CN109307998A - 具有同步且位置不敏感的旋转谐振器的机械机芯 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种机械钟表机芯(100)，其包括设计成驱动齿轮系(300)的至少一个蓄能装置(200)，旋转谐振器(10)和输入运动部件(2)，其中齿轮系的输出运动部件设计成围绕驱动轴线枢转，旋转谐振器包括至少一个中心运动部件(1)，所述中心运动部件设计成围绕中心轴线(A)枢转，输入移动部件设计成与输出运动部件协作，该旋转谐振器(10)包括多个惯性元件(3)，每个惯性元件都设计成围绕垂直于中心轴线(A)的副轴线(B)相对于中心运动部件(1)枢转并通过至少一个弹性复位元件(4)相对于中心运动部件(1)朝休止位置复位，并且每个副轴线(B)都经过与其相关联的惯性元件(3)的质心。
Description
技术领域
本发明涉及一种机械钟表机芯，其包括设计成驱动轮系的至少一个蓄能装置，和旋转谐振器，所述轮系的输出运动部件设计成围绕驱动轴线枢转，该旋转谐振器包括至少一个中心运动部件，该中心运动部件设计成围绕中心轴线枢转并且包括设计成与输出运动部件协作的输入运动部件。
本发明还涉及一种包括这种机芯的手表。
本发明涉及用于机械钟表机芯的时基的领域。
背景技术
大多数目前的机械表配备有游丝摆轮和瑞士杠杆式擒纵机构。游丝摆轮构成表的时基。它也被称为谐振器。擒纵机构本身执行两个主要功能：
-维持谐振器的往复循环；
-对这些循环计数。
除了执行这两个主要功能以外，擒纵机构必须牢固，耐冲击，避免机芯的卡滞(翻摆)，并且不会随着时间的推移而损失其设定。
瑞士杠杆式擒纵机构是最常用的一种，其能量效率低至30％。这种低效率归因于以下事实：擒纵机构的运动是不平稳/急动的，为了适应加工操作的展开而需要浪费路径或落角间隙(fall)，并且多个部件经由相互内摩擦的斜面传递它们的运动。
发明内容
本发明的一个目的在于消除擒纵机构的不平稳以便提高其效率。为了达到这一目的，提出了一种旋转谐振器，其特征尤其在于可以利用直接施加至谐振器的轴的转矩来维持旋转，从而避免常规杠杆式擒纵机构的动态损失。
从历史上看，钟表匠并未将旋转谐振器视为手表的时基，因为旋转谐振器通常不是同步的，而且它们对重力敏感，因此对于手表在重力场中的位置敏感。
诸如瓦特调节器的机构可以构成旋转谐振器的基础，但是进行了更改以使其同步并且对重力不敏感。具体而言，瓦特调节器对其在重力场中的取向敏感，因为两个飞锤的整体质心随着振幅变化而移位：当振幅增大时，飞锤沿轴线上升。结果，重力对复位力的贡献随着取向而波动。而且，瓦特调节器是非等时同步的，因为使用弹簧和/或使用重力的飞锤的复位力不满足某些条件。
因此，本发明的任务是满足可以获得能用作钟表仪器中的时基的旋转谐振器的条件：
-等时性条件：存在弹性(或弹性势能)复位力，其在每个半臂的质心上施加强度与旋转轴和半臂的质心之间的距离成比例的中心力；
-位置不敏感条件：使用至少两个半臂，所述半臂被引导成使得它们的质心能远离旋转轴移动，同时将谐振器的整个质心保持在固定位置；
-支承件中零反作用力的条件：使用围绕轴线对称分布的臂，以抵消在所有振幅下枢轴中的反应。
为此，本发明涉及根据权利要求1所述的机械钟表机芯。
本发明还涉及一种包括这种机芯的手表。
附图说明
通过阅读下面参考附图的详细描述，本发明的其它特征和优点将变得显而易见，在附图中：
-图1是根据本发明的谐振器机构的第一变型的示意图和透视图，该谐振器机构是基于根据本申请人的申请EP16195399的缩放仪谐振器机构产生的，但其中惯性元件的枢转正交于驱动装置的枢转发生；
-图2以与图1相似的方式描绘了根据本发明的谐振器机构的另一变型，其通过省略铰接的动态连杆而简化；
-图3描绘了与图2相似的旋转谐振器机构的细节，该旋转谐振器机构包括设计成围绕中心轴线枢转的中心运动部件，并且相对于其两个扁平惯性元件通过弹性复位装置朝中心运动部件返回，所述弹性复位装置在此由能够围绕正交轴线移动的细叶片弹性V形件组成；
-图4是一种变型，其中弹性复位装置由交叉叶片柔性导向件组成，每个柔性导向件包括两个层级且每个层级一个叶片，这两个叶片在与各层级的平面平行的平面上的投影中相交；
-图5是第一配置的平面投影视图，该第一配置包括两个这样的不对称交叉叶片，其处于设计成产生与枢转角度的两倍的正弦成比例的复位转矩的特定配置；
-图6是第二配置的平面投影视图，该第二配置包括形成具有偏移旋转中心的RCC枢轴的两个叶片，其处于同样设计成产生与枢转角度的两倍的正弦成比例的复位转矩的特定配置；
-图7是包括这种旋转谐振器的机芯的示意图和透视图，该机芯的中心轴线平行于机芯的主显示器轴线；
-图8是包括这种旋转谐振器的机芯的示意性透视图，该机芯的中心轴线垂直于机芯的主显示器轴线。
具体实施方式
本申请人的申请EP16195399涉及一种用于钟表机芯的谐振器机构，其包括安装成围绕旋转轴线枢转并且承受驱动转矩的输入运动部件，并且包括围绕所述旋转轴线与该输入运动部件一体地旋转且设计成连续转动的中心运动部件。该谐振器机构包括多个(N个)惯性元件，每个惯性元件都能够相对于中心运动部件依照至少一个自由度移动，并且通过弹性复位装置向所述旋转轴线复位，所述弹性复位装置设计成在惯性元件的质心上施加复位力。该谐振器结构具有N阶旋转对称性。该谐振器机构包括位于全部惯性元件之间的运动学连接装置，并且所述运动学连接装置设计成在任何时间都将惯性元件的所有质心保持在距旋转轴线的相同距离处，并且弹性复位装置施加通过特定关系表征的弹性势能。更具体而言，该谐振器机构具有缩放仪型结构。
这里的问题在于改进这种机构。具体地，驱动转矩和空气动力学阻力转矩产生与弹性势能组合并破坏等时性的径向力。
本发明提出使惯性元件的枢转以不同方式取向以便使驱动器或切向气动力不破坏等时性。图1示出根据本发明的谐振器机构的一种变型，其中惯性元件的枢转正交于驱动器的枢转发生。
图2示出了直接源于申请EP16195399的图1的机构的复合铰接式连杆机构可以消除，从而产生结构非常简单的益处：本发明具有将驱动器运动部件和谐振器组合成可非常简单地生产的单个实体的优点。
该机构避免了调整不良的开槽或杆-曲柄传动机构所固有的冲击和摩擦。
本发明避免了一方面在板与惯性元件之间以及另一方面在传动运动部件与惯性元件之间不必要地增设弹性元件。
因此，本发明涉及机械钟表机芯100，其包括至少一个蓄能装置200，例如发条盒等，该蓄能装置设计成驱动轮系300，该轮系300的输出运动部件设计成围绕驱动轴线枢转。
该机芯100包括旋转谐振器10，该旋转谐振器包括设计成围绕中心轴线A枢转的至少一个中心运动部件1。
更具体而言，该中心轴线A平行或垂直于驱动轴线。
中心运动部件1包括设计成与输出运动部件协作的输入运动部件2。
根据本发明，旋转谐振器10包括至少一个惯性元件3，该惯性元件3设计成围绕垂直于中心轴线A并与其相交的副轴线B相对于中心运动部件1枢转，并通过至少一个弹性复位元件4相对于中心运动部件1朝休止位置复位，并且该副轴线B经过与其相关联的惯性元件3的质心。
更具体而言，旋转谐振器10包括多个惯性元件3，每个惯性元件都设计成围绕垂直于中心轴线A并与其相交的副轴线B相对于中心运动部件1枢转，并且每个惯性元件都通过至少一个弹性复位元件4相对于中心运动部件1朝休止位置复位。
此外，每个副轴线B都从与其相关联的惯性元件3的质心通过。
更具体而言，所述至少一个弹性复位元件4设计成根据以下关系式来向相应的惯性元件3施加具有弹性复位力矩的转矩：
M(θ1)＝1/2.ω3 2.(I2-I3).sin(2θ1)，
其中θ1是惯性元件3相对于其所述休止位置的倾斜角度，所述休止位置是其在静止时的平衡位置，
其中ω3是中心运动部件1的角速度，其因此是谐振器的脉冲重复频率，
其中I2是惯性元件3相对于垂直于中心轴线A和所述副轴线B两者的水平轴线E的惯量，
并且其中I3是惯性元件3相对于中心轴线A的惯量。
更具体而言，该旋转谐振器10在休止位置呈现围绕中心轴线A的N阶旋转对称性，其中N为大于或等于2的整数。
更具体而言，旋转谐振器10所包括的所述惯性元件3在休止位置具有围绕中心轴线A的N阶旋转对称性，其中N为大于或等于2的整数。
再更具体而言，每个惯性元件3都呈现围绕其副轴线B的2阶旋转对称性。
在一种变型中，至少一个弹性复位元件4在第一端处固定至中心运动部件1并且在第二端处固定至惯性元件3。
在自然可与前一种变型组合的另一种变型中，至少一个弹性复位元件4在第一端处固定至一个惯性元件3并且在第二端处固定至另一惯性元件3。
在图3和4中尤其可见的另一种变型中，每个弹性复位元件4在第一端处固定至中心运动部件1并且在第二端处固定至惯性元件3。
更具体而言，并且如在图示的非限制性实施例中可见的，同一旋转谐振器10的所有惯性元件3设计成围绕共同的副轴线B枢转。
在图3和4中尤其可见的特定变型中，至少一个所述惯性元件3的长度为其宽度的至少5倍，且其宽度为其厚度的至少5倍。
在一个有利的实施例中，旋转谐振器10包括至少一个柔性导向件，其提供至少一个惯性元件3相对于中心运动部件1的枢转和弹性复位。
该柔性导向件可采用各种方式产生：柔性叶片或颈状叶片，其布置成使得它们在一个平面中或在多个平面中相交，所述多个平面平行但在这些平行平面中的一个平面上的投影中相交，或替代地采用RCC(远程中心依从性)构型(也就是说具有偏移旋转中心，叶片共同形成V形件)或其它构型布置。
使用此类柔性导向件来执行旋转导向和弹性复位的功能使得可以消除轴-轴承或相似类型的传统枢轴所固有的摩擦。
根据该实施例，这些柔性导向件可以附接至中心移动构件1和/或惯性元件3，或与二者中的至少一者成一体，或二者兼备。一体的实施例可以由使用“LIGA(光刻、电镀和铸造)”或“MEMS(微结构加工)”或类似工艺加工的微机械加工材料制成，由至少部分非晶材料、硅和二氧化硅、“DLC”(类金刚石碳)等制成。
更具体而言，该柔性导向件是具有叶片的枢轴，所述叶片或共面相交，或者在于垂直于中心轴线A的投影平面上的投影中相交，如图4的实施例中那样。此构型提供了确保优良的运行性能的优点。
有利的是整体质心保持固定，并且惯性元件的各个质心在它们枢转时的任何不希望有的移位相互抵消的组合效果。这意味着不论振幅如何，整个旋转谐振器10的整体质心都保持固定。这尤其可以通过旋转几何对称性与对整个旋转谐振器10相同的柔性导向件的选择的组合来获得：组成其的每个惯性元件3都通过相同的柔性导向件复位。
交叉叶片、特别是几何形状的使用使得还可以确保由柔性导向件施加在每个惯性元件上的复位转矩与该惯性元件3的枢转角度的两倍的正弦成比例。
在下文中描述了两种特定的完全非限制性配置，以便解释实现此目的的方式。
图5示出了不对称的交叉叶片枢轴：该柔性导向件设计成向惯性元件3施加一复位转矩，该复位转矩与所述惯性元件3的枢转角度的两倍的正弦成比例。该柔性导向件包括两个不对称的柔性叶片31、32，每个柔性叶片都将中心运动部件1的第一内置约束41、42与惯性元件3的第二内置约束51、52结合。这些第一内置约束41、42与第二相应的内置约束51、52一起限定两个主叶片方向DL1、DL2。中心运动部件1和惯性元件3均比各柔性叶片31、32更刚硬。两个主叶片方向DL1、DL2限定理论枢转轴线D，其中它们在两个柔性叶片31、32共平面时相交，或者其中它们在投影平面上的投影在两个柔性叶片31、32在平行于投影平面但不共平面的两个层级上延伸时相交，与图4的情形中一样，并且其中顶角α等于112.5°。这些叶片中的第二个叶片32在其相对的内置约束之间具有第二全长L2，该第二全长为叶片中的第一个叶片31的第一全长L1的三倍。此外，第一内置约束41、42与理论枢转轴线D之间的距离对于第二叶片32而言为等于第二全长L2的0.875倍的第二轴向距离D2，并且对于第一叶片31而言为等于第一全长L1的0.175倍的第一轴向距离D1。
图6示出了具有偏移旋转中心的RCC构型，其不是以一体形式生产，而是以其中叶片例如通过引入相对于理论叶片方向横向地偏移的槽而在它们的至少一端附近以小角度被成角度地加压的形式生产。通过这种特殊的RCC枢轴产生的柔性导向件因此可以产生与两倍角度的正弦成比例的转矩，所述柔性导向件由构成虚拟枢轴的远程中心依从性叶片枢轴产生，0.15弧度的角预加载致使叶片31、32嵌入所述中心运动部件1和/或所述惯性元件3所包括的凹腔51、52中，对于内置约束处的扭转，由所述叶片31、32的嵌入方向在所述虚拟枢轴处形成的顶角为52.642°，并且所述虚拟枢轴与最靠近的内置约束之间的距离等于每个所述叶片31、32的长度的0.268864倍，在这种情况下，所述长度在叶片的端部的预加载之前的未加载状态下在它们的内置约束之间相等。
更特别地，该柔性导向件被热补偿。
再更特别地，该柔性导向件包括由氧化硅制成的叶片，在热处理期间所述叶片上的二氧化硅的差别生长允许较小横截面的元件如一体组件内的叶片被高度预压。
在图1的变型中，旋转谐振器1包括铰接在一些惯性元件3上的附加动态连杆元件5，其与这些惯性元件3一起构成缩放仪型铰接结构并且设计成通过限制所述旋转谐振器10沿中心轴线A的高度来扩大其径向展开。
在图7的变型中，机芯100包括用于使用指针或圆盘显示的至少一个主显示器轴线P，并且中心轴线A平行于该主轴线P。
在图8的变型中，中心轴线A这次垂直于主轴线P。
例如，轮系300的输出运动部件是设计成与构成输入运动部件2的齿轮协作的蜗杆。
特别地，旋转谐振器10包括恰好两个或三个惯性元件3。具体而言，需要在性能与体积之间达成折衷，并且具有呈现旋转对称性的两个惯性元件的谐振器实现了所需的性能。
在实施例的一种有利的变型中，中心运动部件1的枢转在至少一个磁性枢轴上发生，以便获得最佳效率。
本发明还涉及一种包括至少一个这样的机芯的机械表1000。
本发明提供了明显的优点：
-它消除了常规游丝摆轮的枢轴的摩擦功，以便提高谐振器的品质因数；
-它消除了擒纵机构的不平稳/急动，以便提高擒纵机构的效率；
-它增加了当今的机械表的运行储备；
-它提高了当今的机械表的精度。
对于给定尺寸的机芯，手表的自主性可望增加五倍，并且手表的调节能力可望增加一倍。这相对于说本发明允许机芯性能提高10倍。
Claims (25)
1.一种机械钟表机芯(100)，包括设计成驱动齿轮系(300)的至少一个蓄能装置(200)，旋转谐振器(10)以及输入运动部件(2)，所述齿轮系的输出运动部件设计成围绕驱动轴线枢转，所述旋转谐振器包括至少一个中心运动部件(1)，所述中心运动部件设计成围绕中心轴线(A)枢转，并且该输入运动部件(2)设计成与所述输出运动部件协作，其特征在于，所述旋转谐振器(10)包括至少一个惯性元件(3)，所述惯性元件设计成围绕垂直于所述中心轴线(A)并与其相交的副轴线(B)相对于所述中心运动部件(1)枢转并通过至少一个弹性复位元件(4)相对于所述中心运动部件(1)朝休止位置复位，其中所述副轴线(B)经过与其相关联的所述惯性元件(3)的质心。
2.根据权利要求1所述的机芯(100)，其特征在于，所述旋转谐振器(10)包括多个惯性元件(3)，每个所述惯性元件都设计成围绕垂直于所述中心轴线(A)并与其相交的副轴线(B)相对于所述中心运动部件(1)枢转，并且每个所述惯性元件都通过至少一个弹性复位元件(4)相对于所述中心运动部件(1)朝休止位置复位，其中每个所述副轴线(B)都经过与其相关联的所述惯性元件(3)的质心。
3.根据权利要求1所述的机芯(100)，其特征在于，所述至少一个弹性复位元件(4)设计成根据以下关系式来向所述惯性元件(3)施加具有弹性复位力矩的转矩：
M(θ1)＝1/2.ω3 2.(I2-I3).sin(2θ1)，
其中θ1是所述惯性元件(3)相对于其所述休止位置的倾斜角度，所述休止位置是所述惯性元件在静止时的平衡位置，其中ω3是所述中心运动部件(1)的角速度，其中I2是所述惯性元件(3)相对于垂直于所述中心轴线(A)和所述副轴线(B)两者的横向轴线(E)的惯量，并且其中I3是所述惯性元件(3)相对于所述中心轴线(A)的惯量。
4.根据权利要求1所述的机芯(100)，其特征在于，所述旋转谐振器(10)在休止位置呈现围绕所述中心轴线(A)的N阶旋转对称性，其中N是大于或等于2的整数。
5.根据权利要求2所述的机芯(100)，其特征在于，所述旋转谐振器(10)所包括的所述惯性元件(3)在休止位置具有围绕所述中心轴线(A)的N阶旋转对称性，其中N是大于或等于2的整数。
6.根据权利要求1所述的机芯(100)，其特征在于，至少一个所述惯性元件(3)呈现围绕其所述副轴线(B)的2阶旋转对称性。
7.根据权利要求6所述的机芯(100)，其特征在于，每个所述惯性元件(3)呈现围绕其所述副轴线(B)的2阶旋转对称性。
8.根据权利要求1所述的机芯(100)，其特征在于，至少一个所述弹性复位元件(4)在第一端处固定至所述中心运动部件(1)并且在第二端处固定至所述惯性元件(3)。
9.根据权利要求1所述的机芯(100)，其特征在于，至少一个所述弹性复位元件(4)在第一端处固定至一个所述惯性元件(3)并且在第二端处固定至另一个所述惯性元件(3)。
10.根据权利要求8所述的机芯(100)，其特征在于，每个所述弹性复位元件(4)在第一端处固定至所述中心运动部件(1)并且在第二端处固定至所述惯性元件(3)。
11.根据权利要求1所述的机芯(100)，其特征在于，所有所述惯性元件(3)都设计成围绕共同的副轴线(B)枢转。
12.根据权利要求1所述的机芯(100)，其特征在于，至少一个所述惯性元件(3)的长度是其宽度的至少5倍，且至少一个所述惯性元件(3)的宽度是其厚度的至少5倍。
13.根据权利要求1所述的机芯(100)，其特征在于，所述旋转谐振器(10)包括至少一个柔性导向件，以提供至少一个所述惯性元件(3)相对于所述中心运动部件(1)的枢转和弹性复位。
14.根据权利要求13所述的机芯(100)，其特征在于，所述柔性导向件是具有叶片的枢轴，所述枢轴或者共平面地相交，或者在于垂直于所述中心轴线(A)的投影平面上的投影中相交或属于具有偏移旋转中心的远程中心依从性类型。
15.根据权利要求13所述的机芯(100)，其特征在于，所述柔性导向件设计成向所述惯性元件(3)分配与所述惯性元件(3)的枢转角度的两倍的正弦成比例的复位转矩。
16.根据权利要求14所述的机芯(100)，其特征在于，所述柔性导向件设计成向所述惯性元件(3)分配与所述惯性元件(3)的枢转角度的两倍的正弦成比例的复位转矩，并且其中所述柔性导向件包括两个不对称的柔性叶片(31；32)，每个柔性叶片都将所述中心运动部件(1)的第一内置约束(41；42)与所述惯性元件(3)的第二内置约束(51；52)结合，所述第一内置约束(41；42)与相应的所述第二内置约束(51；52)一起限定两个主叶片方向(DL1；DL2)，所述中心运动部件(1)和所述惯性元件(3)各自比每个所述柔性叶片(31；32)更刚硬，并且所述两个主叶片方向(DL1；DL2)限定理论枢转轴线(D)，其中所述两个主叶片方向在所述两个柔性叶片(31；32)共平面时相交，或所述两个主叶片方向在所述投影平面上的投影当所述两个柔性叶片(31；32)在平行于所述投影平面但不共平面的两个层级上延伸时相交，并且其中顶角(α)等于112.5°，所述叶片中的第二个叶片(32)在其相对的内置约束之间具有为所述叶片中的第一个叶片(31)的第一总长度(L1)的三倍的第二总长度(L2)，并且所述第一内置约束(41；42)与所述理论枢转轴线(D)之间的距离对于所述叶片中的所述第二个叶片(32)而言为等于所述第二总长度(L2)的0.875倍的第二轴向距离(D2)，而对于所述叶片中的第一个叶片(31)而言为等于所述第一总长度(L1)的0.175倍的第一轴向距离(D1)。
17.根据权利要求13所述的机芯(100)，其特征在于，所述柔性导向件由构成虚拟枢轴的远程中心依从性叶片枢轴产生，其中0.15弧度的角预加载致使所述叶片(31；32)嵌入所述中心运动部件(1)或所述惯性元件(3)所包括的凹腔(51；52)中，由所述叶片(31；32)在所述虚拟枢轴处的嵌入方向形成的顶角为52.642°，并且所述虚拟枢轴与最靠近的内置约束之间的距离等于每个所述叶片(31；32)在它们的端部的预加载之前的未加载状态下在所述叶片的内置约束之间的长度的0.268864倍。
18.根据权利要求13所述的机芯(100)，其特征在于，所述柔性导向件被热补偿并且包括由氧化硅制成的叶片。
19.根据权利要求1所述的机芯(100)，其特征在于，所述旋转谐振器(10)包括铰接至所述惯性元件(3)中的一些惯性元件的附加动态连杆元件(5)，其与所述惯性元件(3)一起构成缩放仪型结构并且设计成通过限制所述旋转谐振器(10)沿所述中心轴线(A)的高度来扩大其径向部署。
20.根据权利要求1所述的机芯(100)，其特征在于，所述机芯(100)包括用于使用指针或圆盘显示的至少一个主显示轴线(P)，并且所述中心轴线(A)平行于所述主显示轴线(P)。
21.根据权利要求1所述的机芯(100)，其特征在于，所述机芯(100)包括用于使用指针或圆盘显示的至少一个主显示轴线(P)，并且所述中心轴线(A)垂直于所述主显示轴线(P)。
22.根据权利要求1所述的机芯(100)，其特征在于，所述齿轮系(300)的所述输出运动部件是蜗杆。
23.根据权利要求1所述的机芯(100)，其特征在于，所述旋转谐振器(10)包括恰好两个或三个所述惯性元件(3)。
24.根据权利要求1所述的机芯(100)，其特征在于，所述中心运动部件(1)的枢转在至少一个磁性枢轴上发生。
25.一种机械表(1000)，包括至少一个根据权利要求1所述的机芯(100)。
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