用于弹性致动设备的负速率开关方法和系统的制作方法

专利名称：用于弹性致动设备的负速率开关方法和系统的制作方法
用于弹性致动设备的负速率开关方法和系统 相关专利申请的交叉引用本专利申请是2003年11月14日向美国专利商标局提交的第 10/710,010号美国专利申请的继续申请，其名称为"负速率扣合动作 (snap-acting)开关装置和方法"，该申请在本文中全文引入作为参考。技术领域实施例总体上涉及机电开关。实施例还涉及恒温器。除此之外， 实施例还涉及能够适用于恒温器的机电开关。，*鮮机电开关用于各种工业、消费和商业应用场合。某些种类的电切 换应用场合需要能够在緩慢施加低致动力的情况下适当工作的机械开 关。这种开关还必需在处理小致动差动时非常可靠，并且生成精确、 可重复的响应。这些要求或许通常源于涉及机电恒温器的应用场合 中，该恒温器用于控制住宅和建筑物中的供暖和供冷，其中标准双金 属条的线圏构成了开关致动元件。许多年来，这种恒温切换功能是由 汞球管开关元件来实现的。由于使用汞会带来环境问题，因此十分期望机电开关最终取代基 于汞的开关。目前在许多国家已经起草并通过了法案，旨在在大多数 消费者应用场合中禁止使用汞，包括美国。因此，必需研发基于非汞 的开关，以取代这种汞型切换机构。为了取代汞切换设备，已经进行了一些尝试，但是这些尝试都不 是非常成功。例如已经设计出一种称作"扣合动作"的开关，来解决 汞球管开关元件带来的环境问题。如本文中使用的术语"扣合动作开 关，，通常是指低致动力开关，其利用内部机构，响应于开关工作元件 从第一位置移动到第二位置，快速地将可移动触点从一个位置移动或 扣合到另一个位置，从而建立或切断该可移动触点与固定触点之间的 电导通，该开关工作元件例如活塞、操纵杆、弹簧等。通常，这些开 关仅需要工作元件的几毫米移动来改变开关的导通状态。
利用恒温器控制的标准24VAC电源能够使这种开关在几安培的电 流水平安全而可靠地工作。然而，当利用诸如恒温器的线圏双金属条 提供的緩慢施加的低致动力致动时，该扣合动作开关偶尔会中止在两 种导通状态之间，或者可能在两种导通状态之间过緩地切换，使得在 进入非导通状态时会出现不可接受的电弧和/或发热。任一种情况都会 引起不可接受的操作可靠性和可预测性。此外，这种开关经常具有不可接受的大差动，这意味着开关致动 到一个状态时工作元件的位置与开关致动到另一个状态时致动元件的 位置完全不同。如果差动过大，则受控空间经历的温度范围也过大。 因此，在恒温型应用场合中使用扣合动作开关不是特别成功。电子恒温器通常是本领域公知的。已经在商业、消费和工业应用 场合中使用的机电恒温器的实例是由Honeywell International公司 ("Honeywell")生产的T87恒温器。S.M.Rev.4國86中版号60-2222-2的出版物《恒温器T87F (Thermostats T87F)》中公开了 T87恒温 器的实例，该文在本文中引入作为参考。S.M.Rev.8-93中版号60-0830-3 的出版物《T87F通用恒温器(T87F Universal Thermostats )》中公开 了 T87F恒温器的另一个实例，该文也在本文中引入作为参考。该T87F 恒温器尤其提供了对住宅供热、供冷或者供热-供冷系统的温度控 制。在Farrey等人于2004年4月13日提交的美国专利第6，720，852号 "利用磁体致动和去致动开关设备的方法和装置(Methods and Apparatus for Actuating and Deactuating a Switching Device Using Magnets)"中，公开了能够用于恒温应用场合的各种形式的开关组件 实例，该专利转让给了 Honeywell International /〉司。本文中引入该美 国专利第6，720，852号作为参考。如今使用的许多恒温器的有效利用过程中遭遇的一个问题是以緩 慢移动的致动器(例如双金属线圏)致动机电开关而不会损害该开关 电子寿命的问题。例如，机械恒温器，例如Honeywell生产的T87恒 温器线，利用双金属线圏作为温度检测设备。在该恒温器的操作中， 该双金属线圈以緩慢的速度少量移动。在切换周期中，当扣合上(snap-over)或接近扣合上时，不使用 双金属线圏而直接致动开关会导致过度耗时。机电开关在接近扣合上 时具有低接触力以及在扣合上时具有零接触力。当该开关接触力低或 为零时，在接触界面上的电阻量增大。随着对经过该开关的电流的电 阻的增大，热量也增加。由于在扣合上点处或者接近扣合上点时携带 电流，机电开关的电子寿命会随时间减少。如果致动力本质上是有弹性的并且在不确定的时间周期略微变化 到切换操作力以下或者略微变化到切换释放力以上，则在切换应用场 合中会出现不可接受的电子切换性能。开关通常设计并适用于监测和/ 或控制属性变化的设备，该属性例如位置、压力、温度、加速度等。在许多这些应用场合中，介于开关机构与受检测的系统属性之间 的检测元件是有弹性的。例如，通过线團双金属弹簧，能够将温度变 化转变为运动。该线團双金属响应于温度变化并且起到力敏感(弹性) 致动器的作用，从而驱动该开关机构。该双金属是有弹性的，原因在于其位置取决于力，反之亦然；然而，非弹性(刚性)致动器不会随 着施加在其上的力变化而改变位置。具有弹性力偏折弹簧负荷率的开关致动器的其它实例包括风箱 (bellow)、布尔登管、膜片、浮子、阻尼器和磁体。固定质量、重力 和非重力加速度也能用于制造具有弹性性质的开关致动器。如果将质 量块附着于开关的外部操纵杆，并且由于重力或者与质量块质心的重 合，该开关、外部操纵杆和所附着的质量块组件围绕不平行于力的轴 旋转，则所生成的、致动该开关的力矩是该开关、外部操纵杆和质量 块组件的旋转角度的函数。一般而言，如果向开关机构施加固定质量块，并且加速，则能够 施加力，该力约等于质量与沿着与加速度方向相反的方向的加速度的 乘积。因为该质量是固定的，所以施加到开关机构上的致动力是加速 度的函数。在所有这些应用场合中，弹性界面响应于致动源(压力、 温度、加速度等)的变化，并且该弹性界面移动，从而驱动开关机构 通过一定行程范围，以接通电路。为了获得可靠的并且可预测的电切换性能，希望保持最大的接触 力，直到致动或去致动点为止。在非扣合开关和绝大部分精确扣合动 作开关中，接触力在活塞自由位置处(活塞完全伸展)和完全超程位 置处(活塞完全压缩)为最大值。当开关机构接近工作点时，接触力 降低到零，该工作点为开关将电状态从常闭(NC)电路变化到常开 (NO)电路的活塞位置。同样，当开关机构接近其释放点时，接触力降低到零，该释放点 为开关将状态从NO电路变回到NC电路的活塞位置。当接触力变化到 零或接近零时，该开关容易受到间歇非接触、触点焊接以及过量发热 和触点腐蚀的影响。此外，在一次连续的运动中， 一旦致动或者去致 动开始，则希望该开关机构从自由位置移动到完全超程位置，反之亦 然。开关机构从自由位置移动到完全超程位置的无间断运动产生了接 近零接触力的最小花费时间，并且在切换操作之间产生了在可移动触 点与固定触点之间最大的相对运动。精确扣合开关通常具有正速率力偏转性能，其通常用于致动力本 质上是弹性的应用场合中。正速率扣合开关的活塞力例如能够随着活 塞从自由位置压缩到工作位置而增大。由于在利用弹性致动器致动正 速率开关时继续活塞运动所需的力增大，所以出现了力平衡。弹性致 动器与正速率开关机构之间的力平衡在弹性致动器响应于所检测的属 性变化时变得不平衡。所检测的属性变化导致由弹性致动器生成的力的增大或减少。通 常所检测的属性变化随时间非常緩慢地变化，就像恒温双金属情况中 那样。这造成开关活塞在长时间周期内以小增量移动；这能够造成电 触点的错误非接触(死中断)、电弧或者焊接。如果弹性致动器与开 关机构力保持平衡，则开关活塞不会移动。如果开关机构处于接触力 非常小的位置，则平衡状态对于电切换性能有害。利用某些正速率开 关，在活塞从完全超程移动到释放点的过程中，该弹性致动器力与开 关机构力能够平衡；从而导致不良的电切换性能。发明内容以下的概述有助于理解本发明特有的某些创新特征，并且无意完 整说明本发明。通过从整体上理解整个说明书、权利要求书、附图和 摘要，能够完整理解本文中公开的实施例的各个方面。因此，本发明的一个方面提供了一种经改进的机电开关。 本发明的另一个方面提供了能够适用于恒温器的经改进的机电开关。本发明的又一个方面提供了一种经改进的负速率开关。
本发明的再一个方面提供了用于弹性致动设备的负速率开关方法 和系统。如本文中所述，能够实现上述的各个方面以及其它目的和优点。 本发明公开了一种用于致动负速率开关的方法和系统。
一般而言，能够提供一种包括活塞(plunger)及其弹性致动器的负速率开关，其中 在自由位置时出现最大活塞力，在完全超程位置出现最小活塞力。该 负速率开关能够配置为当弹性致动器提供弹性致动力以克服与自由位 置相关联的自由位置力时，该活塞不受干扰地移动通过其全部行程范 围，并且当弹性致动力略微降低到与完全超程位置相关联的完全超程 活塞力以下时，该负速率开关克服弹性致动力以将活塞不受干扰地返 回到其自由位置。因此，当弹性致动器与负速率开关的力偏转弹簧负荷率(force-defection spring rate) 适当匹配时，该开关机构和弹性致动器能够无干 扰地从自由位置移动到完全超程位置，反之亦然。利用本文中公开的 负速率开关，在自由位置时出现最大活塞力，并且在完全超程时出现 最小活塞力。当弹性致动力克服了自由位置力时，该负速率开关活塞 无干扰地移动通过其全部行程范围。同样， 一旦该弹性致动力略微降 低到完全超程活塞力之下时，该负速率开关克服弹性致动力，并且使 该活塞无干扰地返回到自由位置。适当配合的弹性致动器和负速率开 关系统是双稳态的，具有与最大NC和NO接触力重合的稳定点。


附图进一步诠释了本发明，并且连同对本发明的详细说明阐述了 本发明的原理，在各个附图中，相同的附图标记表示相同或功能相似 的元件，并且包含在说明书中且构成说明书的一部分。图1示出绘制了其中包含弹性致动特征的正速率开关曲线的曲线图；图2示出绘制了根据优选实施例包含弹性致动的负速率开关曲线 的曲线图；图3示出绘制了根据优选实施例与希望的负速率开关设计相关联 的数据的曲线图；图4示出绘制了与不希望的负速率开关设计相关联的数据的曲线
图5示出绘制了根据优选实施例与活塞力滞后现象相关联的数据 的曲线图；图6示出绘制了根据优选实施例接触力数据对活塞位移数据的曲 线图；图7示出绘制根据优选或可选实施例处于双金属线圏上不同位置的负速率开关的实物电路图；以及图8示出绘制根据优选或可选实施例用于恒温双金属上不同致动 位置的控制带变化数据的曲线图。
具体实施方式
能够改变这些非限定性实例中讨论的特定值和配置，并且引用这 些值和配置仅仅是为了说明至少一个实施例，无意限制这些实施例的 范围。图l示出绘制其中包括弹性致动特征的正速率开关曲线的曲线图100。曲线图IOO总体上示出正速率开关在开关活塞的不同行进位置处施加的力或者在该正速率开关上施加的力。活塞力对活塞行程曲线的形状和行程范围取决于特定开关机构的设计。在曲线图100中，由线 102、 104、 106和108示出当以刚性致动器操纵时，精确扣合动作开关 的典型力偏折曲线，这些线共同构成了单一的数据曲线。刚性致动部 件的实例是粗操纵杆、凸轮、滚轮和插头。许多常规的精确开关设计在开关活塞处具有1亳米或更小的总活 塞行程。对于精确开关而言，在活塞预行程(从自由位置到工作位置 的距离)过程中产生的力通常与活塞行程量成正比。因此，如图1的 曲线图100所示，开关力近似为活塞行程的线性函数。某些不太精确 而且较大的行程范围开关设计(例如达到2.5mm或更大)具有非线性 的活塞力相对于行程的特性，但是对于大多数开关活塞预行程范围而 言仍然表现出正弹簧负荷率。图1的曲线图100中的点A能够用于表示在活塞处存在很小或不 存在力的该开关的自由位置。在开关活塞从点A到工作点(由点B表 示)的预行程过程中，机械能存储在开关机构中。当活塞达到工作点B 时，该开关机构使用一部分所存储的能量使得可移动触点从常闭"扣
合上，，到常开位置。当致动器为刚性设备时，在可移动触点的扣合上过程中，活塞不会从其点B处的位置移动。但是开关活塞施加到致动器上的力在可移 动触点到达常开稳定接触位置之后下降到点C。当开关活塞继而移动 到超程范围内时，活塞力沿着从点C到点D的线增大。在反转活塞行 进方向并且逐渐释放活塞的过程中，从点D到点C回扫相同的线。然而，该路径继续沿着相同方向越过点C到达点E，该点为释放 点。在点E处活塞不再移动，该开关机构利用存储的能量将可移动触 点弹回其最初的常闭位置，并且活塞施加的力从点E增大到点F。当 进一步释放活塞时，活塞力从点F回扫该曲线，返回点A，即自由位 置。曲线ABCD围成的区域表示施加到开关的机械能，DCEFA围成的 区域表示由开关返回到刚性致动设备的能量。区域BCEF表示开关机 构在使可移动触点来回扣合过程中利用的能量。当利用弹性致动设备时，这种设备仅仅改变点C和F的位置。在 以活塞处于点A开始的这种情况下，该弹性致动设备以随着如线AB 所示的行程线性改变的力压缩活塞。在工作点B处，该开关机构扣合 上，但是这次开关活塞移动的原因在于该致动器为弹性的或者非刚性 的，同时开关力改变。并非如刚性致动设备中的活塞那样到达点C， 该活塞到达点C与Cn之间的某个点C，，该点的确切位置是由弹性部件的弹簧属性确定的。尽管将BC，的可能路径表示为图l的曲线图100所示的直线110、 112、 114、 116、 118、 120、 122、 124、 126、 128，但是弹性致动器的 力偏折路径未必就是线性的。然而，为了简化，在图1中将力偏折路 径表示为线性的。其实际形状通常不是很重要，但是点C与Cn之间 的点C，的位置很重要。对于具有弹簧负荷率K (每单位行程的力)的 弹性致动设备而言，通过绘制通过B点的具有斜率-K的直线，能够使 点C，沿着线C-Cn定位。按照类似的方式，释放点E保持不变，但是 在弹性致动器使开关活塞弹回之后，该活塞位于某点F，，而不是点F。 同样为了定位点F，，能够绘制通过点E的具有斜率-K的的直线，直到 其与线AB相交为止。气体填充皱紋膜片、热风箱和线围双金属弹簧是用于将温度变化
转变为致动开关机构以及控制电路所需的力偏折能量的温度反应弹性 致动器的实例。由于这种致动器能够产生的机械能量有限，因此该开 关机构通常需要具有低工作力、低差动行程和低总行程。精确开关设计能够满足低力和低行程的要求，但是也降低了可用 于产生扣合动作的机械能量。"更弱"的扣合的结果是在可移动触点 处获得更少的动能，从而影响静触点击穿任何不同的薄膜，并且形成 良好的电接触。减少开关的力-行程特性以便与温度反应弹性致动器 相连接，也导致触点焊接中断能力差，对振动的抵抗力更小、接触力 小、开关电阻过大、电弧情况不可接受以及在工作和释放位置附近的 间歇电接触。由温度反应弹性致动器产生的用于驱动正速率机械开关的緩慢致 动速率增加了出现不希望的非接触的可能性。非接触是恰好在可移动 触点表面物理接触静触点时发生的一种情况。随着开关活塞緩慢朝工作点B移动，接触力会变得过小，使得在接触界面处产生大电阻，并且开关不再能够传导足够的电流以致动被控设备。由于点B处的低开关活塞速度、扣合上开始以及扣合之后，也会 产生非接触，其中可移动触点开始与常闭静触点断开。可移动触点的 移动在其过渡到非导电状态下的常开静触点过程中实际上会停止一段 时间。无论非接触条件的原因如何，活塞行程的距离称作死中断，在 该活塞行程过程中发生非导电情况。过大的死中断就像较大的差动行 程(活塞从工作位置行进到释放位置) 一样，使开关能够控制的差动 压强或温度范围增大。开关工作和释放点的不准确度增大以及可重复 性降低也是由于死中断过大造成的。图2示出绘制根据优选实施例其中包含弹性致动的负速率开关曲 线的曲线图200。注意，本文中公开的实施例通常描述了采用具有弹性致动器部件的负速率开关来克服与利用正速率开关相关联的电接触性 能问题的方法和系统。此处表示的图2的曲线图200用于说明弹性致 动器部件和负速率开关如何能够共同用于控制设备。2003年11月14 日向美国专利商标局提交的美国专利申请No.10/710，010中公开了能够应用本文中所述实施例的负速率开关的实例，该申请的名称是"负速 率扣合动作开关装置和方法(Negative Rate Snap-Acting SwitchApparatus and Method )，，。
如图2的曲线图200所示，点A能够用于表示开关活塞的自由位 置。自由位置处的开关力目前处于任意活塞行程位置的最大值处。对 于负速率开关而言，活塞力随着活塞行进到工作点B而沿着线AB降 低。从点B开始，在可移动触点扣合上过程中活塞力突然下降到点C， 并且在如线CD所示的超程过程中继续下降。当开关活塞从全部超程点 D緩慢释放时，活塞力沿着曲线DCEFA返回。总之，负速率开关的力 偏折斜率的符号(+或-)恰好与正速率开关的力偏折斜率的符号相反。 曲线图200中的线202通常表示工作中的弹性弹簧负荷率，而线204 示出释放时的弹性弹簧负荷率。线206示出构成理想扣合开关力偏折 曲线的数据。将图2的曲线图200中表示的实线202、 204和208理想化为线性 的并且平行的曲线，以表示弹性致动部件在不同压力或温度下的力偏 折特性。将弹性部件的环境压力或温度力偏折表示为(PO， TO)或者 线208。如果存在开关活塞并且其与弹性部件相连接，则该弹性部件产 生的力不够大，以克服点A处开关的较大自由位置活塞力。如果去除 阻挡弹性部件的开关活塞，则该弹性部件将沿着(PO, TO)曲线208 移动，直到其力降低到O为止。如图2的曲线图200所示，弹性致动器产生的力必须提高到(P2， T2)曲线，以克服自由位置点A处的开关活塞力。点l表示弹性部件 产生的力，并且其仅略大于点A处的开关活塞力。 一旦弹性部件迫使 开关活塞开始移动，则它们共同移动，而不会停止，直到该开关活塞 移动通过其总行程范围到达物理终点为止。这时，弹性部件力已经降 低到点2。开关活塞力在点D处终止。正在被从点A驱动到点D的开 关活塞快速移动通过工作点B，在该点处开关的导电状态改变。当开关在点B处工作时，其可能已经关闭了电加热器，该加热器 已经加热了房间并且提高了该房间的温度。随着环境温度继而冷却， 该弹性致动器通过降低其在开关活塞上产生的力作出反应。 一旦弹性 力水平降低到点3，点D处的开关活塞力目前略大于弹性驱动部件的力。在由线204表示的(Pl， Tl)曲线处，该弹性致动器不再能够产 生足够的力来保持开关活塞压缩。来自开关活塞的力将弹性部件推回 点4，同时活塞返回到点A处的自由位置。同样，开关机构快速移动
通过释放点E，在该位置可移动触点弹回常闭位置。继而该电加热器再次接通，开始加热。加热使得弹性致动器开始对点1施加力，并且控制循环再次开始。如果使用正速率开关，该弹性致动器总处于操纵或释放开关活塞的力的控制下。该弹性致动器生成逐渐增大的力，以逐渐移动该活塞通过工作点，该开关改变电状态，并且致动器力继而逐渐降低，活塞继续沿原路返回通过释放点，并且改变回到先前的电状态。根据控制设定，正速率开关的活塞移动总范围在某些压力或温度控制应用场合中可以是最小的。弹性致动器通常将正速率开关的总活塞行程限制为在由图l的曲线图IOO表示的封闭路径BC，EF，表示的开关工作和释放位置附近来回循环。当将负速率开关与弹性致动器组合起来控制压力或温度时，开关 机构和弹性致动器依次驱动开关活塞的工作和释放冲程。在沿着活塞力曲线ABCD操纵开关的过程中，弹性致动器具有较大的力(即从图2的曲线200中的点1到点2的线202)，并主要将开关活塞快速从点A驱动到点D。在工作冲程上的快速活塞迁移过程中，开关在点B处工作，导电状态改变并且改变了压力或温度致动源。接着，弹性致动器能够通过降低其生成的力量，最终下降到点3，来对压力或温度的变化作出反应。如果点D处的开关活塞力目前比点3处的弹性致动器力略高，则负速率开关成为主要力源来驱动弹性致动器返回点4，而开关活塞沿着曲线DEFA移动，通过释放点E，并且再次改变导电状态。总之，弹性部件在工作冲程下先前推开关活塞，并 且开关活塞在释放或返回冲程下向后推弹性部件。在控制周期过程 中，该弹性部件和扣合开关依次来回相互推动。注意，尽管为了说明本文中所述实施例公开的负速率开关方法而 描述了温度和压力致动源，但是相同的控制方法也能够用于本质上是 弹性的任何致动力。关于双稳定模式，重要的是要注意，当可以迫使正速率开关活塞 进入围绕图1的曲线图100中的封闭路径BC，EF，緩慢移动的情况时， 图2的曲线图200所示的负速率开关的活塞移动在自由位置点A与全 超程位置点D之间较快。该负速率开关和弹性致动部件设计成用作双 稳定组件，从而在开关行程的任一端获得稳定位置，而对于在两端之 间的所有其它活塞行进位置都是不稳定的。
如早先关于正速率开关所述的，弹性致动器力偏折曲线的实际形状或者从点B到点C，的弹簧负荷率K通常是不重要的。然而，对于弹 性驱动的负速率开关而言，弹性致动器与扣合开关弹簧负荷率之间的 形状和差别是相当重要的。如图2的曲线图200所示，负荷率差越大 (线1-2与A-B或者线3-4与D-E之间)，开关活塞移动和动作越快并且越干净利落。
如果弹性部件和扣合开关的弹簧负荷率(斜率)过于接近，也就 是说，如果线1-2与A-B或者线3-4与D-E接近重合，则该开关活塞 将按照更加緩慢并且有些"粘滞"的方式移动，而不是所希望的快速 而干净利落的动作。此外，如果弹性致动器的线l-2的斜率或弹簧负荷 率变得比负速率开关的线A-B的斜率更陡，则该弹性致动器使开关活 塞緩慢通过工作冲程，这与利用正速率弹回开关时该弹性致动器的动 作相同。总之，利用负速率开关时弹簧负荷率的形状和差别是重要的。 当利用正速率开关时，弹簧负荷率的形状和差别不太重要，这是因为 弹性致动器总能够在开关的工作和释放冲程上使活塞通过其行程。
如先前所示，点C与Cn之间的点C，的位置相当重要。实际上， 点C，与F，之间的距离表示确保最重要的导电状态的切换所需的差动活 塞行程。对于弹性驱动正速率开关方法而言，该差动活塞行程越宽， 差动控制范围变得越大。对于弹性驱动负速率开关概念而言，差动行 程的量术重要。然而，从点B到C的力下降的量成为负速率开关设计 中实际关心的问题。对于该开关而言，在工作位置处从点B到C和在释放位置处从点 E到F的较大力变化需要弹性致动器力曲线(即从点1到2的线202 和从点3到4的线204)之间存在距离，从而提高并且由此扩大该设备 的差动控制能力超过所希望的程度。图3和4示出具有从点B到点C 的最小力下降的负速率开关曲线的优选设计与不希望的具有从点B到 点C的实际较大下降的负速率开关设计的另一设计曲线的比较。图3 示出根据优选实施例的与希望的负速率开关设计相关的数据的曲线图 300。在图3中，线302表示从点1到2的(P2， T2)数据，而线304 表示从点3到4的(P1， Tl)数据。线302表示工作中的弹性弹簧负 荷率。线304表示释放时的弹性弹簧负荷率。线306表示扣合开关数
据。图3中还示出在活塞行程的释放位置与工作位置之间的差动行程 数据312。曲线图300中还由点B与C之间的线310示出力的下降。另一方面，图4示出与不希望的负速率开关设计相关的数据的曲 线图400。在曲线图400中，示出线402，其表示从点1到2的(P2， T2)。线402表示代表工作时的弹性弹簧负荷率的数据。线404表示 从点3到4的(P1， Tl)数据，而曲线图400中还示出释放位置与工 作位置之间的差动行程数据410。线404表示释放时的弹性弹簧负荷 率。图4中还示出扣合开关曲线406。曲线图400中还由点B与C之 间的线412示出力的下降。图5示出根据优选实施例的与活塞力滞后现象有关的数据的曲线 图500。开关机构内的任意内部摩擦能够造成曲线图500的工作曲线 AB与释放曲线FA之间或者线CD与DE之间的力滞后或者力变化。 图5的曲线图500表示可能由于开关机构中的可移动组件的滑动和旋 转表面之间的摩擦以及位移产生的活塞力滞后的实例。工作冲程与释 放冲程之间活塞力曲线的分离提高了正常工作所需的弹性致动器力曲 线(即图5的从点1到2的曲线或线以及从点3到4的曲线或线504) 之间的距离，并且扩大了该设备的差动控制能力。在曲线图500中， 线502表示工作中的弹性弹簧负荷率，而线504表示释放时的弹性弹 簧负荷率。对于限制弹性驱动负速率开关的从点B到C的力下降振幅和活塞 力滞后的需要，取代了对于限制弹性驱动正速率开关的差动行程和死 中断(dead-break)的量的需要。对于不熟悉弹性驱动开关机构设计的 人来说，似乎用一些问题替换另一些问题实际上没有得到什么。然而， 试图克服与弹性驱动正速率开关方法相关的死中断相对于使弹性驱动 负速率开关的活塞力滞后最小化而言是个更加艰难的挑战。这是因为 死中断在涉及低活塞速度的应用场合中最明显，这是许多弹性驱动正 速率开关控制应用场合的固有特性。曲线图500中由线510与512之间 的间隙508表示由于摩擦造成的活塞力滞后。为了增加利用弹性驱动正速率开关方法的活塞速度，设计者必须 注意附加的能量源，例如巻起的弹簧、继电器或者与磁铁极靴相组合 的永磁体，使其包含在控制组件中。为了使活塞力滞后最小化，减少 负速率开关机构内和致动器界面处的机械摩擦的来源对于设计者而言 是个非常容易实现的任务。与弹性驱动正速率开关相比，适当设计的弹性致动器和负速率开关组件的其它优点是1) 快速动作、双稳定切换动作2) 开关机构的更大可能的活塞行程范围3 ) 可移动接触平移(滑动)增大以去除触点杂质4) 由于切换致动更快，更不容易在接触界面处形成焊接5) 由于可移动触点滚动和滑动动作更大，接触焊接断开能力更好6) 对开关工作和释放位置附近的机械振动的抵抗力提高7) 触点电阻更小并且更稳定8) 在接触界面处更不容易产生电弧9) 消除了死中断，即该开关工作和释放位置附近的不确定电非 接触的时间不再是个问题10) 切换性能提高的鲁棒设计(切换点的准确度和可重复性更 好)。图6示出绘制根据优选实施例的接触力数据相对于活塞位移数据 的曲线图600。曲线图600示出典型的接触力相对于活塞力行程的曲 线，其代表正或负比率开关。对于弹性驱动正速率开关而言，随着活 塞朝工作或扣合上位置移动，接触力在点B处緩慢降低到零。 一旦该 开关已经工作，可移动接触力变为负值，以表示其与常开静触点相连 接。在曲线图600中，线602表示点A与B之间的数据，而线604表 示点E与点D之间的数据。线606表示点F与E之间的数据，线608 表示点B与C之间的数据。为了使正速率开关释放并且将可移动触点转变回常闭静接触，使 该开关活塞緩慢移动回释放位置(点E)，并且该可移动接触力再次 緩慢降低到0。正速率开关的可移动触点通过零接触力区域的緩慢漂移 动作导致了不确定的电非接触、高接触阻抗、电弧、焊接等等。对于刚性致动器驱动的负速率开关而言，根据开关特性的标准定 义，该开关的工作力和位置位于点B，该位置的接触力变为零。然而， 一旦适当设计的弹性致动器产生足够的力超过稳定自由位置点A处的 负速率开关活塞力，则将开关活塞快速驱动到稳定的完全超程位置， 同时活塞力也降低。利用弹性致动器，有意义的开关操作力和位置与自由位置点A真正重合，同样，有意义的开关释放力和位置与完全超 程位置点D重合，而不是与标准限定的释放点E重合。介绍另一种方式，如果是弹性驱动负速率开关，工作位置B和释 放点E目前向外移动到自由位置点A和超程位置点D，如果是弹性驱 动正速率开关，在该工作位置B和释放点E处，零接触力可能在短时 间内出现。在稳定活塞行进位置点A和D处，在负速率开关突然扣合 上或弹回之前保持适当的接触力量。在负速率开关的工作或释放冲程 之前保持这种较高水平的接触力，有助于克服利用正速率开关时所述 的电接触性能问题。图7示出绘制了根据优选或可选实施例由围绕中心点718的双金 属线圈702上不同位置701、 703的开关部分706、 708构成的负速率开 关的实物电路图。位置701位于与中心点718的距离714或A处，而 位置703位于与中心点718的距离716或B处。图8示出绘制了根据优选或可选实施例的用于恒温双金属上不同 致动位置的控制带变化数据的曲线图800。在曲线图800中，线802表 示T1时点B处的双金属弹簧负荷率。线804表示T1时点A处的双金 属弹簧负荷率。线806表示理想扣合开关力偏折曲线，而线810表示 T2时点A处的双金属弹簧负荷率。此外，线808表示T2时点B处的 双金属弹簧负荷率。此外，附图标记812代表点A处的控制带，而附 图标记814表示点B处的控制带。一般而言，通过改变负速率开关相对于弹性致动器的位置，能够 调整针对弹性致动设备的负速率开关方法的控制带。例如，在机械恒 温应用场合中，移动双金属线團上的接触点能够改变双金属线圏相对 于开关的有效力偏折弹簧负荷率。通过将双金属上的致动点从位置A 移动到B(即参见图7)，该双金属的有效弹簧负荷率降低并且控制带 增大(即参照图8)。这种调整控制带的方法能够在开关或致动器的材 料或尺寸不发生变化的情况下实现。根据前面的内容，能够理解，本文中所述的实施例通常涉及包括 活塞和弹性致动器的负速率开关，其中在自由位置出现最大活塞力， 以及在完全超程位置出现最小活塞力。该负速率开关能够配置为当弹 性致动器提供弹性致动力以克服与自由位置相关的自由位置力时，该
活塞在无干扰的情况下移动通过其总行程范围，并且当弹性致动力略 微降低到与完全超程位置相关的完全超程活塞力以下时，该负速率开 关克服弹性致动力，从而将活塞在无干扰的情况下返回到其自由位 置。本文中所述的实施例能够用于多种切换应用场合，例如加速度、 浮力、气流、温度控制、压力控制等等。例如，加速度致动是机电切 换应用场合中经常遇到的领域。有时，设备制造商利用机电开关检测 其装置中的"不平衡"情况，例如洗衣机和干衣机。由于重视节水和能耗，这些设备以比几年前高得多的RPM旋转负载。此外，目前更普 遍的是在住宅的第一层和第二层中摆放洗衣机和干衣机-不再将它们 放置在水泥地板的地下室中。如果RPM和更大并且地板弹性更好，则 不平衡的情况更加引人关注。因此，本文中的实施例可以找到在这些 应用场合中的理想应用。根据前面的内容，能够理解，能够实现一种系统，其能够包括负 速率开关、外部控制杆以及质量，以便控制旋转角度。这种系统潜在 地发现了在盖子具有安全互锁的设备中的应用，该互锁根据盖子的角 度位置去致动/致动该设备。当盖子开口为零(关闭)或者低于特定距 离时，必须致动该设备，并且当盖子开口超过某个距离时，必须使该 设备去致动。这种设备的一个好例子是洗衣机。能够将盖子的较小角 度移动用于控制该设备的工作。总体而言，大多数设备的盖子或者门的互锁利用某些类型的位置 致动。也就是说，利用与盖子相连的探测器能够物理致动该互锁开关。 这种结构通常需要与该设备的移动盖子相连的敏锐探测器，以及穿过 该设备外壳的孔。该孔和探测器方法产生了通常容易故障并且难以保 持清洁的设备互锁系统。大胆的小孩，例如想观察洗衣机的缸旋转的小孩可能会探索粘在 该设备外壳中的孔中的物品，以便致动互锁开关。尽管这是一种明显 的产品误用，但是仍然使该设备以不安全的状态运行。因为孔和探测 器方法需要穿过该设备外壳的孔，所以清洁设备的外观令人心烦。该互锁孔通常难以接近，因此难以保持清洁。利用包括负速率开 关、外部操纵杆和质量的系统，能够将整个设备包含在该设备外壳之 下。 一种能够使负速率开关方法类型的互锁致动或去致动的输入的实
例是致动力矩的变化。利用负速率开关的角度位置、外部操纵杆和质 量系统能够确定致动力矩。该负速率开关方法类型的互锁本质上是防 窜改的，并且不需要任何穿过该设备外壳的孔，并且不需要与该设备 盖子相连的任何敏锐或特定形状的探测器。可以理解，可以根据需要将上述的以及其它特征和功能的变化或 其可选方式结合到许多其它不同的系统或设备中。而且可以理解，本 领域技术人员可以进行各种目前还未预知或还未预见的可选方式、修 改、变形或改进，均也包含在所附权利要求的范围之内。
权利要求
1.一种用于致动负速率开关的方法，包括以下步骤提供负速率开关，包括活塞及其弹性致动器，其中在自由位置处出现最大活塞力以及在全超程位置处出现最小活塞力；以及配置所述负速率开关，使得当所述弹性致动器提供弹性致动力以克服与所述自由位置相关联的自由位置力时，所述活塞在无干扰的情况下移动通过其总行程范围，并且当所述弹性致动力略微下降到与所述全超程位置相关联的全超程活塞力以下时，所述负速率开关克服所述弹性致动力，以使所述活塞在无干扰的情况下返回到其所述自由位置。
2. 根据权利要求l所述的方法，进一步包括以下步骤，使所述弹 性致动器与所述负速率开关适当配合，以便允许所述负速率开关按照 双稳定的方式工作，该方式包括多个稳定点。
3. 根据权利要求2所述的方法，其中在压力控制活动下使所述弹 性致动器与所述负速率开关配合。
4. 根据权利要求2所述的方法，其中在温度控制活动下使所述弹 性致动器与所述负速率开关配合。
5. 根据权利要求2所述的方法，其中在加速度控制活动下使所述 弹性致动器与所述负速率开关配合。
6. 根据权利要求2所述的方法，其中在气流控制活动下使所述弹 性致动器与所述负速率开关配合。
7. 根据权利要求2所述的方法，其中在浮力控制活动下使所述弹 性致动器与所述负速率开关配合。
8. 根据权利要求l所述的方法，进一步包括使所述负速率开关适 用于恒温器的步骤。
9. 根据权利要求8所述的方法，其中所述恒温器包括至少一个恒 温双金属组件。
10. 根据权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤，配置所 述负速率开关，使得所述弹性致动器在工作冲程下向前推所述活塞， 并且所述活塞在释放冲程或返回冲程启动时向后推所述弹性致动器。
11. 一种致动负速率开关的方法，包括以下步骤 提供负速率开关，包括活塞及其弹性致动器，其中在自由位置处出现最大活塞力以及在全超程位置处出现最小活塞力；以及配置所述负速率开关，使得当所述弹性致动器提供弹性致动力以 克服与所述自由位置相关联的自由位置力时，所述活塞在无干扰的情 况下移动通过其总行程范围，并且当所述弹性致动力略微下降到与所 述全超程位置相关联的全超程活塞力以下时，所述负速率开关克服所 述弹性致动力以使所述活塞在无干扰的情况下返回到其所述自由位置；使所述弹性致动器与所述负速率开关适当配合，以便允许所述负 速率开关按照双稳定的方式工作，该方式包括多个稳定点；以及配置所述负速率开关，使得所述弹性致动器在工作冲程下向前推 所述活塞，并且所述活塞在释放冲程或返回冲程启动时向后推所述弹 性致动器。
12. 根据权利要求ll所述的方法，进一步包括以下步骤，使所述 负速率开关适用于恒温器，其中所述恒温器包括至少一个恒温双金属 组件。
13. —种用于致动负速率开关的系统，包括负速率开关，包括活塞及其弹性致动器，其中在自由位置处出现 最大活塞力以及在全超程位置处出现最小活塞力；以及其中当所述弹性致动器提供弹性致动力以克服与所述自由位置相 关联的自由位置力时，所述活塞在无干扰的情况下移动通过其总行程 范围，并且当所述弹性致动力略微下降到与所述全超程位置相关联的 全超程活塞力以下时，所述负速率开关克服所述弹性致动力以使所述 活塞在无干扰的情况下返回到其所述自由位置。
14. 根据权利要求13所述的系统，其中所述弹性致动器与所述负 速率开关适当配合，以便允许所述负速率开关按照双稳定方式工作， 该方式包括多个稳定点。
15. 根据权利要求14所述的系统，其中在压力控制活动下使所述 弹性致动器与所述负速率开关配合。
16. 根据权利要求14所述的系统，其中在温度控制活动下使所述 弹性致动器与所述负速率开关配合。
17. 根据权利要求14所述的系统，其中在加速度控制活动下使所 述弹性致动器与所述负速率开关配合。
18. 根据权利要求14所述的系统，其中在气流控制活动下使所述 弹性致动器与所述负速率开关配合。
19. 根据权利要求14所述的系统，其中在浮力控制活动下使所述 弹性致动器与所述负速率开关配合。
20. 根据权利要求13所述的系统，其中所述负速率开关适用于恒'、曰嬰
21. 根据权利要求17所述的系统，其中所述恒温器包括至少一个 恒温双金属组件。
22. 根据权利要求13所述的系统，其中所述弹性致动器在工作冲 程下向前推所述活塞，并且所述活塞在释放冲程或返回冲程启动时向 后推所述弹性致动器。
23. 根据权利要求13所述的系统，其中与所述负速率开关相关联 的控制带是可通过改变所述负速率开关相对于所述弹性致动器的位置 或者通过改变所述弹性致动器相对于所述负速率开关的位置来调整。
全文摘要
本发明公开了一种用于致动负速率开关的方法和系统。能够提供了一种负速率开关，包括活塞及其弹性致动器，其中在自由位置处出现最大活塞力以及在全超程位置处出现最小活塞力。能够配置该负速率开关，使得当所述弹性致动器提供弹性致动力以克服与所述自由位置相关联的自由位置力时，所述活塞在无干扰的情况下移动通过其总行程范围，并且当所述弹性致动力略微下降到与所述全超程位置相关联的全超程活塞力以下时，所述负速率开关克服所述弹性致动力以使所述活塞在无干扰的情况下返回到其自由位置。
文档编号H01H13/26GK101116162SQ200580047886
公开日2008年1月30日 申请日期2005年12月9日 优先权日2004年12月9日
发明者E·L·斯特恩, M·G·马基尼 申请人:霍尼韦尔国际公司