遊絲內樁的消除應力的彈性結構的製作方法
2023-09-21 15:35:15 2
遊絲內樁的消除應力的彈性結構的製作方法
【專利摘要】本發明提供一種用於遊絲的遊絲內樁，其與擺輪的軸的圓柱形外表面進行幹涉嚙合和幹涉配合以使鐘錶移動，所述遊絲內樁部分包含多個沿圓周延伸的彈性可變形的互連臂部分，所述臂部分形成具有中心軸的環並且在其間提供孔口，其中每一臂部分包括彎曲的凹入嚙合部分用於與擺輪的軸的外表面嚙合，其中每一嚙合部分具有彼此實質上相同的曲率半徑並且與中心軸以第一距離相等間隔，並且其中第一距離小於所述擺輪的軸的半徑；所述嚙合部分的曲率半徑使得在臂部分變形並且與軸的外表面嚙合時，嚙合部分實質上順應軸的所述外表面並且在其間形成幹涉配合，其中由所述幹涉配合誘發的應力沿所述嚙合部分轉移並分布並且分布在與所述嚙合部分相鄰的所述臂部分內。
【專利說明】遊絲內粧的消除應力的彈性結構
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種遊絲內樁，更具體地涉及一種設計成能將在利用擺軸的裝配工藝期間所誘發的應力減到最小以將斷裂失效減到最少的內樁。
【背景技術】
[0002]在機械鐘錶中，控制移動的最重要的一種組件是遊絲，它是用擺軸和外樁裝配以形成振蕩系統的一部分。
[0003]為高精確度地預算時間，新近技術利用微製造技術來製造高質量遊絲。
[0004]然而，所述微製造的遊絲通常由如矽或石英等具有相對低強度的脆性材料形成，其易碎，增加了通過斷裂而失效的可能性。
[0005]在裝配期間，當遊絲壓入配合到擺軸上時，接觸區中誘發的極高的接觸壓力使內樁斷裂或致使內樁處於可能引起疲勞失效的應力狀態。
[0006]為了將來自遊絲內樁壓入配合的應力減到最小，可以併入柔性結構。當內樁配合到擺軸上時，柔性結構可以提供一定程度的彈性變形，以釋放或降低所誘發的一部分應力。
[0007]然而，當使用微製造技術利用所述脆性材料時鐘表中的所述遊絲設計的參數從功能和結構觀點指出了提供適合的鐘表的困難:
[0008](i)如果內樁足夠地緊密以便與軸適當嚙合，那麼內樁中所產生的應力在裝配或使用期間可能誘發斷裂，以及
[0009](ii)或者，如果內樁允許足夠的變形以緩解裝配和使用期間的應力，那麼摩擦力可能會不足夠用來充分地固定遊絲以抵抗使用中的迴轉扭力，遊絲可能無法滿足鐘錶移動的功能要求。
[0010]就與遊絲內樁有關的斷裂問題而論，在文獻內一些人已經設法通過設計出具有特定幾何形態的內樁來降低所誘發的應力。舉例來說，美國專利第US7，758，237號公開一種設計有彈性臂的內樁，其中臂寬度沿不同的位置變化以提供改進的應力分布。
[0011]其他人(例如在美國專利第US7，926，355號中)公開了一種內樁，它具有剛性區域與彈性區域的交替布置以優化針對壓入配合的應力的握裹力。
[0012]文獻內將內樁固定到軸並且降低斷裂可能性的其它方式包括提供鬆動配合的內樁，其中裝配工藝通過使用一些粘合劑將組件個別地粘合來進行。
【發明內容】
[0013]因此，本發明的一個目標是提供一種用於遊絲的內樁，它克服或至少緩解了至少一些與現有技術的內樁有關的不足。
[0014]在第一方面，本發明提供一種用於遊絲的遊絲內樁，其與擺輪的軸的圓柱形外表面進行幹涉嚙合和幹涉配合以使鐘錶移動，所述遊絲內樁部分包含多個沿圓周延伸的彈性可變形的互連臂部分，所述臂部分形成具有中心軸的環並且在其間提供孔口，其中每一臂部分包括彎曲的凹入嚙合部分用於與擺輪的軸的外表面嚙合，其中每一嚙合部分具有彼此實質上相同的曲率半徑並且與所述中心軸以第一距離相等間隔，並且其中所述第一距離小於所述擺輪的所述軸的半徑；所述嚙合部分的曲率半徑使得在所述臂部分變形並且與所述軸的所述外表面嚙合時，所述嚙合部分實質上順應所述軸的所述外表面並且在其間形成幹涉配合，其中由所述幹涉配合誘發的應力沿所述嚙合部分轉移並分布並且分布在與所述嚙合部分相鄰的所述臂部分內；並且其中所述嚙合部分與所述軸的所述幹涉配合實質上防止在鐘錶移動中從使用中的遊絲施加負荷時所述遊絲內樁與所述擺輪的所述軸之間的相對移動。
[0015]由所述幹涉配合誘發的應力優選地沿所述嚙合部分分布並且轉移到所述相鄰臂部分，並且所述臂部分和所述嚙合部分的大小和尺寸使得所述臂部分內分布的應力低於形成所述內樁的材料的失效強度。
[0016]優選地，所述內樁通過所述臂部形成為單一構造。
[0017]優選地，遊絲內側線圈與兩個臂部分的接合點相鄰連接到所述內樁。
[0018]所述遊絲優選地與所述內樁一起形成為單一構造。
[0019]優選地，每一彈性可變形的互連臂部分在徑向上具有相等的臂寬度。
[0020]優選地，所述遊絲內樁由包括矽、石英等脆性材料形成。
[0021]所述遊絲內樁可以進一步在所述內樁的表面上包含溫度補償層以進行由溫度變化引起的時間補償。優選地，溫度補償層為氧化物添加層。
[0022]所述內樁優選地由微製造形成。
[0023]優選地，所述遊絲特別地根據鐘錶需要的特定頻率設計。
[0024]在第二方面，本發明提供一種用於鐘錶的遊絲和遊絲內樁組合件，其包含根據第一方面的遊絲和遊絲內樁。
[0025]優選地，所述內樁通過所述臂部分形成為單一構造。
[0026]優選地，遊絲內側線圈與兩個臂部分的接合點相鄰連接到所述內樁，並且優選地，所述遊絲與所述內樁一起形成為單一構造。
[0027]所述遊絲和遊絲內樁組合件優選地由包括矽、石英等脆性材料形成。
[0028]所述遊絲和遊絲內樁組合件可以進一步在所述遊絲和遊絲內樁的表面上包含溫度補償層以進行由溫度變化引起的時間補償。優選地，溫度補償層為氧化物添加層。
[0029]優選地，所述遊絲和遊絲內樁組合件由微製造工藝形成。
[0030]優選地，所述遊絲特別地根據鐘錶需要的特定頻率設計。
[0031]在第三方面，本發明提供一種鐘錶組件的嚙合結構，其用於與另一鐘錶組件的圓柱形表面嚙合；所述嚙合結構包含多個沿圓周延伸的彈性可變形的互連臂部分，所述臂部分形成具有中心軸的環並且在其間提供孔口，其中每一臂部分包括彎曲的凹入嚙合部分用於與另一鐘錶組件的圓柱形表面哨合，其中每一哨合部分具有彼此實質上相同的曲率半徑並且與所述中心軸以第一距離相等間隔，並且其中所述第一距離小於所述圓柱形表面的半徑；所述嚙合部分的曲率半徑使得在所述臂部分變形並且與所述圓柱形表面嚙合時，所述嚙合部分實質上順應所述圓柱形表面的外表面並且在其間形成幹涉配合，其中由所述幹涉配合誘發的應力沿所述嚙合部分轉移並分布並且分布在與所述嚙合部分相鄰的所述臂部分內；並且其中所述嚙合部分與所述圓柱形表面的所述幹涉配合實質上防止在鐘錶移動中使用中的所述鐘錶組件與所述另一鐘錶組件之間的相對移動。[0032]鐘錶組件可以是時針、分針和秒針等。本發明的一個目標是通過針對內樁提出消除應力的彈性結構來解決在用擺軸裝配遊絲時的應力問題，所述彈性結構可以將在內樁接觸區由擺軸施加的壓力減到最小。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0033]本發明的優選實施例將在下文通過實例並且參考附圖進一步詳細地解釋，其中:
[0034]圖1展示具有彈性結構設計的現有技術的常規遊絲內樁；
[0035]圖2a和2b展示根據本發明的內樁的第一實施例；
[0036]圖3a和3b描繪根據本發明的內樁的放大部分；
[0037]圖4a和4b展示根據本發明的內樁的第二實施例；
[0038]圖5展示根據本發明的內樁的第三實施例；
[0039]圖6a_6d描繪與根據現有技術的內樁相比，根據本發明的矽內樁的數值計算應力分析；
[0040]圖7a_7e描繪當通過光學CMM觀察時，與現有技術的內樁相比，根據本發明的內樁的實驗分析詳情。
【具體實施方式】
[0041]參看圖1，示意性地描繪一種根據現有技術的常規遊絲內樁。如所示，所述組件包含內樁101，其在一個接合點105處連接有遊絲內側線圈102。在內樁中心，存在孔口 103提供開口區域供擺軸(由點線表示)在與擺軸相鄰的彈性臂104彎曲和變形後延伸和內配合。
[0042]因為彈性臂104建構成一般具有直梁形狀，所以在極小接觸區106中與擺軸接觸(點接觸)，從而產生極大的集中應力(由3個箭頭表示)，它可以使內樁斷裂和破裂。
[0043]圖2a描繪根據本發明的遊絲202和內樁200組合件的第一實施例的示意圖。消除應力的彈性結構的內樁200降低了局部應力，從而降低與常規遊絲內樁有關的斷裂可能性。
[0044]如圖所示，遊絲和內樁200的主體包含內樁部分201，所述內樁部分201具有三個定位於與孔口 203相鄰的彈性臂部分204，所述孔口 203提供擺軸區域；並且遊絲202 (徑向向外延伸)在一個彈性臂連接接合點205處鄰接。
[0045]每一彈性臂204具備特定的彎曲幾何形態以便提供優先的彎曲變形，並且還具有「杯形」部分206，所述「杯形」部分206使局部應力降低。
[0046]如一個接觸區的放大圖2b中所示，展示「杯形」部分206適合於匹配擺軸圓周(由點線表示)以提供密切配合的放大接觸表面。
[0047]因此，由內樁201施加到軸的壓入配合工藝(由箭頭表示)所誘發的應力是顯著的，因為接觸面積是影響所產生的應力的一種重要因素。
[0048]圖3a和3b描繪在與軸308嚙合期間內樁302的「杯形」部分306的工作機制，其中消除應力功能如本發明所提供。
[0049]圖3a中，展示在原來位置開始裝配工藝前根據本發明的內樁302的彈性臂，其中內樁壓入配合到軸308中。
[0050]內樁302的「杯形」部分306被設計成使得在臂的中間部分，幹涉配合307沿擺軸308圓周(由點線表示)維持在恆定值下。
[0051]當壓入配合開始時，通過擺軸308推動的彈性臂在徑向上從向外推的力向外變形(向外推的力由徑向向外延伸的箭頭表示)，直到其從擺軸區域伸出。
[0052]在變形期間，「杯形」接觸表面上的每一點移動相同的距離以到達擺軸308表面上。如圖3b中所示，「杯形」部分306在壓入配合工藝結束後及變形後與擺軸308表面嚙合，產生增加的接觸面積。因為接觸力更均勻地沿此表面分布，因此實現較低的應力。
[0053]本發明的第二實施例展示於圖4a和4b中，其中遊絲內樁401具有四個以相等間隔開的布置分布的彈性臂。本發明實施例的配置在結構上與如參考圖2a和2b所述的實施例類似，其中遊絲組合件400由內樁401和向外延伸的遊絲402構成。
[0054]內樁401由四個彈性臂404形成，所述彈性臂具備特定的預定曲率以將由與軸表面408嚙合所誘發的應力減到最小(由徑向延伸的箭頭表示)並且提供彈性變形，並且其在接合點405處彼此連接。
[0055]對於每一臂，「杯形」結構部分406被設計成使得其可以與位於中心開口區域的孔口 403處的擺軸密切接觸。
[0056]圖5展示根據本發明的內樁500的第三實施例，其中內樁500具有五個「杯形」結構彈性臂504。
[0057]內樁主體501與遊絲內側線圈502接合，其中內樁主體501由五個「杯形」部分506和其間的彈性臂504形成，並且彈性臂504在接合點505處彼此連接。本發明實施例的配置在結構上與如參考圖2a和2b所述的實施例類似，具有遊絲500和向外延伸的遊絲502。
[0058]在鐘錶裝配期間，擺軸508插入孔口 503中提供開口區域，使得遊絲內樁500在「杯形」部分506處與軸接觸，類似於上文參考本發明的第一和第二實施例所述，以將由與軸表面508嚙合所誘發的應力減到最小(由徑向延伸的箭頭表示)並且提供彈性變形。
[0059]上述實施例的所述遊絲內樁200，401, 500如圖2a至圖5中所示優選地由微製造工藝並由矽材料形成。所述的遊絲內樁200，401，500和遊絲202，402，502的表面上包含溫度補償層以進行由溫度變化引起的時間補償。這樣的溫度補償層為氧化物添加層。
[0060]由於遊絲和遊絲內樁組合件被用於時計的調節，所述遊絲202，402，502特別地根據鐘錶需要的特定頻率設計。
[0061]參看圖6a_6d，利用數值應力分析技術，提供常規矽內樁600與根據本發明的矽內樁610之間的比較。
[0062]在如所用的模型中，利用以下參數:
[0063]軸:鋼，半徑-0.25mm,高度0.1mm,彈性模數200GPa。
[0064]內樁:娃，臂寬度0.035mm,變形前半徑0.245mm,高度0.1mm,用於與軸接觸的弧的長度_0.1_。
[0065]圖6a和圖6b分別展示根據現有技術的內樁600和根據本發明的內樁610中所誘發的主應力(拉伸)，並且圖6c和圖6d分別展示根據現有技術的內樁600和根據本發明的內樁610中所誘發的主應力(壓縮)。
[0066]已經提供計算機模擬以模仿根據現有技術的內樁600和本發明的內樁610在配合到擺軸時的行為。
[0067]展示根據現有技術的矽內樁600和根據本發明的矽內樁610的最終主應力型態，發現它們在擺軸下都帶著相同量的握裹力，驗證了比較模型的適用性。
[0068]然而，參看如圖6a和圖6c中所示的用僅僅具有3個接觸點的擺軸裝配的根據現有技術的常規內樁600模型的結果，內樁600在每一彈性臂接觸區602上承受著約590MPa高度集中的壓縮應力(主應力3)並且還在相鄰側面604承受著約500MPa高度集中的拉伸應力(主應力I)。
[0069]注意，失效一般發生在臂相鄰接觸區上高應力集中處，此會引起內樁斷裂。雖然矽具有約7GPa的極限拉伸強度，但其具有高度的沿晶體平面裂開的傾向並且發現超過300MPa的應力可能引起內樁斷裂和失效。
[0070]相比之下，如圖6b和圖6d中所示的根據本發明的內樁610的內樁模型的消除應力的彈性結構在3個杯形接觸區上產生約220MPa的實質上降低的壓縮應力(主應力3)在每一彈性臂接觸區612和約200MPa的拉伸應力(主應力I)在相鄰側面614，因而，如所描繪的設計應為安全的，具有相對低的局部應力。
[0071]如從上所述的計算機模擬比較模型顯示，根據本發明的內樁展示當用擺軸安裝時應力顯著減少(60%-70%)，同時維持足夠的握裹力，表明了相比現有技術存在顯著改進。
[0072]此外，為了驗證以上模擬結果，已經通過微製造製備不同的矽遊絲樣品，並且進行壓入配合實驗以用擺軸裝配這些遊絲。
[0073]圖7a_圖7e展示關於進行的實驗的詳情以及裝配的內樁及軸的一些圖片。
[0074]參看圖7a，展示包括根據本發明的內樁702的由矽形成的遊絲700樣品。遊絲700由微製造形成。
[0075]圖7b描繪根據本發明的圖7a的遊絲700，其與擺軸710裝配，且因此與擺輪712裝配。壓入配合後，裝配的樣品通過使用坐標測量機(CMM)來光學檢查並且檢驗。
[0076]參看圖7c，展示利用CMM拍攝的所屬領域中常規內樁720標準品的照片。如將注意，常規內樁由於在點接觸區域722上應力高度集中而經歷失效，其立即開裂。
[0077]與如圖7c中所示的內樁相比，如圖7d和圖7e中所示的內樁730，740如根據本發明形成，其已經壓力配合到擺軸750，760。如將容易地觀測到，與如圖7c中所示的現有技術的內樁720相比，本發明的內樁730，740良好地裝配到每一擺軸750，760中，並且不存在裂紋或開裂的證據。
[0078]如參考圖7c、7d和7e描述的實驗結果表明與具有根據本發明的內樁的遊絲的超過90%的成品率相比，現有技術的常規遊絲的遊絲固定到擺軸的成品率為50-60%。此成品率增加被認為是優於現有技術的裝置的顯著的優勢，提供了在裝配期間失效率顯著降低的遊絲/擺輪組合件以及提供了更加快的生產。
[0079]關於遊絲-擺軸裝配工藝中的應力問題，需要謹慎的設計以使得內樁將具有足夠的接觸力(避免滑動)並且應力減到最小。
[0080]有效解決這個問題的方針之一是改進擺軸與內樁之間的接觸界面。
[0081]如果遊絲內樁具有精心設計的接觸區，那麼由擺軸誘發的壓入配合力可以被均勻地分攤在整個接觸區以及附近區域上，由此降低了應力。
[0082]除接觸界面外，內樁的結構的設計最重要。
[0083]根據本發明的設計將在內樁上的變形最小的情況下有效地降低應力，這需要對力和變形的機制進行適當的預算和計算。[0084]基於所述目的和要求，根據本發明的遊絲內樁降低了遊絲-擺軸裝配工藝中所誘發的壓力，由此提高了生產成品率。
[0085]雖然本發明已經參考上述實例或優選實施例進行解釋，但應了解那些只是幫助了解本發明的實例並且不是意指限制性的。對所屬領域的技術人員來說清楚或微不足道的變化或修改以及對其進行的改進應被認為是本發明的相等物。
【權利要求】
1.一種用於遊絲的遊絲內樁，其與擺輪的軸的圓柱形外表面進行幹涉嚙合和幹涉配合以使鐘錶移動，其特徵在於，所述遊絲內樁部分包含: 多個沿圓周延伸的彈性能變形的互連臂部分，所述臂部分形成具有中心軸的環並且在其間提供孔口，其中 每一臂部分包括彎曲的凹入嚙合部分用於與擺輪的軸的外表面嚙合，其中每一嚙合部分具有彼此實質上相同的曲率半徑並且與所述中心軸以第一距離相等間隔，並且其中所述第一距離小於所述擺輪的所述軸的半徑； 所述嚙合部分的曲率半徑使 得在所述臂部分變形並且與所述軸的所述外表面嚙合時，所述嚙合部分實質上順應所述軸的所述外表面並且在其間形成幹涉配合， 其中由所述幹涉配合誘發的應力沿所述嚙合部分轉移並且分布到與所述嚙合部分相鄰的所述臂部分並且在其中分布；並且其中所述嚙合部分與所述軸的所述幹涉配合實質上防止在鐘錶移動中從使用中的遊絲施加負荷時所述遊絲內樁與所述擺輪的所述軸之間的相對移動。
2.根據權利要求1所述的遊絲內樁，其特徵在於，由所述幹涉配合誘發的所述應力沿所述嚙合部分分布並且轉移到相鄰所述臂部分，並且所述臂部分和所述嚙合部分的大小和尺寸使得所述臂部分內分布的應力低於形成所述內樁的材料的失效強度。
3.根據權利要求1或權利要求2所述的遊絲內樁，其特徵在於，所述內樁通過所述臂部分形成為單一構造。
4.根據前述權利要求中任一權利要求所述的遊絲內樁，其特徵在於，每一彈性能變形的互連臂部分在徑向上具有相等的臂寬度。
5.根據前述權利要求中任一權利要求所述的遊絲內樁，其特徵在於，所述遊絲內樁由包括矽、石英等脆性材料形成。
6.根據前述權利要求中任一權利要求所述的遊絲內樁，其特徵在於，進一步在所述內樁的表面上包含溫度補償層以進行由溫度變化引起的時間補償，其中所述溫度補償層為氧化物添加層。
7.根據前述權利要求中任一權利要求所述的遊絲內樁，其特徵在於，所述內樁由微製造形成。
8.一種用於鐘錶的遊絲和遊絲內樁組合件，其包含根據權利要求1所述的遊絲和遊絲內樁。
9.根據權利要求8所述的遊絲和遊絲內樁組合件，其特徵在於，所述內樁通過所述臂部分形成為單一構造。
10.根據權利要求8或權利要求9所述的遊絲和遊絲內樁組合件，其特徵在於，所述遊絲內側線圈與兩個臂部分的接合點相鄰連接到所述內樁。
11.根據權利要求10所述的遊絲和遊絲內樁組合件，其特徵在於，所述遊絲與所述內樁一起形成為單一構造。
12.根據權利要求8到11中任一權利要求所述的遊絲和遊絲內樁組合件，其特徵在於，所述遊絲和遊絲內樁由包括矽、石英等脆性材料形成，並且，其中所述遊絲和遊絲內樁組合件由微製造形成。
13.根據權利要求8到12中任一權利要求所述的遊絲和遊絲內樁組合件，其特徵在於，所述遊絲特別地根據鐘錶需要的特定頻率設計。
14.一種鐘錶組件的哨合結構,其用於與另一鐘錶組件的圓柱形表面哨合；其特徵在於，所述哨合結構包含: 多個沿圓周延伸的彈性能變形的互連臂部分，所述臂部分形成具有中心軸的環並且在其間提供孔口，其中 每一臂部分包括彎曲的凹入嚙合部分用於與另一鐘錶組件的圓柱形表面嚙合，其中每一嚙合部分具有彼此實質上相同的曲率半徑並且與所述中心軸以第一距離相等間隔，並且其中所述第一距離小於所述圓柱形表面的半徑； 所述嚙合部分的曲率半徑使得在所述臂部分變形並且與所述圓柱形表面嚙合時，所述嚙合部分實質上順應所述圓柱形表面的外表面並且在其間形成幹涉配合， 其中由所述幹涉配合誘發的應力沿所述嚙合部分轉移並分布並且分布在與所述嚙合部分相鄰的所述臂部分內；並且其中所述嚙合部分與所述圓柱形表面的所述幹涉配合實質上防止在鐘錶移動中使用中的所述鐘錶組件與所述另一鐘錶組件之間的相對移動。
15.根據權利要求14所述的鐘表組件的嚙合結構，其特徵在於，所述鐘錶組件是時針、分針和秒針等。
【文檔編號】G04B18/06GK103926823SQ201410015577
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年1月14日 優先權日:2013年1月14日
【發明者】朱兆基, 程浩, 高培鏗 申請人:動力專家有限公司