FI73113C - Roerelse- och ljudaktivt element. - Google Patents

Description

731 1 3

LIIKE-JA ÄÄNIAKTIIVINEN ELEMENTTI

Ennestään tunnetaan menetelmä valmistaa ohutta, vaahtoutet-tua, dielektristä ja elastista kalvoa orientoimalla kalvo sekä pituus- että leveyssuunnassa valmistusprosessin aikana. Kalvon valmistus sekä sen käyttö erilaisissa liike ja värähtely aktiivisissa, sähköstaattisiin ja magneettisiin voimiin perustuvissa elementeissä on mainittu patenttihakemuksessa no. 830319 * josta tämä hakemus on jakamalla erotettu.

Jotta sähköstaattiset ja sähkömagneettiset voimat saataisiin mahdollisimman suuriksi elastisen kalvon yli on oleellista, että kalvokerrokset ovat mahdollisimman ohuita. Sähköstaattiset voimat ohuen kalvon yli ovat kääntäen verrannollisia elektrodien etäisyyksiin. Toisaalta sekä muovikalvojen että niissä olevien ilmakuplien läpilyöntikestoisuus kasvaa suhteellisesti etäisyyksien pienentyessä. Pieniä (matalia) ilmakuplia ja elastista materiaalia kalvon paksuussuunnassa on mahdollista valmistaa orientoimalla eli venyttämällä vaahtou-tettu kalvo sekä pituus- että leveyssuunnassa, jolloin kuplista tulee litteän kiekon muotoisia.

. Näin voidaan valmistaa kalvoja, joiden paksuus on esim.

10x10m^ ja jännitekestoisuus 100x10^V/m. Sähköstaattinen voima kalvon yli on suoraan verrannollinen kalvon yli vaikuttavaan jännitteeseen ja kalvokerroksen molemmille puolille tehtyjen virtasilmukoiden vetovoima on suoraan verrannollinen virran toiseen potenssiin. Näin ollen (lOum) kalvoker- r·, roksella saavutetaan lOOkN/m^rn voima 1 kV:n jännitteellä ja 2 100kN/m :n hetkellinen voima magneettikentän avulla 10A:n virralla. Sijoittamalla useita kalvokerroksia päällekkäin liike-; matka saadaan vahvistettua.

Koska rakenne on sekä kapasitiivinen että induktiivinen voidaan tehoa syöttää rakenteeseen maksimaalisella mahdollisella nopeudella ja minimaalisen pienillä tehohäviöillä. Valmistamalla kalvo esim. polypropeenista saavutetaan hyvät mokaani set ja sähköiset ominaisuudet, suuri lujuus muissa suunnissa paitsi kalvon paksuussuunnassa, jossa kalvo on mahdollisimman elast·stn.

- 2 - 731 1 3

Kalvon kimmomoduulia voidaan säädellä kuplien kokoa, muotoa ja määrää säätämällä. Näin myös kalvon paksuussuuntaista laajaa resonanssialuetta voidaan säätää. Tälläistä kalvoa voidaan käyttää kerrattuna liike-elementteinä sekä värähtelypin-toina taajuusalueella 0-1MHz.

Kalvon valmistus tapahtuu esim. ns. puhalluskalvoprosessissn, jota käytetään muovikalvojen valmistukseen. Kalvojen kertaukseen ja liike-elementtien valmistukseen käytetään kondensaatto-reiden ja painettujen piirien valmistuksessa käytettyä tekniikkaa .

Seuraavaksi esitellään piirroksin keksinnön eräitä sovellutuksia.

Kuvassa 1 on esitetty eräs ratkaisu jännite ja virtaelektrod i.en sijoittamiseksi kerrattuun rakenteeseen ja esitetty rakenteen erityisiä ominaisuuksia.

Kuvassa 2 on esitetty toinen ratkaisu kerratun kapasitiivisen ja induktiivisen rakenteen muodostamiseksi.

Kuvassa 3 on esitetty liike-elementtejä sekä näistä valmistettu liike-elin.

Kuvassa 4· on esitetty ääniaktiivista pintaa, jota voidaan käyttää ääniaaltojen lähetykseen ja vastaanottoon.

Kuvassa 5 on esitetty rakenteen ohjaus siten, että saadaan aikaan etenevä aaltoliike, jota voidaan käyttää pumpuissa tai väliaineessa liikkuvissa laitteissa.

Kuvassa 1 on esitetty em. kalvosta valmistettu rakenne, jossa sekä sähköstaattiset että sähkömagneettiset voimat vaikuttavat samaan suuntaan.

Kalvon (1) pintoihin on painettu' jännite ja virtajohtimet (2), jotka muodostavat kalvokerrosten yli sähköstaattisen ja sähkömagneettisen voiman. Voimat ovat rakennetta supistavia kun virrat kalvon eripuolilla kulkevat samaan suuntaan (3) ja rakennetta laajentavia kun virrat kulkevat eri suuntiin (/J purettaessa elementin varaus.

Esim. erilaisissa liike-elementeissä on edullista, ettei, virtaa enää kulje rakenteen kapasitanssin latauduttua, vaan jatkuva voima ja asento saadaan pysymään pelkästään sähkökentän avulla. Tehoa kuluu näin minimaalisen vähän. Tällaista neli- - 3 - 73113 napaa voidaan ohjata hyvin monella tavalla haluttujen vaikutusten aikaansaamiseksi, esim. tasa- tai vaihtovirroilla.

Erilaisissa liike-elementeissä on välttämätöntä saada takaisinkytkentä liikkeen suuruudesta. Tämä tapahtuu mittaamalla rakenteen LC-piirin aikavakiota, resonanssitaajuutta tai virran ja jännitteen välistä vaihe-eroa ohjausjännitteen mukana syötetyllä mittaustaajuudella. Sekä kapasitanssi että induktanssi kasvavat kääntäen verrannollisesti kalvon paksuuden funktiona, joten rakenteen sähköinen resonanssitaajuus on lähes suoraan verrannollinen paksuuteen.

Syöttämällä nelinavan toiseen päähän vakio tasajännite voidaan kalvon paksuuden vaihtelun aiheuttama jännitteen vaihtelu mitata nelinavan toisesta päästä.

Kapasitanssin muuttuessa jännite muuttuu rakenteen induktiivisen komponentin yli. Jännitemuutoksen sijasta voidaan mitata myös syöttövirran muutos. Näitä menetelmiä on edullista käyttää käytettäessä kaivorakennetta esim. ääniaaltojen vastaanottoon äänitaajuus tai uitraäänialueella.

Kuvassa 2 on esitetty rakenne, joka on kerrattu kahdesta päällekkäisestä kalvokerroksesta.

Induktanssi syntyy vuoviivojen (6) osoittamalla tavalla.

On tietenkin mahdollista muotoilla ja kytkeä elektrodit ja : johtimet rakenteeseen lukuisilla eri tavoilla. Kerroksia voi daan ohjata erikseen, elektrodit voidaan jakaa lohkoihin, joita ohjataan erikseen. Voidaan käyttää pelkästään sähkökentän tai : magneettikentän aiheuttamia voimia. On myös mahdollista muo toilla elektrodit muodostamaan tiettyjä kuvioita, jolloin myös vastaavia rakenteen muodonmuutoksia saadaan aikaan.

Kuvassa 3 on esitetty liike-elin, joka on valmistettu em. kapa-sitiivisista ja induktiivisista liike-elementeistä (8), jotka ovat erikokoisia. Liike-elementtejä ohjataan joko rinnan kytket-: tyinä tai kaikkia erikseen elektroniikkayksikön (9) avulla.

Elektroniikkayksikössä sijaitsee ohjaukseen käytetyt elektroniset releet, transistorit tai tyristorit sekä pieni mikroprosessori, johon ohjauskäskyt tuodaan sarjaliitäntää (12) pitkin. Syöttöjännite (11) tuodaan elektrolyyttikondensaattori tai akkuyksikköön (10), josta nope i ta virtnhu i ppuja voidaan - i - 7311 3 ottaa. Liike-elin ori jaettu neljään päälohkoon, joita ohjaamalla X, Y ja Z-suuntaiset liikkeet saadaan aikaan.

Edellä selostettuihin kalvon liikkeen mittausmenetelmiin - perustuvalla takaisinkytkentäperiaatteella liike-elintä voi-daan ohjata hyvin tarkasti ja kuormitusvaihtelut myös kompensoituvat automaattisesti.

Elementtejä (8) on edullista ohjata on/off luonteisesti.

Tällöin tehohäviöt ovat pienet ja ohjaava elektroniikka yksinkertainen. Koska liike-eJin muodostaen pitkän vipuvarren, saadaan pienet ja tarkat liikkeet aikaan ohjaamalla varren kärjessä olevia, e L'unen t to j ä . Näin myös li i taus voi mat ovat minimaaliset. Suuri, liike saadaan aikaan ohjaamalla esim. kaikkia yhden puoliskon elementtejä nopeassa tahdissa peräkkäin siten, että ohjaus aloitetaan 'liike-elimen tyvestä ja ohjaus etenee kärkeä kohti, sopivalla, nopeudella liikkeen ylityksen ja ohjaus-tehon minimoimiseksi. Suuri etu tällaisissa liike-elimissä on se, että eri elementtien sähkövaraus voidaan siirtää toisiin elementteihin tai virtalähteeseen tehoa paljoakaan hävittämättä .

Tällaiset liike-elimet ovat myös tukevia, mutta kevyitä.

3

Rakenteen ominaispaino on 1kg/dnr ja voima 1kN/ -dm* jos kappale on kuution muotoinen. Liike on tällöin n.ÄOft kappaleen pituussuunnassa.

Hetkellistä tehoa tällaiseen kappaleeseen voidaan syöttää lähes ääretön määrä jos minimoidaan rakenteen induktanssi.

Kuvassa 4 on esitetty kalvosta valmistettu liike ja ääniaktii-vinen pinta (8).

Tällaista akustista mattoa voidaan liimata seinäpintoihin (13) ja käyttää kuten kaiutinta tai. mikrofonia. Myös kalvorullia (8a) voidaan käyttää värähtelylähteinä ja vastaanottimina. Tällaisen akustisen pinnan ohjauksessa voidaan käyttää em. takaisinkytkentäkoinoja kalvon liikkeen mittaamiseksi. Näin saavutetaan mahdollisimman hyvä äänen loi s to. Tai mittaamalla kalvon liike em. keinoilla ja käyttämällä tätä takaisinkytkentä-signaalina kalvoa, ohjaavalle vahvictimrl Le, joka voi olla äänitaajuuksien suhteen selektiivinen. Voidaan valmistaa akustista pintaa, joka hei j a:·, taa Lakaisin tietyt taajuudet ja on "pehmeä" - 5 - 7311 3 toisilla taajuuksilla. Tai kalvolla vaikuttava äänenpaine voidaan mitata pietsosähköisellä kaivokerroksella (1-4), joka on eristekerroksen (15) päällä. Signaali vahvistetaan vahvistimella (16) ja käytetään takaisinkytkentäsignaalina ääniak-tiivista pintaa (8) ohjaavalle vahvistimelle (17). Näin saadaan takaisinkytkentä äänen paineesta siten, että pintaan vaikuttava äänenpaine seuraa tarkasti ohjaavaa äänisignaalia (18). Tai mikäli ohjearvosignaali on nolla, pinta käyttäytyy kuten täysin pehmeä pinta, koska piiri pyrkii pitämään mittaus-kalvolta (1-4) tulevan signaalin nollana. Eli tällainen pinta ei heijasta lainkaan ääntä takaisin tai mikäli vahvistin (17) on selektiivinen vain tietyn taajuiset äänet heijastuvat pinnasta takaisin. Tällaisia pintoja voidaan käyttää akustiikan korjaukseen konsortti saloissa tai melunvaimennukseon.

Tällaisten akustisten pintojen ohjauksessa on käytettävä vakio esijännitettä, jonka ylä ja alapuolella ohjaussignaali vaihtelee. Magneettiset voimat on minimoitava, jollei rakenne ole esimagnetoitu esim. uloimpien kalvokerrosten magnetoin-nilla. Pinnat ovat tällöin valmistettu kalvoista, joissa on runsaasti ferromagneettista jauhetta seassa. Esimagnetointi voidaan korvata myös esim. toisen kalvopinnan virtapiirissä kulkevalla jatkuvalla tasavirralla. Em. laitteita voidaan käyttää äänitaajuusalueen lisäksi uitraäänialueella lähetti-minä ja vastaanottimina.

: Kalvoon voidaan syöttää erittäin suuria ultraääni-impulsseja esim. 100kW/m2.

Kuvassa 5 on esitetty liikeaktiivisen elementin (8) ohjaus esim. kolmivaiheisella jännitteellä siten, että saadaan aikaan etenevä aaltoliike levyjen (19) välissä, jolloin nestettä tai kaasua (20) voidaan pumpata aaltoliikkeen avulla. Pumppaus-nopeutta ja määrää voidaan säätää värähtelyn amplitudia ja taajuutta säätämällä. Liikeaktiivinen elementti (8) voidaan valmistaa myös putken muotoiseksi, jolloin putkistoja voidaan käyttää nesteiden pumppaukseen. Em. aaltoliikkeitä muodostavia elementtejä voidaan käyttää myös liikemoottoreina väliaineissa liikkumiseen aaltoliikkeen avulla.

Claims (7)

1. Menetelmä sähköstaattisen tai sähkömagneettisen voiman muuntamiseksi mekaaniseksi liikkeeksi ja voimaksi dielektrisen kalvon avulla tunnettu siitä, että kalvo sisältää litteitä kaasurakkuloita ja että kalvo on päällystetty sähköäjohtavilla kerroksilla, joihin jännite tai virta syötetään.

2. Menetelmä patenttivaatimuksen 1 mukaisen kalvon valmistamiseksi vaahtoutetusta kalvosta tunnettu siitä, että kalvo on biaksi-aalisesti orientoitu ja päällystetty sähköäjohtavilla kerroksilla.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukaisesta kalvosta valmistettu liike- ja äänielementti tunnettu siitä, että useita kaivokerroksia on kerrattu yhteen joko kiertämällä kalvoa rullalle tai laskostamalla. A. Patenttivaatimuksen 3 mukainen elementti tunnettu siitä, että elementin liike mitataan elementin kapasitanssia ja/tai induktanssia mittaamalla ja tätä signaalia käytetään takaisin-kytkentäsignaalina elementtiä ohjaavan vahvistimen ohjaukseen.

5. Patenttivaatimuksen 3 mukainen elementti (8) tunnettu siitä, että sen pintaan on kiinnitetty pietsosähköinen kalvo (1Λ)* josta saatavaa pinnan painetta vastaavaa signaalia käytetään takaisinkytkentäsignaalina elementin (8) ohjauksessa käytetylle vahvistimelle. (Kuva 4.).

6. Patenttivaatimuksen A tai 5 mukainen äänielementti tunnettu siitä, että se on taajuuden suhteen selektiivinen.

7. Patenttivaatimuksen 3 mukaisista elementeistä (8) valmistettu väliainetta pumppaava tai väliaineessa liikkuva laite tunne ttu siitä, että elementin (8) liikettä ohjataan jaettujen elektrodien avulla siten, että elektrodeihin syötetään monivaiheinen jännite ja/tai virta, ja että pumppausta tai liikettä säädetään jännitteen ja/tai virran amplitudia ja/tai taajuutta sää tämä] '1 :i . 731 1 3 - 7 -

8. Patenttivaatimuksen 3 mukaisista elementeistä valmistettu liike-elin tunnettu siitä, että elementtejä (8) on liitetty useita rinnan ja sarjaan, ja että elementtejä ohjataan lataamalla ja purkamalla elementtien varausta on/off luonteisesta elektronisten releiden ja mikroprosessorin (9) avulla, ja että elementtien liikkeestä saadaan takasi sinkyt-kentäsignaali elementtien kapasitanssin ja/tai induktanssin mittauksella. (Kuva 3). - 8 - 731 1 3