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Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen Wandler, mittels dem eine mechanische Eingabegröße in eine elektrische Größe wandelbar ist.
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Elektromechanische Wandler der genannten Art sind bekannt. Sie können eine manuell greifbare Außengeometrie aufweisen, über die die mechanische Eingabegröße eingebbar ist. Dazu kann die mechanische Außengeometrie mit einer manuellen Kraft und/oder einem manuellen Moment beaufschlagt werden. Es sind elektromechanische Wandler bekannt, die Kräfte und/oder Momente in mehreren Freiheitsgraden, beispielsweise bis zu 6 Freiheitsgraden aufnehmen und in eine elektrische Größe wandeln können. Solche Geräte weisen einen vergleichsweise komplexen Aufbau auf, weisen beispielsweise mechanische und/oder optische Teile wie Federn und/oder Fotodioden auf.
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Die
DE 102 38 932 B3 betrifft ein als Sensor und/oder Aktuator einsetzbares elastisches Bauteil, mit einer elastisch verformbaren Struktur und mit an der Struktur angeordneten oder in die Struktur integrierten Wandlerelementen zur Umsetzung einer elastischen Verformung der Struktur in ein abgreifbares Messsignal und/oder zur Umsetzung eines zuführbaren Ansteuersignals in eine elastische Verformung der Struktur, wobei die elastisch verformbare Struktur wabenförmig ist, wobei jede von mehreren in einer Wabenebene nebeneinander angeordneten Wabenzellen durch sechs Wabenwandungen begrenzt und von ihr benachbarten sechs Wabenzellen getrennt ist und wobei jeweils drei der Wabenwandungen zwischen drei einander benachbarten Wabenzellen in einem senkrecht zu der Wabenebene verlaufenden Knotenbereich miteinander verbunden sind, und dass die Wandlerelemente im Bereich von mehreren der Wabenwandungen vorgesehen sind.
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Die
US 2005/0057123 A1 offenbart eine Vorrichtung mit einem Piezoelement zur Wandlung von eingebrachter mechanischer Schwingungsenergie in elektrische Energie.
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Die
US 6,376,968 B1 offenbart eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie mittels feldinduzierter Piezoelektrizität innerhalb elektrorestriktiver Materialien wie Polyurethan.
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Die
DE 10 2007 037 262 B3 offenbart einen Kraft-Moment-Sensor zum Messen von mindestens drei orthogonalen mechanischen Belastungen.
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Die
US 2008/0136292 A1 offenbart eine Vorrichtung mit einem Piezoelement zur Wandlung von eingebrachter mechanischer Schwingungsenergie in elektrische Energie.
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Die
FR 2 940 855 A1 offenbart eine Vorrichtung mit einem Piezoelement zur Wandlung von eingebrachter mechanischer Schwingungsenergie in elektrische Energie.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen elektromechanischen Wandler bereitzustellen, der eine gegenüber Zerstörung robuste Lagerung einer Außengeometrie auf einer Basis, einen bestmöglichen Schutz elastisch dehnbarer elektrischer Widerstandselemente gegen eine versehentliche Zerstörung sowie eine haptische Rückmeldung ermöglicht.
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Die Aufgabe mit einem elektromechanischen Wandler, mittels dem eine mechanische Eingabegröße in eine elektrische Widerstandsgröße wandelbar ist, mit einer Außengeometrie, über die die mechanische Eingabegröße eingebbar ist, einer Basis (5), zu der die Außengeometrie (3) mittels einer Sandwichfolie (15) in 6 Freiheitsgraden, nämlich 3 translatorischen und 3 rotatorischen Freiheitsgraden relativ beweglich gelagert ist, wobei die Basis (5) in eine Ausnehmung (11) der Außengeometrie (3) eingreift, zumindest einem polymerbasierten dehnungssensitiven, elastisch dehnbaren, elektrischen Widerstandselement, das an der Außengeometrie und an der Basis mechanisch fixiert und mittels dem zum Erzeugen der elektrischen Widerstandsgröße die mechanische Eingabegröße in eine Dehnung des polymerbasierten elastisch dehnbaren, elektrischen Widerstandselements wandelbar ist, und einer Sandwichfolie, die das zumindest eine Widerstandselement aufweist und zwischen die Außengeometrie und die Basis gespannt ist, wobei die Sandwichfolie eine elastische Eigenschaften aufweisende erste Substratschicht und eine zweite elastische Eigenschaften aufweisende zweite Substratschicht aufweist, wobei das zumindest eine Widerstandselement auf eine der Substratschichten aufgebracht ist, gelöst.
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Unter einer mechanischen Eingabegröße kann eine Kraft und/oder ein Moment, das auf die Außengeometrie wirkt und/oder eine beliebige räumliche manuelle Manipulation der Außengeometrie verstanden werden, wobei es sich bei der mechanischen Eingabegröße um eine Mehrgrößengröße beziehungsweise vektorielle Größe handelt, nämlich eine Mehrgrößengröße mit 6 Einzelgrößen zum Beschreiben von insgesamt 6 Freiheitsgraden der Außengeometrie, d.h. drei translatorischen und drei rotatorischen Freiheitsgraden.
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Dementsprechend kann unter der elektrischen Widerstandsgröße ebenfalls eine Mehrgrößengröße beziehungsweise vektorielle Größe verstanden werden, die insbesondere genau so viele Einzelgrößen wie die mechanische Eingabegröße aufweist. Unter der elektrischen Widerstandsgröße kann beispielsweise eine einen elektrischen Widerstand und/oder eine Leitfähigkeit kennzeichnende Größe, insbesondere eine davon abgeleitete Größe wie eine Spannung oder ein Strom verstanden werden. Alternativ und/oder zusätzlich ist es jedoch auch denkbar, dass die elektrische Widerstandsgröße mehr oder weniger Einzelgrößen aufweist als die mechanische Eingabegröße, beispielsweise ist es denkbar, dass mittels einer entsprechenden elektrischen Beschaltung bereits eine Verarbeitung der gewandelten mechanischen Eingabegröße stattfindet, wobei sich die Anzahl der Einzelgrößen zwischen der mechanischen Eingabegröße und der elektrischen Widerstandsgröße unterscheiden können. Bei dem elastisch dehnbaren, elektrischen Widerstandselement kann es sich beispielsweise um eine sogenannte polymerbasierte Leiterbahn handeln. Solche polymerbasierten Leiterbahnen können aufgrund des verwendeten Polymers leitende Eigenschaften aufweisen und/oder aus einem grundsätzlich nicht leitenden Polymermaterial bestehen, das mit leitenden Partikeln, insbesondere Nanopartikeln, beispielsweise Ruß, dotiert ist. Eine Dehnung einer solchen polymerbasierten Leiterbahn führt vorteilhaft zu einer Abnahme einer elektrischen Leitfähigkeit der polymerbasierten Leiterbahn, wodurch vorteilhaft die mechanische Eingabegröße in Form der Änderung der elektrischen Leitfähigkeit in eine elektrische Größe, insbesondere die Widerstandsgröße, gewandelt ist, die durch eine entsprechende Beschaltung, insbesondere unter Verwendung einer Hilfsenergiequelle, in einen Strom und/oder eine Spannung, die insbesondere ebenfalls als die Widerstandsgröße verstanden werden können, weitergewandelt werden kann. Mittels der entsprechenden Beschaltung kann die veränderte elektrische Leitfähigkeit in ein elektrisches Signal, insbesondere den Strom und/oder die Spannung, gewandelt werden. Das elektrische Widerstandselement weist also sogenannte piezo-resistive Eigenschaften auf. Vorteilhaft kann das elastisch dehnbare, elektrische Widerstandselement in einem Raum angeordnet werden, so dass auf eine Richtung der mechanischen Eingabegröße geschlossen werden kann. Vorteilhaft ist es möglich, dass das elastisch dehnbare, elektrische Widerstandselement ein elastisch dehnbares Material mit nicht linearen elastischen Eigenschaften aufweist. Vorteilhaft kann dies zu einem passiven, nicht linearen Verformungsverhalten führen, das vorteilhaft für ein haptisches Feedback ausgenutzt werden kann. Durch diese nicht linearen elastischen Eigenschaften von verwendeten Polymermaterialien ist vorteilhaft eine nicht lineare Kennlinie von Rückstellkräften, die mittels des elastisch dehnbaren, elektrischen Widerstandselements auf die Außengeometrie übertragen werden, möglich, wobei diese einer Eingabekraft entgegenwirken und vorteilhaft inhärent zu realisieren sind. Unter inhärent zu realisieren kann verstanden werden, dass außer dem elastisch dehnbaren, elektrischen Widerstandselement keine weiteren komplexen mechanischen und/oder optischen Teile, beispielsweise Stahlfedern, Antriebe, Dioden, etc., notwendig sind, um die Rückstellkräfte und/oder das haptische Feedback zu realisieren. Falls zum Beispiel die Außengeometrie mittels einer manuellen Krafteinwirkung translatorisch ausgelenkt wird, nimmt eine dazu notwendige Eingabekraft überproportional zu einem Verschiebungsweg zu. Dadurch entsteht ein für haptische Eingabegeräte wichtiges haptisches Feedback, das vorteilhaft passiv, also insbesondere allein durch das Vorhandensein des elastisch dehnbaren, elektrischen Widerstandselements realisiert werden kann. Vorteilhaft ist keine aufwändige, kostenintensive Motorisierung des elektromechanischen Wandlers erforderlich. Durch die Anordnung des elastisch dehnbaren, elektrischen Widerstandselements in dem Raum kann vorteilhaft eine richtungsabhängige, nicht lineare Verformungskennlinie realisiert werden, beispielsweise um eine gefühlte Sensibilität in Hauptachsen der mechanischen Eingabegröße zu erhöhen. In diesem Fall ist es möglich, eine Vielzahl der elastisch dehnbaren, elektrischen Widerstandselemente miteinander zu kombinieren und in unterschiedlichen Raumrichtungen zueinander anzuordnen. Je weiter die Außengeometrie mittels einer manuellen Eingabe ausgelenkt ist, desto mehr Kraft muss für eine weitere Verformung des elastisch dehnbaren, elektrischen Widerstandselements aufgewendet werden. Dies kann vorteilhaft für eine einfache und intuitive Geschwindigkeitssteuerung ausgenutzt werden, insbesondere für eine Ansteuerung von CAD-Systemen. Alternativ und/oder zusätzlich ist es vorteilhaft möglich, den elektromechanischen Wandler in sogenannten Human-in-the-Loop-beziehungsweise Mensch-in-Regelkreis-Anwendungen einzusetzen. Dabei können vorteilhaft Teile einer Datenverarbeitung, zum Beispiel Linearisierungen und/oder Offsetabgleich von einem Gehirn eines Benutzers des elektromechanischen Wandlers unterbewusst miterledigt werden. Alternativ und/oder zusätzlich ist es vorteilhaft möglich, mittels des elektromechanischen Wandlers Positionen und/oder Rotationen von virtuellen und/oder realen Objekten im Raum in einer intuitiven Form vorzunehmen, beispielsweise für eine Verschiebung der Außengeometrie eine Verschiebung des Objekts und für eine Rotation der Außengeometrie eine Rotation des Objekts zu steuern. Vorteilhaft kann mittels des elektromechanischen Wandlers ein Eingabegerät realisiert werden, wobei eine Umsetzung von Eingabekräften und Momenten durch die verwendeten elastisch dehnbaren, elektrischen Widerstandselemente, insbesondere polymerbasierten Leiterbahnen, realisiert werden kann. Alternativ und/oder zusätzlich ist es denkbar, den elektromechanischen Wandler, insbesondere die elastisch dehnbaren, elektrischen Widerstandselemente polymerbasiert aufzubauen, insbesondere in einem Druck- und/oder Spritzgussverfahren, wobei sich eine sehr kostengünstige Fertigung des elektromechanischen Wandlers realisieren lässt. Alternativ und/oder zusätzlich ist es denkbar, den elektromechanischen Wandler als kostengünstiges Teil in einer sogenannten Verbraucherelektronik, beispielsweise Mobiltelefonen und Laptops, insbesondere konzipiert für Massenmärkte, einzusetzen. Unter dehnungssensitiv, elastisch dehnbar kann verstanden werden, dass ein elektrischer Leitwert des elastisch dehnbaren, elektrischen Widerstandselements von einer Dehnung desselben abhängig ist. Unter polymerbasiert kann insbesondere verstanden werden, das das Widerstandselement ein Polymer aufweist. Unter elastisch dehnbar kann verstanden werden, dass eine reversible elastische Längung um 50% bis 600%, insbesondere 70% bis 550%, insbesondere 100% bis 500%, insbesondere 200% bis 400%, insbesondere 250% bis% bis 350%, möglich ist.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des elektromechanischen Wandlers ist vorgesehen, dass der Wandler zum Fixieren des zumindest einen polymerbasierten elastisch dehnbaren, elektrischen Widerstandselements zumindest eine der Basis zugeordnete Mittelanbindung und zumindest eine radial außerhalb der Mittelanbindung angeordnete und der Außengeometrie zugeordnete Satellitenanbindung aufweist. Vorteilhaft kann das elastisch dehnbare, elektrische Widerstandselement zwischen der Mittelanbindung und die Satellitenanbindung mechanisch fixiert werden, wobei vorteilhaft eine Übertragung der mechanischen Eingabegröße über die Außengeometrie und die Satellitenanbindung auf das zumindest eine elastisch dehnbare, elektrische Widerstandselement erfolgt, wobei die Mittelanbindung, die der Basis fest zugeordnet ist, ein Gegenlager bildet, so dass für den Fall einer mechanischen Eingabegröße das zumindest eine elastisch dehnbare, elektrische Widerstandselement zwischen der Satellitenanbindung und der Mittelanbindung gestaucht beziehungsweise gedehnt werden kann.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des elektromechanischen Wandlers ist vorgesehen, dass das zumindest eine polymerbasierte elastisch dehnbare, elektrische Widerstandselement zwischen die Mittelanbindung und Satellitenanbindung gespannt ist. Vorteilhaft kann das zumindest eine elastisch dehnbare, elektrische Widerstandselement eine Vorspannung aufweisen, so dass vorteilhaft auch mechanische Eingabegrößen, die zu einer Verkürzung des zumindest einen elastisch dehnbaren, elektrischen Widerstandselements führen, aufgenommen werden können. Es ist denkbar, das zumindest eine elastisch dehnbare, elektrische Widerstandselement unter einer Vorspannung zwischen die Mittelanbindung und die Satellitenanbindung zu spannen. Dadurch ist es vorteilhaft möglich, dass auch mechanische Eingabegrößen, die zu einer Verkürzung des elastisch dehnbaren, elektrischen Widerstandselements führen, aufgenommen werden können. In diesem Fall erhöht sich die Leitfähigkeit des elastisch dehnbaren, elektrischen Widerstandselements.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des elektromechanischen Wandlers ist vorgesehen, dass das zumindest eine polymerbasierte dehnungssensitive, elastisch dehnbare, elektrische Widerstandselement auf eine Substratschicht aufgebracht ist und/oder sich von der Mittelanbindung zu dem radial außerhalb der Mittelanbindung liegenden Satellitenanbindung erstreckt und/oder sich schräg zu einem Radius von der Mittelanbindung zu der Satellitenanbindung erstreckt und/oder sich schräg zu einer x-y-Ebene des elektromechanischen Wandlers erstreckt. Vorteilhaft kann das elastisch dehnbare, elektrische Widerstandselement auf einfache Art und Weise auf die Substratschicht aufgebracht sein, beispielsweise mittels Aufkleben, Aufvulkanisieren, Aufdrucken und/oder Ähnlichem. Es ist vorteilhaft möglich, eine sternförmige Struktur einer Vielzahl der elastisch dehnbaren, elektrischen Widerstandselemente zu realisieren. Dabei ist es ferner vorteilhaft möglich, dass sich einige oder alle der elastisch dehnbaren, elektrischen Widerstandselemente schräg zu dem Radius von der Mittelanbindung zu der Satellitenanbindung erstrecken, wodurch vorteilhaft eine Rotation der Außengeometrie, beispielsweise um eine z-Achse des Sensors, entweder zu einer Verlängerung oder zu einer Verkürzung unterschiedlicher elastisch dehnbarer, elektrischer Widerstandselemente führt, so dass vorteilhaft eine Richtung der Rotation mit aufnehmbar ist. Einige oder alle der elastisch dehnbaren, elektrischen Widerstandselemente können sich schräg zu der x-y-Ebene des elektromechanischen Wandlers erstrecken, wobei es vorteilhaft möglich ist, eine Richtung einer Krafteinwirkung auf die Außengeometrie beziehungsweise eine Verschiebungsrichtung der Außengeometrie mit aufzunehmen. Vorteilhaft können durch die schräge Anordnung einer Vielzahl der elastisch dehnbaren, elektrischen Widerstandselemente Bewegungen in unterschiedlicher Richtung und/oder Rotationen in unterschiedlicher Richtung aufgenommen werden, wobei insbesondere Bewegungen der Außengeometrien in bis zu 6 Freiheitsgraden aufgenommen werden und in Dehnungen der räumlich angeordneten elastisch dehnbaren, elektrischen Widerstandselemente wandelbar sind. Die Substratschicht kann elastische Eigenschaften aufweisen. Gegebenenfalls können die Substratschicht zusammen mit dem elastischen Widerstandselement die vorab beschriebene inhärente haptische Rückmeldung und/oder Rückstellkräfte gewährleisten beziehungsweise ermöglichen. Insofern kann unter dem Widerstandselement auch eine polymere widerstandssensitive Leiterbahn, aufgebracht auf eine elastische Substratschicht, verstanden werden. Unter sich schräg erstrecken zu, kann in dieser Anmeldung eine Anordnung unter einem Winkel von, insbesondere 0° bis 5°, vorzugsweise größer 5°, insbesondere 5° bis 20°, insbesondere 5° bis 30°, insbesondere ungefähr 30°, insbesondere 5° bis 45°, insbesondere zwischen 30° und 70°, insbesondere zwischen 45° und 60°, verstanden werden.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des elektromechanischen Wandlers ist vorgesehen, dass der elektromechanische Wandler eine erste Mittelanbindung und eine zweite Mittelanbindung und pro Mittelanbindung zumindest je eines der polymerbasierten dehnungssensitiven, elastisch dehnbaren, elektrischen Widerstandselemente mit je einer zugeordneten Satellitenanbindung aufweist. Vorteilhaft können die Mittelanbindungen sowie die zugeordneten dehnungssensitiven elastisch dehnbaren, elektrischen Widerstandselemente besonders einfach hergestellt werden, wobei die vergleichsweise einfach herstellbaren Einzelteile zu einer komplexen räumlichen Anordnung miteinander kombiniert werden können.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des elektromechanischen Wandlers ist vorgesehen, dass die Mittelanbindung/-en als Mittelkontakt/e und die Satellitenanbindung/-en als Satellitenkontakt/-e ausgebildet ist/sind, wobei gleichzeitig eine mechanische Anbindung an die Basis und die Außengeometrie und eine elektrische Kontaktierung des zumindest einen polymerbasierten elastisch dehnbaren, elektrischen Widerstandselements erfolgt. Vorteilhaft können die elastisch dehnbaren, elektrischen Widerstandselemente zwischen den Mittelanbindungen und den Satellitenkontakten gleichzeitig elektrisch und mechanisch angebunden werden.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des elektromechanischen Wandlers ist vorgesehen, dass die Mittelkontakte flächig ausgebildet sind und senkrecht zu der z-Achse des elektromechanischen Wandlers angeordnet sind. Vorteilhaft kann mittels nur eines Mittelkontakts eine Vielzahl von polymerbasierten elastisch dehnbaren, elektrischen Widerstandselementen angebunden werden, wobei vorteilhaft aufgrund der flächigen Ausbildung und der senkrechten Anordnung zu der z-Achse ein Spannen beziehungsweise Anordnen der elastisch dehnbaren, elektrischen Widerstandselemente schräg zu dem Radius möglich ist. Unter dem Radius kann in diesem Fall ein von einem Mittelpunkt des flächigen Mittelkontakts ausgehender und insbesondere in der x-y-Ebene liegender Radius verstanden werden.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des elektromechanischen Wandlers ist vorgesehen, dass die polymerbasierten dehnungssensitiven, elastisch dehnbaren, elektrischen Widerstandselemente mit einer x-y-Hauptlängsrichtung länglich ausgebildet sind, wobei die jeweiligen x-y-Hauptlängsrichtung von dem jeweiligen Satellitenkontakt tangential zu einem die z-Achse als Mittelachse aufweisenden Kreiszylinder verläuft. Unter einer x-y-Hauptlängsrichtung kann eine Projektion einer länglichen Ausdehnung beziehungsweise einer Längsrichtung des entsprechend elastisch dehnbaren, elektrischen Widerstandselements in die x-y-Ebene verstanden werden. Bei dem Kreiszylinder kann es sich um ein tatsächlich vorhandenes Bauteil oder gegebenenfalls auch um einen gedachten Kreiszylinder handeln. Der Kreiszylinder beziehungsweise der gedachte Kreiszylinder kann der Außengeometrie oder wahlweise der Basis zugeordnet sein, wobei aufgrund der tangentialen Anordnung die x-y-Hauptlängsrichtungen schräg zu dem Radius verlaufen, wobei vorteilhaft Kraftrichtungen und/oder Richtungen von auf die Außengeometrie einwirkenden Momenten beziehungsweise Verschiebungen und/oder Verdrehungen beziehungsweise entsprechende Richtungen der Verschiebungen und/oder Verdrehungen aufnehmbar sind. Alternativ und/oder zusätzlich ist es denkbar, die Längsrichtungen der Widerstandselemente zu einem beliebigen existierenden oder gedachten dreidimensionalen Körper tangential anzuordnen, beispielsweise zu einer Kugel oder einem Ellipsoid.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des elektromechanischen Wandlers ist vorgesehen, dass pro Mittelkontakt vier der polymerbasierten dehnungssensitiven, elastisch dehnbaren, elektrischen Widerstandselemente vorgesehen sind, wobei sich die x-y-Hauptlängsrichtungen zweier benachbarter dehnungssensitiver elastisch dehnbarer, elektrischer Widerstandselemente von den Satellitenkontakten ausgehend alternierend vor der z-Achse und hinter der z-Achse schneiden. Vorteilhaft kann dadurch eine gleichmäßige Einwirkung von Spannkräften zwischen der Außengeometrie und der Basis bewirkt werden, wobei vorteilhaft Drehungen der Außengeometrie um die z-Achse in einer Drehrichtung aufgelöst werden können.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des elektromechanischen Wandlers ist vorgesehen, dass der erste Mittelkontakt sowie die jeweils zugeordneten polymerbasierten dehnungssensitiven, elastisch dehnbaren, elektrischen Widerstandselemente auf einer ersten Substratschicht und der zweite Mittelkontakt sowie die jeweils zugeordneten dehnungssensitiven, elastisch dehnbaren, elektrischen Widerstandselemente auf einer zweiten Substratschicht aufgebracht sind. Das Aufbringen kann insbesondere mittels Kleben, Bonden, Vulkanisieren, Drucken und/oder Ähnlichem erfolgen. Vorteilhaft können auf diese Art und Weise die dehnungssensitiven, elastisch dehnbaren, elektrischen Widerstandselemente auf einfache Art und Weise hergestellt und räumlich angeordnet werden.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des elektromechanischen Wandlers ist vorgesehen, dass die Substratschichten zwischen den Mittelkontakten angebracht sind. Vorteilhaft können die Mittelkontakte mittels der Substratschichten voneinander getrennt werden.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des elektromechanischen Wandlers ist vorgesehen, dass der erste Mittelkontakt von einer ersten Deckschicht und der zweite Mittelkontakt von einer zweiten Deckschicht abgedeckt sind. Vorteilhaft können die Mittelkontakte, insbesondere elektrisch isoliert, mittels der Deckschichten geschützt werden.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des elektromechanischen Wandlers ist vorgesehen, dass die erste Substratschicht und die zweite Substratschicht jeweils gegenüberliegend der Mittelkontakte einander fest zugeordnet sind. Vorteilhaft können die Mittelkontakte über die Substratschichten einander fest zugeordnet werden, wobei vorteilhaft, beispielsweise durch eine entsprechende Dehnung der Substratschichten auch eine räumliche Anordnung schräg zu der x-y-Ebene der elastisch dehnbaren, elektrischen Widerstandselemente auf einfache Art und Weise möglich ist.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des elektromechanischen Wandlers ist vorgesehen, dass der elektromechanische Wandler eine mittig zwischen den Deckschichten angeordnete Mittelschicht aufweist, wobei die Mittelkontakte fest zugeordnet jeweils zwischen einer der Deckschichten und der Mittelschicht angeordnet sind und die polymerbasierten dehnungssensitiven, elastisch dehnbaren, elektrischen Widerstandselemente der Mittelschicht zugewandt auf der jeweiligen Deckschicht angeordnet sind. Vorteilhaft kann die Deckschicht die Funktion des Schutzes der Mittelkontakte und der elastisch dehnbaren, elektrischen Widerstandselemente und die Funktion einer Schutzschicht gleichermaßen erfüllen.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des elektromechanischen Wandlers ist vorgesehen, dass die Substratschichten sowie die Deckschichten mittels Abstandhaltern beabstandet zueinander angeordnet sind. Vorteilhaft ist es möglich, mittels den Abstandshaltern eine Sandwich-Folie, bestehend aus den Substratschichten und/oder Deckschichten herzustellen, wobei zwischen den Substratschichten und/oder Deckschichten Freiräume, insbesondere Lufträume verbleiben. Vorteilhaft ist es möglich, die Mittelkontakte miteinander zu fixieren, beispielsweise zu verkleben, verbonden, zu vulkanisieren und/oder Ähnliches, wobei sich aufgrund der Abstandshalter radial außerhalb der Mittelkontakte ein größerer Abstand zwischen den Substratschichten sowie Deckschichten ergibt als im Bereich der Mittelkontakte. Dadurch ist es vorteilhaft möglich, die elastisch dehnbaren, elektrischen Widerstandselemente schräg zu der x-y-Ebene anzuordnen, wodurch vorteilhaft Bewegungen der Außengeometrie in der z-Richtung in mindestens einer Richtung aufnehmbar beziehungsweise auflösbar sind.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des elektromechanischen Wandlers ist vorgesehen, dass die Substratschichten und/oder die Deckschichten und/oder die Mittelschicht zwischen die Außengeometrie und die Basis gespannt sind. Vorteilhaft können die Substratschichten und/oder Deckschichten und/oder Mittelschicht selbst elastische Eigenschaften aufweisen, so dass dadurch eine Lagerung der Außengeometrie auf der Basis in mehreren Freiheitsgraden, insbesondere 6 Freiheitsgrade, insbesondere 3 translatorischen und 3 rotatorischen Freiheitsgraden möglich ist. Vorteilhaft kann aufgrund der Eigenschaften der Substratschichten, Deckschichten und/oder Mittelschicht eine gegenüber Zerstörung robuste Lagerung der Außengeometrie auf der Basis erzielt werden, wobei vorteilhaft die elastisch dehnbaren, elektrischen Widerstandselemente gegen versehentliche Zerstörung, insbesondere durch zu hohe Kraftausübung an der Außengeometrie, geschützt werden können. Außerdem ergeben sich aufgrund der Substratschichten, der Deckschichten und/oder Mittelschicht zu den Widerstandselementen zusätzliche Rückstellkräfte, die zusätzlich auch als haptische Rückmeldung dienen können. Insbesondere können die Substratschichten, Deckschichten und/oder Mittelschicht nicht lineare, insbesondere stark nicht lineare elastisch dehnbare Eigenschaften aufweisen, die vorteilhaft für die haptische Rückmeldung ausgenutzt werden können.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des elektromechanischen Wandlers ist vorgesehen, dass die Basis in die Außengeometrie eingreift und/oder elektrisch leitend ausgebildet und mit den Mittelkontakten elektrisch kontaktiert ist und/oder einen Leitungskanal aufweist, über den die Satellitenkontakte elektrisch kontaktierbar sind und/oder einen in Richtung der z-Achse verlaufenden Leitungskanal aufweist, über den die Satellitenkontakte elektrisch kontaktierbar sind und/oder einen vorspringenden Kreiszylinder aufweist, der den Leitungskanal aufweist und/oder in die Außengeometrie eingreift und/oder in die Mittelkontakte eingreift. Vorteilhaft kann die Basis von der Außengeometrie umgeben sein, also geschützt sein, insbesondere falls die Basis selbst leitende Eigenschaften aufweist, kann die Außengeometrie die Basis elektrisch isolieren. Die Mittelkontakte können vorteilhaft über die Basis kontaktiert sein. Die Basis kann vorteilhaft den Leitungskanal aufweisen, der vorteilhaft zur Kontaktierung der Satellitenkontakte dienen kann. Der Leitungskanal kann vorteilhaft in z-Richtung verlaufen und durch die Mittelkontakte in z-Richtung geführt werden, wobei entsprechende elektrische Leitungen an einem Ende des Leitungskanals sternförmig zu den Satellitenkontakten geführt werden können. Vorteilhaft kann der Leitungskanal in dem vorspringenden Kreiszylinder beziehungsweise einem zylindrischen Vorsprung der Basis geführt werden, wobei dieser zylindrische Vorsprung gegebenenfalls in die Mittelkontakte eingreifen kann, wobei vorteilhaft der Leitungskanal durch die Mittelkontakte hindurch geführt werden kann.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des elektromechanischen Wandlers ist vorgesehen, dass die Mittelkontakte ringförmig sind. Vorteilhaft können die Mittelkontakte ringförmig um die Basis, insbesondere den zylindrischen Vorsprung ausgebildet sein, wobei vorteilhaft eine elektrische Kontaktierung der Mittelkontakte mit der Basis erfolgen kann.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des elektromechanischen Wandlers ist vorgesehen, dass die Basis, die Mittelkontakte, die Satellitenkontakte und/oder die polymerbasierten elastisch dehnbaren, elektrischen Widerstandselemente einstückig einander zugeordnet sind. Vorteilhaft können die Basis, die Mittelkontakte, die Satellitenkontakte und/oder die elastisch dehnbaren, elektrischen Widerstandselemente aus einem integral zusammenhängenden Werkstoff gebildet sein, wie dies beispielsweise mittels Spritzgießen möglich ist.
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Die Aufgabe ist außerdem bei einer Mensch-Maschine-Schnittstelle mit einem vorab beschriebenen elektromechanischen Wandler gelöst. Es ergeben sich die vorab beschriebenen Vorteile. Bei der Mensch-Maschine-Schnittstelle kann es sich um eine beliebige Schnittstelle zur Bedienung eines technischen Geräts, insbesondere eines Fahrzeugs und/oder eines elektrischen Geräts, insbesondere eines tragbaren elektrischen Geräts, handeln, wobei mittels des elektromechanischen Wandlers eine Fortbewegungsrichtung, eine Fortbewegungsgeschwindigkeit, eine Beschleunigung, eine Beschleunigungsrichtung, eine Rotation und/oder eine Rotationsrichtung und/oder eine beliebige Bewegungsgröße des Fahrzeugs gesteuert werden kann. Im Falle eines elektronischen Geräts kann mittels des elektromechanischen Wandlers beispielsweise eine Menüsteuerung, insbesondere ein Steuerung dreidimensionaler Menüs, insbesondere eine beliebige Eingabe zur Steuerung einer beliebigen Funktion, getätigt werden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind. Gleiche, funktionsgleiche und/oder ähnliche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Es zeigen:
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1 eine dreidimensionale transparente Ansicht von schräg oben eines elektromechanischen Wandlers mit einer zu einer Basis beweglich gelagerten Außengeometrie;
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2 eine schematische Ansicht von insgesamt 8 elastisch dehnbaren, elektrischen Widerstandselementen des in 1 gezeigten elektromechanischen Wandlers in einer dreidimensionalen Explosionsansicht;
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3 und 4 jeweils 4 der in 2 gezeigten elastisch dehnbaren, elektrischen Widerstandselemente zur Verdeutlichung einer Auswirkung einer schräg auf die Außengeometrie einwirkenden Kraft;
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5 eine Draufsicht auf 4 der in 2 gezeigten elastisch dehnbaren, elektrischen Widerstandselemente zur Verdeutlichung einer Auswirkung der Rotation der Außengeometrie um eine z-Achse;
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6 eine schematische Schnittansicht durch auf einer Sandwich-Folie angebrachte elastisch dehnbare, elektrische Widerstandselemente eines elektromechanischen Wandlers analog des in 1 dargestellten elektromechanischen Wandlers; und
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7 eine weitere Schnittansicht einer Sandwich-Folie mit elastisch dehnbaren, elektrischen Widerstandselementen eines weiteren elektromechanischen Wandlers analog des in 1 dargestellten elektromechanischen Wandlers, wobei die Sandwich-Folie in einem halbfertigen Zustand dargestellt ist.
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1 zeigt einen elektromechanischen Wandler 1, mittels dem eine mechanische Eingabegröße in eine elektrische Widerstandsgröße wandelbar ist. Der elektromechanische Wandler 1 weist eine Außengeometrie 3 auf, über die die mechanische Eingabegröße eingebbar ist. Dazu kann die Außengeometrie 3 von einer nicht näher dargestellten Person und/oder einer nicht näher dargestellten mechanischen Vorrichtung mit einer Kraft und/oder einem Moment beaufschlagt werden. Die Außengeometrie 3 weist vorliegend eine quaderförmige, insbesondere kubische, Grundgestalt mit abgerundeten beziehungsweise gefasten Kanten auf. Die Außengeometrie 3 kann alternativ und/oder zusätzlich jede beliebige, ergonomisch gut greifbare Außengestalt aufweisen. Die Außengeometrie 3 ist in zumindest einem Freiheitsgrad, vorliegend in 6 Freiheitsgraden, nämlich 3 translatorischen und 3 rotatorischen Freiheitsgraden relativ beweglich zu einer Basis 5 gelagert. Die Basis 5 weist einen Fuß 7 auf, der sich konisch verjüngend in einen Kreiszylinder 9 übergeht. Der Kreiszylinder 9 greift in eine Ausnehmung 11 der Außengeometrie 3 ein.
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Ferner weist der Kreiszylinder 9 einen Leitungskanal 13 auf, wobei sich der Leitungskanal 13 durch die gesamte Basis 5, also den Fuß 7 und den Kreiszylinder 9 erstreckt. Der Leitungskanal 13 ist vorliegend als zentrische Bohrung durch die Basis 5 ausgeführt und mündet in die Ausnehmung 11 der Außengeometrie 3.
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Zwischen die Außengeometrie 3 und die Basis 5 ist eine Sandwich-Folie 15 gespannt. Dazu ist die Sandwich-Folie 15 dem Kreiszylinder 9 der Basis 5 und der Ausnehmung 11 der Außengeometrie 3 mechanisch fest zugeordnet. Die Sandwich-Folie 15 weist elastische Eigenschaften auf und dient zur Lagerung der Außengeometrie 3 relativ beweglich zur Basis 5 in den 6 Freiheitsgraden.
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Die Sandwich-Folie 15 weist insgesamt 8 räumlich angeordnete, polymerbasierte elastisch dehnbare, elektrische Widerstandselemente 17 auf. Die Widerstandselemente 17 sind über Satellitenanbindungen, die als Satellitenkontakte 19 ausgeführt sind, mechanisch fixiert und elektrisch kontaktiert, wobei die Satellitenkontakte 19 über den Leitungskanal 13 elektrisch kontaktierbar sind, was in 1 nicht näher dargestellt ist. Ferner sind sämtliche 8 Widerstandselemente 17 über zwei Mittelanbindungen, die als zwei Mittelkontakte 21 ausgeführt sind, mechanisch fixiert und elektrisch kontaktiert, wobei die Mittelkontakte 21 der Basis 5 beziehungsweise dem Kreiszylinder 9 der Basis 5 elektrisch zugeordnet sind. Die Mittelanbindungen sind der Basis 5 mechanisch zugeordnet. Die Satellitenanbindungen 19 sind der Außengeometrie 3 mechanisch zugeordnet. Die Basis 5 ist elektrisch leitend ausgebildet und dient vorteilhaft gleichzeitig als Gegenlager für die Außengeometrie 3 und zum elektrischen Kontaktieren der Mittelkontakte 21 und über diese der Widerstandselemente 17 auf ein gemeinsames elektrisches Potenzial. Von diesem gemeinsamen elektrischen Potenzial ausgehend, können sämtliche Widerstandselemente 17 über die Satellitenkontakte 19 und durch den Leitungskanal 13 der Basis 5 hindurch auf unterschiedliche Potenziale gelegt werden beziehungsweise elektrisch abgeleitet werden, um deren Leitfähigkeit zu ermitteln beziehungsweise in ein elektrisches Signal beziehungsweise in eine elektrische Größe, insbesondere Widerstandsgröße, zu wandeln. Eine Änderung der Leitfähigkeit der Widerstandselemente 17 resultiert aus unterschiedlichen Dehnungen, die aufgrund der relativen Verlagerung der Außengeometrie 3 zu der Basis 5 resultieren. Vorliegend setzt sich die elektrische Größe aus insgesamt 8 unterschiedlichen Leitwerten der insgesamt 8 Widerstandselemente 17 zusammen beziehungsweise aus daraus ableitbaren Spannungen und/oder Strömen. Die mechanische Eingabegröße setzt sich aus zumindest 6 Einzelgrößen zusammen, die eine Bewegung und/oder Bewegungsrichtung der Außengeometrie 3 in 6 Freiheitsgraden beschreibt.
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2 zeigt eine dreidimensionale Explosionsansicht von schräg oben der insgesamt 8 Widerstandselemente 17 des in 1 dargestellten elektromechanischen Wandlers 1. Es ist zu erkennen, dass jeweils 4 der Widerstandselemente 17 einem gemeinsamen Mittelkontakt 21 sowohl elektrisch als auch mechanisch zugeordnet sind. Die Mittelkontakte 21 sind scheibenförmig und in einer flächigen Ausdehnung senkrecht zu einer z-Achse 23 des elektromechanischen Wandlers 1 angeordnet. Die scheibenförmigen Mittelkontakte 21 weisen jeweils einen zentrischen Durchbruch 25 auf. Die zentrischen Durchbrüche 25 sind vorliegend kreiszylinderförmig, insbesondere als Bohrung, ausgeführt. In die Durchbrüche 25 greift im montierten Zustand, wie in 1 gezeigt, der Kreiszylinder 9 der Basis 5 ein. Die Mittelkontakte 21 sind dem Kreiszylinder 9 der Basis 5 reib-, form-, stoff- und/oder kraftschlüssig zugeordnet, wobei die Zuordnung einen elektrischen Kontakt zwischen der Basis 5 beziehungsweise dem Kreiszylinder 9 der Basis 5 und dem entsprechenden Mittelkontakt 21 herstellt.
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Die Widerstandselemente 17 weisen an radial äußeren Enden Durchbrüche 27 auf, insbesondere in Form von zylindrischen Bohrungen. Die Durchbrüche 27 der elektrischen Widerstandselemente 17 können mit den Satellitenkontakten 19 form-, reib-, kraft- und/oder stoffschlüssig verbunden werden, wobei vorteilhaft mittels der Verbindung auch ein elektrischer Anschluss des jeweiligen Widerstandselements 17 an dem jeweils zugeordneten Satellitenkontakt 19 erfolgt.
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In 2 ist zu erkennen, dass die Widerstandselemente 1 sich in einer Längsrichtung zwischen den in 2 nicht dargestellten Satellitenkontakten 19 und dem jeweils zugeordneten Mittelkontakt 21 erstrecken. Es ist zu erkennen, dass die Längsrichtungen sich schräg zu einer x-y-Ebene 29 des elektromechanischen Wandlers 1 erstrecken. Dabei sind die Widerstandselemente 17 räumlich derartig angeordnet, dass alle 4 Widerstandselemente 17, die einem gemeinsamen Mittelkontakt 21 zugeordnet sind, sich von diesem gemeinsamen Mittelkontakt 21, in Richtung der z-Achse gesehen, sich in demselben Winkel entweder in positiver z-Richtung die x-y-Ebene 29 oder in negativer z-Richtung die x-y-Ebene 29 schneiden. Die räumliche Gestalt der zwei Mittelkontakte 21 sowie der jeweils 4 zugeordneten Widerstandselemente 17 sind also spiegelbildlich zueinander ausgebildet. Als weitere Besonderheit sind die jeweils 4 Widerstandselemente 17 um einen Winkel, insbesondere einen Winkel von 45° verdreht sowie gegenüberliegend zueinander räumlich angeordnet, wobei die flächige Ausdehnung der Mittelkontakte 21 jeweils in Richtung der x-y-Ebene 29 des elektromechanischen Wandlers 1 verläuft.
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In 2 ist mittels eines ersten Kraftpfeils 31 eine Krafteinwirkung auf die Mittelkontakte 21 in negativer Richtung der z-Achse 23 symbolisiert. Die mittels des ersten Kraftpfeils 31 symbolisierte Krafteinwirkung entspricht einer Krafteinwirkung auf die Außengeometrie 3 in positiver Richtung der z-Achse 23.
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Mittels Dehnungsdoppelpfeilen 33 ist in 2 symbolisiert, dass eine Krafteinwirkung entsprechend des ersten Kraftpfeils 31 zu einer Dehnung von insgesamt 4 der Widerstandselemente 17 führt, die dem in 2 oben dargestellten Mittelkontakt 21 zugeordnet sind. Dieser obere Mittelkontakt 21 wird aufgrund der Krafteinwirkung, symbolisiert mittels des ersten Kraftpfeils 31, relativ zu den Satellitenkontakten 19, in Ausrichtung der 2 gesehen, nach unten verlagert, wodurch sich die entsprechend zugeordneten 4 Widerstandselemente 17 längen beziehungsweise dehnen, was mittels den Dehnungsdoppelpfeilen 33 in 2 symbolisiert ist.
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Aufgrund der schrägen Anordnung zur x-y-Ebene 29 des elektromechanischen Wandlers 1 werden bei der relativen Verlagerung des in 2, unten, dargestellten Mittelkontakts 21 die diesem zugeordneten 4 Widerstandselemente 17 verkürzt beziehungsweise gestaucht, was mittels den Stauchungseinzelpfeilen 35 in 2 symbolisiert ist.
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Die 3 und 4 zeigen die in 2 dargestellten Mittelkontakte 21 sowie die jeweils 4 zugeordneten Widerstandselemente 17 einzeln, wobei im Unterschied die mittels des ersten Kraftpfeils 31 symbolisierte Kraft schräg zur Richtung der z-Achse 23 des elektromechanischen Wandlers 1 wirkt.
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3 zeigt den in 2 oben dargestellten Mittelkontakt 21 sowie die zugeordneten Widerstandselemente 17. Mittels der Dehnungsdoppelpfeile 33 ist erkennbar, dass sich aufgrund einer Richtungskomponente des ersten Kraftpfeils 31, die in negativer Richtung der z-Achse 23 zeigt, sich sämtliche 4 Widerstandselemente 17 dehnen. Außerdem weist der erste Kraftpfeil 31 eine Richtungskomponente auf, die in Richtung einer x-y-Hauptlängsrichtung 69 eines der Widerstandselemente 17 verläuft. Unter einer x-y-Hauptlängsrichtung 69 kann eine Projektion der Längsrichtung des entsprechenden Widerstandselements 17 in die x-y-Ebene 29 des elektromechanischen Wandlers 1 verstanden werden. Es ist ersichtlich, dass sich aufgrund dieser Richtungskomponente, die senkrecht zur z-Achse 23 steht, eines der Widerstandselemente 17 mehr dehnt als die übrigen Widerstandselemente 17. Dies ist in 3 mittels eines größeren Dehnungsdoppelpfeils 33 symbolisiert, wobei das in 3 rechts oben dargestellte Widerstandselement 17 diese verstärkte Dehnung erfährt. Vorteilhaft kann aus dieser verstärkten Dehnung des rechts oben angeordneten Widerstandselements 17 auf die entlang der entsprechenden x-y-Hauptlängsrichtung 69 verlaufende Kraftkomponente der mittels des ersten Kraftpfeils 31 symbolisierten Kraft auf den Mittelkontakt 21 geschlossen werden. Vorteilhaft ist es möglich, mittels einer elektrischen Ableitung der 4 Widerstandselemente 17 auf die Richtung der senkrecht zur z-Achse stehenden Kraftkomponente der mittels des ersten Kraftpfeils 31 symbolisierten Kraft zu schließen.
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4 zeigt die in 3 gezeigte Situation für die in 2 unten angeordneten Widerstandselemente 17 sowie den zugehörigen Mittelkontakt 21. Es ist zu erkennen, dass aufgrund der in der negativen Richtung der z-Achse wirkenden Kraftkomponente grundsätzlich eine Stauchung aller 4 Widerstandselemente 17 erfolgt. Dieser Stauchung wird jedoch eine Wirkung der senkrecht zur z-Achse stehenden Kraftkomponente der mittels des ersten Kraftpfeils 31 symbolisierten Kraft überlagert. Dies führt gemäß der Darstellung der 4 bei 2 Widerstandselementen 17 zu einer Dehnung derselben, was mittels entsprechenden Dehnungsdoppelpfeilen 33 in 4 symbolisiert ist. Es ist zu erkennen, dass die in 4 gezeigten Widerstandselemente 17 in einem Winkel, vorzugsweise in einem Winkel von 45° zu den in 3 dargestellten Widerstandselementen 17 angeordnet sind. Daher verläuft die senkrecht zur z-Achse stehende Kraftkomponente der mittels des ersten Kraftpfeils 31 symbolisierten Kraft in einem Winkel, insbesondere in einem Winkel von 45° zu den betreffenden 2, in 4 dargestellten Widerstandselementen 17. In 4 sind dies das oben und das rechts dargestellte Widerstandselement 17, die aufgrund der senkrecht zur z-Achse 23 stehenden Kraftkomponente eine Längung erfahren. Dementsprechend werden die übrigen 2 Widerstandselemente 17 zusätzlich gestaucht. Vorteilhaft kann daraus einerseits auf die senkrecht zur z-Achse stehende Richtung der Kraftkomponente sowie aufgrund der grundsätzlich erfolgenden Dehnung, vorliegend der in 3 dargestellten Widerstandselemente 17 und der grundsätzlich dabei erfolgenden Stauchung, vorliegend der unteren, in 4 dargestellten Widerstandselemente 17, auch auf die Richtung der senkrecht zur z-Achse 23 wirkenden Kraftkomponente der mittels des ersten Kraftpfeils 31 symbolisierte Kraft geschlossen werden. Es können vorteilhaft also Kräfte beziehungsweise relative Verlagerungen der Außengeometrie 3 zur Basis 5 in beliebigen Richtungen aufgelöst werden, wobei vorteilhaft zusätzlich aufgrund der Stärke der Dehnung ein bei der Verlagerung zurückgelegter Weg mit aufgelöst werden kann.
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5 zeigt eine Draufsicht auf den in 3 dargestellten oberen Mittelkontakt 21 sowie die zugeordneten Widerstandselemente 17. Es ist zu erkennen, dass der Mittelkontakt 21 scheibenförmig beziehungsweise ringförmig mit dem kreisförmigen Durchbruch 25 ausgeführt ist, wobei sich eine flächige Ausdehnung des Mittelkontakts 21 parallel zur x-y-Ebene 29 des elektromechanischen Wandlers 1 erstreckt. Die Anordnung des Mittelkontakts 21 und der Widerstandselemente 17 weist sich von einem Mittelpunkt 37 des Mittelkontakts 21 zu den Satellitenkontakten 19 erstreckende Radien 39 auf. Es ist ersichtlich, dass sich die x-y-Hauptlängsrichtungen 69 der Widerstandselemente 17 schräg zu den Radien 39 erstrecken. Die Widerstandselemente 17 beziehungsweise deren x-y-Hauptlängsrichtungen 69 sind dabei so angeordnet, dass sich Schnittpunkte 41 der x-y-Hauptlängsrichtung 69 zweier benachbarter Widerstandselemente 17, von den Satellitenkontakten 19 kommend, alternierend vor dem Mittelpunkt 37 und hinter dem Mittelpunkt 37 schneiden. Alle x-y-Hauptlängsrichtung 69 der Widerstandselemente 17 des elektromechanischen Wandlers 1 sind tangential zu dem Kreiszylinder 9, der in 5 nicht näher dargestellt ist, angeordnet. Das bedeutet, dass die Längsrichtungen aller Widerstandselemente 17, die schräg zur x-y-Ebene 29 des elektromechanischen Wandlers 1 verlaufen, tangential schräg zu dem Kreiszylinder 9, der in 5 nicht näher dargestellt ist, verlaufen.
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Mittels eines gekrümmten Drehmomentpfeils 43 ist in 5 ein auf den Mittelkontakt 21 einwirkendes Drehmoment um die z-Achse 23 des elektromechanischen Wandlers 1 symbolisiert. Die auf den Mittelkontakt 21 einwirkende Drehrichtung wirkt im mathematisch positiven Sinn, was eine entgegengesetzt gerichtete Verdrehung der Außengeometrie 3 relativ zur Basis 5 entspricht.
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Grundsätzlich spielt es keine Rolle, ob die Mittelkontakte 21 der Basis oder wahlweise der Außengeometrie fest zugeordnet sind. Dementsprechend können die Satellitenkontakte 19 wahlweise der Außengeometrie 3 oder der Basis 5 fest zugeordnet sein. Im Sinne einer kinematischen Umkehr wäre gegebenenfalls die Außengeometrie 3 feststehend und die Basis 5 zum Eingeben der mechanischen Größe beweglich.
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Es ist zu erkennen, dass aufgrund der alternierenden und schrägen Anordnung der Widerstandselemente 17 in ihren x-y-Hauptlängsrichtung 69 zu den Radien 39, in den Widerstandselementen 17 umlaufend alternierend eine Dehnung und eine Stauchung stattfindet, was in 5 mittels entsprechenden Dehnungsdoppelpfeilen 33 sowie Stauchungseinzelpfeilen 35 symbolisiert ist. Vorteilhaft kann anhand der alternierenden und/oder schrägen Anordnung der x-y-Hauptlängsrichtung 69 der Widerstandselemente 17 erkannt werden, welche Richtung das mittels des Drehmomentpfeils 43 auf den Mittelkontakt 21 ausgeübte Drehmoment hat. Eine beispielsweise entgegen der in 5 symbolisierte Drehmomentrichtung würde in den dargestellten Widerstandselementen 17 jeweils anstatt einer Stauchung eine Dehnung beziehungsweise anstatt einer Dehnung eine Stauchung hervorrufen, wobei vorteilhaft bei einer einzelnen Ableitung der 4 Widerstandselemente 17 über die entsprechend zugeordneten Satellitenkontakte 19 auf die Richtung des mittels des Drehmomentpfeils 43 symbolisierten einwirkenden Drehmoments geschlossen werden kann.
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6 zeigt einen teilweise dargestellten elektromechanischen Wandler ähnlich des in 1 gezeigten elektromechanischen Wandlers. Dargestellt ist eine Schnittansicht einer Sandwich-Folie 15 ähnlich der Sandwich-Folie 15 des in 1 dargestellten elektromechanischen Wandlers 1. Die Sandwich-Folie 15 weist eine erste Substratschicht 45 und eine zweite Substratschicht 47 auf. Bei der Substratschicht kann es sich insbesondere um eine Folie mit elastischen Eigenschaften, beispielsweise ein Silikon, ein Polyurethan und/oder ein Thermoplast handeln. Auf die erste Substratschicht 45 ist ein erster Mittelkontakt 49 aufgebracht. Auf die zweite Substratschicht 47 ist ein zweiter Mittelkontakt 51 aufgebracht. Ferner sind auf die erste Substratschicht 45 insgesamt 4 Widerstandselemente 17 aufgebracht, von denen zwei geschnitten sichtbar sind. Die Widerstandselemente 17 sind mechanisch und elektrisch dem ersten Mittelkontakt 49 zugeordnet und erstrecken sich von diesem ausgehend zu radial außerhalb liegenden Satellitenkontakten 19. Die Satellitenkontakte 19 sind als Abstandshalter 53 ausgebildet, wobei die Abstandshalter 53 die erste Substratschicht 45 durchdringen. Die erste Substratschicht 45 weist dazu entsprechende Durchbrüche auf, in die die Abstandshalter 53 form-, kraft-, reib- und/oder stoffschlüssig eingebracht sind. An den Durchbrüchen der ersten Substratschicht 45 weisen die Satellitenkontakte 19 Kontaktflächen 55 auf. Es ist denkbar, dass die Kontaktflächen 55 sich über eine Oberfläche der ersten Substratschicht 45 erheben. Alternativ und/oder zusätzlich ist es denkbar, die Kontaktflächen 55 mittels einer ringförmigen Platine, die, in Ausrichtung der 6 gesehen, von oben auf die Sandwich-Folie 15 aufgelegt werden kann, elektrisch zu kontaktieren.
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Die zweite Substratschicht 47 wird gemäß der Darstellung der 6 nicht von den Satellitenkontakten 19 beziehungsweise den Abstandshaltern 53 der Satellitenkontakte 19 durchdrungen. Alternativ und/oder zusätzlich ist es denkbar, dass auch die zweite Substratschicht 47 von den Satellitenkontakten 19 durchdrungen wird, beispielsweise um von dort eine elektrische Ableitung beziehungsweise Kontaktierung herzustellen und/oder die Substratschichten 19 Formschlüssig zu fixieren.
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Auf die zweite Substratschicht 47 ist der zweite Mittelkontakt 51 analog aufgebracht, ebenso 4 der Widerstandselemente 17, von denen 2 sichtbar sind.
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Zwischen den Mittelkontakten 49 und 51 ist eine Mittelschicht 59 angeordnet. Die Mittelschicht 59 trennt die erste Substratschicht 45 sowie die zugeordneten Widerstandselemente 17 und den ersten Mittelkontakt 49 von der zweiten Substratschicht 47 und den zugeordneten Widerstandselementen 17 sowie dem zugeordneten zweiten Mittelkontakt 51. Die erste Substratschicht 45, die zweite Substratschicht 47 und die Mittelschicht 59 weisen jeweils einen Mitteldurchbruch 57 auf, wobei die Mitteldurchbrüche 57 im Bereich der Durchbrüche 25 der Mittelkontakte 49 und 51 angeordnet sind.
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In einer Explosionsansicht ist in 6 zusätzlich zur Sandwich-Folie 15 der Kreiszylinder 9 der Basis 5 des elektromechanischen Wandlers 1 dargestellt. Zu erkennen ist der zentrische Leitungskanal 13, der in den Kreiszylinder 9 eingebracht ist. Mittels eines Pfeils 61 ist in 6 symbolisiert, dass zum Zwecke einer Montage des elektromechanischen Wandlers 1 der Kreiszylinder 9 in die Mitteldurchbrüche 57 der Substratschichten 45, 47 sowie der Mittelschicht 59 und die Durchbrüche 25 der Mittelkontakte 49 und 51 einbringbar ist. Nach dem Einbringen des Kreiszylinders 9 ist es möglich, diesen form-, reib-, kraft- und/oder stoffschlüssig der Sandwich-Folie 15 zuzuordnen, wobei vorteilhaft neben einer mechanischen Fixierung der Sandwich-Folie 15 auch eine elektrische Kontaktierung der Mittelkontakte 49 und 51 mit dem Kreiszylinder 9 der Basis 5 des elektromechanischen Wandlers 1 erfolgt.
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7 zeigt eine weitere Sandwich-Folie 15 eines elektromechanischen Wandlers 1 analog der in 6 dargestellten Sandwich-Folie 15. Im Unterschied zur Darstellung der 6 sind die Widerstandselemente 17 nicht wie in 6 dargestellt, ausgehend von den Substratschichten 45 und 47 einander zugewandt, sondern gemäß der Darstellung der 7 so auf den Substratschichten 45 und 47 aufgebracht, dass sich zwischen den Widerstandselementen 17 die zwei Substratschichten 45 und 47 befinden. Zum Abdecken der Widerstandselemente 17 der ersten Substratschicht 45 ist auf die erste Substratschicht 45 eine erste Deckschicht 63 aufgebracht. Zum Schützen der Widerstandselemente 17, die auf die zweite Substratschicht 47 aufgebracht sind, ist auf die zweite Substratschicht 47 eine zweite Deckschicht 65 aufgebracht. Es ist zu erkennen, dass zwischen den Mittelkontakten 49 und 51 die zwei Substratschichten 45 und 47 angeordnet sind. Gemäß der Darstellung der 6 sind die Mittelkontakte 49 und 51 einander zugewandt auf den Substratschichten 45 und 47 vorgesehen, wobei diese von der Mittelschicht 59 voneinander getrennt werden.
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7 zeigt im Unterschied zur Darstellung gemäß 6 die Sandwich-Folie 15 in einem halbfertigen Zustand, wobei mittels der Abstandshalter 53 die Substratschichten 45, 47 sowie die Deckschichten 63 und 65 parallel zueinander verlaufen, also überall aufgrund der vorgesehenen Abstandshalter 53 einen identischen Abstand zueinander aufweisen.
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Als weiterer Unterschied zur Darstellung gemäß der 6 weist die Sandwich-Folie 15 gemäß 7 keine Mittelschicht 59 auf. Die Funktion der in 6 dargestellte Mittelschicht 59 wird gemäß 7 durch die zwei Substratschichten 45 und 47 erfüllt, die die Mittelkontakt 49 und 51 voneinander separiert.
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Zur Fertigstellung der Sandwich-Folie 15 gemäß 7 werden die Mittelkontakte 49 und 51 aufeinander zu bewegt, was mittels Pfeilen 67 in 7 symbolisiert ist. Die Mittelkontakte 49 und 51 können so weit aufeinander zu bewegt werden, bis sich die Substratschichten 45 und 47 berühren. Es ist denkbar, die Substratschichten 45 und 47 einander fest zuzuordnen, beispielsweise mittels einer Verklebung. Es ist jedoch auch denkbar, die Substratschichten 45, 47, die Mittelkontakte 49 und 51 sowie die Deckschichten 63 und 65 mittels eines anderen geeigneten Verfahrens, beispielsweise kraft-, form-, stoff- und/oder reibschlüssig, insbesondere über den Kreiszylinder 9 der Basis 5, so miteinander zu verbinden, dass die Substratschichten 45 und 47 beziehungsweise die Mittelkontakte 49 und 51 einen geringeren Abstand zueinander aufweisen als von den Mittelkontakten 49 und 51 weiter entfernte Bereiche der Sandwich-Folie 15, insbesondere im Bereich der Abstandshalter 53 der Satellitenkontakte 19. Es ist ersichtlich, dass dadurch vorteilhaft eine Vorspannung der Widerstandselemente 17 sowie vorteilhaft eine räumliche Anordnung der Widerstandselemente 17 erfolgt. Aufgrund der Vorspannung werden die Widerstandselemente 17 schräg zur x-y-Ebene 29 des elektromechanischen Wandlers 1 angeordnet.
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Ferner ist in 7 zu erkennen, dass die Widerstandselemente 17, insbesondere zu erkennen an den Widerstandselementen 17, die dem ersten Mittelkontakt 49 zugeordnet sind, schräg zu dem jeweiligen Radius 39 verlaufen.
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Alternativ und/oder zusätzlich kann die Außengeometrie 3 eine beliebige Form aufweisen, beispielsweise eine kubische Gestalt, eine quaderförmige Gestalt, eine kugelförmige Gestalt und/oder eine beliebige andere Gestalt annehmen.
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Innerhalb der Außengeometrie 3 ist die Sandwich-Folie 15 mit zumindest einem der Widerstandselemente 17 angeordnet.
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Beabstandete Sandwich-Folien, insbesondere mit leitenden und/oder nicht leitenden Abstandshaltern sind von weiteren Anmeldungen derselben Anmelderin mit den Aktenzeichen
DE 10 2010 034 719 A1 und
DE 10 2010 034 717 A1 bekannt. Auf diese Druckschriften, insbesondere auf die Beschreibungen, die Figuren sowie die Ansprüche wird hiermit Referenz genommen.
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Die dehnungssensitiven, elastisch dehnbaren, elektrischen Widerstandselemente
17 werden vorteilhaft so im Raum angeordnet, dass Veränderungen der elektrischen Leitfähigkeit in den einzelnen Widerstandselementen
17 Rückschlüsse auf Richtung und Orientierung der einwirkenden äußeren Kräfte und Momente zulassen. Vorteilhaft kann zusätzlich aufgrund der Stärke der entsprechenden Änderung der Leitfähigkeit der Widerstandselemente
17 auf eine Stärke der einwirkenden Kräfte geschlossen werden. Dieses Prinzip ist auch in einer Anmeldung derselben Anmelderin mit dem Aktenzeichen
DE 10 2010 034 704 A1 bekannt. Auf diese Druckschrift, insbesondere auf die Beschreibung, die Figuren sowie die Ansprüche wird hiermit Referenz genommen.
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Um eine mechanische Verkopplung einzelner mittels der Widerstandselemente 17 gewinnbarer elektrischer Signale gering zu halten, können vorteilhaft die Längsrichtungen und/oder x-y-Hauptlängsrichtungen 69 der Widerstandselemente 17 in Richtung von Hauptachsen einwirkender Kräfte und/oder Momente positioniert werden.
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Die elektrische und mechanische Kontaktierung der Widerstandselemente 17 kann vorteilhaft in der Ausnehmung 11 im Inneren der Außengeometrie 3 erfolgen, da die Außengeometrie 3 dabei zusätzlich die Funktion eines Gehäuses beziehungsweise eines Schutzes vor mechanischen Einwirkungen übernehmen kann.
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Die Basis kann ebenfalls flexible Eigenschaften aufweisen, beispielsweise polymerbasierte Materialien aufweisen, alternativ und/oder zusätzlich ist es denkbar, die Basis aus vergleichsweise wenig elastisch verformbaren Materialien, beispielsweise einem Metall, herzustellen.
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Vorteilhaft weist die Basis 5 einen Hohlraum beziehungsweise den Leitungskanal 13 auf, der einerseits vorteilhaft als Leitungskanal 13 genutzt werden kann. Andererseits kann dadurch vorteilhaft ein elastisches Verhalten beziehungsweise ein Knickverhalten der Basis 5 eingestellt werden, so dass beispielsweise bevor eine Beschädigung der Sandwich-Folie 15 und damit verbunden der Widerstandselemente 17 eintritt, die Basis 5 elastisch reversibel verformbar wegknickt. Vorteilhaft kann dadurch der elektromechanische Wandler 1 als Ganzes gegen mechanische Überlastung geschützt werden, wobei der gesamte elektromechanische Wandler 1 nachgibt, bevor eine Überlast der Widerstandselemente 17 eintreten kann.
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Vorteilhaft kann der Hohlraum der Basis des Kreiszylinders 9 der Basis 5 als kreiszylinderförmige Bohrung ausgeführt sein, wobei durch diese hindurch die dehnungssensitiven, elastisch dehnbaren, elektrischen Widerstandselemente 17 elektrisch kontaktiert werden können, insbesondere über die Satellitenkontakte 19, insbesondere über eine ringscheibenförmige Platine, die auf die Kontaktflächen 55 der Satellitenkontakte 19 aufbringbar, insbesondere zum Herstellen der elektrischen Kontakt aufpressbar ist.
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Alternativ und/oder zusätzlich kann die Kontaktierung mittels elektrisch leitfähigen Kunststoffen beziehungsweise polymerbasierten Stoffen erfolgen, wobei diese so eingestellt werden können, dass diese eine vergleichsweise hohe Leitfähigkeit aufweisen, die jedoch nicht oder nur in einem geringen Maße von Dehnungen abhängig ist. Grundsätzlich kann ein Unterschied der Dehnungssensitivität in der Größenordnung von zumindest 1:2, insbesondere 1:2, insbesondere größer als 1:5, insbesondere 1:5, insbesondere 1:10, insbesondere 1:20, insbesondere 1:50, insbesondere > 1:100, insbesondere zwischen 1:5 und 1:15, vorgesehen sein.
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Vorteilhaft können Translationen und/oder Rotationen der Außengeometrie relativ zu der Basis 5 in Zugkräfte, die auf die Widerstandselemente 17, insbesondere über die Sandwich-Folie 15 übertragen, einwirken, umgesetzt werden.
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Der elektromechanische Wandler 1 weist zumindest eines der dehnungssensitiven, elastisch dehnbaren, elektrischen Widerstandselemente 17 auf, die grundsätzlich als polymerbasierter piezo-resistiver Dehnmessstreifen ausgeführt sein können. Vorteilhaft kann eine räumliche Anordnung mehrerer der Widerstandselemente 17 eine richtungssensitive Erfassung von Drehungen und/oder Translationen in mehreren Freiheitsgraden, insbesondere 6 Freiheitsgraden, erfassen.
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Die Widerstandselemente 17 können radial zu einem zentralen Versorgungspunkt, beispielsweise in Form des Mittelkontakts 21 und/oder der Mittelkontakte 49 und 51 angeordnet werden, wobei entsprechende Satellitenkontakte 19 radial außerhalb der zentralen Versorgungspunkte liegen. Alternativ und/oder zusätzlich ist es denkbar, mehrere der Versorgungspunkte zu wählen, beispielsweise den ersten Mittelkontakt 49 und den zweiten Mittelkontakt 51. Vorteilhaft können die Widerstandselemente in definierten Winkeln zueinander und/oder zu Radien 39 angeordnet werden, um Richtungen von eingeleiteten Rotationen um die z-Achse 23 des elektromechanischen Wandlers 1 zu erfassen.
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Alternativ und/oder zusätzlich ist es denkbar, dass die Widerstandselemente 17 gekrümmt geformt sind, wobei dadurch vorteilhaft das nichtlineare Verhalten und das haptische Feedback verstärkt werden können. Alternativ und/oder zusätzlich können die Widerstandselemente 17 windschief zueinender angeordnet sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wandler
- 3
- Außengeometrie
- 5
- Basis
- 7
- Fuß
- 9
- Kreiszylinder
- 11
- Ausnehmung
- 13
- Leitungskanal
- 15
- Sandwich-Folie
- 17
- Widerstandselement
- 19
- Satellitenkontakte
- 21
- Mittelkontakte
- 23
- z-Achse
- 25
- zentrischer Durchbruch
- 27
- Durchbrüche
- 29
- x-y-Ebene
- 31
- Kraftpfeil
- 33
- Dehnungsdoppelpfeilen
- 35
- Stauchungseinzelpfeile
- 37
- Mittelpunkt
- 39
- Radien
- 41
- Schnittpunkt
- 43
- Drehmomentpfeil
- 45
- erste Substratschicht
- 47
- zweite Substratschicht
- 49
- erster Mittelkontakt
- 51
- zweiter Mittelkontakt
- 53
- Abstandshalter
- 55
- Kontaktflächen
- 57
- Mitteldurchbruch
- 59
- Mittelschicht
- 61
- Pfeil
- 63
- erste Deckschicht
- 65
- zweite Deckschicht
- 67
- Pfeil
- 69
- y-x-Hauptlängsrichtung
