DE2328073C3 - Oszillator für die Zeitmessung mit einem Resonator, auf den elektrostatische Kräfte einwirken - Google Patents

Description

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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Oszillator für die Zeitmessung mit einem Resonator, dessen Schwingung durch mindestens ein durch elektrostatische Kräfte zwischen an einer Gleichspannungsquelle liegenden Elektroden hin und her bewegliches Teil angeregt wird, wobei das Teil durch wechselweise Kontaktgabe mit den Elektroden umgeladen wird. Solche elektrostatische Antriebe eignen sich besonders gut zum Anschluß an eine Gleichspamiungsquelle hoher Spannung, insbesondere eine Isotopenbatterie mit direkter Konversion.

Es sind verschiedene auf elektrostatischem Prinzip beruhende Antriebe oder Oszillatoren bekannt, die jedoch vornehmlich mit Wechselstrom betrieben werden. Diese sind fürden gedachtenAnwendungszweck z.B. Umwandlung einer hohen Gleichspannung in mechanische Energie, ungeeignet. Die elektrostatischen Wandler, welche lediglich einen Antrieb darstellen, können mit einem einfachen Schwingkondensator, der im normalen Um- oder Entladeverfahrei arbeitet, betrieben werden. Diese eignen sich jedoct nicht für den Unterhalt einer mechanischen Oszillation. Wenn z.B. mit einem einfachen Schwingkondensator, welcher lediglich einseitig im Entladeverfahren arbeitet, ein mechanischer Resonator angetrieben werden sollte, würde dieser nur einseitig einer Impuls erhalten, bis sich die Kondensatorplatten berühren und entladen. Der Wirkungsgrad wäre demzufolge sehr schlecht und die Frequenz des mechanischen Resonators müßte größer sein als z. B. die extrem kleine Zeitkonstante der Aufladezeit oder die Frequenz der Kondensatorfeder. Dies ist praktisch genommen nicht durchführbar. Bevor der mechanische Resonator wiederum in seine Ausgangsposition zurückkehren würde, könnte die Kondensatorfedei wieder angezogen sein, was keinen Synchronismus gewährleistet. Das zeitbestimmende Glied in diesem Fall wäre die Kondensatorfeder. Wollte man einen einseitig wirkenden Schwingkondensator für einen mechanischen Resonator verwenden, welcher im Nullpunkt den Impuls erhält, ist dies insofern nicht möglich, weil für eine Halbschwingung der Impuls zwai möglich wäre, aber beim Durchlauf des Nullpunktes die Kondensatorfeder übersprungen werden müßte für die zweite Halbschwingung und der Antrieb füi die weitere Schwingung auf der falschen Seite dei Kondensatorfeder erfolgen würde. Das gleiche gilt auch für die Fälle, wo der mechanische Resonator beim Durchlaufen des Nullpunktes einen Kontakt berühren könnte, um den Kondensator mit Strom zu versorgen. In diesen Fällen müßte ein Kommutatorprinzip vorliegen, was für Nullpunktimpulse in wechselseitiger Form nicht möglich ist. Ein Antrieb eines mechanischen Resonators nach obigen bekannten Ausführungen von Schwingkondensatoren ist deshalb nicht möglich. Mit bekannten wechselseitig arbeitenden selbstentladenden Schwingkondensatoren isl ebenfalls ein Antrieb eines mechanischen Resonators ausgeschlossen, da die in sich starren schwingenden Kondensatorplatten keine freie Schwingung des mechanischen Resonators zulassen.

Es ist das Ziel vorliegender Erfindung, die Mängel aller obenerwähnten, bekannten Anordnungen zu umgehen. Der erfindungsgemäße Oszillator ist dadurch gekennzeichnet, daß an der Kontaktgabe mindestens ein elastisch verformbares Organ beteiligt ist, dessen elastische Verformungsenergie bei der Kontaktgabe wesentlich geringer ist als die potentielle Schwingungsenergie des Resonators.

Es kann in dieser Weise ein einfaches System hohen Wirkungsgrades erzielt werden, das infolge einei praktisch ungestörten Schwingung des Resonators hohe Ganggenauigkeit gewährleistet. Störende Schläge des zwischen den Elektroden beweglichen Teils gegen starre Elektroden werden vermieden. Diese Tatsache ist von besonderer Bedeutung bei der Speisung des Oszillators mit einer Isotopenbatterie, deren Leistung im Laufe der Zeit abnimmt. Es ist dabei nämlich nicht zu vermeiden, daß im Neuzusiand einer Uhr die Schwingungsamplituden größer gewählt werden müs-

sen als unbedingt für eine sichere Kontaktgabe erforderlich wäre, damit die ordnunpgemäßc Kontaktgabe auch später, wenn die Amplitude etwas absinkt, gewährleistet bleibt

Vorzugsweise wird das z. B. als Feder ausgebildete bewegliche Teil mit einem Resonator gekuppelt, dessen potentielle Energie wesentlich höher ist als die potentielle Energie des Teils selbst Als Resonator kommt vor allem eine Unruh bzw. ein Torsionsschwinger hoher Frequenz, ζ. B. 50 Hz, in Frage. Damit ist nicht nur eic hohes Verhältnis zwischen der potentiellen Energie des Resonators und der Energie der auftretenden elastischen Verformung möglich, sondern die Amplitude des Resonators kann erheblich größer gewählt werden als diejenige des zwischen den Elektroden beweglichen Teils, womit die Fortschaltung des Räderwerks vom Resonator her erheblich erleichtert ist gegenüber der Fortschaltung direkt durch eine zwischen den Elektroden schwingende Feder.

Die Erfindung wird nun an Hand mehrerer Ausführungsbeispiele erläutert, die in der Zeichnung schematisch dargestellt sind.

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel mit einer Unruh, dse mit einer antreibenden Schwingfeder „ gekuppelt ist;

Fig. la zeigt eine Ausführungsvariante;

Fig. 2 zeigt die Unruh und Schwingfeder uach F i g. 1 in einer Extremlage;

F i g. 3 und 4 zeigen den Spannungsverlauf an den Elektroden bei verschiedenen Schwingungsamplituden der Unruh nach Fig. 1;

Fig. 5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel mit an einer Unruh befestigter Schwingfeder;

F i g. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel mit zweiarmigem Antriebshebel;

F i g. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einseitig wirkendem Antriebssystem;

F i g. 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einer Stimmgabel als Resonator, und

F i g. 9 zeigt eine weitere Ausführungsform.

Fig. 1 zeigt schematisch die als Scheibe ausgebildete Unruh 1, die auf einer Achse 2 befestigt ist. Die Spiralfeder 3 ist in bekannter Weise an der Unruhachsel und am äußeren Ende befestigt, wobei ihre wirksame Länge zur Regelung des Ganges veränderbar ist.

Die Unnihscheibe 1 ist mit zwei Stiften 4 versehen, zwischen welchen das freie Ende einer Blattfeder S mit Spiel eingreift. Das andere Ende der Blattfeder 5 ist eingespannt, wie Fig. 1 schematisch andeutet. Näher beim eingespannten als beim freien Ende der Blattfeder 5 sind seitlich derselben zwei Platten als Elekroden 6 angeordnet. Die Elektroden sind direkt mit einer hochohmigen Spannungsquelle, vorzugsweise einer Isotopenbatterie mit direkter Konversion verbunden. Die Blattfeder S ist sowohl in ihrer Einspannung als auch gegenüber der Unruh 1 isoliert. Es können beispielsweise Stifte 4 aus Isoliermaterial, ζ. Β. Saphir, verwendet werden.

Wenn die Unruh 1 durch äußeren Einfluß zu schwingen beginnt, so berührt die Blattfeder 5 dis eine Elektrode 6 und wird auf deren Potential aufgeladen. Sie wird dann von der berührten Elektrode abgestoßen und gegen die andere Elektrode angezogen. Dabei überträgt die Feder 5 Energie an die Unruh 1. Bei Berührung mit der anderen Elektrode 6 wird die Feder 5 erneut umgeladen und wird nun auf die andere Seite bewegt, wobei sie wiederum Energie

an die rückschwingende Unruh überträgt. Die Schwingung der Unruh 1 wird in dieser Weise aufgeschaukelt. Da es zur Aufrechterhaltung einer Schwingung erforderlich ist, daß die Feder 5 jeweils die beiden Elektroden 6 erreicht und dieselben berührt, muß die Schwingungsamplitude unternormalen Betriebsbedingungen um einen gewissen Sicherheitsfaktor höher gewählt werden, als es zur Erfüllung dieser Bedingung gerade erforderlich wäre. Dazu kommt, daß im Falle einer Isotopenbatterie, deren Leistung im Laufe der Zeit absinkt, die Schwingungsamplitude in der neuen Uhr noch höher sein muß, damit-auch gegen Ende der Lebensdauer, d.h., ungefähr bei Halbwertszeit des in der Batterie verwendeten radioaktiven Materials, insbesondere Tritium, die Amplitude noch genügt.

Es ist somit klar, daß die Bedingungen so zu wählen sind, daß die Unruh 1 in einer bestimmten Richtung noch weiterschwingt, wenn die Feder 5 in der entsprechenden Richtung bereits auf die Elektrode 6 aufgetroffen ist. F i g. 2 zeigt die ungefähren Verhältnisse bei einer Extremlage der Unruh. Die Feder 5 ist ziemlich stark durchgebogen und stützt sich an einer Kante der einen Elektrode 6 ab. Die strichpunktierte Linie 7 bezeichnet die Lage und Form der Feder S im Augenblick, wo sie auf die rechte Elektrode auftreffen bzw. sich von derselben lösen würde. Es erfolgt daher während jeder Halbschwingung der Unruh eine gewisse elastische Durchbiegung der Feder 5. Die Verformungsenergie und Verformungskraft ist jedoch so gering, daß die Schwingung der Unruh als praktisch freie Schwingung betrachtet werden kann. Insbesondere ist die Verformungsenergie der Feder 5 bedeutend geringer als die potentielle Energie der Unruh, d. h., die Energie der voll gespannten Spiralfeder 3 bzw. die kinetische Energie der Unruhscheibe 1 bei ihrem Nulldurchgang mit maximaler Geschwindigkeit. Die maximale Verformungskraft der Feder 5 soll etwa gleich sein der Anregungskraft, und die Verfonnungsenergie soll in derselben Größenordnung liegen wie die Antriebsenergie pro Halbschwingung. Unter diesen Verhältnissen kann mit sehr einfachen Mitteln eine zuverlässige Gangregelung erzielt werden, weil der als Unruh ausgebildete Resonator praktisch frei· schwingt und somit seine Frequenz praktisch unabhängig ist von Amplitudenschwankungen. Wäre dagegen das elektrostatische Antriebssystem starr mit dem Resonator gekuppelt, so würde die Schwingung des Resonators erheblich gestört und die Frequenz würde dann stark abhängig von der Geschwindigkeit, mit welcher das antreibende Teil die Strecke zwischen den beiden Elektroden durchlaufen würde.

Daß keine Instabilität in dem Sinne eintreten kann, daß bei höherer Amplitude infolge des längeren Verweilens der Feder 5 jeweils an der einen Elektrode 6 είπε höhere Aufladung erfolgen und damit die Amplitude unkontrollierbar immer höher werden könnte, soll an Hand der F i g. 3 und 4 gezeigt werden. Die Diagramme F i g. 3 und 4 zeigen den Verlauf der Spannung an den Elektroden 6. Im Einschaltzeitpunkt 0 beginnt die Aufladung des durch die Elektroden gebildeten Kondensators gemäß der Ergiebigkeit der Spannungsquelle. Es erfolgt dabei eine Aufladung praktisch auf eine begrenzte Maximalspannung. Bei der Berührung einer Elektrode durch die Feder 5 erfolgt ein Spannungsabfall durch die plötzliche Aufladung bzw. Umladung der Feder. Solange die Feder 5 in Berührung mit einer Elektrode steht,

ist die Kapazität des Kondensators erhöht und es erfolgt ein verlangsamter Anstieg der Spannung. Löst sich die Feder 5 dann von einer Elektrode, so verringert sich die Kapazität und die Spannung steigt nach einem kleinen Sprung schneller an. Die F i g. 3 und 4, welche die Verhältnisse bei kleinerer bzw. größerer Amplitude zeigen, lassen erkennen, daß die Feder um so stärker aufgeladen wird, je langer sie in Berührung mit einer Elektrode steht, und somit auch um so mehr Ladung transportieren wird, je länger sie mit einer Elektrode in Berührung stand. Damit wird aber die Ladung der Elektroden bzw. der Spannungsquelle auch rascher abgebaut. Da ferner die Frequenz des Ladungstransportes durch die Unruh 1 konstant gehalten wird, erfolgt ein um so intensiverer Ladungstransport je höher die Spannung zwischen den Elektroden 6 steigt und je höher die Amplitude der Unruh ist. Es stellt sich daher ein natürlicher Regelprozeß ein, der ein unkontrolliertes Ansteigen der Ladung an den Elektroden 6 verhindert, und der übrigens unterstützt wird durch die erhöhten Verluste durch stärkere Verbiegung der Feder 5, stärkere Reibung zwischen den Stiften 4 und der Feder 5 und erhöhte Reibungsverluste der Unruh selbst bei höherer Amplitude. Berechnungen haben im übrigen ergeben, daß die Amplitude bei Neuzustand einer Isotopenbatterie die Amplitude nach Ablauf der Halbwertszeit, wo also die Spannung theoretisch auf die Hälfte und die Antriebsenergie theoretisch auf einen Viertel abgesunken ist, um nur etwa 3% übersteigt.

Die gezeigte Anordnung kann in einer Armbandoder Taschenuhr verwendet werden. Die Unruh kann vorzugsweise mit einer Frequenz von 50 Hz und einer Amplitude von rund 15° schwingen. Der Schwingungswinkel übersteigt somit erheblich den Nullpunktswinkel der Spiralfeder. Bei dieser Amplitude und Frequenz der Unruh ist es verhältnismäßig leicht, ein Räderwerk fortzuschalten. Ferner wird, wie erwähnt, eine hohe Ganggenauigkeit bei einer Güte der Unruh von 425 erzielt. Der Raumbedarf für die Unruh und ihr Antriebssystem ist gering.

Für eine Tritium-Zelle mit einer Aktivität von 30OmCi läßt sich folgende elektrische Leistung errechnen:

Elektronen/s 1,3 ■ 10¹⁰

Strom 2 · ΙΟ"» Α

Spannung 1,2- 10²V

Dies ergibt eine Leistung von 2,4· 10"⁷W oder 0,24 μW.

Wie Erhebungen ergeben, beträgt die zum Antrieb eines mechanischen Uhrwerks erforderliche Leistung 0,01 μW. Es steht also eine durchaus genügende Leistungsreserve zur Verfügung, selbst wenn man keinen maximalen Wirkungsgrad voraussetzt. Gegebenenfalls kann auch mit einer schwächeren 2HeUe gearbeitet werden.

Die Ausführung nach Fig. 1 and 2 kann in verschiedenen Punkten abgewandelt werden. So könnte z. 6. das eine Ende der Feder 5 nicht eingespannt sondern gemäß F i g. 1 a drehbar gelagert werden. Dk Kopplung zwischen Feder 5 und Unruh 1 kann in anderer Weise erfolgen, indem z. B. an der Unruh 1 nur ein Stift 4 vorgesehen wird, um welchen eine Gabel der Feder 5 greift.

F i g, 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel, das sich von

demjenigen nach Fig. 1 und 2 dadurch unterscheidet, daß die Antriebsfeder 5' mit der Unruh 1 verbunden ist. Im übrigen sind in F i g. 5 entsprechende Teile gleich bezeichnet wie in den F i g. 1 und 2 und bedürfen keiner weiteren Erläuterung. Bei schwingender Unruh biegt sich die Feder 5' jeweils nach ihrem Auftreffen auf eine der Elektroden 6 durch und ermöglicht damit eine praktisch freie Schwingung der Unruh 1, deren potentielle Energie erheblich höher

ίο ist als die Verformungsenergie der Feder 5'. Die Feder 5' ist isoliert an der Unruh befestigt sofern nicht die Unruh selbst aus nichtleitendem Material besteht.

F i g. 6 zeigt eine weitere Ausführungsvariante, in welcher wiederum entsprechende Teile gleich bezeichnet sind wie in den vorangehenden Figuren. Die Unruh 1 ist in diesem Falle mit einem Stift 4 besetzt, der in eine Gabel am einen Ende eines zweiarmigen Antriebshebels 8 greift. Der Hebel 8 ist um eine

ao Achse 9 schwenkbar. Sein der Gabel gegenüberliegendes Ende liegt zwischen den Elektroden 6. Der eine oder beide Arme des Hebels 8 sind als Feder ausgebildet. Bei schwingender Unruh 1 trifft der untere, zwischen den Elektroden 6 liegende Arm des Hebels 8 wechselweise auf die eine oder andere der Elektroden 6 auf, worauf sich der eine oder beide Arme des Hebels 8 durchbiegen. Wiederum soll die Verformungsenergie des Hebels wesentlich geringer sein als die potentielle Energie der Unruh.

F i g. 7 zeigt eine Ausführung, die derjenigen nach F i g. 1 und 2 entspricht, jedoch nur eine Elektrode 6 aufweist. Die Teile sind gleich bezeichnet wie in Fig. 1. Die Feder 5 ist in diesem Falle direkt mit der Batterie verbunden. Beim jeweiligen Auftreffen der Feder 5 auf die Elektrode 6 wird die Batterie kurzgeschlossen. Es wirken also überhaupt keine elektrostatischen Kräfte, solange die Feder 5 mit der Elektrode 6 in Berührung steht. Wird dann die Feder 5 durch die Schwingung der Unruh 1 von der Elektrode 6 abgehoben, so beginnt die Aufladung des durch die Feder S und die Elektrode 6 gebildeten Kondensators. Während der Halbschwingung der Unruh im Gegenuhrzeigersinn ist die Spannung zwischen der Elektrode 6 und der Feder S noch gering,

so daß die die Schwingung bremsende elektrostatische Kraft entsprechend gering ist. Bei der nachfolgenden Rückschwingung im Uhrzeigersinn ist dagegen die Spannung zwischen Feder und Elektrode 6 bereits erheblich höher, so daß nun eine wesentlich stärkere antreibende Kraft wirkt

F i g. 8 zeigt den Antrieb einer Stimmgabel 10 die in bekannter Weise über eine Klinke 11 ein Klinkenrad 12 antreibt, in welches ferner eine Sperrklinke 13 eingreift. Die Schenkel der Stimmgabel greifen je zwischen zwei entgegengesetzt " larisierte, elastisch Elektroden, von welchen die mittlere Elektrode K U-förmig ausgebildet ist end mit beides Schenket der Stimmgabel zusammenwirkt. Die äueren Elektroden 15 sind L-fönnig ausgeoüdet Das Joch de; Elektrode 14 und die kürzeren halen Schenke der Elektroden 15 sind in nicht dargestellter Weis« befestigt während die parallel za des Stimmgabel schenkein liegenden Teile der Elektroden frei beweg hch sind. Bei der Schwingung der Sal 14 treffen deren Schenkel abwecfashmgsweise auf die ge meinsatne Elektrode 14 oder auf je eme der äußere) Elektroden 15 auf. Die frei beweglichen Schenke der Elektroden weichen dabei elastisch aus, mn di

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freie Schwingung der Stimmgabel nicht zu beeinträchtigen. Wiederum soll die potentielle Energie der Stimmgabel erheblich höher sein als die Verformungsenergie der federnden Elektroden 14 und Mit anderen Worten, sollen die Stimmgabelschenkel praktisch starr sein verglichen mit den federnden Elektroden 14 und

In allen Ausführungsformen können an Stelle der dargestellten starren Elektroden 6 federnde Elektroden vorgesehen sein, welche mit praktisch starren Teilen zusammenarbeiten. Umgekehrt können die Schenkel der Stimmgabel 10 nach F i g. 8 mit federnden Kontakten versehen werden, die auf starre Elektroden 14 bzw. 15 auftreffen. Wesentlich ist es in jedem Falle, daß die Frequenz der federnden Kontakte wesentlich höher sei als diejenige des frequenzbestimmenden Resonators und/oder daß die federnden Kontakte so stark gedämpft sind, daß ihre Eigenschwingung die Kontaktgabe praktisch nicht beeinflußt.

Als Resonator können andere als die dargestellten und beschriebenen Systeme dienen. An Stelle einer Unruh mit Spiralfeder kann ein Torsionspendel vorgesehen sein. An Stelle einer elastischen Rückstell-

kraft kann eine magnetische Rückstellkraft verwendel werden, indem auf der Unruh ein Magnet angeordnet wird, der mit einem ortsfesten Magneten zusammenwirkt.

Bei den Ausführungen nach Fig. 1, 5 und 6 können Schwierigkeiten dadurch entstehen, daß die Feder 5 bzw. 5' infolge ihrer Durchbiegung und Schiefstellung bei der Extremlage der Unruh die beiden Elektroden 6 kurzschließt. Diese Schwierigkeil kann mit der Ausführung nach F i g. 9 umgangen werden, wo an der Unruhscheibe 1 oder an der Unruhwelle 2 nach entgegengesetzten Seiten ragende Federn 5" angebracht sind, die je mit einer Elektrode 6' zusammenarbeiten. Die beiden Federn 5" sind elektrisch verbunden und die Elektroden 6' sind an die Spannungsquelle angeschaltet. Bei Berührung je einei Feder 5" mit einer der Elektroden 6' werden beide Federn 5" auf das Potential der berührten Elektrode 6' geladen, worauf ein Drehmoment auf die beiden Federn 5" wirkt, welches eine Drehung bewirkt durch welche die andere Feder 5" zur Berührung mit der anderen Elektrode 6' gelangt. Damit wird in dei oben beschriebenen Weise die Schwingung der Unruh aufrechterhalten.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims (10)

Patentansprüche:

1. Oszillator für die Zeitmessung mit einem Resonator, dessen Schwingung durch mindestens ein durch elektrostatische Kräfte bezüglich mindestens einer an einer Gleichspanmingsquslle liegenden Elektrode hin und her bewegliches Teil angeregt ψητά, wobei das Teil durch Kontaktgabe mit der oder den Elektroden umgeladen wird, dadurch gekennzeichnet, daß an der Kontaktgabe mindestens ein elastisch verformbares Organ (5) beteiligt ist, dessen elastische Verformungsenergie bei der Kontaktgabe wesendich geringer ist als die potentielle Schwingungsenergie des Resonators.

2. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Teil (S) eine Feder ist, die mit einem Resonator gekoppelt ist.

3. Oszillator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator als Unruh (1, 2, 3, 4) ausgebildet ist.

4. Oszillator nach Anspruch 3, daduich gekennzeichnet, daß die Feder einseitig eingespannt ist und mit ihrem freien Ende mit der Unruh gekoppelt ist oder daß eine einseitig mit der Unruh verbundene Feder mit ihrem freien Ende zwischen die Elektroden (6) greift.

5. Oszillator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspannstellc der Feder näher bei den Elektroden liegt als die Kopplungsstelle der Feder mit der Unruh.

6. Oszillator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Teil als Arm eines zweiarmigen Hebels ausgebildet ist, wobei der andere Arm mit der Unruh gekoppelt ist, und von welchen Armen mindestens der eine als Feder ausgebildet ist.

7. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden elastisch verformbar sind.

8. Oszillator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator als Stimmgabel (10) ausgebildet ist, deren Schenkel zwischen je ein Paar federnder Elektroden (14, IS) greifen.

9. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eigenfrequenz des elastisch verformbaren Organs wesentlich höher liegt als diejenige des Resonators.

10. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator als Torsionsschwinger oder als Schwinger mit magnetischer Rückstellkraft ausgebildet ist.

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