PIEZOELECTRIC RELAY

Abstract: 1. Piezoelectric relay with at least one piezoceramic longitudinal transducer (2), the change in length of which on the application of a voltage causes a proportional change in the clamped length of at least one contact element constructed as bent spring (3; 23a, 23b; 33), the central region of the bent spring (3; 23a, 23b; 33) executing a transverse motion relative to at least one counter-contact element (5, 6; 25a, 25b, 26a, 26b; 35, 36), characterized in that the bent spring (3; 23a, 23b; 33) is clamped essentially parallel to the longitudinal transducer (2), it being possible by means of the change in lenght of the longitudinal transducer (2) to change its clamped length proportionally in the same sense and is brought into non-positive compressive connection with the end faces of the longitudinal transducer (2) through means for elastic biasing.

Description: Piezoelektrisches Relais Die Erfindung bezieht sich auf ein piezoelektrisches Relais mit mindestens einem piezokeramischen Wandlerelement, dessen Formänderung beim Anlegen einer Spannung zur Betätigung mindestens eines beweglichen Kontaktelementes relativ zu mindestens einem Gegenkontaktelement umsetzbar ist. Zum Antrieb von Relais werden seit jeher Elektromagnetsysteme in verschiedensten Ausführungsformen verwendet, deren Erregerspule durch ihre Erwärmung und durch kontaktschädliche Ausdünstungen der Wicklungsisolierung unerwünschte Auswirkungen auf die Relaisfunktion haben kann. Auf der Suche nach anderen Antriebssystemen wurde auch bereits vor langer Zeit eine Ausnutzung des piezoelektrischen Effekts zum Schalten von Relaiskontakten in Erwägung gezogen. Da die Formänderung piezoelektrischer Wandlerelemente jedoch im Vergleich zu ihrer Grösse nur gering ist, konnten mit derartigen Konstruktionen bisher die Leistungseigenschaften elektromagnetischer Relais nicht erreicht werden. So ist bei bekannten piezoelektrischen Relais (DE-GM 19 17 876, DE-OS 28 11 524) jeweils das Kontaktelement unmittelbar mit einem Biegewandler verbunden, so dass die Auslenkung des Biegeelementes unmittelbar den Kontakthub ergibt. Um bei derartigen Relais einen genügend grossen Kontakthub zu erhalten, müssen der Biegewandler und damit das Relais insgesamt eine Grösse erhalten, die für die meisten Anwendungsgebiete einen wirtschaftlichen Einsatz derartiger Relais nicht ermöglicht. Ist der Wandler gleichzeitig Träger der Kontaktstücke, der Stromzuführungen und evtl. zusätzlicher magnetischer Bauteile, so wird die Wandlerfunktion durch das elektrische Feld der Schaltspannung beeinflusst, während die Erwärmung der Kontaktstücke durch den Schaltstrom das Wandlermaterial selbst beeinträchtigen kann. Ausserdem gibt es Probleme, zwischen dem Kontaktmaterial und der Wandlerkeramik eine haltbare Verbindung herzustellen, die keine Bimetall-Wirkung haben darf. Von Nachteil ist auch, dass die Wandler aufgrund ihrer Eigenschaften (Hysterese, Schleichen, Reihenfolge der Betätigungen) keine konstanten Kontaktkräfte ermöglichen. Aufgabe der Erfindung ist es, ein piezoelektrisches Relais zu schaffen, bei dem die bei elektromagnetischen Relais erreichbare Kraft-Weg-Charakteristik in einer einfachen und platzsparenden Konstruktion verwirklicht werden kann. Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass als bewegliches Kontaktelement eine Knickfeder im wesentlichen parallel zu einem Längswandler eingespannt ist, wobei ihre Einspannlänge durch Längenänderungen des Längswandlers proportional veränderbar ist, und dass das bzw. die Gegenkontaktelemente der Knickfeder etwa in deren Mittelbereich gegenüberstehen. Bei der Erfindung wird also die Längenänderung des Längswandlers bzw. Elongators auf eine Knickfeder, also eine auf Knickung beanspruchte Blattfeder, übertragen. Proportional zur Länge des Längswandlers wird diese Knickfeder mehr oder weniger durchgebogen, wobei sich ihr Mittelbereich senkrecht zur Längsachse des Elongators bewegt. Auf diese Weise lässt sich eine Auslenkung erreichen, die einen brauchbaren Kontaktweg ergibt, wenn die Knickfeder in ihrem Mittel bereich als Kontaktelement ausgebildet ist. Im spannungslosen Zustand des Längswandlers ist die Knickfe der im wesentlichen gestreckt, wobei es zweckmässig ist, auch in diesem Zustand eine leichte Durchbiegung der Feder vorzusehen, um beim Ansprechen des Längswandlers eine Ausknickung nur in einer definierten Richtung zuzulassen. Mit einer derartigen leichten Durchbiegung kann auch bei dieser Schaltstellung eine genügende Kontaktkraft der Knickfeder gegenüber einem Gegenkontaktelement aufgebracht werden. Mit der Erfindung wird nicht nur der grundsätzliche Vorteil eines piezoelektrischen Relais, nämlich die Vermeidung einer Erregerspule und der mit ihr verbundenen Probleme, erreicht, vielmehr wird es durch die Trennung des piezokeramischen Wandlers vom Kontaktelement möglich, das gewünschte Schaltverhalten auf einfachere Weise zu verwirklichen. Der piezokeramische Längswandler besitzt keine Kontakt-Stromzuführungen, keine Kontaktstücke oder magnetischen Bauelemente. Seine Längenänderung wird auf die Knickfeder übertragen, wobei mit einer derartigen Anordnung ausreichende Kontaktwege erreichbar sind. Eine Ver grösserung des Hubs ist möglich, wenn die Knickfeder von der Achse des Längswandlers entfernt wird und die Längen änderung des Wandlers über ein Hebelsystem auf die Feder übertragen wird. Bei Verwendung eines Längswandlers mit einer oder mehreren Knickfedern erhält man ein monostabiles System. Es könnte aber auch eine bistabile Ausführung geschaffen werden, wenn zwei Wandler verwendet werden, von denen einer über einen Drehpunkt und einen Hebel eine positive Längenänderung bewirkt. Die Konstruktion wird in diesem Fall jedoch komplizierter. Im spannungslosen Zustand des Längswandlers ist die Knickfeder bei einer Ausführungsform der Erfindung gestreckt. Um für diese Stellung auch Kontaktkraft zu erhalten, muss die Feder durch einen Gegenkontakt etwas aus ihrer Ruhelage herausgebogen werden. Mit dieser Massnahme wird auch sichergestellt, dass beim Ansprechen des Längswandlers eine Knickung der Feder nur in definierter Richtung erfolgt. In der Ruhelage lässt sich also die Kontaktkraft allein durch die Steifigkeit der geringfügig ausgelenkten Feder erzeugen, ohne dass die Zugwirkung des Längswandlers hierzu einen Beitrag leisten muss. In bestimmten Anwendungsfällen könnte auch diese Zugwirkung mit herangezogen werden. Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 ein piezoelektrisches Relais mit einem Längswand ler und einer unmittelbar an dem Längswandler angebrachten Knickfeder, Fig. 2 einen Längswandler mit einer über ein Hebelsystem angekoppelten Knickfeder, Fig. 3 bis 5 verschiedene Abwandlungen eines Längswandlers mit einer Knickfeder, Fig. 6 einen Längswandler mit zwei rahmenartig angeordneten Knickfedern, Fig. 7 einen Längswandler mit einem Druckrahmen und einer Knickfeder, Fig. 8 und 9 ein in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen anwendbares Dauermagnetsystem in zwei Ansichten. Alle Zeichnungen zeigen lediglich den schematischen Aufbau des Relaissystems. Die konstruktive Ausgestaltung kann der Fachmann daraus ableiten. Das in Fig. 1 dargestellte piezoelektrische Relais enthält in einem Gehäuse 1 einen Längswandler 2, der mit einem Ende 2a am Gehäuse befestigt ist und mit seinem freien Ende 2b in Richtung seiner Längsachse frei beweglich ist. Das bedeutet, dass beim Anlegen einer Spannung an den Längswandler 2 über nicht dargestellte Anschlusselemente eine Längenänderung, nämlich eine Verkürzung, des Längswandlers erfolgt, was sich in einer Verschiebung der Stirnseite am Ende 2b bemerkbar macht. Parallel zum Längswandler ist eine als Blattfeder ausgebildete Knickfeder 3 vorgesehen, welche mit ihren Enden jeweils mit den Enden des Längswandlers 2 gekoppelt ist, also am Ende 3a mit dem Ende 2a und am Ende 3b mit dem Ende 2b. Etwa in ihrer Mitte besitzt die Knickfeder 3 ein Kontaktstück 4, welches zwischen zwei Gegenkontaktelementen 5 und 6 umschaltbar ist. Kontaktanschlusselemente für das Kontaktstück 4 und für die Gegenkontaktelemente 5 und 6 sind nicht eigens dargestellt, doch müssen sie in üblicher Weise vorgesehen werden. Ausserdem ist zur Kopplung zwischen Längswandler 2 und Knickfeder 3 eine Andruckfeder 7 vorgesehen, welche das Ende 3b auf die Stirnseite am Wandlerende 2b drückt. Solange das Wandlerelement nicht erregt ist, nimmt die Knickfeder 3 die in Fig. 1 durchgezogene Linienform ein. Dabei liegt das Kontaktstück 4 auf dem Gegenkonaktelement 5 auf, wodurch die Knickfeder 3 leicht aus der gestreckten Form nach links durchgebogen ist. Wird das Wandlerelement 2 über nicht dargestellte Anschlusselemente an Spannung gelegt, so verkürzt es sich und das Ende 2b verschiebt sich in Fig. 1 nach oben. Damit wird die Knickfeder 3 stark nach links durchgebogen, wobei das Kontaktstück 4 gegen den Cegenkontakt 6 gedrückt wird. Die Feder 3 nimmt dann die gestrichelte Form 3c ein. Nach Abschalten der Spannung am Längswandler 2 kehrt die Feder wieder in ihre Ausgangslage bzw. Ausgangsform zurück. Die Fig. 2 zeigt eine Abwandlung gegenüber Fig. 1 in der Weise, dass die Knickfeder 3 mit ihrer Längsachse gegen über der Längsachse des Längswandlers 2 versetzt ist, wobei die Längenänderung des Längswandlers 2 über einen Hebel 8 auf die Knickfeder 3 übertragen wird. Dadurch ist ein grösserer Kontakthub erforderlich. Ansonsten entspricht die Wirkungsweise des Relais der Ausführungsform von Fig. 1. Ein solches System ist auch in Fig. 3 dargestellt. Der Hebelarm 8 ist auch hier mit seinem Ende 8a im Gehäuse 1 gelagert und wird über eine Blattfeder 17 an das freie Ende des Längswandlers 2 angedrückt. Bei der Ausführungsform von Fig. 4 ist der Hebelarm im Gehäuse 1 im Bereich 1a fest eingespannt, und zwar so, dass er auf das freie Ende des Längswandlers 2 hin eine Vorspannung erhält. Bei Verkürzung des Längswandlers folgt ihm also der Hebelarm 8 und schaltet damit das Kontaktstück 4 vom Gegenkontaktelement 5 zum Gegenkontaktelement 6 um. In Weiterbildung von Fig. 4 ist bei der Ausführungsform von Fig. 5 die Knickfeder 3 zwischen zwei Hebelarmen 18a und 18b eingespannt, welche ihrerseits in dem Gehäuseteil 19 so verspannt sind, dass sie von beiden Seiten auf die Stirnflächen des Längswandlers 2 drücken. Die Funktion des Relais ist die gleiche wie beim vorhergehenden Beispiel. Bei der Ausführungsform von Fig. 6 ist der Längswandler 2 zwischen zwei Druckplatten 28a und 28b eingespannt, welche mit zwei Knickfedern 23a und 23b einen Druckrahmen bilden, der den Längswandler 2 umgibt. Die beiden Knickfedern 23a und 23b sind dabei in eine stärker gekrümmte Form vorgespannt; wenn der Längswandler sich verkürzt, biegen sie sich stärker durch und schalten von den Ruhekontakten 25a und 25b zu den Arbeitskontakten 26a und 26b um. Die beiden Knickfedern 23a und 23b können über die Druckplatten elektrisch verbunden sein und ohne eigenen Anschluss als Brückenkontakt wirken. Werden diese Knickfedern 23a und 23b voneinander isoliert und mit jeweils eigenen Anschlüssen versehen, so werden zwei Umschalter gebildet. Bei der Ausführungsform gemäss Fig. 7 sind zwei Druckplatten 38a und 38b mit einem Spannband 39 auf die beiden Stirnseiten des Längswandlers 2 gespannt. Das Spannband 39, von dem in Fig. 7 lediglich eine Seite zu sehen ist, umgibt den Längswandler so, dass er in seiner Längsrichtung unter Druck steht. Bei Erregung und damit verbundener Verkürzung des Längswandlers 2 werden die Druckplatten 38a und 38b aneinander angenähert, so dass die zwischen ihnen gespannte Druckfeder 33 vom Gegenkontakt 35 auf den Gegenkontakt 36 umschaltet. Für alle Ausführungsformen kann zusätzlich zur Erzeugung einer Kippcharakteristik und zur Verstärkung der Kontaktkraft ein Dauermagnetsystem vorgesehen werden. In Fig. 8 und 9 ist schematisch eine Ausführungsform für ein derartiges Dauermagnetsystem vorgesehen. Dabei ist ein Dauermagnet 40 zwischen zwei Polschuhen 41 und 42 angeordnet, deren freie Polflächen jeweils an die Gegenkontakelemente 5 und 6 herangeführt sind. Ein derartiges Dauermagnetsy stern kann in dieser oder in einer abgewandelten Form für alle vorher beschriebenen Relaissysteme zur Anwendung kommen. 9 Patentansprüche 9 Figuren

Claims: Patentansprüche 1. Piezoelektrisches Relais mit mindestens einem piezokeramischen Wandlerelement (2), dessen Formänderungen beim Anlegen einer Spannung zur Betätigung mindestens eines beweglichen Kontaktelementes (3; 23a, 23b; 33) relativ zu mindestens einem Gegenkontaktelement (5, 6; 25a, 25b, 26a, 26b; 35, 36) umsetzbar ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass als bewegliches Kontaktelement eine Knickfeder (3; 23a, 23b; 33) im wesentlichen parallel zu einem Längswandler (2) eingespannt ist, wobei ihre Einspannlänge durch Längenänderungen des Längswandlers (2) proportional veränderbar ist, und dass das bzw. die Gegenkontaktelemente (5, 6; 25a, 25b, 26a, 26b; 35, 36) der Knickfeder (3; 23a, 23b; 33) etwa in deren Mittelbereich gegenüberstehen. 2. Relais nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Knickfeder (3) mit ihren beiden Enden (3a, 3b) unmittelbar an die Enden (2a, 2b) des Längswandlers (2) gekoppelt und in ihrem Mittelbereich mit Kontaktoberflächen (4) versehen ist. 3. Relais nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Enden der Knickfeder (3) über ein Hebelsystem (7) an die Enden des Längswandlers (2) gekoppelt sind. 4. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Knickfeder (3) bzw. ein Hebelarm (8) des Hebelsystems mittels einer Druckfeder (7; 17) an den Längswandler (2) in dessen Reaktionsrichtung angedrückt wird. 5. Relais nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass ein Hebelarm (8) für die Knickfe der (3) über eine feste Einspannung (1a) in einem Gehäuserahmen (1) in Reaktionsrichtung des Längswandlers (2) vorgespannt ist. 6. Relais nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zwei in einer Halterung (19) eingespannte Hebelarme (18a, 18b) für die Enden der Knickfeder (3) eine Vorspannung auf beide Stirnflächen des Längswandlers (2) ausüben. 7. Relais nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zwei Druckplatten (38a, 38b) mittels eines den Längswandler (2) umschliessenden Druckrahmens (39) auf die Stirnflächen des Längswandlers (2) gedrückt werden und mit ihren freien Enden mindestens eine Knickfeder (33) einschliessen. 8. Relais nach Anspruch 3 oder 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass beiderseits des Längswandlers (2) je eine Knickfeder (23a, 23b) angeordnet ist und dass auf beiden Stirnseiten des Längswandlers (2) jeweils eine Druckplatte (28a, 28b) aufliegt, wobei die an ihren Enden miteinander verbundenen Knickfedern (23a, 23b) und Druckplatten (28a, 28b) einen Druckrahmen für den Längswandler (2) bilden, dessen Druckkräfte durch eine Vorspannung der Knickfedern (23a, 23b) erzeugt wird. 9. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der kontaktgebende Abschnitt der Knickfeder (3) zumindest teilweise ferromagnetisch ist und zwischen den Polschuhen (41, 42) eines Dauermagnetsystems liegt.

Inventors: LUNEBURGER, KLAUS, DIPL.-ING., Lüneburger, Klaus, Dipl.-Ing.
Applicants: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT BERLIN UND MUNCHEN
Application year: 1985
Main classification: H01H57
IPC codes: H01H57, H01L41