DE4401459C2 - Vorrichtung zum Steuern eines elektroviskosen Fluids - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vor­ richtung zum Steuern eines elektroviskosen Fluids, dessen Viskosität sich merklich in Abhängigkeit von der Intensität eines von außen angelegten elektrischen Feldes ändert.

Die Verwendung von elektroviskosen Flüssigkeiten bzw. Fluiden in Stoßdämpfern ist beispielsweise aus der US 3,207,269 bekannt. Hierbei wird durch Anlegen von elek­ trischen Feldern die Viskosität der Flüssigkeit geändert, wodurch man eine verbesserte Stoßdämpfung erhält. Zur Er­ zeugung der elektrischen Felder werden veränderliche posi­ tive Spannungen oder Wechselspannungen verwendet.

Ferner wird in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 1 44 150/1988 eine Geschwindigkeitssteuervorrichtung vorgeschlagen, bei der die Geschwindigkeit eines Stellglie­ des, beispielsweise eines Zylinders oder dergleichen, das von einem elektroviskosen Fluid angetrieben wird, das als eine Art Hydrauliköl arbeitet, durch Steuerung der Intensi­ tät eines von außen angelegten elektrischen Feldes gesteu­ ert wird, welches auf das elektroviskose Fluid einwirkt.

Als elektroviskoses Fluid wird für gewöhnlich ein Fluid verwendet, in welchem sich in dispergierter Phase befindli­ che Partikel bestehend aus Silika, Zellulose, unterschied­ lichen ionenaustauscherharzen und dergleichen dispergiert befinden und in einem elektrisch isolierenden Dispersions­ medium wie Silikonöl oder dergleichen verteilt sind. Wenn das elektroviskose Fluid einem von außen einwirkenden elek­ trischen Feld unterworfen wird, tritt der Winslow-Effekt ein, aufgrund dessen sich die Viskosität des Fluides be­ achtlich erhöht, um eine hohe Scherkraft zu erzeugen. Mit diesem Winslow-Effekt ist es möglich, die Viskosität des Fluides durch ein elektrisches Signal problemlos und mit hoher Ansprechgeschwindigkeit zu steuern. Zusätzlich ist es bekannt, daß eine elektrische Spannung zur Erzeugung des von außen einwirkenden elektrischen Feldes entweder eine Wechselspannung oder eine Gleichspannung sein kann.

Bei der Steuervorrichtung für ein elektroviskoses Fluid zur Erzeugung eines elektrischen Feldes durch Anlegen einer Gleichspannung neigen jedoch die Partikel dazu, sich im Laufe der Zeit in Richtung einer Elektrodenfläche zu bewe­ gen und sich hierauf abzuscheiden. Hierdurch wird der Ab­ stand zwischen den Elektroden mehr und mehr verringert. Im Ergebnis wird es schwierig, die Viskosität des elektrovis­ kosen Fluides durch die Gleichspannung genau zu steuern.

Um dies zu vermeiden, wird in der japanischen Patent­ veröffentlichung Nr. 1 44 374/1989 ein Steuerverfahren für ein elektroviskoses Fluid vorgeschlagen, bei welchem eine Gleichspannung pulsierend und mit wechselnder Polarität an­ gelegt wird.

Im Stand der Technik sind jedoch noch die folgenden Probleme aufgetreten. Im Falle des Steuerverfahrens für das elektroviskose Fluid, bei welchem die Gleichspannung pul­ sierend mit wechselnder Polarität angelegt wird, fließt ein Stromstoß Ta, wenn sich die Gleichspannung plötzlich än­ dert, wie in Fig. 4 dargestellt, was zu einem Anwuchs des elektrischen Stromes führt. Dies ist der Grund, warum die Steuervorrichtung für das elektroviskose Fluid elektrisch als Kondensator wirkt. Um dem Problem des Stromstoßes zu begegnen ergibt sich wiederum das Problem, daß die Steuer­ vorrichtung einschließlich eines Transformators hierzu in ihren Abmessungen groß wird. Dies führt auch dazu, daß die Steuervorrichtung teuer wird.

Weiterhin stört ein hoher Stromstoß die elektroche­ mischen Eigenschaften des elektroviskosen Fluides ganz er­ heblich. Demzufolge ergibt sich das Problem, daß die Halt­ barkeit des elektroviskosen Fluides nachläßt. Wenn der Stromverbrauch hoch ist, wird auch die Temperatur des elek­ troviskosen Fluides angehoben, so daß sich die Eigenschaf­ ten des elektroviskosen Fluides ändern. Hierdurch wird es schwierig, die Viskosität des elektroviskosen Fluides genau zu steuern. Im Ergebnis ergibt sich das Problem, daß die Geschwindigkeit oder dergleichen des elektroviskosen Flui­ des bzw. die Geschwindigkeit seiner Viskositätsänderung nicht stabil gesteuert werden kann.

Für den Fall, daß ein sinusförmiges oder dreieckförmi­ ges Pulssignal als wechselndes Pulssignal verwendet wird, ist es möglich, die Erzeugung des Stromstoßes zu verhin­ dern. Die Verwendung eines sinus- oder dreieckförmigen Im­ pulssignales ändert jedoch den Absolutwert eines elektri­ schen Spannungswertes. Demzufolge ergibt sich ein Problem in dem Fall, in dem ein Zylinder zu einer genauen Stellbe­ wegung verwendet wird, da Vibrationen der Bewegung des Zy­ linders überlagert sind, wie in Fig. 10 dargestellt. Diese Figur zeigt die Vibrationen eines Kolbens, wenn der Zylin­ der hierzu durch Anlage einer sinusförmigen Wellenformspan­ nung an das elektrische Viskosefluid betätigt wird. Es sei angenommen, daß die X-Achse die Zeitachse ist und die Y-Achse die Versetzung X darstellt, wobei bei einer Geschwin­ digkeit V und einer Beschleunigung A des Zylinders Rüttel­ vibrationen B auf den Kolben übertragen werden, wie durch die Beschleunigung A dargestellt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde eine Vorrichtung zum Steuern eines elektroviskosen Fluids zu schaffen, welche in der Lage ist, den Stromverbrauch zu verringern und Vibrationen in einem Stellglied wie beispielsweise einem Antriebszylin­ der oder dergleichen einzuschränken, der mittels dem elek­ troviskosen Fluid betätigt wird.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale.

Insbesondere durch das Anlegen von allmählich sich än­ dernden positiven und negativen Spannungen in Form von na­ hezu trapezförmigen Impulssignalen kann ein Stromstoß klein sein und der Stromverbrauch zur Steuerung des elektrovisko­ sen Fluids verringert werden.

Da der Stromstoß klein gemacht werden kann, ist es mög­ lich, elektrochemische Veränderungen des elektroviskosen Fluids zu unterbinden, so daß die Lebensdauer des elektro­ viskosen Fluids verbessert wird.

Da der Stromverbrauch verringert werden kann, ist es möglich, die Temperatur im elektroviskosen Fluid zu verrin­ gern. Demzufolge sind die Betriebseigenschaften des elek­ troviskosen Fluids weitestgehend stabil, so daß eine sta­ bile Steuerung der Geschwindigkeit des elektroviskosen Fluids möglich ist. Weiterhin kann der Transformator kom­ pakt ausgelegt werden, da der Stromverbrauch gering ist, was zu sinkenden Kosten führt.

Die Viskosität des elektroviskosen Fluids wird hin­ sichtlich seiner Schwankungen stabil gemacht, so daß eine konstante Bremskraft einem Betätigungs- oder Stellglied auferlegt werden kann. Somit werden auch keine Vibrationen auf das Stellglied aufgebracht, was die Steuerung des An­ triebszylinders oder dergleichen mit präziser Geschwindig­ keit möglich macht.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausfüh­ rungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher be­ schrieben.

Es zeigt:

Fig. 1 eine Querschnittsdarstellung eines Aufbaus einer Geschwindigkeitssteuervorrichtung für einen Antriebs­ zylinder;

Fig. 2 den Schaltkreisaufbau einer Steuervorrich­ tung für ein elektroviskoses Fluid;

Fig. 3 ein Zeitdiagramm zur Erläuterung der Ar­ beitsweise des Schaltkreises in der Steuervorrichtung für das elektroviskose Fluid;

Fig. 4 ein Zeitdiagramm, welches die Strommenge in dem herkömmlichen Fall zeigt, in welchem ein hinsichtlich der Polari­ tät wechselndes Rechteckwellenformimpulssignal dem elektro­ viskosen Fluid auferlegt wird;

Fig. 5 ein Zeitdiagramm, welches die Strommenge in dem Fall zeigt, in welchem ein hinsichtlich der Polari­ tät wechselndes trapezförmiges Wellenformimpulssignal dem elektroviskosen Fluid auferlegt wird;

Fig. 6 eine graphische Darstellung zur Veran­ schaulichung der Beziehung zwischen einer angelegten Span­ nung und einer Geschwindigkeit eines Stellgliedes;

Fig. 7 ein Zeitdiagramm zur Darstellung von Vi­ brationen, wenn ein Stellglied betätigt wird;

Fig. 8 eine graphische Darstellung zur Veran­ schaulichung einer Beziehung zwischen einer angelegten Spannung und einer erzeugten Scherkraft;

Fig. 9 eine graphische Darstellung zur Veran­ schaulichung einer Beziehung zwischen einer angelegten Spannung und einer Stromdichte;

Fig. 10 ein Zeitdiagramm zur Veranschaulichung von Vibrationen, wenn der Antriebszylinder mit einem herkömmlichen sinus­ förmigen Wellenformsignal betätigt wird; und

Fig. 11 eine graphische Darstellung zur Veran­ schaulichung einer Beziehung zwischen einer Änderungsrate und sowohl Scherkraft als auch Stromdichte.

Nachfolgend wird eine Ausführungsform einer Geschwin­ digkeitssteuervorrichtung für einen Antriebszylinder be­ schrieben, der mittels eines elektroviskosen Fluides betä­ tigt wird; die Beschreibung erfolgt anhand eines bevorzug­ ten Ausführungsbeispiels, die vorliegende Erfindung ist je­ doch nicht hierauf beschränkt.

Fig. 1 zeigt im Querschnitt einen Antriebszylinder 7 und einen Bremszylinder 17 welche mittels eines elektrovis­ kosen Fluides betätigt werden. Vier hohle Leitungen, näm­ lich eine Zylinderleitung 10, eine Luftleitung 11, eine Öl­ leitung 3 und eine Hauptölleitung 1 sind an ihren Enden je­ weils mit einem Endblock 8 gehalten.

Der Antriebszylinder 7 und der Bremszylinder 17, welche in der beschriebenen Ausführungsform verwendet werden, sind pleuellose Zylinder, d. h. sie weisen jeweils kein Pleuel auf. Ein Kolben, der gleitbeweglich in der Zylinderleitung 10 verläuft, ist durch Verbindung einer Mehrzahl von kol­ benseitigen Magneten 5a, 5b miteinander durch einen Bolzen 14 gebildet. Gleiter 4a, 4b, welche aus einer Mehrzahl von gleiterseitigen Magneten 6a, 6b gebildet sind, sind an den äußeren Umfängen der Zylinderleitungen 10 und der Hauptöl­ leitung 1 an Stellen angebracht, welche den kolbenseitigen Magneten 5a, 5b entsprechen. Bei diesem Aufbau ist der Gleiter 4a am Außenumfang des Antriebszylinders 7 durch ein Verbindungsteil 9 mit dem Gleiter 4b gekoppelt, der am Au­ ßenumfang des Gleiters 4b angeordnet ist, so daß diese bei­ den Gleiter praktisch als einstückig zu betrachten sind.

Eine auf der rechten Seite liegende Kammer des An­ triebszylinders 7 steht mit einem Lufteinlaß 14 in Verbin­ dung, wohingegen eine auf der linken Seite liegende Kammer des Antriebszylinders 7 mit einem Lufteinlaß 14 über einen Durchlaß 16 in Verbindung steht, der im Inneren des End­ blockes 8 und der Luftleitung 11 ausgebildet ist.

Eine auf der rechten Seite liegende Ölkammer des Brems­ zylinders 17 steht mit einem oberen Bereich einer Geschwin­ digkeitssteuervorrichtung 18 in Verbindung, welche im Inne­ ren des Endblockes 8 angeordnet ist, wohingegen eine auf der linken Seite liegende Kammer des Bremszylinders 17 mit einem unteren Bereich der Geschwindigkeitssteuervorrichtung 18 über einen anderen Durchlaß 15 in Verbindung steht, der im Inneren des Endblockes 8 und der Ölleitung 3 ausgebildet ist.

Die Geschwindigkeitssteuervorrichtung 18 ist durch eine rohrförmige Außenelektrode 13 und eine säulenförmige Innen­ elektrode 12 gebildet, welche koaxial innerhalb der Außen­ elektrode 13 angeordnet ist. Zur Anlegung einer elektri­ schen Spannung sind Leitungen 19 an der Außenelektrode 13 und der Innenelektrode 12 angeschlossen. Die Innenräume des Bremszylinders 17, der Ölleitung 3 und der Geschwindig­ keitssteuervorrichtung 18 sind mit einem elektroviskosen Fluid 2 gefüllt. In der dargestellten Ausführungsform ist das elektroviskose Fluid 2 ein Fluid, in welchem sich in einer dispergierten Phase befindliche Partikel aus Silika, Zellulose, unterschiedlichen Ionenaustauscherharzen und dergleichen in Silikonöl dispergiert und aufgeschlämmt sind.

Nachfolgend wird nun der Aufbau einer Steuervorrichtung zur Steuerung der Geschwindigkeitssteuervorrichtung 18 un­ ter Bezug auf Fig. 2 näher erläutert. Fig. 2 ist ein Block­ schaltbild dieses Steuerschaltkreises zum Anlegen einer elektrischen Spannung an die Außenelektrode 13 und die In­ nenelektrode 12.

Die Steuervorrichtung weist einen Oszillator 21 auf, der aus einem astabilen Multivibrator etc. aufgebaut ist. Mit dem Oszillator 21 ist ein D-Flip Flop 22 verbunden und zwei UND-Gatter 23 sind mit dem D-Flip Flop 22 verbun­ den. Puffer 24a und 24b mit offenem Kollektor sind mit den beiden UND-Gattern 23a und 23b verbunden und die Ausgänge der Puffer 24a und 24b sind mit einem komplementären Emit­ terfolgerschaltkreis 26 verbunden, wobei weiterhin ein kleiner Transformator 27 mit dem komplementären Emitterfol­ gerschaltkreis 26 verbunden ist. Ein Steuersignal S3 von einem zentralen Steuerschaltkreis (nicht dargestellt) wird den beiden UND-Gattern 23a und 23b eingegeben.

Nachfolgend wird der Betrieb der Steuervorrichtung mit dem obigen Aufbau unter Bezug auf das Zeitdiagramm von Fig. 3 näher erläutert.

Der Oszillator 21 erzeugt ein in seiner Polarität wech­ selndes Rechteckwellenimpulssignal S1 mit einer Frequenz, die zweimal so hoch ist wie eine bestimmte Ausgangsfre­ quenz. Das D-Flip Flop 22 empfängt das rechteckförmige Im­ pulssignal S1 vom Oszillator 21 und wandelt es in ein Impulssignal S2 mit niedrigen und hohen Pegelbreiten um, welche durch ein Tastverhältnis von 1 : 1 definiert sind. Das Teilen der Frequenz des rechteckförmigen Impulssignales S1 um die Hälfte ist der Grund, warum eine Überlagerung einer Gleichstromkomponente in einer Ausgangswellenform durch Aufrechterhalten eines Taktverhältnis des Impulssignales S2 genau auf 50% vermieden werden kann. Im Ergebnis ist es möglich, eine magnetische Sättigung in einem Eisenkern des Transformators zu verhindern. Weiterhin ist es notwendig, daß die Frequenz des Impulssignales S2 mehr als 1 Hz be­ trägt. Der Grund hierfür ist, daß Partikel im elektrovisko­ sen Fluid 2 an einem Elektrodenabschnitt abgeschieden wer­ den können, falls die Frequenz des Impulssignales S2 unter 1 Hz liegt, was den Betrieb der Geschwindigkeitssteuer­ vorrichtung beeinträchtigen würde.

Die UND-Gatter 23a und 23b empfangen das Steuersignal S3, wenn eine Spannungszufuhr zu dem Bremszylinder 17 not­ wendig ist, um den Antriebszylinder 7 mit einer bestimmten Geschwindigkeit zu betätigen. Wenn das Steuersignal S3 auf logisch niedrigem Pegel ist, sind die Ausgänge der UND-Gat­ ter 23a und 23b ebenfalls logisch niedrig, und die Puffer 24a und 24b sind abgeschaltet.

Zwei Kondensatoren C1 und C2 werden über Widerstände R1, R2, R3 und R4 von einer Spannungsversorgung mit einer Spannung Vd geladen, um elektrische Ladungen entsprechend der Spannung Vd aufzunehmen. Demzufolge werden die beiden eingangsseitigen Spannungen am komplementären Emitterfol­ gerschaltkreis 26 gleich der Spannung Vd der Spannungsversor­ gungsquelle. Somit ist eine Potentialdifferenz über einer Primärwicklung des Transformators 27 gleich 0 Volt und eine Spannung E1, welche von einer Sekundärwicklung des Transformators 27 dem elektroviskosen Fluid 2 zugeführt wird ist ebenfalls 0 Volt. Im Ergebnis hält das elektro­ viskose Fluid 2 seine Fluidität, ohne daß eine Bremskraft erzeugt wird.

Wenn das Steuersignal S3 auf logisch hohem Pegel gehal­ ten wird, gibt das UND-Gatter 23a ein Signal aus, in wel­ chem eine Rechteckwelle durch das D-Flip Flop 22 frequenz­ geteilt ist, wohingegen das UND-Gatter 23b ein Signal aus­ gibt, welches gegenüber dem Ausgang des UND-Gatters 23a um eine halbe Phase verschoben ist.

Wenn der Ausgang vom UND-Gatter 23a auf logisch hohem Pegel ist, wird ein Ausgang des Puffers 24a logisch nied­ rigpegelig, woraufhin der Kondensator C1 damit beginnt, sich über den Widerstand R2 zu entladen. Eine Wellenform in diesem Zustand wird durch eine Zeitfunktion von Vd · (1 - ea) definiert, wobei a = t/(C1 · R2). Diese Entladespannung vom Kondensator C1 wird einem gemeinsamen Anschluß S4 von Transistoren Q1 und Q2 des komplementären Emitterfolger­ schaltkreises 26, wobei die Wellenform im we­ sentlichen wie sie ist erhalten bleibt, sowie der Primär­ wicklung des Transformators 27 eingegeben.

Wenn der Ausgang vom UND-Gatter 23a auf logisch niedri­ gen Pegel zurückkehrt, wird zunächst der Kondensator C1 über die Widerstände R1 und R2 wieder geladen. Eine Span­ nungswellenform in diesem Zustand ist definiert durch Vd · e^b, wobei b = {C1 · (R1 + R2)}. Im Falle, daß eine Schalt­ kreiskonstante auf R2 » R1 gesetzt ist, ist es möglich, eine Asymmetrie zwischen positiven und negativen Wellen­ formabschnitten zu ignorieren.

Die Schaltkreiselemente auf der Seite des UND-Gatters 23b arbeiten ähnlich wie die Schaltkreiselemente auf der Seite des UND-Gatters 23a. In diesem Fall wird ein Ausgang von dem Puffer 24b auf der Seite des UND-Gatters 23b lo­ gisch niedrigpegelig, wenn der Ausgang am UND-Gatter 23a auf logisch niedrigem Pegel gehalten wird. Demzufolge wer­ den Ausgangs Spannungen S4 und S5 des komplementären Emit­ terfolgerschaltkreises 26 den beiden Anschlüssen der Pri­ märwicklung des Transformators 27 mit den in Fig. 3 darge­ stellten Wellenformen zugeführt. Eine Wellenform einer syn­ thetischen Spannung S6 an der Primärwicklung wird nahezu trapezförmig. In diesem Fall wird eine Änderungsgeschwin­ digkeit einer Spannung zwischen positiven und negativen Werten nach und nach geändert, d. h., eine Änderungsrate kann durch geeignete Auswahl der Kondensatoren C1 und C2 und der Widerstände R1 bis R4 im Schaltkreis geeignet ein­ bestellt werden. An der Sekundärwicklung des Transformators 27 wird die Spannung S6 angehoben und erscheint als Trei­ berspannung E1 für das elektroviskose Fluid 2, wie in Fig. 3 gezeigt.

Eine Änderung der an das elektroviskose Fluid 2 ange­ legten Spannung wird durch Ändern der Treiberspannung Vd mittels der zentralen Steuervorrichtung und einer variablen Treiberspannungserzeugungsvorrichtung (nicht dargestellt) durchgeführt.

Nachfolgend wird der Betrieb der Geschwindigkeitssteu­ ervorrichtung für den Antriebszylinder mit dem obigen Auf­ bau näher erläutert. Wenn Antriebsluft in die auf der rech­ ten Seite liegende Luftkammer des Antriebszylinders 7 ein­ strömt, bewegt sich der Kolben in der Zylinderleitung 10 in der Figur nach links. Wenn sich der kolbenseitige Magnet 5a, der den Kolben bildet, bewegt, bewegt sich der gleiter­ seitige Magnet 6a, der durch eine Magnetkraft an den kol­ benseitigen Magnet 5a angezogen wird zusammen mit dem kol­ benseitigen Magneten 5a und der Gleiter 4a bewegt sich in der Figur ebenfalls nach links. Hierbei wirkt der Gleiter 4b, der am äußeren Umfang des Bremszylinders 17 angeordnet ist einstückig mit dem Gleiter 4a zusammen, da er über das Verbindungsteil 9 als einstückig mit dem Gleiter 4a zu be­ trachten ist.

Wenn sich der Gleiter 4b in der Figur nach links be­ wegt und sich der gleiterseitige Magnet 6b bewegt, bewegt sich der kolbenseitige Magnet 5b, der durch eine Magnet­ kraft an den gleiterseitigen Magneten 6b angezogen wird zu­ sammen mit dem gleiterseitigen Magneten 6b und der Kolben bewegt sich innerhalb der Hauptölleitung 1 in der Figur nach links.

Wenn sich der Kolben innerhalb der Hauptölleitung 1 bewegt, wird das elektroviskose Fluid 2 durch den Kolben nach links geschoben, wobei gleichzeitig ein Druckabfall auf der rechten Seite des Kolbens erfolgt. Somit bewegt sich das elektroviskose Fluid 2 in der Figur entgegen den Uhr­ zeigersinn. Hierbei strömt das elektroviskose Fluid 2 durch einen Spalt zwischen der Außenelektrode 13 und der Innen­ elektrode 12 in der Geschwindigkeitssteuervorrichtung 18.

Hierbei wird die Viskosität des elektroviskosen Flui­ des 2 aufgrund eines elektrischen Feldes hoch, welches durch eine elektrische Spannung erzeugt wird, welche an den Außen- und Innenelektroden 13 und 12 angelegt wird. Wenn die zwischen den Außenelektroden und Innenelektroden 13 und 12 angelegte Spannung hoch wird, sinkt eine Bewegungsge­ schwindigkeit des Gleiters 4a des Antriebszylinders 7 ab.

Nachfolgend wird die Beziehung zwischen dem Gleiter 4a des Antriebszylinders 7 und einer angelegten Spannung näher erläutert. Fig. 8 zeigt die Beziehung zwischen einer ange­ legten Spannung (Effektivwert) als Antriebsspannung für das elektroviskose Fluid 2 und einer Scherkraft, welche in dem elektroviskosen Fluid erzeugt wird. Mit dem Bezugszeichen 41 sind Daten bezeichnet für den Fall, daß eine abwechselnde Rechteckwellenform von 60 Hz verwendet wird und das Bezugs­ zeichen 42 bezeichnet Daten für den Fall, daß eine abwech­ selnde nahezu trapezförmige Wellenformspannung von 60 Hz als angelegte Spannung verwendet wird. In diesem Fall ist das Umschaltverhältnis der angelegten Spannung von positiv zu negativ oder umgekehrt bei der Rechteckwellenform 180 V/mm/µsec, wohingegen ein Umschaltverhältnis der angelegten Spannung von positiv nach negativ oder umgekehrt der nahezu trapezförmigen Wellenform 5 V/mm/µsec beträgt.

Wie in Fig. 8 dargestellt, ist die im elektroviskosen Fluid 2 induzierte Scherkraft im wesentlichen gleich sowohl bei der Rechteckwellenform 41 als auch der nahezu trapez­ förmigen Wellenform 42. Somit ist auch eine Bewegungsge­ schwindigkeit des Antriebszylinders 7, der von dem elektro­ viskosen Fluid 2 betätigt wird, sowohl im Falle der Recht­ eckwellenformspannung 40 als auch der nahezu trapezförmigen Wellenformspannung 39 im wesentlichen gleich, wie in Fig. 6 gezeigt.

Fig. 9 zeigt die Beziehung zwischen einer angelegten Spannung (Effektivwert), welche als Treiberspannung oder Antriebsspannung für das elektroviskose Fluid 2 verwendet wird und einer stromdichte (Effektivwert). Mit dem Bezugs­ zeichen 43 sind Daten für den Fall bezeichnet, in welchem eine Rechteckwellenformspannung von 60 Hz als angelegte Spannung verwendet wird und das Bezugszeichen 44 veran­ schaulicht Daten für den Fall, in dem eine nahezu trapez­ förmige Wellenformspannung von 60 Hz als angelegte Spannung verwendet wird. Wie sich aus den in Fig. 9 dargestellten Daten ergibt, nimmt die Strommenge für die nahezu trapez­ förmige Wellenformspannung 44 im Vergleich zu der Rechteck­ wellenform 43 um einen Betrag ab, der in Fig. 9 durch einen Pfeil EA dargestellt ist.

Bei der Geschwindigkeitssteuervorrichtung für den An­ triebszylinder, der von dem elektroviskosen Fluid 2 betä­ tigt wird, nimmt im Vergleich zu der Rechteckwellenform 37 der Strom bei der nahezu trapezförmigen Wellenform 38 stark ab, wie durch die Daten in Fig. 6 veranschaulicht. Dies ist der Grund dafür, warum der Stromstoß Tmb, wenn eine indu­ zierte Scherkraft in dem elektroviskosen Fluid erzeugt wird, um ungefähr ein Drittel gegenüber dem Fall verringert werden kann, in dem die Rechteckwellenform verwendet wird. Dies ist in Fig. 5 veranschaulicht. Da der Stromstoß ab­ nimmt, kann auch der Transformator kleiner sein, was zu ei­ nem Kostenvorteil führt.

Bei der beschriebenen Ausführungsform speichert die zentrale Steuervorrichtung als Datentabelle die Daten 39 im Falle der Verwendung eines alternierenden annähernd wech­ selförmigen Wellenformsignales von 60 Hz als angelegte Spannung und gibt Geschwindigkeitsinstruktionen an die Ge­ schwindigkeitssteuervorrichtung für das elektroviskose Fluid 2 in Form der angelegten Spannung. Hierdurch wird ein nahezu trapezförmiges Wellenformimpulssignal mit positiven und negativen Spannungen und einem konstanten Absolutwert stets an die Außenelektrode 13 und die Innenelektrode 12 über die Leitungen 19 angelegt.

Wenn das nahezu trapezförmige Wellenformimpulssignal mit positiven und negativen Spannungen mit konstanten Abso­ lutwerten stets an die Elektroden angelegt wird, wird eine auf das elektroviskose Fluid 2 aufgebrachte Bremskraft stets ebenfalls auf konstantem Wert gehalten. In Fig. 7 sei angenommen, daß die X-Achse die Zeitachse und die Y-Achse als Versetzung x gegeben ist, wobei V noch eine Geschwin­ digkeit und A eine Beschleunigung des Antriebszylinders darstellen; es werden keine Vibrationen B des Gleiters in­ duziert, wie dies in Fig. 10 der Fall war und wie durch die Beschleunigung A veranschaulicht. Die Steuervorrichtung für das elektroviskose Fluid gemäß der vorliegenden Erfindung kann somit als Steuervorrichtung für einen Antriebszylinder verwendet werden, der einen präzisen Bewegungsweg nötig macht.

Nachfolgend wird der Fall beschrieben, in welchem ein Absolutwert des trapezförmigen Impulssignales mit positiven und negativen Spannungen schwankt. Selbst wenn der Absolut­ wert des trapezförmigen Impulssignales schwankt werden - wie experimentell bestätigt worden ist - keine Rüttelvibra­ tionen auf dem Antriebszylinder aufgebracht, wenn der Abso­ lutwert im Bereich von 90 bis 100% gehalten werden kann.

Bei der Geschwindigkeitssteuervorrichtung für den An­ triebszylinder wird das trapezförmige oder annähernd tra­ pezförmige Impulssignal mit positiven und negativen Span­ nungen mit weitestgehend konstanten Absolutwerten ungeach­ tet der Polaritätsänderung stets an die Elektroden ange­ legt, wenn die Steuervorrichtung die Geschwindigkeit des Antriebszylinders steuert. Demzufolge ergeben sich keine Schwankungen in der Viskosität des elektroviskosen Fluides 2. Somit wird eine Bremskraft, welche auf den Gleiter auf­ gebracht wird stets konstant gehalten, so daß Rüttelvibra­ tionen des Gleiters vermieden werden.

Die Stromstoßhöhe kann stark verringert werden, da die elektrische Spannung sich nach und nach von der positiven zur negativen Seite oder umgekehrt ändert. Es ist daher möglich, Zerstörungserscheinungen im elektroviskosen Fluid 2 zu verhindern und die Geschwindigkeit des Antriebszylin­ ders stabil zu steuern. Der Transformator kann auch kleiner gemacht werden, was von den Kosten her vorteilhaft ist.

Bei der Geschwindigkeitssteuervorrichtung für den An­ triebszylinder wird die Geschwindigkeit des Antriebszylin­ ders durch unaufhörliches Anlegen des alternierenden tra­ pezförmigen Impulssignales mit positiven und negativen Spannungen mit einem konstanten Absolutwert an die Elektro­ den geändert und weiterhin durch Ändern des Absolutwertes des rechteckförmigen Impulssignales. Somit ist es möglich, die Geschwindigkeit des Antriebszylinders ohne Rüttelvibra­ tionen auf den Gleiter leicht und genau zu steuern.

Es ist wünschenswert oder bevorzugt, daß die Impuls­ wellenform eine ideale trapezförmige Wellenform ist, wenn das Umschalten zwischen der positiven und der negativen Spannung allmählich durchgeführt wird, d. h. wenn die Um­ schaltrate verringert wird. Dies macht jedoch die Steuer­ vorrichtung kompliziert, wenn eine genaue trapezförmige Wellenform realisiert werden soll. Das Ergebnis sind höhere Kosten. Somit wird bei der beschriebenen Ausführungsform der Stromstoß mit geringen Kosten dadurch gering gemacht, daß eine annähernd trapezförmige Wellenform als Steuerim­ pulswellenform verwendet wird und der Stromverbrauch wird hierdurch ebenfalls verringert.

Es hat sich unter experimentellen Bedingungen heraus­ gestellt bzw. bestätigt, daß der Stromverbrauch um mehr als 20% gegenüber einer Rechteckwellenform verringert werden kann, wenn die Umschaltrate kleiner als 15 V/mm/µsec ge­ macht wird, wie durch die Datenlinie 46 in Fig. 11 gezeigt. Bei einer Sinuswellenform (Umschaltrate 2,2 V/mm/µsec) wer­ den Rüttelvibrationen auf den Antriebszylinder aufgebracht, da sich die Viskosität des elektroviskosen Fluides ändert. Es ist notwendig, die Scherkraft auf 5% oder darunter zu beschränken, um das Einbringen der Vibrationen zu verhin­ dern. Wie durch die Datenlinie 45 in Fig. 11 gezeigt, ist es möglich, ein Absinken der Scherkraft auf weniger als 5% zu beschränken, wenn die Umschaltrate größer als 3 V/mm/µsec ist. Demzufolge ist es wünschenswert, die Umschaltrate in einem Bereich von 3 bis 15 V/mm/µsec zu halten.

Obgleich in der beschriebenen Ausführungsform die Zeitrate bzw. das Tastverhältnis zwischen positiven und negativen Impulswellenfor­ men der angelegten Spannung bei 5 : 5 liegt, kann dies - wenn notwendig - geändert werden. Es hat sich experimentell bestätigt bzw. herausgestellt, daß es notwendig ist, das Tastverhältnis zwischen positiven und negativen Impulswellenfor­ men der angelegten Spannung in einem Bereich von 8 : 2 bis 2 : 8 zu halten. Ansonsten scheiden sich Partikel in dem elektroviskosen Fluid an Elektrodenbereichen ab und ver­ schlechtern die Steuerleistung.

Claims (4)

1. Vorrichtung zum Steuern eines elektroviskosen Fluids (2) mit einem Paar von Elektroden (12, 13), zwischen denen elektroviskoses Fluid (2) angeordnet ist, und mit einer Steuervorrichtung (21, 22, 23, 24, 25, 26, 27) zum Erzeugen impulsförmiger negativer und positiver Spannungen (E1), die an die Elektroden (12, 13) ange­ legt werden können, um die Viskosität des elektrovis­ kosen Fluids (2) zu steuern, wobei die Steuervorrich­ tung beim Umschalten zwischen der positiven und der negativen Spannung und umgekehrt den Spannungswert allmählich ändert und diese Änderung eine nahezu tra­ pezförmige Impulssignalwellenform (II) hat.

2. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, wobei die Änderungs­ rate des Spannungswertes auf einen Bereich von 3 bis 15 V/mm/µsec gesetzt ist.

3. Vorrichtung nach Patentanspruch 1 oder 2, wobei die Frequenz der positiven Spannung mehr als 1 Hz beträgt.

4. Vorrichtung nach Patentanspruch 1 oder 2, wobei das Tastverhältnis zwischen der positiven und negativen Spannung in einem Bereich von 8 : 2 bis 2 : 8 gehalten ist.