微动开关的巧妙设计完美地平衡了传统矛盾

作者： Bill Schweber

工程学的本质，在于综合运用艺术与技术，在尺寸、重量、功率、成本、性能与可制造性等各种属性之间实现矛盾平衡。无论是小型组件还是大型系统的设计人员都面临着这一挑战。仔细观察为满足汽车要求而重新设计的一系列小型开关，可以看出创新重点以及设计和制造的精妙之处。

汽车限位开关目前的困境

瞬时接触开关和自锁开关是基本单功能器件，这类开关已普及多年并且设计制造也看似很简单。然而，开发一种能够满足多种电气和机械要求、性能可靠且可以大批量生产的开关却并非易事。为此，这类开关必须满足有关尺寸、触头额定值、操作力、操作角度等一系列要求。

这就是 Omron Corp. 设计人员在开发一个可以指示车门开关状态的小开关时面临的难题。现代汽车的车门比以往更薄，且具备许多其他功能，因此外形是否紧凑至关重要。

因此，按钮动作距离只有几毫米，可确保开关结构能够阻止执行器接触按钮；否则，正常的关门动作会损坏开关。可靠性以及恶劣操作环境下的 IP67 防水防尘等级使问题变得更加复杂。

这里所需的开关类型称为快动限位开关。这类开关具有限定的内部行程，响应灵敏，且提供可调柱塞/推杆、拨动、摆杆、滚轮、锥形、簧片、旋转驱动、弹簧、微触杆及拉索等多种样式。当今的超微型密封开关，例如 Omron D2SW 系列（图 1）开关，是 20 世纪 30 年代开发的经典微动开关的后续产品，至今仍广泛使用。该系列的内部设计和操作机制与家用电器或台式仪器中使用的“通断”开关不同。

图 1：D2SW 系列作为经典快动限位开关的典范，数十年类凭借卓越的性能深受设计人员的青睐。（图片来源：Omron Corp.）

Omron 团队评估了现有开关触发机构的配置，涵盖摆杆式水平触发、无杆直动式触发及斜角凸轮触发等结构。每种配置方案都独具优势，但在开关按钮按压角偏差、机构体积、持续性磨损点等关键参数方面，均存在无法避免的缺陷。

新理念指明方向

针对汽车车门等应用对小型化可靠限位开关的严苛要求，Omron 设计人员在其 [D2EW]系列常开 (NO) 和常闭 (NC) 开关（图 2）中采用了创新方法，例如 NO [D2EW-B03H]和互补型 NC [D2EW-B02L]。这些紧凑型密封开关可以在多个方向和角度上进行操作。

图 2：创新设计使 D2EW 系列超小型密封开关能够从多个驱动角度操作。（图片来源：Omron Corp.）

Omron 团队意识到三角形按钮可以实现水平操作，无需使用占用空间的杠杆。然后，他们确定了按钮倾斜的最佳角度，以实现可以从上方可靠按压的形状。这使得这种开关仅需极小的行程即可实现接通和断开，而无需倾斜的水平凸轮及相关的空间和复杂性。

这种按钮设计实现了无杠杆也能从多个角度进行操作。这种设计仅需几个毫米的行程即可水平接通和断开触点（图3（上）），也可进行竖向按压操作（图3（下））。

图 3：D2EW 开关的按钮设计实现了尺寸和行程最小化（上方），并且可以从上方以一定角度以及从左侧或右侧（下方）进行操作。（图片来源：Omron Corp.）

符合 IP67 标准

毫无疑问，这种新的按钮形状带来了新的问题。这种异乎寻常的三角形按钮极难密封。传统圆形按钮采用热熔填缝工艺，其树脂加强筋偏向按钮本体，并与橡胶密封帽咬合在一起，实现了牢固密封。然而，D2EW 按钮的体积约为圆形按钮的四倍，因此增加了橡胶帽的尺寸，没有留下容纳树脂壁的空间。

该解决方案将分析与试错法相结合。设计人员选择通过卡扣式连接来密封外壳和橡胶帽，其中橡胶帽夹在外壳和盖子之间，具有足够的压力来满足 IP67 要求。然而，与能够在各个方向上均匀施加压力的圆形盖子不同，这种盖子的椭圆形底座会导致紧密度发生变化。为了克服这个问题，该团队设计了一种使按钮尽可能接近圆形的形状。他们还调整了橡胶帽的形状和橡胶厚度，以补偿负载变化。经过几个月的反复试错，他们终于找到了最佳形状。

按钮内部也发生了变化。D2EW 器件采用带滑块按钮，滑块位于按钮底部，按下按钮时滑块会向侧面滑动。与传统的按钮和滑块不同的是，这种开关的按钮和滑块同时移动。将多接触面集成为单表面，实现了用最少组件就能实现触点闭合和打开，且易于组装的结构。

结语

D2EW 系列采用了独特的创新按钮帽和内部设计，既可以直接对其进行按压操作，又可以从任何角度按压，尽管执行器行程只有几个毫米。该设计使其非常适合当今外形更薄、部件更拥挤的汽车车门，同时还能承受车门猛烈撞击和恶劣的条件。