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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Anmeldung betrifft Membranelementanordnungen und entsprechende Verfahren, beispielsweise zur Schallerzeugung.
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HINTERGRUND
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Zur Schallerzeugung werden üblicherweise Lautsprecher verwendet, welche eine oder mehrere Membranen aufweisen, die in Schwingungen versetzt werden. Die Lautsprecher können auch als mikroelektromechanisches System (MEMS) gefertigt werden, bei dem eine Membran beispielsweise in einem Siliziumwafer durch Ätzen erzeugt wird und gegebenenfalls zusammen mit einer Ansteuerelektronik auf dem Siliziumwafer integriert wird.
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Derartige Membranen in mikroelektromechanischen Systemen können durch entsprechende Ausgestaltung als bistabile Membranen gefertigt sein, d.h. als Membranen, welche zwei stabile Zustände aufweisen. In den zwei bistabilen Zuständen ist die Membran dabei entgegengesetzt gekrümmt. Herkömmlicherweise wird dann die bistabile Membran angesteuert, zwischen den beiden stabilen Zuständen umzuschalten, was eine entsprechende Schallwelle erzeugt. Durch Kombination mehrerer derartiger bistabiler Membranen in einer Anordnung können dann gewünschte Schallwellen beispielsweise basierend auf einem Signal, welches Toninformation beinhaltet, erzeugt werden.
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Derartige bistabile Membranen sind beispielsweise aus der
US 9 282 385 B2 , der WO 2004/ 063 090 A2, der
US 2013 /0 081 933 A1 , der
US 2013 / 0 008 769 A1 , der
WO 2016/ 193 412 A1 , der
DE 38 33 158 A1 , der
DE 103 10 072 A1 , der
US 4 383 195 A sowie der
US 2008 / 0 100 179 A1 bekannt. Die Membran der
US 2008 / 0 100 179 A1 kann dabei mit einem Wechselspannungssignal angesteuert werden, welches zeitliche Momentwerte mit kleinen Pegeln aufweist.
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Es ist wünschenswert, Dynamik, Schallpegel und/oder Modulationstiefe derartiger Anordnungen zu erhöhen, um beispielsweise auch eine gesamte harmonische Verzerrung (THD, „Total Harmonic Distortion“) zu verringern.
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KURZFASSUNG
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Es werden eine Membranelementanordnung nach Anspruch 1 oder 5 sowie ein Verfahren nach Anspruch 9 oder 13 bereitgestellt. Die Unteransprüche definieren weitere Ausführungsformen.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird eine Membranelementanordnung bereitgestellt, umfassend:
- mindestens ein bistabiles Membranelement mit einem ersten stabilen Zustand und einem zweiten stabilen Zustand, und eine Steuerung zum Ansteuern des mindestens einen Membranelements,
- wobei die Steuerung eingerichtet ist, ein Membranelement des mindestens einen bistabilen Membranelements mit einem Steuersignal oberhalb einer Umschaltschwelle zum Umschalten zwischen dem ersten stabilen Zustand und dem zweiten stabilen Zustand anzusteuern, und
- das Membranelement oder ein weiteren Membranelement des mindestens einen bistabilen Membranelements mit einem Ansteuersignal, dessen Amplitude über mehrere Perioden des Ansteuersignals unterhalb der Umschaltschwelle liegt, anzusteuern.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird eine Membranelementanordnung bereitgestellt, umfassend:
- ein bistabiles Membranelement mit einem ersten stabilen Zustand und einem zweiten stabilen Zustand, und
- eine Steuerung zum Ansteuern des mindestens einen Membranelements,
- wobei die Steuerung eingerichtet ist, das Membranelement zum Anregen einer eigenresonanten Schwingung anzusteuern, und das Membranelement zusätzlich mit einem periodischen Steuersignal in der Resonanzfrequenz mit einer Amplitude unterhalb einer Umschaltschwelle, welche ohne die resonante Schwingung zum Umschalten zwischen den stabilen Zuständen erforderlich wäre, zum Umschalten zwischen den stabilen Zuständen anzusteuern.
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Gemäß einem zusätzlichen Ausführungsbeispiel wird Verfahren bereitgestellt, umfassend:
- Ansteuern eines bistabilen Membranelements mit einem ersten stabilen Zustand und einem zweiten stabilen Zustand mit einem Steuersignal oberhalb einer Umschaltschwelle zum Umschalten zwischen dem ersten und zweiten stabilen Zustand, und
- Ansteuern des bistabilen Membranelements oder eines weiteren bistabilen Membranelements mit einem Ansteuersignal, dessen Amplitude über mehrere Perioden des Ansteuersignals unterhalb der Umschaltschwelle liegt.
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Gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein Verfahren bereitgestellt, umfassend:
- Versetzen einer Membran eines bistabilen Membranelements in Schwingungen bei einer Eigenresonanzfrequenz der Membran, und Umschalten des bistabilen Membranelements zwischen zwei stabilen Zuständen durch Ansteuern zusätzlich mit einem periodischen Steuersignal in der Resonanzfrequenz mit einer Amplitude unterhalb einer Umschaltschwelle, welche ohne die Anregung zu Schwingungen bei der Eigenresonanz zum Umschalten nötig ist.
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Die obige Kurzfassung ist lediglich als kurzer Überblick über manche möglichen Ausführungsbeispiele zu verstehen und ist nicht als einschränkend auszulegen.
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Figurenliste
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- 1A und 1B zeigen zwei stabile Zustände eines bistabilen Membranelements.
- 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
- 3 zeigt Beispielsignale zur Erläuterung einer analogen Ansteuerung einer bistabilen Membran.
- 4 zeigt Beispielsignale zur Erläuterung einer digitalen Ansteuerung einer bistabilen Membran.
- 5 zeigt eine Membrananordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
- 6 zeigt Signale zur Veranschaulichung einer Glättung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
- 7 zeigt Signale zur Erläuterung eines Umschaltens zwischen stabilen Zuständen gemäß einem Ausführungsbeispiel.
- 8 zeigt ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel.
- 9 zeigt ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsbeispiele detailliert erläutert. Es ist zu bemerken, dass diese Ausführungsbeispiele lediglich der Veranschaulichung dienen und nicht als einschränkend auszulegen sind. Beispielsweise können in den Figuren dargestellte Komponenten abgewandelt oder modifiziert werden. Zusätzlich zu den dargestellten Komponenten können weitere Komponenten, insbesondere in herkömmlichen Vorrichtungen zur Schallerzeugung wie beispielsweise entsprechenden mikroelektromechanischen Systemen, verwendet werden.
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Merkmale oder Komponenten verschiedener Ausführungsbeispiele können miteinander kombiniert werden, um weitere Ausführungsbeispiele zu bilden. Variationen und Abwandlungen, welche für eines der Ausführungsbeispiele beschrieben werden, sind auch auf andere Ausführungsbeispiele anwendbar.
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Die 1A und 1B erläutern das Konzept einer bistabilen Membran, wie sie in Ausführungsbeispielen verwendet wird. In den 1A und 1B ist schematisch eine mikrotechnisch hergestellte Vorrichtung dargestellt, bei welchem eine Membran 11 gezielt vorgespannt wird, um den sogenannten „Buckling“-Effekt auszunutzen. Die 1A und 1B zeigen jeweils die Membran 11, die mechanisch mit einem Träger 10, beispielsweise einem Halbleitersubstrat wie einem Siliziumsubstrat, gekoppelt ist. Die 1A zeigt die Membran 11 in einer ersten stabilen Position, und die 1B zeigt die Membran 11 in einer zweiten stabilen Position. Durch eine entsprechende Vorspannung sind die in 1A und 1B gezeigten Positionen stabil, d.h. es ist keine Energiezufuhr nötig, damit die Membran in der jeweiligen Position bleibt, es ist jedoch eine Energiezufuhr nötig, damit die Membran 11 die dargestellten Positionen verlässt, insbesondere zwischen den Positionen der 1A und 1B umschaltet. Die Verwendung einer derartigen bistabilen Membran ist also energieeffizient, da keine Energie notwendig ist, um den stabilen Zustand zu halten.
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Die mechanische Vorspannung kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass zusätzliche Schichten mit einer definierten Verspannung auf einer Grundmembran aufgebracht werden, oder dass eine Verspannung in die Membran direkt, z.B. durch Implantieren eines Materials, eingebracht wird, oder dass in der Umgebung (z.B. an Träger 10) eine entsprechende Spannung der Membran erfolgt. Die Membran kann dabei ebenfalls aus einem Halbleitermaterial wie Silizium oder auch anderen Schichtmaterialien, beispielsweise Siliziumnitrid, Siliziumkohlenstoffverbindungen oder dergleichen bestehen und kann eine oder mehrere Schichten aufweisen. So kann in einem Mehrschichtsystem beispielsweise eine mechanische Spannung auch durch Materialien verschiedener Gitterkonstanten erzeugt werden.
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Das Umschalten zwischen den bistabilen Zuständen kann durch einen piezoelektrischen Aktor erfolgen. Die 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einem derartigen piezoelektrischen Aktor und einer Steuerung 22. Der piezoelektrische Aktor bei dem Ausführungsbeispiel der 2 ist auf der Membran 11, welche von dem Substrat 10 getragen wird (vgl. Beschreibung der 1A, 1B), ausgebildet. Der Aktor umfasst ein piezoelektrisches Material 20, z.B. Blei-Zirkonium-Titanat (PZT) oder Aluminiumnitrid (AlN), ist jedoch nicht hierauf beschränkt. Das piezoelektrische Material 20 ist zwischen zwei Elektroden 21A, 21B angeordnet. Die Elektroden können ein Metall und/oder hochdotiertes Halbleitermaterial umfassen. Bei Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektroden 21A, 21B durch die Steuerung 22 dehnt oder staucht sich das piezoelektrische Material 20 entsprechend seiner Polarisationsrichtung (je nach angelegter Spannung und piezoelektrischem Material), was die Membran 11 mit einer entsprechenden Spannung beaufschlagt und bei einer hinreichenden Größe der Spannung (d.h. die Verformung des piezoelektrischen Materials 20 bewirkt eine Spannung auf die Membran 11, welche eine Umschaltschwelle überschreitet) erfolgt ein Übergang zwischen den beiden stabilen Zuständen der Membran 11, d.h. von dem Zustand der 1A in den Zustand der 1B oder umgekehrt.
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Eine derartige Ansteuerung, welche ein Umschalten der Membran 11 zwischen den beiden stabilen Zuständen bewirkt, wird im Rahmen der vorliegenden Anmeldung auch als Ansteuerung über einer Umschaltschwelle oder digitale Ansteuerung (da sie zwischen zwei Zuständen umschaltet, ähnlich digitalen Werten 0 und 1) bezeichnet.
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Zu bemerken ist, dass der Aktor mit dem piezoelektrischen Element 20 nicht notwendigerweise wie in 2 dargestellt auf der Membran angeordnet sein muss, sondern ebenso unterhalb der Membran, oder sowohl oberhalb als auch unterhalb der Membran angeordnet sein kann. Zudem kann auch mehr als ein Aktor bereitgestellt sein.
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Bei Ausführungsbeispielen wird zusätzlich zu der oben erwähnten digitalen Ansteuerung eine Ansteuerung unterhalb der Umschaltschwelle, im Folgenden auch als analoge Ansteuerung bezeichnet, verwendet. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein einziges Membranelement wie in 2 dargestellt wahlweise digital oder analog angesteuert werden. Bei anderen Ausführungsbeispielen wird eine Anordnung mehrerer Membranelemente bereitgestellt, wobei manche der Membranelemente und andere der Membranelemente analog angesteuert werden können. Bei weiteren Ausführungsbeispielen kann durch eine Energiezufuhr, welche zu einem Schwingen der Membran 11 bei ihrer Eigenresonanzfrequenz führt, ein Umschalten zwischen den stabilen Zuständen durch einen Spannungspuls an dem Aktor, welcher unter der Umschaltschwelle liegt, bewirkt werden. Ansonsten kann ein Umschalten auch durch Anlegen einer Spannung oberhalb der Umschaltschwelle erreicht werden. Diese und andere Varianten werden im Folgenden näher erläutert.
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Die 3 und 4 zeigen Diagramme, welche eine analoge Ansteuerung (3) und eine digitale Ansteuerung (4) veranschaulichen. In 3 sind in einem ersten Diagramm eine an Elektroden wie den Elektroden 21A, 21B der 2 angelegte Spannung sowie die sich ergebende Geschwindigkeit einer Membran wie der Membran 11 dargestellt. In einem unteren Graphen in 3 ist die sich daraus ergebende Verschiebung der Membran dargestellt. Bei dem dargestellten Beispiel wird ein sinusförmiger Spannungsverlauf angelegt. Wie zu sehen ist, folgt bei einer derartigen Anregung unterhalb der Umschaltschwelle die Geschwindigkeit der Membran sowie die Verschiebung der Membran der sinusförmigen Anregung.
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Die 4 zeigt ein Beispiel, bei welchem periodisch eine Spannung angelegt wird, welche oberhalb der Umschaltschwelle liegt. Zudem ist in einem oberen Graphen noch die sich hieraus ergebende Geschwindigkeit der Membran sowie in einem unteren Graphen die sich ergebende Verschiebung dargestellt. Wie zu sehen ist, wird auf diese Weise zwischen den beiden stabilen Zuständen umgeschaltet. Bei dem Beispiel der 5 ergibt sich dabei durch das periodische Anlegen des Umschaltsignals eine der Geschwindigkeit und der Verschiebung überlagerte Oberschwingung, die jedoch eine kleinere Amplitude aufweist als die Verschiebung, die sich beim Umschalten zwischen den Zuständen ergibt.
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Bei Ausführungsbeispielen wird wie erläutert sowohl eine digitale Ansteuerung als auch eine analoge Ansteuerung verwendet. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein einziges Membranelement (wie beispielsweise in 2 dargestellt) wahlweise digital oder analog angesteuert werden. Bei anderen Ausführungsbeispielen ist eine Anordnung, beispielsweise in Form eines zweidimensionalen Arrays, von Membranelementen bereitgestellt, wobei manche der Membranelemente digital und andere der Membranelemente analog angesteuert werden. Unter einem Membranelement oder bistabilen Membranelement ist dabei allgemein eine Komponente zu verstehen, bei welcher eine Membran beispielsweise mittels eines piezoelektrischen Aktors wie beschrieben angesteuert ist, wobei die Membran im Falle eines bistabilen Membranelements zwei stabile Zustände aufweist.
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Bei manchen Ausführungsbeispielen kann einer digitalen Schallerzeugung durch digitales Ansteuern eines oder mehrerer bistabilen Membranelemente ein analoges Ansteuersignal überlagert werden, um dadurch mehr Dynamik und Schallpegel zu erreichen oder die Modulationstiefe zu erhöhen. Hierdurch kann insbesondere die gesamte harmonische Verzerrung („Total Harmonic Distortion“, DHT) verringert werden, welche in einer Anordnung mehrerer Membranen beispielsweise durch einen endlichen Wert einer Digitalisierungsschrittweite entsteht. In anderen Worten sind bei einer derartigen Anordnung bei rein digitaler Ansteuerung nur bestimmte „Schalldrücke“ erzeugbar, da jedes einzelne bistabile Membranelement bei einem Schaltvorgang entweder umgeschaltet werden kann oder nicht. Durch eine zusätzliche analoge Ansteuerung können hier gleichsam „Zwischenwerte“ erzeugt werden.
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Die 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit 16 bistabilen Membranelementen 50, welche in dem dargestellten Beispiel in einem 4·4 Array angeordnet sind. Die Anzahl der Membranelemente und die Anordnung in einem 4·4 Array dienen lediglich als Beispiel. Es können auch mehr oder weniger bistabile Membranelemente bereitgestellt sein, und diese können auch in anderen Anordnungen als in der 5 dargestellt bereitgestellt sein.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der 5 stellt ein Membranelement 50A ein niederwertigstes Bit, Membranelemente 50B ein zweites Bit, Membranelemente 50C ein drittes Bit und Membranelemente 50D ein viertes Bit dar, wobei das niederwertigste erste Bit von einem Membranelement, das zweite Bit von zwei Membranelementen, das dritte Bit von vier Membranelementen und das vierte Bit von acht Membranelementen gebildet wird. Die Membranelemente sind also zu Gruppen zusammengefasst und jede Gruppe ist einem Bit zugeordnet. Das Membranelement 50E ist ungenutzt und kann auch weggelassen werden. Es kann als Reserve oder zu Testzwecken dienen oder kann auch einfach zum Zwecke einer vereinfachten Herstellung bereitgestellt sein, beispielsweise wenn mehrere der Anordnungen der 5 auf einem einzigen Chip hergestellt werden. Es ist zu bemerken, dass die Gruppierung der Membranen zu Bits der 5 sowie die Anzahl von vier Bits nur als Beispiel dient, und auch andere Anordnungen, bei welchen beispielsweise zu einem Bit gehörige Membranen nicht nebeneinander liegen, und/oder eine andere Anzahl von Bits bereitgestellt sein können.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der 5 werden die zwei niederwertigsten Bits, d.h. die Membranelemente 50A und 50B, analog angesteuert, wie dies unter Bezugnahme auf die 3 veranschaulicht wurde, und die zwei höherwertigeren Bits, d.h. die Membranelemente 50C und 50D, werden digital angesteuert, wie dies unter Bezugnahme auf die 4 erläutert wurde. Durch eine derartige gemischte Verwendung analoger und digitaler Ansteuerungen kann eine Dynamik und eine Modulationstiefe der Anordnung erhöht werden.
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Wie unter Bezugnahme auf die 4 erläutert kann eine wiederholte digitale Ansteuerung von Membranelementen zu überlagernden Schwingungen führen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann dann eine analoge Ansteuerung anderer Membranelemente verwendet werden, um diese überlagernden Schwingungen zu kompensieren. Dies wird nunmehr unter Bezugnahme auf die 6 erläutert. In der 6 zeigen Kurven 60, 61 und 62 jeweils normierte Verschiebungen einer Membran des Membranelements oder eine kombinierte Verschiebung mehrerer Membranen, d.h. die Verschiebung ist in willkürlichen Einheiten dargestellt. Eine Kurve 60 zeigt dabei eine Sinusschwingung, welche mit digital angesteuerten Membranen, die in mehreren Bits angeordnet sind (entsprechend den Membranelementen 50C, 50D der 5) erzeugt wurden. Das Prinzip der Erzeugung eines Signalverlaufs durch digital angesteuerte Membranen wird auch als digitale Schallrekonstruktion (DSR; „Digital Sound Reconstruction“) bezeichnet. Wie der Kurve 60 zu entnehmen, ergeben sich der Sinuswelle überlagerte höherfrequente Oberschwingungen.
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Diese Oberschwingungen können bei Ausführungsbeispielen kompensiert werden, indem an analog angesteuerte Membranelemente (beispielsweise Membranelemente 50A, 50B der 5) ein analoges Signal angelegt wird, welches zu den Oberschwingungen der Kurve 60 gegenphasig verläuft. Die Kurve 61 zeigt ein derartiges Signal entgegen den Oberschwingungen der Kurve 60, wie es durch die Membranelemente 50A und/oder 50B der 5 beim Anlegen eines entsprechenden Steuersignals erzeugbar ist.
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Die Kurve 62 der 6 zeigt eine gesamte effektive Verschiebung bzw. ein gesamtes erzeugtes Schallsignal bei Kombination der digitalen Ansteuerung mit dem Ergebnis der Kurve 60 und einer analogen Ansteuerung entsprechend der Kurve 61. Wie zu sehen ist, werden die Oberschwingungen auf diese Weise geglättet, und es entsteht ein geglättetes Signal.
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Eine weitere Verwendungsmöglichkeit einer Anregung unterhalb der Umschaltschwelle ist ein Umschalten zwischen den beiden stabilen Zuständen mittels Resonanz. Dies ist in 7 veranschaulicht.
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Eine Kurve 70 in 7 zeigt eine Verschiebung einer Membran, wobei die Membran zu Beginn bei 72 um einen ersten stabilen Zustand schwingt und am Ende bei 73 um einen zweiten stabilen Zustand wie durch 73 veranschaulicht schwingt. Eine Kurve 71 in 7 zeigt die an einem Aktor, beispielsweise dem piezoelektrischen Aktor der 2, des Membranelements angelegte Spannung in Form einer periodischen Abfolge von Pulsen. Mit dieser periodischen Spannung wird die Membran des Membranelements zuerst mit einer sehr kleinen Amplitude in der Eigenresonanzfrequenz der Membran angeregt und damit in permanente Schwingung versetzt. Dies kann beispielsweise für verschiedene Membranelemente in einer Anordnung wie der Anordnung der 5 gegenphasig erfolgen, so dass insgesamt kein Schall erzeugt wird (d.h. die Membranen verschiedener Membranelemente schwingen gegenphasig bei der Resonanzfrequenz).
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Durch eine Amplitudenmodulation, d.h. zusätzliche Pulse, die den Pulsen der Kurve 71 überlagert werden, mit der die Resonanz überhöht wird, kann dann der Umschaltvorgang ausgelöst werden, wobei hierzu eine Spannung nötig ist, die eigentlich unterhalb der Umschaltschwelle liegt und wegen der resonanten Anregung dennoch zum Umschalten zwischen den stabilen Zuständen ausreicht. Ein Beispiel hierfür ist durch eine Kurve 74 der 7 veranschaulicht. Hier sind zwei Spannungspulse gezeigt, die zusätzliche zu den Pulsen der Kurve 71 angelegt werden und die dann wie in der Kurve 70 gezeigt zum Umschalten zwischen den stabilen Zuständen führen. Die Anzahl an Pulsen, die zum Umschalten erforderlich ist, kann dabei je nach Implementierung variieren.
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Die 8 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Reihenfolge der unter Bezugnahme auf 8 beschriebenen Vorgänge ist dabei nicht als einschränkend auszulegen, da die Vorgänge auch in anderer Reihenfolge ausgeführt werden können. Das Verfahren der 8 wird zur Veranschaulichung unter Bezugnahme auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele erläutert, ist aber nicht auf diese beschränkt.
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In 8 wird ein Membranelement mit einer Spannung oberhalb einer Umschaltschwelle angesteuert. Dies führt zu einem Umschalten zwischen stabilen Zuständen wie vorstehend beschrieben.
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Bei 81 wird das Membranelement oder auch ein weiteres Membranelement einer Membranelementanordnung wie der 5 gezeigten Anordnung unterhalb der Umschaltschwelle angesteuert, was der beschriebenen analogen Ansteuerung entspricht. Hierdurch kann beispielsweise eine Glättung wie unter Bezugnahme auf 6 dargestellt erfolgen, und/oder ein Dynamikumfang kann erhöht werden, wie ebenfalls vorstehend beschrieben.
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Details der Ansteuerung über der Umschaltschwelle und unter der Umschaltschwelle können wie vorstehend unter Bezugnahme auf die 1-7 erläutert erfolgen.
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Die 9 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Bei dem Ausführungsbeispiel der 9 wird eine Membran eines Membranelements in resonante Schwingungen versetzt, wie dies unter Bezugnahme auf 7 erläutert wurde. Durch eine Amplitudenmodulation unterhalb der Umschaltschwelle kann dennoch ein Umschalten des Membranelements zwischen zwei stabilen Zuständen erfolgen, wie dies ebenso unter Bezugnahme auf die 7 erläutert wurde. Zu bemerken ist, dass die Ausführungsbeispiele der 8 und 9 auch innerhalb einer Membranelementanordnung wie in 5 dargestellt für verschiedene Membranelemente zusammen eingesetzt werden können.
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Zumindest einige Ausführungsbeispiele sind in den folgenden Beispielen definiert:
- Beispiel 1. Membranelementanordnung, umfassend: mindestens ein bistabiles Membranelement mit einem ersten stabilen Zustand und einem zweiten stabilen Zustand, und eine Steuerung zum Ansteuern des mindestens einen Membranelements,
wobei die Steuerung eingerichtet ist, ein Membranelement des mindestens einen bistabilen Membranelements mit einem Steuersignal oberhalb einer Umschaltschwelle zum Umschalten zwischen dem ersten stabilen Zustand und dem zweiten stabilen Zustand anzusteuern, und
das Membranelement oder ein weiteren Membranelement des mindestens einen bistabilen Membranelements mit einem Ansteuersignal , dessen Amplitude über mehrere Perioden des Ansteuersignals unterhalb der Umschaltschwelle liegt, anzusteuern.
- Beispiel 2. Membranelementanordnung nach Beispiel 1, wobei die Steuerung eingerichtet ist, das Ansteuern unterhalb der Umschaltschwelle zum Erhöhen eines Dynamikumfangs und/oder einer Modulationstiefe durchzuführen.
- Beispiel 3. Membranelementanordnung nach Beispiel 1, wobei das mindestens eine bistabile Membranelement eine Vielzahl von bistabilen Membranelementen umfasst, welche zu einer Vielzahl von Gruppen gruppiert sind, wobei jede der Gruppen einem Bit zugeordnet ist, wobei die Steuerung eingerichtet ist, einen ersten Teil der Gruppen mit Steuersignalen, deren Amplituden oberhalb der Umschaltschwelle liegen, anzusteuern und einen zweiten Teil der Gruppen mit Ansteuersignalen, deren Amplituden unterhalb der Umschaltschwelle liegen, anzusteuern.
- Beispiel 4. Membranelementanordnung nach Beispiel 3, wobei die Steuerung eingerichtet ist, den zweiten Teil der Gruppen zum Ausgleich von durch das Ansteuern des ersten Teils der Gruppen über der Umschaltschwelle entstehenden Oberschwingungen eingerichtet ist.
- Beispiel 5. Membranelementanordnung, umfassend: ein bistabiles Membranelement mit einem ersten stabilen Zustand und einem zweiten stabilen Zustand, und
eine Steuerung zum Ansteuern des Membranelements,
wobei die Steuerung eingerichtet ist, das Membranelement zum Anregen einer eigenresonanten Schwingung anzusteuern, und das Membranelement zusätzlich mit einem periodischen Steuersignal in der Resonanzfrequenz mit einer Amplitude unterhalb einer Umschaltschwelle, welche ohne die resonante Schwingung zum Umschalten zwischen den stabilen Zuständen erforderlich wäre, zum Umschalten zwischen den stabilen Zuständen anzusteuern.
- Beispiel 6. Membranelementanordnung nach Beispiel 5, wobei das Ansteuern zum Umschalten zwischen den stabilen Zuständen ein Anlegen von Spannungspulsen an ein mit der Membran gekoppeltes piezoelektrisches Element umfasst.
- Beispiel 7. Membranelementanordnung nach Beispiel 5, wobei die Steuerung eingerichtet ist, ein weiteres Membranelement gegenphasig zu dem Membranelement zum Anregen einer eigenresonanten Schwingung anzusteuern.
- Beispiel 8. Membranelementanordnung nach Beispiel 5, wobei die Membranelementanordnung nach Beispiel 1 ausgestaltet ist.
- Beispiel 9. Verfahren, umfassend:
- Ansteuern eines bistabilen Membranelements mit einem ersten stabilen Zustand und einem zweiten stabilen Zustand mit einem Steuersignal oberhalb einer Umschaltschwelle zum Umschalten zwischen dem ersten und zweiten stabilen Zustand, und Ansteuern des bistabilen Membranelements oder eines weiteren bistabilen Membranelements mit einem Ansteuersignal, dessen Amplitude über mehrere Perioden des Ansteuersignals unterhalb der Umschaltschwelle liegt.
- Beispiel 10. Verfahren nach Beispiel 9, wobei das bistabile Membranelement und das weitere bistabile Membranelement in einer Membranelementanordnung bereitgestellt sind, wobei Membranelemente der Membranelementanordnung in Gruppen angesteuert werden, wobei jede Gruppe einem Bit zugeordnet ist, wobei mindestens eine einem höherwertigen Bit zugeordnete Gruppe mit Steuersignalen, die Amplituden oberhalb der Umschaltschwelle aufweisen, angesteuert wird und mindestens eine einem niedriger wertigerem Bit zugeordnete Gruppe mit Ansteuersignalen, deren Amplitude unterhalb der Umschaltschwelle liegen, angesteuert wird.
- Beispiel 11. Verfahren nach Beispiel 9, wobei das Ansteuern unterhalb der Umschaltschwelle Oberschwingungen, welche durch das Ansteuern oberhalb der Umschaltschwelle entstehen, kompensiert.
- Beispiel 12. Verfahren nach Beispiel 9, wobei das Ansteuern unterhalb der Umschaltschwelle einen Dynamikumfang und/oder eine Modulationstiefe erhöht.
- Beispiel 13. Verfahren, umfassend:
- Versetzen einer Membran eines bistabilen Membranelements in Schwingungen bei einer Eigenresonanzfrequenz der Membran, und Umschalten des bistabilen Membranelements zwischen zwei stabilen Zuständen durch Ansteuern zusätzlich mit einem periodischen Steuersignal in der Resonanzfrequenz mit einer Amplitude unterhalb einer Umschaltschwelle, welche ohne die Anregung zu Schwingungen bei der Eigenresonanz zum Umschalten nötig ist.
- Beispiel 14. Verfahren nach Beispiel 13, wobei das Ansteuern unterhalb der Umschaltschwelle ein Anlegen von Spannungspulsen an ein mit der Membran gekoppeltes piezoelektrisches Element umfasst.
- Beispiel 15. Verfahren nach Beispiel 13, weiter umfassend Versetzen einer weiteren Membran eines weiteren bistabilen Membranelements in Schwingung bei einer Eigenfrequenz der weiteren Membran gegenphasig zu den Schwingungen der Membran.
- Beispiel 16. Verfahren nach Beispiel 13, wobei das Verfahren nach Beispiel 9 durchgeführt wird.
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Angesichts der oben erläuterten Variationen und Abwandlungen ist ersichtlich, dass die dargestellten Ausführungsbeispiele lediglich der Veranschaulichung dienen und nicht als einschränkend auszulegen sind.
