DE60214329T2

DE60214329T2 - Verbesserter Ski, Verfahren zum Versteifen des Skis und Verfahren zum Herstellen des Skis

Info

Publication number: DE60214329T2
Application number: DE60214329T
Authority: DE
Inventors: Herfried Lammer
Original assignee: Head Technology GmbH
Current assignee: Head Technology GmbH
Priority date: 2002-01-14
Filing date: 2002-01-14
Publication date: 2006-12-28
Anticipated expiration: 2022-01-15
Also published as: ATE337835T1; US7080849B2; JP2003220168A; EP1327466B1; US20030155740A1; JP4155829B2; DE60214329D1; EP1327466A1

Description

Die Erfindung betrifft allgemein Bretter zum Skilaufen, z. B. Abfahrtslaufskier, Langlaufskier, Snowboards und dgl., ein Verfahren zum Versteifen solcher Bretter und ein Verfahren zur Herstellung solcher Bretter. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Abfahrtsski mit Elektronik zum Aufbau einer optimalen Gebrauchs- und Verhaltenscharakteristik.
Nach dem Stand der Technik sind verschiedene Sportgeräte mit Elektronik bekannt. Beispielsweise betreffen WO-A-97/11756 und die entsprechende US-A-5 857 694 ein Sportgerät mit einem einheitlichen Sportkörper, einer elektroaktiven Anordnung mit einem piezoelektrischen Formänderungselement zum Umwandeln von elektrischer Energie in mechanische Formänderungsenergie und einer mit der Anordnung verbundenen Schaltung zum Lenken von elektrischer Energie über die Anordnung, um eine Formänderung im piezoelektrischen Element zu steuern, um das Schwingungsverhalten des Körpers zu dämpfen. Die elektroaktive Anordnung ist durch eine Formänderungskopplung in den Körper integriert. Die Anordnung kann ein passives Bauelement sein, das Formänderungsenergie in elektrische Energie umwandelt und die elektrische Energie im Nebenschluß umleitet, wobei Energie im Körper des Sportgeräts zerstreut wird. In einer aktiven Ausführungsform weist das System eine elektroaktive Anordnung mit einem piezoelektrischen bahnförmiges Material und einer getrennten Stromquelle, z. B. einer austauschbaren Batterie, auf. In einem Ski befindet sich das elektroaktive Element nahe der Wurzel in einem Bereich starker Formänderung zur Ausübung von Dämpfung, und es heißt, das Element erfaßt etwa ein bis fünf Prozent der Formänderungsenergie des Skis. Der Bereich starker Formänderung kann von Modelliermechanikern des Sportgeräts festgestellt werden oder kann durch empirische Darstellung der Spannungsverteilung, die bei Verwendung des Geräts auftritt, ermittelt werden. In anderen Ausführungsformen haben die elektroaktiven Elemente die Aufgabe, Resonanzen zu beseitigen, das Verhalten verschiedenen Situationen anzupassen und den Gebrauch oder Komfort des Geräts zu verbessern.
Ein ähnliches Sportgerät ist in WO-A-98/34689 beschrieben. Es weist ein Dehnungsmeßwandlermaterial, z. B. eine Schicht, die eine Piezokeramik enthält, die mechanisch an einem Bereich seines Körpers gekoppelt ist, und eine Schaltung auf, die am Material angebracht oder an dieses angeschlossen ist, um Formänderungsenergie aus dem Gerät auszukoppeln und sein Verhalten zu verbessern. Für einen Ski ist eine effektive Schaltung ein induktiver Resonanznebenschluß geringer Güte, der auf ein Leistungsband des Skis abgestimmt ist und der die Zerstreuung von Energie in einer Nachbarschaft eines Strukturmodus des Skis verbessert. Der Modus kann auf der Grundlage von ermittelten oder erwarteten Bedingungen ausgewählt werden, während die Nachbarschaft so definiert sein kann, daß sie Änderungen der Frequenz einer ersten oder höheren freien Strukturresonanz aufweist, die aus Produktionsabweichungen oder Größenabweichungen des Skis oder seiner Komponenten hervorgerufen werden. Die Nachbarschaft kann auch so ausgewählt werden, daß ein Bereich von Frequenzen betroffen ist, den der Modus annimmt, wenn er bei Verwendung durch tatsächliche Störungen erregt wird, z. B. durch die Vibrationen, die angeregt werden, wenn der Skilauf in einem bestimmten Geschwindigkeitsbereich erfolgt, oder bei einer bestimmten Gruppe von Schneebedingungen oder einer Kombination von Temperatur-, Geschwindigkeits-, Schnee- und Geländebedingungen. Weitere ähnliche Sportgeräte sind in WO-A-99/51310 und WO-A-99/52606 offenbart.
Diese bekannten Sportgeräte erfüllen nicht die Gebrauchs- und Verhaltenseigenschaften, z. B. Dämpfungscharakteristik. Ein weiterer Nachteil der bekannten Vorrichtungen besteht darin, daß die Elektronik entweder einfach die erzeugte elektrische Energie mittels eines Nebenschlusses (z. B. Widerstand oder LED) in Form einer passiven Anordnung zerstreut, oder es ist eine zusätzliche Stromquelle (z. B. Batterie) notwendig, um die Elektronik mit elektrischer Energie zu versor gen, um eine aktive Anordnung zu bilden. Beide bekannte Alternativen sind jedoch in bezug auf die Effizienz, das Verhalten, die Gebrauchscharakteristik und Herstellungsaspekte nicht vollkommen zufriedenstellend.
WO-A-97/04841 und entsprechend EP-B-0 841 969 und US-A-5 775 715 betreffen ein Brett, z. B. einen Ski oder ein Snowboard, das einen piezoelektrischen Dämpfer aufweist. Der piezoelektrische Dämpfer befindet sich am Körper des Bretts, so daß, wenn das Brett vibriert oder sich verformt, das piezoelektrische Material sich auch verformt. Wenn sich das piezoelektrische Material verformt, erzeugt es ein elektrisches Signal, das an eine Steuerschaltung übergeben wird. Die Steuerschaltung empfängt das elektrische Signal und stellt entweder dem elektrischen Signal einen Widerstand entgegen oder übergibt ein Steuersignal an das piezoelektrische Material. Der resultierende Widerstand oder das Steuersignal bewirkt, daß das piezoelektrische Material der Verformung des Bretts standhält, wobei es wie ein Dämpfer wirkt. Der piezoelektrische Dämpfer kann sich zwischen den Bindungen auf dem Brett befinden oder kann sich vor der vorderen Bindung, hinter der hinteren Bindung oder an mehr als einer Stelle befinden. In der bevorzugten Ausführungsform besteht der piezoelektrische Dämpfer aus einer oder mehreren Schichten eines piezoelektrischen Materials, auf denen ein elektrisches Gitter angeordnet worden ist. Das piezoelektrische Material und das elektrische Gitter sind in eine organische Matrix eingekapselt, z. B. ein Epoxyd- oder Kunststoffharz. Ein wesentlicher Nachteil dieses Bretts besteht darin, daß die Schwingung auf einfache Weise gedämpft wird, ohne die Konsequenzen für das Verhalten des Bretts im einzelnen zu bedenken. Insbesondere wird die Schwingung des Bretts übermäßig gedämpft, so daß die Steifigkeit des Bretts beeinträchtigt ist.
EP-A-0 970 727 offenbart ein Brett, z. B. einen Ski oder ein Snowboard, das einen piezoelektrischen Dämpfer aufweist. Das Brett weist einen sich in Längsrichtung erstreckenden konstruktiven, aber sich biegenden Körper auf. Ein piezoelektrisches Material ist mit dem Körper gekoppelt, so daß es sich biegt, wenn sich der Körper biegt. Eine Steuerschaltung ist mit dem piezoelektrischen Material verbunden und übergibt ein Steuersignal an das piezoelektrische Material, das bewirkt, daß es das Biegen des Körpers dämpft. Der piezoelektrische Dämpfer kann entweder als passiver oder aktiver Dämpfer konfiguriert sein. In einer aktiven Dämpfungsausführungsform weist ein Dämpfersystem einen Sensor zur Erfassung der Vibrationsfrequenz eines Abschnitts des Ski- oder Snowboardkörpers auf. Das Dämpfer-System weist auch eine Stromversorgung, eine Steuerschaltung und einen piezoelektrischen Dämpfer auf. Die Steuerschaltung erzeugt ein Steuersignal, das proportional zu der erfaßten Vibration ist und eine inverse Wellenform derselben ist. Das Steuersignal wird einem piezoelektrischen Dämpfer zugeführt, der auch in dem Snowboard oder Ski angeordnet ist und der in einer alternierenden zyklischen Form verformt oder versteift, um die Vibrationsfrequenz zu reduzieren oder aufzuheben.
EP-A-0 963 768 offenbart einen Ski mit einer Skibindung. Die Skibindung ist mit einer Dämpfungsvorrichtung mit mindestens einem Sensor und einem mit dem Sensor verbundenen aktiven Dämpfer versehen. Der Sensor und der Dämpfer können in der Bindung übereinander vorgesehen sein. Der Sensor und der Dämpfer können in Form von piezoelektrischen Elementen vorgesehen sein, wobei der Sensor bei Formänderung, z. B. Vibration, ein elektrisches Signal bereitstellt. Der aktive Dämpfer reagiert auf ein elektrisches Ansteuerungssignal mit einer Gegenbewegung, einer Gegenkraft oder einer Gegenvibration, die verwendet werden kann, um Vibrationen des Skis zu dämpfen. Die Dämpfungsvorrichtung kann in der Lage sein, die erforderliche Energie aus den Schwingungen zu gewinnen, die vom Sensor erfaßt werden. Eine zusätzliche Stromquelle ist jedoch bevorzugt.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Brett, z. B. einen Ski oder ein Snowboard, ein verbessertes Verfahren zum Versteifen eines Bretts und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bretts bereitzustellen. Insbesondere besteht Bedarf an einer verbesserten Gebrauchs- und Verhaltenscharakteristik solcher Bretter. Diese Aufgabe und der Bedarf werden mit den Merkmalen der Ansprüche gelöst bzw. erfüllt.
Erfindungsgemäß ist das Brett mit einer sich selbst versorgenden Elektronik versehen, die mit mindestens einem Wandler verbunden ist, der als Wandler-Stellglied fungiert und auf dem Brett angeordnet ist. Insbesondere wird erfindungsgemäß ein Brett zur Durchführung von Skisport mit einem sich in Längsrichtung erstreckenden Körper mit einer Längsachse, mindestens einem Wandler, der auf den Körper auflaminiert ist und bei Verformung mechanische Energie oder Leistung in elektrische Energie oder Leistung umwandelt, und einer elektrischen Schaltung, die mit dem Wandler verbunden ist, bereitgestellt. Die elektrische Schaltung liefert Energie oder Leistung an den Wandler, wobei die gesamte an den Wandler gelieferte elektrische Energie oder Leistung von der Energie oder Leistung abgeleitet wird, die aus der mechanischen Verformung des Wandlers gewonnen wird. Der Wandler wandelt elektrische Energie oder Leistung in mechanische Energie oder Leistung um, wobei die mechanische Energie oder Leistung angepaßt wird, um das Brett aktiv zu versteifen.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die elektrische Verbindung zwischen dem mindestens einen Wandler und der elektrischen Schaltung mittels laminierter Flex-Schaltungen hergestellt, d. h. mittels einer im wesentlichen flachen Verdrahtungsanordnung, die auf dem Körper des Bretts auflaminiert sein kann. Der mindestens eine Wandler hat normalerweise eine langgestreckte Form, vorzugsweise eine rechteckige Form, und ist auf den Körper nahe einer Lauffläche des Bretts auflaminiert. Vorzugsweise ist der Wandler in dem Körper zwischen der Kernschicht und der Lauffläche des Skis einlaminiert. Zwei Wandler sind vorzugsweise auf dem Körper des Bretts vorgesehen, die elektrisch mit der gleichen elektrischen Schaltung verbunden sind. Es ist ferner bevorzugt, daß jeder der langgestreckten Wandler auf dem Körper des Bretts im wesentlichen parallel zur Lauffläche und in einem Winkel von etwa 30° bis 60°, vorzugsweise etwa 45°, in bezug auf die Längsachse des Bretts vorgesehen ist. Die beiden Wandler sind vorzugsweise senkrecht zueinander und jeweils schräg in bezug auf die Längsachse des Körpers vorgesehen. Die beiden oder mehr Wandler können voneinander in der Längsrichtung des Bretts beabstandet sein oder können einander kreuzen, d. h. im wesentlichen in der gleichen Position entlang der Längsachse des Bretts vorgesehen sein.
Der/die auf dem erfindungsgemäßen Brett verwendete(n) Wandler ist/sind normalerweise bestens geeignet, wenn sie an einem Schwingungsbauch einer Torsionsschwingung oder in einem Bereich einer maximalen Amplitude der Schwingung oder Vibration des Bretts angeordnet sind und die elektrische Schaltung dafür angepaßt ist, einen ersten Modus der Torsionsschwingung zu minimieren oder zu unterdrücken. Der mindestens eine Wandler und die elektrische Schaltung sind vorzugsweise dafür angepaßt, das Brett in einem Frequenzbereich zwischen 60 und 180 Hz, vorzugsweise zwischen 85 und 120 Hz, zu versteifen. Es ist bevorzugt, daß mindestens ein Wandler und die elektrische Schaltung dafür angepaßt sind, die Schwingungsamplitude um einen Faktor von mindestens 1,5, vorzugsweise 2,0, zu reduzieren. Das erfindungsgemäße Brett kann einen Dämpfungsgrad im Bereich zwischen 0,0050 und 0,0100, vorzugsweise zwischen 0,0065 und 0,0075 und besonders bevorzugt von etwa 0,0071 erreichen.
Normalerweise weist die elektrische Schaltung ein Speicherelement zur Speicherung von Leistung auf, die vom Wandler gewonnen wird. Der Wandler ist vorzugsweise mindestens eines von folgenden Materialien: ein piezoelektrisches, ein antiferroelektrisches, ein elektrostriktives, ein piezomagnetisches, ein magnetostriktives, ein magnetisches Formspeicher- und ein piezokeramisches Material. Der Wandler hat normalerweise die Form einer flachen Bahn, wobei eine Größe jedes der Wandler normalerweise etwa 8 bis 16 cm², vorzugsweise etwa 10 bis 14 cm² und besonders bevorzugt etwa 12 cm² ist.
Ferner wird der oben beschriebene Bedarf erfindungsgemäß erfüllt mit einem Verfahren zum Versteifen des Bretts zur Durchführung von Skisport mit den Schritten: Umwandeln mechanischer Leistung, die in mindestens einen auf das Brett auflaminierten Wandler eingebracht wird, bei Verformung des Bretts in elektrische Leistung, Liefern der elektrischen Leistung an eine elektrische Schaltung, die mit dem Wandler verbunden ist, Liefern von Leistung von der elektrischen Schaltung an den Wandler, wobei die gesamte elektrische Leistung, die an den Wandler geliefert wird, von der Leistung abgeleitet wird, die aus der mechanischen Verformung des Wandlers gewonnen wird, und Umwandeln der elektrischen Leistung in mechanische Leistung durch den Wandler, so daß das Brett durch Gegenwirkung des Wandlers gegen die Verformung aktiv versteift wird.
Das erfindungsgemäße Brett wird vorzugsweise mit den Schritten hergestellt: Bereitstellen einer Vertiefung im Brett zur Aufnahme der elektrischen Schaltung, Anordnen der elektrischen Schaltung in der Vertiefung, Bereitstellen des mindestens einen Wandlers und einer elektrischen Verbindung zwischen dem Wandler und der elektrischen Schaltung und Auflaminieren des Wandlers und der elektrischen Schaltung auf das Brett durch Aufwendung von Druck und/oder Wärme.
Vorzugsweise ist die Vertiefung in einem Bindungsaufnahmebereich des Bretts vorgesehen, besonders zwischen zwei Bindungsaufnahmebereichen für einen vorderen Teil und einen hinteren Teil einer Bindung. Die beiden Wandler sind vorzugsweise auf dem Brett in bezug auf eine Längsachse des Bretts geneigt vorgesehen, so daß die Wandler vorzugsweise senkrecht zueinander angeordnet sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Wandler ein Verbundmaterial zum Betätigen oder Erfassen einer Verformung eines Strukturteils mit einer Serie von flexiblen langgestreckten Fasern, die in einer parallelen Anordnung angeordnet sind. Jede Faser ist im wesentlichen parallel zu jeder anderen, wobei benachbarte Fasern durch ein relativ weiches verformbares Polymer mit Zusätzen getrennt sind, um die elektrischen und Elastizitätseigenschaften des Polymers zu ändern. Ferner hat jede Faser eine gemeinsame Polungsrichtung. Das Verbundmaterial weist ferner ein flexibles leitendes Elektrodenmaterial entlang der axialen Ausdehnung der Fasern zur Erzeugung oder Ermittlung elektrischer Felder auf. Das Elektrodenmaterial hat eine doppelkammförmige Struktur bzw. ein Interdigitalmuster, das Elektroden entgegengesetzter Polarität bildet, die alternierend beabstandet sind und dafür konfigu riert sind, ein Feld mit Komponenten entlang der Achsen der Fasern anzulegen. Das Polymer ist zwischen der Elektrode der Fasern angeordnet. Vorzugsweise sind die Fasern elektrokeramische Fasern mit einem piezoelektrischen Material. Diese Wandlerart ist ausführlicher in US-A-5 869 189 beschrieben.
Nachstehend werden weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung mit Bezug auf die bevorzugten Ausführungsformen beschrieben, die in den Zeichnungen dargestellt sind, wobei diese folgendes zeigen:
1 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Skis;
2A ist eine Schnittansicht, bezogen auf die Linie 2A-2A in 1, und zeigt, wie die elektrische Schaltung auf dem Körper des Skis angeordnet ist;
2B ist eine Schnittansicht, bezogen auf die Linie 2B-2B in 1 und zeigt, wie die elektrischen Verbindungen zwischen der elektrischen Schaltung und den Wandlern auf den Körper des Skis auflaminiert sind;
2C ist eine Schnittansicht, bezogen auf die Linie 2C-2C in 1, und zeigt, wie die Wandler auf den Körper des Skis auflaminiert sind;
3A ist ein Diagramm, das die Torsionsbeschleunigung einer Torsionsschwingung eines erfindungsgemäßen Skis im Verhältnis zur Zeit darstellt;
3B ist ein Diagramm, das das logarithmische Dekrement Δ (Delta) im Verhältnis zur Zeit auf der Grundlage der in 3A gezeigten Beschleunigungswerte zeigt;
3C ist ein Diagramm, das die Schwingungsamplitude des schwingenden erfindungsgemäßen Skis im Verhältnis zur Frequenz darstellt;
4A ist ein Diagramm der Beschleunigung eines bekannten Skis im Verhältnis zur Zeit;
4B ist ein Diagramm, das das logarithmische Dekrement Δ (Delta) im Verhältnis zur Zeit auf der Grundlage der in 4A gezeigten Beschleunigungswerte zeigt;
4C ist ein Diagramm, das die Schwingungsamplitude des bekannten Skis im Verhältnis zur Frequenz zeigt;
5A ist ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Leistungsgewinnungssystems, das mit dem Ski verwendet werden kann;
5B ist ein Schaltbild einer bestimmten Ausführungsform des Leistungsgewinnungssystems von 5A;
6A ist ein Diagramm der Phasen des Stromflusses durch eine Induktionsspule der Schaltung in 5B;
6B und 6C zeigen alternative Stromflüsse in der Induktionsspule;
7A–7G sind verschiedene Spannungs-, Strom-, Leistungs- und Energiewellenformdiagramme der Schaltung in 5B;
8A ist eine Wellenform der Spannung an einem Leerlauf-Wandler;
8B ist eine Wellenform des Stroms, der durch einen Kurzschluß-Wandler fließt;
8C ist eine Wellenform der Ladung, die durch einen Kurschluß-Wandler wandert;
9 ist ein Blockschaltbild des Leistungsgewinnungssystems in 5B;
10 zeigt eine Implementierung des Leistungsgewinnungssystems in 5B, wobei ein Wandler des Systems an einer Struktur angeordnet ist;
11 ist ein Schaltbild einer alternativen Ausführungsform eines Leistungsgewinnungssystems;
12 ist ein Schaltbild einer zusätzlichen alternativen Ausführungsform eines Leistungsgewinnungssystems;
13 ist ein Schaltbild einer zusätzlichen alternativen Ausführungsform eines Leistungsgewinnungssystems;
14A ist ein Blockschaltbild eines Leistungsgewinnungssystems mit einer Resonanzschaltung und einem Gleichrichter;
14B ist ein Schaltbild einer bestimmten Ausführungsform des Leistungsgewinnungssystems in 14A;
15A–15G sind verschiedene Spannungs-, Strom-, Leistungs- und Energiewellenformdiagramme der Schaltung in 14B;
16 ist ein Blockschaltbild des Leistungsgewinnungssystems in 14B;
17 ist ein Schaltbild einer alternativen Ausführungsform eines Resonanzgleichrichter-Leistungsgewinnungssystems;
18 ist ein Schaltbild einer zusätzlichen alternativen Ausführungsform eines Resonanzgleichrichter-Leistungsgewinnungssystems;
19 ist ein Schaltbild eines passiven Gleichrichter-Leistungsgewinnungssystems;
20A–20F sind verschiedene Spannungs-, Strom-, Leistungs- und Energiewellenformdiagramme der Schaltung in 19;
21 ist ein Schaltbild einer alternativen Ausführungsform eines passiven Gleichrichter-Leistungsgewinnungssystems;
22A–22B stellen eine Aufteilung eines Wandlers dar;
23 ist ein Schaltbild einer alternativen Ausführungsform eines Leistungsgewinnungssystems;
24A–24C sind Spannungs- und Strom-Zeit-Diagramme;
25 ist ein Blockschaltbild einer Steuerschaltung des Leistungsgewinnungssystems in 23;
26 ist ein Blockschaltbild einer sich selbst versorgenden Steuerschaltung;
27 ist ein Schaltbild eines Leistungsgewinnungssystems, das eine sich selbst versorgende Steuerschaltung verwendet;
28 ist ein Schaltbild einer alternativen Ausführungsform eines Leistungsgewinnungssystems;
29 ist ein Schaltbild eines Leistungsdämpfungssystems;
30 ist ein Schaltbild eines sich selbst versorgenden Leistungsdämpfungssystems;
31 ist ein Schaltbild einer alternativen Ausführungsform eines Leistungsdämpfungssystems;
32 ist ein Schaltbild einer zusätzlichen alternativen Ausführungsform eines Leistungsgewinnungssystems;
33A–33C sind Spannungs-Zeit-Diagramme; und
34 ist ein Schaltbild einer Steuerschaltung der Schaltung in 32.
Nachstehend wird eine bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungsform des Bretts mit Bezug auf einen Ski 2 beschrieben, wie er in 1 und 2 schematisch dargestellt ist. Im allgemeinen weist der Ski 2 einen sich in Längsrichtung erstreckenden Körper 4 mit einer Längsachse 6 auf. Wie man in 1 sehen kann, ist der Ski 2 als Carving-Ski mit einem ersten Endabschnitt 8, der eine Spitze 10 des Skis bildet, und einem zweiten Endabschnitt 12 dargestellt, wobei zwischen den Endabschnitten 8 und 12 ein Mittelabschnitt 14 vorhanden ist, der eine Breite aufweist, die kleiner ist als die der Endabschnitte 8 und 12. Erfindungsgemäß kann jedoch jede andere Art von Brett, z. B. ein herkömmlicher Ski, ein Mono-Ski oder ein Snowboard, anstelle eines Carving-Skis verwendet werden.
Ferner weist der Ski 2 mindestens einen auf den Körper 4 auflaminierten Wandler 16, vorzugsweise zwei Wandler 16, auf. In 1 sind zwei Wandler 16 gezeigt, von denen jeder eine langgestreckte Form hat, vorzugsweise eine rechteckige oder Parallelogrammform. Die Wandler 16 sind auf den Körper 4 des Skis 2 in einem Winkel α von etwa 30° bis 60°, vorzugsweise etwa 45°, in bezug auf die Längsachse 6 des Skis 2 auflaminiert, wobei, wenn sie mit 45° angeordnet sind, die beiden Wandler 16 vorzugsweise senkrecht zueinander angeordnet sind.
Die Wandler 16 sind dafür angepaßt, bei Verformung mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln und umgekehrt. Vorzugsweise ist der Wandler 16 mindestens eines von folgenden Materialien: ein piezoelektrisches, ein antiferroe lektrisches, ein elektrostriktives, ein piezomagnetisches, ein magnetostriktives, ein magnetisches Formspeicher- und ein piezokeramisches Material. Die Größe der Fläche jedes der bahnartigen Wandler 16 ist normalerweise etwa 8 bis 16 cm², vorzugsweise 10 bis 14 cm² und besonders bevorzugt etwa 12 cm².
Die Wandler 16 sind auf den Körper 4 des Skis 2 auflaminiert und elektrisch über eine jeweilige (oder gemeinsame) elektrische Verbindung 18 mit einer sich selbst versorgenden elektrischen Schaltung 20 verbunden, die auf einer Elektronikleiterplatte (nicht dargestellt) angeordnet ist. Die Wandler 16 in Kombination mit der sich selbst versorgenden elektrischen Schaltung 20 sind dafür bestimmt, das Verhalten des erfindungsgemäßen Skis 2 zu verbessern. Insbesondere sind diese Elemente dafür bestimmt, Schwingung und/oder Vibrationen, die durch das Skifahren erzeugt werden, zu reduzieren. Wenn beispielsweise ein Abfahrtsskiläufer den erfindungsgemäßen Ski 2 verwendet, der die Wandler 16 und die sich selbst versorgende elektrische Schaltung 20 aufweist, werden Schwingungen oder Vibrationen, die während der Gleitbewegung des Skis 2 auf dem Boden (z. B. Schnee oder Eis) erzeugt werden, verwendet, um die Wandler zu verformen und Energie aus den Wandlern 16 zu gewinnen. Diese Energie wird dann über die elektrische Verbindung 18 an die elektrische Schaltung 20 übertragen, die wiederum ein Signal an die Wandler 16 zurücksendet, um diese zu veranlassen, den Ski 2 aktiv zu versteifen.
Wie in 2A, 2B und 2C gezeigt, weist der Körper 4 des Skis 2 vorzugsweise eine Vertiefung oder Aussparung 22 auf, in der die sich selbst versorgende Elektronikleiterplatte, die die elektrische Schaltung 20 trägt, angeordnet ist. Die Vertiefung 22 wird vorzugsweise irgendwo zwischen der Laufflächenschicht 24 und einer Deckschicht 28 des erfindungsgemäßen Skis 2 während des Herstellungsprozesses des Körpers 4 ausgebildet. Wie man im Schnitt in 2A bis 2C sehen kann, hat der Körper 4 des Skis 2 einen laminierten Aufbau, der mehrere Schichten 24, 26, 28 aufweisen kann (von denen nur drei schematisch dargestellt sind), die auf herkömmliche Weise mittels einer Presse, vorzugsweise einer beheizten Presse, auflaminiert sein können. Ferner kann der Ski 2 eine Auskleidung oder Umrandung 30 an jeder der Längskanten des Körpers 4 aufweisen, wie dem Fachmann bekannt ist.
Die sich selbstversorgende elektrische Schaltung 20 ist auf der Elektronikleiterplatte vorgesehen, auf der die Bauelemente der Schaltung angeordnet sind. Vorzugsweise trägt die Karte auch ein Speicherelement zur Speicherung von Energie, die vom Wandler 16 gewonnen wird. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Vertiefung 22 mindestens teilweise mit einem Material gefüllt, nachdem die elektrische Schaltung 20 dort angeordnet worden ist, um die elektrische Schaltung 20 an der richtigen Stelle zu fixieren. Vorzugsweise ist das Material, das die elektrische Schaltung 20 in der Vertiefung 22 fixiert, ein Schaumstoff, der in die Vertiefung 22 eingefüllt sein kann und der sein Volumen expandiert, um den Hohlraum im Körper 4 des Skis 2 zumindest teilweise zu füllen. Als Alternative oder zusätzlich kann die elektrische Schaltung 20 am Körper 4 mittels eines Klebers in der Vertiefung 22 angeordnet werden. Als Alternative könnte die elektrische Schaltung 20 an einem beliebigen anderen Ort am Körper 4 angeordnet werden, z. B. kann die elektrische Schaltung 20 außerhalb des Körpers 4 des Skis 2 angeordnet werden. In jeder dieser Konfigurationen kann die elektrische Schaltung 20 als integrierter Chip (IC) vorgesehen sein, der durch den Körper 4 des Skis 2 hindurch von außen sichtbar ist.
Wiederum mit Bezug auf 1 kann man sehen, daß die elektrische Schaltung 20 in einem Bindungsaufnahmebereich des Skis 2 vorgesehen ist. Der Bindungsaufnahmebereich weist einen ersten Aufnahmebereich 32, der dafür angepaßt ist, einen vorderen Teil einer Bindung aufzunehmen, und einen zweiten Aufnahmebereich 34, der dafür angepaßt ist, einen hinteren Teil der Bindung aufzunehmen, auf, wobei die elektrische Schaltung 20 zwischen dem ersten und zweiten Bindungsaufnahmebereich 32 und 34 angeordnet ist.
Der erfindungsgemäße Ski 2 ist besonders dafür angepaßt, den Körper 4 gegen Torsionsverformung zu versteifen, die normalerweise beim Skilaufen auftritt. Deshalb ist der mindestens eine Wandler 16 vorzugsweise in einem Bereich des Skis 2 angeordnet, wo die maximale Torsionsverformung auftritt, d. h. der/die Wandler 16 ist/sind in einem Schwingungsbauch der Torsionsschwingung angeordnet, und die elektrische Schaltung 20 ist vorzugsweise dafür angepaßt, ein Signal an den/die Wandler zu liefern, um den ersten Modus dieser Torsionsschwingung zu minimieren oder zu unterdrücken. Ferner ist es vorteilhaft, die Wandler 16 auf der vorderen Fläche oder der gegenüberliegenden hinteren Fläche des Skis 2 vorzusehen, da die maximale Verformung in der größtmöglichen Entfernung von der Biegelinie des Körpers 4 erwartet werden kann. Daher sind erfindungsgemäß die Wandler 16 vorzugsweise nahe der Laufflächenschicht 24 des Skis 2 auflaminiert (2C). In der dargestellten Ausführungsform in 2C ist der Wandler 16 in den Körper 4 zwischen die Kernschicht 26 und die Laufflächenschicht 24 des Skis 2 einlaminiert, wobei der Wandler 16 geringfügig in die Kernschicht 26 eingefügt ist. Als Alternative kann der Wandler 16 in die Laufflächenschicht 24 oder sowohl in die Kernschicht 26 wie auch in die Laufflächenschicht 24 hineinragen.
Ferner wird angenommen, daß die maximale Torsionsverformung des Skikörpers 4 während des Skilaufens in oder nahe dem ersten Endabschnitt oder vorderen Abschnitt 8 des Skis 2 erzeugt wird. Innerhalb der Grenzen des Erfindungsgedankens ist es auch möglich, einen Wandler 16 oder ein Paar Wandler 16 nahe der Laufflächenschicht 24 und (einen) weitere(n) Wandler 16 auf der gegenüberliegenden Seite der Biegelinie des Körpers 4 des Skis vorzusehen, z. B. nahe einer oberen Fläche des Skikörpers 4. Das heißt, einer oder mehrere der Wandler 16 können auf einer oder auf beiden Seiten der Biegelinie des Skis 2 vorgesehen sein. Beispielsweise können mehrere Wandler 16 vorgesehen sein, z. B. übereinander, jeweils angrenzend an die obere und untere Fläche des Skis 2 angeordnet, um sein Verhalten zu verbessern.
Der mindestens eine Wandler 16, der auf den Skikörper 4 auflaminiert ist, weist vorzugsweise mit Silberfarbe siebdruckbeschichtete Interdigital-Elektroden (IDE) auf einem Polyestersubstratmaterial, unidirektional ausgerichtete bleibasierte piezoelektrische PZT-5A-Fasern und Duroplastharz-Matrixmaterial auf. Wie bereits oben erwähnt, haben die Wandler 16 einen doppelten Zweck, nämlich Erfassung und Betäti gung. Sie werden verwendet, um die Formveränderung im Skikörper 4 zu erfassen und ein elektrisches Ausgangssignal über ein Elektroden-Teilsystem an die elektrische Schaltung 20 zu übergeben. Sie werden auch verwendet, um den Skikörper 4 zu betätigen, wenn eine Bewegungsverformung ermittelt worden ist. Die Fasern, vorzugsweise piezoelektrische Fasern, wirken als Wandler 16 und wandeln mechanische Verformung in elektrische Energie um und umgekehrt. Wenn sie verformt werden, entwickeln sie eine Oberflächenladung, und wenn umgekehrt ein elektrisches Feld angelegt wird, wird eine Verformung bewirkt. Die mechanischen Formänderungen im Ski 2 während seiner Verwendung verformen den Wandler 16, indem sie die piezoelektrischen Fasern dehnen. Die Interdigital-Elektrode nimmt die Oberflächenladungen auf, die durch die gedehnten piezoelektrischen Fasern entstehen, und stellt einen elektrischen Weg bereit, auf dem die Ladungen an eine entsprechende elektrische Schaltung 20 weitergeleitet werden können. Umgekehrt stellt die Interdigital-Elektrode ebenfalls den elektrischen Weg bereit, um die piezoelektrischen Fasern im Wandler 16 zu erregen, um gegen die im Ski 2 bewirkten Vibrationen zu wirken.
Diese gegenwärtig bevorzugten Wandler 16 werden hergestellt, indem die piezoelektrischen Fasern und das Matrixharz unter vorgegebenen Druck-, Temperatur- und Zeitprofilen zwischen zwei IDE-Elektroden laminiert werden. Die IDE-Struktur kann auf einer oder beiden Seiten des Verbundelements benutzt werden. Der laminierte Verbundstoff wird bei vorgeschriebenen Temperatur- und Zeitprofilen unter Hochspannung gepolt. Dieser Prozeß stellt eine polare Betriebsweise der Wandler 16 her und macht es notwendig, die elektrische "Masse"-Polarität an den Stromzuführungskontakten des Wandlers 16 zu kennzeichnen. Weitere Einzelheiten über diesen Wandlertyp und seine Herstellung sind in US-A-5 869 189 zu finden. Ein im Handel erhältlicher Wandler, der gegenwärtig bevorzugt bei der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird, ist eine aktive Faserverbundstoffschicht mit der Bezeichnung "Smart Ply" (Continuum Control Corporation, Billerica, Massachusets, USA).
Mit Bezug auf 2B kann man sehen, daß die elektrische Verbindung 18 zwischen den Wandlern 16 und der elektri schen Schaltung 20 vorzugsweise mittels sogenannter "Flex-Schaltungen" hergestellt wird. Beispielsweise weist eine solche Flex-Schaltung eine mit Silberfarbe siebdruckbeschichtete Menge von Leiterbahnen auf Polyestersubstratmaterial auf. Eine Isoliermaterialschicht wird auf die Leiterbahnen mit Ausnahme eines Bereichs an den Ansätzen oder Anschlußenden der Bahnen aufgebracht. An einem Ende der Bahn ist die freiliegende Leiterbahn in ihrer Form an einen Ansatz oder ein Anschlußende des Wandlers 16 angepaßt. Lötstifte sind auf die freiliegenden Leiterbahnen am anderen Ende der Bahn aufgequetscht. Vorzugsweise ist eine Biegung in diesem Endbereich der Leiterbahn vorgesehen, um die Flex-Schaltung effektiv in die Vertiefung 22 weiterzuleiten, damit die Elektronikleiterplatte die elektrische Schaltung 20, die im Körper 4 des Skis 2 vorgesehen ist, tragen kann. Die Flex-Schaltung kann also auf den Körper 4 vorzugsweise nahe der Lauffläche 24 des Skis 2 auflaminiert sein, wie in 2B dargestellt.
Die elektrische Schaltung 20, die zusammen mit dem erfindungsgemäßen Ski 2 verwendet wird, ist eine eigenbetriebene bzw. selbstversorgte Elektronik, d. h. es ist keine äußere Energiequelle notwendig, wie z. B. eine Batterie. Vorzugsweise weist die elektrische Schaltung 20 eine Leiterplatte (PWB) auf, die unter Anwendung von Standardverfahren der Oberflächenmontagetechnologie (SMT) mit aktiven und passiven Komponenten bestückt wird. Zu den Komponenten der elektrischen Schaltung gehören im allgemeinen Hochspannungs-MOSFETs, Kondensatoren, Widerstände, Transistoren und Induktionsspulen. Nachstehend wird die angewandte Schaltkreistopologie ausführlich beschrieben.
Der Zweck der elektrischen Schaltung oder Elektronikplatine 20 besteht darin, den Wandlerbetätigungselementen die Ladung zu entziehen, sie vorübergehend zu speichern und so wieder zuzuführen, daß der Ski oder das Brett aktiv versteift wird, insbesondere in bezug auf Torsionsverformung. Die Elektronik arbeitet so, daß sie pro Betriebszyklus zweimal im Maximum der Spannungswellenform schaltet. Die Schaltphase verschiebt die Klemmenspannung des Transistors um 90°, bezogen auf die theoretische Leerlaufspannung. Durch diese Phasenver schiebung wird dem Wandler 16 und dem Ski 2 Energie entzogen. Die entzogene Energie erhöht die Klemmenspannung durch Vorspannen der Wandlerbetätigungselemente. Die Spannung baut sich wegen der endlichen Verluste in den MOSFETs und anderen elektronischen Komponenten nicht bis zur Unendlichkeit auf. Der Schaltvorgang tritt auf, bis genügend Energie entzogen worden ist, um den Ski 2 zu versteifen oder die Schwingung zu dämpfen, z. B. auf 35%, vorzugsweise 25% der Anfangsamplitude.
Zum Beispiel kann der Wandler 16 ein piezoelektrischer Wandler, ein antiferroelektrischer Wandler, ein elektrostriktiver Wandler, ein piezomagnetischer Wandler, ein magnetostriktiver Wandler, ein Wandler mit magnetischem Formgedächtnis oder ein piezokeramischer Wandler sein.
Der mindestens eine Wandler 16 und vorzugsweise auch die Flexschaltung 18 werden mit einem geeigneten Harzmaterial unter spezifischen Temperatur-, Druck- und Zeitprofilen auf den Skikörper 4 auflaminiert. Vorzugsweise wird der mindestens eine Wandler 16 mit dem gleichen Harz, wie es für die Herstellung des Körpers 4 selbst verwendet wird, auf den Körper 4 auflaminiert. Das Laminieren der Wandler 16 und der Flexschaltung 18 kann entweder gleichzeitig oder in einem zusätzlichen Schritt nach der Herstellung des Körpers ausgeführt werden. Nach dem Auflaminieren des Wandlers 16 und der Flexschaltung 18 auf den Skikörper 4 kann über dem Wandler 16 und/oder der Flexschaltung 18 eine zusätzliche Schutzschicht aufgebracht werden. Die Schutzschicht kann z. B. Glasgewebe oder Glasfasermatten und/oder einen Lack oder eine Lackfarbe aufweisen. Vorzugsweise hat jeder an dem erfindungsgemäßen Ski 2 montierte Wandler 16 eine Größe von etwa 8 bis 16 cm², stärker bevorzugt von etwa 10 bis 14 cm², und am stärksten bevorzugt von etwa 12 cm². Die elektrischen Verbindungen 18 zwischen dem/den Wandler(n) 16 und der elektrischen Schaltung 20 sind vorzugsweise zwischen die Kernschicht 26 und die Laufflächenschicht 24 einlaminiert, wie in 2B gezeigt.
Nachstehend werden bevorzugte Ausführungsformen der elektrischen Schaltung 20 unter Bezugnahme auf die 5A bis 34 beschrieben. Wie aus 5A erkennbar, weist eine elektronische Schaltung 34 zur Gewinnung von elektrischem Strom von einem Wandler 16, auf den eine Störung 36 einwirkt, z. B. eine Deformation des Skis 2 als Reaktion auf Skifahren, die folgenden Komponenten auf: eine Verstärkerelektronik, z. B. einen Verstärker, der einen bidirektionalen Stromfluß zu und vom Wandler 16 ermöglicht, wie z. B. ein Schaltverstärker, ein geschalteter Kondensatorverstärker oder eine kapazitive Ladungspumpe; eine Steuerlogik und ein Speicherelement 38, z. B. einen Kondensator. Die Verstärkerelektronik sorgt für elektrischen Stromfluß vom Wandler 16 zum Speicherelement 38 sowie vom Speicherelement 38 zum Wandler 16.
In 5B weist ein Schaltverstärker Schalter, z. B. MOSFETs 40, 42, Bipolartransistoren, Bipolarfeldeffekttransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs) oder steuerbare Siliciumgleichrichter (SCRs), die in einer Halbbrückenschaltung angeordnet sind, und Dioden 44, 46 auf. (Alternativ können die Schalter bidirektional sein und keine Dioden aufweisen.) Die MOSFETs 40, 42 werden mit hohen Frequenzen ein- und ausgeschaltet, z. B. mit Frequenzen von etwa 10 kHz–100 kHz. Der Schaltverstärker ist über eine Induktionsspule 48 mit dem Wandler 16 verbunden. Der Induktivitätswert der Induktionsspule 48 wird so gewählt, daß die Induktionsspule 48 auf eine Frequenz unterhalb der hohen Schaltfrequenz der MOSFETs 40, 42 und oberhalb der höchsten Frequenz abgestimmt wird, die bei der Energie der Störung 36 von Bedeutung ist, wobei die Induktionsspule 48 als Filter für die hochfrequenten Schaltsignale der Schaltung 34 wirkt.
Der Stromfluß durch die Induktionsspule 48 wird durch die Schaltvorgänge der MOSFETs 40, 42 bestimmt und kann in vier Phasen unterteilt werden:

Phase I: Der MOSFET 40 ist gesperrt, der MOSFET 42 ist eingeschaltet, der Strom in der Induktionsspule 48 steigt an, während die Induktionsspule Energie vom Wandler 16 speichert.
Phase II: Der MOSFET 42 ist gesperrt und der MOSFET 40 ist eingeschaltet, der Strom wird zwangsweise durch die Diode 44 und zum Speicherelement 38 geleitet, während die Induktionsspule 48 die Energie freisetzt.
Phase III: Während der Strom in der Induktionsspule 48 negativ wird, hört der Strom auf, durch die Diode 44 zu flie ßen, und fließt durch den MOSFET 40, und vom Speicherelement 38 wird Energie zur Induktionsspule 48 übertragen.
Phase IV: Der MOSFET 40 wird dann gesperrt, und der MOSFET 42 wird eingeschaltet, der Stromfluß durch die Diode 46 nimmt zu, und die in der Induktionsspule 48 gespeicherte Energie wird zum Wandler 16 übertragen.

6A zeigt eine graphische Darstellung der vier Phasen, die darstellt: (i) den Stromfluß durch die Induktionsspule 48 in Abhängigkeit von der Zeit, (ii) welcher MOSFET- oder Diodenstrom in jeder Phase durchfließt, und (iii) den Zustand der MOSFETs in jeder Phase. Der Nettostrom während der Schaltphasen kann positiv oder negativ sein, in Abhängigkeit vom Zustand der Störung und vom Arbeitszyklus der Schalter. Wie aus 6B erkennbar, kann der Strom während aller vier Phasen positiv sein, in welchem Fall der Strom durch den Schalter 42 und die Diode 44 fließt. Alternativ kann, wie in 6C dargestellt, der Strom während aller vier Phasen negativ sein, in welchem Fall der Strom durch den Schalter 40 und die Diode 46 fließt.
Der MOSFET 40 kann während der Phase II gesperrt sein, und der MOSFET 42 kann während der Phase IV gesperrt sein, ohne den Stromfluß zu beeinflussen, da während der entsprechenden Phasen kein Strom durch diese MOSFETs fließt. Wenn die MOSFETs 40, 42 während der Phasen II bzw. IV eingeschaltet sind, kann zwischen dem Ausschalten eines MOSFETs und dem Einschalten eines anderen MOSFETs eine Totzeit eingefügt werden, um Schaltverluste durch Querleitung zwischen den MOSFETs 40, 42 zu vermindern.
In den 7A–7G ist ein Beispiel der vom Wandler 16 entnommenen Leistung graphisch dargestellt, wobei die Amplitude der Spannung am offenen Wandlerstromkreis 10 V beträgt (siehe 8A). In diesem Beispiel ist der Wandler 16 ein piezoelektrischer Wandler PZT-5H mit einer Dicke von 2 mm und einer Fläche von 10 cm². Die Eigenschaften dieses Wandlers sind: elastische Nachgiebigkeit S^E ₃₃ = 2,07 × 10^–11 m²/N, Dielektrizitätskonstante ε^T ₃₃/ε₀ = 3400 und Kopplungskoeffizient d₃₃ = 593 × 10^–12 m/V. Die Kapazität dieses Wandlers beträgt 15 nF. Die folgenden Wellenformen entsprechen einer sinusförmigen Störung von 100 Hz mit einer Amplitude von 250 N in Dickenrichtung, wodurch eine Leerlaufspannung von 10 V am Wandler erzeugt wird.
7A zeigt die Spannung am Wandler 16 als Funktion von der Zeit. Die Maximalamplitude der Spannung ist größer als das Zweifache jeder Maximalspannung eines Wandlers im Leerlauf. Hier beträgt die Maximalamplitude der Spannung etwa 60 V. 7B zeigt die Stromwellenform am Wandler 16, und 7C zeigt die Ladungswellenform am Wandler 16. Wegen des Stromflusses vom Speicherelement 38 zum Wandler 16 ist das Maximum des Integrals des Stromflusses zum und vom Wandler 16 größer als das Zweifache jedes Maximums eines Stromintegrals eines Kurzschlußwandlers aufgrund der Störung allein (siehe 8B und 8C).
Wegen des Phasenabgleichs der Spannungs- und Stromwellenformen wechselt die zum Wandler und vom Wandler 16 in 7D fließende Leistung zwischen Maxima von etwa 0,021 Watt und –0,016 Watt. Folglich fließt im Verlauf der Störung 36 am Wandler 16 Leistung vom Speicherelement 38 zum Wandler 16 und vom Wandler 16 zum Speicherelement 38, z. B. während einer einzigen Sinusperiode, wobei die Nettoleistung vom Wandler 16 zum Speicherelement 38 fließt. Der Zyklus braucht nicht sinusförmig zu sein, z. B. in Fällen, wo die Störung Oberwellen mit mehreren Frequenzen oder einen breiten Frequenzgehalt aufweist, wie z. B. bei einer Rechteckwelle, einer Dreieckwelle, einer Sägezahnwelle, und bei weißem Rauschen mit begrenzter Bandbreite oder in anderen Fällen.
Die in die Induktionsspule 48 eintretende Leistung ist in 7E dargestellt. Die oben beschriebenen hochfrequenten Schaltvorgänge der MOSFETs 40, 42 sind in der Leistungswellenform erkennbar. Falls die Wellenform positiv ist, wird Leistung in der Induktionsspule 48 gespeichert, und wenn die Wellenform negativ ist, wird Leistung aus der Induktionsspule 48 abgegeben.
Die entnommene Leistung und Energie sind in den 7F und 7G dargestellt. Während einer Periode von 0,06 Sekunden werden etwa 1,5 × 10^–4 Joule Energie entnommen. Ein Vorteil der Schaltung ist, daß der Wandler eine höhere Spitzenspannung und Spitzenladung erfährt, als sonst auftreten würden, und das folglich eine höhere Leistung aus der Eingangsstörung entnommen werden kann. Durch Anlegen einer Spannung an den Wandler 16 mit einer geeigneten Amplitude und Phaseneinstellung bezüglich der Störung 36 erfährt der Wandler 16 eine stärkere mechanische Ablenkung unter der Last, als sonst auftreten würde. Daher wird am Wandler 16 durch die Störung 36 mehr Arbeit geleistet, und durch die Schaltung kann mehr Energie entnommen werden.
Wie wieder aus 5B erkennbar, wird der Arbeitszyklus der MOSFETs 40, 42 durch Messen der Störungsbewegung 36 und Auswahl eines zeitlich veränderlichen Arbeitszyklus gesteuert, um der Störungsbewegung 36 zu entsprechen. Dies sorgt für eine effektive Leistungsentnahme über einen breiten Frequenzbereich der Störung. Die Steuerlogik weist einen Sensor auf, z. B. einen Dehnungsmesser, einen Mikrodrucksensor, einen PVDF-Film, einen Beschleunigungsmesser oder einen Verbundsensor, wie z. B. einen Aktivfaser-Verbundsensor, der die Bewegung oder irgendeine andere Eigenschaft der Störung 36 mißt, sowie eine Steuerelektronik. Der Sensor übermittelt ein Sensorsignal zur Steuerelektronik, welche die MOSFETs 40, 42 des Schaltverstärkers ansteuert. Systemzustände, die vom Sensor gemessen werden können, sind unter anderem die Schwingungsamplitude, die Schwingungsart, die physikalische Dehnung, Position, Verschiebung, Beschleunigung, elektrische oder mechanische Zustände, wie z. B. Kraft, Druck, Spannung oder Strom und irgendeine Kombination davon oder deren Änderungsgeschwindigkeit, sowie Temperatur, Luftfeuchte, Höhe oder Luftgeschwindigkeitsrichtung. Im allgemeinen kann jede physikalisch meßbare Größe gemessen werden, die einer mechanischen oder elektrischen Eigenschaft des Systems entspricht.
Mögliche Steuerungsverfahren oder Prozesse zur Bestimmung des Arbeitszyklus der MOSFETs 40, 42 sind unter anderem Geschwindigkeitsrückführung, positive Lagerückführung, Positions-Integral-Differential-Rückführung (PID), linearquadratische Gaußsche Regelung (LPG), modellbasierte Regler oder irgendeiner aus einer großen Zahl von dynamischen Kompensatoren.
Für das oben anhand der 7A–7G beschriebene Beispiel mit einer Störung von 100 Hz wurde eine Schaltfrequenz von 100 kHz verwendet. Es wurde ein Induktivitätswert von 1,68 H gewählt, so daß die Zeitkonstante der Induktionsspule 48 und des Wandlers 16 einer Frequenz von 1000 Hz entspricht. Der Arbeitszyklus der MOSFETs 40, 42 wurde mittels Geschwindigkeitsrückführung geregelt. Die Spannung am Speicherelement 38 wurde auf 60 V eingestellt.
Wie aus 5A ersichtlich, wird in anderen, alternativen Steuerungsverfahren oder -prozessen zur Leistungsentnahme aus dem Wandler 16 der Arbeitszyklus gesteuerter Schalter in der Schaltung auf der Basis der Regelungsgleichungen für einen Boost- oder Buck-Wandler so spezifiziert, daß die Wandlerspannung auf die Spannung des Speicherelements herauf- oder heruntertransformiert wird. Der Boost-Wandler ermöglicht die Stromentnahme aus dem Wandler 16, wenn die am Wandler 16 entwickelte Leerlaufspannung niedriger als die Spannung am Speicherelement 38 ist. Der Buck-Wandler ermöglicht die effiziente Stromentnahme aus dem Wandler 16, wenn die am Wandler 16 entwickelte Leerlaufspannung höher als die Spannung am Speicherelement 38 ist.
Die Steuerungsverfahren oder -prozesse können eine Abschaltbetriebsart einschließen, so daß, wenn die Größe der Spannung am Wandler 16 unter einem bestimmten Grenzwert liegt, die MOSFETs 40, 42 und Teile der Unterstützungselektronik abgeschaltet werden, um einen unnötigen Leistungsverlust vom Speicherelement 38 zu verhindern. Alternativ können die MOSFETs 40, 42 abgeschaltet werden, wenn der durch das Steuerungsverfahren geforderte Arbeitszyklus oberhalb oder unterhalb eines bestimmten Schwellwerts liegt.
9 zeigt den Leistungsfluß zwischen der Störung und dem Speicherelement sowie den Informationsfluß. Die Leistung von der mechanischen Störung wird zum Wandler übertragen, der die mechanische Leistung in elektrische Leistung umwandelt. Die Leistung vom Wandler wird über den Schaltverstärker zum Speicherelement übertragen. Es kann auch Leistung vom Speicherelement über den Schaltverstärker zum Wandler fließen. Der Wandler kann dann jede empfangene elektrische Leistung in me chanische Leistung umwandeln, die ihrerseits auf eine Struktur, z.B. den Körper 4 eines erfindungsgemäßen Skis 2 (10), einwirkt, die eine Störung erzeugt. Die Nettoleistung fließt zum Speicherelement.
Die Leistung für den Sensor und die Steuerelektronik sowie die vom Wandler benötigte zyklische Spitzenleistung wird durch die im Speicherelement gesammelte Energie geliefert, die aus der Störung entnommen wurde. Im Speicherelement gesammelte Energie kann auch oder alternativ zum Betrieb einer externen Anwendung oder der Leistungsentnahmeschaltung selbst benutzt werden.
Zu den Verlusten im System gehören Verluste bei der Energieumwandlung durch den Wandler, Verluste infolge von Spannungsabfällen an den Dioden 44, 46 und den MOSFETs 40, 42, Schaltverluste und Verluste infolge parasitärer Widerstände und Kapazitäten durch Schaltung.
Die Steuerungsverfahren oder -prozesse können in Abhängigkeit davon variieren, ob eine maximale Energieerzeugung oder der Eigenbetrieb eines Wandlers gewünscht wird, der als Betätigungselement für eine Schwingungsdämpfung wirkt. Wenn maximale Energieerzeugung gewünscht wird, dann verwendet eine Regelungsschleife das Signal vom Sensor, um die MOSFETs 40, 42 anzuweisen, eine Spannung an den Wandler 16 anzulegen, die eine Erhöhung der mechanischen Arbeit am Wandler 16 bewirkt, die den Wandler 16 in Phase mit der Störung 36 zusammenzieht und ausdehnt und den Wandler 16 im wesentlichen für die Störung 36 weichmacht. Je mehr Energie jedoch aus der Störung 36 entnommen wird, desto mehr kann die Vibration des Skikörpers 4 (10), welche die Störung 36 erzeugt, verstärkt werden.
Wenn der Wandler 16 benutzt wird, um eine mechanische Störung 36 zu versteifen, nutzt eine Regelungsschleife das Signal vom Sensor zur Einstellung des Arbeitszyklus der MOSFETs 40, 42, um eine Spannung an den Wandler 16 anzulegen, die eine Versteifung der Schwingung bewirkt. Das System liefert eine eigenbetriebene Versteifung insofern, als vom Wandler 16 erzeugte Leistung dazu benutzt wird, den Wandler 16 für die Versteifung anzutreiben.
Wie in 10 erkennbar, können ein oder mehrere Wandler 16 an einer oder mehreren Stellen am Skikörper 4 angebracht, auflaminiert und mit einer Leistungsentnahme-/Ansteuerungs- bzw. Treiberschaltung (einer oder mehr als einer Leistungsentnahme-/Ansteuerungsschaltung) verbunden werden. Durch Deformation des Körpers 4 des Skis 2 wird eine mechanische Störung 36 am Wandler 16 erzeugt.
Der Wandler 16 ist z. B. ein piezoelektrischer Wandler, ein antiferroelektrischer Wandler, ein elektrostriktiver Wandler, ein piezomagnetischer Wandler, ein magnetostriktiver Wandler oder ein Wandler mit magnetischem Formgedächtnis. Beispiele von piezoelektrischen Wandlern sind unter anderem polykristalline Keramiken, wie z. B. PZT 5H, PZT 4, PZT 8, PMN-PT, feinkörniges PZT und PLZT; Polymere, wie z. B. elektrostriktive und ferroelektrische Polymere, beispielsweise PVDF und PVDF-TFE; einkristalline ferroelektrische Materialien, wie z. B. PZN-PT, PMN-PT, NaBiTi-BaTi und Bali; und Verbundstoffe dieser Materialien, wie z. B. Aktivfaser-Verbundstoffe und teilchenförmige Verbundstoffe, im allgemeinen mit 1-3-, 3-3-, 0-3- oder 2-2-Konnektivitätsstrukturen.
Mögliche mechanische Konfigurationen des Wandlers 16 sind unter anderem Scheibe oder Bahn im Dickenschwingungsmodus (33), im Transversalschwingungsmodus (31) oder planaren Modus (p), oder im Scherungsmodus (15), eine ein- oder mehrschichtige, bimorphe oder monomorphe Stapelkonfiguration im Dickenschwingungsmodus (33), ein Stab oder eine Faser, die in Quer- der Längsrichtung der Faser gepolt sind, ein Ring, Zylinder oder Rohr, die radial, in Umfangsrichtung oder axial gepolt sind, radial gepolte Kugeln, Rollen, laminiert für magnetische Systeme. Der Wandler 16 kann in eine mechanische Vorrichtung integriert werden, die außerhalb der Vorrichtung wirkende Kräfte/Drücke und Deformationen in geeignete, vorteilhafte Kräfte/Drücke und Deformationen am Wandler 16 umwandelt.
Die Störung 36 kann eine angelegte Kraft, eine angelegte Verschiebung oder eine Kombination davon sein. Wenn das System durch Spezifikation der Spannungsamplitude am Wandler 16 konstruiert wird, dann sollte für eine am Wandler 16 anliegende Störung in 33-Richtung das Material, aus dem der Wandler 16 besteht, so gewählt werden, daß k_gen ²S_gen ^E maximiert wird, zum Beispiel k₃₃ ²s₃₃ ^E. Wenn das System durch Spezifikation der Dehnung am Wandler 16 konstruiert wird, sollte ein Material gewählt werden, das k_gen ²/s_gen ² maximiert, zum Beispiel k₃₃ ²/s₃₃ ^D. Wenn k_gen der effektive Materialkopplungskoeffizient für die jeweilige verallgemeinerte Störung am Wandler 16 ist, dann ist S_gen ^E die effektive Nachgiebigkeit, bezogen auf die verallgemeinerte Störung oder Verschiebung des Wandlers im Kurzschlußzustand, und S_gen ^D ist die effektive Nachgiebigkeit, bezogen auf die verallgemeinerte Störung oder Verschiebung des Wandlers im Leerlaufzustand.
Wie aus 11 erkennbar, weist in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform eine Schaltung 110 zur Leistungsentnahme vom Wandler 16 ein Speicherelement 120 auf, das zwei in Serie geschaltete Speicherkomponenten 122, 124 aufweist. Eine Seite 126 des Wandlers 16 ist mit einem Mittelknoten 128 der Komponenten 122, 124 verbunden. Durch diese Verbindung wird der Wandler 16 vorgespannt und ein Betrieb der Schaltung 110 bei positiver oder negativer Spannung am Wandler 16 ermöglicht.
In 12 weist eine Schaltung 210 einen Schaltverstärker 216 in H-Brückenschaltung auf. In einem ersten Verfahren betreibt die Steuerlogik 218 die MOSFETs 232, 232a zusammen und die MOSFETs 234, 234a zusammen:

Phase I: Die MOSFETs 232, 232a sind gesperrt, die MOSFETs 234, 234a sind eingeschaltet, Strom fließt durch die MOSFETs 234, 234a, und Energie vom Wandler 16 wird in den Induktionsspulen 240, 240a gespeichert.
Phase II: Die MOSFETs 234, 234a sind gesperrt und die MOSFETs 232, 232a sind eingeschaltet, Strom fließt durch die Dioden 236, 236a, und die in den Induktionsspulen 240, 240a gespeicherte Energie wird zum Speicherelement 20 übertragen.
Phase III: Während der Strom negativ wird, fließt der Strom nicht mehr durch die Dioden 236, 236a, sondern durch die MOSFETs 232, 232a, und Energie vom Speicherelement 20 wird zu den Induktionsspulen 240, 240a übertragen.
Phase IV: Die MOSFETs 232, 232a sind gesperrt, der Stromfluß durch die Dioden 238, 238a steigt an, und die in den Induktionsspulen 240, 240a gespeicherte Energie wird zum Wandler 16 übertragen.

In einem zweiten Betriebsverfahren wird zu irgendeinem gegebenen Zeitpunkt nur die Hälfte der H-Brücke betrieben, in Abhängigkeit von der am Wandler 16 gewünschten Polarität der Spannung. Wird eine positive Spannung gewünscht, dann wird der MOSFET 234a gesperrt, und der MOSFET 232a wird eingeschaltet, wobei die Seite 226a des Wandlers 16 geerdet wird. Die MOSFETs 232 und 234 werden dann auf Durchlaß geschaltet bzw. gesperrt, wie oben unter Bezugnahme auf 6 beschrieben, um die Spannung auf der Seite 226 des Wandlers 16 zu beeinflussen. Wenn am Wandler 16 eine negative Spannung gewünscht wird, dann wird der MOSFET 232 gesperrt, und der MOSFET 234 wird eingeschaltet, wobei die Seite 226 des Wandlers 16 geerdet wird. Die MOSFETs 232a und 234a werden dann ein- und ausgeschaltet, wie oben unter Bezugnahme auf 6 beschrieben, um die Spannung an der Seite 226a des Wandlers 16 zu beeinflussen.
In 13 ist die Schaltung von 12 modifiziert worden, indem eine unabhängige Stromquelle einbezogen wurde, zum Beispiel eine Batterie 250, die den Sensor und die Steuerelektronik speist. Das Speicherelement speichert nach wie vor Energie, die zum Wandler 16 übertragen und von diesem empfangen wird.
Wie aus 14A erkennbar, kann anstelle der Verstärkerelektronik eine vereinfachte Resonanzleistungsentnahmeschaltung 300 zur Leistungsentnahme aus dem Wandler 16 eingesetzt werden. Die Schaltung 300 weist einen Resonanzkreis 302, einen Gleichrichter 304, eine Steuerlogik 306 und ein Speicherelement auf, beispielsweise eine wiederaufladbare Batterie oder einen Kondensator. Der Resonanzkreis 302 enthält Elemente wie z. B. Kondensatoren und Induktionsspulen, die bei Kopplung an den Wandler elektrische Resonanzen im System erzeugen. Der Resonanzkreis 302 sorgt für den Fluß elektrischer Leistung vom und zum Wandler 16. Der Sensor und die Steuerelektronik 308 können benutzt werden, um den Spannungspegel des Speicherelements anzupassen, wobei z. B. ein Nebenschlußregler benutzt wird, oder um den Resonanzkreis durch Einschalten verschiede ner Induktionsspulen oder Kondensatoren innerhalb einer Gruppe von Komponenten mit verschiedenen Werten abzustimmen.
Zum Beispiel wird, wie aus 14B erkennbar, ein piezoelektrischer Wandler 16 mit einem Resonanzkreis 302 verbunden, der durch eine Induktionsspule 312 gebildet wird. Der Resonanzkreis 302 arbeitet in einem schmalen Frequenzband, das vom Induktivitätswert der Induktionsspule 312 abhängig ist. Die Induktivität der Induktionsspule 312 wird so gewählt, daß die Resonanzfrequenz der Kapazität des Wandlers 16 und der Induktivität der Induktionsspule 312 auf oder in den Bereich der dominierenden Frequenz, der Frequenzen oder des Frequenzbereichs der Störung 36 oder auf die Resonanz des mechanischen Systems abgestimmt wird. Der Gleichrichter 304 ist ein spannungsverdoppelnder Gleichrichter mit Dioden 314, 316. Die vom Wandler 16 entnommene Leistung wird in Speicherelementen 318, 320 gespeichert.
Für einen magnetostriktiven Wandler 16 kann der Resonanzkreis 302 einen Kondensator aufweisen, der parallel zum Wandler 16 geschaltet ist.
Die Amplitude der Spannung an der Induktionsspule 312 wächst als Ergebnis der Resonanz, bis die Spannung hoch genug ist, um eine der Dioden 314, 316 in Durchlaßrichtung vorzuspannen. Dies erfolgt, wenn die Spannung an der Induktionsspule 312 höher ist als die Spannung an einem der Speicherelemente 318, 320.
Im Falle einer sinusförmigen Störung, wie sie in einem Ski 2 bei Skilaufen auftritt, kann der durch die Schaltung 310 fließende Strom in vier Phasen beschrieben werden:

Phase I: Während die Wandlerspannung von null ansteigt, fließt kein Strom durch die Dioden 314, 316, solange die Wandlerspannung kleiner als die Spannung an den Speicherelementen 318, 320 ist.
Phase II: Wenn die Wandlerspannung größer wird als die Spannung am Speicherelement 318, wird die Diode 314 in Durchlaßrichtung vorgespannt, und durch die Diode 314 fließt Strom in das Speicherelement 318.
Phase III: Beim Abfall der Wandlerspannung werden die Dioden 314, 316 in Sperrichtung vorgespannt, und es fließt wieder kein Strom durch die Dioden.
Phase IV: Wenn die Wandlerspannung negativ wird und einen größeren Betrag als die Spannung am Speicherelement 320 aufweist, wird die Diode 316 in Durchlaßrichtung vorgespannt, und durch die Diode 316 fließt Strom in das Speicherelement 320. Wenn die Wandlerspannung anzusteigen beginnt, werden die Dioden 314, 316 wieder in Sperrichtung vorgespannt, und die Phase I wiederholt sich.

In den 15A–15G ist ein Beispiel der Leistung dargestellt, die in der Schaltung 310 vom Wandler 16 entnommen wird, wobei die Leerlaufamplitude der Spannung am Wandler 16 10 V beträgt. In diesem Beispiel werden der gleiche Wandler und die gleiche Störung verwendet, wie oben unter Bezugnahme auf 7 beschrieben. Eine Induktionsspule von 168 H wird in diesem Beispiel benutzt, so daß die Zeitkonstante der Induktivität und des Wandlers 100 Hz entspricht.
15A zeigt die am Wandler 16 gemäß 14 anliegende Spannung als Funktion der Zeit. Die Spitzenamplitude der Spannung wächst als Ergebnis der Resonanz, bis sie höher ist als die Spannung an den Speicherelementen 318, 320. Diese Spannung ist höher als der zweifache Wert irgendeiner Spitzenspannung der Leerlaufspannung des Wandlers 16 infolge der Störung 36 allein (siehe 8A). Hier beträgt die Spitzenamplitude der Spannung etwa 60 V. (Die Schaltung kann in rein nichtstationären Szenarien arbeiten, obwohl der nichtstationäre bis stationäre Zustand dargestellt ist).
15B zeigt die Stromwellenform am Wandler 16, und 15C zeigt die Ladungswellenform am Wandler 16. Wegen der Resonanz der Schaltung ist das Maximum des Stromintegrals zum und vom Wandler 16 mehr als zweimal höher als jedes Maximum eines Stromintegrals eines Kurzschlußwandlers aufgrund der Störung allein (siehe 8B und 8C).
Aufgrund des Phasenabgleichs der Strom- und Spannungswellenformen wechselt der Leistungsfluß zum und vom Wandler 16, 15D, zwischen Maxima von etwa 0,02 und –0,02 Watt. Daher fließt Leistung vom Resonanzkreis 312 zum Wandler 16 und vom Wandler 16 zum Resonanzkreis 312 im Verlauf der Störung 36 am Wandler 16, z. B. während eines einzigen sinusförmigen Zyklus 346, wobei die Nettoleistung vom Wandler 16 zum Speicherelement 318, 320 fließt. Der Zyklus braucht nicht sinusförmig zu sein, z. B. in Fällen, wo die Störung mehrere Oberwellen oder einen breiten Frequenzgehalt aufweist, wie z. B. in einer Rechteckwelle, einer Dreieckwelle, einer Sägezahnwelle und in breitbandigem Rauschen.
Die in die Induktionsspule 312 eintretende Leistung ist in 15E dargestellt. Wo die Wellenform positiv ist, wird Leistung in der Induktionsspule 312 gespeichert, und wo die Wellenform negativ ist, wird Leistung von der Induktionsspule 312 abgegeben.
Die entnommene Leistung und Energie sind in den 15F und 15G dargestellt. Während einer Zeitspanne von 0,06 Sekunden werden etwa 1,0 × 10^–4 Joule entnommen.
Die Spannung an den Speicherelementen 318, 320 wird so abgestimmt, daß der Wirkungsgrad der Leistungsentnahme optimiert wird. Zum Beispiel hat die Spannung an den Speicherelementen 318, 320 optimal etwa den halben Wert der Spitzenspannung am Wandler im stationären Zustand, wenn kein Gleichrichter mit dem Wandler gekoppelt wäre und der Wandler und die Induktivität in Parallelschaltung unter der gleichen Störung in Resonanz schwingen würden. Ein adaptives System verwendet einen Sensor zur Anpassung an veränderliche Systemfrequenzen, Dämpfung oder veränderliches Verhalten, um den Resonator anzupassen oder den Spannungspegel der Speicherelemente anzupassen.
16 zeigt den Leistungsfluß zwischen der Störung und dem Speicherelement und den Informationsfluß (unterbrochene Linien). Die Leistung von der mechanischen Störung wird zum Wandler übertragen, der die mechanische Leistung in elektrische Leistung umwandelt. Die Leistung vom Wandler wird über den Resonanzkreis 302 und den Gleichrichter 304 zum Speicherelement übertragen. Es kann auch Leistung vom Resonanzkreis 302 zum Wandler fließen. Der Wandler kann dann jede empfangene elektrische Leistung in mechanische Leistung umwandeln, die ihrerseits auf die mechanische Störung, d.h. den Skikörper 4, einwirkt.
Die Leistung für den Sensor und die Steuerelektronik 308 wird durch die im Speicherelement akkumulierte Energie geliefert, die von der Störung entnommen wurde. Die vom Wandler benötigte zyklische Spitzenleistung wird vom Resonanzkreis 302 geliefert. Im Speicherelement akkumulierte Energie kann auch oder alternativ zum Betrieb einer externen Anwendung oder der Leistungsentnahmeschaltung selbst zur Vibrationsunterdrückung eingesetzt werden.
Statt ein Speicherelement zu verwenden, kann entnommene Leistung direkt zum Betrieb einer externen Anwendung eingesetzt werden.
Ein alternativer Resonanzkreis 322 ist in 17 dargestellt. Die Schaltung 322 weist eine Induktionsspule 312 und vier Dioden 324, 326, 328 und 330 auf, die als Doppelwegbrücke geschaltet sind. Die vom Wandler 16 entnommene Leistung wird im Speicherelement 332 gespeichert.
Der Stromfluß durch die Schaltung 322 kann in vier Phasen beschrieben werden:

Phase I: Bei von null ansteigender Wandlerspannung fließt kein Strom durch die Dioden 324, 326, 328 und 330, solange die Wandlerspannung kleiner als die Spannung am Speicherelement 332 ist.
Phase II: Wenn die Wandlerspannung über die Spannung am Speicherelement 332 ansteigt, werden die Dioden 324, 326 in Durchlaßrichtung vorgespannt, und es fließt ein Strom durch die Dioden 324, 326 in das Speicherelement 332.
Phase III: Mit abfallender Wandlerspannung werden alle Dioden in Sperrichtung vorgespannt, und das System arbeitet im Leerlaufzustand bzw. als offener Stromkreis.
Phase IV: Wenn die Wandlerspannung negativ wird und einen Betrag aufweist, der höher als die Spannung am Speicherelement 332 ist, werden die Dioden 328 und 330 in Durchlaßrichtung vorgespannt, und durch die Dioden 328 und 330 fließt Strom in das Speicherelement 332. Wenn die Wandlerspannung anzusteigen beginnt, werden alle Dioden wieder in Sperrichtung vorgespannt, und Phase I wiederholt sich.

Wie aus 18 ersichtlich, weist eine weiterentwickelte Resonanzschaltung 350 zwei Kondensator- und Induktionsspulenpaare 352, 354 bzw. 355, 356 und zwei Resonanzspulen 357, 358 auf. Jedes Kondensator/Spule-Paar ist auf eine andere interessierende Frequenz abgestimmt. Daher weist die Schaltung 350 mehrere Resonanzen auf, die auf mehrere Störungsfrequenzen oder in deren Bereich oder auf mehrere Resonanzen des mechanischen Systems abgestimmt werden können. Um die Anzahl der Resonanzen in der Schaltung 350 zu erhöhen, können zusätzliche Kondensatoren und Induktionsspulen eingebaut werden. Breitbandverhalten kann erreicht werden, indem ein Widerstand in Reihe oder parallel zu den Induktionsspulen geschaltet wird. 18 zeigt den Resonanzkreis 350, der an einen spannungsverdoppelnden Gleichrichter 360 angeschlossen ist, der ebenso wie in 14B arbeitet.
Die verschiedenen Resonanzkreise von 14B und 18 können an unterschiedliche Gleichrichterschaltungen angeschlossen werden, wie z. B. einen Doppelwegbrückengleichrichter oder einen N-stufigen parallel gespeisten Gleichrichter.
Eine passive spannungsverdoppelnde Gleichrichterschaltung 410 zur Leistungsentnahme aus dem Wandler 16 ist in 19 dargestellt. Die Schaltung 410 weist Dioden 414, 416 auf. Aus dem Wandler 16 entnommene Leistung wird in Speicherelementen 418, 420 gespeichert.
Der Stromfluß durch die Schaltung 410 kann in vier Phasen beschrieben werden:

Phase I: Bei von null ansteigender Wandlerspannung fließt kein Strom durch die Dioden 414, 416, solange die Wandlerspannung niedriger als die Spannung am Speicherelement 418 ist.
Phase II: Wenn die Wandlerspannung über die Spannung am Speicherelement 418 ansteigt, wird die Diode 414 in Durchlaßrichtung vorgespannt, und durch die Diode 414 fließt Strom in das Speicherelement 418.
Phase III: Mit abfallender Wandlerspannung werden die Dioden 414, 416 in Sperrichtung vorgespannt, und die Schaltung arbeitet im Leerlaufzustand.
Phase IV: Wenn die Wandlerspannung negativ wird und einen Betrag aufweist, der höher als die Spannung am Speicherelement 420 ist, wird die Diode 416 in Durchlaßrichtung vorgespannt, und durch die Diode 416 fließt Strom in das Speicherelement 420. Wenn die Wandlerspannung anzusteigen beginnt, werden die Dioden 414, 416 in Sperrichtung vorgespannt, und Phase I wiederholt sich.

In den 20A–20F ist ein Beispiel der Leistung graphisch dargestellt, die in der Schaltung 410 vom Wandler 16 entnommen wird, wobei die Leerlaufamplitude der Spannung am Wandler 16 gleich 10 V wäre. 20A zeigt die Spannung am Wandler 16 als Funktion der Zeit. Die Spitzenamplitude der Spannung beträgt etwa 5 V. 20B zeigt die Stromwellenform am Wandler 16, und 20C zeigt die Ladungswellenform.
Die zum und vom Wandler 16 fließende Leistung, 20D, hat einen Spitzenwert von etwa 5 × 10^–4 Watt. Die entnommene Leistung und Energie sind in den 20E und 20F dargestellt. Während einer Zeitspanne von 0,06 Sekunden werden etwa 0,75 × 10^–5 Joule Energie entnommen.
Die Spannung an den Speicherelementen 418, 420 wird so abgestimmt, daß die Leistungsentnahme optimiert wird. Die Spannung an den Speicherelementen 418, 420 hat optimal etwa den halben Wert der Spannung, die an einem Wandler im Leerlaufzustand auftreten würde, der die gleiche mechanische Störung erfährt.
Wie aus 21 erkennbar, ist in einem passiven, N-stufigen, parallel gespeisten Spannungsgleichrichter 430 die Spannung des Speicherelements 432 gleich dem N-fachen der Spannungsamplitude der Störung. Die Kondensatoren 434, 436 wirken als Energiespeicherelemente, wobei die Spannung in jeder Stufe höher ist als die Spannung in der vorhergehenden Stufe. Die Kondensatoren 438, 440 und 442 wirken als Pumpen, die durch Dioden 444–449 Ladung von jeder Stufe zur nächsten transportieren. In den Gleichrichter 430 kann ein Resonanzkreis eingebaut werden, wie oben beschrieben.
Ein Wandler kann unterteilt werden, und verschiedene Elektroden- oder Spulenkonfigurationen, d. h. die elektrischen Anschlüsse des Wandlers 16, können zur Optimierung elektri scher Eigenschaften benutzt werden. Solche Konfigurationen sind für piezoelektrische Wandler in den 22A und 22B dargestellt, wobei für das gleiche Materialvolumen und die gleiche äußere Störung verschiedene Elektrodenkonfigurationen Kompromisse zwischen Spannung- und Stromabgabe des Wandlers 12 bilden. Zum Beispiel ist in 22A der Wandler 16 in Längsrichtung in Segmente unterteilt und elektrisch parallel zu den Elektroden 450, 452 und 454 geschaltet, wodurch ein höherer Strom und höhere Spannung bereitgestellt werden. In 22B ist die Wandlerfläche in Abschnitte unterteilt und elektrisch in Reihe mit den Elektroden 456, 458, 460 und 462 geschaltet, wodurch höhere Spannung und niedrigerer Strom bereitgestellt werden.
Wie aus 23 erkennbar, weist eine Schaltung 500 zur Entnahme von elektrischer Leistung aus einem Wandler 501 eine Induktionsspule 502 und zwei symmetrische Teilschaltungen 504a, 504b auf. Jede Teilschaltung 504a, 504b weist eine Diode 505a, 505b, ein Schaltelement 506a, 506b, ein Speicherelement 507a, 507b und eine Steuerschaltung 508a bzw. 508b auf. Das Schaltelement 506a, 506b ist z. B. ein MOSFET, ein Bipolartransistor, ein Bipolarfeldeffekttransistor mit isoliertem Gate (IGBT) oder ein steuerbarer Siliciumgleichrichter (SCR). Das Speicherelement 507a, 507b ist z. B. ein Kondensator, eine Akkumulatorbatterie oder eine Kombination davon.
Die Schaltung 500 wird vorzugsweise zur Versteifung von Torsionsschwingungen des Bretts zum Skilaufen benutzt, mit dem der Wandler 501 gekoppelt ist.
Die Arbeitsweise der Schaltung 500 wird unter Bezugnahme auf die 24A–24C beschrieben. Zur Bezugnahme zeigt 24A die Spannung am Wandler 501 als Ergebnis einer oszillierenden äußeren Störung, in Abwesenheit der Schaltung 500. Der Betrieb der Schaltung 500 kann in vier Phasen unterteilt werden. Die 24B und 24C zeigen graphische Darstellungen der vier Phasen, wobei 24B die Spannung am Wandler 501 als Funktion der Zeit und 24C den Strom durch den Wandler 501 als Funktion der Zeit darstellt.

Phase I: Während die Spannung am Wandler 501 als Reaktion auf die oszillatorische Störung ansteigt, sind beide Schalter 506a und 506b in der Aus-Stellung, und durch die Schalter fließt kein Strom.
Phase II: Nachdem die Spannung am Wandler 501 ihr Maximum erreicht, schaltet die Steuerschaltung 508a den Schalter 506a ein. Vom Wandler 501 fließt Strom durch die Induktionsspule 502, die Diode 505a und den Schalter 506a zum Energiespeicherelement 507a.
Phase IIa: Während der Schalter 506a eingeschaltet ist, steigt die Amplitude des Stroms vom Wandler 501 an, und in der Induktionsspule 502 und im Speicherelement 507a wird Energie gespeichert. In dem Prozeß nimmt die Spannung am Wandler 501 ab, und die Spannung am Speicherelement 507a nimmt zu. Der Strom vom Wandler 501 steigt weiter an, bis die Spannung an der Induktionsspule 502 null erreicht.
Phase IIb: Während der Strom vom Wandler 501 abzunehmen beginnt, wird die in der Induktionsspule 502 gespeicherte Energie freigesetzt und zwingt die Spannung am Wandler 501, unter null abzufallen. Dies dauert an, bis die Energie in der Induktionsspule 502 erschöpft ist, an welchem Punkt die Spannung am Wandler 501 den negativen Wert der Spannung erreicht, die sie vor Beginn der Phase II hatte.
Phase III: Während beide Schalter 506a, 506b für die nächste Halbwelle ausgeschaltet sind, fällt die Spannung am Wandler 501 als Reaktion auf die oszillatorische Störung weiter ab.
Phase IV: Nachdem die Spannung am Wandler 501 ein Minimum erreicht, wird der symmetrische Teil 504b der Schaltung aktiviert. Die Steuerschaltung 508b schaltet den Schalter 506b ein. Der Strom vom Wandler 501 fließt durch die Induktionsspule 502, die Diode 505b und den Schalter 506b zum Energiespeicherelement 507b.
Phase IVa: Während der Schalter eingeschaltet ist, nimmt die Amplitude des Stroms vom Wandler 501 zu, und in der Induktionsspule 502 und im Speicherelement 507b wird Energie gespeichert. In dem Prozeß nimmt die Spannung am Wandler 501 ab, und die Spannung am Speicherelement 507b nimmt zu. Der Strom vom Wandler 501 nimmt weiter zu, bis die Spannung an der Induktionsspule 502 null erreicht.
Phase IVb: Während der Strom vom Wandler 501 abzunehmen beginnt, wird die in der Induktionsspule 502 gespeicherte Energie freigesetzt und zwingt die Spannung am Wandler 501, unter null abzufallen. Dies dauert an, bis die Energie in der Induktionsspule 502 erschöpft ist, an welchem Punkt die Spannung am Wandler 501 den negativen Wert der Spannung erreicht, die sie vor Beginn der Phase IV hatte.

Während der Wiederholung der vier Phasen nimmt der Betrag der Spannung am Wandler 501 zu. Die Spannung kann vielfach höher sein als die Spannung, die man bei Abwesenheit der Schaltung 500 am Wandler 501 gemessen hätte. Als Ergebnis wird während der Phasen II und IV mehr Energie aus dem Wandler 501 entnommen.
Um den Ski 2 zu versteifen, wird vorzugsweise die in 23 dargestellte Schaltung 500 mit dem Wandler 501 verbunden. Die Schaltung 500 weist zwei Energiespeicherelemente 507a und 507b auf, die zur Speicherung von Energie vorgesehen sind, die während des Skilaufens aus dem Wandler entnommen wird. Sobald der Ski schwingt, wandelt der Wandler die daran angelegte mechanische Störung in ein Spannungssignal um. Während der Phasen II und IV wird dieses Spannungssignal zur Speicherung elektrischer Energie in den Energiespeicherelementen 507a bzw. 507b genutzt. Diese gespeicherte elektrische Energie wird dann während der Phasen III und I (siehe 24B) zur aktiven Versteifung des Skis 2 verwendet, indem die elektrische Energie zum Wandler zurückgeführt wird. Der Zeittakt der Schalter 506a und 506b wird so gesteuert, daß die Spannung, die auf diese Weise dem Wandler zugeführt wird, veranlaßt, daß der Wandler sie in mechanische Energie wandelt, die der Vibrationsbewegung des Skis entgegenwirkt und daher den Ski aktiv gegenüber der Schwingung versteift. Aus einem Vergleich der 24A und 24B ist ersichtlich, daß die von der Schaltung 500 an den Wandler angelegte Spannung zwischen zwei aufeinander folgenden Schwingungsmaxima (d. h. den Maxima der Kurve von 24A) ihre Polarität nicht ändert. Daher übt die angelegte Spannung eine Kraft auf den Ski 2 aus, die der Bewegungsrichtung der Schwingung von einem Maximum zum nächsten Maximum (z. B. Phase III) entgegenwirkt. Anschließend erzwingt die Schaltung einen Polaritätswechsel der Spannung am Wandler. Während der Rückwärtsbewegung der Schwingung (Phase I) wird eine entgegengesetzte Spannung an den Wandler angelegt, wodurch eine Kraft angreift, die wieder der Bewegung des Skis entgegenwirkt und die Schwingung des Skis 2 versteift.
Wie aus 25 erkennbar, weist die Steuerschaltung 508a bzw. 508b eine Filterschaltung 531 zur Verarbeitung der Spannung am Schalter 506a bzw. 506b sowie eine Schalteransteuerschaltung 532 auf. In dieser Ausführungsform wird die Steuerschaltung von einer nicht dargestellten externen Spannungsquelle betrieben, wie z. B. einer Batterie oder Stromversorgung. Die Filterschaltung 531 differenziert das Signal und schaltet den Schalter ein, wenn die Spannung am Schalter abzunehmen beginnt. Außerdem kann die Filterschaltung 531 Komponenten zur Rauschunterdrückung und zum Einschalten des Schalters aufweisen, wenn die Spannung am Schalter größer als ein vorgegebener Schwellwert wird. Die Filterschaltung 531 kann außerdem Resonanzelemente enthalten, um auf spezifische Störungsarten zu reagieren.
Wie aus 26 erkennbar, weist die Steuerschaltung in einer alternativen Ausführungsform ein Speicherelement 541 auf, das durch Strom vom Wandler 501 aufgeladen wird. Das Speicherelement 541 dient dann als Stromfilterschaltung 531 und Schalteransteuerschaltung 532. Diese Ausführungsform ist in dem Sinne eigenbetrieben, als keine externe Stromversorgung benötigt wird.
Wie aus 27 erkennbar, erfordert eine eigenbetriebene Schaltung 550 zur Entnahme elektrischer Leistung aus einem Wandler 501 keine externe Stromquelle zur Betrieb der Steuerschaltungen 549a, 549b und des Wandlers 501. Ein Kondensator 551, der über einen Widerstand 552 und/oder über einen Widerstand 554, einen Kondensator 555 und eine Diode 557 während der Phase I des Schaltungsbetriebs aufgeladen wird (d. h. während die Spannung am Wandler ansteigt), wirkt als Speicherelement 541. Eine Zenerdiode 553 verhindert, daß die Spannung am Kondensator 551 erwünschte Grenzwerte übersteigt. Wenn die Spannung am Wandler 501 abzunehmen beginnt, schaltet ein Filter (Widerstand 554 und Kondensator 555) einen p-Kanal-MOSFET 556 ein. Der MOSFET 556 schaltet dann den Schalter 506a ein, wobei die im Kondensator 551 gespeicherte Energie zum Betrieb des Gates des MOSFETs 556 verwendet wird. In diesem Prozeß wird der Kondensator 551 entladen, wodurch der Schalter 506a nach einem gewünschten Zeitintervall ausgeschaltet wird. Der gleiche Prozeß wird dann in der zweiten Hälfte der Schaltung wiederholt.
Wie aus 28 erkennbar, weist eine Schaltung 569 zur Entnahme elektrischer Leistung aus einem Wandler 570 einen Gleichrichter 571, eine Induktionsspule 572, ein Schaltelement 573, ein Speicherelement 574 und eine Steuerschaltung 575 auf. Das Schaltelement 573 ist z. B. ein MOSFET, ein Bipolartransistor, ein Bipolarfeldeffekttransistor mit isoliertem Gate (IGBT) oder ein steuerbarer Siliciumgleichrichter (SCR). Das Speicherelement 574 ist z. B. ein Kondensator, eine Akkumulatorbatterie oder eine Kombination davon. Die Steuerschaltung 575 entspricht der eigenbetriebenen Steuerschaltung 549a, die weiter oben unter Bezugnahme auf 27 beschrieben wurde. Der Gleichrichter weist erste und zweite Eingangsanschlüsse 571a, 571b und erste und zweite Ausgangsanschlüsse 571c, 571d auf. Die ersten und zweiten Eingangsanschlüsse 571a, 571b sind an die ersten und zweiten Anschlüsse 570a, 570b des Wandlers 570 angeschlossen. Die Induktionsspule 572 weist erste und zweite Anschlüsse 572a, 572b auf. Der erste Anschluß 572a der Induktionsspule 572 ist an den ersten Ausgangsanschluß 571c des Gleichrichters 571 angeschlossen. Das Schaltelement 573 ist an den zweiten Anschluß 572b der Induktionsspule 572 und den zweiten Ausgangsanschluß 571d des Gleichrichters 571 angeschlossen.
Wie aus 29 erkennbar, weist eine Schaltung 510 zur Schwingungsdämpfung eines Schlägers, an dem ein Wandler 511 angebracht ist, eine Energieableitungskomponente 513, wie z. B, einen Widerstand, in der Schaltung auf. Die Schaltung 510 enthält außerdem eine Induktionsspule 512 und zwei symmetrische Teilschaltungen 514a, 514b. Jede Teilschaltung 514a, 514b weist eine Diode 516a bzw. 516b, ein Schaltelement 517a bzw. 517b und eine Steuerschaltung 518a bzw. 518b auf. Das Schaltelement 517a, 517b ist z. B. ein MOSFET, Bipolartransistor, ein Bipolarfeldeffekttransistor mit isoliertem Gate (IGBT) oder ein steuerbarer Siliciumgleichrichter (SCR). Das Dissipations- bzw. Ableitungselement 513 kann eliminiert werden, wenn der Eigenenergieverlust in den übrigen Schaltungskomponenten für eine ausreichende Energiedissipation sorgt.
30 zeigt eine Implementierung der Schaltung gemäß 29, welche die eigenbetriebene Steuerschaltung 549a, 549b enthält, die weiter oben unter Bezugnahme auf 28 beschrieben wurde.
Wie aus 31 erkennbar, weist eine Schaltung 520 zur Schwingungsversteifung, z.B. einer Torsionsschwingung, eines Skis 2, an dem ein Wandler 521 angebracht ist, eine Induktionsspule 522, eine Energieableitungskomponente 523, wie z. B. einen Widerstand, und zwei symmetrische Teilschaltungen 524a, 524b auf. Jede Teilschaltung 524a bzw. 524b enthält eine Diode 525a bzw. 525b, ein Schaltelement 526a bzw. 526b und eine Steuerschaltung 527a bzw. 527b. Das Schaltelement 526a, 526b ist z. B. ein MOSFET, Bipolartransistor, ein Bipolarfeldeffekttransistor mit isoliertem Gate (IGBT) oder ein steuerbarer Siliciumgleichrichter (SCR). Die Dissipations- bzw. Ableitungskomponente 523 kann eliminiert werden, wenn der Eigenenergieverlust in den übrigen Schaltungskomponenten für eine ausreichende Energiedissipation sorgt. Die Steuerschaltung 527a, 527b kann der Beschreibung entsprechen, die weiter oben unter Bezugnahme auf 30 gegeben wurde.
Die Anordnung der Dissipationskomponente in den 29 und 31 beeinflußt die Größe der Schaltungskomponenten, die so gewählt werden, daß die gewünschte Dissipation erreicht wird. Die jeweilige Anordnung ist von der Amplitude und Frequenz der Vibrationen der mechanischen Störung und von der Kapazität des Wandlers abhängig.
Wie aus 32 erkennbar, weist eine Schaltung 580 zur Entnahme elektrischer Leistung von einem Wandler 581 eine Induktionsspule 582 und zwei symmetrische Teilschaltungen 583a, 583b auf. Jede Teilschaltung 583a bzw. 583b weist ein Paar Dioden 584a und 585a bzw. 584b und 585b, einen Kondensator 586a bzw. 586b, eine Induktionsspule 587a bzw. 587b, ein Schaltelement 588a bzw. 588b, eine Steuerschaltung 589a bzw. 589b und ein Speicherelement 593a bzw. 593b auf. Das Schaltelement 588a, 588b ist z. B. ein MOSFET, Bipolartransistor, ein Bipolarfeldeffekttransistor mit isoliertem Gate (IGBT) oder ein steuerbarer Siliciumgleichrichter (SCR). Die Induktionsspule 582 weist einen ersten Anschluß 582a auf, der mit einem ersten Anschluß 581a eines Wandlers 581 verbunden ist, und einen zweiten Anschluß 582b, der mit der Teilschaltung 583a verbunden ist. Die Teilschaltung 583a ist außerdem mit einem zweiten Anschluß 581b des Wandlers 581 verbunden. Die Teilschaltung 583b ist ferner mit dem zweiten Anschluß 582b der Induktionsspule 582 und dem zweiten Anschluß 581b des Wandlers 581 verbunden. Die Speicherelemente 593a, 593b weisen relativ hohe Kapazitätswerte auf, und daher ist ihre Spannung im Vergleich zur Wandlerspannung oder zur Spannung an den Kondensatoren 586a, 586b niedrig. Dioden 584a, 584b, 585a, 585b gewährleisten, daß Leistung in die Speicherelemente 593a, 593b fließt.
Die Schaltung 580 kann auch zur Schwingungsversteifung eines Skis benutzt werden, mit dem ein Wandler 531 gekoppelt ist. Zu diesem Zweck. können die Speicherelemente 593a, 593b durch Dissipationskomponenten ausgetauscht werden, z. B. durch Widerstände, wie in 27. Alternativ kann eine Dissipationskomponente parallel zum Wandler 581 geschaltet werden, wie in 31. Die Dissipationskomponente kann eliminiert werden, wenn der Eigenenergieverlust in den übrigen Schaltungskomponenten für ausreichende Energiedissipation sorgt.
Die Arbeitsweise der Schaltung 580 wird unter Bezugnahme auf die 33A–33C beschrieben. 33A zeigt die Spannung am Wandler 581 als Funktion der Zeit und kann mit der Wellenform von 24B verglichen werden. Die zusätzlichen Induktionsspulen 587a, 587b und Kondensatoren 586a, 586b in jeder Teilschaltung führen in Kombination mit Steuerschaltungen 589a, 589b, die weiter unten beschrieben werden, zu mehreren Stufen in der Spannung während der Phase II und der Phase IV. Die 33B und 33C geben eine detailliertere Darstellung der Spannung am Wandler 581 und am Kondensator 586a während der Phase II.

Phase I: Während die Spannung am Wandler 581 als Reaktion auf die oszillatorische Störung ansteigt, befinden sich beide Schalter 588a, 588b in der Aus-Stellung, und durch die Schalter fließt kein Strom. Die Spannung am Kondensator 586a ist effektiv gleich der Spannung am Wandler 581.
Phase II: Nachdem die Spannung am Wandler 586a das Maximum erreicht, schaltet die Steuerschaltung 589a den Schalter 588a ein. Vom Kondensator 586a fließt Strom 590 über die Diode 585a und die Induktionsspule 587a zum Schalter 588a. Daher fällt die Spannung am Kondensator 586a schnell ab. Während die Spannung am Kondensator 586a unter die Spannung am Wandler 581 abfällt, beginnt Strom 592 vom Wandler 581 durch die Induktionsspule 582 und die Diode 584a zum Kondensator 586a zu fließen. Wenn der Strom 592 größer als der Strom 590 wird, hört die Spannung am Kondensator 586a auf abzunehmen und beginnt anzusteigen. Der Schalter 588a wird abgeschaltet, sobald die Spannung am Kondensator 586a anzusteigen beginnt. Der Strom vom Wandler 581 bewirkt dann eine schnelle Zunahme der Spannung am Kondensator 586a auf einen Wert, der möglicherweise größer ist als ihr Wert vor Beginn der Phase II. Während dieses Prozesses verringert sich die Spannung am Wandler 581 auf einen Bruchteil ihres Wertes vor der Phase II. Nach einer kurzen Verzögerung schaltet die Steuerschaltung den Schalter 588a wieder ein, und der Prozeß wird während der Phase II mehrmals wiederholt. Daher nimmt die Spannung am Wandler 581 in mehreren Schritten ab.
Phase III: Während beide Schalter 588a, 588b während der nächsten Halbperiode ausgeschaltet sind, nimmt die Spannung am Wandler 581 als Reaktion auf die oszillatorische Störung weiter ab. Die Spannung am Kondensator 586b ist effektiv gleich der Spannung am Wandler 581.
Phase IV: Nachdem die Spannung am Kondensator 586 ein Maximum erreicht, wiederholt sich der Prozeß von Phase II für die Teilschaltung 583b.

Während der Wiederholung der vier Phasen nimmt der Betrag der Spannung am Wandler 581 zu. Die mehreren Schaltereignisse, die während der Phasen II und IV auftreten, verzögern im wesentlichen den Übergang der Wandlerspannung, der während dieser Phasen auftritt. Als Ergebnis wird im Verlauf der Versteifung der niederfrequenten Schwingung im Vergleich zur Schaltung von 23 in dem Ski, mit dem der Wandler 581 gekoppelt ist, weniger hochfrequentes Rauschen verursacht.
Wie aus 34 erkennbar, ist eine bevorzugte Ausführungsform der Steuerschaltung 589a eigenbetrieben und erfordert keine äußere Stromversorgung. Ein Kondensator 611 wird über einen Widerstand 610 und/oder über einen Widerstand 615, einen Kondensator 616, eine Diode 621 und einen Transistor 617 während der Betriebsphase I der Schaltung (d. h. während die Spannung am Wandler ansteigt) aufgeladen. Eine Zenerdiode 612 verhindert, daß die Spannung am Kondensator 611 erwünschte Grenzwerte übersteigt. Wenn die Spannung am Kondensator 586a abzunehmen beginnt, schaltet ein Hochpaßfilter (Widerstand 615 und Kondensator 616) einen p-Kanal-MOSFET 614 ein. Der MOSFET 614 schaltet einen Schalter 588a ein, wobei die Energie vom Kondensator 611 zum Betrieb des Gates des Schalters 588a genutzt wird. Durch die Induktionsspule 587a fließt Strom 590, und der Schalter 588a bewirkt, daß die Spannung am Kondensator 586a schnell abnimmt. Mit abnehmender Spannung am Kondensator 586a beginnt Strom 592 vom Wandler 581 durch die Induktionsspule 582 und die Diode 584a zum Kondensator 586a zu fließen. Wenn der Strom 592 größer als der Strom 590 wird, hört die Spannung am Kondensator 586a auf abzunehmen und beginnt zuzunehmen, an welchem Punkt ein Hochpaßfilter (Kondensator 613) den MOSFET 614 über die Diode 621 sperrt und den Transistor 617 auf Durchlaß schaltet, wodurch veranlaßt wird, daß der Transistor 619 auf Durchlaß schaltet. Als Ergebnis wird der Schalter 588a ausgeschaltet. Der Prozeß wird mehrmals wiederholt, wodurch die Spannung am Wandler 581 in einer Reihe von Stufen abnimmt, wie in 33 dargestellt.
Die Charakteristik des erfindungsgemäßen Skis 2 ist in 3A, 3B und 3C dargestellt, während in 4A, 4B und 4C die Charakteristik des gleichen Skis ohne Wandler oder elektrische Schaltung zum Vergleich dargestellt ist. Die Messungen, die in 3A, 3B und 3C dargestellt sind, beruhen auf dem Skiaufbau, wie mit Bezug auf 1 und 2 beschrieben. Bei den Messungen, die in 3 und 4 gezeigt sind, war eine Torsionsschwingung im Ski herbeigeführt worden, woraufhin das Schwingungsverhalten analysiert wurde. In 3A und 4A ist jeweils die Wellenform der Schwingung als Beschleunigung im Verhältnis zur Zeit für den erfindungsgemäßen Ski 2 und den gleichen Ski ohne die Wandler und elektrische Schaltung dargestellt. Wie man aus einem Vergleich dieser Diagramme erkennen kann, wird die Schwingung, die im erfindungsgemäßen Ski herbeigeführt wird, beträchtlich schneller reduziert (3A) als in dem bekannten Ski (4A), d. h. der Ski wird durch Gegenwirkung mittels der Wandler und der elektrischen Schaltung gegen die Verformung infolge der Schwingung aktiv versteift. Dies ist auch aus 3B und 4B erkennbar, wobei die jeweiligen logarithmischen Dekremente Δ (Delta) für beide Schwingungen dargestellt sind. Das heißt, das logarithmische Dekrement Δ (Delta) beträgt im erfindungsgemäßen Ski berechnungsgemäß etwa 3,95, während das logarithmische Dekrement Δ (Delta) im bekannten Ski annähernd 2,60 beträgt. Eine vorteilhafte Wirkung kann auch in bezug auf die Amplitude der Schwingung erkannt werden, die erfindungsgemäß bei einer Eigenfrequenz von etwa 88,0 Hz, etwa 10,30 Einheiten, liegt, während bei dem bekannten Ski die Amplitude bei einer Eigenfrequenz von etwa 94,1 Hz 16,75 Einheiten beträgt. Dies ist in 3C bzw. 4C dargestellt. Diese Messungen führen zu einem Dämpfungsgrad von etwa 0,0071 bei dem erfindungsgemäßen Ski und zu einem Dämpfungsgrad von etwa 0,0044 bei dem bekannten Ski.
Im allgemeinen sind erfindungsgemäß der mindestens eine Wandler und die elektrische Schaltung dafür angepaßt, das Brett in einem Frequenzbereich zwischen 60 und 180 Hz, vorzugsweise zwischen 85 und 120 Hz zu versteifen. Ferner sind der/die Wandler und die elektrische Schaltung vorzugsweise dafür angepaßt, die Schwingungsamplitude um einen Faktor von mindestens 1,5, vorzugsweise mindestens 2,0 zu reduzieren. Der Dämpfungsgrad ist vorzugsweise im Bereich zwischen 0,0050 und 0,0100 und besonders bevorzugt zwischen 0,0065 und 0,0075.
Die Versteifungswirkung des erfindungsgemäßen Bretts überschreitet eine bloße Dämpfung, da der Wandler und die elektrische Schaltung nicht nur die Materialcharakteristik des Bretts durch Zerstreuung elektrischer Energie beeinflussen, sondern der/die Wandler in Kombination mit der sich selbst versorgenden elektrischen Schaltung auch aktiv gegen die Schwingungsbewegung der Torsionsschwingung wirken. Auf der Grundlage dieses Konzepts kann die verbesserte Verhaltenscharakteristik des erfindungsgemäßen Bretts erreicht werden.

Claims

Brett (2) zur Durchführung von Skisport mit einem sich in Längsrichtung erstreckenden Körper (4) mit einer Längsachse (6), mindestens einem Wandler-Stellglied (16), das auf den Körper (4) auflaminiert ist und bei Verformung des Körpers auch mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt, und einer mit dem Wandler-Stellglied (16) verbundenen elektrischen Schaltung (20), wobei die elektrische Schaltung (20) Energie an das Wandler-Stellglied (16) liefert, wobei die gesamte an das Wandler-Stellglied (16) gelieferte elektrische Energie von der Energie abgeleitet wird, die aus der mechanischen Verformung des Wandler-Stellglieds (16) entnommen wird, und das Wandler-Stellglied (16) die elektrische Energie in mechanische Energie umwandelt, wobei die mechanische Energie angepaßt ist, um das Brett (2) aktiv zu versteifen.
Brett nach Anspruch 1, wobei die elektrische Verbindung zwischen dem mindestens einen Wandler-Stellglied (16) und der elektrischen Schaltung (20) mittels auflaminierter Flex-Schaltungen (18) hergestellt ist.
Brett nach Anspruch 1 oder 2, wobei das mindestens eine Wandler-Stellglied (16) eine langgestreckte Form, vorzugsweise eine rechteckige Form, hat und auf den Körper (4) benachbart zu einer Lauffläche des Bretts (2) auflaminiert ist.
Brett nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei zwei Wandler-Stellglieder (16) auf dem Körper (4) des Bretts (2) vorgesehen sind, die mit der gleichen elektrischen Schaltung (20) elektrisch verbunden sind.
Brett nach Anspruch 4, wobei jedes der langgestreckten Wandler-Stellglieder (16) auf dem Körper (4) des Bretts (2) unter einem Winkel von etwa 30° bis 60°, vorzugsweise 45°, in bezug auf die Längsachse (6) des Bretts (2) vorgesehen ist.
Brett nach Anspruch 4 oder 5, wobei die beiden Wandler-Stellglieder (16) senkrecht zueinander und jeweils schräg zur Längsachse (6) des Körpers (4) vorgesehen sind.
Brett nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das mindestens eine Wandler-Stellglied (16) an einem Schwingungsbauch einer Torsionsschwingung angeordnet ist und die elektrische Schaltung (20) dafür angepaßt ist, einen ersten Modus der Torsionsschwingung zu minimieren oder zu unterdrücken.
Brett nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das mindestens eine Wandler-Stellglied (16) und die elektrische Schaltung (20) dafür angepaßt sind, das Brett (2) in einem Frequenzbereich zwischen 60 und 180 Hz, vorzugsweise zwischen 85 und 120 Hz, zu versteifen.
Brett nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das mindestens eine Wandler-Stellglied (16) und die elektrische Schaltung (20) dafür angepaßt sind, die Schwingungsamplitude um einen Faktor von mindestens 1,5, vorzugsweise 2,0, zu reduzieren.
Brett nach einem der Ansprüche 1 bis 9 mit einem Dämpfungsgrad im Bereich zwischen 0,0050 und 0,0100, vorzugsweise zwischen 0,0065 und 0,0075 und besonders bevorzugt von etwa 0,0071.
Brett nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Wandler-Stellglied (16) ein fasriges Wandler-Material aufweist.
Brett nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die elektrische Schaltung (20) ein Speicherelement zum Speichern der vom Wandler-Stellglied (16) entnommenen Energie aufweist.
Brett nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Wandler-Stellglied (16) mindestens eines von folgendem ist: ein piezoelektrisches, ein antiferroelektrisches, ein elektrostriktives, ein piezomagnetisches, ein magnetostriktives, ein magnetisches Formgedächtnis- und ein piezokeramisches Material.
Brett nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das mindestens eine Wandler-Stellglied (16) eine Größe von etwa 8 bis 16 cm², vorzugsweise 10 bis 14 cm² und besonders bevorzugt etwa 12 cm² hat.
Brett nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei das Wandler-Stellglied (16) ein Verbundmaterial mit einer Serie von flexiblen langgestreckten Fasern aufweist, die in einer parallelen Anordnung angeordnet sind.
Brett nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei zwei Wandler-Stellglieder (16) in der Längsrichtung des Bretts (2) voneinander beabstandet sind.
Verfahren zum Versteifen eines Bretts (2) zur Durchführung von Skisport mit den Schritten: a) Umwandeln mechanischer Energie, die in mindestens ein auf das Brett (2) auflaminiertes Wandler-Stellglied (16) eingebracht wird, bei Verformung des Bretts in elektrische Energie; b) Liefern der elektrischen Energie an eine mit dem Wandler-Stellglied (16) verbundene elektrische Schaltung (20); c) Liefern von Leistung von der elektrischen Schaltung (20) an das Wandler-Stellglied (16), wobei die gesamte an das Wandler-Stellglied (16) gelieferte elektrische Energie von der Energie abgeleitet wird, die aus der mechanischen Verformung des Wandler-Stellglieds (16) entnommen wird; und d) Umwandeln der elektrischen Energie in mechanische Energie durch das Wandler-Stellglied (16), so daß das Brett (2) durch Gegenwirkung des Wandler-Stellglieds (16) gegen die Verformung aktiv versteift wird.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Brett (2) das Brett nach einem der Ansprüche 1 bis 16 ist.
Verfahren zur Herstellung des Bretts (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 16 mit den Schritten: a) Bereitstellen einer Vertiefung (22) im Brett (2) zur Aufnahme der elektrischen Schaltung (20); b) Anordnen der elektrischen Schaltung (20) in der Vertiefung (22); c) Bereitstellen des mindestens einen Wandler-Stellglieds (16) und einer elektrischen Verbindung (18) zwischen dem Wandler-Stellglied (16) und der elektrischen Schaltung (20) auf dem Brett (2); und d) Auflaminieren des Wandler-Stellglieds (16) und der elektrischen Schaltung (20) auf das Brett (2) durch Aufwendung von Druck und/oder Wärme.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei die Vertiefung (22) in einem Bindungsaufnahmebereich des Bretts (2) vorgesehen ist, vorzugsweise zwischen zwei Bindungsaufnahmebereichen für einen vorderen Teil und einen hinteren Teil der Bindung.
Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, wobei zwei Wandler-Stellglieder (16) auf dem Brett (2) vorgesehen sind, die jeweils zur Längsachse (6) des Bretts (2) so geneigt sind, daß die Wandler-Stellglieder (16) senkrecht zueinander angeordnet sind.