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Torsionsoszillator für elektronische Uhren Die Erfindung betrifft
einen Torsionsoszillator für elektronische Uhren mit zwei in Gegenphase schwingenden
Massen, die an je einem Ende eines Torsionsfedersystems befestigt und mit Mitteln
zur elektrodynamischen Aufrechterhaltung der Schwingungen ausgerüstet sind, wobei
das Torsionsfedersystem zwischen den beiden Massen in einem senkrecht zur Schwingungsachse
orientierten Träger eingespannt ist.
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Bei einem bekannten Torsionsoszillator dieser Art wird der Träger,
in welchem das Torsionsfedersystem eingespannt ist, durch die Werkplatte der Uhr
selber bzw. durch eine mit der Werkplatte fest verbundene Brücke gebildet. Diese
Anordnung ist deshalb nachteilig, weil ein weitgehend starrer und starr befestigter
Träger nur eine sehr schwache Kopplung der beiden schwingenden Massen ermöglicht
und daher nur einen ungünstig kleinen Resonanzfaktor des Schwingungssystems zur
Folge hat. Selbst wenn beide schwingenden Massen synchron elektrodynamisch angetrieben
werden, ist jedoch eine möglichst gute mechanische Kopplung beider Massen wünschenswert,
und zwar aus folgendem Grund: Ein vollständig gleiches Schwingungsverhalten beider
Massen ließe sich ohne Mitwirkung einer zusätzlichen mechanischen Kopplung nur dann
erzielen, wenn die beiden Hälften des Torsionsfedersystems mit ihren Massen mechanisch
und hinsichtlich der aufgenommenen Antriebsenergie identisch aufgebaut wären. Dieser
Idealfall läßt sich jedoch in der Praxis nie realisieren, da beispielsweise die
Eigenfrequenzen der beiden Schwungmassensysteme nie absolut gleichgemacht werden
können. Wenn, wie üblich, die Werkplatte selber oder eine fest mit dieser verankerte
Brücke als Träger verwendet wird, dann erzeugt die durch die Masse des Trägers bzw.
der Werkplatte bedingte Kopplung beider Schwingsysteme eine resultierende Schwingungsfrequenz
des gesamten Systems, die wesentlich von der Freiheit abhängt, mit welcher diese
als Reaktionsmasse zu betrachtende Trägermasse selber schwingen kann. Außerdem muß
das Reaktionsdrehmoment, das jedes der beiden Schwingungssysteme auf den Träger
ausübt, von diesem individuell aufgenommen werden, wodurch ein mehr oder weniger
großer Anteil an Schwingungsenergie nutzlos verlorengeht.
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Es kann sogar vorkommen, daß bereits außerordentlich kleine mechanische
Veränderungen, die beispielsweise während einer Reparatur an der Uhr vorgenommen
werden, indem z. B. eine Werkplattenschraube weniger stark oder fester angezogen
wird als ursprünglich, die Frequenz des Schwingungssystems beeinflussen. Ebenso
kann durch so vergleichsweise unbedeutende mechanische Veränderungen der Uhr die
Verlustenergie in undefinierter Weise verändert werden.
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Ausgehend von dieser Erkenntnis liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
bei einem Torsionsoszillator des eingangs beschriebenen Typs eine gute mechanische
Kopplung der beiden Schwungmassen zu schaffen, wodurch die erläuterten Nachteile
bisheriger Oszillatoren vermieden werden. Zur Lösung dieser Aufgabe ist der Torsionsoszillator
nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der Träger selber mit elastischen,
torsionsfähigen Mitteln an der Grundplatte befestigt ist.
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Diese überraschend einfache und der bisherigen Tendenz einer möglichst
festen Einspannung und Halterung des Torsionsfedersystems scheinbar widersprechender
Maßnahme der Anordnung einer elastischen Verbindung zwischen dem gemeinsamen Träger
beider Hälften des Schwingungssystems und der Werkplatte der Uhr beseitigt nun in
der Tat die oben erläuterten Nachteile und bewirkt eine starke Kopplung der beiden
schwingenden Massen derart, daß das Reaktionsmoment der einen schwingenden Masse
wesentlich zum Antriebsmoment der jeweils anderen Masse beiträgt. Dadurch wird einerseits
eine definierte Frequenz des Gesamtschwingungssystems erzielt, die praktisch unabhängig
davon ist, wie die Werkplatte aufgebaut und ihrerseits am Gehäuse befestigt ist,
und andererseits ergibt sich eine wesentliche
Verringerung der
vom Träger aufgenommenen Verlustenergie.
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Es ist zwar altbekannt, für zwei schwingende Massen einen gemeinsamen
Träger zu verwenden, welcher, wie beispielsweise der Stimmgabelfuß bei einem Stimmgabelschwinger,
auf Grund seiner Elastizität ganz automatisch ein Kopplungsmedium bildet, ebenso
wie es die gemeinsame Aufhängungssäule zweier Pendel bei einem bekannten Doppelpendelsystem
darstellt, Jedoch vermittelt dieser bekannte Stand der Technik keine Anregung, wie
man auf einfache Weise eine erstmals als besonders wesentlich erkannte, möglichst
optimale mechanische Kopplung zwischen zwei schwingenden Torsionsoszillatoren erzielen
kann. Auch ein anderes bekanntes Doppelpendelsystem, bei welchem die beiden Pendel
über eine Blattfeder und eine Verbindungsstange mechanisch miteinander verbunden
und jeweils über eine besondere Feder an einem gemeinsamen Träger aufgehängt sind,
liefert keine Anregung, da in diesem Fall die Kopplung der beiden Pendel gar nicht
über den gemeinsamen Träger erfolgt.
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Weitere Erfindungsmerkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die
Erfindung wird an Hand der Zeichnung an drei Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigt F i g. 1 eine Seitenansicht einer ersten Ausführungsform, teilweise im
Schnitt, F i g. 2 eine Draufsicht auf die Ausführung nach F i g. 1, F i g. 3 eine
Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform und F i g. 4 den Schnitt durch eine dritte
Ausführungsform.
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Nach F i g. 1 und 2 besteht der Torsionsoszillator aus zwei balkenförmigen
Schwungmassen 1 und 2, die an den Enden eines in der Mitte in einem Träger 4 eingespannten
und um seine Längsachse tordierbaren Torsionsfedersystems 3 befestigt sind und an
ihren äußeren Enden rechtwinklig in Richtung auf die jeweils andere Masse abgewinkelte
Ansätze 1 a und 1 b bzw. 2 a und 2 b haben, so daß diese Ansätze kammartig
mit Spiel ineinandergreifen.
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Der Träger 4 besteht aus einer Platte und ist mit vier elastischen,
torsionsfähigen Stiften 5 an einer Grundplatte 12 befestigt, bei der es sich insbesondere
um die Werkplatte der Uhr handeln kann. Der Träger 4 ist breiter als die Schwungmassen,
und die Stifte 5 sind in der Draufsicht nach F i g. 2 neben den Massen angeordnet.
Die Anzahl der Stifte 5 kann beliebig gewählt werden. Diese elastische Befestigung
des Trägers 4 an der Grundplatte 12 sorgt für eine elastische Kopplung zwischen
den beiden Schwungmassen und erhöht bei geeigneter Dimensionierung wesentlich den
Resonanzeffekt des Systems, wobei gleichzeitig die Verlustenergie auf ein Minimum
reduziert wird. Das Schwingungssystem läßt sich in einer für Kleinuhren geeigneten
sehr geringen Bauhöhe unter Verwendung von Torsionsfedern entsprechend kleiner Länge
ausführen und mit verhältnismäßig kleiner Energie und bei nicht zu hohen Frequenzen
betreiben.
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Im Beispiel nach den F i g. 1 und 2 liegen die Schwungmassen parallel
zueinander, und die Ansätze 1 a bzw. 2 a tragen jeweils ein Ankerteil 6 bzw. 7,
an welchem einerseits ein Dauermagnet 8 bzw. 9 und andererseits ein Weicheisenkern
10 bzw. 11 befestigt ist, wobei die magnetischen Achsen der Dauermagnete
radial in Richtung auf die Torsionsachse weisen, während die Achsen der Weicheisenkerne
in der Schwingungsebene liegend senkrecht dazu orientiert sind. Die Weicheisenkerne
10 und 11 tauchen in je eine am Träger 4 befestigte Spule 13 bzw. 14 ein, während
die beiden Dauermagnete 8 und 9 mit ihren nach innen weisenden Polflächen auf den
äußeren Umfang der Spule gerichtet sind und dieser in kleinem Abstand gegenüberstehen.
Die Anordnung der Spulen auf dem Träger 4 hat im Unterschied zu einer Anordnung
auf der Werkplatte 12 den Vorteil, daß bei kleinen Schwingungen des elastisch befestigten
Trägers 4 relativ zur Grundplatte keine Störeffekte in den elektrodynamischen Systemen
infolge induzierter Störspannungen auftreten, da ja die Relativlagen von Spulen
und Kern bzw. Magnet auf diese Weise unabhängig von eventuellen Bewegungen des Trägers
selber sind.
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Wenn die beiden Massen in Gegenphase schw7ingen, dann bewegen sich
jeweils Dauermagnet und Weicheisenkern auf der einen Seite einer Masse relativ zu
der am Träger befestigten Spule, wobei der magnetische Kreis jedes der Systeme über
das aus ferromagnetischem Material bestehende Ankerteil 6 bzw. 7 geschlossen wird
und praktisch nur ein Luftspalt zwischen den Polflächen des Dauermagnets und der
Spule existiert. Das eine elektrodynamische System dient in bekannter Weise als
Steuersystem und das andere als Antriebssystem zur Aufrechterhaltung der Schwingungen.
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Im Beispiel nach den F i g. 1 und 2 dienen die beiden anderen Ansätze
1 b bzw. 2 b der beiden Schwungmassen nur für das Gleichgewicht und haben eine das
Gewicht des Dauermagnets und des Weicheisenkerns auf dem gegenüberliegenden Ansatz
ausgleichende Masse.
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Nach F i g. 3 sind die beiden Schwungmassen 1 und 2 kreuzförmig zueinander
angeordnet und können in diesem Fall jeweils an beiden Enden mit elektrischen Bauelementen
zur Aufrechterhaltung der Schwingungen ausgerüstet sein.
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`Dias Beispiel nach F i g. 4 entspricht im wesentlichen dem Beispiel
nach F i g. 1, wobei die Bezugszeichen die gleiche Bedeutung wie in F i g. 1 haben,
nur sind in diesem Fall beide Enden der einen Schwungmasse 1 symmetrisch mit elektrischen
Bauelementen ausgerüstet, während die andere Schwungmasse 2, die mit ihren abgewinkelten
Ansätzen die Ansätze der Masse 1 beidseitig übergreift, nur als Gleichgewichtsorgan
zur Erzeugung eines Gegendrehmomentes und damit zur Erzielung eines dynamischen
Gleichgewichts des Schwingungssystems dient.
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Das Torsionsfedersystem ist bei den betrachteten Ausführungsbeispielen
aus zwei ebenen Blattfedern aufgebaut, die mit einem Mittelschlitz versehen und
kreuzförmig ineinandergesteckt sind.