МАГНИТНЫЙ ЭКРАН ДЛЯ БАЛАНСИРНОЙ ПРУЖИНЫ ЧАСОВ
MAGNETIC SCREEN FOR BALANCE SPRING OF CLOCK

Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится к устройству, предназначенному для защиты балансирной пружины механических часов от воздействия магнитных полей, возникающих снаружи вышеупомянутых часов.
Уровень техники
В механических часах материал, образующий балансирную пружину, в общем случае представляет собой металлический сплав, такой как сталь, способный к остаточному намагничиванию, если его подвергнуть воздействию внешнего магнитного поля. Хотя можно предусмотреть изготовление этой части из немагнитного материала, чтобы нейтрализовать влияние внешнего магнитного поля, отрицательно воздействующего на работу механических часов этого типа, замечательные механические свойства (пластичность, упругость, коэффициент теплового расширения и т.д.) балансирной пружины, изготовленной из традиционных материалов, в большой степени компенсирует этот недостаток магнитной чувствительности. Соответственно, были сделаны попытки защитить этот тип балансирной пружины от действия магнитных полей таким образом, что если механизм часов подвергается воздействию магнитного поля напряженностью приблизительно 4,8 кА/м, изменение скорости хода не превышает 30 сек/сутки, что соответствует стандартам измерения времени. Если напряженность магнитного поля превышает эту величину 4,8 кА/м и при отсутствии защиты, изменение скорости хода меняется очень сильно и достигает значительных изменений, вплоть до нескольких минут в сутки. Это изменение скорости хода возникает прежде всего в результате продольного намагничивания витков, образующих балансирную пружину, что создает крутящий момент, воздействующий на ось балансира, с которой соединена балансирная пружина. Этот крутящий момент добавляется к нормальному механическому крутящему моменту или вычитается из него. На изменение скорости хода также влияет, хотя и в меньшей степени, явление магнитострикции, которая стремится удлинить или укоротить ленту, образующую балансирную пружину, когда она подвержена действию магнитного поля.
Чтобы преодолеть эту проблему магнитной изоляции регулирующего элемента, уже были предложены устройства, которые защищают часы от отрицательного влияния внешних магнитных полей любого типа, таких как, например, внешние поля от постоянных магнитов или электродвигателей любого типа.
Самое простое и наиболее радикальное решение также заключается в полном экранировании механизма часов для предотвращения проникновения любых линий воздействующего магнитного поля. Это случай, предложенный патентом Швейцарии №122391, в котором механизм часов защищается набором элементов, изготовленных из коррозионно-стойкого сплава с высокой магнитной проницаемостью и низким гистерезисом, образующих магнитный экран. Эти элементы представляют собой утопленную часть, расположенную между механизмом и задней крышкой часов, пыленепроницаемое кольцо, образующее купол, расположенный между механизмом и кольцом корпуса, и промежуточную пластину, расположенную между нижней пластиной и циферблатом часов. Этот способ очень трудоемкий и дорогой. В действительности, он требует трех дополнительных деталей, которые не только делают часы более тяжелыми, но также увеличивают их объем.
В патенте Франции №1408872 описано более легкое и менее трудоемкое техническое решение, чем предложенное выше. Здесь, однако, часовой механизм не полностью окружен материалом с высокой магнитной проницаемостью, но только задняя крышка и его периферийная поверхность. Это устройство, таким образом, сформировано корпусным элементом, имеющим достаточную проницаемость для магнитных полей. Корпусной элемент дополнен корпусным кольцом из мягкой стали, с которым он образует утопленную часть, окружающую механизм часов и образующую магнитный экран. Корпусной элемент представляет собой заднюю крышку корпуса, изготовленную из отполированной нержавеющей стали с однородной ферритовой структурой. Таким образом, в этом варианте нет дополнительных деталей, поскольку задняя крышка и корпусное кольцо фактически изготавливаются из материалов с высокой магнитной проницаемостью. Кроме того, нет экрана, расположенного между механизмом часов и циферблатом, поскольку защитное устройство ограничено утопленной частью без крышки, которая служит в качестве корпуса для механизма часов.
Первый недостаток этого последнего технического решения, однако, заключается в том, что фактически балансирная пружина не защищена от влияния магнитного поля, какой бы ни была ориентация магнитного поля, превалирующая в плоскости балансирной пружины. В действительности, поскольку балансирная пружина смещена относительно центра механизма часов, и если требуется всенаправленная защита, здесь предложено устройство, которое отцентрировано относительно вышеупомянутой балансирной пружины, а не относительно механизма часов в целом, как имеет место в случае вышеупомянутого документа. Еще один недостаток этого решения заключается в том, что механизм часов полностью скрыт, что отрицательно влияет на эстетичный вид часов, в особенности для высококачественных часов.
Известны также балансиры, которые изготовлены из ферромагнитных материалов в электронных часах, такие как, например, в часах, описанных в патенте Франции №2063101 или патенте Швейцарии №361247. Ферромагнитный материал, используемый для балансира, однако, не образует магнитного экрана для улучшения синхронизма балансирной пружины, а предназначен для взаимодействия с электромагнитной схемой, поддерживающей колебания маятника. Патент Франции №2000706 является примером аналогичного технического решения для электронных часов, содержащих ферромагнитный балансир-регулятор, который совсем не имеет балансирной пружины.
И наконец, описанные в патенте Швейцарии №689106 балансирные пружины, изготовленные из специальных сплавов, имеют преимущество упругих и термоэластичных свойств для крепления с никелевым балансиром. Однако никаких конкретных свойств магнитного экранирования не упомянуто для балансира в отношении балансирной пружины.
Таким образом, цель данного изобретения - предложить техническое решение, которое направлено на улучшение магнитного экранирования балансирной пружины и не имеет вышеупомянутых ограничений.
Раскрытие изобретения
Эти цели достигаются основным пунктом формулы изобретения, который не только соответствует положениям приведенного выше первого параграфа, но также оригинален в том отношении, что защитное устройство содержит балансир, изготовленный из аморфного ферромагнитного материала.
Одно преимущество предложенного технического решения заключается в том, что оно обеспечивает эффективное магнитное экранирование благодаря преимущественным магнитным и антикоррозионным свойствам аморфных металлов и также преимущественно повторно использует определенные существующие элементы механизма часов в качестве экранирующих элементов, и тем самым не требует никаких дополнительных деталей или специальной обработки поверхности. Требуемое пространство, таким образом, сокращается до минимума, а также стоимость производства. Дополнительное преимущество данного технического решения заключается в том, что оно обеспечивает магнитный экран с центром, расположенным на оси вращения балансирной пружины, для улучшения эффективности вышеупомянутой балансирной пружины.
Еще одно преимущество предложенного решения заключается в том, что оно позволяет видеть компоненты механизма часов сквозь заднюю крышку часов, тем самым улучшая общий эстетичный вид часов.
Краткое описание чертежей
Данное изобретение будет теперь объяснено подробно с помощью нескольких вариантов осуществления изобретения, данных путем примера, не ограничивающего рамки изобретения, и эти варианты осуществления изобретения проиллюстрированы прилагаемыми чертежами, на которых:
на фиг.1A и 1B показаны общие виды в плане балансирной пружины и части пружины;
на фиг.2 дан схематический общий вид предпочтительного варианта осуществления данного изобретения;
на фиг.3 дан схематический общий вид альтернативного варианта осуществления данного изобретения.
Осуществление изобретения
В настоящее время, когда плотность электромагнитных помех значительно возрастает, особенно из-за нового поколения сетей беспроводной сотовой связи (3G) и мобильной телефонии (wifi), но также из-за увеличения числа малых постоянных магнитов, используемых, к примеру, для креплений сумок или корпусов мобильных телефонов, важно найти технические решения магнитного экранирования, которое гарантирует синхронизм работы регулирующих систем для механических часов.
Осуществляя это, изготовитель часов, однако, сталкивается с проблемой пространства для установки защитного экрана на нижней пластине и внутри корпуса часов. Соответственно, делались попытки найти оптимальные технические решения, которые сочетают в себе максимальную компактность с эффективным ослаблением магнитного поля.
Вместо того, чтобы попытаться уменьшить или полностью удалить воздействующее магнитное поле от балансировочной пружины с помощью сложных, трудоемких решений, представляется более разумным ориентировать или сместить воздействующее магнитное поле, без необходимости ослаблять или полностью удалять его, в направлениях, где оно является менее повреждающим с точки зрения его возможности поляризации магнитного материала, образующего балансирную пружину.
Регулирующий элемент механических часов в общем случае образован балансирной пружиной, как показано на фиг.1A, Балансирная пружина смонтирована вокруг оси вращения Z и намотана в плоскости, перпендикулярной относительно вышеупомянутой оси. Диаметр балансирной пружины в этой плоскости обозначен буквой d, тогда как высота балансирной пружины вдоль оси Z обозначена буквой h. На фиг.1B показана часть балансирной пружины 1, которая имеет очень длинную ленту, немотаную в виде спирали. Эта лента предпочтительно имеет уменьшенную высоту h и очень малую толщину е. Таким образом, если лента поляризуется в направлении толщины R или в радиальном направлении, остается малое остаточное намагничивание или оно полностью отсутствует. Однако поляризацию в направлении длины L необходимо предотвратить, поскольку это единственное направление, особенно на наружных витках балансирной пружины, которое будет вызывать в них остаточное намагничивание, приводящее в результате, как описано выше, к дополнительному паразитному крутящему моменту, вызывающему случайные изменения в обратном крутящем моменте балансирной пружины, что отрицательно влияет на синхронизм регулирующей системы. Чтобы предотвратить или значительно уменьшить эту продольную поляризацию, соответственно достаточно ориентировать линии магнитного поля в более или менее ортогональном и радиальном направлении относительно плоскости балансирной пружины 1.
Чтобы обеспечить максимальную компактность, преимущественно стремились в объеме данного изобретения использовать существующие компоненты механизма часов, с тем чтобы не требовалось дополнительного пространства для магнитного экранирования данного калибра. На фиг.2 показан предпочтительный вариант реализации балансира 2 согласно данному изобретению, содержащего четыре ветви, который, по-видимому, является наиболее подходящим элементом, благодаря расположению его кронштейнов 3 в плоскости, параллельной плоскости балансирной пружины 1, и симметричной конфигурации этих кронштейнов относительно оси вращения Z балансирной пружины 1. Эта симметричная конструкция кронштейнов 3 относительно оси вращения Z и экранирование, обеспечиваемое корпусным кольцом 4, которое является коаксиальным с балансирной пружиной и имеет высоту H, которая предпочтительно выбирается такой, чтобы она была значительно больше, чем высота h балансирной пружины, не только значительно ослабляет амплитуду магнитного поля, приложенного к внутренней поверхности пространства, в котором находится балансирная пружина 1, до тех пор пока магнитное поле, наведенное в корпусном кольце 4, не войдет в насыщение, но также обеспечивает всенаправленную защиту относительно воздействующего магнитного поля, независимо от ориентации этого магнитного поля.
Корпусное кольцо 4, кроме того, эффективно защищает балансирную пружину 1 от воздействующих магнитных полей, поскольку большое число этих полей отклоняются в вертикальном направлении оси вращения Z, которое является направлением поляризации, вдоль которого балансирная пружина является менее чувствительной к действию магнитных полей. Следует отметить, однако, что концентрация магнитного поля на периферии кронштейнов 3 и на кольце 4 все же стремится локально увеличить интенсивность магнитного поля, вызывая необходимость обеспечить корпусное кольцо 4 относительно большого диаметра D по сравнению с диаметром d балансирной пружины 1, предпочтительно по меньшей мере в два раза больше, так чтобы никакая часть балансирной пружины, даже ее самая наружная часть, не подвергалась этому нежелательному эффекту концентрации магнитного поля. Чтобы улучшить уровень насыщения магнитного поля, наведенного в корпусном кольце 4, можно увеличить площадь сечения этого кольца; однако компромиссное решение должно быть найдено также в отношении момента инерции балансира, который необходимо поддерживать на относительно низком уровне, чтобы уменьшить механические напряжения, прикладываемые балансирной пружиной 1. Чтобы увеличить высоту корпусного кольца 4 без увеличения его массы, может быть выбрана секция с наибольшей конусностью, имеющая, например, отношение между высотой и шириной вышеупомянутой секции, составляющей более 10:1. В результате этого поляризация линий магнитного поля будет более эффективной в вертикальном направлении Z.
Этап производства деталей механизма часов, изготовленных из ферромагнитного материала, т.е. имеющих очень высокую магнитную чувствительность (обычно обозначаемую греческой буквой χ), никогда не рассматривался ранее специалистами в данной области техники по причине присутствия железа и отсутствия хрома в таких сплавах. Однако теперь возможно обрабатывать поверхность этих типов материалов с помощью антикоррозионных реагентов для предотвращения этой проблемы, без изменения их магнитных свойств. Материал с высоким магнитным насыщением, используемый для изготовления корпусного кольца 4 и кронштейнов 3, представляет собой аморфный металл на основе железа, такой как, например, железоникелевый или железокобальтовый сплав, или железо-никель-молибденовый или железо-никель-медный сплав. Этот тип сплава широко известен благодаря его свойствам низкой коэрцитивности и высокой магнитной проницаемости, т.е. с очень узкими петлями гистерезиса с очень крутым наклоном петли, и он обладает очень высокой стойкостью к коррозии и тем самым хорошо подходит для реализации данного изобретения. Химическая природа этого сплава выбирается таким образом, чтобы магнитные характеристики материала имели высокую магнитную проницаемость и высокий уровень насыщения, такой, например, как железоникелевый сплав перменорм с содержанием никеля от 45% до 50%.
Согласно предпочтительному варианту осуществления данного изобретения, проиллюстрированному на фиг.2, балансир 2 содержит по меньшей мере 4 уплощенных кронштейна, которые проходят в плоскости, в которой намотана балансирная пружина. Когда часы используются, балансир постоянно активирован во вращении и образуется по существу плоская поверхность для создания магнитного экрана в этой плоскости. Согласно проиллюстрированному варианту осуществления данного изобретения, в котором ослабление составляет примерно половину между внешним магнитным полем и магнитным полем в том месте, где расположена балансирная пружина 1, диаметр d и высота h которой предпочтительно соответствуют соотношениям, указанным выше относительно диаметра и высоты D, H корпусного кольца 4.
Чтобы еще более улучшить экранирование, можно увеличить число кронштейнов и/или их толщину, с тем чтобы увеличить зону защитной поверхности. Когда множество кронштейнов 3 покрывают площадь поверхности, равную или большую, чем четверть виртуального диска, ограниченного корпусным кольцом 4 в плоскости вращения кронштейна 3, измеренное ослабление воздействия на изменение скорости хода составляло более 3, особенно для величин наведенного магнитного поля, превышающих 10 мТл, т.е. приблизительно 8 кА/м, для балансира с тремя кронштейнами с указанным выше отношением площади поверхности относительно виртуального диска, ограниченного корпусным кольцом. Можно улучшить эти отношения еще больше, вплоть до значений 6-7 при использовании сплошного диска вместо кронштейнов 3. Это решение имеет, однако, недостаток, заключающийся в увеличении массы системы и соответственно момента инерции и потребляемой энергии. Таким образом, чтобы избежать увеличения общей массы системы, предпочтительно использовать кронштейны, которые являются как можно более уплощенными для данной величины массы, т.е. размеры которых проходят как можно дальше в их плоскость вращения, с тем чтобы поляризация магнитного поля была оптимальной в вертикальном направлении Z. Независимо от числа кронштейнов, используемых в объеме данного изобретения, кронштейны будут называться уплощенными, когда отношение между шириной и длиной их поперечного сечения составляет более чем приблизительно 10, так чтобы они покрывали максимально возможную площадь поверхности в плоскости виртуального диска, ограниченного корпусным кольцом 4.
Для производства этих уплощенных кронштейнов для балансира металлический сплав, используемый в рамках объема данного изобретения, является здесь особенно преимущественным, благодаря свойствам упругой деформации и механической прочности, которые он обеспечивает, что означает, что для данной величины массы легко получить очень уплощенную форму. Эта уплощенная форма означает, что линии внешнего магнитного поля могут быть более эффективно ориентированы без какой-либо необходимости увеличивать массу балансира, и соответственно его момент инерции, что сказалось бы отрицательно на эффективности регулирующей системы для данной балансирной пружины.
Чтобы еще больше улучшить эффективность магнитного экранирования, устройство данного изобретения может включать в себя второй ряд кронштейнов 3', установленных на верху вышеупомянутого корпусного кольца 4, как показано на фиг.3. Ряд кронштейнов 3' может быть смещен под определенным углом, иметь различные или дополняющие друг друга, но симметричные геометрические формы. Можно предусмотреть также два ряда кронштейнов, идентичных рядам нижних кронштейнов 3, так чтобы первый ряд кронштейнов 3 и второй ряд кронштейнов 3' накладывались друг на друга. Преимущество покрытия верха магнитного экрана вращающимися кронштейнами, с одной стороны, заключается в том, что оно образует симметричное и полностью замкнутое пространство, внутри которого расположена балансирная пружина 1, что делает экранирование эффективным как в отношении ослабления магнитного поля, так и в отношении изотропности. С другой стороны, аналогично величинам ослабления магнитного поля, измеренным только с кронштейнами 3, общая эффективность экрана значительно улучшается по сравнению со сплошной поверхностью, такой как диск. Деталь, образующая балансир с двумя рядами кронштейнов 3, 3', может быть изготовлена в виде одного изделия, например с помощью технологии типа LIGA (литография, гальванопластика и пресс-формовка), или путем установки ребра в канавку втычно-розеточных деталей, каждая из которых содержит ряд кронштейнов и каждая образует часть корпусного кольца 4.
Специалисты в данной области техники также поймут, что одно преимущество всех предложенных вариантов осуществления данного изобретения заключается в том, что обзор механизма часов не закрывается, в частности задней крышкой корпуса часов, как это обычно имеет место в случае защитных экранов. Эта возможность может быть, таким образом, использована для изготовления решетчатых или турбионных часов, в которых по меньшей мере одна часть механизма часов предназначена для обозрения пользователем.