DE3603022C2 - Piezoelektrisches Relais - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Relais mit zwei parallel zueinander angeordneten, einseitig in einem Gehäuse eingespannten Piezoelementen, welche unabhängig voneinander an Spannung legbar sind, wobei eine Relativ­ bewegung der freien Enden der beiden Piezoelemente über eine Hebelvorrichtung auf ein bewegliches Kontaktelement übertragbar ist.

Aus der US-PS 2,471,967 ist ein derartiges piezoelektri­ sches Relais bekannt, bei dem zwei Biegewandler parallel nebeneinander mit jeweils einem Ende so in einem Gehäuse verankert sind, daß ihre freien Enden zueinander entge­ gengesetzte Biegeauslenkungen vollziehen. Diese entgegen­ gesetzten Bewegungen werden dann über eine Gelenkhebel­ vorrichtung in eine Schwenkbewegung eines zeigerförmigen Ankers bzw. Mittelkontaktelementes umgesetzt. Bei diesem bekannten Relais ergibt sich allerdings ein sehr langer oder hoher Aufbau, da sich die Längenausdehnungen der Biegewandler einerseits und des langgestreckten Ankers andererseits summieren. Außerdem ist bei dem bekannten Relais keine Möglichkeit zur Erzeugung einer Kippcharak­ teristik vorgesehen, so daß beim Umschalten eine schlei­ chende Kontaktgabe auftritt; auch ist nicht berücksich­ tigt, daß der Biegeeffekt der Piezoelemente nach der er­ sten Auslenkung wieder nachläßt und allmählich zurück­ geht, so daß die anfängliche Kontaktkraft nicht aufrecht­ erhalten werden kann.

Aus der US-PS 4,383,195 ist weiterhin eine piezoelektri­ sche Schaltvorrichtung bekannt, welche mit einem einzigen Biegewandler arbeitet, der einseitig eingespannt ist und an seinem freien Ende Kontaktstücke trägt. Zur Erzeu­ gung einer Kippcharakteristik ist dort zusätzlich eine Schnappfeder parallel zum Biegewandler angeordnet und am Ende mit diesem verbunden. Dadurch soll der Biegewandler seine Auslenkung auch nach Abschaltung der Erregerspan­ nung beibehalten. Nachteilig ist bei dieser bekannten Vorrichtung zunächst, daß Biegewandler allgemein wegen der inneren Reibung zwischen den verschiedenen Schichten keine optimale Ausnutzung des Piezoeffekts gewährleisten. Außerdem ist es schwierig, auf dem Biegewandler selbst Kontaktstücke und Zuleitungen für die Kontaktstücke anzu­ bringen. Schließlich ist bei der bekannten Schaltvorrich­ tung auch ungünstig, daß durch die Anbringung der Kon­ taktstücke unmittelbar auf dem Biegewandler dessen Aus­ lenkung unmittelbar den Kontakthub darstellt; für übliche Kontaktabstände dürfte dies nur dann ausreichen, wenn der Biegewandler eine große Länge aufweist, was wiederum zu einer unerwünschten Baugröße des Relais führt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein piezoelektrisches Re­ lais der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welchem Piezoelemente mit möglichst günstiger Ausnutzung des Pie­ zoeffektes verwendet werden, wobei die erreichbare Defor­ mation in einen möglichst großen Kontaktweg umgesetzt werden kann. Die Piezoelemente selbst sollen frei sein von Kontaktelementen und Zuführungen, während gleichzei­ tig eine gute Kippcharakteristik und eine stabile Einhal­ tung des jeweiligen Schaltzustandes unabhängig davon ge­ währleistet sein soll, ob die Erregerspannung abgeschal­ tet wird bzw. die durch den Piezoeffekt erzielte Deforma­ tion zurückgeht.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die beiden Piezoelemente als Längswandler ausgebildet sind, daß die freien Enden der beiden Längswandler ge­ meinsam in einem Betätigungskörper befestigt sind und daß das bewegliche Kontaktelement eine annähernd parallel zu den Längswandlern angeordnete, mit ihren beiden Enden un­ ter Längsdruck eingespannte und jeweils durch ihre Ein­ spannebene bewegbare Knickfeder ist, die etwa mittig zwi­ schen ihren eingespannten Enden mindestens ein mit minde­ stens einem Gegenkontaktelement zusammenwirkendes Kon­ taktstück trägt und im Bereich zwischen dem Kontaktstück und einer Einspannstelle starr mit einem im Betätigungs­ körper verankerten Betätigungshebel verbunden ist.

Die bei der Erfindung verwendeten Längswandler haben ei­ nen verhältnismäßig hohen Wirkungsgrad, da sie die Ver­ längerung oder Verkürzung eines Piezoelementes, vorzugs­ weise in Form einer Piezofolie, direkt ausnutzen. Im Ge­ gensatz zu Biegewandlern werden keine aneinander liegen­ den und mit entgegengesetzten Spannungen beaufschlagten Piezoschichten verwendet, vielmehr erfährt jeweils das gesamte Piezoelement eine Längenänderung, nämlich eine Verkürzung bei Anlegen einer Spannung in Polarisations­ richtung oder eine Verlängerung bei Anlegen einer Span­ nung entgegen der Polarisationsrichtung.

Die relative Längenänderung der beiden Längswandler zu­ einander wird von ihren freien Enden über den fest mit ihnen verbundenen Betätigungskörper und den Betätigungs­ hebel auf eine Knickfeder übertragen, welche parallel ne­ ben den Längswandlern angeordnet ist und dadurch die Län­ ge des Relais nicht vergrößert, andererseits aber die ge­ ringe Deformation der Längswandler in einen verhältnismä­ ßig großen Schaltweg mit Kippcharakteristik umsetzt. Zweckmäßigerweise ist diese Knickfeder als freigeschnit­ tener Mittelsteg eines Blattfederrahmens ausgebildet, dessen beiderseits der Knickfeder liegenden Seitenstege jeweils mittels einer Sicke verkürzt sind.

Der Betätigungshebel ist zweckmäßigerweise durch einen oder mehrere von der Knickfeder rechtwinkelig abgebogene Blechlappen gebildet, welcher bzw. welche in dem vorzugs­ weise als Kunststoffumspritzung ausgebildeten Betäti­ gungskörper verankert ist bzw. sind. Die freien Enden der Längswandler können dabei in einer Tasche des Betäti­ gungskörpers angeordnet und durch Vergießen oder Umsprit­ zen verankert sein.

In zweckmäßiger Ausführungsform kann die Knickfeder als Mittelkontaktfeder in einer Umschaltkontaktanordnung die­ nen, wobei sie beiderseits mit je einem Kontaktstück ver­ sehen ist. Sie kann aber auch als Brückenkontaktelement dienen, wobei die an ihr befestigten Kontaktstücke je­ weils zwei Gegenkontaktelementen gegenüberstehen. In die­ sem Fall braucht die Knickfeder nicht aus gut leitendem Material zu bestehen und sie braucht auch nicht mit einem eigenen Anschluß versehen zu werden. Natürlich ist es auch möglich, mit der Längswandleranordnung über den Be­ tätigungskörper mehrere miteinander fluchtend angeordnete Knickfedern umzuschalten oder auch über eine einzige Knickfeder über entsprechende Betätigungsstege mehrere Kontaktelemente zu betätigen.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbei­ spiel anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 und 2 ein erfindungsgemäß gestaltetes piezoelek­ trisches Relais in zwei Ansichten,

Fig. 3 und 4 die Piezoelemente mit der Knickfeder in zwei verschiedenen Schaltzuständen.

Das in den Fig. 1 und 2 dargestellte Relais besitzt ein Gehäuse aus einem rahmen- oder wannenförmigen Grundkörper 1 mit einem Bodenteil 1a und einer Kappe 2. Zwei piezo­ elektrische Längswandler 3 und 4 sind parallel zueinan­ der, jedoch getrennt, angeordnet und mit jeweils einem Ende 3a bzw. 4a in einer Tasche 5 des Grundkörpers veran­ kert, im vorliegenden Beispiel mit einer Kunststoffmasse 6 vergossen. Die freien Enden 3b und 4b dieser beiden Längswandler sind ebenfalls verbunden, und zwar sind sie in einem aus Kunststoff bestehenden Betätigungskörper 7 in einer Tasche 8 mit Vergußmasse 9 eingebettet. Eine un­ terschiedliche Längsausdehnung der beiden Längswandler bewirkt somit eine Dreh- bzw. Schwenkbewegung des Betäti­ gungskörpers 7.

Parallel zu den beiden Längswandlern 3 und 4 ist eine Rahmenfeder 10 im Grundkörper 1 befestigt, welche zwei äußere Haltestege 11 und 12 und einen mittleren Steg als Knickfeder 13 aufweist. Die beiden äußeren Stege 11 und 12 sind jeweils mit Sicken 14 bzw. 15 versehen und auf diese Weise in ihrer Länge verkürzt. Dadurch wird die mittlere Knickfeder 13 zwangsweise durchgebogen.

Die Rahmenfeder 10 liegt zwischen zwei parallel zu ihr angeordneten Kontaktblechen 16 und 17, die etwa in ihrer Mitte jeweils ein Kontaktstück 18 bzw. 19 tragen. Zwi­ schen diesen beiden Kontaktstücken ist die Knickfeder, die in ihrem Mittelbereich ebenfalls zwei Kontaktstücke 20 und 21 trägt, umschaltbar.

Im Bereich zwischen den Kontaktstücken 20 und 21 einer­ seits und der Einspannstelle 22 der Knickfeder an ihrem Rahmen 10 andererseits sind seitlich zwei rechtwinkelig abgebogene Betätigungslappen 23 vorgesehen, welche in dem Betätigungskörper 7 beispielsweise durch Umspritzen ver­ ankert sind und die Schwenkbewegung dieses Betätigungs­ körpers 7 auf die Knickfeder übertragen. Diese wird über die als Hebel wirkenden Betätigungslappen 23 durch ihre Einspannebene hindurchbewegt und so zwischen ihren beiden Endlagen umgeschaltet.

Die Funktion des Relais ist anhand der Fig. 3 und 4 zu sehen. Die beiden Längswandler 3 und 4 sind jeweils mit Anschlußelementen 24 und 25 bzw. 26 und 27 versehen, über die getrennt an jeden der Längswandler Spannung angelegt werden kann. Wird beispielsweise gemäß Fig. 3 an den Längswandler 3 eine Spannung in Polarisationsrichtung an­ gelegt, so verkürzt sich dieser gegenüber dem Längswand­ ler 4 um einen Betrag d1, wodurch der Betätigungskörper 7 die gezeigte Schwenkbewegung ausführt und über die Betä­ tigungslappen 23 die Knickfeder 13 in Kontakt mit dem Ge­ genkontaktelement 17 bringt. Wird dagegen gemäß Fig. 4 eine Spannung in Polarisationsrichtung an den Längswand­ ler 4 angelegt, so verkürzt sich dieser um einen Betrag d1 gegenüber dem Längswandler 3. Dadurch wird über den Betätigungslappen 23 eine entgegengesetzte Schwenkbewe­ gung auf die Knickfeder 13 ausgeübt, so daß sie in die entgegengesetzte Lage schnappt und Kontakt mit dem Gegen­ kontaktelement 16 gibt.

Eine Vergrößerung der Schaltauslenkung läßt sich noch da­ durch erreichen, daß jeweils an den einen Längswandler eine Spannung in Polarisationsrichtung und an den anderen Längswandler eine Spannung entgegen der Polarisations­ richtung angelegt wird, so daß sich der erstere verkürzt und der zweite sich verlängert. In jedem Fall wird der durch kurzzeitiges Anliegen der Spannung an einen oder an beide Längswandler erreichte Schaltzustand durch die Knickfeder beibehalten, auch wenn die Spannung abgeschal­ tet wird oder bei länger anliegender Spannung der Piezo­ effekt sich abschwächt.

Wie aus Fig. 1 zu ersehen ist, ist die Kontaktanordnung in Schichtbauweise im Grundkörper 1 untergebracht. Durch Stufen 28, 29 und 30 des Grundkörpers können die Kontakt­ elemente 16, 10 und 17 nacheinander in den Grundkörper eingelegt und dort befestigt werden, was ohne weiteres durch Automaten vorgenommen werden kann. Die Anschlußele­ mente für die Piezowandler und für die Kontaktelemente sind als Flachkontakte 31 ausgeführt, so daß das Relais für Oberflächenmontagetechnik (SMD-Technik) geeignet ist. Natürlich könnten anstelle dieser Flachkontakte auch Löt­ stifte oder Flachstecker vorgesehen werden.

Claims (7)

1. Piezoelektrisches Relais mit zwei parallel zueinander angeordneten, einseitig in einem Gehäuse (1) eingespann­ ten Piezoelementen (3, 4), welche unabhängig voneinander an Spannung legbar sind, wobei eine Relativbewegung der freien Enden der beiden Piezoelemente (3, 4) über eine Hebelvorrichtung (7, 23) auf ein bewegliches Kontaktele­ ment (13) übertragbar ist, dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden Piezoelemente als Längswandler (3, 4) ausgebildet sind,
daß die freien Enden (3b, 4b) der beiden Längswandler (3, 4) gemeinsam in einem Betätigungskörper (7) befestigt sind und
daß das bewegliche Kontaktelement (13) eine annähernd parallel zu den Längswandlern (3, 4) angeordnete, mit ih­ ren beiden Enden unter Längsdruck eingespannte und je­ weils durch ihre Einspannebene bewegbare Knickfeder (13) ist, die etwa mittig zwischen ihren eingespannten Enden mindestens ein mit mindestens einem Gegenkontaktelement (16, 17) zusammenwirkendes Kontaktstück (20, 21) trägt und im Bereich zwischen dem Kontaktstück (20, 21) und ei­ ner Einspannstelle (22) starr mit einem im Betätigungs­ körper (7) verankerten Betätigungshebel (23) verbunden ist.

2. Relais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Knickfeder (13) als freige­ schnittener Mittelsteg eines Blattfederrahmens (10) aus­ gebildet ist, dessen beiderseits der Knickfeder (13) lie­ genden Seitenstege (11, 12) jeweils mittels einer Sicke (14, 15) verkürzt sind.

3. Relais nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Betätigungshebel ein oder mehrere rechtwinkelig von der Knickfeder (13) abge­ bogene Blechlappen (23) dienen.

4. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Betätigungskörper (7) als Isolierstoffumhüllung des Betätigungshebels (23) ausgebildet ist und daß die freien Enden der Längswandler (3, 4) in einer Tasche (8) des Betätigungskörpers (7) eingegossen sind.

5. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Knickfeder bei­ derseits je ein Brückenkontaktstuck trägt, mit dem in je­ der Schaltstellung jeweils zwei Gegenkontaktelemente ver­ bunden werden.

6. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Knickfeder als Mittelkontaktfeder mit einem eigenen Anschlußelement ver­ sehen ist und mittels beiderseits aufgebrachter Kontakt­ stücke (20, 21) zwischen zwei Gegenkontaktelementen (18, 19) umschaltbar ist.

7. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Knickfeder (13) mit ihren Gegenkontaktelementen (16, 17) in Schichtbau­ weise auf stufenförmig angeordneten Anlageflächen (28, 29, 30) eines Grundkörpers (1) angeordnet ist.