KR20120005949A

KR20120005949A - 고정 질량중심을 가진 밸런스 스프링

Info

Publication number: KR20120005949A
Application number: KR1020110062572A
Authority: KR
Inventors: 장-뤽 헬페르; 카스파르 트루엠피
Original assignee: 몽트레 브레귀에 에스. 아.
Priority date: 2010-07-09
Filing date: 2011-06-28
Publication date: 2012-01-17
Also published as: JP5350441B2; CN102314144B; JP2012018169A; EP2405312A1; CN102314144A; EP2405313A1; US8480294B2; US20120008467A1; EP2405313B1; HK1165870A1

Abstract

본 발명은 제 1 헤어스프링(3, 3'), 제 2 헤어스프링(5, 5') 및 부착 부재(4, 4')를 포함하는 밸런스 스프링(1, 1')에 관한 것으로서, 상기 제 1 헤어스프링(3, 3')의 곡선은 제 1 평면에서 연장되고, 상기 제 2 헤어스프링(5, 5')의 곡선은 상기 제 1 평면에 대해 평행한 제 2 평면에서 연장되며, 상기 부착 부재(4, 4')는 일련의 2중 밸런스 스프링(1, 1')을 형성하기 위하여 상기 제 1 헤어스프링(3, 3')의 곡선의 한 단부를 상기 제 2 헤어스프링(5, 5')의 곡선의 한 단부에 고정한다. 본 발명에 따르면, 상기 제 1 헤어스프링(3, 3')의 곡선과 제 2 헤어스프링(5, 5')의 곡선은 각각 연속적으로 변경되는 피치를 포함하고 상기 부착 부재(4, 4')의 돌출부의 중앙 평면을 통과하며 상기 제 1 평면과 제 2 평면에 평행한 일직선(A)에 대해 대칭이며, 상기 각각의 곡선은 수축 및 팽창 동안 질량중심의 변위를 감소시키기 위해 방정식:

을 충족한다.
또한 본 발명은 스프렁 밸런스 공진기 분야에 관한 것이다.

Description

고정 질량중심을 가진 밸런스 스프링{BALANCE SPRING WITH FIXED CENTER OF MASS}

본 발명은 스프렁 밸런스 공진기를 형성하도록 사용된 밸런스 스프링에 관한 것으로서, 상기 스프렁 밸런스 공진기의 곡률로 인해, 실질적으로 고정 질량중심을 가진 변형예가 제공된다.

유럽특허번호 2 184 652, 2 196 867 및 2 105 807은 각각 세 부분, 2 부분 또는 단일 부분을 사용하여 미세기계가공 가능한 재료(micro-machinable material)들로 제조된 곡선 입면부(curve elevation)를 가진 밸런스 스프링을 어떻게 제작하는 지를 설명하고 있다. 이 문헌들은 본 명세서에서 참조문헌들로서 통합된다.

단말 곡선(terminal curve)의 이론적인 곡률(theoretical curvature)을 결정하기 위해 Phillips 기준(criteria)을 적용하는 방법이 공지되어 있다. 하지만, Phillips 기준은 심지어 낮은 변동율(variation)이 필요한 경우에는 꼭 만족스럽지 않은 사실상 근사법(approximation)이다.

본 발명의 목적은 수축(contraction)되고 팽창(expansion)될 때 밸런스 스프링(balance spring)의 질량중심(center of mass)의 변위(displacement)를 감소시킬 수 있는 미리 정해진 조건들을 충족하는 밸런스 스프링을 제안함으로써 위에서 언급한 결점들의 일부를 해결하는 데 있다.

따라서, 본 발명은 제 1 헤어스프링(hairspring), 제 2 헤어스프링 및 부착 부재(attachment member)를 포함하는 밸런스 스프링에 관한 것으로서, 상기 제 1 헤어스프링의 곡선(curve)은 제 1 평면에서 연장되고, 상기 제 2 헤어스프링의 곡선은 상기 제 1 평면에 대해 평행한 제 2 평면에서 연장되며, 상기 부착 부재는 일련의 2중 밸런스 스프링(dual balance spring)을 형성하기 위하여 상기 제 1 헤어스프링의 곡선의 한 단부를 상기 제 2 헤어스프링의 곡선의 한 단부에 고정하고, 상기 제 1 헤어스프링의 곡선과 제 2 헤어스프링의 곡선은 각각 연속적으로 변경되는 피치(continuously variable pitch)를 포함하고 상기 부착 부재의 돌출부(projection)의 중앙 평면(median plane)을 통과하며 상기 제 1 평면과 제 2 평면에 평행한 일직선에 대해 대칭이며, 상기 각각의 곡선은 수축 및 팽창 동안 질량중심의 변위를 감소시키기 위해 방정식:

을 충족한다.

본 발명의 그 외의 다른 유리한 특징들에 따르면,

- 각각의 곡선은 다음의 방정식을 충족하는데:

- 그리고, 가능하게는:

을 충족하고;

- 그리고, 가능하게는:

을 충족하며;

- 그리고, 가능하게는:

을 충족하고;

- 그리고, 가능하게는:

을 충족한다.

- 각각의 헤어스프링은 상기 부착 부재의 질량에 의해 형성된 언밸런스(unbalance)를 상쇄하기 위하여 하나 이상의 균형추(counterweight)를 포함하고;

- 상기 밸런스 스프링은 실리콘으로 형성되며;

- 상기 밸런스 스프링은 온도 변화와 기계적 충격에 대한 민감성을 제한하기 위하여 실리콘 다이옥사이드(silicon dioxide)로 코팅된 하나 이상의 부분을 포함한다.

또한, 본 발명은, 가령, 예를 들어 관성 블록(inertia block)을 포함하는 시계용 공진기(resonator)에 관한 것으로서, 상기 관성 블록은 앞의 변형예들 중 어느 한 변형예에 따른 밸런스 스프링과 협력하는(cooperate) 것을 특징으로 한다.

그 외의 다른 특징들과 이점들은 첨부된 도면들을 참조하여 비-제한적인 예로서 주어진 하기 기술된 내용으로부터 더욱 명확하게 될 것이다.
도 1 및 2는 간섭 공진(coherent reasoning)을 설명하는 다이어그램.
도 3 내지 5는 각각 2차, 3차 및 4차 모멘트 방정식을 충족하는 2.3 코일을 가진 곡선의 계산 예들을 도시한 그래프.
도 8 내지 8은 각각 2차, 3차 및 4차 모멘트 방정식을 충족하는 5.3 코일을 가진 곡선의 계산 예들을 도시한 그래프.
도 9 및 10은 본 발명에 따른 밸런스 스프링의 다이어그램.
도 11은 축 B-B을 따라 절단한 부분 횡단면도.
도 12는 도 9와 10에 따른 밸런스 스프링의 비등시성 시뮬레이션(anisochronism simulation) 곡선.
도 13은 부착 부재의 질량을 무시할 수 없는 밸런스 스프링의 비등시성 시뮬레이션 곡선.
도 14 및 15는 상기 부착 부재의 질량을 상쇄하는 본 발명에 따른 밸런스 스프링의 다이어그램.
도 16은 도 14 및 15의 밸런스 스프링의 비등시성 시뮬레이션 곡선.

기계식 시계(mechanical watch)의 이론 진동수(theoretical frequency)에 대한 기계식 시계의 오차 변동율(rate variation)은 주로 탈진장치(escapement)와 스프렁 밸런스 공진기(sprung balance resonator) 때문이다. 이러한 오차 변동율은 스프렁 밸런스의 진동폭(oscillation amplitued)에 의해 발생되는지 또는 시계 무브먼트(movement)의 위치에 의해 발생되는 지에 따라, 두 가지 타입의 오차 변동율로 구분될 수 있다. 이것이, 비등시성 테스트(anisochronism test)에 대해, 여섯 위치; 즉 2개의 수평방향 위치(다이얼이 위를 향하는 위치와 다이얼이 아래를 향하는 위치) 및 4개의 수직방향 위치(스템이 상부를 향하는 위치로부터 90°씩 회전되는 4개의 위치)에서 시계 무브먼트가 테스트되는 이유이다. 이렇게 얻어진 여섯 개의 고유한 곡선들로부터, "파복(antinode)"으로 불리는 상기 곡선들 간의 최대 변동율이 결정되는데, 이는 하루마다 초(second)에 있어서 무브먼트의 최대 오차 변동율을 나타낸다(s.j^-1).

탈진장치는 조정하기가 어려운 밸런스 진폭(amplitude)에 따른 오차 변동율을 포함한다. 이에 따라, 밸런스 스프링은 일반적으로 동일한 진폭에 따른 밸런스 스프링의 변동율이 탈진장치의 변동율에 대해 실질적으로 정반대(opposite)가 되도록 구성된다. 게다가, 밸런스 스프링은 상기 밸런스 스프링의 변동율이 4개의 수직방향 위치 사이에서 최소가 되도록 구성된다.

계산에 의해 이상적인 곡선들을 결정하기 위하여 필요한 밸런스 스프링을 수학적 항(mathematical terms)들에 적용하기 위한 노력들이 시도되었다. 만족스러운 밸런스 스프링을 설계하기 위하여 즉 밸런스 스프링의 질량중심이 밸런스 스태프(balance staff) 상에 유지되도록 설계하기 위하여, 특히 Messrs Phillips 및 Grossmann에 의해 기하학적 조건(geometrical condition)들이 제공되었다. 하지만, 이 조건들은 대강의 근사치(approximation)들이다. 이에 따라, 질량중심의 매우 작은 변위(displacement)도 커다란 변동율을 발생시킬 수 있기 때문에, 상기 기하학적 조건들에 의해 얻어지는 변동율들은 종종 실망스러운 수치들이다.

본 발명의 유리한 구체예에 따르면, 이것이 바로 상기 기하학적 조건들 특히 Messrs Phillips 및 Grossmann에 의해 제공된 조건을 사용할 때보다 더 우수한 변동율을 구현하기 위하여 밑에서 새로운 조건들이 기술되는 이유이다.

n차 밸런스 스프링 모멘트인

는 다음의 방정식으로 정의된다:

여기서:

- L은 밸런스 스프링의 길이이고;

- s ⁿ 은 밸런스 스프링을 따라는 곡선 가로좌표(curvilinear abscissa)의 n승(power of n)을 나타내며;

-

은 밸런스 스프링의 곡선 가로좌표에 의한 밸런스 스프링의 매개변수(parameterization)이다.

따라서, 각각의 n차 밸런스 스프링 모멘트에 대해서, 고정 질량중심을 얻기 위하여, 밸런스 스프링 모멘트

는 영(zero)이 되어야 한다. 무한 개수의 차수(order)가 있어서 이 차수들을 모두 계산하는 것이 가능하지 않기 때문에, 제로 관계식(1)이 충족될 때 차수의 수가 크면 클수록 질량중심의 변위의 크기(displacement quantity)가 작아질 것이다.

도 1에 예시된 예에서, 적어도 차수의 수와 같은 계수(coefficient)들을 포함하는 다항식(polynomial)을 이용한 매개변수(parametrization)에 의해, 8개의 밸런스 스프링 모멘트는 "이상적인" 이론적 곡선을 형성하는 도트(dot)들에 의해 나타난다(우리의 경우 상기 계수는 8개 이상).

상기 밸런스 스프링의 제로 모멘트 조건들을 적용하기 위하여, 도 9와 10에 도시된 타입의 밸런스 스프링 즉 제 1 헤어스프링(3)과 제 2 헤어스프링(5)을 포함하는 밸런스 스프링(1)으로부터 시작하는데, 상기 제 1 헤어스프링(3)의 곡선(curve)은 제 1 평면에서 연장되고, 상기 제 2 헤어스프링(5)의 곡선은 상기 제 1 평면에 대해 평행한 제 2 평면에서 연장된다. 이 헤어스프링(3, 5)의 각각의 단부는 일련의 2중 밸런스 스프링을 형성하기 위하여 부착 부재(4)에 의해 고정된다.

위에서 설명한 것과 같이, 유럽특허번호 EP　2　184　652, EP　2　196　867 및 EP　2　105　807에서 설명된 방법들을 이용하여 각각 3부분, 2부분 또는 단일 부분을 사용하여 실리콘과 같은 미세기계가공 재료들로 이러한 타입의 밸런스 스프링을 제작하는 것이 가능하다. 물론, 이러한 타입의 밸런스 스프링은 그 외의 다른 방법 및/또는 그 외의 다른 재료들로 제작될 수 있다.

계산을 간단하게 하기 위하여, 제 1 헤어스프링(3)의 곡선과 제 2 헤어스프링(5)의 곡선은 각각 연속적으로 변경되는 피치(pitch)를 포함하고 밸런스 스태프와 부착 부재(4)의 돌출부(projection)의 중앙 평면(P)의 중심을 통과하는 제 1 및 제 2 평면에 대해 평행한 직선(A)에 대해 대칭으로 구성되는 것이 바람직하다.

이에 따라, 예로서, 각각의 헤어스프링(3, 5)에 대해, 7개의 1차 밸런스 스프링 모멘트는 다음의 방정식들을 충족해야 한다:

위에서 설명한 것과 같이, 상기 방정식(2)-(8) 중 충족되는 방정식의 수가 많으면 많을수록, 밸런스 스프링(1)의 질량중심의 변위가 더욱 더 제한될 것이다. 비교해 보면, Phillips 조건(Phillips condition)들은 방정식 (2) 즉 1차 근사방정식에 가깝다. 방정식 (2)-(5)를 적용한 도면들이 도 2에 도시되어 있는데, 도 2는 도 1의 일부분을 확대한 그래프이다.

위에서 설명한 것과 같이, 매개변수를 사용하면, 밸런스를 위해 선택된 관성(inertia), 재료(material), 부분(section) 및 밸런스 스프링의 길이, 뿐만 아니라 매개변수 다항식 계수들에 따른 다양한 헤어스프링 곡선들을 정의하는 것이 가능하다. 또한, 예를 들어, 코일(coil)의 수 및/또는 차수의 수를 제한하는 특별해(particular solution)들을 선택하는 것도 가능하다.

가능한 곡선 시뮬레이션이 도 3 내지 8에 도시되어 있다. 따라서, 도 3을 형성하기 위해서는, 매개변수화는 2차 매개변수 다항식(2nd degree parametrization polynomial)과 2.3 코일을 가진 밸런스 스프링을 포함하는 방정식 (2) 내지 (4)에 제한된다. 도 4는 방정식 (2) 내지 (5)로부터 3차 다항식(3rd degree polynomial)을 포함하는 매개변수 그래프를 도시하고 있으며, 여기서도 감김부(winding)는 2.3 코일로 제한된다. 마지막으로, 도 5는 감김부를 2.3 코일로 제한하는 방정식 (2) 내지 (6)으로부터 4차 다항식(4th degree polynomial)을 가진 매개변수 그래프를 보여준다. 도 6 내지 8은 각각 도 3 내지 5와 동일한 기준을 도시하고 있으나, 감김부가 2.3 코일에서 5.3 코일로 증가되었다. 위에서 설명한 것과 같이, 방정식 (2)-(8)을 충족시키는 무한 개수의 곡선 해들이 존재함을 볼 수 있다.

도 9와 10의 밸런스 스프링(1)을 형성하는 도 5에 도시된 곡률(curvature)로부터 비등시성 시뮬레이션(anisochronism simulation)이 실행되었다. 헤어스프링(3)은 단일 부분 내에 콜릿(6)을 포함하며, 부착 부재(4)의 맞은편에 있는 헤어스프링(5)의 단부는 스터드(7)에 고정된다. 최대 8 mg.cm²의 밸런스 관성 및 46 mm의 길이(L)와 0.0267 mm x 0.1 mm의 단면적을 가진 실리콘 밸런스 스프링이 선택되었다. 도 12에 예시되어 있는 시뮬레이션 결과는 300 °에서 0.3 s.j^-1의 매우 바람직한 결과를 보여주고 있다. 따라서, "파복(antinode)"을 줄이기 위하여 여전히 조절되어야 하는 Phillips 및 Grossmann 조건들에 비해, 상기 새로운 조건들의 이점은 매우 명확하다.

밸런스 스프링이 유럽특허번호 EP 2 184 652에 설명된 것과 같이 세 개의 부분들로 형성된 특별한 경우에서, 부착 부재는 무시할 만한 질량이 될 수 없으며 오차 변동율이 200°에서 11.8 s.j^-1에 도달하는 도 13에 도시된 것과 같은 비등시성을 현저하게 증폭시킬 수 있다.

가장 높은 수의 방정식 (2)-(8)을 충족시킬 뿐만 아니라, 부착 부재에 의해 발생된 언밸런스(unbalance)를 상쇄하는 것 즉 밸런스 스태프로부터 거리에 대한 부착 부재의 질량을 상쇄하는 것이 필요하게 된다. 따라서, 본 발명은 두 개의 헤어스프링(3, 5)에 언밸런스를 대칭으로 추가함으로써 부착 부재의 언밸런스를 상쇄하는 것을 제안하는 것이 바람직하다. 도 14와 15에 도시된 것과 같이, 추가된 언밸런스는 각각의 헤어스프링(3', 5') 위에 두 개의 실질적으로 동일한 균형추(counterweight)(8', 9')를 포함하는 것이 바람직하다. 균형추(8' 및 9') 질량은 실질적으로 같고 이들의 합(sum)은, 한편으로는 부착 부재(4')와 밸런스 스태프 사이 거리의 차이, 또 다른 한편으로는 상기 밸런스 스태프와 균형추(8', 9') 사이 거리의 차이에 따라, 부착 부재(4')의 질량보다 더 크거나 또는 더 작은 것이 바람직하다. 이 거리들이 실질적으로 같으면, 함께 추가된 균형추(8', 9')의 질량은 부착 부재(4')의 질량에 대해 실질적으로 균등한 질량을 형성하는 것은 자명하다. 도 16에 도시되어 있는 것과 같이, 200°에서 1.4 s.j^-1의 바람직한 오차 변동율이 위에서와 같은 기준으로 얻어질 수 있는 것이 유리하다는 것을 의미한다.

물론, 본 발명은 예시된 예에만 제한되지 않으며 당업자에게 명백한 바와 같이 다양한 변형예들과 대안예들이 가능하다. 특히, 가령, 예를 들어, 내측 반경(internal radius)과 외측 반경(external radius) 사이의 오차 한계(limit of ratio)와 같이 그 외의 다른 정의 기준들이 제공될 수 있으며 이에 따라 헤어스프링의 단부들은 밸런스 스태프가 위치되어야 하는 원점(point of origin)에 너무 가깝게 위치되지 않는다.

게다가, 밸런스 스프링이 실리콘으로 제조되면, 온도 변화와 기계적 충격에 대해 덜 민감하게 만들기 위해 밸런스 스프링은 일부분 이상을 실리콘 다이옥사이드(silicon dioxide)로 코팅될 수 있다.

마지막으로, 각각의 균형추(8', 9')는 서로 다를 수 있다. 특히, 이 균형추들은 두 개의 고유 질량으로 형성될 수 있는데, 이는 즉 4개의 균형추가 있을 수 있다는 의미이다.

Claims

제 1 헤어스프링(3, 3'), 제 2 헤어스프링(5, 5') 및 부착 부재(4, 4')를 포함하는 밸런스 스프링(1, 1')으로서, 상기 제 1 헤어스프링(3, 3')의 곡선(curve)은 제 1 평면에서 연장되고, 상기 제 2 헤어스프링(5, 5')의 곡선은 상기 제 1 평면에 대해 평행한 제 2 평면에서 연장되며, 상기 부착 부재(4, 4')는 일련의 2중 밸런스 스프링(1, 1')을 형성하기 위하여 상기 제 1 헤어스프링(3, 3')의 곡선의 한 단부를 상기 제 2 헤어스프링(5, 5')의 곡선의 한 단부에 고정하는 밸런스 스프링(1, 1')에 있어서,
- 상기 제 1 헤어스프링(3, 3')의 곡선과 제 2 헤어스프링(5, 5')의 곡선은 각각 연속적으로 변경되는 피치를 포함하고 상기 부착 부재(4, 4')의 돌출부의 중앙 평면을 통과하며 상기 제 1 평면과 제 2 평면에 평행한 일직선(A)에 대해 대칭으로 구성되고,
- 상기 각각의 곡선은 수축 및 팽창 동안 질량중심의 변위(displacement)를 감소시키기 위해 방정식:

을 충족하는 밸런스 스프링(1, 1').
제 1 항에 있어서,
각각의 곡선은 수축 및 팽창 동안 질량중심의 변위를 추가로 감소시키기 위하여 방정식:

을 충족하는 것을 특징으로 하는 밸런스 스프링(1, 1').
제 2 항에 있어서,
각각의 곡선은 수축 및 팽창 동안 질량중심의 변위를 추가로 감소시키기 위하여 방정식:

을 충족하는 것을 특징으로 하는 밸런스 스프링(1, 1').
제 3 항에 있어서,
각각의 곡선은 수축 및 팽창 동안 질량중심의 변위를 추가로 감소시키기 위하여 방정식:

을 충족하는 것을 특징으로 하는 밸런스 스프링(1, 1').
제 4 항에 있어서,
각각의 곡선은 수축 및 팽창 동안 질량중심의 변위를 추가로 감소시키기 위하여 방정식:

을 충족하는 것을 특징으로 하는 밸런스 스프링(1, 1').
제 5 항에 있어서,
각각의 곡선은 수축 및 팽창 동안 질량중심의 변위를 추가로 감소시키기 위하여 방정식:

을 충족하는 것을 특징으로 하는 밸런스 스프링(1, 1').
제 1 항에 있어서,
각각의 헤어스프링(3', 5')은 상기 부착 부재(4')의 질량에 의해 형성된 언밸런스(unbalance)를 상쇄하기 위하여 하나 이상의 균형추(8', 9')를 포함하는 것을 특징으로 하는 밸런스 스프링(1, 1').
제 1 항에 있어서,
상기 밸런스 스프링(1, 1')은 실리콘으로 형성되는 것을 특징으로 하는 밸런스 스프링(1, 1').
제 8 항에 있어서,
상기 밸런스 스프링(1, 1')은 온도 변화와 기계적 충격에 대한 민감성을 제한하기 위하여 실리콘 다이옥사이드(silicon dioxide)로 코팅된 하나 이상의 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 밸런스 스프링(1, 1').
관성(inertia)을 포함하는 시계용 공진기(resonator)에 있어서,
상기 관성은 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 밸런스 스프링과 협력하는(cooperate) 것을 특징으로 하는 시계용 공진기.