AT502074B1 - SUPPORT STRUCTURE FOR PIEZO BENDING TRANSFORMERS AND PIEZO BENDING TRANSFORMER ARRANGEMENT - Google Patents

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AT502074B1 AT11132005A AT11132005A AT502074B1 AT 502074 B1 AT502074 B1 AT 502074B1 AT 11132005 A AT11132005 A AT 11132005A AT 11132005 A AT11132005 A AT 11132005A AT 502074 B1 AT502074 B1 AT 502074B1
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2 Γ ΑΤ 502 074 Β12 Γ ΑΤ 502 074 Β1

Die Erfindung betrifft eine Trägerstruktur für Piezo-Biegewandler, beispielsweise eine Elektronik-Platine, mit mechanischen und leitfähigen Verbindungen zwischen dieser Trägerstruktur und zumindest einem Biegewandler, wobei die Trägerstruktur elastisch auslenkbare Halteelemente für zumindest einen Biegewandler aufweist, sowie Piezo-Biegewandler-Anordnung, umfassend 5 zumindest einen piezoelektrischen Biegewandler und eine Trägerstruktur für diese(n) Biegewandler, beispielsweise eine Elektronik-Platine, sowie mechanische und leitfähige Verbindungen zwischen Trägerstruktur und Biegewandler.The invention relates to a support structure for piezo bending transducers, for example an electronic circuit board, with mechanical and conductive connections between this support structure and at least one bending transducer, wherein the support structure has elastically deflectable retaining elements for at least one bending transducer, and piezo bending transducer arrangement comprising at least one piezoelectric bending transducer and a support structure for this (n) bending transducer, such as an electronic board, as well as mechanical and conductive connections between the support structure and bending transducer.

In verschiedenem Zusammenhang ist es bekannt, leitfähige Verbindungen bei piezoelektri-io sehen Elementen mittels Leitklebern herzustellen. So sind bereits elektrisch aktive Keramik-Lagen mit Kupfer- und Substrat-Lagen mittels Leitkleber verbunden worden. Auch die Anbringung von elektrischen Kontakten an keramischen Piezo-Biegewandlern an sich ist bereits bekannt. Davon unabhängig war bei allen diesen Biegewandler-Anordnungen die mechanische Verbindung des Biegewandlers mit seiner Trägerstruktur. Trotz einer den Bewegungen des 15 Biegewandlers folgenden und dennoch sicheren und dauerhaltbaren elektrischen Kontaktierung soll dabei die freie Beweglichkeit des Biegewandler mechanisch möglichst nicht behindert werden.In various contexts, it is known to produce conductive connections in piezoelectric elements by means of conductive adhesives. Thus, already electrically active ceramic layers have been connected to copper and substrate layers by means of conductive adhesive. The attachment of electrical contacts to ceramic piezo bending transducers itself is already known. Irrespective of this, the mechanical connection of the bending transducer to its support structure was independent in all of these bending transducer arrangements. Despite the movements of the 15 Biegewandlers following and yet safe and durable electrical contact while the free movement of the bending transducer should not be hindered mechanically as possible.

In der JP 4-164377 A ist eine Anordnung geoffenbart, bei welcher ein piezoelektrischer ßiege-20 wandler auf eine Trägerstruktur aufgelegt wird. Zur Kontaktierung und teilweisen Fixierung sind elektrisch leitfähige Metallklammern mit der Trägerstruktur verbunden, die üblicherweise als mit der Trägerstruktur verlötete Stanzteile vorliegen. Durch die im wesentlichen geradlinige Formgebung dieser Metallklammern zwischen Trägerstruktur und Kontaktstelle mit dem Biegewandler können keine großen Haltekräfte erzielt werden, was auch gar nicht die vordringliche Aufga-25 be dieser Klammern ist.In JP 4-164377 A an arrangement is disclosed in which a piezoelectric bending transducer is placed on a support structure. For contacting and partial fixing electrically conductive metal brackets are connected to the support structure, which are usually present as soldered to the support structure punched parts. Due to the substantially rectilinear shape of these metal brackets between the support structure and contact point with the bending transducer no large holding forces can be achieved, which is not the urgent Aufga-25 be of these brackets.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung war daher eine Anordnung der eingangs angegebenen Art, welche den Anforderungen der freien Beweglichkeit und auch eines großen Ausgleichsbereiches für Toleranzen als auch der sicheren mechanischen und auch elektrischen Verbindung 30 genügt.The object of the present invention was therefore an arrangement of the type specified, which satisfies the requirements of free mobility and also a large compensation range for tolerances and the safe mechanical and electrical connection 30.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Halteelemente einstückig mit der Trägerstruktur und/oder den Leiterbahnen ausgeführt, vorzugsweise daraus ausgeschnitten sind, und daß die Länge der Halteelemente zwischen dem Übergangsbereich zur 35 Trägerstruktur und dem Kontaktbereich mit dem Biegewandler größer ist als der direkte Abstand zwischen dem Übergangsbereich und dem Kontaktbereich bei eingesetztem Biegewandler. Beim Einsetzen des Biegewandlers werden die in einfacher Weise bereits bei der Fertigung der Trägerstruktur mitgeformten Halteelemente somit elastisch verformt und klemmen den Biegewandler zwischen gegenüberliegenden Elementen ein, wobei aber aufgrund der Elastizität 40 eine hochbewegliche Anbindung des Biegewandlers an die Trägerstruktur erfolgt. Toleranzen können über einen sehr großen Bereich durch die erfindungsgemäßen Merkmale ausgeglichen werden und auch thermischer Dimensionsveränderungen können kompensiert werden.To achieve this object, the invention provides that the holding elements are made in one piece with the support structure and / or the tracks, preferably cut out therefrom, and that the length of the holding elements between the transition region to the support structure and the contact area with the bending transducer is greater than the direct Distance between the transition area and the contact area with inserted bending transducer. When inserting the bending transducer so easily formed in the manufacture of the support structure retaining elements are thus elastically deformed and clamp the bending transducer between opposing elements, but due to the elasticity 40 is a highly movable connection of the bending transducer to the support structure. Tolerances can be compensated over a very large range by the features according to the invention and also thermal dimensional changes can be compensated.

Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die Trägerstruktur eine 45 Ausnehmung zum Einsetzen des Biegewandlers aufweist, und die Halteelemente für den Biegewandler sich von einer Seite der Ausnehmung in Richtung der gegenüberliegenden Seite hin erstrecken. Neben im wesentlichen eben durchgehenden Trägerstrukturen, auf denen die Biegewandler aufgesetzt und durch aufragende Halteelemente geklemmt werden, sind auch um den Endbereich des Biegewandlers ausgeschnittene Ausführungen möglich, die durch Ein-50 schieben des Biegewandlers im wesentlichen senkrecht auf die Ebene der Trägerstruktur den Zusammenbau vereinfachen.According to a first embodiment of the invention it is provided that the support structure has a recess for insertion of the bending transducer, and the holding elements for the bending transducer extend from one side of the recess in the direction of the opposite side. In addition to substantially even continuous support structures on which the bending transducers are placed and clamped by upstanding support members, cut-outs are also possible to the end of the bending transducer, which simplify the assembly by sliding the bending transducer substantially perpendicular to the plane of the support structure.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind Leiterbahnen auf den Halteelementen und elektrische Kontaktflächen auf den dem Biegewandler zugewandten €nden 55 der Halteelemente vorgesehen. 3 AT 502 074 B1According to a further advantageous embodiment of the invention, printed conductors are provided on the holding elements and electrical contact surfaces on the bending transducer facing € nden 55 of the holding elements. 3 AT 502 074 B1

Die eingangs gestellte Aufgabe wird auch durch eine Piezo-Biegewandler-Anordnung gelöst, die neben den eingangs angegebenen Merkmalen erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, dass die Trägerstruktur elastisch auslenkbare Halteelemente gemäß einem der vorhergehenden Absätze für zumindest einen Biegewandler aufweist. 5The object stated in the introduction is also achieved by a piezo-bending transducer arrangement which, in addition to the features specified at the outset, is characterized in that the support structure has elastically deflectable retaining elements according to one of the preceding paragraphs for at least one bending transducer. 5

In der nachfolgenden Beschreibung soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden.In the following description, the invention will be explained in more detail by means of embodiments and with reference to the accompanying drawings.

Dabei zeigt die Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Biegewandler-io Trägerstruktur-Anordnung, Fig. 2 zeigt eine perspektivische Explosionsdarstellung einer erfindungsgemäßen Biegewandler-Trägerstruktur-Anordnung in einer anderen Ausführungsform, Fig. 3 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung einer erfindungsgemäßen Biegewandler-Trägerstruktur-Anordnung in einer nochmals anderen Ausführungsform, und Fig. 4 zeigt drei unterschiedliche Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Halteelementen in der Draufsicht. 152 shows an exploded perspective view of a bending transducer-carrier structure arrangement according to the invention in another embodiment, FIG. 3 is an exploded perspective view of a bending transducer-carrier structure according to the invention Arrangement in yet another embodiment, and Fig. 4 shows three different embodiments of holding elements according to the invention in plan view. 15

Der piezoelektrische Biegewandler 1 ist in Fig. 1 mit einer Trägerstruktur 2 verbunden dargestellt. Die Trägerstruktur 2 kann beispielsweise eine Elektronik-Platine sein, über die der Biegewandler 1 angesteuert oder auch abgefragt wird. Das freie Ende 1a - in der Fig. 1 links - des Biegewandlers 1 dient zur Steuerung von anderen Bauteilen, beispielsweise von Dichtelemen-20 ten in der Anwendung bei Piezoventilen. Am anderen Ende - in Fig. 1 rechts - ist der Biegewandler 1 auf der Trägerstruktur 2 fixiert.The piezoelectric bending transducer 1 is shown connected in Fig. 1 with a support structure 2. The support structure 2 may be, for example, an electronic board, via which the bending transducer 1 is controlled or also interrogated. The free end 1a - left in FIG. 1 - of the bending transducer 1 is used to control other components, such as Dichtelemen-20 th in the application of piezo valves. At the other end - in Fig. 1 right - the bending transducer 1 is fixed on the support structure 2.

Zur Fixierung des Biegewandlers 1 sind auf jeder Seite zwei Halteelemente 3 vorgesehen, deren Länge größer ist als der Abstand der Befestigungs- bzw. Kontaktstellen mit Biegewandler 25 1 und Trägerstruktur 2. Damit sind die Halteelemente 3 in einem vorzugsweise elastisch ver formten Zustand, durch welchen jeweils zwei einander auf gegenüberliegenden Seiten des Biegewandlers 1 befindliche Halteelemente 3 den Biegewandler 1 zwischen ihren von der Trägerstruktur 2 entfernten Bereichen einklemmen. Diese Klemmwirkung kann zusätzlich durch Verlöten, Verwendung von Leitkleber, etc. unterstützt und gesichert werden. 30To fix the bending transducer 1, two holding elements 3 are provided on each side, whose length is greater than the distance between the attachment and contact points with bending transducer 25 1 and support structure 2. Thus, the holding elements 3 in a preferably elastically deformed ver state through which in each case two holding elements 3 located on opposite sides of the bending transducer 1 clamp the bending transducer 1 between their regions remote from the carrier structure 2. This clamping effect can be additionally supported and secured by soldering, use of conductive adhesive, etc. 30

In Fig. 1 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei welcher die Halteelemente 3 entsprechend dem Stand der Technik als von der Trägerstruktur 2 baulich getrennte, separate Bauteile ausgeführt sind, die somit auch aus einem anderen Material als die Trägerstruktur 2 angefertigt sein können. Vorzugsweise wird die Trägerstruktur 2 aus Kunststoffmaterial bestehen, auf 35 welchem Leiterbahnen 4 aus Metall aufgebracht sind. Die Halteelemente 3 können aus Kunststoffmaterial bestehen und auf ihren dem Biegewandler 1 bzw. der Trägerstruktur 2 zugewandten Seite Leiter, Leiterbahnen bzw. leitfähige Beschichtungen aufweisen, oder gleich komplett aus leitfähigem Material, vorzugsweise Metall angefertigt sein. Die Verbindung zwischen Halteelementen 3 und Trägerstruktur 2 kann ebenfalls durch Verlöten, Verkleben mit Leitkleber oder 40 andere herkömmliche Verbindungsmethoden bewerkstelligt werden. In Fig. 1 sind mit 5 die Lötpunkte bezeichnet.In Fig. 1, an embodiment is shown in which the holding elements 3 are designed according to the prior art as structurally separate from the support structure 2, separate components, which can thus be made of a different material than the support structure 2. Preferably, the support structure 2 will consist of plastic material on which printed conductors 4 made of metal are applied. The holding elements 3 may consist of plastic material and on their side facing the bending transducer 1 or the support structure 2 side conductors, conductors or conductive coatings have, or be made entirely of conductive material, preferably metal. The connection between retaining elements 3 and support structure 2 can also be accomplished by soldering, gluing with conductive adhesive or other conventional bonding methods. In Fig. 1, the solder points are denoted by 5.

In Fig. 2 ist eine Ausführungsform einer Biegewandler-Trägerstruktur-Anordnung dargestellt, bei welcher die Leiterbahnen 4 in Form eines ebenen Plättchens aus leitfähigem Material vorliegen, 45 das auf die ebene, vorzugsweise nichtleitende Trägerstruktur 2 aufgelegt und dort fixiert wird, so daß sich eine einstückige Struktur ergibt. Die dem Biegewandler 1 zugewandten Enden 4a dieses Leiterbahn-Plättchens 4 sind - zumindest in einem Zustand, in welchem der Biegewandler 1 in die Anordnung eingesetzt ist - in einem vorzugsweise elastisch verformten Zustand, durch welchen jeweils zwei einander auf gegenüberliegenden Seiten des Biegewandlers 1 so befindliche Abschnitte den Biegewandler 1 einklemmen. Damit bilden diese freien, sich über die Ebene der Trägerstruktur 2 erhebenden Abschnitte der Leiterbahnen 4 wieder Halteelemente für den Biegewandler 1. Die Klemmwirkung kann auch hier wieder zusätzlich durch Verlöten an den Lötpunkten 5, durch Verwendung von Leitkleber, etc. unterstützt und gesichert werden. 55 Die Trägerstruktur 2 ist im -Bereich des geklemmten Endes des Biegewandlers 1 mit einemIn Fig. 2, an embodiment of a bending transducer-carrier structure arrangement is shown, in which the conductor tracks 4 in the form of a planar plate of conductive material, 45 which is placed on the flat, preferably non-conductive support structure 2 and fixed there, so that a one-piece structure results. The bending transducer 1 facing ends 4a of this conductor plate 4 are - at least in a state in which the bending transducer 1 is inserted into the assembly - in a preferably elastically deformed state, through which two each on opposite sides of the bending transducer 1 so located Pinch sections of bending transducer 1. Thus, these free, over the plane of the support structure 2 uplifting sections of the tracks 4 again holding elements for the bending transducer 1. The clamping effect can also here again additionally by soldering to the solder pads 5, supported by the use of conductive adhesive, etc. and supported. The carrier structure 2 is in the area of the clamped end of the bending transducer 1 with a

Claims (4)

4 AT 502 074 B1 Ausschnitt 2a versehen, entgegen der durchgehenden Ausführung wie bei Fig. 1 dargestellt, wodurch der Biegewandler 1 leicht zwischen die freien Enden 4a eingeschoben werden kann. Haltelemente können auch durch in den Ausschnitt 2a hineinragende Zungen od. dgl. der Trägerstruktur 2 an sich gebildet sein, auf welchen Zungen dann leitfähige Abschnitte oder Leiter vorgesehen sind, um die elektrische Kontaktierung des Biegewandlers 1 zu bewerkstelligen. Wie in Fig. 3 dargestellt ist, kann das Leiterplättchen 4 auch im wesentlichen die gleichen Abmessungen aufweisen wie die Trägerstruktur 2, welche auch hier wieder mit einem Ausschnitt 2a zum leichteren Einsetzen des Biegewandlers 1 versehen ist. Sowohl auf dem Leiterbahn-Plättchen 4 als auch auf der Trägerstruktur 2 sind Kontakte 6 vorgesehen. In Fig. 4 sind verschiedene geometrische Ausführungsformen für Halteelemente 3 dargestellt, welche für unterschiedliche physikalische Gegebenheiten betreffend thermischer Belastung und kinematischen Anforderungen entsprechend ausgewählt werden können. Die ganz linke Ausführung, als bevorzugte Ausführungsform für die überwiegende Zahl von Anwendungen, ist trapezförmig gestaltet, wobei sich auf dem trapezförmigen Trägersubstrat 3a entlang von dessen Aussenkanten eine Leiterbahn 4b vom unteren Lötpunkt 5a - zur Verbindung mit der Trägerstruktur 2 - zum oberen Lötpunkt 5b - zur Verbindung mit dem Biegewandler 1 - erstreckt. Schließlich ist noch ein im wesentlichen zentrale Öffnung 3b vorgesehen. Die mittlere, in Fig. 4 dargestellte Ausführungsform für ein Halteelement 3 ist ebenfalls mit einem trapezförmigen Trägersubstrat 3a versehen, auf welchem sich aber im wesentlichen vollflächig die Leiterbahnen 4a zwischen den Lötpunkten 5a, 5b erstrecken. Die Leiterbahnen 4a auf einander gegenüberliegenden Seiten des Halteelementes 3 sind nur durch einen schmalen, nicht leitenden Bereich getrennt, der hier beispielhaft gewellt gestaltet ist. Eine weitere Ausführungsform könnte wie in Fig. 4 ganz rechts dargestellt gestaltet sein, wobei das Trägersubstrat 3a einen schmalen Mittelteil aufweist, der breitere Endabschnitte mit den Lötpunkten 5a, 5b verbindet. Die Leiterbahn 4a verläuft hier parallel zur Achse des Halteelementes 3 in der Mitte getrennt durch einen nicht leitenden Bereich, in welchem einige entlang der Achse des Halteelementes 3 angeordnete Öffnungen 3b vorgesehen sind. Patentansprüche: 1. Trägerstruktur für Piezo-Biegewandler, beispielsweise Elektronik-Platine, mit mechanischen und leitfähigen Verbindungen zwischen dieser Trägerstruktur und zumindest einem Biegewandler, wobei die Trägerstruktur (2) elastisch auslenkbare Halteelemente (3, 4a) für zumindest einen Biegewandler (1) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Halteelemente (3, 4a) einstückig mit der Trägerstruktur und/oder den Leiterbahnen (4) ausgeführt, vorzugsweise daraus ausgeschnitten, sind, und daß die Länge der Halteelemente (3, 4a) zwischen dem Übergangsbereich zur Trägerstruktur (2) und dem Kontaktbereich mit dem Biegewandler (1) größer ist als der direkte Abstand zwischen dem Übergangsbereich und dem Kontaktbereich bei eingesetztem Biegewandler (1).4 AT 502 074 B1 section 2a, opposite to the continuous design as shown in Fig. 1, whereby the bending transducer 1 can be easily inserted between the free ends 4a. Holding elements may also be formed by tongues protruding into the cut-out 2a, or the like, of the carrier structure 2, on which tongues conductive sections or conductors are then provided, in order to accomplish the electrical contacting of the bending transducer 1. As shown in Fig. 3, the printed circuit board 4 may also have substantially the same dimensions as the support structure 2, which is also provided here again with a cutout 2a for easier insertion of the bending transducer 1. Both on the conductor track plate 4 and on the support structure 2 contacts 6 are provided. FIG. 4 shows various geometric embodiments for holding elements 3, which can be selected correspondingly for different physical conditions relating to thermal load and kinematic requirements. The leftmost embodiment, as a preferred embodiment for the vast majority of applications, is trapezoidal shaped, wherein on the trapezoidal support substrate 3a along its outer edges a conductor 4b from the lower solder point 5a - for connection to the support structure 2 - to the upper solder 5b - for connection to the bending transducer 1 - extends. Finally, a substantially central opening 3b is still provided. The middle embodiment, shown in FIG. 4, for a holding element 3 is likewise provided with a trapezoidal carrier substrate 3a, on which, however, the conductor tracks 4a extend substantially over the whole area between the soldering points 5a, 5b. The interconnects 4a on opposite sides of the holding element 3 are separated only by a narrow, non-conductive region, which is designed here exemplified corrugated. A further embodiment could be designed as shown at the far right in FIG. 4, wherein the carrier substrate 3a has a narrow central part which connects broader end sections to the soldering points 5a, 5b. The conductor 4a runs here parallel to the axis of the holding element 3 in the middle separated by a non-conductive region in which some arranged along the axis of the holding element 3 openings 3b are provided. 1. Support structure for piezo bending transducer, such as electronic board, with mechanical and conductive connections between this support structure and at least one bending transducer, wherein the support structure (2) elastically deflectable retaining elements (3, 4a) for at least one bending transducer (1) , characterized in that the holding elements (3, 4a) integral with the support structure and / or the conductor tracks (4), preferably cut out therefrom, and that the length of the holding elements (3, 4a) between the transition region to the support structure (2 ) and the contact region with the bending transducer (1) is greater than the direct distance between the transition region and the contact region when inserted bending transducer (1). 2. Trägerstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerstruktur {2) eine Ausnehmung (2a) zum Einsetzen des Biegewandlers (1) aufweist, und die Halteelemente (3, 4a) für den Biegewandler (1) sich von einer Seite der Ausnehmung (2) in Richtung der gegenüberliegenden Seite hin erstrecken.2. Support structure according to claim 1, characterized in that the support structure {2) has a recess (2a) for insertion of the bending transducer (1), and the holding elements (3, 4a) for the bending transducer (1) from one side of the recess (2) extend towards the opposite side. 3. Trägerstruktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Leiterbahnen (4, 4a) auf den Halteelementen (3) und elektrische Kontaktflächen auf den dem Biegewandler (1) zugewandten Enden der Halteelemente (3) vorgesehen sind. 5 AT 502 074 B13. Support structure according to claim 1 or 2, characterized in that conductor tracks (4, 4a) on the holding elements (3) and electrical contact surfaces on the bending transducer (1) facing the ends of the holding elements (3) are provided. 5 AT 502 074 B1 4. Piezo-Biegewandler-Anordnung, umfassend zumindest einen piezoelektrischen Biegewandler und eine Trägerstruktur für diese(n) Biegewandler, beispielsweise eine Elektronik-Platine, sowie mechanische und leitfähige Verbindungen zwischen Trägerstruktur und Biegewandler, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerstruktur (2) elastisch auslenkbare Hal-5 teelemente (3, 4a) für zumindest einen Biegewandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 aufweist. Hiezu 2 Blatt Zeichnungen 10 15 20 25 30 35 40 45 50 554. Piezo-bending transducer arrangement, comprising at least one piezoelectric bending transducer and a support structure for this (n) bending transducer, for example an electronic board, and mechanical and conductive connections between the support structure and bending transducer, characterized in that the support structure (2) elastically deflectable Hal-5 teelemente (3, 4a) for at least one bending transducer according to one of claims 1 to 3. For this purpose 2 sheets of drawings 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPH04164377A (en) * 1990-10-29 1992-06-10 Nec Corp Structure for fitting substrate of laminated piezoelectric actuator
JP2003101094A (en) * 2001-09-25 2003-04-04 Ricoh Keiki Kk Mounting structure of piezoelectric transformer element

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