WO2013056706A1 - Oscillating system for mechanical clock movements - Google Patents
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- WO2013056706A1 WO2013056706A1 PCT/DE2012/100327 DE2012100327W WO2013056706A1 WO 2013056706 A1 WO2013056706 A1 WO 2013056706A1 DE 2012100327 W DE2012100327 W DE 2012100327W WO 2013056706 A1 WO2013056706 A1 WO 2013056706A1
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- G04B—MECHANICALLY-DRIVEN CLOCKS OR WATCHES; MECHANICAL PARTS OF CLOCKS OR WATCHES IN GENERAL; TIME PIECES USING THE POSITION OF THE SUN, MOON OR STARS
- G04B17/00—Mechanisms for stabilising frequency
- G04B17/04—Oscillators acting by spring tension
- G04B17/06—Oscillators with hairsprings, e.g. balance
- G04B17/066—Manufacture of the spiral spring
Definitions
- the invention relates to a vibration system for mechanical movements.
- the balance comprises a vibrating body, which is mounted pivotably about an axis of rotation by means of a balance shaft. Further, a vibrating or spiral spring or balance spring is provided, which forms the oscillatory and clocking system together with the mass of the oscillating body.
- the active spring length is included the length of the coil spring which is effective during swinging, that is subject to elastic deformation and extends between the inner coil spring end and the outer breakpoint of the coil spring.
- the inner coil spring end is located at the point where the coil spring has a width radial to the spring axis that is equal to or substantially equal to the width of all turns (common turn width).
- tolerances can not be excluded. This applies, as stated, to a greater extent for spiral springs of silicon, which are provided on their surfaces to achieve the necessary strength and / or temperature independence with a coating of silicon oxide. As a rule, this coating takes place by thermal oxidation.
- a possible constant and permanently unchanged vibration behavior of a vibration system represents the ultimate goal in the field of mechanical movements.
- the "oscillation range" of the helical spring is the spiral length of the spring in which the oscillation proceeds unhindered. - -
- the present invention provides a vibrating system for mechanical timepieces comprising a vibrating body, a balance shaft pivotally mounted about an axis, and a coil spring having a total spring length, wherein the total spring length is composed of an inner vibration region having a vibration spring length and an outer stabilizing region having a stabilizing spring length.
- the coil spring is connected to the balance shaft with a coil spring attachment portion and encloses the balance shaft with the coil spring attachment portion.
- the coil spring is held or clamped in the outer stabilization region at a spring-holding point, the total spring length extending from an inner end of the inner oscillation region to the outer spring-holding point.
- the spiral spring has an average height h sc in its inner oscillation area parallel to the axis of the balance spring coinciding with the axis of the balance spring, and has an average width b sc radial to the axis of the spiral spring.
- the spiral spring has in the outer stabilization region parallel to the axis of the coil spring an average height hst which is at least 1% less than the average height h sc in the inner oscillation range.
- the spiral spring has an average width bst in the outer stabilization region radially to the axis of the spiral spring, which is at least 1% larger than the average width b sc in the inner vibration region.
- the present invention is based on the finding that an improved oscillation behavior is not necessarily achieved by an increased mass in the stabilization region of the spiral spring, but rather by an increase in the area moment of inertia of the spiral spring in its stabilization region.
- Such an increase in the area moment of inertia can be achieved in a simple manner by means of a reduced height and increased width of the spiral spring in comparison with the oscillation range of the spiral spring in the stabilization region. Since the increase of the width with the third power enters into the calculation of the area moment of inertia and the decrease of the height only has a linear effect, the spiral spring can be designed so that an increase of the area moment of inertia without mass increase is possible.
- the area moment of inertia (FT) can be calculated for a rectangular cross section of the coil spring as follows, where h denotes the height of the spiral spring and b the width of the spiral spring:
- the height is reduced by 1% with a simultaneous increase in the width of the coil spring by 1% Increase of the second moment of area by 2%.
- the ratio of the mass of the stabilization area to the mass of the oscillation area results as follows: - -
- the average height h st is obtained by reducing the height by 1% while increasing the width of the coil spring by 1% no change in mass.
- the inventive change in the geometric cross section of the coil spring in the stabilization region with respect to the vibration region thus an increase in the area moment of inertia without increasing the mass is possible.
- the present invention relates to any form of coil spring in which a reduction in height and an increase in the width in the claimed type is made. This also includes embodiments which, despite the reduction in height, experience an increase in mass due to the increase in the width in the stabilization region. - -
- average height or the average width of a helical spring is understood to mean the mean value of the spring length that is normalized over the respective spring length or the varying width of a helical spring.
- Coil springs are usually manufactured for manufacturing reasons with a constant height and a constant width, but which may differ between the vibration range and the stabilization range. For various reasons, however, it may happen that a spiral spring has varying height or varying width in the oscillation range and / or in the stabilization range.
- the total spring length is composed of the inner vibration region and the outer stabilization region.
- the overall spring length of the coil spring extends from the inner coil spring end to the outer spring stop point.
- the inner end of the vibration region is located at the point where the oscillation region of the coil spring merges with the coil spring attachment section which serves to fix the coil spring to the balance shaft.
- the outer spring retention point is determined either by a fixed spring retention point or by the position of a recoiler.
- the outer stabilizing portion corresponds to a portion of the coil spring extending from the spring-holding point toward the oscillation portion of the coil spring, the boundary between the stabilizing portion and the oscillating portion being set by the average height h st of the coil spring being at least 1% smaller in its stabilizing range the average height h sc of the coil spring in its inner oscillation range and at the same time the average width b st of the spiral spring in their - -
- Stabilization is at least 1% larger than the average width b sc of the coil spring in the inner vibration range.
- the boundary between the stabilization area and the oscillation area is immediately apparent because of a discontinuity in height and a discontinuity in width corresponding to one step.
- the boundary between stabilization area and oscillation area can be determined by the person skilled in the art with the aid of simple measurements.
- the point at which the average height of the area adjoining the spring support point in the direction of the oscillation area is at least 1% lower can be calculated by a simple mathematical evaluation as the height of the area adjoining the coil spring attachment portion toward the outer stabilization area. Also, the point at which the average width of the area adjoining the spring stop point in the direction of the oscillation area is larger by at least 1% than the width of the area adjoining the coil spring attachment section toward the outer stabilization area can be calculated. The point from which both conditions are met is the boundary between "inner oscillation range” and "outer stabilization range”.
- the limit for each coil spring can be determined unambiguously by a measurement that is easy to carry out for the person skilled in the art and can be easily evaluated.
- the corresponding limit can be determined by calculating the point at which the average height or width of the area adjoining the spring stop point in the direction of the oscillation area is at least 10% or one of corresponding lower preferred value - less than or greater than the height or width of the adjoining the inner coil spring attachment portion in the direction of the externa ßeren stabilization region range.
- the coil spring in the outer stabilization region has an average height h st which is at least 2% or 3% or 4% or 5% or 6% or 7% or 8% or 9% or 10% less than the average height h sc in the inner oscillation range.
- the spiral spring in the outer stabilization region has an average height h st which is at least 12% or 14% or 16% or 18% or 20% or 22% or 24% or 25% less than the average height h sc in the interior vibration region.
- the spiral spring in the outer stabilization region has an average height h st which is at least 30% or 35% or 40% or 45% or 50% less than the average height h sc in the inner oscillation range.
- the spiral spring has a constant height h sc in the inner oscillation range.
- the spiral spring has a constant height h st in the outer stabilization region.
- a constant height brings with it manufacturing advantages, since, for example, a smaller number of etching masks is used in etching processes.
- the spiral spring in the outer stabilization region radially to the axis of the coil spring has an average width b st , which is at least 2% or 3% or 4% or 5% or 6% or 7% or 8% or 9% or 10% greater than the average width b sc in the inner oscillation range.
- the coil spring in the externa ßeren stabilization region has an average width - -
- coil spring in the outer stabilization region has an average width b st which is at least 30% or 35% or 40% or 45% or 50% greater than the average width b sc in the inner oscillation range.
- an additional mass provided in the outer stabilization region improves the oscillatory behavior of the spiral spring. By broadening the spring in the stabilization region, such an additional mass can be provided, although the spring in this region has a reduced height compared to the inner vibration region.
- the width, which has the coil spring in the stabilization region about twice the width correspond to the coil spring has au outside the stabilization region. If this spiral spring has a height in the stabilization region which corresponds approximately to half the height which the spiral spring has outside the stabilization region, then the geometric cross-sectional shape of the spiral spring is changed, but its mass per unit length remains constant. At the same time, however, the area moment of inertia is increased, whereby the desired optimal behavior of the spiral spring in the oscillating state of the oscillatory system, i. the avoidance of the displacement of the coil spring results.
- the stabilization of the oscillatory behavior of the spiral spring is further improved if at least one stabilization factor for the spiral spring, namely the area inertia stabilization factor (r) FT) and / or the spring constant stabilization factor (r) k) is described below Way is chosen.
- the coil spring consists of an inner oscillation area and an outer stabilization area in which the height - -
- the inner vibration range extends over an angle range of 0 ° to 9A, i. from the inner end of the vibration region to the beginning of the outer stabilization region.
- the externa ßere stabilization range is in the angular range 9A to 9E and extends to the outer spring support point.
- the slope of the loop geometry can be of any functional connection.
- a helical spring with a linear pitch is used by way of example.
- the width, the material used and the cross-sectional geometry within the oscillation range and the stabilization range are freely selectable with the proviso that the coil spring in the outer stabilization region has an average height hst parallel to its axis which is at least 1% less than the average height h sc in the inner oscillation range.
- the radius r (9) of the spiral spring is a function of the angle 9 and is generally defined by the following relationship:
- the angle 9A which describes the beginning of the stabilization region and the
- Angle 9E which determines the overall length of the coil spring, can be freely selected. From empirical measurements ideal values for achieving a stable behavior were determined.
- angle values 9A and 9E are assigned the associated lengths LA and LE.
- LA is the total spring length up to the angle 9A with the relationship
- LE is the spiral length or length of the coil spring up to the angle 9E, with the relationship
- FT (I) is below the course of the moment of inertia as a function of the length of the coil spring and E is below the modulus of elasticity of the material used for the coil spring.
- the parameter values are determined so that the respective physical size of the stabilization range from LA (9A) to LE (9E) into
- the reference coil spring is a spring that - -
- the determined stabilization factor r) FT and n.k. is thus influenced only by the stabilizing measures in the outer region of the spiral spring.
- the stabilization factor r) FT represents the ratio of the courses of the moment of inertia distributions FT (I) as a function of the length of the spiral spring in the section of the stabilization region to the vibration region and this in the overall comparison to the reference coil spring:
- FT (I) is the course of the area moment of inertia as a function of the length I
- FTn (l) is the course of the area moment of inertia of the reference coil spring as a function of the spring length (I).
- the stabilization factor r) FT is chosen to be in the range 10 ⁇ r) FT ⁇ 65. - -
- the stabilizing factor nk is the ratio of the spring constant of the stabilizing angle range 9A to 9E to the spring constant of the oscillation range 0 to 9A and this in comparison to the ratio of the spring constant in the analog angular ranges of the reference coil spring:
- kSchwing ⁇ 0 - M) sprial are k stabi
- the stabilization factor nk is chosen such that it lies in the range 1, 5 .s nk ⁇ 65, preferably in the range 1, 5 ⁇ nk ⁇ 25.
- the average height h sc and the average width b sc of the coil spring in its inner oscillation range and the average height h st and the average width b st of the coil spring in its outer stabilization region are coordinated such that a
- Area moment of inertia stabilization factor has a value lying in a predetermined setpoint range associated with the area inertia stabilization factor (nFT) and / or a spring constant stabilization factor (nk) having a predetermined setpoint area associated with the spring constant stabilization factor (nk), - -
- the area moment of inertia stabilization factor being represented by the ratio of a first quotient to a second quotient, the first quotient being the ratio of the area moment of inertia of the outer stabilization area of the spiral spring to the area moment of inertia of the inner oscillation area of the spiral spring and the second quotient the ratio of the area moment of inertia of one corresponding spring length to the area moment of inertia of the spring portion corresponding spring length of a reference coil spring, according to the formula
- FT (I) the course of the moment of area moment of the spiral spring as a function of the spring length (I) and FTn (l) the course of the moment of inertia of the reference spring as a function of spring length (I), wherein the setpoint of the area moment of inertia (nFT) setpoint range between 10 and 65
- the spring constant stabilizing factor (nk) is represented by the ratio of a first quotient to a second quotient, the first quotient being the ratio of the spring constant of the outer stabilizing portion of the coil spring to the spring constant of the inner oscillating portion of the spiral spring and the second quotient the ratio of Spring constants of a spring length corresponding to the stabilization region to the spring constant of a spring length of a reference coil spring corresponding to the vibration region, according to the formula - -
- it is at the outer spring support point to a fixed Ansteckddling or it is the externa ßere spring holding point formed by a back.
- the stabilization region preferably extends over an angular range of 10 ° to 360 °, particularly preferably from 20 ° to 270 °, particularly preferably from 30 ° to 180 °, very particularly preferably from 40 ° to 100 ° .
- the stabilization region extends over an angular range of at least 10 °, particularly preferably of at least 20 °, particularly preferably of at least 30 °, very particularly preferably of at least 40 °, of at least 60 °, at least 90 ° or at least 120 ° ,
- the angular range extends from the outer spring-holding point in the direction of the oscillation range of the spiral spring.
- the spiral spring preferably consists of a non-metallic material, preferably of diamond or of silicon with a coating of silicon oxide.
- the present invention also includes a mechanical timepiece with a mechanical vibration system, wherein the vibration system is configured as described above.
- the present invention also includes a method of adjusting a mechanical movement oscillating system as described above comprising the step of adjusting the total spring length (LE) by changing the outer spring stopping point.
- the externa ßere spring holding point is after setting fixed Ansteckddling.
- the outer spring holding point is adjusted with a gearing.
- FIG. 1 shows by way of example a perspective view of a vibration system for mechanical watches
- FIG. 2 shows a section along a plane receiving the axis of the balance-wave shaft through the oscillating system according to FIGS
- Fig. 3 by way of example a perspective side view of the exempted
- FIGS. 1 to 3 For a better understanding of the present invention, a vibrating system for mechanical movements known from the prior art will be described in connection with FIGS. 1 to 3.
- the oscillating system 1 comprises a vibrating body in the form of a flywheel 2, a balance shaft 3 and a coil spring 4.
- the flywheel 2 consists of an outer circular ring section 2.1, which is connected via a plurality of spokes 2.2 with a hub section 2.3.
- the hub portion 2.3 has a deviating from the circular, central through hole, in which an associated shaft portion 3 'of the balance shaft 3 is added, the concentric Au chseite forms a positive connection with the hub portion 2.3 of the flywheel.
- the flywheel is rotatably connected to the balance shaft 3.
- several inertia 2.4 are attached at the rotation center of the flywheel facing inside of the externa ßeren circular ring section 2.1 several inertia 2.4 are attached.
- the balance-wheel shaft 3 also has an upper and lower free end 3.1, 3.2, which taper in a pointed manner and are received for the rotatable mounting of the balance-wheel shaft 3 about its axis UA in correspondingly formed upper and lower bearing units.
- an upper bearing unit is shown by way of example.
- the axis UA of the balance shaft 3 is thus at the same time the axis of rotation of the flywheel and the coil spring axis.
- the coil spring 4 consists of a preferably annular, inner coil spring attachment section 4.1 and an outer spiral spring end section 4.2. In between there are several spiral spring ring sections 4.3, which extend in a plane perpendicular and preferably concentric with the spiral spring axis, which coincides with the axis UA of the balance shaft 3.
- the preferably annular, inner coil spring mounting portion 4.1 is rotatably connected to the balance shaft 3, preferably glued and / or by positive engagement.
- Die Garar Ben 5 comprises at least one holding arm 6 and a holding element 7 which is slidably mounted in the region of the externa ßeren free end of the support arm 6 along the longitudinal axis LHA of the lever arm 6.
- the holding arm 6 has an inner retaining arm 6.1 and an externa ßeres retaining arm
- the inner retaining arm 6.1 forms an open circular ring and in the region of the externa ßeren retaining arm 6.2 6.2 an elongated guide recess 6.3 is provided.
- the elongated guide recess 6.3 is provided for the variable attachment of the holding element 7 on the support arm 6.
- the inner retaining arm 6.1 is about unspecified holding means which can accommodate the upper and lower bearing units for rotatable mounting of the balance shaft 3, rotatably secured, in such a way that the open circular ring of the inner armrest 6.1 surrounds the axis UA of the balance shaft 3 concentric ,
- the holding element 7 has a substantially cylindrical, elongated base body 7.1 with an upper and lower end face 7.1 1, 7.12 and a longitudinal axis LHE, which has a 7.15 opened to the upper end face blind hole 7.2 with an internal thread for receiving a screw 8.
- a screw 8 By means of the screw 8, which through the elongated guide recess
- the holding member 7 is firmly screwed to the support arm 6, in such a way that the longitudinal axis LHA of the support arm 6 and the longitudinal axis LHE of the holding member 7 are perpendicular to each other.
- a plane receiving the longitudinal axis LHE of the main body 7.1 divides the guide recess 7.3 approximately into two opposite, equal halves of the fork-shaped lower free end of the holding element 7.
- the coil spring center is adjustable, and preferably such that the Spiralfederringabête 4.3 each have the same distance from one another and extend concentrically about the axis UA.
- FIG. 4 shows, in a detail view and a top view, a spiral spring 4 of the mechanical vibration system according to an embodiment of the invention.
- the coil spring 4 in the illustrated embodiment is e.g. of a raw material (wafer) of silicon, for example of polycrystalline silicon, e.g. made of a starting material obtained by epitaxial deposition, e.g. using a masking etch process, such that the integrally formed coil spring 4 having a plurality of turns 9 is fastened to the balance shaft 3 with the inner spiral spring attachment section 4.1 and is designed with an outer stabilization region LS.
- the externa ßere stabilization region LS is in the region of the outer winding and extends over an angular range ⁇ of 100 °.
- the stabilization region LS is formed in the illustrated embodiment in that the spiral spring 4 has an enlarged width radially to its spring axis and a reduced height parallel to its spring axis.
- the stabilizing area LS extends from the spring stopping point 13 to the beginning of the oscillation area, wherein the boundary between stabilizing area and oscillation area is to be determined as defined above.
- Stabilization area LS changed cross-sectional geometry is achieved an increase in the area moment of inertia and prevents displacement of the coil spring 4 when swinging the vibration system.
- the active length extends from the inner end connected to the coil spring attachment section 4.1 and indicated at 12 in FIG. 4 to the spring stop 13. In the embodiment shown in FIGS Connection of the outer coil spring sections 4.3 formed with the support member 7.
- the frequency of the vibration system is set, for example, by appropriate choice of the mass of the flywheel 2 provided on the flywheel 2.4.
- flywheel masses 2.4 are preferably used, which have a different height parallel to the axis UA of the balance shaft 3 in order to achieve a different mass in the axial direction.
- the spiral spring 4 is made of silicon in a masking-etching process.
- the production method eg masking-etching method
- the spring stop point is positioned in the stabilization region, that an optimal vibration behavior is achieved.
- the length ratio of stabilization region to vibration region and an optimal amplitude for the vibration of the vibrating body 2 can be achieved, for example in an angular range between 280 ° and 330 °, again in spite of tolerances of the spring or driving force housed in a spring housing drive spring.
- a spring-holding point 13 would be fixed after setting.
- a so-called gearers 15 which is essentially formed by a pivotable about the axis of the balance shaft 3 lever 16.
- the lever 16 has a receptacle 17 formed, for example, by two pins, in which the spiral spring 4 engages and thus forms the spring-holding point.
- the coil spring 4 is connected at 18 fixed to a circuit board or a bearing plate.
- the receptacle 17 of the reminders 15 forms a solid spring support point.
- the spring-holding point in the stabilization region LS can be set so that an optimum ratio of the length of the stabilization region to the length of the oscillation region and thus optimum oscillation behavior is achieved.
- the coil spring 4 shown in Figure 5 has a total of 10 turns and an externa ßeren stabilization region LS, which in turn adjoins the length LA of the inner oscillation range to externa ßeren spring holding point, which determines the total length of the coil spring 4.
- the stabilization region LS extends over an angle ⁇ of about 100 ° and consists of a subsequent to the length LA section 1 1 .1 with decreasing height and increasing width, from an adjoining section 1 1 .2 with constant or substantially constant height and width, from a section 1 1 .3, at which towards the outer end 4.4 out the height increases and the width decreases, and a section 1 1 .4, which extends up to the through the reminder 15 formed spring holding point extends.
- the sections 1 1 .1 and 1 1 .3 each extend in the spiral spring 4 over an angular range of about 15 °.
- the middle section 1 1 .2 has a larger angular range of about 30 ° compared to the sections 1 1 .1 and 1 1 .3.
- the spiral spring 4 has a constant or substantially constant width b sc and a constant or substantially constant height h sc in the inner oscillation range.
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Abstract
The invention relates to an oscillating system for mechanical clock movements, comprising an oscillating body (2), a balance staff (3) mounted pivotably about an axis UA, and a spiral spring (4) having an overall spring length LE, wherein the overall spring length LE is made up of an inner oscillation region having an oscillating spring length LA and an outer stabilisation region having a stabilising spring length LS. The spiral spring (4) is connected by a spiral spring fastening portion (4.1) to the balance staff (3) and surrounds the balance staff (3). The spiral spring (4) is retained or gripped in the outer stabilisation region on a spring retaining point (13), wherein the overall spring length LE extends from the inner end (12) of the oscillation region to the outer spring retaining point (13). In the inner oscillation region, the spiral spring (4) has an average height hsc parallel to the axis of the spiral spring, which axis coincides with the axis UA of the balance staff, and has an average width bsc radially with respect to the axis of the spiral spring. In the outer stabilisation region, the spiral spring (4) has, parallel to the axis of the spiral spring, an average height hst that is at least 1 % less than the average height hsc in the inner oscillation region. Moreover, in the outer stabilisation region the spiral spring (4) has, radially with respect to the axis of the spiral spring, an average width bst that is at least 1 % greater than the average width bsc in the inner oscillation region.
Description
Schwingsystem für mechanische Uhrwerke Oscillation system for mechanical movements
Technisches Gebiet Technical area
Die Erfindung betrifft ein Schwingsystem für mechanische Uhrwerke. The invention relates to a vibration system for mechanical movements.
Stand der Technik State of the art
Schwingsysteme für mechanische Uhrwerke, insbesondere für Armbanduhren, werden in der Fachwelt auch als Unruh bezeichnet. Die Unruh umfasst einen Schwingkörper, welcher mittels einer Unruhwelle schwenkbar um eine Drehachse gelagert ist. Ferner ist eine Schwing- oder Spiralfeder bzw. Unruhfeder vorgesehen, die zusammen mit der Masse des Schwingkörpers das schwingungsfähige und taktgebende System bildet. Oscillating systems for mechanical movements, especially for watches, are referred to in the art as a balance. The balance comprises a vibrating body, which is mounted pivotably about an axis of rotation by means of a balance shaft. Further, a vibrating or spiral spring or balance spring is provided, which forms the oscillatory and clocking system together with the mass of the oscillating body.
Aus der DE 10 2008 061 182 A1 ist die Herstellung von Schwing- oder Spiralfedern aus Silizium, insbesondere aus polykristallinem Silizium sowie aus Siliziumcarbid bekannt. Bei Verwendung derartiger Spiralfedern zur Bildung eines mechanischen Schwingsystems für mechanische Uhrwerke kann es im Rahmen der Herstellung zu Toleranzen kommen, welche sich nachteilig auf das Schwingungsverhalten des mechanischen Schwingsystems auswirken. DE 10 2008 061 182 A1 discloses the production of oscillating or spiral springs made of silicon, in particular of polycrystalline silicon and of silicon carbide. When using such coil springs to form a mechanical vibration system for mechanical movements, tolerances can occur within the scope of the production, which have a disadvantageous effect on the vibration behavior of the mechanical vibration system.
Bekannt ist auch, die Schwing- oder Spiralfeder eines mechanischen Schwingsystems im Bereich der äu ßeren Windung zur Schaffung einer zusätzlichen Masse oder Ausgleichsmasse mit einer Verdickung auszubilden, um eine oszillierende Verlagerung der Spiralfeder beim Schwingen des Schwingsystems zu vermeiden. Um diesen Effekt zu erreichen, ist eine optimale Abstimmung des Massengewichtes der Verdickung in Bezug auf das Gesamt-Massengewicht der aktiven Federlänge der Spiralfeder notwendig. Die aktive Federlänge ist dabei
diejenige Länge der Spiralfeder, die während des Schwingens wirksam ist, d.h. der elastischen Verformung unterliegt und sich zwischen dem inneren Spiralfederende und dem äußeren Haltepunkt der Spiralfeder erstreckt. Das innere Spiralfederende ist an der Stelle lokalisiert, an der die Spiralfeder radial zur Federachse eine Breite aufweist, die gleich oder im Wesentlichen gleich der Breite sämtlicher Windungen (übliche Windungsbreite) ist. Bei der Herstellung der Spiralfedern sind Toleranzen nicht auszuschließen. Dies gilt, wie ausgeführt, in verstärktem Maße für Spiralfedern aus Silizium, die an ihren Oberflächen zur Erzielung der notwendigen Festigkeit und/oder Temperaturunabhängigkeit mit einer Beschichtung aus Siliziumoxid versehen werden. In der Regel erfolgt diese Beschichtung durch thermische Oxidation. It is also known to form the oscillating or spiral spring of a mechanical oscillating system in the area of the externa ßeren turn to create an additional mass or leveling compound with a thickening in order to avoid an oscillating displacement of the coil spring during oscillation of the vibrating system. To achieve this effect, an optimal balance of the mass weight of the thickening in relation to the total mass weight of the active spring length of the coil spring is necessary. The active spring length is included the length of the coil spring which is effective during swinging, that is subject to elastic deformation and extends between the inner coil spring end and the outer breakpoint of the coil spring. The inner coil spring end is located at the point where the coil spring has a width radial to the spring axis that is equal to or substantially equal to the width of all turns (common turn width). In the manufacture of coil springs tolerances can not be excluded. This applies, as stated, to a greater extent for spiral springs of silicon, which are provided on their surfaces to achieve the necessary strength and / or temperature independence with a coating of silicon oxide. As a rule, this coating takes place by thermal oxidation.
Ein möglichst konstantes und dauerhaft unverändertes Schwingverhalten eines Schwingsystems stellt im Bereich der mechanischen Uhrwerke das anzustrebende Ziel schlechthin dar. A possible constant and permanently unchanged vibration behavior of a vibration system represents the ultimate goal in the field of mechanical movements.
Darstellung der Erfindung Presentation of the invention
Hier setzt die Erfindung an. Es soll ein Schwingsystem für mechanische Uhrwerke aufgezeigt werden, mit dem trotz Fertigungstoleranzen der Spiralfeder ein verbessertes Schwingungsverhalten der Spiralfeder erreicht wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Schwingsystem für mechanische Uhrwerke gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Aspekte, Details und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den Figuren. This is where the invention starts. It will be shown a vibrating system for mechanical movements, with the despite manufacturing tolerances of the coil spring an improved vibration behavior of the coil spring is achieved. This object is achieved by the vibration system for mechanical movements according to claim 1. Further advantageous aspects, details and embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims, the description and the figures.
Der „Schwingungsbereich" der Spiralfeder ist im Sinne der Erfindung diejenige Spirallänge der Feder, in dem die Schwingung ungehindert abläuft. Im Stabilisierungsbereich wird durch eine Erhöhung des Flächenträgheitsmomentes der innere Schwingungsbereich stabilisiert. Für die Eigenfrequenz der Spiralfeder ist auch der Stabilisierungsbereich maßgebend.
- - For the purposes of the invention, the "oscillation range" of the helical spring is the spiral length of the spring in which the oscillation proceeds unhindered. - -
Die vorliegende Erfindung stellt ein Schwingsystem für mechanische Uhrwerke aufweisend einen Schwingkörper, eine um eine Achse schwenkbar gelagerte Unruhwelle und eine Spiralfeder mit einer Gesamtfederlänge, wobei sich die Gesamtfederlänge aus einem inneren Schwingungsbereich mit einer Schwingungsfederlänge und einem äußeren Stabilisierungsbereich mit einer Stabilisierungsfederlänge zusammensetzt, zur Verfügung. Die Spiralfeder ist mit einem Spiralfederbefestigungsabschnitt mit der Unruhwelle verbunden und umschließt mit dem Spiralfederbefestigungsabschnitt die Unruhwelle. Die Spiralfeder ist im äußeren Stabilisierungsbereich an einem Federhaltepunkt gehalten oder eingespannt, wobei sich die Gesamtfederlänge von einem inneren Ende des inneren Schwingungsbereichs bis zu dem äußeren Federhaltepunkt erstreckt. Die Spiralfeder weist in ihrem inneren Schwingungsbereich parallel zu der mit der Achse der Unruhwelle zusammenfallenden Achse der Spiralfeder eine durchschnittliche Höhe hsc und radial zur Achse der Spiralfeder eine durchschnittliche Breite bsc auf. Die Spiralfeder weist im äußeren Stabilisierungsbereich parallel zur Achse der Spiralfeder eine durchschnittliche Höhe hst auf, die zumindest 1 % geringer ist als die durchschnittliche Höhe hsc im inneren Schwingungsbereich. Gleichzeitig weist die Spiralfeder im äußeren Stabilisierungsbereich radial zur Achse der Spiralfeder eine durchschnittliche Breite bst aufweist, die zumindest 1 % größer ist als die durchschnittliche Breite bsc im inneren Schwingungsbereich. The present invention provides a vibrating system for mechanical timepieces comprising a vibrating body, a balance shaft pivotally mounted about an axis, and a coil spring having a total spring length, wherein the total spring length is composed of an inner vibration region having a vibration spring length and an outer stabilizing region having a stabilizing spring length. The coil spring is connected to the balance shaft with a coil spring attachment portion and encloses the balance shaft with the coil spring attachment portion. The coil spring is held or clamped in the outer stabilization region at a spring-holding point, the total spring length extending from an inner end of the inner oscillation region to the outer spring-holding point. The spiral spring has an average height h sc in its inner oscillation area parallel to the axis of the balance spring coinciding with the axis of the balance spring, and has an average width b sc radial to the axis of the spiral spring. The spiral spring has in the outer stabilization region parallel to the axis of the coil spring an average height hst which is at least 1% less than the average height h sc in the inner oscillation range. At the same time, the spiral spring has an average width bst in the outer stabilization region radially to the axis of the spiral spring, which is at least 1% larger than the average width b sc in the inner vibration region.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass ein verbessertes Schwingverhalten nicht unbedingt durch eine im Stabilisierungsbereich der Spiralfeder vergrößerte Masse erreicht wird, sondern durch eine Erhöhung des Flächenträgheitsmomentes der Spiralfeder in ihrem Stabilisierungsbereich. Eine solche Erhöhung des Flächenträgheitsmomentes kann in einfacher Weise durch eine im Vergleich zum Schwingungsbereich der Spiralfeder im Stabilisierungsbereich verringerte Höhe und vergrößerte Breite der Spiralfeder erreicht werden. Da die Zunahme der Breite mit der dritten Potenz in die Berechnung des Flächenträgheitsmomentes eingeht und die Abnahme der Höhe sich nur linear auswirkt, kann die Spiralfeder so ausgebildet werden, dass eine Erhöhung des Flächenträgheitsmomentes ohne Massenzunahme möglich ist.
- - The present invention is based on the finding that an improved oscillation behavior is not necessarily achieved by an increased mass in the stabilization region of the spiral spring, but rather by an increase in the area moment of inertia of the spiral spring in its stabilization region. Such an increase in the area moment of inertia can be achieved in a simple manner by means of a reduced height and increased width of the spiral spring in comparison with the oscillation range of the spiral spring in the stabilization region. Since the increase of the width with the third power enters into the calculation of the area moment of inertia and the decrease of the height only has a linear effect, the spiral spring can be designed so that an increase of the area moment of inertia without mass increase is possible. - -
Das Flächenträgheitsmoment (FT) kann für einen rechteckigen Querschnitt der Spiralfeder wie folgt berechnet werden, wobei h die Höhe der Spiralfeder und b die Breite der Spiralfeder bezeichnet: The area moment of inertia (FT) can be calculated for a rectangular cross section of the coil spring as follows, where h denotes the height of the spiral spring and b the width of the spiral spring:
dFT DFT
dFT Λ7, dFT , dFT Λ7 , dFT,
&t T =—— * An + AB & t T = - * An + AB
&FT _ &b & FT _ & b
FT b FT b
Verringert sich also die Höhe der Spiralfeder um 1 % und vergrößert sich die Breite der Spiralfeder um 1 % so nimmt das Flächenträgheitsmoment bei konstanter Masse um 2% zu.
- - Thus, if the height of the coil spring decreases by 1% and the width of the coil spring increases by 1%, the area moment of inertia increases by 2% with constant mass. - -
Dieses Ergebnis lässt sich durch eine simple Berechnung der Auswirkungen einer Verringerung der Höhe der Spiralfeder um 1 % und einer Vergrößerung der Breite der Spiralfeder um 1 % auf das Flächenträgheitsmoment bestätigen: This result can be confirmed by a simple calculation of the effects of a reduction of the height of the coil spring by 1% and an increase of the width of the coil spring by 1% on the area moment of inertia:
Für den Schwingungsbereich ergibt sich für das Flächenträgheitsmoment: For the oscillation range results for the area moment of inertia:
FT, Für den Stabilisierungsbereich ergibt sich für das Flächenträgheitsmoment: FT, For the stabilization range results for the area moment of inertia:
FT, 3 FT, 3
Erfindungsgemäß weist die Spiralfeder im äu ßeren Stabilisierungsbereich parallel zur Achse der Spiralfeder eine durchschnittliche Höhe hst auf, die zumindest 1 % geringer ist als die durchschnittliche Höhe hsc im inneren Schwingungsbereich, es gilt also: hst = 0,99 ■ hsc. Gleichzeitig weist die Spiralfeder im äußeren Stabilisierungsbereich radial zur Achse der Spiralfeder eine durchschnittliche Breite bst aufweist, die zumindest 1 % größer ist als die durchschnittliche Breite bsc im inneren Schwingungsbereich, woraus sich ergibt: bst = 1 ,01 ■ bsc. According to the invention, the spiral spring has an average height h st parallel to the axis of the helical spring in the outer stabilization region, which is at least 1% smaller than the average height h sc in the inner vibration region, that is to say: h st = 0.99 ■ h sc . At the same time, the spiral spring has an average width b st in the outer stabilization region radially to the axis of the spiral spring, which is at least 1% larger than the average width b sc in the inner vibration region, from which follows: b st = 1, 01 ■ b sc .
Für das Verhältnis der Flächenträgheitsmomente ergibt sich damit: For the ratio of the area moments of inertia, this results in:
FTst / FTSC = (hst-bst 3)/(hsc-bSc3) = (0,99-hsc-(1 ,01 -bsc)3)/(hsc-bsc 3) = 0,99-1 ,013 = 1 ,02 FT st / FT SC = (h st -b st 3 ) / (hsc-b s c 3 ) = (0.99-h sc - (1, 01 -b sc ) 3 ) / (h sc -b sc 3 ) = 0.99-1, 01 3 = 1, 02
Unabhängig von den konkreten Werten für die durchschnittliche Höhe hst, die durchschnittliche Höhe hsc, die durchschnittliche Breite bst und die durchschnittliche Breite bsc ergibt sich also bei Verringerung der Höhe um 1 % bei gleichzeitiger Vergrößerung der Breite der Spiralfeder um 1 % eine Erhöhung des Flächenträgheitsmoments um 2%. Irrespective of the concrete values for the average height h st , the average height h sc , the average width b st and the average width b sc , the height is reduced by 1% with a simultaneous increase in the width of the coil spring by 1% Increase of the second moment of area by 2%.
Vergleicht man die Massen der beiden Bereiche normiert auf eine definierte Länge, so ergibt sich das Verhältnis von Masse des Stabilisierungsbereichs zur Masse des Schwingungsbereichs wie folgt:
- - If the masses of the two areas are normalized to a defined length, the ratio of the mass of the stabilization area to the mass of the oscillation area results as follows: - -
mst / msc = (hst-bst)/(hsc-bsc) = (0,99-hsc-1 ,01 -bSc) (hsc-bSc) = 0,99-1 ,01 = 1 ,00 m st / m sc = (h st -b st ) / (h sc -bsc) = (0.99 -h sc -1, 01 -b S c) (hsc-b S c) = 0.99-1 , 01 = 1, 00
Wiederum unabhängig von den konkreten Werten für die durchschnittliche Höhe hst, die durchschnittliche Höhe hsc, die durchschnittliche Breite bst und die durchschnittliche Breite bsc ergibt sich also bei Verringerung der Höhe um 1 % bei gleichzeitiger Vergrößerung der Breite der Spiralfeder um 1 % keine Veränderung der Masse. Durch die erfindungsgemäße Veränderung des geometrischen Querschnitts der Spiralfeder im Stabilisierungsbereich gegenüber dem Schwingungsbereich wird also eine Erhöhung des Flächenträgheitsmoments ohne Vergrößerung der Masse möglich. Again, irrespective of the concrete values for the average height h st , the average height h sc , the average width b st and the average width b sc are obtained by reducing the height by 1% while increasing the width of the coil spring by 1% no change in mass. The inventive change in the geometric cross section of the coil spring in the stabilization region with respect to the vibration region thus an increase in the area moment of inertia without increasing the mass is possible.
Als weiteres einfaches Beispiel sei eine Spiralfeder genannt, bei der im Stabilisierungsbereich die Breite um 100% (entsprechend einem Faktor 2) vergrößert ist, während die Höhe um 50% (entsprechend einem Faktor 0,5) verringert ist. Für den Stabilisierungsabschnitt dieser Spiralfeder ergibt sich eine Zunahme des Flächenträgheitsmomentes um einen Faktor 4 während die Masse konstant bleibt. Durch die Verringerung der durchschnittlichen Höhe kann in vielen Fällen eine Stabilisierung des Schwingungsverhaltens der Spiralfeder erreicht werden, ohne dass der Stabilisierungsbereich mit einer zusätzlichen Masse versehen werden muss. Damit wird verhindert, dass die Spiralfeder aufgrund der durch die zusätzliche Masse bedingten erhöhten Trägheit ihre maximale Schwingungsamplitude erst zu einem späteren Zeitpunkt erreicht. Au ßerdem wird sowohl eine durch Massezunahme bedingte höhere Reibung in den Lagern der Spiralfeder als auch eine durch eine zusätzlich vorgesehene Masse hervorgerufene Unwucht der Spiralfeder vermieden. Es soll aber klar gestellt werden, dass sich die vorliegende Erfindung auf jede Form von Spiralfeder bezieht, bei der eine Verringerung der Höhe und eine Vergrößerung der Breite in der beanspruchten Art vorgenommen wird. Darunter fallen auch Ausführungsformen, die trotz der Verringerung der Höhe eine Zunahme der Masse aufgrund der Vergrößerung der Breite im Stabilisierungsbereich erfahren.
- - As a further simple example, let us mention a coil spring in which the width in the stabilization region is increased by 100% (corresponding to a factor of 2) while the height is reduced by 50% (corresponding to a factor of 0.5). For the stabilization section of this spiral spring results in an increase of the area moment of inertia by a factor of 4 while the mass remains constant. By reducing the average height, a stabilization of the oscillation behavior of the spiral spring can be achieved in many cases, without the stabilization area having to be provided with an additional mass. This prevents the spiral spring from reaching its maximum oscillation amplitude at a later time due to the increased inertia caused by the additional mass. For putting in addition, both caused by an increase in mass higher friction in the bearings of the coil spring as well as caused by an additionally provided mass imbalance of the coil spring is avoided. It should be understood, however, that the present invention relates to any form of coil spring in which a reduction in height and an increase in the width in the claimed type is made. This also includes embodiments which, despite the reduction in height, experience an increase in mass due to the increase in the width in the stabilization region. - -
Unter der „durchschnittlichen Höhe" bzw. der „durchschnittlichen Breite" einer Spiralfeder wird der auf die entsprechende Federlänge normierte Mittelwert der über die jeweilige Federlänge variierenden Höhe bzw. variierenden Breite einer Spiralfeder verstanden. Üblicherweise werden Spiralfedern aus fertigungstechnischen Gründen mit einer konstanten Höhe und einer konstanten Breite, die sich aber zwischen Schwingungsbereich und Stabilisierungsbereich unterscheiden kann, gefertigt. Aus verschiedenen Gründen kann es aber vorkommen, dass eine Spiralfeder im Schwingungsbereich und/oder im Stabilisierungsbereich variierende Höhe bzw. variierende Breite aufweist. Da sich die durch die vorliegende Erfindung ergebende Verbesserung des Schwingungsverhaltens auch in diesen Fällen einstellt, solange nur die durchschnittliche Höhe der Spiralfeder in ihrem Stabilisierungsbereich um wenigstens 1 % geringer ist als die durchschnittlich Höhe im Schwingungsbereich, wird auf die oben definierte„durchschnittliche Höhe" bzw.„durchschnittliche Breite" abgestellt. The term "average height" or the "average width" of a helical spring is understood to mean the mean value of the spring length that is normalized over the respective spring length or the varying width of a helical spring. Coil springs are usually manufactured for manufacturing reasons with a constant height and a constant width, but which may differ between the vibration range and the stabilization range. For various reasons, however, it may happen that a spiral spring has varying height or varying width in the oscillation range and / or in the stabilization range. Since the improvement in the vibration behavior resulting from the present invention also sets in these cases, as long as only the average height of the spiral spring in its stabilization region is at least 1% lower than the average height in the vibration region, then the "average height" or "average height" defined above is determined "Average width" turned off.
Wie oben bereits beschrieben setzt sich die Gesamtfederlänge aus dem inneren Schwingungsbereich und dem äu ßeren Stabilisierungsbereich zusammen. Nachfolgend soll die Abgrenzung der beiden Bereiche „innerer Schwingungsbereich" und„äußerer Stabilisierungsbereich" klar gestellt werden. Die Gesamtfederlänge der Spiralfeder erstreckt sich von dem inneren Spiralfederende bis zu dem äu ßeren Federhaltepunkt. Das innere Ende des Schwingungsbereichs ist an der Stelle lokalisiert, an dem der Schwingungsbereich der Spiralfeder in den Spiralfederbefestigungsabschnitt, der der Befestigung der Spiralfeder an der Unruhwelle dient, übergeht. Der äußere Federhaltepunkt wird entweder durch einen fest fixierten Federhaltepunkt oder durch die Position eines Rückers festgelegt. Der äußere Stabilisierungsbereich entspricht einem Abschnitt der Spiralfeder, der sich von dem Federhaltepunkt in Richtung des Schwingungsbereichs der Spiralfeder erstreckt, wobei die Grenze zwischen Stabilisierungsbereich und Schwingungsbereich dadurch festgelegt ist, dass die durchschnittliche Höhe hst der Spiralfeder in ihrem Stabilisierungsbereich zumindest 1 % geringer ist als die durchschnittliche Höhe hsc der Spiralfeder in deren inneren Schwingungsbereich und gleichzeitig die durchschnittliche Breite bst der Spiralfeder in ihrem
- - As already described above, the total spring length is composed of the inner vibration region and the outer stabilization region. In the following, the delineation of the two areas "inner vibration range" and "outer stabilization range" shall be clarified. The overall spring length of the coil spring extends from the inner coil spring end to the outer spring stop point. The inner end of the vibration region is located at the point where the oscillation region of the coil spring merges with the coil spring attachment section which serves to fix the coil spring to the balance shaft. The outer spring retention point is determined either by a fixed spring retention point or by the position of a recoiler. The outer stabilizing portion corresponds to a portion of the coil spring extending from the spring-holding point toward the oscillation portion of the coil spring, the boundary between the stabilizing portion and the oscillating portion being set by the average height h st of the coil spring being at least 1% smaller in its stabilizing range the average height h sc of the coil spring in its inner oscillation range and at the same time the average width b st of the spiral spring in their - -
Stabilisierungsbereich zumindest 1 % größer ist als die durchschnittliche Breite bsc der Spiralfeder in deren inneren Schwingungsbereich. Im Falle konstanter Höhen hst und hsc und konstanter Breiten bst und bsc ist die Grenze zwischen Stabilisierungsbereich und Schwingungsbereich sofort offensichtlich, da eine Unstetigkeit in der Höhe und eine Unstetigkeit in der Breite entsprechend einer Stufe ausgebildet sind. Im Falle variierender Höhen hst und hsc und variierender Breiten bst und bsc kann die Grenze zwischen Stabilisierungsbereich und Schwingungsbereich durch den Fachmann mit Hilfe einfacher Messungen bestimmt werden. Nach der Bestimmung der Höhe und der Breite der Spiralfeder in definierten Längenabschnitten über die gesamte Federlänge hinweg kann durch eine einfache mathematische Auswertung der Punkt berechnet werden, an dem die durchschnittliche Höhe des an den Federhaltepunkt in Richtung des Schwingungsbereichs anschließenden Bereichs um mindestens 1 % geringer ist als die Höhe des an den Spiralfederbefestigungsabschnitt in Richtung des äußeren Stabilisierungsbereichs anschließenden Bereichs. Ebenso kann der Punkt berechnet werden, an dem die durchschnittliche Breite des an den Federhaltepunkt in Richtung des Schwingungsbereichs anschließenden Bereichs um mindestens 1 % größer ist als die Breite des an den Spiralfederbefestigungsabschnitt in Richtung des äußeren Stabilisierungsbereichs anschließenden Bereichs. Der Punkt, ab dem beide genannten Bedingungen erfüllt sind, stellt die Grenze zwischen „innerem Schwingungsbereich" und „äußerem Stabilisierungsbereich" dar. Obwohl also die Grenze zwischen „innerem Schwingungsbereich" und „äußerem Stabilisierungsbereich" bei Inaugenscheinnahme einer bestimmten Spiralfeder nicht sofort offenbar ist, kann die Grenze für jede Spiralfeder durch eine für den Fachmann leicht durchzuführende und einfach auswertbare Messung eindeutig bestimmt werden. Analog kann im Zusammenhang mit den nachfolgend näher beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen die entsprechende Grenze dadurch bestimmt werden, dass der Punkt berechnet wird, an dem die durchschnittliche Höhe bzw. Breite des an den Federhaltepunkt in Richtung des Schwingungsbereichs anschließenden Bereichs um mindestens 10% - oder einem der entsprechenden bevorzugten Ausführungsform entsprechenden Wertes - geringer bzw. größer ist als die Höhe bzw. Breite des an den inneren Spiralfederbefestigungsabschnitt in Richtung des äu ßeren Stabilisierungsbereichs anschließenden Bereichs.
- - Stabilization is at least 1% larger than the average width b sc of the coil spring in the inner vibration range. In the case of constant heights h s t and h sc and constant widths b st and b sc , the boundary between the stabilization area and the oscillation area is immediately apparent because of a discontinuity in height and a discontinuity in width corresponding to one step. In the case of varying heights h st and h sc and varying widths b st and b sc , the boundary between stabilization area and oscillation area can be determined by the person skilled in the art with the aid of simple measurements. After determining the height and the width of the spiral spring in defined length sections over the entire spring length, the point at which the average height of the area adjoining the spring support point in the direction of the oscillation area is at least 1% lower can be calculated by a simple mathematical evaluation as the height of the area adjoining the coil spring attachment portion toward the outer stabilization area. Also, the point at which the average width of the area adjoining the spring stop point in the direction of the oscillation area is larger by at least 1% than the width of the area adjoining the coil spring attachment section toward the outer stabilization area can be calculated. The point from which both conditions are met is the boundary between "inner oscillation range" and "outer stabilization range". Thus, although the boundary between "inner oscillation range" and "outer stabilization range" is not immediately apparent when a particular coil spring is inspected, For example, the limit for each coil spring can be determined unambiguously by a measurement that is easy to carry out for the person skilled in the art and can be easily evaluated. Analogously, in connection with the preferred embodiments described in more detail below, the corresponding limit can be determined by calculating the point at which the average height or width of the area adjoining the spring stop point in the direction of the oscillation area is at least 10% or one of corresponding lower preferred value - less than or greater than the height or width of the adjoining the inner coil spring attachment portion in the direction of the externa ßeren stabilization region range. - -
Bevorzugt weist die Spiralfeder im äußeren Stabilisierungsbereich eine durchschnittliche Höhe hst auf, die zumindest 2% oder 3% oder 4% oder 5% oder 6% oder 7% oder 8% oder 9% oder 10% geringer ist als die durchschnittliche Höhe hsc im inneren Schwingungsbereich. Besonders bevorzugt weist die Spiralfeder im äußeren Stabilisierungsbereich eine durchschnittliche Höhe hst auf, die zumindest 12% oder 14% oder 16% oder 18% oder 20% oder 22% oder 24% oder 25% geringer ist als die durchschnittliche Höhe hsc im inneren Schwingungsbereich. Insbesondere bevorzugt weist die Spiralfeder im äußeren Stabilisierungsbereich eine durchschnittliche Höhe hst auf, die zumindest 30% oder 35% oder 40% oder 45% oder 50% geringer ist als die durchschnittliche Höhe hsc im inneren Schwingungsbereich. Preferably, the coil spring in the outer stabilization region has an average height h st which is at least 2% or 3% or 4% or 5% or 6% or 7% or 8% or 9% or 10% less than the average height h sc in the inner oscillation range. Particularly preferably, the spiral spring in the outer stabilization region has an average height h st which is at least 12% or 14% or 16% or 18% or 20% or 22% or 24% or 25% less than the average height h sc in the interior vibration region. Particularly preferably, the spiral spring in the outer stabilization region has an average height h st which is at least 30% or 35% or 40% or 45% or 50% less than the average height h sc in the inner oscillation range.
Mit einer Veränderung der Querschnittsgeometrie der Spiralfeder im Stabilisierungsbereich durch eine Verringerung der Höhe bei gleichzeitiger Vergrößerung der Breite wird eine zunehmende Vergrößerung des Flächenträgheitsmomentes und ein zunehmend stabileres Schwingverhalten der Spiralfeder erreicht. Durch ein einfaches Drehen der rechteckigen Querschnittsfläche einer üblichen Spiralfeder um 90 ° wird ohne Veränderung der Masse eine Zunahme des Flächenträgheitsmomentes und eine damit einhergehende Stabilisierung des Schwingverhaltens der Spiralfeder erreicht. With a change in the cross-sectional geometry of the coil spring in the stabilization region by reducing the height while increasing the width of an increasing increase of the area moment of inertia and an increasingly stable oscillation behavior of the coil spring is achieved. By simply rotating the rectangular cross-sectional area of a conventional spiral spring by 90 °, an increase of the area moment of inertia and a concomitant stabilization of the oscillatory behavior of the spiral spring is achieved without changing the mass.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Spiralfeder im inneren Schwingungsbereich eine konstante Höhe hsc auf. Besonders bevorzugt weist die Spiralfeder im äußeren Stabilisierungsbereich eine konstante Höhe hst auf. Eine konstante Höhe bringt fertigungstechnische Vorteile mit sich, da z.B. in Ätzverfahren eine geringere Zahl an Ätzmasken zur Verwendung kommt. Bevorzugt weist die Spiralfeder im äußeren Stabilisierungsbereich radial zur Achse der Spiralfeder eine durchschnittliche Breite bst auf, die zumindest 2% oder 3% oder 4% oder 5% oder 6% oder 7% oder 8% oder 9% oder 10% größer ist als die durchschnittliche Breite bsc im inneren Schwingungsbereich. Besonders bevorzugt weist die Spiralfeder im äu ßeren Stabilisierungsbereich eine durchschnittliche Breite
- - According to a further preferred embodiment of the present invention, the spiral spring has a constant height h sc in the inner oscillation range. Particularly preferably, the spiral spring has a constant height h st in the outer stabilization region. A constant height brings with it manufacturing advantages, since, for example, a smaller number of etching masks is used in etching processes. Preferably, the spiral spring in the outer stabilization region radially to the axis of the coil spring has an average width b st , which is at least 2% or 3% or 4% or 5% or 6% or 7% or 8% or 9% or 10% greater than the average width b sc in the inner oscillation range. Particularly preferably, the coil spring in the externa ßeren stabilization region has an average width - -
bst auf, die zumindest 12% oder 14% oder 16% oder 18% oder 20% oder 22% oder 24% oder 25% größer ist als die durchschnittliche Breite bsc im inneren Schwingungsbereich. Insbesondere bevorzugt weist Spiralfeder im äußeren Stabilisierungsbereich eine durchschnittliche Breite bst auf, die zumindest 30% oder 35% oder 40% oder 45% oder 50% größer ist als die durchschnittliche Breite bsc im inneren Schwingungsbereich. Bekanntermaßen verbessert eine im äußeren Stabilisierungsbereich vorgesehene zusätzliche Masse das Schwingverhalten der Spiralfeder. Durch eine Verbreiterung der Feder im Stabilisierungsbereich kann eine solche zusätzliche Masse vorgesehen werden, obwohl die Feder in diesem Bereich eine im Vergleich zum inneren Schwingungsbereich verringerte Höhe aufweist. b st , which is at least 12% or 14% or 16% or 18% or 20% or 22% or 24% or 25% greater than the average width b sc in the inner oscillation range. Particularly preferably, coil spring in the outer stabilization region has an average width b st which is at least 30% or 35% or 40% or 45% or 50% greater than the average width b sc in the inner oscillation range. As is known, an additional mass provided in the outer stabilization region improves the oscillatory behavior of the spiral spring. By broadening the spring in the stabilization region, such an additional mass can be provided, although the spring in this region has a reduced height compared to the inner vibration region.
Alternativ kann aber auch eine Spiralfeder eingesetzt werden, die ohne zusätzliche Masse im Stabilisierungsbereich auskommt. Beispielsweise kann die Breite, die die Spiralfeder im Stabilisierungsbereich aufweist, etwa dem Doppelten der Breite entsprechen, die die Spiralfeder au ßerhalb des Stabilisierungsbereichs besitzt. Weist diese Spiralfeder im Stabilisierungsbereich eine Höhe auf, die etwa der Hälfte der Höhe entspricht, die die Spiralfeder au ßerhalb des Stabilisierungsbereichs besitzt, so wird zwar die geometrische Querschnittsform der Spiralfeder verändert, ihre Masse pro Längeneinheit bleibt aber konstant. Gleichzeitig wird aber das Flächenträgheitsmoment erhöht, wodurch sich das angestrebte optimale Verhalten der Spiralfeder im schwingenden Zustand des Schwingsystems, d.h. die Vermeidung der Verlagerung der Spiralfeder ergibt. Alternatively, however, it is also possible to use a spiral spring which manages without additional mass in the stabilization region. For example, the width, which has the coil spring in the stabilization region, about twice the width correspond to the coil spring has au outside the stabilization region. If this spiral spring has a height in the stabilization region which corresponds approximately to half the height which the spiral spring has outside the stabilization region, then the geometric cross-sectional shape of the spiral spring is changed, but its mass per unit length remains constant. At the same time, however, the area moment of inertia is increased, whereby the desired optimal behavior of the spiral spring in the oscillating state of the oscillatory system, i. the avoidance of the displacement of the coil spring results.
Nach einer weiteren der Erfindung zugrunde liegenden Erkenntnis wird die Stabilisierung des Schwingverhaltens der Spiralfeder dann noch weiter verbessert, wenn wenigstens ein Stabilisierungsfaktor für die Spiralfeder, nämlich der Flächenträgheitsmomentestabilisierungsfaktor (r)FT) und/oder der Federkonstantestabilisierungsfaktor (r)k) in der nachstehend beschriebenen Weise gewählt wird. According to a further realization on which the invention is based, the stabilization of the oscillatory behavior of the spiral spring is further improved if at least one stabilization factor for the spiral spring, namely the area inertia stabilization factor (r) FT) and / or the spring constant stabilization factor (r) k) is described below Way is chosen.
Die nachfolgenden Überlegungen, die sich mit den Maßnahmen zur Stabilisierung des Schwingverhaltens der Spiralfeder und deren Grundlagen befassen, gehen davon aus, dass sich die Spiralfeder aus einem inneren Schwingungsbereich und aus einem äußeren Stabilisierungsbereich zusammensetzt, in dem die Höhe
- - The following considerations, which deal with the measures to stabilize the vibrational behavior of the coil spring and its basics, assume that the coil spring consists of an inner oscillation area and an outer stabilization area in which the height - -
verringert und optional die Breite vergrößert sind. Der innere Schwingungsbereich erstreckt sich dabei über einen Winkelbereich von 0 ° bis 9A, d.h. vom inneren Ende des Schwingungsbereichs bis an den Anfang des äußeren Stabilisierungsbereichs. Der äu ßere Stabilisierungsbereich liegt im Winkelbereich 9A bis 9E und erstreckt sich bis an den äußeren Federhaltepunkt. reduced and optionally the width are increased. The inner vibration range extends over an angle range of 0 ° to 9A, i. from the inner end of the vibration region to the beginning of the outer stabilization region. The externa ßere stabilization range is in the angular range 9A to 9E and extends to the outer spring support point.
Grundgeometrie der Spiralfeder Die Steigung der Schleifengeometrie kann von beliebigem funktionalen Zusammenhang sein. Zur Beschreibung des Verfahrens wird beispielhaft eine Spiralfeder mit linearer Steigung verwendet. Ebenfalls ist die Breite, das verwendete Material und die Querschnittsgeometrie innerhalb des Schwingungsbereiches und des Stabilisierungsbereiches mit der Maßgabe frei wählbar, dass die Spiralfeder im äußeren Stabilisierungsbereich parallel zu ihrer Achse eine durchschnittliche Höhe hst aufweist, die zumindest 1 % geringer ist als die durchschnittliche Höhe hsc im inneren Schwingungsbereich. Basic geometry of the spiral spring The slope of the loop geometry can be of any functional connection. To describe the method, a helical spring with a linear pitch is used by way of example. Also, the width, the material used and the cross-sectional geometry within the oscillation range and the stabilization range are freely selectable with the proviso that the coil spring in the outer stabilization region has an average height hst parallel to its axis which is at least 1% less than the average height h sc in the inner oscillation range.
Der Radius r(9) der Spiralfeder ist eine Funktion des Winkels 9 und wird allgemein durch folgende Beziehung definiert: The radius r (9) of the spiral spring is a function of the angle 9 and is generally defined by the following relationship:
Hß) ■■= rö +/{ &) Für eine lineare Steigung der Spiralfeder gilt: Hss) ■ ■ = rö + / {&) For a linear pitch of the spiral spring:
r(d) == r0 +— ·θ r (d) == r0 + - · θ
2·π 2 × π
Hierbei sind: Here are:
rO = Radius an der Stelle (9=0) rO = radius at the point (9 = 0)
P = Steigungsfaktor der Spiralfeder
- - P = pitch factor of the spiral spring - -
Der Winkel 9A, der den Beginn des Stabilisierungsbereiches beschreibt und derThe angle 9A, which describes the beginning of the stabilization region and the
Winkel 9E, der die Gesamtlänge der Spiralfeder festlegt, können frei gewählt werden. Aus empirischen Messungen wurden Idealwerte zur Erreichung eines stabilen Verhaltens ermittelt. Angle 9E, which determines the overall length of the coil spring, can be freely selected. From empirical measurements ideal values for achieving a stable behavior were determined.
Die zugehörige Bezugsfeder zur Spiralfeder ist eindeutig definiert durch das verwendete Material, den Anfangsradius rO, die Anfangsgeometrie an der Stelle 9=0 und die aktive Länge der Spirale LE, bzw. dem Endwinkelwert 9E. ZurThe associated reference spring to the coil spring is clearly defined by the material used, the initial radius rO, the initial geometry at the point 9 = 0 and the active length of the spiral LE, and the final angle value 9E. to
Vereinfachung werden den Winkelwerten 9A und 9E die zugehörigen Längen LA und LE zugeordnet. Simplified, the angle values 9A and 9E are assigned the associated lengths LA and LE.
LA ist die Gesamtfederlänge bis zum Winkel 9A mit der Beziehung LA is the total spring length up to the angle 9A with the relationship
LE ist die Spiralenlänge oder Länge der Spiralfeder bis zum Winkel 9E, mit der Beziehung LE is the spiral length or length of the coil spring up to the angle 9E, with the relationship
FT (I) ist nachfolgend der Verlauf des Flächenträgheitsmomentes als Funktion der Länge der Spiralfeder und E ist nachfolgend das Elastizitätsmodul des für die Spiralfeder verwendeten Materials. FT (I) is below the course of the moment of inertia as a function of the length of the coil spring and E is below the modulus of elasticity of the material used for the coil spring.
Grundsätzlich werden die Parameterwerte so ermittelt, dass die jeweilige physikalische Größe des Stabilisierungsbereiches von LA (9A) bis LE (9E) insBasically, the parameter values are determined so that the respective physical size of the stabilization range from LA (9A) to LE (9E) into
Verhältnis zum Schwingungsbereich von 0 bis LA (9A) gesetzt wird. Dieser Quotient Q1 der Spiralfeder wird dann mit einem entsprechenden Quotienten Q2 einer Bezugsspiralfeder ins Verhältnis gesetzt. Die Bezugsspiralfeder ist eine Feder, die
- - Relative to the vibration range from 0 to LA (9A) is set. This quotient Q1 of the coil spring is then set in relation to a corresponding quotient Q2 of a reference coil spring. The reference coil spring is a spring that - -
bei gleicher Windungszahl und Federlänge LE einen Windungsquerschnitt aufweist, der dem Windungsquerschnitt des Schwingungsbereichs der Spiralfeder entspricht, also hinsichtlich Form und Windungszahl der Spiralfeder entspricht, allerdings ohne Ausbildung des Stabilisierungsbereichs durch Verringerung der Höhe der Feder. Der ermittelte Stabilisierungsfaktor r)FT und n.k wird also nur durch die stabilisierenden Maßnahmen im Außenbereich der Spiralfeder beeinflusst. at the same number of turns and spring length LE has a winding cross-section which corresponds to the winding cross-section of the oscillation region of the coil spring, ie corresponds in shape and number of turns of the coil spring, but without formation of the stabilization region by reducing the height of the spring. The determined stabilization factor r) FT and n.k. is thus influenced only by the stabilizing measures in the outer region of the spiral spring.
Stabilisierungsfaktor r|FT Stabilization factor r | FT
Der Stabilisierungsfaktor r)FT gibt das Verhältnis der Verläufe der Flächenträgheitsmomentenverteilungen FT(I) als Funktion der Länge der Spiralfeder im Abschnitt des Stabilisierungsbereiches zum Schwingungsbereich und dies im Gesamtvergleich zur Bezugsspiralfeder wieder: The stabilization factor r) FT represents the ratio of the courses of the moment of inertia distributions FT (I) as a function of the length of the spiral spring in the section of the stabilization region to the vibration region and this in the overall comparison to the reference coil spring:
FT(I) ist der Verlauf des Flächenträgheitsmomentes als Funktion der Länge I, FTn(l) ist der Verlauf des Flächenträgheitsmomentes der Bezugsspiralfeder als Funktion der Federlänge (I). FT (I) is the course of the area moment of inertia as a function of the length I, FTn (l) is the course of the area moment of inertia of the reference coil spring as a function of the spring length (I).
Um eine optimale Stabilisierung des Schwingverhaltens der Spiralfeder zu erreichen, ist der Stabilisierungsfaktor r)FT so gewählt, dass er im Bereich 10 <r)FT < 65 liegt.
- - In order to achieve optimum stabilization of the oscillatory behavior of the coil spring, the stabilization factor r) FT is chosen to be in the range 10 <r) FT <65. - -
Stabilisierungsfaktor n.k Stabilization factor n.k
Der Stabilisierungsfaktor nk ist das Verhältnis der Federkonstanten des stabilisierenden Winkelbereiches 9A bis 9E zur Federkonstanten des Schwingungsbereiches 0 bis 9A und dies im Gesamtvergleich zum Verhältnis der Federkonstanten in den analogen Winkelbereichen der Bezugsspiralfeder: The stabilizing factor nk is the ratio of the spring constant of the stabilizing angle range 9A to 9E to the spring constant of the oscillation range 0 to 9A and this in comparison to the ratio of the spring constant in the analog angular ranges of the reference coil spring:
"■stabiljüA - $E) " ■ stablejüA - $ E)
kSchwing{0 - M ) Spriale
hierbei sind kstabi| die Federkonstante des Stabilisierungsbereichs der Spiralfeder, kschwing die Federkonstante des Schwingungsbereiches der Spiralfeder und k die Federkonstante der Bezugsspiralfeder. kSchwing {0 - M) sprial here are k stabi | the spring constant of the stabilizing area of the spiral spring, ksc h wing the spring constant of the oscillation range of the spiral spring and k the spring constant of the reference coil spring.
Um eine optimale Stabilisierung des Schwingverhaltens der Spiralfeder 4 zu erreichen, ist der Stabilisierungsfaktor nk so gewählt, dass er im Bereich 1 ,5 .s nk < 65, bevorzugt im Bereich 1 ,5 < nk < 25 liegt. In order to achieve optimum stabilization of the oscillatory behavior of the spiral spring 4, the stabilization factor nk is chosen such that it lies in the range 1, 5 .s nk <65, preferably in the range 1, 5 <nk <25.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind daher die durchschnittliche Höhe hsc und die durchschnittliche Breite bsc der Spiralfeder in ihrem inneren Schwingungsbereich sowie die durchschnittliche Höhe hst und die durchschnittliche Breite bst der Spiralfeder in ihrem äußeren Stabilisierungsbereich derart aufeinander abgestimmt, dass einAccording to a preferred embodiment of the present invention, therefore, the average height h sc and the average width b sc of the coil spring in its inner oscillation range and the average height h st and the average width b st of the coil spring in its outer stabilization region are coordinated such that a
Flächenträgheitsmomentestabilisierungsfaktor (nFT) einen in einem dem Flächenträgheitsmomentestabilisierungsfaktor (nFT) zugeordneten, vorbestimmten Sollwertbereich liegenden Wert aufweist und/oder ein Federkonstantestabilisierungsfaktor (nk) einen in einem dem Federkonstantestabilisierungsfaktor (nk) zugeordneten, vorbestimmten Sollwertbereich liegenden Wert aufweist,
- - Area moment of inertia stabilization factor (nFT) has a value lying in a predetermined setpoint range associated with the area inertia stabilization factor (nFT) and / or a spring constant stabilization factor (nk) having a predetermined setpoint area associated with the spring constant stabilization factor (nk), - -
wobei sich der Flächenträgheitsmomentestabilisierungsfaktor (nFT) durch das Verhältnis eines ersten Quotienten zu einem zweiten Quotienten darstellt, wobei der erste Quotient das Verhältnis des Flächenträgheitsmomentes des äu ßeren Stabilisierungsbereichs der Spiralfeder zu dem Flächenträgheitsmoment des inneren Schwingungsbereichs der Spiralfeder und der zweite Quotient das Verhältnis des Flächenträgheitsmomentes einer dem Stabilisierungsbereich entsprechenden Federlänge zu dem Flächenträgheitsmoment einer dem Schwingungsbereich entsprechenden Federlänge einer Bezugsspiralfeder sind, und zwar entsprechend der Formel the area moment of inertia stabilization factor (nFT) being represented by the ratio of a first quotient to a second quotient, the first quotient being the ratio of the area moment of inertia of the outer stabilization area of the spiral spring to the area moment of inertia of the inner oscillation area of the spiral spring and the second quotient the ratio of the area moment of inertia of one corresponding spring length to the area moment of inertia of the spring portion corresponding spring length of a reference coil spring, according to the formula
wobei FT(I) der Verlauf des Flächenträgheitsmomentes der Spiralfeder als Funktion der Federlänge (I) und FTn(l) der Verlauf des Flächenträgheitsmomentes der Bezugsfeder als Funktion der Federlänge (I) sind, wobei der dem Flächenträgheitsmomentestabilisierungsfaktor (nFT) zugeordnete Sollwertbereich zwischen 10 und 65 liegt, wobei sich der Federkonstantestabilisierungsfaktor (nk) durch das Verhältnis eines ersten Quotienten zu einem zweiten Quotienten darstellt, wobei der erste Quotient das Verhältnis der Federkonstanten des äu ßeren Stabilisierungsbereichs der Spiralfeder zur Federkonstanten des inneren Schwingungsbereichs der Spiralfeder und der zweite Quotient das Verhältnis der Federkonstanten einer dem Stabilisierungsbereich entsprechenden Federlänge zur Federkonstanten einer dem Schwingungsbereich entsprechenden Federlänge einer Bezugsspiralfeder sind, und zwar entsprechend der Formel
- - wherein FT (I) the course of the moment of area moment of the spiral spring as a function of the spring length (I) and FTn (l) the course of the moment of inertia of the reference spring as a function of spring length (I), wherein the setpoint of the area moment of inertia (nFT) setpoint range between 10 and 65, wherein the spring constant stabilizing factor (nk) is represented by the ratio of a first quotient to a second quotient, the first quotient being the ratio of the spring constant of the outer stabilizing portion of the coil spring to the spring constant of the inner oscillating portion of the spiral spring and the second quotient the ratio of Spring constants of a spring length corresponding to the stabilization region to the spring constant of a spring length of a reference coil spring corresponding to the vibration region, according to the formula - -
stabil(M - üE) stable (M - üE)
"Schwingt - M) Spriale
Bezugsspirale wobei kstabi| die Federkonstante des Stabilisierungsbereichs der Spiralfeder, kSchwing die Federkonstante des Schwingungsbereiches der Spiralfeder und k die Federkonstante der Bezugsspiralfeder sind, wobei der dem Federkonstantestabilisierungsfaktor (r)k) zugeordnete Sollwertbereich zwischen 1 ,5 und 65 liegt, wobei die Bezugsspiralfeder eine Feder ist, die hinsichtlich geometrischer Form, Windungszahl, Windungsquerschnitt und Federlänge (LE) der Spiralfeder entspricht, wobei jedoch die durchschnittliche Höhe hsc der Bezugsspiralfeder gleich ihrer durchschnittlichen Höhe hst und die durchschnittliche Breite bsc der Bezugsspiralfeder gleich ihrer durchschnittlichen Breite bst ist. "Swing - M) Spriale Reference spiral where k stabi | the spring constant of the spiral spring stabilizing area, k Sch win g the spring constant of the oscillation range of the coil spring and k are the spring constant of the reference coil spring, wherein the setpoint range associated with the Fedkonstantestabilisierungsfaktor (r) k) is between 1, 5 and 65, wherein the reference coil spring is a spring which corresponds in terms of geometric shape, number of turns, winding cross-section and spring length (LE) of the coil spring, but the average height h sc of the reference coil spring equal to their average height h st and the average width b sc of the reference coil spring is equal to their average width b st .
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei dem äußeren Federhaltepunkt um einen festen Ansteckpunkt oder es ist der äu ßere Federhaltepunkt durch einen Rücker gebildet. According to a further preferred embodiment of the present invention, it is at the outer spring support point to a fixed Ansteckpunkt or it is the externa ßere spring holding point formed by a back.
In Kombination mit allen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erstreckt sich der Stabilisierungsbereich bevorzugt über einen Winkelbereich von 10° bis 360 °, besonders bevorzugt von 20 ° bis 270°, insbesondere bevorzugt von 30 ° bis 180 °, ganz besonders bevorzugt von 40° bis 100 °. Gemäß weiteren bevorzugten Ausführungsformen erstreckt sich der Stabilisierungsbereich über einen Winkelbereich von mindestens 10 °, besonders bevorzugt von mindestens 20°, insbesondere bevorzugt von mindestens 30°, ganz besonders bevorzugt von mindestens 40°, von mindestens 60°, mindestens 90° oder mindestens 120 °. Wie bereits erläutert erstreckt sich der Winkelbereich ab dem äußeren Federhaltepunkt in Richtung des Schwingungsbereichs der Spiralfeder. In combination with all embodiments of the present invention, the stabilization region preferably extends over an angular range of 10 ° to 360 °, particularly preferably from 20 ° to 270 °, particularly preferably from 30 ° to 180 °, very particularly preferably from 40 ° to 100 ° , According to further preferred embodiments, the stabilization region extends over an angular range of at least 10 °, particularly preferably of at least 20 °, particularly preferably of at least 30 °, very particularly preferably of at least 40 °, of at least 60 °, at least 90 ° or at least 120 ° , As already explained, the angular range extends from the outer spring-holding point in the direction of the oscillation range of the spiral spring.
Bevorzugt besteht die Spiralfeder aus einem nichtmetallischen Werkstoff, vorzugsweise aus Diamant oder aus Silizium mit einer Beschichtung aus Siliziumoxid.
- - The spiral spring preferably consists of a non-metallic material, preferably of diamond or of silicon with a coating of silicon oxide. - -
Die vorliegende Erfindung umfasst außerdem eine mechanische Uhr mit einem mechanischen Schwingsystem, wobei das Schwingsystem wie oben beschrieben ausgebildet ist. Die vorliegende Erfindung umfasst außerdem ein Verfahren zum Einstellen eines Schwingsystems für mechanische Uhrwerke wie oben beschrieben umfassend den Schritt Einstellen der Gesamtfederlänge (LE) durch Änderung des äußeren Federhaltepunktes. Bevorzugt ist der äu ßere Federhaltepunkt ein nach dem Einstellen fester Ansteckpunkt. Besonders bevorzugt wird der äußere Federhaltepunkt mit einem Rücker eingestellt. The present invention also includes a mechanical timepiece with a mechanical vibration system, wherein the vibration system is configured as described above. The present invention also includes a method of adjusting a mechanical movement oscillating system as described above comprising the step of adjusting the total spring length (LE) by changing the outer spring stopping point. Preferably, the externa ßere spring holding point is after setting fixed Ansteckpunkt. Particularly preferably, the outer spring holding point is adjusted with a Rücker.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen The invention will be explained in more detail with reference to embodiments in conjunction with the drawings. Show it
Fig. 1 beispielhaft eine perspektivische Ansicht eines Schwingsystems für mechanische Uhren, 1 shows by way of example a perspective view of a vibration system for mechanical watches,
Fig. 2 beispielhaft einen Schnitt entlang einer die Achse der Unruhwelle aufnehmenden Ebene durch das Schwingsystem gemäß Fig. 1 und By way of example only, FIG. 2 shows a section along a plane receiving the axis of the balance-wave shaft through the oscillating system according to FIGS
Fig. 3 beispielhaft eine perspektivische Seitenansicht der freigestellten Fig. 3 by way of example a perspective side view of the exempted
Komponenten des Schwingungssystems gemäß Fig. 1 und 2; Components of the vibration system according to Figures 1 and 2.
Fig. 4 in Einzeldarstellung und in Draufsicht eine erfindungsgemäße Fig. 4 in an individual representation and in plan view of an inventive
Spiralfeder mit festem Federhaltepunkt; Spiral spring with fixed spring stop;
Fig. 5 in Einzeldarstellung und in Draufsicht eine erfindungsgemäße Fig. 5 in an individual representation and in plan view of an inventive
Spiralfeder mit Rücker.
- - Spiral spring with back. - -
Wege zur Ausführung der Erfindung Ways to carry out the invention
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird im Zusammenhang mit den Figuren 1 bis 3 ein aus dem Stand der Technik bekanntes Schwingsystem für mechanische Uhrwerke beschrieben. For a better understanding of the present invention, a vibrating system for mechanical movements known from the prior art will be described in connection with FIGS. 1 to 3.
Das Schwingsystem 1 umfasst einen Schwingkörper in Form eines Schwungrads 2, eine Unruhwelle 3 sowie eine Spiralfeder 4. Das Schwungrad 2 besteht aus einem äußeren Kreisringabschnitt 2.1 , der über mehrere Speichen 2.2 mit einem Nabenabschnitt 2.3 verbunden ist. Der Nabenabschnitt 2.3 weist eine von der Kreisform abweichende, zentrale Durchgangsbohrung auf, in welcher ein zugeordneter Wellenabschnitt 3' der Unruhwelle 3 aufgenommen ist, dessen konzentrische Au ßenseite einen Formschluss mit dem Nabenabschnitt 2.3 der Schwungrades herstellt. Damit ist das Schwungrad drehfest mit der Unruhwelle 3 verbunden. Darüber hinaus sind an der zum Drehzentrum des Schwungrades weisenden Innenseite des äu ßeren Kreisringabschnittes 2.1 mehrere Schwungmassen 2.4 angebracht. The oscillating system 1 comprises a vibrating body in the form of a flywheel 2, a balance shaft 3 and a coil spring 4. The flywheel 2 consists of an outer circular ring section 2.1, which is connected via a plurality of spokes 2.2 with a hub section 2.3. The hub portion 2.3 has a deviating from the circular, central through hole, in which an associated shaft portion 3 'of the balance shaft 3 is added, the concentric Au ßenseite forms a positive connection with the hub portion 2.3 of the flywheel. Thus, the flywheel is rotatably connected to the balance shaft 3. In addition, at the rotation center of the flywheel facing inside of the externa ßeren circular ring section 2.1 several inertia 2.4 are attached.
Die Unruhwelle 3 weist ferner ein oberes und unteres freies Ende 3.1 , 3.2 auf, welche spitz zulaufen und zur drehbaren Lagerung der Unruhwelle 3 um deren Achse UA in entsprechend ausgebildeten oberen und unteren Lagereinheiten aufgenommen werden. In den Figuren 1 und 2 ist beispielhaft eine obere Lagereinheit dargestellt. Die Achse UA der Unruhwelle 3 ist damit zugleich auch die Drehachse des Schwungrades und die Spiralfederachse. The balance-wheel shaft 3 also has an upper and lower free end 3.1, 3.2, which taper in a pointed manner and are received for the rotatable mounting of the balance-wheel shaft 3 about its axis UA in correspondingly formed upper and lower bearing units. In FIGS. 1 and 2, an upper bearing unit is shown by way of example. The axis UA of the balance shaft 3 is thus at the same time the axis of rotation of the flywheel and the coil spring axis.
Die Spiralfeder 4 besteht aus einem vorzugsweise ringförmigen, inneren Spiralfederbefestigungsabschnitt 4.1 und einem äußeren Spiralfederendabschnitt 4.2. Dazwischen befinden sich mehrere Spiralfederringabschnitte 4.3, welche in einer Ebene senkrecht und vorzugsweise konzentrisch zur Spiralfederachse verlaufen, welche mit der Achse UA der Unruhwelle 3 übereinstimmt. The coil spring 4 consists of a preferably annular, inner coil spring attachment section 4.1 and an outer spiral spring end section 4.2. In between there are several spiral spring ring sections 4.3, which extend in a plane perpendicular and preferably concentric with the spiral spring axis, which coincides with the axis UA of the balance shaft 3.
Der vorzugsweise ringförmige, innere Spiralfederbefestigungsabschnitt 4.1 ist mit der Unruhwelle 3 drehfest verbunden, und zwar vorzugsweise verklebt und/oder mittels Formschluss. Hierzu weist die Unruhwelle 3 einen zur Aufnahme des inneren
- - The preferably annular, inner coil spring mounting portion 4.1 is rotatably connected to the balance shaft 3, preferably glued and / or by positive engagement. For this purpose, the balance shaft 3 a for receiving the inner - -
Spiralfederbefestigungsabschnitts 4.1 ausgebildeten Wellenabschnitt 3" auf, der oberhalb des das Schwungrad 2 aufnehmenden Wellenabschnittes 3' angeordnet ist. Zur in Bezug auf die Unruhwelle 3 drehfesten Befestigung des äußeren Spiralfederendabschnittes 4.2 ist die Halteanordnung 5 zur Einstellung des Zentrums der Spiralfeder 4 vorgesehen. Die Halteanordnung 5 umfasst zumindest einen Haltearm 6 und ein Halteelement 7, welches im Bereich des äu ßeren freien Endes des Haltearms 6 entlang der Längsachse LHA des Hebelarms 6 verschiebbar befestigt ist. Spiral spring mounting portion 4.1 formed shaft portion 3 ", which is arranged above the flywheel 2 receiving shaft portion 3 '., With respect to the balance shaft 3 rotationally fixed attachment of the outer Spirfederfederendabschnittes 4.2, the holding assembly 5 is provided for adjusting the center of the coil spring 4. Die Haltearordnung 5 comprises at least one holding arm 6 and a holding element 7 which is slidably mounted in the region of the externa ßeren free end of the support arm 6 along the longitudinal axis LHA of the lever arm 6.
Der Haltearm 6 weist ein inneres Haltearmende 6.1 und ein äu ßeres HaltearmendeThe holding arm 6 has an inner retaining arm 6.1 and an externa ßeres retaining arm
6.2 auf, wobei das innere Haltearmende 6.1 einen offenen Kreisring ausbildet und im Bereich des äu ßeren Haltearmendes 6.2 eine längliche Führungsausnehmung 6.3 vorgesehen ist. Die längliche Führungsausnehmung 6.3 ist zur variablen Befestigung des Halteelementes 7 am Haltearm 6 vorgesehen. Das innere Haltearmende 6.1 ist über nicht näher bezeichnete Haltemittel, welche auch die oberen und unteren Lagereinheiten zur drehbaren Lagerung der Unruhwelle 3 aufnehmen können, drehfest befestigt, und zwar derart, dass der offene Kreisring des inneren Haltearmendes 6.1 die Achse UA der Unruhwelle 3 konzentrisch umgibt. 6.2, wherein the inner retaining arm 6.1 forms an open circular ring and in the region of the externa ßeren retaining arm 6.2 6.2 an elongated guide recess 6.3 is provided. The elongated guide recess 6.3 is provided for the variable attachment of the holding element 7 on the support arm 6. The inner retaining arm 6.1 is about unspecified holding means which can accommodate the upper and lower bearing units for rotatable mounting of the balance shaft 3, rotatably secured, in such a way that the open circular ring of the inner armrest 6.1 surrounds the axis UA of the balance shaft 3 concentric ,
Das Halteelement 7 weist einen im Wesentlichen zylinderförmigen, länglichen Grundkörper 7.1 mit einer oberen und unteren Stirnseite 7.1 1 , 7.12 und einer Längsachse LHE auf, welcher eine zur oberen Stirnseite 7.1 1 geöffnete Sacklochbohrung 7.2 mit einem Innengewinde zur Aufnahme einer Schraube 8 aufweist. Mittels der Schraube 8, welche durch die längliche FührungsausnehmungThe holding element 7 has a substantially cylindrical, elongated base body 7.1 with an upper and lower end face 7.1 1, 7.12 and a longitudinal axis LHE, which has a 7.15 opened to the upper end face blind hole 7.2 with an internal thread for receiving a screw 8. By means of the screw 8, which through the elongated guide recess
6.3 des Haltearms 6 geführt wird, ist das Halteelement 7 fest mit dem Haltearm 6 verschraubbar, und zwar derart, dass die Längsachse LHA des Haltearms 6 und die Längsachse LHE des Halteelementes 7 senkrecht zueinander verlaufen. 6.3 of the support arm 6 is guided, the holding member 7 is firmly screwed to the support arm 6, in such a way that the longitudinal axis LHA of the support arm 6 and the longitudinal axis LHE of the holding member 7 are perpendicular to each other.
Auf der gegenüberliegenden unteren Stirnseite 7.12 des Grundkörpers 7.1 des Halteelementes 7 ist eine sich senkrecht zur Längsachse LHE des Grundkörpers 7.1 erstreckende und nach unten offene Führungsausnehmung 7.3 vorgesehen, die
- - On the opposite lower end face 7.12 of the main body 7.1 of the holding element 7 is a perpendicular to the longitudinal axis LHE of the main body 7.1 extending and downwardly open guide recess 7.3 is provided - -
zur radial führenden Aufnahme des äu ßeren Spiralfederendabschnittes 4.2 ausgebildet ist. Eine die Längsachse LHE des Grundkörpers 7.1 aufnehmende Ebene teilt die Führungsausnehmung 7.3 näherungsweise in zwei gegenüberliegende, gleiche Hälften des gabelartig ausgebildeten unteren freien Endes des Halteelementes 7. to the radially leading receiving the externa ßeren Spiralfederendabschnittes 4.2 is formed. A plane receiving the longitudinal axis LHE of the main body 7.1 divides the guide recess 7.3 approximately into two opposite, equal halves of the fork-shaped lower free end of the holding element 7.
Im montierten Zustand ist damit mittels der Halteanordnung 5 der radiale Abstand A zwischen der Achse UA der Unruhwelle 3 und der Längsachse LHE des Halteelementes 7 und damit des äußeren Spiralfederendabschnittes 4.2 einstellbar. Durch eine entsprechende radiale zur Achse UA gerichtete Verschiebung des Halteelementes 7 und damit des äußeren Spiralfederendabschnittes 4.2 ist das Spiralfederzentrum justierbar, und zwar vorzugsweise derart, dass die Spiralfederringabschnitte 4.3 jeweils denselben Abstand zueinander aufweisen und konzentrisch um die Achse UA verlaufen. In the assembled state is thus by means of the holding assembly 5 of the radial distance A between the axis UA of the balance shaft 3 and the longitudinal axis LHE of the holding element 7 and thus the outer Spiralfederendabschnittes 4.2 adjustable. By a corresponding radial to the axis UA directed displacement of the holding element 7 and thus the outer Spiralfederendabschnittes 4.2, the coil spring center is adjustable, and preferably such that the Spiralfederringabschnitte 4.3 each have the same distance from one another and extend concentrically about the axis UA.
Die Figur 4 zeigt in Einzeldarstellung und Draufsicht eine Spiralfeder 4 des mechanischen Schwingsystems entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung. Die Spiralfeder 4 ist bei der dargestellten Ausführungsform z.B. aus einem Ausgangsmaterial (Wafer) aus Silizium, beispielsweise aus polykristallinem Silizium, z.B. aus einem durch epitaktisches Abscheiden gewonnenen Ausgangsmaterial hergestellt, z.B. unter Verwendung eines Maskierungs-Ätz- Verfahrens, und zwar derart, dass die einstückig ausgebildete und mehrere Windungen 9 aufweisende Spiralfeder 4 mit dem inneren Spiralfederbefestigungsabschnitt 4.1 an der Unruhwelle 3 befestigt und mit einem äußeren Stabilisierungsbereich LS ausgeführt ist. Bei der dargestellten Ausführungsform befindet sich der äu ßere Stabilisierungsbereich LS im Bereich der äußeren Windung und erstreckt sich über einen Winkelbereich α von 100°. FIG. 4 shows, in a detail view and a top view, a spiral spring 4 of the mechanical vibration system according to an embodiment of the invention. The coil spring 4 in the illustrated embodiment is e.g. of a raw material (wafer) of silicon, for example of polycrystalline silicon, e.g. made of a starting material obtained by epitaxial deposition, e.g. using a masking etch process, such that the integrally formed coil spring 4 having a plurality of turns 9 is fastened to the balance shaft 3 with the inner spiral spring attachment section 4.1 and is designed with an outer stabilization region LS. In the illustrated embodiment, the externa ßere stabilization region LS is in the region of the outer winding and extends over an angular range α of 100 °.
Der Stabilisierungsbereich LS ist bei der dargestellten Ausführungsform dadurch gebildet, dass die Spiralfeder 4 radial zu ihrer Federachse eine vergrößerte Breite und parallel zu ihrer Federachse eine verringerte Höhe aufweist. Der Stabilisierungsbereich LS erstreckt sich vom Federhaltepunkt 13 bis zum Beginn des Schwingungsbereichs, wobei die Grenze zwischen Stabilisierungsbereich und Schwingungsbereichs wie oben definiert zu bestimmen ist. Durch die im
- - The stabilization region LS is formed in the illustrated embodiment in that the spiral spring 4 has an enlarged width radially to its spring axis and a reduced height parallel to its spring axis. The stabilizing area LS extends from the spring stopping point 13 to the beginning of the oscillation area, wherein the boundary between stabilizing area and oscillation area is to be determined as defined above. By the in the - -
Stabilisierungsbereich LS geänderte Querschnittsgeometrie wird eine Erhöhung des Flächenträgheitsmomentes erzielt und eine Verlagerung der Spiralfeder 4 beim Schwingen des Schwingsystems verhindert. Die aktive Länge, die den Stabilisierungsbereich einschließt, erstreckt sich ausgehend von dem inneren, mit dem Spiralfederbefestigungsabschnitt 4.1 verbundenen und in der Figur 4 mit 12 bezeichneten Ende bis zu dem Federhaltepunkt 13. Dieser ist bei der in den Figuren 1 - 3 dargestellten Ausführungsform durch die Verbindung der außenliegenden Spiralfederabschnitte 4.3 mit dem Halteelement 7 gebildet. Stabilization area LS changed cross-sectional geometry is achieved an increase in the area moment of inertia and prevents displacement of the coil spring 4 when swinging the vibration system. The active length, including the stabilization region, extends from the inner end connected to the coil spring attachment section 4.1 and indicated at 12 in FIG. 4 to the spring stop 13. In the embodiment shown in FIGS Connection of the outer coil spring sections 4.3 formed with the support member 7.
Die Frequenz des Schwingsystems wird beispielsweise durch entsprechende Wahl der Masse der an dem Schwungrad 2 vorgesehenen Schwungmasse 2.4 eingestellt. Verwendet werden hierfür bevorzugt Schwungmassen 2.4, die zur Erzielung einer unterschiedlichen Masse in der Achsrichtung parallel zur Achse UA der Unruhwelle 3 eine unterschiedliche Höhe aufweisen. The frequency of the vibration system is set, for example, by appropriate choice of the mass of the flywheel 2 provided on the flywheel 2.4. For this purpose, flywheel masses 2.4 are preferably used, which have a different height parallel to the axis UA of the balance shaft 3 in order to achieve a different mass in the axial direction.
Vorstehend wurde bereits erwähnt, dass die Spiralfeder 4 aus Silizium in einem Maskierungs-Ätz-Verfahren gefertigt ist. Um die erforderliche Festigkeit und Temperaturunabhängigkeit zu erreichen, ist es vorteilhaft, die Spiralfeder 4 bzw. einen diese Feder bildenden Rohling an den Oberflächen durch thermische Behandlung mit einer Siliziumoxid-Schicht zu versehen. Durch das Herstellungsverfahren (z.B. Maskierungs-Ätz-Verfahren) ergeben sich nicht unerhebliche Toleranzen der Form der Spiralfeder 4. Um dennoch ein für das Verhalten der Spiralfeder 4 im Schwingsystem günstiges Längenverhältnis von Stabilisierungsbereich zu Schwingungsbereich zu erreichen, ist der Federhaltepunkt im Stabilisierungsbereich so positioniert, dass ein optimales Schwingverhalten erreicht wird. Mit der Einstellung des Längenverhältnisses von Stabilisierungsbereich zu Schwingungsbereich werden auch negative Einflüsse auf das Schwingverhalten des Schwingsystems eliminiert, die aus Toleranzen der Feder- oder Antriebskraft einer z.B. in einem Federgehäuse untergebrachten Antriebsfeder resultieren, insbesondere auch einer solchen Antriebsfeder, die zur Erhöhung der Federkraft
- - It has already been mentioned above that the spiral spring 4 is made of silicon in a masking-etching process. In order to achieve the required strength and temperature independence, it is advantageous to provide the coil spring 4 or a blank forming this spring on the surfaces by thermal treatment with a silicon oxide layer. The production method (eg masking-etching method) results in not insignificant tolerances of the shape of the spiral spring 4. In order nevertheless to achieve a favorable ratio of stabilization range to oscillation range for the behavior of the spiral spring 4 in the oscillating system, the spring stop point is positioned in the stabilization region, that an optimal vibration behavior is achieved. With the adjustment of the aspect ratio of stabilization range to vibration range and negative influences on the vibration behavior of the vibration system are eliminated, resulting from tolerances of the spring or drive force of a example housed in a spring housing drive spring, in particular also such a drive spring, which increases the spring force - -
oder zur Verlängerung der Gangzeit, beispielsweise mit Diamant, beschichtet ist. Weiterhin kann durch Einstellung des Längenverhältnisses von Stabilisierungsbereich zu Schwingungsbereich auch eine optimale Amplitude für die Schwingung des Schwingkörpers 2 erreicht werden, beispielsweise in einem Winkelbereich zwischen 280° und 330 °, und zwar wiederum trotz Toleranzen der Feder- oder Antriebskraft einer im Federgehäuse untergebrachten Antriebsfeder. or for extending the transition time, for example with diamond coated. Furthermore, by adjusting the length ratio of stabilization region to vibration region and an optimal amplitude for the vibration of the vibrating body 2 can be achieved, for example in an angular range between 280 ° and 330 °, again in spite of tolerances of the spring or driving force housed in a spring housing drive spring.
Im Zusammenhang mit der in Figur 4 gezeigten Ausführungsform wurde von einem nach der Einstellung festen Federhaltepunkt 13 ausgegangen. Wie in Figur 5 gezeigt besteht aber auch die Möglichkeit der Verwendung eines sogenannten Rückers 15, der im Wesentlichen von einem um die Achse der Unruhwelle 3 schwenkbaren Hebel 16 gebildet ist. An dem äußeren Ende weist der Hebel 16 eine beispielsweise von zwei Stiften gebildete Aufnahme 17 auf, in die die Spiralfeder 4 eingreift und die damit den Federhaltepunkt bildet. An ihrem äußeren Ende 4.4 ist die Spiralfeder 4 bei 18 fest mit einer Platine oder einer Lagerplatine verbunden. In connection with the embodiment shown in FIG. 4, it was assumed that a spring-holding point 13 would be fixed after setting. As shown in Figure 5 but there is also the possibility of using a so-called Rückers 15, which is essentially formed by a pivotable about the axis of the balance shaft 3 lever 16. At the outer end, the lever 16 has a receptacle 17 formed, for example, by two pins, in which the spiral spring 4 engages and thus forms the spring-holding point. At its outer end 4.4, the coil spring 4 is connected at 18 fixed to a circuit board or a bearing plate.
Die Aufnahme 17 des Rückers 15 bildet einen festen Federhaltepunkt nach. Durch Einstellen des Rückers 15 kann der Federhaltepunkt im Stabilisierungsbereich LS so eingestellt werden, dass ein optimales Verhältnis der Länge des Stabilisierungsbereichs zur Länge des Schwingungsbereichs und somit ein optimales Schwingverhalten erreicht wird. The receptacle 17 of the Rückers 15 forms a solid spring support point. By adjusting the back 15, the spring-holding point in the stabilization region LS can be set so that an optimum ratio of the length of the stabilization region to the length of the oscillation region and thus optimum oscillation behavior is achieved.
Die in Figur 5 gezeigte Spiralfeder 4 weist insgesamt 10 Windungen und einen äu ßeren Stabilisierungsbereich LS auf, welcher sich wiederum an die Länge LA des inneren Schwingungsbereiches zum äu ßeren Federhaltepunkt hin anschließt, der die Gesamtlänge der Spiralfeder 4 bestimmt. Bei der dargestellten Ausführungsform erstreckt sich der Stabilisierungsbereich LS über einen Winkel α von etwa 100° und besteht aus einem sich an die Länge LA anschließenden Abschnitt 1 1 .1 mit abnehmender Höhe und zunehmender Breite, aus einem sich daran anschließenden Abschnitt 1 1 .2 mit konstanter oder im Wesentlichen konstanter Höhe und Breite, aus einem Abschnitt 1 1 .3, an welchem in Richtung zum äußeren Ende 4.4 hin die Höhe zu- und die Breite abnimmt, und einem Abschnitt 1 1 .4, der sich bis zu dem durch den Rücker 15 gebildeten Federhaltepunkt erstreckt.
- - The coil spring 4 shown in Figure 5 has a total of 10 turns and an externa ßeren stabilization region LS, which in turn adjoins the length LA of the inner oscillation range to externa ßeren spring holding point, which determines the total length of the coil spring 4. In the illustrated embodiment, the stabilization region LS extends over an angle α of about 100 ° and consists of a subsequent to the length LA section 1 1 .1 with decreasing height and increasing width, from an adjoining section 1 1 .2 with constant or substantially constant height and width, from a section 1 1 .3, at which towards the outer end 4.4 out the height increases and the width decreases, and a section 1 1 .4, which extends up to the through the Rücker 15 formed spring holding point extends. - -
Die Abschnitte 1 1 .1 und 1 1 .3 erstrecken sich bei der Spiralfeder 4 jeweils über einen Winkelbereich von etwa 15°. Der mittlere Abschnitt 1 1 .2 besitzt einen im Vergleich zu den Abschnitten 1 1 .1 und 1 1 .3 größeren Winkelbereich von rund 30°. Die Spiralfeder 4 besitzt im inneren Schwingungsbereich eine konstante oder im Wesentlichen konstante Breite bsc und eine konstante oder im Wesentlichen konstante Höhe hsc. The sections 1 1 .1 and 1 1 .3 each extend in the spiral spring 4 over an angular range of about 15 °. The middle section 1 1 .2 has a larger angular range of about 30 ° compared to the sections 1 1 .1 and 1 1 .3. The spiral spring 4 has a constant or substantially constant width b sc and a constant or substantially constant height h sc in the inner oscillation range.
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Schwingsystem bzw. Unruh 1 oscillating system or balance
2 Schwungkörper 2 swinging bodies
2.1 äußerer Kreisringabschnitt 2.1 outer circular ring section
2.2 Speichen 2.2 spokes
2.3 Nabenabschnitt 2.3 Hub section
2.4 Schwungmasse 2.4 flywheel
3 Unruhwelle 3 balance wheel
3', 3" Wellenabschnitte 3 ', 3 "shaft sections
3.1 oberes freies Ende 3.1 upper free end
3.2 unteres freies Ende 3.2 lower free end
4 Spiralfeder 4 spiral spring
4.1 Spiralfederbefestigungsabschnitt 4.1 coil spring attachment section
4.3 Spiralfederringabschnitte 4.3 Spiral spring ring sections
4.4 äußeres Federende 4.4 outer spring end
5 Halteanordnung 5 holding arrangement
6 Haltearm 6 holding arm
6.1 inneres Haltearmende 6.1 inner retaining arm
6.2 äußeres Haltearmende 6.2 outer retaining arm end
6.3 längliche Führungsausnehmung 6.3 elongated guide recess
7 Haltelement 7 holding element
7.1 Grundkörper 7.1 basic body
7.1 1 obere Stirnseite 7.1 1 upper end side
7.12 untere Stirnseite
7.2 Sacklochbohrung 7.12 lower end 7.2 blind hole
7.3 Führungsausnehmung 7.3 guide recess
8 Schraube 8 screw
9 Windung 9 turn
1 1 .1 - 1 1 .4 Abschnitte des Stabilisierungsbereichs LS1 1 .1 - 1 1 .4 sections of stabilization area LS
12 inneres Ende des Schwingungsbereichs 12 inner end of the oscillation range
13 Federhaltepunkt 13 Spring holding point
14 Spiralfederlänge 14 spiral spring length
15 Rücker 15 back
16 Hebel 16 levers
17 Aufnahme 17 recording
18 Befestigung 18 attachment
UA Achse der Unruhwelle UA axis of the balance wave
A radialer Abstand A radial distance
LHA Längsachse des Hebelarms LHA longitudinal axis of the lever arm
LHE Längsachse des Hebelelements LHE longitudinal axis of the lever element
α Winkelerstreckung des Stabilisierungsbereichs LSα angular extent of the stabilization area LS
LA Schwingungsbereich LA vibration range
LS Stabilisierungsbereich
LS stabilization area
Claims
Patentansprüche claims
Schwingsystem für mechanische Uhrwerke aufweisend einen Schwingkörper (2), eine um eine Achse (UA) schwenkbar gelagerte Unruhwelle (3) und eine Spiralfeder (4) mit einer Gesamtfederlänge, wobei sich die Gesamtfederlänge aus einem inneren Schwingungsbereich mit einer Schwingungsfederlänge (LA) und einem äu ßeren Stabilisierungsbereich mit einer Stabilisierungsfederlänge (LS) zusammensetzt, Oscillation system for mechanical movements comprising a vibrating body (2), about a shaft (UA) pivotally mounted balance shaft (3) and a coil spring (4) with a total spring length, wherein the total spring length of an inner vibration region with a vibration spring length (LA) and a outer stabilization area with a stabilizing spring length (LS) composed,
wobei die Spiralfeder (4) durch einen die Unruhwelle (3) umschließenden Spiralfederbefestigungsabschnitt (4.1 ) mit der Unruhwelle (3) verbunden ist, wobei die Spiralfeder (4) im äußeren Stabilisierungsbereich an einem Federhaltepunkt (13) gehalten oder eingespannt ist, wherein the coil spring (4) is connected to the balance shaft (3) by a coil spring attachment portion (4.1) enclosing the balance shaft (3), the coil spring (4) being held or clamped in the outer stabilization region at a spring retention point (13),
wobei sich die Gesamtfederlänge von einem inneren Ende (12) des inneren Schwingungsbereichs bis zu dem äußeren Federhaltepunkt (13) erstreckt, wobei die Spiralfeder (4) in ihrem inneren Schwingungsbereich parallel zu der mit der Achse (UA) der Unruhwelle zusammenfallenden Achse der Spiralfeder eine durchschnittliche Höhe hsc und radial zur Achse der Spiralfeder eine durchschnittliche Breite bsc aufweist, wherein the total spring length extends from an inner end (12) of the inner vibration section to the outer spring support point (13), wherein the spiral spring (4) in its inner oscillation area parallel to the axis of the coil spring coincident with the axis (UA) of the balance shaft average height h sc and has an average width b sc radial to the axis of the coil spring,
dadurch gekennzeichnet, dass die Spiralfeder (4) im äußeren Stabilisierungsbereich parallel zur Achse der Spiralfeder eine durchschnittliche Höhe hst aufweist, die zumindest 1 % geringer ist als die durchschnittliche Höhe hsc im inneren Schwingungsbereich und characterized in that the spiral spring (4) in the outer stabilization region parallel to the axis of the coil spring has an average height hst which is at least 1% less than the average height h sc in the inner vibration region and
dass die Spiralfeder (4) im äußeren Stabilisierungsbereich radial zur Achse der Spiralfeder eine durchschnittliche Breite bst aufweist, die zumindest 1 % größer ist als die durchschnittliche Breite bsc im inneren Schwingungsbereich. in that the spiral spring (4) has an average width b st in the outer stabilization region radial to the axis of the spiral spring which is at least 1% greater than the average width b sc in the inner oscillation region.
Schwingsystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Spiralfeder (4) im äu ßeren Stabilisierungsbereich eine durchschnittliche Höhe hst aufweist, die zumindest 10% geringer ist als die durchschnittliche Höhe hsc im inneren Schwingungsbereich. Oscillating system according to claim 1, characterized in that the spiral spring (4) in the externa ßeren stabilization region has an average height h st , which is at least 10% less than the average height h sc in the inner vibration range.
Schwingsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiralfeder (4) im äu ßeren Stabilisierungsbereich eine durchschnittliche Höhe
hst aufweist, die zumindest 25% geringer ist als die durchschnittliche Höhe hsc im inneren Schwingungsbereich. Oscillating system according to claim 1 or 2, characterized in that the spiral spring (4) in the externa ßeren stabilization region an average height hst, which is at least 25% less than the average height h sc in the inner vibration range.
4. Schwingsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiralfeder (4) im äußeren Stabilisierungsbereich eine durchschnittliche Höhe hs, aufweist, die zumindest 50% geringer ist als die durchschnittliche Höhe hsc im inneren Schwingungsbereich. 4. oscillating system according to one of the preceding claims, characterized in that the spiral spring (4) in the outer stabilization region has an average height h s , which is at least 50% less than the average height h sc in the inner vibration region.
5. Schwingsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiralfeder (4) im gesamten inneren5. oscillating system according to one of the preceding claims, characterized in that the spiral spring (4) throughout the inner
Schwingungsbereich eine konstante Höhe hsc aufweist. Vibration range has a constant height h sc .
6. Schwingsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiralfeder (4) im gesamten äußeren Stabilisierungsbereich eine konstante Höhe hs, aufweist. 6. oscillating system according to one of the preceding claims, characterized in that the spiral spring (4) in the entire outer stabilization region has a constant height h s .
7. Schwingsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiralfeder (4) im äußeren Stabilisierungsbereich radial zur Achse der Spiralfeder eine durchschnittliche Breite bst aufweist, die zumindest 10% größer ist als die durchschnittliche Breite bsc im inneren7. oscillating system according to one of the preceding claims, characterized in that the spiral spring (4) in the outer stabilization region radially to the axis of the coil spring has an average width b st , which is at least 10% larger than the average width b sc in the interior
Schwingungsbereich. Vibration region.
8. Schwingsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiralfeder (4) im äußeren Stabilisierungsbereich eine durchschnittliche Breite aufweist, die zumindest 20% größer ist als die durchschnittliche Breite bsc im inneren Schwingungsbereich. 8. oscillating system according to claim 7, characterized in that the spiral spring (4) in the outer stabilization region has an average width which is at least 20% larger than the average width b sc in the inner vibration region.
9. Schwingsystem nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiralfeder (4) im äußeren Stabilisierungsbereich eine durchschnittliche Breite bst aufweist, die zumindest 30% größer ist als die durchschnittliche Breite bsc im inneren Schwingungsbereich. 9. oscillating system according to claim 7 or 8, characterized in that the spiral spring (4) in the outer stabilization region has an average width bst, which is at least 30% larger than the average width b sc in the inner vibration region.
10. Schwingsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiralfeder (4) im äußeren Stabilisierungsbereich
eine durchschnittliche Breite bst aufweist, die zumindest 50% größer ist als die durchschnittliche Breite bsc im inneren Schwingungsbereich. 10. oscillating system according to one of the preceding claims, characterized in that the spiral spring (4) in the outer stabilization region has an average width b st which is at least 50% larger than the average width b sc in the inner vibration region.
Schwingsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die durchschnittliche Höhe hsc und die durchschnittliche Oscillation system according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the average height h sc and the average
Breite bsc der Spiralfeder in ihrem inneren Schwingungsbereich sowie die durchschnittliche Höhe hst und die durchschnittliche Breite bst der Spiralfeder in ihrem äußeren Stabilisierungsbereich derart aufeinander abgestimmt sind, dass ein Flächenträgheitsmomentestabilisierungsfaktor (r)FT) einen in einem dem Flächenträgheitsmomentestabilisierungsfaktor (r)FT) zugeordneten, vorbestimmten Sollwertbereich liegenden Wert aufweist und/oder ein Federkonstantestabilisierungsfaktor (r)k) einen in einem dem Federkonstantestabilisierungsfaktor (r)k) zugeordneten, vorbestimmten Sollwertbereich liegenden Wert aufweist, wobei sich der Flächenträgheitsmomentestabilisierungsfaktor (r)FT) durch das Verhältnis eines ersten Quotienten zu einem zweiten Quotienten darstellt, wobei der erste Quotient das Verhältnis des Flächenträgheitsmomentes des äu ßeren Stabilisierungsbereichs der Spiralfeder (4) zu dem Flächenträgheitsmoment des inneren Schwingungsbereichs der Spiralfeder (4) und der zweite Quotient das Verhältnis des Flächenträgheitsmomentes einer dem Stabilisierungsbereich entsprechenden Federlänge zu dem Flächenträgheitsmoment einer dem Schwingungsbereich entsprechenden Federlänge einer Bezugsspiralfeder sind, und zwar entsprechend der Formel Width b sc of the coil spring in its inner oscillation range and the average height h st and the average width b st of the coil spring in their outer stabilization region are coordinated such that a second moment of inertia (r) FT) one in a the moment of inertia stabilization factor (r) FT) having a predetermined setpoint value range associated therewith and / or a Fedkonstantestabilisierungsfaktor (r) k) in a the Federkststestestisierungsfaktor (r) k) associated predetermined setpoint range lying value, wherein the second moment of inertia stabilization factor (r) FT) by the ratio of a first quotient represents a second quotient, wherein the first quotient of the ratio of the moment of inertia of the externa ßeren stabilization region of the coil spring (4) to the area moment of inertia of the inner vibration region of the coil spring (4) and the second quotient is the ratio of the area moment of inertia of a spring length corresponding to the stabilization area to the area moment of inertia of a spring length of a reference spiral spring corresponding to the oscillation area, in accordance with the formula
wobei FT(I) der Verlauf des Flächenträgheitsmomentes der Spiralfeder (4) als Funktion der Federlänge (I) und FTn(l) der Verlauf des Flächenträgheitsmomentes der Bezugsfeder als Funktion der Federlänge (I) sind, where FT (I) is the course of the area moment of inertia of the spiral spring (4) as a function of the spring length (I) and FTn (l) is the profile of the area moment of inertia of the reference spring as a function of the spring length (I),
wobei der dem Flächenträgheitsmomentestabilisierungsfaktor (r)FT) zugeordnete Sollwertbereich zwischen 10 und 65 liegt, wobei sich der Federkonstantestabilisierungsfaktor (r)k) durch das Verhältnis eines ersten Quotienten zu einem zweiten Quotienten darstellt, wobei der erste Quotient das Verhältnis der Federkonstanten des äu ßeren Stabilisierungsbereichs der Spiralfeder (4) zur Federkonstanten des inneren Schwingungsbereichs der Spiralfeder (4) und der zweite Quotient das Verhältnis der Federkonstanten einer dem Stabilisierungsbereich entsprechenden Federlänge zur Federkonstanten einer dem Schwingungsbereich entsprechenden Federlänge einer Bezugsspiralfeder sind, und zwar entsprechend der Formel stabil(M - üE) wherein the setpoint range associated with the moment of inertia (R) FT) is between 10 and 65, the spring constant stabilizing factor (r) k) being the ratio of a first quotient to a second quotient, the first quotient being the ratio of the spring constant of the outer stabilizing region the coil spring (4) to the spring constant of the inner vibration region of the coil spring (4) and the second quotient the ratio of the spring constant of a spring length corresponding to the stabilization region to the spring constant of a spring length of a reference coil spring corresponding to the vibration region, according to the formula stable (M - üE)
"Schwingt - M) Spriale
Bezugsspirale wobei kstabi| die Federkonstante des Stabilisierungsbereichs der Spiralfeder (4), kschwing die Federkonstante des Schwingungsbereiches der Spiralfeder (4) und k die Federkonstante der Bezugsspiralfeder sind, "Swing - M) Spriale Reference spiral where k stabi | the spring constant of the stabilizing area of the coil spring (4), ksc h wing is the spring constant of the oscillation area of the coil spring (4), and k is the spring constant of the reference coil spring,
wobei der dem Federkonstantestabilisierungsfaktor (r)k) zugeordnete Sollwertbereich zwischen 1 ,5 und 65 liegt, wobei die Bezugsspiralfeder eine Feder ist, die hinsichtlich geometrischer Form, Windungszahl, Windungsquerschnitt und Gesamtfederlänge der Spiralfeder (4) entspricht, wobei jedoch die durchschnittliche Höhe hsc der Bezugsspiralfeder gleich ihrer durchschnittlichen Höhe hst und die durchschnittliche Breite bsc der Bezugsspiralfeder gleich ihrer durchschnittlichen Breite bst ist.
the setpoint range associated with the spring constant stabilizing factor (r) k) being between 1.5 and 65, the reference coil spring being a spring which corresponds in terms of geometric shape, number of turns, turns and total spring length of the coil spring (4) but the average height h sc the reference coil spring is equal to its average height h st and the average width b sc of the reference coil spring is equal to its average width b st .
12. Schwingsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem äu ßeren Federhaltepunkt (13) um einen festen Ansteckpunkt handelt oder der äu ßere Federhaltepunkt (13) durch einen Rücker (15) gebildet ist. 12. Oscillating system according to one of the preceding claims, characterized in that it is at the externa ßeren spring holding point (13) is a fixed Ansteckpunkt or externa ßere spring holding point (13) by a back (15) is formed.
13. Schwingsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Stabilisierungsbereich über einen Winkelbereich zwischen 30 ° und 1000 erstreckt. 13. Oscillation system according to one of the preceding claims, characterized in that the stabilization region extends over an angular range between 30 ° and 100 0 .
14. Schwingsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiralfeder (4) aus einem nichtmetallischen Werkstoff, vorzugsweise aus Diamant oder aus Silizium mit einer Beschichtung aus Siliziumoxid hergestellt ist. 14. Oscillating system according to one of the preceding claims, characterized in that the spiral spring (4) made of a non-metallic material, preferably made of diamond or of silicon with a coating of silicon oxide.
15. Mechanische Uhr mit einem mechanischen Schwingsystem, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwingsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist. 15. Mechanical watch with a mechanical oscillating system, characterized in that the oscillating system is designed according to one of the preceding claims.
Verfahren zum Einstellen eines Schwingsystems für mechanische Uhrwerke gemäß den Ansprüchen 1 bis 14 umfassend den Schritt Einstellen der Gesamtfederlänge durch Änderung des äu ßeren Federhaltepunktes (13). A method of adjusting a vibratory system for mechanical movements according to claims 1 to 14, comprising the step of adjusting the total spring length by changing the outer spring holding point (13).
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Federhaltepunkt ein nach dem Einstellen fester Ansteckpunkt (13) ist. A method according to claim 16, characterized in that the outer spring holding point is after setting fixed Ansteckpunkt (13).
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass der äu ßere Federhaltepunkt (13) durch einen Rücker (15) gebildet ist.
18. The method according to any one of claims 16 or 17, characterized in that the externa ßere spring-holding point (13) by a Rücker (15) is formed.
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