DE10028271B4

DE10028271B4 - Biegeelement für ein Schwingfördersystem mit Piezoantrieb

Info

Publication number: DE10028271B4
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: 2004-06-03
Anticipated expiration: 2020-06-14
Also published as: DE10028271A1

Abstract

Biegeelement für ein Schwingfördersystem mit Piezoantrieb, welches eine elastische, längliche, einstückige Platte (72) aufweist, auf welche mindestens einseitig eine Schicht (75) aus einem piezoelektrischen Material aufgebracht ist, wobei an die Oberfläche der Platte (72) zur Schicht aus dem piezoelektrischen Material und an der von der Platte abgewandten Oberfläche der mindestens einen Schicht aus dem piezoelektrischen Material eine Stromzuführung (76) anliegt, die mit je einem Pol einer Elektrizitätsquelle verbunden sind, und wobei die Platte in ihren längsseitigen Endbereichen Elemente (73) aufweist, mit denen die Platte (72) an den zu erregenden Massen einer Fördereinheit befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (72) aus Kunststoff besteht und mit einem leitfähigen Material (74) beschichtet ist und daß sich die mindestens eine Schicht (75) aus dem piezoelektrischen Material auf dem leitfähigen Material (74) befindet.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung bertifft ein Biegeelement für ein Schwingfördersystem mit Piezoantrieb gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solches Biegeelement für eine Schwingfördersystem mit Piezoantrieb mit diesen Merkmalen ist in der DE 37 11 388 A1 beschrieben. Die Platte, auf der das piezoelektrische Element aufgebracht ist, besteht aus einem harten Material, wie einem gehärteten Werkzeugstahl oder einem Keramikmaterial. Das Biegeelement beinhaltet außer der genannten, mit dem piezoelektrischen Element bestückten Platte eine vergrößerte Biegefeder, wobei die überlappenden Enden der Platte und der Biegefeder miteinander verschraubt sind und das andere Ende der vergrößerten Biegefeder mit dem Oberteil einer Fördereinheut verbunden ist. Das bekannte Biegeelement soll u.a. das Verhältnis von Fördergeschwindigkeit zu angelegter Spannung verbessern. Ein Piezoantrieb basiert auf dem inversen Piezoeffekt. Ein Schwingfördersystem (im folgenden nur "Fördersystem") ist zum Tranportieren von Teilen einsetzbar. Das Fördersystem ist aufgebaut aus mindestens einer Fördereinheit und einem Stellglied, welches die Erregungsenergie liefert. Eine Fördereinheit ist beispielsweise aufgebaut aus einem Oberteil, das üblicherweise die Förderschiene bildet, einem Unterteil, das die Basis der Fördereinheit bildet und mindestens einem Biegeelement, welches mit dem Ober- und dem Unterteil verbunden ist, in welchem die Erregungsenergie in die Schwingungsenergie umgewandelt wird und über welches das Ober- und das Unterteil erregt wird.

Gemäß der DE 197 20 432 A1 ist ein elektronisches Teil, wie ein piezoelektrisches Element, mit einem Elektrodenmuster auf einem Substrat, beispielsweise aus Glasepoxidharz, in der Weise elektrisch verbunden, daß das piezoelektrische Element über eine untere Elektrode mittels eines leitenden Klebstoffs an dem Elektroden aufweisenden Substrat befestigt ist. Die untere Elektrode weist bevorzugt eine im Verhältnis zur Größe des piezoelektrischen Elements kleine Grundfläche auf und ist an einer Stelle des piezoelektrischen Elements plaziert, wo dieses eine Knotenpunkt der Vibration aufweist, d.h. nicht schwingt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Biegeelement für ein Schwingfördersystem anzugeben, dessen Aufbau einfach ist, das unter Verwendung gängiger Herstellungstechniken leicht herstellbar, robust und einfach montierbar ist und das trotzdem ein günstiges Verhältnis von Fördergeschwindigkeit zu angelegter Spannung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird mit einem Biegeelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Das Biegeelement läßt sich vorteilhaft in dem in der Patentanmeldung 100 05 934.1 beschriebenen Fördersystems einsetzen. Eine Ausführungsform einer in diesem Fördersystem enthaltenen Fördereinheit ist in der 3 gezeigt. Bei einer anderen Ausführungsform sind pro Fördereinheit zwei Gruppen von Biegeelementen vorgesehen. Für jede Gruppe ist ein eigenes Stellglied vorhanden. Die Biegeelemente der einen Gruppe sind einerseits mit der Freimasse, d.h. der Unterkonstruktion der Fördereinheit, und andererseits der mit der Nutzmasse, d.h. der fördernden Systemkomponente, und die der anderen Gruppe einerseits mit der Freimasse und anderereseits mit einer freischwingenden Hilfsmasse verbunden. Das eine Stellglied fungiert als Master, welche das als Slave fungierende andere Stellglied insbesondere synchron bezüglich der Schwingungsfrequenz steuert. Mit dieser Ausführungsform lassen sich die auf die Freimasse wirkenden Reaktionskräfte mindestens teilweise kompensieren, was zu einer beachtlich gleichmäßigen Förderung beiträgt.

Mit dem Biegeelement bzw. seinen vorteilhaften Ausgestaltungen läßt sich außerdem, wenn es beispielsweise in einer vorteilhaften Ausführungsform des in der genannten Patentanmeldung 100 05 934.1 beschriebenen Fördersystems eingesetzt wird, eine sehr günstige Energiebilanz erzielen. Für die gängigen Anwendungen genügen dabei 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 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 Biegeelements in eine Fördereinheit ist es günstig, wenn der obere Endbereich der Platte 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 Biegeelements ist der untere Endbereich der Platte 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 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 Biegeelements sind in den Unteransprüchen aufgeführt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von durch Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispielen detailliert beschrieben. Es zeigen
1 in perspektivischer Darstellung eine Ausführungsform des Biegeelements,
2 in schematischer Vorderansicht das in der 1 gezeigte Biegeelement,
2a in schematischer Seitenansicht das in den 1 und 2 gezeigte Biegeelement,
3 in schematischer Seitenansicht eine in der Patentanmeldung mit dem AZ.: 100 05 934.1 beschriebene Linearfördereinheit,
4 in schematischer Vorderansicht eine weitere Ausführungsform des Biegeelements,
4a in schematischer Seitenansicht das in der 4 gezeigte Biegeelement und
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 sind vorteilhaft und die Verbesserung läßt sich an ihnen anschaulich erläutern. Sie sind nur beispielhaft genannt und mannigfaltige Abweichungen von ihnen sind im Rahmen der Ansprüche möglich.
Die mechanischen Teile der Fördersysteme in den Ausführungsbeispielen bestehen aus mindestens einer Fördereinheit. Eine solche Fördereinheit besteht aus einem als Förderschiene dienenden Oberteil, auf welchem die Förderteile gleiten, einem Unterteil, welches üblicherweise – gegebenenfalls zusammen mit anderen Fördereinheiten – auf eine Grundplatte montiert ist (die Unterteile und die Grundplatte bilden die Unterkonstruktion des Fördersystems). Das Oberteil und das Unterteil sind durch mindestens ein Biegeelement miteinander verbunden.
Das in den 1, 2 und 2a gezeigte Biegeelement 71 weist eine rechteckige elastische Platte 72 aus Kunststoff auf. Die Platte besteht aus einem glasfaserverstärkten Faserverbundwerkstoff 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 Platte 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 Kupferschicht am unteren Ende der Platte mit einem piezoelektrischen Material 75, wie einer Piezokeramik, beschichtet. Am den unteren Endbereichen des piezoelektrischen Materials liegen zwei elektrisch mit einander verbundene, etwa senkrecht zur Längachse verlaufende Metallbügel 76 und 77 an. Die Metallbügel ragen beidseitig über die Platte hinaus. In die beiden überstehenden Enden sind Bohrungen 78 eingebracht, deren Achsen miteinander fluchten.
Die Biegeelemente 71 sind – wie es die 3 zeigt – zwischen dem Oberteil 5 und dem Unterteil 6 einer Fördereinheit positioniert, wobei sie 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 sind. 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 Kupferschichten sind mit je einem Ausgang eines Stellglieds 19 verbunden. Das Biegeelement bildet mit dem Oberteil einen Winkel γ zwischen etwa 10 und etwa 89° und bevorzugt zwischen etwa 60 und etwa 80°. Die in der 3 gezeigte Fördereinheit ist in der Patentanmeldung mit dem Az.: 100 05 934.1 beschrieben. Die Fördereinheit, bildet mit weiteren Fördereinheiten ein Schwingfördersystem. Die Fördereinheiten ruhen mit ihren Unterteilen 6 auf einer gemeinsamen Grundplatte 7, von der sie durch Gummscheiben 9 getrennt sind. Bei der anhand der 3 veranschaulichten Fördereinheit handelt es sich insbesondere um eine solche, bei der Mittel vorhanden sind, um die Erregungsfrequenz an die Resonanzfrequenz der zu erregenden Massen anzupassen. Diese Mittel sind bevorzugt in dem elektronisch steuerbaren Stellglied 19 enthalten, und können eine Wechselspannung oder eine Wechselladung erzeugen, deren Ausgangsfrequenz und Ausgangsamplitude variabel einstellbar sind. Bei einer vorteilhaften Ausführungform des in der Patentanmeldung mit dem Az.: 100 05 934.1 beschriebenen Fördersystems wird die in dem piezoelektrischen Material des Biegeelements aufgrund des piezoelektrischen Effekts erzeugte Elektrizität zurückgeführt und in den das Biegeelement treibenden Strom eingespeist. Die Zurückführung der erzeugten Elektrizität erfolgt beispielsweise in der Weise, daß sie in einen in der Endstufe des Stellglieds vorhandenen Ladungsspeicher über Dioden geleitet wird.
Typischerweise liegt der zur Längsachse des Biegeelements parallele 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 Platte 72 liegt zwischen etwa 0,4 und etwa 10 mm und bevorzugt zwischen etwa 2,5 und etwa 3,1 mm, die Piezokeramikschicht ist zwischen etwa 0,2 und 0,5 mm dick.
Das in den 4 und 4a gezeigte Biegeelement 81 unterscheidet sich von dem Biegeelement 1 hauptsächlich dadurch, daß die Beschichtung aus Kupfer nur im mittleren Bereich der Platte 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 Kupferschicht frei. 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 Biegeelements in einem Fördersystem 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 Wurfwinkel 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 einem entsprechend ausgestatteten, jedoch elektromagnetisch betriebenen Fördersystem.
In der 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

Biegeelement für ein Schwingfördersystem mit Piezoantrieb, welches eine elastische, längliche, einstückige Platte (72) aufweist, auf welche mindestens einseitig eine Schicht (75) aus einem piezoelektrischen Material aufgebracht ist, wobei an die Oberfläche der Platte (72) zur Schicht aus dem piezoelektrischen Material und an der von der Platte abgewandten Oberfläche der mindestens einen Schicht aus dem piezoelektrischen Material eine Stromzuführung (76) anliegt, die mit je einem Pol einer Elektrizitätsquelle verbunden sind, und wobei die Platte in ihren längsseitigen Endbereichen Elemente (73) aufweist, mit denen die Platte (72) an den zu erregenden Massen einer Fördereinheit befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (72) aus Kunststoff besteht und mit einem leitfähigen Material (74) beschichtet ist und daß sich die mindestens eine Schicht (75) aus dem piezoelektrischen Material auf dem leitfähigen Material (74) befindet.
Biegeelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff glasfaserverstärkt ist.
Biegeelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Endbereich der Platte (72) unbeschichtet ist, und sich in diesem Endbereich als Komponente zum Befestigen eine Bohrung (73) befindet.
Biegeelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung mit dem piezoelektrischen Material derart ausgebildet ist, daß ein Bereich am unteren Ende der Beschichtung der leitfähigen Schicht (74) freiliegt.
Biegeelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der untere Endbereich der Platte (72) unbeschichtet ist, und sich in diesem Endbereich als Komponente zum Befestigen eine Bohrung (83) befindet.
Biegeelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromzuführung einen Metallbügel (76) bildet, der mit beiden Enden über die Platte (72) hinausragt und dort je eine Bohrung (78) aufweist, und daß bei zweiseitiger Beschichtung die Metallbügel so einander gegenüberliegen, daß die Achsen der Bohrungen miteinander fluchten.
Biegeelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Metallbügel (76) mittels durch die Bohrungen (78) gesteckte Halteelemente zusammengehalten werden und dabei die Platte (72) zwischen sich einklemmen.
Biegeelement nach Anspruch 6 oder7, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Metallbügel (76) etwa senkrecht zu den Längsseiten am unteren Ende der Schicht (75) aus dem piezoelektrischen Material angeordnet ist und die Bohrungen (78) in dem mindestens einen Metallbügel als Komponenten zum Befestigen dienen.
Biegeelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß die Stromzuführung einen – bevorzugt – aufgedampften Leiterzug bildet.
Biegeelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß es über Halteelemente, mit welchen die Bohrungen (73, 78, (1) im Bereich der Endbereiche oder in den Metallbügeln (76) bestückt sind, mit dem oberen Endbereich am Oberteil (5) und mit dem unteren Endbereich am Unterteil (6) einer Fördereinheit oder an am Ober- und Unterteil angebrachten Klemmblöcken (79, 80) befestigt ist.
Biegeelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Halteelemente Schrauben, Nieten oder Bolzen sind, welche durch die Bohrungen (73, 78, 83) gesteckt sind.
Biegeelement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Bohrungen (73; 83) in Längsrichtung 18 bis 70 mm beträgt.
Biegeelement nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Platte (72) zwischen 2,5 und 10 mm liegt.
Biegeelement nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (75) aus dem piezoelektrischen Material zwischen 0,3 und 1 mm dick ist.
Biegeelement nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähige Schicht (74) aus – gegebenenfalls goldplattiertem – Kupfer besteht.