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Die Erfindung betrifft einen Aktuator gemäß Oberbegriff von Anspruch 1.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Aktuator vorzugschlagen, welcher besonders kostengünstig und/oder kompakt und/oder robust und/oder besonders gut geeignet zur Erzeugung von akustischem Schall ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den Aktuator gemäß Anspruch 1.
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Unter einem Aktuator wird vorzugsweise ein elektrodynamischer Schwingerreger verstanden und bevorzugt andersherum ebenso.
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Unter einer Anordnung der Spule im Luftspalt wird vorzugsweise eine vollständige oder teilweise Anordnung der Spule im Luftspalt im Ruhezustand verstanden. Insbesondere kann der Aktuator so ausgebildet sein, dass die Spule im Ruhezustand aus dem Luftspalt, besonders bevorzugt an zwei gegenüberliegenden Seiten, herausragt.
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Unter einem Ruhezustand des Aktuators und/oder der Spule wird bevorzugt ein Zustand verstanden, in dem die Spule keine Auslenkung erfährt und/oder in dem kein elektrisches Signal anliegt.
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Unter einem geraden Luftspalt wird bevorzugt ein Luftspalt entlang einer Ebene verstanden, mit insbesondere im Wesentlichen überall gleicher Luftspaltlänge, wobei die Luftspaltlänge senkrecht zu dieser Ebene ausgerichtet ist und die beiden Magneten und insbesondere in Kombination mit ihren Polplatten, mit ihrer den Luftspalt bildenden Luftspaltfläche, insbesondere die an den Luftspalt angrenzende Fläche, besonders bevorzugt im Wesentlichen parallel zu dieser Ebene entlang des Luftspalt ausgerichtet sind.
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Die Luftspaltlänge ist zweckmäßigerweise durch den Abstand zwischen den Magneten und/oder dem Abstand zwischen den, den beiden Magneten jeweils zugeordneten/ zugehörigen, Polplatten, zueinander gegenüberliegend definiert.
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Bevorzugt ist der Aktuator hinsichtlich der Ebene entlang des Luftspalts spiegelsymmetrisch, insbesondere mit Ausnahme der Magnetisierung der Magneten, ausgebildet.
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Unter der Ebene entlang des Luftspalts wird vorzugsweise eine Spiegelebene und andersherum verstanden bzw. diese Begriffe sind insbesondere austauschbar.
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Die Magnete sind jeweils bevorzugt als Permanentmagnet oder alternativ vorzugsweise als Elektromagnete ausgebildet.
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Die vertikale Richtung des Luftspalts ist bevorzugt im Wesentlichen parallel zur Auslenkungsrichtung der Spule in dem Luftspalt definiert.
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Unter dem Begriff flächiger Körper wird bevorzugt ein akustisch nutzbar schwingungsfähiger Körper verstanden und/oder ein Körper, dessen Kontur im Wesentlichen aus Mantelflächen besteht, also der insbesondere nicht massiv bzw. kompakt ausgebildet ist, und/oder als schalenförmiger Körper und/oder oder dessen Dicke, insbesondere die Dicke seiner Mantelfläche, 2cm oder weniger beträgt, zweckmäßigerweise 0,6 cm oder weniger, wobei diese Begrenzung der Dicke sich besonders bevorzugt auf wenigstens 95% seiner Außenfläche und/oder Mantelfläche bezieht.
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Es ist bevorzugt, dass die beiden Magneten eine zueinander gegenläufige/ inverse Orientierung der Magnetisierungsrichtung aufweisen, wobei insbesondere die Magnetisierungsrichtung der beiden Magneten im Wesentlichen parallel zur vertikalen Richtung des Luftspalts ausgebildet ist und/oder im Wesentlichen parallel zur Auslenkungsrichtung der Spule in dem Luftspalt.
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Der Aktuator ist vorzugsweise so ausgebildet, dass bezüglich der vertikalen Richtung des Luftspalts, je oberhalb und je unterhalb jedes Magneten, besonders bevorzugt an den Polen der Magnete, jeweils, eine Polplatte angeordnet ist, welche insbesondere jeweils am Luftspalt die größte Dicke aufweist und vom Luftspalt abseitig verjüngend ausgebildet ist. Besonders bevorzugt ist die Ausbildung der Polplatten durchgehend verjüngend und die Polplatte ist dabei eben ausgebildet.
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Es ist bevorzugt, dass wenigstens eine, insbesondere sämtliche, Polplatte/n so ausgebildet sind, dass auf der jeweils dem Magneten abgewandte Außenfläche der Polplatte, also die Außenfläche, welche gegenüber der Verbindungsfläche oder angrenzenden Fläche zum Magneten angeordnet ist, wenigstens eine plane Teilfläche und/oder ein Plateau aufweist, insbesondere jeweils. Die Teilfläche/ das Plateau ist dabei insbesondere im Wesentlichen senkrecht zur Ebene entlang des Luftspalts ausgebildet, bzw. zwei Senkrechte zur Ebene entlang des Luftspalts spannen im Wesentlichen die Ebene der Teilfläche/ des Plateaus auf.
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Es ist zweckmäßig, dass die dem Magneten abgewandten Außenfläche einer Polplatte oder jeder Polplatte eine plane Teilfläche und/oder ein Plateau an den Luftspalt angrenzend aufweist und/oder eine plane Teilfläche und/oder Plateau auf der abgewandten Seite des Luftspalts aufweist. Im Fall, dass die Außenfläche einer oder aller Polplatten eine plane Teilfläche und/oder ein Plateau an den Luftspalt angrenzend aufweist und eine plane Teilfläche und/oder Plateau auf der abgewandten Seite des Luftspalts aufweist, ist der dazwischenliegende Zwischenbereich dieser Außenfläche besonders bevorzugt im Wesentlichen schräg und dabei eben ausgebildet und/oder entsprechende dem Verlauf einer mathematischen Funktion ausgebildet.
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Zweckmäßigerweise sind die Polplatten in Relation zu den Magneten jeweils um eine definierte Länge in den Luftspalt eingerückt angeordnet.
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Die Polplatten sind vorzugsweise aus ferromagnetischem Material ausgebildet.
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Es ist bevorzugt, dass die Spule im Wesentlichen rechteckig und/oder im Wesentlichen rechteckig mit abgerundeten Ecken ausgebildet ist. Dabei ist die Spule insbesondere mindestens zweimal so breit, wie hoch ausgebildet, wobei hoch entlang der vertikalen Richtung des Luftspalts definiert ist und breit im Wesentlichen senkrecht zur Luftspaltlänge und senkrecht zur vertikalen Richtung des Luftspalts definiert ist.
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Es ist zweckmäßig, dass die Spule einen Spulenträger umfasst, welcher aus nicht-ferromagnetischen Material ausgebildet ist und insbesondere einen Wärmeleitfähigkeitskoeffizient von mindestens 20 W/(m K) aufweist. Zweckmäßigerweise ist der Spulenträger aus elektrisch nicht-leitendem Material ausgebildet.
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Es ist bevorzugt, dass der Spulenträger einen Kern aufweist, welcher im Inneren der Spule angeordnet ist, wobei der Spulenträger insbesondere bezüglich der vertikalen Richtung des Luftspalts, je oberhalb und je unterhalb der Spule einen Abdeckbalken aufweist und jeweils mit den Abdeckbalken verbundene Abdeckplatten, welche jeweils im Wesentlichen parallel zur Ebene entlang des Luftspalts ausgerichtet sind und beidseitig an der Spule angeordnet sind, so dass die Abdeckbalken und die Abdeckplatten zusammenhängend die Spule umrahmen. Besonders bevorzugt sind die Abdeckbalken, jeweils mindestens so breit wie die Spule ausgebildet.
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Es ist bevorzugt, dass der Aktuator eine Federanordnung, insbesondere auch Biegefeder genannt, aufweist, welche dazu ausgebildet ist, die Spule in eine Ruhelage vorzuspannen, wobei die Federanordnung dazu ausgebildet ist, die Spule entlang jeder möglichen Bewegungsrichtung rückstellend auf die Ruhelage vorzuspannen.
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Zweckmäßigerweise weist die Federanordnung jeweils mindestens eine Federeinheit auf, welche bezogen auf die vertikale Richtung des Luftspalts über den Magneten und insbesondere den Polplatten, angeordnet ist und zumindest eine Federeinheit bezogen auf die vertikale Richtung des Luftspalts unter den Magneten und insbesondere den Polplatten, angeordnet ist.
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Es ist zweckmäßig, dass eine Federeinheit oder beide Federeinheiten, insbesondere jeweils, zwei im Wesentlichen in einem Ruhezustand in Luftspaltrichtung bzw. senkrecht zur Ebene entlang des Luftspalts verlaufende Federelemente, insbesondere auch Übergangsbereiche der Biegefeder genannt, aufweist, wobei die Federelemente im Ruhezustand insbesondere eine geschwungene und/oder gewundene und/oder doppel-S Form aufweisen.
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Vorzugsweise ist der Aktuator mit dem verbundenen Körper als Biegewellenstrahler ausgebildet und/oder so ausgebildet, dass der Aktuator den, insbesondere flächigen, Körper zu Schwingungen seiner Körperstruktur anregt/anregen kann, wodurch der von Luft umgebene Körper Schallwellen emittiert.
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Es ist bevorzugt, dass der Aktuator wenigstens ein Verbindungselement aufweist, welches die beiden Magnete und/oder sämtliche Polplatten gemeinsam fixiert und/oder mit diesen fest verbunden ist, insbesondere weist der Aktuator zwei Verbindungselemente auf, auf zwei gegenüberliegenden Seiten des Aktuators, wobei die Verbindungselemente jeweils die beiden Magnete und/oder sämtliche Polplatten gemeinsam fixiert und/oder mit diesen fest verbunden ist. Besonders bevorzugt sind die Verbindungselement/e aus einem nicht-ferromagnetischen Material ausgebildet, insbesondere aus Kunststoff oder Aluminium oder Kupfer.
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Es ist bevorzugt, dass die Spule im Ruhezustand im Luftspalt im Wesentlichen zentral und/oder mittig angeordnet ist.
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Vorzugsweise ist die jeweils zum Magneten hin ausgerichtete Fläche einer Polplatte im Wesentlichen plan ausgebildet.
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Es ist bevorzugt, dass der Aktuator mindestens eine Polabschlussplatte aufweist, welche zwischen der Spule und einem der beiden Magneten angeordnet ist ,wobei die Polabschlussplatte elektrisch leitfähig ausgebildet ist und insbesondere nicht mit der Spule oder dem Spulenträger mechanisch verbunden ist. Zweckmäßigerweise erstreckt sich die Polabschlussplatte in vertikaler Richtung hinsichtlich des Luftspalts im Wesentlichen entlang des Magneten oder im Wesentlichen entlang des Magneten und der beiden dem Magneten zugeordneten Polplatten. Besonders bevorzugt weist die wenigstens eine Polabschlussplatte eine elektrische Leitfähigkeit von mindestens 1 MS/m (Megasiemens pro Meter) auf.
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Vorzugsweise ist der Aktuator so ausgebildet, dass er an beiden Magneten jeweils eine Polabschlussplatte aufweist, insbesondere ist diese Polabschlussplatte jeweils an dem Magneten und dabei beidseitig an dem Magneten angeordneten Polplatten gemeinsam angeordnet und die Polabschlussplatte schließt dabei besonders bevorzugt den Magneten und die Polplatten des Magneten an den Luftspalt angrenzend ab, insbesondere im Wesentlichen parallel zur Spule bzw. dem Spulenträger.
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Es ist zweckmäßig, dass die mindestens eine Polabschlussplatte den Luftspalt in horizontaler Richtung begrenzt und entlang der vertikalen Richtung des Luftspalts ausgerichtet ist und wobei die mindestens eine Polabschlussplatte dabei mit einem der Magneten und/oder den Polplatten dieses Magneten mechanisch verbunden ist, insbesondere sind der jeweilige Magnet und/oder die ihm zugeordneten Polplatten mit ihren jeweilig an den Luftspalt angrenzenden Flächen mit der Polabschlussplatte verbunden, wobei diese Verbindung beispielsweise mittels einer Klebeschicht oder andersartigen Verbindungsschicht, wie beispielsweise einer Lötschicht, ausgebildet ist.
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Es ist bevorzugt, dass der Aktuator zwei Polabschlussplatten aufweist, welche den Luftspalt jeweils auf einer Seite in horizontaler Richtung begrenzen und jeweils entlang der vertikalen Richtung des Luftspalts ausgerichtet sind und wobei die beiden Polabschlussplatten dabei jeweils mit einem der Magneten und/oder den Polplatten dieses Magneten mechanisch verbunden sind und insbesondere die Polabschlussplatten jeweils mit der dem Magneten und dessen Polplatten zugewandten Außenseite an die Kontur der angrenzenden Außenseiten des Magneten und dessen Polplatten angepasst ausgebildet sind.
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Vorzugsweise sind die Federanordnung und insbesondere die Federelemente aus einem Kompositmaterial ausgebildet.
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Die Federelemente sind zweckmäßigerweise, insbesondere zusätzlich, beschichtet ausgebildet, beispielsweise mit einem oder mehreren Kunststoff/en relativ hoher Dämpfung oder mit relativ massereichen Werkstoffen, um das Eigenschwingverhalten der Federelemente zu bedämpfen und/oder zu verstimmen.
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Die Federanordnung und/oder die Federeinheit und insbesondere die Federelemente sind bevorzugt symmetrisch ausgebildet oder alternativ vorzugsweise asymmetrisch ausgebildet, um Eigenschwingungen zu unterbinden.
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Die Federanordnung und/oder die Federeinheit und insbesondere die Federelemente sind bevorzugt profiliert ausgeführt, um die Steifigkeit und die Schwingungseigenschaften weiter zu verbessern wobei die Profilierung dabei insbesondere durch wenigstens eine Rippe und/oder wenigstens eine Sicke und/oder wenigstens eine Kante und/oder wenigstens eine Wölbung ausgeführt ist.
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Es zeigen in schematischer Darstellung
- 1 ein Beispiel eines konventionellen Lautsprechers, und
- 2 bis 12 Ausführungsbeispiele des Aktuators oder beispielhafte Teile des Aktuators.
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1 zeigt den beispielhaften Aufbau eines konventionellen, rotationssymmetrischen Lautsprechers 9, aus dem der Aufbau eines konventionellen Schwingerregers 10 durch Abtrennen der Membran 7, des Spulenträgers 4 und des Korbes 5 hervorgeht. Ein Permanentmagnet 2 ist durch zwei Polplatten aus ferromagnetischem Material 1 eingeschlossen. Im Luftspalt 11 zwischen den beiden Polplatten befindet sich eine kreisrunde, stromdurchflossene Spule 3, die lediglich über eine elastische Aufhängung 8 (in der Regel aus Textilgewebe) mit den Polplatten verbunden ist. Durch Anregung der Spule 3 mit einem elektrischen Signal entsteht eine Kraft auf die Spule, die über den Spulenträger 4 in die Membran 7 eingeleitet wird. Die schwingende Membran 7 ist über die mechanisch weiche Sicke 6 mit dem Korb 5 verbunden, der wiederum fest mit der Polplatte 1 verbunden ist. Bei bisher bekannten elektrodynamischen Schwingerregern 10 erfolgt die Anbindung an eine flächige Struktur direkt über den Spulenträger 4. Der Korb 5, die Sicke 6 und die Membran 7 entfallen dabei.
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2 zeigt beispielhaft den Aufbau des Magnetsystems eines elektrodynamischen Schwingerregers bzw. Aktuators. Zwei gleiche Magnete 12 werden symmetrisch zur Spiegelebene 16 angeordnet, sind jedoch in ihrer magnetischen Ausrichtung invertiert. Auf beiden Magneten sind jeweils eine obere Polplatte 13 und eine untere Polplatte 14 symmetrisch zur Spiegelebene 16 angeordnet. Der magnetische Fluss 15 ist somit im oberen und unteren Luftspalt 17 entgegengesetzt orientiert.
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Anhand der 3 ist beispielhaft eine auf der Spiegelebene 16 liegende, im Wesentlichen rechteckige Spule 19 veranschaulicht. Die Spule 19 ist um einen Kern 18 aus einem nicht ferromagnetischen Material gewickelt.
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4 zeigt einen zur Spiegelebene 16 symmetrischer Aufbau einer beispielhaften Spule 19 mit Umbauung im Querschnitt. Die um den Kern 18 gewickelte Spule 19 ist seitlich abgedeckt durch Abdeckplatten 20. Optional kann die Spule auf ihrer Ober- und Unterseite durch zusätzliche Abdeckbalken 21 bedeckt sein. Der Kern 18 sowie die Abdeckplatten 20 und Abdeckbalken 21 sind Teil des Spulenträgers.
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5 veranschaulicht beispielhaft die Richtung des magnetischen Flusses 15, des elektrischen Flusses in der Spule 23 und der resultierenden Kraftanregung 22 im beispielgemäßen elektrodynamischen Schwingerreger. Die magnetischen Flüsse 15 zwischen den oberen Polplatten 13 und den unteren Polplatten 14 aufgrund der Magnete 12 stehen orthogonal auf den elektrischen Flüssen 23, woraus sich eine zum elektrischen Anregungssignal der Spule proportionale Kraftanregung 22 ergibt. Die Spule und somit auch ihr elektrischer Fluss 23 liegen in der Spiegelebene des elektrodynamischen Schwingerregers.
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6 zeigt beispielhaft die Synchronisation der beiden Spiegelhälften mittels Verbindungselementen 24. Die beiden Spiegelhälften, jeweils bestehend aus einem Magneten 12, einer oberen Polplatte 13 und einer unteren Polplatte 14, werden durch zwei Verbindungselemente 24 miteinander verbunden, was eine Synchronisation ihrer Bewegung bezweckt. Weiterhin werden durch die Verbindungselemente 24 die jeweils oberen Polplatten 13 und die jeweils unteren Polplatten 14 in ihrem wechselseitigen Abstand und ihrer Lage entsprechend einer Spiegelung an der Spiegelebene 16 positioniert. Die oberen Polplatten 13 und die unteren Polplatten 14 stehen seitlich um die Dicke der Verbindungselemente 24 über die Magnete 12 über, um die Verbindungselemente 24 vollständig einzuschließen.
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7 veranschaulicht eine beispielgemäße elastische Aufhängung der Magnete 12 und der Polplatten 13,14 mittels Biegefedern 25, 26. Die Biegefedern 25,26 sind im Bereich der äußeren Abdeckplatten der Spule 20 eingeschnitten, sodass die Abdeckplatten 20 durch die Biegefedern 25, 26 durchgesteckt werden können, was eine Positionierung und Zentrierung der Spule 19 zwischen den Polplatten 13,14 und den Magneten 12 erlaubt.
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8 zeigt beispielhaft die Ausrichtung der Spule 19 zwischen den Polplatten 13,14 mittels Ausrichteebenen 31,32. Auf dem Niveau der halben Dicken der den Luftspalten 17 zugewandten Seiten der Polplatten 13,14 befinden sich gedachte Ausrichteebenen 31,32. An den oberen Polplatten 13 und unteren Polplatten 14 wird die obere Ausrichteebene 31 beziehungsweise untere Ausrichteebene 32 ausgerichtet. Die Spule 19 ist vorzugsweise so in den Luftspalten 17 ausgerichtet, dass sie in ihrer halben Höhe die jeweilige Ausrichteebene 31,32 schneidet. Sie kann jedoch gegenüber der Ausrichteebenen 31,32 gezielt verschoben positioniert sein, um eine andere Charakteristik, beispielsweise progressive oder degressive Charakteristiken, der elektromagnetischen Anregung zu erzielen.
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9 zeigt eine beispielhafte Draufsicht auf eine Biegefeder. Vorzugsweise sind die Biegefedern symmetrisch zur Spiegelebene 16 ausgeführt. Die Außenbereiche der Biegefeder 27 sind mit den Polplatten 13,14 verbunden. Der Mittelteil der Biegefeder 29 weist einen Ausschnitt 30 auf, sodass die Abdeckplatten der Spule 20 hindurch gesteckt werden können. Die Übergangsbereiche 28 zwischen Außenbereichen 27 und dem Mittelteil 29 kann beliebig ausgeformt sein, ist jedoch vorzugsweise spiegelsymmetrisch aufgebaut.
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Anhand der 10 ist ein beispielhafter Aktuator veranschaulicht, bei welchem die Spule 19 zwischen den Polplatten 13,14 über jeweils einen Luftspalt 17 beabstandet angeordnet ist. Auf und unter dem Magneten 12 ist diesen beidseitig einschließend jeweils eine Polplatte 13 und 14 angeordnet. Magnet 12 und Polplattenpaar 13, 14 weisen an deren dem Luftspalt gemeinsam angrenzender Fläche jeweils eine Polabschlussplatte 33 aus elektrisch leitfähigem Material auf, welche jeweils beispielhaft mittels einer nicht dargestellten Klebeschicht befestigt ist. Die Polabschlussplatte 33 weist beispielhaft eine elektrische Leitfähigkeit von mindestens 1 MS/m auf.
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11 zeigt einen beispielhaften Aktuator, bei welchem beidseitig die Polplatten 13, 14 jeweils über und unter den beiden Magneten 12 angeordnet sind. Die Polplatten 13, 14 weisen dabei jeweils auf der dem Magneten 12 abgewandten Außenfläche zwei Plateaus 34 und 35 auf, wobei die Dicke der Polplatte jeweils an den Luftspalt angrenzend größer ist und von Plateau 34 und der dem Magneten 12 zugewandten Fläche bestimmt ist, als die Dicke der Polplatte auf der dem Luftspalt gegenüberliegenden Seite, wobei diese Dicke zwischen Plateau 35 und der dem Magneten 12 zugewandten Fläche bestimmt ist. Zwischen den Plateaus 34 und 35 weisen die Polplatten 13, 14 jeweils einen schrägen Verlauf auf, beispielgemäß einer linearen Änderung der Dicke.
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Anhand von 12 ist ein Aktuator beispielhaft veranschaulicht. Spule 19 ist zwischen den Polplatten 13,14 über jeweils einen Luftspalt 17 beabstandet angeordnet ist. Auf und unter dem Magneten 12 ist diesen beidseitig einschließend jeweils eine Polplatte 13 und 14 angeordnet. Magnet 12 und Polplattenpaar 13, 14 weisen an deren dem Luftspalt 17 gemeinsam angrenzender Fläche jeweils eine Polabschlussplatte 33 aus elektrisch leitfähigem Material auf. An Biegefedern 25,26 ist Spule 19 aufgehängt, welche seitlich abgedeckt durch Abdeckplatten 20 abgedeckt ist und auf ihrer Ober- und Unterseite durch zusätzliche Abdeckbalken 21 bedeckt ist. Spule 19 kann dergestalt aufgehängt in Spiegelebene 16 schwingen. Ebenfalls veranschaulicht ist die Ausrichtung der Spule 19 zwischen den Polplatten 13,14 mittels Ausrichteebenen 31,32.
