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Frequenznormal mit einem Schwingungssystem, das mindestens einen durch
einen Schwingungsantrieb zu Schwingungen antreibbaren mechanischen Schwinger aufweist
Die Erfindung betrifft ein Frequenznormal mit einem mindestens einen mechanischen
Schwinger aufweisenden Schwingungssystem.
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Bei einem bekannten derartigen Schwingungssystem ist der Schwinger
als zweizinkige Stimmgabel ausgebildet. Die Schwingungsfrequenz einer solchen Stimmgabel
ist jedoch lageabhängig, da die schwingenden Massen sich auf Kreisbögen bewegen.
Das rücktreibende Moment der Gabelzinken wird dann je nach ihrer Lage durch den
Schwerkrafteinfluß vergrößert oder verkleinert. überdies wird die Dämpfung dieser
Stimmgabel durch die kreisbogenförmige Bewegung der schwingenden Massen vergrößert,
da die Stimmgabelhalterung mit in Schwingungen versetzt wird. Hierdurch geht Schwingungsenergie
verloren, d. h., die Schwingung wird gedämpft. Durch die Schwingungsdämpfung wird
ebenfalls die Ganggenauigkeit beeinträchtigt.
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Zwar kann mittels W-, O- oder H-förmigen Stimmgabeln die Stimmgabelfrequenz
theoretisch lageunabhängig gemacht werden, worüber in der Zeitschrift »Technische
Rundschau«, 19, 26.4.1963; S. 41, Halwag Verlag, Bern/Schweiz, berichtet wurde;
doch weisen derartige Gabeln ebenfalls eine verhältnismäßig hohe Gangungenauigkeit
auf, da die Gabelzinken in Richtung der gewünschten Schwingung verhältnismäßig dünn
sind, wodurch die Gabelzinken Drehschwingungen um ihre Längsachse ausführen können,
was die Ganggenauigkeit beeinträchtigt, wenn nicht sogar die Verwendung ausschließt.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Frequenznormal zu
schaffen, dessen Frequenz lageunabhängig ist und dessen mechanische Schwinger praktisch
dämpfungsfrei schwingen. Dies wird bei einem Frequenznormal mit einem Schwingungssystem,
das mindestens einen durch einen Schwingungsantrieb zu Schwingungen antreibbaren
mechanischen Schwinger aufweist, dessen je zwei Arme aufweisende Teilschwinger zu
einer Ebene symmetrisch angeordnet sind, und der über den in der Symmetrieebene
liegenden Knotenpunkt an einer Basis befestigt ist, wobei je ein mittlerer Punkt
der Teilschwinger eine mindestens annähernd geradlinige Schwingung vollführt und
die Schwingungen zur Kompensation paarweise gegenläufig sind, gemäß der Erfindung
dadurch erreicht, daß mindestens zwei Schwinger im Abstand voneinander vorgesehen
sind, deren Federkonstante in der gewünschten Schwingungsrichtung wesentlich niedriger
als in den anderen Richtungen ist und deren Teilschwinger über starre Verbindungsstücke
zu Teilschwingungssystemen so miteinander verbunden sind, daß die Schwerpunkte der
Teilschwingungssysteme geradlinig und paarweise gegenläufig in der gewünschten Schwingungsrichtung
schwingen.
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Durch die geradlinige Bewegung der Schwerpunkte wird die Frequenz
des Frequenznormals unabhängig von der Lage der Schwinger. Auch wird infolge dieser
geradlinigen Bewegung keine Schwingungsenergie auf die Basis übertragen, so daß
das Schwingungssystem praktisch dämpfungsfrei schwingen kann. Ebenfalls können keine
Drehschwingungen auftreten. Damit sind sämtliche Fehlerquellen der bekannten Frequenznormale
der vorstehend beschriebenen Art bei dem erfindungsgemäßen Frequenznormal vermieden,
so daß ein Frequenznormal höchster Ganggenauigkeit geschaffen ist.
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Das erfindungsgemäße Frequenznormal eignet sich insbesondere auch
für zeithaltende Geräte, vorzugsweise tragbare Uhren. Bei der Verwendung in Kleinuhren
ist es auch von besonderem Vorteil, daß das erfindungsgemäße Schwingungssystem in
seinen mechanischen Teilen praktisch keine Dämpfung aufweist, so daß der Leistungsverbrauch
minimal ist.
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Der Erfindungsgedanke kann durch unterschiedliche Ausbildung der Schwinger
und unterschiedliche Verbindung der Teilschwinger verwirklicht werden. Als besonders
günstig hat es sich erwiesen, wenn die Teilschwinger jedes der Schwinger senkrecht
zu ihrer Schwingungsrichtung nebeneinander angeordnet sind. Durch eine solche Anordnung
wird nicht nur die Herstellung der Schwinger erleichtert, sondern auch
eine
besonders kompakte Gestaltung des Schwingungssystems ermöglicht.
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Im allgemeinen ist es ganz besonders vorteilhaft, wenn die Teilschwinger
mindestens eines Schwingers in Schwingungsrichtung hintereinander angeordnet sind.
Durch eine solche Anordnung kann auf besonders einfache konstruktive Weise erreicht
werden, daß die Schwerpunkte aller Teilschwingungssysteme mindestens annähernd auf
einer gemeinsamen Geraden schwingen. Und zwar ist eine solche Lage der Schwerpunkte
auf einer gemeinsamen Geraden aller Teilschwingungssysteme bevorzugt vorgesehen,
da hierdurch eine außerordentlich hohe Ganggenauigkeit erreicht wird.
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In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt,
es zeigt F i g. 1 eine Seitenansicht eines ersten erfindungsgemäßen Schwingungssystems,
F i g. 2 eine Draufsicht auf das Schwingungssystem nach F i g. 1, F i g. 3 eine
Vorderansicht in Richtung des Pfeiles A des Schwingungssystems nach F i g. 1 und
2, F i g. 4 einen Schnitt nach Linie 4-4 der F i g. 1, F i g. 5 eine Seitenansicht
eines weiteren bevorzugten Schwingungssystems gemäß der Erfindung, wobei zur besseren
Verdeutlichung einzelne Teile weggebrochen sind, F i g. 6 eine Draufsicht auf das
Schwingungssystem nach F i g. 5.
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Das Schwingungssystem nach den F i g. 1 bis 4 hat eine auf einem bei
410 angedeuteten Boden in nicht näher dargestellter Weise befestigte Basis
411, an deren vorderer und hinterer Stirnseite 412 bzw. 414
je ein
Schwinger 416 bzw. 417 mittels Schrauben, wie 418, befestigt
ist. Die sich in ihrer Form gleichenden Schwinger 416 und 417 weisen je ein Fußstück
420 bzw. 421 auf, an dem einstückig mit diesem je zwei U-förmige Teilschwinger
422, 423
bzw. 424; 425 angeordnet sind. Die Teilschwinger
423 und 425 wie auch die Teilschwinger 422 und 424
sind durch
je ein Verbindungsstück 428 und 429 miteinander zu je einem Teilschwingungssystem
schwingungsmäßig starr verbunden. Diese Verbindungsstücke sind mittels Schrauben,
wie 430, an den äußeren freien Endstücken der betreffenden Teilschwinger so befestigt,
da.ß diese freien Endstücke, wie 434, praktisch starr mit den ebenen Stirnflächen,
wie 435, der Verbindungsstücke verbunden sind. Durch die hierdurch gegebene
Randbedingung für die Schwingung jedes der Teilschwingungssysteme schwingt der Schwerpunkt
des betreffenden Teilschwingungssystems geradlinig, wenn der äußere Arm, wie 438,
des betreffenden Teilschwingers etwa gleich lang wie der innere Arm, wie
439, ist. Voraussetzung hierfür ist allerdings, daß die Teilschwinger ein
konstantes und unter sich gleiches Querschnittsprofil aufweisen, wie es in diesem
Ausführungsbeispiel der Fall ist. Da in diesem Ausführungsbeispiel die Massen der
Verbindungsstücke, einschließlich mit den auf diesen angeordneten Teilen, wesentlich
größer als die Massen der Teilschwinger, einschließlich etwaiger auf den eigentlichen
federnden Teilen des Teilschwingers angeordneten Zusatzmassen, sind, schwingen die
Verbindungsstücke praktisch geradlinig.
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In diesem Ausführungsbeispiel ist also die Befestigungsstelle der
Verbindungsstücke auf den Teilschwingern so zu wählen, daß die Verbindungsstücke
selbst praktisch geradlinig schwingen. Dieser Lehre liegt allerdings die Voraussetzung
zugrunde, daß die von den schwingenden Massen der Teilschwinger422 bis
425 ausgeübten Wirkungen vernachlässigbar klein sind gegenüber den von den
Verbindungsstücken ausgeübtenWirkungen. Wenn die schwingende Masse der Teilschwinger
nicht vernachlässigbar klein ist, oder wenn an diesen Teilschwingern irgendwelche
Zusatzmassen befestigt sind, dann ist das Verbindungsstück an den Teilschwingern
so anzuordnen, daß der resultierende Schwerpunkt des betreffenden Teilschwingungssystems
geradlinig schwingt.
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An dem Verbindungsstück 429 ist mittels der Wörmigen Spulenhalter
440 und 441, die an dem Verbindungsstück 429 angeschraubt sind, die Erregerspule
442 befestigt. Auf der von dem Verbindungsstück 429 abgewandten Seite der
Spule 442 ist ein Ausgleichsgewicht 444 festgeklebt, dessen Masse
so bestimmt ist, daß der Schwerpunkt dieses aus den Teilen 422, 424, 429, 440, 441,
442 und 444 bestehenden Teilschwingungssystems in die durch die Symmetrielinien
E-E der beiden Schwinger 416 und 417 aufgerissene Mittelebene fällt.
Das Verbindungsstück 429 ist hierbei in einer solchen Lage an den Außenarmen 438
der beiden Teilschwinger 422 und 421 befestigt, daß der vorerwähnte Schwerpunkt
dieses Teilschwingungssystems geradlinig schwingt. An dem Verbindungsstück 428 ist
mittels der L-förmigen Träger 452 und 453 über zylindrische Kunststoffzwischenstücke
472 und 473 ein Permanentmagnet 754 befestigt, der teilweise in die
Spule 442 hineinragt und mit dieser Spule so zusammenwirkt, daß die Verbindungsstücke
428 und 429 zu gegenläufigen Schwingungen gleichen Energieinhaltes
anregbar sind. Die Spule 442 wird hierbei durch einen üblichen und daher
nicht näher dargestellten Steuer-und Erregerstromkreis im Takt der Eigenschwingungen
des dargestellten Schwingungssystems sich selbststeuernd so erregt, daß eine Schwingung
vorbestimmter Amplitude aufrechterhalten wird. Die Spulenzuleitungen sind bei 458
und 459 angedeutet.
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An den Trägern 452 und 453 sind Ausgleichsgewichte 460 und 461 befestigt,
durch die der Schwerpunkt des aus den Teilen 423, 425, 428, 452, 453, 454, 472 und
473 bestehendenTeilschwingungssystems ebenfalls in die Mittelebene des dargestellten
Schwingungssystems gelegt wird. Auch hier ist das Verbindungsstück 428 so
an den Teilschwingern 423
und 425 befestigt, daß dieser erwähnte Schwerpunkt
eine geradlinige Bewegung ausführt. In diesem Ausführungsbeispiel liegen die Schwerpunkte
der beiden Teilschwingungssysteme also in derselben Ebene und schwingen auf einer
gemeinsamen Geraden. Hierdurch wird eine optimale Ganggenauigkeit des betreffenden
Schwingungssystems erreicht. Und zwar ist dies besonders der Tatsache zu verdanken,
daß die Schwingungen des Schwingungssystems in keiner Weise auf die Basis 420 übertragen
werden, so daß die Dämpfung dieses Systems minimal ist. überdies ist dieses System,
wie erwähnt, lageunempfindlich.
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Bei dem in den F i g. 5 und 6 dargestellten Ausführungsbeispiel sind
die mittels der Schrauben 502 und 501 und zugeordneter Stützrohre
503 und 504
auf der Basis 500 befestigten, im ganzen mit
508 und 509 bezeichneten Schwinger so ausgebildet und angeordnet, daß die
Teilschwinger 510, 511 und 512, 513 in Schwingungsrichtung hintereinander angeordnet
sind. Die äußeren freien Endstücke 516 und 517
der
Teilschwinger 510 und 513 sind durch einen Verbindungsrahmen 120 schwingungsmäßig
starr miteinander verbunden. Die Befestigung dieser freien Endstücke 516 und 517
am Rahmen 520 ist in diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel so, daß die freien Endstücke
nicht fest an die gegenüberliegenden Rahmenflächen 522, 523 angepreßt werden, sondern
sich in gewissen Grenzen schräg zu diesen Rahmenflächen einstellen können. Dies
wird durch eine entsprechende Stellung der Schraube 524 bzw. 525 erreicht. Durch
diese Randbedingung wird in dem vorliegenden Fall, d. h. wenn die Teilschwinger
einen konstanten Querschnitt haben, eine geradlinige Bewegung des Schwerpunktes
dieses Teilschwingungssystems erreicht, wenn die Länge der freien Außenarme 526
bzw. 527 der Teilschwinger 510 bzw. 513 ungefähr halb so lang ist wie die entsprechenden
Innenarme 530 bzw. 531. Da die Masse der Teilschwinger 510 und 513 vernachlässigbar
klein gegenüber der Masse des Rahmens 520 und der auf diesem Rahmen befestigten
Spule 535 ist, schwingt gemäß der vorstehend beschriebenen Bedingung der Rahmen
praktisch entlang einer Geraden. In dem Rahmen ist die Erregerspule 535 zentrisch
zur Rahmenlängsachse mittels vier Winkellappen 536 und Schrauben, wie 537, befestigt.
Die Spule ist über die Leitung 539 elektrisch mit dem über die Erdleitung 540 geerdeten
Rahmen und über die Leitung 541 mit einer in einer Isolierhülse 542 befestigten
Klemme 543 verbunden. Die an die Klemmen543 angeschlossene Leitung 544 verbindet
die Spule mit einem nicht dargestellten Steuer- und Erregerstromkreis, der von bekannter
Bauart, beispielsweise von der im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel nach
den F i g. 1 bis 4 benannten Bauart, sein kann und durch den die Spule im Takt der
Eigenschwingungsfrequenz des Schwingungssystems selbsttätig erregt wird.
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Die Teilschwinger 511 und 512 sind mittels des an ihren freien Endstücken
546 und 547 befestigten zylindrischen Verbindungsstückes 579 miteinander verbunden.
Dieses Verbindungsstück 579 besteht aus einem Stabmagnet 580 und einem nichtleitenden
Zwischenstück 581. Der Magnet 580 wirkt mit der Erregerspule zum Zwecke des Antriebs
dieses Schwingungssystems zusammen. Die Befestigung dieses Verbindungsstückes 579
an den freien Endstücken 546 und 547 ist ebenfalls so locker, daß sich diese Endstücke
geringfügig schräg zu den beiden Stirnflächen 550 und 551 des Verbindungsstückes
einstellen können. Dieses Verbindungsstück 579 ist hierbei so angeordnet, daß der
Schwerpunkt des zugeordneten Teilschwingungssystems praktisch auf einer Geraden
schwingt, und zwar auf derselben Geraden, auf der auch der Schwerpunkt des anderen
Teilschwingungssystems schwingt. Damit ist auch dieses Schwingungssystem optimal
schwingungskompensiert.
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Wenn die schwingenden Massen der beiden Teilschwingungssysteme unterschiedlich
groß sind, so stellt sich die Größe der Schwingungsamplitude jedes der beiden Teilschwingungssysteme
selbsttätig so ein, daß eine praktisch vollständige Schwingungskompensation erreicht
wird. Dennoch ist es in manchen Fällen günstig, wenn die schwingenden Massen der
beiden Teilschwingungssysteme gleich groß sind, wodurch entsprechend die beiden
Teilschwingungssysteme mit praktisch derselben Amplitude schwingen. Wenn die freien
Endstücke 516, 517, 546 und 547 der Teilschwinger 510, 511, 512 und 513 starr mit
dem Rahmen 520 bzw. dem Verbindungsstück 579 verbunden werden, was in vielen Fällen
von Vorteil ist, dann sind die Teilschwinger entsprechend der strichpunktiert dargestellten
Form 590 bzw. 591 auszubilden, um wiederum eine geradlinige Bewegung der Schwerpunkte
der beiden Teilschwingungssysteme zu erreichen.