專利名稱：帶溫度補償?shù)臄[輪/游絲振蕩器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總體上涉及機械振蕩器，具體是涉及手表的機械振蕩器，其包括一由游絲(hairspring，細彈簧)和擺輪(balance wheel)形成的溫度補償組件。
背景技術：
時鐘的機械振蕩器，也被稱作調速器，其由一個被稱作擺輪的飛輪和一個被稱作游絲的螺旋彈簧組成，游絲一方面被固定到擺輪平衡軸(staff)上，另一方面又被固定到一個棘爪橋上，擺輪平衡軸在該棘爪橋上樞轉。擺輪/游絲以一種頻率繞它的平衡位置振蕩，該頻率必須被盡可能地保持恒定，因為它決定著時鐘的運轉。對于一種同類的且統(tǒng)一的游絲，這種振蕩器的振蕩周期由下面的表達式給出T=2πJb.LsEs.Is]]>
式中
Jb是擺輪/游絲的總轉動慣量；
Ls表示游絲的工作長度；
Es是游絲的彈性模量；和
Is是游絲的截面二次矩(second moment of section)。
溫度變化導致振蕩周期的變化到第一級ΔTT=12{ΔJbJb+ΔLsLs-ΔEsEs-ΔIsIs}]]>
即，一個對Jb，Ls和Is的擴張效應以及一個對Es的熱彈性效應。隨著溫度的升高，前三項通常是正的(擺輪的擴張，游絲的伸長以及楊氏模量的減少)并且導致?lián)p耗，然而最后一項是負的(游絲的截面增大)并且導致增益。在過去，為了減輕這個問題，人們已經采取了幾種方法來補償頻率的溫度漂移。特別是，可以更加關注到通過對擺輪的轉動慣量的熱修正(比如一種由鋼和黃銅制成的雙金屬擺輪)、或者通過使用特種合金(比如鎳鐵合金)來制造游絲以使之具有很低的熱彈性系數(shù)的補償方法。這些方法仍然很復雜，很難實現(xiàn)因而很昂貴。
最近，在歐洲專利申請EP 02026147.5中，申請人描述了一種用于螺旋彈簧的彈簧剛度常數(shù)的熱補償方法，包括熱氧化由硅基片制成的游絲。在游絲是由鎳鐵合金類型的鋼(比如住房用合金尼瓦洛克斯合金(Nivarox-Far)S.A.)制造的情形下，由被氧化的硅制造的螺旋彈簧使得能夠調節(jié)彈簧本身的熱行為，可能會具有幾個ppm/℃的輕微的過補償。該過補償?shù)臉O限是由于在實際中所生產的最大氧化物厚度(通常小于4μm)以及由于硅游絲的截面的最小容許寬度(大于40μm)。因此，擺輪必須也被熱補償。這可以通過比如采用一種“glucydur”型的合金(一種銅-鈹合金，也被稱為″鈹″)來實現(xiàn)，或者采用其它具有很低的熱膨脹系數(shù)的合金。該方法也很復雜，而且，只是其它更加傳統(tǒng)的方法，不能夠校正其它等時性缺陷，諸如，因為例如振蕩器上的各種摩擦作用、擺輪不平衡、游絲的質量中心偏離中心等等產生的缺陷。

發(fā)明內容
本發(fā)明的一個目的是，通過提供一種用于時鐘振蕩器的游絲來克服上述現(xiàn)有技術的缺陷，其技術方案涉及熱振動，它使得能夠將擺輪/游絲組件保持為盡可能很少地依賴于所述熱振動。更準確地說，本發(fā)明的游絲不僅被自動補償，而且它能被制造成以致也能補償擺輪的熱漂移。
本發(fā)明的另一目的是，還能夠補償擺輪/游絲在結構上所固有的等時性缺陷。
這些目的可以通過具有在權利要求書中所限定的特征的振蕩器來實現(xiàn)。
更具體地，本發(fā)明的游絲是被制造在一種晶狀石英基片上，它的切片(cut)以這樣的方式選擇，由游絲和擺輪組成的組件然后被熱補償。
根據(jù)本發(fā)明的另一特征，游絲的形狀被這樣選擇以致于補償擺輪/游絲組件的非等時同步缺陷。
石英在電子表領域是眾所周知的，并且人們已經進行研究以便將石英用作振蕩器，因為具有壓電現(xiàn)象。根據(jù)傳統(tǒng)的鐘表學詞匯，就采用了術語振蕩器，然而，術語振動方式更加適用。所達到的頻率約為32kHz。在運行狀態(tài)下，所用石英晶體的性能不是必然穩(wěn)定的，而且為了克服此缺點，石英晶體切片(切向)被如此選擇，以便組合各種振動模式，從而獲得完全穩(wěn)定的性能。
現(xiàn)在，在機械時鐘中所用的螺旋擺輪實際上是振蕩的，而且此現(xiàn)象純粹是由于機械學的原因。振蕩頻率最多約5Hz. 在上述兩種應用情形下石英的性能是完全不同的。對于本領域的技術人員而言，沒有理由在機械時鐘中采用源自電子表的信息。有關電子表中所用石英振蕩器的累積知識事實上不能被直接轉用到螺旋彈簧上。
石英螺旋彈簧的熱行為本質上是由切片相對于石英晶體的光軸Z的傾角決定的。如圖1所示，游絲的平面可以由一個ZY/φ/θ雙旋轉(此符號依據(jù)IEEE(電氣和電子工程師學會)標準)來確定，其中φ是經度而θ是余緯度(游絲軸線相對于晶體的光軸Z的傾角)。
晶體的剛性，包括在拉伸剛性和剪切剛性兩方面，通常具有一個其曲率為負值的接近于0℃的倒置熱點(thermal point of inversion)。它們在低溫時變得更加剛硬。因而，它們在室溫即25℃下的的第一導熱系數(shù)通常是負值，具有負的曲率。它在幾十到幾百ppm/℃之間變化。石英是稀有晶體之一，這使得在室溫下能夠借助于切片即結構的定向來抵償剛性的第一導熱系數(shù)，并且甚至使之為正值，具有幾十個ppm/℃的值。
不象由被氧化的硅或者由鎳鐵合金型鋼所制成的游絲那樣，石英游絲不需要glucydur型的補償擺輪。這使得能夠補償大多數(shù)標準的范圍底部(bottom-of-the-range)不銹鋼擺輪的熱漂移，甚至在某些方面，使得能夠比32kHz石英音叉的更良好。
根據(jù)本發(fā)明的擺輪/游絲振蕩器還具有下述全部或某些特征[23]-所述游絲被制造在石英基片上，其切片是一種雙ZY/φ/θ旋轉切片；[24]-所述游絲被制造在石英基片上，其切片是一種單X/θ旋轉切片；[25]-所述游絲被制造在石英基片上，其切片是一種單Y/θ旋轉切片；[26]-所述角度θ是這樣，所述游絲的第一級導熱系數(shù)α補償擺輪的熱漂移；[27]-所述角度θ是這樣，表示擺輪/游絲組件的熱漂移的曲線仍然被包含在鐘表模型內；以及[28]-所述游絲的厚度以及在可能情形下的節(jié)距被調幅，以便補償擺輪的等時性缺陷。


在閱讀下文對作為非局限性實例所作說明以及結合附圖的基礎上，本發(fā)明的其它目的、特征和優(yōu)點將變得更加清楚，在這些附圖中[30]-圖1示出一種石英板，其已經經受了相對于晶體軸的ZY/φ/θ雙旋轉；[31]-圖2.a至2.b示出在諸如圖1所示的板上所制造的一種游絲的剛性的第一α、第二β和第三γ導熱系數(shù)的性能，作為角度θ和φ的函數(shù)；[32]-圖3.a至3.c示出這些相同導熱系數(shù)的水平曲線；[33]-圖4示出一種石英板，其已經經受了繞X軸的單旋轉；[34]-圖5.a至5.c示出在圖4所示板上所制造的一種游絲的剛性的導熱系數(shù)α，β和γ的變化；[35]-圖6示出頻率的熱漂移，其中游絲的X/θ切片與擺輪的系數(shù)α相匹配；以及[36]-圖7示出一種具有非等時性補償?shù)挠谓z的一個示例性實施例。
具體實施例方式如上所示，石英游絲的熱行為本質上取決于板的切片，其中該游絲被制造在該板上。這樣，對于一種ZY/φ/θ雙旋轉切片，如圖1所示，該游絲的剛性的第一級導熱系數(shù)α、第二級導熱系數(shù)β和第三級導熱系數(shù)γ分別被示于圖2.a至2.c中，其溫度為25℃。垂直軸分別指示α、β和γ以ppm/℃、ppb/℃2和ppt/℃3表示的值。圖3.a至3.c示出圖2中曲線圖的水平線。具體考慮圖3.a，其涉及第一導熱系數(shù)α，應當注意到，后者的值實際上是與角度φ無關的，但是隨著角度θ變化。因為，而且，第二級和第三級導熱系數(shù)的貢獻證明是可以忽略的，由此得出結論，一種單旋轉切片，比如一種X/θ切片，是足夠用來制造一種根據(jù)本發(fā)明的游絲的，就是說，不僅能夠補償它本身的熱漂移，而且能夠補償與之關聯(lián)的擺輪的熱漂移。在圖4中示出了一種具有這樣一個切片的板。它可以通過繞晶體的光軸X進行單旋轉θ而獲得。在這種類型的板上所制造的游絲將具有一個最大的彈性對稱性，即相對于YZ平面的對稱性和相對于游絲的軸(旋轉后的Z′軸)的對稱性。因而這些游絲將比那些被制造在雙旋轉切片板上的游絲能夠被更好地彈性地平衡，并且將對它們的熱補償能力沒有任何限制。應當指出，該簡單的旋轉也可以繞Y軸進行。
圖5.a至5.b分別示出對于由X/θ單旋轉切片所形成的游絲而言剛性的導熱系數(shù)α，β和γ的變化，它們作為角度θ的函數(shù)。所述系數(shù)在實際中是相對于軸θ＝0對稱的。假如僅僅考慮第一系數(shù)α(其它更高等級的系數(shù)具有更低的且可能可以忽略的影響)，應當注意到，當θ＝±24.0°時，它等于零，而當θ＝0時它是最大值。在這一點，α等于13.466 ppm/℃，這與最大熱補償相一致，對于由具有X/θ＝0切片的石英所制造的游絲這是可能實現(xiàn)的。擺輪的熱漂移取決于制造它所用的材料。這樣，普通不銹鋼的熱膨脹系數(shù)典型地在10至15ppm/℃之間變化，而對于黃銅此系數(shù)的值是17ppm/℃。圖6示出熱補償?shù)膸讉€實例，對于各種各樣的擺輪材料，它們可以通過具有X/θ單旋轉切片的游絲來實現(xiàn)。曲線C1至C3示出振蕩器的頻率的熱漂移，振蕩器包括各種類型的鋼制擺輪，而曲線C4對應于一種具有黃銅材質擺輪的振蕩器的頻率的熱漂移。應當注意到，相對于手表/精確記時計所安裝的鐘表模板(horological template)(幀R)(在23℃±15℃的溫度范圍內的一種小于±8s/天的頻率變化)，可能會發(fā)現(xiàn)石英游絲的這種X/θ切片使得能夠補償更普通的擺輪的漂移，比如鋼制擺輪。然而，對于一種黃銅材質的擺輪(曲線C4)，石英游絲的最大補償不會使得可能完全地滿足此鐘表模板的這種要求。因此，對于一種給定的擺輪材料，就能夠確定石英游絲的切片的角度θ，它提供調速器組件的最大可能的熱補償。
根據(jù)本發(fā)明的另一特征，石英游絲還使得能夠補償振蕩器的等時性缺陷。非等時同步的其中一個主要原因是擺輪的振幅的變化。此非等時同步變化可以是幾個ppm/角度的度的等級，典型地是2ppm/角度的度，典型的是角度變化±25％。一種用于補償?shù)葧r性的公知方法包括作用于接近擺輪端頭(stud)P的游絲端部的曲率。該方法需要特別熟練的人執(zhí)行一個調節(jié)步驟-這從工業(yè)化的角度來講不是一種最佳情形。根據(jù)本發(fā)明的一種變型，建議通過改變它的截面(section)的寬度來對匝(turn)的局部剛性起作用。調幅具有增加在與所述端頭相對的側面上的扇形內的匝的慣性以及局部剛性的作用。該截面的寬度的調幅函數(shù)比如是kcos(θm-θ)類型的，其中k是一個比例常數(shù)，θ代表所討論截面的極角，而θm是在擺輪端頭處的極角的值。當k等于0.4時，非等時性同步補償大約是1ppm/角度的度。對于一個給定的振蕩器，k的精確值可以根據(jù)經驗或者通過數(shù)值模擬來確定。圖7示出一種游絲，其在它的截面的寬度上具有這樣一種調幅。所述匝的截面寬度調幅可以伴隨著匝之間的節(jié)距調幅，從而在這些匝之間的差值保持恒定。當存在大的振幅時，后一種調幅(未示出)使得能夠防止匝之間發(fā)生粘附。上文所描述的游絲可以通過石英加工領域普通技術人員所公知的任何方式來制造，比如濕法(化學的)腐蝕或者干法(等離子體)腐蝕。
盡管已經針對具體的示例性實施例對本發(fā)明進行了描述，但是應當知道，可以進行修改或者變型而不脫離它的范圍。例如，可以采用其它的匝的厚度調幅類型，諸如，匝的厚度從游絲的中心向端頭進行線性變化，無論這是否是伴隨著匝間節(jié)距的增加。
權利要求
1.機械振蕩器，包括一游絲和一擺輪，其特征在于該游絲是被制造在一石英基片上，所述石英基片的切片被選擇成用于補償該游絲的和該擺輪的熱漂移。
2.按照權利要求1所述的機械振蕩器，其特征在于，所述石英基片的切片是一種雙ZY/φ/θ旋轉切片。
3.按照權利要求1所述的機械振蕩器，其特征在于，所述石英基片的切片是一種單X/θ旋轉切片。
4.按照權利要求1所述的機械振蕩器，其特征在于，所述石英基片的切片是一種單Y/θ旋轉切片。
5.按照權利要求3或4所述的機械振蕩器，其特征在于，所述角度θ是這樣所述游絲的剛性的第一級導熱系數(shù)α補償所述的與之關聯(lián)的擺輪的熱漂移。
6.按照權利要求3至5任一項所述的機械振蕩器，其特征在于，所述角度θ被確定成使得表示所述振蕩器的熱漂移的曲線仍然被包含在鐘表模型內。
7.按照權利要求3至6任一項所述的機械振蕩器，其特征在于，所述擺輪由鋼制成，并且角度θ的值在0°與±24°之間。
8.按照權利要求3至6任一項所述的機械振蕩器，其特征在于，所述擺輪由黃銅制成，并且角度θ的值為0°。
9.按照前述任一項權利要求所述的機械振蕩器，其特征在于，所述游絲的匝的厚度被調幅成用于補償擺輪的等時性缺陷。
10.按照權利要求9所述的機械振蕩器，其特征在于，所述厚度調幅是kcos(θm-θ)型的一個周期函數(shù)，其中k是一個比例常數(shù)，θ代表所討論的游絲截面的極角，而θm是該游絲端頭的位置的極角。
11.按照權利要求10所述的機械振蕩器，其特征在于，所述比例常數(shù)等于0.4。
12.按照權利要求9所述的機械振蕩器，其特征在于，所述厚度調幅是一從螺旋的中心向它的端頭厚度的線性變化。
13.按照權利要求9所述的機械振蕩器，其特征在于，所述游絲的匝的節(jié)距是這樣在兩個連續(xù)匝之間的差值保持恒定。
全文摘要
本發(fā)明涉及機械表振蕩器，包括一個由一螺旋和一帶溫度補償?shù)臄[輪組成的組件。所述螺旋具體是一種石英基片，它的截面被以這樣的方式選擇，螺旋的和與之關聯(lián)的擺輪的漂移被熱補償。該基片截面可以具體是一種單或雙旋轉截面的形式。所述發(fā)明被應用于鐘表學。
文檔編號G04B17/00GK1985103SQ200580023374
公開日2007年6月20日 申請日期2005年6月2日 優(yōu)先權日2004年6月8日
發(fā)明者C·布儒瓦 申請人:瑞士電子和微技術中心股份有限公司-研究開發(fā)部