DE202012104158U1

DE202012104158U1 - Piezo spring element

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Publication number: DE202012104158U1
Application number: DE202012104158U
Authority: DE
Original assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 2012-10-30
Filing date: 2012-10-30
Publication date: 2013-11-05
Anticipated expiration: 2022-10-31

Abstract

Piezofederelement (13), insbesondere zur Verwendung für einen Schwingförderer, aufweisend einen Trägerkörper (15) und zwei mit dem Trägerkörper (15) in Verbindung stehendene piezoelektrische Aktoren (23a, 23b), wobei die piezoelektrischen Aktoren (23a, 23b) dazu ausgebildet sind, den Trägerkörper (15) in Schwingung zu versetzen, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei piezoelektrischen Aktoren (23a, 23b) an gegenüberliegenden Enden (17, 19) des Trägerkörpers (15), insbesondere um einen Winkel von ca. 45° bis ca. 90°, verdreht zueinander angeordnet sind, und dass ein Verbindungsbereich (21) des Trägerkörpers (15) zwischen den beiden piezoelektrischen Aktoren (23a, 23b) rotationssymmetrisch ausgebildet ist.Piezoelectric spring element (13), in particular for use with a vibrating conveyor, comprising a carrier body (15) and two piezoelectric actuators (23a, 23b) connected to the carrier body (15), the piezoelectric actuators (23a, 23b) being designed to vibrating the carrier body (15), characterized in that the two piezoelectric actuators (23a, 23b) at opposite ends (17, 19) of the carrier body (15), in particular by an angle of about 45 ° to about 90 °, are arranged twisted to one another, and that a connecting region (21) of the carrier body (15) between the two piezoelectric actuators (23a, 23b) is rotationally symmetrical.

Description

Die Erfindung betrifft ein Piezofederelement, insbesondere zur Verwendung für einen Schwingförderer gemäß dem Oberbegriff des Schutzanspruchs 1 sowie einen Schwingförderer gemäß Schutzanspruch 15.The invention relates to a piezo spring element, in particular for use for a vibratory conveyor according to the preamble of claim 1 protection and a vibrating conveyor according to protection claim 15th

Der Einsatz von Piezoaktoren in Schwingförderern ist beispielsweise aus der DE 103 40 455 B4 bekannt. Schwingförderer der hier angesprochenen Art werden in der industriellen Produktion zur Beförderung von produktionsrelevanten Teilen, beispielsweise von Schrauben oder dergleichen eingesetzt. Die zu verlagernden Teile sind dabei auf einem Fördertisch angeordnet, der mit mehreren Piezofederelementen mechanisch in Verbindung steht. Ein Piezofederelement kann dabei ein oder mehrere piezoelektrische Aktoren aufweisen, die auf einer Trägerplatte aufgebracht, insbesondere aufgeklebt sind. Das Funktionsprinzip eines als Biegewandler ausgebildeten piezoelektrischen Aktors ist in der 2 dargestellt. Rein beispielhaft umfasst der dargestellte Piezoaktor eine bimorphe Bauform, d. h. zwei unterschiedliche Materialschichten, die bei Anlegen einer elektrischen Spannung unterschiedliche Längenänderungen vollziehen. Bei Anlegen einer geeigneten Spannung biegt sich daher das den Spannungsanschlüssen gegenüberliegende Ende des Piezoaktors in Richtung des Pfeils F. Die Piezofederelemente sind so in Bezug auf den Fördertisch angeordnet und werden derart angesteuert, dass sie in eine gemeinsame Raumrichtung schwingen, so dass bei Anlegen einer elektrischen Spannung an die piezoelektrischen Aktoren das gesamte Piezofederelement in diese Raumrichtung schwingt.The use of piezo actuators in vibratory conveyors is for example from DE 103 40 455 B4 known. Vibratory conveyors of the type discussed here are used in industrial production for the transport of production-relevant parts, such as screws or the like. The parts to be relocated are arranged on a conveyor table which is mechanically connected to a plurality of piezo spring elements. A piezo spring element can have one or more piezoelectric actuators, which are applied to a carrier plate, in particular adhesively bonded. The functional principle of a designed as a bending transducer piezoelectric actuator is in the 2 shown. By way of example only, the illustrated piezoactuator comprises a bimorph design, ie two different material layers which undergo different changes in length when an electrical voltage is applied. Therefore, when a suitable voltage is applied, the end of the piezoactuator opposite the voltage terminals bends in the direction of the arrow F. The piezoelectric spring elements are arranged in relation to the conveyor table and are driven in such a way that they oscillate in a common spatial direction, so that upon application of an electric current Voltage to the piezoelectric actuators the entire piezoelectric spring element oscillates in this spatial direction.

Der Fördervorgang auf einem Schwingförderer basiert üblicherweise auf einer harmonischen Schwingung, die sich in einen Horizontal- und Vertikalanteil zerlegen lässt. Je nach Größe des Vertikalanteils wird entweder von Mikrowurfförderung (Vertikalbeschleunigung übersteigt die Gravitationsbeschleunigung) oder Werkstückgleitförderung (die Vertikalbeschleunigung ist stets kleiner bzw. gleich der Gravitationsbeschleunigung) gesprochen. Erzeugt wird diese Schwingung bisher zumeist über Blattfedern, die durch geeignete Aktoren zu erzwungenen Schwingungen angeregt werden. Die Betriebsfrequenz der Aktoren wird dabei normalerweise nahe der Resonanzfrequenz des Feder-Masse-Schwingungssystems gewählt. Die Schwingungsanregung der Förderfläche erfolgt dabei entweder durch schräg angeordnete Federn/Aktoren oder eine serielle Anordnung von jeweils in vertikaler und horizontaler Richtung schwingender Federn/Aktoren. Um eine Verlagerung eines Objekts auf dem Fördertisch eines Schwingförderers zu bewirken, müssen im zweiten Fall also mindestens zwei Piezofederelemente vorgesehen sein, die jeweils in vertikale bzw. horizontale Richtung schwingen.The conveying process on a vibratory conveyor is usually based on a harmonic oscillation, which can be decomposed into a horizontal and vertical component. Depending on the size of the vertical component, either the term "microwave conveyance" (vertical acceleration exceeds the gravitational acceleration) or workpiece slide conveyance (the vertical acceleration is always less than or equal to the gravitational acceleration) is used. So far, this vibration is usually generated by leaf springs, which are excited by suitable actuators to forced vibrations. The operating frequency of the actuators is normally chosen close to the resonance frequency of the spring-mass vibration system. The vibration excitation of the conveying surface is carried out either by obliquely arranged springs / actuators or a serial arrangement of each oscillating in the vertical and horizontal directions springs / actuators. In order to effect a displacement of an object on the conveyor table of a vibrating conveyor, in the second case, therefore, at least two piezo spring elements must be provided which each oscillate in vertical or horizontal direction.

Die hohen Anforderungen an die Teilezufuhr in der industriellen Fertigung verlangen nach einem präzisen und effektiven Antrieb von Schwingförderern. Hierzu eignen sich die piezobetriebenen Federn besonders, weil durch sie ein schonender Transport von Objekten in dem Schwingförderer ermöglicht wird. Gegenüber herkömmlichen mechanischen Federelementen lassen sich mit Piezofederelementen nämlich wesentlich kleinere Bewegungen realisieren, die sich vorteilhaft auf den Transport von Objekten in dem Schwingförderer auswirken. Piezoelektrisch angetriebene Schwingförderer arbeiten im Vergleich zu den herkömmlichen mechanischen Federsystemen mit deutlich höheren Schwingungsfrequenzen, ca. 100–300 Hz. Die Schwingungsfrequenz liegt in der Regel nahe der Resonanzfrequenz des Schwingsystems. Die daraus resultierenden deutlich kleineren Schwingungsamplituden (15–150 μm) ermöglichen in Verbindung mit dem Prinzip der Werkstückgleitförderung einen sehr gleichmäßigen und bauteilschonenden Fördervorgang hoher Geschwindigkeit.The high demands placed on the supply of parts in industrial production call for a precise and effective drive of vibratory conveyors. For this purpose, the piezobetriebenen springs are particularly suitable because a gentle transport of objects in the vibratory conveyor is made possible by them. Compared to conventional mechanical spring elements can be realized with piezo spring elements namely much smaller movements, which have an advantageous effect on the transport of objects in the vibratory conveyor. Piezoelectrically driven vibratory conveyors operate in comparison to the conventional mechanical spring systems with significantly higher vibration frequencies, about 100-300 Hz. The vibration frequency is usually close to the resonant frequency of the vibrating system. The resulting significantly smaller vibration amplitudes (15-150 μm), in conjunction with the principle of workpiece sliding conveyance, enable a very uniform and component-saving high-speed conveying process.

Aus dem Stand der Technik bekannt sind, wie oben beschrieben, unidirektionale Piezofederelemente, die also lediglich eine Schwingung in einer einzigen Raumrichtung erzeugen können. Um eine lineare Bewegung eines Objekts in einem Schwingförderer zu realisieren, sind mindestens zwei derartige Piezofederelemente notwendig, wobei die beiden Piezofederelemente so angeordnet sind, dass eines der beiden Piezofederelement eine vertikale Schwingung und das andere eine horizontale Schwingung erzeugt. Aus dem Stand der Technik bekannt sind weiterhin bidirektional schwingende Biegeaktoren, die jedoch für Anwendungen in Kathetern, Mikrogreifer, optische Fasern, usw. ausgelegt sind und die für den Einsatz in einem Schwingförderer aufgrund der damit verbundenen großen Reaktionskräfte jedoch nicht geeignet sind.As is described above, unidirectional piezo spring elements are known from the prior art, which therefore can only generate one oscillation in a single spatial direction. In order to realize a linear movement of an object in a vibratory conveyor, at least two such piezo spring elements are necessary, wherein the two piezo spring elements are arranged so that one of the two piezo spring element generates a vertical oscillation and the other a horizontal oscillation. Also known in the prior art are bidirectionally oscillating bending actuators, which are, however, designed for applications in catheters, microgrippers, optical fibers, etc. and which are not suitable for use in a vibratory conveyor due to the large reaction forces associated therewith.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein verbessertes Piezofederelement zur Verwendung in einem Schwingförderer zu schaffen, welches in zwei unabhängigen Raumrichtungen aktiv schwingfähig ist und welches eine lineare Verlagerung eines Objekts in einem Schwingförderer zuverlässig bewirken kann.The object of the present invention is therefore to provide an improved piezo spring element for use in a vibratory conveyor, which is actively oscillatable in two independent spatial directions and which can reliably effect a linear displacement of an object in a vibrating conveyor.

Zur Lösung der oben genannten Aufgabe wird ein Piezofederelement mit den Merkmalen des Schutzanspruchs 1 vorgeschlagen. Das Piezofederelement dient insbesondere zur Verwendung für einen Schwingförderer und weist einen Trägerkörper und zwei mit dem Trägerkörper in Verbindung stehendene piezoelektrische Aktoren auf, wobei die piezoelektrischen Aktoren dazu ausgebildet sind, den Trägerkörper in Schwingung zu versetzen. Das Piezofederelement zeichnet sich dadurch aus, dass die zwei piezoelektrischen Aktoren an den gegenüberliegenden Enden des Trägerkörpers, insbesondere um einen Winkel von ca. 45° bis ca. 90°, verdreht zueinander angeordnet sind, und dass ein Verbindungsbereich des Trägerkörpers zwischen den beiden piezoelektrischen Aktoren rotationssymmetrisch ausgebildet ist.To solve the above object, a piezoelectric spring element with the features of the protection claim 1 is proposed. The piezo spring element is used in particular for use for a vibrating conveyor and has a carrier body and two piezoelectric actuators connected to the carrier body, the piezoelectric actuators being designed to cause the carrier body to vibrate. The Piezo-spring element is characterized in that the two piezoelectric actuators at the opposite ends of the support body, in particular by an angle of about 45 ° to about 90 °, are arranged rotated to each other, and that a connection region of the support body between the two piezoelectric actuators rotationally symmetric is trained.

Ein wesentlicher Punkt der Erfindung liegt also darin, dass durch die Anordnung von zwei um einen Winkel von beispielsweise ca. 45° bis ca. 90° zueinander verdrehten piezoelektrischen Aktoren, im Folgenden als „Piezoaktoren” bezeichnet, zwei Schwingungsrichtungen mit einem einzigen Piezofederelement unabhängig voneinander realisiert werden können. Dies wird nicht nur durch die verdrehte Anordnung der Piezoaktoren möglich, sondern darüber hinaus durch den rotationssymmetrischen Verbindungsbereich des Trägerelements. Durch den rotationssymmetrischen Querschnitt des Verbindungsbereichs, der vorzugsweise zylindrisch ausgebildet ist, weist der Verbindungsbereich in allen Richtungen die gleiche Steifigkeit und damit die gleichen Federkräfte auf. Dadurch wird es möglich, zwei an gegenüberliegenden Enden des Verbindungsbereichs angeordnete Piezoaktoren so zu betreiben, dass die Überlagerung der beiden Einzelschwingungen in vertikaler und horizontaler Richtung die Möglichkeit der Erzeugung unterschiedlicher Schwingungsformen des Trägerkörpers bietet. Je nach Phasenlage und Amplitude der beiden Schwingungen relativ zueinander kann so eine lineare, elliptische oder kreisförmige Schwingungsbahn generiert werden. Die unabhängige Ansteuerung des Vertikal- und Horizontalanteils der resultierenden Schwingung ermöglicht unabhängig von der Beschleunigung der Förderfläche in horizontaler Richtung eine Begrenzung der Beschleunigung in vertikaler Richtung auf maximal 1 g, d. h. Gleitförderung, da das Förderobjekt jetzt nicht mehr von der Förderfläche abhebt. Die Geschwindigkeit und die Richtung der Gleitförderung werden insbesondere durch den Reibungskoeffizienten der Werkstoffpaarung aus Werkstück und Förderfläche, sowie durch die Beschleunigung der Förderfläche in horizontaler Richtung und deren Phasenlage bzgl. der Beschleunigung in vertikaler Richtung (max. 1 g) beeinflusst. Insgesamt lässt sich durch die vorliegende Erfindung eine Material- und Bauraumersparnis erzielen, da ein einziges Piezofederelement die Funktion von zwei herkömmlichen Piezofederelementen übernehmen kann.An essential point of the invention is therefore that by the arrangement of two at an angle of, for example, about 45 ° to about 90 ° to each other twisted piezoelectric actuators, hereinafter referred to as "piezoelectric actuators", two directions of vibration with a single piezo spring element independently can be realized. This is possible not only by the twisted arrangement of the piezoelectric actuators, but also by the rotationally symmetrical connection region of the carrier element. Due to the rotationally symmetrical cross section of the connecting region, which is preferably cylindrical, the connecting region has the same stiffness in all directions and thus the same spring forces. This makes it possible to operate two piezoactuators arranged at opposite ends of the connection region in such a way that the superimposition of the two individual vibrations in the vertical and horizontal directions offers the possibility of producing different forms of vibration of the carrier body. Depending on the phase position and amplitude of the two oscillations relative to one another, a linear, elliptical or circular oscillation path can thus be generated. The independent control of the vertical and horizontal portion of the resulting vibration allows, regardless of the acceleration of the conveying surface in the horizontal direction limiting the acceleration in the vertical direction to a maximum of 1 g, d. H. Sliding conveyance, as the object to be conveyed no longer lifts off the conveying surface. The speed and the direction of the sliding conveyance are influenced in particular by the coefficient of friction of the material pairing of workpiece and conveying surface, as well as by the acceleration of the conveying surface in the horizontal direction and its phase position with respect to the acceleration in the vertical direction (max 1 g). Overall, can be achieved by the present invention, a material and space savings, since a single piezo spring element can take over the function of two conventional piezo spring elements.

Vorliegend wird die Erfindung anhand einer vorteilhaften Ausführungsform erläutert, bei der die beiden Piezoaktoren um ca. 90° versetzt zueinander angeordnet sind. Prinzipiell funktioniert das Prinzip des erfindungsgemäßen Piezofederelements aber auch für von 90° abweichende Winkel, wie beispielsweise für 45°. Somit kann ein Winkel zwischen den Piezoaktoren größer als 0° und kleiner als 180°, insbesondere zwischen größer als 0° und ca. 90°, insbesondere ca. 45° betragen. Ein abnehmender Drehwinkel zwischen den Piezoaktoren führt dabei zu einer Zunahme der Auslenkung des Piezofederelements in Richtung der Winkelhalbierenden zwischen den beiden Piezoaktoren und zu einer deutlichen Abnahme in Richtung der Achse senkrecht zu dieser Winkelhalbierenden. Gleichzeitig führt jede Abweichung von der 90°-Verwindung zu einer mit der Größe der Abweichung zunehmenden Taumelbewegung der Schwungmasse bzw. der Förderfläche im Mittelpunkt MP des Piezofederelements. Die beiden Wirkrichtungen der Piezoaktoren sind dann nicht mehr unabhängig voneinander und die jeweiligen Anteile in Richtung der x- bzw. y-Achse treten in Wechselwirkung miteinander.In the present case, the invention will be explained with reference to an advantageous embodiment in which the two piezoelectric actuators are offset by approximately 90 ° to each other. In principle, the principle of the piezo spring element according to the invention but also works for deviating from 90 ° angle, such as for 45 °. Thus, an angle between the piezoelectric actuators greater than 0 ° and less than 180 °, in particular between greater than 0 ° and about 90 °, in particular about 45 °. A decreasing angle of rotation between the piezo actuators leads to an increase of the deflection of the piezo spring element in the direction of the bisecting line between the two piezo actuators and to a significant decrease in the direction of the axis perpendicular to this bisector. At the same time, any deviation from the 90 ° turn leads to a tumbling motion of the flywheel mass or the conveying surface in the center MP of the piezo spring element which increases with the size of the deviation. The two directions of action of the piezoelectric actuators are then no longer independent of each other and the respective proportions in the direction of the x- or y-axis interact with each other.

Dies bedeutet, dass die Verwindung um 90° am besten für die Erzeugung linearer, elliptischer oder kreisförmiger Schwingungen in beliebiger Form und Richtung geeignet ist, da nur dort die Wirkrichtungen der beiden Piezoaktoren vollständig unabhängig voneinander sind und so die Taumelbewegung der Schwungmasse bzw. der Förderfläche auf ein Minimum reduziert wird.This means that the twisting by 90 ° is best suited for generating linear, elliptical or circular vibrations in any shape and direction, since only there the directions of action of the two piezo actuators are completely independent of each other and so the wobbling motion of the flywheel or the conveying surface is reduced to a minimum.

Besonders bevorzugt wird ein Piezofederelement, bei dem der Trägerkörper aus einem faserverstärkten Werkstoff, insbesondere aus einem glas-, aramid- oder kohlefaserverstärkten Kunststoff, vorzugsweise aus einem faserverstärkten Harz hergestellt ist. Das Fasermaterial des Trägerkörpers kann beispielsweise als Gewebe, insbesondere in Form eines Fasermaterialschlauches ausgebildet sein. Die piezoelektrischen Aktoren können dann in dem Fasermaterialschlauch angeordnet sein. Vorzugsweise weist der Trägerkörper jedoch mehrere, insbesondere zwischen 3 und 20 schichtweise und konzentrisch angeordnete Fasermaterialschläuche auf, wobei der Piezoaktor vorzugsweise im innersten Fasermaterialschlauch angeordnet ist. Vorzugsweise ist ein piezoelektrischer Aktor auf seiner Ober- und Unterseite jeweils von gleich vielen Materialschichten umgeben, sodass eine homogene Steifigkeit des Piezofederelements resultiert. Besonders bevorzugt wird es, wenn die piezoelektrischen Aktoren getrennt ansteuerbar sind, sodass die Phasenverschiebung ihrer Schwingungen und damit die resultierende Bewegung des Piezofederelements gezielt beeinflusst werden kann. Die piezoelektrischen Aktoren können im Bereich abgeflachter Enden des Trägerkörpers angeordnet sein, die durch den Verbindungsbereich miteinander verbunden sind, wobei die abgeflachten Enden entsprechend den Piezoaktoren im Wesentlichen um 90° versetzt zueinander angeordnet sein können. Die piezoelektrischen Aktoren sind vorzugsweise in den Trägerkörper, insbesondere in den abgeflachten Enden eingebettet und vollständig darin integriert. Beispielsweise können die Piezoaktoren in den abgeflachten Enden in den Trägerkörper, insbesondere in einem RTM-Verfahren eingegossen sein. Die abgeflachten Enden sind dabei vorzugsweise breiter als der Durchmesser des Verbindungsbereichs.Particularly preferred is a piezoelectric spring element, in which the carrier body is made of a fiber-reinforced material, in particular of a glass, aramid or carbon fiber reinforced plastic, preferably of a fiber-reinforced resin. The fiber material of the carrier body may be formed, for example, as a fabric, in particular in the form of a fiber material tube. The piezoelectric actuators can then be arranged in the fiber material tube. However, the carrier body preferably has a plurality of fiber material hoses, in particular between 3 and 20 in layers and concentrically arranged fiber material hoses, wherein the piezoelectric actuator is preferably arranged in the innermost fiber material tube. Preferably, a piezoelectric actuator is surrounded on its top and bottom by the same number of material layers, so that a homogeneous stiffness of the piezo spring element results. It is particularly preferred if the piezoelectric actuators can be controlled separately, so that the phase shift of their vibrations and thus the resulting movement of the piezo spring element can be selectively influenced. The piezoelectric actuators can be arranged in the region of flattened ends of the carrier body, which are connected to one another by the connection region, whereby the flattened ends can be arranged substantially offset by 90 ° relative to the piezoactuators. The piezoelectric actuators are preferably embedded in the carrier body, in particular in the flattened ends and completely integrated therein. For example, the Be piezoelectric actuators in the flattened ends in the carrier body, in particular cast in an RTM process. The flattened ends are preferably wider than the diameter of the connecting region.

Die beiden Piezoaktoren können also zur Erzeugung einer Kreisbewegung des Trägerkörpers in zwei Raumrichtungen vorzugsweise unabhängig voneinander schwingen. Die beiden piezoelektrischen Aktoren können dabei als Biegewandler mit einer bimorphen oder polymorphen Bauform ausgebildet sein.Thus, the two piezo actuators can preferably oscillate independently of one another in order to produce a circular movement of the carrier body in two spatial directions. The two piezoelectric actuators can be designed as bending transducers with a bimorph or polymorphic design.

Zur Lösung der oben genannten Aufgabe wird auch ein Schwingförderer mit den Merkmalen des Anspruchs 15 vorgeschlagen, wobei der Schwingförderer mindestens ein Piezofederelement gemäß der Erfindung aufweist. Das mindestens ein Piezofederelement kann dabei im Bereich der abgeflachten Enden in einem Lager des Schwingförderers eingespannt sein. Ferner ist es besonders vorteilhaft, wenn mindestens eine Piezofederelement unmittelbar an den Fördertisch des Schwingförderers angebracht, insbesondere angeklemmt oder angeschraubt ist oder über ein Verbindungselement, insbesondere eine Schelle, mit dem Fördertisch verbunden ist. Auf diese Weise lässt sich die Schwingung des Piezofederelements besonders gut auf den Fördertisch übertragen.To achieve the above object, a vibrating conveyor with the features of claim 15 is proposed, wherein the vibrating conveyor has at least one piezoelectric spring element according to the invention. The at least one piezo spring element can be clamped in the region of the flattened ends in a bearing of the vibrating conveyor. Furthermore, it is particularly advantageous if at least one piezo spring element is attached directly to the conveyor table of the vibrating conveyor, in particular clamped or screwed on or connected via a connecting element, in particular a clamp, with the conveyor table. In this way, the vibration of the piezo spring element can be transferred particularly well to the conveyor table.

Alternativ kann mit dem Piezofederelement auch ein kraftanregender Antrieb für einen Schwingförderer realisiert werden, indem die beiden abgeflachten Enden der Feder 17 und 19 an einer schwingungsfähig gelagerten Förderfläche befestigt werden und im Mittelpunkt MP der Feder eine Schwungmasse angebracht wird.Alternatively, with the piezo spring element, a force-exciting drive for a vibratory conveyor can be realized by the two flattened ends of the spring 17 and 19 be attached to a vibratory mounted conveying surface and in the center MP of the spring a flywheel is mounted.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:In the following the invention will be explained in more detail with reference to the drawing. Show it:

1A eine schematische Darstellung eines aus dem Stand der Technik bekannten Schwingförderers; 1A a schematic representation of a known from the prior art vibratory conveyor;

1B eine schematische Darstellung eines Schwingförderers mit zwei bidirektionalen Piezofederelementen; 1B a schematic representation of a vibratory conveyor with two bidirectional piezoelectric spring elements;

2 eine schematische Darstellung eines aus dem Stand der Technik bekannten piezoelektrischen Aktors; 2 a schematic representation of a known from the prior art piezoelectric actuator;

3 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Piezofederelements; 3 a perspective view of a piezo spring element according to the invention;

4 eine schematische Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Piezofederelement; 4 a schematic plan view of an inventive piezo spring element;

5 eine perspektivische Darstellung einer Form zur Herstellung des erfindungsgemäßen Piezofederelements, und 5 a perspective view of a mold for producing the piezoelectric spring element according to the invention, and

6 eine perspektivische Darstellung eines Endstücks für die in 5 gezeigte Form mit Ausnehmungen zur Aufnahme der elektrischen Anschlüsse des Piezoaktors. 6 a perspective view of an end piece for in 5 shown shape with recesses for receiving the electrical connections of the piezoelectric actuator.

Die 1A und 1B zeigen schematisch den Unterschied zwischen einem Schwingförderer 1 unter Verwendung von mehreren unidirektionalen Piezofederelementen 3 und einem Schwingförderer 5, der zwei bidirektionale Piezofederelemente 7 aufweist. Die Schwingförderer 1 und 5 umfassen jeweils einen Fördertisch 9, auf dem ein zu transportierendes Objekt 11 gelagert ist. Zur Realisierung der Kreisbewegung 13 des Fördertischs 9 muss bei beiden Schwingförderern 1 und 5 eine Schwingung in X- und Y-Richtung überlagert werden. Während der Schwingförderer 1 jedoch insgesamt vier Piezofederelemente 3 benötigt, sind für den Betrieb des Schwingförderers 5 lediglich zwei Piezofederelemente 7 notwendig, da die bidirektionalen Piezofederelemente 7 die Funktion von zwei herkömmlichen unidirektionalen Piezofederelementen 3 erfüllen. Der Schwingförderer 5 baut aus diesem Grund wesentlich kleiner und ist weniger komplex aufgebaut als der Schwingförderer 1. Somit wird die Komplexität des Schwingförderers also wesentlich reduziert, denn die Anzahl der Bauteile und damit die träge Masse nehmen durch den Einsatz von multidirektionalen Piezofederelementen ab.The 1A and 1B show schematically the difference between a vibrating conveyor 1 using several unidirectional piezo spring elements 3 and a vibratory conveyor 5 , the two bi-directional piezo spring elements 7 having. The vibratory conveyors 1 and 5 each include a conveyor table 9 on which an object to be transported 11 is stored. To realize the circular motion 13 of the conveyor table 9 must with both vibratory conveyors 1 and 5 a vibration in the X and Y direction are superimposed. While the vibratory conveyor 1 but a total of four piezo spring elements 3 needed are for the operation of the vibratory feeder 5 only two piezo spring elements 7 necessary because the bidirectional piezo spring elements 7 the function of two conventional unidirectional piezo spring elements 3 fulfill. The vibratory conveyor 5 For this reason, it is much smaller and less complex than the vibrating conveyor 1 , Thus, the complexity of the vibratory conveyor is thus significantly reduced, because the number of components and thus the inertial mass decrease by the use of multidirectional piezoelectric spring elements.

Die 3 zeigt eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Piezofederelements 13. Das Piezofederelement 13 umfasst einen Trägerkörper 15, der zwei abgeflachte Endbereiche 17 und 19 sowie einen Verbindungsbereich 21 zur Verbindung der beiden abgeflachten Endbereiche 17 und 19 aufweist. Die abgeflachten Endbereiche sind im Querschnitt gesehen im Wesentlichen rechteckig ausgebildet und weisen insgesamt eine Quaderform auf. Der Verbindungsbereich 21 ist hingegen rotationssymmetrisch und bei der vorliegenden Ausführungsform zylindrisch ausgebildet. Durch die rotationssymmetrischer Ausbildung des Verbindungsbereichs 21 ergibt sich eine homogene Steifigkeit, die dazu führt, dass die Schwingungsrichtungen des Piezofederelements 13 nicht von der Geometrie, sondern von den eingebrachten Einzelschwingungen der Piezoaktoren abhängt.The 3 shows a perspective view of a piezo spring element according to the invention 13 , The piezo spring element 13 comprises a carrier body 15 , the two flattened end areas 17 and 19 as well as a connection area 21 for connecting the two flattened end portions 17 and 19 having. The flattened end regions are formed substantially rectangular in cross-section and have a total cuboid shape. The connection area 21 is, however, rotationally symmetrical and cylindrical in the present embodiment. Due to the rotationally symmetrical design of the connection area 21 This results in a homogeneous rigidity, which leads to the fact that the vibration directions of the piezo spring element 13 not depends on the geometry, but on the introduced individual vibrations of the piezoelectric actuators.

Die beiden abgeflachten Endbereiche 17 und 19 sind um 90° zueinander versetzt angeordnet. Mit anderen Worten sind die beiden Endbereiche 17 und 19 bezüglich einer Mittelachse M des Piezofederelements 13 um im Wesentlichen 90° verdreht zueinander angeordnet. Die Breite B der abgeflachten Endbereiche 17 und 19 ist größer als der Durchmesser D des Verbindungsbereichs 21. Die Endbereiche 17 und 19 sind vorzugsweise nicht stumpf mit dem Verbindungsbereich 21 verbunden, sondern vielmehr ist, wie in der 3 und 4 erkennbar, zwischen den Endbereichen 17 und 19 und dem Verbindungsbereich 21 jeweils ein sich zu dem Verbindungsbereich 21 hin kontinuierlich verjüngender Übergangsbereich 22 vorgesehen. Grundsätzlich denkbar ist auch eine Ausführungsform, bei der das Piezofederelement 13 durchgängig, d. h. über seine gesamte Länge rotationssymmetrisch, insbesondere zylindrisch ausgebildet ist, und bei welcher die Piezoaktoren um im Wesentlichen 90° zueinander verdreht jeweils in gegenüberliegenden Endbereichen des zylindrischen Trägerkörpers angeordnet sind. Wie gesagt handelt es sich bei der rechtwinkligen Anordnung der Piezoaktoren zueinander lediglich um eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung. Denkbar ist es grundsätzlich auch, ein bidirektional schwingendes Piezofederelement gemäß der Erfindung zu schaffen, welches mindestens zwei um mehr oder weniger als 90° zueinander verdreht angeordnete Piezoaktoren aufweist.The two flattened end areas 17 and 19 are arranged offset by 90 ° to each other. In other words, the two end regions 17 and 19 with respect to a central axis M of the piezo spring element 13 arranged at a 90 ° angle to each other. The width B of the flattened end portions 17 and 19 is larger than the diameter D of the connection area 21 , The end areas 17 and 19 are preferably not blunt with the connection area 21 but rather, as in the 3 and 4 recognizable, between the end areas 17 and 19 and the connection area 21 each one to the connection area 21 towards continuously tapering transition region 22 intended. In principle, an embodiment is also conceivable in which the piezo spring element 13 continuous, ie rotationally symmetrical over its entire length, in particular cylindrical, and in which the piezoelectric actuators are rotated by substantially 90 ° to each other in each case in opposite end regions of the cylindrical support body are arranged. As mentioned above, the rectangular arrangement of the piezoelectric actuators relative to one another is merely an advantageous embodiment of the invention. In principle, it is also conceivable to provide a bidirectionally oscillating piezoelectric spring element according to the invention, which has at least two piezoactuators arranged rotated by more or less than 90 ° relative to one another.

In den abgeflachten Endbereichen 17 und 19 ist jeweils ein Piezoaktor 23a bzw. 23b angeordnet. Es kann auch vorgesehen sein, dass in jedem der abgeflachten Endbereiche zwei oder sogar mehr Piezoaktoren, vorzugsweise parallel zueinander, insbesondere nebeneinander angeordnet sind. Es versteht sich, dass die Tiefe T oder die Breite B der abgeflachten Endbereiche 17 und 19 dann entsprechend größer ausgebildet sein müsste. Die Piezoaktoren 23a und 23b sind vorzugsweise derart zentrisch in den abgeflachten Endbereichen 17 und 19 angeordnet, dass die Längs- bzw. Mittelachse der Piezoaktoren im Wesentlichen zusammenfällt mit der Mittelachse M des gesamten Piezofederelements 13, bzw. im Fall mehrerer Aktoren parallel zu dieser verläuft. Hierdurch wird eine homogene Steifigkeit des Piezofederelements erzielt. Die Flächenträgheitsmomente der beiden flächigen Endbereiche 17 und 19 sollten jeweils in der Biegerichtung 27, 29 identisch mit dem Flächenträgheitsmoment des Verbindungsbereichs 21 sein. Aufgrund der rotationssymmetrischen Form des Verbindungsbereichs 21 ist dessen Flächenträgheitsmoment richtungsunabhängig.In the flattened end areas 17 and 19 is each a piezoelectric actuator 23a respectively. 23b arranged. It may also be provided that in each of the flattened end regions, two or even more piezoactuators, preferably parallel to one another, are arranged in particular next to one another. It is understood that the depth T or the width B of the flattened end portions 17 and 19 then would have to be trained correspondingly larger. The piezo actuators 23a and 23b are preferably so centric in the flattened end regions 17 and 19 arranged that the longitudinal or central axis of the piezoelectric actuators substantially coincides with the central axis M of the entire piezo spring element 13 , or in the case of multiple actuators parallel to this. As a result, a homogeneous stiffness of the piezo spring element is achieved. The area moments of inertia of the two flat end regions 17 and 19 should each be in the bending direction 27 . 29 identical to the area moment of inertia of the connection area 21 be. Due to the rotationally symmetrical shape of the connection area 21 its area moment of inertia is independent of direction.

Bei der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung sind die Piezofederelemente 23a und 23b in den Trägerkörper 15 eingebettet und voll integriert. Sie werden also vollständig von dem Trägerkörpermaterial umgeben. Der Trägerkörper ist hierzu vorzugsweise aus einem Faserverbundwerkstoff ausgebildet. Der faserverstärkte Werkstoff kann beispielsweise Glas-, Aramid- oder Kohlefasern aufweisen, die in eine Kunststoffmatrix eingebettet sind. Zur besseren Handhabbarkeit kann das Fasermaterial als Halbzeug ausgebildet sein. Das Halbzeug kann beispielsweise in Form eines Gewebes vorliegen, welches matten- oder schlauchartig ausgebildet sein kann. Alternativ können auch jedoch auch unidirektional in Federlängsrichtung angeordnete Fasern zum Einsatz kommen. Bei dem Kunststoffmaterial kann es sich um ein Duroplast oder um ein Thermoplast, insbesondere um ein Harz handeln. Wie später noch näher erläutert wird, kann das Piezofederelement in einem sogenannten RTM-Verfahren (RTM = Resin Transfer Molding) hergestellt werden, wobei die Piezofederelemente von dem Trägerkörpermaterial umgossen werden.In the present embodiment of the invention, the piezo spring elements 23a and 23b in the carrier body 15 embedded and fully integrated. So they are completely surrounded by the carrier body material. For this purpose, the carrier body is preferably formed from a fiber composite material. The fiber reinforced material may include, for example, glass, aramid or carbon fibers embedded in a plastic matrix. For better handling, the fiber material may be formed as a semi-finished product. The semifinished product may for example be in the form of a fabric, which may be formed mat or tubular. Alternatively, however, fibers arranged unidirectionally in the spring longitudinal direction may also be used. The plastic material may be a duroplastic or a thermoplastic, in particular a resin. As will be explained in more detail later, the piezoelectric spring element can be produced in a so-called RTM process (RTM = Resin Transfer Molding), wherein the piezoelectric spring elements are encapsulated by the carrier body material.

Die Piezoaktoren 23a und 23b sind mit elektrischen Anschlüssen 25 verbunden, die zumindest bereichsweise in das Piezofederelement 13 integriert sind und aus diesem zum Anschluss an eine nicht gezeigte Spannungserzeugungsvorrichtung herausragen. Die elektrischen Anschlüsse 25 können als einfache, vorzugsweise isolierte Drähte ausgebildet sein. Insgesamt machen die 3 und 4 deutlich, dass die beiden Piezoaktoren 23a und 23b um die Mittelachse M derart verdreht zueinander angeordnet sind, dass der Piezoaktor 23a im Wesentlichen in einem Winkel von 90° bezüglich des anderen Piezoaktors 23b angeordnet ist. Mit anderen Worten sind die Ebenen, in denen die flächenartigen Piezoaktoren angeordnet sind, rechtwinkelig zueinander angeordnet.The piezo actuators 23a and 23b are with electrical connections 25 connected, at least partially in the piezo spring element 13 are integrated and protrude from this for connection to a voltage generating device, not shown. The electrical connections 25 may be formed as simple, preferably insulated wires. Overall, the 3 and 4 clearly that the two piezo actuators 23a and 23b are so twisted about the central axis M arranged to each other, that the piezoelectric actuator 23a essentially at an angle of 90 ° with respect to the other piezoelectric actuator 23b is arranged. In other words, the planes in which the sheet-like piezoelectric actuators are arranged, arranged at right angles to each other.

Die Piezoaktoren sind vorzugsweise als bimorphe oder polymorphe Biegewandler ausgebildet, die eine in 2 gezeigte Biegebewegung durchführen. Bei Anlegen einer elektrischen Spannung an die eingebetteten Piezoaktoren verbiegen sich nicht nur die Piezoaktoren, sondern gleichzeitig auch der Trägerkörper 15. Die Endbereiche 17 und 19, die zur Aufnahme der Piezoaktoren dienen, haben die gleiche Biegesteifigkeit wie der zylindrische Verbindungsbereich 21 des Piezofederelements 13. Hierdurch wird über die gesamte Länge des Piezofederelements 13 eine homogene Steifigkeit erreicht, die für die Funktionsweise des Piezofederelements von entscheidender Bedeutung ist.The piezoactuators are preferably designed as bimorph or polymorphic bending transducers, which have an in 2 perform the bending movement shown. When an electrical voltage is applied to the embedded piezoactuators, not only the piezoactuators but also the carrier body bend at the same time 15 , The end areas 17 and 19 , which serve to accommodate the piezo actuators, have the same bending stiffness as the cylindrical connection area 21 of the piezo spring element 13 , As a result, over the entire length of the piezo spring element 13 achieves a homogeneous rigidity, which is for the functioning of the piezo spring element of crucial importance.

Um eine gesteigerte homogene Steifigkeit des Piezofederelements zu erreichen, kann auch ein Schaumstoffkern im zylindrischen Verbindungsbereich 21 vorgesehen sein. Auf diese Weise kann eine exakte, gleichmäßige Verteilung des Fasermaterials im radial äußeren Randbereich des Verbindungsbereichs 21 erreicht werden. Außerdem kann in den stirnseitigen Bereichen 33 der Endbereiche 17 und 19 eine Verstärkung, beispielsweise in Form von nachträglich angebrachten faserverstärkten Prepregs vorgesehen sein. Hierdurch kann eine Beschädigung des Piezofederelements beim Fixieren in einem Schwingförderer vermieden werden.In order to achieve an increased homogeneous stiffness of the piezo spring element, a foam core in the cylindrical connection region can also be used 21 be provided. In this way, an exact, uniform distribution of the fiber material in the radially outer edge region of the connecting region 21 be achieved. In addition, in the frontal areas 33 the end areas 17 and 19 a reinforcement, for example be provided in the form of subsequently attached fiber-reinforced prepregs. As a result, damage to the piezo spring element when fixing in a vibrating conveyor can be avoided.

Im Betrieb des Piezofederelements 13 werden die Piezoaktoren 23a und 23b vorzugsweise getrennt angesteuert. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung, die eine geeignete Frequenz, insbesondere ca. 120 Hz aufweist, wird eine Biegebewegung des Piezoaktors 23a in Richtung des Pfeils 27 und eine Biegebewegung des Piezoaktors 23b in Richtung des Pfeils 29 bewirkt. Die so erzeugten Schwingungen der Piezoaktoren überlagern sich und werden auf den Trägerkörper 15 übertragen. Das Piezofederelement 13 kann auf diese Weise in eine Schwingung versetzt werden, die im Wesentlichen kreisförmig in Richtung des Pfeils 31 verläuft. Dadurch kann die in 1B gezeigte Bewegung des Fördertischs 9 und eine Verlagerung des Objekts 11 bewirkt werden. Die maximale Auslenkung erfährt dabei der Mittelpunkt MP des Piezofederelements 13 und insbesondere des Verbindungsbereichs 21. Es versteht sich, dass bei einem Einsatz des Piezofederelements 13 in einem Schwingförderer die stirnseitigen Bereiche 33 der Endbereiche 17 und 19 in geeigneter Weise fest in dem Schwingförderer installiert, insbesondere eingespannt sind. Eine mechanische Kopplung an den Fördertisch 9 und damit ein Abgriff der Schwingung erfolgt vorzugsweise im Bereich des Mittelpunkts MP beispielsweise mittels einer Schelle oder dergleichen Kopplungsmittel. Der Abgriff der Schwingung erfolgt vorzugsweise in dem Mittelpunkt MP des Verbindungselements 21, da sich dort die beiden durch die verdreht zueinander angeordneten Piezoaktoren erzeugten Schwingungen überlagern.During operation of the piezo spring element 13 become the piezo actuators 23a and 23b preferably controlled separately. By applying an electrical voltage having a suitable frequency, in particular about 120 Hz, a bending movement of the piezoelectric actuator 23a in the direction of the arrow 27 and a bending movement of the piezoelectric actuator 23b in the direction of the arrow 29 causes. The vibrations of the piezoelectric actuators thus generated are superimposed and become on the carrier body 15 transfer. The piezo spring element 13 can be vibrated in this way, which is substantially circular in the direction of the arrow 31 runs. This allows the in 1B shown movement of the conveyor table 9 and a relocation of the object 11 be effected. The maximum deflection undergoes the center MP of the piezo spring element 13 and in particular the connection area 21 , It is understood that when using the piezo spring element 13 in a vibratory conveyor, the frontal areas 33 the end areas 17 and 19 in a suitable manner permanently installed in the vibratory conveyor, in particular clamped. A mechanical coupling to the conveyor table 9 and thus a picking up of the vibration preferably takes place in the region of the center point MP, for example by means of a clamp or the like coupling means. The tapping of the vibration is preferably carried out in the center MP of the connecting element 21 because the two are superimposed by the vibrations generated by the piezoelectric actuators arranged in a twisted relationship to one another.

Um eine optimale Ausnutzung des Schwingförderers zu erreichen, müssen die Schwingungen des Piezofederelements 13 in Richtung des Pfeils 31 kontrolliert ausgeführt werden. Die maximale Transportgeschwindigkeit eines Objekts 11 hängt in erster Linie von der Bewegung des Fördertischs 9 ab. Da die Bewegung des Fördertischs 9 durch das Piezofederelement 13 erzeugt wird, welches in geeigneter Weise mechanisch mit dem Fördertisch 9 verbunden ist, ist die Bestimmung der Schwingkurve des Piezofederelements 13 von entscheidender Bedeutung. Vorzugsweise führt das Piezofederelement 13 bei einer Betriebsfrequenz von 50–100 Hz eine Auslenkung im Submillimeterbereich aus. Die Amplitude der Schwingung beträgt beispielsweise ca. 0,25 mm. Hierzu ist es wünschenswert, dass das Piezofederelement im Resonanzbereich arbeitet, so dass der Eigenfrequenz des Piezofederelements eine tragende Rolle zukommt. Die Resonanzfrequenzen beider Piezoaktoren sind vorzugsweise im Wesentlichen identisch, wodurch die Leistungsfähigkeit des Piezofederelements wesentlich gesteigert wird.In order to achieve optimal utilization of the vibratory conveyor, the vibrations of the piezo spring element must 13 in the direction of the arrow 31 be carried out in a controlled manner. The maximum transport speed of an object 11 depends primarily on the movement of the conveyor table 9 from. Because the movement of the conveyor table 9 through the piezo spring element 13 is generated, which mechanically in a suitable manner with the conveyor table 9 is the determination of the oscillation curve of the piezo spring element 13 crucial. Preferably, the piezo spring element leads 13 at an operating frequency of 50-100 Hz, a displacement in the submillimeter range. The amplitude of the oscillation is for example about 0.25 mm. For this purpose, it is desirable that the piezo spring element operates in the resonance range, so that the natural frequency of the piezo spring element plays a major role. The resonant frequencies of both piezo actuators are preferably substantially identical, whereby the performance of the piezo spring element is substantially increased.

Die Steuerung des Schwingförderers wird über die Phasenverschiebung der an die beiden Piezoaktoren angelegten Spannung bewirkt, wobei die Spannung für beide Piezoaktoren die gleiche Anregungsfrequenz aufweist. Die Phasenverschiebung der Aktorsignale zueinander entscheidet über die Schwingungsform der Feder und somit über den Transport des Objekts 11. Bei einer Phasenverschiebung der zugeführten Aktorsignale von 90° ergibt sich eine im Wesentlichen kreisförmige Auslenkungsbewegung des Piezofederelements 13 und insbesondere des Mittelpunkts MP.The control of the vibratory conveyor is effected via the phase shift of the voltage applied to the two piezo actuators voltage, wherein the voltage for both piezo actuators has the same excitation frequency. The phase shift of the actuator signals to each other decides on the waveform of the spring and thus on the transport of the object 11 , With a phase shift of the supplied actuator signals of 90 ° results in a substantially circular deflection movement of the piezo spring element 13 and in particular the midpoint MP.

Grundsätzlich kann die Dimensionierung des Piezofederelements 13 je nach Anwendungsfall variieren. Auch die äußere Form des Piezofederelements 13 kann an verschiedene Anwendungsfälle angepasst werden. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn der Mittelpunkt einer freien Schwingungslänge L_frei(a) des einen Piezoaktors 23a möglichst nah an dem Mittelpunkt der freien Schwingungslänge L_frei(b) des anderen, gegenüberliegenden Piezoaktors 23b angeordnet ist. Der Abstand dieser beiden Punkte voneinander sollte möglichst gering ist. Dies wird durch ein möglichst großes Längenverhältnis von Verbindungsbereich 21 zur Länge des flächigen Federbereichs erreicht (d. h. langer Verbindungsbereich und kurzer flächiger Federbereich). Die übereinstimmenden Mittelpunkte liegen dabei vorzugsweise in dem Mittelpunkt MP des Piezofederelements 13 oder zumindest weisen sie einen geringen Abstand hierzu auf. Jegliche Taumelschwingungen werden durch eine derartige Ausbildung des Piezofederelements minimiert. Die freie Schwingungslänge L_frei beschreibt dabei den Teil des Piezofederelements, der in seiner Schwingungsrichtung eine nahezu homogene Steifigkeit aufweist. Die Mitte dieser freien Schwingungslänge hat an dem gesamten Piezofederelement die größte Amplitude und erfährt im Gegensatz zu allen anderen Punkten des Piezofederelements bei einer Schwingbewegung keine Winkeländerung. Zur Optimierung des erfindungsgemäßen Piezofederelements können die Längenverhältnisse der Endbereiche 17 und 19 zu dem Verbindungsbereich 21 in Richtung der Mittelachse M variiert werden.In principle, the dimensioning of the piezo spring element 13 vary depending on the application. Also, the outer shape of the piezo spring element 13 can be adapted to different applications. However, it is particularly advantageous if the center of a free oscillation length L_frei (a) of a piezoelectric actuator 23a as close as possible to the center of the free oscillation length L_frei (b) of the other, opposite piezoactuator 23b is arranged. The distance between these two points should be as small as possible. This is achieved by a maximum length ratio of connection area 21 reached to the length of the flat spring area (ie long connection area and short area feather area). The matching centers are preferably in the center MP of the piezo spring element 13 or at least they have a small distance to this. Any wobble vibrations are minimized by such a design of the piezo spring element. The free oscillation length L_free describes the part of the piezo spring element which has an almost homogeneous rigidity in its oscillation direction. The center of this free oscillation length has the greatest amplitude on the entire piezoelectric spring element and, in contrast to all other points of the piezo spring element, undergoes no change in angle during a swinging movement. To optimize the piezo spring element according to the invention, the aspect ratios of the end regions can be used 17 and 19 to the connection area 21 be varied in the direction of the central axis M.

Zur Herstellung des in 3 gezeigten Piezofederelements 13 und damit zur Integration der Piezoaktoren 23a und 23b in den Trägerkörper 15 kann ein sogenanntes RTM-Verfahren (RTM = Resin Transfer Molding) zum Einsatz kommen, welches zur Herstellung von faserverstärkten Bauteilen dient. Hierzu werden zunächst anhand von CAD-Daten des herzustellenden Bauteils die entsprechenden Formen und Werkzeuge, beispielsweise aus Ureol und Aluminium hergestellt. Eine perspektivische Darstellung einer geeigneten Form zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Piezofederelements 13 ist in der 5 dargestellt.For the production of in 3 shown piezo spring element 13 and thus for the integration of the piezo actuators 23a and 23b in the carrier body 15 For example, a so-called RTM process (RTM = Resin Transfer Molding) can be used, which is used to produce fiber-reinforced components. For this purpose, the corresponding shapes and tools, for example made of Ureol and aluminum, are first produced on the basis of CAD data of the component to be produced. A perspective view of a suitable mold for producing a piezoelectric spring element according to the invention 13 is in the 5 shown.

Die Form 35 gemäß 5 umfasst ein Oberteil 37 und ein Unterteil 39 sowie an deren Stirnseiten angeordnete Seitenteile 41. Bei der Form 35 handelt es sich um eine sogenannte Negativform, die also eine Aushöhlung in Form des herzustellenden Piezofederelements aufweist. Diese Negativform des Piezofederelements kann in die Form 35, die insbesondere aus Metall ausgebildet ist, durch geeignete materialbearbeitende Verfahren eingebracht, beispielsweise gefräst werden. Insbesondere ist die Negativform teilweise in das Oberteil 37 und teilweise in das Unterteil 39 der Form 35 eingebracht. Die Einzelteile der Form 35 können über Schrauben miteinander verbunden werden. Hierzu weist die Form 35 entsprechende Schraubenaufnahmen 43 auf. Sämtliche Teile der Form 35 müssen gut abgedichtet sein, um zu verhindern, dass eine über eine entsprechende Zufuhröffnung 45 injizierte Kunststoffmasse aus der Form 35 austritt. Hierzu weist die Form entsprechende Nuten 47 zur Aufnahme von geeignetem Dichtmaterial, beispielsweise in Form von Schnurdichtungen auf. Die Zufuhröffnung 45 steht mit der Negativform des Ober- und Unterteils der Form 35 in Fluidverbindung, um diese mit dem zugeführten Kunststoffmaterial zu fluten.Form 35 according to 5 includes a top 37 and a lower part 39 and on the front sides arranged side parts 41 , At the form 35 it is a so-called negative mold, which thus has a cavity in the form of the piezofeder element to be produced. This negative form of the Piezo spring element can in the form 35 , which is formed in particular of metal, introduced by suitable material-processing method, for example, be milled. In particular, the negative mold is partially in the upper part 37 and partly in the lower part 39 the form 35 brought in. The items of the form 35 can be connected by screws. For this purpose, the shape 35 corresponding screw receptacles 43 on. All parts of the mold 35 Must be well sealed to prevent one from having an appropriate feed opening 45 injected plastic mass from the mold 35 exit. For this purpose, the shape corresponding grooves 47 for receiving suitable sealing material, for example in the form of cord seals. The feed opening 45 stands with the negative form of the upper and lower part of the form 35 in fluid communication to flood them with the supplied plastic material.

Die 6 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Seitenteils 41 der Form 35. Hierbei wird deutlich, dass das Seitenteil 41 drei der Negativform zugewandte Ausnehmungen 49 aufweist, die zur Aufnahme der drei elektrischen Anschlüsse 25 während der Herstellung des Piezofederelements 13 vorgesehen sind. Es handelt sich somit um drei Sacklöcher, in welche während des Herstellungsprozesses des Piezofederelements 1 die elektrischen Anschlüsse 25 der Piezoaktoren eingeführt und mit Silikon oder einem anderen geeigneten Material abgedichtet werden. Hierdurch wird verhindert, dass Kunststoffmasse, insbesondere Harz an die Anschlüsse 25 gelangt, die dadurch unbrauchbar werden würden. Nach dem Herstellungsprozess können die Anschlüsse 25 einfach aus dem Seitenteil 41 herausgenommen werden und mit einer Spannungserzeugungsvorrichtung zum Betrieb der Piezoaktoren verbunden werden.The 6 shows a perspective view of a side part 41 the form 35 , Here it becomes clear that the side part 41 three of the negative mold facing recesses 49 which is responsible for receiving the three electrical connections 25 during the manufacture of the piezo spring element 13 are provided. There are thus three blind holes, in which during the manufacturing process of the piezo spring element 1 the electrical connections 25 the piezo actuators are inserted and sealed with silicone or other suitable material. This will prevent plastic compound, in particular resin to the terminals 25 which would become unusable as a result. After the manufacturing process, the connections 25 simply from the side panel 41 be removed and connected to a voltage generating device for operating the piezoelectric actuators.

Die 6 macht noch deutlich, dass durch die Ausnehmungen 49 zur Aufnahme der Anschlüsse 25 eine exzentrische Anordnung der Zufuhröffnung 45 notwendig ist, was jedoch für den Herstellungsprozess des Piezofederelements 13 in keiner Weise nachteilig ist. Es versteht sich, dass je nach Anzahl der vorgesehenen Anschlüsse, die in Abhängigkeit von Art und Anzahl der verwendeten Piezoaktoren unterschiedlich sein kann, die Ausnehmungen 49 entsprechend angepasst werden müssen. Auch müssen die Ausnehmungen 49 derart in den Seitenteilen 41 angeordnet und auf die Negativform ausgerichtet sein, dass die Anschlüsse 25 in die Ausnehmungen 49 ragen, wenn die Piezoaktoren in der Negativform angeordnet sind.The 6 makes it clear that through the recesses 49 for receiving the connections 25 an eccentric arrangement of the feed opening 45 is necessary, but what for the manufacturing process of the piezo spring element 13 is in no way disadvantageous. It is understood that, depending on the number of terminals provided, which may vary depending on the type and number of piezo actuators used, the recesses 49 must be adjusted accordingly. Also, the recesses need 49 so in the side panels 41 arranged and aligned to the negative mold that the terminals 25 in the recesses 49 protrude when the piezo actuators are arranged in the negative mold.

Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Piezofederelements werden vorzugsweise Faserhalbzeuge verwendet, die zur einfacheren Handhabbarkeit aus einzelnen Fasern hergestellt werden. Bei den Faserhalbzeugen kann es sich beispielsweise um flexible Fasermatten oder auch flexible, insbesondere dehnbare Faserschläuche handeln. Die Faserhalbzeuge sind als Flächengebilde, beispielsweise als Gewebe ausgebildet und können eine herkömmliche Gewebebindung, insbesondere eine Leinwandbindung oder dergleichen aufweisen. Die vollintegrierten Piezoaktoren sind vorliegend also von einer ausgehärteten Kunststoffmatrix und einem darin eingebetteten Fasermaterial umgeben, wobei das Fasermaterial, wie oben beschrieben, in Form eines Faserhalbzeugs vorliegt.For the production of the piezo spring element according to the invention preferably semi-finished fiber products are used, which are made for easier handling of individual fibers. The semifinished fiber products may be, for example, flexible fiber mats or also flexible, in particular expandable fiber hoses. The semi-finished fiber products are formed as a sheet, for example as a fabric and may have a conventional weave, in particular a plain weave or the like. In the present case, the fully integrated piezoelectric actuators are thus surrounded by a cured plastic matrix and a fiber material embedded therein, wherein the fiber material, as described above, is in the form of a semi-finished fiber product.

Das Fasergewebe, welches vorzugsweise in Form von Fasermaterialschläuchen ausgebildet ist, wird vorzugsweise in mehreren Schichten um die Piezoaktoren herum angeordnet. Es genügt, wenn der Piezoaktor an einem Faserhalbzeug fixiert ist. Nach der Positionierung der gewünschten Anzahl von Lagen des Faserhalbzeugs und der Fixierung der Piezoaktoren an der richtigen Position in der Negativform, wird die mehrteilige Form 35 geschlossen und ein Kunststoffmaterial, insbesondere ein duromeres Material wie Harz in die Form injiziert. Hierdurch erfolgt eine vollständige Benetzung des Fasergewebes und der Piezoaktoren. Anschließend wird das Piezofederelement ausgehärtet. Hierzu kann beispielsweise die Form vorgeheizt sein, so dass der Aushärteprozess beschleunigt wird.The fibrous web, which is preferably designed in the form of fibrous material tubes, is preferably arranged in several layers around the piezoactuators. It is sufficient if the piezoelectric actuator is fixed to a semifinished fiber product. After positioning the desired number of layers of the semifinished fiber product and fixing the piezoelectric actuators in the correct position in the negative mold, the multi-part shape 35 closed and a plastic material, in particular a duromeres material such as resin injected into the mold. This results in a complete wetting of the fiber fabric and the piezoelectric actuators. Subsequently, the piezoelectric spring element is cured. For this purpose, for example, the mold may be preheated, so that the curing process is accelerated.

Die richtige Positionierung der Piezoaktoren in der Form 35 in Bezug auf die Faserhalbzeuge ist von entscheidender Bedeutung für die Funktion des Piezofederelements. Wie oben bereits angedeutet wurde, sollte die Mittelachse der Piezoaktoren vorzugsweise mit der Mittelachse M des Piezofederelements übereinstimmen. Um die richtige Positionierung der Piezoaktoren in der Form 35 zu gewährleisten, werden die Piezoaktoren jeweils mit einem Positionierungsstift versehen. Insbesondere werden die Piezoaktoren über einen Positionierungsstift in Form eines Metallteils, insbesondere Kupferdraht und Klebstoff jeweils in der richtigen Position an dem Seitenteil 41 befestigt, wobei die Anschlüsse 25 in die Ausnehmungen 49 gesteckt werden und dort mit Silikon oder dergleichen Material umhüllt werden. Danach werden die einzelnen Fasermaterialschichten, insbesondere Glasfaserschläuche auf Länge geschnitten, so dass sie im gestreckten Zustand etwa 1 bis 2 cm auf beiden Seiten der Form 35 überstehen. Die Lage der Piezoaktoren in dem Trägerkörper wird also über den Positionierstift vorgegeben, beispielsweise indem dieser in einem weiteren im Seitenteil 41 eingebrachten Loch fixiert werden kann. Die beiden Seitenteile der Form sind identisch, wobei die Öffnung 45 auf der einen Seite als Eintritts- und auf der anderen Seite als Austrittsöffnung für das Harz dient.The correct positioning of the piezo actuators in the mold 35 with respect to the semifinished fiber products is of crucial importance for the function of the piezo spring element. As already indicated above, the central axis of the piezo actuators should preferably coincide with the central axis M of the piezo spring element. To ensure the correct positioning of the piezo actuators in the mold 35 To ensure the piezo actuators are each provided with a positioning pin. In particular, the piezoelectric actuators are in the correct position on the side part via a positioning pin in the form of a metal part, in particular copper wire and adhesive 41 fastened, with the connections 25 in the recesses 49 be plugged and wrapped there with silicone or the like material. Thereafter, the individual fiber material layers, in particular fiberglass tubes are cut to length, so that in the extended state about 1 to 2 cm on both sides of the mold 35 survive. The position of the piezoelectric actuators in the carrier body is thus set via the positioning pin, for example by placing it in another in the side part 41 introduced hole can be fixed. The two side parts of the mold are identical, with the opening 45 on one side serves as inlet and on the other side as outlet opening for the resin.

Je nach gewünschter Steifigkeit kann die Anzahl der Materialschläuche variieren. Um eine Steifigkeit von 17 GPa zu erreichen, können beispielsweise vier Lagen Fasermaterialschläuche ausreichend sein. Um mehrere Lagen von Materialschläuchen konzentrisch zueinander anzuordnen, werden die Schläuche mit Hilfe eines zylindrischen Spezialwerkzeugs übereinander gestülpt. Im Anschluss daran werden die Schläuche gestreckt und glatt gestrichen, damit sie in das Unterteil 39 eingelegt werden können. Liegen die Schläuche in der Form 35, wird das Oberteil 37 vorsichtig darauf gelegt. Die beiden Teile werden anschließend mit Schrauben fixiert, wobei diese aber nicht festgezogen werden. Die Glasfasern werden dann einseitig an der Form 35 bündig ausgerichtet und an der anderen Seite bündig abgeschnitten. Der mittels des Silikons und des Positionierungsstifts an dem Seitenteil 41 befestigte Piezoaktor wird dann in den innersten in der Form 35 angeordneten Fasermaterialschlauch eingeführt. Die Form 35 wird dann vollständig geschlossen und alle Schrauben zur Gewährleistung einer dichten Verbindung angezogen. Anschließend wird das Harz langsam in die Form 35 über die Zufuhröffnung 45 injiziert.Depending on the desired stiffness, the number of material hoses may vary. To one For example, to achieve stiffness of 17 GPa, four layers of fiber material tubing may be sufficient. In order to arrange several layers of material hoses concentric to each other, the hoses are placed over each other with the aid of a special cylindrical tool. Following this, the hoses are stretched and smoothed to fit into the bottom 39 can be inserted. The hoses are in the form 35 , the shell becomes 37 carefully placed on it. The two parts are then fixed with screws, but these are not tightened. The glass fibers are then one-sided on the mold 35 aligned flush and cut off flush on the other side. The by means of the silicone and the positioning pin on the side part 41 attached piezoelectric actuator is then in the innermost in the mold 35 arranged fiber material tube introduced. Form 35 is then completely closed and all screws tightened to ensure a tight connection. Subsequently, the resin is slowly in the mold 35 over the feed opening 45 injected.

Die Auslegung des Piezofederelements erfolgt in Abhängigkeit der anzutreibenden Schwungmasse und der gewünschten Betriebsfrequenz. Die Anzahl der ineinander angeordneten Faserschläuche (Steifigkeit steigt mit der Anzahl an), Art und Anzahl der Piezoaktoren, sowie Breite, Stärke, Durchmesser und Länge des Federelementes werden dann so gewählt, dass die Resonanzfrequenz des Feder-Masse-Systems zumindest näherungsweise der gewünschten Betriebsfrequenz entspricht. Das Ziel ist folglich die Leistungsmaximierung des Piezofederelements.The design of the piezo spring element takes place as a function of the driven mass to be driven and the desired operating frequency. The number of interconnected fiber tubes (stiffness increases with the number), type and number of piezo actuators, and width, thickness, diameter and length of the spring element are then selected so that the resonance frequency of the spring-mass system at least approximately the desired operating frequency equivalent. The goal is therefore to maximize the performance of the piezo spring element.

Insgesamt schafft die vorliegende Erfindung ein zweidimensional schwingendes Piezofederelement, welches die Funktion von zwei eindimensionalen Piezofederelementen erfüllt. Es können folglich mit einem einzigen erfindungsgemäßen Piezofederelement die gleichen Bewegungen erzeugt werden wie mit zwei einzelnen herkömmlichen Piezofederelementen. Auf diese Weise werden die schwingenden Massen und die benötigte Bauteilanzahl für einen Schwingförderer deutlich reduziert. Ein weiterer Vorteil ist die starke Reduzierung des Bauraums, welche die 1B deutlich macht.Overall, the present invention provides a two-dimensional oscillating piezo spring element which fulfills the function of two one-dimensional piezo spring elements. Consequently, the same movements can be produced with a single piezo spring element according to the invention as with two individual conventional piezo spring elements. In this way, the oscillating masses and the required number of components for a vibrating conveyor are significantly reduced. Another advantage is the strong reduction of the installation space, which the 1B makes it clear.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Schwingförderervibratory Feeders
33: unidirektionales Piezofederelementunidirectional piezo spring element
55: Schwingförderervibratory Feeders
77: bidirektionales Piezofederelementbidirectional piezo spring element
99: Fördertischconveyor table
1111: Objektobject
1313: PiezofederelementPiezo spring element
1515: Trägerkörpersupport body
1717: abgeflachter Endbereichflattened end region
1919: abgeflachter Endbereichflattened end region
2121: Verbindungsbereichconnecting area
2222: ÜbergangsbereichTransition area
23a23a: Piezoaktorpiezo actuator
23b23b: Piezoaktorenpiezo actuators
2525: Anschlüsseconnections
2727: Pfeilarrow
2929: Pfeilarrow
3131: Pfeilarrow
3333: stirnseitige Bereichefrontal areas
3535: Formshape
3737: Oberteiltop
3939: Unterteillower part
4141: Seitenteilside panel
4343: Schraubenaufnahmenscrew mounts
4545: Zufuhröffnungsupply port
4747: Nutengroove
4949: Ausnehmungenrecesses
MPMP: MittelpunktFocus
DD: Durchmesserdiameter
MM: Mittelachsecentral axis
TT: Tiefedepth
BB: Breitewidth
L_freiL_frei: freie Schwingungslängefree oscillation length

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 10340455 B4 [0002]

Claims

Piezo spring element ( 13 ), in particular for use for a vibrating conveyor, comprising a carrier body ( 15 ) and two with the carrier body ( 15 ) associated piezoelectric actuators ( 23a . 23b ), wherein the piezoelectric actuators ( 23a . 23b ) are adapted to the carrier body ( 15 ), characterized in that the two piezoelectric actuators ( 23a . 23b ) at opposite ends ( 17 . 19 ) of the carrier body ( 15 ), in particular by an angle of approximately 45 ° to approximately 90 °, are arranged twisted relative to one another, and in that a connecting region ( 21 ) of the carrier body ( 15 ) between the two piezoelectric actuators ( 23a . 23b ) is rotationally symmetrical.

Piezoelectric spring element according to claim 1, characterized in that the connecting region ( 21 ) is cylindrical.

Piezo-spring element according to claim 1 or 2, characterized in that the carrier body ( 15 ) is at least partially made of a fiber-reinforced material, in particular of a glass, aramid or carbon fiber reinforced plastic, preferably made of a fiber-reinforced resin.

Piezo spring element according to one of the preceding claims, characterized in that the fiber material of the carrier body ( 15 ) is formed in unidirectional arrangement in spring longitudinal direction or as a fabric, in particular in the form of at least one fiber material tube.

Piezo-spring element according to claim 4, characterized in that the piezoelectric actuators ( 23a . 23b ) are arranged in the at least one fiber material tube.

Piezo-spring element according to claim 4 or 5, characterized in that the carrier body ( 15 ) has a plurality of layered and concentrically arranged fiber material tubes.

Piezo-spring element according to one of the preceding claims, characterized in that a piezoelectric actuator ( 23a . 23b ) is surrounded on its top and bottom by the same number of layers of material.

Piezo spring element according to one of the preceding claims, characterized in that the piezoelectric actuators ( 23a . 23b ) are controlled separately.

Piezo spring element according to one of the preceding claims, characterized in that the piezoelectric actuators ( 23a . 23b ) in the area of flattened ends ( 17 . 19 ) of the carrier body ( 15 ) are arranged through the connection area ( 21 ) are interconnected.

Piezo spring element according to one of the preceding claims, characterized in that the flattened ends ( 17 . 19 ) are arranged substantially offset by 90 ° to each other.

Piezo spring element according to one of the preceding claims, characterized in that the piezoelectric actuators ( 23a . 23b ) in the carrier body ( 15 ), especially in the flattened ends ( 17 . 19 ) embedded and fully integrated, in particular cast.

Piezo spring element according to one of the preceding claims, characterized in that the flattened ends ( 17 . 19 ) are wider than the diameter (D) of the connection area ( 21 ).

Piezo spring element according to one of the preceding claims, characterized in that the two piezoelectric actuators ( 23a . 23b ) for generating a circular movement of the carrier body ( 15 ) in two spatial directions (X, Y) can oscillate independently.

Piezo spring element according to one of the preceding claims, characterized in that the two piezoelectric actuators ( 23a . 23b ) are designed as bending transducers with a bimorph or polymorphic design.

Vibratory conveyor ( 5 ) with at least one piezo spring element ( 13 ) according to one of claims 1 to 14.

Vibratory conveyor according to claim 15, characterized in that the at least one piezo spring element ( 13 ) in the region of the flattened ends ( 17 . 19 ) is clamped in a warehouse.

Vibratory conveyor according to claim 15 or 16, characterized in that the at least one piezo spring element ( 13 ) directly to a conveyor table ( 9 ) of the vibratory conveyor ( 5 ), in particular clamped or screwed on or via a connecting element, in particular a clamp, with the conveyor table ( 9 ) connected is.