DE1228568B

DE1228568B - Resonator fuer Zeitmessgeraete

Info

Publication number: DE1228568B
Application number: DEU10562A
Authority: DE
Inventors: William J Holt; Michael V Braine
Original assignee: United States Time Corp
Current assignee: United States Time Corp
Priority date: 1963-03-12
Filing date: 1964-03-06
Publication date: 1966-11-10
Also published as: CH300864A4; CA768731A; US3277394A; CH476333A; FR1383406A; GB1023079A

Description

Resonator für Zeitmeßgeräte Die Erfindung betrifft einen Resonator für Zeitmeßgeräte mit zwei gegeneinander schwingenden Ringen, welche um eine gemeinsame Drehachse angetrieben werden und an von einer Basis getragenen Flachfedern befestigt sind.
Bei einer bekannten elektronisch gesteuerten Uhr mit einem solchen, gegenüber äußeren Stößen unempfindlichen Resonator sind die Flachfedem einerseits an einer festen zentrischen Nabe und andererseits am Innenumfang des jeweiligen Ringes befestigt. Eine solche Befestigung hat aber erhebliche Nachteile, weil Temperaturänderungen eine Aufweitung der Ringe zur Folge haben, die den Befestigungspunkt der Flachfedern an den Ringen mehr wandern läßt als den Befestigungspunkt der Flachfedern an der Nabe; dies führt dann zu Änderungen der Flachfederspannungen und somit zu entsprechenden Änderungen der Eigenfrequenzen des Resonators. Es wäre nun an sich möglich, die Ringe sowie die Basis aus Werkstoffen mit sehr niederen Temperaturausdehnungskoeffizienten zu fertigen, jedoch sind alle diese Werkstoffe außerordentlich teuer.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die bekannten Resonatoren so auszubilden, daß der Einfluß von Temperaturschwankungen auf die Eigenfrequenz des Resonators herabgesetzt wird.
Diese Aufgabe wird bei Resonatoren der eingangs erwähnten Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Ringe und die Basis aus gleichem Werkstoff bestehen und die Flachfedern aus einem gegen Temperaturschwankungen im wesentlichen unveränderlichen Werkstoff sind und daß die Befestigungsstellen der Flachfedern an der Basis und der Ringe an den Flachfedern denselben radialen Abstand von der Drehachse aufweisen. Damit wird erreicht, daß sich die Befestigungspunkte der Flachfedern an den Ringen und der Basis bei Temperaturänderungen um je- weils dieselbe Strecke verschieben, so daß sich die Flachfederspannungen nicht ändern. Dadurch wurde eine wesentliche Ursache für den Einfluß der Temperatur auf die Eigenfrequenz des Resonators beseitigt, obwohl für die Fertigung der Ringe und der Basis verhältnismäßig billige Werkstoffe verwendet werden können. Eine völlige Temperaturkompensation läßt sich allerdings noch nicht erzielen, da sich die Trägheitsmomente der Ringe beim Aufweiten und Schrumpfen ebenfalls ändern.
Bei der bekannten Ausführungsform eines Resonators ist jeder Ring an vier Flachfedern aufgehängt. Vorteilhafter ist es jedoch, drei im gleichen Winkelabstand angeordnete Flachfedern vorzusehen, da dann die Ringe gleichmäßig belastet sind und gleiche Eigenfrequenzen aufweisen.
Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen in Verbindung mit der Erläuterung zweier Ausführungsbeispiele in Beschreibung und Zeichnung; dabei stellen die der Erläuterung der Erfindung dienenden Ausführungsbeispiele besonders zweckmäßige Konstruktionen dar. Es zeigt F i g. 1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Resonators in schaubildlicher Darstellung, F i g. 2 einen Axialschnitt durch den Resonator nach F i g. 1 in Teildarstellung, F i g. 3 eine Seitenansicht einer Flachfeder des Resonators nach F i g. 1 und 2 in größerer Darstellung als diese, F i g. 4 eine Draufsicht auf einen in eine Uhr eingebauten Resonator nach den F i g. 1 und 2, F i g. 5 einen abgewandelten Resonator in schaubildlicher Darstellung, F i g. 6 ein Schaltschema einer Schaltung zum Antrieb des Resonators und F i g. 7 und 8 ein Spannungs- sowie ein Stromdiagramm des in F i g. 6 gezeigten Schwingkreises. Der in den F i g. 1 und 2 dargestellte Resonator hat einen oberen und einen unteren Ring 1 bzw. 2 sowie eine Grundplatte3, die in einem Gehäuse befestigt werden kann. Außerdem sind drei Flachfedern4, 5 und 6 vorgesehen, die auf dem Umfang der Ringe in gleichen Abständen voneinander verteilt sind und sich von einer imaginären Achse 7 der Ringel und 2 radial nach außen erstrecken. Diese Flachfedern sind aus einem federnden Metall, yorzugsweise aus der Nickel-Chrom-Legierung »Elinvar« oder der Nickel--Chrom-Titan-Legierung »Ni-Span-C«, die konstante isoelastische Moduln haben, so daß die mechanischen Eigenschaften der Flachfedern von in Uhren leicht auftretenden Temperaturschwankungen nicht beeinflußt werden. Ein für die Fertigung der Flachfedern ideales Metall hätte einen Elastizitätsmodul von gleicher Größe wie sein Ausdehnungskoeffizient, jedoch mit umgekehrtem Vorzeichen. Es wäre an sich möglich, die Ringe 1 und 2 aus einem Werkstoff mit einem sehr niederen Temperaturausdehnungskoeffizienten zu fertigen, jedoch sind alle diese Werkstoffe teuer. Wenn man hingegen die Ringe aus einem sich unter dem Einfluß von Temperaturschwankungen verändernden Material herstellt und sie so anbringt, daß die- Federn im Mittelpunkt der Ringe eingespannt sind, so würden sie sich bei einer Erwärmung ausdehnen> was eine Vergrößerung der Flachfederspannungen und damit eine Erhöhung der Eigenfrequenzen des Resonators zur Folge hätte. Konstante Eigenfrequenzen des Resonato,rs sind jedoch für exakte Zeitmessungen unerläßlich# Voraussefzungen.
Wie in Fig. 2 dargestellt, ist die Grundplatte 3 unter den beiden Ringen 1 und 2 angeordnet und weist nach oben gerichtete Ansätze8 auf, an denen die Flachfedern4 bis 6 befestigt sind.
Der Resonator kann dahingehend abgewandelt werden, daß man an Stelle - einer Grundplatte im Zentrum zwischen den Ringen einen Träger anordnet, um einen aufgelockerteren Aufbau zu erzielen. In F i g. 2 sind mit Pfeilen die Verschiebungen angedeutet, denen die Ringe und die Grundplatte bei einer Temperaturerhöhung unterworfen sind; wie gezeigt, bewegen sich sowohl die Ringe 1 und 2 als auch die Ansätze 8 in radialer Richtung von der Mittelachse 7 weg. Da sich Ringe und Ansätze in derselben Richtung und um gleiche Strecken verschieben, wird die Spannung, unter der die Flachfedern 4 bis 6 stehen, nicht geändert. Auch im Fall -einer Abkühlung der Uhr verschieben sich Ringe und Ansätze in derselben, gegenüber dem ersten Fall jedoch entgegengesetzten Richtung, so daß die Spannung der Flachfedern auch hier ungeändert bleibt. Aus diesem Grund können die Ringe sowie die Grundplatte aus einem verhältnismäßig billigen Werkstoff gefertigt werden, dessen Temperaturausdehnungskoeffizient von Null verschieden ist, beispielsweise aus Messing.
Eine in F i g. 5 dargestellte, abgewandelte Ausführungsform eines selbstkompensierten Resonators hat zwei nicht biegsame Ringe l` und 2', die nahe ihrer Mitte an biegsamen Flachfedern 4, 5' und 6' befestigt sind. Letztere gleichen in ihrer Form einem W, und jede ist in jeweils einem Punkt 3a an einer Mittelnabe3' befestigt. Diese Punkte3a weisen von der Mittelachse der Ringe denselben Abstand wie diejenigen Stellen auf, in denen die Flachfedefin an den Ringen befestigt sind. Auf diese Weise wird wie in der Ausführungsform gemäß den Fig. 1 und 3 eine Temperaturselbstkompensation erzielt.
Einein F i g. 4 dargestellte Uhr weist zusätzlich zu dem in Fig. 1 gezeigten Resonator eine an dem Ring 1 befestigte Mitnehmerklinke 9 und eine an dem Ring 2 befestigte Mitnehmerklinke 10 sowie ein von den beiden Mitnehmerklinken angetriebenes Steigrad11, ein mit dem Steigrad kärnmendes Zwischenrad 12 und andere Zahnräder eines üblichen Uhrengetriebes, wie Stundenrad 13, Minutenrad 14 und Sekundenschaltrad 15, auf. Mit Energie wird die Uhr von einer Batterie 16 versorgt, die mit einer elektronischen Schaltung 17 verbunden ist. Letztere steht mit einer Spule 18 über einen biegsamen Leiter 17a in Verbindung, der beispielsweise ein zuvor verzinnter dünner Kunststoffstreifen sein kann. Die Spule 18 ist hohl und an dem Ring 1 befestigt; ein Topfmagnet 19 ist am Ring 2 befestigt und hat einen Kern 20, der aus dem Topfmagneten hervorragt und abwechselnd in die Spule eintaucht und wieder aus ihr hervortritt. Falls es wünschenswert ist, braucht man lediglich den-Kern20 aus magnetis-ch#eiü Werkstoff zu fertigen, wohingegen an Stelle eines Topf7--. magneten ein Topf aus nichtmagnetischem, magnetisch jedoch leitendem Material vorgesehen werden, kann.
Die Ringe 1 und 2 führen. Rotationsschwingungen derselben Frequenz, jedoch mit verschiedenem Drehsinn aus, Die Mitnehmerklinken 9 und 10 sind aus Federstahl, und die Mitnehmerklinke 9 treibt das Steigrad 11 an, solange die Mitnehmerklinke 10 abgehoben wird, und umgekehrt. Ein Rücklauf des Steigrades infolge Reibung zwischen der jeweils nicht antreibenden Mitnehmerklinke und dem Steigrad wird dadurch vermieden, daß das Steigrad. ständig von einer der beiden- Mitnehmerklinken angetrieben wird. Dies bringt den Vorteil mit sich, daß Energie gespart wird, da eine besondere Bremse oder Sperrklinke zur Verhinderung eines Rücklaufs nicht erforderlich ist. Da beide Ringe in gleichem Umfang antreiben, werden ihre Schwingungen auch in gleicher Weise angeregt und gedämpft. Die Verwendung zweier Mitnehmerklinken bringt außerdem den Vorteil mit sich, daß ein größeres Steigrad mit größeren Zahnabständen als bei der Verwendung nur einer Mitnehmerklinke benutzt werden kann; beispielsweise kann der Zahnabstand etwa 0,076 mm betragen; derartige Zahnräder sind aber wesentlich billiger als solche mit kleineren Zahnabständen.
Zur Befestigung der Flachfedern an den Ringen 1 und 2 sowie an den Ansätzen 8 bedient man sich eines besonderen Verfahrens. Bei den bei Zeitmeß-,c,eräten erforderlichen hohen Schwingungsfrequenzen Z von beispielsweise 96 Hz ermüden die Flachfedern, und ihre Befestigungsstellen lösen sich, wenn sie an den sie tragenden Bauelementen nicht gut befestigt sind. Solche Ermüdungserscheinungen treten dann auf, wenn die Befestigungsstellen zwischen den Flachfedern und den Ringen die Kräfte nicht zu übertragen vermögen, die die Flachfedern ausüben. Andererseits kann man die Flachfedern mit den Ringen nicht durch Hartlöten verbinden, da dabei die Ringe erhitzt und in ihnen innere Spannungen hervorgerufen würden.
Zur Befestigung der Flachfedern an den Ringen wird jeweils ein kleines Metallklötzchen 22 od. dgl. an die Enden der Flachfedern hart angelötet oder angeschweißt. Dadurch wird eine Molekülbindung zwi# schen den Flachfedern und Metallklötzchen geschaffen. Daraufhin wird letzteres in eine etwa halbkreisförmige Ausnehmung des entsprechenden Ringes eingesetzt und mit dem Ring in kaltem Zustand verklebt, beispielsweise mit einem Epoxydharzkleber. Die Schubspannungen bzw. Scherkräfte zwischen dem Metallklötzchen und dem Ring werden auf deren verhältnismäßig große, einander berührende Flächen verteilt, während die Verbindungsstelle zwischen Flachfeder und dem Metallklötzchen die Biegespannung der Flachfeder aufnimmt.
Wie die F i g. 1 bis 4 zeigen, werden in dem erfindungsgemäßen Resonator vorzugsweise drei Flachfedern verwendet. Für eine genaue Zeitmessung ist es wesentlich, daß die Flachfedern gleich beansprucht und ihre Eigenfrequenzen deshalb gleich sind. Bei der Verwendung von nur zwei Flachfedern werden diese durch das Gewicht der Ringe in Abhängigkeit von deren Lage verschieden belastet. Werden hingegen drei oder mehr Flachfedern verwendet und in gleichen Winkelabständen voneinander angeordnet, so verteilt sich die Beanspruchung so auf die Flachfedern, daß deren Gesamtbelastung, unabhängig von der Lage des Resonators, konstant ist. Am leichtesten ist es jedoch bei der Verwendung dreier Flachfedern, diese unter gleicher Vorspannung einzubauen, was bei mehr als drei Flachfedern Schwierigkeiten bereitet.
Eine den Resonator steuernde elektronische Schaltung ist in F i g. 6 dargestellt. Die Spule 18 ist etwa in ihrer Mitte mit einer Anzapfung versehen, wodurch eine elektrisch von einer Antriebsspule23 abgesonderte Abtastspule 24 geschaffen wird. Die Antriebsspule liegt zwischen einer Stromquelle 25 (die eine Batterie, eine Photozelle oder ein Thermoelement sein kann) und dem Emitter 26 eines PNP-Transistors 27. Zwischen dem Emitter 26 und dem Kollektor 29 liegt ein Kondensator 28. Die Abtastspule 24 ist in Reihe mit dem Kondensator 30 geschaltet, und beide Schaltelemente liegen zwischen dem Emitter 26 und der Basis 31 des PNP-Transistors 27. Zwischen Basis 31 und Kollektor 29 ist ferner ein Widerstand 32 geschaltet, der die an der Basis liegende Vorspannung herabsetzt, wenn die Ringe infolge äußerer Stöße nicht in der Lage sind, ihre Schwingungen wechselseitig aufrechtzuerhalten.
Die Schaltelemente der vorstehend erläuterten Schaltung können beispielsweise folgendermaßen bemessen werden:

Die F i g. 7 und 8 zeigen das Spannungs-Zeit- bzw. das Strom-Zeit-Diagranun dieser Schaltung, die als getriggerter Sperrschwingkreis wirkt und als Impulsspitzen die volle Batteriespannung abgibt.
Damit die Schaltung als getriggerter Sperrschwingkreis wirkt, ist es erforderlich, daß der Widerstand der Antriebsspule verhältnismäßig niedrig ist, so daß die durch Wechselwirkung dieser Antriebsspule mit dem Magneten induzierte rücktreibende EMK beträchtlich unter der Antriebsspannung liegt.

Claims

Patentansprüche: 1. Resonator für Zeitmeßgeräte mit zwei gegeneinander schwingenden Ringen, welche um eine gemeinsame Drehachse angetrieben werden und an von einer Basis getragenen Flachfedern befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringe (1, 2; l', 2') und die Basis (3, 3') aus gleichem Werkstoff bestehen und die Flachfedern (4, 5, 6; 4', 5', 6) aus einem gegen Temperaturschwankungen im wesentlichen unveränderlichen Werkstoff sind und daß die Befestigungsstellen der Flachfedern an der Basis und der Ringe an den Flachfedern denselben radialen Abstand von der Drehachse (7) aufweisen.
2. Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff der Ringe und der Basis einen von Null verschiedenen Temperaturausdehnungskoeffizienten hat. 3. Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß drei Flachfedern (4, 5, 6; 4', 5', 6') vorzugsweise im gleichen Winkelabstand angeordnet sind. 4. Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am ersten Ring (1, l') eine Spule (18) und am zweiten Ring (2, 2) ein Magnet (19) befestigt ist, der in der Ruhestellung der Ringe in die Spule eintaucht, die an eine periodisch Stromimpulse abgebende Stromquelle angeschlossen ist. 5. Resonator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Stromimpulse eine elektrische Oszillatorschaltung vorgesehen ist. 6. Resonator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (18) eine Antriebsspule (23) und eine Abtastspule (24) hat, deren Verbindungspunkt mit dem Emitter (26) und deren Endpunkte mit der Batterie (25) bzw. über einen Kondensator (30) mit der Basis (31) eines Transistors (27) verbunden sind. 7. Resonator nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis (31) über einen Widerstand (32) mit dem Kollektor (29) und letzterer über einen Kondensator (28) mit dem Emitter (26) verbunden ist. In Betracht gezogene Druckschriften: USA.-Patentschrift Nr. 2 939 971 -Seely, »Electron-Tube Circuits«, 1958, S. 435 bis 440 und 443; Millman, »Puls and Digital Circuits«, 1956, S. 272 bis 284 und 602 bis 604.