DE1523907A1 - Vorrichtung zur Stabilisierung der Frequenz eines mechanischen Oszillators fuer Zeitmessgeraete - Google Patents

Description

Fabriques MOVADO La Chaux-de-Fonds/Schweiz

Manufacture des Montres

UNIVERSAL Perret Freres SA. Genf (Schweiz)

Vorrichtung zur Stabilisierung der Frequenz eines mechanischen Oszillators für Zeitmessgeräte.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Stabilisierung der Frequenz eines mechanischen Oszillators für Zeitmessgeräte, wobei der Oszillator wenigstens zwei mit der gleichen Frequenz in Gegenphase schwingende Glieder aufweist.

Derartige mechanische Oszillatoren, beispielsweise Stimmgabelschwinger oder mit zwei symmetrischen Schwingarmen zur Erzielung eines guten dynamischen Gleichgewichts arbeitende Torsionsoszillatoren haben bekanntlich eine Schwingungsfrequenz, die mehr oder weniger von der Schwingungsamplitude abhängt.

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Dieser Effekt, der von der Amplitudenabhängigkeit der wirksamen mechanischen elastischen Rückstellkräfte des Oszillators herrührt, ist insbesondere bei elektrisch betriebenen Zeitmessgeräten nachteilig, da er die Ganggenauigkeit beeinträchtigt. So nimmt beispielsweise bei batteriegespeisten elektronischen Armbanduhren die Schwingungsamplitude des mechanischen Oszillators ab, wenn sich die Batterie spannring allmählich" verringert. Bisher bekannte Massnahmen zur Stabilisierung der Schwingungsfrequenz erfordern zusätzliche Schaltungsanordnungen, die unerwünschten Raum beans pruchen und die Ursache zusätzlicher Fehlerquellen sein können. Aus Raumgründen ist ausserdem eine derartige Frequenzstabilisierung mit bekannten Mitteln kaum möglich, so dass man häufig bei elektrischen Armbanduhren ganz darauf verzichtet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine denkbar einfache Vorrichtung zur Stabilisierung der Frequenz zu schaffen, die praktisch keinen zusätzlichen Raum beansprucht und die insbesondere bei mechanischen Uhrenoszillatoren, die mit einem Magnete aufweisenden elektromagnetischen Antriebssystem arbeiten, überhaupt keine zusätzlichen Bauelemente erfordert.

*** Ausgehend von einer Vorrichtung zur Stabilisierung der Frequenz

O eines mechanischen Oszillators des eingangs beschriebenen Typs to»

^ ist die Erfindung zur Lösung dieser Aufgabe dadurch gekennzeichnet, dass an beiden schwingenden Oszillatorgliedern magnetfelderzeugende

Elemente befestigt sind, die zwischen beiden Oszillatorgliedern eine in Richtung der mechanischen elastischen Rückstellkraft des Oszillators orientierte magnetische Wechselwirkungekraft derartigen Vorzeichens und derartiger Grosse erzeugt, dass sie der ätnplitudenabhängigen Frequenzänderung des Oszillators entgegenwirkt.

Auf einfachste Weise lässt sich das dadurch errei chen, dass auf jedem der schwingenden Oszillatorglieder wenigstens ein Magnet angeordnet ist, der mit dem anderen Magneten in Wechselwirkung steht. Wenn der mechanische Oszillator, wie beispielsweise ein Stimmgabelschwinger, eine mit steigender Schwingungsamplitude grosser werdende Eigenfrquenz aufweist, dann werden die beiden. Magnete auf den Innenseiten der beiden Stimmgabelarme derart angebracht, dass sie sich anziehen und damit der elastischen Rückstellkraft entgegenwirken, wenn sich beide Stimmgabelarme während einer Halb schwingung einander nähern. Bei bestimmten Torsionsoszillatoren, deren Schwingungsfrequenz mit steigender Amplitude abnimmt, werden dagegen die Magnete auf den Schwingarm en derart angebracht, dass sie einander abstossen.

*° Die Erfindung viii ^rJiand der Zeichnungen an zwei Ausfuhrungs-

to beispielen näher erläutert. Ts zeigen!

Fig. 1 —*"e mit '^iner Einrichtung zur Frequenzstabilisierung BAD ORlQHNAL

-4 ausgerüstete Stimmgabel, und

Fig. 2-6 verschiedene Ansichten eines mit einer Einrichtung zur Frequenzstabilisierung ausgerüsteten Torsions Oszillators.

fe Die einfachste Methode zur Erzeugung einer magnetischen Wechselwirkung, welche den von der Schwingungsamplitude abhängigen mechanischen elastischen RUckstellkräften bei einem mechanischen Schwinger entgegenwirkt, besteht darin, an zwei relativ zueinander bewegten Teilen des Schwingers zwei Dauermagnete entgegengesetzter Polarität zu befestigen. Als Material für diese Magnete wählt man vorzugsweise einen Werkstoff schlechter elektrischer Leitfähigkeit mit hoher Koerzitivkraft, beispielsweise ein Ferrit.

Im Ausführungsbeispiel der auf Fig. 1 dargestellten Stimmgabel sind auf den einander zugewandten Seiten der beiden Gabelarme und 1' in der Nähe deren Enden zwei Magnete 2 bzw. 2* befestigt, deren Polflächen einander in geringem Abstand gegenüberliegen. Auf diese Weise wird eine verhältnismässig hohe gegenseitige magnetische Wechselwirkung zwischen den beiden Dauermagneten erzielt. Die beiden aufeinander zu weisenden Pole beider Magnete haben entgegengesetzte Polarität, so dass sich also beide Magnete anzuziehen suchen, wodurch sich, wie im Folgenden noch näher

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-S-

erläutert wird, die Schwingungsfrequenz der Stimmgabel mit steigender Amplitude verringert.

Wenn sich während einer Halb schwingung der Stimmgabel die beiden Arme 1 und I¹ einander nähern, dann steigt entsprechend die magnetische Anziehungskraft zwischen den beiden Magneten

2 und 2¹, welche der bis zur Erreichung der maximalen Amplitude A

beider Arme immer grosser werdenden elastischen Rückstellkraft der Arme entgegengesetzt gerichtet ist. Wenn sich die Arme während der folgenden Halb schwingung voneinander entfernen, dann wirkt zwar die magnetische Anziehung zwischen beiden Magneten in Richtung der elastischen Rückstellkraft der Arme, jedoch ist in diesem Falle die na gotische Anziehungskraft wegen der grösseren Entfernung der beiden Magnete voneinander wesentlich geringer.

Wenn also auch während der zuerst betrachteten Halb schwingung

die Reduzierung der effektiven Rückstellkraft durch die magnetische Anziehung auch eine Verringerung der Schwingungsfrequenz mit steigender Amplitude führt, dagegen während der zuletzt betrachteten Halbschwingung ein die Schwingungsfrequenz erhöhender Effekt eintritt, so überwiegt doch bei weitem der Effekt der Frequenzverringerung, da die magnetische Anziehung während der Spreizung der beiden Gabelarme praktisch vernachlässigbar wird. Je grosser die Schwingungsamplitude ist, desto stärker wird der die Frequenz

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verringernde Effekt und desto schwächer der andere, die Frequenz erhöhende Effekt. Als Resultat der Ueberlagerung beider, wahrend einer vollständigen Schwingungsperiode beider Arme auftretenden Effekte tritt also die gewünschte Frequenzverringerung der Stimmgabelschwingung mit steigender Amplitude auf.

Würde man die beiden Magnete derart anordnen, dass sie einander abzustossen versuchen, dann sieht man aufgrund einer analogen Ueberlegung leicht ein, dass sididie Frequenz der Stimmgabel mit steigender Amplitude vergrössert .

Durch geeignete Wahl der Magnetkräfte und der Grosse der verwendeten Magnete lässt'sich leicht erreichen, dass die bekannte Frequenzänderung als Funktion der Schwingungsamplitude innerhalb eines grossen Amplitudenbereiches weitgehend kompensiert wird.

Häufig weist das zur Aufrechterhaltung der Schwingung verwendete elektromagnetische Uebertragungssystem selber bereits eine Am» zahl von Dauerrra gneten auf, die man erfindungsgemäss dann vorzugsweise direkt zur beschriebenen Kompensation der Frequenzänderung verwendet, ohne dass es erforderlich wäre, dafür noch zusätzliche Magente vorzusehen. Ein derartiges Beispiel eines Torsionsschwingers, der zur Aufrechterhaltung der Schwingungen sowieso mit Dauermagneten versehen sein muss, ist auf den Figuren 2-6 dargestellt.

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Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf diesen Torsionsoszillator, der zwei parallel zueinander und Ub ereinand erlieg ende Schwingarme 5 und 6 besitzt. Diese Schwingarme 5 und 6 haben ungefähr die Gestalt eines flachen "S" und sind in ihrer Mitte an einem Torsionsfedersystem befestigt, das aus zwei flachen, rechtwinklig zueinander orientierten Federn 10 und 11 mit am Orte der Torsionsachse rechtwinklig umgebogenen Abschnitten 10a bzw. 11a besteht. Auf diese Weise bilden die beiden flachen Torsionafedern eine zusammengesetzte Feder mit kreuzförmigem Querschnitt, wobei die beiden Arme 5 und an den vier Enden des Kreuzes befestigt sind. Die verlängerten Enden der Federn 10 und 11 sind an den Stellen 10b und 11b in einer Grundplatte verankert.

Jeder der beiden Arme 5 und 6 hat für sich allein betrachtet die auf Fig. 4 in Draufsicht gezeigte Form. Die gegenüberliegenden f reien Enden 12 und 13 sind durch zweimaliges Umbiegen U-förmig ausgebildet, wie die Seitenansicht nach Fig. 5 zeigt. Diese Form erhält man auf einfache Weise dadurch, dass man von einem ausgestanzten, flachen Profilteil ausgeht, wie es auf Fig. 6 dargestellt ist. Die Endabschnitte 8 dieser ebenen Profilplatte werden zunächst längs der mit 9¹ bezeichneten Linien um 90 umgebogen, und anschliessend wird der so erhaltene Winkel an beiden Enden der Platte nochmals längs der mit 9 bezeichneten Linien rechtwinklig

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umgeknickt. Man erhalt dann die auf den Fig. 3 und 5 in zwei Schmalseitenansichten dargestellte Form eines Schwingarmes.

Das System zur Aufrechterhaltung der Schwingungen des Torsions Oszillators nach Fig. 2 weist vier an den beiden Enden der Arme und 6 im Innern der U-förmigen Abschnitte in der gleichen Ebene angeordnete 'Magnete 3 und 4 bzw. 3¹ und 4¹ auf, die mit zwei nicht dargestellten stationären Spulen zusammenarbeiten. Wie auf den Fig. 2 und 5 zu sehen, ist die Dicke der auf der Innenseite der jeweils äusseren U-Schenkel beider Schwingarme befestigten Magneten nur etwa halb so gross wie der freie Raum zwischen den beiden U-Schenkeln. Ausserdem liegen die beiden Arme 5 und 6 nach Fig. 2 in Richtung der Schwingungsachse derart übereinander, dass die beiden U-Abschnitte des unteren Armes 6 nach unten und die beiden U-Abschnitte des oberen Armee 5 nach oben vorspringen, wobei sich die umgebogenen Enden beider Arme vorzugsweise seitlich überlappen. Auf Fig. 2 ist der den oberen linken U-Schenkel bildende Abschnitt des Schwingarmes 5 weggebrochen, so dass man den Magneten 3 vollständig sehen kann.

Eine der stationären Spulen arbeitet mit den beiden Magneten 3 und 3' zusammen und ragt in den freien Raum 7¹ (Fig. 5) zwischen den Magneten und dem gegenüberliegenden U-Schenkel, während die andere Spule mit den Magneten 4 und 4^f zusammenarbeitet

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• und in den entsprechenden freien Raum 7 an den anderen Armenden hineinragt.

Während des Betriebs schwingen die beiden Arme 5 und 6 mit gleicher Frequenz in Gegenphase. Damit zwischen den periodisch erregten stationären Spulen und dem betreffenden Magneten eine diese Schwingung aufrechterhaltende magnetische Wechselwirkung entsteht, müssen jeweils die beiden einer Spule gegenüberliegenden Polflächen der beiden Magnete dieselbe Polarität haben. Nur dann wird natürlich durch jeweils ein Magnetpaar in der zugehörigen Spule ein definierter Spannungsimpuls erzeugt, bzw. der mit zwei Magneten zusammenarbeitende Spulenpol übt bei Erregung der Spule eine gleichzeitige Abstos sung bzw. eine gleichzeitige Anziehung auf beide Dauermagneten aus.

Es hat sich gezeigt, dass bei einem derartigen Torsionsoszillator die Schwingungsfrequenz mit steigender Amplitude abnimmt. Dieser nachteilige Effekt kann nun, wie eingangs anhand der Fig. 1 erläutert, dadurch weitgehend kompensiert werden, dass man eine ständige magnetische Abstos sung zwischen den beiden Magneten an den gleichen Schwingarmenden vorsieht. Die Voraussetzung für die Erfüllung dieser Bedingung ist nun beim beschriebenen Torsionsoszillator gegeben, da ja die beiden mit ein und derselben Spule zusammenarbeitenden Magnete an denselben Armenden sowieso dieselbe Polarität haben müssen. Um die gewünschte magnetische

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Abstossung wirksam zu verstärken, genügt es, die Magnete 3 und einerseits und 4 und 4· andererseits unter gegenseitiger Annäherung etwas in den Zwischenraum zwischen beide Arme hineinragen zu lassen, wie es auf Fig. 2 dargestellt ist.

Die Schwingarme 5 und 6 bestehen aus einem ferromagnetischen Material, beispielsweise aus Eisen oder aus einer Legierung mit ™ einer hohen Sättigungsinduktion, wodurch ein guter magnetischer

Kreis gebildet wird.

Die auf Fig. 2 dargestellte Ausfuhrungsform eines Torsionsoszillators erlaubt es durch geeignete Anordnung und Ausbildung der Magnete, die normalerweise als Funktion der Schwingungsamplitude auftretende Abweichung der Schwingungsfrequenz von der Sollfrequenz ungefähr im Verhältnis 20 : 1 für eine im Verhältnis 1:2 variierende fc Schwingungsamplitude zu verringern.

Die beschriebene, erfindungsgemässe Massnahme zur Kompensation der üblichen, amplitudenabhängigen Frequenzänderung eines mechanischen Oszillators ist auf denkbar einfache Weise durchführbar und erfordert im allgemeinen, da meistens Dauermagnete zur Aufrechterhaltung der Schwingungen in der elektromagnetischen Antriebsschaltung sowieso vorhanden sein müssen, keinerlei susätzliche Bauelemente.

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Im Prinzip lasst sich die Erfindung natürlich auch dadurch verwirklichen, dass man als magnetfelderzeugende Elemente anstelle von Dauermagneten stromdurchflossene Spulen verwendet.

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Claims (6)

PATENTANSPRUECHE :

1. Vorrichtung zur Stabilisierung der Frequenz eines mechanischen Oszillators für Zeitmessgeräte, wobei der Oszillator wenigstens zwei mit der gleichen Frequenz in Gegenphase schwingende Glieder aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass an beiden schwingenden Oszillatorgliedern magnetfelderzeugende Elemente befestigt sind, die zwischen beiden Oszillatorgliedern eine in Richtung der mechanischen elastischen Rückstellkraft des Oszillators orientierte magnetische Wechselwirkungskraft derartigen Vorzeichens und derartiger Grosse erzeugt, dass sie der amplitudenabhängigen Frequenzänderung des Oszillators entgegenwirkt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf jedem der beiden schwingenden Oszillatorglieder wenigstens ein Dauermagnet befestigt ist, der mit dem Feld des anderen Magneten in Wechselwirkung steht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2 für einen mechanischen Oszillator, dessen Schwingungen durch ein mit Magneten arbeitendes elektromagnetisches Antriebssystem aufrechterhalten werden , dadurch gekennzeichnet, dass diese sowieso vorhandenen Magnete zur Erzeugung der Frequenzstabilisierung ausgenutzt werden.

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4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche für einen Oszillator, dessen Schwingungsfrequenz aufgrund der wirksamen mechanischen elastischen Ruckstellkräfte mit steigender Schwingungsamplitude abnimmt, dadurch gekennzeichnet, dass die auf den schwingenden Oszillatorgliedern angeordneten Magnete einander abstossen.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3 für einen Oszillator, dessen Schwingungsfrequenz aufgrund der wirksamen mechanischen elastischen Rückstellkräfte mit steigender Schwingung Samplitude zunimmt, dadurch gekennzeichnet, dass die auf den schwingenden Oszillatorgliedern angeordneten Magnete einander anziehen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 für einen Stimmgabelschwinger, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Innenseiten der beiden Stimmgabelarme Dauermagnete angeordnet sind, deren gegenüberliegende Polflachen entgegengesetzte Polarität haben.

\ Vorrichtung nach Anspruch 5, für einen mit zwei übereinanderliegenden Schwingarmen arbeitenden Torsionsoszillator, die senkrecht zur gemeinsamen Achse einer kreuzförmigen Torsionsfeder orientiert sind_s dadurch gekennzeichnet, dass an den Enden b.-ider Schwingarm«* ph- sich abstossendea Magnetpaar befestigt ist.

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