DE2517930A1

DE2517930A1 - Anordnung zur elektrischen daempfung mechanischer schwingungen von piezoelektrischen elementen

Info

Publication number: DE2517930A1
Application number: DE19752517930
Authority: DE
Inventors: August Dipl Phys Petersen
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1975-04-23
Filing date: 1975-04-23
Publication date: 1976-11-04

Description

Anordnung zur elektrischen Dämpfung mechanischer Schwingungen von piezoelektrischen Elementen.
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur elektrischen Dämpfung mechanischer Schwingungen von piezoelektrischen Elementen, insbesondere bei einseitig eingespannten Biegeschwingern, die mittels eines an den Biegeschwinger angelegten elektrischen Spannungssprunges zu Schwingungen angeregt werden. Als Biegeschwinger eignen sich dazu vorzugsweise piezoelektrische Elemente, wie Bi- oder Multimorfstreifen. Wegen der relativ großen Auslenkungen, die sich mit diesen Elementen erzielen lassen, eignen diese sich gut für die Steuerung mechanischer Vorgänge, so z.B. als Uhrenantriebselemente, Stellelemente in optischen Einrichtungen oder auch zur Nadelsteuerung in Strickmaschinen. Bei diesen Anwendungen ist es erwünscht, daß das Biegeelement die geforderte Auslenkung möglichst schnell und ohne Schwingvorgang erreicht.
Zwar ist es bekannt, die Entstehung von Schwingungen dadurch zu verhindern, daß man einen mechanischen Anschlag vorsieht, jedoch schränkt ein solcher den Anwendungsbereich des Schwingers ein, da eine Anpassung an verschiedene Amplituden nur schwer möglich ist.
Auch sind mechanische Dämpfungen bekannt, die bei sogenannter überkritischer Dämpfung die Ausbildung von Schwingungen zwar verhindern, jedoch gleichzeitig die Einstellzeit erheblich vergrößern.
Überall dort, wo es darauf ankommt; bei Veränderbaren Amplituden eine Einstellung in kürzester Zeit ohne Schwingungen zu erzielen, versagen die genannten Mittel. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Anordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die es ermöglicht, eine schnelle Einstellung ohne Schwingungen für jede gewünschte Amplitude zu erreichen. Dies geschieht erfindungsgemäß dadurch, daß dem Biegeschwinger eine der Schwingungsbildung entgegenwirkende elektrische Größe zugeführt wird.
Eine derartige elektrische Größe kann entweder passiv sein und aus einer Gegenkopplung bestehen, oder aktiv sein, und beispielsweise aus wenigstens einem zeitlich verzögerten Gegenspannungs~ sprung bestehen.
Anhand der Zeichnung werden Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Anordnung näher beschrieben. Darin zeigen Fig. 1 einen einseitig eingespannten Biegeschwinger, Fig. 2 das zugehörige elektrische Ersatzschaltbild, Fig. 3 eine sich einstellende Schwingungsform, Fig. 4 eine Anordnung zur aktiven Dämpfung der Schwingungen, Fig. 5 ein Spannungsdiagramm für eine Anordnung nach Fig. 4, Fig. 6, 7, 8 die Auswirkungen von Gegenspannungen auf das Schwingungsverhalten, Fig. 9 eine Anordnung zur passiven Schwingungsdämpfung, Fig.10, 11 das sich dabei ergebende Einstellverhalten.
Ein piezoelektrisches Element ist gemäß Fig. 1 einseitig eingespannt. Wird diesem Element aus einer Spannungsquelle U über einen Widerstand R ein Spannungssprung zugeführt, so wird das freie Ende des Schwingers um einen bestimmten Betrag ausgelenkt. Dabei ist die Auslenkung (bei kleinen Auslenkungen) proportional der angelegten Spannung. Wie das elektrische Ersatzschaltbild nach Fig.2 zeigt, besteht der Biegeschwinger aus der Reihenschaltung einer Induktivität~L1, einem Widerstand R1 und einer Kapazität C1, der eine Kapazität Co parallelgeschaltet ist. Über einen Widerstand R2, der sich aus dem Innenwiderstand der Spannungsquelle U und einem äußeren Widerstand zusammensetzt, wird dem Schwinger ein Spannungssprung zugeführt, der, wie Fig. 3 zeigt, langsam abklingende Schwingungen erzeugt, deren Frequenz durch die Eigenfrequenz des Schwingers bestimmt ist. Der Biegeschwinger erreicht erst nach verhältnismäßig langer Zeit seine durch die angelegte Spannung bestimmte Ruhelage 1. Der Schwingungsvorgang wird zwar durch ein großes R2 abgeschwächt, doch bleibt die Einstellzeit verhältnismäßig groß.
In der Anordnung nach Fig. 4 ist ein erster Impuls- oder Rechteckgenerator 1 vorgesehen, dessen Ausgangsspannung gleichzeitig den Eingängen zweier weiterer Impulsgeneratoren 2 und 3 und einem ersten Eingang eines Additionsverstärkers 4 zugeführt wird, während die Ausgangsspannungen der Impulsgeneratoren 2 und 3 an zwei weitere Eingänge des Additionsverstärkers 4 gelangen, vom Ausgang dieses Additionsverstärkers 4 wird ein Biegeschwinger 5 angesteuert.
Der Impuls- oder Rechteckgenerator 1 liefert eine Impulsspannung, wie sie in Zeile a der Fig. 5 angedeutet ist. Die Impulsgeneratoren 2 und 3, die vom Generator 1 gesteuert werden, liefern Impulse gemäß den Zeilen b und c. Die Zusammenfassung dieser drei Impulse im Additionsverstärker 4 ergibt eine Ausgangsspannung gemäß Zeile d, die dem Biegeschwinger zugeführt wird.
Welchen Einfluß derartige Impulse auf das Schwingungsverhalten haben, zeigen die Figuren 6 bis 8. Wird, gemäß Fig. 6, nur ein die Auslenkung bewirkender Spannungssprung angelegt, so bildet sich eine Schwingung aus, die erst allmählich abklingt. Wird nach Fig. 7 der Auslenkspannung ein positiver Impuls überlagert, so findet nur ein einmaliges Überschwingen statt, wonach das Element die gewünschte Lage annimmt. Wird schließlich nach Fig. 8 ein negativer Impuls überlagert, so nimmt das Element ohne vorheriges Überschwingen alsbald seine Endlage ein. Dabei hat es sich als zweckmäßig erwiesen, wenn die Dauer des Impulses der halben PerioC denzeit der Schwingung entspricht. Es zeigt sich, daß durch zweckmäßig gewählte Gegenspannung nahezu jedes beliebige Einschwingverhalten des Schwingers erzielbar ist.
Einen anderen Weg zur Unterdrückung von Schwingungen zeigt eine Anordnung nach Fig. 9. Dabei ist das Biegeelement 5 in eine Brückenschaltung aufgenommen, deren andere Brückenzweige aus einem ersten Widerstand 6, einem Kondensator 7 und einem zweiten Widerstand 8 bestehen. Die Diagnnalspannung der Brücke wird einem Differenzverstärker 9 zugeführt. Dessen Ausgangspannung gelangt zugleich mit der Ausgangsspannung eines Steuergenerators 10, beispielsweise eines Rechteckgenerators, auf den Eingang eines Gleichspannungsverstärkers 11, dessen Ausgangsspannung über einen weiteren Widerstand 12 auf die Brückenschaltung zurückgeführt wird. Dabei hat es sich als zweckmäßig erwiesen, den Verstärkungsfaktor des Differenzverstärkers 9 etwa gleich 1 zu machen, während die Verstärkung des Gleichspannungsverstärkers 11 etwa 60-fach beträgt. Durch entsprechende Dimensionierung der Widerstände 6, 8 und 12 sowie des Kondensators 7 erreicht man ein günstiges Einschwingverhalten. Fig. 10 zeigt das Schwingverhalten des Biegeschwingers mit und ohne eine Gegenkopplung nach Fig. 9. Fig. 11 zeigt das Einschwingverhalten unter dem Einfluß einer Gegenkopplungsspannung, wobei der obere Schwingungszug nach Fig. 11 noch zusätzlich durch einen mechanischen Anschlag beeinflußt ist.
Mittels der vorgeschlagenen Lösungen läßt sich somit erreichen, daß derartige Biegeschwinger sehr schnell und ohne störende Schwingungen die gewünschte Lage einnehmen.
Patentansprüche:

Claims

Patentansprüche: 01.JAnordnung zur elektrischen Dämpfung mechanischer Schwingungen von piezoelektrischen Elementen, insbesondere bei einseitig eingespannten Biegeschwingern, die mittels eines an den Biegeschwinger angelegten elektrischen Spannungssprunges zu Schwingungen angeregt werden, dadurch gekennzeichnet, daß dem Biegeschwinger eine der Schwingungsbildung entgegenwirkende elektrische Größe zugeführt wird.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dafdie elektrische Größe eine der Auslenkspannung überlagerte impulsförmige Spannung ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Größe eine von der Auslenkgeschwindigkeit abgeleitete und dem Biegeschwinger zugeführte Gegenkopplungsspannung ist.
4. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die impulsförmige Spannung aus wenigstens zwei Einzelimpulsen zusammengesetzt ist.
5. Anordnung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Gewinnung der Gegenkopplungsspannung der Biegeschwinger (5) in eine Brückenschaltung (5,6,7,8) aufgenommen ist, deren Diagonalspannung einem Differenzverstärker (9) zugeführt ist, dessen Ausgangsspannung gemeinsam mit der Ausgangsspannung eines Impulsgenerators (10) dem Eingang eines Gleichspannungsverstärkers (11) zugeführt ist, wobei die Ausgangsspannung dieses Gleichspannungsverstärkers (11) über einen weiteren Wider stand (12) auf den Biegeschwinger (5) gelangt.