EP4398046A1 - Optisches messverfahren für archimedische flachspiralen und spiralfeder mit dafür optimierter geometrie - Google Patents

Optisches messverfahren für archimedische flachspiralen und spiralfeder mit dafür optimierter geometrie Download PDF

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EP4398046A1
EP4398046A1 EP23150151.1A EP23150151A EP4398046A1 EP 4398046 A1 EP4398046 A1 EP 4398046A1 EP 23150151 A EP23150151 A EP 23150151A EP 4398046 A1 EP4398046 A1 EP 4398046A1
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EP
European Patent Office
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spiral spring
distance
along
windings
measuring
Prior art date
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Pending
Application number
EP23150151.1A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Uwe Heinz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Damasko Praezisionstechnik & Co Kg GmbH
Original Assignee
Damasko Praezisionstechnik & Co Kg GmbH
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Filing date
Publication date
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Priority to EP23213905.5A priority patent/EP4398047A1/de
Priority to DE102023133827.7A priority patent/DE102023133827A1/de
Priority to DE102023135139.7A priority patent/DE102023135139A1/de
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Pending legal-status Critical Current

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Definitions

  • the invention relates to an optical measuring method for determining the oscillation range of a spiral spring with several turns as well as a spiral spring for a mechanical clockwork and with geometry optimized for the measuring method.
  • Spiral springs in mechanical clockworks are Archimedean flat springs.
  • the windings of the so-called spiral blade run along respective circular paths in a common plane from an inner winding end to an outer winding end in a spiral shape.
  • the number of windings is typically between ten and fourteen, but spiral springs for mechanical clockworks with more or fewer windings are also known.
  • the distance between adjacent windings in spiral springs for mechanical clockworks is constant along the spiral path and is usually in a range between 0.08 mm and 0.2 mm.
  • the spiral spring together with the mass of an oscillating body, forms the oscillating and timing system, also known as the balance wheel.
  • the precise running of the clock is based on the spiral spring swinging back and forth as evenly as possible around its stress-free central position.
  • the spiral spring contracts and expands again; this is referred to as the "breathing" of the spiral spring.
  • the so-called oscillation range or amplitude corresponds to a full oscillation, i.e. a double deflection of the spiral spring from the central position in a first and a second, opposite direction and is therefore given in degrees.
  • the oscillation range is usually around 200° - 300°.
  • the oscillation period or frequency depends largely on the moment of inertia of the balance and is usually in the range of 1 to 5 oscillations per second.
  • the oscillation width and frequency are crucial for the accuracy of the movement and therefore must not have any or only very little Deviations from the intended target values are subject to change. Spiral springs with the most constant and unchanged oscillation behavior possible therefore make a significant contribution to the quality of a mechanical movement.
  • a spiral spring for mechanical clockworks is also known.
  • the active oscillation area of this spiral spring extends between the inner winding end, which is adjacent to a spiral spring fastening section, and the outer winding end, which has a spring holding point and is held by a holding element.
  • the spiral spring should be geometrically designed in such a way that the mass is reduced and the moment of inertia of the balance is thus positively influenced.
  • the active oscillation area should have several sub-areas, whereby the height and/or width of the spiral blade (which is rectangular here) of one sub-area differs from the height and/or width of another sub-area.
  • an optical measuring method during the oscillating movement of the spiral spring, in at least one winding section, a deflection of adjacent windings relative to one another and along their respective circular paths is optically recorded based on a variance in the distance between the adjacent windings along the winding section.
  • the distance between adjacent windings along a winding section or along the spiral course should not be constant, but should vary.
  • the evaluation of the optical measurement signals and the computational determination of the oscillation amplitude are preferably automated and integrated into the assembly line of a line assembly in watch movement production.
  • the signals recorded by the optical measuring devices are transmitted to a control module for this purpose.
  • the angular displacement is determined from the optical measurement signals obtained and the oscillation amplitude is calculated.
  • other values such as the number of turns of the spiral spring, their deviation from the Archimedean curve and/or logarithmic curve, the radial position of the monitored winding section, moment of inertia, breathing of the spiral spring, etc. can be taken into account in the programming and stored on the data carrier for this purpose.
  • the variance must not be too high to rule out the possibility of neighboring turns touching each other during the oscillation movement.
  • the distance should preferably vary by at least +/- 0.05 ⁇ m in order to optimize the optical detection, i.e. the maximum and minimum distance between the turns deviate from each other by at least 0.1 ⁇ m along the measuring section.
  • Such a variance can be optically recorded with modern measuring methods and can be used as a reference or reference for monitoring the relative movement and consequently the deflection of two neighboring turns with respect to each other.
  • the length of the measuring section preferably corresponds at least to the angular displacement. With an angular displacement in a range between 5° and 30°, a measuring distance of at least 0.1 mm to 0.9 mm results.
  • the windings move relative to one another in the oscillation movement, it is advantageous according to a variant of the invention to optically detect the deflection of neighboring windings relative to one another based on the distance between the neighboring windings, which varies steadily or continuously at least along a measuring section corresponding to the angular displacement.
  • a continuously changing optical measurement signal or image is obtained during the optical detection. This considerably simplifies the evaluation of the optical measurement signal to determine the maximum deflection, i.e. the point at which the oscillation movement reverses. At the same time, the susceptibility to errors is reduced.
  • the measuring height can, for example, correspond to a fraction, in particular half of the height of the adjacent turns, but also to the upper or lower longitudinal edge and depends on the specific geometry of the side surfaces of the adjacent turns facing each other, which causes the variance in the distance.
  • the accuracy or a deviation or error in the rate of a mechanical clockwork can be determined based on the determined oscillation width and/or frequency.
  • a target value/actual value comparison is carried out, whereby the determined oscillation width and/or frequency corresponds to the actual value and this is compared with a corresponding, previously determined target value.
  • the target value data can be stored in advance on an electronic data carrier of a control module suitable for carrying out the measuring method in order to carry out the optical measuring method automatically.
  • Such a spiral spring according to the invention has several windings which extend along respective circular paths forming a spiral, in particular Archimedean and/or logarithmic course and can be excited to an oscillating movement, in particular for timing a mechanical clockwork, with adjacent windings being deflected along their respective circular paths by an angular displacement relative to one another.
  • the spiral spring according to the invention is characterized in that the distance between the adjacent windings varies at least along a measuring section corresponding to the angular displacement ⁇ .
  • the variance of the distance between the adjacent turns along the measuring section is at least 0.05%, in particular at least 0.1%, at least 0.15% or at least 0.2% and more preferably at least 0.25%.
  • the variance should preferably be at most 1.5%, particularly preferably at most 1.0%.
  • the distance between the turns of a spiral spring for mechanical watch movements is constant along the entire spiral course and lies in a range of 0.06 mm to 0.25 mm.
  • Most spiral springs have a constant distance in a range of 0.08 mm to 0.2 mm.
  • this distance i.e. 0.08 mm or 0.2 mm
  • the distance differs at least along the measuring section by at least 6.0 ⁇ m, i.e. varies by +/- 3.0 ⁇ m.
  • the distance along the measuring section can (also) vary continuously or steadily.
  • the geometry of the side surfaces facing each other can be designed to follow a concave and/or convex course over the height and/or to enclose an opening angle in between and/or to have a rounded or bevelled transition area in the area of the upper and/or lower longitudinal edge, wherein the concave and/or convex profile and/or the opening angle and/or the rounding or bevelling of the transition area along the measuring section may vary.
  • the distance between the adjacent windings is the same over the entire height of the side surfaces facing each other and varies along the measuring section.
  • a continuous or continuously varying or irregular course of the upper and lower longitudinal edges along the measuring section can continue into the corresponding side surfaces, so that a Spiral blade creates a constant distance between the adjacent turns that varies along the measuring section.
  • the force coming from the spring barrel is transferred to the oscillation system 200 so that the spiral spring 100 oscillates as evenly as possible about its stress-free central position.
  • the oscillating body 210 causes the spiral spring 100 to be pre-tensioned, which generates a return torque that causes the spiral spring 100 to return to its central position.
  • the oscillating body 210 is given kinetic energy, causing the spiral spring 100 to oscillate in the other direction beyond its central position.
  • the spiral spring 100 oscillates back and forth once according to its oscillation range. Oscillation ranges of flat spiral springs for mechanical clockworks are usually between 200° and 300°.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Spiralfeder (100), geeignet zur Verwendung in einem optischen Messverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit mehreren Windungen (110), die sich entlang jeweiliger Kreisbahnen einen spiralförmigen Verlauf bildend erstrecken, welche Spiralfeder (100), insbesondere zur Taktgebung eines mechanischen Uhrwerks, zu einer Schwingungsbewegung anregbar ist, wobei benachbarte Windungen (110) entlang ihrer jeweiligen Kreisbahnen um eine Winkelverschiebung (β) zueinander ausgelenkt werden. Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das Schwingungsverhalten von Spiralfedern anhand charakteristischer Geometrien zu bestimmen, und insbesondere ein nicht invasives, berührungsloses Messverfahren bereitzustellen, welches in automatisierten Montagestraßen in der Linienmontage bei der Uhrwerksfertigung einsetzbar ist. Gelöst wird die Aufgabe dadurch, dass der Abstand (x) zwischen den benachbarten Windungen (110) zumindest entlang einer der Winkelverschiebung (β) entsprechenden Messstrecke variiert.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein optisches Messverfahren zur Bestimmung der Schwingungsweite einer Spiralfeder mit mehreren Windungen sowie eine Spiralfeder für ein mechanisches Uhrwerk und mit für das Messverfahren optimierter Geometrie.
  • Spiralfedern mechanischer Uhrwerke sind archimedische Flachfedern. Die Windungen der sogenannten Spiralklinge verlaufen entlang jeweiliger Kreisbahnen in einer gemeinsamen Ebene von einem inneren Windungsende zu einem äußeren Windungsende spiralförmig. Die Anzahl der Windungen liegt typischerweise zwischen zehn und vierzehn, es sind aber auch Spiralfedern für mechanische Uhrwerke mit mehr oder weniger Windungen bekannt. Der Abstand zwischen benachbarten Windungen bei Spiralfedern für mechanische Uhrwerke ist entlang des Spiralverlaufs konstant und liegt üblicherweise in einem Bereich zwischen 0,08 mm und 0,2 mm. Im mechanischen Uhrwerk bildet die Spiralfeder zusammen mit der Masse eines Schwingkörpers das schwingungsfähige und taktgebende Schwingsystem, auch als Unruh bezeichnet. Der exakte Gang der Uhr basiert dabei auf dem möglichst gleichmäßigen Hin- und Herschwingen der Spiralfeder um ihre spannungsfreie Mittellage. Während der Schwingungsbewegung der Spiralfeder bewegen sich die einzelnen Windungen entlang ihrer jeweiligen Kreisbahnen. Hierbei zieht sich die Spiralfeder zusammen und wieder auseinander, man spricht vom "Atmen" der Spiralfeder. Die sogenannte Schwingungsweite oder Amplitude entspricht einer vollen Schwingung, also einer zweifachen Auslenkung der Spiralfeder aus der Mittellage in eine erste und eine zweite, entgegengesetzte Richtung und wird daher in Winkelgrad angegeben. Bei Spiralfedern für mechanische Uhrwerke liegt die Schwingungsweite standardmäßig bei etwa 200° - 300°.
  • Die Schwingungsdauer oder -frequenz hängt wesentlich vom Trägheitsmoment der Unruh ab und liegt üblicherweise im Bereich von 1 bis 5 Schwingungen pro Sekunde. Schwingungsweite und -frequenz sind maßgeblich für die Ganggenauigkeit des Uhrwerks und dürfen folglich keinen oder nur sehr geringen Abweichungen von den jeweils vorgesehenen Sollwerten unterliegen. Spiralfedern mit möglichst konstantem und unverändertem Schwingverhalten leisten daher einen wesentlichen Beitrag zur Qualität eines mechanischen Uhrwerks.
  • Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Werkstoffe und verschiedene Verfahren zur Herstellung von Spiralfedern bekannt. Die gängigsten Werkstoffe für Spiralfedern umfassen Glas, Keramik, Kohlenstoffe, Metalle und Metalllegierungen, aber auch Bornitrid, Siliziumkarbid oder Diamant. Bekannte Herstellungsverfahren sind Wickeln, Laserbearbeitung, Gießen und Ähnliches. In der jüngeren Vergangenheit hat sich außerdem die Herstellung von Spiralfedern aus mono- oder polykristallinem Silizium mittels des reaktiven Ionenätzens etabliert. Das bekannteste Ätzverfahren für Siliziumbauteile ist das sogenannte DRIE-Verfahren (Deep Reactive Iron Etch). Derartige Ätzverfahren sind hinreichend im Stand der Technik beschrieben. Derzeit sind Strukturen bis 2,5 nm durch Fotomasken abbildbar. Durch Einstellung der Ätzgeschwindigkeit und die Wahl der Technologie für das Seitenwandätzen kann die Geometrie der Spiralklinge eingestellt werden. Optional kann nach dem Ätzprozess noch eine Beschichtung erfolgen, welche ebenfalls zur Beeinflussung der Geometrie der Spiralklinge nutzbar ist.
  • Beim reaktiven Ionenätzen von Silizium können daher besonders hochwertige Bauteile mit exakter Geometrie erhalten werden. So ist beispielsweise aus der EP 3 452 874 B1 eine Spiralfeder aus Silizium für ein mechanisches Uhrwerk bekannt, die durch reaktives Ionenätzen hergestellt worden ist. Die Patentschrift beschäftigt sich mit der Problematik, dass aufgrund der hervorragenden Oberflächenbeschaffenheit der glatten Seitenflächen der Spiralklinge, deren Windungen bei Stößen, die das Uhrwerk erleidet, oder bei schlechter Handhabung während der Montage, aneinanderhaften können. Um ein derartiges Aneinanderhaften zu vermeiden, wird eine Spiralfeder vorgeschlagen, deren Spiralklinge im Querschnitt eine Abweichung von der üblicherweise rechteckigen Form aufweisen soll. Konkret sollen die jeweiligen Flanken oder Seitenflächen zwar geradlinig und mit geringer Oberflächenrauheit ausgebildet, jedoch um einen Flankenwinkel α von mindestens 2,5° gegenüber der Vertikalen geneigt sein. Im Radialschnitt der Spiralklinge ergibt sich so eine Trapezform, wobei die obere und untere Fläche der Spiralklinge zueinander parallel sind.
  • Aus der WO 2014/203085 A1 ist ebenfalls eine Spiralfeder für mechanische Uhrwerke bekannt. Der aktive Schwingungsbereich dieser Spiralfeder erstreckt sich zwischen dem inneren Windungsende, welches an einen Spiralfederbefestigungsabschnitt angrenzt und dem äußeren Windungsende, welches einen Federhaltepunkt aufweist und von einem Halteelement gehalten wird. Um das Schwingungsverhalten zu verbessern, soll die Spiralfeder geometrisch derart ausgebildet werden, dass die Masse reduziert und so das Trägheitsmoment der Unruh positiv beeinflusst wird. Hierzu soll der aktive Schwingungsbereich mehrere Teilbereiche aufweisen, wobei sich Höhe und/oder Breite der hier rechteckigen Spiralklinge eines Teilbereichs gegenüber der Höhe und/oder Breite eines anderen Teilbereichs unterscheiden. Innerhalb des jeweiligen Teilbereichs ist die Höhe bzw. die Breite der Spiralklinge stets konstant. Die unterschiedlichen Teilbereiche können direkt bei der Herstellung der Spiralfeder erzeugt werden. Die WO 2014/203085 A1 schlägt hierzu vor, die Spiralfeder mittels eines Ätzverfahrens aus einer Platte heraus zu ätzen. Auf die Oberfläche der Platte soll eine Fotomaske aufgebracht werden, auf welcher die Strukturen bzw. Abmessungen der zu ätzenden Bauteile lithographisch abgebildet werden.
  • Im Anschluss an die Herstellung von Spiralfedern wird im Rahmen einer Qualitätskontrolle deren Schwingungsverhalten bei der Montage und Regelage überprüft. Hierzu wird üblicherweise eine Körperschall-Messung mittels eines Körperschall-Mikrofons durchgeführt und grafisch dargestellt. Dieser Messvorgang erfolgt nicht automatisiert und ist daher vergleichsweise zeitaufwendig.
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das Schwingungsverhalten von Spiralfedern, insbesondere mit archimedischem und/oder logarithmischem Verlauf, anhand charakteristischer Geometrien zu bestimmen, und insbesondere ein nicht invasives, berührungsloses Messverfahren bereitzustellen, welches in automatisierten Montagestraßen in der Linienmontage bei der Uhrwerksfertigung einsetzbar ist.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch ein optisches Messverfahren gemäß Anspruch 1, und durch eine Spiralfeder mit für das Messverfahren optimierter Geometrie gemäß Anspruch 10.
  • Bei einem erfindungsgemäßen optischen Messverfahren wird während der Schwingungsbewegung der Spiralfeder, in mindestens einem Windungsabschnitt eine Auslenkung benachbarter Windungen zueinander und entlang ihrer jeweiligen Kreisbahnen, anhand einer Varianz des Abstands zwischen den benachbarten Windungen entlang des Windungsabschnitts optisch erfasst. Anders als im Stand der Technik, soll für das erfindungsgemäße optische Messverfahren der Abstand zwischen benachbarten Windungen entlang eines Windungsabschnitts bzw. entlang des Spiralverlaufs also nicht konstant sein, sondern variieren.
  • Vorzugsweise schließt sich das Messverfahren unmittelbar an die Montage des Uhrwerks an, sodass die Spiralfeder noch in der Montagelinie, im montierten Zustand vermessen wird. Das heißt, das äußere und das innere Windungsende sind bereits mit den entsprechenden Halteelementen des Schwingsystems montiert und folglich fixiert. Für das optische Messverfahren wird der aktive Schwingungsbereich der Spiralfeder in Schwingung versetzt, wodurch sich die einzelnen Windungen entlang ihrer Kreisbahnen um den Mittelpunkt der Spiralfeder bzw. die Drehachse des Schwingkörpers hin und her bewegen. Einander benachbarte Windungen unterliegen hierbei einer relativen Bewegung, die in einer Auslenkung der Windungen zueinander resultiert.
  • Erfindungsgemäß wird diese Auslenkung zweier benachbarter Windungen zueinander mit optischen Messmitteln, bspw. zur Aufzeichnung der Bewegung oder mittels Lasermessung bzw. Laserscanning berührungslos erfasst. Als Bezug oder Referenz für das optische Messmittel fungiert der Abstand zwischen den Windungen. Hierzu darf der Abstand in Längsrichtung der Windungen, also dem Spiralverlauf folgend, aber nicht konstant sein, da die relative Bewegung sonst optisch nicht erkennbar wäre. Eine "Visualisierung" der relativen Bewegung oder Auslenkung benachbarter Windungen zueinander erfolgt nämlich, indem deren Abstand entlang des Windungsabschnitts, durch die Bauteilgeometrie der Spiralfeder bedingt, variiert. Durch den bauteilgeometriebedingt variierenden Abstand ergibt sich eine optimierte Abtastmöglichkeit zur Konturerkennung für die optischen Messmittel, um den Grad der Auslenkung benachbarter Windungen zueinander zu jedem Zeitpunkt der Schwingungsbewegung fehlerfrei erfassen zu können.
  • Anhand der optisch erfassten, maximalen Auslenkung, wenn also die Schwingungsbewegung ihren Umkehrpunkt erreicht, d. h. die benachbarten Windungen eine umgekehrte, relative Bewegung ausführen, wird dann die daraus resultierende Winkelverschiebung der benachbarten Windungen zueinander in Winkelgrad bestimmt. Typische Werte für die Winkelverschiebung von Spiralfedern für mechanische Uhrwerke liegen in einem Bereich zwischen 5° und 30°.
  • Auf Basis der Winkelverschiebung wird schließlich die Schwingungsweite und/oder die Schwingungsfrequenz der Spiralfeder rechnerisch ermittelt. Bei einer Schwingbewegung der Spiralfeder wird der radiale Winkelweg bzw. die Winkelverschiebung der einzelnen Windungen der Spiralfeder von außen nach innen, z. B. beim Zusammenziehen, immer kleiner, diese Abweichung lässt sich dynamisch messen. Auch die Abstände zwischen den Windungen verändern sich beim Atmen, also dem periodischen Zusammen- bzw. Auseinanderziehen der Spiralfeder. Anders als die erfindungsgemäße Varianz des Abstands ist diese Änderung aber nicht durch die Bauteilgeometrie, insbesondere die Geometrie der Windungsabschnitte, sondern durch die Schwingungsbewegung selbst bedingt und in der Ruhelage nicht erkennbar. Dieses Atmen der Spiralfeder ist bekannt bzw. kann gemessen werden und sollte zur Berechnung von Schwingungsweite und/oder die Schwingungsfrequenz berücksichtigt werden. Für den mittleren Abstand, welcher erfindungsgemäß durch die Bauteilgeometrie bedingt variieren soll, ist daher vorzugsweise nicht der Abstand der Windungen in der Ruhelage der Spiralfeder zugrunde zu legen, sondern der sich während der Schwingungsbewegung dynamisch verändernde Windungsabstand der Spiralfeder.
  • Die Auswertung der optischen Messsignale und die rechnerische Ermittlung der Schwingungsweite sind vorzugsweise automatisiert und in die Montagestraße einer Linienmontage bei der Uhrwerksfertigung integriert. Die von den optischen Messmitteln erfassten Signale werden hierzu an ein Steuerungsmodul übermittelt. Anhand einer auf einem elektronischen Datenträger des Steuerungsmoduls hinterlegten Programmierung wird aus den erhaltenen optischen Messsignalen die Winkelverschiebung bestimmt und die Schwingungsweite rechnerisch ermittelt. Für die Berechnung können in der Programmierung weitere Werte, wie bspw. die Anzahl der Windungen der Spiralfeder, deren Abweichung vom archimedischen Verlauf und/oder logarithmischen Verlauf, die radiale Position des überwachten Windungsabschnitts, Trägheitsmoment, Atmen der Spiralfeder usw. berücksichtigt werden und hierzu auf dem Datenträger hinterlegt sein. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht und werden nachfolgend näher erläutert.
  • So kann nach einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung für die optische Erfassung der Auslenkung benachbarter Windungen zueinander mindestens ein Windungsabschnitt festgelegt werden, innerhalb dessen die Varianz des Abstands zwischen den benachbarten Windungen zumindest entlang einer der Winkelverschiebung entsprechenden Messstrecke mindestens 0,05 %, insbesondere mindestens 0,1 % beträgt, weiter bevorzugt 0,25 % und vorzugsweise höchstens 3,0 %.
  • Vorteilhaft ist es nämlich, nicht den gesamte Verlauf der Spiralfeder, sondern einen vorab festgelegten Windungsabschnitt optisch zu überwachen. Hierdurch lässt sich der apparative Aufwand des Messverfahrens verringern, wodurch die optischen Messmittel weniger Platz benötigen und folglich einfacher im Bereich der im Uhrwerk vormontierten Spiralfeder positioniert werden können.
  • Grundsätzlich gilt, je höher die Varianz, umso genauer bzw. einfacher und mit entsprechend geringerem Aufwand kann die Auslenkung der benachbarten Windungen zueinander mit optischen Messmitteln erfasst werden. Die Varianz darf aber auch nicht zu hoch sein, um auszuschließen, dass sich benachbarte Windungen bei der Schwingungsbewegung berühren könnten. Bei einem beispielhaften Abstand zweier benachbarter Windungen von bspw. 0,1 mm und einer Varianz von insbesondere 0,05 % sollte der Abstand vorzugsweise, um die optische Erfassung zu optimieren, also um mindestens +/- 0,05 µm variieren, d. h. der maximale und der minimale Abstand zwischen den Windungen weicht entlang der Messstrecke um mindestens 0,1 µm voneinander ab. Eine derartige Varianz ist mit modernen Messverfahren optisch erfassbar und kann als Referenz bzw. Bezug zur Überwachung der relativen Bewegung und folglich der Auslenkung zweier benachbarter Windungen zueinander genutzt werden. Die Länge der Messstrecke entspricht vorzugsweise mindestens der Winkelverschiebung. Bei einer Winkelverschiebung in einem Bereich zwischen 5° und 30°, resultiert eine Messstrecke von mindestens 0,1 mm bis 0,9 mm Länge.
  • Dadurch, dass sich die Windungen in der Schwingungsbewegung relativ zueinander bewegen, ist es nach einer Erfindungsvariante vorteilhaft, die Auslenkung benachbarter Windungen zueinander anhand des zumindest entlang einer der Winkelverschiebung entsprechenden Messstrecke stetig oder kontinuierlich variierenden Abstands zwischen den benachbarten Windungen optisch zu erfassen. Bei einer kontinuierlichen Varianz oder Änderung des Abstands, also einer kontinuierlichen Zu- oder Abnahme oder einem kontinuierlichen Wechsel zwischen Zu- und Abnahme des Abstands, wird bei der optischen Erfassung ein sich kontinuierlich veränderndes optisches Messsignal oder Bild erhalten. Hierdurch wird die Auswertung des optischen Messignals zur Bestimmung der maximalen Auslenkung, also dem Punkt, an dem sich die Schwingungsbewegung umkehrt, erheblich vereinfacht. Gleichzeitig wird so die Fehleranfälligkeit gesenkt. Anhand einer kontinuierlichen Varianz können nämlich für die jeweilige Positionierung der Windungen zueinander charakteristische Abstandsmuster softwaregestützt ermittelt werden, anhand derer beispielsweise die Richtung der Schwingungsbewegung und/oder der Grad der Auslenkung benachbarter Windungen zueinander zu jedem Zeitpunkt eindeutig bestimmt werden können. Dabei hat es sich ebenfalls als Vorteil erwiesen, dass der insbesondere kontinuierlich variierende Abstand einer stetig verlaufenden Änderung unterliegt, also stetig variiert. Hierdurch werden Spitzen oder "Ausreißer" des optischen Messsignals vermieden.
  • Grundsätzlich ist es denkbar, den Abstand zwischen benachbarten Windungen als die jeweils orthogonal auf die einander zugewandten Seitenflächen der benachbarten Windungen orthogonal auftreffende Verbindungslinie zu definieren. Um die für das optische Messverfahren erforderliche Varianz des Abstands zu erzeugen, wird die Geometrie der Spiralfeder bzw. der Spiralklinge so verändert, dass die Seitenflächen nicht dem üblicherweise vertikalen Verlauf folgen. Vorzugsweise wird der Abstand daher als radialer Abstand zwischen den benachbarten Windungen entlang eines Radius der Spiralfeder ausgehend von einer Seitenfläche einer der Windungen hin zu der gegenüberliegenden Seitenfläche der anderen Windung definiert.
  • Wegen der veränderten, optimierten Geometrie der Spiralklinge kann es nach einer ebenso vorteilhaften Erfindungsvariante erforderlich sein, die Varianz des Abstands zwischen den benachbarten Windungen entlang des Windungsabschnitts auf einer in Bezug auf die Höhe der Spiralklinge, insbesondere der benachbarten Windungen definierten Messhöhe zu erfassen. Die Messhöhe kann bspw. einem Bruchteil, insbesondere der Hälfte der Höhe der benachbarten Windungen aber auch der oberen oder unteren Längskante entsprechen und hängt von der konkreten und die Varianz des Abstands bewirkenden Geometrie der einander zugewandten Seitenflächen der benachbarten Windungen ab.
  • Die Messhöhe wird daher auf Basis der Geometrie der Spiralklinge, insbesondere der einander zugewandten Seitenflächen festgelegt. Entsprechende Daten, zur konkreten Geometrie der Spiralklinge, zumindest in einem Windungsabschnitt der Spiralfeder, können bspw. auf einem elektronischen Datenträger hinterlegt werden und anschließend für die Einstellung der Parameter im optischen Messverfahren genutzt werden.
  • Um den Abstand zwischen benachbarten Windungen fehlerfrei zu erfassen ist es nach einer Ausführung der Erfindung besonders vorteilhaft, dass für die optische Erfassung vorgesehene optische Messmittel, insbesondere Lichtquelle(n) und/oder Lichtempfänger von oben oder unten gerade, d. h. parallel zur Achse der Spiralfeder oder alternativ schräg, einen Winkel größer oder kleiner 90° mit der Achse der Spiralfeder einschließend, auf den zu überwachenden Windungsabschnitt bzw. die benachbarten Windungen ausgerichtet sind.
  • Durch das optische Messverfahren und ggf. nachgeschaltete (Bild)-Auswertungssoftware ist ein hochpräzises, direktes Überwachen von Bewegungsabläufen möglich. Die einander benachbarten Windungen der Spiralfeder weisen während der Schwingungsbewegung entlang des überwachten Windungsabschnitts ein durch den variierenden Abstand charakteristisches Bildmuster auf, welches als Bezug bzw. Referenz für die (Bild)-Auswertungssoftware dient. Für das optische Messverfahren geeignete und im Stand der Technik hinreichend beschriebene Messverfahren sind bspw. die Laser-Doppler Vibrometrie, Laser interferometrische Vibrometrie, Weißlicht-Interferometrie, auch mit konfokalem Mikroskop, 2D/3D-Laserscanning, hochauflösende Digitalmikroskopie mit Videofunktion und/oder kombinierte Laserlicht- und Weißlicht Mikroskopie für 2D/3D Scanning. Bei der Weißlicht-Interferometrie handelt es sich um ein rein optisches Messverfahren, welches bis zu einer Million Bilder pro Sekunde aufnimmt. Eine nachgeschaltete Software bzw. hinterlegte Programmierung kann anhand der Unregelmäßigkeiten, die sich aus der Varianz des Abstands ergeben, die Auslenkung bzw. die maximale Auslenkung oder Winkelabweichung der benachbarten Windungen zueinander bestimmen. Bei der Laserinterferometrie bspw. wird die Geometrie bzw. der Abstand der zueinander benachbarten Windungen mittels eines Lasers mit 1 Million Punkte pro Sekunde gescannt oder abgetastet.
  • Die oben genannten Messverfahren können allein oder in Kombination eingesetzt werden. Insbesondere in Kombination lässt sich eine hochpräzise, qualitative Aussage über das Schwingverhalten der Spiralfeder treffen und Ansatzpunkte für gezielte Eingriffe ermitteln.
  • Wegen der sekundenschnellen Messwertaufnahme und -auswertung ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders zum Einsatz in automatisierten Montagestraßen, in der Linienmontage bei der Uhrwerkfertigung, einsetzbar. Die Prüfung und zugleich Regulierung der Spiralfeder kann vollautomatisch erfolgen. Auch ist das Verfahren sehr gut geeignet zum Vorregulieren von kompletten Schwingsystemen als Einzelplatzmessung. Es wird durch das Messsystem direkt an der Spirale bzw. an einem definierten Windungsabschnitt die Schwingungsweite, die Frequenz und der Gang der Uhr angezeigt. Auch etwaige Störeinflüsse wie Eigenfrequenzen und Auslenken aus der Spiralebene während der Schwingung werden sichtbar gemacht. Diese Messungen erfolgen innerhalb weniger Sekunden.
  • Bedarfsweise, im Zuge einer Qualitätskontrolle und insbesondere zur Bestimmung der Ganggenauigkeit eines mechanischen Uhrwerks, kann nach einer optionalen Verfahrensvariante die Schwingungsfrequenz anhand der Schwingungsdauer der Spiralfeder ermittelt werden. Ein einmalige Auslenkung zweier benachbarter Windungen zueinander um die Winkelabweichung entspricht einer Halbschwingung der Spiralfeder. Anhand einer Messung der hierfür benötigten Zeitdauer kann die Anzahl an Halbschwingungen oder vollständigen Schwingungen (also zwei Halbschwingungen) pro Zeiteinheit und folglich die Schwingungsfrequenz bestimmt werden.
  • Schließlich kann nach einer vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens die Ganggenauigkeit bzw. eine Gangabweichung oder ein Gangfehler eines mechanischen Uhrwerks anhand der ermittelten Schwingungsweite und/oder -frequenz erfolgen. Hierzu wird ein Sollwert-/IstwertVergleich durchgeführt, wobei die ermittelte Schwingungsweite und/oder - frequenz dem Istwert entspricht und dieser mit einem entsprechenden, zuvor festgelegten Sollwert verglichen wird. Vorzugsweise können die Sollwertdaten zur automatisierten Durchführung des optischen Messverfahrens vorab auf einem elektronischen Datenträger eines zur Durchführung des Messverfahrens geeigneten Steuerungsmoduls hinterlegt werden.
  • Vorzugsweise wird eine für das erfindungsgemäße Messverfahren optimierte Geometrie der Spiralklinge der Spiralfeder bereits bei deren Herstellung berücksichtigt, d. h. die Spiralfeder kann mit mindestens einem Windungsabschnitt hergestellt werden, der sich aufgrund der Geometrie der einander zugewandten Seitenflächen zur optischen Erfassung der relativen Auslenkung benachbarter Windungen eignet. Die Geometrie der Seitenflächen wird hierzu derart ausgebildet, dass der Abstand zwischen den benachbarten Windungen entlang des Windungsabschnitts variiert. Entsprechende Daten, zur konkreten Geometrie der Spiralklinge, zumindest in einem Windungsabschnitt, können für ein automatisiertes Herstellungs- und Messverfahren auf einem elektronischen Datenträger hinterlegt und sowohl zur Festlegung entsprechender Parameter im optischen Messverfahren, wie Messhöhe oder Abstandsdefinition, als auch zur Festlegung der Parameter für die Herstellung der Spiralfeder zur Verfügung gestellt werden.
  • Die eingangs gestellte Erfindungsaufgabe wird daher auch durch eine Spiralfeder, die sich zur Verwendung in dem erfindungsgemäßen optischen Messverfahren eignet und deren Geometrie dafür optimiert ist, gelöst.
  • Eine derartige, erfindungsgemäße Spiralfeder weist mehrere Windungen auf, die sich entlang jeweiliger Kreisbahnen einen spiralförmigen, insbesondere archimedischen und/oder logarithmischen Verlauf bildend erstrecken und ist, insbesondere zur Taktgebung eines mechanischen Uhrwerks, zu einer Schwingungsbewegung anregbar, wobei benachbarte Windungen entlang ihrer jeweiligen Kreisbahnen um eine Winkelverschiebung zueinander ausgelenkt werden. Die erfindungsgemäße Spiralfeder kennzeichnet sich dadurch, dass der Abstand zwischen den benachbarten Windungen zumindest entlang einer der Winkelverschiebung β entsprechenden Messstrecke variiert.
  • Anders als die aus dem Stand der Technik bekannten Spiralfedern, bei welchen der Abstand zwischen benachbarten Windungen entlang der Längserstreckung also dem Spiralverlauf folgend konstant ist, weist die erfindungsgemäße Spiralfeder einen variierenden oder variablen Abstand auf.
  • Um die Erfassung der Schwingungsbewegung und die relative Auslenkung, die während der Schwingung zwischen benachbarten Windungen stattfindet, mit optischen Messmitteln bzw. Messverfahren zu erleichtern, beträgt nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Spiralfeder die Varianz des Abstands zwischen den benachbarten Windungen entlang der Messstrecke mindestens 0,05 %, insbesondere mindestens 0,1 %, mindestens 0,15 % oder mindestens 0,2 % und weiter bevorzugt mindestens 0,25 %. Je höher die Varianz, desto präziser lässt sich die relative Auslenkung mit optischen Mitteln erfassen und desto zuverlässiger sind die ermittelten Werte für Schwingungsweite und/oder - frequenz. Um ein weiterhin gleichmäßiges Schwingungsverhalten zu gewährleisten und um insbesondere zu vermeiden, dass die benachbarten Windungen einander während der Schwingungsbewegung berühren, sollte die Varianz vorzugsweise höchstens 1,5 % betragen, besonders bevorzugt höchstens 1,0 %.
  • Üblicherweise ist der Abstand zwischen den Windungen einer Spiralfeder für mechanische Uhrwerke entlang des vollständigen Spiralverlaufs konstant und liegt in einem Bereich von 0,06 mm bis 0,25 mm. Die meisten Spiralfedern weisen einen konstanten Abstand in einem Bereich von 0,08 mm bis 0,2 mm auf. Für den gemäß dieser Ausgestaltung variierenden Abstand wird dieser Abstand (d. h. 0,08 mm bzw. 0,2 mm) jeweils als beispielhafter, mittlerer Abstand angenommen, daraus ergibt sich bei einer Varianz von mindestens 0,05 % ein Bereich für die Mindest-Varianz (= 0,05 %) von 0,04 µm - 0,1 µm und die Höchst-Varianz (= 1,5 %) von 1,2 µm - 3,0 µm. Für eine Spiralfeder, deren benachbarte Windungen einen mittleren Abstand von 0,2 mm zueinander aufweisen, unterscheidet sich der Abstand zumindest entlang der Messtrecke um mindestens 6,0 µm, variiert also um +/- 3,0 µm. Alternativ oder optional kann der Abstand entlang der Messstrecke (auch) kontinuierlich oder stetig variieren.
  • Der variierende Abstand wird nach bevorzugter Erfindungsausführung durch die Geometrie der einander zugewandten Seitenflächen der benachbarten Windungen der Spiralfeder bewirkt. Die Geometrie der einander zugewandten Seitenflächen ist dabei derart ausgebildet, dass der Abstand zwischen den Windungen entweder über die vollständige Höhe der Spiralklinge, oder lediglich auf einer bestimmten Höhe, oder einem bestimmten Höhenbereich entlang der Messstrecke variiert.
  • Vorzugsweise ist die Höhe der Spiralklinge entlang des vollständigen Spiralverlaufs konstant und liegt bspw. in einem Bereich zwischen 120 µm und 140 µm. Auch die Breite der Spiralklinge, welche üblicherweise in etwa 40 µm beträgt, ist grundsätzlich entlang des vollständigen Spiralverlaufs konstant. Durch die veränderte Geometrie der einander zugewandten Seitenflächen treten jedoch Abweichungen auf, die der Varianz des Abstands zwischen den benachbarten Windungen entsprechen.
  • In Weiterbildung dieser Erfindungsausführung kann der Abstand zwischen den benachbarten Windungen bspw. im Bereich der unteren Längskante von dem Abstand zwischen den benachbarten Windungen im Bereich der oberen Längskante der einander zugewandten Seitenflächen abweichen, wobei der Abstand im Bereich der oberen Längskante und/oder im Bereich der unteren Längskante entlang der Messstrecke variiert. Insbesondere kann der Abstand im Bereich einer der Längskanten, vorzugsweise der oberen Längskante entlang des vollständigen Spiralverlaufs konstant sein und im Bereich der anderen Längskante, vorzugsweise der unteren Längskante, zumindest entlang der Messstrecke variieren. Hieraus kann sich dann eine ebenfalls konstante Breite der Spiralklinge im Bereich der oberen und eine entsprechend der Varianz des Abstands zumindest entlang der Messstrecke abweichende Breite der Spiralklinge im Bereich der unteren Längskante ergeben. Die Bezeichnung "obere" und "untere" Längskante bezieht sich auf die Einbaulage der Spiralfeder bzw. des Uhrwerks in einem Chronographen, und zwar von dessen Rückseite aus in Richtung des Ziffernblatts betrachtet.
  • Hierzu kann in besonders vorteilhafter Weiterbildung insbesondere die Geometrie der einander zugewandten Seitenflächen einem über die Höhe konkaven und/oder konvexen Verlauf folgend und/oder einen dazwischenliegenden Öffnungswinkel einschließend und/oder im Bereich der oberen und/oder unteren Längskante einen abgerundeten oder angeschrägten Übergangsbereich aufweisend ausgebildet sein, wobei der konkave und/oder konvexe Verlauf und/oder der Öffnungswinkel und/oder die Abrundung oder Anschrägung des Übergangsbereichs entlang der Messstrecke variieren.
  • Ein konkaver und/oder konvexer Verlauf der Seitenfläche kann wahlweise auf einer oder auf beiden Seitenflächen ausgebildet sein, wobei sich der Verlauf entweder über die gesamte Höhe oder lediglich einen Teilbereich der Höhe erstreckt. Ein angeschrägter und/oder abgerundeter Übergangsbereich ist an der oberen und/oder unteren Längskante einer oder beider Seitenflächen ausgebildet. Um eine ausreichende Varianz des Abstands zu bewirken, beträgt eine Varianz des Übergangsbereichs entlang der Messtrecke vorzugsweise mindestens 25 %, insbesondere mindestens 40 %. Bei einer mittleren Kantenverrundung von 2,0 µm sollte die Varianz bspw. mindestens 0,5 µm betragen, die Kantenverrundung also mindestens von 1,5 µm bis 2,5 µm variieren. Der Öffnungswinkel kann durch einen über die Höhe schrägen Verlauf einer oder beider Seitenflächen ausgebildet sein. Um eine ausreichende Varianz des Abstands zwischen den benachbarten Windungen zu bewirken, beträgt eine Varianz des Öffnungswinkels zumindest entlang der Messstrecke mindestens 0,1°. Der mittlere Öffnungswinkel kann grundsätzlich 0° betragen, liegt aber vorzugsweise in einem Bereich zwischen 1° und 20°, weiter bevorzugt zwischen 1° und 10° oder besonders bevorzugt zwischen 1° und 7°. Alternativ beträgt der Öffnungswinkel mindestens 2° oder mindestens 3° und liegt dann bspw. in einem Bereich zwischen 2° und 10°, bevorzugt zwischen 2° und 7° oder besonders bevorzugt zwischen 3° und 5°. Um eine ausreichende Varianz des Abstands zwischen den benachbarten Windungen zu bewirken, beträgt eine Varianz des Öffnungswinkels zumindest entlang der Messstrecke mindestens 0,1°, bei einem mittleren Öffnungswinkel von 3° sollte dieser also mindestens von 2,9° bis 3,1° variieren.
  • Nach einer alternativen Erfindungsausführung ist der Abstand zwischen den benachbarten Windungen über die vollständige Höhe der einander zugewandten Seitenflächen gleich und variiert entlang der Messstrecke. Beispielsweise kann sich ein kontinuierlich oder stetig entlang der Messtrecke variierender oder unregelmäßiger Verlauf der oberen und unteren Längskanten in die entsprechenden Seitenflächen fortsetzen, sodass ein über die Höhe der Spiralklinge konstanter und entlang der Messstrecke variierender Abstand zwischen den benachbarten Windungen erzeugt wird. Dies hat den Vorteil, dass die optische Erfassung des Abstands auf beliebiger Messhöhe erfolgen kann, wodurch die Messwertaufnahme eindeutig gesichert ist.
  • Nach einer bevorzugten Erfindungsvariante ist die Geometrie der einander zugewandten Seitenflächen der Windungen im Bereich der oberen und/oder unteren Längskante derart ausgebildet, dass die Längskante(n) zumindest entlang der Messtrecke einen unregelmäßigen oder variierenden Verlauf aufweist.
  • Weitere Einzelheiten, Merkmale, Merkmals(unter)kombinationen, Vorteile und Wirkungen auf Basis der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels {bzw. -beispiele} der Erfindung und den Zeichnungen. Diese zeigen in
    • Fig. 1
    eine perspektivische Darstellung eines aus dem Stand der Technik bekannten Schwingungssystems eines mechanischen Uhrwerks, mit einer Spiralfeder,
    Fig. 2
    eine perspektivische Darstellung der Spiralfeder aus Figur 1 in einer spannungsfreien Mittellage,
    Fig. 3
    eine schematische, radiale Schnittansicht zweier benachbarter Windungen der Spiralklinge der Spiralfeder aus den Figuren 1 und 2,
    Fig. 4
    eine Draufsicht auf die Spiralfeder aus den Figuren 1 bis 3 in einer um die halbe Schwingungsweite ausgelenkten Stellung,
    Fig. 5
    eine beispielhafte Auftragung des Schwingungsverlaufs einer Spiralfeder,
    Fig. 6
    eine schematische, radiale Schnittansicht mehrerer jeweils benachbarter Windungen der Spiralklinge der Spiralfeder aus den Figuren 1 bis 4, mit dazu positionierten Messmitteln nach einer erfindungsgemäßen Verfahrensvariante,
    Fig. 7
    eine schematische Darstellung der schwingungsbedingten Änderung des Windungsabstands während der Schwingungsbewegung einer Spiralfeder,
    Fig. 8
    eine schematische Darstellung der schwingungsbedingten Änderung des Windungsabstands in Überlagerung mit einer beispielhaften, erfindungsgemäßen, durch die Bauteilgeometrie bedingten Varianz des Abstands,
    Fig. 9
    eine schematisch perspektivische Darstellung eines Windungsabschnitts mit zwei benachbarten Windungen nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung, mit in einem Übergangsbereich variierendem Abstand,
    Fig. 10
    eine schematisch perspektivische Darstellung eines Windungsabschnitts mit zwei benachbarten Windungen nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, mit konkaver Geometrie der Seitenflächen,
    Fig. 11
    eine schematisch perspektivische Darstellung eines Windungsabschnitts mit zwei benachbarten Windungen nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung, mit einem variierenden Öffnungswinkel,
    Fig. 12
    eine schematisch perspektivische Darstellung eines Windungsabschnitts mit zwei benachbarten Windungen nach einer vierten Ausführungsform der Erfindung, mit entlang der oberen und der unteren Längskante jeweils variierendem Abstand und
    Fig. 13
    eine schematisch perspektivische Darstellung eines Windungsabschnitts mit zwei benachbarten Windungen nach einer fünften Ausführungsform der Erfindung, mit über die Höhe der Seitenflächen konstantem und entlang des Windungsabschnitts variierendem Abstand.
  • Die Figuren sind lediglich beispielhafter Natur und dienen nur dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • Figur 1 zeigt eine perspektivische Darstellung eines aus dem Stand der Technik bekannten Schwingsystems 200 für mechanische Uhrwerke. Das Schwingsystem 200, auch als Unruh bezeichnet, umfasst als wesentliche Bestandteile einen Schwingkörper 210, hier als Schwungrad ausgebildet, und eine Spiralfeder 100. Der Schwingkörper 210 dient als Schwungmasse und ist um eine Drehachse 220 drehbar gelagert. Die Spiralfeder 100 ist mit ihrem inneren Windungsende 140 an einem inneren Federbefestigungsmittel 230 und mit ihrem äußeren Windungsende 150 an einem äußeren Federhalteelement 240 befestigt. Dazwischen erstreckt sich in spiralförmigem Verlauf die im Querschnitt rechteckige Spiralklinge 130 mit mehreren Windungen 110 die den aktiven Schwingungsbereich der Spiralfeder 100 bilden. Zur Taktgebung des Uhrwerks wird die vom Federhaus kommende Kraft auf das Schwingsystem 200 übertragen, sodass die Spiralfeder 100 möglichst gleichmäßig um ihre spannungsfreie Mittellage schwingt. Beim Verlassen der Mittellage bewirkt der Schwingkörper 210 ein Vorspannen der Spiralfeder 100, wodurch ein Rückholdrehmoment erzeugt wird, das die Spiralfeder 100 zur Rückkehr in ihre Mittellage veranlasst. Dabei wird dem Schwingkörper 210 eine kinetische Energie verliehen, wodurch die Spiralfeder 100 über ihre Mittellage hinaus in die andere Richtung schwingt. Die Spiralfeder 100 schwingt ihrer Schwingungsweite entsprechend einmal hin und einmal her. Schwingungsweiten von Flachspiralfeder für mechanische Uhrwerke liegen üblicherweise bei 200° bis 300°.
  • Die Figur 2 zeigt eine perspektivische Darstellung der Spiralfeder 100 aus Figur 1, die sich in ihrer spannungsfreien Mittellage befindet. Dies ist anhand der rein der Veranschaulichung dienenden Markierungen auf den Windungen 110 dargestellt. Die Markierungen sind lediglich in der Zeichnung vorhanden und stellen keinen Bestandteil der tatsächlichen Spiralfeder 100 dar. Beispielhaft ist außerdem die Schwingungsweite von etwa 220° dargestellt, innerhalb derer sich die Spiralfeder 100 um die Mittellage bewegt.
  • In der Figur 3 ist eine schematische, radiale Schnittansicht zweier benachbarter Windungen 110 der Spiralklinge 130 der Spiralfeder 100 aus den Figuren 1 und 2 dargestellt. Gut zu erkennen ist, dass die die einzelnen Windungen 110 bildende Spiralklinge 130 einen rechteckigen Querschnitt mit einer Höhe h und einer Breite b aufweist. Die Höhe h, die Breite b und der Abstand x zwischen zueinander benachbarten Windungen 110, sind entlang des spiralförmigen Verlaufs der Spiralklinge 130 konstant. Beispielhaft kann die Höhe h in einem Bereich zwischen 120 µm und 140 µm, die Breite b in etwa 40 µm betragen und der Abstand x in einem Bereich zwischen 0,08 mm und 0,2 mm liegen.
  • Eine Draufsicht der Spiralfeder 100 aus den Figuren 1 bis 3, in einer um die halbe Schwingungsweite ausgelenkten Stellung, kann der Figur 4 entnommen werden. Während der Schwingungsbewegung, deren Richtung in der Zeichnung durch einen Pfeil angedeutet ist, folgen die einzelnen Windungen 110 ihren jeweiligen Kreisbahnen und bewegen sich um den Mittelpunkt bzw. die Drehachse 220. Anhand der zur Veranschaulichung dienenden Markierung ist gut zu erkennen, dass innerhalb eines Windungsabschnitts 120 zueinander benachbarte Windungen 110 während der Schwingungsbewegung der Spiralfeder 100 einer Relativbewegung unterliegen, d. h. um eine entlang der entsprechenden Kreisbahn verlaufende Strecke zueinander ausgelenkt werden. In der hier gezeigten Stellung befindet sich die Spiralfeder 100 nach einer Halbschwingung an ihrem Umkehrpunkt UP, sodass benachbarte Windungen 110 um einen Maximalbetrag zueinander ausgelenkt sind, welcher der ebenfalls eingezeichneten Winkelverschiebung β entspricht. Typische Werte für die Winkelverschiebung β liegen im Bereich zwischen 5° und 30°.
  • In der Figur 5 ist der Verlauf einer vollständigen Schwingung der Spiralfeder 100 anhand deren Auslenkung um ihre spannungsfreie Mittellage 0 dargestellt. Ebenfalls eingezeichnet sind die Umkehrpunkte UP, an denen sich die Richtung der Schwingung umkehrt. Die Spiralfeder 100 wird zunächst aus der spannungsfreien Mittellage 0 in einer ersten Richtung ausgelenkt, solange bis die maximale Auslenkung am Umkehrpunkt UP erreicht ist und kehrt danach, in entgegengesetzter, zweiter Richtung in die spannungsfreie Mittellage 0 zurück (Halbschwingung). Eine vollständige Schwingung ist abgeschlossen, nachdem die spannungsfreie Mittellage 0 in der zweiten Richtung durchlaufen wurde und die Spiralfeder 100 nach erneuter Richtungsumkehr am Umkehrpunkt UP wieder der ersten Richtung folgend in die spannungsfreie Mittellage 0 zurückkehrt. Die einzelnen Windungen 110 folgen einer entsprechenden Bewegung entlang ihrer jeweiligen Kreisbahnen, wobei zwischen zueinander benachbarten Windungen 110 jeweils eine die Winkelverschiebung β (s. Figur 4) verursachende Relativbewegung resultiert.
  • Erfindungsgemäß soll nun mittels eines optischen Messverfahrens auf Basis dieser Winkelverschiebung β die Schwingungsweite der Spiralfeder 100 ermittelt werden. Hierzu sind, wie in der Figur 6 dargestellt, optische Messmittel 160, bspw. Lichtsender und/oder Lichtempfänger, vorzugsweise von oben oder unten vertikal, d. h. parallel zur Drehachse 220 bzw. zur Höhe h der Spiralklinge, oder schräg, d. h. einen Winkel größer oder kleiner 90°, hier beispielhaft in etwa 45° mit der Drehachse 220 oder Höhe h einschließend, auf einen jeweiligen Windungsabschnitt 120 ausgerichtet. Die hier gezeigte Anordnung der optischen Messmittel 160 ist lediglich beispielhaft. Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Messverfahrens genügt auch ein einziges optisches Messmittel 160.
  • Die optischen Messmittel 160 dienen der Überwachung des jeweiligen Windungsabschnitts 120, wobei die darin erfolgende Auslenkung der benachbarten Windungen 110 zueinander optisch erfasst wird. Als Bezug oder Referenz für das optische Messmittel 160 fungiert der Abstand x zwischen den benachbarten Windungen 110 innerhalb zumindest eines Windungsabschnitts 120. Hierzu darf der Abstand x in Längsrichtung der Windungen 110, also dem Spiralverlauf folgend, aber nicht konstant sein, da die relative Bewegung sonst optisch nicht erkennbar wäre. Eine "Visualisierung" der relativen Bewegung oder Auslenkung benachbarter Windungen 110 zueinander erfolgt nämlich, indem deren Abstand x entlang des Windungsabschnitts 120 variiert. Durch optisches Abtasten mittels der Messmittel 160 kann bei einem variierenden Abstand x die Winkelverschiebung β der Windungen 110, welche sich im dynamischen Betrieb, also während der Schwingungsbewegung zueinander verschieben, gesichert aufgenommen werden.
  • In der Figur 7 ist die schwingungsbedingte Änderung des Windungsabstands WA während der Schwingungsbewegung der Spiralfeder 100 schematisch veranschaulicht. Während der Schwingung zieht sich die Spiralfeder 100 nämlich schwingungsbedingt zusammen und wieder auseinander, die Spiralfeder 100 "atmet". Hierdurch wird eine der Schwingungsperiode folgende Änderung des Windungsabstands WA hervorgerufen. Diese schwingungsbedingte Änderung des Windungsabstands WA tritt unvermeidlich beim Zusammen- und Auseinanderziehen von Spiralfedern 100 auf, und sollte daher vorzugsweise bei der optischen Erfassung der Winkelverschiebung β (s. Figur 4) anhand des erfindungsgemäß variierenden Abstands, welcher durch die Bauteilgeometrie, insbesondere die Geometrie der benachbarten Windungsabschnitte 120 bedingt ist, berücksichtigt werden.
  • In der Figur 8 ist daher schematisch eine Überlagerung der schwingungsbedingten Änderung des Windungsabstands WA und der erfindungsgemäßen, bauteilgeometriebedingten Varianz des Abstands x anhand zweier beispielhafter Abstände x1 und xn dargestellt. Für den mittleren Abstand x, welcher erfindungsgemäß zwischen den Werten x1 und xn variieren soll, ist daher vorzugsweise nicht der Abstand der Windungen 110 in der Ruhelage der Spiralfeder 100 zugrunde zu legen, sondern der sich während der Schwingungsbewegung dynamisch verändernde Windungsabstand WA der Spiralfeder 100.
  • Bei einer erfindungsgemäßen Spiralfeder 100, die sich zur Verwendung in dem erfindungsgemäßen optischen Messverfahren eignet, ist es daher erforderlich, dass der Abstand x zwischen den benachbarten Windungen 110 zumindest entlang einer Messstrecke, die mindestens der Winkelverschiebung β entspricht, variiert. Vorzugsweise beträgt die Varianz des Abstands mindestens 0,05 %, insbesondere 0,1 % und höchstens 3,0 %. Bei einer Winkelverschiebung β von bspw. 5° ergibt sich eine Mindestlänge der Messstrecke von 0,1 mm, bei einer Winkelverschiebung β von bspw. 30° eine Mindestlänge von 0,9 mm.
  • Vorzugsweise wird der variierende Abstand x durch eine Optimierung der Geometrie der einander zugewandten Seitenflächen 131 der benachbarten Windungen 110 der Spiralfeder 100 bewirkt. Eine schematisch perspektivische Darstellung eines Windungsabschnitts 120 mit zwei benachbarten Windungen 110 nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist in der Figur 9 gezeigt. Die einander zugewandten Seitenflächen 131 der benachbarten Windungen 110 weisen an ihrer jeweiligen, oberen Längskante LK einen Übergangsbereich ÜB mit einer mittleren Kantenverrundung von bspw. 2,0 µm auf. Entlang des Windungsabschnitts 120, also entlang des Spiralverlaufs, und mindestens entlang der Messtrecke variiert die Kantenverrundung des Übergangsbereichs ÜB hier bspw. um mindestens 25 % (+/- 0,5 µm), die Kantenverrundung variiert entlang der Messstrecke also mindestens von 1,5 µm bis 2,5 µm. Eine derartige Geometrie der Seitenflächen 131 bewirkt auch eine Varianz des mittleren Abstands x2, welcher, hier im Bereich der oberen Längskante LK entlang der Messtrecke innerhalb der Wertereihe x21 - x2n vorzugsweise stetig oder kontinuierlich variiert. Konkret könnte beispielsweise der Wert x23 größer als x21 und x24 kleiner als x23 sein, der Abstand x2 nimmt dann zunächst zu und anschließend wieder ab. Alternativ ist natürlich auch eine kontinuierliche Zu- oder Abnahme des Abstands x2 entlang der Messstrecke denkbar. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel variiert der Abstand x2 ausschließlich im Bereich der oberen Längskante LK, entsprechend wird die Messhöhe für das optische Messverfahren ebenfalls an der oberen Längskante LK festgelegt.
  • Die Bezeichnung "obere" und "untere" Längskante LK bezieht sich auf die Einbaulage der Spiralfeder 100 bzw. des Uhrwerks bspw. in einer Uhr oder einem Chronographen, und zwar von dessen Rückseite aus in Richtung des Ziffernblatts betrachtet.
  • Die Figur 10 zeigt eine schematisch perspektivische Darstellung eines Windungsabschnitts 120 mit zwei benachbarten Windungen 110 nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Die einander zugewandten Seitenflächen 131 weisen hier eine über die Höhe h konkav verlaufende Geometrie auf. Die Konkavität ist hier vor allem im unteren Teilbereich der Seitenflächen 131 ausgebildet, wodurch der Abstand x2 der benachbarten Windungen 110 im Bereich der oberen Längskante LK entlang der Messstrecke konstant und größer als der mittlere Abstand x1 im Bereich der unteren Längskante LK ist. Durch eine Varianz der Konkavität entlang der Messstrecke bzw. entlang des Windungsabschnitts 120, kann eine sich vorzugsweise kontinuierlich verändernder untere Längskante LK ausgebildet werden. Eine derartige Geometrie der Seitenflächen 131 bewirkt wiederum eine Varianz des mittleren Abstands x1, diesmal im Bereich der unteren Längskante LK. Entlang der Messtrecke variiert der mittlere Abstand x1 innerhalb der Wertereihe x11 - x1n vorzugsweise stetig oder kontinuierlich. Entsprechend wird auch die Messhöhe für die untere Längskante LK festgelegt.
  • Die Figur 11 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung in einer schematisch perspektivischen Darstellung. Der hier gezeigte Windungsabschnitt 120 umfasst zwei benachbarten Windungen 110 mit jeweils schräg verlaufenden, einander zugewandten Seitenflächen 131. Durch den schrägen, von der vertikalen abweichenden Verlauf der Seitenflächen 131 schließen diese einen sogenannten Öffnungswinkel α ein, welcher entlang der Messtrecke bzw. entlang des Spiralverlaufs variierend ausgebildet ist und innerhalb der Wertereihe α1 - αn um einen mittleren Öffnungswinkel α variiert. Der mittlere Öffnungswinkel α kann beispielhaft 5° betragen, die Varianz liegt insbesondere bei mindestens +/- 0,1°, wodurch der Öffnungswinkel α dann innerhalb der Wertereihe α1 - αn mindestens zwischen 4,9° und 5,1° variiert. Die geometrische Ausgestaltung des Öffnungswinkels α bewirkt bspw. einen innerhalb der Wertereihe x21 - x2n variierenden Abstand x2 im Bereich der oberen Längskante LK, wohingegen der Abstand x1 im Bereich der unteren Längskante LK entlang der Messstrecke konstant sein kann.
  • Optional kann, wie in der Figur 12 in schematisch perspektivischer Darstellung gezeigt, ein variierender Öffnungswinkel α durch die Geometrie der Seitenflächen 131 auch so gewählt werden, dass der Abstand x1, x2 der benachbarten Windungen 110 sowohl im Bereich der oberen Längskante LK, innerhalb der Wertereihe x21 - x2n, als auch im Bereich der unteren Längskante LK, innerhalb der Wertereihe x11 - x1n variiert. Dies kann insbesondere durch einen unregelmäßigen, variierenden Verlauf der jeweiligen Längskante LK erreicht werden.
  • Die Geometrie der einander zugewandten Seitenflächen 131 kann aber auch so ausgebildet sein, dass der Abstand x zwischen den benachbarten Windungen 110 über die vollständige Höhe h der Spiralklinge 130 konstant ist und entlang der Messtrecke variiert. Eine derartige, vierte Ausführungsform der Erfindung ist schließlich der Figur 13 in schematisch perspektivischer Darstellung eines Windungsabschnitts 120 zu entnehmen. Diese Ausführung hat insbesondere den Vorteil, dass die Messhöhe für das optische Messverfahren auf beliebiger Höhe h der Spiralklinge 130 gewählt werden kann.
    • Bezugszeichenliste
    • 100
    Spiralfeder
    110
    Windung
    120
    Windungsabschnitt
    130
    Spiralklinge
    131
    Seitenfläche der Spiralklinge
    140
    inneres Windungsende
    150
    äußeres Windungsende
    160
    optisches Messmittel
    200
    Schwingsystem
    210
    Schwingkörper
    220
    Drehachse
    230
    inneres Federbefestigungsmittel
    240
    äußeres Federhalteelement
    b
    Breite der Spiralklinge
    h
    Höhe der Spiralklinge
    x
    Abstand zwischen benachbarten Windungen
    UP
    Umkehrpunkt
    WA
    schwingungsbedingter Windungsabstand
    0
    spannungsfreie Mittellage
    α
    Öffnungswinkel
    β
    Winkelverschiebung

Claims (16)

  1. Optisches Messverfahren zur Bestimmung der Schwingungsweite (SW) einer Spiralfeder (100) mit mehreren Windungen (110), die sich entlang jeweiliger Kreisbahnen einem spiralförmigen, insbesondere archimedischen und/oder logarithmischen Verlauf folgend erstrecken, wobei
    - während der Schwingungsbewegung der Spiralfeder (100), in mindestens einem Windungsabschnitt (120) eine Auslenkung benachbarter Windungen (110) zueinander und entlang ihrer jeweiligen Kreisbahnen, anhand einer Varianz des Abstands (x) zwischen den benachbarten Windungen (110) entlang des Windungsabschnitts (120) optisch erfasst wird,
    - anhand der maximalen Auslenkung eine entsprechende Winkelverschiebung (β) der benachbarten Windungen (110) zueinander bestimmt wird, und
    - auf Basis der Winkelverschiebung (β) die Schwingungsweite und/oder - frequenz der Spiralfeder (100) rechnerisch ermittelt wird.
  2. Messverfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    für die optische Erfassung der Auslenkung benachbarter Windungen (110) zueinander mindestens ein Windungsabschnitt (120) festgelegt wird, innerhalb dessen die Varianz des Abstands (x) zwischen den benachbarten Windungen (110) zumindest entlang einer der Winkelverschiebung (ß) entsprechenden Messstrecke mindestens 0,05 % beträgt.
  3. Messverfahren nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Auslenkung benachbarter Windungen (110) zueinander anhand des zumindest entlang einer der Winkelverschiebung (ß) entsprechenden Messtrecke stetig oder kontinuierlich variierenden Abstands (x) zwischen den benachbarten Windungen (110) optisch erfasst wird.
  4. Messverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Abstand (x), als radialer Abstand (x) zwischen den benachbarten Windungen (110) entlang eines Radius der Spiralfeder (100) ausgehend von einer Seitenfläche (131) einer der Windungen (110) hin zu der gegenüberliegenden Seitenfläche (131) der anderen Windung (110) definiert wird.
  5. Messverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Varianz des Abstands (x) zwischen den benachbarten Windungen (110) entlang des Windungsabschnitts (120) auf einer in Bezug auf die Höhe (h) der Spiralfeder (100) definierten Messhöhe erfasst wird, und die Messhöhe auf Basis der Geometrie der einander zugewandten Seitenflächen (131) festgelegt wird.
  6. Messverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    für die optische Erfassung vorgesehene optische Messmittel (160), insbesondere eine Lichtquelle und/oder ein Lichtempfänger von oben oder unten gerade, entlang bzw. parallel zur Achse der Spiralfeder (100) oder schräg, einen Winkel größer oder kleiner 90° mit der Achse der Spiralfeder (100) einschließend, auf die Windungen (110), insbesondere den Windungsabschnitt (120) ausgerichtet ist.
  7. Messverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    zur optischen Erfassung Laser-Doppler Vibrometrie, Laser interferometrische Vibrometrie, Weißlicht-Interferometrie, auch mit konfokalem Mikroskop, 2D/3D-Laserscanning, hochauflösende Digitalmikroskopie mit Videofunktion und/oder kombinierte Laserlicht- und Weißlicht Mikroskopie für 2D/3D Scanning verwendet wird.
  8. Messverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Schwingungsfrequenz anhand der Schwingungsdauer der Spiralfeder (100) ermittelt wird, wobei eine einmalige Auslenkung benachbarter Windungen (110) zueinander um die Winkelabweichung (β) einer Halbschwingung der Spiralfeder (100) entspricht.
  9. Messverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    anhand der ermittelten Schwingungsweite und/oder -frequenz ein Soll-/Ist-Wert-Vergleich, insbesondere zur Bestimmung der Gangabweichung des Uhrwerks durchgeführt wird, wobei die ermittelte Schwingungsweite und/oder -frequenz dem Ist-Wert entspricht und dieser mit einem entsprechenden, zuvor festgelegten Soll-Wert verglichen wird.
  10. Spiralfeder (100), geeignet zur Verwendung in einem optischen Messverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit mehreren Windungen (110), die sich entlang jeweiliger Kreisbahnen einen spiralförmigen, insbesondere archimedischen und/oder logarithmischen Verlauf bildend erstrecken, welche Spiralfeder (100), insbesondere zur Taktgebung eines mechanischen Uhrwerks, zu einer Schwingungsbewegung anregbar ist, wobei benachbarte Windungen (110) entlang ihrer jeweiligen Kreisbahnen um eine Winkelverschiebung (ß) zueinander ausgelenkt werden,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Abstand (x) zwischen den benachbarten Windungen (110) zumindest entlang einer der Winkelverschiebung (β) entsprechenden Messstrecke variiert.
  11. Spiralfeder (100) nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Varianz des Abstands (x) zwischen den benachbarten Windungen (110) entlang der Messstrecke mindestens 0,05% beträgt und/oder der Abstand (x) entlang der Messstrecke kontinuierlich oder stetig variiert.
  12. Spiralfeder (100) nach Anspruch 10 oder 11,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der variierende Abstand (x) durch die Geometrie der einander zugewandten Seitenflächen (131) der benachbarten Windungen (110) der Spiralfeder (100) bewirkt wird, wobei die Geometrie der einander zugewandten Seitenflächen (131) derart ausgebildet ist, dass der Abstand (x) zwischen den Windungen (110) entweder über die vollständige Höhe (h) der einander zugewandten Seitenflächen (131) oder lediglich auf einer bestimmten Höhe (h) oder einem bestimmten Höhenbereichen entlang der Messstrecke variiert.
  13. Spiralfeder (100) nach Anspruch 12,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Abstand (x) zwischen den benachbarten Windungen (110) im Bereich der unteren Längskante (LK) der einander zugewandten Seitenflächen (131) von dem Abstand (x) zwischen den benachbarten Windungen (110) im Bereich der oberen Längskante (LK) der einander zugewandten Seitenflächen (131) abweicht, wobei der Abstand (x) im Bereich der oberen Längskante (LK) und/oder im Bereich der unteren Längskante (LK) entlang der Messstrecke variiert.
  14. Spiralfeder (100) nach einem der Ansprüche 12 bis 13,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Geometrie der einander zugewandten Seitenflächen (131) einem über die Höhe (h) einer oder beider Seitenflächen (131) konkaven und/oder konvexen Verlauf folgend und/oder einen dazwischenliegenden Öffnungswinkel (α) einschließend und/oder im Bereich der oberen und/oder unteren Längskante (LK) einen abgerundeten oder angeschrägten Übergangsbereich (ÜB) aufweisend ausgebildet ist, wobei der konkave und/oder konvexe Verlauf und/oder der Öffnungswinkel (α) und/oder die Abrundung oder Anschrägung des Übergangsbereichs (ÜB) entlang der Messstrecke variieren.
  15. Spiralfeder (100) nach Anspruch 12,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Abstand (x) zwischen den benachbarten Windungen (110) über die vollständige Höhe (h) der einander zugewandten Seitenflächen (131) konstant ist und entlang der Messstrecke variiert.
  16. Spiralfeder (100) nach einem der Ansprüche 12 bis 15,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Geometrie der einander zugewandten Seitenflächen (131) der Windungen (110) im Bereich der oberen und/oder unteren Längskante (LK) derart ausgebildet ist, dass die Längskanten (LK) zumindest entlang der Messtrecke einen unregelmäßigen Verlauf aufweisen.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2014203085A1 (de) 2013-06-21 2014-12-24 Damasko Uhrenmanufaktur KG Schwingsystem für mechanische uhrwerke, verfahren zur herstellung einer spiralfeder und spiralfeder
EP3159747A1 (de) * 2015-10-22 2017-04-26 ETA SA Manufacture Horlogère Suisse Spiralfeder mit reduziertem platzbedarf und konstantem durchmesser
EP3452874B1 (de) 2016-05-02 2020-06-10 Patek Philippe SA Genève Spiralfeder einer uhr
EP4030243A1 (de) * 2021-01-18 2022-07-20 Richemont International S.A. Verfahren zur kontrolle und zur herstellung von uhrwerk-spiralfedern

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