CN108885426A - 用于钟表的摆轮-游丝振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于钟表的振荡器，包括摆轮(1)和游丝(3；3’)，摆轮中缺乏平衡。摆轮中缺乏平衡和游丝的几何形状使得表示在振荡器的间隔90°的至少四个竖直位置中由于游丝的重量引起的作为摆轮的振荡幅度的函数的振荡器的运行的曲线(S1‑S4；S1’‑S4’)各自在摆轮的介于200°和240°之间的振荡幅度处穿过零值，并且在150°的振荡幅度和280°的振荡幅度之间，表示在振荡器的所述竖直位置中由于摆轮中缺乏平衡引起的作为摆轮的振荡幅度的函数的振荡器的运行的曲线(B1‑B4；B1’‑B4’)各自具有与表示由于游丝的重量引起的振荡器的运行的所述曲线(S1‑S4；S1’‑S4’)中的对应曲线的平均斜率符号相反的平均斜率。因此可以实现在竖直位置之间运行差异减小。

Description

用于钟表的摆轮-游丝振荡器

技术领域

本发明涉及一种用于钟表的摆轮-游丝类型的振荡器，更具体地说，涉及一种具有改进的等时性的这种类型的振荡器。等时性被理解为作为摆轮的振荡幅度的函数并作为钟表位置的函数的运行变化。这些变化越小，振荡器的等时性就越优。

背景技术

摆轮-游丝振荡器的运行等于由于摆轮中缺乏平衡而引起的运行以及由于游丝而引起的运行的总和。在竖直位置中，摆轮中缺乏平衡或不平衡会破坏振荡的规律性。为了使这种破坏最小化，通常通过铣削或通过调节设置在摆轮上的螺钉来使摆轮重新平衡。由于游丝引起的运行变化主要是由于游丝的偏心展开和重量所导致。游丝的偏心展开生成由振荡器轴的枢轴和枢轴转动所在的轴承之间的恢复力所产生的破坏性扭矩，该破坏性扭矩在所有位置都是相同的。游丝的重量根据钟表相对于水平位置的倾斜产生另一种破坏性扭矩。

近年来，已对游丝的几何形状进行了改进，以减小它们损害振荡器等时性的程度。特别地，可引用专利申请EP 1445670，EP 1473604，EP 2299336和WO 2014/072781，其描述了包括沿其叶片的刚度和/或节距变化的游丝。现代制造技术和诸如硅的材料允许生产这种游丝。然而，将由于游丝引起的运行与由于摆轮引起的运行分开处理的这种方法限制了振荡器的整体等时性方面的可能增益。事实上，似乎很难进一步减少竖直位置之间由于游丝引起的运行差异。尽管已经提出了各种游丝几何形状，但是对于游丝来说，将运行差异减小至小于约1秒/天是不可能的或者是及其困难的。对于摆轮，当以工业规模生产它们时，几乎不可能生产具有小于0.5μg.cm的不平衡的摆轮。

发明内容

本发明旨在提出另一种改进摆轮-游丝振荡器的等时性的方法，特别是用于减少其不同竖直位置之间的运行差异的方法。

为此提供一种用于钟表的振荡器，其包括摆轮和游丝，摆轮中缺乏平衡，其特征在于，摆轮中缺乏平衡和游丝的几何形状使得：

a)表示在振荡器的间隔90°的至少四个竖直位置中，优选地在所有竖直位置中由于游丝的重量引起的作为摆轮的振荡幅度的函数的振荡器的运行的曲线各自在所述摆轮的介于200°和240°之间，优选地介于210°和230°之间，更优选地介于215°和225°之间的振荡幅度处穿过零值，

b)在150°的振荡幅度和280°的振荡幅度之间，表示在振荡器的所述竖直位置中由于摆轮中缺乏平衡引起的作为摆轮的振荡幅度的函数的振荡器的运行的曲线各自具有与表示由于游丝的重量引起的振荡器的运行的所述曲线中的对应曲线的平均斜率符号相反的平均斜率。

因此，本发明提出设计摆轮和游丝使得在摆轮的所有或几乎所有正常操作范围上由于摆轮中缺乏平衡引起的运行和由于游丝的重量引起的运行至少部分地并且优选地基本上完全彼此补偿。与现有技术相反，本发明因此不寻求消除摆轮的不平衡，这种不平衡甚至可能是相当大的。类似地，没有尝试将游丝的重量减少到最小。这种新颖的方法使得在振荡器的不同竖直位置之间实现非常轻微的运行差异并因此提高了钟表的精度。

在实践中，表示由于游丝的重量引起的振荡器的运行的曲线穿过零值所处于的振荡幅度可以曲线彼此略微不同。所述曲线优选地在相同的振荡幅度处通过零值并因此在单个点处相交。

在优选的实施例中，摆轮中缺乏平衡和游丝的几何形状使得在150°至280°的振荡幅度范围中，表示由于摆轮中缺乏平衡引起的振荡器的运行的所述曲线中的每条曲线的平均斜率与表示由于游丝的重量引起的振荡器的运行的所述曲线中的对应曲线的平均斜率具有基本相同的绝对值。

摆轮中缺乏平衡和游丝的几何形状可以使得在150°至280°的振荡幅度范围中，由于摆轮中缺乏平衡和游丝的重量引起的振荡器的运行在所述竖直位置之间的最大差异小于4秒/天，甚至小于2秒/天，更甚至小于1秒/天，还更甚至小于0.7秒/天。

游丝的内端和游丝的旋转中心之间的距离可以大于500μm，或者大于600μm，甚至大于700μm。

摆轮的不平衡可以大于0.5μg.cm，甚至大于1μg.cm。

在典型示例性实施例中，游丝的内匝具有加强部和/或成型为格罗斯曼曲线。游丝的外匝也可以具有加强部。

在另一典型示例性实施例中，游丝具有在至少数匝上连续变化的刚度和/或节距。

附图说明

通过阅读参考附图给出的以下详细描述，将使本发明的其他特征和优点变得清楚，其中：

-图1示出了根据本发明第一实施例的摆轮-游丝振荡器；

-图2示出了根据本发明第一实施例的振荡器的游丝；

-图3示出了根据本发明的振荡器的摆轮，从相对于图1的另一侧看；

-图4示出了表示根据本发明第一实施例的由于游丝的重量引起的振荡器的运行的曲线；

-图5示出了表示根据本发明第一实施例的由于摆轮缺乏平衡引起的振荡器的运行的曲线；

-图6示出了表示根据本发明第一实施例的由于摆轮缺乏平衡和游丝的重量引起的振荡器的运行的曲线；

-图7表示根据本发明第二实施例的振荡器的游丝；

-图8示出了表示根据本发明第二实施例的由于游丝的重量引起的振荡器的运行的曲线；

-图9示出了表示根据本发明第二实施例的由于摆轮缺乏平衡引起的振荡器的运行的曲线；

-图10示出了表示根据本发明第一实施例的由于摆轮缺乏平衡和游丝的重量引起的振荡器的运行的曲线。

具体实施方式

参考图1至3，根据本发明第一实施例的用于旨在用于诸如手表或怀表的钟表的钟表机芯的摆轮-游丝振荡器包括摆轮1，其安装在摆轮轴2上；以及游丝3，其中该游丝3的内端3a通过夹头4固定至摆轮轴2并且游丝3的外端3b通过一个或多个构件固定至机芯框架。在所示的示例中，游丝3的外端3b由刚性固定部5所延伸，该刚性固定部5如申请人在专利EP1780611中所述地由安装在机芯框架上的夹子6所保持。然而，外端3b可以用另一种方式固定至框架，例如，通过传统的游丝螺柱。包括游丝3、夹头4和刚性固定部5的组件可以是一体的并且可以例如由硅或宝石制成。摆轮轴2还承载辊子或双辊子7，该辊子或双辊子7本身承载冲击销8并形成擒纵机构的一部分，该擒纵机构用于保持和计数振荡器的振荡。

游丝3不呈具有恒定叶片横截面的阿基米德螺线的传统形式。由于游丝具有沿其叶片变化的横截面和/或节距，所以游丝的几何形状实际上是不规则的。在所示的示例中，外匝的部分3c(下文中称为“外部加强部”)和内匝的部分3d(下文中称为“内部加强部”)比形成游丝3的叶片的其余部分具有更大的横截面并且因此具有更大的刚度。在这些部分3c和3d的外部，叶片的横截面是恒定的。游丝3的节距从位于其内匝的点3e’到位于其外匝的点3e是恒定的。节距从内端3a到点3e’略微增加。在点3e之后，节距明显增加，外匝相对于阿基米德螺线的走向远离倒数第二匝，以避免在游丝扩展期间这两匝彼此接触。游丝3在点3e和3b之间延伸的端部3f包括外部加强部3c的至少一部分，通常是全部。

然而，游丝3的许多其他几何形状也是可能的。例如，代替内部加强部3d或者除了内部加强部3d之外，内匝可以成形为格罗斯曼曲线。也可以不具有外部加强部3c。在其他变型中，代替仅在内匝和外匝处局部地改变游丝的叶片的横截面，可以沿着叶片全部或在数匝上(即在多于一个(不一定是整数)匝上，例如等于2或更大)连续地改变横截面。代替横截面的变化或者除了横截面的变化之外，还可以沿着叶片全部或在数匝上连续地改变游丝的节距。此外，可以以不同于改变其横截面的方式改变游丝沿其叶片的刚度，例如通过掺杂或热处理。

摆轮-游丝振荡器的运行等于由于摆轮引起的运行和由于游丝引起的运行的总和。摆轮仅影响在竖直位置中的运行。由于摆轮引起的振荡器的运行是由于摆轮缺乏平衡，即由于制造公差使得摆轮的重心不位于其旋转轴线上所导致。参考图3，如果d用于定义摆轮1的重心G的径向位置(相对于摆轮的旋转中心O，在垂直于旋转轴线2的平面中的投影中)并且M_b用于定义摆轮的质量，则幅值A＝d.M_b是摆轮的不平衡。如下所示，摆轮的不平衡A及其重心G的角位置θ_b(例如相对于摆轮的臂，在垂直于旋转轴线2的平面中的投影中进行限定，如图3所示)是调节由于摆轮中缺乏平衡引起的运行的参数。游丝影响在水平位置和竖直位置中的运行。在摆轮轴的轴承中，游丝的偏心展开引起变化的反作用力，这发生在振荡器的所有位置中。此外，在竖直位置中，由游丝的偏心展开所导致的游丝重心的移位导致由于游丝施加至所述重心的重量而引起的等时性缺乏。这种破坏不同于游丝由重力引起的弹性下垂的影响，这在本发明中未被考虑。

根据该理论，表示由于摆轮中缺乏平衡引起的作为摆轮的振荡幅度的函数的振荡器的运行的曲线在其任何竖直位置中在220°振荡幅度处通过零值(即穿过横坐标轴)。同样根据理论，对于具有恒定叶片横截面的呈完美的阿基米德螺线形式的游丝而言，表示由于游丝的重量引起的作为摆轮的振荡幅度的函数的振荡器的运行的曲线在其任何竖直位置中在163.5°和330.5°的振荡幅度处通过零值(即穿过横坐标轴)。

本发明基于这样的观察：可以选择摆轮参数A，θ_b和游丝几何形状，使得由于摆轮中缺乏平衡引起的运行和由于游丝的重量引起的运行彼此补偿，从而允许减少或甚至基本上抵消不同竖直位置之间的运行差异。

在图2的示例中，游丝3具有14匝。除了沿着厚度更大的外部加强部3c和内部加强部3d之外，形成游丝的叶片的厚度e₀(沿着始自游丝的旋转中心O的半径进行测量)为28.1μm。游丝在点3e’和3e之间的节距是86.8μm。夹头4的半径R(即游丝的内端3a和中心O之间的距离，限定为中心为O并且穿过内端3a的中间(厚度e₀的一半处)的圆的半径)为545μm。内部加强部3d的最大厚度e_d(沿着始自内匝起点(位于点3a和3e’之间)的曲率中心C_d的半径进行测量)是73μm。内部加强部3d的角度范围θ_d(从曲率中心C_d进行测量)是78°。内部加强部3d的从曲率中心C_d测量的角位置α_d(其中心相对于内端3a的位置)是82°。外部加强部3c的最大厚度e_c(沿着始自游丝3的端部3f的曲率中心C_c的半径进行测量)为88μm。外部加强部3c的从曲率中心C_c测量的角度范围θ_c和角位置α_c(其中心相对于游丝3的外端3b的位置)分别为94°和110°。

图4示出了在振荡器的间隔90°的四个竖直位置中的每一个中，即高竖直位置VH(位于顶部处的3点位置)(曲线S1)，右竖直位置VD(位于顶部处的12点位置)(曲线S2)，左竖直位置VG(位于顶部处的6点位置)(曲线S3)和低竖直位置VB(位于顶部处的9点位置)(曲线S4)，由于游丝3的重量引起的作为摆轮1的振荡幅度的函数的振荡器1、2、3的运行。在图4的横坐标轴上，绘制了摆轮1的振荡幅度，其以相对于平衡位置的度数表示，并且在纵坐标轴上，表示了以秒/天(s/d)为单位的运行。使用以下公式生成S1至S4的每条曲线：

该公式在由Presses polytechniques et universitaires romandes在2011编辑的M.Vermot，P.Bovay，D.Prongué和S.Dordor的著作“Traitéde construction horlogère”中提出，其中μ是运行，M_s是游丝的质量，L是游丝的长度，E是游丝的杨氏模量，I是游丝区域的第二个力矩，g是重力常数，θ是摆轮相对于其平衡位置的伸长率，θ₀是摆轮相对于其平衡位置的振荡幅度，是相位y_g是游丝在图3的y轴线与重力相反的坐标系统(O，x，y)中的重心的纵坐标，并且δ表示导数。游丝的重心移位(幅值y_g的变化)已经通过有限元计算。然后用数值计算导数和积分。

如图所示，曲线S1至S4在点P1处相交，点P1位于横坐标轴上处于大约218°的振荡幅度处，因此该振荡幅度接近于摆轮的对应曲线相交所处于的220°的振荡幅度。游丝3的对相交点P1的位置影响最大的部分是内部加强部3d。外部加强部3c使得可以改进对相交点P1的调节和/或产生运行的提前，该提前补偿如本申请人的专利申请WO2013/034962和WO2014/072781中所述的由擒纵机构引起的运行损失。实际上，在点P1处或在点P1附近的相交发生在振荡器的所有竖直位置中。

图5示出了在振荡器的的四个前述竖直位置中的每一个中，即高竖直位置VH(曲线B1)，右竖直位置VD(曲线B2)，左竖直位置VG(曲线B3)和低竖直位置VB(曲线B4)，由于摆轮1中缺乏平衡引起的作为摆轮1的振荡幅度的函数的振荡器1、2、3的运行。使用以下公式生成B1至B4的每条曲线：

该公式在上述著作“Traitéde construction horlogère”中提出，其中μ是运行，θ₀是摆轮相对于其平衡位置的振荡幅度，M_b是摆轮质量，g是重力常数，d是摆轮重心的径向位置，J_b是摆轮的惯性矩，ω₀是振荡器的自然角频率，J₁是1阶贝塞尔函数(其抵消约220°的θ₀的值)，β是摆轮的重心相对于冲击销8的角位置(参见图3，β＝θ_b-45°)，而φ是冲击销8相对于重力方向的角位置。

更具体地，图5是具有0.6μg.cm的不平衡A并且其重心的角位置θ_b是60°的摆轮的图。应注意，每条曲线B1至B4的斜率，特别是平均斜率的符号分别与每条曲线S1至S4的斜率，特别是平均斜率相反。换句话说，曲线S1和S2减小而曲线B1和B2增加，且曲线S3和S4增加而曲线B3和B4减小。特别是在摆轮在竖直位置中的通常操作范围中，即150°至280°的振荡幅度范围中，这均是正确的。与曲线S1至S4和B1至B4的斜率相关的该特征与曲线S1至S4的相交点P1在220°处接近曲线B1至B4的相交点P2的事实相结合允许由于摆轮1中缺乏平衡引起的运行和由于游丝3的重量引起的运行至少部分地彼此补偿。在150°至280°的振荡幅度范围内，每个曲线S1至S4的平均斜率与对应曲线B1至B4的平均斜率优选地具有基本相同的绝对值。在振荡器的设计期间调整曲线B1至B4的斜率是通过引起摆轮的不平衡A及其重心的角位置θ_b的变化来实现的。在恒定不平衡A的情况下，引起摆轮重心的角位置θ_b的变化改变了曲线B1至B4的相对位置。因此，恰当的是，选择值θ_b使得曲线B1至B4的顺序(取决于它们的斜率)与曲线S1至S4的顺序相反。在恒定值θ_b的情况下，引起不平衡A的变化增大或减小每条曲线B1至B4的斜率，这使得可以优化摆轮和游丝之间的补偿程度。

图6示出了在上述四个竖直位置的每一个中，即高竖直位置VH(曲线J1)，右竖直位置VD(曲线J2)，左竖直位置VG(曲线J3)和低竖直位置VB(曲线J4)，由于摆轮中缺乏平衡和由于游丝的重量而引起的振荡器的运行(由于摆轮中缺乏平衡和游丝的重量引起的运行的总和)。可以注意到，这些竖直位置之间的运行差异非常小，在150°至280°的振荡幅度范围内的最大运行差异小于0.7s/d。

实际上，在已制造的摆轮上，可以通过铣削和/或通过调节设置在摆轮上的螺钉和/或通过设置在摆轮上的惯性块来调节不平衡A和重心的角位置θ_b。然而，为了便于制造和调节摆轮，根据本发明的第二实施例提出选择更大的不平衡A。然而，增加不平衡A导致曲线B1至B4的斜率增加。为了允许游丝补偿由于摆轮中缺乏平衡引起的运行，根据本发明的第二实施例还提出增加夹头4的半径以增加S1到S4的曲线的斜率。

因此，图7示出了与图2中所示的游丝3相同类型的游丝3’，但其中夹头半径R已从545μm增加到760μm。以与游丝3相同的方式测量的值e₀，e_c，e_d，θ_c，θ_d，α_c，α_d如下：

e₀＝25.9μm

e_c＝86μm

e_d＝71μm

θ_c＝94°

θ_d＝78°

α_c＝90°

α_d＝88°

游丝3’的节距为96.5μm。匝数是10。

图8示出了在上述四个竖直位置中的每一个中，即高竖直位置VH(曲线S1’)、右竖直位置VD(曲线S2’)、左竖直位置VG(曲线S3’)和低竖直位置VB(曲线S4’)，由于游丝3’的重量引起的作为摆轮1的振荡幅度的函数的振荡器1、2、3’的运行。这些曲线S1’至S4’基本上在位于横坐标轴上并且对应于约223°的摆轮振荡幅度的点P1’处相交。

图9示出了在前述四个竖直位置中的每一个中，即高竖直位置VH(曲线B1’)，右竖直位置VD(曲线B2’)，左竖直位置VG(曲线B3’)和低竖直位置VB(曲线B4’)，由于摆轮1中缺乏平衡引起的作为摆轮1的振荡幅度的函数的振荡器1、2、3’的运行。图9是利用具有1.25μg.cm的不平衡A并且其重心的角位置θ_b为55°的摆轮产生的。可以注意到，曲线S1’至S4’的斜率和曲线B1’至B4’的斜率允许在摆轮1和游丝3’之间进行补偿。

图10示出了在上述四个竖直位置的每一个中，即高竖直位置VH(曲线J1’)，右竖直位置VD(曲线J2’)，左竖直位置VG(曲线J3’)和低竖直位置VB(曲线J4’)，由于摆轮1中缺乏平衡和由于游丝3’的重量引起的振荡器1、2、3’的运行(由于摆轮1中缺乏平衡和由于游丝3’的重量而引起的运行的总和)。可以注意到，这些竖直位置之间的运行差异非常小，在150°至280°的振荡幅度范围内的最大运行差异小于0.7s/d。

上述示例性实施方式绝不是限制性的。不言而喻，为了实现所要求保护的本发明，可以有许多配置。

Claims (10)

1.一种用于钟表的振荡器，其包括摆轮(1)和游丝(3；3’)，所述摆轮缺乏平衡，其特征在于，所述摆轮中缺乏平衡和所述游丝的几何形状使得：

a)表示在所述振荡器的间隔90°的至少四个竖直位置中由于所述游丝的重量引起的作为所述摆轮的振荡幅度的函数的所述振荡器的运行的曲线(S1-S4；S1’-S4’)各自在所述摆轮的介于200°和240°之间的振荡幅度处穿过零值，

b)在150°的振荡幅度和280°的振荡幅度之间，表示在所述振荡器的所述竖直位置中由于所述摆轮中缺乏平衡引起的作为所述摆轮的所述振荡幅度的函数的所述振荡器的运行的曲线(B1-B4；B1’-B4’)各自具有与表示由于所述游丝的所述重量引起的所述振荡器的所述运行的所述曲线(S1-S4；S1’-S4’)中的对应曲线的平均斜率符号相反的平均斜率。

2.如权利要求1所述的振荡器，其特征在于，所述游丝的几何形状使得表示由于所述游丝的所述重量引起的所述振荡器的所述运行的所述曲线(S1-S4；S1’-S4’)各自在所述摆轮的介于210°和230°之间振荡幅度处穿过所述零值。

3.如权利要求2所述的振荡器，其特征在于，所述游丝的几何形状使得表示由于所述游丝的所述重量引起的所述振荡器的所述运行的所述曲线(S1-S4；S1’-S4’)各自在所述摆轮的介于215°和225°之间的振荡幅度处穿过所述零值。

4.如权利要求1至3中任一项所述的振荡器，其特征在于，所述摆轮中缺乏平衡和所述游丝的几何形状使得在150°至280°的振荡幅度范围内，表示由于所述摆轮中缺乏平衡引起的所述振荡器的所述运行的所述曲线(B1-B4；B1’-B4’)中的每条曲线的平均斜率与表示由于所述游丝的所述重量引起的所述振荡器的所述运行的所述曲线(S1-S4；S1’-S4’)中的对应曲线的平均斜率具有基本相同的绝对值。

5.如权利要求1至4中任一项所述的振荡器，其特征在于，所述摆轮中缺乏平衡和所述游丝的几何形状使得在在150°至280°的所述振荡幅度范围内由于所述摆轮中缺乏平衡和所述游丝的所述重量引起的所述振荡器的所述运行在所述竖直位置之间的最大差异小于4秒/天，优选地小于2秒/天，更优选地小于1秒/天，还更优选地小于0.7秒/天。

6.如权利要求1至5中任一项所述的振荡器，其特征在于，所述游丝(3’)的内端(3a)与所述游丝(3’)的旋转中心(O)之间的距离(R)大于500μm，优选地大于600μm，更优选地大于700μm。

7.如权利要求1至6中任一项所述的振荡器，其特征在于，所述摆轮的不平衡大于0.5μg.cm，优选地大于1μg.cm。

8.如权利要求1至7中任一项所述的振荡器，其特征在于，所述游丝(3；3’)的内匝具有加强部(3d)和/或成型为格罗斯曼曲线。

9.如权利要求8所述的振荡器，其特征在于，所述游丝(3；3’)的外匝具有加强部(3c)。

10.如权利要求1至7中任一项所述的振荡器，其特征在于，所述游丝具有在至少数匝上连续变化的刚度和/或节距。