DE4008643A1

DE4008643A1 - Verfahren zur einstellung eines sollwertes der ausdehnung eines durch anlegen eines aeusseren elektromagnetischen oder elektrostatischen feldes in seiner laengenausdehnung veraenderlichen aktuators

Info

Publication number: DE4008643A1
Application number: DE4008643A
Authority: DE
Inventors: Edmund Dipl Phys Schiessle; Khaldoun Dr Alasafi; Ralf Dipl Ing Gutoehrlein
Original assignee: Daimler Benz AG; Mercedes Benz AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1990-03-17
Filing date: 1990-03-17
Publication date: 1991-09-19
Also published as: GB2243929A; FR2659796A1; GB2243929B; SE9100565L; GB9103608D0; SE9100565D0; FR2659796B1; DE4008643C2; US5144208A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einstellung eines Sollwertes der Ausdehnung eines durch Anlegen eines äußeren elektromagnetischen oder elektrostatischen Feldes in seiner Längenausdehunung veränderlichen Aktuators gemäß dem Oberbe griff des Patentanspruches 1.

Es ist bereits ein gattungsgemäßes Verfahren bekannt (DE 24 02 085 A1), wonach bei einem stabförmigen Körper, der aus einer Anzahl gestapelter Lamellen oder Scheiben aus piezo elektrischem Material aufgebaut ist, durch Anlegen einer elek trischen Spannung eine bestimmte Längenänderung des stabförmigen Körpers eingestellt wird. Weiters wird in dieser Offenlegungsschrift ausgeführt, daß der Zusammenhang zwischen der Verschiebung und der Spannung linear ist, so daß eine Steuerung der Längenänderung realisiert wird durch Einstellen der zugehörigen elektrischen Spannung.

Nachteilig wirkt sich bei diesem bekannten Verfahren aus, daß die Lamellen oder Scheiben aus piezoelektrischem Material ihre Ausdehnung in Abhängigkeit der Betriebsbedingungen des stab förmigen Körpers ändern können. Es kommt zu einem "Absetzen", d. h. daß sich die Nullpunktlage der Längenausdehnung der Lamellen oder Scheiben verändert in dem Sinne, daß die Längen ausdehnung des stabförmigen Körpers geringer wird. Somit trete bei der nach dem Stand der Technik bekannten Steuerung Probleme dahin gehend auf, daß die genaue Zuordnung einer an den Lamel len anliegenden elektrischen Spannung zu einer bestimmten Aus dehnung verloren geht.

Aufgabe der Erfindung ist es, das gattungsgemäße Verfahren so weiterzubilden, daß eine möglichst präzise Einstellung eines Sollwertes der Längenausdehnung eines durch Anlegen eines äu ßeren elektromagnetischen oder elektrostatischen Feldes in seiner Längenausdehnung veränderlichen Aktuators möglich ist.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren zur Einstellung eines Sollwertes der Ausdehnung eines durch Anlegen eines äußeren elektromagnetischen oder elektrostatischen Feldes in seiner Längenausdehunung veränderlichen Aktuators erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des An spruchs 1 gelöst, wobei die Merkmale der Unteransprüche vor teilhafte Aus- und Weiterbildungen kennzeichnen.

Weitere Vorteile der Erfindung gegenüber dem bekannten Stand der Technik bestehen sowohl bei Verwendung eines Piezo- Aktuators als auch eines magnetostriktiven Aktuators darin, daß auch andere Einflußgrößen als das bereits beschriebene "Abset zen", die zu einer Verschiebung der Nullpunktlage der Längen ausdehnung des Piezo-Aktuators führen, durch eine Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens eliminiert werden können. Als Beispiel sei hier erwähnt, daß auch Temperaturänderungen zu einer Anderung der Längenausdehnung eines Piezo-Aktuators und eines magnetostriktiven Aktuators führen.

Erfindungsgemäß wird also an dem Aktuator eine magnetoelastische Schicht angebracht. Tritt nun eine Längenänderung des Aktuators auf, so bewirkt diese Längenände rung eine mechanische Spannung in der magnetoelastischen Schicht. Diese mechanische Spannung in der magnetoelastischen Schicht kann beispielsweise festgestellt werden, indem diese magnetoelastische Schicht Teil einer Spule ist, deren Indukti vität sich somit aufgrund der mechanischen Spannung in der magnetoelastischen Schicht ändert.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden näher be schrieben. Es zeigen:

Fig. 1: ein Ausführungsbeispiel eines Piezo-Aktuators mit ei ner magnetoelastischen Schicht und

Fig. 2: eine Darstellung der Auswirkung einer Sollwertvorgabe auf die Längenänderung eines Piezo-Aktuators.

In den Ausführungsbeispielen der Fig. 1 und 2 wird ein Piezo- Aktuator verwendet. Es ist alternativ jedoch auch denkbar, an stelle des Piezo-Aktuators 1.1 einen magnetostriktiven Aktuator zu verwenden. Die Anschlußkabel 1.13 und 1.14 bewirken in die sem Falle beispielsweise einen Stromfluß in einer (nicht dar gestellten) Spule, die somit ein Magnetfeld verursacht, das zu einer Längenänderung des magnetostriktiven Aktuators führt.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, wird ein Piezo-Aktuator 1.1 von einem Positionssensorelement 1.2 umgeben. Dabei kann der Piezo-Aktuator 1.1 entsprechend dem Stand der Technik aus meh reren Piezo-Scheiben 1.1.1 bestehen, die bei Anlegen einer elektrischen Spannung ihre Längenausdehnung in axialer Richtung ändern. Dabei werden die Piezo-Scheiben 1.1.1 mechanisch vor gespannt, indem sie von einem in einer Grundfläche 1.3 einge schraubten Gewindebolzen 1.4 gegen eine als Widerlager wirkende nichtmagnetische Dehnhülse 1.5 gedrückt werden. Diese nichtma gnetische Dehnhülse 1.5 steht dabei in kraftschlüssigem Kontakt mit der Grundfläche 1.3. Dieser kraftschlüssige Kontakt kann dabei realisiert sein, indem die nichtmagnetische Dehnhülse 1.5 an ihrer Unterseite mit einem Gewinde versehen ist, in das der Gewindebolzen 1.4 eingeschraubt wird. Auf der nichtmagnetischen Dehnhülse 1.5 ist eine weichmagnetische und hochmagneto elastische Schicht 1.6 aufgebracht, wobei diese weichmagne tische und hochmagnetoelastische Schicht 1.6 in besonders vor teilhafter Weise derart aufgebracht ist, daß eine molekulare Verzahnung dieser Schicht 1.6 mit der Dehnhülse 1.5 besteht. Die weichmagnetische und hochmagnetoelastische Schicht 1.6 kann dabei aus einem amorphen oder nanokristallinen Material aus Nickel-Phosphor bestehen, das mit chemischen Übergangselementen (z. B. Cobalt) optimiert werden kann. Beispielsweise kann dieses Material aus einer Zusammensetzung bestehen, deren Phosphor- Gehalt kleiner als ca. 8% und deren Cobalt-Gehalt in der Grö ßenordnung von ca. 10% liegt. Die Dicke dieser Schicht kann dabei in der Größenordnung von ca. 100-150 µm liegen. Da be reits Dehnungen der weichmagnetischen und hochmagnetoelastischen Schicht 1.6 im Promille-Bereich zu einer Änderung der magnetischen Permeabilität µ_r von einigen Prozent führen, kann somit mittels der Änderung der Induktivität der Spule 1.7 leicht die tatsächliche Längenausdehnung des Piezo- Aktuators festgestellt werden. Zweckmäßigerweise erfolgt ent sprechend dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 eine Konzentration des magnetischen Flusses, indem um die Spule 1.7 herum weich magnetische Rückflußstücke 1.8, 1.9 und 1.10 angebracht werden. Außerdem kann das aus dem Piezo-Aktuator 1.1 und dem Positi onssensorelement 1.2 bestehende System noch durch eine nicht magnetische Gehäusehülse 1.11 abgeschlossen sein. Diese Gehäu sehülse wird dabei an dem oberen und dem unteren Teil des Po sitionssensorelementes 1.2 befestigt und umschließt dabei auch die Spule 1.7. Diese Gehäusehülse 1.11 weist eine Öffnung 1.12 auf, durch die die Anschlußkabel 1.13, 1.14 des Piezo- Aktuators 1.1 geführt werden.

Fig. 2 zeigt eine Darstellung der Auswirkung einer Sollwert vorgabe SOLL auf die Längenänderung des Piezo-Aktuators, der in der Darstellung der Fig. 2 mit dem Bezugszeichen 2.1 bezeichnet ist. Von dem Positionssensorelement 2.2 wird die Ausdehnung des Aktuators 2.1 erfaßt, indem sich beispielsweise entsprechend der Darstellung der Fig. 1 die Induktivität einer Sensorspule ändert. Dies wird dann von der Sensorelektronik 2.3 ausgewertet und mit dem vorgegebenen Sollwert SOLL der Ausdehnung des Aktuators 2.1 in einer Vergleichseinrichtung 2.4 verglichen. Wird dabei eine Differenz festgestellt, wird von dem Regelge rät 2.5 eine Stellgröße SPANNUNG ausgegeben, die dieser Diffe renz entgegen wirkt. Bei Verwendung eines magnetostriktiven Aktuators wird als Stellgröße entsprechend ein Magnetfeld vor gegeben.

Grundsätzlich wird das Zeitverhalten einer Regelung durch das Zeitverhalten bei der Meßwertaufnahme, das Zeitverhalten des Reglers und das Zeitverhalten des Prozesses nach Änderung eines Sollwertes bestimmt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann das Zeitverhalten bei der Meßwertaufnahme vernachlässigt wer den, da die magnetoelastische Schicht auf Änderungen der me chanischen Spannung praktisch ohne Zeitverzögerung anspricht. Ebenso spricht der Prozeß (Aktuator) auf Änderungen des Soll wertes sehr schnell an, so daß das insgesamt gewünschte Zeit verhalten der Regelung realisiert werden kann, indem dieses gewünschte Zeitverhalten in dem Regelgerät 2.5 nachgebildet wird.

Claims

1. Verfahren zur Einstellung eines Sollwertes der Ausdehnung eines durch Anlegen eines äußeren elektromagnetischen oder elektrostatischen Feldes in seiner Längenausdehunung veränder lichen Aktuators,
wobei eine Zuordnung der Größe des äußeren elektromagnetischen oder elektrostatischen Feldes zu der Längenausdehnung des Aktuators besteht, dadurch gekennzeichnet,

- daß eine weichmagnetische und hochmagnetoelastische Schicht (1.6) mit dem Aktuator (1.1) derart in Verbindung steht, daß eine Längenänderung des Aktuators (1.1) eine Änderung der mechanischen Spannung in der Schicht (1.6) bewirkt,
- daß die Änderung der mechanischen Spannung der Schicht (1.6) die Änderung des Wertes einer Induktivität (1.7) bewirkt,
- daß in einer Sensorelektronik von der Größe der Induktivi tät (2.7) auf die mechanische Spannung der Schicht (1.6) ge schlossen wird und daß von der mechanischen Spannung der Schicht (1.6) auf die Längenausdehnung des Aktuators (1.1) geschlossen wird,
- daß in einer Vergleichseinrichtung (2.4) die Längenausdehnung des Aktuators (1.1) mit einem vorgegebenen Sollwert ver glichen wird und
- daß von einem Regelgerät (2.5) eine Stellgröße ausgegeben wird, wenn von der Vergleichseinrichtung (2.4) eine Differenz zwischen der Längenausdehnung des Aktuators und dem vorgege benen Sollwert festgestellt wird, wobei die Stellgröße derart vorgegeben wird, daß die festgestellte Differenz verschwin det.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß der Aktuator (1.1) ein Piezo-Aktuator ist und
- daß das äußere elektromagnetische oder elektrostatische Feld einer elektrischen Spannung entspricht.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß der Aktuator (1.1) ein magnetostriktiver Aktuator ist und
- daß das äußere elektromagnetische oder elektrostatische Feld einem magnetischen Feld entspricht.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (1.6) aus Nickel, Phosphor und Cobalt besteht,

- wobei der Anteil von Nickel insbesondere bis zu 8% beträgt und
- wobei der Anteil von Cobalt insbesondere 10% beträgt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Schicht (1.6) in der Größenordnung von 100-150 µm liegt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine molekulare Verzahnung der weichmagnetischen und hoch magnetoelastischen Schicht 1.6 mit der Dehnhülse 1.5 besteht.