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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Schwingungsreduktion an elektronischen Bauteilen auf Basis von vibroakustischen Metamaterialien.
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Mechanische Schwingungen stellen eine relevante Belastungsform elektrischer Komponenten dar, die deren Lebensdauer verringern und ihre Ausfallwahrscheinlichkeit maßgeblich erhöhen können. So kann es zum Beispiel auf Grund von Vibrationen zu Ermüdungsbrüchen in Kontaktstellen kommen, die im schlimmsten Fall zu Ausfällen von System führen könnten. Ebenso können hohe mechanische Belastungen auch temporär die Funktionalität von elektronischen Komponenten beeinträchtigen. Betroffen von diesen Problemen sind insbesondere Kondensatoren, Dioden und Transistoren, aber auch komplexere Komponenten wie Sensoren und integrierte Schaltungen. Neben der verringerten Zuverlässigkeit der betroffenen elektronischen Systeme und erhöhtem Wartungsaufwand können mechanische Schwingungen daher in Bereichen wie der Automobil- oder Luftfahrttechnik auch zu sicherheitsrelevanten Problemen werden.
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Um die Belastung dieser elektronischen Komponenten auf Grund von mechanischen Schwingungen zu reduzieren, werden beispielsweise Verbindungselemente aus Silikonen oder Elastomeren verwendet, um Leiterplatten von schwingungsübertragenden Bauteilen zu entkoppeln. Eine solche „weiche“ Verbindung ist jedoch nicht unter allen Bedingungen zweckmäßig oder erwünscht und beispielsweise bei der Verbindung von Leiterplatten mit Kabeln ineffektiv. Ebenso kann eine Einkapselung der betroffenen Bauteile in einer Vergussmasse diese vor dem Einfluss von Vibrationen schützen, solche Einkapselungen können jedoch auch die Funktion mancher Bauteile negativ beeinflussen und erhöhen in der Regel den Bauraumbedarf. Wenn sich Vibrationen jedoch nicht vermeiden, oder die Bauteile nicht effektiv schützen lassen, werden oftmals spezielle Komponenten verwendet. Diese sind robuster gestaltet, teils überdimensioniert und weisen zum Beispiel zusätzliche Kontakte auf, um eine sichere Verbindung der Bauteile mit einer Leiterplatte zu gewährleisten. Es versteht sich jedoch von selbst, dass solche Komponenten in vielen Anwendungsbereichen Nachteile bezüglich Masse- und Raumaufwand haben.
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Um die Nachteile herkömmlicher Methoden zur Schwingungsdämpfung an elektronischen Bauteilen zu umgehen können vibroakustische Metamaterialien verwendet werden. Bei Metamaterialien handelt es sich um künstliche, meist periodische, Strukturen, die dazu ausgelegt sind, besondere leitende, isolierende, dämpfende oder verstärkende Eigenschaften zu erzielen. Auf diese Weise lassen sich zum Beispiel Strukturen gestalten, die Stoppbänder ausbilden. Stoppbänder sind Frequenzbereiche in denen Wellenausbreitung nur stark abgeschwächt stattfindet. Bei vibroakustischen Metamaterialien wird dieses Konzept angewendet, um die Ausbreitung von mechanischen Wellen zu kontrollieren und zu manipulieren. In diesem Rahmen sind dabei die Eigenschaften von Festkörpern, wie Dichte, Kompressions- und Elastizitätsmodul relevant. Eine Möglichkeit zur Erzeugung von Stoppbändern durch vibroakustische Metamaterialien sind periodische Anordnungen von resonanten Strukturen, sogenannte lokale Resonatoren. Durch die Interaktionen der lokalen Resonatoren mit ihrer Umgebung verhält sich die resultierende Struktur in einem bestimmten Frequenzbereich, als hätte sie eine negative effektive Masse, sodass die Wellenausbreitung für diesen Bereich stark behindert wird. Um ein stark ausgeprägtes Stoppband zu erzeugen, müssen die einzelnen Resonatoren alle auf dieselbe Frequenz abgestimmt sein. Bei Abweichungen in der Periodizität und Frequenzabstimmung der Resonatoren ergibt sich ein breiteres, aber weniger stark ausgeprägtes Stoppband. Durch geschicktes Design von vibroakustischen Metamaterialien lässt sich so ein gewünschter Frequenzbereich einstelle, in dem die Ausbreitung mechanischer Schwingungen gedämpft wird.
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Aufgabe der vorliegenden Schutzanmeldung ist es daher, eine Vorrichtung vorzuschlagen, die die Ausbreitung von mechanischen Schwingungen in einem Frequenzbereich dämpft. Gleichzeitig soll diese Vorrichtung gegenüber herkömmlichen Methoden zur Schwingungsdämpfung an elektronischen Bauteilen Vorteile in Bezug auf Bauraumbedarf, Gewicht, Wärmeableitung und Handhabung aufweisen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Reduktion von mechanischen Schwingungen an einem elektronischen Bauteil gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst.
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Eine solche Vorrichtung zur Reduktion von mechanischen Schwingungen an einem elektronischen Bauteil, umfasst
- eine Anordnung von lokalen Resonatoren, die darauf abgestimmt sind, jeweils mindestens eine Eigenfrequenz in einem relevanten Frequenzbereich aufzuweisen,
- wobei die Anordnung von lokalen Resonatoren so konfiguriert ist, dass sie mindestens ein Stoppband für mechanische Wellenausbreitung in dem elektronischen Bauteil in dem relevanten Frequenzbereich erzeugt.
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Elektronische Bauteile sind zum Beispiel elektrische Bauelemente wie Kondensatoren, Widerstände, Spulen, Dioden, und Transistoren, aber auch komplexere Komponenten wie Sensoren und integrierte Schaltungen. Im Rahmen dieser Anmeldung soll sich der Begriff „elektronische Bauteile“ jedoch auch auf Elemente wie Anschlüsse, Kabel, Schalter und Relais, sowie auf weitere elektrische, elektromechanische oder mechanische Bauteile erstrecken, die in elektronischen Geräten und Anlagen Anwendung finden.
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Zur Schwingungsreduktion ist das elektronische Bauteil mit einer Anordnung von lokalen Resonatoren versehen. Diese Anordnung von lokalen Resonatoren bildet ein vibroakustisches Metamaterial aus. Die Anordnung kann zweidimensional, also in der Ebene, oder dreidimensional im Raum sein. Die einzelnen Resonatoren bestehen jeweils mindestens aus einer schwingenden Masse und einem Federelement. Die schwingende Masse kann eine beliebige Form und Abmessung haben und aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Die Masse der schwingenden Masse ist ein wichtiger Faktor bei der Frequenzabstimmung des Resonators. Das Federelement hat elastische Eigenschaften. Das Federelement kann einteilig mit der schwingenden Masse ausgebildet. Es kann sich ebenso um ein einzelnes elastisches Element, wie zum Beispiel um eine Blattfeder, handeln. Das Federelement kann eine beliebige Form und Abmessung haben. Insbesondere sind Form und Abmessung des Federelements wichtige Faktoren bei der Frequenzabstimmung des Resonators. Das Federelement kann aus demselben Material wie die schwingende Masse, oder beispielsweise auch um ein Elastomer handeln. Es ist anzumerken, dass schwingende Masse und Federelement nicht unbedingt klar voneinander abzugrenzen sind. Schwingende Masse und Federelement können einteilig ausgebildet sein und auch die schwingende Masse kann sich in der Schwingung verformen. Die schwingende Masse, das Federelement und ein gewisser Bereich der Umgebung des Resonators bilden eine Einheitszelle des Resonators. Die Anordnung von lokalen Resonatoren besteht aus einer räumlichen Wiederholung dieser Einheitszellen.
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Jeder einzelne Resonator besitzt mindestens eine erste relevante Resonanzfrequenz. Bei einer Anregung mit einer Resonanzfrequenz wird die Amplitude der Schwingung des Resonators maximal. Die Resonanzfrequenz eines Resonators wird dabei durch die Eigenschaften der gesamten Einheitszelle bestimmt. Es spielt also neben der Masse der schwingenden Masse und des Federelements und den elastischen Eigenschaften des Federelements auch die Geometrie, Masse und Elastizität der umgebenden Strukturen eine Rolle. Eine Frequenzabstimmung der Resonatoren kann also durch Variation dieser Eigenschaften erfolgen. Die Einheitszellen sollten in der Größenordnung einer halben Wellenlänge der ersten relevanten Frequenz, oder kleiner, dimensioniert sein.
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Alle lokalen Resonatoren des Metamaterials sind auf die gleiche, oder zumindest annähernd gleiche, Resonanzfrequenz abgestimmt. So entsteht ein Stoppband um diese Frequenz, das eine Wellenausbreitung im Metamaterial und im damit versehenen elektronischen Bauteil stark abschwächt. Durch die Abstimmung der Resonanzfrequenz der lokalen Resonatoren lässt sich so ein Stoppband gestalten, das die Ausbreitung von mechanischen Wellen in dem elektronischen Bauteil einschränkt. Weisen die Resonatoren mehrere Resonanzfrequenzen in dem relevanten Frequenzbereich auf, so können mehrere Stoppbänder um diese entstehen. Diese mehreren Stoppbänder können getrennt Schwingungen in unterschiedlichen Frequenzbereichen reduzieren oder sich überlappen und so ein großes Stoppband bilden.
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Die Anordnung von lokalen Resonatoren kann periodisch sein. Eine periodische Struktur ergibt sich aus der räumlichen Wiederholung der Einheitszellen der lokalen Resonatoren.
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Der Abstand der lokalen Resonatoren zueinander in der Anordnung von lokalen Resonatoren kann kleiner sein als eine halbe Wellenlänge der ersten relevanten Frequenz, um ein vorteilhaftes Verhalten der Anordnung zu gewährleisten. Zusammen mit Einheitszellen der lokalen Resonatoren in der Größenordnung einer halben Wellenlänge der ersten Frequenz kann so auch das Dispersionsverhalten der Anordnung richtungsunabhängig sein.
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Durch die periodische Anordnung der lokalen Resonatoren mit Abständen kleiner oder gleich einer halben Wellenlänge kann außerdem erreicht werden, dass sich mindestens ein weiteres Stoppband in dem Werkzeug ausbildet, das durch Bragg-Streuung an der Anordnung entsteht. Auf diese Weise lässt sich ein zusätzliches Stoppband um eine weitere Frequenz ausnutzen.
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Weitere Stoppbänder lassen sich auch erzeugen, in dem die lokalen Resonatoren so ausgebildet sind, dass sie mehrere Resonanzfrequenzen aufweisen. Des Weiteren kann die Anordnung der lokalen Resonatoren so gewählt werden, dass sich zusätzliche Resonanzfrequenzen für die Anordnung ergeben, indem entweder Resonatoren mit verschiedenen relevanten Frequenzen in der Anordnung verwendet werden oder sich weitere Stoppbänder durch die Form der Anordnung ergeben.
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Sind die einzelnen lokalen Resonatoren leicht unterschiedlich abgestimmt, lässt sich das Stoppband um die erste Resonanzfrequenz verbreitern. Es verliert dabei jedoch auch an Schärfe, die Reduktion von Schwingungen in diesem Frequenzbereich fällt weniger stark aus. Diese Effekte können jedoch erwünscht sein. Außerdem können leicht unterschiedliche Frequenzabstimmungen der Resonatoren sinnvoll sein, um die Resonatoren an ihre Position in der Anordnung von lokalen Resonatoren anzupassen, beispielsweise, wenn zu erwarten ist, dass auf bestimmte Bereiche der Anordnung zusätzliche Kräfte wirken.
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Zumindest einige der lokalen Resonatoren können als Biegebalkenresonatoren ausgeführt sein. Dabei handelt es sich um einen Balken, also einen allgemeinen quaderförmigen Körper, der einseitig eingespannt, also befestigt, ist und dessen anderes Ende frei schwingen kann. Diese Ausführung hat Vorteile in Bezug auf die Einfachheit ihrer Konstruktion und die Einstellbarkeit ihrer Resonanzfrequenz, die sich durch die Maße des Balkens und des Auflagepunktes steuern lässt. Es ist dabei anzumerken, dass es sich bei den Balken nicht zwingend um einen klassischen, länglichen Balken handeln muss, sondern allgemein um ein Prisma, das an einer Seite oder an einem Punkt so befestigt ist, dass es schwingen kann. Insbesondere kann der Resonator auch als Platte gestaltet sein, die aus einem umgebenden Material herausgearbeitet ist und mit diesem in einer Ecke verbunden ist. Eine weitere Form eines Resonators, die explizit erwähnt werden soll, ist eine kreuzförmige Anordnung, die mit dem zu dämpfenden Körper in der Mitte des Kreuzes gekoppelt ist und an den Enden der Kreuzarme vier schwingende Massen aufweist. Durch die Wahl der Form der Resonatoren können die Eigenmoden der Schwingung der Resonatoren und ihre Eigenfrequenzen und damit auch der Frequenzbereich des in der Anordnung entstehenden Stoppbandes bestimmt werden. Die Form der einzelnen Resonatoren soll dabei nicht auf die hier beschriebenen beschränkt werden, sondern kann nach den jeweiligen Anforderungen gewählt werden. Insbesondere müssen auch nicht alle Resonatoren der Anordnung von lokalen Resonatoren die gleiche Form aufweisen, sondern können an die Gegebenheiten ihrer jeweiligen Position angepasst sein, solange sie eine weitestgehend übereinstimmende Frequenzabstimmung aufweisen.
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Um die lokalen Resonatoren auf einem elektronischen Bauteil oder einer Trägerstruktur aufzubringen, können sie mit einem Lötpin oder einer Lötfläche versehen sein. Durch die Verwendung standardisierter Verbindungen kann das Aufbringen der Resonatoren auf einfache Weise in herkömmliche, industrielle Herstellungsprozesse eingebunden werden.
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Die lokalen Resonatoren können direkt auf das zu dämpfende elektronische Bauteil aufgebracht werden. Auf diese Weise lässt sich eine effektive Reduktion von Schwingungen bei Einsparung von Bauraum erreichen.
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Insbesondere können die lokalen Resonatoren einteilig mit dem elektronischen Bauteil ausgebildet sein. Diese erhöht den Konstruktionsaufwand, kann aber weiteren Bauraum einsparen. Beispiele für eine solche einteilige Konstruktion der lokalen Resonatoren mit dem elektronischen Bauteil können gebogene Verbindungspins sein, die gleichzeitig als Biegebalkenresonatoren fungieren. Ebenso kann die Anordnung von lokalen Resonatoren aus dem Wafer eines Chips herausgearbeitet sein.
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Stattdessen kann die Anordnung von lokalen Resonatoren auch auf einer Trägerstruktur für elektronische Bauteile angeordnet sein. Dies kann den Vorteil haben, dass das elektronische Bauteil unverändert verbaut werden kann und keinen zusätzlichen Einflüssen ausgesetzt ist. Außerdem kann die Anordnung von lokalen Resonatoren so ausgeführt werden, dass sie ein Stoppband für Schwingungen in mehreren elektronischen Bauteilen, die auf einer Trägerstruktur angeordnet sind, ausbildet. Die Anordnung von lokalen Resonatoren auf der Trägerstruktur des elektronischen Bauteils kann dieses direkt umgeben, um mechanische Schwingungen in dem Bauteil zu dämpfen oder die Entstehung von Vibrationen in diesem zu unterbinden. Die Anordnung kann auch gezielt an den Punkten, oder um die Punkte herum ausgebildet sein, die die Trägerstruktur mit der Umgebung koppeln, um die Einleitung von mechanischen Schwingungen in die Trägerstruktur und das elektronische Bauteil zu dämpfen.
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Das einfachste Beispiel einer solchen Trägerstruktur kann eine Leiterplatte sein. Insbesondere können durch die Verwendung von vibroakustischen Metamaterialien in Form von Anordnungen lokaler Resonatoren die Biegewellen, welche an den Anbindungspunkten von Leiterplatten durch die Kontaktkräfte an starren Verbindungen entstehen, eliminiert werden. Durch das Aufbringen einer Anordnung von lokalen Resonatoren auf eine herkömmliche Leiterplatte lässt sich außerdem die Vorrichtung zur Reduktion von mechanischen Schwingungen auf einfache Weise in bestehende Herstellungsprozesse integrieren.
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Die Anordnung von lokalen Resonatoren kann auch einteilig mit einer Leiterplatte ausgebildet sein, also aus dem Material der Leiterplatte herausgearbeitet sein. Dazu bietet sich insbesondere die bereits beschriebene Form der Resonatoren an, in der einzelne Platten aus dem Material der Leiterplatte herausgearbeitet werden, die im Bereich einer Ecke mit der verbleibenden Struktur der Leiterplatte verbunden sind und so schwingend gelagert sind. Eine besondere Form, in der die Anordnung von lokalen Resonatoren Teil der Leiterplatte ist, kann eine Leiterplatte in Sandwichstruktur sein, in der die lokalen Resonatoren aus einer der inneren Lagen der Leiterplatte herausgearbeitet sind. Durch diese Ausführung kann weiterer Bauraum gespart werden, da die Oberfläche der Leiterplatte den darauf anzuordnenden elektronischen Komponenten vorbehalten bleibt.
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In einer weiteren Form kann die Anordnung von lokalen Resonatoren an einem Gehäuse eines Geräts, dass ein elektronisches Bauteil umfasst, angebracht sein. Auf diese Weise können die mechanischen Schwingungen in einem gesamten Aufbau reduziert werden. Insbesondere kann es sinnvoll sein, die Stellen, an die eine Trägerstruktur eines elektronischen Bauteils mit einem Gehäuse gekoppelt ist, mit einer Anordnung von lokalen Resonatoren zu umgeben, um die Einleitung von mechanischen Schwingungen zu unterbinden.
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Das elektronische Bauteil kann ein Kabel sein. In diesem Fall kann die Anordnung von lokalen Resonatoren direkt auf dem Umfang des Kabels aufgebracht sein. Auf diese Weise lässt sich die Leitung von mechanischen Schwingungen in dem Kabel dämpfen.
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Die lokalen Resonatoren können auch in Kühlkörper integriert sein. Somit lässt sich der Raumbedarf weiter reduzieren, in dem die Dämpfung von mechanischen Schwingungen mit dem zusätzlichen Effekt der Wärmeableitung kombiniert wird, für den in der Regel bereits Kühlkörper vorgesehen sind. Um diesen Effekt zu erreichen, müssen die Kühlkörper oder -rippen in eine Form gebracht werden, in der sie als lokale Resonatoren fungieren können.
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Eine weitere Möglichkeit ist es, zumindest einige der lokalen Resonatoren als aktive Elemente, beispielsweise als miniaturisierte piezoelektrische Lautsprecher, aufzuführen. Auf diese Weise lässt sich die Eigenfrequenz der lokalen Resonatoren aktiv steuern und somit auch die Eigenschaften des erzeugten Stoppbandes oder der erzeugten Stoppbänder an spezifische, auch temporäre, Gegebenheiten anpassen.
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Die beschriebenen Ausführungsformen des Gegenstandes der vorliegenden Anmeldung können dabei sowohl einzeln verwendet als auch kombiniert werden, um zusätzliche Effekte zu erzielen und eine Vorrichtung zu bieten, die zur Reduktion von mechanischen Schwingungen an elektronischen Bauteilen mit einer Anordnung von lokalen Resonatoren versehen ist.
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Die erwähnten, sowie weitere Aspekte der Erfindung werden ersichtlich anhand der detaillierten Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die mit Hilfe der folgenden Zeichnungen gegeben wird, von welchen:
- 1 eine Vorrichtung zur Reduktion von mechanischen Schwingungen auf einem elektronischen Bauteil schematisch darstellt,
- 2 eine weitere Vorrichtung zur Reduktion von mechanischen Schwingungen auf einer Leiterplatte darstellt,
- 3a einen lokalen Resonator mit Lötpins darstellt und
- 3b einen lokalen Resonator mit einem Lötpad darstellt,
- 4a-4f verschieden Möglichkeiten zur Anbringung einer Anordnung von lokalen Resonatoren auf einem elektronischen Bauteil oder auf einer Leiterplatte darstellen,
- 5a eine perspektivische Ansicht einer Leiterplatte, aus der eine Anordnung von lokalen Resonatoren herausgearbeitet ist,
- 5b eine Draufsicht der Leiterplatte aus 5a ist,
- 6 eine Leiterplatte in Sandwichstruktur mit einer mittleren Lage, die mit einer Anordnung von lokalen Resonatoren versehen ist, darstellt,
- 7a eine perspektivische Ansicht eines Gehäuses eines elektronischen Bauteils ist, und
- 7b eine Draufsicht des Gehäuses aus 7a ist, in der zu erkennen ist, dass dieses mit Anordnungen von lokalen Resonatoren versehen ist,
- 8a-8c Kabel, die mit Anordnungen von lokalen Resonatoren versehen sind, schematisch darstellen,
- 9a und 9b Kühlkörper, in die lokale Resonatoren integriert sind, schematisch darstellen, und
- 10 einen Chip mit integrierter Anordnung von lokalen Resonatoren schematisch darstellt.
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Im Folgenden sollen die beanspruchten Gegenstände auf Basis der begleitenden Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Elemente.
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In 1 ist eine vereinfachte, schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Reduktion von mechanischen Schwingungen auf einem elektronischen Bauteil 1. Bei dem elektronischen Bauteil kann es sich um beispielsweise um einen Kondensator, eine Diode, einen Transistor, einen Sensor oder um einen integrierten Schaltkreis handeln. Das elektronische Bauteil 1 ist auf einer Leiterplatte 4 angeordnet. Die Leiterplatte 4 ist nur schematisch dargestellt, sie könnte auch mit weiteren Bauteilen, sowie mit Anschlüssen und Leiterbahnen versehen sein. Die Leiterplatte 4 kann aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise aus einem Faserverbundkunstoff bestehen. Das elektronische Bauteil 1 ist über eine Steck- oder Lötverbindung mechanisch und leitend mit der Leiterplatte 4 verbunden. Eben diese Verbindung kann einer der Schwachpunkt in der Funktion des elektronischen Bauteils 1 sein, wenn dieses mechanischen Schwingungen ausgesetzt ist. Beispielweise kann es zu Ermüdungsbrüchen von Lötverbindungen kommen. Um die Belastung des elektronischen Bauteils 1 durch mechanische Schwingungen zu reduzieren, ist dieses mit einer Anordnung 2 von lokalen Resonatoren 3 versehen. Die Anordnung 2 von lokalen Resonatoren 3 ist direkt auf dem elektronischen Bauteil 1 aufgebracht. Bei den lokalen Resonatoren handelt es sich um Biegebalkenresonatoren in L-Form, wobei der kurze Balken des L den längeren Balken mit der Oberfläche des elektronischen Bauteils 1 verbindet. Die Anordnung 2 umfasst eine Anzahl von lokalen Resonatoren 3 in einem periodischen Muster.
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Ein ähnlicher Aufbau ist auch in 2 gezeigt. In dieser Darstellung ist eine größere Anordnung 2 von als Biegebalkenresonatoren ausgeführten lokalen Resonatoren 3 gezeigt, die nicht auf einem elektronischen Bauteil 1, sondern auf einer Trägerplatte 5 aufgebracht, und über diese direkt auf der Leiterplatte 4 angeordnet sind. Es kann sich hier beispielsweise um die Rückseite einer Leiterplatte 4 handeln, auf deren Vorderseite ein elektronisches Bauteil angeordnet ist, das vor mechanischen Schwingungen geschützt werden soll. Durch die Anordnung 2 der lokalen Resonatoren 3 auf der Rückseite der Leiterplatte 4 kann der vollständige Bauraum auf der Vorderseite der Leiterplatte 4 für elektronische Bauteile 1 aufgewendet werden, sodass hier kein spezielles Layout benötigt wird. Es ist außerdem anzumerken, dass alle Darstellungen der vorliegenden Anmeldung eine Leiterplatte 4 zeigen. Es kann sich jedoch, je nach Anwendung, auch um eine andere Trägerstruktur für elektronische Bauteile 1 handeln, wobei sich die beschriebenen Konzepte einfach übertragen lassen.
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Die in 1 und 2 dargestellten Anordnungen von lokalen Resonatoren wirken auf die gleiche Weise: Alle lokalen Resonatoren 3 weisen eine annähernd gleiche Frequenzabstimmung auf. Die Anordnung 2 von lokalen Resonatoren 3 bildet so ein vibroakustisches Metamaterial aus, das in einem Frequenzbereich um die Resonanzfrequenz der lokalen Resonatoren 3 negative effektive Masseeigenschaften aufweist. Wird das elektronische Bauteil 1, oder die Leiterplatte 4 von außen, oder auch durch die Funktion des elektronischen Bauteiles 1, zu einer Schwingung mit dieser Resonanzfrequenz angeregt, so wird diese stark gedämpft und die Schwingungsenergie wird in den lokalen Resonatoren 3 aufgenommen. So entsteht ein Stoppband, also ein Frequenzbereich, in dem eine Wellenausbreitung in elektronischen Bauteil 1 und Leiterplatte 4 unterdrückt wird. Somit lassen mechanische Schwingungen, die auf das elektronische Bauteil 1 wirken, stark reduzieren. Da die lokalen Resonatoren je nach ihrer Ausführung mehrere Resonanzfrequenzen haben können, können sich so auch mehrere Stoppbänder um weitere Frequenzen ausbilden. Dabei können diese Stoppbänder verschiedenen Frequenzbereich abdecken, oder sich überlappen, sodass ein vergrößertes Stoppband entsteht. Ebenso können die einzelnen lokalen Resonatoren mit einer leicht unterschiedlichen Frequenzabstimmung ausgeführt werden. Dadurch wird die Schwingungsreduktion im Stoppbandbereich zwar geschwächt, dieses wird jedoch verbreitert.
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3a und 3b stellen lokale Resonatoren 3 in kreuzförmiger Ausführung dar, die jeweils vier Arme und Querbalken an deren Enden aufweisen. Da diese Ausführung zusätzliche Eigenmoden aufweist, können mit ihr zusätzliche Frequenzbereiche gedämpft werden. Die Funktionsweise dieser Ausführung der lokalen Resonatoren 3 entspricht jedoch ansonsten der Biegebalkenresonatoren aus 1 und 2. Außerdem ist in 3a und 3b dargestellt, wie die lokalen Resonatoren 3 auf einer Leiterplatte 4 angeordnet werden können. In 3a weist der lokale Resonator 3 zu diesem Zweck Lötpins 6 auf. In 3b weist der lokale Resonator Lötpads 7 auf. Über die Lötpins 6 oder die Lötpads 7 kann der lokale Resonator 3 wie jegliche andere Komponenten auf einer Leiterplatte 4 befestigt werden. Obwohl die lokalen Resonatoren 3 festgelötet werden können, handelt es sich hier in erster Linie um eine mechanische Verbindung, da die gezeigten Resonatoren 3 keine elektrische Verbindung benötigen. Anders sähe es bei der Verwendung von aktiven Elementen, beispielsweise von Piezolautsprechern, als lokalen Resonatoren 3 aus. Um diese anzusteuern, und so ihre Eigenfrequenz einstellen zu können, könnten Lötpins 6/ Lötpads 7 auch für elektrische Verbindungen ausgelegt sein. Durch die Verwendung herkömmlicher Befestigungsmethoden wie Lötpins 6 oder Lötpads 7 können die lokalen Resonatoren ohne größeren Aufwand in gängige Herstellungsprozesse von Leiterplatten integriert werden. So können beispielweise herkömmliche Bestückungsmaschinen zum Platzieren der Resonatoren 3 verwendet werden und diesen dann automatisiert aufgelötet werden.
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Um die die Ausbildung eines Stoppbandes zu gewährleisten, sollte die Anordnung 2 der lokalen Resonatoren 3 annähernd periodisch sein und der Abstand der lokalen Resonatoren 3 zueinander weniger als eine halbe Wellenlänge einer relevanten Frequenz bemessen. Des Weiteren ist jedoch auch die Position der Anordnung 2 von lokalen Resonatoren 3 relevant. Dies ist in 4a-4f dargestellt. 4a dient zur Übersicht und zeigt eine Leiterplatt 4 mit einem darauf aufgebrachten elektronischen Bauteil 1. Dies entspricht der Darstellung von 1 ohne einer Anordnung 2 von lokalen Resonatoren 3. 4b-4f stellen die gleiche Leiterplatte in Draufsicht dar und zeigen weitere Möglichkeiten, wie Anordnungen 2 von lokalen Resonatoren 3 auf dieser verteilt werden können, um mechanische Schwingungen an dem elektronischen Bauteil 1 zu reduzieren. Die Anordnungen 2 von lokalen Resonatoren 3 sind hier als schraffierte Bereiche dargestellt.
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In 4b ist die Anordnung 2 von lokalen Resonatoren 3 direkt auf dem elektronischen Bauteil 1 aufgebracht. Dies entspricht der Ausführung nach 1. Durch diese Ausführung werden die relevanten mechanischen Schwingungen direkt an dem elektronischen Bauteil 1 gedämpft und es wird kein zusätzlicher Bauraum auf der Leiterplatte 4 benötigt.
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In 4c umgibt die Anordnung 2 das elektronische Bauteil 1 auf der Leiterplatte 4, sodass in dieser ein Stoppband in dem relevanten Frequenzbereich ausgebildet wird. Diese ermöglicht eine großflächigere Anordnung 2.
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4d zeigt eine Ausführung, in der die Anordnung 2 auf Bereiche um die Anbindungsstellen der Leiterplatte 4 beschränkt ist und so direkt an den Stellen dämpfend wirkt, an denen der Großteil der mechanischen Schwingungen in die Leiterplatte 4 eingeleitet werden.
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4e und 4f zeigen zusätzlich eine Steckverbindung 8 auf der Leiterplatte 4. Da auch über solche Steckverbindungen 8 mechanische Schwingungen in das System aus Leiterplatte 4 und elektronischen Bauteil 1 eingebracht werden können, kann es sinnvoll sein, diese gesondert zu dämpfen. In 4 e wird dies durch eine Anordnung 2 von lokalen Resonatoren 3 erreicht, die zwischen der Steckverbindung 8 und dem elektronischen Bauteil 1 angeordnet ist und so die Ausbreitung von mechanischen Schwingungen zu diesem hin unterdrückt.
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In 4f ist die Anordnung 2 von lokalen Resonatoren 3 direkt auf der Steckverbindung 8 vorgesehen, um die hier eingeleiteten Schwingungen zu dämpfen.
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Natürlich lassen sich die in 4b-4f dargestellten Aufbringungsmuster auch miteinander kombinieren, um das elektronische Bauteil 1 vor mechanischen Schwingungen aus unterschiedlichen Quellen zu schützen.
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5a und 5b zeigen eine Leiterplatte 4 mit integrierten lokalen Resonatoren 3. In dieser Darstellung sind die lokalen Resonatoren 3 einteilig mit der Leiterplatte 4 ausgebildet und direkt aus dieser, beispielsweise durch herkömmliches Bohren oder Fräsen, aus dieser herausgearbeitet. Die einzelnen Resonatoren 3 bestehen so aus quadratischen Plättchen, die über eine Ecke mit der umgebenden Leiterplatte 4 verbunden und so schwingfähig gelagert sind. Aussparungen zwischen schwingenden Massen und restlicher Leiterplatte 4 kann auch mit einer elastischen Dämpfungsmasse gefüllt werden. Durch die Anregung der lokalen Resonatoren 3 bei ihrer Eigenfrequenz kann sich so wiederum ein Stoppband in der Leiterplatte 4 ausbilden. Es ist anzumerken, dass diese Ausführungsform in 5a und 5b stark vereinfacht dargestellt ist, da sich die Anordnung 2 der lokalen Resonatoren 3 über die gesamte Leiterplatte erstreckt. Diese soll jedoch auch mindestens ein elektronisches Bauteil 1 aufnehmen. Zu diesem Zweck können für eine tatsächliche Ausführung mit integrierten lokalen Resonatoren die in 4c-4d gezeigten Aufbringungsmuster verwendet werden.
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Eine weitere Ausführungsform mit integrierten lokalen Resonatoren 3 ist in 6 dargestellt. Es handelt sich um eine Leiterplatte 4 in Sandwichstruktur, die aus mindestens drei Lagen besteht. Dabei ist die mittlere Lage 9 mit einer Anordnung 2 von lokalen Resonatoren 3 versehene und entspricht in ihrer Funktion der in 5a und 5b gezeigten Leiterplatte 4. Allerdings muss in dieser Ausführungsform die Anordnung 2 der lokalen Resonatoren nicht auf Bereiche der Leiterplatte beschränkt werden, da die beiden Deckschichten 10 zur Aufnahme von elektronischen Bauteilen dienen.
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7a und 7b stellen eine weitere Ausführungsform dar, in der die Anordnung 2 von lokalen Resonatoren 3 weder direkt an dem elektronischen Bauteil 1, noch auf einer Leiterplatte 4, sondern an einem Gehäuse 11 angebracht ist. Das Gehäuse 11 umgibt in dieser Darstellung eine Leiterplatte 4 und ein elektronisches Bauteil 1. Das Gehäuse kann aber auch weitere Elemente umschließen. Ebenso ist es denkbar, dass das Gehäuse 11 ein elektronisches Bauteil 1 direkt umkapselt, ohne dass dieses auf einer Leiterplatte 4 angeordnet ist. In der Draufsicht in 7b ist zu erkennen, dass die Umgebung der Anbindungspunkte, an denen die Leiterplatte 4 mit dem Gehäuse 11 gekoppelt ist, mit Anordnungen 2 von lokalen Resonatoren 3 versehen ist. Dies ist besonders zweckmäßig, da die Verbindung von Gehäuse 11 und Leiterplatte 4 in der Regel über starre Verbindungen gelöst ist, sodass über diese Punkte mechanische Schwingungen zu dem elektronischen Bauteil 1 geleitet werden. Ebenso könnte es jedoch auch sinnvoll sein, andere Bereiche des Gehäuses 11 mit Anordnungen 2 von lokalen Resonatoren zu versehen, zum Beispiel wenn in dem Gehäuse weitere Komponenten angeordnet sind, die Vibrationen erzeugen.
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8a-8c stellen dar, wie Anordnungen 2 von lokalen Resonatoren 3 auch an Kabeln 12 angebracht werden können, um die Ausbreitung von mechanischen Schwingungen in diesen zu dämpfen. In 8a sind die lokalen Resonatoren scheibenförmig ausgebildet, wobei der Rand der Scheibe die schwingende Masse des Resonators bildet. 8b zeigt einen Querschnitt durch dieses Kabel. In 8c ist der Umfang des Kabels mit einer Anordnungen 2 von Biegebalkenresonatoren 3 versehen. Durch diese Anordnungen 2 von lokalen Resonatoren 3 kann so auch ein Stoppband für die Ausbreitung von mechanischen Schwingungen in dem Kabel 12 erzeugt werden.
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9a und 9b zeigen einen Kühlkörper 13, dessen Kühlrippen 14 zusätzlich als lokale Resonatoren 3 fungieren. Zu diesem Zweck sind Abschnitte der Kühlrippen 14 in Form von Biegebalkenresonatoren ausgebildet. Da der Kühlkörper 13 eine Mehrzahl dieser Rippen umfasst, lässt sich so auf einfache Weise eine Anordnung 2 von lokalen Resonatoren 3 realisieren. Da entsprechende Kühlkörper ohnehin in einer Vielzahl von elektronischen Systemen vorgesehen sind, wird kein zusätzlicher Bauraum benötigt und es entsteht kein zusätzlicher Aufwand in Konstruktion und Zusammenbau.
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10 zeigt eine miniaturisierte Ausführung des Konzepts. Es ist ein MEMS-Sensor 15 dargestellt, der von einer Anordnung 2 von lokalen Resonatoren 3 umgeben ist, die direkt aus dem Wafer des Chips des Sensors herausgearbeitet ist. Die Anordnung 2 von lokalen Resonatoren 3 ist somit einteilig mit dem elektronischen Bauteil 1 ausgebildet und die Größenordnung der lokalen Resonatoren 3 kann so gewählt werden, dass sie ein Stoppband für mechanische Wellenausbreitung in einem für den MEMS-Sensor relevanten Frequenzbereich ausbilden.
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Die beschriebenen Ausführungsbeispiele machen ersichtlich, dass sich durch die Verwendung von vibroakustischen Metamaterialien, ausgebildet von Anordnungen 2 von lokalen Resonatoren 3, eine raumsparende Möglichkeit mit geringem Konstruktionsaufwand ergibt, um mechanische Schwingungen an einem elektronischen Bauteil 1 zu reduzieren. Ebenso ist ersichtlich, dass es eine Vielzahl von Möglichkeiten solche vibroakustischen Metamaterialien so an elektronischen Bauteilen 1, Leiterplatten 4 und Gehäusen 11 anzubringen, dass ein vorteilhafter Effekt entsteht.
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Die hier gezeigten Ausführungsbeispiele sind daher nicht begrenzend. Insbesondere können diese Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden, um zusätzliche Effekte zu erzielen. Für den Fachmann ist offensichtlich, dass Änderungen an diesen Ausführungsbeispielen vorgenommen werden können, ohne die grundlegenden Prinzipien des Gegenstandes dieser Schutzanmeldung zu verlassen, deren Bereich in den Ansprüchen definiert ist.
