WO2025180983A1 - Vorrichtung zur erzeugung einer haptischen rückmeldung - Google Patents

Vorrichtung zur erzeugung einer haptischen rückmeldung

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WO2025180983A1
WO2025180983A1 PCT/EP2025/054730 EP2025054730W WO2025180983A1 WO 2025180983 A1 WO2025180983 A1 WO 2025180983A1 EP 2025054730 W EP2025054730 W EP 2025054730W WO 2025180983 A1 WO2025180983 A1 WO 2025180983A1
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interface element
component
actuator
components
designed
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PCT/EP2025/054730
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English (en)
French (fr)
Inventor
Johannes Burger
Jockum LÖNNBERG
Robert Krumphals
Robert WIMMER-TEUBENBACHER
Johann Pichler
Franz Rinner
Harald Kastl
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TDK Electronics AG
Original Assignee
TDK Electronics AG
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    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/016—Input arrangements with force or tactile feedback as computer generated output to the user
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/02—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
    • H02N2/04—Constructional details
    • H02N2/043—Mechanical transmission means, e.g. for stroke amplification

Definitions

  • the invention relates to a device with a manufacturing method for generating haptic feedback.
  • Piezoelectric actuators arranged between two rigid elements, wherein the actuator changes its extension in a first direction when an electrical voltage is applied and the rigid elements deform due to the extension of the actuator such that an active surface is moved relative to the element in a second direction substantially perpendicular or parallel to the first direction, are described, for example, in the document WO 2018 046 201 A1.
  • haptic displays In typical applications, such strong actuators are used to drive haptic displays, e.g. in the automotive industry or in industrial applications. These are usually quite heavy devices.
  • the haptics are therefore usually generated by the relative acceleration of a light display against its heavy base module, with the haptic-generating element in between. Therefore, a good mechanical Attachment, coupling, and durability between the display, haptic element, and base module are key to functionality. Furthermore, ease of manufacturing is a major advantage.
  • An object of the present invention is to improve the prior art.
  • the invention relates to a device for generating haptic feedback.
  • the invention particularly relates to a device for generating haptic feedback comprising a piezoelectric actuator and an interface element.
  • the interface element is preferably rigid.
  • Elements attached to one another are preferably secured to one another by means of fixing devices such as screws or adhesives.
  • the interface element itself is preferably not secured by such a fixing device.
  • the device comprises a mechanical reinforcement element, wherein the mechanical reinforcement element is attached to the piezoelectric actuator.
  • the device comprises two components which are movable relative to one another, and wherein the actuator or an actuator component comprising the actuator is fixed with the mechanical reinforcement element between the two components.
  • the actuator component is mechanically coupled to the two components.
  • the device comprises two components that are movable relative to one another.
  • one component is rigid and another component is movable relative to the rigid component.
  • the device may contain further components in addition to the two components.
  • the device further comprises an installable actuator component which is fixed between the two components.
  • the actuator component generates haptic feedback by means of an included piezoelectric Actuator generates a mechanical movement as a result of an electrical signal.
  • the actuator component is preferably designed such that the movement is then preferably amplified and transmitted to the movable component, so that the movable component moves relative to the rigid component and provides haptic feedback.
  • the actuator component is attached between the two components to both the rigid and the movable component.
  • the actuator component according to the invention comprises a piezoelectric actuator which is mechanically coupled, preferably indirectly, to the two components, a mechanical reinforcement element, wherein the mechanical reinforcement element is fastened to the piezoelectric actuator, and an interface element, by means of which the mechanical reinforcement element is preferably mechanically connected to one of the components, in that the interface element is preferably fixed to the reinforcement element and to the component.
  • Attached and “attached” are synonymous here
  • Attached are preferably secured to one another by means of fixing devices such as screws or adhesives.
  • the interface element itself is preferably not such a fixing device.
  • the piezoelectric actuator is preferably designed as an approximately cuboid-shaped element, which preferably comprises electrodes and piezoelectrically active layers, e.g. ceramic layers.
  • the actuator can be manufactured using multilayer technology.
  • the actuator is electrically contacted on the outside. When an electrical voltage is applied during operation, the actuator contracts or expands predominantly in the x direction.
  • Contact is preferably made via the electrodes of the actuator, in particular via external electrodes that are exposed on the outside of the actuator.
  • the actuator can also comprise internal electrodes that are arranged between the ceramic layers and are electrically contacted to the outside by the external electrodes.
  • the electrical connection of the actuator is made in embodiments via a cable or via a so-called flexible printed circuit board (FPC: "flexible printed circuit”).
  • FPC flexible printed circuit board
  • the mechanical reinforcement element is preferably designed and arranged such that, as a result of a change in the extension of the piezoelectric actuator in a first direction x, it deforms such that a central partial area - or contact area - of the mechanical reinforcement element is moved relative to the piezoelectric actuator in a second direction y, which is perpendicular to the first direction x, and as a result a force is exerted in the y-direction.
  • the reinforcing element comprises side regions which are adjacent to and attached to a side of the actuator which points in the y-direction.
  • two side regions of the reinforcing element are located close to the two ends of the side of the actuator facing in the y-direction.
  • a central partial region of the reinforcing element is preferably formed between them, which is connected to the two side regions, for example, via two joints and a transition region located therebetween.
  • the partial region is preferably flat and parallel to the side of the actuator facing in the y-direction.
  • the central sub-areas move preferentially in a y-direction away from the actuator (pushed together) or towards the actuator (pushed apart).
  • a force in the y-direction is thus preferably exerted by the reinforcing element on one of the components via the interface element.
  • a reinforcement element can also be attached to a second side of the actuator, opposite the side facing in the y-direction, thus doubling the reinforcement effect.
  • the second reinforcement element can also be coupled to the second component via a second interface element.
  • one of the reinforcement elements can also be coupled directly to one of the components without an additional interface element, e.g., by direct screwing.
  • the interface element is preferably designed to provide a fit tolerance or tolerance compensation in at least one spatial direction when fixed to the component during installation of the actuator component. This simplifies the installation and manufacture of the actuator component and the entire device.
  • the interface element is a flat molded part which preferably extends flatly into the x-y plane and which preferably comprises a material which is as flexible as possible and which is also as stiff as possible.
  • the interface element comprises a metal such as aluminum or stainless steel.
  • the interface element can comprise a plastic.
  • the plastic can preferably be fiber-reinforced.
  • the plastic can be nylon and reinforced with glass fibers.
  • Such a material also serves for electromagnetic shielding or electrical insulation or electrical decoupling.
  • it can also serve to provide thermal and/or acoustic insulation/shielding/decoupling. The formation of a local element between the interface element and adjacent components is thus also avoided.
  • the molded part is, for example, milled, printed or cut and bent from a sheet metal.
  • the interface element is bendable in a third direction z , perpendicular to the first direction x and the second direction y, and thus offers a fit tolerance or tolerance compensation in at least the third direction z .
  • the interface element has a sufficiently high degree of flexibility and ductility that it can be bent in the z-direction to such an extent that the actuator component can be installed in the device.
  • at least one bend in the z-direction of up to 0.5 mm is possible.
  • the interface element has a groove for this purpose, which facilitates bending of the interface element.
  • the remaining interface element can then be made thicker than at the location of the groove in order to achieve sufficiently high rigidity.
  • the bending length and thus the maximum bending in the Z direction depends on the distance of the groove from the reinforcing element.
  • the interface element is a flexibly bendable sheet metal.
  • a groove is then not absolutely necessary.
  • the material should still have sufficient rigidity.
  • a thin stainless steel sheet can be used. The thickness of such a stainless steel sheet is preferably between 0.3 mm and 1 mm, more preferably between 0.5 mm and 0.6 mm.
  • the interface element is fixed to the component by means of at least one screw, wherein the interface element has a slot for receiving the screw, wherein the slot has a fitting tolerance or a Tolerance compensation in at least the first direction x or the second direction y or in both directions x and y.
  • At least two symmetrically arranged slots and screws are preferably provided.
  • the slot has a larger dimension than the screw, so that the screw can be placed in the slot with a tolerance.
  • the larger dimension can extend only in the x-direction, only in the y-direction, or in both directions.
  • the interface element has a fastening region that lies flat against the contact region of the mechanical reinforcement element and is fastened thereto. While a main region of the interface element is flat in the x-y plane, the fastening region, like the contact region, is flat in the x-z plane.
  • the fastening region is preferably bent or milled accordingly.
  • the fastening area is glued to the contact area.
  • rigidity increases and force transmission is improved.
  • the largest possible adhesive contact surface and the thinnest possible adhesive layer are desirable.
  • a thicker, flexible adhesive layer may be advantageous.
  • the fastening area is connected to the contact area by at least one of screwing, riveting, clamping, and plugging.
  • screwing riveting, clamping, and plugging.
  • the combination of several fastening methods increases the strength and rigidity of the connection and thus the service life, stability, and quality of the power transmission.
  • the interface element and the mechanical reinforcement element are designed as a single component. This reduces assembly effort and improves force transmission.
  • the mechanical reinforcement element is designed as a region bent perpendicular to the interface element.
  • the reinforcement element thus corresponds to the fastening region in a two-part embodiment.
  • the bend in the interface element increases the rigidity of the component.
  • the mechanical reinforcement element has bending edges on one or more sides that stiffen the reinforcement element.
  • further bends can be provided on other edges solely to increase stiffness.
  • Actuator component a spring part that acts as a spring.
  • the spring part is designed such that by compressing the spring part the actuator component can be positioned with a fitting tolerance in at least the second direction y between the two components and that the spring part preloads the piezoelectric actuator to a desired extent after positioning the actuator component between the two components and before fixing.
  • this increases the tolerance when installing the actuator component, since the actuator component does not have to have exactly the dimensions of a recess or gap provided for it in the device between the two components, but can, for example, be made somewhat larger so that the spring part is compressed.
  • the spring stiffness of the spring component can preferably be selected so that the actuator is automatically preloaded to a desired degree during installation.
  • a stiffness of a maximum of 10 N/mm is preferably selected, resulting in a preload of preferably 3 N/mm to a maximum of 10 N/mm.
  • the spring part is designed such that the actuator component is fixed in its position after positioning between the two components and before fixing by the spring part.
  • the actuator component is fixed by the applied preload and thus does not shift during fixing, for example by means of screws or adhesive. This makes installation easier. After fixing, a Preload by the spring part is no longer necessary, the fixing point then serves to transmit the force to the component to which it was fixed.
  • the spring part is designed such that, by compressing the spring part, the actuator component can be positioned between the two components with a fit tolerance in at least the y-direction, and such that, after positioning the actuator component between the two components and before fixing, the spring part preloads the piezoelectric actuator to a desired degree.
  • the spring part can also offer a fit tolerance in the x-direction or in both the x-direction and the y-direction.
  • the spring portion is formed integrally with the interface element as a part of the interface element.
  • a spring structure is cut or milled into the end of the interface element that abuts the component and not the reinforcement element.
  • the spring part is a separate component from the interface element, which is arranged between the interface element and the component.
  • a spring part can be used flexibly and, if desired, removed and reused after the actuator component has been installed in the device.
  • two symmetrically arranged spring parts are arranged or formed on the interface element of the actuator component in order to to ensure symmetrical and even power transmission.
  • the interface element has recesses to reduce material requirements.
  • the area between the fastening area, the elongated holes, and the optional spring part can be largely recessed to reduce material requirements.
  • the interface element rests flat on the component.
  • a large contact area improves rigidity and force transmission but reduces the flexibility and bendability of the interface element.
  • the interface element is fixed to the component by gluing or screwing.
  • the interface element has a structure with regularly arranged honeycomb-shaped recesses to facilitate bonding.
  • the honeycomb structure has a structure with regularly arranged honeycomb-shaped recesses to facilitate bonding.
  • the contact area available for bonding is increased and the irradiation of the adhesive with UV light for curing is made easier.
  • the interface element comprises centering aids designed to facilitate accurate positioning of the interface element on the component or to specify the exact position in at least one spatial direction.
  • the centering aids are intended to facilitate positioning on component surfaces whose surface area is adapted to the flat interface element.
  • the centering aids can help to align the surfaces as evenly as possible.
  • a centering aid can be a bending edge or strip along the y-direction or another limitation of the interface element in the x-direction.
  • the centering aids are bending edges which are designed to specify an exact positioning of the interface element in at least the first direction x.
  • the bending edges are designed in such a way that they allow a fitting tolerance when positioning the interface element, i.e., they are bent obliquely outwards.
  • the interface element and the mechanical reinforcement element are made of the same material.
  • the interface element which consists of an electrically insulating material, also has electromagnetic shielding properties.
  • the mechanical reinforcement element or the interface element formed integrally with the mechanical reinforcement element has a damping part for damping movements of the mechanical reinforcement element towards the piezoelectric actuator.
  • the damping part is preferably designed as a mechanical spring which is positioned between the mechanical reinforcement element and the piezoelectric actuator.
  • the damping part is preferably designed as a single piece, forming part of the interface element, and can, for example, consist of a flexible bend in the sheet metal or a more sophisticated spring structure.
  • the interface element can, in particular, also be bent around the damping element.
  • a task of the damping element is preferably to further limit the path between the actuator and the reinforcing element, and preferably also to distribute the forces evenly over the actuator even in the case of high forces, e.g. due to improper loading, and to reduce the stress on the fastenings between the reinforcing element and the actuator.
  • the damping element preferably also prevents direct contact of the reinforcement element with the actuator, e.g., due to improper handling of the device. It is not necessarily intended to prevent contact as such. However, it should at least enable targeted contact.
  • a motion, force or pressure sensor for measuring the deflection of the mechanical reinforcement element is positioned between the mechanical reinforcement element and the piezoelectric actuator.
  • the senor is a capacitive sensor comprising a first conductor which is part of the mechanical amplification element and a second conductor which is part of the piezoelectric actuator.
  • the component has a positioning aid which is suitable for determining the position of the interface element on the component, preferably with a play tolerance.
  • the positioning aid is suitable for fixing the interface element in its position after positioning and before fixing, i.e. during assembly of the device.
  • the positioning aid is preferably designed as a pin or a stud, and the interface element has a suitable recess into which the positioning aid can be inserted.
  • the positioning aid is particularly also suitable for determining the position of the two components, i.e. the rigid and the movable component, relative to one another and preferably additionally for limiting a path of movement of the components relative to one another and to the actuator in order to protect the actuator from excessive external forces.
  • the positioning aids can therefore simultaneously serve as travel limiting elements and stop elements with regard to the components and the actuator with reinforcement element.
  • the actuator component further comprises a second mechanical reinforcement element which is attached to the piezoelectric actuator, wherein the piezoelectric actuator is arranged between the first and the second mechanical reinforcement element.
  • the actuator component also has a second interface element, by means of which the second mechanical reinforcement element is mechanically connected to the respective other component than the first interface element, in that the second interface element is fixed to the second reinforcement element and to the component, wherein the second interface element is designed to offer a fitting tolerance in at least one spatial direction when fixed to the component during installation of the actuator component, and wherein the second mechanical reinforcement element is in turn designed and arranged to change as a result of a change in the extension of the piezoelectric actuator in the first direction such that an abutment region of the second mechanical reinforcement element is moved relative to the piezoelectric actuator in the second direction, and thereby a force is exerted on the component via the second interface element.
  • the actuator component can have two reinforcement elements and two interface elements according to the previous embodiments.
  • the two reinforcement elements and interface elements can each be identical or different.
  • One of the interface elements establishes the connection to the rigid component, and one of the interface elements establishes the connection to the movable component.
  • the invention further relates to a method for assembling the device according to any of the aforementioned embodiments, wherein the actuator component is positioned between the two components which are movable relative to one another and is fixed between the two components by means of the interface element.
  • a separate spring part which is not formed integrally with the interface element, can be used as an aid during the positioning process of the actuator component between the two components and can be removed again after the fixation of the actuator component.
  • Figure 1 shows a first embodiment of the actuator component in perspective view on the left and in cross section on the right.
  • Figure 2 shows various designs with elongated holes.
  • Figure 3 shows a further embodiment of the actuator component in perspective view.
  • Figure 4 shows an embodiment with rivets from the perspective and in cross section.
  • Figure 5 shows an embodiment with clamping from the perspective and in cross section.
  • Figure 6 shows an embodiment with glued sheet metal from the perspective and in cross section.
  • Figure 7 shows an embodiment with a one-piece reinforcement and interface element in perspective and in cross section.
  • Figure 8 shows an embodiment with a one-piece reinforcement and interface element and additional
  • Figure 9 shows five different designs with spring parts.
  • Figure 10 shows an embodiment with a separate spring part.
  • Figure 11 shows the installation of the actuator component in the device.
  • Figure 12 shows the installation of the actuator component in the fixture with positioning aids. Cylindrical pins are shown as an example of positioning aids.
  • the positioning aids also serve to limit the travel between the movable and rigid components.
  • the travel is preferably limited to a range of 0.25 mm to 0.5 mm.
  • Figure 13 shows the installation of the actuator component in the device with centering aids and the actuator component with centering aids.
  • Figure 14 shows the actuator component with damping parts in sectional views. Additional functions of the damping part shown are the limitation of the movement of the reinforcement elements and the even distribution of forces arising from improper loading, e.g., due to heavy support on the moving component. a display. Forces of up to 500 N can be dampened and distributed during operation.
  • Figure 15 shows one-piece embodiments in which interface element, reinforcement element, spring part and damping part are combined.
  • Figure 16 shows another one-piece embodiment.
  • Figure 17 shows another one-piece embodiment.
  • Figure 18 shows another one-piece embodiment.
  • Figure 19 shows another one-piece design from different perspectives.
  • Figures 20 and 21 show embodiments of the electrical contacting of the piezoelectric actuator, in particular via an FPC ( Figure 20) or cable ( Figure 21).
  • Figures 22 and 23 show embodiments with additional stiffening connecting elements at the transition between the reinforcement elements and the interface elements.
  • Figures 24 and 25 show embodiments in which the reinforcement elements and the interface elements are joined by a material bond such as gluing or welding.
  • Figure 25 shows a half-section of the embodiment of Figure 24.
  • the first embodiment of the actuator component 1 according to the invention shown in Figure 1 comprises a piezoelectric actuator 2 and two on opposite surfaces of the piezoelectric actuator 2 applied mechanical
  • the actuator component 1 is intended for installation between two components of a device, one of which is rigid and one of which is movable.
  • the actuator component 1 can, in particular, cause the movable component to move relative to the rigid component.
  • the actuator component 1 is mounted between the rigid component and the movable component, providing a mechanical attachment to two components. To facilitate installation, it is helpful, as shown in the examples, if installation is possible with fitting tolerances.
  • Side regions 3A of the mechanical reinforcement elements 3 are each attached to the piezoelectric actuator 2, for example by gluing.
  • a central partial region 3B of the mechanical reinforcement elements 3 is connected to the side regions 3A of the reinforcement elements 3 via joints.
  • the mechanical reinforcement elements 3 are designed such that when the piezoelectric actuator 2 contracts in a first direction x due to an electrical voltage and the two side regions 3A move towards each other in the direction x, the partial regions 3 move away from the piezoelectric actuator 2 in a second direction y, which is perpendicular to the direction x.
  • the piezoelectric actuator 2 comprises or consists of a piezoelectrically active material, such as a ceramic.
  • the mechanical reinforcement elements 3 are designed as brackets, i.e. they have a bracket shape which includes the side regions 3A and the central partial region 3B.
  • the mechanical reinforcement elements 3 comprise, for example, a metal with high rigidity.
  • the reinforcement elements 3 can also comprise or consist of an electrically insulating and/or electromagnetically shielding material.
  • a suitable material for this purpose is, for example, a plastic, in particular a fiber-reinforced plastic such as glass-fiber-reinforced nylon.
  • the interface elements 4 are attached to the reinforcement elements 3.
  • the interface elements 4 in the present embodiment are, for example, molded parts milled from an aluminum block.
  • the molded parts essentially have a plate shape.
  • the molded parts designed as plates are sufficiently thick that the interface elements 4 have the necessary rigidity to transmit a force from the reinforcement elements 3 to the other components of the device according to the invention.
  • the actuator component is attached to the other components of the device via the interface elements 4.
  • the interface elements 4 are fastened on the one hand to the reinforcing elements 3 and on the other hand to the other components, for example to the rigid component and/or the movable component.
  • One of the interface elements 4 is attached to the rigid component.
  • the other of the interface elements 4 is attached to the movable component.
  • only one of the reinforcement elements 3 can be connected to another component via an interface element 4.
  • the other of the reinforcement elements 3 can, for example, also be connected directly to another component.
  • the interface elements 4 are, for example, screwed to the other components.
  • the interface elements 4 in the example have a certain number, for example two, of elongated holes 5.
  • the elongated holes 5 ensure a fit tolerance in the second direction y when screwing.
  • the elongated holes can also be designed differently, for example so that they offer a fit tolerance in the first direction x or in the direction x and in the direction y, as the further illustrations in Figure 2 show.
  • the different elongated holes can also point in different directions or have a cross shape.
  • the interface elements 4 can also be glued to the other components, for example.
  • the interface elements 4 preferably have honeycomb-shaped recesses, which increase the available adhesive surface and enable curing of the adhesive by means of UV radiation, as shown, for example, in Figure 3.
  • the interface elements 4 are glued to the moving sub-regions 3B of the reinforcement elements 3.
  • a fastening region 4A of the interface element 4, which is attached adjacent to the central sub-region 3A, has a U-shape. Due to the U-shape, the fastening region 4A can be attached to the central sub-region 3B from three sides.
  • the interface elements 4 are substantially flat in the x-direction and the y-direction
  • the contact areas of the reinforcement elements 3 and the fastening areas 4A are substantially flat in the x-direction and the z-direction, which are perpendicular to the x-direction and the y-direction.
  • the piezoelectric actuator 2 is also flat along the x-direction and the z-direction and executes a movement in the x-direction.
  • the partial area 3B therefore corresponds to a contact area.
  • the partial area 3B also referred to as the contact area 3B, is thus additionally stiffened, which further improves the force transmission from the reinforcement element 3 to the interface element 4.
  • the interface element 4 in the fastening area 4A can also have another suitable shape.
  • the fastening area 4A can be fastened to the contact area 3B in another way than by gluing.
  • the fastening area 4A is riveted to the contact area 3B, as shown in Figure 4, where the fastening area 4A has rivets, or the contact area 3B is sandwiched between locking elements of the fastening area 4A, as shown in Figure 5, wherein the fastening area 4A has a C-shape.
  • a plug connection which is also shown in Figure 5, can also be present to additionally fix the elements to one another, wherein the fastening area 4A has pins or bolts.
  • the interface element 4 preferably has a bendability or flexibility in a third direction z, which is perpendicular to the first and second directions x and y, respectively.
  • the interface element 4 is a planar element, with the surface extending in the x- and y-direction.
  • Flexibility in the z-direction can be achieved, for example, by a groove in the molded part that runs in the y-direction.
  • the groove is designated by reference numeral 6 in the figures.
  • the molded part can also be designed as a thin sheet metal as shown in Figure 6, which has a sufficiently high rigidity and at the same time a sufficiently high flexibility in the z-direction. Due to the flexibility in the z-direction, the interface element 4 enables a fitting tolerance in the z-direction when installing the actuator component 1 in the device with the other components. The flexibility in the z-direction enables, in particular, tolerance compensation in this direction, preferably up to 0.5 mm. If, for example, the movable and the rigid components have different heights in the z-direction, e.g. due to the Manufacturing tolerances.
  • the sheet metal preferably has a thickness between 0.4 mm and 0.7 mm.
  • the sheet metal is made of stainless steel, for example.
  • manufacturing can be simplified and operational reliability can be increased by manufacturing the reinforcement element 3 and the interface element 4 from the same material. This avoids, for example, the occurrence of a local element (galvanic element) between the two elements.
  • the interface element can also be made of any other suitable material.
  • Aluminum increases flexibility, while stainless steel increases rigidity.
  • a plastic material such as nylon, reinforced with fibers such as glass fibers, provides electrical insulation and electromagnetic shielding while maintaining sufficient flexibility and rigidity.
  • the reinforcement element 3 and the interface element 4 can be formed as a single piece.
  • a sheet metal as described for the interface element 4 in the previous embodiments, can be bent accordingly to function both as the interface element 4 in the x-y plane and as the reinforcement element 3 in the x-z plane.
  • the fastening region 4A of the previous embodiments becomes the central partial region 3B of the reinforcing element 3.
  • the side regions 3A for fastening to the piezoelectric actuator 2 are also formed in the sheet metal.
  • the bend 3C between the area of the sheet metal that functions as the interface element 4 and the area of the sheet metal that functions as the reinforcement element 3 provides the necessary rigidity.
  • the second edge of the partial area 3B in the y-direction, which is opposite the bending edge 3C, can also be bent to further increase the rigidity and form another bending edge 3D, as shown in Figure 8.
  • the actuator component 1 can further comprise a spring part 7 that functions as a spring.
  • the spring part 7 can be designed as part of the interface element 4.
  • a corresponding spring structure can be milled into the material of the interface element 4 or cut out of a sheet of the interface element 4, for example by laser cutting.
  • the spring part 7 can be produced, in particular, by cutting corresponding recesses into the interface element 4.
  • Various embodiments are shown in Figure 9. In particular, a symmetrical design of the spring part is helpful in ensuring symmetrical force transmission.
  • the spring part 7 When inserted into a recess provided for this purpose in the device, in particular into a space between the two components of the device, the spring part 7 allows for a tolerance in the positioning of the actuator component 1.
  • the recess does not have to have exactly the dimensions of the actuator component 1, but can, for example, can also be dimensioned smaller so that the spring part 7 is compressed accordingly.
  • the spring part 7 also functions functionally as a preload element, which preloads the actuator component 1, and in particular the piezoelectric actuator 2, with a desired preload during installation in the device or the recess of the device or the gap between two components.
  • the desired preload is between 3 and 10 Newton/millimeter (N/mm).
  • the spring part 7 preferably has a maximum spring stiffness of 10 N/mm.
  • the spring part 7 is not designed as a part of the interface element 4, but as a separate component, namely in the example shown as a spiral spring 7.
  • the advantage of the separate design of the spring part 7 is that the spring part 7 can be removed again after assembly, as soon as the interface element 4 is connected to the components, for example by gluing or screwing, and can be used again in the next assembly process.
  • the advantage of a one - piece spring part 7 with the interface element 4 is that fewer components are required when assembling the device and the assembly is easier .
  • the spring part 7 does not primarily serve to transmit force during operation of the device, but preferably only to determine the position and to set a preload during assembly of the actuator component 1.
  • the force is preferably transmitted via the fixed point, i.e. via the screws or via the adhesive layer.
  • a spring part 7 is provided only between the rigid component and the corresponding interface element 4. No spring part 7 is provided between the other interface element and the movable component.
  • corresponding interface elements 4 and spring parts 7 can be provided on both sides between two components.
  • Figure 11 shows from different views how the actuator component 1 is inserted between the movable component 30 and the rigid component 20.
  • a first interface element 34 rests on a surface of the movable component 30, and a second interface element 24 rests on a surface of the rigid component 20.
  • the two interface elements 24 and 34 are each connected to the corresponding components 20 and 30 via screws and fixed to one another.
  • the movable component 30 is movable relative to the rigid component 20.
  • the movable component 30 is mounted on the rigid component 20 in a movable manner, e.g., spring-loaded.
  • the movable component 30 is, for example, a screen, and the rigid component 20 is the housing of a computer, tablet, or screen with haptic feedback.
  • Figure 12 shows a further embodiment in which the components 20 and 30 have positioning aids 8, which allow the actuator component 21 to be easily plugged onto one another and positioned on the two components 30 and 20.
  • the positioning aids 8 can also simultaneously serve to determine the mutual positioning and/or movement/path limitation of the movable and rigid components 20 and 30.
  • the positioning aids 11 are, in particular, pins 11 or studs 11, which are guided through recesses or holes provided for this purpose in the interface elements 4.
  • Figure 13 shows embodiments in which the interface elements 4 have additional centering aids 9 so that the interface elements 4 can be positioned as straight as possible on the surfaces of the components 20 and 30 provided for them in the desired position.
  • the centering aids 9 are, for example, additional bending edges or strips along the edges of the interface elements 4 along the y-direction, which determine the position of the interface element 4 on the component surface of the rigid component 20 or the movable component 30.
  • the centering aids 9 are preferably designed so that they do not unnecessarily restrict the degrees of freedom during assembly of the device.
  • the centering aids 9 are designed as bending edges, although the bending angle is preferably not 90° (° stands for degrees), but rather, for example, 135°, so that a certain amount of play is permitted when positioning/fixing the actuator component 1 and in particular the interface elements 2, while a centered positioning of the interface elements 2 is ensured, at least in the x-direction.
  • the centering aids 9 are preferably formed directly as partial areas in the interface element 4.
  • the centering aids 9 are particularly advantageous when the surface areas 31 and 21 of the components 20 and 30 are dimensioned such that they have the same dimensions in the x-direction as the interface elements 4, taking into account a usual tolerance.
  • force or pressure sensors can also be positioned between the piezoelectric actuator 2 and the mechanical reinforcement element 3.
  • the reinforcement elements 3 and the actuator 2 can each comprise conductive layers between which a capacitor element is formed, so that a pressure or a movement of the mechanical amplifier element 3 towards the piezoelectric actuator 2 can be detected via the change in the capacitance between the conductive layers.
  • the interface elements 4 or the reinforcement elements 3 or the one-piece reinforcement element 3 with the interface element 4 can comprise a damping part 11, which dampens a movement of the reinforcement element 3 in the direction of the piezoelectric actuator 2, in particular unwanted strong movements.
  • damage or wear of the piezoelectric actuator 2 for example, due to impacts from the mechanical reinforcement element 3, can be prevented or avoided.
  • the damping part 11 can, for example, be designed as a resilient region in the mechanical reinforcement element 3 or in the interface element 4.
  • the resilient region should preferably have a high degree of rigidity in order to be able to limit the travel between the reinforcement element 3 and the actuator 2 under high force action.
  • Figure 14 shows how the damping part 11 can be designed as a sub-region of the interface element 4.
  • the sheet metal from which the interface element 4 is made is bent around the reinforcement part 3 and furthermore has an additional U-shaped bend across the entire width in the x-direction, wherein the U-shaped bend acts as the spring of the damping part.
  • the damping part 11 does not lie directly on the piezoelectric actuator 2 in order to avoid unnecessary impacts against the actuator 2.
  • the distance between the damping part 11 and the actuator 2 is so large that contact only occurs when the acting forces become too large and a certain threshold exceed, e.g., 80 N.
  • a certain threshold exceed, e.g. 80 N.
  • the damping part 11 is designed appropriately—in this case, e.g., for an additional load of 20 N—damage to the actuator 2 or the reinforcing element 3 can be reliably prevented up to 100 N.
  • the material expenditure is further reduced.
  • the damping part 11, the interface element 4, and the reinforcing element 3 are embodied in a single component.
  • the interface element 4 preferably also has a resilient effect or comprises a spring part 7.
  • the entire material between the functional sections of the elements can be recessed, as shown in Figures 15, 16, and 17.
  • the further figures 18 and 19 show further embodiments of the piezoelectric actuator component 1 according to the invention.
  • all embodiments are designed so that the force transmission between the piezoelectric actuator 2 and the components 20 and 30 of the device is as high as possible, which can be ensured by a central attachment of the interface element 4 to the reinforcement element 3 in the z-direction, by a sufficiently high rigidity of the interface elements 4 and by a sufficient width of the interface elements 4 in the x-direction.
  • the points of greatest force transmission between the elements 3 and 4 are, in particular, the joints or the outer edges of the partial area 3B or the contact area 3B of the mechanical reinforcement element 3, so that the interface elements 4 preferably cover these areas with their fastening areas 4A.
  • the fastening area 4A can preferably protrude beyond the central partial area 3B or the contact area 3B in the x-direction.
  • the interface elements 4 also allow for greater tolerance when installing the piezoelectric actuator component 1 into the device between the components 30 and 40. This is due, firstly, to the interface elements 4 being preferably flexibly bendable in the z-direction, and, secondly, to the position of the fixation being adjustable in the x- or y-direction, for example, by means of appropriately dimensioned elongated holes within a predetermined tolerance range.
  • the elongated holes have a maximum dimension of between 1 mm and 1.5 mm, with maximum diameters of the circular segments of up to 4 mm.
  • spring parts 7, which can also be designed as part of the interface elements 4, can enable the setting of a standardized preload of the piezoelectric actuator 2 during installation in the device and further increase the installation tolerance with regard to the dimensions of the actuator element 1 and the recess provided for installation, since the spring parts 7 are compressible. This means that the length of the spring parts 7 can be slightly adjusted.
  • a typical length of an interface element 4 in the y-direction with integrated spring part 7 is between 10 and 40 mm.
  • the width in the x-direction is typically between 5 and 20 mm.
  • the spring part 7 can preferably achieve a length change in the y-direction or, alternatively, in the x-direction of up to 1 mm.
  • Figures 20 and 21 show exemplary embodiments for the electrical connection and contacting of the piezoelectric actuator 2.
  • the contact shown can be combined with any of the embodiments of the actuator component 1.
  • the piezoelectric actuator 2 comprises two external electrodes 50 with different polarities during operation for external electrical contacting via a connection element.
  • the external electrodes are shown in various figures. To simplify the external connection, in the example, both external electrodes 50 are arranged on the same outer side of the piezoelectric actuator.
  • a flexible connection element 40 for example a so-called flexible printed circuit board ( FPC ) , is shown which is connected to the two Connection electrodes 50 are connected.
  • FPC flexible printed circuit board
  • the connection element 40 can be soldered to the outer electrodes.
  • the shown electrical connection of the piezoelectric actuator 2 via the connection element 40 to a single outer side of the actuator 2 makes it possible to reduce the number of process steps, for example in the production of the external contacts on the base body.
  • the external electrodes in the case of elongated piezoceramic components are usually located on the two end faces of the base body. This type of positioning of electrical contacts leads to increased expenditure in large-scale production and limits the options for electrical connections. For example, FPC connections are then very difficult or even impossible to implement.
  • the production expenditure can be essentially halved because both external electrodes 50 can be applied in a single process step.
  • the piezoelectric actuator 2 can be connected via a connection element 40 formed by an FPC, as described, which can reduce the overall space required for the system integration of the actuator component 1 and simplify handling. Particularly in large-scale production, this can also reduce production costs, since the connection process for connecting the connection element 40 takes place on only one side of the piezoelectric actuator 2. Furthermore, processes such as ref low soldering, laser soldering, hotbar soldering or the use of anisotropically conductive Adhesive (ACF: "anisotropic conductive film”) can only be used effectively due to the described geometry.
  • ACF anisotropically conductive Adhesive
  • two cables 41 can also be used as the connecting element. These cables are advantageous due to their more flexible handling. External electrodes on different sides of the actuator 2 can also be easily and flexibly contacted using cables 41.
  • the cables 41 comprise electrically conductive wires and an electrically insulating sheath, e.g. made of plastic.
  • the cables 41 or the electrically conductive wires of the cables, which are exposed from the cable insulation in the area of the outer electrodes, can also be soldered to the outer electrodes 50.
  • FIGs 22 and 23 show additional embodiments of the actuator component 1 in which the connection between the mechanical amplifier elements 3 and the interface elements 4 is additionally reinforced by connecting elements 37.
  • connecting elements 37 between the mechanical amplifier elements 3 and the interface elements 4, such as welding points or adhesive points, as indicated in Figure 22, or a welding seam or adhesive seam, as indicated in Figure 23, it is possible to increase the stiffness of the amplifier elements 3 and the interface elements 4 and their connection in order to transfer the mechanical energy between the said elements and beyond these elements with only small losses This advantageously leads to enhanced haptic feedback.
  • the connecting elements can be provided in all disclosed embodiments, regardless of the design of the amplifier elements 3 and the interface elements 4.
  • the connecting elements 37 can also be provided in one-piece elements, such as those known from Figures 7 et seq., which comprise amplifier elements 3 and interface elements 4.
  • Figures 24 and 25 show further embodiments in which the reinforcement elements and the interface elements are joined by a material bond, such as gluing or welding.
  • Figure 25 shows a half-section of the embodiment of Figure 24.
  • amplifier element 3 and interface element 4 can also be connected purely materially instead of in a form-fitting or force-fitting manner, as shown in previous embodiments.
  • the interface element 4 is placed, preferably centrally, perpendicularly on the outwardly facing surface of the amplifier element 3 and is connected to it in a materially bonded manner, e.g. glued or welded.
  • adhesive points or welding points 37 can be provided for the material connection, as they were previously introduced as connecting elements 37 in Figures 22 and 23.
  • Welded or adhesive seams can also be used alternatively or in combination with the Welding or adhesive points may be provided.
  • An additional positive or non-positive connection between the reinforcement elements 3 and the interface elements 4 is then not required.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit Herstellverfahren zur Erzeugung einer haptischen Rückmeldung aufweisend zwei Komponenten, die zueinander beweglich sind, und eine einbaubare Aktuatorkomponente (1), die zwischen den zwei Komponenten (20,30) fixiert ist, wobei die Aktuatorkomponente (1) einen piezoelektrischen Aktuator (2) umfasst, der mechanisch mit den zwei Komponenten gekoppelt ist, ein mechanisches Verstärkungselement (3) umfasst, wobei das mechanische Verstärkungselement (3) an dem piezoelektrischen Aktuator (2) befestigt ist, und ein Schnittstellenelement (4) umfasst.

Description

Beschreibung
Vorrichtung zur Erzeugung einer haptischen Rückmeldung
Die Erfindung betri f ft eine Vorrichtung mit Herstellverfahren zur Erzeugung einer haptischen Rückmeldung .
Piezoelektrische Aktuatoren, die zwischen zwei starren Elementen angeordnet sind, wobei der Aktuator beim Anlegen einer elektrischen Spannung in einer ersten Richtung seine Ausdehnung ändert und sich die starren Elemente durch die Ausdehnung des Aktuators so verformen, dass eine Wirkfläche relativ zum Element in einer zweiten Richtung im Wesentlichen senkrecht oder parallel zur ersten Richtung bewegt wird, sind beispielsweise in der Druckschri ft WO 2018 046 201 Al beschrieben .
Die Funktionalität und Leistung in einer solchen Anwendung hängen vor allem von der Montage dieser Aktuatoren ab . Insbesondere die großen Toleranzen der piezoelektrischen Aktuatoren und der starren Elemente stellen eine Heraus forderung dar . Darüber hinaus können bei der Montage nicht nur hohe Leistungsschwankungen, sondern auch Schäden am Aktuator auftreten .
In typischen Anwendungen werden solche starken Aktuatoren zum Antrieb von haptischen Displays verwendet , z . B . in der Automobilindustrie oder in industriellen Anwendungen . Dabei handelt es sich in der Regel um recht schwere Geräte . Die Haptik wird daher in der Regel durch die relative Beschleunigung eines leichten Displays gegen sein schweres Basismodul erzeugt , wobei sich das Haptik-erzeugende Element dazwischen befindet . Daher ist eine gute mechanische Befestigung, Kopplung und Haltbarkeit zwischen Display, haptischem Element und Basismodul der Schlüssel für die Funktionalität . Darüber hinaus ist eine einfache Herstellung ein großer Vorteil .
Eine einfache relative Ausrichtung und ein grundlegendes Funktionsprinzip einer entsprechenden Vorrichtung werden auch in der Druckschri ft WO 2019 193 006 Al gezeigt , einschließlich einer grundlegenden Befestigung durch nicht näher spezi fi zierte Befestigungsmittel .
Ein detaillierteres Beispiel für ein solches System findet sich auch in der Druckschri ft DE 2020 20 100 265 Ul , in der Schraubbefestigungen zwischen dem Display, einem haptischen Element und einem Sockel gezeigt sind .
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Verbesserung des Standes der Technik .
Die Erfindung betri f ft eine Vorrichtung zur Erzeugung einer haptischen Rückmeldung .
Die Erfindung betri f ft insbesondere eine Vorrichtung zur Erzeugung einer haptischen Rückmeldung aufweisend einen piezoelektrischen Aktuator und ein Schnittstellenelement .
Das Schnittstellenelement ist bevorzugt starr .
Aneinander befestigte Elemente sind bevorzugt durch Fixiermittel wie Schrauben oder Kleber aneinander befestigt . Das Schnittstellenelement selbst ist bevorzugt kein solches Fixiermittel . In einer Aus führungs form umfasst die Vorrichtung ein mechanisches Verstärkungselement , wobei das mechanische Verstärkungselement an dem piezoelektrischen Aktuator befestigt ist .
In einer Aus führungs form umfasst die Vorrichtung zwei Komponenten, die zueinander beweglich sind, und wobei der Aktuator oder eine Aktuatorkomponente umfassend den Aktuator mit dem mechanischen Verstärkungselement zwischen den zwei Komponenten fixiert ist .
In einer Aus führungs form ist die Aktuatorkomponente mechanisch mit den zwei Komponenten gekoppelt .
Die beschriebenen Merkmale und Komponenten können wie in den folgenden Aus führungs formen ausgestaltet und kombiniert sein .
Die vorliegende Erfindung ist im Weiteren durch die Ansprüche charakterisiert .
Die untergeordneten Ansprüche erläutern Aus führungs formen der Erfindung .
Die Vorrichtung weist zwei Komponenten auf , die zueinander beweglich sind . Bevorzugt ist eine Komponente starr und eine andere Komponente relativ zu der starren Komponente beweglich . Die Vorrichtung kann weitere Komponenten neben den zwei Komponenten enthalten .
Die Vorrichtung weist weiterhin eine einbaubare Aktuatorkomponente auf , die zwischen den zwei Komponenten fixiert ist . Bevorzugt erzeugt die Aktuatorkomponente ein haptisches Feedback, indem ein enthaltener piezoelektrischer Aktuator in Folge eines elektrischen Signals eine mechanische Bewegung erzeugt . Die Aktuatorkomponente ist bevorzugt so gestaltet , dass die Bewegung anschließend bevorzugt verstärkt wird und an die bewegliche Komponente übertragen wird, sodass sich die bewegliche Komponente relativ zur starren Komponente bewegt und eine haptische Rückmeldung gibt .
Bevorzugt ist die Aktuatorkomponente dafür zwischen den zwei Komponenten sowohl an der starren als auch an der beweglichen Komponente befestigt .
Die erfindungsgemäße Aktuatorkomponente umfasst einen piezoelektrischen Aktuator, der, bevorzugt indirekt , mechanisch mit den zwei Komponenten gekoppelt ist , ein mechanisches Verstärkungselement , wobei das mechanische Verstärkungselement an dem piezoelektrischen Aktuator befestigt ist , und ein Schnittstellenelement , mittels der das mechanische Verstärkungselement bevorzugt mit einer der Komponenten mechanisch verbunden ist , indem das Schnittstellenelement bevorzugt an dem Verstärkungselement und an der Komponente fixiert ist .
Aneinander befestigte oder fixierte ( „fixiert" und „befestigt" sind hier bedeutungsgleich) Elemente sind bevorzugt durch Fixiermittel wie Schrauben oder Kleber aneinander befestigt . Das Schnittstellenelement selbst ist bevorzugt kein solches Fixiermittel .
Der piezoelektrische Aktuator ist bevorzugt als näherungsweise quaderförmiges Element ausgeführt , das bevorzugt Elektroden und piezoelektrisch aktive Schichten, z . B . Keramikschichten umfasst . Der Aktuator kann in Vielschichttechnologie gefertigt sein . Der Aktuator ist nach außen elektrisch kontaktiert . Beim Anlegen einer elektrischen Spannung im Betrieb zieht sich der Aktuator vorwiegend in der Richtung x zusammen oder dehnt sich aus .
Die Kontaktierung erfolgt bevorzugt über die Elektroden des Aktuators , insbesondere über Außenelektroden, die außen am Aktuator freiliegen .
Daneben kann der Aktuator auch Innenelektroden umfassen, die zwischen den Keramikschichten angeordnet sind und nach außen von den Außenelektroden elektrisch kontaktiert sind .
Der elektrische Anschluss des Aktuators , insbesondere der Außenelektroden des Aktuators erfolgt in Aus führungs formen über ein Kabel oder über eine sogenannte flexible Leiterplatte ( FPC : „flexible printed circuit" ) .
Der elektrische Anschluss wird nachfolgend in Bezug auf die Figuren näher erläutert .
Das mechanisches Verstärkungselement ist bevorzugt dazu ausgebildet und so angeordnet , dass es sich in Folge einer Änderung einer Ausdehnung des piezoelektrischen Aktuators in eine erste Richtung x derart verform, dass ein zentraler Teilbereich - oder Anliegebereich - des mechanischen Verstärkungselements relativ zu dem piezoelektrischen Aktuator in eine zweite Richtung y, die senkrecht zur ersten Richtung x ist , bewegt wird, und dadurch eine Kraft in die y- Richtung ausgeübt wird .
Bevorzugt umfasst das Verstärkungselement Seitenbereiche , die an einer Seite des Aktuators , die in y-Richtung zeigt , anliegen und befestigt sind . Bevorzugt liegen zwei Seitenbereiche des Verstärkungselements nahe an den beiden Enden der Seite des Aktuators , die in y- Richtung zeigt , an . Dazwischen ist bevorzugt ein zentraler Teilbereich des Verstärkungselements ausgebildet , der z . B . über j eweils zwei Gelenke und j eweils einen dazwischenliegenden Übergangsbereich mit den beiden Seitenbereichen verbunden ist . Der Teilbereich ist bevorzugt flächig und parallel zu der Seite des Aktuators , die in y- Richtung zeigt , ausgebildet .
Werden die beiden Seitenbereiche durch eine Dehnung oder eine Stauchung des Aktuators in der x-Richtung zusammengeschoben oder auseinandergeschoben, bewegen sich die zentralen Teilbereiche bevorzugt in eine y-Richtung vom Aktuator weg ( zusammengeschoben) oder zum Aktuator hin ( auseinandergeschoben) .
Über das Schnittstellenelement wird somit bevorzugt eine Kraft in der y-Richtung von dem Verstärkungselement auf eine der Komponenten ausgeübt .
Auf einer zweiten Seite des Aktuators , die der Seite , die in y-Richtung zeigt , gegenüberliegt , kann ebenfalls ein Verstärkungselement angebracht sein, sodass sich der Verstärkungsef fekt verdoppelt . Auch das zweite Verstärkungselement kann über ein zweites Schnittstellenelement mit der zweiten Komponente gekoppelt sein . Eines der Verstärkungselemente kann aber auch ohne zusätzliches Schnittstellenelement direkt mit einer der Komponenten gekoppelt sein, z . B . durch direktes Verschrauben . Das Schnittstellenelement ist bevorzugt dazu ausgeführt , bei der Fixierung an der Komponente während dem Einbau der Aktuatorkomponente eine Passtoleranz bzw . einen Toleranzausgleich in zumindest einer Raumrichtung zu bieten . Somit werden der Einbau und die Fertigung der Aktuatorkomponente und der gesamten Vorrichtung vereinfacht .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung ist das Schnittstellenelement ein flächiges Formteil , das sich flächig bevorzugt in die x-y-Ebene erstreckt und das bevorzugt ein möglichst flexibles Material umfasst , das weiterhin so stei f wie möglich ist .
Beispielsweise umfasst das Schnittstellenelement ein Metall wie Aluminium oder Edelstahl . Alternativ, insbesondere wenn ein elektrisch isolierendes Material gewünscht ist , kann das Schnittstellenelement einen Kunststof f umfassen . Der Kunststof f kann bevorzugt faserverstärkt sein . Zum Beispiel kann der Kunststof f Nylon sein und mit Glas fasern verstärkt sein . Ein solches Material dient auch der elektromagnetischen Abschirmung oder elektrischen I solierung oder elektrischen Entkoppelung . Ferner kann es auch dazu dienen eine thermische und/oder akustische I solierung/Abschirmung/Entkoppelung aus zubilden . Die Bildung eines Lokalelements zwischen dem Schnittstellenelement und angrenzenden Bauteilen wird so ebenfalls vermieden .
Das Formteil wird beispielsweise gefräst , gedruckt oder aus einem Blech geschnitten und gebogen .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung ist das Schnittstellenelement in einer dritten Richtung z , senkrecht zur ersten Richtung x und zur zweiten Richtung y, biegbar und bietet somit bei der Fixierung eine Passtoleranz bzw . einen Toleranzausgleich in zumindest der dritten Richtung z .
Bevorzugt weist das Schnittstellenelement insbesondere eine genügend hohe Biegsamkeit und Flexibilität auf , dass es so weit in die Richtung z verbogen werden kann, dass der Einbau der Aktuatorkomponente in die Vorrichtung ermöglicht wird . Bevorzugt ist zumindest eine Biegung in der z-Richtung bis zu 0 , 5 mm möglich .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung weist das Schnittstellenelement hierfür eine Nut auf , die die Biegung des Schnittstellenelements erleichtert . Das übrige Schnittstellenelement kann dann dicker ausgeführt werden als an der Stelle der Nut , um eine genügend hohe Stei figkeit zu erzielen , die Biegelänge und somit die maximale Biegung in der Z-Richtung hängt vom Abstand der Nut vom Verstärkungselement ab .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung ist das Schnittstellenelement ein flexibel biegbares Blech . Eine Nut ist dann nicht zwingend erforderlich . Das Material sollte j edoch weiterhin eine ausreichende Stei figkeit aufweisen . Beispielsweise kann ein dünnes Edelstahlblech verwendet werden . Die Dicke eines solche Edelstahlblech beträgt bevorzugt zwischen 0 , 3 mm und 1 mm, bevorzugter zwischen 0 , 5 mm und 0 , 6 mm .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung ist das Schnittstellenelement mittels zumindest einer Schraube an der Komponente fixiert ist , wobei das Schnittstellenelement ein Langloch zur Aufnahme der Schraube aufweist , wobei das Langloch bei der Fixierung eine Passtoleranz bzw . einen Toleranzausgleich in zumindest der ersten Richtung x oder der zweiten Richtung y oder in beiden Richtungen x und y bietet .
Bevorzugt , um eine symmetrische Kraftübertragung zu gewährleisten, sind zumindest zwei symmetrisch angeordnete Langlöcher und Schrauben vorgesehen . Das Langloch weist eine größere Abmessung als die Schraube auf , sodass die Schraube mit einer Toleranz in dem Langloch platziert werden kann . Die größere Abmessung kann sich dabei nur in die x-Richtung, nur in die y-Richtung oder in beide Richtungen erstrecken .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung weist das Schnittstellenelement einen Befestigungsbereich auf , der flächig an dem Anliegebereich des mechanischen Verstärkungselements anliegt und an diesem befestigt ist . Während ein Hauptbereich des Schnittstellenelements flächig in der x-y- Ebene ausgebildet ist , ist der Befestigungsbereich wie der Anliegebereich flächig in der x-z-Ebene ausgebildet . Der Befestigungsbereich ist bevorzugt entsprechend gebogen oder gefräst .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung ist der Befestigungsbereich mit dem Anliegebereich verklebt . Wenn der Befestigungsbereich und der Anliegebereich miteinander verklebt sind erhöht sich die Stei figkeit und die Kraftübertragung wird verbessert . Zur Erhöhung der Stei figkeit ist eine möglichst große Klebe-Kontakt fläche und eine möglichst dünne Klebeschicht gewünscht , zur Erhöhung der Flexibilität kann eine dickere flexible Klebeschicht von Vorteil sein .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung ist der
Befestigungsbereich um den Anliegebereich gebogen, z . B . in U- Form, um eine große Kontaktf lache , zum Beispiel Klebe- Kontakt fläche bereitzustellen .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung ist der Befestigungsbereich zur Befestigung mit dem Anliegebereich mindestens eines von verschraubt , vernietet , verklemmt und zusammengesteckt ist . Die Kombination mehrerer Befestigungsmethoden erhöht die Festigkeit und Stei figkeit der Verbindung und somit die Lebensdauer, die Stabilität und die Qualität der Kraftübertragung .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung sind das Schnittstellenelement und das mechanische Verstärkungselement einteilig, also als ein Bauteil , ausgeführt . Dies verringert den Aufwand beim Zusammenbauen und verbessert die Kraftübertragung .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung ist das mechanische Verstärkungselement als senkrecht zum Schnittstellenelement abgebogener Bereich ausgeführt . Das Verstärkungselemente entspricht also dem Befestigungsbereich in einer zweiteiligen Aus führungs form . Die Biegung im Schnittstellenelement erhöht die Stei figkeit des Bauteils .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung weist das mechanische Verstärkungselement an einer oder mehreren Seiten Biegekanten auf , die das Verstärkungselement verstei fen . Insbesondere können neben der Biegung zum Schnittstellenelement weitere Biegungen an anderen Kanten nur zur Erhöhung der Stei figkeit vorgesehen sein .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung umfasst die
Aktuatorkomponente einen Federteil , der als Feder fungiert . Der Federteil ist so ausgestaltet , dass durch ein Stauchen des Federteils die Aktuatorkomponente mit einer Passtoleranz in zumindest der zweiten Richtung y zwischen den zwei Komponenten positioniert werden kann und dass der Federteil nach dem Positionieren der Aktuatorkomponente zwischen den zwei Komponenten und vor dem Fixieren den piezoelektrischen Aktuator in einem gewünschten Maße vorspannt .
Somit wird einerseits Toleranz beim Einbau der Aktuatorkomponente erhöht , da die Aktuatorkomponente nicht genau die Abmessungen einer dafür vorhergesehen Aussparung oder eines Zwischenraums in der Vorrichtung zwischen den zwei Komponenten aufweisen muss , sondern zum Beispiel etwas größer ausgeführt sein kann, sodass der Federteil gestaucht wird .
Andererseits kann die Federstei figkeit des Federteils bevorzugt so gewählt werden, dass der Aktuator beim Einbau automatisch in einem gewünschten Maße vorgespannt wird . Bevorzugt wird hier eine Stei figkeit von maximal 10 N/mm gewählt , sodass sich eine Vorspannung von bevorzugt 3 N/mm bis maximal 10 N/mm einstellt .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung ist das Federteil so ausgestaltet , dass die Aktuatorkomponente nach dem Positionieren zwischen den zwei Komponenten und vor dem Fixieren durch das Federteil in seiner Position festgelegt ist .
Insbesondere ist die Aktuatorkomponente durch die angelegte Vorspannung festgelegt und verschiebt sich somit während dem Fixieren beispielsweise mittels Schrauben oder Kleber nicht . Der Einbau wird somit erleichtert . Nach dem Fixieren ist eine Vorspannung durch den Federteil nicht mehr notwendig, die Fixierstelle dient dann der Kraftübertragung zu der Komponente , an der fixiert wurde .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung ist der Federteil so ausgestaltet , dass durch ein Stauchen des Federteils die Aktuatorkomponente mit einer Passtoleranz in zumindest der Richtung y zwischen den zwei Komponenten positioniert werden kann und dass der Federteil nach dem Positionieren der Aktuatorkomponente zwischen den zwei Komponenten und vor dem Fixieren den piezoelektrischen Aktuator in einem gewünschten Maße vorspannt . Alternativ kann der Federteil auch eine Passtoleranz in der x-Richtung oder in der x-Richtung und in der y-Richtung bieten .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung ist der Federteil einstückig mit dem Schnittstellenelement als ein Teil des Schnittstellenelements ausgebildet . Beispielsweise ist eine Federstruktur in das Ende des Schnittstellenelements geschnitten oder gefräst , das an der Komponente und nicht an dem Verstärkungselement anliegt .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung ist der Federteil ein vom Schnittstellenelement separates Bauteil , das zwischen dem Schnittstellenelement und der Komponente angeordnet ist . Ein solcher Federteil kann flexibel eingesetzt und nach dem Einbau der Aktuatorkomponente in die Vorrichtung, wenn gewünscht , auch entnommen und wiederverwendet werden .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung sind an dem Schnittstellenelement der Aktuatorkomponente zwei symmetrisch angeordnete Federteile angeordnet oder ausgebildet , um eine symmetrische und gleichmäßige Kraftübertragung zu gewährleisten .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung weist das Schnittstellenelement Aussparungen zur Verminderung des Materialaufwands auf . Beispielsweise kann die Fläche zwischen dem Befestigungsbereich, den Langlöcher und dem optionalen Federteil weitgehend ausgespart sein, um dem Materialaufwand zu reduzieren .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung liegt das Schnittstellenelement flächig auf der Komponente auf . Eine große Kontakt fläche verbessert die Stei figkeit und die Kraftübertragung verringert aber die Flexibilität und die Biegsamkeit des Schnittstellenelements .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung ist das Schnittstellenelement mittels Verklebens oder mittels Verschraubens an der Komponente fixiert .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung weist das Schnittstellenelement eine Struktur mit regelmäßig angeordneten wabenförmigen Aussparungen auf , um das Verkleben zu erleichtern . Durch die Wabenstruktur wird die
Kontaktf läche , die zum Kleben bereitsteht , vergrößert und das Bestrahlen des Klebers mit UV-Licht zum Aushärten wird erleichtert .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung weist das Schnittstellenelement Zentrierhil fsmittel auf , die dazu ausgeführt sind, ein genaues Positionieren des Schnittstellen-elements auf der Komponente zu erleichtern oder die genaue Position in zumindest einer Raumrichtung vorzugeben .
Insbesondere sollen die Zentrierhil fsmittel bevorzugt das Positionieren auf Komponentenoberflächen erleichtern, die flächenmäßig an die flächigen Schnittstellenelement angepasst sind . So können die Zentrierhil fsmittel hel fen, die Flächen möglichst deckungsgleich übereinander zu legen .
Insbesondere wenn die Flächen eine annähernd gleiche Ausdehnung in der x-Richtung aufweisen, kann ein Zentrierhil fsmittel eine Biegekante oder Leiste entlang der y-Richtung oder eine andere Begrenzung der Schnittstellenelements in der x-Richtung sein .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung sind die Zentrierhil fsmittel Biegekanten, die dazu ausgeführt sind, ein genaues Positionieren des Schnittstellenelements in zumindest in der ersten Richtung x vorzugeben .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung sind die Biegekanten so ausgeführt , dass sie beim Positionieren des Schnittstellenelements eine Passtoleranz zulassen, also z . B . schräg nach außen abgebogen sind .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung bestehen das Schnittstellenelement und das mechanische Verstärkungselement aus demselben Material .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung weist das Schnittstellenelement , das aus einem elektrisch isolierenden Material besteht , auch elektromagnetisch abschirmende Eigenschaften aufweist . Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung weist das mechanische Verstärkungselement oder das mit dem mechanischen Verstärkungselement einstückig ausgeführte Schnittstellenelement einen Dämpfungsteil zum Abdämpfen von Bewegungen des mechanischen Verstärkungselements hin zum piezoelektrischen Aktuator auf .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung ist der Dämpfungsteil bevorzugt als mechanische Feder ausgeführt , der zwischen dem mechanischen Verstärkungselement und dem piezoelektrischen Aktuator positioniert ist .
Der Dämpfungsteil ist bevorzugt einstückig als Teil des Schnittstellenelements ausgeführt und kann z . B . in einer flexiblen Biegung des Bleches oder einer ausgefeilteren Federstruktur bestehen . Das Schnittstellenelement kann insbesondere auch um das Dämpfungselement herumgebogen sein .
Eine Aufgabe des Dämpfungselementes ist es bevorzugt weiterhin den Weg zwischen dem Aktuator und dem Verstärkungselement zu begrenzen, und bevorzugt weiterhin auch bei hohen Kräften, durch z . B . unsachgemäße Belastung, die Kräfte gleichmäßig über den Aktuator zu verteilen und die Spannung an den Befestigungen zwischen dem Verstärkungselement und dem Aktuator zu reduzieren .
Das Dämpfungselement verhindert bevorzugt auch ein direktes Anstoßen des Verstärkungselements am Aktuator, z . B . bei unsachgemäßer Handhabung der Vorrichtung . Es ist nicht zwingend Aufgabe , das Anstoßen als solches zu verhindern . Es soll aber zumindest ein gezieltes Anstoßen ermöglicht werden
- innerhalb eines vordefinierten Kraf t-/Wegbereichs - welches eine Zerstörung bzw . dauerhafte Deformation des Aktuators oder des Verstärkerelements vermeidet .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung ist ein Bewegungs- , Kraft- oder Drucksensor zum Messen der Auslenkung des mechanischen Verstärkungselements zwischen dem mechanischen Verstärkungselement und dem piezoelektrischen Aktuator positioniert .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung ist der Sensor ein kapazitiver Sensor ist , umfassend einen ersten Leiter, der Teil des mechanischen Verstärkungselements ist , und einen zweiten Leiter, der Teil des piezoelektrischen Aktuators ist .
Eine solche einfache Aus führungs form kann ohne apparativen Mehraufwand integriert werden .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung weist die Komponente eine Positionierungshil fe auf , die dazu geeignet ist , die Position des Schnittstellenelements auf der Komponente bevorzugt mit einer Spieltoleranz festzulegen .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung ist die Positionierungshil fe dazu geeignet , das Schnittstellenelement nach dem Positionieren und vor dem Fixieren, also während dem Zusammenbauen der Vorrichtung, in seiner Position fest zulegen .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung ist die Positionierungshil fe bevorzugt als Pin oder als Sti ft ausgeführt ist , und das Schnittstellenelement weist eine passende Aussparung auf , in die die Positionierungshil fe eingeführt werden kann . Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung ist die Positionierungshil fe insbesondere auch dazu geeignet ist , die Position der zwei Komponenten, also der starren und der beweglichen Komponente zueinander festzulegen und bevorzugt zusätzlich einen Bewegungsweg der Komponenten zueinander und zum Aktuator zu begrenzen, um den Aktuator vor äußeren übermäßigen Kräften zu schützen .
Die Positionierungshil fen können also zugleich als Wegbegrenzungselemente und Anschlagselemente bezüglich der Komponenten und des Aktuators mit Verstärkungselement dienen .
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung umfasst die Aktuatorkomponente weiterhin ein zweites mechanisches Verstärkungselement , das an dem piezoelektrischen Aktuator befestigt ist , wobei der piezoelektrische Aktuator zwischen dem ersten und dem zweiten mechanischen Verstärkungselement angeordnet ist .
Gemäß dieser Aus führungs form weist die Aktuatorkomponente auch ein zweites Schnittstellenelement auf , mittels der das zweite mechanische Verstärkungselement mit der j eweils anderen Komponente als das erste Schnittstellenelement mechanisch verbunden ist , indem das zweite Schnittstellenelement an dem zweiten Verstärkungselement und an der Komponente fixiert ist , wobei das zweite Schnittstellenelement dazu ausgeführt ist , bei der Fixierung an der Komponente während dem Einbau der Aktuatorkomponente eine Passtoleranz in zumindest einer Raumrichtung zu bieten, und wobei das zweite mechanische Verstärkungselement wiederum dazu ausgebildet und angeordnet ist , sich in Folge einer Änderung einer Ausdehnung des piezoelektrischen Aktuators in die erste Richtung derart zu verformen, dass ein Anliegebereich des zweiten mechanischen Verstärkungselements relativ zu dem piezoelektrischen Aktuator in die zweite Richtung bewegt wird, und dadurch eine Kraft über das zweite Schnittstellenelement auf die Komponente ausgeübt wird .
Mit anderen Worten, die Aktuatorkomponente kann zwei Verstärkungselemente und zwei Schnittstellenelemente gemäß der vorherigen Aus führungs formen aufweisen . Die beiden Verstärkungselemente und Schnittstellenelemente können j eweils gleich oder verschieden ausgeführt sein . Eines der Schnittstellenelemente stellt die Verbindung zur starren Komponente her und eines der Schnittstellenelemente stellt die Verbindung zur beweglichen Komponente her .
Alle vorgenannten Aus führungs form können beliebig kombiniert werden .
Die Erfindung betri f ft weiterhin ein Verfahren zum Zusammenbau der Vorrichtung gemäß j eder beliebigen der vorgenannten Aus führungs formen, wobei die Aktuatorkomponente zwischen die zwei Komponenten, die zueinander beweglich sind, positioniert wird und anhand des Schnittstellenelements zwischen den zwei Komponenten fixiert wird .
Ein separates Federteil , das nicht mit dem Schnittstellenelement einstückig ausgebildet ist , kann während des Positionierungsvorganges der Aktuatorkomponente zwischen den zwei Komponenten als Hil fsmittel verwendet und nach der Fixierung der Aktuatorkomponente wieder entfernt werden . Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren erläutert . Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren gezeigten Aus führungsbeispiele beschränkt . Die in verschiedenen Figuren gezeigten genauen Merkmale können beliebig geeignet kombiniert werden und sind nicht auf die in den Figuren gezeigten Kombinationen beschränkt . Abmessungen und Größenverhältnisse müssen nicht maßstabsgetreu wiedergegeben sein .
Die Figuren zeigen :
Figur 1 : zeigt eine erste Aus führungs form der Aktuatorkomponente in der Perspektivansicht links und im Querschnitt rechts .
Figur 2 : zeigt verschiedene Aus führungs formen mit Langlöchern .
Figur 3 : zeigt eine weitere Aus führungs form der Aktuatorkomponente in der Perspektivansicht .
Figur 4 : zeigt eine Aus führungs form mit Nieten aus der Perspektive und im Querschnitt .
Figur 5 : zeigt eine Aus führungs form mit Klemmung aus der Perspektive und im Querschnitt .
Figur 6 : zeigt eine Aus führungs form mit verklebtem Blech aus der Perspektive und im Querschnitt .
Figur 7 : zeigt eine Aus führungs form mit einstückigem Verstärkungs- und Schnittstellenelement in der Perspektive und im Querschnitt . Figur 8: zeigt eine Aus führungs form mit einstückigem Verstärkungs- und Schnittstellenelement und zusätzlicher
Biegekante in der Perspektive und im Querschnitt.
Figur 9: zeigt fünf verschiedene Aus führungs formen mit Federteilen .
Figur 10: zeigt eine Aus führungs form mit separatem Federteil.
Figur 11: zeigt den Einbau der Aktuatorkomponente in der Vorrichtung .
Figur 12: zeigt den Einbau der Aktuatorkomponente in der Vorrichtung mit Positionierungshilfen. Beispielhaft sind Zylinderstifte als Positionierungshilfen dargestellt.
Die Positionierungshilfen dienen auch zur Begrenzung des Weges zwischen den beweglichen und den starren Komponenten. Der Weg ist insbesondere bevorzugt in einem Bereich von 0,25 mm bis 0,5 mm begrenzt.
Figur 13: zeigt den Einbau der Aktuatorkomponente in der Vorrichtung mit Zentrierhilfsmitteln und die Aktuatorkomponente mit Zentrierhilfsmitteln.
Figur 14: zeigt die Aktuatorkomponente mit Dämpfungsteilen in Schnittansichten. Zusätzliche Funktionen des gezeigten Dämpfungsteils sind die Wegbegrenzung der Bewegung der Verstärkungselemente und die gleichmäßige Verteilung der auf tretenden Kräfte durch unsachgemäße Belastung z.B. durch ein starkes Abstützen auf der beweglichen Komponente, z.B. einem Display. Kräfte bis 500 N können so im Betrieb abgedämpft und verteilt werden.
Figur 15: zeigt einteilige Ausführungsformen, in denen Schnittstellenelement, Verstärkungselement, Federteil und Dämpfungsteil kombiniert sind.
Figur 16: zeigt eine weitere einteilige Aus führungs form.
Figur 17: zeigt eine weitere einteilige Aus führungs form.
Figur 18: zeigt eine weitere einteilige Aus führungs form.
Figur 19: zeigt eine weitere einteilige Aus führungs form aus verschiedenen Perspektiven.
Figuren 20 und 21: zeigen Aus führungs formen der elektrischen Kontaktierung des piezoelektrischen Aktuators, insbesondere über eine FPC (Figur 20) oder Kabel (Figur 21) .
Die Figuren 22 und 23: zeigen Aus führungs formen mit zusätzlichen versteifenden Verbindungselementen am Übergang zwischen den Verstärkerelementen und den Schnittstellenelementen .
Die Figuren 24 und 25: zeigen Ausführungsformen, in denen die Verstärkerelemente und die Schnittstellenelemente durch Stoffschluss wie Kleben oder Schweißen gefügt sind. Figur 25 zeigt einen Halbschnitt der Aus führungs form aus Figur 24.
Die in Figur 1 gezeigte erste Aus führungs form der erfindungsgemäßen Aktuatorkomponente 1 umfasst einen piezoelektrischen Aktuator 2 sowie zwei auf gegenüberliegenden Oberflächen des piezoelektrischen Aktuators 2 aufgebrachte mechanische
Verstärkungselemente 3 .
Die Aktuatorkomponente 1 ist zum Einbau zwischen zwei Komponenten einer Vorrichtung bestimmt , von denen eine starr und eine beweglich ist . Die Aktuatorkomponente 1 kann insbesondere eine Bewegung der beweglichen Komponente in Relation zur starren Komponente bewirken .
Hierfür ist die Aktuatorkomponente 1 zwischen der starren Komponente und der beweglichen Komponente befestigt , wobei eine mechanische Befestigung an zwei Komponenten besteht . Um den Einbau zu erleichtern, ist es , wie in den Beispielen gezeigt , hil freich, wenn der Einbau mit Passtoleranzen möglich ist .
Seitenbereiche 3A der mechanischen Verstärkungselemente 3 sind j eweils an dem piezoelektrischen Aktuator 2 befestigt , zum Beispiel durch Verkleben . Ein zentraler Teilbereich 3B der mechanischen Verstärkungselemente 3 ist über Gelenke mit den Seitenbereichen 3A des Verstärkungselemente 3 verbunden .
Die mechanischen Verstärkungselemente 3 sind so beschaf fen, dass sich, wenn sich der piezoelektrische Aktuator 2 aufgrund einer elektrischen Spannung in einer ersten Richtung x zusammenzieht und sich die beiden Seitenbereiche 3A in der Richtung x aufeinander zu bewegen, die Teilbereiche 3 in einer zweiten Richtung y, die senkrecht zur Richtung x ist , von dem piezoelektrischen Aktuator 2 wegbewegen .
Der piezoelektrische Aktuator 2 umfasst oder besteht aus einem piezoelektrisch aktiven Material , wie z . B . einer Keramik . Die mechanischen Verstärkungselemente 3 sind als Bügel ausgeführt , d . h . sie weisen eine Bügel form auf , die die Seitenbereiche 3A und den zentralen Teilbereich 3B umfasst .
Die mechanischen Verstärkungselemente 3 umfassen zum Beispiel ein Metall mit einer hohen Stei figkeit . Alternativ können die Verstärkungselemente 3 auch ein elektrisch isolierendes und/oder elektromagnetisch abschirmendes Material umfassen oder aus diesem bestehen . Als solches Material bietet sich zum Beispiel ein Kunststof f insbesondere ein faserverstärkter Kunststof f wie beispielsweise glas faserverstärktes Nylon an .
An den Verstärkungselementen 3 sind die Schnittstellenelemente 4 angebracht . Die Schnittstellenelemente 4 in der vorliegenden Aus führungs form sind z . B . aus einem Aluminiumblock gefräste Formteile . Die Formteile weisen im Wesentlichen eine Plattenform auf . Die als Platten ausgeführten Formteile sind ausreichend dick, dass die Schnittstelleelemente 4 die erforderliche Stei figkeit aufweisen, um eine Kraft von den Verstärkungselementen 3 auf die weiteren Komponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu übertragen .
Die Aktuatorkomponente ist über die Schnittstellenelemente 4 an den übrigen Komponenten der Vorrichtung befestigt .
Die Kraftübertragung von den Verstärkungselementen 3 hin zu den weiteren Komponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtung, von denen bevorzugt eine Komponente starr und eine Komponente beweglich gegenüber der starren Komponente ist , erfolgt über die Schnittstelleelemente 4 . Hierzu sind die Schnittstelleelemente 4 einerseits an den Verstärkungselementen 3 und andererseits an den weiteren Komponenten befestigt , also zum Beispiel an der starren Komponente und/oder der beweglichen Komponente .
Eines der Schnittstellenelemente 4 ist an der starren Komponente befestigt . Das andere der Schnittstellenelemente 4 ist an der beweglichen Komponente befestigt . Alternativ kann auch nur eines der Verstärkungselemente 3 über ein Schnittstellenelement 4 mit einer weiteren Komponente verbunden sein . Das andere der Verstärkungselemente 3 kann beispielsweise auch direkt mit einer weiteren Komponente verbunden sein .
Die Schnittstellenelemente 4 sind beispielsweise mit den weiteren Komponenten verschraubt . Hierfür weisen die Schnittstellenelemente 4 im Beispiel eine bestimmte Anzahl , zum Beispiel zwei , Langlöcher 5 auf . Die Langlöcher 5 gewähren beim Verschrauben eine Passtoleranz in der zweiten Richtung y . Alternativ können die Langlöcher auch anders ausgeführt sein, dass sie zum Beispiel eine Passtoleranz in der ersten Richtung x oder in der Richtung x und in der Richtung y bieten, wie die weiteren Darstellungen in Figur 2 zeigen . So können die verschiedenen Länglöcher beispielsweise auch in verschiedene Richtungen zeigen oder Kreuz form aufweisen .
Alternativ können die Schnittstellenelemente 4 beispielsweise auch mit den weiteren Komponenten verklebt sein . Hierfür weisen die Schnittstellenelemente 4 bevorzugt wabenförmige Aussparungen auf , durch die die verfügbare Klebefläche erhöht wird und die ein Aushärten des Klebers mittels UV-Bestrahlung ermöglichen, wie z . B . in Figur 3 gezeigt . Die Schnittstellenelemente 4 sind im vorliegenden Beispiel mit den sich bewegenden Teilbereichen 3B der Verstärkungselemente 3 verklebt . Hierfür weist ein Befestigungsbereich 4A des Schnittstellenelements 4 , der an dem zentralen Teilbereich 3A anliegend befestigt ist , eine U- Form auf . Aufgrund der U-Form kann der Befestigungsbereich 4A von drei Seiten an dem zentralen Teilbereich 3B anliegen .
Während die Schnittstellenelemente 4 im Wesentlichen flächig in die x-Richtung und die y-Richtung ausgebildet sind, sind die Anliegebereiche der Verstärkungselemente 3 und die Befestigungsbereiche 4A im Wesentlichen flächig in die x- und die z-Richtung, die senkrecht zur x- und zur y-Richtung steht , ausgebildet . Der piezoelektrische Aktuator 2 ist ebenfalls flächig entlang der x- und der z-Richtung ausgebildet und führt eine Bewegung in die x-Richtung aus .
Der Teilbereich 3B entspricht daher einem Anliegebereich . Der Teilbereich 3B, auch Anliegebereich 3B, wird somit zusätzlich verstei ft , was die Kraftübertragung vom Verstärkungselement 3 auf das Schnittstellenelement 4 zusätzlich verbessert .
Alternativ zur U-Form kann das Schnittstellenelement 4 im Befestigungsbereich 4A auch eine andere geeignete Form aufweisen .
Der Befestigungsbereich 4A kann alternativ zum Ankleben auch anders am Anliegebereich 3B befestigt sein . Beispielsweise ist der Befestigungsbereich 4A mit dem Anliegebereich 3B vernietet , wie in Abbildung 4 gezeigt , wobei der Befestigungsbereich 4A Nieten aufweist , oder der Anliegebereich 3B ist zwischen Rastelementen des Befestigungsbereichs 4A eingeklemmt , wie in Figur 5 gezeigt , wobei der Befestigungsbereich 4A eine C-Form aufweist .
Alternativ oder zusätzlich kann auch eine Steckverbindung, die ebenfalls in Figur 5 gezeigt ist , vorliegen, um die Elemente zusätzlich aneinander festzulegen, wobei der Bef estigungs-bereich 4A Pins oder Bol zen aufweist .
Das Schnittstellenelement 4 weist bevorzugt eine Biegsamkeit bzw . Flexibilität in einer dritten Richtung z auf , die senkrecht zur ersten und zweiten Richtung x bzw . y steht .
Das Schnittstellenelement 4 ist im Beispiel ein flächiges Element , wobei sich die Fläche in der x- und in der y- Richtung erstreckt .
Die Biegsamkeit in der z-Richtung kann beispielsweise durch eine Nut im Formteil erreicht werden, die in der y-Richtung verläuft . Die Nut ist mit dem Bezugs zeichen 6 in den Figuren gekennzeichnet .
Alternativ kann das Formteile auch als dünnes Blech ausgeführt sein wie in Figur 6 gezeigt , welches eine genügend hohe Stei figkeit und gleichzeitig eine ausreichend hohe Biegsamkeit in der z-Richtung aufweist . Aufgrund der Biegsamkeit in der z-Richtung ermöglicht das Schnittstellenelement 4 beim Einbau der Aktuatorkomponente 1 in die Vorrichtung mit den weiteren Komponenten eine Passtoleranz in der z-Richtung . Die Biegsamkeit in z-Richtung ermöglicht insbesondere die Toleranzkompensation in dieser Richtung, bevorzugt bis zu 0 , 5 mm . Wenn zum Beispiel die bewegliche und die starre Komponenten unterschiedliche Höhen in z-Richtung aufweisen, z . B . aufgrund der Fertigungstoleranzen . Das Blech weist hierfür bevorzugt eine Dicke zwischen 0 , 4 mm und 0 , 7 mm auf . Das Blech besteht zum Beispiel aus Edelstahl .
Allgemein kann die Fertigung erleichtert werden und die Betriebssicherheit kann erhöht werden, indem das Verstärkungselement 3 und das Schnittstellenelement 4 aus demselben Material gefertigt sind . So wird beispielsweise das Auftreten eines Lokalelements ( galvanisches Element ) zwischen den beiden Elementen vermieden .
Das Schnittstellenelement kann auch ein beliebiges anderes geeignetes Material aufweisen . Ein Material aus Aluminium erhöht die Biegsamkeit , ein Material aus Edelstahl die Stei figkeit . Ein Kunststof fmaterial wie z . B . Nylon, das beispielsweise mit Fasern wie Glas fasern verstärkt ist , bietet elektrische I solation und elektro-magnetische Abschirmung bei ausreichender Flexibilität und Stei figkeit .
In einer Aus führungs form, die in Figur 7 gezeigt ist , können das Verstärkungselemente 3 und das Schnittstellenelement 4 einteilig ausgeführt sein . Zum Beispiel kann ein Blech, wie es auch für das Schnittstellenelement 4 in den vorherigen Aus führungs formen beschrieben wurde , entsprechend gebogen sein, um sowohl als Schnittstellenelement 4 in der x-y-Ebene wie auch als Verstärkungselement 3 in der x-z-Ebene zu fungieren .
Im Wesentlichen wird der Befestigungsbereich 4A der vorherigen Aus führungsbeispiele hier direkt zum zentralen Teilbereich 3B des Verstärkungselements 3 . Weiterhin sind auch die Seitenbereiche 3A zur Befestigung am piezoelektrischen Aktuator 2 im Blech ausgebildet . Die Biegung 3C zwischen dem Bereich des Blechs , das als Schnittstellenelement 4 fungiert , und dem Bereich des Blechs , das als Verstärkungselement 3 fungiert , sorgt für die nötige Stei figkeit . Daneben kann auch die zweite Kante des Teilbereichs 3B in der y-Richtung, die der Biegekante 3C gegenüberliegt , zur weiteren Erhöhung der Stei figkeit umgebogen sein und eine weitere Biegekante 3D bilden, wie in Figur 8 dargestellt .
Um den Einbau der Aktuatorkomponente 1 in die Vorrichtung zu vereinfachen, kann die Aktuatorkomponente 1 weiterhin ein Federteil 7 aufweisen, das als Feder fungiert . Das Federteil 7 kann als Teil des Schnittstellenelements 4 ausgeführt sein .
Insbesondere kann eine entsprechende Federstruktur in das Material des Schnittstellenelement 4 gefräst sein oder aus einem Blech des Schnittstellenelements 4 ausgeschnitten sein, beispielsweise per Laserschneiden .
Das Federteil 7 kann insbesondere erzeugt werden, indem entsprechende Aussparungen in das Schnittstellenelement 4 geschnitten werden . Verschiedene Aus führungs formen sind in Figur 9 gezeigt . Insbesondere ist hierbei eine symmetrische Ausgestaltung des Federteils hil freich, um eine symmetrische Kraftübertragung zu gewährleisten .
Beim Einsetzen in eine dafür vorhergesehene Aussparung der Vorrichtung, insbesondere in einen Zwischenraum zwischen den zwei Komponenten der Vorrichtung ermöglicht das Federteil 7 eine Toleranz bei der Positionierung der Aktuatorkomponente 1 . So muss die Aussparung nicht genau die Abmessung der Aktuatorkomponente 1 aufweisen, sondern kann beispielsweise auch kleiner dimensioniert sein, sodass das Federteil 7 entsprechend gestaucht wird .
Weiterhin fungiert das Federteil 7 funktionell auch als Vorspannelement , das die Aktuatorkomponente 1 und insbesondere den piezoelektrischen Aktuator 2 schon beim Einbau in die Vorrichtung bzw . die Aussparung der Vorrichtung bzw . den Spalt zwischen zwei Komponenten mit einer gewünschten Vorspannung vorspannt . Die gewünschte Vorspannung beträgt in den gezeigten Aus führungs formen zwischen 3 und 10 Newton/Millimeter (N/mm) . Um dies sicherzustellen, weist das Federteil 7 bevorzugt eine Federstei figkeit vom maximal 10 N/mm auf .
In der nachfolgenden Figur 10 ist ein alternatives Aus führungsbeispiel gezeigt , in dem das Federteil 7 nicht als Teilbereich des Schnittstellenelements 4 ausgeführt ist , sondern als ein separates Bauteil ausgeführt ist , nämlich im gezeigten Beispiel als eine Spiral feder 7 .
Der Vorteil der separaten Aus führung des Federteils 7 ist , dass das Federteil 7 nach der Montage , sobald das Schnittstellenelement 4 zum Beispiel durch Verkleben oder Verschrauben mit den Komponenten verbunden ist , wieder entfernt und bei dem nächsten Montagevorgang wiederholt eingesetzt werden kann .
Der Vorteil eines einstückigen Federteil 7 mit dem Schnittstellenelement 4 ist ( also in anderen Worten : Federteil 7 und Schnittstellenelement sind in einem Stück angefertigt ) , dass weniger Bauteile beim Zusammenbau der Vorrichtung erforderlich sind und der Zusammenbau einfacher wird . Das Federteil 7 dient nicht primär zur Kraftübertragung im Betrieb der Vorrichtung, sondern bevorzugt lediglich zum Festlegen der Position und zum Einstellen einer Vorspannung während der Montage der Aktuatorkomponente 1 . Sobald die Aktuatorkomponente 1 über die Schnittstellenelemente 4 an den Komponenten der Vorrichtung fixiert ist , was beispielsweise durch Verkleben oder Verschrauben erfolgt , findet die Kraftübertragung bevorzugt über die fixierte Stelle , also über die Schrauben oder über die Klebeschicht statt .
Im gezeigten Beispiel ist ein Federteil 7 nur zwischen der starren Komponente und dem entsprechenden Schnittstellenelement 4 vorgesehen . Zwischen dem anderen Schnittstellenelement und der beweglichen Komponente ist kein Federteil 7 vorgesehen .
In anderen Aus führungs formen können beidseitig zwischen zwei Komponenten entsprechende Schnittstellenelement 4 und Federteile 7 vorgesehen sein .
Figur 11 zeigt aus verschiedenen Ansichten wie die Aktuatorkomponente 1 zwischen der beweglichen Komponente 30 und der starren Komponente 20 eingefügt ist .
Ein erstes Schnittstellenelement 34 liegt auf einer Oberfläche der beweglichen Komponente 30 auf und ein zweites Schnittstellenelement 24 liegt auf einer Oberfläche der starren Komponente 20 auf . Die beiden Schnittstellenelemente 24 und 34 sind j eweils über Schrauben mit den entsprechenden Komponenten 20 und 30 verbunden und aneinander fixiert . Die bewegliche Komponente 30 ist gegenüber der starren Komponente 20 beweglich . Beispielsweise ist die bewegliche Komponente 30 beweglich, z . B . federnd, auf der starren Komponente 20 gelagert . Bei der beweglichen Komponente 30 handelt es sich zum Beispiel um einen Bildschirm, bei der starren Komponente 20 und das Gehäuse eines Computers , Tablets oder Bildschirms mit haptischem Feedback .
Figur 12 zeigt eine weitere Aus führungs form, in der die Komponenten 20 und 30 Positionierungshil fen 8 aufweisen, die ein einfaches Aufeinanderstecken und Positionieren der Aktuatorkomponente 21 auf den zwei Komponenten 30 und 20 erlaubt . Die Positionierungshil fen 8 können weiterhin gleichzeitig zum Festlegen der gegenseitigen Positionierung und/oder Bewegungs-/Wegbegrenzung der beweglichen und der starren Komponente 20 und 30 dienen . Die Positionierungshil fen 11 sind insbesondere Pins 11 oder Sti fte 11 , die durch dafür vorhergesehene Aussparungen oder Löcher in den Schnittstellenelementen 4 geführt sind .
In Figur 13 sind Aus führungs formen gezeigt , in der die Schnittstellenelemente 4 zusätzliche Zentrierhil fsmittel 9 aufweisen, sodass die Schnittstellenelemente 4 auf den dafür vorgesehenen Oberflächen der Komponenten 20 und 30 in der gewünschten Position möglichst gerade ausgerichtet positioniert werden können .
Die Zentrierhil fsmittel 9 sind beispielsweise zusätzliche Biegekanten oder Leisten entlang der Kanten der Schnittstellenelemente 4 entlang der y-Richtung, die die Position des Schnittstellenelements 4 auf der Komponentenoberfläche der starren Komponente 20 oder der beweglichen Komponente 30 festlegen . Die Zentrierhil fsmittel 9 sind bevorzugt so ausgeführt , dass sie die Freiheitsgrade beim Zusammenbau der Vorrichtung nicht unnötig beschränken . Beispielsweise sind die Zentrierhil fsmittel 9 als Biegekanten ausgeführt , wobei der Biegewinkel j edoch bevorzugt nicht 90 ° ( ° steht für Grad) , sondern beispielsweise 135 ° beträgt , sodass ein gewisses Spiel bei der Positionierung/ Fixierung der Aktuatorkomponente 1 und insbesondere der Schnittstellenelemente 2 erlaubt ist , eine zentrierte Positionierung der Schnittstellenelemente 2 zumindest in der x-Richtung j edoch gewährleistet ist .
Die Zentrierhil fsmittel 9 sind bevorzugt direkt als Teilbereiche im Schnittstellenelement 4 ausgebildet .
Die Zentrierhil fsmittel 9 sind insbesondere dann von Vorteil , wenn die Oberflächenbereiche 31 und 21 der Komponenten 20 und 30 so bemessen sind, dass sie in der x-Richtung unter Berücksichtigung einer üblichen Toleranz dieselbe Abmessung aufweisen wie die Schnittstellenelemente 4 .
In j eder der Aus führungs formen können weiterhin auch Kraftoder Drucksensoren zwischen dem piezoelektrischen Aktuator 2 und dem mechanischen Verstärkungselement 3 positioniert sein .
Beispielsweise können die Verstärkungselemente 3 und der Aktuator 2 j eweils leitende Schichten umfassen, zwischen denen ein Kondensatorelement ausgebildet ist , sodass über die Veränderung der Kapazität zwischen den leitenden Schichten ein Druck bzw . eine Bewegung des mechanischen Verstärkerelements 3 hin zum piezoelektrischen Aktuator 2 erfasst werden können . Weiterhin können die Schnittstellenelemente 4 oder die Verstärkungselemente 3 oder das einstückig ausgeführte Verstärkungselement 3 mit Schnittstellenelement 4 einen Dämpfungsteil 11 umfassen, der eine Bewegung des Verstärkungselements 3 in Richtung des piezoelektrischen Aktuators 2 dämpft , insbesondere ungewollt starke Bewegungen . So kann eine Beschädigung oder Abnutzung des piezoelektrischen Aktuators 2 beispielsweise durch Schläge durch das mechanische Verstärkungselement 3 verhindert bzw . vermieden werden .
Das Dämpfungsteil 11 kann beispielsweise als ein federnder Bereich im mechanischen Verstärkungselement 3 oder im Schnittstellenelement 4 ausgeführt sein . Der federnde Bereich sollte bevorzugt eine hohe Stei figkeit aufweisen, um die Wege zwischen Verstärkungselement 3 und Aktuator 2 bei hoher Krafteinwirkung begrenzen zu können .
Die Figur 14 zeigt , wie das Dämpfungsteil 11 als Teilbereich des Schnittstellenelements 4 ausgeführt sein kann . Hierzu ist das Blech, aus dem das Schnittstellenelement 4 gefertigt ist , um das Verstärkungsteil 3 herumgebogen und weist weiterhin zusätzliche u- förmige Biegung über die gesamte Breite in der x-Richtung auf , wobei die u- förmige Biegung als Feder des Dämpfungsteils fungiert .
Bevorzugt liegt das Dämpfungsteil 11 nicht direkt am piezoelektrischen Aktuator 2 an, um unnötige Stöße gegen den Aktuator 2 zu vermeiden .
Bevorzugt ist der Abstand zwischen dem Dämpfungsteil 11 und dem Aktuator 2 so groß , dass erst Kontakt entsteht , wenn die einwirkenden Kräfte zu groß werden und eine gewisse Schwelle übersteigen, z . B . 80 N . In diesem Fall kann eine irreversible Kraft - welche aufgrund des Dämpfungsteils 11 gerade noch toleriert werden könnte - beispielsweise bei 100 N liegen . Wenn also der Dämpfungsteil 11 passend - in diesem Fall z . B . auf eine Mehrbelastung von 20 N ausgelegt ist - kann eine Beschädigung des Aktuators 2 oder des Verstärkungselements 3 bis 100 N sicher verhindert werden .
In weiteren Aus führungs formen, die beispielsweise in Figur 15 gezeigt , wird der Materialaufwand weiter verringert .
Insbesondere sind dafür das Dämpfungsteil 11 , das Schnittstellenelement 4 und das Verstärkungselemente 3 in einem Bauteil ausgeführt . Weiterhin weist das Schnittstellenelement 4 auch weiterhin möglichst eine federnde Wirkung auf oder umfasst einen Federteil 7 . Das gesamte Material zwischen den funktionellen Abschnitten der Elemente kann j edoch ausgespart sein wie in den Figuren 15 , 16 , 17 gezeigt wird .
Die weiteren Figuren 18 und 19 zeigen weitere erfindungsgemäße Ausgestaltungen der piezoelektrischen Aktuatorkomponente 1 .
Bevorzugt sind alle Aus führungs formen so gestaltet , dass die Kraftübertragung zwischen dem piezoelektrischen Aktuator 2 und den Komponenten 20 und 30 der Vorrichtung möglichst hoch ist , was durch ein zentrales Ansetzen des Schnittstellenelements 4 am Verstärkungselement 3 in der z- Richtung, durch eine genügend hohe Stei figkeit der Schnittstellenelemente 4 und durch eine ausreichende Breite der Schnittstellenelemente 4 in der x-Richtung gewährleistet werden kann . Die Stellen der größten Kraftübertragung zwischen den Elementen 3 und 4 sind insbesondere die Gelenke bzw . die Außenkanten des Teilbereichs 3B oder Anliegerbereichs 3B des mechanischen Verstärkungselements 3 , sodass die Schnittstellenelemente 4 diese Bereiche bevorzugt mit ihren Befestigungsbereichen 4A abdecken . Bevorzugt kann der Befestigungsbereich 4A dafür über den zentralen Teilbereich 3B bzw . den Anliegebereich 3B in x-Richtung hinausragen .
Weiterhin soll der Materialaufwand möglichst minimiert werden, sodass bevorzugt möglichst viele Bauteile in einem Element ausgeführt sind und Material bevorzugt , wo immer möglich, ausgespart wird .
Die Schnittstellenelemente 4 erlauben darüber hinaus eine größere Toleranz beim Einbau der piezoelektrischen Aktuatorkomponente 1 in die Vorrichtung zwischen den Komponenten 30 und 40 . Zum einen, da die Schnittstellenelemente 4 bevorzugt in der Richtung z flexibel biegbar sind, und zum anderen, da die Position der Fixierung in der x- bzw . y-Richtung zum Beispiel durch entsprechend dimensionierte Langlöcher in einem vorgegebenen Toleranzbereich verschiebbar ist .
Bevorzugt weisen die Langlöcher eine maximale Abmessung zwischen 1 mm und 1 , 5 mm auf , bei maximalen Durchmessern der Kreissegmente von bis zu 4 mm .
Weiterhin können Federteile 7 , die auch als ein Teil der Schnittstellenelemente 4 ausgeführt sein können, das Einstellen einer standardisierten Vorspannung des piezoelektrischen Aktuators 2 beim Einbau in die Vorrichtung ermöglichen und weiterhin die Einbautoleranz bzgl . Abmessungen des Aktuatorelements 1 und der zum Einbau vorgesehenen Aussparung erhöhen, da die Federteile 7 stauchbar sind . D . h . die Federteile 7 können in ihrer Länge geringfügig angepasst werden .
Eine typische Länge eines Schnittstellenelements 4 in der y- Richtung mit integriertem Federteil 7 beträgt zwischen 10 und 40 mm . Die Breite in der x-Richtung beträgt dabei typischerweise zwischen 5 und 20 mm . Durch das Federteil 7 kann bevorzugt eine Längenänderung in der y-Richtung oder alternativ auch in der x-Richtung um bis zu 1 mm erreicht werden .
In den Figuren 20 und 21 sind Aus führungsbeispiele für den elektrischen Anschluss und die Kontaktierung des piezoelektrischen Aktuators 2 gezeigt .
Die gezeigte Kontaktierung kann mit j edem der Aus führungsbeispiele der Aktuatorkomponente 1 kombiniert werden .
Der piezoelektrische Aktuator 2 umfasst zur äußeren elektrischen Kontaktierung durch ein Anschlusselement zwei im Betrieb verschieden gepolte Außenelektroden 50 . Die Außenelektroden sind in verschiedenen Figuren gezeigt . Um den äußeren Anschluss konstruktiv zu erleichtern, sind im Beispiele beide Außenelektroden 50 auf derselben Außenseite des piezoelektrischen Aktuators angeordnet .
In Figur 20 ist ein flexibles Anschlusselement 40 , beispielsweise eine sogenannte flexible Leiterplatte ( FPC : „flexible printed circuit" ) , gezeigt , das an den zwei Anschlusselektroden 50 angeschlossen ist . Beispielsweise kann das Anschlusselement 40 an den Außenelektroden angelötet sein .
Durch die gezeigte elektrische Anbindung des piezoelektrischen Aktuators 2 über das Anschlusselement 40 an einer einzigen Außenseite des Aktuators 2 kann eine Reduzierung von Prozessschritten, beispielsweise bei der Herstellung der Außenkontakte auf dem Grundkörper, erreicht werden . Üblicherweise befinden sich die Außenelektroden bei länglichen piezokeramischen Bauelementen an den beiden Stirnseiten des Grundkörpers . Eine solche Positionierung von elektrischen Kontakten führt zu einem erhöhten Aufwand in der Großserienfertigung und schränkt die Möglichkeiten der elektrischen Verbindung ein . So sind beispielsweise FPC- Verbindungen dann nur noch sehr schwer oder gar nicht zu realisieren . Durch die Platzierung der Außenelektroden 50 nebeneinander an einer einzigen Außenseite des piezoelektrischen Aktuators 2 kann der Aufwand bei der Produktion im Wesentlichen halbiert werden, da beide Außenelektroden 50 in einem gemeinsamen Prozessschritt aufgebracht werden können . Darüber hinaus kann der piezoelektrische Aktuator 2 wie beschrieben über ein durch ein FPC gebildetes Anschlusselement 40 angeschlossen werden, was den gesamten Platzbedarf bei der Systemintegration der Aktuatorkomponente 1 reduzieren und das Handling vereinfachen kann . Insbesondere in einer Großserienproduktion kann dies auch den Produktionsaufwand reduzieren, da der Verbindungsprozess zum Anschluss des Anschlusselements 40 auf nur einer Seite des piezoelektrischen Aktuators 2 erfolgt . Darüber hinaus sind Prozesse wie Ref low-Löten, Laser-Löten, Hotbar-Löten oder der Einsatz von anisotrop leitendem Klebstof f (ACF : „anisotropic conductive film" ) nur durch die beschriebene Geometrie sinnvoll einsetzbar .
Alternativ zum FPC aus Figur 20 können als Anschlusselement auch zwei Kabel 41 eingesetzt sein . Die Kabel zeichnen sich vorteilhaft durch ihre flexiblere Handhabung aus . Auch Außenelektroden an verschiedenen Seiten des Aktuators 2 können durch Kabel 41 einfach und flexibel kontaktiert werden .
Die Kabel 41 umfassen elektrisch leitende Drähte und einen elektrisch isolierenden Mantel , z . B . aus Kunststof f .
Beispielsweise können die Kabel 41 , bzw . die elektrisch leitenden Drähte der Kabel , die im Bereich der Außenelektroden von der Kabelisolierung freigelegt sind, ebenso an den Außenelektroden 50 angelötet sein .
In den Figuren 22 und 23 sind zusätzliche Aus führungsbeispiele der Aktuatorkomponente 1 gezeigt , in denen die Verbindung zwischen den mechanischen Verstärkerelementen 3 und den Schnittstellenelementen 4 zusätzlich durch Verbindungselemente 37 verstärkt ist .
In Kombination mit Verbindungselementen 37 zwischen den mechanischen Verstärkerelementen 3 und den Schnittstellenelementen 4 wie beispielsweise Schweißpunkten oder Klebepunkten, wie in Figur 22 angedeutet ist , oder eine Schweißnaht oder Klebenaht , wie in Figur 23 angedeutet ist , ist es möglich, die Stei figkeit der Verstärkerelemente 3 und der Schnittstellenelemente 4 und deren Verbindung zu erhöhen, um die mechanische Energie zwischen den genannten Elementen und über diese Elemente hinaus mit nur geringen Verlusten übertragen zu können . Dies führt vorteilhaft zu einer verstärkten haptischen Rückmeldung .
Die Verbindungselemente können in allen of fenbarten Aus führungs formen vorgesehen sein, unabhängig von der Aus führung der Verstärkerelemente 3 und der Schnittstellenelemente 4 . Insbesondere können die Verbindungselemente 37 auch bei einteilig ausgeführten Elementen wie z . B . aus Figur 7 f f . bekannt , die Verstärkerelemente 3 und Schnittstellenelemente 4 umfassen, vorgesehen sein .
Die Figuren 24 und 25 zeigen weitere Aus führungs formen, in denen die Verstärkerelemente und die Schnittstellenelemente durch Stof fschluss wie Kleben oder Schweißen gefügt sind . Die Figur 25 zeigt dabei einen Halbschnitt der Aus führungs form aus Figur 24 .
Insbesondere können die hier als zwei Teile vorliegenden Elemente Verstärkerelement 3 und Schnittstellenelement 4 anstatt formschlüssig oder kraf tschlüssig, wie in vorherigen Aus führungs formen gezeigt , auch rein stof f schlüssig verbunden sein .
Das Schnittstellenelement 4 wird dazu, bevorzugt mittig, senkrecht auf die nach außen weisende Oberfläche des Verstärkerelements 3 gesetzt und mit diesem stof f schlüssig verbunden, z . B . verklebt oder verschweißt .
Insbesondere können wie in der Figur 24 gezeigt Klebepunkte oder Schweißpunkte 37 zur stof f schlüssigen Verbindung vorgesehen sein, wie sie zuvor als Verbindungselemente 37 in den Figuren 22 und 23 eingeführt worden waren . Auch Schweißoder Klebenähte können alternativ oder in Kombination mit den Schweiß- oder Klebepunkten vorgesehen sein . Eine zusätzliche form- oder kraf tschlüssige Verbindung zwischen den Verstärkerelementen 3 und den Schnittstellenelementen 4 ist dann nicht erforderlich .
Be zugs Zeichen
1 piezoelektrische Aktuatorkomponente
2 piezoelektrischer Aktuator
3 mechanisches Verstärkerelement
3A Seitenbereiche
3B zentraler Teilbereich, Anliegebereich
3C, 3D Biegekanten
4 Schnittstellenelement
4A Befestigungsbereich
5 Langlöcher
6 Nut
7 Federteil
8 Positionierungshil fe
9 Zentrierhil fsmittel
11 Dämpfungsteil
20 starre Komponente
21 Oberflächenbereich der starren Komponente
24 Schnittstellenelement bei der starren Komponente
30 bewegliche Komponente
31 Oberflächenbereich der beweglichen Komponente
34 Schnittstellenelement bei der beweglichen Komponente
37 Verbindungselemente
40 flexibles Anschlusselement
41 Kabel
50 Außenelektroden

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung zur Erzeugung einer haptischen Rückmeldung aufweisend zwei Komponenten (20,30) , die zueinander beweglich sind, und eine einbaubare Aktuatorkomponente (1) , die zwischen den zwei Komponenten fixiert ist, wobei die Aktuatorkomponente (1) umfasst: einen piezoelektrischen Aktuator (2) , der mechanisch mit den zwei Komponenten (20,30) gekoppelt ist, ein mechanisches Verstärkungselement (3) , wobei das mechanische Verstärkungselement an dem piezoelektrischen Aktuator (2) befestigt ist, und ein Schnittstellenelement (4) .
2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das mechanische Verstärkungselement (3) mittels des Schnittstellenelements
(4) mit einer der Komponenten mechanisch verbunden ist.
3. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei das Schnittstellenelement (4) an dem Verstärkungselement (3) und an der Komponente fixiert ist, wobei die Fixierung des Schnittstellenelements (4) an dem Verstärkungselement (3) stoff schlüssig, formschlüssig und/oder kraf tschlüssig ausgeführt ist oder das Schnittstellenelement (4) und das Verstärkungselement (3) einteilig ausgeführt sind.
4. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei das Schnittstellenelement (4) dazu ausgeführt ist, bei der Fixierung an der Komponente während dem Einbau der Aktuatorkomponente (1) eine Passtoleranz in zumindest einer Raumrichtung zu bieten.
5. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das mechanisches Verstärkungselement (3) dazu ausgebildet und angeordnet ist, sich in Folge einer Änderung einer Ausdehnung des piezoelektrischen Aktuators (2) in eine erste Richtung x derart zu verformen, dass ein Anliegebereich (3B) des mechanischen Verstärkungselements (3) relativ zu dem piezoelektrischen Aktuator (2) in eine zweite Richtung y, die senkrecht zur ersten Richtung x ist, bewegt wird.
6. Vorrichtung gemäß Anspruch 5, wobei durch die Bewegung des Anliegebereichs (3B) in die zweite Richtung y eine Kraft über das Schnittstellenelement (4) auf die Komponente ausgeübt wird .
7. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Schnittstellenelement (4) ein flächiges Formteil ist, das bevorzugt ein Metall oder einen faserverstärkten Kunststoff umfasst .
8. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei das Schnittstellenelement (4) in einer dritten Richtung z, senkrecht zur ersten Richtung x und zur zweiten Richtung y biegbar ist und somit bei der Fixierung eine Passtoleranz bzw. einen Toleranzausgleich in zumindest der dritten Richtung z bietet.
9. Vorrichtung gemäß Anspruch 8, wobei das Schnittstellenelement (4) eine Nut (5) aufweist, die die Biegung des Schnittstellenelements (4) erleichtert.
10. Vorrichtung gemäß Anspruch 8 oder 9, wobei das
Schnittstellenelement (4) ein flexibel biegbares Blech ist.
11. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Schnittstellenelement (4) mittels zumindest einer Schraube an der Komponente fixiert ist, wobei das Schnittstellenelement (4) ein Langloch (5) zur Aufnahme der Schraube aufweist, wobei das Langloch (5) bei der Fixierung eine Passtoleranz in zumindest der ersten Richtung x oder der zweiten Richtung y oder in beiden Richtungen x und y bietet.
12. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Schnittstellenelement (4) einen Befestigungsbereich (4A) aufweist, der flächig an dem Anliegebereich (3B) des mechanischen Verstärkungselements (3) anliegt und an diesem befestigt ist.
13. Vorrichtung gemäß Anspruch 12, wobei der Befestigungsbereich (4A) mit dem Anliegebereich (3B) verklebt ist .
14. Vorrichtung gemäß Anspruch 12 oder 13, wobei der
Bef estigungs-bereich (4A) um den Anliegebereich (3B) gebogen ist .
15. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei der Befestigungsbereich (4A) zur Befestigung mit dem Anliegebereich (3B) mindestens eines von verschraubt, vernietet, verklemmt und zusammengesteckt ist.
16. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das
Schnittstellenelement (4) und das mechanische
Verstärkungselement (3) einteilig ausgeführt sind.
17. Vorrichtung gemäß Anspruch 16, wobei das mechanische Verstärkungselement (3) als senkrecht zum Schnittstellenelement (4) abgebogener Bereich ausgeführt ist.
18. Vorrichtung gemäß Anspruch 17, wobei das mechanische Verstärkungselement (3) an einer oder mehreren Seiten Biegekanten (3C,3D) aufweist, die das Verstärkungselement (3) versteifen .
19. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei die Aktuatorkomponente (1) einen Federteil (7) umfasst, der als Feder fungiert, wobei der Federteil (7) so ausgestaltet ist, dass durch ein Stauchen des Federteils (7) die Aktuatorkomponente (1) mit einer Passtoleranz in zumindest der ersten Richtung x zwischen den zwei Komponenten (20,30) positioniert werden kann und dass der Federteil (7) nach dem Positionieren der Aktuatorkomponente (1) zwischen den zwei Komponenten (20,30) und vor dem Fixieren den piezoelektrischen Aktuator in einem gewünschten Maße vorspannt.
20. Vorrichtung gemäß Anspruch 19, wobei das Federteil (7) so ausgestaltet ist, dass die Aktuatorkomponente (1) nach dem Positionieren zwischen den zwei Komponenten (20,30) und vor dem Fixieren durch das Federteil (7) in seiner Position festgelegt ist.
21. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 19 oder 20, wobei die Aktuatorkomponente (1) das Schnittstellenelement (4) und das Federteil (7) umfasst, der als Feder fungiert, wobei der Federteil (7) so ausgestaltet ist, dass durch ein Stauchen des Federteils (7) die Aktuatorkomponente (1) mit einer Passtoleranz in zumindest der ersten Richtung x zwischen den zwei Komponenten (20,30) positioniert werden kann und dass der Federteil (7) nach dem Positionieren der Aktuatorkomponente (1) zwischen den zwei Komponenten (20,30) und vor dem Fixieren den piezoelektrischen Aktuator (2) in einem gewünschten Maße vorspannt.
22. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 19 bis 21, wobei der Federteil (7) einstückig mit dem Schnittstellenelement (4) als ein Teil des Schnittstellenelements (4) ausgebildet ist .
23. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 19 bis 21, wobei der Federteil (7) ein vom Schnittstellenelement (4) separates Bauteil ist, das zwischen dem Schnittstellenelement (4) und der Komponente angeordnet ist.
24. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 19 bis 23, wobei an dem Schnittstellenelement (4) der Aktuatorkomponente (1) zwei symmetrisch angeordnete Federteile (7) angeordnet oder ausgebildet sind.
25. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 24, wobei das Schnittstellenelement (4) Aussparungen zur Verminderung des Materialaufwands aufweist.
26. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 25, wobei das Schnittstellenelement (4) flächig auf der Komponente auf liegt .
27. Vorrichtung gemäß Anspruch 26, wobei das Schnittstellenelement (4) mittels Verklebens oder mittels Verschraubens an der Komponente fixiert ist.
28. Vorrichtung gemäß Anspruch 27, wobei das Schnittstellenelement (4) eine Struktur mit regelmäßig angeordneten wabenförmigen Aussparungen aufweist, um das Verkleben zu erleichtern.
29. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 26 bis 28, wobei das Schnittstellenelement (4) Zentrierhilfsmittel (9) aufweist, die dazu ausgeführt sind, ein genaues Positionieren des Schnittstellenelements (4) auf der Komponente zu erleichtern oder die genaue Position in zumindest einer Raumrichtung vorzugeben.
30. Vorrichtung gemäß Anspruch 29, wobei die Zentrierhilfsmittel (9) Biegekanten sind, die dazu ausgeführt sind, ein genaues Positionieren des Schnittstellenelements (4) in zumindest in der ersten Richtung x vorzugeben.
31. Vorrichtung gemäß Anspruch 30, wobei die Biegekanten so ausgeführt sind, dass sie beim Positionieren des Schnittstellenelements (4) eine Passtoleranz zulassen.
32. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 31, wobei das Schnittstellenelement (4) und das mechanische Verstärkungselement (3) aus demselben Material bestehen.
33. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 32, wobei das Schnittstellenelement (4) aus einem elektrisch isolierenden Material besteht und elektromagnetisch abschirmende Eigenschaften aufweist.
34. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 33, wobei das mechanische Verstärkungselement (3) oder das mit dem mechanischen Verstärkungselement (3) einstückig ausgeführte Schnittstellenelement (4) einen Dämpfungsteil (11) zum Abdämpfen von Bewegungen und zur Begrenzung von Bewegungen des mechanischen Verstärkungselements (3) hin zum piezoelektrischen Aktuator (2) aufweist.
35. Vorrichtung gemäß Anspruch 34, wobei der Dämpfungsteil (11) als mechanische Feder ausgeführt ist, der zwischen dem mechanischen Verstärkungselement (3) und dem piezoelektrischen Aktuator (2) positioniert ist.
36. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 35, ein Bewegungs-, Kraft- oder Drucksensor zum Messen der Auslenkung des mechanischen Verstärkungselements (3) zwischen dem mechanischen Verstärkungselement (3) und dem piezoelektrischen Aktuator (2) positioniert ist.
37. Vorrichtung gemäß Anspruch 36, wobei der Sensor ein kapazitiver Sensor ist, umfassend einen ersten Leiter, der Teil des mechanischen Verstärkungselements (3) ist, und einen zweiten Leiter, der Teil des piezoelektrischen Aktuators (2) ist .
38. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 37, wobei die Komponente eine Positionierungshilfe (8) aufweist, die dazu geeignet ist, die Position des Schnittstellenelements (4) auf der Komponente mit Spieltoleranz festzulegen.
39. Vorrichtung gemäß Anspruch 38, wobei die Positionierungshilfe (8) dazu geeignet ist, das Schnittstellenelement (4) nach dem Positionieren und vor dem Fixieren in seiner Position festzulegen.
40. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 38 oder 39, wobei die Positionierungshilfe (8) als Pin oder als Stift ausgeführt ist, und wobei das Schnittstellenelement (4) eine Aussparung aufweist, in die die Positionierungshilfe (8) eingeführt werden kann.
41. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 38 bis 40, wobei die Positionierungshilfe (8) dazu geeignet ist, die Position der zwei Komponenten (20, 30) zueinander festzulegen und eine Bewegung der zwei Komponenten (20, 30) zueinander zu begrenzen .
42. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 41, wobei die Aktuatorkomponente (1) weiterhin ein zweites mechanisches Verstärkungselement (3) umfasst, das an dem piezoelektrischen Aktuator (2) befestigt ist, wobei der piezoelektrische Aktuator (2) zwischen dem ersten und dem zweiten mechanischen Verstärkungselement (3) angeordnet ist, und ein zweites Schnittstellenelement (4) umfasst, mittels der das zweite mechanische Verstärkungselement (3) mit der jeweils anderen Komponente als das erste Schnittstellenelement (4) mechanisch verbunden ist, indem das zweite Schnittstellenelement (4) an dem zweiten Verstärkungselement (3) und an der Komponente fixiert ist, wobei das zweite Schnittstellenelement (4) dazu ausgeführt ist, bei der Fixierung an der Komponente während dem Einbau der Aktuatorkomponente (1) eine Passtoleranz in zumindest einer Raumrichtung zu bieten, wobei das zweite mechanisches Verstärkungselement (3) dazu ausgebildet und angeordnet ist, sich in Folge einer Änderung einer Ausdehnung des piezoelektrischen Aktuators in die erste Richtung derart zu verformen, dass ein Anliegebereich (3B) des zweiten mechanischen Verstärkungselements (3) relativ zu dem piezoelektrischen Aktuator (2) in die zweite Richtung bewegt wird, und dadurch eine Kraft über das zweite Schnittstellenelement (4) auf die Komponente ausgeübt wird.
43. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 42, aufweisend ein Anschlusselement (40, 41) , wobei der piezoelektrische Aktuator (2) Außenelektroden (50) aufweist, die mit dem Anschlusselement (40, 41) elektrisch verbunden sind .
44. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 43, aufweisend ein Verbindungselement (37) , in Form von Schweißpunkten oder Klebepunkten oder Schweißnähten oder Klebenähten, das einen Übergang zwischen dem mechanischen Verstärkerelement (3) und dem Schnittstellenelement (4) versteift .
45. Verfahren zum Zusammenbau der Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 44, wobei die Aktuatorkomponente (1) zwischen die zwei Komponenten, die zueinander beweglich sind, positioniert wird und anhand des Schnittstellenelements (4) zwischen den zwei Komponenten (20,30) fixiert wird.
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