DE202012103893U1

DE202012103893U1 - Schwingsystem für mechanische Uhrwerke

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Publication number: DE202012103893U1
Application number: DE201220103893
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Damasko Christoph De
Priority date: 2011-10-21
Filing date: 2012-10-11
Publication date: 2012-10-25
Anticipated expiration: 2022-10-12
Also published as: WO2013056706A1

Abstract

Schwingsystem für mechanische Uhrwerke aufweisend einen Schwingkörper (2), eine um eine Achse (UA) schwenkbar gelagerte Unruhwelle (3) und eine Spiralfeder (4) mit einer Gesamtfederlänge (LE), wobei sich die Gesamtfederlänge (LE) aus einem inneren Schwingungsbereich mit einer Schwingungsfederlänge (LA) und einem äußeren Stabilisierungsbereich mit einer Stabilisierungsfederlänge (LS) zusammensetzt, wobei die Spiralfeder (4) mit einem Spiralfederbefestigungsabschnitt (4.1) mit der Unruhwelle (3) verbunden ist und die Unruhwelle (3) umschließt, wobei die Spiralfeder (4) im äußeren Stabilisierungsbereich an einem Federhaltepunkt (13) gehalten oder eingespannt ist, wobei sich die Gesamtfederlängeeichs bis zu dem äußeren Federhaltepunkt (13) erstreckt, wobei die Spiralfeder (4) in ihrem inneren Schwingungsbereich parallel zur Achse der Spiralfeder eine durchschnittliche Höhe hsc und radial zur Achse der Spiralfeder eine durchschnittliche Breite bsc aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiralfeder (4) im äußeren Stabilisierungsbereich parallel zur Achse der Spiralfeder eine durchschnittliche...

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Schwingsystem für mechanische Uhrwerke.
Stand der Technik
Schwingsysteme für mechanische Uhrwerke werden in der Fachwelt auch als Unruh bezeichnet. Die Unruh ist ein Bauteil eines mechanischen Uhrwerkes, insbesondere einer Armbanduhr. Dieses umfasst einen Schwingkörper, welcher mittels einer Unruhwelle schwenkbar um eine Drehachse gelagert ist. Ferner ist eine Schwing- oder Spiralfeder bzw. Unruhfeder vorgesehen, die zusammen mit der Masse des Schwingkörpers das schwingungsfähige und taktgebende System bildet.
Auch ist die Herstellung von Schwing- oder Spiralfedern aus Silizium, insbesondere aus polykristallinem Silizium sowie aus Siliziumcarbid bekannt ( DE 10 2008 061 182 A1 ). Bei Verwendung derartiger Spiralfedern zur Bildung eines mechanischen Schwingsystems für mechanische Uhrwerke kann es im Rahmen der Herstellung zu Toleranzen kommen, welche sich nachteilig auf das Schwingungsverhalten des mechanischen Schwingsystems auswirken.
Bekannt ist auch, die Schwing- oder Spiralfeder eines mechanischen Schwingsystems im Bereich der äußeren Windung zur Schaffung einer zusätzlichen Masse oder Ausgleichsmasse mit einer Verdickung auszubilden, um eine oszillierende Verlagerung der Spiralfeder beim Schwingen des Schwingsystems zu vermeiden. Um diesen Effekt zu erreichen, ist eine optimale Abstimmung des Massengewichtes der Verdickung in Bezug auf das Gesamt-Massengewicht der aktiven Federlänge der Spiralfeder notwendig. Die aktive Federlänge ist dabei diejenige Länge der Spiralfeder, die während des Schwingens wirksam ist, d.h. der elastischen Verformung unterliegt und sich hierfür zwischen dem inneren Spiralfederende und dem äußeren Einspannpunkt der Spiralfeder erstreckt. Das innere Spiralfederende beginnt dort, wo die Spiralfeder radial zur Federachse eine Breite aufweist, die gleich oder im Wesentlichen gleich der Breite sämtlicher Windungen (übliche Windungsbreite) ist. Bei der Herstellung der Spiralfedern sind Toleranzen nicht auszuschließen. Dies gilt, wie ausgeführt, in verstärktem Maße für Spiralfedern aus Silizium, die an ihren Oberflächen zur Erzielung der notwendigen Festigkeit und/oder Temperaturunabhängigkeit mit einer Beschichtung aus Siliziumoxid versehen werden. In der Regel erfolgt diese Beschichtung durch thermische Oxidation.
Darstellung der Erfindung
Hier setzt die Erfindung an. Es soll ein Schwingsystemen für mechanische Uhrwerke aufgezeigt werden, mit dem trotz Fertigungstoleranzen der Spiralfeder ein verbessertes Schwingungsverhalten der Spiralfeder erreicht wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Schwingsystem für mechanische Uhrwerke gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Aspekte, Details und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie der Zeichnung.
Der „Schwingungsbereich“ der Spiralfeder ist im Sinne der Erfindung diejenige Spirallänge der Feder, die die Takt- oder Schlagzahl des Schwingsystems bestimmt oder im Wesentlichen bestimmt.
Der Ausdruck „im Wesentlichen“ bzw. „etwa“ bzw. „ca.“ bedeutet im Sinne der Erfindung Abweichungen vom jeweils exakten Wert um +/–10%, bevorzugt um +/–5% und/oder Abweichungen in Form von für die Funktion unbedeutenden Änderungen.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Schwingsystem für mechanische Uhrwerke aufweisend einen Schwingkörper, eine um eine Achse UA schwenkbar gelagerte Unruhwelle und eine Spiralfeder mit einer Gesamtfederlänge, wobei sich die Gesamtfederlänge aus einem inneren Schwingungsbereich mit einer Schwingungsfederlänge und einem äußeren Stabilisierungsbereich mit einer Stabilisierungsfederlänge zusammensetzt, zur Verfügung. Die Spiralfeder ist mit einem Spiralfederbefestigungsabschnitt mit der Unruhwelle verbunden und umschließt die Unruhwelle. Die Spiralfeder ist im äußeren Stabilisierungsbereich an einem Federhaltepunkt gehalten oder eingespannt, wobei sich die Gesamtfederlänge LE von dem inneren Ende des Schwingungsbereichs bis zu dem äußeren Federhaltepunkt erstreckt. Die Spiralfeder weist in ihrem inneren Schwingungsbereich parallel zur Achse der Spiralfeder eine durchschnittliche Höhe h_sc und radial zur Achse der Spiralfeder eine durchschnittliche Breite b_sc auf. Die Spiralfeder weist im äußeren Stabilisierungsbereich parallel zur Achse der Spiralfeder eine durchschnittliche Höhe h_st auf, die zumindest 1% geringer ist als die durchschnittliche Höhe h_sc im inneren Schwingungsbereich.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass ein verbessertes Schwingverhalten nicht unbedingt durch eine im Stabilisierungsbereich der Spiralfeder vergrößerte Masse erreicht wird, sondern vor allen Dingen durch eine Erhöhung des Flächenträgheitsmoments im Stabilisierungsbereich. Eine solche Erhöhung des Flächenträgheitsmoments kann in einfacher Weise durch eine im Vergleich zum Schwingungsbereich der Spiralfeder verringerte Höhe der Spiralfeder im Stabilisierungsbereich erreicht werden.
Bevorzugt weist die Spiralfeder im äußeren Stabilisierungsbereich eine durchschnittliche Höhe h_st auf, die zumindest 10% geringer ist als die durchschnittliche Höhe h_sc im inneren Schwingungsbereich. Besonders bevorzugt weist die Spiralfeder im äußeren Stabilisierungsbereich eine durchschnittliche Höhe h_st auf, die zumindest 25% geringer ist als die durchschnittliche Höhe h_sc im inneren Schwingungsbereich. Insbesondere bevorzugt weist die Spiralfeder im äußeren Stabilisierungsbereich eine durchschnittliche Höhe h_st auf, die zumindest 50% geringer ist als die durchschnittliche Höhe h_sc im inneren Schwingungsbereich. Mit steigender Verringerung der Höhe wird eine zunehmende Vergrößerung des Flächenträgheitsmoments und ein zunehmend stabileres Schwingverhalten der Spiralfeder erreicht.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Spiralfeder im inneren Schwingungsbereich eine konstante Höhe h_sc auf. Besonders bevorzugt weist die Spiralfeder im äußeren Stabilisierungsbereich eine konstante Höhe h_st auf.
Bevorzugt weist die Spiralfeder im äußeren Stabilisierungsbereich radial zur Achse der Spiralfeder eine durchschnittliche Breite b_st aufweist, die zumindest 10% größer ist als die durchschnittliche Breite b_sc im inneren Schwingungsbereich. Besonders bevorzugt weist die Spiralfeder im äußeren Stabilisierungsbereich eine durchschnittliche Breite b_st aufweist, die zumindest 20% größer ist als die durchschnittliche Breite b_sc im inneren Schwingungsbereich. Insbesondere bevorzugt weist Spiralfeder im äußeren Stabilisierungsbereich eine durchschnittliche Breite b_st aufweist, die zumindest 30% größer ist als die durchschnittliche Breite b_sc im inneren Schwingungsbereich. Ganz besonders bevorzugt weist die Spiralfeder im äußeren Stabilisierungsbereich eine durchschnittliche Breite b_st aufweist, die zumindest 50% größer ist als die durchschnittliche Breite b_sc im inneren Schwingungsbereich.
Nach einer weiteren der Erfindung zugrunde liegenden Erkenntnis wird die Stabilisierung des Schwingverhaltens der Spiralfeder dann noch weiter verbessert, wenn wenigstens ein Stabilisierungsfaktor für die Spiralfeder, nämlich der Flächenträgheitsmomentstabilisierungsfaktor (ηFT) und/oder der Federkonstantestabilisierungsfaktor (ηk) in der nachstehend beschriebenen Weise gewählt wird.
Die nachfolgenden Überlegungen, die sich mit den Maßnahmen zur Stabilisierung des Schwingverhaltens der Spiralfeder und deren Grundlagen befassen, gehen zunächst davon aus, dass sich die Spiralfeder grundsätzlich aus einem inneren Schwingungsbereich und aus einem äußeren Stabilisierungsbereich zusammensetzt, in dem die Windungshöhe verringert und optional die Windungsbreite vergrößert sind. Der innere Schwingungsbereich erstreckt sich dabei über einen Winkelbereich von 0° bis ϑA, d.h. vom inneren Spiralfederende bis an den Anfang des äußeren Stabilisierungsbereichs. Der äußere Stabilisierungsbereich liegt im Winkelbereich ϑA bis ϑE und erstreckt sich bis an den äußeren Federhaltepunkt.
Grundgeometrie der Spiralfeder
Die Steigung der Schleifengeometrie kann von beliebigem funktionalen Zusammenhang sein. Zur Beschreibung des Verfahrens wird beispielhaft eine Spiralfeder mit linearer Steigung verwendet. Ebenfalls ist die Dicke, das verwendete Material und die Querschnittsgeometrie innerhalb des Schwingungsbereiches und des Stabilisierungsbereiches frei wählbar.
Der Radius r(ϑ) der Spiralfeder ist eine Funktion des Winkels ϑ und wird allgemein mit folgender Beziehung bestimmt. r(ϑ) ≔ r0 + f(ϑ):
Für eine lineare Steigung der Spiralfeder gilt: r(ϑ) ≔ r0 + P / 2·π·ϑ
Hierbei sind:

r0: = Radius an der Stelle (ϑ = 0)
P: = Steigungsfaktor der Spiralfeder

Der Winkel ϑA, der den Beginn des Stabilisierungsbereiches beschreibt und der Winkel ϑE, der die Gesamtlänge der Spiralfeder festlegt, können frei gewählt werden. Aus empirischen Messungen wurden Idealwerte zur Erreichung eines stabilen Verhaltens ermittelt.
Die zugehörige Bezugsfeder zur Spiralfeder 4 ist eindeutig definiert durch das verwendete Material, den Anfangsradius r0, die Anfangsgeometrie an der Stelle ϑ = 0 und die aktive Länge der Spirale LE, bzw. dem Endwinkelwert ϑE. Zur Vereinfachung werden den Winkelwerten ϑA und ϑE die zugehörigen Längen LA und LE zugeordnet.
LA ist die Spiralenlänge bis zum Winkel ϑA mit der Beziehung
LE ist die Spiralenlänge oder Länge der Spiralfeder bis zum Winkel ϑE, mit der Beziehung
FT(l) ist nachfolgend der Verlauf des Flächenträgheitsmomentes als Funktion der Spirallänge oder Federspirallänge und E ist nachfolgend das Elastizitätsmodul des für die Spiralfeder verwendeten Materials.
Die Stabilisierungsmaßnahmen werden durch folgende normierte Bezugsparameter beschrieben:
Grundsätzlich werden die Parameterwerte so ermittelt, dass die jeweilige physikalische Größe des Stabilisierungsbereiches von LA (ϑA) bis LE (ϑE) ins Verhältnis zum Schwingungsbereich von 0 bis LA (ϑA) gesetzt wird. Dieser Quotient Q1 der Spiralfeder wird dann mit einem entsprechenden Quotienten Q2 einer Bezugsspiralfeder ins Verhältnis gesetzt. Die Bezugsspiralfeder ist eine Feder, die bei gleicher Windungszahl oder Federlänge LE einen konstanten Windungsquerschnitt, beispielsweise den Windungsquerschnitt des Schwingungsbereichs der Spiralfeder aufweist und/oder die hinsichtlich Form und Windungszahl der Spiralfeder entspricht, allerdings ohne Ausbildung des Stabilisierungsbereichs durch Verringerung der Höhe der Feder. Der ermittelte Parameterwert oder Stabilisierungsfaktor ηFT und ηk wird also nur durch die stabilisierenden Maßnahmen im Außenbereich der Spiralfeder beeinflusst.
Stabilisierungsfaktor ηFT
Der Stabilisierungsfaktor ηFT gibt das Verhältnis der Verläufe der Flächenträgheitsmomentenverteilungen FT(l) als Funktion der Länge der Spiralfeder im Abschnitt des Stabilisierungsbereiches zum Schwingungsbereich und dies im Gesamtvergleich zur unveränderten Spiralenfeder oder Bezugsspiralfeder wieder.
FT(l) ist der Verlauf des Flächenträgheitsmomentes als Funktion der Länge l, FTn(l) ist der Verlauf des Flächenträgheitsmomentes der Bezugsfeder als Funktion der Federlänge (l).
Um eine optimale Stabilisierung des Schwingverhaltens der Spiralfeder 4 zu erreichen, ist der Stabilisierungsfaktor ηFT so gewählt, dass er im Bereich 10 ≤ ηFT ≤ 65 liegt.
Stabilisierungsfaktor ηk
Der Stabilisierungsfaktor ηk ist das Verhältnis der Federkonstanten des stabilisierenden Winkelbereiches ϑA–ϑE zur Federkonstanten des Schwingungsbereiches 0–ϑA und dies im Gesamtvergleich zum Verhältnis der Federkonstanten in den analogen Winkelbereichen der unveränderten Spiralfeder bzw. Bezugsspiralfeder.
hierbei sind k_stabil die Federkonstante des Stabilisierungsbereichs der Spiralfeder, k_Schwing die Federkonstante des Schwingungsbereiches der Spiralfeder und k die Federkonstante der Bezugsspiralfeder.
Um eine optimale Stabilisierung des Schwingverhaltens der Spiralfeder 4 zu erreichen, ist der Stabilisierungsfaktor ηk so gewählt, dass er im Bereich 1,5 ≤ –ηk ≤ 65, bevorzugt im Bereich 1,5 ≤ –ηk ≤ 25 liegt
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei dem äußeren Federhaltepunkt um einen festen Ansteckpunkt oder es ist der äußere Federhaltepunkt durch einen Rücker gebildet.
Bevorzugt erstreckt sich der Stabilisierungsbereich über einen Winkelbereich zwischen 30° und 100°.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Spiralfeder auf ihrer gesamten aktiven Federlänge eine Breite auf, die von dem inneren Spiralfederende zum äußeren Spiralfederabschnitt stetig zunimmt.
Bevorzugt besteht die Spiralfeder aus einem nichtmetallischen Werkstoff, vorzugsweise aus Diamant oder aus Silizium mit einer Beschichtung aus Siliziumoxid.
Die vorliegende Erfindung umfasst außerdem eine mechanische Uhr mit einem mechanischen Schwingsystem, wobei das Schwingsystem wie oben beschrieben ausgebildet ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen
1 beispielhaft eine perspektivische Ansicht eines Schwingsystems für mechanische Uhren,
2 beispielhaft einen Schnitt entlang einer die Achse der Unruhwelle aufnehmenden Ebene durch das Schwingsystem gemäß 1 und
3 beispielhaft eine perspektivische Seitenansicht der freigestellten Komponenten des Schwingungssystems gemäß 1 und 2;
4 und 5 in Einzeldarstellung und in Draufsicht die Spiralfeder des Schwingsystems.
Wege zur Ausführung der Erfindung
In den 1 bis 3 ist ein Schwingungssystem 1 für mechanische Uhrwerke dargestellt, welches in der Fachsprache auch als Unruh bezeichnet wird. Das Schwingungssystem 1 umfasst einen Schwingkörper in Form eines Schwungrads 2, eine Unruhwelle 3 sowie eine Spiralfeder 4.
Das Schwungrad 2 besteht aus einem äußeren Kreisringabschnitt 2.1, der über mehrere Speichen 2.2 mit einem Nabenabschnitt 2.3 verbunden ist. Der Nabenabschnitt 2.3 weist eine von der Kreisform abweichende, zentrale Durchgangsbohrung auf, in welcher ein zugeordneter Wellenabschnitt 3’ der Unruhwelle 3 aufgenommen ist, dessen konzentrische Außenseite einen Formschluss mit dem Nabenabschnitt 2.3 der Schwungrades herstellt. Damit ist das Schwungrad drehfest mit der Unruhwelle 3 verbunden. Darüber hinaus sind an der zum Drehzentrum des Schwungrades weisenden Innenseite des äußeren Kreisringabschnittes 2.1 mehrere Schwungmassen 2.4 angebracht.
Die Unruhwelle 3 weist ferner ein oberes und unteres freies Ende 3.1, 3.2 auf, welche spitz zulaufen und zur drehbaren Lagerung der Unruhwelle 3 um deren Achse UA in entsprechend ausgebildeten oberen und unteren Lagereinheiten aufgenommen werden. In den 1 und 2 ist beispielhaft eine obere Lagereinheit dargestellt. Die Achse UA der Unruhwelle 3 ist damit zugleich auch die Drehachse des Schwungrades.
Die Spiralfeder 4 besteht aus einem vorzugsweise ringförmigen, inneren Spiralfederbefestigungsabschnitt 4.1 und einem äußeren Spiralfederendabschnitt 4.2. Dazwischen befinden sich mehrere Spiralfederringabschnitte 4.3, welche in einer Ebene senkrecht und vorzugsweise konzentrisch zur Spiralfederachse verlaufen, welche in den vorliegenden Zeichnungen näherungsweise mit der Achse UA der Unruhwelle 3 übereinstimmt.
Der vorzugsweise ringförmige, innere Spiralfederbefestigungsabschnitt 4.1 ist mit der Unruhwelle 3 drehfest verbunden, und zwar vorzugsweise verklebt und/oder mittels Formschluss. Hierzu weist die Unruhwelle 3 einen zur Aufnahme des inneren Spiralfederbefestigungsabschnitts 4.1 ausgebildeten Wellenabschnitt 3’’ auf, der oberhalb des das Schwungrad 2 aufnehmenden Wellenabschnittes 3’ angeordnet ist.
Zur in Bezug auf die Unruhwelle 3 drehfesten Befestigung des äußeren Spiralfederendabschnittes 4.2 ist die Halteanordnung 5 zur Einstellung des Zentrums der Spiralfeder 4 vorgesehen. Die Halteanordnung 5 umfasst zumindest einen Haltearm 6 und ein Halteelement 7, welches im Bereich des äußeren freien Endes des Haltearms 6 entlang der Längsachse LHA des Hebelarms 6 verschiebbar befestigt ist.
Der Haltearm 6 weist ein inneres Haltearmende 6.1 und ein äußeres Haltearmende 6.2 auf, wobei das innere Haltearmende 6.1 einen offenen Kreisring ausbildet und im Bereich des äußeren Haltearmendes 6.2 eine längliche Führungsausnehmung 6.3 vorgesehen ist. Die längliche Führungsausnehmung 6.3 ist zur variablen Befestigung des Halteelementes 7 am Haltearm 6 vorgesehen. Das innere Haltearmende 6.1 ist über nicht näher bezeichnete Haltemittel, welche auch die oberen und unteren Lagereinheiten zur drehbaren Lagerung der Unruhwelle 3 aufnehmen können, drehfest befestigt, und zwar derart, dass der offene Kreisring des inneren Haltearmendes 6.1 die Achse UA der Unruhwelle 3 konzentrisch umgibt.
Das Halteelement 7 weist einen im Wesentlichen zylinderförmigen, länglichen Grundkörper 7.1 mit einer oberen und unteren Stirnseite 7.11, 7.12 und einer Längsachse LHE auf, welcher eine zur oberen Stirnseite 7.11 geöffnete Sacklochbohrung 7.2 mit einem Innengewinde zur Aufnahme einer Schraube 8 aufweist. Mittels der Schraube 8, welche durch die längliche Führungsausnehmung 6.3 des Haltearms 6 geführt wird, ist das Halteelement 7 fest mit dem Haltearm 6 verschraubbar, und zwar derart, dass die Längsachse LHA des Haltearms 6 und die Längsachse LHE des Halteelementes 7 senkrecht zueinander verlaufen.
Auf der gegenüberliegenden unteren Stirnseite 7.12 des Grundkörpers 7.1 des Halteelementes 7 ist eine sich senkrecht zur Längsachse LHE des Grundkörpers 7.1 erstreckende und nach unten offene Führungsausnehmung 7.3 vorgesehen, die zur radial führenden Aufnahme des äußeren Spiralfederendabschnittes 4.2 ausgebildet ist. Eine die Längsachse LHE des Grundkörpers 7.1 aufnehmende Ebene teilt hierbei die Führungsausnehmung 7.3 näherungsweise in zwei gegenüberliegende, gleiche Hälften. Somit ergibt sich ein gabelartig ausgebildetes unteres freies Ende des Halteelementes 7.
Im montierten Zustand ist damit mittels der Halteanordnung 5 der radiale Abstand A zwischen der Achse UA der Unruhwelle 3 und der Längsachse LHE des Halteelementes 7 und damit des äußeren Spiralfederendabschnittes 4.2 einstellbar. Durch eine entsprechende radiale zur Achse UA gerichtete Verschiebung des Halteelementes 7 und damit des äußeren Spiralfederendabschnittes 4.2 ist das Spiralfederzentrum justierbar, und zwar vorzugsweise derart, dass die Spiralfederringabschnitte 4.3 jeweils denselben Abstand zueinander aufweisen und konzentrisch um die Achse UA verlaufen.
Die 4 und 5 zeigen in Einzeldarstellung und Draufsicht eine Spiralfeder 4 des mechanischen Schwingsystems entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung. Die Spiralfeder 4 ist bei der dargestellten Ausführungsform z.B. aus einem Ausgangsmaterial (Wafer) aus Silizium, beispielsweise aus polykristallinem Silizium, z.B. aus einem durch epitaktisches Abscheiden gewonnenen Ausgangsmaterial hergestellt, z.B. unter Verwendung eines Maskierungs-Ätz-Verfahrens, und zwar derart, dass die mehrere Windungen 9 aufweisende Spiralfeder 4 einstückig mit dem inneren Spiralfederbefestigungsabschnitt 4.1 an der Unruhwelle 3 befestigt und mit einem äußeren Stabilisierungsbereich 11 ausgeführt ist. Bei der dargestellten Ausführungsform befindet sich der äußere Stabilisierungsbereich 11 im Bereich der äußeren Windung 9 und erstreckt sich über einen Winkelbereich α von etwa 30° bis 100°, vorzugsweise zwischen 50° und 70°. Bei einer bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich der Abschnitt 11 über einen Winkelbereich α von etwa 60°.
Der Abschnitt 11 ist bei der dargestellten Ausführungsform dadurch gebildet, dass die Spiralfeder 4 dort radial zu ihrer Federachse eine vergrößerte Breite aufweist, und eine in Richtung der Federachse verringerte Federhöhe. Die Enden der Verdickung 11 befinden sich dort, wo die Spiralfeder 4 wieder ihre übliche bzw. eine gegenüber der Verdickung 11 deutlich, beispielsweise wenigstens um den Faktor Zwei, reduzierte Windungsbreite aufweist. Durch die im Bereich 11 verringerte Höhe wird eine Erhöhung des Flächenträgheitsmoments erzielt und eine Verlagerung der Spiralfeder 4 beim Schwingen des Schwingsystems vermieden.
Die aktive Länge, die den Stabilisierungsbereich einschließt, erstreckt sich dabei ausgehend von dem inneren, mit dem Befestigungsabschnitt 10 verbundenen und in der 4 mit 12 bezeichneten Ende, an dem die Spiralfeder 4 bzw. deren innere Windung 9 die Windungsbreite der restlichen Windungen 9 aufweist, bis an den Ansteckpunkt 13. Dieser ist bei der in den 1–3 dargestellten Ausführungsform von der Verbindung der außenliegenden Windung 9 mit dem Halteelement 7 gebildet.
Die Breite, die die Spiralfeder 4 im Stabilisierungsbereich aufweist, entspricht etwa dem Doppelten der Breite, die die Spiralfeder 4 außerhalb des Stabilisierungsbereichs besitzt. Die Höhe, die die Spiralfeder 4 im Stabilisierungsbereich aufweist, entspricht etwa der Hälfte der Höhe, die die Spiralfeder 4 außerhalb des Stabilisierungsbereichs besitzt. Durch diese veränderte geometrische Form bleibt die Masse der Feder pro Längeneinheit konstant, gleichzeitig wird aber das Flächenträgheitsmoment erhöht, wodurch sich das angestrebte optimale Verhalten der Spiralfeder 4 im schwingenden Zustand des Schwingsystems, d.h. die Vermeidung der Verlagerung der Spiralfeder 4 ergibt.
Die Frequenz des Schwingsystems wird beispielsweise durch entsprechende Wahl der Masse der an dem Schwungrad 2 vorgesehenen Schwungmasse 2.4 eingestellt. Verwendet werden hierfür bevorzugt Schwungmassen 2.4, die zur Erzielung einer unterschiedlichen Masse in der Achsrichtung parallel zur Unruhwelle 3 eine unterschiedliche Höhe aufweisen.
Vorstehend wurde bereits erwähnt, dass die Spiralfeder 4 aus Silizium in einem Maskierungs-Ätz-Verfahren gefertigt ist. Um die erforderliche Festigkeit und Temperaturunabhängigkeit zu erreichen, ist es vorteilhaft, die Spiralfeder 4 bzw. einen diese Feder bildenden Rohling an den Oberflächen durch thermische Behandlung mit einer Siliziumoxid-Schicht zu versehen. Durch das Herstellungsverfahren (z.B. Maskierungs-Ätz-Verfahren) ergeben sich nicht unerhebliche Toleranzen auch hinsichtlich der Gesamtmasse der Spiralfeder 4 und der Masse des Stabilisierungsbereichs. Um dennoch ein für das Verhalten der Spiralfeder 4 im Schwingsystem günstiges Längenverhältnis von Stabilisierungsbereich zu Schwingungsbereich zu erreichen, ist der Federhaltepunkt 13 an der sich zwischen dem Stabilisierungsbereich und dem äußeren Federende 4.4 gebildeten Federlänge 14 so eingestellt, dass ein optimales Schwingverhalten erreicht wird.
Mit der Einstellung des Längenverhältnisses von Stabilisierungsbereich zu Schwingungsbereich werden auch negative Einflüsse auf das Schwingverhalten des Schwingsystems und des Schwingkörpers 2 eliminiert, die aus Toleranzen der Feder- oder Antriebskraft einer z.B. in einem Federgehäuse untergebrachten Antriebsfeder resultieren, insbesondere auch einer solchen Antriebsfeder, die zur Erhöhung der Federkraft oder zur Verlängerung der Gangzeit, beispielsweise mit Diamant, beschichtet ist. Weiterhin kann durch Einstellung des Längenverhältnisses von Stabilisierungsbereich zu Schwingungsbereich auch eine optimale Amplitude für die Schwingung des Schwingkörpers 2 erreicht werden, beispielsweise in einem Winkelbereich zwischen 280° und 330°, und zwar wiederum trotz Toleranzen der Feder- oder Antriebskraft einer im Federgehäuse untergebrachten Antriebsfeder. Somit ist es mit der Erfindung auch erstmals möglich, bei einer angestrebten sehr hohen Ganggenauigkeit einer mechanischen Uhr beschichtete und dabei zwangsläufig Toleranzen aufweisende Antriebsfedern zu verwenden.
Vorstehend wurde von einem nach der Einstellung festen Federhaltepunkt 13 ausgegangen. Grundsätzlich besteht aber auch die Möglichkeit, der Verwendung eines sogenannten Rückers 15, der im Wesentlichen von einem von einem Ende um die Achse der Unruhwelle 3 schwenkbaren Hebel 16 gebildet ist. An dem anderen Ende weist der Hebel 16 eine beispielsweise von zwei Stiften gebildete Aufnahme 17 auf, in die die Länge 14 der Spiralfeder 4 eingreift und die damit den äußeren Ansteckpunkt 13.1 bildet. An ihrem äußeren Ende 4.4 ist die Spiralfeder 4 bei 18 fest mit einer Platine oder einer Lagerplatine verbunden.
Die Aufnahme 17 des Rückers 15 bildet dann einen festen Ansteckpunkt nach. Durch Einstellen des Rückers 15 kann wiederum ist der Federhaltepunkt 13 an der sich zwischen dem Stabilisierungsbereich und dem äußeren Federende 4.4 gebildeten Federlänge 14 so eingestellt werden, dass ein optimales Schwingverhalten erreicht wird.

Bevorzugt sind zumindest die Stabilisierungsfaktoren und ηFT in Abhängigkeit von der Schlagzahl SZ, Windungszahl WZ und den Längen LA und LE wie folgt gewählt:

Spiralfeder-Ausführung	Windungen	LA (mm)	LE (mm)	ηFT	ηk
I	10	99,3	105,5	16,38	1,694
II	14	183,44	192,0	16,47	1,698
III	10	96,2	147	64	64
IV	14	153,4	206,2	64	64
V	14	183,44	187,22	36	14,22
VI	10	99,3	102	35,88	14,17

Die in der vorstehenden Tabelle mit I und II bezeichneten Spiralfedernausführungen sind bevorzugte Ausführungen der Erfindung.
Eine den Bedingungen der Ausführung I entsprechende Spiralfeder 4 ist in der 5 nochmals in vergrößerter Darstellung wiedergegeben. Die Spiralfeder 4 weist insgesamt 10 Windungen und einen äußeren Stabilisierungsbereich auf, welcher sich wiederum an die Länge LA des inneren Schwingungsbereiches zum äußeren Federhaltepunkt hin anschließt, der die Gesamtlänge LE der Spiralfeder 4 bestimmt. Bei der dargestellten Ausführungsform erstreckt sich die Stabilisierungsbereich über einen Winkel α von etwa 60° und besteht aus einem sich an die Länge LA anschließenden Abschnitt 11.1 mit abnehmender Höhe und zunehmender Breite, aus einem sich daran anschließenden Abschnitt 11.2 mit konstanter oder im Wesentlichen konstanter Höhe und Breite und aus einem Abschnitt 11.3, an welchem in Richtung zum freien Federende hin die Höhe zu- und die Breite abnimmt.
Die Abschnitte 11.1 und 11.3 erstrecken sich bei der Spiralfeder 4 jeweils über einen Winkelbereich von etwa 15°. Der mittlere Abschnitt 11.2 besitzt einen im Vergleich zu den Abschnitten 11.1 und 11.3 größeren Winkelbereich, d.h. bei der dargestellten Ausführungsform einen Winkelbereich, die der Summe der Winkelbereiche der Abschnitte 11.1 und 11.3 entspricht, also einen Winkelbereich β von etwa 30°. Der Winkel γ der äußeren Teillänge vom Übergang LA zwischen dem inneren Schwingungsbereich und dem äußeren Federende 4.4 beträgt bei der dargestellten Ausführungsform etwa 135°.
Die Spiralfeder 4 besitzt am inneren Schwingungsbereich eine konstante oder im Wesentlichen konstante Breite und Höhe. Eine der Ausbildung II entsprechende Spiralfeder unterscheidet sich von der Spiralfeder lediglich durch die höhere Windungszahl von 14 Windungen bei gleicher Länge (Differenz LE – LA) und Ausführung des äußeren Stabilisierungsabschnitts.
Bezugszeichenliste

1: Schwingsystem bzw. Unruh
2: Schwungkörper
2.1: äußerer Kreisringabschnitt
2.2: Speichen
2.3: Nabenabschnitt
2.4: Schwungmasse
3: Unruhwelle
3’, 3’’: Wellenabschnitte
3.1: oberes freies Ende
3.2: unteres freies Ende
4, 4a: Spiralfeder
4.1: Spiralfederbefestigungsabschnitt
4.3: Spiralfederringabschnitte
4.4: äußeres Federende
5: Halteanordnung
6: Haltearm
6.1: inneres Haltearmende
6.2: äußeres Haltearmende
6.3: längliche Führungsausnehmung
7: Haltelement
7.1: Grundkörper
7.11: obere Stirnseite
7.12: untere Stirnseite
7.2: Sacklochbohrung
7.3: Führungsausnehmung
8: Schraube
9: Windung
10: inneres Halteelement
11: Verdickung
11.1–11.3: Abschnitte der Verdickung 11
12: inneres wirksames Spiralfederende
13, 13.1: äußerer Ansteckpunkt
14: Spiralfederlänge
15: Rücker
16: Hebel
17: Aufnahme
18: Befestigung
UA: Achse der Unruhwelle
A: radialer Abstand
LHA: Längsachse des Hebelarms
LHE: Längsachse des Hebelelements
α: Winkelerstreckung der Verdickung 11
β: Winkelerstreckung des Abschnitts 11.2 der Verdickung 11
γ: Winkel zwischen innerem Schwingungsbereich und äußerem Federende
LA: Länge des Schwingungsbereichs
LE: Gesamtfederlänge

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008061182 A1 [0003]

Claims

Schwingsystem für mechanische Uhrwerke aufweisend einen Schwingkörper (2), eine um eine Achse (UA) schwenkbar gelagerte Unruhwelle (3) und eine Spiralfeder (4) mit einer Gesamtfederlänge (LE), wobei sich die Gesamtfederlänge (LE) aus einem inneren Schwingungsbereich mit einer Schwingungsfederlänge (LA) und einem äußeren Stabilisierungsbereich mit einer Stabilisierungsfederlänge (LS) zusammensetzt, wobei die Spiralfeder (4) mit einem Spiralfederbefestigungsabschnitt (4.1) mit der Unruhwelle (3) verbunden ist und die Unruhwelle (3) umschließt, wobei die Spiralfeder (4) im äußeren Stabilisierungsbereich an einem Federhaltepunkt (13) gehalten oder eingespannt ist, wobei sich die Gesamtfederlänge (LE) von dem inneren Ende (12) des Schwingungsbereichs bis zu dem äußeren Federhaltepunkt (13) erstreckt, wobei die Spiralfeder (4) in ihrem inneren Schwingungsbereich parallel zur Achse der Spiralfeder eine durchschnittliche Höhe h_sc und radial zur Achse der Spiralfeder eine durchschnittliche Breite b_sc aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiralfeder (4) im äußeren Stabilisierungsbereich parallel zur Achse der Spiralfeder eine durchschnittliche Höhe h_st aufweist, die zumindest 1% geringer ist als die durchschnittliche Höhe h_sc im inneren Schwingungsbereich.
Schwingsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiralfeder (4) im äußeren Stabilisierungsbereich eine durchschnittliche Höhe h_st aufweist, die zumindest 10% geringer ist als die durchschnittliche Höhe h_sc im inneren Schwingungsbereich.
Schwingsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiralfeder (4) im äußeren Stabilisierungsbereich eine durchschnittliche Höhe h_st aufweist, die zumindest 25% geringer ist als die durchschnittliche Höhe h_sc im inneren Schwingungsbereich.
Schwingsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiralfeder (4) im äußeren Stabilisierungsbereich eine durchschnittliche Höhe h_st aufweist, die zumindest 50% geringer ist als die durchschnittliche Höhe h_sc im inneren Schwingungsbereich.
Schwingsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiralfeder (4) im inneren Schwingungsbereich eine konstante Höhe h_sc aufweist.
Schwingsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiralfeder (4) im äußeren Stabilisierungsbereich eine konstante Höhe h_st aufweist.
Schwingsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiralfeder (4) im äußeren Stabilisierungsbereich radial zur Achse der Spiralfeder eine durchschnittliche Breite b_st aufweist, die zumindest 10% größer ist als die durchschnittliche Breite b_sc im inneren Schwingungsbereich.
Schwingsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiralfeder (4) im äußeren Stabilisierungsbereich eine durchschnittliche Breite b_st aufweist, die zumindest 20% größer ist als die durchschnittliche Breite b_sc im inneren Schwingungsbereich.
Schwingsystem nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiralfeder (4) im äußeren Stabilisierungsbereich eine durchschnittliche Breite b_st aufweist, die zumindest 30% größer ist als die durchschnittliche Breite b_sc im inneren Schwingungsbereich.
Schwingsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiralfeder (4) im äußeren Stabilisierungsbereich eine durchschnittliche Breite b_st aufweist, die zumindest 50% größer ist als die durchschnittliche Breite b_sc im inneren Schwingungsbereich.
Schwingsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die durchschnittliche Höhe h_sc und die durchschnittliche Breite b_sc der Spiralfeder in ihrem inneren Schwingungsbereich sowie die durchschnittliche Höhe h_st und die durchschnittliche Breite b_st der Spiralfeder in ihrem äußeren Stabilisierungsbereich derart aufeinander abgestimmt sind, dass ein Flächenträgheitsmomentstabilisierungsfaktor (ηFT) einen in einem dem Flächenträgheitsmomentstabilisierungsfaktor (ηFT) zugeordneten, vorbestimmten Sollwertbereich liegenden Wert aufweist und/oder ein Federkonstantestabilisierungsfaktor (ηk) einen in einem dem Federkonstantestabilisierungsfaktor (ηk) zugeordneten, vorbestimmten Sollwertbereich liegenden Wert aufweist, wobei sich der Flächenträgheitsmomentstabilisierungsfaktor (ηFT) durch das Verhältnis eines ersten Quotienten (Q1) zu einem zweiten Quotienten (Q2) darstellt, wobei der erste Quotient (Q1) das Verhältnis des Flächenträgheitsmomentes des äußeren Stabilisierungsbereichs der Spiralfeder (4) zu dem Flächenträgheitsmoment des inneren Schwingungsbereichs der Spiralfeder (4) und der zweite Quotient (Q2) das Verhältnis des Flächenträgheitsmomentes einer dem Stabilisierungsbereich entsprechenden Federlänge zu dem Flächenträgheitsmoment einer dem Schwingungsbereich entsprechenden Federlänge einer Bezugsspiralfeder sind, und zwar entsprechend der nachstehenden Formel
wobei FT(l) der Verlauf des Flächenträgheitsmomentes der Spiralfeder (4) als Funktion der Federlänge (l) und FTn(l) der Verlauf des Flächenträgheitsmomentes der Bezugsfeder als Funktion der Federlänge (l) sind, wobei der dem Flächenträgheitsmomentstabilisierungsfaktor (ηFT) zugeordnete Sollwertbereich zwischen 10 und 65 liegt, wobei sich der Federkonstantestabilisierungsfaktor (ηk) durch das Verhältnis eines ersten Quotienten (Q1) zu einem zweiten Quotienten (Q2) darstellt, wobei der erste Quotient (Q1) das Verhältnis der Federkonstanten des äußeren Stabilisierungsbereichs der Spiralfeder (4) zur Federkonstanten des inneren Schwingungsbereichs der Spiralfeder und der zweite Quotient das Verhältnis der Federkonstanten einer dem Stabilisierungsbereich entsprechenden Federlänge zur Federkonstanten einer dem Schwingungsbereich entsprechenden Federlänge einer Bezugsspiralfeder sind, und zwar entsprechend der nachstehenden Formel
wobei k_stabil die Federkonstante des Stabilisierungsbereichs der Spiralfeder (4), k_Schwing die Federkonstante des Schwingungsbereiches der Spiralfeder (4) und k die Federkonstante der Bezugsspiralfeder sind, wobei der dem Federkonstantestabilisierungsfaktor (ηk) zugeordnete Sollwertbereich zwischen 1,5 und 65 liegt, wobei die Bezugsspiralfeder eine Feder ist, die hinsichtlich geometrischer Form, Windungszahl, Windungsquerschnitt und Federlänge (LE) der Spiralfeder (4) entspricht, wobei jedoch die durchschnittliche Höhe h_sc der Bezugsspiralfeder gleich ihrer durchschnittlichen Höhe h_st und die durchschnittliche Breite b_sc der Bezugsspiralfeder gleich ihrer durchschnittlichen Breite b_st ist.
Schwingsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem äußeren Federhaltepunkt (13) um einen festen Ansteckpunkt handelt oder der äußere Federhaltepunkt (13) durch einen Rücker (15) gebildet ist.
Schwingsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Stabilisierungsbereich über einen Winkelbereich zwischen 30° und 100° erstreckt.
Schwingsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiralfeder (4) auf ihrer gesamten aktiven Federlänge Breite aufweist, die von dem inneren Spiralfederende (12) zum äußeren Spiralfederabschnitts (4.2) stetig zunimmt.
Schwingsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiralfeder (4) aus einem nichtmetallischen Werkstoff, vorzugsweise aus Diamant oder aus Silizium mit einer Beschichtung aus Siliziumoxid hergestellt ist.
Mechanische Uhr mit einem mechanischen Schwingsystem, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwingsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.