Mechanischer Resonator für einen Normalfrequenzoszillator eines elektrischen
Zeitmessgerätes
Die Erfindung bezieht sich auf einen mechanischen Resonator für einen Normalfrequenzoszillator eines elektrischen Zeitmessgerätes mit einem einen Federkörper, dessen Mittellinie eine in sich geschlossene, abwechselnd konvex und konkav gekrümmte und in bezug auf zwei zueinander rechtwinklige Symmetrieachsen symmetrisch verlaufende Kurve ist, und ferner mit zwei an dem Federkörper angeordnete Schwingungsmassen aufweisenden Schwinger, wobei die Schwingungsmassen und der Federkörper derart bemessen und die Schwingungsmassen derart an dem Federkörper angeordnet sind,
dass sich im Schwingungszustand des Schwingers die Schwingungsmittelpunkte der Schwingungsmassen gegensinnig längs einer der Symmetrieachsen bewegen und die Schnittpunkte der Mittellinie des Federkörpers mit der anderen Symmetrieachse entweder gar keine oder nur eine gegensinnige translatorische Bewegung längs der anderen Symmetrieachse ausführen.
Schon seit langer Zeit sind mechanische und elektromechanische Schwinger mit mindestens zwei in der Schwingerebene zueinander normalen Symmetrieachsen bekannt, bei denen die Schwingungsmassen eine geradlinige Bewegung ausführen. Ein solcher Schwinger ist z. B. von Schelkunoff im USA-Patent Nr. 1 963719 im Jahre 1932 beschrieben worden. Laffineur hat in der Sondernummer Annales Françaises de Chronome- trie , Besancon 1956, Seite 687-689, eine andere Ausführungsform eines dieser Klasse angehörenden Schwingers publiziert. Alle dieser Schwingerklasse angehörenden Ausführungsformen sind u. a. dadurch gekennzeichnet, dass ihre Eigenfrequenz gegenüber dem Gravitationsfeld invariant ist. Diese Eigenschaft lässt sie besonders für die Anwendung in tragbaren Geräten, z. B.
Armbanduhren, interessant erscheinen. Es erstaunt daher nicht, wenn in letzter Zeit eine Mehrzahl von dieser Klasse angehörenden Varianten bekanntgeworden sind.
Als Beispiel seien das schweizerische Patent Nr. 295 vom 18.9.61, das französische Patent Nr. 1 395 583 vom 16.4.65, das schweizerische Patent Nr. 406984 vom 31.8.66, das französische Patent Nr. 1 480 980 sowie das amerikanische Patent Nr. 3 293 845 genannt.
Die Verwendung dieser Schwinger als präzise Zeitnormale ist nur möglich, wenn eine geeignete Methode für die Feinabstimmung gefunden werden kann. Bisher war es üblich, das Abstimmen auf genaue Frequenz dadurch zu bewerkstelligen, dass bei zu hoher Frequenz am Schwinger an jenen Partien, die vorzugsweise als Speicher potentieller Energie wirksam sind bzw. bei zu tiefer Frequenz an jenen Stellen, die vorzugsweise als Speicher kinetischer Energie wirksam sind, Materie, z. B. durch Feilen, entfemt wurde. Obwohl dieses Verfahren in der Produktion noch gangbar erscheint, ist es z.B. zur Korrektur von Alterungserscheinungen am fertigen Produkt umständlich anzuwenden und kann nur vom speziell ausgebildeten Fachmann mit Erfolg ausgeführt werden.
Es ist längst bekannt, dass bei Schwingern, deren vorzugsweise als Speicher kinetischer Energie wirksame Partien auf gekrümmten Bahnkurven verlaufen, wie das z. B. für die Zinkenenden einer gewöhnlichen Stimmgabel zutrifft, eine Feinabstimmung dadurch möglich wird, dass drehbar gelagerte Massen aufgesetzt werden, deren Drehachsen nicht durch die Schwerpunkte der Massen gehen. Dadurch, dass die Bahnkurven nicht geradlinig sind, ist das Trägheitsmoment nicht der trägen Masse gleichzusetzen. Es ist leicht einzusehen, dass es möglich ist, das Trägheitsmoment einer gegebenen Anordnung zu verändern, ohne Masse zuzuführen oder zu entfernen.
Dieses Verfahren lässt sich im allgemeinen bei der hier vorliegenden Schwingerklasse nicht anwenden, weil sich diejenigen Teile, die vorzugsweise als Speicher kinetischer Energie dienen, auf geradlinigen Bahnen bewegen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, auch für diesen Fall eine Feinabstimmung zu ermöglichen, die nicht darauf angewiesen ist, Masse zu entfernen oder zuzufügen.
Erfindungsgemäss wird das bei einem Resonator der eingangs genannten Art dadurch erreicht, dass zur Abstimmung der Schwingungsfrequenz des Schweingers an diesem mechanische Stellmittel vorgesehen sind, die mindestens einen Quadrupel von vier symmetrisch zu den genannten beiden Symmetrieachsen an dem Schwinger angeordneten, untereinander gleich grossen Abgleich-Massen umfassen, und dass die einzelnen Abgleich-Massen derart an dem Schwinger angebracht sind, dass sich ihre Schwerpunkte im Schwingungszustand des Schwingers auf gekrümmten Bahnen bewegen, dass weiter die einzelnen Abgleich-Massen derart verstellbar sind, dass die Bahnbewegung ihrer Schwerpunkte im Schwingungszustand des Schwingers auf voneinander verschiedene Bewegungsbahnen mit unterschiedlicher Bahnkrümmung einstellbar ist,
und dass jeweils die vier dem gleichen Quadrupel zugeordneten Abgleich-Massen relativ zueinander derart einstellbar sind, dass sich ihre im Schwingungszustand des Schwingers auf zu den genannten Symmetrieachsen spiegelsymmetrischen gekrümmten Bahnen bewegen.
Vorteilhaft können dabei die Abgleich-Massen auf dem Schwinger drehbar angeordnet sein, wobei die Schwerpunkte der einzelnen Abgleich-Massen ausserhalb der Drehachsen liegen, um die die Abgleich-Massen drehbar sind; die Drehachsen können dabei zweckmä ssig senkrecht auf der von den beiden Symmetrieachsen definierten Ebene stehen oder in dieser Ebene liegen.
Die einzelnen Abgleich-Massen können zweckmässig auf je einem an dem Schwinger angebrachten Drehorgan angeordnet sein, wobei von den beiden Verbindungen jedes einzelnen Drehorgans mit dem Schwinger einerseits und mit der zugeordneten Abgleich-Masse anderseits jeweils eine Verbindung starr und die andere verstellbar ist.
Als Abgleich-Massen können zweckmässig vier identische, auf dem Schwinger verschiebbare Massen vorgesehen sein. Statt dessen können aber auch vorteilhaft als Abgleich-Massen vier identische Massen vorgesehen sein, die auf vier zu den genannten Symmetrieachsen spiegel symmetrischen Kurvenstücken verschiebbar angeordnet sind.
Ist der vorliegende Resonator mit mehreren Quadrupeln von je vier Abgleich-Massen versehen, so können vorzugsweise alle Abgleich-Massen identisch sein.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des vorliegenden Resonators sind die Stellen des Schwingers, an denen die Abgleich-Massen angebracht sind, derart versteift, dass die unmittelbare Umgebung jeder Anbringungsstelle ein nicht mehr als Speicher potentieller Energie wirksames starres Stück bildet.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die genannten Tragorgane oder die genannten Kurvenstücke aus einem Material mit einem derartigen Temperaturausdehnungskoeffizienten bestehen, dass durch dieselben die Temperaturabhängigkeit der Eigenfrequenz des Schwingers mindestens teilweise kompensiert wird.
Anhand der nachstehenden Figuren ist die Erfindung im folgenden an einigen Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Resonator der vorliegenden Art mit vier drehbar auf dem Schwinger angeordneten Abgleich Massen,
Fig. la eine Teildarstellung der Anbringung einer Abgleich-Masse an dem Schwinger,
Fig. 2 einen Resonator der vorliegenden Art mit vier Abgleich-Massen, die auf je einem an dem Schwinger angebrachten Drehorgan angeordnet sind,
Fig. 3 einen Resonator der vorliegenden Art mit vier auf dem Schwinger verschiebbaren Abgleich-Massen,
Fig. 4 einen Resonator der vorliegenden Art mit vier Abgleich-Massen, die auf vier zu den Symmetrieachsen des Schwingers spiegelsymmetrischen Kurvenstücken verschiebbar angeordnet sind.
Die genaue Analyse der Schwingbewegungen ergibt, dass bei allen Ausführungsformen von Resonatoren der vorliegenden Art beliebig viele, symmetrisch zu den Symmetrieachsen des Schwingers liegende Punkte existieren, die sich im Schwingungszustand des Schwingers auf einer gekrümmten Bahnkurve bewegen. Lediglich einige Punkte auf und in unmittelbarer Nähe der Symmetrieachsen bewegen sich auf Bahnen ohne bzw.
mit nur kleiner Bahnkrümmung und können daher für eine Abstimmung nach diesem Prinzip nicht verwendet werden.
In Fig. 1 ist ein Resonator der vorliegenden Art dargestellt. Die zwei zueinander senkrechten Symmetrieachsen des Schwingers sind mit a und b bezeichnet. Die Schwingungsmassen M führen auf der Achse a eine geradlinige Bewegung aus. An bezüglich der Achsen a und b symmetrischen Punkten des Schwingers, deren Bewegung auf gekrümmten Bahnen verläuft, sind in geeigneter Weise die Drehzapfen 2a bis 2d befestigt, auf denen vier identische Abgleich-Massen 3 drehbar angeordnet sind. Die Schwerpunkte S sind so gewählt, dass sie nicht auf den Drehachsen liegen. Durch Verdrehen der Massen um die Drehachsen kann die Lage der Schwerpunkte relativ zum Schwinger verändert werden. Diese bewegen sich dadurch auf Bahnkurven mit gegenüber der früheren Lage veränderter Krümmung.
Die auf die Schwingerachse a reduzierten Massen werden dadurch bei gleichbleibender reduzierter Federmasse des Schwingers verändert. Das hat zur Folge, dass die Eigenfrequenz des Schwingsystems in Abhängigkeit der Lage der kleinen Abgleich-Massen relativ zum Schwinger verändert wird. Die Befestigung der Drehachsen 2a bis 2d kann z. B. an speziell dafür vorgesehenen Stücken des Schwingers erfolgen, wie in Fig. 1 schematisch dargestellt ist. Der Schwinger weist an diesen Stellen über eine kurze Strecke eine dermassen erhöhte Biegefestigkeit auf, dass die Umgebung der Verbindungsstelle als starres Stück betrachtet werden kann und nicht mehr als Speicher potentieller Energie wirksam ist. Dadurch ergeben sich bezüglich Materialbeanspruchung günstigere Verhältnisse und Spannungsspitzen werden vermieden. In den erwähnten Figuren stehen die Drehachsen auf der Schwingerebene senkrecht.
Selbstverständlich ist es auch möglich, diese derart anzuordnen, dass sie in der genannten Ebene liegen.
Bei der Ausführungsform gemäss Fig. 2 sind an den nach den bereits erwähnten Kriterien ausgewählten Punkten 2a bis 2d spezielle, im Bereich der Eigenfrequenz des Schwingers als starr zu betrachtende Tragorgane 4 aufgesetzt. Auf diesen sind die verstellbar angeordneten Abgleich-Massen 3 angeordnet. Die Verstellbarkeit relativ zum Tragorgan kann z. B. durch Haftreibung, ein Gewinde oder Federelement gewährleistet sein.
In Fig. 3 ist eine Anordnung gezeigt, bei der die zur Abstimmung benutzten Abgleich-Massen 3 direkt auf dem Schwinger oder auf einem versteiften Teil desselben verschiebbar angeordnet sind. Die Verschiebung ist auf einer Partie des Schwingers in unmittelbarer Umgebung der speziell gewählten Punkte 2a bis 2d gewährleistet.
In der weiteren Anordnung gemäss Fig. 4 sind die in Fig. 2 gezeigten Tragorgane 4 mit einer Krümmung versehen, die z. B. so gewählt wird, dass der Zusammenhang zwischen der räumlichen Verschiebung und der zugehörigen Veränderung der Eigenfrequenz näherungsweise linear ist.
Selbstverständlich können die gerade oder gekrümmt ausgeführten Tragorgane aus einem Material bestehen, dessen Längeveränderung in Abhängigkeit von der Temperatur geeignet ist, die Temperaturabhängigkeit der Eigenfrequenz des Schwingers mindestens teilweise zu kompensieren.
Die perfekte Symmetrie des Schwingers bezüglich zwei zueinander senkrecht stehender Achsen hat zur Folge, dass bei Befestigung desselben auf einer Unterlage praktisch keine Kräfte übertragen werden. Seine Eigenfrequenz ist deshalb unabhängig von der Masse der Unterlage, und es wird von dieser der Schwingung keine Energie entzogen. Das Abstimmen hat deshalb in einer Weise zu erfolgen, dass die Symmetriebedingungen nicht verletzt werden. Der Schwinger wird deshalb zweckmässig während dieser Operation auf einer Kraftmessdose plaziert, die gestattet, die sich wegen Symmetriefehlern nicht restlos kompensierenden Kräfte zu beobachten.
Die vorstehend aufgeführten Versionen des vorliegenden Resonators ermöglichen es, mechanische und elektromechanische Schwinger mit mindestens zwei in der Schwingerebene zueinander normalen Symmetrieachsen, bei denen die Schwingungsmassen eine geradlinige Bewegung ausführen, abzustimmen, ohne dass dazu an irgendeiner Stelle Masse entfernt oder zugefügt werden muss. Durch diese Abstimmung lassen sich bei der Produktion von mechanischen oder elektromechanischen Schwingern grosse Einsparungen erzielen. Der Hauptvorteil ergibt sich jedoch beim Nachstimmen von z. B. durch Alterungseffekte hervorgerufenen Eigenfrequenzverschiebungen in Präzisionsinstrumenten. Die Abstimmung ist beliebig oft wiederholbar und kann deshalb auch von nicht speziell geschulten Kräften durchgeführt werden.
Die bis heute angewandten Abstimmverfahren, die im Prinzip auf dem dosierten Entfernen von Masse an geeigneten Stellen des Schwingers beruhen, sind nicht beliebig oft anwendbar und erfordern Spezialkenntnisse für jeden Schwingertyp. Sie können deshalb in der Regel bei Servicearbeiten nur durch speziell in der Herstellerfirma mit dem System vertraut gemachte Fachleute angewendet werden.