JP6661543B2 - 脱進機のない、または簡易脱進機を有する一般2自由度等方性調和振動子および関連するタイムベース - Google Patents
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Description
本PCT出願は、参照により本PCT出願に完全に組み入れられている、Ecole Polytechnique Federale de Lausanne(EPFL)の名義で提出された先出願である、2014年1月13日提出のEP14150939.8、2014年6月25日提出のEP14173947.4、2014年9月3日提出のEP14183385.5、2014年9月4日提出のEP14183624.7、および2014年12月1日提出のEP14195719.1の優先権を主張する。
2.1 ニュートンの等時性ソーラーシステム
周知のように、1687年に、Isaac NewtonはPrincipia Mathematicaを出版し、この中で、惑星の運動に関するケプラーの法則、特に、惑星は太陽を1つの焦点とする楕円上を動くと述べた第1法則と、惑星の公転周期の2乗は軌道の長半径の3乗に比例すると述べた第3法則とを証明した(参考文献[19]参照)。
原点で中心にある中心力
F(r)=−kr
を受ける2次元で動く点質量を考える。ここでrは質量の位置である。次いで、質量mの物体について、これは、初期条件および振動数に応じた定数A1、A2、φ1、φ2について
(A1sin(ω0t+φ1)、A2sin(ω0t+φ2))
の解を有する。
等時性は、この振動子が、本発明の可能な実施形態としてのタイムキーパ用のタイムベースに適した候補であることを意味する。
一方向の運動を有する2つのタイプの等方性調和振動子が可能である。1つは、本体が端部にある線形ばねを利用し、ばねと本体とを固定中心の周りで回転させるものである。これは図34:回転ばねに示される。本体862が端部に取り付けられたばね861は、中心860に固定され、この中心の周りを回転して、本体862の質量の中心が軌道864を有するようにする。ポインタ863の回転によってわかるように、本体862は、軌道全体につき1度、その質量中心の周りを回転する。
等方性振動子を用いる本出願人のタイムベースは、機械タイムキーパを調整し、これは、てん輪と螺旋ばね振動子とを、等方性振動子と、クランクが歯車列の最後の歯車に固定された脱進機とに置き換えることによって実施することができる。これは、図38:伝統的な場合の左側に示される。主ばね900は歯車列901を介してエネルギーをがんぎ車902に伝え、がんぎ車902はアンカ904を介してエネルギーをてん輪905に断続的に伝える。右側は本出願人の機構である。主ばね900は歯車列901を介してエネルギーをクランク903に伝え、クランク903は、このクランクのスロット内を移動するピン907を介してエネルギーを等方性振動子906に連続的に伝える。等方性振動子は固定フレーム908に取り付けられ、その復元力の中心は、クランクピニオンの中心に一致する。
本発明による等方性調和振動子を実現するために、中心復元力の物理的構成が必要である。中心復元力に対して動く質量の理論は、結果として生じる運動が面内で行われるようになっている。しかしながら、ここでは、完全に平面の運動を考慮せず、機構が調和振動子の望ましくない特徴を保持したままである、より一般的な等方性調和振動子について考察する。
等方性k。ばね剛性kの等方性(方向から独立)。
半径方向k。半径方向変位から独立したばね剛性k(線形ばね)。
ゼロJ。慣性モーメントJ=0を有する質量m。
等方性m。換算質量mの等方性(方向から独立)。
半径方向m。半径方向変位から独立した換算質量m。
重力。重力の影響を受けない。
直線衝撃。直線衝撃の影響を受けない。
角衝撃。角衝撃の影響を受けない。
4.1 半径方向に対称なばねを介した等方性(回転体の体積)
等方性は、物質の等方性による等方性ばねである、半径方向に対称なばねを通して実現される。最も単純な例を図20に示す:固定ベース601に可撓性梁602が取り付けられ、梁602の端部に質量603が取り付けられる。可撓性梁602は質量603に復元力を与えて、機構が破線で示すニュートラル状態に引かれるようにする。質量603は、そのニュートラル状態の周りの一方向軌道を移動する。以下に、セクション3の理論特性のうちのどれがこれらの実現に当てはまるかを挙げる(一次まで)。
組み合わせた復元力が等方性になるようにばねを組み合わせることによって、等方性ばねを得ることができる。
球形質量を有する設計が図30に示される。球形質量768(充填された球体または球形シェル)が、脚部761〜767、脚部769および脚部770から構成されるコンプライアンス性機構を介して固定環状フレーム760に連結される。脚部769、770は脚部761〜770として構成され、その説明は脚部761〜770の説明に従う。球体は脚部767(およびその類似物769、770)に連結され、脚部767は761で固定フレーム760に連結する。脚部761〜767は、ノッチ762、764が屈曲ピボットである3自由度コンプライアンス性機構である。コンプライアンス性脚部761〜770の平面構成は、回転軸が環状リング760の平面に位置するユニバーサルジョイントを構成する。特に、球体は、軸771〜779の周りを回転することができない。小振幅の場合、球体の運動は、772が楕円軌道を描くようになっており、780で示すように、対称性によって779についても同様である。球体の回転は、スロット774に堅く連結されたクランク776を介して維持される。クランク774は、トルク777を有し、ピボットジョイントにより、例えば、玉軸受を用いて776でフレームに連結されるものと仮定する。ピン771は球体に堅く連結され、球体の回転中に、スロット774に沿って動いて、クランク軸776と心合わせされなくなるようにし、トルク777が771に力を及ぼすようにして、球体の回転を維持する。球体768の重力中心778は、平面760と軸771〜779との交差部に位置し、直線加速度がシステムに対するトルクをいかなる方向にも生じさせないようにする。代替構成は、3本の脚部すべてのノッチ764を除去することである。他の代替構成は、1、2、4、またはそれ以上の脚部を使用する。その特性は以下の通りである。
直交並進運動ばねをXY平面で使用して等方性調和振動子を構成することができる。しかしながら、この構成は、ここでは考慮されず、同時係属出願の主題となる。
新しい振動子を、本発明の例示的な実施形態としての携帯型タイムキーパ内に配置するために、振動子の正しい機能に影響し得る力に対処する必要がある。この力は、重力および衝撃を含む。
携帯型タイムキーパの場合には、補償が必要である。
直線衝撃は直線加速度の一形態であるため、特別な場合として重力を含む。したがって、図20の機構も直線衝撃を補償する。
2つの質量の重力中心間の距離を小さくすることによって、角加速度による影響を最小化することができる。これにより、本出願人の振動子の回転軸への角加速度を除いて、すべての可能な回転軸への角加速度を考慮する。
振動子は、摩擦によりエネルギーを失うため、振動子エネルギーを維持する方法が必要である。振動子により管理される時間を表示するために、振動を計数する方法もなければならない。機械時計および腕時計では、これは振動子とタイムキーパの残りの部分との境界面である脱進機によって達成されている。脱進機の原理は図10に示され、そのようなデバイスは腕時計産業において周知である。
等方性調和振動子に対するエネルギーを維持するために、トルクまたは力を加える。振動子エネルギーを維持するために連続的に加えられるトルクTの一般原理については図8を参照されたい。図9は、振動子エネルギーを維持するために力FTを断続的に加える別
の原理を示す。実際には、この場合、機構は、適切なトルクを振動子に伝えてエネルギーを維持するのにも必要であり、図12〜図16では、この目的で本発明による様々なクランクの実施形態が示される。図18、図19は同じ目的の脱進機システムを示す。これらすべての復元エネルギー機構を、本明細書に記載の、振動子および振動子システム(ステージなど)のすべての様々な実施形態と組み合わせて使用してもよい。一般的に、振動子がタイムキーパ、特に腕時計用のタイムベースとして使用される本発明の実施形態では、腕時計の分野で知られるように、脱進機と組み合わせて使用する腕時計のばねによって、トルク/力を加えることができる。本実施形態では、したがって、公知の脱進機を本発明の振動子に置き換えることができる。
脱進機を使用する利点は、振動子が、クロノメータのエラー源であり得るエネルギー源に(歯車列を介して)連続的に接触しないことである。したがって、脱進機は、振動子が振動の大部分について脱進機からの外乱なしで振動する自由脱進機である。
等方性調和振動子用の可能なデテント脱進機の実施形態が、図17〜図19に示される。
7.1 円錐振り子との相違
円錐振り子は、重力の力に垂直な垂直軸の周りを回転する振り子である(図4参照)。円錐振り子の理論は、Christiaan Huygensにより最初に記載され(参考文献[16]および[7]参照)、通常の振り子と同様に、円錐振り子は等時性ではないが、理論上、可撓性のひもと放物面構造とを用いることにより、等時性になり得ることが示された。
.199〜201]参照)、結論として、タイムベースとしての可能性は、固有の等時性がないため円形振り子よりも本質的に低くなる。
調速機は、一定速度を維持する機構であり、最も単純な例は、蒸気機関のためのワット調速機である。19世紀に、これらの調速機は、スムーズな動作、すなわち、脱進機を有する振動子に基づく時計機構の、進んではすぐに止まる断続的な運動のない動作が高い精度よりも重要である適用例において使用された。特に、そのような機構は、比較的短い時間間隔にわたって天球の動きを追い、星の動きをたどる望遠鏡に必要とされた。使用の時間間隔が短いため、この場合、高いクロノメータ精度は必要ない。
機構が進んではすぐに止まる断続的な運動を持たないため不要な繰返しの加速を受けない、少なくとも2つの連続運動腕時計がある。2つの例は、AsulabによるいわゆるSalto腕時計(参考文献[2]参照)と、セイコーによるスプリングドライブ(参考文献[22]参照)である。これらの機構の両方が高レベルのクロノメータ精度を達成しているが、これらは等方性振動子をタイムベースとして使用せず、代わりに水晶音叉の振動に依拠しているため、本発明とは完全に異なる。さらに、この音叉は、振動を維持し計数するための圧電気と、維持および計数を制御するための集積回路とを必要とする。ムーブメントの連続運動は電磁制動によってのみ可能であり、この電磁制動は、衝撃によるクロノメータエラーを訂正するために、メモリに±12秒までの緩衝域を必要とする集積回路によって再び制御される。
いくつかを前述し、かつ詳細に後述する一部の実施形態では、本発明は、タイムベースとして使用するための等方性調和振動子の実現として考えられた。実際に、等方性調和振動子をタイムベースとして実現するために、中心復元力の物理的構成が必要である。最初に、中心復元力に対して動く質量の理論は、結果として生じる運動が平面内で行われるようになっていることに注目する。したがって、実際上の理由で、物理的構成は平面等方性を実現すべきであるということになる。したがって、ここに記載の構成は大部分が平面等方性であるが、これに限定されず、3次元等方性の例もある。平面等方性を2つの方法:回転等方性ばね、および並進運動等方性ばねで実現することができる。
本明細書に記載の等方性ばねの実施形態に半径方向ディスプレイを加えることにより、本発明は、例えば、乗用車において横G(lateral g force)を測定するのに適した、完全に機械的な2自由度加速度計を構成することができる。
A.1 等方性調和振動子の機械的実現。
A.2 平面の中心直線復元力の物理的実現である等方性ばねの使用(フックの法則)。A.3 タイムベースとしての調和振動子による精密タイムキーパ。
A.4 効率が高まり機械的複雑さが低減した、脱進機のないタイムキーパ。
A.5 走行列(running train)の進んではすぐに止まる断続的な運動、関連する無駄な衝撃および減衰効果、ならびに走行列および脱進機機構の繰返しの加速をなくすことにより、結果として効率が向上する連続運動機械タイムキーパ。
A.6 重力の補償。
A.7 直線衝撃の動的平衡。
A.8 角衝撃の動的平衡。
A.9 振動の一部についてあらゆる機械的外乱から振動子を解放する自由脱進機を使用することによる、クロノメータ精度の向上。
A.10 振動子の回転が方向を変化させないため、てん輪脱進機と比べて簡易な新しい群の脱進機。
A.11 等方性振動子の伝統的なデテント脱進機における改良。
B.1 タイムキーパのタイムベースとしての、等方性調和振動子の最初の適用。
B.2 調和振動子タイムベースを有するタイムキーパからの脱進機の排除。
B.3 重力を補償する新しい機構。
B.4 直線および角衝撃の動的平衡のための新しい機構。
B.5 新しい簡易脱進機。
例示的な特徴
1 ばね剛性等方性欠陥を最小化する等方性調和振動子。
2 換算質量等方性欠陥を最小化する等方性調和振動子。
3 ばね剛性および換算質量等方性欠陥を最小化する等方性調和振動子。
4 ばね剛性、換算質量等方性欠陥を最小化し、あらゆる方向の直線加速度の影響を受けず、特に、機構のあらゆる向きの重力の力の影響を受けない等方性振動子。
5 角加速度の影響を受けない等方性調和振動子。
6 上記特性のすべてを組み合わせた等方性調和振動子:ばね剛性および換算質量等方性を最小化し、直線加速度および角加速度の影響を受けない。
A.1 本発明は中心直線復元力の物理的実現(フックの法則)である。
A.2 本発明は、タイムキーパ用のタイムベースとしての等方性調和振動子の物理的実現をもたらす。
A.3 本発明は、平面等方性からの偏差を最小化する。
A.4 本発明の自由振動は、ばねのニュートラル点を楕円の中心として有する閉鎖楕円軌道に近似している。
A.5 本発明の自由振動は高度な等時性を有する:振動の周期は全エネルギー(振幅)から大きく独立している。
A.5 本発明は、長い時間周期にわたって振動の全エネルギーを比較的一定に維持するために使用される、外部エネルギーを伝える機構に容易に嵌合する。
A.6 機構を修正して3次元等方性をもたらすことができる。
N.1 高度なばね剛性および換算質量等方性を有し、直線加速度および角加速度の影響を受けない等方性調和振動子
N.2 完全な等方性からの偏差が、以前の機構よりも少なくとも1桁小さく、通常、2桁小さい。
N.3 完全な等方性からの偏差が、初めて十分に小さくなり、正確なタイムキーパのタイムベースの一部として本発明を使用することができる。
N.4 本発明は、エネルギーを供給して振動を同じエネルギーレベルで維持するために、断続的な運動を有する脱進機を必要としない調和振動子の最初の実現である。
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Claims (17)
- 等方性および直線復元力特性を有する少なくとも1つのばね要素(602;612、613;621;631、633;665、666;677;701−703;716;761−770;803−805、811)を用いて、周回質量(603;614;622;634;667、668;679、683;691、692;719、720;768;807)を固定ベース(601;611;620;630;664;676;685;700;715;760;800)に対して支持しつつ、該固定ベースに対する該周回質量の第3の回転自由度を阻止する、2回転自由度リンク機構を含む機械的等方性調和振動子。
- 前記2回転自由度リンク機構を形成することにより、前記周回質量の傾斜運動を生じさせて、該周回質量が一定の向きを維持したままその軌道に沿って移動するようにする、請求項1に記載の振動子。
- 前記周回質量は1つの質量(603;614;622;634;768;807;910;935;965)または複数の質量(667、668;679、683;691、692;719、720)を含む、請求項1または2に記載の振動子。
- 前記周回質量は固体球体または球形シェル、またはダンベルであり、該周回質量の重力中心が傾斜運動の中心にある、請求項1〜3のいずれか1項に記載の振動子。
- 前記周回質量は固体球体(910;935)または球形シェル(965)であり、該質量の重力中心は傾斜運動の中心にあり、復元力は赤道ばねまたは極ばね(916;927)によってもたらされる、請求項4に記載の振動子。
- 前記ばね要素は少なくとも1本の可撓性ロッド(602)または複数本の可撓性ロッド(612、613;621;631、633;665、666;701−703;716;761−770;803−805、811)を含む、請求項1〜5のいずれか1項に記載の振動子。
- 前記ばね要素は可撓性膜(677)である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の振動子。
- 請求項1〜6のいずれか1項に記載の振動子を含み、該振動子への連続的な機械エネルギー供給を提供する機構をさらに含むシステム。
- 前記機構がトルクまたは断続的な力を前記振動子に加える、請求項8に記載のシステム。
- 前記機構は、ピボット(82)を通して固定フレーム(81)の周りを回転する可変半径クランク(83)を含み、直進ジョイント(84)により該可変半径クランクの端部は可変半径で回転することが可能になる、請求項8または9に記載のシステム。
- 前記機構は、維持トルクMが加えられるクランクシャフト(92)と、該クランクシャフト(92)に取り付けられた、直進スロット(93’)を備えるクランク(93)とを保持する固定フレーム(91)を含み、球形先端部(94)を有する剛性ピンは前記振動子または振動子システムの前記周回質量(95)に固定され、該ピンは該スロット(93’)に係合する、請求項8または9に記載のシステム。
- 前記機構は、機械エネルギーを前記振動子に断続的に供給するためのデテント脱進機を含む、請求項8または9に記載のシステム。
- 前記デテント脱進機は、前記周回質量に固定された2つの平行留め具(151、152)を含み、一方の該留め具(152)はばね(155)上で旋回するデテント(154)を変位させてがんぎ車(153)を解放し、該がんぎ車は他方の該留め具(151)に衝撃を与えて、失われたエネルギーを前記振動子または振動子システムに戻す、請求項12に記載のシステム。
- 請求項1〜13のいずれか1項に記載の振動子またはシステムをタイムベースとして含む時計などのタイムキーパ。
- 前記タイムキーパは腕時計またはクロノグラフである、請求項14に記載のタイムキーパ。
- 請求項14または15に記載のタイムキーパにおけるタイムベースとしての、請求項1〜13のいずれか1項に記載の振動子またはシステムの使用。
- 音楽時計および腕時計、またはオルゴールにおける調速機としての、請求項1〜13のいずれか1項に記載の振動子またはシステムの使用。
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