-
Zeitbasis-Schwingungseinrichtung Die Erfindung bezieht sich auf Werbesserungen
an einer mit drei parallelen Schwingarmen versehenen Zeitbasis-Schwingungseinrichtung,
ctie insbesondere dazu dient, in einem Uhrwerk magnetisch mit einem Magnetrad zusammenzuarbeiten,
um das getriebe für die Zeitanzeige anzutreiben.
-
Die für diesen Zweck bekannten mechanischen Schwinger sind so gebaut,
daß die beiden äußeren Arme an ihren Endspitzen durch ein Querstück verbunden sind,
das einen Speisemagneten trägt, das magnetisch mit dem Magnetrad zusammenarbeitet0
Der mittlere Arm ist mit einem Abtastmagneten und einem Antriebsmagneten versehen,
die elektromagnetisch jeweils mit einer Abtastspulenvorrichtung bzw. einer Antriebsspulenvorrichtung
zusammenarbeiten,
die feststehend angeordnet und elektrisch mit einer kombinierten elektroniscnen
Abtast- und Antriebsschaltung verbunden sind, die iM Innenraum des Uhrwerkes liegt,
Daher liegen der Speisemagnet und die Abtast- und Antriebsmagneten sozusagen kreuzweise
zueinander. Das führt bei den bekannten Einrichtungen zu einem komplizierten Bau
der Schwingungseinrichtung Zusätzlich ergibt sich dadurch ein sehr hoher Energieverbrauch.
-
Die Erfindung bezweckt die Schaffung einer verbesserten Zeitbasis-Schwingungseinrichtung,
bei der die hier erwähnten Nachteile bekannter Einrichtungen im wesentlichen beseitigt
sind0 Zu diesem Zweck zeichnet sich die erfindungsgemäße Zeitbasis-Schwingungseinrichtung
dadurch aus, daß ihre Schwingungsarme bei allgemein gleicher länge und Dicke eine
bereite a für die äußeren Arme und eine Breite 2a/n für den mittleren Arm aufweisen,
wobei n eine ganze Zahl größer als 1 ist0 beach der erfindung ist ferner vorgesehen,
daß die äußeren Arme fest auf ihren freien Enden angeordnete Permanentmagneten entgegengesetzter
Polarität tragen, Außerdem ist erfindungsgemäß am mittleren Arm ein Speisemagnet
befestigt, der magnetisch mit dem Magnetrad zusammenarbeitet0 Weitere Vorzüge und
Merkmale der erfindung ergeben sich aus
den ansprüchen sowie aus
der nachfolgenden beschreibung und uen Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung beispielsweise erläutert und dargestellt sind0 Es zeigen Fig0 1 eine
Draufsicht auf einen wesentlichen Teil einer zum Stand der Technik gehörenden Schwingungseinrichtung,
eine 2 eine der Fig. 1 ähnliche Ansicht zur veranschaulichung einer ersten Ausführungsform
der Erfindung, zeigt 3 eine vergrößerte schaubildliche Ansicht einer für praktische
Zwecke verwendbaren Schwingungseinrichtung nach der Erfindung, die mit eine: I'i-agnetrad
zusammenarbeitet, wobei der eigentliche Schwinger dem nach Fig0 2 entspricht, Fig,
4 einen eil des mechanischen Schwingers nach Fig0 3, 5 5 eine vereinfacht dargestellte
schaubildliche Ansicht zur Veranschaulichung der Arbeitsschwingung eines Torsionsschwingungssystems,
Fig. 6 eine Draufsicht auf den Schwinger nach Fig. 3, Fig. 7 und 8 Diagramme zur
Veranschaulichung des mit der Erfindung erreichbaren besseren Isochronismus und
Fig. 9 - 11 eine Draufsicht, eine Seitenansicht und eine Endansicht eines gegenüber
Fig. 6 abgewandelten mechalischen Schwingers.
-
Zunächst soll, bevor die Erfindung beschrieben wird, ein üblicher
mechanischer Uhrwerksschwinger als Vergleichsbeispiel anhand von Fig. 1 erläutert
werden0 Fig. 1 zeigt einen dreiarmigen üblichen Schwinger 1, der einen Fußteil 1a
und drei parallele Schwingarme 1b, 1c, Ib' aufweist, die in einem Stück hergestellt
sind0 Die Arme 1b und 1b' liegen an den beiden Außenseiten des Schwingers, und der
Arm 1c liegt in der Mitte zwischen den beiden äußeren Armen 1b und 1bio Obwohl im
einzelnen nicht dargestellt, haben alle Schwingarme die gleiche konstante Dicke,
die mit h angegeben wird0 Die wirksame Länge dieser Arme ist ebenfalls konstant
und ist in Fig. 1 mit l bezeichnet0 Die äußeren Arme Ib und 1b' haben eine bestimmte
konstante Breite a, währendQder mittlere Arm 1c die doppelte Breite 2a aufweist,
Die äußeren Arme schwingen in Amplitude und -Phase übereinstimmend, während der
mittlere Arm 1-c in entgegengesetzter Phase zu den äußeren Armen schwingt Diese
Anordnung ermöglicht eine bevorzugte und besonders vorteilhafte Arbeitsweise0 Aus
dem Vorstehenden ergibt sich, daß die Schwingungsamplitude der äußeren Arme dieselbe
wie die des mittleren Armes ist0 Ein erfindungsgemäß verbesserter mechanischer Schwinger
10, siehe Bigo 2, weist wiederum drei parallele Arme auf, nämlich die beiden äußeren
Arme 10b und 10bt- und einen mittleren
Arm 10c, die parallel zueinander
liegen und mit dem Fußteil IOa in einem stück hergestellt sind. Die wirksame Länge
dieser Schwingungsarme ist so gewählt, dab alle eine bestimmte gemeinsame Länge
1 haben0 Die breite j jedes äußeren Armes beträgt wie oben aO Die Stärke aller Arme,
obwohl nicht dargestellt, ist ebenfalls gleich und hat den Wert h. In dem dargestellten
beispiel hat der mittlere Arm 10c eine Breite, die einen beträchtlich geringeren
Wert 2a/n aufweist, wobei n eine positive ganze Zanl größer als 1 ist0 Es wird jetzt
angenommen, dab die Schwingungsamplitude der äußeren Arme A1 und ihre äquivalente
Masse M1 und die äquivalente Federkonstante k1 ist. Die entsrechenden größen für
den mittleren Arm sind A2, M2 und k20 Daraus ergeben sich die folgenden beziehungen
: A2/A1 = n (1) M2 = M1/n (2) k2 = k1/n (3) Die in lig. 1 und 2 dargestellten Schwinger
sollen mit einem drehbar angeordneten Magnetrad zusammenarbeiten, die in Fig. 3
bei 22 gezeigt, Es wird angenommen, daß die Amplitude A ausreicht, um das Magnetrad
weiterzubewegen, wie noch mit Bezug auf zeigt 3 ausführlich erläutert wird. Es wird
weiter angenommen, daß die kinetische Energie eines regulär schwingenden üblichen
Schwingers 1 mit S0 und die des verbesserten Schwingers 10 mit EN anzugeben ist0
Dann ergeben sich die folgenden Formeln
nämlich die Eigenfrequenz des jeweiligen mechanischen Dchwingers.
-
Da n größer als 1 ist, gilt: EO > EN Das ergibt sich klar durch
vergleich der Formeln 4 und 5.
-
Zusätzlich hierzu hat sich durch praktische Versuche bestätigt, daij
die Resonanzschärfe Q des verbesserten Schwingers wenigstens gleich derjenigen eines
üblichen Schwingers ist und häufig dieser sogar' überlegen0 Aus dem Vorstehenden.rgibt
sicn, daß durch Verwendung des verbesserten mechanischen Schwingers der Kraftverbrauch
im Vergleich zu bekannten Einrichtungen wesentlich günstiger wird, Bei der bisherigen
Beschreibung and die an den Enden der Schwingarme befestigten Schwingmassen absichtlich
aus der Betrachtung herausgelassen worden, um deutlicher die Hauptmerkmale der Erfindung
hervortreten zu lassen, In der Praxis müssen natürlich diese Massen berücksichtigt
werden. Durch
praktische Versuche ist bestätigt' worden, daß, falls
die Massen und such ihre verteilung so gewählt werden, daso sie der formel 2 -;enügen,
die gewünschte Wirkung, die aufgrund der mathematischen Ableitungen zu erwarten
ist, leicht erreicht werden kann.
-
In der Fig. 3 gezeigten praktischen .inrichtung ist der mechanische
Schwinger 10 so angeordnet, dals er das Magnetrad 22 magnetisch weiterrückt, wie
bereits kurz erwähnt wurde.
-
In dieser Ausführungsform ist n mit 2 gewählt worden. Der Schwinger
10 weist einen Fußteil 10a, äußere Arme 10b, 10b' und einen mittleren Arm 10c auf,
wie in Fig. 2. In Fig 2 ist der Fußteil 10a vereinfacht dargestellt; der ebenfalls
mit 10a bezeichnete Fußteil der praktischen Ausführungsform ist mit einem Paar verbindungsstegen
14 und 15 versehen, die den eigentlichen Fußteil mit einem gemeinsamen, quer verlaufenden
Wurzelstück 11 verbinden, von dem die Schwingarme in ihrer wirksamen Länge ausgehen
Der nußteil 10a ist mit zwei getrennten Öffnungen 16 ausgebildet, durch die nicht
dargestellte Kopfschrauben gesteckt werden können, um damit den mechanischen bchwinger
10 starr auf einem festliegenden Teil, vorzugsweise der unteren, nicht-dargestellten
Gehäuseplatte eines Uhrwerks zu befestigen. In diesem Uhrwerk arbeitet der erfindungsgemäße
Schwinger magnetisch mit dem Magnetrad 22 zusammen, Die äußeren Schwingarme 10b'
und 10b tragen an ihren Endspitzen fest und starr angeordnete zylindrische Permanentmagneten
17
bzw. 18, die zoBo aufgeklebt oder durch ein anderes übliches Befestigungsmittel
befestigt sein können, Die Polaritäten dieser Magneten 17 und 18 sind in Fig0 4
eingezeichnet0 Der Magnet 17 dient in dieser Ausführungsform als Abtastmagnet, während
der liagnet 18 als Antriebsmagnet dient Eine stationäre Abiastspule 20 und Antriebsspule
21 sind so angeordnet, dalS sie mit dem hbtastmagneten 17 bzwÕ dem Antriebsmagneten
18 zusammenarbeiten Obwohl nicht dargestellt, sind diese Spulen 20 und 21 starr
in bekannter Weise auf der unteren Platte des Uhrwerks angeordnet0 Der mittlere
Schwingarm 10c ist an seinem freien Ende mit einem Vorschubmagneten versehen, der
im wesentlichen U-förmig ist und in einer mit Bezug auf die Schwingungseinrichtung
senkrechten Ebene liegt Zwischen den sich nähernden freien Enden des Magneten 19
ist ein Luftspalt 19a vorgesehen, so daß der Magnet mit dem Magnetrad 22 zusammenarbeiten
kann, das Umfangszähne 22a und in radialer Wichtung nach innen sich erstreckende
Ausnehmungen 22b aufweist, Die Zähne 22a dienen dazu, ein übliches, die Zeitanzeige
ermöglichendes, hier nicht gezeigtes Getriebe anzutreiben. Die Ausnehmungen 22b
sind für die Magnetzusammenarbeit mit dem Vorschubmagneten 19 vorgesehen, der das
Rad 22 intermittierend antreibt und damit die zeitanzeigende Drehbewegung aufrechterhält.
Das Rad 22 ist zu diesem Zweck in bekannter weise auf der Unterplatte der Uhr drehbar
angeordnet. Der Vorschubmagnet 19
schwingt mit einer bestimmten
Amplitude, welche das doppelte der Schwingungsamplitude der äußeren Arme 10b und
10b' beträgt, Falls die positive ganze Zahl n = 3 ist, vergrößert sich die Amplitude
a& das Dreifache der Schwingungsamplitude der äußeren Arme 10b und 10b', usw
Die Amplitude des Vorschubmagneten 19 ist so gewählt, daß dadurch das Rad 22 in
seinem Drehsinn vorgerückt werden kann, d.h., daß der Schwingungsbereich des Luftballs
19a die Ausnehmung 22b ausreichend überdeckt, gesehen in der Vertikalebene, in der
der vorschubmagnet schwingt, Durch die erfindungsgemäße Anordnung ist es nicht erforderlich,
ein verbindungsstück zu verwenden, welches die Enden der äußeren Schwingarme 10b
und 10b' starr verbindet0 Die Abtastspule 20 und die Antriebsspule 21 sind elektrisch
mit einer üblichen elektronischen Abtast- und Antriebsschaltung 23, siehe Fig0 3
verbunden, In dieser Ausführungsform ist die Schaltung 23 in ihrer grundsätzlichen
und einfachsten Xorm dargestellt; sie weist einen Transistor 24 eine batterie 25,
einen Widerstand 26 und einen Kondensator 27 auf, die elektrisch in der dargestellten
Weise verbunden sind0 @ie Schaltung kann jedoch technisch noch besser aus staltet
sein, mit zwei oder mehr Transistoren und anderen zusätzlichen Schaltungsbestandteilen,
wie Widerständen und Kapazitäten, wie an sich bekannt ist0 Da die erfindungsgemäße
Schwingungseinrichtung kein Querstück zum Verbinden der Sonden der äußeren Schwingungsarme
aufweist, wird der Zusammenbau wesentlich erleichtert.
-
Außerdem wird der Kraftverbrauch erheblich verringert, da das Gewicht
der schwingenden Massen, das an den inden der Schwinger arme befestigt ist, durch
vermeidung des Querstückes verringert wird0 In einer bevorzugten Ausführungsform
fällt der Schwerpunkt der äußeren Massen 17 und 18 wit dem der zentralen Masse -bzwO
des Vorschubmagneten 19 zusammen, wenn der neutrale oder schwingungsfreie Zustand
des schwingers 10 betrachtet wird0 Außerdem kann die Länge der Schwingarme nach
Wunsch so erstreckt werden, dalJ dadurch der Zeitschrittablauf des Uhrwerks verbessert
wird0 In Fig0 5 ist ein Drehschwingsystem in vereinfachter Weise dargestellt. In
dieser Figur stellen ß und nG Drehschwingungswinkel einer-ersten und einer zweiten
Schwingungsmasse P und Q dar, die durch eine längliche Torsionsfeder R starr verbunden
sind. "A" ist ein Knotenpunkt dieses Schwingungssystems, Der Knotenpunkt "A" liegt
auf einem runkt, der die Gesamtlänge L der Stange R in einem Verhältnis von 1 :
n teilt, siehe Fig. 5. Es ist bekannt daß ein besonders günstiges Ergebnis erzielt
wird, wenn der Unterstützungspunkt des Systems in dem Knotenpunkt gelegt wird0 Durch
eine solche Maßnahme werden unvermeidliche Schwingungsverluste auf einen Kleinstwert
verringert0 Bei dem in Fig. 6 dargestellten Schwinger, der demjenigen nach Fig.
4 und 3 entspricht, sind durch mehrere punktierte Linien die Knotenlinien dargestellta
welche zwischen dem
Biegeschwingungsbereich und dem Torsionsschwingungsbereich
auftreten. Es zeigt sich, dalJ die günstigste Lage der Verbindungsstreben 14 und
15 von der praktischen breite der Schwingarme 10b, 10b' und 10c abhängt. Die Querlänge
L1 des torsionsweise schwingenden Teiles hängt natürlich von der Armbreite abO Diese
Länge L1 ergibt sich, indem eine seitliche oder waagerechte Linie vom Kreuzpunkt
zweier mit Bezug auf den mittleren Schwingarm 10c sich kreuzender Knotenlinien bis
zur Kreuzung mit der geneigten Knotenlinie gezogen wird, die zum linken Arm 10b
gehört. Die Breite des Fußteiles oder Joches 11 ist in Fig. 6 mit b angegeben.
-
Es wird wieder angenommen, da die Breite des mittleren Armes 10c =
2a/n, die Amplitude des äußeren Armes A1 und die des mittleren Armes A2 ist0 Dann
gilt: A1 = (6) L2 = L1 1+n (7) Hierbei ist L2 die Länge zwischen den Punkten c und
d in Fig0 6, wobei d der Knotenpunkt ist0 Versuche haben gezeigt, da die vorstehenden
Beziehungen auch für die Praxis zutreffen, Es konnte auch gezeigt werden, daß durch
Anordnung der Verbindungsstreben 14 und 15 in der weise, das den vorstehenden Deziehungen
genügt wird, eine verbesserte Frequenzstabilität, Resonanzschärfe und hohe Wirksamheit
für den mechanischen Schwinger d-er erfindung mäßen Art erreicht werden0
Die
vorstehende mathematische Beziehung kann in die folgende Formel abgewandelt werden
L2 = L1 1+n = L1 x 2/3 (8) falls n = 2 Fig. 7 und 8 zeigen Diagramme, in denen die
Frequenzänderung in Abhängigkeit von der Spannungsänderung abgetragen ist und aus
denen die verbesserung des Isokronismus erkennbar wird. In Fig0 8 wird der Isokronismus
dadurch korrigierend eingestellt, dalD die Lage eines nicht dargestellten magnetischen
Korrekturgliedes mit U-förmigem Querschnitt mechanisch in Richtung a& den Vorschubmagneten
oder von diesem fort geändert wird0 Durch richtige Einstellung der Lage des magnetischen
Korrekturteiles mit zuzug auf den Vorschubmagneten kann die Kennlinie von (a) auf
(b) geändert werden, wobei die letztere einen besseren Isokronismus darstellt, auf
Nach der Erfindung kann auch/das übliche magnetische Korrekturglied ohne Nachteil
verzichtet werden. Tatsächlich wird eine günstigere und flachere Kennlinie (b'),
siehe Fig. 7, erreicht, wodurch die demgegenüber aus der Ebene im wesentlichen verschobenen
Kennlinien (a') und (c') vermieden werden. Die Kurve (a') in iig. 7 entsPricht der
Kurve (a) in Fig0 8. Die Kurve (c') veranschaulicht eine ähnliche Kurve, die mit
einem üblichen dreiarmigen Schwinger erzielt worden ist, dessen äußere Arme an ihren
Enden mechanisch' durch ein Querstück verbunden sind0
In den Fig.
9 - 11 ist eine weiter ausgestaltete praktische Ausführungsform der Erfindung dargestellt.
In diesem beispiel sind Bezugszeichen verwendet, die den Bezugszeichen der ersten
Ausführungsform unter Zuzählung von 100 entsprechen und unabhängig von kleinen Uhterschieden
im wesentlichen die zeichen zeile bezeichnen. Fig0 11 zeigt dabei eine Endansicht,
teilsweise im Schnitt.
-
Die Abtast- und Antriebsmagneten 117 und 118 sind fest mit ihren entsprechenden
Halterungsgliedern 117' und 118' durch Preßsitzpassung, festklebend oder eine andere
Befestiungsart verbunden. Die Halterungsglieder 117' und 118' sind im Punktschweißverfahren
an den Schwingarmen 110b' und 110b befesti0t, wie durch die kleinen punktierten
Kreise 117" und 118" angedeutet ist0 Der Vorschubmagnet 119 ist ebenfalls fest an
seinem Halterüngssteg 119' angeordnet, der wiederum im Punktschweißverfahren am
freinen Ende des mittleren Schwingarmes 110c bei 119" befestigt ist. In diesem all
enthält die wirksame Länge jedes Schwingarmes einen entsprechenden Teil des zugehörigen
MagnethaltestegesO Die .rbeitsweise dieser Ausführungsform ist praktisch die gleiche
wie bei den vorhergehenden beispielen.
-
- PATENTANSPRÜCHE -