DE102018125807A1

DE102018125807A1 - Verbindungselement und Verbindungssystem mit einem Verbindungselement

Info

Publication number: DE102018125807A1
Application number: DE102018125807.0A
Authority: DE
Inventors: Christian Nakic; Helmut F. Schlaak
Original assignee: Technische Universitaet Darmstadt
Current assignee: Technische Universitaet Darmstadt
Priority date: 2018-10-17
Filing date: 2018-10-17
Publication date: 2020-04-23

Abstract

Es wird ein Verbindungselement zur Bildung einer lösbaren Verbindung mit einem dem Verbindungselement (1) entsprechend ausgebildeten Gegenverbindungselement infolge einer Einfuhrbewegung des Verbindungselements (1) bezüglich des Gegenverbindungselements bereitgestellt. Das Verbindungselement weist wenigstens einen flächigen Verformungskörper (2) mit einem ersten Längsende (3) und mit einem dem ersten Längsende (3) gegenüberliegenden zweiten Längsende (4), wenigstens eine Auflagefläche (10) zur Blockierung einer der Einfuhrbewegung entgegengesetzten Ausfuhrbewegung des Verbindungselements (1) durch eine Krafteinwirkung wenigstens einer Gegenauflagefläche des Gegenelements auf die wenigstens eine Auflagefläche (10) des Verbindungselements (1) auf, wobei das Verbindungselement (1) derart verformbar ausgebildet ist, dass das Verbindungselement (1) von einem Grundzustand zu einem verformten Zustand zum Ermöglichen der Einfuhrbewegung verformbar ist, und wobei das Verbindungselement (1) derart aktuierbar ist, dass die wenigstens eine Auflagefläche (10) aufgrund einer durch die Aktuierung bedingten Verformung des Verbindungselements (1) zur Lösung der Blockierung durch die wenigstens eine Gegenauflagefläche verstellbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft im Allgemeinen ein Verbindungselement. Im Speziellen betrifft die Erfindung ein Verbindungselement zur Formung einer lösbaren Verbindung sowie ein Verbindungssystem mit einem Verbindungselement.
Es sind Verbindungselemente bzw. Verbindungssysteme auf der Basis von mikromechanischen oder mikroelektromechanischen Aktuatoren bekannt. Die Druckschrift EP 2 168 908 A1 beschreibt einen mikromechanischen Aktor zur Kopplung zweier ortsfest miteinander agierender Antriebe mit orthogonal zueinanderstehenden Aktuierungsrichtungen. Aus der Druckschrift US 7,714,691 B2 ist ein mikroelektromechanisches System zur Formung einer Rastverbindung zwischen einer elektrothermisch aktuierbaren Rastnase und einem ortsfest mit der Rastnase verbundenen Schlitten bekannt. Die bekannten Verbindungselemente und Verbindungssysteme weisen hohe Komplexität auf und sind in ihrer Handhabung unpraktisch.
Eine Aufgabe von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Verbindungselement sowie ein verbessertes Verbindungssystem bereitzustellen.
Nach einem ersten Aspekt wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verbindungselement zur Bildung einer lösbaren Verbindung mit einem dem Verbindungselement entsprechend ausgebildeten Gegenverbindungselement infolge einer Einfuhrbewegung des Verbindungselements bezüglich des Gegenverbindungselements. Das Verbindungselement weist wenigstens einen flächigen Verformungskörper mit einem ersten Längsende und mit einem dem ersten Längsende gegenüberliegenden zweiten Längsende auf. Ferner weist das Verbindungselement wenigstens eine Auflagefläche zur Blockierung einer der Einfuhrbewegung entgegengesetzten Ausfuhrbewegung des Verbindungselements durch eine Krafteinwirkung einer Gegenauflagefläche des Gegenelements auf die Auflagefläche des Verbindungselements auf. Das Verbindungselement ist insbesondere derart elastisch verformbar, dass das Verbindungselement, insbesondere aufgrund der elastischen Verformbarkeit, von einem Grundzustand oder Normalzustand bzw. nichtverformten Zustand in einen verformten Zustand zum Ermöglichen der Einfuhrbewegung, insbesondere zum Einrasten des Verbindungselements, verformbar ist. Das Verbindungselement ist ferner derart aktuierbar, dass die wenigstens eine Auflagefläche aufgrund einer durch die Aktuierung bewirkte Verformung des Verbindungselements zur Lösung der Blockierung durch die wenigstens eine Gegenauflagefläche verformbar ist.
Der Grundzustand bzw. Normalzustand des Verbindungselements entspricht einem Zustand des Verbindungselements, in dem das Verbindungselement nicht aktuiert wird und auch nicht auf sonstige Weise, insbesondere thermisch oder mechanisch, beansprucht wird.
Aufgrund der insbesondere elastischen Verformbarkeit des Verbindungselements kann die Einfuhrbewegung bzw. das Verbinden des Verbindungselements mit dem Gegenverbindungselement werkzeuglos und ohne Aktuierung des aktuierbaren Verbindungselements erfolgen.
Das Verbindungselement kann insbesondere derart elastisch ausgebildet sein, dass das Verbindungselement nach einer Aktuierung wieder in den Grundzustand zurückkehrt, nachdem die Aktuierung beendet ist. Die Elastizität des Verbindungselements ermöglicht es außerdem, dass das Verbindungselement mehrfach zur Formung einer lösbaren Verbindung eingesetzt werden kann.
Die Blockierung der Ausfuhrbewegung kann insbesondere als ein Demontageschutz gegen unbefugtes Öffnen bzw. Lösen der Verbindung dienen, wobei der Demotageschutz bei Bedarf durch die Aktuierung des Verbindungselements auf einfache Weise aufgehoben werden kann.
Der Verformungskörper kann ein Polymer-Material aufweisen. Polymer-Materialien weisen einen verhältnismäßig großen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, so dass das Verbindungselement mit einem Polymer-Material thermisch einfach aktuiert bzw. verformt werden kann. Zudem eignen sich Polymer-Material gut dazu, die erforderliche elastische Verformbarkeit des Verformungskörpers zu gewährleisten. Insbesondere kann der Verformungskörper ein elektrisch nichtleitendes Polymer-Material aufweisen, wodurch das Risiko eines elektrischen Kurzschlusses bei einer elektrischen Aktuierung des Verbindungselements vermindert werden kann. Polymermaterialien, insbesondere Thermo- bzw. Duroplasten, sind kostengünstig und eignen sich gut für die industrielle Umsetzung des Verbindungselements mit makroskopischen Dimensionen. Der Verformungskörper kann ferner den Photoresist SU-8 aufweisen. Aufgrund seiner leichten Strukturierbarkeit eignet sich der Photoresist SU-8 insbesondere für mikroskopische Ausführungen bzw. für mikroskopisches Prototyping des Verbindungselements.
Das Verbindungselement kann als ein thermisch aktuierbarer Aktor ausgebildet sein. Insbesondere kann das Verbindungselement derart ausgebildet sein, dass das Verbindungselement aufgrund einer Erwärmung des Verbindungselements aktuierbar ist, wobei die Erwärmung elektrothermisch bzw. durch Einkopplung Joulscher Wärme eines elektrischen Heizelements erfolgen kann. Das Heizelement zur elektrothermischen Aktuierung des Verbindungselements kann einen insbesondere metallischen und/oder nicht metallischen Heizleiter bzw. eine elektrische Heizstruktur umfassen. Als nichmetallische Heitzleiter können insbesondere leitfähige Polymere und/oder Halbleitermaterialien eingesetzt werden.
Die Erwärmung des Verbindungselements kann ferner durch Wärmestrahlung, Laserstrahlung, insbesondere im Infrarotspektralbereich, durch lokales Kontaktieren einer Wärmequelle oder über ein fluides Wärmeaustauschmittel erfolgen. Die Art der Wärmeeinkopplung kann insbesondere kontraintuitiv im Hinblick auf eine beabsichtigte Verwendung des Verbindungselements gewählt werden, um unbefugten Personen das Öffnen der Verbindung zu erschweren.
Das Verbindungselement kann auch mittels anderer Aktuierungsmechanismen aktuierbar sein, beispielsweise mittels Formgedächtnismaterialien, Bimetallen, kapazitiver Aktuierung, Elektrostriktion o.ä. Der Aktuierungsmechanismus kann insbesondere gemäß der beabsichtigten Anwendung des Verbindungselements bzw. gemäß konkreter Anforderungen gewählt werden.
Nach einigen Ausführungsbeispielen ist das Verbindungselement als ein thermisch aktuierbarer pseudobimorpher Aktor, insbesondere mit einer Balkenstruktur ausgebildet. Dabei ist das Verbindungselement derart ausgebildet, dass dieses mittels einer lokalen Erwärmung des Verformungskörpers aktuierbar ist. Für die lokale Einkopplung können insbesondere die obengenannten Methoden zur Wärmeeinkopplung verwendet werden. Insbesondere kann die lokale Einkopplung der Wärme durch eine an dem Verformungskörper angeordnete elektrische Heizstruktur erfolgen.
Insbesondere kann das Verbindungselement eine Struktur in Form eines Rahmens mit einem ersten Längsbalken, mit einem zweiten Längsbalken, mit einem ersten Querbalken und einem zweiten Querbalken aufweisen, wobei der Rahmen im Grundzustand des Verbindungselements im Wesentlichen die Form eines Rechtecks aufweist, und wobei wenigstens der erste Längsbalken und der zweite Längsbalken durch den Verformungskörper gebildet sind.
Die rahmenartige Balkenkonstruktion ermöglicht es, durch ein lokales Erhitzen des Verbindungselements, beispielweise eines der Längsbalken, das Verbindungselement aufgrund der Längenänderungsdifferenz der Balken auf kontrollierte Weise zu verformen und somit einen pseudobimorphen Aktor bzw. Antrieb zu realisieren. Eine strukturimmanente geringe Biegesteifigkeit der balkenförmigen Antriebe ermöglicht dabei die zum Durchführen der Einfuhrbewegung bzw. zum Einrasten des Verbindungselements erforderliche Biegsamkeit des Verbindungselements bereitzustellen.
Der erste Längsbalken und/oder der zweite Längsbalken kann ein Heizelement, insbesondere ein elektrisches Heizelement insbesondere zur lokalen Erhitzung des Verformungskörpers aufweisen. Mittels des Heizelements kann die Wärme auf einfache Weise gezielt lokal in einen der Balken kontrolliert eingekoppelt werden. Eine genaue Positionierung des Heizelements kann im Hinblick auf spezifische Anforderungen des Verbindungselements gewählt werden, insbesondere kann das Heizelement auf einer Oberseite, auf einer Unterseite, auf Seitenflächen und/oder auf Innenflächen bzw. zwischen den Balken platziert werden. Auf diese Weise kann die Aktor-Performance des Verbindungselements bzw. die Verformung des Verformungskörpers im Hinblick auf Stellwege und/oder Stellkräfte optimiert bzw. gemäß konkreter Anforderungen angepasst werden. Ferner können mehrere an unterschiedlichen Stellen angebrachte Heizelemente zur Kompensation etwaiger unerwünschter Deformationen genutzt werden.
Das Verbindungselement kann ferner eine Balkenstruktur mit einer aufgrund geometrischer Anordnung der Balken implementierten Temperaturkompensation wenigstens in Aktuierungsrichtung aufweisen, wodurch eine präzise Aktuierung, unabhängig von der Umgebungstemperatur erzielt werden kann.
Das Verbindungselement kann an dem ersten Längsende des Verformungskörpers einen Kopf mit einer Rastnase aufweisen, wobei die wenigstens eine Auflagefläche als Rastfläche der Rastnase ausgebildet ist. Mit der Rastnase kann eine Einrastverbindung mit Hilfe des Verbindungselements auf einfach Weise bereitgestellt werden bzw. das Einrasten des Verbindungselements erleichtert werden.
Der Kopf kann in Form eines Widerhakens ausgebildet sein. Der Kopf in Form eines Widerhakens kann die Einfuhrbewegung des Verbindungselements zur Berteistellung der mechanischen Verbindung erleichtern.
In einigen Ausführungsformen ist das Verbindungselement als ein bimorpher Aktuator ausgebildet.
Insbesondere kann das Verbindungselement zwei Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, wobei das Verbindungselement anhand einer auf die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zurückzuführende unterschiedliche Ausdehnung der beiden Materialien aktuierbar ist.
Das Verbindungselement kann einen insbesondere im Wesentlichen zusammenhängend ausgebildeten Verformungskörper sowie eine auf dem Verformungskörper angebrachte Materialschicht mit einem im Vergleich zum von dem Verformungskörper unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Bedingt durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Verformungskörpers und der auf dem Verformungskörper angeordneten Materialschicht dehnen sich der Verformungskörper und die Materialschicht unterschiedlich stark, was zu einer Verformung bzw. Aktuierung des bimorphen Aktors führt.
Die auf dem Verformungskörper angeordnete Materialschicht kann als ein elektrisches Heizelement, insbesondere als eine Heizstruktur ausgebildet sein. Somit kann die Materialschicht selbst zur Aktuierung des Verbindungselements verwenden werden.
Die elektrische Heizstruktur kann insbesondre mäanderartig auf einer Oberseite des Verformungskörpers flächig verteilt sein. Durch die flächige Verteilung der Heizstruktur kann eine gleichmäßige Erwärmung und entsprechend kontrollierte Verformung des Verbindungselements erzielt werden.
Nach einem zweiten Aspekt wird ein Verbindungssystem bereitgestellt. Das Verbindungssystem umfasst ein erstes Verbindungsstück mit einem eine Auflagefläche aufweisenden aktuierbaren Verbindungselement und ein mit dem ersten Verbindungsstück infolge einer Einfuhrbewegung lösbar verbindbares zweites Verbindungsstück, wobei das zweite Verbindungsstück ein dem Verbindungselement entsprechend ausgebildetes Gegenverbindungselement mit einer Gegenauflagefläche aufweist, und wobei die wenigstens eine Auflagefläche zur Blockierung einer der Einfuhrbewegung entgegengesetzten Ausfuhrbewegung durch Krafteinwirkung der Gegenauflagefläche auf die Auflagefläche ausgebildet ist. Das Verbindungselement ist derart insbesondere elastisch verformbar, dass das Verbindungselement von einem Grundzustand in einen verformten Zustand zum Ermöglichen der Einfuhrbewegung, insbesondere zum Einrasten des Verbindungselements an dem Gegenverbindungselement, verformbar ist, wobei das Verbindungselement derart aktuierbar ist, dass die wenigstens eine Auflagefläche aufgrund einer durch die Aktuierung bedingten Verformung des Verbindungselements zur Lösung der Blockierung durch die Gegenauflagefläche verstellbar ist.
Die Einfuhrbewegung kann insbesondere ein Zusammenführen bzw. Ineinanderstecken oder Ineinanderführen des ersten Verbindungsstücks und des zweiten Verbindungsstücks umfassen. Aufgrund der insbesondere elastischen Verformbarkeit des Verbindungselements kann die Einfuhrbewegung bzw. das Verbinden des ersten Verbindungsstücks und des zweiten Verbindungsstücks mit dem Einrasten des Verbindungselements werkzeuglos und ohne Aktuierung des aktuierbaren Verbindungselements erfolgen.
Das aktuierbare Verbindungselement kann insbesondere als ein aktuierbares Verbindungselement nach dem oben beschriebenen ersten Aspekt ausgebildet sein.
Das Verbindungselement kann als ein thermisch, insbesondere elektrothermisch aktuierbarer pseudobimorpher Aktor, insbesondere einer der oben beschriebenen Arten gemäß dem ersten Aspekt, ausgebildet sein. Die pseudobimorphen thermisch bzw. elektrothermisch aktuierbaren Aktoren lassen sich durch lokale Erwärmung präzise und zuverlässig verformen.
Das Verbindungselement kann als ein thermisch, insbesondere elektrothermisch aktuierbarer bimorpher Aktor, insbesondere einer der oben beschriebenen Arten gemäß dem ersten Aspekt ausgebildet sein. Die thermisch, insbesondere elektrothermisch aktuierbaren bimorphen Aktoren sind robust und einfach herstellbar.
Das Verbindungselement kann wenigstens eine Rastnase aufweisen, wobei die wenigstens eine Auflagefläche als Rastfläche der wenigstens einen Rastnase ausgebildet sein kann. Das Gegenverbindungselement kann ferner eine Gegenrastnase aufweisen, wobei die wenigstens eine Gegenauflagefläche als Rastfläche der Gegenrastnase ausgebildet sein kann. Dabei kann das Verbindungssystem derart ausgebildet sein, dass infolge der Einfuhrbewegung sich die wenigstens eine Rastnase mit der wenigstens einen Auflagefläche und die wenigstens eine Gegenrastnase mit der wenigstens einen Gegenauflagefläche zur Blockierung der Ausfuhrbewegung verhaken. Das Verhaken der Rastnasen mit den Auflagenflächen kann die Ausfuhrbewegung zur Lösung der Verbindung zuverlässig blockieren.
Das wenigstens eine Gegenverbindungselement kann ebenfalls als aktuierbares Verbindungselement ausgebildet sein. Insbesondere können das Verbindungselement und das Gegenverbindungselement derart ausgebildet und dimensioniert sein, dass nur eine gleichzeitige Aktuierung des Verbindungselements und des Gegenverbindungselements zu einer Lösung der Blockierung führen kann. Durch die Verwendung von aktuierbaren Verbindungselement in Kombination mit aktuierbaren Gegenverbindungselement können somit Verbindungssysteme mit verbesserter Demontagesicherung bereitstellt werden.
Das Verbindungssystem kann als ein Behälterverschlusssystem insbesondere Flaschenverschlusssystem ausgebildet sein. Somit können beispielsweise Flascheninhalte für Kinder oder für unbefugte Personen unzugänglich bzw. schwerzugänglich gemacht werden.
Das Verbindungssystem kann als ein Steckersystem ausgebildet sein. Somit können demontagesichere Steckverbindungen bereitgestellt werden. Die Steckverbindung kann insbesondere mechanische, elektrische oder elektro-mechanische Steckverbindungen umfassen.
Insbesondere kann das Verbindungssystem als ein strukturintegriertes Verbindungssystem ausgebildet sein, so dass insbesondere ein bestehendes Verbindungsystem mit der Funktionalität der Demotagesicherung auf einfache Weise erweitert werden kann.
Das oben beschriebene Prinzip der Demontagesicherung mit aktuierbaren Verbindungselementen kann für unterschiedliche Arten von Gehäusen, Behältern, Verschlüssen, Gehäusen, Stecker usw. verwendet werden.
Das Verbindungssystem kann auch als ein Drehverschluss ausgebildet sein, wobei beispielsweise das erste Verbindungsstück in Form einer Schraubenmutter mit einem oder mehreren innenseitig angeordneten aktuierbaren Verbindungselementen und das zweite Verbindungsstück als eine Schraube mit außenseitig angeordneten Schnappnasen zum Einschnappen an dem einen oder mehreren Verbindungselementen ausgebildet ist. Die Einfuhrbewegung könnte dabei eine Drehbewegung beispielsweise im Uhrzeigersinn sein und die Ausfuhrbewegung könnte entsprechend eine Drehbewegung gegen den Uhrzeigersinn sein. Somit kann ein Drehverschluss mit einer Demontagesicherung auf einfache Weise bereitgestellt werden.
Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Für gleiche oder gleichwirkende Teile werden in den Figuren gleiche Bezugszeichen verwendet.

1a zeigt schematisch eine perspektivische Draufsicht eines Verbindungselements gemäß einem Ausführungsbeispiel in einem Grundzustand,
1b zeigt schematisch eine perspektivische Draufsicht des Verbindungselements der 1a in einem aktuierten Zustand,
2 zeigt eine schematische Draufsicht eines Verbindungselements gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel,
3 zeigt eine schematische Draufsicht eines Verbindungselements gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
4 zeigt ein Verbindungssystem mit einem Verbindungselement gemäß einem Ausführungsbeispiel,
5 zeigt ein Verbindungssystem mit einem Verbindungselement gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
6 zeigt ein Verbindungssystem mit einem Verbindungselement gemäß einem anderem Ausführungsbeispiel,
7a zeigt ein Verbindungssystem mit einem Verbindungselement gemäß noch einem anderem Ausführungsbeispiel,
7b zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Teils des Verbindungssystems gemäß 7a.

1a zeigt schematisch eine perspektivische Draufsicht eines Verbindungselements gemäß einem Ausführungsbeispiel in einem Grundzustand. Das Verbindungselement 1 weist einen Verformungskörper 2 auf. Das Verbindungselement 1 ist in diesem Ausführungsbeispiel im Wesentlichen in Form eines rechteckigen Rahmens mit einem ersten Längsende 3 und mit einem zweiten Längsende 4 ausgebildet. Das Verbindungselement 1 weist einen ersten Längsbalken 5 mit einem ersten Endbereich 5a, einen im Wesentlichen parallel zu dem ersten Längsbalken 5 verlaufenden zweiten Längsbalken 6 mit einem zweiten Endbereich 6a sowie einen Kopf 7 und eine Basis 8 auf. Der Kopf 7 und die Basis 8 sind in diesem Ausführungsbeispiel in Form von Querbalken ausgebildet, die die Längsbalken 5, 6 an dem ersten Längsende 3 bzw. an dem zweiten Längsende 4 miteinander verbinden, wobei die Längsbalken 5, 6 über die Endbereiche 5a, 6a mit der Basis 8 verbunden sind.
Der Kopf 7 des Verbindungselements 1 ist in Form einer Rastnase 9 mit einer Auflagefläche 10 ausgebildet. Der Verformungskörper 2 ist derart ausgebildet, dass in dem in 1a gezeigten Grundzustand die Auflagefläche 10 der Rastnase 9 im Wesentlichen senkrecht zu dem ersten Längsbalken 5 und zu dem zweiten Längsbalken 6 liegt.
Der erste Längsbalken 5, der zweite Längsbalken 6, der Kopf 7 und die Rastnase 9 sind in diesem Ausführungsbeispiel als Teil des Verformungskörpers 2 einstückig ausgebildet. Die Basis 8 ist als Trägerplatte ausgebildet, an der der erste Längsbalken 5 und der zweite Längsbalken 6 an dem zweiten Längsende 4 des Verbindungselements 1 angebracht sind.
Der Verformungskörper 2 weist ein elastisches Material mit einem hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Als Material kann insbesondere ein Polymer-Material mit einem hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten verwendet werden.
Aufgrund der Balken-Struktur des Verbindungselements 1 und aufgrund des hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten kann das Verbindungselement 2 durch eine thermische Aktuierung auf einfache Weise von dem Grundzustand in den verformten Zustand verformt werden, wobei die Rastnase 9 sowie die Auflagefläche 10 jeweils von einer Grundposition in eine von der Grundposition abweichenden Position verstellt werden.
Die thermische Aktuierung kann dabei durch eine lokale bzw. inhomogene Erhitzung des Verformungskörpers erfolgen. Entsteht beispielsweise infolge der lokalen Erhitzung des Verformungskörpers 2 in dem ersten Längsbalken und zweiten Längsbalken eine unterschiedliche Temperaturverteilung, so kann dies zu unterschiedlichen Längenänderungen des ersten Längsbalken 5 und des zweiten Längsbalken 6 und somit zur einer Verformung des Verbindungselements 1 führen.
1b zeigt schematisch eine perspektivische Draufsicht des Verbindungselements der 1a in einem aktuierten Zustand.
In dem in 1b gezeigten aktuierten Zustand des Verformungskörpers 2 wird der erste Längsbalken 5 mittels einer Wärmequelle (nicht gezeigt) lokal bis zu einer Temperatur von 125°C erhitzt, während der zweite Längsbalken 6 im Wesentlichen bei Zimmertemperatur (20°C) gehalten wird. Der auf den Temperaturunterschied zurückzuführende Längenunterschied der beiden Längsbalken 5, 6 führt zu dem in 1b gezeigten verformten Zustand des Verformungskörper 2 bzw. des Verbindungselements 1. Die Verformung des Verformungskörpers wird anhand der in den Länsbalken 5, 6 gestrichelt eingezeichneten Längslinien 10a und 10b sowie anhand des Richtungspfeils 10c verdeutlicht. In diesem Ausführungsbeispiel wird der erste Längsbalken 5 mit Hilfe eines innerhalb des ersten Längsbalkens 5 angeordneten elektrischen Heizelements (nicht gezeigt) beheizt. Solange das Heizelement des ersten Längsbalkens 5 elektrisch angesteuert wird, verbleibt das Verbindungselement 1 in dem in 1b dargestellten ausgelenkten bzw. verformten Zustand. Wird das Heizelement abgeschaltet, so kühlt sich der erste Längsbalken 5 ab, wobei sich die durch die Längenlinie 10a dargestellte Länge des ersten Längsbalkens 5 verkürzt und das Verbindungselement 1 zurück in den in 1a dargestellten Grundzustand verlagert wird. Das elektrische Heizelement kann auch auf dem Verformungskörper 2, insbesondere an dem ersten Längsbalken 5 angeordnet sein kann.
Es können auch andere Wärmequellen verwendet werden. Insbesondere kann die lokale Erhitzung des Verformungskörper 2 durch Wärmestrahlung oder durch elektromagnetische Laserstrahlung, insbesondere im Infrarotspektralbereich erfolgen.
Das Verbindungselement 1 kann somit auf einfache Weise mittels lokaler Erhitzung, insbesondere eines der beiden Längsbalken 5 und 6 thermisch aktuiert und in die in 1b gezeigte verformte Position gebracht werden. Dieses thermische Verhalten des Verbindungselements 1 ist ähnlich zu einem Verhalten eines bimorphen Aktors. Insbesondere verhält sich das Verbindungselement 1 bei einer thermischen Aktuierung so, als ob die beiden Längsbalken 5 und 6 aktive bzw. aktuierbare Längsbalken eines bimorphen Doppelbalken-Aktors wären. Deshalb kann das Verbindungselement 1 der 1a bzw. ein auf demselben Prinzip basierter Aktor als ein pseudobimorpher Aktor bezeichnet werden.
2 zeigt eine schematische Draufsicht eines Verbindungselements gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel. Das Verbindungselement 1 der 2 ist im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel der 1a als ein Doppelverbindungselement ausgebildet, das zwei im Wesentlichen identisch ausgebildete Verbindungselemente umfasst, wobei jedes der Verbindungselemente als ein pseudobimorphes Verbindungselement der oben beschriebenen Art ausgebildet ist. Jedes der beiden pseudobimorphen Verbindungselemente weist jeweils einen Verformungskörper 2 auf, mit jeweils einem Kopf 7, mit zwei Längsbalken 5, 6 und mit einer Basis auf, wobei in diesem Ausführungsbeispiel die beiden Basen zur Formung einer gemeinsamen Basis 8 für die beiden Verformungskörper 2 verbunden sind. Die beiden Verformungskörper 2 sind im wesentlichen spiegelsymmetrisch bezüglich einer Längsachse bzw. Symmetrieachse des Verbindungselements 1 ausgebildet. Jeder der beiden Köpfe 7 ist in Form eines Widerhakens ausgebildet und weist jeweils eine seitlich nach außen gerichtete zu der Symmetrieachse bzw. zu den Längsbalken 5 und 6 senkrecht liegende Auflagefläche 10 auf. Der in 2 gezeigte Zustand des Verbindungselements 1 entspricht dem Grundzustand bzw. dem aktuierungsfreien Zustand des Verbindungselements 1.
Das Verbindungselement 1 der 2 funktioniert ähnlich wie das Verbindungselement 1 der 1a. Werden beispielsweise zur Aktuierung des Verbindungselements 1 die Verformungskörper 2 lokal erhitzt, so dass sich in den Längsbalken 5, 6 der Verformungskörper 2 unterschiedliche Temperaturprofile bilden, so kann dies zu unterschiedlichen Längenänderungen der Längsbalken 5, 6 und als Ergebnis zur Verformung der Verformungskörper 2 führen.
3 zeigt eine schematische Draufsicht eines Verbindungselements gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Das Ausführungsbeispiel der 3 entspricht im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel der 2, wobei das Verbindungselement elektrische Heizelemente 11 aufweist, die in 3 durch Zickzacklinien symbolisch dargestellt sind. Die elektrischen Heizelemente 11 sind in diesem Ausführungsbeispiel durch eine mäanderförmig strukturierte Metallisierung auf den äußeren Längsbalken 6 der beiden Verformungskörper 2 geformt, die über elektrische Leitungen (nicht gezeigt) mit einer Stromquelle verbindbar sind.
Werden die elektrischen Heizelemente 11 bestromt, beispielsweise mittels einer Gleichspannungsstromquelle, so werden die Verformungskörper 2 aufgrund der Anordnung der Heizelemente 11 inhomogen erhitzt. Insbesondere werden die äußeren Längsbalken 6 stärker als die inneren Längsbalken 5 erhitzt und entsprechend stärker gedehnt. Diese unterschiedliche Dehnung der inneren und der äußeren Längsbalken 5, 6 führt zur Verformung der Verformungskörper 2, so dass sich die Köpfe 7 der beiden Verformungskörper 2 naher kommen, wobei sich die Auflageflächen 10 nach innen bzw. zur Mitte zurückziehen. Die Verformungsrichtung der Verformungskörper 2 wird in 3 durch gebogene Pfeile 15 verdeutlicht.
Werden die Auflageflächen 10, die als Greifflächen bzw. Rastflächen zur Bildung einer mechanischen Verbindung fungieren können, in einem ausreichenden Maße zurückgezogen, so könnte dies zur Lösung der mechanischen Verbindung führen, wie dies unten im Zusammenhang mit 4 detaillierter beschrieben wird.
4 zeigt ein Verbindungssystem mit einem Verbindungselement gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verbindungssystem umfasst ein erstes Verbindungsstück 21 und ein mit dem ersten Verbindungsstück 21 lösbar verbindbares zweites Verbindungsstück 22. Das erste Verbindungsstück 21 und das zweite Verbindungsstück 22 sind in diesem Ausführungsbeispiel als ein erster Teil und ein zweiter Teil eines zweiteiligen Gehäuses, das in 4 in einem geschlossenen Zustand dargestellt ist, ausgebildet. Das erste Verbindungsstück 21 weist zwei Verbindungselemente 1 mit Widerhaken und Auflageflächen 10 gemäß 3 auf. Das zweite Verbindungsstück 22 weist zwei Paare von Gegenverbindungselementen 23 in Form von Gegenrastnasen mit Gegenauflageflächen 24 auf. In dem in 4 gezeigten geschlossenen Zustand des Verbindungssystems 20 ragen die Verbindungselemente 1 des ersten Verbindungsstücks 21 in das zweite Verbindungsstück 22 hinein und sind mit den Gegenverbindungselementen 23 des zweiten Verbindungsstück 22 verhakt, wodurch das Öffnen des Gehäuses bzw. das Trennen der beiden Verbindungsstücke 21, 22 blockiert wird.
Zur Aktuierung der Heizelemente 11 weist das Verbindungssystem 20 elektrische Kontakte bzw. elektrische Leitungen auf, die in 4 nicht dargestellt sind. In einigen Ausführungsbeispielen ist das Heizelement 11 als Heizelement mit induktiver Energie-Einkopplung ausgebildet, so dass die Aktuierung kontaktlos durch die Erhitzung der äußeren Längsbalken 6 erfolgen kann. Die Anordnung der Heizelemente 11 an den äußeren Längsbalken wird in 4 durch Schraffierung angedeutet.
Werden die Verbindungselemente 1 des ersten Verbindungsstücks 21 aktuiert, so ziehen die beiden Widerhaken des jeweiligen Verbindungselements 1 aufgrund der thermischen Verformung des jeweiligen Verformungskörpers 2 zusammen, wodurch die Auflageflächen 10 nach innen versetzt werden. Bei einer ausreichend starken Verformung der Verformungskörper 2, kann sich die Verhakung zwischen den Rastnasen und Gegenrastnasen lösen, und können die Verbindungsstücke 21 und 22 ohne weiteres getrennt werden. Somit stellt das System 20 ein Gehäuse mit Demontagesicherung dar, das durch Unbefugte nicht bzw. nur durch Zerstörung des Systems geöffnet werden kann. Somit kann eine strukturintegrierte Demontagesicherung, insbesondere gegen unbefugtes Öffnen bereitgestellt werden.
In einigen Ausführungsbeispielen werden das Verbindungselement 1 und/oder das Gegenverbindungselement 23 separat bereitgestellt und später in einem Integrationsschritt mit dem ersten bzw. mit dem zweiten Verbindungsstück verbunden. In einigen Ausführungsbeispielen sind das Verbindungselement 1 und das erste Verbindungsstück und/oder Gegenverbindungselement und das zweite Verbindungsstück mittels der sogenannten MID-Technologie (Molded Interconnect Devices) integriert hergestellt.
5 zeigt ein Verbindungssystem mit einem Verbindungselement gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Das Verbindungssystem 20 der 5 umfasst ebenfalls ein erstes Verbindungsstück 21 und ein mit dem ersten Verbindungsstück 21 lösbar verbindbares zweites Verbindungsstück 22. Das Verbindungssystem 20 ist in diesem Ausführungsbeispiel als ein Steckverbindungssystem ausgebildet, wobei das erste Verbindungsstück 21 als eine Buchse und das zweite Verbindungsstück 22 als ein zu der Buchse passende Stecker ausgebildet ist.
Das Steckverbindungssystem 20 wird in 5 im geöffneten Zustand perspektivisch dargestellt.
Das erste Verbindungsstück 21 weist ein Gehäuse 25 auf, in dem ein Verbindungselement 21 gemäß 3 untergebracht ist. Das Gehäuse 25 ist im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet und weist Seitenwände 26 und eine Stirnseite 27 mit einer Öffnung 28 zur Aufnahme des zweiten Verbindungsstück 22 auf. Zur Verdeutlichung der Anordnung des Verbindungselements 1 in dem Gehäuse 25 wird das Gehäuse in 5 als durchsichtig dargestellt bzw. nur mit Konturlinien angedeutet. Das Verbindungselement 1 ist in dem Gehäuse 25 derart angeordnet, dass die beiden Köpfe 7 des Verbindungselements 1, die in Form von Widerhaken ausgebildet sind, zu der stirnseitigen Öffnung 28 des Gehäuses 25 gerichtet sind, wobei zwischen dem Verbindungselement 1 und den Seitenwänden 26 des Gehäuses 25 ein Zwischenraum zur Aufnahme des zweiten Verbindungsstücks 22 vorgesehen ist. In diesem Ausführungsbeispiel schließen die beiden Köpfe 7 des Verbindungselements 1 mit der Stirnseite 26 des Gehäuses 25 im Wesentlichen bündig ab. Das zweite Verbindungsstück 22 bzw. der Stecker weist Gegenverbindungselemente 23 zum Verbinden mit dem Verbindungselement 1 des ersten Verbindungsstücks 21 auf. Das zweite Verbindungsstück 22 und die Gegenverbindungselemente 23 sind in diesem Ausführungsbeispiel einstückig ausgebildet. Das zweite Verbindungsstück 22 ist im Wesentlichen flächig rechteckig ausgebildet und weist ein im Wesentlichen U-förmiges Profil auf.
Das zweite Verbindungsstück 22 weist ein erstes Ende 30 und ein dem ersten Ende 30 gegenüberliegendes zweites Ende 31 auf, wobei das erste Ende der stirnseitigen bzw. dem in das erste Verbindungsstück 21 einzuführenden Ende des zweiten Verbindungsstücks 22 entspricht. Ferner weist das zweite Verbindungsstück 22 einen flächigen mittleren Bereich 32 und zwei Seitenschienen 33 auf, die sich am Rande des zweiten Verbindungsstücks 22 zwischen dem ersten Ende 30 und dem zweiten Ende 31 erstrecken. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Gegenverbindungselemente 23 als Teil der Seitenschienen 33 ausgebildet.
Der mittlere Bereich 32 weist zwei stirnseitige Führungsschlitze 34 auf, die sich von dem ersten Ende 30 des zweiten Verbindungsstücks 22 hin zur Mitte des mittleren Bereichs 32 im Wesentlichen parallel zu den Seitenschienen 33 erstrecken, so dass sich zwischen den Führungsschlitzen 34 eine Federzunge 35 bildet, die einen gefederten bzw. spielfreien Sitz des Steckers ermöglichen kann. Die Federzunge 35 kann ferner eine Vorspannkraft auf elektrische Kontaktflächen des Steckverbindungssystems bereitstellen.
Die Gegenverbindungselemente 23 sind in diesem Ausführungsbeispiel als Rastnasen bzw. Schnappnasen in Form von Widerhaken mit jeweils einer der Stirnseite des zweiten Verbindungsstücks 22 abgewandten, im Wesentlichen senkrecht zu den Seitenschienen und zu dem mittleren Bereich ausgerichteten Gegenauflagefläche 24 ausgebildet.
Zum Verbinden des ersten Verbindungsstücks 21 mit dem zweiten Verbindungsstück 22 wird das erste Ende 30 des zweiten Verbindungsstücks 22 bzw. des Steckers in die stirnseitige Öffnung 28 des ersten Verbindungsstücks 21 eingeführt, wobei der mittlere Bereich 32 und die Seitenschienen 33 des zweiten Verbindungsstücks 22 in den Zwischenraum zwischen dem Verbindungselement 1 und dem Gehäuse 25 durch eine im Wesentlichen translatorische Einfuhrbewegung eingeführt werden. Der Pfeil 40 verdeutlicht die Richtung der Einfuhrbewegung des zweiten Verbindungsstücks 22 bezüglich des ersten Verbindungsstücks 21.
Das Gehäuse 25 bzw. die Seitenwände 26 des Gehäuses 25 des ersten Verbindungsstücks 21 fungieren dabei als Führung für das zweite Verbindungsstück 22, insbesondere für die Seitenschienen 33 des zweiten Verbindungsstücks 22. Die Führung sorgt dafür, dass die schrägen Flanken der Widerhaken des Verbindungselements 1 der beiden Verformungskörper 2 mit den schrägen Flanken der Widerhaken an den beiden Seitenschienen 33 ungefähr gleichzeitig auftreffen, so dass die beiden Köpfe 7 des Verbindungselements 1 von beiden Seiten zusammengedrückt werden, was in 5 durch gebogene Pfeile 15 verdeutlicht wird. Die gebogenen Pfeile 15 verdeutlichen zudem die Bewegungsrichtung der beiden Köpfe 7 des Verbindungselements, die zum Lösen der Verbindung benötigt wird.
Bei Anwendung einer ausreichend großen Einfuhrkraft kann sich das Verbindungselement 1, insbesondere aufgrund der Elastizität des Verformungskörpers 2 derart verformen, dass die Rastnasen 23 des zweiten Verbindungsstücks 22 weiter in die Tiefe des Gehäuses 25 bzw. Steckerhülse rutschen. Dabei baut sich in dem elastischen Verformungskörper 2 des Verbindungselements 1 eine der Verformung des Verformungskörpers 2 entgegenwirkende mechanische Spannung auf, bis die Gegenauflageflächen 24 der Rastnasen 23 die Auflageflächen 10 des Verbindungselements 1 erreicht haben. Wird das zweite Verbindungsstück 22 weiter tiefer in das Gehäuse 25 des ersten Verbindungsstücks 21 eingeführt, so dass die Gegenauflageflächen 24 über die Auflageflächen 10 des Verbindungselements 1 hinausgeschoben werden, so löst sich die mechanische Spannung des elastisch verformten Verformungskörpers 2 und der Verformungskörper 2 kehrt ruckartig in den ursprünglichen, nicht verformten Zustand zurück. Die als Widerhaken geformten Köpfe 7 der Verformungskörper 2 nehmen dabei ihre ursprüngliche Position ein, wodurch sich Köpfe 7 des Verbindungselements 1 und die als Rastnasen geformten Gegenverbindungselement 23 verhaken. Dadurch kommt eine Steckverbindung zustande, die nicht ohne weiteres bzw. ohne Aktuierung des Verbindungselements 1 zerstörungsfrei gelöst werden kann, da eine der Einfuhrbewegung entgegengesetzte Ausfuhrbewegung durch die Verhakung des Verbindungselements 1 mit den Gegenverbindungselementen 23 blockiert wird.
Werden jedoch nun die Heizelemente 11 des Verbindungselements 1 bestromt, so ziehen sich die beiden Widerhaken aufgrund der elektrothermischen Verformung des jeweiligen Verformungskörpers 2 zurück, wobei die Auflageflächen 10 nach innen versetzt werden. Bei einer ausreichenden Aktuierung bzw. ausreichend starken Verformung der Verformungskörpers 2, kann sich die Verhakung zwischen den Widerhaken des Verbindungselements 1 und den Schnappnasen 23 lösen, und können die Verbindungsstücke 21 und 22 ohne weiteres getrennt werden. Das System 20 der 5 stellt somit ein Steckverbindungssystem mit einem demontagesicheren Verschlussmechanismus dar, der durch Unbefugte nicht oder nur mit einem großen Aufwand bzw. unter Inkaufnahme einer Zerstörung des Steckverbindungssystems geöffnet werden kann.
6 zeigt ein Verbindungssystem mit einem Verbindungselement gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel. Das Verbindungssystem 20 der 6 umfasst ebenfalls ein erstes Verbindungsstück 21 und ein mit dem ersten Verbindungsstück 21 lösbar verbindbares zweites Verbindungsstück 22. Das Verbindungssystem 20 ist in diesem Ausführungsbeispiel, ähnlich wie in dem Ausführungsbeispiel der 5, als ein Steckverbindungssystem ausgebildet, wobei das erste Verbindungsstück 21 als eine Buchse und das zweite Verbindungsstück 22 als ein zu der Buchse passender Stecker ausgebildet ist. Das Steckverbindungssystem 20 wird in 6 im geöffneten Zustand perspektivisch dargestellt. In einigen Ausführungsbeispielen ist das Steckverbindungssystem 20 als ein elektrischer Steckverbinder ausgebildet, wobei das erste Verbindungsstück 21 bzw. das zweite Verbindungsstück 22 elektrische Kontakte bzw. Gegenkontakte aufweisen, die beim Verbinden des ersten Verbindungsstücks 21 und des zweiten Verbindungsstücks 22 elektrisch miteinander verbunden werden.
Das erste Verbindungsstück 21 bzw. die Buchse weist ein Gehäuse 25 mit Seitenwänden 26 auf. Das Gehäuse 25 ist im Wesentlichen Quaderförmig ausgebildet und weist eine Stirnseite 27 mit einer Öffnung 28 zur Aufnahme des zweiten Verbindungsstück 22 bzw. des Steckers auf. In dem Gehäuse 25 ist ein Verbindungselement 1 untergebracht. Zur Verdeutlichung des Aufbaus und der Anordnung des Verbindungselements 1 in dem Gehäuse 25 wird das Gehäuse 25 in 6 als durchsichtig dargestellt bzw. nur mit Konturlinien angedeutet.
Das Verbindungselement 1 ist in Form eines elektrothermischen bimorphen Aktors ausgebildet und weist einen im Wesentlichen rechteckig ausgebildeten flächigen Verformungskörper 2 mit einem ersten Ende 3 und mit einem zweiten Ende 4 auf. Auf einer Seite (Oberseite im Bild) des Verformungskörpers 2 ist ein elektrisches Heizelement 11 bzw. elektrische Heizstruktur mäanderförmig flächig angeordnet. Der Verformungskörper 2 weist an dem zweiten Ende eine Basis 8 auf, welche in dem Gehäuse 25 in der Nähe der Öffnung 28 derart fixiert ist, dass das erste Ende 3 des Verbindungselements 1 im Inneren des Gehäuses 25 eine Schwenkbewegung um die Basis 8 ausführen kann. Das erste Ende 3 des Verbindungselements 1 bildet somit einen beweglichen Kopf 7 des Verbindungselements 1 mit einer Auflagefläche 10. In diesem Ausführungsbeispiel weist der Verformungskörper 2 ein Polymer mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, wobei der Wärmeausdehnungskoeffizient des Polymers größer als der Wärmeausdehnungskoeffizient der metallischen Heizstruktur ist.
Die Basis 8 des Verbindungselements 1 ist in dem Gehäuse 25 derart fixiert, dass der Verformungskörper 2 in dem Grundzustand bzw. in dem nichtverformten Zustand parallel zu den Seitenwänden 26 des Gehäuses 25 verläuft, wobei zwischen dem Verbindungselement 1 und den Seitenwänden 26 des Gehäuses 25 ein im Wesentlichen rechteckiger Schlitz zur Aufnahme des zweiten Verbindungsstücks 22 bzw. des Steckers verbleibt, so dass der Stecker zwischen dem Verformungskörper 2 des Verbindungselements 1 und einer parallel zu dem Verformungskörper 2 liegenden Seitenwand 26 (im Bild unten) hineingeschoben werden kann. Die untere Seitenwand 26 weist eine Rampe 45 zur Führung des in das erste Verbindungsstück 21 eingeführte zweite Verbindungsstücks 22.
Das zweite Verbindungsstück 22 entspricht im Wesentlichen dem zweiten Verbindungsstück 22 der 5, wobei die Schnappnasen 23 innenseitig an den Seitenschienen 33 am ersten Ende 30 des Verbindungsstück 22 angeordnet sind. Der mittlere Bereich 32 des zweiten Verbindungsstücks 22 weist ebenfalls zwei stirnseitige Führungsschlitze 34 auf, die sich von dem ersten Ende 30 des zweiten Verbindungsstück 22 hin zur Mitte des mittleren Bereichs 32 im Wesentlichen parallel zu den Seitenschienen 33 derart erstrecken, dass sich zwischen den Führungsschlitzen 34 eine Federzunge 35 bildet.
Zum Verbinden des ersten Verbindungsstücks 21 mit dem zweiten Verbindungsstück 22 wird das erste Ende 30 des zweiten Verbindungsstück 22 bzw. des Steckers in die stirnseitige Öffnung 28 des ersten Verbindungsstücks 21 eingeführt. Der Pfeil 40 in 6 verdeutlicht die Richtung der Einfuhrbewegung des zweiten Verbindungsstücks 22 bezüglich des ersten Verbindungsstücks 21. Das Gehäuse 25 bzw. die Seitenwände 26 des Gehäuses 25 des ersten Verbindungsstücks 21 fungieren dabei als Führung für das zweite Verbindungsstück 22. Beim Einführen des zweiten Verbindungsstück 22 in das erste Verbindungsstück 21 fährt die Führungszunge 35 auf die Rampe 45 und wird dabei von der Rampe 45 zu dem Verformungskörper 2 hochgehoben, wobei die Schnappnasen 23 auf den Verformungskörper 2 des Verbindungselements 1 gedrückt werden. Bei Anwendung einer ausreichend großen Einfuhrkraft kann sich das Verbindungselement 1, insbesondere aufgrund der Elastizität des Verformungskörpers 2 derart verformen, dass die Schnappnasen 23 weiter in die Tiefe des Gehäuses 25 bzw. Steckerhülse rutschen. Dabei baut sich in dem elastischen Verformungskörper 2 eine der Verformung des Verformungskörpers 2 entgegenwirkende mechanische Spannung auf, bis die Gegenauflageflächen 24 der Schnappnasen 23 das erste Ende 3 bzw. die Auflagefläche 10 des Verbindungselements 1 erreicht haben. Wird das zweite Verbindungsstück 22 tiefer in das Gehäuse 25 des ersten Verbindungsstück 21 eingeführt, so dass die Gegenauflageflächen 23 über den Rand bzw. über die Auflagefläche 10 des Verbindungselements 1 hinausgeschoben werden, so löst sich die Spannung des elastisch verformten Verformungskörpers 2 und der Verformungskörper 2 kehrt ruckartig in den ursprünglichen, nicht verformten Zustand zurück. Der Kopf 7 des Verformungskörpers 2 nimmt dabei die ursprüngliche Position ein und wird in den Rastnasen 23 eingeschnappt. Somit kommt eine mechanische Verbindung zustande, die nicht ohne weiteres, insbesondere ohne Aktuierung des Verbindungselements 1 zerstörungsfrei gelöst werden kann, da eine der Einfuhrbewegung entgegengesetzte Ausfuhrbewegung durch die Krafteinwirkung der Auflagefläche 10 des Verbindungselements 1 auf die Gegenauflageflächen 24 der Schnappnasen 23 des zweiten Verbindungsstück 22 blockiert wird.
Zum Öffnen der Steckverbindung kann das Verbindungselement 1 aktuiert werden, in dem das Heizelement 11 bzw. die elektrische Heizstruktur mit elektrischem Strom versorgt wird. Die dabei erzeugte Joulsche Wärme erhitzt sowohl die elektrische Heizstruktur selbst, sondern auch den Verformungskörper 2, der im thermischen Kontakt mit der flächig über dem Verformungskörper 2 verteilten elektrischen Heizstruktur steht. Bedingt durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der metallischen Heizstruktur bzw. des Verformungskörpers 2 dehnt sich der Verformungskörper 2 stärker als die flächig verteilte metallische Heizstruktur aus, wodurch eine Verkrümmung bzw. Warpage des Verformungskörpers 2 zustande kommt, wie dies in 6 durch Pfeil 15 verdeutlicht wird. Bei einer ausreichenden Aktuierung bzw. ausreichend starken Verformung des Verformungskörpers 2, löst sich der Kopf 7 des Verbindungselements 1 von den Schnappnasen 23 des zweiten Verbindungsstück 22 und das zweite Verbindungsstück 22 kann ohne weiteres aus dem Gehäuse 25 herausgezogen werden. Das Steckverbindungssystem weist somit einen demontagesicheren Verschlussmechanismus auf und kann durch Unbefugte nicht bzw. nur mit einem großen Aufwand und insbesondere unter Inkaufnahme einer Zerstörung des Steckverbindungssystems geöffnet werden.
7a zeigt ein Verbindungssystem 20 mit einem Verbindungselement 1 gemäß noch einem anderem Ausführungsbeispiel, wobei 7b eine vergrößerte Ansicht eines Teils des Verbindungssystems 20 gemäß 7a zeigt. Das Verbindungssystem 20 der 7a umfasst wiederum ein erstes Verbindungsstück 21 und ein mit dem ersten Verbindungsstück 21 lösbar verbindbares zweites Verbindungsstück 22. Das Verbindungssystem 20 ist in dem Ausführungsbeispiel der 7a als ein Flaschenverschlusssystem ausgebildet, wobei das erste Verbindungsstück 21 als ein Flaschendeckel und das zweite Verbindungsstück 22 als ein Flaschenhals mit einem Gewinde, auf welches der Flaschendeckel geschraubt werden kann, ausgebildet ist.
Das Flaschenverschlusssystem wird dabei in 7a und 7b im geschlossenen Zustand perspektivisch dargestellt, wobei an einem unteren Rand des Flaschendeckels Verbindungselemente 1 gemäß den 1 a und 1b angeordnet sind. Zur Verdeutlichung der Anordnung der Verbindungselemente 1 in 7a und 7b wird dabei der ansonsten vollständig geschlossene Flaschendeckel nur teilweise gezeigt. Weiter sind die Verbindungselemente 1 derart angeordnet, dass der Kopf 7 der Verbindungselemente 1, welcher jeweils in Form einer Rastnase 9 mit einer Auflagefläche 10 ausgebildet ist, jeweils in Richtung auf das zweite Verbindungsstück 22 zeigt. Wie 7a und 7b weiter zeigen, weist das Gewinde bzw. das zweite Verbindungsstück 22 Gegenverbindungselemente 23 zum Verbinden mit den Verbindungselementen 1 des ersten Verbindungsstücks auf. Gemäß dem Ausführungsbeispiel der 7a sind die Gegenverbindungselemente 23 dabei als Widerhaken ausgebildet.
Zur Aktuierung der Verbindungselemente sind ferner elektrothermische Aktoren mit Heizelementen 50 vorgesehen, wobei das Verbindungssystem 20 zur Aktuierung der Heizelemente 50 elektrische Kontakte 51 und entsprechende elektrische Leitungen 52 aufweist.
Wird dabei der Deckel auf das in dem Flaschenhals ausgebildete Gewinde gedreht, erreicht die seitliche Fläche eines Verbindungselements 1 die Gegenauflagefläche des entsprechenden Widerhakens bzw. Gegenverbindungselements 23. Wird der Deckel weiter auf das in dem Flaschenhals ausgebildete Gewinde gedreht, baut sich in dem elastischen Verformungskörper 2 des Verbindungselements 1 eine der Verformung des Verformungskörpers 2 bei Aktuierung entgegenwirkende mechanische Spannung auf. Wird der Deckel soweit auf das in dem Flaschenhals ausgebildete Gewinde gedreht, bis die Gegenauflagefläche des Widerhakens über den Rand der seitliche Fläche des Verbindungselements 1 bzw. über die Auflagefläche des Verbindungselements 1 hinausgeschoben wird, so löst sich die Spannung des elastisch verformten Verformungskörpers 2 und der Verformungskörper 2 kehrt ruckartig in seinen ursprünglichen, nicht verformten Zustand zurück. Der Kopf 7 des Verformungskörpers 2 nimmt dabei seine ursprüngliche Position ein, sodass die Rastnase 9 des Verbindungselements 1 am Widerhaken des Flaschenhalses einschnappt. Somit kommt eine mechanische Verbindung zustande, die nicht ohne weiteres, insbesondere ohne Aktuierung des Verbindungselements 1 zerstörungsfrei gelöst werden kann, da eine der Einfuhrbewegung entgegengesetzte Ausfuhrbewegung durch die Krafteinwirkung der Auflagefläche des Verbindungselements 1 auf die Gegenauflageflächen des Widerhakens blockiert wird.
Zum Öffnen der Flasche kann dann das Verbindungselement 1 aktuiert werden, in dem die Heizelemente 50 der Verbindungselemente 1 mit elektrischem Strom versorgt werden. Durch die dabei erzeugte Joulesche Wärme wird wiederum auch der erste Längsbalken 5 des entsprechenden Verformungskörpers 2 erwärmt, welcher in thermischen Kontakt mit einem Heizelement 50 steht. Bedingt durch den daraus resultierenden Temperaturunterschied in den beiden Längsbalken 5,6 des Verformungskörpers 2, wird der Verformungskörper 2 verkrümmt, wobei sich der Kopf 7 des Verbindungselements 1 bei einer ausreichenden Aktuierung bzw. einer ausreichend starken Verformung des Verformungskörpers von dem Widerhaken bzw. dem entsprechendem Gegenverbindungselement 23 löst und der Deckel wieder ohne Weiteres von der Flasche getrennt werden kann.
Die 7a und 7b stellen somit ein Flaschenverschlusssystem dar, mit welchem beispielsweise Flascheninhalte für Kinder oder andere unbefugte Personen unzugänglich bzw. nur schwer zugänglich gemacht werden.
Zur Herstellung der oben beschriebenen Verbindungselemente können unterschiedliche Techniken verwendet werden. Insbesondere können Spritzgussverfahren zur Herstellung des Verbindungselements verwendet werden. Ferner können Leiterplattentechnik zur Herstellung des Verbindungselemente verwendet werden. Dabei können Antriebselemente der Verbindungslemente aus den für die Leiterplatten verwendeten Materialien ausgebildet werden bzw. als „Platine“ auf einfache Weise bereitgestellt werden.
Zur Herstellung der Heizleiter können MID-Verfahren, Druckverfahren mit leitfähigen Pasten oder Leiterplattentechnik-Verfahren eingesetzt werden. Dabei kann der Verformungskörper mit einer Metallfolie beklebt werden und in einem Ätz-Schritt zu einem Heizelement strukturiert werden.
Insbesondere für mikroskopische Ausführungen bzw. für mikroskopisches Prototyping der Verbindungselemente kann UV-Lithographie zur Strukturierung des Verformungskörper aus einem Polymer, insbesondere aus Photoresist SU-8.
Nach einem Ausführungsbeispiel umfasst das Herstellverfahren folgende Schritte: Bereitstellen eines Substrats, Auftragen einer Polymerschicht, insbesondre einer SU-8-Photoresistschicht auf dem Substrat, Belichten, insbesondere UV-Belichten, unter Verwendung einer UV-Maske zur photolithographischen Strukturierung der Polymerschicht zur Formung des Verformungskörpers des Verbindungselements.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Herstellverfahren das Bereitstellen einer strukturierten Opferschicht auf dem Substrat, insbesondere zwischen dem Substrat und der Polymerschicht. Die Verwendung der Opferschicht ermöglicht einen Abstand zwischen dem Substrat für eine freie Bewegung des Verformungskörpers.
Das Herstellverfahren kann ferner umfassen: Anbringen einer Metallisierung auf der Polymerschicht zur Formung eines Heizelements, Formung einer Ätzmaske, insbesondere photolithographisch, Ätzen der Metallisierung unter Verwendung der Ätzmaske zur Strukturierung des Heizelementes.
Zur Herstellung des Verbindungselement 1 kann ferner Leiterplattentechnologie eingesetzt werden, umfassend: Strukturieren, insbesondere Laserstrukturieren polymerer Folienmaterialien, insbesondere Polyetheretherketon (PEEK), Verpressen der strukturierten Folie mit metallischen Folien, insbesondere Konstantan-Folie zur Formung einer Verbundfolie, und Strukturieren, insbesondere nasschemisches Ätzen, der metallischen Schicht zur Formung eines Heizelements.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das Verbindungselement mittles der MID-Technologie und/oder Spritzguss-Technik möglich. Dabei können Verbindungselemente strukturintegriert bzw. als Teil einer Baugruppe gefertigt werden.
Auch mikromechanische Fertigungstechniken, wie mikromechanisches Sägen oder Fräsen können zur Fertigung des Verbindungselements eingesetzt werden.
Je nach Verwendungszweck und Anforderungen an das Verbindungselement können ferner alle diese Herstelltechniken auch in Kombination miteinander eingesetzt werden. Durch die Unabhängigkeit der Funktionsweise von den eingesetzten Fertigungsverfahren ist das Verbindungselement bzw. das Verbindungssystem skalierbar, so dass je nach Anwendung die Abmessungen des Mechanismus angepasst werden können.
Ferner können durch Drehung, Verschiebung, oder Vervielfachung der aktuierbaren Verbindungselemente Verschlussmechanismen unterschiedlicher Stabilität erzeugt werden. Je nach Anwendung lassen sich somit so auch etwaige Restriktionen des Bauraums berücksichtigen.
Die oben beschriebenen Verbindungselemente und Verbindungssysteme lassen sich ohne Änderung der Funktionsweise auf unterschiedliche Weisen variieren, so dass der Demontageschutz an unterschiedliche Anwendungen oder Herstellungsverfahren angepasst werden kann. Der entwickelte Verschlussmechanismus ist prinzipiell in vielen Anwendungen denkbar, in denen Gehäuse gegen Demontage gesichert werden sollen. Dies kann vor allem für Hersteller von Gütern im Consumerbereich von Interesse sein, z.B. für elektrische oder mechanische Steckverbindungen, Gehäuse für Überwachungsgeräte (z.B. Toll Collect Boxen), Tragbare-Geräte aller Art (z.B. Messgeräte, Akkuschrauber o.ä.), Smartmeter, Sicherungskästen o.ä.
Durch den Einsatz weiterer elektrothermischer Aktor-Geometrien - z.B. eines sog. Kniehebelaktors oder eines Bimorph-Aktors - kann die Funktion des Aktorsystems in unterschiedlichen Geometrien hergestellt werden und dadurch insbesondere eine erhöhte Robustheit des Rastmechanismus erreicht werden.
Obwohl zumindest eine beispielhafte Ausführungsform in der vorhergehenden Beschreibung gezeigt wurde, können verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden. Die genannten Ausführungsformen sind lediglich Beispiele und nicht dazu vorgesehen, den Gültigkeitsbereich, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration der vorliegenden Offenbarung in irgendeiner Weise zu beschränken. Vielmehr stellt die vorhergehende Beschreibung dem Fachmann einen Plan zur Umsetzung zumindest einer beispielhaften Ausführungsform zur Verfügung, wobei zahlreiche Änderungen in der Funktion und der Anordnung von in einer beispielhaften Ausführungsform beschriebenen Elementen gemacht werden können, ohne den Schutzbereich der angefügten Ansprüche und ihrer rechtlichen Äquivalente zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: Verbindungselement
2: Verformungskörper
3: erstes Ende
4: zweites Ende
5: erster Längsbalken
5a: erster Endbereich
6: zweiter Längsbalken
6a: zweiter Endbereich
7: Kopf
8: Basis
9: Rastnase
10: Auflagefläche
10a: Längslinie
10b: Längslinie
10c: Richtungspfeil
11: Heizelement
15: Verformungsrichtung
20: Verbindungssystem
21: erstes Verbindungsstück
22: zweites Verbindungsstück
23: Gegenverbindungselement
24: Gegenauflagefläche
25: Gehäuse
26: Seitenwand
27: Stirnseite
28: Öffnung
30: erstes Ende
31: zweites Ende
32: mittlerer Bereich
33: Seitenschienen
34: Führungsschlitz
35: Führungszunge
40: Einfuhrbewegung
45: Rampe
50: Heizelement
51: elektrische Kontakte
52: elektrische Leitungen

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

EP 2168908 A1 [0002]
US 7714691 B2 [0002]

Claims

Verbindungselement zur Bildung einer lösbaren Verbindung mit einem dem Verbindungselement (1) entsprechend ausgebildeten Gegenverbindungselement infolge einer Einfuhrbewegung des Verbindungselements (1) bezüglich des Gegenverbindungselements, aufweisend: - wenigstens einen flächigen Verformungskörper (2) mit einem ersten Längsende (3) und mit einem dem ersten Längsende (3) gegenüberliegenden zweiten Längsende (4), - wenigstens eine Auflagefläche (10) zur Blockierung einer der Einfuhrbewegung entgegengesetzten Ausfuhrbewegung des Verbindungselements (1) durch eine Krafteinwirkung wenigstens einer Gegenauflagefläche des Gegenelements auf die wenigstens eine Auflagefläche (10) des Verbindungselements (1), wobei das Verbindungselement (1) derart verformbar ausgebildet ist, dass das Verbindungselement (1) von einem Grundzustand zu einem verformten Zustand zum Ermöglichen der Einfuhrbewegung verformbar ist, und wobei das Verbindungselement (1) derart aktuierbar ist, dass die wenigstens eine Auflagefläche (10) aufgrund einer durch die Aktuierung bedingten Verformung des Verbindungselements (1) zur Lösung der Blockierung durch die wenigstens eine Gegenauflagefläche verstellbar ist.
Verbindungselement nach Anspruch 1, wobei der Verformungskörper (2) ein Polymer aufweist.
Verbindungselement nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Verbindungselement (1) als ein thermisch aktuierbarer pseudobimorpher Aktor ausgebildet ist.
Verbindungselement nach Anspruch 3, wobei der Verbindungselement (2) eine Struktur in Form eines Rahmens aufweist, der einen ersten Längsbalken (5), einen zweiten Längsbalken (6) sowie einen ersten Querbalken (7) und einen zweiten Querbalken (8) umfasst, und wobei der Rahmen im Grundzustand des Verbindungselement (1) im Wesentlichen die Form eines Rechtecks aufweist, wobei wenigstens der erste Längsbalken (5) und der zweite Längsbalken (6) durch den Verformungskörper (2) gebildet ist.
Verbindungselement nach Anspruch 4, wobei der erste Längsbalken (5) oder der zweite Längsbalken (6) ein Heizelement (11) aufweist.
Verbindungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verbindungselement (1) an dem ersten Längsende (3) des Verformungskörpers (2) einen Kopf (7) mit einer Rastnase aufweist, und wobei die wenigstens eine Auflagefläche (10) als Rastfläche der Rastnase ausgebildet ist.
Verbindungselement nach Anspruch 6, wobei der Kopf (7) in Form eines Widerhakens ausgebildet ist.
Verbindungselement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Verbindungselement (1) als ein thermisch aktuierbarer bimorpher Aktuator ausgebildet ist.
Verbindungselement nach Anspruch 8, wobei der Verformungskörper (2) im Wesentlichen zusammenhängend ausgebildet ist, und wobei das Verbindungselement (1) eine auf dem Verformungskörper (2) angebrachte Materialschicht (11) mit einem von dem Verformungskörper (2) unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist.
Verbindungselement nach Anspruch 9, wobei die Materialschicht (11) als ein elektrisches Heizelement ausgebildet ist.
Verbindungssystem, umfassend: ein erstes Verbindungsstück (21) mit wenigstens einem eine wenigstens eine Auflagefläche (10) aufweisenden aktuierbaren Verbindungselement (1), und ein mit dem ersten Verbindungsstück (21) infolge einer Einfuhrbewegung lösbar verbindbares zweites Verbindungsstück (22), wobei das zweite Verbindungsstück (22) ein dem wenigstens einen Verbindungselement (1) entsprechend ausgebildetes Gegenverbindungselement (23) mit wenigstens einer Gegenauflagefläche (24) aufweist, und wobei die wenigstens eine Auflagefläche (10) zur Blockierung einer der Einfuhrbewegung entgegengesetzten Ausfuhrbewegung durch Krafteinwirkung der wenigstens einen Gegenauflagefläche (24) ausgebildet ist, wobei das wenigstens eine Verbindungselement (1) derart verformbar ausgebildet ist, dass das wenigstens eine Verbindungselement (1) von einem Grundzustand zu einem verformten Zustand zum Ermöglichen der Einfuhrbewegung verformbar ist, und wobei das wenigstens eine Verbindungselement (1) derart aktuierbar ist, dass die wenigstens eine Auflagefläche (10) aufgrund einer durch die Aktuierung bedingten Verformung des wenigstens einen Verbindungselements (1) zur Lösung der Blockierung durch die wenigstens eine Gegenauflagefläche (24) verstellbar ist.
Verbindungssystem nach Anspruch 11, wobei das wenigstens eine Verbindungselement (1) als ein thermisch aktuierbarer pseudobimorpher Aktor ausgebildet ist.
Verbindungssystem nach Anspruch 11, wobei das wenigstens eine Verbindungselement (1) als thermisch aktuierbarer bimorpher Aktor ausgebildet ist.
Verbindungssystem nach Anspruch 12, wobei das wenigstens eine Verbindungselement (1) wenigstens eine Rastnase aufweist, und wobei die wenigstens eine Auflagefläche (10) als Rastfläche der wenigstens einen Rastnase ausgebildet ist, und wobei das Gegenverbindungselement (24) wenigstens eine Gegenrastnase aufweist, wobei die wenigstens eine Gegenauflagefläche (24) als Rastfläche der Gegenrastnase ausgebildet ist, und wobei das Verbindungssystem (20) derart ausgebildet ist, dass infolge der Einfuhrbewegung sich die wenigstens eine Rastnase mit der wenigstens einen Auflagefläche (10) und die wenigstens eine Gegenrastnase mit der wenigstens einen Gegenauflagefläche (24) zur Blockierung der Ausfuhrbewegung verhaken.
Verbindungssystem nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei das Verbindungssystem (20) als ein Behälterverschlusssystem und/oder als ein Steckersystem ausgebildet ist.