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STAND DER TECHNIK
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren
zur Anregung und/oder Dämpfung und/oder Erfassung von Schwingungen einer
plattenförmigen Einrichtung mittels einer piezoelektrischen
Streifeneinrichtung.
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Obwohl
auf beliebige Systeme anwendbar, werden die vorliegende Erfindung
und die ihr zugrundeliegende Problematik anhand von Systemen mit einer
Glasplatte bzw. Kunststoffplatte bzw. Leiterplatte als plattenförmige
Einrichtung erläutert.
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Die ältere
deutsche Patentanmeldung
DE
10 2007 012 925 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Dämpfung struktureller Schwingungen einer Trägereinrichtung
mittels einer piezoelektrischen Aktoreinrichtung. Die piezoelektrische
Aktoreinrichtung weist einen zu die strukturellen Schwingungen dampfenden
Längs- und/oder Querschwingungen piezoelektrisch anregbaren
Streifen mit einem ersten Endbereich und einem zweiten Endbereich
auf, der mindestens an einem vom ersten Endbereich und vom einem
zweiten Endbereich mit einer Oberfläche der Trägereinrichtung
verbunden ist, so dass die Längs- und/oder Querschwingungen
auf die Trägereinrichtung übertragbar sind. Die
Abmessungen des Streifens sind wesentlich geringer also diejenigen
der Trägereinrichtung, so dass die Schwingungsübertragung
im wesentlichen punktförmig erfolgt.
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13 zeigt
eine Vorrichtung zur Dämpfung struktureller Schwingungen
einer Trägereinrichtung mittels einer piezoelektrischen
Aktoreinrichtung gemäß der älteren deutschen
Patentanmeldung
DE 10 2007
012 925 .
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In 13 bezeichnet
Bezugszeichen 1 eine Trägereinrichtung. Auf der
Oberfläche OF der Trägereinrichtung 1 ist
eine piezoelektrische Aktoreinrichtung in Form eines zu die strukturellen
Schwingungen dampfenden Längs- und/oder Quer-Schwingungen
piezoelektrisch anregbaren Streifens 2 angebracht. Der
Streifen 2 weist einen ersten Endbereich E1 und einen zweiten
Endbereich E2 auf. Der erste Endbereich E1 ist im Bereich 3a durch
Kleben mit der Oberfläche OF der Trägereinrichtung
verbunden, und der zweite Endbereich E2 ist im Bereich 3b durch Kleben
mit der Oberfläche OF der Trägereinrichtung 1 verbunden.
Die Verbindung des Streifens 2 mit der Oberfläche
OF ist jedoch nicht auf das dargestellte streifenförmige
Kleben beschränkt.
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Der
Streifen 2 verläuft nach oben gewölbt über
die Oberfläche OF, sodass er einen Hohlraum 6 brückenförmig überspannt.
In der Mitte der von der Oberfläche OF abgewandten Seite
des Streifens 2 ist eine zusätzliche Masseneinrichtung 5 angebracht. Der
Zweck der Masseneinrichtung 5 ist die Erzeugung einer Reaktionskraft
zur Dämpfung der strukturellen Schwingungen. Der Streifen 2 ist
mehrlagig aufgebaut. In der Mitte befindet sich eine piezoelektrische
Keramikschicht 20, welche über daran angrenzende
Elektrodenschichten 21 elektrisch ansteuerbar ist. Auf
bzw. unter den Elektrodenschichten befinden sich eine Epoxydharzschicht 21 und
eine Polyimidschicht 22. Die Elektrodenschichten 21 sind über eine
(nicht gezeigte) Anschlusseinrichtung elektrisch angeschlossen,
um die in Längs- und/oder Querrichtung des Streifens 2 verlaufenden
Schwingungen in den Streifen 2 einzukoppeln.
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Falls
wie im vorliegenden Beispiel nur Längsschwingungen in den
piezoelektrisch anregbaren Streifens 2 eingekoppelt werden,
führt dies aufgrund der geometrischen Anordnung zu einem
Schwingungsmodus S1, bei dem die Masseneinrichtung 5 senkrecht
zur Oberfläche OF entlang des in 13 gezeigten
Doppelpfeils nach unten und oben ausgelenkt wird.
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Obwohl
in der Fig. nicht dargestellt, hat der Streifen 2 eine
wesentlich geringere Ausdehnung als die Trägereinrichtung 1,
z. B. liegt die Größe des Streifens 2 im
Bereich 1–2 cm Länge × 0,5 cm Breite und
diejenige der Trägereinrichtung 1 im Bereich 10–20
cm Länge × 5–10 cm Breite.
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VORTEILE DER ERFINDUNG
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung nach Anspruch 1 bzw.
das erfindungsgemäße Verfahren nach Anspruch 14
weisen den Vorteil auf, dass sie eine neue Familie von Lautsprechervorrichtungen, Schalldämpfungsvorrichtungen
bzw. Schwingungssensorvorrichtungen bzw. Schwingungsisolierungsvorrichtungen
schaffen, welche u. a. bedarfsweise an transparenten Oberflächen
benutzt werden kann. In Frage kommen sehr breite Anwendungsbereiche, insbesondere
Anwendungen in Kraftfahrzeugen, Elektronik und mechanischen Konstruktionen.
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Die
in den Unteransprüchen aufgeführten Merkmale beziehen
sich auf vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des betreffenden
Gegenstandes der Erfindung.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung weisen die piezoelektrischen Streifenelemente
eine Gruppe von einem oder mehreren piezoelektrischen Streifenelementen
auf, die ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweisen, welche
mit der Trägereinrichtung verbunden sind, und die einen
Mittelbereich aufweisen, der mit der plattenförmigen Einrichtung verbunden
ist, und die eine Wölbung des Mittelbereichs aufweisen,
so dass ein Hohlraum zur Trägereinrichtung gebildet ist.
Es sind jedoch auch andere Geometrien anwendbar, insbesondere eine
Serien- oder Parallelschaltung der Streifenelemente bzw. eine Ausführung
als kontinuierlicher Streifen mit einer Mehrzahl aneinanderhängender
Streifenelemente.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist oberhalb des Streifenelements
eine mit der Trägereinrichtung verbundene Führungsplatte vorgesehen,
die eine Öffnung oberhalb des Mittelbereich des Streifenelements
aufweist und die derart gestaltet ist, dass sie einen Hub eines
Randbereichs des Streifenelements bezüglich der Trägereinrichtung
verhindert. So lassen sich große Hübe mit langen
Streifenelementen erzielen.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Führungsplatte
eine Elektrodenfunktion für das Streifenelement auf. Ebenso
lässt sich über die Führungsplatte Verlustwärme
während der Piezoaktivität ableiten.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Vorrichtung zur Anregung
struktureller Schwingungen der plattenförmigen Einrichtung
ausgelegt und weist eine Lautsprecherfunktion auf.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die plattenförmige
Einrichtung eine Abdeckung eines mobilen elektronischen Geräts,
insbesondere eines portablen Computers.
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ZEICHNUNGEN
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Ausführungsbeispiel
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1a–c
eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Anregung und/oder
Dämpfung und/oder Erfassung struktureller Schwingungen
einer plattenförmigen Einrichtung mittels einer piezoelektrischen
Streifeneinrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, und zwar 1a in
Draufsicht, 1b als Schnittansicht entlang
der Linie A-A' in 1a und 1c als
Aussschnittsvergrösserung entlang des Ausschnitts A1 in 1a;
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2 ein
Bodediagramm zur Erläuterung des Frequenzverhaltens der
Vorrichtung gemäß 1a–c;
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3 ein Anwendungsbeispiel für
die Vorrichtung gemäß 1a–c;
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4 eine
schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Anregung und/oder
Dämpfung und/oder Erfassung struktureller Schwingungen
einer plattenförmigen Einrichtung mittels einer piezoelektrischen
Streifeneinrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung als Schnittansicht analog 1c;
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5 eine
schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Anregung und/oder
Dämpfung und/oder Erfassung struktureller Schwingungen
einer plattenförmigen Einrichtung mittels einer piezoelektrischen
Streifeneinrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung als Schnittansicht analog 1c;
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6 eine
schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Anregung und/oder
Dämpfung und/oder Erfassung struktureller Schwingungen
einer plattenförmigen Einrichtung mittels einer piezoelektrischen
Streifeneinrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung als Schnittansicht analog 1c;
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7 eine
schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Anregung und/oder
Dämpfung und/oder Erfassung struktureller Schwingungen
einer plattenförmigen Einrichtung mittels einer piezoelektrischen
Streifeneinrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung als Schnittansicht analog 1c;
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8 eine
schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Anregung und/oder
Dämpfung und/oder Erfassung struktureller Schwingungen
einer plattenförmigen Einrichtung mittels einer piezoelektrischen
Streifeneinrichtung gemäß einer sechs ten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung als Schnittansicht analog 1c;
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9 eine
schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Anregung und/oder
Dämpfung und/oder Erfassung struktureller Schwingungen
einer plattenförmigen Einrichtung mittels einer piezoelektrischen
Streifeneinrichtung gemäß einer siebenten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung als Schnittansicht analog 1a;
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10 eine
schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Anregung und/oder
Dämpfung und/oder Erfassung struktureller Schwingungen
einer plattenförmigen Einrichtung mittels einer piezoelektrischen
Streifeneinrichtung gemäß einer achten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung als Schnittansicht analog 1c;
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11 eine
schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Anregung und/oder
Dämpfung und/oder Erfassung struktureller Schwingungen
einer plattenförmigen Einrichtung mittels einer piezoelektrischen
Streifeneinrichtung gemäß einer neunten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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12 eine
schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Anregung und/oder
Dämpfung und/oder Erfassung struktureller Schwingungen
einer plattenförmigen Einrichtung mittels einer piezoelektrischen
Streifeneinrichtung gemäß einer zehnten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung als Schnittansicht analog 1c;
und
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13 eine
Vorrichtung zur Dämpfung struktureller Schwingungen einer
Trägereinrichtung mittels einer piezoelektrischen Aktoreinrichtung
gemäß der älteren deutschen Patentanmeldung
DE 10 2007 012 925 .
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BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
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In
den Fig.en bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche
Elemente.
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1a–c
zeigen eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Anregung
und/oder Dämpfung und/oder Erfassung struktureller Schwingungen einer
plattenförmigen Einrichtung mittels einer piezoelektrischen
Streifeneinrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, und zwar 1a in
Draufsicht, 1b als Schnittansicht entlang
der Linie A-A in 1a und 1c als
Aussschnittsvergrösserung entlang des Ausschnitts A1 in 1a.
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In 1a–c
bezeichnet Bezugszeichen 1 eine Trägereinrichtung
in Form eines Metall- oder Kunststoffrahmens. Eine plattenförmige
Einrichtung 10 in Form einer Glasplatte ist über
eine piezoelektrische Streifeneinrichtung 2 durch einen
Zwischenraum 11 beabstandet von der Trägereinrichtung 1 angebracht.
Die piezoelektrische Streifeneinrichtung 2 weist eine Mehrzahl
von piezoelektrischen Streifen 2 auf, die sowohl mit der
Trägereinrichtung 1 als auch mit der plattenförmigen
Einrichtung 10 verbunden sind.
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Die
Abmessungen der Streifen 2 sind wesentlich geringer als
diejenigen der Trägereinrichtung 1 und der plattenförmigen
Einrichtung 10, so dass die Ankopplung der Streifen 2 im
Wesentlichen als punktförmig anzusehen ist.
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Bei
der in 1a–c dargestellten
Anordnung sind zwölf Streifen 2 vorgesehen, die
entlang der und parallel zur Peripherie 101 der plattenförmigen
Einrichtung 10 angeordnet sind. Die in 1a dargestellten
Punkte bezeichnen die Ankopplungspunkte des oberen Mittelbereichs
M der Streifen 2 an der plattenförmigen Einrichtung 10.
Die durch die Punkte gezeichneten Linien bezeichnen die Längsanordnung
der Streifen 2 bezüglich der Trägereinrichtung 1.
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Wie 1c entnehmbar,
ist jeder piezoelektrische Streifen 2 an einem ersten Endbereich
E1 und an einem zweiten Endbereich E2 in den Bereichen 3a bzw. 3b mit
der Oberfläche OF der Trägereinrichtung 1 verbunden,
beispielsweise durch Kleben. Die Oberseite der piezoelektrischen
Streifen 2 ist in ihrem oberen Mittelbereich M im Bereich 3c mit
der Unterseite der plattenförmigen Einrichtung 10 verbunden,
beispielsweise durch Kleben. Die Streifen 2 verlaufen nach
oben gewölbt über die Oberfläche OF,
so dass sie einen Hohlraum 6 brückenförmig überspannen.
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Die
Streifen 2 sind mehrlagig aufgebaut. In der Mitte befindet
sich eine piezoelektrische Keramikschicht 20, welche über
daran angrenzende Elektrodenschichten 21 elektrisch ansteuerbar
ist. Auf bzw. unter den Elektrodenschichten 21 befinden
sich eine Epoxydharzschicht 22 (bzw. Thermoplastschicht)
und eine Polyimidschicht 23. Die Elektrodenschichten 21 sind über
eine (nicht gezeigte) Anschlusseinrichtung elektrisch an eine Steuereinrichtung
C angeschlossen.
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Durch
die Steuereinrichtung C können prinzipiell drei unterschiedliche
Funktionalitäten gegebenenfalls kombinierbar vorgesehen
werden. Die erste Funktionalität ist eine Anregung struktureller
Schwingungen der plattenförmigen Einrichtung 10 mittels der
piezoelektrischen Streifen 2 (Lautsprecherbetrieb). Die
zweite Funktionalität ist eine Dämpfung struktureller
Schwingungen der platten förmigen Einrichtung 10 mittels
der piezoelektrischen Streifeneinrichtung 2 (Schwingungsentkopplungsbetrieb).
Die dritte Funktionalität ist eine Erfassung struktureller Schwingungen
der plattenförmigen Einrichtung 10 mittels der
piezoelektrischen Streifeneinrichtung 2 (Sensorbetrieb).
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Welche
der Funktionalitäten bei einer speziellen Vorrichtung verwirklicht
sind, hängt von der konkreten Anwendung ab.
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Das
Grundprinzip zur Erzeugung/Dämpfung/Erfassung von strukturellen
Schwingungen in der plattenförmigen Einrichtung 10 liegt
in einer Längenänderung der piezoelektrischen
Streifen 2, welche eine Bewegung in Richtung des Pfeils
S1 senkrecht zur Oberfläche OF der Trägereinrichtung 1 bewirkt,
und somit eine entsprechende Auslenkung der Ankopplungspunkte der
plattenförmigen Einrichtung 10. Die Deformation
der plattenförmigen Einrichtung 10 führt
zu Festkörper-Translationsschwingungen und ebenfalls in
geringerem Ausmaß zu unerwünschten Biegeschwingungen.
Zur Erzeugung der gewollten Festkörper-Translationsschwingungen
ist das Verhältnis Dicke/(Breite × Länge)
der plattenförmigen Einrichtung 10 entsprechend
zu wählen. Diese Schwingungen erzeugen Druckwellen im umgebenden
Medium, beispielsweise in Luft. Wenn die plattenförmige
Einrichtung 10 wie beim vorliegenden Beispiel eine Glasoberfläche
ist, kann dadurch ein durchsichtiger Fensterlautsprecher realisiert
werden.
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2 ist
ein Bodediagramm zur Erläuterung des Frequenzverhaltens
der Vorrichtung gemäß 1a–c.
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Kurve
B in 2 zeigt die Übertragungscharakteristik
A einer Vorrichtung gemäß 1a–c
im Lautsprecherbetrieb. Im Gegensatz dazu zeigen die Kurven A Übertragungscharakteristika
von bekannten Lautsprechern mit säulenförmigen
Piezoaktoren, in denen Eigenmodi der Biegeschwingungen eine Hauptrolle
spielen und eine ungleichmäßige Frequenzcharakteristik
bewirken, die bei Lautsprechern unerwünscht ist.
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Die
Kurve B der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß 1a–c
weist jedoch eine fast ideale flache Frequenzcharakteristik auf,
welche es ermöglicht gleichmäßig jede
Frequenzkomponente des Signals innerhalb der Bandbreite des Lautsprechers
zu übertragen. Mit anderen Worten machen sich die Biegeschwingungen
bei geeigneter Steifigkeit der plattenförmigen Einrichtung 10 nicht
bemerkbar.
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Aufgrund
einer großen Abstrahlungsoberfläche der plattenförmigen
Einrichtung 10 hat der übertragene Schall eine
höhere Qualität im Vergleich zu einem punktförmigen
Lautsprecher. Die Aktorkomponente des Lautsprechers in Form der
Streifen 2 ist unsichtbar und beschränkt nicht
die Transparenz, falls die plattenförmige Einrichtung 10 aus
einem transparenten Material besteht. Die Aktorkompo nente des Lautbesprechers
ist leicht und enthält keinerlei magnetische Leitermaterialien
und auch keine Wicklung als Tauchspulenaktor. Die Aktorkomponente
des Lautsprechers benötigt nur einen kleinen Installationsraum
und kann vollständig in den umgebenden Rahmen bzw. Träger
installiert werden. Die Installationshöhe liegt typischerweise
im Bereich 2 bis 3 mm. Aufgrund seiner Struktur ist dieser Typ von
Lautsprecher sehr robust, wobei die Aktoreinrichtung zwar Elemente
mit einer zusammengesetzten Struktur aufweist, jedoch keine Elemente,
welche aufeinander gleiten.
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Die
Positionen der piezoelektrischen Streifen 2 sollten unter
Berücksichtigung von Eigenschwingungsmoden der plattenförmigen
Einrichtung 10 festgelegt werden.
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3 ist ein Anwendungsbeispiel für
die Vorrichtung gemäß 1a–c.
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In 3a ist
ein Laptop L mit einem Deckel D dargestellt. Bezugszeichen 1a bezeichnet
ein LCD-Display des Deckels D, welches der Trägereinrichtung
entspricht. Bezugszeichen 10a bezeichnet die rückseitige
Abdeckplatte des Deckels D, welche der plattenförmigen
Einrichtung 10 von 1a–c
entspricht. Bezugszeichen 2 bezeichnet einen einer Mehrzahl
von piezoelektrischen Streifen 2, welche zwischen dem LCD-Display 1 und
der rückseitigen Abdeckplatte 10a angebracht sind,
beispielsweise in einer Anordnung, wie in 1a gezeigt.
Mit dieser Anordnung ist es möglich, die rückseitige
Abdeckung 10a des Deckels D des Laptops L zu einem Tieftonlautsprecher
zu gestalten. Durch dieses Merkmal ist es möglich, die
Niederfrequenzkomponenten des von einem Laptop oder ähnlichen
Computers abgestrahlten Schalls zu erhöhen, was üblicherweise durch
die bekannten eingebauten Lautsprecher mobiler elektrischer Vorrichtungen
nicht möglich ist.
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Bei
der zweiten Funktionalität, dem Dämpfungsbetrieb,
können erfasste Schwingungen der plattenförmigen
Einrichtung 10 durch entsprechende Ansteuerung der piezoelektrischen
Streifen 2 gedampft werden. Dieser Betrieb geht zweckmäßigerweise
einher mit dem Sensorbetrieb, welcher derartige Schwingungen durch
Verformung der piezoelektrischen Streifen 2 erfasst. Dabei
können einzelne Streifen 2 zeitgesteuert sowohl
als Sensorelement als auch als Aktuatorelement wirken. Es ist jedoch auch
möglich, dass eine Gruppe der piezoelektrischen Streifen 2 ausschließlich
als Sensorelemente arbeitet und eine weitere Gruppe ausschließlich
als Aktuatorelemente. Schalldämpfungsanwendungen sind beispielsweise
Luft-/Raumfahrtanwendungen, sowie Kraftfahrzeuganwendungen, beispielsweise Windschalldämpfung
an Frontscheiben von Fahrzeugen oder Flugschallisolation an den
Wänden von Flugzeugen.
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Auch
ist es möglich, eine Vorrichtung zu konzipieren, die ausschließlich
im Sensorbetrieb arbeitet, beispielsweise zur Schwingungsüberwachung
in Gebäuden oder Fahrzeugen.
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4 ist
eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Anregung und/oder
Dämpfung und/oder Erfassung struktureller Schwingungen
einer plattenförmigen Einrichtung mittels einer piezoelektrischen
Streifeneinrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung als Schnittansicht analog 1c.
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Bei
der Ausführungsform gemäß 4 ist durch
eine gegenphasige Superposition dreier piezoelektrischer Streifen 2a, 2b, 2c eine
Erhöhung des Versatzes bzw. Hubs S1 an den Ankopplungspunkten 3c1, 3c2, 3c3 der
plattenförmigen Einrichtung 10 erzielbar. Zu diesem
Zweck sind zwischen den Streifen 2a, 2b bzw. 2b, 2c jeweils
eine starre Zwischenplatte Z1 bzw. Z2 angeordnet. Die Streifen 2a, 2b, 2c sind
kontinuierliche Streifen, welche aus einer Vielzahl von Streifensegmenten 2 gemäß 1c bestehen.
Die Enden E1, E2 der Segmente des Streifens 2a sind mit
der Trägereinrichtung 1 verbunden, die Mittelbereiche
M der Segmente 2 der Streifeneinrichtung 2a mit
der ersten Zwischenplatte Z1. Die Enden E1, E2 der Segmente 2 der
zweiten Streifeneinrichtung 2b sind mit der ersten Zwischenplatte
Z1 verbunden, und die Mittelbereiche M der Segmente 2 der
zweiten Streifeneinrichtung 2b mit der zweiten Zwischenplatte
Z2. Die Enden E1, E2 der Elemente 2 der dritten Streifeneinrichtung 2c sind
mit der zweiten Zwischenplatte Z2 verbunden, die Mittelbereiche M
der Segmente 2 der dritten Streifeneinrichtung 2c mit
der plattenförmigen Einrichtung 10, und zwar an den
Ankopplungspunkten 3c1, 3c2, 3c3.
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Jeweilige
Enden E1, E2 der Streifenelemente 2 des Streifens 2b liegen über
entsprechenden Mittelbereichen M der Streifenelemente 2 des
Streifens 2a. Jeweilige Enden E1, E2 der Streifenelemente 2 des
Streifens 2c liegen über entsprechenden Mittelbereichen
M der Streifenelemente 2 des Streifens 2b. Dadurch
wird die Gegenphasigkeit erreicht, welche zur Huberhöhung
führt.
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Im Übrigen
entspricht der Aufbau der Streifen 2a, 2b, 2c bzw.
der Segmente 2 dem im Zusammenhang mit 1c geschilderten
Aufbau.
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5 ist
eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Anregung und/oder
Dämpfung und/oder Erfassung struktureller Schwingungen
einer plattenförmigen Einrichtung mittels einer piezoelektrischen
Streifeneinrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung als Schnittansicht analog 1c.
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Bei
der Ausführungsform gemäß 5 ist die
Steifheit des Mittelbereichs M der Streifen erhöht, indem
eine Mehrzahl von Streifen 2d, 2e, 2f parallel geschaltet
ist, indem sie in den Endbereichen E1 bzw. E2 miteinander verbunden
sind, wo sie auch an den Punkten 3a, 3b mit der
Trägereinrichtung 1 verbunden sind. Auch ist so
die Kraft des Aktuators erhöht.
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6 ist
eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Anregung und/oder
Dämpfung und/oder Erfassung struktureller Schwingungen
einer plattenförmigen Einrichtung mittels einer piezoelektrischen
Streifeneinrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung als Schnittansicht analog 1c.
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Bei
der vierten Ausführungsform gemäß 6 sind
ein erster und zweiter piezoelektrischer Streifen 2a', 2b' vorgesehen,
welche im Wesentlichen denselben Aufbau wie der piezoelektrische Streifen 2 der
ersten Ausführungsform aufweisen. Einziger Unterschied
ist, dass die piezoelektrische Keramikschicht 20 und die
daran angrenzenden Elektrodenschichten 21 nicht bis zu
den Endbereichen E1, E2 bzw. E1', E2' reichen, sondern davon beabstandet
enden.
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Wie
in 7 dargestellt, sind der erste Endbereich E1 des
ersten Streifens 2a' und der erste Endbereich E1' des zweiten
Streifens 2b' im Bereich 3a bzw. 3b mit
der Oberfläche OF der Trägereinrichtung 1 verbunden
(z. B. verklebt). Der zweite Endbereich E2, E2' ist mit der plattenförmigen
Einrichtung 10 (hier nicht gezeigt) verbunden. Dieser Aufbau
hat den Vorteil, dass wesentlich steifere, unbiegbare Piezokeramiken
in der Struktur eingebaut werden können.
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7 ist
eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Anregung und/oder
Dämpfung und/oder Erfassung struktureller Schwingungen
einer plattenförmigen Einrichtung mittels einer piezoelektrischen
Streifeneinrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung als Schnittansicht analog 1c.
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Bei
der Ausführungsform gemäß 7 sind zwei
gekrümmte piezoelektrische Streifen 2g, 2h an ihrem
ersten Ende E1 mit dem Substrat an den Punkten 3a bzw. 3b verbunden,
wohingegen sie an ihrem jeweiligen zweiten Ende E2 miteinander und
auch mit der plattenförmigen Einrichtung 10 (hier
nicht gezeigt) verbunden sind. Dies führt zu einer Abnahme der
Spannung in den Streifen 2g, 2h aufgrund eines erhöhten
Krümmungsradius.
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8 ist
eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Anregung und/oder
Dämpfung und/oder Erfassung struktureller Schwingungen
einer plattenförmigen Einrichtung mittels einer piezoelektrischen
Streifeneinrichtung gemäß einer sechsten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung als Schnittansicht analog 1c.
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Bei
der Ausführungsform gemäß 8 ist der
Streifen 2 gemäß 1c in
zwei Streifen 2i, 2j aufgeteilt. Diese Streifen 2i, 2j weisen
eine S-förmige Form auf, wobei deren eines Ende E1' an
den Punkten 3a, 3b mit der Trägereinrichtung 1 verbunden
ist, und deren anderes Ende E2' an den Punkten 3d bzw. 3e mit
der plattenförmigen Einrichtung 10 verbunden ist.
Auch eine derartige Konstruktion erniedrigt die Biegebelastung der
piezoelektrischen Streifen 2i, 2j. Beide piezoelektrischen
Streifen 2i, 2j sind derart von der Steuereinrichtung
C anzusteuern, dass sich horizontale Kraftkomponenten auslöschen.
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9 ist
eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Anregung und/oder
Dämpfung und/oder Erfassung struktureller Schwingungen
einer plattenförmigen Einrichtung mittels einer piezoelektrischen
Streifeneinrichtung gemäß einer siebenten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung als Schnittansicht analog 1a.
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Bei
der Ausführungsform gemäß 9 sind drei
kontinuierliche Streifen mit einer Mehrzahl von hintereinander liegenden
Segmenten 2 (vgl. 4) auf eine
Oberfläche OF auf einer Trägereinrichtung 1' parallel
geklebt. Die piezoelektrischen Streifen 2k, 2l weisen
variierende Breiten auf. Somit können an unterschiedlichen
Orten unterschiedliche Kräfte auf die (nicht gezeigte)
plattenförmige Einrichtung 10 ausgeübt
werden. Der piezoelektrische Streifen 2m funktioniert bei
dieser Ausführungsform lediglich als Sensor und kann konstante
oder variable Breite aufweisen.
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Nicht
gezeigt in der Darstellung von 9 ist die
Ankopplung der plattenförmigen Einrichtung 10, welche
entsprechend 1c zu realisieren ist. Nachdem
die in Normalenrichtung zur Oberfläche OF wirkende Kraft
der piezoelektrischen Streifen 2k, 2l, 2m proportional
zu deren Breite ist, ist es bei dieser Ausführungsform
möglich, die Kraft in Längsrichtung der Streifen 2k, 2l, 2m zu
variieren, so dass damit bestimmte Schwingungstypen der plattenförmigen
Einrichtung 10 induziert werden können.
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10 ist
eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Anregung und/oder
Dämpfung und/oder Erfassung struktureller Schwingungen
einer plattenförmigen Einrichtung mittels einer piezoelektrischen
Streifeneinrichtung gemäß einer achten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung als Schnittansicht analog 1c.
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Bei
der Ausführungsform gemäß 10 ist ein
langer piezoelektrischer Streifen 2n an seinen Enden E1,
E2 in den Bereichen 3a bzw. 3b mit der Trägereinrichtung 1 verbunden,
z. B. verklebt. Bei diesem piezoelektrischen Streifen 2n handelt
es sich um einen längeren piezoelektrischen Streifen im
Vergleich zum piezoelektrischen Streifen 2 gemäß 1c.
Oberhalb des piezoelektrischen Streifens 2n ist eine Führungsplatte
FP mit einer Öffnung O vorgesehen, welche einen vorbestimmten
Durchmesser d um den Mittelbereich M des Streifens 2n herum
aufweist. Nur in diesem Bereich der Öffnung O mit Durchmesser
d kann der Streifen 2n eine senkrecht zur Oberfläche
OF der Trägereinrichtung 1 gerichtete Bewegung
in Richtung des Pfeils S1 ausführen. Im den Randbereichen
des Streifens 2n, also im Auflagebereich der Führungsplatte
FP ist dies nicht möglich, da diese Führungsplatte
FP den Streifen 2n auf der Oberfläche OF des Substrats 1 niederhält.
Aufgrund der größeren Länge des Streifens 2n ist
durch diese Konstruktion ein höherer Hub des Streifens 2n im
Vergleich zum Streifen 2 ermöglicht, da die Längenänderung
des Streifens 2n proportional zu seiner Länge
ist. Durch die Anwesenheit der Führungsplatte FP kann der
Hub gezielt in den Mittelbereich M verlegt werden, und ein Buckeln
des Streifens 2n außerhalb des Mittelbereichs
M innerhalb der Öffnung O ist verhindert. Zusätzlich
kann die Führungsplatte FP als Wärmesenke für
Wärme dienen, welche durch die piezoelektrisch induzierten
Bewegungen entsteht. Die Führungsplatte FP ist, wie durch
gestrichelte Linien angedeutet, beispielsweise mit der Trägereinrichtung 1 durch
eine mechanische Verbindungseinrichtung V verbunden. Eine derartige
Verbindungseinrichtung V ist z. B. durch Schrauben oder Verklebungen
realisierbar. Jedenfalls muss durch die Verbindungseinrichtung V
gewährleistet sein, dass sich die Führungsplatte
FP nicht senkrecht zur Oberfläche OF der Trägereinrichtung 1 bewegen
lässt. Eine weitere mögliche Funktion der Führungsplatte
FP ist eine Elektrodenfunktion für den piezoelektrischen
Streifen 2n. In diesem Fall müssen die entsprechenden
Isolierungen des Streifens 2n an geeigneten Stellen unterbrochen
werden.
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11 ist
eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Anregung und/oder
Dämpfung und/oder Erfassung struktureller Schwingungen
einer plattenförmigen Einrichtung mittels einer piezoelektrischen
Streifeneinrichtung gemäß einer neunten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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In 11 ist
eine Oberflächenwellenform OW der Trägereinrichtung 10 dargestellt,
welche beispielsweise durch eine Vorrichtung gemäß 10 erzeugbar
ist, falls die piezoelektrischen Streifen 2 in konzentrischen
Kreisen auf der Trägereinrichtung 1 angeordnet
werden können, wobei die Längserstreckung der
piezoelektrischen Streifen 2 radial verläuft.
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12 ist
eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Anregung und/oder
Dämpfung und/oder Erfassung struktureller Schwingungen
einer plattenförmigen Einrichtung mittels einer piezoelektrischen
Streifeneinrichtung gemäß einer zehnten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung als Schnittansicht analog 1c.
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Bei
der Ausführungsform gemäß 12 ist im
Unterschied zu der in Zusammenhang mit 1c erläuterten
Ausführungsform die plattenförmige Einrichtung 10 eine
Leiterplatte, auf der ein von Schwingungen zu schützendes
elektronisches Element 100 angebracht ist. Insofern führt
die Steuereinrichtung C' gemäß 12 einen
Schwingungsentkopplungsbetrieb durch. Der dargestellte Streifen 2 weitere
nicht dargestellte Streifen 2 dienen dabei als Aktor. Ein oder
mehrere weitere nicht dargestellte Streifen 2 dienen dabei
als Sensor.
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Um
die Schwingungsentkopplung zu unterstützen, ist zwischen
der Trägereinrichtung 1 und der plattenförmigen
Einrichtung 10 eine zusätzliche Dämpfungseinrichtung
DE vorgesehen, beispielsweise in Form eines entsprechenden Elastomerelements.
Diese Dämpfungseinrichtung DE steht sowohl mit der Trägereinrichtung 1 als
auch mit der plattenförmigen Einrichtung 10 in
direktem Kontakt.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele
erläutert worden ist, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern
auch in anderer Weise ausführbar.
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Obwohl
bei den oben beschriebenen Ausführungsformen bestimmte
Geometrien der Streifenanordnung bzw. der Anordnung der Streifen
bezüglich der plattenförmigen Einrichtung illustriert
wurden, ist die vorliegende Erfindung darauf nicht beschränkt, sondern
prinzipiell in beliebigen Geometrien darstellbar. Auch kann die
Struktur der piezoelektrischen Streifen von der gezeigten Struktur
abweichen, beispielsweise mehrere piezoelektrischen Keramikschichten
mit entsprechenden Elektrodenschichten aufweisen.
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Schließlich
sind die erwähnten Anwendungen nur beispielhaft und selbstverständlich
auch auf andere plattenförmige Einrichtungen anwendbar,
wie zum Beispiel Gehäuseplatten, Verstärkungsplatten usw.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102007012925 [0003, 0004, 0030]