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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft eine dreidimensionale Struktur mit den Merkmalen
des Oberbegriffs des unabhängigen
Patentanspruchs 1.
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Insbesondere
betrifft die Erfindung eine solche dreidimensionale Struktur zur
aktiven Unterdrückung
von unerwünschten
Schwingungen, wie beispielsweise Lärm, besonders geeignet ist.
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STAND DER TECHNIK
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Zur
Unterdrückung
von unerwünschten Schwingungen
ist die aktive Dämpfung
bekannt. Hierbei werden Kräfte
in eine Struktur eingeleitet, die den Anregungen der Struktur zu
den Schwingungen entgegengerichtet sind. Bei Gleichheit der Amplituden
und Gegenphasigkeit der eingeleiteten Kräfte zu den Anregungen wird
die Struktur aktiv in Ruhe gehalten.
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Im
Rahmen der aktiven Dämpfung
ist es bekannt, Aktuatoren zum Aufbringen der Gegenkräfte zu den
externen Anregungen in die Struktur zu integrieren, deren Schwingungen
unterdrückt
werden sollen.
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Die
sogenannte Adaptronik beschäftigt
sich mit einer möglichst
automatischen Anpassung aktiver Systeme, einschließlich aktiver
Dämpfungssysteme,
an sich ändernde
Randbedingungen für
die Funktion der aktiven Systeme.
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Eine
dreidimensionale Struktur mit den Merkmalen des Oberbegriffs des
unabhängigen
Patentanspruchs 1 wird in der
DE 10 2006 044 532 B3 beschrieben. Dieses
Patent betrifft primär
zwei- und dreidimensionale Stabwerke in minimalflächiger Bauweise.
Diese Stabwerke können
zusätzlich
aktiv ausgebildet sein, indem mindestens einer der Stäbe teilweise
oder ganz aus einem zu einer Formänderung aktivierbaren Material
ausgebildet ist. Als Beispiele für
solche Materialien werden unter anderem Photo-Ferroelektrika angegeben.
Photo-ferroelektrische Materialien zählen zur Gruppe der optomechanischen
Materialien, deren Eigenschaften allgemein so beschrieben werden
können,
dass sie durch Einwirkung von Licht auf eine Formänderung
angesteuert werden können.
Der zugrunde liegende physikalische Effekt kann wie bei den Photo-Ferroelektrika
auf einem photorefraktiven Effekt basieren, der in einem ferroelektrischen
oder piezoelektrischen Material zu einem sekundären ferroelektrischen bzw.
piezoelektrischen Effekt führt.
Wie ein Photo-Ferroelektrikum in einem Stabwerk auf eine Formänderung
konkret angesteuert werden soll, geht aus der
DE 10 2006 044 532 B3 nicht
hervor. Auf dem Weg des optischen Signals, mit dem der jeweilige
Stab aus dem photo-ferroelektrischen
Material auf eine Formänderung
angesteuert wird, durch die Struktur wird dieses optische Signal
zwangsläufig
von der Struktur beeinflusst, und zwar abhängig von deren Deformations-
und/oder Spannungszustand. Als besonders bevorzugte dreidimensionale
Struktur wird in der
DE
10 2006 044 532 B3 ein Stabwerk nach Art eines Diamantgitters beschrieben,
bei dem in einem Knoten jeweils vier Stäbe unter Winkeln von 109,47° miteinander
verbunden sind. Bei einem derartigen Stabwerk ergibt sich eine Gleichverteilung
der von außen
eingeleiteten Kräfte über alle
Stäbe des
Stabwerks.
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Der
Einfluss von Deformations- und/oder Spannungszuständen auf
die optischen Eigenschaften photonischer Kristalle ist aus Wonjoo
Suh et al.: ”Displacement-sensitive
photonic crystal structures based on guided resonance in photonic
crystal slabs”;
Applied Physics Letters Volume 82, Number 13, pp 1999–2001 bekannt.
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Aus
der
DE 196 10 656
A1 ist es bekannt, die optischen Eigenschaften eines photonischen
Kristalls durch elektrische Felder zu verändern, die eine optische Deformation
des photonischen Kristalls bewirken.
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Aus
der
US 2004/0131799
A1 ist es bekannt, die optischen Eigenschaften eines photonischen Kristalls
durch Deformation desselben infolge der Aufnahme von Flüssigkeit
zu verändern.
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In
Kippenberg, Tobias et al.: ”Mikro-Photonik: Lichtkrafteffekte,
Frequenzkämme
und biologische Sensoren auf einem Chip”; Max-Planck-Institut für Quantenoptik,
Garching; Tätigkeitsbericht
2007 wird beschrieben, wie mechanische Moden, die z. B. durch eine
externe Anregung ausgelöst
werden, mittels Optomechanik in einem makroskopischen Objekt mit
Licht gedämpft
werden. Einen Zusammenhang zu einem photonischen Kristall gibt es
hier nicht.
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Aus
D. Elser et al.: ”Reduction
of Guided Acoustic Wave Brillouin Scattering in Photonic Crystal
Fibers”;
Physical Review Letters 97, 133901 (2006), pp 1–4 ist die Reduzierung von
Photonenstreuung in photonischen Kristallfasern durch Veränderung
des Photonenspektrums beschrieben.
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Unter
Photonik versteht man moderne optische Technologien, insbesondere
zur nichtlinearen optischen Signalverarbeitung. Mit Hilfe sogenannter photonischer
Kristalle sollen optische Transistoren und andere optische Halbleiterbauteile
hergestellt werden. Photonische Kristalle weisen beispielsweise eine
Frequenzbandlücke
auf, in der sie kein Licht leiten. Aus Spektrum der Wissenschaft,
April 2002, Seite 69 ist bekannt, dass zur Ausbildung von dreidimensionalem
Bandlückenmaterial
das tetraedische Gitter von Diamant am besten geeignet ist.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine dreidimensionale Struktur
mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 aufzuzeigen,
die besonders gute Voraussetzungen für eine weitergehende Aktivierung
aufweist.
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LÖSUNG
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Die
Aufgabe der Erfindung wird durch eine dreidimensionale Struktur
mit den Merkmalen des unabhängigen
Patentanspruchs 1 gelöst.
Bevorzugte Ausführungsformen
der neuen dreidimensionalen Struktur sind in den abhängigen Patentansprüchen 2 bis
8 definiert.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Bei
der neuen dreidimensionalen Struktur werden die optischen Signale,
mit denen mindestens einer der Stege, der ganz oder teilweise aus
optomechanischem Material ausgebildet ist, zwecks Formänderung
angesteuert wird, von der Struktur selbst zu dem optomechanischen Material
geleitet. Damit kommt der Struktur nicht nur eine einfache Leitungsfunktion
für die
optischen Signale zu, sondern die optischen Signale gelangen auch
in den Einflussbereich der Struktur und damit von Änderungen
der Struktur infolge externer Anregungen. Die neue dreidimensionale
Struktur verarbeitet die optischen Signale beim Leiten zu dem optomechanischen
Material in Abhängigkeit
von einem aktuellen Deformations- und/oder Spannungszustand der
Struktur, über
den externe Anregungen der Struktur Einfluss auf die Verarbeitung
der optischen Signale haben. Dieser Einfluss wird z. B. mit der
Zielrichtung eingestellt, die Struktur zu einem Teil eines Reglers
zu machen, der die optischen Signale so verarbeitet, dass die von
ihnen ausgelösten
Formänderungen
des optomechanischen Materials Deformationen der Struktur durch externe
Anregungen entgegenwirken.
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Konkret
kann die Struktur so ausgebildet sein, dass sie die optischen Signale
innerhalb der Stege und Knoten leitet, wobei dann die Verarbeitung der
optischen Signale auch innerhalb der Stege und/oder Knoten erfolgen
kann.
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Alternativ
kann die Struktur die optischen Signale innerhalb des von den Stegen
und Knoten überspannten
Volumens leiten. Die Struktur bildet damit einen optischen Kristall
aus. Insbesondere kann die Struktur auf diese Weise ein photonisches Bauteil
oder ein Teil eines photonischen Bauteils, wie beispielsweise eines
photonischen Transistors sein.
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Insbesondere
kann die Struktur als photonischer Kristall eine optische Bandlücke aufweisen.
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Besonders
bevorzugt ist es, wenn bei der neuen dreidimensionalen Struktur
nach Art eines Diamantgitters jeweils vier Stege in einem Knoten
miteinander verbunden sind, insbesondere unter Einschluss eines
Winkels von arccos(–1/3)
= 109,47° zwischen
jeweils zwei Stegen.
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Die
neue dreidimensionale Struktur kann hohle Stege und/oder Knoten
aufweisen. Typischerweise sind die Stege und die sie verbindenen
Knoten aber nicht hohl. Die Oberfläche der Struktur kann dann
per definitionem keine Minimalfläche
sein, sie ist aber vorzugsweise energetisch optimal, d. h. von maximaler
Entropie und/oder minimaler freier Enthalpie.
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Mit
Hilfe der neuen dreidimensionalen Struktur kann nicht nur ein Regler
für die
optischen Signale, mit denen das optomechanische Material in der Struktur
zwecks Formänderung
angesteuert wird, in die Struktur verlagert werden. Grundsätzlich ist
es auch möglich,
die optischen Signale selbst in der Struktur zu erzeugen, indem
beispielsweise mindestens einer der Stege teilweise oder ganz aus
einem optisch aktiven Material ausgebildet ist, das unter Einwirkung
einer nicht optischen, insbesondere einer mechanischen Anregung,
die optischen Signale erzeugt. Dabei kann bereits in dem Erzeugungsprozess
der optischen Signale ein Teil oder die gesamte Regelung für die optischen
Signale verlagert werden, d. h. die Festlegung von Amplitude und
Frequenz bzw. Phase.
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Als
optomechanische Materialien kommen bei der vorliegenden Erfindung
Photo-Ferroelektrika, Photo-Piezoelektrika, polare Halbleiter sowie
organische und photoplastische Werkstoffe in Frage. Zu den Photo-Ferroelektrika
zählen
Einkristalle, Keramiken, wie beispielsweise (Pb, La)(Zr, Ci)O3 dotiert mit WO3,
aber auch bleifreie Piezokeramiken, sowie Relaxor-Ferro elektrika,
wie beispielsweise LiMbO3, KTN und SBN.
Zu den polaren Halbleitern zählen III/V-Verbindungen der
Nitride, Galliumnitrid und II/VI-Halbleiter, wie beispielsweise
CdS und ZnO. Zu den organischen und photoplastischen Werkstoffen zählen sogenannte
Azo-Polymere, molekulare Gläser
und Flüssigkristalle.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der
Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung
genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer
Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ
zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen
erzielt werden müssen.
Weitere Merkmale sind den Zeichnungen insbesondere den dargestellten
Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander
sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen.
Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen
der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls
abweichend von den gewählten
Rückbeziehungen
der Patentansprüche
möglich
und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in
separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung
genannt werden. Diese Merkmale können
auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso
können in
den Patentansprüchen
aufgeführte
Merkmale für weitere
Ausführungsformen
der Erfindung entfallen.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Im
Folgenden werden Ausführungsbeispiele unter
Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen näher
erläutert
und beschrieben.
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1 skizziert
eine Struktur mit den notwendigen Einrichtungen zur aktiven Unterdrückung von Schwingungen
der Struktur nach dem Stand der Technik.
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2 skizziert
eine erfindungsgemäße dreidimensionale
Struktur mit den hier notwendigen Einrichtungen zur Unterdrückung von
Schwingungen der Struktur; und
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3 ist
ein Beispiel für
den Aufbau einer erfindungsgemäßen dreidimensionalen
Struktur.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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In 1 ist
schematisch eine Struktur 1 zusammen mit Einrichtungen
wiedergegeben, um Schwingungen der Struktur aufgrund externer Anregungen 2 zu
unterdrücken.
Deformationen der Struktur 1 werden durch einen Sensor 3 erfasst.
Das Signal des Sensors 3 wird durch einen Sensorsignalverstärker 4 einem
Regler 5 zugeführt,
dessen Ausgangssignal von einem Leistungsverstärker 6 verstärkt wird.
Mit dem verstärkten
Signal wird ein Aktuator 7 an der Struktur 1 angesteuert,
um den Anregungen 2 entgegen gerichtete Kräfte hervorzurufen. Neben
der Anzahl und Komplexität
der Einrichtungen 3 bis 7 treten Probleme bei
der optimalen Anordnung des Sensors 3 und des Aktuators 7 auf,
um von den Anregungen 2 angeregte Schwingungen der Struktur 1 tatsächlich zu
unterdrücken.
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Bei
einer erfindungsgemäßen Struktur 11, wie
sie in 2 skizziert ist, ist die gesamte Regelschleife,
wie sie in 1 dargestellt ist, in die Struktur 11 selbst
verlagert. Ausschließlich
optische Signale 12 von einer Lichtquelle 13 werden
von außen
zugeführt.
Aber auch diese externe Lichtquelle 13 kann durch Integration
von optisch aktivem Material in die Struktur 11 vermieden
werden. Von der Struktur 11 werden die optischen Signale 12 in
jedem Fall so verarbeitet und Teilen der Struktur 11 aus
optomechanischem Material zugeleitet, dass die bei dem optomechanischen
Material von den verarbeiteten optischen Signalen 12 ausgelösten Formänderungen
der Anregung von Schwingungen der Struktur 11 durch die äußeren Anregungen 2 entgegenwirken.
Dies ist dadurch möglich,
dass die Struktur 11 durch die Anregungen 2 in
einer Weise verändert
wird, die sich auf die Verarbeitung der optischen Signale 12 durch
die Struktur 11 auswirkt. Auch andere Änderungen der Struktur können im
Sinne eines adaptiven Reglers in die Verarbeitung der optischen
Signale 12 durch die Struktur 11 einfließen, so
dass auch für
das Nachführen
der Verarbeitung in Bezug auf unterschiedliche Betriebs- oder Umgebungsbedingungen
der Struktur 11 keine externen Einrichtungen erforderlich
sind.
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3 skizziert
einen möglichen
Aufbau der Struktur 11 in Form von gitterartig angeordneten
und in Knoten 14 miteinander verbundenen Stegen 15. Mindestens
einer der Stege 15 besteht aus optomechanischem Material,
das mit optischen Signalen auf eine Formänderung ansteuerbar ist. Die
optischen Signale können
dabei längs
der Stege 15 und durch die Knoten 14 geleitet
und dabei verarbeitet werden. Es ist aber auch möglich, dass die optischen Signale in
dem von der Struktur 11 überspannten Volumen geleitet
werden. Dabei kann die Struktur 11 einen photonischen Kristall
mit einer Bandlücke
für optische
Signale bestimmter Frequenz ausbilden und dabei Teil eines photonischen
Halbleiterbauteils wie beispielsweise eines photonischen Transistors
sein. Durch die Integration von optomechanischem Material in den
photonischen Kristall können
die photonischen Eigenschaften des Kristalls mit Hilfe der optomechanisch
bewirkten Formänderung
variiert werden, und umgekehrt kann mit Hilfe des photonischen Verhaltens
eine gezielte Ansteuerung der Struktur 11 auf bestimmte
Formänderungen
bewirkt werden. Dabei ist eine Trennung der Bereiche der Struktur
in photonische und optomechanische weder zwingend noch unbedingt
sinnvoll. Vielmehr sind dieselben Bereiche der Struktur 11 vorzugsweise
sowohl optomechanisch als auch photonisch wirksam, um die geschilderte
Wechselbeziehung in gewünschter
Weise zu realisieren.
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Bei
dem von den Stegen 15 und den Knoten 14 in 3 gebildeten
Gitter der Struktur 11 handelt es sich um ein Diamantgitter,
bei dem die Stege 15 in jedem Knoten Tetraederwinkel von
109,45° untereinander
einschließen.
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- 1
- Struktur
- 2
- Anregung
- 3
- Sensor
- 4
- Sensorsignalverstärker
- 5
- Regler
- 6
- Leistungsverstärker
- 7
- Aktuator
- 11
- Struktur
- 12
- optische
Signale
- 13
- Lichtquelle
- 14
- Knoten
- 15
- Steg