DE102005054266B3

DE102005054266B3 - Schaltfeld

Info

Publication number: DE102005054266B3
Application number: DE200510054266
Authority: DE
Inventors: Markus Dr. Falch; Peter Dr. rer. nat. Jänker
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2005-11-11
Filing date: 2005-11-11
Publication date: 2007-05-31
Anticipated expiration: 2025-11-12

Abstract

Eine Leiterplatine (1) umfasst einen Biegeaktuator (7) mit einem piezoelektrischen Element (4) zum mechanischen Bewegen eines an dem Biegeaktuator angeordneten elektrischen Kontaktelements (5). Der Biegeaktuator (7) ist innerhalb eines Schaltaktuators angeordnet, mit welchem im Rahmen der Gesamtauslegung beliebige Ströme und Spannungen geschaltet werden können. Eine Schaltmatrix umfasst in kompakter Bauweise eine Mehrzahl von Schaltaktuatoren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schaltfeld, einen Schaltaktuator und eine Leiterplatine zum Schalten einer Vielzahl von Signal- und Leistungsverbindungen.
Zum Ansteuern von elektrischen und elektronischen Systemen, beispielsweise Flugzeugelektrik- oder elektroniksystemen, werden im Allgemeinen eine große Anzahl von elektrischen Signal- und Leistungsverbindungen benötigt. Beim Testen dieser elektrischen und elektronischen Systeme werden Testsysteme verwendet, welche die Ströme und Spannungen auf den vielen elektrischen Verbindungen geeignet schalten können. Bekannte Testsysteme enthalten dazu Schaltfelder mit einer entsprechend großen Anzahl von Schaltaktuatoren in Form von elektro-magnetischen Schaltrelais. Solche bekannten Schaltfelder sind jedoch in der Herstellung aufwändig und kostenintensiv, haben einen hohen Platz- und Energieverbrauch und sind mechanisch anfällig.

Die Druckschrift DE 20 2005 006 126 U1 offenbart ein Piezoventil mit einem streifenförmigen piezoelektrischen Biegewandlerelelement mit Ventilverschlussglied.

Die Druckschrift US 2,942,077 offenbart einen elektrostatischen Biegeaktuator zum mechanischen Bewegen eines elektrischen Kontaktelements.

Die Druckschrift DE 600 14 062 T2 offenbart eine flexible Leiterplatte mit piezoelektrischen Aktuatoren, welche beispielsweise als Motor oder als medizinisches Armband eingesetzt werden kann.

Die Druckschrift DE 32 07 920 C2 offenbart ein elektrostatisches Relais mit einem Kippanker, welcher durch einen dünnen, als Gelenk wirkenden Silizium-Einkristall beweglich gehalten wird.

Die Druckschrift DE 199 37 811 C2 zeigt ein Mikro-Relais mit zwei gegenüberliegenden Kontaktorganen mit jeweils einer flexiblen Membran. Durch gezieltes Heizen wölben sich die Membranen und darauf befindliche Kontaktelemente können in elektrischen und mechanischen Kontakt treten.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Schaltfeld mit Schaltaktuatoren anzugeben, welches einen geringen Platz- und Energiebedarf besitzt, mit geringem Aufwand hergestellt werden kann und mechanisch wenig anfällig ist. Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung ein Schalten der Schaltaktuatoren mit geringem Aufwand zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Schaltfeld, einen Schaltaktuator und eine Leiterplatine mit den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche gelöst. In davon abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben.

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, in Schaltaktuatoren anstelle der bekannten elektro-magnetischen Schaltrelais Biegeaktuatoren zu verwenden, welche innerhalb von Leiterplatinen angeordnet sind. Eine erfindungsgemäße Leiterplatine umfasst daher einen Biegeaktuator zum mechanischen Bewegen eines an dem Biegeaktuator angeordneten elektrischen Kontaktelements.

Der Biegeaktuator besitzt ein mit der Leiterplatine fest verbundenes und ein freies, auslenkbares Ende. Der Biegeaktuator ist vorzugsweise zungenförmig ausgebildet, wobei sich die Zunge vom festen Ende zum freien Ende des Biegeaktuators erstreckt. Die Auslenkung des Biegeaktuators kann durch Herausbiegen des freien Endes aus der Ebene der Leiterplatine geschehen, um das an dem Biegeaktuator angeordnete Kontaktelement mit einem oder mehreren benachbart angeordneten Kontaktelementen, die beispielsweise auf zumindest einer weiteren Leiterplatine angeordnet sind, in Kontakt zu bringen oder von diesem zu trennen.

Vorteilhafterweise ist das Kontaktelement an dem freien Ende des Biegeaktuators oder in dessen Nähe angeordnet. Wird der Biegeaktuator ausgelenkt, d.h. sein freies Ende bewegt, so wird auch das Kontaktelement mechanisch bewegt. Dadurch können bereits durch geringe Biegeauslenkungen elektrische Verbindungen getrennt oder geschlossen werden.

Durch das mechanische Bewegen des Kontaktelements können ähnlich wie bei Schaltrelais hohe Ströme und Spannungen problemlos geschaltet werden. Der erfindungsgemäße Biegeaktuator zeichnet sich jedoch gegenüber bekannten Schaltrelais durch eine einfache Mechanik aus, welche weniger anfällig ist und mit geringem Aufwand herstellbar ist. Die Biegeaktuatoren können wesentlich kleiner als ein Schaltrelais ausgeführt werden und besitzen daher einen deutlich verringerten Platzbedarf. Auf einer Leiterplatine können daher eine Vielzahl erfindungsgemäßer Biegeaktuatoren angeordnet werden.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Biegeaktuator einstückig mit der Leiterplatine ausgebildet, z. B. durch mechanisches Durchbrechen der Leiterplatine. Die Leiterplatine weist dabei eine geeignete Ausnehmung auf, so dass eine Zunge ausgebildet wird, welche Teil des Biegeaktuators ist. Die Ausnehmungen sind auf bekannte Art und Weise aus der Leiterplatine herausgearbeitet. Der Biegeaktuator kann somit auf einfache Art und Weise hergestellt werden.

Der Biegeaktuator besteht bei einstückiger Ausbildung aus dem gleichen Material wie die Leiterplatine, welches vorzugsweise ein Verbundwerkstoff wie GFK (Glas-Faser-Kunststoff) oder ein anderes geeignetes Material sein kann.

Der Biegeaktuator weist auf seiner gesamten Fläche oder in Teilbereichen eine geringere Dicke als die Leiterplatine auf. Dabei sind die Teilbereiche mit geringerer Dicke derart angeordnet, dass der Biegeaktuator mit einem geringen Kraftaufwand auslenkbar ist. Anstelle des Biegeaktuators kann auch die gesamte Leiterplatine, aus der der zungenförmige Biegeaktuator herausgearbeitet ist, aus einem im Vergleich zu anderen oder üblichen Leiterplatinen dünnen Material gefertigt sein.

Vorzugsweise wird der Biegeaktuator durch zumindest ein piezo-elektrisches Element ausgelenkt. Die Auslenkung wird durch das Anlegen einer Spannung an das piezo-elektrische Element erzeugt, und das Halten der Position geschieht nahezu stromlos. Der Biegeaktuator weist gegenüber bekannten Schaltrelais demnach eine wesentlich verringerte Leistungsaufnahme auf und zeichnet sich somit durch eine geringe Wärmeentwicklung aus. Daher können eine Vielzahl von Biegeaktuatoren eng benachbart angeordnet werden, was eine hohe räumliche Dichte von Biegeaktuatoren ermöglicht.

Das piezo-elektrische Element kann auf unterschiedliche Art und Weise die Auslenkung des Biegeaktuators erzeugen. Beispielsweise kann die Richtung der Auslenkung des piezo-elektrischen Elements mit der Richtung der Auslenkung der Zunge des Biegeaktuators übereinstimmen. Vorzugsweise ist das zumindest eine piezo-elektrische Element auf der unteren und/oder der oberen Oberfläche des Biegeaktuators angeordnet. Das piezo-elektrische Element ist dabei z. B. auf dem Biegeaktuator aufgeklebt oder auf sonstige Art und Weise mit dem Biegeaktuator geeignet verbunden.

Das piezo-elektrische Element besitzt eine Längserstreckung zwischen dem festen und dem freien Ende des Biegeaktuators, d. h. in Richtung der Zunge des Biegeaktuators, derart, dass die gesamte Länge oder zumindest ein Teilbereich der Zunge überdeckt ist. Die Längserstreckung des piezo-elektrischen Elements beträgt vorteilhafterweise zumindest 50%, vorzugsweise über 80% der Länge der Zunge des Biegeaktuators.

In einer ersten Ausführungsvariante findet beim Anlegen einer Spannung an das zumindest eine piezo-elektrische Element eine Ausdehnung oder Verkürzung des piezo-elektrischen Elements in Richtung der Zungenlängserstreckung des Biegeaktuators statt. Dadurch wird das freie Ende der Zunge des Biegeaktuators aus der Ebene der Leiterplatine herausbewegt und der Biegeaktuator aus einer neutralen Stellung ausgelenkt. Diese Ausführungsvariante bietet den Vorteil, dass bereits eine relativ geringe Veränderung der Länge des piezo-elektrischen Elements eine relativ große Auslenkung des Biegeaktuators aus der Leiterplatinenebene heraus bewirkt.

In einer zweiten Ausführungsvariante findet beim Anlegen einer Spannung an das zumindest eine piezo-elektrische Element eine Scher-Verwindung derart statt, dass die Zunge des Biegeaktuators aus der Leiterplatinenebene herausbewegt wird. Das piezo-elektrische Element übt dabei eine Kraft senkrecht zu der Leiterplatinenebene aus. Die Auslenkung der Zunge des Biegeaktuators entspricht dabei der Auslenkung des piezo-elektrischen Elements, wodurch eine sehr genaue Steuerung der Auslenkung des Biegeaktuators möglich ist. Zudem wird keine Kraft innerhalb der Leiterplatinenebene ausgeübt, wodurch die Anforderungen bezüglich der Festigkeit an die Verbindung zwischen piezo-elektrischem Element und der Zunge des Biegeaktuators geringer sind.

Selbstverständlich kann auch eine Anordnung verwendet werden, bei der der Biegeaktuator beim Aktivieren der piezo-elektrischen Elemente von einer ersten Position, beispielsweise einer ausgelenkten Stellung, in eine zweite Position, beispielsweise eine weitere ausgelenkte Stellung (z.B. in entgegengesetzter Richtung) oder neutrale Stellung, ausgelenkt wird. Dies ist insbesondere beim Realisieren eines „Öffnen"/"Schließen"-Schalters vorteilhaft.

Vorteilhafterweise befindet sich auf der unteren und auf der oberen Seite der Zunge des Biegeaktuators jeweils mindestens ein piezo-elektrisches Element. Diese können mit entgegengesetzten Spannungen angesteuert werden. Die Verwendung dieser mehreren piezo-elektrischen Elemente führt verglichen mit der Verwendung von nur einem piezo-elektrischen Element zu einer höheren Gesamtkraft und damit zu einer stärkeren Auslenkung des Biegeaktuators. Es können daher insgesamt schwächere und kleinere piezo-elektrische Elemente verwendet werden.

Ein erfindungsgemäßer Schaltaktuator umfasst eine erste, wie oben beschriebene Leiterplatine, und eine zweite Leiterplatine, die von der ersten Leiterplatine derart beabstandet ist, dass zwischen dem Kontaktelement des Biegeaktuators und der zweiten Leiterplatine ein elektrischer Kontakt durch Auslenken des Biegeaktuators herstellbar oder trennbar ist. Dazu kann die zweite Leiterplatine ein zweites Kontaktelement aufweisen, welches eingerichtet ist, mit dem ersten Kontaktelement eine elektrische Verbindung herzustellen, wenn der Biegeaktuator ausgelenkt ist oder sich in einer neutralen Stellung befindet. Auf der zweiten Leiterplatine und der Zunge des Biegeaktuators der ersten Leiterplatine befinden sich dementsprechend Leiterbahnen, welche elektrische Zuleitungen zu den jeweiligen Kontaktelementen bilden. Der erfindungsgemäße Schaltaktuator bildet somit einen Einwegeschalter. Es ist denkbar, auf der Zunge des Biegeaktuators mehrere Kontaktelemente und auf der zweiten Leiterplatine mehrere entsprechende Kontaktelemente vorzusehen, so dass im Rahmen der Gesamtauslegung mehrere Spannungen oder Ströme durch einen Biegeaktuator gleichzeitig geschaltet werden können. Ferner ist es besonders vorteilhaft, das die erfindungsgemäße Anordnung Spannungsschwankungen am piezo-elektrischen Element egalisiert und damit eine konstante Qualität des elektrischen Kontakts gewährleistet wird. Zweckmäßigerweise kann der Schaltaktuator als Öffner bzw. Schließer ausgebildet sein, wobei ein Kontakt zwischen beweglichem Biegeaktuator und Gegenplatine hergestellt bzw. getrennt werden kann. Dabei kann beispielsweise eine Beschichtung (leitend) einer Seite (z.B. durch ein Inlay) sowie eine Beschichtung (leitend) über elastischem Grund auf der Gegenplatine vorgesehen ist.

In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst der erfindungsgemäße Schaltaktuator eine dritte Leiterplatine, welche auf der der zweiten Leiterplatine gegenüberliegenden Seite der ersten Leiterplatine angeordnet ist und von der ersten Leiterplatine derart beabstandet ist, dass zwischen dem zumindest einen Biegeaktuator und der dritten Leiterplatine ein elektrischer Kontakt durch Auslenken des Biegeaktuators herstellbar oder trennbar ist. Die dritte Leiterplatine weist ein drittes Kontaktelement auf, welches eingerichtet ist, mit dem Kontaktelement des Biegeaktuators der zentralen ersten Leiterplatine eine elektrische Verbindung zu bilden, wenn der Biegeaktuator in Richtung der dritten Leiterplatine ausgelenkt ist oder sich in einer neutralen Stellung befindet. Das Kontaktelement des Biegeaktuators weist somit vorteilhafterweise mehrere Teilflächen auf, welche bei entsprechender Auslenkung des Biegeaktuators entweder mit dem zweiten Kontaktelement oder mit dem dritten Kontaktelement eine elektrische Verbindung herstellen oder trennen kann. Elektrische Verbindungen können somit getrennt oder hergestellt werden, indem der Biegeaktuator entweder in Richtung der zweiten oder in Richtung der dritten Leiterplatine ausgelenkt wird. Dadurch wird ein Zweiwegeschalter realisiert. Auch in dieser bevorzugten Ausgestaltung können mehrere Kontaktelemente auf dem Biegeaktuator und mehrere entsprechende Kontaktelemente auf den zweiten und dritten Leiterplatinen vorgesehen sein, um mehrere Spannungen oder Ströme gleichzeitig in einem Schaltaktuator zu schalten. Selbstverständlich sind eine Vielzahl von Modifikationen möglich. Beispielsweise kann der Biegeaktuator vom Kontakt mit der ersten Leiterplatine direkt in Kontakt mit der dritten Leiterplatine geschaltet werde, bzw. umgekehrt. Dadurch kann ein einfaches Öffnen bzw. Schließen realisiert werden. Sowohl der offene als auch geschlossene Zustand kann dabei stromlos erfolgen.

Weiterhin kann die Teilfläche des Kontaktelements des Biegeaktuators, welche die elektrische Verbindung mit dem zweiten Kontaktelement herstellt oder trennt, von der Teilfläche, welche die elektrische Verbindung mit dem dritten Kontaktelement herstellt oder trennt, elektrisch isoliert sein, so dass verschiedene Ströme oder Spannungen jeweils der zweiten oder dritten Leiterplatine zugeleitet werden können.

Ein erfindungsgemäßes Schaltfeld umfasst eine Mehrzahl der oben beschriebenen Schaltaktuatoren. Dadurch können eine Vielzahl von elektrischen Strömen und Spannungen auf platzsparende Art und Weise geschaltet werden. Das erfindungsgemäße Schaltfeld bildet somit eine kostengünstig und kompakt aufgebaute elektrische Schaltmatrix. Durch die Verwendung von Leiterplatinen zur Bereitstellung von Schaltaktuatoren wird zudem eine flache Bauweise der Schaltmatrix ermöglicht.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung des erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen. Darin zeigen:
1 einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Schaltfelds mit neutraler Stellung des Biegeaktuator,
2 das Schaltfeld aus 1 mit ausgelenkten Biegeaktuatoren (z. B. zum „Öffnen" und „Schließen"), und
3 eine Draufsicht auf eine Zuführungs- und Steuerplatine mit einer Mehrzahl von Biegeaktuatoren.
1 zeigt ein erfindungsgemäßes Schaltfeld umfassend zwei Schaltaktuatoren im Querschnitt. Das Schaltfeld umfasst eine Zuführungs- und Steuerungsplatine 1, welche zunächst anhand 3 erläutert wird.
3 zeigt eine Draufsicht auf die Zuführungs- und Steuerungsplatine 1, welche acht Biegeaktuatoren 7 umfasst. Die Zuführungs- und Steuerungsplatine 1 besteht aus GFK (Glas-Faser-Kunststoff) und weist verschiedene durchgängige Ausnehmungen 6 auf, durch welche innerhalb der Zuführungs- und Steuerungsplatine 1 Zungen entstehen. Auf jeder Zunge ist zumindest ein piezo-elektrisches Element 4 angeordnet. Eine Zunge bildet zusammen mit dem piezo-elektrischen Element 4 einen Biegeaktuator 7. Die piezo-elektrischen Elemente 4 sind streifen- bzw. plattenförmig, d. h. die Abmessung senkrecht zur Ebene der Zuführungs- und Steuerungsplatine 1 ist wesentlich geringer als die Abmessungen innerhalb der Ebene der Zuführungs- und Steuerungsplatine 1. Die piezo-elektrischen Elemente sind vom d33- oder d31-Typ und so geschnitten und orientiert, dass sie sich beim Anlegen einer Spannung in Richtung der Zunge des jeweiligen Biegeaktuators ausdehnen bzw. verkürzen.
An den freien Enden der Zungen der Biegeaktuatoren 7 sind elektrische Kontaktelemente 5 angeordnet. Die Zuführungs- und Steuerungsplatine 1 umfasst weiterhin Leiterbahnen 8, 9, welche als Steuerleitungen für die piezo-elektrischen Elemente 4 und als elektrische Zuleitungen zu den Kontaktelementen 5 der Biegeaktuatoren 7 dienen.
Die in 1 dargestellten Biegeaktuatoren 7 umfassen jeweils zwei piezo-elektrische Elemente 4, jeweils eines auf der unteren und eines auf der oberen Oberfläche der Zuführungs- und Steuerungsplatine 1. Ebenso umfassen die dargestellten Biegeaktuatoren jeweils zwei Kontaktelemente 5, jeweils eines auf der unteren und eines auf der oberen Oberfläche der Zuführungs- und Steuerungsplatine 1.
Das Schaltfeld umfasst weiterhin zwei Verteilerplatinen 2, 3 mit im Bereich der Biegeaktuatoren geeignet angeordneten Gegenkontaktelementen 10. Beide Verteilerplatinen 2, 3 sind im Wesentlichen symmetrisch um die mittig liegende Zuführungs- und Steuerungsplatine 1 angeordnet und weisen einen gleichen Abstand von der Zuführungs- und Steuerungsplatine 1 auf. Dadurch sind die elektrischen Verbindungen zu den beiden Verteilerplatinen 2, 3 mit im Wesentlichen gleichen Spannungen herstellbar oder trennbar. Weiterhin sind in der 1 die Steuerleitungen 8 zu den piezo-elektrischen Elementen 4 dargestellt. Die Biegeaktuatoren 7 bilden zusammen mit den auf den Verteilerplatinen 2, 3 angeordneten Gegenkontaktelementen 10 Schaltaktuatoren.
2 zeigt die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels. Das Schaltfeld ist in einer ausgelenkten Stellung dargestellt. Im linken Schaltaktuator ist der Biegeaktuator 7 nach oben ausgelenkt, so dass eine elektrische Verbindung zwischen dem Kontaktelement 5 auf der Oberseite der Zunge des Biegeaktuators 7 und dem Gegenkontaktelement 10 auf der oberen Verteilerplatine 3 besteht. Dazu liegt an dem auf der unteren Seite der Zunge des Biegeaktuators 7 angebrachten piezo-elektrischen Element 4 eine geeignete Spannung an, die das piezo-elektrische Element 4 in Richtung der Zunge des Biegeaktuators 7 expandiert bzw. ausdehnt. Zusätzlich kann an dem gegenüberliegenden oberen piezo-elektrischen Element 4 eine Spannung anliegen, durch welche sich dieses piezo-elektrische Element 4 verkürzt.
Im rechten Schaltaktuator ist der Biegeaktuator 7 nach unten ausgelenkt, so dass eine elektrische Verbindung zwischen dem unteren Kontaktelement 5 des Biegeaktuators 7 und dem Gegenkontaktelement 10 auf der unteren Verteilerplatine 2 besteht.
Bei der in 2 dargestellten Ausführungsform kann auch direkt von der Stellung „oben" in die Stellung „unten" geschaltet werden, ohne dass zwischenzeitlich eine neutrale Stellung, wie in 1 gezeigt, eingenommen wird. Dies ist insbesondere zur Realisierung eines Öffners bzw. Schließers zweckmäßig. Dabei kann sowohl die offene Position als auch die geschlossene Position stromlos erfolgen.

Claims

Leiterplatine (1), umfassend einen Biegeaktuator (7) zum mechanischen Bewegen eines an dem Biegeaktuator angeordneten elektrischen Kontaktelements (5), dadurch gekennzeichnet, dass der Biegeaktuator (7) eine geringere Dicke als die Leiterplatine (1) aufweist.
Leiterplatine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Biegeaktuator (7) einstückig mit der Leiterplatine (1) ausgebildet ist.
Leiterplatine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Biegeaktuator (7) durch zumindest ein piezo-elektrisches Element (4) ausgelenkt wird.
Leiterplatine (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine piezo-elektrische Element (4) auf einer unteren und/oder einer oberen Oberfläche des Biegeaktuators (7) angeordnet ist.
Schaltaktuator, umfassend eine erste Leiterplatine (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, und eine zweite Leiterplatine (2), die von der ersten Leiterplatine derart beabstandet ist, dass mittels des Kontaktelements (5) des Biegeaktuators (7) an der zweiten Leiterplatine (2) ein elektrischer Kontakt durch Auslenken des Biegeaktuators (7) herstellbar oder trennbar ist.
Schaltaktuator nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine dritte Leiterplatine (3), welche auf der der zweiten Leiterplatine (2) gegenüberliegenden Seite der ersten Leiterplatine (1) angeordnet ist und von der ersten Leiterplatine (1) derart beabstandet ist, dass mittels des Kontaktelements (5) des zumindest einen Biegeaktuators (7) an der dritten Leiterplatine (3) ein elektrischer Kontakt durch Auslenken des Biegeaktuators (7) herstellbar oder trennbar ist.
Schaltaktuator nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Leiterplatine (3) bezüglich der ersten Leiterplatine (1) im Wesentlichen symmetrisch zu der zweiten Leiterplatine (2) aufgebaut ist.
Schaltfeld umfassend eine Mehrzahl von Schaltaktuatoren nach einem der Ansprüche 5 bis 7.