具有柱塞的电气开关组件

申请号 CN201080023022.X 申请日 2010-03-31 公开(公告)号 CN102576617A 公开(公告)日 2012-07-11
申请人 欧姆龙多尔泰汽车电子有限公司; 发明人 A·瓦基利; R·K·芬利; 克里斯多佛·拉尔森;
摘要 提供一种电气 开关 组件,所述电气开关组件包括:壳体;由所述壳体 支撑 的 致动器 ,所述致动器具有一个或更多个向下的延伸部,每个延伸部均具有至少一个圆形尖端;被包含在所述壳体中的 电路 ;弹性垫,所述弹性垫包括 覆盖 在所述电路上面的一个或更多个可坍缩圆顶;以及一个或更多个 柱塞 元件,所述一个或更多个柱塞元件被支撑在所述壳体中位于所述至少一个圆形尖端与相应的一个所述圆顶之间,所述柱塞元件包括倾斜表面,以便在所述致动器运动期间接合所述圆形尖端以导致所述柱塞元件使得所述圆顶中的在下面的一个圆顶坍缩。
权利要求

1.一种电气开关组件,所述电气开关组件包括:
壳体;
由所述壳体支撑致动器,所述致动器具有一个或更多个向下的延伸部,每个延伸部均具有至少一个拱形尖端;
被包含在所述壳体中的电路
弹性垫,所述弹性垫包括覆盖在所述电路上面的一个或更多个可坍缩圆顶;以及一个或更多个柱塞元件,所述一个或更多个柱塞元件被支撑在所述壳体内位于所述致动器与相应的一个所述圆顶之间,每个柱塞元件均包括倾斜表面,以便在所述致动器运动期间接合所述拱形尖端以导致所述柱塞元件使得在下面的圆顶坍缩。
2.根据权利要求1所述的组件,其中,所述壳体构造成将每个柱塞元件约束成大致上下运动。
3.根据权利要求1或2所述的组件,其中,所述拱形尖端是圆形的。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的组件,其中,所述倾斜表面还包括曲率
5.根据权利要求1至4中任一项所述的组件,该组件包括第一柱塞元件、第二柱塞元件、第一延伸部以及第二延伸部,其中所述第一延伸部构造成在静止位置与所述第一柱塞元件之间的距离近于所述第二延伸部与所述第二柱塞之间的距离,使得所述致动器的运动导致所述第一柱塞元件先于所述第二柱塞元件运动。
6.根据权利要求5所述的组件,该组件包括一对相对间隔开的第一柱塞元件以及一对相对间隔开的第二柱塞元件,其中,所述致动器沿一个方向的运动导致所述一对第一柱塞元件中的一个先于所述第二柱塞元件中的一个致动,并且所述致动器沿另一方向的运动导致所述一对第一柱塞元件中的另一个先于所述第二柱塞元件中的另一个致动。
7.一种柱塞元件,所述柱塞元件在电气开关组件中用于致动在下面的可坍缩圆顶,所述柱塞元件包括:
用于接合所述可坍缩圆顶的基座部;以及
从所述基座部延伸的主体,所述主体包括面向上的倾斜表面,以与具有以圆弧朝向所述倾斜表面运动的部分的致动器相互作用,从而实现所述柱塞朝向所述圆顶的向下运动。
8.根据权利要求7所述的柱塞元件,其中,所述主体的尺寸设定为使得壳体能够将所述柱塞元件约束成大致上下运动。
9.根据权利要求7或8所述的柱塞元件,其中,所述倾斜表面还包括曲率。
10.一种电气开关组件,所述电气开关组件包括致动器,所述致动器对可在所述组件内运动的柱塞元件进行操作以致动电路,所述柱塞元件包括倾斜表面,所述倾斜表面用于与构造成在所述致动器的控制下以圆弧运动的构件相互作用,以致动所述电路。
11.根据权利要求10所述的组件,该组件还包括壳体,所述壳体构造成将所述柱塞元件约束成大致上下运动。
12.根据权利要求10或11所述的组件,其中,所述构件包括拱形尖端。
13.根据权利要求12所述的组件,其中,所述拱形尖端是圆形的。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的组件,其中,所述倾斜表面还包括曲率。
15.根据权利要求10至14中任一项所述的组件,该组件还包括第一柱塞元件和第二柱塞元件,其中所述构件包括第一延伸部和第二延伸部,且其中所述第一延伸部构造成在静止位置与所述第一柱塞元件之间的距离近于所述第二延伸部与所述第二柱塞之间的距离,使得所述致动器的运动导致所述第一柱塞元件先于所述第二柱塞元件运动。
16.根据权利要求15所述的组件,该组件包括一对相对间隔开的第一柱塞元件以及一对相对间隔开的第二柱塞元件,其中所述致动器沿一个方向的运动导致所述一对第一柱塞元件中的一个先于所述第二柱塞元件中的一个致动,并且所述致动器沿另一方向的运动导致所述一对第一柱塞元件中的另一个先于所述第二柱塞元件中的另一个致动。

说明书全文

具有柱塞的电气开关组件

[0001] 本申请要求于2009年5月28日提交的美国临时申请No.61/181,934的优先权,上述申请的内容以引用方式并入本文中。

技术领域

[0002] 下述内容涉及电气开关且具体地涉及用于致动这种开关的柱塞。

背景技术

[0003] 通常希望,在汽车和其他应用中由用户启动的开关提供触觉反馈,以使得用户在不同切换阶段和/或功能之间进行辨别。以这种方式,使用户能够在操作开关期间体验变化,该力变化向用户提供关于开关状态的反馈。
[0004] 例如,当开关被启动时,用户可能首先感觉到增加的阻力,然后力下降并且致动器停止在第一可辨别位置,该第一可辨别位置向用户指示开关被电气启动。该第一位置通常被称为第一制动(detent)。一些开关提供诸如在汽车车窗开关中的辅助功能,这些开关构造成提供用于车窗的“自动向下”或“急速向下”或一触向下”的选项。为了启动这种选项,用户将开关致动器沿向下方向推动超过第一制动(或通过拉起而用于“自动向上”选项)达到第二可辨别位置或第二制动。因此,在该实施例中,开关能够被推动或拉动到用于两个独立功能中的每个功能的第一制动或第二制动(在该情况下,车窗向下/车窗急速向下或者车窗向上/车窗急速向上)。以这种方式推动和拉动开关还可被称为致动开关。
[0005] 用于提供这种触觉反馈的两种基本设计是普遍的,一种设计是具有单独的电气切换元件的基于弹簧的触觉机构,而另一种设计是基于橡胶的膜或弹性垫(通常被称为“e-垫”),该弹性垫在与印刷电路板(PCB)界面连接时提供触觉响应和电气切换。这两种设计都受到力、行程、包装尺寸和性能变化的限制。发明内容
[0006] 在一个方面,提供一种电气开关组件,所述电气开关组件包括:壳体;由所述壳体支撑的致动器,所述致动器具有一个或更多个向下的延伸部,每个延伸部均具有至少一个圆形尖端;被包含在所述壳体中的电路;弹性垫,所述弹性垫包括覆盖在所述电路上面的一个或更多个可坍缩圆顶;以及一个或更多个柱塞元件,所述一个或更多个柱塞元件被支撑在所述壳体中位于所述致动器与相应的一个所述圆顶之间,所述柱塞元件包括倾斜表面,以在所述致动器运动期间接合所述圆形尖端以导致所述柱塞元件使得在下面的圆顶坍缩。
[0007] 在另一方面,提供一种柱塞元件,所述柱塞元件在电气开关组件中用于致动在下面的可坍缩圆顶,所述柱塞元件包括:用于接合所述可坍缩圆顶的基座部;以及从所述基座部延伸的主体,所述主体包括面向上的倾斜表面,以与具有以圆弧朝向所述倾斜表面运动的部分的致动器相互作用,从而实现所述柱塞朝向所述圆顶的向下运动。附图说明
[0008] 现将参考附图仅通过实施例来描述实施方式,在附图中:
[0009] 图1是包括一组电气开关组件的汽车的内部的一部分的示意图。
[0010] 图2是单独的电气开关组件的立体图。
[0011] 图3是图2所示的电气开关组件的分解立体图。
[0012] 图4是单独的一组柱塞和弹性圆顶的立体图。
[0013] 图5是图4中的柱塞和圆顶沿着平面A的剖面图。
[0014] 图6是图4中的柱塞和圆顶沿着平面B的剖面图。
[0015] 图7是单独示出的第一柱塞的轮廓图。
[0016] 图8是示出柱塞元件通过致动器的旋转而致动的剖面图。
[0017] 图9是针对第一柱塞上的55度的倾斜表面的力对位移的曲线图。
[0018] 图10是针对第一柱塞上的60度的倾斜表面的力对位移的曲线图。
[0019] 图11(a)至图11(h)是示出针对不具有曲率的柱塞表面的力位移和运动学计算的自由体受力图。
[0020] 图12(a)至图12(g)是示出针对具有曲率的柱塞表面的力位移和运动学计算的自由体受力图。
[0021] 图13(a)至图13(e)是示出致动器延伸部和柱塞元件的一系列致动阶段的剖面图。
[0022] 图14(a)至图14(c)是示出了弹性圆顶的一系列致动阶段的剖面图。
[0023] 图15是示出针对图14(a)至图14(c)所示的致动阶段的行程对力的曲线图。
[0024] 图16是示出在致动阶段期间致动器的角度对力的曲线图。
[0025] 图17示出了图示在电气开关组件的一个实施例中用于两个方向的角度对力的曲线图,所述电气开关组件包括一个向上功能以及两个向下功能。
[0026] 图18是用于弹簧致动实施方式的力-位移曲线图。

具体实施方式

[0027] 下述内容提供了一种用于致动电气开关的柱塞元件,该电气开关能够使用较少的部件提供具有协同的机电定时的较宽范围的触觉轮廓(tactile profile)(力和行程),并且其对部件的变化不太敏感,同时以潜在较小的包装尺寸实现较高的耐久性和可靠性。
[0028] 已经发现,提供具有倾斜表面的柱塞元件使得能够获得具有上述优点的在任一个方向或两个方向上的单致动或双致动构造,其中该倾斜表面与随着开关的致动器运动的延伸部的圆形尖端或以其它拱形尖端相互作用。这还使得能够改变开关组件的触觉轮廓而不改变通过柱塞元件对其进行操作的e-垫的特性。应当理解,柱塞元件和本文所述的原理还可以与用于致动PCB的弹簧或其它弹性构件一起使用,然而应当注意,由例如弹簧产生的触觉响应通常不同于如在下文讨论的e-垫。
[0029] 现在翻到图1,示出了可以使用柱塞元件和开关组件的实例环境,其中一组电气开关组件10集成到汽车车14的用于操作车门窗16的控制台12中。在该实施例中,可看到两个开关组件10的轮廓,其中一个用于前窗16并且另一个用于后窗16。应当理解,可包括更多的开关组件10,例如以提供对汽车的相反侧上的另一对前窗/后窗16(未示出)的控制。还应当理解,开关组件10及其部件在汽车应用中的使用仅仅是一个实施例,并且各种其它用途是合适的,如在下面的说明中将是显而易见。
[0030] 图2示出了单独的开关组件10的放大图。使用致动器18来操作开关组件10,在该实施例中,致动器18是提供有限的旋转运动的旋钮或摆杆式构件,并且该致动器18通过绕由附着点21所限定的其轴线旋转能被致动。致动器18包括唇部19或其它突出部,该唇部19或其它突出部使得致动器18能够被沿向上方向“拉动”,因而使致动器18沿相反的方向向后摆动。致动器18还包括宽阔的上表面,该上表面能被沿向下方向“按压”,因而使得致动器向前摆动。图2还示出了壳体20,该壳体20用于容纳、引导并支撑开关组件10的各个部件。壳体20可以是如图2所示的单独部件或者可通过图1所示的控制台12与其它组件成一体。应当理解,图2所示的壳体20仅用于说明目的。
[0031] 图3示出了开关组件10的分解立体图。从该视图可看出,利用一对直立支撑件28在壳体20的顶上支撑致动器18,该直立支撑件28提供与致动器18的相对侧壁中的对应孔21相互作用的突出元件29。支撑件28从致动器基座26延伸,该致动器基座26则由壳体20支撑或被附接到壳体20。致动器18包括第一延伸部22和第二延伸部24,该第一延伸部22和第二延伸部24每个均朝向壳体20向下突出并且与致动器18共同地运动。致动器基座26包括孔或开口,该孔或开口允许延伸部22、24延伸到壳体20的内部。
[0032] 如上所述,壳体20容纳开关组件10的各个部件。在该实施例中,壳体20包括下开口端(未示出),并且提供壳体基座40,该壳体基座40支撑并保持壳体内的部件并且用于封闭壳体20。壳体基座40向PCB 38提供支撑,PCB 38支撑包括一组可坍缩圆顶36的上覆e-垫34。可坍缩圆顶36与两对柱塞元件(即,一对第一柱塞元件30和一对第二柱塞元件32)对齐并且由这两对柱塞元件对其进行操作。壳体20的内部构造成约束柱塞元件30、32的前/后运动和横向运动(见图5和图6)同时允许竖直运动,以使得柱塞元件30、
32能够对与其对齐的在下面的圆顶36进行操作并且使圆顶36坍缩。第一延伸部22与每个第一柱塞元件30的至少一部分对齐以致动第一开关操作,并且第二延伸部24与每个第二柱塞元件32的至少一部分对齐以致动第二开关操作。延伸部22、24和柱塞元件30、32的几何尺寸被选择为使得第一柱塞元件30和第二柱塞元件32的启动是按顺序的,如将在下文更详细地说明的。
[0033] 在图4至6中更详细地示出了延伸部22、24和柱塞元件30、32的相对布置。其中一个第一柱塞元件30和其中一个第二柱塞元件32被布置在致动器18的旋转轴线的任一侧,使得向前或“按压”动作顺序地操作一对第一/第二柱塞元件30、32,同时向后或“拉动”动作操作另一对第一/第二柱塞元件30、32。
[0034] 如图5和图6中最佳地所见的,在静止状态中,与第二柱塞元件32接近延伸部24相比,第一柱塞元件30更接近于延伸部22。在该实施例中,仅第一柱塞元件30接触相应的延伸部22,然而能够理解的是,允许一些公差。在限定的致动点处(并且取决于致动方向),另一延伸部24接触其中一个第二柱塞元件32。首先参看图5,延伸部22的宽度的尺寸设定为使得当开关组件10处于中立位置或“静止”位置时,一对拱形的(在该实施例中,大体上圆形的)第一延伸部尖端42接触第一柱塞元件30的相应的第一倾斜表面43。倾斜表面43形成在相应的直立的第一柱塞主体44上,该第一柱塞主体44从相应的第一柱塞基座46延伸。柱塞基座46的尺寸和取向设定成使得它们与相应的一个圆顶36对齐。使用一对一体的外导向构件48在壳体20内引导第一柱塞元件30,该对外导向构件48形成在第一中心导向构件50的两侧,因而维持第一柱塞元件30的定位并且限制横向运动及前/后运动,从而减少可能由振动导致的卡嗒声。
[0035] 现在参看图6,观察到,第二延伸部24的宽度小于第一延伸部22的宽度,因此当开关组件10处于如所示的中立位置时,一对拱形的(在该实施例中,大体上圆形的)第二延伸部尖端52与第二柱塞元件32的相应的第二倾斜表面53分离。以这种方式,在导致延伸部24对其中一个第二柱塞元件32进行操作之前,致动器18的运动将导致延伸部22对其中一个第一柱塞元件30进行操作。类似于图5中所示的,第二倾斜表面53形成在相应的直立的第二柱塞主体54上,该柱塞主体54从相应的第二柱塞基座56延伸。还使用一对一体的外导向构件48以及定位在第二柱塞元件32之间的第二中心导向构件58在壳体20内引导第二柱塞元件32,因此维持第二柱塞元件32的定位,以限制横向运动及前/后运动,从而减少可能由振动引起的卡嗒声。在该实施例中,导向元件50和58都与壳体20成一体并且取向和尺寸大体上设定为保持柱塞元件30、32。在该实施例中,导向元件50、58包括同一壳体20的不同截面并且是同一部件的一部分,以同步启动第一组柱塞元件30和第二组柱塞元件32。
[0036] 图7单独示出了其中一个第一柱塞元件30。可看出,通过将倾斜表面43从笔直轮廓改变为曲线轮廓43’来改进柱塞主体44的尖端部60,以便在对第一柱塞元件30进行操作时提供对于触觉感受的更多控制。精确的感知响应能够通过计算与第一柱塞元件30和第一延伸部22的几何尺寸形成映射。注意到,第二柱塞元件32上的倾斜表面53还能够以相同的方式弯曲,得到相同的结果。
[0037] 图8示出了致动器延伸部22、24与柱塞元件30、32的倾斜表面43、53相互作用的方式,在该实施例中示出了第一延伸部22与第一柱塞元件30之间的相互作用。运动A由旋转致动器18的唇部19或将该唇部19向上“拉动”引起。由于运动A,第一尖端42沿如由运动B所示的拱形路径移动。运动B导致柱塞主体44的角形尖端与倾斜表面43之间的干涉,因此导致第一柱塞元件30沿如运动C所示的向下方向移动。当对致动器18进行操作时,由于第一柱塞元件30布置在其中一个外导向构件48和第一内导向构件50之间,第一延伸部22的共同运动导致第一柱塞元件30沿大致直线向下运动。从图8可理解的是,倾斜表面43的角度、圆形尖端42的半径、以及致动器18的旋转点和第一柱塞元件30之间的距离控制在旋转致动器18时用户感觉到的力和行程的大小。应当理解,类似原理适用于第二柱塞元件32的操作。
[0038] 图9和图10示出了当将倾斜表面43的角度从55°改变至60°时力-位移曲线的变化并且还示出了在每个切换阶段之前达到过崩塌点(snap-over point)所需的力的相应增加。
[0039] 如上所述,可以改变致动器延伸部22、24以及柱塞元件30、32的几何尺寸以影响开关组件10的触觉响应。现在参看图11(a)至图11(h),现将针对不具有弯曲尖端部60的柱塞元件30提供各种与几何尺寸相关的计算,以示出如何能够确定这种变化。
[0040] 下述内容是图11(a)至图11(h)所示的变量的列表及它们的定义:
[0041] Fc-在致动器18上沿旋转弧的切线方向/垂直于旋转半径的力;
[0042] Fcv-致动器18上的沿竖直(Z)方向的力;
[0043] Fe-来自e-垫34(弹性键顶部)的力
[0044] α-致动器18的旋转角
[0045] γ-中立时致动器18的致动点至旋转中心与平线成的角度
[0046] b-致动器18的致动点与旋转中心之间的距离(致动器18的力矩臂)
[0047] h,h1,h2-致动器延伸部22至旋转中心的高度
[0048] v,v1,v2-致动器延伸部22至旋转中心的宽度
[0049] r,r1,r2-圆形尖端42的半径
[0050] θ-柱塞元件30的倾斜表面43与水平线的角度
[0051] -柱塞元件30的倾斜表面43与竖直线的角度
[0052] ff1-柱塞元件30与外导向元件48之间的摩擦力
[0053] ff2-柱塞元件30与致动器延伸部22之间的摩擦力
[0054] μ1-柱塞元件30与外导向元件48之间的摩擦系数
[0055] μ2-柱塞元件30与致动器延伸部22之间的摩擦系数
[0056] Fp-从圆形尖端42施加到倾斜表面43的垂直力
[0057] Fpx-Fp的水平分量
[0058] Fpy-Fp的竖直分量
[0059] d-旋转时Fp在致动器18上的力矩臂
[0060] m-旋转时ff2在致动器18上的力矩臂
[0061] L-旋转中心与柱塞元件30的外侧竖直面之间的水平距离
[0062] n-柱塞元件30的底面与外表面和倾斜表面43的任意交叉点之间的竖直距离[0063] H-柱塞元件30的底面与致动器18的旋转中心之间的竖直距离
[0064] H0-处于中立位置(α=0)的H
[0065] ΔH-柱塞元件30的竖直位置的变化=e-垫在任何角度下的压缩
[0066] Hup-当预加负荷生效时相对的柱塞元件30在最初几度旋转时的H=相对的e-垫34升高的量
[0067] W+-用于过崩塌保护(over-snap protection)的柱塞元件额外宽度[0068] α+max-用于过崩塌保护的角形致动器额外行程
[0069] 图11(a)和11(b)包含上述变量。现在翻到图11(c),在下面提供了样本力计算。开始时,∑Fy=0;ff1=μ1.Fpx;以及ff2=μ2.Fp。由此,对于启动: 以 及 对 于 释 放:
[0070] 而且: 以及因此,对于启动:
[0071] 以及对于释放:
[0072]
[0073] 从方程(4),Fpy=FpCosθ,因此,对于启动:Fe=Fp.Cosθ(1-μ1.tanθ-μ2.tanθ)(7);以及对于释放:Fe=Fp.Cosθ(1+μ1.tanθ+μ2.tanθ)(8)。
[0074] 现可参考图11(d)。要注意的是, 被示出处于反向,但是如果 被示出处于正向,则也能得到相同结果。在图11(d)中,
[0075] KO=h1,XO=h2,KX=h3;以及h1=h2+h3(9)。而且,
[0076]
[0077] 以及
[0078] 因此,
[0079]
[0080] 现在, 以及:
[0081] 仍参看图11(d),m=QJ(12);以及QJ=QX+XJ(13),因此:
[0082]
[0083] 以及
[0084]
[0085] 因此, 其中如上所述,m是致动器18与柱塞元件30之间的摩擦力的力矩臂。
[0086] 现在翻到图11(e),∑Mo=0,即,围绕点“O”的力矩之和为零;并且ff2=μ2.Fp。由此,对于启动:
[0087] 因此:
[0088] 对于释放:
[0089] 因此:
[0090]
[0091] 使用方程(7)和(16),对于启动: 因此 使用方 程(8)和(17),对于释 放:
因此:
对于方程(18)和(19),m能够从方程(15)计算出并且d能够从方程(11)计算出。
[0092] 接下来翻到图11(f)和11(g),在下面提供样本运动学计算。如能从这些附图理解的,矢量 以及 而且, 因此:
[0093]
[0094] 现在,当于是: 因此柱塞元件30的竖直位置的变化是:ΔH=
H-H0(24)。
[0095] 使用方程(22)和(23):
[0096] 因此:
[0097] 接下来,使用方程(24)和(25),竖直位置的变化能够被限定如下:
[0098]
[0099] 参考图11(h),现提供样本计算,该样本计算仅适用于当预加负荷生效时第一较少的旋转度。由相对的柱塞元件30得到的力被从主柱塞元件30扣除。如图11(h)所示,由此应当理解的是:
[0100] 因此:
[0101]
[0102] 为了利用上述计算来确定合适的几何尺寸,针对预加负荷区从方程(26)和方程(28)计算ΔH。从e-垫圆顶36的力/位移得出该e-垫力Fe。然后分别针对启动和释放从方程(18)和(19)计算致动器18上的力(以及对于预加负荷区,计算由相对的e-垫圆顶36所产生的力并且将该力从主力扣除)。为了计算L(指定用于超行程/过崩塌保护的额外柱塞宽度和额外致动器旋转角):a)通过在方程(20)中插入全行程角和α+max来计算|OSx|max;以及b)将W+加到该值以求得L。
[0103] 现参看图12(a)至12(g),现将针对具有弯曲尖端部60的柱塞元件30提供与几何尺寸相关的各种计算。
[0104] 为了清楚起见,针对图11引用的上述变量再用于图12(a)至12(g),并且使用下列附加变量:
[0105] ω-柱塞元件30和致动器延伸部22之间的接触角。
[0106] 类似于上述,图12(a)和12(b)示出了与开关组件10相关的变量。翻到图12(c),现将提供针对弯曲尖端柱塞元件30的样本力计算。如上,∑Fy=0,ff1=μ1.Fpx,以及ff2=μ2.Fp。然后,对于启动:
[0107] 并且对于释放:
[0108] 而且,
[0109] 因此,对于启动:
[0110] 以及对于释放:
[0111]
[0112] 根据方程(4’),Fpy=FpCosω,因此对于启动:
[0113] Fe=Fp.Cosω(1-μ1.tanω-μ2.tanω)(7’),
[0114] 以及对于释放:Fe=Fp.Cosω(1+μ1.tanω+μ2.tanω)(8’)。现翻到图12(d),KO=h1,XO=h2,KX=h3,以及h1=h2+h3(9’)。还可以看出:
[0115] 以及
[0116] 那么,
[0117] 以及:
[0118] 还可以看出 因此
[0119] 如果力矩臂是m=QJ(12’)以及
[0120] QJ=QX+XJ(13’)对于 以及那么,
[0121] 以及力矩臂能够被定义为:
[0122]
[0123] 现翻 到图 12(e),如 上,∑ Mo=0以 及f2=μ2.Fp,以及 对于 启 动:因 此
而且,对于释放: 因此
[0124] 使用方程(7’)和(16’),对于启动:因 此 然 后, 使 用 方 程
(8’) 和 (17’), 对 于 释 放: 因 此
在这些方程中,m从方程(15’)计算计算出
并且d从方程(11’)计算出。
[0125] 现翻到图12(f),在下面提供针对弯曲的柱塞元件30的样本动态方程。从该附图可看出 由此,当致动器18的旋
转角是α=0时→ω=θ,ux是常数。 而且,
以及
[0126] 现在, 其中
[0127] (R+r)2 = (ux-qx)2+(uy-qy)2,(uy-qy)2 = (R+r)2-(ux-qx)2, 因 此 :接下来,使用方程(21’)、(22’)和(23’)以及将值
插入方程(24’)中,当致动器18的旋转角是α=0时→uy=uy0,H=H0,ΔH=Δuy,因此H=H0+uy-uy0(25’)。
[0128] 为 了 确 定 柱 塞 元 件30 和 致 动 器 延 伸 部 22之 间 的 接 触 角 ω,因此
[0129] 因此,
[0130]
[0131] 以及
[0132]
[0133] 翻到图12(g),如上,与该附图有关的样本计算仅适用于当预加负荷生效时的最初几度旋转。由相对的柱塞元件30获得的力从主柱塞元件30扣除。
[0134] 在图12(g)中可以看出
[0135] 因此:
[0136] 因此,
[0137] 当致动器18的旋转角是
[0138] α=0时→ω=θ,uxUP是常数。
[0139] 接下来, 以及 由此, 这给出
[0140] (R+r)2=(ux-qx)2+(uy-qy)2,(uy-qy)2=(R+r)2-(ux-qx)2,因此[0141]
[0142] 然后,通过将方程(31’)、(32’)和(33’)插入到方程(34’)中,当致动器18的旋转角是α=0时→uy=uyUP0,Hup=H0up,ΔHup=ΔuyUP,
[0143] 以及Hup=H0up+uyUP-uy0UP(35’)。
[0144] 在图13(a)至图13(e)中示出了用于沿一个方向的两阶段启动的用于开关组件10的启动的各种阶段,其中顺序地形成了一对电接触。在这些附图中,第一柱塞元件30和第一延伸部22用实线示出,第二柱塞元件32和第二延伸部24用虚线示出,以示出顺序操作。为了清楚起见,从图13(a)-13(e)的示意图中省略掉了圆顶36,通过替代地提供相应的实线箭头和虚线箭头,以示出圆顶36作用在柱塞元件30、32上的力。图13(a)示出了静止位置或中立位置,在该静止或中立位置中,两个第一柱塞30接触其相应的尖端42,并且提供轻微接合以使柱塞元件30的卡嗒声最小(为了便于说明,仅示出一个柱塞元件30)。静止时的轻微接合通常被称为“预加负荷”。如较早所讨论的以及还如图13(a)所示,第二尖端
52在静止位置不接触第二柱塞元件32,以便提供顺序接合和启动。
[0145] 图13(b)和13(c)示出了第一电接触的启动,即第一圆顶36坍缩以接触在下面的PCB 38。在两阶段启动的第一阶段中,第一柱塞元件30已通过由第一尖端42形成的弧被迫沿向下方向运动,这继而迫使在下面的圆顶36坍缩并且使得用户同时感觉到第一电接触和第一制动。在完成第一阶段时,第二尖端52已接触第二柱塞32的倾斜表面53,如图13(c)最佳可见。
[0146] 图13(d)和13(e)示出了在两阶段启动的第二阶段中启动第二电接触。在第二阶段,第二柱塞元件32已通过由第二尖端52形成的弧迫使沿向下方向运动,这继而迫使在下面的圆顶36(在该实施例中,该在下面的圆顶将与已经坍缩的第一圆顶36横向间隔开)坍缩,并且在第一电连接被保持的同时形成第二电接触。在该阶段,应当向用户提供第二制动。从图13(e)能理解的是,在行程结束时,柱塞元件30、32的几何尺寸以及延伸部尖端42、52的半径给予最优行程距离,以形成可靠的电接触而不会对圆顶36的耐久性造成负面影响。注意到,每个圆顶36通常由e-垫设计员设计,其具有规定圆顶36的最大行程的规格。
例如,用于评估上述原理的合适圆顶36被设计成行进1.4mm以形成电接触并且对于1.9mm的总行程再行进0.5mm达到其极限值。因此,该范围的行程将大于1.4mm且小于1.9mm,并且这些范围会被并入到计算中。在本文所示的实施例中,由于第一圆顶和第二圆顶36的行程相同,因此第一接触和第二接触的总行程将相等。
[0147] 注意到,圆顶行程对于整个开关组件10的可操作性来说是重要的,因为小于最小行程量降低了形成可靠电接触的可能性,而大于最大行程量能够对圆顶36的耐久性造成负面影响,由此圆顶36过早失效。
[0148] 图14(a)至14(c)还示出了用于启动圆顶36的进一步的细节和相应阶段。每个圆顶36均包括被支撑在环形可坍缩构件62的顶上的致动表面60。附接到可坍缩构件62的致动表面60的下侧是上电触点64,该上电触点64在接合下面的下电触点或PCB38(未示出)上的迹线时闭合PCB 38上的电路。在阶段A,由于作用到致动表面60上的力增加,因此圆顶36的机械阻力增加。在阶段B,在行程的该点处,圆顶36移动经过“过崩塌点”,在该“过崩塌点”,机械阻力开始减少并且行进速度增加。然后,在阶段C,通过使上触点64接合PCB 38而建立电接触。注意到,如果圆顶36被迫使进一步坍缩超过该点,那么由于e-垫材料的可压缩性而机械阻力再一次增加。图15示出了用于图14(a)至14(c)所示的圆顶36的力-行程曲线。
[0149] e-垫圆顶36通常用于汽车、通信、计算机以及其他应用中。由此能理解的是,柱塞元件30、32的原理以及顺序操作能够应用到汽车领域以外的领域。注意到,在一些应用中,需要各种型式的相同的开关组件10。例如,相同的开关组件10可被期望用于期望辅助功能的应用中以及其它开关组件可被期望用于不期望辅助功能的应用中。使用本文所述的构造,为了在致动的任一方向上添加或去除辅助功能而需要做的是添加或移除第二柱塞元件32中的一个或两个。这提供了沿相应方向的单个制动或双制动操作的各种组合。例如,图16示出了用于两阶段致动的力-角曲线图,假如使用两个第二柱塞元件32则该两阶段致动可应用于两个方向。图17示出了这样的实施例,其中第一柱塞元件30和第二柱塞元件32被设置用于“向下”方向,且仅第一柱塞元件30被设置用于“向上”方向。图17中的力-角曲线图示出了向下方向在该实施例中具有两个不同的制动,而向上方向仅经历一个制动。图18示出了在使用弹簧而不是e-垫34的实施方式中的触觉响应并且示出了缺少如图16所示经历的峰值。
[0150] 因此,本文所述的构造提供了生产一“族”开关组件10的灵活性,因为能容易地布置成提供1、2、3或4个电气功能。下面表1中列出的组合通过添加或移除如上所述第二柱塞组件32中的一个或两者来实现(使用图5作为向前对比向后的参考)。另选地,通过结合限制器(未示出)以限制致动器沿一个方向或另一方向的运动,能够实现单个、单向组合。
[0151]
[0152] 表1:开关族组合
[0153] 使用上述电气开关组件10,能够与e-垫34的触觉轮廓无关地定制组件10的全部触觉响应,从而消除了改变e-垫34以提供不同触觉轮廓的需要。通过改变柱塞元件30、32以及延伸部22、24的几何尺寸,能够调节用于每个制动的力量以适于具体应用,这使得能够利用这种几何尺寸的变化来实现宽的力范围。此外,能够调节用于每个切换阶段的行程-致动,该行程-致动对应于达到第一制动和第二制动所需的旋转度数。该灵活性具有仅对柱塞元件30、32和致动器18的几何尺寸的变化,与e-垫34无关。这是尤其有利的,因为通常,可用于给定圆顶36的行程和力的范围十分有限。而且,改变e-垫34的特征(诸如,力和行程)通常仅能通过改变整个几何尺寸来实现,这是耗时且昂贵的,且其结果不是完全可预测的,因此需要通过测试来验证。e-垫34的耐久性可受任何这种变化的影响,因此在不合需要的e-垫34的每次改变之后还需要进行完全的耐久性试验。因此,提供改变电气开关组件10的触觉感受而不要这些考虑的能力是相当令人期望的。
[0154] 还利用本文所述的构造来维持圆顶36的耐久性和可靠性,因为图5和6所述的柱塞元件30、32的约束线性运动保护圆顶36免于非轴向操作,该非轴向操作可出现在较早讨论的传统设计中。此外,通过改变部件的几何尺寸(上文所述),能够使圆顶36的行程最优化,以使e-垫34的寿命最大化。用于本文所例示的构造的包装尺寸可制造得相对小。例如,已经发现,图2所示的组件10能够以26mm(L)x23mm(W)x34mm(H)的总尺寸来生产。然而,能够理解的是,可实现甚至更小的包装尺寸。
[0155] 本文所述的部件的最小数量以及电气开关组件10的简易布置能够有助于得到更便宜的产品,该产品能够被更容易地制造同时使得到的制造误差最小。图3所示的构造和组件能够使用低容积/手工环境或高容积/自动环境来制造。
[0156] 不同于其它基于e-垫的开关组件(未示出),本文所示的开关组件10使用部件中力的方向和角度来产生小包装的机械效益,从而增加e-垫34所产生的旋钮上合力,并且使得致动器18具有更大范围的行程,如图13(a)至13(e)所示。力的方向有助于得到更精确的功能,因为柱塞元件30、32使用外导向构件48被侧向加载。因此,仅柱塞30、32的外表面以及壳体20的对应表面需要被控制,以得到横跨大量制造的部件上更佳的性能均匀性。总体而言,更少的尺寸需要被控制以减少不同制造的部件之间的方差(即,制造公差)。
[0157] 虽然已经参考某些具体实施方式描述了上述原理,但是在不偏离本文所附的权利要求的范围的情况下,具体实施方式的各种变形对于本领域技术人员将是显而易见。
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