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关注球式倾斜开关 |
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作者：Richard Babyak |
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随着人们对水银毒性的日益关注以及对产品原料限制的不断增强，全世界的产品设计者正在寻求传统水银球式开关的替代品，同时很多公司已经率先步入了能提供新选择的领域。
传统的水银倾斜开关有很多的优缺点。其优点之一是其简易性，水银（Hg）在室温下是一种具有银色光泽的重金属，这也正是“水银”这个流行叫法的来历。
通常，当你打开开关设备时，会发现一个密封的、含有水银的囊状物会倾斜偏离其水平轴。重力导致了水银滚向囊状物的一个末端，在这里包含了两个电气连接，从而形成了一个完整的电子电路。相反，当你关闭此设备的时候，由于角度的干扰作用使得水银断开了这种接触，同时使电路处于开路状态。除了简易性之外，由于水银可以完全浸湿整个接触表面，使其具有较大的载流能力，这可以使水银开关在无需继电器或其他控制器件的前提下直接处理火线电压。
该结构的不足之处在于缺少对于小角度变化检测的精确性，这也是为什么水平的水银倾斜开关常用于较大角度变化的检测，尤其是在由垂直到水平或由水平到垂直方向变化方面。过去曾经应用过此种结构的家电包括蒸汽熨斗、洗衣机与卧式冷藏柜的开盖、空间加热器、以及自动贩卖机等。
但对于水银来说其最大的缺点是它的毒性。多年以前，由于人们对于产品中的水银产生的废气会威胁到人体健康的意识的不断增加，很多的水银开关不再应用在家电中。这方面的限制已经取得了最新的进展，如欧盟制定了关于对有害物质限制的规定，加速了这种“无水银化”的进程，同时也鼓励供应商寻求更多的发明创新以取而代之。
最新突破
与一些较复杂的传感器提供角度测量的方式不同，一个基本的倾斜开关会产生类似数字量的输出（如开/关，高/低）。这通常用来指示在方向轴上一个较大的变化：能检测到何时盖子被打开或设备已经翻倒。但是这也可以检测偏离轴方向上较小角度的交替变化，就像在老式的家庭自动调温器中，水银开关将会随着一个双金属材料线圈的轻微拖动而动。
在寻找除水银之外的其他随重力而变的替代品时，一种显而易见的球式解决方案引起了人们的普遍关注。在一种最简单的应用中，角度的变化导致了金属球滚离了它静止点，这样，便会形成连接与断开连接的两种状态。球形方式并非是替代水银倾斜开关的唯一方式，但却是最为简单的一种。
采用这种方式最大的限制是由球产生的接触仅仅是由球表面的一些点来完成的，这样大大限制了它的载流能力。结果导致大多数的球式装置不能直接处理火线电压。因此，它们常常作为继电器的驱动或者为控制器提供信号输入。
这种球式装置的优点在于，它可以被设计成提供更精确的角度变化检测，这样可以为特殊家电的目标开关设计提供更好的适应性。
位于纽约Ronkonkoma的Aerodyne Controls公司是一家对这种球式倾斜开关设计具有丰富经验的公司。这家公司设计并生产了各种各样的动作开关 — 其中包括倾斜开关、加速开关、碰撞开关、旋转开关、扰动开关，以及它们每种类型开关的特殊变化，以满足市场的不同需求。除了成千上万种存档的设计之外，该公司还为军事及航天领域应用开发了不同需求的开关，同时，它也为众多的民品设计开关，如卧式冷藏柜、闹钟等。
这种普遍应用的一种基本设计包含了一个玻璃封装的盖子，盖子上面有四个接触的针围绕在静止于锥形孔中小球的周围，从而形成笼状（见图1）。
图1：一种基本设计包含了一个玻璃封装的盖子，盖子上面有四
个接触的针围绕在静止于锥形孔中小球的周围，从而形成笼状
当小球滚出锥形孔时，它会撞击到四个针中的一个，完成电路的连接。类似地，可供选择的另一种方式是，小球静止在圆锥形容器的底部，容器的形状决定了锥角的大小。一个简单的扰动开关见图2，这种装置经常会在煤气表中可以看到，它会防止用户企图欺骗煤气公司。如果用户试图重新设置煤气表，以达到阻止它记录煤气消费量的目的，倾斜开关将会检测到方向的变化，同时激活螺线管闭塞装置关闭煤气表。 
图2 ：一个简单的扰动开关示意图
在另一个领域的应用中，Aerodyne公司的一个更为复杂的用户定制设计是用在紧急无线标志浮标上，它是为处于困境中的潜水艇报告自身位置而开发设计的。当天线在水中的时候，一个倾斜开关对于阻止浮标发送信息是十分必要的，这将会产生电路损坏反馈。
为了确保浮标仅仅在偏离垂直方向的角度小于45度时发送信息，开关的设计结合了以下几个特征。在它的中心是一个静止在锥形孔的小球。当小球滚出孔洞的时候，它将自身的重量转移到开关容器上，这种经过转移的重量促使一根弹簧打开一组连接。当小球重新滚回孔洞的时候，它的速度和重量将会克服弹簧的拉力，很快断开所有的连接。
这种应用对于公差的允许范围要求很严格：在“开”和“关”的状态之间要小于1度的公差。这就要求我们对小球的质量以及它克服弹簧拉力所需要的速度进行复杂的计算，进而达到我们所需要的精确度。
Aerodyne公司加入到球式倾斜开关的另一个特征是绝缘阻尼流体，这种设计常应用在由振动导致的小球与连接物之间时断时续的连接状态下。在不同阻尼系数的要求下，硅树脂流体可具有不同的粘性。
需要注意的是，球式倾斜开关多被用来小信号电压的开关。然而，仅仅通过将小球与接触物设计的更大一些，它就可以处理火线电压。Aerodyne公司已经为卧式冷藏柜做了严密的设计，冷藏柜门盖的方向控制内部灯光是否被点亮。当然，采用此方法的缺点就是尺寸大小，这种特殊的开关需要小球的直径要达到1英寸或更大一些。
应用小球作为电气连接以控制电路的通断，这并不是利用小球对角度变化的敏感性的唯一方式。另一种方式是利用传感器控制小球的位置。例如，由Scottdate，Ariz公司应用成像干扰技术开发了NKK系列倾斜开关。它的DS系列开关（图3所示）包含了一个红外LED、光敏晶体管、以及一个经过镀亮镍而形成表面抛光的不锈钢小球。这些部分以下面的方式进行工作:当小球在它的静止水平位置时，它的表面会将从LED发射出的红外线反射至光敏晶体管。在中间水平的位置时，光敏晶体管是工作着的，并且输出电压低于直流1.0V。
图3：NKK DS系列倾斜开关示意图
无论开关朝任何方向倾斜，只要角度大于30度，小球都会滚出它的静止位置并且停止对红外光束的反射。这时光敏晶体管处于关断状态，输出电压则将高至直流4.0V。重新设置小球至初始位置所需的最小角度为10度。
这种结构紧凑的装置可以测量三维空间中9mm的距离。其中一个重要的设计考虑就是此部件必须能为LED与光敏晶体管持续供电。在正常的直流5V状态下，此装置需要50毫安的电流。
另外一种追踪小球的有趣方式是使小球具有磁性，可以通过霍尔效应传感器检测出小球的位置。这种方法被应用在OMRON电子元器件公司的D6B系列微型开关上（图4）。这种开关使用了一个可以在完整的V型凹槽内上下滚动的磁性小球。小球的位置及相对运动被两个霍尔效应传感器跟踪，每一个传感器在V型凹槽的一边，允许开关提供左右两个开关输出量。
图4：OMRON公司的D6B系列微型倾斜开关适用于便携式电子产品
当装置在中间的位置时，两边的输出均为高。当其向左或向右的倾斜角度在45度～75度之间时，相应的输出开关将会输出一个0.5V的低电平信号。对于此装置的典型重新设置角度为20度～50度之间，此时输出为高。
这种倾斜开关也可应用在普通的家用设备上，如加热器等。考虑小型化的因素，它也被应用在便携式电子产品中，如PDA、手机、数码相机。因为它的体积如橡皮擦般大小，因此，表面贴装仅需要占用5.5mm×5.5mm×3.75mm的空间。工作电压为直流2.7V～3.3V。
当然，这种开关也需要持续供电，但是电流消耗是相当低的，典型值仅为10uA，而最大值也仅为20uA。也正因为这样，OMRON希望这种产品更能吸引对电源敏感、电池供电、以及便携式的电子产品中。
应用这种开关一个重要的考虑因素即确保它的位置不会被任何的外部磁场影响，如电机、螺线管等，这些都会干扰它的正常工作。
抵制作用力
利用磁学的一个不同意义在于可以将它作为重力的一个抵制作用力。由Magnasphere公司开发的一种新式的开关设计中将这种方法得到体现，这种设计充分利用了球形磁场学的原理（图5）。最初的开发目的是想寻求一种在安全系统中应用的簧片开关的替代品。在其最初版本中，一个铁磁体被悬挂在容器的顶部，通过磁性吸引其下面装置中同样具有磁性的盖子。当位于容器底部的外部磁场对磁性球体施加一个拉力的时候, 小球将会猛地向下吸住底部,从而在中心电极与容器间建立连接。
图5：Magnasphere公司倾斜开关示意图
Magnasphere公司还在不断发展完善这种概念，并将其应用在两个不同的倾斜开关结构上。在单轴应用中，一个管状物中包含了一个静止在Magnasphere开关顶部的较大的铁质金属球，由于磁场的吸引使这个有磁性的小球停在容器的顶部。当管状物倾斜偏离垂直坐标轴足够的角度时，外部的较大的金属球就会滚离开关容器的顶部，这样较小的磁性小球便会掉下来，或者建立连接关系，或断开连接关系，这要依据设计而定。
根据该公司总裁Rick Kirschman先生说法， Magnasphere 倾斜开关比其他“无水银化”开关具有更多的优势。优势之一在于它可以一直保持磁场吸引的能量，这使它对于频繁的连接所产生的震动所具有的抵抗性比其他球形倾斜开关更强一些，同样也比那些通过保持能量以效仿吸合动作的开关的防震性要好一些。另外，Magnasphere开关不需要持续的电源供应，这一点更像一个传感器件开关。
这种设计的一个不足之处是它不能和其他方法一样对于角度的变化具有很高的精确度，但 Kirschman先生说，公司注意到绝大多数的倾斜开关应用仅仅是为了检测出垂直状态与水平状态之间的不同，而对角度精确度不存在很高的要求。
国际电器制造商情(end)
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(投稿)
(8/16/2006) |
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