Piezoelektrisches Relais

Abstract

 Das Relais besitzt einen piezoelektrischen Biegewandler (1) als Antriebselement, welcher selbst keine Kontaktelemente trägt. Die Auslenkung des Biegewandlers (1) wird auf eine in der Bewegungsrichtung des Wandlers (1) schwenkbare Kontaktfeder (3) übertragen, an deren freiem Ende die Kontaktstücke sitzen. Die Kontaktfeder (3) ist dabei in einem derartigen Abstand von dem Angriffspunkt (6) des Biegewandlers (1) gelagert (4), daß durch die Hebelwirkung eine geringe Auslenkung des Biegewandlers (1) in eine große Auslenkung der Kontaktfeder (3) umgesetzt wird. Durch Einleitung einer axialen Federkraft (7) wird die Kontaktfeder so gelagert, daß beim Schalten eine Kippcharakteristik auftritt, d. h.. daß die Kontaktfeder unabhängig von der Stellung des Biegewandlers (1) nur in einer der vorgegebenen Endlagen verharren kann. Durch Verschieben der Lagerstelle kann anstelle einer bistabilen Schaltcharakteristik auch ein monostabiles Schaltverhalten erzielt werden

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein piezoelektrisches Relais mit einem einseitig eingespannten Biegewandler, über dessen freies Ende zumindest ein Kontaktelement betätigbar ist.

[0002] Bei bekannten piezoelektrischen Relais (DE-GM 1 917 876, DE-OS 2 811 524) ist jeweils das Kontaktelement unmittelbar mit dem Biegewandler verbunden, so daß die Auslenkung des Biegeelements unmittelbar den Kontakthub ergibt. Um bei derartigen Relais einen genügend großen Hub zu erhalten, muß 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 beeinfluß, 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. Auch sind aufgrund der Wandlereigenschaften (Hysterese, Kriechen) keine konstanten Kontaktkräfte erreichbar.

[0003] 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.

[0004] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Kontaktelement als annähernd parallel zu dem Biegewandler angeordnete Blattfeder ausgebildet ist, welche mit dem freien Ende des Biegewandlers verbunden ist und mit ihrem freien Ende im Bereich der Einspannstelle des Biegewandlers mindestens einem Gegenkontaktelement gegenübersteht, daß die Blattfeder um einen Lagerpunkt schwenkbar ist, welcher in ihrer Längsrichtung um eine im Vergleich zu ihrer Gesamtlänge geringe Strecke gegenüber dem Angriffspunkt des Biegewandlers versetzt ist und daß eine Kippeinrichtung vorgesehen ist, welche die Blattfeder aus der zum Biegewandler parallelen Lage zu ziehen bestrebt ist.

[0005] Mit der Erfindung werden also nicht nur die grundsätzlichen Vorteile eines piezoelektrischen Relais, nämlich die Vermeidung einer Erregerspule und der mit ihr verbundenen Probleme, wie Erwärmung und kontaktschädigende Ausdünstungen, erreicht, vielmehr wird es durch die Trennung des Biegewandlers vom Kontaktelement möglich, das gewünschte Schaltverhalten auf einfachere Weise zu verwirklichen. Der piezoelektrische Biegewandler besitzt keine Kontakt-Stromzuführungen, keine Kontaktstücke oder magnetischen Bauelemente. Seine Auslenkung wird auf eine schwenkbare Kontaktfeder übertragen, welche lediglich an einem Angriffspunkt mit dem Biegewandler verbunden ist und ansonsten neben dem Biegewandler verlaufend ihre Schaltbewegung durchführt. Durch die Wahl der Lagerstelle in einem gewünschten Abstand zum Angriffspunkt des Biegewandlers kann die relativ geringe Auslenkung des Biegewandlers durch die Hebelwirkung in die für ein Relais notwendige Schaltbewegung der Kontaktfeder umgesetzt werden. Je nachdem, ob die Einspannstelle des Biegewandlers und die Lagerstelle der Kontakt-Blattfeder symmetrisch umgeordnet sind, wird eine bistabile oder eine monostabile Schaltcharakteristik erreicht.

[0006] Durch die zusätzlich vorhandene Kippeinrichtung wird eine schleichende Kontaktgabe verhindert. In bevorzugter Ausführungsform wird diese Kippeinrichtung durch ein in Längsrichtung auf die Blattfeder einwirkendes Federelement gebildet. Damit wird sichergestellt, daß die Kontaktfeder auch bei einer Neutralstellung des Biegewandlers nur in jeweils einer der durch die Außenkontakte vorgegebenen Endlagen verharren kann. Mit einer entsprechenden Gestaltung und Anordnung des Federelementes kann damit die Kippcharakteristik der Blattfeder sichergestellt werden. So kann ein durch das Federelement gebildetes Gleitschneidenlager bereits die Lagerstelle für die Blattfeder bilden. Auch der Angriffspunkt des Biegewandlers an der Blattfeder kann als Schneidenlager ausgebildet sein.

[0007] In konstruktiver Ausgestaltung des Relais kann die Blattfeder U-förmig mit zwei in einer Ebene liegenden Federschenkeln ausgebildet sein, wobei der Biegewandler zwischen den beiden Federschenkeln annähernd in der gleichen Ebene liegt, d. h., daß sowohl die beiden Federschenkel der Blattfeder als auch der Biegewandler bei jeder Schaltbewegung durch eine gemeinsame Symmetrieebene gehen. Die beiden Federschenkel können auch elektrisch voneinander getrennt zwei unabhängige Kontaktfedern bilden, welche im Bereich der Lagerstelle beispielsweise mit einem Isolierstoffträger verbunden sind.

[0008] Anstelle des Federelementes oder auch zusätzlich zu diesem kann eine Dauermagnetanordnung vorgesehen sein, welche die Kippcharakteristik des Relais erzeugt bzw. verstärkt.

[0009] Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 den schematischen Aufbau eines piezoelektrischen Relais mit Biegewandler für bistabiles Schaltverhalten,

Fig. 2 eine gegenüber Fig. 1 leicht abgewandelte Ausführungsform für monostabiles Schaltverhalten,

Fig. 3 eine weiter abgewandelte Ausführungsform gegenüber Fig. 1, ebenfalls für bistabiles Schaltverhalten und verminderte Baulänge,

Fig. 4 eine weitere Ausführungsform eines Relais mit Biegewandler in Draufsicht,

Fig. 5 und 6 zwei Schnittansichten aus Fig. 4,

Fig. 7 eine Detaildarstellung der Lagerung von Biegewandler und Kontaktfeder im Schnitt.

[0010] Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau eines piezoelektrischen Relais mit einem Biegewandler 1, der mit einem Ende 1a in einem Gehäuse 2 eingespannt ist. Mit dem anderen Ende 1b greift der Biegewandler an einer als Blattfeder ausgebildeten Kontaktfeder 3 an, welche mit ihrem Ende 3a in einer Lagerstelle 4 beweglich gelagert ist und mit ihrem anderen Ende 3b zwischen zwei Gegenkontaktelementen 5 umschaltbar ist. Die Strecke zwischen der Angriffsstelle 6 des Biegewandlers an der Kontaktfeder 3 und der Lagerstelle 4 ist klein im Vergleich zur Gesamtlänge der Kontaktfeder 3, so daß eine verhältnismäßig kleine Bewegung des Biegewandlers 1 bzw. seines Endes 1b aufgrund der Hebelübersetzung eine verhältnismäßig große Bewegung des freien Endes 3b der Kontaktfeder 3 ergibt. Je nach Anlegung einer Spannung an den Biegewandler 1 nimmt dieser die durchgehend gezeichnete Position oder die gestrichelt gezeichnete Position ein; entsprechend schaltet er die Kontaktfeder 3 zwischen der durchgehend gezeichneten Position und der gestrichelt gezeichneten Position um. Da sich die Lagerstelle in der Symmetrieebene zwischen beiden Positionen des Biegewandlers bzw. der Kontaktfeder befindet, hat ein derartiges Relais bistabiles Schaltverhalten.

[0011] Um für die Kontaktfeder eine Kippcharakteristik zu erzeugen, wird die Kontaktfeder 3 mit einer axialen Kraft beaufschlagt. Zu diesem Zweck wirkt ein Federelement 7 etwa in Längsrichtung des Biegewandlers 1 bzw. der Kontaktfeder 3 auf die Lagerstelle 4, welche bestrebt ist, den Abstand zwischen der Lagerstelle 4 und der Einspannstelle des Biegewandlers 1 zu verkürzen. Dadurch wird die Kontaktfeder aus der labilen Mittelposition in die beiden Endlagen vorgespannt. Die Anordnung des Federelementes 7 und die Kopplung des Federelementes mit der Kontaktfeder 3 muß so beschaffen sein, daß ein Ausweichen der Lagerstelle 4 zur Seite hin nicht möglich ist.

[0012] Fig. 2 zeigt eine Abwandlung des Aufbaus von Fig. 1, mit der ein monostabiles Schaltverhalten des Relais erzielt wird. Dabei sind alle Teile wie vorher gestaltet und miteinander verbunden. Lediglich die Lagerstelle 4a ist gegenüber der Lagerstelle 4 von Fig. 1 aus der Mittelebene nach links verschoben. Dadurch erhält die Kontaktfeder 3 eine stabile Endlage in der durchgehend gezeichneten Position, während die entgegengesetzte Position, welche gestrichelt gezeichnet ist, nur solange beibehalten wird, wie der Biegewandler 1 die gestrichelt gezeichnete Position einnimmt. Stellt sich der Biegewandler nach Abschalten der Spannung in eine nicht dargestellte Mittelstellung, so kehrt die Kontaktfeder in die (rechte) Position zurück, während bei einem Aufbau gemäß Fig. 1 die jeweils erreichte Position nach Abschalten der Spannung beibehalten wird.

[0013] Eine weitere Abwandlung des schematischen Relaisaufbaus ist in Fig. 3 dargestellt. Hierbei entspricht die Lagerstelle 8 der Lagerstelle 4 von Fig. 1, wobei die Längskraft auf die Lagerstelle 8 jedoch entgegengesetzt gerichtet sein muß. Dadurch wird die Vorspannung der Kontaktfeder in die Endlagen bei geringerer Baulänge des Relais erreicht.

[0014] In den Fig. 4 bis 6 ist eine praktische Ausgestaltung des Relais von Fig. 1 gezeigt. Der Biegewandler 1 ist in einem Gehäuse 2 eingespannt und mit einer U-förmig ausgebildeten Blattfeder 13 gekoppelt, deren beide Federschenkel 13a und 13b beiderseits des Biegewandlers 1 liegen und zwischen entsprechenden Gegenkontaktelementen 5 umschaltbar sind. Mit dem Mittelteil 13c bildet die Kontaktfeder 13 eine Lagerschneide 14, welche in Lagerkerben 15 eines Federelements 17 gelagert ist.

[0015] Der Angriffspunkt 16 des Biegewandlers 1 an der Kontaktfeder 13 ist ebenfalls als Schneidenlager ausgebildet, wobei die Kontaktfeder 3 eine Lagerkimme 18 bildet. In Abwandlung gegenüber der dargestellten Ausführungsform könnte anstelle des Federelementes 17 auch die Kontaktfeder 13 in ihrem Bereich 13c so geformt sein, daß sie selbst eine Axialkraft ausübt.

[0016] Der Biegewandler 1 ist an seinem Ende 1a fest einzuspannen. Beispielsweise können am Gehäuse 2 Befestigungselemente 12 angeformt sein, zwischen denen der Biegewandler eingeklebt wird. Da der Biegewandler selbst mit seinem Keramikmaterial als Lagermaterial nicht geeignet ist, könnte die Lagerstelle 16 beispielsweise gemäß Fig. 7 ausgebildet sein. Dort ist das Ende 1b des Biegewandlers mit einem Metallüberzug 19 versehen, an welchem eine Lagerschneide 20 angeformt ist. Diese Lagerschneide 20 liegt ihrerseits in der an der Kontaktfeder 13 ausgeformten Lagerkimme 18. Das Federelement 27 ist dabei gegenüber dem Federelement 17 in den vorhergehenden Figuren leicht abgewandelt. Anstelle des metallischen Lagerelementes kann aber beispielsweise auch ein Kunststofflagerelement am Biegewandler angespritzt oder angeklebt werden.

[0017] Die in Fig. 4 dargestellte Kontaktfeder 13 kann beispielsweise als Brückenkontaktelement verwendet werden, so daß sie keine eigene Stromzuführung benötigt. Sie kann aber auch als Mittelfeder für einen (doppelten) Umschaltkontakt verwendet sein und dabei eine eigene Stromzuführung besitzen. Da an der Lagerstelle 16 eine Axialkraft einwirkt, ist die Stromzuführung über die Lagerung möglich. Falls jedoch der Lagerwiderstand für den Anwendungsfall zu hoch ist, kann auch eine flexible Stromzuführung vorgesehen werden. In Abwandlung zu Fig. 4 können die Kontaktfederschenkel 13a und 13b aber auch elektrisch voneinander getrennt und im Lagerbereich über ein isolierendes Lagerelement miteinander verbunden sein. Mit entsprechenden Stromzuführungen zu den beiden Federschenkeln erhält man somit zwei Umschaltkontakte.

Ansprüche

1. Piezoelektrisches Relais mit einem einseitig eingespannten Biegewandler (1), über dessen freies Ende (1b) zumindest ein Kontaktelement (3, 13) betätigbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Kontaktelement (3, 13) als annähernd parallel zu dem Biegewandler (1) angeordnete Blattfeder ausgebildet ist, welche mit dem freien Ende (1b) des Biegewandlers (1) verbunden ist und mit ihrem freien Ende (3b) im Bereich der Einspannstelle (1a) des Biegewandlers (1) mindestens einem Gegenkontaktelement (5) gegenübersteht,
daß die Blattfeder (3; 13) um einen Lagerpunkt (4; 8; 14) schwenkbar ist, welcher in ihrer Längsrichtung um eine im Vergleich zu ihrer Gesamtlänge geringe Strecke gegenüber dem Angriffspunkt (6; 16) des Biegewandlers (1) versetzt ist und
daß eine Kippeinrichtung (7; 17; 17') vorgesehen ist, welche die Blattfeder (3; 13) aus der zum Biegewandler (1) parallelen Lage zu ziehen bestrebt ist.

2. Relais nach Anspruch 1, dadurch gekenn- zeichnet, daß die Lagerstelle (4) der Blattfeder in der Symmetrieebene zwischen den beiden Endlagen des Biegewandlers (1) angeordnet ist.

3. Relais nach Anspruch 1, dadurch gekenn- zeichnet, daß die Lagerstelle (4') der Kontaktfeder gegenüber der Symmetrieebene zwischen den beiden Endlagen des Biegewandlers (1) versetzt ist.

4. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Kippeinrichtung ein auf die Blattfeder (3; 13) in deren Längsrichtung einwirkendes Federelement (7; 17; 17') enthält.

5. Relais nach Anspruch 4, dadurch gekenn- zeichnet, daß die Lagerstelle (4; 14) an dem über den Angriffspunkt (6; 16) des Biegewandlers (1) hinausreichenden Ende (3a; 13c) der Blattfeder (3; 13) vorgesehen ist und daß das Federelement (7; 17) annähernd in Längsrichtung der Blattfeder (3; 13) auf die Lagerstelle (4; 14) einwirkt.

6. Relais nach Anspruch 4, dadurch gekenn- zeichnet, daß die Lagerstelle (8) für die Blattfeder (3) zwischen dem Angriffspunkt (6) des Biegewandlers und dem kontaktgebenden Ende (3b) der Blattfeder (3) vorgesehen ist.

7. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Lagerstelle (4; 14) für die Blattfeder (3; 13) ein durch das Federelement (17; 17') gebildetes Gleitschneidenlager (15) vorgesehen ist.

8. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Angriffspunkt (16) des Biegewandlers an der Blattfeder (13) als Schneidenlager (18, 20) ausgebildet ist.

9. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Blattfeder (13) zwei in einer Ebene liegende, den Biegewandler (1) zwischen sich einschließende Federschenkel (13a, 13b) aufweist.

10. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwei in einer Ebene liegende, den Biegewandler (1) zwischen sich einschließende Kontaktfedern vorgesehen sind, deren Lagerenden über eine Isolierstoffumhüllung verbunden sind.

11. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da- durch gekennzeichnet, daß eine die Blattfeder in ihrer jeweiligen Endlage festhaltende Dauermagnetanordnung vorgesehen ist.

Zeichnung