種類となる。次に、下降の駆動期間における印加電圧下降期間（図２２の区間［７］および区間［１１］）の制限値および印加電圧上昇期間（図２２の区間［９］）の制限値であり、計２種類となる。これらを合計して、制限値は全部で４種類となる。これら４種類の制限値を、図２（ａ）の駆動回路を用いて設定する際には、印加電圧上昇期間における制限値は最大電流制限回路４を用いて設定し、印加電圧下降期間における制限値は最大電流制限回路５を用いて設定する。この場合、異なる電圧印加期間における制限値を同一の最大電流制限回路を用いて設定することになる。例えば上昇の駆動期間における印加電圧上昇期間（図２２の区間［１］および区間［５］）と下降の駆動期間における印加電圧上昇期間（図２２の区間［９］）の各制限値を同一の最大電流制限回路４を用いて設定することになる。これに対応するため、異なる制限値を設定する各印加電圧上昇期間開始前に、最大電流制限回路４の基準電圧Ｖｒｅｆを変更して制限値を変更する。印加電圧下降期間と最大電流制限回路５の関係についても同様である。
【０１３０】
図２２における立ち上がり時間ｔ１１および立ち下がり時間ｔ２１をそれぞれ変化させて長くしたときの電圧波形を、図３１乃至図３３に示す。図３１を図２２と比較すると、共通点および差異は、以下のとおりである。まず共通点は、区間［１］の開始時刻（０）から区間［２］の完了時刻（１／６ｆ）までの時間Ｔ１と、区間［３］の開始時刻（１／６ｆ）から区間［４］の完了時刻（２／６ｆ）までの時間Ｔ２と、区間［７］の開始時刻（Ｔｒｓ）から区間［８］の完了時刻（Ｔｒｓ＋１／６ｆ）までの時間Ｔ１と、区間［９］の開始時刻（Ｔｒｓ＋１／６ｆ）から区間［１０］の完了時刻（Ｔｒｓ＋２／６ｆ）までの時間Ｔ２である。図３１において、これらの時間Ｔ１およびＴ２は、図２２と同一の値である１／６ｆに設定されている。一方、差異は、図３１において、区間［１］、区間［５］、区間［９］における立ち上がり時間ｔ１２および区間［３］、区間［７］、区間［１１］における立ち下がり時間ｔ２２が、それぞれ図２２における立ち上がり時間ｔ１１および立ち下がり時間ｔ２１よりも長いことである。ここに、区間［１］乃至区間［５］の全時間からなる駆動期間の完了時間を見ると、図３１はＴ１＋Ｔ２＋ｔ１２であり、図２２はＴ１＋Ｔ２＋ｔ１１である。そして、上述のように、図３１における立ち上がり時間ｔ１２は図２２における立ち上がり時間ｔ１１よりも長い。よって、この駆動期間の完了時間は、図３１の方が図２２よりも長い。同様に、区間［７］乃至区間［１１］の全時間からなる駆動期間の完了時間を見ると、図３１はＴ１＋Ｔ２＋ｔ２２であり、図２２はＴ１＋Ｔ２＋ｔ２１である。そして、上述のように、図３１における立ち下がり時間ｔ２２は図２２における立ち下がり時間ｔ２１よりも長い。よって、この駆動期間の完了時間もまた、図３１の方が図２２よりも長い。これらの完了時間の差異を生じる原因は、図３１の方が図２２よりも電圧の立ち上がり時間および立ち下がり時間が長いためである。図３１における時間０から１／ｆまでの範囲および時間ＴｒｓからＴｒｓ＋１／ｆまでの範囲について、電圧ＶＨを１００Ｖ、電圧ＶＬを０Ｖとした場合の電圧と変位を、図２６および図３０と同様に記したものを、図３２および図３３に示す。図３２および図３３と図３１の対応は、図２６および図３０と図２２の対応と同様なので、説明は省略する。
【０１３１】
図３１における立ち上がり時間ｔ１２および立ち下がり時間ｔ２２をそれぞれさらに長くして、区間［２］、区間［４］、区間［８］、区間［１０］をなくしたときの電圧波形を、図３４乃至図３６に示す。図３４において、電圧がＶＬからＶＨまで上昇する区間［１］、区間［５］の時間および電圧がＶＨからＶＬまで下降する区間［７］、区間［１１］の時間はいずれもＴ１である。また、電圧がＶＨからＶＬまで下降する区間［３］の時間および電圧がＶＬからＶＨまで上昇する区間［９］の時間はいずれもＴ２である。そして、区間［１］、区間［３］、区間［５］の全時間からなる駆動期間の完了時間はＴ１＋Ｔ２＋Ｔ１であり、同様に、区間［７］、区間［９］、区間［１１］の全時間からなる駆動期間の完了時間はＴ１＋Ｔ２＋Ｔ１である。図３４における時間０から１／ｆまでの範囲および時間ＴｒｓからＴｒｓ＋１／ｆまでの範囲について、電圧ＶＨを１００Ｖ、電圧ＶＬを０Ｖとした場合の電圧と変位を、図２６および図３０と同様に記したものを、図３５および図３６に示す。図３５および図３６と図３４の対応は、図２６および図３０と図２２の対応と同様なので、説明は省略する。
【０１３２】
以上のように、図２２、図３１、図３４の順に、区間［１］乃至区間［５］の全時間からなる駆動期間の完了時間および区間［７］乃至区間［１１］の全時間からなる駆動期間の完了時間が長くなっている。これらの駆動期間の完了時間の最大値は図３４の３／６ｆであり、最小値は図２２よりもさらに立ち上がり時間ｔ１１および立ち下がり時間ｔ２１を短くして極限まで０に近づけた場合、すなわち２／６ｆである。また、図２２、図３１、図３４の順に、第１の電圧印加期間である区間［１］および区間［７］の立ち上がり時間ｔ１１および立ち下がり時間ｔ２１が長くなっている。そして、第１の電圧印加期間はいずれも時間Ｔ１以内に完了しており、完了時間の最大値は、図３４におけるＴ１である。同様に、第２の電圧印加期間である区間［３］および区間［９］の立ち上がり時間ｔ１１および立ち下がり時間ｔ２１もまた、図２２、図３１、図３４の順に長くなっている。そして、第２の電圧印加期間はいずれも時間Ｔ２以内に完了しており、完了時間の最大値は、図３４におけるＴ２である。
【０１３３】
以上のプレパルス電圧制動の動作原理に関する説明およびその駆動期間を変化させることに関する説明においては、簡単のため、理想的な圧電素子１に接合された理想的な機械構造物を想定している。しかし、実際には上述のように、圧電素子１が抵抗成分を有するために印加電圧に損失が発生し、また圧電素子１に接合された機械構造物が圧電素子１への印加電圧により変位する際に圧電素子１が機械構造物に与えるエネルギーの一部が消費され、さらに機械構造物が変位する際の摩擦や変形に伴うエネルギーの損失が発生する。このため、時間と電圧の関係を示すグラフは図２２乃至図３６から少しずれたものとなる。例えば、図２６、図３０、図３２、図３３、図３５、図３６において、第１の予備駆動期間Ｔ１と第２の予備駆動期間Ｔ２の合計時間は０．３３ｍｓであり、これは一次固有振動周波数ｆにより１／ｆで表わされる１．００ｍｓに対して２／６ｆの時間である。しかし、実際の圧電素子１に接合された実際の機械構造物の場合には、印加電圧が最終目標電圧に到達した時点で一次固有振動周波数ｆによる振動が発生することなく機械構造物が停止するための第１の予備駆動期間Ｔ１と第２の予備駆動期間Ｔ２の合計時間は、２／６ｆより大きくなる。また、第１の予備駆動期間Ｔ１と第２の予備駆動期間Ｔ２は同一であるが、実際には同一にならない。これらの理由により、印加電圧が最終目標電圧に到達した時点で一次固有振動周波数ｆによる振動が発生することなく機械構造物が停止するための第１の予備駆動期間Ｔ１と第２の予備駆動期間Ｔ２については、上述の傾斜電圧制動における調整と同様に機械構造物に変位計を取付けて、その変位を確認しながら、一次固有振動周波数ｆによる振動が最小になるように調整を行う必要がある。この調整方法については、後述する。また、これらの調整を行って、第１の予備駆動期間Ｔ１と第２の予備駆動期間Ｔ２を決定した段階において駆動期間が決定される。
【０１３４】
ここで、プレパルス電圧制動において、第１の予備駆動期間Ｔ１、第２の予備駆動期間Ｔ２の設定と調整、および上述の印加電圧の立ち上がり時間、立ち下がり時間の設定と調整について説明する。これらの設定もまた、上述の傾斜電圧制動および二段電圧制動の場合と同様に、図２（ａ）の駆動回路を用いて行う。
【０１３５】
まず、図２２における第１の予備駆動期間Ｔ１および第２の予備駆動期間Ｔ２を、変位拡大機構を有する圧電アクチュエータの一次固有振動周波数をｆを用いて、それぞれ１／６ｆに設定する。これが初期値となる。そして、上昇の駆動期間については、まず図２２における時間０から時間Ｔ１までは、図２（ａ）における制御入力Ｓｉｎ１の論理レベルをハイ（Ｈ）とし、かつ制御入力Ｓｉｎ２の論理レベルをロウ（Ｌ）とする。次に図２２における時間Ｔ１から時間Ｔ１＋Ｔ２までは、図２（ａ）における制御入力Ｓｉｎ１の論理レベルをロウ（Ｌ）とし、かつ制御入力Ｓｉｎ２の論理レベルをハイ（Ｈ）とする。次に図２２における時間Ｔ１＋Ｔ２から時間Ｔｒｓまでは、図２（ａ）における制御入力Ｓｉｎ１の論理レベルをハイ（Ｈ）とし、かつ制御入力Ｓｉｎ２の論理レベルをロウ（Ｌ）とする。次に下降の駆動期間については、まず図２２における時間Ｔｒｓから時間Ｔｒｓ＋Ｔ１までは、図２（ａ）における制御入力Ｓｉｎ１の論理レベルをロウ（Ｌ）とし、かつ制御入力Ｓｉｎ２の論理レベルをハイ（Ｈ）とする。次に図２２における時間Ｔｒｓ＋Ｔ１から時間Ｔｒｓ＋Ｔ１＋Ｔ２までは、図２（ａ）における制御入力Ｓｉｎ１の論理レベルをハイ（Ｈ）とし、かつ制御入力Ｓｉｎ２の論理レベルをロウ（Ｌ）とする。そして、図２２における時間Ｔｒｓ＋Ｔ１＋Ｔ２以後は、図２（ａ）における制御入力Ｓｉｎ１の論理レベルをロウ（Ｌ）とし、かつ制御入力Ｓｉｎ２の論理レベルをハイ（Ｈ）とする。これらの設定と図２（ｂ）の表を対照すれば、図２２の電圧波形を実現することができる。この時、電流Ｉｃの値は、スイッチ機能を有する素子であるＦＥＴＱ１の最大許容電流値を超えない範囲で、印加電圧の立ち上がり時間および立ち下がり時間が十分に短くなるように、なるべく大きな値を初期値として設定しておく。
【０１３６】
以上の設定を行ったら、調整を行う。まず上昇の駆動期間においては、図２２における区間［５］が完了して区間［６］が開始する時刻において、変位拡大機構を有する圧電アクチュエータが停止する際の変位を、変位計を使用して確認する。そして、この停止の際の変位が静定するまでに発生する振動が最も小さくなるように、上記の期間Ｔ１およびＴ２の値を調整する。具体的には、図２（ａ）における制御入力Ｓｉｎ１およびＳｉｎ２の論理レベルをハイ（Ｈ）およびロウ（Ｌ）に設定する期間を調整することにより、上記期間Ｔ１およびＴ２の値を調整する。次に下降の駆動期間においては、図２２における区間［１１］が完了して区間［１２］が開始する時刻において、変位拡大機構を有する圧電アクチュエータが停止する際の変位を、変位計を使用して確認する。そして、この停止の際の変位が静定するまでに発生する振動が最も小さくなるように、上記の期間Ｔ１およびＴ２の値を調整する。なお、ここでは記述を簡単にするために、第１の予備駆動期間Ｔ１および第２の予備駆動期間Ｔ２については、上昇の駆動期間と下降の駆動期間で同一の表記としている。しかし、上述のように、各予備駆動期間は上昇の駆動期間と下降の駆動期間で異なる値となる。具体的な調整方法は、上記の区間［５］が完了して区間［６］が開始する時刻におけるものと同様である。
【０１３７】
以上説明した第１の予備駆動期間Ｔ１および第２の予備駆動期間Ｔ２の設定および調整によって、前記一次固有振動周波数成分の振動が発生しなくなる。
【０１３８】
次に、駆動期間を変化させる。ここでは図２（ａ）に示す最大電流制限回路４および最大電流制限回路５において制限値を変化させることによって、上記の各電圧印加期間を変化させ、駆動期間を変化させる。具体的には、図２２における区間［５］が完了して区間［６］が開始する時刻および区間［１１］が完了して区間［１２］が開始する時刻において、変位拡大機構を有する圧電アクチュエータが停止する際の変位を、変位計を使用して確認する。そして、この停止の際の変位が静定するまでに発生する振動が最も小さくなるように、制限値を調整する。
【０１３９】
なお、この際に、第１の予備駆動期間Ｔ１および第２の予備駆動期間Ｔ２の調整を終了しているので、停止の際の変位が静定するまでに発生する振動は最も小さくなっているはずである。しかし、これはあくまで理論上の説明である。上述のように、実際の変位拡大機構を有する圧電アクチュエータにおいては、圧電素子１が抵抗成分を有するために印加電圧に損失が発生し、また圧電素子１に接合された機械構造物が圧電素子１への印加電圧により変位する際に圧電素子１が機械構造物に与えるエネルギーの一部が消費され、さらに機械構造物が変位する際の摩擦や変形に伴うエネルギーの損失が発生する。これらの要因のため、制限値を変化させると、再び変位拡大機構を有する圧電アクチュエータの一次固有振動周波数成分の振動が発生することがある。その場合には、再度第１の予備駆動期間Ｔ１および第２の予備駆動期間Ｔ２の調整を行ってから、制限値を変化させれば、振動は発生しなくなる。
【０１４０】
以上のように、プレパルス電圧制動における駆動期間を変化させるには、図２（ａ）の駆動回路を用いて制限値を変化させて、印加電圧の立ち上がり時間あるいは立ち下がり時間を変化させればよい。その制限値の調整は、上述のように容易である。また、図２（ａ）の駆動回路は、上述のように、従来技術における任意波形駆動回路に比べて、回路規模がはるかに小さい。
【０１４１】
次に、本発明の第２の実施形態の変形例として、多段電圧制動について説明する。多段電圧制動の印加電圧および変位を図３７に示す。図３７における電圧すなわち印加電圧と変位との関係は、図８と同様に、印加電圧が最終目標電圧に到達した時点で前記一次固有振動周波数ｆによる振動が発生することなく機械構造物が停止する状態を示す。
【０１４２】
多段電圧制動は、二段電圧制動において初期電圧から最終目標電圧までの電圧印加期間を３以上設けたものである。そして、各電圧印加期間は、対応する目標電圧までの印加電圧の変化を対応する予備駆動期間以内に完了するものである。図３７は上昇の駆動期間である。すなわち、時刻０において初期電圧０Ｖから第１の目標電圧ＶＭ１までの印加電圧の変化を開始し、第１の予備駆動期間Ｔ１０以内の時刻ｔ１０１ａにおいて完了する（区間［１０１］）。これが第１の電圧印加期間である。そして、時刻ｔ１０１ａから第１の予備駆動期間Ｔ１０経過時まで、第１の目標電圧ＶＭ１を保持する（区間［２０１］）。次に第１の予備駆動期間Ｔ１０経過時において、第２の目標電圧ＶＭ２までの印加電圧の変化を開始し、第２の予備駆動期間Ｔ２０以内の時刻Ｔ１０＋ｔ２０１ａにおいて完了する（区間［１０２］）。これが第２の電圧印加期間である。そして、時刻Ｔ１０＋ｔ２０１ａから第２の予備駆動期間Ｔ２０経過時まで、第２の目標電圧ＶＭ２を保持する（区間［２０２］）。次に第２の予備駆動期間Ｔ２０経過時において、最終目標電圧１００Ｖまでの印加電圧の変化を開始し、時刻Ｔ２０＋ｔ１０１ｂにおいて完了する（区間［３］）。これが最終電圧印加期間である。そして、時刻Ｔ２０＋ｔ１０１ｂ以降は最終目標電圧１００Ｖを保持する（区間［４］）。なお、図３７においては、電圧印加期間の数は３であり、このうち最終電圧印加期間を除く電圧印加期間の数は２であるが、これは一例であり、一般には多段電圧制動における最終電圧印加期間を除く電圧印加期間の数Ｎは、Ｎを２以上の自然数としてＮである。多段電圧制動は、上昇の駆動期間の場合は図３７に示すように、各電圧印加期間における各目標電圧ＶＭ１およびＶ２Ｍが、当該電圧印加期間の開始時の電圧０Ｖに対して最終目標電圧１００Ｖ側にある。下降の駆動期間の場合は、上述のように電圧の変化する方向が逆転するだけであるので、上記の各電圧印加期間における目標電圧、初期電圧および最終目標電圧の関係は同一となる。そして、この関係は、多段電圧制動における電圧印加期間の数Ｎによらず同一である。また、図３７は上昇の駆動期間を示しているが、下降の駆動期間の場合は電圧の変化する方向が逆転するだけであるので、説明は省略する。
【０１４３】
ここに、図３７における駆動期間（区間［１０１］乃至区間［３］）を、二段電圧制動の駆動期間（図８における区間［１］乃至［３］）および傾斜電圧制動の駆動期間（図５６における区間［１］）と比較すると、二段電圧制動、多段電圧制動、傾斜電圧制動の順に駆動期間が長くなっている。これは、各電圧印加期間の開始時における印加電圧の時間に対する変化が、二段電圧制動、多段電圧制動、傾斜電圧制動の順に小さくなることに対応している。すなわち、電圧印加期間の開始時において圧電素子１に接合された機械構造物に与えられる加速度が、二段電圧制動、多段電圧制動、傾斜電圧制動の順に小さくなるため、駆動期間は上記のように二段電圧制動、多段電圧制動、傾斜電圧制動の順に長くなる。このことは、多段電圧制動が以下のような場合に効果を有する制動であることを示す。今、傾斜電圧制動の駆動期間を短くしたいとする。ここで、傾斜電圧制動に代えて二段電圧制動にすると、上述のように、圧電素子１に接合された機械構造物に与えられる加速度がかなり大きくなる。すると、場合によっては、図１に示す変位拡大機構１００における結合部材５８が当接する対象物に加速度が与えられる最初の時点で、過度の衝撃を与えることになり、好ましくないと判断されることがある。そのような場合には、傾斜電圧制動と二段電圧制動の中間の加速度となる多段電圧制動を用いればよい。さらに、多段電圧制動における上記Ｎを小さくすれば、その加速度は二段電圧制動に近い大きな値となり、Ｎを大きくすれば、その加速度は傾斜電圧制動に近い小さな値となる。すなわち、Ｎを適切な値に設定することによって、上記対象物に与える衝撃がある程度少なくなり、かつ駆動期間もある程度短くなるという、バランスのとれた制動を実現することができる。
【０１４４】
なお、多段電圧制動は、上述のように二段電圧制動の変形例であるため、二段電圧制動と同様に図２（ａ）に示す駆動回路を用いて制限値を変化させて、印加電圧の立ち上がり時間および立ち下がり時間を変化させることができ、これにより、駆動期間を変化させることができる。
【０１４５】
次に、本発明の第３の実施形態の変形例として、プレパルス中間電圧制動について説明する。プレパルス中間電圧制動の印加電圧および変位を図３８に示す。図３８における電圧すなわち印加電圧と変位との関係は、図２６と同様に、印加電圧が最終目標電圧に到達した時点で前記一次固有振動周波数ｆによる振動が発生することなく機械構造物が停止する状態を示す。
【０１４６】
プレパルス中間電圧制動は、プレパルス電圧制動における第１の目標電圧および第２の目標電圧を、初期電圧から最終目標電圧までの間の電圧としたものである。図３８は上昇の駆動期間である。すなわち、時刻０において初期電圧０Ｖから第１の目標電圧ＶＭ１までの印加電圧の変化を開始し、第１の予備駆動期間Ｔ１ａ以内の時刻ｔ１１ａにおいて完了する（区間［１］）。ここに、第１の目標電圧ＶＭ１は、初期電圧０Ｖと最終目標電圧１００Ｖの中央値から最終目標電圧１００Ｖまでの間の電圧である。これが第１の電圧印加期間である。そして、時刻ｔ１１ａから第１の予備駆動期間Ｔ１ａ経過時まで、第１の目標電圧ＶＭ１を保持する（区間［２］）。次に第１の予備駆動期間Ｔ１ａ経過時において、第２の目標電圧ＶＭ２までの印加電圧の変化を開始し、第２の予備駆動期間Ｔ２ａ以内の時刻Ｔ１ａ＋ｔ２１ａにおいて完了する（区間［３］）。ここに、第２の目標電圧ＶＭ２は初期電圧以上の電圧である。これが第２の電圧印加期間である。そして、時刻Ｔ１ａ＋ｔ２１ａから第２の予備駆動期間Ｔ２ａ経過時まで、第２の目標電圧ＶＭ２を保持する（区間［４］）。次に第２の予備駆動期間Ｔ２ａ経過時において、最終目標電圧１００Ｖまでの印加電圧の変化を開始し、時刻Ｔ２ａ＋ｔ１１ｂにおいて完了する（区間［５］）。これが最終電圧印加期間である。そして、時刻Ｔ２ａ＋ｔ１１ｂ以降は最終目標電圧１００Ｖを保持する（区間［６］）。駆動期間はＴ１ａ＋Ｔ２ａ＋ｔ１１ｂである。なお、図３８においては、電圧印加期間の数は３であり、このうち最終電圧印加期間を除く電圧印加期間の数は２であるが、これは一例であり、一般にはプレパルス中間電圧制動における最終電圧印加期間を除く電圧印加期間の数Ｎは、Ｎを２以上の自然数としてＮである。この場合、目標電圧および予備駆動期間の数もＮである。
【０１４７】
プレパルス中間電圧制動でＮ＝２以外の例として、図３９に、Ｎ＝６の場合の印加電圧および変位を示す。図３９において、駆動期間の全時間の前半である時間Ｄｆに３個の目標電圧（印加電圧のグラフが水平となる部分）が存在する。それらの目標電圧のうち、電圧ＶＭａが時間Ｄｆ内におけるピーク値となっており、電圧ＶＭａは初期電圧０Ｖと最終目標電圧１００Ｖの中央値から最終目標電圧１００Ｖまでの間の電圧である。同様に、駆動期間の全時間の後半である時間Ｄｓに３個の目標電圧（印加電圧のグラフが水平となる部分）が存在する。それらの目標電圧のうち、電圧ＶＭｂが時間Ｄｓ内におけるボトム値となっており、電圧ＶＭｂは初期電圧０Ｖ以上の電圧である。なお、図３９は上昇の駆動期間であるが、下降の駆動期間の場合は電圧の変化する方向が逆転する。このため、駆動期間の全時間の前半に目標電圧のボトム値が存在し、駆動期間の全時間の後半に目標電圧のピーク値が存在するが、それ以外の時間と電圧の関係およびピーク値やボトム値の各種電圧との関係は、図３９と同様である。よって、詳細な説明は省略する。
【０１４８】
プレパルス中間電圧制動でＮ＝６の場合の印加電圧および変位の他の例を図４０に示す。図４０が図３９と異なる点は２つある。１つ目は、駆動期間の全時間の前半である時間Ｄｆにある３個の目標電圧のうち、電圧１００Ｖすなわち最終目標電圧が時間Ｄｆ内におけるピーク値となっていることである。２つ目は、駆動期間の全時間の後半である時間Ｄｓにある３個の目標電圧のうち、電圧０Ｖすなわち初期電圧が時間Ｄｓ内におけるボトム値となっていることである。このように、ピーク値となる目標電圧が最終目標電圧であったり、ボトム値となる目標電圧が初期電圧であったりしても、図４０に示すように、駆動期間の全時間の前半である時間Ｄｆ内には、目標電圧として初期電圧０Ｖから最終目標電圧１００Ｖまでの間の電圧ＶＭｃを含んでいる。同様に、駆動期間の全時間の後半である時間Ｄｓ内には、目標電圧として初期電圧以上である電圧ＶＭｄを含んでいる。なお、図４０は上昇の駆動期間であるが、下降の駆動期間の場合は電圧の変化する方向が逆転する。このため、駆動期間の全時間の前半に目標電圧のボトム値が存在し、駆動期間の全時間の後半に目標電圧のピーク値が存在するが、それ以外の時間と電圧の関係およびピーク値やボトム値の各種電圧との関係は、図４０と同様である。よって、詳細な説明は省略する。
【０１４９】
ここに、図３８における駆動期間（区間［１］乃至区間［５］）を、プレパルス電圧制動の駆動期間（図２６における区間［１］乃至［５］）と比較すると、プレパルス電圧制動よりもプレパルス中間電圧制動の方が駆動期間が長くなっている。これは、各電圧印加期間の開始時における印加電圧の時間に対する変化が、プレパルス電圧制動よりもプレパルス中間電圧制動の方が小さくなることに対応している。すなわち、電圧印加期間の開始時において圧電素子１に接合された機械構造物に与えられる加速度が、プレパルス電圧制動よりもプレパルス中間電圧制動の方が小さくなるため、駆動期間は上記のようにプレパルス電圧制動よりもプレパルス中間電圧制動の方が長くなる。このことは、上述の多段電圧制動と同様に、プレパルス電圧制動を用いると、図１に示す変位拡大機構１００における結合部材５８が当接する対象物に加速度が与えられる最初の時点で、過度の衝撃を与えることになり、好ましくないと判断される場合に、プレパルス中間電圧制動を用いればよい。そして、プレパルス中間電圧制動における上記Ｎを小さくすれば、その加速度はプレパルス電圧制動に近い大きな値となり、Ｎを大きくすれば、その加速度は傾斜電圧制動に近い小さな値となる。すなわち、多段電圧制動と同様に、Ｎを適切な値に設定することによって、上記対象物に与える衝撃がある程度少なくなり、かつ駆動期間もある程度短くなるという、バランスのとれた制動を実現することができる。
【０１５０】
なお、プレパルス中間電圧制動は、上述のようにプレパルス電圧制動の変形例であるため、プレパルス電圧制動と同様に図２（ａ）に示す駆動回路を用いて制限値を変化させて、印加電圧の立ち上がり時間および立ち下がり時間を変化させることができ、これにより、駆動期間を変化させることができる。
【０１５１】
ところで、以上の説明においては、多段電圧制動を二段電圧制動の変形例とし、プレパルス中間電圧制動をプレパルス電圧制動の変形例とした。しかし、多段電圧制動とプレパルス中間電圧制動は、以下の共通点を有する。まず、駆動期間が、変位拡大機構を有する圧電アクチュエータの一次固有振動周波数をｆとすると１／ｆ以下となることである。次に、電圧印加期間としての最終電圧印加期間までに複数の電圧印加期間を有することである。この複数の電圧印加期間は、それぞれの電圧印加期間に対応する予備駆動期間および目標電圧を有しており、その結果として、複数の予備駆動期間および目標電圧を有することになる。
【０１５２】
一方、多段電圧制動とプレパルス中間電圧制動の差異は、駆動期間における印加電圧の変化である。具体的には、上述のように、各目標電圧の電圧値と初期電圧および最終目標電圧の電圧値との関係ならびに各目標電圧相互の時間位置関係および大小関係である。よって、多段電圧制動とプレパルス中間電圧制動は、それぞれ上述の共通点を有する第１の電圧印加モードおよび第２の電圧印加モードであるといえる。
【０１５３】
以上のように、多段電圧制動およびプレパルス中間電圧制動は、最終電圧印加期間までに複数の目標電圧を有する。これらの目標電圧は、上述の二段電圧制御における第１の目標電圧（図５におけるＶＭ）すなわち目標中間電位と同様に、上述の中間電圧を得る方法１により設定することができる。また、印加電圧がこれら複数の目標電圧に到達したことを知る手段として、二段電圧制動と同様に、印加電圧の立ち上がり開始時刻あるいは立ち下がり開始時刻から印加電圧が各目標電圧に到達する時刻までの時間を、式（５ｂ）により求める方法を用いることができる。以上により、多段電圧制動およびプレパルス中間電圧制動の印加電圧は、傾斜電圧制動、二段電圧制動、プレパルス電圧制動と同様に、図２（ａ）に示す駆動回路により印加することが可能である。
【０１５４】
上述の中間電圧を得る方法１を使用した目標電圧の設定を利用して、隣接する目標電圧間の電位差を変化させることで、圧電素子１の印加電圧が変化を開始した直後に機械構造物に与える加速度を変化させることができる。すなわち、隣接する目標電圧間の電位差が大きければ、加速度は大きくなる。また、隣接する目標電圧間の電位差が小さければ、加速度は小さくなる。これは、二段電圧制動およびプレパルス電圧制動において説明したように、駆動期間を変化させることに他ならない。すなわち、多段電圧制動およびプレパルス中間電圧制動においては、上述の定電流による電圧レベル遷移時間変更方法を使用して印加電圧の立ち上がり時間および立ち下がり時間を変化させる以外に、上述の中間電圧を得る方法１を使用して複数の目標電圧間の電位差を変化させることによっても、駆動期間を変化させることができる。
【０１５５】
次に、本発明の第２の実施形態における多段電圧制動の変形例について説明する。多段電圧制動の変形例の印加電圧および変位を図４１に示す。図４１における電圧すなわち印加電圧と変位との関係は、図８と同様に、印加電圧が最終目標電圧に到達した時点で前記一次固有振動周波数ｆによる振動が発生することなく機械構造物が停止する状態を示す。
【０１５６】
多段電圧制動の変形例は、予備駆動期間内に電圧保持期間を有することなく、予備駆動期間経過時に後述の到達電圧に至る予備駆動期間を有している。図４１は上昇の駆動期間である。すなわち、時刻０において初期電圧０Ｖから第１の目標電圧までの印加電圧の変化を開始し、第１の予備駆動期間Ｔ１ｂにおいて第１の目標電圧に到達し、時刻Ｔ１ｂにおける到達電圧ＶＭｘ１において印加電圧の変化を停止する（区間［１］）。これが第１の電圧印加期間である。次に時刻Ｔ１ｂにおいて、第２の目標電圧までの印加電圧の変化を開始し、第２の予備駆動期間Ｔ２ｂにおいて第２の目標電圧に到達し、時刻Ｔ１ｂ＋Ｔ２ｂにおける到達電圧ＶＭｘ２において印加電圧の変化を停止する（区間［２］）。これが第２の電圧印加期間である。次に時刻Ｔ１ｂ＋Ｔ２ｂにおいて、最終目標電圧１００Ｖまでの印加電圧の変化を開始し、時刻Ｔ１ｂ＋Ｔ２ｂ＋Ｔ１ｂにおいて完了する（区間［３］）。これが最終電圧印加期間である。そして、時刻Ｔ１ｂ＋Ｔ２ｂ＋Ｔ１ｂ以降は最終目標電圧１００Ｖを保持する（区間［４］）。ここに、電圧印加期間としての最終電圧印加期間を除く各電圧印加期間における到達電圧は、当該電圧印加期間における目標電圧未満の電圧である。なお、図４１は上昇の駆動期間を示しているが、下降の駆動期間の場合は電圧の変化する方向が逆転するだけであるので、説明は省略する。
【０１５７】
なお、図４１においては、電圧印加期間の数は３であり、このうち最終電圧印加期間を除く電圧印加期間の数は２であるが、これは一例であり、一般には多段電圧制動の変形例における最終電圧印加期間を除く電圧印加期間の数Ｎは、Ｎを２以上の自然数としてＮである。多段電圧制動の変形例は、上昇の駆動期間の場合は図４１に示すように、各電圧印加期間における各到達電圧ＶＭｘ１およびＶＭｘ２が、当該電圧印加期間の開始時の電圧０ＶおよびＶＭｘ１に対してそれぞれ最終目標電圧１００Ｖ側にある。下降の駆動期間の場合は、上述のように電圧の変化する方向が逆転するだけであるので、上記の各電圧印加期間における目標電圧、初期電圧および最終目標電圧の関係は同一となる。そして、この関係は、多段電圧制動の変形例における電圧印加期間の数Ｎによらず同一である。また、図４１は上昇の駆動期間を示しているが、下降の駆動期間の場合は電圧の変化する方向が逆転するだけであるので、説明は省略する。
【０１５８】
多段電圧制動の変形例でＮ＝４の場合の印加電圧および変位を図４２に示す。図４２は上昇の駆動期間である。そして、第１の電圧印加期間において、電圧ＶＭｘ３で印加電圧の上昇を停止している。その他の電圧印加期間および下降の駆動期間については、図４１における説明と同様である。よって、詳細な説明は省略する。
【０１５９】
ここに、図４１における駆動期間（区間［１］乃至区間［３］）を、二段電圧制動の駆動期間（図８における区間［１］乃至［３］）および傾斜電圧制動の駆動期間（図５６における区間［１］）と比較すると、二段電圧制動、多段電圧制動の変形例、傾斜電圧制動の順に駆動期間が長くなっている。これは、各電圧印加期間の開始時における印加電圧の時間に対する変化が、二段電圧制動、多段電圧制動の変形例、傾斜電圧制動の順に小さくなることに対応している。すなわち、電圧印加期間の開始時において圧電素子１に接合された機械構造物に与えられる加速度が、二段電圧制動、多段電圧制動の変形例、傾斜電圧制動の順に小さくなるため、駆動期間は上記のように二段電圧制動、多段電圧制動の変形例、傾斜電圧制動の順に長くなる。このことは、上述の多段電圧制動と同様に、多段電圧制動の変形例を用いると、図１に示す変位拡大機構１００における結合部材５８が当接する対象物に加速度が与えられる最初の時点で、過度の衝撃を与えることになり、好ましくないと判断される場合に、多段電圧制動の変形例を用いればよい。そして、多段電圧制動の変形例における上記Ｎを小さくすれば、その加速度は二段電圧制動に近い大きな値となり、Ｎを大きくすれば、その加速度は傾斜電圧制動に近い小さな値となる。すなわち、多段電圧制動と同様に、Ｎを適切な値に設定することによって、上記対象物に与える衝撃がある程度少なくなり、かつ駆動期間もある程度短くなるという、バランスのとれた制動を実現することができる。
【０１６０】
次に、本発明の第３の実施形態におけるプレパルス中間電圧制動の変形例について説明する。プレパルス中間電圧制動の変形例の印加電圧および変位を図４３に示す。図４３における電圧すなわち印加電圧と変位との関係は、図２６と同様に、印加電圧が最終目標電圧に到達した時点で前記一次固有振動周波数ｆによる振動が発生することなく機械構造物が停止する状態を示す。
【０１６１】
プレパルス中間電圧制動の変形例は、予備駆動期間内に電圧保持期間を有することなく、予備駆動期間経過時に後述の到達電圧に至る予備駆動期間を有している。図４３は上昇の駆動期間である。すなわち、時刻０において初期電圧０Ｖから第１の目標電圧までの印加電圧の変化を開始し、第１の予備駆動期間Ｔ１ｃにおいて第１の目標電圧に到達し、時刻Ｔ１ｃにおける到達電圧ＶＭｙ１において印加電圧の変化を停止する（区間［１］）。これが第１の電圧印加期間である。次に時刻Ｔ１ｃにおいて、第２の目標電圧までの印加電圧の変化を開始し、第２の予備駆動期間Ｔ２ｃにおいて第２の目標電圧に到達し、時刻Ｔ１ｃ＋Ｔ２ｃにおける到達電圧ＶＭｙ２において印加電圧の変化を停止する（区間［３］）。これが第２の電圧印加期間である。次に時刻Ｔ１ｃ＋Ｔ２ｃにおいて、最終目標電圧１００Ｖまでの印加電圧の変化を開始し、時刻Ｔ１ｃ＋Ｔ２ｃ＋Ｔ１ｃにおいて完了する（区間［５］）。これが最終電圧印加期間である。そして、時刻Ｔ１ｃ＋Ｔ２ｃ＋Ｔ１ｃ以降は最終目標電圧１００Ｖを保持する（区間［６］）。ここに、電圧印加期間としての最終電圧印加期間を除く各電圧印加期間における到達電圧（以下「到達電圧」）は、当該電圧印加期間における目標電圧未満の電圧である。なお、図４３は上昇の駆動期間を示しているが、下降の駆動期間の場合は電圧の変化する方向が逆転するだけであるので、説明は省略する。
【０１６２】
なお、図４３においては、電圧印加期間の数は３であり、このうち最終電圧印加期間を除く電圧印加期間の数は２であるが、これは一例であり、一般にはプレパルス中間電圧制動の変形例における最終電圧印加期間を除く電圧印加期間の数Ｎは、Ｎを２以上の自然数としてＮである。この場合、到達電圧および予備駆動期間の数もＮである。
【０１６３】
プレパルス中間電圧制動の変形例でＮ＝２以外の例として、図４４に、Ｎ＝６の場合の印加電圧および変位を示す。図４４において、駆動期間の全時間の前半である時間Ｄｆに３個の到達電圧（印加電圧のグラフの屈曲点）が存在する。それらの到達電圧のうち、電圧ＶＭｙ１が時間Ｄｆ内におけるピーク値となっており、電圧ＶＭｙ１は初期電圧０Ｖと最終目標電圧１００Ｖの中央値から最終目標電圧１００Ｖまでの間の電圧である。同様に、駆動期間の全時間の後半である時間Ｄｓに３個の到達電圧（印加電圧のグラフの屈曲点）が存在する。それらの到達電圧のうち、電圧ＶＭｙ２が時間Ｄｓ内におけるボトム値となっており、電圧ＶＭｙ２は初期電圧０Ｖ以上の電圧である。なお、図４４は上昇の駆動期間であるが、下降の駆動期間の場合は電圧の変化する方向が逆転する。このため、駆動期間の全時間の前半に到達電圧のボトム値が存在し、駆動期間の全時間の後半に到達電圧のピーク値が存在するが、それ以外の時間と電圧の関係およびピーク値やボトム値の各種電圧との関係は、図４４と同様である。よって、詳細な説明は省略する。
【０１６４】
プレパルス中間電圧制動の変形例でＮ＝６の場合の印加電圧および変位の他の例を図４５に示す。図４５が図４４と異なる点は２つある。１つ目は、駆動期間の全時間の前半である時間Ｄｆにある３個の到達電圧のうち、電圧１００Ｖすなわち最終目標電圧が時間Ｄｆ内におけるピーク値となっていることである。２つ目は、駆動期間の全時間の後半である時間Ｄｓにある３個の到達電圧のうち、電圧０Ｖすなわち初期電圧が時間Ｄｓ内におけるボトム値となっていることである。このように、ピーク値となる到達電圧が最終目標電圧であったり、ボトム値となる到達電圧が初期電圧であったりしても、図４５に示すように、駆動期間の全時間の前半である時間Ｄｆ内には、到達電圧として初期電圧０Ｖから最終目標電圧１００Ｖまでの間の電圧ＶＭｙ３を含んでいる。同様に、駆動期間の全時間の後半である時間Ｄｓ内には、到達電圧として初期電圧以上である電圧ＶＭｙ４を含んでいる。なお、図４５は上昇の駆動期間であるが、下降の駆動期間の場合は電圧の変化する方向が逆転する。このため、駆動期間の全時間の前半に目標電圧のボトム値が存在し、駆動期間の全時間の後半に目標電圧のピーク値が存在するが、それ以外の時間と電圧の関係およびピーク値やボトム値の各種電圧との関係は、図４５と同様である。よって、詳細な説明は省略する。
【０１６５】
ここに、図４３における駆動期間（区間［１］、区間［３］、区間［５］）を、プレパルス電圧制動の駆動期間（図２６における区間［１］乃至［５］）と比較すると、プレパルス電圧制動よりもプレパルス中間電圧制動の変形例の方が駆動期間が長くなっている。これは、各電圧印加期間の開始時における印加電圧の時間に対する変化が、プレパルス電圧制動よりもプレパルス中間電圧制動の変形例の方が小さくなることに対応している。すなわち、電圧印加期間の開始時において圧電素子１に接合された機械構造物に与えられる加速度が、プレパルス電圧制動よりもプレパルス中間電圧制動の変形例の方が小さくなるため、駆動期間は上記のようにプレパルス電圧制動よりもプレパルス中間電圧制動の変形例の方が長くなる。このことは、上述の多段電圧制動の変形例と同様に、プレパルス電圧制動を用いると、図１に示す変位拡大機構１００における結合部材５８が当接する対象物に加速度が与えられる最初の時点で、過度の衝撃を与えることになり、好ましくないと判断される場合に、プレパルス中間電圧制動の変形例を用いればよい。そして、プレパルス中間電圧制動の変形例における上記Ｎを小さくすれば、その加速度はプレパルス電圧制動に近い大きな値となり、Ｎを大きくすれば、その加速度は傾斜電圧制動に近い小さな値となる。すなわち、多段電圧制動の変形例と同様に、Ｎを適切な値に設定することによって、上記対象物に与える衝撃がある程度少なくなり、かつ駆動期間もある程度短くなるという、バランスのとれた制動を実現することができる。
【０１６６】
ところで、以上の説明においては、図４１を多段電圧制動の変形例として説明し、図４３をプレパルス電圧制動の変形例として説明した。しかし、多段電圧制動の変形例とプレパルス中間電圧制動の変形例は、以下の共通点を有する。まず、駆動期間が、変位拡大機構を有する圧電アクチュエータの一次固有振動周波数をｆとすると１／ｆ以下となることである。次に、電圧印加期間としての最終電圧印加期間までに複数の電圧印加期間を有することである。この複数の電圧印加期間は、それぞれの電圧印加期間に対応する予備駆動期間および到達電圧を有しており、その結果として、複数の予備駆動期間および到達電圧を有することになる。
【０１６７】
一方、多段電圧制動の変形例とプレパルス中間電圧制動の変形例の差異は、駆動期間における印加電圧の変化である。具体的には、上述のように、各到達電圧の電圧値と初期電圧および最終目標電圧の電圧値との関係ならびに各到達電圧相互の時間位置関係および大小関係である。よって、多段電圧制動の変形例とプレパルス中間電圧制動の変形例は、それぞれ上述の共通点を有する第３の電圧印加モードおよび第４の電圧印加モードであるといえる。
【０１６８】
以上のように、多段電圧制動の変形例およびプレパルス中間電圧制動の変形例は、上述のように、予備駆動期間内に電圧保持期間を有することなく、予備駆動期間経過時に到達電圧に至る予備駆動期間を有している。ここに、到達電圧は図４１（多段電圧制動の変形例）における第１の目標電圧ＶＭｘ１および第２の目標電圧ＶＭｘ２、あるいは図４３（プレパルス中間電圧制動の変形例）における第１の目標電圧ＶＭｙ１および第２の目標電圧ＶＭｙ２である。これらの到達電圧が上記各目標電圧となるようにするには、予備駆動期間をｔ２、圧電素子１の静電容量をＣ、電圧印加期間の終了時における到達電圧（中間目標電圧）をＶ２、電圧印加期間の開始時における電圧をＶ１としたときの電圧の差分Ｖ２−Ｖ１をＶとし、式（５ａ）を用いて電圧印加期間における定電流値Ｉを、Ｉ＝ＣＶ／ｔ２  により求めて設定すればよい。これを、中間電圧を得る方法２と呼ぶ。そして、中間電圧を得る方法２の具体的な実現方法は、図２（ａ）に示す駆動回路を用いて制限値を設定することにより、圧電素子１に単位時間当たり流入する電流および圧電素子１から単位時間当たり流出する電流を決め、これにより印加電圧の傾きを決めればよい。すなわち、図２（ａ）に示す駆動回路は、多段電圧制動の変形例およびプレパルス中間電圧制動の変形例においても使用することができる。
【０１６９】
なお、以上の説明においては、多段電圧制動およびプレパルス中間電圧制動においては中間電圧を得る方法１を使用し、多段電圧制動の変形例およびプレパルス中間電圧制動の変形例においては中間電圧を得る方法２を使用するとした。しかし、多段電圧制動の変形例およびプレパルス中間電圧制動の変形例においては、複数の電圧印加期間における各到達電圧を得るために、中間電圧を得る方法１と中間電圧を得る方法２を併用することもできる。
【０１７０】
多段電圧制動の変形例において、中間電圧を得る方法１と中間電圧を得る方法２を併用した場合の印加電圧および変位を図４６に示す。図４６を図４２と比較すると、図４６における第１の電圧印加期間である領域Ｄｘ内は、対応する予備駆動期間以内に印加電圧を目標電圧ＶＭｘｎまで到達させて、その後電圧ＶＭｘｎを保持し、予備駆動期間経過時に第２の電圧印加期間を開始している。この場合、第１の電圧印加期間においては、中間電圧を得る方法１を使用して目標電圧ＶＭｘｎを得ていることは明らかである。図４６において、他の電圧印加期間は図４２と同様に、中間電圧を得る方法２を使用して各到達電圧を得ている。なお、図４６においては第１の印加電圧期間だけに中間電圧を得る方法１を使用しているが、他の電圧印加期間のいずれかに中間電圧を得る方法１を使用してもよく、また、任意の複数の電圧印加期間に中間電圧を得る方法１を使用してもよい。
【０１７１】
プレパルス中間電圧制動の変形例において、中間電圧を得る方法１と中間電圧を得る方法２を併用した場合の印加電圧および変位を図４７に示す。図４７を図４４と比較すると、図４７における第１の電圧印加期間である領域Ｄｙ内は、対応する予備駆動期間以内に印加電圧を目標電圧ＶＭｙｎまで到達させて、その後電圧ＶＭｙｎを保持し、予備駆動期間経過時に第２の電圧印加期間を開始している。この場合、第１の電圧印加期間においては、中間電圧を得る方法１を使用して目標電圧ＶＭｙｎを得ていることは明らかである。図４７において、他の電圧印加期間は図４４と同様に、中間電圧を得る方法２を使用して各到達電圧を得ている。なお、図４７においては第１の印加電圧期間だけに中間電圧を得る方法１を使用しているが、他の電圧印加期間のいずれかに中間電圧を得る方法１を使用してもよく、また、任意の複数の電圧印加期間に中間電圧を得る方法１を使用してもよい。
【０１７２】
以上のように、多段電圧制動の変形例およびプレパルス中間電圧制動の変形例においては、中間電圧を得る方法１および中間電圧を得る方法２を使用して、目標電圧および到達電圧を変化させることにより、駆動期間を変化させることができる。
【０１７３】
図４８（ａ）に、本発明の各実施形態における定電圧源と最大電流制限回路を組み合わせた駆動回路の全体図を示す。これは、図２（ａ）（ｃ）と図３を組み合わせたものである。よって、動作の詳細な説明は省略する。また、図４８（ａ）の制御入力Ｓｉｎ１および制御入力Ｓｉｎ２の論理レベルと、電流入出力Ｉｉｏおよび圧電素子１の印加電圧Ｖｐの関係を図４８（ｂ）に示す。これは、図２（ｂ）と同一である。よって、詳細な説明は省略する。なお、図４８（ａ）において、二点鎖線で囲んだ最大電流制限回路４および最大電流制限回路５の内部および関連する箇所に付与した符号は２桁であるが、そのうち上１桁は図３における対応する符号に一致し、下１桁は最大電流制限回路４においては１を付与し、最大電流制限回路５においては２を付与している。また、圧電素子１に定電流を流入させる第１の定電流回路としての最大電流制限回路４内を流れる電流の符号は、圧電素子１への流入電流Ｉｃｉに一致させ、同様に、圧電素子１から定電流を流出させる第２の定電流回路としての最大電流制限回路５内を流れる電流の符号は、圧電素子１からの流出電流Ｉｃｏに一致させてある。最大電流制限回路４内のＦＥＴＱ１１は上述のように、最大電流制限回路４と圧電素子１の接続および接続解除を行う第１の切替部としての機能を有する。同様に、最大電流制限回路５内のＦＥＴＱ１２は上述のように、最大電流制限回路５と圧電素子１の接続および接続解除を行う第２の切替部としての機能を有する。そして、圧電素子１への印加電圧Ｖｐを初期電圧から目標電圧に向けて上昇させる場合には、図４８（ｂ）においてＳｉｎ１をハイ（Ｈ）に、Ｓｉｎ２をロウ（Ｌ）にする。これにより、図４８（ａ）においてＦＥＴＱ１１が最大電流制限回路４と圧電素子１の接続を行うとともに、ＦＥＴＱ１２が最大電流制限回路５と圧電素子１の接続解除を行う。そして、圧電素子１に向けて流入電流Ｉｃｉが流入して、圧電素子１への印加電圧Ｖｐの最終値はＶＨとなる。同様に、圧電素子１への印加電圧Ｖｐを初期電圧から目標電圧に向けて下降させる場合には、図４８（ｂ）においてＳｉｎ１をロウ（Ｌ）に、Ｓｉｎ２をハイ（Ｈ）にする。これにより、図４８（ａ）においてＦＥＴＱ１１が最大電流制限回路４と圧電素子１の接続解除を行うとともに、ＦＥＴＱ１２が最大電流制限回路５と圧電素子１の接続を行う。そして、圧電素子１から流出電流Ｉｃｏが流出して、圧電素子１への印加電圧Ｖｐの最終値はＶＬとなる。そして、上述の図示されない目標電圧検出手段が圧電素子１への印加電圧Ｖｐが図５に示す中間電圧ＶＭに到達したことを検出した時には、図４８（ｂ）においてＳｉｎ１をロウ（Ｌ）に、Ｓｉｎ２をロウ（Ｌ）にする。これにより、図４８（ａ）においてＦＥＴＱ１１およびＦＥＴＱ１２の両方がそれぞれ最大電流制限回路４と圧電素子１の接続解除および最大電流制限回路５と圧電素子１の接続解除を行う。これにより、圧電素子１への印加電圧Ｖｐは、上述のように、圧電素子１の有する静電容量の作用によって現状を維持する。ここに、図４８（ｂ）においてＳｉｎ１をロウ（Ｌ）に、Ｓｉｎ２をロウ（Ｌ）にする動作は、上述のように二段電圧制動、多段電圧制動、プレパルス中間電圧制動および多段電圧制動の変形例、プレパルス中間電圧制動の変形例において使用されるが、傾斜電圧制動およびプレパルス電圧制動においては使用されない。しかし、それ以外のＳｉｎ１およびＳｉｎ２の論理レベルは、二段電圧制動のみならず、傾斜電圧制動およびプレパルス電圧制動においても使用される。また、上述のように、多段電圧制動、プレパルス中間電圧制動および多段電圧制動の変形例、プレパルス中間電圧制動の変形例においても使用される。そして、上述のように、傾斜電圧制動、プレパルス電圧制動、二段電圧制動、多段電圧制動、プレパルス中間電圧制動および多段電圧制動の変形例、プレパルス中間電圧制動の変形例においては、いずれも圧電素子１への流入電流Ｉｃｉおよび圧電素子１からの流出電流Ｉｃｏの値を設定して、圧電素子１への印加電圧の立ち上がり時間および立ち下がり時間を設定している。そして、その設定方法は、上記のいずれの制動においても図４８（ａ）に示す抵抗Ｒ１１および抵抗Ｒ１２、基準電圧Ｖｒｅｆ１および基準電圧Ｖｒｅｆ２の値を調整するというものである。すなわち、図４８（ａ）の駆動回路は、傾斜電圧制動、プレパルス電圧制動、二段電圧制動、多段電圧制動、プレパルス中間電圧制動および多段電圧制動の変形例、プレパルス中間電圧制動の変形例のすべてに使用することができる。
【０１７４】
なお、図４８（ｃ）は、図４８（ａ）における一点鎖線領域Ｄ内の低電位源としての定電圧源３をなくすとともに、最大電流制限回路５の電流出力５ｙに接続される低電位源を負電圧のＶＬからグランド、すなわち０Ｖとしたものである。図４８（ｃ）と図４８（ａ）の関係は、図２（ｃ）と図２（ａ）の関係と同一なので、詳細な説明は省略する。
【０１７５】
以上の説明においては、ＦＥＴとオペアンプを組み合わせて最大電流制限回路を構成しているが、最大電流制限回路の構成方法は、これに限定されるものではない。
【０１７６】
また以上の説明においては、二段電圧制動、多段電圧制動、プレパルス中間電圧制動および多段電圧制動、プレパルス中間電圧制動において目標電圧を知るために式（５ｂ）を用いているが、中間電圧を知ることができれば、他の方法を用いても良い。
【０１７７】
また以上の説明においては、傾斜電圧制動、二段電圧制動、プレパルス電圧制動、多段電圧制動、プレパルス中間電圧制動、および多段電圧制動の変形例、プレパルス中間電圧制動の変形例のそれぞれについて、同一の制動による上昇の駆動期間と下降の駆動期間の一組を示している。しかし、上昇の駆動期間と下降の駆動期間は、同一の制動により行うことに限定されるものではない。例えば上昇の駆動期間は加速度による衝撃を低下させるために、駆動期間が長い傾斜電圧制動を用いる。それに対して、下降の駆動期間は速やかに終了させるために、駆動期間が短い二段電圧制動を用いることも可能である。その場合、上述のように、図４８（ａ）の駆動回路を使用すれば、どちらの制動も実現することができる。
【０１７８】
本発明の各実施形態によれば、変位拡大機構を有する圧電アクチュエータを構成する圧電素子１への印加電圧を、定電圧源と最大電流制限回路を組み合わせた簡単な駆動回路を用いて印加することにより、変位拡大機構を有する圧電アクチュエータの一次固有振動周波数による振動を防止して、圧電素子１に接合された機械構造物が停止する際に速やかに制動することができる。また、従来技術では、傾斜電圧制動において圧電素子１の印加電圧を設定する駆動回路は複雑で、出力決定までに時間を要し、調整に多大な時間を要した。しかし、本発明の各実施形態によれば、上記の駆動回路を用いて電流の制限値を設定することによって、必要な印加電圧波形を速やかに得ることができ、調整も簡単である。さらに、傾斜電圧制動の駆動期間は固定されていた。本発明の第２および第３の実施形態においては、駆動期間を傾斜電圧制動よりも短くしたいという要請に対して、上記の駆動回路により二段電圧制動、プレパルス電圧制動を実現することで、この要請に応えることができる。上記の駆動回路を用いた定電流による電圧レベル遷移時間変更方法によって圧電素子１への印加電圧の立ち上がり時間および立ち下がり時間を変化させて、二段電圧制動、プレパルス電圧制動における駆動期間を変化させることができる。また、二段電圧制動においては、上記の駆動回路を用いた中間電圧を得る方法１によって、目標中間電位を供給する電位源を別途設けることなく目標中間電位の実現が可能である。さらに、二段電圧制動の変形例としての多段電圧制動や、プレパルス電圧制動の変形例としてのプレパルス中間電圧制動も、上記の駆動回路を用いた中間電圧を得る方法１によって実現することができる。これらの変形例は、上記の定電流による電圧レベル遷移時間変更方法によって、変位拡大機構を有する圧電アクチュエータにとって最適な駆動期間を、自在に設定することが可能である。さらに、多段電圧制動の変形例や、プレパルス中間電圧制動の変形例もまた、上記の駆動回路を用いた中間電圧を得る方法２によって実現することができ、これらの変形例もまた、上記の定電流による電圧レベル遷移時間変更方法によって、変位拡大機構を有する圧電アクチュエータにとって最適な駆動期間を、自在に設定することが可能である。
【符号の説明】
【０１７９】
１  圧電素子、２、３  定電圧源、４、５  最大電流制限回路、１０１  任意波形発生部、１０３  電力増幅器、Ｑ１、Ｑ１１、Ｑ１２  ＦＥＴ、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ２１、Ｒ２２  抵抗、Ｕ１、Ｕ２、Ｕ１１、Ｕ１２、Ｕ２１、Ｕ２２  オペアンプ、Ｓ１、Ｓ１ａ、Ｓ２、Ｓ１１、Ｓ１２  スイッチ、Ｎ、Ｎ１、Ｎ２  基準電圧発生部、Ｇ１１、Ｇ１２、Ｇ１０１  論理反転回路、Ｇ１０２  論理非反転回路
【図１】
0006473868.tif 000002
【図２】
0006473868.tif 000003
【図３】
0006473868.tif 000004
【図４】
0006473868.tif 000005
【図５】
0006473868.tif 000006
【図６】
0006473868.tif 000007
【図７】
0006473868.tif 000008
【図８】
0006473868.tif 000009
【図９】
0006473868.tif 000010
【図１０】
0006473868.tif 000011
【図１１】
0006473868.tif 000012
【図１２】
0006473868.tif 000013
【図１３】
0006473868.tif 000014
【図１４】
0006473868.tif 000015
【図１５】
0006473868.tif 000016
【図１６】
0006473868.tif 000017
【図１７】
0006473868.tif 000018
【図１８】
0006473868.tif 000019
【図１９】
0006473868.tif 000020
【図２０】
0006473868.tif 000021
【図２１】
0006473868.tif 000022
【図２２】
0006473868.tif 000023
【図２３】
0006473868.tif 000024
【図２４】
0006473868.tif 000025
【図２５】
0006473868.tif 000026
【図２６】
0006473868.tif 000027
【図２７】
0006473868.tif 000028
【図２８】
0006473868.tif 000029
【図２９】
0006473868.tif 000030
【図３０】
0006473868.tif 000031
【図３１】
0006473868.tif 000032
【図３２】
0006473868.tif 000033
【図３３】
0006473868.tif 000034
【図３４】
0006473868.tif 000035
【図３５】
0006473868.tif 000036
【図３６】
0006473868.tif 000037
【図３７】
0006473868.tif 000038
【図３８】
0006473868.tif 000039
【図３９】
0006473868.tif 000040
【図４０】
0006473868.tif 000041
【図４１】
0006473868.tif 000042
【図４２】
0006473868.tif 000043
【図４３】
0006473868.tif 000044
【図４４】
0006473868.tif 000045
【図４５】
0006473868.tif 000046
【図４６】
0006473868.tif 000047
【図４７】
0006473868.tif 000048
【図４８】
0006473868.tif 000049
【図４９】
0006473868.tif 000050
【図５０】
0006473868.tif 000051
【図５１】
0006473868.tif 000052
【図５２】
0006473868.tif 000053
【図５３】
0006473868.tif 000054
【図５４】
0006473868.tif 000055
【図５５】
0006473868.tif 000056
【図５６】
0006473868.tif 000057
【図５７】
0006473868.tif 000058
【図５８】
0006473868.tif 000059
【図５９】
0006473868.tif 000060