开关

本发明涉及一种开关器件，尤其涉及一种继电器形式的开关。

在习知的继电器中，设有接触弹簧片当作开关元件，该接触弹簧片利用一移 动器而互相连接。由这些接触弹簧片变到一起始位置，在此位置时，移动器倚在 驱动部分，该驱动部分构成一电磁铁的电枢(Anker)。如果继电器通电，且电枢偏 转，如此该继电器的一开路器就开路及/或一闭路器闭路。此继电器一断路，则 在正常情形该移动器受到接触弹簧片的弹簧预应力或受一附加的弹簧作用推回 起始位置。电枢本身受到自身的弹簧预应力，因此它在继电路断路时枢转回到起 始位置。如果位在接触弹簧上的接触件造成熔接，则移动器就一直保持位在此移 定的位置，而电枢受到弹簧预应力带回起始位置。这种继电器构造上设计得很繁 复，这是因为设有多个接触弹簧片以及还可能另外设有一个回复弹簧之故，这些 弹簧另外还使继电器构造体积偏大且所要移动的质量相当可观，因此切换时间也 增加。

本发明的目的在于提供一种开关，它能使开关构件少且体积小，并且切换时 间短。

本发明的目的是这样实现的：一种开关，特别是继电器形式的开关，它具有 至少二个开关元件，该二元件至少有一个可利用至少一驱动器部分相对于另一开 关元件作运动以将该开关闭路及开路，其特征在于，有一开关元件2、3与该驱 动器部分7连接，该驱动器部分为一固体能量转换器。

前述的的开关，其特征在于，该一开关元件2、3是经至少一移动器26与 该驱动器部分连接。

前述的开关，其特征在于，该移动器26与该驱动器部分7及该一开关元件2、 3连接。

前述的开关，其特征在于，该开关元件2、3是接触弹簧片。

前述的开关，其特征在于，该接触弹簧片2、3至少带有一接触件5、6。

前述的开关，其特征在于，该固体能量转换器7为一压电转换器。

前述的开关，其特征在于，该压电转换器7为一弯曲转换器，它至少一有压 电层。

前述的开关，其特征在于，至少有一弹簧帮助该能量转换器7运动。

前述的开关，其特征在于，该弹簧为接触弹簧片2、3。

前述的开关，其特征在于，该固体能量转换器7为一磁限制的能量转换器。

前述的开关，其特征在于，该驱动器部分7接到一测定单元8，该测定单元 8该测定装置，将该驱动器部分1一特征检知及测定，该特征点宜为一种电的阻 抗或一种电压。

前述的开关，其特征在于，该特征点为该能量转换器的一种特别设计的电极 面29的电阻。

前述的开关，其特征在于，该测定单元8依所测定的特征点而生成一信号到 一监视单元10。

前述的开关，其特征在于，该监视单元10接到一控制单元9，该控制单元9 控制驱动器7部分。

前述的开关，其特征在于，该控制单元9将位在驱动器部分7上的输入电压 及输出压作监视。

前述的开关，其特征在于，该测定单元8有一振荡器19，以生成一种交流 电压。

前述的开关，其特征在于，该交流电压被一电流/电压测量单元20检知。

前述的开关，其特征在于，该电流/电压测量单元20后面接有一个比较器 22，该比较器22把由该电流/电压测量单元20生成的实际值与一标称值比较， 并依比较测量结果而定，生成一控制信号到该监视单元10。

前述的开关，其特征在于，该测定单元8有一个比较器23、24，该驱动器 部分7接到该二比较器。

前述的开关，其特征在于，该比较器23、24把一参考电压(Uref1，Uref2) 与驱动器部分7上的一测量到之实际电压比较。

前述的开关，其特征在于，该比较器23、24依比较测量结果而定生成一控 制电压(Uref1)(Uref2)。

前述的开关，其特征在于，该控制电压(Uref1)(Uref2)被送到该监视单元 10。

在本发明的开关中，有一开关元件与驱动部分连接，该元件是一固体能量转 换器。由于开关元件与驱动部分连接，因此即使当开关元件可能互相熔接时，该 驱动部分仍留在其调定的位置，并可简单地且不需额外传感器将此开关的状态检 知并测定，同时由于驱动部分设计成固体能量转换器形式，因此可达成的切换时 间很短。特别是所要移动的质量很小，这点对于切换时间同样地具有很有利的效 果；另外由于开关元件与驱动部分连接，因此基本上只要二个开关元件已足以将 该开关的正常操作做监视。

本发明的具体结构由以下的实施例及其附图给出。

图1是依据本发明提出的开关用的驱动器的示意图；

图2是依据本发明提出的开关用的驱动器的第一实施例；

图3是依据本发明提出的开关用的驱动器的第二实施例；

图4是依据本发明提出的开关用的驱动器的第三实施例；

图5是依据本发明提出的继电器形式的开关的剖示图；

图6与图7是依据本发明提出的继电器形式的开关的另一实施例的侧剖图；

图8为沿图6中的线VIII-VIII的剖面图；

图9为沿图6中的线IX-IX的剖面图；

图10为一个可装到一压电陶瓷层上的电阻测量道。

下面结合附图详细说明依据本发明提出的具体装置的细节及其工作情况，从 中也可以进一步看出本发明的其他的目的、特征和优点。

请参见图1，其中标号1表示一开关，它在图示的实施例中是设计成继电器 形式。举例而言，此开关1也可为一快速开关，一低电压释放器，一故障电流保 护开关等。以下是说明一继电器形式的开关1。

开关1所具有的两个开关元件为接触弹簧片2、3，它们以习知方式支承在 一开关壳体4中。该接触弹簧片2、3的突出于开关壳体4外的末端构成端子， 电流经这些端子以习知方式进一步导送。该两接触弹簧片2、3可各带有一接触 件5、6。较长的接触弹簧片2与一能量转换器7连接。该能量转换器由一铁磁 性压电陶瓷，一箔片〔例如由锆酸钛酸铅或聚氟化乙叉(Polyvinyliden-fluorid)构 成〕或磁缩性稀土金属(例如Terfenol-D)构成。如果该能量转换器7偏转(其偏转 方式后面还要说明)，则该接触弹簧片2呈弹性弯曲，使得其接触件5与接触弹簧 片3的接触件6接触到。在图1的示意图中，由能量转换器7偏转生成的力量(F) 与其对应的位移(S)利用一箭头作象征性表示。

如果接触件5、6互相熔接，则能量转换器7由于是与接触弹簧片2连接， 因此留在其偏转的位置。如此电端子夹紧的性质(特别是电阻抗)遂改变。开关1 接到一测定电子电路8及一控制电子电路9测定电子电路能量转换器7的电端子 夹紧性质检知，并发出一对应的信号到一监视单元10。如果接点5、6不互相 熔接，则监视单元收到一对应的信号。然后它本身发出一对应的信号到控制电子 电路9，由控制电子电路9来控制该开关1。如果接点5、6互相熔接，则这种 状况可被测定电子电路8检知，测定电子电路就放出一对应的阻止信号到监视单 元10。该单元发出一对应信号到控制电子电路9，如此控制电子电路不再控制 开关1。

请参见图2，这是本发明的第一实施例，图2中该能量转换器7由一压电元 件构成。监视单元10发出一控制信号到控制电子电路9的一开关11。控制电子 电路9用虚线表示。开关11后面接一升压器12，该升压器12用虚线表示。该升 压器12把一低电压(例如24V)变压成操作该压电元件7所需的高电压(例如400 V)。该升压器12举例而言，有一个电阻器13，一电感器14，及一二极体15。 这些元件构成互相串联形成，且亦与开关11成串联。在压电元件7上的电压利 用一输出电压监视器16作监视。如果用于操作压电元件7的电压太低，则由该 输出电压监视16使一个开关(T1)以高频率(例如20-40KHz间)一直开路及 闭路，直到在压电元件7上的电压达到所需的值为止。然后再使开关(T1)开路。 如果在压电元件7上的电压降到一预定临限值以下，则这点再由输出电压监视器 16确认，且开关(T1)以上述方式动作。开关(T1)与压电元件7并联〔压电元件 二极体15串联〕，该输出电压监视16，是升压器12的构件。

如果该控制电子电路9的开关11被监视单元10用一对应的信号开路，则没 有输入电压。这种情形被升压器12的一输入电压监视器17确认，有一开关(T2) 接到该升压器12。该开关(T2)与压电元件7成并联，并与该升压器12的一电 阻器18成串联。奴果没有输入电压，则开关(T2)被输入电压监视器17所闭路。 如此，压电元件7的电荷可经电阻器18及闭路的开关(T2)迅速流掉。如果压电 元件7放电，则开关(T2)被输入电压监视器17再开路。

输出电压监视器16与输入电压监视器17组合在一IC构件中。

测定电子电路8有一振荡器19，它生成一交流电压。此电压由一电流/电 压测量单元20检知，压电元件7经一电容器21接到该测量单元。该压电元件7 及电容器21构成振荡器19的一负载。

如果压电元件7受激励，则其阻抗改变，因此电压或电流也改变。这种情形 被测量单元20检知，该单元发出对应的信号到一测定/检定单元22。该单元22 把送来的值与一缺省的标称值(Sollwert)比较。此标称值对应于一种状态，在此状 态时，开关1的接点5、6(图1)不互相熔接。二个测量单元20与22组合在该测 定电子电路8的一IC构件中。

如果压电元件7受激励，则它一直扩张并使接触弹簧片2(配合参见图1)一直 偏转到使其接点5碰到接触弹簧片3的接点6为止。在开关1依规则操作时，如 果压电元件7不再动作，则接触弹簧片2回到其图1所示的起始位置，在此位置 时，二接点5、6相隔一段距离。如果接点5、6由于熔接而保持互相挂合，压 电元件7仍会偏转，这是因为该元件与接触弹簧片2连接之故。因此，测量单元 20测定的电流与电压值与标称值有偏差时，测量单元20发出对应的信号到测定 /检定单元22，该单元22将此送来的信号与一标称值比较，当此二测量有偏差 时，就把一对应的控制信号发送到监视单元10。该单元10配合控制单元9负责 使开关1不再重新动作，如前面配合图1所说明。

除了上述接点熔接的情形外，还可将由在监视单元10中的输入值及输出值 的逻辑关是将所有容许及不容许的状态〔例如压电元件7破裂或移动器26断裂(图 5)〕作比较及评估。

由于开关1的接触弹簧片2是直接地与能量转换器7连接，因此能量转换器 7的偏转〔例如在图2实施例的压电元件的偏转〕是间接利用上述电子电路检知 及测定。利用上述设计可达成一种电子故障检知，而不需附加的传感器。如果使 用一压电元件做能量转换器，则可利用这种生电效应及在压电元件7各收缩阶段 中在压电元件中储存的电荷而回收能量并再供整个系统用。如此全系统的电机械 效率可提高。设计成继电器形式的开关1，由于上述的构造设计，其构造体积很 小，且所要移动的质量也小。对应于此，这种继电器的切换时间比常规的继电器 (它们用移动器操作，且间接耦合到继电器的电枢)要短得多。特别是在上述的继 电器1省略了一个开路器(这种开路器在常规继电器为绝对必要，以便于能将继电 器按规则的作业作监视)。在上述的继电器1中所需的接触弹簧片对应地较少。在 图1所示的最简单的情形中，此继电器只有单一个闭路器，它具有二个接触弹簧 片2、3。在安全用途的常规继电器(它们具有强迫导进的接点)即使在最简单的 设计，除了一个这种闭路器外，还需要一个开路器。

除了继电器形式外，此开关举例而言，也可以设计成故障电流及故障电压开 关，功率开关，或马达保护开关的形式。利用在负荷时电端子的夹紧性质〔例如 转换器的共振或阻尼(Dampfung)〕的改变，可以监视能量转换器7的状态。特别 是也能在静态操作的情形做测定。上述装置，由于这种理由，可以很出色地使用 在与安全有关的装置中当做继电器驱动器用。

请参见图3，这是本发明的第2个实施例，图中能量转换器7由一压电的弯 曲转换器构成，该弯曲转换器可为双层，三层或多层转换器。它在图示的实施例 中，有二个互相电绝缘的层，二层互相连接。如果开关11受控制，则弯曲转换 器的一层收缩，由于二层互相连接，故第二压电层也发生对应的弯曲。如此在第 二压电层中造成一种电荷分离，换言之，发生一电压脉冲，此脉冲被测定电子电 路8检知及测定。它有二个比较器23、24，弯曲转换器7分别接到其上。在比 较器23、24中分别将一个送到比较器的参考电压(Uref1或Uref2)与在弯曲转换 器7的第二压电层上发生的电压脉冲比较，二比较器23、24生成一对应的输出 信号Uout1及Uout2，该信号送到监视单元10，如图1、图2所详示，该单元 10发出对应的信号到控制电子电路9，该电子电路的设计与前面实施例中相同。

原则上也可用前面图2所述的种类及方式使用一个双层、三层或多层转换器 并作测定。

如果开关1的接触件5、6(见图1)互相熔接，则这种情形是根据将参考电压 与弯曲转换器7生成的电压值在比较器23、24中做比较而确认，该比较器23、 24把对应的输出信号送到监视单元10，监视单元10以图1及图2中所示的方式 将对应的信号送到控制电子电路9。依这种方式可确实做使人满意的故障检知， 其中，该控制电子电路9负责在接触件5、6熔接时，使开关1不再随弯曲转换 器7作控制。

请参见图4，这是本发明的驱动器的第三个实施例，该实施例与前述实施例 不同之处只在于不设置接到控制电子电路9的一个监视单元10。在此情形中， 举例而言，测定电子电路8的比较器23、24的电压输出信号Uout1及Uout2 是送到一显示器，该显示器在接触件5、6熔接5、6就亮起来，因此用光学方 式显示开关1的一种故障情况。除了光学显示器(或者如果不用光学显示器)外， 也可以(另外)生成声音信号。此外，图4的实施例和图3的实施例相同。

图5以纵剖面显示一种设计成继电器形式的开关1。此开关1具有压电式弯 曲转换器7，该转换器7具有二个压电层7a与7b，二层互相隔成电绝缘方式。 弯曲转换器7固定在开关壳体4的一底25中。弯曲转换器7的上端与一移动器 26连接，移动器26本身与接触弹簧2连接。举例而言，移动器26可插到该弯曲 转换器7的上端上，并夹紧而保持住。同样地也可将移动器26与弯曲转换器7 连接成不可松开的方式，例如，将它粘合在弯曲转换器上。

在所示的实施例中，该二接触弹簧片2与3构成一个开路器，换言之，接触 弹簧片2、3的接触件5与6相倚靠。此继电器1在另一侧(图面下方的一侧)有 一相关的闭路器，其二个接触弹簧片所带的接触件在继电器未激发时，互相隔着 一段距离。此闭路器的二个接触弹簧片之一是与移动器26连接以及与弯曲转换 器7连接。

如果继电器1动作，则在图5中所示的弯曲转换器7向右弯曲。对应于此， 与该转换器7连接的移动器26同样地向右移，并将接触弹簧片2带动，继电器1 的闭路器(图中未示)的对应的接触弹簧片也被带动。如此，接触弹簧片2的接触 件5从接触弹簧片3的接触件6升起，因此继电器的开路器就开路。对应于此， 在继电器的另一侧，闭路器的接触弹簧的接触件则变成互相倚靠。

在所示的实施例中，在图5的左边的压电层7b受控制。在图5左边的压电 层7a接到测定电子电路8(图1到图4)，该电子电路将此层的阻抗的变化或所发 生的电压脉冲以上述方式测定。如果继电器1不再动作或弯曲转换器7不再受控 制，则它返回到图5中所示的起始位置。在此它经由移动器26把接触弹簧片2 带动，直到其接触件5倚靠在接触弹簧3的接触件6上为止。在该继电器1的对 立侧上，该接触弹簧片的二接触件则再互相脱离。

有利的做法，是将开路器的接触弹簧片2沿其接点开路的方向(图5)呈弹性 方式预施应力绷紧。如此它会促使弯曲转换器7弯曲到图5中未示的动作位置。 特别是在该闭路器(图中未示)的接触件5、6闭路时，所需的接触压力不但主要 依弯曲转换器7的力量而定，而且也主要依接触弹簧片2的预应力而定，因此可 以圆满地达到所需的接触压力。接触弹簧片2的预应力选设成使得该继电器即使 它使用时间较久且接触件5、6有相对应的较大的磨损时，也能确实保证有充分 的接触压力。

闭路器(图中未示)的接触弹簧2可用与上述实施例相当的的方式沿动作方向 预施应力。在多接点式继电器场合，可由接触弹簧片的预应力的组合而一直达成 一种力量状态，这种状态帮助压电转换器运动并生成所需的接触力量。

压电层7b(它有利地设计成条带形状)构成一种动作器式(aktorisch)的压电 层，而对立的压电层7a则构成一传感器式的压电器。弯曲转换器7与接触弹簧 片2、3可简单地安装在继电器壳体4中。移动器26可同样地简单地固定在弯曲 转换器7上及继电器的开路器与闭路器的对应的接触弹簧片上。继电器1的开路 器或闭路器的共一个接触弹片3是不连接到移动器26。它由不导电的材料(宜为 塑胶)构成。为了要能简单地固定在接触弹簧片上，因此移动器26设有对应的插 接开口以供接触弹簧片插接。

图6到图9显示一个设计成继电器形式的开关1的另一实施例。在图6与图 7中显示该继电路的两侧，它们具有接触弹簧2。依图6，接触弹簧片2、3构 成一闭路器，而依图7，接触弹簧片2、3构成一开路器，构成该闭路器的接触 弹簧2、3的接触件5、6(图6)在起始位置时相隔一段距离。构成开路器的接触 弹簧2、3的接触件5、6在起始位置时是相倚靠。此二组接点利用继电路壳体 4的一壁27或其接点插座互相隔开。接触弹簧2、3的下端以习知方式固定在接 点插座的底25中。接触弹簧片2、3向上突伸超出壁27外。

在此压电转换器7固定在继电器壳体4中。在该实施例中所示的条带形弯曲 转换器7(它可设计成单层、双层、三层或多层转换器形式)的下端锚固在底25， 中弯曲转换器7的上端突伸出壁27外。移动器26(它在所示的实施例中是设计成 板形)与弯曲转换器7的上端连接。此外，闭路器的接触弹簧片2(图6)与开路器 的接触弹簧片3(图7)固定在移动器26上。闭路器与开路器的二个另外的接触弹 簧片是不连接到该移动器26，移动器26设在壁27上方一小段距离处。由于移 动器26与压电式弯曲转换器7连接，因此与移动器连接的接触弹簧片可呈弹性 施预应力。

如果由于施加应力使弯曲转换器7变形，则图6的移动器26向右移，或图7 中的移动器26向左移。如此，闭路器的接触片5、6(图6)互相接触，而开路器 的接触件5、6(图7)互相分离。由于闭路器与开路器的接触弹簧片2是有利地呈 弹簧施预应力，因此移动器26受预应力的助而移动，而相关的接触件5、6就 闭路或开路。特别是在接触件5、6闭路时(图6)，所需的接触压力不但明显地依 弯曲转换器7的力量而定，而且明显地依接触弹簧片2的预应力而定。

举例而言，也可以利用网版印刷方法把一种电阻测量段28施到该不做动作 器使用的压电陶瓷层上(图10)，并将它当作感测器使用。根据该二压电层7a、 7b的机械连接，使该传感器层29也同样地弯曲。利用这种电阻测量段28(例如 呈蜿蜒延伸)的伸直，也可像在伸张测量条带的场合一样将这种弯曲做检知。