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Die Erfindung bezieht sich auf ein
als Sensor und/oder Aktuator einsetzbares elastisches Bauteil, mit
einer elastisch verformbaren Struktur und mit an der Struktur angeordneten
oder in die Struktur integrierten Wandlerelementen zur Umsetzung
einer elastischen Verformung der Struktur in ein abgreifbares Messsignal
und/oder zur Umsetzung eines zuführbaren
Ansteuersignals in eine elastische Verformung der Struktur.
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Alle oder zumindest einige der Wandlerelemente
können
bei dem elastischen Bauteil so in die Struktur integriert sein,
dass sie selbst ein wesentlicher, tragender Teil der Struktur sind.
Es ist sogar denkbar, die Struktur insgesamt aus den Wandlerelementen
aufzubauen.
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Zu den bekannten Bauteilen der eingangs beschriebenen
Art gehört
eine Vielzahl von Messvorrichtungen und Betätigungsvorrichtungen. Beispielsweise
fällt unter
diese Definition die Anordnung eines Dehnungsmessstreifen auf einem
Biegebalken. Genauso fällt
unter diese Definition ein gestapelter Piezoaktuator, bei dem die
einzelnen piezoelektrischen Wandlerelemente unter einer äußeren mechanischen
Vorspannung stehen. Ein solcher Piezoaktuator kann unter Ausnutzung
des passiven Piezoeffekts auch als Sensor verwendet werden.
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Wenn mit bekannten elastischen Bauteilen der
eingangs beschriebenen Art periodische Verformungen einer übergeordneten
Struktur erfasst bzw. beeinflusst werden sollen, machen sich die
elastischen Eigenschaften des elastischen Bauteils selbst häufig negativ
bemerkbar, weil eine Eigenfrequenz- bzw. Impedanzanpassung des Aktuators
an die übergeordnete
Struktur aufgrund tendenziell sehr hoher Eigenfrequenzen der bekannten
elastischen Bauteile kaum realisierbar ist. Wenn die Eigenfrequenzen
bekannter elastischer Bauteile der eingangs beschriebenen Art gezielt
reduziert werden, so ist dies in aller Regel mit einer erheblichen
Masseerhöhung
verbunden. Dies widerspricht den Leichtbauanforderungen, welche
z.B. im Kraftfahrzeug- und insbesondere im Luftfahrzeugbereich unbedingt
einzuhalten sind.
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Ein optischer Spiegel in kombinierter
Sandwichbauweise ist aus der
DE 199 17 519 C2 bekannt. Der Sandwichaufbau
umfasst hierbei einen Wabenkern aus gleichseitigen Sechsecken. Die
Zellenwände
des Wabenkerns sind identisch aufgebaut und gleich dick. Die insbesondere
aus kohlefaserverstärktem
Kunststoff bestehenden Zellenwände
sind zudem so ausgebildet, dass die Eigenschaften des Wabenkerns
in jeder Richtung gleich sind. Bei dieser Bauweise erfüllt der
Wabenkern die Forderungen nach gleicher Steifigkeit und gleicher
Wärmedehnung
in jeder Richtung seiner Haupterstreckung, die parallel zu der Spiegeloberfläche des
bekannten Spiegels verläuft.
In dem Sandwichaufbau ist der Wabenkern mit Deckschichten versehen,
die ebenfalls vorzugsweise aus kohlefaserverstärktem Kunststoff bestehen.
Auf mindestens einer der Deckschichten ist auf der dem Wabenkern
abgewandten Seite eine Aktuatorschicht mit individuell in der Ebene
der Aktuatorschicht ansteuerbaren Aktuatorelementen aus piezoelektrischer
Keramik angeordnet. Der als passive Trägerstruktur vorgesehene Wabenkern
wird bei dem bekannten Sandwichaufbau durch die Aktuatoren der Aktuatorschicht
deformiert, um die über eine
weitere Druckverteilungsschicht aus Kohleschaum an dem Sandwichaufbau
gelagerte Spiegelträgerschicht
auf einen gewünschten
Verlauf einzustellen.
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Aus der
DE 198 34 461 C2 ist ein
Vielschicht-Piezoaktuator bekannt, der im Querschnitt hexagonal
ist, um eine Gehäuse
mit kreisförmigem Querschnitt
besser als ein im Querschnitt rechteckiger Aktuator auszufüllen und
auszunutzen.
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Aus der
US 5,917,544 A ist eine wabenförmige Anordnung
von Sensorflächen,
beispielsweise Bildpunkten bekannt, die über ihre jeweiligen Wabenwände hinweg
mit jeweils sechs benachbarten Sensoren durch schaltbare Widerstände korrespondieren
können.
Die durch die schaltbaren Widerstände fließenden Ströme lassen einen Rückfluss
auf die Verhältnisse
der Signale der einzelnen Sensoren, beispielsweise registrierte
Helligkeitswerte zu.
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Vor diesem Hintergrund liegt der
Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Bauteil der eingangs beschriebenen
Art aufzuzeigen, dass grundsätzliche Vorteile
bei seiner Verwendung als Sensor und/oder Aktuator bietet, weil
eine Impedanzanpassung bei gleichzeitiger Beachtungen der Anforderungen
des Leichtbau möglich
ist.
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LÖSUNG
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem
Bauteil der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, dass
die elastisch verformbare Struktur wabenförmig ist, wobei jede von mehreren
in einer Wabenebene nebeneinander angeordneten Wabenzellen durch
sechs Wabenwandungen begrenzt und von ihr benachbarten sechs Wabenzellen
getrennt ist und wobei jeweils drei der Wabenwandungen zwischen drei
einander benachbarten Wabenzellen in einem senkrecht zu der Wabenebene
verlaufenden Knotenbereich miteinander verbunden sind, und dass
die Wandlerelemente im Bereich von mehreren der Wabenwandungen vorgesehen
sind.
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BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Der Kern des neuen Bauteils besteht
in der wabenförmigen
Struktur, d.h. in einer Struktur von der allgemein bekannt ist,
dass sie bei geringem Gewicht hohe Stabilitäten erbringt. Dabei ist es
nicht entscheidend, dass die wabenförmige Struktur des neuen Bauteils
eine ideale Wabenform aufweist, bei der die Wabenwandungen in der
Wabenebene exakt gleich sind und sich in den Knotenbereichen unter
jeweils genau 120 ° treffen.
Entscheidend sind nur die oben genannten Mindestanforderungen, wonach
jede Wabenzelle durch sechs Wabenwandungen begrenzt und von ihren
benachbarten sechs Wabenzellen getrennt ist und wobei jeweils drei
Wabenwandungen zwischen drei einander benachbarten Wabenzellen in
einem senkrecht zu der Wabenebene verlaufenden Knotenbereich miteinander
verbunden sind. Die Wandlerelemente des neuen Bauteils sind im Bereich
von mehreren der Wabenwandungen vorgesehen. Es ist nicht erforderlich,
dass sie an jeder Wabenwandung vorgesehen sind. Es ist auch nicht
erforderlich, dass sie jeweils ganze Wabenwandungen abdecken oder
dass sie in symmetrischer Anordnung zu einer Mittelebene der jeweiligen
Wabenwandung vorgesehen sind. Es geht nur darum, dass mit den Wandlerelementen
eine Verformung dieser Wabenwandungen entweder erfasst und/oder
hervorgerufen wird, je nachdem ob das neue Bauteil als Sensor und/oder
als Aktuator verwendet werden soll. Bei der Verformung einer wabenförmigen Struktur
in deren Wabenebene, aber auch bei einer Deformation einer solchen
Struktur aus der Wabenebene heraus tritt eine zu der globalen Verformung
korrespondierende Verteilung von Verformungen der einzelnen Wabenwandungen
auf, die durch die Wandlerelemente registrierbar sind und die in
umgekehrter Richtung durch die Wandlerelemente lokal hervorgerufen
werden können,
um die globale Verformung der wabenförmigen Struktur auszulösen. Dabei
kann die notwendige Ansteuerung der einzelnen Wandlerelemente für eine lokale
Verformung, die eine globale Deformation auslöst, aus den Messsignalen abgeleitet werden,
die durch an denselben Wabenwandungen angeordnete und als Teile
eines Sensors dienende Wandlerelemente bei der von außen eingeleiteten Deformation
ausgegeben werden. Zu den ohne weiteres realisierbaren und umgekehrt
messbaren Deformationen in der Ebene gehören einseitig und allseitige
Streckungen der wabenförmigen
Struktur, gelenkartige Umbiegungen der wabenförmigen Struktur in der Wabenebene,
Verdrehungen von Bereichen der wabenförmigen Struktur gegenüber anderen
Bereichen derselben usw.. Bei den Deformationen der wabenförmigen Struktur
aus der Wabenebene heraus ist auf eine für wabenförmige Strukturen markante Sattelform
zu verweisen, welche durch die Wandlerelemente im Sensorfall registriert
oder im Aktuatorfall hervorgerufen werden kann. Im Aktuatorfall
kann durch Ansteuerung der Wandlerelemente aber auch dafür gesorgt
werden, dass diese Sattelform gerade nicht auftritt und die wabenförmige Struktur
ihre ebene Ausrichtung beibehält.
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In einer konkreteren Ausführungsform
misst mindestens ein Wandlerelement eine Längenänderung der ihm zugeordneten
Wabenwandung in der Wabenebene und/oder das Wandlerelement ist auf eine
solche Längenänderung
ansteuerbar. Insbesondere einseitige oder allseitige Streckungen
der wabenförmigen
Struktur können
hiermit abgedeckt werden.
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Es ist aber auch eine interessante
Ausführungsform
des neuen Bauteils, wenn mindestens ein Wandlerelement eine Scherungsverformung
oder -biegung der ihm zugeordneten Wabenwandung in der Wabenebene
misst und/oder auf eine solche Scherungsverformung oder Biegung
ansteuerbar ist.
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Neben der Scherungsverformung oder
-biegung in der Wabenebene kann auch eine Schubverformung oder -biegung
der den Wandlerelementen zugeordneten Wabenwandungen aus der Wabenebene
heraus von Interesse sein.
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Wie bereits angesprochen wurde, müssen die
Wandlerelemente die ihnen zugeordneten Wabenwandungen nicht vollständig abdecken.
Insbesondere dann, wenn die wabenförmige Struktur aus der Wabenebene
heraus verformt werden soll oder entsprechende Verformungen registriert
werden sollen, kann es von Interesse sein, wenn an mindestens einer
Wabenwandung ein Wandlerelement außermittig angeordnet ist. An
mindestens einer Wabenwandlung können
auch mehrere Wandlerelemente vorgesehen sein.
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Bei den Wandlerelementen kann es
sich um alle Wandlerelemente handeln, die zur Verfügung stehen,
um eine elastische Verformung in ein abgreifbares Messsignal oder
ein zuführbares
Ansteuersignal in eine elastische Verformung umzusetzen. Konkret
kann mindestens eines der Wandlerelemente ein piezoelektrisches,
ein photo-ferroelektrisches, ein elektrostriktives oder ein magnetostriktives
Material oder eine Formgedächtnislegierung
oder ein -polymer aufweisen. Es versteht sich, dass die besonderen
Einbaubedingungen, welche bekanntermaßen für diese Materialien zu beachten
sind, auch bei dem neuen Bauteil beachtet werden sollten. Hierzu
gehört es
beispielsweise, ein piezoelektrisches Material möglichst unter Vorspannung zu
setzen, damit es keinen Zugbelastungen ausgesetzt wird. Dies ist
auch bei der Integration eines piezoelektrischen Wandlers in eine
wabenförmige
Struktur möglich,
beispielsweise indem die wabenförmige
Struktur nach dem Aufbringen des piezoelektrischen Materials geschrumpft wird.
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Bei der Verwendung von piezoelektrischen Wandlerelementen
können
Elektroden für
die piezoelektrischen Wandlerelemente parallel zu der Wabenebene
angeordnet sein. Eine Verformung der wabenförmigen Struktur in der Wabenebene
kann dabei unter Ausnutzung beispielsweise des Transversaleffekts
d31 oder d23 oder eines transversalen Schubeffekts oder auch eines
hydrostatischen Piezoeffekts erfasst bzw. hervorgerufen werden.
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Es ist aber auch möglich, Elektroden
für die piezoelektrischen
Wandlerelemente parallel zu der jeweiligen Wabenwandung anzuordnen.
Dabei können
einzelne eine Wabenzelle begrenzende Wabenwandungen separat angesteuert
werden. Es können aber
auch alle Innenoberflächen
einer Wabenzelle mit demselben Potential beaufschlag werden.
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In den bevorzugten Ausführungsformen
des neuen Bauteils sind die Knotenbereiche, in denen die Wabenwandungen
miteinander verbunden sind, gegenüber einer Veränderung
der Winkel zwischen den Wabenwandungen ausgesteift. Diese Maßnahme stellt
sicher, dass sich alle Deformationen der wabenförmigen Struktur immer auf die
Wabenwandungen selbst und nicht nur in den Knotenbereichen auswirken.
Eine Versteifung der Knotenbereiche kann beispielsweise durch lokale
Verdickungen der wabenförmigen
Struktur bewirkt werden. Hierdurch können sich annähernd kreisrunde
freie Querschnitte der einzelnen Wabenzellen ergeben.
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Die Erfindung wird im Folgenden von
Ausführungsbeispielen
näher erläutert und
beschrieben, dabei zeigt
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1 eine
erste Ausführungsform
des neuen Bauteils in einer Verwendung als linearer Aktuator,
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2 eine
zweite Ausführungsform
des neuen Bauteils in einer Verwendung als linearer Aktuator,
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3 eine
dritte Ausführungsform
des neuen Bauteils in einer Verwendung als Aktuator für eine überlagerte
lineare und Torsionsbewegung,
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4 eine
vierte Ausführungsform
des neuen Bauteils in einer Verwendung als linearer Aktuator,
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5 eine
weitere Ausführungsform
des neuen Bauteils in einer Verwendung als Druckaktuator,
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6 eine
weitere Ausführungsform
des neuen Bauteils in einer Verwendung als Rotationsaktuator,
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7 einen
Aufbau der wabenförmigen Struktur
des neuen Bauteils mit verstärkten
Knotenbereichen,
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8 eine
Wabenzelle der wabenförmigen Struktur
gemäß 7 bei ihrer Verformung in
einer ersten Richtung,
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9 eine
Wabenzelle der wabenförmigen Struktur
gemäß 7 bei einer Verformung in
einer zweiten Richtung,
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10 die
Impedanzkurve einer wabenförmigen
Struktur über
der Frequenz,
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11 die
Impedanzkurve eines Biegebalkens über der Frequenz,
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12 eine
sattelförmig
deformierte wabenförmige
Struktur,
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13 eine
Analyse der Deformation der Wabenzellen an der Oberseite und der
Unterseite der sattelförmig
deformierten Struktur gemäß 12,
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14 einen
ersten Schnitt durch die sattelförmig
deformierte Struktur gemäß 12 und
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15 ein
zweiter Schnitt durch die sattelförmig deformierte Struktur gemäß 12.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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1 zeigt
ein Bauteil 1, welches zwei Anschlussteile 2 und 3 und
eine dazwischen angeordnete wabenförmige Struktur 4 aufweist.
Die wabenförmige
Struktur 4 ist an die Anschlusselemente 2 und 3 angebunden
und stellt die einzige Verbindung zwischen den Anschlusselementen 2 und 3 dar.
Die wabenförmige
Struktur 4 besteht aus Wabenwandungen 5, von denen
jeweils sechs Wabenwandungen 5 eine Wabenzelle 6 begrenzen
und von den ihr sechs benachbarten Wabenzelle 6 trennen
(soweit es sich um eine innere Wabenzelle 6 handelt). Dabei
stoßen jeweils
drei Wabenwandungen 5, welche drei einander benachbarten
Wabenzellen 6 zugeordnet sind, in einem Knotenbereich 7 zusammen
und sind hier fest, d.h. nicht frei gegeneinander verschwenkbar,
miteinander verbunden. Die wabenförmige Struktur 4 weist eine
Erstreckung auch senkrecht zu der Zeichenebene auf, wobei die Wabenwandungen 5 und
die Knotenbereich 7 senkrecht zu der Zeichenebene orientiert
sind. Das Besondere der wabenförmigen
Struktur 4 ist, dass Wandlerelemente 8 in die
Struktur 4, d.h. in die Wabenwandungen 5 integriert
sind. Um die damit hervorrufbaren Verformungen der wabenförmigen Struktur 4 bzw.
die entsprechenden Relativbewegungen der Anschlusselemente 2 und 3 zu
erörtern,
mögen die
Wabenwandungen 5 selbst aus piezoelektrischem Material,
d.h. als Wandlerelemente 8 ausgebildet sein. Dabei mögen Spannungen
an den Wabenwandungen 5 anliegen, welche durch die „+"- und „–"-Zeichen in 1 angedeutet sind, und es möge durch
die Spannungen an den Wabenwandungen 5 ein Transversaleffekt
des piezoelektrischen Materials angeregt werden, d.h. eine Längenanderung
der Wabenwandungen 5 in der Zeichenebene. Wenn dann die
anliegenden Spannungen wie in 1 verteilt
sind, dehnt sich die wabenförmige Struktur 4 in
beiden Richtungen der Zeichenebene, d.h. ihrer Wabenebene aus. Da
sie aber nur an den Seiten der Anschlusselemente 2 und 3 eingespannt ist,
führt dies
nur zu einer lineraren Relativverschiebung der Anschlusselemente 2 und 3 in
der eingezeichneten x-Richtung
ihres Abstands.
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2 zeigt
ein Bauteil 1, welches sich von dem Bauteil 1 gemäß 1 nur durch eine andere Verteilung
der an den die Wabenwandungen 5 ausbildenden Wandlerelementen 8 anliegenden
Spannungen unterscheidet. Während
gemäß 1 an den eine Wabenzelle 6 begrenzten
Innenseiten der Wabenwandungen unterschiedliche Spannungen anliegen,
so dass alle Wabenwandungen auf eine Dehnung in der Wabenebene bzw.
Zeichenebene ansteuerbar sind, sind die Wabenzellen 6 gemäß 2 jeweils auf einem Potentialniveau.
Dabei sind in Richtung des Abstands der Anschlusselemente 2 und 3 verlaufende
durchgängige
Reihen von voneinander angrenzenden Wabenzellen vorgesehen, von
denen abwechselnd eine Reihe auf positivem Spannungsniveau und eine
Reihe auf negativem Spannungsniveau liegt. Das Ergebnis ist eine
rein lineare Streckung der wabenförmigen Struktur 4 in
der Zeichenebene aufgrund des Ansprechens des Transversaleffekts
des piezoelektrischen Materials der Wandlerelemente 8,
die die Wabenwandungen 5 ausbilden.
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Mit anderen Worten dehnt sich die
wabenförmige
Struktur 4 nur zwischen den Anschlusselementen 2 und 3 aus
und verschiebt diese relativ zueinander in x-Richtung.
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3 skizziert,
wie durch eine Teilung der wabenförmigen Struktur 4 in
einen oberen Bereich, der gemäß 2 auf einen Längenzuwachs
zwischen den Anschlusselementen 2 und 3 ansteuerbar ist,
und einen unteren Bereich, der auf eine Verkürzung in eben dieser Richtung
ansteuerbar ist, eine relative Verkippung des Anschlusselements 2 zu
dem Anschlusselement 3 erreicht werden kann. Dabei auftretende
Verspannungen innerhalb der wabenförmigen Struktur 4 werden
automatisch weiträumig verteilt,
so dass es nicht zu größeren Belastungsspitzen
kommt.
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Bei der Ausführungsform des Bauteils 1 gemäß den 1 bis 3 werden die Wandlerelemente 8 mit
einem elektrischen Feld beaufschlagt, welches sich quer zu der jeweiligen
Wabenwandung 5 erstreckt. Entsprechend sind die dort nicht
separat dargestellten Elektroden, zwischen denen das elektrische
Feld aufgebaute wird, parallel zu den Wabenwandungen anzubringen.
Es ist aber auch die in 4 dargestellte
Möglichkeit
gegeben, die Elektroden 9 und 10 oberhalb und
unterhalb der wabenförmigen
Struktur 4 anzubringen, d.h. parallel zu der Wabenebene 11,
welche bei der Seitenansicht gemäß 4 nicht mit der Zeichenebene
zusammenfällt.
Bei Nutzung eines Transversaleffekts des piezoelektrischen Materials
der Wandlerelemente 8 kann auch auf diese Weise eine Ausdehnung
der wabenförmigen
Struktur 4 in der Wabenebene 11 und damit eine
lineare Bewegung zwischen den Anschlusselementen 2 und 3 in
x-Richtung hervorgerufen werden. Dabei ist es jedoch schwierig,
das in Querrichtung zu der Wabenebene 11 ausgerichtete
elektrische Feld an solchen Wabenwandungen 5 zu konzentrieren, die
für eine
einachsige Längenänderung
der wabenförmigen
Struktur 4 von besonderem Interesse wären. Es ist aber ohne weiteres
möglich,
nur eben diese Wabenwandungen 5 aus Wandlerelementen 8 auszubilden
und die anderen Wabenwandungen 5 aus nicht längenveränderlichem
Material. In 4 ist weiterhin
angedeutet, dass mit der Beaufschlagung der Wandlerlelemente 8 aus
piezoelektrischem Material über
die Elektroden 9 und 10 nicht nur statische Lageverschiebungen
zwischen den Anschlusselementen 2 und 3 hervorgerufen
werden können,
sondern auch Schwingungen. Konkret ist dies in 4 durch einen Wechselspannungsgenerator 12 angedeutet,
der die Elektroden 9 und 10 mit einer Wechselspannung
beaufschlagt. Die Schwingung zwischen den Anschlusselementen 2 und
3 können als Gegenschwingungen
für eine
aktive Dämpfung
einer übergeordneten
Struktur eingesetzt werden.
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5 skizziert
einen Fall, in dem eine wabenförmige
Struktur 4, die beispielsweise gemäß 4 mit parallel zu der hier wieder mit
der Zeichenebene zusammenfallenden Wabenebene angeordneten Elektroden
mit einem elektrischen Feld beaufschlagt wird, allseitig von einer übergeordneten Struktur 13 umgeben
ist. Bei einer Längenänderung aller
Wabenwandungen 5, die entsprechend sämtlich als Wandlerelemente 8 ausgebildet
sind, übt
die wabenförmige
Struktur 4 allseitig Druck auf die sie umgebende übergeordnete
Struktur 13 aus. Auch hierdurch können Schwingungen durch gegenphasige Ansteuerung
der Wandlerelemente 8 aktiv unterdrückt werden. Die Ansteuerung
der Wandlerelemente kann aber auch zu einer generellen Steifigkeitsänderung
bzw. Eigenfrequenzverschiebung der übergeordneten Struktur 13 eingesetzt
werden.
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6 skizziert
wie 5 eine wabenförmige Struktur 4,
die allseitig von einer übergeordneten Struktur 13 umgeben
ist. Hier wird verdeutlicht, wie durch selektive Ansteuerung der
Wandlerelemente 8, die die Wabenwandungen 5 ausbilden,
eine Rotation einer inneren Wabenzelle 6' gegenüber der übergeordneten Struktur 13 hervorgerufen
werden kann. Es versteht sich, dass umgekehrt die Wandlerelemente 8 auch
als Sensoren aus piezoelektrischem Material ausgebildet sein können, wobei
keine äußere Spannung
bzw. kein äußeres elektrisches
Feld angelegt sondern abgegriffen wird, um eine solche Rotation passiv
zu detektieren. Die dabei erfassbaren Spannungswerte an den einzelnen
Wandlerelementen ermöglichen
es, Verformungen der wabenförmigen Struktur 4 feinfühlig zu
erfassen, und damit auch auf die wirkenden Verformungskräfte rückzuschließen. Dies
gilt im Übrigen
nicht nur für
die Ausführungsform des
Bauteils 1 gemäß 6 sondern auch für alle anderen
hier beschriebenen Ausführungsformen.
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7 skizziert
eine bevorzugte Ausführungsform
der wabenförmigen
Struktur 4. Um die elastische Verformbarkeit der wabenförmigen Struktur 4 auf
die Wabenwandungen 5 zu konzentrieren, sind die Knotenbereiche 7,
in denen die Wabenwandungen miteinander verbunden sind, verdickt,
d.h. gegenüber
Winkeländerungen
zwischen den Wabenwandungen 5 ausgesteift. Sämtliche
Verformungen der wabenförmigen
Struktur 4 wirken sich damit unmittelbar auf die Wabenwandungen 5 aus.
Dort angeordente Wandlerelemente, oder gar Wandlerelemente, die
die Wabenwandungen 5 selbst ausbilden, bekommen also jede
Verformung der wabenförmigen Struktur 4 unmittelbar
mit.
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In 8 ist
skizziert, wie die eine Wabenzelle 6 begrenzenden Wabenwandungen 5 bei
einer einachsigen Zugbelastung der wabenförmigen Struktur 4 verformt
werden, wenn die Zugbelastung senkrecht zu einem Paar von parallelen,
einander über den
Mittelpunkt der Wabenzelle 6 gegenüberliegenden Wabenwandungen 5 verläuft. Die
senkrecht zu der Zugbeanspruchung verlaufenden Wabenwandungen 5 bleiben
nahezu unverformt. Bei den vier anderen Wabenwandungen 5 zeigt
sich eine S-förmige
Deformation, welche in 4 aber
nur ansatzweise zu erkennen ist. Um die Deformationen der Wabenzelle 6 und
ihrer Wabenwandungen 5 deutlicher werden zu lassen, ist
in 8 ein regelmäßiges Sechseck
innerhalb der Wabenzelle 6 wiedergegeben.
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Dies ist auch in 9 der Fall, die die Auswirkungen einer
Zugbelastung auf die wabenförmige Struktur 4 zwischen
zwei einander über
den Mittelpunkt der Wabenzelle 6 gegenüberliegenden Knotenbereichen 7 skizziert.
Hier bleiben die in Richtung der Zugbelastung verlaufenden Wabenwandungen 5 nahezu
unverformt. Verformt werden hingegen die vier anderen Wabenwandungen
und zwar auch wieder S-förmit,
was auf die steife Anbindung der Wabenwandungen an die Knotenbereiche 7 zurückzuführen ist.
Die Anordnung der Wandlerlemente 8 an den Wabenwandungen 5 kann
auf diese primäre S-förmige Verformung der Wabenwandungen 5 angepasst
werden. So können
beispielsweise in der Richtung zwischen zwei benachbarten Knotenbereichen 7 verschiedene
Wandlerelemente mit verschiedenen ansteuerbaren Längenänderungen
aufeinander abfolgen. Außerdem
können
auch auf den beiden Seiten derselben Wabenwandung 5 unterschiedlich Längenänderungen
provoziert werden.
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Die 8 und 9 lassen auch deutlich werden,
dass eine wabenförmige
Struktur 4 in der Wabenebene niemals isotrop ist. Es gibt
zwei unterschiedliche Hauptrichtungen, die den Richtungen der Zugbelastungen
in den beiden Figuren entsprechen. Die fehlende Isotropie der wabenförmigen Struktur 4 ist jedoch
nicht als Nachteil, sondern als zusätzlich zur Verfügung stehende
Variable für
die Anpassung der Struktur 4 an konkrete Anwendungen des
Bauteils 1.
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Aus 10 geht
ein weiterer Vorteil der wabenförmigen
Struktur 4 bei ihrer Verwendung als Sensor oder Aktuator
hervor. In 10 ist die
Impedanz einer wabenförmigen
Struktur 4 über
ihrer Frequenz aufgetragen. Dabei sind der Betrag und die Phase
wiedergegeben. Deutlich zu sehen ist, dass die Impedanz kein stark
lokalisiertes Minimum hat, wie dies beispielsweise bei einem Biegebalken
im Bereich dessen Eigenfrequenz der Fall ist, dessen Impedanz als
Vergleich in 11 mit
einer gegenüber 10 stark vergrößerten Skalierung
aufgetragen ist. Vielmehr gibt es einen verbreiterten Bereich mit
kleiner Impedanz der wabenförmigen
Struktur 4. So wird eine Impedanzanpassung an vorhandene übergeordnete
Strukturen vereinfacht. Daneben ist entscheidend, dass der Frequenzbereich
der geringen Impedanzen trotz der geringen Eigenmasse der wabenförmigen Struktur 4 relativ
niedrig liegt. Dies ist aber aus den 10 und 11 nicht unmittelbar entnehmbar.
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Die bisherigen Ausführungsbeispiele
des neuen Bauteils konzentrierten sich auf das Erfassen und Hervorrufen
von Verformungen bzw. Relativbewegungen in einer Ebene, nämlich der
Wabenebene 11 der wabenförmigen Struktur 4.
Es ist jedoch auch eine dreidimensionale Verformung der wabenförmigen Struktur 4 bei
dem neuen Bauteil 1 möglich.
Dies ist in den 12 – 15 skizziert. 12 zeigt eine sattelförmig deformierte
wabenförmige
Struktur 4, bei der die einzelnen Wabenzellen und Wabenwandungen
nicht aufgelöst
sind. Diese Sattelform der wabenförmigen Struktur 4 ergibt
sich durch Umbiegen der Struktur 4 in Richtung der Pfeile
M. Durch diese primäre
Umbiegung wird eine sekundäre
Umbiegung in Richtung der punktierten Pfeile N induziert. Dies ist mit
einer markanten Verformung der Wabenzellen an der Oberseite und
der Unterseite der Wabe verbunden, welche entlang von zwei Schnittlinien
B-B und A-A in den 14 und 15 dargestellt ist und die
in 13 noch einmal am
Beispiel einer Wabenzelle 6 wiedergegeben ist.
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13 zeigt
Deformationen des Umfangs einer Wabenzelle 6 an der Oberseite
(6') und
an der Unterseite (6'') der wabenförmigen Struktur 4 gemäß 12. Diese Deformationen
lassen sich aus 14 und 15, den Schnitten entlang
der Linien B-B und A-A, nachvollziehen. Die in 13 dargestellten Deformationen der Wabenzellen 6 an
der Oberseite und der Unterseite der wabenförmigen Struktur 4 sind
zwingend mit Verwerfungen oder lokalen Biegungen und Dehnungen der
Wabenwandungen 5 verbunden, da nur so die unterschiedlichen Umrisse
der Wabenzellen 6 an der Oberseite und der Unterseite der
sattelförmig
deformierten Struktur 4 gemäß 13 ausgebildet werden können. Dies
bedeutet, dass an den Wabenwandungen 5 vorgesehene Wandlerelemente
verwendet werden können,
um die sattelförmige
Deformation der wabenförmigen Struktur 4 zu
erfassen. Durch gezielte Anordnung der Wandlerelemente an den Wabenwandungen 5 und ihre
gezielte Ansteuerung kann die sattelförmige Deformation der wabenförmigen Struktur 4 aber
auch willkürlich
hervorgerufen oder umgekehrt gezielt unterdrückt werden, wenn äußere Kräfte in Richtung der
Pfeile M oder N wirken.
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- 01
- Bauteil
- 02
- Anschlusselement
- 03
- Anschlusselement
- 04
- wabenförmige Struktur
- 05
- Wabenwandung
- 06
- Wabenzelle
- 07
- Knotenbereich
- 08
- Wandlerelement
- 09
- Elektrode
- 10
- Elektrode
- 11
- Wabenebene
- 12
- Wechselspannungsgenerator
- 13
- umgebende
Struktur