DE1673758B2

DE1673758B2 - Schwinger fuer zeitmessgeraete

Info

Publication number: DE1673758B2
Application number: DE19671673758
Authority: DE
Inventors: Samuel Dr.sc.nat. Waidenburg Steinemann (Schweiz)
Original assignee: Institut Dr Ing Reinhard Straumann AG
Current assignee: Institut Dr Ing Reinhard Straumann AG
Priority date: 1966-09-26
Filing date: 1967-09-08
Publication date: 1976-08-26
Also published as: US3515914A; GB1175550A; DE1972490U; CH481412A; DE1673758A1; NL6709050A; FR1605076A; CH1385466A4

Description

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Die Erfindung betrifft einen Schwinger für Zcitnießgeräte. dessen mechanischer Teil die Form eines aus einem einzigen Stück bestehenden H aufweist.

Torsionsstäbe werden als elastische Glieder von Schwingsystemen in Zeitmeßgeräten und elektrischen Filtern nur sehr selten verwendet. Der Grund liegt häufig darin, daß die erzielbarcn Amplituden bei bekannten Torsionsschwingern für technische Zwecke nicht groß genug sind. Bekannt ist eine Tischuhr mit einem einseitig eingespannten Torsionspendel, dessen Torsionsstab die Form eines Drahtes hat. Torsionsstäbe /eigen jedoch als elastische Glieder von Schwingsystemen Vorteile gegenüber Biegeschwingern.

Bekannt ist aus der schweizerischen Auslegeschrift CH 60 72/61 ein mechanischer Schwinger für ein Zeitmeßgerät mit einem Torsionsstab mit kreuzförmigem Querschnitt, der mit seinem einen Ende starr mit einer Platine verbunden ist und am anderen Ende mit einem frei beweglichen Arm versehen ist. Bei diesem asymmetrischen Schwinger lassen sich auf äußere Störeinflüsse zurückzuführende Störschwingungen kaum kompensieren. Dies gilt auch dann, wenn man zwei asymmetrische verkoppelte Schwinger zum &5 Einsatz bringen würde.

Aus »Die Uhr« 1964, Nr. 19, Seiten 22 - 26 sind verschiedene Stimmgabeln und deren Schwingungsverhalten bekannt. Bei Stimmgabeln handelt es sich um Biegeschwingungen, welche, wie bekannt, bei der Anwendung als elastische Glieder von Schwingsystemen gegenüber Torsionsstäben Nachteile aufweisen.

Die deutsche Patentschrift 15 23 907 zeigt schließlich einen räumlichen Schwinger mit in verschiedenen Ebenen liegenden Schwingarmen, welche durch rechtwinklig zueinander verlaufende abgewinkelte Federn verbunden sind. Der Platzbedarf dieses vorgeschlagenen Schwingers ist relativ hoch und seine Herstellung ziemlich kompliziert, da die Herstellung einer relativ großen Anzahl von Einzelteilen notwendig ist. Außerdem dürfte dieser Schwinger Biegeschwingungen ausführen, da offenbar die Hauptabschnitte der beiden Federn rechtwinklig zur Schwingur.gsachse verlaufen. Zudem sind die beiden Federn nicht nur an zwei bezüglich des von ihnen gebildeten Kreuzes symmetrischen Punkten mit je einem der Schwingarme befestigt, sondern auch noch bezüglich der vorgesehenen Drehachse symmetrisch an einer Grundplatte festgelegt.

Aufgabe der Erfindung ist es. die Vorteile von insbesondere symmetrischen Torsionsschwingern in der Praxis zu realisieren und einen mechanischen Schwinger mit einem Torsionselement als elastisches Glied vorzuschlagen, der Schwingamplituden von genügender Größe und ausreichender Genauigkeit hinsichtlich seiner Frequenzhaltung besitzt.

Diese Aufgabe wird bei dem Schwinger der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß

a) die beiden am Steg angeordneten Balken derart ausgebildet sind, daß sie als polare Trägheitsmomente für den als Torsionsstab dienenden Steg wirken, der mit einer Einrichtung versehen isi, mit der er in seiner Mitte festlegbar ist und

b) an jedem der beiden Enden der beiden Balken je eine Beschwerungsmasse angeordnet ist. wobei mindestens drei davon Teile je eines elektromagnetischen oder elektrodynamischen oder elektrostatischen Wandlers sind, von denen zwei zur Detektion der Bewegung dienen und derart miteinander verkoppelt sind, daß sich ihre Signale für die Torsionsschwingung addieren.

Die erfindungsgemäßen Schwinger eignen sich nun nicht nur dazu, eine elektrische Schwingung zu steuern bzw. konstant zu halten, sie eignen sich auch für eine unmittelbare mechanische Leistungsabgabe, also beispielsweise zum Antrieb eines Klinkenrades, ähnlich wie das bei Stimmgabelsehwingern bereits bekannt ist.

Die nachfolgende Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung dient zur weiteren Erläuterung der Erfindung. Es zeigt

Fig. I eine perspektivische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispieles;

F i g. 2 seine verschiedenen Eigenschwingungen;

Fig.3 bis 7 weitere Ausführungsbeispiele gekoppelt mit elektrodynamischen Wandlern und

Fig.8 bis 12 Schaltungen für die Verkopplung der Wandler über einen elektrischen Schaltkreis und unmittelbar über die Polarisation im elektromechanischen Wandler.

Der in der Fig. 1 dargestellte Schwinger weist im wesentlichen die Form eines H auf. Der mit 1 bezeichnete Steg dieses H bildet den Torsionsstab, während die beiden Balken 2 und 3 an den Enden dieses Stabes oder Steges die Trägheitsmassen bilden, jede Masse trägt an ihren beiden Enden hier je zwei Magnete

4 und 5, die an sich beliebige Form haben können. Sie dienen zugleich als Beschwerungsmassen. Die Fig.3 und 4 zeigen beispielsweise Ausgestaltungen dieser Massen. In der Mitte des Steges 1 sind zwei zueinander symmetrische Befestigungslappen 6 und 7 angebracht, S die an ihren freien Enden mit Löchern 6a und 7a versehen sind. Mittels dieser Befestigüngslappen läßt sich der Schwinger festlegen. Bei der Dimensionierung ist darauf :u achten, daß die auf die Achse des Steges 1 bezogenen Trägheitsmomente der beiden Massen einander gleich sind und daß die Mitte jeder der beiden tragen Massen (resultierendes Trägheitsmoment Ir²Om) auf der Achse des Steges 1 liegt. Wenn das ganze H symmetrisch ausgebildet ist, sind die Massen so verteilt, daß zudem der Schwerpunkt des gesamten Schwingers mit dem Bewegungsknoten, also mit der Mitte des Stabes 1 zusammenfällt. Da der dargestellte Schwinger also nicht nur ein elastisches Glied und diskret verteilte Trägheitsmassen enthält, durch die die Resonanzfrequenz genau vorbestimmt wäre, kann er mehrere unterschiedliche Schwingungen ausführen. Die F i g. 2 zeigt an einem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 diese verschiedenen Schwingungen, die dadurch ermittelt wurden, daß man den Schwinger an einem Arm angeregt und Phase und Amplitude an den anderen Armen beobachtet hat. Wie man sieht, treten drei Nebenresonanzen auf, die durch Torsion und Biegung der Befestigungslappen 6 und 7 sowie infolge der Durchbiegung der Balken 3 und 4 bedingt sind. Die Amplituden dieser Nebenresonanzen sind jedoch klein und slören die einwandfreie Erregung des Schwingers in seiner wesentlichen Eigenfrequenz von 998 Hz nicht. Es ergibt sich aus den Versuchen, daß der Schwinger weitgehend unabhängig davon, ob der Torsionsstab 1 einen rechteckigen oder einen runden Querschnitt aufweist, einen hohen Gütefaktor und eine gute Stabilität besitzt, was seinen Grund darin hat, daß die mechanische Beanspruchung verteilt ist und die makroskopische, thermoelastische Dämpfung fehlt, da in einem Torsionsstab keine Dilatationen auftreten. Des weiteren hat der erfindungsgemäße Schwinger eine von der Lage unabhängige Eigenfrequenz, da ja sein Bcfesiigungspunkt mit dem geometrischen Zentrum zusammenfällt, welches zugleich den Schwerpunkt und den Trägheitsschwerpunkt bildet, und demnach der Beitrag des Schwerefeldes zur potentiellen Energie sich ausgleicht. Die bei allfälligen Schlagen auftretende mechanische Beanspruchung überlagert sich den Torsionsspannungen, hat aber nicht die gleiche Art und Verteilung, so daß die Schwingungen nicht unmittelbar gestört werden. Bei gutem Massenabgleich ergibt sich über die Befestigung keine Energieabstrahlung des Schwingers, wodurch Verluste und Frequenzverwerfung vermieden werden. Zudem ist ein Torsionsschwinger im Unterschied zum Biegeschwinger aus der Geometrie der Bewegung nicht anisochron, d. h. seine Frequenz ist von der Amplitude unabhängig.

Zur Anregung und zum Unterhalt der Schwingungen lassen sich die an sich bekannten Wandler verwenden. Die Anregung kann beispielsweise magnetisch, elektrodynamisch oder elektrostatisch erfolgen, und zwar entweder nur an einem Ende eines der beiden Balken 2 oder 3 oder auch an mehreren dieser Enden. Falls mehr als ein Wandler verwendet wird, ist es durch die Anordnung der elektrischen Schaltkreise nicht nur möglich, alle unerwünschten Schwingungen zu unterdrücken, sondern auch den ganzen Schwinger gegen fsrhläee unemDfindlich zu machen, indem man die Anordnung so trifft, daß die durch die Schlage induzierten Spannungen unwirksam sind.

Die F i g. 3 zeigt einen elektrodynamischen Wandler. Am freien Ende des Balkens 10 eines Schwingers sitzt ein Topfmagnet 11, der im Feld einer ortsfesten Spule 12 schwingt Die Fig.4 zeigt eine konstruktiv andere Ausführungsform eines ähnlichen elektrodynamischen Wandlers, wo der Topfmagnet mit 13 und die Spule mit 14 bezeichnet sind. Die Fig.5 zeigt einen elektromagnetischen Wandler. Gegenüber dem freien Endes des Balkens 15 eines Schwingers berindet sich ein joch 16 eines Elektromagneten, dessen Kern mit 17 und dessen Spule mit 18 bezeichnet ist. Die Fig.6 zeigt einen elektrostatischen Wandler, bei welchem die beiden ortsfesten Elektroden mit 19 und 20 bezeichnet sind.

Die F i g. 7 zeigt eine etwas andere Ausgestaltung der Befestigungsvorrichtung: Im Unterschied zu dem in der F i g. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weist der aus einem Torsionsstab 21 und zwei an seinen Enden angebrachten, als Trägheitsmassen dienenden Balken 22 und 23 bestehende Schwinger nur einen hier mit 24 bezeichneten Befestigungslappen auf, der selbstverständlich an der Mitte des Torsionsstabes 21 befestigt ist. Div. Elastizität der Aufhängung kann auf diese Weise den auftretenden äußeren Störungen entsprechend angepaßt sein. Der Befestigungslappen 24 muß natürlich gleich wie die Befestigungslappen 6 und 7 so elastisch sein, daß zwar der Schwinger durch ihn festgelegt werden kann, daß jedoch bei festgelegtem Stab die Schwingungen der einen Stabhälfte auf die andere übertragen werden und die beiden Enden gegengleich schwingen, mit anderen Worten, daß es sich beim Torsionsstab um einen einheitlichen Schwinger mit in der Mitte befindlichen Schwingknoten handelt. Eine vollständig starre Befestigung würde aus dem einen Torsionsstab zwei in bezug auf die Schwingungen unabhängige, also einseitig eingespannte Torsionsstäbe machen. Bei dieser elastischen Befestigung entstehen die durch die Torsion und Biegung des bzw. der Befestigungslappen bedingten Nebenschwingungen, deren Eigenfrequenz etwa das 0,3fache bis das 1,2fache der Hauptfrequenz beträgt. Die Messungen des ersten Ausführungsbeispieles ergaben je 650 und 860 Hz bei 998 Hz für die Hauptschwingung, also das 0,65- und 0,84fache. An den beiden Enden 22a und 23a der Balken 22 und 23 ist je ein Magnet 25 bzw. 26 befestigt. Eine einzige Spule 27 ist durch das Magnetfeld der beiden Magnete hindurchgeführt. Die in den Wandlern induzierten Spannungen der Bewegungen der Grundharmonischen sind derart unmittelbar verkoppelt.

Die Fig.8 bis 12 zeigen nur rein schematisch verschiedene Möglichkeiten für die Anordnung der elektrischen Kreise oder der unmittelbaren Verkopplung über die Wandler, wobei die Richtung der Polarisation der Wandler (magnetisch, dynamisch, elektrostatisch) durch Pfeile angegeben ist. Die F i g. 8 und 9 zeigen phasenempfindliche Systeme mit drei Wandlern 32, 33 und 34, die schaltungstechnisch oder mittels einer Polarisation im Wandler die Phase der induzierten Spannung nutzen, wobei zwei Wandler zur Abnahme dienen und der dritte die Anregung besorgt. In dieser Schaltung mit zwei Wandlern 32 und 33 zur Detektion heben sich z. B. durch Bewegungen bei Schlägen induzierte Spannungen auf, indem deren Phasenlage gegenüber jener Grundschwingung abweicht. Das Verkoppeln der Wandler für die Detektion läßt größere Unempfindlichkeit gegen äußere Störungen erreichen.

Die Fig. 10 und 12 zeigen ausgebaute phasenempfindliche Systeme mit je vier Wandlern 35 b/.w. 36 und einem Verstärker 37 bzw. 38. Durch zwei Wandler auf der Anregungsseite der Fig. 10 und 12 läßt sich hoher Wirkungsgrad und eindeutige Anregung der Grundharmonischen erreichen. Die Fig. 11 zeigt die Schaltung für ein elektromcchnisches Filter, das hier vier Wandler 39 besitzt. Selbstverständlich sind auch noch weitere Kombinationen möglich, etwa so. daß mehrere Wandler in Serie geschaltet sind. Überdies sind selbstverständlich die Lagen der Wandler vertauschbar.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

«f Patentansprüche:

1. Schwinger für Zeitmeßgeräte, dessen mechanischer Teil die Form eines aus einem einzigen Stück bestehenden H aufweist, dadurch gekennzeichnet,

a) das die beiden am Steg angeordneten Balken derart ausgebildet sind, daß sie als polare Trägheitsmomente für den als Torsionsstab ίο dienenden Steg wirken, der mit einer Einrichtung versehen ist, mit der er in seiner Mitte festlegbar ist und

b) daß an jedem der beiden Enden der beiden Balken je eine Beschwerungsmasse angeordnet ist, wobei mindestens drei davon Teile je eines elektromagnetischen oder elektrodynamischen oder elektrostatischen Wandlers sind, von denen zwei zur Detektion der Bewegung dienen und derart miteinander verkoppelt sind, daß sich ihre Signale für die Torsionsschwingung addieren.

2. Schwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen der Wandler zur Detektion der Bewegung über einen elektrischen Schaltkreis miteinander gekoppelt sind (F i g. 6,9 und 10).

3. Schwinger nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen der Wandler zur Detektion der Bewegung unmittelbar miteinander verbunden sind (F ig. 8).

4. Schwinger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (27) des einen elektrodynamischen Wandlers (26/27) auch als Spule des anderen elektrodynamischen Wandlers(25/27) dient (F i g. 7).

5. Schwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Trägheitsmasse als Klinke eines Schrittschaltwerkes ausgebildet ist oder eine solche Klinke trägt.