DE4008643C2 - - Google Patents
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Landscapes
- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
- Control Of Position Or Direction (AREA)
Description
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Einstellung eines
Sollwertes der Ausdehnung eines durch Anlegen eines äußeren
elektromagnetischen oder elektrostatischen Feldes in seiner
Längenausdehnung veränderlichen Aktuators gemäß dem Oberbe
griff des Patentanspruches 1.
Bei einer solchen, aus der US-PS 45 85 978 bekannten Einrichtung wird
die sich aufgrund eines äußeren magnetischen Feldes ergebende
Längenänderung eines magnetostriktiven Aktuators durch die sich
in dem Aktuator ergebende magnetische Induktion ermittelt. Die
so ermittelte Längenveränderung des magnetostriktiven Aktuators
wird mit dem Sollwert der Längenänderung verglichen. Aufgrund
dieses Vergleiches wird das äußere magnetische Feld so geändert,
daß eine sich ergebende Differenz zwischen der Längenänderung
und dem Sollwert verschwindet.
Nachteilig wirkt sich bei dieser bekannten Einrichtung aus, daß
der Vergleich zwischen der Längenänderung und dem Sollwert nur
bei einem magnetostriktiven Aktuator durchgeführt werden kann.
Weiters ist es bekannt (DE-Z: Elektronik, 24/82, S. 96-98), die
Permeabilitätsänderung eines zum Ring gewickelten amorphen
Bandes, das sich unter Belastung zu einer Ellipse verformt,
beispielsweise durch eine Spule auszuwerten, um daraus Wegänderungen
ableiten zu können, die die Ursache für die Verformung
waren. Außerdem ist dort angegeben, daß mit einer entsprechenden
Elektronik dieses Prinzip auch für Drucktasten verwendet
werden könne.
Diese spezielle Ausbildung des Sensors eignet sich jedoch nicht
für den Einsatz bei der Regelung eines Aktuators.
Außerdem ist bezogen auf den Gegenstand des Anspruches 2 eine
Einrichtung bekannt (DE-OS 24 02 085), wonach bei einem
stabförmigen Körper, der aus einer Anzahl gestapelter Lamellen
oder Scheiben aus piezoelektrischem Material aufgebaut ist,
durch Anlegen einer elektrischen 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 dieser bekannten Einrichtung 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 treten
bei der nach dem Stand der Technik bekannten Steuerung Probleme
dahingehend auf, daß die genaue Zuordnung einer an den Lamel
len anliegenden elektrischen Spannung zu einer bestimmten Aus
dehnung verloren geht.
Außerdem ist es allgemein bekannt (US-PS 34 14 857) die
magnetischen Eigenschaften eines sich im Inneren einer Spule
befindenden Kernes durch die Zusammensetzung der einzelnen Bestandteile
zu verändern und somit die Induktivität der Spule
auf einen definierten Wert zu bringen. Dadurch sollen
Fertigungstoleranzen ausgeglichen werden, die beispielsweise
aufgrund von Ungenauigkeiten bei der Wicklung der Spule auftreten.
Aufgabe der Erfindung ist es, die gattungsgemäße Einrichtung 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 der
erfindungsgemäßen Einrichtung eliminiert werden können. Als
Beispiel sei hier erwähnt, daß auch Temperaturänderungen zu
einer Änderung der Längenausdehnung eines Piezo-Aktuators und
eines magnetostriktiven Aktuators führen. Außerdem ist die
erfindungsgemäße Einrichtung sowohl für magnetostriktive als
auch für piezoelektrische Aktuatoren einsetzbar.
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 des magnetischen Kreises 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 führen in die
sem Falle beispielsweise einen Strom zu 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
dadurch realisiert sein, daß 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, hochmagneto
elastische Schicht 1.6 aufgebracht,
in besonders vor
teilhafter Weise derart, daß eine molekulare
Verzahnung dieser Schicht 1.6 mit der Dehnhülse 1.5 besteht.
Die weichmagnetische, hochmagnetoelastische Schicht 1.6 kann
dabei aus einem amorphen oder mikrokristallinen Material aus
Nickel-Phosphor bestehen, das mit chemischen Übergangselementen
(z. B. Cobalt) optimiert werden kann. Beispielsweise kann dieses
Material eine Zusammensetzung haben, 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,
hochmagnetoelastischen Schicht 1.6 im Promille-Bereich zu einer
Änderung der magnetischen Permeabilität µr 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 der erfindungsgemäßen Einrichtung 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 (5)
1. Einrichtung 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,
- - wobei durch ein eine Spule aufweisendes Positionssensorelement ein die Längenausdehnung des Aktuators charakterisierendes Signal erzeugt wird,
- - wobei in einer Vergleichseinrichtung aufgrund eines Vergleiches des die Längenausdehnung charakterisierenden Signals mit einem vorgegebenen Sollwert eine Abweichung der Längenausdehnung von dem vorgegebenen Sollwert erkannt wird,
- - wobei von einem Regelgerät dann eine Stellgröße ausgegeben wird, wenn von der Vergleichseinrichtung eine Differenz zwischen der Längenausdehnung des Aktuators und dem vorgegebenen Sollwert erkannt wird, wobei die Stellgröße derart vorgegeben wird, daß die festgestellte Differenz verschwindet,
dadurch gekennzeichnet,
- - daß eine weichmagnetische, hochmagnetoelastische Schicht (1.6), die Teil des Positionssensorelementes (1.2) ist, mit dem Aktuator (1.1) über eine nichtmagnetische Dehnhülse (1.5) derart mechanisch verspannt ist, 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) eine Änderung der Induktivität der Spule (1.7) bewirkt, wobei aufgrund dieser Änderung der Induktivität das die Änderung der Längenausdehnung charakterisierende Signal erzeugt wird, indem in einer an sich als bekannt anzusehenden elektronischen Sensoreinrichtung von der Größe der Induktivität (1.7) auf die mechanische Spannung der Schicht (1.6) geschlossen und von dieser auf die Längenausdehnung des Aktuators (1.1) geschlossen wird und
- - daß die Schicht (1.6) derart auf die Dehnhülse (1.5) aufgebracht ist, daß eine molekulare Verzahnung der weichmagnetischen, hochmagnetoelastischen Schicht (1.6) mit der Dehnhülse (1.5) besteht.
2. Einrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
- - daß der Aktuator (1.1) ein Piezo-Aktuator ist und
- - daß das äußere Feld einer elektrischen Spannung entspricht.
3. Einrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
- - daß der Aktuator (1.1) ein magnetostriktiver Aktuator ist und
- - daß das äußere Feld ein magnetisches Feld ist.
4. Einrichtung 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 etwa 10% beträgt.
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Owner name: DAIMLER-BENZ AKTIENGESELLSCHAFT, 70567 STUTTGART, |
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8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
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8320 | Willingness to grant licences declared (paragraph 23) | ||
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