Beschreibung
Piezokeramisches Element
Die Erfindung bezieht sich auf ein streifenför iges mehrschichtiges Element nach Art eines piezokeramischen Bimorphs, mit elektrischen Kontakten zum Anlegen eines Signals zur Auslenkung des Elements aus einer spannungslosen Nulllage.
Solche Elemente werden beispielsweise im Bereich der Biegewellenlautsprecher eingesetzt, bei denen sie auf eine Anlagefläche einer Abstrahleinrichtung aufgebracht sind, die üblicher Weise in Form einer Platte vorliegt. Diese Platte wird mit Hilfe des Elements zu Biegeschwingungen angeregt, so dass die Platte akustische Signale aussendet.
Der zeitliche Verlauf einer Auslenkung des Elements wird mit Hilfe einer elektrischen Steuerung bestimmt, deren
Ausgangssignale das piezokeramische Element auslenken.
Ein anderes Anwendungsgebiet des piezokeramischen Elements bezieht sich auf dasjenige als Stellglied. In diesem Zusammenhang steht eine Auslenkung des streifenformigen Elements in Zusammenhang mit der Einstellung eines gewünschten Werts für eine physikalische Größe.
Bei beiden Anwendungsfällen des streifenformigen Elements besteht Bedarf daran, seine jeweils für den Anwendungsfall wesentlichen Eigenschaften bei möglichst platzsparender
Bauweise des Elements bereit zu stellen. Dies bedeutet für den Anwendungsfall als Anreger für einen
Biegewellenlautsprecher, dass eine möglichst niedrigfrequente Fundamentalfrequenz verwirklicht werden kann, wobei die
Abmessungen des Elementes vorgegebene Werte nicht überschreiten. Im Bereich der Mobiltelephonie gibt es
beispielsweise Anforderungen hinsichtlich der Tieftonwiedergabe, die in einschlägigen Standards, wie beispielsweise den 3G/GSM-Spezifikationen, niedergelegt sind.
Im Fall einer Anwendung des streifenformigen Elements als
Stellglied sollen möglichst große Auslenkungen bei möglichst geringen Abmessungen des Elementes gewährleistet werden.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein streifenförmiges mehrschichtiges Element nach Art eines piezokeramischen Bimorphs zu schaffen, dass hinsichtlich seiner Eigenschaften in Umgebungen, bei denen wenig Raum zur Aufnahme des Elementes zur Verfügung steht, verbessert ist.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten streifenformigen Element dadurch gelöst, dass das Element Aussparungen aufweist, die zur Einstellung eines gewünschten Verhältnisses zwischen einer Biegesteifigkeit des Elements und einem Elementvolumen angeordnet und bemessen sind.
Aufgrund der vorgesehenen Aussparungen in dem streifenformigen Element wird es ermöglicht, das Element sowohl platzsparend auszuführen als auch mit den für einen jeweiligen Anwendungsfall erforderlichen Eigenschaften auszustatten. Mit Hilfe der Aussparungen wird die
Biegesteifigkeit des Elements derart herabgesetzt, dass sich die gewünschten Eigenschaften ergeben.
Im Hinblick auf den Anwendungsfall des streifenformigen Elements als Stellglied lässt sich durch geeignete Anordnung und Bemessung der Aussparungen für vorgegebene Abmessungen des streifenformigen Elements eine gewünschte
Biegesteifigkeit (Auslenkung) einstellen. Dafür erforderliche empirische Untersuchungen liegen ohne weiteres im Wissensbereich des Fachmanns.
Entsprechendes gilt für den Anwendungsfall des streifenformigen Elements als Anreger für einen Biegewellenlautsprecher. Auch hier besteht eine wesentliche Eigenschaft des streifenformigen Elements darin, eine gewünschte Biegesteifigkeit und eine damit ermöglichte Fundamentalfrequenz einzustellen.
Es ist bevorzugt, dass die Aussparungen derart angeordnet und bemessen sind, dass sich für die gewünschte Biegesteifigkeit des Elements ein maximales Elementvolumen ergibt. Dies hat den Vorteil, dass die Kraftübertragung, die unmittelbar mit einer Größe des Elementvolumens einhergeht, optimiert ist. Wesentlich ist jeweils, dass eine Biegesteifigkeit des Elements aufgrund der vorgesehenen Aussparungen in einem stärkeren Maße abnimmt als das für eine Kraftübertagung maßgebliche Elementvolumen.
Besonders bevorzugt sind die Aussparungen schlitzförmig und verlaufen im wesentlichen quer zu einer Längsrichtung des Elements. Dem liegt zugrunde, dass die Schlitzform für die Aussparungen eine sehr geringe Verminderung des Elementvolumens nach sich zieht, da das eingenommene Volumen der Schlitze sehr klein ist. Demgegenüber wird eine Biegesteifigkeit des Elements merklich vermindert. Alternativ zu der Schlitzform der Aussparungen sind jedoch auch andere Aussparungsformen denkbar, die der Tatsache Rechnung tragen, nicht unnötig Elementvolumen einzunehmen, das für eine Verminderung der Biegesteifigkeit wenig wirksam ist. Es ist hervorzuheben, dass eine Mäanderform des streifenformigen Elements ebenfalls die gewünschten Eigenschaften hinsichtlich des Verhältnisses aus Biegesteifigkeit und Elementvolumen zeigen dürfte.
Insbesondere für den Anwendungsfall des streifenformigen Elements als Anreger für eine Abstrahleinrichtung ist es
bevorzugt, dass die Aussparungen derart angeordnet und bemessen sind, dass sich für eine akustische Weglänge des Elements ein größerer Wert als der Wert für eine Länge des Elements ergibt. Da sich für einen piezokeramischen Anreger eine stehende Welle zwischen seinen Enden ausbildet, bewirken die Aussparungen dann eine gegenüber der Länge des Elements vergrößerte akustische Weglänge, wenn sie wenigstens teilweise entlang der Länge des Elements von seinen Längsseiten aus einander entgegengesetzt verlaufen und in Längsrichtung überlappen. Insofern sieht ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel vor, dass die Aussparungen längs des Elements abwechselnd von der einen und der anderen Längsseite des Elements ausgehend angeordnet sind. Experimentelle Untersuchungen des Erfinders haben gezeigt, dass jedenfalls überlappende Aussparungen für eine verlängerte akustische Weglänge sorgen. Es ist jedoch auch denkbar, dass die akustische Weglänge bereits dann gegenüber der Länge des Elements vergrößert wird, wenn ein Überlappen nicht vorgesehen ist.
Ebenfalls besonders für den Anwendungsfall als Biegewellenlautsprecher ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Aussparungen zur Einstellung einer gewünschten Resonanzfrequenz des Elementes angeordnet und bemessen sind. Durch einfache empirische Untersuchungen kann der Fachmann feststellen, welche Anordnungen und Bemessungen der Aussparungen zu welchen Resonanzfrequenzen führen. Hilfreich wird hierfür sein, die von den Aussparungen festgelegte akustische Weglänge des Elements zu berücksichtigen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung noch näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1: eine Aufsicht eines streifenformigen mehrschichtigen Elements nach Art eines piezokeramischen Bimorphs, das sowohl als Anreger für eine Abstrahlfläche eines
Biegewellenlautsprechers als auch als Stellglied einsetzbar ist.
Figur 2: Frequenzverläufe einer Amplitude einer Kraftübertragung streifenförmiger Elemente nach der Erfindung im Vergleich mit einem streifenformigen Element nach dem Stand der Technik.
Figur 3: eine perspektivische Darstellung eines streifenformigen, mehrschichtigen Elementes nach Art eines piezokeramischen Bimorphs nach dem Stand der Technik.
Figur 1 veranschaulicht ein streifenförmiges, mehrschichtiges Element nach Art eines piezokeramischen Bimorphs mit einer vorgegebenen Breite B, einer vorgegebenen Länge L, einer vorgegebenen Dicke und elektrischen Kontakten K zum Anlegen elektrischer Signale, die eine Auslenkung des Elements aus seiner in der Figur dargestellten Nulllage bewirken. Im Anwendungsfall des Elements für ein Stellglied können die elektrischen Signale Gleichspannungssignale sein. Bei dem Anwendungsfall des Elements als Anreger für einen Biegewellenlautsprecher handelt es sich bei den elektrischen Signalen um solche, die gewünschte Biegeschwingungen in einer Abstrahleinrichtung anregen.
Von den Kontakten K aus weist das Element eine Anzahl schlitzförmiger Aussparungen A auf, die von den beiden Längsseiten des Elements ausgehen und im wesentlichen quer zur Längsausdehnung des Elements verlaufen.
Die Aussparungen A sind in Längsrichtung des Elementes abwechselnd von der einen und der anderen Längsseite des
Elementes ausgehend angeordnet. Dabei ergibt sich in
Längsrichtung des Elementes gesehen ein Überlapp der von den beiden Längsseiten ausgehenden Schlitze. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass eine von den Kontakten K ausgehende stehende Welle eine akustische Weglänge erfährt, die größer ist als die Länge L des streifenformigen Elements. Die
Aussparungen A nehmen insgesamt ein sehr geringes Volumen ein, so dass sich durch das Vorsehen der Aussparungen nur eine kleine Verminderung des Elementvolumens im Vergleich zu einem streifenformigen Element ohne Aussparungen ergibt.
Das dargestellte streifenförmige Element besitzt gegenüber dem bekannten streifenformigen Element ohne Aussparungen eine verminderte Biegesteifigkeit, jedoch nur ein geringfügig vermindertes Elementvolumen, so dass auch die Elementmasse sich möglichst wenig von derjenigen eines streifenformigen Elementes ohne Aussparungen unterscheidet. Aufgrund dessen hat das streifenförmige Element nach der Erfindung die Eigenschaft, eine zufriedenstellende Kraftübertragung zu ermöglichen.
Das streifenförmige Element ist in platzsparender Weise ausgeführt, wobei es gegenüber dem bekannten streifenformigen Element eine stärkere Auslenkung und eine niedrigere Fundamentalfrequenz ermöglicht.
Die Figur 2 betrifft den Anwendungsfall des streifenformigen Elements von Figur 1 als Anreger für einen Biegewellenlautsprecher, der eine Abstrahleinrichtung aufweist.
Aufgetragen ist eine von dem streifenformigen Element auf einen Kraftaufnehmer übertragene Kraft als Funktion einer
Anregungsfrequenz der elektrischen Signale. Bei dem zugrundeliegenden Versuchsaufbau waren beide Enden des streifenformigen Elementes gelenkig gelagert und der
Kraftaufnehmer in Bezug auf das Element mittig angeordnet.
In der Figur 2 bezeichnet die Kurve Kl einen Frequenzverlauf des Elementes für den Fall, dass es keine Aussparungen aufweist (Stand der Technik) . Die Kurve K2 bezeichnet einen
Frequenzverlauf für einen streifenförmiges Element mit drei abwechselnd von den Längsseiten ausgehenden, überlappenden, schlitzförmigen Aussparungen A, während die Kurve K3 einen Frequenzverlauf für ein streifenförmiges Element mit fünf schlitzförmigen Aussparungen veranschaulicht, wie es in der Figur 1 dargestellt ist. Eine Amplitude AM der Kraftübertragung ist jeweils normiert.
Ein Vergleich der Kurven Kl, K2 und K3 miteinander führt zu dem Ergebnis, dass beispielsweise in dem Frequenzbereich unterhalb von 1 kHz ein Maximalwert für die Kraftübertragung zu niedrigen Frequenzen hin verschoben wird. Messungen haben ergeben, dass durch die Einbringung von fünf schlitzförmigen Aussparungen in das streifenförmige Element dessen Fundamentalfrequenz von etwa 1,2 kHz auf ca. 500 Hz gesenkt werden kann. Der Einsatz dieses streifenformigen Elements zur Anregung einer Abstrahlmembran eines Biegewellenlautsprechers gestattet es, eine niedrigste Wiedergabefrequenz gegenüber dem streifenformigen Element nach dem Stand der Technik um eine Oktave zu tieferen Frequenzen hin zu verschieben. Dies ist eine erhebliche Verbesserung der akustischen Eigenschaften. Das streifenförmige Element ermöglicht eine kostengünstige und einfache Verwirklichung dieser Eigenschaften, da die Ausbildung der schlitzförmigen
Aussparungen auf mechanischem Wege (Sägen) leicht vonstatten gehen kann.
Außerdem wird angenommen, dass durch die Einbringung der schlitzförmigen Aussparungen die Kraftübertragung im Vergleich zu einem schlitzförmigen Element ohne Aussparungen nicht wesentlich vermindert wird. Es wird vermutet, dass hierfür die geringe Volumenverminderung aufgrund der Schlitzform der Aussparungen verantwortlich ist.
Figur 3 zeigt ein aus dem Stand der Technik bekanntes Beispiel für ein streifenförmiges, mehrschichtiges Element nach Art eines piezoelektrischen Bimorphs mit zugehöriger Spannungsquelle. Das Element ist aus drei Schichten aufgebaut, zwei äußeren piezokeramischen Schichten 1, 2 und einer zwischen den beiden piezokeramischen Schichten 1, 2 angeordneten Metallschicht 3. Das Element weist eine Länge L und eine Breite B auf, die beiden piezokeramischen Schichten 1, 2 haben jeweils eine Dicke t.
Jeweilige mit den Kontakten K versehene Außenseiten der piezokeramischen Schichten 1, 2 sind flächig mit einem Elektrodenmaterial bedeckt und im vorliegendem Ausführungsbeispiel mit einem Pluspol der Spannungsquelle verbunden. Die Metallschicht 3 dient als gemeinsame Elektrode für beide piezokeramischen Schichten 1, 2 und ist mit einem Minuspol der Spannungsquelle verbunden.
Die metallische, leitende Schicht kann aus Messing bestehen und dient als Trägerschicht für die beiden piezokeramischen Schichten 1, 2.
Bei Anlegen einer Spannung wirkt auf jede der piezokeramischen Schichten 1, 2 ein elektrisches Feld, welches zu einer Längenänderung einer jeweiligen piezoelektrischen Schicht 1, 2 führt. Sinnvollerweise sind die piezokeramischen Schichten 1, 2 derart elektrisch mit der
Spannungsquelle verbunden, dass ein angelegte Spannung für die eine der beiden piezokeramischen Schichten 1 eine
Verkürzung seiner Länge und für die andere der piezokeramischen Schichten 2 eine Längung bewirkt. Auf diese Weise wird das Element insgesamt durch die angelegte Spannung ausgelenkt (ΔL) .
Das Element ist einseitig gehalten.
Ein solches Element kann zur Ausführung der Erfindung beispielsweise verwendet werden, wobei jedoch die oben beschriebenen Aussparungen in geeigneter Weise vorzusehen sind.