DE102019120720A1

DE102019120720A1 - Mechanisches Verstärkungselement

Info

Publication number: DE102019120720A1
Application number: DE102019120720.7A
Authority: DE
Inventors: Andreas Pentscher-Stani
Original assignee: TDK Electronics AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 2019-07-31
Filing date: 2019-07-31
Publication date: 2021-02-04
Also published as: WO2021019083A1; US20220255468A1; CN114175289A

Abstract

Es wird ein mechanisches Verstärkungselement (1) beschrieben, das zwei Endbereiche (2) und zwei Winkelbereiche (3) aufweist, wobei die Endbereiche (2) an zwei gegenüberliegenden Stirnseiten des Verstärkungselements (1) angeordnet sind und die Winkelbereiche (3) jeweils über ein erstes Gelenk (5a) an einen der Endbereiche (2) anschließen. Ferner weisen die Winkelbereiche (3) eine versteifende Struktur (6) auf. Außerdem weist das mechanische Verstärkungselement (1) einen Verbindungsbereich (4) auf, wobei der Verbindungsbereich (4) die zwei Winkelbereichen (3) miteinander verbindet und über zweite Gelenke (5b) an die Winkelbereiche (3) anschließt. Die mechanische Verstärkungselement (1) sind derart ausgebildet ist, dass bei einer relativen Bewegung der Endbereiche (2) zueinander der Verbindungsbereich (4) eine dazu senkrechte Bewegung vollzieht.

Description

Die Erfindung betrifft ein mechanisches Verstärkungselement. Die Erfindung betrifft ferner eine Anordnung, welche das mechanische Verstärkungselement aufweist.
Virtuelle Tasten oder Knöpfe, die auf Bildschirmen oder Terminals angezeigt werden, werden in der Mensch-Maschine-Interaktion immer wichtiger. Vor allem die Digitalisierung und das Internet of Things (IoT) fördern und fordern Eingabemöglichkeiten bei Maschinen, die bislang als nicht zweckdienlich galten. Heutzutage ist es von daher auch nicht ungewöhnlich, dass nicht nur Smartphones sondern selbst Geräte wie Kühlschränke, Kaffeemaschinen, Autos, oder Backöfen berührungsempfindliche Bildschirme mit virtuellen Tasten aufweisen.
Zur Verbesserung der Bedienbarkeit ist es häufig wünschenswert, dem Benutzer eine haptische Rückmeldung bei Betätigung der virtuellen Tasten anzubieten, die eine Eingabe bestätigt. In der deutschen Patentanmeldung DE 10 2016 116 763 A1 wird zum Beispiel eine Vorrichtung zur Erzeugung einer haptischen Rückmeldung offenbart, die ein mechanisches Verstärkungselement zur Verstärkung einer Ausdehnung eines piezoelektrischen Aktuators verwendet.
Diese offenbarten mechanischen Verstärkungselemente sind allerdings auf Grund von geringen Toleranzen und einer Vielzahl von Produktionsschritten teuer und aufwendig in der Herstellung.
Daher ist ein mechanisches Verstärkungselement, das einfacher in der Herstellung ist und dazu ressourcenschonender, kostengünstiger und robust ist, wünschenswert.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein mechanisches Verstärkungselement bereitzustellen, das robust und ressourcenschonend ist sowie eine einfache Herstellung ermöglicht.
Die vorliegende Aufgabe wird durch das mechanische Verstärkungselement nach Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungen und potentielle Anordnungen sind den weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
Es wird ein mechanisches Verstärkungselement beschrieben, das zwei Endbereiche und zwei Winkelbereiche aufweist, wobei die Endbereiche an zwei gegenüberliegenden Stirnseiten des Verstärkungselements angeordnet sind und die Winkelbereiche jeweils über ein erstes Gelenk an einen der Endbereiche anschließen. Ferner weisen die Winkelbereiche eine versteifende Struktur auf. Außerdem weist das mechanische Verstärkungselement einen Verbindungsbereich auf, wobei der Verbindungsbereich die zwei Winkelbereichen miteinander verbindet und über zweite Gelenke an die Winkelbereiche anschließt. Das mechanische Verstärkungselement ist derart ausgebildet ist, dass bei einer relativen Bewegung der Endbereiche zueinander der Verbindungsbereich eine dazu senkrechte Bewegung vollzieht.
Das Verstärkungselement kann dazu ausgebildet sein, sich in Folge einer Änderung einer Ausdehnung oder Schrumpfung eines mit den Endbereichen gekoppelten, sich ausdehnenden oder schrumpfenden Objekts, beispielsweise einem Aktuator, derart zu verformen, dass der Verbindungsbereich des Verstärkungselements relativ zur Bewegung der Endbereichen in eine dazu senkrechte Richtung bewegt wird. Somit wird die Bewegungsrichtung des sich ausdehnenden Objekts in eine andere dazu senkrechte Bewegungsrichtung des Verbindungsbereichs umgelenkt.
Ein mechanisches Verstärkungselement nach der vorliegenden Erfindung hat den Vorteil, dass es aus einem Stück gefertigt werden kann, ohne dass Material abgetragen oder hinzugefügt werden muss. Durch die versteifende Struktur in den Winkelbereichen weist das mechanische Verstärkungselement eine Stabilität auf, die selbst starken Belastungen standhält. Somit ist das mechanische Verstärkungselement strapazierfähig und kann einfach und ressourcenschonend hergestellt werden.
Eine versteifende Struktur kann jegliche Verformung des Verstärkungselements beinhalten, die zur Folge hat, dass das mechanische Verstärkungselement stabiler, steifer, robuster und kräftiger wird, ohne dass Material hinzugefügt oder abgetragen wird. Beispielsweise werden unter versteifende Struktur Verformungen an den Kanten durch Bördeln und auf der Oberfläche durch Prägung verstanden, wobei die Richtung der Verformung unmaßgeblich ist.
Der Verbindungsbereich kann ebenfalls eine versteifende Struktur aufweisen. Somit kann das gesamte mechanische Verstärkungselement noch stabiler gestaltet werden, da die Widerstandskräfte des mechanischen Verstärkungselements gegenüber Scherkräften und Belastungen des Verbindungsbereichs erhöht werden.
Ferner kann die versteifende Struktur der Winkelbereiche eine Sicke und/oder einen Falz aufweisen. Sicken sind rinnenförmige Vertiefungen oder Erhöhungen, die die Steifigkeit eines Bauteils erhöhen können. Bei Falzen handelt es sich um Abkantungen oder Faltungen in einem Werkstück, wobei zu beachten ist, dass diese an Gelenken und Winkeln unter Umständen verkürzt werden müssen, um die Bewegungsfreiheit des Gelenks zu gewährleisten und ein Verkanten der Falze zu vermeiden. Diese Arten der Verformung eignen sich hervorragend, um die Belastbarkeit der Winkelbereiche und damit die potentielle Hubkraft des mechanischen Verstärkungselements zu steigern.
Die versteifende Struktur des Verbindungsbereichs kann ebenfalls eine Sicke und/oder ein Falz aufweisen, da es sich um günstige Herstellungsprozesse handelt, die die Steifigkeit, Belastbarkeit und somit der Widerstandsfähigkeit des mechanischen Verstärkungselements erhöhen kann.
An den ersten und zweiten Gelenken kann das mechanische Verstärkungselement keine versteifende Struktur aufweisen. Indem an den Gelenken auf eine versteifende Struktur verzichtet wird, bleibt das mechanische Verstärkungselement an diesen Stellen flexibel und biegsam. Somit können die Winkel zwischen den unterschiedlichen Bereichen des mechanischen Verstärkungselements, etwa bei einer Bewegung der Endbereiche, leicht verändert werden, ohne dass das Gelenk auf irgendeine Art und Weise bearbeitet wurde.
Weiterhin kann das mechanische Verstärkungselement ein Blech aufweisen. Bleche sind dünne Metallerzeugnisse, die sich hervorragend als Basis für ein mechanisches Verstärkungselement eignen. Als Metall besitzt das Material eine gewisse Härte, die das mechanische Verstärkungselement in Anwendungen benötigt. Darüber hinaus kann ein Rohling einfach aus einem Blech ausgestanzt werden. Außerdem können versteifende Strukturen, wie Sicken und Falze, einfach in dem Herstellungsprozess für das mechanische Verstärkungselement implementiert werden.
Das Blech kann eine Stärke aufweisen, die geringer als 600 µm und vorzugsweise geringer als 400 µm ist. Ist das Ausgangsmaterial für das mechanische Verstärkungselement zu dick, ist das mechanische Verstärkungselement zumindest an den Gelenken zu steif, so dass das Gelenk sich nicht biegen kann. Wird die Stärke des Verstärkungselements an den Gelenken allerdings zu dünn, kann das Verstärkungselement an den Gelenken auf Grund einer hohen Wechselbeanspruchung leicht ermüden und schlussendlich brechen. Stärken von weniger als 600 µm und vorzugsweise etwas geringer als 400 µm haben sich als vorteilhaft erwiesen, um gleichzeitig die benötigte Biegsamkeit und die benötigte Stabilität, vor allem an den Gelenken, sicherzustellen.
Überdies kann das mechanische Verstärkungselement eine gleiche Stärke des Blechs in den Gelenken, den Endbereichen, den Winkelbereichen und den Verbindungsbereich aufweisen. Somit kann sowohl auf einen Materialabtrag, beispielsweise an den Gelenken, als auch auf eine Zugabe von Material, beispielsweise an zu verstärkenden Bereichen des mechanischen Verstärkungselements, verzichtet werden.
Das mechanische Verstärkungselement kann Titan aufweisen. Titan als Materialgrundlage für das mechanische Verstärkungselement eignet sich vor allem wegen zwei Eigenschaften. Zum einen ist Titan sehr hart und strapazierfähig. Daher kann Titan der stetigen Wechselbelastung, der ein mechanisches Verstärkungselement, insbesondere an den Gelenken, ausgesetzt ist, standhalten ohne zu brechen. Zum anderen hat Titan mit 8,6 10^-6 K^-1 einen, für ein Metall, äußerst geringen Ausdehnungskoeffizienten. Das mechanische Verstärkungselement ist dazu ausgelegt, mit einem sich bewegenden Körper, in erster Linie einem piezoelektrischen Aktuator aus einer Keramik, verbunden zu werden. Um diese Verbindung auch temperaturbeständig zu gestalten, sollte der Ausdehnungskoeffizienten vom mechanischen Verstärkungselement und der piezoelektrischen Keramik möglichst ähnlich sein. Da eine Keramik einen sehr kleinen Ausdehnungskoeffizienten besitzt, ist es vorteilhaft ein Metall mit einem ebenfalls geringen Ausdehnungskoeffizienten, wie Titan, auszuwählen. Weitere vorteilhafte Materialien können Hartmetall oder Edelstahl aufweisen.
Ferner kann das mechanische Verstärkungselement eine Länge aufweisen, die mindestens das 3-fache und vorzugsweise mindestens das 10-fache einer Breite des mechanischen Verstärkungselements beträgt. Indem das mechanische Verstärkungselement länglich bzw. streifenförmig ausgebildet ist, eignet es sich auch für den Einsatz in Anwendungen mit einer schmalen Umgebung, wie beispielsweise ein Mobiltelefon.
Die Länge des mechanischen Verstärkungselements beträgt vorzugsweise weniger als 100 mm und mehr als 10 mm. Eine Länge von nur 10 mm ermöglicht den Gebrauch des mechanischen Verstärkungselements in kleinen Anwendungen, die äußerst wenig Platz bieten. Da das mechanische Verstärkungselement meist mit einem piezoelektrischen Aktuator gekoppelt ist, sollte das mechanische Verstärkungselement nicht länger als 100 mm sein, da piezoelektrische Aktuatoren eine Länge von 100 mm auf Grund von Herstellungsschwierigkeiten meist nicht überschreiten.
Außerdem kann ein Winkel zwischen dem Endbereich und dem Winkelbereich kleiner als 45° und vorzugsweise kleiner als 20° sein. Der Betrag der Bewegung des Verbindungsbereichs bzw. der Hub in die senkrechte Richtung hängt, abgesehen vom Betrag der Bewegung der Endbereich relativ zueinander und einer Länge des Winkelbereichs, stark vom Winkel zwischen dem Endbereich und dem Winkelbereich ab. Ist der Winkel kleiner als 45° wird die horizontale Bewegung gut in eine senkrechte Bewegung umgewandelt. Ist der Winkel zwischen Endbereich und Winkelbereich kleiner als 20° wird die Bewegung noch vorteilhafter umgewandelt.
Zusätzlich kann die versteifende Struktur am mechanischen Verstärkungselement dazu ausgestaltet sein, das mechanische Verstärkungselement zu befestigen oder zu arretieren. Das mechanische Verstärkungselement wird in der Praxis zumeist in einem Gehäuse untergebracht sein. Die versteifende Struktur, die aus Unebenheiten und Verformungen im Verbindungs- oder Winkelbereich realisiert sein kann, kann zur Befestigung des mechanischen Verstärkungselements ausgestaltet sein. So kann die versteifende Struktur etwa Mulden aufweisen, die über ein Stecksystem direkt auf eine Erhebung an einem Gehäuse aufgesetzt werden können und damit befestigt oder arretiert werden.
Weiterhin können die Endbereiche seitliche Laschen aufweisen, die dazu ausgelegt sind als Montage- und Befestigungshilfe für das mechanische Verstärkungselement zu dienen. Die Endbereiche sind dazu gedacht an ein sich bewegendes Objekt gekoppelt zu werden. Da sowohl das mechanische Verstärkungselement als auch das sich bewegende Objekt äußerst empfindlich sein können, empfehlen sich Laschen an den Endbereichen um eine Montage zu erleichtern.
Mindestens ein mechanisches Verstärkungselement nach der vorliegenden Erfindung kann in einer bevorzugten Anordnung mit einem piezoelektrischen Aktuator gekoppelt werden, wobei die Endbereiche mit dem piezoelektrischen Aktuator verbunden sind und derart ausgebildet und angeordnet sind, dass bei einer Änderung der Ausdehnung des piezoelektrischen Aktuators eine relative Bewegung der Endbereiche zueinander und eine dazu senkrechte Bewegung des Verbindungsbereichs erfolgt. Mit dieser Anordnung kann eine Bewegung des piezoelektrischen Aktuator zwischen den Endbereichen in eine Bewegung senkrecht dazu umgewandelt und in ihrer Ausprägung signifikant verstärkt werden.
Der piezoelektrische Aktuator kann eine Vielzahl von piezoelektrischen Schichten aufweisen, wobei zwischen piezoelektrischen Schichten Innenelektroden abgeordnet sein können. Piezoelektrische Schichten und Innenelektroden können übereinander zu einem Stapel angeordnet sein. Vorzugsweise beträgt die Stapelhöhe weniger als 3 mm. Die Verstärkungselemente können in einer Stapelrichtung der piezoelektrischen Schichten auf einer Oberseite und einer Unterseite des piezoelektrischen Aktuators angeordnet sein. Der piezoelektrische Aktuator kann dazu ausgebildet und angeordnet sein, seine Ausdehnung zwischen den Endbereichen bei Anlegen einer elektrischen Spannung zu verändern. Vorzugsweise erfolgt die Ausdehnung bei Anlegen einer elektrischen Spannung quer zur Stapelrichtung der piezoelektrischen Schichten.
Die Anordnung mit dem mechanischen Verstärkungselement und dem piezoelektrischen Aktuator kann dazu ausgelegt sein eine haptische Rückmeldung bei Displays, Knöpfen, Schaltern oder anderen elektronischen Geräten und Interfaces zu generieren. Die Anordnung kann als Antrieb für eine haptische Rückmeldung dienen. Die Anordnung kann dazu ausgebildet sein eine haptische Rückmeldung für elektronische Geräte, beispielsweise für berührungsempfindliche Bildschirme, zu erzeugen. Beispielsweise soll die Vorrichtung dazu ausgebildet sein einen Versatz eines Bildschirms parallel zu einer Bildschirmoberfläche hervorzurufen. Durch die Anordnung wird ein einfacher, kostengünstiger, platzsparender und effizienter Antrieb zur Verfügung gestellt, mit dem eine haptische Rückmeldung für den Benutzer erzielt werden kann.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert.
Die nachfolgend beschriebenen Zeichnungen sind nicht als maßstabsgetreu aufzufassen. Vielmehr können zur besseren Darstellung einzelne Dimensionen vergrößert, verkleinert oder auch verzerrt dargestellt sein.
Elemente, die einander gleichen oder die die gleiche Funktion übernehmen, sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

1 zeigt eine Querschnittsansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines mechanischen Verstärkungselements nach der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt eine Querschnittsansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines mechanischen Verstärkungselements nach der vorliegenden Erfindung.
3a-e zeigt den Querschnitt von fünf unterschiedlichen Falzen.
4 zeigt eine Draufsicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines mechanischen Verstärkungselements nach der vorliegenden Erfindung.
5a-b zeigt den Querschnitt von zwei unterschiedlichen Sicken
6a-b zeigt eine perspektivische Ansicht eines ersten bzw. zweiten Ausführungsbeispiels eines mechanischen Verstärkungselements nach der vorliegenden Erfindung.
7 zeigt einen perspektivischen Ansichtsausschnitt einer Anordnung mit einem piezoelektrischen Aktuator und zwei mechanischen Verstärkungselementen.

1 zeigt eine Querschnittsansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines mechanischen Verstärkungselements 1 nach der vorliegenden Erfindung. Das mechanische Verstärkungselement 1 weist zwei Endbereiche 2 und zwei Winkelbereiche 3 auf. Die Endbereiche 2 des mechanischen Verstärkungselements 1 liegen an den an zwei gegenüberliegenden Stirnseiten und die Winkelbereiche 3 sind jeweils über ein erstes Gelenk 5a mit einem der Endbereiche 2 verbunden. Die Winkelbereiche 3 weisen eine versteifende Struktur 6 auf, die in 1 nicht deutlich zu erkennen ist. Ein Verbindungsbereich 4 verbindet die zwei Winkelbereichen 3 miteinander und ist über zweite Gelenke 5b an die Winkelbereiche 3 angeschlossen, wobei auch der Winkelbereich 3 eine in 1 nicht zu erkennende versteifende Struktur 6 besitzt.
Das Verstärkungselement 1 ist dazu ausgebildet, sich in Folge einer Änderung einer, in 1 horizontalen, Ausdehnung eines mit den Endbereichen 2 gekoppelten Objekts, beispielsweise einem Aktuator, derart zu verformen, dass der Verbindungsbereich 4 des Verstärkungselements 1 relativ zur Bewegung der Endbereichen 2 in eine dazu senkrechte Richtung bewegt wird. Somit wird die, in 1, horizontale Bewegungsrichtung des sich ausdehnenden Objekts in eine andere, in 1, senkrechte, Bewegungsrichtung des Verbindungsbereichs 4 umgelenkt.
Ein Winkel α zwischen Endbereich 2 und Winkelbereich 3 ist, abgesehen vom Betrag der Bewegung der Endbereich 2 relativ zueinander und der Länge des Winkelbereichs 3, entscheidend für die erreichbare Auslenkung des Verbindungsbereichs 4. Wäre der Winkel α 90°, würde auf Grund der Geometrie so gut wie keine Auslenkung des Verbindungsbereichs 4 trotz Bewegung der Endbereichen 2 stattfinden. Ist der Winkel α kleiner als 45°, wird die horizontale Bewegung schon effektiv in eine senkrechte Bewegung umgewandelt. Ist der Winkel α zwischen Endbereich 2 und Winkelbereich 3 kleiner als, oder wie in 1, 20° wird die horizontale Bewegung der Endbereichen 2 besonders effektiv in eine senkrechte Bewegung des Verbindungsbereichs 4 konvertiert.
In 2 wird eine Querschnittsansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines mechanischen Verstärkungselements 1 gezeigt. Auch in diesem Ausführungsbeispiel sind an den zwei Stirnseiten des mechanischen Verstärkungselements 1 Endbereiche 2 angeordnet, die wiederum über erste Gelenke 5a mit einem Winkelbereich 3 verbunden sind. Die beiden Winkelbereiche 3 sind über zweite Gelenke 5b und über den Verbindungsbereich 4 miteinander gekoppelt.
Im zweiten Ausführungsbeispiel sind die versteifenden Strukturen 6 an den Winkel- und Verbindungsbereichen 4 über Falze 8, im zweiten Ausführungsbeispiel durch ein einfaches Abknicken der Ränder, realisiert. Falze 8 als versteifende Strukturen 6 können jedoch mit unterschiedlichsten Formen und Geometrien verwirklicht werden. Der Falz 8 kann durch eine Verformung, beispielsweise eine Bördelung, der Ränder des mechanischen Verstärkungselements 1 gebildet werden. Er kann beispielsweise einen einzigen Knick oder mehrere Knicke aufweisen oder auch abgerundet sein. In 3a-e sind fünf Möglichkeiten aufgezeigt, wie ein Falz 8 bewerkstelligt werden kann. Die Ränder können beispielsweise wie in 2 und 3a nur einmal, wie in 3b zweimal oder wie in 3c dreimal abgeknickt werden. Oder die Ränder können wie in 3d zu einem Dreieck gebördelt werden. Weiterhin kann die Falz 8 auch über abgerundete Abkantungen, wie in 3e gezeigt, bewerkstelligt werden.
4 zeigt eine Draufsicht des ersten Ausführungsbeispiels eines mechanischen Verstärkungselements 1. Sowohl die zwei Winkelbereiche 3 als auch der Verbindungsbereich 4 sind jeweils mit zwei langgezogenen Sicken 7 als versteifende Struktur 6 versehen. Die Sicken 7 können beispielsweise abgerundete oder kantige Vertiefungen sein, wie sie jeweils in 5 a und 5b gezeigt werden. An den Gelenken 5a, 5b wurde auf eine versteifende Struktur 6 verzichtet, um das mechanische Verstärkungselement 1 an den Gelenken 5a, 5b flexibel und biegsam zu belassen.
Es ist essenziell die Winkelbereiche 3 mit einer versteifenden Struktur 6 zu versehen, da bei einer senkrechten Auslenkung des Verbindungsbereichs 4 der Winkelbereich 3 die größte Belastung aushalten muss. Es kann vorteilhaft sein auch den Verbindungsbereich 4 mit einer versteifenden Struktur 6 zu versehen, da so die Steifigkeit, Belastbarkeit und somit die Widerstandsfähigkeit des gesamten mechanischen Verstärkungselements 1 erhöht werden können.
Zusätzlich kann die versteifende Struktur 6, die aus Unebenheiten und Verformungen im Verbindungs- 4 oder Winkelbereich 3 realisiert sein kann, zur Befestigung des mechanischen Verstärkungselements 1 ausgestaltet sein. So kann die versteifende Struktur 6 etwa Vertiefungen und Erhebungen, wie in 5 gezeigt, aufweisen. Diese können über ein Stecksystem auf eine dazu passende Vertiefung oder Erhebung an einem Gehäuse aufgesetzt werden und das mechanische Verstärkungselement 1 kann so direkt befestigt werden.
Die Länge des mechanischen Verstärkungselements 1 in 4 beträgt zwar 50 mm, ist vorzugsweise aber kürzer als 100 mm und länger als 10 mm. In diesem Ausführungsbeispiel wurde 50 mm als Länge gewählt, da die Anwendung genügend Raum bot. Eine Länge von beispielsweise 10 mm ermöglicht den Gebrauch des mechanischen Verstärkungselements 1 in kleinsten Anwendungen, die äußerst wenig Platz bieten. Länger über 100 mm sind derweil nicht sehr relevant, da die meisten piezoelektrischen Aktuatoren 10 kürzer sind. Es ist vorteilhaft das mechanische Verstärkungselement 1 so zu gestalten, dass die Länge mindestens das 3-fache und vorzugsweise mindestens das 10-fache einer Breite des mechanischen Verstärkungselements 1 beträgt. Diese Verhältnisse lassen einen Einbau des mechanischen Verstärkungselements 1, selbst bei schmalen Anwendungen wie Mobiltelefonen, zu.
In 6a und 6b wird jeweils eine perspektivische Ansicht eines ersten bzw. zweiten Ausführungsbeispiels eines mechanischen Verstärkungselements 1 nach der vorliegenden Erfindung gezeigt. Der Unterschied der beiden Ausführungsbeispiele liegt in der Verwirklichung der versteifenden Struktur 6, die im ersten Ausführungsbeispiel mittel Sicken 7 und im zweiten Ausführungsbeispiel über Falze 8 realisiert wurde. In beiden Ausführungsbeispielen wurde an den Gelenken 5a, 5b wurde auf eine versteifende Struktur 6 verzichtet, um das mechanische Verstärkungselement 1 an den Gelenken 5a, 5b flexibel und biegsam zu belassen.
Die mechanischen Verstärkungselemente 1 wurden einstückig aus einem Blech hergestellt. Daher weisen die Verstärkungselemente 1 eine gleiche Stärke des Blechs in den Gelenken 5a, 5b, den Endbereichen 2, den Winkelbereichen 3 und den Verbindungsbereich 4 auf. Es kann demzufolge auf einen Materialabtrag, beispielsweise an den Gelenken 5a, 5b, und auf eine Zugabe von Material, beispielsweise an zu verstärkenden Bereichen des mechanischen Verstärkungselements 1, verzichtet werden. Die Ausführungsbeispiele besitzen eine Stärke von 300 µm. Wird das mechanische Verstärkungselement 1 zu stark ausgeführt, können die Gelenke 5a, 5b, ohne Ausdünnungen an diesen Stellen, zu steif werden, so dass die Funktion des mechanischen Verstärkungselements 1 behindert wird. Wird das Material jedoch zu dünn gewählt, kann das Verstärkungselement 1 an den Gelenken 5a, 5b auf Grund einer hohen Wechselbeanspruchung leicht ermüden und schlussendlich brechen. Ein Stärke von weniger als 600 µm und vorzugsweise etwas geringer als 400 µm haben sich als vorteilhaft erwiesen, um gleichzeitig die benötigte Biegsamkeit und die benötigte Stabilität, vor allem an den Gelenken 5a, 5b, sicherzustellen.
Ein Blech besitzt als Metall es eine gewisse Härte sowie Flexibilität, die das mechanische Verstärkungselement 1 benötigt. Außerdem kann die Grundform des mechanischen Verstärkungselements 1 mit bewährten Mitteln einfach aus einem Blech gestanzt werden. Obendrein werden Prozesse zu Herstellung von versteifenden Strukturen 6, wie Sicken 7 und Falze 8, regelmäßig bei der Verarbeitung von Blechen verwendet und können somit direkt in dem Herstellungsprozess für das mechanische Verstärkungselement 1 eingesetzt werden.
Ein mechanisches Verstärkungselement 1 nach der vorliegenden Erfindung hat den Vorteil, dass es aus einem Stück gefertigt werden kann, ohne dass Material abgetragen oder hinzugefügt werden muss. Durch die versteifende Struktur 6 in den Winkelbereichen 3 weist das mechanische Verstärkungselement 1 eine Stabilität auf, die selbst starken Belastungen standhalten. Somit ist das mechanische Verstärkungselement 1 strapazierfähig und kann einfach und ressourcenschonend hergestellt werden.
In 7 wird ein perspektivischer Ansichtsausschnitt einer Anordnung mit einem piezoelektrischen Aktuator 10 und zwei mechanischen Verstärkungselementen 1 gezeigt, wobei die mechanischen Verstärkungselemente 1 jeweils auf einer Ober- und Unterseite des piezoelektrischen Aktuator 10 angeordnet sind. Indem zwei mechanische Verstärkungselemente 1 gleichzeitig auf einen piezoelektrischen Aktuator 10 verwendet werden, kann die Auslenkung der gesamten Anordnung verdoppelt werden.
Die Endbereiche 2 sind über die Auflageflächen mit den piezoelektrischen Aktuator 10 verklebt. Zusätzlich weisen die Endbereiche 2 seitliche Laschen 9 auf, die als Montage- und Befestigungshilfe dienen. Auf Grund der Empfindlichkeit des mechanischen Verstärkungselements 1 sind die seitlichen Laschen 9 an den Endbereichen 2 sehr nützlich für die Montage.
Ändert der piezoelektrische Aktuators 10 auf Grund einer angelegten Spannung seine Ausdehnung, als verkürzt sich beispielsweise in einer horizontalen Richtung, werden die festgeklebten Endbereiche 2 horizontal zueinander geschoben und eine dazu senkrechte Bewegung des Verbindungsbereichs 4 erfolgt. Mit dieser Anordnung kann eine Bewegung des piezoelektrischen Aktuator 10 zwischen den Endbereichen 2 in eine Bewegung senkrecht dazu umgewandelt werden.
Der piezoelektrische Aktuator 10 ist vorzugsweise ein Vielschichtbauteil, das eine Vielzahl von piezoelektrischen Schichten aufweist, wobei zwischen piezoelektrischen Schichten Innenelektroden angeordnet sind. Piezoelektrische Schichten und Innenelektroden können übereinander zu einem Stapel angeordnet sein, wobei die Schichten parallel zu den Endbereichen 2 liegen. Vorzugsweise ist die Stapelhöhe kleiner oder gleich 3 mm. Die Ausdehnung bzw. Verkürzung des piezoelektrischen Aktuators 10 bei Anlegen einer elektrischen Spannung erfolgt quer zur Stapelrichtung der piezoelektrischen Schichten und somit zwischen den Endbereichen 2.
Die Anordnung mit zwei mechanischen Verstärkungselementen 1 und dem piezoelektrischen Aktuator 10, wie in 7 gezeigt, eignet sich, um als Antrieb eine haptische Rückmeldung bei Displays, Knöpfen, Schaltern oder anderen elektronischen Geräten und Interfaces zu generieren. Die Anordnung kann dazu ausgebildet sein eine haptische Rückmeldung für elektronische Geräte, wie berührungsempfindliche Bildschirme, zu erzeugen. Durch die Anordnung wird ein einfacher, kostengünstiger, platzsparender und effizienter Antrieb zur Verfügung gestellt, mit dem eine haptische Rückmeldung für den Benutzer erzielt werden kann.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugszeichenliste

1: mechanisches Verstärkungselement
2: Endbereich
3: Winkelbereich
4: Verbindungsbereich
5a: erste Gelenke
5b: zweite Gelenke
6: versteifende Struktur
7: Sicke
8: Falz
9: seitliche Laschen
10: piezoelektrischer Aktuator
α: Winkel zwischen Endbereich und Winkelbereich

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102016116763 A1 [0003]

Claims

Ein mechanisches Verstärkungselement (1), aufweisend: - zwei Endbereiche (2); - zwei Winkelbereiche (3); wobei die Endbereiche (2) an zwei gegenüberliegenden Stirnseiten des Verstärkungselements (1) angeordnet sind und die Winkelbereiche (3) jeweils über ein erstes Gelenk (5a) an einen der Endbereiche (2) anschließen, und wobei die Winkelbereiche (3) eine versteifende Struktur (6) aufweisen; - einen Verbindungsbereich (4); wobei der Verbindungsbereich (4) die zwei Winkelbereichen (3) miteinander verbindet und über zweite Gelenke (5b) an die Winkelbereiche (3) anschließt, wobei das mechanische Verstärkungselement (1) derart ausgebildet ist, dass bei einer relativen Bewegung der Endbereiche (2) zueinander der Verbindungsbereich (4) eine dazu senkrechte Bewegung vollzieht.
Ein mechanisches Verstärkungselement (1) nach dem vorherigen Anspruch, wobei die versteifende Struktur (6) der Winkelbereiche (3) eine Sicke (7) und/oder ein Falz (8) aufweist.
Ein mechanisches Verstärkungselement (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Verbindungsbereich (4) eine versteifende Struktur (6) aufweist.
Ein mechanisches Verstärkungselement nach dem vorherigen Anspruch, wobei die versteifende Struktur (6) des Verbindungsbereichs (4) eine Sicke (7) und/oder ein Falz (8) aufweist.
Ein mechanisches Verstärkungselement (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das mechanische Verstärkungselement (1) an den ersten und an den zweiten Gelenken (5b) keine versteifende Struktur (6) aufweist.
Ein mechanisches Verstärkungselement (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das mechanische Verstärkungselement (1) ein Blech aufweist.
Ein mechanisches Verstärkungselement (1) nach dem vorherigen Anspruch, wobei das Blech eine Stärke aufweist, die geringer als 600 µm und vorzugsweise geringer als 400 µm ist.
Ein mechanisches Verstärkungselement (1) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei das Blech eine gleiche Stärke des Blechs in den Gelenken (5a, 5b), den Endbereichen (2), den Winkelbereichen (3) und den Verbindungsbereich (4) aufweist.
Ein mechanisches Verstärkungselement (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das mechanische Verstärkungselement (1) Titan aufweist.
Ein mechanisches Verstärkungselement (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine Länge des mechanischen Verstärkungselements (1) mindestens das 3-fache und vorzugsweise mindestens das 10-fache einer Breite des mechanischen Verstärkungselements (1) beträgt.
Ein mechanisches Verstärkungselement (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Länge des mechanischen Verstärkungselements (1) kleiner als 100 mm und mehr als 10 mm beträgt.
Ein mechanisches Verstärkungselement (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei ein Winkel (α) zwischen Endbereich (2) und Winkelbereich (3) kleiner als 45° und vorzugsweise kleiner als 20° ist.
Ein mechanisches Verstärkungselement (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die versteifende Struktur (6) am mechanischen Verstärkungselement (1) dazu ausgestaltet ist, das mechanische Verstärkungselement (1) zu befestigen oder zu arretieren.
Ein mechanisches Verstärkungselement (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Endbereiche (2) seitliche Laschen (9) aufweisen, die dazu ausgelegt sind, als Montage- und Befestigungshilfe für das mechanische Verstärkungselement (1) zu dienen.
Eine Anordnung aufweisend: - mindestens ein mechanisches Verstärkungselement (1) nach einem der vorherigen Ansprüche; - einen piezoelektrischer Aktuator (10); wobei die Endbereiche (2) mit dem piezoelektrischen Aktuator (10) verbunden und derart ausgebildet und angeordnet sind, dass bei einer Änderung der Ausdehnung des piezoelektrischen Aktuators (10) eine relative Bewegung der Endbereiche (2) zueinander und eine dazu senkrechte Bewegung des Verbindungsbereichs (4) erfolgt.
Ein Anordnung nach dem vorherigen Anspruch, wobei die Anordnung dazu ausgelegt ist eine haptische Rückmeldung bei Displays, Knöpfen, Schaltern oder anderen elektronischen Geräten und Interfaces zu generieren.