用于钟表的摆轮及制造这种摆轮的方法
技术领域
本发明涉及一种用于钟表的摆轮，该摆轮包括轮缘、轮毂和至少一个将轮毂连接到所述轮缘的臂，摆轮的至少一部分由部分或完全非晶态金属合金制成。本发明还涉及制造这种摆轮的方法以及包括这种摆轮的谐振器。
背景技术
这种由非晶态金属合金制成的摆轮公开在例如已公布的欧洲专利申请第EP2466396号中。在该专利申请中，摆轮与钢制游丝相关联，并且铁基非晶态金属合金由于其铁磁特性而用于摆轮。因此，作为专利申请EP2466396主题的该发明寻求解决的问题涉及保护游丝免受可能影响谐振器的频率稳定性的外部干扰磁场的影响。
本发明涉及可能影响谐振器频率稳定性的另一个参数，即热变化，这在专利申请EP2466396中没有涉及。这种热变化改变了游丝的刚度，以及游丝和摆轮的几何形状，这会改变弹簧常数和惯性，并因此改变振荡频率。制表商一直在努力开发温度稳定的振荡器，并探索/使用了多种途径，其中包括使查尔斯·埃杜德·纪尧姆获得诺贝尔奖的埃林瓦合金，埃林瓦合金的弹性模量随温度增加而增加，并补偿摆轮惯性的增加。随后，氧化硅和因此温度补偿硅的发展已经超越了埃林瓦的性能，并且具有对磁场更不敏感的优点。类似地，单晶石英游丝为摆轮惯性的变化提供热补偿。然而，与其中氧化物的厚度可以根据用于摆轮的材料而变化的氧化硅不同，石英局限于热膨胀系数在10ppm/℃左右的材料，这对应于例如钛和铂。这些材料的主要问题是可加工性和精细结构和/或完美光洁度(例如镜面抛光)的控制。对于钛而言，其相对较低的密度限制了其在大型摆轮中的应用，对于铂而言，其高昂的价格使其应用限于高端奢华产品。
发明内容
本发明的一个目的是通过提出一种由新材料制成的摆轮来克服这些缺点，该新材料允许所述摆轮与优选由单晶石英制成但也可由硅制成的游丝相匹配。
本发明的另一个目的是提出一种由新材料制成的摆轮，其允许更简单和更精确的制造，从而例如减少相同生产批次中的惯性和/或不平衡的分散情况。
为此，本发明首先涉及一种用于钟表的摆轮，该摆轮包括轮缘、轮毂和至少一个将轮毂连接到所述轮缘的臂，摆轮的至少一部分由至少部分非晶态金属合金制成。
根据本发明，所述至少部分非晶态金属合金基于选自铂、锆和钛的元素，并且具有介于7-12ppm/℃的热膨胀系数。
本发明还涉及一种制造摆轮的方法，其中轮缘、轮毂和臂由如上定义的所述至少部分非晶态金属合金制成，该合金基于选自铂、锆和钛的元素，该方法包括以下步骤:
-a)制造具有摆轮的负形式(negative form)的模具；
-b)将基于选自铂、锆和钛的元素的所述至少部分非晶态金属合金引入模具，将所述金属合金加热至介于其玻璃化转变温度和其结晶温度之间的温度，以便热成型；
-c)以选定的冷却速率冷却所述金属合金，以获得由基于选自铂、锆和钛的元素的所述至少部分非晶态金属合金制成的摆轮，
-d)从其模具中释放在步骤c)中获得的摆轮。
本发明还涉及一种谐振器，其包括如上定义的摆轮和单晶石英游丝。
这种基于铂、锆或钛的至少部分非晶态金属合金使得生产能够与单晶石英游丝配对的摆轮成为可能。
借助于非晶态金属的特性，可以使用简化的制造方法，例如铸造工艺或热成形工艺，来制造由基于铂、锆或钛的至少部分非晶态金属合金制成的摆轮。此外，由于没有位错，所述基于铂、锆或钛的至少部分非晶态金属合金具有比其晶体对应物高得多的弹性范围的特性。这种特性使得能够包覆成型或集成到摆轮元件中，不仅可以改善对中情况，还可以调节惯性和/或不平衡。
附图说明
从参考附图通过非限制性说明的方式给出的以下描述中，其他特征和优点将显而易见，其中:
-图1是根据本发明的摆轮的透视图。
-图2是根据本发明的摆轮的一种变型的局部俯视图。
-图3是根据本发明的摆轮的另一种变型的局部俯视图。
-图4是沿图3的轴线A-A的剖视图；和
-图5至10是根据本发明的摆轮的其他变型的局部俯视图。
具体实施方式
参见图1，其中显示了用于钟表的摆轮1。这种摆轮1以传统方式包括限定摆轮1的外径的连续或非连续的轮缘2、形成其中心部分并设有孔6的轮毂4，该孔6旨在接纳限定摆轮1的枢转轴线的心轴(未示出)。轮毂4通过臂8牢固地连接到轮缘2。这里臂8的数量是四个，并且成90°设置。通常还存在两个或三个臂的摆轮，这些臂分别成180°或120°设置。
摆轮1的至少一部分由部分或完全非晶态金属合金制成。“至少部分非晶态”的材料意味着该材料能够在被加热到介于其玻璃化转变温度和结晶温度之间的温度时塑性变形，并且能够固化为至少部分非晶态相。
根据本发明，所述至少部分非晶态金属合金基于选自铂、锆和钛的元素，并且具有介于7-12ppm/℃的热膨胀系数。
在本说明书中，“基于…元素”的表述是指所述金属合金包含至少50％重量百分比的所述元素。
用于本发明的所述至少部分非晶态金属合金可以是铂基的，并且具有在8-12ppm/℃的热膨胀系数。
这种基于铂的至少部分非晶态金属合金可以由以下原子百分比组成：
-铂基，其含量构成剩余部分，
-13-17％的铜
-3-7％的镍
-20-25％的磷。
用于本发明的所述至少部分非晶态金属合金也可以是锆基的，并且具有8-11ppm/℃的热膨胀系数。
这种基于锆的至少部分非晶态金属合金可以由以下原子百分比组成：
-锆基，其含量构成剩余部分，
-14-20％的铜
-12-13％的镍
-9-11％的铝
-2-4％的铌。
用于本发明的所述至少部分非晶态金属合金也可以是钛基的，并且具有在8-11ppm/℃的热膨胀系数。
这种基于钛的至少部分非晶态金属合金可以由以下原子百分比组成：
-钛基，其含量构成剩余部分，
-5-45％的铜
-2-25％的镍
-2-30％的锆
-2-15％的锡
-0-5％的硅
-0-5％的铪。
理想地，本发明使用的合金不含任何杂质。然而，它们可能含有微量杂质，这些杂质通常不可避免地来自于所述合金的生产。
用于本发明的铂、钛和锆基合金具有热膨胀系数低于12ppm/℃且高于7ppm/℃的优点。因此它们可以被用于制造将与单晶石英游丝匹配的摆轮的至少一部分。
更优选地，在本发明中使用的基于铂的所述至少部分非晶态金属合金由以下原子百分比组成:
57.5％铂，14.7％铜，5.3％镍，22.5％磷。
这种合金的热膨胀系数为11-12ppm/℃。
更优选地，在本发明中使用的基于锆的所述至少部分非晶态金属合金由以下原子百分比组成:
58.5％锆，15.6％铜，12.8％镍，10.3％铝，2.8％铌。
这种合金的热膨胀系数为10.5-11ppm/℃。
更优选地，在本发明中使用的基于钛的所述至少部分非晶态金属合金由以下原子百分比组成:
42.5％钛，7.5％锆，40％铜，5％镍，5％锡。
这种合金的热膨胀系数为8-11ppm/℃。
根据本发明的第一实施例，轮缘2、轮毂4和臂8由如上所定义的基于铂、锆或钛的相同的至少部分非晶态金属合金制成。有利的是，摆轮1是整体式的，即制成单个部件。
例如，摆轮1可以完全由如上所定义的铂基合金制成。由于铂具有高密度(21000千克/立方米)，本发明中使用的所述至少部分非晶态铂基合金也具有高密度(15.5克/立方厘米)，因此不需要添加由致密材料制成的元件来增加摆轮的惯性。
摆轮1也可以完全由如上所定义的至少部分非晶态锆基或钛基合金制成。因为锆或钛具有较低的密度，所以本发明中使用的至少部分非晶态锆基或钛基合金也具有较低的密度(对于锆为6.5克/立方厘米，对于钛为5.5克/立方厘米)，因此建议添加由更致密材料制成的元件来增加摆轮的惯性，特别是如果希望制造用于小机芯的小摆轮时。这些元件使得可以增加摆轮的惯性，同时保持有吸引力的轮缘几何形状以及良好的空气动力学特性。
因此，根据图2所示的第一变型，轮缘2可以包括被包覆成型的第一惯性调节元件10，所述第一惯性调节元件10由密度高于所述至少部分非晶态金属合金的密度的材料制成。这些第一惯性调节元件10可以例如由钨或碳化钨制成，并且通过包覆成型获得。
根据图3所示的第二变型，轮缘2可以包括用于接纳第二惯性和/或不平衡调节元件14、15的壳腔12。如下文看到的，这些壳腔12可以有利地在通过模制生产摆轮1的过程中提供。第二惯性和/或不平衡调节元件14、15可以是例如惯性块、开口惯性块(splitinertia block)、销14、开口销(split pin)、或用作惯性块的具有不平衡物15的销。这些元件被压配合或夹持在相应的壳腔12中。图3示出了插入其壳腔12中的销14，以及插入其壳腔12中的带有不平衡物15的销。图4表示沿着图3的线A-A的截面图，示出了插入布置在轮缘2中的壳腔12中的带有不平衡物15的销。
显然，这些用于增加摆轮惯性的元件优选与至少部分非晶态锆基或钛基轮缘一起使用，但是也可以与根据本发明的摆轮中由另一种材料制成的轮缘一起使用。
为了增加摆轮的惯性，还可以提供更厚或更宽的轮缘，尤其是在摆轮较大的情况下。
图3所示的壳腔12也可以形成用于容纳装饰元件和/或发光元件的壳腔，例如氚管(未示出)。
根据本发明的另一变型，轮毂4可以包括集成的柔性定心元件，其允许通过所述柔性定心元件的弹性变形使摆轮在其组装在心轴上的过程中自定心。
根据图5，所述集成的柔性定心元件16是布置在轮毂4的内边缘上以便定位在孔6内的弹性带。在图6中，所述集成的柔性定心元件17布置在轮毂4的表面上，并且分布在孔6周围。如下文看到的，柔性定心元件16和17可以在通过模制制造摆轮1的过程中被有利地设置就位。
根据本发明的另一变型，至少其中一个臂8承载集成的第三柔性惯性调节元件。
在图7中，臂8在轮缘2侧的端部终止于两个分支8a、8b，在它们之间形成壳腔18，在壳腔18中集成有用于调节频率的第三柔性双稳态V形惯性调节元件19。
在图8中，第三屈曲(flexural buckling)惯性调节元件20用于调节频率。为此，第三惯性调节元件20由具有不同于本发明的摆轮的基于铂、锆或钛的至少部分非晶态金属合金的膨胀特性的材料制成，例如硅或氧化硅。
在图9中，臂8在轮缘2侧的端部终止于三个分支8a、8b、8c，在它们之间形成两个壳腔18a、18b，在壳腔18a、18b中集成有第三柔性多稳态惯性调节棘爪元件22a、22b，用于调节频率。
这三种用于调节频率的柔性惯性调节元件19、20、22a、22b可以在通过模制制造摆轮1的过程中被有利地设置就位，如下文看到的。
这三种用于调节频率的柔性惯性调节元件19、20、22a、22b可以用于以下两种情况：整个摆轮由根据本发明的基于锆、钛或铂的至少部分非晶态金属合金制成；以及，臂由基于锆、钛或铂的至少部分非晶态金属合金制成，而摆轮的其余部分尤其是轮缘由另一种材料制成。
根据本发明的另一变型，臂8、轮缘2或轮毂4之一具有结构化的表面状态。仅其中一个元件可具有结构化表面状态，或者摆轮的所有元件都可具有结构化表面状态；这种结构化表面状态可以相同或不同。图10示出了本发明的一种摆轮，其中轮缘2具有不同于臂8所呈现的结构化表面状态的结构化表面状态。这种结构化的表面状态可以是被抛光、缎光、砂光、圆形纹理化、阳光闪耀的状态等。也可以在用于制造摆轮的模具内部设置微结构，其形成光子网络，以便在摆轮的表面上复制这些微结构。这些微结构能够产生光子晶体，赋予部件能够形成防伪元件的衍射阵列、特定的颜色或全息图。这些结构被直接引入到模具中，并在通过热成形制造摆轮的过程中被复制，这消除了精加工操作的需要。
根据本发明的第二实施例，摆轮的臂和轮毂由如上所定义的基于锆、钛或铂的相同的至少部分非晶态金属合金制成，轮缘由密度高于用于臂和轮毂的所述至少部分非晶态金属合金的密度的材料制成。这种材料本身可以是如上所定义的至少部分非晶态铂基金属合金，或其它材料。例如，摆轮的臂和轮毂由如上所定义的至少部分非晶态锆基或钛基金属合金制成，以允许摆轮与单晶石英游丝配对，并且轮缘由密度比用于臂和轮毂的所述至少部分非晶态锆基或钛基金属合金的密度高的另一种材料制成，以提高摆轮的惯性。
显然，在本发明的此第二实施例中，轮缘可以包括与上文关于本发明第一实施例所述相同的第一惯性调节元件或用于接纳第二惯性和/或不平衡调节元件或者装饰和/或发光元件的相同的壳腔。类似地，轮毂可以包括与上文关于本发明第一实施例所述相同的集成柔性定心元件。类似地，臂可以包括与上文关于本发明第一实施例所述相同的第三集成柔性惯性调节元件。类似地，摆轮元件可以具有上文关于本发明第一实施例所述的结构化表面状态。
本发明还涉及一种制造摆轮1的方法，其中轮缘2、轮毂4和臂8由上文所定义的部分或完全非晶态铂基、锆基或钛基金属合金制成，该方法包括以下步骤:
a)制造具有摆轮的负形式的模具，可以在表面上提供形成装饰或光子网络的微结构；
b)将基于选自铂、锆和钛的元素的所述至少部分非晶态金属合金引入模具中，将该金属合金加热至其玻璃化转变温度和其结晶温度之间的温度，以便在摆轮模具中热成型；
c)以选定的冷却速率冷却所述金属合金，以获得基于选自铂、锆和钛的元素的所述部分或完全非晶态金属合金制成的摆轮；
d)从其模具中释放在步骤c)中获得的摆轮。
为了以基于铂、锆或钛的部分或完全非晶态金属合金制造摆轮，有利的是利用处于至少部分非晶状态的金属的特性来对其进行成形。
事实上，至少部分非晶态金属非常容易成形，从而允许在制造具有复杂形状的部件时获得更高的精度。这是由于非晶态金属的特殊性质，在每种合金所特有的给定温度范围[Tg-Tx](例如锆基合金:Tg＝440℃，Tx＝520℃)内，它能够软化，同时保持至少部分非晶态一段特定时间。因此，可以在相对低的应力和低的温度下对其成形，从而允许使用简化的工艺，例如热成形。这种材料的使用还允许高精度地复制精细的几何形状，因为合金的粘度随着在温度范围[Tg-Tx]内的温度急剧降低，并且合金因此模制到阴模的所有细节。例如，对于如上文定义的铂基材料，成形发生在约300℃，粘度至多103帕·秒，力为1兆帕，而不是在温度Tg下的粘度1012帕·秒。使用模具的优点是可以制造出高精度的三维零件，而这是切割或冲压工艺无法获得的。
所使用的一种方法是对非晶态预成型件进行热成型。该预成型件是通过在熔炉中熔化金属元素来获得，该金属元素旨在形成基于铂、锆或钛的部分或完全非晶态金属合金。熔化是在受控的气氛中进行的，目的是获得尽可能低的合金氧污染。一旦这些元素熔化，则将它们铸造为半成品的形式，然后迅速冷却以保持部分或完全的非晶状态。一旦制成预成型件，则进行热成型以获得成品部件。热成形是通过在金属合金的玻璃化转变温度Tg和结晶温度Tx之间的温度范围内执行压制工艺一段确定时间以保持至少部分非晶态结构来实现的。这样做是为了保持非晶态金属特有的弹性特性。
通常对于锆基合金和440℃的温度，压制时间不应超过约120秒。因此，热成形保留了预成型件的初始的至少部分非晶状态。则根据本发明的单件式摆轮的各种最终成形步骤是:
1)将具有摆轮的负形式的模具加热到选定的温度，
2)将至少部分非晶态金属预成型件插入热的模具之间，
3)向模具施加闭合力，以在所述至少部分非晶态金属预成型件上复制所述模具的几何形状，
4)等待选定的最大时间，
5)打开模具，
6)将摆轮快速冷却至低于玻璃化转变温度，以使材料保持其至少部分非晶状态，以及
7)从模具中取出摆轮。
当然，摆轮可以通过铸造或注射成型来制成。此方法包括将被加热到一定温度的金属合金浇铸或注射到具有最终部件的形式的模具中，该温度介于其玻璃化转变温度和其结晶温度之间以便为至少部分非晶态。一旦模具被填充，则将它快速冷却到低于玻璃化转变温度的温度，以防止合金结晶，从而获得如上所定义的由至少部分非晶态金属合金制成的摆轮。
模具可被重复使用或被分解以释放零件。该模制方法的优点是完美复制了摆轮的几何形状，包括任何装饰或表面结构。这将减少惯性的分散情况，在摆轮的同一生产批次中实现更好的对中。该模制方法使得能够获得具有吸引人的几何形状的摆轮，其具有尖锐的内部角度、凸起的轮缘和/或臂轮廓以及完美的光洁度。也可以提供非连续的轮缘。为了获得最高品质，模具将采用深反应离子刻蚀(DRIE)工艺由硅制成。很明显，模具也可以通过铣削、激光、电火花加工(EDM)或任何其他类型的加工工艺来生产。
至少部分非晶态金属的特有弹性特性被用于在轮缘和/或臂和/或轮毂中包覆成型或集成功能元件和/或装饰元件，例如借助于在引入金属合金之前被放置在模具内的相应插入件，该金属合金被加热到其玻璃化转变温度和其结晶温度之间的温度以便为至少部分非晶态。
更具体地说，本发明的方法可以包括借助于插入件在轮缘2中包覆成型第一惯性调节元件10的步骤，其中，在引入被加热到其玻璃化转变温度和其结晶温度之间的温度以便为至少部分非晶态的金属合金之前将插入件放置在模具内，并进行包覆成型。
本发明的方法还可以包括在轮毂4上的内边缘或表面上包覆成型柔性定心元件16、17的步骤。
本发明的方法还可以包括在臂8中包覆成型第三柔性惯性调节元件19、20、22a、22b的步骤。
如上文所述，该模制方法还使得能够提供具有微结构的模具，该微结构形成装饰或光子网络以便在臂和/或轮毂和/或轮缘上获得结构化的表面状态。也可以在模具上添加标志(logo)。
本发明还涉及一种制造摆轮的方法，其中轮毂和至少一个臂由如上文定义的基于锆、钛或铂的至少部分非晶态金属合金制成，轮缘由密度高于用于臂和轮毂的所述至少部分非晶态金属合金的密度的材料制成，所述方法包括以下步骤:
a)制造具有摆轮的负形式的模具；
a’)将由密度高于用于臂和轮毂的基于铂、锆或钛的至少部分非晶态金属合金的密度的材料制成的一个轮缘或多个轮缘元件插入模具中，
b)将基于选自铂、锆和钛的元素的所述至少部分非晶态金属合金引入模具中，该金属合金被加热至介于其玻璃化转变温度和其结晶温度之间的温度，以便在摆轮模具中热成型，
c)以选定的冷却速率冷却所述金属合金，以获得由基于选自铂、锆和钛的元素的至少部分非晶态金属合金制成的摆轮，
d)从其模具中释放在步骤c)中获得的摆轮。
本发明还涉及一种谐振器，其包括如上定义的摆轮和单晶石英游丝。
因此，根据本发明的摆轮由允许使用简单制造方法的材料制成，同时具有允许其与单晶石英游丝匹配的热膨胀系数。根据本发明的摆轮还使得至少可以具有其热膨胀系数允许摆轮与单晶石英游丝匹配的臂，同时具有高惯性，保持紧凑且吸引人的轮缘几何形状，具有小的体积，使用合适的轮缘，包括由较高密度材料制成的元件，或者本身由较高密度材料制成。
也可以执行热处理，以通过松弛非晶态结构(没有结晶)来调整处于其最终形式的部分非晶态材料的膨胀系数。
还可以通过对处于其最终形式的部分非晶态材料进行局部受控结晶来调节膨胀系数。
