带磁回退的螺线管微致动器 |
|||||||
| 申请号 | CN202111170437.6 | 申请日 | 2021-10-08 | 公开(公告)号 | CN114301254A | 公开(公告)日 | 2022-04-08 |
| 申请人 | 斯沃奇集团研究和开发有限公司; | 发明人 | M·伊博登; C·尼古拉斯; N·利瓦特; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种 磁性 微 致动器 (100)，该磁性微致动器(100)包括控制滑 块 (30)的轴向运动的线圈(6；61；62)，所述滑块(30)包括至少一个 永磁体 (2)，所述永磁体与 铁 磁性或磁化的后 心轴 (42)结合或对齐并引导具有回转的形式的 磁场 的场线沿轴向方向(D)穿过滑块(30)在其中往复的线圈(6；61；62)，直至所述后心轴(42)的后端(43)，该后端(43)趋向于通过磁吸引 力 与位于微致动器(100)的结构(20)的后面(25)附近的至少一个第一 铁磁性 恢复元件(8)配合，以便在线圈(6；61；62)不通电时使所述滑块(30)回到后行程结束 位置 。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种磁性微致动器(100)，该磁性微致动器(100)包括至少一个结构(20)，所述结构(20)容纳至少一个线圈(6；61；62)，所述线圈(6；61；62)布置成在通电位置沿轴向方向(D)在第一方向上在所述微致动器(100)所包括的滑块(30)上施加轴向推力，直至对应于所述结构(20)的第一承载面(21)与所述滑块(30)的第一抵接面(31)之间的抵接承载的前行程结束位置，在所述前行程结束位置，所述滑块(30)所包括的前心轴(41)从所述结构(20)的前面(24)伸出，并且当所述线圈(6；61；62)不通电时，所述滑块(30)能沿所述轴向方向(D)在与所述第一方向相反的第二方向上运动，并且通过纯磁性方式回到对应于所述结构(20)的第二承载面(22)与所述滑块(30)的第二抵接面(32)之间的抵接承载的后行程结束位置，其特征在于，所述滑块(30)包括至少一个永磁体(2)，该永磁体(2)与同所述前心轴(41)对齐的后心轴(42)结合，或由所述后心轴(42)的至少一部分构成，所述至少一个永磁体(2)产生具有围绕所述轴向方向(D)回转的形式的磁场，所述后心轴(42)是铁磁性的或磁化的并且布置成引导具有回转的形式的所述磁场的场线基本上沿所述轴向方向(D)穿过所述滑块(30)在其中往复的所述至少一个线圈(6；61；62)，直到所述后心轴(42)的后端(43)，所述后端(43)趋向于通过磁吸引力与位于所述结构(20)的与所述前面(24)相对的后面(25)附近的至少一个第一铁磁性恢复元件(8)配合，以便在所述线圈(6；61；62)不通电时使所述滑块(30)回到其所述后行程结束位置。 |
||||||
| 说明书全文 | 带磁回退的螺线管微致动器技术领域[0001] 本发明涉及一种磁性微致动器，该磁性微致动器包括至少一个结构，所述结构容纳至少一个线圈，所述线圈布置成在通电位置沿轴向方向在第一方向上在所述微致动器所包括的滑块上施加轴向推力，直至对应于所述结构的第一承载面与所述滑块的第一抵接面之间的抵接承载的前行程结束位置，在所述前行程结束位置，所述滑块所包括的前心轴从所述结构的前面伸出，并且当所述线圈不通电时，所述滑块能沿所述轴向方向在与所述第一方向相反的第二方向上运动，并且通过纯磁性方式回到对应于所述结构的第二承载面与所述滑块的第二抵接面之间的抵接承载的后行程结束位置。 [0002] 本发明还涉及一种包括至少一个这样的微致动器的印刷电路。 [0003] 本发明还涉及一种包括至少一个这样的微致动器和/或至少一个这样的印刷电路的表。 [0004] 本发明涉及微机械致动系统领域，特别是钟表领域。 背景技术[0005] 常规螺线管致动器通常不适于微机械，尤其是钟表结构。事实上，它们必须满足致动和复位约束，以及特别是钟表应用所需的非常小的尺寸。 [0006] 复位弹簧的使用不利于微致动器的整体尺寸，并且随着时间的推移无法保证最佳抵抗力。 发明内容[0007] 本发明的目的是开发一种能够施加受控的机械制动力的微致动器，特别是用于微机械且具体而言用于钟表应用。 [0008] 一个特别令人感兴趣的应用涉及制动，在微机械学中，特别是在钟表学中，制动需要极短的反应时间以及极短的休止位置复位时间。 [0009] 因此，这涉及改进常规的螺线管致动器以满足致动和复位时间约束，以及特别是钟表应用所需的非常小的尺寸。 [0011] 本发明还涉及一种包括至少一个这样的微致动器的印刷电路。 [0013] 在参考附图阅读以下详细说明后，本发明的其它特征和优点将变得显而易见，在附图中： [0014] ‑图1示意性地并以透视图示出了根据本发明的微致动器，该微致动器包括块状结构，该块状结构这里非限制性地由前壳体和后壳体组成，该块状结构包围形成定子的线圈，滑块能在线圈中运动，滑块包括永磁体和心轴，该微致动器还包括第一铁磁性恢复元件，这里采用软铁磁性环的具体形式，该第一铁磁性恢复元件在与前壳体相对的一侧附接到后壳体的后部，前壳体包括滑块可从中伸出的开口； [0015] ‑图2示意性地并以分解透视图示出了图1的微致动器； [0016] ‑图3示意性地并以沿着穿过图1的轴线AA的平面P的剖视图示出了第一变型中的图1的微致动器，在第一变型中，滑块包括非磁性或软铁磁性的前心轴和后心轴，并且处于被致动位置； [0017] ‑图4以与图3类似的方式示出了第二变型，其中，滑块包括与永磁体成一体的心轴，并且处于退回位置； [0018] ‑图5是用于图3的微致动器的磁场的通过有限元模拟的场图；永磁体的场线被引导通过滑块的前心轴和后心轴；通电线圈沿正Z方向驱动包括前心轴、后心轴和磁体的滑块；当线圈中的电流被切断时，铁磁性恢复元件、特别是软铁磁性环产生反方向的力，该力作用在滑块上并使其回到其初始位置；运动路径用虚线表示； [0019] ‑图6针对图3的微致动器图示了当滑块在AA方向上沿着Z轴运动时作用在滑块上的力随运动D的变化，纵坐标表示力，横坐标表示运动D；实线表示线圈在电流通过时所施加的正向力的变化；虚线表示铁磁性恢复元件施加的复位力的变化； [0020] ‑图7是针对图3的微致动器和图6所示的力分布一方面用虚线示出滑块在AA方向上沿着Z轴的运动随横坐标显示的时间t的变化并且另一方面用实线示出滑块的速度随时间t的变化的图； [0021] ‑图8是针对图3的微致动器和图6所示的力分布一方面用虚线示出滑块在AA方向上沿着Z轴的运动随横坐标显示的时间t的变化并且另一方面用实线示出力随时间t的变化的另一幅图； [0022] ‑图9以类似于图5的方式示出由与心轴成一体的永久超环面磁体产生的磁场的通过有限元模拟的场图，心轴在其端部处包括永磁延伸部；这种有限元模拟只涉及滑块，而不包括线圈或后铁磁性环； [0023] ‑图10示意性地、局部地并以穿过滑块的轴线的截面图示出了由两个线圈包围的滑块，根据它们的电源，所述线圈可以在滑块周围建立相反方向或相同方向的磁场； [0024] ‑图11示意性地、局部地并以穿过滑块的轴线的截面图示出了处于瞬时供电情形的滑块，仅在滑块的一侧布置有两个线圈，这两个线圈产生了具有额外的效应且方向相同的磁场； [0025] ‑图12以与图3类似的方式示意性地、局部地并以穿过滑块的轴线的截面图示出了包括第二铁磁性恢复元件的微致动器，该第二铁磁性恢复元件位于该结构的与第一铁磁性恢复元件相对的前部中并且布置成与前心轴的前端配合以便其复位； [0026] ‑图13以与图12类似的方式示出了具有基本对称结构的微致动器，该微致动器包括在滑块所支承的永磁体的每一侧的线圈； [0027] ‑图14是根据本发明的微致动器的后部的细节，其中，第一铁磁性恢复元件是实心元件； [0028] ‑图15是根据本发明的微致动器的后部的细节，其中，第一铁磁性恢复元件包括直径不同且大致共面的两个铁磁性环； [0029] ‑图16示意性地并以透视图示出了根据本发明的微致动器的透视图，该微致动器包括并列布置的结构，每个结构都容纳滑块和相关联的一个或多个线圈，在所述结构的布置中，各个滑块的伸出对应于矩阵编码； [0030] ‑图17是示出了微机构、特别是表的框图，该微机构包括根据本发明的第一微致动器，该第一微致动器形成印刷电路的一部分，并且其滑块布置成致动另一机构如钟表机芯的部件，该微机构还包括根据本发明的第二微致动器，该第二微致动器的滑块布置成通过从该微机构的壳体伸出来刺激使用者的表皮。 具体实施方式[0032] 螺线管致动器在通用机械工程领域中是众所周知的，特别是用于机构的控制。大多数包括滑块的复位弹簧，这限制了它们的性能，特别是在工作周期的持续时间方面。它们难以小型化，并且不用于个人设备。 [0033] 目的是开发一种能够施加受控的机械制动力的微致动器，特别是用于微机械以及特别是钟表应用。 [0034] 一种特别令人感兴趣的应用涉及制动，在微机械学中，特别是在钟表学中，制动需要极短的反应时间以及极短的休止位置复位时间。 [0035] 因此，这涉及改进常规的螺线管致动器，以便满足致动和复位时间约束，以及特别是钟表应用所需的非常小的尺寸。 [0036] 图1和图2示出了根据本发明的微致动器100。它形成块状结构，该块状结构这里非限制性地由前壳体10和后壳体12组成。该后壳体12包围形成定子的线圈6以及包括至少一个永磁体2和心轴4的滑块。该心轴4可以是一件式的，也可以分成多个对齐的部分，例如前心轴41和后心轴42，它们例如在图3中看到的位于永磁体2的两侧。第一铁磁性恢复元件8特别是但非限制性地是软铁磁性环，它在与前壳体10相对的一侧附接到后壳体12的后部。这里的微致动器100以非限制性的方式通过两个销14保持组装。 [0037] 微致动器100以类似于螺线管致动器的方式操作。当电流施加到线圈6时，产生的力沿正Z方向朝向前壳体10推回磁体2并向前推心轴4。最大运动在行程结束时通过行程结束抵接来确定，例如磁体2与前壳体10接触。如果电流反向，则滑块退回到由滑块与定子(线圈6)之间的接触点限定的初始位置。 [0038] 在某些应用中，仅在一个方向上施加电流是有利的(单极驱动)。在这种情况下，可以设想用于滑块复位的两种选择：对于微致动器100意欲在多个取向上操作的一般情况，如在表的情况下那样，可以使用在图1至4中由环表示的至少一个铁磁性恢复元件8；该铁磁性恢复元件8也可以是块或盘。在非常特殊的情况下，特别是其中微致动器100定位成使得滑块30始终在竖直方向上向上运动的静态情况下，必要的复位力可以由通过重力场向下返回的滑块30的重量提供。这种布局仅罕见地用于静态安装，例如时钟。在一般情况下，必须产生复位力以确保滑块回到休止位置。 [0039] 图3和4是不同结构的此类微致动器100的横截面，图3示出了滑块30的展开(致动)状态，滑块30包括均为铁磁性的前心轴41和后心轴42；图4示出了滑块30的退回(停止)位置，该滑块30具有将前心轴41和后心轴42结合并形成永磁体的单个一件式心轴4。 [0040] 在诸如具有前心轴41和后心轴42的图3的变型中，重要的是，后心轴42是铁磁性的，以保证必要的致动和回退力。前心轴41本身可以是铁磁性的或非磁性的。前心轴41更具体地旨在建立与目标物体的物理接触，目标物体通常放置在距微致动器100至少0.5mm处。 [0042] 运动范围以及因此目标物体的位置自然可以根据应用进行调整。必须确保，即使行程较长，也能正确调整致动力和复位力。 [0043] 在诸如图4的变型中，心轴4和磁体2构成一件式元件。同样，心轴4的形成前心轴41的前部可以是非磁性的，但是心轴4的形成后心轴42的后部由磁化材料制成是有利的。 [0044] 图5针对具有图3的微致动器100的软铁磁性的前心轴41和后心轴42的变型示出了磁场线，该微致动器10具有圆柱形的磁体2和第一环形铁磁性恢复元件8。图5是具有径向对称性的有限元模拟的结果。后心轴42将磁体2的场线引导向线圈6和第一恢复元件8。永磁体2的场线被引导通过前心轴41和后心轴42。线圈6沿正Z方向驱动滑块30。如果线圈中的电流被切断，则第一铁磁性恢复元件8(特别是软铁磁性环)产生相反方向的力，该力作用在滑块 30上并使其回到其初始位置。运动路径δ用虚线表示；在本例中，运动路径为0.5毫米。 [0045] 对于死线圈6(0V)和活线圈6(2.5V)的情况，使用有限元模拟来获得取决于运动的力。计算出的力在图6的曲线图中示出。该图6针对图3的微致动器示出了当滑块30在AA方向上沿Z轴运动时作用在滑块30上的力随运动D的变化，纵坐标表示力，横坐标表示运动D；实线表示线圈6在电流通过时所施加的正向力的变化；虚线示出了铁磁性环8施加的复位力的变化。 [0046] 当电流被切断时，根据虚线表示的曲线，该力为负的(回退)并且在滑块30前进时力减小。重要的是，即使在最大延伸时，该力依然足以使滑块30恢复和退回，并且在该构型中为小于0.1mN的数量级。必要的力由滑块30与定子之间的静摩擦、心轴与壳体之间的接触点(如下文详细描述的接触点)以及重力限定。根据实线表示的曲线，通电状态的力分布为正，接近0.5mN。当滑块30向前滑动时，切换力仍然很高，甚至增加20％以上。这是在后部存在软铁磁性后心轴42的结果，该后心轴42与线圈6一起确保由磁体2产生的显著的场和显著的场梯度。 [0047] 为了从计算出的力中获得动态，在期望的时间尺度上对这种系统的微分方程进行积分。结果如图7和8所示。 [0048] 曲线是针对质量为0.015g的滑块30和2.5V的持续4ms的致动脉冲生成的，并且对应于上面评论的图6所示的力分布。最大运动固定为0.3毫米。这对应于前心轴41与物体的撞击，因为该装置本身具有δ＝0.5mm的最大可能运动。从图7中可以看出，在撞击期间，在一个小凹陷后会出现回弹。曲线图表明心轴4在大约5ms后以120mm/s的速度到达其目标。撞击速度和轮副的质量限定了接触力，而回弹限定了运动量。当线圈6的供电停止时，即使在撞击之前，滑块30也在5ms内返回休止位置。复位由铁磁性环8确保，但也由在接触期间可能发生的回弹确保。回弹是有益的，因为它防止了可能会阻止滑块30复位的静摩擦。 [0049] 图8示出了随时间变化的运动和力。可以清楚地看到，一旦切断线圈6的致动电流，滑块30就会因为力为负的而开始减速。然而，仍然到达了撞击点。由于存在复位力，滑块30返回到其起始位置并且根据接触点处的阻尼任选地回弹多次。重要的是，一旦停止，滑块30就始终通过施加在第一铁磁性恢复元件8与滑块30之间的保持力牢固地保持就位。在本例中，保持力约为0.5mN，即使在很小的振动和冲击的情况下，这也足以用于维持稳定的休止位置。 [0050] 图9示出了由完全由永磁体构成的滑块30产生的磁场，该永磁体在心轴的两端处包括永磁体延伸部。在此构型中，心轴和磁体是单个部件。阴影表示正(白色)和负(灰色)Bz区域。场线与使用铁磁性磁体‑心轴复合滑块30获得的场线非常相似。 [0051] 摩擦是一个限制因素。摩擦是一个问题，并且设计必须保证心轴的滑动有效。对于完全对齐并通过布置在前壳体10和后壳体12中的导向开口保持就位的前心轴41和后心轴42，应当使摩擦最小化。构成心轴和壳体的材料之间的摩擦必须通过结合低摩擦系数材料或通过添加润滑涂层来最小化。根据钟表传统，另一种更昂贵的解决方案是将宝石(红宝石)与金属或陶瓷心轴相匹配。心轴的外径与线圈的内径之间的充分间隙可以确保心轴与线圈之间没有接触。这同样适用于心轴与微致动器的结构20之间的间隙，以及磁体2的外径与结构20的腔室之间的间隙，以便磁体2不接触该结构20。自然地，计算每个间隙都考虑了设备的整体工作温度范围。 [0052] 向使用者传达信息通常涉及视觉和听觉。另一方面，其它常规感官、嗅觉、味觉和触觉却很少使用。触觉回溯(haptic retroaction)目前是一个活跃的研究领域，有许多变型。 [0053] 因此，这种微致动器可用于触觉阅读的其它应用，特别是在诸如盲文显示器之类的回溯触觉领域。盲人通过凸起或凹进的字符使用的文本编码是从14世纪由Zayn Ud Al 开发，然后在17世纪由Francesco Lana de Terzi开发，在18世纪由Valentin Haüy(第一所专为盲人设计的学校的创始人)开发。阅读代码在19世纪由Charles Barbier de la Serre改进，用于军事夜间写作或阅读应用，然后由Louis Braille改进，其代码已被普及。Abraham‑Louis Breguet也在18世纪生产了包括伸出针脚的触摸表，以便可以在黑暗中读取时间。 [0054] 触觉的使用目前是一个活跃的研究领域，具有多种变型。特别是，有区分表皮处的皮肤感知与所谓的触觉感知的趋势，触觉感知涉及由个体的神经和肌肉系统提供的信息与该局部皮肤感知特有的信息的组合，并且使得可以更广泛地定义物体、它的运动或它的变形。这种触觉感知也可以与由个体的其它感官提供的信息相结合，例如对温度的感知。 [0057] 更具体地，并且如图所示，本发明因此涉及一种包括至少一个结构20的磁性微致动器100，该结构20容纳至少一个线圈6、61、62。 [0058] 该线圈6、61、62布置成在通电位置沿轴向方向D在第一方向上在微致动器100所包括的滑块30上施加轴向推力，直至对应于结构20的第一承载面21与滑块30的第一抵接面31之间的抵接承载的前行程结束位置。 [0059] 在该前行程结束位置，滑块30所包括的前心轴41从结构20的前面24伸出。 [0060] 此外，当线圈6、61、62不通电时，滑块30可沿轴向方向D在与第一方向相反的第二方向上运动，并通过纯磁性方式返回到对应于结构20的第二承载面22与滑块30的第二抵接面32之间的抵接承载的后行程结束位置。 [0061] 根据本发明，滑块30包括至少一个永磁体2，该永磁体2与同前心轴41对齐的后心轴42结合，或构成后心轴42的至少一部分。该至少一个永磁体2产生具有围绕轴向方向D回转的形式的磁场。 [0062] 后心轴42是铁磁性的或磁化的，并且布置成引导具有回转的形式的磁场的场线基本上沿轴向方向D穿过滑块30在其中往复的该至少一个线圈6、61、62，直至后心轴42的后端43，该后端43倾向于通过磁吸引力与至少一个第一铁磁性恢复元件8配合。 [0063] 该第一铁磁性恢复元件8位于结构20的后面25附近，与前面24相对，并且布置成与永磁体2产生的磁场协作，以便使滑块30在线圈6、61、62不通电时回到其后行程结束位置。 [0064] 更具体地，该至少一个永磁体2插入在前心轴41和与前心轴41对齐的后心轴42之间。 [0065] 更具体地，该至少一个永磁体2与前心轴41和/或与后心轴42是一体的。 [0066] 更具体地，该至少一个永磁体2包括滑块30的第一抵接面31和/或滑块30的第二抵接面32。再更具体地，该至少一个永磁体2相对于前心轴41和/或后心轴42沿径向突出出来，并形成支承滑块30的第一抵接面31和/或第二抵接面32的凸缘。 [0067] 更具体地，至少一个第一铁磁性恢复元件8具有围绕轴向方向D回转的形状，并且布置成在后心轴42返回到后行程结束位置期间包围而不接触后心轴42。 [0068] 更具体地，至少一个第一铁磁性恢复元件8具有围绕轴向方向D回转的形状，并且包括前抵接面，该前抵接面布置成在后心轴42返回到后行程结束位置期间与后心轴42以抵接承载方式配合。 [0069] 更具体地，至少一个永磁体2与前心轴41结合，或构成前心轴41的至少一部分，该至少一个永磁体2产生具有围绕轴向方向D回转的形式的磁场；该前心轴41是铁磁性的或磁化的，并且布置成将具有回转的形式的磁场的场线基本上沿轴向方向D引导到前心轴41的前端45，该前端45倾向于通过磁吸引力与位于结构20的前面24附近的至少一个第二铁磁性恢复元件9配合，以便在线圈6、61、62不通电时使滑块30回到其后行程结束位置。 [0070] 更具体地，结构20包括连接到双向电源的至少一个线圈6、61、62。 [0071] 更具体地，结构20容纳多个线圈6、61、62。向这些线圈供电的模式可以使得沿轴向方向D在相同方向上产生磁场，或在相反方向上产生磁场。因此，电源的极性决定了工作模式。 [0072] 更具体地，至少两个线圈6、61、62位于滑块30的该至少一个永磁体2的两侧。 [0073] 更具体地，至少两个线圈6、61、62位于滑块30所包括的所有永磁体2的两侧。 [0074] 更具体地，微致动器100包括多个结构20，这些结构20通过侧面结合并共同形成块体200，滑块30的矩阵布置成从块体200的至少一个第一侧伸出。 [0075] 滑块30的行程显然取决于微致动器100的尺寸。对于钟表应用，1毫米、特别是小于或等于1.0mm或零点几毫米量级的行程与许多应用相容。 [0076] 更具体地，在一个非限制性的实施方案中，对应于附图所示的产品，微致动器100是表部件，并且包括至少一个行程小于或等于0.5mm的滑块30，该滑块30布置成向表的谐振器或擒纵机构或显示机构所包括的另一部件提供停止或调整脉冲。从有利的钟表应用来看，可以引用停秒、计时码表的触发或停止、指针设置的调整、日历的调整、报时机构中的簧条或音簧的敲击等。 [0077] 更具体地，微致动器100是与使用者的皮肤接触的便携式设备的部件，并且包括至少一个滑块30，该至少一个滑块布置成每次触摸时给出至少一个脉冲，以向使用者发出警告信号，和/或向使用者传输一系列编码脉冲。 [0078] 更具体地，微致动器100包括多个滑块30，这些滑块30布置成向使用者传输一系列几何上彼此分开的脉冲。 [0079] 本发明还涉及包括至少一个这样的微致动器100的印刷电路400，微微致动器100的形式为焊接在印刷电路400的板上的CMS部件。 [0080] 更具体地，印刷电路400包括用于为微致动器100的线圈6、61、62供电的至少一个电路。再更具体地，印刷电路400包括用于印刷电路400所支承的每个微致动器100所包括的每个线圈6、61、62的电源电路。 [0081] 本发明还涉及一种表1000，该表1000包括至少一个这样的微致动器100，和/或至少一个这样的印刷电路400，和用于为微致动器100的至少一个线圈6、61、62供电的至少一个能量源600，和/或至少一个机芯500，该机芯500包括用于为微致动器100的至少一个线圈6、61、62供电的至少一个能量源600。 [0082] 简而言之，本发明描述了一种可用于施加制动力或触觉回溯的电磁致动器。由于借助于第一铁磁性恢复元件8(例如特别是由软铁磁材料制成的环)确保了复位力，因此它可以通过单极电源启动。 [0083] 因此，根据本发明的微致动器具有多个优点。 [0084] 在没有致动的情况下，退回位置是稳定且明确的。这保证了制动仅在“开启”状态期间应用，即使在机械干扰(例如振动或冲击)的情况下也是如此。 [0085] 本发明在需要柱塞滑块极快速复位的任何构型中都是有利的。 [0086] 不需要加电来保持退回位置。 [0088] 所提出的装置非常紧凑并且仅包括单个可动部件。不需要弹簧。 [0089] 微致动器100可以被制造为CMS部件，以便容易地集成在标准印刷电路上，这保证了非常容易的安装和适中的成本。 |
||||||
