EP2257718A1

EP2257718A1 - Vorrichtung und verfahren zur anregung und/oder dämpfung und/oder erfassung struktureller schwingungen einer plattenförmigen einrichtung mittels einer piezoelektrischen streifeneinrichtung

Info

Publication number: EP2257718A1
Application number: EP08873597A
Authority: EP
Inventors: Wilfried Ihl; Arpad Szoelloesi; Istvan Denes
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-03-26
Filing date: 2008-11-12
Publication date: 2010-12-08
Also published as: US20100246862A1; DE102008000816A1; US8406438B2; CN101981343A; WO2009118059A1; CN101981343B

Abstract

Es werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Anregung und/oder Dämpfung und/oder Erfassung struktureller Schwingungen einer plattenförmigen Einrichtung mittels einer piezoelektrischen Streifeneinrichtung beschrieben. Die Vorrichtung umfasst eine Trägereinrichtung (1), von der die plattenförmige Einrichtung (10; 10a) durch einen Zwischenraum (11) beabstandet ist; wobei die piezoelektrische Streifeneinrichtung (2; 2a, 2b; 2a', 2b',2c; 2d, 2e, 2f; 2'; 2g, 2h; 2i, 2j; 2k, 21, 2m; 2n) eine Mehrzahl von piezolelektischen Streifenelementen (2; 2a, 2b; 2a', 2b',2c; 2d, 2e, 2f; 2'; 2g, 2h; 2i, 2j; 2k, 21, 2m; 2n) aufweist, die jeweils mit der Trägereinrichtung (1) und mit der plattenförmigen Einrichtung (10; 10a) verbunden sind; wobei die Streifen (2; 2a, 2b; 2a', 2b',2c; 2d, 2e, 2f; 2'; 2g, 2h; 2i, 2j; 2k, 21, 2m; 2n) zu Längenänderungen anregbar sind, wodurch die Anregung und/oder Dämpfung und/oder Erfassung struktureller Schwingungen der plattenförmigen Einrichtung (10; 10a) bewirkbar sind; und wobei die piezolelektischen Streifen (2; 2a, 2b; 2a', 2b',2c; 2d, 2e, 2f; 2'; 2g, 2h; 2i, 2j; 2k, 21, 2m; 2n) derart gestaltet und mit der plattenförmigen Einrichtung (10; 10a) verbunden sind, dass die Schwingungsübertragung im wesentlichen punktförmig erfolgt.

Description

Beschreibung

Titel

Vorrichtung und Verfahren zur Anregung und/oder Dämpfung und/oder Erfassung struktureller Schwingungen einer plattenförmigen Einrichtung mittels einer piezoelektrischen Streifenein- richtung

STAND DER TECHNIK

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.

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.

Die ältere deutsche Patentanmeldung DE 10 2007 012 925 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Dämpfung struktureller Schwingungen einer Trägereinrichtung mittels einer piezoelektrischen Aktoremrichtung. Die piezoelektrische Aktoreinrichtung weist einen zu die strukturellen Schwingungen dämpfenden Längs- und/oder Querschwingungen piezolelektisch 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 gerin- ger also diejenigen der Trägereinrichtung, so dass die Schwingungsübertragung im wesentlichen punktförmig erfolgt.

Fig. 13 zeigt eine Vorrichtung zur Dämpfung struktureller Schwingungen einer Trägereinrichtung mittels einer piezoelektrischen Aktoremrichtung gemäß der älteren deutschen Patentan- meidung DE 10 2007 012 925. In Fig. 13 bezeichnet Bezugszeichen 1 eine Trägereinrichtung. Auf der Oberfläche OF der Trägereinrichtung 1 ist eine piezoelektrische Aktoreinrichtung 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 El und einen zweiten Endbereich E2 auf. Der erste End- bereich El 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 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 Keramik- schicht 20, welche über daran angrenzende Elektrodenschichten 21 elektrisch ansteuerbar ist. Auf bzw. unter den Elektrodenschichten befinden sich eine Epoxydharzschicht 21 und eine Polyimid- schicht 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 Schwin- gungsmodus Sl, bei dem die Masseneinrichtung 5 senkrecht zur Oberfläche OF entlang des in Fig. 13 gezeigten Doppelpfeils nach unten und oben ausgelenkt wird.

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 x 0,5 cm Breite und diejenige der Trägereinrichtung 1 im Bereich 10-20 cm Länge x 5-10 cm Breite.

VORTEILE DER ERFINDUNG

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. Schwingungsisolierungs- Vorrichtungen 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. Die in den Unteransprüchen aufgeführten Merkmale beziehen sich auf vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des betreffenden Gegenstandes der Erfindung.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weisen die piezolelektischen Streifenelemente eine Gruppe von einem oder mehreren piezolelektischen 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.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist oberhalb des Streifenelements eine mit der Trä- gereinrichtung 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.

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.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Vorrichtung zur Anregung strukturel- ler Schwingungen der plattenförmigen Einrichtung ausgelegt und weist eine Lautsprecherfunktion auf.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die plattenförmige Einrichtung eine Abdeckung eines mobilen elektronischen Geräts, insbesondere eines portablen Computers.

ZEICHNUNGEN

Ausführungsbeispiel der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen: Fig. la-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 Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar Fig. Ia in Draufsicht, Fig. Ib als Schnittansicht entlang der Linie A-A' in Fig. Ia und Fig. Ic als

Aussschnittsvergrösserung entlang des Ausschnitts Al in Fig. Ia;

Fig. 2 ein Bodediagramm zur Erläuterung des Frequenzverhaltens der Vorrichtung gemäß Fig. la-c;

Fig. 3 ein Anwendungsbeispiel für die Vorrichtung gemäß Fig. la-c;

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Anregung und/oder Dämpfung und/oder Erfassung struktureller Schwingungen einer plattenförmigen Ein- richtung mittels einer piezoelektrischen Streifeneinrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung als Schnittansicht analog Fig. Ic;

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Anregung und/oder Dämp- fung und/oder Erfassung struktureller Schwingungen einer plattenförmigen Einrichtung mittels einer piezoelektrischen Streifeneinrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung als Schnittansicht analog Fig. Ic;

Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Anregung und/oder Dämp- fung und/oder Erfassung struktureller Schwingungen einer plattenförmigen Einrichtung mittels einer piezoelektrischen Streifeneinrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung als Schnittansicht analog Fig. Ic;

Fig. 7 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Anregung und/oder Dämp- fung und/oder Erfassung struktureller Schwingungen einer plattenförmigen Einrichtung mittels einer piezoelektrischen Streifeneinrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung als Schnittansicht analog Fig. Ic;

Fig. 8 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Anregung und/oder Dämp- fung und/oder Erfassung struktureller Schwingungen einer plattenförmigen Einrichtung mittels einer piezoelektrischen Streifeneinrichtung gemäß einer sechs- ten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung als Schnittansicht analog Fig. Ic;

Fig. 9 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Anregung und/oder Dämp- fung und/oder Erfassung struktureller Schwingungen einer plattenförmigen Einrichtung mittels einer piezoelektrischen Streifeneinrichtung gemäß einer siebenten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung als Schnittansicht analog Fig. Ia;

Fig. 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 Fig. Ic;

Fig. 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;

Fig. 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 Fig. Ic; und

Fig. 13 eine Vorrichtung zur Dämpfung struktureller Schwingungen einer Trägereinrichtung mittels einer piezoelektrischen Aktoreinrichtung gemäß der älteren deutschen Patentanmeldung DE 10 2007 012 925.

BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN

In den Fig.en bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Elemente.

Fig. la-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 Fig. Ia in Draufsicht, Fig. Ib als Schnittansicht entlang der Linie A-A' in Fig. Ia und Fig. Ic als Aussschnittsvergrösserung entlang des Ausschnitts Al in Fig. Ia.

In Fig. la-c bezeichnet Bezugszeichen 1 eine Trägereinrichtung in Form eines Metall- oder Kunst- stoffrahmens. 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.

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.

Bei der in Fig. la-c dargestellten Anordnung sind zwölf Streifen 2 vorgesehen, die entlang der und parallel zur Peripherie 101 der plattenförmigen Einrichtung 10 angeordnet sind. Die in Fig. Ia 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.

Wie Fig. Ic entnehmbar, ist jeder piezoelektrische Streifen 2 an einem ersten Endbereich El 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.

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) An- schlusseinrichtung elektrisch an eine Steuereinrichtung C angeschlossen.

Durch die Steuereinrichtung C können prinzipiell drei unterschiedliche Funktionalitäten gegebenen- falls 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 (Schwingungsentkopp- lungsbetrieb). Die dritte Funktionalität ist eine Erfassung struktureller Schwingungen der plattenför- migen Einrichtung 10 mittels der piezoelektrischen Streifeneinrichtung 2 (Sensorbetrieb).

Welche der Funktionalitäten bei einer speziellen Vorrichtung verwirklicht sind, hängt von der konkreten Anwendung ab.

Das Grundprinzip zur Erzeugung/Dämpfung/Erfassung von strukturellen Schwingungen in der plat- tenförmigen Einrichtung 10 liegt in einer Längenänderung der piezoelektrischen Streifen 2, welche eine Bewegung in Richtung des Pfeils S 1 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 x Län- ge) 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.

Fig. 2 ist ein Bodediagramm zur Erläuterung des Frequenzverhaltens der Vorrichtung gemäß Fig. la-c.

Kurve B in Fig. 2 zeigt die Übertragungscharakteristik A einer Vorrichtung gemäß Fig. la-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.

Die Kurve B der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Fig. la-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.

Aufgrund einer großen Abstrahlungsoberfläche der plattenförmigen Einrichtung 10 hat der übertrage- ne 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 Aktoremrichtung zwar Elemente mit einer zusammengesetzten Struktur aufweist, jedoch keine Elemente, welche aufeinander gleiten.

Die Positionen der piezoelektrischen Streifen 2 sollten unter Berücksichtigung von Eigenschwin- gungsmoden der plattenförmigen Einrichtung 10 festgelegt werden.

Fig. 3 ist ein Anwendungsbeispiel für die Vorrichtung gemäß Fig. la-c.

In Fig. 3a ist ein Laptop L mit einem Deckel D dargestellt. Bezugszeichen Ia 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 Fig. la-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 Fig. Ia 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.

Bei der zweiten Funktionalität, dem Dämpfungsbetrieb, können erfasste Schwingungen der platten- förmigen Einrichtung 10 durch entsprechende Ansteuerung der piezoelektrischen Streifen 2 gedämpft 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.

Auch ist es möglich, eine Vorrichtung zu konzipieren, die ausschließlich im Sensorbetrieb arbeitet, beispielsweise zur Schwingungsüberwachung in Gebäuden oder Fahrzeugen. Fig. 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 Fig. Ic.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 ist durch eine gegenphasige Superposition dreier piezoelektrischer Streifen 2a, 2b, 2c eine Erhöhung des Versatzes bzw. Hubs Sl an den Ankopplungspunkten 3cl, 3c2, 3c3 der plattenförmigen Einrichtung 10 erzielbar. Zu diesem Zweck sind zwischen den Streifen 2a, 2b bzw. 2b, 2c jeweils eine starre Zwischenplatte Zl bzw. Z2 angeordnet. Die Streifen 2a, 2b, 2c sind kontinuierliche Streifen, welche aus einer Vielzahl von Streifensegmenten 2 gemäß Fig. Ic bestehen. Die Enden El, 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 Zl. Die Enden El, E2 der Segmente 2 der zweiten Streifeneinrichtung 2b sind mit der ersten Zwischenplatte Zl verbunden, und die Mittelbereiche M der Segmente 2 der zweiten Streifeneinrichtung 2b mit der zweiten Zwischenplatte Z2. Die Enden El, 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 3cl, 3c2, 3c3.

Jeweilige Enden El, E2 der Streifenelemente 2 des Streifens 2b liegen über entsprechenden Mittelbereichen M der Streifenelemente 2 des Streifens 2a. Jeweilige Enden El, 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.

Im Übrigen entspricht der Aufbau der Streifen 2a, 2b, 2c bzw. der Segmente 2 dem im Zusammenhang mit Fig. Ic geschilderten Aufbau.

Fig. 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 Fig. Ic.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5 ist die Steifheit des Mittelbereichs M der Streifen er- höht, indem eine Mehrzahl von Streifen 2d, 2e, 2f parallel geschaltet ist, indem sie in den Endbereichen El 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. Fig. 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 Fig. Ic.

Bei der vierten Ausführungsform gemäß Fig. 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 Keramik- schicht 20 und die daran angrenzenden Elektrodenschichten 21 nicht bis zu den Endbereichen El, E2 bzw. El', E2' reichen, sondern davon beabstandet enden.

Wie in Fig. 7 dargestellt, sind der erste Endbereich El des ersten Streifens 2a' und der erste Endbereich El' des zweiten Streifens 2b' im Bereich 3a bzw. 3b mit der Oberfläche OF der Trägerein- richtung 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.

Fig. 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 Fig. Ic.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 7 sind zwei gekrümmte piezoelektrische Streifen 2g, 2h an ih- rem ersten Ende El 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.

Fig. 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 Fig. Ic.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 8 ist der Streifen 2 gemäß Fig. Ic in zwei Streifen 2i, 2j aufgeteilt. Diese Streifen 2i, 2j weisen eine S-förmige Form auf, wobei deren eines Ende El' 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.

Fig. 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 Fig. Ia.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 9 sind drei kontinuierliche Streifen mit einer Mehrzahl von hintereinander liegenden Segmenten 2 (vgl. Fig. 4) auf eine Oberfläche OF auf einer Trägereinrichtung 1 ' parallel geklebt. Die piezoelektrischen Streifen 2k, 21 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.

Nicht gezeigt in der Darstellung von Fig. 9 ist die Ankopplung der plattenförmigen Einrichtung 10, welche entsprechend Fig. Ic zu realisieren ist. Nachdem die in Normalenrichtung zur Oberfläche OF wirkende Kraft der piezoelektrischen Streifen 2k, 21, 2m proportional zu deren Breite ist, ist es bei dieser Ausführungsform möglich, die Kraft in Längsrichtung der Streifen 2k, 21, 2m zu variieren, so dass damit bestimmte Schwingungstypen der plattenförmigen Einrichtung 10 induziert werden können.

Fig. 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 Fig. Ic.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 10 ist ein langer piezoelektrischer Streifen 2n an seinen Enden El, 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 Fig. Ic. 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 Sl 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 realisier- bar. 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.

Fig. 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.

In Fig. 11 ist eine Oberflächenwellenform OW der Trägereinrichtung 10 dargestellt, welche beispielsweise durch eine Vorrichtung gemäß Fig. 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.

Fig. 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 Fig. Ic.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 12 ist im Unterschied zu der in Zusammenhang mit Fig. Ic 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 Fig. 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. Um die Schwingungsentkopplung zu unterstützen, ist zwischen der Trägereinrichtung 1 und der plat- tenförmigen 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.

Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevorzugter Ausfuhrungsbeispiele erläutert worden ist, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auch in anderer Weise ausführbar.

Obwohl bei den oben beschriebenen Ausführungsformen bestimmte Geometrien der Streifenanord- nung 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.

Schließlich sind die erwähnten Anwendungen nur beispielhaft und selbstverständlich auch auf andere plattenförmige Einrichtungen anwendbar, wie zum Beispiel Gehäuseplatten, Verstärkungsplatten usw.

Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Anregung und/oder Dämpfung und/oder Erfassung von Schwingungen einer plattenförmigen Einrichtung (10; 10a) mittels einer piezoelektrischen Streifeneinrichtung (2; 2a, 2b; 2a', 2b', 2c; 2d, 2e, 2f; 2'; 2g, 2h; 2i, 2j; 2k, 21, 2m; 2n) mit:

einer Trägereinrichtung (1), von der die plattenförmige Einrichtung (10; 10a) durch einen Zwischenraum (11) beabstandet ist;

wobei die piezoelektrische Streifeneinrichtung (2; 2a, 2b; 2a', 2b', 2c; 2d, 2e, 2f; 2'; 2g, 2h; 2i, 2j; 2k, 21, 2m; 2n) eine Mehrzahl von piezolelektischen Streifenelementen (2; 2a, 2b; 2a', 2b', 2c; 2d, 2e, 2f; 2'; 2g, 2h; 2i, 2j; 2k, 21, 2m; 2n) aufweist, die jeweils mit der Trägereinrichtung (1) und mit der plattenförmigen Einrichtung (10; 10a) verbunden sind;

wobei die Streifenelemente (2; 2a, 2b; 2a', 2b', 2c; 2d, 2e, 2f; 2'; 2g, 2h; 2i, 2j; 2k, 21, 2m; 2n) zu Längenänderungen piezoelektrisch anregbar sind, wodurch die Anregung und/oder Dämpfung und/oder Erfassung struktureller Schwingungen der plattenförmigen Einrichtung (10; 10a) bewirkbar sind; und

wobei die piezolelektischen Streifenelemente (2; 2a, 2b; 2a', 2b', 2c; 2d, 2e, 2f; 2'; 2g, 2h; 2i, 2j; 2k, 21, 2m; 2n) derart gestaltet und mit der plattenförmigen Einrichtung (10; 10a) verbunden sind, dass die Schwingungsübertragung im wesentlichen punktförmig erfolgt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die piezolelektischen Streifenelemente (2; 2a, 2b; 2a', 2b', 2c; 2d, 2e, 2f; 2'; 2g, 2h; 2i, 2j; 2k, 21, 2m; 2n) eine Gruppe von einem oder mehreren piezo- Elektischen Streifenelementen (2; 2d, 2e, 2f; 2n) aufweisen, die ein erstes Ende (El) und ein zweites Ende (E2) aufweisen, welche mit der Trägereinrichtung (1) verbunden sind, und die einen Mittelbereich (M) aufweisen, der mit der plattenförmigen Einrichtung (10; 10a) verbunden ist, und die eine Wölbung des Mittelbereichs (M) aufweisen, so dass ein Hohlraum (6) zur Trägereinrichtung (1) gebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die piezolelektischen Streifenelemente (2; 2a, 2b; 2a', 2b', 2c; 2d, 2e, 2f; 2'; 2g, 2h; 2i, 2j; 2k, 21, 2m; 2n) eine Gruppe von mehreren piezolelektischen Streifenelementen (2a, 2b; 2a', 2b', 2c; 2k, 21, 2m) aufweisen, die als kontinuierlich fortlaufender piezoelektrischer Streifen miteinander verbunden gebildet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei mindestens zwei Streifen (2a, 2b; 2a', 2b'; 2b, 2c) unter Zwischensetzung einer damit Zwischenplatte (Zl; Z2) übereinander vorgesehen sind, und wobei jeweilige Enden (El; E2) der Streifenelemente des oberen Streifens (2b; 2c) über entsprechenden Mittelbereichen (M) der Streifenelemente des unteren Streifens (2a; 2b) mit der Zwischenplatte (Zl; Z2) verbunden sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die piezolelektischen Streifenelemente (2; 2a, 2b; 2a', 2b', 2c; 2d, 2e, 2f; 2'; 2g, 2h; 2i, 2j; 2k, 21, 2m; 2n) eine Gruppe von mehreren parallel verbundenen piezolelektischen Streifenelementen (2d, 2e, 2f) aufweisen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die piezolelektischen Streifenelemente (2; 2a, 2b; 2a', 2b', 2c; 2d, 2e, 2f; 2'; 2g, 2h; 2i, 2j; 2k, 21, 2m; 2n) eine Gruppe von einem oder mehreren piezolelektischen Streifenelementen (2g, 2h) aufweisen, die eine Mehrzahl seriell verbundener Streifenelemente (2g, 2h) aufweist, wobei ein erstes Ende (El) eines ersten Streifenelements (2g) und ein erstes Ende (El) eines zweiten Streifenelements (2h) mit der Trägereinrichtung (1) verbunden sind, und wobei ein zweites Ende (E2) des ersten Streifenelements (2g) und ein zweites Ende (E2) des zweiten Streifenelements (2h) miteinander und mit der plattenförmigen Einrichtung (10; 10a) verbunden sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die piezolelektischen Streifenelemente (2; 2a, 2b; 2a', 2b', 2c; 2d, 2e, 2f; 2'; 2g, 2h; 2i, 2j; 2k, 21, 2m; 2n) eine Gruppe von zwei piezolelektischen Streifenelementen (2i; 2j) aufweisen, die ein erstes Ende (El'), welches mit der Trägereinrichtung (1) verbunden ist, und die ein zweites Ende (E2') aufweisen, welches mit der mit der plattenförmigen Einrichtung (10; 10a) verbunden ist, wobei die zweiten Enden der zwei piezolelektischen Streifenelemente (2i; 2j) beabstandet nebeneinander angeordnet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Streifen (2k, 21, 2m) eine variierende Breite aufweisen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei oberhalb des Streifenelements (2n) eine mit der Trägereinrichtung (1) verbundene Führungsplatte (FP) vorgesehen ist, die eine Öffnung (O) ober- halb des Mittelbereich (M) des Streifenelements (2n) aufweist und die derart gestaltet ist, dass sie einen Hub eines Randbereichs des Streifenelements (2n) bezüglich der Trägereinrichtung (1) verhindert.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Führungsplatte (FP) eine Elektrodenfunktion für das Streifenelement (2n) aufweist.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung zur Anregung struktureller Schwingungen der plattenförmigen Einrichtung (10; 10a) ausgelegt ist und eine Lautsprecherfunktion aufweist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die plattenförmige Einrichtung (10; 10a) eine Abde- ckung eines mobilen elektronischen Geräts, insbesondere eines portablen Computers, ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei in dem Zwischenraum (11) eine Dämpfungseinrichtung (DE) zum Dämpfen von den Schwingungen der plattenförmigen Einrichtung (10; 10a) vorgesehen ist.

14. Verfahren zur Anregung und/oder Dämpfung und/oder Erfassung von Schwingungen einer plattenförmigen Einrichtung (10; 10a) mittels einer piezoelektrischen Streifeneinrichtung (2; 2a, 2b; 2a', 2b', 2c; 2d, 2e, 2f; 2'; 2g, 2h; 2i, 2j; 2k, 21, 2m; 2n), die die plattenförmige Einrichtung (10; 10a) mit einer Trägereinrichtung (1) verbindet, welche durch einen Zwischenraum (11) von der plattenförmigen Einrichtung (10; 10a) beabstandet ist; wobei die piezoelektrische Streifen- einrichtung (2; 2a, 2b; 2a', 2b', 2c; 2d, 2e, 2f; 2'; 2g, 2h; 2i, 2j; 2k, 21, 2m; 2n) eine Mehrzahl von piezolelektischen Streifenelementen (2; 2a, 2b; 2a', 2b', 2c; 2d, 2e, 2f; 2'; 2g, 2h; 2i, 2j; 2k, 21, 2m; 2n) aufweist, die jeweils mit der Trägereinrichtung (1) und mit der plattenförmigen Einrichtung (10; 10a) verbunden sind;

wobei die piezolelektischen Streifenelemente (2; 2a, 2b; 2a', 2b', 2c; 2d, 2e, 2f; 2'; 2g, 2h; 2i, 2j; 2k, 21, 2m; 2n) derart gestaltet und mit der plattenförmigen Einrichtung (10; 10a) verbunden sind, dass die Schwingungsübertragung im wesentlichen punktförmig erfolgt;

wobei die Streifenelemente (2; 2a, 2b; 2a', 2b', 2c; 2d, 2e, 2f; 2'; 2g, 2h; 2i, 2j; 2k, 21, 2m; 2n) zu Längenänderungen piezoelektrisch angeregt werden, wodurch die Anregung und/oder Dämpfung und/oder Erfassung struktureller Schwingungen der plattenförmigen Einrichtung (10; 10a) bewirkt werden.