CN104730906A - 磁性定心器件 - Google Patents

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Abstract

用于微机械应用的磁性定心器件（2），包括磁体（6）和被布置在磁体上的磁通量传导器件（4），所述磁通量传导器件包括由具有高磁导率的磁性材料（M1）制成的中央磁通量传导轮盘（8），以及被布置在中央轮盘周围并且与中央轮盘分离非零距离（R10）的***区域（10）。

Description

磁性定心器件
技术领域
本发明涉及用于小尺寸组件的磁性定心器件，特别是用于对枢轴装配的组件进行定心。本发明的特定应用领域涉及时计机构。
背景技术
将活性磁性组件、诸如永磁体和由软铁磁材料制成的部件引入到时计机构中代表一种显著的技术挑战，这是由于极度缩减的尺寸和以可靠方式实现精密时计功能所需的高空间精度。
大多数天然或合成的磁性材料在毫米尺度或更小尺度上是非均质的，这使得难以在该尺度上控制磁场定位和强度。特别地，具有最高磁能强度的永久性微磁体（例如，SmCo或NdFeB微磁体）典型地由来自稀土族的化学元素的粉末制造，其粒状结构具有1微米和100微米之间的尺寸。磁场的均质性一般随其逼近颗粒尺度而减小。
使用磁性组件来旋转时计机件或机构（例如如在WO专利No.2012/0662524和WO专利No.2012/062523中描述的）或其它微机械机构（诸如测量或控制仪器）的元件是有利的，因为其使得可能产生伴随有低摩擦的大的经定位的力。
发明内容
本发明的目的是提供用于毫米尺度或更小尺度上的小尺寸组件的磁性定心器件，其是准确并且可靠的。
本发明的特定目的是提供用于枢轴装配的组件的磁性定心器件。
本发明的特定目的是提供用于时计机构组件的磁性定心器件，以及包括磁性定心器件的时计机构。
有利的是提供一种磁性定心器件，其集成了用于旋转构件的具有非常低磨损的轴承。
有利的是提供一种磁性定心器件，其集成了高效轴承。
有利的是提供一种非常紧凑和鲁棒的磁性定心器件。
有利的是提供一种能够以简单和经济的方式制造的磁性定心器件。
本发明的目的通过根据权利要求1的磁性定心器件来实现。从属权利要求描述本发明的有利方面。
本发明的目的通过根据权利要求23的钟表机件来实现。
本发明的目的通过根据权利要求24的钟表来实现。
根据本发明的将磁通量定位元件集成在活性磁性组件中改进和扩展了磁性组件、特别是磁性时计组件的使用。
附图说明
在阅读实施例的以下详细描述和附图时，本发明的其它有利目的和方面将显现出来，在附图中：
图1是根据本发明的磁性定心器件的实施例的图解，图1a图示了横截面视图并且图1b为所述器件的顶视图。
图2是图示了根据本发明的一个实施例的磁性定心器件的磁场的图解。
图3是图示了在根据本发明的实施例的磁性定心器件的磁通量定位组件存在和不存在的情况下的磁场幅度的图表。
具体实施方式
参考各图，特别是图1a和1b，根据本发明的实施例的磁性定心器件2包括磁体6、非磁性支撑件12以及被布置在磁体和非磁性支撑件之间的磁通量传导器件4。磁体6可以由展现出高磁能密度的材料（例如SmCo或NdFeB）制成，其典型地通过已知方法由来自稀土族的化学元素的粉末所制造。在本发明的范围内，在另一实施例中省略非磁性支撑件是可能的。
对于由本发明所设想的应用，磁体的厚度Z6为毫米或更小的量级，例如在0.2毫米和0.7毫米之间。对于需要非常大磁力的应用，磁体的高度Z6还可以是数毫米的量级，例如从1毫米到5毫米。对于由本发明所设想的应用，磁体的平均宽度X6或其直径（如果它是圆柱形磁体的话）为毫米的数量级，典型地小于5毫米并且在众多应用中为毫米或更小的量级。根据优选实施例，磁体6具有棱柱形状，带有为圆形、多边形、方形和矩形或为如图1b中所图示的其它不规则形状的剖面。
对于大多数应用，磁体的剖面优选为圆形。
非磁性支撑件12由非磁性材料制成，材料的选择除了其它事物之外还取决于为磁性定心器件2所设想的应用。非磁性支撑件12保护磁通量传导器件4并且具有作业表面16，构件（未图示）可以靠在该作业表面16上。
根据本发明的一个实施例的磁性定心器件的主要应用之一包括用于旋转或枢轴转动移动部件的轴向轴承，该轴向轴承还具有将旋转移动构件定心于磁通量传导器件4所限定的轴A上的功能。根据本发明的磁性定心器件还可以用于对非旋转部件和特别是静止部件进行定心或定位。在这样的情况中，还可能的是设想使用根据本发明的磁性定心器件来限定参考点，例如用于移动部件。
在其中非磁性支撑件12具有用于移动支撑构件（未图示）（例如，如用于旋转枢轴转动构件的轴向轴承）的作业表面16的应用中，材料选自具有良好机械属性并且特别是除了良好的摩擦学属性之外还具有高变形极限和断裂极限的材料。响应这些准则的材料的示例包括结晶石，诸如蓝宝石，例如红宝石或钻石。对于移动时计部件，红宝石将优选地用作用于非磁性支撑件12的材料。
在优选实施例中，非磁性支撑件由均质材料形成，例如，由蓝宝石轮盘（例如红宝石）构成的非磁性支撑件。然而，在本发明的范围内，非磁性支撑件还可以由若干层不同材料所形成的非均质结构形成。例如，在变型中，非磁性支撑件12可以包括第一材料作为用于支撑主体的主材料，具有高硬度和/或良好摩擦学属性的第二材料形成包括作业表面16的外层。例如，第一层可以由通过使用已知沉积技术沉积在磁通量传导器件4上所形成的材料制成，并且第二层可以由另一材料制成。该第二层可以例如是钻石层，也通过沉积技术、诸如通过等离子体沉积或CVD（化学气相沉积）而形成。
非磁性支撑件还可以是诸如红宝石或其它琢石之类的单个部件或者由陶瓷材料制成的部件的形式。
非磁性支撑件的轴向厚度Z12优选为毫米或更小的数量级，优选地小于0.5毫米。对于大多数应用，厚度Z12尽可能低，这除了用于生产所述器件的制造技术的限制之外还考虑施加在非磁性支撑件上的压力以及非磁性支撑件构成材料的抗力。这使得有可能针对最高的可能磁场强度而获得将作业表面16与磁通量传导器件4分离的最小可能轴向距离。
作业表面16可以是平面或基本上平面的。然而，在变型中，作业表面可以具有非平面形状，例如凸形状或凹形状，这些形状除其它事物之外还取决于为根据本发明的磁性定心器件所设想的应用。
凸形状可以是有用的，例如当磁性定心器件被布置在枢轴销的末端上时或当靠在作业表面上的构件（未图示）具有平坦或凹的表面时，以便形成在构件和作业表面之间的接触点。
在一个实施例中，非磁性支撑件的宽度可以相同于或基本上匹配于磁体的宽度X6。然而，在变型中有可能具有一种非磁性支撑件12，其具有与磁体的宽度和剖面不同的宽度和/或剖面。例如，在变型中，非磁性支撑件可以形成具有其它功能和/或形成另一器件的构件的一部分的较大支撑元件的整体或集成部件。
磁通量传导器件4包括由磁性材料M1制成的中央磁通量传导轮盘8以及由材料M2制成的***区域10，所述材料M2取决于变型而可以相同于中央轮盘的材料M1，或者***区域由与中央轮盘材料不同的材料制成。
***区域10被布置在中央轮盘周围并且与中央轮盘分离距离R10。在有利的实施例中，***区域不与中央轮盘接触。在变型中，***区域和中央轮盘通过一个或多个不同形状的杆、辐条或桥接部而连接。***区域和中央轮盘还可以通过杆或连接板而连接，所述杆或连接板的厚度等于或小于中央轮盘的厚度的十分之一。距离R10可以是磁体的宽度X6的一半减去形成***区域的材料的径向厚度Xp和中央轮盘8的半径（X8/2）的数量级。在一个实施例中，***区域接近于磁体6的外部***20或接近于非磁性支撑件12的外部***22。将中央轮盘与***区域分离的距离R8在优选实施例中在0.45乘以平均磁体宽度X6和0.2乘以平均磁体宽度X6之间的范围内。如果磁体具有大约1毫米的宽度，则将***区域与中央轮盘分离的距离优选在0.45毫米和0.2毫米之间。
在优选实施例中，***区域10在中央轮盘周围形成封闭的、优选圆形的电路，然而***区域还可以具有三角形或规则多边形或方形的形状，中央轮盘优选在制造容差的极限内被布置在***区域10的中心处。在变型（未图示）中，***区域10还可以由围绕中央轮盘的非封闭电路形成，或者包括多个点、圆弧或材料M2的区段，它们是不连续的但是分布在中央磁通量传导轮盘8周围。
在优选实施例中，***区域10的材料M2有利地是磁通量传导材料，特别是具有高磁导率。在该实施例中，材料M2可以有利地是用于中央磁通量传导轮盘8的相同磁通量传导材料。在变型中，然而，可能的是使材料M2具有低磁导率，特别是非磁性材料并且在该情况中***区域具有限定了在磁体6的一个表面和非磁性表面12的内表面14之间的轴向距离Z10的支撑件和/或间隔件功能。
在优选实施例中，磁通量传导器件4通过沉积技术形成在磁体的表面18上或非磁性支撑件的内表面14上。沉积技术的各种已知现有技术可以被使用并且将因此不被详细描述。可以有利地使用在本发明的一个实施例中的已知方法之一包括沉积形成中央轮盘的材料M1的层，如果***区域的材料不同于中央轮盘的材料则该中央轮盘可能由形成***区域的另一材料M2制成，继之以光刻方法以形成中央轮盘以及将中央轮盘8与***区域10分离的间隔R8。根据变型，制造中央轮盘和***区域的方法可以包括对形成中央轮盘和***区域的材料的层进行激光机器加工。根据变型，非磁性支撑件12可以包括中央凹部（hollow），例如在硬质材料（诸如蓝宝石或陶瓷部件）中激光机器加工的凹部，中央轮盘的磁性材料被沉积在凹部中，例如通过电流沉积，可能地伴随有机械或化学附接方法以形成中央轮盘和***区域的最终形状。相同的方法也可以用于通过形成用于***区域的凹部而形成***区域。在支撑件中形成的凹部还可以包括中央轮盘和***区域，中央部件和***区域之间的间隔被机器加工、通过化学蚀刻或通过激光方法而被移除。在优选实施例中，非磁性支撑件12中的凹部可以内接在朝向凹部的底部具有最小可能直径的截锥中。
将***区域与中央轮盘分离的间隔可以填充有气体，或者在优选的变型中，填充有非磁性固体材料，即具有低磁导率（例如，接近于值1）的材料。
中央轮盘8、适当情况下***区域10（当这是相同材料时）的材料M1可以有利地由镍或钴或者由镍合金或钴合金制成。在一个实施例中，材料M1和/或材料M2完全由镍形成。在另一变型中，这些元件完全由具有少于或等于11%的磷百分比的镍-磷制成。根据又一变型，通量传导元件完全由钴形成。根据另一变型，通量传导元件可以完全由磁性软材料制成，所述磁性软材料由小于5kA/m的矫顽场c和等于或大于100的最大磁导率μR所表征。
图2图示了由根据图1的磁性定心器件产生的磁场线。场线被定位在中央轮盘8的区域中，在实际尺度上几乎不可见。中央轮盘8在该示例中具有等于10微米的直径和等于10微米的厚度。***区域10具有圆冠形状，其具有等于1mm的外直径和等于0.8mm的内直径以及等于10微米的厚度。轮盘和***区域由镍制成。磁通量传导器件4被***在由NdFeB制成的具有等于1mm的直径和等于0.5mm的厚度的永磁体以及具有相同直径和等于0.05mm的厚度的红宝石之间。
永磁体的剩余场是1T并且其磁化是非均质的并且相对于磁体的中心偏心0.2mm。在红宝石的外表面上的磁场示出在图3中。在图3中，在存在以及不存在磁通量传导元件B的情况下，在沿轴y=0、z=0.31mm的横截面中沿x轴的方向测量磁场幅度。最大磁场对应于中央镍轮盘，其起到离开磁体的磁通量的导体和***的作用。在不存在传导元件的情况下，宝石上的最大磁场将被移位近似0.2mm，这是因为永磁体的偏心磁化。
根据有利实施例，磁通量传导元件包括圆形中央轮盘，其具有等于或小于10微米的直径以及具有等于或小于7微米的厚度。
根据有利实施例，磁通量传导元件包括中央轮盘，其可以内接在具有第一表面和第二表面的截锥中，所述第一表面具有等于或小于10微米的直径，所述第二表面具有等于或小于50微米的直径和等于或小于50微米的高度，最大表面是最接近于磁体6的表面。
根据有利实施例，在中央轮盘和***区域之间的最小距离等于或大于0.2mm。
根据有利实施例，***区域具有圆冠形状。
根据有利实施例，***区域与中央轮盘完全不连通。
根据第二实施例，非磁性连接元件存在于***区域和中央轮盘之间。
根据一个实施例，***区域和轮盘由相同材料制成，并且通过具有等于或小于轮盘厚度的十分之一的厚度的杆或连接板来连接。
优选地，磁体是永久性稀土磁体。
根据有利实施例，材料M1和M2是相同的。
根据有利实施例，通量传导元件完全由镍制成。
根据变型，磁通量传导器件完全由具有低于或等于11%的磷百分比的镍-磷制成。
根据变型，磁通量传导器件完全由钴制成。
根据变型，磁通量传导器件完全由磁性软材料制成，其由小于5kA/m的矫顽场c和等于或小于100的最大磁导率μR表征。
根据另一实施例，材料M1是磁性的并且材料M2是非磁性的。
根据另一实施例，非磁性支撑件被省略。
根据有利制造方法，磁通量传导器件通过沉积在磁体的表面上来创建。
根据另一有利制造方法，磁通量传导器件通过沉积在非磁性支撑件的表面上来创建。
根据有利制造方法，磁通量传导器件通过从均匀材料层进行光刻来获得。
根据有利制造方法，非磁性支撑件的表面通过激光机器加工被弄凹，材料M1然后通过电流沉积被均匀地沉积在所弄凹的表面上并且磁通量传导器件最终通过所沉积材料M1的机械或化学蚀刻而形成在凹部内部。根据优选制造方法，磁性支撑件中的凹部可以内接在朝向凹部的底部具有最小可能直径的截锥中。
在钟表术应用中，根据本发明的磁性定心器件可以有利地使用于：
-机械钟表机件，特别是用于游丝摆轮（sprung balance）和擒纵机构；
-用于各种移动部件的磁性枢轴，所述移动部件诸如齿轮系、擒纵机构或摆轮；
-计时器（振荡器、移动和防颤振）；
-日期机构（半即时和即时）；
-报时机构（锤钟、销钉机筒（pin barrels）、调节器）；
-音叉钟表（特别是具有Clifford磁性擒纵机构）。
本发明还可以被使用于测量或控制仪器中以及包括旋转微机械组件（例如微缩陀螺仪）的其它仪器中。
在其优点之中，根据本发明的磁性定心器件：
-确保以小于10微米的精度对离开钟表术尺寸的磁性组件的磁通量定位；
-可以集成在所有活性磁性组件（永磁体、软铁磁、反铁磁组件等等）中，
而不管该组件的磁能密度、剩磁和其它磁性属性如何；
-可以直接集成在制表工业内已经开发的组件中，例如在磁性枢轴中；
-在非常高的温度范围内（取决于所选材料，在大于-200℃/+150℃的范围内）确保其磁通量定位功能，而不管各种气候条件如何；
-确保磁通量定位，而不管其强度如何；
-对于震动是鲁棒的。
参考列表
-磁性定心器件2
-磁通量传导器件4
-中央磁通量传导轮盘8
-磁性材料M1
-***区域10
-材料M2
-横向***22
-非磁性支撑件12
-内表面14
-外表面16（作业表面）
-磁体6
-内表面18
-横向***20

Claims (26)

1.用于微机械应用的磁性定心器件（2），包括磁体（6）和被布置在磁体上的磁通量传导器件（4），所述磁通量传导器件包括由具有等于或大于100的最大高磁导率的磁性材料（M1）制成的中央磁通量传导轮盘（8），以及被布置在中央轮盘周围并且与中央轮盘分离非零距离（R10）的***区域（10）。
2.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，***区域不与中央轮盘接触。
3.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，***区域和中央轮盘通过一个或多个杆或通过连接板来连接，所述杆或连接板的厚度等于或小于中央轮盘的厚度的十分之一。
4.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，***区域由具有等于或大于100的高最大磁导率的磁性材料（M2）制成。
5.根据权利要求4所述的器件，其特征在于，***区域由与中央轮盘的材料相同的材料制成。
6.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，磁体的材料是SmCo或NdFeB。
7.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，将中央轮盘与***区域分离的距离（R10）在0.45乘以***区域的外直径的磁体的平均宽度（X6）和0.2乘以***区域的外直径的磁体的平均宽度（X6）之间的范围中。
8.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，***区域在中央轮盘周围形成封闭电路。
9.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，***区域具有圆形形状。
10.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，中央轮盘具有圆柱形状。
11.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，中央轮盘具有截锥形状。
12.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，在中央轮盘和***区域之间的最小距离等于或大于0.2mm。
13.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，中央轮盘内接在具有5微米和30微米之间的直径以及5微米和50微米之间的厚度的圆柱体中，并且***区域内接在具有0.5mm和2mm之间的内直径以及5微米和30微米之间的厚度的圆柱形冠中。
14.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，中央轮盘内接在具有第一表面和第二表面的截锥中，所述第一表面的直径等于或小于10微米，第二表面的直径等于或小于50微米并且高度等于或小于50微米，第二表面被布置成比第一表面更接近于磁体。
15.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，磁体具有0.5mm和3mm之间的直径和0.2mm和1mm之间的厚度。
16.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，磁通量传导器件通过沉积技术被形成在磁体的表面（18）或非磁性支撑件的内表面（14）上。
17.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，中央轮盘的、并且可能地当材料相同时***区域的材料（M1）由镍或钴或镍合金或钴合金制成。
18.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，磁通量传导器件通过从基本上均匀的材料层进行光刻而获得。
19.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述器件包括由具有低磁导率的材料制成的非磁性支撑件（12），磁通量传导器件被布置在磁体和非磁性支撑件之间。
20.根据权利要求19所述的器件，其特征在于，非磁性支撑件保护磁通量传导器件并且具有能够被移动构件靠在上面的作业表面（16）。
21.根据权利要求19所述的器件，其特征在于，作业表面由选自包括蓝宝石、红宝石和钻石的材料的组中的材料制成。
22.根据权利要求19所述的器件，其特征在于，非磁性支撑件的表面通过激光机器加工而被弄凹，形成中央轮盘的材料然后通过电流沉积以层被沉积在所弄凹的表面上并且磁通量传导器件通过所沉积材料的机械或化学蚀刻而最终形成在凹部内部。
23.根据权利要求19所述的器件，其特征在于，非磁性支撑件的厚度在0.03mm和0.6mm之间。
24.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述器件被配置为用于时计机构的枢轴转动或旋转移动构件的磁性轴承。
25.包括用于微机械应用的磁性定心器件的钟表机件，所述磁性定心器件包括磁体（6）和被布置在磁体上的磁通量传导器件（4），所述磁通量传导器件包括由具有等于或大于100的最大高磁导率的磁性材料（M1）制成的中央磁通量传导轮盘（8），和被布置在中央轮盘周围并且与中央轮盘分离非零距离（R10）的***区域（10）。
26.包括用于微机械应用的磁性定心器件的钟表，所述磁性定心器件包括磁体（6）和被布置在磁体上的磁通量传导器件（4），所述磁通量传导器件包括由具有等于或大于100的最大高磁导率的磁性材料（M1）制成的中央磁通量传导轮盘（8），和被布置在中央轮盘周围并且与中央轮盘分离非零距离（R10）的***区域（10）。
CN201410785838.6A 2013-12-19 2014-12-18 磁性定心器件、含有磁性定心器件的钟表机件与钟表 Active CN104730906B (zh)

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