CN1985103A - 带温度补偿的摆轮/游丝振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机械表振荡器，包括一个由一螺旋和一带温度补偿的摆轮组成的组件。所述螺旋具体是一种石英基片，它的截面被以这样的方式选择，螺旋的和与之关联的摆轮的漂移被热补偿。该基片截面可以具体是一种单或双旋转截面的形式。所述发明被应用于钟表学。

Description

带温度补偿的摆轮/游丝振荡器

技术领域

[01]本发明总体上涉及机械振荡器，具体是涉及手表的机械振荡器，其包括一由游丝(hairspring，细弹簧)和摆轮(balance wheel)形成的温度补偿组件。

背景技术

[02]时钟的机械振荡器，也被称作调速器，其由一个被称作摆轮的飞轮和一个被称作游丝的螺旋弹簧组成，游丝一方面被固定到摆轮平衡轴(staff)上，另一方面又被固定到一个棘爪桥上，摆轮平衡轴在该棘爪桥上枢转。摆轮/游丝以一种频率绕它的平衡位置振荡，该频率必须被尽可能地保持恒定，因为它决定着时钟的运转。对于一种同类的且统一的游丝，这种振荡器的振荡周期由下面的表达式给出：

$T=2\mathrm{\π}\sqrt{\frac{J_b.L_s}{E_s.I_s}}$

[03]式中：

[04]J_b是摆轮/游丝的总转动惯量；

[05]L_s表示游丝的工作长度；

[06]E_s是游丝的弹性模量；和

[07]I_s是游丝的截面二次矩(second moment of section)。

[08]温度变化导致振荡周期的变化到第一级：

$\frac{\mathrm{\ΔT}}{T}=\frac{1}{2}\{\frac{\mathrm{\Δ}{J}_b}{J_b}+\frac{{\mathrm{\ΔL}}_s}{L_s}-\frac{{\mathrm{\ΔE}}_s}{E_s}-\frac{{\mathrm{\ΔI}}_s}{I_s}\}$

[09]即，一个对J_b，L_s和I_s的扩张效应以及一个对E_s的热弹性效应。随着温度的升高，前三项通常是正的(摆轮的扩张，游丝的伸长以及杨氏模量的减少)并且导致损耗，然而最后一项是负的(游丝的截面增大)并且导致增益。在过去，为了减轻这个问题，人们已经采取了几种方法来补偿频率的温度漂移。特别是，可以更加关注到通过对摆轮的转动惯量的热修正(比如一种由钢和黄铜制成的双金属摆轮)、或者通过使用特种合金(比如镍铁合金)来制造游丝以使之具有很低的热弹性系数的补偿方法。这些方法仍然很复杂，很难实现因而很昂贵。

[10]最近，在欧洲专利申请EP 02026147.5中，申请人描述了一种用于螺旋弹簧的弹簧刚度常数的热补偿方法，包括热氧化由硅基片制成的游丝。在游丝是由镍铁合金类型的钢(比如住房用合金尼瓦洛克斯合金(Nivarox-Far)S.A.)制造的情形下，由被氧化的硅制造的螺旋弹簧使得能够调节弹簧本身的热行为，可能会具有几个ppm/℃的轻微的过补偿。该过补偿的极限是由于在实际中所生产的最大氧化物厚度(通常小于4μm)以及由于硅游丝的截面的最小容许宽度(大于40μm)。因此，摆轮必须也被热补偿。这可以通过比如采用一种“glucydur”型的合金(一种铜-铍合金，也被称为″铍″)来实现，或者采用其它具有很低的热膨胀系数的合金。该方法也很复杂，而且，只是其它更加传统的方法，不能够校正其它等时性缺陷，诸如，因为例如振荡器上的各种摩擦作用、摆轮不平衡、游丝的质量中心偏离中心等等产生的缺陷。

发明内容

[11]本发明的一个目的是，通过提供一种用于时钟振荡器的游丝来克服上述现有技术的缺陷，其技术方案涉及热振动，它使得能够将摆轮/游丝组件保持为尽可能很少地依赖于所述热振动。更准确地说，本发明的游丝不仅被自动补偿，而且它能被制造成以致也能补偿摆轮的热漂移。

[12]本发明的另一目的是，还能够补偿摆轮/游丝在结构上所固有的等时性缺陷。

[13]这些目的可以通过具有在权利要求书中所限定的特征的振荡器来实现。

[14]更具体地，本发明的游丝是被制造在一种晶状石英基片上，它的切片(cut)以这样的方式选择，由游丝和摆轮组成的组件然后被热补偿。

[15]根据本发明的另一特征，游丝的形状被这样选择以致于补偿摆轮/游丝组件的非等时同步缺陷。

[16]石英在电子表领域是众所周知的，并且人们已经进行研究以便将石英用作振荡器，因为具有压电现象。根据传统的钟表学词汇，就采用了术语振荡器，然而，术语振动方式更加适用。所达到的频率约为32kHz。在运行状态下，所用石英晶体的性能不是必然稳定的，而且为了克服此缺点，石英晶体切片(切向)被如此选择，以便组合各种振动模式，从而获得完全稳定的性能。

[17]现在，在机械时钟中所用的螺旋摆轮实际上是振荡的，而且此现象纯粹是由于机械学的原因。振荡频率最多约5Hz.

[18]在上述两种应用情形下石英的性能是完全不同的。对于本领域的技术人员而言，没有理由在机械时钟中采用源自电子表的信息。有关电子表中所用石英振荡器的累积知识事实上不能被直接转用到螺旋弹簧上。

[19]石英螺旋弹簧的热行为本质上是由切片相对于石英晶体的光轴Z的倾角决定的。如图1所示，游丝的平面可以由一个ZY/φ/θ双旋转(此符号依据IEEE(电气和电子工程师学会)标准)来确定，其中φ是经度而θ是余纬度(游丝轴线相对于晶体的光轴Z的倾角)。

[20]晶体的刚性，包括在拉伸刚性和剪切刚性两方面，通常具有一个其曲率为负值的接近于0℃的倒置热点(thermal point of inversion)。它们在低温时变得更加刚硬。因而，它们在室温即25℃下的的第一导热系数通常是负值，具有负的曲率。它在几十到几百ppm/℃之间变化。石英是稀有晶体之一，这使得在室温下能够借助于切片即结构的定向来抵偿刚性的第一导热系数，并且甚至使之为正值，具有几十个ppm/℃的值。

[21]不象由被氧化的硅或者由镍铁合金型钢所制成的游丝那样，石英游丝不需要glucydur型的补偿摆轮。这使得能够补偿大多数标准的范围底部(bottom-of-the-range)不锈钢摆轮的热漂移，甚至在某些方面，使得能够比32kHz石英音叉的更良好。

[22]根据本发明的摆轮/游丝振荡器还具有下述全部或某些特征：

[23]-所述游丝被制造在石英基片上，其切片是一种双ZY/φ/θ旋转切片；

[24]-所述游丝被制造在石英基片上，其切片是一种单X/θ旋转切片；

[25]-所述游丝被制造在石英基片上，其切片是一种单Y/θ旋转切片；

[26]-所述角度θ是这样，所述游丝的第一级导热系数α补偿摆轮的热漂移；

[27]-所述角度θ是这样，表示摆轮/游丝组件的热漂移的曲线仍然被包含在钟表模型内；以及

[28]-所述游丝的厚度以及在可能情形下的节距被调幅，以便补偿摆轮的等时性缺陷。

附图说明

[29]在阅读下文对作为非局限性实例所作说明以及结合附图的基础上，本发明的其它目的、特征和优点将变得更加清楚，在这些附图中：

[30]-图1示出一种石英板，其已经经受了相对于晶体轴的ZY/φ/θ双旋转；

[31]-图2.a至2.b示出在诸如图1所示的板上所制造的一种游丝的刚性的第一α、第二β和第三γ导热系数的性能，作为角度θ和φ的函数；

[32]-图3.a至3.c示出这些相同导热系数的水平曲线；

[33]-图4示出一种石英板，其已经经受了绕X轴的单旋转；

[34]-图5.a至5.c示出在图4所示板上所制造的一种游丝的刚性的导热系数α，β和γ的变化；

[35]-图6示出频率的热漂移，其中游丝的X/θ切片与摆轮的系数α相匹配；以及

[36]-图7示出一种具有非等时性补偿的游丝的一个示例性实施例。

具体实施方式

[37]如上所示，石英游丝的热行为本质上取决于板的切片，其中该游丝被制造在该板上。这样，对于一种ZY/φ/θ双旋转切片，如图1所示，该游丝的刚性的第一级导热系数α、第二级导热系数β和第三级导热系数γ分别被示于图2.a至2.c中，其温度为25℃。垂直轴分别指示α、β和γ以ppm/℃、ppb/℃²和ppt/℃³表示的值。图3.a至3.c示出图2中曲线图的水平线。具体考虑图3.a，其涉及第一导热系数α，应当注意到，后者的值实际上是与角度φ无关的，但是随着角度θ变化。因为，而且，第二级和第三级导热系数的贡献证明是可以忽略的，由此得出结论，一种单旋转切片，比如一种X/θ切片，是足够用来制造一种根据本发明的游丝的，就是说，不仅能够补偿它本身的热漂移，而且能够补偿与之关联的摆轮的热漂移。在图4中示出了一种具有这样一个切片的板。它可以通过绕晶体的光轴X进行单旋转θ而获得。在这种类型的板上所制造的游丝将具有一个最大的弹性对称性，即相对于YZ平面的对称性和相对于游丝的轴(旋转后的Z′轴)的对称性。因而这些游丝将比那些被制造在双旋转切片板上的游丝能够被更好地弹性地平衡，并且将对它们的热补偿能力没有任何限制。应当指出，该简单的旋转也可以绕Y轴进行。

[38]图5.a至5.b分别示出对于由X/θ单旋转切片所形成的游丝而言刚性的导热系数α，β和γ的变化，它们作为角度θ的函数。所述系数在实际中是相对于轴θ＝0对称的。假如仅仅考虑第一系数α(其它更高等级的系数具有更低的且可能可以忽略的影响)，应当注意到，当θ＝±24.0°时，它等于零，而当θ＝0时它是最大值。在这一点，α等于13.466 ppm/℃，这与最大热补偿相一致，对于由具有X/θ＝0切片的石英所制造的游丝这是可能实现的。摆轮的热漂移取决于制造它所用的材料。这样，普通不锈钢的热膨胀系数典型地在10至15ppm/℃之间变化，而对于黄铜此系数的值是17ppm/℃。图6示出热补偿的几个实例，对于各种各样的摆轮材料，它们可以通过具有X/θ单旋转切片的游丝来实现。曲线C1至C3示出振荡器的频率的热漂移，振荡器包括各种类型的钢制摆轮，而曲线C4对应于一种具有黄铜材质摆轮的振荡器的频率的热漂移。应当注意到，相对于手表/精确记时计所安装的钟表模板(horological template)(帧R)(在23℃±15℃的温度范围内的一种小于±8s/天的频率变化)，可能会发现石英游丝的这种X/θ切片使得能够补偿更普通的摆轮的漂移，比如钢制摆轮。然而，对于一种黄铜材质的摆轮(曲线C4)，石英游丝的最大补偿不会使得可能完全地满足此钟表模板的这种要求。因此，对于一种给定的摆轮材料，就能够确定石英游丝的切片的角度θ，它提供调速器组件的最大可能的热补偿。

[39]根据本发明的另一特征，石英游丝还使得能够补偿振荡器的等时性缺陷。非等时同步的其中一个主要原因是摆轮的振幅的变化。此非等时同步变化可以是几个ppm/角度的度的等级，典型地是2ppm/角度的度，典型的是角度变化±25％。一种用于补偿等时性的公知方法包括作用于接近摆轮端头(stud)P的游丝端部的曲率。该方法需要特别熟练的人执行一个调节步骤-这从工业化的角度来讲不是一种最佳情形。根据本发明的一种变型，建议通过改变它的截面(section)的宽度来对匝(turn)的局部刚性起作用。调幅具有增加在与所述端头相对的侧面上的扇形内的匝的惯性以及局部刚性的作用。该截面的宽度的调幅函数比如是kcos(θ_m-θ)类型的，其中k是一个比例常数，θ代表所讨论截面的极角，而θ_m是在摆轮端头处的极角的值。当k等于0.4时，非等时性同步补偿大约是1ppm/角度的度。对于一个给定的振荡器，k的精确值可以根据经验或者通过数值模拟来确定。图7示出一种游丝，其在它的截面的宽度上具有这样一种调幅。所述匝的截面宽度调幅可以伴随着匝之间的节距调幅，从而在这些匝之间的差值保持恒定。当存在大的振幅时，后一种调幅(未示出)使得能够防止匝之间发生粘附。上文所描述的游丝可以通过石英加工领域普通技术人员所公知的任何方式来制造，比如湿法(化学的)腐蚀或者干法(等离子体)腐蚀。

[40]尽管已经针对具体的示例性实施例对本发明进行了描述，但是应当知道，可以进行修改或者变型而不脱离它的范围。例如，可以采用其它的匝的厚度调幅类型，诸如，匝的厚度从游丝的中心向端头进行线性变化，无论这是否是伴随着匝间节距的增加。

Claims (13)

1.机械振荡器，包括一游丝和一摆轮，

其特征在于：该游丝是被制造在一石英基片上，所述石英基片的切片被选择成用于补偿该游丝的和该摆轮的热漂移。

2.按照权利要求1所述的机械振荡器，其特征在于，所述石英基片的切片是一种双ZY/φ/θ旋转切片。

3.按照权利要求1所述的机械振荡器，其特征在于，所述石英基片的切片是一种单X/θ旋转切片。

4.按照权利要求1所述的机械振荡器，其特征在于，所述石英基片的切片是一种单Y/θ旋转切片。

5.按照权利要求3或4所述的机械振荡器，其特征在于，所述角度θ是这样：所述游丝的刚性的第一级导热系数α补偿所述的与之关联的摆轮的热漂移。

6.按照权利要求3至5任一项所述的机械振荡器，其特征在于，所述角度θ被确定成使得：表示所述振荡器的热漂移的曲线仍然被包含在钟表模型内。

7.按照权利要求3至6任一项所述的机械振荡器，其特征在于，所述摆轮由钢制成，并且角度θ的值在0°与±24°之间。

8.按照权利要求3至6任一项所述的机械振荡器，其特征在于，所述摆轮由黄铜制成，并且角度θ的值为0°。

9.按照前述任一项权利要求所述的机械振荡器，其特征在于，所述游丝的匝的厚度被调幅成用于补偿摆轮的等时性缺陷。

10.按照权利要求9所述的机械振荡器，其特征在于，所述厚度调幅是kcos(θ_m-θ)型的一个周期函数，其中k是一个比例常数，θ代表所讨论的游丝截面的极角，而θ_m是该游丝端头的位置的极角。

11.按照权利要求10所述的机械振荡器，其特征在于，所述比例常数等于0.4。

12.按照权利要求9所述的机械振荡器，其特征在于，所述厚度调幅是一从螺旋的中心向它的端头厚度的线性变化。

13.按照权利要求9所述的机械振荡器，其特征在于，所述游丝的匝的节距是这样：在两个连续匝之间的差值保持恒定。

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