DE2811524A1

DE2811524A1 - Bistable piezoelectric relay with flexural element clamped at one end - has armature forming strip whose free end engages between magnetic system poles

Info

Publication number: DE2811524A1
Application number: DE19782811524
Authority: DE
Inventors: Hugo Angermaier; Adolf Dipl Ing Schoen
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1978-03-16
Filing date: 1978-03-16
Publication date: 1979-09-20

Abstract

The flexural element (5) of the piezoelectric relay is clamped at one end. It is in the form of a strip (6) acting as an armature and coated with piezoelectric ceramics (2). The elongated strip is highly resilient. The free end of the strip engages symmetrically between poles (7, 8) of a magnetic system. The strip carries members for appropriate contacting. This arrangement overcomes the difficulties of considerable deflection and provides sufficient contact force, while maintaining small dimensions as required in telephone systems. The piezo-ceramic arrangement has preferably an electrode on each side. One side carries an addition an insulated strip of electric and magnetic conductivity.

Description

Bistabiles piezoelektrisches Relais.Bistable piezoelectric relay.

Die Erfindung betrifft ein bistabiles piezoelektrisches Relais mit einem einseitig eingespannten Biegeelement, das aus einer mit piezoelektrischer Keramik belegten langgestreckten, federnde Eigenschaften aufweisenden, den Anker bildende Zunge besteht.The invention relates to a bistable piezoelectric relay with a bending element clamped on one side, which consists of a piezoelectric Ceramic occupied elongated, resilient properties, the anchor forming tongue.

Biegeelemente als sogenannte Bimorf-Streifen sind zur Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie oder umgekehrt durch zahlreiche Veröffentlichungen bekannt. Relativ große Auslenkungen bei kleinen Spannungen und Drücken sind mit einem einseitig eingespannten Biegeelement erreichbar. Das Biegeelement wird hierzu aus zwei piezokeramischen Streifen gebildet, die in der Mitte zusammengeklebt sind. Die Streifen sind entgegengesetzt polarisiert, so daß das freie Ende des Biegeelementes beim Anlegen einer Spannung U zwischen einer oberen und unteren Elektrode ausgelenkt wird. Die Biegeelemente sind unter anderem für Relais und Schalter anwendbar.Bending elements as so-called Bimorf strips are used to convert electrical Energy into mechanical energy or vice versa through numerous publications known. Relatively large deflections with small stresses and pressures are included A bending element clamped on one side can be reached. The bending element is used for this formed from two piezoceramic strips that are glued together in the middle. The strips are polarized in opposite directions so that the free end of the bending element deflected when a voltage U is applied between an upper and lower electrode will. The bending elements can be used for relays and switches, among other things.

Ein Nachteil der bisher bekannten mit Biegeelementen ausgestatteten piezoelektrischen Relais liegt darin, daß abhängig von der jeweiligen Länge der Zunge bzw.A disadvantage of the previously known ones equipped with bending elements piezoelectric relay is that depending on the length of the Tongue or

des Bimorfs, ein nur geringer Hub oder eine für die Kontaktgabe erzielbare meist nur geringe Kontaktkraft erhältlich ist.des Bimorfs, only a small stroke or one achievable for making contact usually only low contact force is available.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein bistabiles piezoelektrisches Relais aufzuzeigen, bei dem sowohl eine große Auslenkung als auch eine ausreichend hohe Kontaktkraft erzielbar ist, ohne daß das Relais, insbesondere in seinen linearen Abmessungen, unangemessen groß wird.It is the object of the present invention to provide a bistable piezoelectric To show relays in which both a large deflection and a sufficient high contact force can be achieved without the relay, especially in its linear Dimensions, becoming inappropriately large.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Zunge mit einem dem Einspannende abgewandten Bereich symmetrisch zwischen die Pole eines Magnet systems eingreift und daß an der Zunge Arbeitsmittel für die Kontaktgabe angebracht sind.This object is achieved in that the tongue with an area facing away from the clamping end symmetrically between the poles of a magnet systems intervenes and that working equipment for making contact is attached to the tongue are.

Damit ist bei vorgegebener Spannung ein größerer Kontakthub als bei den bekannten piezoelektrischen Relais erzielbar. Weiterhin sind zwei stabile Endlagen mit ausreichender Kontaktkraft erreichbar, auch wenn die Erregerspannung für die Piezokeramik abgeschaltet ist.With a given voltage, there is thus a greater contact stroke than at the known piezoelectric relay achievable. There are also two stable end positions achievable with sufficient contact force, even if the excitation voltage for the Piezoceramic is switched off.

Es ist zweckmäßig, daß das Biegeelement aus zumindest einer Piezokeramikplatte besteht, die beidseitig mit je einer elektrisch leitfähigen Schicht (Elektroden) überzogen ist und daß auf der einen Seite zusätzlich ein elektrisch und magnetisch leitfähiger Streifen isoliert auf einer elektrisch leitfähigen Schicht aufgebracht ist, der diese Schicht überragt und daß der magnetische Rückfluß über magnetisch leitfähige Bereiche eines feststehenden Bereichs des Biegeelements geführt ist.It is useful that the bending element consists of at least one piezoceramic plate consists of an electrically conductive layer (electrodes) on both sides. is coated and that on the one hand an additional electrical and magnetic Conductive strip, insulated, applied to an electrically conductive layer that protrudes beyond this layer and that the magnetic return flow is above magnetic conductive areas of a fixed area of the bending element is performed.

Über die Elektroden wird die Piezokeramik erregt. Das Biegeelement ist vollkommen galvanisch von den Arbeitsmitteln für die Kontaktgabe getrennt und wird aus der instabilen Mittellage gelenkt. Es gelangt unter den Einfluß des Magnetsystems, wodurch die federnde Zunge weiter ausgelenkt wird, bis diese an einem der Pole anschlägt. Damit wird die Kontakt- und Anlagekraft im wesentlichen vom Magnetsystem aufgebracht, so daß, spätestens ab dem Zeitpunkt des Anschlages, die Erregerspannung an der Piezokeramik verschwinden kann, ohne daß die stabile Endlage des Biege elementes beeinflußt wird.The piezoceramic is excited via the electrodes. The bending element is completely galvanically separated from the work equipment for making contact and is steered from the unstable central position. It comes under the influence of the magnet system, whereby the resilient tongue is deflected further until it hits one of the poles. This means that the contact and contact force is essentially applied by the magnet system, so that, at the latest from the time of the attack, the excitation voltage is applied to the piezoceramic can disappear without affecting the stable end position of the bending element.

Die hohe Dielektrizitätskonstante der Piezokeramik bewirkt, daß die kapazitiven Kopplungen der Kontakte groß sind, so daß die im Fertigungsprozeß unvermeidlichen Unsymmetrien eine Nebensprechdämpfung erzeugen, die für hochwertige Sprechverbindungen bei Fernsprechanlagen nicht ausreichend ist Eine kleine Eigenkapazität und eine hohe Nebensprechdämpfung kann in vorteilhafter Weise dadurch erzielt werden, daß das Biegeelement aus zwei durch eine elektrisch leitfähige Schicht (Steuerelektrode) getrennten Keramikplatten besteht9 die an ihren Außenseiten mit je einer weiteren elektrisch leitfähigen Schicht überzogen ist, und daß der zwischen den Polen befindliche Bereich von einem magnetisch und elektrisch leitfähigen Teil umgeben ist Es kann vorteilhaft sein9 wenn unmittelbar an der Zunge die Arbeitsmittel für die Kontaktgabe angeordnet sind.The high dielectric constant of the piezoceramic causes the capacitive couplings of the contacts are large, so that inevitable in the manufacturing process Unbalances generate crosstalk attenuation that is essential for high-quality speech connections in the case of telephone systems, one small capacity and one high crosstalk attenuation can be achieved in an advantageous manner that the bending element made of two by an electrically conductive layer (control electrode) separate ceramic plates, each with a further one on their outer sides electrically conductive layer is coated, and that located between the poles It can be surrounded by a magnetically and electrically conductive part be advantageous9 if the working equipment for making contact is directly on the tongue are arranged.

Damit braucht dieser Bereich lediglich mit je einer Kontaktschicht überzogen werden Es ist jedoch auch möglich, daß das Biegeelement zusätzlich mit einem Überfederkontakt versehen ist.This area therefore only needs one contact layer each be coated However, it is also possible that the bending element is additionally provided with an over-spring contact.

Weiterhin ist es möglich, daß das magnetisch und elektrisch leitfähige Teil gleichzeitig das Arbeitsmittel zur Kontaktgabe darstellt.It is also possible that the magnetically and electrically conductive Part at the same time represents the work equipment for making contact.

Im folgenden sei die Erfindung anhand von 3 Figuren näher erläutert.The invention is explained in more detail below with reference to 3 figures.

Es zeigen Fig. 1 ein piezoelektrisches Relais in perspektivischer Ansicht, Fig. 2 das Relais nach Fig. 1 in Aufsicht sowie die dazugehörigen Arbeitskennlinlen, Fig. 3 eine andere Ausfuhrungsform eines piezoelektrischen Relais.1 shows a piezoelectric relay in perspective View, FIG. 2 the relay according to FIG. 1 in a plan view and the associated operating characteristics, 3 shows another embodiment of a piezoelectric relay.

Das in Fig. 1 dargestellte piezoelektrische Relais ist in einem elektrisch nichtleitfähigem Gehäuse 1 angeordnet. Der Anker ist unter anderem durch eine Piezokeramikplatte 2 gebildet, die beidseitig mit je einer elektrisch leitfähigen Schicht 3, 4 aus Silber versehen ist. Auf der elektrisch leitfähigen Schicht 4 ist eine Isolierschicht aufgebracht. Diese Schicht ist mit einem magnetisch und elektrisch leitfähigen Teil 5 im Bereich der an diesem angeformten federnden Zunge 6 verklebt. Durch das Teil 5 wird der so aufgebaute Anker in seiner Lage gehalten und stellt gleichzeitig das Mittel zur Flußrückführung dar. Die federnde Zunge 6 überr-agJc die Piezokeramikplatte 2 an einem Ende. Mit diesem Ende greift sie zwischen die Pole 79 8 eines Dauermagnetsystems 9 ein. Die Pole 7, 8 tragen dünne Kontaktschiten 10, 29, wobie die Kontaktschicht 29 aus der Figur nicht erkennbar ist. Ebenso wie die Pole trägt die Zunge 6 im kontaktgebenden Bereich je eine Kontaktschicht. Der magnetische Rückfluß wird über den feststehenden Bereich 28 des Biegeelementes 5 geführt.The piezoelectric relay shown in Fig. 1 is electrical in one Non-conductive housing 1 arranged. The anchor is among other things by a piezoceramic plate 2 formed, each with an electrically conductive layer 3, 4 on both sides Silver is provided. An insulating layer is on the electrically conductive layer 4 upset. This layer has a magnetically and electrically conductive part 5 glued in the area of the resilient tongue 6 formed thereon. Through the part 5, the anchor constructed in this way is held in its position and at the same time provides the The resilient tongue 6 overr-agJc the piezoceramic plate 2 at one end. With this end it engages between the poles 79 8 of a permanent magnet system 9 a. The poles 7, 8 carry thin contact strips 10, 29, with the contact layer 29 cannot be seen from the figure. Just as the pole bears the tongue 6 in the contact-making area each have a contact layer. The magnetic reflux is guided over the stationary area 28 of the bending element 5.

Zum Zwecke des elektrischen Anschlusses sind Lötstifte 11, 12, 13, 14, 15 vorgesehen, wobei die Stifte 11, 13 mit ihren Anschlußdrähten an den elektrisch leitfähigen Schichten 3, 4 der Piezokeramikplatte 2, der Stift 12 entsprechend an dem magnetisch leitfähigen Teil 5 und die Stifte 14, 15 an den Polen 7, 8 enden.For the purpose of the electrical connection, soldering pins 11, 12, 13, 14, 15 provided, the pins 11, 13 with their connecting wires to the electrical conductive layers 3, 4 of the piezoceramic plate 2, the pin 12 accordingly the magnetically conductive part 5 and the pins 14, 15 end at the poles 7, 8.

Unter Zuhilfenahme der Figur 2, bei der die mit Fig. 1 identischen Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, soll nun die Funktionsweise des Relais beschrieben werden. Durch Anlegen einer Spannung U an die elektrisch leitfähigen Schichten 3, 4 der Piezokeramikplatte 2 liegen positive und negative Ladungen einander gegenüber, d.h., der Piezoeffekt tritt ein, die Piezokeramikplatte längt sich und damit verbiegt sich die Zunge 6 des Relais. Somit gerät die Zunge 6 aus ihrer Symmetrielage und wird je nach Biegerichtung durch den Dauermagneten beeinflußt, der sie anzieht und damit den Kontakt betätigt.With the aid of FIG. 2, in which those identical to FIG. 1 are used Parts are provided with the same reference numerals, the mode of operation should now be understood of the relay. By applying a voltage U to the electrical conductive layers 3, 4 of the piezoceramic plate 2 are positive and negative Charges opposite each other, i.e. the piezo effect occurs, the piezo ceramic plate lengthens and thus the tongue 6 of the relay bends. So the tongue gets caught 6 from its symmetry position and is depending on the bending direction by the permanent magnet influences, which attracts them and thus actuates the contact.

Veranschaulicht wird dies durch die in Fig. 2 gezeigten Federkennlinien. Die linearen Federkennlinien 17 und die progressiven Magnetkennlinien 18 sind symmetrisch. Die Nullpunktlage der Zunge im nichterregten Zustand und die Mittellage des Magnetsystems fallen zusammen. Die Mittellage des Ankers ist labil und wird praktisch nicht genutzt. Die Zunge 6 wird nun beispielsweise von dem Pol 8 angezogen. Die Kontaktkraft FKr, mit der die Zunge 6 an den Pol 8 angezogen wird, ist die Differenz aus der Magnetkraft FM und der Federgegenkraft FF. Legt man in diesem Zustand eine elektrische Spannung an die elektrisch leitfähigen Schichten 3, 4 der Piezokeramikplatte 2, so längt oder verkürzt sich diese. Da aber die Zunge 6 ihre Länge beibehalten will, würde sich die Piezokeramikplatte 2 ohne Einfluß der Magnetkräfte verbiegen, d.h., der Nullpunkt der Federkennlinie würde sich zum Nullpunkt F1° verschieben. Da aber die Zunge 6 vom Pol 8 angezogen wird, steigt die Gegenkraft entsprechend der Federkennlinienverschiebung an, z.B. nach FF1.This is illustrated by the spring characteristics shown in FIG. 2. The linear spring characteristics 17 and the progressive magnetic characteristics 18 are symmetrical. The zero point position of the tongue in the non-excited state and the central position of the magnet system collapse. The middle position of the anchor is unstable and is practically not used. The tongue 6 is now attracted to the pole 8, for example. The contact force FKr, with which the tongue 6 is attracted to the pole 8, is the difference between the magnetic force FM and the Spring counterforce FF. If you put an electric in this state Voltage to the electrically conductive layers 3, 4 of the piezoceramic plate 2, this lengthens or shortens it. But since the tongue 6 wants to maintain its length, the piezoceramic plate 2 would bend without the influence of the magnetic forces, i.e. the zero point of the spring characteristic would shift to the zero point F1 °. Here but the tongue 6 is attracted by the pole 8, the counterforce increases according to the spring characteristic shift on, e.g. after FF1.

Ist die Spannung so groß, daß die Federgegenkraft FF1 größer wird als die Magnetkraft FM, so spricht der Kontakt an. Die Zunge 6 hebt dann vom Pol 8 ab und will entsprechend der Federkennlinie 16 in die neue von der Mittellage (Nullpunkt) abweichende Nullage F10.Is the tension so great that the spring counterforce FF1 is greater than the magnetic force FM, the contact responds. The tongue 6 then lifts off the pole 8 and wants according to the spring characteristic 16 in the new from the central position (Zero point) deviating zero position F10.

Diese Nullage F1° ist aber bereits vom linken Magnetfeld überlagert, so daß die Zunge zum linken Pol 7 gezogen wird. Dies geschieht zunächst mit der Differenzkraft FK2, nach dem Abschalten der Spannung U und Abfliessen der Ladung über einen Ableitwiderstand R mit der Kontaktkraft F.This zero position F1 ° is already overlaid by the left magnetic field, so that the tongue is drawn towards the left pole 7. This is done first with the Differential force FK2, after the voltage U has been switched off and the charge has drained via a leakage resistance R with the contact force F.

Eine andere Ausführungsform eines piezoelektrischen Relais ist in Fig. 3 gezeigt. Der Anker ist aus zwei gleichen Piezokeramikplatten 19, 20 zusammengesetzt.Another embodiment of a piezoelectric relay is shown in FIG Fig. 3 shown. The armature is composed of two identical piezoceramic plates 19, 20.

Die elektrisch leitfähige Schicht 21 befindet sich zwischen den beiden Platten 19, 20. An den Aussenseiten der Piezokeramikplatten 19, 20 sind elektrisch leitfähige Beläge 22, 23 angebracht. Am Ende des Ankers ist ein weichmagnetischer Lappen 24 befestigt, der zwischen den Polen 25, 26 des Magnetsystems 27 eingreift.The electrically conductive layer 21 is located between the two Plates 19, 20. On the outside of the piezoceramic plates 19, 20 are electrical conductive coverings 22, 23 attached. At the end of the armature is a soft magnetic one Flap 24 attached, which engages between the poles 25, 26 of the magnet system 27.

6 Patentansprüche 3 Figuren Zusammenfassung Bistabiles piezoelektrisches Relais Die Erfindung bezieht sich' auf ein bistabiles piezoelektrisches Relais mit einem einseitig eingespannten Biegeelement (5), das aus einer mit piezoelektrischer Keramik (2)- belegten langgestreckten9 federnde Eigenschaften aufweisenden, den Anker bildende Zunge (6) besteht. Bei derartigen Relais ist es schwierig, sowohl eine große Auslenkung als auch eine große Kontaktkraft zu erzielen, ohne daß das Relais unangemessen groß wird. Die Erfindung besteht darin, daß die Zunge(S) mit einem dem Einspannende abgewandten Bereich symmetrisch zwischen die Pole (7, 8) eines Magnetsystems eingreift und daß an der Zunge Arbeitsmittel für die Kontaktgabe angebracht sind. Das Relais ist besonders für Zwecke der Fernsprechtechnik geeignet (Fig. 1).6 claims 3 figures Summary Bistabiles Piezoelectric Relay The invention relates to a bistable piezoelectric Relay with a bending element (5) clamped on one side, which consists of a piezoelectric Ceramic (2) - occupied elongated9 having resilient properties, the An anchor-forming tongue (6) is made. With such relays it is difficult to both to achieve a large deflection as well as a large contact force without the Relay becomes inappropriately large. The invention consists in that the tongue (S) with an area facing away from the clamping end symmetrically between the poles (7, 8) a magnet system engages and that working means for making contact on the tongue are appropriate. The relay is particularly suitable for telephony purposes (Fig. 1).

Claims

Claims Bistable piezoelectric relay with a one-sided clamped bending element, consisting of a coated with piezoelectric ceramic elongated, resilient properties exhibiting, the anchor forming tongue, d u r c h e k e n n n z e i c h n e t that the tongue with one of the clamping ends remote area engages symmetrically between the poles of a magnet system and that working means for making contact are attached to the tongue.

2. Bistable piezoelectric relay, which is not available show that the bending element consists of at least one piezoceramic plate, which are covered on both sides with an electrically conductive layer (electrodes) and that on one side there is also an electrically and magnetically conductive one Strip is applied insulated on an electrically conductive layer, the this layer protrudes and that the magnetic return flow over magnetically conductive Areas 28 of a fixed area of the bending element is guided.

3. Bistable piezoelectric relay, which is not possible z e i c h n e t that the bending element consists of two by an electrically conductive Layer (control electrode) consists of separate ceramic plates on their outer sides is coated with a further electrically conductive layer, and that the between the poles of a magnetically and electrically conductive area Part is surrounded

4 bistable piezoelectric relay according to claim 1 and 29 d a d u r c h e k e n n n z e i c h n e t that uittelba on the tongue the work equipment for the Contacting are arranged.

5. Piezoelectric relay according to claim 1 and 2, d a d u r c h g It is not clear that the bending element also has an over-spring contact is provided.

6. bistable piezoelectric relay according to claim 1 and 3, d a it is indicated that the magnetically and electrically conductive Part at the same time represents the work equipment for making contact.