밸런스 스프링

1950년대 알람 클럭의 밸런스 휠은

스프링과 스프링의 밸런스
조절기

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밸런스 스프링 또는 헤어 스프링은 기계식 시계의 밸런스 휠에 부착된 스프링입니다.이는 시계 작동 시 밸런스 휠이 공명 주파수로 진동하도록 하여 시계 휠의 회전 속도를 제어하여 바늘의 이동 속도를 제어합니다.스프링의 자유 길이를 변경하여 시계의 속도를 조정하는 데 사용할 수 있는 레귤레이터 레버가 장착된 경우가 많습니다.

밸런스 스프링은 미세한 나선형 또는 나선형 비틀림 스프링으로, 기계 시계, 알람 시계, 주방 타이머, 해양 크로노미터 및 기타 시간 기록 장치에 사용되어 밸런스 휠의 진동 속도를 제어합니다.밸런스 스프링은 밸런스 휠의 필수 부속물로, 휠이 앞뒤로 진동하도록 합니다.밸런스 스프링과 밸런스 휠은 함께 고조파 발진기를 형성하며, 이 진동자는 정확한 주기 또는 외부 장애에 저항하는 "비트"로 진동하며 시간을 정확하게 유지하는 역할을 합니다.

1657년경 로버트 후크와 크리스티안 호이겐스가 저울 바퀴에 저울 스프링을 추가함으로써 휴대용 시계의 정확도가 크게 향상되었고, 초기 회중시계는 값비싼 소설에서 유용한 시계로 변모했다.밸런스 스프링이 개선됨에 따라 그 이후 정확도가 더욱 크게 향상되었습니다.현대식 밸런스 스프링은 니바록스와 같은 특수 저온계수 합금으로 제작되어 속도 변화에 미치는 영향을 줄이고, 주 스프링이 아래로 내려갈 때 구동력 변화의 영향을 최소화하도록 세심하게 형성되어 있습니다.1980년대 이전에는 거의 모든 휴대용 시계 장치에 밸런스 스프링과 밸런스 스프링이 사용되었지만, 최근 수십 년간 전자 석영 시계 기술이 기계식 시계 장치를 대체하고 있으며, 밸런스 스프링의 주요 용도는 기계식 시계입니다.

밸런스 스프링 유형:

편평 나선
브레게 오버코일
곡선의 끝을^[1] 나타내는 크로노미터 나선,
얼리 밸런스 스프링

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역사

크리스티아안 호이겐스가 저울 바퀴에 부착한 그의 첫 번째 저울 스프링 그림.

이것이 1660년경에 영국의 물리학자 로버트 후크나 네덜란드의 과학자 크리스티안 호이겐스에 의해 발명되었는지에 대해서는 논란이 있는데, 후크가 처음으로 이 아이디어를 가지고 있었을 가능성이 있지만, 호이겐스는 균형 ^[2]^[3]스프링을 사용하는 최초의 기능성 시계를 만들었다.그 이전에는 시계나 시계에 스프링이 없는 밸런스 휠이나 폴리엇을 사용했지만 구동력의 변동에 매우 민감하여 주 스프링이 풀리면서 시계가 느려졌다.밸런스 스프링의 도입으로 포켓 워치의 정확도가 1일^[4] 몇 시간에서 ^[5]10분으로 대폭 향상되어 처음으로 유용한 타임 키퍼가 되었다.첫 번째 밸런스 스프링은 몇 바퀴만 돌았다.

몇몇 초기 시계에는 웜 드라이브를 사용하는 바로 레귤레이터가 있었지만,^[6] 1680년경 토마스 톰피온에 의해 처음으로 널리 사용되는 레귤레이터가 발명되었다.Tompion 레귤레이터에서는 연석 핀이 반원형 톱니바퀴 랙에 장착되어 있으며, 톱니바퀴에 키를 장착하고 돌려 조정했습니다.밸런스 휠과 동심원으로 회전하는 레버인 현대식 조절기는 1755년 조셉 보슬리에 의해 특허를 받았지만, 19세기 ^[7]초까지 톰피온 조절기를 대체하지 못했다.

레귤레이터

속도를 조정하기 위해 밸런스 스프링에는 보통 조절기가 있습니다.레귤레이터는 밸런스 콕 또는 브릿지에 장착된 이동식 레버로 밸런스와 동축으로 회전합니다.조절기의 한쪽 끝에는 2개의 아래쪽 돌출 핀(연석 핀이라고 함) 또는 연석 핀(부츠라고 함)과 더 무거운 부분을 가진 핀(pin)으로 좁은 슬롯이 형성되어 있습니다.밸런스 스프링의 외측 회전 단부는 밸런스 콕에 고정되는 스터드에 고정됩니다.스프링의 바깥쪽 회전이 조절기 슬롯을 통과합니다.스터드와 슬롯 사이의 스프링 부분은 정지 상태로 유지되므로 슬롯의 위치에 따라 스프링의 자유 길이가 제어됩니다.조절기를 움직이면 슬롯이 스프링의 바깥쪽 회전을 따라 미끄러져 유효 길이가 변경됩니다.슬롯을 스터드에서 멀어지게 하면 스프링이 짧아져 스프링이 더 단단해지고 밸런스의 진동 속도가 증가하며 시계 게인 시간이 증가합니다.

레귤레이터는 스프링의 움직임을 약간 방해하여 부정확함을 유발하기 때문에 선박용 크로노미터나 일부 고급 시계와 같은 정밀 시계는 프리 스프링으로 되어 있어 레귤레이터가 없습니다.대신 밸런스 휠의 타이밍 나사에 의해 레이트가 조정됩니다.

밸런스 스프링 조절기에는 두 가지 주요 유형이 있습니다.

연석 핀이 섹터 랙에 장착되어 피니언에 의해 움직이는 톰피온 레귤레이터.피니언에는 일반적으로 눈금이 지정된 은색 또는 강철 디스크가 장착됩니다.
위에서 설명한 바와 같이 Bosley 레귤레이터는 Balance와 동축으로 회전하는 레버에 핀이 장착되어 있으며, 레버의 끝부분은 눈금 눈금 이상으로 이동할 수 있습니다.회전할 수 있는 나선형 프로필의 캠에 대해 레버가 스프링되는 스네일 레귤레이터, 웜 기어로 레버가 움직이는 마이크로미터, 레버의 위치가 f로 조정되는 백조의 목 또는 리드 레귤레이터를 포함하여 레버를 움직일 수 있는 정확도를 향상시키는 몇 가지 변형이 있습니다.스완 넥 모양의 스프링에 의해 나사와 접촉하는 레버인 Ine 나사.이것은 미국인 조지 P에 의해 발명되고 특허가 취득되었다.리드, 1867년 2월 5일 미국 특허 No. 61,867

또한 돼지 털이나 돼지 털 조절기도 있는데, 단단한 섬유가 저울의 호 끝에 위치하여 그것을 다시 던지기 전에 부드럽게 멈춥니다.호를 짧게 하면 시계가 빨라진다.이것은 밸런스 스프링이 발명되기 전 초기 시계에 사용된 밸런스 스프링 조절기가 아닙니다.

바로우 조절 장치도 있지만, 이는 메인 스프링에 "설정 장력"을 부여하는 두 가지 주요 방법 중 가장 이른 것입니다. 즉, 퓨제 체인을 팽팽하게 유지하는 데 필요하지만 워치를 실제로 구동하기에는 충분하지 않습니다.버지 워치는 설정 장력을 조정하여 조정할 수 있지만, 앞서 설명한 조절 장치가 있는 경우에는 일반적으로 이 작업이 수행되지 않습니다.

재료.

밸런스 스프링에는 많은 재료가 사용되었습니다.초기에는 강철을 사용했지만 경화 또는 담금질 공정을 적용하지 않았습니다. 그 결과 스프링이 점차 약해져 시계가 시간을 ^{[citation needed]}잃기 시작했습니다.예를 들어 존 아놀드와 같은 일부 시계 제작자들은 부식 문제를 피하면서도 점차 약해지는 문제를 안고 있는 금을 사용했다.경화 및 강화 강철은 처음에 John Harrison에 의해 사용되었고 이후 20세기까지 선택된 재료로 남아있었다.

1833년, E. J. 덴트(의회 의사당 대시계 제작자)는 유리 저울 스프링을 실험했다.이것은 강철보다 열에 의한 영향이 훨씬 적기 때문에 필요한 보상을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 녹슬지도 않았습니다.유리 스프링을 사용한 다른 실험에서는 유리 스프링을 만드는 것이 어렵고 비용이 많이 든다는 것이 밝혀졌으며, 섬유 유리 및 광섬유 ^[8]재료의 시대까지 지속되었던 파괴한도에 대한 광범위한 인식에 시달렸다.에칭된 실리콘으로 만들어진 헤어스프링은 20세기 후반에 도입되었으며 ^[9]자화에 취약하지 않습니다.

온도의 영향

재료의 탄성률은 온도에 따라 달라집니다.대부분의 재료에서 이 온도 계수는 온도의 변화가 밸런스 휠과 밸런스 스프링의 시간 유지에 큰 영향을 미칠 정도로 큽니다.Hooke와 Huygens와 같은 밸런스 스프링이 있는 최초의 시계 제조사들은 이에 대한 해결책을 찾지 못한 채 이 효과를 관찰했다.

해리슨은 해양 크로노미터를 개발하는 과정에서 "보상 연석"으로 문제를 해결했는데, 이는 본질적으로 온도의 함수로 밸런스 스프링의 유효 길이를 조절하는 바이메탈 온도계입니다.이 계획은 해리슨이 경도법에 의해 정해진 기준을 충족시킬 만큼 충분히 잘 작동했지만 널리 채택되지는 않았다.

1765년경, 피에르 르 로이가 보상 저울을 발명했는데, 이것은 시계와 크로노미터의 온도 보상에 대한 표준 접근법이 되었다.이 접근법에서는 저울의 형상이 변경되거나 저울의 스포크 또는 림에서 조정 중량이 온도에 민감한 메커니즘에 의해 이동된다.이것에 의해 밸런스 휠의 관성 모멘트가 변화하고, 밸런스 스프링의 탄성률의 변화를 보상하도록 변화가 조정된다.토마스 언쇼의 보상 밸런스 디자인은 단순히 바이메탈 림이 있는 밸런스 휠로 구성되어 온도 보정의 표준 솔루션이 되었습니다.

엘린바

밸런스 스프링에 대한 온도의 영향을 보상하는 방법으로 보정 잔액은 효과적이었지만 완전한 해결책을 제시하지는 못했습니다.기본 설계는 "중간 온도 오류"에 시달립니다. 즉, 극한 온도에서 보정이 정확하게 조정되면 극한 온도에서 약간 어긋납니다.이를 피하기 위해 다양한 보조 보상 메커니즘이 마련됐지만 모두 복잡하고 조정하기 어려운 문제로 골머리를 앓고 있다.

1900년경, 엘린바의 발명가인 샤를 에두아르 기욤에 의해 근본적으로 다른 해결책이 만들어졌다.이것은 탄성률이 본질적으로 온도의 영향을 받지 않는 특성을 가진 니켈-강철 합금입니다.엘린바 밸런스 스프링이 장착된 시계는 온도 보정이 전혀 필요하지 않거나 매우 적습니다.이것에 의해, 메카니즘이 심플화해, 중간 온도 오차가 해소되거나, 최소한 큰폭으로 저감 됩니다.

등시론

밸런스 스프링은 후크의 법칙을 따릅니다. 복원 토크는 각 변위에 비례합니다.이 특성이 정확히 충족되면 밸런스 스프링은 등시성이라고 하며, 진동 주기는 진동 진폭과 독립적입니다.어떤 기계식 드라이브 트레인도 절대적으로 일정한 구동력을 제공할 수 없기 때문에 이는 정확한 시간 기록을 위해 필수적인 특성입니다.이는 주 스프링으로 구동되는 시계와 휴대용 시계에서 특히 두드러집니다. 주 스프링은 풀리면서 구동력이 감소합니다.구동력이 변화하는 또 다른 원인은 윤활유가 숙성됨에 따라 달라지는 마찰입니다.

초기 시계 제작자들은 균형의 스프링을 등시적으로 만들기 위한 접근방식을 경험적으로 찾아냈다.예를 들어, 1776년에 아놀드는 스프링의 끝이 안쪽으로 감기는 나선형(원통형) 형태의 저울 스프링에 대한 특허를 취득했습니다.1861년 M. Phillips는 이 ^[10]문제에 대한 이론적 해결책을 발표했다.그는 무게 중심이 밸런스 휠의 축과 일치하는 밸런스 스프링이 등시적이라는 것을 시연했다.

일반적으로, 등시성을 달성하는 가장 일반적인 방법은 Breguet 오버코일을 사용하는 것입니다. 이 오버코일은 헤어스프링의 가장 바깥쪽 회전의 일부를 스프링의 다른 평면에 배치합니다.이것은 헤어 스프링이 더 균일하고 대칭적으로 "호흡"할 수 있게 해줍니다.두 가지 유형의 오버코일이 발견됩니다. 점진적인 오버코일과 Z-벤드입니다.점진적인 오버코일은 헤어스프링에 두 번의 점진적인 비틀림을 가함으로써 얻어지며, 원주의 절반에 걸쳐 두 번째 평면으로 올라갑니다.Z-벤드는 45도 각도의 보완적인 두 개의 꼬임을 가하여 약 3개의 스프링 섹션 높이에서 두 번째 평면으로 상승합니다.두 번째 방법은 미적인 이유로 행해지고 수행하기가 훨씬 더 어렵습니다.오버코일을 형성하는 것이 어렵기 때문에, 현대의 시계에서는 종종 스프링의 나머지 부분에서 가장 바깥쪽 코일의 일부를 분리하기 위해 일련의 날카로운 굴곡(평면 내)을 사용하는 약간 덜 효과적인 "도그 레그"를 사용합니다.

진동 주기

밸런스 스프링과 밸런스 휠(일반적으로 단순히 밸런스라고 함)은 고조파 발진기를 형성합니다.밸런스 스프링은 밸런스의 움직임을 제한하고 반전시켜 앞뒤로 진동하는 복원 토크를 제공합니다.공명 주기가 교란하는 힘에 의한 변화에 저항하기 때문에 좋은 시간 계측 장치입니다.스프링의 강성, 스프링계수 N·m/radian의 스프링계수 $\kappa \,$ (\ $displaystyle\kappa)$ 와 $\kappa \,$ 밸런스 휠의 관성모멘트 $I\,$ I(\ $displaystyle$ ² I $)$ 에 $I\,$ 따라 바퀴의 $T\,$ T(\ $displaystyle$ T $T\,$ 가 결정되며, 균형운동방정식은 Ho의 각 형태에서 도출된다.오크의 법칙과 뉴턴 제2법칙의 각도 형태.

\displaystyle =-\kappa \theta =I\alpha,

위의 방정식을 단순화하면 다음과 같은 바퀴 운동 미분 방정식이 나옵니다.

{\displaystyle {d^{2}\theta }{dt^{2}+{\frac {kappa}{I}}\theta = 0,

균형에 대한 이 운동 방정식의 해법은 단순한 조화 운동이다. 즉, 일정한 주기의 사인파 운동이다.

\displaystyle \theta(t)=A\cos \left({\sqrt {frac {kappa }{I}}}t\right)+B\sin \left({\sqrt {\frac {kappa } {I}} t\right} ),

따라서 위 결과에서 발진 주기성에 대한 다음 방정식을 추출할 수 있습니다.

T=2\pi {\frac {I}{\kappa}},

이 기간은 시계의 속도를 제어합니다.

참고 항목

레퍼런스

^ "Skeleton Clock with chronometer escapement - Herschel". YouTube. April 10, 2009. Archived from the original on 2021-12-21. Retrieved May 15, 2010.
^ A. R. 홀, "호러지와 비판:로버트 후크, 스터디아 코페르니카나, 16세, 오솔리눔, 1978, 261-81.
^ Gould, Rupert T. (1923). The Marine Chronometer. Its History and Development. London: J. D. Potter. pp. 158–171. ISBN 0-907462-05-7.
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^ Mundy, Bosley Regulator
^ R의 "해양 크로노미터, 그 역사와 발전"T. 굴드161쪽.
^ "Antimagnetic or Bust? An In-Depth Look at the Progression of Silicon in Watchmaking". 10 August 2019.
^ M. Phillips, "Sur le spiral reglant", 파리, 1861.

[1] "Skeleton Clock with chronometer escapement - Herschel". YouTube. April 10, 2009. Archived from the original on 2021-12-21. Retrieved May 15, 2010.

[2] A. R. 홀, "호러지와 비판:로버트 후크, 스터디아 코페르니카나, 16세, 오솔리눔, 1978, 261-81.

[3] Gould, Rupert T. (1923). The Marine Chronometer. Its History and Development. London: J. D. Potter. pp. 158–171. ISBN 0-907462-05-7.

[4] Milham, Willis I. (1945). Time and Timekeepers. New York: MacMillan. ISBN 0-7808-0008-7., 페이지 226

[NIST-5] "A Revolution in Timekeeping, part 3". A Walk Through Time. NIST (National Inst. of Standards and Technology). 2002. Archived from the original on 2007-05-28. Retrieved 2007-06-06.

[6] Mundy, Oliver. "Regulator". A Brief Glossary of Technical Terms. The Watch Cabinet. Archived from the original on 2008-03-05. Retrieved 2008-05-14.

[7] Mundy, Bosley Regulator

[8] R의 "해양 크로노미터, 그 역사와 발전"T. 굴드161쪽.

[9] "Antimagnetic or Bust? An In-Depth Look at the Progression of Silicon in Watchmaking". 10 August 2019.

[10] M. Phillips, "Sur le spiral reglant", 파리, 1861.

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