DE10210207B4

DE10210207B4 - Biegeelemente für Schwingfördersystem mit Piezoantrieb

Info

Publication number: DE10210207B4
Application number: DE10210207A
Authority: DE
Inventors: Kurt Buehner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-03-01
Filing date: 2002-03-01
Publication date: 2009-08-13
Anticipated expiration: 2022-03-02
Also published as: DE10210207A1

Abstract

Biegeelement für ein Schwingfördersystem (131) mit Piezoantrieb, wobei das Biegeelement (91, 101, 141) eine längliche Trägerplatte (72, 102, 144) aus einem federnden Kunststoff aufweist, auf welche beidseitig leitfähiges Material in Schichtform und eine darüberliegende Platte aus einem piezoelektrischen Keramikmaterial (75, 105, 145) (Piezokeramikplatte im folgenden) aufgebracht sind, wobei an der von der Trägerplatte (72, 102, 144) abgewandten Oberfläche der Piezokeramikplatten (75, 105, 145) je eine Stromzuführung anliegt, wobei die leitfähige Schicht und die Stromzuführung mit je einem Pol einer Elektrizitätsquelle verbunden sind, wobei die Trägerplatte (72, 102, 144) in Längsrichtung mit beiden Endbereichen über die Piezokeramikplatten (75, 105, 145) hinausragt und wobei Mittel vorhanden sind, um die Trägerplatte (72, 102, 144) am Ober- und am Unterteil einer Fördereinheit (133 bzw. 134, 143 bzw. 142) so zu fixieren, daß das Verhältnis der Abmessungen auf den Endbereichen (93, 94) zwischen dem einen Ende der Piezokeramikplatten (75) und der Fixierung am Oberteil...

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Biegeelement für ein Schwingfördersystem mit Piezoantrieb, wobei das Biegeelement eine längliche Trägerplatte aus einem federnden Kunststoff aufweist, auf welche beidseitig leitfähiges Material in Schichtform und eine darüberliegende Platte aus einem piezoelektrischen Keramikmaterial (Piezokeramikplatte im folgenden) aufgebracht sind, daß an der von der Trägerplatte abgewandten Oberfläche der Piezokeramikplatten je eine Stromzuführung anliegt, daß die leitfähige Schicht und die Stromzuführung mit je einem Pol einer Elektrizitätsquelle verbunden sind, daß die Trägerplatte in Längsrichtung mit beiden Endbereichen über die Piezokeramikplatten hinausragt und daß Mittel vorhanden sind, um die Trägerplatte am Ober- und am Unterteil einer Fördereinheit so zu fixieren, daß das Verhältnis der Abmessungen auf den Endbereichen zwischen dem einen Ende der Piezokeramikplatten und der Fixierung am Oberteil (im folgenden auch als Masse m₂ bezeichnet) und zwischen dem anderen Ende der Piezokeramikplatten und der Fixierung am Unterteil (im folgenden auch als Masse m₁ bezeichnet) ≥ 1,5 ist, und aus dem genannten Biegeelement weiterentwickelte Verbundbiegeelemente. Ein solches Biegeelement ist in dem US-Patent 4,795,025 beschrieben. Schwingfördersysteme sind aufgebaut aus mindestens einer Fördereinheit und einem Stellglied, welches die Erregungsenergie liefert. Eine Fördereinheit ist aufgebaut aus einem Oberteil, auf der üblicherweise die Förderschiene aufliegt, einem Unterteil, das auf der Basis der Fördereinheit aufliegt und mindestens einem Biegeelement, das mit dem Ober- und dem Unterteil verbunden ist, und in dem die Erregungsenergie in die Schwingungsenergie umgewandelt wird. Solche Fördereinheiten sind beispielsweise in dem DE-Gebrauchsmuster 200 06 248.4 und in DE 37 11 388 A1 beschrieben.
In dem oben genannten US-Patent 4,795,025 ist ein Biegewandler aus einer Trägerplatte mit darauf aufgebrachten piezokeramischen Platten beschrieben, der entweder über eine relativ weiche Biegefeder oder über eine Verlängerung der aus einem Stück bestehenden Trägerplatte mit dem Oberteil einer Schwingfördereinheit verbunden ist, wobei im letzteren Fall der Abstand der piezokeramischen Platten vom Oberteil größer ist als der Abstand zum Unterteil der Schwingfördereinheit und wobei der Bereich der Trägerplatte zwischen den piezokeramischen Platten und dem Oberteil Ausnehmungen aufweist, um eine weiche Ankopplung des Biegewandlers am Oberteil zu gewährleisten, was beinhaltet, daß die Trägerplatte am Ort des Oberteils mit relativ großer Schwingweite schwingt.
Auch in den JP-Abstracts-63 258 311 A ist ein piezoelektrischer Antriebsvibrator offenbart, bei dem eine piezoelektrische Platte so auf einem Träger plaziert ist, daß der Abstand zum Unterteil der Fördereinheit kleiner ist der zu ihrem Oberteil. Erreicht werden soll damit, daß das dem Oberteil zugewandte Ende der Trägerplatte mit größeren Schwingweiten schwingt. Die relativ großen Schwingweiten haben u. a. zur Folge, daß die Reibungskräfte relativ groß sind.
In der DE 37 11 388 A1 besteht das Biegeelement aus einem piezoelektrischen Wandler, der eine längliche, beidseitig mit einer piezokeramischen Platte versehenen Zwischenplatte aus Werkzeugstahl einer Rockwell-Härte > HRC 40 aufweist, die durch eine mit der Trägerplatte verschraubte Blattfeder in Richtung des Oberteils der Fördereinheit verlängert ist. Durch die Kombination der Zwischenplatte aus Werkzeugstahl mit einer Blattfeder wird offenbar erreicht, daß eine als erforderlich angesehene größere Schwingweite am Ort des Oberteils gewährleistet ist, wenn auch die Schraubverbindung zwischen der Biegefeder und der Zwischenplatte Kraft absorbiert. Vorallem ist aber das bekannte Biegeelement schwierig zu handhaben und störanfällig.
Weitere piezoelektrischer Wandler der genannten Art, bei denen die piezokeramischen Platten entlang der Längsachse des Wandlers in zwei oder mehr schmale piezokeramische Platten geteilt sind, beziehungsweise das Dickenverhältnis der piezokeramischen Platte zur Trägerplatte in einem bestimmten Bereich liegt, und bei denen auch relativ große Schwingweiten der Trägerplatten am Ort des Oberteils einer Schwingfördereinheit angestrebt werden, sind in den JP-Abstracts-62 235 789 A und 63 192 284 A beschrieben.
Die Erfindung und ihre Vorteile
Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfach aufgebautes Biegelement und einfach aufgebaute Verbundbiegeelemente mit bei den Betriebsbedingungen ausreichender Stabilität anzugeben, um eine relativ große piezoelektrisch in der Trägerplatte erzeugte Rückstellkraft mindestens zufriedenstellend zur Masse m₂ zu übermitteln, so daß die Masse m₂ stark beschleunigt werden kann.
Diese Aufgabe wird mit einem Biegeelement der eingangs genannten Art, mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1, und mit Verbundbiegeelementen mit den Merkmalen der Ansprüche 26 und 30 gelöst.
Der kompakte Aufbau des erfindungsgemäßen Biegeelements macht es zusammen mit dem an sich bekannten Merkmal, daß das Verhältnis der Abmessungen auf den Endbereichen zwischen dem einen Ende der Piezokeramikplatten und der Fixierung der Trägerplatte am Oberteil und zwischen dem anderen Ende der Piezokeramikplatten und der starren Fixierung der Trägerplatte am Unterteil 1,5 ist, möglich, am Ort der Masse m₂ die relativ hohe Federkonstante von 10⁵ N/m einzustellen, welche erforderlich ist, um eine relativ hohe Rückstellkraft am Ort der Masse m₂ bei kleiner Schwingweite y zur Wirkung zu bringen.
Bei Schwingvorgängen werden Kräfte entsprechend dem Hookschen Gesetz F = D·y (F = Kraft, D = Federkonstante, y = Schwingweite)erzeugt. Während beim o. g. St. d. T. gelehrt wird, den Faktor Schwingweite groß zu machen, wird erfindungsgemäß der Faktor Federkonstante im Hookschen Gesetz relativ zur Schwingweite groß gemacht.
Die Kraft F ist nach den Grundgesetzen der Mechanik F = m·a (a = Beschleunigung) und a = der 2. Ableitung der Schwingweite, d. h. F = m·ÿ (2)
Die Schwingweite der harmonischen Schwingung ist y = y0·sinωt (3).
Ihre erste Ableitung ist y . = –ω0 2·y0 sinωtund die zweite ÿ = –ω0 2·y0 sinωt = ω0 2·y0 (4).(4) eingesetzt in (2) ergibt: m·ω0 2·y = –D·y (5)und die Schwingerkenngröße des Systems aus Masse und Feder ist
D. h. einer hohen Federkonstante D entspricht eine hohe Resonanzfrequenz ω0 = 2π·f0.
Die fixierte Trägerplatte des erfindungsgemäßen Biegeelements hat am Ort von m₂ eine hohe Federkonstante, die (s. o) einer hohen Resonanzfrequenz entspricht. Wie sich aus der DE-GB-200 06 248.4 ergibt, ist es vorteilhaft ein Biegeelement mit einer Wechselspannung zu erregen, deren Frequenz f_A in der Nähe seiner Resonanzfrequenz f₀ liegt. Aus (5) (s. o.) folgt, daß die Beschleunigung a = –ω0 2·yist, und da die Beschleunigung a proportional dem Quadrat der Frequenz ist, wird die Beschleunigung beim Einsatz des erfindungsgemäßen Biegeelements wesentlich durch die Frequenz und nicht wesentlich durch die Schwingweite y bestimmt. Das erfindungsgemäße Biegeelement mit einer Trägerplatte aus einem Stück, dessen Querschnitt entlang seiner Längsachse ungefähr einheitlich ist, hat die Fähigkeit, in höheren Frequenzbereichen reproduzierbar zu schwingen und stellt damit eine aktive, progressive Feder dar.
Die erfindungsgemäßen Biegeelemente und Verbundbiegeelemente lassen sich mit in der Technik eingeführten, übliche Vorrichtungen einsetzenden Verfahrensschritten herstellen.
Die Kräfte, die auf die Masse m₂ übertragen werden, müssen erzeugt werden. Dies geschieht in den Piezokeramikplatten. Bei der elektrischen Anregung der Piezokeramikplatten werden diese verbogen. Voraussetzung für das Erzeugen einer Klemmkraft ist, daß sich beim Verbiegen eine Gegenkraft im Träger aufbaut. Dazu ist erforderlich eine kraftschlüssige Verbindung zwischen Piezokeramikplatten und Trägerplatte, die über mindestens eine Zwischenschicht miteinander verbunden sind. Zur Kraftschlüssigkeit tragen bei: geringe Elastizität des Bereichs zwischen Piezokeramikplatte und Trägerplatte, was durch praktisch starre Piezokeramikplatten und eine Trägerplatte mit einer hohen Federkonstanten erreicht wird, und sehr feste Verbindungen zwischen der Piezokeramikplatte und der an sie grenzenden Zwischenschicht, zwischen den Zwischenschichten (sofern es mindestens zwei sind) und zwischen der Trägerplatte und der an sie grenzenden Zwischenschicht. Die hohe Federkonstante in dem an die Piezokeramikplatten grenzenden Bereich stellt sicher, daß auch am Ort der m₂, die außerhalb dieses Bereichs an die Trägerplatte angekoppelt ist, die Federkonstante hoch gehalten werden kann, d. h. die Kraftschlüssigkeit und mit ihr die hohe Federkonstante stellt eine Kraftübertragung mit geringen Verlusten und damit zusammenhängend sehr guter Reproduzierbarkeit sicher.
In den Unteransprüchen sind Maßnahmen angegeben, um feste Verbindungen zwischen den Zwischenschichten bzw. Platten sicherzustellen. Optimal fest sind die Piezokeramikplatten und die Trägerplatte verbunden, wenn auf die Piezokeramikplatten eine Metallisierung aufgedampft ist, wenn, sofern auf die Trägerplatte mindestens in dem von den Piezokeramikplatten bedeckten Bereichen eine Metallschicht aufgebracht ist, diese mit der aufgedampften Schicht unter Druck und Temperatur verlötet ist, wenn die Metallschichten an die Trägerplatte mittels eines Kunststoffs, wie Epoxidharz, geklebt sind, welcher in vorpolymerisiertem Zustand auf die Metallschicht aufgebracht worden ist, anschließend mit der Tägerplatte in Kontakt gebracht worden ist, und dann unter Druck und Temperatur ausgehärtet worden ist, und wenn, sofern auf die Trägerplatte keine Metallschicht aufgebracht ist, die Trägerplatten und die Metallisierung auf den Piezokeramikplatten in der genannten Weise zusammengeklebt sind.
Ursprünglich ging man bei der Schwingfördertechnik von der magnetischen Anregung (Magnettechnik) aus, bei der bei Netzfrequenz erregt wird. Typisch für diese Technik ist, daß die Teile beim Fördern geworfen werden. Typisch für diese Bewegungsform sind Schwingungen der Förderschiene mit großer Schwingweite in der Förderrichtung, wobei dieser Bewegung eine beachtliche vertikale Komponente überlagert ist. Diese Bewegungsform wurde auch weiter beibehalten, als man von der Magnettechnik auf die Anregung aufgrund des inversen piezoelektrischen Effekts überging. Das Werfen hat gravierende Nachteile. Beispielsweise ist die Bewegung nicht gleichmäßig und unregelmäßig geformte Teile aus einem leichten Material, wie Styropor, lassen sich nur schlecht oder gar nicht bewegen.
Mit der Erfindung läßt sich erreichen, daß Teile nicht geworfen werden, sondern gleichmäßig gleiten. Typisch für die Gleitbewegung sind häufige, kurze kräftige Stöße, die den Förderteilen versetzt werden, wobei die vertikale Komponente der Beschleunigung sehr gering ist. Die Gleitbewegung der Förderteile läßt sich erreichen, indem man die Biegeelemente und die an sie gekoppelte Masse m₂ mit relativ hoher Frequenz (100 Hz) bei ausreichender Schubkraft betreibt.
Die geringe vertikale Beschleunigung bei der gleichmäßigen Gleitbewegung läßt sich beispielsweise vorteilhaft realisieren, indem der Winkel, den das PKF-Element mit der Förderschiene bildet, fast (nicht ganz) 90° gemacht wird.
Bei Einsatz des erfindungsgemäßen Biegelements bzw. der erfindungsgemäßen Verbundbiegeelemente lassen sich beispielsweise leichte, komplex geformte Styroporteile, ohne daß sie Ihre Lage zur Förderschiene ändern, und auf ihrer Basis stehende, säulenförmige Gebilde, wie senkrecht auf ihrem stumpfen Ende stehende Bleistifte, fördern, ohne daß sie umfallen.
Um die mit dem inversen piezoelektischen Effekt erzeugbare Klemmkraft zu steigern kann man die Dicken der Piezokeramikplatten erhöhen, was aus konstruktiven Gründen im allgemeinen möglich ist. Wegen der großen Starrheit dicker Piezokeramikplatten wird dann aber ab einer bestimmten Dicke die Übertragung der erzeugten Klemmkraft immer ineffektiver. Diesem Problem kann man in vorteilhafter Weise begegnen, wenn die Piezokeramikplatten in nebeneinander liegende voneinander getrennte und etwa parallel zur Längachse ausgerichtete Streifen aufgeteilt sind. Außerdem werden durch diese Maßnahme Querkräfte (senkrecht zur Längsachse) vermindert.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Biegeelements und der erfindungsgemäßen Verbundbiegeelemente Verfahrens sind in den Unteransprüchen offenbart.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von durch Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigen
1 in schematischer Darstellung die Vorderansicht einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Biegeelements,
2 in schematischer Seitenansicht ein vergrößerter Ausschnitt aus dem in der 1 gezeigten Biegeelement,
3 in schematischer Vorderansicht eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Biegeelements,
4 die in der 3 gezeigte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Biegeelements in schematischer Seitenansicht,
5 in schematischer Seitenansicht eine Ausführungsform eines aus mindestens zwei Biegeelementen der in den 1 bis 4 gezeigten Art gebildeten erfindungsgemäßen Verbundbiegeelements,
6. eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verbundbiegeelements in schematischer Seitenansicht,
7 eine Fotografie einer Schwingfördereinheit in Seitenansicht, in welches das erfindungsgemäße Biegeelement bzw. die erfindungsgemäßen Verbundbiegeelemente eingebaut sein können, (Fortsetzung auf der ursprünglichen Seite 7 der Beschreibung)
8 in schematischer Darstellung die Anordnung des erfindungsgemäßen Biegeelements zu dem Ober- und Unterteil einer Schwingfördereinheit, wobei gleichzeitig einige Parameter veranschaulicht werden,
9a in einem Diagramm die Beziehung zwischen der Schwingweite y und der angelegten elektrischen Spannung bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Biegeelements,
9b in einem Diagramm für dieselbe Ausführungsform des erfindungsgemäßen Biegeelements, die bei der 8a zugrundeliegt, die Beziehung zwischen der angelegten elektrischen Spannung und der übermittelten Kraft, und
10 in einem Diagramm die Abhängigkeit der Schwingweite y vom Unterschied zwischen der Resonanzfrequenz f₀ des aus einem PKF-Element und einer Masse gebildeten Schwingers und der Frequenz f_A der angelegten Wechselspannung.
Die Erfindung wird insbesondere anhand von Biegeelementen bzw. Verbundbiegeelementen beschrieben, welche eine Trägerplatte aus glasfaserverstärktem Epoxid enthalten. Diese Ausführungsformen der der Erfindung sind besonders vorteilhaft und es lassen sich an ihnen die Vorteile der Erfindung besonders anschaulich erläutern, es sei aber klargestellt, daß von ihnen im Rahmen der Ansprüche mannigfaltige Abweichungen möglich sind.
Das in der 1 in Vorderansicht und als Ausschnitt in der 2 in Seitenansicht gezeigte Biegeelement 91, enthält eine rechteckige Trägerplatte 72 aus einem federnden Material, bevorzugt aus einem glasfaserverstärkten Epoxidharz, wie dem unter dem Handelsnamen Scotchply von der 3 M Company vermarktete Produkt, auf die beidseitig eine zwischen etwa 10 und etwa 30 μm dicke Metallfolie 74, bevorzugt aus Kupfer, aufgebracht und bevorzugt mit Epoxidharz aufgeklebt ist (Herstellung der Klebeverbindung s. u.), und die in den auf die Längsachse bezogenen Endbereichen 93 und 94 je eine Bohrung 73 aufweist, die zur Fixierung des Biegeelememts an dem Ober- und dem Unterteil einer Fördereinheit dienen und nahe beim unteren und oberen Ende der Trägerplatte positioniert sind. Die Metallfolie hat etwa dieselbe Breite wie die Trägerplatte, ist aber kürzer als diese. Die Metallfolie ist so auf der Trägerplatte positioniert, daß die überstehenden Endbereiche 93 und 94 der Platte ungleich lang sind. Dabei gilt, daß das Verhältnis der Abmessungen auf den Endbereichen zwischen dem einen Ende der Piezokeramikplatten und der Fixierung am Oberteil und zwischen dem anderen Ende der Piezokeramikplatten und der Fixierung am Unterteil der Fördereinheit ≥ 1,5 ist. Beim eingebauten Biegeelement ist der längere Endbereich 93 mit dem Oberteil der Fördereinheit verbunden. Mit der Metallfolie ist eine beidseitig mit einer aufgedampften Metallisierung 92, bevorzugt aus Silber, versehene Piezokeramikplatte 75 fest verbunden, welche etwa gleich groß wie die Metallfolie ist und diese abdeckt. Die Metallfolie und die von der Trägerplatte abgewandten Metallisierung auf den Piezokeramikplatten sind an Kontaktpunkten 95 und 96 elektrisch kontaktiert.
Um ohne Einbuße bei der Klemmkraft die Biegefähigkeit zu verbessern, bestehen bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des in 1 gezeigten Biegeelements die metallisierten Piezokeramikplatten aus von einander getrennten, nebeneinander liegenden, und etwa parallel zur Längsachse der Trägerplatte verlaufenden Streifen. Bei jedem der Streifen ist die von der Trägerplatte abgewandte Metallisierung elektrisch kontaktiert.
Bei dem in den 3 und 4 gezeigten Biegeelement 101 sind aus einer Trägerplatte 102 Vertiefungen 103 (Tiefe typischerweise 0,8 mm) zur Aufnahme beidseitig mit einem Silberbelag versehener Piezokeramikplatten 105 herausgefräst, so daß diese allenfalls über einen Teil ihrer Dicke aus der Trägerplattenoberfläche herausragen. Bevorzugt wird bei dieser Ausführungsform auf eine Kupferfolie auf der Trägerplatte verzichtet und der Silberbelag auf der der Trägerplatte zugewandten Seite der Piezokeramikplatten ist mit Epoxidharz – wie oben in Zusammenhang mit dem Aufkleben der Kupferfolie beschrieben – auf die Trägerplatte aufgeklebt. Die Silberbeläge sind an den Stellen 95 und 96 elektrisch kontaktiert. Durch Variieren der Abmessung C (s. o.) wird die Federkonstante verändert. Für L wird ein kleiner Wert angestrebt (typischerweise ca. 60 bis 70 mm); die Abmessung D steht in Beziehung zu L. Die Abmessungen B und E sind nicht kritisch.
In einem aus mindestens zwei identischen Biegeelementen gebildeten Verbundbiegeelement 111 sind mindestens zwei Biegeelemente 91 oder mindestens zwei Biegeelemente mit der o. g. Ausgestaltung, bei der die Piezokeramikplatten aus nebeneinander liegenden Streifen bestehen, oder mindestens zwei Biegeelemente 101 so nebeneinander angeordnet, daß die Projektion der beidseitig mit Silber bedampften Piezokeramikplatten 105 aufeinander in Richtung ihrer Normalen zusammenfällt. Die Verbindung der Biegeelemente erfolgt entweder derart, daß einander zugewandte Metallisierungen benachbarter Biegeelemente miteinander verlötet oder verklebt werden oder, daß zwischen den Enden von je zwei Biegeelementen Abstandsstücke 97 eingefügt werden, die eine Berührung einander zugewandter Metallisierungen verhindern, wobei die Abstandsstücke entweder mit den Trägerplatten, zwischen denen sie positioniert sind, fest verbunden sind oder von Mitteln, wie Schrauben, an ihrem Platz gehalten werden, die ohnehin erforderlich sind, um die Biegeelemente an dem Unter- bzw. dem Oberteil einer Fördereinheit zu befestigen. Bei dem Verbundbiegeelement 111 ist im Vergleich zu den Biegeelementen mit nur einer Trägerplatte die Klemmkraft ohne Einbuße bei der Biegefähigkeit erhöht.
Alternativ können anstelle des Einbaus von Abstandsstücken Trägerplatten vorgesehen werden, deren Endbereiche eine so viel größere Dicke aufweisen, als die Bereiche, auf denen die Piezokeramikplatten aufgebracht sind, daß die Piezokeramikplatten nicht über die Oberfläche der Endbereiche hinausragen. In Frage kommen für diese Ausführungsform entsprechend ausgestattete Biegeelemente 101.
Bei einer weiteren in der 6 gezeigten Variante eines erfindungsgemäßen Verbundbiegeelement 121 ist nur eine – bevorzugt – wie beim Biegeelement 101 ausgebildete Trägerplatte 122 vorgesehen, und auf jeder Seite der Trägerplatte ist dieselbe Anzahl von mindestens zwei beidseitig mit Silber beschichteten Piezokeramikplatten 105 übereinandergeschichtet, wobei die übereinan-dergeschichteten Piezokeramikplatten 105 und die unterste Piezokeramikplatte 105 von der Trägerplatte jeweils durch ein Schicht 123 aus gehärtetem Epoxidharz getrennt sind.
Zur Herstellung des in den 1 und 2 gezeigten Biegeelements 91 wird ausgegangen von einer rechteckigen Trägerplatte aus glasfaserverstärktem Epoxidharz, wie Skotchply-Material. Die Oberflächen der Trägerplatte werden aufgerauht und mit Alkohol gereinigt. Dann wird beidseitig eine bevorzugt zwischen etwa 10 und etwa 30 μm dicke Metallfolie 74, wie eine Kupferfolie, die einseitig mit einer Schicht aus nichtgehärtetem, d. h. vorpolymerisierten Epoxidharz (Epoxidharz im "End-B"-Zustand) beschichtet ist, mit der Epoxidschicht auf die Trägerplatte aufgebracht und unter Anwendung von Hitze und Druck mit der Trägerplatte verbunden. Bei dieser Operation wird auch das vorpolymerisierte Epoxidharz gehärtet, d. h. in den "C"-Zustand überführt. In die auf die Längsachse bezogenen Endbereiche 93 und 94 der Trägerplatte 72 werden Löcher 73 eingebracht, um das Biegeelement an dem Unter- und dem Oberteil einer Fördereinheit befestigen zu können.
Parallel dazu werden dünne, bevorzugt zwischen etwa 0,3 und etwa 5 mm dicke Piezokeramikplatten auf eine solche Größe geschnitten, daß die Breite etwa gleich der der Trägerplatte und ihre Länge kürzer als die der Trägerplatte ist. Auf die Piezokeramikplatten 75 wird beidseitig eine Metallisierung 92, bevorzugt aus Silber, aufgedampft.
Zwei Piezokeramikplatten 75 werden mit den Metallfolien 74 auf der Trägerplatte 72 aus glasfaserverstärktem Epoxidharz derart verbunden, daß die über die Piezokeramikplatte hinausragenden Endbereiche 93 und 94 der Trägerplatte ungleich lang sind und und eine Fixierung an der Fördereinheit ermöglichen, die dem oben definierten Abmessungsverhältnis genügt. Das Verbinden erfolgt durch Kleben mit einem Metallkleber, wie einem metallisierten Epoxid-Kleber, oder durch Verlöten gemäß der Reflowtechnik bei Hitze und Druck unter Vermittlung von Lötpaste. Die Metallfolie und die Metallisierung auf der von der Trägerplatte abgewandten Oberfläche der Piezokeramikplatten werden mit Lötanschlüssen versehen. Anschließend wird zur elektrischen Isolation die freiliegenden Bereiche der Metallfolie 74 weggeätzt.
Die Herstellung des Biegelemente, bei dem die metallisierten Piezokeramikplatten aus von einander getrennten, nebeneinander liegenden, und etwa parallel zur Längsachse der Platte verlaufenden Streifen bestehen, des Biegeelements 101 und der Verbundbiegeelemente 111 und 121 erfolgt mit demselben Verfahren in entsprechend abgewandelter Form.
Die in der 7 gezeigte Fördereinheit 131 (Sie dient der Veranschaulichung und ist nicht maßstabsgerecht) gehört zu einem Schwingfördersystem wie es in dem DE-GB 200 06 248.4 beschrieben ist. Es weist ein Oberteil 132 mit einer Laufschiene 133, eine Bodenplatte 134 mit einem Unterteil 135 und zwei identische das Oberteil und das Unterteil verbindende Biegeelemente, welche von einem der oben beschriebenen Biegeelemente, wie den Biegeelementen 91, bzw. von einem Verbundbiegeelement gebildet werden können und welche mittels der Schrauben 137 am Ober- und Unterteil befestigt sind, und eine elektronische Ansteuerung 136, mit welcher die Biegeelemente elektrisch verbunden sind und welche die Antriebsenergie liefert.
Die 8 zeigt beispielhaft eine Variante der Verbindnung eines erfindungsgemäßen Biegeelements 141 einerseits mit dem Unterteil 142 (m₁) einer Fördereinheit und andererseits mit einer das Oberteil der Fördereinheit symbolisierenden Masse m₂ 143 und die Schwingungsmöglichkeiten der so verbundenen Trägerplatte 144. Das Biegeelement (bzw. die Trägerplatte) hat eine Gesamtlänge von ca. 65 mm. Auf die Trägerplatte sind beidseitig Piezokeramikplatten 145 aufgebracht, die kürzer als die Trägerplatte sind, wobei das untere über die Piezokeramikplatten hinausragende Ende der Trägerplatte kürzer als das obere über die Piezokeramikplatten hinausragende Ende ist. Das Unterteil 142 hat einen Schlitz 146, in den das untere Ende der Trägerplatte eintaucht und mit – nicht gezeigten – Fixierungsmitteln verankert ist. Die Masse m₂ hat ebenfalls einen Schlitz 147, in den das obere Ende der Trägerplatte eintaucht. Wird diese Anordnung mit einer Wechselspannung höherer Frequenz (100 Hz) zum Schwingen erregt, so ist das untere Ende der Trägerplatte sehr stabil, praktisch starr, mit dem Unterteil verbunden. Im Bereich der Piezokeramikplatten schwingt die Trägerplatte trotz der kraftschlüssigen Verbindung mit den Piezokeramikplatten aufgrund der Resonanzüberhöhung (s. 10) mit einer kleinen Schwingweite y₁ und im Bereich der Masse m₂ je nach der Tiefe des Eintauchens mit einer entsprechend dem Hebelgesetz vergrößerten Schwingweite y₂. Umgekehrt zu dem Verhältnis y₂:y₁ ist die an der Masse m₂ wirkende (Rückstell)-Kraft F₂ kleiner wie die erregende Kraft F₁ (Klemmkraft im Bereich der Piezokeramikplatte). Die Masse m₂ wird mit a beschleunigt, wobei a im wesentlichen von der Arbeitsfrequenz und somit von der Federkonstanten abhängt.
Wird das erfindungsgemäße, in eine Schwingfördereinhait eingebaute Biegeelement mit einer Wechselspannung einer Frequenz ≥ 100 Hz, erregt, erhält man Ergebnisse die den Diagrammen der 9a und 9b zu entnehmen sind, in denen die erhaltenen Schwingweiten und übertragenen Kräfte über der angelegten Spannung aufgetragen sind. Man ersieht aus der 9a, daß die erzeugten Schwingwege sehr klein sind, und aus der 9b, daß die erzeugten Kräfte beachtlich groß sind. Dieses Ergebnis ist möglich, weil das erfindungsgemäße Biegeelement eine große Federkonstante hat.
Mit einer der das erfindungsgemäße Biegeelement enthaltenden Fördereinheit, wie der Fördereinheit 131, kann man erreichen, daß Förderteile mit unterschiedlichen Formen, unterschiedlichen Gewichten, unterschiedlichen Dichten und unterschiedlicher Lage des Schwerpunkts auf der Förderschiene ruhige, gleichmäßige Gleitbewegungen ausführen, indem die notwendige Beschleunigung bei Anwendung einer relativ hohen Antriebsfrequenz bei gleichzeitig entsprechend erniedrigter Schwingweite entsprechend der Gleichung a = ω2·yerzeugt wird, wobei a die Beschleunigung, ω die Antriebsfrequenz und y die Schwingweite ist. Dabei wird die erforderliche Beschleunigung trotz sehr kleiner Schwingweite y erreicht, indem mit dem Biegeelement eine hohe Federkonstante D bereitgestellt wird und dieses mit hoher Frequenz (100 Hz) betrieben wird.
Die Beschleunigung läßt sich noch steigern, wenn die Masse m₂ bzw. das Oberteil der Schwingfördereinheit mit einer Frequenz f_A erregt wird, welche der Resonanzfrequenz f₀ des aus dem Biegeelement und der Masse m₂ gebildeten Schwingers nahe kommt (aber nicht mit ihr zusammenfällt). Man erhält, wie die 10 zeigt, eine die Schwingweite y_st (statische Auslenkung) erhöhende Resonanzaus lenkung y₀.
Bei einem Anwendungsbeispiel, wobei eine Fördereinheit eingesetzt wurde, wie sie in der 7 gezeigt ist, und die mit Biegeelementen 91 bestückt war, wurde unter den folgenden Bedingungen gefördert:
Länge des Biegelements: 65 mm
Breite des Biegeelements: 15 mm
Dicke der Trägerplatte: 4 mm
Frequenz: ca. 350 Hz
Schwingerkenngröße f₀ (ohne Förderschiene):
ca. 21000 Schwingungen/min)
Gewicht der Förderschiene: 0,2 kg
maximales Gewicht der Förderteile : ca. 20 g/Stück
mittlere Fördergeschwindigkeit: ca. 8–9 m/min elektrische Betriebswerte: Antriebsspannung 200 V eff.
Antriebsstrom: 30 mA
Phasenwinkel zwischen Spannung und Strom: ca. 70°
elektrische Antriebsleistung: 2,5 Watt
Elektronisches Ansteuergerät für 50–400 Hz, 0–200 V,
Leistung 10 VA.
Bei einem weiteren Anwendungsbeispiel wurde ein Biegeelement mit folgenden Parametern eingesetzt:
Länge: 65 mm
Breite: 58 mm
Dicke der Trägerplatte: 7 mm
Das Biegeelement wurde geprüft, indem das untere Ende starr mit dem Unterteil (m₁) verbunden wurde, und das obere Ende mit einer Prüfmasse m₂ mit einer Masse von 0,26 kg verbunden wurde. Die Schwingerkenngröße
lag bei ca. 2200 Schwingungen/sec.). Es wurde mit einer Frequenz von ca. 350 Hz (ω₀ = 2π·f₀), gearbeitet, die in der Nähe der Resonanzfrequenz lag, aber nicht mit dieser zusammenfiel.
Die Beschleunigung a₀ an der Masse m₂ war = +/– 110 g (g = 9,806 m/s²) die an der Masse m₂ angreifende Kraft F₂ war m₂·a_o = 0,26 kg·1100 m/s² = ca. 287 N. Die daraus resultierende Federkonstante war Dr = ω0 2·m2 = (2π·f0)2·m2 = 39,4·3502·0,26 = 39,4·122500/s2·0,26 kg = 10,25·122500 kg/s2 = 12,6·105 N/mSchwingweite y₂ am Ort der Masse m₂: ca. 150 μm
Mit solchen Biegeelementen wurde eine Fördereinheit bestückt (zwei Biegeelemente/Fördereinheit), wie sie in der 7 gezeigt ist. Das verwendete elektronische Ansteuergerät war für 100–400 Hz, 0–200 V und eine Leistung von 20 VA ausgelegt. Mit der Fördereinheit wurden Teile gefördert, wobei die Förderparameter wie folgt waren:
mittlere Fördergeschwindigkeit: ca. 8–9 m/min
elektrische Betriebswerte: Antriebsspannung 200 V eff.
Antriebsstrom: 30 mA
elektrische Antriebsleistung: ca. 10 VA
(zugehörige elektrische Wirkleistung: ca. 5 Watt)

Claims

Biegeelement für ein Schwingfördersystem (131) mit Piezoantrieb, wobei das Biegeelement (91, 101, 141) eine längliche Trägerplatte (72, 102, 144) aus einem federnden Kunststoff aufweist, auf welche beidseitig leitfähiges Material in Schichtform und eine darüberliegende Platte aus einem piezoelektrischen Keramikmaterial (75, 105, 145) (Piezokeramikplatte im folgenden) aufgebracht sind, wobei an der von der Trägerplatte (72, 102, 144) abgewandten Oberfläche der Piezokeramikplatten (75, 105, 145) je eine Stromzuführung anliegt, wobei die leitfähige Schicht und die Stromzuführung mit je einem Pol einer Elektrizitätsquelle verbunden sind, wobei die Trägerplatte (72, 102, 144) in Längsrichtung mit beiden Endbereichen über die Piezokeramikplatten (75, 105, 145) hinausragt und wobei Mittel vorhanden sind, um die Trägerplatte (72, 102, 144) am Ober- und am Unterteil einer Fördereinheit (133 bzw. 134, 143 bzw. 142) so zu fixieren, daß das Verhältnis der Abmessungen auf den Endbereichen (93, 94) zwischen dem einen Ende der Piezokeramikplatten (75) und der Fixierung am Oberteil (133, 143) und zwischen dem anderen Ende der Piezokeramikplatten und der Fixierung am Unterteil (134, 142) 1,5 ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff ein faserverstärkter Duroplast oder ein faserverstärkter Thermoplast ist, daß die Trägerplatte (72, 102, 122, 144) bezogen auf eine Länge von typischerweise 60 bis 70 mm zwischen etwa 4 und 20 mm dick ist und daß die Federkonstante der fixierten Trägerplatte (72, 102, 144) am Ort der Fixierung am Oberteil (133, 143) ≥ 10⁵ N/m ist.
Biegeelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerplatte (72, 102, 144) und die Piezokeramikplatten (75, 105, 145) derart kraftschlüssig verbunden sind, daß die erzeugbare Rückstellkraft nahezu gleich der zu übertragenden Klemmkraft ist.
Biegeelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Duroplast ein Material aus der Gruppe Epoxidharze, gehärtete UP-Harze, Phenol- und Furanharze, und der Thermoplast, ein Material aus der Gruppe Polyamide, Polycarbonate, Polyacetale, Polyphenylenoxide und -sulfide, Polypropylene und Styrol-Copolymere ist.
Biegeelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der faserverstärkte Duroplast ein glasfaserverstärktes Epoxidharz ist.
Biegeelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerplatte (72, 102, 144) zwischen 6 und 12 mm dick ist.
Biegeelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Abmessungen auf den Endbereichen (93, 94) der Trägerplatte (72, 102, 144) zwischen dem einen Ende der Piezokeramikplatten (75, 105, 145) und der Fixierung am Oberteil (133, 143) und zwischen dem anderen Ende der Piezokeramikplatten (75, 105, 145) und der Fixierung am Unterteil (134, 142) zwischen etwa 2 und etwa 20 liegt.
Biegeelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen etwa 5 und etwa 10 liegt.
Biegeelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das leitfähige Material metallisch ist.
Biegeelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Material in Schichtform im wesentlichen aus Kupfer, Silber, Gold, einer Verbundschicht aus mindestens zwei Schichten aus je einem der drei genannten Metalle oder einer seiner Legierungen besteht.
Biegeelement nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Material eine Metallisierung (92) auf den Piezokeramikplatten (75, 105, 145) ist.
Biegeelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallisierung (92) aufgedampft ist.
Biegeelement nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallisierung (92) mit einer Schicht aus einem Klebstoff versehen worden ist, daß der Klebstoff mit der Trägerplatte (102) kontaktiert worden ist und daß die Trägerplatte (102) und die Piezokeramikplatten (105) unter Anwendung von Wärme zusammengepreßt worden sind.
Biegeelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zu dem metallischen Material zusätzlich eine auf die Trägerplatte (72, 102, 144) aufgebrachte Metallschicht (74) gehört.
Biegeelement nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß als Metallschicht (74) eine Kupferfolie dient, die auf die Trägerplatte (72, 102, 144) geklebt ist.
Biegeelement nach Anspruch 12 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Klebstoff vorpolymerisiertes Epoxidharz ist und beim Zusammenpressen gleichzeitig das Epoxidharz ausgehärtet worden ist.
Biegeelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallisierung (92) auf den Piezokeramikplatten (75, 105, 145) unter Erwärmen und Druckanwendung mit der Metallschicht (74) verlötet worden ist.
Biegeelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht (74) und die Metallisierung (92) mit einem Metallkleber zusammengeklebt sind.
Biegeelement nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Klebstoff ein metallisieres Epoxidharz ist.
Biegeelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerplatte (72, 102, 144) mit der Metallschicht (74) nur in dem den Piezokeramikplatten (75, 105, 145) gegenüber liegenden Bereich und dort bedeckt ist, wo die Metallschicht (74) als Kontaktpunkt (95) dient.
Biegeelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezokeramikplatten (75, 105, 145) und die Trägerplatte (72, 102, 144) verbunden sind, indem auf die Piezokeramikplatten (75, 105, 145) eine Metallisierung (92) aufgedampft ist, indem, sofern auf die Trägerplatte (72, 102, 144) mindestens in dem von den Piezokeramikplatten (75, 105, 145) bedeckten Bereich eine Metallschicht (74) aufgebracht ist, diese mit der aufgedampften Metallisierung (92) unter Druck und Temperatur verlötet ist, indem die Metallschicht (74) an die Trägerplatte (72, 102, 144) mittels eines Kunststoffs, wie Epoxidharz, geklebt ist, welcher in vorpolymerisiertem Zustand auf die Metallschicht (74) aufgebracht worden ist, anschließend mit der Trägerplatte (72, 102, 144) in Kontakt gebracht worden ist, und dann unter Druck und Temperatur ausgehärtet worden ist, und indem, sofern auf die Trägerplatte (72, 102, 144) keine Metallschicht aufgebracht ist, die Trägerplatte (72, 102, 144) und die Metallisierung (92) auf den Piezokeramikplatten (75, 105, 145) in der genannten Weise zusammengeklebt sind.
Biegeelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß in die unter den Piezokeramikplatten (75, 105, 145) herausragenden Endbereiche der Trägerplatte (72, 102, 144) als Mittel zu deren Fixieren an einer Schwingfördereinheit (131, 141) je mindestens ein Loch (73) eingebracht wird.
Biegeelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezokeramikplatten (75, 105, 145) in nebeneinander liegende voneinander getrennte und etwa parallel zur Längachse der Trägerplatte (72, 102, 144) ausgerichtete Streifen aufgeteilt ist.
Biegeelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezokeramikplatten (75, 105, 145) 3 etwa 0,3 mm dick sind.
Biegeelement nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezokeramikplatten (75, 105, 145) etwa 0,5 bis etwa 5 mm dick sind.
Biegeelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezokeramikplatten (105) in flache Vertiefungen (103) in den Trägerplatten (102) eingebracht sind, so daß diese allenfalls teilweise über die Oberfläche der Trägerplatte (102) außerhalb der Vertiefungen (103) hinausragen.
Verbundbiegeelement, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Biegeelemente (91, 101, 141) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 25 derart vereinigt sind, daß sie parallel zueinander liegen und die Projektionen der Biegeelemente (91, 101, 141) aufeinander parallel zu ihrer Normale zusammenfallen.
Verbundbiegeelement nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß von der Trägerplatte (72, 102, 144) abgewandte Stromzuführungen benachbarter Biegeelemente (91, 101, 141) phasenrichtig miteinander verlötet sind.
Verbundbiegeelement nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Endbereichen (93, 94) der Trägerplatten (72, 102, 144) Abstandsstücke (97) vorgesehen sind, welche einen Kontakt von den Trägerplatten (72, 102, 144) abgewandter Stromzuführungen benachbarter Biegeelemente (91, 101, 141) verhindern.
Verbundbiegeelement nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Endbereiche der Trägerplatten (72, 102, 144) so verdickt sind, daß ein Kontakt von der Trägerplatte (72, 102, 122, 144) abgewandter Stromzuführungen benachbarter Biegeelemente (91, 101, 141) verhindert ist.
Verbundbiegeelement, dadurch gekennzeichnet, daß auf ein Biegeelement (121) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 25 auf die vorhandenen Piezokeramikplatten (105) je noch mindestens eine weitere Piezokeramikplatte (105) aufgebracht ist, wobei zwischen den Piezokeramikplatten (105) je eine Isolierschicht aufgebracht ist.
Biegeelement oder Verbundbiegeelement nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es bei Frequenzen 100 Hz einsetzbar ist.
Biegeelement bzw. Verbundbiegeelement nach Anspruch 31 dadurch gekennzeichnet, daß es bei Frequenzen zwischen etwa 200 und etwa 500 Hz einsetzbar ist.
Biegeelement oder Verbundbiegeelement nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Beschleunigungen zwischen ≥ 200 m/s² erzeugt werden können.
Biegeelement oder Verbundbiegelement nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß Beschleunigungen zwischen etwa 500 und etwa 1000 m/s² erzeugt werden können.
Biegeelement oder Verbundbiegeelement nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen der Förderschiene einer Schwingfördereinheit und der Längsachse des Biegeelements (141) auf fast aber nicht ganz 90° eingestellt ist.
Biegeelement bzw. Verbundbiegeelement nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit ihm Teile gleichmäßig gleitend gefördert werden.
Biegeelement bzw. Verbundbiegeelement nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es mit einer Frequenz f_A erregbar ist, welche fast gleich der Resonanzfrequenz f₀ des Schwingers ist, aber nicht mit ihr zusammenfällt.