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Oszillator als Gangordner für Uhren Die Erfindung betrifft einen
elektrisch angetriebenen Oszillator als Gangordner für Uhren mit einer schwingenden
Drehmasse, die mit einem einerends drehfest eingespannten, koaxial zur Drehachse
angeordneten Torsionsglied verbunden ist und gegen das rückführende Direktionsmoment
des Torsionsgliedes angetrieben wird, wobei das Torsionsglied ein vorspannungsfreier
Torsionsstab bzw.
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-draht ist, der mit dem oberen Ende der Drehmassenachse verbunden
ist, deren unteres Ende in einem Radiallager drehbar geführt ist, sowie mit einem
Eigenfrequenzabgleich, nach dem Patent (Patentanmeldung P 19 34 419.5).
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Derartige Drehschwingsysteme weisen im allgemeinen mit der Drehmasse
verbundene Permanentmagnete auf,die durch elektrisch betriebene, ruhende Antriebsspulen
entsprechende Antriebsimpulse erhalten.
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Das Torsionsglied, das früher als Spiralfeder und später als Torsionsstab
bzw. -draht ausgebildet wurde, übt auf die Drehmasse ein Direktionsmoment aus, das
dieses aus den äußersten Schwinglagen in die Nullage zurückführt, wo ein neuer magnetischer
Antriebsimpuls erzeugt wird. Bei derartigen Schwingsystemen ist es wichtig, daß
die Eigenfrequenz des Systems zumindest in etwa der
Sollfrequenz
angepaßt ist, was wegen der Material- und Dimensionsstreuungen im allgemeinen nicht
von vornherein gegeben ist. Aus diesem Grunde ist ein Eigenfrequenzabgleich erforderlich.
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Bei einem Schwingsystem mit einer Spiralfeder können die ausgewuchteten
Unruhen durch Verändern der Spiralfederlänge auf die Sollfrequenz abgeglichen werden.
Ein solches Vorgehen ist jedoch nicht bei einem Torsionsstab bzw. -draht möglich,
so daß auf andere Mittel zurückgegriffen werden muß. Nach dem Patent (Patentanmeldung
P 19 34 419.5) wird in diesem Zusammenhang ein magnetisches Regulierverfahren vorgeschlagen.
Zu diesem Zweck wird die Drehachse des Schwingsystems an ihrem freien unteren Ende
magnetisch geführt, wobei die entsprechenden Luftspalte veränderbar sind. Hierdurch
kann die Eigenfrequenz des Systems eingestellt werden. Allerdings kann hierdurch
nicht die große Streubreite der Eigenfrequenz erfaßt bzw. verarbeitet werden, wie
sie sich durch die fertigungsbedingten Toleranzen im Durchmesser sowie der Länge
des Torsionsstabes bzw. -drahtes und durch die Einzelglieder der Drehmasse ergeben.
Eine entsprechende Bedämpfung des Schwingsystems durch die magnetische Reguliereinrichtung
würde dabei unzulässig groß werden.
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Ferner besteht ein weiteres Problem im Zusammenhang mit der Verwendung
von magnetischen Fortschaltvorrichtungen, die eine grössere Änderung der Frequenz
des freien Schwingsystems verursachen, als dies bei mechanischen Fortschaltvorrichtungen
der Fall ist.
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Auch diese Frequenzänderung soll durch den Eigenfrequenzabgleich kompensiert
werden können, was jedoch nicht in zufriedenstellender Weise mit der genannten magnetischen
Reguliereinrichtung möglich ist.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen elektrisch angetriebenen
Oszillator der genannten Art zu schaffen, der unter
Vermeidung der
genannten Nachteile in vergleichsweise einfacher und äußerst wirksamer Weise einen
Frequenzabgleich ermöglicht, welcher ohne unzulässig hohe Systembedämpfung einerseits
mechanisch und andererseits magnetisch bedingte Frequenzstreuungen zu kompensieren
vermag. Schließlich soll der Oszillator einen einfachen und damit kostengünstigen
sowie zuverlässigen Abgleichvorgang ermöglichen.
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Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird bei einem Oszillator der obigen
Art zumindest ein mit der Drehmasse austauschbar und unwuchtfrei verbundenes Blattelement
veränderbarer Masse zur Veränderung des Trägheitsmomentes und damit der Eigenfrequenz
des Oszillators vorgeschlagen. Hierdurch ist es in sehr einfacher Weise möglich,
auch größere Fertigungsstreuungen der mechanischen Teile sowie Einflüsse der magnetischen
Fortschaltvorrichtung wirkungsvoll zu kompensieren, indem lediglich zumindest ein
mechanisches Zusatzglied mit einstellbarem Frequenzeinfluß lösbar mit der Drehmasse
verbunden wird.
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In zweckmäßiger Ausgestaltung ist vorgesehen, daß das Blattfederelement
eine symmetrische Blattfeder wählbarer Dicke ist, die federnd unter zumindest einen
Halteanschlag der Drehmasse geschoben und zentriert ist. Dabei kann die Blattfeder
zwei unter Abstand angeordnete schlitzartige Einschuböffnungen aufweisen. Eine weitere
Ausgestaltung besteht darin, daß die auf einer oberen oder unteren Unruhplatte befestigte
Blattfeder eine mittige Aussparung für den Torsionsstab bzw.-draht aufweist, wobei
wenigstens ein Halteanschlag arretierend und zentrierend durch eine außermittige
Einschuböffnung greift. Eine weitere Ausführungsform ist dergestaut; daß die Einschuböffnungen
im Bereich eines mittleren Steges angeordnet sind, an dem sich gegenüberliegend
symmetrische lappenartige Ansätze veränderbarer Lage anschließen.
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Eine derartige Blattfeder als frequenzbeeinflussendes Glied ist äußerst
zweckmäßig, da sie sehr schnell und einfach mit der Drehmasse unter wirkungsvoller
Zentrierung und Halterung verbunden bzw. von dieser wieder gelöst werden kann. Dies
wird insbesondere durch die schlitzartigen Einschuböffnungen ermöglicht, die ein
seitliches Einschieben der Blattfeder zulassen. Der Halteanschlag, die diesem zugeordnete
Einschuböffnung und die Blattfeder selbst sind hierbei derart bemessen und angeordnet,
daß sich die Blattfeder nachEinschieben durch Eigenspannung hält und am Anschlag
zentriert. Die Aussparung sorgt dafür, daß die Blattfeder nicht am Torsionsstab
bzw. -draht anliegt , so daß die Drehschwingung nicht in unerwünschter und unkontrollierbarer
Weise beeinflußt wird.
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Erforderlichenfalls können auch weitere Anschläge oder andere Mittel
zur Fixierung der Blatt-bzw. Abgleichfeder vorgesehen sein. In jedem Fall ermöglichen
die lappenartigen Ansätze ein äußerst einfachen Frequenzabgleich auch über größere
Kompensationsbereiche,inde--leditlich die Ansätz in geeigneter und symmetrischer
Weise verkürzt bzw. abgeschnitten werden, bis die Sollfrequenz bzw. eine entsprechend
geringe Abweichung im Feinregulierbereich erreicht ist. Selbstverständlich läßt
sich auch die Dicke der Blattfeder entsprechend wählen, um zunächst eine Grobabgleich
zu erhalten.
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Zur weiteren Vereinfachung ist ein umgebendes Montagegehäuse vorgesehen,
das einen Frequenzabgleich in fertigem Zustand ermöglicht.
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Dadurch kann der Abgleichvorgang sehr zweckmäßig und kostengünstig
ausgebildet sein, da er stets erst am fertigen Uhrwerk erfolgt.
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Ferner ist es möglich und äußerst günstig, wenn zusätzlich ein an
sich bekannter magnetischer Feinabgleich verwendet wird, indem das untere Ende der
Drehachse mittels permanentmagnetischer Kräfte geführt wird, wobei zwischen dem
unteren Ende und einem feststehenden Magnetteil ein Luftspalt einstellbarer Größe
ausgebildet ist.
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Dieser Feinabgleich, der ohne nachteilige Bedämpfung möglich ist und
der sich an den Grobabgleich anschließt, führt zu einer grossen Ganggenauigkeit
und zu einem sehr niedrigen usätzlichen Energieverbrauch.
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Die Erfindung wird nachfolgend an einem zeichnerisch dargestellten
Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 - eine Ausführungsform eines
elektrisch angetriebenen Oszillators bzw. eines Torsionsschwingsystems einschließlich
einer Blatt- oder Abgleichfeder, Figur 2 - das Torsionsschwingsystem und die Abgleichfeder
in Draufsicht, Figur 3 - die Befestigung der Abgleichfeder auf einer oberen Unruhplatte,
Figur 4 - ein Diagramm einer magnetischen Feinregulierung, nämlich Schwingungsdaueränderung
A T/To in Abhängigkeit vom Abstand a des regulierenden Magneten vom Eisenrückschluß.
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Figur 5 - eine Kennlinie der Blatt- bzw. Abgleichfeder und einen dazugehörigen
Abgleichbereich und Figur 6 - eine Ausführungsform einer mit der Drehmasse zu verbindenden
Blatt- bzw.. Abgleichfeder.
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In Figur 1 ist ein Oszillator bzw. dessen gesamtes Torsionsschwingsystem
einschließlich einer magnetischen Fortschaltung dargestellt.
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Das Torsionsschwingsystem ist in einem Gestell 1 fest eingespannt
und durch eine Lagerschraube 2 an einem unteren Drehpunkt gelagert.
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Ein Torsionsstab bzw. -dräht 6 ist einerseits am Gestell 1 und andererseits
an einer Drehmasse bzw. Unruhe 3, und zwar an deren oberen Unruhplatte 9, fest eingespannt,
wobei die Unruhe 3 mit der Lagerung am unteren Ende über eine nicht näher bezeichnete
Drehachse verbunden ist. Die Schwingungsfrequenz des Systems wird durch den Torsionsstab
bzw. -draht 6 sowie das Trägheitsmoment der Unruhe 3 bestimmt.
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An der Unterseite der oberen Unruhplatte 9 befindet sich ein Magnet
4, der mit einem stationären Spulenpaar 5 magnetisch zusammenwirkt.
Über
die Wechselwirkung zwischen diesen Gliedern wird das Schwingungssystem erregt, um
mit seiner Ist-Schwingungsdauer zu schwingen. Diese Schwingbewegung wird durch einen
Schaltmagneten 8 an der unteren Unruhplatte und über ein Fortschaltrad 7 in eine
Drehbewegung umgewandelt und in nicht näher bezeichneter Weise weiter übertragen
und angezeigt.
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Auf der oberen Unruhplatte 9 befindet sich ferner eine erfindungsgemäß
verwendete Blatt- bzw. Abgleichfeder lo, die federnd unter einem Pfeiler bzw. Halteanschlag
11 angebracht ist und unter Zentrierung auf der Unruhe gehalten wird. Durch die
Masse dieses zusätzlichen Gliedes werden das Trägheitsmoment der Unruhe und damit
die Schwingungsdauer des Systems verändert, und bei entsprechender Wahl des Federträgheitsmomentes
ist ein Abgleich auf eine Soll-Schwingungsdauer möglich.
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Damit die Unruhe einwandfrei läuft, wird sie zunächst sehr exakt ausgewuchtet.
Diese Wuchtgüte darf selbstverständlich nicht durch den Einbau der zusätzlichen
Abgleichfeder nachteilig beeinflußt werden, so daß die letztere unwuchtfrei aufgebaut
und entsprechend mit der Unruhe verbunden werden muß. Allerdings hat es sich herausgestellt,
daß geringe Materialstärkenänderungen des Blattelements bzw. der Abgleichfeder lo
ohne Einfluß sind und keine Unwuchten erzeugen. Allerdings muß die Feder stellungsgerecht
auf der Unruh fixiert werden, was mitHilfe einer in Figur 6 genauer dargestellten
Ausbildung möglich ist. Dabei weist die Abgleichfeder lo einen mittleren Steg mit
an beiden Enden symmetrisch angeordneten Lappen auf. Im mittleren Teil des Steges
befindet sich eine schlitz- bzw. schlüssellochartige Ausnehmung 13, die den Torsionsstab
bzw. -draht 6-gemäß Figuren 1 und 3 berührungsfrei umfaßt, während eine außermittige
schlitzärtige Einschuböffnung 14 mit dem Pfeiler oder Halteanschlag 11 in Eingriff
kommt, und zwar in der Weise, daß die Feder von der abgeflachten Seite des Anschlages
11 zentriert und von dessen Kopf unter der FJirkung der
Eigenspannung
gegen die Unruhe 3 bzw. deren obere Unruhplatt 9 gedrückt wird. Außerdem kann zur
stellungsgerechten Fixierung eine Prägung 12 gemäß Figur 3 vorgesehen sein, die
in eine entsprechende Ausnehmung der Unruhplatte 9 eingreift. In jedem Fall läßt
sich di-e Abgleichfeder lo sehr einfach und. schnell mit dem Tors ionsschwings system
durch seitliches Einschieben verbinden und wieder von diesem abnehmen.
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Abgesehenvon einem Grobabgleich durch entsprechende Wahl der Materialstärke
der Abgleichfeder lo lassen- sich unterschiedliche Lappenlängen von Bmax bis Bmin
gemäß Figur 6 einstellen. Dabei ist es jedoch erforderlich, daß die Lappen zur Vermeidung
einer Unwucht symmetrisch zur Nullachse abgeschnitten werden.
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Durch die Varia£ionsmöglichkeiten -des Materials bzw. der Materialstärke
s und der Lappen ist ein großer Abgleichbereich erzielbar.
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In einem Versuch hat sich ergeben, daß die maximal abzugleichende
Differenz AT T zwischen der Soll-Schwingungsdauer To und der Ist-Schwingungsdauer-T1
bis zu lo % von To betragen darf. Demgegenüber -ergibt sich die kleinste wirtschaftlich
noch vertretbare Abgleichrate zu T/To cS wo . Dieser große Varations- bzw. Abgleichbereich
ergibt sich in Figur 5 in Abhängigkeit von der Materialstärke s und der Lappenlänge.
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Wenn ein-weiterer Feinabgleich erforderlich oder zweckmäßig ist, kann
ohne weiteres zusätzlich eine magnetische Reguliereinrichtung der beschriebenen
Art vorgesehen sein, mit der ein Feinabgleich des Wertes AT/To bis zu etwa lo bis
lo ohne nachteilige -Bedämpfung des Systems möglich ist. Bei derartig kleinen Abgleichraten
im Feinregulierbereich kann mit der magnetischen Feinkompensierung ohne Problem
der Feinregulierbereich erreicht werden. Hierdurch ergibt sich, daß die Bedämpfung
des Gesamtsystems in diesem Bereich noch äußerst gering ist und daß dadurch ein
günstiges Isochronismusverhalten des Schwingsystems
erhalten bleibt.
Figur 4 zeigt ferner, daß bei Schwingsystemen mit größerem Abgleichbereich, bei
denen der Feinregulierbereich beispielsweise vom Maß x bis zum Maß Y vergrößert
ist, das Integral des Antriebsstromes des Schwingsystems und damit der Energieverbrauch
in unerwünschter Weise ansteigen, wodurch die Laufdauer des Batteriewerkes sehr
nachteilig beeinflußt wird.
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Ferner ist es zweckmäßig, wenn alle Einzelteile des Oszillators bzw.
des Torsionsschwingsystems in einem Montagegehäuse vormontiert werden und wenn der
Abgleichvorgang erst im kompletten Uhrwerk durchgeführt wird. Zu diesem Zweck wird
das gesamte Räderwerk, einschließlich dem Fortschaltrad, in dem nicht dargestellten
Montagegehäuse montiert, wonach das bereits montierte Schwingsystem ohne Abgleichfeder,
jedoch mit der Antriebselektronik, eingesetzt wird. Das derart komplett montierte
Uhrwerk kann autonom betrieben werden, und die Impulse der Antriebselektronik werden
einem elektrischen Frequenzmesser zugeführt, der die Ist-Schwingungsdauer T1 feststellt.
Über einen elektronischen Rechner wird die Differenz AT zur Soll-Schwingungsdauer
To bestimmt, wonach je nach der erwünschten kleinsten Abgleichrate die zu verwendende
Abgleichfeder festgestellt und eingesetzt wird. Eine weitere Verfeinerung ist dadurch
möglich, daß das Verfahren automatisiert wird, indem die günstigste Blatt- bzw.
Abgleichfeder über elektronisch gesteuerte Zusatzmechanismen angezeigt wird.
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- Patentansprüche -