DE2838214A1

DE2838214A1 - Piezoelektrische schaltvorrichtung

Info

Publication number: DE2838214A1
Application number: DE19782838214
Authority: DE
Inventors: Ivan Eugene Brohard
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1977-09-02
Filing date: 1978-09-01
Publication date: 1979-03-08
Also published as: CA1102929A; FR2402295A1; GB2003668A; SE432031B; SE7808855L; NL7809017A; FR2402295B1; IT1098773B; US4112279A; GB2003668B; BE870143A; IT7827269A0; CH633385A5

Description

Patentanwalt ___ a __

2S.tuttg«rt N. Menzelstraße4Q

Western Electric Company, Incorporated A 36 236-ko 222, Broadway:
New York, N.Y. 10038, U.S.A. ~ 29. M'-iS, 1978

Piezoelektrische Schaltvorrichtung

Die Erfindung "bezieht sich auf eine piezoelektrische Schaltvorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 näher bezeichneten Art.

Piezoelektrische Relais haben sich in den vergangenen Jahren als vielversprechende Alternativen zu elektromagnetisch betätigten Relais erwiesen. Zu dem Vorzug, daß- sie keine Wicklungen und Kerne benötigen, kommt ηίηζμ, daß derartige Relais eine Reihe v/eiterer Vorteile bieten, zu denen ihr geringer Leistungsverbrauch, die geringe Wärme entwicklung, eine verringerte Baugröße, ein Aufbau aus verhältnismäßig einfachen Bauteilen, und, was sehr wesentlich ist, die Möglichkeit einer Massenfertigung unter Verwendung gedruckter Verdrahtungstechniken zählen. Des weiteren sind die erforderlichen Betriebsspannungen ausreichend klein, um eine Steuerung integrierter Schaltkreise zu gestatten.

Das Schaltelement eines nach dem piezoelektrischen oder elektrostriktiven Effekt arbeitenden Relais umfaßt üblicherweise ein aus zwei Schichten eines piezoelektrischen Keramikmaterials bestehendes Laminat, wobei -;jjede Schicht einen auf beiden Seiten

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aufgebrannten Elektrodenüberzug besitzt» Die beiden überzogenen Schichten werden an gegenüberliegenden Seiten einer gesonderten, elektrisch leitenden Mittellamelle angeklebt, beispielsweise anzementiert, welche bei der einen Betriebsart des Relais gleichzeitig eine Relaiselektrode darstellt. Durch. Anlegen τοη elektrischen Gleichstromfeldern wird in einem allgemein bekannten Herstellungsschritt das piezoelektrische Material jeder Schicht mit einer induzierten, remanenten Polarisation versehen« Falls ein Parallelbetrieb des Relais beabsichtigt wird, werden die Schichten in der gleichen Richtung polarisiert.

Bei einer bekannten Ausführungsform eines derartigen Relais ist das piezoelektrische Laminat an dem einen Ende eines Sockels unter Zwischenlage eines Abstandsklotzes montiert. Am anderen Ende des Sockels ist eine Klammer befestigt, welche einen Kontakt trägt, der unter Abstand einem am freien Ende des Laminates angebrachten Kontakt fluchtend gegenüberliegt. Eine Ausbiegung des Laminats unter Schließung der Kontakte erfolgt beim Parallelbetrieb des Relais dadurch, daß die äußeren Elektrodenüberzüge der beiden Schichten miteinander verbunden und geerdet werden sowie an die Mittellamelle eine Betriebsspannung angelegt wird. Hierdurch werden in den Schichten elektrostatische Felder erzeugt, die in der einen Schicht mit der Polarisationsrichtung übereinstimmen und in der anderen Schicht der dortigen Polarisationsrichtung entgegengesetzt sind. Entsprechend der elektrostriktiven Erscheinung von piezoelektrischen Werkstoffen dehnt

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sich, die eine Schicht in Längsrichtung aus, während sich die andere Schicht in Längsrichtung zusammenzieht. Die resultierenden mechanischen Spannungen bewirken eine Yerbiegung des Laminats. Bei einem hier "betrachteten, freitragenden Laminat verläuft die Biegebewegung senkrecht zu den Ebenen der Laminatelektrodenuberzüge, wodurch die Kontakte geschlossen werden. Beim Abschalten der Betriebsspannung kehren die Eontakte in ihre Ausgangslage zurück, und" zwar aufgrund des mechanischen Rückstelleffektes der remanenten Polarisation der piezoelektrischen Schichten.

Obwohl sich piezoelektrische Relais in vielen Anwendungsfällen bewährt haben, ist ihre Herstellung noch mit einer Reihe von Schwierigkeiten verbunden. Beispielsweise sind die mit Hilfe des elektrostriktiven Effektes erzielbaren Kräfte und Ablenkungen verhältnismäßig klein, was dazu führt, daß die Herstellungs- und Montagetoleranzen häufig kritisch sind. Des weiteren führt die Schwierigkeit, flache, piezoelektrische Laminate oder, wie sie häufig genannt werden, Bimorphate, doho, Laminate mit gleichmäßigen Oberflächenkonturen,herzustellen, zu dem Problem, übereinstimmende Kontaktschließ- und -Öffnungskräfte zu erzielen. Eine wirksamere Ausnutzung des elektrostriktiven Effektes sowie weniger strenge Anforderungen an die Kontaktspaltkontrolle während der Herstellung würde daher die Herstellung von piezoelektrischen Relais vereinfachend und damit ihre Attraktivität als Schaltkreissteuerelemente erhöhen. Diese Überlegungen stellen den Ausgangs-

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punkt der vorliegenden Erfindung dar»

Die Aufgabe der Erfindung bestellt demgemäß darin, eine piezoelektrische Schaltvorrichtung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, welche eine verbesserte Ausnutzung des elektrostriktiven Effektes bietet und eine einfachere, von Herstellungsbeschränkungen und -toleranzen befreite Herstellung, insbesondere auch eine automatisierte Montage, gestattet.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Torteilhafte Ausgestaltungen und Yfeiterbildungen der piezoelektrischen Schaltvorrichtung nach Anspruch 1 ergeben sich " aus den Ansprüchen 2 bis 7· ·

Die erfindungsgemäße piezoelektrische Schaltvorrichtung besteht in Übereinstimmung mit dem Stand der Technik aus einem Laminat bzw. Bimorphat, das aus zwei Schichten eines piezoelektrischen Keramikmaterials gebildet ist, von denen jede Schicht auf beiden Seiten einen aufgebrannten Elektrodenüberzug besitzt. Die beiden Schichten werden auf den gegenüberliegenden Seiten einer elektrisch leitenden Mittellamelle aufzementiert. Das so gebildete, rechteckförmige Laminat bzw» Bimorphat wird erfindungsgemäß in zwei gesonderte Arbeitsbereiche unterteilt, nämlich (a) einen Anker mit einem beweglichen, flachen Eontakt an seinem einen freien Ende, und (b) einen Bügel mit einem nicht-leitenden Sockel, auf welchem ein'

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ortsfester Kontakt montiert ist. Ein freies Ende des Bügels ist mit dem anderen Ende des Ankers verbunden. Der Bügelabschnitt unterhalb des freien Endes des Ankers bildet den Sockel der insoweit beschriebenen Relaiskonstruktion. "Vor der !aminierung der bimorphen Schichten werden die Bügel- bzw. Rahmenabschnitte der Schichten in gleicher Richtung, ge,sehen von ihrer Einbaulage bezüglich der Mittellamelle, polarisiert. Die Ankerabschnitte jeder Schicht werden in gleicher Weise polarisiert, jedoch in einer, den Bügelabschnitten entgegengesetzten Richtung.

Auf einer Seite des bimorphen Streifens ist am freien Ende des aufgehängten Ankers ein elektrischer Kontakt angebracht, der über Leiter mit einem ersten elektrischen Anschluß ver- . bunden ist, welcher seinerseits an dem Sockel des bimorphen Streifens befestigt ist und sich von diesem wegerstreckt. Eine Befestigung für einen gegenüberliegenden, zweiten elektrischen Kontakt ist um eine Kante des Sockels des bimorphen Streifens angeklammert, wobei diese Befestigung elektrisch mit einem zweiten Anschluß verbunden ist. Pur den Betrieb des Relais wird eine geeignet gepolte Betriebsspannung an zwei zusätzlichen Anschlüssen angelegt, die von dem Sockel des bimorphen Streifens wegverlaufen, wobei der eine Anschluß mit beiden außenbeschichteten Elektrodenflächen des Streifens und der andere Anschluß mit der Mittellamelle verbunden .ist. Bei diesem Parallelbetrieb stimmen die zwischen der Mit te Ilameile und den äußeren Elektroden erzeugten elektrostatischen Felder

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mit der Polarisation des aufgehängten Ankers der ersten ScMent und dem BügeIaI)schnitt der zweiten Schicht überein, wohingegen sie der Polarisation des aufgehängten Ankers der zweiten Schicht und des Bügelabschnitts der ersten Schicht entgegengesetzt sind.· Dies führt dazu, daß der Bügelabschnitt des bimorphen Streifens von den Kontakten hinweggebogen wird. Die dadurch hervorgerufene leichte Krümmung in dem Bügelabschnitt an der AnIenkungsstelle des Ankers führt auch ohne weitere elektrostriktive Wirkung zu einer winkelförmigen Bewegung des Ankers in der Weise, daß der darauf montierte Kontakt in teilweise Schließstellung mit dem gegenüberliegenden, auf der Spange montierten, ortsfesten Kontakt gelangt. Der aufgehängte Anker wird jedoch auch durch die Betriebsspannung auf mechanische Spannung beansprucht, derart, daß sich seine eigene, entgegengesetzte Krümmung z-u der Schließ— bahn seines Kontaktes hinzuaddiert.

Aus diesem Grund besteht ein Merkmal einer piezoelektrischen Relaiskonstruktion nach der Erfindung darin, daß sich in einem einzigen bimorphen Streifen zwei unabhängig voneinander erzeugte, elektrostriktive Kräfte gegenseitig verstärken, so daß der bewegliche Kontakt über eine Wegstrecke bewegt werden kann, die etwa der doppelten Wegstrecke der bisher¹, in einem Relais mit einem einzigen bimorphen Element erzielbaren. . ■ Bewegung entspricht. Yfenn man von einem normalen Kontakt spalt ausgeht, wird dadurch in vorteilhafter Weise ein kraft schlüs si-· ger Kontaktschluß gewährleistet, und zwar mit einer Sehließkraft, die ebenfalls der doppelten, bisher in einem Relais mit

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einem einzigen bimorphen Element erzielbares Schließkraft entspricht.

Entsprechend einem weiteren Merkmal gestattet die Befestigung des ortsfesten Kontaktes auf der Spange eine leichte Justierung des Kontakt spalt es nach erfolgter Montage. Trotz Oberflächenverformungen des Mmorphen Streifens kann die Lage des ortsfesten Kontaktes "bezüglich des von dem Anker getragenen beweglichen Kontakts auf einfache Weise dadurch eingestellt werden, daß die Befestigungsklammer in geeigneter Weise gebogen wird ο

Das vorstehend kurz abgehandelte, erfindungs gemäße Relais mit einem einzigen, bimorphen Streifen ist, so wie es beschrieben wurde, fertig und voll betriebsfähig. Normalerweise werden noch eine geeignete Befestigung für den Streifensockel sowie für eine Schutzhülle vorgesehen. Dabei gestatten die sehr kleinen Querschnittsabmessungen des erfindungsgemäßen Heiais mit' ·' nur einem einzigen bimorphen Streifen in vorteilhafter Weise eine Installation mit mehreren gleich aufgebauten Relais in einem einzigen Gehäuse. Da hierfür weder Abstandsklötze noch individuelle Sockeltragelemente erforderlich sind, kann eine sehr große Packungsdichte der einzelnen Relais erreicht werden.

Der Erfindungsgedanke, wie er vorstehend beschrieben wurde, kann auf die Schaffung einer Relaisausführungsform mit einer Mehrkontaktanordnung auf einem einzigen bimorphen Streifen an-

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gewandt werden. Bei dieser Mehrkontaktanordnung wird durch eine Mehrzahl von Einschnitten in einem vergrößerten Streifen eine Anzahl von vorstehend beschriebenen piezoelektrischen Relais geschaffen, wobei jedes Relais individuell mit entsprechenden Betriebsspannungen betrieben werden kann.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt·

!ige" 1 eine Vorderansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen, piezoelektrischen Schaltvorrichtung bzw. Relaiskonstruktionj

U¹Ig. 2 einen vergrößerten Querschnitt durch die Schaltvorrichtung nach J¹Xg* 1 längs der Schnittlinie 2-2j -■-';■■

Pig. 3 eine vereinfachte Seitenansicht des in der Schaltvorrichtung nach Pig. 1 vorgesehen dimorphen Streifens, wobei in lOrm einzelner Schritte die in zweifacher Richtung erfolgende Bewegung des bimorphen Ankers während des Betriebs der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung veranschaulicht ist, und

Fig. 4 eine Ansicht einer zweiten, mit mehreren Kontakten auf einem einzigen bimorphen Streifen versehenen Ausführungsform einer erfindungs gemäß en piezoelektrischen Schaltvorrichtung.·

Die in Vorderansicht und im Schnitt in den Fign. 1 und 2 dar-

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gestellte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen piezoelektrischen Schalt -vorrichtung bzw» Relaiskonstruktion besitzt in Übereinstimmung mit bekannten piezoelektrischen Relais ein piezoelektrisches Laminat bzw« einen bimorphen Streifen Die Herstellung des Yorratsmaterials für den Streifen 10 ist allgemein bekannt und braucht hier nur kurz erwähnt zu werden. Wie aus !ig. 2 hervorgeht, umfaßt der Streifen 10 ein Paar piezoelektrischer Schichten 11 und 12, von denen jede Schicht auf ihren beiden gegenüberliegenden Seiten mit einer Elektrode beschichtet ist. Die eine Elektrode 13-1 der Schicht It ist in üg.1 sichtbar, deren Konturen nachstehend noch näher erläutert werden sollen. Die Schichten 11 und 12 können aus irgendeinem geeigneten piezoelektrischen Keramikmaterial hergestellt werden, beispielsweise aus einem Bleizirkonat-31eititanat, das unter der Bezeichnung PZT-5B von der piezoelektrischen Abteilung der !irma Vernitron Corporation bezogen werden kann. Die Oberflächen der Elektroden können in herkömmlicher Weise mit jeweils einem Silberüberzug versehen sein. Die Schichten 11 und 12 werden an den gegenüberliegenden Seiten einer Messing-Mittellamelle 14 aufzementiert, wodurch die Laminat struktur fertig ist. Wie aus !ig* 1 hervorgeht, ist in dem bimorphen Streifen 10 ein im wesentlichen ü-förmiger Einschnitt 15, nachstehend auch als U-förmige Perforation bezeichnet, aufgebracht, um den bimorphen Streifen .10 in einen

16 an einem Bügel bzw. Rahmenabschnitt 17 aufgehängten Anker/zu unterteilen, wobei das offene Ende der U-!orm einen Gelenkabschnitt des bimorphen Streifens für den Anker 16 bildet,

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Die Elektrode 13-1 und die zugeordnete äußere Elektrode 13-4 verlaufen nicht kontinuierlich, über die Außenseiten der -piezo-, elektrischen Schichten 11 und 12, sondern sind stattdessen selektiv beschichtet, um gesonderte leitende !Flächen au bilden. Aus diesem Grund verläuft bei dem Bügel 17 die darauf aufgebrachte Elektrode nur bis zu der Basis des U-förmigen Einschnitts 15, um so einen nicht-leitenden Sockel 18 für den bimorphen Streifen 10 zu schaffen. Die Elektrode 13-1 des Bügels 17 ist durch eine horizontale Lücke 19 am Gelenkabschnitt des Streifens 10 von der Elektrode des Ankers 16 elektrisch, isoliert. Die Elektrode auf der Schicht 11 des Ankers 16 ist in der Hähe von dessen freiem Ende unterbrochen, um einen elektrisch isolierten Strompfad 20 von einer Kante des Ankers 16 bis zu einer Stelle in der Mitte zu schaffen. Die Elektrode auf der Schicht 11 des Bügels 17 ist am Sockel 18 verlängert, um einen zweiten Strompfad 21 'zu schaffen, welcher von" dem Bügel 17 bis zu der ünterkante des Sockels 18 verläuft. Ein ähnlicher, von einer Elektrode gebildeter Strompfad 22 verläuft von der letztgenannten Kante des Sockels 18 bis in die Iahe des Jochs der U-förmigen Perforation 15* Die Strompfade 21 und 22 bilden Ans chlußf lachen für die nachstehend noch näher beschriebenen Klemmen bzw. Anschlüsse des Heiais» Ein weiterer, von einer isolierten Elektrode gebildeter Strom— pfad 23 bildet eine weitere Fläche für elektrische. Anschlüsse. Schließlich bildet eine isolierte Elektrode auf dem Sockel der Schicht 11 einen Strompfad 24 und damit eine weitere elektrische Anschlußfläehe. ,.

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Die entsprechende Außenseite der Schicht 12, die nur in der Schnittdarstellung gemäß Fig. 2 sieht "bar ist, ist in ähnlicher Tfeise selektiv mit einer Elektrode 13-4 beschichtet, mit Ausnahme, daß hier ein isolierter Strompfad 20 nicht vorgesehen zu v/erden "braucht. Die nur in Fig. 2 sichtbare, äußere Elektrode 13-4 der Schicht 12 besitzt daher eine Elächenausdehnung bis zur Kante des Sockels 18, um einen Strompfad zu schaffen, der unmittelbar dem Strompfad 21 der Schicht 11 gegenüberliegt. In ähnlicher Weise bildet eine isolierte Elektrode der Schicht 11 einen bezüglich des Strompfads 24 der Schicht 11 spiegelbildlich angeordneten Strompfad. Die gesamten, an die Eiittellamelle 14 angrenzenden Innenseiten der Schichten 11 und 12 sind mit Elektroden 13-2 bzw» 13^3 beschichtet, die wiederum nur in der Schnittbilddarstellung gemäß Fig. 2 sichtbar sind. Der Aufbau der beschriebenen Relaiskonstruktion wird dadurch vervollständigt, daß geeignete elektrische Verbindungselemente vorgesehen werden. Entsprechend dem genormten Charairfcer des Relais ist jedes Verbindungselement selbst an dem bimorphen Element befestigt. An dem freien Ende des Ankers 16 ist ein beweglicher Kontakt 25 montiert, und zwar auf dem Strompfad etwa in der Mitte des Ankers 16. Unmittelbar gegenüber dem beweglichen Kontakt 25 ist unter Abstand ein ortsfester Kontakt 26 auf einer Montagespange 27 angebracht. Die Spange 27 ist so ausgebildet, daß sie um den bimorphen Streifen 10 an dessen Sockel 18 paßt und eine geeignete elektrische Terbindung mit dem Strompfad 23 beispielsweise mittels Lötung ^.erstellt. Ton dem Sockel 18 verläuft eine Anzahl von Anschlüssen nach

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außen, um elektrische "Verbindungen mit einer Jöetriebsspannungsquelle und. mit dem Schaltkreis zu schaffen, dessen Stromdurchgängigkeit von der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung überwacht bzw. gesteuert werden soll. Ein erster Anschluß 28 stellt mit Hilfe eines gabelförmigen Jochs eine elektrische ■ Verbindung sowohl mit dem Strompfad auf der Schicht 11 als auch mit dem dazu spiegelbildlich angeordneten Strompfad auf der Schicht 12 her«, Bin zweiter Anschluß 29 stellt eine ähnliche Verbindung zwischen dem Strompfad 22 her und kann ebenfalls an dem Sockel 18 angeklemmt. ": werden, ohne daß eine elektrische Verbindung mit der Elektrode 13-4- hergestellt wird. Ein Anschluß 15 ist vorgesehen, um die.gleiche elektrische Verbindung mit dem Strompfad 23 zu bilden, wobei auch dieser Anschluß am Sockel 18 ohne Bildung einer elektrischen Verbindung mit der hinteren Elektrode 13-4 angeklemmt werden kann« Ein letzter Anschluß 31 stellt eine elektrische Verbindung mit dem Strompfad 24 und - mit Hilfe eines gegabeliren Jochs - mit dem dazu spiegelbildlichen Strompfad auf der Schicht 12 her« Der Strompfad 24 mit dem daran befindlichen Anschluß 31 ist von den Schichten 11 und 12 elektrisch isoliert und stellt nur zu der Mittellamelle 14 eine elektrische Verbindung über eine durch ein Loch 24' hindurchgreifende Mete her. Die- Anschlüsse 28 bis 31 können an den zugehörigen Kontaktflächen auch auf andere geeignete Weise, beispielsweise mit Hilfe einer . --.'lötverbindung, befestigt werden. Des weiteren sind elektrische Verbindungen zwischen den Strompfa— den 20 und 22 sowie zwischen den Elektrodenflächen des Bügels

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lind des Ankers 16 auf der Schient 11 über Leiter 32 "bzw. 33 ■vorhanden. Ein Gegenstück zu dem Leiter 33> nämlich ein Leiter 34 (I¹Ig. 2) stellt eine elektrische Verbindung zwischen den entsprechenden Elektrodenflächen auf der Schicht 12 her.

Die vorstehend erläuterten Anschlüsse und elektrischen Verbindungen stellen eine nachstehend erläuterte Betriebsschaltung für die erfindungsgemäße Schaltvorrichtung dar. Die Anschlüsse 28 und 31 gestatten das Anlegen einer Betriebsspannung zwischen der Mittellamelle 14 und jeder der Elektroden 13-1 und 13-4 der piezoelektrischen Schichten 11 bzw. 12. Beim Parallelbetrieb der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung wird eine positive Betriebsspannung mit Hilfe des Anschlusses 28 gleichzeitig an die Elektroden 13-1 und 13-4 angelegt, wobei, wie vorstehend bereits erwähnt wurde, der Anschluß 28 mit beiden Elektroden 13-1 und 13-4 elektrische verbunden ist«, Diese positive Betriebsspannung gelangt über die Leiter 33 und 34 an die gesamten Elektrodenflächen auf den beiden Seiten einschließlich der Elektrodenflächen des Ankers 16. Der lediglich mit der Ifittellamelle 14 verbundene Anschluß 31 gestattet zur gleichen Zeit eine negative Aufladung oder Erdung der Mittellamelle 14 während des Betriebs der Schaltvorrichtung bzw. des Relais. Die Anschlüsse 29 und 30 eignen sich für eine Serienschaltung mit demjenigen Schaltkreis, dessen Stroiadurchgängigkeit mit Hilfe der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung überwacht bzw. gesteuert v/erden soll, wobei sich der überwachungs- bzw. Steuerteil der erfindungsgemäßen Schaltvorrich-

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tung wie folgt zusammensetzt: Anschluß 29, Strompfad 22, Überbrückungsleiter 32, Strompfad 20, beweglicher Kontakt 25, ortsfester Kontakt 26, Hontagespange 27, Strompfad 23 und Anschluß 30.

Unter Berücksichtigung des vorstehend erläuterten Aufbaus einer speziellen piezoelektrischen Relaiskonstruktion nach der Erfindung soll nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 3 die Arbeitsweise dieser Relaiskonstruktion beispielhaft erläutert werden. Zuvor soll jedoch ein weiterer und allgemein bekannter Schritt bei der Herstellung von piezoelektrischen Relais kurz gestreift werden. Vor der Iiaminierung wird 3ede der piezoelektrischen Schichten 11 und 12 in geeigneter Weise polarisiert. Dies bedeutet, daß elektrische Gleichstromfelder an die Schichten angelegt werden, um Domänen mit in Yorzugsrichtung orientierten Dipolen zu erzeugen, wodurch remanente Polarisationen in den Schichten analog zu remanenten Magnetisierungen in ferromagnetischen Werkstoffen induziert werden. Dieser Polarisationsschritt kann mit Feldern durchgeführt werden, die durch Anlegen einer Gleichspannung in der Größenordnung von 600 V bei geeigneten Temperaturbedingungen und über geeignet lange Zeitintervalle hinweg in bekannter Weise erzeugt werden. Entsprechend dem Erfindungsgedanken und * in Abweichung von bekannten piezoelektrischen Schaltvorrichtungen weist jede der Schichten 11 und 12 entgegengesetzt ge- . richtete Polarisationen innerhalb der Schicht auf* Und zwar sind die Bügelabschnitte 17 jeder Schicht in"den durch Pfeile 35 und 36 angedeuteten Richtungen ähnlich polarisiert. Dea-

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gegenüber sind die Ankerabschnitte 16 jeder Schicht in den entgegengesetzten Sichtungen polarisiert^, wie durch Pfeile 37 und 38 angedeutet ist (lig. 2). Die Induktion dieser entgegengesetzt gerichteten Polarisationen während der Herstellung wird dadurch erleichtert, daß auf den Außenflächen der Schichten 11 und 12 Elektrodenlücken 19 ausgespart werden, welche anschließend durch die Leiter 33 und 34 überbrückt werden»

Die Schaltvorrichtung bzw. das Relais nach 3?ign. 1 und 2 wird durch Anlegen einer Betriebsspannung an die Anschlüsse 28 und 31 in Betrieb gesetzt, wobei die Amplitude der Betriebsspannung wesentlich geringer ist als die Amplitude der vorstehend erwähnten Polarisationsspannung. Die Polarits-ten der Betriebsspannungen an verschiedenen Stellen der Schichten 11 und 12 sind durch Pfeile 39 bis 42 angedeutet. Aufgrund und entsprechend der piezoelektrischen Erscheinung erfolgt eine Ausdehnung in den Schichten 11 und 12 dort, wo sich die Betriebsspannung in depolarisierender Richtung befindet, wohingegen eine Zusammenziehung in den Schichten 11 und 12 dort auftritt, τ/ο sich die Betriebsspannung in polarisierender Richtung befindet. Das Ergebnis der so erzeugten mechanischen Spannungsbeanspruchungen in den Schichten 11 und 12 ist in ?ig. 3 anhand des dort dargestellten Bewegungsablaufs veranschaulicht. Bei dieser vergrößerten Darstellung ist nur eine Seitenansicht des lamierten Bimorphats bzw. bimorphen Streifens 10 dargestellt; zur weiteren Vereinfachung sind nur der Bügel 17 und der Anker 16 angedeutet. Betrachtet man getrennt die Wir-

*'" kungen der erzeugten mechanischen Spannungsbelastungen in den

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Schicliten 11 und 12 auf dem Bügel- und Ahkerabschnitt 17 bzw. 16, so sieht man, daß der Bügelabschnitt 17 im Uhrzeigersinn vom Sockelabschnitt 18 leicht weggebogen wird, wodurch eine leichte Krümmung über seine gesamte Länge entsteht, wie durch strichpunktiert eingezeichnete Außenbegrenzungen an der Stelle 17a, d.h., an der Anlenkungsstelle des Ankers 16 angedeutet ist. Bei Fehlen weiterer Spannungsbeanspruchungen des Ankers 16 erstrecken, sich dessen Oberflächen tangential zu den Innen- und Außenkrümmungen des ausgelenkten Bügelabschnitts, wodurch der Anker 16 ebenfalls im Uhrzeigersinn von seiner Anlenkungsstelle aus ausschwenkt, wie mit 16a angedeutet ist. Damit führt allein die Bewegung des Bügels 17 zu einer Bewegung des Kontaktes 25 in Richtung auf den gegenüberliegenden Kontakt 26 über einen Teil der zwischen den Kontakten 25 und 26 im Ruhezustand des Relais vorhandenen Strecke. Es werden jedoch auch in dem Anker 16 durch die über die Leiter 33 und 34 zugeführten Betriebsspannungen piezoelektrische Spannungsbeanspruchungen induziert. Diese Spannungsbeanspruchungen sind den in dem Bügelabschnitt 17 des Streifens IQ induzier- ' ten Spannungsbeanspruchungen entgegengesetzt und bewirken eine leichte Krümmung des Ankers 16 im Uhrzeigersinn, wodurch der Anker 16 die mit 16b angedeutete Lage einnimmt und sein Kontakt 25 die restliche Strecke zu dem gegenüberliegenden Kontakt 26 zurücklegt und mit diesem in kraftschlüssige Berührung gelangt. Es addieren sich also in vorteilhafter Weise zwei Kräfte, um die Kontakte 25 und 26 in Berührung zu bringen«. Geht man von e.inem normalen Kontakt spalt aus, so ist durch

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diese additive Wirkung die Strecke, über welche jede einzelne Kraft den beweglichen Kontakt 25 bewegen .muß, praktisch halbiert. .-".Infolge der Verringerung der erforderlichen Bewegung der beiden Abschnitte 16 und 17 des bimorphen Streifens 10 kann die Amplitude der Betriebsspannung entsprechend Terringert werden. Beim Abschalten der angelegten Betriebsspannung wird die Schalt Vorrichtung bzw. das Relais durch die Hysterese-Eigenschaft der remanenten Polarisationen des Bügels 17 und des Ankers 16 in den normalen Ruhezustand zurückgestellt.

In Jig. 4 ist eine Möglichkeit dargestellt, wie- der Erfindungsgedanke bei der Realisierung einer Mehrkontakt-Relaisanordnung angewendet werden kann. Da jeder Kontaktabschnitt dieser Mehrkontakt-Relaisanordnung identisch mit dem vorstehend ärläuterten Kontaktabschnitt ist, ist in Fig. 4 nur das bimorphe Bauelement dargestellt. Und zwar ist. in einem einzigen bimorphen Streifen 46 eine Mehrzahl von nebeneinander liegenden U-förmigen Einschnitten 45 bzw. Perforationen vorgesehen. Die Flächen des Streifens 46, welche die einzelnen Relaisabschnitte definieren, besitzen individuelle, darauf aufgebrannte Elektroden 47, um die vorstehend erläuterte Funktionsweise für jeden einzelnen Relaisabschnitt unabhängig von den übrigen Relaisabschnitten sicherzustellen.

In der Praxis wird jede Schaltvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung mit seinem Sockel auf einem in geeigneter ^Teise isolierten Träger befestigt und in herkömmlicher Weise mit einer Schutzhaube umschlossen. Anstelle eines Parallelbetriebs, wie er für das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel -21-

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angenommen wurde, kann ebensogut auch ein Serienbetrieb vorgesehen werdenβ" Bei dieser Betriebsart wird die Betriebsspannung nur an die Elektroden 13-1 und 13-4» nicht aber an die Mittellamelle 14- angelegt. Die Relaiskonstruktion muß in diesem Falle nur dahingehend abgeändert werden, daß der Anschluß 28-über den Strompfad 21 nur mit der Elektrode 13-1 verbunden wird und ferner der Anschluß 28 von der Gegenelektrode 13-4 abgetrennt wird. Anschließend wird von der letztgenannten Gegenelektrode t3-4 eine Verbindung zum Anschluß 31 hergestellt, was in bequemer Y/eise mit Hilfe eines dem Leiter 52 ähnlichen Überbrückungsleiters erfolgen kann; gleichzeitig wird der Anschluß 31 von der Mittellamelle 14 elektrisch getrennt. Unabhängig von der gewählten Betriebsart wird durch die erfindungsgemäße Schaltvorrichtung ein kleinerer, kompakterer und ein- . facherer Aufbau als bisher erreicht, ferner ist die-Kontaktspalt justierung leicht durchführbar, und zwar auch bei Änderungen der Ebenen des bimorphen Streifens. Die in bevorzugter Weise erfolgende Befestigung des ortsfesten Kontaktes auf einer Spange 27 gestattet diese leichte Justierung, indem einfach die Spange 27 in der erforderlichen Weise unter Erweiterung oder Verengung des Kontaktspaltes gebogen wird.

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Claims

g. ff altar Jackiseh

ZSiUitgart N. Menzefstraße4Q

Western Electric Company, Incorporated A 36 236-lco 222, Broadway
New York, N.Y. 10038, U.S.A. 29, AlIS, *J978

Patent an Sprüche

Piezoelektrische Schaltvorrichtung, mit einem bimorphen Streifen, der Materialschichten mit piezoelektrischen Eigenschaften aufweist, wobei jede der Materialschichten Elektroden mit darauf aufgebrachten, metallischen Oberflächen- er zügen besitzt, wovon eine Elektrode eine elektrisch leitende Mittellamelle mit umfaßt, und wobei ferner ein erster Kontakt auf dem Streifen und ein zweiter Kontakt auf einem Bauteil außerhalb des Streifens montiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Streifen (10) unterteilt ist in (a) einen Anker (16) mit dem ersten, beweglichen, flachen Kontakt (25) an dessen einem freien Ende, und (b) einen Bügel (17) mit einem nicht-leitenden Sockel (18), auf welchem der zweite, ortsfeste Kontakt (26) montiert ist, wobei ein freies Ende des Bügels (17) mit dem anderen Ende des Ankers (16) verbunden ist.
2. Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (16) von dem Bügel (17) durch eine U-förmige Perforation (15) getrennt ist, wobei der Bügel (17) als Aufhängerahmen für den Anker (16) dient. ;

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3. Schaltvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß jede der Schichten (11, 12) des "bimorphen Streifens (10) gesonderte, darin induzierte, remanente Polarisationen aufweist, wobei die Polarisationsrichtungen der Schichten des Ankers (16) den Polarisationsrichtungen der Schichten des Bügels (17) entgegengesetzt sind.
4. Schaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß erste oder zweite Anschlüsse (28, 29) an dem Streifen (10) befestigt sind, und daß ein erster Strompfad (21, 33) den ersten Anschluß (28) mit dem beweglichen Kontakt (25) verbindet.
5. Schaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4» dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Strompfad (30, 33) an eine auf dem Streifen (10) montierte, elektrisch leitende Spange (27) angeschlossen ist.
6. Schaltvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet , daß dritte und vierte Anschlüsse (30, 31) an dem Streifen (10) befestigt und über Strompfade mit bestimmten Elektroden (13) des Streifens (10) verbunden sind_o
7. Schaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der bimorphe

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Streifen (46) mit einer Mehrzahl von U-förmigen Perforationen ■fazw. Einschnitten (45) versehen ist, welche eine IJehrkontaktrelaisanordnung definieren, (J¹Xg. 4).