МЕХАНИЗМ ДЛЯ НАСТРОЙКИ ЧАСТОТЫ ГЕНЕРАТОРА КОЛЕБАНИЙ ЧАСОВ
MECHANISM FOR TUNING OSCILLATION FREQUENCY GENERATOR CLOCK

Область техники
Изобретение относится к микросистеме для настройки частоты генератора колебаний часов, включающей в себя по меньшей мере один колесно-инерционный блок, способный поворачиваться относительно подложки, входящей в состав указанной микросистемы, и содержащий эксцентричный дисбаланс и зубчатый венец, при этом указанная микросистема содержит по меньшей мере один привод, предназначенный для приведения в действие управляющего маховика, рычага или храповика, указанную активную собачку для приведения в движение указанного зубчатого венца; указанная микросистема содержит также по меньшей мере одно устройство фиксации указанного зубчатого венца в положении.
Изобретение также относится к генератору колебаний часов, содержащему по меньшей мере одну такую микросистему.
Изобретение также относится к часовому механизму, содержащему по меньшей мере один такой генератор колебаний.
Изобретение также относится к часам, содержащим по меньшей мере одну такую микросистему или один такой генератор колебаний.
Изобретение также относится к устройству для настройки частоты генератора колебаний часов, составляющему по меньшей мере одни такие часы.
Изобретение относится к области регулировки генераторов колебаний часов, в частности, к области механических часовых механизмов.
Предшествующий уровень техники
Настройка хода механических часов является задачей специалиста и требует тщательной, точной и аккуратной работы.
Для настройки хода механических часов, как правило, необходимо вскрыть корпус и извлечь часовой механизм, чтобы получить доступ к компонентам, с помощью которых можно настроить ход часов, в обычном случае, при использовании генератора колебаний с пружинным балансом, частота колебаний которого зависит от инерции баланса и жесткости пружины баланса, к компонентам, позволяющим влиять на эти два параметра, а именно:
- к винтам на плечах или ободке баланса, с помощью которых посредством вращения можно изменять инерцию баланса;
- к вращательному регулятору, служащему для изменения жесткости пружины баланса;
или
- к аналогичным элементам.
Поэтому эта операция требует дополнительных операций, требующих больших затрат времени. Кроме того, необходимо также повторно проверить состояние уплотнений. Часто случается, что операция переустановки часового механизма в таком случае приводит к другому изменению хода, и это означает, что операцию настройки необходимо повторять.
В патентном документе ЕР 2410386 А1 раскрыт так называемый оснащенный баланс для часов с возможностью регулирования инерции для ее настройки и/или уравновешивания баланса и/или настройки частоты колебаний баланса, который содержит вставку, установленную в углублении на ободке и соединенную с втулкой соединительной поверхностью. Этот баланс или вставка оснащены эластичными удерживающими средствами, которые позволяют вставлять вставку в напряженном состоянии в ее гнездо, а по окончании вставки каждой вставки предотвращают выход любой вставки из ее гнезда. Данные эластичные удерживающие средства могут быть выполнены непосредственно в ободке баланса.
Раскрытие изобретения
Изобретение позволяет точно или грубо настраивать функцию механических часов, и более конкретно, настраивать часовой ход механизма механических часов без вскрытия корпуса часов.
Изобретение позволяет использовать свойства передачи энергии световым, лазерным или аналогичным лучом внутри корпуса часов с целью упругой деформации некоторых областей генератора колебаний.
В связи с этим, объектом изобретения является механизм для настройки частоты генератора колебаний часов по п. 1.
Объектом изобретения является также генератор колебаний часов по п. 20, содержащий по меньшей мере одну такую микросистему.
Объектом изобретения является также часовой механизм по п. 22, содержащий по меньшей мере один такой генератор колебаний.
Объектом изобретения являются также часы по п. 23, содержащие по меньшей мере одну такую микросистему или по меньшей мере один такой генератор колебаний.
Объектом изобретения является также устройство для настройки частоты генератора колебаний часов, составляющее по меньшей мере одни такие часы, по п. 24.
Краткое описание чертежей
Другие особенности и преимущества изобретения станут более понятными из последующего подробного описания со ссылками на чертежи.
На фиг. 1 схематично показан оснащенный баланс для механизма генератора колебаний часов, содержащего установленные на ободке баланса две микросистемы согласно изобретению, предназначенные для преобразования потока световой энергии, сконцентрированного по меньшей мере в одной области нагрева, в изменение инерции оснащенного баланса, посредством изменения распределения в пространстве грузиков, входящих в состав баланса, вид спереди;
на фиг. 2 схематично показана часть часов, в состав которых входит корпус, закрытый прозрачной задней крышкой, в котором установлен часовой механизм, содержащий механический генератор колебаний, только оснащенный баланс которого показан на фиг. 1, одна часть поверхности которого расположена в области, освещаемой световым лучом от внешнего источника, сконцентрированного с помощью линзы и проходящего сквозь прозрачную заднюю крышку корпуса, вид в разрезе;
на фиг. 3 схематично показана микросистема согласно изобретению, включающая в себя закрепленный на подложке термомеханический привод, образованный деформируемой подвижной частью в форме креста с двумя продольными плечами, соединенными друг с другом попеременно расположенными шейками и грузиками, и немного смещенными относительно друг друга в поперечном направлении, которые образуют опору на подложке, и содержащая поперечное плечо, называемое рычагом, с установленной на нем так называемой активной собачкой, предназначенной для приведения в движение зубчатого венца колесно-инерционного блока с эксцентричным дисбалансом, который может поворачиваться относительно подложки и содержащий еще один консольный поперечный рычаг, образующий уравновешивающий противовес, вид спереди;
на фиг. 4 - микросистема на фиг. 3, вид в разрезе по линии А-А;
на фиг. 5 - вариант выполнения термомеханического привода, показанного на фиг. 3, Т-образной формы и без противовесов на продолжении рычага, но с небольшим смещением в поперечном направлении продольных плеч в конфигурации, отличающейся от показанной на фиг. 3;
на фиг. 6 - диаграмма распределения температуры в приводе, показанном на фиг. 5, в котором температура дальних концов продольных плеч и дальнего конца рычага равна температуре окружающей среды, в то время как центральная часть, в которой расположены шейки, находится в области нагрева и имеет высокую температуру, которая составляет от 150°C до 300°C;
на фиг. 7 схематично показан деформированный термомеханический привод, представленный на фиг. 5, при воздействии высокой температуры;
на фиг. 8 увеличено показаны шейки, вид спереди;
на фиг. 9 - график, показывающий зависимость квазилинейного перемещения дальнего конца рычага, соответствующего перемещению первой активной собачки, от разности температур между областью нагрева и подложкой;
на фиг. 10 - аналогичный график, поясняющий квазилинейное изменение напряжения в шейках от температуры;
на фиг. 11 - график, аналогичный приведенному на фиг.9, для привода, показанного на фиг. 3;
на фиг. 12 колесно-инерционный блок, увеличенный вид;
на фиг. 13 - график, показывающий синусоидальное изменение хода часов в зависимости от угла поворота колесно-инерционного блока;
на фиг. 14 - блок-схема входящего в состав часов с часовым механизмом устройства для настройки частоты генератора колебаний часов, содержащего генератор колебаний с микросистемой согласно изобретению; причем это устройство включает в себя средства управления, соединенные со средством контроля частоты и средством контроля температуры, установленные рядом с корпусом часов.
Варианты осуществления изобретения
Изобретение обеспечивает регулирование или настройку хорологической функции, в частности, настройку механического часового механизма, без вскрытия корпуса 90 часов 1.
В зависимости от конструкции и размеров механизма согласно изобретению, а также от его назначения, можно выполнять точную или грубую настройку. Фактически, говоря более точно, изобретение направлено на обеспечение возможности микрометрической настройки с целью точной настройки хода часов с часовым механизмом, установленным в корпусе в своей конечной конфигурации, и приведенные в описании в качестве примера числовые величины соответствуют такой точной настройке. Специалистам в данной области будет понятно, что принцип изобретения можно распространить и на другие часовые механизмы, требующие большей амплитуды настройки.
В связи с этим, объектом изобретения является устройство 1000 для настройки функции часов, в частности, настройки частоты генератора колебаний 100 часов, в частности, для механического часового механизма 200.
Часовой механизм 200 подробно не показан на чертежах.
Генератор колебаний 100 показан не полностью. Этот генератор колебаний, в частном, неограничивающем случае, содержит узел пружинного баланса, и только оснащенный баланс 70 показан на чертежах. Изобретение относится к изменению инерции баланса часов или изменению положения центра масс (корректировке дисбаланса).
Действительно, в предпочтительном варианте, показанном на чертежах, согласно изобретению используют вращение одного или более колесно-инерционных блоков с эксцентричными частями, косвенно соединенными с балансом внутри оптически управляемых микросистем 10, каждая из которых содержит подложку 60, закрепленную на самом балансе 7, или выполненную в виде единой детали с самим балансом 7: изобретение позволяет изменять угловое положение каждого колесно-инерционного блока, и, таким образом, изменять положение центра масс конкретного колесно-инерционного блока относительно главной оси D поворота баланса 7.
Таким образом, общая инерция оснащенного баланса 70, включающего в себя непосредственно баланс и микросистему или микросистемы 10, в некоторых случаях может оставаться неизменной, если центр масс колесно-инерционного блока остается на том же радиусе относительно главной оси D качания баланса, в то время как результирующее положение центра масс может быть изменено. Разумеется, при использовании нескольких микросистем, в зависимости от их расположения, можно осуществлять их симметричное маневрирование, которое не будет изменять положение общего центра масс, или перемещать их независимо друг от друга, что обеспечивает возможность изменения положения общего центра масс, а также корректировки любой имеющейся разбалансировки самого баланса. Выражение «изменение инерции» далее везде используется для обозначения как изменения численного значения инерции относительно оси, так и изменения результирующего положения центра масс мобильной части относительно такой оси.
Изобретение направлено на использование свойств передачи энергии световым, лазерным или аналогичным лучом внутри корпуса 90 часов для упругой деформации некоторых участков генератора колебаний 100.
Специалистам в области генераторов колебаний с узлом пружинного баланса или генераторов колебаний с узлом балансного колеса с торсионной пружиной, которые встречаются гораздо реже, будет понятно, как применить идеи изобретения для того, чтобы обеспечить управляемые микроперемещения, с целью изменения жесткости пружины баланса или натяжения торсионной пружины, прямым или косвенным образом, посредством воздействия на средства крепления или натяжения таких упругих возвращающих средств.
Изобретение поясняется на примере изменения инерции части генератора колебаний, образуемой балансным колесом. Специалистам в данной области техники будет понятно, каким образом можно распространить применение оптически управляемых микросистем 10, подробно рассматриваемых в описании, для оказания воздействия на другой компонент генератора колебаний с целью настройки таких средств крепления или натяжения для изменения жесткости пружины баланса или регулирования полезной длины пружины баланса, или других средств.
В первую очередь, изобретение касается микросистемы 10 для настройки функции часов, и, более конкретно, в устройстве, показанном на чертежах, микросистемы для настройки частоты генератора колебаний часов, в частности, механического часового механизма.
Согласно изобретению используется передача энергии посредством оптических средств для перемещения механического управляющего элемента.
Предпочтительно, изобретение касается выполненных по передовой технологии часов с прозрачной задней крышкой 2 корпуса, сквозь которую может проходить излучение определенного заданного диапазона длины волны, например, световой луч 3 или любой другой оптический луч. Разумеется, свет может также проходить, в частности, в часовом механизме с мостами, через верхнюю сторону корпуса, которая представляет собой кристалл и является прозрачной для пользователя, или через боковые стенки корпуса 90. В варианте, который не показан, в часах 1 свет может также проходить по оптическому волокну или световоду, что позволяет создавать непрямолинейную траекторию прохождения луча.
Таким образом, рассматривается частный, неограничивающий вариант, согласно которому световой луч 3 может проходить сквозь кристалл 2 задней крышки корпуса, прозрачный для определенных длин волн, и может попадать на облучаемую область 5, предпочтительно, по меньшей мере, на одном периферийном секторе оснащенного баланса 70.
Этот оснащенный баланс 70 включает в себя непосредственно баланс 7, соединенный с упругим возвращающим средством, таким как пружина баланса или торсионная пружина, или перемещающийся в окружающем магнитном или электростатическом притягивающем и/или отталкивающем поле, причем непосредственно на балансе 7 установлена по меньшей мере одна микросистема 10, предназначенная для преобразования энергии концентрированного светового потока в изменение инерции оснащенного баланса 70, посредством изменения его инерции и распределения в пространстве грузиков, входящих в его состав.
Более конкретно, если облучаемая область 5 закрывает всю поверхность такой микросистемы 10, то концентрированный световой луч, получаемый с помощью оптических концентрирующих средств 4 после прохождения сквозь кристалл 2 задней крышки корпуса, направлен по меньшей мере на одну область 6 нагрева привода, входящего в состав такой микросистемы 10. Как будет пояснено далее вышеупомянутый привод, предпочтительно, является термомеханическим приводом 30.
Оптические концентрирующие средства 4 не рассматриваются подробно, и могут быть либо элементами, выполненными вместе с часами 1, такими как линзы, или выполненными отдельно от часов 1, как показано на фиг. 2, где изображена отдельная линза, служащая для концентрирования тепловой энергии из светового луча 3 и направления ее на область 6 нагрева.
В предпочтительном варианте реализации изобретения с оснащенным балансом 70, как показано на чертежах, инерция баланса изменяется с помощью по меньшей мере одной микросистемы 10, позволяющей изменить инерцию баланса, и предпочтительно, посредством установки множества таких микросистем 10 на оснащенном балансе 70.
Представленный на чертежах предпочтительный вариант содержит две одинаковые поворачивающиеся микросистемы 10, установленные диаметрально противоположно и симметрично на ободке непосредственно баланса 7 относительно главной оси D качания баланса, так что дисбалансирующее влияние одной поворачивающейся микросистемы 10 компенсирует влияние другой микросистемы.
В показанном на чертежах предпочтительном варианте микросистема 10, в частности, для настройки частоты генератора колебаний часов, включает в себя по меньшей мере один колесно-инерционный блок 20, способный поворачиваться относительно подложки 60 микросистемы 10. Колесно-инерционный блок 20 содержит эксцентричный дисбаланс 22 и зубчатый венец 21. Согласно изобретению, микросистема 10 включает в себя по меньшей мере один привод, приводящий в действие по меньшей мере первую так называемую активную собачку 38, предназначенную для приведения в движение зубчатого венца 21, а также по меньшей мере одно средство фиксации зубчатого венца 21 в требуемом положении.
В конкретном неограничивающем варианте, показанном на чертежах, микросистема 10 содержит подложку 60, привод, являющийся термомеханическим приводом 30, с первой так называемой активной собачкой 38, и колесно-инерционный блок 20 с зубчатым венцом и эксцентричным дисбалансом, который может поворачиваться относительно дополнительной оси D20.
Разумеется, изобретение может быть реализовано также с помощью дополнительных подвижных частей, форма которых отличается от показанного колесно-инерционного блока 20, выполненных, например, в форме грузиков, перемещающихся в канавках или т.п.
В зависимости от выбранного варианта осуществления термомеханический привод 30 может быть прикреплен к подложке 60, или быть выполненным отдельно от нее.
В зависимости от выбранного варианта осуществления колесно-инерционный блок 20 может перемещаться по направляющим на подложке 60, или быть выполненным в виде одной детали с данной подложкой. В первом варианте по меньшей мере один колесно-инерционный блок 20 установлен с возможностью поворота относительно неподвижной оси 24, закрепленной на подложке 60 или выполненной за одно целое с указанной подложкой 60, и может поворачиваться относительно дополнительной оси D20: колесно-инерционный блок 20, показанный на фиг. 4, поворачивается относительно неподвижной направляющей оси 24, вращающейся или неподвижно закрепленной в отверстии 61 подложки 60. Во втором варианте, который не показан на чертежах, по меньшей мере один колесно-инерционный блок 20 встроен в подложку 60, относительно которой он может поворачиваться, поддерживаясь едиными шарнирными конструкциями или гибкими опорами, в частности, тонкими упругими лентами.
В показанном на чертежах варианте средством фиксации зубчатого венца 21 в требуемом положении является вторая, так называемая пассивная собачка 25, установленная на подложке 60 и содержащая упругое возвращающее средство для прижатия к зубчатому венцу 21.
В показанном на чертежах неограничивающем варианте первая активная собачка 38 установлена в направлении по касательной к зубчатому венцу и содержит по меньшей мере один зуб или один гребень, прижимаемый к указанному зубчатому венцу 21 упругим возвращающим средством, входящим в его состав. В зависимости от располагаемого пространства, возможны и другие варианты осуществления; например, первая активная собачка также может быть выполнена в виде управляющего маховика, рычага, храповика или других элементов.
Согласно изобретению, предпочтительно, по меньшей мере один привод микросистемы 10 является термомеханическим приводом 30, предназначенным для преобразования световой энергии в перемещение механического управляющего элемента. Термомеханический привод 30 предназначен для преобразования энергии концентрированного света в перемещение СС, в частности, в перемещение, близкое к линейному. В частности, в варианте, показанном на чертежах, перемещением СС считается перемещение дальнего конца 380 термомеханического привода 30. На этом дальнем конце 380 установлена первая активная собачка 38, или этот дальний конец 380 непосредственно управляет движением такой первой активной собачки 38 посредством зубчатой передачи, фрикционного колеса, рычажного механизма или т.п.
Такой термомеханический привод 30 в такой же форме также может быть использован и в других случаях для управления устройством настройки часов.
Термомеханический привод 30 содержит подвижную часть 300, которая может деформироваться, в частности, под действием тепла светового луча, воздействующего на шейки или шаровые соединения 34, 35, 36.
Предпочтительно, как показано на чертежах, термомеханический привод 30 включает в себя расположенные по существу в первом продольном направлении X элементы в следующем порядке: продольную последовательность чередующихся жестких грузиков 311, 45, 46, 312 и гибких шеек 34, 35, 36 между крепежными элементами 321, 322 на подложке 60, причем противоположные внешние жесткие грузики 311, 312, называемые плечами, прикреплены к указанным крепежным элементам 321, 322 или выполнены заодно с данными крепежными элементами 321, 322.
В показанном конкретном неограничивающем варианте деформируемая подвижная часть 300 содержит два плеча 31, а именно, 311 и 312, которые расположены по существу в одном и том же продольном направлении X и прикреплены своими противоположными дальними концами 320 к крепежным элементам 32, а именно, крепежным элементам 321, 322, выполненным заодно с подложкой 60, например, посредством оксидного слоя 50 в предпочтительном варианте из кремния.
Между этими двумя плечами 311 и 312 находится центральная часть, включающая в себя первый жесткий элемент 45 и второй жесткий элемент 46.
Первый жесткий элемент 45 соединен с первым плечом 311 первой шейкой 34, и со вторым жестким элементом 46 второй шейкой 35, которую называют центральной шейкой. Второй жесткий элемент 46 соединен со вторым плечом 312 третьей шейкой 36.
Плечи 311, 312, шейки 34, 35, 36, а также первый жесткий элемент 45 и второй жесткий элемент 46 расположены по существу в одном и том же продольном направлении X.
Центральная часть термомеханического привода 30, в которой находятся по меньшей мере шейки 34, 35, 36, расположена в области 6 нагрева, в которой центральная часть может получать световую энергию. Резкая разница между температурами нагретой центральной части и ее холодной опоры вызывает расширение центральной части, что приводит к сжатию продольной линии между крепежными элементами 321, 322 и изгибу по меньшей мере одной из указанных шеек (34, 35, 36). В результате сжатия возникает действующее на шейки изгибающее усилие; для сохранения практически плоской деформации общую толщину привода в направлении, перпендикулярном плоскости подложки 60, выбирают относительно толщины шейки в этой плоскости, например, в тридцать раз больше. Итак, в результате сжатия происходит деформация всех шеек 34, 35, 36. Когда вся микросистема 10 в целом подвергается изменению температуры, например, когда на часы, содержащие такую микросистему 10, светит солнце, термомеханический привод 30 не 6удет перемещаться, при условии, что он выполнен из одного и того же материала, что и подложка 60. Это является неоспоримым преимуществом по сравнению, например, с биметаллическими системами крепления.
По меньшей мере одна из гибких шеек 34, 35, 36 смещается в поперечном направлении Y, перпендикулярном продольному направлению X, на величину поперечного смещения dy относительно остальных шеек 34, 35, 36, в результате чего изгиб по меньшей мере одной из шеек 34, 35, 36 приводит к повороту по меньшей мере одного из промежуточных грузиков 45, 46, не напрямую соединенного с одним из крепежных элементов 321, 322, в плоскости, параллельной плоскости подложки 60.
В рассматриваемых вариантах на промежуточном грузике 45 или 46, которые могут поворачиваться, установлен стержень 37, расположенный, по существу, в поперечном направлении Y, на дальнем конце 380 которого установлено механическое управляющее средство. Предпочтительно, поворот стержня 37 ограничивается упорами 39, окружающими его.
При использовании устройства 1000 для настройки согласно изобретению в часах 1, оснащенных вышеописанными устройствами, для настройки частоты генератора колебаний 100, содержащего оснащенный баланс 70, баланс сначала находится в неподвижном положении, а на обе микросистемы 10, или на одну микросистему 10 за другой воздействует энергия светового луча 3. В одном из возможных вариантов устройство 1000 включает в себя синхронизирующее средство, которое заставляет световой луч 3 следовать за перемещением и попадать по меньшей мере на одну или на обе входящие в его состав микросистемы 10, закрываемые компонентом генератора колебаний 100 во время его колебаний, в частности, на оснащенный баланс 70 во время его колебаний.
При работе системы световой луч 3 проходит сквозь прозрачную заднюю крышку 2 корпуса и концентрируется в области нагрева 6 на конкретной части, которую необходимо нагреть, образованной центральной частью термомеханического привода 30. Центральная часть деформируется, и первая активная собачка 38, прикрепленная к подвижной части термомеханического привода 30, в частности, к стержню 37, перемещает зубчатый венец 21 колесно-инерционного блока 20 на один или несколько зубьев. В результате смещения центра масс (или центра инерции) 23 указанного колесно-инерционного блока 20 происходит изменении инерции оснащенного баланса 70.
Понятно, что перемещение зубчатого венца посредством первой активной собачки 38 происходит только в одном направлении, а именно, в направлении по часовой стрелке, как показано на фиг. 2, и для предотвращения поворота в противоположном направлении (против часовой стрелки) при возврате первой активной собачки 38, когда центральная часть охлаждается, служит вторая пассивная собачка 25.
Возможны различные режимы работы устройства, и описанный далее в качестве примера не является ограничивающим.
В первом режиме продолжительность освещения области нагрева является как можно более короткой и ограничивается получением требуемой деформации привода 30, предпочтительно, соответствующей смещению зубчатого венца 21 только на один зуб. При необходимости поворота зубчатого венца на несколько зубьев можно позволить приводу более быстро вернуться к окружающей температуре, в нейтральное положение, и осветить его снова, чтобы пройти один зуб, и повторить эту операцию столько раз, сколько требуется. Это не исключает способ поворота на несколько зубьев при сохранении освещения; первая активная собачка 38 вместо одного зуба, как показано на чертежах, может содержать гребень или аналогичный элемент.
Разумеется, один зуб на первой активной собачке 38 также может осуществлять перемещение более чем на один шаг, и обладает преимуществом, которое заключается в предотвращении заедания. Для выполнения нескольких щелчков, т.е. «скачков», пассивной собачкой 25 для единого возвращения первой активной собачки 38, можно работать на расстоянии между центрами упоров 39, чтобы получить, например, не более двух или трех щелчков перед остановкой, и один или два щелчка без касания упора, но при воздействии на время освещения.
Во втором режиме освещение сохраняется: по прошествии значительно более длительного периода времени, чем в первом режиме, тепловой поток к основанию становится установившимся, и соответствующие температуры центральной части и подложки 60 становятся ближе друг к другу, что заставляет привод снова встать в рабочее положение.
Еще в одном варианте, в котором используют оба указанных режима нагрева, осуществляется непрямой подвод тепла; при этом концентрированный световой луч нагревает буферный элемент, например, кольцо, перед которым проходит центральная часть привода 3 при колебании баланса.
Еще один возможный вариант предполагает использование встроенного кольца, плотно соединенного с центральной частью, которую требуется нагревать, что позволяет тепловой точке оставаться неподвижной.
Можно также объединить подвижный нагрев с целевым буфером, вставленным в центральную часть и входящим в его состав, но имеющим более значительную площадь поверхности, что позволяет повысить эффективность теплового взаимодействия со световым пятном.
Предпочтительно, область 6 нагрева выполнена на крышке, таким образом, чтобы она закрывала по меньшей мере центральную часть с шейками 34, 35, 36, первый жесткий элемент 45 и второй жесткий элемент 46, а также внутренние концы плеч 311, 312. Под действием тепла, при увеличении температуры, плечи 311 и 312 удлиняются, и в них возникает напряжение сжатия. Наличие трех шеек 34, 35, 36 делает систему эластичной, устраняя гиперстатичность.
Небольшого поперечного смещения «dy» по меньшей мере одной из шеек 34, 35, 36 относительно других достаточно для обеспечения поворота по меньшей мере первого жесткого элемента 45 или второго жесткого элемента 46 в плоскости, параллельной плоскости подложки 60. Даже очень незначительного поперечного смещения достаточно для образования поворота, который затем можно увязать с подводом тепла и температурой в области 6 нагрева для обеспечения квазилинейного соответствия между углом поворота θ стержня 37 и перемещением СС первой активной собачки 38, как показано на фиг. 9. Как видно из фиг. 10, напряжение S в шейках в зависимости от температуры изменяется практически идентично, по существу, по линейному закону.
Как видно из фиг. 9, при температуре в области 6 нагрева около 260°C, что соответствует варианту, показанному на фиг. 5, величина перемещения СС составляет 23 мкм, что является достаточным для перемещения зубчатого венца 21 колесно-инерционного блока 20, также, предпочтительно, выполненного из кремния. Разумеется, выраженный наклон кривой на фиг. 9, при необходимости, может обеспечить увеличение хода первой активной собачки 38, при возможности контроля степени напряжения на фиг. 10.
На фиг. 3 и 5 показан один и тот же вариант с различиями в конструкции исполнения. Эти два варианта имеют одну общую особенность, заключающуюся в том, что относительно воображаемой оси вращается второй жесткий элемент 46, к которому прикреплен стержень 37, проходящий, по существу, в поперечном направлении Y, и на дальнем конце 380 которого установлена первая активная собачка 38.
Вариант, показанный на фиг. 3, содержит упоры 39 для стержня, предназначенные для ограничения хода первой активной собачки 38 величиной 1,5 зуба зубчатого венца 21 колесно-инерционного блока 20.
В показанном на фиг. 3 варианте термомеханического привода 30 на продолжении стержня 37 с противоположной стороны линии между крепежными элементами 321, 322 расположен по меньшей мере один противовес 40, предназначенный для предотвращения движения стержня 37 в случае возникновения ударных нагрузок, а также для предотвращения любых изменений частоты колебаний и настройки хода.
В обоих вариантах исполнения, как на фиг. 3, так и на фиг. 5, центральная часть включает в себя внутренние концы двух плеч 311, 312, непосредственно прикрепленных своими внешними концами к крепежным элементам 321, 322, причем эти внутренние концы разделены углублениями 33, предназначенными для изоляции оснований 320 плеч и крепежных элементов 321, 322 от нагреваемой области, когда центральная часть подвергается воздействию энергетического потока. Кроме того, центральная часть включает в себя внутренний конец стержня 37, который отделен от дальнего конца 380 полостью, предназначенной для изоляции дальнего конца 380 от нагретой области, когда центральная часть подвергается воздействию энергетического потока.
Центральная часть может также содержать внутренний конец противовеса 40, отделенный от его внешнего участка полостью, предназначенной для изоляции дальнего участка от нагреваемой области.
Как показано на фиг. 3, подложка 60, предпочтительно, содержит по меньшей мере одну полость 41, ограниченную кромкой 42, предназначенную для изоляции крепежных элементов 321, 322 и каждого колесно-инерционного блока 20 от нагретой области, когда центральная часть подвергается воздействию энергетического потока.
На фиг. 1 приведена схема генератора колебаний с оснащенным балансом 70 диаметром приблизительно 10 мм, на котором установлены две микросистемы 10, каждая выполненная на чипе КНД (кремний на диэлектрике), с длиной стороны около 1,6 мм, с колесно-инерционными блоками 20 диаметром приблизительно 0,7 мм, т.е. радиусом действия Rm приблизительно 4 мм; при этом каждая область 6 нагрева представляет собой диск диаметром приблизительно 0,8 мм.
-6
Фиг. 11-13 относятся к микросистеме 10 варианта с S-образной конструкцией, выполненной по МЭМС-технологии (технологии микроэлектромеханической системы) из монокристаллического кремния, показанной на фиг. 3, в качестве неограничивающего числового примера, с длиной L, равной приблизительно 1,0 мм, длиной w стержня, характеризующей расстояние между областями кривизны двух расположенных рядом друг с другом шеек, около 0,100 мм, коэффициентом расширения 2,10/°C, и радиусом R поворота на один щелчок, равным 0,8 мм. Из фиг. 11 видно, что в области номинальной точки dT=250°C перемещение на один щелчок составляет 57 мкм. В этом упрощенном численном примере жесткость шеек 34, 35, 36 очень низкая, по меньшей мере, в сотни раз ниже жесткости подложки 60.
Предпочтительно, размеры микросистемы 10 выбирают в соответствии со следующими принципами:
- смещение dy должно быть достаточно большим, чтобы обеспечивать достаточное усилие в начале движения, что определяется трением колесно-инерционного блока 20, но при этом смещение dy должно быть как можно меньше;
- высота h в поперечном направлении Y первого жесткого элемента 45 и второго жесткого элемента 46 должна быть достаточно большой относительно высоты е в поперечном направлении Y гибких элементов, образованных шейками 34, 35, 36, чтобы они могли работать как шаровые соединения;
- отношение lr/е шеек 34, 35, 36, образующих шаровые соединения, должно быть достаточно большим, чтобы не создавать чрезмерных напряжений в материале, и достаточно низким, чтобы не вызывать неустойчивого равновесия по поперечной оси Y, в частности, в случае ударных нагрузок;
- высокий коэффициент L/w увеличивает поворот стержня 37, и, следовательно, перемещение СС, для данной разности температур;
- большое расстояние R соответственно увеличивает перемещение, но также соответственно уменьшает усилие на дальнем конце 380, для данного угла поворота;
- толщина t привода должна быть достаточно большой, чтобы предотвращать выпучивание вверх любой части длины L; отношение t/e должно равняться по меньшей мере трем, чтобы шейки 34, 35, 36, выполняющие функцию шаровых соединений, обладали достаточной эластичностью в плоскости, параллельной плоскости подложки 60, и оставаться достаточно жесткими вне этой плоскости.
Таким образом, в рассматриваемом конкретном неограничивающем примере, как показано на фиг. 5, шейки 34, 35, 36 содержат линейный участок, длина «lr» которого приблизительно в четыре раза больше толщины «е» шеек, и смещение «dy», служащее для инициализации поворота стержня 37, которое приблизительно в два раза больше указанной толщины «е». Высота «h» первого жесткого элемента 45 и второго жесткого элемента, предпочтительно, равна величине, в 2-3 раза больше длины «lr» шарнира и близка к 1/2 длины «w» стержня.
Температура трех концов привода 30 поддерживается равной температуре окружающей среды, приблизительно равной 20°C. Температура области 6 нагрева может доходить до величины от 100°C до 400°C, причем верхнее значение выбирается в зависимости от материала, из которого выполнены часы 1, в частности, корпус 90, с целью предотвращения повреждения каких-либо компонентов. Эта мера безопасности объясняет также, почему область 6 нагрева ограничивается минимально возможно площадью поверхности.
На фиг. 6-8 поясняется деформация привода, представленного на фиг. 5, а на фиг. 9 и 10, соответственно, перемещение СС дальнего конца 380 стержня 37, и распределение напряжения S в шейках 34, 35, 36, в зависимости от температуры в области 6 нагрева.
3
Фиг. 12 и 13 поясняют расчет величины, на которую выполненный из монокристаллического кремния колесно-инерционный блок 20 должен скорректировать ход, в виде приведенного далее неограничивающего числового примера. Внешний диаметр равен 0,7 мм, расстояние от центра до плоского участка эксцентричного дисбаланса x1=0,1 мм, толщина 150 мкм, плотность кремния (Si) 2330 кг/м, радиус действия грузиков Rm = 4 мм, и количество зубьев зубчатого венца 21 Z=50.
Таким образом, в данном конкретном случае, получают: 1 шаг = 44 мкм, 1 оборот колеса = 13.6 с/сут, одна область линейной регулировки = 11 с/сут, что соответствует 15 уровням = количество щелчков привода, 1 щелчок = 0,74 с/сут.
Фиг. 13 поясняет изменение хода в с/сут между верхней и нижней границами линейного диапазона, равными +5,52 и -5,52 с/сут, в зависимости угла поворота а колесно-инерционного блока 20.
Такая микросистема хорошо соответствует производственной технологии МЭМС или другой аналогичной технологии, без ограничений, поскольку любые другие технологии и/или материалы, известные специалистам в данной области, могут предусматриваться для производства с использованием, например, лазерной резки, водоструйной резки, электроэрозионной обработки или других методов.
Хотя раскрываемое изобретение описано для случая двух микросистем 10, работающих в одном и том же направлении, очевидно, что при необходимости оснащенный баланс 70 также может содержать микросистемы 10, выполняющие инерционные корректировки в направлениях, противоположных друг другу.
Для изменения инерции система согласно изобретению является реверсивной, так как при непрерывном вращении колесно-инерционного блока 20 инерция изменяется по синусоидальной функции, как показано на фиг. 13, которая не является двунаправленной. Единственный недостаток в этом случае заключается в том, что для получения более низкой инерции, когда система находится в фазе увеличения инерции в направлении активации щелчка, для получения требуемого значения необходим поворот немного менее одного полного оборота.
В частном варианте осуществления микросистема 10 содержит первый уровень, образуемый подложкой 60 вокруг теплоизолирующей полости 41, и второй уровень, содержащий по меньшей мере один колесно-инерционной блок 20, по меньшей мере один привод 30, по меньшей мере одну первую активную собачку 38 и по меньшей мере одно средство 25 (или вторую пассивную собачку) для фиксации зубчатого венца 21 в требуемом положении.
В предпочтительном варианте подложка 60 и термомеханический привод 30 изготовляют из одного и того же материала с целью предотвращения сбоя настройки, когда подложка 60 и термомеханический привод 30 внутри часов подвергаются одинаковым изменениям температуры в результате изменения температуры окружающей среды, в которой перемещается пользователь часов.
В частном варианте микросистема 10 выполнена в виде единой детали и содержит полости под подвижными элементами, входящими в ее состав.
В частном варианте микросистема 10 целиком выполнена из кремния и/или диоксида кремния. Она может быть также изготовлена из алмазоподобного углерода или других материалов для микромеханической обработки.
В частном варианте первый уровень является уровнем «основы», а второй уровень - уровнем «устройства».
Возможны различные варианты выполнения, в частности, полностью кремниевая микросистема 10, содержащая полости под собачками 25 и 38 такие, что они могут быть изготовлены по МЭМС-технологии, и, предпочтительно, содержащая колесно-инерционный блок 20 на гибких осях, естественно, с ограниченным угловым перемещением в последнем случае.
В вариантах, показанных на фиг. 3 и 5, используются КНД-подложки (кремний на диэлектрике) с двумя кремниевыми уровнями, толщиной, например, 500 мкм для подложки основы, образующей подложку 60, и толщиной 150 мкм для уровня устройства (привод 30, колесо 20, собачки 25 и 38, упоры 39).
В одном из вариантов возможен одноуровневый механизм толщиной, например, 300 мкм и с гибкими осями инерционного элемента и точно расположенными углублениями для теплоизоляции. В этом варианте, когда достигается максимальное значение, необходимо вводить систему «возврата к нулю», поскольку угловое перемещение является ограниченным.
Следует учитывать силы, напряжения и/или крутящие моменты, возникающие при пользовании часами под действием ударных нагрузок величиной максимум до 500g, которые не должны сбрасывать настройку системы, которой требуется минимальная сила, создаваемая приводом 30, для предотвращения любого несоответствия, вызываемого случайным ускорением.
Объектом изобретения является также генератор колебаний 100 часов, содержащий по меньшей мере одну такую микросистему 10. Подложка 60 по меньшей мере одной микросистемы 10 прикреплена к компоненту генератора колебаний для регулирования его инерции с целью коррекции частоты генератора колебаний.
В частности, генератор колебаний 100 содержит оснащенный баланс 70, в состав которого входит непосредственно баланс 7, соединенный с упругим возвращающим средством или подверженный действию по меньшей мере одного отталкивающего и/или притягивающего поля; причем непосредственно на балансе 7 либо установлена по меньшей мере одна такая микросистема 10, либо непосредственно баланс 7 выполнен в виде единой детали по меньшей мере с одной такой микросистемой 10.
Объектом изобретения является также часовой механизм 200, содержащий по меньшей мере один такой генератор колебаний 100. Часовой механизм 200 содержит по меньшей мере один кристалл 2, пропускающий волны заранее заданной длины и позволяющий световому лучу 3 проходить для настройки по меньшей мере одной такой микросистемы 10.
Объектом изобретения являются также часы 1, содержащие по меньшей мере одну такую микросистему 10 или один такой генератор колебаний 100. Эти часы 1 содержат по меньшей мере один кристалл 2, пропускающий волны заранее заданной длины и позволяющий световому лучу 3 проходить для корректировки такой микросистемы 10, управляющей механическим элементом для настройки функции часов, такой как установка времени, даты, временной зоны и т.п. Управляющий элемент по меньшей мере одной микросистемы 10, входящей в состав часов 1, предназначен для управления механическим компонентом для настройки временной функции часов 1, когда микросистема 10 подвергается действию соответствующего светового излучения.
В частном варианте единственными средствами для настройки часов 1 являются данные микросистемы 10, и настройка осуществляется бесконтактным способом, без воздействия на часы магнитного или электростатического поля, и происходит просто путем приложения энергии по меньшей мере от одного светового луча.
Объектом изобретения является также устройство 1000 для установки частоты генератора колебаний часов, составляющее по меньшей мере одни такие часы. Это устройство 1000 содержит средство 300 управления, предназначенное для управления пропусканием светового луча 3 к оптическому концентратору 4, направления светового луча на облучаемую область 5 часов 1 сквозь кристалл 2, внутри которой может быть наложена область 6 нагрева на центральную часть термомеханического привода 30 для инициирования движения по меньшей мере одного колесно-инерционного блока 20 при воздействии энергии концентрированного светового луча на область 6 нагрева.
В частности, это устройство 1000 включает в себя средство 400 контроля частоты, установленное на корпусе 90 часов 1 или рядом с ним, и средство 500 теплового контроля, также установленное на корпусе 90 часов 1 или рядом с ним, и средство 300 управления, предназначенное для генерирования светового луча 3 только тогда, когда температура корпуса 90 ниже установленного значения, и для генерирования светового луча 3, когда область 6 нагрева попадает на центральную часть термомеханического привода 30, столько раз, сколько потребуется, пока изменение частоты будет отличаться от заданного значения. Фактически, понятно, что система является импульсной, и генерирование светового луча не происходит непрерывно, что делается для ограничения температуры внутри корпуса 90.
Иными словами, изобретение обеспечивает возможность точной настройки хода часов без вскрытия корпуса. Кроме того, эта настройка является дискретной и, поэтому, воспроизводимой.
Несмотря на то, что предпочтительным применением изобретения является настройка генератора колебаний, оно может быть применено также и для других связанных с часами задач, поскольку оно позволяет выполнять настройку в часах без их вскрытия, когда они абсолютно герметично закрыты, что является особенно ценным для часов ныряльщиков и т.п., где простая настройка для установки времени или даты может быть выполнена без применения каких-либо нажимаемых кнопок или управляющих элементов, проходящих сквозь корпус.