DE2115885B2 - Mechanischer schwinger mit drei parallelen schwingarmen - Google Patents

Description

wobei L\ die seitliche Länge des torsionsweise schwingenden Teiles des Schwingers und Lz der Abstand der Mitte des Verbindungssteges (15) zum Fußtei! (10<ij von der Mitte des mittleren SchwingermesflOc,) ist.

Die Erfindung bezieht sich auf einen mechanischen Schwinger für eine Zeitbasis mit drei parallelen, in einer Ebene liegenden, zumindest im wesentlichen gleich langen Schwingarmen, deren mittlerer Arm in entgegengesetzter Phase zu den beiden anderen Armen 4s schwingt, und mit an den Enden der Arme befestigten Abtast-, Antriebs- und Fortschaltmagneten, von denen letzterer zur intermittierenden Fortschaltung magnetisch mit einem Rad zusammenarbeitet, das drehbar auf einem festen Teil angeordnet ist. Ein solcher mechanischer Schwinger wird insbesondere verwendet, um in einem Uhrwerk magnetisch ein Rad anzutreiben, das zu dem für die Zeitanzeige vorgesehenen Uhrwerksgetriebe gehört.

Aus der US-PS 34 62 939, siehe z. B. Fig. 14, ist ein mechanischer Schwinger bekannt, bei welchem die beiden äußeren Arme an ihren Endspitzen durch ein Querstück verbunden sind, das als Fortschaltmagnet mit dem Magnetrad des Uhrgetriebes zusammenarbeitet. Der mittlere Arm weist einen Magneten auf, der mit <io einer feststehenden Spule einer kombinierten elektronischen Abtast- und Antriebsschaltung zusammenarbeitet. Eine weitere Spule dieser Schaltung arbeitet mit einem Magneten zusammen, der nach dem Stand der Technik entweder auf dem mittleren Ann gegenüberlie- (>s gend oder in axialem Abstand auf der gleichen Seite angeordnet ist. Der Fortschaltmagnet für das Magnetrad einerseits und der Ablast- und der Antriebsmagnet

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andererseits Hegen bei diesen Ausführungsformen sozusagen kreuzweise zueinander. Bekannte Schwingungseinrichtungen sind dadurch verhältnismäßig kompliziert und weisen einen hohen Energieverbrauch auf. Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen mechanischen Schwinger zu schaffen, der trotz eines verhältnismäßig geringen Energieverbrauchs für die Fortschaltung des Magnetrades eine ausreichend große Amplitude liefert. Zu diesem Zweck ist ein mechanischer Schwinger der eingangs erwähnten Art so ausgebildet, daß das Breitenverhältnis jedes äußeren Armes zum mittleren Arm π : 2 ist, wobei η eine positive ganze Zahl größer als 1 ist, und daß an den freien Enden der äußeren Arme ein Abtast- bzw. ein Antriebsmagnet befestigt ist, während das freie Ende des mittleren Arms den Fortschaltmagneten trägt.

Der erfindungsgemäße Schwinger ermöglicht eine sehr genaue und gleichmäßige Weiterschaltung des zum Uhrwerk gehörenden Magnetrades.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Ausführungsformen mit Hilfe der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen wesentlichen Teil einer zum Stand der Technik gehörenden Schwingungseinrichtung,

Fig. 2 eine der Fig. 1 ähnliche Ansicht zur Veranschaulichung der Dimensionierung der Schwingerarme entsprechend der Erfindung,

Fig. 3 eine vergrößerte schaubildliche Ansicht einer ersten Ausführungsform einer für praktische Zwecke verwendbaren Schwingungseinrichtung, die mit einem Magnetrad zusammenarbeitet, wobei die Dimensionierung des eigentlichen Schwingers der nach F i g. 2 entspricht,

F i g. 4 einen Teil des mechanischen Schwingers nach Fig. 3,

Fig. 5 eine vereinfacht dargestellte schaubildliche Ansicht zur Veranschaulichung der Arbeitsschwingung eines Torsionsschwingungssystems, F i g. 6 eine Draufsicht auf den Schwinger nach F i g. 3

F i g. 7 und 8 Diagramme zur Veranschaulichung des mit der Erfindung erreichbaren besseren Isochronismui und

Fig.9—11 eine Draufsicht, eine Seitenansicht unc eine Endansicht eines gegenüber F i g. 6 abgewandelter mechanischen Schwingers.

Zunächst soll, bevor die Erfindung beschreiben wird ein üblicher mechanischer Uhrwerksschwinger al: Vergleichsbeispiel anhand von F i g. 1 erläutert werden.

F i g. 1 zeigt einen dreiarmigen üblichen Schwinger 1 der einen Fußteil la und drei parallel Schwingarme Ii Ic, \b'aufweist, die in einem Stück hergestellt sind. Die Arme \b und lö'liegen an den beiden Außenseiten dei Schwingers, und der Arm 1 c liegt in der Mitte zwischer den beiden äußeren Armen \b und \b'. Obwohl irr einzelnen nicht dargestellt, haben alle Schwingarme di< gleiche konstante Dicke, die mit h angegeben wird. Di< wirksame Länge aller dieser Arme ist ebenfalls gleid und ist in Fig. I mit /bezeichnet. Die äußeren Arme Ii und \b' haben eine bestimmte konstante Breite a während der mittlere Arm lc die doppelte Breite 2. aufweist. Die äußeren Arme schwingen in Amplitud« und Phase übereinstimmend, während der mittlere Arn Ic in entgegengesetzter Phase zu den äußeren Armer schwingt. Diese Anordnung ermöglicht eine bevorzugt« und besonders vorteilhafte Arbeitsweise.

Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß die Schwingungsamplitude der äußeren Arme dieselbe wie die des mittleren Armes ist.

Ein erfindungsgemäß verbesserter mechanischer Schwinger 10, siehe Fig. 2, weist wiederum drei parallele Arme auf, nämlich die beiden äußeren Arme 106 und lOft'und einen mittleren Arm 10c die parallel zueinander liegen und mit dem Fußteil 10a in einem Stück hergestellt sind. Die wirksame Länge dieser Schwingungsarme ist so gewählt, daß alle eine bestimmte gemeinsame Länge /haben. Die Breite jedes äußeren Armes beträgt wie oben a. 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 η eine positive ganze Zahl größer als 1 ist.

Es wird jetzt angenommen, daß die .Schwingungsamplitude der äußeren Arme A] und ihre äquivalente Masse M] und die äquivalente Federkonstante k\ ist. Die entsprechenden Größen für den mittleren Arm sind A:, M_: und k₂. Daraus ergeben sich die folgenden Beziehungen:

A₂/A_x = I! .

Ai₂ = Λ-/, /i. k₂ = k_X;)i .

(I) (2) (3)

Die in F i g. 1 und 2 dargestellten Schwinger sollen mit einem drehbar angeordneten Magnetrad zusammenarbeiten, wie in Fig. 3 bei 22 gezeigt. Es wird angenommen, daß die Amplitude A ausreicht, um das Magnetrad weiterzubewegen, wie noch mit Bezug auf Fig. 3 ausführlich erläutert wird. Es wird weiter angenommen, daß die kinetische Energie eines regular schwingenden üblichen Schwingers 1 mit E₀ und die des verbesserten Schwingers 10 mit En anzugeben ist. Dann ergeben sich die folgenden Formeln:

E₀ = M₁A²

= nM₇A²o,²

(4)

(5)

des jeweiligen mechaniwobei ω die Eigenfrequenz
schen Schwingers ist.
Da η größer als 1 ist, gilt:

E_n>E_N.

Das ergibt sich klar durch Vergleich der Formeln 4 und 5.

Zusätzlich hierzu hat sich durch praktische Versuche bestätigt, daß die Resonanzschärfe Q des verbesserten Schwingers wenigstens gleich derjenigen eines üblichen Schwingers ist und häufig dieser sogar überlegen.

Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß durch Verwendung des verbesserten mechanischen Schwin

gers der Kraftverbrauch im Vergleich zu bekannten Einrichtungen wesentlich günstiger wird.

Bei der bisherigen Beschreibung sind die an den Enden der Schwingarme befestigten Schwingmassen absichtlich aus der Betrachtung herausgelassen worden, um deutlicher die Bedeutung de^r Dimensionierung hervortreten zu lassen, in der Praxis müssen natürlich diese Massen berücksichtigt werden. Durch praktische Versuche ist bestätigt worden, daß, falls die Massen und auch ihre Verteilung so gewählt werden, daß sie der Formel 2 genügen, die gewünschte Wirkung, die aufgrund der mathematischen Ableitungen zu erwarten ist, leicht erreicht werden kann.

In der F i g. 3 gezeigten praktischen Einrichtung ist der mechanische Schwinger 10 so angeordnet, daß er das Magnetrad 22 magnetisch weiterrückt, wie bereits kurz erwähnt wurde. In dieser Ausführungsform ist π mit 2 gewählt worden. Der Schwinger tO weist einen Fußteil 10a, äußere Arme 106, lOö'und einen mittleren Arm 10c auf, wie in F i g. 2. In F i g. 2 ist der Fußteil 10a vereinfacht dargestellt; der ebenfalls mit 10a bezeichnete Fußteil der praktischen Ausführungsform ist mit einem Piar 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 Fußteil 10a ist mit zwei getrennten öffnungen 16 ausgebildet, durch die nicht dargestellt Kopfschrauben gesteckt werden können, um damit den mechanischen Schwinger 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 106' und Wb tragen an ihren Endspitzen fest und starr angeordnete zylindrische Permanentmagneten 17 bzw. 18, die z. B. aufgeklebt oder durch ein anderes übliches Befestigungsmittel befestigt sein können. Die Polaritäten dieser Magneten 17 und 18 sind in F i g. 4 eingezeichnet. Der Magnet 17 dient in dieser Ausführungsform als Abtastmagnet, während der Magnet 18 als Antriebsmagnet dient.

Eine stationäre Abiastspule 20 und Antriebsspule 21 sind so angordnet, daß sie mit dem Abtastmagneten 17 bzw. dem Antriebsmagneten 18 zusammenarbeiten. Obwohl nicht dargestellt, sind diese Spulen 20 und 21 starr in bekannter Weise auf der unteren Platte dts Uhrwerks angeordnet.

Der mittlere Schwingarm 10c ist an seinem freien Ende mit einem Fortschaltmagneten versehen, der im wesentlichen U-förmig ist und in einer mit Bezug auf die Schwingungseinrichtung senkrechten Ebene liegt. Zwischen den sich nähernden freien Enden aes Magneten 19 ist ein Luftspalt 19a vorgesehen, so daß der Magnet mit dem Magnetrad 22 zusammenarbeiten kann, das Umfangszähne 22a und in radialer Richtung 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 Fortschaltmagnet 19 schwingt mit einer bestimmten Amplitude, welche das doppelte der Schwingungsampli-

lüde der äußeren Arme 10b und 106''beträgt. Falls die positive ganze Zahl n = 3 ist, vergrößert sich die Amplitude auf das Dreifache der Schwingungsamplituclc der äußeren Arme lOiuind tO/>', usw. Die Amplitude des Vorschubniagnctcn 19 ist so gewählt, daß dadurch das Rad 22 in seinem Drehsinn vorgerückt werden kann, d. h., daß der Schwingungsbereich des Luftspalts 19.7 die Ausnehmung 22b ausreichend überdeckt, gesehen in der Vertikalcbene, in der der Fortschaltmagnet schwingt. Durch die beschriebene Anordnung ist es nicht erforderlich, ein Verbindungsstück zu verwenden, welches die linden der äußeren Schwingarme 10i> und 106'starr verbindet.

Die Abtastspule 20 und die Antriebsspule 21 sind elektrisch mit einer üblichen elektronischen Abtast- und Antriebsschaltung 23 (siehe F i g. 3) verbunden. In dieser Ausführungsform ist die Schaltung 23 in ihrer grundsätzlichen und einfachsten Form dargestellt; sie weist einen Transistor 24, eine Batterie 25, einen Widerstand 26 und einen Kondensator 27 auf, die elektrisch in der dargestellten Weise verbunden sind. Die Schaltung kann jedoch technisch noch besser ausgestaltet sein, mit zwei oder mehr Transistoren und anderen zusätzlichen Schaltungsbestandteilen, wie Widerständen und Kapazitäten, wie an sich bekannt ist.

Da die beschriebene Schwingungseinrichtung kein Querstück zum Verbinden der Enden der äußeren Schwingungsarme aufweist, wird der Zusammenbau wesentlich erleichtert.

Außerdem wird der K raft verbrauch erheblich verringert, da das Gewicht der schwingenden Massen, das an den Enden der Schwingarme befestigt ist, durch Vermeidung des Querstückes verringert wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform fällt der Schwerpunkt der äußeren Massen 17 und 18 mit dem der zentralen Masse bzw. des Fortscnaltmagnetcn 19 zusammen, wenn der Schwinger 10 im Ruhezustand betrachtet wird.

In Fi g. 5 ist ein Drehschwingsystem in vereinfachter Weise dargestellt. In dieser Figur stellen θ und π θ Drehschwingungswinkel einer ersten und einer zweiten Schwingungsmasse Pund Qdar, die durch eine längliche Torsionsfeder R starr verbunden sind. »y4« ist ein Knotenpunkt dieses Schwingungssystems. Der Knotenpunkt »A« liegt auf einem Punkt der die Gesamtlänge L der Stange R in einem Verhältnis von 1 : π teilt, siehe F i g. 5. Es ist bekannt, daß ein besonders günstiges Ergebnis erzielt wird, wenn der Unterstützungspunkt des Systems in dem Knotenpunkt gelegt wird. Durch eine solche Maßnahme werden unvermeidliche Schwingungsverluste auf einen Kleinstwert verringert

Bei dem in Fig.6 dargestellten Schwinger, der demjenigen nach Fig.4 und 3 entspricht sind durch mehrere punktierte Linien die Knotenlinien dargestellt welche zwischen dem Biegeschwingungsbereich und dem Torsionsschwingungsbereich auftretea Es zeigt sich, daß die günstigste Lage der Verbindungsstreben 14 und 15 von der praktischen Breite der Schwingarme 106. 106' und 10c abhängt Die Querlänge L\ des torsionsweise schwingenden Teiles hängt natürlich von der Armbreite ab. Diese Länge Ia ergibt sich, indem eine seitliche oder waagerechte linie vom Kreuzpunkt zweier mit Bezug auf den mittleren Schwingarm IOC sich kreuzender Knotenlinien bis zur Kreuzung mit der geneigten Knotenlinie gezogen wird, die zum linken Arm 106 gehört Die Breite des Foeteiles oder Joches 11 ist in F i g. 6 mit b angegeben.

Es wird wieder angenommen, daß die Breite des

mittleren Armes I0c=2a/n, die Amplitude des äußeren Armes Λ ι und die des mittleren Armes A₂ ist. Dann gilt:

/,₂ = L_x

Hierbei ist L₂ die Länge zwischen den Punkten cund d in F i g. 6, wobei c/der Knotenpunkt ist.

Versuche haben gezeigt, daß die vorstehenden Beziehungen auch für die Praxis zutreffen. Es konnte is auch gezeigt werden, daß durch Anordnung der Verbindungsstreben 14 und 15 in der Weise, daß den vorstehenden Beziehungen genügt wird, eine verbesserte Frequenzstabilität, Resonanzschärfe und hoher Wirkungsgrad für den mechanischen Schwinger der ;i> erfindungsgemäßen Art erreicht werden.

Die vorstehende mathematische Beziehung kann in die folgende Formel abgewandelt werden:

Ly = L₁

1 +η

2 3

ίο falls η = 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 Fig.8 wird

_i5 der Isokronismus dadurch korrigierend eingestellt, daß die Lage eines nicht dargestellten magnetischen Korrekturgüedes mit U-förmigem Querschnitt mechanisch in Richtung auf den Fortschaltmagneten oder von diesem fort geändert wird. Durch richtige Einstellung der Lage des magnetischen Korrekturteiles mit Bezug auf den Vorschubmagneten kann die Kennlinie von (a) auf (b) geändert werden, wobei die letztere einen besseren Isokronismus darstellt.

Nach der Erfindung kann auch auf das übliche magnetische Korrekturglied ohne Nachteil verzichtet werden. Tatsächlich wird eine günstigere und flachere Kennlinie (b'% siehe F i g. 7, erreicht wodurch die demgegenüber aus der Ebene im wesentlichen verschobenen Kennlinien (a') und (c') vermieden werden. Die Kurve (a') in Fig. 7 entspricht der Kurve (a) in F i g. 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 sind.

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 unte· Zuzähhmg von lOO entsprechen und unabhängig von

kleinen Unterschieden im wesentlichen die gleichen Teile bezeichnen. Fig. 11 zeigt dabei eine EndansicKt teilweise im Schnitt

Die Abtast- und Antriebsmagneten 117 und 118 sind fe«rt mit ihren entsprechenden Halterungsgliedern 117'

und 118' durch Preßsitzpassung, festklebend oder eine andere Befestigungsart verbunden. Die Halterungsglie der 117' und 118' sind im Punktschweißverfahren an den Schwingarmen 1106'und 110& befestigt wie durch die

kleinen punktierten Kreise 117" und IIS" angedeutet ist. Der l'onscliallmagnet 119 ist ebenfalls fest an seinem I lalteningssieg 119' angeordnet, der wiederum im l'unkiscliweil.iveilahren am freien l'.iuledes mittleren Sclnwngannes I Kh-bei I 19" befestigt ist. In diesem !'all

enthält die wirksame Länge jedes Sehwingarnies ein entsprechenden Teil ties zugehörigen Magnethaltes ges. Die Arbeitsweise dieser Auslülirungslorm
praktisch die gleiche wie bei ilen vorhergehend Beispielen.

llieivu 2 HIaIl /.eichnunueii

Claims (3)

Patentansprüche: 21

1. Mechanischer Schwinger für eine Zeitbasis mit drei parallelen, in einer Ebene Hegenden, zumindest im wesentlichen gleich langen Schwingarmen, deren mittlerer Arm in entgegengesetzter Phase zu den beiden anderen Armen schwingt, und mit an den Enden der Arme befestigten Abtast-, Antriebs- und Fortschaltmagneten, von denen letzterer zur intermittierenden Fortschaltung magnetisch mit einem Rad (22) zusammenarbeitet, das drehbar auf einem festen Teil angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Breitenverhältnis jedes äußeren Armes (lOö, tOb')zum mittleren Arm (IGqJη :2 ist, wobei π eine positive ganze Zahl größer als 1 ist, und daß an den freien Enden der äußeren Arme (10£>, 1067 ein Abtast- bzw. ein Antriebsmagnet (f 7, f8) befestigt ist, während das freie Ende des mittleren Arms (lOc^den Fortschall magneten (19) trägt.

2. Schwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwerpunkt der kombinierten Massen des Abtast- und des Antriebsmagneten (17, 18) auf einem Punkt im Raum liegt, der dem Schwerpunkt des Fortschaltmagneten (19) bei Betrachtung des Schwingers in neutraler Stellung entspricht.

3. Schwinger nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein Verhältnis