DE2554872C2

DE2554872C2 - Steuervorrichtung mit zwei an eine Steuerspannung zu legende Steuerelektroden

Info

Publication number: DE2554872C2
Application number: DE2554872A
Authority: DE
Inventors: Gerard Palaiseau Dreyfus; Jacques Saint-Cloud Lewiner
Original assignee: Agence National de Valorisation de la Recherche ANVAR
Current assignee: Bpifrance Financement SA
Priority date: 1974-12-10
Filing date: 1975-12-05
Publication date: 1982-11-25
Also published as: FR2294535B1; FR2294535A1; US4078183A; JPS5185451A; JPS5515060B2; DE2554872A1

Description

oder für bistabilen Betrieb der Bedingung

60

65

62

Abstand zwischen den Elektroden,
Summe der effektiven Oberflächenladungen auf beiden Seiten des Elektreten,
Differenz der effektiven Oberflächenladungen auf beiden Seiten des Elektreten,
Dicke des Elektreten,

Dielektrizitätskonstante des Mediums zwischen dem Elektreten und den Elektroden, Dielektrizitätskonstante des Elektr ;-ten.

genügt, wo

Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine nach der GB-PS 4 35 950 bekannte Vonnchtung dieser Art ist als Elektrometer ausgebildet Der Elektret hat die Form einer im wesentlichen runden Scheibe, die zwischen den beiden Steuerelektroden um eine Achse drehbar aufgehängt ist, die parallel zu den einander zugewandten Elektrodenflächen verläuft Die effektiven Oberflächenladungen auf beiden Seiten des Elektreten haben gleiche Beträge. Auf einer Fläche des Elektreten kann sich eine Spiegelschicht befinden.

Nach dem Buch »Elektrische Meßtechnik« von Stöckl u. a, 1973, Verlag B. G. Teubner, Stuttgart, Seiten 21 und 22, ist es bekannt, Meßgeräte mit Schaltkontakten zu versehen, die zur Signalgabe oder zur Steuerung und Regelung dienen. Auch ist es bekannt, den Zeiger solcher Meßgeräte mit einer Fahne zu versehen, die zwecks Steuerung den Strahlengang einer Lichtquelle unterbricht

Nach dem IBM Technical Disclosure Bulletin, Band 12, Nr. 6, November 1969, Seite 854, ist es bekannt, eine lichtundurchlässige, rundum gleichmäßig geladene Elektret-Kugel lose auf einer Steuerelektrode in einem Strahlengang anzuordnen. Durch Artegen einer Steuerspannung an die Elektrode kann die Elektret-Kugel aus dem Strahlengang gehoben und sorr.it der Strahlengang gesteuert werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart auszubilden, daß sie als Steuervorrichtung mit kleiner Leistung und kurzen Schaltzeiten zu betreiben ist

Die Lösung dieser Aufgabe ist im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegeben.

Die Unterschiedlichkeit der effektiven Oberflächenladungen gestattet, die Vorrichtung afs monostabiles oder bistabiles Relais zu betreiben. Den beweglichen Abschnitt der Steuerelektrode oder des Elektreten oder die gesamte Steuerelektrode oder der gesamte Elektret sind mit geringer Masse und daher mit geringer Trägheit herzustellen, so daß man kurze Schaltzeiten erhält. Zum Schalten wird praktisch kein Strom benötigt.

Bei einer ersten Ausführungsform ist der Elektret beweglich und kann zwei Stellungen einnehmen. Diese Ausführungäform kann entweder als Schalter ausgebildet sein, wobei dann der Elektret ein und denselben Stromkreis schließt oder öffnet, je nachdem, ob er sich in der einen oder der anderen Stellung befindet, oder als Umschalter, wobei dann der Elektret einen ersten Stromkreis in einer ersten Stellung und einen zweiten Stromkreis in seiner zweiten Stellung schließt.

In einer zweiten Ausführungsform ist eine der Steuerelektroden beweglich. Auch diese Ausführungs-

form kann als Schalter oder als Umschalter ausgebildet sein, wobei die Steuerelektrode je nach der von ihr eingenommenen Stellung entweder einen einzigen Stromkreis oder zwei Stromkreise öffnet oder schließt

Bei einer dritten Ausführungsform ist der Elektret beweglich und schließt oder öffnet nicht Stromkreis*·, sondern pneumatische oder hydraulische Kreise, indem er entweder als Schalter oder als Umschalter arbeitet. In dem ersteren FaL¹ unterbricht der Elektret in ssiner ersten Stslhrcg einen Strömungsweg eines pneumati- ι ο sehen oder hydraulischen Strömungsmittels, während er in seiner zweiten Stellung den Strömungsweg öffnet In dem Fall eines Umschalters stellt der Elektret je nach seiner Stellung einen ersten oder einen zweiten pneumatischen oder hydraulischen Strömungsweg her. is

In einer vierten Ausführungsform ist der Elektret wiederum beweglich und steuert ein Lichtbündel, indem er es in eine erste oder eine zweite Richtung leitet, je nachdem, ob er selbst seine erste oder seine zweite Stellung gegenüber den Elektroden einnimmt wobei das Lichtbündel einem optischen Kreis angehören kann, welcher so je nach der Stellung des Elehtreten geschlossen oder unterbrochen wird.

Die Steuerelektroden können eben oder gebogen sein. Sie können durch eine massive Platte aus einem gut elektrisch leitenden Metall, z. B. Messing, oder durch ein Metallgitter oder durch ein gesintertes, elektrisch leitendes Material gebildet sein.

Der Elektret kann aus Polyimid, Polypropylen, Verbindungen von Chlorotrifluoräthylen, Polykarbonaten, halogenierten Polykohlenwasserstoffen, wie fluoriertes Propylenäthylen und Polytetrafluoräthylen mit einer zwischen 1000 Angström und 200 Mikron liegenden Dicke bestehen. Dicken von 3 bis 200 μ können unmittelbar von Lieferanten erhalten werden. Unterhalb von 3 μ können sie z. B. durch Aufbringung im Vakuum (Kathodenzerstäubung) hergestellt werden. Der Elektret kann auch aus einem mineralischen Werkstoff (z. B. Tonerde) bestehen, in welchen elektrische Ladungen eingeschlossen sind, z. B. durch ionische Einpflanzung, oder auch in welchen Leiterelemente eingeschlossen und geladen sind.

Jede Steuerelektrode trägt einen Leiter für den Anschluß an eine Steuerspannnungsquelle. Falls der gesteuerte Kreis durch einen oder mehrere Stromkreise gebildet ist trägt das bewegliche Element (Elektret oder Steuerelektrode) wenigstens einen Kontakt (welcher elektrisch von seinem Träger isoliert ist), welcher den gesteuerten Kreis oder einen der gesteuerten Kreise schließt. ^M

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen an Ausführungsbeispielen erläutert.· F i g. 1 zeigt schaubildlich unter Wegbrechung von Teilen eine erste Ausführungsform der Steuervorrichtung, in welcher der Elektret beweglich ist und zwei Stromkreise steuert, wobei die Elektroden durch ebene Platten gebildet sind;

Fig.2 zeigt eine geschnittene vergrößerte Teilansicht des Elektreten nach Fig. 1 und die Verteilung der elektrischen Ladungen in diesem Elektreten; die

F i g. 3 bis 6 zeigen schematisch die Steuervorrichtung nach F i g. 1 in verschiedenen Stellungen des beweglichen Elektreten;

F i g. 7 zeigt schaubildlich eine zweite Ausführungsform, in welcher der Elektret beweglich ist und zwei es Stromkreise steuert, wob«ii die Elektroden durch gebogene Gitter gebildet sirHi;die

Fig.8 und 9 zeigen schaubildlich eine dritte

Ausführungsform, bei welcher eine Elektrode beweglich ist und im Fall der Fig.8 eine U/nschd?un,ä zwwchen *:>"i Stromkreisen und im Faii üer Fig.3 die SchiiiSuiig oder Unterbrechung eines einzigen Stromkreises bewirkt; die

f 1 g. ίΟ und 11 zeigen eine vierte Ausführungsfcrm, tn welcher der Elektret beweglich ist und pneumatische oder hydraulische Kreise betätigt und zwar entweder als Schalter für einen einzigen Kreis (Fig. 10) oder als Umschalter für zwei Kreise (F i g. 11);

F i g. 12 zeigt die verschiedenen Abstände, die für aas Arbeiten der Vorrichtung eine Rolle spielen; die

Fig. 13 und 14 zeigen eine fünfte Ausführungsform, bei welcher der Elektret beweglich ist und die Ablenkung eines Lichtbündels bewirkt

Die Ausführungsform nach F i g. 1 enthält zwei Steuerelektroden 1 und 2, die ortsfest und durch ebene leitende Platten gebildet werden, und einen beweglichen Elektreten 3 aus einem isolierenden Werkstoff, der, wie in Fig.2 dargestellt positive und negative Ladungen mit den Oberflächendichten d\ bzw. <£ e&J seinen Seiten 3a bzw. 3b trägt, wobei die algebraische Summe d\ + <h (ck ist mit dem Vorzeichen - behaftet) von Null verschieden ist Isolierende Zwischenstücke 4, 5 und 6 trennen die Steuerelektroden 1 und 2 elektrisch. Isolierende Schrauben 7 durchsetzen Löcher 8 in den Elektroden 1 und 2 und entsprechende Löcher in dem Elektreten 3 und spannen den unteren Abschnitt 3c des Elektreten 3 zwischen den Zwischenlagen 4 und 5 ein. Der obere Abschnitt 3d des Elektreten 3 ist zwischen einer ersten Stellung in der Nähe der Elektrode t und einer zweiten Stellung in der Nähe der Elektrode 2 beweglich.

Ein Steuerkreis enthält zwei elektrisch mit der Elektrode 1 bzw. mit der Elektrode 2 verbundene Leiter 9 und 10. An jeder Elektrode 1 und 2 sind zwei von der entsprechenden Elektrode 1 oder 2 durch isolierende Schichten 13 bzw. 14 getrennte Leiter 11 und 12 und auf jeder Seite des beweglichen Abschnitts 3d des Elektreten 3 zwei Leiter 15 und 16 vorgesehen, wobei der LMter 15 mit den von der Elektrode 1 getragenen Leitern 11 und 12 in Berührung kommen kann, während der Leiter 16 mit den von der Elektrode 2 getragenen Leitern 11 und 12 in Berührung kommen kann.

Der Leiter 15 schließt in der ersten Stellung, in welcher der bewegliche Abschnitt 3d des Elektreten 3 in der Nähe der Elektrode 1 liegt, den Stromkreis zwischen den von der Elektrode 1 getragenen Leitern 11 und 12, welche in leitende Enden 17 bzw. 18 auslaufen, während, wenn der bewegliche Abschnitt 3d des Elektreten 3 seine zweite Stellung in der Nähe der Elektrode 2 einnimmt, der Leiter 16 den Stromkreis zwischen den von der Elektrode 2 getragenen Leitern 11 und 12 schließt, welche in leitende Enden 19 bzw. 20 auslaufen. Bei der Ausführungsform nach F i g. 1 und 2 sind die Elektroden 1 und 2 ebene Platten aus einem leitenden Werkstoff, z. B. Messing. Sie können einen Abstand von 10 Mikron bis 10 cm zwischen sich aufweisen. Der Elektret 3 ist durch -.in isolierendes Häutchen gebildet. Die Oberflftchendichte t/i und dt der Ladungen kann dem Absolutv/ert nach zwischen 10-" Coulomb/cm² und ΙΟ-⁵ Cuulomb/cm² liegen. Anstatt fintn durch Oberflächenladungen geladenen Elektreten zu benutzen, kann man au.h einen Elektreten benutzen, welcher volumenmäUig jreladu: wurde oder gleichzeitig ihcrflächlich und volumenmäßig. Es muß dann dh Bedingung d\ + d\ von NjII verschieden erfüllt werden, worin d\ una d'₂ die effektiven Oberflächenladungsdich-

ten sind, welche das gleiche elektrische Feld außerhalb des Elektreten wie wirklich auf ihn gebrachte Ladungen erzeugen. Die zwischen die Elektroden 1 und 2 durch die Leiter

9 und 10 angelegte Steuerspannung Kkann je nach dem Abstand zwischen den Elektroden 1 und 2 und dem Wert von d\ und di oder d'\ und d'i zwischen 1 V und

10 000 V liegen. Die Leiter 15 und 16 müssen ziemlich dick und breit sein und aus einem gut leitenden Metall bestehen, damit der sie durchfließende Strom keine to übermäßige Stromwärme erzeugt, welche der Lebensdauer des Elektreten 3 schädlich wäre. Ebenso sollen die Kontakte zwischen den Leitern 15 oder 16 einerseits und 11 und 12 andererseits sehr gut sein, um jede ungewünschte Erwärmung zu verhindern. Hierfür und zur Vermeidung einer Oxydation kann es zweckmäßig sein, die ganze Vorrichtung in einer hermetischen ΓναΓΠΓΓιβΓ ϋηίίΞΓΖϋυΠΠβΕΠ, in "wciCuCT CiH ταΚϋϋΓΠ herrscht oder welche ein neutrales Gas enthält.

Unter Bezugnahme auf die F i g. 3 bis 6 wird jetzt die Arbeitsweise der Vorrichtung als Relais mit elektrostatischer Steuerung erläutert.

In den Fig.3 bis 6 sind die Elektroden 1 und 2, der Elektret 3 mit den isolierenden Zwischenlagen 4,5 und 6 und die Leiter 9 und 10 zu den Elektroden 1 und 2 dargestellt. Diese Leiter 9 und 10 gehören einem Stromkreis an, der eine Spannungsquelle 5 und einen Steuerschalter /enthält. In dem in Fig.3 dargestellten Ausgangszustand befindet sich der bewegliche Abschnitt 3d des Elektreten 3 an der Elektrode 1 in seiner χ ersten Stellung; dies ist eine der beiden stabilen Stellungen oder die einzige stabile Stellung des Elektreten 3, wenn der Schalter / geöffnet ist. Bei Schließung des Schalters /(Fig.4) legt die Spannungsquelle S eine Potentialdifferenz an die Leiter 9 und 10 und somit an die Elektroden 1 und 2. Der bewegliche Abschnitt 3d des Elektreten 3 nimmt dann seine zweite Stellung in der Nähe der Elektrode 2 ein; diese Stellung kann stabil oder labil sein.

Wenn der Schalter /geöffnet wird (F i g. 5 oder 6) und daher keine Potentialdifferenz mehr an den Elektroden 1 und 2 liegt, sind zwei Fälle möglich:

a) Der bewegliche Abschnitt 3d des Elektreten 3 bleibt in der vorhergehenden Stellung (F i g. 5), d. h. in der Nähe der Elektrode 2. so daß diese Stellung stabil ist; oder

b) der bewegliche Abschnitt 3ddes Elektreten 3 kehrt in seine Ausgangsstellung in der Nähe der Elektrode 1 zurück (Fig.6), so daß dann die Stellung der F i g. 4 labil ist.

Die Vorrichtung kann somit bistabil (F i g. 3,4 und 5) oder monostabil (F i g. 3,4 und 6) sein.

Bei der Ausführungsform nach F i g. 7 sind die Steuerelektroden la und 2a nicht ebene massive, leitende Platten, sondern werden durch gebogene Metallgitter gebildet Wie bei der Ausführungsform nach F i g. 1 und 2 werden die Elektroden 1 a und 2a durch Leiter 9 bzw. 10 gespeist Bei dieser Ausführungsform sind nur zwei isolierende Zwischenlagen 4 und 5 vorgesehen, zwischen denen ein Abschnitt 3c des Eiektreten 3 eingespannt ist Der bewegliche Abschnitt 3d des Elektreten 3 kann sich zwischen zwei Stellungen bewegen. In der ersten Stellung legt sich der bewegliche Abschnitt 3d gegen einen Leiter 21, während er sich in seiner zweiten Stellung gegen den Leiter 22 legt (in F i g. 7 ist der Elektret 3 bei seinem Übergang aus der einen Stellung in die andere dargestellt). Diese Leiter 21 und 22 wirken mit Leitern 15a bzw. 16.3 zusammen, welche von dem Elektreten 3 getragen werden und den Leitern 15 und 16 der Anordnung nach Fig. 1 und 2 entsprechen. F i g. 7 zeigt noch die Anschlußdrähte 23 und 24 der Leiter 15a und 16a.

Die Anordnung kann zweckmäßig in einem von einem Halter oder einer Grundplatte 26 getragenen Glaskolben 25 angeordnet sein; die dadurch gebildete Kammer 25, 26 wird entweder ausgepumpt oder mit einem neutralen Gas gefüllt. Aus der Kammer 25, 26 treten nur Kontaktstifte 9p und 10p der Leiter 9 und 10, Kontaktstifte 21p und 22p der Leiter 21 und 22 und mit den Leitern 15a und 16a durch die Drähte 23 bzw. 24 verbundenen Kontaktstifte 15pund 16p aus. ■

In der Stellung, in der der bewegliche Abschnitt 3d des Elektreten 3 an dem Leiter 21 anliegt, ist der *

.3It UIIIfM eis £rvi3v.itcii UUiIi iwriiaMjiiit *'y uiiu u\.i[i Künstaktstift 15p geschlossen; befindet sich der bewegliche Abschnitt 3d in seiner zweiten Stellung an dem Leiter 22, ist der Stromkreis zwischen dem Kontaktstift 22p und dem Kontaktstift 16p geschlossen.

Bei den Ausführungsformen nach F i g. 1 und 2 einerseits und 7 andererseits, auf welche die Schemata der F i g. 3 bis 6 anwendbar sind, ist der Elektret 3 oder — genauer — sein Abschnitt 3d beweglich und schließt in der .vben erläuterten Weise entweder einen ersten Nutzstromkreis oder einen zweiten Nutzstromkreis. Gemäß eirer Abwandlung kann die Vorrichtung als Schalter dienen, wobei dann der Elektret 3d nur einen einzigen beweglichen Leiter tidgt. welcher in einer ersten Stellung des Elektreten mit einem anderen (festen) Leiter in Berührung kommt. -j:t. einen einzigen Nutzstromkreis zu schließpn. vjä^;:rcr;d ·■,. in einer zweiten Stellung des Elektreten nicht mehr mit diesem (festen) Leiter in Berührung steht und somit der Nutzstromkreis unterbrochen ist.

Bei der dritten, in Fig.8 und 9 dargestellten Ausführungsform ist nicht der Elektret beweglich, sondern eine der Elektroden. ·

In dem Fall der F i g. 8 sind zwei Steuerelektroden 16 und 26, von denen die Elektrode 16 beweglich und die Elektrode 20 ortsfest ist, und ein fester Elektret 3e vorgesehen. Zwischenlagen 46 und 56 legen die Stellung des Elektreten 3e irischen den Elektroden 16 und 26 fest. Die Anordnung wird durch Isolierschrauben 7 zusammengeha'ien. Die bewegliche E!e!;:roHe 16 ist zwischen einer ersten Stellung, in welcher sie mit einem festen Leiter 216 in Berührung kommt und einer zweiten Stellung verschieblich, in welcher sie mit einem festen Leiter 226 in Berührung kommt Diese Elektrode trägt zwei (bewegliche) Leiter 27 und 28, welche elektrisch von der leitenden Elektrode 16 durch Isolierschichten 29 bzw. 30 isoliert sind. Die Leiter 27 und 28 sind mit Ausgangsdrähten 31 bzw. 32 und die Leiter 216 und 226 mit Ausgangsdrähten 33 bzw. 34 verbunden.

In der ersten Stellung der Elektrode 16 steht das dem Draht 31 entgegengesetzte Ende ihres Leiters 27 mit dem Leiter 216 in Berührung, so daß der Stromkreis zwischen den Drähten 31 und 33 geschlossen ist In der zweiten Stellung der Elektrode 16 steht der Leiter 28 mit dem Leiter 226 in Berührung, so daß der Stromkreis zwischen den Drähten 32 und 34 geschlossen ist i

Wie in dem Fall der Fi g. 1 werden die Elektroden 16 und 26 durch nicht dargestellte Leiter gespeist

Die Anordnung der F i g. 8 bewirkt eine Umschaltung durch Schließung entweder des Stromkreises 31, 33

oder des Stromkreises 32,34.

Man kann, wie in Fig.9 dargestellt, mit einer beweglichen Elektrode auch einen einfachen Ein-Aus-Schalter herstellen. Die feste Elektrode 2b, die bewegliche Elektrode Xb, der Elektret 3e und die isolierenden Zwischenlagen 4 und 5 sind so ausgebildet wie in F i g. 8. Die Isolierschrauben 7 sind in F i g. 9 nicht dargesuy.t.

Ein Unterschied zwischen der Ausführungsform nach Fig. 9 und der nach Fig.8 besteht darin, daß die bewegliche Elektrode Xb nur einen Leitet 28 trägt, welcher über eine leitende Schicht 30 mit der Elektrode Xh verbunden ist. Dieser Leiter 28 kann je nach der Stellung der beweglichen Elektrode Xb mit einem Leiter 22c in Berührung kommen, der mit einem in einen Kontaktstift 34c auslaufenden Draht 34 verbunden ist; der Leiter 28 ist durch einen Draht 32 mit einem Kontaktstift 32c verbunden.

\i/ i.:„i. j:„ iri^t.· J~ «x. :- a :- rr: ~ η

TTUIlIl 3It-Il UIU 1-.IUfMIWUU IL/ III UUI III I I g. D

dargestellten Stellung befindet, ist der Stromkreis zwischen den Leitern 32 und 22c und somit zwischen den Kontaktstiften 32c und 34c unterbrochen. Wenn dagegen die Elektrode Xb von dem Elektreten 3e angezogen ist, stehen die Leiter 28 und 22c miteinander in Berührung, und der Stromkreis ist zwischen den Kontaktstiften 32c und 34c geschlossen. Die Vorrichtung nach F i g. 9 verwirklicht abo einen Schalter, der durch Anlegen einer Steuerspannung an Steuerstifte 18a und 19a betätigt wird, die durch Drähte 18& und 196 mit den Elektroden Xb bzw. 2b verbunden sind. Die Vorrich .ting kann mit Ausnahme der Kontaktstifte 18a und 19a, 32c, 34c in eine Kammer 35 eingeschlossen werden, welche ausgepumpt oder mit einem nicht oxydierenden Gas gefüllt ist.

Bei den bisher beschriebenen Ausführungsformen (Fig. 1 und 2, Fig. 7, Fig.8 oder 9) bewirkt die Steuerung der Auslenkung des beweglichen Abschnitts des Elektreten oder einer beweglichen Elektrode die Schließung oder die Öffnung von Stromkreisen, so daß ein elektrostatisch gesteuertes elektrisches Relais entsteht.

Jedoch sind auch pneumatische, hydraulische Umschalteten und optische Umschaltungen möglich.

Hydraulische oder pneumatische Umschaltungen sind mit den Ausführungsformen gemäß Fig. 10 und 11 *5 möglich, die die Aufgabe eines Unterbrechers in einem einzigen Strömungsmittelkreis oder eines Umschalters zwischen zwei Strömungsmittelkreisen erfüllen.

Im Fall der F i g. 10 enthält die Vorrichtung eine erste Elektrode Ic mit einer Öffnung 36, in die ein Stutzen 37 so für ein (flüssiges oder gasförmiges) Strömungsmittel eingesetzt ist, und eine zweite volle Elektrode 2c Die beiden Elektroden Ic und 2c bestehen aus Metall und sind ortsfest Sie begrenzen mit isolierstücken 38 und 39 eine Kammer 40, in welcher ein Elektret 3/verschieblich ist Die Kammer 40 kann nicht nur mit dem Stutzen 37 durch die Öffnung 36 in Verbindung stehen, sondern auch mi» einer Öffnung 42 in einem in das Isolierstück 39 eingesetzten Z'-Ai** 41. An der die Kammer 40 begrenzenden Seite der hieKiruuc ,; ;>■ -;^;n ü>ichtungsring 43 vorgesehen. In F i g. 10 sind mit den EIeK-.n>der. Ic und 2c verbundene Leiter zur Anlegung einer Steuerspannung nicht dargestellt In einer ersten Stellung des beweglichen Elektreten 3f, nämlich der in Fig. 10 dargestellten, befindet sich dieser in der Nähe der Elektrode Ic und liegt an dem Dichtungsring 43 an, so daß er eine Strömung zwischen dem Stutzen 37 und dem Stutzen 41 sperrt, der Strömungsmittelkreis also unterbrochen ist. In seiner zweiten Stellung liegt der Elektret 3Aan der Elektrode 2c an, und ein Strömung zwischen den Stutzen 37 und 41 ist möglich. Die Vorrichtung nach F i g. 10 bildet also einen Schalter für eine hydraulische oder pneumatische Strömung.

Die Vorrichtung nach Fig. 11 ist der nach Fig. 10 ähnlich (in beiden Figuren haben entsprechende Elemente die gleichen Bezugszeichen) mit dem alleinigen Unterschied, daß die zweite Elektrode 2d ebenfalls eine Öffnung 44 enthält, in die ein Stutzen 45 eingesetzt ist, und daß die der Kammer 40 gegenüberliegende Seite der Elektrode 2d ebenfalls mit einem Dichtungsring 46 versehen ist. Der bewegliche Elektret 3/" kann zwei Stellungen einnehmen, in deren einer er an dem Dichtungsring 43 der Elektrode Ic und in deren anderer er an dem Dichtungsring 46 der Elektrode 2danliegt. In der ersten Stellung ist eine Strömungsverbindung zwischen den Stutzen 45 und 41 hergestellt, während in uef ZWciicfi oiciiüfig eine oirurnüngäVcruiMuürig ZWi sehen den Stutzen 37 und 41 hergestellt ist. Die Vorrichtung bewirkt also eine Umschaltung zwischen dem Stutzen 41 einerseits und dem Stutzen 37 oder dem Stutzen 45 andererseits. Zur Erleichterung des Arbeitens der Vorrichtung nach F i g. 11 kann ein Schlitz 47 in dem Isolierstück 39 vorgesehen sein.

Nunmehr wird erläutert, aus welchen Gründen and wie sich das bewegliche Element (Elektrode oder Elektret) bewegt, wobei zwischen bistabilem Arbeiten und monostabilem Arbeiten unterschieden wird.

Hierzu ist in Fig. 12 schematisch eine Vorrichtung mit einer ersten Elektrode 101, einem Elektreten 102 und einer zweiten Elektrode 103 dargestellt. Der Elektret 102 trägt auf seiner Unterseite eine effektive Ladungsdichte d\ und auf seiner Oberseite eine effektive Ladungsdichte dj. ei ist der Abstand zwischen der Elektrode 101 und der Unterseite des Elektreten 102, ft die Dicke des Elektreten 102 und C3 der Abstand zwischen der Oberseite des Elektreten 102 und der oberen Elektrode 103.

Mit c/bzw. D sind die Summe bzw. die Differenz der von der Unterseite und der Oberseite des Elektreten 102 getragenen Ladungen bezeichnet.

Es gilt also:

i - d₂

Wenn man das Gewicht des Elektreten 102 vernachlässigt, erhält man für die auf den Elektreten wirkende Kraft:

IL

D-2V\ (1)

Hier sind

5b die Fläche des Elektreten 102, £; die Dielektrizitätskonstante des den Elektreten 102 von den Elektroden 101,103 trennenden Mediums, ·=- die Dielektrizitätskonstante des Elektreten 102,

L = βι-Ι—- e-t + e-i,

V die zwischen die Elektroden 101 und 103 angelegte Spannung.

Wenn der Elektret 102 mit der unteren Elektrode 101 in Berührung steht, ist ei=0. Wenn er mit der oberen Elektrode 103 in Berührung steht, ist e> = 0.

Aus der Gleichung (1) ist ersichtlich, daß, wenn die Summe d der von dem Elektreten 102 getragenen Ladungen Null ist, die Kraft Null ist, so daß die Vorrichtung nicht arbeiten kann.

Wenn die Dicke ei des Elektreten 102 klein gegenüber dem Abstand e zwischen den Elektroden 101, 103 ist und die Arbeitsweise bistabil ist, ist die Spannung, die für den Übergang aus einem Zustand in den anderen angelegt werden muß, von der Spannung verschieden, die für den entgegengesetzten Übergang erforderlich ist, wobei die Differenz zwischen diesen

de
beiden Spannungen dem Absolutwert nach — beträgt.

Wenn z. B. die Größen d, D und

io

20

positiv sind, muß eine Spannung angelegt werden,

10

weiche kiemer i*i als
V_x

"Τ \— d+^ d\ (V₁KO),

2 L M ^ε2 J

um den Elektreten 102 aus der unteren Stellung (in Berührung mit der Elektrode 101) in die obere Stellung (in Berührung mit der Elektrode 103) zu bringen.

Um ihn dagegen wieder aus der oberen Stellung in die untere Stellung zurückzubringen, muß eine Spannung angelegt werden, welche größer ist als

Die Wahl der monostabilen oder bistabilen Arbeitsweise hängt von den Dielektrizitätskonstanten Ei. den Dicken e und e2 und den in dem Elektreten 102 vorhandenen Ladungsdichten d\, di ab. Die nachstehende Tabelle zeigt die verschiedenen Arbeitsmöglichkeiten der Vorrichtung.

C₁ C₂

«1 «2

Stabile
Stellungen*)

Betriebsart

D D
D

1 und 2 1

M M 1 und 2 1 und 2

1 und 2

M B

·) Unter der Stellung 1 ist die untere Stellung des Elektreten ltt (in Fig. 12) und unter der Stellung 2 die obere Stellung des Elektreten IW (wiederum in Fig. 12) zu verstehen.

Aus dieser Tabelle, in welcher mit M die monostabile Arbeitsweise und mit B die bistabile Arbeitsweise und mit + bzw. - die positiven und die negativen Ladungen bezeichnet sind, geht hervor, daß ein monostabiler Betrieb dann vorliegt, wenn die dritte und die vierte Zeile das gleiche Zeichen haben, und ein bistabiler Betrieb, wenn die dritte und die vierte Zeile verschiedene Zeichen haben.

Die Bedingung für monostabilen Betrieb kann daher dadurch ausgedrückt werden, daß das Produkt

- (JL_d-*L_D\ (J.

und bistabiler Betrieb, wenn diese Größe größer als Null ist. Es liegt also monostabil Betrieb vor, wenn

45

50 e₁D

ed

«ι

55

positiv ist. Wenn dagegen dieses Produkt negativ ;s*> hai man einen bistabilen Betrieb.

Da von den beiden Faktoren des Produktes der erste die Differenz und der zweite die Summe der beiden gleichen Ausdrücke enthält, kann man die Bedingung vereinfachen und folgendermaßen schreiben:

monostabiler Betrieb wenn Nachstehend sind einige Beispiele für einen Aufbau der Vorrichtung angegeben.

Beispiel 1

Der Elektret besteht aus fluoriertem Äthylenpropylen. Er hat eine Dicke von 12,7 Mikron und eine relative Dielektrizitätskonstante 2.1. Der Elektret wird durch Koronaentladung in Luft geladen, bis die erhaltenen Ladungsdichten 1 nC/cm² auf der einen Seite und — l,t r.C/cm³ suf der anderen Seite betragen. Die Steuerelektroden sind eben, bestehen ü«s Mesisvg und haben einen Abstand von 04 mm. Der Betrieb ist dann bistabil, wenn die Umschaltspannungen 21 V bzw. —36 V betragen. Der Betrieb kann also mit einer Spannungsquelle von +4OV erfolgen und erfordert keine ständige Stromlieferung.

F; e i s ρ i e I 2

Der Elektret besteht aus fluoriertem ÄthyJcnpropylen. Er hat eine Dicke von 254 μ und eine relative

Dielektrizitätskonstante 2,1. Der Elektret wird durch ein Elektronenbündel und eine Koronaentladung geladea fs die erhaltenen Ladungsdichten 12,1 nC/cm² auf der einen Seite und -7,6nC/cm² auf der anderen Seile betragen. Die Elektroden sind eben und haben einen Abstand von 1 mm. Der Betrieb ist dann monostabil, wenn die Umschaltspannungen +260V bzw. +132V betragen. Wird ein Impuls von 260 V angelegt, so geht der bewegliche Elektret in seine labile Stellung.

Beispiel 3

Der Elektret besteht aus Polypropylen. Er hat eine Dicke von 12 μ und eine relative Dielektrizitätskonstante 2. Der Elektret wird durch Loronaentladung in Luft geladen, bis die erhaltenen Ladungsdichten

— 60 nC/cm² auf der einen Seite und 55,7 nC/cm² auf der anderen Seite betragen. Die Steuerelektroden sind eben, bestehen aus Messing und haben einen Abstand von 3 mm. Der Betrieb ist bistabil. Die Sicuci spannungen betragen 2bO0V bzw. -3200V. Es genügt daher eine Spannungsquelle von ±3500 V.

Beispiel 4

Der Elektret besteht aus Polypropylen. Er hat eine Dicke von 12 μ und eine relative Dielektrizitätskonstante 2. Der Elektret wird durch Koronaentladung in Luft geladen, bis die erhaltenen Ladungsdichten

- 60 nC/cm² auf der einen Seite und 55,7 nC/cm² auf der anderen Seite betragen. Die El-.ktroden sind ebene Sta'.ilgitter, deren Maschen Quadrate mit 1 mm Seitenlänge sind; ihr Abstand beträgt 3 mm. Der Betrieb ist bistabil. Die Steuerspannungen betragen 1000 V bzw. -800 V. Es genügt daher eine Spannungsquelle von ±1000 V.

Beispiel 5

Der Elektret besteht aus Polyäthylenterephthalat. Er hat eine Dicke von 350 μ und eine relative Dielektrizitätskonstante 2. Der Elektret wird durch Koronaentladung in Luft geladen, bis die erhaltenen Ladungsdichten

— 43nC/cm² auf der einen Seite und 3,25nC/cm² auf der anderen Seite betragen. Die Elektroden sind ebene Stahlgitter, deren Maschen Quadrate mit 1 mm Seitenlänge sind; ihr Abstand beträgt 03 mm. Der Betrieb ist monostabil, wobei die Steuerspannungen 1000 V bzw. 200 V betragen. Man legt 1000 V an, um das Relais in die labile Stellung zu bringen. Bei Abschaltung der Speisung fällt es in seine stabile Stellung zurück.

Beispiel 6

Der Elektret besteht aus Polyethylenterephthalat Er hat eine Dicke von 125 μ und eine relative bielektriziüykonstame 2. Der Elektret wird durch Koronaentladung in Luft geladen, bis die erhaltenen Ladungsdichten

- 6,69 nC/cm² auf der einen Seite und - 6,08 nC/cm² auf der anderen Seite betragen. Die Steuerelektroden sind ebene Messinggitter, dren Nf aschen Quadrate von 1 mm Seitenlänge sind; ihr Abstand beträgt 3 mm. Der Betrieb ist bistabil. Die Steuerspannungen betragen -800 V und 2100 V. Infolgedessen genügt eine Spannungsquelle von χ 2200V.

Die Fig. 13 und 14 zeigen Vorrichtungen zur Umschaltung optischer Kreise.

in Fi g. 13 sind zwei feste ebene Metalleiektroden ig und Ig und ein Elektret 3g mit isolierenden Zwischenla-

gen 4 und 5 dargestellt Dem freien Ende der Elektroden ig, 2g und des Elektreten 3g gegenüber befindet sich eine Platte 48 aus einem undurchsichtigen Werkstoff mit zwei Schlitzen 49 und 50. Der Elektret 3# besieht aus einem für die benutzte Strahlung durchsichtigen Werkstoff. Ein einfallendes Strahlenbündel /kommt an einer Seite 51 des Elektreten 3g an und trit* duroli eine Seite 52 desselben aus. Je nach der Stellung des Elektreten 3g nimmt das austretende Bündel entweder die Stellung Si ein und tritt durch den Schlitz 49 oder die Stellung s₂ und tritt durch den Schlitz 50. Man kann st; eine Umschaltung in einem optischen Kreis vornehmen In Fig. 14 bestehen die festen Elektroden 1Λ und 2Λ

aus Metallgittern. Der Elektret 3Λ ist beweglich und

g 5

einfallendes Bündel ist bei / und das reflektierte oder austretende bündel bei s dargestellt. Der zwischen isolierenden Zwischenlagen 4 und 5 eingespannte Elektret 3Λ braucht nicht für die optische Strahlung durchsichtig zu sein. Je nach der Stellung des Elektreten 3Λ nimmt der austretende Strahl zwei verschiedene Stellungen ein, von denen nur eine einzige in Fig. 14 dargestellt ist. Mit der Vorrichtung der Fig. 14 kann man also ebenfalls eine optische Umschaltung vornehmen.

Die Vorrichtung kann miniaturisiert werden, sehr schnell arbeiten, ist sehr betriebssicher und erfordert keinen Stromverbrauch.

Sie kann zur elektrischen Umschaltung von Starkströmen (Leistungsumschaltung) oder Schwachströmen

(z. B. Fernsprechumschaltung) dienen. Sie kann auch zur Herstellung von Schaltern oder Schmitt'schen Kippschaltungen dienen, da Kippbewegungen aus einer Stellung in die andere bei verschiedenen Spannungspegeln erfolgen können.

Die Vorrichtung kann auch zur Herstellung von elektrisch gesteuerten hydraulischen oder pneumatischen Ventilen dienen. Sie kann in Anordnungen für Niederdruckströmungsmitie! benutzt werden, di das bewegliche Element sehr klein ist, so daß eint

weitgetriebene Miniaturisierung vorgenommen werden kann.

Optische Anwendungen sind ebenfalls möglich, da die Vorrichtung die Ablenkung eines Lichtbündels z. .B. zur Umschaltung von optischen Kreisen ermöglicht.

Schließlich können m^rm^ne Oszillatoren unter A «vendung der Vorrichtung verwirklicht werden.

Das neutrale Gas in der Kammer, in welche die Vorrichtung eingeschlossen ist, kann durch eine Flüssigkeit mit großer dielektrischer Festigkeit ersetzt werden.

Ferner kann die Vorrichtung nicht nur zwei stabile und/oder labile Gleichgewichtssteüungen einnehmen, sondern eine größere Zahl von getrennten oder nicht getrennten Stellungen, je nach der Stärke einer auf da>

6G bewegliche Element wirkenden Rückholkraft und einer an die Elektroden angelegten Spannung.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Steuervorrichtung mit zwei an eine Steuerspannung zu legenden Steuerelektroden, die einander zugewandte Elektrodenflächen aufweisen, und mit einem zwischen diesen Elektrodenflächen elektrisch isoliert angeordneten Elektreten mit zwei voneinander abgewandten Seiten, die effektive Oberflächenladungen unterschiedlichen Vorzeichens aufweisen, bei der mindestens ein Abschnitt einer Steuereleki.ode oder des Elektreten beweglich gehaltert ist, ι ο dadurch gekennzeichnet, daß die effektiven Oberflächenladungen (rfi, cfc) auf den beiden Seiten des Elektreten (3, 102) unterschiedliche Beträge aufweisen und daß der bewegliche Abschnitt (34 \b, 3f, 3g, 3h) der Steuerelektrode (1, 2) oder des Elektreten (3) oder die gesamte Steuerelektrode (I₁2) oder der gesamte Elektret (3) zwischen zwei Endlagen linear biegbar oder linear geführt bewegbar ist

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Element (3, 16) wenigstens ein Leiterelement (15, 16; 15a, 16a; 27, 28; 28) trägt, das mit wenigstens einem festen Leiterelement (11,12; 21,22; 216,226; 22c) in einer der Ruhelagen in Berührung kommt

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Element (3/) in wenigstens einer seiner Ruhelagen wenigstens eine öffnung (36; 36,44) eines Stutzens (37; 37,45) für ein Strömungsmittel schließt

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Element (3g) lichtdurchlässig ist

5. Vorrichtung nach Anspruch ί oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das bewe^iche Element (3A) eine lichtreflektierende Fläche (53) trägt

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (la, 2a) in einer evakuierten Kammer (25, 26; 35) untergebracht sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (la, 2a) in einer Kammer untergebracht sind, die mit einer Flüssigkeit großer dielektrischer Festigkeit gefüllt ist

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche I bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektret (3; 3e; 3/; 102; 3g; 3h) Ladungsdichten trägt, die — soweit es die Erzeugung elektrischer Felder außerhalb des Elektreten betrifft — Oberflächenladungsdichirn zwischen 10-" und ΙΟ-⁵ C/cm² entsprechen.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektret (3, 3e. 3f, 3g, 3h, 102) halogenierte Polykohlenwasserstoffe enthält.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie für monostabilen Beiriebder Bedingung