DE3544656A1

DE3544656A1 - Synchron betaetigbare elektrische stromschalteinrichtung

Info

Publication number: DE3544656A1
Application number: DE19853544656
Authority: DE
Inventors: George Albert Saratoga N.Y. Farrall
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1984-12-21
Filing date: 1985-12-17
Publication date: 1986-07-03
Also published as: GB2169137A; US4595855A; GB8529185D0; JPS61156619A

Description

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Ci	C	Dr. Horst Schuler .L \ .:...;	600Ö Frankfurt/Main 1 QC//CCC	(069) 235555	zufriedenstellend, aber sie
		PATENTANWALT		04-16759 mapat d
ι		EUROPEAN PATENTATTORNEY	Telefon	rnalnpatent frankfurt
ι			Telex	(069) 251615
κ			Telegramm	(CCtTT Gruppe 2 und 3)
S			Telekopierer	225/0389 Deutsche Bank AG
κ				262420-602 Frankfurt/M.
1			Bankkonto
Γ <*			Postscheckkonto	9721-RD-15 810
		Ihr Zeichen/Vour ref-	•03.12.1985
		Unser Zeichen/Our ref.	VO/ki
I		Datum/Oate	VNR:108332 - ANR:1000314
ι
S		GENERAL ELECTRIC COMPANY
ι		1 River Road
ι		Schenectady, N.S./U.S.A.
		Synchron betätigbare elektrische Stromschalteinrichtung
I
Γ
S	Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum syn
	chronen Schalten elektrischer Stromkreise und auf ein
	piezoelektrisches Relais, das in einer derartigen Einrich
	tung besonders brauchbar ist. Insbesondere bezieht sich die
	Erfindung auf piezoelektrische Schaltelemente, die speziell
	aufgebaut sind, um Laststromkreise zeitlich synchron mit
ν	sogenannten Stromnulldurchgangspunkten zu schalten.
F	Bisher wurden elektromagnetische Relais verwendet, um einen
f	weiten Bereich elektrischer Stromkreise zu schalten, indem
I	ein oder mehrere Paare elektrischer Kontaktstücke getrennt
I	oder geschlossen wurden. Elektromagnetische Relais sind
I	zwar für einige Anwendungsfälle
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können relativ langsam arbeitend sein/ sie beanspruchen relativ viel Raum und sia sind teuer. Sie erfordern üblicherweise eine relativ große Magnetspule und zugeordnete mechanische Verbindungselemente/ um für eine Bewegung der Kontaktstücke zu sorgen. Derartige Spulen- und Gelenksysteme sind abgesehen davon, daß sie einen großen Teil der Relaiskosten beanspruchen, im allgemeinen ineffizient bei der Energieausnutzung. Weiterhin eignen sich elektromagnetische Relais nicht für einen synchronen Betrieb. Obwohl übliche elektromagnetische Relais verwendet werden können, um Lasten, wie beispielsweise einen elektrischen Wechselstromkreis/ auf

ν Befehl zu schalten, so ist die Bewegung der Kontaktstücke üblicherweise zufällig bezüglich des zeitlichen Ablaufs der Laststromkurve wegen der im allgemeinen langen mechanischen Reaktionszeiten, die bei dem Betrieb derartiger Relais auftreten. Infolgedessen sind die öffnungs- und Schließvorgänge der Kontaktstücke nicht synchronisiert mit den Stromnulldürchgangspunkten der Stromkurven, insbesondere wenn die Last ein Wechselstromkreis ist. Für elektrische Stromkreise, die mit Stromwerten arbeiten, die für Netzquellen, wie beispielsweise das Haushaltsnetz, typisch sind, ist das öffnen und Schließen der Relaiskontakte häufig begleitet von einer Lichtbogenbildung zwischen den Kontakt-

( ) stücken. Wenn der Strom in einem derartigen Stromkreis unterbrochen wird, fällt der durch die Relaiskontakte fließende Strom im Zeitpunkt der Kontakttrennung nicht auf null ab, sondern fließt weiterhin in der Form eines Lichtbogens zwischen den Kontaktstücken, was gewöhnlich so lange fortdauert, bis sich die Wechselstromkurve dem nächsten Nulldurchgang der Sinuskurve nähert. Wenn der Strom an dem Nulldurchgang der Sinuskurve abfällt, wird der Lichtbogen instabil und plötzlich gelöscht, eine Erscheinung, die häufig als Zerhackung bezeichnet wird. Diese plötzliche Löschung bei einem kleinen Strom stellt eine Stromänderung mit extrem hoher Geschwindigkeit dar. Wenn der elektrische Stromkreis, in dem der Strom unterbrochen wird, eine signifikante Induktivität

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

Eine piezoelektrische Vorrichtung, die das schnelle Bewegungsvermögen eines piezoelektrischen Biegegliedes ausnutzt , wird bei der vorliegenden Erfindung verwendet, uxp ein synchron betätigbares Schaltrelais zu schaffen. Ein synchroner Betrieb erfordert, daß die Relaiskontakte zwischen den Öffnungs- und Schließstellungen in einer relativ kurzen Zeitperiode bewegt werden. Der schnelle Vorgang, die relativ kleine Masse und die kurze Bewegungsstrecke einer piezoelektrischen Biegevorrichtung erleichtert die Verwendung einer derartigen Vorrichtung in einem synchron betätigbaren Relais. Ein weiteres Charakteristikum einer piezoelektrischen Vorrichtung besteht darin, daß die Auslenkkraft, die zum Bewegen der Kontaktstücke wirksam ist, zu Beginn der Auslenkung der piezoelektrischen Biegevorrichtung auf einem Maximum ist. Dieses Charakteristikum verstärkt weiterhin das Vermögen der Vorrichtung, die Relaiskontakte in einer kurzen Zeitperiode zu bewegen. Mit diesem schnellen Aktionsver-

mögen kann ein piezoelektrisches Kelais so betätigt werden, daß die Kontaktstücke geöffnet oder geschlossen werden zu einer Zeit, die sehr nahe bei der Zeit liegt, zu der der Strom in dem geschalteten Stromkreis null ist, wodurch die Kontakterosion, Kontaktverschweißung und transiente induktive Spannungen wesentlich vermindert werden. Weiterhin vermeidet die Einfachheit einer piezoelektrischen Vorrichtung die meisten der mechanischen Probleme üblicher elektromagnetischer Eelais, und der Wirkungsgrad einer derartigen Vorrichtung gestattet einen Betrieb mit wesentlich weniger Energieverbrauch.

Piezoelektrische Biegeelemente sind bisher in einer Anzahl von Anwendungsfällen verwendet worden, wozu die Verwendung in verschiedenen piezoelektrischen Relais gehört. Beispielsweise sind piezoelektrische Biegeelemente bzw. Bieger, die als Relaiselemente verwendet werden, in den US-Patentschriften 2 166 763, 2 182 340, 2 471 967, 2 835 761, 4 093 883 und 4 403 166 beschrieben. Jedoch ist keines der bekannten piezoelektrischen Relais für eine minimale Lichtbogenbildung ausgelegt. Weiterhin ist dort in keiner Weise eine Anregung gegeben, ein synchron betätigbares Relais oder ein Relais zu schaffen, das besonders brauchbar ist zum Schalten elektrischer Stromkreise, die mit Haushaits-Netzströmen arbeiten. Wie eingangs bereits beschrieben wurde, hat das Schalten von Stromkreisen, die bei derartigen Stromwerten arbeiten, eine signifikante Lichtbogenbildung zur Folge, wenn der Stromkreis nicht zu einem Zeitpunkt nahe dem Nulldurchgang des sinusförmigen Wechselstromes geschaltet wird. In einer gleichzeitig eingereichten Anmeldung der Anmelderin P (Anwaltszeichen:9722.3-RD-15 812) ist eine synchron betätigbare elektrische Stromschalteinrichtung angegeben, die mehrere piezoelektrische Biegeelemente bzw. Bieger verwendet und die dazu benutzt werden kann, viele Stromkreise zu schalten oder den Kontaktwiderstand in einem oder einigen

Stromkreisen zu senken. In einer weiteren, gleichzeitig eingereichten Anmeldung der Anmelderin P ... (Anwaltszeichen: 9723.4-RD-15 935) ist eine synchron betätigbare elektrische Stromschalteinrichtung angegeben, die für eine erhöhte Trennung zwischen den Schaltkontakten, wenn die Kontakte in der Öffnungsstellung sind, und eine erhöhte Schließkraft sorgt, wenn die Kontaktstücke in ihier Schließstellung sind. Die vorliegende Erfindung schafft ein piezoelektrisches Relais mit einer sehr kleinen Spaltlänge im Vergleich zu dem Kontaktabstand für übliche Relais, wobei das erfindungsgemäße Relais synchron betätigt ν werden kann, so daß Wechselstromkreise für ejjie Netzspannung von beispielsweise 110VoIt ein- und ausgeschaltet werden können mit einer minimalen Lichtbogenbildung zwischen den Relaiskontakten.

Die kleinen Auslenkungen eines piezoelektrischen Biegers schaffen zwar ein piezoelektrisches Relais mit einem schnellen Aktionsvermögen, aber dieses gleiche Merkmal begrenzt die Höhe der Spannung, die zwischen die Relaiskontakte angelegt werden kann, bevor ein elektrischer Überschlag erfolgt. Wenn das piezoelektrische Relais relativ kleine physikalische Abmessungen besitzt, um beispielsweise s in ein zweireihiges IC-Sfceckgehäuse (DIP) mit 16 Pins bzw. Anschlußstiften zu passen, ist der Abstand zwischen den Relaiskontakten sehr klein und insbesondere viel kleiner als der Kontaktabstand für konventionelle Relais, die für einen Betrieb bei Haushalts-Netzströmen ausgelegt sind. Es wurde nun gefunden, daß selbst für sehr kurze Abstände zwischen den Kontaktstücken die dielektrische Festigkeit einer piezoelektrischen Vorrichtung ausreicht für einen Betrieb mit üblichen Haushalts-Netzleitungen (110 Volt). Überraschenderweise kann eine ausreichende Durchbruchsspannung für derartige Vorrichtungen erhalten werden, selbst für Kon takt abstände, die nur 2,5 \im (1/10000ZoIl) betragen. Nach dem Paschen'sehen Gesetz ist die Überschlagsspannüng

zwischen zwei Elektroden in einer gasförmigen Atmosphäre eine Funktion des Produktes des Gasdruckes und des Abstandes zwischen den Elektroden. Für einen Elektrodenabstand von 1 cm in Luft bei Atmosphärendruck kann ctie Durchbruchsspannung mit etwa 30 kV ermittelt werden. Wenn dieses Durchbruchsfeld von 30 kV/cm verwendet wird, um die Durchbruchsspannung für einen Elektrodenabstand von 25 μια in Luft zu bestimmen, wie es für Abstände von einigen Zentimetern zulässig ist, beträgt die ermittelte Durchbruchsspannung 77 Volt. Es wurde jedoch gefunden, daß die durch das Paschen'sehe Gesetz gegebene Durchbruchsspannung nicht

C linear auf null abfällt, wenn der Kontaktabstand klein wird, sondern sich vielmehr einem minimalen Wert nähert und dann wieder anzusteigen beginnt. Für Luft wurde diese minimale Durchbruchsspannung mit etwas mehr als 300 Volt gefunden. Es wird in der Theorie angenommen, daß der Grund für diese minimale Durchbruchsspannung und den anschließenden Anstieg in der dielektrischen Festigkeit darin besteht, daß, wenn das Produkt von Gasdruck und Elektrodenabstand klein ist, die Anzahl von Gasatomen, mit denen ein Elektron bei der Durchwanderung des Spaltes zwischen den Kontaktstücken kollidieren kann, ebenfalls klein wird. Da der Durchbruchprozess in einem Gas bewirkt, daß das Gas

( ein elektrischer Leiter wird und deshalb in kritischer Weise von dem Vermögen von Elektronen in dem Spalt abhängt, mit umgebenden Gasatomen zu kollidieren und diese zu ionisieren, wird die Wahrscheinlichkeit für die Ausbildung einer leitenden Bahn vermindert, wenn die Anzahl verfügbarer Zielatome klein ist. Es wird angenommen, daß sich die Durchbruchs spannung einem Minimum nähert und dann wieder ansteigt, weil der Durcnbruchsprozeß eine fundamentale Änderung von einem Gaskollisionsmechanismus zu einem vorwiegend an der Elektrodenoberfläche auftretenden Vakuum-Durchbruchsmechanismus durchläuft, und auch weil die Durchbruchsspannung eines gegebenen Kontaktabstandes im allgemeinen viel höher in Vakuum ist als in einem Gas mit Atmosphärendruck.

Dementsprechend wurde nun gefunden, daß ein piezoelektrisches Relais mit einem sehr kleinen Abstand zwischen den Kontaktstücken synchron betätigt werden kann, so daß 110 Volt Wechselstromkreise ein- und ausgeschaltet werden können mit einer minimalen Lichtbogenbildung zwischen den Relaiskontakten.

Aus den vorstehenden Erläuterungen wird deutlich, daß es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine synchron betätigbare, elektrische Stromschalteinrichtung zu schaffen, öle mit einer minimalen Lichtbogenbildung zwischen den Schaltkontakten arbeitet. Diese Stromschalteinrichtung soll schnell arbeiten, eine kleine Größe aufweisen, einen guten Wirkungsgrad haben und billig sein. Ferner soll ain schnell arbeitendes piezoelektrisches Relais mit einer piezoelektrischen Biegevorrichtung bzw. mit einem Bieger geschaffen werden, das insbesondere zum synchronen Betätigen elektrischer Stromkreise brauchbar ist. Das piezoelektrische Relais soll einen kompakten Aufbau besitzen und in ein zweireihiges IC-Steckgehäuse mit 16 Pins einbaubar sein.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist eine synchron betätigbare elektrische Stromschalteinrichtung ein steuerbares piezoelektrisches Relais auf, das bewegbare elektrische Kontaktstücke aufweist und leitende und nichtleitende Zustände der elektrischen Verbindung zwischen den Kontaktstücken besitzt. Die Einrichtung enthält ferner Mittel zum Steuern des Relais, um eine Zustandsänderung der elektrischen Verbindung durch Bewegen der Kontakt-Stücke herbeizuführen, und Mittel zum Betätigen der Steuereinrichtung, um so die Lichtbogenbildung zwischen den Kontaktstücken wesentlich zu vermindern. Das Relais kann geschaltet werden bei Abtasten eines ZustandeS/bei dem entweder praktisch kein Strom durch die Relaiskontakte fließt oder praktisch keine Spannung zwischen den Kontaktstücken anliegt*

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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist ein schnell betätigbares piezoelektrisches Relais eine flache, im wesentlichen planare piezoelektrische Biegevorrichtung bzw. einen Bieger auf, der eine Biegebewegung bei einem steuernden elektrischen Signal ausführt, und das ferner ein flexibles Teil aufweist, das neben der einen der Oberflächen des flachen Biegers angeordnet ist, die parallel zu ü< Ebene sind, in der der Bieger liegt. Das flexible '= öil ist an dem piezoelektrischen Bieger befestigt, se laß eine Biegebewegung des Biegers in einer Richtung im wesentlichen senkrecht zur Ebene, in diL.r der Bieger liegt, eine entsprechende Bewegung des flexiblen Teils bewirkt, Auf dem flexiblen Teil ist wenigstens ein erstes elektrisches Kontaktstück angeordnet, und ein elektrischer Leiter mit wenigstens einem zweiten elektrischen Kontaktstück ist neben dem flexiblen Teil auf derjenigen Seite des Teils angeordnet, die derjenigen Seite gegenüberliegt, die dem piezoelektrischen Bieger benachbart ist. Das Relais weist ferner Mittel auf zum Befestigen des elektrischen Leiters an dem flexiblen Teil, so daß, wenn die ersten und zweiten Kontaktstücke in einer Öffnungsstellung sind, der Leiter von dem ersten elektrischen Kontaktstück elektrisch getrennt ist. Dieses Befestigungsmittel ist auch so geformt, daß die Bewegung des flexible!) Teils; aufgrund der Biegebewegung des piezoelektrischen Biegers eine Änderung in der elektrischen Verbindung zwischen den ersten und zweiten Kontaktstücken bewirkt.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbei-

Figur 1 - ist ein Schaltbild und zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Figur 2 - ist eine Seiteiischnittansicht und zeigt schematisch ein typisches piezoelektrisches Biegeelement, das bei der Erfindung verwendbar ist.

Figur 3 - ist eine perspektivische auseinandergezogene Ansicht von einem Ausführungsbeispiel eines piezoelektrischen Relais gemäß der Erfindung.

Figur 4 - ist eine auseinandergezogene Seitenansicht von dem in Figur 3 gezeigten Relais.

Figur 5 - ist eine Querschnittsansicht der in Figur 3 gezeigten Einrichtung nach einem Schnitt entlang der Linie 5-5.

Figur 1 zeigt in einem schematischen Schaltbild ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Eine synchron betätigbare elektrische Stromschalteinrichtung weist ein steuerbares piezoelektrisches Relais 12 auf, das einer Fühleinrichtung 14 elektrisch parallel geschaltet ist. Das piezoelektrische Relais 12 weist bewegbare elektrische Kontaktstücke auf und besitzt, elektrisch leitende und nicht-leitende Zustände zwischen den Kontaktstücken in Abhängigkeit von entsprechenden elektrischen Steuersignalen. Eine Steuereinrichtung 16 ist elektrisch zwischen die Fühleinrichtung 14 und das piezoelektrische Relais 12 geschaltet. Die Steuereinrichtung 16 arbeitet in Abhängigkeit von der Fühleinrichtung 14, um dem Relais 12 entsprechende elektrische Steuersignale zuzuführen, um eine Zustandsänderung der elektrischen Verbindung zwischen den Kontaktstücken des Relais 12 durch eine Bewegung der Kontaktstücke zu bewirken. Die Fühleinrichtung 14 betätigt die Steuereinrichtung 16 derart, daß eine Lichtbogenbildung zwischen den Kontaktstücken des Relais 12 wesentlich vermindert ist. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung fühlt die Fühleinrichtung 14 einen Zustand ab, bei dem der Strom durch die Kontaktstücke des Relais 12 im

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wesentlichen null ist, wobei die Steuereinrichtung 16 auf die Fühleinrichtung 14 anspricht, um den Zustand der elektrischen Verbindung zwischen den Kontaktstücken von einem leitenden Zustand in einen nicht-leitenden Zustand zu ändern, wenn der abgetastete Strom im wesentlichen null ist. In einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung tastet die Fühleinrichtung 14 einen Zustand ab, bei dem die Spannung zwischen den Kontaktstücken des Relais 12 im wesentlichen null ist, wobei die Steuereinrichtung 16 auf die Fühleinrichtung 14 derart anspricht, daß die elektrische Verbindung zwischen den Kontaktstucken von einem nicht-leitenden Zustand in einen leitenden Zustand geändert wird, wenn die abgetastete Spannung im wesentlichen null ist. Die Fühleinrichtung 14 und die Steuereinrichtung 16, die für den synchronen Betrieb des Relais 12 verwendet werden, können geeignete Fühl- und Steuermittel aufweisen, wie sie üblicherweise in der elektrischen Stromschalttechnik verwendet werden.

Die erfindungsgemäße synchrone Betätigung eines piezoelektrischen Relais gestattet die Verwendung eines derartigen Relais zum Schalten elektrischer Stromkreise, die signifikante Stromwerte führen, während eine Lichtbogenbildung zwischen den Relaiskontakten minimiert wird. Wenn die Relaiskontakte so betätigt werden, daß die Lichtbogenbildung minimiert ist, werden auch die Erosion der Kontaktstücke und die daraus resultierenden Änderungen in dem Abstand bzw. dem Spalt zwischen den Kontaktstücken minimiert. Wenn die Abstandsänderung zwischen den Kontaktstücken möglichst klein gemacht wird, kann das Relais mit sehr kurzen offenen Kontaktabständen arbeiten und es ist keine signifikante Vergrößerung der Kontaktbewegungsstrecke während der betrieblichen Lebensdauer des Relais erforderlich. Der kurze Spalt zwischen den Kontaktstücken, der in einem synchron betriebenen Relais verwendet werden kann, gestattet seinerseits, daß die Kontaktstücke in einer kurzen Zeitperiode

unter Verwendung eines piezoelektrischen Biegers geöffnet oder geschlossen werden können. Beispielsweise können Kontaktstücke mit einem Abstand von 25_yJiim (1/1000 Zoll) in etwa 200 Mikrosekunden geöffnet oder geschlossen werden. Die Geschwindigkeit, mit der ein derartiges Relais betätigt werden kann_y gestattet einen echten synchronen Betrieb derartiger Lasten als Wechselstromkreise, für die entweder die Stromkurve vorher—sehbar ist oder die Stromnulldurchgangspunkte der sinusförmigen Kurve ermittelt werden können.

Eine besonders brauchbare Anwendung der elektrischen Strom-Bchalteinrichtung gemäß der Erfindung ist das synchrone Betätigen elektrischer Stromkreise, die mit üblichen 110 Volt Netzleitungen verbunden sind. Für einen derartigen Anwenduiigsfall weist das piezoelektrische Relais 12 vorzugsweise eine Trägerstruktur und eine daran befestigte piezoelektrische Biegevorrichtung bzw. ein Biegeelement auf, so daß die Zufuhr eines elektrischen Signals zu dein Biegeelement eine Auslenkung von wenigstens einem Teil der Länge des Biegeelements bewirkt. Das Relais enthält ferner wenigstens zwei elektrische Kontaktstücke, wobei wenigstens eines der Kontaktstücke bewegbar ist, so daß die Kontaktstücke öffnungs- und Schließstellungen aufweisen. Die Kontaktstücke sind so angeordnet, daß die Auslenkung des Biegeelements eine Änderung zwischen den öffnungs- und Schließetellungen der Kontaktstücke bewirkt. Die Kontaktstücke sind ferner so angeordnet, daß, wenn diese in ihrer Öffnungsstellung sind, der dazwischen bestehende Abstand ausreicht, damit die Durchbruchsspannung zwischen den Kontaktstücken größer als etwa 170 Volt ist. Der Abstand zwischen den Kontaktstücken ist gleichzeitig genügend klein und das bewegbare Kontaktstück und das zugehörige Biegeelement haben eine ausreichend kleine Masse, damit das bewegbare Kontaktstück zwischen den Schließ- und Öffnungsstellungen in einer Zeitperiode bewegbar ist, die kleiner als etwa 200 Mikrosekunden ist. Für ein Ausführungsbeispiel der piezoelektrischen Relais der Erfindung ist der Abstand zwischen

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den Relaiskontakten la der öffnungsstellung kleiner als etwa 25/um (1/1000 Zoll) und kann sogar nur 2,5 jum (1/10000 Zoll) sein.

Zu weiteren brauchbaren Anwendungen der Schalteinrichtung gemäß der Erfindung gehören das synchrone Betätigen elektrischer Stromkreise, die üblicherweise als Steuerschaltungen für Haushaltsgeräte verwendet werden. Lastbetriebsspannungen für derartige Anwendungen liegen in dem Bereich von nur 24 Volt bis zu mehr als 340 Volt. Die Lastströme für diese Stromkreise enthalten sowohl Wechselstrom- als auch Gleichstromkurven. Wenn das Relais gemäß der Erfinduny zum Schalten von elektrischen Gleichstromlasten verwendet wird, kann der Betrieb des Relais durch bekannte Steuermittel, wie beispielsweise Spannungsklemmschaltungen, unterstützt werden. Schließlich sei darauf hingewiesen, daß die erfindungsgemäße Schalteinrichtung in Luft, in Vakuum oder in einer inerten Atmosphäre eingesetzt werden kann, wobei die Wahl der Betriebsumgebung durch den jeweiligen Anwendungsfall bestimmt wird. Dabei sind die vorstehend angegebenen Anwendungsfälle nur als Beispiele zu verstehen.

Figur 2 zeigt eine Seitenschnittansicht und stellt scheipatisch ein bilaterales piezoelektrisches Biegeelement dar, das bei der erfindungsgemäßen Schalteinrichtung brauchbar ist. Mit dem Begriff "bilateral" ist gemeint, daß das Biegeelement in einer von zwei entgegengesetzten Richtungen auslenkbar ist. In dem gezeigten Aufbau ist die mittlere, elektrisch leitende Schicht 20 von jeder der äußeren, elektrisch leitenden Schichten 26 und 28 durch Schichten 22 und 24 aus piezoelektrischem Material getrennt. Elektrische Leiter 30 und 32 sind elektrisch mit den äußeren Schichten 26 bzw. 28 verbunden, und ein elektrischer Leiter 34 ist mit der Mittelschicht 20 elektrisch verbunden. Die elektrisch leitfähigen Schichten und die Schichten aus

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piezoeleJctrischem Material sind so angeordnet, daß ein.ebener Kondensator mit piezoelektrischem Material als Dielektrikum zwischen Anschlüssen A und C gebildet ist, und ein ähnlicher flacher Kondensator ist zwischen Anschlüssen B und C gebildet. Wenn das eine Ende des Biegeelements festgehalten ist und eine Spannung zwischen die Anschlüsse A und C angelegt wird, bewirkt das elektrische Feld über der piezoelektrischen Schicht 22, daß sich das freie Ende des Biegeelements nach oben bewegt. In ähnlicher Weise bewirkt eine zwischen die Anschlüsse B und C angelegte Spannung, daß das freie Ende des Biegeelements nach unten ausgelenkt wird. Wenn beide Enden des Biegeelements fest gehaltert sind und eine Spannung zwischen entweder die Klemmen A und C oder zwischen die Klemmen B und C angelegt wird, biegt sich die Mitte des Biegeelements nach oben bzw. nach unten nach Art einer Kaupenbewegung. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel des piezoelektrischen Biageelementes gemäß Figur weist eine mittlere, elektrisch leitfähige Schicht 20 eine fünfschichtige Struktur auf. In dieser fünfschichtigen Struktur bildet das Federteil 13 ein mittleres flexibles Teil, um die Biegebewegung des Biegeelements zu erleichtern. Leitende Epoxydschichten 15 und 17 dienen zum Befestigen der zwei Hälften des Biegeeleiaents an dem mittleren

elektrisch den Leiter 34 mit den Schichten 22 und 24 aus piezoelektrischem Material.

Die natürliche Einfachheit des in Figur 2 gezeigten Biegeelements bietet signifikante Vorteile gegenüber üblichen Relais, die eine gewickelte Spule erfordern, um eine Bewegung des Kontaktstückes zu bewirken, und die eine wesentliche Energie zum Erregen der Spule verwenden. Die Energie, die zum Betätigen eines piezoelektrischen Biegeelements erforderlich ist, ist sehr klein und ist im wesentlichen diejenige Energie, die zum Laden eines relativ kleinen Kondensators erforderlich ist. Für ein typisches Biegeele-

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ment der in Figur 2 gezeigten Art erzeugt eine Spannung zwischen etwa 100 Volt und 200 Volt zwischen entweder den Anschlüssen A und C oder den Anschlüssen B und C eine Auslenkung zwischen etwa 25(7 und 5C0/m. (10 und 20/1000 Zoll) am freien Ende des Biegeelements, wenn das eine Ende des Biegeelements in seiner Lage festgehalten wird. Zwar ist in Figur 2 ein bilaterales Biegeelemsnt gezeigt, es sei aber darauf hingewiesen, daß monomorphe Biegeelemente, die nur zwei elektrisch leitfähige Schichten aufweisen, die durch ein piezoelektrisches Material getrennt sind, ebenfalls in der vorliegenden Erfindung verwendet werden können.

Figur 3 zeigt eine perspektivische auseinandergezogene Ansicht von einem Ausführungsbeispiel eines piezoelektrischen Relais gemäß der Erfindung. Wie dort gezeigt ist, weist ein piezoelektrisches Relais, das schnell betätigbar ist und besonders nützlich beim synchronen Betreiben elektrischer Schaltungsanordnungen ist, ein flaches, im wesentlichen ebenes piezoelektrisches Biegeelement 45 auf. Das piezoelektrische Biegeelement 45 weist wenigstens zwei elektrisch leitfähige Schichten auf, die durch piezoelektrisches Material getrennt sind und eine Biegebewegung ausführen bei einem elektrischen Steuersignal, wobei die Biegebe*?sgung in einer Richtung erfolgt, die im wesentlichen senkrecht zu der Ebene ist, in der das Biegeelement 45 liegt. Bei dem in Figur 3 gezeigten Ausführungsbeispiel bildet das Biegeelement 45 ein bilaterales Biegeelement ähnlich ßom in Figur 2 gezeigten Aufbau des Bieyeelements. Eine elektrisch leitfähige Mittelschicht 50 ist von jeder der äußeren, elektrisch leitenden Schichten 46 und 54 durch Schichten 48 bzw. 52 aus piezoelektrischem Material getrennt. Vorzugsweise bildet die elektrisch leitfähige Mittelschicht 5O eine FünfSchichtstruktur der in Figur 2 gezeigten Art. Das Relais weist ferner ein flexibles Teil 68/ das neben der einen der Oberflächen des Biegeelements 45 angeordnet ist, die zu der Ebene parallel sind, in der das Biegeelement 45 liegt, und Mittel auf zum Befestigen des flexiblen Teils 68

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an dem Biegeelement 45, so daß die Biegebewegung des Biegeelements 45 eine entsprechende Bewegung des flexiblen Teils 68 bewirkt. In dein in Figur 3 gezeigten Ausführungsbeispiels ist das flexible Teil 68 neben dem Biegeelement 45 angeordnet und daran durch eine flexible Halterungsstruktur 62 und eine Verbindungstruktur 56 befestigt. Weiterhin ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel ein optionales, flexibles Isolierblatt 60 zwischen dem flexiblen Teil 68 und der Verbindungsstruktur 56 angeordnet, um so das flexible Teil von dem Biegeelement 45 elektrisch zu isolieren. Die Halterungsstruktur 62 für das flexible Teil und das Isolierblatt 60 sind an einer Seite der Verbindungsstruktur 56 befestigt, und das Biegeelement 45 ist an der anderen Seite der Verbiiidungsstruktur befestigt. In der Verbindungsstruktur 56 ist eine Öffnung 59 ausgebildet _f die so geformt und angeordnet ist, daß infolge einer Biegebewegung des Biegeelements 45 in einer Richtung im wesentlichen senkrecht zu der Ebene, i,i de, das Biegeelement 45 liegt, ein Teil des Biegeelements 45 in die Öffnung 59 hineinragt und eine entsprechende Bewegung des flexiblen Blattes 60 und des flexiblen Teils 68 bewirkt. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die öffnung 59 breiter als das Biegeelemenc 45, und die Verbindungsstruktur 56 ist an dem Biegeelement 45 an dessen beiden Enden befestigt, wobei der Mittelteil des Biegeelements 45 frei ist für eine Bewegung durch die Öffnung 59 in einer raupenförmigen Konfiguration, um für eine Biegebewegung und eine entsprechende Bewegung des Isolierblattes 60 und des flexiblen Teils 68 zu sorgen. In einem gegenüber Figur 3 abgeänderten Ausführungsbeispiel ist die Verbindungsstruktur 56 an dem Biegeelement 45 an dessen oinom Επ<3θ 1>θ£estX^t_; wobei <?5β pTif-crpa<=Tia(=?Ketzte Endes des Biegeelements 45 frei ist für eine Bewegung durch die öffnung 59, um eine ähnliche Biegebewegung auszuführen. Dieses alternative Ausführungsbeispiel kann verwendet werden, um für eine größere Bewegung eines Biegeelements mit einer

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gegebenen Länge zu sorgen oder um den gleichen Betrag an Biegebewegung wie bei der Eaupenkonfiguration für ein Biegeelement kürzerer Länge herbeizuführen.

Auf dem flexiblen Teil 68 ist wenigstens ein erstes elektrisches Kontaktstück 69 angeordnet. Wenigstens ein elektrischer Leiter, der wenigstens ein zweites elektrisches Kontaktstück 76 =n.y i/eist, ist neben dem flexiblen Teil 68 -and der vor· dz^t Isolierblatt 60 und dem piezoeleketrischen Biegeelemen<_ 45 abgewandten Seite angeordnet. In dem in Figur 3 gezeigten Ausführungsbeispiel sind zwei derartige Leiter 72 und 74 verwendet. Die elektrischen Leiter 72 ur»d 74 sind in bezug auf das elektrische Teil 68 so angeordnet, daß eine Bewegung des Teils 68 aufgrund einer Biegebewegung des piezoelektrischen Biegeelementes 45 eine Änderung in der elektrischen Verbindung zwischen den ersten und zweiten Kontaktstücken 69 bzw. 76 bewirkt durch eine Änderung der relativen Position der Kontaktstücke 69 und 76 zwischen den geöffneten und geschlossenen Positionen. Die elektrischen Leiter 72 und 74 sind in bezug auf das flexible Teil 68 ferner so angeordnet, daß, wenn die ersten und zweiten elektrischen Kontaktstücke 69 bzw. 76 in ihrer Öffnungsstellung sind, die Leiter 72 und 74 von dem ersten elektrischen Kontaktstück 69 elektrisch isoliert bzw. getrennt sind.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die elektrischen Leiter 72 und 74 on dem flexiblen Teil 68 durch einen Isolierstteifen 70 befestigt, der zwischen jedem der Leiter 72 und 74 und der Halterungsstruktur 62 des flexiblen Teils angeordnet ist. Das eine Ende des Teils 68 ist an der Halterun gs struktur 62 befestigt, uii« das andere Ende des Teils 68 ist in der Öffnung 66 angeordnet, die sich durch die Dicke der Halterungsstruktur 62 erstreckt, so daß das flexible Teil 68 in einer Richtung im wesentlichen senkrecht zu der Ebene bewegbar ist, in der die Halterungsstruktur 62 liegt. In einem Ausführungsbeispiel bilden die Halterungs-

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Struktur 62 und das Teil 68 eine integrale Struktur. Wenigstens ein erstes elektrisches Kontaktstück 69 ist auf dem flexiblen Teil 68 an einem Punkt angeordnet, der im Abstand zu dem Punkt angeordnet ist, an dem das Teil 68 an der Halterungsstruktur 62 befestigt ist.

Wie deutlicher in Figur 4 dargestellt ist, die eine auseinandergezogene Seitenansicht des in Figur 3 gezeigten Relais ist, enthält der Isolierstreifen 70 wenigstens eine Öffnung 78, die sich durch bzw. über die Dicke des Isolierstreifens 70 erstreckt. Wie in der Querschnittsansicht gemäß Figur 5 gezeigt ist, die einen Schnitt entlang der Linie 5—5 der in Figur 3 gezeigten Einrichtung zeigt und die Einrichtung so darstellt, wie sie im zusammengebauten Zustand sein würde im Gegensatz zu der Sprengbilddarstellung, ist jede Öffnung 78 nahe zwei ersten und zweiten elektrischen Kontaktstücken 69 bzw. 76 angeordnet. Jede Öffnung 78 ist mit den Kontaktstücken 69 und 76 so ausgerichtet, daß eine Bewegung des flexiblen Teils 68 mit dem darauf angeordneten ersten Kontaktstück 69, die durch eine Biegebewegung des piezoelektrischen Biegeelements 45 hervorgerufen wird, eine Änderung in der relativen Stellung von jedem Paar der Kontaktstücke 69 und 76 zwischen den öffnungs- und Schließstellungen bewirkt. Wie in Figur 5 gezeigt ist, ist das flexible Teil 68 vorzugsweise in bezug auf den Isolisrstreifen 70 so angeordnet, daß eine kleine Trennung bzw. ein kleiner Spalt zwischen dem Streifen 70 und dem Teil 68 besteht, wenn die Kontaktstücke 69 und 76 in der Schließstellung sind. Dieser Abstand gestattet, daß die von dem Biegeelement 45 gelieferte Auslenkungskraft als eine Schließkraft zwischen die Kontakt-Stücke 69 und 76 ausgeübt wird, und er gestattet ferner, daß sich das Kontaktstück 69 ein ausreichendes Stück bewegt, um die Kontaktstücke zu schließen, selbst wenn eine gewisse Erosion der Kontaktstücke 69 und 76 auftritt.

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Vorzugsweise sind wenigstens zwei Öffnungen, wie die Öffnungen 78, vorgesehen, wobei in jeder Öffnung 78 erste und zweite Kontaktstücke 69 und 76 in der Art und Weise angeordnet sind, wie Os in Figur 5 dargestellt ist. In diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Öffnungen 78 und die Kontaktstücke 69 und 76 alle zylindrisch geformt. Die Kontaktstücke 69 und 76 sind ferner so angeordnet, daß, wenn sie in der Öffnungsstellung sind, wenigstens die passende Oberfläche von jedem Kontaktstück in Umfangsrichtung durch die Oberfläche des Isolierbandes 70 eingeschlossen ist, die die Öffnung 78 bildet. Der Durchmesser von jedem der Kontaktstücke 69 und 76 ist etwas kleiner als der Durchmesser der Öffnung 78. Diese Konfiguration hat den Vorteil, daß, wenn zwischen die Kontaktstücke 69 und 76 eine Spannung angelegt wird, die Randkomponente des elektrischen Feldes zwischen den Kontaktstükken durch einen elektrischen Isolator unterbrochen wird, wodurch die elektrischen Randfeldlinien auf wirksame Weise

ibzw.verkürzt
kurzgeschlossenNwerden. Die meisten Randfeldlinien werden auf der Oberfläche des Isolierstreifens, der die Öffnung 78 bildet, enden anstatt auf dem gegenüberliegenden Kontaktstück. Es wurde gefunden, daß, da die Durchbruchsspannung in Beziehung steht zur Länge der elektrischen Feldlinien, unter gewissen Bedingungen eine Unterbrechung der Randkomponente des elektrischen Feldes auf diese Weise die Durchbruchsspannung zwischen den Kontaktstücken vergrößert.

Ein weiterer Vorteil der Verwendung von zwei Sätzen von ersten und zweiten elektrischen Kontaktstücken 69 und 76 besteht darin, daß die Kontaktstücke 69 elektrisch verbunden werden können, um einen Brückenkontakt zu bilden, der, wenn er in der Schließstellung ist, die Kontaktstücke 76 miteinander verbindet, so daß das Relais als ein einpoliger Ausschalter arbeiten kann. Die Verwendung eines Brückenkontakts hat im wesentlichen zwei Spalte in Reihe zwischen

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den Schalterkontakten zur Folge. Die Durchbruchsspannung für einen Schalter mit zwei Schaltstrecken in Reihe zwischen den Schaltkontakten ist etwa das doppelte der Durchbruchsspannung für einen ähnlichen Schalter mit nur einer Strecke (der gleichen Länge) zwischen den Kontaktstücken. Für eine gegebene Bewegungsstrecke zwischen den ersten und zweiten Kontaktstücken 69 und 76 ist somit die Durchbruchsspannung vergrößert durch Verwendung des Ausführungsbeispieles gemäß Figur 5 und die elektrisch verbindenden Kontaktstücke 69. Ferner können für Anwendungsfälle, die eine sogar noch größere Durchbruchsspannung erfordern, als diese aus der Verwendung nur eines Brückenkontaktes verfügbar ist, mehrere derartige Brückenkontakte verwendet werden, die elektrisch miteinander in Serie geschaltet sind. Alternativ können für Anwendungsfälle, wo die Durchbruchsspannung »wischen den Kontaktstücken 69 und 76 ausreicht ohne Verwendung einer Brückenkontaktanordnung, die jeweiligen Kontaktstücke 69 und 76 elektrisch mit getrennten elektrischen Leitern verbunden werden, so daß das Relais als ein zweipoliger Ausschalter verwendbar ist.

In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung erfolgt die Biegebewegung des piezoelektrischen Biegeelementes 45 in Richtung auf den Isolierstreifen 70, so daß die Biegebewegung •ine Änderung in der Relativstellung zwischen den ersten und zweiten Kontaktstücken 69 und 76 von der Öffnungsstellung in die Schließstellung bewirkt. In einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung erfolgt die Biegebewegung des Biegeelements 45 in einer Richtung von dem Isolierstreiien 70 weg, so daß die Biegebewegung eine Änderung in der Relativstellung zwischen den ersten und zweiten Kontaktstücken 69 und 76 von der Schließstellung in die öffnungsstellung bewirkt. Für beide Ausführungsbeispiele ist es nicht erforderlich, daß das Biegeelement 45 ein bilaterales piezoelektrisches Biegeelement bildet, wie es in Figur 3 gezeigt ist. Es kann auch ein monomorphes Biegeelement,

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selbst eines, das eine Biegebewegung in nur einer Richtung ausführt, verwendet werden, um die erforderliche Biegebewegang herbeizuführen. Für Ariwendungsfälle jedoch, wo eine signifikante Wärmeausbildung in dem Biegeelement auftritt, wird ein bilaterales Biegeelement vorgezogen. Ein symmetrischer Aufbau eines bilateralen Biegeelementes, das eine elektrisch leitende Mittelschicht und zwei elektrisch leitende Außenschichten aufweist, wobei die Mittelschicht von jeder der Außenschichten durch ein piezoelektrisches Material getrennt ist, ist thermisch stabiler und unterliegt weniger einer signifikanten Verformung durch unterschiedliche thermische Ausdehnung. Da ferner ein bilaterales Biegelement eine Biegebewegung in Richtung auf das flexible Teil 68 bei einem entsprechenden ersten elektrischen Steuersignal aufweist und eine Biegebewegung von dem Teil 68 weg bei einem entsprechenden zweiten Steuersignal aufweist, kann ein Relais, das ein bilaterales piezoelektrisches Biegeglied verwendet, entweder im normalerweise geöffneten oder im normalerweise geschlossenen Zustand oder in beiden arbeiten. Ferner kann das bilaterale Biegevermögen in entgegengesetzte Richtungen verwendet werden, um einen größeren Abstand zwischen den Schaltkontakten auszubilden, wenn sie in der offenen Stellung sind, als dieser für ein gegebenes Steuersignal unter Verwendung eines monomorphen Biegeelementes erzielbar wäre. Wenn zusätzlich eire zweite Anordnung von Elementen, die als über dem Biegeelement 45 in Fig. 3 angeordnet gezeigt sind, vorgesehen ist, wobei die zweite Anordnung unterhalb des Biegeglieds 45 und symmetrisch in bezug auf die oberhalb des Biegeglieds 45 angeordneten Elemente angeordnet ist, kann das Relais entweder als ein zweipoliger Ausschalter oder als ein zweipoliger Umschalter verwendet werden.

Auf Wunsch können die HalterungsStruktur 62 des .flexiblen Teils und das flexible Teil 68 elektrisch leitfähiges Material enthalten, so daß sie ein Mittel bilden zum elektrischen Verbinden der elektrischen Kontaktstücke 69 mit einem externen elektrischen Leiter. Für derartige Applikationen wird ein

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Verbindungsansatz 64 des flexiblen Teils dazu verwendet, die Kontaktstücke 69 mit dem externen Leiter elektrisch zu verbinden. In ähnlicher Weise kann die Verhindungsstruktur 56 elektrisch leitfähiges Material aufweisen, so daß die Verbindungsstruktur 56 ein Mittel bildet zum elektrischen Verbinden der elektrisch leitenden Schicht 54 des piezoelektrischen Biegegliedes 45 mit einem elektrischen Steuersignal mittels eines Verbindungsansatzes 58. Die Verbindungsansätze 73 und 75 werden dazu verwendet, die Leiter 72 und 74 elektrisch mit einer externen Schaltungsanordnung zu verbinden.

In dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel weist das piezoelektrische Relais ferner ein Befestigungssubstrat 40 auf, das benachbart zu derjenigen Seite des Biegegliedes 45 angeordnet ist, die dessen Seite gegenüberliegt, die an der Verbindungsstruktur 56 befestigt ist. Die Befestigungsstruktur 40 weist erste und zweite elektrische Leiter 42 und 44 auf, die auf dem Substrat angeordnet sind. Wie in Fig. 4 dargestellt ist, sind die Substratleiter 42 und 44 so geformt und angeordnet, daß der erste Substratleiter 42 mit der elektrisch leitenden Außenschicht 46 des Biegegliedes 45 elektrisch verbunden ist und daß der zweite Substratleiter 44 mit der elektrisch leitenden Mittelschicht 50 elektrisch verbunden ist. Auf diese Weise bilden die Substratleiter 42 und 44 ein Mittel zum Zuführen elektrischer Signale zu den Leiterschichten 46 und 50 des Biegegliedes 45.

Für alle vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele können die Befestigungsstruktur 40, das Biegeelement 45, die Verbindungsstruktur 56, das Isolierblatt 60, die Halterungsstruktur 62 -für das -flexible Teil- ä.e>r Τκοί iersfcrei -fen 70 und die Leiter 72 und 74 auf entsprechende Weise aneinander befestigt werden durch irgendwelche Befestigungsmittel, wie beispielsweise eine Klebeverbindung. Die Materialien, die zur Fertigung der verschiedenen Elemente des in den Fig. 3 bis 5 gezeigten Relais verwendet werden/ können aus verschiedenen elektrisch leitenden und nicht-leitenden Materialien ausgewählt werden,

um den Bedürfnissen der jeweiligen Anwendungsfälle zu genügen. Vorzugsweise weisen das Befestigungssubstrat 40, die Verbindungsstruktur 56, das Isolierblatt 60, die Eälterungsstruktur 62 und der Isolierstreifen 70 jeweils eine flache Struktur auf. Ferner kann das in den Fig. 3 bis 5 gezeigte piezoelektrische Seiais mit Abmessungen aufgebaut sein, die in ein zweireihiges Kunststoff-Steckgehäuse mit sechzehn Pins paßt, wie es üblicherweise für integrierte Schaltungen verwendet wird. Es wurde gefunden, daS, obwohl der offene Kontaktabstand zwischen den Kontaktstücken eines Relais, das in ein derartiges Gehäuse paßt, viel kleiner ist als bei üblichen Relais, die zum Schalten von 110 Volt Wechselstromkreisen verwendet wird, ein piezoelektrisches Relais gemäß der Erfindung mit derart kleinen Kontaktabständen arbeiten kann. Beispielsweise kann das in Fig. 3 dargestellte Relais so aufgebaut werden, daß das Biegegliede 45 etwa 16 mm {6/10 Zoll) lang und etwa 4 mm (150 Tausendstel Zoll) breit ist und daß alle Elemente des Relais eine Länge und Breite von weniger als 20 mm (8/10 Zoll) bzw. 6,5 mm (1/4 Zoll) haben«. Das Befestigungssubstrat 40, auf dem die Leiter 42 und AA angeordnet sind, kann eine Keramikschicht von 0,635 mm (0,025 Zoll) aufweisen, auf der Kupferschichten von 0,25 bzw. 0,5 mm (0,010 bzw. 0,020 Zoll) angeordnet sind. Die Schicht 50 des Biegegliedes 45 kann eine Messingfolie mit einer Dicke von 0,05 mm (0,002 Zoll) aufweisen, die Schichten 48 und 52 können ein piezoelektrisches Material mit einer Dicke von 0,25 mm (0,010 Zoll) aufweisen und die Außenschichten 46 und 54 können dünne Metallfilme sein= Die Verbindung«struktur 56 kann eine Kupfermaske von 0,25 mm (0,010 Zoll) Dicke sein, und das Isolierblatt 60 kann ein flexibles Isoliermaterial mit einer Dicke von 0,075 mm

— TT- 1 J -~ t_.l

flexible Teil kann aus einer Phosphor-Bronze-Folie von 0,25 mm (0,010 Zoll) hergestellt sein. Der Isolierstreifen 70 auf dem die Leiter 72 und 74 angeordnet sind, kann eine Keramikschicht von 0,635 mm (0,025 Zoll) aufweisen, auf der 0,25 mm (0,010 Zoll) dicke Kupferschichten angeordnet sind. Die gesamte Anordnung besteht somit aus einem piezoelektrischen Biegeglied,

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das durch drei Anschlüsse auf der einen Seite der Anordnung zugänglich ist, und einem Relaiskontaktsystem., das durch drei Anschlüsse auf der anderen Seite der Anordnung zugänglich ist.

Vorstehend ist eine synchron betätigbare elektrische Stromschalteinrichtung beschrieben, die mit einer minimalen Lichtbogenbildung zwischen den Schaltkontakten arbeitet und die schnell wirkend ist, eine kleine Größe hat, einen hohen Wirkungsgrad besitzt und wenig kostet. Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein schnell betätigbares piezoelektrisches Relais _r das ein piezoelektrisches Biegeglied verwendet und brauchbar ist zum Schalten elektrischer Stromkreise, die mit Haushalts-Netzströmen arbeiten. Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein kompaktes piezoelektrisches Relais, das in ein zweireihiges IC-Steckgehäuse mit 16 Pins eingebaut werden kann.

Es sind jedoch nc* weitere Ausführungsbeispiele möglich. Beispielsweise sxnS zwar zylindrisch geformte Kontaktstücke 69 und 76 gezeigt und beschrieben, es können aber auch andere Formen verwendet werden.

Claims

Patentansprüche

1. Stromschalteinxrichtung zum Schalten einer elektrischen Last, gekennzeichnet durch:

ein steuerbares piezoelektrisches Relais (12), das bewegtbare, elektrische Kontaktstücke (69) aufweist und leitende und nicht—leitende Zustände der elektrischen Verbindung zwischen den Kontaktstücken besitzt und das eine Halterungsstruktur (62) und ein piezoelektrisches Biegeelement (20; 45) aufweist, das an der Halterungsstruktür derart befestigt ist, daß ein an das Biegeelement angelegtes elektrisches Signal eine Auslenkung von wenigstens einem Teil der Länge des Biegeelementes herbeiführt.und das wenigstens ein Paar bewegbare elektrische Kontaktstücke aufweist, wobei wenigstens ein Kontaktstück derart beweg- äZ iäL, uäB die KOriLäkLöLüCkt; i/££xiuüys

stände aufweisen entsprechend den nicht-leitenden und leitenden Zuständen der elektrischen Verbindung, wobei die Kontaktstücke derart angeordnet sind, daß eine Auslenkung des Biegeelementes (20; 45) eine Änderung zwischen den öffnungs- und Schließzuständen der Kontaktstücke herbeiführt und die Kontaktstücke in ihrer tfffnungsstellung eine

354465S

ausreichende Strecke bzw. einen, ausreichenden Abstand aufweisen, damit die Überschlagsspannung zwischen den Kontaktstücken größer als die maximale Betriebsspannung der Last ist, die durch die Schalteinrichtung geschaltet werden soll, wobei der Kontaktabstand auch genügend klein ist und das bewegbare Kontaktstück und das zugehörige Biegeelement eine genügend HIe-ne Masse haben, damit das bewegbare Kontaktstück z'Jxscj.-ui den Öffnungs- und Schließ Stellungen in einer genüc?* **d kleinen Zeitperiode bewegt werden kann, damit der elektrische Schaltzustand veränderbar ist, während der Laststrom durch die Kontaktstücke im wesentl"chen Null

) ist,

eine Einrichtung (16) zum Steuern des Relais zum Herbeiführen einer Zustandsänderung der elektrischen Verbindung durch Bewegung der Kontaktstücke, in^dem das elektrische Signal selektiv an das Biegeelement (20; 45) angelegt wird, und

eine Einrichtung (14) zum Betätigen der Steuereinrichtung (16) derart, daß die Lichtbogenbildung zwischen den Kontaktstücken (69) wesentlich vermindert ist.

2. Stromschalteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (14) zum Betätigen der Steuereinrichtung (16) Mittel aufweist zum Abfühlen eines Zustands, bei dem der Strom durch die Relaiskontakte im wesentlichen Null ist, und daß die Steuereinrichtung (16) auf die Fühlmittel (14) anspricht zum Herbeiführen einer Zustandsänderung der Verbindung zwischen den Kontaktstücken von einem leitenden Zustand zu einem nicht-leitenden Zustand, wenn der Strom im wesentlichen Null ist.

3. Stromschalteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (14) zum Betätigen der Steuereinrichtung (16) Mittel aufweist zum Abtasten eines Zustandes, bei dem die Spannung zwischen den Relaiskontakten im wesentlichen Null ist, wobai die Steuereinrichtung auf die Abtastmittel anspricht zum Herbeiführen einer Zu-

Standsänderung der elektrischen Verbindung zwischen den Kontaktstticken von einem nicht-leitenden Zustand zu einem leitenden Zustand, wenn die Spannung ilrt Wesentlichen Null ist.

4. Stromsehalteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Betriebsspannung etwa 170 Volt beträgt und daß die Zeitperiode kürzer als etwa 200 MikroSekunden ist.

5. Stromschalteinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Kontaktstücken in der Öffnungsstellung kleiner als etwa 25 Jim (1 Tausendstel Zoll) ist.

6. Stromschalteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Betriebsspannung etwa 340 Volt beträgt und daß die Zeitperiode kürzer als etwa 200 Mikrosekunden ist.

7. Stromschalteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Betriebsspannung etwa 24 Volt beträgt.

8- Stromschalteinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitperiode kurzer als etwa 200 Mikrosekunden ist.

9. Piezoelektrisches Relais, das insbesondere in einer synchron betätigbaren, elektrischen Stromschalteinrichtung verwendbar ist, gekennzeichnet durch:

ein flaches, im wesentlichen ebenes piezoelektrisches Biegeelement (45) mit wenigstens zwei elektrisch leitfähigen Schichten (46, 54), die durch ein piezoelektrisches Material (50) getrennt sind und bei einem elektrischen Steuersignal eine Biegebewegurig ausführen in einer Richtung, die im wesentlichen senkrecht zu der Ebene ist, in der das Biege-

element (45) liegt,

ein flexibles Teil (68) , das neben einer der Oberflächen des flachen Biegeelementes (45) angeordnet ist, die parallel zu der Ebene Verlaufen, in der das Biegeelement (45) liegt, v/obei auf dem flexiblen Teil (68) wenigstens ein erstes elektrisches Kontaktstück (69) angeordnet ist, Mittel (62, 56) zum Befestigen des flexiblen Teils (68) an dem piezoelektrischen Biegeelement (45) derart, daß eine Biegebewegung des Biegeelementes (45) eine entsprechende Bewegung des flexiblen Teils (68) zur Folge hat, einen elektrischen Leiter (72, 74), der neben dem flexiblen Teil (68) und auf derjenigen Seite des flexiblen Teils (68) angeordnet ist, die der Seite gegenüberliegt, die dein piezoelektrischen Biegeelement (45) benachbart ist, wobei der elektrische Leiter wenigstens ein zweites elektrisches Kontaktstück (76) aufweist, und

Mittel zum Befestigen des elektrischen Leiters (72, 74) an dem flexiblen Teil (68) derart, daß, wenn die ersten und zweiten Kontaktstücke (69, 76) in der geöffneten Stellung sind, der elektrische Leiter von dem ersten Kontaktstück elektrisch getrennt bzw. isoliert ist, und daß die Bewegung des flexiblen Teils (68) mit dem darauf angeordneten ersten Kontaktstück (69) aufgrund der Biegebewegung des piezoelektrischen Biegeelementes (45) eine Änderung der elektrischen Verbindung zwischen den ersten und zweiten Kontaktstücken (69, 76) herbeiführt. |

10. Relais nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Kontaktstücke (69, 76) derart angeordnet sind, daß in der Öffnungsstellung der Kontaktstücke der dazwischen bestehende Abstand ausreichend groß ist, damit die überschiagsspannung zwischen den Kontaktstücken größer als etwa 170 Volt ist, wobei der Abstand weiterhin genügend klein ist und das erste Kontaktstück (69) und das zugeordnete Biegeelement (45) eine ausreichend kleine Masse haben, damit das erste Kontaktstück (69) bewegbar ist zur änderung der elektrischen Verbindung in einer Zeitperiode, die

kürzer als etwa 200 MikroSekunden ist.

11. Relais nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet/ daß der Abstand zwischen den Kontaktstücken (69, 76) in der Öffnungsstellung kleiner als etwa 2S^m (1 Tausendstel Zoll) ist.

12. Relais nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Kontaktstücke (69, 76) derart angeordnet sind, daß in der öffnungsstellung der Kontaktstücke der dazwischen bestehende Abstand ausreichend groß ist, damit die überschlagsspannung zwischen den Kontaktstücken größer als etwa 340 Volt ist, wobei der Abstand ferner genügend klein ist und das erste Kontaktstück (69) und das zugehörige Biegeelanent (45) eine genügend kleine Masse haben, damit das erste Kontaktstück (69) bewegbar ist zur Herbeiführung einer Änderung in der elektrischen Verbindung in einer Zeitperiode, die kürzer als etwa 200 Mikrosekunden ist.

13. Relais nach Anspruch 9_t dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Kontaktstücke (69, 76) derart angeordnet sind, daß in der Öffnungsstellung der Kontaktstücke der dazwischen bestehende Abstand ausreicht, damit die Uberschlagsspannung zwischen den Kontaktstücken größer als etwa 24 Volt ist.

14. Relais nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den ersten und zweiten Kontaktstücken (6.9, 76) in der öf fnungs stellung genügend klein ist und das erste Kontaktstück und das zugeordnete Biegeelement eine genügend kleine Masse aufweisen, damit das erste Kontaktstück bewegbar ist zur Herbeiführung einer Änderung in der elektrischen Verbindung in einer Zeitperiode, die kürzer ist als etwa 200 Mikrosekunden.

15. Relais nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Befestigen des elektrischen Leiters an dem flexiblen Teil (68) aufweisen:

einen Isolierstreifen (70) , der wenigstens eine darin ausgebildete Öffnung (78) aufweist und zwischen dem flexiblen Teil (68) und dem elektrischen Leiter (72, 74) angeordnet XSt_x und

Mittel zum Befestigen des Isolierstreifens (70) an dem flexiblen Teil (68) an einem Punkt, der im Abstand zu demjenigen Punkt angeordnet ist, an dem wenigstens das erste elektrische Kontaktstück (69) auf dem flexiblen Teil (68) angeordnet ist, wobei die Öffnung (78) nahe den ersten und zweiten Kontaktstücken (69, 76) angeordnet ist und mit diesen fluchtend ausgerichtet ist derart, daß die Biegebewegung des piezoelektrischen Biegeelementes (45) eine Änderung in der Relativstellung der Kontaktstücke zwischen ihren öffnungs- und Schließstellungen hervorruft.

16. Relais nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei jeweils erste und zweite Kontaktstücke und Öffnungen in den Isolierstreifen vorgesehen Find, wobei die Kontaktstücke und die Öffnungen zylindrisch geformt sind und die Kontaktstücke in den Öffnungen derart angeordnet sind, daß, wenn die ersten und zweiten Kontaktstücke ir ihrer Öffnungsstellung sind und dazwischen eine Spannung angelegt ist, die Randkomponente der elektrischen Feldlinien zwischen den ersten und zweiten Kontaktstücken durch das Isolierband unterbrochen sind.

17. Relais nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Biegebewegung des piezoelektrischen Biegeelementes (45) in einer Richtung zu dem Isolierstreifen hin erfolgt derart, daß die Bewegung eine Änderung in der Relativstellung zwischen den ersten und zweiten Kontaktstücken von der Öffnungsstellung in die Schließstellung zur Folge hat.

18. Relais nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die

Biegebewegung des piezoelektrischen Biegeelementes (45) in einer Richtung von dem Isolierstreifen. {70} weg erfolgt derart, daß die Bewegung eine Änderung in der Relativstellung zwischen den ersten und zweiten Kontaktstücken von der Schließstellung in die Öffnungsstellung zur Folge hat.

19„ Relais nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß

wenigstens zwei erste Kontaktstücke und wenigstens zwei zweite Kontaktstücke vorgesehen sind, wobei die ersten Kontaktstücke elektrisch miteinander verbunden sind und die zweiten Kontaktstücke mit elektrischen Leitern ver-C bunden sind derart, daß das Relais als ein einpoliger Ausschalter einsetzbar ist.

20. Relais nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei erste Kontaktstücke und wenigstens zwei zweite Kontaktstücke vorgesehen sind, wobei mit jedem der Kontaktstücke elektrische Leiter verbunden sind derart, daß das Relais als ein zweipoliger Ausschalter einsetzbar ist.

21. Relais nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Befestigen des flexiblen Teils (68) an dem

f _f piezoelektrischen Biegeelement (45) aufweisen: eine Verbindungsstruktur (56), die zwischen dem flexiblen Teil und dem piezoelektrischen Biegeelement angeordnet ist, wobei das flexible Teil (68) an der einen Seite der Verbindungsstruktur (56) und das piezoelektrische Biegeelement (45) an deren anderer Seite befestigt ist, und eine öffnung (59) in der Verbindunncc-trTiVt.ur (56} _T s?cbci die öffnung (59) derart geformt und angeordnet ist, daß in Folge der Bewegung des Biegeelementes (45) ein Teil davon in die öffnung 159) hineinragt und eine entsprechende Bewegung des flexiblen Teils (68) veranlaßt.

22. Relais nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindurigsstruktur (56) elektrisch leitfähiges Material

(58) aufweist und ein Mittel bildet zum elektrischen Verbinden der benachbarten elektrisch leitfähigen Schicht (50) des piezoelektrischen Biegeelementes (45) mit einem elektrischen Steuersignal.

23. Relais nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsstruktur (56) an dem einen Ende des piezoelektrischen Biegeelementes (45) befestigt ist. wobei dessen entgegengesetztes Ende frei ist für eine Bewegung durch die Öffnung (59) in der Verbindungsstruktur (56) zur Ausführung des Biegebewegung in einer Richtung, die im wesentlichen senkrecht zu der Ebene ist, in der das Biegeelement (45) liegt.

24. Relais nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsstruktur (56) an beiden Enden des piezoelektrischen Biegeelementes (45) befestigt ist, wobei der Mittelabschnitt des Biegeelementes frei ist für eine Bewegung durch die Öffnung (59) in der Verbindungsstruktur (56), wobei die Biegebewegung in einer Richtung erfolgt, die im wesentlichen senkrecht zu der Ebene ist, in der das Biegeelement liegt.

25. Relais nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem flexiblen Teil (69) und dem piezoelektrischen Biegeelement (45) ein flexibles Isolierblatt (60) angeordnet ist, das das flexible Teil von dem Biegeelement elektrisch isoliert.

26. Relais nach Anspruch 25_r dadurch gekennzeichnet; c?H&

flexible Teil (68) ein elektrisch leitfähiges Material (64) aufweist und ein Mittel bildet zum elektrischen Verbinden des wenigstens einen ersten Kontaktstückes (69) mit einem externen elektrischen Leiter.

27. Relais nach Anspruch T5, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Biegeelement (45) ein bilaterales piezo-

elektrisches Biegeelemenfc bildet, das eine Biegebewegung in Richtung auf das flexible Teil (68) bei einem ersten elektrischen Steuersignal und eine Biegebewegung von dem flexiblen Teil weg bei einem zweiten elektrischen Steuersignal ausführt.

28. Relais nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Biegeelement (45) ein bilaterales piezoelektrisches Biegeelement mit ei.ner elektrisch leitfähigen Mittelschicht und zwei elektrisch leitfähigen Außenschichten bildet, wobei die Mittelschicht von jeder der Außenschichten durch ein piezoelektrisches Material getrennt ist, und daß das Relais ferner eine flexible Isolierschicht aufweist, die zwischen dem flexiblen Teil und dem piezoelektrischen Biegeelement angeordnet ist derart, daß de.s flexible Teil von dem piezoelektrischen Biegeelement elektrisch isoliert ist.

29. Relais nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß ein Befestigungssubstrat (40) neben derjenigen Seite des piezoelektrischen Biegeelementes (45) angeordnet ist, die derjenigen Seiten gegenüberliegt, die an der Verbindungsstruktur (56) befestigt ist, wobei auf der Befestigungsstruktur (40) erste und zweite Leiter (42, 44) angeordnet sind, die derart geformt und angeordnet sind, daß der erste elektrische Leiter des Substrates (40) elektrisch mit der leitfähigen Außenschicht des bilateralen piezoelektrischen Biegeiementes (45) gegenüber dessen Äußenschicht verbunden ist, die sich neben der Verbindungsstruktur (56) befindet, wobei der zweite elektrische Leiter des Befestigungssubstrates elektrisch mit der leitfähigen Mittelschicht des bilateralen piezoelektrischen Biegeelementes verbunden ist.

30. Relais nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß das flexible Teil (68), der Isolierstreifen (70), die Verbindungsstruktur (56), das Befestigungssubstrat (40) und alle elektrischen Leiter jeweils eine ebene Struktur aufweisen.

Relais nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Anordnung aus dem flexiblen Teil, den Mitteln zum Befestigen des flexiblen Teils an dem piezoelektrischen Biegeelement, dem elektrischen Leiter, der neben dem flexiblen Teil ar-reordnet ist, und dem Isolierstreifen vorgesehen ist- v?obfc■'. die zweite Anordnung symmetrisch und auf derjenige^ ?.oite des bilateralen piezoelektrischen Biegeelemer.jr angeordnet ist, die derjenigen Seite gegenüberliege., wo die erste Anordnung aus den Elementen angeordnet ist.