DE3544646A1

DE3544646A1 - Synchron betaetigbare elektrische stromschalteinrichtung mit vergroessertem kontaktabstand in der oeffnungsstellung und vergroesserter kontaktschliesskraft in der schliessstellung

Info

Publication number: DE3544646A1
Application number: DE19853544646
Authority: DE
Inventors: George Albert Saratoga N.Y. Farrall; John Harvey van Ballston Spa N.Y. Noy
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1984-12-21
Filing date: 1985-12-17
Publication date: 1986-06-26
Also published as: US4620124A; GB8529188D0; JPS61156618A; MX159296A; GB2168851B; GB2168851A

Description

Synchron betätigbare elektrische Stroiaschalteinrichtung mit vergrößertem Kontaktabstand in der Öffnungsstellung und vergrößerter Kontaktschließkraft in der Schließstellung.

Die Erfindung bezieht sich auf eine piezoelektrisch betätigte Einrichttong, die zum Schalten elektrischer Stromkreise brauchbar ist. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf piezoelektrische Schaltelemente, die speziell aufgebaut sind, um kombiniert einen vergrößerten Kontaktabstand, wenn die Kontaktstücke in der offenen Stellung sind, und eine vergrößerte Schließkraft zu haben, wenn die Kontaktstücke in der geschlossenen Stellung sind.

Bisher wurden elektromagnetische Relais verwendet, um einen weiten Bereich elektrischer Stromkreise zu schalten, indem ein oder mehrere Paare elektrischer Kontaktstücke getrennt

oder geschlossen wurden. Elektromagnetische Relais sind zwar für einige Änwendungsfälle zufriedenstellend, aber sie können relativ langsam arbeitend sein, sie beanspruchen relativ viel Eaum und sie sind teuer. Sie erfordern üblicherweise eine relativ große Magnetspule und zugeordnete mechanische Verbindungselemente, 'um für eine Bewegung der Kontaktstücke zu sorgen. Derartige Spulen- und Gelenksysteme sind abgesehen davon, daß sie einen großen Teil der Eeiaiskosten beanspruchen, im aligemeinen ineffizient bei der Energieausnutzung. Weiterhin eignen sich elektromagnetische ^. Relais nicht für einen synchronen Betrieb« Obwohl übliche ^- -' elektromagnetische Relais verwendet werden können, um Lasten, wie beispielsweise einen elektrischen Wechselstromkreis, auf Befehl zu schalten, so ist die Bewegung der Kontaktstücke üblicherweise zufällig bezüglich des zeitlichen Ablaufs der Laststromkurve wegen der im allgemeinen langen mechanischen Reaktionszeiten, die bei dem Betrieb derartiger Relais auftreten. Infolgedessen sind die Öffnungs- und Schließvorgänge der Kontaktstücke nicht synchronisiert mit den Stromnulldurchgangspunkten der Stromkurven, insbesondere wenn die Last ein Wechselstromkreis ist. Für elektrische Stromkreise, die mit Stromwerten arbeiten, die für Netzquellen, wie beispielsweise das Haushaltsnetz, typisch sind, ist das öffnen und Schließen der Relaiskontakte häufig begleitet von einer Lichtbogenbildung zwischen den Kontaktstücken. Wenn der Strom in einem derartigen Stromkreis unterbrochen wird, fällt der durch die Relaiskontakte fließende Strom int Zeitpunkt der Kontakt.trennung nicht auf null ab, sondern fließt weiterhin in der Form eines Lichtbogens zwischen den Kontaktstücken, was gewöhnlich so lange fortdauert, bis sich die Wechselstromkurve dem nächsten Nulldurchgang der Sinuskurve nähert. Wenn der Strom an dem Nulldurchgang der Sinuskurve abfällt, wird der Lichtbogen instabil und plötzlich gelöscht, eine Erscheinung, die häufig als Zerhackung bezeichnet wird. Diese plötzliche Löschung bei einem kleinen Strom stellt eine Stromänderung mit extrem

- hoher Geschwindigkeit dar. Wenn der elektrische Stromkreis,

in dem der Strom unterbrochen wird, eine signifikante Induktivität enthält, werden infolgedessen hohe transiente bzw. flüchtige Spannungen erzeugt, die dem Produkt der Induktivität und der Stromänderungsgeschwindigkeit proportional sind. Diese transienten Spannungen können einen elektrischen Durchbruch in entweder der Einrichtung, die mit dem Stromkreis verbunden ist, oder in dem Relais selbst oder in beiden bewirken. Darüber hinaus ruft eine derartige Lichtbogenbildung Beschädigungen in den Kontaktstücken /\ selbst hervor und kann eine Kontakterosion und Kontaktverschweißung bewirken. Es ist deshalb wünschenswert, jede auftretende Lichtbogenbildung zwischen den Relaiskontakten, wenn die Kontaktstücke geöffnet oder geschlossen werden, auf ein Minimum zu senken. Ein Weg, die Lichtbogenbildung mögl-chst gering zu halten, besteht darin, das Relais derart zu betätigen, daß es den elektrischen Stromkreis an einem Punkt in -"er Laststromkurve schaltet, wo der Strom so nahe wie möglich bei null liegt. Dieser Betrieb wird im folgenden als synchroner Betrieb bezeichnet.

Eine piezoelektrische Vorrichtung, die das schnelle Bewegungsvermögen eines piezoelektrischen Biegegliedes aus-

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Schaltrelais zu schaffen. Ein synchroner Betrieb erfordert, daß die Relaiskontakte zwischen den Öffnungs- und Schließstellungen in einer relativ kurzen Zeitperiode bewegt werden. Der schnelle Vorgang, die relativ kleine Masse und die kurze Bewegungsstrecke eines piezoelektrischen Biegegliedes erleichtern die Verwendung einer derartigen Vorrichtung in einem synchron betätigbaren Relais. Ein weiteres Charakteristikum einer piezoelektrischen Vorrichtung besteht darin, daß die Auslenkkraft, die zum Bewegen der Kontaktstücke wirksam ist, zu Beginn der Auslenkung des piezoelektrischen Biegegliedes auf einem Maximum ist. Dieses Charakteristikum verstärkt weiterhin das Vermögen der Vorrichtung, die Re-

laiskontakte in einer kurven Zeitperiode zu bewegen. Mit diesem schnellen Aktionsvermögen kann ein piezoelektrisches Relais so betätigt werden, daß die Kontaktstücke geöffnet oder geschlossen werden sehr nahe an dem Zeitpunkt, zu dem der Strom in dem geschalteten Stromkreis null ist, wodurch die Kontakterosios,- fontaktverschweißung und transients induktive SpannutJe^ wesentlich vermindert werden. Weiterhin vermeidet ^s= Einfachheit einer piezoelektrischen Vorrichtung ά'.ζ. meisten der mechanischen Probleme üblicher elektromagnetischer Relais, und der Wirkungsgrad bzw. Ener- § /"N gieausnutzung einer derartigen Vorrichtung gestattet 'sinen

Betrieb mit wesentlich weniger Energieverbrauch.

J Jedoch ist die Verschiebung, die für piezoelektrische Bie-

^a geglieder kleiner Größe erzielbar ist, relativ klein, ins-

besondere wenn das Biegeglied in einer sogenannten "Raupen"-Konfiguration betrieben wird, bei der die zwei Enden des Biegegliedes feststehend bleiben, während sich die Mitte

\ bei einem zugeführten elektrischen Signal auslenkt. Bei-

spielsweise kann für ein Biegeglied, das in einer synchron

betätigbaren Schalteinrichtung verwendbar ist, die erzielbare Auslenkung nur etwa 0,25 bis 0,5 mm (1Ο-2Ο Tausendstel Zoll) betragen. Bei einigen Anwendungsfällen können der- S ^% ) artig kleine Auslenkungen nicht für eins ausreichende Kon— takttrennung sorgen, um die Erfordernisse hinsichtlich der dielektrischen Festigkeit bei der auftretenden Applikation zu erfüllen. Weiterhin ist die Kontaktschließkraft, die von einem piezoelektrischen Biegeglied erhältlich ist, ebenfalls relativ klein, und dio verfügbare Kraft ist auf einem Minimum am Ende der Auslenkung des Biegeelements. Zwar ist die Kraftcharakteristik eines piezoelektrischen Biegeelements, die ein Maximum zu Beginn der Bewegungsbahn des Biegegliedes und ein Minimum an dessen Ende hat, brauchbar für synchron betätigte Relaiskontakte, da eine derartige Kraftcharakteristik ein schnelles Aktionsvermögen ergibt, sie kann aber auch kleinere Restkräfte in der Schließstel--

lung der Relaiskontakte zur Folge haben als es für ein elektromagnetisches Relais charakteristisch ist. Wenn die restliche Schließkraft auf die Kontaktstücke zu klein ist., kann der elektrische Widerstand der Grenzfläche der geschlossenen Kontaktstücke, was üblicherweise als Kontaktwiderstand bezeichnet wird, für einen bestimmten Stromkreis unzulässig hoch sein. Ein hoher Kontaktwiderstand hat einen übermäßigen Leistungsverlust an der Kontaktfläche zur Folge, und die Widerstandserwärmung an der Grenzfläche bzw. an dem Interface kann zu einer Reihe von Kontaktfehlerzuständen führen. Aus diesen Gründen ist die volle Verschiebung, die durch ein piezoelektrisches Biegeelement erzielbar ist, nicht erreichbar, wenn das Biegeglied in einer Schalteinrichtung verwendet wird. Stattdessen wird nur ein Teil der erzielbaren Verschiebung verwendet, um für eine Kontakttrennung zu sorgen, während der Rest dazu verwendet wird, für eine restliche Schließkraft zu sorgen, wenn die Kontaktstücke in der geschlossenen Stellung sind.

Piezoelektrische Biegeelemente sind bisher in einer Anzahl \ von Anwendungsfällen verwendet worden, wozu die Verwendung ^: in verschiedenen piezoelektrischen Relais gehört. Beispielsweise sind piezoelektrische Biegeelemente bzw. Bieger, die ^ als Relaiselemente verwendet werden, in den US-Patentsehrif- I f

ten 2 166 763, 2 182 340, 2 471 967, 2 835 761, 4 093 883 § und 4 403 166 beschrieben. Jedoch ist keines der bekannten piezoelektrischen Relais für eine minimale Lichtbogenbildung ί ausgelegt. Weiterhin ist dort in keiner Weise eine Anregung \ gegeben, ein synchron betätigbares Relais oder ein Relais zu schaffen, das besonders brauchbar ist zum Schalten elektrischer Stromkreise, die mit Haushaits-Netzströmen arbeiten. Wie eingangs bereits beschrieben wurde, hat das Schalten von Stromkreisen, die bei derartigen Stromwerten arbeiten, eine signifikante Lichtbogenbildung zur Folge, wenn der Stromkreis nicht zu einem Zeitpunkt nahe dem Nulldurchgang des sinusförmigen Wechselstroms geschaltet wird. In einer

gleichzeitig eingereichten Anmeldung der Anmelderin P (Anwaltszeichen: 9721.2-RD-15 810) ist ein piezoelektrisches Relais mit einer sehr kleinen Spaltlänge angegeben im Vergleich zu dem Kontaktabstand für bekannte Relais, wobei das neuartige Relais synchron betätigt werden kann derart, daß beispielsweise Wechselstromkreise mit Volt ein- und ausgeschaltet werden können mit minimaler Lichtbogenbildung zwischen den Relaiskontakten. In einer weiteren, gleichzeitig eingereichten Anmeldung der Anmelderin P (Anwaltszeichen: 9722.3-RD-15812) ist eine

synchron betätigbare elektrische Stromschalteinrichtung ' angegeben, die mehrere piezoelektrische Biegeelemente verwendet und die zum Schalten von Vielfach-Stromkreisen oder zum Verkleinern des Kontaktwiderstandes in einem oder einigen Stromkreisen verwendet werden kann. Die vorliegende Erfindung schafft eine synchron betätigbare elektrische Stromschalteinrichtung, die für einen vergrößerten Abstand zwischen den schaltenden Kontaktstücken, wenn die Kontaktstück^ in der offenen Stellung sind, und eine vergrößerte Schließkraft sorgt, wenn die Kontaktstücke in der geschlossenen Stellung sind.

Demzufolge ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine piezo- I

^ elektrisch betätigte, elektrische Stromschalteinrichtung zu schaffen, die einen vergrößerten Kontaktabstand, wenn die Kontaktstücke in der offenen Stellung sind, und eine vergrößerte Schließkraft besitzen, wenn die Kontaktstücke in der geschlossenen Stellung sind. Dabei soll die elektrische Stromschalteinrichtung schnellwirkend sein, eine kleine Größe besitzen, eine gute Energieausnutzung aufweisen und billig sein. Ferner soll die Stromschalteinrichtung synchron betätigt werden können.

Erfindungsgemäß wird eine piezoelektrisch betätigte Schalteinrichtung für elektrischen Strom geschaffen, die einen erhöhten Abstand zwischen den schaltenden Kontaktstücken,

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wenn die Kontaktstücke in der Öffnungsstellung sind, und eine vergrößerte Kontaktschließkraft besitzt, wenn die Kontakte in der Schließstellung sind. Die erfindungsgemäße Schalteinrichtung ist besonders brauchbar für einen

« synchronen Betrieb der geschalteten Schaltungsanordnung.

Die Einrichtung weist ein Paar in Abstand angeordneter,

gegenüberliegender, multimorpher piezoelektrischer Biegeelemente und wenigstens ein Paar von elektrischen Stromschaltkontakten auf. Ein Kontaktstück ist auf einer ersten der gegenüberliegenden Oberflächen der zwei gegenüberliev» genden Biegeglieder angebracht, und das andere Kontaktstück ist auf der zweiten der gegenüberliegenden Oberflächen angebracht. Die piezoelektrischen Biegeglieder sind so angeordnet, daß bei einem ersten elektrischen Signal die Biegeglieder sich in Richtung aufeinander zu biegen und die Kontaktstücke in eine geschlossene Stellung bewegen, und daß bei einem zweiten elektrischen Signal die Biegeglieder sich voneinander weg biegen und die Kontakt-Btücke in eine offene Stellung bewegen. Vorzugsweise sind die Biegeelemente so angeordnet, daß der Abstand zwischen den Kontaktstücken in der Öffnungsstellung größer ist als die Verschiebungsstrecke, die von einem der Biegeelemer.te alleine erhältlich ist, während die Biegeelemente weiter-( ' hin auch so angeordnet sind, daß der Abstand zwischen den Kontaktstücken bei Fehlen irgendeines zugeführten elektrischen Signales kleiner ist als die Summe der Verschiebungsstrecken, die von den zwei Biegeelementen erhältlich ist. In einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung können drei piezoelektrische Biegeglieder vorgesehen sein, die ähnlich der vorstehend beschriebenen Art konfiguriert sind, so daß ein Dreistellungsschalter gebildet ist.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

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Figuren 1 und 4 - sind Seitenansichten, die schematich

piezoelektrische Biegeelemente darstellen, die bei der erfindungsgemäßen Einrichtung brauchbar sind.

Figur 2

Figur 3

Figur 5

- ist eine Seitenansicht und zeigt schematisch ein Aasführungsbeispiel der Erfindung.

- zeigt in einer Seitenansicht schematisch ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung.

- zeigt in einer Seitenansicht schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel.

Figuren 6 und 7 - sind Seitenansichten, die schematisch

weitere Ausführungsbeispiele gegenüber dem in Figur 5 gezeigten darstellen.

Figur 1 zeigt in einer Seitenansicht schemaüsch ein multimorphes piezoelektrisches Biegeglied, das in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung brauchbar ist. Mit der Bezeichnung "multimorph" ist gemeint, daß das piezoelektrische Biegeglied ein Sandwich bzw. einen Schichtkörper aufweist, der aus abwechselnden Schichten aus elektrisch leitfähigem Material und piezoelektrischem Material gebildet ist, wobei die Schichten in einem parallelen Aufbau angeordnet sind. Ein multimorphes Biegeglied, das zwei piezoelektrische Schichten verwendet, die durch eine elektrisch leitfähige Schicht getrennt sind und die eine elektrisch leitfähige Schicht neben der gegenüberliegenden Seite von jeder der piezoelektrischen Schichten aufweist, wird gewöhnlich als ein "bimorphes" Biegeglied bezeichnet. Wie durch den bimorphen Aufbau in Figur 1 dargestellt ist, weist das piezoelektrische Biegeglied 10 vorzugsweise eine mittlere, elek-

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trisch leitfähige Schicht 28 auf, die von jeder der äußeren, elektrisch leitfälligen Schichten 24 und 32 durch Schichten 26 bzw. 30 aus piezoelektrischem Material getrennt isfc. In dem bevorzugten Äusführungsbeispiel des in Figur 1 gezeigten piezoelektrischen Biegeglied«-s weist die mittlere, elektrisch leitfähige Schicht 28 eine 5-Schicht-Struktur auf. In dieser 5-Schicht-Struktur bildet ein Federteil 13 eir. mittleres flexibles Glied, um eine Biegebewegung des Biegegliedes zu erleichtern. Leitfähige Epoxydschichten 15 und dienen dazu, die zwei Hälften des Biegegliedes an dem mittleren Federteil 13 zu befestigen. Die mittleren Leiterschichten 19 und 21 bilden Mittel zum elektrischen Verbinden der piezoelektrischen Material schichten 26 und 3O mit einer externen Schaltungsanordnung (nicht gezeigt). Elektrische Leiter 48 und 50 sind elektrisch mit den Außenschichten 24 bzw. 32 verbunden, und ein elektrischer Leiter 52 ist elektrisch mit der Mittelschicht 28 verbunden. Die elektrisch leitfähigen Schichten 24 und 32 und die Schichten 26 und 30 aus piezoelektrischem Material sind so angeordnet, daß ein ebener bzw. flacher Kondensator mit piezoelektrischem Material als das Dielektrikum zwischen der Außenschicht 24 und der Mittelschicht 28 gebildet ist, und ein ähnlicher ebener Kondensator ist zwischen der Außen- Kz* schicht 32 und der Mittelschicht 28 gebildet. Kit diesem bimorphen Aufbau besitzt das Biegeglied 10 eine Biegebewegung in einer Richtung im wesentlichen senkrecht zu der Ebene, in der das Biegeglied 10 liegt, bei einem ersten elektrischen Signal, und eine Biegebewegung in der entgegengesetzten Richtung bei einem zweiten elektrischen Signal. Wenn das eine Ende des Biegegliedes 10 festgehalten ist und eine Spannung zwischen die Außenschicht 24 und die Mittelschicht 28 angelegt wird, bewirkt ein elektrisches Feld über der piezoelektrischen Materialschicht 26, daß sich das freie Ende des Biegegliedes 10 nach oben auslenkt bzw. bewegt. In ähnlicher Weise bewirkt eine Spannung, die zwischen die Außenschicht 32 und die Mittelschicht 28 angelegt ist, daß

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sich das freie Ende des Biegegliedes 10 nach unten biegt bzw. auslenkt. Wenn beide Enden des Biegegliedes festgehalten sind und eine Spannung entweder zwischen die Schichten 24 und 28 oder zwischen die Schichten 32 und 28 angelegt wird, biegt sich die Mitte des Biegegliedes 10 nach oben bzw. unten nach Art einer Raupenbewegung. Ein Schaltkontakt 44 für elektrischen Strom ist an der äußeren, elektrisch leitfähigen Schicht 32 des piezoelektrischen Biegegliedes 10 angebracht. In Anwendungsfällen, wo es erwünscht ist, das Kontaktstück 44 von der elektrisch leitfähigen Schicht 32 elektrisch zu isolieren, ist eine Kontaktbefestigung 40 zwischen dem Kontaktstück 44 und der Schicht 32 vorgesehen und weist ein elektrisch isolierendes Material auf.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in Figur 2a schematisch dargestellt ist, sind zwei multimorphe, piezoelektrische Biegeglieder 10 im Abstand einander gegenüberliegend angeordnet. Die dort gezeigte piezoelektrisch betätigte, elektrische Stromschalteinrichtung weist ferner wenigstens ein Paar Schaltkontakte 59 und 60 für elektrischen Strom auf. Die Kontaktstücke 59 und 60 sind auf den Biegegliedern 10 so angebracht, daß eines der Kontaktstücke auf der einen gegenüberliegenden Oberfläche dar zwei Biegeglieder angebracht ist, und das zveite Kontaktstück ist auf der zweiten gegenüberliegenden Oberfläche angebracht. Die Kontaktstücke 59 und 60 und die piezoelektrischen Biegeglieder 1O sind weiterhin derart angeordnet, daß bei einem ersten elektrischen Signal die Biegeglieder 10 sich in Richtung aufeinander biegen und die Kontaktstücke 59 und 60 in eine geschlossene Stellung lvpwi»crpn_ Die Bieaeelemente 1O sind weiterhin so aufgebaut, daß bei einem zweiten elektrischen Signal die Biegeelemente 10 sich voneinander weg biegen und die Kontaktstücke 59 und 60 in eine geöffnete Stellung bewegen. Es ist bei piezoelektrischen Materialien bekannt, daß die Richtung, in der sich das piezoelektrische

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Biegeelement 10 bei einem zugeführten elektrischen Signal bewegt, von der Art und Weise abhängt, in der die aus piezoelektrischem Material bestehenden Schichten 26 und 30 "gepolt" sind, und ferner hängt die Biegerichfcung von der Polarität der Spannung, die entweder an den Leiter 48 oder den Leiter 50 angelegt ist, in bezug von der an den Leiter 52 angelegten Spannung ab. Die Schichten 26 und 30 aus piezoelektrischem Material können so gepolt sein, daß sich das Biegeglied 10 abwärts bewegt, wenn die an den Leiter 48 angelegte Spannung negativ ist in bezug auf die an den Leiter 52 angelegte Spannung, und sich nach oben bewegt, wenn die an den Leiter 50 angelegte Spannung negativ ist in bezug auf die an den Leiter 52 angelegte Spannung. Alternativ können die Schichten 26 und 30 aus piezoelektrischem Material so gepolt sein, daß sich das Biegeglied 10 abwärts bewegt, wenn die an den Leiter 48 angelegte Spannung positiv ist, und sich aufwärts bewegt, wenn die an den Leiter 50 angelegte Spannung positiv ist in bezug auf die an den Leiter 52 angelegte Spannung. Bei der folgenden Erläuterung wird nur auf die letztgenannte Polung bezug genommen. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß andere Polungen in gleicher Weise anwendbar sind mit entsprechenden Änderungen in der Polarität der zugehörigen elektrischen Signale.

Wenn die piezoelektrischen Schichten 26 und 30 von jedem piezoelektrischen Biegeglied 10 in der oben beschriebenen Weise gepolt sind und wenn die Biegeglieder 10 elektrisch derart miteinander ^/erbunden sind,- wie es in Figur 2a gezeigt ist, dann biegen sich die Biegeelemente 10 voneinander weg, wie es in Figur 2b gezeigt ist, wenn das elektri-

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suiic ruucnuiax an uciu nusuuj.ua λ pusxLxv yciuauiiu xsl j.ii jjc~ zug auf das elektrische Potential am Anschluß C. Wenn stattdessen das elektrische Potential am Anschluß B positiv gemacht ist in bezug auf das elektrische Potential am Anschluß C, dann biegen sich die Biegeglieder 10 in Richtung aufeinander zu, wie es in Figur 2c gezeigt ist. Durch eine

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geeignete Abstandsbildung der zwei Biegeglieder 10 und der Kontaktstücke 59 und 60 voneinander kann die in Figur 2a gezeigte Schalteinrichtung für einen größeren Abstand zwischen den Kontaktstücken 59 und 60 sorgen, wenn sie in der Öffnungsstellung sind, im Vergleich zu dem erreichbaren Kontaktahstand, wenn nur ein Biegeglied 10 verwendet werden würde. Die Eii>richr-mg kann auch veranlaßt werden, für eine größere restliche "Vjhließkraft auf die Kontaktstücke 59 und 60 zu sorgen, „aim sie in der Schließstellung sind, als sie von einem ji-izigen piezoelektrischen Biegeglied 10 für die gleiche Kontaktbewegungsstrecke erhältlich wäre. Vorzugsweise wird für eine Kombination von erhöhter Kontakttrennung und erhöhter Schließkraft gesorgt. Wenn die Biegeglieder 10 so angeordnet und elektrisch verbunden werden, wie es in Figur 2a gezeigt ist, bewirkt die Zufuhr eines elektrischen Signals mit positiver Spannung zum Anschluß A, daß sich jedes Biegeglied 10 \on dem anderen wegbiegt. Die Summe der zwei Biegestrecken und somit der Abstand zwischen den Kontaktstücken 59 und 60 in der Öffnungsstellung ist größer als die Biegestrecke, die von einem der piezoelektrischen Biegeglieder 10 alleine für das gleiche Triggersignal erhältlich wäre. Wenn die Biegeglieder 10 ferner so angeordnet sind, daß der Abstand zwischen den Kontaktstücken 59 und 60 bei Fehlen irgendeines zugeführten elektrischen Signals kleiner ist als die Summe der Biegestrecken, die von den zwei Biegegliedern 10 erhältlich ist, wenn das eine positive Spannung aufweisende Signal dem Anschluß B zugeführt wird, dann wird die erhältliche Biegestrecke "umgewandelt" in eine restliche Kontaktschließkraft. Dies bedeutet, daß sich die Kontaktstücke 59 und 60 in Richtung aufeinander bewegen, bis sie sich, treffen. und an Λΐρκ^τη Punicf; wirkt: die verbleibende Biegekraft, die durch die Biegeglieder 10 erzeugt wird und die anderenfalls die Kontaktst-ücke 59 und 60 weiter in Richtung aufeinander bewegen würde, wenn diese nicht bereits in der geschlossenen Stellung wären, als eine Restschließkraft auf die Kontaktstücke 59 und 60, um diese zu-

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sammenzuhalten. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Biegeglieder 10 so angeordnet, daß der Abstand zwischen den Kontaktstücken 59 und 60, wenn kein elektrisches Signal zugeführt ist, eine Hälfte der Summe der Biegestrecken ist, die von jedem der Biegeglieder 10 bei einem positiven Spannungssignal am Anschluß B erhältlich ist. In diesem Äusführungsbeispiel v/ird eine Hälfte der Biegekraft, die von den Biegegliedern 1O erhältlich ist, dazu verwendet, die Kontaktstücke 59 und 6O in die geschlossene Stellung zu bewegen, wobei die andere Hälfte der erhältliehen Biegekraft dazu verwendet wird, die Kontaktstücke

59 und 60 zusammenzuhalten. Wenn den Kontakts tücken 59 und

60 signalisiert wird zu öffnen, indem dem Anschluß A ein positives Spannungssignal zugeführt wird, wird die gesamte, von den Biegegliedern 10 erhältliche Biegestrecke mit dazu verwendet, die Kontaktstücke 59 und 6O voneinander weg zu bewegen, so daß die Trennung bzw. der Abstand zwischen den Kontaktstücken 59 und 60 in der vollständig geöffneten Position das dreifache des Abstandes zwischen den Kontaktstücken 59 und 60 ist, wenn kein elektrisches Signal zugeführt wird.

Es können mehrere Paare gegenüberliegender, multimorpher C ·' piezoelektrischer Biegeglieder in der in Figur 2a gezeigten Konfiguration kombiniert werden, um für ein Vielfach-Schaltvermögen zu sorgen. Jedes Paar der Bxegeglieder kann durch getrennte elektrische Signale gesteuert werden, so daß jedes Paar eine unabhängige Schalteinheit einer einpoligen Ausschaltkonfiguration bildet. Alternativ können zwei oder inehrere Paare von gegenüberliegenden Biegegliedern elektrisch in der in Figur 3 gezeigten Konfiguration verbunden werden, um so einen vielpoligen Umschalter zu bilden. Bei dem dort schematisch gezeigten Ausführungsbeispiel bewirkt die Zufuhr eines positiven Spannungssignals zu entweder dem Anschluß A oder dem Anschluß B, daß sich beide Kontaktpaare öffnen bzw. schließen. Somit kann dieses Aus-

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führungsbeispiel dazu verwendet werden, für ein gleichzeitiges Vielfach-Schaltvermögen zu sorgen. Jedes Kontaktpaar kann dazu verwendet werden, einen getrennten Stromkreis zu schalten, oder eine Anzahl von Kontaktpaaren kann kombiniert werden, um einen einzelnen Stromkreis zu schalten, damit das Spannungs- oder Stromführungsvermögen in der schaltenden Einrichtung vergrößert oder der Kontaktwiderstand für den geschalteten Stromkreis verkleinert wird. Beispielsweise kann eine Anzahl von Kontaktpaaren elektrisch mit der geschalteten Schaltungsanordnung in Reihe geschaltet werden, um die Fähigkeit der Schalteinrichtung, hohen elektrischen ν ' Duz-chbruchsspannungen zu widerstehen, zu verbessern; alternativ können die Kontaktpaare elektrisch mit der geschalteten Schaltungsanordnung parallel geschaltet werden, um das Stromführungsvermögen der Schalteinrichtung zu erhöhen und/ oder den Kontaktwiderstand zu verkleinern.

Figur 4 ist eine Seitenansicht ähnlich Figur 1 und zeigt schematisch ein piezoelektrisches Biegeglied, das für ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung brauchbar ist, das in den Figuren 5 bis 7 gezeigt ist. Das piezoelektrische Biegeglied 12 ist das gleiche wie das piezoelektrische Biegeglied 10, das in Figur 1 gezeigt und in Verbindung da- (->■ mit erläutert ist, abgesehen von dem Zusatz des elektrischen Stromschaltkontaktes 46 und der Kontaktbefestigung 42. Ähnlich wie die Kontaktbefestigung 40 kann die Kontaktbefestigung 42 elektrisch isolierendes Material aufweisen für Applikationen, wo es wünschenswert ist, das Kontaktstück 46 von der elektrisch leitfähigen Schicht 24 elektrisch zu isolieren.

Die piezoelektrischen Biegeglieder 10 und 12 können in mehreren Kombinationen verwendet werden, um einen Dreistellungsschalter zu bilden, wie es schematisch durch die Ausführungsbeispiele gemäß den Figuren 5 bis 7 dargestellt ist. Wie in Figur 5a geizeigt ist, weist vorzugsweise eine derar-

ψ w · ν www

tige piezoelektrische betätigte Stromschalteinrichtung ein piezoelektrisches Biegaglied 12 derart, wio es in Figur 4 geneigt ist, und zwei piezoelektrische Biegeglieder 10 derart auf, die in Figur 1 gezeigt sind, wobei die Biegeglieder 10 auf gegenüberliegenden Seiten des Biegegliedes 12 und im Abstand davon angeordnet sind. Die Einrichtung weist ferner wenigstens einen Satz von vier Kontaktstücken auf, wobei die ersten und zweiten Kontaktstücke auf den Biegegliedern 10 so angeordnet sind, daß das eine Kontaktstück auf jedem Biegeglied 10 angebracht und so angeordnet ist, daß jedes Kontaktstück auf das Biegeglied 12 ge-

* ί richtet ist. Ein drittes Kontaktstück ist auf derjenigen Seite des Biegegliedes 12 angeordnet, die auf das erste Kontaktstück gerichtet ist, und das vierte Kontaktstück ist auf derjenigen Seite des Biegegliedes 12 angebracht, die auf das zweite Kontaktstück gerichtet ist. Für das in Figur 5a gezeigte Ausführungsbeispiel kann dieser Satz von vier Kontaktstücken aus zwei Kontaktstücken 44, von denen jeweils eins auf den zwei Biegegliedern 10 angebracht ist, und von einem Kontaktstück 44 und einem Kontaktstück 46 gebildet sein, die auf dem Biegeglied 12 angebracht sind. Dm eine Verwirrung bei der folgenden Erläuterung zu vermeiden, sind diese Kontaktstücke als Kontaktstücke 61 bis

("} 64 gezeigt. Das piezoelektrische Biegeglied 12 ist in bezug auf die piezoelektrischen Biegeglieder 10 so angeordnet, daß bei einem ersten elektrischen Signal das Biegeglied 12 sich in Richtung auf das erste Kontaktstück 61 biegt und die ersten und dritten Kontaktstücke 61 und 63 in eine Schließstellung bewegt, während die zweiten und vierten Kontaktstücke 62 und 64 in eine Öffnungsstellung bewegt werden. Das Biegeglied 12 ist in bezug auf die Biegeglieder 10 auch so angeordnet, daß bei einem zweiten elektrischen Signal das Biegeglied 12 sich in Richtung auf das zweite Kontaktstück 62 biegt und die zweiten und vierten Kontaktstücke 62 und 64 in eine geschlossene Stellung bewegt, während die ersten und dritten Kontaktstücke

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61 und 63 in eine offene Stellung bewegt werden. Wenn die Biegeglieder 10 und ^ 2 elektrisch so miteinander verbunden sind, wie es in Figur 5a gezeigt ist, biegt sich das Biegeglied 12 in Richtung auf das zweite Kontaktstück 62 und bewegt die zweiten und vierten Kontaktstücke 62 und 64 in eine geschlossene Stellung, während die ersten und dritten Kontaktstücke 61 und 63 in eine Öffnungsstellung bewegt werden, wie es in Figur 5b gezeigt ist, wenn das elektrische Potential am Anschluß A positiv gemacht ist in bezug auf das elektrische Potential am Anschluß C. Wenn stattdessen das elektrische Potential am Anschluß B positiv gemacht ist in bezug auf das elektrische Potential am Anschluß C, biegt sich das Biegeglied 12 in Richtung auf das erste Kontaktstück 61 und bewegt die ersten end dritten Kontaktstücke 61 und 63 in eine Schließstellung, während die zweiten und vierten Kontaktstücke 62 und 64 in eine Öffnungsstellung bewegt werden, wie es in Figur 5c gezeigt ist. In einer ähnlichen Weise, wie es vorstehend für die in Figur 2a gezeigte Einrichtung beschrieben wurde, kann die in Figur 5a gezeigte Schalteinrichtung, durch eine geeignete Beabstandung des Biegegliedes 12 in bezug auf jedes der Biegeglieder 10, so ausgestaltet werden, daß sie für eine größere Trennung bzw. einen größeren Abstand zwischen dem Kontaktpaar 61 und 63 und zwischen dem Kontaktpaar 62 und 64 sorgt, wenn die Kontaktpaare in der Öffnungsstellung sind, im Vergleich zu dem erzielbaren Kontaktabstand, wenn gegenüberliegende Paare von piezoelektrischen Biegegliedern nicht verwendet wurden. Ferner kann in ähnlicher Weise, wie es vorstehend für die Einrichtung gemäß Figur 2 erläutert wurde, die Einrichtung gemäß Figur 5 so ausgeführt werden, daß sie eine größere restliche Schließkraft auf jedes der Kontaktpaare besitzt, wenn diese in der Schließstellung sind. Die Einrichtung kann auch dazu veranlaßt werden, eine Kombination von erhöhtem Kontaktabstand und verkleinerter Schließkraft aufzuweisen. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Biegeglied 12 in bezug auf jedes der Biege-

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glieder 10 so angeordnet, daß, wenn kein elektrisches Signal zugeführt ist, der Abstand zwischen den ersten und dritten Kontaktstücken 61 und 63 die halbe Summe der einzelnen Biegestrecken ist, die von den Biegegliedern erhältlich ist, an denen die Kontaktstücke 61 und 63 befestigt ist, wenn ein positives Spannungssignal am Anschluß B anliegt. In ähnlicher Weise beträgt der Abstand zwischen den zweiten und vierten Kontaktstücken 62 und 64 bei Fehlen eines angelegten elektrischen Signals ebenfalls die halbe Summe der einzelnen Biegestrecken, die von dem Biegeglied 12 und j^ _v von dem Biegeglied erhältlich ist, an dem dar zweite Kontaktstück 62 befestigt ist, wenn an den Anschluß A ein positives Spannungssignal angelegt ist.

Figuren 6 und 7 sind Seitenansichten und zeigen schematisch alternative Ausführungsbeispiele für die in Figur 5a gezeigte Einrichtung. Die erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele gemäß den Figuren 6 und 7 sind ähnlich im Aufbau und Betrieb wie die in Figur 5a gezeigte Einrichtung, außer daß verschiedene piezoelektrische Biegeglieder durch nichtpiezoelektrische Kontaktbefestigungsstrukturen ersetzt sind. In dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 6 ist jedes piezoelektrische Biegeglied 10 durch eine Kontaktbefestigungsstruktur 14 ersetzt. In dem in Figur 7 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das piezoelektrische Biegeglied 12 durch eine Kontaktbefestigungsstruktur 16 ersetzt. Die Kontaktbefestigungsstrukturen 14 und 16 dienen dazu, eine Halterung für verschiedene elektrische Stromschaltkontakte 61 bis 64 zu bilden und können praktisch jede Struktur auf-

hat, die für einen bestimmten Anwendungsfall erforderlich sind. Zwar liefern die Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 6 und 7 nicht die gleichen Vorteile hinsichtlich der Kontaktschließkraft und des Kontaktabstandes, wie sie das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 5a besitzen, aber sie eignen sich in einfacher Weise für eine Vielstellungs-Umschal-

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tung, die für bestimmte Änwendungsfälle adäquat sein können -

Die in den Figuren 5 bis 7 dargestellten Ausführungsbeispie le können entweder als ein Zvieistellungs schalter oder ein Dreistellungsschalter betätigt werden. Mit den gezeigten elektrischen Verbindungen kann jedes Ausführungsbeispiel als ein einpoliger umschalter verwendet werden, wenn entweder die Kontaktstücke 63 und 64 oder die Kontaktstücke 61 und 62 elektrisch miteinander verbunden sind. Auch können mehrere Sätze von Biegegliedern oder die Sätze von

^** Biegegliedern und die Kontaktbefestigungsstruktoren, wie sie in den Figuren 5 bis 7 gezeigt ist, kombiniert werden, um für ein Vielfach-Schaltvermögen zu sorgen. Jeder Satz von Schaltelementen kann durch getrennte elektrische Signale gesteuert werden, so daß jeder Satz eine unabhängige Schalteinheit bildet. Alternativ können zwei oder mehrere Sätze elektrisch in ähnlicher Weise verbunden werden, wie es in Figur 3 gezeigt ist, um einen vielpoligen Umschalter zu bilden. Weiterhin kann eine Anzahl von Kontaktpaaren kombiniert werden, um einen einzelnen Stromkreis zu schalten, um das Spannungs- oder Stromführungsvermögen in der Schalteinrichtung zu vergrößern oder den Kontaktwiderstand ( * für den geschalteten Stromkreis zu verkleinern. Wenn beispielsweise die Kontaktstücke 63 und 64 der in Figur 1 gezeigten Schalteinrichtung elektrisch voneinander isoliert sind und wenn den piezoelektrischen Biegegliedern elektrische Steuersignale zugeführt werdsn, so daß sie getrennt voneinander aktiviert werden können, können die Spalte bzw. Abstände zwischen den Kontaktstücken 61 und 63 und zwischen den Kontsktstücken 62 und 64 in Serie verwendet werden, um die Fähigkeit der Schalteinrichtung zu verbessern, hohen Spannungen in dem geschalteten Stromkreis zu widerstehen. Wenn es stattdessen erwünscht ist, das Stromführungsvermögen der Schalteinrichtung zu vergrößern oder den Kontaktwiderstand zu verkleinern, können die Kontaktstücke 61 und

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63 und die Kontaktstücke 62 und 64 in Parallelschaltung elektrisch mit der geschalteten Schaltungsanordnung verbunden werden.

Der synchrone Betrieb der elektrischen Stromschalteinrichfreng gemäß der Erfindung gestattet die Verwendung einer derartigen Einrichtung zum Schalten elektrischer Stromkreise, die bei signifikanten Stromwerten arbeiten, während die Lichtbogenbildung zwischen den Stromschaltkontakten auf ©Λη Minimum gesenkt wird. Wenn die Kontaktstücke so betätigt werden, daß die Lichtbogenbildung minimiert ist, werden die Erosion der Kontaktstücke und die daraus resultierenden Änderungen in der Spaltstrecke zwischen den Kontaktstücken ebenfalls minimiert. Wenn die Änderung in der Spaltstrecke zwischen den Kontaktstücken auf ein Minimum gesenkt wird, ist keine signifikante Vergrößerung der Kontaktbewegungrstrecke während der betrieblichen Lebensdauer der Schalteinrichtung nötig. Der relativ kurze Abstand zwischen den Kontaktstücken, der in einer synchron betätigten Schalteinrichtung verwendet werden kann, gestattet seinerseits, daß die Kontaktstücke bei Verwendung eines piezoelektrischen Biegegliedes in einer kurzen Zeitperiode geöffnet oder geschlossen werden können. Beispielsweise können Kontaktstücke mit einem Abstand von O,O25 mm (1 Tausendstel Zoll) in etwa 200 Mikrosekunden geöffnet oder geschlossen werden.Die Geschwindigkeit mit der eine derartige Schalteinrichtung betätigt werden kann, gestattet einen echten synchronen Betrieb in solchen Stromkreisen, wie beispielsweise Wechselstromkreisen, für die entweder die Stromkurve vorhersagbar ist oder die zeitlichen Nulldurchgangspunkte der sinusförmigen Kurve ermittelt werden können. In einem Ausführungsbeispiel kann die Schalteinrichtung der vorliegenden Erfindung synchron betätigt werden in einer Weise, die in der gleichzeitig eingereichten

* · β C

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Patentanmeldung P ( Änwaltszeichen: 9721.2-RD-15 810)

näher erläutert ist.

Eine besonders brauchbare Anwendung der elektrischen Stromschal teinrichttmg g r-ϊβ der Erfindung ist das synchrone Betätigen elektrischer Stromkreise, die mit üblichen Netzleitungen von «*o Volt verbunden sind. Für eine derartige Applikatirr·, sind die Kontaktstücke ferner so angeordnet, daß bei geöffneten Kontaktstücken der dazwischen bestehende Abstand ausreicht, damit die Überschlagsspannung zwischen den Kontaktstücken größer als etwa 170 Volt ist. Der Abstand zwisehen den Kontaktstücken ist gleichzeitig genügend klein, und die Kontaktstücke und die Biegeglieder haben eine ausreichend kleine Masse, damit sie zwischen den geschlossenen und geöffneten Stellungen in einer Zeitperiode bewegbar sind, die kürzer als etwa 200 Mikrosekunden ist. In einem Ausführungsbeispiel ist die Strecke zwischen den Kontaktstücken in der Öffnungsstellung kleiner als etwa 25 um (1 Tausendstel Zoll) und kann auch nur 2,5 um (1 Zehntausendstel Zoll) betragen. Ein derartig kleiner Abstand zwischen den Kontaktstücken ist viel kleiner als die Schaltstrecke für übliche Relais, die für einen Betrieb in Wechselstromkreisen von 110 Volt ausgelegt sind. Es wurde jedoch gefunden, daß selbst für derartig kurze Abstände zwischen den Kontaktstücken die dielektrische Festigkeit einer piezoelektrischen Vorrichtung ausreicht für einen Betrieb mit üblichen 110 Volt Haushalt-Netzleitungen. Überraschenderweise kann eine ausreichende Überschlagsspannung für derartige Vorrichtungen erreicht werden, selbst wenn die Kontaktabstände

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nur 2,5 jwa (1 Zehntausendstel Zoll) betragen. Nach dem Paschen.¹ sehen Gesetz ist die "Überschlagsspannurig zwischen, zwei Elektroden in einer gasförmigen Atmosphäre eine Funktion des Produktes des Gasdruckes und des Abstandes zwischen den Elektroden. Für einen Elektrodenabstand von 1 cm in Luft bei Atmosphärendruck kann die Durchbruchs Spannung Mit etwa 30 kV ermittelt werden. Wenn dieses Durchbruchsfeld von 30 kV/cm verwendet wird, um die Durchbruchsspannung für einen Elektrodenabstand von 25 po in Luft zu bestimmen, wie es für Abstände von einigen Zentimetern zulässig ist, beträgt die ermittelte Durchbruchsspannung 77 Volt. Es wurde jedoch gefunden, daß die durch das Paschen'sehen Gesetz gegebene Durchbruchsspannung nicht linear auf Null abfällt, wenn der Kontaktabstand klein wird, sondern sich vielmehr einem minimalen Wert nähert und dann wieder anzusteigen beginnt. Für Luft wurde diese minimale Durchbruchsspannung fflit etwas mehr als 300 Volt gefunden. Es wird in der Theorie angenommen, daß der Grund für diese minimale Durchbruchsspannung und dem anschließenden Anstieg in der dielektrischen Festigkeit darin besteht, daß, wenn das Produkt von Gasdruck und Elektrodenabstand klein ist, die Anzahl von Gasatomen, mit denen ein Elektron bei der Durchwanderung des Spaltes zwischen den Kontaktstücken kollidieren kann, ebenfalls klein wird. Da der Durchbruchprozess in einem Gas bewirkt, daß das Gas ein elektrischer Leiter wird und deshalb in kritischer Weise von dem Vermögen von Elektronen in dem Spalt abhängt, mit umgebenden Gasatomen zu kollidieren und diese zu ionisieren, wird die Wahrscheinlichkeit für die Ausbildung einer leitenden Bahn vermindert, wenn die Anzahl verfügbarer Zielatome klein ist. Es wird angenommen, daß sich die Dorchbruchs spannung einem Minimum nähert und dann wieder ansteigt, weil der Durchbruchsprozess eine fundamentale Snäerung von einem Gaskollisionsmechanismus zu einem vorwiegend an der Elektrodenoberfläche auftretenden Vakuum-Durchbruchsinechanismus durchläuft und auch weil die Durchbruchs spannung eines gegebenen Kontaktabstandes im allgemeinen viel höher ist in Vakuum als in einem Gas mit Atmospharendruck. Es wurde nun gefunden, daß ein piezoelektrisches Relais mit einem sehr

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kleinen Abstand zwischen den Kontaktstücken synchron betä¹-tigt werden kann, so daß 110 Volt Wechselstromkreise ein- und ausgeschaltet werden können mit einer minimalen Lichtbogenbildung zwischen den Relaiskontakten.

Andere besonders brauchbare Anwendungsfälle der erfindungsgemäßeH Schalteinrichtung sind das synchrone Betätigen elektrischer Stromkreise der Art,die üblicherweise als Steuerschaltungen für Haushaltsgeräte verwendet warden. Die Betriebsspannungen für Laststromkreise bei derartigen Anwendungsfällen liegen in dem Bereich von nur 24 Volt bis mehr

. * als 34Ο Volt. Die Lastströme für diese Stromkreise enthalten sowohl Wechselstrom- als auch Gleichstromkurven. Wenn das erfindungsgemäße Relais verwendet wird, um Gleichstromlasten zu schalten, kann der Betrieb des Relais durch übliche Steuermittel unterstützt werden, beispielsweise durch eine Spannungsklemmschaltung. Schließlich sei darauf hingewiesen, daß die erfindungsgemäße Schalteinrichtung in Luft, in Vakuum oder in einer inerten Atmosphäre arbeiten kann, wobei die Auswahl der Betriebsumgebung durch den jeweiligen Anwendungsfall bestimmt ist. Es sei ferner darauf hingewiesen, daß die besonders nützlichen Applikationen für die erfindungsgemäße Schalteinrichtung, wie sie oben ange-

f geben sind, lediglich eine nicht abschließende Aufzählung von Beispielen sind.

Vorstehend ist also eine piezoelektrisch betätigte Schalteinrichtung für elektrische Ströme mit einem erhöhten Kontaktabstand, wenn die Schaltkontakte in der Öffnungsstellung sind, und einer erhöhten Kontaktschiießkraft beschrieben, wenn die Kontaktstücke in der Schließstellung sind. Die Erfindung schafft ferner eine Schalteinrichtung, die schnellwirkend ist, eine kleine Größe besitzt, eine gute Energieausnutzung aufweist und niedrig in den Kosten ist. Ferner ist die Schalteinrichtung gemäß der Erfindung synchron betätxgbar, so daß eine minimale Lichtbogenbildung

* 4 I

- 23 zwischen den Schaltkontakten auftritt.

Es sind jedoch noch weitere Ausführungsbeispiele möglich. Beispielsweise sind zwar die Biegeglieder 10 und 12 in den Figuren so gezeigt, daß sie sich in der Mitte nach Art einer Raupenbewegung biegen, aber die Biegeglieder 10 und 12 können auch so aufgebaut sein, daß sie sich nach Art eines Sprungbrettes biegen.

Claims

• · * 9

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9723,4-RD-I5935

GENERAL ELECTRIC COMPANY

Patentansprüche

Schalteinrichtung für elektrische Ströme , gekennzeichnet durch : ein Paar im Abstand angeordnete, gegenüberliegende multimorphe piezoelektrische Biegeglieder (10), die jeweils eine Biegebewegung in einer Richtung im wesentlichen senkrecht zu der Ebene, in der das Biegeglied liegt, bei einem ersten elektrischen Signal und eine Biegebewegung in der entgegengesetzten Richtung ausführen bei einem zweiten elektrischen Signal, und

wenigstens ein Paar Stromschaltkontakte (59,6O),^°~ kei eins der Kontaktstücke des Paares auf einer der gegenüberliegenden Oberflächen der zwei gegenüberliegenden Biegeglieder angebracht und das zweite Kontaktstück des Paares auf der zweiten gegenüberliegenden Oberfläche angebracht ist, wobei die zwei Kontaktstücke (59,60) und die piezoelektrischen Biegeglieder (10) derart angeordnet Sind, daß bei dem ersten elektrischen Signal die gegenüberliegenden Biegeglieder sich in Richtung zueinander biegen und die Kontaktstücke in eine Schließstellung bewegen und bei dem zweiten elek-

A Ϊ 1 r» -S 1 J3 -! — SiI 1 J 3 -T\S T 1. —

der sich voneinander wegbiegen und die Kontaktetücke in eine Öffnungsstellung bewegen.

Einrichtung nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Biegeglieder (10) derart

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angeordnet sind, daß der Abstand zwischen den Kontaktstücken in der Öffnungsstellung, bei dem zweiten elektrischen Signal, größer ist als die Biegestrecke, die von einem der piezoelektrischen Biegeglieder allein bei dem zweiten elektrischen Signal ernstlich ist.

Einri·.'lining nach Anspruch 2 ,

G·', durch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Biegeglieder (1νΓ derart angeordnet s.'lnd, daß der Abstand zwischen den Kontaktstücken (59,60), wenn kein elektrisches Signal zugeführt ist, kleiner ist als die Summe der Biegestrecken, die von den piezoelektrischen Biegegliedern (10) bei dem ersten elektrischen Signal erhältlich sind.

Einrichtung nach Anspruch 3 ,
dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Biegeglieder derart angeordnet sind, daß der Abstand zwischen den Kontaktstücken, wenn kein elektrisches Signal zugeführt ist, die halbe Summe der Biegestrecken ist, die von den Eiegegliedern bei dem ersten elektrischen Signal erhältlich sind.

Einrichtung nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Paare piezoelektrischer Biegeglieder und Kontaktpaare vorgesehen sind, die derart anqeordnet sind, daß ein vielpoliger Ausschalter gebildet ist.

Schalteinrichtung für elektrische Ströme gekennzeichnet durch

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ein multimorphes piezoelektrisches Biegeglied (12), das eine Biegebewegung in einer Richtung im ^! wesentlichen senkrecht zu der Ebene, in der das Biegeglied liegt, bei einem ersten elektrischen Signal und eine Biegebewegung in der entgegengesetzten Richtung ausführt bei einem zweiten elek- ·, trischen Signal, |^; erste und zweite Kontaktbefestigungsstrukturen, | die auf gegenüberliegenden Seiten des piezoelek- '< trischen Biegegliedes angeordnet sind, wobei jede ί Struktur im Abstand von dem Biegeglied angeordnet * ist, und \ wenigstens einen Satz von vier Kontaktstücken(61~64), ' von denen die ersten und zviaiten Kontaktstücke (61,62) j. auf den ersten bzw. zweiten Kontaktbefestigungs- | strukturen angebracht sind derart, daß die Kontakt- | stücke jeweils auf das piezoelektrische Biegeglied f gerichtet sind, ein drittes Kontaktstück <"auf derjenigen Seite des piezoelektrischen Biegegliedes 1

angebracht ist, die auf das erste Kontaktstück ge- "

richtet ist, und das vierte Kontaktstück rauf derjenigen Seite des piezoelektrischen Biegegliedes '$

angebracht ist, das auf das zweite Kontaktstück |

f'j gerichtet ist, |

wobei das piezoelektrische Biegeglied derart in | Bezug auf die ersten und zweiten Kontaktbefesti- 1 gungsstrukturen angeordnet sind, daß bei dem erste-a J elektrischen Signal das Biegeglied sich in Rieh- 1-tung auf die erste Kontaktbefestigungsstruktur biegt und die ersten und dritten Kontakte in eine Schließstellung bewegt, während die zweiten und vierten Kontaktstücke in eine Öffnungsstellung bewegt werden, und daß bei dem zweiten elektrischen Signal das Biegeglied sich in Richtung auf die zweite Kontaktbefestigungsstruktur biegt und die zweiten und vierten Kontaktstücke in eine Schließstellung bewegt, während die ersten und dritten

Kontaktstücke in eine Öffnungsstellung bewegt werden.

7. Einrichtung nach Anspruch 6 , dadurch gekennzeichnet/ daß das piezoelektrische Biegeglied in bezug auf die ersten und zweiten Kontaktbefestigungsstrukturen derart angeordnet sind, daß, wenn kein elektrisches Signal zugeführt ist/ der Abstand zwischen den ersten und dritten Kontaktstücken die Hälfte der Biegestrecke/ die von dem Biege-

^ glied bei dein ersten elektrischen Signal erhältlich

ist, und der Abstand zwischen den zweiten und vierten Kontaktstücken die Hälfte der Biegestrecke ist, die von dem Biegeglied bei dem zweiten elektrischen Signal erhältlich ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 6 , dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kontaktbefestigungsstruktur ein zweites piezoelektrisches Biegeglied aufweist.

9. Einrichtung nach Anspruch 8 ,

l~) dadurch gekennzeichnet,

daß die zweite Kontaktbefestigungsstruktur ein drittes inultimorphes piezoelektrisches Biegeglied aufweist.

10. Einrichtung nach Ansprach 9 , jdadurch gekennzeichnet,

daß die piezoelektrischen Biegeglieder derart angeordnet sind,- daß der Abstand zwischen den ersten und dritten Kontaktstücken in der öffnungsstellung, wenn das zweite elektrische Signal zugeführt ist, größer ist als die Biegestrecke, die von einem der ersten und zweiten piezoelektrischen Biegeglieder

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alleine bei dem zweiten elektrischen Signal erhältlich ist, und daß die Strecke zwischen den zweiten und vierten Kontaktstücken in der Öffnungsstellung, bei dem ersten elektrischen Signal, größer ist als die Biegestrecke, die von einem der ersten und dritten piezoelektrischen Biegeglieder allein erhältlich ist, wenn das erste elektrische Signal zugeführt ist.

Schalteinrichtung nach Anspruch 10 , dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Biegeglieder (10,12) derart angeordnet sind, daß, wenn kein elektrisches Signal zugeführt ist, der Abstand zwischen den ersten und dritten Kontaktstücken kleiner ist als die Sunnae der Biegestrecken, die von den ersten und zweiten piezoelektrischen Biegegliedern bei dem ersten elektrischen Signal erhältlich sind, und daß der Abstand zwischen den zweiten und vierten Kontaktstücken kleiner ist als die Summe der Biegestrecken, die von den ersten und dritten piezoelektrischen Biegegliedern bei dem zweiten elektrischen Signal erhältlich sind.

Schalteinrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Biegeglieder (10,12) derart angeordnet sind, daß, wenn kein elektrisches Signal zugeführt ist, der Abstand zwischen den ersten und dritten Kontaktstücken die halbe Summe der Biegestrecken ist, die von den ersten und zweiten piezoelektrischen Biegegliedern bei dem ersten elektrischen Signal erhältlich sind, und daß der Abstand zwischen den zweiten und vierten Kontaktstücken die halbe Summe der Biegestrekken ist, die von den ersten und dritten piezoelektrischen Biegegliedern bei dem zweiten elektri—

- 29 sehen Signal erhältlich sind.

Schalteinrichtung nach Anspruch 6 , dadurch gekennzeichnet, daß mehrere piezoelektrische Biegeglieder, die ersten und zweiten Kontaktbefestigungsstrukturen und der Satz von vier Kontaktstücken (61-64) derart angeordnet sind, daß ein vielpoliger Umschalter gebildet ist.

Schalteinrichtung für elektrische Ströme, gekennzeichnet durch: eine Kontaktbefestigungsstruktur, erste und zweite multimorphe piezoelektrische Biegeijlieder, die jeweils eine Biegebewegung in einer RichtiAng im wesentlichen senkrecht zu der Ebene, in der das Biegeglied liegt, bei einem ersten elektrischen Signal und eine Biegsbewegung in der entgegengesetzten Richtung bei einem zweiten elektrischen Signal ausführen, wobei die ersten und zweiten Biegeglieder auf gegenüberliegenden Seiten der Kontaktbefestigungsstruktur und im Abstand davon angeordnet sind, und

wenigstens einen Satz von vier Kontaktstücken (f1 bis 64), von denen erste und zweite Kontaktstücke auf ersten bzw- zweiten piezoelektrischen Biegegliedern derart angebracht sind, daß die Kontaktstücke jeweils auf die Kontaktbefestigungsstruktur gerichtet sind, ein drittes Kontaktstück auf derjenigen Seite der Kontaktbefestigungsstruktur angebracht ist, die auf das erste piezoelektrische Biegeglied gerichtet ist, und das vierte Kontaktstück auf derjenigen Seite der Befestigungsstruktur angebracht ist, die auf das zweite piezoelektrische Biegeglied gerichtet ist, wobei die Kontaktbefestigungsstruktur in bezug auf

et·'"

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die ersten und zweiten piezoelektrischen Biegeglieder derart angeordnet ist, "daß bei dem ersten elektrischen Signal die ersten piezoelektrischen Biegeglieder sich in Richtung auf die Kontaktbefestigungsstruktur biegen und die zweiten piezoelektrischen Biegeglieder sich von der Struktur wegbewegen, um die ersten und dritten Kontaktstücke in eine Schließstellung zu bewegen, während die zweiten und vierten Kontaktstücke in eine Öffnungsstellung bewegt werden, und daß bei dem zweiten elektrischen Signal die ersten piezoelektrischen Biegeglieder sich von der Kontaktbefesti— gungsstruktur wegbiegen und das zweite piezoelektrische Biege.glied sich in Richtung auf die Struktur biegt, um so die zweiten und vierten Kon-•fcaktstücke in eine Schließposition zu bewegen, während die ersten und dritten Kontaktstücke in eine Öffnungsstellung bewegt werden.

15. Schalteinrichtung nach Anspruch 14 , dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktbefestigungsstruktur in bezug auf die ersten und zweiten piezoelektrischen Biegegiiöder so angeordnet sind, cLclQ, wenn kein elektrisches Signal zugeführt ist, der Abstand zwischen den ersten und dritten Kontaktstücken die halbe Biegestrecke ist, die von dem ersten piezoelektrischen Biegeglied bei dem ersten elektrischen Signal erhältlich ist, und daß der Abstand zwischen den zweiten und vierten Kontaktstücken die halbe Biegestrecke beträgt, die von dem zweiten piezoelektrischen Biegeglied bei dem zweiten elektrischen Signal erhältlich ist.

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Schalteinrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Biegeglieder und die Kontaktstücke derart angeordnet sind, daß bei geöffneten Kontaktstücken der dazwischen bestehende Abstand ausreichend ist, damit die Durchbruchs- bzw. Überschlagsspannung zwischen den Kontaktstücken größer ist als die maximale Betriebsspannung der Last, die durch die Schalteinrichtung geschaltet wird, wobei der Abstand auch genügend klein ist und die Kontaktstükke und die zugehörigen Biegeglieder eine ausreichend kleine Masse haben, damit die Kontaktstücke zwischen den Schließ- und Öffnungsstellungen in einer genügend kurzen Zeitperiode bewegbar sind, damit die Stellung der Kontaktstücke zwischen den Öffnungs- und Schließstellungen veränderbar ist, während der Laststrom durch die Kontaktstücke im wesentlichen null ist.

Schalteinrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Biegeglieder und die Kontaktstücke derart angeordnet sind, daß bei geöffneten Kontaktstücken der dazwischen bestehende Abstand ausreichend groß ist, damit die Durchbruchs- bzw. Überschlagsspannung zwischen den Kontaktstücken größer als etwa 17O Volt ist, wobei der Abstand auch genügend klein ist und die Kontaktstücke und die zugehörigen Biegeglieder eine ausreichend kleine Masse haben, damit die Kontaktstücke zwischen den öfzirangs— und Schließstellungen in einer Zeitperiode bewegbar sind, die kürzer als etwa 200 Mikrosekunden ist.

Schalteinrichtung nach Anspruch 17 , dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Kontaktstücken in der

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Öffnungsstellung kleiner als etwa 0,025 mm (1 Tausendstel Zoll) ist.

Schalteinrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Biegeglieder und die Kontaktstücke derart angeordnet sind, daß bei geöffneten Kontaktstükken der dazwischen bestehende Abstand ausreicht, damit die Durchbruchs- bzw. Überschlagsspannung zwischen den Kontaktstücken größer als etwa 340 Volt ist, wobei der Abstand auch genügend klein ist und die Kontaktstücke und die zugehörigen Biegeglieder eine ausreichend kleine Masse haben, damit die Kontaktstücke zwischen den öffnungs— und Schließstellungen in einer Zeitperiode bewegbar sind, die kürzer als etwa 200 Mikrosekunden ist.

Schalteinrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Biegeglieder und die Kontaktstücke derart angeordnet sind, daß bei geöffneten Kontaktstücken der dazwischen bestehende Abstand ausreichend ist, damit die Durchbruchs- bzw. Überschlagsspannung zwischen den Kontaktstücken größer als etwa 24 Volt ist.

schalteinrichtung nach Anspruch 2u, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Kontaktstücken in der öffnungsstellung ausreichend klein ist und die Kontaktstücke und die zugeordneten Biegeglieder eine ausreichend kleine Masse haben, damit die Kontaktstücke zwischen den Schließ- und Öffnungsstellungen in einer Zeitperiode bewegbar sind, die kürzer als etwa 200 Mikrosekunden ist.

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Schalteinrichtung nach. Anspruch 6 , dadurch gekennzeichnet, daß die Biegeglieder und die Kontaktstücke derart angeordnet sind, daß, wenn die ersten und dritten und die zweiten und vierten Kontaktstücke in den Öffnungsst llungen sind, der Abstand zwischen jedem Konv^kvvvaar in der Öffnungsstellung ausreichend '^:.~t, damit die Durchbruchs- bzw. Überschlagssraütiung zwischen den Kontaktstücken größer ist als die maximale Betriebstemperatur der Last, die durch die Schalteinrichtung geschaltet wird, wobei der Abstand auch genügend klein ist und die Kon— taktstücke und die zugeordneten Biegeglieder eine ausreichend kleine Masse haben, damit die Kontaktstücke zwischen den öffnungs- und Schließstellunge.n in einer genügend kurzen Zeitperiode bewegbar sind, damit die Stellung der Kontaktstücke zwischen den Öffnungs- und Schließstel.lungen veränderbar ist, während der Laststrom durch die Kontaktstücke im wesentlichen null ist.

Schalteinrichtung nach Anspruch 6 , dadurch gekennzeichnet, daß die Biegeglieder und die Kontaktstücke derart angeordnet sind, daß, wenn die ersten und dritten und die zweiten und vierten Kontaktstücke in den Öffnungsstellungen sind, der Abstand zwischen jedem Kuntaktpaar in der Öffnungsstellung ausreicht, damit die Durchbruchs- bzw. Überschlaqsspannung zwischen den Kontaktstücken größer als etwa 170 Volt ist, wobei der Abstand auch genügend klein ist und die Kontaktstücke und die zugeordneten Biegeglieder eine genügend kleine Masse haben, damit die Kontaktstücke zwischen den öffnungs- und Schließstellungen in einer Zeitperiode bewegbar sind, die kürzer als etwa 200 Mikrosekunden ist-

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24. Schalteinrichtung nach Anspruch 23 „ I

I¹ dadurch gekennzeichnet, »,

daß der Abstand zwischen den Kontaktstücken in I

I der Öffnungsstellung kleiner als etwa O,025 mm f

(1 Tausendstel Zoll) ist.

25. Schalteinrichtung nach Anspruch 6, |

dadurch gekennzeichnet, f

daß die Biegeglieder und die Kontaktstücke derart
angeordnet sind, daß, wenn die ersten und dritten
und die zweiten und vierten Kontaktstücke in den
Öffnungsstellungen sind, der Abstand zwischen je- I dem Kontaktpaar in der Öffnungsstellung ausreicht, < damit die Durchbruchs- bzw. Überschlagsspannung
zwischen den Kontaktstücken größer als etwa 34O ; Volt ist, wobei der Abstand auch genügend klein j ist und die Kontaktstücke und die zugeordneten "

Biegeglieder eine ausreichend kleine Masse haben, f damit die Kontaktstücke zwischen den Schließ- und \ Öffnungsstellungen in einer Zeitperiode bewegbar f sind, die kürzer als etwa 200 Mikrosekunden ist.

26. Schalteinrichtung nach Anspruch 6 , j dadurch gekennzeichnet, \ daß die Biegeglieder und die Kontaktstücke derart |

angeordnet sind, daß, wenn die ersten und dritten Σ und die zweiten und vierten Kontaktstücke in den | Öffnungsstellungen sind, der Abstand zwischen je- I

i dem Kontaktpaar in der Öffnungsstellung ausreicht,

damit die Durchbruchs- bzw. überschlagsspannting
zwischen den Kontaktstücken größer als 24 Volt ist.

27. Schalteinrichtung nach Anspruch 26 ,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Abstand zwischen jedem Kontaktpaar in der
Öffnungsstellung genügend klein ist und die Kontaktstücke und die zugehörigen Biegeglieder eine

ausreichend kleine Masse haben, damit die Kontaktstücke zwischen den öffnungs- und Schließstellungen in einer Zeitperiode bewegbar sind, die kürzer als etwa 200 Mikrosekunden ist.

28. Schalteinrichtung nach Anspruch 14 , dadurch gekennzeichnet, daß die Biegeglieder und die Kontaktstücke derart angeordnet sind, daß, wenn die ersten und dritten und die zweiten und vierten Kontaktstücke in den Öffnungsstellungen sind, der Abstand zwischen jedem Kontaktpaar in der Öffnungsstellung ausreicht, damit die Durchbruchs- bzw. Überschlagsspannung zwischen den Kontaktstücken größer ist als die maximale Betriebstemperatur der Last, die durch die Schalteinrichtung geschaltet wird, wobei der Abstand auch genügend klein ist und die Kontaktstücke und die zugeordneten Biegeglieder eine ausreichend kleine Masse haben, damit die Kontaktstücke zwischen den öffnungs- und Schließstellungen in einer genügend kurzen Zeitperiode bewegbar sind, damit die Stellung der Kontaktstücke zwischen den öffnungs- und Schließstellungen veränderbar sind, während der Laststrom durch die Kontaktstücke im wesentlichen null ist.

29. Schalteinrichtung nach Anspruch 14 , dadurch gekennzeichnet, daß die Biegeglieder und die Kontaktstücke derart angeordnet sind, daß, wenn die ersten und dritten und die zweiten und vierten Kontaktstücke in den Öffnungsstellungen sind, der Abstand zwischen jedem Kontaktpaar in der Öffnungsstellung ausreicht, damit die Durchbruchs- bzw. Oberschlagsspannung zwischen den Kontaktstücken größer als etwa 170 Volt ist, wobei der Abstand auch genügend klein

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ist und die Kontaktstücke und die zugeordneten Biegeglieder eine ausreichend kleine Masse haben, damit die Kontaktstücke zwischen den ,öffnungs- und Schließstellungen in einer Zeitperiode bewegbar sind, die kürzer als etwa 200 Mikrosekunden ist.

30. Schalteinrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet,

β daß der Abstand zwischen den Kontaktstücken in

der Öffnungsstellung kleiner als etwa 0,025 ram

(1 Tausendstel Zoll) ist.

31. Schalteinrichtung nach Anspruch 14 , dadurch gekennzeichnet, daß die Biegeglieder und die Kontaktstücke derart angeordnet sind, daß, wenn die ersten und dritten und die zweiten und vierten Kontaktstücke in den Öffnungsstellungen sind, der Abstand zwischen jedem Kontaktpaar in der öffnungsstellung ausreicht , damit die Durchbruchs- bzw. Überschlagsspannung zwischen den Kontaktstücken größer ist als etwa 340 Volt, wobei der Abstand auch genügend klein i^t und die Kontaktstücke und die zugeordneten

% Biegeglieder eine ausreichend kleine Masse haben,

damit die Kontaktstücke zwischen den Öffnungs- und Schließstellungen in einer Zeitperiode bewegbar sind, die kürzer als etwa 200 Mikrosekunden ist.

32. Schalteinrichtung nach Anspruch 14 , dadurch gekennzeichnet, daß die Biegeglieder und die Kontaktstücke derart angeordnet sind, daß, wenn die ersten und dritten und die zweiten und vierten Kontaktstücke in den Öffnungsstellungen sind, der Abstand zwischen jedem Kontaktpaar in der öffnungsstellung ausreicht, damit die Burchbruchs- bzw. Überschlagsspannung zwi~

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sehen den Kontaktstücken größer als etwa 24 Volt ist.

Schalteinrichtung nach Anspruch 32 _Λ dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zv/ischen jedem Kontaktpaar in der Öffnungsstellung genügend klein ist und die Kontaktstücke und die zugehörigen Biegeglieder eine ausreichend kleine Masse haben, damit die Kontaktstücke zwischen den öffnungs- und Schließstellungen in einer Zeitperiode bewegbar sind, die kürzer als etwa 200 Mikrosekunden ist.