单片计时器调节器、计时器机芯以及具有这种计时器调节器的计时器的制作方法

本发明涉及单片计时器调节器、计时器机芯以及具有这种调节器的计时器。

背景技术：

文件us2013176829a1公开了由单板制成的单片计时器调节器，包括：

-外部刚性元件，

-被所述外部刚性元件所围绕着的内部刚性元件，

-多个弹性悬架，将外部刚性元件与内部刚性元件相连接并且使外部刚性元件与内部刚性元件之间能够围绕着垂直于单板的旋转轴进行振荡旋转运动。

该振荡机构具有两个单独的内部刚性元件，分别通过弹性悬架连接着外部刚性元件。这种设计的一个问题是：将把两个内部元件固定在共用支架上时，会在弹性悬架中形成变形和应力，从而改变振荡器的特性，尤其是振荡器的频率或其旋转轴，这是不合适的。

技术实现要素：

本发明的一个目的旨在至少缓解这个弊端。

为此目的，根据本发明的一个实施例，内部刚性元件包括彼此相互刚性连接的多个臂，所述臂呈360度分布并在其间留有在内部刚性元件径向外部的自由角度空间，弹性悬架分别位于所述自由角度空间中。

在根据本发明的机构的各个实施例中，可以借助下列设置中的一项和/或其它项：

-所述多个弹性悬架包括至少三个弹性悬架，所述多个臂包括至少三个臂；

-所述多个弹性悬架为三个弹性悬架，所述多个臂为三个臂；

-所述弹性悬架围绕着旋转轴呈角度的均匀分布；

-所述内部刚性元件进一步包括刚性衬套，所述内部刚性元件的臂分别从所述衬套延伸到离外部刚性元件相对较近的外端；

-每个弹性悬架包括多个弹性分支，所述弹性分支相对于旋转轴大体径向布置并且分别在内端与外端之间延伸，所述弹性分支在其各自内端或在其各自外端相互连接在一起；

-每个弹性悬架包括至少一个第一弹性分支以及至少两个第二弹性分支，所述第一弹性分支具有连接着外部刚性元件的外端以及连接着与内部刚性元件分开的刚性中间元件的内端，两个第二弹性分支具有连接着所述刚性中间元件的内端以及分别连接着内部刚性元件的两个相邻臂的外端；

-每个弹性悬架包括至少一个第一弹性分支，至少两个第二弹性分支，至少两个第三弹性分支以及至少两个第四弹性分支，所述第一弹性分支具有连接着外部刚性元件的外端以及连接着与内部刚性元件分开的第一个刚性中间元件的内端，两个第二弹性分支具有连接着所述第一个刚性中间元件的内端以及分别连接着第二个刚性中间元件的两个v形外臂的外端，所述第二个刚性中间元件与内部刚性元件分开并与第一个刚性中间元件分开而且其底部布置在第一个刚性中间元件与旋转轴之间，两个第三弹性分支具有连接着所述第二个刚性中间元件的外端以及分别连接着第三个刚性中间元件的内端，所述第三个刚性中间元件与内部刚性元件分开并与第一个刚性中间元件和第二个刚性中间元件分开而且布置在第二个刚性中间元件与旋转轴之间，两个第四弹性分支具有连接着所述第三个刚性中间元件的内端以及分别连接着内部刚性元件的相邻臂的外端；

-内部刚性元件的臂呈t形并包括按照相对于旋转轴大体呈角度的方向延伸的外部头部，所述外部头部具有分别连接着两个相邻弹性悬架的两个弹性分支的外端的两个末端；

-单片计时器调节器的离轴刚度至少为60n/m；

-单片计时器调节器的转动刚度不超过51o^-4nm/rad。

此外，本发明还涉及具有上文定义的单片计时器调节器的一种计时器机芯。

在根据本发明的计时器机芯的各个实施例中，还可以借助以下设置中的一项和/或其它项：

-内部刚性元件固定于支架，外部刚性元件相对于支架围绕着旋转轴自由振荡；

-外部刚性元件固定于支架，内部刚性元件相对于支架围绕着旋转轴自由振荡；

-内部刚性元件和外部刚性元件之中一个固定于支架，内部刚性元件和外部刚性元件之中另一个是围绕着旋转轴自由振荡的调节件，计时器机芯进一步包括闭锁机构，由调节元件控制所述闭锁机构有规律地选择性地保持或释放旋转能量分配轮，以便所述能量分配轮在每个旋转步骤按照不变的角行程通过旋转步骤旋转，所述擒纵机构进一步适合有规律地把能量释放到调节件，以保持所述调节件振荡。

而且，本发明还涉及具有上文定义的计时器机芯的计时器。

附图说明

通过作为非限制性实例所列出的关于本发明的以下详细说明，参考附图，本发明的其它特征和优点显而易见。

在附图中：

-图1是机械计时器的原理框图，

-图2是根据本发明第一个实施例的机械计时器的调节器处于中位的平面图，

-图3显示了将图2所示调节器组装到闭锁机构，以及，

-图4和图5是关于本发明第二个实施例和第三个实施例的与图2类似的视图。

具体实施方式

在附图中，用相同参考号来标记相同或相似的元件。

图1显示了机械计时器1的原理框图，例如，手表，至少包括：

-机械储能器2；

-由储能器2所驱动的传动装置3；

-一个或多个时间指示器4，例如，由传动装置3所驱动的表针；

-由传动装置3所驱动的能量分配轮5；

-适合依次保持或释放能量分配轮的闭锁机构6；

-调节器7，是控制闭锁机构使其有规律地及时移动的振荡机构，以便闭锁机构进行保持和释放的顺序的持续时间不变，由此产生能量分配轮5、传动装置3和时间指示器4的运动速度。

机械储能器2通常是发条，例如，通常称为主发条的螺旋形发条。可通过上条柄轴手动来缠绕该发条，并且/或者通过使用者运动驱动的自动缠绕来自动缠绕该发条。

传动装置3通常是由彼此啮合并把输入轴连接着输出轴(未显示)的一系列齿轮(未显示)所组成的传动装置。由机械储能器2驱动输入轴，将输出轴连接着能量分配轮。某些齿轮连接着表针或其它时间指示器4。

例如，能量分配轮5可以是擒纵轮，例如，闭锁机构可以是本领域已知的棘爪，例如，按照通常方式与擒纵轮相配合的一组瑞士棘爪或止动器棘爪。当然，这个实例并非限制性实例。

将传动装置3设计为使能量分配轮的旋转要比输入轴快得多(例如，速度比可约为3000)。

下面更详细地描述调节器7。将其设计为按照固定频率振荡，由此确保计时器的精确度。通过均匀传递来自能量分配轮5的机械能来保持调节器的振荡，例如，通过闭锁机构6保持。

机械储能器2、传动装置3、能量分配轮5、闭锁机构6和调节器7共同构成计时器机芯8。

根据本发明，调节器7是由单板9所制成的单片，例如，如图2所示。板9通常是平面的。

板9可具有较小的厚度，例如，大约0.1至0.6mm，该厚度取决于其材质。

板9在所述板平面中的横向尺寸(例如，宽度和长度或者直径)大约介于15mm至40mm之间。

板9可用任何适当的材料来制成，最好其杨氏模量相对较高，以便呈现良好的弹性性能。可用于板9的材料的例子为：硅、镍、钢、钛。在硅的情况下，板9的厚度例如可介于0.5至0.6mm之间。

下文详细说明的调节器7的各个部件是通过在板9中进行切割形成的。可以通过微机械任何已知的制造方法，尤其是通过mems的制造方法来形成这些切割部分。

在硅板9的情况下，板9可通过诸如深反应离子刻蚀(drie)或者在某些情况下可通过固态激光切割(尤其是针对原型或小型系列而言)来局部挖空。

在镍板9的情况下，调节器7可通过诸如liga得到。

在钢板或钛板9的情况下，板9可通过诸如电火花线切割加工(wedm)来局部挖空。

现在详细描述分别由板9部分形成的调节器7的构成部分。

在所有实施例中，调节器7都包括：

-外部(即外)刚性元件10，

-被所述外部刚性元件10围绕着的内部(即内)刚性元件11，

多个弹性悬架12，将外部刚性元件10连接着内部刚性元件11并且使外部刚性元件与内部刚性元件之间能够围绕着垂直于板9的旋转轴z进行振荡旋转运动。旋转轴z可稍微移动，因为内部刚性元件和外部刚性元件之间可能由于重力或振荡加速而存在离轴运动。

外部刚性元件10可呈环形，即围绕着中空空间的封闭形状，大体呈圆形或其它形状。在可能性变体中，外部刚性元件10可以只是局部地围绕着内部刚性元件11，即不是呈360度的围绕。

所谓的刚性件与所谓的弹性件之间的区别是其在板9平面中的硬度，这是由其形状尤其是其细长度所导致的。例如，可通过长细比(零件的长度与零件的宽度的比率)来测量细长度。细长度高的零件可为弹性件(即可弹性变形)，细长度低的零件则为刚性件。例如，所谓的刚性件在板9的平面中的硬度至少比所谓的弹性件在板9的平面中的硬度高大约1000倍。

内部刚性元件11包括彼此相互刚性连接的多个刚性臂13。

臂13呈360度分布并在其间留有在内部刚性元件11径向外部的自由角度空间14。

例如，内部刚性元件11还可以包括与臂13形成整体件的刚性中心衬套15。臂13从中心衬套15大体径向地向外延伸。

在图2所示的实例中，臂13为3个并且彼此均匀地呈120度分布，弹性悬架12也为3个，也彼此呈120度分布。更普遍而言，臂13至少为2个，弹性悬架12与臂13的数量相同。

臂13的径向外端可以比其径向内端宽。更具体而言，在图2所示的实例中，每个臂13可包括宽度相对较小的径向内部16以及宽度径向向外增加的径向发散外部17。发散外部17可具有各自的孔17a。在图2所示的实例中，将内部刚性元件11设计为固定于计时器1中的支架s(在图3仅按照图示所示)，例如，通过螺丝或类似物穿过孔17a，将外部刚性元件11设计为围绕着旋转轴z旋转时自由振荡，按照箭头r的方向。因此，刚性外部元件10在此构成控制上述闭锁机构的惯性调节器件。在振荡过程中，悬架12使刚性外部元件10朝中间位置偏置，如图2所示。

应注意的是，调节器的结构是可以颠倒的，使刚性内部元件固定，使刚性外部元件在振荡过程中枢转。

臂13的径向外端可通过两个相对的侧向延伸部分18来侧向延伸，所以每个臂13都呈t形，包括侧向延伸部分在内的臂13的外端构成按照相对于旋转轴z大体呈角度的方向延伸的外部头部。

刚性外部元件10的内缘最好是圆形的，而且中心在旋转轴z，每个臂13的外缘，包括可能存在的侧向延伸部分18在内，也是圆形的且中心也在旋转轴z。在每个臂13的外缘与刚性外部元件10的内缘之间留有小空隙，例如，空隙约为0.1mm。

刚性外部元件10可能包括从所述刚性外部元件10内缘径向地向内延伸的突出部分19。这些突出部分19可用作止动件，与侧向延伸部分18配合，以限制刚性外部元件10相对于刚性内部元件11的角振荡。在图2所示的实例中，突出部分19以中间距离布置在臂13之间。例如，每个突出部分可与相邻臂间隔大约30度。

弹性悬架12分别位于臂13之间的所述自由角度空间14中。

最好，每个弹性悬架12包括多个弹性分支，相对于旋转轴大体径向地布置所述弹性分支，而且所述弹性分支分别在内端与外端之间延伸，所述弹性分支在其各自内端或者在其各自外端连接在一起。

在图2所示的实例中，每个弹性悬架12包括至少一个第一弹性分支20以及至少两个第二弹性分支21。第一弹性分支20具有连接着外部刚性元件10的外端以及连接着刚性中间元件22的内端，所述刚性中间元件22与所述内部刚性元件11相互分开，与此同时，两个第二弹性分支21具有连接着所述刚性中间元件22的内端以及分别连接着内部刚性元件的两个相邻臂13的外端。

弹性分支20、21的长度例如可在8至13mm之间。

弹性分支20、21的宽度可在0.02至0.03mm之间，例如，约为0.025mm。

在其它实施例中，相同的长度和宽度数量级可适用于弹性悬架12的其它弹性分支。

弹性悬架12可包括两个第一弹性分支20。

第一弹性分支20的外端可连接着刚性外部元件10的突出部分。

第二弹性分支21的外端可分别连接着侧向延伸部分18的自由端，由此避免所述弹性分支21与臂13之间干扰。

刚性中间元件22的形状可以是以旋转轴z为中心并围绕着刚性衬套15布置的圆弧形，也可以是圆形。刚性元件22与衬套15之间的间隙比较小，例如约为0.1mm。

上述调节器在由硅制成的情况下的振荡频率例如可约为15至30hz。

振荡的振幅可达约20度，同时保持良好的线性性能，并由此保持良好的测时精确度。尤其是，振荡的振幅可达13度，同时保持卓越的时间精确度，每天最大时间偏差小于6秒。

在图2所示实施例的具体例子中，调节器7可呈现以下属性：

-板9的材料：硅；

-板9的厚度：0.525mm；

-刚性外部元件10的内径：24mm；

-刚性外部元件10的外径：29mm；

-弹性分支20、21的宽度：0.024mm；

-调节器的转动刚度：kr＝1.371o^-4nm/rad(kr使得把转矩t应用到围绕着旋转轴z的可移动惯性调节件时，在此所述可移动惯性调节件为外部刚性元件10，所述可移动惯性调节件从其止动位置转动ω角，使得t＝kr·ω)；

调节器的最低离轴刚度koa：181n/m(koa使得把力f应用到板9的平面中的可移动惯性调节件时，在此所述可移动惯性调节件为外部刚性元件10，所述可移动惯性调节件从其止动位置移动距离d，使得f＝koa·d)。

上述调节器比现有技术尤其是比us2013176829a1具有多个优势：

-调节器的内在特性，尤其是旋转轴的振荡和定位的时间周期，对于把调节器安装在计时器机芯中不敏感；

-刚性外部元件和刚性内部元件的相互位置使得在这些元件之间没有干扰的情况下能够具有相对较大的振幅而且具有良好的线性性质。

如图3按照图示所示，例如，将调节器7组装到传统擒纵机构形式的闭锁机构6，在此为所谓的瑞士杠杆式擒纵机构或瑞士锚式擒纵机构。仅作为例证，刚性外部元件10可连接着桥式连接器23，所述桥式连接器承载与瑞士锚25相配合的脉冲辊24，所述瑞士锚25本身与擒纵轮形式的能量分配轮5相配合。擒纵轮5连接着与传动装置3一个小齿轮相啮合的小齿轮26。擒纵轮5和小齿轮26都围绕着平行于轴z的旋转轴z’(相对于上述支架s固定)旋转，瑞士锚25通过交替运动围绕着平行于轴z的枢转轴z”(也相对于上述支架s固定)枢转。在时钟制造领域，这些元件的结构和操作都是众所周知的，在此不再赘述。其它闭锁机构6和能量分配轮5也可以。

图4和图5所示的实施例与图2的类似，因此不再详细描述。除非下文另有说明，否则第一个实施例的所有说明和优点都适用于图4和图5所示的这些实施例。

图4所示的实施例与图2所示的实施例的区别在于弹性悬架12，其包括更多弹性分支，以便针对较高的振幅来提高线性。在图4所示的情况下，每个弹性悬架12包括与图2所示相似的至少一个第一弹性分支20(例如，两个第一弹性分支)、与图2所示相似的至少两个第二弹性分支21、至少两个第三弹性分支32以及至少两个第四弹性分支34。所有弹性分支都相对于轴z大体径向地延伸。

第一弹性分支20具有连接着外部刚性元件10的外端以及连接着第一个刚性中间元件22的内端，例如，所述外端连接着其中一个突出部分19，所述第一个刚性中间元件22与内部刚性元件分开并与上述刚性中间元件22相似。

两个第二弹性分支21具有连接着所述第一个刚性中间元件22的内端以及分别连接着v形第二个刚性中间元件27的两个外臂的外端。

所述第二个刚性中间元件27与内部刚性元件11分开并且与第一个刚性中间元件22分开。

所述第二个刚性中间元件27的底部28布置在第一个刚性中间元件22与旋转轴z之间，两个向外发散的刚性v形臂29刚性连接着底部28。v形臂29可在其中心挖空，以减少内部刚性元件11的质量。

每个臂29可具有接近外部刚性元件10内缘的头部30。头部30可具有相反的侧向延伸部分31，所述侧向延伸部分分别朝相邻的突出部分19和相邻的侧向延伸部分18延伸。

两个第三弹性分支32具有连接着所述第二个刚性中间元件27的外端，例如，所述外端连接着接近相邻侧向延伸部分18的侧向延伸部分31。两个第三弹性分支32还具有分别连接着第三个刚性中间元件33的内端。所述第三个刚性中间元件33与内部刚性元件11分开，并且与第一个刚性中间元件22和第二个刚性中间元件27分开。

第三个刚性中间元件33布置在第二个刚性中间元件27底部28与旋转轴z之间。第三个刚性中间元件33的位置接近衬套15外缘。

两个第四弹性分支34具有连接着所述第三个刚性中间元件3的内端以及分别连接着内部刚性元件相邻臂13的外端。尤其是，两个第四弹性分支34的外端可连接着臂13的侧向延伸部分18。

在图4所示实施例的具体例子中，调节器7可呈现以下属性：

-板9的材料：硅；

-板9的厚度：0.525mm；

-刚性外部元件10的内径：24mm；

-刚性外部元件10的外径：29mm；

-弹性分支20、21的宽度：0.024mm；

-调节器的转动刚度：kr＝1.101o^-4nm/rad；

-调节器的最低离轴刚度koa：274n/m.

图5所示的实施例与图2的区别在于，将外部刚性元件10设计为固定于支架s(例如，通过螺丝或相似物穿过外部刚性元件10的孔10a)，将内部刚性元件11设计为通过自由振荡枢转。因此，内部刚性元件11的臂13较大，以便提高内部刚性元件11的转动惯量。

在将与图3所示相似的闭锁机构6与图5所示的调节器一起使用的情况下，将脉冲辊24直接或者通过配件固定于内部刚性元件11。

在上述实施例中，单片计时器调节器7具有围绕着旋转轴z彼此相互呈120°均匀分布的三个弹性悬架12。更普遍而言，单片计时器调节器7具有围绕着旋转轴z彼此相互呈120°均匀分布的三个弹性悬架12。这样的安排特别有利于减少板9的平面中各个方向的离轴偏移，所以，移动部分的质心(外部刚性元件10或者内部刚性元件11)在旋转过程中大体保持不变。这就使得系统针对旋转运动变得“力平衡”。这是特别有益的，因为为了提高振荡系统的线性，弹性悬架12通常分别是柔软的，但是整体离轴刚度(即相对于板9的平面中的移动动作的刚度)却相对较高，所以使调节器7的设计相对于加速、重力影响和冲击而更加坚固。此外，具有3个弹性悬架能够具有较大的旋转振幅。

通常，调节器7的离轴刚度koa至少为60n/m，最好约为65n/m或更高。

而且，调节器7的转动刚度kr通常不超过51o^-4nm/rad，最好小于21o^-4nm/rad，乃至小于1.51o^-4nm/rad更佳。

在所有实施例中，调节器机构7每个冲程的能量p最好至少为2010^-6w(20微瓦)，最好至少为4010^-6w。每个冲程的能量p的计算如下：

p＝e·f，其中e是调节器机构7的总势能，f是振荡频率；

e＝0.5·kr·θ²，其中θ是振荡的振幅。