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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Schneeski oder Snowboards
insbesondere auf Schneeski und Snowboards, die Dämpfer zum Dämpfen von Vibrationen/Schwingungen
im Schneeski oder Snowboard enthalten.
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Hochleistungsschneeski
sind sorgfältig
konstruiert, um dem Skifahrer ein Maximum an Kontrolle während des
Skifahrens zu geben. Das beinhaltet das Konstruieren von Skiern,
um saubere Drehungen zu fahren; das bedeutet, dass während des
Fahrens einer Drehung jeder Punkt an der Kante des Skis so konstruiert
ist, dass er über
einen einzelnen Punkt des Schnees passieren kann. Um das zu erreichen sind
Skier mit gebogenen Kanten gestaltet, so dass die Taille des Skis
schmaler ist als die Schaufel oder das Ende des Skis. Zusätzlich zur äußeren Gestalt des
Skies ist der strukturelle Kern des Skis sorgfältig so zugeschnitten, dass
der Ski die Möglichkeit
hat sich über
seine Länge
während
des Fahrens einer Drehung sanft zu biegen. Die Form und der strukturelle
Kern von Snowboards sind auch so konstruiert, dass sie sauber Drehungen
fahren können.
Snowboards haben generell gebogene Kanten und ihre Taille ist schmaler
als das vordere oder hintere Teil des Bretts.
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Während des
Skifahrens oder Snowboardens biegt sich der Ski oder das Snowboard
kontinuierlich, beide in Antwort auf die Unregelmäßigkeiten im
Schnee oder in Antwort auf die Bewegung des Benutzers, wie zum Beispiel
während
einer Drehung. Zusätzlich
zum Biegen sind Skier und Snowboards Vibrationen bzw. Schwingungen
ausgesetzt, die durch den Kontakt mit Schnee, Unregelmäßigkeiten im
Schnee, Hügeln
oder Buckeln, Fremdkörpern, usw.
begründet
sein können.
Diese Vibrationen können
der Grund dafür
sein, dass der Boden und die Kanten eines Skis oder Snowboards den
Kontakt mit dem Schnee verlieren, welches wiederum die Möglichkeit
des Skis oder Snowboards, saubere Drehungen zu fahren, beeinflusst.
Dieser Verlust des Schneekontakts beeinflusst die Möglichkeit
des Skifahrers oder Snowboarders, exakt den Weg des Skis oder des
Snowboards zu kontrollieren, was wiederum das ganze Fahrverhalten
beeinflusst.
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Zusätzlich zum
beeinflussten Fahrverhalten können
Vibrationen im Ski oder Ski und Snowboards vibrieren im Biegemodus
bei bestimmten
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Resonanzfrequenzen,
die analytisch vorausgesagt oder experimentell bestimmt werden können. Die
deformierte Gestalt von einem Ski oder Snowboard, die einer Vibration
ausgesetzt ist, unterscheidet sich abhängig davon, mit welcher Resonanzfrequenz
der Ski oder das Snowboard vibriert. Die Resonanzfrequenzen eines
Ski oder Snowboards sind eine Funktion der Länge, Breite, Dicke und Steifheit des
Skis oder Snowboards. Demnach werden die Resonanzfrequenzen durch
sowohl die interne Struktur als auch die Geometrie des Skis oder
Snowboards beeinflusst.
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Wie
in 1A – E
dargestellt, ein exemplarisches Beispiel eines Skis 10's, hängt die
gebogene Form von der Resonanzfrequenz ab, mit der der Ski vibriert.
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1B – E zeigt
die deformierte Form der Zentralachse 12 des Skis 10 bei
vier Resonanzfrequenzen. Die Resonanzfrequenzen, bei denen der Ski
während
des eigentlichen Benutzens vibriert, hängen sowohl von der geometrischen
als auch der strukturellen Eigenschaf des Skis und externen Bedingungen
ab, wie Schneebedingungen und Oberflächenunregelmäßigkeiten,
wie zum Beispiel, ob der Ski auf Pulver, Harsch oder Eis benutzt
wird. Generell sind die ersten drei Resonanzfrequenzen des Skis die
wichtigsten, da sie am häufigsten
und am nachteiligsten für
die Möglichkeit
des Skis sind, einen kontrollierten Kontakt zum Schnee zu halten.
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Zusätzlich zu
den längsbiegenden
Vibrationen, die durch das Verbiegen des Trägers produziert werden, wie
in 1A – E
dargestellt, sind Skier auch Torsionsverbiegungen und Vibrationen
ausgesetzt. Torsionsverbiegungen beeinflussen die Leistung des Skis
in ähnlicher
Weise wie Biegevibrationen, indem sie den Kontakt zwischen dem Boden und
Kanten des Skis mit dem Schnee beeinträchtigen.
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Snowboards
vibrieren auch durch längsbiegende
Vibrationen während
der Benutzung. In ähnlicher
Weise wie oben bezüglich
des Skis beschrieben vibrieren Snowboards bei Resonanzfrequenzen,
die bestimmte Verschiebungen oder Modus produzieren. Zusätzlich sind
Snowboards Torsionsverbiegungen und Vibrationen ausgesetzt. Wegen
der größeren Breite
eines Snowboards können
Torsionsvibrationen einen deutlicheren Effekt auf die Snowboardleistung
haben als Torsionsvibrationen bei Skiern.
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Das
Auftreten und die daraus resultierenden Effekte auf die Leistungsfähigkeit
von sowohl der Biege- als auch der Torsionsvibrationen in Skiern
und Snowboards ist weit reichend in der Industrie bekannt. Die Reduzierung
des Effekts von sowohl der Längsbiegeals
auch der Torsionsvibration war und ist noch ein großes Thema
für Forschung
und Entwicklung in der Ski- und Snowboard-Industrie. Zuvor vorgeschlagene
Lösungen
beinhalten den Gebrauch von viskoelastischen oder mechanischen Dämpfern in
der Konstruktion des Skis oder Snowboards. Die US-PS 5,332,252 (Le
Masson et al.) und die US-PS 5,342,077 (Abondance) sind zwei Beispiele
von Patenten, die Skier oder Snowboards mit Vibrationsdämpfern oder
Absorptionsapparaten offenbaren. Unglücklicherweise hat keine der
beiden Entwicklungen die unerwünschten
Vibrationen effektiv reduziert oder eliminiert.
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Die
meisten bekannten Ski-Vibrationsdämpfungssysteme hatten inkorporierte
viskoelastische Dämpfungsapparate.
Diese pflegten signifikantes Gewicht dem Ski hinzuzufügen und
waren nur marginal effektiv. Zusätzlich
waren vorherige Skivibrationsdämpfungssysteme
Breitbanddämpfer,
die nicht unterschieden zwischen der Frequenz oder den Frequenzen,
die sie dämpften.
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Die
WO 97/04841 beschreibt ein Brett, wie einen Ski oder ein Snowboard,
das einen piezoelektrischen Dämpfer
beinhaltet. Der piezoelektrische Dämpfer ist so in dem Körper des
Bretts lokalisiert, dass, wenn das Brett vibriert oder sich deformiert, das
piezoelektrische Material auch deformiert wird. Wenn sich das piezoelektrische
Material deformiert, produziert es ein elektrisches Signal, das
an eine Steuerschaltung weitergeleitet wird. Die Steuerschaltung
empfängt
das elektrische Signal und produziert entweder einen Widerstand
zum elektrischen Signal oder ein Steuersignal zu dem piezoelektrischen
Material. Der resultierende Widerstand oder das Steuersignal bedingen,
dass das piezoelektrische Material der Deformierung des Bretts widersteht,
folglich agiert es wie ein Dämpfer.
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US-PS
4,740,009 beschreibt einen Apparat, der die Abstimmung eines Langlaufskis
erleichtert, dessen Biegewiderstand und oder der Bogen selbst justiert
werden kann, er beinhaltet einen Sensor, der mit der Steuerschaltung
verbunden ist, und die Steuerschaltung ist wiederum mit einem Ansteuermechanismus
verbunden, der automatisch die Abstimmung des Skis kontrolliert,
oder einem Anzeigeapparat, der visuell darauf hinweist, dass eine
nötige
Abstimmung manuell vorgenommen werden muss. Die Steuerschaltung überwacht
die Skileistung mit einer vorgegebenen Abstimmung in einem vorbestimmten
Intervall, danach bestimmt sie eine angemessene Abstimmung, dann überwacht
sie die Skileistung mit der neuen Abstimmung in dem vorbestimmten
Intervall und so weiter. Die Steuerschaltung ist mit einem Speicher
ausgerüstet,
der die Daten speichert, die sich auf die Amplitude des Impulses
während
des Abstoßes
bezieht.
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Die
WO-A-9704841 offenbart ein Brett zum Schneegebrauch mit piezoelektrischem
Material, welches mit dem Körper
verbunden ist, so dass es sich biegt, wenn der Körper sich biegt und die Vibrationen
im Körper
dämpft.
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Schließlich beschreibt
die Publikation „smart skis
and other adaptive structures" (Pfiffige
Skier und andere lernende Strukturen) Skier mit piezoelektrischen
Keramiksensor/Stellgliedbaustein. Ein Biegen der Ski bedingt, dass
das Sensorelement einen elektrischen Strom erzeugt, der eine Logikschaltung
ansteuert, um ein inverses oszillierendes Feld zu produzieren, welches
das Stellglied beeinflusst, sich den äußeren Vibrationen entgegenzustellen.
Als Resultat sind die Vibrationen schnell aufgehoben.
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Obwohl
Systeme zur Reduktion der Vibrationen von Ski und Boards schon bekannt
sind, gibt es immer noch ein Bedürfnis
für ein
verbessertes System, das zusätzlich
eine effektive Analyse der relevanten Skiparameter während des
Gebrauchs erlaubt. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Erfüllung dieses
Bedürfnisses.
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Ein
Snowboard oder ein Ski bezüglich
dieser Erfindung beinhaltet ein aktives piezoelektrisches Dämpfungssystem.
Das Dämpfungssytem
beinhaltet einen Sensor zur Abtastung der Vibrationsfrequenz eines
Skiteils oder Snowboardkörpers.
Das Dämpfungssystem
beinhaltet außerdem
eine Energieversorgung, eine Steuerschaltung und einen piezoelektrischem
Dämpfer.
Die Steuerschaltung generiert ein Steuersignal, welches proportional
zu einer inversen Schwingungsform der gemessenen Vibration ist.
Das Steuersignal wird an den piezoelektrischen Dämpfer weitergegeben, welcher
ebenfalls im Snowboard oder Ski montiert ist, und der sich verformt
oder versteift in einer alternierenden zyklischen Weise, um die
Vibrationsfrequenz zu reduzieren oder aufzuheben. Um eine Analyse
von Skigebrauchsparametern zu erlauben, weist das System außerdem einen
Speicherapparat auf, der elektrisch mit der Steuerschaltung verbunden
ist, um Daten zu empfangen und zu speichern, die Vibrationsfrequenzen,
die im Körper produziert
werden, zeigen.
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Bei
einer anderen Ausführung
der Erfindung ist die Schicht des piezoelektrischen Materials in
der Nähe
der oberen Fläche
des Körpers
positioniert. Die Schicht des piezoelektrischen Materials kann auch bevorzugt
neben, vor oder hinter der Skibindung oder zwischen der vorderen
und hinteren Bindung des Snowboardkörpers montiert werden.
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In Übereinstimmung
mit immer noch anderen Merkmalen der Erfindung, könnte die
Steuerschaltung Abstimmungen enthalten, die einem Benutzer erlauben
den Umfang der Dämpfung,
die durch den piezoelektrischen Dämpfer produziert wird, auszuwählen. Die
Steuerschaltung und das piezoelektrische Material könnten so
konfiguriert werden, dass eine Breitbanddämpfung produziert wird oder
eine Dämpfung
bei selektierten Frequenzen produziert wird.
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Die
oberen Merkmale und viele der begleitenden Vorteile dieser Erfindung
werden bereitwilliger geschätzt
werden dadurch, dass sie besser verstanden werden mit Bezug auf
die folgende, detaillierte Beschreibung im Zusammenhang mit den
begleitenden Zeichnungen, wobei:
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1A – E schematische
Zeichnungen von vier unterschiedlichen Resonanzvibrationsmodi eines
Beispielskis sind;
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2 eine
perspektivische Ansicht eines Skis ist, die ein piezoelektrisches
Dämpfungssystem entsprechend
der gegenwärtigen
Erfindung aufweist;
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3 ein
Querschnitt des Skis der 2 an der Linie 3-3 in 2 ist;
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4 eine
Draufsicht mit einer teilweise schematischen Darstellung des piezoelektrischen Dämpfungssystems
dieser Erfindung ist;
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5 ein
Querschnitt des piezoelektrischen Dämpfers von 4 an
der Linie 5-5 in 4 ist;
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6 ein
schematisches Diagramm einer Ausführung einer Steuerschaltung
zum Betreiben der piezoelektrischen Dämpfung gemäß der vorliegenden Erfindung
ist;
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7 eine
vergrößerte Draufsicht
einer zweiten Ausführung
eines Skis mit einer piezoelektrischen Dämpfung gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
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8 eine
dritte Ausführung
eines Skis mit einer piezoelektrischen Dämpfung gemäß dieser Erfindung ist;
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9 eine
Ausführung
eines Snowboards einer piezoelektrischen Dämpfung gemäß dieser Erfindung ist;
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10 eine
Draufsicht einer weiteren Ausführung
eines Skis mit einer schematischen Darstellung eines aktiven Dämpfungssystems
ist; und
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11 ein
schematisches Diagramm des Dämpfungssystems
von 10 ist.
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Wie
oben erläutert
zeigen 1A – E einen Ski 10 in
seiner undeformierten Form und in seinen deformierten Formen bei
Vibration mit den ersten vier Vibrationsfrequenzen. 1A – E sind
nur zu Illustrationszwecken da und nicht im Maßstab. Wie in 1B – E dargestellt,
verbiegt sich der Ski 10 als Resultat der Resonanzvibrationen.
Obwohl der Ski 10 sich über
die Gesamtlänge
verbiegt, sind die bedeutendsten Verbiegungen in den vorderen zwei
Dritteln des Skis zu beobachten. Die Stärke der Verbiegungen ist ausreichend,
um die Kontrolle über
den Ski zu beeinflussen und bereitet dem Skifahrer unter einigen
Bedingungen Unwohlsein. Eine Methode, um die begleitenden Probleme
der Resonanzvibrationen zu reduzieren, ist die Größe der Vibrationen
irgendwie zu dämpfen,
um auf diese Weise ihren Effekt zu verringern. Diese vorliegende
Erfindung ist ein piezoelektrisches Dämpfungssystem für Schneeski
oder Snowboards, um unerwünschte
Vibrationen zu dämpfen.
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2 zeigt
eine erste Ausführung
eines Schneeskis 10 mit einem piezoelektrischem Dämpfungssystem 14 nach
der Erfindung. Das piezoelektrische Dämpfungssystem 14 wird
verwendet Vibrationen innerhalb des Skis zu dämpfen, wenn er im Gebrauch
ist. Obwohl das unten beschriebene piezoelektrische Dämpfungssystem
bezüglich
eines bestimmten Skis erklärt
wird, können
unterschiedliche Ausführungen
dieser Erfindung bei unterschiedlichen Ski- oder Snowboardtypen
benutzt werden.
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Der
Körper 16 des
Skis 10 ist ein ausgedehnter Träger mit einer nach vorn aufgestellten
Schaufel 18, die verhindert, dass die Spitze des Skis sich
in den Schnee bohrt, wenn er über
die Schneeoberfläche
gleitet. Der Körper 16 verschmälert sich
hinter der Schaufel 18 auf ganzer Länge bis zur Taille 20, von
wo der Körper
sich zum Ende 22 verbreitert. Wie als Hintergrund der Erfindung
beschrieben, hilft das Verschmälern
und Verbreitern der äußeren Form
des Skis dem Ski, saubere Drehungen um einen Punkt im Schnee zu
fahren.
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Zehen-
bzw. Fersenskibindungen 22 und 24 werden in der
Taille 20 des Skis unter Verwendung von Befestigungsmitteln
oder anderen Einrichtungen, wie allgemein bekannt, befestigt. Die
Zehen- und Fersenbindungen 22 und 24, die hier
gezeigt sind, dienen nur illustrativen Zwecken und könnten unterschiedliche
Konfigurationen haben, die den Ein- und Ausstieg des Skischuhs (nicht
gezeigt) eines Benutzers erlauben.
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In
der ersten Ausführung,
die in 2 gezeigt ist, ist das piezoelektrische Dämpfungssystem 14 in
der Taille 20 angebracht und erstreckt sich längs zwischen
der Zehen- und Fersenbindung 22 und 24. Das Dämpfungssystem 14 weist
einen piezoelektrischen Dämpfer 26 (3 und 4)
auf, der aus einer oder mehreren Schichten von piezoelektrischem
Material 70 gebildet ist, und einer Steuerschaltung 32,
wie unten detailliert beschrieben.
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Wie
unten beschrieben kann bei anderen Ausführungen dieser Erfindung das
piezoelektrische Dämpfungssystem 14 auch
vor der Zehenbindung 22, hinter der Fersenbindung 24 (6),
oder an mehr als einem Ort über
die Länge
des Skis 10 (8) angebracht sein. Auch, wie
unten beschrieben, kann das piezoelektrische Dämpfungssystem 14 sich
längs über die
Länge des
Skis oder senkrecht durch die Breite des Skis oder schräg zwischen
den Seiten des Skis erstrecken, abhängig von der Anwendung.
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Wie
in 3 gezeigt, weist bei der ersten Ausführung der
Körper
des Skis einen strukturellen aber biegenden Kern 40 auf,
der die Schaufel 18, die Taille 20 und das Ende 22 des
Skis formt. Der Kern 40 kann aus unterschiedlich passenden
Materialien, die in der Skiproduktion üblich sind, geformt werden, wie
z.B. Holz, Bienenwabenmetallstruktur, Strukturschaum, usw. Um den
Kern 40 zu versteifen und zu verstärken ist es wünschenswert,
den Kern mit einer faserverstärkten
Schicht 42 zu umwickeln. Die faserverstärkte Schicht 42 bildet
eine strukturelle Torsionsbox, die den Kern 40 umgibt.
Die faserverstärkte Schicht
kann eine triaxiale, geflochtene Verbundstruktur, wie in US-PS 4,690,850
(Fezio) beschrieben, oder ein faserverstärktes Tuch, oder gefachtes Textilgarn,
Schichten von gleichgerichteten faserverstärktem Prepreg (Kunststoff),
oder andere Verstärkungsmaterialien
beinhalten.
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Eine
Anzahl hoch modularer Faserstoffe kann verwendet werden, um die
Verstärkungsschicht 42 herzustellen,
wie z. B. Fiberglas, Graphitfasern, organische Fasern, wie Kevlar®,
Metalldraht und Polyester, um nur einige zu nennen. Die Verstärkungsschicht 42 kann
aus Faserstoffen, die vorher imprägniert worden sind, mit einem
Matrixsystem oder trockenen Fasern, die später mit einem Matrixsystem imprägniert werden,
hergestellt werden. Mögliche Matrixsysteme
sind Epoxidharz, andere klebenden Systeme, thermoplastische Matrixsysteme
oder andere passende, hochfeste, elastische Materialien.
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Die
Anzahl der Materialschichten, die Faserorientierung je Schicht und
die Dicke eines jeden Materials, das zur Verstärkung des Kerns 40 benutzt wird,
sind sorgfältig
bestimmt, nach neuestem Stand der Technik, um sicherzustellen, dass
der fertige Ski 10 die richtigen strukturellen Biege- und
Torsionseigenschaften hat. Das beinhaltet die Gestaltung des Skis 10,
dass er die strukturelle Belastung in der Anwendung aushält und sich
richtig biegen kann, um dem Ski die Möglichkeit zu geben, saubere
Drehungen zu fahren.
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Um
den Kern 40 und die Verstärkungsschicht 42 zu
schützen
und das kosmetische Aussehen des Skis zu verbessern, kann eine Schutzkappe 44 um die
senkrechten Seitenflächen,
die obere Schicht des Kerns und die Verstärkungsschicht gezogen werden. In
der ersten Ausführung
ist die Kappe 44 aus einem einzigen Stück aus einem haltbaren Schutzmaterial gebildet
worden. Jedes passende Material, dass die harschen Umgebungstemperaturen,
große
Biegungen und Bestrafungen, die ein Ski erlebt, widersteht, kann
verwandt werden, wie z.B. eine Vielzahl von unterschiedlichen Kunststoffen
oder Harzen.
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Bei
alternativen Ausführungen
kann die Innenstruktur des Skis 10 von der ersten gezeigten Ausführung abweichen.
Viele unterschiedliche Ski-Designs und Strukturen sind in der Technik
bekannt und können
mit dieser Erfindung benutzt werden. Z. B. können an Stelle der einteiligen
Kappe 44 einige Skis separate Seitenschutzwände verwenden, die
zu einer dekorativen und schützenden
Oberschicht zusammengefügt
werden.
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Um
Hochleistung und Haltbarkeit zu erhalten, müssen die unteren Kanten 46 des
Ski sich in Schnee und Eis schneiden können, um dem Skifahrer eine
saubere Drehung zu erlauben. Deshalb ist es wünschenswert, dass die unteren
Kanten 46 des Ski aus einem steifen, haltbaren Material
hergestellt werden, das dieses Ziel erfüllt. In der bevorzugten Ausführung sind
zwei L-förmige
Stahlkanten 46 an den unteren Ecken des Skis befestigt.
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Die
Kanten 46 erstrecken sich längs der Gesamtlänge des
Skis 10 und können
aus jedem Material hergestellt werden, das haltbare, scharfe Kanten hat,
die sich in Schnee und Eis schneiden können. Die Schnittkanten 46 sind
typischerweise aus Stahllegierungen hergestellt, die eine scharfe
Schnittkante behalten können.
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Um
die Leistung des Skis zu erhöhen,
wird eine gleichmäßige, glatte,
reibungsarme Lauffläche 48 über der
unteren Fläche
der Kernaufbaus angebracht. Die Lauffläche kann aus jedem passenden Material,
das eine gleichmäßige, reibungsfreie
Lauffläche
bildet, die dem Ski freie Bewegung über Schnee und Eis erlaubt,
hergestellt werden. In der bevorzugten Ausführung ist ein gesintertes Polyäthylen zum
Aufbau der Lauffläche
benutzt worden, jedoch könnten
andere Kunststoffe, wie z. B. Teflon® oder
Polymere benutzt werden.
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Bezüglich dieser
Erfindung beinhaltet der Körper 16 des
Skis 10 das Dämpfungssystem 14 (2)
zwischen der Zehen 22 und Fersenbindung 24. In
der ersten Ausführung
ist ein piezoelektrischer Dämpfer 26 im
Inneren des Skis unter der Schutzkappe 44 (3)
angebracht. Wie in 3 illustriert ist der piezoelektrische
Dämpfer 26 in
einer Aussparung 50, die in der oberen Fläche des
Kerns und der Verstärkungsschicht
gebildet ist, platziert.
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Die
Aussparung 50 wird in der oberen Fläche des Kerns 40 während der
Produktion gebildet. Da die Verstärkungsschicht 42 über die
obere Fläche des
Kerns 40 aufgetragen wird, wird er nach unten in die Aussparung
in der oberen Oberfläche
des Kerns gedrückt
und bildet somit die Aussparung 50. Die Breite und Länge der
Aussparung 50 ist so gestaltet, dass der piezoelektrische
Dämpfer 26 hineinpasst.
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Das
Dämpfungssystem 14 wird
benutzt, um die Vibrationen/Schwingungen im Körper des Skis 10 zu
dämpfen.
Wie in der Spezifikation definiert, sind mehrere unterschiedliche
Dämpfungssysteme
nach dem Stand der Technik in Skier eingebracht worden. Jedoch war
keines dieser Systeme vollauf befriedigend.
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In
dieser Erfindung wird der piezoelektrische Dämpfer 26 zur Dämpfung der
Vibrationen/Schwingungen im Skikörper
genutzt. Der piezoelektrische Dämpfer 26 dämpft die
Vibrationen/Schwingungen durch Erhöhung der lokalen Steifigkeit
des Skis in der Gegend des piezoelektrischen Dämpfers, wenn der Ski sich biegt
oder vibriert. Um das beste Resultat zu erreichen, ist es wichtig,
dass die Deformierung oder Belastungsenergie im Skikörper an
die piezoelektrische Dämpfung
weitergeleitet wird. Das ermöglicht der
piezoelektrischen Dämpfung,
die größtmögliche Dämpfung zu
erreichen.
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Um
die größte Belastungsenergie
in einen piezoelektrischen Dämpfer
zu transferieren, ist es vorteilhaft, die piezoelektrische Dämpfung in
der Gegend der höchsten
Deformierung, während
der Schwingung des Skis, zu platzieren. Es ist auch wichtig, dass
der piezoelektrische Dämpfer
so im Skikörper
angebracht ist, dass die Belastungsenergie in die Struktur des piezoelektrischen
Dämpfers
geleitet wird.
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In
der bevorzugten Ausführung
ist der piezoelektrische Dämpfer
an der Torsionsbox, die aus den Fasern der Verstärkungsschicht 42,
die den Kern 40 umgibt, gebildet wird, angebracht. Die
Torsionsbox ist das hauptbelastungstragende Strukturelement des
Skis, und somit auch das Teil, das die größte Belastungsenergie tragen
muss. Deshalb ist es von Vorteil, wenn die piezoelektrische Dämpfung direkt
an der Torsionsbox angebracht ist und die bevorzugte Ausführung direkt
an der Verstärkungsschicht 42.
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Es
ist auch wichtig, dass der piezoelektrische Dämpfer 26 so an der
Verstärkungsschicht
angebracht ist, dass die größte Belastungsenergie
von der Verstärkungsschicht
in die Struktur des piezoelektrischen Dämpfers weitergeleitet werden
kann. Wenn man den piezoelektrischen Dämpfer 26 in der Aussparung 50 anbringt,
kann man den piezoelektrischen Dämpfer
auf der Verstärkungsschicht 42 anbringen,
ohne die glatte Skioberfläche
zu verändern. Zudem
hilft das Ausdellen des piezoelektrischen Dämpfers innerhalb der Verstärkungsschicht 42,
wie gezeigt, einen wirksamen Belastungspfad bereitstellen, um die
Belastungsenergie der Verstärkungsschicht
in die piezoelektrische Dämpfung
zu überführen.
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In
anderen Ausführungen
kann es von Vorteil sein, wenn man einen Belastungsverstärker oben
auf der Verstärkungsschicht 42 anbringt.
Der piezoelektrische Dämpfer 26 kann
an der Oberfläche
des Belastungsverstärkers
angebracht werden, um die Menge der Belastungsenergie, die an den
piezoelektrischen Dämpfer
weitergegeben wird, zu erhöhen. Eine
Methode, einen Belastungsverstärker
herzustellen, ist ein Anheften einer Aluminiumplatte (nicht gezeigt)
oben auf der Verstärkungsschicht 42 in
der Nähe
des Dämpfers.
Aluminium hat allgemein eine leicht höhere Steifigkeit als andere
Materialien, die normalerweise für
die Verstärkungsschicht 42 benutzt
werden. Die höhere
Steifigkeit des Aluminium-Belastungsverstärkers resultiert
darin, dass der Belastungsverstärker
in der Gegend des Belastungsverstärkers die hauptsächliche
Strukturbelastung und Belastungsenergie trägt. Durch Verklebetechnik oder
andere Anbringung des piezoelektrischen Dämpfers auf dem Aluminium-Belastungsverstärker wird
ein größerer Prozentsatz
der Belastungsenergie im Ski wäh rend
der Skivibration an den piezoelektrischen Dämpfer weitergegeben. In alternativen
Ausführungen
können
Belastungsverstärker
auch aus anderen Materialien hergestellt werden.
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In
der ersten Ausführung
ist der piezoelektrische Dämpfer 26 als
ein Planarteil geformt, das sich von der Zentralachse 28 (2)
des Skies nach außen
auf dem halben Weg zu beiden Kanten des Skis erstreckt. Der piezoelektrische
Dämpfer 26 erstreckt sich
auch von einem Punkt etwas hinter der Zehenbindung 22 zu
dem vorderen Rand der Fersenbindung 24. Besser verstanden
nach der folgenden Diskussion wird, dass die Länge, Breite und Dicke des piezoelektrische
Dämpfers 26 verändert werden kann,
um diese an die Dimensionen des Skis anzupassen und das Ausmaß der Dämpfung zu
erhöhen oder
zu erniedrigen.
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Einige
keramische Materialien und einige anorganische Kristalle, wie z.
B. Quarz und Bariumtitanat, sind bekannt dafür, dass sie piezoelektrische
Eigenschaften haben. Piezoelektrische Materialien wandeln mechanische
Kraft in elektrisches Potential um oder ein elektrisches Potential
in eine mechanische Antwort. Legt man ein elektrisches Signal an
ein piezoelektrisches Material an, dann kann sich die Breite oder
Länge des
piezoelektrischen Materials, abhängig
von seiner Orientierung, verändern.
Wenn ein alternierendes elektrisches Signal an ein piezoelektrisches
Material angelegt wird, kann sich das Material, bei einer kontrollierten
Rate, ausdehnen oder kontrahieren/zusammenziehen. Gegensätzlich dazu erzeugt
das piezoelektrische Material ein elektrisches Signal, wenn es mechanisch
deformiert oder durch Vibrationen verändert wird.
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Zusätzlich zu
den anorganischen Kristallen, wie z.B. Quarz und Bariumtitanat,
weisen auch einige organische Polymere, wie Polyvinylidenfluoride (PVF2), Polyvinylfluoride und Polyvinylchloride
piezoelektrische Eigenschaften bei richtiger Behandlung auf. In
vielen Anwendungen können
organische Polymere mit piezoelektrischen Eigenschaften und anorganische
Kristalle mit piezoelektrischen Eigenschaften untereinander ausgetauscht
werden. In anderen Anwendungen sind piezoelektrische, organische
Polymere vorteilhafter, weil sie einfacher in dünne Filme oder andere Formen
eingebracht werden können.
Es können
auch piezoelektrische, organische Polymerfilme hergestellt werden,
die flexibel und leicht sind. Piezoelektrische, organische Polymerfilme
sind generell polarisiert, wodurch sie eine positive und eine negative
Fläche
erhalten. Wenn man eine positive Spannung an die positive Fläche des
piezoelektrischen, organischen Polymerfilms anlegt, verlängert sich
der Film, während
umgedreht eine negative Spannung an der positiven Fläche des piezoelektrischen,
organischen Polymerfilms eine Kontraktion bewirkt. Die mechanischen
Auslenkungen, die in dem piezoelektrischen Material entstehen, können durch
den Verbund zu einem Bimorph von einer oder mehreren Schichten oder
Filmen erhöht werden,
wie es dem Stand der Technik entspricht.
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In
der gegenwärtigen
Erfindung kann der piezoelektrische Dämpfer 26 aus entweder
Keramik, anorganischen Kristallen oder organischen piezoelektrischen
Polymeren hergestellt sein. Jedenfalls ist es in der ersten Ausführung von
Vorteil, wenn der piezoelektrische Dämpfer aus Barium -oder Bleizirkonattitanat
hergestellt wird, da Keramik eine größere Steifigkeit und bessere
piezoelektrische Eigenschaften hat. Bleizirkonattitanat -Keramik
hat generell eine vergleichbare Steifigkeit mit Aluminium, die wiederum ähnlich der
Steifigkeit des Skikörpers
ist. In anderen Anwendungen kann es von Vorteil sein, wenn man den
piezoelektrischen Dämpfer
aus einem organischen Material herstellt, da es einfacher in dünne Filme
oder andere bestimmte Formen zu modellieren ist.
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In
der ersten Ausführung
ist der piezoelektrische Dämpfer 26 aus
einem oder mehreren rechteckigen Stücken aus piezoelektrischen
Bleizirkonattitanat 70 (4 – 5)
hergestellt. Jedes piezoelektrische Material 70 ist mit
den anderen Teilen passend, mit einem kleinen Längsabstand, wie in 4, in
einer Linie angeordnet. Ein elektrisches Schaltungsraster 72 ist
dann an der oberen Fläche
des piezoelektrischen Materials 70 mittels Klebung oder anderen
gängigen
Methoden platziert und befestigt. In der ersten Ausführung hat
jedes elektrische Raster 72 eine zentral ausgedehnte/angebrachte
Elektrode 74 und beidseits parallel angebrachte Elektroden 76. Die
Zentralelektrode 74 erstreckt sich ungefähr entlang
der Zentralachse jedes piezoelektrischen Materials 70.
Die Seitenelektroden 76 sind etwas außerhalb von den gegenüberliegenden
Seiten der Zentralelektrode 74 angebracht und verlaufen
parallel zur Zentralelektrode. Die Seitenelektroden 76 sind mittels
rechtwinkliger Elektroden 78, die sich zwischen Zentralelektrode 74 und
Seitenelektroden 76 erstrecken, mit der Zentralelektrode 74 elektrisch verbunden.
Die elektrischen Raster 72 jedes Materialteils 70 sind
miteinander, durch die Verbindung der Endausläufer der Zentralelektrode 74,
verbunden (4), wodurch ein kontinuierlicher
Stromkreislauf gebildet wird.
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Obwohl
die erste Ausführung
ein elektrisches Raster 72, wie oben beschrieben, beinhaltet, können auch
andere elektrischen Konfigurationen benutzt werden. Es ist vorteilhaft,
wenn die elektrischen Raster 72 einen elektrischen Pfad
begrenzen, der sich über
eine ausreichend große
Strecke über die
Teile des piezoelektrischen Materials 70 erstreckt, um
die Effizienz der elektrischen Verbindung zwischen den elektrischen
Rastern 72 und dem Material 70 zu optimieren.
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Nachdem
die elektrischen Raster 72 mit den Teilen des Materials 70 verbunden
sind, wird der entstandene Verbund in ein Schutzpolymerkunstharz 80 eingehüllt. Das
Kunst harz 80 verbindet die einzelnen Teile des Materials 70 und
die elektrischen Raster 72 zu einen einheitlichen piezoelektrischen
Dämpfer 26. Das
Kunstharz 80 schützt
die Materialteile 70 vor Beschädigung, gewährleistet, dass die elektrischen Raster
mit dem Material 70 in Kontakt bleiben, und dient als Scherschnittstelle
, um Belastungen und Vibrationen/Schwingungen zwischen der Skistruktur und
den Materialteilen 70 zu übertragen.
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Das
Kunstharz 80 kann ein Epoxyharz, ein Bismolymidharz oder
ein anderer passender Kunststoff sein, mit dem man die Struktur
des piezoelektrischen Dämpfers
einhüllen
und schützen
kann. Das Kunstharz 80 sollte haltbar und flexibel genug
sein, um Temperaturschwankungen, Auslenkungen und Vibrationen/Schwingungen
zu widerstehen, die die Skier während
der Benutzung ausgesetzt sind. In der ersten Ausführung wird
ein Bismolymidharz verwendet, das unter dem Warennamen KYPTON® geführt wird.
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Das
freie Ende der elektrischen Raster 72 ist elektrisch mit
der Steuerschaltung 32 durch ein elektrisches Kabel 86 verbunden.
Die Steuerschaltung 32 kann benutzt werden, um den piezoelektrischen Dämpfer 26 entweder
in „aktiver" oder „passiver" Form zu verwenden,
um die Resonanzschwingung im Skikörper zu reduzieren. Wie unten
genauer beschrieben, absorbiert oder wandelt das Dämpfungssystem 14 in
der passiven Form die mechanische Energie der Vibration/Schwingung
um, wodurch es die Vibration/Schwingung dämpft. In der aktiven Form wird
ein elektrisches Signal an den piezoelektrischen Dämpfer 26 geleitet,
durch das der piezoelektrische Dämpfer
deformiert wird und dadurch eine Gegenkraft entsteht, die der Deformierung
des Skis entgegenwirkt.
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Um
das Dämpfungssystem 14 in
der passiven Form aufzubauen, absorbiert oder wandelt die Steuerschaltung 32 den
elektrischen Strom, der durch die Deformierung des piezoelektrischen
Materials 70 entsteht, um, wobei die mechanische Energie der
Vibration/Schwingung umgewandelt wird. In der einfachsten Ausführung ist
die Steuerschaltung 32 ein Widerstand, der elektrisch mit
den elektrischen Rastern 72 verbunden ist, wobei die Elektrizität, die durch
das piezoelektronische Material 20 hergestellt wird, in
Wärme umgewandelt
wird. Durch die Benutzung eines Widerstands erhält man ein piezoelektrisches
Dämpfungssystem 14 mit
einer Breitbanddämpfung über die
gesamte Breite der Frequenzen.
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In
alternativen Ausführungen
kann das Dämpfungssystem 14 nur
auf die Dämpfung
bei Resonanzschwingungen des Skis zugeschnitten sein, um die Leistung
des Skis, bei nicht schwingungsbedingten Auslenkungen zu beeinflussen.
Eines dieser Ausführungsbeispiele
dieser Erfindung beinhaltet einen Sensor 90 (gezeigt in
der Phantomzeichnung 4). Der Sensor 90 ist
auf oder in dem Ski in solcher Form angebracht, dass er sich deformiert,
wenn der Ski sich in Antwort auf eine Auslenkung oder Schwingung
deformiert. Der Sensor 90 kann ein Drucksensor/Dehnungsmesser,
ein piezoelektrisches Materialteil, oder jede andere Form eines
Sensors sein, der ein Signal, das Auslenkungen anzeigt, innerhalb
des Skis an die Steuerschaltung 32 weiterleiten kann.
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Die
Steuerschaltung 32 beinhaltet auch eine Zeitschaltung,
die Signale, die die Auslenkung im Ski anzeigen, vom Sensor 90 empfängt und
daraufhin ein Signal, das die Frequenz der Schwingungen des Skis
anzeigt, produziert. Beim Benutzen des Signals, das die Frequenzen
anzeigt, bei dem der Ski schwingt, platziert die Steuerschaltung 32 selektiv
einen Widerstand gegen den Stromfluss der piezoelektrischen Dämpfung 26,
um die Dämpfung
nur bei vorgewählten
Frequenzen der Schwingungsresonanz zu haben. Elektrische Schaltungen,
wie z.B. eine Zeitschaltung, wie sie oben beschrieben ist, sind
hinreichend bekannt und verständlich
für normal
technisch versierte Anwender der elektrischen Schaltungstechnik.
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In
der Anwendung, wenn der Ski sich durch eine Schwingung deformiert,
wird der Strom, der durch den piezoelektrischen Dämpfer 26 erzeugt wird,
durch das Kabel 86 zu der Steuerschaltung 32 geleitet.
Die Steuerschaltung 32 enthält einen Widerstand gegen den
Strom, der von dem piezoelektrischen Dämpfer generiert wird, und wandelt
die Energie in Wärme
um. Dieser Widerstand gegen den Stromfluss vom piezoelektrischen
Dämpfer 26 bewirkt
auch, dass der piezoelektrische Dämpfer weiterer Deformation
widersteht. Je größer die
Deformierung des piezoelektrischen Dämpfers 26, desto mehr Stromfluss
wird produziert, desto größer wird
der Widerstand durch die Steuerschaltung und desto größer wird
der Widerstand des Dämpfungssystems 14 gegen
Deformierungen.
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In
anderen Ausführungen
dieser Erfindung kann die Steuerschaltung 32 auch einen
variablen Widerstand enthalten. Der Widerstand des variablen Widerstands
kann durch den Skifahrer so eingestellt werden, dass die gewünschte Dämpfung,
die durch den piezoelektronischen Dämpfer erzeugt wird, erreicht
wird.
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6 und 7 beschreiben
eine Ausführungsform,
die nicht ein Teil der Erfindung ist, nämlich ein aktives piezoelektrisches
Dämpfungssystem.
In einem aktiven Dämpfungssystem
kann derselbe piezoelektrische Dämpfer 26 benutzt
werden, der oben beschrieben ist, wie in einem passiven Dämpfungssystem.
Jedoch unterscheidet sich die Funktion und Wirkweise der Steuerschaltung 32 in
einem aktiven Dämpfungssystem.
In einer aktiven Ausführung
sendet die Steuerschaltung 130 ein elektrisches Signal an
den piezoelektrischen Dämpfer 26.
Durch ein elektrisches Signal wird der piezoelektrische Dämpfer 26 entweder
deformiert oder er leistet Widerstand gegenüber den Schwingungen, so dass
es zur Dämpfung
der Schwingungen im Ski kommt. In ähnlicher Weise, bzgl. des passiven
Dämpfungssystems, wie oben
beschrieben, kann die Steuerschaltung 130 so eingestellt
sein, dass der piezoelektrische Dämpfer 26 unterschiedliche,
vorbestimmte Resonanzfrequenzen des Skis dämpft oder als ein Breitbanddämpfer fungiert.
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In
der Ausführung
beinhaltet die Steuerschaltung 130 einen Sensor 132 (6),
einen Verstärker 140,
eine Energieversorgung 136, einen Spannungsinverter und
eine kapazitive Ladepumpe 138. Der Sensor 132 funktioniert
in ähnlicher
Weise wie der Sensor 90, der oben in der passiven Konfiguration
beschrieben ist. Der Sensor 132 kann ein Drucksensor/Dehnungsmesser,
ein piezoelektrisches Materialteil oder jeder andere Sensortyp sein, der
ein Signal, bei Deformierung des Skikörpers anzeigt. In der bevorzugten
Ausführung
ist der Sensor 132 ein piezoelektrisches Materialstück, das
ein Signal erzeugt, das die Frequenz und Amplitude der Schwingungen
im Skikörper
anzeigt.
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Der
Sensor 132 kann an unterschiedlichen Orten, entweder entlang
der Oberfläche
oder innerhalb des Skikörpers,
angebracht sein. Es ist jedoch zu bevorzugen, den Sensor an der
Oberfläche
des Skis, gleich hinter der Kappe, anzubringen, so dass der Sensor 132 in
der Region des größten Drucks/Dehnung,
der während
der Deformation des Skis entsteht, angebracht ist.
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Der
Sensor 132 sendet ein Signal, das die Deformation des Skis
anzeigt, wenn der Skikörper sich
biegt und deformiert. Das Signal wird verstärkt und an einen Verstärker 140 weitergeleitet.
Das verstärkte
Signal wird benutzt, um ein Hochleistungsladegerät/capacity charge pump 138 zu
triggern/anzusteuern. Das Hochleistungsladegerät 138 wird durch einen
elektrischen Strom von der Energieversorgung 136 elektrisch
geladen. Der Strom wird zuerst durch einen Spannungsinverter 134 geleitet,
um die gewünschte
Spannung zu erhalten. Wenn das Hochleistungsladegerät 138 ein
Signal, das die Deformation im Ski anzeigt, vom Sensor 132 empfängt, dann sendet
es ein elektrisches Steuersignal an den Dämpfer 26. Dieses Steuersignal
steuert den Dämpfer 26,
der daraufhin den Deformierungen im Ski standhält. Wenn Auslenkungen größeren Ausmaßes durch
den Sensor 132 festgestellt werden, wird ein Steuersignal
größeren Ausmaßes an den
piezoelektrischen Dämpfer 26 weitergeleitet,
wodurch der Widerstand der Dämpfung
gegen die Auslenkungen des Skikörpers
erhöht
wird.
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Wie
in 7 beschrieben ist die Steuerschaltung 130 in
einem strukturellen Aufbau 90 auf der oberen Fläche des
Skis, kurz vor der Zehenbindung 22, eingebaut. Die Steuerschaltung 130 ist
mit dem piezoelektrischen Dämpfer 26 durch
Kabel 86 verbunden. Die Kabel 86 erstrecken sich
von der Steuerschaltung 130 um die Peripherie der Zehenbindung 22 bis
zum Dämpfer 26.
In der bevorzugten Ausführung
beinhaltet die Steuerschaltung 130 einen Ein/Aus-Schalter 94 und
einen variablen Dämpfungsschalter 96.
Die Steuerschal tung 130 wird durch den Skifahrer mittels
des Ein/Aus-Schalters 94 ein- oder ausgeschaltet. Der Skifahrer
kann auch den Dämpfungsgrad,
der durch den piezoelektrischen Dämpfer 26 erzeugt wird,
einstellen, indem er den Dämpfungsschalter 96 auf
hoch, mittel oder niedrig einstellt. Die Einstellung hoch, mittel
oder niedrig bestimmt das Ausmaß der
Spannung, die durch den Spannungsumwandler 134 bereitgestellt
wird. Der Dämpfungsschalter 96 stimmt
das Ausmaß des
Steuersignals, das von dem piezoelektrischem Dämpfer durch das Hochleistungsladegerät 138 bereitgestellt
wird, ab. Die hohe, mittlere oder niedrige Einstellung erlaubt dem
Skifahrer, den Dämpfungsgrad,
der durch den piezoelektrischen Dämpfer bereitgestellt wird,
abzustimmen.
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In
dem Ausführungsbeispiel
ist die Energieversorgung eine 9-Volt Batterie, weil sie klein ist
und eine große
Energiespeicherkapazität
hat. Die 9-Volt Batterie ist mit dem Spannungsinverter 134 verbunden,
um eine Spannung von 9, 18, oder 36 Volt, abhängig vom Dämpfungsgrad, der mittels des
Dämpfungsschalters 96 gewählt ist,
zu erzeugen. Im zweiten Ausführungsbeispiel
ist ein Hochleistungsladegerät 138,
wegen seiner relativ kleinen Größe und Gewicht
und seiner relativen Unempfindlichkeit auf Schwingungseffekte, Temperatur
und Feuchtigkeit benutzt worden. Jedoch können in anderen Ausführungsbeispielen
dieser Erfindung andere Steuerschaltungsanordnungen, ohne den Rahmen
dieser Erfindung zu verlassen, eingesetzt werden. Wie allgemein
bekannt in der elektrischen Schaltkreistechnik, können viele
unterschiedliche Schaltpläne
und Anordnungen zum Erzeugen von ähnlichen, wie oben beschriebenen
Ergebnissen, benutzt werden.
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In
dem Ausführungsbeispiel
stellt die Steuerschaltung 130 eine Breitbanddämpfung über das
gesamte Frequenzspektrum bereit. Jedoch in ähnlicher Weise, wie oben bzgl.
des passiven Dämpfers
beschrieben, können
andere Ausführungen
des aktiven Dämpfers,
die Dämpfung
nur bei vorbestimmten Resonanzschwingungen im Ski bereitstellen.
Solche Ausführungen
der Erfindung würden
einen Schaltkreis in der Steuerschaltung beinhalten, um das Auftreten
von Resonanzschwingungen im Ski festzustellen und dann ein Steuersignal
zum piezoelektrischen Dämpfer
bereitzustellen, um nur bei Resonanzschwingungen zu dämpfen.
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Wie
allgemein in Fachkreisen anerkannt, gibt es zahlreiche, unterschiedliche
Methoden und elektrische Schaltkreisanordnungen, die die Schwingungsfrequenz
messen können
und daraufhin ein Antwortsignal der richtigen Phase, Frequenz und Amplitude
bereitstellen, das den Schwingungen entgegenwirkt. Eine dieser Methoden
ist in US-PS 4,565,940 (Hubbard, Jr.) offenbart. Der Steuerschaltung 130 ist
nur ein Beispiel bzgl. der vorliegenden Erfindung und sollte nicht
als limitierend empfunden werden.
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Wie
in 2 dargestellt ist es vorteilhaft, wenn man den
piezoelektrischen Dämpfer 26 zwischen
der Zehen- und Fersenbindung 22 und 24 montiert.
Generell, wie in 1A – E beschrieben, befindet sich
einer der Knotenpunkte für
jede der ersten vier Resonanzschwingungen des Skis zwischen der
Zehen- und Fersenbindung. Deshalb kann der piezoelektrische Dämpfer 26,
wenn man ihn zwischen die Zehen- und Fersenbindung anbringt, effizient
die Schwingungen bei Resonanzschwingungen dämpfen.
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Wie
in 8 beschrieben, können piezoelektrische Dämpfer 100 und 102 auch
an anderen Stellen angebracht werden, wie z. B. vor der Zehenbindung 22 oder
hinter der Fersenbindung 24. Es ist vorteilhaft für einige
Anwendungen, bei denen man sicher alle Schwingungen gleichmäßig über die
Gesamtlänge
des Skis dämpfen
will, wenn man die beiden piezoelektrischen Dämpfer 100 und 102 vor
der Zehenbindung 22 und hinter der Fersenbindung 24 anbringt.
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In
wiederum anderen Ausführungen
kann es von Vorteil sein, einen piezoelektrischen Dämpfer vor,
hinter und zwischen die Zehen- 22 und Fersenbindung 24 anzubringen.
In anderen Ausführungen kann
ein piezoelektrischer Dämpfungsfilm
entlang der Gesamtlänge
des Skis angebracht sein, um eine kontinuierliche Dämpfung zu
erreichen.
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8 beschreibt
einen Ski 10 mit einem vorderen und hinteren piezoelektrischen
Dämpfer 100 und 102.
Der Ski 10 beinhaltet auch eine Bindungsisolationsplatte 108.
Die Bindungsisolationsplatte 180 ist von dem Skikörper 110 durch
eine viskoelastische Schicht 112 getrennt. Das Beispiel
einer solchen Ski-Ausführung
ist in US-PS 5,232,241 (Knott et al.) beschrieben. Der Zweck der
Bindungsisolationsplatte 108 und der viskoelastischen Schicht 112 ist
es, die Bindungen 104 und 106 und den Stiefel
des Benutzers vom Rest des Skis zu isolieren. Somit hilft die Bindungsisolationsplatte,
den Benutzer von den Schwingungen im Ski zu isolieren.
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Wenn
ein piezoelektrischer Dämpfer
auf der Bindungsisolationsplatte 108 angebracht wird, ist
er weniger effizient, als an anderen Orten, da die viskoelastische
Schicht 112 einen Isolationseffekt hat. Jedoch wird der
Isolationseffekt der viskoelastischen Schicht 112 den piezoelektrischen
Dämpfer
nicht daran hindern, zu helfen, die Schwingungen im Ski zu dämpfen.
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In
anderen Ausführungen
kann der piezoelektrische Dämpfer 26 entweder
senkrecht durch die Breite des Skis oder schräg zwischen den Skiseiten angebracht
sein, um die Torsionsschwingungen zu dämpfen. In diesen Anwendungen
funktionieren die Steuerschaltung und der piezoelektrische Dämpfer ähnlich,
wie oben beschrieben, jedoch unter Berücksichtigung der Längsausrichtung
der Dämpfer.
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In
wiederum anderen Ausführungen
können piezoelektrische
Dämpfer
bei Snowboards angewandt werden. Snowboards sind ähnlich wie
Ski aufgebaut und auch ähnlichen
Resonanzschwingungen, während
des Gebrauchs, ausgesetzt.
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9 beschreibt
ein Snowboard 114 mit einem piezoelektrischen Dämpfer 116.
Der piezoelektrische Dämpfer 116 erstreckt
sich entsprechend längs,
einen Teil des Weges zwischen der vorderen und hinteren Bindung 118 und 120.
Die Funktionsweise des piezoelektrischen Dämpfers 116 ist ähnlich,
wie die Funktionsweise des beschriebenen piezoelektrischen Dämpfers in
den Skiausführungen und
kann deshalb auch so verstanden werden. In anderen Ausführungen
kann der piezoelektrische Dämpfer 116 vor
oder hinter der vorderen oder hinteren Bindung 118 und 120 angebracht
sein.
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In ähnlicher
Weise, wie oben bzgl. des Skis beschrieben, kann der piezoelektrische
Dämpfer 122 (gezeigt
in der Phantomzeichnung in 9) in einem Winkel
zu der Längsachse
des Snowboards angebracht sein. In solchen Konfigurationen kann
der piezoelektrische Dämpfer 122 benutzt
werden, um die Torsionsschwingungen zu dämpfen oder die Torsionseigenschaften
des Snowboards zu verändern.
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In ähnlicher
Weise, wie oben bzgl. des Skis beschrieben, können piezoelektrische Dämpfer für Snowboards
entweder aktive oder passive Dämpfer sein.
Auch, ähnlich,
wie oben für
Ski beschrieben, können
Ausführungen
von aktiven oder passiven piezoelektrischen Dämpfern entweder Breitbanddämpfer sein
oder können
Schwingungen dämpfen,
die lediglich bei Resonanzfrequenzen von Snowboards auftreten.
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10 beschreibt
eine andere Ausführung eines
Skis 200, die ein piezoelektrisches Dämpfungssystem 210 enthält. Außer den
Anmerkungen sind der Ski 200 und das piezoelektrische Dämpfungssystem 210 ähnlich konstruiert,
wie der Ski in 2 und 5 und das
aktive piezoelektrische Dämpfungssystem
von 6 und 7. Gemeinsame Punkte sind nicht
detailliert beschrieben. Es wird auch verstanden, dass vorher beschriebene
Alternativen und Variationen vorheriger Ausführungen, ebenso auf die Ausführung der 10 anzuwenden sind.
Der Ski 200 der 10 beinhaltet
einen Körper 216 mit
einem vorderen Schaufelteil 218, einer schmalen Taille 220 und
einem Endteil 222. Nach Stand der Technik sind konventionelle
Zehen- und Fersenbindungen (nicht gezeigt) auf dem Ski vor und hinter
der Taille 220 montiert.
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Das
piezoelektrische Dämpfungssystem 210 beinhaltet
einen piezoelektrische Dämpfer 226.
Der piezoelektrische Dämpfer 226 ist
identisch konstruiert, wie der oben beschriebene piezoelektrische Dämpfer 26 von 4,
außer,
dass der piezoelektrische Dämpfer 226,
wie dargestellt, vier piezoelektrische Materialteile enthält. Jedoch
kann die genaue Zahl der piezoelektrischen Materialteile 270 oder
die Zahl der piezoelektrischen Schichten, die zusammengefügt sind,
entsprechend des vorbestimmten, gewünschten Dämpfungsgrads variieren. Die
Teile des piezoelektrischen Materials 270 sind linear in
Serie entlang der Längsachse
des Skikörpers 216 angebracht.
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Die
piezoelektrischen Teile 270 sind entsprechend über der
faserverstärkten
Schicht in einer definierten Aussparung 250 an der oberen
Fläche
des Skikerns angebracht. Andererseits kann auch eine Schwingungssammlungsplatte,
wie z. B. eine Metallplatte (nicht gezeigt) in die Aussparung eingebracht sein,
auf der dann die piezoelektrischen Teile 270 montiert werden.
Genauso, wie das vorher beschriebene elektrische Schaltungsraster 72 von 4,
sind die piezoelektrischen Teile 270 elektrisch miteinander
durch ein elektrisches Schaltungsraster 272, das eine lange
Zentralelektrode, parallele lange Seitenelektroden und Verbindungselektroden
enthält,
verbunden. Der piezoelektrische Dämpfer 226 ist zwischen
den faserverstärkten
Schichten, die den Kern und die geschützte Kappe des Skikörpers 216 umgeben,
wie vorher beschrieben, eingefasst, und er ist zudem eingelagert
in ein Kunstharz, das die Hohlräume
ausfüllt.
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Wie
in vorherigen Ausführungen
beschrieben, ist das elektrische Schaltungsraster 272 durch ein
elektrisches Kabel 230 mit einer Steuerschaltung 232 verbunden.
Die Steuerschaltung 232 ist wiederum mit einem ersten und
zweiten Kabel 234 mit der Energieversorgung 236,
wie z. B. einer 9-Volt Batterie verbunden. Die Steuerschaltung 232 ist
auch durch ein elektrisches Kabel 238 mit dem Schwingungssensor 240,
wie z. B. vorher schon beschriebenem Drucksensor/Dehnungsmesser
oder einem zweiten piezoelektrischen Materialteil verbunden.
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Wie
in der vorher beschriebenen Ausführung von 7,
sind die Steuerschaltung 232 und die Energieversorgung 236 bevorzugt
an der oberen Fläche des
Skikörpers 216,
genau vor der Zehenbindung, innerhalb eines strukturellen Aufbaus
neben der oberen Kappe des Skikörpers 216 angebracht.
Die Platzierung des Steuerschaltung 232 und der Energieversorgung 234 kurz
vor der Mittelsohle und kurz vor der Zehenbindung ist wegen der
dämpfenden
Wirkung des Gewichts wichtig. Der piezoelektrische Dämpfer 226 kann
an jeder Stelle entlang des Skis, bevorzugt an einem der Knotenpunkte
der vier Resonanzschwingungen des Skis, angebracht werden. So kann
der piezoelektrische Dämpfer 226 hinter
der Fersenbindung, zwischen der Zehen- und Fersenbindung oder vor
der Zehenbindung im Bereich der Schaufel 18 angebracht
werden. Der piezoelektrische Dämpfer 226 kann
entweder längs,
schräg
oder senkrecht zur Längsachse
des Skikörpers 216 angebracht
werden.
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In
der bevorzugten Ausführung
von 10 ist der piezoelektrische Dämpfer 216 längs entlang der
Achse des Skikörpers 216 vor
der Zehenbindung im Bereich der Schaufel 218 des Skikörpers 216 angebracht.
Bevorzugt ist der piezoelektrische Dämpfer 226 zentriert
am vordersten Knotenpunkt einer Schwingungsfrequenz des Skis angebracht.
Der Sensor 240 ist entsprechend genau vor dem piezoelektrischen
Dämpfer 226,
also neben der Kappe des Skikörpers 216,
angebracht.
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Die
Aufmerksamkeit sollte nun der 11 für die Beschreibung
des Steuerschaltung gewidmet werden. Es wird gezeigt, dass die Steuerschaltung 232 mit
dem Sensor 240, dem Dämpfer 226 und
der Energieversorgung 236 verbunden ist. Der Steuerschaltung
beinhaltet eine zentrale Datenverarbeitungseinheit 242,
einen Verstärker 244,
einen Datenspeicher 246, ein Hochleistungsladegerät 248 und
einen Spannungsinverter 249. Wie in der vorherigen Ausführung von 6 beschrieben,
stellt der aktive Steuerschaltung 232 ein elektrisches
Signal dem piezoelektrischen Dämpfer 226 bereit,
damit der Dämpfer 226 sich
entsprechend der Auslenkung verformt oder ihr widersteht, um die
Schwingungen im Ski zu dämpfen.
Jedoch, ungleich der Beschreibung von 6, kann
die Steuerschaltung von 11 ein Steuersignal
generieren, das proportional zu der Amplitude und Frequenz der empfundenen
Schwingungen des Skikörpers
ist, allerdings mit einer inversen Wellenform. Die Baumstruktur
der Steuerschaltung 232 stellt auch die Möglichkeit
bereit zum Abtasten, Aufzeichnen und Herunterladen von Signalen,
die während
der Benutzung des Skis gemessen wurden.
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Wieder
auf 11 zurückkommend,
stellt der Sensor 240 ein elektrisches Signal, das die
Frequenz und Amplitude der Auslenkung innerhalb des Skikörpers 216
am Punkt, wo der Dämpfer 226 und Sensor 240 angebracht
ist, bereit. Wie vorher berichtet, kann der Sensor 240 ein
passendes Teil von piezoelektrischem Material oder ein anderer Sensor sein,
der ein Signal anzeigen kann, wenn sich der Skikörper auslenkt, wie z. B. ein
Drucksensor/Dehnungsmesser. Das Signal vom Sensor 240 wird
an einen Verstärker 244 weitergeleitet.
Das Signal vom Verstärker 244 wird
wiederum an eine zentrale Datenverarbeitung 242 weitergeleitet.
Diese vom Verstärker 244 empfangene
Signal wird in einem Datenspeicher 246, wie z. B. einem
Speicherchip mit wahlfreiem Zugriff gespeichert. Die zentrale Datenverarbeitung 242 enthält Logik,
um das vom Verstärker empfangenen
Signal mit der aktuellen Frequenz und dem Ausmaß der Schwingung in Beziehung
zu setzen.
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In
der bevorzugten Ausführung
vergleicht die zentrale Datenverarbeitung 242 das ermittelte
Signal vom Verstärker 244 mittels
eines routinemäßig arbeitenden
Steueralgorithmus und sendet ein inverses Wellensignal der gleichen
Frequenz und proportionalen Amplitude an das Hochleistungsladegerät 248. Das
Hochleistungsladegerät 248 erhält die Energie von
der Energieversorgung 236 mittels des Spannungsinverters 249.
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Das
Hochleistungsladegerät 248 generiert folglich
ein inverses, wellenförmiges
Steuersignal mit der selben Frequenz und Amplitude, die proportional zu
der Amplitude des Signals vom Sensor 240 ist, welches an
den Dämpfer 226 weitergeleitet
wird, um ihn zu aktivieren. Der Dämpfer 226 ist folglich
in einem zeitabweichenden, zyklischen Modus aktiviert, um den Auslenkungen
in einer Art und Weise zu widerstehen, die teilweise oder komplett
die Schwingungsfrequenzen des Skikörpers 216 aufheben,
indem die Resonanzschwingungen reduziert oder eliminiert werden.
Durch die Schnelligkeit des Zentralprozessors 242 und dem
verbundenen Schaltkreis erfolgt die abwechselnde oder zyklische
Dämpfung im
Wesentlichen unmittelbar. Das Niveau der Dämpfung für die Amplitude und Frequenz
ist proportional zur empfundenen Frequenz.
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Das
Speichern des ermittelten Signals 240 im Speicher 246 ermöglicht das
Anzeigen, Aufzeichnen und zeitweise Speichern der Skibenutzungsparameter,
wie z. B. Länge
des Skifahrens, die erreichte Geschwindigkeit des Skis durch den
Fahrer bei Benutzung des Ski 200, die Fahrzeit im Sessellift
und die Zeit, die in bestimmtem Gelände, wie z. B. Buckelpisten
verbracht wurde. Die im Speicher 246 gespeicherten Daten
können
dann nach dem Skifahren entweder durch einen konventionellen, elektronischen
Kommunikations-Port,
der im Ski angebracht ist, oder Infrarot-, Funk- oder Ultraschallübertragung an
einen Laptop oder anderen Computer übertragen werden. Diese Daten
liefern nach dem Skifahren folglich ein Skifahrerprofil, das herunter
geladen und analysiert werden kann. Während diese Beschreibung sich
auf eine aktive Steuerschaltung bezieht, kann die Datenwiedergabe
und das Speichersystem auch an den Gebrauch eines passiven Dämpfungssystems
angepasst werden.
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Wie
in vorher beschriebenen Ausführungen kann
die Steuerschaltung 232 mit der Möglichkeit der Benutzereingabe,
durch z. B. einen Knopf, der mit dem Schraubenzieher verdreht wird,
zur Verfügung gestellt
werden, um das Niveau der Dämpfung,
das angeboten wird, abzugleichen. Zusätzlich kann die Baumstruktur
der Steuerschaltung 232 eine Logik enthalten, die zusätzliche
Feinabstimmung, wie z. B. die Skiform, d.h. die Profilleiste für besseren
Kantengriff bei unterschiedlichen Schneekonditionen, speziell ausgewählte Frequenzen,
die für
gewünschte
Anwendungen gedämpft
werden oder Veränderungen der
Skiform, um Fehler des Skifahrer zu korrigieren, erlaubt. Logik
für solche
Feinabstimmungen kann im Zentralprozessor vorprogrammiert sein oder
kann durch den Skifahrer in den Zentralprozessor 242 geladen
werden.
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Das
Dämpfungssystem 210 der
Ausführung von 10 kann
an unterschiedlichen Stellen entlang der Länge des Skikörpers benutzt
werden. Das Vorderteil und Hinterteil des Skis schwingen unterschiedlich.
Jedoch ist festgestellt worden, dass die meisten Schwingungen im
Vorderteil bei Frequenzen zwischen ungefähr 15 Hertz und 30 Hertz auftreten. In
hartem Schnee beeinflusst die Kopplung der Längs- und Torsionsschwingungen
bei 90 Hertz bis 120 Hertz auch das Vorderteil des Skis. Schwingungen
im Hinterteil sind kleiner und haben eine Frequenzbreite von 20
Hertz bis 120 Hertz. Obwohl das Dämpfungssystem 214 an
unterschiedlichen Stellen des Skikörpers 216 angebracht
werden kann, ist es folglich am effektivsten, wenn man es im Vorderteil,
z. B. in der Schaufel 18 anbringt. Wie in den vorher beschriebenen
Ausführungen
ist das Dämpfungssystem 214 auch
für den
Einsatz in Snowboards gut geeignet und kann längs, quer oder schräg montiert werden.