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Eine
zu lösende
Aufgabe besteht darin, ein weiteres Vibrationssystem anzugeben,
das besonders zuverlässig
ist.
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Es
wird ein Vibrationssystem mit einem mindestens zwei Resonanzfrequenzen
aufweisenden elektromechanischen Resonator angegeben, der durch
einen elektrischen Generator steuerbar ist. Der Generator ist zur
Erzeugung von elektrischen Signalen im Bereich der Resonanzfrequenzen
(Vibrationsfrequenzen) des elektromechanischen Resonators vorgesehen.
Der Generator ist vorzugsweise zur Erzeugung von elektrischen Signalen
bei den Resonanzfrequenzen des elektromechanischen Resonators vorgesehen.
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Die
Vibration mit klar voneinander unterscheidbaren Frequenzen erlaubt
beispielsweise dem Benutzer eines tragbaren Mobilfunkgerätes, in
dem das Vibrationssystem integriert ist, zwischen zwei eingehenden
Anrufen zu unterscheiden, die unterschiedlichen Vibrationsfrequenzen
zugeordnet sind.
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Unter
einem elektromechanischen Resonator versteht man einen Resonator
mit mindestens einer mechanisch beweglichen Komponente und mindestens
einer mechanisch mit dieser gekoppelten elektromechanischen Komponente,
die elektrisch angetrieben werden kann. Die elektromechanische Komponente
umfasst vorzugsweise ein piezoelektrisches Material, in dem aufgrund
ei nes Piezoeffektes mechanische Deformationen hervorgerufen werden können.
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Der
Resonator umfasst vorzugsweise einen schwingfähigen ersten Arm und einen
mit diesem gekoppelten ersten piezoelektrischen Aktor, der durch den
elektrischen Generator steuerbar ist. Der Aktor kann am Arm beispielsweise
durch Klebung befestigt sein.
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Der
piezoelektrische Aktor dient als Erreger für mechanische Schwingungen
des Resonators. Der Aktor umfasst mindestens eine piezoelektrische Schicht,
die zwischen zwei Elektroden angeordnet ist. Die Polarisationsachse
der Piezoschicht ist vorzugsweise senkrecht zu den Elektroden ausgerichtet.
In der piezoelektrischen Schicht können verschiedene akustische
Moden angeregt werden. Beispielsweise können Schwingungen in der Dickenrichtung
der Piezoschicht angeregt werden. Es können aber auch Schwingungen
in einer Lateralebene, vorzugsweise in einer Längsrichtung angeregt werden, in
der sich der Arm erstreckt.
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Der
Arm ist vorzugsweise in Form eines flachen Streifens ausgebildet.
Er kann aber auch eine beliebige andere Form wie z. B. die einer
dünnen, biegsamen
Platte aufweisen.
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In
einer vorteilhaften Variante umfasst der Arm eine schwingfähige Hauptfläche und
einen quer zu dieser angeordneten biegsamen Koppelbereich, der an
einem Träger
befestigt ist. Der Arm kann zur Bildung des Koppelbereichs verbogen
oder abgewinkelt sein. Die schwingfähige Hauptfläche ist
vorzugsweise parallel zur Oberfläche
des Trägers
angeordnet, an der der Koppelbereich befestigt ist. Der Träger, an
dem der schwingfähige
Arm des Vibrationssystems befestigt ist, kann bei spielsweise die
Leiterplatte oder das Gehäuse
eines tragbaren Mobilfunkgerätes
sein.
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In
einer vorteilhaften Variante ist im Träger eine Vertiefung zur Aufnahme
eines Teils des Koppelbereichs des Arms angeordnet. Der Arm kann
auch derart gebogen oder mehrfach abgewinkelt sein, dass der Koppelbereich
mittels eines Befestigungselements wie beispielsweise einer Schraube
am Träger
befestigt werden kann. Der Koppelbereich ist vorzugsweise am ersten
Ende des Arms angeordnet, wobei sein zweites Ende frei ist.
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Der
Resonator umfasst mindestens einen Resonator, in einer Variante
mehrere Resonatoren, wobei jedem Resonator ein eigener Arm und ein
eigener, mit diesem Arm verbundener Piezoaktor zugeordnet ist. Die
Resonatoren sind vorzugsweise ähnlich
aufgebaut und an einem gemeinsamen Träger angeordnet. Nachstehend
wird der Aufbau eines ersten Resonators erläutert.
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Der
erste Resonator umfasst einen ersten Arm und in einer Variante ein
erstes Gewicht, das am ersten Arm befestigt ist. Das erste Gewicht
ist vorzugsweise am freien Ende des ersten Arms angeordnet.
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Der
erste Aktor ist in einer Ausführungsform zwischen
dem ersten Arm und dem Träger
angeordnet. Er kann alternativ am ersten Arm befestigt und vom Träger beabstandet
sein. Vorzugsweise sind die Hauptflächen des Aktors und des Arms
zueinander gewandt.
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Der
Aktor und der an ihn gekoppelte Bereich des schwingfähigen Arms
bilden zusammen ein bimorphes Element. Die mechanischen Deformationen des
Aktors, die elektrisch hervorgerufen werden, werden auf den schwingfähigen Arm übertragen.
Die periodischen Deformationen des Aktors bei der Resonanzfrequenz
des Resonators bringen den Arm zum Schwingen.
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Der
Resonator umfasst in einer vorteilhaften Variante einen zweiten
piezoelektrischen Aktor. Der erste Arm ist vorzugsweise zwischen
dem ersten und dem zweiten Aktor angeordnet.
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Der
erste Arm ist vorzugsweise elektrisch leitfähig und beispielsweise aus
einem Metallblech gefertigt. Der elektrisch leitfähige Arm
hat den Vorteil, dass er zur elektrischen Kontaktierung einer Außenelektrode
des Piezoaktors, d. h. als eine elektrische Zuleitung zum Aktor,
benutzt werden kann. Mittels leitfähigen Kontaktelementen wie
beispielsweise Schrauben ist eine elektrische Kontaktierung zwischen
dem Arm und einem weiteren elektrischen Leiter möglich.
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Das
Vibrationssystem umfasst einen ersten Resonator, der durch den Arm,
den piezoelektrischen Aktor und gegebenenfalls das Gewicht gebildet
ist. Es besteht die Möglichkeit,
den ersten Resonator bei seiner Grundfrequenz anzuregen, die mit
der ersten Resonanzfrequenz des Vibrationssystems übereinstimmt.
Außerdem
kann dieser Resonator mit einer harmonischen Schwingung angeregt
werden, die ein ganzzahliges Vielfaches der Grundfrequenz beträgt.
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Die
Vibrationsfrequenz, bei der der erste Aktor betrieben wird, stimmt
vorzugsweise mit der ersten Resonanzfrequenz des Vibrationssystems überein oder
liegt in der Nähe
dieser Frequenz (innerhalb der Bandbreite des ersten Resonators).
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Der
erste Resonator umfasst in einer vorteilhaften Ausführungsform
einen zweiten Arm. Der erste Aktor ist zwischen dem ersten und zweiten
Arm angeordnet. Die ersten Enden des ersten und des zweiten Arms
sind mittels eines biegsamen Verbindungsstücks miteinander verbunden,
das an einem Träger befestigbar
ist. Die vorzugsweise einen ähnlichen Aufbau
aufweisenden schwingfähigen
Arme und das Verbindungsstück
bilden zusammen eine Art Stimmgabel, wobei die Arme vorzugsweise
gegeneinander schwingfähig
sind.
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Das
Vibrationssystem umfasst in einer Variante einen zweiten Resonator,
dessen Resonanzfrequenz sich von derjenigen des ersten Resonators
unterscheidet. Das Quotient der beiden Resonanzfrequenzen ist in
einer Variante ganzzahlig gewählt.
In diesem Fall ist die zweite Resonanzfrequenz eine Harmonische
der ersten Resonanzfrequenz.
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Das
Quotient der beiden Resonanzfrequenzen beträgt in einer weiteren Variante
eine Bruchzahl. In diesem Fall entsteht aus der Differenz der beiden Frequenzen
eine Schwebungsfrequenz, die als eine dritte charakteristische Frequenz
beispielsweise zur Unterscheidung eingehender Anrufe benutzt werden kann.
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Der
zweite Resonator ist vorzugsweise im Wesentlichen gleich aufgebaut
wie der erste Resonator. Der zweite Resonator umfasst einen schwingfähigen zweiten
Arm, einen mit diesem gekoppelten zweiten piezoelektrischen Aktor
und gegebenenfalls ein zweites Gewicht, das am zweiten Arm befestigt ist.
Der zweite piezoelektrische Aktor weist vorzugsweise die Eigenschaften
des ersten Aktors auf, wird aber vorzugsweise bei einer anderen
Frequenz betrieben. Für
den zweiten Arm gilt grundsätzlich
die Beschreibung des ersten Arms und für das zweite Gewicht die Beschreibung
des ersten Gewichts in entsprechender Weise. Die Arme weisen jedoch
vorzugsweise von einander unterschiedliche Längen auf. Die Gewichte können sich
auch voneinander unterscheiden.
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Der
erste und zweite Aktor werden in einer bevorzugten Variante durch
einen Generator gesteuert. Der Generator kann auch einen ersten
Generatorteil aufweisen, der an den ersten Aktor angeschlossen ist,
und einen zweiten Generatorteil, der an den zweiten Aktor angeschlossen
ist. Der erste Generatorteil generiert Signale bei einer ersten
Frequenz und der zweite Generatorteil generiert Signale bei einer
zweiten Frequenz.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausführungsform
wird ein Vibrationssystem mit einem elektromechanischen Resonator
angegeben, der einen schwingfähigen
Arm und einen mit diesem gekoppelten, elektrisch gesteuerten piezoelektrischen
Aktor aufweist. Der Arm weist eine Hauptfläche und einen quer zu dieser
angeordneten Koppelbereich auf, der an einem Träger befestigt ist.
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Das
angegebene Vibrationssystem wird nun anhand von schematischen und
nicht maßstabgetreuen
Figuren erläutert.
Es zeigen:
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1A ein
Vibrationssystem mit einem schwingfähigen Arm und einem Piezoaktor,
der zwischen dem Arm und einem Träger angeordnet ist;
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1B ein
Vibrationssystem mit zwei schwingfähigen Armen und einem zwischen
diesen angeordneten Piezoaktor;
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2A, 2B verschiedene
Ansichten eines Vibrationssystems mit zwei elektromechanischen Resonatoren;
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3 ein
Vibrationssystem mit einem Arm, der zwischen zwei Piezoaktoren angeordnet
ist.
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In
der 1A ist ein Vibrationssystem mit einem elektromechanischen
Resonator gezeigt, der einen schwingfähigen Arm 2 beispielsweise
aus Blech, einen Piezoaktor 1 und ein am freien Ende des
Arms befestigtes Gewicht 3 umfasst.
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Der
Arm 2 ist abgewinkelt, wobei sein abgewinkelter Bereich 20 im
Träger 4 befestigt
und seine parallel zur Oberfläche
des Trägers
ausgerichtete Hauptfläche
schwingfähig
ist. Der Piezoaktor 1 ist zwischen der Hauptfläche des
Arms 2 und der Oberfläche
des Trägers 4 vorzugsweise
in der Nähe
des abgewinkelten Bereichs 20 angeordnet. Eine Elektrode
des Piezoaktors 1 ist mit dem Arm 2 vorzugsweise fest
verbunden, beispielsweise verklebt, verlötet oder verschweißt.
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Ein
beispielhafter Aufbau des Piezoaktors 1 ist in der 1B gezeigt.
Der Piezoaktor 1 umfasst zwei Außenelektroden 11, 12 und
einen zwischen diesen angeordneten Körper 10, der mindestens
eine Piezoschicht aufweist. Zwischen zwei Piezoschichten ist dann
eine Innenelektrode angeordnet, die leitend mit der entsprechenden
Außenelektrode
verbunden ist. Die Innenelektroden sind vorzugsweise senkrecht zu
den Außenelektroden
ausgerichtet. Die Elektroden des Piezoaktors 1 sind an
eine Spannungsquelle – den
Generator 7 – angeschlossen.
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In
der in der 1B vorgestellten Variante umfasst
der Resonator einen zweiten Arm 2a, an dessen freiem Ende
ein zweites Gewicht 3a befestigt ist. Die Arme 2, 2a sind
mittels eines am Träger 4 befestigten
Verbindungsstücks
miteinander verbunden und gegeneinander schwingfähig. Der Piezoaktor 1 ist
zwischen den Armen 2, 2a angeordnet und vorzugsweise
mittels Zwischenelementen 21 elektrisch von diesen isoliert.
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Eine
Seitenfläche
des Piezoaktors 1 grenzt in der in 1A vorgestellten
Variante an den abgewinkelten Bereich 20 des Arms 2 an.
Dagegen ist in 1B zwischen dem Aktor und dem
Verbindungsstück
ein Zwischenraum vorgesehen.
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Es
besteht die Möglichkeit,
die Vorrichtung gemäß der 1B mit
ungleich langen Armen und/oder ungleichen Gewichten auszubilden.
In diesem Fall ist der erste Arm der Vorrichtung der ersten Resonanzfrequenz
und ihr zweiter Arm der zweiten Resonanzfrequenz zugeordnet.
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Möglich ist
auch, zwei Vorrichtung gemäß der 1B an
einem Träger
zu befestigen. In diesem Fall ist die erste Vorrichtung der ersten
Resonanzfrequenz und die zweite Vorrichtung der zweiten Resonanzfrequenz
zugeordnet. Die Arme 2, 2a der jeweiligen Vorrichtung
sind vorzugsweise gleich lang und die Gewichte 3, 3a gleich
groß.
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Ein
weiteres Vibrationssystem ist in den 2A und 2B gezeigt.
In der 2A ist ein Querschnitt und in
der 2B eine Draufsicht auf dieses Vibrationssystem
gezeigt.
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Das
Vibrationssystem umfasst einen ersten Resonator, der im Unterschied
zu der in 1A gezeigten Variante keinen
abgewinkelten Bereich aufweist, sondern an einem Vorsprung des Trägers 4 befestigt
ist. Der Piezoaktor 1 ist an der Hauptfläche des Arms 2 befestigt.
Auch in der Ausführungsform
gemäß der 1A kann
der Piezoaktor an der Hauptfläche
des Arms 2 befestigt sein.
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Das
in den 2A, 2B gezeigte
Vibrationssystem umfasst ferner einen zweiten elektromechanischen
Resonator, der im Wesentlichen gleich aufgebaut ist wie der erste
Resonator.
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Der
zweite Resonator umfasst einen schwingfähigen zweiten Arm 2a beispielsweise
aus Blech, einen zweiten Piezoaktor 1a und ein am freien Ende
des zweiten Arms 2a befestigtes zweites Gewicht 3a.
Die Länge
des zweiten Arms 2a ist kleiner als diejenige des ersten
Arms 2.
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Der
zweite Resonator 1a, 2a, 3a weist vorzugsweise
eine Resonanzfrequenz (der mechanischen Schwingung) auf, die von
derjenigen des ersten Resonators 1, 2, 3 unterschiedlich
ist. Die Piezoaktoren 1, 1a schwingen unter der
Einwirkung eines elektrischen Signals vorzugsweise in Längsrichtung des
jeweiligen Arms 2, 2a mit voneinander unterschiedlichen
Frequenzen.
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In
der 3 ist eine Variante gezeigt, bei der der Arm 2 zwischen
zwei Piezoaktoren 1, 1a angeordnet ist. Die Polarisationsrichtungen
der Piezoaktoren 1, 1a sind vorzugsweise entgegengesetzt
zueinander gerichtet.
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Die
Polarisationsrichtungen der Piezoaktoren 1, 1a können aber
auch gleich gerichtet sein, wenn die Piezoaktoren gegenphasig, d.
h. mit einer Phasenverschiebung von 180°, angetrieben werden.
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Die
Piezoaktoren 1, 1a können mehrere Innenelektroden
aufweisen, die an Außenelektroden des
jeweiligen Aktors angeschlossen sind.
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Die
Auslenkung des jeweiligen Arms beträgt vorzugsweise einige Mikrometer.
Die Vibrationsfrequenzen können
beispielsweise im Bereich 50–200 Hz
liegen.
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- 1
- erster
Piezoaktor
- 10
- piezoelektrische
Schicht
- 11,
12
- Elektroden
- 1a
- zweiter
Piezoaktor
- 2
- erster
Arm
- 20
- abgewinkelter
Bereich des ersten Arms 2
- 21
- Zwischenelement
- 2a
- zweiter
Arm
- 3
- erstes
Gewicht
- 3a
- zweites
Gewicht
- 4
- Träger
- 7
- Generator