DE19813128A1

DE19813128A1 - Electromagnetic relay for controlling electrical currents and voltages can switch high levels of electrical power with adequate contact separation and minimal control power and internal heat generation

Info

Publication number: DE19813128A1
Application number: DE1998113128
Authority: DE
Inventors: Harald Klocke
Original assignee: Kuhnke GmbH
Current assignee: Kuhnke GmbH
Priority date: 1998-03-25
Filing date: 1998-03-25
Publication date: 1999-09-30

Abstract

The relay has an electromagnetically influenceable pivot arm (2), a housing with a current carrying coil, electrical inputs and outputs and fixed contacts alternately opened and closed by a moving contact on the pivot arm to influence the electrical propagation or interruption of a voltage or current. The contact carrying pivot arm is a flexural piezo element with a magnetically influenceable layer (3,3.1) on at least on one side. The pivot arm is supported in at least one switching position by a magnetic holding arrangement (4,4.1).

Description

Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisches Relais mit einem elektromagnetisch beeinflußbaren Schwenkarm zum Steuern elektrischer Spannungen und Ströme, bestehend aus einem Gehäuse mit einer bestrombaren Spule, mit elektrischen Zu- und Abgängen und mit anzusteuernden ortsfesten Kontakten, die durch mindestens einen beweglichen Kontakt auf dem Schwenkarm wechselweise geöffnet und geschlossen werden und hierdurch die elektrische Weiterleitung oder Unterbre chung einer Spannung oder eines Stromes beeinflussen.The invention relates to an electromagnetic relay with an electromagnetic influenceable swivel arm for controlling electrical voltages and currents, consisting of a housing with an energizable coil, with electrical supply and outlets and with controllable fixed contacts that can be controlled by at least a movable contact on the swivel arm alternately opened and be closed and thereby the electrical forwarding or Unterbre influence of a voltage or a current.

Um eine große elektrische Leistung zu schalten, ist einerseits in stromoffener Stellung ein genügend großer Abstand zwischen dem ortsfesten und dem be weglichen Kontakt erforderlich. Andererseits wird in stromflußgeschlossener Stellung, d. h. in geschalteter Stellung, eine ausreichende Kontaktanpreßkraft zur sicheren Strom- und/oder Spannungsfortleitung benötigt. Diese prinzipiellen Forderungen werden in weiten Teilbereichen durch elektromagnetische Relais erfüllt. Hierbei wird eine Spule bestromt, die von einem Weicheisenjoch umgriffen ist. Das Joch leitet den magnetischen Fluß zu einem beweglich gelagerten Anker. Bei Bestromung der Spule führt der Anker eine Bewegung aus, die auf bewegliche, die elektrische Schaltleistung übertragende Kontakte einwirkt. Diese Kontakte durchfahren daraufhin ebenfalls eine gewisse vorbestimmte Wegstrecke, die sogenannte Luftstrecke, an deren Ende sie an ortsfesten, ebenfalls die Schaltlei stung übertragenden Kontakten zur Anlage kommen. In order to switch a large electrical power, on the one hand is open to electricity Position a sufficiently large distance between the fixed and the be contact required. On the other hand, the current flow is closed Position, d. H. in the switched position, sufficient contact pressure to safe current and / or voltage transmission required. These principal Requirements are met in a wide range by electromagnetic relays Fulfills. Here, a coil is energized, which is encompassed by a soft iron yoke is. The yoke guides the magnetic flux to a movably mounted armature. When the coil is energized, the armature executes a movement which is based on movable, the electrical switching power transmitting contacts acts. These contacts then also drive through a certain predetermined distance, the so-called air distance, at the end of which they are at a fixed location, also the switchgear transferring contacts.

Bei anliegendem beweglichen Kontakt am feststehenden Kontakt, spricht man davon, daß die Kontakte geschlossen sind. Dann kann der Schaltstrom fließen.When there is moving contact on the fixed contact, one speaks that the contacts are closed. Then the switching current can flow.

Wird der steuernde Spulenstrom unterbrochen, wird der bewegliche Kontakt von dem ortsfesten Kontakt meist durch Federkraft getrennt; der Schaltstrom kann dann nicht mehr fließen.If the controlling coil current is interrupted, the moving contact of the fixed contact is usually separated by spring force; the switching current can then no longer flow.

Je nach zu schaltender Stromstärke und -spannung müssen die Kontakte in geöff netem Zustand einen minimalen Abstand, die sogenannte Luftstrecke, aufweisen, damit es nicht zu Spannungsüberschlägen kommt. Je größer die zu überwindende Luftstrecke ist, desto höher ist auch die elektrisch aufzubringende Steuerleistung, um das elektromagnetische System des Relais zu aktivieren und die Kontakte zu schließen. Dieses wirkt sich besonders dann nachteilig aus, wenn Relais als Lei stungsverstärker und Kontaktunterbrecher den Ausgängen elektronischer Steuerun gen zugeordnet werden sollen, die nur eine geringe Steuerleistung zur Verfügung stellen.Depending on the current and voltage to be switched, the contacts must be opened a minimal distance, the so-called air gap, so that there are no flashovers. The bigger the one to be overcome Clearance, the higher the control power to be applied electrically, to activate the electromagnetic system of the relay and the contacts conclude. This is particularly disadvantageous if relays are used as lei Power amplifier and contact breaker the outputs of electronic control to be assigned to those who only have a low tax benefit available put.

Da die stromdurchflossene Spule - abhängig von ihrer Aufnahmeleistung - eine Eigenerwärmung hat, können z. B. bei mehreren, gleichzeitig bestromten Relais, die in einem Schaltschrank oder auf einer elektronischen Leiterplatte installiert sind, ein unzulässig hoher Wärmestau auftreten, der zur Schädigung anderer, z. B. weiterer elektronischer Bauteile führen kann. Hier ist dann eine zusätzliche Zwangskühlung erforderlich.Since the current-carrying coil - depending on its absorption power - is one Has self-heating, z. B. with several, simultaneously energized relays, which are installed in a control cabinet or on an electronic circuit board are, an impermissibly high heat build-up, which can damage others, e.g. B. can lead to further electronic components. Then here is an additional one Forced cooling required.

Aus der EP 0 685 109 B1 ist ein mikromechanisches Relais mit Hybridaktuator bekannt. Hier wird eine Kontaktzunge aus einem Basisblock dreidimensional herausgeätzt und als eine Elektrode eines elektrostatischen Kondensatorantriebs ausgebildet. Diese bewegliche Elektrode wird von einer weiteren ortsfesten Elek trode des Kondensatorantriebs bei Anlegen einer ausreichenden Spannung an beide Elektroden angezogen. Bei größeren Abständen der sich anziehenden Elektroden ist die elektrostatische Anziehungskraft sehr gering, und es müssen hohe Steuer spannungen angelegt werden. EP 0 685 109 B1 describes a micromechanical relay with a hybrid actuator known. Here a contact tongue becomes three-dimensional from a basic block etched out and as an electrode of an electrostatic capacitor drive educated. This movable electrode is from another stationary elec trode of the capacitor drive when sufficient voltage is applied to both Electrodes tightened. With larger distances between the attracting electrodes the electrostatic attraction is very low and high taxes are required tensions are created.

Um dieses elektrostatisches Antriebssystem zu unterstützen, wird nach der genann ten EP-Schrift ein Teilbereich der Kontaktzunge mit einer als Biegewandler wirkenden Piezoschicht versehen, deren Biegekraft bei elektrischer Erregung die elektrostatische Anziehungskraft unterstützt.To support this electrostatic drive system, is named after the EP part of the contact tongue with a as a bending transducer Providing acting piezo layer, the bending force with electrical excitation supports electrostatic attraction.

Nachteilig bei diesem System ist, daß nur äußerst geringe elektrische Leistungen über ein derartiges mikromechanisches Relais geschaltet werden können. Dieses System läßt sich auch nicht sinnvoll mechanisch vergrößern, da der elektrostati sche Antrieb prinzipbedingte Nachteile aufweist. Hierzu zählt einerseits die zwi schen den Elektroden erforderliche Isolierung, um einen Spannungsdurchschlag zwischen den beiden Elektroden zu verhindern. Mit zunehmender Spannung muß diese Isolierschicht dicker sein, was aber bewirkt, daß sich die Anziehungskraft der Elektroden verringert. Weiterhin ist eine großflächige Überdeckung der Elektroden erforderlich, um ausreichende elektrostatische Anziehungskraft zu erhalten. Dieses bedeutet, daß ein elektrostatischer Antrieb nur begrenzte Kraft - abhängig von der Spannung, der Flächenüberdeckung und der isolierschichtdicke zwischen den Elektroden - zur Verfügung stellen kann.A disadvantage of this system is that the electrical power is extremely low can be switched via such a micromechanical relay. This The system cannot be mechanically enlarged because the electrostatic cal drive has inherent disadvantages. On the one hand, this includes the zwi insulation necessary to prevent voltage breakdown to prevent between the two electrodes. With increasing tension must this insulating layer may be thicker, but this causes the attraction of the Electrodes decreased. Furthermore, there is a large coverage of the electrodes required to obtain sufficient electrostatic attraction. This means that an electrostatic drive only has limited force - depending on the Voltage, the surface coverage and the insulation layer thickness between the Electrodes - can provide.

Es besteht somit die Aufgabe, ein Relais vorzuschlagen, das bei ausreichendem großem Kontaktabstand und minimaler Steuerleistung und Eigenerwärmung große elektrische Schaltleistungen an- oder abschalten kann.There is therefore the task of proposing a relay that is sufficient large contact distance and minimal control performance and self-heating large can switch electrical switching powers on or off.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bei dem eingangs erwähnten Relais der als Kontaktträger ausgebildete Schwenkarm als Biegepiezoelement mit einer minde stens einseitig aufgebrachten, magnetisch beeinflußbaren Schicht ausgebildet ist und der Schwenkarm in mindestens einer Schaltposition durch ein magnetisches Haltemittel in seiner Positionseinnahme kräftemäßig unterstützt wird.This object is achieved in that in the relay mentioned at the beginning as Contact carrier designed swivel arm as a bending piezo element with a mind least one-sided, magnetically influenceable layer is formed and the swivel arm in at least one switching position by a magnetic Holding means is strongly supported in its position.

Diese Unterstützung geschieht z. B. durch ein elektromagnetisches Haltemittel, dessen Spule entweder als z. B. Planarspule, als mehrschichtige Planarspule oder als drahtbewickelte Spule aufgebaut ist. Vorzugsweise umschließt diese Spule ein in Richtung Schwenkarm wirkendes magnetisches Flußleitmittel bzw. die Spule wird von diesem zumindest teilweise umschlossen. Der als Biegepiezoelement ausgebildete Schwenkarm besteht aus einer an sich bekannten Piezokeramik und ist für sich allein nicht magnetisch beeinflußbar. Deshalb ist der Schwenkarm im Bereich des Zusammenwirkens mit dem Haltemittel mit einer magnetisch leiten den, d. h. z. B. mit einer weichmagnetischen Schicht versehen. Das Biegepiezo kann in dieser Ausgestaltung direkt als Schwenkarm und als Kontaktträger für den beweglichen Relaiskontakt genutzt werden.This support happens z. B. by an electromagnetic holding means, whose coil either as z. B. planar coil, as a multilayer planar coil or is constructed as a wire-wound coil. This coil preferably encloses magnetic flux guide or the coil acting in the direction of the swivel arm is at least partially enclosed by this. The one as a bending piezo element trained swivel arm consists of a known piezoceramic and cannot be influenced magnetically by itself. That is why the swivel arm is in the Conduct area of interaction with the holding means with a magnet the, d. H. e.g. B. provided with a soft magnetic layer. The bending piezo can in this embodiment directly as a swivel arm and as a contact carrier for the movable relay contact can be used.

Durch die elektrische Ansteuerung wird bei gleichzeitiger Bestromung des Halte mittels und des Biegepiezos das Biegepiezo mit hoher Geschwindigkeit ausgelenkt und kommt als Schwenkarm mit seiner magnetisch beeinflußbaren Beschichtung in den wirksam werdenden Bereich des elektromagnetischen Haltemittels. Dieses elektromagnetische Haltemittel unterstützt nunmehr in der Nähe der neuen, ange steuerten Endposition in gleichgerichtetem Kraftsinne die Auslenkung des Schwenkarmes, der vorzugsweise mit der genannten magnetisch beeinflußbaren Schicht an dem Flußleitmittel des Haltemittels zur Anlage kommt. Es ist auch möglich, daß der Schwenkarm im Bereich des Zusammenwirkens mit dem Halte mittel mit einer hartmagnetischen Schicht versehen ist, die ihrerseits mit dem magnetischen Flußleitmittel des Haltemittels kräftemäßig derart zusammenwirkt, daß eine Unterstützung der Kraft im ausgelenkten Zustand des Schwenkarm es erfolgt, ohne daß die Spule bei diesem Wirkprinzip bestromt werden muß.The electrical control is at the same time energizing the stop by means of and the bending piezo, the bending piezo is deflected at high speed and comes as a swivel arm with its magnetically influenceable coating in the effective area of the electromagnetic holding device. This Electromagnetic holding means now supports close to the new one controlled end position in the same direction of force the deflection of the Swivel arm, which can preferably be magnetically influenced with said Layer on the flux guide of the holding means comes to rest. It is also possible that the swivel arm in the area of interaction with the bracket medium is provided with a hard magnetic layer, which in turn with the magnetic flux guide means of the holding means cooperates forcefully such that support the force in the deflected state of the swivel arm it takes place without the coil having to be energized with this operating principle.

Die magnetisch beeinflußbare Schicht, die dem Schwenkarm zugeordnet wird, läßt sich auf verschiedene Weise aufbringen, z. B. durch Sputtern, Aufdampfen, Auf kleben, Aufwalzen, Aufdrucken usw. Je nach Konstruktionsausführung kann es sinnvoll sein, daß zum Längenausgleich bei der Durchbiegung des Biegepiezos im Bereich des Zusammenwirkens mit dem Haltemittel die magnetisch beeinflußbare Schicht gegenüber dem Biegepiezo elastisch beweglich ist, so daß zwar zwischen der Schicht und dem Biegepiezo eine Kraftschlüssigkeit gegeben ist, sich jedoch die Schicht gegenüber dem Flußleitmittel des Haltemittels lagemäßig ausrichten und anpassen kann.The magnetically influenceable layer, which is assigned to the swivel arm, leaves apply themselves in various ways, e.g. B. by sputtering, vapor deposition, on gluing, rolling, printing, etc. Depending on the design, it can make sense that for length compensation when bending the bending piezo in Area of interaction with the holding means that can be magnetically influenced Layer relative to the bending piezo is elastically movable, so that between the layer and the bending piezo are non-positive, however align the layer with respect to the flux guide of the holding means and can customize.

Von weiterem Vorteil ist, daß die beweglichen Kontakte, die mit den jeweiligen zu beeinflussenden ortsfesten Kontakten zusammenwirken, ihre Sollposition ein nehmen, bevor der Schwenkarm seine jeweilige wechselseitige Endposition einnimmt. Dieses läßt sich z. B. dadurch erreichen, daß die beweglichen Kontakte einem federnden Element zugeordnet sind, welches mit dem Schwenkarm verbun den ist bzw. durch diesen beeinflußt wird. Hierdurch ergibt sich ein Vorlauf der beweglichen Kontakte gegenüber dem Schwenkarm, so daß diese Kontakte unter einer abgefederten, definierten Vorspannkraft zur Anlage kommen. Gleichzeitig ist hierdurch die an sich bekannte Selbstreinigung der Kontakte von etwaigen Oxyda tionen oder Ablagerungen gegeben.Another advantage is that the movable contacts with the respective influencing stationary contacts interact, their target position take before the swivel arm its respective mutual end position occupies. This can be done e.g. B. achieve that the movable contacts are assigned to a resilient element which is connected to the swivel arm that is or is influenced by it. This results in a forerun of movable contacts opposite the swivel arm so that these contacts under a spring-loaded, defined pretensioning force. At the same time hereby the known self-cleaning of the contacts from any Oxyda ions or deposits.

Es ist auch denkbar, daß das mit dem Schwenkarm verbundene federnde Element magnetisch beeinflußbar ausgebildet ist und das elektromagnetische Haltemittel den angesteuerten ortsfesten Kontakt z. B. koaxial umschließt. Hierdurch ist eine noch kompaktere Bauweise möglich, wenn auch der betreffende ortsfeste Kontakt entsprechend isoliert in dem magnetisch leitendem Flußleitmittel eingebracht ist.It is also conceivable that the resilient element connected to the swivel arm is designed to be magnetically influenceable and the electromagnetic holding means the controlled stationary contact z. B. coaxially encloses. This is one even more compact design possible, even if the relevant fixed contact appropriately insulated is introduced in the magnetically conductive flux guide.

Die genannten Ausführungen lassen sich auch vorteilhaft in der Mikrotechnik nach bekannten Verfahren herstellen. Ebenso die vorn genannte mehrschichtige Planar spule. Gleichwohl ist auch die vorgeschlagene Verbesserung in konventioneller Relaistechnik einsetzbar.The statements mentioned can also be advantageously used in microtechnology produce known methods. Likewise, the multilayer planar mentioned above kitchen sink. Nevertheless, the proposed improvement is more conventional Relay technology can be used.

Je nach Belegung der Kontakte ist es möglich, im unbestromten Zustand, also in der Ausgangsstellung, die Kontakte des Gerätes geschlossen bzw. geöffnet zu halten. Als weitere Möglichkeit ist auch der Einsatz in der Funktion eines Wechs lers machbar. Depending on the assignment of the contacts, it is possible in the de-energized state, i.e. in the starting position, the contacts of the device closed or opened hold. Another possibility is the use in the function of a change feasible.

Die durch das mit dem Schwenkarm verbundene federnde Element aufzubringende und erforderliche Vorspannkraft des beweglichen Kontaktes auf den im nicht angesteuerten Zustand hiermit zusammenwirkenden ortsfesten Kontakt ist durch Änderung des Winkels der den Schwenkarm aufnehmenden Lagerung einstellbar. In vergleichbarer Weise lassen sich auch die ortsfesten Kontakte justieren, so daß das Relais mit sehr genau vorgegebenen Kontaktkräften ausgestattet ist.The to be applied by the resilient element connected to the swivel arm and required biasing force of the movable contact on the im not controlled state cooperating with fixed contact is through Change in the angle of the bearing receiving the swivel arm adjustable. The stationary contacts can be adjusted in a comparable manner, so that the relay is equipped with very precisely specified contact forces.

Weiterhin ist es möglich, im Bereich des nicht angesteuerten Zustandes ebenfalls ein weiteres elektromagnetisches Haltemittel einzubringen. Hierfür ist die dieser Position zugehörige Seite des Schwenkarmes auch mit einer magnetisch beeinfluß baren Schicht zu versehen. Diese Beschichtung wirkt dann in der nicht angesteuer ten Position mit einem Hartmagneten zusammen, so daß der Hartmagnet in unbe stromtem Zustand den Schwenkarm anzieht und hierauf einen Kraftüberschuß ausübt. Somit läßt sich eine weitere Steigerung des Kontaktdruckes auch in der nicht angesteuerten Position erreichen, daß heißt, eine höhere elektrische Leistung steuern. Dieses ist vor allem bei der Ausführung als Wechsler von Bedeutung.Furthermore, it is also possible in the area of the uncontrolled state to introduce another electromagnetic holding means. This is what this is for Position associated side of the swivel arm also with a magnetic influence layer. This coating then acts in the uncontrolled manner ten position together with a hard magnet, so that the hard magnet in unbe energized state pulls the swivel arm and then an excess force exercises. Thus, a further increase in the contact pressure can also be achieved in the reach uncontrolled position, that is, a higher electrical power Taxes. This is particularly important when designing as a changer.

Bei ausschließlicher Bestromung des Biegepiezos würde dieses allerdings bei Zusammenwirken mit einem Hartmagneten die eingenommene Position nicht verlassen können, da die magnetisch aufgebrachte Kraft des Hartmagneten zur Positionsfixierung größer ist als die Nutzkraft des Biegepiezos durch dessen Bestromung. So ist es erforderlich, bei Bestromung des Biegepiezos ebenfalls das Kraftfeld des Hartmagneten aufzuheben. Dieses geschieht zweckmäßigerweise ebenfalls durch eine elektrische Spule, die entsprechend gepolt gleichzeitig mit dem Biegepiezo bestromt wird und das hartmagnetische Kraftfeld aufhebt, so daß sich das Biegepiezo in die andere Schaltposition bewegen kann.If only the bending piezo were energized, this would, however Interaction with a hard magnet does not affect the position taken can leave because the magnetically applied force of the hard magnet to Position fixation is greater than the useful power of the bending piezo Power supply. So it is necessary to do the same when energizing the bending piezo To cancel the force field of the hard magnet. This is conveniently done also by an electrical coil, which is poled accordingly at the same time the bending piezo is energized and abolishes the hard magnetic force field, so that the bending piezo can move to the other switching position.

Vorteilhafterweise ist in einem solchen Fall eine Stromunterbrechungseinrichtung für die mit dem Hartmagneten zusammenwirkende Spule vorzusehen. Diese kann z. B. aus dem Schwenkarm bestehen, der zusätzlich zu den beweglichen Kontakten des Leistungsteiles einen weiteren elektrischen Kontakt zur Ansteuerung der Spule des weiteren Haltemittels beeinflußt, der - elektrisch gesehen - vor die betreffende Spule geschaltet und in nicht bestromten Zustand geschlossen ist. Es ist auch eine gesonderte elektromechanische oder elektronische Stromunterbrechungsein richtung denkbar.In such a case, a current interruption device is advantageous for the coil interacting with the hard magnet. This can e.g. B. consist of the swivel arm, which in addition to the movable contacts the power section has another electrical contact for controlling the coil further influenced by the holding means, which - seen electrically - in front of the one in question Coil is switched and closed in the de-energized state. It is also one separate electromechanical or electronic power cuts possible direction.

Wird nun Spannung an das erfindungsgemäße Relais gelegt, so daß sich der Schwenkarm gegen den gegenüberliegenden ortsfesten Kontakt und gegen das gegenüberliegende elektromagnetische Haltemittel bewegt, baut sich zunächst das hartmagnetische Kraftfeld ab, und der Schwenkarm verschwenkt entsprechend durch die piezoelektrische Krafteinwirkung. Hierbei wird der genannte elektrische Kontakt zur Ansteuerung oder Stromunterbrechungseinrichtung vorzugsweise mit einem Nachlauf geöffnet und die Spannungszufuhr für die Spule zur Aufhebung des hartmagnetischen Kraftfeldes unterbrochen. Das hartmagnetische Kraftfeld kann sich nun wieder aufbauen, wirkt aber nicht mehr auf den Schwenkarm, da der diesbezügliche Luftspalt zwischen der Schwenkarmbeschichtung und dem Hartma genten bereits so groß ist, daß eine Beeinflussung zwischen diesen nicht mehr stattfindet. Andererseits bewegt sich der Schwenkarm in das durch Bestromung erzeugte elektromagnetische Kraftfeld des gegenüberliegenden Haltemittels hinein, das die Schließkraft nunmehr in diese Richtung verstärkt.If voltage is now applied to the relay according to the invention, so that the Swivel arm against the opposite fixed contact and against that moves opposite electromagnetic holding means, builds up first hard magnetic force field, and the swivel arm swivels accordingly due to the piezoelectric force. Here, the electrical Contact with the control or power interruption device, preferably with open a wake and the voltage supply for the coil for lifting the hard magnetic force field is interrupted. The hard magnetic force field can now build up again, but no longer acts on the swivel arm, since the related air gap between the swivel arm coating and the Hartma is already so great that there is no longer any interference between them takes place. On the other hand, the swivel arm moves into it by energization generated electromagnetic force field of the opposite holding means, that now increases the closing force in this direction.

Wird das Relais auf der Ansteuerseite spannungslos geschaltet, verliert das letzt genannte Haltemittel seine Wirkung, der Schwenkarm bewegt sich wieder in das erstgenannte Kraftfeld des Hartmagneten und wird hierdurch in seiner Kraft wirkung wieder unterstützt. Die elektrische Eigenabschaltung der das hartmagneti sche Kraftfeld aufhebenden Spule ist vom Prinzip her nicht erforderlich, trägt jedoch erheblich zur Herabsetzung der erforderlichen elektrischen Steuerleistung bei und reduziert somit auch die Eigenerwärmung des Relais.If the relay on the control side is de-energized, the last thing to lose called holding means its effect, the swivel arm moves back into the first named force field of the hard magnet and is thereby in its force effect supported again. The electrical shutdown of the hard magnet In principle, the coil canceling the force field is not necessary however significantly to reduce the required electrical control power and thus also reduces the self-heating of the relay.

Wie bekannt, wirkt ein Piezoelement wie ein Kondensator. Nur im Augenblick der Bewegung wird der hierfür erforderliche Strom gezogen, während nach Aus führung der Bewegung zwar die Haltespannung anliegen muß, jedoch nur noch ein geringfügiger Leckstrom fließt. D.h., daß das Piezoelement eine elektrische Ladung beinhaltet. Wird die Spannung abgeschaltet, muß diese Ladung abgebaut werden. Es ist zweckmäßig, das elektromagnetische Haltemittel, das den Schwen karm, also das Biegepiezo, in der an gesteuerten Position unterstützt, derart in die elektrische Steuerung des Piezos einzubeziehen, daß das Haltemittel als Ver braucher für die gespeicherte Ladung des Piezos dient. Hierdurch wird ein sicheres Rückschalten des Schwenkarmes in die bestimmungsgemäße Position erreicht.As is known, a piezo element acts like a capacitor. Only at the moment The current required for this movement is drawn while after off leadership of the movement must be applied to the holding voltage, but only one slight leakage current flows. This means that the piezo element is an electrical one Cargo includes. If the voltage is switched off, this charge must be removed become. It is convenient to use the electromagnetic holding device that the Schwen karm, i.e. the bending piezo, in the controlled position, such as in the electrical control of the piezo to include that the holding means as Ver is used for the stored charge of the piezo. This will make it a safe one Switching back of the swivel arm to the intended position reached.

Anhand der Zeichnung werden das Relais und dessen Funktion als ein Ausfüh rungsbeispiel beschrieben. Es zeigtBased on the drawing, the relay and its function as an execution Example described. It shows

Fig. 1 einen Schnitt durch die Längsachse des unbestrom ten Relais, Fig. 1 shows a section through the longitudinal axis of the non-current-th relay,

Fig. 1a einen Schnitt durch die Längsachse des Relais in bestromten Zustand, Fig. 1a shows a section through the longitudinal axis of the relay in the energized state,

Fig. 2 eine Seitenansicht des Schwenkarmes, Fig. 2 is a side view of the pivot arm,

Fig. 3 eine Aufsicht des beschichteten Schwenkarmes, Fig. 3 is a plan view of the coated pivot arm,

Fig. 4 eine Seitenansicht des bestromten Schwenkarmes mit elastisch aufgebrachter, quergerippter oder punktgerasteter Beschichtung, und Fig. 4 is a side view of the energized swivel arm with an elastically applied, cross-ribbed or point-locked coating, and

Fig. 5 ein elektrisches Schaltungsbeispiel. Fig. 5 shows an electrical circuit example.

Das Relais nach Fig. 1 besteht aus einem Gehäuse 1 mit einem Hohlraum 12. In diesen Raum ist ein Schwenkarm 2, der aus einem Biegepiezo besteht und mit einer magnetisch beeinflußbaren Schicht 3, 3.1 beschichtet ist, fest mit dem justier baren Lager 7 verbunden. Der Schicht 3, 3.1 gegenüberliegend ist im Raum 12 des Gehäuses 1 je ein elektromagnetisches Haltemittel 4, 4.1 mit dem Gehäuse 1 fest verbunden angeordnet. Dieses Haltemittel 4, 4.1 besteht in dem gezeigten Beispiel aus einer Wicklung 5, die ein magnetisch leitendes Flußleitmittel 6 aufweist. Zwischen der Beschichtung 3.1 und dem Flußleitmittel 6 besteht im dargestellten, nicht bestromten Zustand nach Fig. 1 ein Abstand, der als magnetischer Luftspalt bezeichnet wird. In den Raum 12 führen ein Anschluß 30 an einen ortsfesten Kontakt 11 und ein Anschluß 31 an einen ortsfesten Kontakt 11.1. Der Schwen karm 2 ist mit einem federnden Element 13 versehen, das beidseitig bewegliche Kontakte 14, 15 aufweist, die wiederum direkt in Abhängigkeit des elektrischen Eingangssignales mit den ortsfesten Kontakten 11, 11.1, zusammenwirken. In dem gezeigten Beispiel sind die Kontakte 11.1 und 15 geschlossen, während die Kontakte 11 und 14 geöffnet sind, d. h., an den Anschlüssen 16 und 17 des Relais liegt keine Steuerspannung an.The relay according to Fig. 1 consists of a housing 1 with a cavity 12. In this space, a swivel arm 2 , which consists of a bending piezo and is coated with a magnetically influenceable layer 3 , 3.1 , is firmly connected to the adjustable bearing 7 . Opposed to the layer 3 , 3.1 , an electromagnetic holding means 4 , 4.1 is fixedly connected to the housing 1 in the space 12 of the housing 1 . In the example shown, this holding means 4 , 4.1 consists of a winding 5 which has a magnetically conductive flux-conducting means 6 . In the illustrated, deenergized state according to FIG. 1, there is a distance between the coating 3.1 and the flux guide means 6 , which is referred to as the magnetic air gap. A connection 30 to a fixed contact 11 and a connection 31 to a fixed contact 11.1 lead into the space 12 . The Schwen karm 2 is provided with a resilient element 13 , which has contacts 14 , 15 movable on both sides, which in turn interact directly with the stationary contacts 11 , 11.1 as a function of the electrical input signal. In the example shown, the contacts 11.1 and 15 are closed while the contacts 11 and 14 are open, ie there is no control voltage at the connections 16 and 17 of the relay.

Die Kontakte 14 und 15 werden über einen Anschluß 32 des Leistungskreises bestromt, der vorzugsweise gegenüber den Anschlüssen 16 und 17 sowie gegen über dem Biegepiezo und der magnetisch beeinflußbaren Schicht 3 isoliert ist.The contacts 14 and 15 are energized via a connection 32 of the power circuit, which is preferably insulated from the connections 16 and 17 and from the bending piezo and the magnetically influenceable layer 3 .

Werden die Anschlüsse 16 und 17 bestromt, die einerseits eine Verbindung zu nicht dargestellten Anschlußpolen des Biegepiezos des Schwenkarm es 2 auf weisen, andererseits aber auch die Wicklung 5 des Haltemittels 4.1 bestromen, durchfährt der Schwenkarm mit dem federnden Element 13 und den darauf an geordneten Kontakten 14, 15 einen relativ großen Hub. Hierbei ändert sich auch der Luftspalt zwischen der magnetisch beeinflußbaren Beschichtung 3.1 und dem Flußleitmittel 6, indem dieser Luftspalt kleiner wird und das magnetische Feld der Wicklung 5 mit der Beschichtung 3.1 zusammenwirkt. Je geringer nunmehr der Abstand dieses Luftspaltes wird, desto höher wird die magnetische Anziehungs kraft des Haltemittels 4.1, die die Hubbewegung des Schwenkarmes 2 unterstützt. Schließt der bewegliche Kontakt 14 den ortsfesten Kontakt 11, so ist der vor genannte Luftspalt nur noch geringfügig vorhanden. Dieser reduziert sich jedoch aufgrund des Kraftüberschusses des Haltemittels 4.1 und der federnd wirkenden Kräfte des Elementes 13 auf Null, was bedeutet, daß aufgrund des federnden Elementes 13 der Schwenkarm 2 einen Überhub gegenüber dem Kontakt 11 durchführt. Das hat zur positiven Folge, daß einerseits eine ausreichende Kontakt kraft des Kontaktes 14 gegenüber dem ortsfesten Kontakt 11 vorhanden ist, und daß andererseits die magnetisch beeinflußbare Beschichtung 3.1 in vorgesehener Weise zur Anlage an dem Flußleitmittel 6 kommt und in dieser zweckbestimmten Position die höchstmögliche Kraft wirksam wird. Gleichzeitig ergibt sich hierdurch ein Selbstreinigungseffekt der Kontakte.If the connections 16 and 17 are energized, which on the one hand have a connection to the connection poles (not shown) of the bending piezo of the swivel arm 2, but on the other hand also energize the winding 5 of the holding means 4.1 , the swivel arm passes through with the resilient element 13 and the contacts arranged thereon 14 , 15 a relatively large stroke. The air gap between the magnetically influenceable coating 3.1 and the flux guide means 6 also changes in that this air gap becomes smaller and the magnetic field of the winding 5 interacts with the coating 3.1 . The smaller the distance of this air gap, the higher the magnetic attraction force of the holding means 4.1 , which supports the lifting movement of the swivel arm 2 . If the movable contact 14 closes the fixed contact 11 , the aforementioned air gap is only slightly present. However, this is reduced to zero due to the excess force of the holding means 4.1 and the resilient forces of the element 13 , which means that due to the resilient element 13, the swivel arm 2 performs an overstroke with respect to the contact 11 . This has the positive consequence that, on the one hand, there is sufficient contact force of the contact 14 with respect to the stationary contact 11 , and on the other hand that the magnetically influenceable coating 3.1 comes into contact with the flux guide means 6 in the intended manner and, in this intended position, the highest possible force is effective becomes. At the same time, this gives the contacts a self-cleaning effect.

Nach Ausschalten der an den Steueranschlüssen 16 und 17 anliegenden Spannung bricht die Haltekraft dieses elektromagnetischen Haltemittels 4.1 zusammen, gleichzeitig entlädt sich die piezoelektrische Ladung über die Wicklung 5, und der Schwenkarm 2 bewegt sich wiederum in die in Fig. 1 dargestellte Position, in der der ortsfeste Kontakt 11.1 mit dem beweglichen Kontakt 15 zur elektrisch leiten den Anlage kommt.After switching off the voltage applied to the control connections 16 and 17 , the holding force of this electromagnetic holding means 4.1 collapses, at the same time the piezoelectric charge is discharged via the winding 5 , and the swivel arm 2 again moves into the position shown in FIG. 1, in which the Fixed contact 11.1 comes with the movable contact 15 for electrically conducting the system.

Um die Kontaktkraft zwischen den Kontakten 11.1 und 15 bedarfsorientiert zu justieren, ist das Lager 7, das hier - beispielhaft dargestellt - im Querschnitt eine U-förmige Gestalt aufweist, z. B. an dem senkrecht stehenden Schenkel nach rechts verbiegbar. Hierdurch erhöht sich die Kontaktkraft. Wird der Schenkel gegenüber der dargestellten senkrechten Stellung nach links gebogen, verringert sich die Kontaktkraft. Die gleiche Vorgehensweise ist auch mit den ortsfesten Kontakten 11, 11.1 durch Biegen der Lager 7.1 möglich.In order to adjust the contact force between the contacts 11.1 and 15 as required, the bearing 7 , which - shown here by way of example - has a U-shaped cross section, for. B. bendable to the right on the vertical leg. This increases the contact force. If the leg is bent to the left in relation to the vertical position shown, the contact force is reduced. The same procedure is also possible with the fixed contacts 11 , 11.1 by bending the bearings 7.1 .

Das dem ortsfesten Kontakt 11 zugeordnete elektromagnetische Haltemittel 4.1 unterscheidet sich gegenüber dem dem gegenüberliegenden ortsfesten Kontakt 11.1 zugeordneten Haltemittel 4 dadurch, daß das dem Kontakt 11 zugehörige Haltemittel 4.1 ein weichmagnetisches Flußleitmittel 6 aufweist, während dieses Mittel 6.1 bei dem dem Kontakt 11.1 zugehörigen Haltemittel 4 statt dessen hart magnetisch sein kann. Dieser Unterschied ist zeichnerisch nur durch Kennzeich nung der hartmagnetischen Polarisierung N, S darstellbar.The electromagnetic holding means 4.1 assigned to the fixed contact 11 differs from the holding means 4 assigned to the opposite fixed contact 11.1 in that the holding means 4.1 associated with the contact 11 has a soft magnetic flux guide 6 , while this means 6.1 takes place with the holding means 4 associated with the contact 11.1 whose can be hard magnetic. This difference can only be represented by marking the hard magnetic polarization N, S.

In Fig. 2 ist der Schwenkarm 2 in der Seitenansicht gezeigt und mit je einer ma gnetisch leitenden Beschichtung 3, 3.1 versehen. Die Beschichtung 3, 3.1 kann je nach Anforderung aufgesputtert, aufgedampft, aufgewalzt, aufgeklebt oder, wie bei der Schicht 3.1 beispielhaft dargestellt, mit einer elastischen Zwischenschicht versehen sein. Diese Schichten 3, 3.1 können auch aus sogenanntem amorphen Metall bestehen, wodurch die magnetische Wirkung auch bei dünnen Schichten verbessert wird.In Fig. 2, the swivel arm 2 is shown in side view and each provided with a magnetically conductive coating 3 , 3.1 . Depending on requirements, the coating 3 , 3.1 can be sputtered on, vapor-deposited, rolled on, glued on, or, as exemplified in the layer 3.1 , can be provided with an elastic intermediate layer. These layers 3 , 3.1 can also consist of so-called amorphous metal, whereby the magnetic effect is improved even with thin layers.

Es ist in Fig. 3 erkennbar, daß der Schwenkarm 2 mit einem federnden Element 13 versehen ist. Dieses Element ist vorzugsweise eine Blattfeder vorgegebener Cha rakteristik, die mit dem Schwenkarm 2 verbunden ist, es kann aber auch ein unmittelbares Teil des Schwenkarmes 2 sein, das sich ggf. auch piezoelektrisch gegenläufig zur Bewegung des Schwenkarmes 2 biegt. Auf diesem federnden Element 13 sind die beweglichen Kontakte 14 und 15 auf jeder Seite gegenüberlie gend aufgebracht.It can be seen in Fig. 3 that the pivot arm 2 is provided with a resilient element 13 . This element is preferably a leaf spring predetermined Cha characteristic, which is connected to the swivel arm 2 , but it can also be a direct part of the swivel arm 2 , which optionally also bends piezoelectrically in opposite directions to the movement of the swivel arm 2 . On this resilient element 13 , the movable contacts 14 and 15 are applied on each side opposite lying.

Wird die Beschichtung 3 als magnetisch leitende Folie z. B. aus amorphen Metall auf den Schwenkarm 2 aufgebracht, ist zum Längenausgleich während der Durch biegung des Biegepiezos eine elastische Zwischenlagerung 10.1 zweckmäßig, so daß der Beschichtung nicht die Formänderung des Schwenkarmes 2 aufgezwungen wird. Es hat sich auch bewährt, die Beschichtung 3.1 als Folie auszubilden und im mittleren Bereich der Beschichtung diese z. B. mit einem elastischen Kleber gemäß Fig. 2 nur punktuell auf dem Schwenkarm zu befestigen. Hierdurch ergibt sich eine quasisphärische Lagerung der Beschichtung bzw. der Folie gegenüber dem Schwenkarm bei gleichzeitig kraftschlüssiger Verbindung.If the coating 3 as a magnetically conductive film z. B. made of amorphous metal on the swivel arm 2 , an elastic intermediate storage 10.1 is appropriate for length compensation during the bending of the bending piezos, so that the coating is not forced to change the shape of the swivel arm 2 . It has also proven useful to design the coating 3.1 as a film and in the central region of the coating, for. B. with an elastic adhesive according to FIG. 2 only to be fixed selectively on the swivel arm. This results in a quasi-spherical mounting of the coating or the film relative to the swivel arm with a non-positive connection at the same time.

Eine weitere Möglichkeit, die Beschichtung den sich durch Verbiegen ändernden Konturen des Schwenkarmes anzupassen, besteht gemäß Fig. 4 darin, daß die Beschichtung 3.1 aus nicht miteinander verbundenen, nebeneinanderliegenden Stegen oder Punkten besteht. Hierdurch wird der Biegemechanismus des Schwen karmes so gut wie nicht beeinträchtigt. Um den magnetischen Fluß nicht unnötig zu schwächen, sollten die Abstände zwischen den benachbarten Stegen oder Punkten kleiner sein als die Dicke der aufgebrachten Beschichtung. A further possibility of adapting the coating to the contours of the swivel arm that change as a result of bending is that, according to FIG. 4, the coating 3.1 consists of webs or points which are not connected to one another and lie next to one another. As a result, the bending mechanism of the Schwen karmes is hardly affected. In order not to weaken the magnetic flux unnecessarily, the distances between the adjacent webs or points should be smaller than the thickness of the applied coating.

In Fig. 5 ist ein Bespiel für den elektrischen Anschluß des als Biegepiezo ausge bildeten Schwenkarmes 2 in Kombination mit der Wicklung 5 in der Weise dar gestellt, daß beim Abschalten der anliegenden Spannung die elektrische Ladung des Biegepiezos 2 über die Wicklung 5 abfließt.In FIG. 5, an example for the electrical connection of the out as a bending piezo formed pivot arm 2 in combination with the winding 5 is provided in such a way is that when switching off the applied voltage flows, the electric charge of the bending piezo 2 via the winding 5.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Relais liegen darin, daß durch die Synthese der genannten Technologien ein elektrisches Schaltgerät geschaffen ist, daß einerseits aufgrund der extrem kurzen Schaltzeiten des Biegepiezos sehr kurze Reaktionszeiten aufweist, und andererseits nur eine geringe Stromaufnahme trotz eingesetzter elektromagnetischer Haltemittel erforderlich ist, da das Haltemittel praktisch nur die Energie benötigt, den Schwenkarm in der angesteuerten Position zu fixieren bzw. das zur Fixierung erforderliche Kraftfeld eines Hartmagneten zu kompensieren, nicht jedoch, um den gesamten großen Hub der beweglichen Kontakte durchfahren zu müssen. Aufgrund dieser Vorzüge lassen sich extrem kleinbauende elektrische Relais für einen großen Leistungsbereich realisieren. Durch die indirekte Einstellbarkeit des federnden Elementes, z. B. durch die Lagerung des Schwenkarmes bzw. auch der ortsfesten Kontakte, ist eine sehr rationelle, kostengünstige und auch vollautomatische Massenfertigung realisierbar.The advantages of the relay according to the invention are that through the synthesis of the technologies mentioned an electrical switching device is created that on the one hand very short due to the extremely short switching times of the bending piezo Has response times, and on the other hand only a low power consumption despite used electromagnetic holding means is necessary because the holding means practically only the energy required, the swivel arm in the controlled position to fix or the force field required for fixing a hard magnet compensate, but not to the entire large stroke of the movable Having to drive through contacts. Because of these advantages, extreme realize small-scale electrical relays for a wide performance range. Due to the indirect adjustability of the resilient element, for. B. by the Storage of the swivel arm or the fixed contacts is a very rational, inexpensive and also fully automated mass production possible.

Claims

1. Electromagnetic relay with an electromagnetically influenced swivel arm for controlling electrical voltages and currents, consisting of a housing with an energizable coil, with electrical inputs and outputs and with controllable stationary contacts, which are alternately opened and at least one movable contact on the swivel arm are closed and thereby influence the electrical transmission or interruption of a voltage or a current, characterized in that the swivel arm ( 2 ) designed as a contact carrier is designed as a bending piezo element with an at least one side magnetically influenceable layer ( 3 , 3.1 ) and the swivel arm ( 2 ) in at least one switching position is supported by a magnetic holding means ( 4 , 4.1 ) in its intended position.

2. Relay according to claim 1, characterized in that the swivel arm ( 2 ) is provided in the area of interaction with the holding means ( 4 , 4.1 ) with a soft magnetic layer ( 3 , 3.1 ).

3. Relay according to claim 1, characterized in that the swivel arm ( 2 ) is provided in the region of interaction with the holding means ( 4 , 4.1 ) with a hard magnetic layer ( 3 ).

4. Relay according to one of the preceding claims, characterized in that the layer ( 3 ) is sputtered on, vapor-deposited, rolled on or printed on.

5. Relay according to one of claims 1 to 3, characterized in that the layer ( 3 , 3.1 ) is glued ( 10 , 10.1 ).

6. Relay according to one of the preceding claims, characterized in that an elastic means ( 10 , 10.1 ) is introduced between the layer ( 3 , 3.1 ) and the swivel arm ( 2 ).

7. Relay according to one of the preceding claims, characterized in that the layer ( 3 ) - based on the longitudinal axis of the swivel arm ( 2 ) - consists of mutually adjacent crossbars with a respective spacing or / and from rasterized points with respective spacing.

8. Relay according to one of the preceding claims, characterized in that the swivel arm ( 2 ) is provided with a resilient element ( 13 ).

9. Relay according to claim 8, characterized in that the resilient element ( 13 ) with contacts ( 14 , 15 ) is provided.

10. Relay according to one of the preceding claims, characterized in that the contacts ( 14 , 15 ) alternately open circuits or close under resilient biasing force.

11. Relay according to one of the preceding claims, characterized in that the pivot arm ( 2 ) after the movable contact ( 14 , 15 ) on the respectively assigned stationary contact ( 11 , 11.1 ) exerts an overstroke and thereby the biasing force is effective.

12. Relay according to one of the preceding claims, characterized in that the energized holding means ( 4 , 4.1 ) on the layer ( 3 , 3.1 ) exerts an electromagnetically generated force.

13. Relay according to one of the preceding claims, characterized in that the holding means ( 4 , 4.1 ) has an electrical winding ( 5 ).

14. Relay according to claim 13, characterized in that the winding ( 5 ) is a planar coil.

15. Relay according to claim 13, characterized in that the winding ( 5 ) is a multi-layer coil.

16. Relay according to claims 14 and 15, characterized in that the winding ( 5 ) is made three-dimensionally by methods known in microtechnology.

17. Relay according to claim 13, characterized in that the winding ( 5 ) is arranged around a magnetically conductive flux-conducting means ( 6 ) which interacts with the layer ( 3 , 3.1 ).

18. Relay according to claim 13, characterized in that the winding ( 5 ) is encompassed by a magnetically conductive flux guide ( 6 ) which interacts with the layer ( 3 , 3.1 ).

19. Relay according to claim 13, characterized in that the winding ( 5 ) is wire-wound.

20. Relay according to one of the preceding claims, characterized in that at least one electromagnetic holding means ( 4 , 4.1 ) cooperates with a hard magnetic layer on the swivel arm ( 2 ).

21. Relay according to one of the preceding claims, characterized in that at least one electromagnetic holding means ( 4 , 4.1 ) together with a hard magnet ( 6.1 ) acts on the layer ( 3 , 3.1 ) of the swivel arm ( 2 ).

22. Relay according to claims 20 and 21, characterized in that the hard magnetic force field through the electromagnetic force field of the holding means ( 4 , 4.1 ) - depending on the direction of current flow through the holding means - is superimposed on the force or canceled.

23. Relay according to one of claims 20 to 22, characterized in that the winding ( 5 ) cooperating with the holding means ( 4 , 4.1 ) can be controlled by a voltage interruption device.

24. Relay according to claim 24, characterized in that the Voltage interruption device through the position of the swivel arm is controlled.

25. Relay according to claim 24, characterized in that the Voltage interruption device by the electrical supplied to the relay Control voltage is affected.

26. Relay according to one of the preceding claims, characterized in that the contact force on the contact to be controlled ( 11 , 11.1 ) is adjustable by changing the angle of a bearing ( 7 ) for the swivel arm ( 2 ).

27. Relay according to one of the preceding claims, characterized in that the fixed contacts ( 11 , 11.1 ) are adjustable by changing the angle of their bearings ( 7.1 ).

28. Relay according to one of the preceding claims, characterized in that the electrical control of the relay is designed such that after switching off the control voltage, the swivel arm ( 2 ) assumes its original, intended position in the de-energized state.

29. Relay according to one of the preceding claims, characterized in that the relay has a magnetic latch in each of its retractable positions having.

30. Relay according to one of the preceding claims, characterized in that after switching off the control voltage, the charge of the piezoelectric element of the swing arm ( 2 ) is consumed by the electromagnetic holding means ( 4 , 4.1 ).