Осцилляторы, периодически синхронизируемые спусковым механизмом

Осцилляторы, периодически синхронизируемые спусковым механизмом

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к часам, содержащим осцилляторы, периодически синхронизируемые спусковым механизмом.

Уровень техники

В общем, регулирующий элемент часов образован гармоническим задемпфированным, фактически изохронным резонатором, колебание которого поддерживается системой спускового механизма, которая передает энергию резонатору во время вибрации при каждом колебании (рычажный спусковой механизм) или во время каждого периода колебания (стопорный спусковой механизм).

Существует несколько проблем, касающихся поддержания колебания регулирующего элемента, также носящего название резонатор. Передача энергии резонатору нарушает его частоту (и, следовательно, скорость часов) в каждом случае, когда передача не симметрична относительно точки покоя резонатора. Кроме того, энергия, затрачиваемая спусковым механизмом за вибрацию (или за период), и частота резонатора определяют запас энергии часов, который, таким образом, является ограниченным.

Кроме того, поскольку амплитуда осциллятора ограничивается геометрией, то для увеличения энергии осциллятора (и, следовательно, его устойчивости к внешним помехам) его упругая постоянная должна быть увеличена, и это может означать, что отсутствует возможность запуска высокочастотных осцилляторов.

И, наконец, на среднюю эффективность спускового механизма и отклонения значения эффективности, помимо прочего, оказывает влияние ускорение компонентов спускового механизма. Таким образом, чем быстрее перемещается резонатор, тем выше будут эффективность и постоянная времени. Для резонаторов с очень высокой частотой потери обязательно должны быть увеличены (запас энергии уменьшен), и/или отклонения в значении эффективности должны быть увеличены.

Раскрытие изобретения

Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы устранить все вышеуказанные недостатки или их часть с помощью часов с повышенной частотой (улучшенное разрешение отображения) и механической энергией (повышенная стабильность и точность), в которых также улучшается поддержание колебания и повышается запас энергии.

Следовательно, изобретение относится к часам, содержащим первый резонатор, совершающий колебания с первой частотой и соединенный основной зубчатой передачей с основным источником энергии через основной спусковой механизм, второй резонатор, совершающий колебания со второй частотой, которая является произведением первой частоты на коэффициент, который является рациональным числом; отличающимся тем, что второй резонатор также взаимодействует с основным спусковым механизмом для освобождения основного спускового механизма с целью поддержания колебания первого резонатора, только когда вышеуказанный второй резонатор совершает колебания.

Ясно, что изобретение обеспечивает уменьшение частоты поддержания колебания резонатора ниже его частоты. Изобретение также обеспечивает, что высокочастотный ходовой механизм может запускаться автоматически, сохраняя при этом запас энергии, в частности, за счет повышения эффективности функций спускового механизма. И, наконец, изобретение, по существу, уменьшает погрешности по скорости, возникающие из-за помех снаружи часов.

По другим преимущественным отличительным характеристикам изобретения:

- по первому варианту выполнения основной спусковой механизм является стопорным спусковым механизмом и содержит отдельно взятое спусковое колесо, взаимодействующее с первой пружиной стопора, управляемой первым резонатором, и вторым стопором, управляемым вторым резонатором;

- по второму варианту выполнения основной спусковой механизм является стопорным спусковым механизмом и содержит первое спусковое колесо, взаимодействующее с первым стопором, управляемым первым резонатором, и второе спусковое колесо, взаимодействующее со вторым стопором, управляемым вторым резонатором, при этом первое и второе спусковые колеса входят в зацепление друг с другом;

- по модификации варианта выполнения второй резонатор также соединен с помощью вспомогательной зубчатой передачи со вспомогательным источником энергии через второй спусковой механизм;

- второй спусковой механизм является швейцарским спусковым механизмом;

- модификация включает в себя устройство отображения времени, содержащее источник энергии отображения, соединенный с зубчатой передачей для отображения, соединенной с распределительным механизмом, образованным стопором и управляемым основным резонатором, или устройство отображения времени, соединенное с основной зубчатой передачей;

- по конкретному альтернативному варианту модификации часы включают в себя средство выборочного стопорения основного спускового механизма для измерения времени, используя первый резонатор за счет освобождения вышеуказанного средства выборочного стопорения;

- конкретный альтернативный вариант модификации включает в себя устройство для отображения вышеуказанного измеряемого времени, содержащее источник энергии отображения, соединенный с зубчатой передачей для отображения, соединенной с распределительным механизмом, управляемым основным резонатором, и устройство отображения времени, соединенное со вспомогательной зубчатой передачей.

Краткое описание чертежей

Другие отличительные характеристики и преимущества станут понятными из представленного ниже описания, приведенного в качестве неограниченного пояснения со ссылкой на приложенные чертежи, на которых

фиг.1 - схематическое представление элементов часов по изобретению;

фиг.2 - схематическое представление основного спускового механизма по первому варианту выполнения;

фиг.3 - схематическое представление основного спускового механизма по второму варианту выполнения;

фиг.4 - увеличенный фрагмент из фиг.3;

фиг.5 - график, показывающий синхронизацию резонаторов по изобретению;

фиг.6 и 7 - графики, показывающие зависимость от незначительного ударного воздействия для часов по изобретению согласно синхронизации резонаторов по отношению к изменению амплитуды и скорости, соответственно.

Осуществление изобретения

Как указано выше, задача изобретения состоит в том, чтобы включить в состав механических наручных часов высокочастотный резонатор (например, 10 Гц или 50 Гц или более), поддержание колебания которого синхронизируется низкочастотным резонатором (например, 1 Гц или 2 Гц) для поддержания частоты резонатора выше его частоты в течение некоторого периода времени.

В примерном варианте выполнения, показанном на Фиг.1, часы 1 включают в себя первый резонатор R₁, совершающий колебания при первой частоте f₁ и соединенный с помощью основной зубчатой передачи T₂ с основным источником B₂ энергии через основной спусковой механизм D₂. Преимущественно, часы 1 также содержат второй резонатор R₂, совершающий колебания при второй частоте f₂, которая меньше первой частоты, и взаимодействующий с тем же самым основным спусковым механизмом D₂ для синхронизации поддержания частоты первого резонатора R_1, равной вышеуказанной второй частоте

Предпочтительно, по изобретению вторая частота f₂ является частью первой частоты (f₂=f₁/N или f₂=f₁/2N, где N - целое число больше 1). Таким образом, понятно, что колебание основного резонатора R₁ поддерживается только с помощью периода колебания вспомогательного резонатора.

Однако коэффициент также может быть рациональным числом N, если передаточное число R_i является различным для каждого осциллятора. Фактически, в этом варианте частоты на колесе, которое соединено с двумя спусковыми механизмами, должны быть связаны кратным целым числом. Однако передаточное число может произвольно и независимо разделять частоту осцилляторов. Частоты осцилляторов в таком случае будут связаны не целым числом, а рациональным числом (f₂=f₁/N′, где N′ равно N*R₁/R₂, где N - целое число больше 1).

Эта конфигурация преимущественно означает, что основной ходовой механизм (или ходовой механизм хронографа) может быть выполнен с высоким разрешением (например, 1/20 секунды или 1/100 секунды). Она также увеличивает точность и ударную прочность основного резонатора и повышает запас энергии, обеспечивая при этом возможность автозапуска даже ходового механизма с очень высокой частотой, например 50 Гц. И, наконец, эта конфигурация позволяет поддерживать колебание резонаторов с низкой амплитудой и частично или полностью исключить систему отображения и/или систему поддержания колебания.

По первому варианту выполнения, показанному на Фиг.2, основной спусковой механизм D₂ представляет собой стопорный спусковой механизм и содержит одно спусковое колесо 3, взаимодействующее с первым стопором 5, который управляется первым резонатором R₁, и вторым стопором 7, который управляется вторым резонатором R₂.

В качестве примера можно предположить, что колесо 3 является свободным, если резонаторы R₁ и R₂ расположены вокруг точки покоя с угловым интервалом (-20°, +20°). Для обеспечения поддержания колебания основного резонатора R₁ в случае, когда два резонатора имеют значительно отличающиеся фазы, т.е. когда они проходят точку покоя в два различных момента, стопор 7 вспомогательного резонатора R₂ может увеличивать угловой интервал, в котором основной спусковой механизм D₂ освобождается вспомогательным резонатором R₂. Таким образом, понятно, что стопор 7 вспомогательного резонатора R₂ предпочтительно включает в себя освобождение в большем угловом интервале, чем угол стопора 5, на котором основной резонатор R₁ освобождает колесо 3.

Соответственно, сразу после освобождения стопора, поскольку сила торможения, действующая на осциллятор, прикладывается очень близко к центру вращения осциллятора, конечный крутящий момент смещения является очень низким, т.е. угол освобождения вспомогательного резонатора R₂ может значительно увеличиваться без воздействия на скорость.

Если после ударного воздействия различие в фазах резонаторов является слишком большим и колебание не может поддерживаться, понятно, что увеличение или уменьшение кривой изохронности основного резонатора R₁ позволяет получить фазу между двумя резонаторами после нескольких колебаний. Фактически, основной резонатор R₁ будет терять амплитуду до тех пор, пока фазирование не восстановится между колебанием вспомогательного резонатора R₂ и одним из N колебаний основного резонатора R₁. Таким образом, ясно, что дополнительная погрешность по скорости на дисплее будет меньше или равна одному периоду основного резонатора R₁, и это означает, что она будет тем меньше, чем выше будет частота f₁.

По второму варианту выполнения, показанному на Фиг.3 и 4, основной спусковой механизм D₂ представляет собой стопорный спусковой механизм и содержит первое спусковое колесо 11, взаимодействующее с первым стопором 13, который управляется первым резонатором R₁, и второе спусковое колесо 15, взаимодействующее со вторым стопором 17, который управляется вторым резонатором R₂, при этом первое и второе спусковые колеса находятся в зацеплении друг с другом. Таким образом, ясно, что в конструктивном отношении обеспечиваются такие же преимущества, как и для первого варианта выполнения, в частности, когда существуют естественные или вызванные ударным воздействием различия в фазах.

Однако по сравнению с первым вариантом выполнения следует отметить, что резонаторы R₁ и R₂ освобождают с помощью стопора два разных колеса 11 и 15, которые находятся в зацеплении (в параллельном или последовательном) с основной зубчатой передачей T₂. Сразу после освобождения колесо 15 не застопоривается повторно до тех пор, пока колесо 11 и, следовательно, спусковой механизм D₂, не будут освобождены. В этом случае спусковой механизм D₂ освобождается во время каждого периода колебания (или во время каждой вибрации) основного резонатора R₁ и во время каждого колебания вспомогательного резонатора R₂, и поддержание колебания обеспечивается независимо от различия в фазах резонаторов R₁ и R₂.

На Фиг.4 показан пример зацепления колес 11, 12, 15, 16 и стопоров 13, 17. Спусковое колесо 15 освобождается стопором 17 у верхнего зубчатого колеса 16 при каждом колебании вспомогательного резонатора R₂ и описывает небольшой угол, прежде оно снова будет застопорено верхним зубчатым колесом 16 через пружину стопора 17 вспомогательного резонатора R₂. Однако во время движения колеса 15 колесо 11 остается застопоренным на верхнем зубчатом колесе 12 с помощью стопора 13 основного резонатора R₁.

Во время прохождения основного резонатора R₁ колесо 11 освобождается стопором 13 у верхнего зубчатого колеса 12 и обеспечивает поддержание колебания резонатора R₁ перед повторным стопорением пружиной стопора 13 на верхнем зубчатом колесе 12 и/или колесом 15, которое затем действует подобно стопорному устройству. Разумеется, колесо 11 остается застопоренным во время прохождения основного резонатора R₁, если вспомогательный резонатор R₂ предварительно не освободил колесо 15.

Таким образом, ясно, что два варианта выполнения основного спускового механизма D₂ обеспечивают, по существу, одинаковые преимущества и использование одного основного спускового механизма D₂ для двух резонаторов R₁ и R₂, т.е. колебание резонаторов поддерживается с использованием одного и того же источника В₂ энергии с помощью основного спускового механизма D₂.

По разновидности двух вышеуказанных вариантов выполнения второй резонатор R₂ также соединен с помощью вспомогательной зубчатой передачи T₃ со вспомогательным источником B₃ энергии через второй спусковой механизм D₃. Фактически, если возникает необходимость поддержания колебания вспомогательного резонатора R₂ снаружи основного спускового механизма D₂, второй спусковой механизм D₃, предпочтительно швейцарский спусковой механизм, поддерживает колебание вспомогательного резонатора R₂. Таким образом, при каждой вибрации вспомогательного резонатора R₂ этот резонатор получает энергию от вспомогательного источника B₃ энергии (или, как вариант, от основного источника В₂ энергии с помощью шестерни) через вспомогательную зубчатую передачу T₃.

Частная разновидность этого варианта, которая требует поддержания колебания вспомогательного резонатора R₂ снаружи основного спускового механизма D₂, показана на Фиг.1. В этой разновидности часы 1 включают в себя средство C выборочного стопорения основного спускового механизма D₂ для измерения времени, используя первый резонатор R₁ за счет освобождения вышеуказанного средства выборочного стопорения. Таким образом, понятно, что в конструктивном отношении основной резонатор R₁ становится хронографом, т.е. он функционирует только во время измерения периодов, и второй резонатор R₂ является основным ходовым механизмом, т.е. он функционирует постоянно. Разумеется, в этом альтернативном варианте вспомогательный резонатор R₂ предпочтительно имеет надлежащую изохронность и обеспечивает соответствующее отображение после освобождения вышеуказанного средства C выборочного стопорения.

Преимущества изобретения определяются из разновидности первого варианта выполнения основного спускового механизма D₂. Если упругая постоянная резонатора обозначена как k_j и его инерция как m_j, частота колебания резонатора равняется

f j = k j / m j / 2 π                                                                                                                                                                                                                                             ( 1 )

Для установившейся амплитуды A_j механическая энергия j резонатора равняется

E j = 1 2 k j A j 2                                                                                                                                                                                                                                                                 ( 2 )

Потеря энергии j резонатора при каждом колебании равняется

Δ E j = π E j 2 Q j                                                                                                                                                                                                                                                                                                   ( 3 )

и зависит от коэффициента Q_j качества резонатора (который для вязкого трения увеличивается с частотой).

Спусковой механизм должен обеспечивать передачу одинакового количества энергии. Если крутящий момент, прикладываемый к резонатору, является постоянным на заданном углу θ_j, энергия поддержания колебания равняется

E e c h = C e c h θ j = Δ E j = π E j 2 Q j                                                                                                                                                                                                                                           ( 4 )

Увеличение частоты резонатора увеличивает коэффициент Q_j качества, который способствует отсчету времени. Если энергия резонатора является постоянной, потери уменьшаются, и энергия поддержания колебания также уменьшается. Поскольку угол передачи энергии не может уменьшаться до бесконечности, крутящий момент поддержания колебания должен быть уменьшен.

Кроме того, условие, необходимое для пуска, состоит в том, чтобы крутящий момент поддержания колебания превышал крутящий момент упругого возврата резонатора на углу выхода.

C e c h > k j θ j / 2                                                                                                                                                                                                                                                                                                               ( 5 )

Это означает, что крутящий момент поддержания колебания не может уменьшаться бесконечно, поддерживая свойства автозапуска резонатора, причем без уменьшения механической энергии резонатора, что уменьшает его устойчивость к внешнему воздействию.

Также следует понимать, что увеличение частоты и уменьшение крутящего момента поддержания колебания приводят к получению более высокой скорости резонатора (ν=2πfA, (6)) в точке покоя, т.е. в момент, когда поддержание колебания не приводит к погрешностям по скорости, при этом ускорение спускового колеса становится меньше. Таким образом, установлено, что эффективность спускового механизма падает, поскольку спусковой механизм не может приблизиться к уровню резонатора. Отсюда можно понять, что группы спусковых колес должны приближаться к уровню скорости резонатора в течение времени, доступного для поддержания колебания.

C e c h / m e c h > ν / d t e c h = ν 2 / θ j                                                                                                                                                                                                                 ( 7 )

где m_ech - эквивалентная инерция спускового механизма.

И, наконец, если частота и энергия резонатора увеличиваются, запас энергии необходимо уменьшить, поскольку спусковой механизм должен поддерживать колебание резонатора более часто и каждый раз с большей величиной энергии.

Таким образом, в количественном отношении для стандартного резонатора с частотой, равной 10 Гц, инерцией m, равной 2 мг·см², коэффициентом упругости k, равным 0,79 µНм.рад^-1, и коэффициентом качества Q, равным 600, энергия Eech поддержания колебания, по существу, равна 25 нДж. Согласно выражению (4) крутящий момент C_ech поддержания колебания, по существу, равен 28 нНм для угла θ_j поддержания колебания, равного 50°. Система автоматически не запускается, поскольку величина k.θ_j/2 больше крутящего момента E_ech поддержания колебания согласно выражению (5).

С другой стороны, время, доступное для поддержания колебания, которое соответствует резонатору, проходящему от точки покоя, уменьшается до dt_ech, равного 40°, т.е., согласно выражению (6), до времени 2,3 миллисекунды для амплитуды A, равной 280°. Для получения достаточного ускорения групп спусковых колес с таким низким крутящим моментом поддержания колебания согласно выражению (7) инерция групп колес для поддержания колебания должна быть значительно уменьшена до эквивалентной инерции, по существу, равной 2.10^-3 мг·см².

Если колебание резонатора такого же типа поддерживается спусковым механизмом D₂ по изобретению с частотой f₂, равной 1 Гц, потерянная энергия, которая должна компенсироваться для функции поддержания колебания, будет в 20 раз больше. В частности, если угол поддержания колебания равен 50°, крутящий момент C_ech будет в 20 раз больше, т.е. приблизительно 0,7 µНм, и система самопуска будет соответствовать выражению (5).

Аналогично, ускорение групп колес для поддержания колебания увеличивается в 20 раз и эффективность может свободно оптимизироваться, при этом единственным ограничением остается ограничение по геометрии и трибологии, а не по динамике и балансу энергии. Соответственно, поскольку эффективность повышается, необходимо увеличить запас энергии.

Для подтверждения преимуществ часов по изобретению связанные уравнения перемещения были проанализированы в числовом отношении. Был рассмотрен вспомогательный резонатор R₂ с инерцией m₂, равной 10 мг.см², частотой f₁, равной 1 Гц, и коэффициентом качества Q₂, равным 150, Кроме того, основной резонатор R1 имеет механическую энергию, равную 9,6 µДж, в то время как вспомогательный резонатор R2 имеет энергию, равную 0,5 µДж.

На Фиг.5 показано моделирование пуска двух резонаторов R₁ и R₂. Основной высокочастотный резонатор R₁ возвращается к постоянной частоте приблизительно через 50 секунд. Следует отметить, что вспомогательный низкочастотный резонатор R₂ возвращается к постоянной амплитуде более медленно. Однако это не имеет значительного эффекта, поскольку функция регулирования передачи энергии на основной резонатор R₁ становится полностью работоспособной, как только вспомогательный резонатор R2 проходит несколько десятков градусов. Соответственно, часы обеспечивают самопуск и стабилизируются, по существу, на постоянной амплитуде для основного резонатора R₁, даже если она равна или превышает 10 Гц.

На Фиг.6 показано моделирование нарушения нормальной работы P в часах, когда два резонатора R₁ и R₂ стабилизированы. Нарушение нормальной работы Р, равное 0,1 µДж, происходит в момент t=0 за счет импульсного углового ускорения 50 рад·с^-2 с формой нормального распределения и продолжительностью 20 миллисекунд. Следует отметить, что резонаторы R₁ и R₂ не имеют значительного различия фаз до и после нарушения нормальной работы Р.

Кроме того, на Фиг.7 показано моделирование такого же нарушения нормальной работы Р в часах, когда два резонатора R₁ и R₂ стабилизированы. На этот раз берется скорость каждого резонатора, которая измеряется относительно скорости отдельно взятого резонатора R_x. Можно увидеть, что присутствие спускового механизма D₂ по изобретению не увеличивает ошибку по скорости по сравнению с отдельно взятым резонатором R_x. Таким образом, ясно, что прямое влияние на основной резонатор R₁ и косвенное влияние поддержания колебания основного резонатора R₁ на резонатор R₂ частично компенсируют друг друга.

Соответственно, реакция часов по изобретению на заданное нарушение нормальной работы Р является схожей или даже лучшей, чем реакция эквивалентного отдельно взятого резонатора R_x, т.е. с такой же энергией Е_х, такой же частотой f_x и такой же амплитудой A_x. Кроме того, вспомогательный резонатор R₂ преимущественно образует противоотключающую систему для выполнения функции поддержания колебания, в частности за счет препятствования ошибкам по скорости, связанным с двойным поддержанием колебания.

В зависимости от варианта выполнения, модификации или альтернативного варианта, выбранного выше, часы 1 по изобретению предлагают три типа устройств A₁, А₂ и/или A₃ отображения.

Первый тип отображения включает в себя устройство A₁ отображения, содержащее источник B₁ энергии отображения, соединенный с зубчатой передачей T₁ для отображения, соединенной с распределительным механизмом D₁, управляемым основным резонатором R₁. Предпочтительно по изобретению распределительный механизм D₁ образован стопором 9, управляемым основным резонатором R₁, с целью освобождения в каждый период вибрации основного резонатора R₁ колеса 10, соединенного с зубчатой передачей T₁ без прикладывания какого-либо дополнительного крутящего момента для поддержания колебания к первому резонатору R₁.

Таким образом, понятно, что устройство A₁ отображения обеспечивает преимущество получения высокой частоты основного резонатора R₁ за счет отображения перемещения, например колеса 10, т.е. с улучшенным разрешением, например до 1/20 секунды или до 1/100 секунды. Соответственно, в случае двух вариантов выполнения и/или модификации, представленной выше, устройство A₁ отображения может показывать время с улучшенным разрешением. Кроме того, в случае альтернативного варианта, представленного выше, устройство A₁ отображения может отображать измеряемое время с улучшенным разрешением.

Второй тип отображения включает в себя устройство А₂ отображения времени, соединенное со вспомогательной зубчатой передачей Т₂. Таким образом, ясно, что отображение имеет место в то же самое время, когда поддерживается колебание основного резонатора R₂. В этом случае высокая частота используется не для улучшения разрешения, а для повышения стабильности. Также понятно, что эта конфигурация образует очень эффективную противоотключающую систему для стопорного спускового механизма D₂, независимо от используемого варианта выполнения.

И, наконец, третий тип отображения включает в себя устройство А₃ отображения времени, соединенное со вспомогательной зубчатой передачей T₃. Это третий тип полостью предназначен для вышеописанного альтернативного варианта, в котором основной резонатор R₁ используется исключительно для измерения времени. Фактически, поскольку вспомогательный резонатор R₂ является единственным постоянно работающим резонатором, отображение времени может выполняться только с использованием вспомогательной зубчатой передачи Т₃.

В свете приведенных выше описаний ясно, что изобретение уменьшает частоту поддержания колебания резонатора ниже его частоты. Изобретение также обеспечивает, что высокочастотный ходовой механизм может автоматически запускаться, сохраняя запас энергии, в частности за счет повышения эффективности функций спускного механизма. И, наконец, изобретение, по существу, уменьшает ошибки по скорости, которые вызваны помехами снаружи часов.

Разумеется, это изобретение не ограничивается до представленного примера, и могут быть предусмотрены различные модификации и альтернативные варианты, которые будут понятны специалистам в этой области. В частности, могут быть предусмотрены другие типы резонаторов и/или спусковых механизмов без отклонения от объема изобретения. В качестве примера некоторые механические компоненты могут быть преимущественно заменены и/или дополнены магнитными компонентами.

И, наконец, часы могут содержать отдельно взятый источник энергии, т.е. отдельно взятый источник энергии, снабженный шестернями, может соответственно образовывать источники B_1, и/или B_2, и/или B₃, энергии, описанные выше.

1. Часы (1), содержащие первый резонатор (R₁), совершающий колебания с первой частотой (f₁) и соединенный о