DE19818449A1 - Piezoelektrischer Biegewandler und Modul aus einer Anzahl von piezoelektrischen Biegewandlern - Google Patents
Piezoelektrischer Biegewandler und Modul aus einer Anzahl von piezoelektrischen BiegewandlernInfo
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Abstract
Es wird ein piezoelektrischer Biegewandler (1) sowie ein Modul (34) mit einer Anzahl von piezoelektrischen Biegewandlern (1) angegeben, wobei für den Anschluß an eine externe Spannungsquelle ein elektrischer Steckkontakt (15, 16, 17) in Form eines leitfähigen Elastomers (20) vorgesehen ist, welches für eine lösbare Aufnahme eines Kontaktstiftes (26, 27, 28) durch plastische Verformung ausgebildet ist. Durch den konsequenten Verzicht auf gelötete Anschlußdrähte, weist ein derartiger piezoelektrischer Biegewandler (1) oder ein derartiges Modul (34) eine hohe Lebensdauer und eine hohe Wartungsfreundlichkeit auf.
Description
Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Biegewandler
mit einem flachen Tragkörper und einer darauf zumindest ein
seitig aufgebrachten piezoelektrisch aktiven Beschichtung mit
einer inneren, dem Tragkörper zugewandten Kontaktfläche und
einer äußeren, dem Tragkörper abgewandten Kontaktfläche. Die
Erfindung betrifft weiterhin ein Modul aus einer Anzahl von
derartigen piezoelektrischen Biegewandlern.
Ein piezoelektrischer Biegewandler der eingangs genannten Art
dient vorrangig zur Ausnutzung des indirekten oder reziproken
piezoelektrischen Effekts, d. h. der Umwandlung von elektri
scher in mechanische Energie. Gleichwohl eignet sich ein der
artiges piezoelektrisches Element aber auch dazu, mechanische
in elektrische Energie umzuwandeln. Hierbei wird der direkte
piezoelektrische Effekt ausgenutzt.
Für einen piezoelektrischen Biegewandler gibt es eine Viel
zahl von technischen Anwendungen. Solche Anwendungen sind
z. B. als ein piezoelektrischer Druckkopf für einen Tinten
strahldrucker, als ein Sensor für die Beschleunigungs- oder
Druckmessung, als Stellelement für die Weitergabe der Muster
information in einer Web-, Wirk- oder Strickmaschine und als
ein Stellelement in einer Braille-Zeile in einem Lesegerät
für Blinde, in einem Pneumatikventil, in einem schreibenden
Meßgerät oder in einem berührungslosen Oberflächen-Meßinstru
ment.
Das Anlegen einer Spannung zwischen der äußeren und der inne
ren Kontaktfläche führt je nach Polung zu einer Kontraktion
oder einer Expansion der piezoelektrischen Beschichtung, so
daß sich der gesamte Biegewandler verbiegt oder daß bei fest
gehaltenem einen Ende des Biegewandlers das andere Ende defi
niert ausgelenkt wird. Entsprechend umgekehrt wird eine Span
nung zwischen der inneren und dem äußeren Kontaktfläche er
zeugt, wenn der Biegewandler durch einen mechanischen Einfluß
gegenüber seiner gestreckten Ruheposition verbogen wird.
Ein Biegewandler der eingangs genannten Art ist beispiels
weise aus der DE 195 20 796 A1, der DE 40 25 436 A1 oder der
DE 196 20 826 B1 bekannt.
Ein Modul der eingangs genannten Art mit einer Anzahl von
piezoelektrischen Biegewandlern wird dazu verwendet, ein
elektronisches Informationssignal in ein mechanisch abtast
bares Informationssignal umzuwandeln. Beispielsweise wird ein
Modul mit einer Vielzahl von parallel angeordneten elektri
schen Biegewandlern zum Ansteuern der Nadeln oder der ma
schenbildenden Elementen einer Web-, Wirk- oder Strickma
schine verwendet. Zur Musterbildung in der von einer Textil
maschine erzeugten Ware wird dabei die Information, ob eine
Masche gebildet wird oder nicht über eine mechanische Abta
stung der Auslenkung des entsprechenden piezoelektrischen
Biegewandlers erhalten. Ein derartiges Steuermodul ist bei
spielsweise aus der US 3,961,501 A oder der EP 0 210 790 A2
bekannt.
Sowohl bei einem piezoelektrischen Biegewandler als auch bei
einem Modul mit einer Anzahl von piezoelektrischen Biegewand
lern stellt sich das Problem der elektrischen Kontaktierung
der Kontaktflächen der piezoelektrischen Beschichtung. Bis
lang ist es hierzu aus der DE 40 25 436 A1 bekannt, die äu
ßere Kontaktfläche der piezoelektrischen Beschichtung in Form
einer dünnen Metallschicht auszubilden, und zum elektrischen
Anschluß einen entsprechenden Anschlußdraht auf die Metall
schicht aufzulöten. Für die Kontaktierung der inneren Kon
taktfläche ist es aus demselben Dokument bekannt, zwischen
dem Tragkörper und der piezoelektrischen Beschichtung ein Me
tallplättchen einzulegen und auf dieses dann einen Anschluß
draht aufzulöten.
Die elektrische Kontaktierung der Kontaktflächen erfolgt also
in jedem Fall über einen Lötkontakt und einen entsprechenden
Anschlußdraht.
Nachteiligerweise stellt jedoch das Anlöten eines Anschluß
drahtes an ein verhältnismäßig kleines Bauteil wie einen pie
zoelektrischen Biegewandler eine nur schwer zu automatisie
rende Tätigkeit dar. Dies führt zu nachteilig hohen Produkti
onskosten. Auch stellt für einen piezoelektrischen Biegewand
ler und insbesondere für ein Modul aus einer Anzahl von pie
zoelektrischen Biegewandlern, für welches eine hohe Ausfall
sicherheit gefordert wird, sowohl der Lötkontakt als auch der
Anschlußdraht eine zusätzliche Ausfallkomponente dar, was die
Ausfallsicherheit des Biegewandlers und damit insbesondere
die des Moduls verschlechtert. Zudem gestaltet sich der Aus
tausch eines eingebauten Biegewandlers oder eines eingebauten
Moduls mit einem herkömmlichen elektrischen Anschluß mittels
Lötkontakt relativ aufwendig.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen piezoelektrischen Biege
wandler der genannten Art anzugeben, welcher eine besonders
einfache elektrische Kontaktierung der Kontaktflächen er
laubt. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Modul mit ei
ner Anzahl von piezoelektrischen Biegewandlern anzugeben, wo
bei die elektrische Kontaktierung der einzelnen Biegewandler
problemlos möglich ist. Auch soll insgesamt eine hohe Aus
fallsicherheit für einen piezoelektrischen Biegewandler und
für ein Modul aus piezoelektrischen Biegewandlern erzielt
werden.
Die Aufgabe bezüglich des piezoelektrischen Biegewandlers
wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß dieser zur Kontak
tierung einer Kontaktfläche einen elektrischen Steckkontakt
mit einem die Kontaktfläche berührenden elektrisch leitfähi
gen Elastomer aufweist, welches für eine lösbare Aufnahme ei
nes Kontaktstiftes durch plastische Verformung ausgebildet
ist.
Die Berührung des Elastomers mit der Kontaktfläche kann dabei
punktuell oder aber auch flächig ausgebildet sein. Durch das
Einführen oder Einstecken des Kontaktstiftes in das Elastomer
wird eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen dem Kon
taktstift und der das Elastomer berührenden Kontaktfläche
hergestellt. Infolge der reversiblen Deformierbarkeit des
Elastomers kann der Kontaktstift wiederholt in das Elastomer
eingesteckt und herausgezogen werden, ohne daß es zu einer
Verschlechterung der elektrischen Verbindung zwischen Kon
taktstift und Kontaktfläche kommt.
Die Erfindung bietet den Vorteil einer sicheren elektrischen
Kontaktierung der Kontaktflächen des piezoelektrischen Biege
wandlers ohne daß hierfür zusätzliche Ausfallkomponenten, wie
Lötkontakt oder Anschlußdraht notwendig wären. Durch die re
versible Verformbarkeit des Elastomers ist zudem eine sichere
und lösbare elektrische Verbindung über einen Kontaktstift
gegeben.
Gleichzeitig erlaubt die Erfindung einen problemlosen Aus
tausch eines defekten piezoelektrischen Biegewandlers. Zu
sätzlich beansprucht die erfinderische Kontaktierung weniger
Bauraum als eine vergleichbare Kontaktierung mittels Verlö
tung gemäß Stand der Technik. Auch erlaubt das Anbringen ei
nes Elastomers an einer Kontaktfläche des piezoelektrischen
Biegewandlers ein Automatisieren des Herstellungsprozesses.
Die Kontaktfläche muß dabei einfach in das Elastomer einge
steckt oder aber das Elastomer auf die Kontaktfläche gepreßt,
gedrückt oder geklebt werden.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist das eine
Ende des piezoelektrischen Biegewandlers fest mit einem An
schlußsockel verbunden, wobei das Elastomer eine Bohrung oder
eine Aussparung des Anschlußsockels ausfüllt, wobei das Ela
stomer zum Einstecken des Kontaktstiftes eine frei zugängli
che Oberfläche aufweist und wobei zumindest ein Teil der Wan
dung der Bohrung oder der Aussparung durch einen Teil der
Kontaktfläche gebildet ist. Die Bohrung oder die Aussparung
in dem Anschlußsockel kann beispielsweise als ein Sackloch
ausgebildet sein, in welches das Elastomer in flüssigem Zu
stand eingegossen wird. Dadurch, daß ein Teil der Wandung der
Bohrung oder der Aussparung durch einen Teil der Kontaktflä
che selbst gebildet wird, berührt das Elastomer nach Aushär
tung die Kontaktfläche und steht damit in leitfähiger Verbin
dung mit dieser. Zur Herstellung eines derartigen Steckkon
taktes wird beispielsweise der Biegewandler in einen Längs
schlitz des Anschlußsockels eingeschoben, wobei an einer
Stelle des Längsschlitzes eine seitliche Aussparung vorgese
hen ist. Diese Aussparung wird anschließend mit dem Elastomer
aufgefüllt, und das Elastomer wird ausgehärtet. Der Anschluß
sockel selbst ist hierbei aus einem elektrisch isolierenden
Material, beispielsweise aus einem Kunststoff, ausgebildet.
Vorteilhafterweise ist das Elastomer ein Silikonkautschuk mit
eingelagerten metallischen Partikeln, insbesondere Silber.
Silikonkautschuk gestattet eine einfache Handhabung in flüs
sigem Zustand und zeigt nach Aushärtung eine hervorragende
reversible Verformbarkeit. Entsprechende Versuche haben ge
zeigt, daß die Kontaktierung der Kontaktfläche auch nach über
50-maligem Lösen und Einstecken des Kontaktstiftes unbeein
flußt war. Insbesondere das Einlagern von Silber gewährlei
stet eine hohe elektrische Leitfähigkeit des Silikonkau
tschuks.
In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist das
Elastomer ein leitfähiger Kunststoffschaum. Ein derartiger
Kunststoffschaum wird beispielsweise als Verpackungsmaterial
zum Schutz von elektromagnetischen Einwirkungen für hochemp
findliche elektronische Geräte verwendet. Im Falle des Ela
stomers Kunststoffschaum kann die Verarbeitung einfach durch
Zuschneiden des Kunststoffschaumes erfolgen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
weist die äußere und die innere Kontaktfläche den elektri
schen Steckkontakt mit einem Elastomer auf, wobei sich die
innere Kontaktfläche zusammen mit dem Tragkörper über die Be
schichtung hinaus in Längsrichtung des Tragkörpers in den An
schlußsockel erstreckt, und dort über das Elastomer kontak
tierbar ist. Dies erlaubt eine räumliche Trennung des elek
trischen Anschlusses von innerer und äußerer Kontaktfläche
des piezoelektrischen Biegewandlers. Insbesondere dadurch,
daß die innere Kontaktfläche mit dem Tragkörper ohne Be
schichtung in das Anschlußstück hinein fortgeführt ist, kann
auch die Kontaktierung der inneren Kontaktfläche über ein die
Kontaktfläche berührendes Elastomer in einfacher Art und
Weise ausgeführt werden.
Weiter von Vorteil ist es, wenn der piezoelektrische Biege
wandler beidseitig mit der piezoelektrisch aktiven Beschich
tung mit jeweils einer äußeren Kontaktfläche versehen ist.
Ein derartiger Biegewandler erlaubt eine Verbiegung in zwei
entgegengesetzte Richtungen mit einer hohen Stellkraft.
Für die Kontaktierung der inneren Kontaktfläche ist es zweck
mäßig, wenn der Tragkörper selbst aus einem elektrisch leit
fähigen Material besteht und selbst die innere Kontaktfläche
bildet. Für die Kontaktierung der inneren Kontaktfläche
braucht hierbei nur das elektrisch leitfähige Elastomer den
Tragkörper zu berühren.
Bezüglich des Moduls mit einer Anzahl von piezoelektrischen
Biegewandlern wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch ge
löst, daß die einen Enden der Biegewandler in einer gemein
samen Anschlußleiste zusammengefaßt sind, und daß zur Kontak
tierung der Kontaktflächen ein elektrischer Steckkontakt mit
einem die jeweilige Kontaktfläche berührenden, in einer Boh
rung oder Aussparung der Anschlußleiste angeordneten Elasto
mer aufweist, welches für eine lösbare Aufnahme eines Kon
taktstiftes durch plastische Verformung ausgebildet ist.
Das Modul erlaubt eine sichere Kontaktierung der Biegewandler
über eine entsprechende Anschlußleiste mit Kontaktstiften,
die in die jeweiligen mit einem Elastomer ausgefüllten Boh
rungen oder Aussparungen eingedrückt werden. Durch die lös
bare Verbindung kann das Modul als Ganzes rasch ausgetauscht
und durch ein anderes ersetzt werden, ohne daß hierfür
schwierig auszuführende Arbeiten notwendig wären.
In einer vorteilhaften Ausführungsform weist das Modul beid
seitig mit jeweils einer Piezokeramik beschichtete Biegewand
ler auf, wobei die Polarisationsrichtungen der Piezokeramiken
eines Biegewandlers jeweils in die gleiche Richtung und die
Polarisationsrichtungen einander zugewandter Piezokeramiken
benachbarter Biegewandler in entgegengesetzte Richtungen zei
gen, wobei die einander zugewandten äußeren Kontaktflächen
der Piezokeramiken benachbarter Biegewandler gemeinsam mit
einem Elastomer kontaktiert sind.
Dadurch, daß die Polarisationsrichtungen der Piezokeramiken
eines Biegewandlers in die gleiche Richtung zeigen, kann der
Biegewandler durch Anlegen entsprechender Steuerspannungen in
zwei entgegengesetzte Richtungen ausgelenkt werden, ohne daß
hierbei eine der Piezokeramiken entgegen ihrer Polarisations
richtung betrieben wird. Hierzu wird in Polarisationsrichtung
der beiden Piezokeramiken zwischen die äußeren Kontaktflächen
eine vorgegebene Betriebsspannung (in der Regel sind dies
etwa 200 V) und an die elektrisch miteinander kontaktierten
inneren Kontaktflächen abwechselnd das Potential der einen
und das Potential der anderen äußeren Kontaktfläche angelegt.
Auf diese Weise kontrahieren abwechselnd die beiden Piezoke
ramiken und führen zu einer Auslenkung des freien Endes des
Biegewandlers einmal in die eine und einmal in die andere
Richtung. Die elektrische Kontaktierung der inneren Kontakt
flächen miteinander kann beispielsweise über einen elektrisch
leitfähigen Tragkörper geschehen.
Werden derartige Biegewandler in dem Modul abwechselnd mit
zueinander entgegengesetzten Polarisationsrichtungen angeord
net, so können die einander zugewandten äußeren Kontaktflä
chen der Piezokeramiken benachbarter Biegewandler auf das
selbe Potential gelegt werden. Für den elektrischen Anschluß
wird hierfür ein Elastomer, welches jeweils zwischen die äu
ßeren Kontaktflächen gelegt ist, verwendet. Eine derartige
Anordnung bietet den großen Vorteil, daß die Biegewandler in
dem Modul dicht aufeinanderfolgend angeordnet werden können.
Pro Fläche können daher zur Informationsweitergabe mehr Bie
gewandler zur Verfügung gestellt werden. Auch weist ein der
artiges Modul durch die Betriebsweise der Biegewandler nur in
Polarisationsrichtung der Piezokeramik und durch die Verrin
gerung der Zahl elektrischen Anschlüssen eine hohe Betriebs
sicherheit und eine niedrige Ausfallquote auf.
Vorteilhafterweise besteht jeder Tragkörper aus einem elek
trisch leitfähigem Material, erstreckt sich über die Be
schichtung hinaus in die Anschlußleiste und weist dort den
elektrischen Steckkontakt in Form des Elastomers auf. Ein
elektrisch leitfähiges Material kann beispielsweise ein Me
tall oder aber auch ein elektrisch leitfähiger Kunststoff,
wie insbesondere ein mit Kohlefasern verstärktes Epoxidharz
sein. Ist der Tragkörper aus einem elektrisch leitfähigen Ma
terial, so ist für die Kontaktierung der inneren Kontaktflä
chen jedes Biegewandlers lediglich ein elektrischer Anschluß
erforderlich. Durch die Verlängerung des Tragkörpers ohne Be
schichtung in die Anschlußleiste hinein, kann der elektrische
Anschluß für die inneren Kontaktflächen räumlich getrennt von
den elektrischen Anschlüssen der äußeren Kontaktflächen ge
trennt werden. Zudem erhält der gesamte Biegewandler durch
den verlängerten Tragkörper eine höhere mechanische Stabili
tät in der Anschlußleiste. Für eine besonders gute Kontaktie
rung mit dem Elastomer kann der Tragkörper auf der dem Ela
stomer zugewandten Seite mit einer Belegung aus einer Kupfer
folie versehen sein.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zei
chnung näher erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1 einen piezoelektrischen Biegewandler mit einem An
schlußsockel, welcher drei elektrische Steckkontakte
mit einem Elastomer aufweist, und einen für das An
schlußstück ausgebildeten Stecker;
Fig. 2 ein Modul aus sechzehn parallel angeordneten piezo
elektrischen Biegewandlern, welche in einer gemeinsa
men Anschlußleiste zusammengefaßt sind, und wobei die
elektrischen Anschlüsse für die Biegewandler jeweils
als Steckkontakte mit einem Elastomer ausgebildet
sind; und
Fig. 3 ein modular aufgebautes Steuermodul zum Ansteuern der
Nadeln einer Rundstrickmaschine mit einem Gehäuse
teil, einem Biegewandlermodul und einer Elektronik
platine, wobei die elektrische Verbindung zwischen
der Elektronikplatine und dem Biegewandlermodul lös
bar über in Steckkontakte eingreifende Kontaktstifte
ausgebildet ist.
In Fig. 1 ist ein piezoelektrischer Biegewandler 1 mit einem
flachen Tragkörper 2 und einer darauf beidseitig aufgebrach
ten piezoelektrischen Beschichtung 4 und 5 gezeigt. Der Trag
körper 2 besteht aus einem elektrisch leitfähigen, mit Kohle
fasern verstärkten Epoxidharz. Als piezoelektrische Beschich
tung 4 und 5 ist eine Piezokeramik auf Basis von Blei-Zirko
nat-Titan aufgebracht. Jede der piezoelektrischen Beschich
tungen 4 und 5 weist eine äußere Kontaktfläche 6 bzw. 7 sowie
eine innere Kontaktfläche 8 bzw. 9 auf. Sowohl die äußeren
Kontaktflächen 6 und 7 als auch die inneren Kontaktflächen 8
und 9 sind in Form einer dünnen metallischen Beschichtung
ausgebildet. Die inneren Kontaktflächen 8 und 9 stehen mit
dem Tragkörper 2 in elektrischem Kontakt.
Zum Anschluß an eine Steuerspannung umfaßt der piezoelektri
sche Biegewandler 1 an seinem einen Ende einen Anschlußsockel
10. Das andere Ende des piezoelektrischen Biegewandlers 1 ist
frei beweglich. Tragkörper 2 und piezoelektrische Beschich
tung 4 und 5 sind in eine entsprechende Aussparung des An
schlußsockels 10 gesteckt und mit diesem fest verklebt. Der
Anschlußsockel 10 selbst besteht aus einem elektrisch isolie
renden Kunststoff und ist im Spritzgußverfahren hergestellt.
Für eine gute mechanische Verbindung und eine einfach elek
trische Kontaktierung ist der Tragkörper 2 über die piezo
elektrische Beschichtung 4 und 5 hinaus in den Anschlußsockel
10 verlängert. Zusätzlich ist das sich in dem Anschlußsockel
10 befindliche freie Ende 12 des Tragkörpers 2 einseitig mit
einer Kupferbelegung 13 versehen.
Die äußeren Kontaktflächen 6 und 7 sind jeweils über einen
elektrischen Steckkontakt 15 bzw. 16 an eine externe Span
nungsquelle anschließbar. Ebenso weist der elektrisch leit
fähige Tragkörper 2 zum Anschluß an einen Pol einer externen
Spannungsquelle einen elektrischen Steckkontakt 17 auf. Jeder
elektrische Steckkontakt 15, 16 und 17 ist als ein in den An
schlußsockel 10 eingearbeitetes Sackloch 22 ausgebildet, wel
ches mit einem elektrisch leitfähigen Elastomer 20 ausgefüllt
ist. Das Elastomer 20 ist ein Silikonkautschuk, welches ein
gelagerte Silberpartikel umfaßt. Das Silikonkautschuk wird in
flüssiger Form in das Sackloch 22 eingefüllt und härtet an
schließend aus. Das Sackloch 22 ist im wesentlichen quader
förmig ausgebildet, wobei die Wand einer Längsseite durch ei
nen Teil der zu kontaktierenden Fläche selbst gebildet ist.
Auf diese Weise ist eine flächige Berührung des Elastomers 20
mit der zu kontaktierenden Fläche und damit eine sichere
elektrische Verbindung gewährleistet. Im Anschlußsockel 10
ist das Elastomer 20 des Steckkontaktes 17 mit der Kupferbe
legung 13 des Tragkörpers 2 und damit mit den inneren Kon
taktflächen 8 und 9 kontaktiert. Die Elastomere 20 der Steck
kontakte 15 und 16 stehen mit den äußeren Kontaktflächen 6
und 7 in elektrischer Verbindung.
Für das Betätigen des piezoelektrischen Biegewandlers 1 wird
über einen Stecker 24 eine Verbindung zu einem externen Steu
ergerät hergestellt. Der Stecker 24 weist hierzu Kontakt
stifte 26, 27 und 28 auf, welche in die Steckkontakte 15, 16
bzw. 17 eingesteckt werden können. Das Elastomer 20 der
Steckkontakte 15, 16 und 17 umschließt dabei durch plastische
Verformung den jeweiligen Kontaktstift 26, 27 bzw. 28, wo
durch eine sichere elektrische Verbindung hergestellt wird.
Durch die reversible Verformbarkeit des Elastomers kann die
Steckverbindung mehrfach gelöst und wieder hergestellt wer
den, ohne daß eine Einbuße hinsichtlich der elektrischen Ver
bindung auftritt. Bei Untersuchungen mit Silikonkautschuk als
Elastomer 20, war nach 50-maligem Lösen und Schließen der
Steckverbindung keinerlei Einbuße hinsichtlich der elektri
schen Verbindung feststellbar.
Der Stecker 24 selbst weist eine Platine 25 auf, auf welcher
neben den Kontaktstiften 26, 27 und 28 verschiedene Elektro
nikbauteile 30 und 31 angeordnet sind. Die Platine 25 ist da
für vorgesehen, die über ein Anschlußkabel 32 zugeführten
Steuersignale einer externen Steuereinheit in Leistungs
signale für das Betätigen des piezoelektrischen Biegewandlers
1 umzuwandeln.
Zum Betätigen des piezoelektrischen Biegewandlers 1 wird in
Polarisationsrichtung der Piezokeramiken an die Steckkontakte
15 und 16 eine Spannung von ca. 200 V angelegt. An den Steck
kontakt 17, welcher die inneren Kontaktflächen 8 und 9 kon
taktiert, wird abwechselnd zur Auslenkung des freien Endes
des piezoelektrischen Biegewandlers 1 das Potential des
Steckkontaktes 15 und das Potential des Steckkontaktes 16 ge
legt. Auf diese Weise sieht einmal die Piezokeramik der pie
zoelektrischen Beschichtung 5 und das andere Mal die Piezoke
ramik der piezoelektrischen Beschichtung 4 ein elektromagne
tisches Feld in ihrer Polarisationsrichtung und kontrahiert.
Das freie Ende des Biegewandlers 1 biegt sich entsprechend
den eingezeichneten Pfeilen einmal nach links und einmal nach
rechts.
In Fig. 2 ist ein Modul 34 aus sechzehn parallel angeordneten
Biegewandlern 1 gezeigt. Die piezoelektrischen Biegewandler 1
sind hierbei in gleicher Weise aufgebaut wie der in Fig. 1 ge
zeigte. Es ist dabei lediglich der Anschlußsockel 10 zu einer
gemeinsamen Anschlußleiste 36 zusammengefaßt. Jeder Tragkör
per 2 ist dabei wiederum über die piezoelektrische Beschich
tung hinaus in die Anschlußleiste 36 geführt. Piezoelektri
sche Beschichtung und das freie Ende 12 des Tragkörpers 2 der
piezoelektrischen Biegewandler 1 sind an der Aussparung der
Anschlußleiste 36 eingesteckt und mit der Anschlußleiste 36
verklebt.
Ausgehend von Fig. 1 sind benachbarte piezoelektrische Biege
wandler 1 des Moduls 34 entsprechend der Polarisationsrich
tung 38 der piezokeramischen Beschichtung jeweils um 180 Grad
gegeneinander gedreht. Bei dem bereits beschriebenen Betrieb
der piezoelektrischen Biegewandler 1 befinden sich daher die
benachbarten äußeren Kontaktflächen 6' und 7' auf demselben
elektrischen Potential. Aus diesem Grund sind benachbarte äu
ßere Kontaktflächen der piezoelektrischen Biegewandler 1 des
Moduls 34 über einen gemeinsamen elektrischen Steckkontakt 40
kontaktierbar. Aufeinander folgende Steckkontakte 41, 40 wer
den abwechselnd auf unterschiedliches Potential gelegt. Zur
Herstellung der elektrischen Steckkontakte für die Kontaktie
rung der äußeren Kontaktflächen der elektrischen Biegewandler
1 weist die Anschlußleiste 36 des Moduls 34 einen Querkanal
42 auf. Dieser Querkanal 42 wird nach Einsetzen der beschich
teten Tragkörper 2 in voneinander getrennte Kammern unter
teilt, welche nach Auffüllen mit leitfähigem Silikonkautschuk
die jeweiligen Steckkontakte bilden.
Zur Kontaktierung der Tragkörper 2 sind wie in Fig. 1 gezeigt,
elektrische Steckkontakte 46 und 48 ausgebildet. Dabei liegen
die elektrischen Steckkontakte 46 und 48 einander direkt ge
genüber, um auf der Anschlußleiste 36 Raum für Befestigungs
elemente zu bilden. So weist die Anschlußleiste 36 gemäß Fig.
2 Bohrungen 50 zum Befestigen an ein Gehäuse sowie Arretier
stifte 52 zum Fixieren der Lage des Moduls 34 in einem Ge
häuse auf.
Das gezeigt Modul 34 eignet sich insbesondere zur Weitergabe
der Musterinformation an die Nadeln einer Wirk- oder Strick
maschine. Je nach Stellung der freien Enden der piezoelektri
schen Biegewandler 1 wird die dem Biegewandler zugeordnete
Nadel zum Stricken oder Wirken herangezogen oder nicht. Prin
zipiell kann das gezeigte Modul 34 aber auch für jede andere
Anwendung verwendet werden, bei welcher eine elektronische
Information in eine mechanisch abtastbare Information umge
wandelt werden muß.
Zum Ansteuern des Moduls 34 gemäß Fig. 2 ist eine, hier nicht
dargestellte, mit einer entsprechenden Leistungselektronik
ausgestattete Elektronikplatine vorgesehen, welche mit ent
sprechenden Kontaktstiften in die elektrischen Steckkontakte
40, 41, 46, 48 der Anschlußleiste 36 eingreift (siehe hierzu
auch Fig. 3). Die Elektronik der Platine wandelt dabei ent
sprechende Steuersignale in Leistungssignale zum Betätigen
der piezoelektrischen Biegewandler 1 um. Das freie Ende jedes
piezoelektrischen Biegewandlers 1 des gezeigten Moduls 34
kann prinzipiell in drei definierte Zustände gebracht werden.
Zustand I entspricht der Auslenkung nach links, Zustand III
der Auslenkung nach rechts und Zustand II dem Ruhezustand des
piezoelektrischen Biegewandlers 1.
Fig. 3 zeigt ein modulartig aufgebautes Steuermodul 53 für die
Steuerung der Nadeln einer Rundstrickmaschine. Das Steuermo
dul 53 setzt sich zusammen aus einem Gehäuse 54, dem Modul 34
gemäß Fig. 2 und der Platine 56 zum Betätigen der piezoelek
trischen Biegewandler 1 des Moduls 34. Die Platine 56 verfügt
über elektrische Kontaktstifte 58 und 60, welche in die ent
sprechenden Steckkontakte 62 und 63 des Moduls 34 einsteckbar
sind. Auf der Platine 56 ist desweiteren eine Elektronik
schaltung mit verschiedenen Elektronikbauteilen 64 angeord
net, welche die über ein Verbindungskabel 65 von einer exter
nen Steuereinheit empfangenen Steuersignale in Leistungs
signale für die piezoelektrischen Biegewandler 1 des Moduls
34 umwandelt.
Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist der Deckel des Gehäuses
54 nicht miteingezeichnet.
Die piezoelektrischen Biegewandler 1 weisen an ihrem freien
beweglichen Ende jeweils eine aufgeklebte zylinderförmige
Verdickung 67 auf. Die Verdickung 67 greift jeweils in den
hinteren Teil einer beweglich am Gehäuse 54 angeordneten,
hier nicht dargestellten, Wippe ein. Der vordere Teil dieser
Wippe ist als ein Steueranker 68 ausgebildet, dessen Stellung
letztendlich von der Steuerplatine der Rundstrickmaschine ab
getastet wird.
Der modulare Aufbau des Steuermoduls 53 erlaubt einen raschen
und problemlosen Austausch der einzelnen Komponenten. Durch
die Ausbildung der elektrischen Anschlüsse als Steckkontakte
62, 63 verringert sich gegenüber einem herkömmlichen Steuer
modul, wobei jeder einzelne piezoelektrische Biegewandler 1
mit separaten Anschlußdrähten und Lötkontakten versehen ist,
die Zahl der Ausfallkomponenten. Desweiteren kann der Zusam
menbau des Steuermoduls 53 vollständig automatisiert werden.
Ein Handverlöten von Anschlußdrähten ist nicht mehr erforder
lich. Die Elastomer-Steckkontakte 62, 63 gewährleisten einen
sicheren, langlebigen und wartungsfreien Betrieb des gesamten
Steuermoduls 53.
Claims (10)
1. Piezoelektrischer Biegewandler (1) mit einem flachen Trag
körper (2) und einer darauf zumindest einseitig aufgebrachten
piezoelektrisch aktiven Beschichtung (4, 5) mit einer inneren,
dem Tragkörper (2) zugewandten Kontaktfläche (8, 9) und einer
äußeren, dem Tragkörper (2) abgewandten Kontaktfläche (6, 7),
gekennzeichnet durch einen elektrischen Steck
kontakt (15, 16, 17) zur Kontaktierung einer Kontaktfläche (6,
7, 8, 9) mit einem die Kontaktfläche (6, 7, 8, 9) berührenden,
elektrisch leitfähigen Elastomer (20), welches für eine lös
bare Aufnahme eines Kontaktstiftes (26, 27, 28) durch plasti
sche Verformung ausgebildet ist.
2. Piezoelektrischer Biegewandler (1) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß sein eines
Ende fest mit einem Anschlußsockel (10) verbunden ist, wobei
das Elastomer (20) eine Bohrung oder eine Aussparung des An
schlußsockels (10) ausfüllt, wobei das Elastomer (20) zum
Einstecken des Kontaktstiftes (26, 27, 28) eine frei zugänglich
Oberfläche aufweist und wobei zumindest ein Teil der Wandung
der Bohrung oder der Aussparung durch einen Teil der Kontakt
fläche (6, 7, 8, 9) gebildet ist.
3. Piezoelektrischer Biegewandler (1) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß das Ela
stomer (20) ein Silikonkautschuk mit eingelagerten metalli
schen Partikeln, insbesondere Silber, ist.
4. Piezoelektrischer Biegewandler (1) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß das Ela
stomer (20) ein leitfähiger Kunststoffschaum ist.
5. Piezoelektrischer Biegewandler (1) nach einem der Ansprü
che 2 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß äußere und
innere Kontaktfläche (6, 7, 8, 9) den elektrischen Steckkontakt (15, 16, 17)
mit einem Elastomer (20) aufweisen, wobei sich die
innere Kontaktfläche (8, 9) zusammen mit dem Tragkörper (2)
über die Beschichtung hinaus in Längsrichtung des Tragkörpers
(2) in den Anschlußsockel (10) erstreckt, und dort über das
Elastomer (20) kontaktierbar ist.
6. Piezoelektrischer Biegewandler (1) nach einem der Ansprü
che 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß er beid
seitig mit der piezoelektrisch aktiven Beschichtung (4, 5) mit
jeweils einer äußeren Kontaktfläche (6, 7) versehen ist.
7. Piezoelektrischer Biegewandler (1) nach einem der Ansprü
che 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß der Trag
körper (2) aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht
und selbst die innere Kontaktfläche (6, 7) bildet.
8. Modul (34) aus einer Anzahl von piezoelektrischen Biege
wandlern (1) mit jeweils einem flachen Tragkörper (2) und ei
ner darauf zumindest einseitig aufgebrachten piezoelektrisch
aktiven Beschichtung (4, 5) mit einer dem Tragkörper (2) zuge
wandten inneren (8, 9) und einer äußeren Kontaktfläche (6, 7),
dadurch gekennzeichnet, daß die einen
Enden der Biegewandler (1) in einer gemeinsamen Anschlußlei
ste (36) zusammengefaßt sind, und daß zur Kontaktierung der
Kontaktflächen (6, 7, 8, 9) ein elektrischer Steckkontakt
(40, 41, 46, 48, 62, 63) mit einem die jeweilige Kontaktfläche
(6, 7, 8, 9) berührenden, in einer Bohrung oder einer Aussparung
der Anschlußleiste (36) angeordneten Elastomer (20) aufweist,
welches für eine lösbare Aufnahme eines Kontaktstiftes
(58, 60) durch plastische Verformung ausgebildet ist.
9. Modul (34) nach Anspruch 8,
gekennzeichnet durch beidseitig mit je
weils einer Piezokeramik beschichtete Biegewandler (1), wobei
die Polarisationsrichtungen (38) der Piezokeramiken eines
Biegewandlers (1) jeweils in die gleiche Richtung und die Po
larisationsrichtungen (38) einander zugewandter Piezokerami
ken benachbarter Biegewandler (1) in entgegengesetzte Rich
tungen zeigen, wobei die einander zugewandten äußeren Kon
taktflächen (6, 7) der Piezokeramiken benachbarter Biegewand
ler (1) gemeinsam mit einem Elastomer (20) kontaktiert sind.
10. Modul (34) nach Anspruch 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet, daß jeder
Tragkörper (2) aus einem elektrisch leitfähigen Material be
steht, daß sich jeder Tragkörper (2) über die Beschichtung
hinaus in die Anschlußleiste (36) erstreckt und dort den
elektrischen Steckkontakt (40, 41, 46, 48, 62, 63) in Form des
Elastomers aufweist.
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