CN105321742B - 螺线管线性驱动器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

一个螺线管线性驱动器具有一个由中部体、上部圆盘和端部拉伸体组成的一体式软磁芯，以及位于螺线管两端的一对软磁体。当螺线管通电时，一体式磁芯被下面的软磁板吸引向下运动。软磁芯两端的拉伸体可推动外部组件（如推杆和悬臂）以达到各种电路开关功能。一个永磁铁可被放在上方用以协助各种驱动功能。

Description

螺线管线性驱动器及其制作方法

【其它相关申请书】

本专利申请书要求得到美国临时专利申请(号码61/888,510,申请日2013年10月9日)的利益保护。

【技术领域】

本发明涉及一种用于开关和继电器的电磁线性驱动器。更具体地，本发明涉及用于自恢复型同轴射频开关的螺线管线性驱动器的方法。

【背景技术】

继电器开关是由电信号控制的机电开关。一个典型的继电器由一个电磁铁和软铁弹片组成。弹片上一般连着可移动的电接触点，弹片本身由弹簧扣住，在通电后，电磁铁会对软铁弹片产生作用力，并使其克服弹簧弹力，从而移动电接触点去关闭或打开一个电回路,当电磁铁断电后，电接触点弹回到原来位置。继电器有各种不同类型，有多接触点型、有密封型、有的内部有延迟电路、有的像早年电话通讯使用的多步多接触点型、还有可锁定型。

同轴射频开关是特殊类型的机电继电器(或开关)，其作用是接通或切断输入端子间的射频(RF)信号。通常一个同轴射频开关利用推杆推动一片内导体，同时接触一对同轴导体头并接接通该同轴导体之间的信号通道。常见的设计是把软磁性摇摇板放在一对电磁铁下推动推杆进行开关操作。一般典型磁保持(双稳态)类型的电磁铁-摇摇板系统设计是对称。要把它做成自恢复(单稳态)型，通常的办法是在摇摇板下添加一个额外的反向恢复弹簧，以确保在切断电磁铁电源后摇摇板返回到预先确定的状态中。在这种自恢复(单稳态)型设计中，电磁铁和摇摇板之间存在强烈的磁性吸引力，因此反向恢复弹簧的强度必须进行适当调整以达到所需的正常开关工作状态，同时要控制“闭合”状态时电磁铁的功耗在合理范围。这种多方面的要求通常很难达到，从而导致功耗的增加。另外反向恢复弹簧也给生产制作将添加复杂性。另一种自恢复类型的设计使用电磁线性驱动器来推动导体连接和断开射频通道。这种电磁线性致动器(图1)包括由缠绕在线圈架21上的线圈22组成的螺线管20。螺线管20通电后将使软磁芯10磁化并使它被吸引到软磁体18和19。软磁芯10向下运动时推动推针15从而推动导体51，导致导体51连接射频端子60和61。这种设计的缺点是需要把软磁性体14插入电磁阀20内部，另外推针15需要用非磁性材料制成，需要与软磁芯10分别制成，在制造和装配中增加了复杂性。另一个缺点是软磁芯10的两个端点和软磁体18和19之间的初始空气间隙相对较大，从而导致不必要的螺线管功耗增加。

可见非常有必要提供一个制作简单而又低功耗的螺线管线性驱动器。

本发明的目的正是提供一个新改进的螺线管线性驱动器，以达到制作简单和低功耗低的目的。

【发明内容】

以下所述的螺线管线性驱动器起码部分解决了以前的问题并达到上述目标。这种螺线管线性驱动器由一个一体式的软磁芯和一对位于两端的软磁体组成的螺线管构成。其中一体式软磁芯的一端有一个较为狭窄的拉伸体以致它可以穿过下端软磁体的小孔并延伸到软磁性体外部去推动一个推杆达到开关驱动作用。下端软磁体孔部有至少两个台阶，允许一体式的软磁芯有必要的运动行程同时减少一体式软磁芯和软磁体之间的初始空气间隙。以此类推，在顶部的一个环型永磁体可以允许一体式软磁芯上端较窄拉伸体穿过其中心孔并延伸至外部推动一弹片从而达到额外的指示灯功能。

【附图说明】

本发明上述及其它的特性及优点在以下用例子及附图作出详细说明，其中所用相同的标号将指相同的部件。

图1是现有的电磁线性驱动器组成的自恢复型同轴射频开关的剖视图；

图2A是本发明改进的线性驱动器在切断状态；

图2B是本发明改进的线性驱动器处于通电状态；

图3A是另一范本体现本发明改进的带辅助指示灯功能的线性驱动器在切断状态；

图3B是另一范本体现本发明改进的带辅助指示灯功能的线性驱动器处在通电状态。

图4是另一范本体现本发明改进的线性驱动器在切断状态.

【具体实施方式】

本说明书所用的某些实施例，只是本发明的一些例子，而没有任何意图从任何方面限制本发明的范围。为了简明起见，一些普通的电子制造及其它系统方面(制系统零部件)的说明未必详细。而且，本说明书常用电力及电子方面的例子来描述本发明，应被理解，很多其他制造方法可以被用来制作本继电器。而本说明书描述的方法，还可以被应用到机械传动器、光开关、液态控制以及其它开关器件。

另外这些方法也适合于电系统、光系统、消费电器、工业电子、无线通讯、宇航、液体控制、医疗系统及其他应用。本说明书所用的空间安排及尺寸说明只是为了示意而已，具体的锁定继电器可以有多种空间位置及取向安排，这些继电器还可以适当方式相连并形成阵列。

图1是现有的自恢复型同轴射频开关的螺线管的线性驱动器的剖视图。如图1所示，现有的螺线管的线性驱动器100包括一个绕在线管21上的线圈22组成的螺线管20，软磁性铁芯10，软磁性体18及19，和一个非磁性推针15。螺线管线性驱动器100由各种结构体41，42，和43来支撑固定；设置其附近的包括推杆51，复位弹簧52，导体片53，及固定同轴导体60和61。

如图1所示，当线圈22不通电时，复位弹簧52向上推动推杆51并断开同轴导体60和61。当线圈22通电时，软磁芯10被磁化，其顶端11被吸向软磁体19，其底端被吸向软磁体18。该集体吸力使软磁芯10向下运动，向下推压推杆15及导体53直至导体簧片53接触静止导体60和61并使它们连通。

正如前面提到的，这种设计的缺点是需要把软磁体18插入到电磁阀20内部，推针15必须是非磁性材料并且需要与软磁芯10分别制作，这增加了制造和装配的复杂性在。另一个缺点是软磁芯10和软磁性体18及19之间的初始垂直空气间隙比较大，造成不必要大的线圈功率消耗。

图2A和2B是本发明改进的螺线管线性驱动器在一个自恢复型同轴射频开关实施示例剖视图。参考图2，一种改进的螺线管线性驱动器200包括一个由上部圆盘211、下端拉伸体212及中部体215组成的一体式软磁芯210、上软磁板32和下软磁板31、软磁性支撑结构33、以及由绕在线管21上的线圈22组成的电磁阀20。软磁芯210下端拉伸体212窄于软磁板31的开口，从而可以使拉伸体212穿过软磁板31的开口而不触及软磁板31并与软磁板31不发生干涉。软磁板31具有下部开口窄于上部开口的台阶结构。这种台阶结构减少了软磁板31和软磁芯210之间的初始垂直空气间隙，同时不妨碍软磁芯210在螺线管20内必要的垂直运动。驱动器200合理设置于推杆51、复位弹簧52、导体簧片53、固定同轴导体60和61的附近。

线圈22是由多匝导线绕在线圈架21制成的。软磁芯210(包括中部体213、下端拉伸体212和上部圆盘211)以及软磁体31、32和33可以由任何软磁材料组成，其包括纯铁铁、镍铁合金、或任何其他具有高磁导率(从大约100到10⁵以上)并很容易被磁化的软磁材料。在同轴射频开关里软磁体31、32和33还起着支撑固定驱动器200和其他元件的作用。

推杆51由恢复弹簧52支撑并与导体簧片53连接。推杆51可由任何介质材料组成。恢复弹簧52可用不锈制成。导体簧片53可以用铍铜等导电材料制成并在表面镀金。

固定导体60和61可以由任何导电材料(如铜、铜合金等)组成，并最好是镀金的。

框架结构41和42是由刚性材料(如铝、铜等)组成并支持同轴射频开关中的各种组件。限位板43可由任何刚性材料(如金属或塑料器)组成并起着限制软磁芯210向上运动的作用。

从本发明广义的角度来说，一个螺线管线性驱动器200包括一个由中部体215、上部圆盘211和下端拉伸体212组成的一体式软磁芯210、以及位于线圈20两端的一对软磁体31和32，其特征在于一体式软磁芯210有可穿过下端软磁体31孔的一个较窄的下端拉伸体212。激励线圈22将磁化一体式软磁芯210并使其被吸引至软磁板31和32。磁芯210的向下运动使其下端拉伸体212推动外部推杆51，以致使导体簧片53接触和连接同轴导体60和61(图2A)。去掉线圈22的激励将消除磁芯210与软磁板31和32之间的磁吸引力，使复位弹簧52向上推起推杆51并断开导体60和61的连接(图2B)。在下部软磁板31的开口处具有一个台阶结构以减少一体式软磁芯210和软磁板31之间的初始垂直空气间隙，同时允许一体式软磁芯210在内螺线管20内的运动。同样，所述台阶结构可以也可以形成在上端软磁板32的开口，以减少一体式软磁芯210上部盘211和上板32之间的初始垂直气隙。

图3A和3B是本发明改进的螺线管线性驱动器在另一个自恢复型同轴射频开关实施示例剖视图。参考3，一种改进的电磁驱动器300包括一体式软磁芯310(包括中部体215、上部圆盘211、上端拉伸体313和下端拉伸体212)、上软磁板32和下端软磁板31、软磁支撑结构33、永磁铁70、软磁板71、和由线圈20绕在线圈架21组成的螺线管线圈、以及一个辅助开关80。

永磁铁70最好是环状并可以由任何永磁性(硬磁)材料组成，如钕铁硼(NdFeB)、钐钴(SmCo)、铝镍钴(AlNiCo)、铁氧体陶瓷磁铁、CoPtP合金和其他永磁材料，其剩磁极化强度从0.001特斯拉(10高斯)至1特斯拉(10⁴高斯)以上，矫顽力从7.96×10²安培/米(10奥斯特)至7.96×10⁵安培/米(10⁴奥斯特)以上。永磁铁70沿垂直轴方向磁化，其极性与线圈22通电时软磁芯310上端圆盘211的极性相同，产生相互排斥力。在另一方面，线圈22不通电时，永磁铁70使磁盘211磁化并吸引磁盘211。

一体式软磁芯310具有一个下端拉伸体212、一个顶端磁盘211和顶端拉伸体313，并可以由任何软磁材料组成，其包括纯铁铁、镍铁合金、或任何其他具有高磁导率(从大约100到10⁵以上)并很容易被磁化的软磁材料。

辅助开关80包括安装在印刷电路板81上的悬臂82和固定触点83。悬臂82可以用弹性材料制成(如铍铜)，并其一端固定在印刷电路板上，另一端自由活动。固定触点83可由任何触点材料(如金、银、铜或其他合适的金属或合金)制成。电路板81具有一个开孔，并同心于永磁环70、软磁板71、32和31的开孔、支撑隔板43的开孔以及磁芯310。

在线圈22不通电时，永磁铁70向上吸引磁芯310的上圆盘211直到它被隔板43挡住。一体式软磁芯310的向上运动使其较窄的上拉伸体313向上推动悬臂82，断开悬臂82与固定触点83的接触(如图3A所示)。在线圈22通电使软磁芯310端部与永磁铁70具有相同极性时，永磁铁70将排斥上圆盘211并助力使一体式软磁芯310向下运动。永磁铁70对一体式磁芯310的这种额外排斥力有助于软磁板31和32对磁芯310的吸引，有效地降低了驱动磁芯310所需的初始线圈电流。在磁芯310两端的其他拉伸体212和313推动外部其他组件(推杆51和悬臂82)以达到开关各种电路的作用。

图4是本发明改进的螺线管线性驱动器在另一个自恢复型同轴射频开关实施示例剖视图。参考图4，一种改进的螺线管线性驱动器400包括一个由上部圆盘211、下端拉伸体212和中部体215组成的一体式软磁芯410、上软磁板32和下软磁板31、软磁性支撑结构33、以及由绕在线管21上的线圈22组成的螺线管20。软磁芯410下端拉伸体212窄于软磁板31的开口，从而可以使拉伸体212穿过软磁板31的开口而不触及软磁板31并与软磁板31不发生干涉。软磁板31具有下部开口窄于上部开口的倾斜结构，同时软磁芯410在从中部体215到下端拉伸体212的过渡区间也具有一个对应的倾斜结构(参见图4中的局部放大图)。这种倾斜结构减少了软磁板31和软磁芯410之间的初始垂直空气间隙，同时不妨碍软磁芯410在螺线管20内必要的垂直运动。驱动器400合理设置于推杆51、复位弹簧52、导体簧片53、固定同轴导体60和61的附近。

从本发明广义的角度来说，一个螺线管线性驱动器400包括一个由上部圆盘211、下端拉伸体212和中部体215组成的一体式软磁芯410、以及位于线圈20两端的一对软磁体31和32，其特征在于，一体式软磁芯410有可穿过下端软磁体31孔的一个较窄的下端拉伸体212。激励线圈22将磁化一体式软磁芯410并使其被吸引至软磁板31和32。磁芯410的向下运动使其下端拉伸体212推动外部推杆51，以致使导体簧片53接触和连接同轴导体60和61。去掉线圈22的激励将消除磁芯410与软磁板31和32之间的磁吸引力，使复位弹簧52和永磁铁70向上推(吸)起软磁芯410及推杆51并断开导体60和61的连接。在下部软磁板31的开口处和软磁芯410中部体215到下端拉伸体212的过渡区间具有相应倾斜结构以减少一体式软磁芯410和软磁板31之间的初始垂直空气间隙，同时允许一体式软磁芯410在内螺线管20内的运动。同样的倾斜结构可以也可以相应地形成在上端软磁板32的开口和上部圆盘211到中部体215的过渡区，以减少一体式软磁芯210上部盘211和上板32之间的初始垂直气隙。

应被理解还有许多其它可能的方法来制作本螺线管线性驱动器，其制作细节在此省略。

应被理解在不脱离本发明范畴下，还有许多其它可能实施型以及不同材料的选择与组合，同样也有很多不同结构或几何尺寸可被用在继电器里。

在以下的权利要求里，相关的结构、材料、操作和同等的元件将意味包括能够达到所需功能的任何结构、材料或操作，并可与其它要求里的元件相结合。另外在方法要求里的步骤可以任意次序进行。本发明的范围应取决于以下的权力要求及其法律同类型，而不应受到上述例子的限制。

Claims (13)

1.一个由下列部件组成的自恢复型同轴射频开关中的螺线管线性驱动器：

一个绕在线圈架上的多匝线圈；

一个由上部圆盘、下端拉伸体和中部体组成的一体式软磁芯，所述上部圆盘、中部体和下端拉伸体的直径依次递减；

一个上软磁板和一个下软磁板，所述上、下软磁板具有与软磁芯同心的孔，其中上软磁板的孔径大于中部体的直径而小于上部圆盘的直径；下软磁板的孔径大于下端拉伸体的直径；

一个由复位弹簧支撑的推杆导体组件；

至少两个导体端子；

其特征在于当线圈通电时软磁芯被磁化并被所述上、下软磁板向下吸引推动所述推杆导体组件并使所述两个导体端子连通；而线圈断电后软磁芯磁化以及它与上、下软磁板之间的吸力被消除，从而使所述复位弹簧向上推动推杆导体组件并断开所述两个导体端子之间的连接。

2.根据权利要求1所述的螺线管线性驱动器，其特征在于所述下软磁板开孔具有一个有第一上台阶和第一下台阶的第一台阶结构，并且所述第一台阶的第一上台阶孔径大于第一下台阶孔径。

3.根据权利要求2所述的螺线管线性驱动器，其特征在于所述第一下台阶的孔径大于所述下端拉伸体的直径而小于所述中部体的直径。

4.根据权利要求1所述的螺线管线性驱动器，其特征在于所述上软磁板开孔具有一个有第二上台阶和第二下台阶的第二台阶结构，并且所述第二台阶的第二上台阶孔径大于第二下台阶孔径。

5.根据权利要求4所述的螺线管线性驱动器，其特征在于所述第二下台阶孔径大于所述中部体的直径而小于所述上部圆盘直径。

6.根据权利要求1所述的螺线管线性驱动器，其特征在于所述下软磁板开孔具有一个第一倾斜结构，并且所述第一倾斜结构中的开孔孔径向下逐步减小。

7.根据权利要求6所述的螺线管线性驱动器，其特征在于所述一体式软磁芯在从所述中部体到下端拉伸体的过渡区域中具有一个第三倾斜结构，并且在所述第三倾斜结构中所述一体式软磁芯的直径向下逐步减小并与所述第一倾斜结构对应。

8.根据权利要求1所述的螺线管线性驱动器，其特征在于所述上软磁板开孔具有一个第二倾斜结构，并且所述第二倾斜结构中的开孔孔径向下逐步减小。

9.根据权利要求8所述的螺线管线性驱动器，其特征在于所述一体式软磁芯在从所述上部圆盘到中部体的过渡区域中具有一个第四倾斜结构，并且在所述第四倾斜结构中所述一体式软磁芯的直径向下逐步减小并与所述第二倾斜结构对应。

10.根据权利要求1所述的螺线管线性驱动器还具有一个永磁铁，其特征在于当所述线圈不通电时所述永磁铁吸引并保持所述一体式软磁芯向上状态；而当所述线圈通电时所述永磁铁向下排斥所述一体式软磁芯。

11.根据权利要求10所述的螺线管线性驱动器，其特征在于所述永磁铁是环形的并具有一个中心孔。

12.根据权利要求11所述的螺线管线性驱动器，其特征在于所述一体式软磁芯还具有一个上端拉伸体，所述上端拉伸体直径小于所述中心孔孔径从而所述上端拉伸体可以无物理干涉地通过所述中心孔。

13.一个由下列部件组成的自恢复型同轴射频开关中的螺线管线性驱动器：

一个绕在线圈架上的多匝线圈；

一个由上部圆盘、下端拉伸体和中部体组成的一体式软磁芯；

一个上软磁板和一个下软磁板，所述上、下软磁板具有与软磁芯同心的孔，其中上软磁板的孔径大于中部体的直径而小于上部圆盘；下软磁板的孔径大于下端拉伸体的直径；一个永磁铁；一个由复位弹簧支撑的推杆导体组件；

至少两个导体端子；

其特征在于当线圈通电时所述软磁芯被磁化并被所述上、下软磁板吸引，并且同时被所述永磁铁向下排斥去推动推杆导体组件，从而使所述两个导体端子连通；而线圈断电后所述软磁芯被所述永磁铁向上吸引，从而使推杆导体组件上移并断开所述两个导体端子之间的连接。