КОМПАКТНАЯ БАЛАНСИРНАЯ ПРУЖИНА ПОСТОЯННОГО СЕЧЕНИЯ
COMPACT BALANCING SPRING OF CONSTANT CROSS-SECTION

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к компактной балансирной пружине, в частности к пружине, предназначенной для взаимодействия с балансирным колесом с целью образования резонатора.
Уровень техники
Стоимость кремниевой балансирной пружины, по существу, пропорциональна площади ее поверхности, т.е. чем больше пружин можно получить травлением на одной и той же пластине, тем меньше будет себестоимость балансирной пружины.
Однако невозможно уменьшить размеры балансирной пружины в произвольном порядке, поскольку витки балансирной пружины не касаются друг друга ни в сжатом, ни в растянутом состоянии.
Раскрытие сущности изобретения
Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы устранить все или часть вышеуказанных недостатков с помощью предлагаемой компактной балансирной пружины, обеспечивая при этом то, что ее витки не касаются друг друга ни в сжатом, ни в растянутом состоянии.
Указанная задача решена в цельной балансирной пружине, содержащей одиночную полосу, намотанную между внутренним витком и наружным витком, при этом полоса содержит в исходном состоянии между концом внутреннего витка и вторым витком первую область, в которой шаг уменьшается, вторую область как продолжение первой области, в которой шаг между каждым витком непрерывно увеличивается, так что когда угол сжатия балансирной пружины составляет 360 градусов, обеспечивается постоянное расстояние между каждым витком от внутреннего витка до предпоследнего витка.
Преимущественно по изобретению следует принять во внимание, что балансирная пружина является максимально компактной, обеспечивая при этом постоянное минимальное расстояние между витками в сжатом состоянии и, возможно, также в растянутом состоянии. Следовательно, можно свести к минимуму размер балансирной пружины без потери характеристик измерения времени. С помощью такой балансирной пружины можно оптимизировать число балансирных пружин, изготавливаемых травлением на одной и той же пластине для уменьшения себестоимости единицы продукции.
По другим преимущественным вариантам изобретения:
- во второй области шаг между каждым витком непрерывно увеличивается на постоянную величину;
- вторая область имеет постоянное сечение;
- первая область имеет сечение, которое уменьшается между концом внутреннего витка и соединением со второй областью;
- первая область имеет сечение, идентичное сечению второй области;
- балансирная пружина содержит третью область, как продолжение второй области, между началом предпоследнего витка и концом наружного витка, в которой шаг непрерывно увеличивается таким образом, что когда угол растяжения балансирной пружины имеет величину 360 градусов, обеспечивается минимальное расстояние между предпоследним витком и наружным витком для предотвращения контакта между ними;
- в третьей области шаг непрерывно увеличивается на постоянную величину;
- третья область содержит первый участок, сечение которого по существу соответствует сечению второй области, и второй участок, как продолжение первого участка, сечение которого увеличивается, когда он приближается к концу наружного витка;
- третья область содержит первый участок, сечение которого по существу идентично сечению второй области, и второй участок, как продолжение первого участка, сечение которого увеличено по отношению к сечению второй области и является постоянным к концу наружного витка;
- балансирная пружина изготавливается на основе кремния.
Кроме того, изобретение относится к резонатору, характеризующемуся тем, что он содержит баланс, взаимодействующий с балансирной пружиной по любому из вышеуказанных вариантов.
Краткое описание чертежей
Другие отличительные признаки и преимущества станут понятными из приведенного ниже описания, приведенного в качестве неограничивающего примера со ссылкой на приложенные чертежи.
На фиг. 1 показан вид сверху балансирной пружины по изобретению в сжатом состоянии;
на фиг. 2 - вид сверху балансирной пружины по изобретению в исходном состоянии;
на фиг. 3 - вид сверху балансирной пружины по изобретению в растянутом состоянии;
на фиг. 4 - график, показывающий изменение шага между витками в качестве функции числа витков балансирной пружины;
на фиг. 5 - график, показывающий изменение толщины витков в качестве функции числа витков балансирной пружины;
на фиг. 6 - график, показывающий изменение расстояния между витками в качестве функции числа витков балансирной пружины и состояния балансирной пружины;
на фиг. 7 - вид сверху на альтернативный вариант балансирной пружины по изобретению в исходном состоянии;
на фиг. 8 - график, показывающий изменение шага между витками в качестве функции числа витков в альтернативном варианте балансирной пружины;
на фиг. 9 - график, показывающий изменение толщины витков в качестве функции числа витков в альтернативном варианте балансирной пружины;
на фиг. 10 - график, показывающий изменение расстояния между витками в качестве функции числа витков балансирной пружины и состояния альтернативного варианта балансирной пружины.
Осуществление изобретения
Изобретение относится к компактной балансирной пружине, предназначенной для взаимодействия с балансиром с целью образования резонатора пружинно-балансного типа для часов. Разумеется, балансирная пружина может включать в себя коронку, составляющую одно целое с концом внутреннего витка, и/или штифтовое средство крепления, составляющее одно целое с концом наружного витка без отклонения от объема изобретения. Однако для ясности описания коронка и/или средство крепления не показаны.
Настоящее изобретение предназначено для изготовления максимального количества балансирных пружин на одной и той же пластине на основе кремния, обеспечивая при этом то, что витки каждой балансирной пружины не касаются друг друга ни в сжатом состоянии, ни в растянутом состоянии. Однако следует принять во внимание, что балансирная пружина не ограничивается до материала на основе кремния. Следует понимать, что без ограничения такая же логическая схема может применяться для балансирной пружины, образованной по технологии LIGA, т.е. с использованием электропроводящего материала.
Выражение «на основе кремния» относится к материалу, который содержит монокристаллический кремний, легированный монокристаллический кремний, поликристаллический кремний, пористый кремний, диоксид кремния, кварц, кремнезем, нитрид кремния или карбид кремния. Разумеется, когда материал на основе кремния находится в кристаллической фазе, может использоваться кристаллическая ориентация.
I
E
I
2
I
2
Как показано на фиг. 2, настоящее изобретение относится к цельной балансирной пружине 1, содержащей одиночную полосу 3, намотанную между внутренним витком S и наружным витком S. По изобретению полоса 3 балансирной пружины 1 в исходном положении, показанном на фиг. 2, содержит между концом 5 внутреннего витка S и началом второго витка S первую область А, где шаг между внутренним витком S и вторым витком S уменьшается.
I
I
P
Преимущественно, балансирная пружина 1 содержит как продолжение первой области А вторую область В, в которой шаг между каждым витком непрерывно увеличивается, так что когда балансирная пружина 1 сжимается, т.е. когда конец 5 внутреннего витка S выполняет вращение на по существу -360 градусов по отношению к центру балансирной пружины 1, как показано на фиг. 1, обеспечивается по существу постоянное расстояние между каждым витком от внутреннего витка S до предпоследнего витка S.
Предпочтительно, как показано на фиг. 4, шаг между каждым витком непрерывно увеличивается на по существу постоянную величину во второй области В. Предпочтительно, согласно изобретению вторая область В имеет постоянное сечение. Таким образом, например, постоянное сечение может иметь постоянную толщину, составляющую 10-50 мкм, и постоянную высоту, составляющую 50-250 мкм.
P
E
P
E
I
P
E
P
E
По дополнительному отличительному признаку преимущественно по изобретению балансирная пружина содержит третью область С, как продолжение второй области В, между началом предпоследнего витка S и концом 7 наружного витка S, в которой шаг между предпоследним витком S и наружным витком S непрерывно увеличивается, так что когда балансирная пружина 1 растягивается, т.е. когда конец 5 внутреннего витка S выполняет вращение на по существу +360 градусов по отношению к центру балансирной пружины 1, как показано на фиг. 3, обеспечивается минимальное расстояние между предпоследним витком S и наружным витком S для предотвращения контакта, в частности, между предпоследним витком S и наружным витком S.
1
2
Предпочтительно, как показано на фиг. 4, шаг между каждым витком непрерывно увеличивается на вторую по существу постоянную величину в третьей области С. Как видно на фиг. 4, вторая по существу постоянная величина предпочтительно больше, чем первая по существу постоянная величина второй области В. Кроме того, предпочтительно по изобретению третья область С содержит первый участок C, толщина которого по существу идентична толщине второй области В, и второй участок C, толщина которого непрерывно увеличивается.
E
На фиг. 4 представлен первый график, показывающий изменение шага Р между витками в качестве функции числа витков балансирной пружины. Можно видеть, что в первой области А балансирной пружины 1 шаг уменьшается по существу постоянным образом вплоть до начала второй области В. На фиг. 4 можно видеть, что вторая область В имеет по существу постоянное увеличение шага вплоть до третьей области С. Область С имеет по существу постоянное увеличение шага вплоть до конца 7 наружного витка S. Как видно на фиг. 4, по существу постоянное увеличение шага в третьей области С намного более резко выраженное, чем в области В.
1
2
1
E
Взаимосвязанным образом на фиг. 5 представлен второй график, показывающий изменение толщины Е витков в качестве функции числа витков балансирной пружины. Можно видеть, что в первой области А балансирной пружины 1 толщина уменьшается вплоть до начала второй области В. На фиг. 5 можно видеть, что вторая область В имеет постоянную толщину вплоть до третьей области С. Область С имеет первый участок C, толщина которого остается постоянной, и второй участок C как продолжение первого участка C, толщина которого увеличивается к концу 7 наружного витка S.
И, наконец, на фиг. 6 представлен график, показывающий изменение ΔР расстояния между витками в качестве функции числа витков балансирной пружины. В частности, расстояние ΔР между витками показано для балансирной пружины в сжатом состоянии, показанном на фиг. 1 (кривая, отмеченная квадратом ), в исходном состоянии, показанном на фиг. 2 (кривая, отмеченная треугольником Δ), и в растянутом состоянии, показанном на фиг. 3 (кривая, отмеченная кругом ).
Соответственно, в растянутом состоянии, отмеченном кругом (), можно видеть, что в первой области А балансирной пружины 1 расстояние ΔР между витками уменьшается вплоть до начала второй области В. Следует отметить, что далее во второй и третьей областях В и С расстояние ΔР между витками непрерывно увеличивается до тех пор, пока в фиксированной точке крепления к штифту конца 7 расстояние между витками не вернется к минимальному значению.
E
Это логично, поскольку в исходном состоянии кривая, отмеченная треугольником (Δ) на фиг. 6, идентична кривой на фиг. 4. И, наконец, в сжатом состоянии, отмеченном квадратом (), можно видеть, что в первой и второй областях А и В балансирной пружины 1 расстояние ΔР между витками по существу постоянное и равно минимальному значению. Далее следует отметить, что в третьей области С наблюдается непрерывное увеличение расстояние ΔР между витками к концу 7 наружного витка C.
Следует отметить, что на фиг. 6 минимальные значения кривых, отмеченных кругом () и квадратом (), не являются идентичными. Однако они могут быть геометрически идентичными.
Аналогично, значения, показанные на фиг. 4-6, используются только в качестве примеров. В зависимости от конфигураций балансирной пружины и/или резонатора, к которому она относится, выбранное минимальное значение могло бы отличаться от величины 20 мкм, выбранной в качестве примера на фиг. 6. Следовательно, понятно, что минимальное значение кривых, отмеченных кругом () и квадратом (), могли бы быть выбраны меньше или больше 20 мкм.
E
I
Преимущественно, согласно изобретению следует принять во внимание, что эти конкретные отличительные признаки балансирной пружины 1 обеспечивают максимальную компактность пружины в исходном состоянии, гарантируя при этом постоянное минимальное расстояние между витками в сжатом состоянии и, возможно, также в растянутом состоянии. Балансирная пружина 1 в исходном состоянии имеет 11,4 витка при максимальном радиусе приблизительно 1,2 миллиметра, т.е. расстоянии между геометрическим центром балансирной пружины 1 и концом наружного витка S. Для полноты описания исследование показало, что расстояние между геометрическим центром балансирной пружины 1 и концом 5 внутреннего витка S составляло приблизительно 0,5 миллиметра. Таким образом, размер балансирной пружины может быть сведен к минимуму без потери характеристик измерения времени. С помощью балансирной пружины по изобретению можно оптимизировать число балансирных пружин, изготавливаемых травлением на одной и той же пластине для уменьшения себестоимости единицы продукции.
Разумеется, настоящее изобретение не ограничивается до иллюстративного примера и может содержать ряд вариантов и модификаций, которые могут быть предложены специалистами в этой области техники. В частности, геометрия, т.е. варианты шага и сечения, например толщина и число витков, могут варьироваться в зависимости от предполагаемых применений.
I
E
I
2
I
2
В качестве примера на фиг. 7 показан вариант, альтернативный варианту из фиг. 2. Альтернативный вариант изобретения относится к цельной балансирной пружине 11, содержащей одиночную полосу 13, намотанную между внутренним витком S и наружным витком S. По изобретению полоса 13 балансирной пружины 11 в исходном положении, показанном на фиг. 7, содержит между концом 15 внутреннего витка S и началом второго витка S первую область А, где шаг между внутренним витком S и вторым витком S уменьшается.
I
I
P
Предпочтительно, балансирная пружина 11 содержит как продолжение первой области А вторую область В, в которой шаг между каждым витком непрерывно увеличивается, так что когда балансирная пружина 11 сжимается, т.е. когда конец 15 внутреннего витка S выполняет вращение на по существу -360 градусов по отношению к центру балансирной пружины 11, как и в случае с балансирной пружиной 1, обеспечивается по существу постоянное расстояние между каждым витком от внутреннего витка S до предпоследнего витка S.
Предпочтительно, как показано на фиг. 8, шаг между каждым витком непрерывно увеличивается на по существу постоянную величину во второй области В. Кроме того, предпочтительно по альтернативному варианту вторая область В имеет постоянное сечение. Таким образом, например, постоянное сечение может иметь постоянную толщину, составляющую 10-50 мкм, и постоянную высоту, составляющую 50-250 мкм.
P
E
P
E
I
P
E
P
E
По дополнительному отличительному признаку согласно изобретению предпочтительно балансирная пружина 11 содержит третью область С, как продолжение второй области В, между началом предпоследнего витка S и концом 17 наружного витка S, в которой шаг между предпоследним витком S и наружным витком S непрерывно увеличивается, так что когда балансирная пружина 11 растягивается, т.е. когда конец 15 внутреннего витка S выполняет вращение на по существу +360 градусов по отношению к центру балансирной пружины 11, как и в случае с балансирной пружиной 1, обеспечивается минимальное расстояние между предпоследним витком S и наружным витком S для предотвращения контакта, в частности, между предпоследним витком S и наружным витком S.
1
2
E
Предпочтительно, как показано на фиг. 8, шаг между каждым витком непрерывно увеличивается на вторую по существу постоянную величину в третьей области С. Как видно на фиг. 8, вторая по существу постоянная величина предпочтительно больше, чем первая по существу постоянная величина второй области В. Кроме того, предпочтительно по изобретению третья область С содержит первый участок C, толщина которого по существу идентична толщине второй области В, и второй участок C, толщина которого увеличена по отношению к области В и является постоянной вплоть до конца 17 наружного витка S.
E
На фиг. 8 представлен первый график, показывающий изменение шага Р между витками в качестве функции числа витков балансирной пружины 11. Можно видеть, что в первой области А балансирной пружины 11 шаг уменьшается вплоть до начала второй области В. На фиг. 8 можно видеть, что вторая область В имеет по существу постоянное увеличение шага вплоть до третьей области С. Область С имеет по существу постоянное увеличение шага вплоть до конца 17 наружного витка S. Как видно на фиг. 8, по существу постоянное увеличение шага в третьей области С намного более резко выраженное, чем в области В.
1
2
1
E
Взаимосвязанным образом на фиг. 9 представлен второй график, показывающий изменение толщины Е витков в качестве функции числа витков балансирной пружины 11. Можно видеть, что в первой области А и второй области В балансирная пружина 11 имеет постоянную толщину вплоть до третьей области С. Область С имеет первый участок C, сечение которого по существу идентично сечению первой и второй областей А, В, и второй участок C как продолжение первого участка C, сечение которого увеличено по отношению к сечению второй области В и является постоянным вплоть до конца 17 наружного витка S.
И, наконец, на фиг. 10 представлен график, показывающие изменение ΔР расстояния между витками в качестве функции числа витков балансирной пружины 11. В частности, расстояние ΔР между витками показано для балансирной пружины 11 в сжатом состоянии (кривая, отмеченная квадратом ), в исходном состоянии, показанном на фиг. 7 (кривая, отмеченная треугольником Δ), и в растянутом состоянии (кривая, отмеченная кругом ).
Соответственно, в растянутом состоянии, отмеченном кругом (), можно видеть, что в первой области А балансирной пружины 11 расстояние ΔР между витками уменьшается вплоть до начала второй области В. Следует отметить, что далее во второй и третьей областях В и С расстояние ΔР между витками непрерывно увеличивается до тех пор, пока в фиксированной точке крепления к штифту конца 17 расстояние между витками не вернется к минимальному значению.
E
Это логично, поскольку в исходном состоянии кривая, отмеченная треугольником (Δ) на фиг. 10, идентична кривой на фиг. 8. И, наконец, в сжатом состоянии, отмеченном квадратом (), можно видеть, что в первой области А балансирной пружины 11 расстояние ΔР между витками уменьшается вплоть до начала второй области В. Затем во второй области В балансирной пружины расстояние ΔР между витками преимущественно является постоянным и равно минимальному значению. Следует отметить, что в третьей области С обеспечивается постоянное увеличение расстояния ΔР между витками к концу 17 наружного витка S.
Следует отметить, что на фиг. 10 минимальные значения кривых, отмеченных кругом () и квадратом (), не являются идентичными. Однако они могут быть геометрически идентичными.
Аналогично, значения, показанные на фиг. 8-10, используются только в качестве примеров. В зависимости от конфигураций балансирной пружины и/или резонатора, к которому она относится, выбранное минимальное значение могло бы отличаться от величины 20 мкм, выбранной в качестве примера на фиг. 10. Следовательно, понятно, что минимальное значение кривых, отмеченных кругом () и квадратом (), могли бы быть выбраны меньше или больше 20 мкм.
E
I
Преимущественно по изобретению следует принять во внимание, что эти конкретные отличительные признаки балансирной пружины 11 обеспечивают максимальную компактность пружины в исходном состоянии, гарантируя по существу постоянное минимальное расстояние между витками в сжатом состоянии и, возможно, также в растянутом состоянии. Балансирная пружина 11 в исходном состоянии имеет 11,6 витка при максимальном радиусе приблизительно 1,6 миллиметра, т.е. расстоянии между геометрическим центром балансирной пружины 11 и концом 17 наружного витка S. Для полноты описания исследование показало, что расстояние между геометрическим центром балансирной пружины 11 и концом 15 внутреннего витка S составляло приблизительно 0,5 миллиметра. Таким образом, размер балансирной пружины может быть сведен к минимуму без потери характеристик измерения времени. С помощью балансирной пружины по изобретению можно оптимизировать число балансирных пружин, изготавливаемых травлением на одной и той же пластине для уменьшения себестоимости единицы продукции.
Кроме того, количество витков могло бы быть уменьшено для еще большего уменьшения размера балансирной пружины 1, 11.
Также ясно, что угол 360° сжатия или расширения может быть уменьшен без отклонения от объема изобретения. Фактически, этот угол был выбран по той причине, что он теоретически не может быть превышен. Однако важным моментом является не угол, на котором расстояние является минимальным, а то, чтобы минимальное расстояние никогда не превышалось. Следовательно, надо принять во внимание, что можно специально выбирать меньшее значение угла, поскольку в зависимости от конфигурации движения ясно, что этот угол не будет превышаться при нормальной работе.
Кроме того, значения ординаты на фиг. 4 не ограничиваются. Таким образом, в зависимости от сечения второй области В максимальный шаг первой области А и/или третьей области С может варьироваться. Следовательно, ясно, что поддерживаются только вариации шага, но необязательно с одними и теми же минимальными и/или максимальными значениями.
Аналогично, значения ординаты на фиг. 5 не ограничиваются. Таким образом, в зависимости от толщины второй области В максимальная толщина первой области А и/или третьей области С может варьироваться. Следовательно, ясно, что поддерживаются только вариации толщины, но необязательно с одними и теми же минимальными и/или максимальными значениями.
Так же существует возможность комбинирования примеров из фиг. 2 и 7 без отклонения от объема изобретения. В качестве примера можно было бы рассмотреть балансирную пружину с областями А и В из фиг. 2 и областью С из фиг. 7 или балансирную пружину с областями В и С из фиг. 2 и областью А из фиг. 7.
И, наконец, несмотря на то, что расчеты были основаны на изменении толщины, ясно, что изменение следует понимать как изменение сечения, т.е. высоты и/или толщины полосы балансирной пружины.