DE1523928B2

DE1523928B2 - Stimmgabeloszillator für Kleinuhren

Info

Publication number: DE1523928B2
Application number: DE19641523928
Authority: DE
Inventors: Kazuo Yokohama; Iwaki Koichi; Hirose Masakazu; Fujita Haruhiro; Gyoda; Ishikawa (Japan)
Original assignee: Jeco Co., Ltd., Tokio
Priority date: 1963-06-24
Filing date: 1964-06-13
Publication date: 1970-06-11
Also published as: GB1049638A; DE1523928A1; CH470017A; CH748764A4

Description

Als zeithaltender Oszillator für Kleinuhren wird die Unruh und neuerdings auch die Stimmgabel verwendet. Die Unruh hat den Nachteil, daß ihre Frequenz gering und ihre Reibungsdämpfung groß ist, weshalb der Gütefaktor Q der Unruh selbst sehr klein ist. So läßt sich eine hohe Ganggenauigkeit nur durch sorgfältigste Abstimmung aller frequenzbestimmenden Faktoren erzielen.

Bei der Stimmgabel andererseits sind Größe und Gestalt durch den Platzbedarf des Räderwerks und der anderen notwendigen Teile einer Kleinuhr weitgehend beschränkt. Es ist deshalb sehr schwierig, eine normale Stimmgabel und das Räderwerk im zur Verfügung stehenden Raum vernünftig anzuordnen. Um den verfügbaren Platz möglichst rationell auszunutzen, muß die Stimmgabel so kompliziert gestaltet werden, daß sie schwierig und teuer herzustellen ist.

Es ist ein Stimmgabeloszillator für elektrische Uhren bekannt, dessen Stimmgabel kreisförmig angeordnete Zinken besitzt und bei dem an den Zinkenenden Zusatzmassen befestigt sind. Durch die kreisförmige Ausbildung der Stimmgabel läßt sich der in einer Kleinuhr zur Verfügung stehende Platz gün-" stiger ausnutzen. Die^Zusatzmassen sind von verhältnismäßig geringem Gewicht und dienen zur Herabsetzung der Schwingfrequenz. Es sind zwei Halterungen vorgesehen, die in der Nähe der Schwingungsknoten angebracht sein sollen.

Eine kreisförmige Stimmgabel ohne Zusatzmassen oder mit kleinen Zusatzmassen stellt physikalisch einen geschlitzten Ringschwinger dar. Ein solcher Ringschwinger besitzt nun aber keine eigentlichen Schwingungsknoten, sondern die Schwingungsamplitude hat beiderseits der dem Schlitz diametral gegenüberliegenden Stelle ein endliches Minimum. Eine an diesen Stellen angebrachte Halterung verringert deshalb die Schwinggüte erheblich, erhöht also die Dämpfung und bewirkt, daß die Frequenzkonstanz für gute Uhren nicht ausreicht.

Es wurde bisher allgemein angenommen, daß auch bei einer Stimmgabel mit Zusatzmassen die beiden Knotenpunkte einen erheblichen Abstand von der Stimmgabelmitte haben. Diese Meinung läßt sich auch der erwähnten Literaturstelle (französische Patentschrift 1315 380) entnehmen, denn die Lage der dort eingezeichn&ten Schwingungsknoten entspricht trotz der vorhandenen Zusatzmassen nahezu der Lage der Stellen kleinster Amplitude für einen reinen Ringschwinger ohne Zusatzmassen. Es wurde nun gefunden, daß diese Meinung nicht zutrifft und daß in Wirklichkeit die Zusatzmassen leicht so groß gemacht werden können, daß die Schwingungsknoten bzw. Stellen kleinster Amplitude nahezu zusammenfallen und in das Symmetriezentrum gegenüber dem Stimmgabelschlitz zu liegen kommen. An dieser Stelle kann nun ohne Schwierigkeiten eine Halterung angebracht werden, wobei die Dämpfung gegenüber dem reinen Ringschwinger erheblich verbessert ist.

Demgemäß ist der erfindungsgemäße Stimmgabeloszillator für Kleinuhren, bestehend aus einer kreisförmigen Stimmgabel mit Zusatzmassen an den Zinkenenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzmassen im Vergleich zu den Zinkenmassen so groß gewählt sind, daß die Schwingungsknoten nahezu in einem Punkt zusammenfallen und daß die Stimmgabelhalterung an diesem Punkt angeordnet ist.

Um die Dämpfung weiter zu verringern, weist vorzugsweise die Halterung an der Verbindungsstelle mit der Stimmgabel eine keilförmige Schneide auf, die senkrecht zur Schwingungsebene der Zinken verläuft. Solche Schneidenhalterungen im Schwingungsknoten sind bei U-förmigen Stimmgabeln an sich bekannt (deutsche Patentschrift 447 927).

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend an Hand der Zeichnung beschrieben, ίο Hierin sind

A b b. 1 eine Darstellung des Schwingungsverhaltens der bekannten U-förmigen Stimmgabel,

A b b. 2 eine Darstellung des Schwingungsverhaltens einer U-förmigen Stimmgabel mit Zusatzmassen, A b b. 3 eine Schrägansicht einer Stimmgabel gemäß der Erfindung,

A b b. 4 eine Ansicht der Halterung einer erfindungsgemäßen Stimmgabel,

A b b. 5 eine Draufsicht einer Armbanduhr unter Verwendung der erfindungsgemäßen Stimmgabel,
A b b. 6 ein Achsenschnitt dieser Armbanduhr, _. A b b. 7 eine Teilansicht der Antriebsvorrichtung an den Spitzen der kreisförmigen .Stimmgabel und

A b b. 8 eine Darstellung des Schwingungsverhaltens eines Ringoszillator?. "-^.

In A b b. 1 ist eine bekannte U-förmige Stimmgabel 1 aus elastischem Werkstoff dargestellt, die an der Verbindungsstelle der Zinken an einem Halteglied 2 befestigt ist. Die Punkte α und b sind die Schwingungsknoten der normalen Stimmgabelschwingung, während c die Amplitude eines Schwingungsbauches darstellt.

Die dargestellten Verhältnisse gelten bekanntlich für symmetrische Schwingungen. Hier ist die Stimmgabel nicht in einemKnotenpunkt unterstützen, sondern die Halterung 2 befindet sich in einem Schwingungsbauch. Wenn infolgedessen der Abstand d der beiden Zinken zunimmt, wird die Amplitude c des Schwingungsbauches größer, die über die Halterung 2 abwandernde Energie nimmt zu und der Gütefaktor Q dar Stimmgabel verringert sich. Deshalb macht man bei solchen Stimmgabeln den Abstand d der beiden Zinken so klein wie möglich.

A b b. 2 zeigt eine gewichtsbelastete Stimmgabel. An den freien Enden der Zinken 3 sind Zusatzmassen 4 befestigt. Zur. Unterstützung dient die Halterung 5.

Es wurde bisher allgemein angenommen, daß auck bei einer solchen gewichtsbelasteten Stimmgabel die beiden Knotenpunkte α und b einen erheblichen Abstand von der Stimmgabelmitte haben. Erfindungsgemäß wurde jedoch gefunden, daß diese Annahme falsch ist und daß das Schwingungsverhalten der gewichtsbelasteten Stimmgabel nach Abb. 2 grundsätzlich von demjenigen der Stimmgabel nach A b b. 1 ohne Zusatzmassen abweicht. In diesem Falle liegen nämlich die Schwingungsknoten so nahe beieinander, daß sie für alle praktischen Zwecke als im Punkt e zusammenfallend angesehen werden können. Es wurde experimentell festgestellt, daß bei einem Vergleich einer erfindungsgemäßen Stimmgabel mit Zusatzmassen gemäß A b b. 3 und eines homogenen Ringschwingers gemäß A b b. 8 mit gleicher Ampin tude der freien Zinken die Amplitude der Unter-Stützungsstelle 8" in A b b. 3 bei der Stimmgabel mit Zusatzmassen weniger als ein Neuntel derjenigen bei der Stimmgabel ohne solche Zusatzmassen war.
Der Abstand der beiden Schwingungsknoten hängt

3 4

vom Verhältnis der Zusatzmassen zur äquivalenten die Eisenkerne 13 und 13', so daß sich ein geschlos-Masse der beiden Zinken ab. Je größer die Zusatz- sener magnetischer Kreis mit dem Mittelabschnitt masse relativ ist, desto geringer der Abstand. Wenn der kreisförmigen Stimmgabel ergibt. Innerhalb des die äquivalente Masse gegen die Zusatzmassen ver- Polschuhs 13 befindet sich eine Quecksilberzelle 16. nachlässigt werden kann, ist praktisch nur noch ein S Im Raum zwischen der Quecksilberzelle und der Schwingungsknoten vorhanden. In diesem Falle ist Stimmgabel sind ferner ein Transistor 17, ein Konauch die Eigenfrequenz der Stimmgabel stark herab- densator 18 und ein Widerstand 19 untergebracht, gesetzt und beträgt weniger als 500 Hz. Zwischen den Zinkenenden befindet sich ein Hem-Die Verwendung so großer Zusatzmassen, daß nur mungsrad 20 mit einem zur Gangverstellung dienenein Schwingungsknoten auftritt, hat folgende Vorteile: io den Exzenter 21. Das Hemmungsrad 20 läuft zwi-1. Wegen der praktisch verschwindenden Ampli- f**** ^P°^len kleiner Dauermagnete 24, die an tude an der Stelle e kann keine Schwingenergie f ⁿ. Zinkenenden der kreisförmigen Stimmgabel beauf die Halterung übertragen werden und der *^e.^stlg ^sm„^d„^Zu£ Ingangsetzen der Uhr dient ein Gütefaktor Q der Stimmgabel wird besser. ?Τ £ ♦^Das hemmungsrad 20 besitzt eine

is äußere Magnetspur 25 und eine innere Magnetspur

2.-Dia innerhalb der Zinken verbrauchte Verlust- 26, die jeweils in regelmäßigen Abständen durch

energie durch die Schwingung der Stimmgabel unmagnetische Abschnitte 27 unterbrochen sind. Die

nimmt mit der Dehnung je Volumeneinheit des Zahnräder zum Antrieb des Zeigerwerks wie Sekun-

Zinkenwerkstoffs rasch zu. Wenn also der Ab- denrad,, Minutenrad und Stundenrad befinden sieh,

stand d zwischen den unteren Teilen der beiden _ao wie A b b. 6 zeigt, innerhalb der kreisförmigen Stimm-

Zinken, wo die Dehnung am stärksten ist, ver- gabel.

größert wird, läßt sich die Dehnung je Volumen- i_st die Batterie 16 angeschlossen, so beginnt die" einheit verringern und damit die Verlustenergie Stimmgabel 10 unter dem Einfluß des· aus'Treibspule verkleinern. In diesem Falle kann also durch " ±4_f Transistor 17, Abnehmerspule 14', Kondensator größeren Abstand 4 zwischen den unteren Teilen _2S ig und Widerstand 19 bestehender- Antriebskreises der beiden Zinken der Gütefaktor Q verbessert _zu schwingen. Jede Zinke der Stimmgabel'schwingt werden. Diese Tatsache widerspricht diametral _nach _reehts und links. Ihre Amplitude ist am größten den bekannten Gesetzen für Stimmgabeln ohne _an der Spitze. Der Dauermagnet 24 an der Spitze Zusatzmasse. bewegt sich um den Halter 11 als Zentrum und Da bei der Stimmgabel mit Zusatzmasse die Ampli- 30 schwingt demgemäß nahezu geradlinig über dem tude c der Unterstützungsstelle mit zunehmendem Hemmungsrad 20. Diese hin- und hergehende Be-Abstand d nicht vergrößert wird, läßt sich hier ohne wegung wird durch die magnetische Kraft zwischen Schaden die Dehnung so gleichmäßig wie möglich dem Dauermagnet 24 und dem Hemmungsrad 20 in über die ganzen Zinken 3 verteilen, so daß die bei eine Drehbewegung des Hemmungsrades umgewander Schwingung auftretende Dehnung je Volumen- 35 delt, so daß das Hemmungsrad synchron mit der einheit kleiner gemacht und der Gütefaktor Q ver- Frequenz der Stimmgabel 10 umläuft. Da der Gangbessert werden kann. regler 21 exzentrisch ist, läßt sich durch Änderung Abb. 3 zeigt schematisch eine Stimmgabel mit seines Auslegungswinkels die Anziehung durch den Zusatzmassen, bei der von diesen Erkenntnissen Streufluß des Dauermagneten 24 verändern, wodurch Gebrauch gemacht ist. Die Zinken 6 bilden einen 40 die Frequenz und damit der Gang der Uhr auf den nahezu geschlossenen Kreis. An ihren Enden sind richtigen Wert eingeregelt werden kann. .
Zusatzmassen 7 befestigt. Gegenüber der Lücke zwi- Dadurch, daß sämtliche elektrischen Teile und sehen den beiden Zinkenenden befindet sich eine das ganze Räderwerk innerhalb der kreisförmig ge-Halterung 8. Da die Stimmgabel einen glatten Kreis- bogenen Zinken der Stimmgabel untergebracht sind, bogen darstellt, ist die Schwingdehnung gleichmäßiger 45 läßt sich der zur Verfügung stehende Raum sehr gut als bei den bekannten U-förmigen Stimmgabeln ver- ausnutzen und das Uhrwerk kann leicht klein und teilt. Somit ist der Gütefaktor Q verbessert. flach gehalten werden. ""■

Ferner läßt sich die erfindungsgemäße kreisförmige Wie bereits an Hand der A b b. 2 und 3 erklärt Stimmgabel sehr gut in einer Kleinuhr unterbringen, wurde, befindet sich bei einer Stimmgabel mit Zusatzda die beiden kreisförmigen Zinken entlang des 50 masse ein Schwingungsknoten nur am Punkt e im Gehäuseumfangs untergebracht werden können. So Schnittpunkt der Symmetrielinie Y-Y und der durch bleibt für das Räderwerk und die elektrische An- den Scheitel der Stimmgabel gehenden Linie X-X. triebsvorrichtung der ganze Raum innerhalb des Wird also die Stimmgabel am Punkt e unterstützt, Gehäuses frei. so ist die über die Halterung abwandernde Energie Eine mit der erfindungsgemäßen Stimmgabel aus- 55 am geringsten. Wird dagegen die Halterung in Richgestattete Armbanduhr wird nachstehend an Hand tung der X-Achse verbreitert, so werden auch der A b b. 5 bis 7 beschrieben. Im Gehäuse 9 be- federnde Teile der Zinken erfaßt und die Bewegung findet sich die erfindungsgemäße kreisförmige Stimm- dieser Teile in Richtung der Γ-Achse wird behindert, gabel 10 mit den Zusatzmassen 10' an den Zinken- Infolgedessen wird mehr Energie von der Halterung enden. In ihrer Mitte ist die Stimmgabel mittels eines 60 aufgenommen und die Schwinggüte der Stimmgabel Halters 11 an einer Stütze 12 befestigt, die gleich- verringert sich. Dagegen tritt keine Behinderung der zeitig als Dauermagnet für den Erregerkreis aus- Schwingung ein, wenn die Halterung in der rechtgebildet ist. Der Dauermagnet 12 ist mit einem Pol- winklig zur Schwingungsebene verlaufenden Richtung schuh an dem Halter 11 befestigt. Die Treibspule 14 verbreitert wird, ohne die Unterstützungsfläche in und die Abnahmespule 14' weisen Eisenkerne 13 65 Richtung der X-Achse zu vergrößern. Eine Vergröße- bzw. 13' auf. Ein gebogener Polschuh 15 ist konzen- rung der Unterstützungsfläche bringt andererseits trisch mit der Stimmgabel an dem anderen Pol des große Vorteile mit sich. Hierdurch kann nämlich die Dauermagneten 12 befestigt. An seinen Enden sitzen mechanische Festigkeit der Halterung verstärkt und

eine Stimmgabel erhalten werden, die durch Stöße und Erschütterungen nicht so leicht verletzlich ist. Wird der Stimmgabeloszillator so hergestellt, daß zunächst beide Zinken aus einem band- oder rohrförmigen Werkstoff in U-Form oder Kreisbogenform ausgebildet werden und dann die Halterung an die Stimmgabelbasis elektrisch angeschweißt wird, so ist die Wärmekapazität der Schneide der Halterung, die gegen die Stimmgabel gepreßt wird, so viel kleiner als der benachbarte Stimmgabelteil, daß nur die Halterungsschneide schmilzt, aber der entsprechende Stimmgabelteil nicht anschmilzt, weshalb eine saubere elektrische Schweißung nur schwierig zu erreichen ist. Dieser Nachteil kann aber dadurch vermieden werden, daß die Halterung gemäß A b b. 4 mit einer keilförmigen Schneide versehen wird. Dieses Herstellungsverfahren von Stimmgabeln ist weit mehr an die Massenherstellung angepaßt als die oft angewandte bekannte Methode des Ausschneidens einer Stimmgabel mitsamt der Halterung aus einem Metallblock.

Die Halterungen 8 und 8' in A b b. 3 und 4 zeigen diese Ausführung. Die keilförmige Kante 8" der aus einem Rundeisen bzw. einem Vierkanteisen hergestellten Halterung 8 bzw. 8' ist an die U-förmige Basis der Stimmgabel 6 angeschweißt.

Die erfindungsgemäße kreisförmige Stimmgabel mit Zusatzmasse ist in der Gestalt sehr ähnlich dem bekannten Ringschwinger gemäß Abb. 8, weicht aber von diesem im Schwingungsverhalten grundlegend ab. A b b. 8 zeigt einen solchen Ringschwinger 28 aus elastischem Werkstoff, der an der Stelle 29 unterstützt ist.

Ein derartiger Ringschwinger hat den Vorteil, daß er kleiner und leichter herzustellen ist als eine Stimmgabel gleicher Frequenz. Es hat sich aber gezeigt, daß seine Schwinggüte Q schlecht ist, weshalb er die Erwartungen der Praxis nicht erfüllt hat. Wenn nämlich die Amplitude in Längsrichtung des Ringes am kleinsten ist, ist die Amplitude in Querrichtung am größten und umgekehrt. Dieses Verhalten ist ganz verschieden von dem erläuterten Schwingungsverhalten der erfindungsgemäßen kreisförmigen Stimmgabel mit Zusatzmassen. Im Ringschwinger gibt es keinen Schwingungsknoten, der einen natürlichen Unterstützungspunkt darstellen würde.

Selbst wenn also der Ring an einer zur Unterbrechungsstelle symmetrischen Stelle unterstützt wird (andere Punkte sind noch ungünstiger), so ergibt sich wegen des Schwingungsbauches an dieser Stelle eine sehr starke Abwanderung der Schwingenergie über die Unterstützungsstelle, so daß der Gütefaktor Q nur etwa halb so groß wie bei einer vergleichbaren Stimmgabel mit Zusatzmassen ist.

Claims

Patentansprüche:

1. Stimmgabeloszillator für Kleinuhren, bestehend aus einer kreisförmigen Stimmgabel jnit Zusatzmassen an den Zinkenenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzmassen im Vergleich zu den Zmkenmassen so groß gewählt sind, daß die Schwingüngsknoten nahezu in einem Punkt zusammenfallen und daß die Stimmgabelhalterung an diesem Punkt angeordnet ist.

2. Stimmgabeloszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung (8, 8') an der Verbindungsstelle mit der Stimmgabel eine kreisförmige Schneide (8") aufweist, die senkrecht zur Schwingungsebene der Zinken verläuft.

3. Stimmgabeloszillator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder beide Zusatzmassen Dauermagnete (24) sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen