DE958224C

DE958224C - Anordnungen fuer elektrostatisch gesteuerte Schalter und aehnliche elektrische Bauelemente

Info

Publication number: DE958224C
Application number: DEK23706A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Guenther Herm Krawinkel
Original assignee: GUENTHER HERMANN KRAWINKEL DR
Current assignee: GUENTHER HERMANN KRAWINKEL DR
Priority date: 1954-10-13
Filing date: 1954-10-13
Publication date: 1957-02-14

Description

AUSGEGEBEN AM 14. FEBRUAR 1957

K 23706 VIII c 12ig

elektrische Bauelemente

Im Hauptpatent 954180 werden elektrostatische Schalter (Relais), Spannungsanzeiger und ähnliche elektrische Bauelemente beschrieben, bei denen die an der Grenze zweier Dielektrika mit verschiedenen Dielektrizitätskonstanten, im elektrischen Feld auftretende elektrostatische Kraftwirkung zur Steuerung von Schaltern (Relais), zur Spannungsanzeige oder zur Durchführung sonstiger Sekundärprozesse verwendet wird.

Eine zweckmäßige Ausführung eines derartigen elektrostatischen Relais besteht erfindungsgemäß darin, daß die dielektrische Membran, an deren einem oder beiden Rändern die in der Hauptpatentanmeldung beschriebenen elektrostatischen Kraftwirkungen auftreten, selbst als Träger eines oder mehrerer Relaiskontakte dient, wobei die elektrostatisch hervorgerufene Bewegung der dielektrischen Membran den Relaiskontaktschluß bzw. die Relaiskontaktöffnung bewirkt.

Die Fig. 1 und 2 zeigen zwei Ausführungsbeispiele. In Fig. ι ist die dielektrische Membran M zwischen zwei z. B. aus Kunststoff hergestellten Tragekörpern I₁ und I₂ angeordnet, auf deren ausgesparten Innenseiten sich die Elektroden E₁ und JS₂ befinden. Die Membran M besteht aus einem dielektrischen Stoff mit der Dielektrizitätskonstante ε₂. Oberhalb und unterhalb der Membran befinden sich flüssige bzw. gasförmige Dielektrika mit den Dielektrizitätskonstanten E₁ und ε». Ist

ζ. B. ε₁>ε₂^>ε₃, so tritt, wie in der Hauptpatentanmeldung beschrieben, 'beim Anlegen einer elektrischen Spannung an die Klemmen k_v k₂ der Elektroden E₁, E₂ eine Durchbiegung der Membran M nach unten ein.

In der Membran M ist nun, wie in Fig. ι dargestellt, ein Kontaktstück S₂ vorgesehen, das z. B. durch einen schmalen Metallstreifen auf oder in der Membran zum Anschluß S₂' geführt ist. Liegt ίο dieser Metallanschlußstreifen auf der Membran, so wird, zur Vermeidung ungewollter Kontaktberührungen zwischen den Streifen und der Elektrode E₁, diese Elektrode zweckmäßig über dem Streifen ausgespart.

Das Kontaktstück S₂ berührt in der Ruhelage der Membran M den Kontakt S₃, der im Tragekörper I₁, eingelassen ist und die Elektrode E₁ in einer Aussparung durchsetzt.

In den Tragekörper I₂ ist das Kontaktstück 5"_a eingelassen, das die Elektrode E₂ in einer Aussparung durchsetzt.

Spricht das elektrostatische Relais an, d. h. biegt sich die Membran M zufolge der an ihr im elektrischen Feld angreifenden Kräfte nach unten durch, so wird der Ruhekontakt zwischen S₃ und S₂ geöffnet und der Arbeitskontakt S₁-S₂ geschlossen.

Da bei elektrostatischen Relais der beschriebenen Bauart, zumindest bei Relaissteuerung im Niederspannungsbereich, der Abstand der geöffneten Relaiskontakte nur klein ist, sind Maßnahmen zweckmäßig, die die Neigung zu Überschlagen zwischen den geöffneten Relaiskontakten herabsetzen. Werden die Relaiskontakte von einem dem elektrostatischen Relais eigentümlichen flüssigen Dielektrikum umspült, so ist die Überschlagsneigung zwischen den Relaiskontakten durch die stets ausreichend hoch wählbare Durchschlagsfestigkeit des flüssigen Dielektrikums bestimmt. Liegen die Relaiskontakte aber in einem gasförmigen Dielektrikum, so ist es zweckmäßig, die freie Ionenbeweglichkeit im Gas durch erhöhten Druck herabzusetzen. Durch das Ausgleichsgefäß R in Fig. 1 findet dabei ein Druckausgleich oberhalb und unterhalb der Membran M statt, so daß die beweglichen Dielektrika S₁ und ε₃ beide unter dem gleichen erhöhten Druck stehen.

Verwendet man, wie auch in der Hauptpatentanmeldung beschrieben, ' eine Membran mit nur einseitiger dielektrischer Kraftwirkung, bei der die Elektrode E₁ auf die Membran heruntergezogen ist (s. Fig. 2), und bei der der Sprung der Dielektrizitätskonstanten ε₂, s₃ die dielektrische Kraftwirkung im elektrischen Feld zwischen E₁ und E₂ hervorruft, so kann der Druckausgleich neben oder an Stelle des Ausgleichs über das Gefäß R in Fig. 1 auch durch öffnungen D (s. Fig. 2) in der Membran M erfolgen. Eine derartige Perforation der Membran ist gleichzeitig dazu zu verwenden, ihr θο im ganzen eine im voraus bestimmbare Elastizität zu geben. Zur Vermeidung von Überschlägen zwischen den Belegungen E₁ und E₂ des elektrostatischen Relais ist hierbei zu beachten, daß die Löcher in der Belegung B₁ jeweils ausreichend größer sind als die öffnungen D in der Membran M.

Bei Relais dieser einseitigen Bauart kann die Neigung zu Überschlagen zwischen den Relaiskontakten S₁ und S₂ in Fig. 2 dadurch wesentlich herabgesetzt werden, daß der Raum zwischen den Tragekörpern I₁ und I₂ in Fig. 2, in welchem die Membran M angeordnet ist, evakuiert wird, wodurch gleichzeitig die Ansprechzeit des elektrostatischen Relais herabgesetzt wird. Nach den, Vorschriften der Hauptpatentanmeldung hat dann, unter Berücksichtigung, daß die Dielektrizitätskonstante des Vakuums gleich 1 ist, das Dielektrikum der Membran zweckmäßig eine Dielektrizitätskonstante gleich 3.

Um die elektrostatische Kraftwirkung auf die dielektrische Membran zu vergrößern, ist es möglieh, die dielektrische Membran aus mehreren Schichten mit von unten nach oben (Fig. 2) steigenden Dielektrizitätskonstanten aufzubauen, wobei die Dielektrizitätskonstanten aneinander angrenzender Schichten zweckmäßig jeweils im Verhältnis 1. j 3 (von unten nach oben in Fig. 2) stehen. Gibt man also der Grenzschicht der dielektrischen Membran zum Dielektrikum ε₃ (im Fall des Vakuums ist ε₃ = ι) die Dielektrizitätskonstante 3tnal 8₃, so hat die nächste Schicht der dielektrischen Membran zweckmäßig die Dielektrizitätskonstante o,mal ε₃, die folgende Schicht 27mal ε₃ und die . nächstfolgende Simal ε₃ usw. Durch derart geschichteten Aufbau der dielektrischen Membran, die z. B. durch Aufdampfen oder andere geeignete Aufbringung von festen Dielektrika passender Dielektrizitätskonstanten auf einer Grundschicht herstellbar ist, vermag die elektrostatische Kraftwirkung auf die dielektrische Membran im Verhältnis der Zahl ihrer inneren dielektrischen Grenz-' schichten und der steigenden Dielektrizitätskonstanten größenordnungsmäßig gesteigert zu werden. Die Einzelschichten der geschichteten dielektrischen Membran brauchen dabei nur eine solche Dicke zu haben, daß in ihrem jeweiligen Molekularverband die die Dielektrizitätskonstante bestimmende innere elektrische Polarisationsfähigkeit zur Wirkung kommen kann. Man kann insofern auch dielektrische Membranen mit in einer Richtung stetig zunehmender Dielektrizitätskonstante herstellen und für elektrostatische Relais oder sonstige Bauelemente, wie sie in der Hauptpatentanmeldung beschrieben sind, verwenden, um eine optimale Kraftwirkung auf die dielektrische Membran im elektrischen Feld zu erzielen.

In Fig. 2 ist der Anschluß des Relaiskontaktstücks S₂ nach außen über eine zweckmäßig weiche Feder F dargestellt. Dieser Anschluß kann natürlich auch durch einen Metallstreifen, der z. B. in einer Aussparung der Elektrode E₁ auf der dielekirischen Membran geführt wird, bewirkt werden, wodurch dann keine die Bewegung hemmenden Kräfte an der Membran angreifen.

Reicht trotz Herabsetzung der Ionenbeweglichkeit durch erhöhten Druck bzw. trotz Beseitigung beweglicher Ladungsträger durch Evakuierung

die Sicherheit gegen Überschläge zwischen den Relaiskontakten nicht aus, so kann diese Sicherheit dadurch erhöht werden, daß mehrere elektrostatische Relais mit ihren Belegungen parallel und mit ihrem Relaiskorotakten hintereinander geschaltet werden. Eine solche Hintereinanderschaltung kann auch mit mehreren um die Mitte einer Membran herumgruppierten Relaiskontakten vorgenommen werden.

ίο Bei evakuierten Anordnungen ist es wesentlich, daß der auf die Tragekörper einwirkende äußere Luftdruck die geringen Abstände im Inneren der Anordnung nicht verändert. Zu diesem Zweck können die Tragekörper entweder mit Stützrippen versehen werden, oder die Elektrode E₂ in Fig. 2 wird mit einer Randauflage, im übrigen aber frei tragend, eingebaut.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

i. Elektrostatisches Relais nach Patent 954 180, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Membran selbst Träger von einem oder mehreren Relaiskontakten ist, wobei die elektrostatisch hervorgerufene Bewegung der ,dielektrischen Membran den Relaiskontaktschluß bzw. die Relaiskontaktöffnung bewirkt.
2. Elektrostatisches Relais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die flüssigen oder gasförmigen Dielektrika beiderseits der dielektrischen Membran zwecks Herabsetzung der Ionenbeweglichkeit zwischen den Relaiskontakten unter Druck stehen.
3. Elektrostatisches Rel-ais nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck beiderseits der dielektrischen Membran über ein Ausgleichsgefiäß ausgeglichen wird.
4. Elektrostatisches Relais nach Anspruch 1 und folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß bei kräftemäßig einseitig wirksam werdender dielektrischer Membran der Druckausgleich für die beiden Seiten der Membran durch eine geeignete Perforation der Membran erfolgt.
5. Elektrostatisches Relais nach Anspruch 1 und folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß bei kräftemäßig einseitig wirkenden dielektrischen Membranen, die zwecks Druckausgleich perforiert sind und einseitig mit einer Metallbelegung versehen sind, diese Metallbelegung.

zwecks Verhinderung von Durchschlägen an den Stellen der Perforationslöcher der dielektrischen Membran Aussparungen hat, die größer sind als die Öffnungen in der dielektrischen Membran.
6. Elektrostatisches Relais nach Anspruch 1 und folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß perforierte dielektrische Membranen durch geeignete Anordnung der Perforierungslöcher eine vorgeschriebene Elastizität erhalten.
7. Elektrostatisches Relais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrostatisch kräftemäßig einseitig wirkende dielektrische Membran in einem evakuierten Gefäß angeordnet ist.
8. Elektrostatisches Relais nach Ansprüchen ι und 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei im Vakuum angeordneter dielektrischer Membran das Membranmaterial die Dielektrizitätskonstante 3 hat (Vakuum DK = 1).
9. Elektrostatisches Relais nach Ansprüchen i, 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß das evakuierte Gefäß mit Rippen versehen ist, die eine Durchbiegung infolge des äußeren Luftdrucks verhindern.
10. Elektrostatisches Relais nach Ansprüchen ι und 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verhinderung von Abstandsänderungen zwischen dielektrischer Membran und Gegenelektrode diese Elektrode ebenso -wie die Membran nur am Rand vom Tragekörper (evakuiertes Gefäß) gehalten wird.
11. Elektrostatisches Relais nach Anspruch 1 und folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Tragekörper und die dielektrische Membran gleiche oder nahezu gleiche Temperaturkoeffizienten haben.
12. Elektrostatisches Relais nach Anspruch 1 und folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß; die Relaiskontak'te auf ihren Arbeitsflächen hochglanzpoliert und gegebenenfalls mit Edelmetall belegt sind.
13. Elektrostatisches Relais nach Anspruch 1 und folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere elektrostatische Einzelrelais, die gegebenenfalls mit ihren dielektrischen Membranen in einem Tragekörper (gegebenenfalls evakuiertes Gefäß) eingebaut sind, mit den Elektroden zur Erzeugung des elektrischen Feldes parallel und mit ihren Relaisarbeitskontakten hiinterainander geschaltet sind.
14. Elektrostatisches Relais bzw. sonstige elektrostatische Bauelemente nach der Hauptpatentanmeldung bzw. Anspruch 1 und folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Membran aus Schichten von Dielektrika besteht, deren Dielektrizitätskonstanten in einer Richtung fortlaufend zunehmen.
15. Elektrostatisches Relais bzw. sonstige elektrostatische Bauelemente nach der Hauptpatentanmeldung bzw. Anspruch 1 und folgen- no den, dadurch gekennzeichnet, daß die Dielektrizitätskonstanten jeweils aneinander angrenzender Schichten der geschichteten dielektrischen Membran, in einer Richtung fortschreitend, jeweils im Verhältnis 1 : 3 stehen.
16. Elektrostatisches Relais bzw. sonstige elektrostatische Bauelemente nach der Hauptpatentanmeldung bzw. Anspruch 1 und folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Membran in Richtung ihrer Dicke eine stetig zunehmende bzw. stetig abnehmende Dielektrizitätskonstante hat.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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