Компактная балансирная пружина переменного сечения

Изобретение относится к компактной балансирной пружине переменного сечения. Балансирная пружина выполнена цельной и содержит сплошную полосу, намотанную саму на себя между внутренним витком и наружным витком. Эта полоса имеет такие геометрические характеристики, что, когда угол сжатия балансирной пружины достигает 360°, расстояние между каждым витком от второго витка до предпоследнего витка является постоянным. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Область техники

Изобретение относится к балансирной пружине, а, более конкретно, к компактной балансирной пружине, предназначенной для взаимодействия с балансиром с целью образования резонатора.

Уровень техники

Стоимость кремниевой балансирной пружины по существу пропорциональна площади ее поверхности, т.е. чем больше балансирных пружин может быть вытравлено на одной и той же пластине, тем ниже стоимости одной балансирной пружины.

Однако невозможно уменьшить размеры произвольным образом, поскольку витки балансирной пружины не должны касаться друг друга ни при сжатии, ни при расширении.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является преодоление всех или части вышеупомянутых проблем путем разработки сплошной балансирной пружины, витки которой не касаются друг друга ни при сжатии, ни при расширении.

Указанная задача решается в цельной балансирной пружине, выполненной в виде сплошной полосы, намотанной сама на себя между внутренним витком и наружным витком, причем в нейтральном состоянии эта полоса включает в себя: первую область, расположенную между концом внутреннего витка и вторым витком, в которой шаг непрерывно уменьшается, а сечение непрерывно увеличивается; и продолжающую первую область вторую область, в которой шаг между каждым витком непрерывно увеличивается, а сечение полосы, начинаясь со значения, меньшего чем в конце первой области, затем непрерывно увеличивается таким образом, что, когда угол сжатия балансирной пружины достигает 360°, расстояние между каждым витком от второго витка до предпоследнего витка является постоянным.

Преимуществом такого выполнения пружины является то, что она является настолько компактной, насколько это возможно, обеспечивая при этом постоянное минимальное расстояние между витками при сжатии и, возможно, при расширении. Это позволяет минимизировать размер балансирной пружины без потери ее хронометрических свойств. Такое выполнение балансирной пружины дает возможность оптимизации количества балансирных пружин, вытравливаемых на одной пластине, позволяя уменьшить стоимость одной штуки.

Предпочтительно:

- во второй области шаг между каждым витком непрерывно увеличивается на постоянную величину;

- во второй области сечение полосы непрерывно увеличивается на постоянную величину;

- в первой области между концом внутреннего витка и местом сочленения этой области со второй областью шаг между каждым витком непрерывно уменьшается на постоянную величину;

- в первой области между концом внутреннего витка и местом сочленения этой области со второй областью сечение полосы непрерывно уменьшается на постоянную величину;

- балансирная пружина содержит третью область, продолжающую вторую область и находящуюся между началом предпоследнего витка и концом наружного витка, в которой шаг непрерывно увеличивается таким образом, что, когда угол расширения балансирной пружины достигает 360°, расстояние между вторым витком и наружным витком является минимальный для предотвращения любого контакта между ними;

- в третьей области шаг непрерывно увеличивается на постоянную величину;

- третья область включает в себя первый участок, сечение которого увеличивается по существу так же, как во второй области, и продолжающий его второй участок, на котором сечение увеличивается к концу наружного витка, причем это увеличение больше, чем увеличение сечения на первом участке;

- балансирная пружина выполнена из материала на основе кремния.

Кроме того, изобретение относится к резонатору, который включает в себя балансир, взаимодействующий с описанной выше балансирной пружиной.

Другие особенности и преимущества изобретения будут более понятны из дальнейшего описания со ссылками на чертежи.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 показана балансирная пружина согласно изобретению в сжатом состоянии, вид сверху;

на фиг. 2 - то же, в нейтральном состоянии;

на фиг. 3 - то же, в расширенном состоянии;

на фиг. 4 - график зависимости шага между витками балансирной пружины от номера витка;

на фиг. 5 - график зависимости толщины витков балансирной пружины от номера витка;

на фиг. 6 - график зависимости расстояния между витками балансирной пружины от номера витка при разных состояниях балансирной пружины.

Осуществление изобретения

Сплошная балансирная пружина согласно изобретению предназначена для взаимодействия с балансиром с целью образования резонатора пружинно-балансирного типа для часов. Конечно, балансирная пружина может включать в себя оправку, выполненную за одно целое с концом внутреннего витки и/или штифтовое крепление, составляющее единое целое с концом наружного витка, что не выходит за объем данного изобретения. Однако ради простоты описания ни оправка, ни крепление не показаны.

Разработка настоящего изобретения была начата для того, чтобы производить максимальное количество балансирных пружин из одной кремниевой пластины, исключая при этом касание витков каждой балансирной пружины ни при сжатии, ни при расширении. Следует отметить, что материал балансирной пружины не ограничен материалом на основе кремния. Также следует понимать, что та же самая логика применима к балансирной пружине, выполненной по технологии LIGA, т.е. с использованием электропроводящего материала.

Используемый термин «кремниевый» означает материал, включающий в себя монокристаллический кремний, легированный монокристаллический кремний, поликристаллический кремний, легированный поликристаллический кремний, пористый кремний, диоксид кремния, кварц, кремнезем, нитрид кремния или карбид кремния. Конечно, если материал на основе кремния находится в кристаллической фазе, может быть использована любая ориентация кристаллической структуры.

На фиг. 2, показана балансирная пружина 1 согласно изобретению, выполненная в виде единой детали в виде сплошной полосы 3, намотанной сама на себя между внутренним витком S_I и наружным витком S_E. Полоса 3 балансирной пружины 1 в нейтральном состоянии, показанном на фиг. 2, между концом 5 внутреннего витка S_I и началом второго витка S₂, содержит первую область А, в которой шаг между внутренним витком S_I и вторым витком S₂ уменьшается.

В продолжение первой области А балансирная пружина 1 содержит вторую область В, в которой шаг между каждым витком и сечение полосы 3 непрерывно увеличиваются таким образом, что, когда балансирная пружина 1 находится в сжатом состоянии, т.е., когда конец 5 внутреннего витка S_I повернут по существу на -360° относительно центра балансирной пружины 1, как показано на фиг. 1, расстояние между каждым витком от второго витка S₂ до предпоследнего витка S_P является по существу постоянным.

Желательно, чтобы во второй области В шаг между витками непрерывно увеличивался на постоянную величину, как показано на фиг. 4. Кроме того, как показано на фиг. 5, желательно, чтобы во второй области В сечение полосы 3 также непрерывно увеличивалось на постоянную величину. Например, сечение полосы 3 может иметь переменную толщину в диапазоне от 10 до 75 мкм и постоянную высоту в диапазоне между 50 мкм и 250 мкм.

Предпочтительно балансирная пружина в продолжение второй области В между началом предпоследнего витка S_P и концом 7 наружного витка S_E содержит третью область С, в которой шаг между предпоследним витком S_P и наружным витком S_E непрерывно увеличивается таким образом, что когда балансирная пружина 1 находится в расширенном состоянии, т.е. когда конец 5 внутреннего витка S_I произвел поворот по существу на +360° относительно центра балансирной пружины 1, как показано на фиг. 3, расстояние между последними витками является минимально допустимым для предотвращения какого-либо контакта, особенно между предпоследним витком S_P и наружным витком S_E.

Предпочтительно, чтобы, как показано на фиг. 4, шаг между каждым витком в третьей области С непрерывно увеличивался на вторую постоянную величину. Как показано на фиг. 4, это вторая постоянная величина больше первой постоянной величины, относящейся ко второй области В.

Помимо этого, как показано на фиг. 5, предпочтительно, чтобы третья область С включала в себя первый участок С₁, сечение которого увеличивается по существу идентично сечению во второй области В, и продолжающий первый участок C₁ второй участок С₂, сечение которого увеличивается по мере приближения к концу 7 наружного витка S_E, причем увеличение сечения на втором участке С₂ больше, чем увеличение сечения на первом участке С₁. Это сечение может иметь, например, переменную толщину в диапазоне от 25 до 100 мкм и постоянную высоту в диапазоне между 50 мкм и 250 мкм.

На фиг. 4 показан первый график, показывающий зависимость шага Р между витками балансирной пружины от номера витка. Можно видеть, что в первой области А балансирной пружины 1 этот шаг уменьшается по существу постоянно до начала второй области В. Во второй области В шаг постоянно увеличивается вплоть до третьей области С. В этой последней области С шаг постоянно увеличивается вплоть до конца 7 наружного витка S_E. Как видно на фиг. 4, постоянное увеличение шага в третьей области С намного более сильно выражено, чем постоянное увеличение шага в области В.

В качестве дополнения на фиг. 5 представлен второй график показывающий зависимость толщины Е витков балансирной пружины от номера витка. Можно видеть, что в первой области А балансирной пружины 1 толщина увеличивается вплоть до начала второй области В, где она уменьшается вновь до величины, близкой к величине сечения в начале первой области А. Во второй области В толщина постоянно увеличивается вплоть до второго участка С₂ третьей области С. На втором участке С₂ шаг между витками постоянно увеличивается вплоть до конца 7 наружного витка S_E. Как видно на фиг. 5, постоянное увеличение сечения на втором участке С₂ намного более сильно выражено, чем постоянное увеличение шага в области В.

Наконец, на фиг. 6 представлен график зависимости изменения ΔР расстояния между витками балансирной пружины от номера витка. Более конкретно, кривая, помеченная квадратами ☐, относится к балансирной пружине в сжатом состоянии, показанном на фиг. 1, кривая, помеченная треугольниками Δ, относится к балансирной пружине в нейтральном состоянии, показанном на фиг. 2, а кривая, помеченная кружками О, относится к балансирной пружине и в расширенном состоянии, показанном на фиг. 3.

Можно видеть, что в расширенном состоянии балансирной пружины (кривая, помеченная кружками О) в первой области А расстояние между витками уменьшается вплоть до начала второй области В. После этого во второй и третьей областях В и С расстояние ΔР между витками является по существу постоянным вплоть до конца 7 балансирной пружины 1.

В нейтральном состоянии балансирной пружины (кривая, помеченная треугольниками Δ) в первой области А расстояние ΔР между витками уменьшается вплоть до начала третьей области С. В частности, в области А уменьшение, по существу непрерывное, намного более сильно выражено, чем в области В, где уменьшение является более умеренным с по существу постоянным наклоном. После этого в третьей области С расстояние ΔР между витками непрерывно увеличивается до конца 7 балансирной пружины 1.

Наконец, в сжатом состоянии балансирной пружины (кривая, помеченная квадратами ☐) в первой области А расстояние ΔР между витками уменьшается вплоть до начала второй области В. Во второй области В балансирной пружины 1 расстояние ΔР между витками является постоянным и минимальным значению, что полезно. В третьей области С расстояние между витками непрерывно увеличивается к концу 7 наружного витка S_E.

Следует отметить, что на фиг. 6 минимальные значения кривых с кружками О и квадратами ☐ показаны не идентичными. Однако они могли бы быть геометрически идентичными.

Аналогичным образом, значения, показанные на фиг. 4-6, используются просто в качестве примеров. В зависимости от конфигураций балансирной пружины и/или резонатора, которому она принадлежит, минимальное заданное значение могло бы отличаться от 20 мкм, что в качестве примера показано на фиг. 6. Понятно, что это минимальное значение для кривых с кружками О и квадратами ☐ могло бы каждое быть выбрано таким образом, чтобы оно было меньше или больше 20 мкм.

Понятно, что преимуществом балансирной пружины 1 в соответствии с изобретением является то, что эти ее особенности придают пружине максимальную компактность в нейтральном состоянии, обеспечивая при этом наличие постоянного минимального расстояния между витками в сжатом состоянии и, возможно, также в расширенном состоянии. Как правило, балансирная пружина 1 в нейтральном состоянии имеет 8,5 витков и максимальный радиус, т.е. расстоянии между геометрическим центром балансирной пружины 1 и концом 7 наружного витка S_E, около 1,3 мм. В результате исследований было обнаружено, что расстояние между геометрическим центром балансирной пружины 1 и концом 5 внутреннего витка S_E составляет приблизительно 0,5 мм. Таким образом, размер балансирной пружины может быть минимизирован без потери ее хронометрических свойств. Такая балансирная пружина дает возможность оптимизировать количество балансирных пружин, вытравливаемых на одной пластине, уменьшая тем самым стоимость одной штуки.

Конечно, настоящее изобретение не ограничено проиллюстрированным примером его осуществления и допускает различные варианты и изменения, которые придут на ум специалистам в данной области техники. В частности, геометрические характеристики, т.е. вариации шага и сечения, такие, как например толщина и количество витков, могут изменяться в зависимости от предусмотренных вариантов применения.

Например, количество витков могло бы быть уменьшено, чтобы еще больше уменьшить размер балансирной пружины.

Также ясно, что угол сжатия или расширения в 360° мог бы быть меньше, не выходя при этом за рамки объема изобретения. Действительно, этот угол был выбран, потому что с точки зрения механики этот угол теоретически не может быть превышен. Однако важный аспект заключается не в угле, при котором расстояние является минимальным, а скорее в обеспечении того, чтобы минимальное расстояние никогда не выходило за заданные пределы. Таким образом, угол может намеренно быть выбран меньшим, поскольку, исходя из условий перемещения, этот угол не будет превышен при нормальном функционировании.

Кроме того, указанные на фиг. 4 значения по ординате не являются ограничивающими. Таким образом, в зависимости от сечения во второй области В максимальный шаг в первой области А и/или в третьей области С может варьироваться. Понятно, что при этом сохраняются только изменения шага, но не обязательно с теми же самыми минимальным и/или максимальным значениями.

Аналогичным образом, указанные на фиг. 5 значения по ординате не являются ограничивающими. Таким образом, в зависимости от сечения во второй области В максимальная толщина в первой области А и/или в третьей области С может варьироваться. Понятно, что при этом сохраняются только изменения толщины, но не обязательно с теми же самыми минимальным и/или максимальным значениями.

Хотя расчеты были сделаны исходя из изменения толщины, ясно, что это изменение должно пониматься как изменение сечения, то есть высоты и/или толщины полосы балансирной пружины.

1. Цельная балансирная пружина (1), содержащая сплошную полосу (3), намотанную саму на себя между внутренним витком (S_I) и наружным витком (S_E), которая в нейтральном состоянии включает в себя: первую область (А), расположенную между концом внутреннего витка (S_I) и вторым витком (S₂), в которой шаг непрерывно уменьшается, а сечение непрерывно увеличивается; и продолжающую первую область вторую область (В), в которой шаг между каждым витком непрерывно увеличивается, а сечение полосы (3), начинаясь со значения меньшего, чем в конце первой области (А), затем непрерывно увеличивается таким образом, что, когда угол сжатия балансирной пружины (1) достигает 360°, расстояние между каждым витком от второго витка (S₂) до предпоследнего витка (S_P) является постоянным.

2. Цельная балансирная пружина (1) по п. 1, характеризующаяся тем, что во второй области (В) шаг между каждым витком непрерывно увеличивается на постоянную величину.

3. Цельная балансирная пружина (1) по п. 1, характеризующаяся тем, что во второй области (В) сечение полосы (3) непрерывно увеличивается на постоянную величину.

4. Цельная балансирная пружина (1) по п. 1, характеризующаяся тем, что в первой области (А) между концом (5) внутреннего витка (S_I) и местом сочленения этой области (А) со второй областью (В) шаг между каждым витком непрерывно уменьшается на постоянную величину.

5. Цельная балансирная пружина (1) по п. 1, характеризующаяся тем, что в первой области (А) между концом (5) внутреннего витка (S_I) и местом сочленения этой области (А) со второй областью (В) сечение полосы (3) непрерывно уменьшается на постоянную величину.

6. Цельная балансирная пружина (1) по п. 1, характеризующаяся тем, что содержит третью область (С), продолжающую вторую область (В) и находящуюся между началом предпоследнего витка (S_P) и концом (7) наружного витка (S_E), в которой шаг непрерывно увеличивается таким образом, что, когда угол расширения балансирной пружины (1) достигает 360°, расстояние между вторым витком (S₂) и наружным витком (S_E) является минимальным для предотвращения любого контакта между ними.

7. Цельная балансирная пружина (1) по п. 6, характеризующаяся тем, что в третьей области (С) шаг непрерывно увеличивается на постоянную величину.

8. Цельная балансирная пружина (1) по п. 7, характеризующаяся тем, что третья область включает в себя первый участок (C₁), сечение которого увеличивается по существу так же, как во второй области (В), и продолжающий его второй участок (С₂), на котором сечение увеличивается к концу наружного витка (S_E), причем это увеличение больше, чем увеличение сечения на первом участке (C₁).

9. Цельная балансирная пружина (1) по п. 1, характеризующаяся тем, что она выполнена из материала на основе кремния.

10. Резонатор, характеризующийся тем, что содержит балансир, взаимодействующий с цельной балансирной пружиной (1) по любому из пп. 1-9.