ЧАСЫ С ПОСТОЯННО СОЕДИНЕННЫМИ ОСЦИЛЛЯТОРАМИ
CLOCK WITH PERMANENTLY COUPLED OSCILLATORS

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к часам с постоянно соединенными осцилляторами и часам этого типа, содержащим два осциллятора, предназначенные для отображения, по меньшей мере, одного значения, меньшего или равного секунде, с повышенным разрешением и/или повышенной точностью.
Уровень техники
Существуют часы, имеющие повышенную частоту для улучшения разрешения. Однако эти часы могут быть очень чувствительны к ударным нагрузкам или потреблять много энергии, что препятствует их широкому применению.
Следовательно, понятно, что проще изготовить часы за счет установки низкочастотного осциллятора, как правило, 4 Гц, для отображения времени и другого высокочастотного осциллятора, как правило, 10 или 50 Гц, который является независимым от первого осциллятора, для отображения измеряемого времени с повышенным разрешением. Однако через несколько секунд обнаруживается, что отображение секунд двумя осцилляторами больше не является одинаковым, что может вызвать сомнения в качестве часов.
Раскрытие изобретения
Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы устранить все вышеуказанные недостатки или их часть с помощью часов, которые могут отображать время с повышенным разрешением, обеспечивая при этом соответствующую прочность механических часов, пониженный расход энергии и минимальное отклонение между осцилляторами.
Изобретение относится к часам, содержащим первый осциллятор, совершающий колебания при первой частоте и соединенный первой зубчатой передачей с источником энергии, и второй осциллятор, который совершает колебания при второй частоте и соединен со второй зубчатой передачей; отличающимся тем, что вторая зубчатая передача соединена с первой зубчатой передачей упругим соединительным элементом для синхронизации скорости двух осцилляторов с помощью одного и того же источника энергии.
Понятно, что в случае ударного воздействия изменения скорости будут минимальными благодаря конструкции, которая позволяет синхронизировать два осциллятора. Соответственно, часы по изобретению могут отображать время с повышенным разрешением и/или повышенной точностью, обеспечивая при этом высокий уровень прочности, низкий расход энергии и минимальное отклонение между зубчатыми передачами.
По другим преимущественным характеристикам изобретения:
- упругое соединительное средство образовано пружиной, соединяющей одно колесо первой зубчатой передачи с другим колесом второй зубчатой передачи;
- упругое соединительное средство соединяет четвертые колеса, соответственно, первой зубчатой передачи и второй зубчатой передачи;
- первый осциллятор, выбираемый как эталонный осциллятор, воспринимает наибольший крутящий момент от источника энергии и, предпочтительно, по меньшей мере, 75% этого крутящего момента;
- осциллятор, выбранный как эталонный осциллятор, имеет изохронность лучшего качества, чем другой осциллятор для содействия в синхронизации вышеуказанного другого осциллятора;
- осциллятор, выбранный как эталонный осциллятор, имеет более высокий коэффициент качества, чем другой осциллятор;
- вышеуказанный другой осциллятор имеет коэффициент качества менее 100 для обеспечения более быстрой синхронизации;
- первая и вторая частоты являются идентичными и предпочтительно превышают 5 Гц для отображения времени с повышенным разрешением и/или повышенной точностью;
- первая частота отличается от второй частоты для изменения разрешения и/или повышения точности и, предпочтительно, одна из двух частот, по меньшей мере, равна 10 Гц, и другая частота составляет 1-5 Гц;
- осциллятор, выбранный как эталонный осциллятор, является первым осциллятором или вторым осциллятором;
- часы включают в себя отсоединяемую систему хронографа, составляющую одно целое с одной из двух зубчатых передач;
- часы включают в себя дисплей с показателем меньше секунды, постоянно или непостоянно соединенный с одной из зубчатых передач.
Краткое описание чертежей
Другие характеристики и преимущества станут понятыми из приведенного ниже описания, представленного в качестве неограниченного примера со ссылкой на приложенные чертежи, на которых:
фиг.1 - пример часов по изобретению;
фиг.2 - пример упругого соединительного элемента по изобретению;
фиг.3 и 4 - модели синхронизации для двух примерных вариантов часов по изобретению.
Осуществление изобретения
1
2
Как показано на фиг.1 и 2, настоящее изобретение относится к часам 1, включающим в себя первый резонатор 3, соединенный с помощью первой зубчатой передачи 5 через первый анкерный спусковой механизм 7 с источником 9 энергии. Первый резонатор 3 и первый анкерный спусковой механизм 7 образуют первый осциллятор 15 с частотой f. Часы 1 также включают в себя второй резонатор 23, соединенный со второй зубчатой передачей 25 через второй анкерный спусковой механизм 27. Второй резонатор 23 и второй анкерный спусковой механизм 27 образуют второй осциллятор 35, совершающий колебания с частотой f.
Преимущественно по изобретению вторая зубчатая передача 25 постоянно соединена с первой зубчатой передачей 5 упругим соединительным средством 41 для синхронизации скорости двух осцилляторов 15, 35, используя один и тот же источник 9 энергии. Как видно из примера на фиг.1, источник 9 энергии предпочтительно является барабаном, т.е. источником аккумулирования механической энергии.
Предпочтительно по изобретению упругое соединительное средство 41 образовано пружиной 43, соединяющей одно колесо первой зубчатой передачи 5 с другим колесом второй зубчатой передачи 25. Как показано на фиг.2, предпочтительно по изобретению упругое соединительное средство 41 соединяет четвертые колеса, соответственно, первой зубчатой передачи 5 и второй зубчатой передачи 25.
Предпочтительно по изобретению видно, что используется сдвоенное колесо 42. Как более понятно показано на фиг.2, оно образовано первым диском 45, соединенным через промежуточное колесо 46 с первой зубчатой передачей 5. и вторым диском 47, прямо или косвенно соединенным со второй зубчатой передачей 25. Два диска 45, 47, соответственно, свободно и жестко соединены с осью 48. И, наконец, пружина 43 упругого соединительного средства 41 предпочтительно установлена между крепежным элементом 49, прикрепленным к ободу диска 45, и заплечиком 50 оси 48. Таким образом, понятно, что диски 45, 47 и, в частности, зубчатые передачи 5 и 25, могут смещаться под углом с помощью упругого соединения пружины 43.
Предпочтительно по изобретению отображение времени, т.е. часов минут и/или секунд, может быть обеспечено с помощью или первой или второй зубчатой передачи 5, 25.
1
2
1
2
1
2
В зависимости от требуемого применения часов первая f и вторая f частоты могут быть идентичными или неидентичными. Таким образом, в первом варианте выполнения первая и вторая частоты f, f являются идентичными и. предпочтительно, превышают 5 Гц для отображения времени с повышенным разрешением и/или повышенной точностью. В этом варианте выполнения частоты f, f могут, например, равняться 10 Гц или 50 Гц для отображения 1/20 или 1/100 секунды, соответственно.
Таким образом, в зависимости от того, какой осциллятор выбран в качестве эталонного, может оказаться полезной установка дисплея часов и минут на зубчатую передачу вышеуказанного осциллятора, выбранного в качестве эталонного осциллятора, и дисплея секунд на зубчатую передачу второго осциллятора. Фактически, было установлено, что в случае ударного воздействия дисплей секунд может вызывать крутящий момент в осцилляторе, который может изменять амплитуду и скорость вышеуказанного осциллятора.
1
2
1
2
2
Во втором варианте выполнения первая частота f превышает вторую частоту f для отображения времени с повышенным разрешением и/или повышенной точностью. Аналогично первому варианту выполнения первая частота f, по меньшей мере, равна 10 Гц, и вторая частота f предпочтительно составляет 1-5 Гц. Фактически, в качестве примера, желательно, чтобы измеряемое в секундах время увеличивалось пошагово за секунду, т.е. чтобы вторая частота f равнялась 1 Гц «подобно» кварцевым часам.
1
2
В третьем варианте выполнения первая частота f меньше второй частоты f для отображения времени с повышенным разрешением и/или повышенной точностью. В этом варианте выполнения, который является обратным вариантом по отношению ко второму варианту выполнения, обеспечиваются такие же преимущества.
В дальнейшем были разработаны модели для описания синхронизации этих двух осцилляторов 15 и 35. Для объяснения был произвольно выбран третий вариант выполнения. Осциллятор 15, выбранный в качестве эталонного осциллятора, является низкочастотным осциллятором и носит название первый осциллятор. Соответственно в нижеприведенном примере второй осциллятор является высокочастотным осциллятором 35, который будет синхронизирован с низкочастотным осциллятором 15.
<mrow><msubsup><mi>A</mi><mn>2</mn><mn>0</mn></msubsup></mrow>
Предпочтительно, по изобретению второй осциллятор 35 выбирается как осциллятор с сильной неизохронностью согласно амплитуде, описываемой посредством кривой Г неизохронности и амплитуды
, при которой скорость равна нулю. Кроме того, предполагается, что первый осциллятор 15, выбранный как эталонный осциллятор, всегда имеет, по существу нулевую скорость за счет незначительного варьирования его амплитуды.
Модели показывают изменение в двух осцилляторах 15, 35, т.е. различие с течением времени в их амплитудах и состоянии фаз и, тем самым, показывают, что имеется возможность проверить, можно или нет синхронизировать второй осциллятор 35 с первым осциллятором 15.
<mrow><msubsup><mi>A</mi><mn>2</mn><mn>0</mn></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>A</mi><mn>2</mn><mn>0</mn></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>A</mi><mn>2</mn><mn>0</mn></msubsup></mrow>
Предпочтительно, второй осциллятор 35 спроектирован таким образом, что его скорость равна нулю, когда он совершает колебания при амплитуде
, является положительной скоростью, когда он совершает колебания при амплитуде выше
, и отрицательной скоростью, когда он совершает колебания при амплитуде ниже
.
Кроме того, упругое соединительное средство 41 спроектировано таким образом, что крутящий момент, передаваемый на вторую зубчатую передачу 25, остается постоянным, если две зубчатые передачи 5, 25 поворачиваются с одинаковой скоростью, уменьшается, если вторая зубчатая передача 25 движется быстрее первой зубчатой передачи 5 (пружина 43 ослабляется), и увеличивается, если вторая зубчатая передача 25 движется быстрее первой зубчатой передачи 5 (пружина 43 наматывается).
<mrow><msubsup><mi>A</mi><mn>2</mn><mn>0</mn></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>A</mi><mn>2</mn><mn>0</mn></msubsup></mrow>
2
Если вышеуказанные условия удовлетворяются, ход часов всегда является стабильным, и второй осциллятор 35 совершает колебания при амплитуде
, и пружина 43 передает на вторую зубчатую передачу 25 крутящий момент М, необходимый для того, чтобы второй осциллятор совершал колебания при амплитуде
.
2
<mrow><msubsup><mi>A</mi><mn>2</mn><mn>0</mn></msubsup></mrow>
Соответственно, если второй осциллятор 35 воспринимает крутящий момент меньше М, его амплитуда уменьшается, т.е. он имеет амплитуду меньше
. Как объясняется выше, его скорость становится отрицательной, т.е. второй осциллятор 35 отстает от первого осциллятора 15, выбранного в качестве эталонного осциллятора.
2
<mrow><msubsup><mi>A</mi><mn>2</mn><mn>0</mn></msubsup></mrow>
Таким образом, понятно, что вторая зубчатая передача 25 будет вращаться медленнее первой зубчатой передачи 5 во время наматывания соединительной пружины 43, т.е. увеличивая крутящий момент, передаваемый на вторую зубчатую передачу 25. Соответственно, поскольку крутящий момент увеличивается, амплитуда второго осциллятора 35 автоматически корректируется. Таким образом, обнаруживается, что крутящий момент и амплитуда второго осциллятора 35 синхронизируются при устойчивом крутящем моменте М и устойчивой амплитуде
.
2
2
<mrow><msubsup><mi>A</mi><mn>2</mn><mn>0</mn></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>A</mi><mn>2</mn><mn>0</mn></msubsup></mrow>
Аналогично, если воспринимаемый крутящий момент превышает крутящий момент М, то амплитуда второго осциллятора 35 становится больше значения
, и это означает, что скорость второго осциллятора будет положительной. Вторая зубчатая передача 25 опережает первую зубчатую передачу 5 во время ослабления пружины 43. Соответственно, крутящий момент на второй зубчатой передаче 25 будет уменьшаться до устойчивого крутящего момента М, и амплитуда второго осциллятора 35 снова будет стремиться к устойчивой амплитуде
.
2
<mrow><msubsup><mi>A</mi><mn>2</mn><mn>0</mn></msubsup></mrow>
Таким образом, понятно, что независимо от того, происходит ли это во время запуска часов или после удара, система всегда будет стремиться к стабилизации в устойчивом положении, когда крутящий момент на второй зубчатой передаче 25 имеет значение М, и амплитуда второго осциллятора 35 имеет значение
.
1
2
Предпочтительно, по изобретению предполагается, что крутящий момент 9 на барабане и частоты f, f двух осцилляторов 15, 35 являются заданными параметрами. Понятно, что к выбираемым параметрам относятся:
1
2
- «размер» двух осцилляторов 15, 35 (например, инерционных блоков I, I, если резонаторы 3, 23 являются подпружиненными балансами);
1
2
- коэффициенты качества двух осцилляторов 15, 35: Q, Q (что является функцией размера осциллятора);
- кривая неизохронности второго осциллятора: Г;
<mrow><msubsup><mi>A</mi><mn>2</mn><mn>0</mn></msubsup></mrow>
- амплитуда второго осциллятора, при которой скорость равна нулю:
;
2
- крутящий момент М пружины 43;
- жесткость K при изгибе пружины 43.
Предпочтительно по изобретению параметры выбираются следующим образом:
2
- часть общего крутящего момента, которая должна быть передана на второй осциллятор, который передает значение М крутящего момента. По изобретению первый осциллятор 15 воспринимает наибольший крутящий момент с помощью источника 9 энергии и, предпочтительно, по меньшей мере, 75% этого значения;
<mrow><msubsup><mi>A</mi><mn>2</mn><mn>0</mn></msubsup></mrow>
- амплитуда
, при которой требуется стабилизировать второй осциллятор (следовательно, второй осциллятор должен быть спроектирован таким образом, чтобы его скорость была, по существу, равна нулю при этой амплитуде);
<mrow><msubsup><mi>A</mi><mn>2</mn><mn>0</mn></msubsup></mrow>
2
- размер второго осциллятора (например, инерционного блока), так чтобы амплитуда стабилизации составляла
, когда он воспринимает крутящий момент М (с помощью коэффициента качества);
- размер первого осциллятора (например, инерционного блока), так чтобы амплитуда стабилизации была приемлемой (с помощью коэффициента качества);
- кривая Г неизохронности второго осциллятора 35;
- жесткость K пружины 43.
Преимущественно по изобретению также предпочтительно «отрегулировать» K и Г, так чтобы:
- крутящий момент, передаваемый на зубчатую передачу 25, никогда не становился равным нулю;
- скорость второго осциллятора 35 оставалась близкой к нулевой частоте;
- отклонение в состоянии двух осцилляторов 15, 35 при «запуске» было незначительным;
- время стабилизации было достаточно коротким.
Опытным путем было доказано, что желательно поддерживать параметры K и Г для получения одинакового времени стабилизации во время непрерывного аппроксимирования. Таким образом, увеличение K (и тем самым уменьшение Г на такое же значение) уменьшает колебания амплитуды и крутящего момента (тем самым препятствуя компенсированию момента). Однако это также увеличивает максимальное отклонение в состоянии перед стабилизацией и текущую скорость, которая может стать предельной. Следовательно, между этими двумя явлениям необходимо найти компромисс.
Также было установлено, что увеличение частоты синхронизируемого осциллятора (вышеуказанного второго осциллятора 35) уменьшает время стабилизации. И, наконец, во время испытаний было установлено, что уменьшение коэффициента качества синхронизируемого осциллятора (вышеуказанного второго осциллятора) также уменьшает время стабилизации.
1
2
1
2
1
2
1
2
На фиг.3 и 4 показано моделирование, выполняемое посредством внедрения. На фиг.3 f=4 Гц, f=10 Гц, Q=200, Q=50 и на фиг.4 f=4 Гц, f=50 Гц, Q=200, Q=50 с идентичными K, Г для каждой модели.
<mrow><msubsup><mi>A</mi><mn>2</mn><mn>0</mn></msubsup></mrow>
График А на каждой фигуре соответствует части амплитуды каждого осциллятора относительно эталонной амплитуды, если он воспринимает весь крутящий момент от источника энергии. Следует отметить, что для использования в примерах на фигурах амплитуда
, выбираемая для второго осциллятора, равна приблизительно 1/3. Таким образом, через 2 и 1,5 секунды, соответственно, каждый осциллятор стабилизируется при его синхронизированной амплитуде.
График В на каждой фигуре соответствует части крутящего момента, которую каждый осциллятор воспринимает от источника энергии. Следует отметить, что для использования в примерах на фигурах часть крутящего момента, выбираемая для второго осциллятора, равна приблизительно 10%. Таким образом, через 2 и 1,5 секунды, соответственно, каждый осциллятор стабильно воспринимает часть его крутящего момента.
График С на каждой фигуре соответствует скорости второго осциллятора. Следует отметить, что через 5,5 и 2 секунды, соответственно, второй осциллятор стабилизируется приблизительно на нулевой скорости.
И, наконец, график D на каждой фигуре соответствует различию в состоянии в секундах между каждым осциллятором. Следует отметить, что через 5 и 2 секунды, соответственно, различие стабилизируется на нулевом значении.
Графики А-D на фиг.3 и 4 полностью иллюстрируют выводы, сделанные выше. Следовательно, понятно, что в случае ударов изменения скорости будут минимальными благодаря конструкции, которая позволяет синхронизировать осцилляторы. Соответственно, часы по изобретению могут отображать время с повышенным разрешением и/или повышенной точностью, обеспечивая при этом высокий уровень прочности, низкий расход энергии и минимальное отклонение между зубчатыми передачами 5, 25.
Кроме того, во время испытаний было установлено, что первый осциллятор, выбранный в качестве эталонного осциллятора, не только предпочтительно имеет лучшую по качеству изохронность, чем второй осциллятор, так чтобы содействовать синхронизации вышеуказанного второго осциллятора, но и второй осциллятор предпочтительно имеет меньший коэффициент качества, чем первый осциллятор, и. предпочтительно, меньше 100, так чтобы обеспечивать более быструю стабилизацию, т.е., в основном, в течение менее 2 секунд.
Разумеется, это изобретение не ограничивается до представленного примера, и могут быть предусмотрены различные варианты и изменения, которые будут понятны специалистам в этой области. В частности, осциллятор, выбранный в качестве эталонного осциллятора, может с равным успехом быть или первым осциллятором 15 или вторым осциллятором 35, поскольку выводы, относящиеся к первому осциллятору и второму осциллятору, не имеют отличий.
Таким образом, в отличие от вышеуказанного примера осциллятор, выбранный в качестве эталонного осциллятора, мог бы быть вторым осциллятором 35. выбранным в качестве высокочастотного осциллятора для изготовления точных часов. В этом случае отображение времени, предпочтительно, будет обеспечиваться с помощью первой зубчатой передачи 5 первого осциллятора, выбранного в качестве низкочастотного осциллятора, для ограничения передачи крутящего момента, создаваемого в результате ударного воздействия, на второй высокочастотный осциллятор 35.
Кроме того, осциллятор, который, предпочтительно, имеет частоту, по меньшей мере, 10 Гц, может быть осциллятором Клиффорда (см., например, патент СН №386344, включенный сюда посредством ссылки). При этом осциллятор, который имеет частоту 1 -5 Гц, предпочтительно, будет осциллятором с подпружиненным балансом со швейцарским анкерным спусковым механизмом.
Разумеется, упругий соединительный элемент 41 не ограничивается до сдвоенного колеса 42, взаимодействующего с пружиной 43, как показано на фиг.1 и 2. Могут быть предусмотрены другие упругие средства, например, средства, описываемые в патентном документе РСТ/ЕР2011/061244, который включен сюда в качестве ссылки.
Преимущественно по изобретению понятно, что часы могут включать в себя дисплей для отображения значения менее секунды, постоянно или непостоянно прикрепленный (т.е. с помощью соединения) к зубчатой передаче 5, 25, которая имеет высокочастотный осциллятор. Это значение могло бы быть низким, например, равняться 1/20 секунды, если бы осциллятор функционировал, по меньшей мере, при частоте 10 Гц, или 1/100 секунды, если бы осциллятор функционировал, по меньшей мере, при частоте 50 Гц. Часы даже могут содержать отсоединяемую системы хронографа, также прикрепленную к первой или второй зубчатой передаче 5, 25.
И, наконец, имеется возможность дополнительно оптимизировать функционирование системы, если неизохронность второго осциллятора является нелинейной. В качестве примера второй осциллятор может иметь низкую неизохронность в районе амплитуды состояния равновесия и сильную неизохронность, значительно отличающуюся от амплитуды состояния равновесия, и наоборот.