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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung
zum Prüfen
einer axialen Position eines Piezoaktors in einem Gehäuse während eines
Betriebs des Piezoaktors. Der Piezoaktor weist einen Befestigungsbereich
auf, mit dem der Piezoaktor in dem Gehäuse befestigt ist.
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Durch
den Betrieb des Piezoaktors wirken große Kräfte auf den Befestigungsbereich
des Piezoaktors in dem Gehäuse.
Dies kann dazu führen,
dass der Piezoaktor in dem Gehäuse
ein unerwünschtes Spiel
aufweist. Dies kann unter Belastung zu einem axialen Verschieben
des Piezoaktors gegenüber dem
Gehäuse
führen.
Ein solches axiales Verschieben des Piezoaktors in dem Gehäuse verringert
jedoch den nutzbaren Hub des Piezoaktors.
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In
der
DE 101 36 513
A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung
von temperaturbedingten Längenänderungen
eines Piezoaktors offenbart. Der Piezoaktor ist von einem Gehäuse umgeben.
Der Piezoaktor ist mit seinem Gehäuse abtriebseitig durch eine
Klemmvorrichtung in der Vorrichtung gehalten. Die Vorrichtung umfasst
einen ersten Abstandssensor und einen zweiten Abstandssensor zur Durchführung jeweils
einer Lasertriangulation. Ein Messstrahl des ersten Abstandssensors
ist auf eine abtriebseitige Bezugsfläche des Piezoaktors gerichtet
und ein Messstrahl des zweiten Abstandssenors ist auf ein abtriebseitige
Bezugsfläche
des Gehäuses gerichtet.
Dehnungen des Gehäuses
können
so für die
Messung der Längenänderung
des Piezoaktors kompensiert werden. Der Piezoaktor ist entsprechend
einem Betrieb in einem Kraftfahrzeug ansteuerbar. Die Vorrichtung
umfasst ferner eine Temperaturzelle zum Beeinflussen einer Temperatur
des Piezoaktors.
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In
der
DE 103 24 044
A1 ist eine Interferometeranordnung zum Bestimmen einer
veränderlichen relativen
Lage einer abtriebseitigen Bezugsfläche eines Piezoaktors und einer
abtriebseitigen Bezugsfläche
eines Gehäuses.
Die Bezugsflächen
sind koaxial zueinander angeordnet. Das Bestimmen der relativen
Lage erfolgt durch Weißlicht-Interferometrie.
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In
der
DE 100 25 985
A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Vermessen
einer Kraft-Auslenkungs-Kennlinie eines Aktors offenbart. Die Vorrichtung
weist eine Wegmesseinrichtung auf zum Erfassen der abtriebseitigen
Auslenkung des Aktors. Die Wegmesseinrichtung ist durch ein Lasermessgerät gebildet.
Ferner ist eine Kraftmesseinrichtung vorgesehen zum Erfassen der
durch den Aktor ausgeübten
Kraft. Ferner ist ein Abstandselement vorgesehen, das als ein Piezoaktor
ausgebildet ist. Durch das Abstandselement ist eine Wegstrecke einstellbar
zwischen einer abtriebseitigen Bezugsfläche des Aktors und einer Anschlagfläche. Durch
das Abstandselement ist ferner nach Überwinden der Wegstrecke eine
Gegenkraft auf den Aktor ausübbar.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren und eine entsprechende
Vorrichtung zum Prüfen
einer axialen Position eines Piezoaktors in einem Gehäuse während eines
Betriebs des Piezoaktors zu schaffen, das bzw. die einfach und präzise ist.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale der unabhängigen
Patentansprüche.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Die
Erfindung zeichnet sich aus durch ein Verfahren und eine entsprechende
Vorrichtung zum Prüfen
einer axialen Position eines Piezoaktors in einem Gehäuse während eines
Betriebs des Piezoaktors. Der Piezoaktor weist einen Befestigungsbereich auf,
mit dem der Piezoaktor an dem Gehäuse befestigt ist. Der Befestigungsbereich
weist eine Bezugsfläche
des Piezoaktors auf oder grenzt an die Bezugsfläche des Piezoaktors. Ein erster
Laserstrahl wird erzeugt und auf eine Bezugsfläche des Gehäuses gerichtet. Ein Teil des
von der Bezugsfläche
des Gehäuses
reflektierten oder gestreuten ersten Laserstrahls wird empfangen.
Ein zweiter Laserstrahl wird erzeugt und auf die Bezugsfläche des
Piezoaktors gerichtet. Ein Teil des von der Bezugsfläche des
Piezoaktors reflektierten oder gestreuten zweiten Laserstrahls wird
empfangen. Durch eine Positionsmessung abhängig von dem Teil des von der
Bezugsfläche
des Gehäuses
reflektierten oder gestreuten ersten Laserstrahls und von dem Teil
des von der Bezugsfläche
des Piezoaktors reflektierten oder gestreuten zweiten Laserstrahls
wird die axiale Position des Piezoaktors relativ zu dem Gehäuse ermittelt.
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Der
Vorteil ist, dass die axiale Position des Piezoaktors relativ zu
dem Gehäuse
einfach und präzise
ermittelt werden kann. Mittels des Teils des von der Bezugsfläche des
Gehäuses
reflektierten oder gestreuten ersten Laserstrahls und des Teils
des von der Bezugsfläche
des Piezoaktors reflektierten oder gestreuten zweiten Laserstrahls
kann die axiale Position des Piezoaktors auf wenige Mikrometer oder auf
Bruchteile eines Mikrometers genau ermittelt werden. Ferner kann
der Piezoaktor während
des Verfahrens in der für
den vorgesehenen Anwendungszweck üblichen Art und Weise angesteuert
und betrieben werden, so dass die so ermittelte axiale Position
des Piezoaktors relativ zu dem Gehäuse anwendungsnah ermittelt
werden kann. Das Verfahren und die Vorrichtung sind besonders geeignet
zur Analyse von Fehlern bezüglich
der Befestigung des Piezoaktors in dem Gehäuse und zur Qualitätskontrolle.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird eine Gegenkraft
so erzeugt, dass diese einer axialen Ausdehnung des Piezoaktors
während des
Betriebs entgegenwirkt. Der Vorteil ist, dass die axiale Position
des Piezoaktors so besonders anwendungsnah ermittelt werden kann,
da der Piezoaktor anwendungsnah belastet wird. So können die
auf den Befestigungsbereich wirkenden Kräfte entsprechend den in der
Anwendung wirkenden Kräften
ausgebildet sein.
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In
diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn die Gegenkraft justierbar
ist. Dies hat den Vorteil, dass so unterschiedliche Betriebsbedingungen des
Piezoaktors einfach und anwendungsnah simuliert werden können. Ferner
ist die axiale Position des Piezoaktors abhängig von der Gegenkraft ermittelbar.
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In
diesem Zusammenhang ist es weiter vorteilhaft, wenn eine erste axiale
Position des Piezoaktors relativ zu dem Gehäuse bei einer ersten Gegenkraft
ermittelt wird und eine zweite axiale Position des Piezoaktors relativ
zu dem Gehäuse
bei einer zweiten Gegenkraft ermittelt wird. Ein Positionswert wird abhängig von
der zweiten axialen Position des Piezoaktors und der ersten axialen
Position des Piezoaktors ermittelt. Dadurch ist sehr einfach Änderung
der axialen Position des Piezoaktors abhängig von einer Last bzw. der
Gegenkraft ermittelbar.
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In
diesem Zusammenhang ist es weiter vorteilhaft, wenn die erste Gegenkraft
einen Betrag von Null Newton aufweist und die zweite Gegenkraft
einen Betrag größer als
Null Newton aufweist. Der Vorteil ist, dass die erste Gegenkraft
so sehr einfach zum Ermitteln einer Referenzposition des Piezoaktors
in dem Gehäuse
genutzt werden kann. Dem Piezoaktor wirkt dann keine Gegenkraft
entgegen, so dass sich dieser ungehindert ausdehnen kann.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die
Positionsmessung mittels Laserinterferometrie durchgeführt. Dies
hat den Vorteil, dass mittels Laserinterferometrie die axiale Position des
Piezoaktors sowie die axiale Position des Gehäuses mit hoher Präzision ermittelt
werden können, insbesondere
auch dann, wenn der Piezoaktor sich aufgrund seiner Ansteuerung
sehr schnell in axialer Richtung bewegt.
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In
diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn der empfangene Teil
des von der Bezugsfläche des
Gehäuses
reflektierten oder gestreuten ersten Laserstrahls und der empfangene
Teil des von der Bezugsfläche
des Piezoaktors reflektierten oder gestreuten zweiten Laserstrahls
miteinander zur Interferenz gebracht werden. Dadurch kann die Position des
Piezoaktors sehr einfach relativ zu der axialen Position des Gehäuses ermittelt
werden.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
Vorrichtung zum Prüfen
einer axialen Position eines Piezoaktors in einem Gehäuse,
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2 einen
Ausschnitt aus dem Gehäuse mit
Blick auf die Bezugsfläche
des Piezoaktors,
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3 eine
Prinzipdarstellung der laserinterferometrischen Positionsmessung
und
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4 ein
Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Prüfen einer axialen Position
eines Piezoaktors in einem Gehäuse.
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Elemente
gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen
Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt
eine Vorrichtung mit einem Rahmen 1, an dem ein erster
Lichtleiter 2 und ein zweiter Lichtleiter 3 mittels
einer ersten Halterung 4 bzw. einer zweiten Halterung 5 montiert
sind. Die Vorrichtung umfasst eine Messeinrichtung 6, die
mit dem ersten Lichtleiter 2 und dem zweiten Lichtleiter 3 gekoppelt
ist.
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Die
Vorrichtung umfasst ferner eine Halterung 7, in der ein
Gehäuse 8 einspannbar
ist, in dem ein Piezoaktor 9 angeordnet ist. Der Piezoaktor 9 weist
einen Befestigungsbereich 24 auf, mit dem der Piezoaktor 9 in
dem Gehäuse 8 befestigt
ist. Diese Befestigung soll möglichst
starr sein und den Piezoaktor 9 auch bei einer großen Gegenkraft
F zuverlässig
in einer vorgegebenen Position relativ zu dem Gehäuse 8 halten.
Der Befestigungsbereich 24 ist üblicherweise in einem Bereich
eines einem Abtriebsbereich des Piezoaktors 9 entgegengesetzten
axialen Endes vorgesehen. Jedoch kann sich eine axiale Position
POS des Piezoaktors 9 bezogen auf die vorgegebene axiale
Position verschieben. Die axiale Position POS des Piezoaktors 9 kann
sich insbesondere dann verschieben, wenn die Gegenkraft F sehr groß ist, z.B.
wenn diese mehrere 100N beträgt
oder wenn während
des Betriebs zusätzliche
axiale Kräfte
durch eine Auslenkung des Piezoaktors 9 erzeugt werden. Das
Ansteuern des Piezoaktors 9 erfolgt mittels einer Steuereinheit 10,
die dem Piezoaktor 9 in geeigneter Weise elektrische Energie
oder elektrische Ladung zuführt
oder entnimmt.
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Der
erste Lichtleiter 2 ist so angeordnet, dass ein erster
Laserstrahl 11, der in der Messeinrichtung 6 erzeugt
und in den ersten Lichtleiter 2 eingespeist wird, auf eine
Bezugsfläche 12 des
Gehäuses 8 fällt. Die
Bezugsfläche 12 des
Gehäuses 8 muss
so ausgebildet sein, dass der erste Laserstrahl 11 so von der
Bezugsfläche 12 des
Gehäuses 8 reflektiert
oder gestreut wird, dass ein Teil 22 des von der Bezugsfläche 12 des
Gehäuses 8 reflektierten
oder gestreuten ersten Laserstrahls 11 zurück durch
den ersten Lichtleiter 2 zu der Messeinrichtung 6 gelangen
kann und so von dieser empfangen wird. Die Bezugsfläche 12 des
Gehäuses 8 muss
ferner so angeordnet sein, dass eine Änderung einer axialen Position
des Gehäuses 8 zu
einer Änderung
einer Wegstrecke führt, die
der erste Laserstrahl 11 von der Messeinrichtung 6 zu
der Bezugsfläche 12 des
Gehäuses 8 und
zurück
zu der Messeinrichtung 6 zurücklegt.
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Entsprechendes
gilt für
einen zweiten Laserstrahl 13, der von der Messeinrichtung 6 erzeugt
und durch den zweiten Lichtleiter 3 auf eine Bezugsfläche 14 des
Piezoaktors 9 gerichtet wird. Um den zweiten Laserstrahl 13 auf
die Bezugsfläche 14 des
Piezoaktors richten zu können,
muss in dem Gehäuse 8 gegebenenfalls
ein Fenster 15 vorgesehen sein. Das Fenster 15 ist
gegebenenfalls durch Aufschleifen oder Aufbohren des Gehäuses 8 herzustellen,
bevor eine Positionsmessung durchgeführt werden kann. Der zweite
Laserstrahl 13 muss so auf die Bezugsfläche 14 des Piezoaktors 9 gerichtet
werden, dass ein Teil 23 des von der Bezugsfläche 14 des
Piezoaktors 9 reflektierten oder gestreuten zweiten Laserstrahls 13 zurück durch
den zweiten Lichtleiter 3 zu der Messeinrichtung 6 gelangen
kann und so von dieser empfangen wird.
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Mittels
einer ersten Fokussiereinrichtung 16 kann der erste Laserstrahl 11 auf
die Bezugsfläche 12 des
Gehäuses 8 fokus siert
werden. Entsprechend kann mittels einer zweiten Fokussiereinrichtung 17 der
zweite Laserstrahl 13 auf die Bezugsfläche 14 des Piezoaktors 9 fokussiert
werden. Dadurch kann sichergestellt werden, dass der erste Laserstrahl 11 nur
auf die Bezugsfläche 12 des
Gehäuses 8 fällt und der
zweite Laserstrahl 13 nur auf die Bezugsfläche 14 des
Piezoaktors 9 fällt.
Fällt beispielsweise
ein Teil des zweiten Laserstrahls 13 auf einen Randbereich des
Fensters 15 in dem Gehäuse 8 anstatt
auf die Bezugsfläche 14 des
Piezoaktors 9, dann kann dadurch die Positionsmessung verfälscht werden,
da die Position POS oder die Bewegung des Piezoaktors 9 gegebenenfalls
nicht genügend
deutlich von der Position oder der Bewegung des Gehäuses getrennt
werden kann.
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In
diesem Beispiel weist der zweite Laserstrahl 13 gegenüber dem
ersten Laserstrahl 11 einen Winkel α von etwa 45° auf. Der Winkel α kann jedoch auch
anders gewählt
sein. Es muss jedoch sichergestellt sein, dass eine Änderung
der axialen Position des Gehäuses 8 oder
der axialen Position POS des Piezoaktors 9 zu einer Änderung
der Wegstrecke des ersten Laserstrahls 11 oder des Teils 22 des
von der Bezugsfläche 12 des
Gehäuses 8 reflektierten
oder gestreuten ersten Laserstrahls 11 bzw. des zweiten Laserstrahls 13 oder
des Teils 23 des von der Bezugsfläche 14 des Piezoaktors 9 reflektierten
oder gestreuten zweiten Laserstrahls 13 führt.
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Die
Halterung 7 weist eine Spanneinrichtung 18 auf.
Die Spanneinrichtung 18 ist ausgebildet, die Gegenkraft
F auf den Piezoaktor 9 auszuüben. Bevorzugt ist die Spanneinrichtung 18 so
ausgebildet, dass ein Betrag der Gegenkraft F justierbar ist, z.B. zwischen
etwa 0N und 500N. Die Gegenkraft F wirkt einer Auslenkung des Piezoaktors 9 entgegen.
Die Auslenkung des Piezoaktors 9 ist entsprechend abhängig von
der Gegenkraft F. Die Auslenkung des Piezoaktors 9 ist
ferner abhängig von
der Ansteuerung des Piezoaktors 9 mittels der Steuereinheit 10.
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Bevorzugt
wird die Positionsmessung zum Ermitteln der axialen Position POS
des Piezoaktors 9 relativ zu dem Gehäuse 8 mittels Laserinterferometrie
durchgeführt.
Die Messeinrichtung 6 weist dazu beispielsweise eine Lasereinheit 19,
eine Strahlteilereinheit 20 und eine Detektoreinheit 21 auf
(3). Die Lasereinheit 19 umfasst beispielsweise
einen Helium-Neon-Laser,
kann jedoch auch einen anderen Laser umfassen. Ein mittels der Lasereinheit 19 erzeugter
Laserstrahl wird der Strahlteilereinheit 20 zugeführt. Die
Strahlteilereinheit 20 erzeugt daraus den ersten Laserstrahl 11 und
den zweiten Laserstrahl 13, die auf die Bezugsfläche 12 des
Gehäuses 8 bzw.
auf die Bezugsfläche 14 des
Piezoaktors 9 gerichtet sind. Der Teil 22 des
von der Bezugsfläche 12 des
Gehäuses 8 reflektierten
oder gestreuten ersten Laserstrahls 11 gelangt zurück in die
Strahlteilereinheit 20 und wird dann der Detektoreinheit 21 zugeführt. Ebenso
gelangt der Teil 23 des von der Bezugsfläche 14 des
Piezoaktors 9 reflektierten oder gestreuten zweiten Laserstrahls 13 zurück zu der Strahlteilereinheit 20 und
wird ebenfalls der Detektoreinheit 21 zugeführt. Der
Teil 22 des von der Bezugsfläche 12 des Gehäuses 8 reflektierten
oder gestreuten ersten Laserstrahls 11 und der Teil 23 des
von der Bezugsfläche 14 des
Piezoaktors 9 reflektierten oder gestreuten zweiten Laserstrahls 13 werden
bevorzugt in der Messeinrichtung 6 so zusammengeführt, dass
diese miteinander interferieren. Dadurch ergibt sich ein typisches
Interferenzmuster, das aus hellen und dunklen Streifen gebildet
ist, die durch lokale Verstärkung
oder Auslöschung
des Lichts entstehen. Eine Veränderung
der axialen Position des Gehäuses 8 oder
des Piezoaktors 9 bzw. der Bezugsfläche 12 des Gehäuses 8 und
der Bezugsfläche 14 des
Piezoaktors 9 bewirkt eine Veränderung des Interferenzmusters,
die hellen und dunklen Strei fen verschieben sich. Eine solche Verschiebung
kann mittels des Detektors 21 z.B. sehr einfach durch Zählen von
Hell-Dunkel-Wechseln
bezogen auf eine vorgegebene Position in dem Interferenzmuster ermittelt werden.
Abhängig
von der Wellenlänge
des von der Lasereinheit 19 erzeugten Laserstrahls kann
so sehr einfach die axiale Position der Bezugsfläche 14 des Piezoaktors 9 zu
der Bezugsfläche 12 des
Gehäuses 8 ermittelt
werden.
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4 zeigt
ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Prüfen der axialen Position des
Piezoaktors 9 in dem Gehäuse 8. Das Verfahren
beginnt in dem Schritt S1. In einem Schritt S2 muss gegebenenfalls
das Fenster 15 in dem Gehäuse 8 ausgebildet
werden, falls ein solches erforderlich und noch nicht in dem Gehäuse 8 ausgebildet
ist. In einem Schritt S3 wird das Gehäuse 8 mit dem darin
befestigten Piezoaktor 9 in der Halterung 7 montiert.
In einem Schritt S4 wird der erste Laserstrahl 11 auf die Bezugsfläche 12 des
Gehäuses 8 und
der zweite Laserstrahl 13 auf die Bezugsfläche 14 des
Piezoaktors 9 gerichtet.
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In
einem Schritt S5 wird eine erste Gegenkraft F1 mittels der Spanneinrichtung 18 eingestellt. In
einem Schritt S6 wird der Piezoaktor 9 mittels der Steuereinheit 10 betrieben.
In einem Schritt S7 wird die Positionsmessung durchgeführt und
eine erste axiale Position POS1 des Piezoaktors 9 ermittelt.
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In
einem Schritt S8 wird eine zweite Gegenkraft F2 mittels der Spanneinrichtung 18 eingestellt. In
einem Schritt S9 wird dann eine zweite axiale Position POS2 des
Piezoaktors 9 durch die Positionsmessung ermittelt.
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In
einem Schritt S10 wird ein Positionswert ΔPOS abhängig von der zweiten axialen
Position POS2 und der ersten axialen Po sition POS1 ermittelt, z.B.
als eine Differenz oder als ein Verhältnis. Das Verfahren endet
in einem Schritt S11. Der Positionswert ΔPOS repräsentiert einen Unterschied
der axialen Positions POS des Piezoaktors 9 relativ zu
dem Gehäuse 8 abhängig von
einem Unterschied der Gegenkraft F.
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Vorzugsweise
beträgt
die erste Gegenkraft F1 etwa 0N und die zweite Gegenkraft F2 mehr
als 0N, z.B. 100N. Ebenso kann die zweite Gegenkraft F2 0N betragen
und die erste Gegenkraft F1 mehr als 0N. Ferner ist es möglich, anstelle
0N einen anderen geeigneten Referenzwert für die Gegenkraft F zu nutzen.
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Es
kann vorteilhaft sein, die Halterung 7 und den Rahmen 1 so
anzuordnen oder miteinander zu koppeln, dass Schwingungen des Gehäuses 8,
die durch den Betrieb des Piezoaktors 9 entstehen, nicht auf
den ersten Lichtleiter 2 oder den zweiten Lichtleiter 3 übertragen
werden. Dadurch kann die Positionsmessung besonders zuverlässig sein.
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Die
Messeinrichtung 6 kann auch anders ausgebildet sein. Beispielsweise
können
die axiale Position oder die Veränderung
der axialen Position des Gehäuses 8 und
die axiale Position oder die Veränderung
der axialen Position des Piezoaktors 9 unabhängig voneinander
ermittelt werden, z.B. in Bezug auf eine jeweils vorgegebene Referenz.
Die axiale Position POS des Piezoaktors 9 oder die Veränderung
der axialen Position POS des Piezoaktors 9 relativ zu dem
Gehäuse 8 kann
dann abhängig
von diesen ermittelt werden, z.B. als eine Differenz oder als ein
Verhältnis.