CN101589347A - 用于钟表的机械振荡器 - Google Patents

Abstract

用于时钟的机械振荡器包括平衡轮(10)和游丝(12)。平衡轮(10)和游丝(12)由相同材料制成。这种材料是非磁性的并具有非常低的热膨胀系数。

Description

用于钟表的机械振荡器

技术领域

本发明涉及用于钟表的机械振荡器，更具体地涉及具有高度等时性的腕表的机械振荡器。

背景技术

已针对腕表提出不同的机械振荡器。总地来说，这些振荡器被设计成产生限定振荡器固有频率的振荡的游丝-平衡轮形式。这种固有频率将时间分成多个严格相同的单元以使腕表的棘轮装置调节其齿轮系的速度。由此，腕表的精确度取决于其游丝-平衡轮的频率稳定性。

例如温度、磁场变化和平衡轮振荡幅度变化的若干参数影响游丝-平衡轮的频率稳定性。温度变化会造成平衡轮和游丝的热膨胀，这本质上引起平衡轮的惯性力矩变化以及游丝的复位力矩变化。磁场本质上作用于游丝并能够干扰甚至抵消其对平衡轮的作用。平衡轮的振荡幅度变化关联于平衡轮的重量和惯性并能引发游丝-平衡轮的等时性缺陷。因此，所有这些参数都能够改变游丝-平衡轮的固有频率。

为了补偿温度变化，选择用于制造最经常使用的机械振荡器中的平衡轮和游丝的材料以使平衡轮的惯性力矩变化和游丝复位力矩变化彼此补偿。作为推荐方案，必须尤其注意铍铜合金平衡轮配合使用例如殷钢(invar)和埃殷钢(elinvar)的特别设计的合金制造而成的游丝，殷钢和埃殷钢是具有非常低的膨胀系数的镍铁合金。然而，这类游丝-平衡轮仍然对磁场敏感。因此，仍要继续寻找能够用来制造游丝的新合金，例如Silinvar^TM的研发所显现的。这些合金的自补偿结果首先是两种相反作用的结果，尤其是温度作用和和金属弹性模量的磁致伸缩的作用。

为了补偿磁场效应，除了使用针对该目的专门设计的新合金以外，还提出用例如石英的非磁性材料制造游丝，同时如上所述地用铍铜制造平衡轮。然而，这类游丝-平衡轮对温度变化敏感。

为了补偿平衡轮的振荡幅度的变化以使其等时性缺陷减至最小，必须将某些因素考虑在内，包括膨胀的不均匀性和游丝的收缩、游丝弹性响应于温度和磁场变化的变化、游丝的安装点、离心力和重力、平衡轮的配平、摩擦和几何形状。最小化等时性缺陷是优化机械表的精确性的关键。这在于制造允许其产生独立于其振幅的相等振荡的具有高度等时性的游丝-平衡轮。因此，经常使用尽可能轻并具有尽可能大的惯性的平衡轮。

WO2004/008529A1示出了被设计成纠正上述问题的游丝-平衡轮的一个例子。该游丝-平衡轮设有平衡轮，平衡轮包括热膨胀系数为正且小于+1×10^-6K^-1的非磁性陶瓷。该游丝由质料交缠或相对于纤维轴向平行的连续碳纤维组合物制成。这些纤维被埋入热固、热塑或陶瓷聚合物基质。这种组合物的热膨胀系数为负且大于-1×10^-6K^-1。更具体地，选择用于制造平衡轮和游丝的材料以使它们的热膨胀系数值相同、非常低且具有相反的符号。由此，该游丝-平衡轮作为游丝的自补偿效果的结果实现振荡器的高水平的精确性和更稳定的功能。

发明内容

本发明的目的是至少明显地减少游丝的自补偿效应。因此，本发明提出一种游丝-平衡轮，它在很宽的温度范围内耐温度变化以避免热膨胀和平衡轮的惯性力矩的变化。更一般地，本发明的目的是提出一种就其对温度和振幅以及磁场变化的灵敏度而言具有提高了的频率稳定性的游丝-平衡轮。

本发明的目的是通过由具有独立权利要求的特征的平衡轮和游丝构成的机械振荡器实现的。较佳实施例的变例是从属权利要求的主题。

更具体地，该目的是通过根据本发明的机械振荡器实现的，其特征在于，平衡轮和游丝由相同材料制成。平衡轮和游丝由相同材料制成能够避免游丝相对于平衡轮的补偿效应，它因此具有几乎恒定的惯性。因此，平衡轮和游丝之间的自补偿变得可忽略。

附图说明

根据本发明的游丝-平衡轮的实施例细节将从下文中对实施例的详细说明中变得明显，所述实施例以示例方式给出并由附图示出，在附图中：

图1是根据本发明的机械振荡器的放大俯视图；

图2是图1中的机械振荡器的放大的横截面图；

图3是示出两种不同机械振荡器的日差率变化的图。

具体实施方式

在下面对附图的详细说明中，相同部件由相同附图标记表示。通常，为了简洁以避免重复，仅对这些部件和它们的功能描述一遍。

图1和图2通过示例示出由平衡轮10和游丝12构成的游丝平衡型机械振荡器。平衡轮10由心轴14、刚性安装在心轴14上的幅板16以及第一类型配重18和第二类型配重19、夹头20和辊子22构成。游丝12由与用来制造平衡轮10的幅板16相同或不同的材料制成。

根据本发明的较佳实施例，游丝12由与平衡轮10相同的材料制成。更具体地，游丝12和平衡轮10的幅板16由相同材料制成。平衡轮10和/或其幅板16以及游丝12由相同材料制成能够避免游丝12相对于平衡轮10的补偿效应，它由此具有几乎恒定的惯性。因此，平衡轮10和游丝12之间的自补偿几乎是可忽略的。

被选择用来制造平衡轮10和/或其幅板16以及游丝12的材料较佳地为非磁性的并具有至多20至2×10^-10-ppm/℃的热膨胀系数的优势。这一热膨胀系数较佳为5×10^-6ppm/℃，更佳地为至多2×10^-6ppm/℃。材料的视在密度较佳地在2.0-5.0g/cm³的范围内，较佳地为2.5-4.5g/cm³，更佳地为3-4.0g/cm³。

根据本发明的较佳实施例，这种材料是金刚石或合成金刚石，更一般地为基于金刚石的材料。然而，也可如下文中更详细描述的那样使用其它材料，例如石英、硅、碳、钛或陶瓷。

如图1所示，平衡轮10的心轴14具有被称为AA轴的对称轴线，这也是其旋转轴线。心轴14传统地由硬化钢制成并包含承座14a、设置在承座14a任一侧上并旨在分别容纳夹头20、幅板16和辊子22的圆柱部14b、14c和14d。其端部形成旨在配合入形成在未示出的钟表机架内的支承中的枢轴14e和14f。

幅板16包括中央孔16a和界定出八个臂16b的八个径向定位的开口。臂16b的外端彼此连接在一起以形成轮缘16c。将后者在臂16b的延伸部处刺穿以形成平行于轴线AA定位并在其中固定配重18、19的孔16d。轮缘16c的底部可由与幅板16不同的材料制成。在此情况中，如果幅板16由例如金刚石制成，则可将金刚石涂层涂敷于轮缘16c以使轮缘16c获得与幅板16相同的物理特性。

更具体地，根据本发明的一个较佳实施例，平衡轮10和/或游丝12被涂敷以纳米微粒材料，这种材料较佳为非磁性的并具有至多20至2×10^-10ppm/℃的热膨胀系数的优势。该热膨胀系数较佳为5×10^-6ppm/℃，更佳地为至多2×10^-6ppm/℃。所述材料的视在密度较佳在2.0-5.0g/cm³的范围内，较佳地为2.5-4.5g/cm³，更佳地为3-4.0g/cm³。较佳地，平衡轮10和游丝12具有纳米金刚石涂层。该涂层也可较佳地施加于本领域内技术人员公知的游丝-平衡轮，例如包括由铍铜合金制成的平衡轮，该平衡轮连接于使用例如殷钢的特别设计的合金制造而成的游丝。

如可从图2中更具体看出的那样，幅板16靠在承座14a上并通过圆柱部14c定位。它通过设置在孔16a周缘所制成的外壳中的粘合点24而固定于心轴14。夹头20压在心轴14的圆柱部14d上，靠向幅板16。它将通过粘合剂而附连的游丝12保持住。

幅板16由例如金刚石、刚玉、石英或硅的具有低密度和低热膨胀系数的材料片形成，并具有几十分之一毫米数量级的厚度。更具体地，该厚度较佳地在0.05mm至0.3mm的范围内，并典型地具有0.2mm的值。如上所述，游丝12由与用来制造平衡轮10和/或其幅板16相同或不相同的材料制成。因此，用来制造游丝12的材料也能从上面以示例方式列出的材料中选取，即金刚石、石英、硅或刚玉。这些材料的弹性和长度随温度的变化非常小。

配重18各自由形状为具有在图1中表示为轴线BB的对称轴线的圆柱形的钉18a形成，并形成自例如金或铂的密度大于15g/cm3的重型材料，配重18设有由相同材料制成的头部18b、本体18c以及环18d。每个配重18的本体18c配合入孔16d，而头部18b靠在幅板16上。相关的环18d通过挤压、胶合或钎焊固定在幅板16的另一侧。

配重18具有相对于每个钉18a的轴线BB的对称结构。如此，当温度改变时，钉相对于轴线BB沿径向膨胀或收缩，但其重心不移动。结果，在第一近似值中，该膨胀不会改变平衡轮的惯性。

配重19具有相对于其所配合进入的孔16d的轴线偏移的重心。如此，可通过转动配重而改变惯性力矩并由此校正振荡器的频率。为了实现这种转动，配重19包括设有轴向槽19b的圆柱部19a，允许摩擦固定。

如上所述，用来制造根据本发明的机械振荡器的平衡轮10和游丝12的材料可以具有很小的温度敏感性。此外，这种材料能够符合由瑞士制表业的记时计标准建立的容限，其示出于下面给出的表1中。

表1：瑞士制表业的记时计标准

满足表1所示标准因此能够用于本发明的材料的非限制性示例是金刚石、钛、陶瓷和石英，如上面更详细阐述的那样。这些材料具有下列物理特征。视在密度：

-金刚石：3.515g/cm³

-5等级钛：4.42g/cm³

-陶瓷AI₂O₃：3.9g/cm³

-石英：2.6g/cm³

热膨胀系数：

-金刚石：1·10^-6ppm/C°

-5等级钛：9·10^-6ppm/C°

-陶瓷AI₂O₃：8·10^-6ppm/C°

-石英：0.5·10^-6ppm/C°

通过专门选择用来制造平衡轮10和/或其幅板16以及游丝12的非磁性材料，可获得低热膨胀系数和最佳的质-径比。更具体地，由于图1和2中包含平衡轮10和游丝12的机械振荡器由相对于温度非常稳定的材料制成，其频率非常稳定并随温度的变化非常小。频率稳定性因为配重18相对平衡轮10的轴线具有固定的重心而增加。这允许根据本发明较佳实施例获得机械振荡器的高度等时性，如图3所示。

图3以示例方式示出两种不同的机械振荡器的日差率变化的曲线图。这些日差率变化在轴41上以秒([S])表示，这取决于所测试的相应机械振荡器所处的不同温度。这些温度在轴31上以摄氏度([℃])表示。

第一曲线30示出包含标准机械振荡器的时钟的日差率变化。如图3所示，当在+8和+38℃之间的温度范围内测试时钟时，日差率变化在如点32所指的快6秒和点34所指的慢4秒之间。

第二曲线40示出当时钟制造有根据本发明较佳实施例的机械振荡器时该时钟的日差率变化。如图3所示，本例中在+8和+38℃之间的温度范围内测试时钟时，日差率变化在如点42所指那样根本不会走快以及如点44所指那样慢大约1.3秒之间。

然而必须指出，除了根据本发明的机械振荡器的相对于温度的频率稳定性，还有通过选择所使用的材料获得的其它优势。例如，由于由平衡轮10和游丝12构成的材料是非磁性的，因此磁场不会与它们相互作用。只有在以上所述的使用由硬化钢制成的心轴14的结构中，磁场能与该心轴14相互作用，然而这种相互作用的影响在实践中为零。

最后，由于制成幅板16的材料的比重低，尽管制成配重18、19的材料的比重高，平衡轮10的总质量对于给定惯性力矩是低的。其结果是等时性缺陷被进一步减小。

金或铂制的配重18、19允许配重10被制造成具有尤为良好的惯性力矩/质量比。也可能使用较低成本的材料，例如黄铜或殷钢。在后一情形下，可进一步减少配重18、19的膨胀。

总地来说，钟表的平衡轮必须被配平。这可通过去除或添加材料来完成的。该操作尤为有利地通过作用于配重18而实现，所述配重相对于其轴线BB具有对称结构。此外，至少一部分所述配重18较佳地在其配合在幅板16中的部分中具有带轴线BB的圆柱形。为了防止其对称性受到影响，或者以机械方式或者通过在其上施加激光器而去除材料，以确保沿整个表面均匀地或相对于轴线BB对称地去除材料。也可通过在一个或其它配重18上喷溅以添加材料，这仍然是确保相对于轴线BB保持对称。因此，本发明也要求保护通过从平衡轮10去除材料或在平衡轮10上添加材料以进行配平方法，其特征在于，相对于圆柱的轴线对称地在至少一个所述配重上去除材料或通过相对于其圆柱轴线对称地将材料添加至至少一个配重18而获得平衡。

最后，用来制造配重18的材料较佳地具有大于10的比重。它尤其可由金或铂制成，而平衡轮10和游丝12由金刚石制成。这样，惯性力矩和比重之间的比是尤为适合的。

必须指出，根据制成幅板16的材料，也可添加材料于此或从中去除材料，更具体地是在轮缘16c上。

尽管上文示出了具体实施例，然而若干变化可发生在根据本发明的机械振荡器而不会改变其功能。因此，所有这些变化也都是可设想和构思的。

Claims (19)

1.包含平衡轮(10)和游丝(12)的钟表用机械振荡器，其中所述平衡轮(10)和所述游丝(12)由相同的第一材料制成。

2.如权利要求1所述的机械振荡器，其特征在于，所述平衡轮(10)包括幅板(16)、保持所述幅板(16)的心轴(14)以及安装在所述幅板(16)上的配重(18、19)，且所述心轴(14)和所述配重(18、19)由至少一种另外的第二材料制成。

3.如权利要求2所述的机械振荡器，其特征在于，所述心轴(14)由硬化钢制成且所述配重(18)的至少一部分由密度大于15g/cm³的重型材料制成。

4.如前面任何一项权利要求所述的机械振荡器，其特征在于，所述第一材料具有最大值为2×10^-6ppm/C°的低热膨胀系数。

5.如前面任何一项权利要求所述的机械振荡器，其特征在于，所述第一材料是非磁性的。

6.如前面任何一项权利要求所述的机械振荡器，其特征在于，所述第一材料的视在密度在2.0-5.0g/cm³的范围内。

7.如前面任何一项权利要求所述的机械振荡器，其特征在于，所述第一材料是金刚石、石英或陶瓷类。

8.如权利要求7所述的机械振荡器，其特征在于，所述第一材料是基于金刚石的。

9.如前面任何一项权利要求所述的机械振荡器，其特征在于，所述钟表是腕表。

10.如前面任何一项权利要求所述的机械振荡器，其特征在于，所述平衡轮(10)包括厚度在0.05mm-0.3mm范围内的幅板(16)。

11.包含平衡轮(10)和游丝(12)的钟表用机械振荡器，其中所述平衡轮(10)包括：

由第一材料制成的幅板(16)；

保持所述幅板(16)并旨在确保平衡轮绕旋转轴线旋转的心轴(14)；

安装在所述幅板(16)上的配重(18、19)，所述配重相对于所述旋转轴线对称设置，

所述游丝(12)由第二材料制成，且所述第一和第二材料是从金刚石和石英中选取的。

12.如权利要求11所述的机械振荡器，其特征在于，所述第一和第二材料是相同的。

13.如权利要求11或12所述的机械振荡器，其特征在于，所述配重(18)的至少一部分在其配合在所述幅板(16)中的部分中具有相对于对称轴线的圆柱形，所述配重(18)具有相对于所述对称轴线的对称结构。

14.如权利要求11-13中任何一项所述的机械振荡器，其特征在于，所述配重(18)由具有比重大于10的第三材料制成。

15.如权利要求14所述的机械振荡器，其特征在于，所述第三材料是密度大于15g/cm³的重型材料。

16.如权利要求11-15中任何一项所述的机械振荡器，其特征在于，所述第一材料是金刚石。

17.如权利要求11-16中任何一项所述的机械振荡器，其特征在于，所述幅板(16)具有0.05mm-0.3mm范围内厚度。

18.通过从如权利要求13所述的机械振荡器的平衡轮(10)上去除材料的配平方法，其中，相对于所述配重(18)的对称轴线对称地将所述材料从至少一个所述对称配重(18)上去除。

19.通过将材料添加至如权利要求13所述的机械振荡器的平衡轮(10)的配平方法，其中，相对于所述配重(18)的轴线对称地将材料添加至至少一个所述对称的配重(18)。

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