CN101620406B - 钟表的耦合谐振器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于钟表的耦合谐振器(1)，其通过耦合第一个低频谐振器(2)和第二个较高频率谐振器(3)构成。第一谐振器(2)具有与第一摆轮游丝(5)关联的第一摆轮(4)。第二谐振器(3)具有与第二摆轮游丝(7)关联的第二摆轮(6)。第三摆轮游丝设置在第一摆轮(4)和第二摆轮(6)之间来耦合所述第一个谐振器(2)和第二个谐振器(3)。

Description

钟表的耦合谐振器

技术领域

本发明涉及由第一个低频谐振器与第二个高频谐振器耦合(联接)得到的用于钟表的谐振器。

背景技术

EP专利No.1843227A1公开了一种根据上述定义的谐振器。在该文件中，第一个低频谐振器是游丝摆轮，第二个高频谐振器是音叉。音叉的一个分支直接连接到摆轮游丝的外部线圈上来形成两个谐振器之间的耦合。这种布置的目的是为了稳定钟表的工作频率，使该频率更加独立于外部应力，并且最终改进钟表的工作精度。在公开的布置中，第一个谐振器的自然频率是几赫兹量级，第二个谐振器的频率是千赫兹量级。该设计思想是使对外部干扰非常敏感的第一个谐振器受到由于高工作频率而对所述干扰较不敏感的第二个谐振器的控制。这种控制例如在所述第一个谐振器与传统的擒纵系统相配合时，导致第一个谐振器在抗冲击性方面的性能的改进。

然而，如上所述的实施例依赖于互相之间很不相同的两个谐振器，这两个谐振器的耦合和调整可能产生困难，虽然这些困难不是不可克服，然而给定高频谐振器的低惯性及其容量，所述困难也是足够大的，从而影响第一个低频谐振器的工作。

因此，如果可借助于也使用游丝摆轮的第二个高频谐振器来使用游丝摆轮调节第一个低频谐振器的工作，钟表的工作频率将会通过使用对本领域的技术人员来说没有秘密的谐振器而被稳定在特定点。

在钟表制造技术中，与振荡频率2.5、3以及4赫兹对应的每小时交替次数18000，21600以及28800通常被用于游丝摆轮谐振器。然而，已知的是装有以较高频率振荡的游丝摆轮谐振器的手表，其理想的目标是允许手表在佩戴时达到较好的精密计时性能。

如Charles Huguenin等人所写的文章《Echappement et Moteurspas àpas》(FET，

1974，137页到148页)所述，将频率乘以2的结果使偏重误差(poising fault)对时钟日常工作的影响减少了数值为4的因子。因此，摆轮振荡频率的增加具有双重优点，即增加了谐振器的调节能力，以及使手表对于位置的改变较不敏感。

然而，这些优点必须通过增加擒纵轮的齿数来实现。传统擒纵轮对于频率为2.5到3赫兹的游丝摆轮谐振器通常具有15个齿。因为考虑到擒纵轮的制造问题、轮齿的合适的分布比例和数量、以及手表运转轮系的小齿轮，这个齿数长期以来被接受。对于4到10赫兹之间的高频谐振器，传动比变得很高，但是如果擒纵轮的齿数增加则该缺点消失。21齿是5赫兹振荡频率所引用的数量，然而伴随这个改变会导致可靠性降低，如停表和跌落，从而在上链时需要特别注意。此外，普遍众所周知的是，当超过4或5赫兹，瑞士杠杆式擒纵机构的输出急剧下降。

发明内容

因此，为了利用高频谐振器的优点带来的好处，将高频谐振器与由传统擒纵机构所控制的低频谐振器耦合，而不增加擒纵轮的齿数，并且具有该擒纵机构所提供的公知水平的可靠性。

该布置如图1中的方块图所示。在该图中，第一个低频谐振器2、41由擒纵机构所驱动的游丝摆轮和由发条盒74所驱动的运转轮系70构成。例如用指针实现的时间显示72由运转轮系70产生。第二个较高频率谐振器由单元3、42表示。两个谐振器之间的耦合由双箭头单元8、46表示。

本发明介绍了两个实施例，其中第二个实施例是第一个实施例的特例。

除了满足本说明书第一段的陈述外，第一个实施例的特征是，第一个谐振器具有与第一游丝关联的第一惯性质量，第二个谐振器包括与第二游丝关联的第二惯性质量，以及第三游丝设置在第一和第二惯性质量之间来耦合所述的第一个和第二个谐振器。

除了满足本说明书第一段的陈述外，第二个实施例的特征是，第一个谐振器包括与第一游丝关联的第一惯性质量，第二个谐振器包括与第二游丝关联的第二惯性质量，以及所述第二游丝连接所述第一和第二惯性质量来耦合所述的第一个和第二个谐振器。

附图说明

本发明将借助于说明前述两个实施例的附图来详细解释，其中所述实施例通过非限定性的例子给出，其中：

-图1是阐明钟表中本发明的谐振器及其相关联部分的方块图；

-图2是展示两个谐振器怎样根据本发明的第一个实施例来布置和耦合的相似的图；

-图3是通过耦合各自由游丝摆轮构成的谐振器而形成的谐振器的第一个实施例的平面图；

-图4是图3中沿切面线IV-IV的横切面图；

-图5和图6是在图3和图4中的平面图和横切面图中展示的谐振器的透视图；

-图7是展示当连接两个谐振器的摆轮游丝的转矩变化时每个谐振器的自然振荡频率的曲线图；

-图8是展示当连接两个谐振器的摆轮游丝的转矩变化时，耦合第一个和第二个谐振器所产生的对干扰的稳定效果的曲线图，所述干扰影响第一个谐振器的摆轮游丝的转矩，或者影响所述第一个谐振器的摆轮的惯性质量，

-图9是展示两个谐振器怎样根据本发明的第二个实施例来布置和耦合的相似的图；

-图10是通过耦合各自由游丝摆轮构成的谐振器而产生的谐振器的第二个实施例的平面图；

-图11是图10中沿切面线XI-XI的横切面图；

-图12和图13是在图10和图11中的平面图和横切面图中展示的谐振器的透视图；

-图14是展示当第一个谐振器的摆轮游丝的转矩变化时每个谐振器的自然振荡频率的曲线图，以及

-图15是展示当所述第一个谐振器的摆轮游丝的转矩变化时，耦合第一个和第二个谐振器所产生的对干扰的稳定效果的曲线图，所述干扰影响第一个谐振器的摆轮游丝，或者影响所述第一个谐振器的摆轮的惯性质量。

具体实施方式

本发明的第一实施例

根据本发明的第一个实施例所制成的谐振器1可参照图2中的等价图。谐振器1通过耦合第一个谐振器2和第二个谐振器3产生。第一个谐振器2包括第一惯性质量4(在此描绘成方形质量)，第一惯性质量4与第一游丝5(在此描绘成螺旋弹簧，其一端连接到方形质量，另一端连接到钟表的固定部分73，例如连接到机板)关联。第二个谐振器3包括第二惯性质量6(在此描绘成方形质量)，第二惯性质量6与第二游丝7(在此描绘成螺旋弹簧，其一端连接到方形质量，另一端连接到钟表的固定部分74，例如夹板)关联。第三游丝8(在此由螺旋弹簧表示)设置在第一惯性质量4和第二惯性质量6之间来耦合所述第一个谐振器2和第二个谐振器3。

图3到6阐明了本发明的第一个实施例的实际构造。这里，第一和第二惯性质量分别由第一和第二摆轮4和6构成，第一，第二和第三游丝分别是第一、第二和第三摆轮游丝5，7和8。

可以看出，根据本发明的优选实施例，第一个和第二个谐振器2和3同轴地设置在钟表内部的机板11和夹板17之间。然而，本发明不限制于这种设置，例如两个谐振器可以在钟表中并列设置。

更具体地且清楚地如图4中所示，第一个谐振器2基本上包括与第一摆轮游丝5关联的第一摆轮4。该第一个谐振器2安装在第一心轴9上，第一心轴9的第一端在固定于机板11的轴承10中转动，其第二端在固定于中间夹板13的轴承12中转动。第一摆轮游丝5的外部和内部线圈分别固定在装载于机板11上的摆轮游丝外桩23上和固定于第一心轴9的内部连接点28上。

第二个谐振器3基本上包括与第二摆轮游丝7关联的第二摆轮6。该第二个谐振器3安装在第二心轴14上，第二心轴14的第一端在固定于中间夹板13的轴承15中转动，其第二端在固定于夹板17的轴承16中转动。第二摆轮游丝7的外部和内部线圈分别固定在装载于夹板17上的摆轮游丝外桩25上和固定于第二心轴14的内部连接点26上。

检视图3到图6，说明第一个谐振器2包括摆轮4，摆轮4的直径大于谐振器3的摆轮6的直径，表明第一个谐振器的频率低于第二个谐振器的频率，当然，假设每个摆轮游丝产生的转矩大约是一样的。在这些条件下，很清楚的是擒纵机构必须连接到第一个谐振器，第一个谐振器将受第二个谐振器的控制来改进其抗干扰性。图4示出第一个谐振器2所连接的第一心轴9装载有滚轴18和冲击销19，冲击销19与例如擒纵叉配合，而擒纵叉又与擒纵轮配合。

现在介绍存在于谐振器2和3之间的耦合。该耦合通过第三摆轮游丝8实现。图4和5说明摆轮游丝8包括两个串联设置且安装在中间夹板13两边的绕组20和21。这样，第一绕组20的内部线圈固定到固定于第二心轴14的内部连接点27，而第二绕组21的内部线圈固定到固定于第一心轴9的内部连接点22，所述绕组的外部线圈通过条带75互相连接。

本发明不限制于上面的说明。第三摆轮游丝实际上可以只有一个绕组。在这种情况中，无需在附图中示出的是，该单个绕组的内部线圈固定在固定于第二心轴14的连接点27上，而外部线圈固定在第一摆轮4装载的摆轮游丝外桩上。

下面简要说明耦合两个谐振器的优点，其中一个以低频率振荡，另一个以较高频率振荡，从而使得谐振器以低频率振荡时更稳定。

由质量和游丝组成的机械谐振器，其特征在于其质量m和其游丝的常数k，质量m和游丝常数k在图2的等效图中按照钟表制造相关的数量级分别用毫克(mg)和微牛每米(μN/m)来表示。在本例中，质量m是摆轮，其特征是用毫克每平方厘米(mg·cm²)表示的惯性质量，以及常数k与摆轮游丝相关，其特征是其单位转矩用微牛米每弧度(μN·m/rad)表示。因此，谐振器的频率如下表示：

$f=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{k}{m}}$

以市场上常见的钟表机芯号为例，k＝1·10^-6Nm/rad以及m＝16·10^-10kg·m²，由此频率f＝4Hz。

中心问题是要知道第二个较高频率的谐振器是否稳定了第一个低频谐振器的频率。该效果通过稳定因子S来考虑，稳定因子S定义为：

$S=\frac{{\mathrm{\ω}}_{1p}-{\mathrm{\ω}}_1}{{\mathrm{\ω}}_1}\frac{{\mathrm{\Ω}}_1}{{\mathrm{\Ω}}_{1p}-{\mathrm{\Ω}}_1}$

在该关系中，ω₁是第一个谐振器单独的正常角频率，W_1p是第一个谐振器单独的扰动角频率，Ω₁是耦合系统的正常角频率，Ω_1p是耦合系统的扰动角频率。显然，如果稳定因子S等于2，那么具有耦合谐振器系统的钟表的精度是仅具有第一个谐振器的钟表的精度的两倍。例如，每天走快10秒钟的钟表将会在相同期间只走快5秒钟。

下面是一个实际的例子，使第一个和第二个谐振器具有如下特征：

谐振器1：m₁＝21mg·cm²，k₁＝1μN·m/rad，因此f₁＝3.47Hz

谐振器2：m₂＝21mg·cm²，k₂＝5μN·m/rad，因此f₂＝7.75Hz这些谐振器通过具有常数k_c的主发条耦合。

参考图2和图4，标记2表示低频谐振器1，m₁表示摆轮4，k₁表示摆轮游丝5的常数。标记3表示具有较高频率的谐振器2，m₂表示摆轮6，k₂表示摆轮游丝7的常数。需要注意的是，在该实例中，摆轮具有相同的尺寸，与图4中摆轮的情况不同，其中第二个谐振器由于其游丝常数更高而具有更高自然频率。

基于上述实际数据分析计算得出如图7和8的曲线图。

图7是说明了耦合谐振器系统的自然频率f₁和f₂作为耦合两个谐振器的摆轮游丝的常数k_c的函数而变的曲线图。

图8是说明了稳定因子S作为耦合两个谐振器的摆轮游丝8的常数k_c的函数而变的曲线图。

曲线S_m示出当常数k_c变化时，耦合第一个和第二个谐振器所产生的对影响第一个低频谐振器的摆轮惯性质量的干扰的稳定效果。该效果不是非常显著，也相对不重要，因为摆轮的惯性质量不受外界干扰的影响。

曲线S_k示出耦合第一个和第二个谐振器所产生的对影响第一个谐振器摆轮游丝(即由擒纵系统驱动的谐振器)的转矩的干扰的稳定效果。可以看出，对于k_c值为1μNm/rad，稳定因子接近2且为正值，因为除了其他因素，由于游丝的位置、震动和温度变化所产生的干扰首先影响摆轮游丝。

本发明的第二实施例

根据本发明的第二个实施例制成的谐振器40可参照图9中的等价图。谐振器40通过耦合第一个谐振器41和第二个谐振器42产生。第一个谐振器41包括第一惯性质量43(在此描绘成方形质量)，第一惯性质量43与第一游丝44(在此描绘成螺旋弹簧，其一端连接到方形质量，另一端连接到钟表的固定部分73，例如机板)关联。第二个谐振器42包括第二惯性质量45(在此描绘成方形质量)，第二惯性质量45与第二游丝46(在此描绘成螺旋弹簧，其一端连接到方形质量43，另一端连接到方形质量45)关联。第二摆轮游丝46因此连接第一惯性质量43和第二惯性质量45来耦合所述第一个谐振器41和第二个谐振器42。实际上，游丝46具有双重作用：其构成了第二个谐振器42，并且耦合第一个谐振器41和第二个谐振器42。

第二个实施例可以考虑成第一个实施例的特例。实际上，如果去掉图2中所示的第一个实施例的第三游丝7及其与固定点74的连接，会得到图9中的说明第二个实施例的等价图，下面参照图10到图13具体说明。

图10到13阐明了本发明的第二个实施例的实际构造。这里，参照根据本发明的第一个实施例已经陈述的，第一和第二惯性质量分别由第一和第二摆轮43和45构成，第一和第二游丝分别是第一和第二摆轮游丝44和46。

可以看到，第一摆轮43具有包围第二个较高频率的谐振器42的圆形壳体，所述圆形壳体43构成了具有第一摆轮游丝44的第一个低频谐振器41。

如图11中的横切面所清楚展示的，构成第一摆轮的圆形壳体43安装了装载有第一耳轴48的第一颊板47，第一耳轴48在固定于机板50上的轴承49中转动。该第一耳轴48装载有滚轴51和冲击销52，并且冲击销52例如与擒纵叉配合，擒纵叉又与擒纵轮配合。圆形壳体43也安装了装载有第二耳轴54的第二颊板53，第二耳轴54在固定于夹板56上的轴承55中转动。夹板56安装有摆轮游丝外桩57，第一摆轮游丝44的外部线圈固定于摆轮游丝外桩57，所述第一摆轮游丝44的内部线圈固定在固定于第二耳轴54的内部连接点58上。圆形壳体或摆轮43以及摆轮游丝44构成了第一个低频谐振器41，其性能得到了改进。

图11也示出了构成第二个谐振器42(其被圆形壳体43包围)的第二摆轮45和摆轮游丝46装载在心轴59上，心轴的第一端在固定于壳体43的第一颊板47的轴承60中转动，其第二端在固定于壳体的第二颊板53的轴承61中转动。此外，第二摆轮游丝46的外部和内部线圈分别固定到装载于壳体43的第二颊板53上的摆轮游丝外桩62以及固定于心轴59的内部连接点63上。

检视图10到图12，说明第一个谐振器41包括比第二个谐振器42的摆轮45具有更大直径的摆轮或壳体43，表明第一谐振器的频率比第二谐振器的频率低，摆轮游丝各自产生的转矩也相等。因此，很清楚的是擒纵机构将连接到第一个谐振器，第一个谐振器必须受第二个谐振器的控制，从而改进抗干扰性。

耦合两个谐振器(其中一个以低频率振荡，另一个以较高频率振荡)从而改进以低频率振荡的谐振器的性能的优点已在第一个实施例的讨论中说明。因此，将不会回到也可应用于如上所述的第二个实施例的理论的阐述。

然而，举一个实际例子，即：

谐振器1：m₁＝20mg·cm²，k₁＝变量

谐振器2：m₂＝6.4mg·cm²，k_c＝0.4μN·m/rad，k₂＝0

参考图9和图11，标记41表示低频谐振器1，m₁表示摆轮或壳体43，k₁表示摆轮游丝44的常数，标记42表示较高频率谐振器2，m₂表示摆轮45，k_c表示摆轮游丝46的常数，k_c也表示耦合两个谐振器的摆轮游丝。

基于上述实际数据，通过分析计算建立图14和15的曲线图。所选取的变量不再是第一个实施例中的k_c，而是最具决定性的参数k₁。

图14是展示了耦合谐振器系统的自然频率f₁和f₂作为构成第一个谐振器41的摆轮游丝44的常数k1的函数而变的曲线图。

图15是展示了稳定因子(其参照第一个实施例定义)作为影响第一个谐振器41的主发条44的常数k₁的函数而变的曲线图。

曲线S_m示出当摆轮游丝44的常数k₁变化时，耦合第一个和第二个谐振器41和42所产生的对影响第一个低频谐振器41的摆轮的惯性质量的干扰的稳定效果。该效果相比于在第一个实施例中观察到的效果要显著得多。

曲线S_k示出耦合第一个和第二个谐振器41和42所产生的对影响第一个谐振器41的第一摆轮游丝44的转矩的干扰的稳定效果。可以看出，对于k₁值2μN·m/rad，稳定因子S约为2.5。

结论

所说明的两个实施例证明如果第一个低频谐振器(频率为2到6赫兹量级的游丝摆轮谐振器)耦合到第二个较高频率的谐振器(频率为10赫兹量级的游丝摆轮谐振器)，那么第一个低频谐振器的性能可以改进。由于例如佩戴或震动，第一个低频谐振器比第二个较高频率谐振器对一些干扰更敏感。可以设想的是，第二个谐振器抵消第一个谐振器的任何热变化以及/或等时性缺陷。此外，第一个谐振器很容易与通常的擒纵系统配合，而这不同于第二个谐振器。因此合理的是：耦合有关的两个谐振器从而受益于第一个谐振器与擒纵系统之间的良好的适应性和第二个谐振器对于前述干扰的高度的不敏感性。

Claims (5)

1.一种用于钟表的谐振器(1)，所述谐振器通过耦合第一个低频谐振器(2)和第二个较高频率谐振器(3)构成，其中第一个谐振器(2)具有与第一游丝(5)关联的第一惯性质量(4)，第二个谐振器(3)具有与第二游丝(7)关联的第二惯性质量(6)，第三游丝(8)设置在第一惯性质量(4)和第二惯性质量(6)之间来耦合所述第一个谐振器(2)和第二个谐振器(3)，第一和第二惯性质量分别由第一摆轮(4)和第二摆轮(6)构成，第一，第二和第三游丝分别是第一摆轮游丝(5)，第二摆轮游丝(7)和第三摆轮游丝(8)；

其特征是：第一谐振器(2)和第二谐振器(3)同轴设置在钟表内部。

2.如权利要求1所述的谐振器，其特征是：第一个谐振器(2)安装在第一心轴(9)上，第一心轴(9)的第一端在固定于机板(11)上的轴承(10)中转动，其第二端在固定于中间夹板(13)上的轴承(12)中转动，所述第一个谐振器(2)的第一摆轮游丝(5)的外部和内部线圈分别固定在装载于机板(11)上的摆轮游丝外桩(23)上和固定于所述第一心轴(9)的内部连接点(28)上，第二个谐振器(3)安装在第二心轴(14)上，第二心轴(14)的第一端在固定于所述中间夹板(13)上的轴承(15)中转动，其第二端在固定于夹板(17)上的轴承(16)中转动，所述第二个谐振器(3)的第二摆轮游丝的外部和内部线圈分别固定在装载于夹板(17)上的摆轮游丝外桩(25)上和固定于所述第二心轴(14)的内部连接点(26)上。

3.如权利要求2所述的谐振器，其特征是：第一心轴(9)装有滚轴(9)和冲击销(19)，所述冲击销与擒纵机构配合。

4.如权利要求2所述的谐振器，其特征是：第三摆轮游丝(8)包括两个串联设置并安装在中间夹板(13)两边的绕组(20，21)，第一绕组(20)的内部线圈固定在固定于第二心轴(14)的内部连接点(27)上，第二绕组(21)的内部线圈固定在固定于第一心轴(9)的内部连接点(22)上。

5.一种用于钟表的谐振器(40)，所述谐振器通过耦合第一个低频谐振器(41)和第二个较高频率谐振器(42)构成，其中第一谐振器(41)具有与第一游丝(44)关联的第一惯性质量(43)，第二谐振器(42)具有与第二游丝(46)关联的第二惯性质量(45)，所述第二游丝连接所述第一和第二惯性质量来耦合所述第一个谐振器(41)和第二个谐振器(42)，第一和第二惯性质量分别由第一摆轮(43)和第二摆轮(45)构成，第一和第二游丝分别是第一摆轮游丝(44)和第二摆轮游丝(46)，第一摆轮(43)具有包围第二个较高频率谐振器(42)的圆形壳体(43)，所述圆形壳体(43)和第一摆轮游丝(44)构成第一个低频谐振器(41)，其特征是：圆形壳体(43)安装有具有第一耳轴(48)的第一颊板(47)，所述第一耳轴在固定于机板(50)上的轴承(49)中转动，并装有滚轴(51)和与擒纵机构配合的冲击销(52)，所述圆形壳体(43)安装有装载第二耳轴(54)的第二颊板(53)，所述第二耳轴在固定于夹板(56)上的轴承(55)中转动，并具有固定第一摆轮游丝(44)的外部线圈的摆轮游丝外桩(57)，所述第一摆轮游丝的内部线圈固定在固定于第二耳轴(54)上的内部连接点(58)上，构成第二谐振器(42)的第二摆轮(45)和摆轮游丝(46)装载于心轴(59)上，所述心轴的第一端在固定于壳体(43)的第一颊板(47)上的轴承(60)中转动，第二端在固定于壳体(43)的第二颊板(53)上的轴承(61)中转动，第二摆轮游丝(46)的外部和内部线圈分别固定在装载于壳体(43)的第二颊板(53)的摆轮游丝外桩(62)上和固定于心轴(59)的内部连接点(63)上。

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