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Die Erfindung bezieht sich auf eine Spiralfeder gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1.
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Spiralfedern dieser Art sind bekannt mit verstärktem Windungsabschnitt im Bereich der äußeren Windung sind bekannt. Der verstärkte Windungsabschnitt ist dadurch erzeugt, dass die äußere Windung dort in der Achsrichtung radial zur Feder- oder Spiralachse eine vergrößerte Breite aufweist. Mit dem verstärkten Windungsabschnitt kann beim Schwingen des mechanischen Schwingsystems ein gleichmäßiges Schwingen der Spiralfeder erreicht werden, und zwar ohne ein radiales Ausweichen der Feder bzw. des augenblicklichen Feder- bzw. Schwingungsmittelpunkt gegenüber dem Mittelpunkt der entspannten Spiralfeder. Allerdings besteht die Gefahr, dass durch den verstärkten Windungsabschnitt das Federverhalten der Spiralfeder beeinträchtigt wird, insbesondere die angestrebte, möglichst lineare Abhängigkeit der Federkraft vom Grad der Verformung der Spiralfeder.
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Der Ausdruck „im Wesentlichen” bedeutet im Sinne der Erfindung Abweichungen von dem jeweiligen exakten Wert um +/–5%.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Spiralfeder mit wenigstens einem verstärkten Windungsabschnitt an der äußeren Windung aufzuzeigen, die (Spiralfeder) ein verbessertes Federverhalten aufweist. Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Spiralfeder entsprechend dem Patentanspruch 1 ausgebildet.
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Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus den Figuren. Dabei sind alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination grundsätzlich Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung. Auch wird der Inhalt der Ansprüche zu einem Bestandteil der Beschreibung gemacht.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der 1–4, die jeweils in vereinfachter Darstellung und in Draufsicht eine Spiralfeder (Unruh-Feder) für ein mechanisches Schwingungssystem einer Uhr, insbesondere Armbanduhr zeigen, näher erläutert.
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Die in der 1 allgemein mit 1 bezeichnete Spiralfeder ist einstückig mit einem inneren Federende 2 und mit einem äußeren Federende 3 ausgebildet, und zwar für eine Befestigung des Federendes 2 bzw. des von diesem Federende gebildeten und einstückig mit der Feder hergestellten Befestigungsabschnitts an der nicht dargestellten Welle des mechanischen Schwingungselementes (Unruh) und für eine Befestigung des Federendes 3 an einem nicht dargestellten Federhalter oder -klotz eines Uhrwerks. Zwischen den beiden Federenden 2 und 3 bildet die Spiralfeder 1 eine Vielzahl von Windungen 4 an denen sie – mit Ausnahme des nachstehend noch näher erläuterten verstärkten Windungsabschnitts 5 an der äußeren Windung 4.1 – eine gleichbleibende oder im Wesentlichen gleichbleibende Dicke dn aufweist, und zwar in einer Achsrichtung radial zu der senkrecht auf die Zeichenebene der 1 orientierte Federachse, die dem Mittelpunkt 6 entspricht, um den die Windungen 4 spiralförmig verlaufen. Die Spiralfeder 1 weist im Bereich der Windungen 4 einen rechteckförmigen oder im Wesentlichen rechteckförmigen Querschnitt auf, dessen schmälere Querschnittsseiten außerhalb des verstärkten Windungsabschnitts 5 der Breite dn und dessen größere Querschnittsseiten der Höhe entsprechen, die die Spiralfeder 1 bzw. deren Windungen 4 in Richtung der Federachse besitzt, und zwar auch an dem verstärkten Windungsabschnitt 5.
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Um beim Schwingen des mechanischen Schwingsystems auch mit großer Amplitude (großen Winkeländerungen) um die durch den Mittelpunkt 6 führende Achse des Schwingsystems zu erreichen, dass die Feder 1 hierbei weiterhin möglichst spiralförmig um den Mittelpunkt 6 verläuft und nicht seitlich oder radial zum Mittelpunkt 6 ausweicht, ist die Spiralfeder 1 mit dem verstärkten Windungsabschnitt 5 ausgebildet, und zwar an der äußeren Windung 4.1 und im Abstand von dem Federende 3, welches auf den verstärkten Windungsabschnitt 5 in einer durch den Pfeil B angegebenen Betrachtungsrichtung folgt. Dieser verstärkte Windungsabschnitt 5 ist dadurch gebildet, dass sich die Breite d der äußeren Windung 4.1 bezogen auf den in der 1 mit unterbrochenen Linien angedeuteten normalen Verlauf 7, den die äußere Windung 4.1 ohne den verstärkten Windungsabschnitt 5 hätte, an der innenliegenden, d. h. konkaven Seite eine in Richtung zum Federende 3 hin bzw. in Betrachtungsrichtung B kontinuierlich und stetig ansteigende Breite d bis zu einer maximalen Breite dmax besitzt, und zwar im einem Teilabschnittes 5.1. An den Teilabschnitt 5.1 schließt sich dann in Betrachtungsrichtung B ein Teilabschnitt 5.2 an, der um ein Vielfaches kürzer ist als der Teilabschnitt 5.1 und an dem die Breite d relativ abrupt wieder auf die normale Breite dn abnimmt. Bei der dargestellten Ausführungsform beträgt die maximale Breite dmax etwa das 8fache der Breite dn. Der Abstand A, den die konkave Innenseite des verstärkten Windungsabschnitts 5 bzw. die konkave Innenseite der Teillänge 5.1 von der vorletzten Windung 4.2 aufweist, ist bei der dargestellten Ausführungsform konstant oder im Wesentlichen konstant.
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Durch die beschriebene Form des verstärkten Windungsabschnittes 5, insbesondere aber auch durch das kontinuierliche und stetige Auslaufen dieses Windungsabschnitts in die normale Breite dn ist ein optimales Feder- und Schwingungsverhalten der Spiralfeder 1 auch bei großen Amplituden des mechanischen Schwingungssystems in der Weise sicher gestellt, dass beim Schwingen ein radiales Ausweichen der Spiralfeder bzw. des jeweils aktuellen Mittelpunkts dieser Spiralfeder vom Mittelpunkt 6 der entspannten Spiralfeder nicht oder im Wesentlichen nicht auftritt.
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Die 2 zeigt als weitere Ausführungsform eine Spiralfeder 1a, die sich von der Spiralfeder 1 der 1 im Wesentlichen dadurch unterscheidet, dass der dortige verstärkte Windungsabschnitt 5a an beiden Seiten des theoretischen oder wirksamen, mit der unterbrochener Linie angedeuteten Windungsverlauf 7 ausgeführt ist, und zwar derart, dass der Windungsabschnitt 5a zwei Teilabschnitte 5a.1 und 5a.2 bildet. In dem Teilabschnitt 5a.1, dessen Länge wiederum um ein Vielfaches größer ist als die Länge des Teilabschnittes 5a.2 nimmt die Breite d an beiden Seiten des Windungsverlaufs 7 kontinuierlich und stetig bis auf die maximale Gesamtbreite dmax zu. In dem auf den Teilabschnitt 5a.1 in Betrachtungsrichtung B folgenden Abschnitt 5a.2 nimmt die Breite d wiederum relativ abrupt, d. h. auf kurzer Länge bis auf die Normalbreite dn ab. Auch bei dieser Ausführungsform ist zumindest bei entspannter Spiralfeder 1a der Abstand A zwischen der konkave Innenseite des verstärkten Windungsabschnitts 5a bzw. des Teilabschnittes 5a.1 und der vorletzten Windung 4.2 über die gesamte Länge des Teilabschnittes 5a.1 konstant oder im Wesentlichen konstant.
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Die Ausführung der Spiralfeder 1a hat ebenfalls den Vorteil, dass die Feder durch den verstärkten Windungsabschnitt 5a und insbesondere auch durch den kontinuierlichen und stetigen Übergang des Teilabschnitts 5a.1 in die Windung 4.1 mit normaler Breite dn sich ein äußerst optimales Schwingungsverhalten für die Spiralfeder 1 ergibt.
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Die 3 zeigt als weitere Ausführungsform eine Spiralfeder 1b, die sich von der Spiralfeder 1 durch die Form des verstärkte Windungsabschnitts 5b unterscheidet. Diese Form lässt sich dahingehend beschreiben, dass die Spiralfeder 1b in diesem Abschnitt beidseitig von dem neutralen, mit unterbrochenen Linien angegebenen Windungsverlauf 7 verstärkt ist, und zwar innenliegend, d. h. an der konvexen Innenseite des Windungsverlaufs 7 mit einem Teilabschnitt 8 und außen liegend mit einem Teilabschnitt 9.
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Der Teilabschnitt 8 entspricht hinsichtlich seiner generellen Formgebung der von den beiden Teilabschnitten 5.1 und 5.2 gebildeten Verstärkung, d. h. der Verstärkung, die in Betrachtungsrichtung B auf längerer Strecke zunächst kontinuierlich und stetig zunimmt und dann auf kurzer Strecke wieder abnimmt. Die Breite des Teilbereichs 9 nimmt in umgekehrter Richtung, d. h. entgegen der Betrachtungsrichtung B kontinuierlich und stetig zu und dann im Wesentlichen abrupt, d. h. auf kurzen Länge wieder ab, und zwar bei der dargestellten Ausführungsform derart, dass der verstärkte Windungsabschnitt 5b mit Ausnahme an den Übergängen bzw. Enden 8.1 und 9.1 über den gesamten Verlauf eine gleichbleibende oder im Wesentlichen gleichbleibende Gesamtbreite dges aufweist. Auch bei entspannter Spiralfeder 1b der Abstand A des verstärkten Windungsabschnittes 5b von der vorletzten Windung 4.2 über die gesamte Länge des Windungsabschnittes 5b (ausgenommen der Übergang bzw. das Ende 8.1) konstant oder im Wesentlichen konstant.
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Die 4 zeigt schließlich als weitere Ausführungsform eine Spiralfeder 1c mit einem verstärkten Windungsabschnitt 5c, der sich hinsichtlich seiner Formgebung aus zwei Teilabschnitten 10 und 11 zusammensetzt, die beidseitig von dem theoretischen oder neutralen Windungsverlauf 7 vorgesehen sind, und zwar der Teilabschnitt 10 innenliegend und der Teilabschnitt 11 außenliegend derart, dass die Breite des Teilabschnittes 10 zum Federende 3 hin, d. h. in Betrachtungsrichtung B kontinuierlich und stetig zunimmt und die Breite des Teilabschnittes 11 in dieser Richtung kontinuierlich abnimmt. Beide Teilabschnitte 10 und 11 ergänzen sich zu einer Gesamtbreite dges des Windungsabschnittes 5c, die über die gesamte Länge dieses Windungsabschnittes konstant oder im Wesentlichen konstant ist. Die Übergänge 10.1 und 11.1 zwischen dem Windungsabschnitt 5c und dem angrenzenden Teil der Windung 4.1 mit der normalen Breite dn sind bei dieser Ausführungsform sprungartig, d. h. so ausgeführt, dass die Flanken dieser Übergänge radial oder im Wesentlichen radial zum Mittelpunkt 6 orientiert sind.
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Ein weiterer Unterschied der Spiralfeder 1c zu den Spiralfedern 1, 1a, 1b besteht darin, dass der Abstand zwischen dem Federende 3 und dem verstärkten Windungsabschnitt 5c größer ist als der entsprechende Abstand bei den Spiralfedern 1, 1a und 1b und dass außerdem die äußere Windung 4.1 der Spiralfeder 1c in Betrachtungsrichtung B auf den Windungsabschnitt 5c folgend in einem flachen S-förmigen Windungsabschnitt 12 radial nach außen verläuft, sodass bei der Spiralfeder 1c der Abstand A zwischen dem Windungsabschnitt 5c und der vorletzten Windung 4.2 über die gesamte Länge dieses Windungsabschnittes 5c konstant ist, ebenso auch der entsprechende Abstand A', den die äußere Windung 4.1 in ihrem Bereich zwischen den Windungsabschnitten 5c und 12 von der vorletzten Windung 4.2 aufweist, und der Abstand A'', den die äußere Windung 4.1 in ihrem Bereich zwischen dem Federende 3 und dem Windungsabschnitt 12 von der vorletzten Windung 4.2 aufweist, wobei der Abstand A' größer ist als der Abstand A und der Abstand A'' größer ist als der Abstand A'.
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Als Material für die Spiralfedern 1, 1a–1c eignen sich insbesondere nicht metallische Werkstoffe, z. B. keramische Werkstoffe und/oder Halbleitermaterialien. Bevorzugt wird als Material für die Spiralfeder ein nicht metallischer kristalliner oder gesinterter Werkstoff mit einer Korngröße im Bereich zwischen 10 und 50000 nm und mit einem thermischen Längenausdehnungskoeffizient kleiner 8 × 10–6/K und/oder ein Siliziummaterial, z. B. Silizium-Keramik (beispielsweise Silizium-Nitrid), mono- oder polykristallines Siliziummaterial verwendet.
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Die Erfindung wurde voranstehend an Ausführungsbeispielen beschrieben. Es versteht sich, dass zahlreiche Änderungen sowie Abwandlungen möglich sind, ohne dass dadurch der der Erfindung zugrundeliegende Erfindungsgedanke verlassen wird.
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Vorstehend wurde davon ausgegangen, dass sich die jeweilige Verstärkung im verstärkten Windungsabschnitt 5, 5a–5c über die gesamte Höhe der jeweiligen Spiralfeder 1, 1a–1c erstreckt. Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit, dass sich derjenige Teil des verstärkten Windungsabschnittes 5, 5a–5c, der eine gegenüber der normalen Breite dn vergrößerte Breite d aufweist, nur über wenigstens einen Teilbereich der Höhe der Spiralfeder 1, 1a–1c erstreckt.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 1a–1c
- Spiralfeder für ein mechanisches Schwingungssystem für Uhren, insbesondere Armbanduhren
- 2
- innenliegendes Federende
- 3
- außenliegendes Federende
- 4, 4.1, 4.2
- Windung
- 5,5a–5c
- verstärkter Windungsabschnitt
- 5.1, 5.2, 5a.1, 5a.2
- Teilabschnitt
- 6
- Mittelpunkt der Spiralfeder
- 7
- neutraler oder theoretischer Windungsverlauf im Bereich des verstärkten Windungsabschnitts
- 8, 9
- Teilabschnitt
- 8.1, 9.1
- Übergang der Teilabschnitte 8 und 9
- 10, 11
- Teilabschnitt
- 10.1, 11.1
- Übergang der Teilabschnitte
- 12
- S-förmiger Windungsabschnitt
- A, A', A''
- Abstand des verstärkten Windungsabschnitts bzw. der äußeren Windung von der vorletzten Windung
- B
- Betrachtungsrichtung
- dn
- normale Breite der Windungen
- dmax
- maximale Breite der Windung im Bereich des verstärkten Windungsabschnitts
- dges
- Gesamtbreite des verstärkten Windungsabschnitts
