CN100360828C - 钟表游丝及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明主要涉及一种用于装备机械钟表平衡摆轮的游丝，它由从单晶硅板{001}切取的一种螺旋杆构成。计算它的结构和尺寸，以便通过改变它的弹簧常数的第一和第二温度系数，使平衡摆轮/游丝装置的热漂移降到最低。

Description

钟表游丝及其制造方法

技术领域

本发明涉及钟表中的调节件，称为游丝/平衡摆轮。一方面，本发明特别涉及一种用于装备机械钟表平衡摆轮的游丝，另一方面，它特别涉及一种制造这种游丝的方法。

背景技术

机械钟表的调节件由一个称为平衡摆轮的飞轮，和一个称为游丝的螺旋弹簧组成，游丝的一个端部固定到平衡摆轮的平衡杆上，另一端固定到称为旋塞的平衡桥上，平衡摆轮的平衡杆绕这个旋塞作枢转。

游丝/平衡摆轮绕其平衡位置(或死点)摆动。在平衡摆轮离开这个位置时，它牵动游丝，这就产生了一个复原力矩，在平衡摆轮释放时，这个力矩使它返回其平衡位置。由于它已经获得了一定的速度，因此具有功能，使它摆动超过死点位置，直至游丝的相反力矩使它停止，并转向另一方向。因此，游丝调节了平衡摆轮的摆动周期。

更准确地说，现在装配机械钟表机心的平衡摆轮是其自身绕12-15圈成为阿基米德螺线的，其横截面为矩形的弹性金属片。人们知道，这种游丝主要特征在于它的复原力矩M可以下式一级近似地表示：

M＝E/L(w³t/12)

式中：E为金属片杨氏模量(单位为N/m³)；

t为游丝的厚度；

w为游丝的宽度；

L为游丝的长度；

为转角(枢轴转动角)。

人们很容易知道，一种游丝的弹簧常数或刚性C＝M/表征每单位转角的复原力矩，它必须尽可能保持恒定，特别是在不论什么温度场和磁场中。因此，所用材料十分重要。

现在，使用复杂的合金，这是因为合金成分复杂(含有铁、碳、镍、铬、钨、铍和铌等元素)，及所用的冶金工艺复杂。所希望的目标是通过综合两个相反的效应，即综合温度效应和磁致收缩效应(由于磁化导致磁体收缩)，自动补偿金属弹性模量的变化。

现在的金属游丝很难制造。首先，因为用于生产这些合金的工艺的复杂性，不同生产批次生产的金属的本征力学性能是不稳定的。其次，为了确保钟表在任何时候都指示最精确的时间所用的调节技术是一种复杂而长时间的操作。这种操作要求许多手工程序，必须消除许多有缺陷零件。由于这些原因，这种生产工艺是昂贵的，保持稳定的质量是一个长久的挑战。

DE10127733公布了一种由一外层包覆的硅游丝，这个外层可以由二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅、碳化硅或聚合物制造，因此，提高了其热稳定性，特别是在高温(800℃)下的热稳定性。然而，这项技术过于以实验为基础，尚不足以应用到钟表游丝上。

发明内容

本发明的目的是提供一种其热漂移比上述现有技术更精细校正过的游丝，因此，可以使它用于钟表制造。

更准确地说，本发明涉及一种用于装备机械钟表平衡摆轮的游丝，其形状为从{001}单晶硅板切取的一个螺旋杆，杆的尺寸参数为宽度w和厚度t。按照本发明，构成游丝的这种杆的结构和尺寸使得通过改变它的弹簧常数C的第一热系数C₁和第二热系数C₂，使其温度敏感性降到最低。

为了降低第一热系数，这种杆包括一个硅芯，和一个环绕这个芯的厚度为ξ的外层，外层由具有与硅相反的杨氏模量E的第一热系数的材料制造。外层最好由非晶氧化硅(SiO₂)制造。其厚度约为杆宽度w的6％。

为了降低第二热系数C₂，定期调节作为角θ的函数的杆的宽度w，这个角θ确定了每个点在极坐标中的取向。这种调节也可以方便地按这样一种方式进行，即：使杆的局部弯曲刚性保持恒定。

为了使游丝的热性能最佳化，杆的厚度t，在游丝平面内调节的杆的宽度w，以及氧化硅层厚度ξ三者具有的数值，应使弹簧常数C的热漂移在给定温度范围为最低。

本发明也涉及一种确定刚才已经规定的游丝的最佳尺寸的方法。该方法依次包括：

用数学式把游丝的刚性表达为游丝厚度t，在游丝平面调节的宽度w，氧化硅层厚度ξ，硅的弹性各向异性及温度的函数；

计算热性能，特别是计算在给定温度范围内，对于参数t，w，ξ可能值的所有组合的，游丝弹簧常数的头两个热系数C₁和C₂；

采用对应这些系数热漂移为最小的t，w，ξ的组合。

附图说明

按照附图阅读下列说明，可以更好地理解本发明，附图中：

图1示出一种本发明的游丝；

图2示出这种游丝的一个扇形段，其中图2a为纵向截面，图2b为横截面，图中说明了说明书中所用参数的基准；

图3说明硅的{001}面的杨氏模量的各向异性。

具体实施方式

示于图1和图2的本发明的游丝是切割成螺旋形的一种杆，由{001}单晶硅板的机加工，如等离子机加工  而成。这种材料非磁性，可按要求成形，可以实现低的制造成本。

遗憾的是，必须指出，很难获得具有恒定弹簧常数C的硅游丝，因为这种杆的杨氏模量E受温度很大的影响。因此，补偿这种影响是非常重要的。

当建立一种弹性结构的温度敏感性模型时，通常的作法是使用它的弹簧常数C的热系数，使它们形成这类数学式系列：

C＝C₀(1+C₁ΔT+C₂ΔT²...)

式中：C₀是弹簧常数C的名义值，C₁和C₂分别是它的第一和第二热系数。在这里只考虑头两个系数，其他的忽略不计。

由此可见，为了得到对温度不敏感的弹簧常数C，其目标是把热系数C₁和C₂降到最低。

人们知道，单晶硅呈现晶态各向异性。在{001}面，<110>方向的刚性高于<100>方向，当然，这影响游丝的弯曲刚性。

和弹簧常数一样，硅的{001}面的杨氏模量E^(a)可以由这类数学式系列表示：

E^(a)＝E₀ ^(a)(1+E₁ ^(a)ΔT+E₂ ^(a)ΔT²)

式中：E₀ ^(a)是杨氏模量E^(a)的名义值，E₁ ^(a)和E₂ ^(a)分别是它的第一和第二热系数。这三个系数作为相对于晶轴取向的函数示于图3。

杨氏模量的第一热系数E₁ ^(a)有较大的负值(约-60×10^-6/℃)，在{001}面的<100>方向，杨氏模量E₀ ^(a)的名义值是148GPa。在钟表23℃±15℃温度范围，硅游丝的热漂移约为155s/d(秒/天)。这与钟表的约8s/d(秒/天)的要求不相称。

为了补偿这种漂移，本发明的游丝由一个硅芯和一个SiO₂外层构成，其第一热系数E₁ ^(b)是较大的正值。它大约是215×10^-6/℃，刚性E₀ ^(b)的名义值约为72.4GPa。

因此，通过使用任何已知的工艺进行热氧化得到的这种对称三层结构，有可能对平面弯曲的游丝的整体刚性的热稳定性起作用。

可以看出，对于在{001}面切取的游丝，当氧化物层的厚度约为游丝宽度的6％时，这种游丝的弹簧常数的第一热系数C₁出现最佳的最小值。

按照本发明，调节作为θ角函数的螺旋宽度w，即调节在缠绕面上的尺寸，可以把第二热系数C₂降至最小，θ角表征极坐标中每个点的取向。

如图1所示，使游丝在刚性较高的<110>方向变薄，而在刚性较低的<100>方向变厚，则可实现这种调节。因此，可以补偿硅的各向异性，得到恒定的局部弯曲刚性。因此，可以说这种游丝是弹性平衡的。

在这种特殊情况，设w₀为游丝在{001}面的一个基准宽度，则宽度w作为θ角的函数按下列公式变化：

$w=w_0\sqrt[3]{1-\frac{1-\frac{\stackrel{\&OverBar;}{S}12.0}{\stackrel{\&OverBar;}{S}11.0}-\frac{1}{2}\frac{\stackrel{\&OverBar;}{S}44.0}{\stackrel{\&OverBar;}{S}11.0}}{2}{\sin }^2\left(2\mathrm{\&theta;}\right)}$ [单位m]

式中：

和

是沿各晶轴硅的三个独立弹性系数，已为技术熟练人员所知道，并按C.Bourgeois等人的出版物“Design of resonatorsfor the Determination of the Temperature Coefficients of ElasticConstants of Monocrystalline Silicon”(“用于确定单晶硅弹性常数温度系数的共振器的设计”)(Proc.51st Annual Frequency ControlSymposium(频率控制讨论会第51届年会)，1997，791-799)确定。

更准确地说，人们很容易知道，这几个参数是相互关连的，例如，对宽度w的某些调节所得到的热行为的改进，对于所有的氧化物厚度，对于游丝所有的晶态取向，其结果并不相同。

为了更容易确定各参数的最佳值，本发明的方法包括检验例如作为这些参数的函数的、上述游丝的弹簧常数C的热系数可变性。

确定C所涉及的参数是硅的杨氏模量E^(a)，氧化硅的杨氏模量E^(b)，以及图2所示的几何尺寸：

t是游丝的厚度(常数)(单位是m)；

w是游丝在{001}面的宽度(单位是m)；

ξ是氧化物的厚度(常数)(单位是m)。

按照多层理论，用氧化硅包覆的硅杆在弯曲时的当量杨氏模量E在局部段内可模化成下面公式：

$E=(E^{\left(a\right)}-E^{\left(b\right)}){(1-\frac{2\mathrm{\&xi;}}{w})}^3(1-\frac{2\mathrm{\&xi;}}{t})+E^{\left(b\right)}$

由于游丝

的ξ/w＜＜1，ξ/t＜＜1，这个公式变为：

$E=E^{\left(a\right)}-(E^{\left(a\right)}-E^{\left(b\right)})(\frac{6\mathrm{\&xi;}}{w}+\frac{2\mathrm{\&xi;}}{t})\&CenterDot;$

通过在其整个长度上对局部刚性的这个表达式积分，确定游丝的弹簧常数C和它的前两个热系数C₁和C₂，这个表达式本身是E，t，w，ξ表达式的函数。

因此，可以证明，第一热系数C₁基本上是ξ的函数，而第二热系数C₂主要决定于w。

下一步就是用计算机计算对于t，w，ξ参数可能值所有组合的热系数C₁和C₂值。从可能的各组组合中，求出在给定温度范围使游丝弹簧常数C热漂移为最小的所对应的t，w，ξ三参数组合。

因此，按上述给定公式确定了其弹簧常数C最适于所要求的钟表应用的游丝，可以选择与这种游丝相对应的三参数组合。

最后，可以使用计算提供的数据生产这种游丝。

因此，提出了一种其温度敏感性降到最小的硅游丝。它已准备被使用，不要求调节，不需要任何手工操作。

上述说明仅仅是本发明硅基游丝的一个特定的和非限定性的实例。因此，由氧化物层提供合适的热补偿已经满意地在中等灵敏度的钟表中使用，宽度w的调节是任选的。

Claims (11)

1.一种用于装备机械钟表平衡摆轮的游丝，其形状为从一种{001}单晶硅板切取的一根螺旋杆，螺旋杆具有其弹簧常数C的第一热系数C₁和第二热系数C₂，游丝的尺寸参数为宽度(w)和厚度(t)，其特征在于，上述杆包括一个硅芯，和一个环绕这个硅芯形成的具有厚度(ξ)的外层，外层由其杨氏模量的第一热系数与硅相反的材料制造。

2.按照权利要求1所述的游丝，其特征在于，上述外层由非晶氧化硅SiO₂制造。

3.按照权利要求1所述的游丝，其特征在于，确定尺寸比(ξ/w)，以便得到预定弹簧常数C值的第一热系数C₁。

4.按照权利要求1-3中任何一项所述的游丝，其特征在于，确定尺寸比(ξ/w)，以便把它的弹簧常数C的第一热系数C₁降到最低。

5.按照权利要求4所述的游丝，其特征在于，尺寸比(ξ/w)约为0.06。

6.按照权利要求1所述的这种游丝，其特征在于，定期调节作为角θ的函数的上述杆的宽度，以把第二热系数C₂降至最低，其中角θ规定了极坐标中每个点的取向。

7.按照权利要求1所述的这种游丝，其特征在于，调节上述杆的宽度，使其局部弯曲刚性恒定，以把第二热系数C₂降至最低。

8.按照权利要求7所述的游丝，其特征在于，按下列公式实现其调节：

$w=w_0\sqrt[3]{1-\frac{1-\frac{{\stackrel{\&OverBar;}{S}}_{12.0}}{{\stackrel{\&OverBar;}{S}}_{11.0}}-\frac{1}{2}\frac{{\stackrel{\&OverBar;}{S}}_{44.0}}{{\stackrel{\&OverBar;}{S}}_{11.0}}}{2}{\sin }^2\left(2\mathrm{\&theta;}\right)}$

式中，

和

是硅沿晶轴的三个独立弹性系数，并且w₀是在{001}平面中的游丝的参考宽度。

9.按照权利要求6所述的游丝，其特征在于，为了使第一热系数C₁和第二热系数C₂降至最低，杆的厚度(t)，杆在{001}面的宽度(w)和氧化硅层的厚度(ξ)具有一组值，在这组值时，在给定的温度范围内游丝弹簧常数C的热漂移为最低。

10.一种确定按照权利要求9所述的游丝的最佳尺寸的方法，其特征在于，该方法依次包括：

用数学式把游丝刚性表达为游丝的厚度(t)，在游丝平面内调节的宽度(w)，氧化硅层厚度(ξ)，硅的弹性各向异性和温度的函数；

计算热性能，特别是计算在给定温度范围内，对应于参数(t)，(w)，(ξ)可能值的所有组合的游丝弹簧常数的前两个系数C₁，C₂；

采用对应于上述系数C₁和C₂热漂移为最小的参数(t)，(w)，(ξ)的组合。

11.按照权利要求10所述的方法，其特征在于，最后包括由下面公式计算在任何一点螺旋杆的宽度(w)：

$w=w_0\sqrt[3]{1-\frac{1-\frac{{\stackrel{\&OverBar;}{S}}_{12.0}}{{\stackrel{\&OverBar;}{S}}_{11.0}}-\frac{1}{2}\frac{{\stackrel{\&OverBar;}{S}}_{44.0}}{{\stackrel{\&OverBar;}{S}}_{11.0}}}{2}{\sin }^2\left(2\mathrm{\&theta;}\right)}$

式中，

和 是沿硅晶轴的三个独立弹性系数，并且w₀是在{001}平面中的游丝的参考宽度。

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