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Dokumentenidentifikation DE602004005060T2 22.11.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001665879
Titel ELEKTROMECHANISCHER KRAFTWANDLER
Anmelder New Transducers Ltd., Huntingdon, Cambridgeshire, GB
Erfinder STARNES, Mark William Cygn, Cambs PE29 6FW, GB;
EAST, James John Cygnet, Cambs PE29 6FW, GB;
OWEN, Neil Simon Cygnet, Cambs PE29 6FW, GB;
HOYLE, Steven Mark Cygnet, Cambs PE29 6FW, GB
Vertreter WUESTHOFF & WUESTHOFF Patent- und Rechtsanwälte, 81541 München
DE-Aktenzeichen 602004005060
Vertragsstaaten DE, FR, GB, NL
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 09.09.2004
EP-Aktenzeichen 047683909
WO-Anmeldetag 09.09.2004
PCT-Aktenzeichen PCT/GB2004/003843
WO-Veröffentlichungsnummer 2005027571
WO-Veröffentlichungsdatum 24.03.2005
EP-Offenlegungsdatum 07.06.2006
EP date of grant 28.02.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.11.2007
IPC-Hauptklasse H04R 17/00(2006.01)A, F, I, 20070131, B, H, EP

Beschreibung[de]
Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft elektromechanische Kraftwandler, Aktoren, Anregungseinrichtungen und ähnliche Einrichtungen und insbesondere, aber nicht ausschließlich, solche Einrichtungen, die zur Verwendung in akustischen Vorrichtungen, beispielsweise Lautsprechern und Mikrophonen, vorgesehen sind.

Zugrundeliegender Stand der Technik

Die Erfindung betrifft insbesondere, aber nicht ausschließlich, elektromechanische Kraftwandler des Typs, der in der internationalen Patentanmeldung WO 01/54450 der Anmelder der vorliegenden Anmeldung beschrieben ist und der ein(en) oder mehrere Resonanzelement(e) oder Resonanzbalken mit einer Frequenzverteilung der Moden im Betriebsfrequenzbereich des Wandlers umfasst. Derartige Wandler sind als Aktoren mit verteilten Moden ("distributed mode actuators") oder unter der Abkürzung DMA bekannt.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Wandler bereitzustellen, bei dem eine Dämpfung bereitgestellt wird, um eine Reduzierung des Q der Moden und eine Reduzierung der Auslöschungsstärke zwischen den Moden zu bewirken, um eine erhöhte Glätte des Schalldrucks zu erzeugen.

Es ist auch eine Aufgabe der Erfindung, die Robustheit des Wandlers zu verbessern, beispielsweise die Ausfallwahrscheinlichkeit während Fall- oder Schlagtests zu reduzieren.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, die erste Resonanzmodusfrequenz eines Aktors oder eines Wandlers, beispielsweise eines DMA-Wandlers, zu reduzieren.

Offenbarung der Erfindung

Gemäß einem Aspekt ist die Erfindung ein Wandler der beschriebenen Art, bei dem eine Schicht niedriger Steifigkeit zwischen die benachbarten Flächen einer Mehrzahl von Resonanzelementen eingesetzt wird und angeklebt wird. Wir haben herausgefunden, dass das einfache Hinzufügen einer Dämpfungsschicht an eine Fläche eines Resonanzelementes oder eines Resonanzbalkens eine schlechte Dämpfleistung ergibt, da sich die Schicht mit dem Element streckt, während das Element Dimensionsänderungen erfährt. Jedoch führt die Verwendung einer flexiblen Referenzschicht mit einem hohen Widerstand gegenüber einer Dimensionsänderung, beispielsweise einer Folie, an der anderen Seite der Dämpfungsschicht zu einer Verbesserung der Dämpfung, da die Dämpfungsschicht jetzt zwischen der sich ändernden Dimension der Elementfläche und der nicht streckbaren Folie schert. Wenn erreicht werden kann, dass die Referenzschicht ihre Dimension entgegengesetzt zu derjenigen der gedämpften Fläche ändert, wird der Dämpfungseffekt verdoppelt. Dies ist der Effekt, der erreicht wird, indem die Dämpfungsschicht zwischen benachbarte Elementflächen geklebt wird.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird anhand eines Beispiels in den begleitenden Zeichnungen graphisch dargestellt, in denen:

1 eine Seitenansicht einer ersten Ausführungsform des elektromechanischen Kraftwandlers der vorliegenden Erfindung ist;

2a eine Seitenansicht eines Teils eines elektromechanischen Kraftwandlers ist;

2b eine Seitenansicht einer ersten Ausführungsform des elektromechanischen Kraftwandlers der vorliegenden Erfindung ist;

3 ein Graph ist, der die blockierte Kraft eines Wandlers mit einem einzigen Balken mit der des Wandlers aus 1 vergleicht;

4 ein Graph ist, der den Schalldruck zwischen einem ungedämpften DMA mit doppeltem Balken, einem zur Hälfte gedämpften DMA (d.h. mit einem Dämpfungsmaterial, das zwischen den Resonanzelementen über die Hälfte der Länge der Resonanzelemente geklebt ist) und einem vollständig gedämpften DMA-Wandler mit doppeltem Balken vergleicht;

5 eine Seitenansicht eines Aktors mit einem einzigen Balken ist;

6 eine Seitenansicht eines Beispiels eines elektromechanischen Kraftwandlers ist, das zum Verständnis der Erfindung nützlich ist;

7 ein Graph ist, der die blockierte Kraft bei verschiedenen Zuständen vergleicht;

8a ein Graph ist, der den Schalldruck unter verschiedenen Zuständen vergleicht;

8b eine perspektivische Ansicht eines Wandlers der in 6 gezeigten Art ist, der am Rand einer Platte angeordnet ist; und

9 ein Graph ist, der die blockierte Kraft bei unterschiedlich nachgiebigen Stumpfelementen vergleicht.

Beste Ausführungsarten der Erfindung

1 zeigt einen Doppelbalkenwandler der Art, die allgemein in der WO 01/54450 beschrieben ist. Der Wandler 1 hat einen ersten piezoelektrischen Balken 2, an dessen Rückseite ein zweiter piezoelektrischer Balken 3 durch ein Verbindungsmittel in Form eines starren Stumpfelementes 4 angebracht ist, das in der Nähe des Mittelpunktes beider Balken angeordnet ist. Jeder Balken ist ein Bimorph.

Der Wandler 1 ist an einer Struktur 5, beispielsweise dem Paneel eines Biegewellen-Lautsprechers, beispielsweise eines Lautsprechers mit verteilten Moden (distributed mode loudspeaker: DML) durch Kopplungsmittel in Form eines starren Stumpfelementes 6 angebracht, das nahe dem Mittelpunkt des ersten Balkens angeordnet ist.

Bei der vorliegenden Erfindung ist eine Schicht 7 niedriger Steifigkeit aus geschäumtem Kunststoff zwischen benachbarte Flächen der zwei Balken 2, 3 geklebt. Die geklebte Schicht kann im Wesentlichen die gesamten benachbarten Flächen bedecken oder sie kann diskontinuierlich sein, um beispielsweise bestimmte Moden zu dämpfen.

Im Folgenden werden einige Parameter für ein geeignetes Schaumdämpfungsmaterial dargestellt.

  • "Poron" langsam zurückfederndes Polyurethan-Kunststoffschaummaterial;
  • Typ: 4790-92-25041-04S;
  • Dicke: 1,05 mm (wir versuchten auch eine Dicke von 1,0 mm mit Erfolg);
  • Dichte: 400 kg/m3;
  • Komprimierungs-E-Modul (E-Modul bei zusammengepresstem Schaum) = 2 MPa bei 1 kHz;

Der gemessene Widerstand R beträgt etwa 8 × 105 Ns/m3.

Diese Werte sind der gemessene Real-Teil des mechanischen Widerstandes unter Kompression, nicht Scherung. Scherwerte sind nicht vorhanden.

Die Verwendung eines dünneren Schaums (0,6 mm) ergab auch gute Ergebnisse. Es wird erwartet, dass ein dickerer Schaum, beispielsweise bis zu 1,5 mm, mit diesem Material gute Ergebnisse erzielen würde. Wir schlagen Dickengrenzwerte zwischen 0,3 und 2,0 mm vor.

Es wird erwartet, dass die Dichte (ohne Berücksichtigung von E und R) irrelevant ist und um einen Faktor von 100 variieren könnte und eine geringe Auswirkung hat. E ist wichtig, aber das auftretende Scheren erschwert es, die Bedeutung von E zu identifizieren. Wir schlagen vor, dass ein um einen Faktor von 4 erhöhtes E beginnen würde, den Balken zu versteifen und folglich zu vermeiden ist. Eine Reduzierung von E hätte eine geringe Auswirkung, da es scheint, dass die Steifigkeit des Systems durch das Hinzufügen des Schaums nicht sehr stark beeinflusst wird. Der Wert für R ist wichtig. Es wird erwartet, dass eine Reduzierung von R eine Dämpfung auf eine lineare Weise bewirkt. Wir schlagen vor, dass er nicht um mehr als einen Faktor von beispielsweise 4 reduziert wird. Das Erhöhen von R ist gut, aber es kann nicht ohne Beeinflussung der anderen Parameter erreicht werden.

2 zeigt die Auswirkungen des Klebens an eine Fläche oder an beide Flächen eines Mehrbalkenwandlers. 2a zeigt den Fall, wo die Dämpfungsschicht 7 lediglich an einen Balken 2 geklebt ist. Wenn sich der andere Balken 3 relativ zum Balken 2 bewegt, gleitet er über die obere Oberfläche der Dämpfungsschicht, die sich daher nicht deformiert und nur wenig zum Dämpfen der Biegeresonanzen beiträgt. In 2b ist die Dämpfungsschicht jedoch an beide Balken geklebt und folglich wird sie in eine Scherung durch die Relativbewegung des Balkens 3 gegenüber dem Balken 2 gezwungen. Es ist diese Scherung, die eine Dämpfung aufbringt.

Die Balkenlängen müssen nicht gleich sein, aber der maximale Dämpfungseffekt wird erwartet, wenn sie es sind. Der gemessene Effekt des Hinzufügens einer Dämpfungsschicht zwischen zwei Balken auf die blockierte Kraft eines zentral angebrachten Wandlers ist in 3 gezeigt. Das Q aller Moden ist reduziert und die Eigenfrequenzen haben sich nicht verändert, was eine extrem geringe Steifigkeit des Klebematerials 7 impliziert. Das Hinzufügen der Dämpfungsschicht erhöht die Abgabeleistung, wenn eine Auslöschung in dem Wandler auftritt, beispielsweise zwischen den Resonanzen von Balken unterschiedlicher Länge.

4 zeigt den simulierten Effekt des Hinzufügens einer Dämpfung zwischen den Flächen eines DMA-Wandlers mit Balken einer Länge von 36 mm/34 mm auf den Schalldruck. Die Abgabeleistung bei der Grundschwingung des Wandlers ist leicht reduziert, aber eine breite Erhöhung der Abgabeleistung tritt im Bereich von 3 bis 4 kHz auf. Dies ist der Bereich der internen Auslöschung im Wandler. Das Schalldruckverhalten ist auch glatter.

Es wird erwartet, dass auch die Ausfallraten beim Falltest reduziert sind. Beim Aufprall wird der größte Teil der Energie in der Anregungseinrichtung bei seiner Grundresonanzfrequenz vorhanden sein. Da die Dämpfung das Q dieser Resonanz reduziert, wird die sofortige Maximalverlagerung reduziert, was zu einer reduzierten Spannung in dem Balken führt. Es wird erwartet, dass diese Spannungsreduzierung die Zuverlässigkeit beim Falltest verbessert. Zusätzlich kann die Bauhöhe des Wandlers durch die vorliegende Erfindung reduziert werden.

Das zum Koppeln eines Wandlers der zuvor beschriebenen Art mit seiner Last verwendete Stumpfelement ist in allen drei kartesischen Achsen steif, und die Rotationssteifigkeit wird üblicherweise ignoriert und wird als hoch angenommen. Für den Fall eines Balkens mit einer Stumpfelementposition in der Mitte seiner Länge tritt keine Drehung am Stumpfelement bei der Grundresonanzfrequenz des Balkens auf. Falls dieser drehungsfreie Grenzzustand am Ende eines Balkens mit der halben Länge repliziert wird, wird die Grundfrequenz bei der gleichen Frequenz wie bei einem Balken mit der vollen Länge auftreten, jedoch mit der halben Kraft. Dies ist der Auslegerzustand, siehe 5. 5 ist ein Diagramm, das die Grundschwingungsmodenform eines Auslegerbalkens zeigt (das ist ein Stumpfelement mit extremem Offset). Die ausgelenkte Form zeigt eine reine Biegebewegung.

Jedoch fällt durch Reduzieren der Drehsteifigkeit des Stumpfelementes von diesem hohen Wert auf einen niedrigeren Wert die f0 des Balkens und wird weniger abhängig von der Biegebewegung des Balkens und starrkörperähnlich, siehe 6. 6 ist ein Diagramm einer Modenform eines Balkens, der mit einer Platte mit einem weichen Stumpfelement gekoppelt ist, das eine Drehung des Balkens erlaubt, wobei die Modenform eine gewisse Biegung in dem Balken und gewisse Drehversätze zeigt. Im Grenzfall einer Drehsteifigkeit von 0 fällt die Mode auf 0 Hz ab und ist eine Starrkörpermode. Das Bezugszeichen 9 stellt eine eingeschlossene Luftschicht hinter der Platte 5 dar, die in der Simulation mit der Platte koppelt und den Modensatz von Resonanzen in der Platte beeinflusst, und das Bezugszeichen 10 stellt den Körper eines Mobiltelefons dar, das einen Lautsprecher enthält, der durch die Platte 5 und den Wandler 1 gebildet ist. Es ist zu erwähnen, dass die Auslenkung des Balkens 2 stark übertrieben ist, um sichtbar zu sein.

Durch Auswählen dieser Drehelastizität kann die f0 des Balkens niedriger sein als die f0 eines Balkens mit doppelter Länge, der an seinem Mittelpunkt befestigt ist – es wurde eine FE-Analyse verwendet, um diesen Effekt zu zeigen, siehe 7. 7 ist ein Graph der simulierten blockierten Kraft, der durch drei Zustände erzeugt wurde: ein in der Mitte befestigter 36 mm langer Balken, ein Balken mit der halben Länge und einem starren Stumpfelement am Ende und ein Balken mit der halben Länge und einem nachgiebigen Stumpfelement am Ende. Der Fall des harten Stumpfelementes erzeugt eine Versteifung des Balkens, was tatsächlich seine Länge geringfügig reduziert.

Ein festes Stumpfelement hat die gleiche Steifigkeit in den drei Translations- und Rotationsachsen. Durch geeignetes Profilieren der Querschnittsform des Stumpfelementes können verschiedene Steifigkeiten in den sechs unterschiedlichen Achsen erzeugt werden. Das Ergebnis ist, dass die Moden in den unterschiedlichen Achsen bei verschiedenen Frequenzen auftreten. Falls die Lastimpedanz asymmetrisch ist, können die Moden, die eine Bewegung in anderen Richtungen als normal zur Balkenoberfläche umfassen, in die Platte einkoppeln, was zu einer erhöhten Modendichte führt, siehe 8. 8a ist ein Graph des simulierten Effektes auf den Schalldruck, der durch Ändern der Steifigkeit des Stumpfelementes hervorgerufen wird. 8b ist eine perspektivische Ansicht eines plattenförmigen Lautsprechers, der eine Platte 5 mit einem daran angebrachten Wandler umfasst, der an einem weichen Stumpfelement 6 mit einem I-Balkenquerschnitt angebracht ist, und zeigt den DMA als sich in der Ebene bewegend. Im Fall einer Mode in der Ebene, der in 8 dargestellt ist, ist diese Mode nicht vorhanden, wenn die Drehsteifigkeit um die Achse 8 normal zur Ebene der Platte ignoriert wird. In diesem Fall tritt die erste Mode teilweise aufgrund der Drehsteifigkeit um die Achse entlang des kurzen Randes des Balkens auf, und die zweite Mode tritt aufgrund der Steifigkeit um die Achse normal zum Balken auf. Die letzte Drehachse um die Achse, die sich entlang der Länge des Balkens bewegt, wird ebenfalls eine Mode erzeugen.

Ein Beispiel einer Stumpfelementform, die zu einer unterschiedlichen Steifigkeit in verschiedenen Achsen führt, ist ein I-Querschnitt, siehe 9. 9 ist ein Graph des simulierten Effektes auf die blockierte Kraft eines Stumpfelementes aus Polycarbonat mit I-Querschnitt mit unterschiedlichen Längen der vertikalen Stege. Dieses Stumpfelement ist insgesamt 3 mm breit, wobei der innere Steg 1 mm breit ist und die Steglänge auf dem Ausdruck angegeben ist.

Durch Ändern der Grundresonanz von einer reinen Biegebewegung in dem Balken zu einer teilweise translatorischen Bewegung wird die Spannung im Balken bei der Grundfrequenz reduziert. Da bei einem Stoß die Grundfrequenz die meiste Energie erhält, ist es wahrscheinlicher, dass der Balken ohne Beschädigung überlebt, da der größte Teil der Verformung im Stumpfelement auftritt.

Obwohl ein Stumpfelement mit einem I-Balkenquerschnitt beschrieben worden ist, können viele andere Stumpfquerschnitte verwendet werden, beispielsweise trapezförmige, zylinderförmige usw.


Anspruch[de]
Elektromechanischer Kraftwandler mit einer Mehrzahl von Resonanzelementen, einer Dämpfungsschicht, die zwischen benachbarten Flächen von zumindest zwei benachbarten Resonanzelementen gekoppelt ist, und einem Stumpfelement, auf dem die Resonanzelemente abgestützt sind und zum Koppeln des Wandlers mit einer Stelle, an die eine Kraft angelegt werden soll, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungsschicht derart ausgewählt ist, dass eine Abgabe im Frequenzbereich der internen Auslöschung im Wandler erhöht wird. Wandler nach Anspruch 1, bei dem die Dämpfungsschicht aus Schaumkunststoff besteht. Wandler nach Anspruch 2, bei dem der Schaumkunststoff eine langsam zurückfedernde Charakteristik hat. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Dämpfungsschicht die Gestalt einer Schicht hat, die an die gesamten oder an einen wesentlichen Teil der benachbarten Flächen der Resonanzelemente geklebt ist. Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Resonanzelemente balkenartig sind. Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Stumpf eine niedrige Drehsteifigkeit aufweist, wodurch die Grundresonanz des Wandlers weniger von der Biegebewegung des Wandlers abhängig und starrkörperähnlicher wird. Wandler nach Anspruch 6, bei dem der Stumpf in der Translationsachse und der Rotationsachse eine unterschiedliche Steifigkeit aufweist, wodurch die Moden in den unterschiedlichen Achsen bei unterschiedlichen Frequenzen auftreten. Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Parameter des Resonanzelements so ausgewählt sind, dass sie die Verteilung der Moden im Element im Betriebsfrequenzbereich verbessern, wobei die Parameter aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus dem Seitenverhältnis, der Biegesteifigkeitsisotropie, der Dickenisotropie und der Geometrie besteht. Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zumindest eines der Resonanzelemente aktiv ist, z. B. aus Piezomaterial. Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Element mit der niedrigen Steifigkeit im Wesentlichen zwischen die gesamten benachbarten Flächen gekoppelt ist. Elektromechanischer Kraftwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Resonanzelemente eine Frequenzverteilung der Moden im Betriebsfrequenzbereich des Wandlers aufweisen. Lautsprecher mit einem Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche und einem plattenförmigen akustischen Biegungswellenstrahler, mit dem der Wandler gekoppelt ist.






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