EP0170958A1 - Piezoelectric relay - Google Patents

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EP0170958A1
EP0170958A1 EP85109070A EP85109070A EP0170958A1 EP 0170958 A1 EP0170958 A1 EP 0170958A1 EP 85109070 A EP85109070 A EP 85109070A EP 85109070 A EP85109070 A EP 85109070A EP 0170958 A1 EP0170958 A1 EP 0170958A1
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EP
European Patent Office
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contact element
longitudinal
free end
relay
contact
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EP85109070A
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Klaus Dipl.-Ing. Lüneburger
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H57/00—Electrostrictive relays; Piezo-electric relays
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H57/00—Electrostrictive relays; Piezo-electric relays
    • H01H2057/003—Electrostrictive relays; Piezo-electric relays the relay being latched in actuated position by magnet

Definitions

  • the invention relates to a piezoelectric relay with at least one piezoceramic transducer element, the change in shape of which can be implemented when a voltage is applied to actuate at least one contact element.
  • Electromagnetic systems in a wide variety of designs have always been used to drive relays, the excitation coil of which can have undesirable effects on the relay function due to its heating and through contact-damaging evaporation of the winding insulation.
  • the use of the piezoelectric effect for switching relay contacts was also considered a long time ago.
  • the shape change of piezoelectric transducer elements is only small compared to their size, the performance characteristics of electromagnetic relays have not been able to be achieved with such designs.
  • the contact element is in each case connected directly to a bending transducer, so that the deflection of the bending element directly results in the contact stroke.
  • the bending transducer and thus the relay as a whole have to be of a size which does not allow economical use of such relays for most fields of application.
  • the converter is also the carrier of the contact pieces, the power supply gene and possibly additional magnetic components, the transducer function is influenced by the electrical field of the switching voltage, while the heating of the contact pieces by the switching current can affect the transducer material itself.
  • the object of the invention is to provide a piezoelectric relay in which the force-displacement characteristic that can be achieved with electromagnetic relays can be implemented in a simple and space-saving construction.
  • this object is achieved in that at least one longitudinal converter (elongator) is used as the converter element, which is clamped at one end and the free end of which is connected to the contact element via a lever system.
  • the piezoceramic linear transducer has no contact current leads, no contact pieces or magnetic components. Its change in length is transferred via a lever system to a pivotable contact element, for example a contact spring, the relatively small change in length of the longitudinal converter in the switching movement of the contact element necessary for a relay being selected by the choice of the bearing point and the respective lever arms mentes is implemented. With a single series converter, a monostable switching behavior can be achieved, while a bistable switching behavior can be achieved by using at least two series converters.
  • the contact element extends with a long contact leg essentially parallel to the longitudinal converter, faces at least one counter-contact element with the free end and has at least one cross leg at its other end, which is rotatably mounted and in a predetermined Distance to the fulcrum attacks on the free end of the longitudinal converter.
  • the contact element is T-shaped, engages the longitudinal converter with a first short cross leg and is mounted with the second short cross leg.
  • the contact element is expediently T-shaped, the middle leg extending between two longitudinal transducers, the free ends of which each engage a transverse leg of the contact element, a spring element prestressing the respective transverse leg against the longitudinal transducer at each of the two points of attack .
  • bearing members could also be provided, each of which holds the cross leg in contact with the associated longitudinal transducer.
  • two parallel longitudinal transducers clamped on one side carry a pressure plate at their free ends and that both pressure plates are coupled via flexible intermediate webs to a contact element arranged between the longitudinal transducers.
  • the contact element itself which is expediently designed as a contact spring, can be led out with its free end from the plane of the two longitudinal transducers, so that mating contact elements and, if appropriate, additional tilting devices in the form of spring elements or permanent magnet systems can be arranged on both sides of this free end.
  • the means for generating the tilting characteristic can simultaneously generate the contact forces required in each case.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a piezoelectric relay with a frame-shaped housing 1, in which two longitudinal transducers or elongators 2 and 3 are each fastened with their ends 2a and 3a. If a voltage is applied to the longitudinal transducers via connection elements (not shown), they shorten so that their ends 2b and 3b move upward in FIG. 1.
  • a T-shaped contact element with a contact spring 4 arranged parallel to the longitudinal converters is arranged between the two longitudinal converters 2 and 3.
  • the free end 4a of the contact spring can be switched between two mating contact elements 5 and 6, while the other end 4b is fixedly connected to two transverse legs 7 and 8, which are each biased against one of the longitudinal transducers 2 and 3 by means of springs 9 and 10. If one of the longitudinal transducers 2 or 3 shortens, the associated cross leg 7 or 8 is also moved;
  • the lever ratio results in a correspondingly greater deflection of the contact-making end 4a of the contact spring 4.
  • Fig. 2 shows a modification of Fig. 1 for generating a monostable system.
  • a longitudinal converter 2 is provided, and the contact spring 4 is only provided with a single cross leg 7.
  • this cross leg 7 is mounted on the housing 1 via a bearing 11, while, as in the previous example, it is biased by a spring 9 against the longitudinal converter 2.
  • the storage and pretensioning could of course also take place in a different way, for example in that the cross leg 7 would be resilient, firmly clamped in the housing 1 and prestressed against the longitudinal converter 2.
  • a second cross leg could also be provided for storage.
  • FIGS. 3 and 4 The embodiment according to FIGS. 3 and 4 is similar to that of FIG. 1.
  • the mating contact elements 5 and 6 are not arranged between the two longitudinal transducers, but next to them.
  • the contact spring 14 is therefore led from its fastening end 14b out of the area between the two longitudinal transducers 2 and 3 and only bent outside this area in a direction parallel to the longitudinal transducers. This results in the possibility of providing both the counter contacts 5 and 6 and also additional tilting devices (not shown in FIGS. 3 and 4) in the form of spring elements or permanent magnet systems.
  • FIGS. 5 to 7 an embodiment according to FIGS. 5 to 7 can be selected, for example. 5 and 6, the coupling between the longitudinal transducers 2 and 3 and the contact spring 4 of a bistable relay is shown, which is otherwise constructed as in Fig. 1 or 3.
  • a pressure plate 15 or 16 is attached to the free ends of the longitudinal transducers 2 and 3, which is firmly connected to the respective longitudinal transducer or is pressed firmly against the free end of the respective longitudinal transducer by a counterforce F.
  • FIG. 6 shows the type of pivoting movement when the longitudinal converter 3 is shortened.
  • the two pressure plates 15 and 16 can be produced from one piece, the hinge webs 17 and 18 being designed as a reduction in cross section. Metal or plastic can be used as the material. Under certain circumstances, the contact spring 4 with the two pressure plates could also be made in one piece from metal.
  • Fig. 7 shows a modification of the arrangement of Fig. 5 to form a monostable relay.
  • a longitudinal converter 3 with a pressure plate 16 is provided, while instead of the second pressure plate 15, only a carrier 19 is firmly clamped in the housing 1.
  • the mode of operation of this monostable system is the same as for the bistable relay according to FIG. 5.
  • an additional force action is necessary or at least expedient in order to generate a tilting characteristic when the relay is switched and also to ensure a sufficiently large contact force. Permanent magnetic systems or spring elements come into consideration for this.
  • a permanent magnet system is shown schematically, which can be used in a relay according to Fig. 1, 3 or 5.
  • a permanent magnet 21 with two pole shoes 22 and 23 is arranged so that the contact spring 4 adheres as an anchor in the respective end position while it is in contact with a counter-contact element 5 or 6.
  • the contact spring 4 thus also acts as a magnet armature and must therefore be ferromagnetic. The separation of the magnetic and the electrical circuit would of course also be conceivable, so that a switching contact spring would be coupled to a magnet armature.
  • FIG. 9 shows a slightly modified magnet system with two permanent magnets 31 and 32 and associated pole pieces 33 and 34.
  • the contact spring 4 with the counter-contact elements 5 and 6 corresponds to the previous exemplary embodiments.
  • the tilting characteristic can also be generated with spring elements.
  • 10 schematically shows the use of an omega spring 41, which is clamped between the free end of the contact spring 4 and the housing 1 and exerts a longitudinal force on the contact spring 4.
  • this omega spring By means of this omega spring, the contact spring is pressed into one of the two end positions each time the middle dead center is exceeded.
  • the bearing 42 on the housing By choosing the bearing 42 on the housing 1, a bistable or a Generate or amplify monostable switching characteristics.
  • the contact spring 4 itself can also be designed to generate a tilting characteristic.
  • it has an extension 43 at its free end, which has a reduced cross section and is held at the end by the housing.
  • a cutting edge bearing is sufficient for the clamping, since the spring only has to exert an axial counterforce and otherwise only has to be secured against lateral displacement of the bearing point.
  • these mechanical or magnetic means for generating the tilting characteristic can simultaneously generate the contact forces.
  • a plurality of contact springs can of course be used instead of the one contact spring shown.

Abstract

1. Piezoelectric relay having at least one piezoceramic transducer element, the deformation of which on the application of a voltage can be converted into the actuation of at least one contact element (4), at least one longitudinal transducer (2, 3) being employed as transducer element, which transducer is mounted at one end (2a, 3a) on a relay housing (1), and the free end (2b, 3b) of which is connected to the contact element (4) via a lever system (7, 8), which element faces at least one counter-contact element (5, 6) with a free end (4a), characterized in that the contact element (4) extends with a long spring leg parallel to the longitudinal transducer (2, 3), and in that at least one transverse leg (7, 8) is connected with the other end (4b) of the contact element (4), which transverse leg is mounted to pivot relative to the relay housing (1) and acts at a predetermined distance from the bearing point at the free end of the longitudinal transducer (2; 3).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein piezoelektrisches Relais mit mindestens einem piezokeramischen Wandlerelement, dessen Formänderung beim Anlegen einer Spannung zur Betätigung mindestens eines Kontaktelementes umsetzbar ist.The invention relates to a piezoelectric relay with at least one piezoceramic transducer element, the change in shape of which can be implemented when a voltage is applied to actuate at least one contact element.

Zum Antrieb von Relais werden seit jeher Elektromagnetsysteme in verschiedensten Ausführungsformen verwendet, deren Erregerspule durch ihre Erwärmung und durch kontaktschädliche Ausdünstungen der Wicklungsisolierung unerwünschte Auswirkungen auf die Relaisfunktion haben kann. Auf der Suche nach anderen Antriebssystemen wurde auch bereits vor langer Zeit eine Ausnutzung des piezoelektrischen Effekts zum Schalten von Relaiskontakten in Erwägung gezogen. Da die Formänderung piezoelektrischer Wandlerelemente jedoch im Vergleich zu ihrer Größe nur gering ist, konnten mit derartigen Konstruktionen bisher die Leistungseigenschaften elektromagnetischer Relais nicht erreicht werden.Electromagnetic systems in a wide variety of designs have always been used to drive relays, the excitation coil of which can have undesirable effects on the relay function due to its heating and through contact-damaging evaporation of the winding insulation. When looking for other drive systems, the use of the piezoelectric effect for switching relay contacts was also considered a long time ago. However, since the shape change of piezoelectric transducer elements is only small compared to their size, the performance characteristics of electromagnetic relays have not been able to be achieved with such designs.

So ist bei bekannten piezoelektrischen Relais (DE-GM 19 17 876, DE-OS 28 11 524) jeweils das Kontaktelement unmittelbar mit einem Biegewandler verbunden, so daß die Auslenkung des Biegeelements unmittelbar den Kontakthub ergibt. Um bei derartigen Relais einen genügend großen Kontakthub zu erhalten, müssen der Biegewandler und damit das Relais insgesamt eine Größe erhalten, die für die meisten Anwendungsgebiete einen wirtschaftlichen Einsatz derartiger Relais nicht ermöglicht. Ist der Wandler gleichzeitig Träger der Kontaktstücke, der Stromzuführungen und evtl. zusätzlicher magnetischer Bauteile, so wird die Wandlerfunktion durch das elektrische Feld der Schaltspannung beeinflußt, während die Erwärmung der Kontaktstücke durch den Schaltstrom das Wandlermaterial selbst beeinträchtigen kann. Außerdem gibt es Probleme, zwischen dem Kontaktmaterial und der Wandlerkeramik eine haltbare Verbindung herzustellen, die keine Bimetall-Wirkung haben darf. Von Nachteil ist auch, daß die Wandler aufgrund ihrer Eigenschaften (Hysterese, Schleichen, Reihenfolge der Betätigungen) keine konstanten Kontaktkräfte ermöglichen.In known piezoelectric relays (DE-GM 19 17 876, DE-OS 28 11 524), the contact element is in each case connected directly to a bending transducer, so that the deflection of the bending element directly results in the contact stroke. In order to obtain a sufficiently large contact stroke with such relays, the bending transducer and thus the relay as a whole have to be of a size which does not allow economical use of such relays for most fields of application. If the converter is also the carrier of the contact pieces, the power supply gene and possibly additional magnetic components, the transducer function is influenced by the electrical field of the switching voltage, while the heating of the contact pieces by the switching current can affect the transducer material itself. There are also problems in creating a durable connection between the contact material and the transducer ceramic, which must not have a bimetal effect. Another disadvantage is that the transducers do not allow constant contact forces due to their properties (hysteresis, creep, sequence of operations).

Aufgabe der Erfindung ist es, ein piezoelektrisches Relais zu schaffen, bei dem die bei elektromagnetischen Relais erreichbare Kraft-Weg-Charakteristik in einer einfachen und platzsparenden Konstruktion verwirklicht werden kann.The object of the invention is to provide a piezoelectric relay in which the force-displacement characteristic that can be achieved with electromagnetic relays can be implemented in a simple and space-saving construction.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß als Wandlerelement mindestens ein Längswandler (Elongator) verwendet ist, der an einem Ende eingespannt ist und dessen freies Ende über ein Hebelsystem mit dem Kontaktelement verbunden ist.According to the invention, this object is achieved in that at least one longitudinal converter (elongator) is used as the converter element, which is clamped at one end and the free end of which is connected to the contact element via a lever system.

Mit der Erfindung wird also nicht nur der grundsätzliche Vorteil eines piezoelektrischen Relais, nämlich die Vermeidung einer Erregerspule und der mit ihr verbundenen Probleme, erreicht, vielmehr wird es durch die Trennung des piezokeramischen Wandlers vom Kontaktelement möglich, das gewünschte Schaltverhalten auf einfachere Weise zu verwirklichen. Der piezokeramische Längswandler besitzt keine Kontakt-Stromzuführungen, keine Kontaktstücke oder magnetischen Bauelemente. Seine Längenänderung wird über ein Hebelsystem auf ein schwenkbares Kontaktelement, beispielsweise eine Kontaktfeder, übertragen, wobei durch die Wahl der Lagerstelle und der jeweiligen Hebelarme die relativ geringe Längenänderung des Längswandlers in die für ein Relais notwendige Schaltbewegung des Kontaktelementes umgesetzt wird. Mit einem einzelnen Längswandler läßt sich dabei ein monostabiles Schaltverhalten erreichen, während ein bistabiles Schaltverhalten durch die Verwendung von mindestens zwei Längswandlern erzielt werden kann.With the invention, therefore, not only the basic advantage of a piezoelectric relay, namely the avoidance of an excitation coil and the problems associated with it, is achieved, but rather the separation of the piezoceramic transducer from the contact element makes it possible to achieve the desired switching behavior in a simpler manner. The piezoceramic linear transducer has no contact current leads, no contact pieces or magnetic components. Its change in length is transferred via a lever system to a pivotable contact element, for example a contact spring, the relatively small change in length of the longitudinal converter in the switching movement of the contact element necessary for a relay being selected by the choice of the bearing point and the respective lever arms mentes is implemented. With a single series converter, a monostable switching behavior can be achieved, while a bistable switching behavior can be achieved by using at least two series converters.

In einer zweckmäßigen Ausführungsform des Relais ist vorgesehen, daß das Kontaktelement sich mit einem langen Kontaktschenkel im wesentlichen parallel zum Längswandler erstreckt, mit dem freien Ende mindestens einem Gegenkontaktelement gegenübersteht und an seinem anderen Ende mindestens einen Querschenkel aufweist, welcher drehbar gelagert ist und in einem vorgegebenen Abstand zum Drehpunkt an dem freien Ende des Längswandlers angreift. In zweckmäßiger Weiterbildung ist das Kontaktelement T-förmig ausgebildet, greift mit einem ersten kurzen Querschenkel an dem Längswandler an und ist mit dem zweiten kurzen Querschenkel gelagert.In an expedient embodiment of the relay, it is provided that the contact element extends with a long contact leg essentially parallel to the longitudinal converter, faces at least one counter-contact element with the free end and has at least one cross leg at its other end, which is rotatably mounted and in a predetermined Distance to the fulcrum attacks on the free end of the longitudinal converter. In an expedient development, the contact element is T-shaped, engages the longitudinal converter with a first short cross leg and is mounted with the second short cross leg.

Für eine bistabile Ausführungsform des Relais ist das Kontaktelement zweckmäßigerweise T-förmig ausgebildet, wobei sich der Mittelschenkel zwischen zwei Längswandlern erstreckt, deren freie Enden je an einem Querschenkel des Kontaktelementes angreifen, wobei an jedem der beiden Angriffspunkte ein Federelement den jeweiligen Querschenkel gegen den Längswandler vorspannt. Anstelle dieser Federelemente zur Vorspannung könnten aber auch Lagerglieder vorgesehen sein, welche jeweils den Querschenkel mit dem zugehörigen Längswandler in Kontakt halten.For a bistable embodiment of the relay, the contact element is expediently T-shaped, the middle leg extending between two longitudinal transducers, the free ends of which each engage a transverse leg of the contact element, a spring element prestressing the respective transverse leg against the longitudinal transducer at each of the two points of attack . Instead of these spring elements for pretensioning, bearing members could also be provided, each of which holds the cross leg in contact with the associated longitudinal transducer.

In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, daß zwei parallel angeordnete, einseitig eingespannte Längswandler an ihren freien Enden eine Druckplatte tragen und daß beide Druckplatten über flexible Zwischenstege mit einem zwischen den Längswandlern angeordneten Kontaktelement gekoppelt sind. Dadurch ergibt sich eine scharnierartige Lagerung des Kontaktelementes zwischen den beiden Druckplatten. Das Kontaktelement selbst, das zweckmäßigerweise als Kontaktfeder ausgebildet ist, kann mit seinem freien Ende aus der Ebene der beiden Längswandler herausgeführt sein, so daß zu beiden Seiten dieses freien Endes Gegenkontaktelemente und gegebenenfalls zusätzliche Kippvorrichtungen in Form von Federelementen oder Dauermagnetsystemen angeordnet werden können. Für die Herstellung der Kippcharakteristik gibt es bei der monostabilen Ausführung neben mechanischen und magnetischen Kippvorrichtungen auch noch die Möglichkeit, mit Hilfe einer elektronischen Kippschaltung nur zwei Spannungsniveaus zuzulassen, so daß der Längswandler nur zwei definierte Lagen einnehmen kann. Bei der bistabilen Ausführungsform des Relais können die Mittel zur Erzeugung der Kippcharakteristik gleichzeitig die jeweils erforderlichen Kontaktkräfte erzeugen.In a further embodiment it is provided that two parallel longitudinal transducers clamped on one side carry a pressure plate at their free ends and that both pressure plates are coupled via flexible intermediate webs to a contact element arranged between the longitudinal transducers. This creates a hinge like storage of the contact element between the two pressure plates. The contact element itself, which is expediently designed as a contact spring, can be led out with its free end from the plane of the two longitudinal transducers, so that mating contact elements and, if appropriate, additional tilting devices in the form of spring elements or permanent magnet systems can be arranged on both sides of this free end. For the manufacture of the tilting characteristic there is in the monostable version not only mechanical and magnetic tilting devices but also the possibility of using an electronic flip-flop to allow only two voltage levels, so that the longitudinal converter can only assume two defined positions. In the bistable embodiment of the relay, the means for generating the tilting characteristic can simultaneously generate the contact forces required in each case.

Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

  • Fig. 1 den schematischen Aufbau eines bistabilen piezoelektrischen Relais mit zwei Längswandlern,
  • Fig. 2 eine monostabile Ausführungsform eines derartigen Relais mit einem Biegewandler,
  • Fig. 3 und 4 eine gegenüber Fig. 1 etwas abgewandelte bistabile Ausführungsform in zwei Ansichten,
  • Fig. 5 und 6 eine abgewandelte Ausführungsform eines bistabilen Relais,
  • Fig. 7 eine weitere Ausführungsform eines monostabilen Relais,
  • Fig. 8 und 9 zwei verschiedene Ausführungsformen mit Dauermagnetsystemen zur Erzeugung einer Kippcharakteristik bei einem piezoelektrischen Relais,
  • Fig. 10 und 11 zwei verschiedene Ausführungsformen zur Erzeugung der Kippcharakteristik bei einem piezoelektrischen Relais mit Federelementen.
The invention is explained in more detail below using exemplary embodiments with reference to the drawing. It shows
  • 1 shows the schematic structure of a bistable piezoelectric relay with two series converters,
  • 2 shows a monostable embodiment of such a relay with a bending transducer,
  • 3 and 4 a bistable embodiment somewhat modified compared to FIG. 1 in two views,
  • 5 and 6 a modified embodiment of a bistable relay,
  • 7 shows a further embodiment of a monostable relay,
  • 8 and 9 two different embodiments with permanent magnet systems for generating a tilting characteristic in a piezoelectric relay,
  • 10 and 11 two different embodiments for generating the tilting characteristic in a piezoelectric relay with spring elements.

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung ein piezoelektrisches Relais mit einem rahmenförmigen Gehäuse 1, in welchem zwei Längswandler bzw. Elongatoren 2 und 3 jeweils mit ihren Enden 2a bzw. 3a befestigt sind. Wird über nicht dargestellte Anschlußelemente eine Spannung an die Längswandler angelegt, so verkürzen sie sich, so daß sich ihre Enden 2b bzw. 3b in Fig. 1 nach oben bewegen. Zwischen den beiden Längswandlern 2 und 3 ist ein T-förmiges Kontaktelement mit einer parallel zu den Längswandlern angeordneten Kontaktfeder 4 angeordnet. Das freie Ende 4a der Kontaktfeder ist zwischen zwei Gegenkontaktelementen 5 und 6 umschaltbar, während das andere Ende 4b fest mit zwei Querschenkeln 7 und 8 verbunden ist, die jeweils gegen einen der Längswandler 2 bzw. 3 mittels Federn 9 und 10 vorgespannt sind. Verkürzt sich also einer der Längswandler 2 bzw. 3, so wird der zugehörige Querschenkel 7 bzw. 8 mit bewegt; durch die Hebelübersetzung ergibt sich eine entsprechend größere Auslenkung des kontaktgebenden Endes 4a der Kontaktfeder 4.Fig. 1 shows a schematic representation of a piezoelectric relay with a frame-shaped housing 1, in which two longitudinal transducers or elongators 2 and 3 are each fastened with their ends 2a and 3a. If a voltage is applied to the longitudinal transducers via connection elements (not shown), they shorten so that their ends 2b and 3b move upward in FIG. 1. A T-shaped contact element with a contact spring 4 arranged parallel to the longitudinal converters is arranged between the two longitudinal converters 2 and 3. The free end 4a of the contact spring can be switched between two mating contact elements 5 and 6, while the other end 4b is fixedly connected to two transverse legs 7 and 8, which are each biased against one of the longitudinal transducers 2 and 3 by means of springs 9 and 10. If one of the longitudinal transducers 2 or 3 shortens, the associated cross leg 7 or 8 is also moved; The lever ratio results in a correspondingly greater deflection of the contact-making end 4a of the contact spring 4.

Um beim Schalten eine Kippcharakteristik zu erzeugen und um die Kontaktfeder nach dem Schalten in ihrer jeweiligen Lage festzuhalten, auch wenn die Spannung am Elongator abgeschaltet wird, müssen zusätzliche Maßnahmen, etwa in Form von Federmitteln oder Dauermagneten, vorgesehen werden. In Fig. 1 sind diese Mittel nicht dargestellt; sie werden später noch anhand der Fig. 8 bis 11 erläutert.In order to generate a tilt characteristic when switching and to hold the contact spring in its respective position after switching, even if the voltage on the elongator is switched off, additional measures, for example in the form of spring means or permanent magnets, must be provided. These means are not shown in FIG. 1; they will be explained later with reference to FIGS. 8 to 11.

Fig. 2 zeigt eine Abwandlung von Fig. 1 zur Erzeugung eines monostabilen Systems. Hierbei ist lediglich ein Längswandler 2 vorgesehen, und die Kontaktfeder 4 ist nur mit einem einzigen Querschenkel 7 versehen. Dieser Querschenkel 7 ist in diesem Fall über ein Lager 11 am Gehäuse 1 gelagert, während er wie im vorhergehenden Beispiel durch eine Feder 9 gegen den Längswandler 2 vorgespannt ist. Die Lagerung und Vorspannung könnte natürlich auch auf andere Weise erfolgen, beispielsweise dadurch, daß der Querschenkel 7 federnd ausgebildet, im Gehäuse 1 fest eingespannt und gegen den Längswandler 2 vorgespannt würde. Auch ein zweiter Querschenkel könnte zur Lagerung vorgesehen werden.Fig. 2 shows a modification of Fig. 1 for generating a monostable system. In this case, only a longitudinal converter 2 is provided, and the contact spring 4 is only provided with a single cross leg 7. In this case, this cross leg 7 is mounted on the housing 1 via a bearing 11, while, as in the previous example, it is biased by a spring 9 against the longitudinal converter 2. The storage and pretensioning could of course also take place in a different way, for example in that the cross leg 7 would be resilient, firmly clamped in the housing 1 and prestressed against the longitudinal converter 2. A second cross leg could also be provided for storage.

Die Ausführungsform nach den Fig. 3 und 4 ist der von Fig. 1 ähnlich. Im Gegensatz zu der dortigen Konstruktion sind hier die Gegenkontaktelemente 5 und 6 nicht zwischen den beiden Längswandlern angeordnet, sondern neben diesen. Die Kontaktfeder 14 ist deshalb von ihrem Befestigungsende 14b ausgehend aus dem Bereich zwischen den beiden Längswandlern 2 und 3 herausgeführt und erst außerhalb dieses Bereiches in eine zu den Längswandlern parallele Richtung abgeknickt. Damit ergibt sich die Möglichkeit, sowohl die Gegenkontakte 5 und 6 als auch zusätzliche, in den Fig. 3 und 4 nicht dargestellte Kippeinrichtungen in Form von Federelementen oder Dauermagnetsystemen vorzusehen.The embodiment according to FIGS. 3 and 4 is similar to that of FIG. 1. In contrast to the construction there, the mating contact elements 5 and 6 are not arranged between the two longitudinal transducers, but next to them. The contact spring 14 is therefore led from its fastening end 14b out of the area between the two longitudinal transducers 2 and 3 and only bent outside this area in a direction parallel to the longitudinal transducers. This results in the possibility of providing both the counter contacts 5 and 6 and also additional tilting devices (not shown in FIGS. 3 and 4) in the form of spring elements or permanent magnet systems.

Bei den vorher beschriebenen Ausführungsformen ist eine gewisse Reibung zwischen den Enden der Längswandler 2 und 3 einerseits und den Querstegen 7 und 8 der Kontaktfeder 4 andererseits nicht ganz zu vermeiden. Um diesen Nachteil auszuschalten, kann beispielsweise eine Ausführungsform gemäß Fig. 5 bis 7 gewählt werden. In den Fig. 5 und 6 ist die Ankopplung zwischen den Längswandlern 2 und 3 und der Kontaktfeder 4 eines bistabilen Relais gezeigt, welches ansonsten wie in Fig. 1 oder 3 aufgebaut ist. An den freien Enden der Längswandler 2 und 3 ist jeweils eine Druckplatte 15 bzw. 16 angebracht, die mit dem jeweiligen Längswandler fest verbunden ist bzw. durch eine Gegenkraft F fest an das freie Ende des jeweiligen Längswandlers angedrückt wird. Die in Fig. 6 dargestellte Druckkraft F kann beispielsweise durch eine Blattfeder, durch eine entsprechende Lagerung im Gehäuse mit Vorspannung oder durch einen Druckrahmen aufgebracht werden. Die beiden Druckplatten 15 und 16 sind mit der Kontaktfeder 4. scharnierartig verbunden. Bei einer Längenänderung eines der Längswandler wird die zugehörige Druckplatte parallel zu der anderen verschoben, ohne daß eine Relativbewegung zwischen der Längswandler-Stirnfläche und der Druckplatte stattfindet. Diese Parallelverschiebung der beiden Druckplatten relativ zueinander wird über die Scharnierstege 17 und 18 auf die Kontaktfeder übertragen, wodurch diese mit ihrem freien Ende eine im Vergleich zur Längenänderung des Längswandlers sehr große Schwenkbewegung ausführt. Fig. 6 zeigt die Art der Schwenkbewegung bei einer Verkürzung des Längswandlers 3. Die beiden Druckplatten 15 und 16 können aus einem Stück hergestellt sein, wobei die Scharnierstege 17 und 18 als Querschnittsverminderung ausgebildet sind. Als Material kommt Metall oder auch Kunststoff in Betracht. Unter Umständen könnte auch die Kontaktfeder 4 mit den beiden Druckplatten einstückig aus Metall hergestellt sein.In the previously described embodiments, a certain amount of friction between the ends of the longitudinal converters 2 and 3 on the one hand and the transverse webs 7 and 8 of the contact spring 4 on the other hand cannot be completely avoided. In order to eliminate this disadvantage, an embodiment according to FIGS. 5 to 7 can be selected, for example. 5 and 6, the coupling between the longitudinal transducers 2 and 3 and the contact spring 4 of a bistable relay is shown, which is otherwise constructed as in Fig. 1 or 3. A pressure plate 15 or 16 is attached to the free ends of the longitudinal transducers 2 and 3, which is firmly connected to the respective longitudinal transducer or is pressed firmly against the free end of the respective longitudinal transducer by a counterforce F. The compressive force F shown in FIG. 6 can be applied, for example, by a leaf spring, by a corresponding bearing in the housing with pretension or by a pressure frame. The two pressure plates 15 and 16 are connected to the contact spring 4 in a hinge-like manner. In the event of a change in length of one of the longitudinal transducers, the associated pressure plate is displaced parallel to the other without a relative movement taking place between the end face of the longitudinal transducer and the pressure plate. This parallel displacement of the two pressure plates relative to one another is transmitted to the contact spring via the hinge webs 17 and 18, as a result of which its free end carries out a very large pivoting movement in comparison with the change in length of the longitudinal converter. FIG. 6 shows the type of pivoting movement when the longitudinal converter 3 is shortened. The two pressure plates 15 and 16 can be produced from one piece, the hinge webs 17 and 18 being designed as a reduction in cross section. Metal or plastic can be used as the material. Under certain circumstances, the contact spring 4 with the two pressure plates could also be made in one piece from metal.

Fig. 7 zeigt eine Abwandlung der Anordnung von Fig. 5 zur Bildung eines monostabilen Relais. In diesem Fall ist lediglich ein Längswandler 3 mit einer Druckplatte 16 vorgesehen, während anstelle der zweiten Druckplatte 15 lediglich ein Träger 19 fest im Gehäuse 1 eingespannt ist. Ansonsten ist die Wirkungsweise dieses monostabilen Systems genauso wie bei dem bistabilen Relais gemäß Fig. 5. Bei allen gezeigten Ausführungsbeispielen ist eine zusätzliche Krafteinwirkung notwendig oder zumindest zweckmäßig, um beim Schalten des Relais eine Kippcharakteristik zu erzeugen und außerdem eine genügend große Kontaktkraft sicherzustellen. Hierfür kommen dauermagnetische Systeme oder Federelemente in Betracht.Fig. 7 shows a modification of the arrangement of Fig. 5 to form a monostable relay. In this case, only a longitudinal converter 3 with a pressure plate 16 is provided, while instead of the second pressure plate 15, only a carrier 19 is firmly clamped in the housing 1. Otherwise, the mode of operation of this monostable system is the same as for the bistable relay according to FIG. 5. In all of the exemplary embodiments shown, an additional force action is necessary or at least expedient in order to generate a tilting characteristic when the relay is switched and also to ensure a sufficiently large contact force. Permanent magnetic systems or spring elements come into consideration for this.

In Fig. 8 ist ein Dauermagnetsystem schematisch gezeigt, welches bei einem Relais gemäß Fig. 1, 3 oder 5 zur Anwendung kommen kann. In dem Gehäuse 1, das nur teilweise, zusammen mit dem schaltenden Ende der Kontaktfeder 4, gezeigt ist, ist ein Dauermagnet 21 mit zwei Polschuhen 22 und 23 so angeordnet, daß die Kontaktfeder 4 als Anker in der jeweiligen Endlage haftet, während sie Kontakt mit einem Gegenkontaktelement 5 bzw. 6 gibt. Die Kontaktfeder 4 wirkt damit zusätzlich als Magnetanker und muß deshalb ferromagnetisch sein. Denkbar wäre natürlich auch die Trennung des magnetischen und des elektrischen Kreises, so daß eine schaltende Kontaktfeder mit einem Magnetanker gekoppelt wäre.In Fig. 8, a permanent magnet system is shown schematically, which can be used in a relay according to Fig. 1, 3 or 5. In the housing 1, which is only partially shown, together with the switching end of the contact spring 4, a permanent magnet 21 with two pole shoes 22 and 23 is arranged so that the contact spring 4 adheres as an anchor in the respective end position while it is in contact with a counter-contact element 5 or 6. The contact spring 4 thus also acts as a magnet armature and must therefore be ferromagnetic. The separation of the magnetic and the electrical circuit would of course also be conceivable, so that a switching contact spring would be coupled to a magnet armature.

Fig. 9 zeigt ein leicht abgewandeltes Magnetsystem mit zwei Dauermagneten 31 und 32 und zugehörigen Polschuhen 33 und 34. Die Kontaktfeder 4 mit den Gegenkontaktelementen 5 und 6 entspricht den vorhergehenden Ausführungsbeispielen.FIG. 9 shows a slightly modified magnet system with two permanent magnets 31 and 32 and associated pole pieces 33 and 34. The contact spring 4 with the counter-contact elements 5 and 6 corresponds to the previous exemplary embodiments.

Die Kippcharakteristik kann aber auch mit Federelementen erzeugt werden. So ist schematisch in Fig. 10 die Verwendung einer Omega-Feder 41 gezeigt, welche zwischen dem freien Ende der Kontaktfeder 4 und dem Gehäuse 1 eingespannt ist und eine Längskraft auf die Kontaktfeder 4 ausübt. Durch diese Omega-Feder wird die Kontaktfeder jeweils nach Überschreitung des mittleren Totpunktes in eine der beiden Endlagen gedrückt. Durch Wahl der Lagerstelle 42 am Gehäuse 1 läßt sich eine bistabile oder eine monostabile Schaltcharakteristik erzeugen bzw. verstärken.The tilting characteristic can also be generated with spring elements. 10 schematically shows the use of an omega spring 41, which is clamped between the free end of the contact spring 4 and the housing 1 and exerts a longitudinal force on the contact spring 4. By means of this omega spring, the contact spring is pressed into one of the two end positions each time the middle dead center is exceeded. By choosing the bearing 42 on the housing 1, a bistable or a Generate or amplify monostable switching characteristics.

Anstelle einer zusätzlichen Omega-Feder kann auch die Kontaktfeder 4 selbst zur Erzeugung einer Kippcharakteristik ausgebildet sein. Zu diesem Zweck besitzt sie an ihrem freien Ende einen Fortsatz 43, der im Querschnitt vermindert und mit dem Ende am Gehäuse gehalten ist. Für die Einspannung genügt beispielsweise eine Schneidenlagerung, da die Feder lediglich eine axiale Gegenkraft aufbringen muß und ansonsten nur gegen seitliche Verschiebung der Lagerstelle gesichert werden muß. Bei einer bistabilen Relaisausführung können diese mechanischen oder magnetischen Mittel zur Erzeugung der Kippcharakteristik gleichzeitig die Kontaktkräfte erzeugen.Instead of an additional omega spring, the contact spring 4 itself can also be designed to generate a tilting characteristic. For this purpose, it has an extension 43 at its free end, which has a reduced cross section and is held at the end by the housing. For example, a cutting edge bearing is sufficient for the clamping, since the spring only has to exert an axial counterforce and otherwise only has to be secured against lateral displacement of the bearing point. In the case of a bistable relay design, these mechanical or magnetic means for generating the tilting characteristic can simultaneously generate the contact forces.

Bei allen gezeigten Ausführungsformen können natürlich anstelle der einen dargestellten Kontaktfeder mehrere Kontaktfedern verwendet werden.In all of the embodiments shown, a plurality of contact springs can of course be used instead of the one contact spring shown.

Claims (9)

1. Piezoelektrisches Relais mit mindestens einem piezokeramischen Wandlerelement, dessen Formänderung beim Anlegen einer Spannung zur Betätigung mindestens eines Kontaktelementes umsetzbar ist, dadurch gekenn- zeichnet, daß als Wandlerelement mindestens ein Längswandler (2, 3) verwendet ist, der an einem Ende (2a, 3a) befestigt ist und dessen freies Ende (2b, 3b) über ein Hebelsystem (7, 8) mit dem Kontaktelement (4) verbunden ist.1. Piezoelectric relay with at least one piezoceramic transducer element, the change in shape of which can be implemented when a voltage is applied to actuate at least one contact element, characterized in that at least one longitudinal transducer (2, 3) is used as the transducer element, which at one end (2a, 3a) is attached and the free end (2b, 3b) of which is connected to the contact element (4) via a lever system (7, 8). 2. Relais nach Anspruch 1, dadurch gekenn- zeichnet, daß das Kontaktelement (4) sich mit einem langen Federschenkel parallel zum Längswandler (2, 3) erstreckt, mit dem freien Ende (4a) mindestens einem Gegenkontaktelement (5, 6) gegenübersteht und an seinem anderen Ende (4b) mindestens einen Querschenkel (7, 8) aufweist, welcher drehbar gelagert ist und in einem vorgegebenen Abstand zum Lagerpunkt am freien Ende des Längswandlers (2; 3) angreift.2. Relay according to claim 1, characterized in that the contact element (4) extends with a long spring leg parallel to the longitudinal converter (2, 3), with the free end (4a) facing at least one mating contact element (5, 6) and at its other end (4b) has at least one cross leg (7, 8) which is rotatably mounted and engages at a predetermined distance from the bearing point on the free end of the longitudinal converter (2; 3). 3. Relais nach Anspruch 2, dadurch gekenn- zeichnet, daß das Kontaktelement (4, 7, 8) T-förmig ausgebildet ist, mit einem ersten kurzen Querschenkel (7; 8) an dem Längswandler (2; 3) angreift und mit dem zweiten kurzen Querschenkel (8; 7) an dem anderen Längswandler (3; 2) gelagert ist.3. Relay according to claim 2, characterized in that the contact element (4, 7, 8) is T-shaped, with a first short cross leg (7; 8) on the longitudinal converter (2; 3) and engages with the second short cross leg (8; 7) is mounted on the other longitudinal converter (3; 2). 4. Relais nach Anspruch 3, dadurch gekenn- zeichnet, daß das Kontaktelement (4, 7, 8) T-förmig ausgebildet ist, wobei sich der Mittelschenkel (4) zwischen zwei Längswandlern (2, 3) erstreckt, deren freie Enden (2b; 3b) jeweils an einem'Querschenkel (7, 8) des Kontaktelementes angreifen, wobei an jedem der beiden Angriffspunkte ein Federelement (9, 10) den Querschenkel (7, 8) gegen den zugehörigen Längswandler (2, 3) vorspannt.4. Relay according to claim 3, characterized in that the contact element (4, 7, 8) is T-shaped, the middle leg (4) extending between two longitudinal transducers (2, 3), the free ends (2b 3b) each engage a transverse leg (7, 8) of the contact element, with a spring element (9, 10) the transverse leg at each of the two points of attack (7, 8) against the associated longitudinal converter (2, 3). 5. Relais nach Anspruch 1, dadurch gekenn- zeichnet, daß zwei parallel angeordnete, einseitig eingespannte Längswandler (2, 3) an ihren freien Enden jeweils eine Druckplatte (15, 16) tragen und daß die beiden Druckplatten (15, 16) über flexible Zwischenstege (17, 18) mit einer Kontaktfeder (4) verbunden sind.5. Relay according to claim 1, characterized in that two parallel, one-sided clamped longitudinal transducers (2, 3) carry at their free ends a pressure plate (15, 16) and that the two pressure plates (15, 16) via flexible Intermediate webs (17, 18) are connected to a contact spring (4). 6. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Kontaktelement (14) mit seinem Lagerende (14b) zwischen zwei Längswandlern (2, 3) angeordnet und mit seinem freien Ende (14a) aus der Ebene der beiden Längswandler (2, 3) herausgeführt ist.6. Relay according to one of claims 1 to 5, characterized in that the contact element (14) with its bearing end (14b) between two series converters (2, 3) and with its free end (14a) from the plane of the two series converters ( 2, 3) is brought out. 7. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß eine Schnappfeder (41) am freien Ende des Kontaktelementes (4) angeordnet ist und eine Längskraft auf das Kontaktelement (4) ausübt.7. Relay according to one of claims 1 to 6, characterized in that a snap spring (41) is arranged at the free end of the contact element (4) and exerts a longitudinal force on the contact element (4). 8. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß das freie Ende des Kontaktelementes (4) im Querschnitt vermindert und an einer Gegenlage im Gehäuse (1) verspreizt ist.8. Relay according to one of claims 1 to 6, characterized in that the free end of the contact element (4) is reduced in cross section and is spread apart on a counterpart in the housing (1). 9. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß im Relaisgehäuse ein oder mehrere Dauermagnete angeordnet sind, die das Kontaktelement (4) in seine jeweilige Endlage ziehen.9. Relay according to one of claims 1 to 6, characterized in that one or more permanent magnets are arranged in the relay housing, which pull the contact element (4) into its respective end position.
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