DE1298185B - Piezoelectric relay - Google Patents
Piezoelectric relayInfo
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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 überIt is known the piezoelectric effect is where the two halves of the pressure chamber are over certain crystals for the construction of relays and preferably designed as a center hole to take advantage of. Is limited to such a crystal plate on both sides by contact lines through If a voltage is applied, a deflection takes place in a measuring tube partially filled with mercury of the plate, and thereby one of this plate 5 can be connected, and that when the flexure is excited Contact arrangement are actuated. Because of the vibrator and thus the change in the effective With this method of operation, crystal plates of this type will multiply pressures in the halves of the pressure chamber referred to as a flexural oscillator. storage of the mercury drop in the sense of an over
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,The advantages of relays with piezo-electric energizing the contact paths caused switching tripping lie mainly in the fact that this occurs a high io. In contrast to known embodiments have electromechanical efficiency and that is in the solution according to the invention only of Cutoff frequency is much higher than that used for electromagnetic a drop of mercury table relay is located. Since in addition to the operation of a not only with regard to the only small too centrifugal type Relay not; mass required by an electromagnetic system, but also because of the earth required with it is, during the construction neither an iron core is 15 targetable position independence of the switching system Benoch a winding is required. The voltage source has meaning. The force-displacement transformation takes place a piezoelectric relay is only capacitively loaded with this arrangement by the one in the measuring tube, so that even a very small drop of mercury borne almost no loss. There are needs for arousal is necessary. namely no leverage is required,
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.In spite of this mainly to the construction of miniature ao so that the mechanical losses associated therewith Relay favorable properties could be omitted piezo. If the measuring tube is correspondingly thin geelectric In practice, relays have hardly been dialed through until now, so the relay can be occupied when the relay is energized. This fact is mainly due to the fact that accelerating mercury drops are relatively small, that the required crystal plates will keep their nature.
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.after are only suitable for small work strokes and as The ones in the pressure chamber are electrical Therefore, to achieve the operationally required non-conductive liquid is not critical, it can be with-contact actuation a correspondingly large mecha- for example alcohol or thin oil. in the niche translation is required. For this remainder, the two-part structure of the The reason for this is that the oscillating flexure is relatively thin and the pressure chamber is symmetrical on both sides of the long selected, or there are appropriate lever over 30 oscillator is arranged, a simple temperature setting to achieve the necessary contact compensation.
hübe angebracht worden.-Die erstgenannte Lösung Um die Betriebssicherheit einer derartigen Anord-strokes have been attached.-The first-mentioned solution In order to ensure the operational safety of such an arrangement
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 wirdhas the disadvantage that a relay of this type cannot increase the output, it is advantageous to switch the measuring tube on is sufficiently robust, on the other hand levers require a fine-machine sieve to be allocated over both ends usually a larger number of moving parts, 35 nen, the fluid a low mechadie compulsorily not with negligible Vernic resistance, for which mercury drops cheer work. but represents a great resistance. So that will
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.Although it is already known, a device for opening the mercury droplets at the exit from the measurement and prevented from closing an electrical circuit pipe, if not too high an electrical using mercury to build up. The 40 overexcitation of the: flexural oscillator takes place. Yet With mercury-filled switching body, it is safer to follow the measuring tube as a capillary to extend from two membrane-like formed as electrodes both sides, whereby due to the Shaped metal shells which, in the event of an inward capillary action, did not direct the mercury out of the measurement area Elastic spring through the pressure. So that the pipe can emerge.
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-a displacement of the mercury in one of the me- 45 A particularly favorable design for the Verhintallschalen a, whereby a change in the metal shells of the leakage of mercury from the Meßverbindenden Channel a conductive connection tube provides that the measuring tube to the contact through the displaced mercury is produced. stretch has spherical expansions. the This known arrangement, however, has the serious disadvantage that the surface tension of the mercury is known to be so great that the amount of the previously borrowed is so great that the drop of mercury is also present existing mercury = the mass to be accelerated when the relay is mounted on the side, not the measuring tube is relatively large and can also leave a considerable position dependent. To ensure the highest level of operability of the switching system is available. Achieving this security is a special task Arrangement also allows only the creation of an approximate form of the invention constructed in such a way that the Working or normally closed contact, but not a measuring tube with its spherical expansions Changeover contact device, as it is in practice a separate pressure chamber, the opposite is often demanded. In addition, it is the two-part relay, on both sides of the Biegeschwinmit piezoelectric excitation required a gers attached pressure chamber through diaphragms mechanical translation of the lifting movement is completed at the front. In this way the with one because only small working strokes are available here. stand, which are usually for the contact actuation so that the mercury drops the measuring tube or the not suffice. Can not leave the contact path. Expedient-
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-The demands made can be made in a way that the diaphragms are piezoelectric as disc springs Relay with changeover contact device forms. Such disc springs also act as an evaluation according to the invention in that a pre-65 giespeicher and give the relay a tilting function circular flexural oscillator of a two-characteristic, which in the sense of an acceleration of the part, with an electrically non-conductive liquid switching process is effective. pressure chamber filled on both sides so that the already mentioned temperature compensation
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.sation also works optimally, it is advantageous to use the flexural oscillator to create a two-part pressure chamber Provide connecting capillaries through which a slow pressure equalization takes place at any time can. The operation of the relay is determined by this pressure equalization with the appropriate dimensioning the capillary is hardly affected, since the sudden pressure increase when the relay is energized Capillary opposes a relatively large resistance. To further improve the temperature compensation and to fix the connections to the contact paths, the components of the relay can be attached summarize a unit and enclose it with potting compound.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele. Es zeigenFurther details of the invention emerge from the following description of several exemplary embodiments. Show it
F i g. 1 und 2 den grundsätzlichen Aufbau eines piezoelektrischen Relais nach der Erfindung in Seitenansicht und Draufsicht,F i g. 1 and 2 the basic structure of a piezoelectric relay according to the invention in side view and top view,
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. 3 shows an improved embodiment of the relay with spherical expansions of the measuring tube and with a movement limitation of the mercury through membranes,
F i g. 4 in schematischer Darstellung eine Ausführungsform des Relais, bei dem der Steuerteil des Biegeschwingers und der Kontaktteil getrennt aufgebaut sind.F i g. 4 in a schematic representation of an embodiment of the relay in which the control part of the Flexural oscillator and the contact part are constructed separately.
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.In Fig. 1 and 2, a piezoelectric relay is shown in schematic representation, which has a circular flexural oscillator 1 with a central bore, which serves as a measuring tube 3 for the mercury drop 4 located there. The flexural oscillator 1 is enclosed on both sides by a two-part pressure chamber 2 in which a non-conductive liquid is located. This two-part pressure chamber 2, which is arranged symmetrically to the oscillator 1, ensures extensive temperature compensation. If the oscillator 1 bends axially when excited, as indicated by an arrow, the volume of one chamber is reduced and the volume of the other chamber is increased. The liquid balance takes place through the measuring tube, whereby the mercury drop introduced there is shifted from the right side to the left side. This opens the contact path 5 al5 b, and the contact path S a '/ SV is closed. In order to prevent the mercury droplet 4 from escaping from the measuring tube 3, fine-meshed sieves 6 are attached to both sides of the measuring tube and offer a high resistance to the mercury.
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.In order to achieve a particularly high level of security against the fact that the mercury drop emerges from the measuring tube, especially when the relay is overexcited, an improved relay arrangement can be selected, as shown in FIG. 3 is shown schematically. The reference symbols chosen here agree with those in FIG. 1 and 2 match. A special feature that should be mentioned here in particular is that the measuring tube 3 has spherical expansions 3 α and 3 b at the contact sections 5 al 5 b and 5 a'ISb ' . These spherical expansions are only connected to one another by a thin central web. As a result, even when the relay is mounted on the side, the mercury drop 4 cannot sink down through the central web, since this always tries to assume a spherical shape because of the high surface tension. In addition, the measuring tube provided with the spherical widening membranes la and Tb are still attached at the ends, which lock the nachdringende hydraulic fluid even in the presence of overstroke. As a result, the mercury drop 4 can under no circumstances leave the measuring tube and thus the respective contact position assumed. The diaphragms shown here are designed as disc springs and - since they act as energy stores - have a tilting property. This can be of particular advantage when it is a question of a slowly occurring change in excitation or pressure, since in this way the switching process is forcibly accelerated.
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 It has already been mentioned that the symmetrical arrangement of the two-part pressure chamber 2 extensive temperature compensation can be achieved. However, this temperature compensation will only be optimal if both
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 eineao volume of the two pressure chamber parts as well as the heating and the mechanical rigidity of the end cover 9 are completely the same. Since such an equality is difficult to manufacture can be achieved, is still one in the oscillating flexure 1
as Feinbohrung 8 als Ausgleichskapillare vorgesehen, über die ein allmählicher Druckausgleich erfolgen kann.The fine bore 8 is intended as a compensating capillary, over which a gradual pressure equalization can take place.
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-In practice it can happen that a separation of the exciter part and the contact part of the piezoelectric relay is required in order to prevent possible influencing of the flexural oscillator, especially with higher voltages at the switching contacts. In Fig. 4 a possible embodiment is shown schematically, letters having been chosen as reference numerals. The embodiment shows an arrangement with a flexural oscillator B and a resilient metal plate M, which replaces an otherwise required second flexural oscillator on this side. The insulating part 7, which can be made of ceramic, for example, serves as the contact carrier. In the measuring tube, similar to FIG. 1, the drop of mercury Q, which forms in the connecting branch between the two-part, liquid-filled pressure
kammer D liegt. Die Kontaktführung ist mit K bezeichnet. chamber D is located. The contact routing is denoted by K.
Claims (8)
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