CN102331704B - 用于钟表游丝摆轮振荡器的游丝及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于钟表游丝摆轮振荡器的游丝，其特别可以由低密度材料，例如硅、金刚石或石英制成，以及涉及一种制造这种游丝的方法。根据本发明，该游丝包括至少一个叶片(2)，其剖面具有一定厚度和高度，且其特性是该叶片(2)包括在叶片高度方向延伸且与桥(5)交替的多个孔(3)。本发明还涉及一种制造这样的游丝的方法。

Description

用于钟表游丝摆轮振荡器的游丝及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种用于钟表游丝摆轮振荡器的游丝及制造该游丝的方法，该游丝可特别由低密度材料，例如硅、金刚石或石英制成。

背景技术

采用精密加工技术，例如硅片的掩膜和蚀刻，前述低密度材料允许游丝具有复杂的几何尺寸。

游丝的精密计时性能直接取决于其质量，因为当其膨胀和收缩时，游丝的质量有助于施加到摆轮枢轴的力。

公开号为EP1921518的欧洲专利申请描述了一种可以安装到钟表的组装元件。该元件包括直线弹性叶片和孔(偏斜开口)，其由材料的桥(birdge)隔开。它的目的是改善将其相对于心轴(arbor)进行绑缚的阻力。

本发明的目的是减少钟表游丝的质量，而同时保持与实心固体游丝的硬度相等的硬度。

发明内容

为此，本发明的一个主题是一种用于游丝摆轮振荡器的游丝，包括至少一个叶片，其剖面具有一定厚度和高度，该游丝的特性是叶片包括在叶片高度方向延伸并且通过桥交替的多个孔。

因此，借助本发明，减少了叶片的质量，并且这样导致游丝摆轮调节机构等时性的改善。

根据本发明的一个实施例，叶片形成多个圈，且孔分布在一个圈的至少整个长度上。

根据本发明的另一个实施例，孔分布在叶片的整个长度上。

通过在桥之间的恒定距离或者通过在桥之间的恒定节距角，所述孔可以均匀地分布，或者，通过在桥之间沿着整个叶片的圈的整个长度上可以改变的节距角或距离，所述孔可以非均匀地分布。

有利地，形成叶片的厚度和孔，以使叶片的硬度与具有特定剖面但不具有孔的参考叶片的硬度相同，考虑到质量的减少，对于游丝在振动的动作来说，这是有利的。

优选地，所述孔具有延长的形状，且所述叶片包括两个互相连接在一起且通过孔隔开的等距部分。作为实施例的替代形式，所述孔可以是圆形或椭圆形。

在一个实施例中，两个等距部分中的每个都具有比参考叶片一半厚度还小的尺寸厚度，且在孔处以比不具有孔的参考叶片的一半厚度大的距离相隔开。

例如，叶片的两个等距部分的厚度中的每一个都等于参考叶片厚度的四分之一，且叶片的全部厚度等于不具有孔的参考叶片厚度的1.05倍。

在一个实施例中，桥沿着叶片以恒定的角间隔均匀地分布。

优选地，与孔相间的桥之间的角间隔选择在1°到360°之间。

在一个实施例中，桥之间的角间隔在内圈上为30°，在外圈上为15°。

在另一个实施例中，桥沿着叶片以桥之间的固定距离均匀地分布。

有利地，叶片由硅，金刚石或石英制成。可替代地，叶片由合金制成，例如基于镍的合金。

在一个实施例中，叶片具有沿着圈恒定的厚度。

在另一个实施例中，叶片具有沿着圈变化的厚度。

有利地，叶片包括核和围绕核的外部材料层，这些部分通过以下方式配置，即核的尺寸与外部材料层的尺寸间的比率沿着叶片保持固定。

例如，叶片的核由硅制成，而外部材料层由二氧化硅SiO2制成。

本发明还涉及一种制造这样的游丝的方法。

附图说明

附图示例性地示出构成本发明主题的游丝的一个实施例，以及该实施例的变形。

图1为现有技术用于钟表游丝摆轮振荡器的游丝叶片的一部分的平面图；

图2为根据本发明的用于钟表游丝摆轮振荡器的游丝叶片的一部分的实施例的平面图；

图3示出了图1的游丝叶片的剖面；

图4示出了在游丝叶片的图2的IV-IV上的剖面；

图5为采用对应于图1中叶片的形状的游丝获得的等时图(isochronicity)；

图6描绘了采用对应于图2中叶片的形状的游丝获得的等时图；

图7为示出了采用对应于图1及图2的叶片形状的游丝获取的位置之间的最大差异ΔM的图；

图8描绘了现有技术中具有可变厚度的游丝的叶片部件；

图9描绘了根据本发明具有可变厚度的游丝叶片的部件；

图10为根据本发明的游丝叶片的的一个实施例的平面图，其采用光学显微镜通过显微照相术产生；

图11为根据本发明的游丝叶片的放大图，作为电子显微镜照片生成；并且

图12a到图12g为实施例的可替代形式。

具体实施方式

游丝的叶片的目的在于，其连接到钟表摆轮(未示出)，并且当其作为游丝摆轮机构振荡的结果而收缩和膨胀时，游丝的叶片发生弹性、同心地变形。

如图1和图3中描绘的，现有技术的游丝的叶片1或带条具有矩形的横向剖面，该剖面具有高度h和厚度e，并且，游丝的叶片或带条具有内端部和外端部，内端部连接到套爪(collet)(未示出)以将其固定到摆轮的心轴上，外端部连接到附件(未示出)的固定点上。整片叶片1指的是不具有孔的参考叶片1。

优选地，游丝由低密度材料，例如硅、金刚石或石英采用精密加工技术制成，该技术可以实现复杂的叶片几何形状，例如通过掩膜、蚀刻及切割硅晶片。

为了简化描述，按照习惯来使用各个轴向，径向和角度方向，并且，其或多或少对应于分别沿着剖面的高度方向、剖面的厚度方向以及叶片的每个圈的延伸方向。

根据本发明、且在图2和图11中示出的游丝包括叶片2，其形成具有沿叶片整个长度均匀间隔的、在叶片的厚度方向上的孔3的圈，以便于减少质量/硬度比，且因此最终减少其质量。

换句话说，孔3沿着位于两个等距部分4之间的剖面的高度方向轴向地穿过叶片2，这比图4中示出的要好。

孔3优选地为伸长的形状。它们每个均位于叶片2的等距部分4之间，两个等距部分4可选地具有将两个等距部分联接在一起的桥5。

在图2所示的本发明的实施例中，桥5沿着叶片2以30°的角度间隔α均匀分布，孔3的弧长通过作为游丝的每个螺旋圈向外部增加。

桥5之间的角度间隔α可选择在1°到360°之间。

可选择不同的角度间隔α用于内圈或外圈，如图10所示，其中，内圈间隔等于30°，外圈间隔等于15°。间隔还可连续变化，例如，为了沿各个圈保持两个桥之间大体固定的距离d。

桥5的布置，孔3的尺寸以及部分4的厚度都配置以确保图2的叶片2具有与不含有孔的参考叶片1相同的硬度。

如图3所示，具有预定矩形剖面6且不具有孔的参考叶片1类似于具有高度h和厚度e的梁。众所周知，这样的梁与其惯性力矩(moment ofinertia)I成比例，惯性力矩由I＝h·e³/12确定。

如图4中所示，对于第一近似值，即忽略桥5的影响，根据本发明的游丝的叶片2可看做具有高度h′和总厚度e′的梁，其由厚度为e″的两个等距且对称的部分4组成，且由穿过部分4的两个相对平面7的孔3隔开。两个部分4相隔e′-2·e″。众所周知，这样的梁与其惯性力矩I′成比例，该惯性力矩I′由公式I′＝(h·e′³-h·(e′-2·e″)³)/12确定。

如果叶片2的部分4的每一个的厚度e″都等于e″＝0.25·e，或者换句话说，如果叶片1的质量减少50％(对于第一近似值，忽略桥5的质量)，那么为了保持相同的硬度，以及因此相同的惯性力矩，也就是说为了保持I′＝I，叶片2的全部厚度e′必须为e′＝0.05·e。

通常，对于相同硬度，也就是说为了保持I′＝I，叶片2的两个等距部分4中每一个的厚度e″减小越多，那么其全部厚度e′增加越多。

通过实例，为了绘出图5的等时性图，所采用的游丝叶片具有17.25个圈且半径为3.3mm，并且其具有固定的圈厚e，为e＝45μm，两个圈间的节距(pitch)为100μm，以及，最外圈的端部曲率具有增加的厚度e′，其由公式e′＝1.5·e确定。

通过实例，为了绘出图6的等时性图，采用根据本发明且具有前述叶片1相同硬度的游丝叶片2。另外，叶片2具有孔3，孔3以这样的方式制成，即桥5位于内圈的每30°处，以及外圈的每15°处，使得两个等距部分4的厚度e″由公式e″＝0.25·e确定，并且叶片2的全部厚度e′由e′＝1.05·e确定。

现在更具体地参见图5和图6，在对于具有前述特性的游丝的叶片1和2的两个等时性图中，横坐标轴记录了游丝摆轮机构的振荡相对于其平衡位置的幅度A，以度表示，以及纵坐标轴记录了通过所使用的游丝获得的操作差异M，以每天的秒表示。

这两个等时性图每个均绘出了六条曲线，这些曲线示出了在六个不同的传统游丝摆轮机构的测量位置，通过第一图中的情况的叶片1和第二图中的情况的叶片2获得的操作差异。

各个位置间的操作差异，在图5中典型地是振幅位于200°和300°之间的3-4s/d，其中叶片1在250°处具有值3.62s/d，然而在图6中，是振幅位于200°和300°之间的1-2s/d，其中叶片2在250°处具有值1.82s/d。

根据本发明的游丝的叶片2因此允许在调节机构的操作差异方面的显著减少，在此实例中，为减半。

图7示出了根据叶片1获取的最大操作差异ΔM(标注“1”的曲线)，以及根据本发明叶片2获取的最大操作差异ΔM；其中叶片1为经热补偿的14圈游丝，直径为5mm，具有44μm的固定厚度和136μm的节距；叶片2为具有相等圈数、直径和硬度的经热补偿的游丝，但是其质量分别为采用叶片1的游丝质量的0.5和0.75倍。

这些表明，叶片质量的降低导致最大操作差异接近线性的降低。特别地，这三个曲线基本具有相同的整体外观。对于叶片质量每减少25％，游丝的最大操作差异在振幅200°差不多减少0.5s/d，且示出了不考虑游丝摆轮振荡器的振幅时可比较外观的降低。

根据本发明的游丝的叶片2的孔3的形状对于厚度可变叶片的热补偿也是有利的。

众所周知，为了实现热补偿，也就是说为了在操作装备有螺旋游丝的游丝摆轮振荡器时使热偏差最小化，对于硅Si来说，可以采用不具有孔的参考叶片1，其包括封装在外部材料层11中的硅核10，例如，无定形二氧化硅(amorphous silicon dioxide)SiO2，如在专利EP1422436中描述的。除硅以外的用于热补偿的其他材料是本领域技术人员熟知的。

现在，当游丝的叶片1的剖面变化时，当其确实变化时，例如，在游丝具有可变的圈节距和厚度的情况下，核10和外部材料层11的尺寸之间的比率也发生变化，如图8所示，这将导致非优化的热补偿。

对于具有可变总厚度e′的叶片2，由通过桥5联接在一起的两个具有固定厚度e″的等距部分4形成，核12和外部材料层13的尺寸之间的比率沿着游丝的整个长度有利地保持恒定，甚至在叶片2的那些全部厚度e′上展示出显著变化的部分，如图9所示。

这使得可以实现叶片2热补偿的最优化。

另外，由于在叶片2具有孔的情况下，氧化表面具有很大区域，需要实现热补偿的SiO2的厚度与不具有孔的参考叶片所需的厚度相比减少了。

由于根据本发明的叶片2具有较低的质量同时具有与不带有孔的叶片1相同的硬度，其将会对震动较不敏感。

本发明还可应用于具有可变节距和可变圈厚的游丝，如那些在申请EP2299336中描述的。可以想象得到，各个部分沿着叶片的间隔与这些部分的厚度一起变化。两个部分表现为不同的厚度也是可以的，或者以使用通过桥连接的多于两个的部分。还可以改变桥之间的间隔。另外，叶片的两个部分中每一个的厚度也可沿着叶片改变，就如其间隔一样。此外，这两个叶片还可具有不同的厚度，且厚度之间的比率也可沿着叶片的长度发生变化。

这些变化意味着硬度可沿着叶片的长度而变化，和/或获取的硬度可随着发展的扭矩变化。

为了进一步优化游丝的精密时计特性，也可改变其他参数，如图12a到12e所示。

图12a描绘了一种游丝，其中叶片部分具有在桥之间变化的厚度，这样的目的是为了保持这些部分的剖面上的最大应力恒定以及使叶片断裂的风险最小。

图12b描绘了一种多边形，且图12c描绘了一种波浪形，这些形状的目的是为了改变内部的压缩性，即在弯曲而产生的压缩下的侧面操作，且因此影响挠性行为的线性。其目的是显著避免由于内部部件的弯曲(buckling)导致的剧烈非线性效应。这些形状和变化当然可以沿着叶片长度变化，两个桥之间的每个叶片部分可以具有它自己的结构。

还可以改变桥的形状和方向且采用不直接垂直于叶片的桥，如图12d中可见的倾斜的桥和/或提供在两个叶片部分之间具有厚度和/或方向改变的桥，如图12e中可见的波形的桥。

最后，还可以想象的到，采用不相对于叶片指向直角且具有增加叶片硬度效应的桥，例如图12f或图12g中所示。

桥的形状、尺寸和方向可以因此对于叶片的硬度具有或多或少的显著影响。当优化叶片形状时的情况以便于获得游丝的通信扩展(concentricdevelopment)以及良好的游丝摆轮机械精密计时性能时，这些参数还需要依据各种情况进行考虑。

根据本发明的游丝有利地通过精密加工技术，例如对于硅、石英或金刚石的DRIE(深反应离子蚀刻，Deep Reactive Ion Etching)技术，或对于Ni或NiP型合金的UV-LiGA(“Lithographie，Galvanoformung，Abformung”，或平板印刷、电镀、模制)。如果元件的尺寸和需要的公差允许的话，还可以采用更常规的方法，例如激光、水注或电子放电设备。

在本申请的还没有描述的其它替代形式中，根据本发明的游丝具有一系列角度偏移叶片2，其可通过中间环连接在一起，如专利申请EP2151722中描述和示出的。

Claims (15)

1.一种用于游丝摆轮振荡器的游丝，其包括至少一个叶片(2)，所述叶片的剖面具有厚度和高度，其中：所述叶片(2)包括在叶片的高度方向延伸且与桥(5)相交替的多个孔(3)，所述叶片具有在桥之间变化的厚度，或者所述叶片具有多边形或波浪形,

其中所述孔(3)具有伸长的形状，并且，所述叶片(2)包括互相连接在一起且由所述孔(3)隔开的两个等距部分(4)，

其中所述叶片(2)的厚度的尺寸以及所述孔(3)的尺寸被设置为，使所述叶片(2)具有与参考叶片(1)相同的硬度，其中所述参考叶片(1)具有特定的剖面但不具有孔，

并且其中所述叶片(2)的两个等距部分(4)中的每一个均具有厚度(e″)，该厚度(e″)等于所述参考叶片(1)的厚度的四分之一，并且，所述叶片(2)的总厚度(e′)等于所述参考叶片(1)的厚度的1.05倍。

2.根据权利要求1所述的游丝，其中所述叶片(2)绕成多个圈，并且所述孔(3)分布在所述多个圈中的一个圈的至少整个长度上。

3.根据权利要求2所述的游丝，其中所述孔(3)分布在所述叶片(2)的整个长度上。

4.根据权利要求2所述的游丝，其中所述桥(5)沿所述叶片(2)均匀地分布。

5.根据权利要求4所述的游丝，其中所述桥(5)之间的角度间隔(α)选择在5°到360°之间。

6.根据权利要求4所述的游丝，其中所述桥(5)沿所述叶片(2)以角度间隔(α)均匀地分布，选择不同的角度间隔(α)用于内圈和外圈，内圈间隔等于30°，外圈间隔等于15°。

7.根据权利要求1至3中任意一项所述的游丝，其中沿着所述叶片(2)分隔所述桥(5)的线性距离是固定的。

8.根据权利要求1至3中任意一项所述的游丝，其中所述叶片(2)由硅、金刚石或石英制成。

9.根据权利要求1至3中任意一项所述的游丝，其中所述叶片(2)包括核(12)和包覆所述核(12)的外部材料层(13)，所述核(12)的尺寸和所述外部材料层(13)的尺寸之间的比率沿所述叶片(2)保持恒定。

10.根据权利要求9所述的游丝，其中所述叶片(2)的核(12)由硅制成，而外部材料层(13)由二氧化硅SiO₂制成。

11.根据权利要求1至3中任意一项所述的游丝，其中孔(3)为圆形或椭圆形。

12.根据权利要求5所述的游丝，其中所述桥(5)沿所述叶片(2)以角度间隔(α)均匀地分布，选择不同的角度间隔(α)用于内圈和外圈，内圈间隔等于30°，外圈间隔等于15°。

13.一种制造用于游丝摆轮振荡器的游丝的方法，其中，制造叶片(2)，使其剖面具有厚度和高度，其中，在所述叶片(2)中制造多个孔(3)，所述孔在所述叶片(2)的高度方向延伸并且与桥(5)相互交替，将所述叶片的厚度制造为在桥之间变化，或者将所述叶片制造为多边形或波浪形,

其中所述孔(3)制造为具有伸长形状，并且，所述叶片(2)制造为具有连接在一起且由所述孔(3)隔开的两个等距部分(4)，

其中通过如下方式设置所述叶片(2)的厚度的尺寸以及所述孔(3)的尺寸，即，使所述叶片(2)具有与参考叶片(1)相同的硬度，其中所述参考叶片(1)具有特定的剖面但不具有孔，

其中所述两个等距部分(4)中的每个均具有厚度(e″)，选择用于所述叶片(2)的两个等距部分(4)的所述厚度(e″)中的每一个均等于所述参考叶片(1)的厚度的四分之一，并且，选择用于所述叶片(2)的总厚度(e′)等于所述参考叶片(1)的厚度的1.05倍。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述叶片(2)绕成多个圈，并且，所述孔(3)制造为分布在所述多个圈中的一个圈的至少整个长度上。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述叶片(2)制造为具有沿其整个长度分布的所述孔(3)。