DE1614600A1

DE1614600A1 - Piezoelectric hydraulic relay

Info

Publication number: DE1614600A1
Application number: DE19671614600
Authority: DE
Inventors: Dipl-Phys Dr Horst Brauer; Rudolf Ellensohn; Jutta Mohaupt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1967-09-11
Filing date: 1967-09-11
Publication date: 1970-10-29

Description

Fiezoelektrisches-hydraulisches Relais-Zusatz. zu Patent .. .. .;.. (DAS 1 298 185, angemeldet a 20.8.65) Die Erfindung_bezzeht sich auf ein piezoelektri ches Relais mit Umschaltkontaktvorrichtung: nach dem Hauptpatent .. ... (DAS' l 298 1'85, angeaeldet am 20.8.65), bei Odem ein vorzugsweise kreisrundes Biegeelement von einer zweteilgeh, mit einer elektrisch nicht-le-iienden Flüssigkeit gefüllten Druck- . kammer beidseitig umschlossen ist, wobei die'Teilvolumina der Druckkammer über eine vorzugsweise als Mittelbohrung. ausgeführte mit elektrischen Kontaktelementen versehene und mit einem :@uecksilbertropfen teilweise gefüllte Kapillare ' verbunden sind und bei dem bei Erregung des Biegeelementes und damit entgegengesetzter Veränderung der viirksamen _ Drucke in beiden Hälften der Druckkammer eine Verlagerung des Quecksilbertropfens eintritt, mit'dem Ergebnis einer zwischen Kontaktelementen bewirkten Suhaltauslösung. Aus dem Haup .patent sind bereits Einzelheiten für ein hydraulisch arbeitendes piezoelektrisches Relais mit Quecksilbez°-Schaltko:Ztakt bekannt ,Aufhabe der vorliegenden-Erfindung ist es, eine verbesserte Ausführungsf orm für ein wie oben gekennzeichnetes Relais anzugeben, bei dem ein insbesondere mit kleinen S tleuerapxnnungen schaltbares Biegeelement vervrendet ist. eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, die Anbringung des- Quecksilber-Schaltkontaktes bei sehr dünne::, membranähnlichen Biegeplatten zu vereinfachen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, in einfacher Weise mehrere Kontakte anzubringen, die vorzugsweise galvanisch unabhängig voneinander sein können, die aber beim selben lIrbeitshub geschaltet werden: Diese Aufgahen werden durch eirivrie oben bezeichnetes Relais gelöst, das erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß das Biegcele£,.ent aus mindestens einer pie-zoelektrisch wirk-Namen Platte und einer wei teren Plagte, insbesondere aus Metall, zusammengesetzt is-t, wobei die aeitere Plätte so angeordnet ist, cxaß sie die beiden Hälften der Druckkammer voneinander trennt und dass die eine öden mehreren piezoelecträseti wirksamen Plätten gegenüber ,der innerhalb der Druckkammer gelegenen Fläche der weiteren Platte= eine kleinere Querschnittafläche aufweist insbesondere sind die piezoelöktriseh wirksamen Platten erfindungsgemäß in der Fläche nicht größer -als den Abmessungen-, Z.B, der. Durchmesser, entspricht, innerhalb deren die im Betrie.h suftietende Dürchbiegung_ des Biegeelementes jeweils einheitliches Vorzeichen der Krfimmung aufweist. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung :sind eine oder auch mehrere Kapillaren rnt Konti htelementen und Q:uechsilbertropfen vorgesehen, die als an sich gesonderte _@eil,ticl;e u'eselilv`rzigsvreise auf nur einer Seite des Biegeelementes ari diesen befestigt angeordnet sind; Mehrere roii tak tc d;ser Ar 't können Gemeinsam bei ein und- demselben Arbei tslul@ea@:h@tltet _werdel Weltce i#ielheiten der lrfilieiu:7g geilen aus der Zeichnung eines b(,-:: or:jugteir -#tsführings be-lspie? s hervor, In, der Fig1 stellt 1 das Gehäu=se der Druckhammer dar, in der= die sich bewegeiaien ":eile des Relais von einer elektrisch nicht -leitenden lüssg@ei12, iisbeon3.ere Petroleiirn, umgeben, angeordnet sinn . i is t nick außen f? üsigkei -säi clzt abschließbar.Fiezoelectric-hydraulic relay accessory. to patent .. ...; .. (DAS 1 298 185, registered a 20.8.65) The invention relates to a piezoelectric relay with changeover contact device: according to the main patent ... ... (DAS ' l 298 1'85, registered on 08/20/65), in the case of edema a preferably circular bending element of a two-part pressure filled with an electrically non-draining liquid. chamber is enclosed on both sides, with the partial volumes of the pressure chamber via a preferably as a central bore. executed with electrical contact elements and with a: @ mercury droplets partially filled capillary 'are connected and in which when the bending element is excited and the opposite change in the effective pressure in both halves of the pressure chamber, a displacement of the mercury drop occurs, with the result of one between contact elements caused suhalt release. From the main .patent details for a hydraulically operating piezoelectric relay with Mercuryz ° -Schaltko: Ztakt are already known, the object of the present invention is to provide an improved embodiment for a relay as identified above, in which a particular with a small S. tleuerapxnnung switchable bending element is used. Another object of the invention is to simplify the attachment of the mercury switch contact in the case of very thin, membrane-like bending plates. Another object of the invention is to attach several contacts in a simple manner, which can preferably be galvanically independent of one another, but which are switched on the same working stroke: These tasks are achieved by the relay described above, which is characterized according to the invention that the flexible cele £, .ent is composed of at least one pie-zoelectrically effective plate and a further plate, in particular made of metal, the other plate being arranged in such a way that it separates the two halves of the pressure chamber from one another and that one öden several piezoelectrically effective plates compared to the area of the further plate located within the pressure chamber = has a smaller cross-sectional area, in particular the piezoelectrically effective plates according to the invention are not larger in area than the dimensions, for example the. Diameter, corresponds, within which the suftietende Dürchbiegung_ of the bending element in each case has a uniform sign of the curvature. According to an advantageous further development of the invention: one or more capillaries are provided with continuous elements and droplets, which are arranged as separate components on only one side of the bending element attached to them ; Several roii tak tc d; ser Ar 't can work together tslul @ ea @: h @ tltet _werdel Weltce i # ielheiten der lrfilieiu: 7g horny from the drawing of a b # tsführings be-lspie? s out, In, Fig1, 1 represents the housing of the print hammer, in which the moving parts of the relay are surrounded by an electrically non-conductive lüssg @ ei12, iisbeon3.ere petroleiirn , arranged sense. i is t nick outside f? üüsigkei -säi clzt lockable.

2 ist ei:,.di:ine Pla:t te,-- insbesondere aus I,ietall, die die Druckkammer in zwei Teilvolumina teilt. 3 sind piezoelektrisch wirksame Plattr , Insbesondere aus fiezokeramik und vorzugsweise aas Material mit hoher piezoelektriseher Energieumwandlung.. Diese sind auf der Platte 2 fest angebracht, vorzugsweise aüfgekittet. Die von 2 abgewandte Fläche der Plattez3 sind in an sich bekannter Weise mit Elektroden 4 zum Anschluß der Steuerspannung versehen,. -5 sind-durch das.Gehäuse hindurchgeführte elektrische Anschlüsse für die Elektroden 4., Im allgemeinen wird man ebene Platten verwenden, so daB die Figur für diesen Fall bereits eine Arbeitsstellung des Biegeelementes zeigt. Platte 2, die Keramikplatten 3 und die Formgebung der Elektroden sind aufeinander so abgestimmt bemessen bzw. autige- -. wählt, daß bei der jeweils vorzugebenden Steuerspannung wenigsten: weitgehend ein Maximum der Volumenänderung für die `1'eilvoltatnizia aufgrund der betriebsgemäßen Durchbiegung des Diegeelernentes erreicht wird Vorzugsweise sind die in r'ig.1 angegebenen Platten 3 gleich.2 is ei:,. Di: ine pla: t te, - in particular from metal, which the pressure chamber in divides two partial volumes. 3 are piezoelectrically effective plates, in particular from fiezo ceramics and preferably aas material with high piezoelectric energy conversion. These are firmly attached to the plate 2, preferably cemented together. The from 2 The surface of the plate 3 facing away from it is provided with electrodes 4 in a manner known per se for connecting the control voltage. -5 are-passed through the housing electrical connections for the electrodes 4. In general, one will use flat plates use, so that the figure for this case already shows a working position of the bending element shows. Plate 2, the ceramic plates 3 and the shape of the electrodes are on top of one another so matched sized or autige- -. selects that for each to be specified Control voltage least: largely a maximum of the volume change for the `1'eilvoltatnizia is preferably achieved due to the operational deflection of the die element the plates 3 given in r'ig.1 are the same.

Fig.2 zeigt eine Agsführungsform eine: erfindungsgemäßen Relais, bei den auf der Platte P nur auf-einer Seite eine dort fest angebrachte Keramikbelegung 23 vorgesehen ist. . Diese ,ujführungsforn hat insbesondere die Var teile, daß sie relativ vereinfacht herstellbar ist und daß der eine oder die mehreren Kontakte & des erfindungsgemäßen Relais auf der Platte 2 unmittelbar befestigt werden können. .Bei der Ausführungsform mit einem unsymmetrisch aufgebauten Biegeelement muß in stärkerein Maße damit gerechnet werden, däS eine Veränderung .der Durehbiegung des' Biegeelementes durch Temperaturveränderung eintreten kann. 'Um einer daraus resultierenden, jeweils eiitgegengeeetzterx Änderung der Druckverhältnisse in den Teilvolumina des Gehäuses @-ea@?@ und dadurch unerwünschten Schaltauslösungen zu begegnen,- is-t insbesondere bei der Ausführungsform nach Fig:2 eine im Hauptpatent bereits beschriebene, entsprechend bemeszene Bohrung 7 in der Platte 2 für einen langzei Ligen Druckausgleich zwischen den Teilvolumina vorgesehen-.FIG. 2 shows a configuration of a relay according to the invention, in which a ceramic coating 23 firmly attached there is provided on the plate P only on one side. . This, ujführungsforn has in particular the var that it can be produced in a relatively simplified manner and that the one or more contacts & of the relay according to the invention can be attached directly to the plate 2. In the embodiment with an asymmetrically constructed bending element, it must be expected to a greater extent that a change in the bending of the bending element can occur due to a change in temperature. In order to counteract a resulting change in the pressure conditions in the partial volumes of the housing and thus undesired switching triggers, in particular in the embodiment according to FIG 7 provided in plate 2 for long-term pressure equalization between the partial volumes.

Bei nur elusoitiger Keranikb.elegung der für die Durch'biegung an- sich nur passiven glatte 2' ist bei sonst deichen Abmes- -sungen des Biegeelementes mit einer Verringerung. der Spannun gsempfzndlichket des Relais zu rechnen. Für sehr-vielepz#dktsche.Anvrendungsfälle wird dies aller keine vresentliche -.olle spielen. Außerdem kann diese Ne 'Aenl@rirkiusg vörteilhafertreiüe c,iuch durch indezung der Elektrodenform öder durch Verringerung der Dicke der herainikplatte und der Platte 2 noch tiei gehend beseitigt lrerden: iUxf aeri Biegeelement und vorzugs17eise im iäittleren Bereich desseben sind eigne oder insbesondere auch mehrere elektrische :.izec:ksilber-Kontakte 6 an Dur`chlaßstellen 8 .des Biegeelementes angeoren,1,-L.. 9 sind die zu 6 gehörenden elektrischen Zuleitungen und Durchführungen durch das Gehäuse 1. :'ne bevorzugte Ausführungsform eines Kontaktes 6 ist in Fig.3 gegenüber -den Figuren 1 und 2 vergrößert wiedergegeben. >1 ist einrohrförmig ausgebildeter Körper aus Isoliermaterial, s.B.In the case of only elusoidal ceramic covering, the smooth 2 ', which in itself is only passive for the deflection, is with a reduction in the otherwise large dimensions of the bending element. the voltage sensitivity of the relay. For a lot of pz # dktsche.use cases this will not play an essential role. In addition, these advantages can also be eliminated by indenting the shape of the electrodes or by reducing the thickness of the thermal plate and plate 2: iUxf the bending element and preferably in the older area of which there are own or, in particular, several electrical: .izec: ksilver-contacts 6 at passage points 8. of the bending element, 1, -L .. 9 are the electrical leads and bushings through the housing 1 belonging to 6: A preferred embodiment of a contact 6 is shown in Fig. 3 compared to FIGS. 1 and 2 shown enlarged. > 1 is a tubular body made of insulating material, see Fig

aus Glas, in dem sich ein mit 33 angedeuter Quecksilbertropfen in einer der Endlügen befinJet. Zur besserer Lokalisation der jeweilig gewünschten Zage des Tropfans besitzt der Körper vorzugsweise kugelähnliche Ausbuchtungen 32. Diese sind nicht nur zur einfacheren Montage des Relais vorteilhaft, sondern sind vor allem dann von Bedeutung, vienn sich Ieiirez e Ken Takte 6 auf einem Biegeelement befinden. In letzterer, Falle könnte 'nämlich beim Arbeitshub das Quecksilber aus einem der Kontakte bereits herausgeschleudert sein, ehe ein anderer, benachbarter Kontakt, .D. auf Grund etwas -tolerierender Abmessungen, geschaltet werden würde. 33 sind in > 1 e-F ngesetz te elektrisch leitfähige Kontaktelemente, z.B.made of glass, in which there is a drop of mercury indicated by 33 in one of the final lies befinJet. For better localization of the respective desired In addition to the drip, the body preferably has ball-like bulges 32. These are not only advantageous for easier assembly of the relay, but are Especially important then, Ieiirez e Ken bars 6 are on a bending element are located. In the latter 'case' the mercury could be released during the working stroke one of the contacts may already be thrown out before another, neighboring one Contact, .D. due to somewhat -tolerant dimensions, would be switched. 33 are electrically conductive contact elements, e.g.

in h orm von Streifen oder Stiften. Es stehen jeweils diejenigen einander gegenüberstehenden elektrischen Kont«ktelefiente ixa galvanischer Verbindung miteinander, in deren zugehöriger Ausbuchtung sich der Quecksilbertropen befindet 34 i:ot ein wie irr riau@@tpatent näher beschriebenes, gegebenenfalls auch an beiden .7'nden des Körpers 31 anzubringendes ' :;leb, das ebenfalls ein Herausschleudern des Quecksilbers verhindern soll. Es kann dort auch eine im Hauptpatent bereits erwähnte '.Pe11er feiler angebracht sein. Auf einem einzelnen Biegeelement können. jeweils mehrere, wie in Pig.3 dargestellte Kontakte 6 angebracht werdn, B2 ist herZU aber zu berclzichtgeng daß das auftretende liubvolen us2eich.tä. die Gesamtheit der Kontakte scher zu schalten. Bei Kontakten mit entsprechend geringen Abmessungen kann: der erforderliche Hub jedoch vorteilhafter Weise sehr klein Viehalten werden. hin Vorteil der erfindungsgemäßen -Anordnung der Kontakte auf der Metallfläche des Biegeschwingers äst, daß diese dort irr besondern einfacher Weise sicher angebracht werden können, in der Wandung des Gehäuses i ist zusätzlich cineewindebohreng, vorzugsweise jedoch wie dargestellt je eine pro-'Teilvolumen mit zugehöriger Schraube 11 vorgesehen:. wie dienen ntjht nur als Einfüllöffriunga sondern reit; den Schrauben 11 kann in -t@''.ig.1 durch Verdrehen derselben aufgrund der damit ein Tretenden Volumenveränderungen die Ruhelage des Biege-: elei',len ';es eingestell, bzw. berichtigt everden.in the form of strips or pencils. There are always those facing each other opposing electrical contact, ixa galvanic connection with each other, the mercury tropics are located in the associated bulge 34 i: ot a as described in more detail in irr riau @@ tpatent, if necessary also at both ends of the body 31 to be attached:; live, that is also an ejection of the mercury should prevent. There can also be a '.Pe11er be appropriate. On a single flexure you can. each several, as shown in Pig. 3 Contacts 6 are attached, B2 is here but it should be borne in mind that the fluid volume that occurs is us2dä. the totality the contacts shear. For contacts with correspondingly small dimensions can: however, the required stroke can advantageously be kept very small. advantage of the inventive arrangement of the contacts on the metal surface of the Flexural oscillator eats that it is securely attached there in a particularly simple manner can be, in the wall of the housing i is additionally cineewindebohreng, preferably however, as shown, one per part volume with associated screw 11 is provided. we serve not only as a filling opening but riding; the screws 11 can be in -t@''.ig.1 by twisting the same due to the resulting changes in volume the rest position of the bending: elei ', len'; it is set or corrected everden.

Der Kontakt ü- kann je ynach Anforderung` en aas Relais in vielfache Weise variiert ausgeführt werden.. Insbesondere kann durch Vorsehen einer dritten, .wie oben angegebenen Ausbuchtung e;@ner Kapillare, z.B. zwischen der,: beiden in Fg.3 darr ges Gel l vcii .L@sbuchturgen 32 eine gut lokalisierbare Mittellage des :ueeks.lber t"ropfens ermöglicht werden. Ein Relais mit _ clerar t,gem Kontakt könnte insbesondere als':-,p Dlarisertes Relais verirendet vrerden. Bei diesem würde je nach Vorseichen der angelegten Steuerspannung jeweils das eine oder andere der beiden Kontaktstiftpaare 33 geschaltet werden., s Anstelle gan'zflächg aufgebrachter Elektroden können auch auf einer Seite miteinander galvanisch verbundene Einzelelektröden etwa in Form konzentriecher Kreise speziell .bei kreisrunden Platten 3, 23 vorgesehen sein. Bei rechteckigen Keramikplatten 3 bzvr. 23 wird man im Falle nicht- -ganzflächiger Elektroden bevorzugt kammförmig oder meanderförmig ausgebildete Blektrodenbelegungen vorsehen. Durch spezielle Ausbildung der Elektrodenform und -abstände kann die Spannungsempfindlichkeit des Relais in weiten Grenzen variiert vrerden. -Die Abmessungen für ein für 6-Volt-Betrieb bevorzugtes Relais werden irr Folgenden gegeben: In einen Gehäuse 1 rlit e tvra 16 mm ri ist 2 eine etwa 0,05 mm dicke 'Litanfolie. Die beidseitig angebrachten Keramikscheiben aus 131 ci-Zirl:ona t-mitanatkerariik, rniz Neoaym dotiert, haben 12 im ys urla je 0,25 rr,rn Dicke. Das Anlegen von nur 6 Volt zriischc@z den @le@rcden 4 einerseits und 2 andererseits verursacllt eine 'v oluräenänderung infolge Durchbiegung von etvra 2 1 o izm@ . Die piezoelektrische Keramik hat dabei einen voll i O,-7pür eine,-. siche-e Umüchaltüna ZVlischen zciei` xnm' Voneinanderentfernten- ` .The contact can be varied in many ways depending on the requirements. In particular, by providing a third bulge as indicated above, the capillary, for example between the: both in FIG Gel l vcii .L @ sbuchturgen 32 a well localizable middle position of the: ueeks.lber t "ropfens be made possible. A relay with _clerar t, gem contact could in particular act as a ': -, p Dlarisertes relay. This would depend on One or the other of the two contact pin pairs 33 can be switched before the applied control voltage. Instead of electrodes applied over the entire surface, individual electrodes that are galvanically connected to one another can also be provided on one side, for example in the form of concentric circles, especially in the case of circular plates 3, 23 Rectangular ceramic plates 3 or 23, in the case of electrodes that do not have a full surface area, are preferably provided with sheet metal electrode coverings that are configured in a comb-shaped or meander-shaped manner hen. Due to the special design of the electrode shape and spacing, the voltage sensitivity of the relay can be varied within wide limits. -The dimensions for a relay preferred for 6 volt operation are given as follows: In a housing 1 rlit e tvra 16 mm ri, 2 is an approximately 0.05 mm thick 'litan foil. The ceramic discs made of 131 ci-Zirl: ona t-mitanatkerariik, endowed with rniz Neoaym, are attached on both sides and have 12 in the ys urla, each 0.25 rr, rn thick. The application of only 6 volts zriischc @ z den @ le @ rcden 4 on the one hand and 2 on the other hand causes a change in volume due to deflection of etvra 2 1 o izm @. The piezoelectric ceramic has one fully i O, -7 for one, -. siche-e Umüchaltüna ZVlischen zciei` xnm 'apart- `.

ent$ltsti£tpae@ en ist die apillers: au£:@ rd # -e r xrm . zu bein.eigsen. el 'Ausbuehtungen #d '. 3-st gär- ,Durchmesser natürlich:-.antsprechend - zuent $ ltsti £ tpae @ en is the apillers: au £: @ rd # -er xrm. to own. el 'Ausbuehtungen #d'. 3rd fermentation, diameter of course: -. Corresponding - to

Claims

after deu iff auptpstent a - as (DAS 1 298 185e elaldit on 8/20/6, when the ice preferably kresrandes rain - elesellt from. a two-part $ with an eUctric _ncht-

The pressure chamber filled with conductive fluxes is enclosed on both sides , the two halves of the pressure chamber being connected by a capillary, which is preferably designed as an oil hole, is provided with electrical contact elements and is partially filled with a drop of mercury, and both when the bending element is excited and the effective pressures are changed in the opposite direction in both halves of the pressure chamber a displacement of the mercury drop occurs, resulting in a gontaktelemeriten between at least two effected circuit triggering, d adurchge `kennze i seframe that the bending element at least from a piezoelectrically active plate and another plate is assembled with the further plate is arranged in such a way that it separates the two halves of the pressure chamber from one another and the one or more piezoelectrically active plates have a smaller surface than the area of the further plate located inside the pressure chamber, i.e. azu have parallel crossbohnitta surfaces. 2. Relay according to atetansruoli le characterized in that it is another plate made of metal relay-after Pateh-ane-, orueh I or 2- $ characterized in that several capillaries are provided with ontaktolementeh relay according to claim 1, 2 or, characterized thereby- .. characterized as_ which: 'one or the several capillaries with hentas are only attached to one side of the bending element: _ _ -r "relay according to one of the 1 to - .. 49 characterized lc marks p that as a bending element such a seldom is that only on one side of the housing V more; connected / plate with a piezoelectric effective

Plate occupied. isv 'G, R4lz: i after Pa tentaiiszlrueli @ ,. thereby identified @ .eiel: ne t, tcr an oäer the muherel contacts on the .free rope jex @ rciä tere> Z h: Lpt tze -an 0-_eser attached- are. 'l. ei iiem der, `üteiit: nu, riie- @ iie 1 Uls c ;, thereby d @: a die'e _ = @ -: e L side .- @? yZ1 :. c ner finite (`eeiner.; @. 'ler tro-de provided

.; .is, (are) @ 3. Palais according to Pateritanslruch 1 to 6, characterized in that electrodes are provided in which ' the respective counter-electrode is arranged on the same surface of the one or more piezoelectrically effective plates. Relay according to Patent Claim 8, characterized in that the electrodes are constructed essentially in the form of concentric rings that are galvanically connected to one another in pairs. -10. Relay according to one of claims 1 to 9, characterized in that for the piezoelectrically effective (n) ef? atte (-n) lead-zirconate-Kerabilc with preferably neod ;; mclo-tierung 'is (are) 11th relay according to one of the patentahsprtiche 1 to 10, characterized in that one screw on the housing for each partial volume is provided, which changes the content of the respective partial volume when rotated. 12. Relay according to one of claims 1 to 11, characterized in that the capillary has more than two bulges as the respective location for the mercury drop '.