FI88239B - Elektromekanisk omvandlare - Google Patents

Description

1 88239

SÄHKÖMEKAANINEN MUUNNIN

Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdanto-osassa määritelty sähkömekaaninen muunnin.

5 Entuudestaan tunnetaan patenttijulkaisusta US

4,379,697 laite, jossa pietsosähköisistä elementeistä on muodostettu kosketuspinta. Erilaisia värähtelykuvi-oita voidaan muodostaa kosketuspinnalle elementtejä sähköisesti aktivoimalla. Värähtelykuviot ovat sormen-10 päillä koskettamalla aistittavissa. Pietsosähköiset elementit on muodostettu pinoamalla tasomaisia pietso-sähköisiä polymeerikalvoja yhteen pystysuunnassa. Poly-meerikalvoihin on esim. etsaamalla muodostettu sähköisiä elektrodipareja etäisyyden päähän toisistaan. Näi-15 den elektrodiparien avulla ohjausjännite tuodaan elementin eri kohtiin ja elementti saadaan näin mekaanisesti värähtelemään.

Ongelmana tunnetussa laitteessa on, että elektrodien aikaansaaminen pietsosähköiseen polymeerikal-20 voon on hankalaa. Kalvon kerrosrakenteen muodostaminen on monivaiheinen prosessi, jossa puhtausvaatimukset ja huolellisuus ovat tärkeitä tekijöitä. Näinollen kerros-kalvon valmistaminen on kallista, jolloin se myös nos-taa em. laitteen hintaa.

*·’*· 25 Edelleen ongelmana tunnetussa laitteessa on, että pietsosähköisten kalvojen elektrodien liittäminen muuhun järjestelmään on hankalaa. Näin ollen pietsosähköisistä elementeistä muodostetun laitteen kytkeminen ulkoiseen ohjauslaitteeseen tai vastaavaan vaatii 30 huolellisuutta ja nostaa omalta osaltaan kustannuksia.

Keksinnön tarkoituksena on poistaa edellä *·* mainitut epäkohdat ja tuoda julki siihen nähden uuden- ·:**: tyyppinen sähkömekaaninen muunnin.

*:·: Keksinnön mukaiselle laitteelle on tun- 35 nusomaista se, mitä on esitetty patenttivaatimuksessa : 1 1·

Keksinnön mukaiseen sähkömekaaniseen muunti- 2 88239 meen kuuluu kytkentäalusta ja joukko pietsosähköisiä värähtelyelementtejä, jotka on sähköisesti ja mekaanisesti liitetty kytkentäalustaan ja jotka on järjestetty matriisiksi värähtelypinnan muodostamiseksi. Keksinnön 5 mukaisesti - värähtelyelementit ovat sauvamaisia elementtejä; - värähtelyelementit on järjestetty kulmaan kytkentä-alustaa vastaan; - värähtelyelementit on yhdistetty ensimmäisistä päis-10 tään kytkentäalustan johtimiin ohjausjännitteiden tuomiseksi elementteihin; ja - värähtelyelementtien toiset päät ovat vapaina ja vapaista päistä on muodostettu värähtelypinta.

Laitteen eräässä sovellutuksessa sauvamaiset 15 elementit on muodostettu pietsosähköisestä polymeeri-, edullisesti polyvinylideenifluoridikaapelista.

Laitteen eräässä sovellutuksessa sauvamaiset elementit ovat pituudeltaan edullisesti välillä 5 ... 10 cm.

20 Laitteen eräässä sovellutuksessa kytkentäalus ta on muodostettu kytkentälevyksi, jonka ylä- ja alapinnoille on järjestetty johtimet, joihin sauvamaisten elementtien elektrodit on vastaavasti yhdistetty.

Laitteen eräässä sovellutuksessa sauvamaiset 25 elementit on suunnattu kytkentälevyn yläpinnasta ulospäin ja kunkin sauvan sisäelektrodi on yhdistetty kytkentälevyn alapinnan johtimeen ja sauvan ulkoelektrodi kytkentälevyn yläpinnan johtimeen.

Laitteen eräässä sovellutuksessa kytkentälevyn 30 johtimet on järjestetty siten, että ylä- ja alapinnan johtimet muodostavat yhdessä ristikkäisen johdinkuvion, joiden risteyskohtiin sauvamaiset elementit on yhdistetty.

Laitteen eräässä sovellutuksessa värähtely-35 elementit ja kytkentäalusta on sovitettu koteloon, jonka päällyslevyssä on aukot sauvamaisten elementtien vapaita päitä varten.

3 88239

Laitteen eräässä sovellutuksessa värähtely-elementit on upotettu ainakin osittain elastiseen materiaaliin, kuten elastomeeriin.

Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskoh-5 taisesti viittaamalla oheisiin piirustuksiin, joissa kuva 1 esittää kaaviomaisesti erästä keksinnön mukaista sähkömekaanista muunninta; ja kuva 2 esittää lohkokaavion muodossa erästä sähkömekaanisen muuntimen sovellutusta.

10 Kuvan 1 sähkömekaaniseen muuntimeen 13 kuuluu joukko pietsosähköisiä värähtelyelementtejä 1, jotka on järjestetty matriisiksi. Matriisi on tässä tapauksessa kaksiulotteinen eli elementit 1 on järjestetty riveihin, joita on useita rinnakkain tietyn kokoisella pin-15 ta-alalla.

Vaihtoehtoisesti värähtelyelementit 1 voidaan järjestää yksiulotteiseksi matriisiksi, jossa elementit ovat yhdessä rivissä.

Sähkömekaaniseen muuntimeen 13 kuuluu kytken-20 tälevy 2, johon värähtelyelementit on sähköisesti ja mekaanisesti liitetty. Värähtelyelementit 1 ovat sauva-. . maisia elementtejä. Värähtelyelementit 1 on järjestetty olennaisesti kohtisuoraan kytkentälevyä 2 vasten. Värähtelyelementit on yhdistetty ensimmäisistä päistään 25 la kytkentälevyn 2 johtimiin 3, 4 ohjausjännitteiden U tuomiseksi elementteihin. Värähtelyelementtien 1 toiset päät Ib ovat vapaina ja vapaista päistä Ib on muodostettu värähtelypinta 5. Värähtelyelementit 1 ja kytken-tälevy 2 on sovitettu koteloon 10, jonka päällyslevyssä 30 11 on aukot 12 sauvamaisten elementtien vapaita päitä

Ib varten. Vapaat päät Ib ovat likipitäen päällyslevyn 11 tasossa.

Kytkentälevyn 2 sijasta voidaan käyttää myös muunlaista kytkentäalustaa, kuten piirilevyä tai sen 35 kaltaista. Kytkentäalustaan tulee kuulua mekaaninen tukilevy tai -kerros, jonka yhteyteen ohjausjännite-johtimet 3, 4 on sopivasti järjestetty. Kytkentäalusta 4 38239 johtimineen voidaan pinnoittaa; esim varustaa lakka-kerroksella tai elastomeerisella pinnalla.

Sauvamaiset elementit 1 on muodostettu piet-sosähköisestä kaapelista. Tämä on edullisesti pietso-5 sähköisestä polymeeristä polyvinylideenifluoridista eli PVDF:stä venyttämällä ja polarisoimalla valmistettua, kaupallisesti saatavissa olevaa kaapelia. Elementin 1 sydämenä on tällöin sisäelektrodi 6. Sisäelektrodia ympäröi PVDF-kerros ja tätä pintakalvo, kuten hopea-10 kalvo, joka toimii ulkoelektrodina 7. Kaapeli voi olla lisäksi päällystetty suojakerroksella.

Sauvamaiset elementit 1 ovat pituudeltaan h edullisesti välillä 5 ... 10 cm. Pietsosähköisten kaapelien valmistajan antamien tietojen mukaan 150 voltin 15 ohjausjännitteellä saadaan aikaan kaapeliin 0,04 % venymä. Näinollen PVDF-kaapelista muodostetun sauvamai-sen elementin 1 venymä on 20 mikrometriä, kun elementin pituus h = 5 cm. Tämä riittää esim mekaanisen värähtelyn aistimiseen iholla, kuten sormenpäällä, sauvamaisen 20 elementin päässä.

Kuvan 1 sovellutuksessa kytkentälevy 2 on kaksipuolinen. Kytkentälevyn 2 ylä- ja alapinnoille 2a, 3b on järjestetty johtimet 3, 4, joihin sauvamaisten elementtien 1 elektrodit 6, 7 on vastaavasti yhdistet-25 ty.

Sauvamaiset elementit 1 on suunnattu kytkentä-levyn yläpinnasta 2a ulospäin. Kunkin elementin 1 sisäelektrodi 6 on yhdistetty kytkentälevyn alapinnan 2a johtimeen 4 ja elementin ulkoelektrodi 7 kytkentälevyn 30 yläpinnan johtimeen 3. Kunkin elementin 1 ensimmäisessä päässä la sisä- ja ulkoelektrodi 6, 7 on eristettävä hyvin toisistaan oikosulun estämiseksi. Tämä voidaan tehdä joko suojakalvolla eristämällä tai poistamalla ulkoelektrodi 7 elementin päästä la joko mekaanisesti 35 tai kemiallisesti etsaamalla. Liittämällä kunkin elementin 1 sisäelektrodi 6 kytkentälevyn alapinnan johtimeen 4 ja ulkoelektrodi 7 kytkentälevyn yläpinnan joh- 5 88239 timeen 3 kukin sauvamainen elementti 1 voidaan aktivoida helposti erikseen värähtelemään.

Kytkentälevyn 2 johtimet 3, 4 on järjestetty siten, että ylä- ja alapinnan johtimet muodostavat 5 yhdessä ristikkäisen johdinkuvion, joiden risteyskohtiin 9 sauvamaiset elementit 1 on liitetty. Tällä tavalla elementit 1 on yhdistetty toisiinsa riveittäin kytkentälevyn yläpinnalla johtimilla 3 ja vastaavasti sarakkeittain kytkentälevyn alapinnalla johtimilla 4. 10 Tällöin halututut elementit 1 aktivoidaan yksinkertaisesti valitsemalla tietty rivinsuuntainen johdin 3 ja tietty sarakkeensuuntainen johdin 4, joiden risteys-kohdassa 9 haluttu elementti on, joihin johtimiin syötetään ohjausjännite U.

15 Värähtelyelementit 1 voidaan upottaa elasti seen materiaaliin, kuten sopivaan elastomeeriin, joka täyttää ainakin osan kytkentälevyn 2 yläpuolisesta tilasta kotelossa 10. Joustava elastomeeri tukee sauva-maisia värähtelyelementtejä 1, jolloin niiden pituus h 20 voi olla suurempi kuin vapaaseen tilaan järjestettyjen värähtelyelementtien pituus. Toisaalta värähtelyelementtejä 1 ympäröivä aines myös vaimentaa elementtien ·’·' mekaanista pystysuuntaista värähtelyliikettä.

*·*.' Värähtelyelementit 1 on järjestetty kuvan 1 25 sovellutusesimerkissä kohtisuoraan kytkentälevyä 2 vastaan. Ne voidaan kuitenkin sovittaa kytkentälevylle myös muuhun sopivaan kulmaan, joka poikkeaa suorasta .*.*· kulmasta. Ne voidaan asentaa esim 45 asteen kulmaan levyyn 2 nähden ja näin madaltaa muuntimen 13 kokonais-·,. 30 korkeutta. Tällöin kotelon 10 sisälle voidaan sovittaa tarpeen vaatiessa ainakin yksi tukilevy, joka esim vastaa rakenteeltaan päällyslevyä 11, jossa on aukkoja f: 12 värähtelyelementtejä 1 varten.

·;··: Kuvassa 2 on esitetty eräs mahdollinen kuvan 1 35 mukaisen sähkömekaanisen muuntimen sovellutus. Tässä tapauksessa sähkömekaaninen muunnin 13 on yhdistetty ohjaimeen 14 ja tämä edelleen jännitelähteeseen 15.

6 88239

Lisäksi ohjaimeen 14 on yhdistetty informaatiolähde 16, kuten kuvan- ja/tai tekstinlukulaite, kamera tai muu vastaava laite. Ohjain 14 on esim. mikroprosessorioh-jattu kytkinmatriisi. Tämän avulla valitaan ne elemen-5 tit 1 sähkömekaanisessa muuntimessa 13, jotka halutaan aktivoida eli joihin jännitelähteestä 15 syötetään jännite U. Jännitelähteestä 15 saatava jännite on esim. välillä 100 V ... 200 V huipusta huippuun ja sen taajuus 50 ... 300 Hz. Ohjaimen 14 avulla muutetaan lisäk-10 si informaatiolähteestä 16 saatava signaali sellaiseen muotoon, että se voidaan toistaa sähkömekaanisella muuntimella 13.

Keksinnön mukaista sähkömekaanista muunninta voidaan soveltaa esim. sokeiden apulaitteeksi, jossa 15 aktivoitujen elementtien 1 päiden värinä korvaa piste-kirjoituksen kohoumat tai joissa kameran tai tekstin ja/tai kuvan lukulaitteen kautta saatu informaatio muutetaan kaksiulotteisessa matriisissa olevien elementtien 1 päiden Ib värinäkuvaksi.

20 Muita keksinnön mukaisen sähkömekaanisen muun- timen sovellutuskohteita on yleensä mikromekaniikassa ja erityisesti optisissa rakenteissa esim peilien aktiivisessa ohjauksessa.

Keksintöä ei rajata pelkästään edellä esitet-25 tyjä sovellutusesimerkkejä koskevaksi, vaan monet muunnokset ovat mahdollisia pysyttäessä patenttivaatimusten määrittelemän keksinnöllisen ajatuksen puitteissa.

Claims (8)

1. Sähkömekaaninen muunnin, johon kuuluu kyt-kentäalusta (2) ja joukko pietsosähköisiä värähtely-elementtejä (1), jotka on sähköisesti ja mekaanisesti 5 liitetty kytkentäalustaan (2) ja jotka on järjestetty matriisiksi värähtelypinnan (5) muodostamiseksi, tunnettu siitä, että - värähtelyelementit (1) ovat sauvamaisia elementtejä; - värähtelyelementit (1) on järjestetty kulmaan kytken-10 täalustaa (2) vastaan; - värähtelyelementit (1) on yhdistetty ensimmäisistä päistään (la) kytkentäalustan (2) johtimiin (3, 4) ohjaus jännitteiden (U) tuomiseksi elementteihin; ja - värähtelyelementtien (1) toiset päät (Ib) ovat vapai-15 na ja vapaista päistä (Ib) on muodostettu värähtely- pinta (5) .

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite, tunnettu siitä, että sauvamaiset elementit (1) on muodostettu pietsosähköisestä polymeeri-, edullises- 20 ti polyvinylideenifluoridi- eli PVDF-kaapelista.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen laite, tunnettu siitä, että sauvamaiset elementit (1) ovat pituudeltaan (h) edullisesti välillä 5...10 cm.

4. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukai-25 nen laite, tunnettu siitä, että kytkentäalusta on muodostettu kytkentälevyksi (2), jonka ylä-ja alapinnoille (2a, 2b) on järjestetty johtimet (3, 4), joihin sauvamaisten elementtien (1) elektrodit (6, 7) on vastaavasti yhdistetty.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen laite, tunnettu siitä, että sauvamaiset elementit (1) on suunnattu kytkentälevyn (2) yläpinnasta (2a) ulospäin; ja että kunkin elementin sisäelektrodi (6) on yhdistetty kytkentälevyn alapinnan (2a) johtimeen (4) 35 ja elementin ulkoelektrodi (7) kytkentälevyn yläpinnan .·- (2b) johtimeen (3).

6. Patenttivaatimuksen 4 tai 5 mukainen laite, β 88239 tunnettu siitä/ että kytkentälevyn (2) johtimet (3/ 4) on järjestetty siten, että ylä- ja alapinnan johtimet muodostavat yhdessä ristikkäisen johdinkuvion, joiden risteyskohtiin (9) sauvamaiset elementit (1) on 5 yhdistetty.

7. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen laite, tunnettu siitä, että värähtely-elementit (1) ja kytkentäalusta (2) on sovitettu koteloon (10), jonka päällyslevyssä (11) on aukot (12) 10 sauvamaisten elementtien vapaita päitä (Ib) varten.

7 88239

8. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen laite, tunnettu siitä, että värähtely-elementit (1) on upotettu ainakin osittain elastomee-riin. 15 9 88239