DE60132878T2

DE60132878T2 - Selbstkompensierende Feder für einen mechanischen Oszillator vom Unruh-Spiralfeder-Typ

Info

Publication number: DE60132878T2
Application number: DE60132878T
Authority: DE
Inventors: Jacques Baur; Francois Paschoud; Patrick Sol
Original assignee: Rolex SA
Current assignee: Rolex SA
Priority date: 2001-05-18
Filing date: 2001-05-18
Publication date: 2009-03-26
Anticipated expiration: 2021-05-19
Also published as: EP1258786A1; DE1258786T1; JP4813742B2; JP2003004866A; JP2010044090A; US6705601B2; EP1258786B1; DE60132878D1; US20020180130A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine selbstkompensierende Spiralfeder für einen mechanischen Spiralfeder-Unruh-Oszillator eines Uhrwerks oder anderen Präzisionsinstruments aus einer paramagnetischen Nb-Hf-Legierung, die einen positiven Temperaturkoeffizienten des Elastizitätsmoduls (TKE) besitzt und in der Lage ist, die thermischen Ausdehnungen der Spiralfeder und der Unruh zu kompensieren.
Alle Verfahren, die vorgeschlagen worden sind, um diese Frequenzveränderungen zu kompensieren, beruhen auf der Überlegung, dass diese Eigenfrequenz ausschliesslich vom Verhältnis der Konstanten der durch die Spiralfeder auf die Unruh ausgeübten Rückstellkraft zum Trägheitsmoment der Unruh abhängt, wie in der folgenden Beziehung angedeutet:
worin

F: die Eigenfrequenz des Oszillators,
C: die Konstante der durch die Oszillator-Spiralfeder ausgeübten Rückstellkraft,
I: das Trägheitsmoment der Unruh des Oszillators

Seit der Entdeckung der Legierungen auf Fe-Ni-Basis, die einen positiven Temperaturkoeffizienten des Elastizitätsmoduls (hiernach TKE) besitzen, wird die thermische Kompensation des mechanischen Oszillators erhalten, indem der TKE der Spiralfeder in Abhängigkeit von den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Spiralfeder und der Unruh angepasst wird. Indem man nämlich die Kraft und die Trägheit als Funktionen der Eigenschaften der Spiralfeder und der Unruh ausdrückt und dann die Gleichung (1) nach der Temperatur ableitet, gewinnt man die relative thermische Veränderung der Eigenfrequenz: 1F dFdT = 12 (1E dEdT + 3αs – 2αb) (2)worin

E: der Elastizitätsmodul der Spiralfeder des Oszillators,
1 / E dE / dT: = TKE der Temperaturkoeffizient des Elastizitätsmoduls der Spiralfeder des Oszillators,
α_s: der thermische Ausdehnungskoeffizient der Spiralfeder des Oszillators,
α_b: der thermische Ausdehnungskoeffizient der Unruh des Oszillators sind.

Durch Anpassung des Selbstkompensationsgliedes A = ½ (TKE + 3α_s) an den Wert des thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Unruh kann Gleichung (2) zu null reduziert werden. Somit kann die Veränderung der Eigenfrequenz des mechanischen Oszillators mit der Temperatur eliminiert werden.
Die thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_b der für Unruhen am meisten verwendeten Werkstoffe wie Kupfer-, Silber-, Gold-, Platin- oder Stahllegierungen liegen in einem Grössenordnungsbereich von 10 bis 20 ppm/°C. Um die Auswirkungen von Temperaturänderungen auf die Eigenfrequenz der Oszillatoren zu kompensieren, die durch ihre Ausdehnung hervorgerufen werden, müssen die für Spiralfedern verwendeten Legierungen ein entsprechendes Selbstkompensationsglied besitzen. Die für Uhren gewünschte Präzision verlangt, während der Fabrikation in kontrollierter Weise das Selbstkompensationsglied mit einer Toleranz von einigen ppm/°C um den gesuchten Wert herum anpassen zu können.
Die auf Eisen, Nickel oder Kobalt beruhenden ferromagnetischen Legierungen, die derzeit für die Fabrikation der Spiralfedern verwendet werden, haben wegen der Nähe ihrer Curie-Temperatur einen abnormal positiven TKE über einen Bereich von etwa 30°C um die Umgebungstemperatur herum. In der Nähe dieser Curie-Temperatur verschwinden die magnetostriktiven Effekte, die den Elastizitätsmodul dieser Legierungen verringern, was zu einer Erhöhung des Moduls führt. Abgesehen von der Tatsache, dass dieser Bereich von Temperaturen relativ eng ist, sind diese Legierungen gegenüber der Wirkung von Magnetfeldern empfindlich. Diese modifizieren die elastischen Eigenschaften der Spiralfedern in irreversibler Weise und verändern dadurch die Eigenfrequenz des mechanischen Oszillators. Ausserdem verändern sich die elastischen Eigenschaften der ferromagnetischen Legierungen mit dem Kaltverformungsgrad, was eine exakte Kontrolle dieses Parameters während der Fabrikation der Spiralfedern verlangt.
Die Werte des TKE, die für die Spiralfedern angestrebt werden, die mit dieser Familie von Legierungen hergestellt werden, werden durch eine Ausfällungs-Wärmebehandlung angepasst, die durch Relaxation gleichzeitig die endgültige Gestalt der Spiralfeder fixiert.
Als eine Alternative zu den ferromagnetischen Legierungen für die Fabrikation von selbstkompensierenden Spiralfedern und Präzisionsfedern sind in den Patentschriften CH 551 032 (D1), CH 557 557 (D2) und DE-C3-15 58 816 (D3) bereits paramagnetische Legierungen einer hohen magnetischen Suszeptibilität mit einem negativen Temperaturkoeffizienten der Suszeptibilität vorgeschlagen worden. Diese Legierungen besitzen einen abnormal positiven TKE und haben den Vorteil, elastische Eigenschaften zu besitzen, die gegenüber magnetischen Feldern unempfindlich sind. Ihre elastischen Eigenschaften hängen von der Textur ab, die während des Ziehens des Drahtes für die Spiralfeder erzeugt wurde, aber im Gegensatz zu den ferromagnetischen Legierungen hängen sie wenig vom Kaltverformungsgrad ab. Ausserdem bieten diese Legierungen, wie es im Dokument D3 erwähnt wird, einen Bereich der thermischen Kompensation der mechanischen Oszillatoren, der sich über mehr als 100°C um die Umgebungstemperatur herum erstreckt.
Die physikalischen Gründe, die zu dem abnormal positiven TKE dieser paramagnetischen Legierungen führen, werden in den oben erwähnten Dokumenten erklärt. Demzufolge besitzen diese Legierungen eine hohe elektronische Zustandsdichte am Fermi-Niveau sowie eine starke Elektronen-Phononen-Kopplung, was zu diesem abnormalen Verhalten des TKE führt.
Im Dokument D3 werden als Legierungen, die sich für die Fabrikation von Spiralfedern für Oszillatoren von Uhrwerken eignen können, insbesondere solche Legierungen genannt, in denen Nb oder Ta mit Zr, Ti oder Hf legiert sind, die in diesen Legierungen in solchen Verhältnissen vorliegen, dass sie in der Lage sind, in zwei Phasen auszufallen.
Weiter ist in der EP 0 886 195 (D4) eine Nb-Zr-Legierung vorgeschlagen worden, die zwischen 5 und 25 Gewichtsprozent an Zr und mindestens 500 Gewichts-ppm eines Dotierungsmittels enthalten, das zumindest teilweise aus Sauerstoff besteht. Bei dieser Legierung wird der TKE durch die Textur kontrolliert. Die Ausfällung, die während des Fixierungsprozesses erfolgt, induziert eine Rekristallisation, die die Textur verändert und eine Anpassung des TKE erlaubt. Der Sauerstoff beeinflusst die Ausfällung und Rekristallisation und folglich den TKE.
Die Anpassung des TKE während der Fixierung ist schwer beherrschbar. Die Textur, die den TKE kontrolliert, wird nämlich während der Fixierung durch die Rekristallisation verändert. Nun hängen bei den Nb-Zr-O-Legierungen die Auslösung und der Ablauf der Rekristallisation von der Sauerstoffkonzentration, dem Kaltverformungsgrad und der Temperatur ab. Man hat festgestellt, dass bei diesen Legierungen die Temperaturspanne, über die hinweg sich die Rekristallisation abspielt, sehr schmal ist (ungefähr 50°C). Ausserdem ist die induzierte Veränderung des TKE gross, nämlich in der Grössenordnung von 150 ppm/°C zwischen dem Anfang und dem Ende der Rekristallisation. Der enge Temperaturbereich, über den hinweg sich die Rekristallisation abspielt, und diese starke Änderung des TKE bewirken, dass sich die Anpassung des TKE der Nb-Zr-O-Legierungen nur schwer reproduzieren lässt. Die Enge dieses Temperaturbereichs geht auf die Tatsache zurück, dass diese Reaktion durch die Ausfällung der Zr-reichen Phasen aus der festen Lösung ausgelöst wird.
Während das Dokument D3 auf die Fähigkeit der Legierungskomponenten baut, in zwei Phasen auszufallen, wird die Feder mit abnormal positivem TKE aus einer Legierung fabriziert, die bei hoher Temperatur angelassen, dann rasch abgekühlt wird, um eine übersättigte feste Lösung zu erhalten. In diesem Zustand wird die Legierung dann um mehr als 85 kalt verformt. Diese starke Verformung induziert eine günstige Textur mit einem positiven TKE. Um den TKE auf den gewünschten Wert einzustellen, wird die Legierung abschliessend in einem Temperaturbereich thermisch behandelt, der die Ausfällung der übersättigten festen Lösung ermöglicht. Die Phasen, die aus der festen Lösung ausfallen, haben kleinere TKE, was zu einer Verringerung des resultierenden TKE führt und seine Einstellung auf den gewünschten Wert ermöglicht. Die Rekristallisation nach Ausfällung in zwei Phasen ist verhältnismässig schwer zu beherrschen. Ausserdem muss im Falle von Hf der Anteil von Hf grösser als 30 Atomprozent sein, weil bis zu dieser Konzentration dieses Element in fester Lösung im Nb vorliegt. Die Fähigkeit zur Verformung ist daher verringert.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist eine Legierung, die es gestattet, wenigstens teilweise die Nachteile der oben erwähnten Legierungen auszuräumen.
Überraschenderweise wurde gefunden, dass Nb-Hf-Legierungen mit sehr geringen Anteilen von Hf, d. h. Anteilen, die weit unterhalb der Grenze liegen, von wo an Hf ausfällt, einen positiven TKE zu erhalten gestatten, wobei diese Grenze bis auf zwei Atomprozent sinkt.
Folglich hat die Erfindung eine selbstkompensierende Spiralfeder nach Anspruch 1 für einen mechanischen Spiralfeder-Unruh-Oszillator eines Uhrwerks oder anderen Präzisionsinstruments aus einer paramagnetischen Nb-Hf-Legierung zum Gegenstand, die einen positiven Temperaturkoeffizienten des Elastizitätsmoduls (TKE) besitzt und in der Lage ist, die thermischen Ausdehnungen der Spiralfeder und der Unruh zu kompensieren.
Die Legierung, aus der die den Gegenstand der Erfindung bildende Spiralfeder hergestellt wird, weist mehrere Vorteile auf.
Das Hf liegt über einen sehr weiten Konzentrationsbereich (bis zu 30 Atomprozent) in fester Lösung im Nb vor.
Der Beitrag des Hf zum positiven TKE ist sehr gross, so dass nur geringe Anteile von Hf erforderlich sind. Daher genügen bereits ungefähr zwei Atomprozent an Hf, um den TKE positiv zu machen. Nach Versuchen hat es sich erwiesen, dass eine Nb-Legierung mit vier Atomprozent Hf nach teilweiser Rekristallisation einen TKE von 13 ppm/°C besitzt, was völlig den für ein Unruh-Spiralfeder-System erforderlichen Werten entspricht.
Mit dieser Nb-Legierung mit vier Atomprozent Hf lässt sich die Einstellung des TKE leichter beherrschen, weil

1) die Veränderung des TKE während der Rekristallisation nur 50 ppm/°C beträgt, also dreimal weniger als für eine Nb-Zr-Legierung.
2) die Rekristallisation langsamer und über einen sehr breiten Temperaturbereich (von etwa 400°C) erfolgt, wie in der beigefügten Figur gezeigt, da sie nicht durch eine Ausfällung ausgelöst wird.

Schliesslich wird durch die geringe Konzentration von Hf, die erforderlich ist, um den erforderlichen TKE von 13 ppm/°C zu erreichen, die Verformbarkeit der Spiralfeder verbessert, und das Drahtziehen wird erleichtert.
Die Spiralfeder aus Nb-Hf-Legierung kann noch ein oder mehrere zusätzliche Elemente wie Ti, Ta, Zr, V, Mo, W, Cr in solchen Konzentrationen enthalten, dass im Verlauf der Fixierung der Gestalt der Spiralfeder keinerlei Ausfällung auftritt.
Die Auswirkung von Sauerstoff auf die Nb-Hf-Spiralfeder hat sich als gering, wenn nicht sogar als null erwiesen.

Claims

Selbstkompensierende Spiralfeder für einen mechanischen Spiralfeder-Unruhoszillator eines Uhrwerks oder anderen Präzisionsinstruments aus einer paramagnetischen Nb-Hf-Legierung, die einen solchen Temperaturkoeffizienten des Elastizitätsmoduls (TKE) besitzt, dass der Ausdruck: 1E dEdT + 3αs – 2αb,worin E = Elastizitätsmodul der Oszillatorspiralfeder, 1 / E dE / dT = TKE = Temperaturkoeffizient des Elastizitätsmoduls der Oszillator-spiralfeder, α_s = thermischer Ausdehnungskoeffizient der Oszillatorspiralfeder, α_b = thermischer Ausdehnungskoeffizient der Oszillatorunruh, im wesentlichen zu null kompensiert werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass sie zwischen 2 und 30 Atomprozent an Hf enthält.
Spiralfeder nach Ansprüche 1, in der die Legierung weniger als 10 Atomprozent an Hf enthält.