DE102007012925A1

DE102007012925A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Dämpfung struktureller Schwingungen einer Trägereinrichtung mittels einer piezoelektrischen Aktuatoreinrichtung

Info

Publication number: DE102007012925A1
Application number: DE102007012925A
Authority: DE
Inventors: Wilfried Ihl; Istvan Denes; Andre Zimmermann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-03-19
Filing date: 2007-03-19
Publication date: 2008-09-25

Abstract

Es werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Dämpfung struktureller Schwingungen einer Trägereinrichtung mittels einer piezoelektrischen Aktuatoreinrichtung vorgeschlagen, wobei die piezoelektrische Aktuatoreinrichtung einen zu die strukturellen Schwingungen dämpfenden Längs- und/oder Querschwingungen piezoelektrisch anregbaren Streifen (2; 2, 2';2''; 2a, 2b; 2''a, 2''b) mit einem ersten Endbereich und einem zweiten Endbereich aufweist, der mindestens an einem vom ersten Endbereich und von einem zweiten Endbereich mit einer Oberfläche (OF) der Trägereinrichtung (1) verbunden ist, so dass die Längs- und/oder Querschwingungen auf die Trägereinrichtung (1) übertragbar sind, und wobei die Abmessungen des Streifens (2; 2, 2'; 2''; 2a, 2b; 2''a, 2''b) wesentlich geringer, also diejenigen der Trägereinrichtung (1) sind, so dass die Schwingungsübertragung im Wesentlichen punktförmig erfolgt.

Description

STAND DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Dämpfung struktureller Schwingungen einer Trägereinrichtung mittels einer piezoelektrischen Aktuatoreinrichtung.
Obwohl auf beliebige Systeme mit störenden strukturellen Schwingungen einer Trägereinrichtung anwendbar, werden die vorliegende Erfindung und die ihr zugrundeliegende Problematik anhand von elektronischen Systemen mit einer Leiterplatte als Trägereinrichtung erläutert. Bei derartigen elektronischen Systemen mit Leiterplatten können aufgrund von thermomechanischen und/oder mechanischen Beanspruchungen ungewollte Schwingungen auftreten, die zur Schädigung elektronischer Bauteile und/oder zu Störungen des betreffenden elektronischen Systems führen.
Seit einigen Jahren sind adaptive Verfahren bekannt, welche mit passiven und aktiven Vorrichtungen arbeiten und derartige störende Schwingungen bzw. Verformungen durch gegenphasige Bewegungen bzw. Auslenkungen unterdrücken. Eine beispielhafte Vorrichtung zum adaptiven Schutz von Trägereinrichtungen ist in der DE 10 2004 058 675 A1 offenbart.
Eine Dämpfung von strukturellen Schwingungen mit piezoelektrischen Bauelementen wird in N. W. Hagood and A. von Flotow, „DAMPING OF STRUCTURAL VIBRATIONS WITH PIEZOELECTRIC MATERIALS AND PASSIVE ELECTRICAL NETWORKS" in Journal of Sound and Vibration (1991) 142(2), 243–268 offenbart.
Die US 6,411,015 B1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Dämpfung struktureller Schwingungen einer Trägereinrichtung unter Verwendung eines gewellten piezoelektrischen Streifens, der abwechselnd konvexe und konkave Bereiche entsprechend einer darunter liegenden Oberfläche einer Trägereinrichtung aufweist.
Die US 00 37 809 A1 beschreibt einen aktiven Schwingungsabsorber für eine Trägereinrichtung mit zwei Schichten. Die erste Schicht hat eine geringe Steifigkeit, was eine Bewegung in der Richtung senkrecht zur Hauptebene der Trägereinrichtung ermöglicht. Die zweite Schicht ist eine Massenschicht. Die zwei kombinierten Schichten haben eine Resonanzfrequenz nahe einer Eigenfrequenz der Trägerstruktur. Die erste Schicht lässt sich elektrisch zu piezoelektrischen Schwingungen ansteuern.
Die U.S. 6,629,341 B2 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung mehrlagiger streifenförmiger piezoelektrischer Aktuatoreinrichtungen.
Aus A. Preumont, „Vibration Control of Active Structures", 2nd Editon, Kluwer Academic Publisher, 2002, ist es bekannt, Punktmassenaktuatoren zum Dämpfen von Schwingungen mechanischer Strukturen zu verwenden. Derartige Punktmassenaktuatoren sind komplexe Vorrichtungen bestehend aus einer Feder, einem Dämpfer, einem magnetisch leitenden Material, einer Spule und einer zusätzlichen Masse. Diese konstruktive Komplexität führt zu erhöhten Produktionskosten, Unzuverlässigkeiten der Komponenten und zu Gewichtsproblemen.
Die bisher bekannten piezoelektrischen Aktuatoreinrichtungen sind großflächig und insbesondere nicht für einen Einsatz bei Trägereinrichtungen geeignet, auf deren Oberfläche sich weitere Bauteile, wie zum Beispiel elektronische Bauteile, befinden und wenig Platz für eine piezoelektrische Aktuatoreinrichtung lassen.
Außerdem haben sie eine Eigenfrequenz, die identisch zur Eigenfrequenz der Trägerstruktur selbst ist. Jedoch kommt es häufig vor, dass ungewollte Schwingungsmoden auftreten, welche von Komponenten herrühren, die nicht ein integraler Bestandteil der Trägerstruktur sind (beispielsweise Resonanz eines Elektrolyt-Kondensators, der auf eine Trägerplatte gelötet ist). Derartige Schwingungen können durch die bekannten piezoelektrischen Aktuatoreinrichtungen nicht unterdrückt werden, wenn deren Betrieb auf eine Eigenfrequenz beschränkt ist.
VORTEILE DER ERFINDUNG
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Dämpfung struktureller Schwingungen einer Trägereinrichtung mittels einer piezoelektrischen Aktuatoreinrichtung nach Anspruch 1 bzw. das erfindungsgemäße Verfahren zur Dämpfung struktureller Schwingungen einer Trägereinrichtung mittels einer piezoelekt rischen Aktuatoreinrichtung nach Anspruch 10 weisen den Vorteil auf, dass sie eine einfachen, leichtgewichtigen und zuverlässigen Gegenstand zur Dämpfung von strukturellen Schwingungen einer Trägereinrichtung mittels einer piezoelektrischen Aktuatoreinrichtung bieten, deren Bewegung derart steuerbar ist, dass sie verschiedene unerwünschte Moden gleichzeitig dämpfen kann.
Zweck bei dieser Schwingungsdämpfungsart ist nicht unbedingt, der Schwingung "entgegenzuwirken" (in dem Sinne von gegenphasiger Bewegung der Aktuatoreinrichtung), sondern die Bewegung von der Aktuatormasse (und dadurch deren Reaktionskraft) durch einen geschlossenen Reglerkreis so zu steuern, dass die Schwingungsenergien von der Trägerstruktur in einem vorgegebenen Frequenzband bzw. einer vorgegebenen Frequenz am effektivsten absorbiert werden. Diese Energieabsorption passiert in dem elektrischen Regelungskreis und in der intrinsischen Dämpfung der Aktuatorstruktur.
Aufgrund der konzentrierten, im wesentlichen punktförmigen Natur der Dämpfungsvorrichtung ist kein großer Platzbedarf auf der Oberfläche der zu bedämpfenden Trägereinrichtung erforderlich. Die Resonanzfrequenz der Dämpfungsvorrichtung lässt sich flexibel auf eine gewünschte zu dämpfende Frequenz einstellen. Weist die piezoelektrische Aktuatoreinrichtung eine mehrlagige Sandwich-Struktur auf, so hat sie eine intrinsische Dämpfung. Die Resonanzfrequenz der erfindungsgemäßen Dämpfungsvorrichtung lässt sich so einstellen, dass sie unterhalb des Betriebsbereichs liegt.
Wenn die Resonanzfrequenz des Aktuators an eine Resonanzfrequenz der Trägerstruktur angepasst ist (Methode 1), kann man von der erhöhten Reaktionskraft bei der Resonanzspitze (siehe 6) vom Aktuator profitieren. Allerdings diese Reaktionskrafterhöhung (der Unterschied zwischen der Spitze und dem Plateau) ist nur signifikant, wenn das Gewicht der zusätzlichen Masseneinrichtung relativ groß ist. Wenn die Eigenfrequenzen von dem Aktuator und der Trägerstruktur miteinander nicht genau abgestimmt sind, kann dieser "Spitzeneffekt" auch nicht sehr effektiv ausgenutzt werden (bei etwa 8% Ungenauigkeit in der Eigenfrequenzabstimmung, gehen typischerweise 50% Unterschied zwischen der Spitze und dem Plateau verloren). Ein solcher Resonanzfrequenzunterschied kann nicht nur von Designmethoden stammen, sondern auch von späteren strukturellen Veränderungen von dem Trägermaterial oder von dem Aktuator (Alterungseffekt, Risswachstum, usw.).
Wenn die Resonanzfrequenz des Aktuators unterhalb des Frequenzbereichs liegt (Methode 2), wo man effektiv dämpfen möchte, wird der "Plateaubereich" für Dämpfungszwecke ausgenutzt. Obwohl die Amplituden in diesem Bereich etwas unterhalb der Resonanzspitze (dieser Unterschied ist auch von der intrinsische Dämpfung der Aktuatorstruktur abhängig) liegen, bietet diese Strategie drei Vorteile:

– die zusätzliche Masseneinrichtung von dem Aktuator kann effektiv reduziert sein,
– wegen des breiten Plateaubereichs können mehrere Resonanzen gleichzeitig effektiv gedämpft sein,
– wegen des Plateaubereichs ist diese Dämpfungsmethode deutlich weniger sensible für Resonanzfrequenzveränderungen durch strukturelle Veränderung in der Träger-/Aktuatorstruktur.

Bei der Einstellung der Aktuator-Resonanzfrequenzen können Methode 1 und 2 kombiniert sein, z. B. kann die Spitze von der Aktuatorübertragungsfunktion an die erste wichtige Resonanzspitze von der Trägerstruktur angepasst sein, wobei die anderen zu dämpfenden Resonanzen von der Trägerstruktur im Plateaubereich des Aktuators liegen.
Auf einer zu bedämpfenden Oberfläche einer Trägereinrichtung lässt sich eine Mehrzahl der erfindungsgemäßen Dämpfungsvorrichtungen anordnen, um bestimmte Eigenfrequenzen zu dampfen. Dabei kann die erfindungsgemäße Dämpfungsvorrichtung als Punktmassenschwinger angesehen werden. Die Bestimmung der optimalen Position der erfindungsgemäßen Dämpfungsvorrichtungen auf der Oberfläche der zu bedämpfenden Trägereinrichtung lässt sich am besten durch eine Modalanalyse in einer FEM-Berechnung ausführen, die zweckmäßigerweise im Voraus beim Design der Trägereinrichtung durchgeführt wird.
Die in den Unteransprüchen aufgeführten Merkmale beziehen sich auf vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des jeweiligen Gegenstandes der Erfindung.
ZEICHNUNGEN
Ausführungsbeispiel der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
1 einen schematischen Querschnitt einer Vorrichtung zur Dämpfung struktureller Schwingungen einer Trägereinrichtung mittels einer piezoelektrischen Aktuatoreinrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 einen schematischen Querschnitt einer Vorrichtung zur Dämpfung struktureller Schwingungen einer Trägereinrichtung mittels einer piezoelektrischen Aktuatoreinrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 einen schematischen Querschnitt einer piezoelektrischen Aktuatoreinrichtung bei der ersten und zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4a, b eine Weiterbildung der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einer Sensor-/Aktuatoreinrichtung für einen geschlossenen Regelungskreis für die Dämpfungseinrichtung, und zwar 4a in perspektivischer Ansicht und 4b in ebener Draufsicht;
5 ein elektrisches Ersatzschaltbild der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6 Bodediagramme mit verschiedenen Eigenfrequenzen und Frequenzbandbreiten für die erste bis dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7 einen schematischen Querschnitt einer Vorrichtung zur Dämpfung struktureller Schwingungen einer Trägereinrichtung mittels einer piezoelektrischen Aktuatoreinrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
8a, b einen schematischen Querschnitt einer Vorrichtung zur Dämpfung struktureller Schwingungen einer Trägereinrichtung mittels einer piezoelektrischen Aktuatoreinrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar 8a in ebener Draufsicht und 8b im Querschnitt entlang der Linie I-I in 8a; und
9a, b einen schematischen Querschnitt einer Vorrichtung zur Dämpfung struktureller Schwingungen einer Trägereinrichtung mittels einer piezoelektrischen Aktuatoreinrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar 9a in ebener Draufsicht und 9b im Querschnitt entlang der Linie I-I in 9a.
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Elemente.
1 zeigt einen schematischen Querschnitt einer Vorrichtung zur Dämpfung struktureller Schwingungen einer Trägereinrichtung mittels einer piezoelektrischen Aktuatoreinrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In 1 bezeichnet Bezugszeichen 1 eine Trägereinrichtung in Form einer elektrischen Leiterplatte. Auf der Oberfläche OF der Trägereinrichtung 1 ist eine piezoelektrische Aktuatoreinrichtung in Form eines zu die strukturellen Schwingungen dämpfenden 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.
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 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.
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 1 gezeigten Doppelpfeils nach unten und oben ausgelenkt wird.
Obwohl in der Figur 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.
2 zeigt einen schematischen Querschnitt einer Vorrichtung zur Dämpfung struktureller Schwingungen einer Trägereinrichtung mittels einer piezoelektrischen Aktuatoreinrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bei der in 2 gezeigten zweiten Ausführungsform ist lediglich der erste Endbereich E1 des Streifens 2 im Bereich 3a durch Kleben mit der Oberfläche OF der Trägereinrichtung 1 verbunden. Der Rest des Streifens 2 liegt lediglich auf der Oberfläche OF auf. Bei dieser Ausführungsform ist die zusätzliche Masseneinrichtung 5' auf der Oberseite des Streifens 2 im zweiten Endbereich E2 angebracht. Ansonsten entspricht der Aufbau des Streifens bzw. der (nicht dargestellte) elektrische Anschluss des Streifens 2 demjenigen der oben erläuterten ersten Ausführungsform.
Die in 2 gezeigte geometrische Anordnung erlaubt bei Längsschwingungen des Streifens 2 eine Anregung von Schwingungen der zusätzlichen Masseneinrichtung 5' parallel zur Oberfläche OF der Trägereinrichtung 1 entlang des in 2 gezeigten Doppelpfeils in einem Schwingungsmodus S2.
3 zeigt einen schematischen Querschnitt einer piezoelektrischen Aktuatoreinrichtung bei der ersten und zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Wie in 3 dargestellt, ist die piezoelektrische Schicht 20 des piezoelektrischen Streifens 2 in parallele Streifen 20a–20f unterteilt. Durch diese Konstruktion kann eine Propagation von Rissen innerhalb der Schicht 20 vermieden werden.
4a, b zeigen eine Weiterbildung der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einer Sensor-/Aktuatoreinrichtung für einen geschlossenen Regelungskreis für die Dämpfungseinrichtung, und zwar 4a in perspektivischer Ansicht und 4b in ebener Draufsicht.
Gemäß der Darstellung von 4a, b ist in Ergänzung der ersten Ausführungsform gemäß 1 neben dem gewölbten piezoelektrischen Streifen 2 ein weiterer gewölbter piezoelektrischer Streifen 2' parallel dazu vorgesehen, auf dem ebenfalls die zusätzliche Masseneinrichtung 5 derart angebracht ist, dass sie beide Streifen 2, 2' überbrückt. Bei diesem Aufbau fungiert der erste Streifen 2 als piezoelektrischer Aktuatoreinrichtung, wohingegen der zweite Streifen 2' als piezoelektrische Sensoreinrichtung fungiert.
Wie aus der DE 10 2004 058 675 A1 bekannt, kann ein derartiges System mit einer entsprechenden Regelungseinrichtung vorgesehen werden, um so eine geregelte Dämpfung struktureller Schwingungen der Trägereinrichtung 1 vorzusehen.
5 zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Gemäß dem elektrischen Blockschaltbild von 5 ist der piezoelektrische Streifen 2 über eine externe Spannung V_ext zu Schwingungen in y-Richtung anwendbar, welche eine vorzeichenmäßig alternierende Kraft F_p auf die Trägereinrichtung 1 ausüben. Durch die Masse m der zusätzlichen Masseneinrichtung 5, die Federkonstante C des Streifens 2 und die intrinsiche Dämpfung k bestimmt sich die Frequenzcharakteristik des piezoelektrischen Streifens 2.
6 zeigen Bodediagramme mit verschiedenen Eigenfrequenzen und Frequenzbandbreiten für die erste bis dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Gemäß der Darstellung von 6 sind oberhalb einer jeweiligen Eigenfrequenz des piezoelektrischen Streifens 2 die Amplitude bzw. Phase über einen weiten Arbeitsbereich AB der Dämpfungsvorrichtung im Wesentlichen konstant, im gezeigten Beispiel in einem Frequenzbereich von ca. 10⁵–10⁹ rad/sec.
Wie der Frequenzgang der Amplitude zeigt, ist die Reaktionskraft im Arbeitsbereich AB proportional zur Anregungsspannung, wobei der Proportionalitätsfaktor frequenzunabhängig ist. Die Grenzen dieses Arbeitsbereichs können durch Variieren des Gewichts und der Steifigkeit des piezoelektrischen Streifens sowie des Widerstands der elektrischen Schaltung eingestellt werden.
Die Dämpfung der Resonanzspitze, welche unterhalb des Arbeitsbereichs AB liegt, ist abhängig von der Dämpfung der Gesamtstruktur. Wenn die Masse des piezoelektrischen Streifens 2 einschließlich der Masse m der zusätzlichen Masseneinrichtung 5 unterhalb eines bestimmten Grenzwerts bleibt, wie es bei den meisten Anwendungen der Fall ist, ist die Differenz zwischen der Resonanzspitze und dem Plateau des Arbeitsbereichs AB mehr oder weniger vernachlässigbar, was die Möglichkeit bietet, die gesamte Bandbreite der piezoelektrischen Aktuatoreinrichtung zur Schwingungsdämpfung zu verwenden.
Versuche haben ergeben, dass bei beispielhaften elektrischen Circuit Boards Dämpfungen von Festkörper-Eigenmoden im Bereich von 17 dB erzielbar waren.
7 zeigt einen schematischen Querschnitt einer Vorrichtung zur Dämpfung struktureller Schwingungen einer Trägereinrichtung mittels einer piezoelektrischen Aktuatoreinrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bei der dritten Ausführungsform gemäß 7 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.
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). Die zweiten Endbereiche E2 bzw. E2' sind auf einer zusätzlichen Masseneinrichtung 5'' angebracht (beispielsweise durch Verkleben). Somit verläuft die aus dem ersten und zweiten Streifen 2a, 2b und der zusätzlichen Masseneinrichtung 5'' gebildete Struktur wie bei der ersten Ausführungsform gewölbt über die Oberfläche OF der Trägereinrichtung 1, was ebenfalls einen Schwingungsmodus S1 senkrecht zur Oberfläche OF wie bei der ersten Ausführungsform ermöglicht. Dieser Aufbau hat den Vorteil, dass wesentlich steifere, unbiegbare Piezokeramiken in der Struktur eingebaut werden können.
8a, b zeigen einen schematischen Querschnitt einer Vorrichtung zur Dämpfung struktureller Schwingungen einer Trägereinrichtung mittels einer piezoelektrischen Aktuatoreinrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar 8a in ebener Draufsicht und 8b im Querschnitt entlang der Linie I-I in 8a.
Zusätzlich gezeigt auf der Oberfläche OF der Trägereinrichtung 1 sind bei dieser Ausführungsform elektronische Komponenten 15a, 15b, beispielsweise Kondensatoren, Transistoren, Widerstände usw.
Bei der in 8 gezeigten vierten Ausführungsform ist ein Zungenbereich 16 der Trägereinrichtung 1 teilweise aus der Trägereinrichtung 1 herausgelöst und nur entlang einer virtuellen Achse 16a mit der Trägereinrichtung 1 verbunden. Eine entsprechende rechteckige Aussparung 15 kann beispielsweise durch Sägen erstellt werden.
Ganzflächig aufgeklebt auf den zungenförmigen Bereich 16 ist ein piezoelektrischer Streifen 2'', der analog aufgebaut ist zum oben beschriebenen piezoelektrischen Streifen 2, wobei auch hier eine elektrische Anschlusseinrichtung nicht gezeigt ist. Beabstandet vom piezoelektrischen Streifen 2'' aufgeklebt auf den zungenförmigen Bereich 16 ist eine zusätzliche Masseneinrichtung 5'''.
Durch eine entsprechende Anregung von Längsschwingungen des piezoelektrischen Streifens 2'' ist eine Auslenkung des zungenartigen Bereichs 16 aus der Ebene der Oberfläche OF der Trägereinrich tung 1 um die Achse 16a möglich, wie in 8b ersichtlich. Somit lässt sich über die piezoelektrischen Massenreaktionskräfte F_p ein Torsionsmodus M1 an der Oberfläche OF der Trägereinrichtung 1 anregen.
Obwohl beim vorliegenden Beispiel nicht gezeigt, ist es selbstverständlich auch möglich, auf der Unterseite des zungenartigen Bereichs 16 eine weitere zusätzliche Masseneinrichtung und einen weiteren piezoelektrischen Streifen 2' anzubringen, um das Auslenkverhalten möglichst symmetrisch zu gestalten.
9a, b zeigt einen schematischen Querschnitt einer Vorrichtung zur Dämpfung struktureller Schwingungen einer Trägereinrichtung mittels einer piezoelektrischen Aktuatoreinrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar 9a in ebener Draufsicht und 9b im Querschnitt entlang der Linie I-I in 9a.
Bei der in 9 gezeigten fünften Ausführungsform ist ein Bereich 16', der eine zentrale herzförmige Aussparung 15'' und eine peripherische Aussparung 15' der Trägereinrichtung 1 in seiner Peripherie aufweist, nur in zwei Verbindungsabschnitten 16'a und 16'b mit der umliegenden Oberfläche OF der Trägereinrichtung 1 verbunden. Auf der Oberseite OF des einen Zweiges sind ein piezoelektrischer Streifen 2''a und eine zusätzliche Masseneinrichtung 5''a vorgesehen. Auf der Unterseite des anderen Zweiges sind ein weiterer piezoelektrischer Streifen 2''b und eine weitere zusätzliche Masseneinrichtung 5''b vorgesehen.
Selbstverständlich entsprechen die gezeigten piezoelektrischen Streifen 2''a, 2''b, die auf die jeweilige Seite des Bereichs 16' der Trägereinrichtung 1 aufgeklebt sind, dem bereits erläuterten piezoelektrischen Streifen 2 der ersten Ausführungsform.
Bei der derartigen geometrischen Anordnung ist es möglich, durch eine geeignete elektrische Ansteuerung einer nicht gezeigten elektrischen Ansteuerungseinrichtung Torsionsschwingungen des Bereichs 16' zu induzieren, welche einen Anregungsmodus um eine Achse 16'c darstellen, hier bezeichnet als Torsionsmodus M2.
Dabei erscheint klar, dass die Spannungen, die an die beiden piezoelektrischen Streifen 2''a, 2''b angelegt werden, entgegengesetzte Vorzeichen haben und synchronisiert sind, um den gewünschten Torsionsmodus M2 anzuregen.
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele erläutert worden ist, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auch in anderer Weise ausführbar.
Obwohl bei den oben beschriebenen Ausführungsformen bestimmte Geometrien der Streifenanordnung bzw. der Anordnung der teilweise ausgesparten Bereiche der Trägereinrichtung 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, um neben Längsschwingungen auch Querschwingungen zu induzieren, welche die unerwünschten Schwingungen der Trägereinrichtung dämpfen.
Schließlich ist die Anwendung auf elektronische Schaltungsplatten nur beispielhaft und selbstverständlich auch auf andere Trägereinrichtungen anwendbar, wie zum Beispiel Gehäuseplatten, Verstärkungsplatten, usw.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102004058675 A1 [0003, 0043]
- US 6411015 B1 [0005]
- US 0037809 A1 [0006]
- US 6629341 B2 [0007]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- N. W. Hagood and A. von Flotow, „DAMPING OF STRUCTURAL VIBRATIONS WITH PIEZOELECTRIC MATERIALS AND PASSIVE ELECTRICAL NETWORKS" in Journal of Sound and Vibration (1991) 142(2), 243–268 [0004]
- A. Preumont, „Vibration Control of Active Structures", 2nd Editon, Kluwer Academic Publisher, 2002 [0008]

Claims

Vorrichtung zur Dämpfung struktureller Schwingungen einer Trägereinrichtung (1) mittels einer piezoelektrischen Aktuatoreinrichtung, wobei die piezoelektrische Aktuatoreinrichtung einen zu die strukturellen Schwingungen dämpfenden Längs- und/oder Querschwingungen piezolelektisch anregbaren Streifen (2; 2, 2'; 2''; 2a, 2b; 2''a, 2''b) mit einem ersten Endbereich und einem zweiten Endbereich aufweist, der mindestens an einem vom ersten Endbereich und vom einem zweiten Endbereich mit einer Oberfläche (OF) der Trägereinrichtung (1) verbunden ist, so dass die Längs- und/oder Querschwingungen auf die Trägereinrichtung (1) übertragbar sind, und wobei die Abmessungen des Streifens (2; 2, 2'; 2''; 2a, 2b; 2''a, 2''b) wesentlich geringer also diejenigen der Trägereinrichtung (1) sind, so dass die Schwingungsübertragung im wesentlichen punktförmig erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei auf dem Streifen (2; 2, 2'; 2''; 2a, 2b; 2''a, 2''b) eine zusätzliche Masseneinrichtung (5; 5'; 5''; 5''a, 5''b; 5''') angebracht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Streifen (2; 2, 2'; 2''; 2a, 2b; 2''a, 2''b) am ersten Endbereich und am zweiten Endbereich mit der Oberfläche (OF) der Trägereinrichtung (1) derart verbunden ist, dass er gewölbt über die Oberfläche (OF) der Trägereinrichtung (1) verläuft, und wobei die zusätzliche Masseneinrichtung (5; 5'; 5''; 5''a, 5''b; 5''') im wesentlichen in der Mitte des Streifens (2; 2, 2'; 2''; 2a, 2b; 2''a, 2''b) auf der von der Oberfläche (OF) der Trägereinrichtung (1) abgewandten Seite des Streifens (2; 2, 2'; 2''; 2a, 2b; 2''a, 2''b) angebracht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Streifen (2; 2, 2'; 2''; 2a, 2b; 2''a, 2''b) an einem vom ersten Endbereich und vom zweiten Endbereich mit der Oberfläche (OF) der Trägereinrichtung (1) derart verbunden ist, dass er eben über die Oberfläche (OF) der Trägereinrichtung (1) verläuft, und wobei die zusätzliche Masseneinrichtung (5; 5'; 5''; 5''a, 5''b; 5''') im wesentlichen am anderen vom ersten Endbereich und vom zweiten Endbereich des Streifens (2; 2, 2'; 2''; 2a, 2b; 2''a, 2''b) auf der von der Oberfläche (OF) der Trägereinrichtung (1) abgewandten Seite des Streifens (2; 2, 2'; 2''; 2a, 2b; 2''a, 2''b) angebracht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Streifen (2; 2, 2'; 2''; 2a, 2b; 2''a, 2''b) ganzflächig mit einem Bereich (16; 16') der Oberfläche (OF) der Trägereinrichtung (1) verbunden ist, wobei der Bereich (16; 16') entlang seiner Peripherie teilweise aus der Oberfläche (OF) der Trägereinrichtung (1) herausgelöst ist, und wobei auf einer Seite des Bereichs (16; 16') eine zusätzliche Masseneinrichtung (5; 5'; 5''; 5''a, 5''b; 5''') angebracht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei der Bereich (16; 16') eine Zungenform aufweist und er durch die Längs- und/oder Querschwingungen aus der Ebene der Oberfläche (OF) um eine Achse (16a) nach oben und/oder nach unten auslenkbar ist.
Vorrichtung nach Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei der Bereich (16; 16') in zwei Verbindungsabschnitten (16'a, 16'b) entlang seiner Peripherie mit der Oberfläche (OF) der umliegenden Trägereinrichtung (1) verbunden ist und durch die Längs- und/oder Querschwingungen aus der Ebene der Oberfläche (OF) der Trägereinrichtung (1) um eine Achse (16'c) verdrehbar ist, welche in der Ebene der Oberfläche (OF) der Trägereinrichtung (1) liegt.
Vorrichtung nach Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei auf der anderen Seite des Bereichs (16; 16') ein weiterer zu Längs- und/oder Querschwingungen piezolelektisch anregbarer Streifen (2; 2, 2'; 2''; 2a, 2b; 2''a, 2''b) ganzflächig mit einem Bereich (16; 16') der Oberfläche (OF) der Trägereinrichtung (1) verbunden ist und eine weitere zusätzliche Masseneinrichtung (5; 5'; 5''; 5''a, 5''b; 5''') angebracht ist.
Vorrichtung nach Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die piezoelektrische Aktuatoreinrichtung einen zu Längs- und/oder Querschwingungen piezolelektisch ersten und zweiten anregbaren Streifen (2; 2, 2'; 2''; 2a, 2b; 2''a, 2''b) mit einem jeweiligen ersten Endbereich und einem jeweiligen zweiten Endbereich aufweist, wobei der erste Streifen (2a) an seinem ersten Endbereich mit der Oberfläche (OF) der Trägereinrichtung (1) und an seinem zweiten Endbereich mit der zusätzlichen Masseneinrichtung (5; 5'; 5''; 5''a, 5''b; 5''') verbunden ist, und wobei der zweite Streifen (2b) an seinem ersten Endbereich mit der Oberfläche (OF) der Trägereinrichtung (1) und an seinem zweiten Endbereich mit der zusätzlichen Masseneinrichtung (5; 5'; 5''; 5''a, 5''b; 5''') verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der bzw. die Streifen (2; 2, 2'; 2''; 2a, 2b; 2''a, 2''b) mehrschichtig aufgebaut sind und mindestens eine Schicht (20) aus einem piezoelektrischen Material, zwei Elektrodenschichten (21) und zwei Isolationsschichten (22, 23) aufweisen.
Verfahren zur Dämpfung struktureller Schwingungen einer Trägereinrichtung mittels einer piezoelektrischen Aktuatoreinrichtung mit den Schritten: Anregen mindestens eines zu die strukturellen Schwingungen dämpfenden Längs- und/oder Querschwingungen piezolelektisch anregbaren Streifens (2; 2, 2'; 2''; 2a, 2b; 2''a, 2''b) mit einem ersten Endbereich und einem zweiten Endbereich, der mindestens an einem vom ersten Endbereich und vom einem zweiten Endbereich mit einer Oberfläche (OF) der Trägereinrichtung (1) verbunden ist, so dass die Längs- und/oder Querschwingungen auf die Trägereinrichtung (1) übertragen werden.