DE1253642B

DE1253642B - Flexural oscillator as a clock generator in particular in portable timing devices

Info

Publication number: DE1253642B
Application number: DEG35864A
Authority: DE
Inventors: Dr Theo Stutz
Original assignee: Gesellschaft zur Foerderung der Forschung an der Eidgenoessischen Technischen Hochschule
Current assignee: Gesellschaft zur Foerderung der Forschung an der Eidgenoessischen Technischen Hochschule
Priority date: 1961-09-18
Filing date: 1962-09-06
Publication date: 1967-11-02

Description

Biegungsschwinger als Taktgeber in insbesondere ortsveränderlichen Zeitmeßgeräten Die vorliegende Erfindung betrifft einen Biegungsschwinger, der als Taktgeber in insbesondere ortsveränderlichen Zeitmeßgeräten geeignet ist. Er ist am ehesten zu vergleichen mit den bisher für den gleichen Zweck verwendeten Stimmgabeln, doch unterscheidet er sich von allen bekannten Arten von Stimmgabeln grundsätzlich, und zwar in der Formgebung, in der Art der Bahnkurve, auf der sich die schwingenden Massen im Raum bewegen, und in der Art der Befestigung.Flexural oscillator as a clock generator in particular in the case of moving Timepieces The present invention relates to a flexural transducer which is used as a Clock is suitable in particular in portable timing devices. He is most likely to be compared with the tuning forks previously used for the same purpose, but it differs fundamentally from all known types of tuning forks, namely in the shape, in the type of trajectory on which the oscillating Moving masses in space, and in the manner of attachment.

Stimmgabeloszillatoren sind seit mehr als hundert Jahren bekannt und haben sich in jüngeren Zeiten insbesondere in derjenigen Form bewährt, bei der ein elektromagnetisches System die Stimmgabel antreibt und der darin wirksame Strom elektronisch gesteuert wird. Vor einigen Jahren ist sogar ein elektronischer Stimmgabeloszillator bekanntgeworden, der derart kleine Abmessungen aufweist, daß er nicht nur als sehr kleiner Normalfrequenzoszillator Anwendung findet, sondern auch, in einer Armbanduhr eingebaut, zum Antrieb eines Zeigerwerkes über eine Klinkenmechanik verwendet wird, wodurch eine tragbare elektronische Stimmgabeluhr geschaffen wurde.Tuning fork oscillators have been known for more than a hundred years and have proven themselves in recent times, especially in the form in which a electromagnetic system drives the tuning fork and the current in it is electronically controlled. A few years ago there was even an electronic tuning fork oscillator became known, which has such small dimensions that it is not only as very small normal frequency oscillator finds application, but also, in a wristwatch built-in, used to drive a pointer mechanism via a ratchet mechanism, thereby creating a portable electronic tuning fork watch.

Dabei machte sich ein Nachteil jeder Stimmgabel störend bemerkbar, der bei ortsfesten Stimmgabeloszillatoren sich nicht auswirken konnte: Wie ein Pendel erhält auch die Stimmgabel durch die Erdanziehung eine zusätzliche Rückstellkraft, die am größten ist, wenn die Gabelzinken nach dem Gravitationszentrum hin gerichtet sind, wobei dann die Eigenfrequenz am höchsten ist. Horizontal orientierte Stimmgabeln werden durch diese Erscheinung nicht beeinffußt, während nach oben gerichtete Gabelzinken in ihrer Schwingung verlangsamt werden. Dieser Effekt kann nicht zum Verschwinden gebracht werden, solange der Schwinger die Form der Stimmgabel hat. Wieviel dieser Einfiuß quantitativ ausmacht, hängt ab vom Verhältnis der Eigenfreuenz der Stimmgabel zu der Frequenz, mit der ein federkraftloses Pendel gleicher Abmessungen schwingen würde. Bei vorgegebener Frequenz ist folglich der Fehler um so größer, je kürzer man eine Stimmgabel konstruieren muß. Bei der heute bekannten Lösung einer elektronischen Stimmgabelarmbanduhr beträgt dieser lageabhängige Gangfehler ein Mehrfaches desjenigen der übrigen Fehlerquellen.A disadvantage of every tuning fork was noticeable in this way, which could not have an effect on fixed tuning fork oscillators: like a pendulum the tuning fork also receives an additional restoring force through gravity, which is greatest when the fork prongs are directed towards the center of gravity are, in which case the natural frequency is highest. Horizontally oriented tuning forks are not affected by this phenomenon, while fork tines pointing upwards be slowed down in vibration. This effect cannot go away as long as the transducer has the shape of the tuning fork. How much of this Influence determines quantitatively, depends on the ratio of the natural frequency of the tuning fork to the frequency with which a pendulum without spring force of the same dimensions oscillates would. At a given frequency, the shorter the error, the greater the error one has to construct a tuning fork. With the solution known today, an electronic This position-dependent rate error is a multiple of that the other sources of error.

Es ist zwar ein Biegungsschwinger bekannt (USA.-Patentschrift 1963 719), der zwei an einem Federkörper angeordnete, gegeneinander schwingende Massen aufweist, welche durch konstruktive Formgebung des Federkörpers auf einer gemeinsamen Geraden bewegt werden. Dieser Biegungsschwinger hat daher eine von der Erdanziehung unabhängige Eigenfrequenz. Bei der bekannten Ausführung besteht der Federkörper aus zwei zueinander parallelen Schwingungsstäben, die an ihren Enden durch Halbkreisbogenteile miteinander verbunden sind. Die Aufhängung erfolgt mit Hilfe von dünnen Stiften, die an den Bogenteilen an solchen Stellen angreifen, welche beim gegensinnigen Schwingen der Schwingungsstäbe annähernd stillstehen. Ein solcher Federkörper weist aber keine mathematisch stillstehenden Schwingungsknoten auf, weshalb durch die Befestigungsstellen dem Schwingungssystem Energie entzogen und die Frequenzstabilität beeinträchtigt wird. Praktisch brauchbare Ergebnisse lassen sich nur erreichen, wenn die Länge der beiden Schwingungsstäbe im Vergleich zu allen übrigen Abmessungen des Federkörpers verhältnismäßig groß ist. Aus dieser Bedingung folgt, daß dieser bekannte Biegungsschwinger als Taktgeber in tragbaren Uhren, insbesondere Armbanduhren, nicht geeignet ist.A flexural oscillator is known (USA patent 1963 719), the two mutually oscillating masses arranged on a spring body has, which by constructive shaping of the spring body on a common Straight lines are moved. This flexural vibrator therefore has one of the gravitational pull independent natural frequency. In the known embodiment, there is the spring body from two mutually parallel vibrating bars, which at their ends by semicircular arcs are connected to each other. The suspension is carried out with the help of thin pins, which attack the parts of the arch in such places, which when swinging in opposite directions the vibrating bars almost stand still. However, such a spring body has none mathematically stationary vibration nodes, which is why by the attachment points energy is withdrawn from the vibration system and the frequency stability is impaired will. Practically useful results can only be achieved if the length of the two vibrating bars compared to all other dimensions of the spring body is relatively large. From this condition it follows that this known flexural oscillator is not suitable as a clock generator in portable clocks, especially wristwatches.

Es ist ferner ein ringförmiger Schwinger bekannt (USA.-Patentschrift 694 778), der eine einzige auf einer geraden Bahn geführte Masse aufweist, während die der Masse diametral gegenüberliegende Stelle des Ringes zur Befestigung des Schwingers dient. Wird die Befestigung gelöst, so steht die betreffende Stelle des Ringes nicht still, denn sie ist nicht einmal angenähert ein Schwingungsknoten. Daher wird die Schwingung durch die Befestigung erheblich gedämpft und in der Frequenzkonstanz stark beeinträchtigt. Da nur eine Masse vorhanden ist, kann die Erdanziehung je nach der Lage des Schwingers dessen Frequenz beeinflussen. Als Taktgeber in einer Uhr ist somit auch dieser bekannte Schwinger den heutigen Anforderungen nicht gewachsen.An annular transducer is also known (U.S. Patent 694 778), which has a single mass guided on a straight path, while the one diametrically opposite the mass Place the ring Attachment of the transducer is used. If the fastening is released, the relevant one is in place Do not stop the ring because it is not even close to being a node of vibration. Therefore, the vibration is significantly dampened by the attachment and the frequency is constant severely impaired. Since there is only one mass, the gravitational pull can vary affect the frequency of the oscillator depending on its position. As a clock in one This well-known oscillator is therefore not up to today's requirements either.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht in der Schaffung eines Biegungsschwingers, der die Nachteile der bekannten Lösungen nicht aufweist und auch bei kleinen Abmessungen praktisch keine Dämpfung durch die Befestigung erfährt, so daß er als hervorragender und lagenunabhängiger Taktgeber in Zeitmeßgeräten, wie z. B. Armbanduhren, verwendet werden kann.The object on which the invention is based is to create a flexural oscillator that does not have the disadvantages of the known solutions and even with small dimensions, there is practically no attenuation due to the attachment experiences, so that it is an excellent and position-independent clock in timing devices, such as B. wristwatches can be used.

Der Biegungsschwinger für NormalfrequenzosziI-latoren in insbesondere ortsveränderlichen Zeitmeßgeräten weist zwei gegeneinander schwingende Massen auf, die an einander gegenüberliegenden Stellen eines im wesentlichen ringförmig ausgebildeten Federkörpers mit zwei rechtwinklig zueinander verlaufenden Symmetrieachsen angeordnet sind und durch konstruktive Formgebung des Federkörpers auf einer gemeinsamen Geraden bewegt werden, welche die eine Symmetrieachse ist. Das Neue liegt darin, daß der Federkörper an zwei anderen, auf der zweiten Symmetrieachse einander gegenüberliegenden, je einen Schwingungsknoten bildenden Stellen mit Befestigungsstellen verbunden ist, die ihrerseits miteinander in starrer Verbindung stehen, und daß der Federkörper auch in Richtung der zweiten Symmetrieachse in einer zur ersten Symmetrieachse symmetrischen Weise federnd nachgiebig ist.The flexural oscillator for normal frequency oscillators in particular portable timepieces have two masses oscillating against each other, those at opposite points of a substantially ring-shaped Spring body arranged with two mutually perpendicular axes of symmetry are and through the structural design of the spring body on a common straight line be moved, which is the one axis of symmetry. The new thing is that the Spring body on two other, on the second axis of symmetry opposite each other, each point forming a vibration node is connected to fastening points, which in turn are rigidly connected to each other, and that the spring body also in the direction of the second axis of symmetry in a symmetrical to the first axis of symmetry Way is resilient.

Zweckmäßig ist der Federkörper aus miteinander abwechselnden konkav und konvex gekrümmten Partien gebildet, von denen die einen mit den Massen und die anderen mit den Befestigungsstellen in Verbindung stehen.The spring body is expediently made of alternating concave and convex curved parts formed, of which the one with the masses and the others are in communication with the attachment points.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen in Verbindung mit der Beschreibung und der Zeichnung, in welcher Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dargestellt sind.Further features of the invention emerge from the subclaims in connection with the description and the drawing, in which exemplary embodiments of the subject matter of the invention are shown.

F i g. 1 und 2 zeigen zwei einander ähnliche Ausbildungsformen des erfindungsgemäßen Bi bwngsschwingers bei zwei verschiedenen Arten der Befestigung.F i g. 1 and 2 show two similar embodiments of the Bi bwngsschwingers according to the invention with two different types of attachment.

Das in F i g. 1 veranschaulichte Ausführungsbeispiel weist einen Ringfederkörper 23 auf. Zwei schwingfähige Massen 1 und 2 sind an zwei einander gegenüberliegenden Stellen des Ringfederkörpers 23 befestigt, während zwei andere, einander ebenfalls gegenüberliegende Stellen des Ringfederkörpers 23 mittels Stegen 23 a mit Befestigungsstellen 26 und 27 in Verbindung stehen, welche an einem starren Träger 28 abgestützt sind. Die Verbindungsgerade zwischen den Befestigungsstellen 26 und 27 verläuft im rechten Winkel zur Verbindungsgeraden der Schwerpunkte der Massen 1 und 2. Jede der genannten Verbindungsgeraden ist eine Symmetrieachse des Biegungsschwingers.The in Fig. 1 has an annular spring body 23 . Two oscillating masses 1 and 2 are attached to two opposite points of the annular spring body 23, while two other, also opposite points of the annular spring body 23 are connected by means of webs 23 a to fastening points 26 and 27 , which are supported on a rigid carrier 28. The straight line connecting the fastening points 26 and 27 runs at right angles to the straight line connecting the centers of gravity of the masses 1 and 2. Each of the straight connecting lines is an axis of symmetry of the flexural oscillator.

Wie F i g. 1 zeigt, weist der Ringfederkörper 25 an vier Stellen A bis D eine stärkere Krümmung auf. Zwischen den erwähnten Stellen A bis D weist der Federkörper 23 abwechselnd konkav und konvex gekrümmte Partien auf, wobei die Massen 1 und 2 mit den konkav gekrümmten Partien und die Befestigungsstellen 26 und 27 mit den konvex gekrümmten Partien in Verbindung stehen. Der Federkörper ist überdies derart geformt und dimensioniert, daß bei einer gegensinnigen Schwingung der Massen 1 und 2 die Befestigungsstellen 26 und 27 keinerlei Kräfte auf den Träger 28 übertragen oder, was dasselbe bedeutet, daß die Befestigungsstellen 26 und 27 sich nicht bewegen, auch wenn sie vom Träger 28 gelöst und vollkommen gefedert aufgehängt wären. Diejenigen Stellen des Ringfederkörpers 23, die mit den Stegen 23 a in Verbindung stehen, sind somit Schwingungsknoten.Like F i g. 1 shows, the annular spring body 25 has a greater curvature at four points A to D. Between the mentioned points A to D , the spring body 23 has alternately concave and convex curved parts, the masses 1 and 2 being in connection with the concave curved parts and the fastening points 26 and 27 with the convex curved parts. The spring body is also shaped and dimensioned in such a way that when the masses 1 and 2 oscillate in opposite directions, the fastening points 26 and 27 do not transfer any forces to the carrier 28 or, which means the same thing, that the fastening points 26 and 27 do not move, even if they would be released from the carrier 28 and suspended completely sprung. Those points of the annular spring body 23 which are connected to the webs 23 a are thus nodes of oscillation.

Daß eine solche Formgebung möglich ist, sieht man wie folgt ein: Wären die Partien A-B und C-D weicher als die Partien B-C und D-A des Ringfederkörpers 23, so würden bei einem Zusammendrücken der Massen 1 und 2 die gelösten Befestigungsstellen 26 und 27 sich einander nähern. Wären umgekehrt die Partien B-C und D-A besonders weicht, so bewegten sich beim Zusammendrücken der Massen 1 und 2 die gelösten Befestigungsstellen 26 und 27 auseinander. Zwischen diesen Extremfällen liegt der hier konstruktiv verwirklichte Fall, daß die gelösten Befestigungsstellen 26 und 27 mathematisch exakt stillstehen. Dennoch kann der Ringfederkörper 23 in der Richtung der Verbindungsgeraden der Befestigungspunkte 26 und 27 federn und dadurch Abweichungen mathematisch höherer Ordnung aufnehmen. Diese zweite Federdurchbiegung muß rechtwinklig und symmetrisch zur Verbindungsgeraden der Schwerpunkte der beiden Massen 1 und 2 erfolgen. Die Schwerpunkte der schwingenden Massen 1 und 2 sind dann durch den Ringfederkörper 23 auf einer gemeinsamen Geraden geführt, welche mit der Verbindungsgeraden der Schwerpunkte identisch ist. Durch das Verbinden der Befestigungsstellen 26 und 27 mit dem Träger 28 erleidet der Schwinger keine zusätzliche Dämpfung und keine Änderung seiner Schwingungsfrequenz. Hängt man den Träger 28 in einer vollkommenen Federanordnung auf, so führt der Träger 28 beim gegensinnigen Schwingen der Massen 1 und 2 keinerlei Bewegungen aus.That such a shape is possible can be seen as follows: If the parts AB and CD were softer than the parts BC and DA of the annular spring body 23, the loosened fastening points 26 and 27 would approach each other when the masses 1 and 2 were compressed. Conversely, if the parts BC and DA were particularly soft, the loosened fastening points 26 and 27 would move apart when the masses 1 and 2 were pressed together. Between these extreme cases lies the case, which is realized structurally here, in which the loosened fastening points 26 and 27 are mathematically exactly stationary. Nevertheless, the annular spring body 23 can spring in the direction of the straight line connecting the fastening points 26 and 27 and thereby absorb deviations of a mathematically higher order. This second spring deflection must take place at right angles and symmetrically to the straight line connecting the centers of gravity of the two masses 1 and 2. The centers of gravity of the oscillating masses 1 and 2 are then guided by the annular spring body 23 on a common straight line which is identical to the straight line connecting the centers of gravity. By connecting the fastening points 26 and 27 to the carrier 28, the oscillator does not suffer any additional damping and no change in its oscillation frequency. If the carrier 28 is suspended in a perfect spring arrangement, the carrier 28 does not perform any movements when the masses 1 and 2 oscillate in opposite directions.

Das in F i g. 2 veranschaulichte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von demjenigen nach F i g. 1 lediglich darin, daß an Stelle der Stege 23 a bedeutend längere, federnd biegsame Stützarme 29 und 30 vorhanden sind, die längs einer Symmetrieachse des Ringfederkörpers 23 gegeneinander verlaufen und an zwei miteinander vereinigten Befestigungsstellen 36 und 37 angeschlossen sind. Die Stützarme 29 und 30 sowie die Befestigungsstellen 36 und 37 sind symmetrisch in bezug auf die Verbindungsgeraden der Schwerpunkte der zwei Massen 1 und 2 angeordnet. Die Wirkungsweise des Biegungsschwingers ist gleich wie beim vorherigen Beispiel. Die Stützarme 29 und 30 ermöglichen dem Konstrukteur jedoch eine größere Freiheit in der Wahl der Eigenfrequenz für gleichsinnige Schwingungen der Massen 1 und 2. The in Fig. The embodiment illustrated in FIG. 2 differs from that of FIG. 1 only in that, instead of the webs 23 a, there are significantly longer, resiliently flexible support arms 29 and 30 which run against one another along an axis of symmetry of the annular spring body 23 and are connected to two fastening points 36 and 37 that are combined with one another. The support arms 29 and 30 and the attachment points 36 and 37 are arranged symmetrically with respect to the straight lines connecting the centers of gravity of the two masses 1 and 2. The mode of action of the flexural oscillator is the same as in the previous example. The support arms 29 and 30, however, allow the designer greater freedom in the choice of the natural frequency for oscillations of the masses 1 and 2 in the same direction.

Allen beschriebenen Ausführungsbeispielen ist gemeinsam, daß praktisch weder die Größe noch die Richtung des Gravitationsfeldes einen Einfluß auf die Schwingungsfrequenz bei gegensinniger Bewegung der schwingenden Massen ausüben, weil die Schwerpunkte der gegensinnig schwingenden Massen sich auf einer gemeinsamen Geraden bewegen. Die Schwingungsfrequenz ist somit unabhängig von der Orientierung des Biegungsschwingers im Raum, weshalb der Biegungsschwinger auch für tragbare Normalfrequenzoszillatoren in Zeitmeßgeräten, insbesondere Armbanduhren, vortrefflich geeignet ist.All the exemplary embodiments described have in common that they are practical neither the size nor the direction of the gravitational field has an influence on the oscillation frequency when the oscillating masses move in opposite directions, because the centers of gravity the oppositely oscillating masses move on a common straight line. the The oscillation frequency is therefore independent of the orientation of the flexural oscillator in space, which is why the flexural oscillator is also suitable for portable Normal frequency oscillators in timepieces, especially wristwatches, are excellent suitable is.

Claims

Claims: 1. Flexural oscillator for normal frequency oscillators in particular in portable timing devices, with two oscillating against each other Masses at opposite points of a substantially ring-shaped trained spring body with two mutually perpendicular axes of symmetry are arranged and by design of the spring body on a common Straight lines are moved, which is the one axis of symmetry, characterized in that that the spring body on two other, on the second axis of symmetry opposite each other, each point forming a vibration node is connected to fastening points, which in turn are rigidly connected to each other, and that the spring body also in the direction of the second axis of symmetry in a symmetrical to the first axis of symmetry Way is resilient. z. Flexural transducer according to claim 1, characterized in that that the spring body consists of alternately concave and convex curved parts is formed, of which one with the masses and the other with the attachment points stay in contact. 3. Flexural oscillator according to claims 1 and 2, characterized characterized in that the masses are each at a concavely curved part and the vibration nodes are each arranged on a convexly curved part of the spring body. Into consideration Drawn pamphlets: U.S. Patent Nos. 694 778, 1963 719.