РЕГУЛИРУЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ НАРУЧНЫХ ЧАСОВ И ЧАСОВОЙ МЕХАНИЗМ, КОТОРЫЙ СОДЕРЖИТ ОДИН ТАКОЙ РЕГУЛИРУЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ
WRIST WATCH CONTROL ELEMENT AND CLOCKWORK INCORPORATING ABOVE ELEMENT

Настоящее изобретение относится к регулирующему элементу для наручных часов и к часовому механизму, который содержит один такой регулирующий элемент.
Обычные механические часы содержат накопитель энергии, образуемый барабаном, кинематической цепью или зубчатой передачей, приводящей в движение стрелки, регулирующий механизм, определяющий ход часов, а также механизм спуска, предназначенный для передачи колебаний регулирующего элемента на зубчатую передачу. Настоящее изобретение касается в особенности регулирующего элемента.
Обычные регулирующие элементы обычно содержат баланс, установленный на вращающейся оси, и возвратный элемент, который прикладывает крутящий момент к балансу для возвращения его в положение равновесия. Механизм спуска, или приводящий элемент, поддерживает колебания барабана вокруг положения равновесия. Возвратный элемент в целом включает в себя спиральную пружину, которую часто называют спиралью, и которая установлена соосно с балансом. Спираль передает возвратный крутящий момент балансу через цангу; положение покоя спиральной пружины определяет возвратное положение баланса.
Эта широко распространенная конструкция имеет, однако, ряд недостатков.
Во-первых, деформация материала при каждом колебании спиральной пружины вызывает потерю энергии и, таким образом, сокращение продолжительности работы часов. С другой стороны, точность часов зависит в большой степени от свойств материала, использованного в спиральной пружине, а также от точности механической обработки конечных кривых. Несмотря на значительный прогресс в металлургии, воспроизводимость этих свойств трудно гарантировать. Кроме того, спиральные пружины имеют тенденцию к «уставанию» с течением времени, так что возвратная сила уменьшается по мере старения часов, что вызывает изменение точности.
Далее, колебания баланса в одном направлении, например по часовой стрелке, имеют тенденцию к развертыванию спиральной пружины, в то время как вращение в другом направлении, напротив, имеет тенденцию к ее сжатию. Таким образом, деформация пружины происходит различным образом, в зависимости от направления вращения баланса, что оказывает влияние на возвратное усилие и, таким образом, на точность и воспроизводимость.
Палец баланса и пружины и цанга, позволяющие скрепить спираль с пусковым механизмом баланса (или мостом баланса) и, соответственно, с балансом, образуют другие источники возмущений и несбалансированности, которые вызывают неуравновешенность баланса. С другой стороны, спираль прикладывает крутящий момент к балансу в точке крепления цанги, что отрицательно влияет на достигнутую точность. В вертикальном положении спираль далее имеет тенденцию к деформации под воздействием собственного веса, что ведет к смещению ее центра тяжести и нарушению периода.
Кроме того, баланс подвергается также воздействию силы тяжести, а также ускорений, вызванных движениями носителя. Возвратное усилие спиральной пружины не слишком важно, но эти внешние возмущения оказывают значительное влияние на точность хода, и для их компенсации иногда используют сложные механизмы коррекции, например турбийон или даже трехосные турбийоны.
Кроме того, толщина спирали добавляется к толщине баланса, так что суммарная толщина регулирующего элемента относительно велика.
Были задуманы регулирующие элементы для наручных часов, в которых используется вибрирующая поворотная вилка, что позволяет решить ряд упомянутых проблем. Этот регулирующий элемент, однако, также действует через упругую деформацию материала и вибрацию в ветвях поворотной вилки, так что и в этом случае точность зависит от металлургии и точности механической обработки. Эти решения не нашли преобладания в широком масштабе.
Регулирующие элементы самых различных конструкций были задуманы также в настенных и настольных часах, напольных часах или других устройствах больших размеров для измерения времени. Наличный объем и фиксированное вертикальное положение позволяют, например, использовать силу тяжести для возвращения баланса или маятника в положение равновесия. Однако миниатюризация и значительные ускорения, предполагаемые в обычных механизмах наручных часов, не рекомендовали изготовителям наручных часов перенос решений, использованных в настенных, настольных или напольных часах, к механизмам наручных часов.
Одной из целей настоящего изобретения является, таким образом, предложение регулирующего элемента для наручных часов, который отличается от известных технических решений и позволяет избежать их недостатков.
Другой целью является предложение регулирующего элемента, который может использоваться с механическими часами, лишенными источника электроэнергии.
Другой целью изобретения является предложение регулирующего элемента с балансом для механических часов, который не содержит пусковой механизм баланса, палец баланса и пружины, цангу и другие средства крепления возвратного элемента к балансу и к оси баланса.
Согласно изобретению, эти цели достигаются с помощью регулирующего элемента, имеющего характеристики, указанные в независимом пункте формулы изобретения, причем предпочтительные варианты реализации указаны в зависимых пунктах.
Эти цели достигаются исключительно с помощью регулирующего элемента для механических наручных часов, который содержит:
баланс;
возвратный элемент, предназначенный для возвращения баланса в направлении по меньшей мере одного положения равновесия;
приводной элемент, предназначенный для поддержания движения баланса вокруг положения равновесия;
при этом баланс связан с по меньшей мере одним подвижным постоянным магнитом;
и возвратный элемент, имеющий по меньшей мере один фиксированный постоянный магнит, предназначенный для генерирования магнитного поля для возвращения баланса в направлении положения равновесия.
Такая конструкция имеет преимущество, связанное с возможностью полного исключения из механических часов спиральной пружины и большинства связанных с нею проблем.
Такая конструкция имеет также преимущество, связанное с возможностью повышения точности, а также с уменьшением влияния возмущений, вызванных силой тяжести или наружными ускорениями.
В одном варианте реализации возвратный элемент стремится возвратить баланс в направлении по меньшей мере одного стабильного положения равновесия, из которого баланс стремится вывести приводной элемент, например, механизм спуска.
Качающиеся элементы с использованием магнитных полей описаны в особенности в патентах US 4266291, US 3921386, US 3714773, US 3665699, US 3161012, DE 2424212, GB 1444627. Эти семь документов касаются электрических часов, в которых магнитное поле генерируется посредством электромагнита. Таким образом, эти решения не подходят для механических часов, в которых отсутствует источник электроэнергии.
Дополнительный документ, заявка US 2003/0137901, описывает механизм механических часов, в котором баланс снабжен постоянными магнитами. Вращающееся поле, созданное колебаниями баланса, обнаруживается работающим управляющим механизмом, предназначенным для контроля изменений в колебаниях баланса. Эти колебания, однако, вызываются обычной спиральной пружиной, со всеми упомянутыми выше присущими ей недостатками.
Эти цели достигаются также с помощью регулирующего элемента для механических наручных часов, который содержит:
баланс;
возвратный элемент, предназначенный для возвращения баланса в направлении по меньшей мере одного положения равновесия;
приводной элемент, предназначенный для поддержания движения баланса вокруг положения равновесия;
причем возвратный элемент действует без контакта с балансом.
В особенности преимущество заключается в ограничении возмущений, вызванных крутящим моментом в точке крепления спирали к балансу.
В предпочтительном варианте реализации изобретения магнитное поле, генерированное фиксированной частью возвратного элемента, является фиксированным и постоянным, т.е. оно не поворачивается и не изменяется со временем.
В предпочтительном варианте реализации магнитное поле генерируется подвижным магнитом или же магниты поворачиваются; это означает, что баланс имеет ось вращения, и что подвижный магнит или магниты, которые неподвижно соединены с балансом, на котором они непосредственно закреплены, колеблются вдоль круговой траектории вокруг указанной оси вращения. Таким образом, уменьшается количество подвижных частей и устраняются поступательные движения, которые вызывают повышение трения. Кроме того, балансу передается все количество кинетической энергии. Далее, вращательные движения баланса могут передаваться на остальные детали часов посредством обычного механизма спуска. Движение баланса образуется, таким образом, колебаниями вокруг оси вращения баланса, с амплитудой колебаний меньше 360°, например, меньше 180° и даже меньше 120°. Таким образом, появляется возможность достичь значительной частоты колебаний, что полезно для точности и разрешающей способности регулирующего элемента; кроме того, легче добиться взаимосвязи без разрывов между усилием отвода и угловым положением баланса, когда последний колеблется в ограниченном интервале. Изобретение, однако, не ограничивается определенными амплитудами колебаний; могут также использоваться амплитуды колебаний от 180 до 300°, или даже амплитуды, близкие к 360°, например, путем применения одного фиксированного магнита и одного подвижного магнита. Эти колебания с большей амплитудой обладают преимуществом, заключающимся в минимизации воздействия возмущения, создаваемого механизмом спуска в каждом цикле.
Предпочтительно по меньшей мере один подвижный магнит колеблется вдоль круговой траектории между двумя фиксированными постоянными магнитами, помещенными на дуге круга и разделенными угловым расстоянием менее 180°. Путем сближения таким образом неподвижных постоянных магнитов создается значительное магнитное взаимодействие, интенсивность которого изменяется согласно непрерывному функционированию вдоль колебательной траектории.
В предпочтительном варианте реализации изобретения баланс возбуждают механическими элементами для колебания изохронным образом вокруг положения равновесия. Преимущественно баланс может быть таким образом соединен со стандартным механизмом спуска механических часов. С другой стороны, энергия, требующаяся для возбуждения баланса, может передаваться от механизма спуска через постоянные магниты. Таким образом, являющийся предметом изобретения магнитный баланс может использоваться в исключительно механических часах, которые не имеют обмоток, электромагнитов и источника электроэнергии.
В предпочтительном варианте реализации подвижный магнит или магниты зафиксированы относительно баланса, что облегчает изготовление. Баланс и магниты колеблются, таким образом, согласно одному и тому же знакопеременному круговому движению.
Фиксированные магниты предпочтительно действуют таким образом, чтобы отталкивать назад подвижные магниты, установленные на балансе. Положение равновесия определяется силами отталкивания и достигается тогда, когда подвижные магниты находятся на одинаковом расстоянии между двумя фиксированными магнитами, и сила отталкивания двух фиксированных магнитов, воздействующая на каждый подвижный магнит, компенсируется. Таким образом, магнитное поле, которое генерируют фиксированные магниты, является минимальным в положении равновесия, так что количество энергии, необходимой для перемещения баланса из положения равновесия и для поддержания колебаний, уменьшается. Магнитное взаимодействие между фиксированными и подвижными магнитами возрастает при выходе баланса из положения равновесия, так что усилие возврата возрастает пропорционально угловому расстоянию баланса относительно его положения покоя.
Стабильность в точке равновесия может, однако, контролироваться дополнительными магнитами, действующими через притяжение. Аналогичным образом баланс может быть выведен из положений равновесия, что нежелательно.
Изобретение не исключает вариантов реализации, в которых положение равновесия определяется силами притяжения и достигается тогда, когда подвижные магниты находятся на минимальном расстоянии от соответствующих фиксированных магнитов или на равном расстоянии между двумя фиксированными магнитами, силы притяжения которых компенсируют друг друга. Однако этот вариант реализации имеет тот недостаток, что требует большего возбуждения для того, чтобы вызвать колебания баланса вокруг положения равновесия, соответствующего максимуму магнитного притяжения.
В одном варианте реализации намагниченные части образованы намагниченными участками самого баланса. Баланс может быть, таким образом, образован намагниченным кольцом со знакопеременной полярностью по его периферии.
В другом варианте реализации подвижные магниты устанавливаются непосредственно или связываются с палетами механизма спуска. Тогда палеты образуют баланс, т.е. элемент, колеблющийся в изохронном режиме в магнитном поле.
Изобретение можно будет лучше понять, прочтя о примерах вариантов реализации, проиллюстрированных прилагаемыми чертежами, на которых показано:
на фиг.1а показан схематический вид сверху первого варианта реализации регулирующего элемента согласно изобретению;
на фиг.1b показан схематический вид сверху первого варианта реализации регулирующего элемента согласно изобретению с балансом, находящимся в положении равновесия, ограниченном магнитами;
на фиг.2 показан вид в поперечном разрезе регулирующего элемента согласно первому варианту реализации изобретения, имеющего в этом примере два магнитных подшипника и магнитный экран;
на фиг.3 показан вид сверху варианта реализации регулирующего элемента согласно изобретению, имеющего фиксированные магниты и подвижные магниты, каждый из которых образован двумя биполярными магнитами, соединенными бок о бок в обратной полярности;
на фиг.4 показан вид сверху варианта реализации регулирующего элемента согласно изобретению, имеющего фиксированные магниты, каждый из которых образован двумя биполярными магнитами, соединенными бок о бок в обратной полярности, и подвижные магниты, каждый из которых образован одним биполярным магнитом;
на фиг.5 показан вид варианта реализации регулирующего элемента согласно изобретению, имеющего дополнительные магниты, предназначенные для локального повышения стабильности точки равновесия;
на фиг.6 показан вид варианта реализации регулирующего элемента согласно изобретению, имеющего правое вращение баланса вокруг центральной оси;
на фиг.7 показан вид варианта реализации регулирующего элемента согласно изобретению, имеющего правое вращение баланса вокруг эксцентричной оси;
на фиг.8 показан вид варианта реализации регулирующего элемента согласно изобретению, имеющего четыре подвижных магнита на балансе и четыре фиксированных магнита;
на фиг.9 показан вид варианта реализации регулирующего элемента согласно изобретению, имеющего два подвижных магнита на балансе и четыре фиксированных магнита;
на фиг.10 показан вид варианта реализации регулирующего элемента согласно изобретению, имеющего четыре подвижных магнита на балансе и два фиксированных магнита;
на фиг.11 показан вид сверху варианта реализации регулирующего элемента согласно изобретению, имеющего крутящий элемент, в котором подвижный магнит отталкивается назад в направлении положения равновесия фиксированного магнита;
на фиг.12 показан вид сверху варианта реализации регулирующего элемента согласно изобретению, имеющего цилиндр, закрытый по концам двумя фиксированными магнитами, а также подвижный магнит, который отталкивается назад в промежуточное положение двумя фиксированными магнитами;
на фиг.13 показан перспективный вид варианта реализации регулирующего элемента согласно изобретению, в котором подвижные магниты связаны с балансом, а фиксированные магниты наложены в двух параллельных плоскостях при регулирующем элементе, находящемся в положении равновесия;
на фиг.14 показан перспективный вид регулирующего элемента с фиг.13, колеблющегося в промежуточном положении;
на фиг.15 показан вид сверху варианта реализации регулирующего элемента согласно изобретению, в котором подвижные магниты непосредственно установлены на палетах, которые, таким образом, служат балансом;
на фиг.16 показан вид сверху варианта реализации регулирующего элемента согласно изобретению, в котором подвижные магниты непосредственно установлены на палетах, которые, таким образом, служат балансом, а фиксированные магниты наложены на подвижные магниты в параллельной плоскости;
на фиг.17 показан вид сверху варианта реализации регулирующего элемента согласно изобретению, в котором фиксированные магниты имеют специальную форму, разработанную для того, чтобы гарантировать усилие отвода, пропорциональное угловому расстоянию, и в котором баланс имеет форму стержня;
на фиг.18 показан секущий поперечный разрез регулирующего элемента с фиг.17 в плоскости стержня;
на фиг.19 показан вид сверху другого варианта реализации регулирующего элемента, в котором усилие отвода пропорционально угловому расстоянию;
на фиг.20 показан вид сверху другого варианта реализации регулирующего элемента, в котором усилие отвода пропорционально угловому расстоянию, причем в этом варианте реализации используется магнитное кольцо, намагниченность которого меняется по периферии;
на фиг.21 показан вид в поперечном разрезе регулирующего элемента согласно изобретению, имеющего магниты, толщина которых меняется в радиальном направлении;
на фиг.22 показан вид сверху варианта реализации регулирующего элемента согласно изобретению, соответствующего первому варианту, но в котором сенсор и цепь позволяют определять и/или контролировать амплитуду колебаний баланса.
на фиг.23 показан вид сверху варианта реализации регулирующего элемента согласно изобретению, соответствующего первому варианту, но в котором катушка генерирует ток, частота которого зависит от частоты колебаний баланса.
В последующем описании и в формуле изобретения прилагательное «фиксированный» относится к движению. Элемент является фиксированным, если он не движется относительно часового механизма, например, относительно нижней платины часового механизма.
Термин «баланс» обозначает деталь, колеблющуюся под воздействием возбуждения вокруг положения равновесия. В значительной мере изохронные колебания определяют ход часов. Баланс может быть образован колесом с несколькими спицами, диском, стержнем, палетами и т.д.
На фиг.1b схематически проиллюстрирован регулирующий элемент 1, имеющий баланс 3, колеблющийся вокруг оси 300, перпендикулярной к нижней платине часового механизма. В этом примере баланс 3 имеет вокруг оси 300 круговой обод и две радиальные спицы (или плеча) 302. Винты 301 позволяют легко смещать момент инерции баланса. Баланс образует инерционную массу; его масса, также как его радиус, являются предпочтительно значительными в пределах, установленных при желании свести к минимуму размеры часового механизма. Значительное усилие отвода, которое предлагает заявленное решение, позволяет использовать особо значительные инерционные массы.
В рамках изобретения возможны также биметаллические балансы, которые деформируются с целью компенсировать колебания температуры. Другие средства могут быть использованы для компенсации изменений в интенсивности магнитного поля в зависимости от температуры.
Баланс 3 связан или снабжен подвижными постоянными магнитами 30, которые приводятся во вращение балансом. Иллюстративный пример содержит два отдельных биполярных постоянных магнита, размещенных симметрично от оси 300, на угловом расстоянии 180° друг от друга. Каждый магнит имеет положительный полюс и отрицательный полюс, находящиеся на одинаковом расстоянии от оси 300. Как показано, намагниченные части могут также быть образованы намагниченными участками самого баланса или магнитопроводом на балансе. Баланс, таким образом, может быть образован намагниченным кольцом со знакопеременной полярностью вдоль его периферии. Баланс может быть, например, намагничен однородным или поступательным образом посредством записывающей головки, т.е. катушки, генерирующей в зазоре головки магнитное поле контролируемой напряженности.
Регулирующий элемент содержит также два фиксированных постоянных магнита 40, установленных на мосту или на нижней платине часового механизма с помощью любого подходящего средства. Два магнита помещают в плоскости баланса 3, симметрично и под углом 180° к оси 300. В непредставленном варианте реализации фиксированные магниты могут также быть помещены в другой плоскости, параллельной плоскости баланса 3. Каждый из магнитов 40 имеет положительный полюс и отрицательный полюс, расположение которых, симметричное относительно оси 300, тем не менее перевернуто в отношении расположения полюсов подвижных магнитов 30. Таким образом, фиксированные магниты 40 и подвижные магниты 30 отталкиваются друг от друга при достижении максимальной силы магнитного взаимодействия в то время, когда они близки между собой. Положение равновесия достигается путем поворота баланса на 90° так, чтобы оттолкнуть каждый подвижный магнит 30 на одинаковое расстояние от двух фиксированных магнитов 40; магнитное поле, которое генерируют постоянные магниты 40, является минимальным при такой компоновке, так что усилие или крутящий момент, необходимые для выхода из положения равновесия, также уменьшаются.
Магниты 30 и 40 предпочтительно выбирают таким образом, что магнитная сила отталкивания, даже в проиллюстрированном положении равновесия, значительно превышает силу тяжести, воздействующую на баланс 3. Для получения значительных остаточных полей предпочтительно будут использоваться постоянные магниты, выполненные из оксидов металла или редкоземельных соединений, или сплавов платины и кобальта.
Положение фиксированных магнитов или даже положение подвижных магнитов можно регулировать во всех вариантах реализации, например, с помощью винтов, с целью регулировать частоту колебания баланса.
Таким образом, колебания баланса мало зависят от наклона баланса. Вращающуюся массу баланса 3 (включая винты 301) и подвижных магнитов 30 далее предпочтительно распределяют как можно более равномерно вокруг оси 300, чтобы улучшить уравновешивание баланса.
Во всех вариантах реализации возможно размещение на балансе 3 и/или на мосту не представленных здесь механических ограничителей, предназначенных для того, чтобы ограничить амплитуду возможных поворотов баланса и таким образом предотвратить переключение баланса из одного положения равновесия в другие, например, в результате удара. Аналогичные ограничительные элементы могут также использоваться с другими вариантами реализации, дополнительно рассмотренными ниже. Дополнительные ограничители могут, например, включать в себя упругие средства, предназначенные для амортизации ударов в конце перемещения.
Баланс 3 предназначен для колебаний вокруг положения равновесия, показанного на фиг.1b, под воздействием приводного элемента, образуемого в этом примере механизмом 2 спуска, в данном случае обычным швейцарским анкерным механизмом 20 с палетами. Механизм спуска может также быть специально приспособлен для того, чтобы учитывать небольшую амплитуду колебаний баланса.
Анкерное колесо 210, привод которого осуществляется барабанами (не показаны) или любым другим подходящим источником механической энергии, приводит в действие палеты 20 посредством рубиновых камней платины 200. Смещение палет, ограниченное ограничителями 201, передается на баланс 2 посредством вилки 202 и штифта 31.
В рамках изобретения могут использоваться другие виды механизмов спуска, включая электрические или магнитные спуски. В магнитном спуске импульсы, которые получает баланс 30, предпочтительно представлены притяжением или отталкиванием между намагниченными частями баланса и механизмом спуска. Таким образом, появляется возможность привода без контакта.
Амплитуда и частота колебаний вокруг положения равновесия определяются силой и расположением магнитов и амплитудой крутящего момента, который передается приводным элементом. Далее следует отметить, что баланс 30 колеблется без деформации материала, так что частота колебаний не зависит от металлургических характеристик или от старения упругих деталей.
Значительное усилие отвода, которое достигается с использованием мощных магнитов, позволяет достичь значительных частот колебаний, превышающих обычные частоты типичных механических часов, и таким образом достичь увеличения точности и/или разрешающей способности часового механизма. Выбор подходящих магнитов и геометрической формы позволяет, таким образом, отображать показатели времени или длительности с разрешением порядка десятых или даже сотых долей секунды.
Регулирующий элемент с фиг.1b представлен в частичном разрезе на фиг.2, где удален механизм 2 спуска с целью улучшить удобочитаемость. В проиллюстрированном варианте реализации баланс 3 поворачивается вокруг оси 300, перпендикулярной к верхнему мосту 41 и к нижнему мосту 42. Мосты 41 и 42 предпочтительно образуют магнитный экран, позволяющий защитить баланс 3 от воздействия внешнего магнитного поля и защитить другие детали часов магнитными полями, которые генерируют в основном магниты 30 и 40. Экран может быть также в варианте реализации, не представленном здесь, создан с помощью элементов, отдельных от мостов, например, с помощью нижней платины, циферблата, корпуса или специально предназначенных для этого элементов. Возможно также приспособление экрана со всех сторон. Было бы желательно также использовать часовой механизм, в котором по меньшей мере некоторые оси, зубчатые колеса, колесики и/или мосты изготовлены из немагнитного материала. В предпочтительном варианте реализации кинематическая цепь между регулирующим элементом и стрелками содержит по меньшей мере один элемент из синтетического материала, например, ленту, приводимую в движение шкивом.
Ось 300 баланса 2 удерживается на мостах 41, 42 посредством двух подшипников 410 и 420, например, обычными противоударными подшипниками, подшипниками “Incabloc” или, в проиллюстрированном предпочтительном варианте реализации, магнитными подшипниками. В этом примере верхняя оконечность 3001 и нижняя оконечность 3002 оси 300 намагничены или снабжены магнитами. Подшипники 410 и, соответственно, 420 имеют каждый гнезда 4100 и, соответственно, 4200, глубина и диаметр которых несколько больше соответствующих размеров оси 300. Стороны гнезд намагничены с полярностью, идентичной полярности соответствующих оконечностей оси 300, так что отталкивают эту ось обратно, так что она, таким образом, остается подвешенной между подшипниками 410 и 420. Таким образом, ось 300 может поворачиваться без трения. Такая компоновка позволяет также избежать износа подшипников 410, 420 оси 300.
Баланс 3 согласно изобретению может, таким образом, колебаться без какого-либо контакта с другими элементами, возвращаясь в свое положение равновесия с помощью магнитов 30, 40, которые удерживаются магнитными подшипниками 410, 420 и/или с приводом от магнитного механизма спуска. Можно также уменьшить трение и износ, вызванные движениями баланса. Эти различные меры могут, однако, использоваться независимо друг от друга.
На фиг.1b проиллюстрирован вариант реализации регулирующего элемента, сходный с вариантом реализации с фиг.1b, в котором конструкция механизма спуска допускает колебания баланса с большей амплитудой, например, колебания максимум на 180° или больше путем модификации размещения магнитов. Механизм спуска предпочтительно является швейцарским анкерным механизмом, допускающим значительные колебания баланса без генерирования избыточных колебаний палет. Баланс 3 дополнительно снабжен винтами, допускающими возможные нарушения равновесия, или иными источниками эксплуатационных возмущений.
Геометрическая форма баланса, описанного в соответствии с фиг.1а, 1b и 2, подобна форме балансов обычных механических регулирующих элементов. Использование магнитного возвратного элемента позволяет рассмотреть иные конструкции балансов 3, несколько примеров которых будут описаны со ссылкой в особенности на фиг.3-13.
На фиг.3 упрощенным образом проиллюстрирован второй вариант реализации регулирующего элемента согласно изобретению (без механизма 2 спуска), в котором фиксированные магниты 40 и подвижные магниты 30 образованы каждый двумя биполярными магнитами, соединенными бок о бок в обратной полярности. Полученная в результате намагниченная деталь содержит, таким образом, две оконечности, обладающие одинаковой полярностью. Два подвижных магнита 30 образованы на балансе 3. Однако каждый биполярный магнит обладает в целом горизонтальной осью симметрии.
На фиг.5 упрощенным образом проиллюстрирован четвертый вариант реализации изобретения, соответствующий фиг.1, но в котором дополнительные фиксированные постоянные магниты 47 помещены против подвижных магнитов 30 в положении равновесия. В проиллюстрированном примере дополнительные фиксированные магниты 47 и подвижные магниты 30 взаимно притягиваются в положении равновесия. Таким образом, положение равновесия определяется как отталкиванием магнитов 30 и 40, так и притяжением магнитов 30 и 47; роль сил отталкивания, однако, является доминирующей, так чтобы ограничить стабильность точки равновесия и обеспечить колебание системы даже при низкой энергии привода. Таким образом, магнитное поле, которое генерируют дополнительные фиксированные магниты 47, предпочтительно значительно меньше магнитного поля магнитов 40.
В рамках изобретения могут быть также предложены дополнительные магниты 47 с обращенными полюсами, позволяющие уменьшить стабильность точки равновесия.
Аналогичных результатов можно добиться, поместив на баланс дополнительные постоянные магниты.
Дополнительные магниты могут также быть помещены в конце пути перемещения или на мосту, или на балансе, таким образом, чтобы притягивать или отталкивать баланс в этом положении и уменьшать изменения амплитуды колебаний, вызванные возмущениями.
На фиг.6 упрощенным образом проиллюстрирован вариант реализации регулирующего элемента согласно изобретению, имеющий прямой баланс (игольчатой формы) 3, поворачивающийся вокруг центральной оси 300. Две оконечности баланса 3 снабжены магнитами 30, которые отталкиваются назад в направлении положения равновесия фиксированными магнитами 40, установленными на мосту, которые не показаны. Хотя инерционная масса баланса 3 в этом варианте реализации значительно уменьшена, эта конструкция позволяет уменьшить пространство, требующееся для регулирующего элемента.
На фиг.7 проиллюстрирован вид сверху варианта реализации регулирующего элемента согласно изобретению, имеющего прямой баланс 3, подобный показанному на фиг.6, но поворачивающийся вокруг эксцентричной оси 300. В этом варианте реализации только оконечность баланса 3, наиболее удаленная от оси 300, снабжена магнитом, который отталкивается назад в проиллюстрированное положение равновесия посредством двух магнитов 40.
В этом варианте реализации механизм спуска может быть получен путем удлинения баланса 3 с помощью детали в форме пластинок, которая непосредственно приводится в действие первым пусковым колесом.
Наряду с прямыми балансами (игольчатой формы или l-образные) можно использовать, например, балансы Т- или Н-образной формы, как показано на фиг.6, 7.
На фиг.8 показан вид сверху шестого варианта реализации регулирующего элемента согласно изобретению. Регулирующий элемент подобен показанному на фиг.1 и 2, но имеет четыре подвижных магнита 30, расположенных на угловом расстоянии 90° друг от друга на мосту, который не показан. Такое размещение позволяет заметно уменьшить расстояние между фиксированными магнитами и подвижными магнитами, одновременно увеличивая количество магнитов, так что увеличивается результирующая магнитная сила взаимодействия и, таким образом, крутящий момент отвода.
Возможно применение конструкций с более чем четырьмя подвижными магнитами и/или больше чем четырьмя фиксированными магнитами. Кроме того, как уже упоминалось, можно также использовать намагниченные детали со множеством зон со знакопеременной магнитной полярностью. Магнитное поле меняется, например, по принципу «все или ничего» или по синусоиде, и может, например, быть записано магнитной головкой на периферии баланса и/или на фиксированном элементе, соединенном с часовым механизмом.
На фиг.9 показан вид сверху варианта реализации регулирующего элемента, в котором число подвижных магнитов 30 на балансе меньше числа фиксированных магнитов 40. Каждый подвижный магнит подвергается, таким образом, воздействию пары фиксированных магнитов; каждый фиксированный магнит воздействует только на один подвижный магнит. Можно также допустить компоновки с двумя фиксированными магнитами и одним подвижным магнитом.
На фиг.10 показан вид сверху варианта реализации регулирующего элемента, в котором число подвижных магнитов 30 на балансе больше числа фиксированных магнитов 40. Каждый подвижный магнит подвергается, таким образом, воздействию одного фиксированного магнита; каждый фиксированный магнит воздействует, однако, на два подвижных магнита.
Амплитуда колебаний баланса с фиг.9 очень ограничена, составляя меньше 90°. Таким образом, становится возможным добиться его очень быстрого колебания при очень тонкой разрешающей способности при измерении времени. Однако очень быстрые колебания при небольшой амплитуде имеют тот недостаток, что усиливают влияния возмущений, вызванных в каждом цикле трением с палетами и балансом. Согласно желательной разрешающей способности и качеству, с которым выполнен механизм спуска, может оказаться желательным увеличить амплитуду колебаний до более чем 180° вместо того, чтобы стремиться уменьшить ее. Для этой цели возможны также компоновки с наличием двух подвижных магнитов и одного фиксированного магнита или даже одного фиксированного магнита и одного подвижного магнита, что позволяет добиться колебаний, достигающих почти 360°.
Кроме того, в непроиллюстрированном варианте реализации можно также увеличить вращающуюся инерционную массу путем соединения баланса 3 с другой колеблющейся массой посредством кинематической цепи, например, зубчатого колеса на оси баланса, или посредством ремня. Колебания баланса передаются, таким образом, на дополнительную колеблющуюся массу. Передаточные числа между балансом 3 и дополнительной колеблющейся массой позволяют получить различную амплитуду колебаний на этих двух компонентах. Допустимо, например, иметь баланс с колебаниями на 180° и соединять его кинематически через зубчатое колесо с передаточным числом 8 с другой вращающейся массой, которая в каждом цикле совершает колебания в размере 8×180°, т.е. на четыре оборота.
На фиг.11 проиллюстрирован вариант реализации изобретения, в котором баланс образован подвижным магнитом 30, траектория которого ограничивается направляющей 43, например, направляющей скольжения в форме лотка или рельса, а в этом примере в форме кольцевой направляющей скольжения. Размещение полюсов фиксированного магнита 40 противоположно размещению полюсов подвижного магнита 30, так что положение равновесия достигается, когда подвижный магнит расположен диаметрально противоположно фиксированному магниту. Эта компоновка позволяет использовать единственный подвижный магнит и единственный фиксированный магнит. Возможно также применение иных, не имеющих форму кольца, направляющих скольжения, рельсов или лотков 43; кроме того, фиксированный магнит 40 может располагаться вне направляющей.
В этом варианте реализации привод баланса 30 осуществляется посредством палет 20, которые приводятся в действие анкерным колесом, которое не показано и которое сочленено вокруг оси 300. Палеты 20 продлевают плечо баланса за пределы направляющей 43. В рамках изобретения возможно также использование магнитного механизма спуска.
В рамках изобретения могут также быть предложены конструкции регулирующих элементов, имеющих несколько стабильных положений равновесия.
На фиг.12 проиллюстрирован вариант реализации изобретения, в котором баланс 3 образован или имеет магнит 3, движущийся линейно в цилиндре, по направляющей скольжения или вдоль рельса 43, две оконечности которого закрыты фиксированными магнитами 40. Полюса магнитов 30 и 40 размещаются таким образом, что сила магнитного взаимодействия имеет тенденцию к отталкиванию назад подвижного магнита 30 во взвешенном состоянии на полпути между двумя фиксированными магнитами 40, как показано на фиг.12. Баланс 3 может колебаться под воздействием элемента, расположенного вне рельса 43, и, следуя движениям баланса 3 за счет механической или магнитной связи.
Движение баланса на фиг.11 и 12 ограничивается направляющими 43, которые вызывают потерю энергии и снижение точности в случае деформации или расширения направляющих поверхностей. Эти варианты реализации, однако, допускают использование необычных решений для ответа на определенные потребности.
В рамках изобретения могут также быть предложены балансы, колеблющиеся в плоскости вдоль двух или равных степеней свободы. В этом случае должно применяться множество фиксированных постоянных магнитов, предназначенных для отталкивания назад баланса в направлении точки равновесия, вокруг которой приводной элемент заставляет его колебаться. Однако небольшая толщина, характерная для наручных часов, и трудности изготовления механизма спуска затрудняют применение таких решений.
На фиг.13 и 14 проиллюстрирован вариант реализации регулирующего элемента, имеющего подвижный магнит 30, образуемый диском, установленным в центре баланса 3. Диск 30 имеет сектора, в проиллюстрированном варианте реализации - два сектора, обладающие знакопеременной магнитной полярностью. Фиксированный магнит 50 установлен над подвижным магнитом 30, в параллельной плоскости, и образуется также диском с секторами, обладающими знакопеременной полярностью. В положении равновесия, показанном на фиг.13, баланс располагается так, что сектора с противоположной полярностью двух магнитов 30 и 40 в точности налагаются друг на друга. Баланс переходит в это положение главным образом за счет притяжения противоположных полюсов двух магнитов и, в меньшей степени, за счет отталкивания одинаковых полюсов. Баланс колеблется вокруг этого стабильного положения равновесия, когда на него передаются возмущения, например, с помощью механизма спуска, не представленного на фигуре.
Можно также модифицировать компоновку, показанную на фиг.13 и 14, используя, например, магниты 30 и 40, снабженные более чем двумя секторами со знакопеременной полярностью, или путем использования нескольких фиксированных магнитов в первой плоскости и нескольких подвижных магнитов в параллельной плоскости. Подвижные магниты могут, например, размещаться по периферии баланса и с подвижными магнитами выше этих положений. Можно также использовать разное число фиксированных магнитов и подвижных магнитов; например, в рамках изобретения установить подвижный магнит 30 между фиксированным магнитом на верхней плоскости, как показано на фиг.13 и 14, и дополнительный фиксированный магнит, который не показан, на нижней параллельной плоскости.
На фиг.15 показан вид сверху варианта реализации регулирующего элемента, в котором подвижные магниты 30 установлены непосредственно на палетах 20. Фиксированные магниты 40 имеют тенденцию к отталкиванию этих подвижных магнитов и вызову их колебаний вокруг положения равновесия. Таким образом, палеты 20 сами действуют как баланс. Этот вариант реализации, хотя и допустим, имеет тот недостаток, что является более чувствительным к ударам, а инерция палет обычно является недостаточной для того, чтобы гарантировать изохронное колебание. Требуется предусмотреть палеты с большой инерцией, которые могут требовать, однако, значительной энергии возбуждения для того, чтобы вызвать их колебание.
Вариант реализации с фиг.16 комбинирует особенности решений, показанных на фиг.13 и 15, т.е. палет 20, которые сами действуют как баланс, и фиксированных и постоянных магнитов, образуемых наложенными дисками, имеющими сектора со знакопеременной полярностью.
Обычные механические магниты обладают усилием отвода, пропорциональным их протяженности d:
F=k·d
Приложенное к конструкции из спиральной пружины, предназначенной для возврата баланса в направлении его стабильного положения покоя, это усилие гарантирует изохронное колебание, когда возбуждение баланса, вызванное механизмом спуска, подчиняется определенным ограничениям.
Однако усилие отвода между двумя точечными магнитами уменьшается в квадратичной или даже в кубической степени, когда расстояние d между магнитами возрастает:
2
3
F=j/d или F=j/d.
При использовании в обычном механизме спуска это отношение гарантирует стабильное изохронное колебание только в случае, если колебания удовлетворяют очень специфическим условиям (например, при их низкой амплитуде).
Вариант реализации, показанный на фиг.17, иллюстрирует вариант реализации регулирующего элемента, в котором отношение между расстоянием баланса (т.е. угловым расстоянием до положения покоя) и усилием или крутящим моментом отвода подчиняется различным отношениям.
Для этого объем фиксированных магнитов 40 возрастает, когда в диапазоне колебаний р один из них отходит от положения покоя на угловое расстояние d, так чтобы увеличить усилие отвода на расстоянии от этого положения. Подвижные магниты 30 на балансе 3 имеют, с другой стороны, постоянные размеры по траектории колебаний. Могут быть применены механические или магнитные ограничители, которые здесь не показаны и которые предназначены для того, чтобы оставить баланс в диапазоне колебаний р даже в случае, например, ударов.
Так, механизм спуска, который не показан, имеет тенденцию к повороту баланса против часовой стрелки, вращению, которому противодействует отталкивание магнитов.
4
В варианте реализации, показанном на фиг.17, поверхность фиксированных магнитов 40 в плоскости, параллельной плоскости колебаний баланса 3, возрастает в поле колебаний р в кубе от углового расстояния d или, возможно, согласно d. Фиксированные магниты 40 имеют, таким образом, форму неполной луны. Другая возможная компоновка показана на фиг.19, на которой баланс колеблется вокруг оси 300 с каждой стороны положения покоя.
Подвижные магниты 30 с фиг.17 движутся по круговой траектории в плоскости, параллельной плоскости фиксированных магнитов 40. Можно также, однако, для увеличения магнитного взаимодействия получить вращение подвижных магнитов между двумя параллельными плоскостями, каждая из которых снабжена одним или несколькими фиксированными магнитами 40. В отличие от этого можно также применить баланс 3, состоящий из нескольких наложенных друг на друга палет, вращающихся на одной и той же оси и снабженных подвижными магнитами 30; различные подвижные палеты разделяются затем одним или несколькими мостами, несущими на себе фиксированные магниты. Возможно предложение других видов пакетирования любого количества плоскостей подвижных магнитов или плоскостей фиксированных магнитов.
Возможны и другие, непоказанные здесь компоновки, предназначенные для коррекции отношения между усилием отвода, созданным магнитами 30, 40, и расстоянием или угловым расстоянием баланса 3 от положения покоя. Например, вместо изменения площади поверхности фиксированных магнитов в горизонтальной плоскости, можно изменять площадь поверхности подвижных магнитов. Более того, можно также изменять толщину фиксированных и/или подвижных магнитов или их намагниченность по траектории баланса. Эти различные меры можно также комбинировать между собой. Кроме того, можно также использовать магниты с меняющимся объемом или намагниченностью в системе, имеющей круговой баланс со значительной инерцией, и/или использовать произвольное число фиксированных и/или подвижных магнитов с переменным объемом или плотностью. И, наконец, усилие отвода, которое изменяется согласно угловому расстоянию баланса, может также быть достигнуто с дискретными магнитами различных размеров, выполненных из различного материала и/или при различной намагниченности.
3
4
На фиг.20 показан вариант реализации изобретения, в котором баланс 3 снабжен тремя спицами 302, из которых по меньшей мере одна намагничена с противоположными полюсами в каждой радиальной оконечности. Таким образом, только наружный полюс спицы развивает значительное взаимодействие с фиксированными магнитами 40, которые образованы магнитным кольцом 40 с поляризацией в одном направлении внутри и в противоположном направлении снаружи. Кроме того, намагниченность фиксированного магнита 40 возрастает предпочтительно в d или, возможно, в d, с угловым расстоянием d от положения покоя d=0 баланса. Плотность магнитного поля, которое генерирует фиксированный магнит, меняется вдоль периферии баланса таким образом, чтобы предпочтительно обеспечить усилие отвода, которое меняется пропорционально угловому положению баланса. В непоказанном варианте реализации изобретения баланс может также быть снабжен магнитным периферийным кольцом или дискретными магнитами на периферии, с намагниченностью, которая меняется по периферии.
Последовательная намагниченность фиксированного магнита может быть, например, получена, как упоминалось ранее, путем его намагничивания с помощью записывающей головки. В случае насыщенности магнитного материала может оказаться необходимым ограничить колебания баланса в той части, которая гарантирует нужное отношение между угловым положением баланса и усилием отвода. Кроме того, вместо намагничивания всего баланса было бы допустимо намагничивать только магнитную дорожку, прикрепленную к последнему параллельно или перпендикулярно к плоскости баланса.
Дополнительный фиксированный постоянный магнит 47 помещен против подвижного магнита 30 в положении с максимальным отталкиванием, для того чтобы не позволить балансу достичь и затем перейти это положение. Этот магнит 47 действует также как магнитный ограничитель, предназначенный для вывода баланса из нежелательного положения равновесия, не имея при этом недостатков механических ограничителей, вызывающих удары, которые могут нарушить изохронное движение баланса.
В случае, когда колебания баланса составляют меньше 180°, было бы также возможно и даже предпочтительно поместить магнитные ограничители 47, не показанные на иллюстрации, ближе к концу дорожки перемещения баланса, например, один ограничитель на 10 часов и второй - на 2 часа, чтобы оттолкнуть баланс назад задолго до того, как он достигнет нежелательного неустойчивого положения равновесия на 12 часов.
В варианте реализации, показанном на фиг.20, постоянные магниты образованы сплошным кольцом. Возможно также, однако, использование прерывистого кольца, снабженного, например, одним или несколькими зазорами головки или содержащего дискретные магниты.
В вариантах реализации, показанных на фиг.17-20, объем фиксированных (и/или подвижных) магнитов меняется постепенно по круговой траектории баланса, так чтобы контролировать соотношение между усилием отвода и угловым положением баланса.
На фиг.21 показан вариант реализации изобретения, в котором толщина подвижных магнитов 30 возрастает радиально, в то время как толщина фиксированных магнитов 40 уменьшается при отходе от оси вращения 300. Возможно также применение обратной компоновки, с зазором между фиксированными и подвижными магнитами. Кроме того, изменение радиальной толщины может также комбинироваться с изменениями по периферии регулирующего элемента. Радиальное изменение и/или изменение по окружности толщины магнитов 30, 40 может также использоваться в вариантах реализации, показанных на фиг.13 и 14, имеющих наложенные друг на друга магниты. Кроме того, можно также изменять намагниченность фиксированных и/или подвижных магнитов в зависимости от расстояния до центра.
На фиг.22 проиллюстрирован вариант реализации регулирующего элемента, показанного на фиг.1-2, который содержит также множество электродов 44, чьи электрические характеристики меняются в зависимости от электрического поля, воздействию которого они подвергаются. Электроды 44 позволяют, таким образом, обнаруживать или даже измерять вращение магнитного поля, которое генерируется колебаниями подвижных магнитов 30. Электроды 44 могут, например, быть образованы магниторезистивными электродами или датчиками Холла. Они могут быть соединены между собой и с интегрированной схемой 46 посредством соединительных путей 440 согласно различным топологиям. Схема 440 позволяет определять амплитуду колебаний баланса 430 и/или частоту колебаний. Схема 46 может получать питание из независимого источника энергии, например батарейки, или от катушки, генерирующей переменный ток под воздействием смещений баланса, как показано в связи с фиг.18, упомянутой выше. Таким образом, можно добиться электронной коррекции хода механических часов.
Измерение частоты и/или амплитуды колебаний баланса 30 позволяет обнаруживать возможные неравномерности в частоте хода. Эта информация может быть использована для коррекции хода часов, например, путем подачи на баланс 30 корректирующего крутящего момента с помощью не показанных здесь электромагнитов или другого электромеханического средства, с тем чтобы корректировать амплитуду и частоту колебаний. Эта информация может также использоваться для отображения сигнала о завершении перемещения, так чтобы указать пользователю, что ход часов становится неточным.
На фиг.23 показан вариант реализации регулирующего элемента, в котором катушка 45, противоположная каждому подвижному магниту 30, генерирует ток, сила которого пропорциональна магнитному полю, которое генерируется при приближении этого магнита к катушке. Возможно также применение конструкций с двумя катушками в противоположной фазе или тремя катушками, генерирующими трехфазный ток. Проиллюстрированные катушки генерируют приблизительно синусоидальный ток, частота которого соответствует частоте колебаний баланса. Эту частоту можно измерить схемой 45, например, путем сопоставления ее с эталонной частотой, которую выдает кварцевый резонатор, для того чтобы информировать, например, пользователя в случае неравномерной частоты и/или корректировать эту частоту, например, путем подачи в катушку компенсационного тока. Схема 46 может включать в себя выпрямитель и, таким образом, самостоятельно обеспечить свое питание током, который генерирует катушка 45. Ток, который генерирует катушка, может также быть использован для питания схемы, выполняющей любую функцию, которую желают придать механическим часам без применения батареек.
Описанный регулирующий элемент может быть использован в часовом механизме автономных наручных часов или во вспомогательном блоке, например в блоке хронографа, который должен быть наложен на базовый блок.
Различные описанные регулирующие элементы имеют все по меньшей мере один подвижный постоянный магнит и по меньшей мере один фиксированный постоянный магнит. В рамках изобретения можно представить себе, однако, конструкции без фиксированного постоянного магнита или без подвижного постоянного магнита.
Являющийся предметом изобретения регулирующий элемент предпочтительно установлен в механическом часовом механизме, предпочтительно не имеющем батарейки, и в корпусе часов, который показывает по меньшей мере часть баланса, что позволяет пользователю в любой момент проверить его смещение.