NL1025523C2 - Mechatronisch regelsysteem. - Google Patents

Description

Titel: Mechatronisch regelsysteem

De uitvinding heeft betrekking op een mechatronisch regelsysteem, omvattende een actuator met twee door middel van een mechanische aandrijving langs een verstelweg ten opzichte van elkaar verstelbaar opgestelde actuatordelen en een met de aandrijving gekoppelde 5 elektronische besturing, voorzien van een positiedetector voor het in tenminste één positie langs de verstelweg detecteren van de relatieve stand van de actuatordelen.

Een dergelijk mechatronisch regelsysteem is algemeen bekend en kan bijvoorbeeld worden toegepast voor het regelen van de stand van een 10 met de actuator gekoppelde binnen- of buitenspiegel voor een voertuig, voor het regelen van de stand van hoofdsteunen, koplampen of kleppen.

De aandrijving is daarbij veelal elektrisch uitgevoerd, bijvoorbeeld door middel van een elektromotor of elektromagneet, maar kan ook hydraulisch of pneumatisch zijn uitgevoerd. Dè positiedetector is 15 gebruikelijkerwijs elektromechanisch uitgevoerd, bijvoorbeeld als een eindschakelaar of potentiometer, maar kan bijvoorbeeld ook opto-mechanisch zijn uitgevoerd, bijvoorbeeld als een fotocel of encoder.

Afhankelijk van de toepassing van het mechatronisch regelsysteem, wordt een bepaald type aandrijving en een bepaald type 20 positiedetector gekozen. Voor toepassingen in de automobielindustrie, waarbij het regelsysteem dikwijls in massa tegen lage kostprijs moet kunnen worden gefabriceerd en waarbij het regelsysteem tijdens gebruik wordt blootgesteld aan trillingen, schokken en temperatuursveranderingen, bestaat behoefte aan een mechatronisch regelsysteem met een 25 positiedetector van een alternatief type.

De uitvinding beoogt een mechatronisch regelsysteem van de in de aanhef genoemde soort, waarbij de positiedetector op alternatieve wijze is uitgevoerd. Daartoe is het mechatronisch regelsysteem volgens de 1025523

I 2 I

I uitvinding gekenmerkt doordat de positiedetector een met een elektrische I

I veldbron samenwerkende halfgeleider omvat, waarbij de elektrische I

I veldbron is aangebracht op het ene actuatordeel en de halfgeleider is I

I aangebracht op het andere actuatordeel, zodanig dat een flux van een door I

I 5 de elektrische veldbron veroorzaakt elektrisch veld in de tenminste ene I

I positie langs de verstelweg indringt in de halfgeleider. I

I Tijdens het verstellen van de actuator kan dan door beïnvloeding I

I van de elektrische geleidbaarheid van de halfgeleider met de flux van het I

I elektrische veld dat wordt veroorzaakt door de elektrische veldbron, met de I

I 10 halfgeleider een positiesignaal worden gegenereerd. Het positiesignaal kan I

I daarbij door de besturing binair worden vergeleken met een vooraf I

I bepaalde, vaste waarde, bijvoorbeeld voor het realiseren van een I

I eindschakelaar. Het positiesignaal kan door de besturing echter ook worden I

I vergeleken met een instelbare vooraf bepaalde waarde, bijvoorbeeld voor het I

I 15 realiseren van een geheugenfunctie. Voorts kan de besturing op grond van I

I de sterkte van het positiesignaal, niet alleen de aandrijving aan· of I

I uitschakelen, maar ook de bekrachtiging van de aandrijving regelen in I

I afhankelijkheid van de sterkte van het positiesignaal. I

I Bij voorkeur omvat de elektrische veldbron een elektreet, namelijk I

I 20 een diëlectrum dat permanent is gepolariseerd of van een netto elektrische I

I lading is voorzien, zodat de elektreet een statisch elektrisch veld I

I veroorzaakt. Ook andere elektrische veldbronnen zijn toepasbaar, zoals I

I bijvoorbeeld een op elektrische spanning te brengen condensator of I

I elektrode, of een ander geleidend oppervlak. Echter, door de elektrische I

I 25 veldbron uit te voeren als een elektreet, wordt bereikt dat een compacte I

I veldbron wordt verkregen die bovendien geen elektrische bedrading behoeft, I

I aangezien de halfwaardetijd van de polarisatie of de netto elektrische lading I

I een significant aantal jaren bedraagt, bijvoorbeeld 10 jaar. De elektreet I

I functioneert daarmee gedurende de gehele levensduur van de actuator of I

I 30 een aanzienlijk deel van die levensduur, zonder dat de elektreet opnieuw I

I 10*1052 3 3 moet worden gepolariseerd of van een netto lading moet worden voorzien. Door het uitsparen van elektrische bedrading wordt een reductie in complexiteit van het actuatorontwerp en in assemblagekosten bereikt. Bovendien kan de elektreet worden uitgevoerd met een relatief hoge 5 spanning, zodat een relatief nauwkeurige detectie kan worden verkregen.

Bij voorkeur is de halfgeleider uitgevoerd als een transistor van het MOSFET-type. Hierbij is een geleidingskanaal gevormd tussen twee specifiek gedoteerde gebieden, namelijk een source en een drain, in een substraat met halfgeleidende eigenschappen. Door de elektrische veldbron 10 in de nabijheid van het geleidingskanaal te brengen, wordt het aantal beschikbare vrije ladingdragers in het kanaal lokaal beïnvloed, aangezien de vrije ladingsdragers ten gevolge van het aangebrachte elektrische veld ofwel naar het oppervlak van de transistor stromen, ofwel wegvloeien het substraat in, afhankelijk van het soort vrije ladingsdragers en de richting 15 van het veroorzaakte elektrische veld. Hierdoor veranderen de geleidingseigenschappen van het geleidingskanaal in het silicium. Door een geleidingskarakteristiek van de transistor te meten is op elegante wijze een relatie gelegd met de aanwezigheid van het elektrische veld, en daarmee met de positie van de elektrische veldbron ten opzichte van de halfgeleider. 20 Door de actuatordelen te verstellen in een richting die in hoofdzaak dwars staat op de richting van de in de halfgeleider indringende flux, is de hoeveelheid flux van het elektrische veld dat indringt in de halfgeleider instelbaar, zodat de mate van elektrische geleidbaarheid van de halfgeleider een maat is voor de relatieve stand van de actuatordelen. In het bijzonder 25 voor toepassing van het mechatronische systeem in een schamieractuator, zoals bijvoorbeeld een verstelmechanisme van een buitenspiegeleenheid of een koplampeneenheid, is het voordelig op deze wijze een hoekverplaatsing te detecteren. Overigens kan door de actuatordelen te verstellen in een richting die in hoofdzaak evenwijdig is aan de richting van de in de 30 halfgeleider indringende flux, een mechatronisch systeem worden 1025523

4 I

verkregen, waarmee op adequate wijze een vooraf bepaalde relatieve stand I

van de actuatordelen kan worden gedetecteerd, zoals bijvoorbeeld een I

eindstand van een buitenspiegelhuis ten opzichte van een basisplaat op de I

carrosserie van een motorvoertuig, of een eindstand van kleppen. I

5 Een elektrische veldbron en een halfgeleider kunnen paarsgewijs I

samenwerken. Het is echter ook denkbaar dat een elektrische veldbron I

samenwerkt met meerdere halfgeleiders en/of dat een halfgeleider I

samenwerkt met meerdere elektrische veldbronnen. Hierdoor is een zuiver I

kwantitatieve meting niet noodzakelijk. Een detectie van aan- of I

10 afwezigheid van een elektrische veldbron nabij een halfgeleider kan worden I

gekwantiseerd, hetgeen de meting minder gevoelig maakt. Zo is de detectie I

ook minder afhankelijk van de zogenaamde drempelspanning van een I

MOSFET, namelijk de minimale spanning die nodig is om substantiële I

geleiding in het geleidingskanaal te waarborgen, die geneigd ie in I

15 afhankelijkheid van bijvoorbeeld de temperatuur en de aanwezigheid van I

lading, vervuilende deeltjes en vocht,- te driften. In een mogelijke I

uitvoeringsvorm wordt een elektrische veldbron toegepast die langs de I

verstelweg nabij een relatief groot halfgeleidend oppervlak is gelegen I

waarin meerdere MOSFET'e zijn aangebracht, zodat een goedkope en toch I

20 nauwkeurige positiedetector is verkregen. I

Bij voorkeur is de actuator uitgevoerd als schamieractuator, zodat I

op elegante wijze de hoekstand van de actuatordelen kan worden I

gedetecteerd. Het is echter eveneens zeer goed mogelijk om het I

mechatronisch regelsysteem volgens de uitvinding uit te rusten met een I

25 lineaire actuator of een actuator van een ander type. Voorts is het mogelijk I

om de actuator uit te rusten met een meervoudig aantal actuatordelen, I

bijvoorbeeld drie, waarbij een verder actuatordeel eventueel vrij kan zijn I

van halfgeleider of elektrische veldbron. I

Het veroorzaakte elektrische veld in de halfgeleider kan op directe I

30 wijze door de elektrische veldbron worden gegenereerd, bijvoorbeeld door I

1025523 I

5 lucht of een diëlectricum, of op indirecte wijze, bijvoorbeeld door een geïsoleerde geleider tussen de halfgeleider en de elektrische veldbron aan te brengen. De grootte en vorm van het oppervlak van respectievelijk de elektrische veldbron en de halfgeleider kunnen in hoofdzaak overeenkomen 5 of verschillen. Het overlappend gebied van de veldbron en de halfgeleider is een maat voor de onderlinge positie van de twee actuatordelen.

Door een MOSFET toe te passen die is vervaardigd uit een polymeer met halfgeleidende eigenschappen, kan een relatief groot geleidend kanaal worden verkregen, waardoor de gevoeligheid van de 10 detectie toeneemt.

De uitvinding heeft eveneens betrekking op een werkwijze voor het bedienen van een actuator, waarbij actuatordelen met behulp van een aandrijving lange een verstelweg ten opzichte van elkaar worden versteld en waarbij ten behoeve van het besturen van de aandrijving, de relatieve 15 positie van de actuatordelen wordt bepaald door de in de halfgeleider indringende flux van een door een elektrische veldbron gegenereerd elektrische veld te variëren.

Verdere voordelige uitvoeringsvormen van de uitvinding zijn weergegeven in de volgconclusies.

20 De uitvinding zal nader worden toegelicht aan de hand van een uitvoeringsvoorbeeld dat in een tekening is weergegeven. In de tekening toont:

Fig. 1 een schematische weergave van een eerste uitvoeringsvorm van het mechatronische systeem overeenkomstig de uitvinding in een 25 beginstand;

Fig. 2 het mechatronische systeem van fig. 1 in een tussenstand;

Fig. 3 het mechatronische systeem van fig.1 in een eindstand; en

Fig. 4 een schematisch zijaanzicht van een elektrische veldbron en een halfgeleider overeenkomstig de uitvinding.

1025522

I 6 I

I Opgemerkt wordt dat de figuren slechts een schematische I

I weergave betreffen van een voorkeursuitvoeringsvorm van de uitvinding die I

I wordt gegeven bij wijze van niet-limitatief uitvoeringsvoorbeeld. In de I

I figuren zijn gelijke of corresponderende onderdelen met dezelfde I

I 5 verwijzingscijfers weergegeven. I

I Fig. 1 toont een mechatronisch systeem 1, omvattende een actuator I

I 2 met twee door middel van een niet weergegeven mechanische aandrijving I

I langs een verstelweg ten opzichte van elkaar verstelbaar opgestelde I

I actuatordelen 4, 5. De verstelweg strekt zich in dit uitvoeringsvoorbeeld uit I

I 10 vanuit de in fig.1 getoonde beginstand via de in Fig. 2 getoonde tussenstand I

I tot aan de Fig. 3 getoonde eindstand. I

I Het systeem 1 is voorts voorzien van een met de aandrijving I

I gekoppelde, eveneens niet weergegeven elektronische besturing. De I

I besturing is voorzien van een positiedetector 7 voor het detecteren van I

I 15 standen van de actuatordelen ten opzichte van elkaar. I

I De positiedetector 7 omvat een met eèn als elektreet 7A I

I uitgevoerde elektrische veldbron samenwerkende halfgeleider 7B. De I

I elektreet 7A is aangebracht op het ene actuatordeel 4, terwijl twee I

I halfgeleiders 7B1, 7B2 zijn aangebracht op het andere actuatordeel 5. De I

I 20 elektreet 7A omvat een commercieel verkrijgbaar gepolariseerd of van netto I

I lading voorzien diëlectricum. De halfgeleiders zijn uitgevoerd in silicium of I

I in een polymeermateriaal met halfgeleidende eigenschappen, en zijn I

I ingebed in het actuatordeel 5, dat van kunststof is. Bij voorkeur is het I

I actuatordeel samen met de halfgeleiders in één spuitgietproces vervaardigd, I

I 25 zodat fabricagekosten worden gereduceerd. De elektreet 7A veroorzaakt een I

I elektrisch veld V dat langs de verstelweg is gelegen en dat, wanneer de I

I halfgeleiders 7B1, 7B2 enerzijds en de elektreet 7A anderzijds langs de I

I verstelweg ten opzichte van elkaar worden verplaatst, in tenminste één I

I positie het oppervlak van de halfgeleiders 7B1, 7B2 althans gedeeltelijk I

I 30 overlapt. Door verstelling van de actuatordelen 4, 5 ten opzichte van elkaar, I

I 1025523' 7 kan de mate van overlap worden gewijzigd. In het bijzonder is de mate van overlap tussen de elektreet 7A en een eerste halfgeleider 7B1 een in de in figuur 1 getoonde beginstand 100%. Door verstelling van actuatordeel 4 langs de verstelweg neemt de overlap geleidelijk af tot 0%. Tegelijkertijd 5 neemt de overlap van hét veld van de elektreet 7A en het oppervlak van de halfgeleider 7B2 geleidelijk toe van 0% tot 100% via de in figuur 2 getoonde tussenstand tot de in fig. 3 getoonde eindstand. De elektreet en de halfgeleider werken daarbij contactloos samen. De actuatordelen volgen daarbij langs de verstelweg een vooraf bepaalde baan die contactloze 10 samenwerking waarborgt. Bij voorkeur zijn de elektreet en /of halfgeleider in hoofdzaak vlak uitgevoerd, zodat een groot overlappend oppervlak wordt verkregen, hetgeen de gevoeligheid en daarmee de nauwkeurigheid van het mechatronische systeem ten goede komt.

In een uitvoeringsvorm overeenkomstig de uitvinding, zoals 15 getoond in Fig. 4, is de halfgeleider uitgevoerd als een NMOS-transistor 20 van het FET-type. Een dergelijke transistor 20 is voorzien van een substraat 21, ofivel bulkmateriaal, dat een p-type gedoteerd siliciumstructuur omvat. Nabij het oppervlak van het substraat 21 zijn n+-type gedoteerde gebieden aangebracht voor het vormen van de source 22 en de drain 23. Op het 20 oppervlak van de transistor 20 is een dunne isolerende laag 24 aangebracht, bijvoorbeeld met een dikte van 10 micrometer of minder. De isolerende laag 24 omvat bijvoorbeeld silicium-oxide of een polymeer met isolerende eigenschappen. Tussen de source 22 en de drain 23 is een geleidingskanaal 25 gelegen waardoor transport van ladingsdragers, in dit geval voornamelijk 25 elektronen, plaatsvindt. Door met behulp van de elektreet 7A een flux van een elektrisch veld V aan te brengen op de plaats waar bij een standaard FET-type transistor de gate is aangebracht, waarbij de elektrische veldlijnen V door het geleidingskanaal 25 in de richting van het substraat 21 zijn gericht, ontstaat een dunne laag vrije elektronen aan het oppervlak 30 van het geleidingskanaal. Deze elektronen zijn onttrokken aan het 1025523

18 I

I substraat 20 en verhogen de elektrische geleidbaarheid van het materiaal in I

I het geleidingskanaal 25. Door deze geleidbaarheid te meten met een I

I meetsignaal, bijvoorbeeld met behulp van een stroommeting bij een I

I aangelegde spanning tussen de source 22 en de drain 23, is een relatie I

I 5 gelegd met de aanwezigheid van het elektrische veld V, die pp zijn beurt een I

I maat is voor de positie van de elektreet 7A ten opzichte van de NMOS· I

I transistor 20. De invloed van het elektrische veld V neemt, afhankelijk van I

I de sterkte van het elektrische veld nabij het oppervlak van de elektreet 7A, I

I min of meer snel af, zodat een relatief geringe wijziging in overlap van de I

I 10 actuatordelen relatief eenvoudig kan worden gedetecteerd. Ten einde een I

I nauwkeurige meting te verkrijgen hebben corresponderende vlakken van de I

I actuatordelen slechte een kleine offset ten opzichte van elkaar. I

I In een andere uitvoeringsvorm, waarbij gebruik wordt gemaakt I

I van een PMOS-transistor is de werking duaal aan die van de beschreven I

I 15 NMOS-transistor. De mate van elektrische geleiding in het I

I geleidingskanaal 25 wordt voornamelijk bepaald door het aantal vrije gaten, I

I die door het aanbrengen van een extern elektrisch veld aan een n-type I

I substraat kunnen worden ontrokken. I

I Door wijziging van de mate van overlap wordt de geleidbaarheid I

I 20 van de halfgeleiders 7B1, 7B2 beïnvloed. Wanneer het mechatronisch I

I systeem 1 met behulp van een startsignaal S wordt gestart, wordt een I

I elektromotor van de actuator 2 bekrachtigd en verstelt het actuatordeel 4 I

I via een toerentalreductiemechanisme dat is gekoppeld met de uitgaande as I

I van de elektromotor, langs de verstelweg ten opzichte van het actuatordeel I

I 25 5. De actuatordelen 4, 5 worden hierbij versteld in een richting die in I

I hoofdzaak dwars staat op de richting van de in de halfgeleiders indringende I

I flux. Bij het naderen van de eindstand wordt de mate van overlap tussen de I

I elektreet 7A en een tweede halfgeleider 7B2 groter, zodat de elektrische I

I geleidbaarheid van de tweede halfgeleider 7B2 onder invloed van de flux I

I 30 van het elektrisch veld van de elektreet 7A toeneemt. Wanneer het I

I 102ϋΰ23 I

9 meetsignaal van de geleidbaarheid in de tweede halfgeleider 7B2 dat naar de besturing wordt teruggevoerd een vooraf ingestelde, vaste waarde bereikt, wordt de stroom naar de elektromotor onderbroken. Na omkering van de polariteit van de motor, kan verstelling van de actuator in 5 omgekeerde richting plaiatsvinden.

In Fig. 1-3 is een lineaire actuator weergegeven. De actuator kan echter ook anders zijn uitgevoerd, bijvoorbeeld een actuator waarbij de actuatordelen ten opzichte van elkaar verzwenken, bijvoorbeeld voor toepassing in een scharnieractuator. In een dergelijke uitvoeringsvorm 10 omvat de verstelweg een gekromd segment. Ook hierbij kan de elektromotor van de actuator worden uitgeschakeld wanneer het meetsignaal van de elektrische geleidbaarheid van een halfgeleider een vooraf bepaalde waarde bereikt. Aldus kan de actuator 2 worden bediend op een wijze waarbij de actuatordelen 4, 5 met behulp van de aandrijving langs een verstelweg 15 worden versteld en waarbij ten behoeve van het besturen van de aandrijving de relatieve positie van de actuatordelen 4, 5 wordt bepaald door tijdens het verstellen van de actuatordelen 4, 5 ten opzichte van elkaar, de elektrische geleidbaarheid van de halfgeleider te variëren met behulp van het elektrische veld van de elektreet.

20 Het moge duidelijk zijn dat de uitvinding niet beperkt ie tot de hier weergegeven uitvoeringsvoorbeelden. Zo is het bijvoorbeeld niet noodzakelijk dat door verstelling van de actuatordelen de overlap ten opzichte van elkaar wijzigt. In een andere uitvoeringsvorm overeenkomstig de uitvinding variëren de actuatordelen in een richting die in hoofdzaak 25 evenwijdig is aan de flux van het in de halfgeleider indringende flux, zodat een vooraf bepaalde stand nauwkeurig kan worden gedetecteerd, zoals bijvoorbeeld een eindstand van een verstelweg.

De werking van de elektrische veldbron en de bijbehorende halfgeleider kan ook worden toegepast voor het vervaardigen van een 30 krachtseneor door de elektrische veldbron of de halfgeleider te bevestigen 1025523 I 10 aan een veer. Door de elektrische veldbron of de halfgeleider te bevestigen I aan een massa wordt een versnellingssensor verkregen.

Het mechatronische systeem kan ook worden uitgevoerd als een I zogenaamd micro elektromechanical system (MEMS), zodat op elegante I 5 wijze ook in zeer kleine constructies positiedetectie kan plaatsvinden.

I Vele variaties zijn mogelijk binnen het bereik van de uitvinding I zoals weergegeven in de hiernavolgende conclusies.

I | U ^ tam I

Claims (11)

1. Mechatronisch systeem, omvattende een actuator met tenminste twee door middel van een mechanische aandrijving langs een verstelweg ten opzichte van elkaar verstelbaar opgestelde actuatordelen en een met de aandrijving gekoppelde elektronische besturing, voorzien van een 5 positiedetector voor het in tenminste één positie langs de verstelweg detecteren van de relatieve stand van de actuatordelen, waarbij de positiedetector een met een elektrische veldbron samenwerkende halfgeleider omvat, en waarbij de elektrische veldbron is aangebracht op een actuatordeel en de halfgeleider is aangebracht op een ander 10 actuatordeel, zodanig dat een flux van een door de elektrische veldbron veroorzaakt elektrisch veld in de tenminste ene positie langs de verstelweg indringt in de halfgeleider.

2. Mechatronisch systeem volgens conclusie 1, waarbij de elektrische veldbron een elektreet omvat.

3. Mechatronisch systeem volgens conclusie 1 of 2, waarbij de halfgeleider een transistor van het MOSFET-type omvat.

4. Mechatronisch systeem volgens één der voorgaande conclusies, waarbij de hoeveelheid flux van het elektrische veld dat indringt in de halfgeleider instelbaar is door verstelling van de actuatordelen ten opzichte 20 van elkaar, in een richting die in hoofdzaak dwars staat op de richting van de in de halfgeleider indringende flux.

5. Mechatronisch systeem volgens één der voorgaande conclusies, waarbij tenminste een van de actuatordelen meerdere langs de verstelweg opgestelde halfgeleiders omvat.

6. Mechatronisch systeem volgens één der voorgaande conclusies, waarbij tenminste een van de actuatordelen meerdere langs de verstelweg opgestelde elektrische veldbronnen omvat. II Ü c 'c

12 I

7. Mechatronisch systeem volgens één der voorgaande conclusies, I waarbij in de halfgeleider twee elektrodes zijn aangebracht voor het meten I van de elektrische geleidbaarheid van het halfgeleidermateriaal tussen de I elektrodes. I

8. Mechatronisch systeem volgens een der voorgaande conclusies, I waarbij tenminste een der halfgeleiders in hoofdzaak plaatvormig ie. I

9. Mechatronisch systeem volgens één der voorgaande conclusies, I waarbij de halfgeleider is vervaardigd uit polymeermateriaaL I

10. Mechatronisch systeem volgens één der voorgaande conclusies, I 10 waarbij de halfgeleider met het actuatordeel is geïntegreerd tijdens een I spuitgietproces. I

11. Werkwijze voor het bedienen van een actuator, waarbij I actuatordelen met behulp van een aandrijving langs een verstelweg worden I versteld en waarbij de relatieve positie van de actuatordelen wordt bepaald I 15 door bij het ten opzichte van elkaar verstellen van de actuatordelen, de in de I halfgeleider indringende flux van een door een elektrische veldbron I veroorzaakt elektrisch veld te variëren. I 1025523 I