МАГНИТНЫЙ ШАРНИР
MAGNETIC HINGE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к способу ориентирования элемента часов посредством корректировки положения указанного элемента при повороте, изготовленного из материала, который является, по меньшей мере, частично магнитопроницаемым или, по меньшей мере, частично магнитным, и/или из материала, который является, по меньшей мере, частично проводящим или, соответственно, по меньшей мере, частично электризованным, при этом первый конец и второй конец указанного элемента шарнирно установлены в полости.
Изобретение также относится к устройству, корректирующему положение элемента часов при повороте, первый и второй концы которого изготовлены из материала, являющегося, по меньшей мере, частично магнитопроницаемым или, по меньшей мере, частично магнитным, и/или из материала, являющегося, по меньшей мере, частично проводящим или, по меньшей мере, частично электризованным.
Изобретение также относится к магнитному и/или электростатическому шарниру, содержащему элемент часов, первый и второй концы которого изготовлены из материала, являющегося, по меньшей мере, частично магнитопроницаемым, или, по меньшей мере, частично магнитным, либо, соответственно, по меньшей мере, частично проводящим, или, по меньшей мере, частично электризованным.
Изобретение также относится к часовому механизму, содержащему, по меньшей мере, одно устройство указанного типа, корректирующее положение элемента при повороте, и/или, по меньшей мере, один магнитный и/или электростатический шарнир указанного типа.
Кроме того, изобретение относится к часам, содержащим, по меньшей мере, один часовой механизм указанного типа и/или, по меньшей мере, одно устройство указанного типа, корректирующее положение элемента при повороте, и/или, по меньшей мере, один магнитный и/или электростатический шарнир указанного типа.
Изобретение относится к области микромеханики и, в частности, к технике измерения времени, для которой оно особенно подходит.
Уровень техники
В области микромеханики и, в частности, в технике измерения времени для позиционирования оси или вала элемента используют традиционные технические решения, в основе которых лежит механическое трение.
Что касается поворотного элемента, содержащегося в часовом механизме, или в генераторе колебаний, существует нерешенная проблема, состоящая в том, что имеется сильная зависимость эффективности и/или добротности элемента от положения часов, содержащих указанный элемент. В частности, при вертикальном положении часов эффективность и/или добротность элемента значительно снижается. В технических решениях, предложенных для преодоления указанной проблемы, предпочтение, в основном, отдается снижению эффективности и/или добротности при горизонтальном положении часов, а не повышению эффективности и/или добротности при вертикальном положении.
Следовательно, для решения указанных проблем необходимо:
- Обеспечить одинаковую эффективность и/или добротность элемента при любом положении часов.
- Повысить эффективность и/или добротность элемента при любом положении часов.
Известен патент Германии №1211460, поданный компанией SIEMENS AG, в котором описан подвижный элемент, содержащий стержень, составляющий единое целое с внутренним трубчатым магнитом, который вставлен в наружный трубчатый магнит. Наружный трубчатый магнит может перемещаться в картридже, коаксиальном указанным двум магнитам, относительно опорной поверхности опоры на одном конце и пружины, поддерживаемой втулкой на другом конце. Положение подвижного элемента также корректируется в аксиальном направлении на шпинделе, составляющем единое целое с втулкой. На каждом осевом конце подвижный элемент содержит предохранительный кожух для хрупкого керамического сердечника, являющегося внутренним магнитом. Положение элемента при повороте корректируется посредством взаимодействия двух магнитов, а именно, внутреннего и наружного трубчатых магнитов. Однако первый магнитный полюсный наконечник не является опорой для подвижного элемента, поскольку указанный подвижный элемент соединен с внутренним трубчатым магнитом посредством фланца и одного из двух кожухов. Следовательно, подвижный элемент согласно указанному патенту не свободен относительно первого магнитного полюсного наконечника, сформированного внутренним магнитом, а свободен только относительно второго магнитного полюсного наконечника, сформированного внешним магнитом.
В патентной заявке Германии №19854063 А1, которую подал Vladimir Jagmann, описывается подвижный элемент, изготовленный из намагничивающегося материала, размер которого меньше воздушного промежутка, в котором он установлен между двумя магнитными полюсными наконечниками, создающими магнитное поле в направлении, перпендикулярном гравитационной силе притяжения, при этом подвижный элемент является полулевитирующим и опирается только на один из магнитных полюсных наконечников, находясь вблизи другого магнитного полюсного наконечника. Ось шарнира подвижного элемента совпадает с осью, определяемой полюсами двух магнитных полюсных наконечников.
В патенте Германии №1220224 В, поданном компанией KERN & СО AG, также описывается подвижный элемент, подобным образом поворачивающийся без трения в поле, образованном двумя магнитами. Два магнита имеют выпуклые концы, изготовленные из твердого материала, которые генерируют магнитное поле. Поверхность подвижного элемента, примыкающая к одному из концов магнита, является также выпуклой и подвергается воздействию магнитного поля.
В патенте Франции №1115966 А, поданном компанией JUNHANS GEB AG, описывается регулятор с вращающимся балансом и используются статические магнитные поля, снижающее влияние веса на колеблющийся элемент.
В патенте Германии №1734590, поданном компанией Friedrich Mauthe GmbH, также описывается магнитное устройство, снижающее нагрузку на шарнир.
В патенте Великобритании №739979 А, поданном компанией ROULEMENTS А BILLES MINIATURES, описывается магнитный подшипник с вертикальной осью, предназначенный для измерительного прибора, такого как гальванометр.
В патенте США №3496780 А, поданном компанией CLAVELOUX NOEL, описывается электростатическая подвеска для роторов гироскопа, создаваемая множеством электродов.
Раскрытие изобретения
Согласно изобретению для преодоления проблем известного уровня техники предлагается способ ориентирования элемента часов и, конкретнее, способ центрирования элемента по оси шарнира, позволяющий существенно уменьшить трение, по сравнению со способами ориентирования посредством обычных механических корректирующих устройств, и, таким образом, улучшить независимость качества работы часового механизма от положения часов в пространстве.
Таким образом, согласно изобретению предлагается устройство, корректирующее положение элемента при повороте, позволяющее сформировать магнитный шарнир для элемента часов, обеспечивающий эффективность и/или добротность, которая не зависит от положения часов.
В связи с этим изобретение относится к способу ориентирования элемента часов посредством корректировки положения указанного элемента при повороте, который изготовлен из материала, являющегося, по меньшей мере, частично магнитопроницаемым или, соответственно, по меньшей мере, частично магнитным, и/или из материала, являющегося, по меньшей мере, частично проводящим или, соответственно, по меньшей мере, частично электризуемым, при этом первый конец и второй конец указанного элемента шарнирно установлены в полости; отличающемуся тем, что со стороны первого конца и со стороны второго конца элемента создаются два магнитных или, соответственно, электростатических поля, каждое из которых имеет тенденцию притягивать элемент к полюсному наконечнику, и возникает неуравновешенность между магнитными или, соответственно, электростатическими полями, окружающими элемент, приводящая к разности сил, действующих на элемент, в результате чего, один из концов элемента прижимается к контактной поверхности одного из полюсных наконечников, а другой из концов удерживается на расстоянии от контактной поверхности другого полюсного наконечника, при этом магнитные или, соответственно, электростатические поля на первом конце и втором конце имеют разную напряженность, при этом каждый из полюсных наконечников, расположенный на периферии полости или вблизи нее, отличен от элемента и изготовлен из материала, который является, по меньшей мере, частично магнитным или, соответственно, магнитопроницаемым, и/или из материала, который является, по меньшей мере, частично электризуемым или, соответственно, по меньшей мере, частично проводящим, причем элемент свободно установлен в полости между полюсными наконечниками и опирается на одну опорную поверхность вблизи только одного из полюсных наконечников.
Таким образом, изобретение также относится к устройству, корректирующему положение элемента часов при повороте, изготовленному из материала, который является, по меньшей мере, частично магнитопроницаемым или, соответственно, по меньшей мере, частично магнитным, и/или из материала, который является, по меньшей мере, частично проводящим или, соответственно, по меньшей мере, частично электризованным, при этом первый конец и второй конец элемента шарнирно установлены в полости, отличается тем, что оно содержит первую поверхность первого полюсного наконечника и вторую поверхность второго полюсного наконечника, отделенные друг от друга воздушным промежутком, размер которого на величину заданного рабочего люфта больше расстояния между центрами первого конца и второго конца элемента, при этом каждый из полюсных наконечников может притягиваться магнитным или, соответственно, электростатическим полем, передаваемым посредством одного из концов элемента, а именно посредством первого конца или второго конца, либо может создавать магнитное или, соответственно, электростатическое поле, притягивающее один из концов элемента, а именно первый конец или второй конец, причем на оба конца элемента действуют магнитные или, соответственно, электростатические силы притяжения разной напряженности, в результате чего один из двух концов элемента притягивается и непосредственно или косвенно контактирует только с одной из поверхностей полюсных наконечников, при этом на первом конце и втором конце элемента создаются магнитные или, соответственно, электростатические поля разной напряженности.
Изобретение также относится к магнитному или, соответственно, электростатическому шарниру, содержащему элемент часов, изготовленный из материала, который является, по меньшей мере, частично магнитопроницаемым или, соответственно, по меньшей мере, частично магнитным, и/или из материала, который является, по меньшей мере, частично проводящим или, по меньшей мере, частично электризованным, при этом первый конец и второй конец указанного элемента шарнирно установлены в полости, отличающемуся тем, что он содержит первую поверхность первого полюсного наконечника и вторую поверхность второго полюсного наконечника, отделенные друг от друга воздушным промежутком, размер которого на величину заданного рабочего люфта больше расстояния между центрами первого конца и второго конца элемента, при этом каждый из полюсных наконечников может притягиваться магнитным или, соответственно, электростатическим полем, передаваемым посредством одного из концов элемента, а именно посредством первого конца или второго конца, либо может создавать магнитное или, соответственно, электростатическое поле, притягивающее один из концов элемента, а именно первый конец или второй конец, причем на два конца элемента действуют магнитные или, соответственно, электростатические силы притяжения разной напряженности, в результате чего один из двух концов элемента притягивается и непосредственно или косвенно контактирует только с одной из поверхностей полюсных наконечников, при этом на первом конце и втором конце элемента создаются магнитные или, соответственно, электростатические поля разной напряженности.
Изобретение также относится к часовому механизму, содержащему, по меньшей мере, одно устройство указанного типа, корректирующее положение элемента при повороте и/или, по меньшей мере, один магнитный и/или электростатический шарнир указанного типа.
Кроме того, изобретение относится к часам, содержащим, по меньшей мере, один часовой механизм указанного типа и/или, по меньшей мере, одно устройство указанного типа, корректирующее положение элемента при повороте, и/или, по меньшей мере, один магнитный и/или электростатический шарнир указанного типа.
Краткое описание чертежей
Дополнительные признаки и преимущества изобретения будут понятны из следующего подробного описания, сопровождаемого чертежами.
На фиг. 1 показан схематичный местный вид спереди устройства, корректирующего положение элемента согласно изобретению;
на фиг. 2 - вид, аналогичный виду, представленному на фиг. 1, элемента, устанавливаемого в магнитном шарнире согласно изобретению;
на фиг. 3 - вид, аналогичный виду, представленному на фиг. 1, магнитного шарнира согласно изобретению, содержащего устройство, представленное на фиг. 1, и элемент, представленный на фиг. 2, в устойчивом положении;
на фиг. 4 - вид, аналогичный виду, представленному на фиг. 1, магнитного шарнира согласно изобретению, на котором показана система сил, действующих на элемент;
на фиг. 5 - вид, аналогичный виду, представленному на фиг. 4, системы сил, действующих на элемент, находящийся в неустойчивом положении;
на фиг. 6 - вид в разрезе по оси шарнира, а именно магнитного шарнира согласно изобретению, содержащего устройство, корректирующее положение элемента согласно первому варианту осуществления изобретения;
на фиг. 7 - вид, аналогичный виду, представленному на фиг. 6, магнитного шарнира согласно другому варианту осуществления изобретения;
на фиг. 8 - схематичный местный вид и вид в перспективе часов, содержащих механизм, который включает магнитный шарнир согласно изобретению, в частности в соответствии с вариантами осуществления изобретения, представленными на фиг. 6 или фиг. 7;
на фиг. 9 - элемент, представляющий собой баланс, установленный в корректирующем устройстве согласно изобретению;
на фиг. 10 - силы, действующие на элемент;
на фиг. 11 - график зависимости плотности результирующей магнитной силы от расстояния от центра элемента в направлении продольной оси, показанной на фиг. 10;
на фиг. 12 - схематичный вид сбоку корректирующего устройства согласно варианту осуществления изобретению;
на фиг. 13 - схематичный вид в разрезе по оси шарнира корректирующего устройства согласно альтернативному варианту осуществления изобретению, снабженного демпфирующим узлом;
на фиг. 14 - схематичный местный вид и вид в перспективе демпфирующего элемента согласно варианту, представленному на фиг. 13;
Осуществление изобретения
В соответствии с изобретением разрабатывается специальный способ ориентирования часового элемента 1 посредством корректировки его положения при повороте и, конкретнее, способ центрирования указанного элемента по оси D шарнира.
Задача изобретения состоит в том, чтобы предложить альтернативу традиционным шарнирам и, по сравнению с обычными механическими корректирующими устройствами, существенно уменьшить трение, а также добиться независимости качества работы часов от их ориентации в пространстве.
Для осуществления способа согласно изобретению используется устройство, корректирующее положение элемента при повороте посредством формирования магнитного и/или электростатического шарнира для элемента часов и позволяющее обеспечить эффективность и/или добротность независимо от ориентации часов.
Поскольку настоящее изобретение имеет определенные специфические особенности, которые будут изложены далее, и основано на предпочтительном использовании весьма интенсивных магнитных и/или электростатических сил, противодействующих силе тяжести, особое применение изобретение находит в области микромеханики и, конкретнее, в технике измерения времени, для которой оно разрабатывалось, и изготавливались действующие опытные образцы. Поскольку элементы устройств измерения времени имеют малую массу, т.е. очень небольшой вес, имеется возможность, с учетом размера часов и т.п. генерировать магнитные и/или электростатические поля, способные создавать на указанном элементе силу притяжения и/или крутящий момент, превышающие, по меньшей мере, в десять раз гравитационную силу притяжения или крутящий момент. Таким образом, в описанном здесь изобретении, предназначенном для предпочтительного применения в технике измерения времени, предусмотрено использование непосредственно известных магнитов и электретов, имеющих необходимые размеры и способных создавать магнитные или электростатические поля требуемой напряженности, при этом отсутствует необходимость в каких-либо специальных разработках.
В настоящем изобретении предлагается улучшить условия поворота элемента за счет уменьшения трения, по сравнению с известным уровнем техники, и за счет постоянного выравнивания главной оси инерции, далее для упрощения называемой «продольной осью», с теоретической осью шарнира. Само собой разумеется, изобретение также применимо к элементам, которые разбалансированы или поворачиваются вокруг оси, отличающейся от главной оси инерции, однако наибольшие преимущества изобретение обеспечивает, предпочтительно, когда главная ось инерции элемента совпадает с осью шарнира.
Таким образом, элемент может представлять собой, не ограничиваясь этим, баланс, подпружиненный узел баланса, анкерное колесо, палеты, зубчатое колесо, трещотку, храповик, рычаг, барабан, ротор для автоматической навивки, диск даты или лунной фазы, молоточек, элемент искусственного сердца, колонное колесо или любой другой элемент, который обычно шарнирно подвижен.
Согласно изобретению при использовании магнитных и/или электростатических сил для элемента формируется система ось-шарнир.
В нижеследующем описании под термином «магнитопроницаемые» материалы подразумеваются материалы, имеющие относительную магнитную проницаемость от 100 до 10000, например стали, которые имеют относительную магнитную проницаемость, близкую к 100 и применяются, к примеру, для изготовления осей баланса, или стали с относительной магнитной проницаемостью, близкой к 4000, обычно используемые в электрических цепях, или другие сплавы, относительная магнитная проницаемость которых достигает значений от 8000 до 10000.
3
«Магнитные материалы», например, используемые для полюсных наконечников, являются материалами, обладающими магнитными свойствами и создающими остаточное поле с индукцией от 0,1 до 1,5 Тл, к ним относится, например, «неодим-железо-бор», плотность Em магнитной энергии которого близка к 512 кДж/м и индукция остаточного поля составляет от 0,5 до 1,3 Тл. Если магнитный материал указанного типа с магнитной проницаемостью в пределах диапазона от 100 до 10000 и магнитопроницаемый антагонистический элемент с высокой проницаемостью, близкой к 10000, составляют пару, то может использоваться остаточное поле с более низкой индукцией вблизи нижней части указанного диапазона.
Под термином «парамагнитные» материалы подразумеваются материалы с относительной магнитной проницаемостью от 1,0001 до 100, используемые, например, для соединительных деталей, которые устанавливают между магнитным материалом и магнитопроницаемым антагонистическим элементом или между двумя магнитными материалами, к примеру для соединительной детали, устанавливаемой между элементом и магнитным полюсным наконечником.
Под термином «диамагнитные» материалы подразумеваются материалы с относительной магнитной проницаемостью менее 1.
«Магнитомягкие» материалы, в отличие от «немагнитных» материалов, обладают высокой магнитной проницаемостью, а также высоким насыщением, быстро размагничиваются и, насколько это возможно, способны проводить магнитное поле, в связи с чем используются, в частности, для изготовления экранов, снижающих воздействие внешнего поля. Подобные детали могут также защитить магнитную систему от воздействия внешних полей. Предпочтительно выбирают материалы, имеющие относительную магнитную проницаемость от 50 до 200 и область насыщения, которая превышает 500 А/и.
Под термином «немагнитные» материалы подразумеваются материалы с относительной магнитной проницаемостью, немногим более 1 и менее 1,0001, обычно подобные кремнию, алмазу, палладию и аналогичным материалам. Изделия из этих материалов, как правило, могут быть получены с применением технологии MEMS или метода LIGA.
В нижеследующем описании под термином «проводящие» материалы подразумеваются материалы, удельное сопротивление которых при температуре окружающей среды (Т=20°C) составляет менее 1 мкОм·м, к примеру серебро, золото и алюминий являются превосходными проводниками. В нижеследующем описании под термином «изоляционные» материалы подразумеваются материалы, удельное сопротивление которых при температуре окружающей среды составляет более 10000 мкОм·м и диэлектрическая прочность составляет более 10 кВ/мм, к примеру стекловидные или пластические материалы, как правило, являются хорошими изоляторами.
Чтобы при любом положении часов обеспечивался высокий уровень эффективности и/или добротности элемента, должно быть минимизировано влияние гравитационной силы притяжения. В часах стандартных размеров при использовании коммерчески доступных микромагнитов можно создавать магнитные и/или электростатические силы, превышающие силу тяжести, и создавать крутящий момент, превышающий крутящий момент, действующий на элемент во время работы. Система, регулируемая магнитными и/или электростатическими силами, по сравнению с обычными механическими системами значительно менее чувствительна к действию силы тяжести и, таким образом, менее чувствительна к изменению положения часов.
В описании изобретения более подробно раскрыто применение магнитных сил. Однако согласно изобретению аналогичным образом можно применять электростатические силы или даже магнитные и электростатические силы в совокупности. В частности, элемент 1, поворачивающийся вокруг оси D, продолжается в направлении этой оси D от первого конца 2 до второго конца 3. Первый конец 2 и второй конец 3 могут быть подвергнуты разной обработке, например первый конец 2 может быть подвергнут воздействию множества магнитных сил, а второй конец 3 может быть подвергнут воздействию множества электростатических сил или наоборот. Один и тот же конец также может быть подвергнут совместному воздействию множества магнитных сил и множества электростатических сил.
Согласно фиг. 10 в первой конструкции применяются полюсные наконечники, предпочтительно сформированные из одного или нескольких микромагнитов или, соответственно, электризованных тел и корректирующие положение элемента при повороте посредством намагничивания или, соответственно, электризации оси элемента, изготовленного, например, из магнитномягкого или, соответственно, проводящего материала, и, таким образом, создающие магнитную или, соответственно, электростатическую силу притяжения между подшипниками и осью элемента.
Применение изобретения в технике измерения времени, как уже упоминалось, является предпочтительным, при этом согласно варианту, предусматривающему использование сил магнитного происхождения, предпочтительно, полюсные наконечники формируют из постоянных магнитов, однако для других применений можно использовать электромагниты, в частности для статических применений. Под термином «магнит» в следующем описании, в общем, подразумевается намагниченный полюсный наконечник.
Согласно изобретению в устройстве со стороны первого конца 2 элемента 1 имеются средства корректировки положения первого конца 2 при повороте или, предпочтительно, средства притяжения первого конца 2 элемента и удержания его на первом полюсном наконечнике 4, который отличен от элемента 1, и со стороны второго конца 3 элемента 1 имеются средства корректировки положения второго конца 3 при повороте или, предпочтительно, средства притяжения второго конца 3 ко второму полюсному наконечнику 6.
Элемент 1, по меньшей мере, вблизи первого конца 2 и второго конца 3 предпочтительно изготовлен из магнитопроницаемого и/или проводящего материала. Согласно конкретному варианту осуществления изобретения указанный материал также может быть намагничен и/или электризован.
Элемент 1 может перемещаться в полости 1А. Под термином «полюсный наконечник» подразумевается тело, которое, по меньшей мере, вблизи полости 1А изготовлено из магнитопроницаемого и/или проводящего материала или согласно конкретному предпочтительному варианту осуществления изобретения, изготовлено из намагниченного и/или электризованного материала. Полюсные наконечники 4 или 6 не являются частью элемента 1 и расположены на периферии полости 1А или вблизи нее.
Согласно первому варианту осуществления изобретения, например, как показано на фиг. 7, 9 и 13, полюсный наконечник отделен от полости 1А соединительной деталью, которая содержит опорную или упорную поверхность для элемента 1. Таким образом, на фиг. 7 показан первый полюсный наконечник 4, отделенный от элемента 1 соединительной деталью 18, которая содержит первую опорную поверхность 5 указанного типа, и показан второй полюсный наконечник 6, отделенный от элемента 1 соединительной деталью 19, которая содержит вторую упорную поверхность 7 указанного типа. Согласно указанному варианту осуществления изобретения полюсные наконечники, не имея непосредственного контакта с элементом 1, взаимодействуют с ним, в зависимости от конкретного случая, посредством магнитного и/или электростатического притяжения либо отталкивания, т.е. один осевой конец элемента 1 в осевом направлении D намагничен или электризован и под действием магнитной или электростатической силы взаимодействует с ближайшим полюсным наконечником, который является магнитопроницаемым или проводящим, либо наоборот, один осевой конец элемента 1 в осевом направлении D является магнитопроницаемым или проводящим и взаимодействует с ближайшим полюсным наконечником, который намагничен или электризован.
Согласно другому варианту осуществления изобретения, представленному на фиг. 6, полюсный наконечник может содержать поверхность, формирующую одну из боковых поверхностей полости 1А, к которой первый конец 2 или второй конец 3 элемента 1 способен приближаться или с которой он способен контактировать. Предпочтительно, когда элемент 1 является подвижным элементом, поворачивающимся вокруг оси D шарнира, при этом ось D проходит через поверхность полюсного наконечника, магнитное и/или электростатическое взаимодействие происходит аналогичным образом, однако при отсутствии соединительных деталей, т.е. элемент 1 находится в непосредственном контакте с одним из полюсных наконечников.
Согласно другим вариантам осуществления изобретения один из концов элемента 1 может находиться в непосредственном контакте с полюсным наконечником, а на другой конец элемента 1 действуют силы притяжения или отталкивания, и отсутствует его непосредственный контакт с полюсным наконечником либо наоборот.
В описании более подробно представлен предпочтительный вариант осуществления изобретения, согласно которому элемент 1 подвергается воздействию силового поля притяжения. Естественно также, в противоположность этому, можно предусмотреть силовое поле отталкивания, удерживающее элемент 1 на оси D посредством полюсных наконечников, распределенных кольцеобразно вокруг указанной оси. Однако согласно этому варианту наряду с преимуществом, состоящим в том, что обеспечивается полная левитация элемента 1, имеется недостаток, связанный с тем, что вокруг элемента 1 занято большое кольцевое пространство. К тому же, при полной левитации невозможно обеспечить безупречное расположение элемента 1 относительно оси D, которое обеспечивается согласно изобретению при опоре элемента 1 на один из его концов.
Первый полюсный наконечник 4 и второй полюсный наконечник 6 отличны от элемента 1, при этом каждый из них может располагаться на периферии полости 1А или вблизи нее и может быть изготовлен, по меньшей мере, из частично магнитного или, соответственно, по меньшей мере, из частично магнитопроницаемого материала, и/или, по меньшей мере, из частично электризованного или, соответственно, по меньшей мере, из частично проводящего материала. Элемент 1 свободно устанавливают в полости 1А между полюсными наконечниками 4 и 6, чтобы он мог опираться на опорную поверхность вблизи только одного из указанных полюсных наконечников 4, 6.
A
B
m
B
На фиг. 10 представлена двухмерная, осесимметричная принципиальная схема выполнения элемента 1 согласно изобретению, например, баланса согласно варианту, предусматривающему использование сил магнитного происхождения; при этом продольная ось элемента ограничена первым концом 2 элемента и вторым концом 3 элемента, элемент изготовлен из намагничиваемого или магнитного материала и расположен между двумя магнитными полюсными наконечниками, в частности постоянными магнитами M и M, создающими магнитную поляризацию в направлении z, определяющем теоретическую ось шарнира элемента, с которой должна выравниваться продольная ось элемента. Далее в описании под термином «вал элемента» подразумевается подобная валу часть элемента 1, которая продолжается от первого конца 2 элемента до второго конца 3 элемента. Вал элемента 1 может поддерживаться непосредственно на магните или магнитах, либо с помощью двух камней, установленных между магнитами и валом элемента, либо за счет поверхностной обработки магнитов. Согласно конкретному варианту осуществления изобретения, как показано на фиг. 7, вал элемента 1 может быть установлен на соединительной детали 18, установленной на первом полюсном наконечнике 4. Второй полюсный наконечник 6 также может содержать соединительную деталь 19 указанного типа. Соединительные детали должны обеспечивать прохождение магнитного поля. Соединительные детали, которые формируют опорную поверхность и также защищают полюсные наконечники в случае удара, должны обладать требуемыми трибологическими характеристиками. На фиг. 3, 4 и 6 показана непосредственная опора элемента 1 на первом полюсном наконечнике 4, кроме того, например, во время сборки или в случае удара элемент может периодически опираться непосредственно на второй полюсный наконечник 6. Размер и/или магнитная энергия магнитов и длина вала элемента оптимизированы, чтобы максимизировать силу притяжения F между валом и одним из двух магнитов M.
m
g
g
m
Согласно изобретению сила притяжения F намного превышает силу тяжести F и, предпочтительно, их соотношение составляет, по меньшей мере, 10:1, при этом вал устойчиво опирается только на один из двух магнитов при любом положении хронометра или часов. На принципиальной схеме показан случай, когда две силы F и F, приложенные к центру тяжести элемента, являются противоположными.
Когда вал отклоняется от направления z, на него действует магнитный возвратный крутящий момент, при этом геометрия системы оптимизирована таким образом, чтобы магнитный возвратный крутящий момент был больше крутящего момента, создаваемого силой тяжести, и больше крутящего момента, который необходим для стабилизации ориентации вала элемента в направлении z.
ахе
Магнитная сила, которая действует на намагниченный вал, пропорциональна вектору намагниченности М (r, z) и градиенту магнитного поля Н, создаваемого двумя магнитами
,
axe
где интегрирование проводится по объему вала V.
B
Эта зависимость позволяет оптимизировать размер магнитов и/или их магнитную энергию и геометрию вала элемента, чтобы максимизировать силу притяжения между валом и одним из двух магнитов M согласно варианту, представленному на фиг. 10. Следовательно, вал во всех положениях опирается только на один из двух магнитов.
Поскольку сила притяжения больше силы тяжести и максимальной силы, приложенной к элементу, указанная конфигурация является устойчивой.
Изобретение существенно повышает эффективность обычных противоударных технических решений, которые, предпочтительно, могут быть внесены в настоящее изобретение, так как обеспечивается возвращение вала в правильное положение равновесия после удара, что не может гарантироваться при использовании обычных механических шарнирных устройств. Функция верхнего магнита состоит в стабилизации ориентации вала. Магнитный крутящий момент, действующий на вал, определяется по формуле
m
Магнитный крутящий момент равен нулю только тогда, когда вал ориентирован в направлении силовых линий, т.е. в направлении z. Если ориентация вала нарушена и он отклоняется от направления z, то под действием возвратного крутящего момента C вал снова устанавливается в положение равновесия.
m
B
На фиг. 11 представлена плотность результирующей магнитной силы на валу элемента, который представляет собой реальный баланс часов. Результирующая магнитная сила F=10 мН направлена к магниту M, величина магнитной силы на порядок больше величины силы тяжести и создаваемый крутящий момент превышает максимальный крутящий момент, приложенный к элементу под воздействием окружающей среды.
B
B
Преимуществом изобретения является ограничение в значительной степени магнитного поля внутри вала элемента, при этом силовые линии фактически параллельны направлению z. Результирующая плотность магнитной силы для реального баланса представлена на фиг. 11. Поскольку положительный компонент силы в направлении M является наибольшим, результирующая сила, действующая на баланс, направлена к M.
Поскольку сила, действующая на вал, в малой степени зависит от положения вала на опорной поверхности и поле в центре поверхности полюсных наконечников (т.е. магнитов) является, по существу, однородным, вал свободно вращается вокруг оси z и не возникает какое-либо дополнительное трение. В результате значительно уменьшается рассеяние энергии колебания элемента, а также уменьшается механическое трение, благодаря чему повышается эффективность и/или добротность элемента при любом положении часов.
В альтернативной конфигурации вал элемента сам может являться постоянным магнитом или может быть окружен полюсными наконечниками, изготовленными из намагничиваемого материала, либо вал может быть непосредственно намагниченным, в результате чего максимизируются магнитные силы и соответствующие крутящие моменты и дополнительно минимизируется влияние силы тяжести.
В альтернативной конфигурации вал и/или колодка элемента могут быть сформированы из диамагнитного материала, например пиролитического графита, и шарнир может быть сформирован из нескольких переменных магнитов, обеспечивающих диамагнитную левитацию и позиционирование элемента.
Настоящее изобретение обладает множеством преимуществ, которые приведены ниже:
- достигается идентичная эффективность и/или добротность элемента с отклонениями менее 5% при любом положении часов;
- достигается повышение эффективности и/или добротности элемента при любом положении часов по сравнению с использованием традиционных шарниров;
- при колебательном движении элемента, в частности баланса, амплитуда колебаний увеличена и идентична при любом положении часов;
- минимизируется трение, рассеяние энергии и изменение крутящего момента;
- сокращено количество элементов по сравнению с другими техническими решениями;
- обеспечивается противоударность часов;
- система может использоваться в других магнитных устройствах;
- изобретение применимо для хронометров или часов любого типа, в частности для механических хронометров или часов, как простых, так и усложненных, либо для какого-либо портативного научного прибора или подобного устройства.
Вариант изобретения с нецентрированными магнитами может представлять интерес в определенных случаях, в частности для элементов с незначительным отклонением крутящего момента и для которых благодаря форме или положению элемента нецентрированная конфигурация магнитов проще осуществима.
Касательно типичного элемента, изобретение, кроме того, предпочтительно позволяет использовать криволинейные валы: в таком случае два магнитных полюсных наконечника (т.е. магниты) должны иметь различное направление.
Когда силовые линии двух магнитных полюсных наконечников (т.е. магнитов) не центрированы, система стремится к достаточно устойчивому положению равновесия. Если эти два направления не слишком различаются, продольная ось элемента может находиться в пределах динамического режима неопределенно долго, проходя от одного неустойчивого положения к другому неустойчивому положению. Однако любая несоосность приводит к снижению магнитной силы, приложенной к элементу и, в частности, к снижению возвратного крутящего момента. Следовательно, в данном случае стабильность ниже, чем в предпочтительном случае, когда силовые линии центрированы. Когда элемент является частью генератора колебаний, следует избегать несоосности, поскольку при этом создается радиальный магнитный крутящий момент, оказывающий неблагоприятное влияние на работу.
Имеется возможность предусмотреть различные варианты выполнения магнитного шарнира согласно изобретению в зависимости от состава и магнитных свойств элемента, если вал изготовлен из однородного материала, силовые линии могут легко замыкаться. Небольшая неоднородность в продольном направлении, связанная с изменением плотности, сечения или концентраций компонентов сплава, может использоваться для увеличения асимметрии силы и, следовательно, для увеличения силы притяжения на одной из двух сторон элемента. Материал, по меньшей мере, на одном из концов, а именно на первом конце или на втором конце элемента, является, предпочтительно, ферромагнетиком, поскольку при использовании парамагнитного материала создается очень слабая сила.
Также можно создать немагнитную область, т.е. область с очень низкой магнитной проницаемостью, между магнитными областями, которые расположены на первом и втором концах элемента, если указанные концы постоянно намагничены. Это размещение обеспечивает достаточно большую силу и большой крутящий момент.
На фиг. 1-14 представлены варианты осуществления изобретения.
Изобретение относится к способу ориентирования элемента 1 часов посредством корректировки положения при повороте указанного элемента, изготовленного из материала, который является, по меньшей мере, частично магнитопроницаемым или, соответственно, по меньшей мере, частично магнитным и/или из материала, который является, по меньшей мере, частично проводящим или, соответственно, по меньшей мере, частично электризованным, при этом первый конец 2 и второй конец 3 элемента 1 шарнирно установлены в полости 1А.
Согласно изобретению с обеих сторон элемента, а именно со стороны первого конца 2 и со стороны второго конца 3, создаются два магнитных или, соответственно, электростатических поля, при этом каждое поле имеет тенденцию притягивать элемент 1 к полюсному наконечнику 4, 6, таким образом возникает неуравновешенность между магнитными или, соответственно, электростатическими полями вблизи элемента 1 и возникает разность сил, в результате чего один из двух концов 2, 3 прижимается к контактной поверхности 5, 7 одного из полюсных наконечников 4, 6, а другой из концов 3, 2 удерживается на расстоянии от контактной поверхности 7, 5 другого полюсного наконечника 6, 4. Неуравновешенность между магнитными или, соответственно, электростатическими полями возникает и существует вблизи воздушного промежутка, сформированного в пространстве между указанными контактными поверхностями 5 и 7, которые локально ограничивают полость 1А.
Созданные магнитные или, соответственно, электростатические поля асимметричны и отличаются напряженностью.
Согласно настоящему изобретению магнитные или, соответственно, электростатические поля создаются на полюсных наконечниках 4 и 6 или на элементе 1 непосредственно либо как на полюсных наконечниках 4, 6, так и на элементе 1.
Когда магнитные или, соответственно, электростатические поля создаются на полюсных наконечниках 4 и 6, согласно изобретению неуравновешенность между магнитными или электростатическими полями существует независимо от того, присутствует ли элемент 1 в воздушном промежутке, при этом поля асимметричны и отличаются напряженностью; неуравновешенность согласно изобретению создает разность сил, действующих на элемент, и не зависит от положения указанного элемента в воздушном промежутке, а зависит только от асимметричных полей, созданных на полюсных наконечниках 4 и 6.
Когда магнитные или, соответственно, электростатические поля создаются на самом элементе 1, они также имеют разную напряженность на концах 2 и 3 элемента 1.
Когда магнитные или, соответственно, электростатические поля создаются как на полюсных наконечниках 4 и 6, так и на элементе 1, их напряженность должна быть такой, чтобы результирующее поле являлось асимметричным как на полюсных наконечниках 4 и 6, так и на концах 2 и 3 элемента 1.
Согласно первому предпочтительному варианту осуществления изобретения с обеих сторон элемента, а именно со стороны первого конца 2 и со стороны второго конца 3, создаются два магнитных поля, по существу одинакового направления и ориентации. Указанный первый вариант осуществления изобретения применяется, в частности, для элемента, вал которого является проводящим и намагничиваемым от его первого конца 2 до второго конца 3, при этом плотность магнитного поля имеет наибольшую концентрацию вокруг оси D шарнира.
Согласно другому варианту осуществления изобретения с обеих сторон элемента, а именно со стороны первого конца 2 и со стороны второго конца 3 создаются два магнитных поля, по существу одинакового направления и противоположной ориентации. Указанный вариант применяется, когда имеется электрическая и/или магнитная неоднородность между первым концом 2 и вторым концом 3 элемента, например, когда на своих концах 2, 3 элемент с очень низкой магнитной проницаемостью содержит два магнитопроницаемых или магнитных полувала. Естественно, в этом случае также применима конфигурация полей согласно первому варианту осуществления изобретения. Когда элемент 1 является цельным и когда неоднородность достигается специальным способом изготовления, например поверхностной обработкой, может быть применен другой вариант осуществления изобретения.
В конкретном и предпочтительном варианте осуществления изобретения, согласно которому элемент представляет собой баланс или элемент генератора колебаний, с обеих сторон элемента, а именно со стороны первого конца 2 и со стороны второго конца 3 создаются два магнитных поля, которые имеют одинаковое направление.
Согласно варианту осуществления изобретения, представленному на чертежах, элемент часов 1 ориентирован вдоль оси D шарнира, определяемой расположением двух магнитных полей, создаваемых соответствующими полюсными наконечниками 4, 6. С обеих сторон элемента, а именно со стороны первого конца 2 и со стороны второго конца 3, на первом полюсном наконечнике 4 и на втором полюсном наконечнике 6 создается, соответственно, первое магнитное поле и второе магнитное поле противоположной ориентации, при этом каждое поле обладает вращательной симметрией относительно оси D шарнира и имеет тенденцию притягивать элемент 1 к одному из полюсных наконечников 4, 6. Плотность первого магнитного поля вблизи первого конца 2 элемента больше, чем плотность второго магнитного поля вблизи второго конца 3 элемента, в результате чего первый конец 2 притягивается и контактирует с первым полюсным наконечником 4. Размер воздушного промежутка Е между полюсными наконечниками 4, 6 на величину заданного рабочего люфта J больше расстояния между центрами L первого конца 2 элемента и второго конца 3 элемента.
Изобретение также относится к устройству 10, корректирующему положение элемента 1 часов при повороте, благодаря которому, в частности, осуществляется способ ориентации элемента посредством корректировки положения указанного элемента при повороте. Элемент 1 должен быть изготовлен из материала, который является, по меньшей мере, частично магнитопроницаемым или, соответственно, по меньшей мере, частично магнитным, и/или из материала, который является, по меньшей мере, частично проводящим или, соответственно, по меньшей мере, частично электризованным, при этом первый конец 2 и второй конец элемента 1 шарнирно установлены в полости 1А.
Корректирующее устройство 10 со стороны первого конца 2 элемента содержит средства для притяжения и удержания первого конца 2 в покое на первом полюсном наконечнике 4, а со стороны второго конца 3 элемента содержит средства для притяжения второго конца 3 ко второму полюсному наконечнику 6 и удержания вблизи второго полюсного наконечника 6.
Согласно изобретению корректирующее устройство 10 с обеих сторон элемента, а именно со стороны первого конца 2 и со стороны второго конца 3, содержит первую поверхность первого полюсного наконечника 4 и вторую поверхность второго полюсного наконечника 6, отделяемые друг от друга воздушным промежутком Е, размер которого на величину заданного рабочего люфта J больше расстояния L между центрами первого конца 2 и второго конца 3 элемента.
Полюсные наконечники 4 и 6, которые отличны от элемента 1, могут притягиваться магнитным или, соответственно, электростатическим полем, передаваемым посредством одного из концов элемента 1, а именно посредством первого конца 2 или второго конца 3, либо, предпочтительно, могут создавать магнитное или, соответственно, электростатическое поле, притягивающее один из концов элемента 1, а именно первый конец 2 или второй конец 3.
Магнитные или, соответственно, электростатические поля имеют различную напряженность на первом конце 2 элемента и на втором конце 3 элемента, чтобы магнитные или, соответственно, электростатические силы, действующие на концы 2 и 3 элемента 1, имели разную напряженность, в результате чего элемент 1 притягивается только одним из двух его концов 2 и 3 и непосредственно или косвенно контактирует только с одной из поверхностей полюсных наконечников 4 и 6.
Согласно конкретному варианту первый полюсный наконечник 4 и второй полюсный наконечник 6 являются подвижными в полости между двумя стопорными элементами.
Согласно конкретному варианту, с одной стороны, средства для притяжения первого конца 2 и, с другой стороны, средства для притяжения второго конца 3 могут перемещаться вдоль осевого направления D между стопорными элементами.
Согласно изобретению устройство 10 содержит первую поверхность 5 первого полюсного наконечника 4 и вторую поверхность 7 второго полюсного наконечника 6, отделенные друг от друга воздушным промежутком Е, размер которого на величину заданного рабочего люфта J больше расстояния L между центрами первого конца 2 и второго конца 3 элемента.
Каждый из магнитных полюсных наконечников 4, 6 может притягиваться магнитным или, соответственно, электростатическим полем, передаваемым посредством одного из концов элемента 1, а именно посредством первого конца 2 или второго конца 3, либо может создавать магнитное или, соответственно, электростатическое поле, притягивающее один из концов элемента 1, а именно первый конец 2 или второй конец 3, при этом на два конца 2, 3 элемента 1 действуют магнитные или, соответственно, электростатические силы притяжения разной напряженности, в результате чего один из двух концов 2, 3 элемента 1 притягивается и непосредственно или косвенно контактирует только с одной из поверхностей 5, 7 полюсных наконечников 4, 6.
Магнитные или, соответственно, электростатические поля, которые действуют вблизи первого конца 2 и второго конца 3 элемента, имеют различную напряженность и асимметричны.
Согласно изобретению как первый полюсный наконечник 4, так и второй полюсный наконечник 6 изготовлены из магнитного или магнитопроницаемого или, соответственно, электризованного или проводящего материала, и они являются магнитными или, соответственно, электризованными, при этом элемент 1 не является таковым. Первый полюсный наконечник 4 и второй полюсный наконечник 6 совместно определяют ось D шарнира, с которой, когда элемент 1 установлен между первым полюсным наконечником 4 и вторым полюсным наконечником 6, выравнивается продольная ось D1 элемента 1, соединяющая его первый конец 2 и второй конец 3.
Согласно изобретению первый полюсный наконечник 4, соответствующий первому концу 2, создает вблизи первой поверхности 5 первое магнитное или, соответственно, электростатическое поле вдоль оси D шарнира, которое имеет тенденцию перемещать первый полюсный наконечник 4 ближе к первому концу 2 и имеет большую плотность, чем плотность второго магнитного или, соответственно, электростатического поля вдоль оси D шарнира, создаваемого вблизи второй поверхности 7 второго полюсного наконечника 6 или, соответственно, второго конца 3 элемента. Второе магнитное или, соответственно, электростатическое поле имеет тенденцию перемещать второй полюсный наконечник 6 ближе ко второму концу 3 элемента таким образом, чтобы первый конец 2 элемента контактировал с первой поверхностью 5 и, таким образом, чтобы продольная ось D1 элемента 1 совпадала с осью D шарнира, а второй конец 3 элемента оставался на расстоянии от второй поверхности 7.
Предпочтительно расстояние Е, определяющее воздушный промежуток между первой поверхностью 5 и второй поверхностью 7, имеет такую величину, чтобы заданный рабочий люфт J обеспечивался во всем диапазоне температур применения направляющего устройства 10 и элемента 1. Этот люфт является строго положительным и исключает любой зажим элемента или его фрикционную посадку. Предпочтительно заданный рабочий люфт J равен 0,020 мм или превышает это значение.
Предпочтительно, с одной стороны, выбирают материал для элемента 1 с требуемой магнитной проницаемостью и проводят намагничивание, соответственно, первого полюсного наконечника 4 и второго полюсного наконечника 6 и, с другой стороны, элемент 1 устанавливают таким образом, чтобы первое магнитное поле и второе магнитное поле воздействовало на элемент 1 силами притяжения, которые, по меньшей мере, на 30% превышают гравитационную силу притяжения, действующую на элемент 1, и, предпочтительно, от пяти до десяти раз превышают гравитационную силу притяжения, действующую на элемент 1, что позволяет обеспечить лучшие характеристики при изменении положения часов.
Аналогично, с одной стороны, выбирают материал для элемента 1 с требуемой магнитной проницаемостью и проводят намагничивание, соответственно, первого полюсного наконечника 4 и второго полюсного наконечника 6 и, с другой стороны, элемент 1 устанавливают, предпочтительно, таким образом, чтобы за счет сил притяжения первого магнитного поля и второго магнитного поля создавались действующие на элемент 1 крутящие моменты, которые более чем в десять раз превышают гравитационный крутящий момент, действующий на элемент 1, при любом положении часов.
Предпочтительно, плотность магнитного поля вблизи первой поверхности 5 и второй поверхности 7 равна 100000 А/м или превышает это значение.
Устройство 10, предпочтительно, содержит экранирующие средства 20, изготовленные из магнитомягких материалов, которые установлены для предотвращения воздействия любого магнитного поля с радиальной компонентой на ось D шарнира вблизи первой и второй контактных поверхностей 5 и 7.
Например, экранирующие средства 20 содержат, по меньшей мере, одну трубчатую деталь 21, 22, центрированную по оси D шарнира и окружающую первый полюсный наконечник 4 или второй полюсный наконечник 6 и, по меньшей мере, второй конец 3 элемента 1, как показано на фиг. 6, 7 и 8.
Согласно варианту осуществления изобретения, в котором используется электростатика, с одной стороны, также выбирают материал для элемента 1 и выполняют электризацию, соответственно, первого полюсного наконечника 4 и второго полюсного наконечника 6 и, с другой стороны, элемент 1 устанавливают таким образом, чтобы первое электростатическое поле и второе электростатическое поле воздействовало на элемент 1 силами притяжения, которые, по меньшей мере, на 30% превышают гравитационную силу притяжения, действующую на элемент 1, и, предпочтительно, от пяти до десяти раз превышают гравитационную силу притяжения, действующую на элемент 1, что позволяет обеспечить лучшие характеристики при изменении положения часов.
На фиг. 3, 4 и 6 показан элемент 1, который опирается непосредственно на поверхность 5 первого магнитного полюсного наконечника 4. На фиг. 7 показано, что первый конец 2 элемента 1 опирается на поверхность 5 соединительной детали 18, которая опирается непосредственно на первый полюсный наконечник 4 или находится в непосредственной близости от него, создавая косвенную опору, при этом сила притяжения, соответственно, между элементом 1 и полюсным наконечником 4, создаваемая магнитным или электростатическим полем, не уменьшается. Аналогично, при использовании соединительных деталей 18, 19 или при проведении обработки поверхностей 5, 7 полюсных наконечников 4 и 6, материалы для соединительных деталей или указанная обработка, способы обработки и размеры соединительных деталей, в особенности толщина, должны быть выбраны таким образом, чтобы не уменьшалась сила притяжения магнитного или электростатического поля, которая создается соответственно между первым концом 2 элемента 1 и полюсным наконечником 4, с одной стороны, и между вторым концом 3 элемента 1 и вторым полюсным наконечником 6, с другой стороны.
Предпочтительно, по меньшей мере, первая поверхность 5 содержит твердое покрытие или может быть твердой поверхностью соединительной детали 18, которая установлена между первым полюсным наконечником 4 и элементом 1. Подобная соединительная деталь 19 может быть установлена между вторым полюсным наконечником 6 и элементом 1.
Кроме того, устройство 10, предпочтительно, содержит средства, например анкерный зажим для закольцовывания магнитного или, соответственно, электростатического поля между первым полюсным наконечником 4 и вторым полюсным наконечником 6. Согласно варианту осуществления изобретения, в котором используется магнетизм, на фиг. 12 показано, что первый полюсный наконечник 4 магнитно соединен с первым плечом 41, изготовленным из ферромагнитного материала, и второй полюсный наконечник 6 магнитно соединен со вторым плечом 42, изготовленным из ферромагнитного материала, при этом второе плечо 42 прижато к одному полюсу магнитного источника 40, являющегося магнитом или подобным элементом, а первое плечо 41 прижато к другому полюсу указанного магнитного источника 40. В этом случае экранирующие средства 20 установлены между магнитным источником 40 и полем взаимодействия элемента 1 с полюсными наконечниками 4 и 6 в направлении D. Эта схема расположения подходит для любого сочетания, когда применяются магнитопроницаемый элемент 1 и магнитные полюсные наконечники 4 и 6, либо магнитный элемент 1 и магнитопроницаемые полюсные наконечники 4 и 6, или магнитный элемент 1 и магнитные полюсные наконечники 4 и 6. Поле переноса, показанное как поперечное, может иметь любую другую конфигурацию в пространстве, которое, в частности, соответствует объему, имеющемуся в механизме часов или в часах и позволяет полю передаваться к шарниру в направлении D. При этом обеспечивается преимущество, состоящее в том, что размеры источников поля могут быть увеличены независимо от того, какими они являются, магнитными или электростатическими по своей природе.
Согласно другому варианту осуществления изобретения притяжение между полюсными наконечниками 4, 6 и элементом 1 по своей природе является электростатическим. Может применяться описанная конструкция устройства, в котором используется магнитное притяжение. Однако в этом случае труднее обеспечить достаточный электростатический заряд, чтобы получить электростатические силы и вращающие моменты, намного превышающие гравитационные силы и крутящие моменты, передаваемые от механизма, с которым взаимодействует элемент 1.
Согласно еще одному варианту осуществления изобретения притяжение между полюсными наконечниками 4, 6 и элементом 1 по своей природе является электростатическим. В этом случае вместо термина «магнитная проницаемость» используют термин «относительная диэлектрическая проницаемость» или «диэлектрическая постоянная» и вместо термина «магнитное поле» используют термин «электростатическое поле». Конструкция корректирующего устройства 10 полностью аналогична и его размеры выбраны в соответствии с постоянными электростатическими полями, создаваемыми между элементом 1 и полюсными наконечниками 4 и 6.
Согласно указанному варианту корректирующее устройство 10 имеет отношение к защите элемента часов 1, изготовленного из материала, который является, по меньшей мере, частично проводящим или, по меньшей мере, частично электризованным на первом конце 2 и на втором конце 3. Согласно изобретению корректирующее устройство 10 содержит с обеих сторон элемента, а именно со стороны первого конца 2 и со стороны второго конца 3, первую поверхность 5 первого полюсного наконечника 4 и вторую поверхность 7 второго полюсного наконечника 6, отделенные друг от друга воздушным промежутком, размер которого на величину заданного рабочего люфта J больше расстояния между центрами первого конца 2 элемента и второго конца 3 элемента, при этом каждый из полюсных наконечников 4, 6 может притягиваться электростатическим полем, передаваемым посредством одного из концов элемента 1, а именно посредством первого конца 2 или второго конца 3, либо может генерировать электростатическое поле, притягивающее один из концов элемента 1, а именно, первый конец 2 или второй конец 3, причем на два конца 2, 3 элемента 1 действуют электростатические силы притяжения разной напряженности, в результате чего один из двух концов элемента 1 притягивается и непосредственно или косвенно контактирует только с одной из поверхностей 5, 7 полюсных наконечников 4, 6. Электростатические поля на первом конце 2 и на втором конце 3 элемента имеют разную напряженность.
Согласно конкретному варианту осуществления изобретения как первый полюсный наконечник 4, так и второй полюсный наконечник 6 могут перемещаться в полости между двумя стопорными элементами 41, 42 или 43, 44 соответственно.
Короче говоря, согласно этому варианту осуществления изобретения используются электростатические силы и соответствующие крутящие моменты, и проводящий материал можно применять для элемента 1, если полюсные наконечники 4 и 6 являются электризованными и заряжены достаточной энергией, или для полюсных наконечников 4 и 6, если элемент 1 является электризованным и заряженным. Указанный проводящий материал поляризован индукцией, создаваемой деталями, которые являются постоянно заряженными. Может быть выполнен подобный вариант устройства, в котором вместо проводника используется изоляционный материал, полупроводник или диэлектрик. В таком случае поляризация ограничена поверхностью диэлектрика и сила притяжения и крутящий момент меньше, чем создаваемые при применении проводящего материала, однако все же приемлемы для часов.
Согласно другому варианту осуществления изобретения также можно объединить действие электростатических сил и соответствующих крутящих моментов и магнитных сил и соответствующих крутящих моментов.
Кроме того, изобретение относится к магнитному или, соответственно, к электростатическому шарниру 100, содержащему элемент 1 часов указанного типа, изготовленный из материала, который является, по меньшей мере, частично магнитопроницаемым или, соответственно, по меньшей мере, частично магнитным, и/или из материала, который является, по меньшей мере, частично проводящим или, соответственно, по меньшей мере, частично электризованным, при этом первый конец 2 и второй конец 3 элемента 1 шарнирно установлены в полости 1А.
Магнитный или, соответственно, электростатический шарнир 100 содержит устройство 10, корректирующее положение элемента 1 часов при повороте, которое содержит первую поверхность 5 первого полюсного наконечника 4 и вторую поверхность 7 второго полюсного наконечника 6, отделенные друг от друга воздушным промежутком Е, размер которого на величину заданного рабочего люфта J больше расстояния L между центрами первого конца 2 элемента и второго конца 3 элемента. Каждый из полюсных наконечников 4, 6 может притягиваться магнитным или, соответственно, электростатическим полем, испускаемым одним из концов элемента 1, а именно первым концом 2 или вторым концом 3, либо может создавать магнитное или, соответственно, электростатическое поле, притягивающее один из концов элемента 1, а именно первый конец 2 и второй конец 3. Поскольку магнитные или, соответственно, электростатические поля имеют разную напряженность, магнитные или, соответственно, электростатические силы притяжения, действующие на два конца 2, 3 элемента 1, также имеют разную напряженность, в результате чего один из двух концов 2, 3 элемента 1 притягивается и непосредственно или косвенно контактирует только с одной из поверхностей 5, 7 полюсных наконечников 4, 6.
Предпочтительно магнитный шарнир 100 содержит корректирующее устройство 10 согласно одному из описанных выше вариантов осуществления изобретения. Шарнир, кроме того, содержит элемент 1, имеющий, по существу, подобную валу часть, изготовленную из материала, который является, по меньшей мере, магнитопроницаемым или, соответственно, диэлектрически проницаемым или, по меньшей мере, магнитным или, соответственно, электростатическим, причем, подобная валу часть продолжается от первого конца 2 элемента до второго конца 3 элемента и определяет продольную ось D1. Корректирующее устройство 10 содержит средства, позволяющие установить элемент 1 в воздушном промежутке. Или же корректирующее устройство 10 может быть разобрано на несколько частей, которые для взаимодействия друг с другом, и/или с мостом 31, и/или с пластиной 30 содержат соответствующие средства, что позволяет установить элемент 1 таким образом, чтобы его первый конец 2 опирался на первую часть устройства, которая содержит первую поверхность 5 и первый полюсный наконечник 4, и затем собрать вторую часть устройства, которая содержит вторую поверхность 7 и второй полюсный наконечник 6.
Согласно наиболее предпочтительному варианту осуществления изобретения, представленному на фиг. 8 и 9, элемент 1, вращающийся вокруг продольной оси D1, имеет веретенообразный участок 8, сечение которого уменьшается от центра тяжести элемента 1 по направлению ко второму концу 3 элемента для улучшения градиента магнитного поля вблизи второй поверхности 7 и облегчения центрирования второго конца 3 по оси D шарнира.
Когда магнитный шарнир 100 содержит элемент 1, который является элементом генератора, элемент 1, предпочтительно, должен быть динамически сбалансирован, чтобы обеспечивалась максимальная скорость поворота вокруг продольной оси D1.
Предпочтительно первый конец 2 элемента 1 установлен таким образом, чтобы обеспечивался ограниченный контакт его контактной поверхности, являющейся локально сферической или конической, с первой поверхностью 5.
Предпочтительно, первая поверхность 5 представляет собой вмещающую поверхность, предназначенную для взаимодействия с первым концом 2 элемента. Вмещающая поверхность является полой и локально сферической или конической.
В предпочтительном применении для генератора элемент 1 является балансом, ось D шарнира которого совпадает с продольной осью D1.
Изобретение является максимально эффективным, если подобная валу часть элемента 1 изготовлена из ферромагнитного или намагниченного материала или содержит области, изготовленные из материала указанного типа, в направлении продольной оси D1 элемента 1, а остальная часть элемента 1 предпочтительно изготовлена из немагнитного или магнитоинертного материала, например кремния, или из материала, имеющего относительную магнитную проницаемость менее 1,0001, и изготовлена, в частности, с применением технологии MEMS или LIGA или подобной технологии либо, когда для изготовления остальной части элемента 1 используется, по меньшей мере, частично аморфный материал. В конкретном случае, когда элемент является балансом, по меньшей мере, обод и перекладины, предпочтительно, изготавливают из материала указанного типа, так же как и пружину баланса, связанную с ним. В результате чего отсутствуют какие-либо взаимные помехи между генератором и устройством 10, корректирующим положение элемента при повороте. Предпочтительно все подвижные детали, находящиеся вблизи концов 2 и 3 элемента, изготавливают из немагнитного материала указанного типа.
Наиболее предпочтительным является вариант осуществления изобретения, согласно которому подпружиненный баланс, целиком изготовленный из кремния, содержит магнитный вал или вал, изготовленный из магнитопроницаемого материала, который проходит через главную ось инерции, или два полувала, которые являются магнитными или изготовлены из магнитопроницаемого материала и центрированы с обеих сторон баланса относительно одной и той же оси.
Магнитный шарнир 100 может иметь одну из трех конфигураций и включает:
- Элемент 1, содержащий, по существу, подобную валу часть, изготовленную из магнитопроницаемого материала, а также первый полюсный наконечник 4 и второй полюсный наконечник 6, которые изготовлены из магнитного материала.
- Элемент 1, содержащий, по существу, подобную валу часть, изготовленную из магнитного материала, а также первый полюсный наконечник 4 и второй полюсный наконечник 6, которые изготовлены из магнитопроницаемого материала.
- Элемент 1, содержащий, по существу, подобную валу часть, изготовленную из магнитного материала, а также первый полюсный наконечник 4 и второй полюсный наконечник 6, которые изготовлены из магнитного материала.
Естественно, можно создать конфигурацию с полями разной природы на двух концах элемента 1, т.е. с магнитным полем на одном конце элемента и с электростатическим полем на другом конце элемента.
На фиг. 13 и 14 представлен предпочтительный вариант осуществления изобретения, согласно которому устройство является компактным и имеет малую толщину, благодаря чему может использоваться в механизме плоских часов.
Шарнир 100, который представлен здесь как магнитный, содержит демпфирующий узел.
Опорной поверхностью 18А является выполненный в камне 18 отполированный вогнутый сферический сектор. Камень прижат к постоянному магниту 4, который создает остаточное магнитное поле с индукцией, предпочтительно превышающей 1 Тл. Опорный камень 43 с отполированным выпуклым профилем установлен с противоположной стороны магнита 4 относительно камня 18. Камень 18, магнит 4 и опорный камень 43 вставлены в оправу 40, изготовленную, например, из бериллиевой бронзы. Предпочтительно камень 18 и опорный камень 43 устанавливают в оправе 40 с натягом с применением клея или посредством удерживающих средств, обеспечивающих удерживающую силу более 1 Н. Оправа 40 скользит свободно в блоке 41 с отверстием 34 для прохода первого конца 2 элемента 1, который в данном случае представляет собой подпружиненной баланс. В блоке 41 вблизи отверстия 34 имеется радиальный антиударный элемент или радиальный амортизатор 32, сформированный, в частности, заплечиком, который вращается вокруг оси D.
Сборка выполняется таким образом, чтобы первый конец 2 элемента 1 мог перемещаться в вогнутом секторе 18 А опоры и чтобы выпуклый сектор опорного камня 43 находился на другом конце. Внешний блок 41 выполняет функцию стопора для элемента 1 во время ударов.
Предпочтительно первый конец 2 элемента или баланса 1 имеет кривизну, которая меньше кривизны сектора камня 18, и контакт обеспечивается на единственном мосту. Вогнутый сектор 18А камня 18 уменьшает величину промежутка между магнитным полюсным наконечником 4 и первым концом 2 элемента 1 и, таким образом, также формирует резервуар для масла.
Аналогичную операцию по сборке выполняют на втором конце 3 элемента 1. В этом случае опорной поверхностью 19А является выполненный в камне 19 отполированный вогнутый сферический сектор. Камень прижат к постоянному магниту 6, который создает остаточное магнитное поле с индукцией, предпочтительно выше 1 Тл. Опорный камень 46 с отполированным выпуклым профилем установлен с противоположной стороны магнита 6, относительно камня 19. Камень 19, магнит 6 и опорный камень 46 вставлены в оправу 44, изготовленную, например, из бериллиевой бронзы. Оправа 44 скользит свободно в блоке 45 с отверстием 35 для прохода второго конца 3 элемента 1. В блоке 45 вблизи отверстия 35 имеется радиальный антиударный элемент или радиальный амортизатор 33, сформированный, в частности, заплечиком, который вращается вокруг оси D. Сборка выполняется таким образом, чтобы второй конец 3 элемента 1 мог перемещаться в вогнутом секторе опоры 19А и чтобы выпуклый сектор опорного камня 46 находился на другом конце. На фиг. 14 показан концевой узел на втором конце 3 элемента, который демпфирован амортизатором, представляющим собой пружинящий ударостойкий рычаг 50. Пружинящий рычаг 50, как показано на фиг. 14, крепится к пластине 30 или к мосту 31. Рычаг имеет свободный конец, который, по меньшей мере, одной контактной поверхностью примыкает к выпуклому куполу опорного камня 46, а согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения рычаг примыкает к опорному камню тремя контактными поверхностями 51, 52, 53, образующими треугольник. Таким образом, силы равномерно распределены и обеспечено надежное удержание в осевом направлении несущей сборки второго полюсного наконечника 6. Пружинящий ударостойкий рычаг указанного типа предпочтительно установлен с предварительным натягом порядка 0,5 Н.
Несомненно, аналогичный концевой узел, симметрично примыкающий к опорному камню 43, может быть размещен вблизи первого конца 2 элемента 1.
Магниты 4 и 6 являются предпочтительно постоянными магнитами Nd-Fe-B, например марки "Vacodym", представленной на рынке компанией Vacuumschmelze GmbH.
Изобретение также относится к часовому механизму 1000, содержащему, по меньшей мере, одно устройство 10 указанного типа, корректирующее положение элемента при повороте и/или, по меньшей мере, один магнитный и/или электростатический шарнир 100 указанного типа.
Изобретение также относится к часам, содержащим, по меньшей мере, один часовой механизм 1000 указанного типа, и/или, по меньшей мере, одно устройство 10 указанного типа, корректирующее положение элемента при повороте, и/или, по меньшей мере, один магнитный или соответственно электростатический шарнир 100 указанного типа.