CN101656163B - 棘轮机构和带有棘轮机构的旋转开关 - Google Patents

棘轮机构和带有棘轮机构的旋转开关 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种棘轮机构和带有棘轮机构的旋转开关,包括:凸轮轴圆盘,其上有凹槽,圆周上有定位槽;驱动凸轮,其上有凹槽,其边上有角状齿;第一棘爪和第二棘爪;一弹性体置入以上两凹槽合上后形成的空腔中;当所述凸轮轴圆盘处在一控制位置时,第一棘爪落在凸轮轴圆盘的一个定位槽齿中;当所述驱动凸轮向下一控制位置转动时,两凹槽形成错位;当驱动凸轮被转动到下一控制位置时,一角状齿将第一棘爪推出一个定位槽齿中,弹性体将凸轮轴圆盘旋转到下一控制位置,第二棘爪落在凸轮轴圆盘的另一个定位槽齿中。使用本发明时用力均匀,操作平稳,手感舒服,并且避免了两个控制位置之间的“停滞点”现象。

Description

棘轮机构和带有棘轮机构的旋转开关
技术领域
本发明涉及一种棘轮机构和旋转开关,特别是涉及一种步进式棘轮机构和带有步进式棘轮定位机构的旋转开关。
技术背景
旋转开关是常用的一种开关结构。当一个旋转开关有几个控制位置时,棘轮定位机构有助于旋转开关将开关的机械结构从一个控制位置转到另一个控制位置,并随即将旋转开关的机械结构固定在该控制位置上。
一般来说,旋转开关的棘轮机构主要有两个作用:止回和定位作用,即阻止旋转开关返回上一个控制位置,并且使旋转开关在旋转中能固定在某个控制位置上;旋转到位指示作用(旋转到位时产生跳动或响声(Snap Action)),即在旋转开关在旋转到某个控制位置时,开关结构会发出一个响声或跳动,使操作者清楚地感觉到旋转开关已经转到预期控制位置,防止操作者在未到下一个控制位置就停止旋转,或到了预期控制位置时继续旋转。
现通过图1A至图1E来说明一个现有技术的棘轮机构在旋转开关中的作用。
图1A示出所述棘轮机构100处在静止(初始)位置,其中包括:与凸轮轴共轴的棘轮110和棘爪装置120。棘轮110上有六个圆周等分的棘齿111(111.A,111.B,111.C,111.D,111.E,111.F)。棘爪装置120上有两个上下对称(相对于凸轮轴)的棘爪横臂121(121.A,121.B),两个横臂121(121.A,121.B)上分别有一个上下对称的棘爪122(122.A,122.B),横臂121和棘爪122用具有弹性的材料,例如塑料等制成。棘轮110和棘爪装置120可由尼龙制成。如图1A所示,棘轮110和棘爪装置120相互配合在某个控制位置上。具体地说,在该控制位置,上棘爪122.A位于两毗邻的棘齿111.A和111.B之间,下棘爪122.B位于两毗邻的棘齿111.D和111.E之间。这样,棘轮110就被锁定在该控制位置上。如图1A所示,棘齿111(111.A,111.B,111.C,111.D,111.E,111.F)和棘爪122(122.A,122.B)都是圆弧形的。
图1B示出所述棘轮110由图1A所示的静止(初始)位置开始向下一个控制位置转动。如图1B所示,操作者逆时针转动安装在棘轮110一端的旋钮(图中未示出),棘轮110开始逆时针旋转,使得棘齿111.B转动时,其圆弧形表面于接触处对棘爪122.A的圆弧形表面产生向外的推力,由于横臂121.A具有弹性,上棘爪122.A向外移动,从而使得横臂121.A随之向外发生弹性弯曲变形。同样地,棘轮110的逆时针旋转,使得棘齿111.E转动时,其圆弧形表面于接触处对棘爪122.B的圆弧形表面产生向外的推力,由于横臂121.B具有弹性,下棘爪122.B向外移动,从而使得横臂121.B随之向外发生弹性弯曲变形。如图1B所示,因为上棘爪122.A和下棘爪122.B的圆弧形表面分别与棘齿111.B和棘齿111.E的圆弧形表面相互作用,当上棘爪122.A和下棘爪122.B的圆弧形表面顶点分别逐渐接近棘齿111.B和棘齿111.E的圆弧形表面顶点时,如果此时松开旋钮(或停止用力),由横臂121.A和121.B弹性变形所产生的弹性力迫使棘齿111.B和棘齿111.E仍旧回到图1A中原来的控制位置。也就是说,此时操作者必须继续用力转动棘轮110,不可停顿。
图1C是典型的棘轮机构在凸轮旋转到停滞点位置时的示意图,示出处在图1B所示的位置上的所述棘轮110继续向下一个控制位置转动。在图1B所示的位置上,操作者继续逆时针转动棘轮110,横臂121.A继续向外发生弹性弯曲变形,使得上棘爪122.A随之继续向外移动,从而使得上棘爪122.A圆弧形表面顶点与棘齿111.B圆弧形表面顶点相重合。同样地,随着棘轮110的逆时针旋转,横臂121.B继续向外发生弹性弯曲变形,使得下棘爪122.B随之继续向外移动,从而使得下棘爪122.B圆弧形表面顶点与棘齿111.E圆弧形表面顶点相重合。此时,两个横臂121(121.A,121.B)向外发生的弹性弯曲变形为最大。因为上棘爪122.A和下棘爪122.B的圆弧形表面顶点分别对棘齿111.B和棘齿111.E的圆弧形表面顶点所作用的弹性力正好通过棘轮110的中心,不能产生使棘轮110转动的力矩,当上棘爪122.A和下棘爪122.B的圆弧形表面顶点分别重合于棘齿111.B和棘齿111.E的圆弧形表面顶点时,如果此时松开旋钮(或停止用力),棘轮110就会平衡地停止在该位置上。而该平衡停止位置并不是预期的下一个控制位置,也就是说,棘轮110平衡地停止在一个错误的位置上。这种现象叫做棘轮110在两个控制位置之间的“停滞点”(hung-upbetween two switch control positions),从而导致控制失效。
图1D是典型的棘轮机构在凸轮越过停滞点位置之后的示意图,示出处在图1C所示的位置上的所述棘轮110继续向下一个控制位置转动。在图1D所示的位置上,操作者继续逆时针转动棘轮110,横臂121.A开始向内移动,使得上棘爪122.A随之向下一个控制位置移动。同样地,随着棘轮110的逆时针旋转,横臂121.B开始向内移动,使得下棘爪122.B随之向下一个控制位置移动。因为上棘爪122.A和下棘爪122.B的圆弧形表面分别与棘齿111.B和棘齿111.E的圆弧形表面相互作用,当上棘爪122.A和下棘爪122.B的圆弧形表面顶点分别少许偏离棘齿111.B和棘齿111.E的圆弧形表面顶点时,如果此时减少作用在旋钮上的力(或停止用力),由横臂121.A和121.B弹性变形产生的力也可以帮助(或由它自己)将棘齿111.B和棘齿111.E推到下一个控制位。也就是说,此时操作者可用较小的力(或不用力)来转动棘轮110。
图1E是典型的棘轮机构在凸轮逆时针旋转60度时的示意图,示出处在图1D所示的位置上的所述棘轮110转动到达下一个控制位置。如图1E所示,棘轮110和棘爪装置120相互配合在下一个控制位置上。具体地说,在该控制位置,上棘爪122.A位于棘齿111.B和111.C之间,下棘爪122.B位于棘齿111.E和111.F之间。这样,棘轮110就被固定在下一个控制位置上。
以上介绍的棘轮机构有如下缺点:第一,棘轮会停留在两个控制位置之间的“停滞点”,从而导致控制失效。特别是当两个相毗邻的棘齿之间的夹角较大(例如大于等于60度)时,“停滞点”现象更容易发生。第二,由于棘轮上的棘齿与棘爪接触表面之间的摩擦力,使得以上介绍的棘轮机构的工作效率不高。第三,对于控制回路较多的开关,需要作用在凸轮轴上的力矩较大,操作手感不好,而且由于开关内部导电弹性元件(Contact Spring)的干扰,所需用力不均匀,操作不平稳。
发明内容
为了解决上述技术问题,本发明提供了一种棘轮机构,包括:
凸轮轴圆盘,所述凸轮轴圆盘的前端面上设置至少一凹槽,所述凸轮轴圆盘的圆周上有数个定位槽;
驱动凸轮,所述驱动凸轮前端面至少有一与凸轮轴圆盘的凹槽相对应的凹槽,所述驱动凸轮边上有数个角状齿;
第一棘爪和第二棘爪;
所述凸轮轴圆盘的前端面和驱动凸轮前端面合上后,凸轮轴圆盘上的凹槽和驱动凸轮上的凹槽形成至少一空腔,至少一弹性体置入该空腔中;
当所述凸轮轴圆盘处在一控制位置时,第一棘爪落在所述凸轮轴圆盘的一个定位槽齿中,将凸轮轴圆盘锁在该控制位置上;
当所述驱动凸轮开始向下一控制位置转动时,所述凸轮轴圆盘保持不动,凸轮轴圆盘上的凹槽和驱动凸轮上的凹槽形成错位,压缩弹性体以存储弹性势能;
当所述驱动凸轮被转动到下一控制位置时,一角状齿将所述的第一棘爪推出所述的一个定位槽齿中,弹性体将凸轮轴圆盘旋转到下一控制位置,第二棘爪落在所述凸轮轴圆盘的另一个定位槽齿中,将凸轮轴圆盘锁在下一控制位置上。
本发明还提供了一种旋转开关包括以上所述棘轮机构。
在本发明中,为了将旋转开关旋从当前控制位置转到下一控制位置,使用者可通过旋钮旋转驱动凸轮来达到。驱动凸轮在开始旋转时,因为凸轮轴圆盘上的一定位槽被一棘爪锁住,凸轮轴圆盘不转动,从而对内弹簧压缩,存储弹性势能。当驱动凸轮被旋转一预定角度时,驱动凸轮的角状齿将一棘爪推出一定位槽,从而内弹簧释放弹性势能,推动凸轮轴圆盘逆时针旋转一预定角度;同时,另一棘爪落入另一定位槽,发出清晰响声,并在旋钮上产生跳动感。另外,因为开始旋转驱动凸轮时,使用者是对内弹簧进行压缩,然后由弹簧来推动驱动凸轮旋转,所以使用者旋转驱动凸轮时用力均匀,操作平稳,手感舒服,并且避免了两个控制位置之间的“停滞点”现象。
附图说明
图1A示出所述棘轮机构100处在静止(初始)位置;
图1B示出所述棘轮110由图1A所示的静止(初始)位置开始向下一个控制位置转动;
图1C是典型的棘轮机构在凸轮旋转到停滞点位置时的示意图;
图1D是典型的棘轮机构在凸轮越过停滞点位置之后的示意图;
图1E是典型的棘轮机构在凸轮逆时针旋转60度时的示意图;
图2A是本发明步进式棘轮机构200的部件凸轮轴机构201和执行机构202的透视图;
图2B是本发明步进式棘轮机构200的部件凸轮轴机构201和执行机构202的组装透视图;
图2C是步进式棘轮机构200中凸轮轴机构201、执行机构202和棘爪装置(250、260)的组装透视图;
图2D是本发明的棘爪臂的示意图;
图2E是执行机构202从E方向看的主视图;
图2F是凸轮轴圆盘220从F方向看的主视图;
图2G是本发明的凸轮轴圆盘220和驱动凸轮208装配在一起时的部分剖视图;
图3A是本发明旋转开关300的透视图;
图3B是本发明旋转开关沿图3A中A-A线的剖视图;
图3C是本发明旋转开关沿图3A中D-D和F-F线的剖视图;
图4A示出旋转开关在初始位置时凸轮轴圆盘220与驱动凸轮208的相对位置情况;
图4B示出驱动凸轮208被逆时针旋转一角度后,凸轮轴圆盘220与驱动凸轮208的相对位置情况;
图4C示出驱动凸轮208被继续逆时针旋转一角度后,凸轮轴圆盘220与驱动凸轮208的相对位置情况;
图4D示出驱动凸轮208被继续逆时针旋转到60度时,凸轮轴圆盘220与驱动凸轮208的相对位置情况;
图5A-5C表示在步进角分别为30度、45度及90度时,凸轮轴圆盘220上的定位槽、驱动凸轮208上的角状齿及两个棘爪之间的位置关系。
具体实施方式
本发明附图标记说明如下:
棘轮机构100、棘轮110、棘齿111、棘爪装置120、横臂121、棘爪122;
棘轮机构200、凸轮轴机构201、执行机构202、旋钮安装圆环205、执行圆盘206、突起圆台207,驱动凸轮208、扇形凹槽211、定位槽212、内弹簧213、凸轮轴215、凸轮轴圆盘220(其功能相当于前述的与凸轮轴共轴的棘轮110)、扇形凹槽222、空腔231、角状齿235、上棘爪装置250、外弹簧251、棘爪臂252,销子253、254、上棘爪255、下棘爪装置260、外弹簧261、棘爪臂262、销子263、264、下棘爪265;
旋转开关300、外壳301、开关触片302、上外壳311、下外壳312、凹槽321、322、导电板341、342、导电触点343、344、导电桥345、弹簧346、347、导电板351、352、导电触点353、354、导电桥355、弹簧356、357。
下面结合附图来进一步说明本发明的实施方式。
图2A是本发明步进式棘轮机构200的部件凸轮轴机构201和执行机构202的透视图。如图2A所示,本发明的棘轮机构200包括:凸轮轴机构201和执行机构202。图2A中棘轮机构200的部件是从凸轮轴机构201的后端(或从执行机构202的前端)的方向(箭头E所指方向)进行观察的。凸轮轴机构201包括凸轮轴215,它沿轴向设置了多个凸轮(图示为12个),用来控制多个(12组)开关触片302(见图3A)的接通和断开机构。凸轮轴机构201有一个具有一定厚度W1的凸轮轴圆盘220(从动盘)。凸轮轴圆盘220圆周上均匀分布(即以120度为间隔)有三个定位槽212(定位槽212.A,212.B,212.C)。凸轮轴215(从动轴)与凸轮轴圆盘220的后表面相连。
如图2A所示,执行机构202有一个执行圆盘206(驱动盘),执行圆盘206的后表面连有一个旋钮安装圆环205,用于安装开关旋钮(图中未示出)。执行圆盘206的前表面有一突起圆台207,突起圆台207上有一突起的驱动凸轮208(具有厚度W2),驱动凸轮208上有一半径为R1的内底圆,和半径为R2的外顶圆,驱动凸轮208的内底圆圆周上均匀分布(即以120度为间隔)有三个角状齿235(角状齿235.A,235.B,235.C)。驱动凸轮208上有两个对称布置的扇形凹槽222,凹槽的剖面是半圆形的。两个对称的扇形凹槽222分别用来容纳弹性元件,弹性元件优选为弹簧,称它为内弹簧213。扇形凹槽222中的内弹簧213(在直径方向)的一半正好置入扇形凹槽222中,而(在直径方向)另一半正好置入凸轮轴圆盘220上的扇形凹槽211中(参见图2B)。扇形凹槽222和扇形凹槽211合拢后就构成容纳全部内弹簧213的空腔231(参见图2G)。
图2B是本发明的步进式棘轮机构200的部件凸轮轴机构201、执行机构202和棘爪装置(250、260)的组装透视图。图2B中棘轮机构200的部件是从凸轮轴机构201的前端(或从执行机构202的后端)的方向(箭头F所指方向)进行观察的。如图2B所示,凸轮轴圆盘220的前端面有两个对称布置的扇形凹槽211,凹槽的剖面是半圆形的,两个对称的扇形凹槽211分别用来容纳内弹簧213。内弹簧213(在直径方向)的一半正好置入扇形凹槽211中,而(在直径方向)内弹簧213的另一半置入驱动凸轮208上的扇形凹槽222中(参见图2A)。扇形凹槽222和扇形凹槽211合拢后就构成容纳全部内弹簧213的空腔231(参见图2G)。
图2B中,棘轮机构200还包括2个棘爪装置,即上棘爪装置250和下棘爪装置260。上棘爪装置250包括外弹簧251,棘爪臂252,销子253、254;下棘爪装置260包括外弹簧261,棘爪臂262,销子263、264。棘爪臂252、262的前端弯曲部分(另参见图2D)分别为棘爪255、265;棘爪255、265的厚度适合插入凸轮轴圆盘220的定位槽212中。棘爪255、265的宽度W大于凸轮轴圆盘220的厚度W1,因此棘爪255落入定位槽212后,棘爪255、265在其宽度方向还有剩余部分,该剩余部分就搁置在驱动凸轮208的轮缘上。也就是说,当凸轮轴圆盘220和驱动凸轮208相对合在一起时,棘爪255(或棘爪265)同时搁置在凸轮轴圆盘220的轮缘上(或落入凸轮轴圆盘220的定位槽中)和驱动凸轮208的轮缘上。图2B中,旋钮安装圆环205上有一安装孔270和一固定键271,用于安装开关旋钮(图中未示出)。
图2C是步进式棘轮机构200中的凸轮轴机构201、执行机构202和棘爪装置(250、260)的组装透视图。如图2C所示,凸轮轴机构201、执行机构202和棘爪装置(250、260)已装配到一起。此时,凸轮轴机构201的凸轮轴圆盘220和执行机构202的驱动凸轮208面对面地相对装配,使得凸轮轴圆盘220端面上的两个扇形凹槽211和驱动凸轮208端面上的两个扇形凹槽222互相合拢形成两个空腔231,分别用来容纳内弹簧213(如图2G状态一所示)。并且,因为棘爪255、265的宽度W约等于凸轮轴圆盘220的厚度W1与驱动凸轮208的厚度W2之和,所以棘爪可以同时搁置在组装后的凸轮轴圆盘220的轮缘上(或落入凸轮轴圆盘220的定位槽212中)和驱动凸轮208的轮缘上。
图2D是本发明的棘爪臂的示意图。棘爪臂252、262的前端向下弯曲的部分形成棘爪255、265,棘爪255、265的宽度为W。
图2E是执行机构202从E方向看的主视图。图2F是凸轮轴圆盘220从F方向看的主视图。如图2E所示,驱动凸轮208的内底圆半径记为R1,外顶圆半径记为R2,三个角状齿235(角状齿235.A,235.B,235.C)的顶点内接于外顶圆。如图2F所示,凸轮轴圆盘220的定位槽212的底部到凸轮轴中心的距离记为R3,凸轮轴圆盘220的半径记为R4。R1、R2、R3、R4有如下关系:驱动凸轮208的内底圆半径R1等于(或约等于)凸轮轴圆盘220的定位槽212的底部到凸轮轴圆盘中心的距离R3;驱动凸轮208的外顶圆半径R2等于或略大于凸轮轴圆盘220的半径R4。显然,驱动凸轮208的外顶圆半径R2大于其内底圆半径R1;凸轮轴圆盘220的半径R4大于定位槽212的底部到凸轮轴圆盘中心的距离R3;凸轮轴圆盘220的半径R4大于驱动凸轮208的内底圆半径R1。如图2E所示,驱动凸轮208上的两个扇形凹槽222的对称轴线标记为L1,角状齿235.B齿顶和凸轮轴中心的连线与L1的夹角为60°。如图2F所示,凸轮轴圆盘220上的两个扇形凹槽211的对称轴线标记为L2,而且L2也是通过定位槽212.A的对称轴线。这样,当扇形凹槽222与扇形凹槽211重合时,即L1与L2重合时,角状齿235.A与定位槽212.A的夹角约为60度(步进角为60度)。
图2G是本发明的凸轮轴圆盘220和驱动凸轮208装配在一起时的部分剖视图。当执行机构202与凸轮轴机构201装配在一起时(见图2C),凸轮轴圆盘220上的扇形凹槽211和驱动凸轮208上的扇形凹槽222相互合拢即形成如图所示的、放置内弹簧213的空腔231(如状态一所示)。在状态一中,内弹簧213处于自由状态,未被压缩;或为了工作可靠,对内弹簧213可稍有预压缩。
在状态二中,驱动凸轮208被逆时针转动,而凸轮轴圆盘220保持静止状态(因为棘爪255或265卡在凸轮轴圆盘220上的定位槽212中),所以扇形凹槽211与扇形凹槽222互相错开,内弹簧213被压缩,储存弹性势能。这时内弹簧213的作用力(图示方向向左)对凸轮轴圆盘220形成逆时针方向的力矩。
在状态三中,当驱动凸轮208被逆时针转动到60度时,棘爪255(或265)被推出凸轮轴圆盘220上的定位槽212,内弹簧213释放储存弹性势能,将凸轮轴圆盘220逆时针转动60度,凸轮轴圆盘220上的扇形凹槽211和驱动凸轮208上的扇形凹槽222相互合拢,重新形成如状态一所示的空腔231(详细的操作过程见图4A-图4D的描述)。
图3A是本发明旋转开关300的透视图。旋转开关300有一个外壳301,它由上外壳311和下外壳312组成,如图2C所示的棘轮机构200(包括凸轮轴机构201,执行机构202,和棘爪装置250、260)装配在上外壳311和下外壳312之间。上外壳311和下外壳312上各有6组(12个)开关触片302。(即共有12组24个开关触片)。每组开关触片在一凸轮控制下能够接通或断开,举例说,开关触片302.a和302.B是一组,开关触片302.g和302.G是一组。
图3B是本发明旋转开关沿图3A中A-A线的剖视图。如图3B所示,棘轮机构200(包括凸轮轴机构201,执行机构202,和棘爪装置250、260)被装入旋转开关的上下外壳311、312之间。在安装时,可先将凸轮轴机构201、执行机构202和棘爪装置250、260组装好后(见图2C),再将上外壳311和下外壳312合上,这样就可将凸轮轴机构201、执行机构202和棘爪装置固定在旋转开关外壳301内。执行机构202安装在旋转开关外壳301的前部,凸轮轴机构201横穿过旋转开关外壳301的中部和后部。
上、下外壳311、312各有一个半圆形凹槽321、322,凹槽321、322合拢正好可容纳执行机构202上的执行圆盘206,而凹槽壁313和突起圆台207相对。上、下外壳311、312与凸轮轴机构201和执行机构202的配合间隙应能满足使凸轮轴机构201和执行机构202在开关外壳301中能顺利旋转的要求。当凸轮轴215旋转时,其上的凸轮可以控制12对开关触片302的接通和断开机构。当执行机构202旋转时,可以通过内弹簧213的弹性力带动凸轮轴机构201旋转。因为上棘爪255和下棘爪265的宽度W等于或约等于凸轮轴圆盘220的厚度W1与驱动凸轮208的厚度W2之和,所以上棘爪255和下棘爪265能够同时搁置在驱动凸轮208的轮缘上和凸轮轴圆盘220的轮缘上(或落入凸轮轴圆盘220的定位槽212中)。
图3C是本发明旋转开关沿图3A中D-D和F-F线的剖视图,用于显示开关触片控制机构。通过这两个剖视图来举例说明凸轮轴上的某两个凸轮接通或切断与其相对应的两组开关触片的工作原理。其他凸轮接通或切断与其相对应的其他组开关触片的工作原理与此相同。
如图3C所示,开关触片控制机构中有一导电桥345(355),其上有一弓形突出部,这样在凸轮转动360度的周期内,在某个角度范围,凸轮的一部分会推动导电桥345(355)的弓形突出部;而在其他角度范围,凸轮的其他部分脱离导电桥345(355)的弓形突出部。导电桥345(355)的两端装有一对导电触点343、344(353、354),导电触点的后面有一对安装在外壳体上的弹簧346、347(356、357)。导电触点343、344(353、354)的下方有一对导电板341、342(351、352),导电板341、342(351、352)分别与两个(一组)开关触片相连。所以当凸轮和导电桥345(355)弓形部不接触时,弹簧346、347(356、357)的弹力将导电触点343、344(353、354)紧密地压在导电触板341、342(351、352)上,形成两个导电触点之间的电器通路。当凸轮和导电桥345(355)弓形突出部接触时,克服弹簧346、347(356、357)的弹力,使导电触点343、344(353、354)离开导电板341、342(351、352),以断开两个导电触点之间的电器通路。
在此,外壳和凸轮都是绝缘体,而导电板、导电触点、导电桥都是导体。
如F-F剖视图所示,下外壳中的开关触片302.k和302.K处于导通状态。电流依次流经开关触片302.k、导电板351、导电触点353、导电桥355、导电触点354、导电板352,最后到达开关触片302.K。这时从图上可看出凸轮轴215上的一个凸轮与导电桥355是不接触的,他们之间有间隙。而弹簧356和357通过导电触点353、354将导电桥355两端压在导电板351和352上,因此开关触片302.k和302.K之间是导通的。
如D-D剖视图所示,上外壳中的开关触片302.b和302.B处于断开状态。由于凸轮轴215上的一个凸轮将导电桥345向上顶,导电桥345向上抬升的过程中,弹簧346、347被压缩。这时导电触点343、344分别与导电板341、342分开,因此开关触片302.b和302.B断开。
图4A、4B、4C、4D是一些剖视图,用来具体介绍旋转开关从一个控制位置旋转到下一个控制位置的工作原理。在不同的控制位置上,开关触片形成不同的电器连接通路。
凸轮轴机构201和执行机构202实际上是合在一起形成互动来进行工作的。但为了更清楚的介绍工作原理,本发明提供了沿图3B中B-B和C-C线的两个剖视图,以显示实际工作中凸轮轴圆盘220与驱动凸轮208相对位置的变化情况。B-B剖视图可以看清驱动凸轮208的位置变化情况;C-C剖视图可以看清凸轮轴圆盘220的位置变化情况。
图4A示出旋转开关在初始位置时凸轮轴圆盘220与驱动凸轮208的相对位置情况。如图4A沿图3B中C-C线的剖视图所示,上棘爪装置250包括上棘爪臂252,上棘爪臂252前端有上棘爪255,上棘爪臂252通过销子253可旋转地安装在上外壳311上。外弹簧251一端钩在上棘爪臂252上,另一端钩在销子254上,销子254固定在上外壳311上。同样的,下棘爪臂262通过销子263可旋转地安装在下外壳312上,外弹簧261一端钩在下棘爪臂262上,另一端钩在销子264上,销子264固定在下外壳312上。外弹簧251、261对棘爪臂252、262施加有预拉力(或偏置力),使棘爪255、265有向凸轮轴中心运动的倾向。这样,当定位槽212运动到棘爪255、265所在的位置时,棘爪255、265就会迅速落入定位槽212中。
如图4A沿图3B中C-C线的剖视图所示,旋转开关在初始位置时,上棘爪装置250上的棘爪255落入定位槽212A中,锁住凸轮轴机构201,使之不能转动;下棘爪装置260上的棘爪265处于定位槽212.B与212.C之间的中间位置。需要说明的是,棘爪255在宽度方向只有一部分落入定位槽212中,而棘爪255在宽度方向的剩余部分则搁置在驱动凸轮208的轮缘上(参见B-B剖视图中的棘爪255)。
如图4A沿图3B中B-B线的剖视图所示,旋转开关在初始位置时,上棘爪255在宽度方向有一部分搁置在驱动凸轮208的轮缘上,并处于角状齿235.A与235.B之间的中间位置;下棘爪265在宽度方向有一部分搁置在驱动凸轮208上的角状齿235.C齿顶上。
在如图4A所示的初始位置时,凸轮轴圆盘220上的扇形凹槽211和驱动凸轮208上的扇形凹槽222相互完全合拢形成空腔,位于空腔内的弹簧213不受压缩,处于自由状态,如图2G中的状态一所示。
棘爪臂也可以是一个由记忆合金做成的弹性金属片,该弹性金属片直接固定在外壳上,从而可以省略外弹簧,在安装时,棘爪臂前端的棘爪预置在定位槽212中。
图4B示出驱动凸轮208被逆时针旋转一角度后,凸轮轴圆盘220与驱动凸轮208的相对位置情况。如图4B沿图3B中C-C线的剖视图所示,因为棘爪255落入定位槽212A中,锁住凸轮轴机构201,从而使凸轮轴圆盘220的位置保持不变。如图4B沿图3B中B-B线的剖视图所示,驱动凸轮208逆时针旋转约30度,由于凸轮轴圆盘220的位置保持不变,扇形凹槽211与扇形凹槽222互相错开,内弹簧213开始被压缩,储存了一部分势能,如图2G中的状态二所示。当驱动凸轮208沿逆时针方向旋转时,角状齿235.A逐渐向棘爪255靠近,从而定位槽212.A中的棘爪255逐渐接近驱动凸轮208上的上升斜面(因为驱动凸轮208的外顶圆半径R2大于内底圆半径R1),这个上升斜面会逐渐将原来落在定位槽212.A中的棘爪255向外推出。
在图4B中B-B剖视图中,棘爪265搁置在凸轮轴圆盘220的轮缘上,由于凸轮轴圆盘220的半径R4大于驱动凸轮208的内底圆半径R1,故棘爪265与驱动凸轮208之间留有间隙,不会阻碍驱动凸轮208的转动。
图4C示出驱动凸轮208被继续逆时针旋转一角度后,凸轮轴圆盘220与驱动凸轮208的相对位置情况。如图4C沿图3B中B-B线的剖视图所示,驱动凸轮208逆时针旋转约55度后,定位槽212.A中的棘爪255逐渐接近驱动凸轮208上的上升斜面的顶点(即角状齿212.A的齿顶),此时这个上升斜面几乎要将定位槽212中的棘爪255向外推出,但仍尚未推出。因此,凸轮轴圆盘220仍然保持在原来的位置不变,扇形凹槽211与扇形凹槽222进一步互相错开,内弹簧213进一步被压缩。
图4D示出驱动凸轮208被继续逆时针旋转到60度时,凸轮轴圆盘220与驱动凸轮208的相对位置情况。
如图4D沿图3B中B-B线的剖视图所示,在驱动凸轮208逆时针旋转60度(步进角)时,这时上棘爪255处在角状齿235.A的齿顶上,从而将落在定位槽212.A中的上棘爪255完全推出定位槽212.A
如图4D沿图3B中C-C线的剖视图所示(当上棘爪255处在角状齿235.A的齿顶上时,参见图4D的B-B剖视图),在被压缩的内弹簧213的弹性力的推动下,凸轮轴圆盘220逆时针旋转。当凸轮轴圆盘220逆时针旋转60度,下棘爪265在外弹簧261拉力的作用下,落入定位槽212.B中,并且同时发出清脆的响声,凸轮轴圆盘220停止转动。内弹簧213恢复自由状态(或对内弹簧213可稍有预压缩的状态),如图2G中状态三所示。
此时,在图4D沿图3B中B-B线的剖视图中,上棘爪255处在角状齿235.A的齿顶上,下棘爪265处在驱动凸轮208的角状齿235.B与235.C之间的中间位置;在图4D沿图3B中C-C线的剖视图中,上棘爪255处在定位槽212.A和212.C之间的中间位置,下棘爪265落在定位槽212.B中。
如果驱动凸轮208再向下一开关位置逆时针旋转60度,驱动凸轮208的角状齿235.B就会将下棘爪265推出定位槽212.B。当下棘爪265被推出定位槽212.B,凸轮轴圆盘220就被内弹簧213的弹性力带动,而随之逆时针旋转60度,上棘爪255落入定位槽212.C中,下棘爪265处于角状齿235.B与235.A之间的中间位置。也就是说,每当驱动凸轮208逆时针旋转120度,上棘爪255和下棘爪265轮流落入定位槽212(212.A,212.B,或212.C)中一次。
本发明以步进角为60度(即,步进6次为360度)作为实施例来详尽描述其发明的原则。当步进角改变时,本发明工作原理不变,对凸轮轴圆盘220上的定位槽数量、驱动凸轮208上的角状齿数量以及下棘爪265与垂直线的夹角作相应的改变,仍能达到本发明的效果。
图5A-5C表示在步进角分别为30度、45度及90度时,凸轮轴圆盘220上的定位槽、驱动凸轮208上的角状齿及两个棘爪之间的位置关系。
如图5A所示,当步进角为30度(即,步进12次为360度)时,则驱动凸轮208上角状齿数为6个,凸轮轴圆盘220上的定位槽为6个;驱动凸轮208上的角状齿和凸轮轴圆盘220上的定位槽相互错开30度安装;并且下棘爪265与垂直线成30度角。这样,驱动凸轮208每旋转30度,就有一个棘爪落入定位槽中。
如图5B所示,当步进角为45度(即,步进8次为360度)时,则驱动凸轮208上角状齿数为4个,凸轮轴圆盘220上的定位槽为4个;驱动凸轮208上的角状齿和凸轮轴圆盘220上的定位槽相互错开45度安装;并且下棘爪265与垂直线成45度角。这样,驱动凸轮208每旋转45度,就有一个棘爪落入定位槽中。
如图5C所示,当步进角为90度(即,步进4次为360度)时,则驱动凸轮208上角状齿数变成2个,凸轮轴圆盘220上的定位槽变成2个;驱动凸轮208上角状齿和凸轮轴圆盘220上的定位槽相互错开90度安装;并且下棘爪265与垂直线成90度角。这样,驱动凸轮208每旋转90度,就有一个棘爪落入定位槽中。
另外,在本发明实施例中,本发明的棘轮机构使用在旋转开关中。对于本领域的人员来说,本发明的棘轮机构机构还能广泛地用于其他需要止回和定位作用的场合(如编码器“Encoder”)。

Claims (15)

1.一种棘轮机构,其特征在于包括:
凸轮轴圆盘(220),所述凸轮轴圆盘的前端面上设置至少一凹槽(211),所述凸轮轴圆盘的圆周上有数个定位槽(212);
驱动凸轮(208),所述驱动凸轮前端面设有与凸轮轴圆盘上的凹槽(211)相对应的至少一凹槽(222),所述驱动凸轮边上有数个角状齿(235);
第一棘爪(255)和第二棘爪(265);
所述凸轮轴圆盘的前端面和驱动凸轮前端面合上后,凸轮轴圆盘上的凹槽(211)和驱动凸轮上的凹槽(222)形成至少一空腔(231),至少一弹性体(213)置入该空腔中;
当所述凸轮轴圆盘处在一控制位置时,第一棘爪落在所述凸轮轴圆盘的一个定位槽中,将凸轮轴圆盘锁在该控制位置上;
当所述驱动凸轮开始向下一控制位置转动时,所述凸轮轴圆盘保持不动,凸轮轴圆盘上的凹槽(211)和驱动凸轮上的凹槽(222)形成错位,压缩弹性体以存储弹性势能;
当所述驱动凸轮被转动到下一控制位置时,一角状齿将所述的第一棘爪推出所述的一个定位槽中,弹性体将凸轮轴圆盘旋转到该下一控制位置,第二棘爪落在所述凸轮轴圆盘的另一个定位槽中,将凸轮轴圆盘锁在该下一控制位置上。
2.根据权利要求1所述棘轮机构,其特征在于:
所述凸轮轴圆盘的后端面和凸轮轴(215)相连。
3.根据权利要求2所述棘轮机构,其特征在于:
在凸轮轴圆盘的前端面上所述至少一凹槽(211)为两个扇形凹槽;
在驱动凸轮前端面上所述至少一凹槽(222)为两个扇形凹槽;
凸轮轴圆盘的前端面上的两个扇形凹槽与凸轮前端面的两个扇形凹槽形成两个空腔,两个弹性体分别置入两个空腔中。
4.根据权利要求2所述棘轮机构,其特征在于:
所述的两个棘爪分别设置在两个棘爪臂上,两个棘爪臂上分别与两个弹簧装置相连,对两个棘爪施加偏置力。
5.根据权利要求4所述棘轮机构,其特征在于:
在凸轮轴圆盘的圆周上所述数个定位槽(212)为三个定位槽;
在驱动凸轮边上所述数个角状齿(235)为三个角状齿。
6.根据权利要求4所述棘轮机构,其特征在于:
在凸轮轴圆盘的圆周上所述数个定位槽(212)为六个定位槽;
在驱动凸轮边上所述数个角状齿(235)为六个角状齿。
7.根据权利要求4所述棘轮机构,其特征在于:
在凸轮轴圆盘的圆周上所述数个定位槽(212)为四个定位槽;
在驱动凸轮边上所述数个角状齿(235)为四个角状齿。
8.根据权利要求4所述棘轮机构,其特征在于:
在凸轮轴圆盘的圆周上所述数个定位槽(212)为两个定位槽;
在驱动凸轮边上所述数个角状齿(235)为两个角状齿。
9.一种安装有棘轮机构的旋转开关,所述棘轮机构包括凸轮轴机构(201),所述旋转开关有数个触片,其特征在于:
所述凸轮轴机构(201)有一凸轮轴圆盘(220),所述凸轮轴圆盘的前端面上有至少一凹槽(211),所述凸轮轴圆盘的圆周上有数个定位槽(212),所述凸轮轴圆盘的后端面和凸轮轴(215)相连,凸轮轴上有数个凸轮用于控制所述数个触片,在凸轮轴旋转到不同的控制位置时,形成所述数个触片的不同电器通路连接;
驱动凸轮(208),所述驱动凸轮前端面设有与凸轮轴圆盘的凹槽(211)相对应的至少一凹槽(222),所述驱动凸轮边上有数个角状齿(235);
第一棘爪(255)和第二棘爪(265);
所述凸轮轴圆盘的前端面和驱动凸轮前端面合上后,凸轮轴圆盘上的凹槽(211)和驱动凸轮上的凹槽(222)形成至少一空腔(231),至少一弹性体(213)置入该空腔中;
当所述凸轮轴圆盘处在一控制位置时,第一棘爪落在所述凸轮轴圆盘的一个定位槽中,将凸轮轴圆盘锁在该控制位置上,当所述凸轮轴圆盘处在该控制位置时,所述凸轮轴上凸轮将所述数个触片设置成一种电器通路连接;
当所述驱动凸轮开始向下一控制位置转动时,所述凸轮轴圆盘保持不动,凸轮轴圆盘上的凹槽(211)和驱动凸轮上的凹槽(222)形成错位,压缩弹性体以存储势能;
当所述驱动凸轮被转动到下一控制位置时,一角状齿将所述第一棘爪推出所述的一个定位槽中,弹性体将凸轮轴圆盘旋转到该下一控制位置,第二棘爪落在所述凸轮轴圆盘的另一个定位槽中,将凸轮轴圆盘锁在该下一控制位置上,当所述凸轮轴圆盘处在下一控制位置时,所述凸轮轴上凸轮将所述数个触片设置成另一种电器通路连接。
10.根据权利要求9所述旋转开关,其特征在于:
所述的两个棘爪分别设置在两个棘爪臂上,两个棘爪臂上分别与两个弹簧装置相连,对两个棘爪施加偏置力。
11.根据权利要求10所述旋转开关,其特征在于:
在凸轮轴圆盘的前端面上所述至少一凹槽(211)为两个扇形凹槽;
在驱动凸轮前端面上所述至少一凹槽(222)为两个扇形凹槽;
凸轮轴圆盘的前端面上的两个扇形凹槽与凸轮前端面的两个扇形凹槽形成两个空腔,两个弹性体分别置入两个空腔中
12.根据权利要求10所述旋转开关,其特征在于:
在凸轮轴圆盘的圆周上所述数个定位槽(212)为三个定位槽;
在驱动凸轮边上所述数个角状齿(235)为三个角状齿。
13.根据权利要求10所述棘轮机构,其特征在于:
在凸轮轴圆盘的圆周上所述数个定位槽(212)为六个定位槽;
在驱动凸轮边上所述数个角状齿(235)为六个角状齿。
14.根据权利要求10所述棘轮机构,其特征在于:
在凸轮轴圆盘的圆周上所述数个定位槽(212)为四个定位槽;
在驱动凸轮边上所述数个角状齿(235)为四个角状齿。
15.根据权利要求10所述棘轮机构,其特征在于:
在凸轮轴圆盘的圆周上所述数个定位槽(212)为两个定位槽;
在驱动凸轮边上所述数个角状齿(235)为两个角状齿。
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