DE1298185B - Piezoelektrisches Relais - Google Patents

Description

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Es ist bekannt, den piezoelektrischen Effekt be- ist, wobei die beiden Hälften der Druckkammer über stimmter Kristalle für die Konstruktion von Relais ein vorzugsweise als Mttelbohrung ausgeführtes und auszunutzen. Wird an eine derartige Kristallplatte beidseitig durch Kontaktstrecken begrenztes, durch eine Spannung angelegt, so erfolgt eine Durchbiegung einen Quecksilbertropfen teilweise gefülltes Meßrohr der Platte, und dadurch kann eine an dieser Platte 5 verbunden sind, und daß bei Erregung des Biegeangesetzte Kontaktanordnung betätigt werden. Wegen schwingers und damit Veränderung der wirksamen dieser Arbeitsweise werden Kristallplatten dieser Art Drücke in den Hälften der Druckkammer eine Vervielfach als Biegeschwinger bezeichnet. lagerung des Quecksilbertropfens im Sinne einer über

Die Vorteile von Relais mit piezoelektrischer Er- die Kontaktstrecken bewirkten Schaltauslösung einregung liegen vor allem darin, daß diese einen hohen io tritt. Im Gegensatz zu bekannten Ausführungsformen elektromechanischen Wirkungsgrad besitzen und die wird bei der erfindungsgemäßen Lösung lediglich von Grenzfrequenz wesentlich höher als bei elektromagne- einem Quecksilbertropfen Gebrauch gemacht, der tischen Relais liegt. Da im übrigen zum Betrieb eines nicht nur hinsichtlich der nur geringen zu beschleuderartigen Relais kein ;Elektromagnetsystem erfor- nigenden Masse, sondern auch wegen der damit erderlich ist, wird beim.Aufbau weder ein Eisenkern 15 zielbaren Lageunabhängigkeit des Schaltsystems Benoch eine Wicklung benötigt. Die Spannungsquelle deutung hat. Die Kraft-Weg-Transformation erfolgt eines piezoelektrischen Relais wird nur kapazitiv be- bei dieser Anordnung durch den im Meßrohr befindlastet, so daß auch nur ein ganz geringer Leistungs- liehen Quecksilbertropfen nahezu verlustlos. Es sind bedarf für die Erregung erforderlich ist. nämlich keinerlei Hebelübersetzungen erforderlich,

Trotz dieser vor allem zum Aufbau von Miniatur- ao so daß die damit bedingten mechanischen Verluste relais günstigen Eigenschaften konnten sich piezo- entfallen. Wird das Meßrohr entsprechend dünn geelektrische Relais in der Praxis bisher kaum durch- wählt, so kann der bei Erregung des Relais zu besetzen. Diese Tatsache hängt vor allem damit zusam- schleunigende Quecksilbertropfen relativ klein gemen, daß die benötigten Kristallplatten ihrer Natur halten werden.

nach nur für kleine Arbeitshübe geeignet sind und as Die in der Druckkammer befindliche, elektrisch daher zum Erreichen der betriebsmäßig geforderten nicht leitende Flüssigkeit ist unkritisch, es kann bei-Kontaktbetätigung eine entsprechend große mecha- spielsweise Alkohol öder dünnflüssiges Öl sein. Im nische Übersetzung erforderlich ist. Aus diesem übrigen wird durch den zweiteiligen Aufbau der Grund hat man die Biegeschwinger relativ dünn und Druckkammer, die symmetrisch zu beiden Seiten des lang gewählt, oder es sind entsprechende Hebelüber- 30 Schwingers angeordnet ist, eine einfache Temperatursetzungen zum Erreichen der notwendigen Kontakt- kompensation gewährleistet.

hübe angebracht worden.-Die erstgenannte Lösung Um die Betriebssicherheit einer derartigen Anord-

hat den Nachteil, daß ein Relais dieser Art nicht aus- nung zu erhöhen, ist es vorteilhaft, dem Meßrohr an reichend robust ist, dagegen benötigen Hebelüber- seinen beiden Enden ein feinmaschines Sieb zuzuordsetzungen meist eine größere Zahl bewegter Teile, 35 nen, das für die Flüssigkeit einen geringen mechadie zwangsweise nicht mit zu vernachlässigenden Ver- nischen Widerstand, für den Quecksilbertropfen jelusten arbeiten. doch einen großen Widerstand darstellt. Damit wird

Es ist zwar bereits bekannt, eine Vorrichtung zum der Quecksilbertropfen am Austreten aus dem Meßöffnen und Schließen eines elektrischen Stromkreises rohr gehindert, falls nicht eine zu hohe elektrische unter Verwendung von Quecksilber aufzubauen. Der 40 Übererregung des :Biegeschwingers erfolgt. Noch mit Quecksilber gefüllte Schaltkörper besteht hierbei sicherer ist es, das Meßrohr als Kapillare nach aus zwei als Elektroden ausgebildete, membranartig beiden Seiten zu verlängern, wodurch auf Grund der geformte Metallschalen, die bei einem nach innen ge- Kapillarwirkung das Quecksilber nicht aus dem Meßrichteten Druck elastisch durchfedern. Damit tritt rohr austreten kann.

eine Verdrängung des Quecksilbers in einer der Me- 45 Eine besonders günstige Ausführung zur Verhintallschalen ein, wodurch über einen die Metallschalen derung des Austretens von Quecksilber aus dem Meßverbindenden Kanal eine stromleitende Verbindung rohr sieht vor, daß das Meßrohr an den Kontaktdurch das verdrängte Quecksilber hergestellt wird. strecken kugelförmige Ausweitungen besitzt. Die Diese bekannte Anordnung hat jedoch den schwer- Oberflächenspannung des Quecksilbers ist bekanntwiegenden Nachteil, daß durch die Menge des vor- 50 lieh so groß, daß dann der Quecksilbertropfen auch handenen Quecksilbers die=zu beschleunigende Masse bei seitlicher Montage des Relais das Meßrohr nicht relativ groß ist und auch eine erhebliche Lageabhän- verlassen kann. Um ein Höchstmaß an Betriebsgigkeit des Schaltsystems vorhanden ist. Diese be- sicherheit zu erreichen, ist eine spezielle Ausfühkannte Anordnung läßt auch nur die Schaffung eines rungsform der Erfindung derart aufgebaut, daß das Arbeits- bzw. Ruhekontaktes zu, nicht aber einer 55 Meßrohr mit seinen kugelförmigen Ausweitungen Umschaltkontaktvorrichtung, wie es in der Praxis eine getrennte Druckkammer darstellt, die gegenüber vielfach gefordert wird. Im übrigen ist es bei Relais der zweiteiligen, an beiden Seiten des Biegeschwinmit piezoelektrischer Erregung erforderlich, daß eine gers angebrachten Druckkammer durch Membranen mechanische Übersetzung der Hubbewegung vornan- abgeschlossen ist. Auf diese Weise wird die bei einem den ist, da hier nur kleine Arbeitshübe zur Verfügung 60 Überhub nachdringende Druckflüssigkeit abgesperrt, stehen, die in der Regel für die Kontaktbetätigung so daß der Quecksilbertropfen das Meßrohr bzw. die nicht ausreichen. Kontaktstrecke nicht verlassen kann. Zweckmäßiger-

Die gestellten Forderungen lassen sich bei einem weise werden die Membranen als Tellerfedern ausgepiezoelektrischen Relais mit Umschaltkontaktvorrich- bildet. Derartige Tellerfedern wirken auch als Enertung erfindungsgemäß dadurch erfüllen, daß ein vor- 65 giespeicher und verleihen dem Relais eine Kippzugsweise kreisrunder Biegeschwinger von einer zwei- charakteristik, die im Sinne einer Beschleunigung des teiligen, mit einer elektrisch nicht leitenden Flüssig- Schaltvorgangs wirksam ist. keit gefüllten Druckkammer beidseitig umschlossen Damit die bereits erwähnte Temperaturkompen-

sation auch optimal wirkt, ist es vorteilhaft, durch den Biegeschwinger eine die zweiteilige Druckkammer verbindende Kapillare vorzusehen, durch die ein langsamer Druckausgleich jederzeit erfolgen kann. Die Wirkungsweise des Relais wird durch diesen Druckausgleich bei entsprechender Dimensionierung der Kapillare kaum beeinträchtigt, da dem ruckartigen Druckanstieg bei Erregung des Relais die Kapillare einen relativ großen Widerstand entgegensetzt. Um den Temperaturausgleich noch zu verbessern und die Anschlüsse zu den Kontaktstrecken zu fixieren, kann man die Bauelemente des Relais zu einer Baueinheit zusammenfassen und diese mit Vergußmasse umschließen.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele. Es zeigen

F i g. 1 und 2 den grundsätzlichen Aufbau eines piezoelektrischen Relais nach der Erfindung in Seitenansicht und Draufsicht,

F i g. 3 eine verbesserte Ausführungsform des Relais mit kugelförmigen Ausweitungen des Meßrohrs und mit einer Bewegungsbegrenzung des Quecksilbers durch Membranen,

F i g. 4 in schematischer Darstellung eine Ausführungsform des Relais, bei dem der Steuerteil des Biegeschwingers und der Kontaktteil getrennt aufgebaut sind.

In F i g. 1 und 2 ist in schematischer Darstellung ein piezoelektrisches Relais gezeigt, das einen kreisrunden Biegeschwinger 1 mit einer Mittelbohrung aufweist, die als Meßrohr 3 für den dort befindlichen Quecksilbertropfen 4 dient. Der Biegeschwinger 1 wird von einer zweiteiligen Druckkammer 2, in der sich eine nicht leitende Flüssigkeit befindet, beidseitig umschlossen. Durch diese symmetrisch zu dem Schwinger 1 angeordnete zweiteilige Druckkammer 2 wird eine weitgehende Temperaturkompensation gewährleistet. Biegt sich der Schwinger 1, wie durch einen Pfeil angedeutet, bei Erregung axial durch, so wird das Volumen der einen Kammer verkleinert und das Volumen der anderen Kammer vergrößert. Der Flüssigkeitsausgleich erfolgt dabei durch das Meßrohr, wodurch der dort eingebrachte Quecksilbertropfen von der rechten Seite auf die linke Seite verschoben wird. Damit öffnet die Kontaktstrecke 5 al5 b, und die Kontaktstrecke S a'/S V wird geschlossen. Um den Quecksilbertropfen 4 am Austreten aus dem Meßrohr 3 zu hindern, sind zu beiden Seiten des Meßrohrs feinmaschige Siebe 6 angebracht, die dem Quecksilber einen hohen Widerstand entgegensetzen.

Um eine besonders hohe Sicherheit dagegen zu erreichen, daß der Quecksilbertropfen, insbesondere bei Übererregung des Relais, aus dem Meßrohr austritt, kann man eine verbesserte Relaisanordnung wählen, wie sie in F i g. 3 schematisch gezeigt ist. Die hier gewählten Bezugszeichen stimmen mit denen in F i g. 1 und 2 überein. Als Besonderheit ist hier insbesondere zu erwähnen, daß das Meßrohr 3 an den Kontaktstrecken 5 al 5 b und 5 a'ISb' kugelförmige Ausweitungen 3 α und 3 b besitzt. Diese kugelförmigen Ausweitungen sind lediglich durch einen dünnen Mittelsteg miteinander verbunden. Dadurch kann auch bei seitlicher Montage des Relais der Quecksilbertropfen 4 nicht durch den Mittelsteg nach unten sinken, da dieser wegen der großen Oberflächenspannung immer versucht, eine Kugelform einzunehmen. Zusätzlich sind noch an den Enden des mit den kugelförmigen Ausweitungen versehenen Meßrohrs Membranen la und Tb angebracht, die auch bei Auftreten eines Überhubs die nachdringende Druckflüssigkeit absperren. Dadurch kann der Quecksilbertropfen 4 unter keinen Umständen das Meßrohr und damit die jeweils eingenommene Kontaktstellung verlassen. Die hier dargestellten Membranen sind als Tellerfedern ausgebildet und besitzen — da sie als Energiespeicher wirken — eine Kippeigenschaft. Dies kann besonders dann von Vorteil sein, wenn es sich um eine langsam verlaufende Erregungs- bzw. Druckänderung handelt, da auf diese Weise der Schaltvorgang zwangsweise beschleunigt wird.

Es wurde bereits erwähnt, daß durch die symmetrische Anordnung der zweiteiligen Druckkammer 2 eine weitgehende Temperaturkompensation erreicht werden kann. Optimal wird jedoch diese Temperaturkompensation nur dann sein, wenn sowohl das

ao Volumen der beiden Druckkammerteile als auch die Erwärmung und die mechanische Steifigkeit der Abschlußdeckel 9 vollkommen gleich sind. Da sich eine derartige Gleichheit fertigungsmäßig nur schwierig erreichen läßt, ist in dem Biegeschwinger 1 noch eine

as Feinbohrung 8 als Ausgleichskapillare vorgesehen, über die ein allmählicher Druckausgleich erfolgen kann.

In der Praxis kann es vorkommen, daß zur Verhinderung einer möglichen Beeinflussung des Biegeschwingers, insbesondere bei höheren Spannungen an den Schaltkontakten, eine Trennung des Erregerteils und des Kontaktteils des piezoelektrischen Relais gefordert wird. In F i g. 4 ist schematisch eine mögliche Ausführungsform gezeigt, wobei hier Buchstäben als Bezugszeichen gewählt wurden. Die Ausführungsform zeigt eine Anordnung mit einem Biegeschwinger B und einer federnden Metallplatte M, die einen sonst erforderlichen zweiten Biegeschwinger an dieser Seite ersetzt. Als Kontaktträger dient hierbei das Isolationsteil 7, das beispielsweise aus Keramik hergestellt sein kann. In dem Meßrohr befindet sich, ähnlich wie in F i g. 1 gezeigt, der Quecksilbertropfen Q, der im Verbindungszweig zwischen der zweiteiligen, mit Flüssigkeit gefüllten Druck-

kammer D liegt. Die Kontaktführung ist mit K bezeichnet.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Piezoelektrisches Relais mit Umschaltkontaktvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß ein vorzugsweise kreisrunder Biegeschwinger (1) von einer zweiteiligen, mit einer elektrisch nicht leitenden Flüssigkeit gefüllten Druckkammer (2) beidseitig umschlossen ist, wobei die beiden Hälften der Druckkammer (2) über ein vorzugsweise als Mittelbohrung ausgeführtes und beidseitig durch Kontaktstrecken (5 a/5 ft bzw. Sa'/5 b') begrenztes, durch einen Queck-

silbertropfen (4) teilweise gefülltes Meßrohr (3) verbunden sind, und daß bei Erregung des Biegeschwingers (1) und damit Veränderung der wirksamen Drücke in beiden Hälften der Druckkammer (2) eine Verlagerung des Quecksilbertropfens

(4) im Sinne einer über die Kontaktstrecken (5 a/ 5 b bzw. 5 a'/S b') bewirkten Schaltauslösung eintritt.

2. Piezoelektrisches Relais nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß das Meßrohr (3) an seinen beiden Enden ein feinmaschiges Sieb (6) besitzt, das für die Flüssigkeit einen geringen mechanischen Widerstand, für den Quecksilbertropfen (4) jedoch einen großen Widerstand darstellt. 3". Piezoelektrisches Relais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßrohr (3) an seinen Enden je eine Querschnittsverringerung aufweist.

4. Piezoelektrisches Relais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßrohr (3) an den Kontakstrecken kugelförmige Ausweitungen (3 a, 3 b) besitzt (Fig. 3).

5. Piezoelektrisches Relais nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßrohr (3) eine abgeschlossene Druckkammer darstellt, die gegenüber der zweiteiligen, an beiden Seiten des Biegeschwingers (1) angebrachten

Druckkammer (2) durch Membranen (Ja, Tb) abgeschlossen ist.

6. Piezoelektrisches Relais nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranen (la, Ib) als Tellerfedern ausgebildet sind.

7. Piezoelektrisches Relais nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Biegeschwinger (1) eine die zweiteilige Druckkammer (2) verbindende Kapillare (8) zum Erreichen eines langsamen Druckausgleichs geführt ist.

8. Piezoelektrisches Relais nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauelemente des Relais zu einer Baueinheit zusammengefaßt und zum Erreichen eines besseren Temperaturausgleichs und Fixierung der zu den Kontaktstrecken führenden Anschlüsse mit Vergußmasse umschlossen sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen