Die Erfindung betrifft einen zweiarmigen Biegeschwinger für elektrisches Zeitmessgerät mit an einem Arm angeschlossenem Bewegungswandler zur Umformung der Translationsbewegung des Armes in eine Drehbewegung zum Antrieb mechanischer Teile des Zeitmessgerätes, wobei der Schwinger in seiner Schwingungsebene eine asymmetrische Gestalt hat und die beiden Arme des Schwingers verschieden grosse effektive Massen aufweisen, wodurch die Schwingungsamplituden beider Arme verschieden gross ausfallen.
Es sind zweiarmige Biegeschwinger für Zeitmessgeräte bekannt, deren Arme jedoch gleich grosse Massen aufweisen, so dass beide Arme des Biegeschwingers mit gleich grossen Amplituden schwingen. Üblicherweise ist der Bewegungswandler zur Umformung der Translationsbewegung des Biegeschwingers in eine Drehbewegung an einen einzigen Arm des Biegeschwingers angeschlossen.
Durch die Schweizer Patentschrift Nr. 432 390 ist ein zweiarmiger Biegeschwinger bekannt, dessen Arme verschieden grosse Massen aufweisen, wodurch die Schwingungsamplituden der beiden Arme verschieden gross ausfallen. Der Schwingerarm mit der geringeren Masse schwingt mit einer relativ grossen Amplitude, während der andere Schwingerarm mit einem Gegengewicht belastet ist und mit einer relativ geringen Amplitude schwingt. An dem Schwingerarm mit der geringeren Amplitude ist ein Bewegungswandler zur Umformung der Translationsbewegung in eine Drehbewegung angeschlossen, der aus einem bekannten Klinkenantrieb besteht, für welchen die Schwingungsamplituden innerhalb genau definierter Grenzen konstant gehalten werden müssen, um die Genauigkeit des Biegeschwingers für die Zeitmessanzeige zu bewahren.
Im Hinblick auf einen neuartigen, vollständig auf einem Arm des Biegeschwingers angebrachten und praktisch amplitudenunempfindlich arbeitenden B ewegungswandler haben sich die bei der erwähnten Lösung angewendeten Kriterien zur Auslegung des Biegeschwingers jedoch als verbesserungswürdig erwiesen.
Insbesondere bei elektrischen Kleinuhren, wie z. B. Armbanduhren muss, dem Gesamtwirkungsgrad des Antriebssystems grösste Beachtung geschenkt werden, da aus Platzgründen oder wegen einer möglichst geringen Wartungsbedürftigkeit die Kapazität der verwendeten Batterie bestmöglich ausgenutzt werden soll und damit der Wirkungsgrad optimal sein muss.
Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, einen zweiarmigen Biegeschwinger zu schaffen, welcher eine weitere Reduzierung der Stromaufnahme zu seinem Antrieb und damit eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrades eines elektrischen Zeitmessgerätes erlaubt, wobei die Amplituden zum Antrieb des Bewegungswandlers eine gewisse Mindestgrösse nicht unterschreiten dürfen, damit dieser noch fehlerfrei und störungsfrei arbeitet. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der gesamte Bewegungswandler vollständig an demjenigen Arm angeschlossen ist, welcher die grössere Schwingungsamplitude aufweist.
Durch diese Massnahme wird erreicht, dass nur derjenige Arm, welcher zum Antrieb des Wandlers dient, die für die einwandfreie Arbeitsweise des Wandlers notwendige Mindestamplitude aufweist, dass jedoch der andere Arm mit einer geringeren Amplitude schwingen kann. Dadurch verbessert sich der Wirkungsgrad der Anordnung wesentlich.
Wird gemäss einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung die effektive Masse des einen Biegeschwingerarmes gleich der doppelten effektiven Masse des anderen Armes gewählt, kann die Leistungsaufnahme eines derartigen Biegeschwingers gegenüber der Leistungsaufnahme eines symmetrischen Biegeschwingers auf 37,5 % gesenkt werden.
Damit beide Arme des Biegeschwingers mit gleicher Frequenz schwingen, muss die Dimensionierung des Armes mit der der kleineren effektiven Masse entsprechend angepasst wer- den, d. h. die Länge und/oder die Breite werden für beide Schwingarme verschieden ausfallen.
Eine einfache und platzsparende Anordnung ergibt sich für einen derartigen Biegeschwinger in einer Uhr, wenn beide Arme des Biegeschwingers auf der gleichen Seite des die beiden Arme verbindenden Steges liegen.
Durch die angegebene Lösung wird es möglich, dem Bewegungswandler einen möglichst hohen Energieanteil vom Biegeschwinger zu übertragen und damit den Gesamtwirkungsgrad des Antriebssystems wesentlich zu verbessern.
Die Lösung ermöglicht die Schaffung eines in seiner Zuverlässigkeit weiter gesteigerten und dabei preiswerter herstellbaren Stimmgabel-Zeitmessers, als es mit bekannten, zweiarmigen Biegeschwingern möglich war.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Die Figur zeigt die Ansicht eines als Ausführungsbeispiel gewählten zweiarmigen Biegeschwingers.
Der in der Figur gezeigte Biegeschwinger besteht aus zwei Armen 1 und 2, welche über einen gemeinsamen Steg 3 mit einer Basis 4 in Verbindung stehen. Die Basis 4 weist zwei Montagelöcher 5 und 6 auf, mit denen der Biegeschwinger auf einer nicht dargestellten Grundplatte befestigt ist. An den freien Enden der Arme 1 und 2 sind zwei verschieden grosse Permanentmagnete 7 und 8 befestigt. Diese Permanentmagnete wirken mit einer darunterliegenden, in der Figur nicht dargestellten Spule nach dem elektrodynamischen Prinzip zusammen. Über dieses System erfolgt der Antrieb des Biegeschwingers sowie die elektrische Abtastung der Schwingungen zur synchronen Steuerung der elektrischen Antriebsschaltung.
Auf dem Arm 1, welcher den kleineren Permanentmagneten 7 trägt, ist ausserdem ein Bewegungswandler 9 zur Umformung der Translationsbewegung des Biegeschwingerarmes in eine Drehbewegung angeordnet. Als Wandler kann beispielsweise ein Schwingungsmotor verwendet werden, wie er im Schweizer Patent Nr. 516 189 beschrieben worden ist. Der gesamte Wandler ist in einem Gehäuse eingeschlossen und fest auf dem Arm 1 befestigt, so dass er dessen Schwingungen mitmacht. Die Übertragung der im Wandler erzeugten Drehbewegung auf die feststehenden, mechanischen Teile des Uhrwerkes kann beispielsweise mit Hilfe einer Magnetkupplung erfolgen, wie es bereits durch die Anmelderin vorgeschlagen worden ist.
Die effektiven Massen der beiden Biegeschwingerarme, welche für den ersten Arm aus einem Teil der Masse des Armes selbst, der Masse des ersten Permanentmagneten 7 sowie der Masse des Wandlers 9 und für den zweiten Biegeschwingerarm 2 aus einem Teil dessen Masse sowie der Masse des zweiten Permanentmagneten 8 besteht, sind verschieden gross gewählt. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird davon ausgegangen, dass die effektive Masse des zweiten Biegeschwingerarms 2 doppelt so gross ist wie diejenige des ersten Biegeschwingerarms 1. Es ist also: = = 1/2 M2
Nach dem Impulssatz verhalten sich die Schwingungsamplituden des angeregten Biegeschwingers umgekehrt wie deren Massen:
M1= A2
M2 A1 worin Aj die Schwingungsamplitude des ersten und A2 diejenige des zweiten Armes bedeutet.
Da jedoch beide Biegeschwingerarme mit der gleichen Frequenz schwingen sollen, ist es notwendig, durch die geometrische Ausbildung der Arme den Einfluss der unterschiedlichen Massen auf die Schwingungsfrequenz zu kompensieren. Da die Schwingungsfrequenz eines Armes nur der Wurzel aus dessen Masse umgekehrt proportional ist, bleiben die entsprechenden Anpassungen in bescheidenem Rahmen. Wie sich aus der Figur ergibt, ist einerseits der Abstand der freien Enden der beiden Biegeschwingerarme von dem gemeinsamen Verbindungssteg 3 verschieden gross, anderseits sind die Breiten beider Biegeschwingerarme verschieden gross gewählt. Da der erste Biegeschwingerarm 1 wegen seiner kleineren effektiven Masse eine höhere Schwingungsfrequenz aufweisen würde, ist er zur Kompensation dieses Einflusses länger ausgeführt als der zweite Biegeschwingerarm 2.
Ferner ist seine Breite b grösser gewählt als die Breite a des zweiten Biegeschwingerarmes 2.
Der Einfluss von Länge und Breite bzw. anderer hier nicht erwähnter geometrischer Grössen, welche die Elastizität der Arme beeinflussen, auf die Schwingungsfrequenz der Biegeschwingerarme ist allgemein bekannt und braucht hier nicht näher erläutert zu werden.
Im folgenden wird nun der Einfluss der verschieden grossen Massen und damit der verschieden grossen Schwingungsamplituden auf die vom Biegeschwinger aufgenommene Leistung dargestellt. Die virtuelle Leistung Nv eines zweiarmigen Biegeschwingers beträgt bekanntermassen: Nv M A2 worin M die Masse des Biegeschwingers, A die Schwingungsamplitude und w die Kreisfrequenz der Schwingung, mit w = 2 r f, wenn f die Schwingungsfrequenz ist, bedeuten.
Für einen zweiarmigen Biegeschwinger beträgt die virtuelle Gesamtleistung N*v, welche sich aus der Summe der Leistungen beider Schwingungsarme zusammensetzt:
EMI2.1
worin MX die Masse des ersten Biegeschwingerarmes, A, dessen Schwingungsamplitude, M2 die Masse. des zweiten Armes und A2 dessen Schwingungsamplitude bedeuten.
Unter der obigen Annahme M1 = 1/2 M2 ist wegen des Impulssatzes:
A1 = 2 A2
Damit beträgt die gesamte virtuelle Leistung N*v eines solchen Biegeschwingers:
EMI2.2
N = 3 M, 23
8 M2 A1
Die reelle Leistung NR ergibt sich nach Division durch den Gütefaktor Q des Biegeschwingers, also:
EMI2.3
Die vom Biegeschwinger aufgenommene Leistung beträgt somit nur 3/8 oder 37,5 % der von einem symmetrischen Biegeschwinger aufgenommenen Leistung bei gleichen Amplituden am Bewegungswandler. Dies stellt einen wesentlichen Gewinn bezüglich der gerade bei Kleinuhren kritischen Leistungsaufnahme dar.
Bei gleicher Empfindlichkeit des Wandlers 9 werden in diesem Ausführungsbeispiel nur 3/8 der Antriebsleistung eines mit zwei gleichen Armen ausgestatteten Biegeschwingers benötigt.
Selbstverständlich können anstelle des im bevorzugten Ausführungsbeispiel gewählten Massenverhältnisses von 1: 2 auch beliebige andere Massenverhältnisse, welche sich für den vorliegenden Anwendungsfall als besonders günstig erweisen, gewählt werden. Der Leistungsgewinn gegenüber einem Biegeschwinger mit einem Massenverhältnis von 1:1 lässt sich anhand obiger Formeln leicht berechnen.