БАЛАНСНАЯ ПРУЖИНА УМЕНЬШЕННОГО РАЗМЕРА ПОСТОЯННОГО ДВОЙНОГО СЕЧЕНИЯ Российский патент 2020 года по МПК F16F5/00 G04B1/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Объектом настоящего изобретения является пружина уменьшенного размера, в частности пружина, предназначенная для использования совместно с балансом для формирования резонатора.

Уровень техники

Стоимость кремниевой балансной пружины по существу пропорциональна площади её поверхности, т.е. чем больше балансных пружин может быть выгравировано на одной и той же подложке, тем ниже будет себестоимость одной балансной пружины.

Однако размеры пружины нельзя уменьшать случайным образом, поскольку витки балансной пружины не должны касаться друг друга ни в сжатом, ни в расширенном состоянии.

Раскрытие сущности изобретения

Задача настоящего изобретения заключается в устранении вышеуказанных недостатков путем создания балансной пружины уменьшенного размера, витки которой не касаются друг друга ни в сжатом, ни в расширенном состоянии.

Для решения указанной задачи настоящим изобретением предлагается цельная балансная пружина, содержащая единую ленту, обмотанную вокруг самой себя между внутренним витком и внешним витком, причем лента в состоянии покоя содержит, между концом внутреннего витка и предпоследним витком, первый участок, шаг между соседними витками на котором непрерывно увеличивается таким образом, что когда угол сжатия балансной пружины достигает величины 360°, расстояние между соседними витками, от внутреннего витка до предпоследнего витка, является по существу постоянным.

Обеспечиваемое настоящим изобретением преимущество заключается в уменьшении размеров балансной пружины при обеспечении, в то же время, постоянного минимального расстояния между витками в сжатом состоянии, а также, возможно, в расширенном состоянии. Таким образом, обеспечивается возможность минимизации размеров балансной пружины без потери хронометражных свойств. Использование балансной пружины согласно настоящему изобретению дает возможность оптимизировать количество балансных пружин, выгравированных на одной и той же подложке, с целью снижения себестоимости одного изделия.

Согласно другим положительным отличительным признакам настоящего изобретения:

- шаг между соседними витками балансной пружины на первом участке непрерывно увеличивается на постоянную величину;

- пружина на первом участке имеет постоянное поперечное сечение;

- балансная пружина содержит второй участок, являющийся продолжением первого участка, от начала предпоследнего витка до конца внешнего витка, на котором шаг между соседними витками непрерывно увеличивается таким образом, что когда угол расширения балансной пружины достигает значения 360°, имеется минимальное расстояние между предпоследним витком и внешним витком, что сделано для предотвращения любого контакта между ними;

- шаг между соседними витками балансной пружины на втором участке непрерывно увеличивается на постоянную величину;

- второй участок содержит первую часть, поперечное сечение на которой остается по существу равным поперечному сечению первого участка, и вторую часть, являющуюся продолжением первой части, с увеличенным поперечным сечением;

- поперечное сечение ленты является постоянным от начала второй части второго участка до конца внешнего витка;

- балансная пружина выполнена из материала на кремниевой основе.

Объектом настоящего изобретения также является резонатор, содержащий баланс, взаимодействующий с балансной пружиной согласно любому из вышеуказанных вариантов.

Краткое описание чертежей

Другие отличительные признаки и преимущества данного изобретения станут ясны после ознакомления с приведенным ниже описанием, не ограничивающим и носящим иллюстративный характер, со ссылками на приложенные чертежи.

На фиг. 1 показан вид в плане балансной пружины согласно настоящему изобретению в сжатом состоянии;

на фиг. 2 – вид в плане балансной пружины согласно настоящему изобретению в состоянии покоя;

на фиг. 3 – вид в плане балансной пружины согласно настоящему изобретению в расширенном состоянии;

на фиг. 4 – график, демонстрирующий изменение шага между витками пружины в зависимости от количества витков балансной пружины в состоянии покоя;

на фиг. 5 – график, демонстрирующий изменение толщины витков в зависимости от количества витков балансной пружины в состоянии покоя;

на фиг. 6 – график, демонстрирующий изменение расстояния между витками в зависимости от количества витков и движения балансной пружины.

Осуществление изобретения

Объектом настоящего изобретения является балансная пружина уменьшенного размера, предназначенная для использования совместно с балансом для формирования резонатора пружинно-балансного типа для часов.

Разработка настоящего изобретения была начата с целью оптимизации количества балансных пружин на одной и той же кремниевой подложке при обеспечении отсутствия касания витков каждой из балансных пружин друг друга ни в сжатом, ни в расширенном состоянии. Однако при этом понимается, что балансная пружина может изготовляться не только из материала на кремниевой основе. Подразумевается, что те же самые принципы являются применимыми и к пружинам, изготовленным по технологии литографии, гальванопластики и формовки, т.е. из электропроводного или любого другого материала, который может быть создан на подложке.

Термин «на кремниевой основе» используется для обозначения материала из группы, в которую входят монокристаллический кремний, легированный монокристаллический кремний, поликристаллический кремний, легированный поликристаллический кремний, пористый кремний, диоксид кремния, кварц, кремнезём, нитрид кремния или карбид кремния (карборунд). Разумеется, когда материал на кремниевой основе находится в кристаллической фазе, может использоваться любая ориентация кристаллов.

Как показано на фиг. 2, объектом изобретения является цельная балансная пружина 1, представляющая собой единую ленту 3, обмотанную вокруг самой себя, и образующую, таким образом, внутренний виток S_I и внешний виток S_E. Согласно настоящему изобретению, лента 3 балансной пружины 1 в состоянии покоя, показанном на фиг. 2, между концом 5 внутреннего витка S_I и предпоследним витком S_P содержит первый участок A, в котором шаг между каждым из витков непрерывно увеличивается, как показано на фиг. 4.

Преимущество такой конфигурации заключается в том, что когда балансная пружина 1 находится в сжатом состоянии, т.е. когда конец 5 внутреннего витка S_I совершил поворот на угол приблизительно - 360° относительно центра балансной пружины 1, как показано на фиг. 1, расстояние между каждым из витков от внутреннего витка S_I до предпоследнего витка S_P является по существу постоянным.

Предпочтительно, как показано на фиг. 4, шаг между витками на первом участке A непрерывно увеличивается на, по существу, постоянную величину ∆V₁. Далее, как показано на фиг. 5, предпочтительно согласно настоящему изобретению первый участок A имеет постоянное поперечное сечение. Таким образом, например, постоянное поперечное сечение может иметь постоянную толщину E₁, величина которой может составлять от 10 мкм до 50 мкм, и постоянную высоту, величина которой может составлять от 50 мкм до 250 мкм.

Согласно дополнительному отличительному признаку настоящего изобретения предпочтительно балансная пружина 1 включает в себя второй участок B, являющийся продолжением первого участка A от начала предпоследнего витка S_P до конца 7 внешнего витка S_E. Шаг между витками на втором участке B между предпоследним витком S_P и внешним витком S_E непрерывно увеличивается, как показано на фиг. 4.

Преимущество такой конфигурации заключается в том, что когда балансная пружина 1 находится в расширенном состоянии, т.е. когда конец 5 внутреннего витка S_I совершил поворот приблизительно на +360° относительно центра балансной пружины 1, как показано на фиг. 3, имеется минимальное допустимое, т.е. гарантируемое безопасное расстояние между предпоследним витком S_P и внешним витком S_E, обеспечивающее предотвращение контакта, в частности, предпоследнего витка S_P с внешним витком S_E.

Предпочтительно, как показано на фиг. 4, шаг между витками на втором участке B непрерывно увеличивается на вторую постоянную величину ∆V₂. Как видно из фиг. 4, вторая постоянная величина ∆V₂ второго участка B предпочтительно больше, чем первая постоянная величина ∆V₁ первого участка A.

Кроме того, как показано на фиг. 5, предпочтительно, согласно настоящему изобретению, второй участок B содержит первую часть B₁, поперечное сечение которой по существу идентично поперечному сечению на первом участке A, и вторую часть B₂ с увеличенным поперечным сечением. Предпочтительно, как показано на фиг. 5, поперечное сечение ленты является постоянным от начала второй части B₂ второго участка B до конца 7 внешнего витка S_E.

Кроме того, поперечное сечение предпочтительно увеличивается только за счет изменения толщины ленты 3, т.е. при постоянной высоте ленты. Таким образом, как видно из фиг. 5, вторая постоянная величина толщины второй части B₂ второго участка B предпочтительно больше, чем первая постоянная величина толщины первого участка A и первой части B₁ второго участка B. Таким образом, например, постоянное поперечное сечение второй части B₂ второго участка B может иметь постоянную толщину, величина которой может составлять от 25 мкм до 75 мкм, и постоянную высоту, величина которой может составлять от 50 мкм до 250 мкм.

На фиг. 4 приведен первый график, демонстрирующий изменение шага между витками пружины в зависимости от количества витков балансной пружины в состоянии покоя. Как видно из фиг. 4, на первом участке A балансной пружины 1 имеет место постоянное увеличение шага на величину ∆V₁ до второго участка B. На втором участке B происходит постоянное увеличение шага на величину ∆V₂ до конца 7 внешнего витка S_E. Как видно из фиг. 4, постоянная величина ∆V₂ увеличения шага между витками на втором участке B намного более ярко выражена, чем величина увеличения ∆V₁ на первом участке A.

В качестве дополнения, на фиг. 5 представлен второй график, неявно иллюстрирующий изменение поперечного сечения ленты 3. Таким образом, поскольку производство с помощью подложки подразумевает, что высота ленты остается по существу постоянной, на фиг. 5 показано только изменение толщины витков в зависимости от количества витков балансной пружины. Можно увидеть, что первый участок A балансной пружины 1 имеет постоянное поперечное сечение E₁ до начала второго участка B. Точнее, второй участок B содержит первую часть B₁, поперечное сечение на которой остается по существу равным поперечному сечению E₁ первого участка A, и вторую часть B₂, являющуюся продолжением первой части B₁, поперечное сечение на которой увеличивается.

Как показано на фиг. 5, поперечное сечение E₂ ленты 3 является по существу постоянным от начала второй части B₂ второго участка B до конца 7 внешнего витка S_E. Из примера, приведенного на фиг. 5, можно увидеть, в частности, что поперечное сечение E₂ второй части B₂ второго участка B по существу в два раза больше поперечного сечения E₁ первого участка A и первой части B₁ второго участка B.

И, наконец, на фиг. 6 приведен первый график, демонстрирующий изменение ∆P расстояния между витками в зависимости от количества витков балансной пружины. Более конкретно, кривые изменения расстояния ∆P между витками приведены для балансной пружины, находящейся в сжатом состоянии, как показано на фиг. 1 (кривая с квадратиками □), для балансной пружины в состоянии покоя, как показано на фиг. 2 (кривая с треугольниками ∆), и для балансной пружины в расширенном состоянии, как показано на фиг. 3 (кривая с кружочками ○).

Таким образом, для кривой изменения расстояния ∆P в расширенном состоянии, отмеченной круглыми значками (○), можно заметить, что на первом участке A балансной пружины 1 расстояние ∆P между витками пружины включает в себя расстояние ∆P, непрерывно увеличивающееся до точки фиксации конца 7, в которой расстояние между витками возвращается к минимальному значению, т.е. к заданному гарантированному безопасному расстоянию. В примере, показанном на фиг. 6, можно увидеть, что это заданное гарантированное безопасное расстояние составляет приблизительно 50 мкм.

Это логично, поскольку в состоянии покоя кривая, отмеченная значками треугольников ∆ на фиг. 6, идентична кривой на фиг. 2. И, наконец, на отмеченной значками квадратов (□) кривой для сжатого состояния пружины видно, что на первом участке A балансной пружины 1 расстояние ∆P между витками увеличивается, но увеличивается с такой низкой скоростью, что расстояние ∆P на первом участке A можно считать по существу постоянным. В примере на фиг. 6 можно заметить, что расстояние ∆P на первом участке A составляет приблизительно 35 мкм. Видно также, что расстояние ∆P между витками на втором участке B до конца 7 внешнего витка S_E увеличивается гораздо быстрее, чем на первом участке A.

Как видно из фиг. 6, минимальные значения кривых, отмеченных кружочками (○) и квадратами (□), не являются одинаковыми. Однако их можно сделать геометрически одинаковыми.

Аналогичным образом, величины, показанные на фиг. 4 – 6, использованы лишь в качестве примеров. В зависимости от конфигураций балансной пружины и/или резонатора, в котором она применяется, выбираемое минимальное значение может отличаться от величины 35 мкм, выбранной в качестве примера на фиг. 6. Таким образом, ясно, что минимальные значения для кривых, обозначенных значками кружочков (○) и квадратов (□), могут быть выбраны меньше или больше 50 мкм и 35 мкм соответственно.

Однако обеспечиваемое настоящим изобретением преимущество заключается в том, что данные конкретные отличительные признаки балансной пружины 1 позволяют ей быть более компактной в состоянии покоя, гарантируя, в то же время, постоянное минимальное расстояние между витками в сжатом состоянии, а также, возможно, в расширенном состоянии. Таким образом, обеспечивается возможность минимизации размеров балансной пружины без потери хронометражных свойств. Использование балансной пружины согласно настоящему изобретению дает возможность оптимизировать количество балансных пружин, выгравированных на одной и той же подложке, с целью снижения себестоимости одного изделия.

Разумеется, данное изобретение не ограничивается рассмотренным примером реализации, но обеспечивает возможность разработки и других вариантов и модификаций, которые будут очевидны для специалистов в данной области. В частности, геометрия, т.е. сочетания шага и поперечного сечения, такие как, например, толщина и количество витков, могут изменяться в зависимости от требований конкретного применения.

Кроме того, например, количество витков может быть уменьшено с целью дополнительного уменьшения размеров балансной пружины.

Ясно также, что в пределах объема настоящего изобретения угол сжатия или расширения пружины может составлять не только 360°, но и может быть меньше или больше. Фактически, данная величина угла была выбрана потому, что, с точки зрения механики, в резонаторе пружинно-балансного типа данная величина угла теоретически не может быть превышена. Однако важен не сам угол, при котором расстояние между витками пружины является минимальным, а обеспечение того, чтобы расстояние между витками никогда не становилось меньше минимально допустимого. Поэтому понятно, что угол специально может быть выбран меньше, поскольку ясно, что, в зависимости от конфигурации часового механизма, данный угол не может быть превышен при нормальных условиях работы.

Кроме того, значения, указанные по оси ординат на фиг. 4, не являются ограничивающими. Таким образом, в зависимости от поперечного сечения первого участка A пружины, значения минимального шага на первом участке A и/или максимального шага на втором участке B могут изменяться. Таким образом, ясно, что сохраняются только изменения шага, но не обязательно при тех же самых минимальных и/или максимальных значениях.

Аналогичным образом, значения, указанные по оси ординат на фиг. 5, также не являются ограничивающими. Таким образом, в зависимости от поперечного сечения первого участка A пружины, минимальное поперечное сечение на первом участке A и/или максимальное поперечное сечение на втором участке B могут изменяться. Таким образом, ясно, что сохраняются только изменения поперечного сечения, но не обязательно при тех же самых минимальных и/или максимальных значениях.

И, наконец, несмотря на то, что приведенные расчеты были основаны на изменении толщины пружины, очевидно, что под изменением следует понимать изменение поперечного сечения, т.е. изменяться могут также высота и/или толщина ленты балансной пружины.

Изобретение относится к балансным пружинам. Резонатор содержит баланс, взаимодействующий с балансной пружиной. Цельная балансная пружина содержит единую ленту, обмотанную вокруг самой себя между внутренним витком и внешним витком. В состоянии покоя лента содержит первый и второй участки. На первом участке, расположенном между концом внутреннего витка и предпоследним витком, шаг между витками постоянно увеличивается таким образом, что когда угол сжатия балансной пружины составляет 360°, расстояние между соседними витками от внутреннего витка до предпоследнего витка является постоянным. Второй участок является продолжением первого и расположен между началом предпоследнего витка и концом внешнего витка. На втором участке шаг между витками постоянно увеличивается таким образом, что когда угол расширения балансной пружины составляет 360°, между предпоследним витком и внешним витком имеется минимальное расстояние для предотвращения любых контактов между ними. Второй участок содержит первую часть, поперечное сечение которой, по существу, идентично поперечному сечению на первом участке, и вторую часть, которая является продолжением первой части, и поперечное сечение которой является увеличенным. Достигается возможность минимизации размеров пружины без потери хронометражных свойств. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Цельная балансная пружина (1), содержащая единую ленту (3), обмотанную вокруг самой себя между внутренним витком (S_I) и внешним витком (S_E), причем в состоянии покоя лента (3) содержит:

- между концом внутреннего витка (S_I) и предпоследним витком (S_P), первый участок (A), на котором шаг между витками постоянно увеличивается таким образом, что когда угол сжатия балансной пружины (1) составляет 360°, расстояние между соседними витками от внутреннего витка (S_I) до предпоследнего витка (S_P) является по существу постоянным;

- второй участок (B), который является продолжением первого участка (A), расположен между началом предпоследнего витка (S_P) и концом (7) внешнего витка (S_E), и в котором шаг между витками постоянно увеличивается таким образом, что когда угол расширения балансной пружины (1) составляет 360°, между предпоследним витком (S_P) и внешним витком (S_E) имеется минимальное расстояние для предотвращения любых контактов между ними, причем второй участок (B) содержит первую часть (B₁), поперечное сечение которой по существу идентично поперечному сечению на первом участке (A), и вторую часть (B₂), которая является продолжением первой части (B₁) и поперечное сечение которой является увеличенным.

2. Балансная пружина (1) по п. 1, отличающаяся тем, что на первом участке (A) шаг между соседними витками непрерывно увеличивается на постоянную величину (∆V₁).

3. Балансная пружина (1) по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что первый участок (A) имеет постоянное поперечное сечение.

4. Балансная пружина (1) по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что на втором участке (B) шаг непрерывно увеличивается на постоянную величину (∆V₂).

5. Балансная пружина (1) по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что поперечное сечение ленты (3) является постоянным от начала второй части (B₂) второго участка (B) до конца (7) внешнего витка (S_E).

6. Балансная пружина (1) по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что указанная балансная пружина (1) изготовлена из материала на кремниевой основе.

7. Резонатор, характеризующийся тем, что он содержит баланс, взаимодействующий с балансной пружиной (1) по п. 1 или 2.