DE19735649A1

DE19735649A1 - Dämpfungselement

Info

Publication number: DE19735649A1
Application number: DE19735649A
Authority: DE
Inventors: Hans-Juergen Dr Gesemann; Andreas Dr Schoenecker
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1997-08-16
Filing date: 1997-08-16
Publication date: 1999-03-18
Anticipated expiration: 2017-08-17
Also published as: DE19735649C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Gebiete der Elektrotechnik/Elektronik, des Maschinenbaus und des Fahrzeugbaus und betrifft ein Dämpfungselement, wie es z. B. zur aktiven Bedämpfung von Flächen oder Trägern mit "Aufbauten" bei auftreten den Deformationen durch beispielsweise Vibrationen oder Verbiegungen oder Verbeulungen, die z. B. bei Temperaturänderungen in Systemen auftreten können, eingesetzt werden können.

In technischen Systemen der verschiedensten Größen treten immer wieder unerwünschte Deformierungen auf. Dies können Vibrationen sein, die beispielsweise bei Maschinenteilen auftreten oder Deformationen in Aufbauten durch Temperaturschwankungen, die unerwünschte Dejustierungen von optischen Achsen bewirken.

Die aktive Dämpfung durch Gegensteuerung mit verschiedenen Elementen ist deshalb eine wichtige Aufgabe der Technik. Verschiedene Elemente werden dazu eingesetzt. Das Grundprinzip ist die Feststellung der Deformation mit einem Sensor. Ausgehend von der ermittelten Deformation wird mit einem Aktor der Deformation entgegengewirkt. Das Entgegenwirken wird durch eine Steuerung geregelt.

Bekannt geworden sind als Aktoren aufgeklebte piezoelektrische Platten (Forschungsberichte der DKG, Bd. 10 (95) Heft 4, S. 213-223) und eingegossene piezoelektrische Fasern (J. of Intell. Mat. Syst. and Struct. Vol. 6 Nr. 3 pp. 338 (1995)). Bei Verwendung dieser Bulk-Materialien ist jedoch die Festigkeit sehr klein und die Bruchgefahr dementsprechend groß.

Bei PZT-Dickschichten auf Al₂O₃ ist die Festigkeit zwar besser gegeben, aber die Verbiegungen sind auch kleiner.

Im Entwicklungsstadium befindet sich die Verwendung von Piezomaterial für die passive Dämpfung (Mat. Research Lab. Penstate Univ. 16802, Sonderdruck). Die über den Piezoeffekt erzeugten Spannungsgradienten werden über einen Widerstand kurz geschalten und damit wird die Deformation in Wärme umgewandelt. Dieses Prinzip ist jedoch im Wirkungsgrad umstritten und wird für die vorliegende Erfindung nicht angewandt.

Die Nachteile der nach dem Stand der Technik eingesetzten Elemente für die aktive Bedämpfung sind die geringe mechanische Stabilität und die zu geringe Steifigkeit. Werden diese Elemente dicker hergestellt und eingesetzt, so wird die Ansteuerspannung für diese Elemente sehr groß.

Geht man zu monolithischen Elementen über, so werden diese Elemente zu teuer.

Nur PZT-Dickschichten würden die notwendige Festigkeit und Steifigkeit besitzen, jedoch ist bei ihnen die Durchbiegung zu klein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, preiswerte Dämpfungselemente in variablen Größen und Leistungen für eine aktive Bedämpfung von sich deformierenden Bauteilen anzugeben, die auch große Kräfte aufbringen können.

Die Aufgabe wird durch ein Dämpfungselement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch die Verwendung eines Aktors mit den Merkmalen des Anspruchs 20 gelöst. Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die erfindungsgemäße Lösung beruht auf der gefundenen Erkenntnis, daß Stapelaktoren mit geringer Stapelhöhe hintereinander aufgebracht, sozusagen "in Reihe geschalten", das zu dämpfende Element stark verbiegen, entgegen der Deformation. Die relativ geringe Verbiegung des Einzelelementes wird durch die Hintereinanderaufreihung summiert und führt damit zu einer ausreichenden Verbiegung.

Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Einzelelemente ohne weiteres nach der bekannten Technologie zur Herstellung von MLC-Kondensatoren hergestellt werden können. Dieses Verfahren ist in der Technik eingeführt und Stapelaktoren können damit in großer Stückzahl, zu einem geringen Preis und entsprechend ihren Abmessungen und Stapelanzahl in variablen Leistungen produziert werden. Die Abmessungen sind standardisiert und es ist dadurch möglich ein breites Sortiment herzustellen.

Anstelle des Kondensatormaterials wird lediglich ein piezoelektrisches oder elektrostriktives Material verwendet. Dies bringt bei der bekannten Technologie keine Probleme.

Als Werkstoffe eignen sich besonders PZT-Materialien einschließlich modifizierter Abkömmlinge und auch Relaxorferroelektrika (Bleiperowskite).

Für den Fall, daß die Einzelelemente aus einem elektrostriktiven Material bestehen, so ist es vorteilhaft, ein Material mit einer möglichst hohen Elektrostriktion Q zu wählen. Bei einem solchen Fall tritt unabhängig von der Richtung des Feldes (± E) senkrecht zu den Schichten der Stapelaktoren eine Dehnung und parallel zu den Schichten eine Kontraktion auf.

Für den Fall, daß die Einzelelemente aus einem gepolten piezoelektrischen Material bestehen, gelten folgende Fälle. Beim Anlegen einer Spannung entgegen der Polungsrichtung (-E) erfolgt eine Kontraktion jeweils senkrecht zu den Schichten des Einzelelementes und in Richtung der Schichten eine Dehnung. Die Spannung (-E) darf jedoch nicht zu groß sein, da sonst eine Umpolung erfolgt.

Beim Anlegen einer Spannung in Richtung der Polung (+E) sind die Verhältnisse umgekehrt. Hier braucht auch keine Umpolung befürchtet werden. Senkrecht zu den Schichten der Einzelelemente gilt die piezoelektrische d₃₃-Konstante (S₃-Wert), in Richtung der Schichten gilt die piezoelektrische d₃₁-Konstante (S₁-Wert für Großsignal).

Entsprechend dem angestrebten Effekt können die Einzelelemente des Dämpfungselementes auf das zu dämpfende Element aufgebracht werden. Durch das Aufbringen werden die durch die Deformation erzeugten Kräfte auf das Dämpfungselement übertragen.

Vorteilhafterweise kann das Aufbringen durch Aufkleben erfolgen.

Das Aufbringen der Einzelelemente kann hinsichtlich der Richtung ihrer Schichten unterschiedlich durchgeführt werden. Werden die Einzelelemente senkrecht zum zu dämpfenden Element aufgebracht, so wirkt die S₃-Dehnung, die besonders groß ist, und verbiegt das zu dämpfende Element konvex.

Werden die Einzelelemente so aufgebracht, daß ihre Schichten parallel zum zu dämpfenden Element liegen, so wirkt die S₁-Kontraktion, die kleiner ist, und verbiegt das zu dämpfende Element konkav.

In vielen Anwendungsfällen sind zwei Einzelelemente nicht ausreichend, sondern es müssen mehrere angeordnet werden.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, daß bei einer Dehnung des Dämpfungselementes die Abstände zwischen den Einzelelementen und auch die nicht feste Verbindung der Einzelelemente untereinander kleine Dehnungslücken bilden. Diese Dehnungslücken, die sich bei der Rückführung des Dämpfungselementes in die Ausgangslage wieder zurückbilden, bilden für das gesamte Bauteil eine "Sollbruchstelle". Dadurch wird das Einzelelement bei der Dehnung in Abhängigkeit von seiner Stapelhöhe in sich nur wenig oder gar nicht verbogen, wodurch kaum ein unkontrollierter Laminatbruch oder eine unkontrollierte Rißbildung auftritt. Das Einzelelement und auch das Dämpfungselement haben somit eine wesentlich höhere Lebensdauer und sind gegen Bruch nur sehr wenig anfällig. Diese Dehnungslücken oder auch die möglichen Abstände zwischen den Einzelelementen haben keinen oder nur einen vernachlässigbaren Einfluß auf die Höhe der Dehnung.

Die Erfindung soll an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.

Dabei zeigt

Fig. 1 die Anordnung mehrerer Einzelelemente auf einem zu dämpfenden Element im Ruhezustand,

Fig. 2 die Anordnung der Einzelelemente auf dem zu dämpfenden Element im Moment der Dehnung, wobei S die unerwünschte Deformation ist und A die Dehnung der Einzelelemente dagegen,

Fig. 3 eine Anordnung von Gruppen von Einzelelementen auf einem zu dämpfenden Element, das aus mehreren Schichten aufgebaut ist.

An dem zu dämpfenden Element wird nach bekannten Verfahren die Vibration festgestellt. Durch ein Lasermeßgerät werden die "Schwingungsknoten" und Schwingungsbäuche" der Vibration sichtbar gemacht. Entsprechend dem Schwingungsverlauf wird ein Konzept nach folgenden Grundsätzen erarbeitet:
- je steifer das Material, um so größer die Dämpfungselemente in ihrer Abmessung,
- je länger die "Schwingungsbäuche", um so länger das Dämpfungselement.

Anschließend werden die Dämpfungselemente auf die "Schwingungsbäuche" geklebt und angeschlossen. Nach dem Anlegen der Spannung tritt die dämpfende Wirkung der Dämpfungselemente ein.

Sensorelemente, die die Deformation anzeigen, werden als Monomorph auf die Rückseite des zu dämpfenden Elementes aufgeklebt. Für den Fall, daß das zu dämpfende Element aus Al₂O₃ besteht, können die Sensorelemente gleich auf die Rückseite in Dickschichttechnik aufgedruckt werden.

Diese Sensorelemente geben ein Signal ab, welches die Richtung der Deformation anzeigt. Durch eine Steuer- und Regelungsapparatur wird das Dämpfungselement dann so angesteuert, daß eine Gegenamplitude erzeugt wird.

In verschiedenen Fällen ist es vorteilhaft, wenn die Dämpfungselemente mehrfach übereinander angeordnet sind und mit einem Polymer vergossen werden, wie in Fig. 3 zu sehen ist.

In diesem Falle schwingt ein ca. 10 cm langer Blechstreifen an einer Maschine durch Vibration hin und her. In die Mitte des Streifens wird ein Dämpfungselement auf Al₂O₃-Basis geklebt und angeschlossen. Das Al₂O₃-Stäbchen hat eine Länge von 6 cm und besteht aus 20 hintereinander aufgeklebten piezoelektrischen Einzelelementen. Nach Anlegen des Stromes und Aktivierung des Dämpfungselementes erfolgt eine gegenphasige Vibration durch das Dämpfungselement und in dem Blechstreifen treten keine Vibrationen mehr auf. Auch nach einem einwöchigen Betrieb des Dämpfungselementes sind an den Einzelelementen keine Delaminationen oder Risse erkennbar.

Bezugszeichenliste

1

Einzelelement

2

Dämpfungselement

3

Substrat oder zu dämpfendes Element

4

Sensor

5

eingelagerte Faserbündel

6

Vergußmaterial

8

Anschlüsse

Claims

1. Dämpfungselement aus piezoelektrischem oder elektrostriktivem Material, bei dem die Einzelelemente aus Stapelaktoren geringer Stapelhöhe bestehen und diese Einzelelemente einzeln oder in Reihe oder Gruppen solcher Reihen oder in mehreren Ebenen übereinander auf das zu dämpfende Element aufgebracht sind, wobei mindestens zwei Einzelelemente nicht fest miteinander verbunden sind und zwischen den mindestens zwei Einzelelementen ein Abstand sein kann, und die mindestens zwei Einzelelemente elektrisch angeschlossen sind, und bei dem auf der Rückseite des zu dämpfenden Elementes ein Sensor aufgebracht sein kann.

2. Dämpfungselement nach Anspruch 1, bei dem die mindestens zwei Einzelelemente elektrisch in Reihe oder parallel angeschlossen sind.

3. Dämpfungselement nach Anspruch 1, bei dem die Gruppen von Reihen in verschiedenen Winkeln zueinander angeordnet sind.

4. Dämpfungselement nach Anspruch 1, bei dem die inneren Elektroden der mindestens zwei Einzelelemente senkrecht zum zu dämpfenden Element angeordnet sind.

5. Dämpfungselement nach Anspruch 1, bei dem für die mindestens zwei Einzelelemente über die Richtung der Stromaufnahme die Einzelelemente als Sensoren wirken.

6. Dämpfungselement nach Anspruch 5, bei dem über die Richtung der Stromaufnahme das Dämpfungselement als Sensor für das zu dämpfendes Element wirkt.

7. Dämpfungselement nach Anspruch 1, bei dem die Einzelelemente aus einem piezoelektrischen Material mit einer hohen d-Konstante bestehen.

8. Dämpfungselement nach Anspruch 1, bei dem die Einzelelemente aus einem piezoelektrischen Material mit einer hohen Koerzitivfeldstärke bestehen.

9. Dämpfungselement nach Anspruch 1, bei dem die Einzelelemente in einem Polymer eingegossen auf das zu dämpfende Element aufgebracht sind.

10. Dämpfungselement nach Anspruch 1, bei dem die Einzelelemente in mehreren Ebenen übereinander angeordnet in einem Polymer eingegossen auf dem zu dämpfenden Element angebracht sind.

11. Dämpfungselement nach Anspruch 9, bei dem das Polymer aus Polyimid besteht.

12. Dämpfungselement nach Anspruch 1, bei dem der Sensor auf der Rückseite des zu dämpfenden Elementes ein piezoelektrischer Biegeaktor ist.

13. Dämpfungselement nach Anspruch 1, bei dem der Sensor auf der Rückseite des zu dämpfenden Elementes eine PZT-Dickschicht ist.

14. Dämpfungselement nach Anspruch 1, bei dem die Stapelaktoren eine Stapelhöhe von 2 bis 200 Schichten aufweisen.

15. Dämpfungselement nach Anspruch 1, bei dem zwischen den Einzelelementen ein Abstand besteht.

16. Dämpfungselement nach Anspruch 1, bei dem zwischen den Einzelelementen ein Abstand von maximal der Länge eines Einzelelementes besteht.

17. Dämpfungselement nach Anspruch 1, bei dem zwischen den Einzelelementen kein Abstand besteht.

18. Dämpfungselement nach Anspruch 1, bei dem die Einzelelemente über die Längsseiten elektrisch angeschlossen sind.

19. Dämpfungselement nach Anspruch 1, bei dem die Einzelelemente in Gruppen mit getrennter Ansteuerung eingeteilt sind.

20. Verwendung eines Aktors aus Einzelelementen aus piezoelektrischen oder elektrostriktiven Materialien, bei dem die Einzelelemente aus Stapelaktoren geringer Stapelhöhe bestehen und mindestens zwei Einzelelemente quer zu ihrem Schichtaufbau und hintereinander längs zu ihrem Schichtaufbau auf ein Substrat aufgebracht und mit dem Substrat fest verbunden sind, wobei die mindestens zwei Einzelelemente nicht fest miteinander verbunden sind und zwischen den mindestens zwei Einzelelementen ein Abstand sein kann und die mindestens zwei Einzelelemente elektrisch angeschlossen sind, zur aktiven Dämpfung auf einem zu dämpfenden Element.