專利名稱：機(jī)械振蕩器系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于鐘表機(jī)構(gòu)(如計時裝置)或其它精密儀器的機(jī)械振蕩器系統(tǒng)，包括平衡輪(balance)和發(fā)條(balance spring)。據(jù)認(rèn)為本發(fā)明的機(jī)械振蕩器系統(tǒng)特別適用于機(jī)械表中的振蕩器系統(tǒng)，盡管本發(fā)明并不僅限于此。
先前的機(jī)構(gòu)中將金屬合金，特別是Fe-Ni或Ni、Cu-Be、Au-Cu合金，用于發(fā)條和平衡輪。最概括地講，本發(fā)明的方面之一提出了平衡輪用非磁性的陶瓷材料制成，以及發(fā)條是非磁性的并且由復(fù)合材料或聚合物(包括熱固性和熱塑性聚合物、酯和酚醛樹脂)、碳或(非磁性的)陶瓷材料制成。
與金屬不同，上述材料不易受到包含磁性的電磁阻尼以及磁誘導(dǎo)的楊氏模量(Young′s modulus)的變化的影響。這些材料本征地具有一些優(yōu)于金屬的熱特性，所以可以制成溫度所致的振蕩器頻率變化降低了的機(jī)械振蕩器系統(tǒng)。下面將更具體地討論溫度所致的變化。上述材料的發(fā)條可以較少地受楊氏模量的內(nèi)部機(jī)械(如摩擦)阻尼的影響，同時允許通過平衡輪保持振幅和較高的振蕩頻率，從而得到比金屬發(fā)條更準(zhǔn)確的鐘表機(jī)構(gòu)或精密儀器。
布置發(fā)條，以使平衡輪振蕩。優(yōu)選平衡輪為擺輪(balance wheel)；發(fā)條可以布置在擺輪圓周的內(nèi)部，以便按慣常那樣驅(qū)動擺輪在其旋轉(zhuǎn)軸附近前后振蕩。平衡輪可以連接到擒縱機(jī)構(gòu)(escapement mechanism)上，以調(diào)節(jié)擒縱輪(其連接到例如表的指針上)的旋轉(zhuǎn)，這一點(diǎn)也是公知的。
優(yōu)選發(fā)條以彎曲的形式工作，以驅(qū)動平衡輪振蕩，最優(yōu)選以獨(dú)特的彎曲形式工作。即，優(yōu)選發(fā)條在其(相對迅速的)振蕩期間不依靠應(yīng)變或剪切性能重復(fù)能量的貯存和釋放。優(yōu)選發(fā)條圈彼此不接觸，即在相鄰的發(fā)條圈之間存在間隙。這樣可以消除或減小摩擦，使得相繼的發(fā)條圈彼此不受阻礙地發(fā)揮作用。
盡管平衡輪的主體是由陶瓷材料制成的，但是其可以具有由其它材料制成的小的附屬部分。
現(xiàn)將討論與振蕩器頻率特別是振蕩器頻率隨溫度變化有關(guān)的事項(xiàng)。
機(jī)械表的準(zhǔn)確性取決于由擺輪和發(fā)條構(gòu)成的振蕩器的特定頻率。當(dāng)溫度發(fā)生變化時，擺輪和發(fā)條的熱膨脹以及發(fā)條楊氏模量的變化，均改變振蕩系統(tǒng)的特定頻率，干擾表的準(zhǔn)確性。本發(fā)明人已經(jīng)注意到，在已知的系統(tǒng)中，大約四分之三的變化歸因于發(fā)條的熱變化或磁力誘導(dǎo)的變化。
補(bǔ)償這些變化的方法基于如下的考慮所述特定頻率排他性地取決于發(fā)條作用于平衡輪的扭矩與平衡輪的轉(zhuǎn)動慣量之間的關(guān)系，如下面的關(guān)系式所示T=2πIG---[1]]]>T振蕩周期，I平衡輪的轉(zhuǎn)動慣量，G發(fā)條的扭矩。
平衡輪的轉(zhuǎn)動慣量是其質(zhì)量M及其旋轉(zhuǎn)半徑r的函數(shù)。
發(fā)條的扭矩是其尺寸(長度l、高度h、厚度e)及其楊氏模量E的函數(shù)。發(fā)條的長度l(其可以為螺面或螺線形)是發(fā)條首尾相連的總長度，這不同于例如從頂部到底部的測量，這種測量隨著發(fā)條圈的間距而變化。
因此，關(guān)系式[1]可以寫成T=2π12·M·r2·lE·h·e3---[2]]]>溫度變化影響T(振蕩周期)，因?yàn)橄到y(tǒng)(發(fā)條和擺輪)即發(fā)條的l、h和e以及擺輪的r的膨脹和收縮作用，擺輪的質(zhì)量M保持不變。
人們知道如何補(bǔ)償l、h和e的膨脹作用。但是，振蕩周期仍受保持下式所示關(guān)系的r和E的變化的影響rE---[3]]]>二者之間不是線性關(guān)系。
需要這種關(guān)系盡可能地保持為常數(shù)(以使振蕩周期T保持為常數(shù))。
當(dāng)其完全去磁化時，F(xiàn)e-Ni金屬發(fā)條合金給出近似的解決方案?？墒?，當(dāng)合金沒有完全去磁化時，所述關(guān)系就不再為常數(shù)了 發(fā)生變化。
目前用于發(fā)條的金屬合金，因?yàn)闇囟鹊纳叱^高達(dá)40℃的環(huán)境溫度，而表現(xiàn)出E的增加(這被視為異常)和l的增加。精密表中目前采用熱膨脹系數(shù)為+14～+17×10-6/K-1的Au-Cu合金擺輪，以補(bǔ)償發(fā)條的楊氏模量變化。
總之，目前使用的金屬合金即使能夠進(jìn)行補(bǔ)償，但也僅在很窄的溫度范圍內(nèi)使T(振蕩周期)穩(wěn)定，而且僅在發(fā)條合金保持未被磁化時才如此(目前采用Fe-Ni發(fā)條的任何鐘表均可被足夠的磁體所停止)。
優(yōu)選發(fā)條材料包括沿其長度方向從其一端延伸至另一端的連續(xù)纖維。
由于纖維沿發(fā)條長度方向從一端連續(xù)延伸至另一端，因此，可通過適當(dāng)?shù)剡x取纖維材料，相當(dāng)準(zhǔn)確地控制發(fā)條隨溫度的升高而膨脹(或收縮)的程度。
優(yōu)選連續(xù)纖維是復(fù)合材料的一部分，盡管在非復(fù)合材料中可以具有連續(xù)纖維的發(fā)條(即在沒有基質(zhì)的情況下，例如長的陶瓷纖維)。
如果材料是復(fù)合材料，則優(yōu)選基質(zhì)相包括聚合物(上述任何類型的聚合物)、碳或陶瓷。對于帶有陶瓷纖維的復(fù)合材料而言，纖維可以是沿發(fā)條長度的方向從其一端延伸至另一端的連續(xù)纖維(如上所述)，也可以是不始終沿著發(fā)條延伸的較短的纖維。
如果使用陶瓷纖維(采用或不采用基質(zhì))，則重要的是陶瓷應(yīng)為非磁性的陶瓷。優(yōu)選但不是必需地，發(fā)條陶瓷為氧化鋁-氧化硅-氧化硼陶瓷。對于平衡輪，還可以使用熔凝石英或氧化硅。
優(yōu)選平衡輪的熱膨脹系數(shù)與發(fā)條材料沿其長度方向的熱膨脹系數(shù)，符號相反、數(shù)量級相似(即二者間的量值差不大于因數(shù)δ，且α系數(shù)之一應(yīng)當(dāng)不大于1×10-6K-1)。這樣，一種材料的膨脹可以通過另一種材料的收縮得到補(bǔ)償。例如，如果所述發(fā)條的熱膨脹系數(shù)是負(fù)的，而所述平衡輪的熱膨脹系數(shù)是正的，則隨著溫度的升高，r增加而l降低，而且根據(jù)等式[2]，這些作用合在一起，補(bǔ)償所述振蕩周期T中的熱變化。
優(yōu)選所述兩個膨脹系數(shù)都很小。例如，優(yōu)選平衡輪的熱膨脹系數(shù)是正的并且小于1×10-6K-1，及發(fā)條材料沿其長度方向的熱膨脹系數(shù)是負(fù)的并且大于-1×10-6/K-1。
E(楊氏模量)隨溫度的變化也是重要的，并且可以根據(jù)熱彈性系數(shù)來確定，所述熱彈性系數(shù)是對單位溫度升高之單位楊氏模量變化的度量。優(yōu)選發(fā)條材料的熱彈性系數(shù)是負(fù)的，最優(yōu)選其在0～60℃的溫度范圍內(nèi)為1％。
一般地，溫度升高1℃所帶來的計時變化的公式為U＝α1-3α2/2-δE/2E因而，當(dāng)通過選擇合適的材料而選取適當(dāng)?shù)摩?(平衡輪的熱膨脹系數(shù))、α2(發(fā)條的熱膨脹系數(shù))和熱彈性系數(shù)δE/E的值時，可以使U趨于零。
小的α1、α2(例如小于6×10-6K-1)和小的熱彈性系數(shù)δE/E所代表的公差，使得可以相當(dāng)容易地保持低U。
優(yōu)選連續(xù)纖維為陶瓷纖維或碳纖維，最優(yōu)選具有石墨碳結(jié)構(gòu)的碳纖維。石墨碳結(jié)構(gòu)具有負(fù)的軸向熱膨脹系數(shù)。所述纖維可以由例如″PITCH″前體或聚丙烯腈″PAN″前體制備。
纖維可以沿其長度方向彼此平行布置，也可以纏繞在一起。將纖維纏繞在一起，可以調(diào)整發(fā)條材料的熱膨脹系數(shù)和楊氏模量，并且可以在纖維具有高楊氏模量或熱膨脹系數(shù)而基質(zhì)具有低楊氏模量或熱膨脹系數(shù)的情況下使用。
優(yōu)選發(fā)條材料沿其長度方向的熱膨脹系數(shù)直到700K時仍為線性的。這使得系統(tǒng)在環(huán)境溫度(0～40℃)下非常穩(wěn)定，并且可以在大范圍內(nèi)補(bǔ)償熱變化。優(yōu)選所述熱膨脹系數(shù)是負(fù)的。
優(yōu)選發(fā)條彈性模量的阻尼為0.001Pa的量級。
發(fā)條之復(fù)合材料的密度小于3g/cm3。
優(yōu)選平衡輪是通過高精度注射模塑法制成的。
此外，本發(fā)明還提供包括上述機(jī)械振蕩器系統(tǒng)的鐘表機(jī)構(gòu)或其它精密儀器。
現(xiàn)將說明本發(fā)明的實(shí)施方式。
用于鐘表機(jī)構(gòu)或其它精密儀器的機(jī)械振蕩系統(tǒng)包括呈擺輪形式的平衡輪，及布置成使所述平衡輪在旋轉(zhuǎn)軸左右振蕩的發(fā)條。
擺輪是由非磁性陶瓷制成的，其熱膨脹系數(shù)是正的，并小于+6×10-6K-1，最優(yōu)選小于1×10-6K-1。石英是合適材料的一個實(shí)例。優(yōu)選使用高純度的熔凝石英，熔凝石英的熱膨脹系數(shù)小于或等于+0.54×10-6K-1。其它可供選擇的陶瓷材料包括氮化鋁(+5.2)，鋁硅酸鹽玻璃(+5)，碳化硼(+5.6)，氮化硼(+1.6)，氧化硅(+0.75)，熱壓或反應(yīng)結(jié)合的硅(+3.5)，及氧化鋯(穩(wěn)定化的)(+5)；括號中的數(shù)字是這些材料的熱膨脹系數(shù)的量值，單位為×10-6K-1。
制備平衡輪的方法可以優(yōu)選為高精度注射模塑法。
發(fā)條可以成型為阿基米德(Archimedes)平螺旋線或螺旋面形。其是由包含連續(xù)碳纖維的復(fù)合材料制成的，所述碳纖維或者是彼此盤繞在一起或者是彼此平行布置的，該纖維是具有連續(xù)長度的纖維，其沿發(fā)條長度l的方向從發(fā)條的一端延伸至另一端。根據(jù)所需的剛性，該纖維源于前體瀝青(數(shù)千種不同種類的烴與雜環(huán)分子的混合物)或聚丙烯腈′PAN′(源于石墨碳結(jié)構(gòu))。纖維在聚合物(熱固性聚合物、熱塑性聚合物、酯或酚醛樹脂等)、陶瓷或碳的基質(zhì)相中進(jìn)行涂布和固定。復(fù)合材料以彎曲的方式發(fā)揮作用。纖維的軸向彈性模量為230～1000GPa。復(fù)合材料具有小于3g/cm3的較低密度及量級為0.001Pa的楊氏模量阻尼系數(shù)，二者均小于目前使用的金屬合金。其在發(fā)條長度方向上的熱膨脹系數(shù)(α)直到700K時仍保持為負(fù)的和穩(wěn)定的，并且大于-1×10-6K-1。
該復(fù)合材料為非磁性的，并且消除了磁性的副作用。發(fā)條的熱膨脹系數(shù)α為負(fù)的，并且與發(fā)條的彈性模量同時發(fā)揮作用，發(fā)條的楊氏模量隨著溫度的升高而線性地降低，因而也是負(fù)的(正常情況下)。
發(fā)條和平衡輪的熱膨脹系數(shù)(α系數(shù))的值是相似的，非常小，而且符號相反，這更有助于補(bǔ)償溫度變化。
發(fā)條的α系數(shù)在很寬的溫度范圍保持相同，而且其5～40℃的使用范圍僅占其總的穩(wěn)定溫度范圍中央的5％。
因而，在下面的關(guān)系式中T=2π12·M·r2·lE·h·e3---[2]]]>與采用金屬的情形不同，分式分子(numerator)的數(shù)值不隨著溫度的升高而增加，因?yàn)槔w維復(fù)合物在軸向的α系數(shù)是負(fù)的，因此該數(shù)值減小。當(dāng)溫度升高時，分式的分母同樣減小，因?yàn)闊釓椥韵禂?shù)是負(fù)的(正常)。而且，碳纖維-基質(zhì)復(fù)合物發(fā)條的高度(h)和厚度(e)隨著溫度的升高而增加，這抵消了因溫度的升高而導(dǎo)致的楊氏模量E的降低。
通過材料及其機(jī)械性能的這種組合，可以獲得更高的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。彈性模量的阻尼作用是目前所用金屬合金的數(shù)值的十分之一，能量損失也因阻尼的降低而減小，而且材料的密度允許在振蕩器系統(tǒng)中保持穩(wěn)定的振幅、顯著地提高頻率和顯著地降低能量損失。
如上所述，本發(fā)明可以適于用作計時裝置(如鐘表)中的常規(guī)機(jī)械振蕩器系統(tǒng)。計時裝置中的常規(guī)機(jī)械振蕩器系統(tǒng)的實(shí)例，見英國Paladin于1972年出版的″How Things Work″第一卷第194～195頁，該文獻(xiàn)引入本文作為參考。
權(quán)利要求
1.一種用于鐘表機(jī)構(gòu)或其它精密儀器的機(jī)械振蕩器系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括非磁性的陶瓷平衡輪及螺旋線或螺旋面形的非磁性發(fā)條，該發(fā)條由復(fù)合材料或聚合物、碳或陶瓷材料制成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述發(fā)條材料包括從所述發(fā)條一端沿發(fā)條長度方向延伸至發(fā)條另一端的連續(xù)纖維。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的系統(tǒng)，其中所述發(fā)條為復(fù)合材料的發(fā)條，且基質(zhì)相包括聚合物、碳或陶瓷。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中沿發(fā)條長度的方向，所述平衡輪的熱膨脹系數(shù)和所述發(fā)條材料的熱膨脹系數(shù)符號相反、數(shù)量級相似，以補(bǔ)償系統(tǒng)中的熱變化。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的系統(tǒng)，其中沿發(fā)條長度的方向，所述平衡輪的熱膨脹系數(shù)是正的和所述發(fā)條材料的熱膨脹系數(shù)是負(fù)的。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的系統(tǒng)，其中沿發(fā)條長度的方向，所述平衡輪的熱膨脹系數(shù)小于1×10-6/K-1，所述發(fā)條材料的熱膨脹系數(shù)大于-1×10-6/K-1。
7.根據(jù)權(quán)利要求2～6中任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中所述連續(xù)纖維為碳纖維。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的系統(tǒng)，其中所述纖維具有石墨碳結(jié)構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求2～8中任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中所述纖維是由前體′PITCH′或聚丙烯腈′PAN′之一制成的。
10.根據(jù)權(quán)利要求1～9中任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中所述發(fā)條是復(fù)合材料的發(fā)條，該復(fù)合材料具有沿其長度方向的熱膨脹系數(shù)，且該熱膨脹系數(shù)直到700K時仍為線性的和負(fù)的。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中所述發(fā)條的彈性模量的阻尼量級為0.001Pa。
12.根據(jù)權(quán)利要求1～4中任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中所述發(fā)條材料包括陶瓷纖維。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的系統(tǒng)，其中所述陶瓷纖維具有小于6×10-6K-1的熱膨脹系數(shù)。
14.根據(jù)權(quán)利要求2～13中任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中所述纖維實(shí)質(zhì)上是彼此平行的。
15.根據(jù)權(quán)利要求2～13中任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中所述纖維是纏繞在一起的。
16.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中所述發(fā)條是彎曲的彈簧，并以彎曲的形狀工作，驅(qū)動平衡輪振蕩。
17.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中所述發(fā)條材料的密度小于3g/cm3。
18.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中所述平衡輪是通過高精度注射模塑法制成的。
19.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中所述發(fā)條的材料具有負(fù)的熱彈性系數(shù)。
20.一種用于鐘表機(jī)構(gòu)或其它精密儀器的機(jī)械振蕩器系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括平衡輪及螺旋線或螺旋面形的發(fā)條，所述平衡輪為陶瓷材料的平衡輪，所述發(fā)條為復(fù)合材料的發(fā)條。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的系統(tǒng)，其中所述復(fù)合材料包括根據(jù)所需剛性而纏繞或沿纖維的主軸方向平行布置的連續(xù)碳纖維。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的系統(tǒng)，其中根據(jù)所需的彈性模量，所述纖維是由前體″PITCH″或聚丙烯腈″PAN″之一制成的。
23.根據(jù)權(quán)利要求21或22的系統(tǒng)，其中所述纖維在熱固性聚合物、熱塑性聚合物或陶瓷的基質(zhì)相中進(jìn)行涂布。
24.根據(jù)權(quán)利要求20～23中任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中所述發(fā)條材料對磁化作用不敏感。
25.根據(jù)權(quán)利要求21的系統(tǒng)，其中所述纖維具有石墨碳結(jié)構(gòu)，且在軸向的熱膨脹系數(shù)是負(fù)的。
26.根據(jù)權(quán)利要求20～25中任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中直到700K時，所述發(fā)條的熱膨脹系數(shù)仍為線性的和負(fù)的。
27.根據(jù)權(quán)利要求20～26中任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中所述發(fā)條的彈性模量的阻尼量級為0.001Pa。
28.根據(jù)權(quán)利要求20～27中任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中所述發(fā)條具有小于3g/cm-3的密度。
29.根據(jù)權(quán)利要求20～29中任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中所述發(fā)條呈螺旋狀，并且以獨(dú)有的彎曲形式工作。
30.根據(jù)權(quán)利要求20的系統(tǒng)，其中選擇所述平衡輪的陶瓷材料，以便補(bǔ)償系統(tǒng)中的熱變化。
31.根據(jù)權(quán)利要求20的系統(tǒng)，其中所述平衡輪是通過高精度注射模塑法制成的。
32.根據(jù)權(quán)利要求20～31中任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中所述平衡輪的熱膨脹系數(shù)是正的，以補(bǔ)償具有負(fù)的熱膨脹系數(shù)的發(fā)條。
33.根據(jù)權(quán)利要求20～32中任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中所述平衡輪對磁化作用不敏感。
全文摘要
一種用于鐘表機(jī)構(gòu)或其它精密儀器的機(jī)械振蕩器系統(tǒng)，包括擺輪及螺旋線或螺旋面形的發(fā)條。發(fā)條由非磁性的復(fù)合物、聚合物、碳或陶瓷材料制成，優(yōu)選由碳纖維于聚合物、碳或陶瓷基質(zhì)中的復(fù)合材料制成；擺輪由非磁性陶瓷制成。發(fā)條和擺輪的熱膨脹系數(shù)值相似，在很寬的溫度范圍內(nèi)非常小而且穩(wěn)定。發(fā)條和擺輪在軸向上的膨脹系數(shù)符號相反，彼此互相補(bǔ)償。這些材料的密度小于目前所用金屬。通過材料的這種組合，可以獲得顯著的優(yōu)點(diǎn)及比金屬振蕩器系統(tǒng)水平更高準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。
文檔編號G04B17/00GK1668987SQ03816331
公開日2005年9月14日 申請日期2003年7月10日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月12日
發(fā)明者吉迪恩·萊文斯頓 申請人:吉迪恩·萊文斯頓