DE10028271A1

DE10028271A1 - Schwingfördersystem mit Piezoantrieb

Info

Publication number: DE10028271A1
Application number: DE2000128271
Authority: DE
Inventors: Kurt Buehner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-06-13
Filing date: 2000-06-13
Publication date: 2002-01-03
Anticipated expiration: 2020-06-14
Also published as: DE10028271B4

Abstract

Um das in der Patentanmeldung 10005934.1 beschriebene Schwingfördersystem mit Piezoantrieb weiterzuentwickeln, wird ein Schwingfördersystem vorgeschlagen, bei dem als Biegeelemente elastische Kunststoffplatten mit aufgebrachtem piezoelektrischem Material vorgesehen sind, wobei die Kunststoffplatten mindestens einseitig mit einer leitfähigen Schicht und einer darüberliegenden Schicht aus dem piezoelektrischen Material aufgebracht sind, wobei an dem piezoelektrischen Material eine Stromzuführung anliegt, und wobei die leitfähige Schicht und die Stromzuführung mit je einem Pol einer Elektrizitätsquelle verbunden sind.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Schwingfördersystem (im folgenden Fördersystem) mit Piezoantrieb nach Patentanmeldung 100 05 934.1, bei dem als Biegeelemente elastische Kunststoffplatten mit aufgebrachtem piezoelektrischem Material vorgesehen sind. Ein Piezoantrieb basiert auf dem inversen Piezoeffekt. Das Förder system ist zum Tranportieren von Teilen einsetzbar. Das Fördersy stem ist aufgebaut aus mindestens einer Fördereinheit und einem Stellglied, welches die Erregungsenergie liefert. Eine Förderein heit ist aufgebaut aus einem Oberteil, das üblicherweise die Förderschiene bildet, einem Unterteil, das die Basis der Fördereinheit bildet und mindestens einem Biegeelement, das mit dem Ober- und dem Unterteil verbunden ist, und in dem die Erregungsenergie in die Schwingungsenergie umgewandelt wird. Mit vorteilhaften Ausgestaltungen des o. g. Fördersystems lassen sich u. a. am Unterteil angreifende Reaktionsschwingungen kompensieren und ein Teil der Erregungsenergie zurückgewinnen.

Die Erfindung und ihre Vorteile

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das in der Patentan meldung 100 05 934.1 beschriebene Fördersystem weiterzuentwic keln.

Diese Aufgabe wird mit einem Fördersystem der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.

In Verbindung mit der elastischen Kunststoffplatte läßt sich der Aufbau des erfindungsgemäßen Biegeelements (in der Patentanmeldung 100 05 934.1 auch als Wandler aus einem piezoelektrischen Material, welches ein- oder zweiseitig auf eine Blattfeder aufgebracht ist, definiert) sehr einfach gestalten, wobei das Biegeelement unter Verwendung gängiger Herstellungstechniken leicht herstellbar und darüber hinaus besonders unkompliziert montierbar ist. Mit dem erfindungsgemäßen Fördersystem bzw. seinen vorteilhaften Ausgestaltungen läßt sich außerdem eine sehr günstige Energiebilanz erzielen. Für die gängigen Anwendungen genügen Ströme von < etwa 20 mA. Dies und die Verwendung des Kunststoffs ermöglicht auch eine Konstruktion in eigensicherer Ausführung.

Um eine möglichst geringe Dicke und eine hohe Federkonstante der Platte zu ermöglichen, ohne daß die Platte die erforderliche Biegefestigkeit und Tragfähigkeit verliert, ist es vorteilhaft, wenn der Kunststoff glasfaserverstärkt ist.

Es ist vorteilhaft, wenn die Beschichtung beidseitig aufgebracht ist.

Bei einer vorteilhaften Ausbildung des erfindungsgemäßen Biegeelements hat die Platte eine längliche Form, und sind an den längsseitigen Endbereichen Komponenten zum Befestigen der Platte an einer Fördereinheit vorhanden.

Für den Einbau des erfindungsgemäßen Biegeelements in eine Fördereinheit ist es günstig, wenn der obere Endbereich der Kunst stoffplatte unbeschichtet ist, und sich in diesem Endbereich als Komponente zum Befestigen eine Bohrung befindet. Unter "Bohrungen" werden in diesem Zusammenhang auch durch Stanzen, Herauslösen, oder unter Verwendung einer entsprechenden Gießform erzeugte durchgehende Löcher verstanden.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Biegeelements ist der untere Endbereich der Kunststoffplatte unbeschichtet, und befindet sich in diesem Endbereich als Komponente zum Befestigen eine Bohrung.

Es ist vorteilhaft, wenn die Stromzuführung einen Metallbügel bildet, der mit beiden Enden über die Platte hinausragt und dort je eine Bohrung aufweist, und wenn bei zweiseitigen Beschichtung die Metallbügel so einander gegenüberliegen, daß die Achsen der Bohrungen miteinander fluchten, wobei es besonders günstig ist, wenn die beiden Metallbügel mittels durch die Bohrungen gesteckte Halteelemente zusammengehalten und dabei die Platte zwischen sich einklemmen.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsge mäßen Biegeelements ist der mindestens eine Metallbügel etwa senkrecht zu den Längsseiten am unteren Ende der Schicht aus dem piezoelektrischen Material angeordnet und die Bohrungen in dem mindestens einen Metallbügel dienen als Komponenten zum Befestigen.

Alternativ kann die Stromzuführung auch einen - bevorzugt - aufgedampften - Leiterzug bilden.

In vorteilhafter Weise ist das Biegeelement über Halteelemente, wie Schrauben, Nieten oder Bolzen, mit welchen die Bohrungen im Bereich der Endbereiche bzw. in den Metallbügeln bestückt sind, mit dem oberen Endbereich am Oberteil und mit dem unteren Endbereich am Unterteil einer Fördereinheit bzw. an am Ober- bzw. Unterteil angebrachten Klemmblöcken befestigt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Fördersystems sind in den Unteransprüchen aufgeführt.

Die Zeichnung

Im folgenden wird die Erfindung anhand von durch Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispielen detailliert beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 in perspektivischer Darstellung eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Biegeelements,

Fig. 2 in schematischer Vorderansicht das in der Fig. 1 gezeigte Biegeelement,

Fig. 2a in schematischer Seitenansicht das in den Fig. 1 und 2 gezeigte Biegeelement,

Fig. 3 in schematischer Seitenansicht eine in der Hauptanmeldung beschriebene Schwingfördereinheit (Linearschiene),

Fig. 4 in schematischer Vorderansicht eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Biegeelements,

Fig. 4a in schematischer Seitenansicht das in der Fig. 4 gezeigte Biegeelement und

Fig. 5 ein Diagramm, in welchem der in das Biegeelement fließende Strom gegen den in das Stellglied fließenden Strom aufgetragen ist.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Die im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele des verbesser ten Fördersystems sind zwar besonders vorteilhaft und die Verbes serung läßt sich an ihnen besonders anschaulich erläutern, es sei aber klargestellt, daß sie nur beispielhaft genannt sind und daß mannigfaltige Abweichungen von ihnen im Rahmen der Ansprüche möglich sind.

Die mechanischen Teile der Fördersysteme in den Ausführungsbei spielen bestehen aus mindestens einer Fördereinheit. Eine solche Fördereinheit besteht aus einem als Förderschiene dienenden Ober teil, auf welchem die Förderteile gleiten, einem Unterteil, welches üblicherweise - gegebenenfalls zusammen mit anderen Fördereinheiten - auf eine Grundplatte montiert ist. (die Unter teile und die Grundplatte bilden die Unterkonstruktion des Fördersystems). Das Oberteil und das Unterteil sind durch mindestens ein Biegeelement miteinander verbunden.

Das in den Fig. 1, 2 und 2a gezeigte Biegeelement 71 ist auf einer rechteckigen elastischen Kunststoffplatte 72 aufgebaut. Die Kunst stoffplatte besteht aus einem glasfaserverstärkten Faserverbund werkstoff auf Epoxidharzbasis mit einem E-Modul zwischen etwa 5 . 10³ und etwa 50 . 10³ N/mm², wie beispielsweise das von der 3M Company unter dem Handelsnamen "Scotch Ply®" vertriebene Produkt. Die Kunststoffplatte weist in ihrem oberen Endbereich eine Bohrung 73 auf. Abgesehen vom oberen Endbereich ist die Platte beidseitig mit einer dünnen Kupferschicht 74 beschichtet. Die Kupferschichten 74 sind ihrerseits unter Freilassung eines Streifens der Kupfer schicht am unteren Ende der Platte mit einem piezoelektrischen Material 75, wie einer Piezokeramik, beschichtet. Am den unteren Endbereichen des piezoelektrischen Materials liegen zwei elek trisch mit einander verbundene, etwa senkrecht zur Längachse verlaufende Metallbügel 76 und 77 an. Die Metallbügel ragen beid seitig über die Platte hinaus. In die beiden überstehenden Enden sind Bohrungen 78 eingebracht, deren Achsen miteinander fluchten.

Das Biegeelement ist - wie es die Fig. 3 zeigt - zwischen dem Oberteil 5 und dem Unterteil 6 einer Fördereinheit positioniert, wobei es durch Schrauben 79 bzw. 80, die durch die Bohrungen 73 bzw. 78 gesteckt sind, an dem Ober- und dem Unterteil bzw. an mit dem Ober- und dem Unterteil verbundenen Klemmblöcken 12 bzw. 13 befestigt ist. Die durch die Bohrungen 78 gesteckten Schrauben 80 halten zusätzlich die Metallbügel zusammen, und pressen sie gegen die beschichtete Platte. Die beiden Metallbügel und die Kupfer schichten sind mit je einem Ausgang eines Stellglieds 19 verbun den. Das Biegeelement bildet mit dem Oberteil einen Winkel γ zwischen etwa 10 und etwa 89° und bevorzugt zwischen etwa 60 und etwa 80°.

Typischerweise liegt der zur Längsachse des Biegeelements paral lele Abstand zwischen den Bohrungen 73 und 78 zwischen etwa 18 und etwa 70 mm, bevorzugt bei etwa 50 mm, und seine Breite zwischen etwa, 10 und etwa 40 mm, wobei das Verhältnis von Abstand zu Breite zwischen etwa 1,5 und 3,5 und bevorzugt bei etwa 2 liegt. Die Dicke der Kunststoffplatte liegt zwischen etwa 0,4 und etwa 10 mm und bevorzugt zwischen etwa 2,5 und etwa 3,1 mm, die Piezokeramik schicht ist zwischen etwa 0,2 und 0,5 mm dick.

Das in den Fig. 4 und 4a gezeigte Biegeelement 81 unterscheidet sich von dem Biegeelement 1 hauptsächlich dadurch, daß die Beschichtung aus Kupfer nur im mittleren Bereich der Kunststoffplatte aufgebracht ist und daß sich auch im unteren Endbereich eine Bohrung 83 befindet. Die Beschichtung des Kupfers mit dem piezoelektrischen Material läßt am unteren Ende einen Streifen der Kupferschichtfrei. Befestigt wird das Biegeelement 81 am Förderelement mittels durch die Bohrungen 73 und 83 gesteckte Schrauben. Die beiden, an dem piezoelektrischen Material - bevorzugt an dessen unteren Ende - anliegenden Metallbügel 76 und 77 haben beim Biegeelement 81 nur die Funktion, dieses elektrisch zu kontaktieren. Die Abmessungen des Abstands zwischen den Bohrungen und der Breite und der Winkel, den das Biegeelement 81 mit dem Oberteil bildet, entsprechen denen beim Biegeelement 71. Alternativ können die Metallbügel durch auf das piezoelektrische Material - beispielsweise durch Aufdampfen - aufgebrachte Leiterzüge ersetzt sein.

Bei einem typischen Einsatz des erfindungsgemäßen Fördersystems wurde eine Spannung von 70 Volt angelegt und die Resonanzfrequenz lag bei 120 Hz. Gefördert wurde ein etwa 500 g schweres Teil über eine Länge von 0,3 m. Der Wurfwinke β lag bei etwa 15°. Es wurde gefunden, daß die für den Betrieb der Fördereinheit erforderliche elektrische Leistung - bei Ausnutzung der Energierückgewinnung - etwa um den Faktor 10 geringer war als bei einer entsprechend ausgestatteten, jedoch elektromagnetisch betriebenen Fördereinheit.

In der Fig. 5 ist der - bei Ausnutzung der Energierückgewinnung - in das Biegeelement 71 bzw. 81 fließende Strom gegen den in das Stellglied fließenden Strom aufgetragen, mit dem die Förderung des etwa 500 g schweren Teils aufrechterhalten wird.

Claims

1. Schwingfördersystem mit Piezoantrieb nach Patentanmeldung 100 05 934.1, bei dem als Biegeelemente elastische Kunststoffplat ten mit aufgebrachtem piezoelektrischem Material vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffplatten mindestens einseitig mit einer leitfähigen Schicht und einer darüberliegenden Schicht aus dem piezoelektrischen Material beschichtet sind, wobei an dem piezoelektrischen Material eine Stromzuführung anliegt, und daß die leitfähige Schicht und die Stromzuführung mit je einem Pol einer Elektrizitätsquelle verbunden sind.

2. Fördersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff glasfaserverstärkt ist.

3. Fördersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung beidseitig aufgebracht ist.

4. Fördersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Platte eine längliche Form hat, und daß an den längsseitigen Endbereichen Komponenten zum Befestigen der Platte an einer Fördereinheit vorhanden sind.

5. Fördersystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte etwa rechteckig ist.

6. Fördersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Endbereich der Kunststoffplatte unbeschichtet ist, und sich in diesem Endbereich als Komponente zum Befestigen eine Bohrung befindet.

7. Fördersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, daß die Beschichtung mit dem piezoelektrischen Material derart ausgebildet ist, daß ein Bereich der Kupferschicht freiliegt.

8. Fördersystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der freiliegende Bereich der Kupferschicht einen Streifen am unteren Ende der Beschichtung bildet.

9. Fördersystem nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekenn zeichnet, daß der untere Endbereich der Kunststoffplatte unbeschichtet ist, und sich in diesem Endbereich als Komponente zum Befestigen eine Bohrung befindet.

10. Fördersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn zeichnet, daß die Stromzuführung einen Metallbügel bildet, der mit beiden Enden über die Platte hinausragt und dort je eine Bohrung aufweist, und daß bei zweiseitigen Beschichtung die Metallbügel so einander gegenüberliegen, daß die Achsen der Bohrungen miteinander fluchten.

11. Fördersystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß daß die beiden Metallbügel mittels durch die Bohrungen gesteckte Halteelemente zusammengehalten und dabei die Platte zwischen sich einklemmen.

12. Fördersystem nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Metallbügel etwa senkrecht zu den Längsseiten am unteren Ende der Schicht aus dem piezoelek trischen Material angeordnet ist und die Bohrungen in dem minde stens einen Metallbügeln als Komponenten zum Befestigen dienen.

13. Fördersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn zeichnet, daß die Stromzuführung einen - bevorzugt - aufgedampften Leiterzug bildet.

14. Fördersystem nach einem der Ansprüche 4 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Biegeelement über Halteelemente, mit welchen die Bohrungen im Bereich der Endbereiche bzw. in den Metallbügeln bestückt sind, mit dem oberen Endbereich am Oberteil und mit dem unteren Endbereich am Unterteil einer Fördereinheit bzw. an am Ober- bzw. Unterteil angebrachten Klemmblöcken befestigt ist.

15. Fördersystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Halteelemente Schrauben, Nieten oder Bolzen sind, welche durch die Bohrungen gesteckt sind.

16. Fördersystem nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Abstands in Richtung der längeren Seite der Platte zwischen den mit Halteelementen bestückten Bohrungen und der Länge der kürzeren Seite zwischen etwa 1, 5 und etwa 3, 5 liegt.

17. Fördersystem nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Bohrungen von etwa 18 bis etwa 70 mm beträgt und die kürzere Seite der Platte von etwa 10 bis etwa 40 mm lang ist.

18. Fördersystem nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Abstands zwischen den Bohrungen zur Länge der kürzeren Seite der Platte bei etwa 2 liegt.

19. Fördersystem nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Bohrungen etwa 40 mm beträgt und die kürzere Seite etwa 20 mm lang ist.

20. Fördersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Platte zwischen etwa 0,4 und etwa 10 mm liegt.

21. Fördersystem nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Platte zwischen etwa 2, 5 und etwa 4 mm liegt.

22. Fördersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezokeramikschicht zwischen etwa 0,1 und etwa 1 mm dick ist.

23. Fördersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähige Schicht zwischen etwa 20 und etwa 100 µm dick ist.

24. Fördersystem nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähige Schicht zwischen etwa 30 und etwa 70 µm dick ist.

25. Fördersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähige Schicht aus - gegebenenfalls goldplattiertem - Kupfer besteht.

26. Fördersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel, den die Kunststoffplatte mit der Förderschiene der Fördereinheit bildet, zwischen etwa 10 und etwa 89° liegt.

27. Fördersystem nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel, den die Kunststoffplatte mit der Förderschiene der Fördereinheit bildet, zwischen etwa 60 und etwa 80° liegt.