DE2554872A1

DE2554872A1 - Elektret-relais

Info

Publication number: DE2554872A1
Application number: DE19752554872
Authority: DE
Inventors: Gerard Dreyfus; Jacques Lewiner
Original assignee: Agence National de Valorisation de la Recherche ANVAR
Current assignee: Bpifrance Financement SA
Priority date: 1974-12-10
Filing date: 1975-12-05
Publication date: 1976-06-16
Also published as: FR2294535A1; DE2554872C2; JPS5515060B2; US4078183A; JPS5185451A; FR2294535B1

Description

Dipl. ■

AGMOE NATIOKAIE DB VALORISATION DE LA RECHERCHE (AITVAR) 13, rue Madeleine Michelis - F-92522 Neuilly-sur-Seine/Frankreich

Elektret-Relais.

Die Erfindung betrifft die Vorrichtungen, welche in einem ersten Kreis infolge einer Veränderung oder eines Befehls in einem zweiten Kreis eine Änderung herstellen, wobei der erste Kreis "gesteuerter Kreis" und der zweite "Steuerkreis¹¹ genannt wird·

Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen sind im wesentlichen, wenn auch nicht ausschließlich benutzbar, um einerseits elektrische Umschaltungen vorzunehmen, wenn der gesteuerte Kreis ein Stromkreis ist, und andererseits hydraulische oder pneumatische Ventile zu bilden, wenn der gesteuerte Kreis der Strömungskreis eines (flüssigen oder gasförmigen) Strömungsmittels ist. Der gesteuerte Kreis kann auch ein optischer Kreis sind. Ih allen Fällen ist der Steuerkreis elektrisch. Genauere Ausführungen über die Anwendungen der erfindungsgemäßen Vorrichtungen erfolgen weiter unten, da sie eine vollständigere Kenntnis des Aufbaus und der Arbeitsweise dieser Vorrichtungen erfordert.

Es sind bereits als Relais arbeitende Vorrichtungen be-

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kannt, bei welchen des elektrische St euer kr eis mit einem Magnetfeld arbeitet, welches im allgemeinen in einer Spule erzeugt wird, Vielehe bei ihrer Erregung einen beweglichen metallischen Anker anzieht,, welcher wenigstens zwei Stellungen einnehmen kann,, so daß er die Schließung oder die Öffnung eines Stromkreises oder die Schließung oder die Öffnung von zwei Stromkreise» bewirkt.

Derartige bekannte Relaisvorriehtungen werden

laufend benutzt, um die Umschaltung von elektrischen, pneumatischen oder hydraulischen Kreisen zu bewirken« In dem Pail von Stromkreisen ermögi.ionen diese bekannten Relais die Umschaltung von elektrischen Verbindungen großer Leistung in dem gesteuerten Kreis oder lutzkreis bei geringem Verbrauch von elektrischer Leistung in. dem Steuerkreis. In dem Fall von pneumatischen ader hydraulischen Kreisen ermöglichen die bekannten Relais die Herstellung von pneumatischen oder hydraulischen Umschaltungen in einem Rohrsystem für Gase oder Flüssigkeiten, wobei ebenfalls verhältnismäßig geringe elektrische Steuerleistungen benutzt werden. In allen Fällen sieht jedoch der Steuerkreis, wenigstens für gewisse Stellungen des bewegliehen Ankers, die Schließung des Steuerstromkreises vor, welcher die Relais spule enthält und somit ständig eine wenn auch geringe elektrische Leistung verbraucht. Dagegen erfordert, wie weiter unten ausgeführt, die erf indungsgemäße Vorrichtung nicht die Schließung des Steuerkreises und einen Stromverbrauch während gewisser Zeiträume.

Bin weiterer Fachteil der bekanntai Relais besteht darin, daß das bewegliche Element oder der Anker eine gewisse Trägheit infolge der mechanischen Anbringung dieses Elements besitzt, welches für die von der Relaisspule erzeugte magnetische Kraft empfindlich ist.

Im Gegensatz zu den bekanntai Steuervorrichtungen, welche mit magnetischen Kräften arbeiten, betrifft die Erfindung als Relais wirkende Steuervorrichtungen, welche elektrostatische Kräfte verwenden,,, welche von der Anlegung einer elektrostatischen Spannung äiPzwei Steuerelektroden herrühren, zwischen denen ein E3ek- · tret angeordnet: ist, d.h. ein isolierendes Element, welches einerseits positive elektrische Ladungen und andererseits negative elektrische Ladungen trägt, wobei eine gegenseitige Bewegung

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zwischen dem Elektreten und einer der Elektroden (wobei der Elektret oder diese Elektrode beweglich ist) je nach dem Wert der elektrostatischen Spannung zwischen den beiden Steuerelektroden und den von dem Elektreten getragenen Ladungen auftritt.

Genauer ausgedrückt, hat die Erfindung eine als Relais arbeitende Steuervorrichtung mit drei mechanischen Elementen, von denen eines gegenüber den anderen beweglich ist, zum Gegenstand und ist dadurch gekennzeichnet, daß diese drei mechanischen "Elemente einerseits durch zwei Steuerelektroden, an welche eine bestimmte Potentialdifferenz angelegt werden kann, und andererseits durch einen Elektreten gebildet werden, welcher durch einen isolierenden Teil gebildet wird, welcher positive elektrische Ladungen und/oder negative elektrische Ladungen trägt, deren algebraische Summe von Null verschieden ist.

Bei einer ersten Ausführungsform ist es der Elektret, welcher beweglich ist und zwei Stellungen einnehmen kann. Je nachdem kann das Relais entweder einen Schalter bilden, wobei dann der Elektret ein und denselben Stromkreis schließt oder öffnet, je nachdem, ob er sich in der einen oder der anderen Stellung befindet, oder einen Umschalter, wobei dann der Elektret einen ersten Stromkreis in einer ersten Stellung und einen zweiten Stromkreis in seiner zweiten Stellung schließt.

In einer zweiten Ausführungsform ist es eine der Steuerelektroden, welche beweglich ist,und wie in dem vorhergehenden Fall kann, das Relais als Schalter oder als Umschalter arbeiten, wobei die Steuerelektrode je nach der von ihr eingenommenen Stellung entweder einen einzigen Stromkreis betätigt, welcher geöffnet oder geschlossen wird, oder zwei Stromkreise, welche geschlossen werden, und zwar der eine in der ersten Stellung der beweglichen Elektrode und der andere in der zweiten Stellung derselben.

Bei einer dritten Ausführungsform ist der Elektret beweglich und schließt oder öffnet nicht Stromkreise, sondern pneumatische oder hydraulische Kreise, indem er entweder als Schalter oder als Umschalter arbeitet. In dem ersteren Fall unterbricht der Elektret in seiner ersten Stellung die Strömung des pneumatischen oder hydraulischen Strömungsmittels, während er in seiner zweiten Stellung den Strömungskreis herstellt. Ih dem Fall eines Umschalters stellt der Elektret je nach seiner

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Stellung einen ersten oder einen zweiten pneumatischen oder hydraulischen Strömungskre is her·

In einer vierten Ausführungsform ist der Elektret wiederum beweglich und betätigt dieses Mal ein Lichtbündel, indem er dieses in eine erste oder eine zweite Richtung leitet, je nachdem, ob er selbst seine erste oder seine zweite Stellung gegenüber den Elektroden einnimmt, wobei das Lichtbündel einem optischen Kreis angehören kann, welcher so je nach der Stellung des Elektreten hergestellt oder unterbrochen wird.

Die Steuerelektroden können eben oder gebogen sein. Sie können durch eine massive Platte aus einem gut elektrisch leitenden Metall, z.B. Messing,oder durch ein Metallgitter oder durch ein gesintertes, elektrisch leitendes Material gebildet werden.

Der Elektret kann durch ein Häutchen aus Polyimid, Polypropylen, unter den Namen Aclar 330 und Aclar 220 bekannten Verbindungen von Chlorotrifluoräthylen, Polycarbonaten, halogenierten Polykohlenwasser stoff en, wie fluoriertes Propylenäthylen (Teflon PEP) und Polytetrafluoräthylen (Teflon PTFE) mit einer zwischen 1000 Sngström und 200 Mikron liegenden Dicke gebildet werden. Diese Dicken können unmittelbar von dem Lieferanten von 3 bis 200^ erhalten werden. Unterhalb von 3μ können sie ζ·Β· durch Aufbringung im Vakuum (Kathodenzerstäubung) hergestellt werden. Der Elektret kann auch aus einem mineralischen Werkstoff (z.B. Tonerde) bestehen, in welchen elektrische Ladungen eingeschlossen sind, z.B. durch ionische Einpflanzung, oder auch in welchen Leiterelemente eingeschlossen und geladen sind.

Jede Steuerelektrode trägt einen Leiter für den Anschluß an eine Steuerspannungsquelle· Falls der gesteuerte Kreis durch einen oder mehrere Stromkreise gebildet wird, trägt das bewegliche Element (Elektret oder Steuerelektrode) wenigstens einen Kontakt (welcher elektrisch von der Masse der Elektrode isoliert ist, wenn der Elektret das bewegliche Element ist), welcher den gesteuerten Kreis oder einen der gesteuerten Kreise schließt.

Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielshalber erläutert.

Fig. 1 zeigt schaubildlich unter Wegbrechung von Teilen eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Eelais-

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vorrichtung, in welcher der Elektret beweglich ist und zwei gesteuerte Stromkreise betätigt, wobei die Elektroden durch ebene Platten gebildet werden.

Fig. 2 ist eine geschnittene vergrösserte Teilansicht des Elektreten der Fig. 1 und zeigt die Verteilung der elektrischen Ladungen in dem Elektreten.

Fig. 3 bis 6 zeigen schematisch die Vorrichtung der Fig. 1 fürverschiedene Stellungen des Schalters des Steuerkreises und des beweglichen Elektreten.

Fig. 7 zeigt schaubildlich eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Relaisvorrichtung, in welcher der Elektret ebenfalls beweglich ist und zwei Stromkreise betätigt, wobei die Elektroden durch, gebogene Gitter gebildet werden.

Fig. 8 und 9 zeigen schaubildlich eine dritte Ausführungsform der Erfindung, bei welcher es eine Elektrode ist, welche das bewegliche Element bildet und eine Umschaltung zwischen zwei Stromkreisen in dem Fall der Fig. 8 und die Herstellung oder die Unterbrechung eines einzigen Stromkreises in dem Fall der Fig. 9 bewirkt.

Fig. 10 und 11 zeigen eine vierte Ausführungsform der Erfindung, in welcher der Elektret das bewegliche Element ist und pneumatische oder hydraulische Kreise betätigt, und zwar entweder als Schalter für einen einzigen Kreis (Fig. 10) oder als Umschalter für zwei Kreise (Fig. 11), wobei diese beiden Figuren Schnittansichten sind.

Fig. 12 stellt eine erfindungsgemäße Vorrichtung schematisch dar und zeigt die verschiedenen Abstände, welche für das Arbeiten der Vorrichtung eine Rolle spielen.

Fig. 13 und 14 zeigen im Schnitt eine fünfte Ausführungsform der Erfindung, bei welcher der Elektret beweglich ist und die Ablenkung eines Lichtbündels ermöglicht.

Eine erste Ausführungsform ist in Fig· 1 dargestellt. Sie enthält zunächst zwei Steuerelektroden 1 und 2, welche ortsfest sind und durch ebene leitende Platten gebildet werden, und einen beweglichen Elektreten 3 aus einem isolierenden Werkstoff, welcher, wie in der Schnittansicht der Fig. 2 dargestellt, positive und negative Ladungen mit den Oberflächendichten d. bzw. dp auf den Seiten 3a bzw. 3b trägt, wobei die algebraische Summe d^ + d£ (wobei d£ mit dem Zeichen - behaftet

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ist) von Null verschieden ist. Isolierende Zwischenstücke 4, 5 und 6 trennen elektrisch die Steuerelektroden 1 und 2, wobei der mechanische Zusammenbau mit Hilfe von ebenfalls isolierenden Schrauben 7 erfolgt, welche durch Löcher 8 in den Elektroden 1 und 2 und entsprechende Löcher in dem Elektreten 3 treten, dessen unterer Teil 3c zwischen den Zwischenlagen 4 und 5 eingespannt ist, während das obere Ende 3d des Elektreten 3 zwischen einer ersten Stellung in der Nähe der Elektrode 1 und einer zweiten Stellung in der Nähe der Elektrode 2 beweglich ist, wie dies weiter unten erläutert ist.

Die Stromkreise sind folgendermaßen ausgebildet:

- Der Steuerkreis enthält zwei elektrisch mit der Elektrode 1 bzw· mit der Elektrode 2 verbundene Leiter 9 und 10·

- Die gesteuerten Kreise (die Vorrichtung der Pig· 1 arbeitet als Umschalter) enthalten einerseits an Jeder Elektrode 1 und 2 zv/ei von der entsprechenden Elektrode 1 oder 2 durch isolierende Schichten 13 bzw. 14 elektrisch isolierte leiter 11 und 12, und andererseits auf jeder Seite des beweglichen Teils 3d des Elektreten 3 zwei Leiter oder Kontakte 15 und 16, wobei der Leiter 15 mit den von der Elektrode 1 getragenen Leitern 11 und 12 in Berührung kommen kann, während der Leiter 16 mit den von der Elektrode 2 getragenen Leitern 11 und 12 in Berührung kommen kann.

Weiter unten ist erläutert, wie die Bewegung des Elektreten 3 zwischen seinen beiden Stellungen gesteuert wird· Es ist jedoch bereits jetzt klar, daß der Leiter 15 in der ersten Stellung, in welcher das obere bewegliche Ende 3d des Elektreten in der Nähe der Elektrode 1 liegt, den Stromkreis zwischen den von der Elektrode 1 getragenen Leitern 11 und 12 schließt, welche in die leitenden Enden 17 bzw. 18 auslaufen, während, wenn das obere bewegliche Ende 3d des Elektreten 3 seine zweite Stellung in der Nähe des Elektrode 2 einnimmt, der Leiter 16 den Stromkreis zwischen den von der Elektrode 2 getragenen Leitern 11 und 12 schließt, welche in die leitenden Enden 19 bzw· 20 auslaufen.

Bei der Ausführungsform der Fig. 1 und 2 sind die Elektroden 1 und 2 ebene Platten aus einem leitenden Werkstoff, z.B. Messing. Sie können durch einen zwischen 10 Mikron und 10 cm liegenden Abstand getrennt sein. Der Elektret 3 wird

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durch ein isolierendes Häutchen gebildet, z.B. ein Häutchen aus Polyimid, Polypropylen, unter den Namen Aclar 33C und Aclar 22C bekannten Verbindungen von Chlorotrifluoräthylen, Polykarbonaten, halogenieren Polykohlenwasser stoff en, wie fluoriertes Propylenäthylen (Teflon FEP), Polytetraf luoräthy len (Teflon PTFE), mit einer zwischen 1000 Sngströn und 200 Mikron liegenden Dicke. Diese Dicken können unmittelbar von den Lieferanten von 3 bis 200μ, erhalten werden. Unterhalb von 3^ können sie z.B. durch Aufbringung im Vakuum (Kathodenzerstäubung) hergestellt werden. Der Elektret kann auch aus einem mineralischen Material (z.B. Tonerde) bestehen, in welches elektrische ladungen eingeschlossen sind, z.B. durch ionische Einpflanzung, oder auch in welches elektrische Leiter eingeschlossen und geladen sind.

Die öberflächendichte d„ und d_o kann dem Ab-

—ii A —s ρ solutwert nach zwischen 10 Coulomb/cm² und 10 ^ Coulomb/cm liegen. Anstatt einen durch Oberflächenladungen geladenen Elektreten zu benutzen, kann man auch einen Elektreten benutzen, welcher volumenmäßig geladen wurde, oder gleichzeitig oberflächlich und volumenmäßig. Es muß dann die Bedingung d' + d¹^ von Null verschieden erfüllt werden, worin d¹^, und d*₂ die fiktiven Oberfläche nladungsdichte η sind, welche das gleiche elektrische Feld außerhalb des Elektreten wie die wirklichen auf ihn gebrachten Ladungen erzeugen würden.

Die zwischen die Elektroden 1 und 2 durch die

Leiter 9 und 10 angelegte Steuer spannung V kann je nach dem Abstand zwischen den Elektroden 1 und 2 und dem Wert von d^ und dp oder d¹,, und d^f ₂ zwischen 1 V und 10.000 V liegen. Die leitenden Schichten 15 und 16 müssen ziemlich dick und breit sein und aus einem gut leitenden· Metall bestehen, damit der diese leitenden Schichten durchfliessende Strom keine übermäßige Stromwärme erzeugen kann, welche für die gute Lebensdauer des Elektreten 3 schädlich wäre. Ebenso müssen die Kontakte zwischen den Leitern 15 oder 16 einerseits und 11 und 12 andererseits sehr gut sein, um jede ungewünschte Erwärmung zu verhindern. Hierfür und zur Vermeidung einer Oxydation kann es zweckmässig sein, das ganze System in einer hermetischen Kammer unterzubringen, in welcher ein Vakuum herrscht oder welche ein neutrales Gas enthält.

unter Bezugnahme auf Fig. 3 un^{d 6} soll jetzt

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die Arbeitsweise des Relais mit elektrostatischer Steuerung der Fig. 1 und 2 erläutert werden. In Pig. 3 bis 6 findet man die Elektroden 1 und 2 und den Elektreten 3 mit den isolierenden Zwischenlagen 4, 5 und 6 und die Eingangsleiter 9 und 10 für die Elektroden 1 und 2 wieder· Diese Leiter 9 und 10 gehören einem Stromkreis an, welcher auch eine Spannungsquelle S und einen Steuerschalter I enthält. In dem in Fig. 3 dargestellten Ausgangszustand befindet sich der bewegliche Teil 3d des Elektreten 3 an der Elektrode 1 in seiner ersten Stellung, welche eine der beiden stabilen Stellungen oder die einzige stabile Stellung des Elektreten 3 darstellt und eingenommen wird, wenn der Schalter I geöffnet ist« Bei Schliessung des Schalters I (Fig. 4) legt die Spannungsquelle S eine Potentialdifferenz an die Leiter 9 und 10 und somit an die Elektroden 1 und 2. Aus weiter unten erläuterten Gründen nimmt dann der bewegliche Teil 3d des Elektreten 3 seine zweite Stellung in der Nähe der Elektrode 2 ein, welche stabil oder labil sein kann.

Wenn der Schalter I geöffnet wird (Fig. 5 oder 6) und daher keine Potentialdifferenz mehr an die Elektroden 1 und 2 angelegt wird, sind zwei Fälle möglich:

a) Der bewegliche Teil 3d des Elektreten 3 bleibt in der vorhergehenden Stellung (Fig. 5)» d.h.· in der Nähe der Elektrode 2, so daß diese Stellung stabil ist*

b) oder der bewegliche Teil 3d des Elektreten 3 kehrt in seine Ausgangsstellung in der Nähe der Elektrode 1 zurück (Fig. 6), so daß dann die Stellung der Fig. 4 labil ist·

Wie man sieht, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung je nachdem bistabil (Fig. 3, 4 und 5) oder monostabil (Fig.

3, 4 und 6) sein.

In Fig. 7 ist eine zweite Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei welcher die Steuerelektroden nicht ebene volle leitende Platten sind, sondern durch gebogene Metallgitter gebildet werden und mit 1a und 2a bezeichnet sind. Wie bei der Ausführungsform der Fig. 1 und 2 werden die Elektroden 1a und 2a durch Leiter 9 bzw. 10 gespeist. Bei dieser Ausführungsform sind nur zwei isolierende Zwischenlagen 4 und 5 vorgesehen, zwischen welchen das feste Ende 3c des Elektreten 3 eingespannt ist. Das bewegliche Ende 3d des Elektreten 3 kann sich zwischen zwei Stellungen bewegen. Ih der ersten Stellung legt sich das be-

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wegliche Ende 3d gegen einen Leiter 21, während es sich in seiner zweiten Stellung gegen den leiter 22 legt (in Fig. 7 ist der Elektret 3 "bei seinem Übergang aus der einen Stellung in die andere dargestellt). Diese Leiter 21 und 22 wirken mit Leitern 15a bzw. 16a zusammen, welche von dem Elektreten 3 getragen werden und den leitern 15 und 16 der Anordnung der Fig. 1 und 2 entsprechen. Pig. 7 zeigt noch die Anschlußdrähte 22 und 24 der Leiter 15a und 16a.

Die obige Anordnung kann zweckmässig in einem von einem Halter oder einer Grundplatte 26 getragenen Glasrohr 25 angeordnet werden, wobei die Kammer 25-26 entweder ausgepumpt oder mit einem neutralen Gas gefüllt wird. Aus dieser Kammer treten nur die Kontaktstifte 9p und 10p der Leiter 9 und 10, die Kontaktstifte 21p und 22p der Leiter 21 und 22 und die mit den leitern 15a und 16a durch die Drähte 23 bzw. 24 verbundenen Kontaktstifte 15P und 16p aus.

Ih der ersten Stellung, wenn das bewegliche Ende 3d des Elektreten 3 an dem Leiter 21 anliegt, ist es der Stromkreis zwischen dem Kontaktstift 21p und dem Kontaktstift 15p, welcher geschlossen ist, während, wenn sich das bewegliche Ende 3d in seiner zweiten Stellung an dem Leiter 22 befindet, der Stromkreis zwischen dem Kontaktstift 22p und dem Kontaktstift 16p geschlossen ist.

Bei den Ausführungsformen der Fig. 1 und 2 einerseits und 7 andererseits, auf welche die Schemata der Fig. 3 "bis 6 anwendbar sind, ist es der Elektret 3» oder genauer sein Ende 3d, welches beweglich ist und in der oben erläuterten Weise arbeitet, um entweder einen ersten NutzStromkreis oder einen zweiten NutzStromkreis zu schliessen. Gemäß einer Ausführungsabwandlung kann die Vorrichtung als Schalter dienen, wobei dann der Elektret 3d nur einen einzigen beweglichen Leiter trägt, welcher in einer ersten Stellung des Elektreten mit einem anderen (festen) Leiter in Berührung kommt, um einen einzigen Nutzstromkreis zu schliessen, während in der zweiten Stellung des Elektreten der von diesem getragene (bewegliche) Leiter nicht mehr mit dem (festen) Leiter des NutzStromkreises in Berührung steht, welcher dann unterbrochen ist.

Bei einer dritten, in Fig. 8 und 9 dargestellten Ausführungsform, ist nicht mehr der Elektret beweglich, sondern eine

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der Elektroden.

In dem Fall der Fig. 8 sind zwei Steuerelektroden 1b und 2b, von denen die Elektrode 1b beweglich und die Elektrode 2b ortsfest ist, und ein fester Elektret 3e vorgesehen. Zwischenlagen 4b und 5b legen die Stellung des Elektreten 3e zwischen den Elektroden 1b und 2b fest, wobei die Anordnung durch Isolierschrauben 7 zusammengehalten wird. Die bewegliche Elektrode 1b ist zwischen einer ersten Stellung, in welcher sie mit einem festen leiter 21b in Berührung kommt, und einer zweiten Stellung verschieblich, in v/elcher sie mit einem festen Leiter 22b in Berührung kommt. Diese Elektrode trägt zwei (bewegliche) leiter 27 und 28, welche elektrisch von der leitenden Elektrode 1b durch Isolierschichten 29 bzw. $0 isoliert sind. Die Leiter 27 und 28 werden durch Ausgangsdrähte 31 bzw. 32 und die Leiter 21b und 22b durch Ausgangsdrähte 33 bzw. 34- verlängert.

In der ersten Stellung der Elektrode 1b steht das dem Draht 31 entgegengesetzte Ende ihres Leiters 27 mit dem Leiter 21b in Berührung, so daß der Stromkreis zwischen den Drähten 31 und 33 geschlossen ist. Ih der zweiten Stellung der Elektrode 1b ist es dagegen der Leiter 28, welcher mit dem Leiter 22b in Berührung steht, so daß der Stromkreis zwischen den Drähten 32 und 34 geschlossen ist.

Wie in dem Fall der Fig· 1 werden die Elektroden 1b und 2b durch nicht dargestellte Leiter gespeist·

Die Anordnung der Fig. 8 bewirkt eine Umschaltung durch Schliessung entweder des Stromkreises 31» 53 oder des Stromkreises 32, 34. Man kann auch mit einer beweglichen Elektrode einen einfachen Schalter herstellen, wie in Fig. 9 dargestellt, in welcher man die feste Elektrode 2b, die bewegliche Elektrode 1b, den Elektreten 3e und isolierende Zwischenlagen 4 und 5, welche die gleiche Aufgabe wie die isolierenden Zwischenlagen 4b und 5b der J*'ig. 8 erfüllen, wiederfindet. Die Isolier schrauben 7 sind in Fig. 9 nicht dargestellt.

Ein Unterschied zwischen der Ausführungsform der Fig. 9 und der der Fig. 8 besteht darin, daß die bewegliche Elektrode 1b nur einen Leiter 28 trägt, welcher durch eine Schicht 30 von der Masse der Elektrode 1b isoliert ist, welche leitend ist. Dieser Leiter 28 kann je nach der Stellung der beweglichen Elektrode 1b mit einem Leiter 22c in Berührung kommen, oder

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nicht, welcher durch in einen Kontaktstift 34c auslaufenden Draht 34 verlängert wird, während der Leiter 28 durch einen Draht 32 und einen Kontaktstift 32c verlängert wird.

Wenn sich die Elektrode 1b in der in Fig. 9 dargestellten Stellung befindet, d.h. in ihrer oberen Stellung, ist der Stromkreis zwischen den Leitern 32 und 22c und somit zwischen den Kontaktstiften 32c und 34c unterbrochen. Wenn dagegen die Elektrode 1b zu dem Elektreten 3e angezogen ist, stehen die Leiter 28 und 22c miteinander in Berührung, und der Stromkreis ist zwischen den Kontaktstiften 32c und 34c geschlossen. Die Vorrichtung der Fig. 9 verwirklicht also einen Schalter, welcher durch die Steuerstifte 18a und 19a betätigt wird, welche durch Drähte 18b und 19b mit den Elektroden 1b bzw. 2b verbunden sind. Die Anordnung kann außer den Kontaktstiften 18a und 19a, 32c, 34c in eine Kammer 35 eingeschlossen werden, welche ausgepumpt oder mit einem nicht oxydierenden Gas gefüllt ist.

Bei den bisher dargestellten Ausführungsformen

(Fig. 1 und 2, Fig. 7ι Pig· 8 oder 9) bewirkte die Steuerung der Verschiebung des beweglichen Elektreten oder einer beweglichen Elektrode die Schließung oder die Öffnung von Stromkreisen, so daß ein elektrostatisch gesteuertes elektrisches Relais entstand. Die Erfindung ist jedoch auch auf pneumatische oder hydraulische Umschaltungen einerseits und optische Umschaltungen andererseits anwendbar.

Für die hydraulischen oder pneumatischen Umschaltungen wird zunächst auf Fig. 10 und 11 bezuggenommen, in welchen eine erfindungsgemäße Vorrichtung die Aufgabe eines Unterbrechers in einem einzigen Strömungsmittelkreis oder eines Umschalters zwischen zwei Strömungsmittelkreisen erfüllt.

In dem Fall der Fig. 10 enthält die Vorrichtung eine erste Elektrode 1c mit einem Loch 36, in welches ein Stutzen 37 für ein (flüssiges oder gasförmiges)Strömungsmittel eingesetzt ist, und eine zweite volle Elektrode 2c. Die beiden Elektroden 1c und 2c sind aus Metall hergestellt und ortsfest. Sie bestimmen mit Isolierstücken 38 und 39 eine Kammer 40, in welcher ein Elektret 3f der obigen Art verschieblich ist. Die Kammer kann nicht nur mit dem Stutzen 37 durch die Öffnung 36 in Verbindung stehen, sondern auch mit einem in eine in dem Isolierstück 39 ausgebildete Öffnung 42 eingesetzten Stutzen 41.

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Schließlich ist ein Dichtungsring 43 an der die Kammer 40 begrenzenden Seite der Elektrode 1c vorgesehen. Ih Pig. 10 sind die mit den Elektroden 1c und 2c zur Anlegung der gewünschten Spannungsdifferenzen an diese/nicht dargestellt. Ih einer ersten Stellung des beweglichen Elektreten 3f, nämlich der in Pig. 10 dargestellten, befindet sich dieser in der Nähe der Elektrode 1c und liegt an dem Dichtungsring 43 an, so daß er jede Verbindung zwischen dem Stutzen 37 und dem Stutzen 41 verhindert, so daß der Strömungsmittelkreis unterbrochen ist. In seiner zweiten Stellung liegt jedoch der Elektret 3f an der Elektrode 2c an, und der Strömungskreis zwischen den Stutzen 37 und 41 ist hergestellt. Die Vorrichtung der Fig. 10 bildet also einen Schalter für eine hydraulische oder pneumatische Strömung.

Die Vorrichtung der Fig. 11 ist der der Fig. 10 ähnlich (in beiden Figuren haben entsprechende Elemente die gleichen Bezugszeichen) mit dem alleinigen Unterschied, daß die zweite, das ^ezugszeichen 2d tragende Elektrode ebenfalls ein Loch 44 enthält, in welches ein Stutzen 45 eingesetzt ist, wobei die der Kammer 40 gegenüberliegende Seite der Elektrode 2d ebenfalls mit einem Dichtungsring 46 versehen ist. Der bewegliche Elektret 3f kann zwei Stellungen einnehmen, in deren einer er an dem Dichtungsring 43 der Elektrode 1c und in deren anderer er an dem Dichtungsring 46 der Elektrode 2d anliegt. In der ersteren Stellung ist es der Strömungskreis zwischen den Stutzen 45 und 41, welcher hergestellt ist, während in der zweiten Stellung der Strömungskreis zwischen den Stutzen 37 und 41 hergestellt ist. Die Vorrichtung bewirkt also eine Umschaltung zwischen dem Stutzen 41 einerseits und dem Stutzen 37 oder dem Stutzen 45 andererseits. Zur Erleichterung des Arbeitens der Vorrichtung der Fig. 11 kann ein Schlitz 47 in dem Teil 39 vorgesehen werden.

Wenn das in dem System der Stutzen 37, 41 und 45 und in der Kammer 40 der Vorrichtung der Fig. 10 und 11 strömende Strömungsmittel den Elektreten angreift, kann dieser geschützt werden, wie dies in der am 2. Juli 1971 von der Anmelderin eingereichten französischen Patentschrift Nr. 2.144.933 angegeben ist.

Es soll jetzt erläutert werden, aus welchen Gründen und wie sich das bewegliche Element (Elektrode oder Elektret)

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bewegt, wobei zwischen dem bistabilen Arbeiten und dem monostabilen Arbeiten unterschieden wird.

Hierfür wird auf Fig. 12 bezuggenommen, in

welcher sehr schematisch eine erf indungs gemäße Vorrichtung mit einer ersten Elektrode ΙΟΙ, einem Elektreten 102 und einer zweiten Elektrode 103 dargestellt ist, wobei der Elektret auf seiner Unterseite eine äquivalente Ladungsdichte d- und auf seiner Oberseite eine äquivalente Ladungsdichte d₂ trägt, e* ist der Abstand zwischen der Elektrode 101 und der Unterseite des Elektreten 102, e₂ die Dicke des Elektreten 102, und e, der Abstand zwischen der Oberseite des Elektreten 102 und der oberen Elektrode 103.

Mit d bzw. D sind die Summe bzw. die Differenz der von der Unterseite und der Oberseite des Elektreten getragenen Ladungen bezeichnet.

Man erhält also:

d = CL₁ + d₂

D = d_n - d₂

Wenn man das Gewicht des Elektreten vernachlässigt, erhält man für die auf den Elektreten wirkende Kraft:

Hierin sind

die Fläc

die dielektrische Permittivität der den

S die Fläche des Elektreten,

Elektreten von den Elektroden trennenden

Medien,

£ ist die dielektrische Permitfcivifcät des

Elektreten,

Si
^L = ^e1 ⁺ J^ ^e2 ^{+ e}3'

V die zwischen die Elektroden 101 und 103 an gelegte Spannung.

Wenn der Elektret mit der unteren Elektrode in Berührung steht, hat man e^ = O. Wenn er mit .der oberen

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Elektrode 1OJ in Berührung steht, hat man e.. = 0.

Nach der Gleichung (1) ist es klar, daß wenn die Summe d der von dem Elektreten getragenen Ladungen Null ist, die Kraft Null ist, so daß die Vorrichtung nicht arbeiten kann.

Wenn die Dicke e~ des Elektreten klein gegenüber dem Abstand e zwischen den Elektroden ist und die Arbeitsweise bistabil ist, ist die Spannung, welche für den Übergang aus einem Zustand in den anderen angelegt werden muß, von der Spannung verschieden, welche für den entgegengesetzten Übergang erforderlich ist, wobei die Differenz zwischen diesen beiden Spannungen

df»
dem Absolutwert nach —· beträgt.

¹ e

Wenn z.B. die Größen d, D und §- d - ~ D posi-

fc-l *2 tiv sind, muß eine Spannung angelegt werden, welche kleiner ist

um den Elektreten aus der oberen Stellung (in Berührung mit der Elektrode 103) in die untere Stellung (in Berührung mit der Elektrode 101) zu bringen·

Um ihn dagegen wieder aus der unteren Stellung in die obere Stellung zurückzubringen, muß eine Spannung angelegt werden, welche größer ist als

Die Wahl der monostabilen oder bistabilen Arbeitsweise hängt von den dielektrischen Permittivitäten der Medien, den Dicken e und e₂ und den in dem Elektreten vorhandenen Ladungsdichten ab. Die nachstehende Tabelle zeigt die verschiedenen Arbeitsmöglichkeiten der "Vorrichtung.

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2~ d - -£. D

+	+	+	+	-	-	-	-
+	+	-	-	+		-	-
+	-	+	+	-	-	+	-
-	-	+	-	+	-	+	+
1 und 2	1	2	1 und 2	1 und 2	2	1	1 und 2
B	M	M	B	B	M	M	B

stabile
Ste Uungen

Betriebsart

° Unter der Stellung 1 ist die untere Stellung des Elektreten (in Fig. 12) und unter der Stellung 2 die obere Stellung des Elektreten (wiederum in Fig. 12) zu verstehen.

Aus dieser Tabelle, in welcher mit M die monostabile Arbeitsweise und mit B die bistabile Arbeitsweise und mit + bzw. - die positiven und die negativen Ladungen bezeichnet sind, geht hervor, daß ein monostabiler Betrieb jedes Mal dann vorliegt, wenn die dritte und die vierte Zeile das gleiche Zeichen haben, und ein bistabiler Betrieb, wenn die dritte und die vierte Zeile verschiedene Zeichen haben.

Unter diesen Verhältnis kann die Bedingung für monostabilen Betrieb dadurch ausgedrückt werden, daß das Produkt

positiv ist. Wenn dagegen dieses Produkt negativ ist, hat man einen bistabilen Betrieb.

Da von den beiden Faktoren des Produkts der erste die Differenz und der zweite die Summe der beiden gleichen Ausdrücke enthält, kann man die Bedingung vereinfachen und folgendermaßen schreiben: . .^ /- τΛ2 , monostabiler Betrieb wenn

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und bistabiler Betrieb , wenn diese Grosse größer als Null ist. Es liegt also monostabiler Be trieb vor, wenn

τ;

ed
*1

Als Hinweis sind nachstehend einige Beispiele der Be triebsbedingungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung angegeben.

Beispiel 1

Der Elektret besteht aus von der Societ^ Du Pont de Nemours unter dem Namen Teflon EEP vertriebenem fluoriertem lenpropylen. Er hat eine Dicke von 12,7 Mikron und eine relative Permitfcivität von 2,1. Das Häutchen wird durch eine Korona-

entladung in Luft geladen, wobei die erhaltenen Dichten 1 nC/cm

auf einer Seite und - 1,1 nC/cm auf der anderen Seite betragen. Die ebenen Steuerelektroden sind aus Messing und haben einen Abstand von 0,5 mm. Der Betrieb ist dann bistabil, und die Umschaltspannungen betragen 21 V bzw. - 36 V. Der Betrieb kann also mit einer Spannungsquelle von + 40 V erfolgen und erfordert keine ständige Stromlieferung.

Beispiel 2

Der Elektret besteht aus von der Soci^te Du Pont de Nemours unter dem Namen Teflon FEP vertriebenem fluoriertem Äthylenpropylen. Er hat eine Dicke von 254μ% und eine relative Permittivität von 2,1. Das Häutchen wird durch ein Elektronenbündel und eine Koronaentladung geladen, wobei die erhaltenen

ρ Ρ

Dichten 12,1 nO/cm auf einer Seite und - 7_f6 nO/cm auf der anderen Seite betragen. Die Elektroden sind eben und haben einen Abstand von 1 mm. Der Betrieb ist dann monostabil, wobei die Umschaltspannungen + 260 V bzw. +132 V betragen. Es wird ein Bnpuls von 260 V angelegt und der bewegliche Elektret geht in seine labile Stellung, worauf die Spannung abgeschaltet wird.

Beispiel 3

Der Elektret besteht aus von der Socie'te' La Cellophane unter dem Namen Maurylene vertriebenem Polypropylen· Er hat eine Dicke von 121*· und eine relative elektrische Permittivität von 2·

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Das Häutchen wird durch Koronaentladung in Luft geladen, und die

ο erhaltenen Dichten betragen - 60 nO/cm auf einer Seite und 55,7 nC/cm auf der anderen Seite. Die ebenen Steuerelektroden sind aus Messing und haben einen Abstand von 3 mm. Der Betrieb ist bistabil. Die Steuerspannungen betragen 2600 V bzw. - 3200 V. Es genügt daher eine Spannungsquelle von + 3500 V.

Beispiel 4

Der Elektret besteht aus von der Societe La Cellophane unter dem Namen Maurylene vertriebenem Polypropylen. Er hat eine Dicke von 12yttund eine relative Permittivibät von 2. Das Häutchen wird durch eine Koronaentladung in Luft geladen, wobei die er-

2 P

haltenen Dichten - 60 nC/cm auf einer Seite und 55,7 nC/cm auf der anderen Seite betragen. Die Elektroden sind ebene Stahlgitter, deren Masche ein Quadrat mit 1 mm Seitenlänge ist, und ihr Abstand beträgt 3 mm. Der Betrieb ist bistabil. Die Steuerspannungen betragen 1000 V bzw. - 800 V. Es genügt daher eine Spannungsquelle von + 1000 V.

Beispiel 5

Der Elektret besteht aus von der Society La Cellophane unter dem Namen Terphane vertriebenem Polyäthylenterephtalat. Er hat eine Dicke von 350/i und eine relative Permitfcivität von 2. Das Häutchen wird durch eine Koronaentladung in Luft geladen,

wobei die erhaltenen Dichten - 4,3 nC/cm auf einer Seite und 3,25 nC/cm² auf der anderen Seite betragen. Die Elektroden sind ebene Stahlgitter, deren Masche ein Quadrat mit 1 mm Seitenlänge ist, und ihr Abstand beträgt 0,8 mm. Der Betrieb ist monostabil, wobei die Steuer spannungen 1000 Y bzw. 200 V betragen. Man legt 1000 V an, um das Relais in die labile Stellung zu bringen. Bei Abschaltung der Speisung fällt es in seine stabile Stellung zurück.

Beispiel 6

Der Elektret besteht aus von der Societe La Cellophane unter dem ITamen Terphane vertriebenem Polyäthylenterephtalat· Er hat eine Dicke von 125 it- und eine relative elektrische Permittivität von 2. Das Häutchen wird durch Koronaentladung in Luft

ρ geladen, wobei die erhaltenen Dichten - 6,69 nC/cm auf einer Seite und -6,08 nC/cm² auf der anderen Seite betragen. Die Steuerelektroden sind ebene Messinggitter, deren Masche ein Quadrat

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von 1 mm Seitenlänge ist, und ihr Abstand beträgt 3 mm. Der Betrieb ist bistabil, und die Steuer spannungen betragen -800V und 21OG V. Infolgedessen genügt eine Spannungsquelle von + 2200 V.

Unter Bezugnahme auf Fig. 13 und 14 soll jetzt die mögliche Anwendung der Erfindung zur Vornahme von Umschaltungen von optischen Kreisen beschrieben werden.

Ih Fig. 13 sind die beiden festen ebenen Metallelektroden 1g und 2g und der Elektret 3g mit den isolierenden Zwischenlagen 4 und 5 dargestellt. Dem freien Ende der Elektroden und des Elektreten gegenüber befindet sich eine Platte 48 aus einem undurchsichtigen Werkstoff mit zwei Schlitzen 49 und 50· ■ Der Elektret 3s besteht aus einem für die benutzte Strahlung durchsichtigen Werkstoff. Das einfallende Strahlenbündel i kommt an der Seite 51 des Elektreten 3g an und tritt durch die Seite 52 desselben aus. Je nach der Stellung des Elektreten 3g nimmt das austretende Bündel entweder die Stellung s^. ein und tritt durch den Schlitz 49, oder die Stellung S₂ und tritt durch den Schlitz 50. Man kann so eine Umschaltung in einem optischen Kreis vornehmen.

In Fig. 14 bestehen die festen Elektroden 1h und 2h aus Metallgittern. Der Elektret 3h ist beweglich und trägt eine reflektierende Fläche 53 für die Strahlung. Das einfallende Bündel ist bei i und das reflektierte oder austretende Bündel bei s dargestellt· Der zwischen den isolierenden Zwischenlagen 4 und 5 eingespannte Elektret 3h braucht dann nicht für die optischen Strahlungen durchsichtig zu sein. Je nach der Stellung des Elektreten 3h. nimmt der austretende Strahl zwei verschiedene Stellungen ein, von denen nur eine einzige in Fig. 14 dargestellt ist. Mit der Vorrichtung der Fig· 14 kann man also ebenfalls eine optische Umschaltung vornehmen.

Die erfindungsgenäße Vorrichtung hat sehr zahlreiche Anwendungen, da sie weitgehend miniaturisiert werden kann, sehr schnell arbeitet, sehr betriebssicher ist und keinen Stromverbrauch erfordert.

Sie kann zur Vornahme von elektrischen Umschaltungen von Starkströmen (Leistungsumschaltung) oder von Schwachströmen (z.B. Fernsprechumschaltung) dienen. Sie kann auch zur Herstellung von Schaltern oder Schmitt' sehen Kippschaltungen

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dienen, da die beiden Kippbewegungen aus einer Stellung in die andere unter gewissen Bedingungen bei verschieden η Spannungspegeln erfolgen, wie oben ausgeführt.

Die erf indungs gern äße Vorrichtung kann auch zur Herstellung von elektrisch gesteuerten hydraulischen oder pneumatischen Ventilen dienen· Sie kann in Anordnungen für Niederdruckströmungsmittel benutzt werden, da das bewegliche Element sehr klein ist, so daß eine weitgetriebene Miniaturisierung vorgenommen werden kann·

Optische Amirendungen sind ebenfalls in Betracht zu ziehen, da die erfindungsgemäße Vorrichtung die Vornahme der Ablenkung eines Lichtbündels z.B. zur Umschaltung von optischen Kreisen ermöglicht.

Schließlich können mechanische Oszillatoren unter Anwendung der Erfindung verwirklicht werden.

Die Erfindung kann natürlich abgewandelt werden. So kann das neutrale Gas zweckmässig durch eine Flüssigkeit mit großer dielektrischer Festigkeit in der Kammer ersetzt werden, in welche die Vorrichtung eingeschlossen ist·

Ferner kann vorgesehen werden, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht nur zwei stabile und/oder labile Gleichgewichtsstellungen einnehmen kann, sondern eine größere Zahl von getrennten oder nicht getrennten Stellungen, je nach der Stärke einer auf das bewegliche Element wirkenden Rückholkraft und der an die Elektroden angelegten Potentialdifferenz.

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Claims

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'Als Relais arbeitende Steuervorrichtung mit drei mechaniscEen Elementen, von denen das eine gegenüber den beiden anderen beweglich ist, dadurch gekennzeichnet, daß diese drei mechanischen Elemente einerseits durch zwei Steuerelektroden (1, 2; 1a, 2a, 1b, 2b; 1c, 2c; 1c, 2d; 101, 103; 1g, 2g; 1h_t 2h), an welche eine bestimmte Potentialdifferenz angelegt werden kann, und andererseits durch einen Elektreten (3» 3e§3f; 102; 3g; 3h) gebildet werden, welcher durch einen isolierenden Teil gebildet wird, welcher positive und/oder negative elektrische Ladungen trägt, deren algebraische Summe von Null verschieden ist.
2. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Element durch den Elektreten gebildet wird.
3· Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Element durch eine Elektrode gebildet wird.
4. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Element wenigstens ein Leiterlement (15, 16; 15a, 16a; 27, 28; 28) trägt, welches mit wenigstens einem festen .Leiterelement (11, 12; 21, 22; 21b, 22b; 22c) zusammenwirkt, wobei das von dem beweglichen Element getragene Le it er element in einer der Stellungen des beweglichen Elements mit dem festen Leiter element in Berührung kommt·
5· Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Element wenigstens in einer seiner Stellungen wenigstens eine Öffnung (36; 36, 44) eines Stutzens (37; 37» 45.) für ein Strömungsmittel schliesst.
6. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch das bewegliche Element (3g) ein Lichtfluß (i) treten kann.
7· Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Element (3h) eine für einen Lichtfluß (i) reflektierende Fläche (53) besitzt·
8. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1

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bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden durch massive Metallteile (1, 2; 1b, 2b_; 1c, 2cj 1c, 2d; 1g, 2g) gebildet werden·
9· Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (1a, 1b; 1h, 2h) Metallgitter aufweisen.
10. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden aus einem die Elektrizität leitenden gesinterten Material bestehen·
11. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (1, 2; 1c, 2c; 1c, 2d; 1g, 2g; 1h, 2h) eben sind.
12. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (1a, 2a) gebogen sind.
13· Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß sie in einer dichten Kammer (25t 35) untergebracht ist.
14· Steuervorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kammer ein Vakuum hergestellt ist.
15· Steuervorrichtung nach Ansprach 13» dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer mit einer Flüssigkeit großer dielektrischer !festigkeit gefüllt ist.
16* Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis

15, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektret (3; 3e; 3f ? 102; 3g; 3h) Ladungsdichten trägt, welche außerhalb des Elektreten elektrische Felder erzeugen, welche den Wert der Felder haben, welche oberflächliche ladungsdichten, gleichwertige Dichten genannt, erzeugen wurden, welche dem Absolutwert nach zwischen 10""^ und 10"^ 0/cm liegen·
17* Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis

16, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektret aus fluoriertem Propylenäthylen besteht.
18. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis

17, dadurch gekennzeichnet, daß sie bistabil arbeitet.

19· Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß sie monostabil arbeitet.

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