CN100524099C - 机械振荡器系统 - Google Patents

Abstract

一种用于钟表机构或其它精密仪器的机械振荡器系统，包括摆轮及螺旋线或螺旋面形的发条。发条由非磁性的复合物、聚合物、碳或陶瓷材料制成，优选由碳纤维于聚合物、碳或陶瓷基质中的复合材料制成；摆轮由非磁性陶瓷制成。发条和摆轮的热膨胀系数值相似，在很宽的温度范围内非常小而且稳定。发条和摆轮在轴向上的膨胀系数符号相反，彼此互相补偿。这些材料的密度小于目前所用金属。通过材料的这种组合，可以获得显著的优点及比金属振荡器系统水平更高准确性和稳定性。

Description

机械振荡器系统

技术领域

本发明涉及用于钟表机构(如计时装置)或其它精密仪器的机械振荡器系统，包括平衡轮(balance)和发条(balance spring)。据认为本发明的机械振荡器系统特别适用于机械表中的振荡器系统，尽管本发明并不仅限于此。

背景技术

先前的机构中将金属合金，特别是Fe-Ni或Ni、Cu-Be、Au-Cu合金，用于发条和平衡轮。最概括地讲，本发明的方面之一提出了平衡轮用非磁性的陶瓷材料制成，以及发条是非磁性的并且由复合材料或聚合物(包括热固性和热塑性聚合物、酯和酚醛树脂)、碳或(非磁性的)陶瓷材料制成，该材料具有适于补偿系统热变化的性质。

与金属不同，上述材料不易受到包含磁性的电磁阻尼以及磁诱导的杨氏模量(Young′s modulus)的变化的影响。这些材料本征地具有一些优于金属的热特性，所以可以制成温度所致的振荡器频率变化降低了的机械振荡器系统。下面将更具体地讨论温度所致的变化。上述材料的发条可以较少地受杨氏模量的内部机械(如摩擦)阻尼的影响，同时允许通过平衡轮保持振幅和较高的振荡频率，从而得到比金属发条更准确的钟表机构或精密仪器。

布置发条，以使平衡轮振荡。优选平衡轮为摆轮(balance wheel)；发条可以布置在摆轮圆周的内部，以便按惯常那样驱动摆轮在其旋转轴附近前后振荡。平衡轮可以连接到擒纵机构(escapement mechanism)上，以调节擒纵轮(其连接到例如表的指针上)的旋转，这一点也是公知的。

优选发条以弯曲的形式工作，以驱动平衡轮振荡，最优选以独特的弯曲形式工作。即，优选发条在其(相对迅速的)振荡期间不依靠应变或剪切性能重复能量的贮存和释放。优选发条圈彼此不接触，即在相邻的发条圈之间存在间隙。这样可以消除或减小摩擦，使得相继的发条圈彼此不受阻碍地发挥作用。

尽管平衡轮的主体是由陶瓷材料制成的，但是其可以具有由其它材料制成的小的附属部分。

现将讨论与振荡器频率特别是振荡器频率随温度变化有关的事项。

机械表的准确性取决于由摆轮和发条构成的振荡器的特定频率。当温度发生变化时，摆轮和发条的热膨胀以及发条杨氏模量的变化，均改变振荡系统的特定频率，干扰表的准确性。本发明人已经注意到，在已知的系统中，大约四分之三的变化归因于发条的热变化或磁力诱导的变化。

补偿这些变化的方法基于如下的考虑：所述特定频率排他性地取决于发条作用于平衡轮的扭矩与平衡轮的转动惯量之间的关系，如下面的关系式所示

$T=2\mathrm{\π}\sqrt{\frac{I}{G}}---\left[1\right]$

T：振荡周期，I：平衡轮的转动惯量，G：发条的扭矩。

平衡轮的转动惯量是其质量M及其旋转半径r的函数。

发条的扭矩是其尺寸(长度l、高度h、厚度e)及其杨氏模量E的函数。发条的长度l(其可以为螺面或螺线形)是发条首尾相连的总长度，这不同于例如从顶部到底部的测量，这种测量随着发条圈的间距而变化。

因此，关系式[1]可以写成：

$T=2\mathrm{\π}\sqrt{\frac{12\·M\·r^2\·l}{E\·h\·e^3}}---\left[2\right]$

温度变化影响T(振荡周期)，因为系统(发条和摆轮)即发条的l、h和e以及摆轮的r的膨胀和收缩作用，摆轮的质量M保持不变。

人们知道如何补偿l、h和e的膨胀作用。但是，振荡周期仍受保持下式所示关系的r和E的变化的影响：

$\frac{r}{\sqrt{E}}---\left[3\right]$

二者之间不是线性关系。

需要这种关系尽可能地保持为常数(以使振荡周期T保持为常数)。

当其完全去磁化时，Fe-Ni金属发条合金给出近似的解决方案。可是，当合金没有完全去磁化时，所述关系就不再为常数了：

发生变化。

目前用于发条的金属合金，因为温度的升高超过高达40℃的环境温度，而表现出E的增加(这被视为异常)和1的增加。精密表中目前采用热膨胀系数为+14～+17×10^-6K^-1的Au-Cu合金摆轮，以补偿发条的杨氏模量变化。

总之，目前使用的金属合金即使能够进行补偿，但也仅在很窄的温度范围内使T(振荡周期)稳定，而且仅在发条合金保持未被磁化时才如此(目前采用Fe-Ni发条的任何钟表均可被足够的磁体所停止)。

EP 0732635公开了由结晶材料制成的螺线形发条和摆轮，该结晶材料对温度波动和磁场不敏感。

发明内容

本发明提供一种机械振荡系统。

优选发条材料包括沿其长度方向从其一端延伸至另一端的连续纤维。

由于纤维沿发条长度方向从一端连续延伸至另一端，因此，可通过适当地选取纤维材料，相当准确地控制发条随温度的升高而膨胀(或收缩)的程度。

优选连续纤维是复合材料的一部分，尽管在非复合材料中可以具有连续纤维的发条(即在没有基质的情况下，例如长的陶瓷纤维)。

如果材料是复合材料，则优选基质相包括聚合物(上述任何类型的聚合物)、碳或陶瓷。对于带有陶瓷纤维的复合材料而言，纤维可以是沿发条长度的方向从其一端延伸至另一端的连续纤维(如上所述)，也可以是不始终沿着发条延伸的较短的纤维。

如果使用陶瓷纤维(采用或不采用基质)，则重要的是陶瓷应为非磁性的陶瓷。优选但不是必需地，发条陶瓷为氧化铝-氧化硅-氧化硼陶瓷。对于平衡轮，还可以使用熔凝石英或氧化硅。

优选平衡轮的热膨胀系数与发条材料沿其长度方向的热膨胀系数，符号相反、数量级相似(即二者间的量值差不大于因数δ，且α系数之一应当不大于1×10^-6K^-1)。这样，一种材料的膨胀可以通过另一种材料的收缩得到补偿。例如，如果所述发条的热膨胀系数是负的，而所述平衡轮的热膨胀系数是正的，则随着温度的升高，r增加而1降低，而且根据等式[2]，这些作用合在一起，补偿所述振荡周期T中的热变化。

优选所述两个膨胀系数都很小。例如，优选平衡轮的热膨胀系数是正的并且小于1×10^-6K^-1，及发条材料沿其长度方向的热膨胀系数是负的并且大于-1×10^-6/K^-1。

E(杨氏模量)随温度的变化也是重要的，并且可以根据热弹性系数来确定，所述热弹性系数是对单位温度升高之单位杨氏模量变化的度量。优选发条材料的热弹性系数是负的，最优选其在0～60℃的温度范围内为1％。

一般地，温度升高1℃所带来的计时变化的公式为

U＝α₁-3α₂/2-δE/2E

因而，当通过选择合适的材料而选取适当的α₁(平衡轮的热膨胀系数)、α₂(发条的热膨胀系数)和热弹性系数δE/E的值时，可以使U趋于零。

小的α₁、α₂(例如小于6×10^-6K^-1)和小的热弹性系数δE/E所代表的公差，使得可以相当容易地保持低U。

优选连续纤维为陶瓷纤维或碳纤维，最优选具有石墨碳结构的碳纤维。石墨碳结构具有负的轴向热膨胀系数。所述纤维可以由例如＂PITCH＂前体或聚丙烯腈＂PAN＂前体制备。

纤维可以沿其长度方向彼此平行布置，也可以缠绕在一起。将纤维缠绕在一起，可以调整发条材料的热膨胀系数和杨氏模量，并且可以在纤维具有高杨氏模量或热膨胀系数而基质具有低杨氏模量或热膨胀系数的情况下使用。

优选发条材料沿其长度方向的热膨胀系数直到700K时仍为线性的。这使得系统在环境温度(0～40℃)下非常稳定，并且可以在大范围内补偿热变化。优选所述热膨胀系数是负的。

优选发条弹性模量的阻尼为0.001Pa的量级。

发条之复合材料的密度小于3g/cm³。

优选平衡轮是通过高精度注射模塑法制成的。

此外，本发明还提供包括上述机械振荡器系统的钟表机构或其它精密仪器。

具体实施方式

现将说明本发明的实施方式。

用于钟表机构或其它精密仪器的机械振荡系统包括呈摆轮形式的平衡轮，及布置成使所述平衡轮在旋转轴左右振荡的发条。

摆轮是由非磁性陶瓷制成的，其热膨胀系数是正的，并小于+6×10^-6K^-1，最优选小于1×10^-6K^-1。石英是合适材料的一个实例。优选使用高纯度的熔凝石英，熔凝石英的热膨胀系数小于或等于+0.54×10^-6K^-1。其它可供选择的陶瓷材料包括氮化铝(+5.2)，铝硅酸盐玻璃(+5)，碳化硼(+5.6)，氮化硼(+1.6)，氧化硅(+0.75)，热压或反应结合的硅(+3.5)，及氧化锆(稳定化的)(+5)；括号中的数字是这些材料的热膨胀系数的量值，单位为×10^-6K^-1。

制备平衡轮的方法可以优选为高精度注射模塑法。

发条可以成型为阿基米德(Archimedes)平螺旋线或螺旋面形。其是由包含连续碳纤维的复合材料制成的，所述碳纤维或者是彼此盘绕在一起或者是彼此平行布置的，该纤维是具有连续长度的纤维，其沿发条长度l的方向从发条的一端延伸至另一端。根据所需的刚性，该纤维源于前体沥青(数千种不同种类的烃与杂环分子的混合物)或聚丙烯腈′PAN′(源于石墨碳结构)。纤维在聚合物(热固性聚合物、热塑性聚合物、酯或酚醛树脂等)、陶瓷或碳的基质相中进行涂布和固定。复合材料以弯曲的方式发挥作用。纤维的轴向弹性模量为230～1000GPa。复合材料具有小于3g/cm³的较低密度及量级为0.001Pa的杨氏模量阻尼系数，二者均小于目前使用的金属合金。其在发条长度方向上的热膨胀系数(α)直到700K时仍保持为负的和稳定的，并且大于-1×10^-6K^-1。

该复合材料为非磁性的，并且消除了磁性的副作用。发条的热膨胀系数α为负的，并且与发条的弹性模量同时发挥作用，发条的杨氏模量随着温度的升高而线性地降低，因而也是负的(正常情况下)。

发条和平衡轮的热膨胀系数(α系数)的值是相似的，非常小，而且符号相反，这更有助于补偿温度变化。

发条的α系数在很宽的温度范围保持相同，而且其5～40℃的使用范围仅占其总的稳定温度范围中央的5％。

因而，在下面的关系式中：

$T=2\mathrm{\π}\sqrt{\frac{12\·M\·r^2\·l}{E\·h\·e^3}}---\left[2\right]$

与采用金属的情形不同，分式分子(numerator)的数值不随着温度的升高而增加，因为纤维复合物在轴向的α系数是负的，因此该数值减小。当温度升高时，分式的分母同样减小，因为热弹性系数是负的(正常)。而且，碳纤维-基质复合物发条的高度(h)和厚度(e)随着温度的升高而增加，这抵消了因温度的升高而导致的杨氏模量E的降低。

通过材料及其机械性能的这种组合，可以获得更高的准确性和稳定性。弹性模量的阻尼作用是目前所用金属合金的数值的十分之一，能量损失也因阻尼的降低而减小，而且材料的密度允许在振荡器系统中保持稳定的振幅、显著地提高频率和显著地降低能量损失。

如上所述，本发明可以适于用作计时装置(如钟表)中的常规机械振荡器系统。计时装置中的常规机械振荡器系统的实例，见英国Paladin于1972年出版的＂How Things Work＂第一卷第194～195页，该文献引入本文作为参考。

Claims (18)

1.一种用于钟表机构或其它精密仪器的机械振荡器系统，该系统包括非磁性的陶瓷平衡轮及螺旋线或螺旋面形的非磁性发条，该发条由复合材料或聚合物、碳或陶瓷材料制成，其中平衡轮的热膨胀系数与所述发条材料沿其长度方向的热膨胀系数符号相反、数量级相似，以补偿系统中的热变化。

2.根据权利要求1的系统，其中所述发条材料是具有基质相的复合材料，所述基质相包括聚合物、碳或陶瓷。

3.根据权利要求1的系统，其中所述发条材料包括沿发条长度方向从发条一端延伸至发条另一端的连续纤维。

4.根据前述权利要求3的系统，其中所述连续纤维为碳纤维。

5.根据权利要求4的系统，其中所述纤维具有石墨碳结构。

6.根据权利要求3～5中任一项的系统，其中所述纤维是由前体′PITCH′或聚丙烯腈′PAN′之一制成的。

7.根据前述权利要求1的系统，其中所述平衡轮的热膨胀系数是正的，所述发条材料沿发条长度方向的热膨胀系数是负的。

8.根据权利要求7的系统，其中所述平衡轮的热膨胀系数小于1×10^-6K^-1，所述发条材料沿发条长度方向的热膨胀系数大于-1×10^-6K^-1。

9.根据权利要求1的系统，其中所述发条的材料是复合材料，该复合材料具有沿其长度方向的热膨胀系数，且该热膨胀系数直到700K时仍为线性的和负的。

10.根据权利要求1的系统，其中所述发条的弹性模量的阻尼量级为0.001Pa。

11.根据前述权利要求1的系统，其中所述发条材料包括陶瓷纤维。

12.根据权利要求11的系统，其中所述陶瓷纤维具有小于6×10^-6K^-1的热膨胀系数。

13.根据权利要求3或11的系统，其中所述纤维实质上是彼此平行的。

14.根据权利要求3或11的系统，其中所述纤维是缠绕在一起的。

15.根据权利要求1的系统，其中所述发条是弯曲的弹簧，并以弯曲的形状工作，驱动平衡轮振荡。

16.根据权利要求1的系统，其中所述发条材料的密度小于3g/cm³。

17.根据权利要求1的系统，其中所述平衡轮是通过高精度注射模塑法制成的。

18.根据权利要求1的系统，其中所述发条的材料具有负的热弹性系数。