专利名称：带有集成电路板的锁定装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及锁定装置，这些锁定装置带有集成电子元件，如执行器、开关及传感器。更具体地说，本发明涉及锁定装置，这些锁定装置具有集成印刷电路板，该集成印刷电路板带有在电路板上安装的电子元件，这些电子元件与锁定装置的机械元件相互作用。
背景技术：
在过去二十年，在锁定装置中的接近控制技术已经迅速地从传统机械键锁系统和机械致动转移到数字监视和电子致动。将现有机械锁“电气化”的基本方法是，将各个检测开关和执行器安装在锁定装置内，然后对分散的布线确定路线，使它们从开关和执行器通过锁定器，并且向外到达外部线束或连接器。这种手段存在诸多缺点，这些缺点包括在大体积的机械构造与小体积的“电气化”构造之间的显著元件设计差别(按增大成本产生的)；和当将开关、执行器以及导线线束包装在现有机械锁定装置内时，施加的性能限制。
发明内容
本发明允许现有机械锁定装置的“电气化”，而没有显著的对于机械的重新设计、 困难的导线确定路线(wire routing)以及开关或执行器定位的限制。将具有非矩形边界的印刷电路板专门地成形为配合到机构锁上或机械锁内。电路板被专门地成形，并且将电子元件安装在其上，以便满足多种要求。第一种要求是，电路板不干涉锁定装置的机械元件的运动。另一种要求是，电路板配合在由在门(该门用来接纳锁定装置)中和/或在锁定装置本身内的开口施加的极限内。这可以通过将电路板安装在锁定装置内或者通过将它安装成与其外部密切接触而实现。又一种要求是，电路板必须成形为，将传感器、电机或其它执行器带到靠近在锁定装置中的对应运动元件。传感器、电机、执行器及关联电子元件优选地安装在电路板上。电路板然后安装在锁定装置上或锁定装置中。电路板的形状(该电路板的形状与其上的传感器或电机的位置相匹配)，保证了当安装电路板时，将传感器、执行器及/或电机相对于它们的关联锁元件全部迅速而又准确地定位。最后一种要求是，电路板必须成形为，为电子元件提供布线。电子元件可以是传感器、电机、执行器、电力连接器及/或用于关联电子装置的其它连接器。在优选设计中，将至少一个非接触式传感器，如磁操作笛簧开关或霍尔效应传感器，直接安装到电路板上，并且将电路板成形为，将传感器带到与待被监视的运动元件紧相邻。优选地，待被监视的运动元件设有磁体，该磁体产生磁场，该磁场由笛簧开关或霍尔效应传感器检测。为了满足对于电路板的多种要求，电路板优选地具有凹进边界，该凹进边界允许它绕至少一个或更多个锁定装置元件包覆。电路板的凹进形状限定在电路板的边界中的一个或更多个凹进区域或凹口。电路板也可以具有一个或更多个突起，这些突起从电路板的边界向外延伸。如这里使用的那样，如果对于在物体的边界内的每对点，在连接这对点的直线线段上的每个点也在物体内，则物体具有“凸出”形状。如果物体不是凸出的，则物体具有“凹进”形状。例如，矩形、圆形及椭圆形边界电路板具有凸出形状。具有呈月牙形式或星形形式的边界具有凹进形状。电路板可以具有形成其边界的一个或更多个外边缘，这些外边缘与锁定装置的形状相对应。电路板的一个或更多个其它边缘限定凹进区域、凹口或向外突起，以携带电子元件和/或布线，同时避免与运动锁元件或用于锁的安装的干涉。这些专门地成形的凹进电路板优选地通过对板的边界进行靠模铣切(routing)从而与锁机构(这些电路板将安装到该锁机构上)的形状相匹配而形成。通过将电路板专门地成形，现有机械锁定装置可借助于很小修改而得以电气化。 设计者可以高效地实施精确的检测、致动、及电气连接性。因而根据本发明的锁定装置包括电路板，该电路板直接连结到锁定装置上，具有以上所描述的形状，以满足施加的各种要求。一个或更多个传感器(优选为非接触式传感器)安装在电路板上，在允许每个传感器靠近对应运动锁元件的位置中。当将电路板安装到锁定装置的外部时，对应开口形成在与待被检测的运动元件相邻的锁定装置的外壳中， 并且传感器延伸到这个开口中、与运动元件密切接近。在一种优选设计中，锁定装置是钻孔锁(也称作“圆柱形锁”)，该钻孔锁具有圆柱形外表面，该圆柱形外表面配合在门中的相应的圆柱形锁开口内。电路板安装到锁的外表面上，并且电路板的边界包括外边缘，该外边缘与锁的圆柱形外表面相对应。在这种设计中，电路板的边界具有凹进形状，该凹进形状部分地绕锁定装置的中心轴线包覆。电路板也包括一个或更多个突起，这些突起用来安装传感器。一旦PCB设计成组件，传感器(优选为非接触式的)就定位在需要被监视的机械元件附近。典型地，机械元件的位置被监视，以便探测何时门已经打开，或者何时锁定装置已经运动到锁定位置中或锁定位置外，等等。如果利用非接触式传感器(例如，霍尔效应或笛簧传感器)，则机械元件可以具有嵌在其内的小磁体。可以利用另外的传感器，这些传感器不要求用于触发的磁体(例如，Magnasphere或机械微动开关)。执行器也直接连接到PCB上，并且定位成与PCB紧邻。执行器可以直接安装到PCB 上，或者它可以连接到连接器上，该连接器安装在电路板上。用于锁定装置的典型执行器包括有刷直流电机和螺线管；但步进电机、形状记忆执行器以及压电式电机可以可选择地实施。如果要求增大电流(典型地对于螺线管锁)，则迹线可以穿过中间PCB层而被定路线， 或者板可以共形涂敷，以保护外部电路(典型的)。PCB设计也允许将复杂的电路集成为单个组件(如与可布线成线束的东西相对)。 由于对于关于机械产品的模块式构造将整个电气组件布置成外部源(outsource)的能力， 存在着成本优点。如果要求小的外形，则可利用挠曲电路代替PCB，但由于这种解决方案将添加成本，不是优选的。本发明允许多个元件安装在锁定装置内的单块印刷电路板上，这些元件包括但不限于检测、致动、电路定路线、连接性、信号调谐(例如，交流整流)、通信、逻辑控制、微处理、发信号(例如，LED)、及对于外部电路的标准化连接。关于这种设计，嵌入式无线电路或蜂窝电路也是可能的(可能需要外部天线)。在本发明的一个方面，锁定装置包括锁机构和电路板，该锁机构具有待被监视的运动锁元件，该电路板具有非矩形边界，安装到锁机构上。非矩形边界成形为用以将电路板配合到锁机构上。当将电路板安装到锁机构上时，电路板的元件安装表面位于运动锁元件附近，并且至少一个传感器被安装到电路板的元件安装表面上，使得传感器被布置成与运动锁元件相邻。电路板的边界优选地是凹进的，并且部分地围绕运动锁元件。在一个实施例中，运动锁元件是由手柄转动的主轴，并且电路板的凹进边界部分地围绕轴承，主轴穿过该轴承。在另一个方面，电路板包括一个或更多个向外突起，并且传感器安装在其上。传感器优选地是非接触式传感器，如磁操作笛簧开关或霍尔效应传感器。电路板优选地通过靠模铣切而成形，以使电路板的形状与可得到的最大空间以及与锁定装置的内部或外部形状相对应。在另一个方面，电路板具有连接器，该连接器具有多个连接点，这些连接点限定至少两个不同组的连接点。连接器可连接到至少两个不同布线线束上，如对于电机或螺线管， 并且依据连接的布线线束制成不同连接。在相关方面，电路板设有全波整流器，以当连接交流电力时，将直流电力提供给螺线管执行器。在又一个方面，电路板包括一个或更多个安装开口、和印刷电路布线，该印刷电路布线与这些安装开口合作，以进行对于锁定装置的电气连接。
图1是从左上方得到的根据本发明的钻孔锁的立体图。图2是从图1的左侧看到的在图1中的钻孔锁的正视图。图3和4表示在图1中看到的钻孔锁的相同立体图，不同之处在于，轴承套在图3 中已被取下，以更好地示出电路板、传感器及电子装置。从图3取下的轴承套在图4中(按减小比例)单独地示出。图5是在图1中看到的电路板的立体图。电路板在它已经在图1中的钻孔锁取出之后被独立地示出。图6是在图5中看到的电路板的正视图。图7和8是在图5和6中看到的电路板的前和后表面的正视图，不同之处在于，全部元件已被去掉，并且只示出了在电路板上的印刷布线。图9是在图5和6的电路板上的电路的电路图。上部部分表示在与图5、6及7相对应的前表面上的电路，而图9的下部部分表示在与图8相对应的电路板的后侧上的接地电路。
具体实施例方式在描述本发明的优选实施例时，这里将参照附图的图1-9，在附图中，类似的附图标记指代本发明的类似特征。尽管下面的描述涉及一种具有圆柱形外表面的钻孔锁设计，其中，电路板安装到锁的外部，但本发明也适用于其它锁机构，如插锁，并且电路板也可以安装到锁的内部。
在图1-8中所示的设计中，印刷电路板(PCB) 20连结到机械锁22上，并且部分地嵌在机械锁22中。电路板20的经靠模铣切的(routed)外形以及厚度被设计成使得机械元件的修改最小化，避免在组件内的运动部分，并保证任何所需的传感器或执行器的最佳定位。电路板20的边界包括外部弯曲边缘M，该外部弯曲边缘M匹配锁20的弯曲外部圆柱形表面26。向内弯曲边缘观(见图幻容纳轴承30 (见图4)，主轴32穿过该轴承30。 主轴32是常规的，并且具有连结到其上的手柄(未示出)。电路板20也包括突起34，该突起34具有安装在其上的传感器36。传感器36优选地是非接触式传感器，并且在所示的设计中，它是磁操作笛簧开关。笛簧开关36由磁体 38操作，该磁体38安装在主轴32中。这可最好地在图4中看到，其中，轴承30已被取下， 以示出磁体38和传感器36的相对位置。图4示出已经从图3取下的轴承30。轴承30基本上与在这种锁的原始、非电气化样式中使用的轴承相同，不同之处在于，已经将凹槽40切到它中，以接纳来自电路板的突起34和传感器36。当磁体38转动成与传感器36相邻时，凹槽40暴露磁体38。凹槽40 允许传感器安装在磁体38的千分之几英寸内。优选地，磁体38是小圆柱形磁体，该小圆柱形磁体被插入到在被监视的运动元件中的钻削开口中。磁体38具有比钻削开口的直径稍小的直径(该钻削开口接纳磁体38)， 并且插入到开口中，使磁体的圆柱轴线沿钻削开口的圆柱轴线定位。磁体38被插入到开口中，直到磁体的上表面与运动元件的表面平齐，或者仅仅略微突出。这允许磁体38添加到在锁定装置中的基本上任何运动机械元件上，而不干涉其运动。凹槽40也提供对于突起34的支撑，因为突起接合凹槽，并且被拘限在其中。电路板20用三个安装螺钉48、50及52 (见图3)牢固地安装到轴承30上，这三个安装螺钉48、 50及52穿过在电路板中的安装孔M、56及58(见图5)延伸，并且拧到在轴承中的三个对应连结孔42、44及46(见图4)中。除传感器36之外，电路板包括全波桥式整流器60、插座连接器62，该插座连接器 62用来接纳插头连接器64，该插头连接器64具有连接到其上的电缆66，该电缆66将电力和控制信号带到锁，并且将传感器信号从锁带走。电路板也包括插座连接器68，该插座连接器68接纳插头连接器70和电缆72，该电缆72连接到在锁内的执行器上。在优选设计中，将注意到的是，插座连接器62和70具有比连接到它们上的导线多的连接位置。在本发明的一个实施例中，连接到电缆72上的执行器是螺线管执行器，该螺线管执行器可以通过施加直流或交流电压而被致动。在另一个实施例中，执行器可以是常规直流有刷电机。也可以使用其它类型的执行器。在每一种情况下，执行器使锁定元件运动，以锁住门和解锁门(尽管在本发明的其它实施例中，可以使其它锁元件运动)。在优选设计中，电路板20可以供螺线管执行器和供电机执行器使用，而不用修改。插座连接器68如在图9中指示的那样布线，并且电机执行器与螺线管执行器不同地布线，但对于两者，使用同一插头连接器。当使用螺线管执行器时，插头连接器70被布线成使得它连接到用于正直流电力 (positive DC power)的中心共用针上，并且连接到用于接地的上部针上。插座连接器70 的中心针和上部针连接到全波桥式整流器60上，从而可以施加交流或直流电压，以致动螺线管。当使用电机执行器时，它连接到在插座连接器68中的下部两个针上，并且不连接桥式整流器60。这允许当施加正直流电压时沿着一个方向驱动电机，并且当施加负直流电压时沿着另一个方向驱动电机。作为结果，同一电路板可以用于螺线管设计和直流电机设计二者。也可以使用其它执行器——这些执行器使用类似设计原理。一旦执行器插头70被连接，图9的电路就要求将对应的布线线束连接到插座连接器62上。插座连接器62使用以上描述的同一系统， 在该系统中，某些导线连接针未被使用，从而当连接用于螺线管执行器的布线线束时，与当连接用于直流电机的布线线束时，可连接不同组的布线针。更明确地说，图9示出，在插座连接器62中的针之一用导线82直接连接到在插座连接器68中的对应针上。这个针仅用于直流电机设计，并且当将用于螺线管的布线线束连结到插座连接器62上时，不连接这个针。导线84连接在插座68的共用中心针与插座连接器62之间，该导线84也用于直流电机设计。当连接螺线管布线线束时，不使用导线82和 84。螺线管布线线束使用导线86和88，以给全波桥式整流器馈电。整流器的输出给在插座连接器68上与导线84相同的共用针馈电。全波桥式整流器将正致动电压提供给中心共用针，而不管是交流还是直流电压施加到导线86和88上。当连接直流电机执行器布线线束时，在插座连接器62处不连接导线86和88。传感器笛簧开关36在图9中示出，并且当手柄主轴32被转动以将磁体38带到笛簧开关36附近时操作。笛簧开关36可以构造成是常开或常闭的。参照图7和8，可看到在印刷电路板的表面上的布线。前表面布线在图7中示出。 插座连接器、笛簧开关及桥式整流器已经被全部去掉。电路板的后表面仅携带接地连接布线。在优选设计中，当螺钉48、50、52被连结时，自动地实现接地。不需要单设的接地导线。 螺钉48、50、52当它们插入时，升高在轴承的孔42、44、46的外部边界上的圈。随着这个圈升高，它接触在电路板20的后表面上的接地垫76、68、80 (见图8和9)。螺钉48、50、52将接地垫76、68、80牢固地保持成与轴承30相接触，并且将电路电气地接地到锁定装置上。尽管联系特别优选实施例，已经具体地描述了本发明，但显然，鉴于以上描述对于本领域的技术人员，多种选择例、修改及变更将是显然的。因此，所附的权利要求书将包含任何这样的落在本发明的真正范围和精神内的选择例、修改及变更。
权利要求
1.一种锁定装置，包括锁机构，所述锁机构具有待被监视的运动锁元件；电路板，所述电路板安装到所述锁机构上，所述电路板具有非矩形边界，该非矩形边界成形为用以将所述电路板配合到所述锁机构上，当所述电路板被安装到所述锁机构上时， 所述电路板的元件安装表面位于所述运动锁元件附近；以及至少一个传感器，所述至少一个传感器安装到所述电路板的所述元件安装表面上，使得所述传感器布置成与待被监视的所述运动锁元件相邻。
2.根据权利要求1所述的锁定装置，其中，所述电路板具有凹进边界。
3.根据权利要求2所述的锁定装置，其中，所述电路板的凹进边界部分地围绕所述运动锁元件。
4.根据权利要求2所述的锁定装置，其中，所述运动锁元件是由手柄转动的主轴，并且所述电路板的所述凹进边界部分地围绕所述主轴和轴承，所述主轴穿过该轴承。
5.根据权利要求1所述的锁定装置，其中，所述电路板包括一个或更多个向外突起.
6.根据权利要求5所述的锁定装置，其中，所述至少一个传感器安装在所述电路板的所述向外突起中的一个向外突起上。
7.根据权利要求6所述的锁定装置，其中，所述至少一个传感器是磁操作笛簧开关。
8.根据权利要求6所述的锁定装置，其中 所述运动锁元件是由手柄转动的主轴； 所述主轴包括安装在其上的磁体；所述至少一个传感器是能够检测所述磁体的非接触式传感器； 所述主轴穿过轴承延伸，该轴承具有形成在其中的开口，在主轴的转动的至少一部分期间，所述开口暴露所述磁体；并且所述电路板的所述向外突起将所述非接触式传感器定位在所述轴承的所述开口中，该向外突起具有安装在其上的所述非接触式传感器。
9.根据权利要求1所述的锁定装置，其中，所述电路板通过靠模铣切而成形。
10.根据权利要求1所述的锁定装置，其中 所述电路板包括安装在其上的连接器；所述连接器具有多个连接点，这些连接点限定至少两个不同组的连接点； 所述连接器适于连接到至少两个不同布线线束上，该至少两个不同布线线束与在所述连接器中的所述不同组的连接点相对应；并且所述电路板提供印刷电路布线，该印刷电路布线限定至少两个不同电路，该至少两个不同电路与所述两个不同布线线束和在所述连接器中的不同组的连接点相对应。
11.根据权利要求10所述的锁定装置，其中，一组连接点与螺线管布线线束相对应，并且另一组连接点与直流电机布线线束相对应。
12.根据权利要求11所述的锁定装置，其中，所述印刷电路板包括全波桥式整流器，当将所述螺线管布线线束连接到所述连接器上时，该全波桥式整流器连接到所述连接器上， 并且连接到所述螺线管布线线束上。
13.根据权利要求1所述的锁定装置，其中所述电路板包括至少一个安装开口，该至少一个安装开口用来将所述电路板安装到所述锁定装置上；所述印刷电路板在所述印刷电路板的正面和反面上包括印刷电路布线； 在所述印刷电路板的所述反面上的所述印刷电路布线的至少一些与所述至少一个安装开口相邻；并且当将所述电路板安装到所述锁定装置上时，在所述印刷电路板的所述反面上的、与所述至少一个安装开口相邻的所述印刷电路布线与所述锁定装置相接触，以与其进行电气连接。
14.根据权利要求13所述的锁定装置，其中，当将所述电路板安装到所述锁定装置上时，在所述印刷电路板的所述反面上的、与所述至少一个安装开口相邻的所述印刷电路布线，提供对于所述锁定装置的接地连接。
15.根据权利要求1所述的锁定装置，其中，所述运动锁元件包括安装在其上的磁体。
16.根据权利要求15所述的锁定装置，其中，所述至少一个传感器是磁操作笛簧开关。
17.根据权利要求15所述的锁定装置，其中，所述至少一个传感器是霍尔效应传感器。
18.一种锁定装置，包括圆柱形锁机构，其具有轴承和主轴，该主轴在所述轴承内转动，圆柱形锁具有外部半径和轴承半径，该外部半径限定所述圆柱形锁的外表面，该轴承半径限定所述轴承的外表磁体，其安装在所述主轴上，并且随其转动；电路板，其安装到所述圆柱形锁机构的外部上，所述电路板包括元件安装表面和凹进形状，该凹进形状由边界限定，该边界具有弯曲外边缘，具有与所述圆柱形锁的所述外部半径近似相对应的半径；以及弯曲内边缘，具有与所述轴承半径近似相对应的半径；以及传感器，其能够响应所述磁体，所述传感器安装在所述电路板上，并且定位成，当将所述主轴转动到限定位置时探测所述磁体。
19.根据权利要求18所述的锁定装置，其中，所述轴承包括开口，当所述主轴转动到所述限定位置时，该开口暴露所述磁体，并且当所述主轴转动到所述限定位置时，所述传感器通过在所述轴承中的所述开口探测所述磁体。
20.根据权利要求19所述的锁定装置，其中，所述电路板边界还包括向外突起，所述传感器是磁操作笛簧开关，该磁操作笛簧开关安装在所述向外突起上，并且所述向外突起和传感器定位在所述轴承中的所述开口内，以当将所述主轴转动到所述限定位置时探测所述磁体。
全文摘要
一种锁定装置包括集成电路板，该集成电路板特殊地成形，以配合锁定装置，并且将在电路板上的传感器带到与运动锁元件相邻。电路板优选地被靠模铣切，以形成凸出形状，该凸出形状匹配锁定装置，并且提供印刷电路布线，以将一个或更多个传感器或其它元件连接到外部布线线束上，由此减小在锁内的点对点布线。多个不同电路可以提供在同一电路板上，这些电路由连接器自动地选择，这些连接器用在不同的对应布线线束和/或执行器上。设计降低组件成本，并且借助于最小化的修改而允许现有机械锁定装置的迅速电气化。
文档编号E05B47/00GK102498254SQ201080041948
公开日2012年6月13日 申请日期2010年8月20日 优先权日2009年8月20日
发明者J·P·汤农, S·B·洛德, T·C·齐默 申请人:萨金特制造公司