EP0825630A2 - Schalter, insbesondere Relais - Google Patents

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EP0825630A2
EP0825630A2 EP97112418A EP97112418A EP0825630A2 EP 0825630 A2 EP0825630 A2 EP 0825630A2 EP 97112418 A EP97112418 A EP 97112418A EP 97112418 A EP97112418 A EP 97112418A EP 0825630 A2 EP0825630 A2 EP 0825630A2
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EP
European Patent Office
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contact
switch according
switch
drive part
voltage
Prior art date
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EP97112418A
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English (en)
French (fr)
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EP0825630B1 (de
EP0825630A3 (de
Inventor
Jochen Feiler
Daniel Josef Dr.-Ing. Jendritza
Hartmut Prof.Dr.-Ing. Janocha
Horst Binnig
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Hengstler GmbH
Original Assignee
Hengstler GmbH
Kaco Elektrotechnik GmbH
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Publication date
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Publication of EP0825630A3 publication Critical patent/EP0825630A3/de
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H57/00—Electrostrictive relays; Piezoelectric relays
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H55/00—Magnetostrictive relays
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H3/00—Mechanisms for operating contacts
    • H01H3/001—Means for preventing or breaking contact-welding
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H47/00—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the relay and designed to obtain desired operating characteristics or to provide energising current
    • H01H47/002—Monitoring or fail-safe circuits

Definitions

  • the invention relates to a switch, in particular a Relay, according to the preamble of claim 1.
  • contact springs are used as switching elements provided by a slide with each other are connected. It is turned into a by the contact springs Starting position, in which the slide on the drive part is present, which is an armature of an electromagnet forms. If the relay is energized, the armature deflected, which opens a break contact of the relay and / or a closer is closed. Once the relay drops, the slider is normally replaced by the Spring preload of the contact spring or an additional Spring pushed back into the starting position. The anchor itself is under its own spring preload, so that it swung back into the starting position when the relay drops out becomes.
  • the invention has for its object the generic Train switches so that it consists of only a few Components exists, has only a small construction volume and has a short switching time.
  • this is a switching element firmly connected to the drive part, which is a solid-state energy converter is. Because of the fixed connection of switching element and drive part remains with one possible welding of the switching elements to one another also the drive part in its adjusted position, so that simply and without additional sensors this state of the Switch can be detected and evaluated. Because the drive part trained as a solid-state energy converter very short switching times are achieved. Especially the masses to be moved are very small also has an advantageous effect on the switching times. Due to the fixed connection of the switching element and drive part basically two switching elements are sufficient to monitor the proper operation of the switch to be able to.
  • Fig. 1 shows a switch 1 in the illustrated embodiment is designed as a relay.
  • the desk 1 can also be a quick switch, for example Undervoltage release, a residual current circuit breaker and the like.
  • switch 1 described in the form of a relay.
  • the switch 1 has two contact springs as switching elements 2, 3, in a known manner in a switch housing 4th are stored.
  • the protruding from the switch housing 4 Ends of the contact springs 2, 3 form connections, via which the current is passed on in a known manner.
  • the two contact springs 2, 3 can each be a contact piece 5, 6 wear.
  • the longer contact spring 2 is firmly connected to an energy converter 7. He is through a ferroelectric piezoceramic, a film that is used for Example made of lead zirconate titanate or polyvinylidene fluoride exists, or through magnetostrictive rare earth metals, such as Terfenol-D.
  • the contact spring 2 is bent so elastically that their contact piece 5 in contact with the contact piece 6 the contact spring 3 arrives.
  • the schematic representation 1 is the result of the deflection of the Energy converter 7 generated force F and the corresponding Adjustment path s symbolized by an arrow.
  • the desk 1 is to an evaluation electronics 8 and to a control electronics 9 connected.
  • the evaluation electronics 8 detects the electrical terminal behavior of the energy converter 7 and gives a corresponding signal to a monitoring unit 10.
  • the contact points 5, 6 are not welded together, receives the monitoring unit a corresponding signal. She then enters in turn corresponding signal to the control electronics 9, the can control switch 1 again.
  • the Evaluation electronics 8 recognized that a corresponding Delivers blocking signal to the monitoring unit 10. she gives a corresponding signal to the control electronics 9, so that this no longer controls switch 1.
  • the energy converter 7 is formed by a piezo element.
  • the monitoring unit 10 supplies a control signal to a switch 11 of the control electronics 9. It is identified by a dashed line.
  • the switch 11 is followed by a step-up converter 12, which is identified by a dash-dotted line. It transforms a low voltage, for example 24 V, into a high voltage, for example 400 V, required for operating the piezo element 7.
  • the step-up converter 12 has, for example, a resistor 13, an inductor 14 and a diode 15. These components are in series with one another and with Switch 11.
  • the voltage applied to the piezo element 7 is monitored by an output voltage monitor 16.
  • the switch T 1 is parallel to the piezo element 7 (in series with the diode 15) and, like the output voltage monitor 16, is part of the step-up converter 12.
  • the switch 11 of the control electronics 9 is opened by the monitoring unit 10 via a corresponding signal, there is no input voltage. This is determined by an input voltage monitor 17 of the step-up converter 12, to which a switch T 2 is connected. It is parallel to the piezo element 7 and in series with a resistor 18 of the step-up converter 12. If there is no input voltage, the switch T 2 is closed by the input voltage monitor 17. As a result, the charge of the piezo element 7 can flow off rapidly via the resistor 18 and the closed switch T 2 . If the piezo element 7 is discharged, the switch T 2 is opened again by the input voltage monitor 17.
  • the output voltage monitor 16 and the input voltage monitor 17 are advantageous in an IC chip summarized.
  • the evaluation electronics 8 has an oscillator 19 which generates an alternating voltage. It is replaced by a Current / voltage measuring unit 20 is detected, via which Capacitor 21, the piezo element 7 is connected. The Piezo element 7 and capacitor 21 form a load of the oscillator 19.
  • the piezo element 7 When the piezo element 7 is excited, it changes Impedance and thus also the voltage or the current. This is detected by the measuring unit 20, the corresponding one Provides signals to an evaluation / decision unit 22. It compares the transmitted values with one predetermined setpoint. It corresponds to a state at which the contact points 5, 6 (Fig. 1) of the switch 1 are not welded together.
  • the two measuring units 20 and 22 are advantageous in an IC chip the evaluation electronics 8 summarized.
  • the piezo element 7 If the piezo element 7 is excited, then it expands and deflects the contact spring 2 (Fig. 1) until their contact point 5 the contact point 6 of the contact spring 3 touched. If switch 1 is operating correctly returns the contact spring 2 when the piezo element 7 is not is actuated, in its starting position shown in Fig. 1 back, in which the two contact points 5, 6 Distance from each other. If contact points 5, 6 stick to each other due to welding remains also the piezo element 7 deflected, since it is fixed to the Contact spring 2 is connected. This has the consequence that the measuring unit 20 has a current and Measures voltage value.
  • the measuring unit 20 then delivers appropriate signals to the evaluation / decision unit 22, which these transmitted signals with a Compare setpoint and if the two measured values deviate a corresponding control signal to the monitoring unit 10 issues. It then provides in connection with the Control electronics 9 that the switch 1 is not again is actuated, as explained with reference to FIG. 1 has been.
  • the described relay 1 is corresponding fewer contact springs required.
  • the relay has only one single make contact with the two contact springs 2, 3.
  • positively driven contacts is in the simplest training in addition to such a closer, there is also an opener required.
  • the switch can also be used, for example as a fault current and fault voltage switch, as a circuit breaker or designed as a motor protection switch be.
  • the electrical terminal behavior such as transducer resonance or damping, the condition is monitored when there is a load of the energy converter 7 possible. In particular, too an evaluation was carried out in the static operating case will.
  • the device described can for this Basically excellent as a relay drive in safety-relevant Facilities are used.
  • the energy converter 7 is formed by a piezoelectric bending converter, which can be a two, three or multi-layer converter. In the exemplary embodiment shown, it has two layers which are electrically separated from one another and are firmly connected to one another. If the switch 11 is activated, the one layer of the bending transducer 7 contracts, the second piezo layer also being bent accordingly as a result of the fixed connection. This results in a charge separation in the second piezo layer, ie a voltage pulse occurs which is detected and evaluated by the evaluation electronics 8. It has two comparators 23, 24, to which the bending transducer 7 is connected.
  • comparators 23, 24 a reference voltage U ref1 or U ref2 supplied to them is compared with the voltage pulses occurring on the second piezo layer of the bending transducer 7.
  • the two comparators 23, 24 deliver a corresponding output signal U out1 and U out2 , which is fed to the monitoring unit 10.
  • U out1 and U out2 As has been described in detail with reference to FIGS. 1 and 2, it gives corresponding signals to the control electronics 9, which are of the same design as in the previous exemplary embodiment.
  • a two, three or multi-layer converter can also be used in the manner previously described in FIG. 2 and Used and evaluated.
  • the exemplary embodiment according to FIG. 4 differs from the previous embodiment only in that a monitoring unit 10, which is connected to the control electronics 9, is not provided.
  • the voltage output signals U out1 and U out2 of the comparators 23, 24 of the evaluation electronics 8 are supplied, for example, to a display which lights up when the contact pieces 5, 6 are welded and thus visually indicates an error at the switch 1.
  • an acoustic signal can also be generated, for example.
  • the embodiment according to FIG. 4 works the same as the embodiment according to FIG. 3.
  • Fig. 5 shows in longitudinal section a designed as a relay Switch 1.
  • This switch 1 has the piezoelectric Bending transducer 7 with two piezo layers 7a and 7b, which are electrically separated from one another.
  • the bending transducer 7 is in a bottom 25 of the switch housing 4 attached.
  • the bending transducer 7 is fixed at the upper end connected to a slider 26, which in turn is fixed is connected to the contact spring 2.
  • the slider 26 can, for example, on the upper end of the bending transducer 7 put on and held in a clamped manner. Likewise it is possible to unscrew the slider 26 with the bending transducer 7 to connect it, for example on the bending transducer to stick.
  • the two form Contact springs 2 and 3 an NC contact, i.e. the contact pieces 5 and 6 of the contact springs 2, 3 lie against each other.
  • Relay 1 points to the other, below the drawing level a corresponding closer whose two contact springs carry contact pieces, which are spaced apart when the relay is not energized.
  • One of the contact springs of this closer is also firmly with the slide 26 and thus firmly with the bending transducer 7 connected.
  • the bending transducer 7 in 5 bent to the right.
  • the slider 26 rigidly connected to it accordingly also shifted to the right and takes the Contact spring 2 with.
  • the corresponding contact spring of the (not shown) normally open relay 1 taken away.
  • the contact piece 5 of the contact spring 2 lifts thereby from the contact piece 6 of the contact spring 3, so that the normally closed contact of the relay is opened.
  • Be accordingly on the other side of the relay the contact pieces of the Contact springs of the closer brought into contact with each other.
  • FIG. 5 Piezo layer 7b located on the right.
  • the in Fig. 5 piezo layer 7a on the left is connected to the evaluation electronics 8 (Fig. 1 to 4) connected, which the Impedance change or occurring voltage pulses Piezo layer 7a evaluates in the manner described. If relay 1 is no longer actuated or the bending transducer 7 no longer controlled, he returns to the in Fig. 5 shown starting position back. About the slider 26 he takes the contact spring 2 with her until you Contact piece 5 on the contact piece 6 of the contact spring 3 for Facility is coming. On the opposite side of the relay become the two contact pieces of the contact springs disengaged from each other again.
  • the contact spring 2 of the opener is advantageous in the direction its contact opening (Fig. 5) elastically biased. This supports the bending of the bending transducer 7 in the actuation position, not shown in FIG. 5. In particular when closing the contact 5, 6 of the (not shown) closer the required Contact pressure only insignificant from the force of the Bending converter 7, but mainly from the bias the contact spring 2 determines so that the required Contact pressure is reached properly. The preload the contact spring 2 is selected so that even longer service life of the relay and accordingly Wear of the contact pieces 5, 6 is still sufficient Contact pressure is ensured.
  • the contact spring 2 of the (not shown) Closer are biased in the direction of actuation.
  • multi-contact relays it is possible to use a Combination of the preloads of the contact springs always to achieve a state of power that prevents the movement of the supports piezoelectric transducer and the required Contact forces generated.
  • the piezo layer 7b which is advantageously designed in the form of a strip forms an actuator piezo layer, while the opposite piezo layer 7a is a sensory one Piezo layer forms.
  • the bending transducer 7 and the Contact springs 2, 3 can be easily installed in the relay housing 4 mount.
  • the slider 26 can also simply on Bending converter 7 and on the corresponding contact springs of the NC and NO contacts of the relay.
  • One contact spring 3 each of the break contact and the make contact of relay 1 is not connected to slide 26. It consists of electrically non-conductive material, preferably made of plastic. For easy attachment to reach on the contact springs, the slide 26th with corresponding plug openings for the contact springs Mistake.
  • FIGS. 6 and 7 show a further embodiment of a switch designed as a relay 1.
  • FIGS. 6 and 7 the two sides of the relay are shown, which have the contact springs 2, 3.
  • the contact springs 6 form a closer, while the contact springs 2, 3 form a break contact according to FIG. 7.
  • the contact pieces 5, 6 of the contact springs forming the closer 2, 3 (Fig. 6) have in the starting position Distance from each other.
  • the contact pieces 5, 6 of the opener Forming contact springs 2, 3 are in the starting position to each other.
  • the two contact sets are through a wall 27 of the relay housing 4 or its contact base separated from each other.
  • the lower ends of the contact springs 2, 3 are in the bottom 25 of the contact base in attached in a known manner.
  • the contact springs protrude upwards 2, 3 over the wall 27.
  • the piezoelectric transducer 7 is located in the relay housing 4 attached.
  • the top of the Bending converter 7 projects over wall 27.
  • the slider 26, the plate-shaped in the illustrated embodiment is fixed to the upper end of the Bending transducer 7 connected.
  • the slide 26 the contact spring 2 of the closer (Fig. 6) and the Contact spring 3 of the opener (Fig. 7) attached.
  • the two other contact springs of the make contact and the break contact are without connection to the slider 26, the low Distance above the wall 27 is arranged. Since the Slider 26 fixed to the piezoelectric bending transducer 7 is connected, the one connected to the slide Contact spring be elastically biased.
  • the slide 26 moves in Fig. 6 right or left in Fig. 7. That’s where they come from Contact pieces 5, 6 of the closer (Fig. 6) with each other in contact while the contacts 5, 6 of the opener (Fig. 7) from each other. Because the contact springs 2 of the closer and the opener advantageously elastic are biased, the closer 26 with support the bias moves and the corresponding Contact 5, 6 closed or opened. Especially when closing the contact 5, 6 (Fig. 6) the required Contact pressure only insignificant from the force of the bending transducer 7, but essentially from the Preload of the contact spring 2 determined.
  • a resistance measuring section 28 apply (Fig. 10) and it as a sensor use.
  • the sensory layer 29 bends Likewise.
  • stretching the meandering for example extending resistance measuring section 28, Similar to strain gauges, this bend can be detected.

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  • Keying Circuit Devices (AREA)
  • Push-Button Switches (AREA)
  • Transmitters (AREA)
  • Relay Circuits (AREA)
  • Control Of Electric Motors In General (AREA)

Abstract

Der Schalter (1) hat zwei Schaltelemente (2, 3), von denen eines zum Schließen und Öffnen des Schalters (1) relativ zum anderen Schaltelement (2, 3) mittels eines Antriebsteiles (7) bewegbar ist. Um den Schalter (1) so auszubilden, daß er aus nur wenigen Bauteilen besteht, nur ein geringes Bauvolumen hat und eine geringe Schaltzeit aufweist, ist das eine Schaltelement (2, 3) fest mit dem Antriebsteil (7) verbunden. Dieses ist ein Festkörper-Energiewandler. Aufgrund der festen Verbindung von Schaltelement (2, 3) und Antriebsteil (7) bleibt bei einem eventuellen Verschweißen der Schaltelemente (2, 3) miteinander auch das Antriebsteil (7) in seiner verstellten Lage, so daß einfach und ohne zusätzliche Sensoren dieser Zustand des Schalters (1) erfaßt und ausgewertet werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schalter, insbesondere ein Relais, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Bei bekannten Relais sind als Schaltelemente Kontaktfedern vorgesehen, die durch einen Schieber miteinander verbunden sind. Er wird durch die Kontaktfedern in eine Ausgangslage gebracht, in welcher der Schieber am Antriebsteil anliegt, der einen Anker eines Elektromagneten bildet. Wird das Relais bestromt, wird der Anker ausgelenkt, wodurch ein Öffner des Relais geöffnet und/oder ein Schließer geschlossen wird. Sobald das Relais abfällt, wird im Normalfall der Schieber durch die Federvorspannung der Kontaktfeder oder eine zusätzliche Feder in die Ausgangslage zurückgeschoben. Der Anker selbst steht unter eigener Federvorspannung, so daß er beim Abfallen des Relais in die Ausgangslage zurückgeschwenkt wird. Kommt es zu einem Verschweißen der auf den Kontaktfedern befindlichen Kontaktstücke, bleibt der Schieber in der verschobenen Lage stehen, während der Anker durch die Federvorspannung in die Ausgangslage zurückgeführt wird. Ein solches Relais ist konstruktiv aufwendig ausgebildet, da mehrere Kontaktfedern und gegebenenfalls zusätzlich eine Rückstellfeder vorgesehen sind, die außerdem zu einem großen Bauvolumen des Relais sowie zu erheblichen zu bewegenden Massen und damit zu erhöhten Schaltzeiten führen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den gattungsgemäßen Schalter so auszubilden, daß er aus nur wenigen Bauteilen besteht, nur ein geringes Bauvolumen hat und eine geringe Schaltzeit aufweist.
Diese Aufgabe wird beim gattungsgemäßen Schalter erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Beim erfindungsgemäßen Schalter ist das eine Schaltelement mit dem Antriebsteil fest verbunden, das ein Festkörper-Energiewandler ist. Aufgrund der festen Verbindung von Schaltelement und Antriebsteil bleibt bei einem eventuellen Verschweißen der Schaltelemente miteinander auch das Antriebsteil in seiner verstellten Lage, so daß einfach und ohne zusätzliche Sensoren dieser Zustand des Schalters erfaßt und ausgewertet werden kann. Da das Antriebsteil als Festkörper-Energiewandler ausgebildet ist, werden sehr kurze Schaltzeiten erreicht. Insbesondere sind die zu bewegenden Massen sehr gering, was sich ebenfalls vorteilhaft auf die Schaltzeiten auswirkt. Aufgrund der festen Verbindung von Schaltelement und Antriebsteil reichen grundsätzlich zwei Schaltelemente aus, um den ordnungsgemäßen Betrieb des Schalters überwachen zu können.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
Die Erfindung wird anhand einiger in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1
in schematischer Darstellung einen Antrieb für einen erfindungsgemäßen Schalter,
Fig. 2
ein erstes Ausführungsbeispiel des Antriebes,
Fig. 3
in einer Darstellung entsprechend Fig. 2 eine zweite Ausführungsform eines Antriebes,
Fig. 4
eine dritte Ausführungsform eines Antriebes,
Fig. 5
einen als Relais ausgebildeten erfindungsgemäßen Schalter,
Fig. 6 und Fig. 7
die beiden Seiten einer weiteren Ausführungsform eines als Relais ausgebildeten erfindungsgemäßen Schalters,
Fig. 8
einen Schnitt längs der Linie VIII-VIII in Fig. 6,
Fig. 9
einen Schnitt längs der Linie IX-IX in Fig. 6,
Fig. 10
in Ansicht eine auf eine piezoelektrische Keramikschicht aufbringbare Widerstandsmeßstrecke.
Fig. 1 zeigt einen Schalter 1, der im dargestellten Ausführungsbeispiel als Relais ausgebildet ist. Der Schalter 1 kann beispielsweise auch ein Schnellschalter, ein Unterspannungsauslöser, ein Fehlerstromschutzschalter und dergleichen sein. Im folgenden wird der Schalter 1 in Form eines Relais beschrieben.
Der Schalter 1 hat als Schaltelemente zwei Kontaktfedern 2, 3, die in bekannter Weise in einem Schaltergehäuse 4 gelagert sind. Die aus dem Schaltergehäuse 4 ragenden Enden der Kontaktfedern 2, 3 bilden Anschlüsse, über welche der Strom in bekannter Weise weitergeleitet wird. Die beiden Kontaktfedern 2, 3 können jeweils ein Kontaktstück 5, 6 tragen. Die längere Kontaktfeder 2 ist fest mit einem Energiewandler 7 verbunden. Er wird durch eine ferroelektrische Piezokeramik, eine Folie, die zum Beispiel aus Blei-Zirkonat-Titanat oder Polyvinylidenfluorid besteht, oder durch magnetostriktive Seltenerdmetalle, wie zum Beispiel Terfenol-D, gebildet. Wird der Energiewandler 7 in noch zu beschreibender Weise ausgelenkt, wird die Kontaktfeder 2 so elastisch gebogen, daß ihr Kontaktstück 5 in Berührung mit dem Kontaktstück 6 der Kontaktfeder 3 gelangt. In der schematischen Darstellung gemäß Fig. 1 ist die infolge der Auslenkung des Energiewandlers 7 erzeugte Kraft F sowie der entsprechende Verstellweg s durch einen Pfeil symbolisch dargestellt.
Sollten die Kontaktstücke 5, 6 miteinander verschweißen, dann bleibt der Energiewandler 7 infolge seiner starren Verbindung mit der Kontaktfeder 2 in der ausgelenkten Lage. Dadurch ändert sich das elektrische Klemmenverhalten, insbesondere die elektrische Impedanz. Der Schalter 1 ist an eine Auswerteelektronik 8 und an eine Ansteuerelektronik 9 angeschlossen. Die Auswerteelektronik 8 erfaßt das elektrische Klemmenverhalten des Energiewandlers 7 und gibt ein entsprechendes Signal an eine Überwachungseinheit 10. Sind die Kontaktpunkte 5, 6 nicht miteinander verschweißt, erhält die Überwachungseinheit ein entsprechendes Signal. Sie gibt dann ihrerseits ein entsprechendes Signal an die Ansteuerelektronik 9, die den Schalter 1 wieder ansteuern kann. Sind die Kontaktpunkte 5, 6 miteinander verschweißt, wird dies durch die Auswerteelektronik 8 erkannt, die ein entsprechendes Sperrsignal an die Überwachungseinheit 10 liefert. Sie gibt ein entsprechendes Signal an die Ansteuerelektronik 9, damit diese den Schalter 1 nicht mehr ansteuert.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 wird der Energiewandler 7 durch ein Piezoelement gebildet. Die Überwachungseinheit 10 liefert ein Ansteuersignal an einen Schalter 11 der Ansteuerelektronik 9. Sie ist durch eine gestrichelte Linie gekennzeichnet. Dem Schalter 11 ist ein Hochsetzsteller 12 nachgeschaltet, der durch eine strichpunktierte Linie gekennzeichnet ist. Er transformiert eine niedrige Spannung, beispielsweise 24 V, in eine zum Betrieb des Piezoelementes 7 notwendige hohe Spannung, beispielsweise 400 V. Der Hochsetzsteller 12 hat beispielsweise einen Widerstand 13, eine Induktivität 14 und eine Diode 15. Diese Bauteile liegen in Serie zueinander und zum Schalter 11. Die am Piezoelement 7 anliegende Spannung wird durch eine Ausgangsspannungsüberwachung 16 überwacht. Ist die Spannung zum Betrieb des Piezoelementes 7 zu niedrig, wird durch die Ausgangsspannungsüberwachung 16 ein Schalter T1 mit hohen Frequenzen, beispielsweise zwischen 20 und 40 kHz, so lange ständig geöffnet und geschlossen, bis die am Piezoelement 7 anliegende Spannung den erforderlichen Wert erreicht. Dann wird der Schalter T1 wieder geöffnet. Fällt die Spannung am Piezoelement 7 unter einen vorgegebenen Schwellwert, wird dies von der Ausgangsspannungsüberwachung 16 wiederum festgestellt und der Schalter T1 in der beschriebenen Weise betätigt. Der Schalter T1 liegt parallel zum Piezoelement 7 (in Reihe zur Diode 15) und ist ebenso wie die Ausgangsspannungsüberwachung 16 Bestandteil des Hochsetzstellers 12.
Wird der Schalter 11 der Ansteuerelektronik 9 von der Überwachungseinheit 10 über ein entsprechendes Signal geöffnet, liegt keine Eingangsspannung an. Dies wird von einer Eingangsspannungsüberwachung 17 des Hochsetzstellers 12 festgestellt, an welche ein Schalter T2 angeschlossen ist. Er liegt parallel zum Piezoelement 7 und in Serie zu einem Widerstand 18 des Hochsetzstellers 12. Liegt keine Eingangsspannung an, wird der Schalter T2 von der Eingangsspannungsüberwachung 17 geschlossen. Dadurch kann die Ladung des Piezoelementes 7 über den Widerstand 18 und den geschlossenen Schalter T2 rasch abfließen. Ist das Piezoelement 7 entladen, wird der Schalter T2 von der Eingangsspannungsüberwachung 17 wieder geöffnet.
Die Ausgangsspannungsüberwachung 16 und die Eingangsspannungsüberwachung 17 sind vorteilhaft in einem IC-Baustein zusammengefaßt.
Die Auswerteelektronik 8 hat einen Oszillator 19, der eine Wechselspannung erzeugt. Sie wird durch eine Strom/Spannungsmeßeinheit 20 erfaßt, an die über einen Kondensator 21 das Piezoelement 7 angeschlossen ist. Das Piezoelement 7 und der Kondensator 21 bilden eine Last des Oszillators 19.
Wenn das Piezoelement 7 erregt wird, ändert sich dessen Impedanz und damit auch die Spannung bzw. der Strom. Dies wird von der Meßeinheit 20 erfaßt, die entsprechende Signale an eine Auswerte/Entscheidungseinheit 22 liefert. Sie vergleicht die übermittelten Werte mit einem vorgegebenen Sollwert. Er entspricht einem Zustand, bei dem die Kontaktpunkte 5, 6 (Fig. 1) des Schalters 1 nicht miteinander verschweißt sind. Die beiden Meßeinheiten 20 und 22 sind vorteilhaft in einem IC-Baustein der Auswerteelektronik 8 zusammengefaßt.
Ist das Piezoelement 7 erregt, dann dehnt es sich aus und lenkt die Kontaktfeder 2 (Fig. 1) so weit aus, bis ihr Kontaktpunkt 5 den Kontaktpunkt 6 der Kontaktfeder 3 berührt. Bei ordnungsgemäßem Betrieb des Schalters 1 kehrt die Kontaktfeder 2, wenn das Piezoelement 7 nicht mehr betätigt ist, in seine in Fig. 1 dargestellte Ausgangslage zurück, in der die beiden Kontaktpunkt 5, 6 Abstand voneinander haben. Sollten die Kontaktpunkte 5, 6 infolge Verschweißung aneinander hängenbleiben, bleibt auch das Piezoelement 7 ausgelenkt, da es fest mit der Kontaktfeder 2 verbunden ist. Dies hat zur Folge, daß die Meßeinheit 20 einen vom Sollwert abweichenden Strom- und Spannungswert mißt. Die Meßeinheit 20 liefert dann entsprechende Signale an die Auswerte/Entscheidungseinheit 22, welche diese übermittelten Signale mit einem Sollwert vergleicht und bei Abweichen der beiden Meßwerte ein entsprechendes Steuersignal an die Überwachungseinheit 10 abgibt. Sie sorgt dann in Verbindung mit der Ansteuerelektronik 9 dafür, daß der Schalter 1 nicht erneut betätigt wird, wie dies anhand von Fig. 1 erläutert worden ist.
Neben dem beschriebenen Kontaktverschweißen können infolge der Verknüpfung der Ein- und Ausgangsgrößen in der Überwachungseinheit 10 alle zulässigen und unzulässigen Zustände, beispielsweise Bruch des Piezoelementes 7 oder Bruch eines Schiebers 26 (Fig. 5), verglichen und bewertet werden.
Da die Kontaktfeder 2 des Schalters 1 unmittelbar und starr mit dem Energiewandler 7 verbunden ist, wird unmittelbar die Auslenkung des Energiewandlers 7, beispielsweise des Piezoelementes beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2, durch die beschriebene Elektronik erfaßt und ausgewertet. Mit der beschriebenen Ausbildung wird eine elektronische Fehlererkennung erreicht, ohne daß zusätzliche Sensoren erforderlich sind. Wird als Energiewandler ein Piezoelement eingesetzt, kann durch Nutzung des generatorischen Effektes und der im Piezoelement gespeicherten Ladung in der jeweiligen Kontraktionsphase des Piezoelementes 7 Energie zurückgewonnen und dem Gesamtsystem wieder zur Verfügung gestellt werden. Dadurch läßt sich der elektromechanische Wirkungsgrad des Gesamtsystems erhöhen. Der als Relais ausgebildete Schalter 1 hat aufgrund der beschriebenen konstruktiven Ausbildung nur ein geringes Bauvolumen und nur geringe zu bewegende Massen. Dementsprechend weist ein solches Relais wesentlich kürzere Schaltzeiten auf als herkömmliche Relais, die mit Schieber und indirekter Kopplung zum Anker des Relais arbeiten. Insbesondere wird beim beschriebenen Relais 1 ein Öffner eingespart, der bei herkömmlichen Relais zwingend erforderlich ist, um den ordnungsgemäßen Betrieb des Relais überwachen zu können. Beim beschriebenen Relais 1 sind entsprechend weniger Kontaktfedern erforderlich. Im einfachsten Fall, der in Fig. 1 dargestellt ist, hat das Relais nur einen einzigen Schließer mit den beiden Kontaktfedern 2, 3. Bei herkömmlichen Relais für Sicherheitsanwendungen mit zwangsgeführten Kontakten ist in der einfachsten Ausbildung neben einem solchen Schließer auch noch ein Öffner erforderlich.
Außer als Relais kann der Schalter beispielsweise auch als Fehlerstrom- und Fehlerspannungsschalter, als Leistungsschalter oder als Motorschutzschalter ausgebildet sein. Durch Veränderung des elektrischen Klemmenverhaltens, wie zum Beispiel der Wandlerresonanz oder Dämpfung, bei Belastung ist eine Überwachung des Zustandes des Energiewandlers 7 möglich. Insbesondere kann auch eine Auswertung im statischen Betriebsfall durchgeführt werden. Die beschriebene Einrichtung kann aus diesem Grunde hervorragend als Relaisantrieb in sicherheitsrelevanten Einrichtungen eingesetzt werden.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 wird der Energiewandler 7 durch einen piezoelektrischen Biegewandler gebildet, der ein Zwei-, Drei- oder Vielschichtwandler sein kann. Er hat im dargestellten Ausführungsbeispiel zwei elektrisch voneinander getrennte Schichten, die fest miteinander verbunden sind. Wird der Schalter 11 angesteuert, zieht sich die eine Schicht des Biegewandlers 7 zusammen, wobei infolge der festen Verbindung auch die zweite Piezoschicht entsprechend gebogen wird. Dadurch erfolgt in der zweiten Piezoschicht eine Ladungstrennung, d.h. es tritt ein Spannungsimpuls auf, der von der Auswerteelektronik 8 erfaßt und ausgewertet wird. Sie hat zwei Vergleicher 23, 24, an welche der Biegewandler 7 jeweils angeschlossen ist. In den Vergleichern 23, 24 wird eine ihnen zugeführte Referenzspannung Uref1 bzw. Uref2 mit den an der zweiten Piezoschicht des Biegewandlers 7 auftretenden Spannungsimpulsen verglichen. Die beiden Vergleicher 23, 24 liefern ein entsprechendes Ausgangssignal Uout1 und Uout2, das der Überwachungseinheit 10 zugeführt wird. Sie gibt, wie dies anhand der Fig. 1 und 2 im einzelnen beschrieben worden ist, entsprechende Signale an die Ansteuerelektronik 9, die gleich ausgebildet ist wie beim vorigen Ausführungsbeispiel.
Prinzipiell kann auch ein Zwei-, Drei- oder Vielschichtwandler auf die zuvor nach Fig. 2 beschriebene Art und Weise eingesetzt und ausgewertet werden.
Sind die Kontaktstücke 5, 6 (Fig. 1) des Schalters 1 miteinander verschweißt, wird dies anhand des Vergleiches der Referenzspannung mit den vom Biegewandler 7 gelieferten Spannungswerten in den Vergleichern 23, 24 festgestellt, die entsprechende Ausgangssignale an die Überwachungseinheit 10 liefern, die in der anhand der Fig. 1 und 2 beschriebenen Weise entsprechende Signale an die Ansteuerelektronik 9 sendet. Auch auf diese Weise ist eine zuverlässige Fehlererkennung gewährleistet, wobei die Ansteuerelektronik 9 dafür sorgt, daß bei verschweißten Kontaktstücken 5, 6 der Schalter 1 mit dem Biegewandler 7 nicht mehr angesteuert wird.
Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 unterscheidet sich von der vorigen Ausführungsform lediglich dadurch, daß eine Überwachungseinheit 10, die an die Ansteuerelektronik 9 angeschlossen ist, nicht vorgesehen ist. Die Spannungsausgangssignale Uout1 und Uout2 der Vergleicher 23, 24 der Auswerteelektronik 8 werden in diesem Falle beispielsweise einer Anzeige zugeführt, die bei verschweißten Kontaktstücken 5, 6 aufleuchtet und somit optisch einen Fehler am Schalter 1 anzeigt. Zusätzlich oder anstelle der optischen Anzeige kann beispielsweise auch ein akustisches Signal erzeugt werden. Im übrigen arbeitet die Ausführungsform nach Fig. 4 gleich wie das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3.
Fig. 5 zeigt im Längsschnitt einen als Relais ausgebildeten Schalter 1. Dieser Schalter 1 hat den piezoelektrischen Biegewandler 7 mit zwei Piezoschichten 7a und 7b, die elektrisch voneinander getrennt sind. Der Biegewandler 7 ist in einem Boden 25 des Schaltergehäuses 4 befestigt. Am oberen Ende ist der Biegewandler 7 fest mit einem Schieber 26 verbunden, der seinerseits fest mit der Kontaktfeder 2 verbunden ist. Der Schieber 26 kann beispielsweise auf das obere Ende des Biegewandlers 7 aufgesteckt und klemmend gehalten werden. Ebenso ist es möglich, den Schieber 26 unlösbar mit dem Biegewandler 7 zu verbinden, ihn beispielsweise am Biegewandler anzukleben.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel bilden die beiden Kontaktfedern 2 und 3 einen Öffner, d.h. die Kontaktstücke 5 und 6 der Kontaktfedern 2, 3 liegen aneinander. Das Relais 1 weist auf der anderen, unterhalb der Zeichenebene liegenden Seite einen entsprechenden Schließer auf, dessen beide Kontaktfedern Kontaktstücke tragen, die bei nicht erregtem Relais Abstand voneinander haben. Eine der Kontaktfedern dieses Schließers ist ebenfalls fest mit dem Schieber 26 und damit fest mit dem Biegewandler 7 verbunden.
Wird das Relais 1 betätigt, wird der Biegewandler 7 in der Darstellung gemäß Fig. 5 nach rechts gebogen. Der starr mit ihm verbundene Schieber 26 wird dementsprechend ebenfalls nach rechts verschoben und nimmt die Kontaktfeder 2 mit. Auch die entsprechende Kontaktfeder des (nicht dargestellten) Schließers des Relais 1 wird mitgenommen. Das Kontaktstück 5 der Kontaktfeder 2 hebt dadurch vom Kontaktstück 6 der Kontaktfeder 3 ab, so daß der Öffner des Relais geöffnet wird. Entsprechend werden auf der anderen Seite des Relais die Kontaktstücke der Kontaktfedern des Schließers aneinander zur Anlage gebracht.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird die in Fig. 5 rechts liegende Piezoschicht 7b angesteuert. Die in Fig. 5 links liegende Piezoschicht 7a ist an die Auswerteelektronik 8 (Fig. 1 bis 4) angeschlossen, welche die Impedanzänderung oder auftretende Spannungsimpulse dieser Piezoschicht 7a in der beschriebenen Weise auswertet. Wird das Relais 1 nicht mehr betätigt bzw. der Biegewandler 7 nicht mehr angesteuert, kehrt er in die in Fig. 5 dargestellte Ausgangslage zurück. Über den Schieber 26 nimmt er hierbei die Kontaktfeder 2 mit, bis ihr Kontaktstück 5 am Kontaktstück 6 der Kontaktfeder 3 zur Anlage kommt. Auf der gegenüberliegenden Seite des Relais werden die beiden Kontaktstücke der Kontaktfedern wieder außer Eingriff voneinander gebracht.
Vorteilhaft ist die Kontaktfeder 2 des Öffners in Richtung ihres Kontaktöffnens (Fig. 5) elastisch vorgespannt. Dadurch unterstützt sie das Biegen des Biegewandlers 7 in die in Fig. 5 nicht dargestellte Betätigungslage. Insbesondere wird beim Schließen des Kontaktes 5, 6 des (nicht dargestellten) Schließers der erforderliche Kontaktdruck nur unwesentlich von der Kraft des Biegewandlers 7, sondern hauptsächlich von der Vorspannung der Kontaktfeder 2 bestimmt, so daß der erforderliche Kontaktdruck einwandfrei erreicht wird. Die Vorspannung der Kontaktfeder 2 ist so gewählt, daß auch bei längerer Einsatzdauer des Relais und dementsprechender Abnutzung der Kontaktstücke 5, 6 noch ein ausreichender Kontaktdruck sichergestellt ist.
In zum beschriebenen Ausführungsbeispiel äquivalenter Weise kann die Kontaktfeder 2 des (nicht dargestellten) Schließers in Betätigungsrichtung vorgespannt werden. Bei mehrkontaktigen Relais ist es möglich, durch eine Kombination der Vorspannungen der Kontaktfedern stets einen Kräftezustand zu erreichen, der die Bewegung des piezoelektrischen Wandlers unterstützt und die erforderlichen Kontaktkräfte erzeugt.
Die Piezoschicht 7b, die vorteilhaft streifenförmig ausgebildet ist, bildet eine aktorische Piezoschicht, während die gegenüberliegende Piezoschicht 7a eine sensorische Piezoschicht bildet. Der Biegewandler 7 und die Kontaktfedern 2, 3 lassen sich einfach im Relaisgehäuse 4 montieren. Der Schieber 26 kann ebenfalls einfach am Biegewandler 7 und an den entsprechenden Kontaktfedern des Öffners und Schließers des Relais befestigt werden. Jeweils eine Kontaktfeder 3 des Öffners bzw. des Schließers des Relais 1 ist ohne Verbindung zum Schieber 26. Er besteht aus elektrisch nicht leitendem Material, vorzugsweise aus Kunststoff. Um eine einfache Befestigung auf den Kontaktfedern zu erreichen, ist der Schieber 26 mit entsprechenden Stecköffnungen für die Kontaktfedern versehen.
Die Fig. 6 bis 9 zeigen eine weitere Ausführungsform eines als Relais ausgebildeten Schalters 1. In den Fig. 6 und 7 sind die beiden Seiten des Relais dargestellt, welche die Kontaktfedern 2, 3 aufweisen. Die Kontaktfedern 2, 3 gemäß Fig. 6 bilden einen Schließer, während die Kontaktfedern 2, 3 gemäß Fig. 7 einen Öffner bilden. Die Kontaktstücke 5, 6 der den Schließer bildenden Kontaktfedern 2, 3 (Fig. 6) haben in der Ausgangsstellung Abstand voneinander. Die Kontaktstücke 5, 6 der den Öffner bildenden Kontaktfedern 2, 3 liegen in der Ausgangsstellung aneinander. Die beiden Kontaktsätze sind durch eine Wand 27 des Relaisgehäuses 4 bzw. dessen Kontaktsockel voneinander getrennt. Die unteren Enden der Kontaktfedern 2, 3 sind im Boden 25 des Kontaktsockels in bekannter Weise befestigt. Nach oben ragen die Kontaktfedern 2, 3 über die Wand 27.
Im Relaisgehäuse 4 ist der piezoelektrische Wandler 7 befestigt. Der im Beispiel dargestellte streifenförmige Biegewandler 7, der wiederum als Ein-, Zwei-, Drei- oder Vielschichtwandler ausgebildet sein kann, ist mit seinem unteren Ende im Boden 25 verankert. Das obere Ende des Biegewandlers 7 steht über die Wand 27 vor. Der Schieber 26, der im dargestellten Ausführungsbeispiel plattenförmig ausgebildet ist, ist fest mit dem oberen Ende des Biegewandlers 7 verbunden. Außerdem ist am Schieber 26 die Kontaktfeder 2 des Schließers (Fig. 6) sowie die Kontaktfeder 3 des Öffners (Fig. 7) befestigt. Die beiden anderen Kontaktfedern des Schließers und des Öffners sind ohne Verbindung zum Schieber 26, der mit geringem Abstand oberhalb der Wand 27 angeordnet ist. Da der Schieber 26 fest mit dem piezoelektrischen Biegewandler 7 verbunden ist, kann die jeweils mit dem Schieber verbundene Kontaktfeder elastisch vorgespannt sein.
Wird der Biegewandler 7 infolge Spannungsbeaufschlagung verformt, bewegt sich der Schieber 26 in Fig. 6 nach rechts bzw. in Fig. 7 nach links. Dadurch kommen die Kontaktstücke 5, 6 des Schließers (Fig. 6) miteinander in Berührung, während die Kontaktstücke 5, 6 des Öffners (Fig. 7) voneinander entfernt werden. Da die Kontaktfedern 2 des Schließers und des Öffners vorteilhaft elastisch vorgespannt sind, wird der Schließer 26 mit Unterstützung der Vorspannung bewegt und der entsprechende Kontakt 5, 6 geschlossen bzw. geöffnet. Insbesondere beim Schließen des Kontaktes 5, 6 (Fig. 6) wird der erforderliche Kontaktdruck nur unwesentlich von der Kraft des Biegewandlers 7, sondern im wesentlichen von der Vorspannung der Kontaktfeder 2 bestimmt.
Es besteht auch die Möglichkeit, auf die aktorisch nicht genutzte piezoelektrische Keramikschicht beispielsweise mit Hilfe eines Siebdruckverfahrens eine Widerstandsmeßstrecke 28 aufzubringen (Fig. 10) und sie als Sensor zu nutzen. Durch die mechanische Verbindung der beiden Piezoschichten 7a, 7b biegt sich die sensorische Schicht 29 ebenfalls. Durch die Streckung der beispielsweise mäanderförmig verlaufenden Widerstandsmeßstrecke 28 ist, ähnlich wie bei Dehnungsmeßstreifen, diese Biegung erfaßbar.

Claims (13)

  1. Schalter, insbesondere Relais, mit wenigstens zwei Schaltelementen, von denen wenigstens eines zum Schließen und Öffnen des Schalters relativ zum anderen Schaltelement mittels mindestens eines Antriebsteiles bewegbar ist,
    dadurch gekennzeichnet, daß das eine Schaltelement (2, 3) fest mit dem Antriebsteil (7) verbunden ist, das ein Festkörper-Energiewandler ist.
  2. Schalter nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß das eine Schaltelement (2, 3) über mindestens einen Schieber (26) mit dem Antriebsteil (7) verbunden ist, und daß vorteilhaft der Schieber (26) fest mit dem Antriebsteil (7) und dem einen Schaltelement (2, 3) verbunden ist.
  3. Schalter nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltelemente (2, 3) Kontaktfedern sind, die vorzugsweise wenigstens ein Kontaktstück (5, 6) tragen.
  4. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörper-Energiewandler (7) ein piezoelektrischer Wandler ist, der vorzugsweise ein Biegewandler ist, der mindestens eine piezoelektrische Schicht aufweist.
  5. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Feder die Bewegung des Energiewandlers (7) unterstützt, die vorteilhaft die Kontaktfeder (2, 3) ist.
  6. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörper-Energiewandler (7) ein magnetostriktiver Energiewandler ist.
  7. Schalter, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebsteil (7) an eine Auswerteeinheit (8) angeschlossen ist, die ein charakteristisches Merkmal, vorzugsweise eine elektrische Impedanz oder eine Spannung, des Antriebsteiles (7) erfaßt und auswertet.
  8. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet, daß das charakteristische Merkmal ein elektrischer Widerstand einer besonders ausgebildeten Elektrodenfläche (29) des Energiewandlers ist.
  9. Schalter nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit (8) in Abhängigkeit vom ausgewerteten Merkmal ein Signal an eine Überwachungseinheit (10) liefert, die vorteilhaft an eine Ansteuereinheit (9) angeschlossen ist, welche das Antriebsteil (7) steuert.
  10. Schalter nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuereinheit (9) die am Antriebsteil (7) anliegende Eingangs- und Ausgangsspannung überwacht.
  11. Schalter nach einem der Ansprüche 7 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit (8) zur Erzeugung einer elektrischen Wechselspannung einen Oszillator (19) aufweist, daß vorteilhaft die Wechselspannung von einer Strom/Spannungsmeßeinheit (20) erfaßt wird, der vorzugsweise ein Vergleicher (22) nachgeschaltet ist, der die von der Strom/Spannungsmeßeinheit (20) gelieferten Istwerte mit einem Sollwert vergleicht und in Abhängigkeit der Vergleichsmessung ein Steuersignal an die Überwachungseinheit (10) liefert.
  12. Schalter nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit (8) zwei Vergleicher (23, 24) aufweist, an welche das Antriebsteil (7) angeschlossen ist, und daß vorzugsweise die Vergleicher (23, 24) eine Referenzspannung (Uref1, Uref2) mit einer gemessenen Ist-Spannung am Antriebsteil (7) vergleichen.
  13. Schalter nach Anspruch 12,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleicher (23, 24) in Abhängigkeit vom Vergleichsmeßergebnis eine Steuerspannung (Uout1, Uout2) liefern, die vorteilhaft der Überwachungseinheit (10) zugeführt wird.
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