DE2313240A1

DE2313240A1 - Betaetigungs- bzw. verschiebevorrichtung

Info

Publication number: DE2313240A1
Application number: DE19732313240
Authority: DE
Inventors: David A Richardson; Robert J Robinson
Original assignee: Foxboro Co
Current assignee: Schneider Electric Systems USA Inc
Priority date: 1972-03-31
Filing date: 1973-03-16
Publication date: 1973-10-11
Also published as: AR199288A1; FR2178941B1; DE2313240B2; FR2178941A1; GB1383476A; NL7304478A; IT980042B; CA984901A; JPS497683A; DE2313240C3

Description

PATENTANWÄLTE HENKEL— KERN — FEILER — HÄNZEL— MÜLLER

DR. PHIL. DIPL.-ING. DR. RER. NAT. DIPL.-ING. DIPL.-ING.

issues Jiux™ ^iSiSroiSiSfii² ^ssss^sssÄi-m

TO-EGRAMME: ELLIPSOID MÜNCHEN D-8000 MÜNCHEN 90 POSTSCHECK: MCHN 1621 «7-109

ihe Po;:boro Company
I'oxboro, MaBS., V.St· A.

1 & «RZ. 19?3

Betätigung^- bzv/. Verschiebevorrichtung

Die Erfindung trifft allgemein bewegungserzeugende Vorrichtungen, und zwar insbesondere eine Verschiebevorrichtung mit einem länglichen Element, dessen Temperatur so gesteuert wird, daß es sich zusammenzfeht und ausdehnt und dabei eine Abtriebsbewegung erzeugt.

Die Anmeldung P 12 o1 115-4- offenbart verschiedene Positionier- bzw. Verschiebevorrichtungen der Art, auf Vielehe eich die Erfindung bezieht· Bei diesen Vorrichtungen besteht das bewegungserzeugende Element aus einem Draht, der beispielsweise aus Ilitinol, einer Verbindung aus Nickel und Titan, hergestellt ist. Dieses Material unterliegt einer temperaturabhängigen inartensitischen Umwandlung, die eine im Inneren erzeugte bzw. eine Eigen-Verkürzung hervorruft, wenn die Temperatur über den Betriebsbereich hinweg erhöht wird. Der Draht wird ständig unter der durch eine äußere Peder erzeugten Zugspannung gehalten, und wenn er über den Betriebstemperaturbereich hinweg abgekühlt wird, längt die Federkraft den Draht wieder auf seine ursprüngliche Länge zurück. Ein auf die Position des Ausgangs- oder Abtriebsglieds ansprechendes Rückkopplungssystem regelt automatisch

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den Wärmeeingang zum Draht, um die Ausgangsposition entsprechend einem- Eingangssignal aufrechtzuerhalten. Der-

artige Vorrichtungen sind für zahlreiche Zwecke anw&ndbar, z.B. zur Positionierung des' Schreibstifts eines Kartenschreibers, zur Betätigung eines Ventils und dgl.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine wirksamere Arbeitsweise einer Verschiebevorrichtung mit einem temperaturabhängigen Element zu gewährleisten, das so angeordnet ist, daß es eine auf Verkürzung und Längung beruhende Bewegung erzeugt. Hierbei sollen der Wirkungsgrad und die Zuverlässigkeit derartiger Verschiebe- oder Stellvorrichtungen verbessert werden. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Federanordnung eine negative Federkonstante besitzt»

Bei einer nachstehend näher zu erläuternden bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Verschiebevorrichtung einen Hitinol-Draht auf, der an eine elektrische Schaltung angekoppelt ist, welche einen Stromfluß durch den Draht erzeugt und auf diese Weise die Drahttemperatur regelt. Das eine Ende des Drahts ist fest mit dem Chassis der Vorrichtung verbunden, während das andere Ende bei der Verkürzung und Ausdehnung des Drahts eine Ausgangs- bzw. Abtriebsbewegung erzeugt. Der Draht wird jederzeit durch eine Feder mit negativer Federkonstante unter Zugspannung gehalten. V/enn sich der Draht dann bei einer Temperaturerhöhung verkürzt, wirkt die Feder dieser Bewegung mit einer Gegenkraft entgegen, die proportional zur Bewegungsgröße abnimmt.

Da die entgegenwirkende Federkraft bei der Verkürzung des Drahts nachläßt, wird die Größe der zur Überwindung der Federkraft erforderlichen Eigen-Verkürzungskraft entsprechend vermindert. Hierdurch wird die für die Durchführung ^iner vorgegebenen Arbeitsmenge erforderliche Nitinol-Mengt. im

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_w tung reduziert, die

eine Peeler mit positiver Pederkonstante verwendet. Außerdem ermöglicht die Verringerung der federkraft erstens eine Erhöhung der Ansprechgeschwindigkeit des Drahts, zweitens eine Verkleinerung des erforderlichen Betriebs— teciperaturbereichs und drittens eine Verkleinerung des Betriebsbelastungsbex^eichs, und zwar jeweils in einem von den Konstruktionsüberlegungen abhängigen Ausmaß.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Pig. 1 bis 3 schematische Darstellungen, einer Betätigungsbzw. Verschiebevorrichtung mit den Merkmalen der Erfindung in verschiedenen Stellungen,

Pig. 4- eine vereinfachte schematische Darstellung einer Verschiebevorrichtung mit einer Einrichtung zur Begrenzung von außen einwirkender Drahtbeanspruchung,

Pig. 5 eine graphische Darstellung der Änderung der Drahtbeanspruchung bei der Vorrichtung gem. Pig. 4 unter Anwendung einer Zugspannung mit positiver Pederkonstante,

Pig. 6 eine Pig. 5 ähnelnde Darstellung, welche jedoch die Beanspruchungsvariation bei Anwendung einer Zugspannung mit negativer Pederkonstante veranschaulicht ,

Pig. 7 eine Aufsicht auf einen Schreibstift-Motor mit Merkmalen nach der Erfindung,

Pig. 8 iind 9 vereinfachte schematische Darstellungen des Schreibstift-Motors gemäß Pig. 7 in zwei verschiedenen Stellungen,

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Pig. "Io eine graphische Darstellung der Verhältnisse zwischen Drahtlängung und Temperatur und

Fig. 11 ein Schaltbild der elektrischen Anlage zur Regelung des im Draht fließenden Stroms.

In den Pig. 1 bis 3 ist in schematischen Umrissen eine Betätigungs- bzw. Verschiebevorrichtung dargestellt, die einen Nitinol-Draht 2o aufweist, dessen eines Ende an einem Festpunkt 22 befestigt und dessen anderes Ende am bewegbaren bzw. freien Ende 23 eines Schwenkhebels 24 angebracht ist. Dabei sind nicht dargestellte Einrichtungen vorgesehen, welche die Temperatur des Drahts über einen Betriebsbereich regeln, in welchem sich der Draht bei Temperaturerhöhung verkürzt und sich bei Temperaturabnahme entspannt. Die Drahttemperatur kann beispielsweise dadurch geregelt werden, daß ein elektrischer Strom durch den Draht geleitet wird, wie dies in der Anmeldung P 12 o1 115>·4 beschrieben ist.

Wenn sich der Draht 2o verkürzt, verschwenkt er den Hebel aus der Position gemäß Pig. 1 fortschreitend bis in die Position gemäß Pig. 4 entgegen dem Uhrzeigersinn um seine Schwenkachse 26 herum. Dieser Ausgangs- bzw. Abtriebsbewegung wird durch eine Federanordnung in Porm einer Schraub en-Zugfeder entgegengewirkt, die zwischen das obere Ende 23 des Hebels und einen unterhalb der Höhe der Schwenkachse 26 liegenden festen "Grund"-bzw. Basispunkt 3o eingeschaltet ist. Die Federkraft, die insgesamt über den dargestellten Bewegungsbereich im wesentlichen konstant ist, kann als aus zwei Komponenten bestehend betrachtet v/erden, von denen die eine längs des Hebels 24 zur Schwenkachse 26 verläuft und folglich keinen Einfluß auf die Schwenkbewegung hat, während die andere Komponente unter einem rechten Winkel zur Längsrichtung des Hebels gerichtet und daher bestrebt ist, der entgegen dem Uhrzeigersinn erfolgenden, durch die Verkürzung des Drahts bewirkten Bewegung des Hebels entgegenzuwirken,

309841/040 2 ~ ⁵ "..

Die Größe der rechtwinkeligen Federkraftkonponente ist den Sinus des Winkels © zwischen dem Hebel und der Federlinie proportional. In Verlauf der Brahtverkürzung, und wenn sich der Winkel θ entsprechend verkleinert, nimmt' diese Komponente der 3?ederkraft somit entsprechend ab· Infolgedessen wirkt die Feder iait einer negativen Federkonstante, so daß die entgegenwirkende Federkraft bei zunehmender Drahtverkürzung abrämnit. Wenn die Verkürzung bis zu den in i*'ig. 3 dargestellten Punkt fortschreiten kann, gelangen die drei Punkte 23» 26 und Jo in eine Linie zueinandez^, so daß die der Verkürzung entgegenwirkende Federkraftkomponente auf Hull abfällt.

Da die den Draht spannende Federkraft durch die im Nitinol-Material erzeugten, temperaturabhängigen Eigenkräfte überwunden werden muß, wird infolge der Verkleinerung der Federkraft durch Verwendung einer negativen Federkonstante die zur Hervorbringung einer vorgegebenen Größe der Ausgangs- oder Abtriebsbewegung erforderliche Größe der Mtinol-Kraft entsprechend verringert. Dies bietet wiederum die Möglichkeit, das für die gleiche Arbeitsleistung benötigte Hitinol-Volumen zu verkleinern. Von einem anderen Standpunkt aus gesehen kann aus der Verbesserung des Gesamt-Arbeitswirkungsgrads dadurch Nutzen gezogen werden, daß eine Erhöhung der Ansprechgeschwindigkeit der Verschiebevorrichtung erzielt wird. Auf ähnliehe Ueise kann dabei der Betriebsbereich der Temperaturen und oder Beanspruchungen, denen der Draht ausgesetzt ist, verkleinert werden, wodurch die Leistungszuverlässigkeit der Vorrichtung verbessert wird. Dies ist speziell bei einer Vorrichtung wichtig, die über viele Tausend oder sogar Millionen Arbeitszyklen hinweg betriebsfähig sein muß·

In den meisten praktischen Anwendungsfällen einer Verschiebevorrichtung wird die Ausgangsbewegung durch außerhalb der Vorrichtung angeordnete Anschläge begrenzt. Beim Anstoßen an den

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äußeren Anschlägen sollte.die Drahtbelastimg möglichst niedrig gehalten werden. 2¹Xg. 4- veranschaulicht eine derartige Belastungs-Begrenzungseinrichtung für einen mit Verkürzung und Dehnung arbeitenden JQrahtraotor mit einem durch eine Feder 52 straff gehaltenen ITitinol-Draht 5o. Ein Bewegungsglied 54- ist dabei bei 56 zur Erciöglichung einer Schwenkbewegung zv;isciien zwei mit 0>j und 1oo^ bezeichneten Punkten angelenkt. Das Bewegungsglied ist gelenkig mit einem Ausgangsglied in Fora eines Zeigers 5S verbunden, der im ITormalbe trieb durch eine Überlauffeder 6o gegenüber dem Glied 54· lagenfest gehalten itfird. V'enn der Zeiger an den Anschlägen 62 oder 64· anstößt oder von Hand bewegt wird, verschwenkt er sich im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn um den einen oder anderen Xontaktpunkt mit dem Glied 54· Die Belastnngsänderung im Draht wird dabei auf einen Bruchteil der Vorspannkraft der Kupplungsfeder €o begrenzt.

Wenn die Zugfeder 52 eine positive Federkonstante besitzt, ändert sich die (mechanische) Spannung im Draht 5o bei der Bewegung des Ausgangsglieds vom einen Anschlag zum anderen auf die in Pig· 5 gezeigte Welse. Während, der Gesamtbewegung von Ojo auf 1.oo# des vollen ßkalenbereichs erhöht sich diese Spannung linear, während sich die Feder 52 unter der durch die Verkürzung des Drahts bewirkten Zugkraft dehnt· Am linken Ende der graphischen Darstellung fällt die Spannung infolge der über die Kupplungsfeder 6o wirkenden, durch den Eegrenzungs—Anschlag 62 erzeugten Gegenwirkkraft schnell unter die Opposition ab. Am rechten Ende erhöht sich die Spannung infolge der Kraft des Begrenzungs-Anschlags 64-, der über die Feder Go die Kraft der Feder 52 verstärkt, schnell über die loo^Position hinaus. Der Gesamt-Spannungs- oder -Belastungsbereich, welchem der Draht 5o ausgesetzt ist, stellt folglich eine effektive Sugmierung der Federbelastungen oder -^spannungen dar..

Durch Verwendung einer Feder 52 mit negativer Federkonstante kenn der gesamte Arbeitsspannungsbereich des Drahts 5o auf die in Fig. 6 gezeigte V/eise beträchtlich verkleinert werden.

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Dw^. Spannungsbereich kann beispielsweise ein Drittel des im Fall einer Feder mit positiver Konstante erforderlichen Bereichs betragen.

Fig. 7 ist eine detaillierte Darstellung einer Ausführungsform einer Betätigung— bzw. Verschiebevorrichtung unter Verwendung einer Feder mit negativer Federkonstar.te zum Spannen eines temperaturabhängigen Drahtelerients 7o. In den Fig. 8 und 9 ißt die gleiche Vorrichtung zur Hervorhebung bestimmter Arbeitsmerkmale in etwas schematisierter Form in zwei verschiedenen Ausgangspositionen dargestellt, um die Bewegungen der verschiedenen verbindenden Bauteile zu verdeutlichen.

Ein Kitinol-Draht 7o ist mit seinem linken Ende an einem Punkt 72 am Metall-Chassis bzw. -Rahmen der Vorrichtung befestigt. Das rechte Ende des Drahts ist mit dem freien Ende 7^· eines Hebels 76 verbunden, der als Bev/egungsglied dient und mit Hilfe von Quer-Biegestücken 78 schwenkbar mit dem Rahmen verbunden ist. Der elektrische Strom wird in den Draht über eine auf einem iüoroidkern angeordnete Kopplungsspule 80 (Fig. 7) eingeleitet. Der Draht 7o durchsetzt das Zentrum dieses Qtoroids und bildet in Verbindung mit dem Metall-Rahmen eine Schleife mit einer Y/indung, die transformatorisch induktiv an die Toroid-Spule angekoppelt ist. In der Toroid-Spule wird Wechselstrom mit regelbarem Energiegehalt erzeugt, so daß ein entsprechender Stromfluß im Draht erzeugt und dieser innerhalb des Betriebstemperaturbereichs auf einen zweckmäßigen, einstellbaren Temperaturwert erwärmt wird.

Bei der Erwärmung verkürzt sich der Draht 70, wobei der Hebel 76 um seinen Schwenkpunkt 78 herum entgegen dem Uhrzeigersinn verschwenkt wird. Dieser Schwenkbewegung wird durch einen Federmechanismus mit einer allgemein bei 82 angedeuteten, gekrümmten Blattfeder entgegengewirkt, die zwei quer zueinander verlaufende Abschnitte 84, 86 aufweist. Der diese beiden Abschnitte miteinander verbindende Federabschnitt wird durch eine Stütze bzw. einen Puffer 85 lagenfest gehalten.

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Der ernte Federahschnitt 84 ist an einem Punkt 88 fest am Rannen, angebracht, während das Ende des anderen Abschnitts 86 am freien Ende einer Kraftstrebe 9o angreift und eine Federdruckkraft längst der. Kraftstrebe ausübt. Letztere überträgt die Federkraft über' einen Biegestreifen an einem Verbindungspunkt 92 auf den Hebel 76· Diese Biege verbindung ermöglicht eine Dreh- oder Schwenkbewegung des Hebels, während die Kraftstrebe in Kraftübertragungsverhältnis au ihm bleibt.

Die Federdruckkraft wird durch die Kraftstrebe 9o unter einem kleinen Winkel zum Hebel 76 übertragen. Diese Federkraft ent~ hält eine Komponente, welche der durch die Verkürzung des Drahts 7o hervorgerufenen Verdrehung des Hebels 76 entgegen dem Uhrzeigersinn, entgegenwirkt. Die Größe dieser entgegenwirkenden Kraftkomponente ist dem kleinen Winkel zwischen der Strebe und dem Hebel proportional, so daß diese Gegenkraft in Abhängigkeit von der Größe der Verdrehung entgegen dem Uhrzeigersinn abnimmt, wenn sich der Hebel z.B. aus der Stellung gemäß Fig. 8 in die Position gemäß Fig. 9 bewegt. Dementsprechend entwickelt die Feder 82 effektiv eine negative Federkonstante gegenüber dem Hebel 76.

Ein bedeutsames Merkmal der Federanordnung gemäß Fig. 7 liegt in ihrer Kompaktheit. Diese wird durch Verwendung einer Blattfeder erreicht, deren Abschnitte dicht neben den Hauptbauteilen des Schreibstiftmotors angeordnet sind· Genauer gesagt, erstreckt sich der eine Abschnitt 84 längs des Hebels 76, während sich der andere Abschnitt 86 quer dazu bis zum Feder-"Basispunkt" 89 erstreckt, an dein die Federkraft auf die Kraftstrebe 9o ausgeübt wird. V/enn der Hebel 76 entgegen dem Uhrzeigersinn in solchem Ausmaß verdreht wird, daß der Basispunkt 89 mit dem Federkraf t-Angreifpunkt 92 und dem Hebel-Sehwenkpunkt 78 in eine Linie zu liegen kommt, liegt ersichtlicherweise der Federkraft-Angreif punkt 92 zwischen dem Schwenkpunkt und dem Basispunkt.

Die Bewegung des Hebels 76 ist an ein Ausgangsgestänge aus Lenkern 96, 98 und 1oo angekoppelt. Der Lenker 96 ist dabei an

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einen Punkt 1o2 an Hebel 76 angelenkt, während der Lenker 1oo mit Hilfe von Quer—Biegestellen 1o4- schwenkbar mit den Hahnen verbunden ist. Die Übertragung der Bewegung des Hebels 76 auf das Ausgangsgestänge erfolgt über eine schwache Feder 1o6, die zwischen den Lenker 96 waa. einen einstückig mit dem Hebel 76 ausgebildeten Querarm 1o8 eingefügt ist.

Der nicht dargestellte Schreibstift des Aufzeiclmungsgoräts kann auf beliebige bekannte Weise mit dem Äusgangsgestänge verbunden sein, beispielsweise mittels eines Bolzens 11o, der auf die Quer-Biegestellen 1o4 ausgerichtet und einstückig mit dem Lenker 1oo ausgebildet ist· Jede Bewegung des Ausgangsgestanges hat somit eine entsprechende Schwenkbewegung des Schreibstifts zur Folge. Falls der Schreibstift durch eine von außen einwirkende Kraft, z.B. infolge eines Fehlers der Bedienungsperson, um seine Schwenkachse herum verlagert wird, bewegt sich das Ausgangsgestänge zusammen mit dem Schreibstift, ivObei die Feder 1o6 diese Bewegung auffängt, so daß die Übertragung dieser möglicherweise zu einer Beschädigung führenden Belastung auf den Draht 7o verhindert wird.

Die gesamte Vorrichtung ist so angeordnet, daß eine vollmaßstäbliche Ausgangsbewegung des Schreibstifts bei einer Ver— idirzungsJDehnungs-Bewegung des -Drahts 7o erreicht wird, die nur etwa 25# des: maximal erreichbaren Werts beträgt. Gemäß Fig· Ίο gewährleistet diese Beschränkung der erforderlichen Längenänderung des Drahts gleichbleibende, d.h. reproduzierbare Ergebnisse bei aufeinanderfolgenden Arbeitszyklen. Dies bedeutet, daß im Betrieb auf der kleinen Hystereseschleife 12o keine Gesamt-Längenänderung des Drahts auftritt. Würde dagegen die maximale Längenänderung ausgenutzt werden, so würde ein Kriechen, d.h. eine dauerhafte Längenänderung bzw. Längung des Drahts auftreten, wie dies auf der großen Hystereseschleife 122 angedeutet ist. ■

Fig. 11 zeigt die der Vorrichtung gemäß Fig. 7 zugeordnete elektronische Schaltung, bei der ein Eingangs-Kommandosignal von, ο■- 1o V über den vollen Bereich an Eingangsklemmen 2oo,

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2ο2 angelegt wird, die zu. einem RC-Filter aus Heihenwiderständen 2o4- (je 232 kj^_) und einemliebenschluC-Kondensator 2o6 f uhren. Die Widerstände 2o4- dienen außerdem zusammen mit Widerständen 2o8, 21o (178 kj-^; bzw. 274- _<J«_t_) als Spannungsteiler, vn an einem Eingangspunkt 212 ein etwa ein Drittel der Größe des ursprünglichen Signals betragendes Signal su erzeugen.

Die Eingangsklemme 2o2 ist über Widerstände 214·,, 216 (je 4-64-k _f*i_) an I-lasse geschaltet· In der Praxis liegt die Eingangs— klemme jedoch im wesentlichen auf f-iassepotentiai, so daß die Widerstände 214-, 216 keinen wesentlichen -^influß auf die Größe des angelegten Signals haben.

Das am Eingangspunkt 212 der Schaltung anliegende Signal wird an die eine Eingangsklemme 218 eines Operationsverstärkers 22o angelegt, an dessen anderer Eingangsklemme 222 ein von einem Schreibstift-Potentiometer 224· geliefertes Stellung-Rückkopp^jLunEssignal anliegt* Dieses Potentiometer ist ein linearer 1 ο k χ~\,τ~ Gleitkoiitakt-Spannungsteiler, dessen Schleifer durch den Hebel 76 (!"ig· 7) als Ganzes angetrieben wird, und ist über einen Spannungsteiler aus einem Widerstand 226 (28? kj^) sowie Widerständen 214- und 216 elektrisch mit dem Verstärker 22o verbunden. Das Gleitkontakt-Potentiometer kann räumlich unter den Hebel 76 angeordnet sein, ist aber in ELg. 7 nicht dargestelXt»

Wenn der Schreibstift nicht entsprechend dem Köminandosignal. ausgerichtet ist, liegt am Verstärker 22o ein: Gesamt-Eingangssignal an, v/elches einen entsprechenden Verstärker—Ausgangsstrom e^seugt► Dieser Strom wird zu einem EG-Kreis .2.3'O- gefeitet, der einen "Widerstand 232 (12,1 kj^j_) und einen; parallel zu einem anderen V/ider-Btand 236 (5,48 kj^) liegenden Kondensator 234- (o,o12 elS¹) aufweist· Die Größe des Verstärkerstroms bestimmt die Impulswiederholungsfreouenz eines an den RG-Kreis 23ö angeschlossenert Kipp— htfingungs—bzw. Relaxationsoszillators 24-O und bestimmt dabei den; durch den Fitinol-Draht 7o fließenden elektrfechen Ström. (V/ie erwäloit, ist der Draht transformatorisch mit d^m Oszillator: bzw. der Kippschaltung gekoppelt).

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- ΛΛ -

Oszillator 24o enthält einen Transistor 242, dessen Basis über eine Transformatorwicklung 244 (2 Windungen) an den Kondensator 234 angeschlossen ist. Der Kollektor ist über eine zweite, parallel zu einem Kondensator 248 (1ooo pi?) liegende Transforiaatorwicklung 246 (12 Windungen) an die Plus-Speiseklemme angeschlossen. Der Emitter ist über einen kleinen Widerstand 25o (16,2 Chin) mit der Hinus-Speiseklemne verbunden.

Der Strom vom Verstärker 22o lädt den Kondensator 234 auf und erhöht dabei das Basispotential des Transistors 242 entsprechend^ bis ein Stromfluß über den Transistor eingeleitet wird. Die resultierende Stronänderung in der Wicklung 246 induziert in der Wicklung 244 eine Spannung, welche die Spannung vom Kondensator 234 verstärkt, wodurch der Transistor schnell durchgeschaltet wird. Infolgedessen fließt ein vergleichsweise großer Stromimpuls über die Wicklung 246 und induziert einen entsprechenden Stromfluß über die Einwindung-Transforiaatorwicklung, die durch den Draht 7o und den Rückweg über den Metallrahmen des Motors gebildet wird.

Diese in der Wicklung 244 induzierte Spannung ist in eine solche Richtung gepolt, daß ein Gegenstromfluß in dem Kondensator 234, d.h. entgegen dem Strom vom Verstärker 22o, hervorgerufen wird. Der Basisstrom des Transistors 242 wird daher nach einer vorbestimmten Zeitspanne auf einen Punkt verringert, an welchem der Transistor sperrt und der Stromimpuls im Draht 7o unterbrochen wird. Danach wiederholt sich der Arbeitszyklus, wenn sich der Kondensator 234 wieder vom Verstärker 22o her aufzuladen beginnt.

Die Schnelligkeit und das Maß _v womit der Kondensator 2J4 aufgeladen wird, sind dem Stroaifluß vom Verstärker 22o proportional, wodurch wiederum die Zeitdauer zwischen den Oszillatorimpulsen bestimmt wird. Infolgedessen wird die Periode der Ausgangsimpulse - entsprechend dem mittleren Quadratvrurzeiyfeignal-Pegel im Draht 7o - durch die Abweichung zwischen der Ist- und der Sollstellung des Schreibstifts bestimmt.

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Der Verstä^'kungsgrad des Verstärkers 22o ist ziemlich hoch, so daß kleine Abweichungen in der Schreibstiftposition eine Sättigung des Verstärker-Ausgangssignals in der einen oder andex-en Kichtung bewirken. Der Verstärker weist einen Gegenkopp^ungskreis 26o auf, der eine dynamische Kompensation für die Servoschleife gewährleistet. Die Zeitkonstante dieses Gegenkopplungskreises ist effektiv die gleiche wie die Erwärmungs— und Ab— kühl-Zeitkonstante des iJitinol-Drahts 7o· Der dynamische System-Verstärkungsgrad, d.h. das Ansprechen auf plötzliche Änderungen, ist vergleichsweise niedrig, v/ährend der statische Verstärkungsgrad sehr hoch ist, so daß eine hohe Positionier- bzw. Verschiebegenauigkeit gewährleistet wird.

Das Gleitkontakt-Potentiometer 224- wird von einem in integrierter Schaltungstechnik ausgeführten Spannungsregler herkömmlicher Bauart mit einer Gleichspannung von 8,125 V gespeist. Diese Speisespannung speist auch eine Spannungsteilersehaltung mit Widerständen 264, 266 (1,4-7 k_J^_-bzw.-6,19 kr\_) und einen Widerstand 21ο. Der Widerstand 21ο liefert ein Vorspannungssignal, welches das Gleitkontakt-Potentiometer eine eine kurze Strecke, z.B. 5$ des Bewegungswegs, vom Ende seines Wegs liegende Position einnehmen läßt, wenn das Kommando— bzw. Sollsignal Null beträgt. Hierdurch werden alle Nichtlinearitäts-Probleme vermieden, die nahe des Endes des Hubs oder Wegs des Gleitkontakts auftreten könnten.

Die Verzweigung zwischen den Widerständen 264, 266 ist über eine Isolierdiode 268 an die Basis eines !Transistors 2?o angeschlossen. Palis die Spannung am Schleifer bzw. Abgriff des Gleitkontakt-Potentiometers 224· einen vorbestimmten Wert übersteigt und dadurch anzeigt, daß der Ausgangs-Kebel 76 eine vorbestinnte Grenzpos—ition für die Verkürzung des Drahts 7o erreicht hat, schaltet der Transistor 27o durch, so daß der Widerstand 226 in Nebenschluß geschaltet wird. Dies bewirkt effektiv eine Erhöhung der aii die Verstärker-Eückkopplungsklemnie 222 angelegten Spannung, die bestrebt ist, das Verstärker-Eingangssignal wieder abzu-

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gleichen· Wenn das Kommando— bzw. Sollsirrnal eine hinter dem vorgeschriebenen Grenzwert liegende Schreibstiftstellung verlangt und das Gleitkontakt-Potentionieter diesen Grenzwert erreicht, erzeugt mithin diese Schaltung automatisch effektiv ein künstliches Verstärker-Eingangssignal, welches anneigt, daß der Schreibstift die Sollεteilung erreicht hat, auch, wenn er sich tatsächlich, nicht über die voreingestellte Grenzposition hinausbev/egt hat· Infolgedessen verhindert die Begrenzerschaltung, daß sich der Draht 7o über den für den Hebel 76 zulässigen Bewegungsweg hinaus bewegt·

Zusammenfassend wird mit der Erfindung somit eine Betätigungsbzw. Verschiebevorrichtung zur Steuerung eines Glieds, wie eines Schreibstifts eines Kartensehreibers, geschaffen, bei welcher die Verschiebebewegung durch einen aus einem temperatureinpfindlichen Material (ζ·Β. Ritinol) bestehenden Draht hervorgebracht wird, der einer martensitischen Umwandlung unterliegt, durch welche er sich, bei Erhöhung der Temperatur innerhalb eines vorbestimmten Temperaturbereichs zusammenzieht und beim Abkühlen innerhalb dieses Bereichs ausdehnt. Der Draht wird durch eine Feder nit negativer Federkonstante unter Spannung gehalten. Diese Feder bewirkt im Zusammenwirken mit selbst erzeugten Kräften und der Elastizität des rr&litnaterials Verkürsungs/Ausdehnungs-Längenänderungen des Drahts in Abhängigkeit von Änderungen seiner Temperatur. Eine elektrische Schaltung zur Regelung der Drahttemperatur weist eine Einrichtung auf, die induktiv einen frequenzmodulierten Impulsstrom durch den Draht hindurch erzeugt·

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Claims

Pat ent an sprüch ?3 1 3240 .

Betätigung?.- bzv/. Yerschiebevorrichtunr· mit einen ."Element, bei welchem mindestens eineRaumdiinension in Abhängigkeit von der Temperatur variabel ist, und einer Federanordnung, die derart mit dem Element verbunden ist, daß sie eine Kraft erzeugt, welche der teraperaturbedingten Diraensionsänderung des Kl eine nt s entgegenzuv/irken trachtet, dadurch g e k e η η zeichnet , daß die Federanordnung ehe negative Federkonstante besitzt.
2. Vorrichtung· nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Element bei Temperaturänderungen seine Länge ändert·
3· Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Element aus einem l/erkstoff besteht, der innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs einer martensitisehen Umwandlung unterliegt, und daß die Federanordnung der selbst erzeugten Dimensionsänderung entgegenwirkt, wenn die £emperaturänderung im Sinn einer Verkürzung des Elements verläuft, und außerdem eine der selbst erzeugten Dimensionsänderung entgegengesetzte Dimensionsänderung hervorruft, wenn die Temperaturänderung in einem das Eleraent entspannenden Sinn erfolgt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Element mit einem bev;egbaren Glied verbunden ist und diesem eine der Dimensionsänderung entsprechende Ausgangs— bzw. Abtriebsbev/egung erteilt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4·., dadurch gekennzeichnet, daß das Element ein Draht ist, der sich bei einer Temperaturänderung verkürzt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegbare Glied an einem ersten Punkt angelenkt ist und daß der Draht an einem vom Anlenkpunkt entfernten Punkt

mit dem Glied verbunden ist.

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7- Vorrichtimg nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Pederanordnung eine Konstruktion aufweist, die sich vom zweiten Punkt an bewegbaren Glied zu einen relativ zum Anlenkpunkt feststehenden Easir.pu.nkt erstreckt, der hinter dem !Bereich des ersten und des zweiten Punkts liegt, wenn das bewegbare Glied so angeordnet ist, daß seine drei Punkte alle auf einer Linie liegen.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Pederanordnung eine Zugfeder aufweist und daß der erste bzw. Anlenkpunkt zwischen dem zweiten Punkt und dem Basispunkt liegt, wenn alle drei Punkte auf einer Linie liegen.
9· ' Vorrichtung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß die federanordnung eine Druckfeder aufweist, und daß der zweite Punkt zwischen dem Anlenkpunkt und dem Basispunkt liegt, wenn die drei Punkte in einer Linie liegen.
1o·. Vorrichtung nach Anspruch 9* dadurch gekennzeichnet, daß die Druckfeder die l^?orm einer Blattfeder besitzt.
11. Vorrichtung nach Anspruch 1o, dadurch gekennzeichnet, daß eine svd.sclien die Blattfeder und das bewegbare Glied eingeschaltete Strebe vorgesehen ist, welche die Federkraft auf das bewegbare Glied überträgt.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1o, dadurch gekennzeichnet, daß die Blattfeder gekrümmt ist und unter Verringerung .des Gesamtraumbedarfs der Vorrichtung eine dicht am bewegbaren Glied liegende Position einnimmt.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Blattfeder gekrümmt ist und zwei quer zueinander verlaufende Abschnitte festlegt, von denen sich

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der eine längs der einen Seite des bewegbaren Glieds erstreckt und der andere quer sum bewegbaren Glied verläuft und mit seinem- freien Ende an der Strebe angreift.
14-. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Ausgangsglied und eine zwischen das bewegbare Glied und das Ausgangsglied eingeschaltete Peder aufweist, die normalerweise eine korrespondierende Bewegung der beiden Glieder gewährleistet, unter anomalen Bedingungen Jedoch eine Relativbewegung zwischen ihnen ermöglicht und dabei die Belastung bsw. mechanische - Spannung des Drahts verringert·
15. Vorrichtung nach Anspruch 14-, dadurch gekennzeichnet,

. daß Anschläge zur Begrenzung einer übermäßigen Bewegung des Ausgangsgiieds vorgesehen Bind.
16. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Feder mit dem'Draht verbunden ist, um * ihn unter Zugspannung zu halten.
17· Betätigungs— bzw. Verschiebevorrichtung mit einem Element, bei dem mindestens eine Raumdimension in Abhängigkeit von der Temperatur variabel ist, d ä d ur c h g e kennzeichnet , daß das Element langgestreckte' Form besitzt und aus einem elektrisch. leitfähigen Werkstoff besteht, der bei Temperaturänderungen "seine Länge ändert, daß ein elektrischer Leiter an zwei verschiedene . Stellen des Elements angeschlossen ist und mit diesem eine geschlossene Schleife bildet, die einen elektrischen Strom zu führen vermag, und daß an die geschlossene Schleife eine Induktivität angekoppelt ist, die in der Schleife einen elektrischen Strom regelbarer Größe er—

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zeugt und dadurch die Temperatur dec langgestreckten Elements regelt.
18· Vorrichtung nach Anspruch 17» dadurch gekennzeichnet, daß das Element ein Draht aus einer Legierung ist, die in Abhängigkeit von Temperaturänderungen eine martensitische Umwandlung erfährt, welche Längenänderungen hervorruft.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität eine mit der Schleife gekoppelte erste Spule aufweist.
2o· Vorrichtung nach Anspruch 19» dadurch gekennzeichnet, daß die erste Spule auf ein Toroid aufgewickelt ist, ■ daß der Draht das Zentrum des Toroids durchsetzt und daß der elektrische Leiter die geschlossene Schleife um die Außenseite des Toroids herum vervollständigt bzw. schließt.
21. Vorrichtung nach Anspruch 2o, dadurch gekennzeichnet, daß an die erste Spule ein Oszillator angeschlossen ist, v/elcher die Spule mit Wechselstromimpuisen speist.
22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Spule an die erste Spule angekoppelt ist und daß die beiden Spulen einen Teil der Oszillatorschaltung bilden.
23. Vorrichtung nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch einen Verstärker, der ein Gesamt-Eingangskommando- bzw. sollsignal empfängt und ein entsprechendes Signal zum Element liefert, um dessen Längenänderung zu steuern und dadurch ein bewegbares Glied zu positionieren, ein der Position des bewegbaren Glieds entsprechendes Rückkopplungssignal zum Vergleichen mit einem Kommando-

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bzw. Sollcifjnal zwecks Einstellung des Gesaat-Eingangssignale zum Verstärker und einen an das Rückkopplung signal angekoppelten Sipialbegrenser, der dann, wenn das 'bewegbare Glied eine vorbestiminte Stellung erreicht, das Rückkopplungssignal so einstellt, daß eine überbelastung des Elements verhindert wird·
24. Vorrichtung nach Anspruch 23, gekennzeichnet durch ein Potentiometer aur Erzeugung eines Rückkopplungs— signals und einen an das Ausgangssignal des Potentiometers angekoppelten Rückkopplungs-Größenregler zur Regelung der Größe des Rückkopplungssignals, wenn die vorbestiininte Stellung erreicht ist.
25· Vorrichtung nach Anspruch 2$, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalbegrenzer das Rückkopplungssignal künstlich ändert, wenn die dem Kommando- bzw· SoIlßignal entsprechende Position die vorbestimate Stellung übersteigt, um dadurch anzuzeigen, daß das bewegbare Glied die Sollstellung erreicht hat, obgleich es tatsächlich die voreingestellte Stellung nicht überschritten hat.
26. Vorrichtung nach Anspruch 25» dadurch gekennzeichnet, daß das Rückkopplungssignal von einem Spannungsteiler geliefert wird und daß der Signalbegrenzer einen elektrischen Bauteil aufweist, welcher beim Erreichen der vorbestimmten Stellung den Spannungsteiler in Kebenschluß schaltet und dabei das dem Verstärker eingespeiste Rückkopplungssignal ändert.

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