CN101878454B - 具有优化的热弹性系数的机械振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种特别用于钟表的机械振荡器，包括：螺旋游丝(1)，该螺旋游丝具有N圈、中心端(2)、离心端(3)、和连接于所述中心端(2)的旋转内桩(4)，该旋转内桩(4)包括用于容纳绕轴线(A)旋转的心轴的孔；以及摆轮(7)，该摆轮(7)的旋转轴线与旋转的心轴(A)重合，离心端(3)用于和“摆轮夹板”型的不动的元件形成一体，所述螺旋游丝(1)包括单晶硅(Si)芯部(1a)和至少一层外周涂层(1b)，该外周涂层(1b)基于具有不同于硅的热弹性系数的材料，单晶硅(Si)取向为沿着晶轴{1，1，1}，以便使机械振荡器的整体的热系数达到最优。此外，本发明还涉及一种所述机械振荡器的设计方法，包括优化整个振荡器的温度系数以便限制其热漂移。

Description

具有优化的热弹性系数的机械振荡器

技术领域

本发明总体涉及例如用于钟表的机械振荡器的技术领域，所述机械振荡器也称为谐振器或螺旋摆轮。

本发明更具体地涉及这样一种机械振荡器，该机械振荡器包括螺旋游丝和摆轮，并具有适于被减至最小的热系数以便限制所述振荡器的热漂移，该热漂移对钟表零件的精度有不利影响。

热系数或热弹性系数应当理解成在钟表机芯的日常运行中，温度每改变1℃(1°K)所发生的秒数的变化。

背景技术

已知例如通过文献DE 101 27 733的方法可获得对较大的热应力有良好的抵抗力、且具有良好的形状稳定性的螺旋游丝。这些游丝由取向为沿着不同晶轴的单晶硅制成。也可使用二氧化硅涂层覆盖所述游丝。

此外，已知文件EP 1 422 436描述了一种减小单个螺旋游丝的热漂移，并由此使得热系数为零的方法。此方法利用硅的一个晶轴相对于另一个晶轴的晶体各向异性，以通过计算获得二氧化硅涂层的厚度，使得螺旋游丝的弹簧常数的热系数能够被最小化。因此，所描述的螺旋游丝理想地包括厚度调节。一方面，此方法在其实施过程中具有复杂性，另一方面，根据此方法生产的螺旋游丝(即，其热系数被优化成趋向于零的螺旋游丝)不能适用于不同类型的摆轮。

发明内容

本发明的目的是克服前述缺陷，并提出一种对热变化的灵敏度最小的机械振荡器。

本发明的另一目的是提出一种设计和制造简化的可靠且精确的机械振荡器。

本发明的另一目的是提出一种新的机械振荡器的设计方法，该方法允许使用各种(材料，形状及膨胀系数)不同的摆轮，都赋予整个振荡器非常小的、甚至等于零的热系数。

本发明的预定目标通过一种特别是用于钟表的机械振荡器来实现，该机械振荡器包括：螺旋游丝，该螺旋游丝具有N圈、中心端、离心端和连接于中心端的旋转内桩，该旋转内桩包括用于容纳绕轴线(A)旋转的心轴的孔；以及摆轮，该摆轮的旋转轴线与心轴的轴线(A)重合，离心端用于与“摆轮夹板”型的不动的元件/被固定的元件形成一体，所述螺旋游丝由单晶硅(Si)芯部以及至少一层外周涂层构成，该外周涂层基于热弹性系数不同于硅的材料，其中，单晶硅(Si)的切割取向为沿着晶轴{1，1，1}，以便使得机械振荡器的整体的热系数最优。

这样获得每小时的跳动次数几乎不随温度的变化而变化的机械振荡器。

沿晶轴{1，1，1}切割的单晶硅游丝具有各向同性的弹性模量。因此无需调节(游丝)圈的厚度以获得一致的变形，并且，弹簧常数的第二热系数是不存在的，该第二热系数与各向异性有关，例如取向为沿晶轴{1，0，0}的情况。

此外，沿晶轴{1，1，1}雕刻的游丝的杨氏模量比沿晶轴{1，0，0}雕刻的游丝的平均模量高。因此，对于具有相同线圈的螺旋游丝，沿晶轴{1，1，1}雕刻的螺旋游丝能够更细，并因此更轻。这使得能够降低螺旋游丝的质量，并从而减小根据位置的操作变化。

较细的螺旋游丝随之又需要较少量的氧化物以产生实现热补偿的涂层。

重要的是，在本文应当注意，根据本发明的螺旋游丝和旋转内桩能生产成两个单独的零件(也能够使用不同的材料)，且通过任何固定装置相互连接，但是也能直接做成一体的零件(使用相同的材料)，而无需两个零件之间的固定装置。

根据本发明所述的示例实施方式，螺旋游丝被定尺寸和制造成具有允许补偿摆轮的热系数的热系数值。

根据本发明的示例实施方式，螺旋游丝具有长度(L)、在整个长度(L)上相同的矩形横截面，该矩形横截面的高为(h)，宽为(l)。

根据优选的示例实施方式，外周涂层的厚度(e)是相同的，并且包括至少一层热系数与硅相反的涂层。所述涂层例如是二氧化硅(SiO₂)也能够使用其它材料。

根据本发明的振荡器的示例实施方式，一种外桩型的固定装置被以固定的方式安装和固定在螺旋游丝的接近所述离心端的位置，以便将螺旋游丝以一体的方式与不动的元件相连。

根据本发明的振荡器的示例实施方式，旋转内桩形成与螺旋游丝一体的部分。此示例实施方式特别适用于硅弹簧，因为在这种情况下，所使用的制造技术允许将弹簧与内桩制造成单独一体的零件。

本发明的预定目标也通过上文所述的机械振荡器的设计方法来实现，其特征在于，通过以下步骤优化整个振荡器的温度系数以限制其热漂移：

a)使用沿晶轴{1，1，1}雕刻的单晶硅(Si)以获得螺旋游丝，

b)确定与摆轮的形状和构成材料相关的摆轮的特定的物理参数，

c)根据特定的物理参数，确定螺旋游丝的尺寸(L，h，l)以及外周涂层的厚度(e)。

根据示例实施方式，根据本发明的方法包括通过计算以执行步骤c)。计算的具体步骤将在下文进一步说明。

根据另一种示例实施方式，根据本发明的方法包括通过计算确定螺旋游丝的尺寸(L，h，l)，并用实验方法确定外周涂层的厚度(e)，以获得用于整个振荡器的接近于零的热系数。

例如，所述方法包括：

c1)在螺旋游丝上施加一层厚度为(e1)的外周涂层，

c2)测量整个振荡器的热系数，

c3)根据执行步骤c2)的测量结果，重复前面的步骤和此步骤，直至获得接近于零的热系数为止。

从而，根据本发明的方法能够通过有利的方式借助螺旋游丝补偿摆轮的热漂移，特别是用于(补偿)1等品级(quality 1)的螺旋摆轮的转矩，与小于或等于+/-0.6s/j/deg的热系数相对应。

通过湿氧氧化工艺实现取向为沿晶轴{1，1，1}的硅上的氧化层的生长，允许使用于螺旋游丝的热系数为正的，并获得螺旋游丝的弹性转矩随温度的变化，补偿摆轮的转动惯量随温度的变化。由此，不再需要使螺旋游丝的弹簧常数的热系数趋近于零以使得本发明的振荡器的热漂移最小。从而必定能够通过简单的方法针对给定的摆轮而获得一种特定的螺旋游丝，所述摆轮的特征在于(具有)预定的物理参数，如质量、转动惯量、材料、回转半径以及膨胀系数。

附图说明

通过阅读以下说明，并参考以示意性而非限制性的方式给出的附图，将更详细地显示出其他特征与优点，其中：

图1示出根据本发明的机械振荡器中使用的螺旋游丝的示例实施方式的立体图；

图2示出根据本发明的包括图1所示的螺旋游丝的机械振荡器的示例实施方式；

图3示出从下方观察的图1的机械振荡器；且

图4是根据本发明的机械振荡器中的螺旋游丝的示例实施方式的局部剖视图。

具体实施方式

图1示出螺旋游丝1的示例实施方式，其能够用在根据本发明的机械振荡器中。螺旋游丝1具有中心端2和离心端3。中心端2与旋转内桩4形成一体，该旋转内桩带有孔，该孔用于容纳绕旋转轴线A(由虚线表示)旋转的心轴。旋转内桩4用于安装在不动的支承件(未示出)上。特别地，旋转内桩4与螺旋游丝1能够制造成一体的零件而无需单独的固定装置。但是，也能够使旋转内桩4单独地形成，且通过已知的固定装置固定在螺旋游丝1的中心端2上。离心端3用于与被称为“摆轮夹板”的不动的元件形成一体，图中未示出所述不动的元件。为实现此目的，能够使用多种固定装置。

图2和3中示出根据本发明的机械振荡器，该机械振荡器还包括摆轮7，该摆轮7与旋转内桩4可旋转地形成一体，且该摆轮7的旋转轴线与心轴A的轴线重合。摆轮7包括安装零件8，该安装零件8在心轴A上定中心，以及径向臂9，该径向臂将所述安装零件8连接于边缘10。

图4示出螺旋游丝1的示例实施方式。螺旋游丝1包括单晶硅(Si)的芯部1a，该芯部的生长沿着晶轴{1，1，1}。横截面为矩形的芯部1a涂有厚度为(e)的外周涂层1b。该外周涂层1b由热弹性系数与硅的热弹性系数相反的材料制成。作为示例，此材料能够是一层二氧化硅(SiO₂)型的氧化物。

螺旋游丝1的长度为(L)，宽度为(l)，高度为(h)。螺旋游丝的圈数N根据每个机械振荡器所需要的特殊性质而确定。此确定方法是自身已知的。

为了说明应将螺旋游丝的热系数对摆轮的热系数进行调节的必要性，考虑以下输入公式(I)：

$\mathrm{Ah}=\frac{7200}{2*\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{M}{I}}$

Ah＝每小时跳动的次数

I＝摆轮的转动惯量

M＝游丝的弹性转矩

从此公式可知，对于相同的摆轮，M不变，如果惯量增加，则跳动次数减少。

下表向我们示出由膨胀系数不同的材料制成的两个摆轮的热系数的差异的影响。通过使用输入公式(I)中的由(II)和(III)表示的以下公式来计算结果：

公式(II)：惯量的计算

    I＝m*r²            I＝摆轮的转动惯量

                             m＝摆轮的质量

                             r＝摆轮的回转半径

公式(III)：惯量是T的函数     T＝I(T)

I(T)＝m*((T*α+1)*r)²        I＝摆轮的转动惯量

                             m＝摆轮的质量

                             r＝摆轮的回转半径

                             T＝与20°相比较的温差

                            α＝膨胀系数

材料	膨胀系数	Δ次/h/deg	热系数：CT(s/j/deg)
				铍铜	18×10-6	-0.52	-1.56
铂	9×10-6	-0.26	-0.78

表1：(基于28800次/小时，半径5mm)

温度仅对于摆轮的影响。

由于Ah(T)是不变的，因此需要T的函数M(T)和I(T)的变化有相同的符号和相同的值。可从公式(I)中获知M(T)和I(T)的影响。

也可以说：dM/dT＝dI/dT

公式(III)中描述了转动惯量I(T)，其是温度的函数。

在硅游丝被覆盖一层相同的氧化物涂层的情况下，从而可通过以下公式计算游丝的弹性转矩M(T)：

公式(IV)：

M(T)＝M_si*(1+CTE_si)+M_ox*(1+CTE_ox)   M＝游丝的弹性转矩

                                    M_si＝硅的弹性转矩

M_ox＝氧化物的弹性转矩

CTE_si＝硅的弹性系数

CTE_ox＝氧化物的弹性系数

公式(V)：

$M_{\mathrm{si}}=\frac{E_{\mathrm{si}}*(h-2e)*{(l-2e)}^3}{12L}$

E_si＝硅的弹性模量

h＝簧片高度

l＝簧片厚度

L＝被拉直的游丝的长度

e＝氧化物的厚度

公式(VI)

$M_{\mathrm{ox}}=\frac{E_{\mathrm{ox}}}{12L}*(\left(h\right)*{\left(l\right)}^3)-((h-2e)*{(l-2e)}^3)$

E_ox＝硅的弹性模量

h＝簧片高度

l＝簧片厚度

L＝被拉直的游丝的长度

e＝氧化物的厚度

Claims (11)

1.一种用于钟表的机械振荡器，包括：螺旋游丝(1)，该螺旋游丝(1)具有N圈、中心端(2)、离心端(3)和连接于所述中心端(2)的旋转内桩(4)，该旋转内桩(4)包括用于容纳绕轴线(A)旋转的心轴的孔；以及摆轮(7)，该摆轮(7)的旋转轴线与旋转的心轴(A)重合，离心端(3)用于和“摆轮夹板”型的不动的元件形成一体，所述螺旋游丝(1)包括单晶硅(Si)芯部(1a)和至少一层外周涂层(1b)，该外周涂层(1b)基于具有不同于硅的热弹性系数的材料，其特征在于，

单晶硅(Si)的切割取向为沿着晶轴{1，1，1}，以便获得螺旋游丝的弹性转矩根据温度的变化，补偿摆轮的转动惯量根据温度的变化，以便使得机械振荡器的整体的热系数最优。

2.根据权利要求1所述的机械振荡器，其特征在于，所述螺旋游丝(1)被定尺寸和制造成具有允许补偿摆轮(7)的热系数的热系数值。

3.根据权利要求1或2所述的机械振荡器，其特征在于，所述螺旋游丝(1)具有长度L、在整个长度L上相同的矩形横截面，该矩形横截面的高为h，宽为l。

4.根据权利要求1所述的机械振荡器，其特征在于，所述外周涂层(1b)的厚度e是相同的，并且包括至少一层热系数与硅相反的涂层。

5.根据权利要求4所述的机械振荡器，其特征在于，所述外周涂层是二氧化硅(SiO₂)的生长物。

6.根据权利要求1所述的机械振荡器，其特征在于，一种外桩型的固定装置被以固定的方式安装和固定在螺旋游丝的接近所述离心端的位置，以便将后者以一体的方式连接于所述不动的元件。

7.根据权利要求1所述的机械振荡器，其特征在于，所述旋转内桩(4)形成螺旋游丝(1)的一体的部分。

8.一种根据权利要求1至7中任何一项所述的机械振荡器的设计方法，其特征在于，通过以下步骤优化整个振荡器的温度系数以便限制其热漂移：

a)使用沿晶轴{1，1，1}雕刻的单晶硅(Si)以获得螺旋游丝(1)，

b)确定与摆轮(7)的形状和构成材料相关的摆轮(7)的特定的物理参数，

c)根据特定的物理参数确定螺旋游丝的尺寸L，h，l和外周涂层(1b)的厚度e。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括通过计算执行步骤c)。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，包括通过计算确定螺旋游丝的尺寸L，h，l，并用实验方法确定外周涂层(1b)的厚度e，以便获得整个振荡器的接近于零的热系数。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，包括：

c1)在螺旋游丝(1)上施加一层厚度为e1的外周涂层(1b)，

c2)测量整个振荡器的热系数，

c3)根据执行步骤c2)的测量结果，重复前面的步骤c1)、c2)和此步骤，直至获得接近于零的热系数为止。

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