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TWI569115B - 具有兩個細彈簧的平衡彈簧及改善的等時性 - Google Patents

具有兩個細彈簧的平衡彈簧及改善的等時性 Download PDF

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TWI569115B
TWI569115B TW101145628A TW101145628A TWI569115B TW I569115 B TWI569115 B TW I569115B TW 101145628 A TW101145628 A TW 101145628A TW 101145628 A TW101145628 A TW 101145628A TW I569115 B TWI569115 B TW I569115B
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balance spring
thin
balance
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TW101145628A
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TW201341988A (zh
Inventor
珍路克 赫弗
凱斯普 特洛皮
Original Assignee
寶璣錶股份有限公司
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Description

具有兩個細彈簧的平衡彈簧及改善的等時性
本發明係有關於一種平衡彈簧，用以形成一彈簧平衡諧振器曲率使其質心實質上固定。
歐洲專利No.EP 2 184 652、EP 2 196 867及EP 2 105 807說明如何以具有微加工能力材料製造曲線提升之平衡彈簧，平衡彈簧分別為三個部分，兩個部分或單一個部分。以上專利均為本發明之參考文件。
已知應用菲力普斯標準(Phillips criteria)以決定末端曲線之理論曲線。然而，若需要極低的變化率時，實際上，菲力普斯標準(Phillips criteria)實際上為並不必然是理想的近似。
本發明之一目的為藉由提出平衡彈簧解決所有上述缺點，平衡彈簧係關於預定條件其能夠於收縮及擴張中降低平衡彈簧之質心之位移。
因此，本發明係有關於一種平衡彈簧包括第一細彈簧，第一細彈簧之曲線係延伸於第一平面及第一細彈簧之內部線圈包括夾頭，平衡彈簧包括第二細彈簧，第二細彈簧之曲線係延伸於平行於第一平面的第二平面，平衡彈簧包括附接構件將第一細彈簧之外部線圈固定至第二細彈簧 之一端形成一串接的雙平衡彈簧，其特徵為第一細彈簧的曲線及第二細彈簧的曲線中之每一個具有一可連續變化的間距並對稱於直線A，直線A平行於第一及第二平面並穿透附接構件之凸出部P之中間平面，及每一條曲線使得以下關係式實質上為零：
其中：- 為平衡彈簧之第n階力矩；- L為平衡彈簧之長度；- sn表示平衡彈簧之曲線橫坐標之n次方；- (s)為平衡彈簧之曲線橫坐標之參數化函數。
以致在平衡彈簧於收縮及擴張其間，降低其中質心之位移及其中每一個細彈簧包括至少兩個配重件以補償附接構件之質量形成之不平衡及個人化平衡彈簧之非等時斜率。
根據本發明其它的絕佳特點：- 至少兩個配重件沿著該相同直線對稱為曲線；- 兩個配重件設置於附接構件之旁邊及其它兩個配重件相對設置於附接構件之另一側以將不平衡減至最低；- 每一個配重件實質上為H形，H形之平行臂之實質上平行於具有配重件結合其上之細彈簧的局部曲率；- 局部添加以配重件硬度及/或質量因相鄰小段的 配重件而增加，及附接構件係用以修正平衡彈簧之非等時斜率；- 附接構件之主面實質上平行於該對稱線；- 第二細彈簧之內部線圈包括一移動裝置，移動裝置安排以附接於第二細彈簧之平面之平衡彈簧立柱；- 移動裝置包含部件其延伸自第二細彈簧之內部線圈，部件比第二細彈簧更硬以防止形成彈性扭力；- 部件藉由實質上為U形彎部連接至內部線圈並以達成連接動作；- 部位與第二細彈簧係為一體；- 部件藉由厚度至少大於第二細彈簧的厚度之三倍而製造的更硬；- 部件之一部份被穿孔以減少其質量；- 第一細彈簧之內部線圈包括加大裝置，用於加大於第一細彈簧之平面之夾頭；- 加大的裝置包括凸緣用以延伸第一細彈簧之內部線圈，凸緣比第一細彈簧更硬以防止形成彈性扭力；- 凸緣實質上為U形；- 凸緣與第一細彈簧係為一體；- 平衡彈簧係由矽組成；- 平衡彈簧包括至少一部分鍍膜以二氧化矽以限制其對溫度變化及機械震動之敏感度
因此，根據本發明之優點，製造有關預定條件的平衡彈簧於收縮及擴張中以致降低平衡彈簧質心之位移。小的 或極小的位移絕佳地降低非等時曲線之最低值使之實質上等於或小於0.5 s‧j-1。再則，根據本發明之優點，平衡彈簧之非等時斜率可以擒縱器之延遲之斜率加以個人化之補償。
再則，本發明係有關於一種計時諧振器，諧振器包括平衡器，特徵為平衡器與根據前述任何變化之平衡彈簧相結合。
機械錶變化率(相對於其中理論上的頻率)主要係由於擒縱器(escapement)及彈簧平衡諧振器(sprung balance resonator)有關。兩個類型的變化率可能不同，取決於他們是否由平衡器之震盪振幅或計時機件(timepiece movement)的位置造成。是以於非等時性(anisochronism)測試時，計時機件情況係以6個位置測試：2個水平位置(盤面向上及向下)及4個垂直位置(冠柄由面向上位置旋轉90°)。自6個不同的曲線據以獲得該曲線間之最大變化，同樣地表示"波腹"已測定，表示機件以每天-秒之最大變化率(s‧j-1)。
擒縱器包括依據平衡器之振幅之變化率，其調整困難。因此，通常適用平衡彈簧以致其中依據同振幅之變化實質上與擒縱器之振幅變化相反。再則，適用平衡彈簧以致其中之變化為四個垂直位置之間最小者。
已完成嘗試以提出需要的平衡彈簧適用性，其係以數學項次由計算來決定理想曲線。由著名的Messrs Phillips 及Grossmann提出用於設計令人滿意的平衡彈簧的幾何條件，亦即：其中平衡彈簧之質心保持於平衡軸上。然而，目前之條件係概略近似結果。因此，因為非常小的質心位移能造成很大的變化率，藉由依循目前幾何條件獲得之變化率常令人失望。
是以根據本發明之優點，提出以下新的條件以獲得比具有比目前幾何條件(特別是由Messrs Phillips及Grossmann教示之幾何條件)更好的變化率。
«平衡彈簧之第n階力矩»，係以下公式：
其中：- L為平衡彈簧之長度；- sn表示沿著平衡彈簧之曲線橫坐標之n次方；- (s)為藉其中的曲線橫坐標的平衡彈簧之參數化函數。
因此，為了獲得用於每第n階的固定的質心，平衡彈簧力矩必須為零。因為他們的數目是無限的，所以不可能計算所有的階數力矩。因此，在其中遵守零關係式(1)的階數越大將會減少越大的質心位移量。
以第1圖為例，經由利用包括至少與階數一樣多的係數(本例中至少為8)的多項式之參數化，界定"理想"理論曲線之點代表平衡彈簧之8階力矩。
為了應用這些平衡彈簧的零力矩條件，我們以如圖9 至11所示類型的平衡彈簧開始，亦即，平衡彈簧1包括第一細彈簧3，第一細彈簧3之曲線係延伸於第一平面，及包括第二細彈簧5，第二細彈簧5之曲線係延伸於平行於第一平面的第二平面。附接構件4較佳地將細彈簧3、5中之每一端固定以形成一串接的雙平衡彈簧。
如上所解釋，使用在歐洲專利No EP 2 184 652，EP 2 196 867 et EP 2 105 807中說明之方法可能以微機器可用材料(像是矽)製造此類的平衡彈簧，其可分別使用三個部分，兩個部分或單一部分的專利。當然，此類平衡彈簧可以其它的方法及/或其它的材料製造。
為簡化計算，較佳地，第一細彈簧3之曲線及第二細彈簧5之曲線中每一個包括可連續變化的間距並相對於直線A而對稱，直線A平行於第一及第二平面並穿透附接構件4之凸出部P之中間平面的中央及平衡桿的中央。
因此，以實例的方式，對於每一個細彈簧3、5之第1個7階力矩必須遵守以下關係式：
如上所解釋，所遵守更高的關係式(2)~(8)之數字，將侷限更多的平衡彈簧1之質心位移。比較之下，菲力普斯條件(Phillips conditions)接近關係式(2)，亦即第1階近似。第2圖係繪示第1圖之局部放大圖，其說明關係式(2)~(5)之應用結果。
如上所解釋，利用參數化，取決於平衡彈簧之為平衡器選擇的慣量、材料、片段及長度，但亦取決於參數化多項式之係數，界定細彈簧曲線的巨大變化是可能的。然而，亦可能選擇特別的解決方案例如侷限階數及/或線圈的數目是可能的。
第3至8圖係說明可能的曲線模擬。因此，為了形成第3圖，參數化限於帶有具有2.3線圈的平衡彈簧之關係式(2)~(4)及2次參數化函數多項式。第4圖係說明以自關係式(2)~(5)之3次多項式之參數化，同樣的，控制繞線為2.3線圈。最後第5圖係說明關係式(2)~(6)之4次參數化函數多項式，再次侷限繞線為2.3線圈。第6至8圖繪示分別為與第3至5圖相同的標準，但是增加繞線由2.3線圈到5.3線圈。可看到的是，遵守上述提出之關係式(2)~(8)之曲線解有無限多個。
如第9至11圖所示，細彈簧3之端部6係連接至在單一部件中的夾頭10，及相對於附接構件4之細彈簧5之端部7係安排與一平衡彈簧立柱(未繪示)結合。再則，如第9至11圖所示，附接構件4之主面11，12實質上平行 於對稱線A。
於第9至11圖之特別情形中，如歐洲專利No.2 184 652所解釋，在其中平衡彈簧1由三個部分構成，加上遵守關係式(2)-(8)中之最高數，亦變為需要補償附接構件4造成之不平衡，亦即補償相對於從平衡軸起其中的距離的附接構件4之質量。
因此，如第9至11圖所示，較佳地，每一個細彈簧3，5包括至少兩個配重件8、8’、9、9’，至少兩個配重件8、8’、9、9’其沿著與曲線相同的線A對稱，以致補償由附接構件4之質量形成之不平衡及個人化平衡彈簧1之非等時斜率。較佳地，配重件8、8’及9、9’之質量實質上相等，及其總合取決於在距離上的差異而大於或小於附接構件4之質量，一方面是介於附接構件4與平衡軸之間，而另一方面是介於配重件8、8’、9、9’與該平衡軸之間。
實際上，根據經驗證實於附接構件之相對側的兩個單一配重件無法降低變化率低於1.4 s‧j-1之最低值。原因在於，雖然配重件以0°夾頭之旋轉角度完美的平衡回不平衡，但不再有當夾頭於某角度上旋轉的情形，係因為附接構件4之徑向長度並未與配重件9、9’之徑向長度相同的方式改變。
原因在於，為了於旋轉範圍由0°到約300°的一般角度上較佳的平衡回不平衡，而增設至少另外兩個配重件8、8’，其係藉由將他們放置於細彈簧3、5之其它地方。因此可發現，如第11圖所示四個配重件8、8’、9、9’全部 排列於A軸上，其中兩個配重件8、8’於附接構件4之一旁及兩個配重件9、9’於對附接構件4之相對側，藉由使其實質上為零來最佳化不平衡，與夾頭10之角度無關。
較佳地，根據本發明，每一個配重件8、8’、9、9’實質上為H形，H形之平行臂實質上平行於具有配重件結合其上之細彈簧3、5的局部曲線。如第9至11圖所示，值得注意地，H形額外增加每一個細彈簧3、5的局部厚度，因而增加了其中局部的硬度。
因此，根據本發明之優點，硬度及/或質量局部的加上配重件8、8’、9、9’及附接構件4而增加係用以修正平衡彈簧1之非等時斜率。
根據本發明，平衡彈簧1非等時曲線之最低值及斜率之模擬，已由改變附接構件4之長度或配重件8、8’、9、9’沿著平衡彈簧1之長度達成。
長度表示平衡彈簧1的部分長度，其由附接構件4或 配重件8、8’、9、9’而變硬。為模擬需要，選擇平衡器慣量為2.5 mg．cm2及矽平衡彈簧具有片段為0.033 mm×0.1 mm及長度L為45 mm。
可以看到的是，當附接構件4之長度減少時，則非等時斜率變直，同時波腹絕佳地保持或小於0.4 s‧j-1。再則，當配重件9、9’之長度降低時，則非等時斜率趨於變直，同時波腹絕佳地小於0.3 s‧j-1。最後，當配重件8、8’之長度增加時，則非等時斜率趨於變直，同時波腹絕佳地小於0.5 s‧j-1。
當然，因此附接構件4之質量及配重件8、8’、9、9’之質量亦能被修正以適用非等時斜率。
可以看到的是，當附接構件4之質量降低，則非等時斜率趨於變直，然而波腹絕佳地小於0.6 s‧j-1。因此，絕佳的是根據本發明，能個人化平衡彈簧1之非等時斜率以補償擒縱器之延遲所給予之斜率。
當然，本發明並不限於說明的範例，但能有各種呈現予那些本領域具有通常知識者的變化及替代。特別地，能提供其它定義性的標準，例如像是，限制細彈簧之內部半 徑及外部半徑之比率，以使細彈簧之端部不致過於接近平衡軸之原點，在其中必需放置平衡軸。
進一步，根據本發明，絕佳地，第二細彈簧5之內部線圈7較佳的包括移動裝置13，移動裝置13係安排以附接至於第二細彈簧5之平面上之平衡彈簧立柱(未繪示)。移動裝置13特別用於防止因平衡彈簧1之任何特別形狀造成對其中的自由端7接近而平衡軸無法組裝。
如第9至11圖所示，移動裝置13包含部件14，其延伸自第二細彈簧5之內部線圈7。較佳地，部件14比第二細彈簧5更硬以防止對彈簧平衡諧振器提供彈性扭力。較佳地，藉由較大的厚度使得部件14更硬，例如像是至少大於該第二細彈簧5的厚度之三倍，即其中長條的寬度。因此，顯而易見，部件14之形狀一部分根據第二細彈簧5線圈之曲率而調適以使接觸不致發生。
再則，根據特別的選擇，較佳地部件14與第二細彈簧5係為一體，及較佳地，該第二細彈簧之高度實質上等於部件14之高度，亦即該部件14包含在同一平面內。
進一步，較佳地，經由實質上為U形之彎部15使部件14連接至第二細彈簧5之內部線圈7係為了進一步限制彈性扭力的供應。顯而易見地，延伸部件14及彎部15隱然的促成藉由接近平衡彈簧1之端部7之平衡彈簧立柱(未繪示)而形成固定的點。
再則，部件14包括實質上用於與平衡彈簧立柱(未繪示)結合之非對稱區段的凹陷部16，凹陷部16可為盲孔或 穿透的凹陷。最後，如第9至11圖所示，部件14可以通孔19被部分穿透以降低其質量，並因而於組裝平衡彈簧1時降低重量之負面作用。
同樣地，第一細彈簧3之內部線圈6包括於第一細彈簧3之平面中用於加大夾頭10之裝置17。加大裝置17特別有利於防止平衡彈簧1之特別形狀由於接近自由端6而使其無法組裝。因此，顯而易見地，因為接近內部線圈6，缺少加大構件17則夾頭10需要更小的直徑。
較佳地，加大裝置17具有凸緣18用以延伸第一細彈簧3之內部線圈6，凸緣18比第一細彈簧3更硬以防止提供任何彈性扭力。再則，較佳地，藉由相對於第一細彈簧3之厚度(即其葉片寬度)較大之厚度使凸緣18變的更硬。
進一步，根據特別的選擇，較佳地來說，凸緣18實質上為U形。最後，較佳地來說，凸緣18與第一細彈簧3係為一體。
因此，有助益的是根據本發明，製造遵守預定條件的平衡彈簧是可能的以致降低在收縮及擴張中平衡彈簧質心之位移。小的或極小的位移絕佳地降低非等時曲線之波腹至實質上等於或小於0.5 s‧j-1的值。再則，有助益的是根據本發明，為了補償由擒縱器之延遲所給予的斜率可對平衡彈簧之非等時斜率加以個人化。
最後，第9至11圖之組態定義出非常強健的對稱軸A其最小化由正交於A軸之方向之干擾所引起之精密計時的缺點。因此，顯而易見地，在附接構件-配重件方向 上，亦即A軸，係唯一決定性的方向而非平常的兩個方向，可能將製造精準度最大化。
當然，本發明並不限於說明的範例，，但能有各種呈現予那些本領域具有通常知識者的變化及替代。特別是，在不脫離本發明範圍下，配重件8、8’、9、9’可具有不同的形狀/幾何，同樣地也可能增加數目及/或將其不同的配置，即特別地，配重件8、8’、9、9’不需要如曲線一樣沿著線A對稱。
因此，舉例而言，較佳的可能是，設想每一個細彈簧3、5可添加兩個額外的配重件，亦即具備四個配重件，以將其分配為每一個實質上互為90°角。
再則，當平衡彈簧由矽組成，則其至少一部分鍍膜以二氧化矽，係為了限制其對溫度變化及機械震動之敏感度。因此，顯而易見地，配重件8、8’、9、9’片段上的變化亦修正局部的平衡彈簧溫度補償。
最後，亦可能設想藉由添加額外的配重件於夾頭10之相對側上，則對凸緣18引起之不平衡進行補償。
1‧‧‧平衡彈簧
3‧‧‧第一細彈簧
4‧‧‧附接構件
5‧‧‧第二細彈簧
6‧‧‧內部線圈
6‧‧‧自由端
7‧‧‧內部線圈
7‧‧‧自由端
8‧‧‧配重件
8’‧‧‧配重件
9‧‧‧配重件
9’‧‧‧配重件
10‧‧‧夾頭
11‧‧‧主面
12‧‧‧主面
13‧‧‧移動裝置
14‧‧‧部件
15‧‧‧U形彎部
16‧‧‧凹陷部
17‧‧‧加大構件
18‧‧‧凸緣
19‧‧‧通孔
A‧‧‧直線
P‧‧‧凸出部
為了讓本發明之上述及其他目的、特徵、優點能更明顯易懂，下文將特舉本發明較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明，其中：第1至2圖係本發明之平衡彈簧力矩關連性說明圖；第3至5圖分別為2.3線圈之第2、3及第4階力矩 等式曲線計算實例；第6至8圖分別為5.3線圈之第2、3及第4階力矩等式曲線計算實例；第9圖及第10圖係根據本發明之平衡彈簧透視圖；第11圖係第9圖及第10圖之平衡彈簧之上視圖。
1‧‧‧平衡彈簧
3‧‧‧第一細彈簧
4‧‧‧附接構件
5‧‧‧第二細彈簧
6‧‧‧內部線圈
6‧‧‧自由端
7‧‧‧內部線圈
7‧‧‧自由端
8‧‧‧配重件
8’‧‧‧配重件
9‧‧‧配重件
9’‧‧‧配重件
10‧‧‧夾頭
11‧‧‧主面
12‧‧‧主面
13‧‧‧移動裝置
14‧‧‧部件
15‧‧‧U形彎部
16‧‧‧凹陷部
17‧‧‧加大構件
18‧‧‧凸緣
19‧‧‧通孔
A‧‧‧直線
P‧‧‧凸出部

Claims (19)

  1. 一種平衡彈簧(1)包括一第一細彈簧(3)，該第一細彈簧(3)之曲線係延伸於一第一平面及該第一細彈簧(3)之該內部線圈(6)包括一夾頭(10)，該平衡彈簧(1)包括一第二細彈簧(5)，該第二細彈簧(5)之曲線係延伸在平行於該第一平面的一第二平面上，該平衡彈簧(1)包括一附接構件(4)將該第一細彈簧(3)之該外部線圈固定至該第二細彈簧(5)之一端使得形成一串接的雙平衡彈簧(1)，其特徵為該第一細彈簧(3)的該曲線及該第二細彈簧(5)的該曲線各者具有一可連續變化的間距並對稱於一直線(A)，該直線(A)平行於該第一及第二平面並通過該附接構件(4)之凸出部(P)之該中間平面，及每一條該曲線使得以下關係式實質上為零： 其中：- 為該平衡彈簧(1)之第n階力矩；- L為該平衡彈簧(1)之長度；- sn表示該平衡彈簧(1)之該曲線橫坐標之該n次方；- 為該平衡彈簧(1)之該曲線橫坐標之該參數化函數；使得當該平衡彈簧(1)於收縮及擴張其間，用以降低其 質心之位移及其特徵為每一個細彈簧(3、5)進一步包括至少兩個配重件(8、8’、9、9’)使得補償由該附接構件(4)之質量形成之不平衡及個人化該平衡彈簧(1)之非等時斜率。
  2. 根據申請專利範圍第1項之平衡彈簧(1)，其特徵為該至少兩個配重件(8、8’、9、9’)係如同該曲線一般對稱於相同該直線(A)。
  3. 根據申請專利範圍第1項之平衡彈簧(1)，其特徵為兩個配重件(8、8’)設置於附接構件(4)之旁邊及其它兩個配重件(9、9’)相對設置於該附接構件(4)之另一側使得將不平衡減至最低。
  4. 根據申請專利範圍第1項之平衡彈簧(1)，其特徵為每一個配重件(8、8’、9、9’)實質上為H形，該H形之該平行臂係實質上平行於該細彈簧(3、5)的局部曲率，該配重件與該細彈簧結合。
  5. 根據申請專利範圍第1項之平衡彈簧(1)，其特徵為由該配重件(8、8’、9、9’)及該附接構件(4)局部增加的該硬度及/或質量係用以修改該平衡彈簧(1)之非等時斜率。
  6. 根據申請專利範圍第1項之平衡彈簧(1)，其特徵為該附接構件(4)之主面(11、12)實質上平行於該對稱線(A)。
  7. 根據申請專利範圍第1項之平衡彈簧(1)，其特徵為該第二細彈簧(5)之該內部線圈(7)包括一移動裝置(13)，該移動裝置(13)配置以附接於該第二細彈簧(5)之該平面之一平衡彈簧立柱。
  8. 根據申請專利範圍第7項之平衡彈簧(1)，其特徵為該移動裝置(13)包含一部件(14)其自該第二細彈簧(5)之該內部線圈(7)延伸，該部件(14)比該第二細彈簧(5)更硬以防止形成彈性扭力。
  9. 根據申請專利範圍第8項之平衡彈簧(1)，其特徵為該延伸部件(14)經由一實質上為U形之彎部(15)連接至該內部線圈。
  10. 根據申請專利範圍第8項之平衡彈簧(1)，其特徵為該延伸部件(14)與該第二細彈簧(5)係為一體。
  11. 根據申請專利範圍第8項之平衡彈簧(1)，其特徵為該延伸部件(14)藉由厚度至少大於該第二細彈簧(5)的厚度之三倍而製造得更硬。
  12. 根據申請專利範圍第8項之平衡彈簧(1)，其特徵為該部件(14)被穿孔以降低其質量。
  13. 根據申請專利範圍第1項之平衡彈簧(1)，其特徵為該第一細彈簧(3)之該內部線圈(6)包括一加大構件(17)用於加大在該第一細彈簧(3)之該平面上之該夾頭(10)。
  14. 根據申請專利範圍第13項之平衡彈簧(1)，其特徵為該加大構件(17)包括一凸緣(18)延伸該第一細彈簧(3)之該內部線圈(6)，該凸緣(18)比該第一細彈簧(3)更硬以避免形成彈性扭力。
  15. 根據申請專利範圍第14項之平衡彈簧(1)，其特徵為該凸緣(18)實質上為U形。
  16. 根據申請專利範圍第14項之平衡彈簧(1)，其特徵 為該凸緣(18)與該第一細彈簧(3)係為一體。
  17. 根據申請專利範圍第1項之平衡彈簧(1)，其特徵為該平衡彈簧(1)係由矽組成。
  18. 根據申請專利範圍第17項之平衡彈簧(1)，其特徵為該平衡彈簧(1)包括至少一部分鍍膜以二氧化矽，使得限制其對溫度變化及機械震動之敏感度。
  19. 一種用於包括一平衡器之用於計時之諧振器其特徵為該平衡器與依據前述之任一項申請專利範圍之一平衡彈簧(1)相配合。
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