УПРУГИЙ РЕГУЛЯТОР ДЛЯ ЧАСОВОГО МЕХАНИЗМА
FLEXIBLE REGULATOR FOR CLOCK MECHANISM

Область техники, к которой относится изобретение
Объектом данного изобретения является упругий регулятор для часового механизма, в частности устройство для упругого регулирования во время вращения, позволяющее элементу часового механизма совершать поворот относительно оси вращения.
Уровень техники
В часовых механизмах имеется несколько компонентов, которые совершают поворот относительно оси вращения, такие как паллеты или балансные колеса спускового механизма. Некоторые из таких поворотных элементов соединены с пружиной, наряду с другими осциллирующими элементами, такими как баланс спускового механизма. В механических часах желательно иметь мощный механизм с целью повышения запаса мощности. Потеря энергии из-за трения в опорах поворотных элементов является одной из главных причин потерь энергии. Качество деталей также является важным фактором для механических часов.
С целью уменьшения вышеуказанных потерь был предложен упругий регулятор во время вращения, совершающий колебательные движения относительно опорного штифта без опор, раскрываемый в документе EP 2273323. Данный упругий регулятор содержит кремниевые компоненты, врезанные в кремниевую подложку для создания монолитной структуры, включающей в себя раму, упругие пластинки и центральный элемент крепления. Для получения достаточно прочной рамы и достаточной большой амплитуды поворота с целью выполнения колебательных движений, определенное количество таких монолитных структур устанавливаются одна на другую. Одним из недостатков такой конструкции являются высокие производственные затраты при изготовлении объемных монолитных элементов. Кроме того, упругие пластинки, расположенные в радиальном направлении, являются тонкими и не обладают оптимальной формой для выполнения требуемой функции, т.е. высокой гибкостью в плоскости, перпендикулярной оси вращения, и более высокой жесткостью в направлении по оси вращения. Фактически, поскольку пластинки вытравливаются в кремниевой подложке в направлении, перпендикулярном поверхности подложки, точно контролировать толщину пластинки затруднительно, что отрицательно влияет на характеристики и, в частности, на точно заданные характеристики по гибкости, жесткости и упругости.
Раскрытие изобретения
Одна из задач настоящего изобретения заключается в создании устройства для упругого регулирования во время вращения, являющегося компактным, недорогим в производстве и обладающего хорошими рабочими характеристиками.
Наличие устройства для упругого регулирования в часовом механизме, обеспечивающего большой угол поворота, является выгодным с точки зрения осуществления определенных функций.
Предлагаемый в настоящей заявке способ изготовления устройства для упругого регулирования во время вращения дает возможность производить сложные конструкции, и, в то же время, его реализация не требует больших затрат.
Предлагаемое устройство для упругого регулирования отличается очень низким потреблением энергии при использовании.
Предлагаемое устройство для упругого регулирования является высоконадежным.
Вышеуказанные задачи настоящего изобретения достигаются с помощью устройства для упругого регулирования во время вращения согласно п. 1 прилагаемой формулы для применения в часовом механизме. Зависимые пункты формулы характеризуют различные перспективные аспекты настоящего изобретения.
В данном случае описывается устройство для упругого регулирования во время вращения для применения в часовом механизме, обеспечивающее возможность поворота одного элемента относительно другого элемента вокруг оси вращения.
Предлагаемое устройство содержит конструктивные пластинки, каждая конструктивная пластинка включает в себя элемент крепления, содержащий тело и функциональную часть, отходящую от тела до одного конца; элемент крепления и функциональная часть разделены по меньшей мере одним пазом на по меньшей мере две удлиненные части, упруго соединенные друг с другом и отходящие в радиальном направлении, поперечном осевому направлению; устройство содержит также зоны крепления, расположенные на противоположных осевых торцах устройства упругого регулирования и прикрепляемые к указанным элементам. Элемент крепления каждой из конструктивных пластинок включает в себя сборочную полость или сборочный паз и сборочный выступ, которые выполнены с возможностью пересечения и вхождения друг в друга в радиальном направлении для соединения друг с другом.
В одном из вариантов исполнения конструктивные пластинки изготовляются из подложки материала, например из кристаллического материала, определяющего главную плоскость, при этом конструктивные пластинки ориентируются таким образом, что ось вращения упругого регулятора параллельна главной плоскости конструктивных пластинок.
В одном из вариантов исполнения тонкая подложка содержит два слоя одинаковой или разной толщины, сваренные или склеенные вместе, при этом конструктивная пластинка имеет участки, толщина которых соответствует толщине одного из слоев, и участки, толщина которых равна общей толщине обоих слоев.
В одном из вариантов исполнения тело представляет собой центральную часть устройства, расположенную на оси вращения устройства.
В одном из вариантов исполнения одна из конструктивных пластинок содержит паз, образующий сборочную полость, в которую вставляется функциональная часть другой пластинки, до тех пор, пока тело данной пластинки не упрется в тело первой пластинки.
Предпочтительно, каждая конструктивная пластинка производится путем осаждения и/или травления в ходе практически двухмерного процесса.
В некоторых вариантах осуществления изобретения конструктивные пластинки могут быть произведены методом гальванопластики по технологии литографии, гальванопластики и формовки (LIGA).
В некоторых вариантах осуществления изобретения конструктивные пластинки изготовляются из материала на основе кремния.
2
В некоторых вариантах осуществления изобретения конструктивные пластинки могут быть изготовлены с помощью технологии “SOI” (технология “кремний на изоляторе”). В этом варианте структура формируется путем нанесения слоя кремния на слой изолятора. В качестве изолятора может использоваться, например, сапфир или, предпочтительно, двуокись кремния (SiO).
В некоторых вариантах осуществления изобретения конструктивные пластинки могут изготовляться из Ni, NiP или из аморфных металлов.
Конструктивные пластинки также могут содержать вспомогательные структуры, служащие для облегчения сборки.
В одном из вариантов исполнения каждая конструктивная пластинка содержит функциональную часть, которая отходит в радиальном направлении в обе стороны от тела, которое образует центральную часть для вращения относительно концов пластинок.
В одном из вариантов исполнения концы пластинок являются свободными и “плавают”.
В одном из вариантов исполнения устройство может одновременно выполнять функцию пружины и опоры для осциллирующего элемента или для элемента, совершающего поворотные движения относительно оси вращения, не требуя при этом другого шарнира или опоры для поворачивающегося элемента.
В одном из вариантов исполнения каждая из конструктивных пластинок содержит лишь одну функциональную часть, отходящую от элемента крепления и образующую, например, V-образную структуру.
В одном из вариантов исполнения конструктивные пластинки содержат несколько пазов, расположенных на расстоянии друг от друга в осевом направлении, с целью образования нескольких функциональных выступов с упругими частями.
В одном из вариантов исполнения каждая конструктивная пластинка образует монолитную структуру.
В одном из вариантов исполнения устройство содержит только две монолитные конструктивные пластинки.
Краткое описание чертежей
Остальные отличительные признаки и аспекты настоящего изобретения станут более понятными после ознакомления с приведенным ниже подробным описанием возможных вариантов осуществления изобретения, прилагаемой формулой изобретения, а также с прилагаемыми чертежами.
На фиг. 1a показано схематичное перспективное изображение устройства для упругого регулирования во время вращения для часового механизма согласно одному из возможных вариантов исполнения;
на фиг. 1b - иллюстрация процесса сборки механизма упругого регулирования во время вращения в первом варианте исполнения, показанном на фиг. 1a;
на фиг. 1c - схема принципа работы устройства упругого регулирования во время вращения в часовом механизме;
на фиг. 2a, 2b - схематичные перспективные изображения с пространственным разделением элементов устройства для упругого регулирования во время вращения для часового механизма (второй вариант исполнения);
на фиг. 2c - перспективное изображение в собранном виде устройства, показанного на фиг. 2a;
на фиг. 3 - схематичное перспективное изображение устройства для упругого регулирования во время вращения для часового механизма согласно третьему варианту исполнения;
на фиг. 4a - перспективное изображение с пространственным разделением элементов устройства упругого регулирования во время вращения для часового механизма в четвертом варианте исполнения;
на фиг. 4b и 4c - перспективные изображения устройства согласно четвертому варианту исполнения в нейтральном и повернутом положениях соответственно.
Осуществление изобретения
Как видно из приведенных чертежей, устройство 2 упругого регулирования во время вращения содержит конструктивные пластинки 4a, 4b, собираемые и фиксируемые вместе с целью формирования устройства упругого регулирования во время вращения. Каждая конструктивная пластинка содержит по меньшей мере один паз 12, разделяющий конструктивную пластинку на по меньшей мере две упруго соединенные друг с другом и подвижные относительно друг друга части. Устройство упругого регулирования позволяет элементу 1 (например, балансу или паллетам) поворачиваться вокруг оси Z вращения относительно другого элемента 3 (например, относительно рамы); указанные элементы прикреплены к устройству упругого регулирования в зонах крепления 9, 11 соответственно. Зоны крепления 9, 11 расположены с противоположных сторон по оси устройства упругого регулирования; осевое направление определяется осью Z вращения.
Конструктивные пластинки 4a, 4b содержат элемент 6 крепления и функциональный элемент 10, отходящий от элемента крепления до свободного конца 8; элемент 6 крепления и функциональный элемент 10 разделены по меньшей мере одним пазом 12 на по меньшей мере две удлиненные части 17, упруго соединенные друг с другом и ориентированные в радиальных направлениях X, Y, перпендикулярных осевому направлению Z.
Устройство может иметь конструктивные пластинки с функциональными элементами с обеих сторон от элемента 6 крепления, как это показано на фиг. 1a и 1b, или с одной стороны от элемента 6 крепления, как показано на фиг. 2a-2c. Элемент 6 крепления может образовывать тело 13, которое в определенных вариантах исполнения представляет собой центральную часть устройства, через которую проходит ось Z вращения устройства.
Как показано на фигурах, осевое направление определяется осью Z, которая параллельна оси вращения устройства упругого регулирования во время вращения. Радиальные направления располагаются в плоскости осей X и Y, которая перпендикулярна ортогональному направлению Z. При использовании упругого регулятора стремятся к получению высокой жесткости в осевом направлении и высокой гибкости при вращении.
Элемент крепления содержит тело 13a и тело 13b; тело 13b является частью по меньшей мере одной из конструктивных пластинок 4b и содержит полость или сборочный паз 14, в который в радиальном направлении вставляют одну часть другой конструктивной пластинки 4a, в результате чего в элементе 6 крепления пластинки 4a, 4b пересекаются. Такое пересечение в элементе крепления двух конструктивных пластинок 4a, 4b является очень выгодным, поскольку дает возможность производить конструктивные пластинки по отдельности, независимо друг от друга, по оптимальной технологии, с целью выбора требуемой толщины пластинки и получения, в то же самое время, устройства упругого регулирования во время вращения с высокой жесткостью в осевом направлении Z. Фактически, каждая пластинка может быть произведена с помощью известных технологий осаждения или травления, с использованием, например, фотолитографической маски, из кремния или других материалов посредством практически двухмерного процесса. Двухмерный процесс дает возможность получения точной требуемой толщины по всей длине пластинки и форм, определяемых различными толщинами по длине пластинки, которые можно легко получить с высокой точностью с помощью масок, определяемых простыми фотолитографическими процессами. Направление увеличения или уменьшения пластинок зависит исключительно от направления упругого смещения Tx, Ty перпендикулярно радиальному направлению X, Y; такой процесс является простым, экономичным и позволяет легко контролировать толщину с целью получения пластинок, которые являются жесткими в осевом направлении Z, но обладают точной и хорошо управляемой упругостью в радиальном направлении, а также имеют однородную, прочную структуру.
В предпочтительном варианте исполнения настоящего изобретения конструктивные пластинки производятся из листа, вырезанного из блока материала, в частности кристаллического материала; такой лист обычно носит название “подложки”. В качестве блока материала на практике может быть использован блок монокристаллического кремния или блок какого-либо другого материала, используемого для создания подложек интегральных микросхем или в микромеханике. Травление конструктивных пластинок производится в направлении, перпендикулярном главной плоскости подложки (параллельной поверхности среза подложки). Конструктивные пластинки ориентируются таким образом, чтобы ось вращения упругого регулятора, проходящая в осевом направлении Z, была параллельна главной плоскости конструктивных пластинок. Таким образом, характеристики и упругие свойства конструктивных пластинок в направлении их упругого смещения Tx, Ty зависят от толщины пластинок в направлении, перпендикулярном главной плоскости, и эту толщину можно легко контролировать в ходе экономичного производственного процесса.
В одном из вариантов исполнения подложка может содержать два слоя одинаковой или разной толщины, сваренных или склеенных вместе, что дает возможность посредством травления получить точную толщину, соответствующую толщине одного или другого слоя. Практически, граница контакта между двумя слоями определяет порог, который дает возможность точно остановить уменьшение толщины материала в процессе травления на уровне данной границы контакта. Точность формирования толщины является важным преимуществом для обеспечения легкости контроля упругих свойств и сопротивляемости конструктивных пластинок. В данном варианте исполнения с помощью экономичного и прецизионного процесса возможно производить конструктивные пластинки с двумя уровнями, имеющие участки с толщиной, соответствующей толщине одного или другого из слоев, а также участки, толщина которых равна общей толщине обоих слоев.
Конструктивные пластинки также могут содержать вспомогательные структуры, служащие для облегчения сборки.
В варианте исполнения, показанном на фиг. 1b и 1a, одна из конструктивных пластинок 4b содержит сборочный паз 14, в который вставляется функциональная часть 10 второй пластинки 4a до тех пор, пока тело 13a данной пластинки не упрется в тело 13b конструктивной пластинки 4b. В рассматриваемом варианте исполнения каждая конструктивная пластинка 4a, 4b содержит функциональную часть 10, которая отходит в радиальном направлении в обе стороны от тела 13a, 13b, которое образует центральную часть для вращения относительно концов 8 пластинок. В данном варианте исполнения концы 8 пластинок являются свободными. Однако в некоторых вариантах исполнения концы 8 могут быть прикреплены к балансному колесу или к раме, или к каким-либо другим элементам конструкции.
Тело 13a, 13b прикреплено в зонах крепления 9, 11 с обеих сторон от паза 12 к двум элементам, один из которых может перемещаться относительно другого. Например, одна из зон 9 крепления может быть прикреплена к раме, а другая зона крепления - к элементу, который поворачивается относительно рамы. В данном варианте исполнения устройство может одновременно выполнять функцию пружины и опоры для осциллятора или шарнирно установленного элемента, совершающего колебания относительно оси Z вращения, не требуя при этом другого шарнира или опоры для колебательного элемента. Однако данное устройство может быть использовано и в других конфигурациях; например, центральное тело 13 может быть прикреплено к двум подвижным элементам в зонах 9, 11 крепления, а концы 8 пластинок могут быть прикреплены к раме.
В варианте осуществления изобретения, показанном на фиг. 2a-2c, каждая из конструктивных пластинок 4а, 4b содержит только одну функциональную часть 10, которая отходит от элемента крепления 6, образуя V-образную структуру. Осевые торцы 9, 11 элемента 6 крепления могут соединяться с элементами или структурами, являющимися подвижными относительно друг друга. Элемент 6 крепления каждой из конструктивных пластинок 4a, 4b включает в себя сборочный паз 14 и сборочный выступ 15, который входит в вышеуказанный паз 15, и они соединяются друг с другом. Две конструктивные пластинки могут быть соединены друг с другом с помощью сварки или пайки, адгезива или защелки, а также любых других средств механического соединения. Конструктивные пластинки 4а, 4b могут содержать несколько пазов 12, расположенных на расстоянии друг от друга в осевом направлении Z, как показано на фиг. 2c, фиг. 3 и фиг. 4a-4c, с целью образования нескольких функциональных выступов с упругими элементами 16. Это дает возможность увеличения амплитуды угла упругого поворота между зонами 9, 11 крепления.
Конструктивные пластинки могут иметь сложную форму, при одновременной простоте их производства с высокой точностью, путем изменения толщины посредством травления, соответственно, осаждения, в направлении T, как это показано, например, на фиг. 2a-2c, с функциональными частями, содержащими упругие элементы 16 и жесткую часть 18 между упругими элементами, а также радиальный паз 12 или несколько радиальных пазов 12. Еще в одном варианте исполнения, который показан на фиг. 4a-4c, пластинки содержат упругие элементы 16, отходящие в радиальном направлении на всю длину пластинки и прикрепленные своими концами 8 к жестким частям 18, которые проходят от концов 8 до оси Z вращения. Упругие элементы имеют более тонкие стенки, чем стенки жестких частей.
Упругость конструктивных пластинок в направлении вращения (направление T) можно регулировать посредством изменения длины жестких частей 18, и, соответственно, длины упругих частей 16, а также путем изменения количества радиальных удлиненных элементов, и, соответственно, пазов, расположенных один на другом в осевом направлении. Аналогичным образом, это дает возможность регулирования распределения масс, и, в конечном итоге, не только модуля упругости, но и резонансных частот, в частности резонансных частот первого порядка упругой системы.
Одно из преимуществ настоящего изобретения заключается в том, что конструктивные пластинки можно изготовлять в виде структурных элементов и в двух уровнях: толщина первого уровня может быть очень малой, например порядка 10 мкм, с целью создания гибкой пластинки, а толщину второго уровня можно делать намного больше, например порядка 400 мкм, что дает возможность создания жестких опор, обеспечивая, таким образом, практически планарную двухуровневую структуру с пазом. Сборка двух пластинок, т.е. их соединение с пересечением, осуществляется очень просто.
Упругий регулятор согласно настоящему изобретению может применяться для решения многих задач, например, в качестве направляющей для паллет в часах или направляющей баланса в часах; при этом баланс больше не должен обязательно иметь ни осевой штифт, упирающийся в опору, создавая при этом трение, ни спиральную пружину, поскольку оба этих элемента заменяются упругим регулятором.
Используемые термины и позиции
1 - элемент (например, балансное колесо)
2 - устройство упругого регулирования во время вращения
3 - элемент (например, рама)
4a, 4b - конструктивные пластинки
6 - элемент крепления
13 - тело
14 - сборочная полость/сборочный паз
15 - сборочный выступ
8 - свободный конец
10 - функциональная часть
17 - радиальная удлиненная часть
16 - упругая часть
18 - жесткая часть
12 - радиальный паз
9, 11 - зоны крепления
Z - осевое направление/ось вращения
X, Y - радиальные направления
X-Y - радиальная плоскость
Z-X, Z-Y - аксиальная плоскость
Tx, Ty - направления упругого смещения