DE1523907B2 - Vorrichtung zum stabilisieren der frequenz eines mechanischen oszillators fuer zeitmessgeraete - Google Patents
Vorrichtung zum stabilisieren der frequenz eines mechanischen oszillators fuer zeitmessgeraeteInfo
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Description
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 Stimmgabelschwingef 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.
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 .,S.qhwingungsamplitude des mechanischen
Oszillators ab, wenn sich die Batteriespannung allmählich verringert. Bisher bekannte
Maßnahmen zur Stabilisierung der Schwingungsfrequenz erfordern zusätzliche Schaltungsanordnungen,
ίο die unerwünschten Raum beanspruchen 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 sehr einfache, nur mit magnetischen Mitteln arbeitende-Vorrichtung
zur Stabilisierung der Frequenz bei Amplitudenschwankungen zu schaffen, die praktisch
keinen zusätzlichen Raum, insbesondere keine zusätzlichen, am Uhrgestell zu befestigenden Magneten,,,
beansprucht und die insbesondere bei mechanischen" Uhren-Oszillatoren, die mit einem Magnete aufweisenden
elektromagnetischen Antriebssystem arbeiten, überhaupt keine zusätzlichea-^auelemente erfordert.
Es ist bereits bekannt, die Schwingungsbewegung der beiden in Gegenphase schwingenden Glieder
eines mechanischen Oszillators für Zeitmeßgeräte entweder zur Aufrechterhaltung der Schwingungen
wechselseitig magnetisch zu beeinflussen oder aber, zur Erzielung von Stabilisierungseffekten, mit einem
stationären Dauermagneten zusammenarbeiten zu lassen, welcher nicht zur elektromagnetischen Antriebsschaltung
gehört.
Bei der bekannten, ersterwähnten Maßnahme (britische Patentschrift 488 502) umgibt die Antriebsspule die Arme einer insgesamt aus ferromagnetischem
Material bestehenden Stimmgabel, und die Enden der schwingenden Arme sind als besonders
geformte Polschuhe derart ausgebildet, daß sich der Luftspalt zwischen diesen Polschuhen als Funktion
der Schwingungsamplitude nur möglichst wenig ändert. Auf diese Weise wird erreicht, daß der magnetische
Kreis der Antriebsschaltung durch die Stimmgabel selber verläuft und daß leichte Unterschiede in
der Breite des Spaltes zwischen den sonst üblichen feststehenden Magnetpolen der Antriebsschaltung-
und den auf den schwingenden Armen befindlichen Magnetpolen vermieden werden. Obwohl bei dieser
bekannten Stimmgabel, welche außerdem durch eine zusätzliche, mit Gleichstrom gespeiste Spule oder
durch Ausbildung eines Teils der Gabel als Dauermagnete, vormagnetisiert sein kann, die an den
schwingenden Enden befindlichen Polschuhe während der periodischen Erregung der durch bekannte
Schaltungen gesteuerten Antriebsspule entgegengesetzte Polarität erhalten und sich demzufolge gegenseitig
anziehen, bewirkt diese Maßnahme keineswegs eine Verringerung der Amplitudenabhängigkeit der
Frequenz; durch die besondere Ausbildung der Polschuhe bleibt nämlich der Luftspalt zwischen beiden
Polschuhen näherungsweise konstant, so daß die Rückstellkraft der Stimmgabelarme nicht als Funktion
der Amplitude verändert wird. Dieser bekannten Stimmgabel liegt nicht nur eine ganz andere Aufgabe
als der vorliegenden Erfindung zugrunde, sondern die zur Lösung dieser anderen Aufgabe erforderlichen
Maßnahmen schließen es geradezu aus, daß durch sie das Problem der Amplitudenabhängigkeit der Frequenz
gelöst werden könnte, zumal die Polschuhe bei dieser Stimmgabel notwendigerweise immer die
entgegengesetzte Polarität erhalten.
Zur Begrenzung der Amplitude von schwingenden Gliedern eines mechanischen Oszillators ist es ferner
bekannt (französisches Zusatzpatent 79 372), an Stelle eines mechanischen Anschlages einen »magnetischen
Anschlag« derart zu verwenden, daß ein an einem schwingenden Glied befestigter Dauermagnet
mit einem am Uhrgestell befestigten Dauermagneten zusammenarbeitet, wobei sich gleichnamige Pole gegenüberliegen,
so daß mit Annäherung an den festen Magneten eine steigende Abstoßungskraft erzeugt
wird. Abgesehen davon, daß bei dieser für einen zweiarmigen Biegeschwinger vorgesehenen Maßnahme
wenigstens ein zusätzlicher fester Magnet erforderlich ist, wirkt die mit größer werdender Schwingungsamplitude
ansteigende Abstoßkraft gerade in Richtung der elastischen Rückstellkraft und trägt damit
zur Vergrößerung der Amplitudenabhängigkeit der Frequenz bei, da ja bei einem Biegeschwinger,
insbesondere einer Stimmgabel, bekanntlich die Frequenz mit steigender Amplitude zunimmt.
Schließlich ist es auch bekannt (französisches Zusatzpatent 80 213), bei Oszillatoren mit zwei mit
gleicher Frequenz in Gegenphase schwingenden Gliedern an diese Dauermagnete zur Aufrechterhaltung
der Schwingungen zu befestigen. Zwischen den beiden schwingenden Gliedern ist bei dieser Anordnung
zusätzlich noch ein stationärer, relativ zum Schwinger jedoch einstellbarer Dauermagnet vorgesehen, durch
den infolge einer magnetischen Wechselwirkung mit den an den Schwingarmen befestigten Dauermagneten
die Schwingungsperiode in gewissen Grenzen einstellbar sein soll. Über die Polaritäten der bewegten
und des feststehenden Magneten und damit über die im einzelnen wirksamen, anziehenden oder abstoßenden
Kräfte wird in der diesen Oszillator beschreibenden Patentschrift nichts weiter ausgesagt, in jedem
Falle ist jedoch wiederum zur Erzielung des gewünschten Zweckes ein zusätzlicher stationärer Dauermagnet
erforderlich.
Obwohl also Maßnahmen zur Erzielung einer magnetischen Wechselwirkung zwischen den Armen
eines Biegeschwingers und feststehenden Magneten einerseits und zwischen den in Gegenphase schwingenden
Armen eines Biegeschwingers untereinander andererseits zur Erzielung unterschiedlicher Effekte
in mannigfacher Form bekannt sind, ist die Möglichkeit der Kompensierung der Amplitudenabhängigkeit
der Frequenz eines derartigen mechanischen Oszillators auf rein magnetischem Wege bisher offenbar
überhaupt noch nicht erkannt worden. .
Bei einer Vorrichtung zur Stabilisierung der Frequenz eines mechanischen Oszillators des eingangs
beschriebenen Typs wird die genannte Aufgabe dadurch gelöst, daß an beiden schwingenden Oszillatorgliedern
Dauermagneten befestigt sind, die zwischen beiden Oszillatorgliedern eine parallel zu den mechanischen
elastischen Rückstellkräften der Oszillatorglieder orientierte magnetische Wechselwirkungskraft
derartigen Vorzeichens und derartiger Größe erzeugen, daß sie der amplitudenabhängigen Frequenzänderung
des Oszillators entgegenwirkt und diese weitgehend kompensiert.
Bei Oszillatoren mit einem mit Magneten arbeitendem Antriebssystem können diese Magneten zugleich
zur Frequenzstabilisierung ausgenutzt werden. Wenn der mechanische Oszillator, wie beispielsweise ein
Stimmgabelschwinger, eine mit steigender Schwingungsamplitude größer werdende Eigenfrequenz aufweist,
dann werden die beiden Magneten auf den Innenseiten der beiden Stimmgabelarme derart angebracht,
daß sie sich anziehen und damit der elastischen Rückstellkraft entgegenwirken, wenn sich beide
Stimmgabelarme während einer Halbschwingung einander nähern. Bei bestimmten Torsionsoszillatoren,
deren Schwingungsfrequenz mit steigender Amplitude abnimmt, werden dagegen die Magnete auf den
Schwingarmen derart angebracht, daß sie einander abstoßen.
Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt
F i g: 1 eine Vorrichtung zur Frequenzstabilisierung
ausgerüstete Stimmgabel und
F i g. 2 bis 6 verschiedene Ansichten eines mit einer Vorrichtung zur Frequenzstabilisierung ausgerüsteten _
Torsionsoszillators. *""
Die einfachste Methode zur Erzeugung einer magnetischen Wechselwirkung, welche den von der
Schwingungsamplitude abhängiges^ mechanischen elastischen Rückstellkräften bei einem mechanischen
Schwinger entgegenwirkt, besteht darin, an zwei relativ zueinander bewegten Teilen des Schwingers
zwei Dauermagneten entgegengesetzter Polarität zu befestigen. Als Material für diese Magneten wählt
man vorzugsweise einen Werkstoff schlechter elektrischer Leitfähigkeit mit hoher Koerzitivkraft, beispielsweise
ein Ferrit.
Im Ausführungsbeispiel der in F i g. 1 dargestellten Stimmgabel sind auf den einander zugewandten Seiten
der beiden Gabelarme 1 und 1' in der Nähe von 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 zwischeti
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 erläutert wird, die Schwingungsfrequenz der Stimmgabel mit steigender Amplitude
verringert. ·»
Wenn sich während einer Halbschwingung der * Stimmgabel die beiden Arme 1 und 1' einander
nähern, dann steigt entsprechend die magnetische Anziehungskraft zwischen den beiden Magneten 2
und 2', welche bis zur Erreichung der maximalen Amplitude beider Arme immer größer werdenden
elastischen Rückstellkraft der Arme entgegengesetzt gerichtet ist. Wenn sich die Arme während der folgenden
Halbschwingung voneinander entfernen, dann wirkt zwar die magnetische Anziehung zwischen beiden
Magneten in Richtung der elastischen Rückstellkraft der Arme, jedoch ist in diesem Falle die magnetische
Anziehungskraft wegen der größeren Entfernung der beiden Magnete voneinander wesentlich
geringer. Wenn also während der zuerst betrachteten Halbschwingung die Reduzierung der effektiven Rückstellkraft
durch die magnetische Anziehung eine Verringerung der Schwingungsfrequenz mit steigender
Amplitude führt, dagegen während der zuletzt betrachteten Halbschwingung auch 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 größer die Schwingungsamplitude ist, desto stärker wird der die Frequenz verringernde
Effekt und desto schwächer der andere, die Frequenz erhöhende Effekt. Als Resultat der Überlagerung beider,
während einer vollständigen Schwingungsperiode beider Arme auftretenden Effekte tritt also die gewünschte
Frequenzverringerung der Stimmgabelschwingung mit steigender Amplitude auf.
Würde man die beiden Magneten derart anordnen, daß sie einander abzustoßen versuchen, dann
sieht man auf Grund einer analogen Überlegung leicht ein, daß sich die Frequenz der Stimmgabel mit
steigender Amplitude vergrößert.
Durch geeignete Wahl der Magnetkräfte und der Größe der verwendeten Magneten 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 Übertragungssystem selber bereits eine Anzahl von Dauermagneten
auf, die man erfindungsgemäß dann vorzugsweise direkt zur beschriebenen Kompensation der Frequenzänderung
verwendet, ohne daß es erforderlich wäre, dafür noch zusätzliche Magnete vorzusehen. Ein derartiges
Beispiel eines Torsionsschwingers, der zur Aufrechterhaltung der Schwingungen sowieso mit
Dauermagneten versehen sein muß, ist in den F i g. 2 bis 6 dargestellt.
F i g. 2 zeigt eine Draufsicht auf diesen Torsionsoszillator, der zwei parallel zueinander und übereinanderliegende
Schwingarme 5 und 6 besitzt. Diese Schwingarme S 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 umgebogene
Abschnitte 10 a bzw. lla besteht. Auf diese Weise bilden die beiden flachen Torsionsfedern eine
zusammengesetzte Feder mit kreuzförmigem Querschnitt, wobei die beiden Arme 5 und 6 an den vier
Enden des Kreuzes befestigt sind. Die verlängerten Enden der Federn 10 und 11 sind an den Stellen 10 b
und 11 b in einer Grundplatte verankert.
Jeder der beiden Arme 5 und 6 hat für sich allein betrachtet die in F i g. 4 in Draufsicht gezeigte Form.
Die gegenüberliegenden freien Enden 12 und 13 sind durch zweimaliges Umbiegen U-förmig ausgebildet,
wie die Seitenansicht nach F i g. 5 zeigt. Diese Form erhält man auf einfache Weise dadurch, daß man von
einem ausgestanzten, flachen Profilteil ausgeht, wie es in F i g. 6 dargestellt ist. Die Endabschnitte 8 dieser
ebenen Profilplatte werden zunächst längs der mit 9' bezeichneten Linien um 90° umgebogen, und anschließend
wird der so erhaltene Winkel an beiden Enden der Platte nochmals längs der mit 9 bezeichneten
Linie rechtwinklig umgeknickt. Man erhält dann die in den F i g. 3 und 5 in zwei Schmalseitenansichten
dargestellte Form eines Schwingarmes.
Das System zur Aufrechterhaltung der Schwingungen des Trosionsoszillators nach F i g. 2 weist vier an
den beiden Enden der Arme S und 6 im Inneren der U-förmigen Abschnitte in der gleichen Ebene angeordnete
Magneten 3 und 4 bzw. 3' und 4' auf, die mit zwei nicht dargestellten stationären Spulen zusammenarbeiten.
Wie in den F i g. 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 beider Schwingarme befestigten Magneten nur etwa halb so groß wie der
freie Raum zwischen den beiden U-Schenkeln. Außerdem liegen die beiden Arme S und 6 nach F i g. 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 Armes 5 nach oben vorspringen, wobei sich die umgebogenen
Enden beider Arme vorzugsweise seitlich überlappen. In Fig. 2 ist der den oberen linken
U-Schenkel bildende Abschnitt des Schwingarmes 5 weggebrocheri, so daß man den Magneten 3 vollständig
sehen kann.
Eine, der in den Figuren nicht dargestellten stationären
Spulen arbeitet mit den beiden Magneten 3 und 3' zusammen und ragt in den freien Raum 1\,
(F i g. 5) zwischen den Magneten und dem gegenüber- ~*
liegenden U-Schenkel, während die andere Spule mit I den Magneten 4 und 4'. zusammenarbeitet und in den
entsprechenden freien Raum 7 ari"äen 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 den betreffenden Magneten eine diese
Schwingung aufrechterhaltende magnetische Wechselwirkung entsteht, müssen jeweils die beiden einer
Spule gegenüberliegenden Polflächen der beiden Magneten dieselbe Polarität haben. Nur dann wird natürlich
durch jeweils ein Magnetpaar in der zugehörigen Spule ein definierter Spannungsimpuls erzeugt,
bzw. die mit den zwei Magneten zusammenarbeitende Spule übt bei Erregung eine gleichzeitige Abstoßung
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 an Hand der F i g. 1 erläutert,
dadurch weitgehend kompensiert werden, daß man eine ständige magnetische Abstoßung zwischen
den beiden Magneten "^n 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 dieselbe Polarität haben müssen. Um die gewünschte magnetische Abstoßung
wirksam zu verstärken, genügt es, die Magnete 3 und 3' einerseits und 4 und 4' andererseits unter gegenseitiger
Annäherung etwas in den Zwischenraum zwischen beide Arme hineinragen zu lassen, wie es
in F i g. 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 in F i g. 2 dargestellte Ausführungsform 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 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 Dauermagne-
ten zur Aufrechterhaltung der Schwingungen in der elektromagnetischen Antriebsschaltung sowieso vorhanden
sein müssen, keinerlei zusätzliche Bauelemente.
Im Prinzip läßt sich die Erfindung natürlich auch dadurch verwirklichen, daß man als magnetfelderzeugende
Elemente an Stelle von Dauermagneten stromdurchflossene Spulen verwendet.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
109 585/209
Claims (6)
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
Dauermagnete befestigt sind, die zwischen beiden Oszillatorgliedern eine parallel zu den
mechanischen elastischen Rückstellkräften der Oszillatorglieder orientierte magnetische Wechselwirkungskraft
derartigen Vorzeichens und derartiger Größe erzeugen, daß sie der amplitudenabhängigen
Frequenzänderung des Oszillators entgegenwirkt und diese weitgehend kompensiert.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 für einen mechanischen Oszillator, dessen Schwingungen
durch ein mit Magneten arbeitendes elektromagnetisches Antriebssystem aufrechterhalten werden,
dadurch gekennzeichnet, daß diese vorhandenen Magnete auch zur Frequenzstabilisierung
ausgenutzt werden.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2 für einen Oszillator, dessen Schwingungsfrequenz
auf Grund der wirksamen mechanischen elastischen Rückstellkräfte mit steigender Schwingungsamplitude
abnimmt, dadurch gekennzeichnet, daß die auf den schwingenden Oszillatorgliedern
angeordneten Magnete einander abstoßen.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2 für einen Oszillator, dessen Schwingungsfrequenz auf Grund der wirksamen mechanischen
elastischen Rückstellkräfte mit steigender Schwingungsamplitude zunimmt, dadurch gekennzeichnet,
daß die auf den schwingenden Oszillatorgliedern angeordneten Magnete einander anziehen.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4 für einen Stimmgabelschwinger, dadurch gekennzeichnet,
daß auf den Innenseiten der beiden Stimmgabelarme Dauermagnete angeordnet sind, deren gegenüberliegende
Polflächen entgegengesetzte Polarität haben (F i g. 1).
6. Vorrichtung nach Anspruch 3, für einen Torsionsoszillator mit zwei übereinanderliegenden
Schwingarmen, die senkrecht zur gemeinsamen Achse einer kreuzförmigen Torsionsfeder
orientiert sind, dadurch gekennzeichnet, daß an den Enden beider Schwingarme ein sich abstoßendes
Magnetpaar befestigt ist (F i g. 2 bis 6).
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