CN106104393A - 由在其组成中包含硅的陶瓷制成的热补偿的游丝和用于调节游丝的方法 - Google Patents

由在其组成中包含硅的陶瓷制成的热补偿的游丝和用于调节游丝的方法 Download PDF

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CN106104393A CN201580006293.7A CN201580006293A CN106104393A CN 106104393 A CN106104393 A CN 106104393A CN 201580006293 A CN201580006293 A CN 201580006293A CN 106104393 A CN106104393 A CN 106104393A
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Abstract

本发明涉及旨在装备钟表或另一个精密仪器的机芯的摆轮‑游丝共振器的游丝(1)，所述游丝(1)包括在游丝(1)的核中由包含硅的陶瓷材料制成并且包括横截面的核(2)，所述核(2)具有第一刚度(kA)和第一热弹性系数(βA)；和由厚度(tR)的二氧化硅制成并且至少部分覆盖核(2)的涂层(4)，所述涂层(4)具有第二刚度(kR)和与第一热弹性系数(βA)异号的第二热弹性系数(βR)；其中可以一定的方式单独调节核(2)的横截面和涂层(4)的厚度(tR)，以得到游丝的热弹性系数(βS)和游丝的刚度(kS)的期望值。本发明还涉及包括游丝和摆轮轮的摆轮‑游丝共振器和用于调节游丝的方法。所述游丝具有不变的膨胀和弹性性质。

Description

由在其组成中包含硅的陶瓷制成的热补偿的游丝和用于调节 游丝的方法
技术领域
本发明涉及设计用于装备钟表或另一个精密仪器的摆轮-游丝共振器的热补偿的螺旋弹簧。本发明还涉及包括螺旋弹簧和摆轮的摆轮-游丝共振器以及用于调节所述螺旋弹簧的方法。
技术状态
机械表的调整元件常规地由飞轮(称为摆轮)和螺旋形状的弹簧(称为游丝或螺旋弹簧)组成，通过在摆轮心轴上的一个末端和通过在桥(称为摆轮夹板)上的另一个末端固定，在桥中摆轮心轴绕支点运动。更精确地，迄今为止装备机械表机芯的螺旋弹簧为阿基米德螺旋形状并且具有12-15转的在其自身上卷绕的矩形剖面的弹性金属叶片。
摆轮-游丝围绕其平衡位置(或死点)摆动。当摆轮离开该位置时，其缠绕游丝。这样产生返回扭矩，当释放摆轮时，使其返回其平衡位置。当其已获得某一速度(即动能)时，其超过其死点，直至游丝的相反的扭矩使其停止，并且限制其以其它方向返回。因此，游丝调节摆轮的摆动周期。
因此，机械表的精度取决于由摆轮-游丝形成的共振器的基本固有频率fo的稳定性。当温度变化时，游丝和摆轮的热膨胀以及游丝的杨氏模量变化改变该摆动单元的基本固有频率，扰乱表的准确度。根据等式1，经由摆动单元的转动M，基本固有频率fo与频率的变化△f关联：
M=86400 (△f/fo) (1)
其中86400代表在1Hz频率下，在24小时中实施的摆动的数量。
更具体地，机械摆轮-游丝共振器的基本固有频率fo可根据等式2来表述：
fo=1/2 (kS/JB)1/2 (2)
其中kS为螺旋弹簧的刚度，且JB为摆轮相对于其旋转轴的惯性矩。具体地，摆轮的惯性矩可表述为：
JB=m rB 2 (3)
其中m为摆轮的质量，且rB为摆轮的半径。平面螺旋弹簧的标称刚度kS可由等式4评估：
kS=(E h w3)/12 L (4)
其中E为螺旋弹簧的杨氏模量，w为游丝的厚度，h为游丝的宽度，且L为游丝的长度。
对于1℃的温度变化，摆轮-游丝共振器的频率的相对变化△f相对于其基本固有频率fo对应于：
△f/fo=1/2 (△kS/kS-△JB/JB)，因此
△f/fo=1/2 (βS+3αS-2αB) (5)
其中△kS/kS为螺旋弹簧的刚度的变化相对于其标称刚度，且△JB/JB为摆轮的惯性的变化相对于其标称惯性，这使得可以引入热扰动：βS螺旋弹簧的线性热弹性系数，αS螺旋弹簧的线性膨胀系数，和αB摆轮的线性膨胀系数。
容易理解的是，螺旋弹簧的刚度kS必须尽最大可能恒定，特别是无论温度和磁场。例如，自从发现具有正热弹性系数βS (βS等于30×10-6-40×10-6)的主要基于Fe-Ni-Cr的Elinvar合金，通过调节游丝的热弹性系数βS，取决于游丝的热膨胀系数αS和摆轮的热膨胀系数αB，遵循关系5得到机械振荡器的热补偿。
通过调节术语(βS+3αS)至摆轮的热膨胀系数的值的倍数，即，2αB，可取消等式5。因此，可消除共振器的固有频率的热变化。
文献EP1422436描述了一种由单晶硅的片材{001}切割出来的螺旋弹簧。游丝包括SiO2层，其具有与硅相反的热弹性系数，并且围绕游丝的外表面形成，以便使摆轮-游丝单元的热漂移最小化。二氧化硅层还允许硅基材的机械性质增强。
硅的热弹性系数受到温度的很大影响，并且需要该效果的补偿用于造表应用。实际上，硅的热弹性系数约为-60×10-6/℃，且因此，对于23℃+/-15℃的温度变化，硅的螺旋弹簧的热漂移为约2分钟/天。这使其与造表要求不相容，造表要求为在8℃-38℃的温度范围内约0.6秒/天/℃。
文献EP2590325描述了一种螺旋弹簧，其硼硅酸盐玻璃或碳化硅类型的陶瓷主体涂布SiO2层，使得这样形成的共振器具有关于温度的接近零频率变化。由于其热补偿系数的值，SiO2涂层确保对于共振器主体的材料的杨氏模量的接近温度独立性。
发明概述
本发明涉及在其用于造表应用的制剂中包含元素硅的陶瓷材料的选择。具体地，本发明涉及设计用于装备钟表或另一个精密仪器的摆轮-游丝共振器的螺旋弹簧，其中所述螺旋弹簧包括由在其制剂中包含元素硅的陶瓷材料制成并且包括横截面的核，所述核具有第一刚度和第一热弹性系数；和具有厚度并且至少部分覆盖核的二氧化硅的涂层，所述涂层具有第二刚度和与第一热弹性系数异号的第二热弹性系数；其中可以一定的方式单独调节核的横截面和涂层的厚度，以得到：(i) 螺旋弹簧的热弹性系数，取决于第一热弹性系数和第二热弹性系数，和(ii) 螺旋弹簧的刚度，取决于第一刚度和第二刚度。
本发明还涉及摆轮-游丝振荡器，其包括具有螺旋弹簧的线性膨胀系数的螺旋弹簧以及具有摆轮的线性膨胀系数的摆轮；其中调节核的横截面和涂层的厚度，使得第二热弹性系数和第一热弹性系数的组合导致螺旋弹簧的热弹性系数，补偿对应于三倍螺旋弹簧的线性膨胀系数和两倍摆轮的线性膨胀系数之间的差的值；其中还调节核的横截面和涂层的厚度，使得第一刚度和第二刚度的组合得到螺旋弹簧的刚度，使得能够得到摆轮-游丝共振器的设定点基本固有频率。
还公开了用于调节螺旋弹簧的方法，其中所述方法包括：
在核的至少一部分上形成具有预定厚度的二氧化硅涂层，以得到第二热弹性系数的预定值；和
调节核的横截面，以得到第一刚度的预定值；其中在形成二氧化硅涂层的步骤之前实施调节核的横截面。
根据COSC (Contrôle Officiel Suisse des Chronomètres)，在8℃-38℃的限定的温度范围内，本发明的螺旋弹簧以及摆轮-游丝共振器呈现膨胀和弹性性质的不变性。这样的共振器还对外部磁场不敏感。
调节过程使得可独立地调节核的横截面和涂层的厚度，以得到螺旋弹簧的热弹性系数的期望值和螺旋弹簧的刚度的期望值。
在其制剂中含有元素硅的陶瓷材料在造表应用中是有利的，由于其机械磨损性质，且特别是，其韧性显著大于硅的韧性。通过在受控的温度和气氛下进行初步老化测试，所有预期的性质被加强。
附图简述
在通过附图说明的描述中指示本发明的实施方案的实施例，其中：
图1显示根据本发明的螺旋弹簧的顶视图；
图2显示根据一个实施方案的包括核和涂层的螺旋弹簧的横向(图2a)和纵向(图2b)横截面图；
图3显示根据本发明的包括套筒和游丝-外桩的热补偿的螺旋弹簧的一个实施例；
图4显示根据第一(图4a)和第二(图4b)实施方案的包括二氧化硅涂层的螺旋弹簧的横截面的显微照片；
图5和图6显示根据放大5000倍(图5)、放大18000倍(图6)的一个视图的包括二氧化硅涂层的螺旋弹簧的横截面的显微照片；和
图7为显示核和二氧化硅涂层之间的良好粘合的螺旋弹簧的横截面的显微照片。
本发明的实施方案的实施例图1显示螺旋弹簧1的顶视图，且图2a和2b显示根据本发明的螺旋弹簧1的纵向和横向横截面图。根据一个实施方案，螺旋弹簧1包括由在其组成中包含元素硅的陶瓷材料(下文中称为陶瓷材料)形成的核2以及至少部分覆盖核2的外表面3的二氧化硅的涂层4。在本描述中，术语“核”用于描述螺旋弹簧的中心部分或甚至主体。涂层4对应于在核或主体上表面沉积的涂层。在图1和图2的实施例中，该核具有螺旋形状并且包括至少一个具有矩形横截面、厚度w和高度h的螺旋。然而，应理解的是，核的几何形状可能不同于在该实施例中说明的，例如核可具有横向圆形或多边形或其它横截面。可认为螺旋弹簧1由“夹心”类型的复合结构形成，所述“夹心”类型的复合结构由中心部分核2和涂层4组成(参见图2b)。
陶瓷材料的核2具有第一热弹性系数βA和第一刚度kA。SiO2涂层具有与第一热弹性系数βA异号的第二热弹性系数βR和第二刚度kR。
具有介电性质的最常见的陶瓷材料包含氧化铝(Al2O3)、氮化铝(AlN)、氧化铍(BeO)、石英、氮化硅(Si3N4)、氧氮化铝硅(SiAlON)。在一个实施方案中，所述陶瓷材料包含氮化硅、碳化硅或氧氮化硅。更具体地，所述陶瓷材料可包含以下化合物的一种或组合：氮化硅(Si3N4)、SiC或氧氮化铝硅(SiAlON)，在其组成中包含元素硅。采用一种优选的方式，所述陶瓷材料包含至少一种以下复合结构：Si3N4-SiC、Si3N4-TiCN、Si3N4-SiAlON、Si3N4-AlN、Si3N4-Al2O3、Si3N4-ZrO2、SiC-SiAlON、Si-SiC、SiC-Si3N4-Si2N2O或SiAlON-TiN，或包含这些化合物中的至少一种的复合材料。所述陶瓷材料还可包含纤维类型的复合材料，例如在SiC的陶瓷基质(例如SiC)中分散的SiC纤维(复合材料SiC-SiC)，或者还有在等轴结构的基质(例如α Si3N4)中的针状结构(例如β Si3N4)的复合材料(复合材料Si3N4-Si3N4)。在一种特许的实施方案中，所述陶瓷材料包含至少一种以下复合结构：Si3N4-SiAlON或α-Si3N4-β-Si3N4。
表I呈现Si3N4、SiC和SiAlON的密度、开口孔隙率、杨氏模量、最大弯曲应力、韦布尔模量、韧性和导热率的值。
表I
固态陶瓷材料的实例包括Si3N4，由H.C. STARCK CERAMICS公司以参考SSN StarCeram™ N700供应，或通过UMICORE公司以参考FRIALIT HP79供应；SiC，由用于SiC的E.S.K. CERAMICS公司以参考EKASIC™ F SiC 100供应；和SiAlON，得自用于SiAlON的KENNAMETAL公司以参考TK4供应。表I比较这些材料在其固态中的性质。
陶瓷材料在环境温度下和在高温下均具有良好的性质。这样的陶瓷材料常规地用作马达、轴承、燃气涡轮元件的组成材料，特别是因为它们良好的耐热性、它们的低热膨胀、它们良好的机械性质和它们良好的耐腐蚀性。还可提及它们在半导体行业中的用途，例如用于氮化硅掩模。陶瓷材料对于造表应用是有利的，由于其具有低密度和与硅相同量级的线性膨胀系数。此外，其具有硅的两倍或甚至三倍的杨氏模量、耐弯曲性、远远大于硅的韧性以及对磁场不敏感。层叠型(monolithic)陶瓷材料也是有利的，由于其耐火性质及其对干腐蚀和湿腐蚀的良好抗性。
陶瓷材料的制备可借助烧结方法或任何其它适用的方法进行。与需要由薄片类型的机械加工的片材制备的硅螺旋弹簧的制造相反，陶瓷材料的核2可由陶瓷材料的任何块机械加工，以得到厚度(例如150 µm)，基本上对应于螺旋1的期望的高度。可通过切割、研磨、燃烧并随后机械或化学抛光进行由工业块初步机械加工片材。通过湿或干蚀刻方法，可实施机械加工本身。例如，机械加工可借助反应性离子蚀刻方法例如DRIE (深反应离子蚀刻)进行。DRIE方法有利于深蚀刻，并且在蚀刻的形式上具有良好的精度。其还有利于在这样蚀刻的核2上形成垂直的壁。
还可借助激光切割方法来机械加工具有螺旋形状的核2。例如，可使用直径为10微米-30微米的脉冲激光束。所选的波长可为λ=532 nm，脉冲持续时间为5-15皮秒，这是对于在200 KHz-1000 KHz区间中包括的频率（rate）。还可用能量为5-80微焦耳、通过1-5微秒区间间隔的单一激光脉冲或脉冲群进行切断。脉冲群可由10-50 ns间隔的2-10个激光脉冲组成。
可调节涂层4的厚度tR，以得到螺旋弹簧的热弹性系数βS的期望值。实际上，螺旋弹簧的热弹性系数βS取决于第一热弹性系数βA和第二热弹性系数βR的组合，且因此可通过改变涂层4的厚度tR而改变。
此外，可调节核2的横截面，以得到螺旋弹簧的刚度kS的期望值。通过核的刚度kA和涂层的刚度kR的组合来确定螺旋弹簧的刚度kS。
实际上，根据本发明，可独立地调节核2的横截面以及涂层4的厚度tR，以独立地改变螺旋弹簧的刚度值kS和螺旋弹簧的热弹性系数值βS。
在实践中，涂层4的厚度将为0.1μm-10μm，且优选1μm-6μm，或甚至更优选2μm-5μm。
本发明还涉及调节螺旋弹簧1，以调节螺旋弹簧1的刚度kS，和使螺旋弹簧1的膨胀和弹性性质的变化最小化，以使得螺旋弹簧1的热变化最小化。
根据一个实施方案，用于调节螺旋弹簧1的方法包括：
调节核2的横截面，以得到第一刚度kA的预定值；和
在核2的至少一部分之上，形成具有预定厚度tR的二氧化硅涂层4，以得到第二热弹性系数βR的预定值。
在形成二氧化硅涂层的步骤之前实施调节核2的横截面。通过在核的外围除去物质，可实现调节核2的横截面。优选，借助核2的各向同性化学蚀刻，实施在由陶瓷材料形成的核2上除去物质。例如，通过在具有或不具有硝酸和水的热磷酸溶液中蚀刻，可实现除去物质，以调节氮化硅的核的厚度。
第一刚度kA的预定值对应于核2(不具有涂层)的第一刚度kA必须具有的值，以便螺旋弹簧1(具有涂层的核)能够具有螺旋弹簧1的刚度kS的期望值。螺旋弹簧1的刚度kS对应于第一刚度kA和第二刚度kR的组合。
可计算第一刚度kA的预定值，取决于第二刚度kR，这取决于涂层4的厚度tR和螺旋弹簧1的刚度kS的期望值。使用有限元，借助数字模拟，可计算第一刚度kA的预定值，取决于螺旋弹簧的期望的刚度kS。
在一个实施方案中，所述方法包括测量第一测量的刚度kAm的步骤，和比较第一测量的刚度kAm相对于第一刚度kA的预定(期望)值的步骤。可随后由第一测量的刚度kAm和第一刚度kA的预定值之间的差距确定用于调节核2的横截面以便得到第一刚度kA的预定值的待除去的物质的量。第一刚度kA和待除去的物质的量之间的关系由等式4给出，其中螺旋弹簧的刚度kS被核2的第一刚度kA代替，并且其中E为核的杨氏模量，w、h和L分别为核2的厚度、高度和长度。
与调节核2的横截面的步骤交替，可测量第一刚度kA。或者，与调节核2的横截面的步骤同时，可进行测量第一刚度kAm。
优选，调节核2的横截面包括在核2的外周除去对应于约0.1μm-3μm厚度的物质。
至少在核2的一部分上进行形成二氧化硅涂层4。例如，涂层4可覆盖核2的所有侧3，或者仅覆盖核2的一些侧3。根据其中通过在基材上蚀刻制备核的一个实施方案，涂层4可仅覆盖核2的三个自由侧，但是不覆盖与基材整体结合的侧。测定涂层4的厚度tR，以得到涂层4的第二热弹性系数βR的预定值。
可在氧化剂存在下通过热-氧化或在800℃-1600℃温度下且优选在1000℃-1200℃温度下通过快速热-氧化来进行二氧化硅涂层4的生长，对应于所谓的被动氧化。氧化剂可包含氧和/或水蒸气(湿热-氧化)。通过举例而不是穷举，氧化剂还可包括臭氧、氧气-氮气或氧气-氦气混合物。
使用氧等离子体，通过在低温(300℃-600℃，且优选400℃-500℃)下等离子体氧化，还可实现氧化硅层的生长。在此情况下，可将核2放置在阳极位置，以避免在氧化物层中的粉碎效果。为了这个目的，可使核2与通过射频来源或通过微波来源产生的氧等离子体接触，两者均布置远离核2几厘米。核2的表面主要经历等离子体的离子化的物类(离子、电子)。阴极位于远离待氧化的核几十厘米。还可通过等离子体-增强的化学蒸气沉积(PECVD)来制备氧化硅层，厚度在0.2-10微米中且优选在2-5微米中变化。
有利地，具有包含氮化硅、碳化硅或氧氮化硅的基于硅的陶瓷的部分共价特性的化学键促进陶瓷材料和SiO2层之间的界面处结构的连续性。
二氧化硅涂层4的组成和结构取决于用于生产层叠型陶瓷材料的方法。在其中陶瓷材料包含通过在热等静压压制(HIP SN)下在固相中烧结或使用化学蒸气沉积(CVD)技术(两种方法在没有添加物质的情况下实施)制备的氮化硅的情况下，涂层4基本上含有无定形SiO2，而不破坏陶瓷材料的纹理。
当陶瓷材料在氧化镁(MgO)、氧化钇(Y2O3)、稀土氧化物(Re2O3)类型的添加物存在下，通过在液相中烧结过程来制备时，涂层4包含在硅涂层中分散的组分并且在陶瓷和硅涂层之间的界面处包含化合物Si2N2O (例如，在其中加入Y2O3的情况下，为化合物Y2Si2O7)。具体地，形成涂层4的氧化反应可用等式6和7表述：
(6)
(7)
这些反应的气态产物(N2)引起在涂层4中形成孔隙(气泡)。
此外，陶瓷核2的表面层的组成通过加入的元素的不同的阳离子扩散机理而改变。
在组成螺旋弹簧1的核2的陶瓷材料基材中存在元素硅能够使涂层4与陶瓷基材良好粘合。该良好粘合是由于在离基材的表面若干原子距离的所谓的“阶地区域（terraceregion）”中在基材和涂层4之间原子水平的连续性。
在其组成中含有元素硅的陶瓷材料优选具有通常非常高的电阻率(> 1012Ω.m)，且因此可认为是介电材料。当在这样的介电陶瓷材料上制备硅涂层4时，硅层从基材的末端表面生长，因此确保涂层在基材上良好粘合并且消除氧在核2的内部扩散，这可在二氧化硅氧化操作期间看到。
图4a和图4b涉及通过扫描电子显微镜得到的显微照片，显示包括陶瓷材料的核2和二氧化硅的涂层4的螺旋弹簧1的横截面图，该涂层4在1200℃的空气下在2小时期间通过热氧化过程形成(图4a)，以及在有利于陶瓷材料的被动氧化的条件下，在低温下使用氧等离子体通过等离子体氧化过程形成(图4b)。在图4a和4b中还可看到在金相切割操作期间保护涂层4的保护性涂层。
图5和6显示通过扫描电子显微镜得到的根据分别放大5000倍(图5)和放大18000倍(图6)的一个视图的包括二氧化硅涂层4的螺旋弹簧的横截面的显微照片。在低温下通过等离子体氧化过程形成涂层4。图7显示也通过扫描电子显微镜得到的螺旋弹簧的横截面的另一个显微照片，其中可看到核和二氧化硅涂层之间的良好粘合，甚至在呈现颗粒点蚀的区域(这样的区域在图7中用数字8表示)中的良好粘合。
借助参数(例如氧化时间、湿度测定程度和温度)，可评估氧化硅层的厚度。实际上，氧化物层生长的动力学法则为已知的(抛物线法则、弧切线法则或线性函数)。
在又一个实施方案中，所述方法包括降低涂层4的厚度的步骤。其中通过化学蚀刻除去涂层4的一部分厚度的该步骤使得可更精细地调节螺旋弹簧1的刚度kS。在核2上形成二氧化硅涂层4的步骤之后实施的该步骤还允许精细调节第二热弹性系数βR的预定值。
本发明方法的一个重要的方面在于可在单个步骤中得到第一刚度kA的预定值。
在现有技术的硅核的情况下，通过除去物质调节核的横截面通常借助在核上生长氧化物层的第一步骤和蚀刻氧化物层的第二步骤而实现。实际上，在硅上，发生氧化物层的生长很大程度上以硅基材为代价，通常以对应于层的总厚度的约44%的比例。在两步中该调节过程需要以足够准确度控制硅的除去。相反地，从本发明的陶瓷材料的核2除去物质可以各向同性和受控方式通过化学蚀刻来进行。因此，调节核2的横截面可在形成二氧化硅涂层4的步骤之前进行。
本发明还涉及用于包括与摆轮配合的螺旋弹簧1的钟表或另一个精密仪器的摆轮-游丝共振器(未说明)。
在这样的共振器中，测定螺旋弹簧1的刚度值kS，以得到在摆轮-游丝共振器的基本固有频率fo其的公差中的设定点值(参见等式2)。如上所述，通过核2的横截面和涂层4的厚度tR，测定螺旋弹簧1的刚度值kS。摆轮-游丝共振器的基本固有频率fo通常为2Hz-20Hz，或甚至2Hz-5Hz。
还可调节螺旋弹簧的热弹性系数βS的预定值，以补偿等式5的术语(3αS-2αB)。
含有元素硅的陶瓷材料的核2通常具有负第一热弹性系数βA，其必须被具有约140×10-6/℃的正第二热弹性系数βR的硅涂层4部分补偿。在铜-铍摆轮的情况下，第一热弹性系数βA和第二热弹性系数βR的组合应导致螺旋弹簧1的热弹性系数βS的预定值为约+18×10-6/℃。螺旋弹簧1的热弹性系数βS的预定值可通过调节核2的横截面和涂层4的厚度tR而得到。
通过螺旋弹簧的热弹性系数βS补偿等式5的术语(3αS-2αB)使得可使摆轮-游丝共振器的热漂移最小化，且因此使包括这样的共振器的表的瞬时每日速率的变化最小化。根据COSC，在8℃-38℃的限定的温度范围内，摆轮-游丝共振器可具有螺旋弹簧1的膨胀和弹性性质的不变性。这样的共振器还对外部磁场不敏感。
图3显示根据本发明的方法制备的热补偿的陶瓷螺旋弹簧1的一个实施例，所述热补偿的陶瓷螺旋弹簧1具有套筒5和游丝-外桩6 (套筒和游丝-外桩伴随螺旋弹簧1制备)。
本发明还适用于能调整机械钟表装置机芯的其它类型的共振器，例如特别是音叉形状的共振器。
用于正文和附图中的符号
1 螺旋弹簧
2 核
3 核的表面
4 氧化硅的涂层
5 套筒
6 游丝-外桩
7 保护性涂层
8 呈现颗粒点蚀的区域
αB 摆轮的线性膨胀系数
αS 螺旋弹簧的线性膨胀系数
βA 组成螺旋的核的第一热弹性系数
βR 涂层的第二热弹性系数
βS 热补偿的螺旋弹簧的热弹性系数
△f 摆轮-游丝共振器的频率的变化
△JB 摆轮的惯性矩的变化
△kS 螺旋弹簧的刚度的变化
tR 涂层的厚度
fo 摆轮-游丝共振器的基本固有频率
JB 摆轮的惯性矩
JBo 摆轮的惯性的标称矩
kA 核的第一刚度
kAm 组成螺旋的核的测量的第一刚度
kR 涂层的第二刚度
kS 热补偿的螺旋弹簧的刚度
w 螺旋弹簧的厚度
m 摆轮的质量
L 螺旋弹簧的长度
rB 摆轮的半径
h 螺旋弹簧的高度

Claims (17)

1. 螺旋弹簧(1)，旨在装备钟表或另一个精密仪器的机芯的摆轮-游丝共振器，所述游丝(1)包括：
由在其组成中包含元素硅的陶瓷材料制成并且包括横截面的核(2)，所述核(2)具有第一刚度(kA)和第一热弹性系数(βA)；和
由厚度(tR)的二氧化硅制成并且至少部分覆盖核(2)的涂层(4)，所述涂层(4)具有第二刚度(kR)和与第一热弹性系数(βA)异号的第二热弹性系数(βR)；
其特征在于，可以一定的方式单独调节核(2)的横截面和涂层(4)的厚度(tR)，以得到：
螺旋弹簧的热弹性系数(βS)，取决于第一热弹性系数(βA)和第二热弹性系数(βR)；和
螺旋弹簧的刚度(kS)，取决于第一刚度(kA)和第二刚度(kR)。
2.权利要求1的螺旋弹簧(1)，
其中所述涂层(4)的厚度为0.1μm-10μm，且优选1μm-3μm。
3.权利要求1或2的螺旋弹簧(1)，
其中所述陶瓷材料包含氮化硅、碳化硅或氧氮化硅。
4.权利要求2或3的螺旋弹簧(1)，
其中所述陶瓷材料包含至少一种以下化合物：Si3N4或SiAlON。
5.权利要求4的螺旋弹簧(1)，
其中所述陶瓷材料包含至少一种以下复合结构：Si3N4-SiAlON或α-Si3N4-β-Si3N4。
6.用于钟表或另一个精密仪器的机芯的摆轮-游丝共振器，其包括权利要求1-5中任一项的螺旋弹簧(1)，
其中所述螺旋弹簧(1)具有螺旋弹簧的线性膨胀系数(αS)，和具有摆轮的线性膨胀系数(αB)的摆轮；
其中调节核(2)的横截面和涂层(4)的厚度(tR)，使得第二热弹性系数(βR)和第一热弹性系数(βA)的组合导致螺旋弹簧的热弹性系数(βS)，补偿相应于三倍螺旋弹簧的线性膨胀系数(αS)和两倍摆轮的线性膨胀系数(αB)之间的差的值；
其特征在于
还调节核(2)的横截面和涂层(4)的厚度(tR)，使得第一刚度(kA)和第二刚度(kR)的组合产生螺旋弹簧的刚度(kS)，允许得到摆轮-游丝共振器的设定点基本固有频率(fo)。
7.权利要求6的摆轮-游丝共振器，
其中所述摆轮-游丝共振器的设定点基本固有频率(fo)为2Hz-20Hz，且优选2Hz-5Hz。
8.用于调节权利要求1-5中任一项的螺旋弹簧的方法，其中所述方法包括：
在核(2)的至少一部分上形成具有预定厚度(tR)的二氧化硅涂层(4)，以得到第二热弹性系数(βR)的预定值；
其特征在于
所述方法还包括调节核(2)的横截面，以得到第一刚度(kA)的预定值；
并且特征在于，在形成二氧化硅涂层(4)的步骤之前实施调节核(2)的横截面。
9.权利要求8的方法，
其中计算第一刚度(kA)的预定值，取决于通过第一刚度(kA)和第二刚度(kR)的组合确定的螺旋弹簧的刚度(kS)。
10.权利要求9的方法，
其中使用有限元，借助数字模拟，实施计算第一刚度(kA)的预定值，取决于螺旋弹簧的期望的刚度(kS)。
11.权利要求8-10中任一项的方法，
所述方法还包括测量第一测量的刚度(kAm)和比较第一测量的刚度(kAm)与第一刚度(kA)的预定值的步骤。
12.权利要求8-11中任一项的方法，
其中调节核(2)的横截面包括在核(2)的外围除去对应于约0.1μm-3μm厚度的物质。
13.权利要求12的方法，
其中所述物质的除去由第一测量的刚度(kAm)和第一刚度(kA)的预定值之间的差距确定。
14.权利要求12或13的方法，
其中所述物质的除去使用核(2)的各向同性化学蚀刻进行。
15.权利要求11-14中任一项的方法，
其中测量第一刚度(kA)与调节核(2)的横截面的步骤交替实施。
16.权利要求11-14中任一项的方法，
其中测量第一刚度(kA)与调节核(2)的横截面的步骤同时实施。
17.权利要求8-16中任一项的方法，
所述方法还包括降低涂层(4)的厚度，以调节螺旋弹簧(1)的刚度(kS)和/或第二热弹性系数(βR)的预定值。
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