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Technisches
Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft
einen integrierten, elektrisch zu betätigenden mechanischen Auslösungsmechanismus
nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, wie er beispielsweise aus FR-A-1022617
bekannt ist, und insbesondere einen derartigen Mechanismus, wenn
er als Teil einer elektrischen Sicherheitsvorrichtung, wie beispielsweise eines
Fehlerstromschutzschalters, eingesetzt wird.
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Hintergrund
der Erfindung
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Es sind in der Technik verschiedene
Mechanismen bekannt, die elektrischen Schutz vor einer Reihe möglicher
elektrischer Fehlerzustände
bieten. Ungünstigerweise
ist jeder Mechanismus normalerweise so ausgelegt, dass er Schutz
gegenüber
einem bestimmten Typ von elektrischem Fehlerzustand bietet. Verschiedene
relevante Typen elektrischer Fehlerzustände, die auftreten können, sind
beispielsweise ein Stark-Überstromzustand,
wie er bei einem Kurzschluss auftreten kann, ein Ungleichgewichts-Fehlerzustand
in den Anschlüssen,
die zu und von der Spannungsquelle führen, oder ein Schwach-Fehlerstromzustand,
der, obwohl er nicht ausreicht, einen Kurzschluss-Schutzmechanismus auszulösen, dennoch
empfindliche elektronische Bauteile in einer Vorrichtung schädigen kann,
bei der der Sicherheitsmechanismus eingesetzt wird. Normalerweise
ist bisher ein separater Erfassungs- und Betätigungs- bzw. Steilmechanismus
für jeden
Typ Fehlerzustand erforderlich gewesen, d.h., dass elektrische Sicherheit
nur innerhalb bestimmter elektrischer Betriebszustände gewährleistet
werden konnte.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht
darin, einen integrierten, aus einem Teil bestehenden elektrisch
betätigten
Auslösemechanismus
zu schaffen, der elektrischen Schutz in mehreren Ebenen in ein einzelnes
System integriert.
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Um die oben genannte Aufgabe zu erfüllen, schafft
die vorliegende Erfindung einen integrierten, elektrisch zu betätigenden
mechanischen Auslösemechanismus,
wie er in Anspruch 1 definiert ist.
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Der erste Fehlerzustand ist vorzugsweise
ein Schwach-Fehlerstromzustand, der nicht ausreicht, um einen Kurzschluss-Schutzmechanismus
auszulösen.
Der zweite Fehlerstromzustand kann vorzugsweise ein Stromungleichgewicht
zwischen zwei oder mehr Teilen einer Schaltung bzw. eines Stromkreises sein.
Der dritte Fehlerstromzustand kann vorzugsweise ein Stark-Überstromzustand
sein, wie er beispielsweise mit einem Kurzschlusszustand verbunden
ist.
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In einer bevorzugten Ausführung umfasst
die erste Fehlererfassungseinrichtung vorzugsweise einen Bimetalllstreifen,
der so eingerichtet ist, dass er sich in Reaktion auf das Auftreten
des ersten Fehlerzustandes in dem Stromkreis biegt. Des Weiteren enthält die zweite
Fehlererfassungseinrichtung vorzugsweise ein Biegeglied aus aktivem
Material, das so eingerichtet ist, dass es sich in Reaktion auf
das Auftreten des zweiten Fehlerzustandes biegt. Des Weiteren umfasst
in der bevorzugten Ausführung
die dritte Fehlererfassungseinrichtung vorzugsweise eine Spule,
die um einen Kern herum gewickelt ist, wobei der Kern beim Auftreten
des dritten Fehlerzustandes aus der Spule ausgestoßen wird.
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Vorzugsweise ist das Biegeglied aus
aktivem Material ein Piezo-Biegeglied aus aktivem Material, wie
es in unserer früheren
internationalen Anmeldung WO-A-98/40917 offenbart ist, wobei die
relevanten Merkmale desselben, die für ein umfassendes Verständnis der
vorliegenden Erfindung erforderlich sind, hiermit durch Verweis
einbezogen werden.
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Das Biegeglied aus aktivem Material
kann vorzugsweise aus einer Vielzahl von Schichtelementen hergestellt
werden, die übereinander
gestapelt sind, um eine Vorrichtung mit geringem Profil zu erzeugen.
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Des Weiteren ist eine Treiberschaltung
für das
Biegeglied aus aktivem Material vorhanden, die einen Toroidtransformator
mit einer Primär-
und einer Sekundärspule
enthält,
die daran angeordnet sind, um Stromungleichgewichte in zwei oder
mehr Teilen des Stromkreises zu erfassen. Der Transformator ist vorzugsweise
des Weiteren so einge richtet, dass er Sättigung bei einem Pegel des
Stromungleichgewichtes erreicht, der niedriger ist als ein Pegel,
der einen zweiten Fehlerzustand anzeigt, wobei die Sättigung
des Kerns ein Ausgangs-Treibersignal mit hoher Spannung und niedriger
Leistung verursacht, das verwendet werden kann, um das Biegeglied
aus aktivem Material anzutreiben.
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Alle Erfassungseinrichtungen (das
Bimetallelement, das Biegeglied aus aktivem Material und die Spule)
sind vorzugsweise insofern leitungsunabhängig, als die Energie des Fehlerstroms
verwendet wird, um die Erfassungseinrichtungen zu betätigen. Des
Weiteren werden alle Fehlerzustände
vorzugsweise durch Strom verursacht.
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Ein Hauptvorteil der vorliegenden
Erfindung besteht darin, dass sie ein integriertes, aus einem Teil bestehendes
Stellglied schafft, das elektrischen Schutz vor einer Vielzahl verschiedener
elektrischer Fehlerzustände
bietet. Die elektrische Sicherheit kann daher über ein breites Spektrum elektrischer Betriebszustände aufrechterhalten
werden.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Weitere Merkmale und Vorteile der
vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung einer
bevorzugten Ausführung
derselben, die lediglich als Beispiel dargestellt wird, und unter Bezugnahme
auf die beigefügten
Zeichnungen ersichtlich, wobei:
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1 einen
schematischen Aufbau des integrierten Mechanismus der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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2 eine
als Perspektivansicht ausgeführte
Explosionsdarstellung einer besonders bevorzugten Konstruktion des
Piezo-Biegegliedes aus aktivem Material zeigt, das in dem integrierten
Mechanismus der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird;
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3 einen
Schnitt durch die bevorzugte Konstruktion des Biegegliedes aus aktivem
Material entlang der Linie A-A in 2 in
Richtung der Pfeile gesehen zeigt;
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4 ein
Blockschaltbild der Integration des Biegemechanismus aus aktivem
Material in einen Mechanismus zum Öffnen elektrischer Kontakte zeigt,
die bei der vorliegenden Erfindung benutzt wird; und
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5 eine
bevorzugte Treiberschaltung zeigt, die bei dem bevorzugten Biegeglied
aus aktivem Material der vorliegenden Erfindung einzusetzen ist.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführung
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Eine Ausführung des integrierten, elektrisch betätigten mechanischen
Auslösungsmechanismus der
vorliegenden Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf 1 beschrieben.
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In 1 ist
zu sehen, dass ein elektrischer Kontakt 94 so eingerichtet
ist, dass er elektrischen Strom von einer Netzstromversorgung über dazugehörige elektrische
Kontakte (nicht dargestellt) empfängt. Der elektrische Kontakt 94 kann
je nach Erfordernis mit den Netzkontakten in Kontakt gebracht und
von ihnen getrennt werden. Verschiedene Mechanismen und Anordnungen
dafür sind
in der Technik bekannt.
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Der elektrische Strom von dem elektrischen Kontakt 94 wird
einer Schalteinrichtung 80 zugeführt, die entsprechende Schalter
und Verbindungen enthält,
um den erforderlichen Strom jeder der drei Erfassungseinrichtungen
der vorliegenden Erfindung zuzuführen.
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Eine erste Erfassungseinheit umfasst
einen Bimetallstreifen 82, der aus zwei oder mehr laminierten
Platten aus unterschiedlichem Material besteht, wobei jedes Material
einen anderen Wärmeausdehnungskoeffizienten
hat. Der Streifen 82 ist an einem ersten Ende befestigt
und mit einem Stellglied 84 versehen, das am gegenüberliegenden
Ende angeordnet ist. Verbindungen von der Schalteinrichtung 80 zu einem
Ende des Streifens sind vorhanden.
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Eine zweite Erfassungseinrichtung
umfasst ein Piezo-Biegeglied 62 aus aktivem Material, das aus
piezoaktiven Materialien, wie beispielsweise Piezokeramik, besteht.
Ein Merkmal aller aktiven Materialien besteht darin, dass sie einen
relativ geringen Wirkungsgrad aufweisen und Kopplungskoeffizienten
zwischen der elektrischen Steuerein richtung und dem eigentlichen
mechanischen Ausgang von Bruchteilen eines Prozent haben. Daher
sind für Stellglieder,
bei denen derartige Materialien eingesetzt werden, starke Antriebsfelder
erforderlich. Um ein derartiges starkes Feld bereitzustellen, sind
Verbindungen zwischen dem Bimetallstreifen 82 und einem
Toroidtransformator 70 und von dort zu einem Spannungsvervielfacher 61 vorhanden.
Die Verbindungen sind so, dass der Strom durch den Bimetallstreifen
fließt,
bevor er zu dem Transformator und dann zu dem Spannungsvervielfacher
fließt.
Der Toroidtransformator stellt dem Vervielfacher ein Signal mit
hoher Spannung und niedriger Leistung auf eine weiter unten beschriebene
Weise bereit, und der Spannungsvervielfacher vervielfacht die umgewandelte
Spannung und führt
sie einem Ende des Biegegliedes 62 aus aktivem Material
zu. Weitere Verbindungen sind dann vom hinteren Ende des Biegegliedes
aus aktivem Material zurück
zu der Schalteinrichtung 80 vorhanden, um den Stromkreis
zu schließen. Das
Biegeglied aus aktivem Material ist des Weiteren mit einem Stellglied 86 und
einer beweglichen Spitze 44 versehen, die sich in Reaktion
auf die von dem Strom angelegten Felder bewegt, wie dies weiter
unten beschrieben ist.
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Eine dritte Fehlererfassungseinrichtung
umfasst eine Spule 88, die so eingerichtet ist, dass sie um
einen Metallkern 90 herumgewickelt wird. Verbindungen sind
von jedem Ende der Spule zu der Schalteinrichtung 80 vorhanden,
so dass der Spule Strom zugeführt
werden kann. Die Funktion einer solchen Spule beim Erfassen von
Fehlerbedingungen ist die Folgende. Beim Vorhandensein eines plötzlichen
Kurzschlusses geht der plötzliche
Anstieg des Stromflusses mit einem plötzlichen Anstieg des Magnetflusses
um den Draht herum einher, in dem der Strom fließt. Der erhöhte Magnetfluss wirkt, wenn
er durch den zu einer Spule gewickelten Draht verstärkt wird,
auf den Metallkern 90 und stößt den Kern aus der Spule aus.
Der Ausstoß muss
nicht vollständig sein,
sondern er muss leicht erfassbar sein und dazu dienen, einen Auslösemechanismus
zu betätigen.
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Als Teil eines Auslösemechanismus
zum Öffnen
des elektrischen Kontaktes 94 beim Erfassen eines Fehlerzustandes,
der mit einem Kurzschluss zusammenhängt, stellt die vorliegende
Erfindung einen Kurzschlusskolben 92 bereit. Dieser ist
so eingerichtet, dass er in Reaktion auf das Erfassen eines Kurzschlusses
durch die Spule 88 und den Kern 90 wirksam wird, und er
kann sogar einen Teil des Kerns 90 bilden oder direkt an
ihm angebracht sein, obwohl dies nicht unbedingt notwendig ist.
Unabhängig
davon, welche Anordnung verwendet wird, um den Kolben auszulösen, muss
die Funktion des Kolbens beim Unterbrechen von Kontakt des elektrischen Kontaktes 94 mit
dem Netzkontakt jedoch so schnell wie möglich sein, da ansonsten der Überstrom
bei einem Kurzschluss bewirkt, dass der elektrische Kontakt 94 schmilzt
oder mit den Netzkontakten verschweißt wird.
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In Funktion erfasst die Anwendung
der vorliegenden Erfindung mehrere Typen elektrischer Fehlzustände. Die
Spulenanordnung 88 dient, wie bereits oben erläutert, dazu,
Kurzschlüsse
zu erfassen, die einen Stark-Überstromzustand
verursachen und die ein sehr schnelles Ansprechen erforderlich machen,
um ernsthafte oder irreparable Schäden zu vermeiden. Der Bimetallstreifen
dient dazu, relativ geringe Fehlerströme zu erfassen, die keine unmittelbare
Gefahr darstellen. Das Biegeglied aus piezoelektrischem Material
zusammen mit dem Toroidtransformator dient dazu, Stromungleichgewichte
zu erfassen, die einen Fehlerzustand anzeigen.
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Der Bimetallstreifen beruht auf dem
Effekt der Erwärmung
durch den Strom, der durch den Streifen hindurchtritt und unterschiedliche
Ausdehnung jeder Schicht des Streifens und damit Biegen des Streifens
verursacht, und der daher einen relativ langsames Ansprechverhalten
hat. Das Stellglied 84 drückt, wenn sich der Bimetallstreifen
aufgrund eines Fehlerstroms biegt, auf das Piezo-Material 62 und bewirkt,
dass sich das Piezomaterial biegt. Dieses Biegen kann mechanisch über die
weiter unten beschriebene Anordnung des Piezomaterials oder elektrisch über den
durch das sich biegende Piezomaterialerzeugten Strom erfasst werden.
Unabhängig
davon, welcher Mechanismus genutzt wird, wird das erfasste Biegen
genutzt, um den Auslösemechanismus auszulösen und
zu bewirken, dass der elektrische Kontakt 94 geöffnet wird.
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Eine ausführliche Beschreibung einer
bevorzugten Ausführung
eines Auslösemechanismus,
der das Piezo-Biegeelement aus aktivem Material enthält, wird
im Folgenden als Beispiel unter Bezugnahme auf 2 und 3 gegeben.
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Der Auslösemechanismus gemäß der bevorzugten
Ausführung,
der in den beigefügten
Zeichnungen dargestellt ist, besteht aus einer Anzahl von Schichten
aus Plattenmaterial. Die relativen Dicken der verschiedenen Schichten
werden bezüglich
der unterschiedlichen Funktionen, die die Schichten zu erfüllen haben,
gewählt,
und dies gilt auch für
die eingesetzten Materialien. Bei dem Material handelt es sich,
um die Handhabung bei dieser speziellen Konstruktion zu erleichtern,
um Metallstreifen, wobei die Dicke ohne Weiteres durch das Herstellungsverfahren
auf akzeptable Grenzwerte gesteuert werden kann. Dicken von 0,15
Millimeter bis 0,2 Millimeter haben sich als geeignet erwiesen,
jedoch können auch
andere Dicken und andere Materialien für bestimmte der Schichten verwendet
werden. Die Schichten müssen
nicht aus Metall oder leitend sein, und in einigen Fällen kann
es von Vorteil sein, wenn die Schichten isolierend oder selbstschmierend
sind, indem sie aus einem geeigneten Kunststoffmaterial hergestellt
werden. Wenn diese bevorzugte Konstruktion in dem integrierten Stellglied
der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird, entsprechen jedoch die
Legierungen, die Teil des Biegegliedes aus aktivem Material bilden,
und/oder die der anderen laminierten Schichten, den Legierungen
des Bimetallstreifens, um Größenänderungen
oder Biegen aufgrund natürlicher Änderungen
der Umgebungstemperatur zu vermeiden.
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Der Auslösemechanismus gemäß der bevorzugten
Ausführung
der vorliegenden Erfindung umfasst ein Substrat 10, an
dem ein Stapel anderer Schichten angebracht ist, wobei der Stapel
einen Rahmen 12, einen Abstandshalter 14 und eine
plane Bimorph-Schicht 16 in
dieser Reihenfolge von dem Substrat 10 her umfasst. Ein
Gleitelement 18 ist des Weiteren so angeordnet, dass es
in einem Profilschlitz 30 gleitet, der in dem Rahmen 12 ausgebildet ist,
und das Gleitelement ist mit einer Verlängerung 32 versehen,
die sich über
das offene Ende des Profilschlitzes 30 in dem Rahmen 12 hinauserstreckt.
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Das Gleitelement 18 ist
mit einem Schlitz 34 versehen, der in der Verlängerung 32 vorhanden
ist, wobei der Schlitz so eingerichtet ist, dass er eine Feder 36 aufnimmt
und sich ein Ende der Feder auf einem Federsitz 37 befindet,
mit dem der Schlitz versehen ist, und das andere Ende der Feder 36 mit
einem Federsitz 38 in Eingriff ist, der an einer der anderen Schichten
vorhanden ist, in diesem Fall der Abstandshalterschicht 14.
Das Gleitelement kann mittels einer drehbaren Klinke 40 gegen
die Wirkung der Feder 36 arretiert werden. Die Klinke 40 ist
mittels eines Lagers 41, das in der bevorzugten Ausführung an
dem Abstandshalter 14 vorhanden ist, drehbar angebracht,
wobei es auch an dem Substrat 10 vorhanden sein kann. Der
Abstandshalter ist des Weiteren mit einer Öffnung 42 versehen,
durch die die zu betätigende
bewegliche Spitze 44 des Piezo- Bimorphs sich hindurcherstreckt, um
die Drehung der Klinke 40 und damit das Lösen oder
Arretieren des Gleitelementes 18 zu steuern.
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Ehe die Funktion des oben beschriebenen Mechanismus
beschrieben wird, ist es wichtig zu verstehen, dass der Profilschlitz 30 in
dem Rahmen 12 speziell so geformt ist, dass das Gleitelement 18,
obwohl es größtenteils
unter der Wirkung der Feder 36 linear in der Richtung des
Pfeils X bewegt werden kann, auch leichte seitliche bzw. Drehbewegung
ausführen
kann. Des Weiteren wird der Profilschlitz in der Nähe des offenen
Endes 64 des Schlitzes schmaler, so dass der Hub des Gleitelementes
eingeschränkt
wird, das mit Vorsprüngen 46 versehen
ist, die breiter sind als das schmale offene Ende des Schlitzes 64.
Des Weiteren hat die Klinke 40 einen halbkreisförmigen Abschnitt 48,
der so eingerichtet ist, dass er in einem entsprechenden Abschnitt 50 des
Profilschlitzes so aufgenommen wird, dass er Winkelbewegung in der
Richtung des Pfeils A (in der Zeichnung im Uhrzeigersinn dargestellt)
in dem Profilschlitz ausführen
kann. Die Klinke ist des Weiteren mit einer geformten Aussparung 52 versehen,
die so eingerichtet ist, dass sie einen entsprechend geformten Vorsprung 54 an
dem Ende des Gleitelementes 18 von der Feder 36 entfernt
aufnimmt. Die Form und die Größe des Vorsprungs 54 und
der Aussparung 52, die ineinander greifen, sind sorgfältig so
ausgeführt,
dass eine bestimmte Stoßkraft
erzeugt wird, und das Gleitelement ist des Weiteren mit einer zusätzlichen
angewinkelten Arretiertläche 56 versehen, die
so eingerichtet ist, dass sie gleitend mit einer entsprechenden
angewinkelten Arretierfläche 58 in
Eingriff kommt, die an dem Rahmen 12 vorhanden ist. Die
Winkel der entsprechenden Arretierflächen 56 und 58 sind
so, dass die Kraft, die durch die Feder 36 auf das Gleitelement 18 ausgeübt wird,
wenn das Gleitelement 18 arretiert ist, bewirkt, dass die
Arretiertläche 56 an
die Arretierfläche 58 presst,
wobei die Gegenwirkungskraft, die durch die Arretiertläche 58 erzeugt
wird, bewirkt, dass eine Drehbewegung in der Richtung von Pfeil
B auf das Gleitelement 18 wirkt, wie sie in der Zeichnung
entgegen dem Uhrzeigersinn dargestellt ist.
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3 zeigt
einen Schnitt durch die verschiedenen Schichten, wenn diese zusammengesetzt sind.
In 3 ist zu sehen, dass
der Piezo-Bimorph 16 mit einem Zapfenelement 44 versehen
ist, das sich durch Öffnung 42 hindurch
erstreckt, die in dem Abstandshalter vorhanden ist, um mit der Klinke 40 in Eingriff
zu kommen. Normalerweise entspricht das Zapfenelement 44 der
Tiefe des Abstandshalters 14 und des Gleitelementes 18, und
diese beträgt
normalerweise 0,35 Millimeter. Das Zapfenelement 44 ist am
Betätigungsende
des Piezo-Bimorphs 16 so vorhanden, dass, wenn der Piezo-Bimorph 16 betätigt wird,
das Zapfenelement 44 aus der Drehebene der Klinke 40 in
der Richtung des Pfeils C soweit herausbewegt wird, dass sich die
Klinke 40 in der Richtung des Pfeils A drehen kann. In 3 ist die Klinke 40 an
einem Lager 41 (nicht dargestellt) angebracht dargestellt,
das an dem Abstandshalter 14 vorhanden ist, obwohl es auch
möglich
ist, das Lager 41 an dem Substrat 10 anzuordnen.
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Was die Funktion des Mechanismus
angeht, wird davon ausgegangen, dass die verschiedenen Schichten
sämtlich
zusammengesetzt und übereinander
geschichtet sind, wie dies in 3 dargestellt ist,
wobei sich das Gleitelement in Position in dem Schlitz 30 befindet,
so dass die Arretierfläche 56 mit der
Arretierfläche 58 an
dem Rahmen 12 in Eingriff ist und die Feder 36 so
zwischen den Federsitzen 37 und 38 zusammengedrückt ist.
Die Flächen 56 und 58 sind
so angewinkelt, dass die Federkraft in eine Drehkraft umgewandelt
wird, wie dies mit dem Pfeil B angedeutet ist. Diese Drehung wird
dadurch eingeschränkt,
dass der Vorsprung 54 an dem Gleitelement 18 durch
die Aussparung 52 in der Klinke 40 gehalten wird.
Bewegung der Klinke 40 in der Richtung des Pfeils A wird
dadurch eingeschränkt,
dass das Zapfenelement 44 an dem beweglichen Ende des Piezo-Bimorphs 16 vorhanden
ist.
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Wenn der Mechanismus betätigt werden
soll, wird ein elektrisches Signal an den Piezo-Bimorph 16 angelegt, das bewirkt,
dass sich der Bimorph so biegt, dass der Zapfen 44 nach
oben aus der Ebene des Papiers in 2 und
in der Richtung des Pfeils C in 3 sowie
aus dem Eingriff mit der Klinke 40 herausgezogen wird.
Die Form der aneinanderliegenden Flächen des Vorsprungs 54 und
der Aussparung 52 in Kombination mit der Form der aneinanderliegenden
Flächen 56 und 58 unter
der Wirkung der durch die Feder 36 ausgeübten Kraft
bewirkt, dass das Gleitelement 18 beginnt, sich in der
Richtung des Pfeils B zu drehen, wodurch wiederum die Klinke 40 gezwungen
wird, sich in der Richtung des Pfeils A zu drehen, bis die Klinke 40 den
Vorsprung 54 freigibt, wodurch ungehinderte Bewegung des
Gleitelementes 18 zuerst bogenförmig in der Richtung des Pfeils B
und anschließend
in der Richtung des Pfeils X möglich
wird, so dass die Verlängerung 32 des
Gleitelementes 18 genutzt werden kann, um einen weiteren
Mechanismus bzw. eine weitere Vorrichtung zu aktivieren, so beispielsweise
den Auslösemechanismus
des Kolbens 76.
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Um den Mechanismus zurückzusetzen
und wieder zu verriegeln, wird davon ausgegangen, dass kein elektrisches
Signal an dem Bimorph 16 anliegt, so dass sich der Zapfen 44 in
seiner untersten Position befindet. Indem das Gleitelement 18 gegen
die Feder 36 in der Richtung entgegengesetzt zur Richtung
X bewegt wird, wird die Feder 36 zusammengedrückt, und
das Gleitelement wird an dem Arretiervorsprung 58 vorbeibewegt,
so dass der Vorsprung 54 am Ende des Gleitelementes in
der Aussparung 52 in der Klinke aufgenommen werden kann.
Die Klinke wird durch eine geringfügige Federkraft in einer Richtung
entgegengesetzt zu der Richtung des Pfeils A elastisch gespannt,
so dass der Vorsprung 54 durch die Aussparung gehalten
werden kann und der Zapfen 54 die Halteposition aufrechterhalten
kann.
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Aus der oben stehenden Beschreibung
wird ersichtlich, dass die Gegenwirkungskraft, die durch Arretierflächen 56 und 58 aufgrund
des Zusammendrückens
der Feder 36 erzeugt wird, die Stoßkraft von Vorsprung 53 und
Aussparung 52 sowie die Rückstellfederkraft der Klinke 40 sorgfältig ins Gleichgewicht
gebracht werden müssen,
um ordnungsgemäße Funktion
zu erreichen. Das heißt,
obwohl für
den Fachmann auf der Hand liegt, dass ein breites Spektrum an Abwandlungen
möglich
ist, ist klar, dass die Summe der Rückstell-Federkraft, die wirkt,
um die Klinke 40 in die Arretierposition zurückzuführen und
der Stoßkraft,
die durch die angewinkelten Flächen
der Aussparung 52 und des Vorsprungs 54 erzeugt
wird, geringer sein muss als die Gegenwirkungskraft, die durch die
angewinkelten Arretierflächen 56 und 58 unter
dem Druck der Feder 36 erzeugt wird, damit das Gleitelement 18 gelöst werden
kann, wenn das Piezo-Bimorphelement 16 betätigt wird.
Wenn diese Voraussetzung nicht erfüllt ist, überwindet die Rückwirkungskraft
der Arretierflächen 56 und 58 die
Stoßkraft
von Aussparung und Vorsprung sowie die Rückstellkraft auf die Klinke nicht,
so dass Gleitelement nicht gelöst
wird.
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Aufgrund der geringen Eingriffstiefe
und der Auslösekraft
ist es möglich,
die starke Bewegung des planen Bimorphs auszunutzen, um ein System
zu schaffen, das mit geringer Energie arbeitet.
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Es liegt auf der Hand, dass die oben
beschriebene Konstruktion in jeder beliebigen Abmessung hergestellt
werden kann. Sie eignet sich aufgrund der Schichteigenschaften der
Struktur sehr gut für
Mikrobearbeitungsverfahren.
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Eine bevorzugte Treiberschaltung,
die eingesetzt wird, um den zweiten Fehlerzustand in Bezug auf Stromungleichgewichte
in den stromführenden und
den neutralen Leitungen zu erfassen und ein entsprechendes Steuersignal
für das
Biegeglied aus aktivem Material zu erzeugen, wird im Folgenden unter Bezugnahme
auf 5 beschrieben.
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In 5 umfasst
die Treiberschaltung für das
Biegeglied aus aktivem Material den bereits erwähnten Toroidtransformator 70,
wobei der Transformator eine erste Primärspule 66 hat, die
einen Laststrom il von dem stromführenden
Kontakt einer Spannungsquelle 64, so beispielsweise dem
Netz, zu einer Last 74 leitet. Wie aus der vorangehenden
Beschreibung deutlich wird, wird bei der bevorzugten Ausführung der
Strom aus dem Netz zunächst
durch die Schalteinrichtung 80 und dann durch den Bimetallstreifen 82 geleitet,
bevor er dem Toroidtransformator zugeführt wird. Die erste Primärspule 66 besteht
aus einer einzelnen Wicklung um die Toroidspule des Transformators 70 herum.
Des Weiteren ist eine zweite Primärspule 72 vorhanden,
die aus einer einzelnen Wicklung der Toroidspule besteht und die einen
Strom in von der Last 74 zurück zu dem neutralen Kontakt
der Spannungsquelle 64 leitet, und zwar vorzugsweise über die
Schalteinrichtung 80, obwohl dies nicht unbedingt der Fall
sein muss.
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Zusätzlich zu der ersten und der
zweiten Primärspule
ist des Weiteren eine Sekundärspule 68, die
eine Vielzahl von Wicklungen umfasst, an dem Kern des Toroidtransformators 70 vorhanden,
wobei eine induzierte Ausgangsspannung E über die Sekundärspule 68
einem Dioden-Brückengleichrichter 76 zur
Gleichrichtung zugeführt
wird, und die gleichgerichtete Ausgangs-Treiberspannung von der
Sekundärspule 68 dann
zu einem Spannungsvervielfacher 61 zur Spannungsvervielfachung
der Ausgangs-Treiberschaltung auf eine Betriebsspannung V geleitet
wird. In der bevorzugten Treiberschaltung ist des Weiteren ein Glättkondensator 78 vorhanden, der über den
Ausgang des Dioden-Brückengleichrichters 76 geschaltet
ist, um die gleichgerichtete Spannung vor der Vervielfachung in
dem Spannungsvervielfacher 61 zu glätten. Bei dem Spannungsvervielfacher 61 kann
es sich um jede beliebige Vervielfachungseinrichtung oder Schaltungselemente
handeln, wie dies für
den Fachmann auf der Hand liegt.
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Obwohl in der bevorzugten Treiberschaltung, die
oben beschrieben und in 5 dargestellt
ist, dargestellt ist, dass die Ausgangs-Treiberspannung von der
Sekundärspule
vor der Vervielfachung in dem Vervielfacher 61 durch den
Dioden-Brückengleichrichter 76 gleichgerichtet
wird, ist dies für
die Funktion der vorliegenden Erfindung nicht ausschlaggebend, und
es ist natürlich
auch möglich, dass
die Reihenfolge von Gleichrichter 76 und Vervielfacher 61 umgekehrt
wird, so dass die Wechselspannungsspitzen, die von der Sekundärspule ausgegeben
werden, von dem Vervielfacher 61 vor Gleichrichtung durch
den Brückengleichrichter 76 vervielfacht
werden.
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Die Treiberschaltung, wie sie oben
beschrieben ist, wirkt als die Erfassungseinrichtung der vorliegenden
Erfindung, die den zweiten Fehlerzustand erfasst, bei dem es sich
um ein Stromungleichgewicht handelt, und insbesondere das Vorhandensein
des Transformators ermöglicht
genaue Erfassung von Stromungleichgewicht, wie dies im Folgenden
ausführlicher
erläutert
wird. Vorzugsweise umfassen die Primärspulen 66 und 72 nur
eine einzige Wicklung, während
die Sekundärspule 68 eine
große
Anzahl von Wicklungen und normalerweise mehr als 1000 Wicklungen
hat. Stark permeable Materialien, wie beispielsweise Nickeleisen,
werden eingesetzt, um die Gesamtinduktivität des Systems zu erhöhen.
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Die Treiberschaltung des Biegegliedes
aus aktivem Material mit dem beschriebenen Aufbau arbeitet wie folgt.
Die über
die Sekundärspule 74 des Toroidtransformators 70 erzeugte
Spannung ist die elektromotorische Gegenspannung (back-EMF), die jeder Änderung
der Ströme
entgegenwirkt, die in einer der Primärspulen fließen, und
ist mit der bekannten Gleichung E = -Ldi/dt gegeben. Unter normalen Umständen, d.h.
beim Nichtvorhandensein eines Fehlerzustandes, sind die jeweiligen
Ströme,
die in der spannungsführenden
Spule 66 (II) und der neutralen
Spule 72 (IN) fließen, einander
gleich und entgegengesetzt, so dass sich die mit den jeweiligen Strömen verbundenen
Magnetfelder aufheben, und daher kaum oder kein Strom in der Sekundärspule 68 induziert
wird.
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Wenn ein Teil des eingehenden Stroms
II beginnt, aufgrund eines Fehlerzustandes,
wie beispielsweise eines Kurzschlusses oder einer Person, die Gefahr
läuft,
einen Stromschlag zu erhalten, aus der Last fließt, hören die mit den entsprechenden
Strömen,
die durch die zwei Primärspulen
fließen,
verbundenen Magnetfelder auf, gleich und entgegengesetzt zu sein,
so dass eine Spannung in der Sekundärspule 68 induziert
wird. Zunächst
ist die induzierte Wellenform sinusförmig und hat die gleiche Frequenz und
Phase wie die der Spannungsquelle 64, so dass sie dem Fehlerstrom
entspricht, wenn jedoch der Fehlerstrom ansteigt, erreicht der Toroidtransformator
Sättigung,
und die Ausgangsspannungs-Wellenform E über die Sekundärspule 74 wird
zackenförmig.
Bei herkömmlichen
elektromechanischen Relais stellt dies einen Nachteil dar, da die
abgegebene Leistung abnimmt. Piezoelektrische und elektrostriktive
Materialien jedoch zeichnen sich dadurch aus, dass sie sehr niedrige
Leistung brauchen, jedoch ein starkes elektrisches Feld benötigen, um
zu arbeiten. Die Ausgangsspannung eines Induktors wird, wie oben
erwähnt,
mit der Gleichung E = -L di/dt berechnet, wobei E die Spannung ist,
L die Induktivität
des Systems ist und di/dt die Rate der zeitlichen Änderung
des Stroms ist. Die Sättigung
des Magnetkerns führt
zu einem sehr hohen Verhältnis
di/dt, so dass die Spannung über
die Sekundärspule
ansteigt. Die Treiberschaltung, die in der bevorzugten Ausführung der
vorliegenden Erfindung eingesetzt wird, nutzt dieses Verhalten,
um eine anfänglich
hohe Spannung von dem Toroidtransformator zu erzeugen. Der Magnetkern
des Transformators ist vorzugsweise so ausgelegt, dass er Sättigung
an einem Punktum 50 % des Auslösewertes
erreicht, wobei dies der Pegel von Stromungleichgewicht zwischen
den zwei Primärspulen
ist, der einen Fehlerzustand anzeigt.
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In der Treiberschaltung, die in 5 dargestellt ist, wird
die induzierte Spannungs-Wellenform über die
Sekundärspule
vorzugsweise in einer Brückendiodenschaltung 76 gleichgerichtet
und mit einem Glättungskondensator 78 geglättet. Das
so gleichgerichtete und geglättete
Signal wird dann einer Spannungsvervielfacherschaltung 61 zum
Vervielfachen um einen geeigneten Faktor, wie beispielsweise 2 oder
3, auf einen Betriebspegel V zugeführt. Das Ausgangssignal V wird
dann genutzt, um das Biegeglied aus aktivem Material anzusteuern.
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Als eine alternative Treiberschaltung
können des
Weiteren ein Schwingkreis und ein geeigneter Steuerchip vorhanden
sein, die das Schalten des Stroms über die Sekundärspule von
dem Transformator steuern. Ein derartiger Vorgang ähnelt dem
einer Schaltstromversorgung, bei der das plötzliche Abschalten des Stroms
in einem Induktor genutzt wird, um einen Hochspannungsimpuls zu
erzeugen, wobei der Zeitpunkt der Trennung durch die Spannung über einen
Bezugswiderstand gesteuert wird. Wenn ein derar tiges Schalten unter
Verwendung des Schwingkreises sehr schnell durchgeführt wird,
können
hohe Spannungen erzeugt werden. Indem die Frequenz und das Tastverhältnis des
Schwingkreises gesteuert werden, können die erforderlichen Betriebsspannungen
von dem Toroidtransformator gewonnen werden. Um eine geeignete Spannung
zu erreichen, ist es auch notwendig, den Toroid-Ausgang gleichzurichten
und auch den Ausgang von dem Treiber-Chip auszurichten. Dies wird
in beiden Fällen
mit einem Dioden-Brückengleichrichter
getan.
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4 zeigt
ein Blockschaltbild, das darstellt, wie die Treiberschaltung und
der Auslösemechanismus,
der das Biegeglied aus aktivem Material enthält, zusammengefasst werden
können.
Wie unter Bezugnahme unter 4 zu
sehen ist, ist ein Paar Kontaktschalter 63 in dem stromführenden
Kreis zwischen dem Toroidtransformator 70 und der Last 74 vorhanden,
die so eingerichtet sind, dass sie den stromführenden Kreis unterbrechen
und so verhindern, dass Strom durch die Spulen des Toroidtransformators 70 fließt. Die
Kontakte 63 sind mechanisch mit dem Auslösemechanismus
verbunden, der das Biegeglied aus aktivem Material enthält, das
in dem Schaltbild mit 62 gekennzeichnet ist. Das heißt, die
Kontakte 63 sind vorzugsweise mechanisch mit der Verlängerung 32 des
Gleitelementes 18 des elektrischen Schaltelementes verbunden
und so eingerichtet, dass die elektrischen Kontakte 63 geöffnet werden,
wenn das Gleitelement 18 aus seiner arretierten Position
in dem Profilschlitz 30 gelöst wird, so dass der Vorsprung 32 um
ein erhebliches Maß über das
Ende des Schlitzes 30 hinaus vorsteht. Die Kontakte 63 können direkt
an der Verlängerung 32 des
Gleitelementes 18 angebracht sein, oder eine mechanische Verbindungseinrichtung
oder ein weiterer Mechanismus können
zwischen dem Gleitelement 18 und den elektrischen Kontakten 63 vorhanden
sein.
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Vorzugsweise sind die elektrischen
Kontakte 63 die gleichen Kontakte wie die Kontakte 94,
die durch den Kolbenmechanismus geöffnet werden, wobei in diesem
Fall eine mechanische Verbindung oder ein weiterer Mechanismus zwischen
dem Gleitelement 18 und dem Auslösemechanismus des Kolbens 92 vorhanden
ist, der so eingerichtet ist, dass der Kolben ausgelöst wird,
um die Kontakte 94 zu öffnen, wenn
das Gleitelement aus dem Profilschlitz 30 gelöst wird.
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In Funktion erfasst daher, wenn davon
ausgegangen wird, dass die elektrischen Kontakte 63 (94)
geschlossen sind und Strom durch die Last 74 fließt, der
Toroidtransformator
70 jegliches Stromungleichgewicht zwischen
dem Strom il und in,
die in der stromführenden
bzw. neutralen Leitung fließen,
anhand der Ausgabe der Ausgangs-Treiberspannung E, bei der es sich
um die elektromotorische Gegenspannung über die Sekundärspule handelt,
wobei diese elektromotorische Gegenspannung dann, wenn erforderlich,
gleichgerichtet und dem Spannungsvervielfacher 61 zur Vervielfachung
auf die Betriebsspannung V zugeführt
wird, wobei die Betriebsspannung V je nach Erfordernis über den
Piezo-Bimorph von Biegeglied 16 angelegt wird, um den Piezo-Bimorph 16 zu
betätigen
und aus der Wirkebene der Klinke 40 zu biegen und damit
das Gleitelement 18 aus dem Profilschlitz 40 zu
lösen und
den Kolben 92 auszulösen,
um die Kontakte zu öffnen.
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Die Funktion des Bimetallstreifens
beim Erfassen von Schwach-Fehlerstromzuständen wird im Folgenden ausführlicher
erläutert.
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Das Stellglied 84 des Bimetallstreifens 62 presst,
wie bereits erwähnt,
beim Vorhandensein eines Schwach-Fehlerstromzustandes auf das Biegeglied
aus aktivem Material. Wie nunmehr aus der oben stehenden Beschreibung
des Auslösemechanismus
in 2 verständlich wird,
ist das Stellglied 84 des Streifens 82 vorzugsweise
so eingerichtet, dass es den Piezo-Bimorph 16 des Auslösemechanismus
aus der Wirkebene der Klinke 40 herausbewegt und so das
Gleitelement 18 aus dem Schlitz 30 löst. Das
Lösen des
Gleitelementes 18 aus dem Schlitz bewirkt, wie oben erläutert, vorzugsweise, dass
der Kolben ausgelöst
wird und somit den Stromkreis unterbricht. Der Auslösemechanismus
in 2 kann daher veranlasst
werden, entweder dadurch auszulösen,
dass der Bimetallstreifen einen Schwach-Fehlerstromzustand erfasst
oder das Biegeglied aus aktivem Material und die dazugehörige Treiberschaltung
ein Stromungleichgewicht erfassen. Dies hat den Vorteil, dass ein
und derselbe Auslösemechanismus
wirkungsvoll eingesetzt werden kann, um zwei verschiedene Typen
von strombedingten Fehlerzuständen
zu erfassen und auf sie zu reagieren.
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Die vorliegende Erfindung stellt,
wie aus dem Obenstehenden ersichtlich wird, ein integriertes Stellglied
dar, das verwendet werden kann, um mehrere elektrische Fehlerzustände zu erfassen,
und das wenigstens drei verschiedene Erfassungsmechanismen zu einem
integrierten Mechanismus zusammenfasst.