WO2001099135A1 - Bistabiler elektrischer schalter und relais mit einem solchen - Google Patents

Bistabiler elektrischer schalter und relais mit einem solchen Download PDF

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WO2001099135A1
WO2001099135A1 PCT/IB2001/001066 IB0101066W WO0199135A1 WO 2001099135 A1 WO2001099135 A1 WO 2001099135A1 IB 0101066 W IB0101066 W IB 0101066W WO 0199135 A1 WO0199135 A1 WO 0199135A1
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WO
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spring
electrical switch
switch according
bistable electrical
bistable
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PCT/IB2001/001066
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French (fr)
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Martin Hanke
Matthias Kroeker
Thomas Haehnel
Jörg SCHULTHEISS
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Tyco Electronics Amp Gmbh
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Publication date
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    • H01H61/0107—Details making use of shape memory materials
    • H01H2061/0122—Two SMA actuators, e.g. one for closing or resetting contacts and one for opening them
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    • H01H5/00—Snap-action arrangements, i.e. in which during a single opening operation or a single closing operation energy is first stored and then released to produce or assist the contact movement
    • H01H5/04—Energy stored by deformation of elastic members
    • H01H5/18—Energy stored by deformation of elastic members by flexing of blade springs

Definitions

  • the invention relates to a bistable, electrical switch with a spring which is designed as a bistable spring and carries the contact elements on at least one area of the spring and with at least one drive element made of shape memory material for each switching state for driving the spring.
  • the invention relates to a relay with such a bistable electrical switch.
  • a switch consisting of a drive element, a contact spring and first and second wires made of shape memory material, as well as first and second contact elements is known.
  • the drive element is essentially T-shaped and rotatably mounted at the foot of the T.
  • wires made of shape memory material are arranged, the length of which changes as a function of temperature, the temperature change being able to be brought about by a
  • the wires Due to this heating due to the current flow, the wires are transferred from a first phase to a second phase.
  • the first contact element is connected to the contact spring, while the second contact element is fixed.
  • the spring is a bistable spring which, driven by the drive element, is transferred from a first stable end state to a second stable end state.
  • the spring itself is divided into three areas by a U-shaped slot, the outer areas being connected to the central cut-out tongue by a U-shaped spring.
  • the drive element only acts on the middle tongue and by adjusting the middle tongue, due to the action of the U-shaped spring the entire spring moves back and forth between two stable end states.
  • the object is achieved by an arrangement with the features of claim 1 or by a relay with the features of claim 20.
  • the bistable electrical switch uses a bistable spring. This is generated in a more suitable manner
  • Part of the spring which is thin or narrow in comparison with its characteristic length, that is to say a leaf, is subjected to a sufficiently high compressive stress in the direction of the longitudinal extension of the leaf.
  • the sheet can then buckle or kink and thus avoid the compressive stress.
  • the spring carries at least one contact element in at least one area. With the dodging of the sheet by bulging or kinking, lateral movements of the area are
  • the drive of the spring for switching from one to the other end state is realized by one or more elements made of shape memory material. These drive elements each have two phases in which they have different mechanical properties. When the drive elements change from one phase to the other, which is achieved by increasing the temperature, for example as a result of electrical current flowing through the drive elements, they perform mechanical work for switching over the nonlinear spring.
  • bistable electrical switch is very light and can be manufactured inexpensively.
  • the spring is made in one piece and is particularly simple to manufacture. This is achieved in that a flat form spring is used as the non-linear spring, the longitudinal tension of which is introduced by plastic deformation of one or more areas thereof.
  • a particularly advantageous embodiment of the flat form spring has longitudinal slots, as a result of which it is divided into several sheets.
  • the leaves are at their ends connected with each other. It is particularly advantageous to provide two longitudinal slits.
  • Plastic deformation for example bending, can shorten one or more leaves of the spring. This exerts a compressive stress on the other sheets, which are not shortened. These will then buckle or buckle and thus avoid the compressive stress.
  • a plastic deformation can also be carried out in the form of an embossing and thus an extension of one or more leaves of the flat spring. The elongated leaves are then subjected to compressive stress, which they also avoid by buckling or kinking.
  • a trapezoidal spring as the non-linear spring, the leaves of which widen in a constant ratio from the narrow side to the broad side of the trapezoidal spring.
  • the broad side of the spring can be firmly clamped. With this spring shape, a very even distribution of the load is guaranteed. It is particularly advantageous if the width of the leaves is in the ratio 1: 2: 1.
  • the non-linear spring can be tuned using the embossed bends in individual leaves.
  • the deflection of the spring is determined by the depth of the bend.
  • the force required to switch from one stable final state to the other stable final state is also determined by the spring deflection of the bend. Due to the trapezoidal spring that widens downwards, there is the possibility of choosing the force required for the transition from one end state to the other end state, regardless of the deflection chosen, by changing the position of the embossed bend, since one is in the narrow area of the Leaves created beading into one leads to softer switching than a bead created in the wide area of the leaves.
  • the contact element can either be conductively connected to the spring or can be connected to the spring via an insulating intermediate element.
  • insulation material has the advantage that the switching arc emanating from the opening contact no longer has the possibility of breaking through to the opposite fixed contact.
  • the spring can be connected to the drive elements made of shape memory material via a lever. At least one drive element is required for each switching state. Wires that have different lengths in the two phases can be used as the drive element.
  • the drive elements are heated by electrical current flow and thereby transferred to the other phase. Due to the shortening of the wires, they exert a force on the spring and transfer it from one stable to the other.
  • the snap mechanism ensures that the electrical contacts on one side open quickly, move suddenly to the other side and the contact force is suddenly built up.
  • auxiliary contacts which ensure that the current flow through the wires made of shape memory material is interrupted as soon as the switching movement has taken place. This enables the wires to be charged with a current can, which would lead to destruction of the wires if the wires flow continuously, but does not damage the wires due to the short duration of the current flow.
  • Such high currents in the control circuit enable fast switching, as is typical for relays.
  • Spring is particularly advantageous to form from two individual springs, which are interconnected by non-conductive elements dimensionally stable, as a double, electrically separate spring.
  • the two individual springs each provide one center contact
  • Figure 1 shows a plan view of a first embodiment of a trapezoidal spring with beads arranged in the narrow region of the spring.
  • FIG. 2 shows a side view of the spring according to FIG. 1.
  • Figure 3 shows an enlarged detail of the bead.
  • Figure 4 shows a perspective view of the spring.
  • Figure 5 shows a plan view of a second embodiment of a trapezoidal spring with beads arranged in the wide area.
  • Figure 6 shows a corresponding side view of this spring.
  • Figure 7 shows an enlargement of the bead.
  • Figure 8 shows a perspective view of the spring according to
  • FIG. 9 shows a perspective illustration of a further exemplary embodiment of a trapezoidal spring with beads and drive elements.
  • FIG. 10 shows a side view of the spring according to FIG. 9.
  • Figure 11 shows an embodiment of a bridge spring.
  • Figure 12 shows the bridge spring with contacts and drive elements as well as the indicated housing.
  • Figure 13 shows a side view of the bridge spring in the first stable final state.
  • FIG. 14 shows a side view of the bridge spring in the second stable final state.
  • FIG. 15 shows a schematic representation of the spring in the second stable final state with indicated contacts and drive elements.
  • FIG. 16 shows an exploded view of a switch without a housing cover using the spring according to FIG. 1.
  • FIG. 17 shows a perspective illustration of the switch according to FIG. 16.
  • Figure 18 shows a side view of a
  • Embodiment of a double electrically isolated spring with beads and drive elements Embodiment of a double electrically isolated spring with beads and drive elements.
  • FIG. 19 shows a further side view of the spring spring according to FIG. 18 rotated by 90 ° with fixed contacts.
  • FIG. 20 shows a schematic top view of the contact arrangement of the spring according to FIG. 18.
  • FIG. 21 shows an electrical equivalent circuit diagram for the spring with drive elements according to FIG. 18 that can be used as a reversing switch.
  • the spring 1 to 4 show a first exemplary embodiment of a spring for a bistable electrical switch according to the invention.
  • the spring 1 is a bistable non-linear spring which is trapezoidal. It has a broad side 2 and a narrow side 3. On the narrow side 3 there is again a carrier strip 4 to which the contact elements are also fastened to the areas 5 or 6, which can be done, for example, by riveting or welding.
  • the spring is divided into three leaves 9, 10 and 11 by two inclined longitudinal slots 7 and 8.
  • the leaves 9, 10 and 11 are connected to one another at their ends.
  • the side sheets 9 and 10 are by bending with a Bead 12 and 13 plastically deformed.
  • the bead is located near the narrow side 3 of the trapezoidal spring. Due to the beads 12 and 13, the sheets 9 and 11 are shortened and therefore exert a compressive stress on the middle sheet 10.
  • the sheet 10 avoids this compressive stress by bulging to one side. This can be seen particularly clearly in FIG. 2.
  • the position of the bead is particularly clearly shown in FIG. 3, for example. Due to the location of the beads 12 and 13 near the narrow end of the trapezoidal spring, a spring was produced that can be switched particularly soft. Due to the position of the bead and the widening spring, the force for the transition from one end state to the other end state can be determined. The two final states are determined by the side on which the middle sheet 10 bulges.
  • Embodiment of a spring l 1 shown for a bistable, electrical switch according to the invention The spring 1 'differs from the spring 1 of the first exemplary embodiment solely by the position of the beads 12' and 13 '.
  • the beads 12 ', 13' of the second embodiment are located near the broad side 2 'of the spring. This increases the power required for switching.
  • the trapezoidal springs shown in the first two exemplary embodiments are each firmly clamped with their broad side 2, for example on a housing or base.
  • a wire made of shape memory material is fastened on each side of the spring, which shorten during the transition from one phase to another and thereby cause the middle sheet to move in one or the other other side bulges and the spring thereby assumes one of the two stable end states.
  • the spring shape of the trapezoidal spring with the broad side clamped in the first two exemplary embodiments leads to a particularly uniform spring curvature under load.
  • a trapezoidal spring 101 is also shown, which, however, is firmly clamped with its narrow side 102.
  • a carrier strip 104 which carries the contact elements 114, 115 and 116.
  • the trapezoidal spring 101 also has a central leaf 110 and two lateral leaves 109 and 111, which are each shortened by a bead 112 and 113.
  • a short lever arm 117 is provided on the carrier strip 4 on each side.
  • a wire 118 and 119 is sometimes attached to this. If a current flows through such a wire 118 or 119, it heats up and thereby enters its second shortened phase. Because of this shortened phase, the carrier strip 114 is then tilted and this tilting causes the bulge of the middle sheet 110 to jump from one side to the other side and thus the trapezoidal spring 101 is transferred to its second stable final state.
  • Electrical contact elements 116 can also be attached to the carrier strip 104 on both sides in such a way that counter contacts are located opposite them on both sides and in pairs when the spring is switched
  • the mating contacts will implement the external electrical connection of the relay using contact pins.
  • the wires 118 and 119 which are provided on both sides of the spring, are also connected to the base of the relay and are electrically guided to the outside.
  • the inclined inward guidance of the wires 118, 119 prevents the contacts from opening before the spring jumps from one end state to the other.
  • the upper end of the middle sheet is elastically bent about the horizontal transverse axis and the spring jumps into its second stable final state. This in turn stretches the wires on the other side so that they are now available for switching in the opposite direction.
  • This embodiment is a bridge spring 201, which is also a flat spring is executed. It has two longitudinal slots 207 and 208, through which it is divided into three sheets 209, 210 and 211.
  • the two outer leaves 209 and 211 each have two beads 212 and 213.
  • the outer leaves 209 and 211 have support strips 220 on the side with which they are mounted on the housing 221.
  • a drive element which is connected to wires 218 and 219 made of shape memory material, engages the central sheet 210.
  • FIGS. 13 and 14 show the two stable final states of the bridge spring.
  • the bridge spring is shown in a stable final state, the counter contacts 222 and 223 are also shown.
  • a relay in which the spring 1 of the first exemplary embodiment corresponding to FIGS. 1-4 is used will now be described with reference to FIGS. 16 and 17.
  • a base 30 made of plastic is provided in which the spring 1 is supported with the end 2.
  • the base 30 has openings 31 through which contact pins 32, 34 pass through the base 30.
  • the contact pins 32 are connected to the holders 33 for the wires 18, 19.
  • the contact pins 34 are connected to the fixed contact elements 35.
  • the wires 18, 19 are connected to the spring 1 via the lever arm 17.
  • the wires 18, 19 are each guided through a hollow rivet 36 on the lever arm 17.
  • FIGS. 18 and 19 show an exemplary embodiment of a double, electrically separated spring 301 with beads and drive elements in two side views from mutually perpendicular directions.
  • the nonlinear spring 301 consists of two
  • Individual springs 302, 302 ⁇ which are connected to one another in a dimensionally stable manner by elements 305, 306 made of non-conductive material both at the lower and at the upper ends 303, 304.
  • the two individual springs 302, 302 ⁇ are identical and are arranged in mirror image with respect to one another with respect to their length. There is a gap 307 between them, which is bridged by the aforementioned non-conductive connecting elements 305, 306.
  • the two individual springs are, for example, on the
  • Each individual spring 302, 302 ⁇ consists of a material that is both conductive and has spring properties.
  • the spring can be made from a copper alloy with good spring properties, for example from CuBe2 spring plate.
  • the spring properties of the individual springs 302, 302 * result from the fact that they consist of at least two elongated parts (leaves) with different lengths, which are connected to one another on both end faces. The resulting tension causes the longer blade to yield laterally in two different stable states, which represent the two switching states.
  • Individual springs can be made by embossing one of the two leaves, which leads to the shortening of the same.
  • the change between the two stable states can advantageously be implemented via actuators in the form of wires 318, 319 made of shape memory material, which change their length due to a current flow and the resulting heating and which are arranged on both sides of the spring.
  • One end of the shape memory elements can be attached to the bottom of the relay on the base.
  • the drive can also be carried out by electromagnetic coils.
  • the two individual springs 302, 302 ⁇ each represent the center contact of a two-way switch contact arrangement. They carry a contact pill 314, 314 'on both sides and each move between two fixed contacts 320.
  • the single spring 302, 302 ⁇ is electrically connected to the outside with a solder connection 321, 321 ⁇ or a plug connection of the relay.
  • the movable center contacts on the spring find their counter contacts in the two stable states of the spring. These fixed counter contacts are electrically connected to corresponding solder pins or plug connections on the outside of the relay.
  • FIGS. 20 and 21 Due to the presence of two electrically separate individual springs, which, however, mechanically form a unit and the described contact arrangement, a connected double changer is created as shown in FIGS. 20 and 21. This is relatively simple and in particular very inexpensive e.g. to complete a motor pole connection.

Abstract

Die Erfindung betrifft einen bistabilen elektrischen Schalter mit einer Feder (101), die als bistabile Sprungfeder ausgebildet ist und Kontaktelemente (114, 116) am Trägerstreifen (104) der Feder trägt und mit zumindest einem Antriebselement aus Formgedächtnismaterial je Schaltzustand zum Antrieb der Feder, wobei die Feder ein Blatt (110) aufweist, das an einem Ende (102) fest eingespannt ist und das eine Druckspannung in Richtung seiner Längsdehnung unterworfen ist und dieser durch Beulen nach einer Seite in einen von zwei stabilen Endzuständen ausweicht, wobei die Bereiche der Feder in den stabilen Endzuständen unterschiedliche laterale Positionen einnehmen und wobei die Antriebselemente (118, 119) am freien Ende des Blattes angreifen und durch Neigen des freien Endes (104) ein Umspringen in den zweiten stabilen Endzustand bewirken.

Description

Bistabiler elektrischer Schalter und Relais mit einem solchen
Die Erfindung betrifft einen bistabilen, elektrischen Schalter mit einer Feder, die als bistabile Sprungfeder ausgebildet ist und die Kontaktelemente auf zumindest einem Bereich der Feder trägt und mit zumindest einem Antriebselement aus Formgedächtnismaterial je Schaltzustand zum Antrieb der Feder. Ausserdem betrifft die Erfindung ein Relais mit einem solchen bistabilen elektrischen Schalter.
Aus der US 5,990,770 ist ein Schalter bestehend aus einem Antriebselement, einer Kontaktfeder und ersten und zweiten Drähten aus Formgedächtnismaterial, sowie ersten und zweiten Kontaktelementen bekannt. Das Antriebselement ist im Wesentlichen T-förmig ausgebildet und am Fuss des T's drehbar gelagert. An den beiden Enden des Querbalkens, sind Drähte aus Formgedächtnismaterial angeordnet, deren Länge sich temperaturabhängig verändert, wobei die Temperaturänderung dadurch bewirkt werden kann, dass ein
Strom die Drähte durchfliesst . Durch diese Erwärmung aufgrund des Stromdurchflusses, werden die Drähte von einer ersten Phase in eine zweite Phase überführt. Das erste Kontaktelement ist mit der Kontaktfeder verbunden, während das zweite Kontaktelement fest ist. Bei der Feder handelt es sich um eine bistabile Sprungfeder, die durch das Antriebselement angetrieben von einem ersten stabilen Endzustand in einen zweiten stabilen Endzustand überführt wird. Die Feder selbst ist durch einen U-förmigen Schlitz in drei Bereiche geteilt, wobei die äusseren Bereiche mit der mittleren freigeschnittenen Zunge, durch eine U-förmige Feder verbunden sind. Das Antriebselement wirkt nur auf die mittlere Zunge ein und durch Verstellen der mittleren Zunge, wird aufgrund der Einwirkung der U-förmigen Feder die gesamte Feder zwischen zwei stabilen Endzuständen hin- und herbewegt .
Nachteilig an dieser Ausführung ist, dass sie relativ viel Platz benötigt und der Aufbau der Feder recht kompliziert ist, sowie ein zusätzliches Antriebselement benötigt wird.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen bistabilen elektrischen Schalter, sowie ein Relais mit einem solchen Schalter anzugeben, wobei der Schalter und insbesondere die bistabile Sprungfeder sehr einfach aufgebaut ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 beziehungsweise durch ein Relais mit den Merkmalen des Patentanspruches 20.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Schalters sind in den Ansprüchen 1 - 19 angegeben.
Der bistabile elektrische Schalter, benutzt eine bistabile Sprungfeder. Diese wird dadurch erzeugt, dass in geeigneter
Weise ein Teil der Feder, der im Vergleich mit seiner charakteristischen Längenausdehnung dünn oder schmal ist, also ein Blatt, einer genügend hoher Druckspannung in Richtung der Längsausdehnung des Blattes unterworfen ist. Das Blatt kann dann beulen oder knicken und so der Druckspannung ausweichen.
Die Feder trägt auf zumindest einem Bereich zumindest ein Kontaktelement. Mit dem Ausweichen des Blattes durch beulen oder knicken, sind laterale Bewegungen des Bereiches der
Feder verbunden, der Kontaktelemente trägt. Diese lateralen Bewegungen werden benutzt zum Öffnen oder Schliessen von Stromkreisen. In beiden Endzuständen ist die Sprungfeder stabil, das heisst kleine Auslenkungen führen zur Rückfederung in den selben Endzustand. Aufgrund dessen ist es auch möglich, dass die Feder in beiden Endzuständen statische Kontaktkräfte aufbringen kann.
Der Antrieb der Feder zum Schalten von einem in den anderen Endzustand, wird durch je ein oder mehrere Elemente aus Formgedächtnismaterial realisiert. Diese Antriebselemente besitzen jeweils zwei Phasen, in denen sie unterschiedliche mechanische Eigenschaften aufweisen. Beim Übergang der Antriebselemente von einer in die andere Phase, der durch Temperaturerhöhung, beispielsweise infolge elektrischen Stromflusses durch die Antriebselemente erreicht wird, leisten sie mechanische Arbeit zum Umschalten der nichtlinearen Feder.
Es ist von besonderem Vorteil, dass der bistabile elektrische Schalter sehr leicht ist und kostengünstig herstellbar ist.
Es ist weiter von besonderem Vorteil eine nichtlinear arbeitende Feder einzusetzen, die Kontaktkräfte in beiden Schaltzuständen bereitstellt.
Es ist weiter von besonderem Vorteil, dass die Feder einteilig ausgeführt und besonders einfach herstellbar ist. Dies wird dadurch erreicht, dass als nichtlineare Feder eine Flachformfeder eingesetzt wird, deren Längsspannung durch plastische Verformung von einem oder mehreren Bereichen derselben eingebracht wird.
Eine besonders vorteilhafte Ausbildung der Flachformfeder weist Längsschlitze auf, wodurch sie in mehrere Blätter unterteilt wird. Die Blätter sind an ihren Enden miteinander verbunden. Es ist besonders vorteilhaft zwei Längsschnitze vorzusehen. Durch plastische Verformung, beispielsweise Verbiegung, kann eine Verkürzung eines oder mehreren Blätter der Feder hergestellt werden. Dadurch wird eine Druckspannung auf die anderen Blätter, die nicht verkürzt sind, ausgeübt. Diese werden dann beulen oder knicken und so der Druckspannung ausweichen. Eine plastische Verformung kann auch in Form einer Prägung und damit einer Verlängerung eines oder mehreren Blätter der Flachformfeder ausgeführt sein. Die verlängerten Blätter sind dann einer Druckspannung unterworfen, der sie ebenfalls durch Beulen oder Knicken ausweichen.
Es ist weiter von besonderem Vorteil als nichtlineare Feder eine Trapezfeder einzusetzen, deren Blätter sich von der Schmalseite zur Breitseite der Trapezfeder in konstantem Verhältnis verbreitern. Die Breitseite der Feder kann dabei fest eingespannt werden. Mit dieser Federform, wird eine sehr gleichmässige Verteilung der Belastung gewährleistet. Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Breite der Blätter im Verhältnis 1 : 2 : 1 steht.
Es ist weiter von besonderem Vorteil, dass mit Hilfe der eingeprägten Biegungen in einzelnen Blätter der nichtlinearen Feder, diese abstimmbar ist. Durch die Tiefe der Biegung wird die Auslenkung der Feder festgelegt. Die Kraft, die zum Umschalten von einem stabilen Endzustand in den anderen stabilen Endzustand benötigt wird, wird durch die Nachfederung der Biegung mitbestimmt. Durch die sich nach unten verbreiternde Trapezfeder, ergibt sich die Möglichkeit die Kraft, die für den Übergang von einem Endzustand in den anderen Endzustand benötigt wird, unabhängig von der gewählten Auslenkung durch Verändern der Lage der eingeprägten Biegung zu wählen, da eine im schmalen Bereich der Blätter erzeugte Sicke zu einem weicheren Schalten führt, als eine im breiten Bereich der Blätter erzeugte Sicke.
Es ist weiter von besonderem Vorteil, dass die Kontaktelernente entweder mit der Feder leitend verbunden werden können oder mit der Feder über ein isolierendes Zwischenelement verbindbar sind. Das Vorsehen von Isolationsmaterial hat der Vorteil, dass der vom öffnenden Kontakt ausgehende Schaltlichtbogen keine Möglichkeit mehr hat zum gegenüberliegenden Festkontakt durchzuschlagen.
Es ist weiter von besonderem Vorteil, dass die Feder über einen Hebel mit den Antriebselementen aus Formgedächtnismaterial verbunden werden kann. Für jeden Schaltzustand ist dabei mindestens ein Antriebselement notwendig. Als Antriebselement können Drähte eingesetzt werden, die in den beiden Phasen unterschiedliche Längen aufweisen. Durch elektrischen Stromfluss werden die Antriebselemente erwärmt und dadurch in die andere Phase überführt. Aufgrund der auftretenden Verkürzung der Drähte üben sie eine Kraftwirkung auf die Sprungfeder aus und überführen diese aus dem einen in den anderen stabilen Endzustand.
Obwohl die Erwärmung der Antriebselemente langsam erfolgt, sorgt der Sprungmechanismus dafür, dass die elektrischen Kontakte auf der einen Seite schnell geöffnet werden sich sprungartig zur anderen Seite hinüber bewegen und die Kontaktkraft plötzlich aufgebaut wird.
Es ist weiter von besonderem Vorteil Hilfskontakte vorzusehen, die sicherstellen, dass der Stromfluss durch die Drähte aus Formgedächtnismaterial unterbrochen wird, sobald die Umschaltbewegung erfolgt ist. Dadurch wird ermöglicht, dass die Drähte mit einem Strom belastet werden können, der bei ständigem Fliessen durch die Drähte zu einer Zerstörung der Drähte führen würde, aufgrund der kurzen Zeitdauer des Stromflusses jedoch nicht zu einer Beschädigung der Drähte führt. Solche hohen Stromstärken im Steuerkreis ermöglichen ein schnelles Umschalten, wie es für Relais typisch ist.
Es ist von besonderem Vorteil, einen erfindungsgemässen Schalter als Relais einzusetzen.
Es ist weiter von besonderem Vorteil und stellt eine weitere Erfindung dar, die Anordnung als Umpolschalter einzusetzen. Durch besondere Ausbildung der Sprungfeder und der Kontaktanordnung ist dieser erfinderische Einsatz des erfinderischen bistabilen Schalters möglich. Die
Sprungfeder ist dabei besonders vorteilhaft aus zwei Einzelfedern, die durch nichtleitende Elemente miteinander formstabil verbunden sind, als doppelte, elektrisch getrennte Sprungfeder auszubilden. Die beiden Einzelfedern stellen den Mittenkontakt jeweils einer
Wechselschalterkontaktanordnung dar, die sich zwischen zwei Festkontakten bewegen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sollen nun anhand der Figuren erläutert werden.
Figur 1 zeigt eine Aufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel einer Trapezfeder mit im schmalen Bereich der Feder angeordneten Sicken.
Figur 2 zeigt eine Seitenansicht der Feder gemäss Figur 1.
Figur 3 zeigt eine Ausschnittsvergrösserung der Sicke.
Figur 4 zeigt eine perspektivische Ansicht der Feder. Figur 5 zeigt eine Aufsicht auf ein zweites Ausführungsbeispiel einer Trapezfeder mit im breiten Bereich angeordneten Sicken.
Figur 6 zeigt eine entsprechende Seitenansicht auf diese Feder.
Figur 7 zeigt eine Vergrösserung der Sicke.
Figur 8 zeigt eine perspektivische Ansicht der Feder nach
Figur 5.
Figur 9 zeigt eine perspektivische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Trapezfeder mit Sicken und Antriebselementen.
Figur 10 zeigt eine Seitenansicht der Feder nach Figur 9.
Figur 11 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Brückenfeder.
Figur 12 zeigt die Brückenfeder mit Kontakten und Antriebselementen sowie angedeutetem Gehäuse.
Figur 13 zeigt eine Seitenansicht der Brückenfeder im ersten stabilen Endzustand.
Figur 14 zeigt eine Seitenansicht der Brückenfeder im zweiten stabilen Endzustand.
Figur 15 zeigt eine schematische Darstellung der Feder im zweiten stabilen Endzustand mit angedeuteten Kontakten und Antriebselementen . Figur 16 zeigt eine Explosionsdarstellung eines Schalters ohne Gehäusedeckel unter Verwendung der Feder nach Figur 1.
Figur 17 zeigt eine perspektivische Darstellung des Schalters nach Figur 16.
Figur 18 zeigt eine Seitenansicht eines
Ausführungsbeispiels einer doppelten elektrisch getrennten Sprungfeder mit Sicken und Antriebselementen.
Figur 19 zeigt eine um 90° gedrehte weitere Seitenansicht der Sprungfeder nach Figur 18 mit Festkontakten.
Figur 20 zeigt ein schematische Aufsicht auf die Kontaktanordnung der Sprungfeder nach Figur 18.
Figur 21 zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild für die als Umpolschalter einsetzbare Sprungfeder mit Antriebselementen nach Figur 18.
In den Figuren 1 bis 4 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer Feder für einen erfindungsgemässen bistabilen elektrischen Schalter dargestellt. Bei der Feder 1 handelt es sich um eine bistabile nichtlineare Sprungfeder, die trapezförmig ausgebildet ist. Sie weist eine Breitseite 2 auf, sowie eine Schmalseite 3. An der Schmalseite 3 ist nochmals ein Trägerstreifen 4 angeordnet, an dem auch die Kontaktelemente an den Bereichen 5 oder 6 befestigt werden, was beispielsweise durch Nieten oder Schweissen erfolgen kann.
Durch zwei geneigte Längsschlitze 7 und 8 ist die Feder in drei Blätter 9, 10, und 11 unterteilt. Die Blätter 9, 10 und 11 sind an ihren Enden miteinander verbunden. Die seitlichen Blätter 9 und 10 sind durch Biegung mit einer Sicke 12 und 13 plastisch verformt. Die Sicke befindet sich nahe der Schmalseite 3 der Trapezfeder. Aufgrund der Sicken 12 und 13 sind die Blätter 9 und 11 verkürzt und üben daher auf das mittlere Blatt 10 eine Druckspannung aus. Das Blatt 10 weicht dieser Druckspannung dadurch aus, dass es nach einer Seite beult. Dies ist besonders deutlich in Figur 2 zu erkennen. Die Lage der Sicke ist beispielsweise in auch in Figur 3 besonders deutlich dargestellt. Aufgrund der Lage der Sicken 12 und 13 nahe dem schmalen Ende der Trapezfeder, wurde eine Feder erzeugt, die besonders weich geschaltet werden kann. Durch die Lage der Sicke und aufgrund der sich verbreiternden Feder kann die Kraft für den Übergang von einem Endzustand in den anderen Endzustand bestimmt werden. Die beiden Endzustände werden bestimmt durch die Seite nach der das mittlere Blatt 10 sich beult.
Anhand der Figuren 5 bis 8 ist ein weiteres
Ausführungsbeispiel einer Feder l1 für einen erfindungsgemässen, bistabilen, elektrischen Schalter dargestellt. Die Feder 1' unterscheidet sich von der Feder 1 des ersten Ausführungsbeispiels einzig und allein durch die Lage der Sicken, 12 ' und 13 ' . Die Sicken 12 ' , 13 ' des zweiten Ausführungsbeispiels befinden sich nahe der Breitseite 2' der Feder. Dadurch wird die Kraft die zum Schalten benötigt erhöht.
Die in den ersten beiden Ausführungsbeispielen dargestellten Trapezfedern, sind jeweils mit ihrer Breitseite 2 fest zum Beispiel an einem Gehäuse oder Sockel eingespannt. Am Trägerstreifen 4 und beispielsweise am Gehäuse, ist auf jeder Seite der Feder ein Draht aus Formgedächtnismaterial befestigt, die beim Übergang von einer Phase in eine andere Phase sich verkürzen und dadurch bewirken, dass das mittlere Blatt sich nach der einen oder anderen Seite beult und die Feder dadurch einen der beiden stabilen Endzustände einnimmt.
Die in den beiden ersten Ausführungsbeispielen dargestellte Federform der Trapezfeder mit eingespannter Breitseite führt zu einer besonders gleich ässigen Federkrümmung bei Belastung.
Im dritten Ausführungsbeispiel, das in den Figuren 9 und 10 dargestellt ist, ist ebenfalls eine Trapezfeder 101 dargestellt, die jedoch mit ihrer Schmalseite 102 fest eingespannt ist. An ihrer Breitseite 103, befindet sich ein Trägerstreifen 104, der die Kontaktelemente 114, 115 und 116 trägt. Die Trapezfeder 101, weist ebenfalls ein mittleres Blatt 110 auf sowie zwei seitliche Blätter 109 und 111, die jeweils durch eine Sicke 112 und 113 verkürzt sind.
Am Trägerstreifen 4 ist auf jeder Seite ein kurzer Hebelarm 117 vorgesehen. An diesem ist zuweilen ein Draht, 118 und 119, befestigt. Fliesst durch einen solchen Draht 118 oder 119 ein Strom, so erwärmt er sich und tritt dadurch in seine zweite verkürzte Phase ein. Aufgrund dieser verkürzten Phase wird dann der Trägerstreifen 114 gekippt und diese Kippung bewirkt dass die Beule des mittleren Blattes 110 von der einen Seite auf die andere Seite überspringt und somit die Trapezfeder 101 in ihren zweiten stabilen Endzustand überführt wird.
Obwohl die Erwärmung beim Stromdurchfluss durch die Drähte vergleichsweise langsam erfolgt, sorgt der Sprungmechanismus dafür, dass die elektrischen Kontakte schnell geöffnet werden, sich sprungartig zur anderen Seite hin bewegen und auch die Kontaktkraft auf der anderen Seite sprungartig aufgebaut wird. Am Trägerstreifen 104 können auch auf beiden Seiten elektrische Kontaktelemente 116 befestigt werden derart, dass sich ihnen gegenüber auf beiden Seiten Gegenkontakte befinden und beim Schalten der Feder jeweils paarweise
Kontakte geöffnet und geschlossen werden. Wenn ein Strom im Lastkreis über beide Kontakte geführt wird, können auch höhere Gleichspannungen geschaltet werden.
Bei einem Einsatz des Schalters als Relais, werden die Gegenkontakte mittels Kontaktstiften die äussere elektrische Verbindung des Relais realisieren. Die Drähte 118 und 119 die auf beiden Seiten der Feder vorgesehen sind, werden ebenfalls mit dem Sockel des Relais verbunden und elektrisch nach aussen geführt.
Durch die schräg nach innen verlaufende Führung der Drähte 118, 119 wird verhindert, dass sich die Kontakte öffnen, bevor die Feder von einem in den anderen Endzustand springt.
Wird ein Stromfluss durch die Drähte aus
Formgedächtnismaterial geführt, so erwärmen sich diese und wechseln ihre Phase, was zu einem Verkürzen der Drähte führt. Dadurch wird das obere Ende des mittleren Blattes um die horizontale Querachse elastisch gebogen und die Feder springt in ihren zweiten stabilen Endzustand. Dadurch wiederum, werden die Drähte auf der anderen Seite gedehnt, sodass diese jetzt für einen Schaltvorgang in die entgegengesetzte Richtung zur Verfügung stehen.
Anhand der Figuren 11 bis 15 soll nun ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung diskutiert werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine Brückenfeder 201, die ebenfalls als Flachformfeder ausgeführt ist. Sie weist zwei Längsschlitze 207 und 208 auf, durch die sie in drei Blätter 209, 210 und 211 geteilt ist. Die beiden äusseren Blätter 209 und 211 weisen jeweils zwei Sicken 212 und 213 auf. An den beiden freien Enden 202 und 203 befinden sich auf beiden Seiten Kontaktelemente 216 und 217. Die äusseren Blätter 209 und 211 weisen seitlich Trägerstreifen 220 auf, mit denen die am Gehäuse 221 gelagert sind. Im mittleren Bereich greift an das mittlere Blatt 210 ein Antriebselement an, das mit Drähten 218 und 219 aus Formgedächtnismaterial verbunden ist. Wird durch die Drähte 218 ein Strom geleitet, so verkürzen sich diese und das Antriebselement 214 wird senkrecht zur Längsachse des mittleren Blattes 210 verschoben, wodurch eine Auslenkung des mittleren Blattes 210 in die andere Beulrichtung und eine Umspringen der Sprungfeder in diesen zweiten Endzustand ausgelöst wird.
In den Figuren 13 und 14 sind die beiden stabilen Endzustände der Brückenfeder dargestellt. In Figur 15 ist die Brückenfeder in einem stabilen Endzustand dargestellt, wobei die Gegenkontakte 222 und 223 ebenfalls gezeigt sind.
Anhand der Figuren 16 und 17 soll nun ein Relais beschrieben werden, in dem die Feder 1 des ersten Ausführungsbeispiels entsprechend Figuren 1 - 4 eingesetzt wird.
Es ist ein Sockel 30 aus Kunststoff vorgesehen in dem die Feder 1 mit dem Ende 2 gelagert ist. Der Sockel 30 weist Durchbrüche 31 auf, durch die Kontaktstifte 32, 34 durch den Sockel 30 treten.
Die Kontaktstifte 32 sind mit den Halterungen 33 für die Drähte 18, 19 verbunden. Die Kontaktstifte 34 sind mit den Festkontaktelementen 35 verbunden.
Die Drähte 18, 19 sind über den Hebelarm 17 mit der Feder 1 verbunden. Die Drähte 18, 19 werden durch je eine Hohlniet 36 am Hebelarm 17 geführt.
Anhand der Figuren 18 bis 21 wird ein erfindungsgemässer Schalter erläutert, der als Umpolschalter eingesetzt werden kann. In den Figuren 18 und 19 ist ein Ausführungsbeispiels einer doppelten, elektrisch getrennten Sprungfeder 301 mit Sicken und Antriebselementen in zwei Seitenansichten aus zueinander senkrechten Richtungen dargestellt.
Die nichtlineare Sprungfeder 301 besteht aus zwei
Einzelfedern 302, 302λ, die sowohl an den unteren wie auch an den oberen Enden 303, 304 miteinander durch Elemente 305, 306 aus nichtleitendem Material formstabil verbunden sind. Die beiden Einzelfedern 302, 302λ sind identisch und spiegelbildlich bezüglich ihrer Längenausdehnung zueinander angeordnet. Zwischen ihnen besteht ein Spalt 307, der von den erwähnten nichtleitenden Verbindungselementen 305, 306 überbrückt wird.
Die beiden Einzelfedern sind beispielsweise an der
Unterseite durch Umspritzung oder Warmverprägung mit Kunststoff über die volle Breite starr verbunden. An der Oberseite sind die beiden Einzelfedern mit einem gegebenenfalls wärmebeständigen Kunststoff z.B. LCP miteinander verbunden. Diese Verbindung kann gleichzeitig als Anschlusselement für die Antriebselemente oder Aktuatoren ausgeführt werden.
Jede Einzelfeder 302, 302 λ besteht aus einem Material, das sowohl leitfähig ist, als auch Federeigenschaften besitzt. Die Feder kann aus einer Kupferlegierung mit guten Federeigenschaften z.B. aus CuBe2 Federblech gefertigt werden. Die Sprungeigenschaften der Einzelfedern 302, 302 * resultieren daraus, das sie aus mindestens zwei länglichen Teilen (Blättern) mit unterschiedlicher Länge bestehen, die miteinander an beiden Stirnseiten verbunden sind. Die resultierende Spannung sorgt für ein seitliches Ausweichen des längeren Blattes in zwei unterschiedlichen stabilen Zuständen, welche die beiden Schaltzustände darstellen. Die Verspannung der beiden länglichen Blätter der
Einzelfedern kann durch eine Prägung an einem der beiden Blätter, die zur Verkürzung desselben führt, vorgenommen werden.
Der Wechsel zwischen den beiden stabilen Zuständen kann vorteilhaft über Aktuatoren in Form von Drähten 318, 319 aus Formgedächtnismaterial realisiert werden, die durch einen Stromfluss und der daraus folgenden Erwärmung ihre Länge verändern und die auf beiden Seiten der Sprungfeder angeordnet sind. Ein Ende der Formgedächtniselemente kann an der Unterseite des Relais am Sockel befestigt werden.
Jedoch kann der Antrieb auch durch elektromagnetische Spulen erfolgen.
Die beiden Einzelfedern 302, 302 λ stellen den Mittenkontakt jeweils einer Wechselschalter-Kontaktanordnung dar. Sie tragen beidseitig eine Kontaktpille 314, 314' und bewegen sich jeweils zwischen zwei Festkontakten 320.
An der Unterseite ist die Einzelfeder 302, 302 λ nach aussen mit einem Lötanschluss 321, 321 λ oder einem Steckanschluss des Relais elektrisch verbunden. Die beweglichen Mittenkontakte an der Sprungfeder finden ihre Gegenkontakte in den beiden stabilen Zustände der Sprungfeder. Diese fixen Gegenkontakte sind elektrisch mit entsprechenden Lötpins oder Steckanschlüssen an der Aussenseite des Relais verbunden.
Durch das Vorhandensein von zwei elektrisch getrennten Einzelfedern, die jedoch mechanisch eine Einheit bilden und die beschriebene Kontaktanordnung entsteht ein verbundener Doppelwechsler wie er in den Figuren 20 und 21 dargestellt ist. Dieser ist relativ einfach und insbesondere sehr preiswert z.B. zu einer Motorumpolschaltung zu komplettieren.

Claims

Patentansprüche:
1. Bistabiler elektrischer Schalter mit einer Feder
(1, 1 ' , 101, 201) , die als bistabile Sprungfeder ausgebildet ist und zumindest ein Kontaktelement
(14,114,115,116,214,216) auf einem Bereich der Feder trägt und mit zumindest einem Antriebselement (18,19,118,119,218,219) aus Formgedächtnismaterial je Schaltzustand zum Antrieb der Feder, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder zumindest ein Blatt
(10,110,210) aufweist, das einer Druckspannung in Richtung seiner Längsausdehnung unterworfen ist und dieser durch Beulen nach einer Seite in einen von zwei stabilen Endzuständen ausweicht, dass der Bereich der Feder in den stabilen Endzuständen unterschiedliche laterale Positionen einnimmt und dass die Antriebselemente am Blatt angreifen und durch Lageänderung des Blattes an der Angriffsstelle ein Umspringen des Blattes in den zweiten stabilen Endzustand bewirken.
2. Bistabiler elektrischer Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Blatt (110) der Feder (101) an einem Ende (102) fest eingespannt ist und dass die
Antriebselemente (118, 119) am freien Ende (104) des Blattes angreifen und durch Neigen des freien Endes ein Umspringen in den zweiten stabilen Endzustand bewirken.
3. Bistabiler elektrischer Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (201) im mittleren Bereich gelagert ist und dass die Antriebselemente (218,
219) in der Mitte des Blattes (210) an diesem angreifen und durch translatorische Bewegung senkrecht zur Längsausdehnung des Blattes ein Umspringen des Blattes in den zweiten stabilen Endzustand bewirken.
4. Bistabiler elektrischer Schalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Blatt an beiden freien Enden Kontaktelemente trägt.
5. Bistabiler Elektrischer Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Drähte als Antriebselemente eingesetzt werden, die unterschiedliche Längen aufweisen in den unterschiedlichen Phasen.
6. Bistabiler elektrischer Schalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang von einer in die andere Phase der Drähte durch Temperaturerhöhung erfolgt .
7. Bistabiler elektrischer Schalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturerhöhung dadurch erreichbar ist, dass ein elektrischer Strom durch den Draht fliesst .
8. Bistabiler elektrischer Schalter nach einem der
Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (1,1 ',101, 201) als Flachformfeder ausgeführt ist.
9. Bistabiler elektrischer Schalter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Flachformfeder mehrere im Wesentlichen zueinander parallel angeordnete Blätter (9,10,11,109,110,111,209,210,211) aufweist, die an ihren Enden miteinander verbunden sind und dass durch plastische Verformung ein oder mehrere Blätter verlängert oder verkürzt sind.
10. Bistabiler elektrischer Schalter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die plastische Verformung eine Sicke ist.
11. Bistabiler elektrischer Schalter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die plastische Verformung eine Prägung ist.
12. Bistabiler elektrischer Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktelemente (14,115,115,116,214,216) mit der Feder leitend verbunden sind.
13. Bistabiler elektrischer Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktelemente mit der Feder über ein isolierendes Zwischenelement fest verbunden sind.
14. Bistabiler elektrischer Schalter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Trapezfeder vorgesehen ist, die durch Schlitze in drei Blätter unterteilt ist und mit der Breitseite fest eingespannt ist.
15. Bistabiler elektrischer Schalter nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Blätter von der Schmalseite zur Breitseite sich im konstanten Verhältnis verbreitern.
16. Bistabiler elektrischer Schalter nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Sprungfeder (301) aus zwei Einzelfedern (302, 302 ) besteht, die durch Verbindungselemente (305, 306) formstabil miteinander verbunden sind.
17. Bistabiler elektrischer Schalter nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelfedern (302, 302 ) aus einem leitenden Material mit guten Federeigenschaften bestehen und die Verbindungselemente (305, 306) die Einzelfedern (302, 302 λ) voneinander elektrisch isolieren.
18. Bistabiler elektrischer Schalter nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Einzelfedern (302, 302 ) den Mittenkontakt jeweils einer Wechselschalter-Kontakanordnung darstellen.
19. Bistabiler elektrischer Schalter nach einem der Ansprüche 16-18, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter ein Umpol-Schalter ist.
20. Relais, dadurch gekennzeichnet, dass ein bistabiler elektrischer Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 15 eingesetzt ist.
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