CN113453808A - 具有放大的变形的压电致动器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及具有放大的变形的机电致动器，其一方面包括至少一个动力元件（21），所述至少一个动力元件（21）连接到交变电压源以产生所述动力元件（21）的变形，并且另一方面包括板（22），所述板（22）被构造成放大动力元件（21）须传递到要致动的载体（40）的振动幅度，其特征在于，板（22）的第一面刚性固定到动力元件（21），并且在于，板（22）的与第一面相对的第二面经由致动接点（23）固定到要致动的载体（40）。
Description
技术领域
本发明涉及具有放大的变形的机电致动器的领域，特别是具有放大的变形的压电致动器。
背景技术
在以下各种情境中已知运用具有放大的变形的压电致动器：声纳、超声清洁器、超声焊接/加工技术、称为HIFU（英语术语“High Intensity Focused Ultrasounds（高强度聚焦超声）”的首字母缩合词）的系统、以及试图使用的需要大幅度的表面位移的众多应用。
压电致动器的另一使用示例是具有通过超声润滑（lubrificationultrasonique）的触觉反馈的装置的使用示例。但是当介质是耗散性介质时，如例如塑性材料的载体或其他粘弹性介质，用具有传统设计的简单的压电致动器难以获得大的表面位移。
实际上，已知的压电致动器仅使得能够在刚性表面（即由纯弹性材料构成的表面）且因此非耗散性的表面（尤其是不与产生能量耗散的任何粘弹性元件（如粘合剂或类似物）接触的金属表面或玻璃表面）上实现有效的基于超声润滑的触觉反馈。特别地，在屏幕领域中，已知的致动器是薄层状的并且只能与在表面玻璃和显示器（例如OLED或LCD）之间具有空气间隙的触摸屏一起使用，并且致动器必须直接施加在玻璃上以在那里产生不会被屏幕的粘弹性部分所耗散的驻波。
当要致动的介质耗散性更大时，如例如塑料、木材或其他类型的粘弹性材料，为了使用户容易地感知到触觉效应，需要使用其变形相比于通过简单的薄层状压电致动器获得的变形被放大的压电致动器。
然而，已知的具有放大的变形的压电致动器具有若干缺点，这限制了其在某些应用中的使用，将其排除在了屏幕之外。
于是，在工业情境中，具有放大的变形的压电致动器的运用带来一些问题。
首先，通常需要机械基准。在实践中，通常试图使压电致动器的一个面的变形最大化，这意味着将其相对面镶嵌到载体中。然而，获得这种镶嵌不是那么简单的。载体必须比要致动的元件大得多且刚性更大得多。例如，为了致动装有2mm厚的保护玻璃的显示器，需要将致动器稳定地固定在至少1cm厚的金属载体中。如果需要大量致动器，则这意味着只能添加大型金属结构以确保该机械基准功能。
其次，已知的具有放大的变形的致动器的尺寸很大，并且并不总是与试图将它们集成到其中的产品相容。例如，已知以Thorlabs™品牌销售的压电致动器能够产生大约10至30μm的变形并在40kHz至120kHz的频率范围内工作，但是其尺寸为大约10mm至30mm，这是在某些应用中的使用可接受的尺寸的大约10倍，所述应用如例如集成到屏幕或厚度较薄的其他结构中。
存在这些共振压电致动器的变型，如文献WO 91/01814 A1中描述的磁致伸缩致动器，但它们的尺寸保持相同的量级，因为放大效应也是基于波长为厘米级（20kHz至120kHz范围内）的压缩-膨胀共振。
再次，已知的具有放大的变形的压电致动器的成本极大地限制了其数量和使用。
存在其他类型的具有放大的变形的致动器，如基于电活性聚合物的那些致动器，例如文献US 2013/328447 A1中描述的，但它们限于低频振动。在任何情况下，它们都无法产生能够产生通过超声润滑的触觉反馈的超声振动。
发明目标
本发明的主要目标是提出能够减轻已知致动器的上述缺点的新型的具有放大的变形的机电致动器，尤其是压电致动器。
特别地，本发明的具体目标是提出一种致动器，其能够在不必镶嵌其一个面的情况下工作。
本发明的另一目标是提出一种尺寸非常小的致动器，即厚度为2至5mm，其可与在牵涉比已知应用更大的载体表面位移幅度（即，1至3微米的位移幅度，在大约20kHz至200kHz的超声频率的范围内）的大量新应用中的使用相容。
本发明的另一目标是提出一种易于制造和使用的致动器，并且其成本与已知致动器的成本相比大幅降低，这再次使得能够将其使用推广到新的应用中。
发明内容
根据其原理，本发明在于将动力元件（élément moteur）联结（coupler）到以弯曲模式（mode de flexion）振动的板，所述动力元件例如低成本的“常见”单片式压电陶瓷。本描述中将仅限于压电致动器，但这并不限制本发明的范围，因为可以使用其他类型的动力元件（磁性的、静电的）。
根据本发明的致动器于是由3个元件构成：
- 小型化的动力元件，例如方形、圆形或矩形的压电陶瓷；
- 刚性板，例如由青铜、钢、锌等制成，通过小型化的动力元件使之振动并引起对动力元件的运动的放大效应；
- 以及致动接点（plot d'actionnement），其布置在刚性板上并相对于刚性板凸起，该致动接点旨在紧贴要致动的载体的表面。致动接点被安置在板上，整体地构成其一部分、或者添加并固定到板上，尤其是通过粘合。
致动接点的尺寸相对于板较小并且相对于板居中。
这三个元件彼此刚性连接，这例如借助于即使对于牵涉强机械应力的超声频率运动也能保持元件之间的粘附力的强力粘合剂，例如双组分环氧树脂型粘合剂。
因此，本发明的主题是具有放大的变形的机电致动器，其一方面包括至少一个动力元件，所述至少一个动力元件连接到交变电压源以产生所述动力元件的变形，并且另一方面包括板，所述板被构造成放大动力元件须传递到要致动的载体的振动幅度，其特征在于，板的第一面刚性固定到动力元件，并且在于，板的与第一面相对的第二面经由致动接点固定到要致动的载体。
根据本发明的一个实施例，所述动力元件优选地是压电致动器，但它可以是其他类型的致动器，如磁致动器或静电致动器。
根据一个实施例，板被构造成在介于20kHz至200kHz之间的主共振频率下产生最大弯曲变形。
为了使致动器可与超声润滑的触觉方法相容，板被构造成使得它在共振频率下产生的振动幅度比动力元件单独产生的振动幅度更大，放大倍数介于4至50之间。
根据一个实施例，板具有圆盘形式，其直径介于9mm至12mm之间，例如11mm，并且其厚度介于0.2mm至1mm之间，例如0.5mm，空载工作频率约为60kHz。
根据一个有利实施例，板具有平行六面体的板的形式，其长度L介于9mm至11mm之间，例如10mm，其宽度B介于4mm至6mm之间，例如5mm，并且其厚度h介于1mm至2mm之间，例如1.5mm，空载工作频率约为70kHz。
根据另一有利实施例，板是长度L显著大于其宽度B的矩形，并且板在其一个面上包括若干动力元件，并且在其相对面上包括致动接点，所述致动接点的长度对应于板的宽度B并且其宽度b小于板的宽度B。
根据另一实施例，具有长度L的板以扁平环或3D环的形式自身闭合。也就是说，该板的宽度B被拉长，直到形成封闭的环。该环形板包括位于环的一个面上的间隔开的动力元件以及在环的另一面上延伸的致动接点，所述致动接点在环的整个圆周上延伸并且具有小于板的长度L的宽度b。
根据一个实施例，对动力元件的运动的放大倍数是致动接点的宽度b与板的长度L之比的函数，这使得能够通过操纵该比来控制所需的放大倍数。根据一个优选实施例，致动接点的宽度与板的长度之比b/L介于0.1至0.45之间。
根据一个实施例，致动器的动力元件是方形、矩形或圆形的压电陶瓷板材（dalle），其最大尺寸（长度、宽度、直径）介于6mm至8mm之间，特别是7mm，工作频率为64kHz。
根据一个实际实施例，致动器被构造成使得：对于未联结到载体的致动器，其在主共振频率下在与载体垂直的方向上的变形幅度介于10微米至30微米之间，并且在联结模式下由致动器传递到表面的变形幅度介于1至2.5微米之间。
优选地，致动器的动力元件和板借助于具有低能量耗散的强粘合剂、尤其是环氧树脂粘合剂连成一体。
本发明的主题还有一种装置，其包括要通过触觉效应、尤其是通过超声润滑的触觉效应来致动的粘弹性表面，并且包括多个如上所述的致动器。
根据一种有利变型，所述装置包括与所述要致动的载体垂直地固定的固定薄片以及一个或多个致动器，所述一个或多个致动器经由它们的致动接点固定到所述固定薄片上。
在一个有利实施例中，所述要致动的载体包括具有低超声振动传导能力的表面，如塑料或包括粘弹性芯材的多层板。因此，所述要致动的载体可以是诸如OLED或LCD屏幕之类的要通过触觉效应、尤其是通过超声润滑的触觉效应来致动的装置。
附图说明
将参考附图更详细地描述本发明，其中：
图1示意性地示出了具有放大的变形的压电致动器的三个已知示例；
图2以分解透视图、组装透视图和截面透视图示出了根据本发明的致动器的第一实施例的原理示意图；
图3示出了根据本发明的致动器的第二实施例的原理示意图的若干视图；
图4以截面视图示出了根据本发明的致动器在要致动的介质上的安装示例；
图5示出了根据本发明的多个致动器在要致动的表面上的分布示意图；
图6示出了图表，该图表例示了根据本发明的致动器的运动幅度的放大效果；
图7示出了曲线，其显示出作为致动接点的宽度与压电致动器的放大板的长度之比的函数的致动器载体的最大变形幅度；
图8A至8C以透视方式示出了根据本发明的致动器的变型，分别从上方和下方的单独视图以及具有其模态变形的从上方的视图；
图9A和9B示出了有限元3D数字仿真（COMSOL），其显示出通过计算由根据图8的致动器和一个振动表面构成的组合件所特有的值而获得的模态变形41，图9A和9B是针对要致动的表面的两种不同的几何结构（géométrie）；
图10A和10B示出了使用环形放大板的致动器的两种变型；
图11A和11B分别示出了结合有根据图8的致动器的装置的透视图和截面图。
具体实施方式
参考图1，其涉及使得能够放大压电致动器的变形的三种类型的已知装置。
作为回顾，主要有两种类型的压电致动器：
- 未经放大的致动器，其中，所获得的位移直接等于压电材料在施加电压下的变形。
- 经放大的致动器，其中，机械装置将压电材料的运动放大，通常放大2至20倍。
如今，常规将多层陶瓷用作经放大的压电致动器中的动力元件。此类材料的结合施加了特定的预防措施，如例如需要确保机械预应力或需要避免扭转应力。如果设计和使用得当，压电致动器非常可靠和稳健。
图1a对应于经放大的压电致动器1a的已知示例，其由基本压电陶瓷2的一组堆叠的层构成。通过将基本陶瓷2的变形乘以存在于装置中的单元陶瓷的数量来获得放大效果。因此可以看出，从产生的竖直运动幅度的角度来看，这可以是高效的，该竖直运动由双向箭头示意性地示出，但堆叠意味着该致动器的尺寸变得太大并且将该装置排除在需要小尺寸致动器的某些应用之外。此外，该装置需要非常刚性的固定附接点3，其本身也相当占空间。
图1b对应于称为弯张致动器的压电致动器1b，其也采用图1a的单元陶瓷2的堆叠原理，但是将堆叠翻转并将其封闭在机械结构4中，机械结构4将陶瓷2的变形变换成垂直变形，通过竖直双箭头示意性地示出。归根结底，该已知变型没有解决图1a的变型所固有的问题。
图1c对应于称为双压电晶片的致动器1c，包括相反地工作的两个压电陶瓷2、2'。这种结构具有提供大游隙的优点，但也需要固定且刚性的基准点3，并且最终不适合致动比如例如屏幕的表面之类的表面。 图2中以分解透视图（a）、组装透视图（b）和截面透视图（c）示出了根据本发明的第一实施例的经放大的致动器20。
该第一实施例由以下部分构成：在上部的压电动力元件21；此处为圆形的放大板22，放大板22与动力元件21连成一体，动力元件21将使放大板22以弯曲模式振动；以及与板22连成一体的致动接点或凸头23。该致动接点旨在将由动力元件21和板22构成的复合组合件的运动传递到要致动的表面（该图中未示出）。致动接点23位于板22的与承载动力元件21的面相对的面上。
动力元件21优选但非必须地为以陶瓷板材形式的基本压电致动器。动力元件21被示出为正方形，但也可以是圆形或其他形状。陶瓷板材21以已知的方式具有两个金属电极（未示出）用于施加馈送电压，从而使得能够获得压电效果，即，陶瓷厚度上的变形是所施加的电压的函数。
根据本发明，陶瓷板材21以尽可能刚性的方式粘合到放大板22上，这例如借助于环氧树脂粘合剂层（未示出），以便尽可能地避免陶瓷板材21与板22间的界面处的能量耗散。当所使用的粘合剂电绝缘时，需要直接在压电板材的电极上施加激励电压。相反，当所使用的粘合剂导电并且板22是金属的（例如由黄铜、钢或锌制成）时，可以在压电板材21的上电极与板22之间施加激励电压。
根据图2所示的第一实施例，板22具有圆盘形式。为了获得目标超声范围内的共振频率，即20kHz至200kHz，其厚度可以例如介于0.2mm至1mm之间，例如为0.5mm，并且其直径可以介于9mm至12mm之间，例如为11mm，这尤其取决于所追求的共振频率，例如空载时60kHz，所谓的空载即在与要致动的表面联结之前，并且还取决于其他参数，如尤其是针对该板使用的材料的密度。
根据一个有利实施例，在目标工作频率为大约64kHz的情况下，压电陶瓷21具有内接于板22的表面的方形表面，该方形的边长约为7mm，压电陶瓷21的厚度为大约0.5mm。
致动接点23由添加到板22并与之连成一体的例如金属制或玻璃制的刚性元件构成（图2a），或者由板22的材料的延伸构成（图2c）。由于板22与致动接点23之间没有粘合剂界面，因此该第二解决方案使得能够避免额外的能量耗散。
当致动器20固定到要致动的表面（图2中未示出）时，陶瓷板材21的变形被传递到板22，板22将其放大并经由致动接点23将其传递到所述要致动的表面。
图3a中示出了根据本发明的致动器20的第二实际实施例。在该构造中，针对动力元件21和板22使用长方体结构，其在弯曲时表现得如同具有矩形截面的梁。
致动接点23相对于板具有小尺寸并且相对于板居中。
在所示实施例中，板22具有宽度B、长度L和厚度h。
具有矩形截面的梁在弯曲时的横向位移记为y(x, t)，由下面的波动方程表示：
【数学式1】
其中E表示杨氏模量，
【数学式2】I = B.h3/L2表示沿y轴的二次轴矩，并且ρ表示梁的单位体积质量。根据调和解（正弦状态），方程【数学式1】变为：
【数学式3】
其中Y(x)表示沿x轴的横向振动幅度。在自由条件下，求解方程【数学式3】得到下面的表达式【数学式4】，其中，【数学式5】
表示波数：
【数学式4】
其中指数n表示振动模式的编号。弯曲模式下的单个梁所特有的每种振动模式的频率由下面的公式【数学式6】给出：
【数学式6】
因此可观察到，为了获得给定的振动频率，以梁的形式的板22的若干几何结构（长度、宽度、厚度）将能够相适应。
图3b和3c分别示出了具有宽度B和长度L的平行六面体致动器20的特定实施例的侧视图和透视图，其处于对应于工作中的致动器的特定时刻的弯曲位置。在所示示例中，陶瓷板材21的宽度和长度等于板22的宽度和长度，但这不是必需的。致动接点23的长度B等于板的宽度，致动接点23的宽度b小于板的长度L。
图4示意性地示出了根据本发明的经放大的致动器20在要致动的板40的一个面上的安装。致动器20通过致动接点23的自由面24固定（粘合）到要致动的板40的下面42上。这样，板22处于致动接点23与陶瓷板材21之间。为了限制能量耗散造成的损耗，用于将致动接点23固定到要致动的板40的下面42上的固定必须尽可能地刚性，例如使用环氧树脂粘合剂。然后经由电极（未示出）向压电板材21的端子馈送超声频率激励信号。
未联结的经放大的致动器20的运动幅度于是可以约为10至30微米，比已知的压电致动器的幅度更大，倍数在4至50倍。
此外，由致动器20经由致动接点23在要致动的板40的表面处引起的运动幅度与由根据现有技术的未经放大的致动器传递的幅度相比也被放大了4至50倍。
板40的经放大的变形于是在超声共振频率下具有约1至2.5微米的幅度，并且然后被放在要致动的板40的上面上的用户的手指41清楚地感觉到，即使板是由粘弹性材料制成的（如塑性材料、木材或类似物）也是如此。
当需要在板40的若干点处产生差异化的触觉效应时，或者当要致动的表面具有过大的振动消耗时，则可以在该板的一个面上配备经放大的致动器20或50（图8）的网络，例如致动器20或50的矩阵网络，如图5示意性地示出的那样。
图6中示出了根据本发明的经放大的压电致动器20的位移幅度的仿真结果，压电致动器20联结到了要致动的板40，并且在71.3kHz的超声频率下工作。
在图6的左侧部分，所使用的致动器是未经放大的简单的压电板材21。其两个边缘与对应于变形凸腹的中央之间的弯曲变形幅度大约等于2.10-8米，即0.02微米。
在图6的右侧部分，所使用的致动器是根据本发明的经放大的致动器20。其两个边缘与对应于变形凸腹的中央之间的弯曲变形幅度大约等于10-6米，即1微米。因此，在这种情况下，本发明使得能够将人类手指几乎或完全无法感知到的幅度（0.02微米）放大50倍至1微米的容易感知得多的板表面位移幅度。
测试表明，对于给定的工作频率和给定的表面类型，由根据本发明的经放大的致动器20获得的板40的位移幅度很大程度上取决于放大板22的尺寸与其致动接点23的尺寸之比。图7的曲线中再现了测试结果，其在纵坐标上给出了根据本发明的致动器的变形幅度，其是横坐标上的致动器的致动接点的宽度b与板22的长度L之比的函数，该比记为b/L。
如可以看到的，只要前述比b/L保持在介于大约0.1至0.45之间的值差幅内，该变形幅度就会保持大于一微米。当所述尺寸比约为0.3时，最大幅度甚至接近2.5微米。针对单个频率和单个基板，因此处于联结模式。
本发明的原理也可以在图2和图3以外的实施例中实现。
于是，如图8A、8B所示，在一个特别有利的实施例中，其包括在单个板22上添加若干个图3的致动器21，其中，该板22的图3的小尺寸B被扩展成为该新致动器50的长度L，该新致动器50的板22的形状仍然是矩形，但其长度L显著大于其宽度B。在该板的一个面上固定有一系列动力元件21，尤其是陶瓷元件。动力元件21间隔有无动力元件的区域，这使得能够节省所需的动力元件（其为相当昂贵的部件）面积，而不会有损于所得结果。如前所述，在板22的相对面上布置或设置有致动接点23。但在该实施例中，致动接点为沿矩形板22的长度L伸展的纵向轨道的形式。致动接点或轨道23在此仍然添加并刚性固定至板22，或直接通过板22的突起形成。
图8c示出了模态变形41的轮廓，对于未联结的致动器50，这使得能够最大化致动接点的竖直位移。
图9a和9b示出了对两个系统进行的模态分析，这两个系统为致动器50与两个要致动的不同结构40（一个在图9a中，为矩形板的形式，另一个在图9b中，为半圆板的形式）联结得到的，并且可观察到，图8c的模态变形41的轮廓在图9a和9b的两种构造中的每一种中都可以找到。换言之，自由致动器50的共振模式被保留用于联结后的系统，而与要致动的板的几何结构无关。
图10中示意性地示出了根据本发明的致动器60的另一实施例。它使用扁平环形式的板22（图10A）或3D环形式的板22（图10B）。在这些情况下，动力元件21可以位于板22的一个面上，并且致动接点23于是位于板22的相对面上并沿着板延伸。呈3D环形式的致动器60尤其可以用于致动球体、圆柱体、操纵杆等。
现在参考图11，其示出了图8的致动器50的有利使用，以使矩形表面振动，该矩形表面例如是构成屏幕的一部分的板40的表面，希望在该屏幕上产生通过超声润滑的触觉反馈效应。
在该实施例中，图8的致动器50可以旋转90°并安装在固定薄片43（图11B）上，固定薄片43通过刚性固定42联结到要使之振动的表面40。这使得能够获得紧凑性，因为致动器50的表面不再位于要致动的表面40的平面内，而是位于与其垂直的平面内。
要注意的是，也可以将根据图2或图3的若干基本致动器20和/或图8的若干致动器50固定在固定薄片43上，来代替图11所示的单个致动器50。
在图11的构造中，要使之振动的板40中的弯曲波是通过形成弯矩而产生的。通过致动器50的存在来最大化弯矩，致动器50产生高幅度的振动，而不管要使之振动的表面的形式如何，如结合图9提到的那样。可以通过操纵致动器50的各种尺寸来获得对该振动的优化。
发明优势
本发明达成了所设定的目标，并且使得能够获得较大的触觉反馈幅度，包括在表现出强超声衰减的粘弹性表面上也是如此，如塑性材料、木材或在表面玻璃与显示器之间具有光学粘合的触摸屏。
本发明使得能够产生比已知的压电致动器更大的超声位移，足以获得超声润滑效应，即改变手指在被驻波激励的表面上的摩擦力，即使这些表面是振动能量耗散型表面也是如此。
本发明还使得能够免除大量机械基准，这使得能够更好地小型化经放大的致动器。
因此，本发明使得能够直接在设计有超声润滑的摩擦的表面上使用具有放大的变形的致动器。
这种新结构的生产特别简单且经济，这使得能够为较大表面或迄今为止无法受益于显著触觉反馈效应的表面（例如屏幕的背面）配备根据本发明的致动器。
Claims (20)
1.具有放大的变形的机电致动器，其一方面包括至少一个动力元件（21），所述至少一个动力元件（21）连接到交变电压源以产生所述动力元件（21）的变形，并且另一方面包括板（22），所述板（22）被构造成放大动力元件（21）须传递到要致动的载体（40）的振动幅度，其特征在于，板（22）的第一面刚性固定到动力元件（21），并且在于，板（22）的与第一面相对的第二面经由致动接点（23）固定到要致动的载体（40）。
2.根据权利要求1所述的机电致动器，其特征在于，致动接点（23）的尺寸相对于板较小并且相对于板居中。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的致动器，其特征在于，所述动力元件（21）是压电致动器、磁致动器或静电致动器。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的致动器，其特征在于，板（22）被构造成在介于20kHz至200kHz之间的主共振频率下产生最大弯曲变形。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的致动器，其特征在于，板（22）的形式、尺寸和材料被选择成使得板（22）在共振频率下产生的振动幅度比动力元件（21）单独产生的振动幅度更大，放大倍数介于4至50之间。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的致动器，其特征在于，板（22）具有圆盘形式，其直径介于9mm至12mm之间，并且其厚度介于0.2mm至1mm之间，空载工作频率约为60kHz。
7.根据权利要求5所述的致动器，其特征在于，板（22）具有圆盘形式，其直径为11mm并且其厚度为0.5mm。
8.根据权利要求1至4中的任一项所述的致动器，其特征在于，板（22）具有平行六面体的形式，具有长度L、宽度B和厚度h。
9.根据权利要求8所述的致动器，其特征在于，板（22）的长度L介于9mm至11mm之间，宽度B介于4mm至6mm之间，并且厚度h介于1mm至2mm之间，空载工作频率约为70kHz。
10.根据权利要求8所述的致动器，其特征在于，板（22）的长度L为10mm，宽度B为5mm，并且厚度h为1.5mm。
11.根据权利要求1至5和8中的任一项所述的致动器（50），其特征在于，板（22）的长度L显著大于其宽度B，并且在于，板（22）在其一个面上包括若干动力元件（21），并且在其相对面上包括致动接点（23），所述致动接点（23）的长度对应于板的宽度B并且其宽度b小于板的宽度B。
12.根据权利要求1至5和8中的任一项所述的致动器（60），其特征在于，板（22）以扁平环或3D环的形式自身闭合，并且在于，板（22）包括位于板（22）的一个面上的间隔开的动力元件（21）以及位于板的相对面上的致动接点（23），所述致动接点（23）在板的长度L上延伸并且具有小于板（22）的长度L的宽度b。
13.根据权利要求8至12中的一项所述的致动器（20；50；60），其特征在于，对每个动力元件（21）的运动的放大倍数是致动接点（23）的宽度b与板（22）的长度L之比b/L的函数。
14.根据权利要求8所述的致动器，其特征在于，致动接点的宽度b与板（22）的长度L之比b/L介于0.1至0.45之间。
15.根据前述权利要求中的任一项所述的致动器（20；50；60），其特征在于，动力元件（21）是方形、矩形或圆形的压电陶瓷板材，其最大尺寸（长度、宽度、直径）介于6mm至8mm之间，特别是7mm，工作频率为64kHz。
16.根据前述权利要求中的任一项所述的致动器（20；50；60），其特征在于，致动器被构造成使得：对于未联结到载体的致动器，其在主共振频率下在与载体（40）垂直的方向上的变形幅度介于10微米至30微米之间，并且在联结模式下由致动器传递到表面（40）的变形幅度介于1至2.5微米之间。
17.根据前述权利要求中的任一项所述的致动器（20；50；60），其特征在于，动力元件（21）和板（22）借助于具有低能量耗散的强粘合剂、尤其是环氧树脂粘合剂连成一体。
18.装置，其包括要通过触觉效应来致动的载体（40），其特征在于，其包括至少一个根据前述权利要求中的任一项所述的致动器（20；50；60）。
19.根据权利要求18所述的装置，其特征在于，其包括：要致动的载体（40）；与所述载体（40）垂直地固定的固定薄片（43）；以及一个或多个致动器（20；50），其经由它们的致动接点（23）固定到所述固定薄片（43）上。
20.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于，所述载体（40）是显示屏幕。
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Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1991001814A1 (fr) * | 1989-08-10 | 1991-02-21 | Billmann Andre | Realisation de resonateurs electromecaniques, excites electriquement et asservis par effet magnetostrictif |
| EP2535119A2 (en) * | 2011-06-14 | 2012-12-19 | Chief Land Electronic Co. Ltd. | Transducer module |
| EP2571071A2 (en) * | 2011-09-19 | 2013-03-20 | Chief Land Electronic Co. Ltd. | Transducer and transducer module |
| US20130328447A1 (en) * | 2012-06-08 | 2013-12-12 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Actuator using electro-active polymer and electronic device therewith |
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