CN1204788C - 具有受控振动特性的电路卡装置 - Google Patents

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Abstract

将压电晶片(104、106)固定在电路卡(102)上，当电路卡(102)振动的时候用来控制电路卡的位移。位于主模态波腹的一个触发器晶片(110)按照模态位移产生一个电压。控制系统(114)响应触发器晶片(110)，产生电压，施加在主模态不同波腹位置的弯曲晶片(104、106)上。弯曲晶片(104、106)发生膨胀和收缩，从而减小电路卡(102)的模态位移。可以有多个弯曲晶片(104、106)，固定在电路(102)上，基本上互相相对，或者可以有单独一个弯曲晶片(104)和单独一个触发器晶片(110)。触发器晶片的位置可以与弯曲晶片的位置基本上相对，或者可以在电路卡的其它位置上。

Description

具有受控振动特性的电路卡装置
技术领域
总的来说，本发明涉及印制电路卡，具体而言，涉及具有受控振动特性的印制电路卡装置。
背景技术
技术的快速发展和消费者不断增长的需求正在驱使电子系统的制造商和供应商提高电路卡上的器件密度，在电路卡上安装功能更加强大的电路元件。由于电路卡上电路器件的数量和功耗都在增大，卡上产生的热量更多。这么多热量的散发要求采用更多、更大和更重的散热器。
通过使电路卡产生很大的位移，使电路卡装置上的各种物理器件超载，增大这种散热器的数量和重量会严重地改变安装它们的电路卡装置的振动特性，并导致早期故障。这些位移的大小和位置可以用非常大的单独一个散热器来加以控制，或者通过分布各种大小的散热器来加以控制。
振动引发的位移导致的故障会发生在不同的应用中。特别让人担心的是需要经历大量振动的应用，比如移动环境中的那些。安装在移动环境中的电路卡装置常常会经受大量的振动，导致电路卡装置产生很大的位移。
由于以上原因，以及由于下面所陈述的其它原因，在本领域中需要一种方法和装置，用来控制电路卡装置的振动特性，本领域中的技术人员通过阅读和理解这里的说明会明白这些原因。
附图简述
图1A和1B画出了本发明一个实施方案中一般平面电路卡装置的一个侧视图；和
图2和3画出了电路卡装置的其它实施方案。
优选实施方案
在下面对实施方案的详细描述中，参考了附图，这些附图都是用来说明能够实践本发明的具体实施方案的。在这些附图中，相似的数字描述基本上相似的部件。对这些实施方案进行了足够详细的描述，以便让本领域中的技术人员实践本发明。还可以采用其它的实施方案，可以在结构、逻辑上对本发明进行改变，以及进行电改变，而不会偏离本发明的范围。除此以外，本发明的各种实施方案虽然不同，但是都不一定互相排斥。例如，在一个实施方案中描述的特定特征、结构或者特性可以包括在其它实施方案中。因此，下面的详细描述不是为了进行限制，本发明的范围只是由后面的权利要求以及这些权利要求的等价条款确定。
本发明的方法和装置提供一种机制，用来改变电路卡和电路卡装置的振动特性。在一些实施方案中，将压电晶片紧密地固定在电路卡上，用来按照电路卡的位移来控制膨胀和收缩。可以在压电晶片上施加一个电压来控制膨胀。在一些实施方案中，将压电晶片固定在电路卡的相对两面。当电路卡弯曲的时候，将一个电压施加在一个或者多个压电晶片上，这些压电晶片则发生膨胀或者收缩。
也可以将压电晶片用来检测什么时候电路卡发生弯曲。在一些实施方案中，固定在电路卡上的压电晶片在电路卡弯曲的时候产生一个电压，并且将这个电压提供给一个控制系统，这个控制系统将一个电压施加给其它压电晶片。结果，当电路卡发生振动的时候能够减少电路卡的位移。
图1A画出了一般平面电路卡装置的一个侧视图。电路卡装置100包括上面固定了压电晶片104、106和110的电路卡102。压电现象是特定晶体材料的一种特性。将一个电场施加在极化压电材料上的时候，压电结构改变形状，根据极化情况，在某个平面中的材料里产生尺寸变化。相反，在这些材料上施加机械压力的时候，晶体结构产生一个正比于压力的电压。
在制作电路卡的时候将压电晶片104、106和110固定在电路卡102上。压电晶片104、106和110可以是具有压电特性的任意一种类型的材料。这样一个实例是能够从Morgan Mitroc公司获得的PZT-5H双压电晶体。PZT-5H具有很高的介电常数和耦合系数，并且具有很高的压电常数。压电晶片104、106和110是可变形块的一些实例，它们按照受控的方式变形，使得电路卡按照受控方式变形。任意类型的可变形块都可以使用，而不会偏离本发明的范围。
本发明的方法和装置能够通过将压电材料固定在电路卡102上，将电能转换成机械能。在固定在电路卡102上的压电晶片上的两个电极之间施加一个电压的时候，压电晶片膨胀或者收缩，在电路卡上施加一个弯曲力。
以后将受到机械压力的时候产生电压的压电晶片叫做“触发器晶片”。以后将上面施加电压的压电晶片叫做“弯曲晶片”。采用这样的术语一点也不是要限制特定压电晶片的应用范围。相反，这一技术用于说明包括多个压电晶片的各种实施方案。在图1A所示的实施方案中，晶片104和106都是弯曲晶片，晶片110是触发器晶片。
当电路卡102弯曲的时候，触发器晶片110产生一个电压。电压传感器112检测到这一电压，将这个电压提供给控制系统。控制系统114按照从电压传感器112收到的电压将一个电压施加给弯曲晶片104和106。电路卡102、触发器晶片110、电压传感器112、控制系统114和弯曲晶片104和106形成一个控制环。当电路卡102弯曲的时候，触发器晶片110产生一个电压，控制系统114将一个电压施加在弯曲晶片104和106上，降低电路卡102的弯曲程度。在一些实施方案中，控制系统114包括放大器和滤波器。
图1B是弯曲电路卡的一个侧视图。如图1B所示，电路卡102有一个模态，其中波节120基本上维持静止，而波节120周围的区域则发生弯曲。术语“模态”指的是电路卡102由于振动而形成的形状。电路卡102有一个“主模态”，它是电路卡102以一个谐振频率弯曲的时候电路卡102的形状。电路卡102也可以在不同于谐振频率的频率下弯曲。当电路卡102在主模态下弯曲的时候电路卡102通常具有最大位移。任意给定模态的位移量叫做“模态位移”。发生最大模态位移的区域叫做“波腹”，在图中有波腹122和124。作为电路卡102弯曲产生机械压力113的结果，触发器晶片110在波腹产生一个电压。电路卡102发生弯曲的时候，电压随之改变。
弯曲晶片104和106分别用来在波腹135和137上接收电压。控制系统114(图1A)将电压施加在波腹135和137上，从而给它们施加力134和136。在力134的作用下，弯曲晶片104对抗图1B所示电路卡102的变形。同样，在力136的作用下，弯曲晶片106也对抗电路卡102的变形。
如图1B所示，电路卡102代表固定时间点上电路卡的变形。在一些实施方案中，电路卡102前后弯曲，从而使波腹111上触发器晶片110产生的电压震荡。现在回到图1A，当电路卡102振动的时候，控制系统114从电压传感器112收到一个震荡电压。于是，控制系统114将一个震荡电压施加在弯曲晶片104和106上。例如，可以将触发器晶片110产生的电压写成：
A sin(4t)                         等式1
其中A是幅度，4是要控制的主模态的自然频率。响应这个电压，控制系统114产生两个信号。一个是如下形状：
B sin(4t+_)                       等式2
施加给弯曲晶片104。其它信号的形状是：
C sin(4t+”+_)                    等式3
可以施加给弯曲晶片106。B和C分别代表施加给弯曲晶片104和106的信号的幅度。在一些实施方案中，B和C相同。只要合适，控制系统114就给这两个信号一个偏移角。B、C和_的值可以由本领域中的技术人员利用控制系统理论获得。最好是这样来选择这些值，从而有适当的增益和相位余量，保持控制环稳定。弯曲晶片104和106上施加的信号的相位相差180度，用符号”表示。这样就确保了弯曲晶片104和106能够一起对抗电路卡102的弯曲。
图中的弯曲晶片104和106安装在电路卡102上相对两面的波腹区域122。触发器晶片110安装在另一个波腹区域124。在一些实施方案中，触发器晶片110安装在靠近波腹区域122的地方，从而使触发器晶片110接近弯曲晶片104和106。
在图1B所示的实施方案中，一种模态有波节120和波腹122和124。电路卡可以具有一种以上的模态。例如，在不同的振动环境中，图1B所示电路卡的剖面可以具有两个或者多个波节120，以及三个或者多个波腹。在一些实施方案中，将多个触发器晶片安装在电路卡102上，从而使触发器晶片位于每一个模态的至少一个波腹上。在一些实施方案中，每个模态都采用一个单独的控制系统114(图1A)，从而能够减少一个以上模态的电路卡变形102。
图2画出了具有受控振动特性的电路卡装置另一个实施方案的一个剖面图。电路卡102包括触发器晶片110和弯曲晶片104和106。在图2中，控制系统114(图1A)被触发器电路202和振荡器204和206替代。触发器电路202用电压传感器112检测电压。当电压超过一个门限值的时候，触发器电路202触发振荡器204和206，按照电路卡102的振动力感应出来的驻波的频率产生信号。振荡器204和206之间基本上具有180度的相位差，从而使弯曲晶片104和106产生的机械力基本上相反。例如，当弯曲晶片104膨胀的时候，弯曲晶片106收缩。
在一些实施方案中，触发器电路202可以有一个电路，这个电路将电压传感器112收到的电压，调整振荡器204和206产生的信号的幅度。在其它实施方案中，触发器电路202检测电压传感器112产生的电压何时超过门限值，打开和关闭振荡器204和206而不调整产生的信号的幅度。
在一些实施方案中，触发器电路202包括一个电路用来检测电压传感器112产生的信号的频率。当电压传感器112产生的信号的频率与弯曲晶片104和106要抑制的模态的频率相同时，触发器电路202就打开振荡器204和206。当它们的频率不同时，电路120的当前模式可能不同于弯曲晶片104和106要抑制的当前模式，此时不打开振荡器204和206。
图3画出了具有受控振动特性的电路卡的另一个实施方案的一个侧视图。如图3所示，电路卡102包括波腹122上的一个弯曲晶片104，以及波腹122附近的触发器晶片110，基本上和弯曲晶片104相对。在图3所示的实施方案中，触发器晶片110在电路卡的底部。
在一些实施方案中，触发器晶片110固定在电路卡102上在波腹124处。触发器晶片110可以固定在电路卡的顶部或底部。在这些实施方案中，可以抑制模态位移而不管模态如何，部分地是因为施加给弯曲晶片104的电压是它自己的位移的函数。由于触发器晶片110基本上是固定在弯曲晶片104的对面，因此它们都经历基本上相同的位移，触发器110产生的电压能够提供有用的反馈给弯曲晶片104而不管是什么样的模态。在一些实施方案中，本发明可以选择波节和波腹以外的位置来固定晶片。
显然，以上说明的目的是进行说明而不是进行限制。通过阅读和理解以上描述，本领域中的技术人员很快就会想出许多其它实施方案。因此，本发明的范围应该按照后面的权利要求来确定。

Claims (13)

1.一种电路卡，包括：
一个顶面和一个底面；
固定在顶面的一个可变形块，其中所述可变形块按照施加在它上面的电压进行受控变形；和
固定在底面上和固定在顶面上的可变形块基本上相对的一点的第二可变形块；
一个控制系统，耦合到所述的一个第二可变形块，用来检测电路卡的位移，并且作为这个位移的函数将一个电压施加给可变形的块，并将电压施加给第二可变形块，所述电压相对于施加给固定在顶面上的可变形块的电压有基本上180度的相位差；
其中施加给所述第一和第二可变形块的电压幅度不同。
2.权利要求1的电路卡，其中可变形的块包括具有压电特性的一种晶体材料。
3.权利要求1的电路卡，其中：
振动的时候，电路卡呈现出一个主模态，这个主模态具有一个大模态位移区域；和
固定在电路卡顶面和底面的可变形块基本上在大模态位移的区域内。
4.权利要求3的电路卡，其中固定在顶面和底面的可变形块是压电晶片，该电路卡还包括：
固定在电路卡振动的时候发生弯曲的位置上的一个触发器晶片，从而使控制系统按照触发器晶片产生的电压做出响应。
5.一种电路卡装置，包括：
一个电路卡；
安装在电路卡一个波腹区域上，电路卡相对两面上的一对压电晶片；和
安装在电路卡第二个波腹区域上的一个触发器晶片
和所述触发器晶片耦合的电压传感器；
耦合在电压传感器和所述一对压电晶片之间的一个控制系统，所述控制系统根据从电压传感器接收的电压提供分离的电势给压电晶片；
其中所述控制系统包括一个触发器电路，用于在从电压传感器接收的电压超过一个阈值时，提供分离的电势。
6.权利要求5的电路卡装置，其中提供给一对压电晶片的分离的电势有基本相同的幅度。
7.权利要求5的电路卡装置，其中提供给一对压电晶片的分离的电势的幅度不同。
8.一种电路卡，包括：
第一面，以及与第一面相对的第二面；
固定在第一面上的第一个压电晶片，这第一个压电晶片用来接收第一个电压，并且按照这个电压进行变形；和
固定在第二面上的第二个压电晶片，第二个压电晶片用来响应变形来提供第二个电压；
固定在第二侧面上的第三压电晶片，所述第三压电晶片用于接收第三电压并随之变形；
一个和第一、第二和第三压电晶片耦合的控制系统，用于接收第二电压，以产生彼此基本上相差180度的第一和第三电压；
其中所述控制电路用于产生具有不同幅度的第一和第三电压。
9.权利要求8的电路卡，其中的第二个压电晶片固定在与第一个压电晶片基本上相对的第二面。
10.权利要求8的电路卡，其中的第一个压电晶片固定在电路卡的第一个波腹上，第二个压电晶片固定在电路卡的第二个波腹上。
11.根据权利要求10所述的电路卡，其中所述第三压电晶片基本上相对第一压电晶片固定。
12.一种电路卡，包括：
一个顶面和一个底面；
固定在顶面的一个可变形块，其中所述可变形块按照施加在它上面的电压进行受控变形；和
固定在底面上和固定在顶面上的可变形块基本上相对的一点的第二可变形块；
一个控制系统，耦合到所述的第一和第二可变形块，用来检测电路卡的位移，并且作为这个位移的函数将一个电压施加给可变形块，并将电压施加给第二可变形块，所述电压相对于施加给固定在顶面上的可变形块的电压有基本上180度的相位差；
其中固定在顶面和底面上的可变形块是压电晶片，并且电路卡进一步包括一个固定在电路卡振动的时候发生弯曲的位置上的一个触发器晶片，从而使控制系统对触发器晶片产生的电压做出响应；
其中所述控制系统包括一个和触发器晶片相耦合的触发器电路，用于在从触发器晶片接收的电压超过一个阈值时，提供电压给第一和第二可变形块。
13.一种电路卡组件，包括：
一个电路卡；
一对压电晶片，安装在电路卡的第一波腹区，在电路卡的相对侧；
触发器晶片，安装在电路卡的第二波腹区；
一个和触发器晶片相耦合的电压传感器；和
耦合在电压传感器和一对压电晶片之间的控制系统，所述控制系统根据从电压传感器接收的电压，提供分离的电势给所述一对压电晶片；
其中所述控制电路包括一个放大器，用于提供彼此基本相差180度的分离的电势，并且其中提供给压电晶片的分离的电势幅度不同。
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