CN100483271C - 温控的游丝摆轮谐振器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种温控的游丝摆轮谐振器。在该谐振器中，通过光刻蚀法在一预先从一石英单晶体切下的石英片上构造出游丝，这样盘圈的高度h与晶轴z之间形成一用于使游丝的温度特性与摆轮的温度特性相适配的夹角θ，从而减小因温度变化而引起的变化率。

Description

温控的游丝摆轮谐振器
技术领域
本发明涉及一种用于把一机械表运动的日温度变化率减少到可比得上一电子石英表的变化率水平的温控的游丝摆轮(sprung balance)谐振器/振荡器。
背景技术
众所周知，机械运动的日变化率主要取决于调节构件，尤其是摆动频率可受外界因素变化例如温度的变化或存在一磁场等影响的游丝摆轮。温度尤其是会对摆轮的惯性矩以及游丝的弹性常数起作用，从而改变该游丝摆轮的频率，该频率实际上是(惯性矩和弹性常数)这两个参数的函数.
关于该摆轮(balance)，它一般用非磁性合金如glucydur(铍合金)制成，这样该摆轮的摆动运动不会因接近磁性材料而受到干扰。为使温度对摆轮的惯性矩，即对摆轮回转半径的变化的影响减到最小，从二十世纪以来人们已经提出了非常多的装置，这些装置基本上都是基于截断式双金属摆轮的原理。
因为本发明不涉及摆轮本身的几何特性，本文将不对这些装置作进一步描述。
关于游丝(balance-spring)，很长时间以来人们认为，并在某种程度上仍然感到满意的是：通过利用在游丝通常使用的温度范围内弹性常数基本不变的合金来制造游丝而把由温度变化引起的(游丝的)变化率减到最小。这些合金尤其是包含作为硬化剂的铬和钛以及其它各种元素(C，Mo，Be等)的铁-镍合金。这种合金—其更为人所知的名称如“镍铁铬合金”—在质量最好的时候可以达到24小时内±0.6秒/度的变化率，但仍然易受磁场的影响。而且，制造它们要取决于无法保证所需特性完全再现的复杂冶金工序，这样当把摆轮和游丝装配在一起时，仍需要对它们进行匹配。
发明内容
本发明的一个目的是通过提供一尤其由于采用一由非磁性材料制成的游丝而具有较小的静止变化率的游丝摆轮来克服前述现有技术中的缺陷，其中弹性组件的热膨胀系数和热变化允许在制造过程中使所述游丝的弹性常数与摆轮的惯性矩相适配。
游丝的弹性常数，又被叫做“游丝的单元转矩”符合公式I：
C = Ehe 3 12 L - - - ( I )
其中E是弹性模量，h是游丝的高度，e是游丝的厚度，L为游丝展开时的长度。游丝摆轮的频率可由公式II结合公式I得到：
f = 1 2 π C I - - - ( II )
其中I代表摆轮的惯性矩，其对应于公式III：
I＝mr2  (III)
其中m代表质量，而r为回转半径，其明显取决于摆轮的热膨胀系数α。
因此本发明涉及一种用于一机械表运动的游丝摆轮，其中游丝由高为h的盘圈形成，该盘圈由具有晶轴x，y，z的一石英单晶体制成，轴x为电轴，轴y为机械轴，盘圈的高h的方向基本与晶轴z相同。更精确的说，高h与轴z间形成一夹角θ，该夹角可在+25°到-25°之间变化，优选为+10°到-15°，该夹角能在不改变游丝几何形状的情况下改变其弹性常数。
由于对游丝作了这样的设计，就能很简单地使所述游丝的弹性常数(公式I)与改变摆轮惯性矩(公式III)的摆轮的线性热膨胀系数α相适配，这样该游丝摆轮谐振器的频率(公式II)就得到了温度控制。
使用石英制造一游丝除了使游丝有良好的温度特性外还提供了这样的好处，即游丝具有了良好的机械特性和化学特性，尤其是在有关老化、氧化以及易受磁场影响性方面.
本发明还涉及一种制造这样一游丝的方法，其步骤包括：
——从一具有晶轴x，y，z的石英条上切下一石英片，该石英片的厚度将被变薄为盘圈所需高度h；
——在该石英片的表面用光刻蚀法形成一掩模，该掩模的轮廓限定了该游丝所需的形状；
——用湿法蚀刻或干法蚀刻把在该石英片上形成的轮廓以外的石英除去，并放开该游丝。
光刻蚀技术一方面允许在形成该游丝的同时在该石英片中形成游丝与外部的连接和中心处的夹头(collet)，另一方面又允许在该游丝形成期间的任意时候为其选择其它参数例如盘圈的厚度e及盘圈的节距。???
为了改变该游丝的弹性力矩并使其与一给定摆轮的线性热膨胀系数相适配，沿一与晶轴z成π/2-θ角的平面，即以等效于绕轴x转动至与游丝的高度h方向成θ角的方式形成的平面切割出该石英片。
附图说明
从下文对结合附图的非限制性示例的描述，可清楚地看到本发明的其它特征和优点。
图1和图2所示为根据本发明的一石英游丝制造方法的主要步骤；
图3是示出根据本发明的一石英游丝的作为温度的函数的变化率和一条比较曲线的曲线图；以及
图4是图3的比较图，图中游丝由沿不同切割角切出的石英片制成。
具体实施方式
图1所示为根据本发明的一游丝的制造方法的第一步。该步骤是取一具有晶轴x，y，z的石英条1，并从中切出一具有所需高度h例如几个十分之一毫米作为其厚度的石英片3.精确的所需高度h可以这样得到：切出一坯件，然后用已知的方式通过物理的、化学的或物理化学的装置对该坯件进行加工使该石英片的厚度变薄为高度h.该石英片是沿与垂直于晶轴z的平面xy成θ角的平面xy’，即把平面xy绕轴x转动θ角形成的平面切割出的。
正如我们所见，图2所示为该同一石英片3的一扁平部分，其沿轴z’的高度h的方向与晶轴z之间形成一夹角θ。
图2还示意性地示出该制造方法的用于一靠近中心弯曲部的放大的游丝部分的后续步骤。这些步骤包括根据已知的制造微型结构的方法用光刻蚀法形成一掩模以限定该游丝的轮廓5，以及确定必须从该石英片上除去以形成游丝的所述轮廓以外的区域7。
如果想要，该光刻蚀法允许同时形成与外部的连接和与中心的连接(件)，即与游丝成一体的一环或夹头。该方法还允许在该游丝形成期间的任意时候为该游丝自由选择其它参数例如盘圈的厚度和/或其节距以提高其效率。
对轮廓外区域7的去除可用已知的方法例如制造电子表中音叉的方法实现。可以使用湿法蚀刻，尤其是依靠氢氟酸和氟化铵(HF/NH4F)混合物的蚀刻。也可使用干法蚀刻，尤其是利用活性离子的蚀刻法。
现在参见图3，图中以秒/天示出作为温度函数的当摆轮由热膨胀系数为α＝14.10-6K-1的材料制成时的一石英游丝的变化率(曲线a)，以及一用于一电子手表的音叉的变化率(曲线b)，该游丝和音叉都是以θ＝2°的角制造的。图中还以垂直线示出要保留下来以便根据COSC标准(瑞士官方天文台测试组织 Officiel Suisse des Chronomètres)进行比较的温度范围，即从+8℃到+38℃。可以看到，曲线a和b在COSC温度范围内彼此非常接近，从转折点10起的最大变化率分别为曲线a的Δa＝0.5秒/天以及曲线b的Δb＝1.2秒/天。
图4所示为一组曲线，其给出了作为温度函数的变化率，并示出通过夹角θ的简单变化就可得到其摆轮具有不同热膨胀系数的一最小变化率，如下文中表1所示：
表1
 
热膨胀系数α 夹角θ
曲线d 5.10<sup>-6</sup>K<sup>-1</sup> -14.6°
曲线e 10.10<sup>-6</sup>K<sup>-1</sup> -7°
曲线f 15.10<sup>-6</sup>K<sup>-1</sup> +7°
曲线g对应于作为参考的一电子表中的音叉.
可以看到，在覆盖30℃的COSC范围内，最大变化率约为Δmax＝-0.6秒/天，即在24小时内0.02秒/度的数量级，与那些可由一最高质量的金属游丝达到的变化率相比这是一个低得多的值.

Claims (13)

1.用于一机械表运动的游丝摆轮谐振器，它包括一具有一弹性常数C的游丝以及一具有一惯性矩I的摆轮，其特征在于：所述游丝由用一切割出的单个石英单晶体片制成的高为h的盘圈形成，所述石英单晶体片为沿晶轴x，y，z的结晶形态，其中轴x为电轴，轴y为机械轴，所述石英单晶体片是沿与垂直于晶轴z的平面xy形成夹角θ的平面xy’被切割的，从而实现较小的变化率以及优良的机械特性和化学特性。
2.根据权利要求1的游丝摆轮谐振器，其特征在于：所述夹角θ为包括在+25°到-25°之间的值，所述夹角能在不改变游丝几何形状的情况下改变其弹性常数。
3.根据权利要求2的游丝摆轮谐振器，其特征在于：所述夹角θ为包括在+10°到-15°之间的值。
4.根据权利要求1的游丝摆轮谐振器，其特征在于：所述游丝与外部的连接和中心处的夹头是在形成游丝的同时在所述石英单晶体片中形成的。
5.一游丝摆轮谐振器的制造方法，它包括一其中心弯曲部经一环或夹头固定在一摆轮上的游丝，该游丝由盘圈形成，其特征在于：通过执行以下步骤来获得所述游丝的高度h：
——从一具有晶轴x，y，z的石英条上沿与垂直于晶轴z的平面xy形成夹角θ的平面xy’切下一石英片，其中轴x为电轴、轴y为机械轴；
——在所述石英片的表面用光刻蚀法形成一掩模，所述掩模的轮廓限定了所述游丝所需的形状；
——用湿法蚀刻或干法蚀刻把位于形成的所述轮廓以外的石英除去，并放开所述游丝。
6.根据权利要求5的方法，其特征在于：所述夹角θ可以在+25°到-25°之间变化，所述夹角能在不改变游丝几何形状的情况下改变其弹性常数。
7.根据权利要求5的方法，其特征在于：在形成掩模的步骤之前，将石英片的厚度变薄为盘圈的高度h。
8.根据权利要求5的方法，其特征在于：用于去除位于所述游丝轮廓以外的石英的蚀刻是通过湿法蚀刻完成的。
9.根据权利要求8的方法，其特征在于：所述湿法蚀刻利用HF/NH4F溶液。
10.根据权利要求5的方法，其特征在于：用于去除位于所述游丝轮廓以外的石英的蚀刻是通过干法蚀刻完成的。
11.根据权利要求10的方法，其特征在于：所述干法蚀刻为活性离子蚀刻法。
12.根据权利要求5的方法，其特征在于：所述光刻蚀步骤允许在形成所述游丝的同时形成所述游丝与外部的连接和中心的固定环或夹头，还允许选择盘圈的厚度或其节距。
13.根据权利要求6的方法，其特征在于：切割夹角θ的极限值可使所得到的游丝的弹性常数与一摆轮的热膨胀系数相适配。
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