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Anwendungsgebiet und Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausschalten eines Schalters bzw. zum Trennen eines Schaltkontaktes von einem Gegenkontakt sowie eine entsprechende Vorrichtung, wobei damit vorzugsweise ein lichtbogenfreies Ausschalten erreicht werden kann.
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Beim Ausschalten von Schaltern bzw. beim Trennen eines Schaltkontaktes von einem Gegenkontakt besteht häufig das Problem, dass bei einem noch fließenden Strom, insbesondere auch bei einem Wechselstrom, ein Lichtbogen entstehen kann, der sowohl die Trennung der Kontakte verzögern kann als auch die Kontakte beschädigt. Vor allem bei einem Wechselstrom, beispielsweise 50 Hz, kann beim Trennen der Kontakte ein Lichtbogen durch den geringen Kontaktabstand immer bis zum folgenden Nulldurchgang des Stroms bestehen bleiben. Dies kann eine Dauer von maximal knapp 10 msec sein. Eine theoretische Möglichkeit ist zwar ein kraftbeaufschlagtes sehr schnelles Ausschalten des Schalters bzw. Trennen der Kontakte, dies wird aber in der Praxis immer noch nicht schnell genug erreicht. Ein Lichtbogen entsteht dennoch.
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Dies gilt auch für spezielle Schalter, wie sie beispielsweise aus der
DE 10 2006 057 260 A1 bekannt sind. Eine Art Schnappfeder soll hier beim Überschreiten eines Auslösepunktes für ein schnelles Schalten sorgen. Dennoch kann auch hier nicht vermieden werden, dass im Schnitt ein vorbeschriebener Lichtbogen mit wenigen msec Dauer entsteht.
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Aus der
DE 1096453 ist es bekannt, bei einem ähnlichen Schalter der auf Schaltkontakt und Gegenkontakt wirkenden Kraft eine ständig pulsierende kleine zusätzliche Kraft in Phase mit dem Strom zu überlagern. So kann ein Ausschalten des Schalters ungefähr um den Nulldurchgang des Stromes bewirkt werden. Es muss aber eben ständig die Kraft aufgebracht werden.
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Aus der
DE 1113745 ist ein ähnlicher Schalter bekannt. Hier wird explizit von Vibrationen gesprochen, die helfen sollen, ein Kleben bzw. Verschweißen von Schaltkontakt und Gegenkontakt zu verhindern.
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Aufgabe und Lösung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Verfahren sowie eine entsprechende Vorrichtung zu schaffen, mit denen Probleme des Standes der Technik vermieden werden können und insbesondere ein sicheres sowie verschleißarmes Verfahren zum Schalten sowie ein entsprechender Schalter erreicht werden kann.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 13. Vorteilhafte sowie bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Ansprüche und werden im Folgenden näher erläutert. Manche der nachfolgenden Merkmale werden nur für das Verfahren oder nur für die Vorrichtung beschrieben. Sie sollen jedoch unabhängig davon sowohl für das Verfahren als auch die Vorrichtung gelten können. Der Wortlaut der Ansprüche wird durch ausdrückliche Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
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Es ist vorgesehen, dass der Schalter Wechselstrom schaltet, vorteilhaft mit einer Frequenz von 50/60 Hz bei 100 bis 400 Volt sowie Strom bis etwa 16A, also im Haushalts- oder Industriebereich. Erfindungsgemäß wird mit einem Phasenwinkel zwischen 5° und 20°, vorteilhaft etwa 10° bis 18°, besonders vorteilhaft etwa 13°, vor einem Nulldurchgang des Stromes ein mechanischer Impuls auf den Schalter bzw. einen Kontakt gegeben. Dieser Impuls weist insbesondere eine Impulsrichtung zum Trennen von Schaltkontakt und Gegenkontakt auf bzw. der Impuls geht in die Richtung, in die sich Schaltkontakt und Gegenkontakt voneinander trennen. Damit kann nicht nur allgemein eine leichtere Trennung von Schaltkontakt und Gegenkontakt erreicht werden. Im Rahmen der zu der Erfindung führenden Entwicklung ist herausgefunden worden, dass bei einem solchen vorgenannten Phasenwinkel ein Impuls auf den Schalter das Trennen von Schaltkontakt und Gegenkontakt zum selbstständigen Ausschalten genau im Nulldurchgang des Laststromes führt. Die mechanische Trägheit des Schalters bzw. die Gesamt-Verzögerung des Systems bewirkt dabei, dass ein entsprechender Impuls kurz vor dem Nulldurchgang des Stromes bei ausreichend kleiner Kontaktkraft, wie sie beim zu erwartenden Ausschalten des Kontaktes auftritt, die Kontakte trennt.
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Ist die anliegende Kontaktkraft, die Schaltkontakt und Gegenkontakt gegeneinander drückt, noch ausreichend bzw. sehr groß, so kann der kurze Impuls nichts ausrichten bzw. die Kontakte bleiben verbunden. Erst wenn eine bestimmte Kontaktkraftschwelle unterschritten wird und mit dem angegebenen Phasenwinkel der Impuls ausgelöst wird, erfolgt das Trennen der Kontakte bei dem nächsten Nulldurchgang des Stromes. Ein im Rahmen der Erfindung gefundener besonders vorteilhafter Phasenwinkel beträgt etwa 13°. Bei trägeren Systemen kann er etwas höher liegen, bei flinkeren bzw. weniger trägen Systemen kann er auch weniger betragen, beispielsweise mehr in Richtung der genannten 5° oder 10°. Die Bestimmung des richtigen Phasenwinkels ist deswegen von Bedeutung, weil das Zeitfenster für das zeitrichtige Auslösen des Impulses nur etwa 100 μsec beträgt.
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In einer ersten einfachen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass mit dem genannten Phasenwinkel vor jedem Nulldurchgang ein entsprechender kurzer Impuls auf den Schalter bzw. einen Kontakt gegeben wird. Soll dann ein Schalten bzw. Trennen der Kontakte erfolgen, so werden zu dem Zeitpunkt, zu dem die Kontaktkraft eben sehr gering wird, bzw. bei der nächsten Halbwelle die Kontakte voneinander getrennt und der Schalter wird geöffnet. Dieses Öffnen erfolgt dann bei entsprechend auf das System abgestimmtem Phasenwinkel genau im Nulldurchgang des Stroms und somit ohne Lichtbogen. Dies ist eine einfache Ausgestaltung der Erfindung, bei der der konstruktive und messtechnische Aufwand begrenzt wird. Dafür muss eben in Kauf genommen werden, dass sehr häufig bzw. im geschlossenen Zustand des Schalters bei jeder Halbwelle der Impuls ausgelöst werden muss. Hier kommt es zwar im Betrieb ab und zu zur Entstehung eines Lichtbogens. Der Verschleiß ist aber immerhin auf etwa 10% dessen gesenkt, was ohne die Erfindung gemäß dieser Ausgestaltung üblich ist.
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Verbessert bzw. noch genauer gemacht werden kann das Verfahren in einer grundsätzlich alternativen Ausgestaltung dadurch, dass zusätzlich noch die Kontaktkraft gemessen wird, vorteilhaft permanent erfasst wird. Dann kann nämlich vorgesehen werden, dass ein solcher Impuls nicht permanent oder zu häufig ausgelöst bzw. auf den Schalter gegeben werden muss, sondern nur dann, wenn die Kontaktkraft eine bestimmte Kontaktkraftschwelle unterschreitet. Ein solches Unterschreiten ist nämlich ein sicheres Anzeichen dafür, dass sehr bald der Schalter schalten soll bzw. den Schaltkontakt vom Gegenkontakt trennen soll. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Kontaktkraftschwelle zwischen 0,01 N und 0,03 N, vorteilhaft etwa 0,02 N, beträgt. Dann ist üblicherweise damit zu rechnen, dass eben die Kontaktkraft weiterhin absinkt und beim nächsten vorgenannten Phasenwinkel zwischen 5° und 20° bzw. zwischen 10° und 18° vor einem Nulldurchgang des Stromes der Impuls ausgelöst wird, so dass dann genau beim nächsten Nulldurchgang Schaltkontakt und Gegenkontakt voneinander getrennt werden.
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Auch der Phasenwinkel wird vorteilhaft permanent erfasst, besonders vorteilhaft mit einer an sich bekannten Stromerfassung. Das Erfassen des Stromes bzw. die Ausrichtung des Schaltzeitpunktes am Stromverlauf weist gegenüber dem Spannungsverlauf den Vorteil auf, dass dann vor allem beim Schalten von induktiven Lasten mit Phasenverschiebung weniger Probleme bzw. geringere Funken- oder Lichtbogenentwicklung auftritt. Hier ist die Stromerfassung eben genauer. Weil der üblicherweise thermische Antrieb eines solchen Schalters relativ langsam ist, hat man eine ausreichende Zeit von mehreren Halbwellen zum Schalten, wenn die Kontaktkraft unter einen bestimmten Wert gefallen ist, ab dem der Impuls zum richtigen Schalten führt, bis zu dem Zeitpunkt, wenn die Kontaktkraft ohne das Vorsehen der Erfindung zu Null wird bzw. der Schalter auf normale Art und Weise schalten würde und dabei möglicherweise ein Lichtbogen entstehen würde.
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Besondere Rechnung kann man der Charakteristik des Lichtbogens tragen, wenn immer so geschaltet wird, dass der stabilere bzw. massivere oder schwerere Kontakt anodisch ist bzw. positiv gegenüber dem anderen Kontakt. Üblicherweise ist dies der Gegenkontakt, da er auch an einem stärkeren und somit die Wärme besser ableitenden Träger angeordnet ist. Dadurch kann berücksichtigt werden, dass bei einem möglicherweise doch entstehenden Lichtbogen die Temperatur und somit die Beschädigung dort größer ist, wo der anodische Kontakt ist. An diesem massiveren Kontakt kann die entstehende Wärme besser abtransportiert werden.
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Üblicherweise liegen bei einem eingangs genannten Schnappschalter die beiden Kontakte mit einer Kraft von etwa 0,4 N bis 0,6 N aneinander an.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist der Impuls relativ kurz und kann eine Dauer von wenigen msec aufweisen. Dies können beispielsweise mindestens 2 msec bis 4 msec sein, vorteilhaft 3 msec. Längere Impulse bringen keine Vorteile, haben aber auch keine negative Auswirkung.
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Eine Auslenkung eines genannten Impulses kann ebenfalls im Bereich einiger weniger μm liegen, vorteilhaft etwa 15 μm bis 50 μm. Besonders vorteilhaft weist ein Impuls eine Auslenkung von etwas 30 μm auf. Die dabei aufzubringende Impulskraft kann äußerst gering sein, vorteilhaft geringer als 0,5 N sein, was einem MEMS-Einsatz entgegenkommt.
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Ein in Ausgestaltung der Erfindung verwendbares MEMS-System kann auch eine entsprechende Schaltlogik aufweisen, die sozusagen lernfähig bzw. adaptiv ist. So kann erfasst werden, ob auch tatsächlich bei einem einmal eingestellten Phasenwinkel das Trennen der Kontakte ohne Lichtbogen erfolgt. Sollten sich hier Änderungen oder Verschiebungen im Schalter- bzw. Gesamtsystem ergeben, so kann der Phasenwinkel nachjustiert werden, um die Entstehung von Lichtbögen vermeiden zu können. Des Weiteren kann hier sogar vorgesehen sein, dass in eine solche Steuerung einprogrammiert ist, dass doch in zwar großen, aber wiederkehrenden Abständen ein Lichtbogen gezielt erzeugt wird. Dieser weist nämlich den Vorteil auf, dass ansonsten mit der Zeit oxidierte Oberflächen der Kontakte gesäubert werden, so dass sich daraus ein positiver Effekt ergeben kann. Hier reicht aber voraussichtlich eine Häufigkeit von einem Lichtbogen nach 500 bis 1.000 Schaltvorgängen.
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Ein genanntes MEMS-Bauteil kann vorteilhaft sämtliche Funktionen beinhalten, also ein Piezo-Element sowohl als Aktor für den Impuls als auch als Sensor für die Messung der Kontaktkraft. Ebenso kann eine Schaltlogik enthalten sein. Eine Energieversorgung ist leicht durch einen zusätzlichen Kontakt möglich.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist es möglich, dass der Impuls auf einen Schaltantrieb einwirkt, vorzugsweise einen Schaltarm, der den Schaltkontakt trägt, möglicherweise auch auf den Schaltkontakt selbst einwirkt. Dann kann direkt das Trennen von Schaltkontakt und Gegenkontakt gefördert werden.
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In alternativer Ausgestaltung der Erfindung kann der Impuls auf den Gegenkontakt oder eine den Gegenkontakt tragende Einrichtung erfolgen, zumindest solange diese nicht im Vergleich zum sonstigen Schalten allzu massiv oder schwer oder steif ausgebildet ist. Dabei ist es in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung möglich, dass ein Aktor, der den Impuls erzeugt, direkt an dem Gegenkontakt anliegt. In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung kann ein solcher Aktor den Gegenkontakt sogar tragen bzw. die Befestigungsbasis dafür bilden.
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Vorteilhaft wird die Erfindung bei einem Schalter eingesetzt, der thermisch angetrieben ist bzw. durch thermische Ausdehnungselemente wie Bimetallelemente odgl., wie sie beispielsweise in der eingangs genannten
DE 10 2006 057 260 A1 beschrieben sind, ausgelöst wird.
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Als Aktor kann vorteilhaft ein magnetischer, thermischer oder Piezo-Aktor verwendet werden. Der Einfachheit halber sowie wegen ihrer robusten Ausbildung werden Piezo-Aktoren bevorzugt.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung gemäß der vorgenannten zweiten grundsätzlichen Alternative kann ein Aktor gleichzeitig für eine Kontaktkraftmessung zwischen Schaltkontakt und Gegenkontakt verwendet werden, insbesondere mit MEMS-Einsatz. Hierfür kann besonders gut ein vorgenannter Piezo-Aktor verwendet werden, so dass dadurch der konstruktive sowie auch der Ansteuerungsaufwand sinkt. Ein MEMS-Chip könnte die komplette Sensorik und den Aktor aufweisen sowie die Auswertung und Steuerung dafür sowie eine ggf. adaptive Steuerelektronik.
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Verwendet werden kann die Erfindung bzw. eine erfindungsgemäße Schaltvorrichtung allgemein bei Schaltern, besonders vorteilhaft zum Einen bei Schaltern mit Schnappfedern, die thermisch bzw. von Bimetallen auslösbar sind, beispielsweise gemäß der
EP 1569257 A , und zum Anderen auch bei Relais, insbesondere Magnetrelais. Auch dort können die Schaltvorgänge verbessert werden.
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Diese und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei einer Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird. Die Unterteilung der Anmeldung in einzelne Abschnitte sowie Zwischen-Überschriften beschränken die unter diesen gemachten Aussagen nicht in ihrer Allgemeingültigkeit.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem kombinierten Aktor samt Sensor am Gegenkontakt eines Schalters,
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2 eine Darstellung des zeitlichen Verlaufs von Strom sowie Kontaktkraft und Ausschalten mit und ohne die Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Die dargestellte Schaltvorrichtung
11 bzw. der Schalter
12 weist an einem Schaltarm
14 einen Schaltkontakt
15 auf. Dieser Schaltarm
14 ist links an einer Schaltarmbasis
16 fest gelagert. Er kann jedoch durch einen Auslöser
18, welcher beispielsweise ein Stab bei einem Stabregler ist, wie er beispielsweise aus der
EP 1 569 257 A bekannt ist, gebildet sein. Alternativ kann es der Auslöser eines Magnetrelais, Piezobauteils oder MEMS sein. Es ist zu erkennen, dass der Auslöser
18 nach unten auf den Schaltarm
14 drückt zwecks Auslösung des Schalt-/Trennvorgangs.
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In der Geschlossen-Stellung des Schalters 12 liegt der Schaltkontakt 15 bei oben befindlichem Schaltarm 14 an einem Gegenkontakt 20 an. Somit kann Strom durch das Kontaktpaar fließen. Der Gegenkontakt 20 ist auf einem Piezo-Element 22 gelagert bzw. befestigt, welches wiederum an einer Gegenkontaktbasis 23 angeordnet ist. Das Piezo-Element 22 bildet den eingangs genannten Kraftsensor zur Erfassung der Kontaktkraft. Des Weiteren bildet es auch gleichzeitig den Aktor, der einen mechanischen Impuls auf den Schalter 12 gibt. Dazu wird das Piezo-Element 22 kurz angesteuert. Da es aufgrund seiner Lagerung an der stabilen Gegenkontaktbasis 23 in dieser Richtung fest ist, gibt es seinen Impuls an den aufliegenden Gegenkontakt und so wiederum an den angelegten Schaltkontakt 15 am Schaltarm 14 weiter.
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Das Schaltverhalten wird anhand 2 beschrieben. Dort ist einerseits der Strom mit sinusförmigem Verlauf über dem Phasenwinkel dargestellt. Bei einer zugrunde zu legenden Frequenz von 50 Hz entspricht eine Vollwelle bzw. deren Phasenwinkel von 360° einer Zeit von 20 msec.
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Des Weiteren ist in 2 die Kontaktkraft dargestellt, mit der der Schaltkontakt 15 an dem Gegenkontakt 20 anliegt. Sie nimmt im dargestellten Beispiel ab, was vorteilhaft jedoch nicht zwingend linear erfolgen muss. Es ist zu erkennen, dass, wie gestrichelt dargestellt ist, die Kontaktkraft irgendwann zu Null oder kleiner Null wird und sich dann normalerweise der Schaltarm 14, der als eingangs genannte Schnappfeder ausgebildet ist, so bewegt, dass er den Schaltkontakt 15 vom Gegenkontakt 20 trennt. Da hier jedoch der Strom noch weiter fließt bzw. ein Stück von seinem nächsten Nulldurchgang entfernt ist, entsteht ein mehrere msec andauernder Lichtbogen bzw. würde entstehen.
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Wie beschrieben worden ist, wird mit einer in 1 nicht dargestellten Stromerfassung der Phasenwinkel des Stroms permanent erfasst. Ähnliches gilt für die Messung der Kontaktkraft zwischen Schaltkontakt 15 und Gegenkontakt 20 mittels des Piezo-Elements 22. Diese Kontaktkraft ist im dargestellten Beispiel bei etwa 0,02 N angelangt, wenn der Phasenwinkel insgesamt etwa 420° beträgt, also lange vor dem nächsten Nulldurchgang. Wird dann der Zeitpunkt erfasst, in dem der Strom einen Phasenwinkel von etwa 13° vor einem nächsten Nulldurchgang aufweist, so ist hier die Kontaktkraft noch einmal etwas abgesunken auf unter 0,02 N. Eine nicht dargestellte Steuerung kann beide Bedingungen als erfüllt erkennen und veranlasst das Piezo-Element 22 als Aktor, einen kurzen Impuls abzugeben. Dieser Impuls ist, wie in 1 eingezeichnet ist, so gerichtet, dass er den Schaltkontakt 15 am Schaltarm 14 dazu veranlasst, die Kontakte zu trennen bzw. den Schalter 12 zu öffnen. Dies erfolgt dann mit einer gewissen Trägheit bzw. Verzögerung, vor allem bedingt durch die mechanische Trägheit, nach einer sehr kurzen Zeit bzw. eben genau so, dass dann im Nulldurchgang des Stroms die Kontakte getrennt werden. Es entsteht somit kein störender Lichtbogen.
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Wie aus den gestrichelten Verläufen zu erkennen ist, würde ansonsten, wenn die Kontaktkraft ganz zu Null wird, zu einem Zeitpunkt geschaltet werden, wenn der Strom nahe seinem Maximum ist. Dann würde sich ein etwa 4 msec andauernder Lichtbogen ergeben, welcher die eingangs genannten schädlichen Folgen hätte.
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Das Piezo-Element 22 als Aktor kann einen Impuls mit einer eingangs genannten Auslenkung von etwa 30 μm erzeugen und einer Kraft von etwas weniger als 0,5 N. Seine Dauer beträgt beispielsweise 3 msec.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006057260 A1 [0003, 0021]
- DE 1096453 [0004]
- DE 1113745 [0005]
- EP 1569257 A [0024, 0029]
