CN101566826A - 具有用于固定到主轴上的开口的微机械部件 - Google Patents

Abstract

一种微机械部件，该微机械部件用于被固定到主轴上并具有至少一个开口(10，20，30)，所述开口的边缘包括刚性区域(11)和弹性区域(12，22，32)的交替布置。刚性区域(11)的距开口(10，20，30)的中心C最近的那些端(13)由第一圆周C1连接，所述第一圆周C1具有比第二圆周C2的直径更大的直径，所述第二圆周连接弹性区域(12，22，32)的距开口的中心最近的那些端(15，25，27)。在所述微机械部件中，每个刚性区域(11)由突出进开口(10，20，30)中的凸起部分形成。

Description

具有用于固定到主轴上的开口的微机械部件

技术领域

本发明涉及一种微机械部件，该微机械部件用于被固定到主轴上并具有至少一个开口，该开口的边缘包括交替布置的刚性区域和弹性区域，该微机械部件例如是轮子、小齿轮、立柱、销或细弹簧。

背景技术

在1959年6月，瑞典专利No.338146揭示了一种滑动联接器，其中图1中表示的轮子包括刚性臂1，该刚性臂1的端2形成直径等于将被插入到轮子的中心的主轴的直径的圆周。这些刚性臂1本身具有作为向内的弹性臂3的径向延伸。当轮子被安装到主轴上时，弹性臂3在轮子和主轴之间产生摩擦接合。

在2006年2月，即几乎半个世纪以后，提议使用具有略微不同形状的开口。因而，欧洲专利申请No.EP1826634公开了一种图2中表示的微机械部件。该微机械部件包括加固/定位区域4和由舌片5组成的弹性可变形区域的交替布置，其中舌片5的端6在延伸超出主轴的理论轮廓的同时刺入开口，从而当将主轴被驱动到位时提供夹持功能。目的是使主轴或立柱上的打入配合组件不受断裂的危险。

具有上述专利文件中描述的形状的开口能够很大地降低断裂的危险，但是它们是不能令人满意的，尤其因为它们不能同时获取低组装(驱动)力和高夹持力(后者由部件开始在主轴上滑动之前的高传送力矩证明)。

发明内容

申请人公司的发明人已经最终得到了在半个世纪内还未被解决的上述问题的解决方案。

为了那个目的，他们已经研发了一种微机械部件，该微机械部件用于被固定到主轴上并具有至少一个开口，该开口的边缘包括刚性区域和弹性区域的交替布置，可以使距开口中心最近的刚性区域的那些端由第一圆周连接，所述第一圆周具有比第二圆周的直径更大的直径，所述第二圆周连接距开口的中心最近的弹性区域的那些端，所述微机械部件的特征是每个刚性区域由突出进开口中的凸起部分形成。

因此，根据本发明的微机械部件特别能够使得可以：

√高精度地将轮子相对于主轴的中心定心；

√减少在驱动操作中断裂的危险；

√增加将被装配的部件的公差范围；

√对易碎部件的组装具有更好的控制；

√消除微裂纹的危险；

√容易检测过紧夹持或干涉配合制造的组件(当组成部件的材料易碎时，微裂纹的形成通常被引入到该组件中)；

√执行对组件质量的系统的且简单的检查；

√由于微裂纹不存在所以不再需要在电子显微镜下进行困难的检查，简化了制造操作。

在根据本发明的微机械部件中，凸起部分优选地朝向开口的中心突出。

根据本发明的第一实施例，每个弹性区域由曲臂形成。

根据本发明的第二实施例，每个弹性区域由至少一个曲指形成。

根据本发明的第三实施例，每个弹性区域由至少一个实质上直线的半臂形成。

优选地，根据本发明的微机械部件包括三个刚性区域和三个弹性区域。特别地，由于均衡的本性，具有六个区域的该配置同时地确保共同数目的接触和最优的定心。

根据另一方面，本发明涉及一种降低在生产组件过程中得到缺陷组件的危险的方法，其中每种情况的组件都包括主轴和根据本发明的微机械部件。

根据另一方面，本发明涉及一种形成包括根据本发明的微机械部件和主轴的组件的方法。

这些方法具有的主要优势是使得可以用简单的方式得到组件，该组件包含微裂纹的可能性实质上为零，或者尤其是由于阻力力矩太低而导致缺陷的可能性实质上为零。

附图说明

在参考附图给出的下述描述中将详细描述本发明的其它特征和优势，其中：

图1示出了根据上述专利CH338146的轮子，由“现有技术1”指示，其上绘出了互连刚性区域的圆周；

图2示出了根据上述专利申请EP12826634的第一实施例的微机械部件，由“现有技术2”指示，其中刚性区域由虚线互连；

图3示出了根据本发明第一实施例的微机械部件的部分；

图4示出了根据本发明第二实施例的微机械部件的部分；

图5示出了根据本发明第三实施例的微机械部件的部分；

图6示出了代表作为得到的干扰的函数的力的改变的曲线图，该力是将主轴驱动到根据本发明的微机械部件中所需的力；和

图7示出了代表作为干扰的函数的最大力矩的改变的曲线图，该力矩能够由位于根据本发明的微机械部件中的主轴组成的组件来传送；

具体实施方式

本发明特别应用于钟表制造领域。尤其适用于能够具有非常小的尺寸(毫米量级)的齿轮、小齿轮、套爪、保护销(用于棘爪)、显示盘等的生产。

特别地，在将主轴驱动到轮子的中心孔之后，期望具有足够的阻力将该组件保持在一起以提供期望的功能。这可以是没有一个部件相对于另一个部件的滑动的简单的力矩传送。在到达给定力矩时也可能需要发生滑动。

对应于最小驱动力的最坏情况的最小阻力力矩因此必须大于最大负荷力矩以防止任何滑动。此外，最大驱动力(对应于最大阻力力矩)必须小于装配中损害(例如微裂纹或塑性变形)之前的限制阈值。

图3部分示出了根据本发明第一实施例的微机械部件。该微机械部件是平的并且是薄的，并且包括欲容纳主轴(图未示)的开口10。刚性区域11和弹性区域12在开口10的边缘上交替。

刚性区域11每个都由从微机械部件向开口10的中心方向突出的凸起部分形成，该中心在图3中由点C描绘。每个刚性区域11的轮廓是圆弧的轮廓。所有的刚性区域11都彼此相同，并且通过将距开口10的点C最近的刚性区域11的端13相连得到第一圆周C1，C1的中心和点C重合。

弹性区域12每个都由向点C弯曲的臂形成。每个臂具有从微机械部件向点C突出的环形段的形状，并且其中最大直径侧朝向点C。该环形段将开口10和在微机械部件中形成的基本椭圆形的切去部14分开。

区域12的环形形状和切去部14提供了具有比区域11的弹性更大的弹性的区域12。所有的弹性区域12都彼此相同，并且通过将距开口10的点C最近的端15相连得到第二圆周C2，C2的中心和点C重合。

圆周C2的直径小于圆周C1的直径。

在每一侧上每个刚性区域11都被通过间隔16和与刚性区域11相邻的弹性区域12分离。

根据该第一实施例的微机械部件包括和三个弹性区域交替的三个刚性区域，从而为微机械部件提供了三元对称(ternary symmetry)。

图4部分地示出了根据本发明第二实施例的微机械部件。该微机械部件同样也是平的和薄的。

刚性区域11和第一实施例的刚性区域相似，因此不再重复描述。

该实施例和第一实施例的不同之处主要在于弹性区域的形状。特别地，在第二实施例中，每个弹性区域22由两个曲指22a和22b形成。

每个指22a实质上都具有从微机械部件突出的环形形状并从中移除一部分以形成空间23a。类似地，每个指22b实质上都具有从微机械部件突出的环形形状并已经从中移除一部分以形成空间23b。

同一区域22的指22a和22b的空间23a和23b不朝向点C：它们位于环的自由端27和微机械部件的其余部分之间。指22a和22b之间由空间24彼此分开。指22a的空间23a位于指22b的相对侧，并且类似地，指22b的空间23b位于指22a的相对侧。指22a和22b关于通过点C和位于将指分开的空间24的中心的点的直线互相对称。

指22a和22b的环形形状以及空间23a和23b提供了具有比区域11的弹性更大的弹性的区域22。所有的弹性区域22都彼此相同，并且通过将距点C(点C表示开口20的中心)最近的端25相连得到圆周C2，C2的中心和点C重合。

当然，圆周C2的直径小于圆周C1的直径。

当指22a、22b在实质上径向朝外的方向被推时，空间23a、23b的尺寸被减少到当指22a、22b的自由端27抵靠微机械部件的其余部分时消失的点。后者因而作为指22a、22b的邻接点。

每个刚性区域11在每一侧上都通过间隔26和相邻的弹性区域22分离。

根据这个实施例，微机械部件也包括与三个弹性区域交替的三个刚性区域，从而类似地为微机械部件提供了三元对称。

图5部分地示出了根据本发明第三实施例的微机械部件。该微机械部件也是平的和薄的。

刚性区域11和前述实施例的刚性区域相似，因此不再重复描述。

该实施例和前述实施例的不同之处主要在于弹性区域的形状。特别地，在第三实施例中，每个弹性区域32由两个实质上直线的半臂32a、32b形成。每个半臂32a在与圆周C1的切线形成微小角(小于10度)的方向从微机械部件突出，圆周C1通过位于两个半臂32a、32b中间的点。因此，半臂32a的自由端33a更靠近点C，点C表示开口30的中心。

类似地，同一区域32的每个半臂32b在与所述切线形成微小角(小于10度)的方向从微机械部件突出，从而半臂32b的自由端33b更靠近点C，点C表示开口30的中心。

半臂32a、32b互相朝向彼此并且它们的自由端33a、33b由空间34分离。在半臂32a、32b与微机械部件的其余部分之间分别是空间35a、35b，空间35a、35b分别在半臂32a、32b的基部(即在这些半臂突出的位置)实质上以小滴38a、38b的形式扩展。

半臂32a、32b的拉长形状与空间35a、35b提供了具有比区域11的弹性更大的弹性的区域32。所有的弹性区域32都彼此相同，并且通过将它们距开口30的点C最近的端37相连得到圆周C2，C2的中心和点C重合。

勿需多说，在该实施例中，圆周C2的直径也小于圆周C1的直径。

当半臂32a、32b的自由端33a、33b向实质上径向朝外的方向被推时，空间35a、35b的尺寸被减少到当自由端33a、33b抵靠微机械部件的其余部分时消失的点。该点因而作为半臂32a、32b的邻接点。

每个刚性区域11在每一侧上都通过间隔36与相邻的弹性区域32分离。

根据这个实施例，微机械部件也包括与三个弹性区域交替的三个刚性区域，从而类似地为微机械部件提供了三元对称。

测试

在根据本发明的第一(P1)、第二(P2)和第三(P3)实施例的微机械部件上进行使用软件的仿真。这些部件由Ni-P合金制成。

部件P1具有0.2mm的厚度、具有0.49mm的直径的圆周C2、具有0.51mm的直径的圆周C1、具有0.15mm的曲率半径的凸起部分、具有0.04mm宽和1.0mm的外径的臂12、在圆周C1和间隔16的最远端之间测量的0.15mm的距离以及具有0.12mm宽和0.26mm长的切去部14。

部件P2具有0.2mm的厚度、具有0.49mm的直径的圆周C2、具有0.51mm的直径的圆周C1、具有0.15mm的曲率半径的凸起部分、具有0.06mm的内径和0.14mm的外径的指22a和22b、在圆周C1和空间24的最远端之间测量的0.15mm的距离、具有在端27和部件P2的相对侧壁之间测量的0.02mm的距离的空间23a和23b以及在圆周C1和间隔26的最远端之间测量的0.15mm的距离。

部件P3具有0.2mm的厚度、具有0.49mm的直径的圆周C、具有0.51mm的直径的圆周C1、具有0.15mm的曲率半径的凸起部分、具有0.18mm长和0.04mm宽的半臂32a和32b、具有实质上沿半臂32a和32b的轴测量的0.02mm的长的空间34、在圆周C1和间隔36的最远端之间测量的0.04mm的距离、具有最小宽0.02mm的空间35a和35b以及在小滴38a和38b的形状中宽向上最远壁之间测量的0.37mm的距离，这些小滴形状具有0.07mm的直径。

对于每个部件P1、P2、P3，将由700HV硬度的20AP的钢制成的主轴插入(驱动)到部件P1、P2和P3的各开口10、20和30中所需的力被仿真作为干扰的函数，即作为主轴直径和圆周C2的直径之间差的函数。主轴与每个部件P1、P2和P3之间的摩擦系数μ是0.15。

结果在图6中表示。

观察到三个部件P1、P2和P3中的每个都在开始时表现出线性增加，然后对于大于20μm的干扰产生变形(坡度增加)。

从此可以推导出对于0和20μm之间的干扰，驱动力的线性增加特性是可接受的。超出这个值，驱动力的特性增加地更快而不是线性。因而，当到达20μm的干扰时，主轴和刚性区域接触。此时，干扰值的任何增加(＞20μm)都由刚性区域承受。观察到变形(驱动力的快速增加)。在20μm的这个值弹性臂没有达到弹性极限，在更高值处弹性臂才会达到弹性极限。特别地，由于存在刚性区域，观察到夹持力的非常快和非常大的增加，导致需要废弃该组件。

部件P1、P2和P3被设计为使得当达到20μm的值时刚性突出开始起作用；达到弹性区域的弹性极限的大概70％。实际上，需要谨慎地放置刚性区域从而力的增加对应于区域开始处于具有安全余量的危险中。在干扰20μm时驱动力的增加只和在刚性区域上的驱动接合相关联。如果省略了刚性区域，则在任何情况下都不可能检测到驱动力中的异常超出了材料的弹性极限。

根据本发明，设计使得当刚性区域开始起作用时，臂仍然处于弹性压力范围内。

因此，具有根据本发明的部件P1、P2和P3，由于部件的尺寸变化对驱动力几乎没有影响，对于这些部件的制造公差可以很宽(仍然处于臂的弹性压力范围内)。因而这个力对于公差范围内的所有部件来说是可接受的，实际上形成了更低的制造需求和/或由于不符合要求的废品的数量减少的结果。

此外，假设“驱出”(排出主轴)的阻力直接和驱动力相连，并且由5000g的冲击引起的驱出的最小阻力通常必须至少为0.1N，那么观察到即使是在最小干扰(4μm)的情况下，三个部件P1、P2和P3也达到该最小冲击阻力。

接下来，将组件能够传送的最大力矩值(即传送的最好的值但是不能再大)仿真为干扰的函数。

结果在图7中表示。

在所说明的情况中，组件必须能够传送的力矩的最小值必须至少为16μNm。发现即使在P3的情况下(在该情况下提供最低值)，在4μm的干扰下已经达到80μNm的值，即比需要的值大很多的值。

此外，将注意到在P3的情况下，最大可传送力矩的值随着干扰增加很少。通过谨慎地设置尺寸，由于即使具有大尺寸变化也能够保证能够由组件传送的最大力矩将受限，部件P3因此能够有利地找到作为要被传送的力矩的限制器的应用。

比较测试

将根据本发明的微机械部件P2和上述现有技术1和2中描述的两个部件进行比较。

在相同的条件下使用

软件在三个部件上进行仿真，该相同的条件是：

√相同的主轴(直径Φ为0.51mm，具有硬度为700HV的20AP的钢)；

√材料：NiP，厚度为0.2mm，和主轴的摩擦系数μ＝0.15，干扰为12μm；和

√相同的仿真参数(网格大小、计算增量、接触公式等)

比较准则是阻力力矩和最大理论压力的比率(代表对于碎性材料的标准验证指标)。该指标的值越大，机械部件就越好。

在下表中指示出结果：

测试的部件	最大理论压力(MPa)	阻力力矩(μNm)	力矩/压力比率(μNm/MPa
				现有技术1	354	41	0.116
现有技术2	307	4	0.013
				P2	1440	560	0.389

发现部件P2比现有技术的部件提供更优的结果。

根据本发明的方法

在根据本发明的微机械部件中，刚性区域主要用于当驱动要被插入开口中的主轴时的导引的目的，弹性区域用于通过夹持来保持该主轴以防止主轴相对于微机械部件转动或者防止其在实质上垂直于该部件的平面的方向上移动。

如同结合图6已经看到的，对于根据本发明的每个微机械部件可以定义干扰值，在该干扰值之上驱动力增加迅速并且因此，在微机械部件中发生微裂纹的危险变得相当大。

因此期望废弃其组件要求高驱动力的那些部件。

类似地，期望废弃不能保证在没有滑动的传送的正确操作所要求的最小力矩之上的力矩的那些部件。

因此，本发明也涉及减少在生产由主轴和根据本发明的微机械部件形成的组件的过程中获得缺陷组件的危险的方法，该方法包括下列连续的步骤：

√测量在将主轴插入到微机械部件时所需要的力；

√将所测量的值和第一参考值及第二参考值相比较；

√如果所测量的值大于第一参考值或小于第二参考值，则认为该组件是不令人满意的并废弃所述组件；

√如果所测量的值小于或等于第一参考值并大于并且大于或等于第二参考值，则认为该组件是令人满意的并保留所述组件。

根据本发明的方法中使用的第一参考值因而是对应于比弹性区域的弹性极限小大约30％的值并对应于上述测试中对于部件P1、P2和P3的20μm的干扰。

第二参考值是在其之下部件不能实现传送用于传送的正确操作的足够力矩的极限。

同时，本发明也涉及包括微机械部件和主轴的组件的形成方法，所述方法包括下列连续的步骤：

√将主轴插入到根据本发明的微机械部件中，同时测量用于插入所需要的力；

√将所测量的值和第一参考值及第二参考值相比较；

√如果所测量的值大于第一参考值或小于第二参考值，则废弃该组件；

√如果所测量的值小于或等于第一参考值并大于或等于第二参考值，则保留该组件。

图3、4和5只示出了描述本发明所需要的根据本发明的微机械部件的那些部分。勿需多说，本领域普通技术人员会理解如何通过增加省略的例如轮子、小齿轮、立柱、销或细弹簧的部件来使这些图完整。

能够用例如硅、镍、例如镍磷的镍合金、金刚石、石英等的材料生产根据本发明的微机械部件。

有利地使用已知为LIGA(德语“

Galvanoformung，Abformung”[X射线光刻，电镀、模铸]的缩写”)的制造技术可以得到由镍或镍磷制成的具有相对复杂形状的部件。使用微制造技术，例如通过深蚀刻处理，也可以得到由硅、金刚石或石英晶片制成的具有相对复杂形状的部件。

图3至图5中表示的微机械部件包括三个刚性区域和三个弹性区域，因为这是优选的配置。然而，在不偏离本发明范围的前提下，可以考虑具有更多数量的刚性或弹性区域和/或不同尺寸和/或形状的其它微机械部件。例如，凸起部分可以不以圆弧的形式而是由可变曲率的半径限定，采用椭圆弧的形式，并且，不是朝向开口的中心，而是朝向相对于该中心偏离的方向。

此外，根据本发明的微机械部件不必须是平的。确实，上述LIGA技术使得可以生产多层部件，例如具有小齿轮的轮板。

此外，当部件是由镍磷或硅制成时，其在张力方面比在压力方面更脆弱。因此，根据本发明的部件2(图4)是特别有利的，因为弯曲应力带来在中心侧的低张力和在相对侧的高压力。

最后，需要补充的是部件可以具有更少的对称。例如在根据本发明的部件P2和P3的情况下，可以有利地生产不对称(关于长和/或宽)的半臂，因而其效果是为部件提供在一个方向比另一方向具有较高的阻力力矩。

Claims (10)

1.一种微机械部件，用于被固定到主轴上并具有至少一个开口(10，20，30)，所述开口(10，20，30)的边缘包括刚性区域(11)和弹性区域(12，22，32)的交替布置，刚性区域(11)的距开口(10，20，30)的中心C最近的那些端(13)由第一圆周C1连接，所述第一圆周C1具有比第二圆周C2的直径更大的直径，所述第二圆周C2连接所述弹性区域(12，22，32)的距所述开口的中心最近的那些端(15，25，27)，所述微机械部件由下列事实被限定成：每个刚性区域(11)由突出进开口(10，20，30)中的凸起部分形成。

2.根据权利要求1所述的微机械部件，其中所述凸起部分朝向开口(10，20，30)的中心突出。

3.根据权利要求1或2所述的微机械部件，其中每个弹性区域(12)由曲臂形成。

4.根据权利要求1或2所述的微机械部件，其中每个弹性区域(22)由两个曲指(22a，22b)形成。

5.根据权利要求1或2所述的微机械部件，其中每个弹性区域(32)由至少一个直线半臂(32a或32b)形成。

6.根据权利要求1至5中任意一项所述的微机械部件，包括三个刚性区域(11)和三个弹性区域(12，22，32)。

7.一种组件，其由权利要求1至6中任意一项所述的微机械部件和主轴形成。

8.使用权利要求5所述的微机械部件限制将由所述微机械部件和主轴形成的组件传送的力矩。

9.一种减少在生产权利要求7所述的组件过程中得到缺陷组件的危险的方法，所述方法包括下列连续的步骤：

测量在将主轴插入到权利要求1至6中任意一项所述的微机械部件中的过程中所需要的力；

将所测量的力的值和第一参考值进行比较；

将所测量的力的值和第二参考值进行比较；

如果所测量的值大于所述第一参考值或小于所述第二参考值，则废弃所述组件；

如果所测量的值小于或等于所述第一参考值并大于或等于所述第二参考值，则保留所述组件。

10.一种形成权利要求7所述的组件的方法，包括下列连续的步骤：

将主轴插入到权利要求1至6中任意一项所述的微机械部件中，同时测量插入所需要的力；

将所测量的值和第一参考值相比较；

如果所测量的值大于所述第一参考值或小于第二参考值，则废弃该组件；

如果所测量的值小于或等于所述第一参考值并大于或等于所述第二参考值，则保留所述组件。

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