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Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Uhrmacherei. Sie betrifft genauer eine Unruh für Uhrwerke, deren Trägheitsmoment bequem und präzise justiert werden kann.
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Die Unruh bildet mit der Spiralfeder das Gangregelorgan des Uhrwerks, d. h. das Referenzorgan für die Zeiteinheit. Dieser Referenzwert ergibt sich aus der Schwingfrequenz f der Einheit aus Unruh und Spiralfeder, die im Allgemeinen zwischen 2,5 Hz und 5 Hz liegt. Die Präzision der Frequenz f bestimmt direkt die des Uhrwerks, weshalb es wünschenswert ist, sie durch Feinjustiervorrichtungen zu verbessern. Zur Zeit wird eine Präzision der Frequenz f in der Größenordnung von einer Promille leicht erreicht, was einer Präzision in der Größenordnung einiger Sekunden pro Tag entspricht. Die vorliegende Erfindung beabsichtigt, diesen Wert um den Faktor Zehn zu erhöhen.
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Die Schwingfrequenz f des Oszillators Unruh/Spiralfeder ergibt sich aus der folgenden Beziehung:
in der M das Richtmoment der Spiralfeder ist und I das Trägheitsmoment der Unruh. Daraus ergibt sich, dass die Präzision des Wertes f entweder vom Verhältnis M/I, oder von der Präzision der einzelnen Werte des Trägheitsmoments I bzw. des Richtmoments M abhängt. Ein Mittel zur Vergrößerung der Präzision der Frequenz f besteht darin, die Unruhen und die Spiralfedern in Abhängigkeit vom Wert der Größen M und I zu klassifizieren und sie dann in geeigneter Weise zu kombinieren. Dieses Verfahren wird in großem Umfang angewandt, es schließt aber nicht aus, die jeweilige Präzision des Richtmoments M und des Trägheitsmoments I zu verbessern, um eine zu breite Streuung dieser Werte und letztlich den Ausschuss einer großen Zahl von Teilen zu vermeiden. In der Praxis wird also angestrebt, Spiralfedern und Unruhen hoher Präzision herzustellen.
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Die Unruh besteht herkömmlicherweise aus einem Schwungring, bestehend aus einem peripheren Reifen, der durch eine Verbindungsfläche mit einer zentralen Nabe verbunden ist. Ihr Trägheitsmoment hängt von der räumlichen Verteilung der Masse innerhalb dieser Struktur ab. Mehrere Mittel sind dem Fachmann bekannt, um dieses Trägheitsmoment auf einen gewünschten Wert zu justieren.
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Herkömmlicherweise werden Gewichte durch Einschrauben oder oder Nieten am Reifen befestigt, wie in den Schriften
EP1351103 ,
EP1837719 oder
EP2395402 beschrieben. Ein derartiger Vorgang erfordert eine große Zahl präziser Handhabungen, die die Gefahr mit sich bringen, die Unruh zu zerbrechen. Er ist also langwierig und kostspielig. Außerdem besteht eine Hauptschwierigkeit dieser Art von Vorrichtung darin, die Trägheitsachse der Unruh mit ihrer geometrischen Achse zusammenfallen zu lassen, die auch ihre Drehachse ist. Wenn nämlich die Anordnung der Gewichte asymmetrisch ist oder eins davon im Betrieb abfällt, ist das Trägheitszentrum gegenüber dem geometrischen Zentrum versetzt. So entsteht eine Unwucht, die die gute Funktion des Regelorgans erheblich beeinträchtigt.
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Alternativ hierzu ist bekannt, auf die zentrale Nabe des Schwungringes einen drehbaren Hebel zu montieren, der mit zwei Armen versehen ist, die dazu bestimmt sind, Massenelemente radial zu versetzen, die zwischen der Nabe und dem Reifen auf der Unruh montiert sind. Derartige Vorrichtungen werden in den Schriften
US2880570 ,
US2770942 und
FR1322923 beschrieben.
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Ihre Anwendung ist aufgrund ihrer Komplexität, der Anzahl erforderlicher Teile und der Schwierigkeit ihrer Montage begrenzt.
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Eins der Ziele der vorliegenden Erfindung besteht darin, den verschiedenen genannten Nachteilen Abhilfe zu schaffen, indem eine Unruh vorgeschlagen wird, die mit einer Justiervorrichtung für das Trägheitsmoment vereinfachten Aufbaues ausgestattet ist, die eine sehr große Präzision der Einstellung und eine einfache Montage ohne Gefahr der Erzeugung einer Unwucht bietet. Außerdem beabsichtigt die vorliegende Justiervorrichtung, eine deutlich höhere Präzision des Trägheitsmomentes zu erreichen, als sie auf dem Stand der Technik erzielt wird. Genauer betrifft die vorliegende Erfindung eine Unruh für Uhrwerke mit justierbarem Trägheitsmoment, umfassend: – ein Schwungrad mit der Drehachse AA, dem Trägheitsmoment I und, auf dem Schwungrad montiert, einer Justiervorrichtung des Trägheitsmomentes I, mit der Trägheitsachse Δ, die mit der Drehachse AA zusammenfällt, die mindestens zwei flexible Klingen aufweist, die eine Wicklung veränderlicher Kompaktheit um die Achse AA bilden, und ein erstes Montageorgan, wobei die Klingen an einem ersten Ende mit dem ersten Montageorgan verbunden sind. Erfindungsgemäß weist die Justiervorrichtung außerdem ein zweites Montageorgan auf dem Schwungrad auf, wobei die Klingen am anderen Ende mit dem zweiten Montageorgan verbunden sind. Außerdem ist das zweite Montageorgan durch Drehung um die Achse AA positionierbar, derart dass der Kompaktheitsgrad der Wicklung eingestellt wird.
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Dank des durch Drehung um die Achse AA positionierbaren Montageorgans kann sich die Masse der elastischen Klingen durch Aufwickeln oder Abwickeln in einfacher und kontinuierlicher Weise radial auf der Unruh verschieben. Hierfür genügt es, das genannte Montageorgan in der einen oder anderen Richtung in Winkelrichtung um die Achse AA zu versetzen, je nachdem, ob das Trägheitsmoment vergrößert oder verringert werden muss. Das Trägheitsmoment der Unruh wird auf diese Weise ohne Versetzen ihres Trägheitszentrums geändert, da die Trägheitsachse Δ der Justiervorrichtung mit der Drehachse der Unruh AA zusammenfällt und die Drehbewegung des Montageorgans nicht die Stellung der genannten Trägheitsachse ändert, sondern nur die radiale Verteilung der Masse der Klingen. Der Einstellbereich des Trägheitsmomentes I und die Präzision seiner Einstellung sind durch Länge, Form und Masse der Klingen gegeben, die eine Wicklung veränderlicher Länge und Kompaktheit bilden können. Die Einstellung des Trägheitsmomentes erfolgt kontinuierlich über einen Bereich, der sich von einem Minimalwert, der einer Maximalzahl an Windungen der Wicklung entspricht, bis zu einem Maximalwert erstreckt, der einem Minimum der Anzahl an Windungen der Wicklung entspricht. Auf diese Weise ist es möglich, das Trägheitsmoment der Unruh ohne komplizierte Handgriffe mit extremer Präzision und über einen großen Einstellbereich zu justieren.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden beim Lesen der folgenden Beschreibung einer lediglich als Beispiel und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschriebenen Ausführungsform deutlicher werden. Es zeigen:
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– 1 und 2 Draufsicht bzw. Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Unruh,
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– 3a und 3b die erfindungsgemäße Unruh in der Stellung minimaler bzw. maximaler Trägheit, und
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– 4 eine perspektivische Ansicht der auf eine Unruhbrücke montierten Unruh.
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Die in den 1 und 2 in Draufsicht bzw. in Schnittansicht dargestellte und als Ganzes mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnete Unruh umfasst ein Schwungrad 10 mit der Drehachse AA, in herkömmlicher Weise aus einer zentralen Nabe 11 bestehend, die durch eine Verbindungsfläche 13 mit einem peripheren Reifen 12 verbunden ist. Die Einheit ist starr und hat eine Trägheitsachse, die mit der Drehachse AA zusammenfällt, so dass die Drehbewegung um die Achse AA unwuchtfrei ist. Hierzu besteht die Verbindungsfläche 13 in herkömmlicher Weise aus einer geraden oder ungeraden Anzahl von Schenkeln, die in gleichmäßigem Winkelabstand voneinander angeordnet sind, wie in den 1 und 2 dargestellt ist, oder aus einer durchgehenden Fläche. Das Schwungrad 10 kann aus Metall, beispielsweise Messing, Nickel oder Titan oder einer Metalllegierung, oder auch aus Silizium, mit Hilfe der dem Fachmann bekannten Mikro-Materialbearbeitungstechniken gefertigt werden.
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Das Trägheitsmoment I des beschriebenen Schwungrades 10 hat einen konstanten Wert, der sich aus seiner Form und dem Werkstoff, aus dem es besteht, ergibt.
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Die Unruh 1 umfasst außerdem eine im Wesentlichen ebene, auf dem genannten Schwungrad 10 montierte Justiervorrichtung 20 des Trägheitsmomentes I, die dazu dient, das Trägheitsmoment I auf einen gegebenen Wert einzustellen. Die Justiervorrichtung 20 mit der Trägheitsachse Δ besteht aus einem ersten und einem zweiten Montageorgan 21, 22 auf der zentralen Nabe 11 bzw. dem peripheren Reifen 12, die durch zwei flexible Klingen 23a, 23b miteinander verbunden sind, deren Länge größer ist, als der Radius des Schwungrades 10 und die relativ zur Trägheitsachse Δ symmetrisch sind. Die flexiblen Klingen 23a, 23b sind mit dem einen und dem anderen ihrer Enden am ersten bzw. zweiten Montageorgan 21, 22 befestigt. Sie sind optional mit vorgeformten oder nicht vorgeformten Gewichten versehen, die dazu dienen, ihr Eigengewicht zu erhöhen, deren Form in Abhängigkeit von den Kenngrößen der Unruh 1 gewählt wurde. Alternativ hierzu bestehen die flexiblen Klingen 23a, 23b aus einer zelligen Struktur, die dazu bestimmt ist, ihre Dichte zu verringern. In Variante zu dieser Ausführungsform gibt es drei, vier oder mehr Klingen, die in gleichmäßigem Winkelabstand angeordnet sind. Vorzugsweise wird eine Justiervorrichtung 20 gewählt, die zwei bis vier vorgeformte elastische Klingen aufweist, die in der Ruhestellung eine Wicklung bilden, die eine bis fünf Windungen umfasst.
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Die Justiervorrichtung 20 ist selbstzentriert auf dem Schwungrad 10 montiert, was bedeutet, dass ihre Trägheitsachse Δ konstruktionsbedingt mit der Drehachse AA des Schwungrades 10 zusammenfällt. Hierzu sind die Montageorgane 21, 22 ihrerseits relativ zur Achse AA selbstzentriert und die flexiblen Klingen 23a, 23b sind relativ zur Trägheitsachse Δ symmetrisch. Auf diese Weise erzeugt die Montage der Justiervorrichtung 20 auf dem Schwungrad 10 konstruktionsbedingt keine Unwucht.
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In der vorliegenden Ausführungsform besteht das erste Montageorgan 21, an der zentralen Nabe 11, aus einer elastisch verformbaren Raute, deren Innenseiten Reibungsflächen 41 bilden. In Variante besteht das erste Montageorgan 21 aus einem Quadrat, einem Rechteck, einem Sechseck oder einem anderen elastisch verformbaren Polyeder. Die zentrale Nabe 11 weist ihrerseits eine zylindrische Außenfläche auf, die eine Anlagefläche 51 bildet, mit der die Reibungsflächen 41 in Berührung kommen. Die zentrale Nabe kann natürlich die Welle der Unruh? sein. Der Reibungskoeffizient zwischen den Flächen 41 und 51 wird derart gewählt, dass die Raute durch die Reibungskraft, die bei arbeitender Unruh 1 ausgeübt wird, in Winkelrichtung festgesetzt wird. Um die Selbstzentrierung der Justiervorrichtung 20 sicherzustellen, liegt die geometrische Achse der Raute auf der Trägheitsachse Δ der Justiervorrichtung 20 und fällt die geometrische Achse der Anlagefläche 51 mit der Drehachse AA zusammen.
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Das zweite Montageorgan 22, am peripheren Reifen 12, besteht aus einem elastisch verformbaren elliptischen Ring, dessen Außenseite eine Reibungsfläche 42 bildet. Der periphere Reifen 12 weist seinerseits eine zylindrische Innenfläche auf, die eine Anlagefläche 52 bildet, mit der die Reibungsfläche 42 in Berührung kommt. Wie oben wird der Reibungskoeffizient zwischen den Oberflächen 42 und 52 derart gewählt, dass der elliptische Ring durch die Reibungskraft, die von der arbeitenden Unruh ausgeübt wird, in Winkelrichtung festgesetzt wird. Der elliptische Ring weist außerdem relativ zur Trägheitsachse Δ symmetrisch zwei Löcher 32a, 32b auf, die in zwei zu diesem Zweck vorgesehenen Verdickungen ausgebildet sind, die dem Erfassen und der Handhabung des elliptischen Ringes dienen. Ebenso fällt zur Sicherstellung der Selbstzentrierung der Justiervorrichtung 20 die geometrische Achse des elliptischen Ringes mit der Trägheitsachse Δ der Justiervorrichtung 20 zusammen und die geometrische Achse der Anlagefläche 52 mit der Drehachse AA.
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Wenn die Justiervorrichtung 20 mit Hilfe der Montageorgane 21, 22 auf das Schwungrad 10 montiert ist, nehmen die flexiblen Klingen 23a, 23b in dem Raum zwischen dem peripheren Reifen 12 und der zentralen Nabe 11 ihren Platz ein, indem sie eine Wicklung bilden, die eine oder mehrere Windungen umfassen kann, oder auch lediglich einen Teil einer Windung, je nach der Länge der Arme 23a, 23b. Dank der Selbstzentrierung, der Montageorgane (21, 22) relativ zur Achse AA und der Symmetrie der flexiblen Klingen 23a, 23b relativ zur Trägheitsachse Δ der Justiervorrichtung 20 fällt die Trägheitsachse Δ mit der Drehachse AA zusammen und das Schwungrad 10 ist konstruktionsbedingt unwuchtfrei. Diese Eigenschaft bleibt unabhängig vom Grad der Aufwicklung der flexiblen Klingen 23a, 23b erhalten, die ihre Symmetrie beibehalten, wenn sich ihr Aufwicklungsgrad ändert.
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Die Justiervorrichtung 20 wird vorzugsweise einstückig nach einem Verfahren des Typs LIGA aus Metall gefertigt, das darin besteht, ein Metall in einer photolithographisch erzeugten, zweidimensionalen Struktur galvanisch abzuscheiden. Dieses Verfahren erlaubt es, ebene Teile komplexer Form mit hoher Präzision zu fertigen. Alternativ wird die Justiervorrichtung 20 aus Silizium gefertigt, durch physikalisch-chemische Mikrobearbeitung einer Siliziumplatte. Dank dieser Fertigungstechniken ist es möglich, die flexiblen Klingen 23a, 23b zu einer mehr oder weniger engen Wicklung vorzuformen.
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Die 3a und 3b zeigen das Funktionsprinzip der Justiervorrichtung 20 des Trägheitsmomentes I der erfindungsgemäßen Unruh 1. Die Justiervorrichtung 20 des Trägheitsmomentes I wird mit Hilfe einer Pinzette, deren spitze Enden in die Löcher 32a, 32b eingeführt werden, auf das Schwungrad 10 montiert. Die relative Winkelstellung der Montageorgane 21, 22 auf der zentralen Nabe 11 bzw. auf dem peripheren Reifen 12 zueinander bestimmt den Aufwicklungsgrad der flexiblen Klingen 23a, 23b zwischen der Nabe 11 und dem Reifen 12. Auf diese Weise ändert die Veränderung der relativen Winkelstellungen des elliptischen Ringes und der Raute zueinander die Verteilung der Masse in der Unruh 1 und dementsprechend ihr Trägheitsmoment I.
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In den 3a und 3b wurde die erfindungsgemäße Unruh 1 in der Stellung minimalen bzw. maximalen Trägheitsmomentes I dargestellt. Wenn durch eine gegebene relative Stellung der Montageorgane 21, 22 die flexiblen Klingen 23a, 23b eine kompakte Wicklung um die zentrale Nabe 11 bilden, ist die Masse der Justiervorrichtung 20 zur Achse AA verlagert und das Trägheitsmoment I ist minimal. Wenn dagegen die flexiblen Klingen 23a, 23b durch die Stellung der Montageorgane 21, 22 zueinander zum Reifen 12 gedrückt werden, wird die Masse der Justiervorrichtung 20 nach außen verlagert und das Trägheitsmoment I ist minimal. Zwischen diesen beiden Extremstellungen ist eine breite Spanne an Werten von I möglich, abhängig von der Länge der elastischen Klingen 23a, 23b und ihrer Form. Der Einstellbereich des Trägheitsmomentes wächst mit der Länge der der elastischen Klingen 23a, 23b und die Präzision der Einstellung erhöht sich, wenn die Länge der Klingen 23a, 23b abnimmt. Folgende Zahlen seien als Beispiel angegeben. Wir betrachten ein Schwungrad 10 mit dem Trägheitsmoment I von 180 mgcm2 und einer Präzision der Winkelstellung des elliptischen Ringes 22 von 1°. Bei einer Justiervorrichtung 20 mit zwei Armen, die in der Ruhestellung fünf Windungen bilden, beträgt der Einstellbereich des Momentes I 11,6 mgcm2, was einer Auflösung von 6,4E-3 mgcm2 entspricht, d. h. 0,47 Sekunden pro Tag. Bei einer Justiervorrichtung 20 mit zwei Armen, die in der Ruhestellung eine Windung bildet, beträgt der Einstellbereich des Momentes I 1,82 mgcm2, was einer Auflösung von 5E-3 mgcm2 entspricht, d. h. 0,27 Sekunden pro Tag.
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Es sei darauf hingewiesen, dass zwar im vorliegenden Fall die beiden Montageorgane 21, 22 durch Drehung um die Achse AA positionierbar sind, dass aber dasselbe erreicht wird, wenn eins der Montageorgane drehstarr montiert ist und das andere durch Drehung positionierbar ist. Das eine der beiden Montageorgane 21, 22 kann durch Kleben, Schweißen oder jedes andere geeignete Mittel an der zentralen Nabe 11 oder am peripheren Reifen 12 befestigt werden. Aus praktischen Gründen und wie in
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4 dargestellt, ist vorzuziehen, den elliptischen Ring 22 durch Drehung positionierbar zu lassen, da er leichter zugänglich ist, wenn die Unruh über eine Unruhwelle 61 auf der Unruhbrücke 60 montiert ist. Das Trägheitsmoment I kann dann unter normalen Arbeitsbedingungen justiert werden.
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Hiermit wurde eine Unruh für Uhrwerke mit justierbarem Trägheitsmoment beschrieben. Selbstverständlich beschränkt sich die vorliegende Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen, sondern erstreckt sich auf alle dem Fachmann nahe liegenden Varianten, die im Rahmen der hierunter folgenden Patentansprüche liegen. So könnte der Fachmann insbesondere dazu Veranlassung finden, das erste Montageorgan 21 der Justiervorrichtung direkt auf der Unruhwelle 61 zu montieren, statt auf der zentralen Nabe 11. Wenn die Unruh 1 an der Welle 61 fest befestigt ist, wird die Justiervorrichtung 20 des Trägheitsmomentes indirekt mit Hilfe des ersten Montageorgans 21 am Schwungrad 10 montiert. Diese Option kann in dem Fall in Erwägung gezogen werden, wo die Nabe klein oder gar nicht vorhanden ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Unruh
- 10
- Schwungrad
- 11
- zentrale Nabe
- 12
- peripherer Reifen
- 13
- Verbindungsfläche
- 20
- Justiervorrichtung
- 21
- erstes Montageorgan
- 22
- zweites Montageorgan
- 23a
- flexible Klinge
- 23b
- flexible Klinge
- 32a
- Loch
- 32b
- Loch
- 41
- Reibfläche des ersten Montageorgans
- 42
- Reibfläche des zweiten Montageorgans
- 51
- Anlagefläche der zentralen Nabe
- 52
- Anlagefläche des peripheren Reifens
- 60
- Unruhbrücke
- 61
- Unruhwelle
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1351103 [0005]
- EP 1837719 [0005]
- EP 2395402 [0005]
- US 2880570 [0006]
- US 2770942 [0006]
- FR 1322923 [0006]
