CH626170A5 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Oszillator für ein zeithaltendes elektrisches Gerät, insbesondere eine Kleinuhr, mit cnigstens einem Transistor, einem in dessen Ausgangskreis liegenden ersten Schwingkristall und einem im Steuerkreis des Transistors liegenden zweiten Schwingkristall, welcher mechanisch mit dem ersten Schwingkristall gekoppelt ist.

Bei einem bekannten Oszillator dieser Art (Schweizer Patente Nrn. 376 062 und 384 476) sind die beiden Schwingkri-stalle als einseitig in einem gemeinsamen Träger eingespannte Lamellen ausgebildet, und der eine Schwingkristall trägt an seinem freien Ende ein als Antriebsklinke wirkendes Übertragungsglied, das direkt das als Schaltrad ausgebildete erste Rad des Zeigerwerks einer Uhr antreibt.

Diese Oszillatoren zeichnen.sich durch einen besonders einfachen Aufbau der Schaltung aus, da der Schwingkreis weder Spulen noch Kondensatoren benötigt. Dagegen bestehen die Schwierigkeiten, dass die Schwingungsamplitude des antreibenden Kristalls grössenordnungsmässig nur bei 10 Mikron und die Schwingungsfrequenz im allgemeinen im kHz-Bereich liegt; daher muss das Schaltrad mit einer sehr feinen Verzahnung ausgebildet werden, die der nur geringen Schwingungsamplitude angepasst ist, und auch die Zähnezahl des Schaltrades bzw. dessen Durchmesser muss verhältnismässig gross gewählt werden, damit das Schaltrad durch die rasch schwingende Lamelle nicht zu schnell angetrieben wird und die Anzahl der die Schaltraddrehzahl untersetzenden Räder des Zeigerwerks nicht zu gross wird. Auch muss das das Schaltrad antreibende Übertragungsglied besonders fein und stabil ausgebildet sein, da es in Folge der hohen Frequenz einer starken Beanspruchung unterliegt.

Ferner ist ein Oszillator für Uhren mit einem einteiligen, aus einer Platte aus elastischem Material geformten Vibrator bekannt, der wenigstens zwei in einer Ebene liegende Schwingarme und jeweils an gegenüberliegenden Seiten jedes Schwingarms befestigte, in einer Transistorschaltung liegende piezoelektrische Kristalle zur Aufrechterhaltung der Schwingungen aufweist. Bei diesem bekannten Oszillator soll einerseits ein gutes dynamisches Gleichgewicht und anderseits ein nur geringer Dämpfungskoeffizient erreicht werden.

2

Mit diesem Oszillator sollen sich verhältnismässig geringe, durch die Eigenfrequenz der Schwingarme bestimmte Schwingungsfrequenzen, beispielsweise von 300 Hz, erreichen lassen, wobei jedoch diese Eigenfrequenz gleich der 5 Betriebsfrequenz des Oszillators zu wählen ist. Ausserdem erfordert dieser Oszillator einen nach Art einer Stimmgabel gefertigten, einteiligen Vibrator, welcher exakt zu berechnende geometrische Abmessungen aufweisen muss und welcher vorzugsweise drei Schwingarme aufweist.

10 Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Oszillator der eingangs beschriebenen Art unter Verwendung wenigstens einer elastischen Lamelle, also unter Verzichi auf einen nach Art einer Stimmgabel ausgebildeten, einteiligen mechanischen Vibrator, derart zu schaffen, dass er mit einer 15 geringeren mechanischen Schwingungsfrequenz und mit einer grösseren Schwingungsamplitude als ein reiner piezoelektrischer Schwingkristall vergleichbarer Abmessungen schwingt und gleichzeitig die mechanische Schwingungsfequenz unter Verzicht auf irgendwelche Frequenzuntersetzerschaltungen 20 kleiner als die Schwingungsfrequenz der Oszillatorschaltung ist, welche daher günstigerweise mit entsprechend höheren Frequenzen betrieben werden kann.

Ausgehend von einem Oszillator der eingangs beschriebenen Art ist die Erfindung zur Lösung dieser Aufgabe dadurch 25 gekennzeichnet, dass wenigstens der erste Schwingkristall an einer einseitig in einem Träger eingespannten, elastischen Lamelle in der Nähe der Einspannstelle befestigt ist und dass die Länge der Lamelle um so viel grösser als die Abmessung des Schwingkristalls ist, dass das freie Lamellenende mit einer 30 Unterharmonischen der Schwingungsfrequenz der Oszillator-schaitung schwingt.

Dadurch wird erreicht, dass unter Ausnutzung der Vorteile einer mit Schwingkristallen arbeitenden, sehr einfachen und in üblicher Weise im kHz-Bereich betreibbaren elektri-35 sehen Oszillatorschaltung ohne weiteres mechanische Schwingungsfrequenzen der Lamellen unter 1000 Hz und Schwingungsamplituden von wenigstens einigen Zehntel Millimetern erzielbar sind, wobei ausserdem die Lamelle wesentlich einfacher als ein stimmgabelähnlicher Vibrator herstellbar ist und 40 aus einem preiswerten handelsüblichen Material gefertigt wer

3

den kann, insbesondere aus einer Legierung, deren Temperaturkoeffizient wesentlich geringer als der der piezoelektrischen Schwingkristalle ist. Dazu eignet sich beispielsweise die unter dem Handelsnamen «Nivarox» bekannte Legierung, welche einen praktisch verschwindenden Temperaturkoeffizienten aufweist.

Wegen der verhältnismässig geringen Schwingungsfrequenz und der verhältnismässig grossen Schwingungsamplitude der Lamelle kann mit dieser ein Schaltrad angetrieben werden, das keine besonders feine Verzahnung zu haben braucht und daher einfach hergestellt werden kann. Ebenso ermöglichen die niedrigen Schwingungsfrequenzen eine vereinfachte Ausbildung des am Lamellenende befestigten und auf das Schaltrad wirkenden Übertragungsglieds und des Zeigerwerks.

Im Vergleich zu einem lamellenförmigen Schwingkristall, welcher direkt auf das Schaltrad wirkt, lässt sich der Oszillator nach der Erfindung auch einfacher montieren: Die Lamelle braucht an ihrer Einspannstelle nur mittels einer oder mehrerer Schrauben befestigt zu werden, während ein Schwingkristall an seiner Einspannstelle mit dem Träger verklebt werden muss, was sehr umständlich ist. Ausserdem kann das Übertragungsglied am Lamellenende auf beliebige Weise angebracht werden, da deren Material besser und einfacher als Kristallmaterial bearbeitet werden kann und insbesondere gegenüber Befestigungsoperationen unempfindlicher ist.

Die im Ausgangskreis und im Steuerkreis des Transistors liegenden Schwingkristalle können entweder auf den gegenüberliegenden Seiten einer elastischen Lamelle oder aber an zwei am gleichen Träger eingespannten Lamellen befestigt sein. Im letztgenannten Falle erfolgt die mechanische Kopplung beider Schwingkristalle über das Material des Trägers.

Der Oszillator nach der Erfindung kann auch derart ausgebildet sein, dass die elektrische Oszillatorschaltung zusammen mit der die Schwingkristalle tragenden Lamelle bzw. den die Schwingkristalle tragenden Lamellen lediglich als Zeitbasis arbeitet, während das das Schaltrad antreibende Übertragungsglied an einer weiteren, von der elektrischen Oszillatorschaltung unabhängigen Lamelle befestigt ist, die zusätzlich am Träger der ersterwähnten Lamellen eingespannt und über das Trägermaterial mit diesen mechanisch gekoppelt ist. Diese zusätzliche, nur als Antriebsorgan dienende Lamelle wird dann über das Trägermaterial in eine Resonanzschwingung versetzt.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung an drei Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform eines Oszillators mit zwei an einem gemeinsamen Träger befestigten Lamellen, die jeweils einen Schwingkristall tragen,

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform, bei welcher nur eine Lamelle mit zwei auf beiden Seiten der Lamelle befestigten Schwingkristallen vorgesehen ist und

Fig. 3 eine dritte Ausführungsform mit einer Lamelle nach Fig. 2 und einer zusätzlichen, nur über das Trägermaterial in Schwingungen versetzbaren Lamelle als Antriebsorgan für ein Schaltrad.

Nach Fig. 1 sind an einem Träger 5, beispielsweise einem am Uhrgestell befestigten Metallklotz, die einen Enden zweier elastischer Metall-Lamellen 2 und 4, vorzugsweise durch Schrauben 6, befestigt. Auf der einen Seite jeder Lamelle ist in der Nähe der'Einspannstelle der Lamelle ein Schwingkristall 1 bzw. 3, vorzugsweise mittels eines eine hinreichende elektrische Leitfähigkeit aufweisenden Klebers, befestigt. Der Kristall 1 liegt im Emitter-Kollektor-Kreis und der Kristall 3 im Emitter-Basis-Kreis eines Transistors T, wobei das Metallmaterial der Lamellen und des Trägers die elektrischen Verbindungen bilden. Als Stromquelle der Schaltung dient eine Batterie B im Emitter-Kreis des Transistors T. Am

4

freien Ende der Lamelle 2 ist ein Übertragungsglied 7 befestigt, welches das Schaltrad 8 eines nicht näher dargestellten Zeigerwerks antreibt. Beim Übertragungsglied 7 kann es sich um einen Draht mit einem an dessen Ende befestigten Stein handeln, der in die Verzahnung des Rades 8 eingreift. Die beiden Kristalle 1 und 3 sind über das Material der Lamellen 2 bzw. 4 und des Trägers 5 mechanisch miteinander gekoppelt, und die Oszillatorschaltung arbeitet wie die im Schweizer Patent Nr. 376 062 beschriebene Schaltung.

Um gegebenenfalls die Spitzen der durch die Schwing-kristalle infolge des piezoelektrischen Effekts erzeugten Impulse zu dämpfen, kann wenigstens einem der beiden Kristalle, im betrachteten Beispiel dem Kristall 1, eine Spule S in Reihe mit einer Diode D, oder aber nur eine Spule, parallelgeschaltet sein. In Abhängigkeit von der Charakteristik des Transistors T kann es ferner zweckmässig sein, wenigstens einem der beiden Kristalle einen Widerstand parallelzuschalten, wie es im Beispiel nach Fig. 2 angedeutet ist.

Die Länge der Kristalle beträgt ungefähr 25% der Lamellenlänge. Der freie Lamellenbereich, welcher nicht in Kontakt mit dem Schwinkristall ist, schwingt infolge der Trägheit der Lamelle mit einer Unterharmonischen der Frequenz der Oszillatorschaltung.

Im Beispiel nach Fig. 2 sind zwei Schwingkristalle 11 und 13 auf gegenüberliegenden Seiten einer Lamelle 12 befestigt, deren eines Ende mittels einer Schraube 16 in einem Träger 15 eingespannt ist, während am freien Lamellenende ein das Schaltrad 18 antreibendes Übertragungsglied 17 befestigt ist. Die Oszillatorschaltung entspricht im Prinzip der Schaltung nach Fig. 1, wobei der Kristall 11 im Emitter-Kollektor-Kreis und der Kristall 13 im Emitter-Basis-Kreis des Transistors T liegt und beiden Kristallen je ein Widerstand Rl bzw. R2 parallelgeschaltet ist.

Im Beispiel nach Fig. 3 sind wiederum zwei Kristalle 21 und 23 beiderseits einer elastischen Lamelle 22 befestigt, wobei der Kristall 21 im Emitter-Kollektor-Kreis und der Kristall 23 im Emitter-Basis-Kreis eines Transistors T liegt. In diesem Falle bildet die Oszillatorschaltung mit der Lamelle 22 nur die Zeitbasis, während das Antriebsorgan durch eine weitere elastische Lamelle 29 gebildet wird, die mit ihrem einen Ende am Träger 15 der Lamelle 22 eingespannt ist und das Übertragungsglied 27 zum Antrieb des Schaltrades 28 trägt. In diesem Falle wird die von der elektrischen Oszillatorschaltung unabhängige Lamelle 29 nur infolge der mechanischen Kopplung über das Material des Trägers 25, welcher wie ein Resonanzboden wirkt, in eine mit der Schwingung der Lamelle 22 synchrone Schwingung versetzt. Auf diese Weise werden Rückwirkungen vom Räderwerk auf die Oszillatorschaltung weitgehend vermieden. Es können auch zwei freie, von der Oszillatorschaltung unabhängige Lamellen am Träger 15 befestigt sein, welche beide zueinander parallel orientiert in die entgegengesetzte Richtung wie die Lamelle 22 weisen, wobei eine der freien Lamellen das Übertragungsglied trägt.

Die Lamellen 2, 4, 12, 22 und 29 bestehen vorzugsweise aus einem Material, das nur einen geringen Temperaturkoeffizienten aufweist, vorzugsweise aus der unter dem Handelsnamen Nivarox bekannten Legierung, deren Temperaturkoeffizient praktisch Null ist. Es sind jedoch auch alle anderen geeigneten Materialien, beispielsweise Stahllegierungen oder auch gewisse Kunststoffe, die insbesondere spanabhebend bearbeitet werden können, verwendbar. In jedem Fall stellt eine derartige Lamelle ein sehr preiswert zu fertigendes schwingendes Organ dar, verglichen mit einem piezoelektrischen Kristall gleicher Abmessung.

Wenn die Lamellen aus einem elektrisch nicht leitenden Material bestehen oder die Befestigungsart der Kristalle an den Lamellen keinen elektrisch leitenden Kontakt zwischen

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

5

den Kristallelektroden und dem Lamellenmaterial gewährleistet, dann müssen in den beschriebenen Schaltungen besondere elektrische Leitungen zwischen den auf die Lamelle weisenden Kristallelektroden und dem Emitter-Kreis des Transistors T bzw. der Batterie B vorgesehen sein, wodurch dann auch gleichzeitig die beiden innenliegenden Elektroden eines Kristallpaares miteinander verbunden sind. Zweckmässigerweise kann man die gegenüberliegenden Flächen bei einer Lamelle aus nicht leitendem Material mit einer Metallschicht galvanisieren. Da eine solche, beidseitig mit einer Metallschicht versehene Lamelle aus nicht leitendem Material wie ein Kondensator wirkt, kann man in diesem Falle, wie Versuche zeigten, unter Umständen auf eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den beiden Metallschichten beispielsweise auf den gegenüberliegenden Seiten der Lamelle 12 im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 verzichten, und es braucht nur die eine Metallschicht mit dem Emitter-Kreis des Transistors verbunden zu werden.

Versuche mit einem Oszillator nach Fig. 1 zeigten folgendes:

Wenn zwei reine, lamellenförmige Schwingkristalle von 16 mm Länge in bekannter Weise verwendet werden, dann beträgt die Schwingungsfrequenz der Kristalle etwa 3kHz, und die Schwingungsamplitude nur etws 0,01 mm. Wenn dagegen, gemäss dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 16 mm lange und 1 mm dicke «Nivarox»-Lamellen mit angeklebten, 0,7 mm dicken Kristallen verwendet werden, dann schwingt ein derartiger Resonator mit einer Frequenz von nur ungefähr 800 Hz, wobei jedoch die Schwingungsamplitude etwa 0,3 mm beträgt.

Bei einem Oszillator mit auf beiden Seiten einer Lamelle befestigten Schwingkristallen gemäss Fig. 2 wurden bei einer 20 mm langen und 0,2 mm dicken Lamelle mit 0,125 mm dicken Kristallen, Schwingungsfrequenzen von 600-700 Hz und Schwingungsamplituden von 0,4 mm gemessen; bei Verwendung reiner Schwingkristalle als Resonatoren lag dagegen die Frequenz wiederum im kHz-Bereich und die Schwingungsamplitude nur bei einigen Mikron.

Mit einer etwa 35 mm langen Lamelle, auf deren gegenüberliegenden Seiten in der Nähe der Einspannstelle Kristalle mit einer nur etwa 25% der Lamellenlänge entsprechenden Abmessung befestigt waren, wurden Schwingungsfrequenzen des freien Lamellenendes von 200-300 Hz mit Schwingungsamplituden von bis zu 1 mm beobachtet.

Auch mit Oszillatoren der im Beispiel nach Fig. 1 dargestellten Art mit nur etwa 0,1 mm dicken Lamellen und etwa 0,1 mm dicken Kristallen, die mit einer ebenfalls etwa 0,1 mm starken Kleberschicht verbunden waren, wurden gute Ergebnisse erzielt, die mit reinen Schwingkristallen nicht zu erreichen waren.

In den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 1 und 3, wo die mechanische Kopplung zwischen den beiden Lamellen über den Träger 5 bzw. 25 erfolgt, empfiehlt es sich, ein Trägermaterial mit einer guten akustischen Leitfähigkeit, beispielsweise aus Messing oder auch aus Keramik, zu verwenden.

Der Oszillator nach der Erfindung vereinigt in sich die Vorzüge eines mit piezoelektrischen Kristallen arbeitenden Oszillators mit dem vorteilhaften Schwingungsverhalten elastischer Lamellen aus einem geeigneten anderen Material, so dass die für den Antrieb des Räderwerks insbesondere einer Kleinuhr günstigen grossen Schwingungsamplituden bei verhältnismässig niedrigen Schwingungsfrequenzen erzielt werden können; dadurch genügen die erforderliche Anzahl und die Grösse der Zähne des Schaltrades sowie Aufbau und Anordnung des Räderwerks der Uhr den Forderungen nach einer wirtschaftlichen Herstellung dieser Teile. Ausserdem

6

lässt sich auf einfache Weise durch Wahl eines geeigneten Lamellenmaterials die bisher sehr störende Temperaturempfindlichkeit piezoelektrischer Kristalle weitgehend ausschalten. Diese Vorzüge des Oszillators nach der Erfindung sind von Einzelheiten der elektrischen Schaltung und auch vom Typ des Steuerimpulsgebers unabhängig.

Bei einem Oszillator mit zwei parallel orientierten Lamellen (Fig. 1 und 3) schwingen diese vorteilhafterweise in Gegenphase, so dass ein gutes dynamisches Gleichgewicht besteht.

Claims (2)

1. Nr. 6261/70

   AUSLEGESCHRIFT
2. Nr. 6261/70

   SCHWEIZERISCHE EIDGENOSSENSCHAFT

   EIDGENÖSSISCHES AMT FÜR GEISTIGES EIGENTUM

   Internationale Klassifikation: G 04 c 5/00

   Anmeldungsdatum: 27. April 1970, 11 Vi Uhr

   Gesuch bekanntgemacht: 30. Juni 1972

   HAUPTPATENTGESUCH

   Erwin Bernheim, Zürich Oszillator für ein zeithaltendes elektrisches Gerät, insbesondere eine Kleinuhr

   Gerhard Vosseier, Basel, ist als Erfinder genannt worden

   1