CN110221531A

CN110221531A - 制造热补偿振荡器的方法

Info

Publication number: CN110221531A
Application number: CN201910156090.6A
Authority: CN
Inventors: 奥利维尔·亨齐克
Original assignee: Montres Rolex SA
Current assignee: Rolex SA
Priority date: 2018-03-01
Filing date: 2019-03-01
Publication date: 2019-09-10
Also published as: JP2019194567A; EP3534222A1; US20190271946A1; JP7253405B2

Abstract

本发明提供一种用于制造计时器振荡器的方法，计时器振荡器由摆轮和平行设置的至少两个游丝部分组成，其中制造计时器振荡器的方法包括以下步骤：a.选择振荡器的频率f；b.选择摆轮和游丝部分，以使得摆轮的惯性和游丝部分的角刚度允许形成具有所选频率f的振荡器，并使得游丝部分的角刚度随温度的变化能够对振荡器进行热补偿；c.组装所选择的游丝部分与所选择的摆轮。

Description

制造热补偿振荡器的方法

技术领域

本发明涉及一种计时器振荡器，并涉及一种包括振荡器的计时器机芯和一种这样的计时器。最后，其还涉及一种制造这种振荡器的方法。

背景技术

机械表的调节依赖于至少一个机械振荡器，其通常包括称为摆轮的飞轮以及称为螺旋游丝或更简单地说仅称为螺簧的螺旋形缠绕游丝。可将螺簧一端固定在摆轮的心轴上，而另一端固定在计时器的固定部分上，例如桥夹板，摆轮的心轴枢转在该固定部分上。现有技术中的机械表的机芯所配备的螺旋游丝采用优选具有矩形横截面的弹性金属簧片或由硅制成的簧片的形式，其大部分以螺旋形缠绕在其自身上。游丝摆轮围绕其摆轮位置(或死点)振荡。当摆轮离开这个位置时，其会挽住螺簧。这就产生了作用在摆轮上以便使其返回到其平衡位置的复位扭矩。由于其已经获得了一定的速度，并因此获得了一定的动能，所以摆轮移动超过其死点，直到螺簧的反作用力矩使其停止并迫使其在另一个方向转动。通过这种方式，螺簧调节了摆轮的振荡周期。

机械表的精度取决于其由摆轮和螺簧形成的振荡器的振荡规律。振荡频率由摆轮的惯性和螺簧的刚度设定，精确地达到给定的频率的方法有好几种，例如通过调节影响游丝刚度的元件，或者通过将一个特定的摆轮与给定的螺簧进行适当配对。这种配对还允许对所需的调节进行限制。

然而，当温度变化时，螺簧和摆轮的相应热膨胀会改变振荡器的特性，从而干扰手表的精度。

现有技术中的解决方案试图减少乃至防止振荡器随温度而发生功能变化。有一种方法认为根据以下关系这种振荡器的固有频率f取决于复位扭矩C与摆轮的转动惯量I之间的比率，其中，复位扭矩C对应于螺簧的角刚度，并且由螺簧将其施加在摆轮上：

通过相对于温度对前面的等式微分，获得振荡器的固有频率的相对热变化，其表示为：

其中E为振荡器的螺簧的杨氏模量，

为振荡器的热系数，也简单地表示为首字母缩写CT，

为振荡器的螺簧的杨氏模量的热系数，也称作首字母缩写CTE，并且

α_s和α_b分别为振荡器的螺簧和摆轮的热膨胀系数。

现有技术中的各种解决方案为了对振荡器进行热补偿寻求通过为螺簧选择适合于该目的的CTE来使振荡器的热系数CT的值为零。

发明内容

本发明的目的为提供一种计时器振荡器，其利用组合其组件的方法获得，该方法不仅使得振荡器的热补偿得到了保障，而且还使得摆轮与其角复位游丝的配对得到了改善，以便可靠地实现给定的振荡频率。

为此，本发明基于角复位游丝与摆轮的关联形成计时器振荡器，使得所述计时器振荡器可以在给定频率下振荡而无需任何调节的同时或者至少在必要的调节操作最小化的同时得到热补偿，其中角复位游丝包括具有至少两个不同部分的设置，至少两个不同部分的角刚度的变化根据温度而不同，摆轮的惯性可以是已知的。

因此，本发明涉及一种用于制造计时器振荡器的方法，该计时器振荡器由摆轮和平行设置的至少两个游丝部分组成，其中其包括以下步骤：

-可选地预先选择摆轮和游丝部分的材料；

a.选择振荡器的频率f；然后

b.选择摆轮和游丝部分，使得摆轮的惯性和游丝部分的角刚度允许形成具有所选择频率f的振荡器，并且使得游丝部分的角刚度根据温度的变化以能够对振荡器进行热补偿；

c.组装所选择的游丝部分与所选择的摆轮。

选择游丝部分的步骤(b)包括或包含在至少两批或至少两组现有游丝部分中选择最适合的游丝部分。

根据一个实施例，所述方法包括以下步骤：

-选择螺旋游丝的所述部分和摆轮的材料，所述部分可能由不同的材料制成；

-选择振荡器的频率f；

-测量或评估摆轮的惯性I；

-针对游丝的每个部分i计算角刚度Ci，以使得

并使得以下等式也等于零：

-选择相应的角刚度接近计算值Ci的游丝部分i；

-组装所述游丝的至少两个选择部分与摆轮。

本发明还涉及使用该方法获得的计时器振荡器和这样的计时器。

通过权利要求对本发明进行了更精确的限定。

在下文参考说明书附图给出的非限制性特定实施例的描述中将更详细地对本发明的主题、特征和优点进行描述，说明书附图示意性地示出了根据本发明的一个实施例包括螺旋游丝类型的角复位游丝的计时器振荡器，其中角复位游丝具有平行设置的两个螺旋部分。

本发明的目的为提出了一种热补偿振荡器，其不需要或需要很少的调节。为此，寻求到了一种解决方案，其实现了振荡器的热系数(CT)的值尽可能接近零，由此使得所述振荡器的振荡与温度无关或几乎与温度无关，并且寻求到了一种组合，其将被称为“摆轮”的飞轮与保证了所需频率的复位游丝组合，所需频率是预先选择并进而设定的。

具体实施方式

本发明将要描述的实施例是以振荡器的构造为基础的，振荡器是通过关联至少两个不同的角复位游丝部分而获得的，选择这两个不同的角复位游丝部分形成可以耦合到预定摆轮，更具体地说，耦合到惯性已经测量了的摆轮的角复位游丝，以便获得热补偿振荡器，从而无论温度如何都能保证所选定的振荡器的固有频率。

将通过一个实施例对本发明进行更详细的说明，如图1所示，计时器振荡器采用摆轮-游丝组件的形式。振荡器的角复位游丝10采用“双螺簧”的形式，其包括平行布置的两个螺簧11、12。表述“平行”将被理解为表示两个螺簧中的每个螺簧一方面例如通过一个或两个内桩6附接到摆轮的心轴5，另一方面例如通过连接到其各自的外周端部15、16的一个或两个螺柱附接到摆轮桥夹板。角复位游丝作用在飞轮或摆轮1上，飞轮或摆轮1通过臂2连接到心轴5。这些部件一起形成了机械振荡器。

在该实施例中，角复位游丝的每个不同部分均由螺簧或螺旋段形成，其包括一匝或多匝或匝段。术语“匝”限定了螺簧在约360°的角弧上延伸的段，并且表述“匝段”限定了在小于360°的角弧上延伸的段。另外，本发明的这些实施例中的每个螺簧、匝或匝段均采用优选具有矩形横截面的弹性簧片的形式，该弹性簧片围绕自身缠绕成螺簧。e表示该矩形横截面的厚度，h表示高度。另外，L将表示螺簧、匝或匝段的曲线长度。将该曲线长度定义为在匝的中性纤维上两个曲线横坐标之间的间隔。最后，r表示摆轮的回转半径，m表示其质量。

一组螺簧由用相同材料制成的螺簧、匝或匝段组成。一批螺簧、匝或匝段为可被认为是在几何制造公差内相同的一组螺簧、匝或匝段。

本文中，术语“材料”用于表示单一的均匀材料，或由给定设置中的材料组合产生的复合材料。通过非限制性实施例，由在其所有面上涂覆有给定厚度的氧化硅的单晶硅制成的螺簧被认为是复合材料。

在两个螺簧(或匝或匝段)平行设置的情况下，螺簧对热补偿的贡献通过其对复位转矩进而对角刚度的相对贡献加权。

复位游丝的复位扭矩为两个螺簧的扭矩之和。然后，可以通过以下等式写出振荡器的固有频率f：

其中I为摆轮的惯性，Ci为螺簧i的角刚度。

在一般情况下，等式(1)变为：

惯性I和角刚度Ci，其针对纯弯曲定义，计算如下：

I＝mr²且

其中m为摆轮的质量，r为摆轮的回转半径，

Ei为螺簧i的材料的弹性模量，ei为螺簧i的簧片的厚度，hi为螺簧i的簧片的高度，而li为螺簧i的曲线长度。

通过引入温度相关项I和Ci并将等式(1)相对于温度微分，在重新设置后得到以下等式：

针对螺簧的情况，等式(2)变为：

如果考虑均匀且各向同性的材料，或者如果对于每种材料使用合适的表观膨胀系数，那么材料的热膨胀系数α＝1/x*dx/dT对于上面定义的方向x(r、L、e和h)是相同的。此外，如果将术语CTE定义为弹性模量1/E.dE/dT的热系数，则可以将前面的等式简化如下：

其中α_s,i和α_bal分别为振荡器的螺簧i和摆轮的热膨胀系数。

由于该第一实施例包括两个螺簧(i＝2)，因此前面的等式变为：

一旦定义了摆轮的材料，就知道了α_bal的值，并且满足等式(3)的结果可以用平面[C1；C2]中的直线表示。因此，存在多对满足该等式的解C1、C2。本领域技术人员将能够以合适的方式选择摆轮的材料和螺簧(或匝或匝段)的材料，以允许找出该等式的解。

如果已知摆轮的惯性，则可以当等式(1)设定为等于零时，在给定平面中，使用等式(1)，画出对应于等式(1)的解的另一条直线。简单地选择具有对应于这两条直线的交叉点的角硬度C1和C2的螺簧部分，并组装这两部分形成之后将与摆轮组装形成振荡器的螺簧，将保证制造出以所需频率振荡的热补偿振荡器。

应注意，在各向异性材料例如硅的情况下，热系数根据在材料上的晶体应力方向而变化，进而在螺簧(或匝或匝段)的长度上变化。同样，在不均匀材料诸如氧化硅的情况下，热系数在簧片的横截面的内部发生变化。因此，对于由各向异性和/或非均匀材料形成的螺簧、或匝或匝段，可以考虑本领域技术人员已知的等效或表观CTE。

例如，如果摆轮是由CuBe2制成的，那么由于CuBe2的热膨胀为正数(+17ppm/℃)，所以有必要选择两个螺簧的材料，以便于两个术语CTE+α_s中的至少一个为正数以使等式等于零，特别是以便于两个术语CTE+α_s中的至少一个高出α_bal至少两倍以使等式等于零。简单地调节两个螺簧的尺寸，特别是其角刚度，可获得期望的结果，即振荡器的热补偿。

举例来说，对于以4Hz振荡的振荡器而言，将首先考虑由测得的惯性为14.28mg·cm²的CuBe2制成的摆轮。接下来，将考虑由单晶硅制成、在{100}平面中切割并具有以下特性和尺寸的一批螺簧S1：E_平均值＝148GPa，α＝2.6ppm/℃，CTE＝64.3ppm/℃，高度为150微米，有效长度为150毫米，厚度接近36.5μm。此外，将考虑由非晶SiO₂制成、具有以下性质和尺寸的第二批螺簧S2：E＝72.4GPa，α＝0.382ppm/℃，CTE＝210ppm/℃，并且具有与第一批螺簧相同的尺寸，将它们平行地组装在摆轮上以制造振荡器。

通过在两批螺簧中选择角刚度C1为5.97×10^-7Nm(对应于36.445μm的厚度)的第一螺簧S1a以及角刚度C2为3.05×10^-7Nm(对应于36.975μm的厚度)的第二螺簧S2a来获得4Hz的频率。将这两个螺簧组装形成螺簧，螺簧又与摆轮组装在一起形成以4Hz的频率振荡的热补偿振荡器。

对于如上定义的复合材料，CTE因此通过由所使用的每种材料的CTE进行计算，并且以本领域技术人员已知的方式通过各种材料的几何设置进行加权。

由等式(3)给出的振荡器的热系数允许在重新设置之后，如下定义CTE₂+3α₂的目标值：

因此，如果对于已知其刚度和根据温度而发生的刚度变化(CTE+3α)的螺簧，则可以选择允许CT等于零的第二螺簧。然后，这两个螺簧能够与具有适当惯性的摆轮配对达到目标频率。

通过由复合材料制成的实施例，对于以频率4Hz振荡、由CuBe2制成、测得的惯性为14.12mg·cm²的振荡器，将考虑一批由单晶硅制成的螺簧Si，其在{100}的平面中切割，并在其所有面上涂覆有一层厚度为3.5μm的无定形氧化硅，以形成高度为157微米，有效长度为150毫米，厚度接近39μm的复合螺簧。螺簧的角刚度是单独测量的，并且所有螺簧都位于接近4.5×10^-7Nm的范围内。

这些复合螺簧的CTE可以由硅和非晶氧化硅的CTE值以及螺簧的几何形状(硅和氧化物的相应厚度)来计算。

通过在这批复合螺簧中选择角刚度C1为4.8665×10^-7Nm的第一螺簧和角刚度C2为4.0533×10^-7Nm的第二螺簧，可以获得4Hz的频率。将这两个螺簧组装形成螺簧，螺簧又将与摆轮组装在一起形成以4Hz的频率振荡的热补偿振荡器。

总之，本发明的该实施例是以由摆轮和平行布置的至少两个复位游丝部分i组成的计时器振荡器的制造方法为基础的，其中该方法包括以下步骤：

-选择振荡器的频率f；

-测量、估算或评估摆轮的惯性I；

-针对游丝的每个部分i计算角刚度Ci，以使得

并使得在螺旋游丝的情况下，以下等式也等于零：

-选择由各种所选材料制成并且相应的角刚度接近计算值Ci的游丝部分i；

-组装所述游丝的至少两个选择部分与摆轮。

自然，存在多种可能性来平行设置尺寸不同的两个螺簧和摆轮，以使上述等式(2')等于零并获得以所期望的频率振荡的热补偿振荡器。

该第一实施例的一个变型是以振荡器的角复位游丝为基础的，该角复位游丝由平行设置的三个螺簧形成，这三个螺簧取自至少两批螺簧并形成所述复位游丝的三个不同部分。该变型允许螺簧部分的组合数增加，以便能够完全没有必要调整振荡器和/或可以将特性和/或尺寸截然不同的螺簧部分组合，而且也能够实现二阶热补偿，这在所应用的材料的热系数根据温度的变化也具有相反的符号的情况下是有用的。

因此，本发明具有以下优点：允许通过增加摆轮和螺簧配对的灵活性从而精确地实现给定的振荡频率来制造高性能计时器振荡器，在形成即使温度发生变化仍保持其给定振荡频率的振荡器的同时，允许限制或者甚至完全避免后续调节。

自然，本发明不限于上述实施方式，也不限于上述具体实施例，甚至也不限于上述简单的等式。其尤其可以包括三个以上不同的复位游丝部分。

此外，复位游丝的不同部分可位于或不可位于同一平面内。例如采取匝或匝段形式的复位游丝的至少一个不同部分的簧片可以具有任何形状的横截面并且不一定是如前述实施例中那样的矩形形状的横截面。另外，该横截面可以在其整个长度上保持恒定，或者相反，也可以变化。最后，复位游丝的不同部分可以采用如前述实施例中所想到的螺簧的形式，或作为变型采用任何其他形式，特别是直线簧片的形式。

最后，复位游丝的不同部分所表示的是两个或多个不同的元件，其以给定的设置方式定位一起形成复位游丝。在该设置中，这些不同的部分因此以互补的方式参与了相同的复位游丝功能，同时赋予了振荡器热补偿效果。其选择是为了将这种热补偿效果与振荡器频率的精确选择结合起来。这些不同的部分可以通过任意的紧固装置相互组装在一起，或者简单地定位在附近。在任何情况下，这些不同的部分都以能够与给定的飞轮相互作用并能形成单个计时器振荡器的方式设置。因此，这些不同的部分不仅仅是给定游丝中的两个区域，这两个区域是一体形成、不可分离和/或整体式的，即使这两个区域包含不同的材料。

因此，可以组合至少两个螺簧以产生热补偿振荡器，并且还可以将所述两个螺簧与一个特定摆轮组合来调节振荡器的频率。

如前述实施例中所述，摆轮例如由铜-铍合金以已知的方式(也简称为CuBe2合金)制成。作为变型，其他材料也可用于摆轮。

有利地是，角复位游丝的至少两个不同部分均是由两种不同的材料制成。不同的部分可以一体形成。其可以由单一材料制成，或者包括多种不同材料，并且例如包括由不同材料制成的区域。

在任何情况下，本发明的复位游丝都包括至少两个不同的部分，其角刚度Ci随温度的变化(即由术语CTE+3α表示)将补偿相关摆轮的热膨胀，从而，热补偿包括该计时器复位游丝的所述振荡器。

自然，复位游丝的不同部分也可以由任何其他材料制成。优选地是，优选对磁场不敏感的材料，以避免干扰与经受磁场的部件的剩余磁化相关的运动。

复位游丝的一个不同部分中的至少全部或一些可以包括单晶硅(无论其取向如何)、多晶硅、非晶硅、石英、非晶氧化硅、掺杂硅(无论掺杂剂类型和浓度如何)、多孔硅、基于杨氏模量(CTE以下)的热系数为正数的Fe-Ni基合金(基于杨氏模量(CTE以下)的热系数为正数)和/或Nb-Zr-O合金。

复位游丝的至少一个不同部分可包括一种或多种各向同性材料。作为变型，其可以包括各向异性材料，例如硅，其热系数根据在材料上的应力的晶体方向而发生变化，进而在螺簧的长度上发生变化。例如，硅可以涂覆有一层氧化硅。在诸如氧化硅等不均匀材料的情况下，在复位游丝的簧片的横截面的内部的热系数发生变化。因此，对于由各向异性和/或非均匀材料形成的不同的复位游丝部分，本领域技术人员已知的术语dC/dT或等效或表观CTE被考虑，并且前述计算在此基础上仍然适用。

上述实施例定义了以如上所述的顺序执行的各种步骤。然而，作为变型，本发明可以使用不同的方法，特别是包括颠倒某些所述步骤的顺序来实现。

特别是，所描述的过程包括预先选择摆轮，然后测量或估算摆轮的惯性I，或者与此相反，构造或选择预先选择了惯性I的摆轮，然后选择游丝部分以构造适合于所选摆轮的复位游丝。

作为变型，在随后选择合适的摆轮之前，可以先选择复位游丝或复位游丝的至少一部分。

此外，同样有利地是，在具有本领域技术人员已知的自然特性(例如保证后续步骤成功实施)的材料中，可预先选择摆轮和游丝部分的材料。然而，作为变型，可以事后选择材料，或在选择摆轮和/或游丝部分的其他参数(例如几何形状)的同时选择材料。

因此，许多其他实施例可能都是基于由摆轮和至少两个平行设置的游丝部分组成的计时器振荡器的制造方法来限定的，该方法包括以下步骤：

a.选择振荡器的频率f；

b.选择摆轮和游丝部分，使得摆轮的惯性和游丝部分的角刚度允许形成具有所选频率f的振荡器，并且使得游丝部分的角刚度随温度的变化能够对振荡器进行热补偿；

c.组装所选择的游丝部分与所选择的摆轮。

有利地是，该方法包括包含选择摆轮和游丝部分的材料的先前步骤。

有利地是，选择步骤(b)包括选择遵循以下等式的具有惯性I的摆轮和具有角刚度Ci的游丝部分：

以及

因此，本发明的优点是，允许通过增加摆轮和螺簧配对的灵活性从而精确地实现给定的振荡频率来制造高性能时钟振荡器。通过以任何顺序和/或任何可能的顺序组合在现有批次中选择摆轮和/或游丝部分的能力来增加这种灵活性，而无需为每个新的计时器设置进行特定制造。作为变型，自然可以通过根据本发明所限定的所要追求的特性具体地制造摆轮和/或全部或一些游丝部分来实现本发明。

本发明还涉及一种计时器机芯和一种计时器，例如腕表等手表，其包括如上所述的振荡器。

Claims

1.一种制造计时器振荡器的方法，所述计时器振荡器由摆轮和平行设置的至少两个游丝部分组成，其中所述方法包括以下步骤：

a.选择振荡器的频率f；

b.选择摆轮，并且通过在至少两批或至少两组现有游丝部分中选择最合适的游丝部分来选择游丝部分，使得摆轮的惯性和游丝部分的角刚度允许形成具有选定频率f的振荡器，并且使得游丝部分的角刚度随温度的变化能够对振荡器进行热补偿；

c.组装所选择的游丝部分与所选择的摆轮。

2.根据前述权利要求所述的制造振荡器的方法，其中所述方法包括包含选择摆轮和游丝部分的材料的在先步骤。

3.根据前述权利要求中任一项所述的制造振荡器的方法，其中，选择步骤，步骤(b)，包括选择遵循以下等式的具有惯性I的摆轮和具有角刚度Ci的游丝部分：

以及

4.根据前述权利要求任一项所述的制造振荡器的方法，其中，摆轮由CuBe2制成。

5.根据前述权利要求任一项所述的制造振荡器的方法，其中，选择游丝部分的步骤(b)包括选择随着温度变化而具有相反符号的角刚度Ci的至少两个游丝部分。

6.根据前述权利要求任一项所述的制造振荡器的方法，其中，游丝部分由特别是选自单晶硅、多晶硅、非晶硅、石英、非晶氧化硅、掺杂硅、Fe-Ni基合金和/或Nb-Zr-O合金中的材料制成，其中，单晶硅不考虑其晶向，惨杂硅不考率其掺杂剂类型和浓度，Fe-Ni基合金具有正数CTE。

7.根据前述权利要求中任一项所述的制造振荡器的方法，其中，所述游丝部分采用了如下形式：匝段或一匝或多匝，直线簧片，匝段的组合或者匝和直线簧片的组合，和/或一个或多个游丝部分具有在其长度上变化的横截面。

8.根据前述权利要求中任一项所述的制造振荡器的方法，其中，选择步骤(b)包括以下步骤：

-为摆轮选择惯性I；然后

-选择惯性等于或接近所考虑的值I的摆轮；然后

-针对游丝的每个部分i确定角刚度Ci，以使得

并使得以下等式也等于零：

然后

-选择各自的角刚度接近角刚度值C_i的游丝部分。

9.根据权利要求1-7中任一项所述的制造振荡器的方法，其中，选择步骤，步骤(b)，包括以下步骤：

-选择摆轮并测量或估算其惯性I；然后

-针对游丝的每个部分i确定角刚度Ci，以使得

并使得以下等式也等于零：

然后

-选择各自的角刚度接近角刚度值Ci的游丝部分。

10.一种计时器振荡器，其利用前述权利要求中任一项所述的方法制造，其中，所述计时器振荡器包括摆轮和复位游丝，所述复位游丝包括平行布置的至少两个游丝部分。

11.根据前述权利要求所述的振荡器，其中，游丝部分中的至少两个部分的角刚度Ci随着温度变化而具有相反符号。

12.根据权利要求10和11中任一项所述的振荡器，其中所述振荡器包括由特别是选自单晶硅、多晶硅、非晶硅、石英、非晶氧化硅、掺杂硅、Fe-Ni基合金，和/或Nb-Zr-O合金中的材料制成的至少两个游丝部分，其中，单晶硅不考虑其晶向，惨杂硅不考率其掺杂剂类型和浓度，Fe-Ni基合金具有正数CTE。

13.根据权利要求10至12中任一项所述的振荡器，其中，至少两个不同部分采用如下形式：螺旋弹簧，直线簧片，或者螺旋弹簧、匝和直线簧片的组合。

14.根据权利要求10至13中任一项所述的振荡器，其中，所述振荡器包括至少一个不同的部分，其具有在所述不同部分的长度上变化的横截面。

15.根据权利要求10至14中任一项所述的振荡器，其中，所述振荡器包括平行设置的至少两个不同的部分，所述至少两个不同的部分包括位于同一平面内的簧片。

16.根据权利要求10至15中任一项所述的振荡器，其中，所述振荡器包括角复位游丝，所述角复位游丝包括平行设置的至少两个不同部分，并且所述振荡器包括附接至摆轮心轴的至少两个附件和/或附接到计时器机芯框架的至少两个附件。

17.一种计时器，特别是腕表，其中所述计时器包括如权利要求10至16中任一项所述的振荡器。