МЕХАНИЗМ СИНХРОНИЗАЦИИ ЧАСОВ
CLOCK SYNCHRONIZATION MECHANISM

Область техники
Изобретение относится к механизму синхронизации скорости вращения зубчатой передачи под действием крутящего момента в часовом механизме.
Изобретение также относится к часовому механизму, содержащему закрепленное на платине средство аккумулирования энергии и зубчатую передачу для приведения в движение этого механизма, а также к часам с таким механизмом.
Кроме того, изобретение относится к области регулирования механических часов, в частности наручных.
Уровень техники
В часовом анкерном механизме эффективность стандартного швейцарского спуска сравнительно низка (порядка 35%). Основные потери в стандартном швейцарском спуске возникают из-за:
- трения палетных камней о зубья;
- ударных нагрузок вследствие прерывистого движения колеса и палетного рычага;
- погрешностей обработки.
Разработка новой системы синхронизации часового механизма с более высокой эффективностью по сравнению со стандартным швейцарским спуском позволит повысить автономность часов, улучшить хронометрические характеристики часов, а также придать им маркетинговые и эстетические отличия.
В патентном документе ЕР 2544370 А1 описан резонатор на основе микроэлектромеханических систем, который содержит резонирующую массу в виде замкнутого кольца; набор равномерно распределенных по окружности кольца опорных точек, в которых кольцо соединено с фиксированным основанием; набор гребенчатых электродов, прикрепленных к указанному кольцу; прикрепленное к основанию по меньшей мере одно приводное средство гребенчатого электрода, взаимодействующее с другим гребенчатым электродом; а также схему управления для управления сигналами, поступающими на набор гребенчатых электродов и по меньшей мере на одно указанное приводное средство.
Раскрытие изобретения
Изобретение направлено на создание механизмов, обеспечивающих более высокую эффективность по сравнению со стандартным швейцарским спуском.
Изобретение относится к системе синхронизации зубчатой передачи, приводимой в движение ходовой пружиной, с резонатором.
Объектом изобретения является часовой механизм, который содержит закрепленную на платине и подвергающуюся действию крутящего момента зубчатую передачу, средство аккумулирования энергии, приспособленное для передачи крутящего момента на зубчатую передачу и приведения в движение механизма синхронизации этой зубчатой передачи, при этом указанный механизм синхронизации содержит кольцевой резонатор с заданной частотой свободных колебаний, включающий в себя установленное на оси кольцо, способное периодически деформироваться посредством движения ведущего элемента, имеющегося в указанном механизме синхронизации и выполненного с возможностью поворотного движения напрямую или косвенно посредством указанной зубчатой передачи, причем взаимодействие ведущего элемента с указанным кольцевым резонатором осуществляется посредством средств магнитного взаимодействия, содержащих магниты и/или магнитные полюсы. Согласно изобретению указанное кольцо включает в себя несколько первых магнитов или магнитных полюсов, а ведущий элемент включает в себя несколько вторых магнитов или магнитных полюсов, причем количество первых магнитов или магнитных полюсов отличается от количества вторых магнитов или магнитных полюсов, так что указанные кольцо и ведущий элемент совместно образуют механизм, понижающий или повышающий скорость.
Изобретение также относится к часам, содержащим такой часовой механизм и представляющим собой наручные часы.
Другие особенности и преимущества изобретения будут более понятны из дальнейшего описания со ссылками на чертежи.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1-3 схематично показан механизм синхронизации скорости вращения зубчатой передачи часового механизма, содержащий кольцевой резонатор с деформируемым кольцом, деформация которого создается ведущим элементом, действующим как коленчатый рычаг, вращаясь относительно оси указанного кольца, вид в плане; при этом на фиг. 2 показано нейтральное положение, в котором кольцо имеет практически круглую форму, а на фиг. 1 и 3 показаны контуры максимальной эллиптической деформации кольца со сменой осей эллипса между этими двумя положениями максимальной деформации;
на фиг. 4 схематично показан механизм с кольцевым резонатором типа бокала, утяжеленным для снижения частоты собственных колебаний и синхронизированным с ведущим элементом, действующим как коленчатый рычаг, вид в плане;
на фиг. 5 - механизм с кольцевым резонатором типа бокала, который утяжелен для снижения частоты собственных колебаний, магнитно-синхронизирован с колесом и содержит магнитные участки, взаимодействующие с магнитными участками кольца для генерирования деформаций и/или импульсов, вид в плане;
на фиг. 6 - механизм с кольцевым резонатором типа бокала, утяжеленным для снижения частоты собственных колебаний и магнитно-синхронизированным с колесом, вид в плане;
на фиг. 7 - кольцевой резонатор типа бокала с источником возбуждения, образованным динамиком, расположенным рядом с «тюльпаном» бокала на жестко закрепленной ножке, вид сбоку;
на фиг. 8 - стеклянный резонатор, показанный на фиг. 7, в различных состояниях эллиптической деформации, с расположением узлов и пучностей вибрации, вид сверху,
на фиг. 9-11 - механизм, аналогичный показанному на фиг. 1-3, с кольцом, которое в своем свободном состоянии не является абсолютно круглым и содержит выпуклые участки, образующие энергетические пороги, а места крепления гибких лент, соединяющих кольцо с платиной, расположены по диагонали между большой и малой осями эллипса;
на фиг. 12 - блок-схема конструкции часов, содержащих часовой механизм с механизмом синхронизации согласно изобретению,
на фиг. 13-18 показаны формы кольца, которые могут использоваться в механизме согласно изобретению:
на фиг. 13 - кольцо круглое снаружи и четырехлопастное внутри;
на фиг. 14 - кольцо по существу треугольное снаружи и трехлопастное внутри;
на фиг. 15 - кольцо по существу круглое с практически постоянным сечением;
на фиг. 16 - кольцо круглое снаружи и с несколькими отдельными углублениями внутри;
на фиг. 17 - кольцо, толщина которого изменяется по радиусу;
на фиг. 18 - кольцо круглое внутри с множеством наружных Т-образных инерционных блоков;
на фиг. 19 показано взаимодействие кольца с ведущим элементом, каждый из которых имеет по существу круглую форму и содержит несколько магнитных участков;
3
на фиг. 20-31 показана форма собственных колебаний такого резонатора в плоскости XY с тонким кольцом диаметром 14,00 мм, толщина и высота которого равны 0,01 мм, выполненным из кремния с модулем Юнга 146 ГПа плотностью 2329 кг/м и коэффициентом Пуассона 0,26:
- первая форма собственных колебаний резонатора по фиг. 20 с частотой 182 Гц показана на фиг. 22; вторая форма собственных колебаний с частотой 470 Гц - на фиг. 23; третья форма собственных колебаний, идентичная показанной на фиг. 23, но ортогонально расположенная, не показана; четвертая форма собственных колебаний с частотой 550 Гц - на фиг. 24; пятая форма собственных колебаний с частотой 605 Гц - на фиг. 25; шестая форма собственных колебаний с частотой 692 Гц - на фиг. 26;
- на фиг. 21 показан резонатор с 23 балластами радиусом 1,0 мм, позволяющие значительно снизить частоты собственных колебаний: до 33 Гц для первой формы собственных колебаний, показанной на фиг. 27; до 85 Гц для второй формы собственных колебаний, показанной на фиг. 28, до 89 Гц для третьей формы собственных колебаний, идентичной форме колебаний, показанной на фиг. 28, но ортогонально расположенной (не показана), до 96 Гц для четвертой формы собственных колебаний, показанной на фиг. 29; до 148 Гц для пятой формы собственных колебаний, показанной на фиг. 30; и до 155 Гц для шестой формы собственных колебаний, показанной на фиг. 31.
Осуществление изобретения
В дальнейшем описании под термином «кольцо» понимается пространство, ограниченное поверхностью открытого тора, замкнутому вокруг оси. По существу, такое «кольцо» представляет собой тело вращения относительно оси, но не обязательно точно вокруг оси.
Конкретный тип резонатора объединяет различные формы колебаний.
В частности, известен лабораторный резонатор типа так называемого «бокала» в виде «тюльпана» на жестко закрепленной ножке. Когда этот резонатор подвергают акустическому возбуждению, и создаваемая динамиком, расположенным рядом с «бокалом», частота возбуждения становится равной его резонансной частоте приблизительно от 800 до 900 Гц, а мощность сигнала становится равной около 100 Вт, внутри «тюльпана» бокала возможно образование колебаний, вызывающих значительные деформации «тюльпана». При этом на виде сверху на отверстие бокала форма кромки этого отверстия изменяется, образуя в каждый момент времени эллиптическую форму в плоскости, перпендикулярной оси ножки, как показано на фиг. 7 и 8. На фиг. 8 показаны узлы N и пучности V колебаний. Такая эллиптическая форма является деформируемой, и поддержание возбуждения приводит к изменению этой эллиптической формы, изменению эксцентриситета, а также смене большой и малой осей эллипса с идентичным эксцентриситетом соответствующей формы кромки «тюльпана» бокала. Эти деформации могут быть такими значительными, что стекло может разбиться. Когда источник возбуждения расположен радиально, наблюдается наличие четырех идентичных пучностей колебаний, одна из которых расположена непосредственно напротив источника возбуждения, и узлов колебаний, расположенных под углом 45° к прямой линии, соединяющей ось ножки с источником возбуждения.
Причиной этого явления является образование стоячей волны, которую можно представить как сумму прогрессивной и регрессивной волн, распространяющихся в обоих направлениях вдоль кромки «тюльпана» стеклянного бокала, в кольцевой области, являющейся по существу областью, полученной вращением. Результирующая вибрация подчиняется уравнению:
где:
- функция, определяющая прогрессивную волну;
g - функция, определяющая регрессивную волну.
Функции  и g могут быть любыми в зависимости от первоначального возбуждения стекла.
Если подождать достаточно долго, можно получить стоячую волну.
Например, если  и g представляют собой синусоидальные функции:
u(х, t) = sin(kx + ωt) + sin(kx - ωt),
тригонометрическое уравнение sina + sinb = 2sin(a + b) / 2 × cos(a - b) / 2 дает основание утверждать, что:
u(х, t) = 2 sin(kx) × cos(ωt),
что является стоячей волной, при которой вибрация каждой точки происходит в фазе cos(ωt), но с различными амплитудами.
Согласно изобретению этот принцип, не известный в промышленном применении, изменяют посредством возбуждения только одной из волн, например прогрессивной волны, путем воздействия на деформируемое кольцо.
Такая волна без каких-либо ограничений может вращаться относительно кромки кольца с той же скоростью, что и созданный им источник возбуждения, посредством ведущего элемента, образованного, в частности, центральным коленчатым рычагом или колесом.
Тогда эта волна без каких-либо ограничений может вращаться относительно кромки кольца с той же скоростью, что и созданный источник возбуждения, вращаемый ведущим элементом, образованным, в частности, центральным коленчатым рычагом или колесом.
В отношении спускового механизма такой ведущий элемент обеспечивает:
- передачу энергии (поддержание колебаний), и
- отсчет, поскольку ведущий элемент вращается с той же скоростью, что и волна.
Необходимо отметить, что скорость распространения волны относительно кольца зависит от самого кольца и не зависит от ведущего элемента.
Таким образом, при правильном подборе размеров системы этот ведущий элемент должен следовать за волной с такой же скоростью, что и скорость распространения этой волны.
Волна распространяется в кольце и проявляется в виде упругой деформации (изгибе) кольца.
Предпочтительно, но не обязательно, возбуждение происходит непрерывно. Таким образом, если фокус находится в одной точке кольца, прохождение ведущего элемента в одной точке кольца аналогично пику синусоидальной волны. Предпочтительно, сигнал является периодическим.
В показанных на чертежах примерах действие волны, связанное с наличием ведущего элемента, стремится толкнуть колесо в радиальном направлении, вызывая его упругую деформацию.
Волна возбуждения является волной упругой деформации кольца, которая представляет собой практически поперечную волну, что приводит к деформации в основном в радиальном направлении.
Это поясняет, почему в показанном примере, начиная с круглого кольца, деформация является эллиптической, и большая ось эллипса повернута относительно центра, однако, возможны и другие формы деформации.
Объект, подвергнутый воздействию этой волны возбуждения, предпочтительно, имеет практически кольцевую форму и представляет собой тороидальное кольцо, которое в одном конкретном случае образует идеальную поверхность вращения.
Этот объект может быть жестко закреплен, как ножка бокала в лабораторном резонаторе в указанном выше примере.
На чертежах показаны варианты выполнения резонатора, согласно которым кольцо неподвижно удерживается с помощью лент. Предпочтительно, такие ленты являются очень гибкими и могут изгибаться относительно кольца, обеспечивая правильную работу системы.
В действительности аналогия со стеклянной ножкой может показаться не совсем корректной для часов, поскольку в этом случае бокал должен иметь стенки большой высоты, чтобы его кромка могла деформироваться на достаточном расстоянии от точки фиксации «тюльпана» к ножке.
Изобретение относится к механизму синхронизации скорости вращения зубчатой передачи часов посредством деформируемого кольцевого резонатора по существу концентричного с осью ведущего элемента и выполняющего функцию стандартного анкерного колеса в стандартной зубчатой передаче часов. Предпочтительно, такой кольцевой резонатор аналогичен описанному выше резонатору тала стеклянного бокала. Кроме того, взаимодействие ведущего элемента с резонатором может быть как механическим, так и бесконтактным, например, посредством магнитного и/или электростатического поля.
В частности, изобретение относится к механизму 1 синхронизации скорости вращения зубчатой передачи 2 часового механизма 10, на которую действует крутящий момент, создаваемый средством аккумулирования энергии 3 часового механизма 10.
Механизм 1 согласно изобретению включает в себя кольцевой резонатор 6, содержащий кольцо 7, выполненное с возможностью деформирования относительно оси А движущимся ведущим элементом 8, содержащимся в этом механизме 1. Ведущий элемент 8 напрямую или косвенно приводится в движение крутящим моментом, например, от средства аккумулирования энергии 3, в частности от барабана, через зубчатую передачу.
Скорость вращения ведущего элемента 8 может определять скорость распространения волны деформации по кольцу 7.
Скорость ведущего элемента 8 определяет осцилляционную стоячую волну деформации кольца 7 между его повторяющимися формами, соответствующими формам этой стоячей волны.
Предпочтительно ведущий элемент 8 приводит в движение индикатор 4, например секундный индикатор часового механизма 10.
Движение ведущего элемента 8 включает в себя движение вокруг оси. Предпочтительно движение ведущего элемента 8 является качательным.
В одном из возможных вариантов осуществления изобретения, показанном на фиг. 15, ведущий элемент 8 содержит по меньшей мере один дальний конец 800, выступающий за пределы минимального диаметра кольца 7 в свободном состоянии этого кольца относительно оси А. В частности, по меньшей мере один дальний конец 800 локально деформирует кольцо 7, создавая выпуклость 700, выступающую радиально наружу относительно оси А.
По меньшей мере один дальний конец 800 может быть приспособлен для взаимодействия с по меньшей мере одним углублением 71 в кольце 7, расположенным на внутренней со стороны оси А окружной поверхности этого кольца.
В одном из вариантов выполнения кольцо 7 в свободном ненагруженном состоянии на своей внутренней окружной поверхности со стороны оси А содержит по меньшей мере один выпуклый участок 70, направленный к этой оси А и образующий участок этого кольца 7 с минимальным диаметром.
Взаимодействие ведущего элемента 8 с кольцевым резонатором 6 может быть механическим.
Ведущий элемент 8 может прикладывать по меньшей мере одно радиальное усилие на кольцо 7 в радиальном направлении относительно оси А.
Предпочтительно кольцо 7 прикреплено к платине 5 часового механизма 10 посредством нескольких гибких лент 9, которые в первом варианте выполнения обладают большей гибкостью, чем кольцо 7, удерживают это кольцо 7 по существу в центре на указанной оси А и ограничивают перемещения этого кольца 7 в одной и той же плоскости Р, перпендикулярной оси А, чтобы перемещение центра масс этого кольца 7 было меньше одной десятой от минимального наружного размера кольца в указанной плоскости Р.
Во втором варианте выполнения эти гибкие ленты 9 обладают большей жесткостью, чем кольцо 7.
В первом варианте выполнения, как показано на фиг. 1-4 и 9-11, кольцевой резонатор в виде бокала 6 синхронизируется с ведущим элементом 8, действующим как коленчатый рычаг. На фиг. 2 показана форма резонатора в состоянии покоя, а на фиг. 1 и 3 показаны крайние положения, которые кольцевой резонатор 6 принимает по мере перемещения коленчатого рычага.
Предпочтительно кольцо 7 кольцевого резонатора 6 присоединено к платине 5 часового механизма 10 несколькими гибкими лентами 9, которые являются более гибкими, чем кольцо 7, удерживают это кольцо 7 в центре на оси А и ограничивают перемещения этого кольца в одной и той же плоскости Р, перпендикулярной оси А, до очень малых перемещений, в частности, меньших одной десятой минимального наружного размера кольца 7 в плоскости Р. В предпочтительном варианте выполнения в состоянии покоя кольцо 7 имеет по существу круглую форму, при этом указанный минимальный размер кольца равен длине малой оси эллипса, форму которого кольцо 7 принимает при крайней деформации. На фиг. 9-11 показана аналогичная конструкция, но в ней гибкие ленты 9 прикреплены в точках, которые могут становиться узлами колебаний, расположенными под углом 45° по модулю 90° относительно горизонтальной оси, показанной на чертежах, при этом кольцевой резонатор не может свободно вращаться в свободном состоянии, а имеет два ограничивающих участка, для прохождения через которые ведущий элемент вынужден оказывать дополнительное радиальное усилие на кольцо, как показано на фиг. 10.
Взаимодействие ведущего элемента 8 с кольцевым резонатором 6 является механическим, и ведущий элемент 8 создает направленную наружу радиальную силу, действующую на кольцо 7.
Во втором варианте выполнения взаимодействие ведущего элемента 8 с кольцевым резонатором 6 осуществляется посредством средств 11 магнитного взаимодействия, включающих магниты и/или магнитные полюсы.
В частности, кольцо 7 может содержать несколько первых магнитов или магнитных полюсов, а ведущий элемент 8 может содержать несколько вторых магнитов или магнитных полюсов, причем количество первых отличается от количества вторых, так что кольцо 7 и ведущий элемент 8 вместе образуют понижающий или повышающий скорость механизм. В частности, количество первых магнитов или магнитных полюсов отличается от количества вторых магнитов и магнитных полюсов на одну единицу.
Форма средств магнитного взаимодействия 11 или магнитов определяет первые участки, образующие потенциальные спуски, и вторые участки, образующие потенциальные барьеры для ограничения передачи импульса от ведущего элемента 8 к кольцевому резонатору 6.
В третьем варианте выполнения взаимодействие ведущего элемента 8 с кольцевым резонатором 6 осуществляется посредством средств электростатического взаимодействия 11, включающих в себя электреты и/или электропроводные полюсы.
Во втором или третьем варианте выполнения, как показано на фиг. 5, форма средств магнитного или, соответственно, электростатического взаимодействия 11, или указанных магнитов или, соответственно, указанных электретов определяет первые участки, образующие потенциальные спуски, и вторые участки, образующие потенциальные барьеры для ограничения передачи импульса от ведущего элемента 8 к кольцевому резонатору 6. В примере, показанном на фиг. 5, ведущий элемент 8 содержит Т-образные магниты 81, которые в определенных положениях ведущего элемента 8 относительно кольца 7 сначала частично, а затем полностью совмещаются с участками кольца 7, которые могут содержать или могут не содержать магнитные участки 71. Взаимодействие магнитов 81 с участками 71 является постепенным: сначала первая ветвь 82 магнита 81 начинает взаимодействовать с находящемся напротив него магнитным участком 71, образуя потенциальный спуск, а затем перпендикулярная планка 83 магнита 81 создает сильный потенциальный барьер, в результате которого образуется импульс.
В варианте выполнения, показанном на фиг. 4 и 5, 21 и 27-31, используется кольцо 7, которое утяжелено по окружности непрерывно или через некоторые промежутки, например, инерционными блоками 75, придающих этому кольцу 7 сходство с протектором шины транспортного средства.
На фиг. 27-31 показано, как и за счет чего такие утяжеляющие блоки снижают первую частоту собственных колебаний.
В частности, кольцо 7 может быть утяжелено непрерывно по окружности или через некоторые промежутки.
Кольцо 7 может быть утяжелено посредством множества инерционных блоков 75.
Некоторые инерционные блоки 75 могут выступать наружу от кольца, представляя собой Т-образные профили, вертикальная планка которых направлена радиально относительно оси А, а поперечная планка перпендикулярна оси А и этой вертикальной планке.
На фиг. 4 показан кольцевой резонатор 6 типа бокала, утяжеленный для снижения частоты собственных колебаний и синхронизированный с коленчатым рычагом. На фиг. 5 показан кольцевой резонатор 6 типа бокала, утяжеленный для снижения частоты собственных колебаний и магнитно-синхронизированный с колесом.
Использование магнитов в качестве элементов взаимодействия колеса с резонатором позволяет снизить потери на трение, помехи и ущерб от ударных нагрузок при падении часов. Форма магнитов может быть оптимизирована для получения эффекта спуска/барьера для ограничения передачи импульса.
В первом механическом варианте выполнения ведущий элемент 8 предпочтительно представляет собой коленчатый рычаг для механической деформации кольца 7.
В вариантах выполнения, аналогичных показанным на фиг. 5 и 6, ведущий элемент 8 представляет собой колесо, обеспечивающее бесконтактную передачу нагрузки на кольцо 7.
На колесе может быть установлен коленчатый рычаг, снабженный по меньшей мере одним роликом 85, который катится или скользит по внутренней со стороны оси А окружной поверхности кольца 7.
Кольцо 7 может иметь переменное сечение и/или различную толщину по своей окружности.
Кольцо 7 в свободном состоянии может иметь многоугольную или многолопастную форму в плоскости Р, перпендикулярной к оси А.
Кольцо 7 может быть выполнено из материала, способного к микрообработке, или из кремния и может иметь прямоугольное сечение в любой плоскости, проходящей через указанную ось А.
Кольцо 7 может быть выполнено в виде единой детали с несколькими гибкими лентами 9 для прикрепления к платине 5 часового механизма 10. В частности, кольцо 7 может быть выполнено в виде единой детали с несколькими гибкими лентами 9 и с платиной 5.
Ведущий элемент 8 может приводиться в движение посредством понижающей или повышающей передачи, установленной между средством аккумулирования энергии 3 и ведущим элементом 8. Такой понижающей или повышающей передачей может быть механизм магнитного соединения, показанный на фиг. 6. На фиг. 6 изображен кольцевой резонатор 6 типа бокала, утяжеленный для снижения частоты собственных колебаний и магнитно-синхронизированный с колесом посредством магнитной повышающей передачи, содержащей анкерное колесо, вращающееся частотой, более низкой, чем частота собственных колебаний резонатора.
Ведущий элемент 8 может включать в себя первый диск, создающий переменные магнитные поля 86 с первым шагом и взаимодействующий со вторым диском, содержащим магнитные поля 87 со вторым шагом, очень близким к первому шагу, но отличным от него.
Согласно другому варианту выполнения (не показан) совместно используется механическое и магнитное или электростатическое взаимодействия.
Изобретение также относится к часовому механизму 10, содержащему закрепленное на платине 5 средство аккумулирования энергии 3, приспособленное для приложения крутящего момента к зубчатой передаче 2 для приведения в движение механизма 1, содержащего кольцевой резонатор 6 с кольцом 7, прикрепленным гибкими лентами 9 к платине 5, и ведущий элемент 8, приводимый в движение посредством зубчатой передачи 2, при этом указанный ведущий элемент 8 выполнен с возможностью управления устройством индикации 4, в частности, секундным индикатором часового механизма 10.
Кроме того, изобретение относится к часам 100, содержащим один такой часовой механизм 10. В частности, часы 200 являются наручными.
Преимущество настоящего изобретения заключается в устранения резких перемещений, свойственных стандартному швейцарскому спуску, а также в снижении потерь вследствие ударных нагрузок, что обеспечивает существенное повышение эффективности спускового механизма.
Такой кольцевой резонатор не имеет шеек осей, и, следовательно, не имеет потерь на трение шеек оси спиральной пружины.
Благодаря отсутствию резких перемещений можно повысить частоту резонатора, и, следовательно, коэффициент качества и точность наручных часов.
Варианты выполнения с коленчатым рычагом являются чисто механическими системами синхронизации, которые невозможно отсоединить.
Часы в соответствии с изобретением также имеют эстетический эффект, поскольку содержат элементы, визуально схожие с бьющимся сердцем.