Beschreibung Piezoelektrisches Relais Die Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Relais mit -einem langgestreckten, einseitig an einem Grundkörper ein- gespannten Biegewandler, dessen freies Ende zwischen zwei Endpositionen umschaltbar ist, -mindestens einem mit dem Grundkörper verbundenen Festkon- takt, -mindestens einem durch das freie Ende des Biegewandlers be- tätigbaren, mit dem Festkontakt zusammenwirkenden bewegli- chen Kontakt, -einer Magnetanordnung mit zwei Polabschnitten entgegenge- setzter Polarität und -einem ferromagnetischen Brückenglied, wobei entweder die Magnetanordnung oder das Brückenglied auf dem Grundkörper angeordnet und das jeweils andere Element mit dem freien Ende des Biegewandlers verbunden ist.

Ein piezoelektrisches Relais mit dem angegebenen grundsätzli- chen Aufbau ist beispielsweise aus der DE 28 11 524 Al be- kannt. Dort ist der eigentliche Biegewandler auf einer Anker- zunge befestigt, und zusammen mit dieser Zunge eingespannt, während das freie Ende der Zunge zwischen den Polen eines Dauermagnetsystems mit zwei einzelnen Dauermagneten liegt. Um dort in den beiden Endstellungen der Ankerzunge jeweils den Dauermagnetkreis zu schließen, ist an der Zunge zusätzlich ein Rückschlußelement angeformt, welches von der Einspann- stelle ausgehend parallel zur beweglichen Zunge bis zur Dau- ermagnetanordnung verläuft. Das aus der Ankerzunge und dem Biegewandler bestehende Biegeelement muß also sowohl den Ma- gnetfluß als auch den Schaltstrom führen ; außerdem benötigt der Rückschlußschenkel zusätzlichen Raum.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein piezoelektrisches Relais der eingangs genannten Art so zu gestalten, daß es mit

wenigen und einfachen Teilen ein geringes Volumen benötigt und insbesondere einen extrem flachen Aufbau ermöglicht ; zu- gleich soll dieses Relais mit einer minimalen Steuerleistung auskommen.

Erfindungsgemäß wird dieses Ziel bei einem piezoelektrischen Relais der eingangs genannten Art dadurch erreicht, daß das Brückenglied und die beiden Polabschnitte jeweils unter Bil- dung von Arbeitsluftspalten zangenartig ineinandergreifen, derart, daß das Brückenglied in jeder der beiden Endpositio- nen des Biegewandlers den magnetischen Kreis zwischen den beiden Polabschnitten der Magnetanordnung schließt.

Bei dem erfindungsgemäßen Relais ist also ein magnetisches Hilfssystem zur Unterstützung der Schaltbewegung des Piezo- wandlers in die jeweilige Endposition und zur Aufrechterhal- tung dieser Endposition auch nach Abschalten der Erregung vorgesehen. Dieses magnetische Hilfssystem benötigt lediglich einen zweipoligen Magneten, vorzugsweise einen Dauermagneten, wenn auch grundsätzlich ein Elektromagnetsystem anwendbar ist. Dabei bildet das Brückenglied mit den Polabschnitten des Magnetsystems zwei räumlich parallele, magnetisch aber hintereinander geschaltete Arbeitsluftspalte, die jeweils durch ein gabelförmiges äußeres Element und ein zungenförmi- ges inneres Element gebildet werden, wobei das letztere rela- tiv zu dem ersteren beweglich ist und sich je nach Schaltpo- sition wahlweise an die einen oder anderen Schenkel der ga- belförmigen Elemente anlegt. Für den Fachmann ist klar, daß es für die Funktion des magnetischen Hilfssystems ohne Bedeu- tung ist, ob die gabelförmigen Elemente an den Polabschnitten des Magnetsystems oder an dem Brückenglied vorgesehen sind, und ebenso, ob die gabelförmigen Abschnitte an dem festste- henden oder dem beweglichen Teil des Magnetsystems angeordnet sind. Auch die Magnetanordnung selbst kann wahlweise festste- hend auf dem Grundkörper oder beweglich an dem freien Ende des Biegewandlers befestigt sein, zumindest wenn es sich um einen Dauermagneten handelt. Diese Festlegungen wird der

Fachmann aufgrund des verfügbaren Platzes, der Einfachheit der Teile und einer möglichst günstigen Herstellung treffen.

Der Biegewandler selbst besteht in an sich bekannter Weise aus mindestens zwei Arten von Funktionsschichten, die zu ei- nem Verbundsystem bereits im Herstellungsprozeß zusammenge- fügt sind (z. B. durch den Sinterprozeß bei Multilayerkera- mik). Die aktiven Funktionsschichten können zum Beispiel fer- roelektrische Piezokeramiken mit Elektrodenflächen sein, wäh- rend dazu passive Funktionsschichten als nicht angesteuerte Piezokeramiken mit Elektrodenflächen oder auch andere, wie sogenannte Bimetalle wirkende, Materialien vorgesehen werden können. Bekanntlich erfährt eine piezoelektrische Funktions- schicht (aktive Funktionsschicht) durch Ansteuerung mit einer Geichspannung eine Längenänderung quer zur Auslenkungsrich- tung (sog. Quereffekt). Durch die Längenänderung gegenüber mindestens einer passiven Funktionsschicht ist es möglich, den Biegeaktuator in positiver oder negativer Richtung auszu- lenken, indem er eine positive oder negative Krümmung erhält.

Ohne elektrische Ansteuerung befindet sich ein solcher Biege- aktuator in seiner Nullage ohne Krümmung.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des Relais ist an dem freien Ende des Biegewandlers mindestens eine Kontaktfeder befestigt, die mit dem mindestens einen Festkontakt zusammen- wirkt. Um eine Stromzuführung längs des beweglichen Biege- wandlers zu der an ihm befestigten Kontaktfeder zu vermeiden, wird diese zweckmäßigerweise als Brückenkontaktfeder ausge- bildet, die sich im wesentlichen quer zur Längsrichtung des Biegewandlers vor dessen freiem Ende erstreckt und mit ihren Enden jeweils einen mit einem Festkontakt zusammenwirkenden beweglichen Kontakt trägt. Zum Toleranzausgleich ist in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung vorgesehen, daß die Kon- taktfeder, insbesondere die Brückenkontaktfeder, über einen Torsionssteg an dem Biegewandler befestigt ist, wodurch auf beiden Seiten gleiche Kontaktkräfte erzielt werden.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt Figur 1 ein erfindungsgemäß gestaltetes piezoelektrisches Re- lais (ohne Gehäuse) in einer perspektivischen Ansicht, Figur 2 eine Schnittansicht II-II aus Figur 1 auf das Kon- taktsystem bei (instabiler) Nullage des Systems, Figur 3 eine Figur 2 entsprechende Schnittansicht, jedoch bei einer oberen stabilen Schaltlage des Systems und Figur 4 eine Ansteuerschaltung für das Relais gemäß Figur 1.

Das in Figur 1 dargestellte Relais besitzt einen Grundkörper 1 in Form einer stabilen Grundplatte, auf welchem ein strei- fenförmiger Biegewandler 2 mit seinem Ende 2a befestigt bzw. eingespannt ist. Das andere Ende 2b dieses Biegewandlers 2 ist bezüglich der Einspannung frei nach oben und unten beweg- lich. Der Biegewandler 2 selbst besteht beispielsweise aus zwei aktiven Funktionsschichten, die an ihren Außenseiten und zwischeneinander jeweils Elektrodenflächen 3 aufweisen, von denen in Figur 1 lediglich eine oberseitige Elektrodenfläche 3 mit ihrem Lötanschluß 31 zu sehen ist, während von der zwi- schen beiden Funktionsschichten liegenden Elektrodenfläche lediglich ein Lötanschluß 32 und von der unterhalb der zwei- ten Funktionsschicht liegenden Elektrodenfläche lediglich ein Lötanschluß 33 zu sehen sind.

An dem freien, beweglichen Ende 2b des Piezowandlers 2 ist ein ferromagnetisches Brückenglied 4 befestigt, das man auch als Anker bezeichnen könnte. Er erstreckt sich plattenförmig quer über die Vorderkante des Biegewandlers 2.

An dem zur Einspannstelle des Biegewandlers 2 gegenüberlie- genden Ende des Grundkörpers 1 ist ein balkenförmiger Dauer- magnet 5 befestigt, dessen Polarisierungsrichtung sich quer zur Längserstreckung des Grundkörpers und des Biegewandlers erstreckt. Auf beiden Polen des Dauermagneten 5 ist jeweils ein Polschuh 6 bzw. 7 angeordnet. Jeder dieser Polschuhe 6 und 7 bildet einen gabelförmigen Polabschnitt in Richtung auf

den Biegewandler, derart, daß jeder dieser gabelförmigen Polabschnitte einen Endbereich des Brückengliedes zangenför- mig in einem Luftspalt umfaßt. So bilden zwei Gabelenden 6a und 6b des Polschuhs 6 einen Luftspalt 8, in welchem sich ein Endabschnitt 4a des Brückengliedes befindet, während Gabelen- den 7a und 7b des Polschuhes 7 einen Luftspalt 9 zur bewegli- chen Aufnahme eines Endabschnitts 4b des Brückengliedes bil- den.

Das Kontaktsystem des Relais ist als Brücken-Umschaltkontakt ausgebildet. Es besitzt zwei untere Festkontaktelemente 10 und 11 sowie zwei obere Festkontaktelemente 12 und 13, die von dem Grundkörper 1 getragen werden und oberhalb sowie un- terhalb des Dauermagneten 5 liegen. Sie ragen mit ihren Enden in den Bereich zwischen dem Dauermagneten 5 und dem Batik- kenglied 4 und tragen jeweils Festkontakte, z. B. 12a, in Form von Kontaktnieten oder Profilkontakten.

Ein Brückenkontaktelement 14 wird im vorliegenden Beispiel von zwei dünnen Blechen 15 gebildet, von denen das eine oben auf dem Ende des Piezowandlers 2 und auf dem Brückenglied 4 liegt, während das andere (nicht sichtbar) an der Unterseite befestigt ist. Diese beiden Kontaktbleche dienen auch zur Halterung des Brückengliedes 4 an dem Piezowandler 2. Die ei- gentlichen Brückenkontaktfedern 14, die von den beiden Ble- chen 15 gebildet sind, erstrecken sich quer zur Längsausdeh- nung Piezowandlers zwischen den kontaktgebenden Enden der Festkontaktelemente 10,11,12 und 13, und sie sind mit den Kontaktblechen 15 jeweils über einen schmalen Torsionssteg 16 verbunden, wodurch ein Toleranzausgleich durch Verdrehung der Brückenkontaktfedern möglich wird. Die freien Enden der Brük- kenkontaktfedern 14 tragen jeweils bewegliche Kontakte 14a, die mit den erwähnten Festkontakten zusammenwirken.

Um sicherzustellen, daß sich die Torsionsfedern 16 nicht durchbiegen, sondern lediglich um eine Längsachse des Biege- wandlers verdrehen, besitzt das Brückenglied 4 einen Vor-

sprung 17, der eine Auflage im Drehpunkt der Brückenkontakt- federn bildet. Je nach Beschaltung können mit dieser Kon- taktanordnung ein Schließer und ein Öffner oder ein Umschalt- kontakt gebildet werden.

Die Funktion des piezoelektrischen Relais nach Figur 1 ist für den Fachmann leicht erkennbar. Wird der Biegewandler nicht erregt, so nimmt das Brückenglied im Idealfall eine in- stabile Nullage ein, wie sie in Figur 2 gezeigt ist. In die- sem Zustand befindet sich das Brückenglied 4 genau in der Mitte der Luftspalte 8 und 9 zwischen den jeweiligen Gabelen- den 6a und 6b bzw. 7a und 7b der Polschuhe. In der Praxis wird allerdings das Brückenglied immer in eine der beiden Endlagen gezogen.

Figur 3 zeigt das Brückenglied in der oberen Endlage, wobei also die Brückenenden 4a und 4b an den oberen Gabelenden 6b und 7b der Polschuhe 6 und 7 anliegen. Die obere Brückenkon- taktfeder 14 wird durch den Vorsprung 17 des Brückengliedes 4 durchgebogen, so daß sich zusätzlich zu dem durch den Kon- taktabstand gegebenen Kontakthub xl ein Uberhub x2 ergibt.

Dieser Uberhub gewährleistet die erforderliche Kontaktkraft.

Zur Umschaltung von einer stabilen Lage in die andere wird der Biegewandler 1 erregt. Dies erfolgt zweckmäßigerweise mit einer einfachen Ansteuerschaltung gemäß Figur 4.

Es wird angenommen, daß eine bipolare Spannungsversorgung zur Verfügung steht, so daß zwischen die Klemmen Kl und K2 wahl- weise negative oder positive Spannung U angelegt werden kann.

Die beiden erwähnten aktiven Funktionsschichten des Biege- wandlers 2 sind in der Schaltung als polarisierte Kondensato- ren Cl und C2 gezeichnet, die jeweils nur in Polarisations- richtung zu betreiben sind. Dazu werden zu den beiden Konden- satoren Cl und C2 die beiden Dioden D1 und D2 jeweils paral- lel geschaltet und mit entgegengesetzter Polung an die Span- nungsversorgung angeschlossen. Bei positiver Ansteuerspannung sperrt die Diode Dl, während die Diode D2 leitet, so daß die

geladene Kapazität Cl und die entladene Kapazität C2 eine po- sitive Auslenkung des Biegewandlers verursachen. Bei negati- ver Ansteuerspannung ergibt sich eine entgegengesetzte Aus- lenkung des Biegewandlers und eine entsprechende Umsteuerung des Kontaktsystems.

Es sei noch darauf hingewiesen, daß der Kontakthub größer sein kann als die durch den Biegewandler allein erzielbare Auslenkung des Brückengliedes. Sobald nämlich das Bruk- kenglied die instabile Nullage verlassen hat, wird es durch die dauermagnetischen Kräfte nach einer Seite angezogen, wo- durch auch der Biegewandler über seine eigene aktive Endlage hinaus deformiert wird.

Wie bereits anfangs erwähnt, können die feststehenden und be- weglichen Teile, Dauermagnet und Brückenglied, gegeneinander vertauscht werden ; ebenso können auch die gabelförmigen und zungenförmigen Elemente in den Luftspalten gegeneinander ver- tauscht werden. Auch sei noch darauf hingewiesen, daß natür- lich das Kontaktsystem abgewandelt werden kann. Insbesondere ist es denkbar, von einem derartigen Biegewandler auch mehr als einen Umschaltkontakt zu betätigen. Es ist auch nicht un- bedingt erforderlich, die beweglichen Kontaktelemente mit dem Biegewandler unmittelbar zu verbinden. So könnten auch die Kontaktfedern selbst an dem Grundkörper befestigt werden und von dem Biegewandler mittels eines Schiebers oder eines son- stigen Betätigungselementes geschaltet werden.