角度复位弹簧、振荡器以及计时器
技术领域
本实用新型涉及一种用于计时器的振荡器的角度复位弹簧，以及一种振荡器，一种计时器机芯和一种像这样包括这种角度复位弹簧，尤其是螺旋弹簧的计时器。最后，本实用新型还涉及一种制造这种复位弹簧的方法。
背景技术
机械手表的调节依赖于至少一个机械振荡器，其通常包括称为摆轮的飞轮以及以螺旋形式缠绕的称为游丝弹簧或更简单地称为游丝的弹簧。游丝可以通过一端固定在摆轮的轴上并且通过另一端固定在计时器的固定部分上，例如称为半夹板的夹板，摆轮的轴在该夹板上枢转。装备现有技术的机械手表机芯的游丝弹簧呈弹性金属薄片或优选地矩形截面硅制薄片的形式，其大部分以阿基米德螺旋的方式缠绕在其自身上。摆轮-游丝在其平衡位置(或死点)附近摆动。当摆轮离开这个位置时，上紧游丝。这产生了作用在摆轮上的复位扭矩，以使其朝其平衡位置返回。由于摆轮已经获得了一定的速度，因此获得了动能，所以摆轮超过其死点直到游丝的相反扭矩使摆轮停止并迫使摆轮向另一个定向转动。以这种方式，游丝调节摆轮的振荡周期。
机械手表的精度取决于由摆轮和游丝形成的振荡器的振荡规律性。当温度变化时，游丝的杨氏模量E的变化以及游丝和摆轮的热膨胀改变了该振荡器的特性，从而扰乱了手表的精度。
存在试图减少甚至消除振荡器随温度的运行变化的现有技术解决方案。一种方法认为这种振荡器的固有频率f根据以下关系取决于由游丝施加在摆轮上的复位扭矩C的常数(对应于游丝的角刚度)和该摆轮的惯性矩I(通常称为惯性I)之间的比率：
通过将前述方程对温度进行求导，我们得到振荡器的固有频率的相对热变化，其表示为：
其中E是振荡器的游丝的杨氏模量，
αs和αb分别是振荡器的游丝和摆轮的热膨胀系数。
现有技术的不同解决方案试图通过选择游丝的适合于此目的的CTE来抵消振荡器的热系数CT的值，以对振荡器进行热补偿。
因此，现有技术的解决方案依赖于使用分布在同一游丝中的具有不同特性的多种材料，以便获得包括该游丝的振荡器的热补偿振荡器。
作为示例，文献EP1422436描述了一种基于包括氧化物层的硅制游丝的解决方案。该解决方案需要大厚度氧化物层。其制造需要在非常高的温度下长时间处理游丝，这呈现缺点。通常，现有的热补偿游丝制造复杂。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种用于计时器的复位弹簧的另一种解决方案，其允许以简单且可靠的方式对振荡器进行热补偿。
为此目的，本实用新型基于一种角度复位弹簧，其用于与飞轮组装以形成计时器的振荡器，其特征在于，该角度复位弹簧包括设置至少两个不同部分，该至少两个不同部分的角刚度随温度的变化不同，使得计时器的所述振荡器可以进行热补偿。
根据第一实施例，本实用新型涉及一种角度复位弹簧，其用于与飞轮组装以形成计时器的振荡器，其特征在于，所述角度复位弹簧包括设置位于同一平面中的至少两个不同部分，所述至少两个不同部分包括薄片或螺旋并且其角刚度随温度的变化是不同的，以能够热补偿计时器的所述振荡器。
根据第二实施例，本实用新型涉及一种角度复位弹簧，其用于与飞轮组装以形成计时器的振荡器，其特征在于，所述角度复位弹簧包括设置至少两个不同部分，所述至少两个不同部分包括薄片或螺旋并且其角刚度随温度的变化是不同的，以能够热补偿所述计时器的所述振荡器，并且，所述角度复位弹簧包括至少一个不同部分，所述至少一个不同部分包括沿所述不同部分的长度变化的截面。
优选地，所述至少两个不同部分并联组装或串联组装。
根据第三实施例，本实用新型涉及一种角度复位弹簧，其用于与飞轮组装以形成计时器的振荡器，其特征在于，所述角度复位弹簧包括设置串联组装的至少两个不同部分，所述至少两个不同部分包括薄片或螺旋并且其角刚度随温度的变化是不同的，以能够热补偿所述计时器的所述振荡器。
优选地，所述角度复位弹簧还包括并联组装的至少两个不同部分。
优选地，所述至少两个不同部分由两种不同的材料制成或由多种材料的不同组合制成。
优选地，所述至少两个不同部分的角刚度随温度的变化符号相反。
优选地，所述角度复位弹簧包括由选自单晶硅、多晶硅、非晶硅、石英、非晶形硅氧化物、掺杂硅、多孔硅中的材料制成的至少两个不同部分。
优选地，所述至少两个不同部分呈游丝弹簧、一个或多个螺旋、直薄片、或游丝弹簧和直薄片的组合的形式。
优选地，所述角度复位弹簧包括至少一个不同部分，所述至少一个不同部分包括沿所述不同部分的长度变化的截面。
优选地，其包括位于同一平面中的至少两个不同部分。
本实用新型还涉及一种振荡器，其用于计时器，其特征在于，所述计时器包括上述的角度复位弹簧。
优选地，所述振荡器包括角度复位弹簧，所述角度复位弹簧包括并联设置或串联设置的至少两个不同部分，并且，所述振荡器包括附接至摆轮轴的一个或至少两个附接件和/或附接至计时器机芯的框架的一个或至少两个附接件。
本实用新型还涉及一种计时器，其特征在于，其包括如上所述的角度复位弹簧或如上所述的振荡器。
优选地，所述计时器为手表。
附图说明
本实用新型的这些目的、特征和优点将在作为与附图有关的非限制性示例给出的特定实施例的以下描述中详细阐述，在附图中：
图1示意性地示出了呈并联设置两个游丝的形式的角度复位弹簧，以构成计时器的根据本实用新型第一实施例的振荡器。
图2示意性地示出了呈串联设置两个游丝的形式的角度复位弹簧，以构成计时器的根据本实用新型第二实施例的振荡器。
图3示意性地示出了呈并联设置两个游丝的变型例的形式的角度复位弹簧，以构成计时器的根据本实用新型第一实施例的振荡器。
具体实施方式
本实用新型的目的是提出一种热补偿振荡器。为此，寻求最多接近振荡器的零热系数(CT)值的解决方案，其振荡因此变得独立于温度或准独立于温度。
本实用新型的实施例基于特定角度复位弹簧的构造，该角度复位弹簧通过设置至少两个不同部分而获得，该至少两个不同部分选择为形成可与预定飞轮耦接的角度复位弹簧以获得热补偿振荡器。
本实用新型将通过两个实施例更详细地说明，其中用于计时器的振荡器是呈摆轮-游丝组件的形式。振荡器的每个角度复位弹簧在这两个实施例中包括分别并联和串联设置两个不同部分。在这些实施例中，每个不同部分形成游丝或游丝部，包括一个或多个螺旋或螺旋部。将游丝以沿约360°的角度弧形延伸的一部分定义为螺旋，并且将沿小于360°的角度弧形延伸的部分定义为螺旋部。另外，本实用新型的这些实施例的每个游丝、螺旋或螺旋部呈优选地具有矩形截面的弹性薄片的形式，其以阿基米德螺旋的方式缠绕在其自身上。将这个矩形截面的厚度称为e并将高度称为h。此外，将游丝、螺旋或螺旋部的曲线长度称为L。该曲线长度定义为螺旋的中性纤维上两个曲线横坐标之间的间隙。最后，将称摆轮的惯性称为I，其等于其质量m与摆轮的回转半径r的平方的乘积。
如图1所示，第一实施例基于振荡器的角度复位弹簧10，其通过并联设置至少两个游丝11,12而形成，从而形成所述复位弹簧的至少两个不同部分。表述“并联”解释为将至少两个游丝中的每一个一方面例如通过连接到至少两个游丝的中心端部的一个或多个内桩6并且另一方面例如通过连接到至少两个游丝的相应周缘端部15,16的一个或两个螺钉而连接到摆轮5。该角度复位弹簧作用在通过臂2连接到轴5上的飞轮或摆轮1上。整体形成机械振荡器。在由图1表示的该实施例中，两个游丝11,12形成两个不同部分，这两个不同部分总体在平行的两个平面中延伸。这些平行平面也平行于摆轮1的平面并垂直于摆轮轴5。另外，两个游丝11,12完美叠置。两个游丝11,12的两个相应端部沿着平行于摆轮轴5的方向叠置。作为变型，可以使这些端部偏移。根据另一变型，平行的两个游丝可以仅部分地叠置。两个游丝可以各自包括相等或不同的螺旋数。
图3示出了该第一实施例的变型例，其中两个游丝11'，12'总是平行设置，但是在同一平面中。两个游丝11',12'相应的两个中心端部13',14'在两个直径相反的两个联接区域处固定在摆轮轴5'的同一截面上(在垂直于摆轮轴的同一平面中)。两个周缘端部15',16'同样相对于摆轮轴5'直径相反设置。因此，两个游丝11',12'完全定位在垂直于摆轮轴5的同一平面中。两个游丝11',12'彼此嵌套。两个游丝11',12'的螺旋角度偏移了180度。作为变型，至摆轮轴5'的附接点可以偏移180以外的另一个角度和/或两个周缘端部15'，16'可以分别以不同于180°的角度进行定位。
在并联布置的两个游丝(或螺旋或螺旋部)的情况下，游丝对热补偿的贡献由其相对于复位扭矩贡献，因此相对于角刚度的贡献，进行加权。另外，优选地，在该实施例中，两个不同部分中的至少一个具有在整个所述不同部分的长度上变化的截面，或者两个不同部分被设置于或位于相同的平面中。
角度复位弹簧的复位扭矩是两个游丝的扭矩的总和。然后可以通过以下方程写出振荡器的固有频率f：
其中I是摆轮的惯性并且Ci是游丝i的角刚度。
摆轮的惯性I和游丝i的角刚度Ci(其定位为纯弯曲度)计算如下：
I＝mr2并且
其中m是摆轮的质量，r是摆轮的回转半径，
Ei是游丝i的材料的弹性模量，ei是游丝i的薄片的厚度，hi是游丝i的薄片的高度，并且li是游丝i的曲线长度。
通过引入项I以及与温度有关的Ci并将方程(1)对温度进行求导，在重新排列后获得以下方程：
通过考虑均匀和各向同性材料或者通过对每种材料使用适当的表观膨胀系数，使得材料的热膨胀系数α＝1/x*dx/dT对于上述方向x(r,l,e和h )而言是等同的。另一方面，通过将术语CTE定义为弹性模量的热系数 1/E.dE/dT，可以将前述方程简化如下：
其中αs,i和αbal分别是振荡器的游丝i和摆轮的热膨胀系数。
在包括两个游丝(i＝2)的第一实施例的特定情况下，前述方程变为：
如果摆轮的热膨胀αbal已知并且是所用材料的函数，则两个游丝的材料选择为抵消该方程(2)。
需要说明的是，在各向异性材料(例如硅)的情况下，热系数根据材料应力的结晶方向而变化并且因此在游丝的长度(或螺旋或螺旋部)上变化。类似地，在非匀质材料(例如氧化硅)的情况下，热系数在薄片的截面的内部变化。因此，可以针对由各向异性材料和/或非匀质材料形成的游丝或螺旋或螺旋部考虑本领域技术人员已知的等效或表观CTE。
在CuBe2制摆轮的情况下，由于已知CuBe2的热膨胀是正的(+17[ppm /℃])，因此应该将两个游丝的材料选择为使得两个项CTE+3αs中的至少一个为正以抵消方程，尤其是两个项CTE+3αs中的至少一个大于至少两倍αbal以抵消该方程。然后，调节两个游丝的尺寸，特别是两个游丝的角刚度就足以获得预期的结果，即对振荡器进行热补偿。
作为示例，对于4Hz振荡器，首先采用惯性为14mg·cm2的CuBe2制摆轮。然后，考虑显现在平面{100}中的单晶硅制第一游丝具有以下性质和尺寸： Emoyen＝148MPa，α＝2.6ppm/℃，CTE＝-64.3ppm/℃，高度为150微米，有效长度为150毫米。还考虑并联设置的非晶形SiO2制第二游丝具有以下性质和尺寸：E＝72.4MPa，α＝0.382ppm/℃，CTE＝210ppm/℃，并且具有与第一游丝相同的高度和有效长度。通过选择C1+C2＝8.84·10-7N·m获得4Hz 的频率，并且然后通过对第一游丝的硅将薄片厚度选择为36.20微米且对第二游丝的硅氧化物将薄片厚度选择为36.73微米来确保热补偿。
作为第二示例，仍对于4Hz振荡器，如果对于两个游丝中的每一个采用惯性为4.7mg.cm2且高度为120微米且长度为110mm的CuBe2制摆轮，则在与上述相同的材料中，方程(2)给出对硅制第一游丝给出为24.44微米的厚度并对非晶形SiO2制第二游丝给出为24.80微米的厚度。
自然地，存在并联设置尺寸不同的两个游丝的多种可能性，以便抵消上述方程(2)并获得热补偿振荡器。
如图2所示，第二实施例基于振荡器的角度复位弹簧20，其通过串联设置至少两个螺旋或螺旋组或螺旋部而形成，该至少两个螺旋或螺旋组或螺旋部而形成将简单地称为至少两个不同部分21,22。“串联”理解为至少两个不同部分通过其端部中的一个彼此组装。第一部分21可以通过其中心端部23借助套接部6而附接到摆轮轴5，并且至少一个第二部分22可以通过其周缘端部26 借助螺钉27附接到夹板。两个不同部分21,22通过其相应周缘端部35和中心端部24而彼此固定。所获得的角度复位弹簧20因此采用单个连续游丝的形式，其在垂直于摆轮轴5的平面中延伸。
非均匀刚度薄片在其长度L上的纯弯曲角刚度由以下方程描述：
对于串联设置的多个不同部分，该方程变为：
振荡器的频率f响应于方程：
最后，将该方程相对于温度进行求导获得：
由于该实施例包括两个不同部分，因此该方程可以写成：
在通过串联设置两个螺旋或螺旋组或螺旋部形成的游丝的特定情况下，每个部分对热补偿的贡献由相对于另一部分的刚度进行加权。
由于对于给定材料，摆轮的热膨胀αbal是已知的，因此将两个不同部分的材料选择为以类似于第一实施例的方式抵消该方程(3)。
例如，如果摆轮由CuBe2制成，则已知CuBe2的热膨胀是正的(+17 [ppm/℃])，因此应该选择两个游丝的材料使得两个形式项中CTE+3αs中的至少一个为正以抵消方程(3)，特别是两个项CTE+3αs中的至少一个大于至少两倍αbal以抵消方程(3)。然后，调整两个不同部分的尺寸就足以获得所需结果，即对振荡器进行热补偿。
作为示例，在此重新采用4Hz振荡器，其配备有如上所述的惯性为 14mg·cm2的CuBe2制摆轮。还考虑串联的两个不同部分，其包括高度为150 微米且厚度为40微米的等同截面，其中显现在平面{100}中硅制一个不同部分特性为Emoyen＝148MPa，α＝2.6ppm/℃并且CTE＝-64.3ppm/℃并且非晶形 SiO2制的另一不同部分的特性为E＝72.4MPa，α＝0.382ppm/℃且CTE＝ 210ppm/℃。方程(3)分别对于串联角度复位弹簧的两个不同部分中的每一个给出了为88.62mm和22.15mm的螺旋部曲线长度。
考虑其中具有惯性为4.7mg·cm2的CuBe2制摆轮并因此具有为 2.9688·10-7N·m的游丝角刚度的4Hz频率第二示例。强制要求两个螺旋或螺旋部的截面(厚度和高度)是恒定的并且总有效长度为110mm。两个螺旋部的高度为120微米。在这种情况下，为了根据方程(3)获得理想的热补偿，对于螺旋部中的每个而言厚度应该是29.88微米，并且对于硅制第一螺旋部而言长度为88.01mm且对硅氧化物制第二螺旋部而言长度为21.99毫米。
在第三示例中，考虑相同的摆轮，但是沿着游丝施加恒定弯曲刚度，以及在游丝的整个长度具有120微米的均匀高度。游丝的总长度也设定为110mm。为了获得对4Hz振荡器的热补偿，硅制部分应该具有28.05微米的厚度以及 72.81mm的长度，而非晶形氧化物制部分必须具有35.60微米的厚度和 37.19mm的长度。
这种变型的优点在于，在振荡期间赋予游丝相当于众所周知的具有恒定截面且由单一材料构成的扁平游丝的展开。
自然地，本实用新型不限于上述两个实施例、详细示例、甚至是上游提到的简单方程。考虑到空间或结构变化(非匀质材料、各向异性材料、非矩形截面、沿长度的不规则截面、薄片高度)，这些方程的每个项，特别是CTE，可以由其等效物替代。对于根据本实用新型的计时器的复位弹簧的尺寸确定存在多种可能性，从而对振荡器进行热补偿。
特别地，在替代实施例中，当然可以实现包括多于两个不同部分，特别是三个或四个不同部分的振荡器。另外，这些不同部分可以并联和/或串联设置，以便更好地参数化复位弹簧和振荡器的热性能。另一方面，每个不同部分可以采用不同的形式：游丝、一个或多个螺旋或螺旋部，这些部分可以包括直部分。在每个不同部分由一个或多个螺旋或螺旋部形成的情况下，复位弹簧可被描述为多螺旋。
另一方面，复位弹簧的不同部分可以位于或可以不位于同一平面中，如在所描述的实施例中详细描述的那样。复位弹簧的不同部分中的至少一个的例如呈螺旋或螺旋部形式的薄片可以具有任何形状的截面，而不一定是前述实施例中的矩形。此外，该截面可以在其整个长度上保持恒定，或者相反地发生变化。最后，复位弹簧可以如前面示例中所设想地呈游丝的形式或者可选地呈任何其他形式。
最后，理解到复位弹簧的不同部分为定位在同一设置中以一起形成复位弹簧的两个单独元件。在这种设置中，这些不同部分因此以与弹簧的相同功能互补的方式参与，同时提供对振荡器进行热补偿的效果。这些不同部分可以通过任何固定方式彼此组装，或者简单地靠近定位。在所有情况下，这些不同部分设置成与同一飞轮配合并形成单个计时器振荡器。因此，这些不同部分并非简单地是同一整件、不可分离和/或整体的弹簧的两个区域，即使这两个区域可能具有不同的材料。
通过定义这些不同部分，本实用新型因此使得允许实现制造复位弹簧的方法，该方法可以包括至少两个不同部分的分开且独立的制造步骤，然后在相同设置中组装这些至少两个不同部分的组装步骤，该组装步骤可能的通过不同部分之间固定或联接装置以形成复位弹簧，更特别是角度复位弹簧，以用于与同一飞轮配合。可替代地，本实用新型允许实现制造单件式复位弹簧的方法，该方法例如对预先组成一体的由两种不同材料制成的两个晶片进行蚀刻。
有利地，角度复位弹簧的至少两个不同部分由两种不同材料制成。不同部分可以是整体的。该不同部分可以是单一材料制成，或包括多种不同材料，例如包括由不同材料制成的区域。
在所有情况下，本实用新型的复位弹簧包括至少两个不同部分，其角刚度 Ci随温度的变化CTE+3αs是不同的，使得计时器的包括该复位弹簧的所述振荡器是热补偿的。
自然地，复位弹簧的不同部分可以处于任何其他材料中。优选地，优选对磁场不敏感的材料，以避免与经受磁场的部件的残留磁化有关的运行干扰。
复位弹簧的至少一个不同部分可以包括单晶硅、多晶硅、非晶硅、石英，非晶形硅氧化物、掺杂硅、多孔硅、具有杨氏模量正热系数(下文称为CTE) 的Fe-Ni基合金和/或Nb-Zr-O合金中的全部或部分。
复位弹簧的至少一个不同部分可包括一种或多种各向同性材料。作为变型，该至少一个不同部分可以包括各向异性材料，例如硅，其热系数沿材料应力的晶化方向变化并因此在游丝的长度上变化。例如，硅可以涂覆有硅氧化物层。在诸如氧化硅的非匀质材料的情况下，热系数在复位弹簧的薄片的截面内部变化。因此，对于由各向异性和/或非均质材料形成的复位弹簧的不同部分考虑本领域技术人员已知的等效或表观CTE，并且先前的计算仍然适用于此基础。
本实用新型还涉及一种计时器振荡器、一种计时器机芯以及一种计时器，例如手表，其包括如上所述的复位弹簧。
如先前实施例中所示，摆轮例如以已知的方式由铜-铍合金(也简称为 CuBe2合金)制成。作为变型，其他材料可用于摆轮。
