ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ДВУСТАБИЛЬНОЕ РЕЛЕ
PIEZOELECTRIC BISTABLE RELAY

Настоящее изобретение относится к области коммутационной техники и может быть использовано при разработке и изготовлении электрических реле, элементов и устройств микромеханики.
Известно пьезоэлектрическое двустабильное реле (см. положительное решение на полезную модель №20001126257/20(028036), содержащее основание, закрепленный в нем консольно на шарнире пьезоэлектрический биморфный элемент, пружину, закрепленную шарнирно между основанием и свободным концом биморфа, совершающую вместе с биморфом колебательные перемещения между двумя устойчивыми положениями, контакты цепи управления и коммутации.
Недостаток известного реле состоит в относительно сложной и ненадежной конструкции, обусловленной наличием двух подверженных износу шарниров. Кроме того, наличие пружины сжатия увеличивает габариты реле и усложняет возможность его миниатюризации.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является пьезоэлектрическое двустабильное реле (см. свидетельство на полезную модель №21113, кл. H01H 57/00), принятое за прототип.
В этой полезной модели пьезореле содержит основание, биморфный пьезокерамический элемент, консольно закрепленный в шарнирном держателе на оси, проходящей через основание, закрепленную на конце биморфа пластину-язычок из магнитомягкого материала, совершающую вместе с концом биморфного элемента колебательные перемещения между двумя расположенными на основании постоянными магнитами, контакты цепи управления и коммутации, юстировочные винты, обеспечивающие переключение пьезореле из одного рабочего положения в другое.
Недостатком устройства-прототипа является относительная сложность конструкции и технологии изготовления реле, обусловленная наличием подвижного шарнира крепления биморфного пьезоэлектрического элемента в основании реле и двух дополнительных магнитов, обеспечивающих фиксацию реле в рабочих положениях.
Задачей настоящего изобретения является получение технического результата, заключающегося в упрощении конструкции, сборки и технического процесса производства пьезоэлектрического реле.
Согласно изобретению указанный технический результат достигается в пьезоэлектрическом двустабильном реле, содержащем крышку, основание с установленным в нем консольно пьезоэлектрическим элементом, с контактами цепи управления и коммутации электрических цепей, причем пьезоэлектрический элемент выполнен в виде консольно закрепленного компланарного триморфа, состоящего из металлической прокладки и двух пьезокерамических пластин, приклеенных к ней с двух сторон, причем триморф закреплен в основании реле за конец упомянутой прокладки, при этом упомянутая прокладка выполнена из пружинящего материала, например из бронзы Бр-Б2, и содержит элементы для упругого натяжения, изгиба и фиксации изогнутого состояния триморфа в виде двух пружинящих полосок с поперечными гофрами, сформированных на упомянутой прокладке прорезями с двух сторон пьезокерамических пластин, причем высота гофр выполнена такой, чтобы стрела прогиба упомянутых пластин не превышала величины, допустимой для примененного пьезокерамического материала, при этом длина упомянутых прорезей превышает длину пьезокерамических пластин и в основании реле, вблизи линии консольного закрепления триморфа, установлены юстировочные винты, взаимодействующие с противоположными сторонами упомянутой металлической прокладки, а на свободном конце триморфа в области концов прорезей установлены упругие демпферы, выполненные, например, из резины.
Таким образом, отличительными признаками изобретения является следующее:
выполнение пьезоэлектрического механизма в виде консольно закрепленного компланарного триморфа, состоящего из металлической прокладки и двух пьезокерамических пластин, приклеенных к ней с двух сторон, причем триморф закреплен в основании реле за конец упомянутой прокладки;
- выполнение упомянутой прокладки из пружинящего материала, например, из бронзы Бр-Б2, содержащей элементы для упругого натяжения, изгиба и фиксации изогнутого состояния триморфа в виде двух пружинящих полосок с поперечными гофрами, сформированных на упомянутой прокладке прорезями с двух сторон пьезокерамических пластин, причем высота гофр выполнена такой, чтобы стрела прогиба упомянутых пластин не превышала величины, допустимой для примененного пьезокерамического материала. При этом длина упомянутых прорезей превышает длину пьезокерамических пластин и в основании реле вблизи линии консольного закрепления триморфа установлены юстировочные винты, взаимодействующие с противоположными сторонами упомянутой металлической прокладки, а на свободном конце триморфа в области концов прорезей установлены упругие демпферы, выполненные, например, из резины.
Указанная совокупность отличительных признаков позволяет достичь технического результата, заключающегося в упрощении конструкции, сборки и технического процесса производства пьезоэлектрического реле.
Сущность настоящего изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1-5 введены следующие обозначения:
1 - основание реле; 2 - крышка; 3, 4 - пьезокерамические пластины; 5 - прокладка; 6 - крепежные винты; 7, 8 - юстировочные винты; 9, 10 - токоподводы цепи управления; 11, 12 - винтовые контакты цепи коммутации; 13 - контактные площадки; 14, 15 - токоподводы; 16 - пазы в прокладке 5; 17 - гофрированные упругие элементы; 18 - упругие демпферы.
Основными элементами конструкции реле являются основание 1, выполненное из изоляционного материала, и триморфный пьезоэлектрический элемент, состоящий из прокладки 5, выполненной из упругого металла, например из бронзы Бр-Б2, на которую с двух сторон наклеены пьезокерамические пластины 3, 4. Триморфный пьезоэлемент консольно закреплен в основании 1 винтами 6 за конец прокладки 5 и закрыт крышкой 2. Вблизи линии консольного закрепления триморфа в основании 1 установлены юстировочные винты 7, 8, предназначенные для установки симметричного отклонения конца триморфа относительно срединной плоскости Ж реле (фиг.1; 2). К пьезокерамическим пластинам 3, 4 триморфа, вблизи неподвижного конца присоединены, например, пайкой токоподводы цепи управления 9, 10. Вблизи подвижного конца прокладки 5 триморфа в корпусе 1 и в крышке 2 установлены винты электрических контактов 11, 12 и токоподводы 14, 15 цепи коммутации. На подвижном конце прокладки 5 триморфа на изолирующей прокладке установлены контактные площадки 13 (см. место B).
Отличительной особенностью прокладки 5 триморфа (фиг.4) является наличие у нее двух гофрированных упругих элементов 17, выделенных на прокладке 5 прорезями 16. Благодаря натяжению, создаваемому элементами 17, центральная область прокладки прогибается и имеет два устойчивых положения относительно срединной плоскости Ж реле. Пьезокерамические пластины 3, 4, приклеенные к центральной области прокладки 5 до формирования гофр, также прогибаются и, таким образом, триморфный пьезоэлемент в целом имеет два устойчивых положения (фиг.1, 2). Высота гофр на элементах 17 определяет усилие натяжения прокладки 5 и величину прогиба «c» пластин 3, 4 (фиг.5), который не должен превышать допустимого для примененной керамики значения, во избежание ее разрушения. На свободном конце триморфа на линии А-А, соединяющей концы прорезей 16, по краям прокладки 5 установлены демпферы 18, выполненные, например, из резины.
Описанное реле работает следующим образом. В отсутствие управляющего напряжения за счет силы натяжения, создаваемой элементами 17, реле находится в одном из двух положений, показанных на фиг.1 и 2. При подаче на пластины 3, 4 управляющего напряжения соответствующей полярности они стремятся изогнуться в противоположную сторону. Это произойдет в том случае, когда усилие, развиваемое пьезоэлементами, превысит усилие, развиваемое упругими элементами 17 прокладки 5. При смене полярности управляющего напряжения триморф вернется в исходное положение.
При переходе триморфа из одного устойчивого состояния в другое, свободный конец прокладки 5 совершает колебательное перемещение, проворачиваясь вокруг оси А-А, проходящей через концы прорезей 16 (фиг.3; 4). При этом образуется упругий мультипликатор угловых перемещений, одно плечо которого равно расстоянию «б» от конца прорезей 16 в прокладке 5 до конца пьезокерамических пластин 3, 4, а второе плечо равно расстоянию «а» от оси А-А до конца прокладки 5.
Упругий мультипликатор преобразовывает относительно малый прогиб пьезокерамических пластин «с» (фиг.5) в большой рабочий ход конца триморфа (фиг.1; 2), что упрощает регулировку реле и увеличивает надежность его работы.
При регулировке реле винты электрических контактов 11, 12 устанавливаются так, что они замыкаются контактными площадками 13, приклеенными на конце прокладки 5 триморфа и изолированными от нее (вид Г). Рабочий зазор «Δ» между винтами 11, 12 устанавливается равным ~0.5-0.7 от величины максимального перемещения конца триморфа. Этим обеспечивается достаточное усилие прижатия контактирующих электродов цепи коммутации.
В процессе регулировки реле винтами 7; 8 устанавливается также симметричное отклонение конца триморфа относительно срединной плоскости Ж реле (фиг.1; 2).
Упругие демпферы 18, установленные в основании реле на линии А-А, предотвращают низкочастотную вибрацию свободного конца консольно закрепленного триморфа реле и не препятствуют работе упомянутого мультипликатора угловых перемещений, благодаря чему повышается надежность работы реле.
Пример реализации изобретения.
В соответствии с настоящим изобретением изготовлены экспериментальные образцы двустабильных пезоэлектрических реле со следующими характеристиками:
размеры пезоэлектрических пластин
40×12×0.3
материал пьезокерамики
ЦТС-1
материал прокладки триморфа
бронза Бр-Б2 толщиной 0.15 мм
максимальный рабочий ход триморфа Δ
1.5 мм
управляющее напряжение
90-150 V
максимальная частота коммутации
70 Гц
габаритные размеры реле
60×18×8 мм