DE1915711A1 - Zeitmessgeraet - Google Patents

Description

OR-INQ. OIPL.-IN9. M. »C. ' DIPC-PHYS. OR. OIPL.-PHY».

HÖGER - STELLRECHT- GRiESSBACH- HAECKER

PATENTANWALTE IN STUTTGART

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19.3.1969

F.S.Ser.Mo. 725,275

!Ehe United States Time Corporation, Waterbury, Connecticut, IT.S.A.

Zeitmeßgerät

Die Erfindung bezieht sich auf ein Zeitmeßgerät mit einer Unruh und mindestens einer Spiralfeder, deren inneres Ende mit der Unruh fest verbunden ist, insbesondere eine Kleinuhr wie eine Armbanduhr.

Ein zeithaltendes Gerät erfordert eine Vorrichtung, um einen regelmäßigen Takt zu erzeugen. Bei einer Standuhr kann für diesen Takt ein schwingendes Pendel verwendet werden. Bei kleineren Uhren, insbesondere tragbaren Uhren, wie Taschenuhren und Armbanduhren, ist seit vielen Jahren eine sogenannte Unruh für diesen Zweck vorgesehen. Der Unruhkörper ist auf einer Unruhwelle befestigt, die in Lagern, wie beispielsweise Steinlagern, sich frei drehen kann. Der Unruhkörper schwingt mittels einer Spiralfeier und einer Inrpulsvorrichtung hin und her. Bie Spiralfeder ist üblicherweise in einer Anzahl ναό Windungen aufgewickelt und aus einem P ed er stahl gebildet, der einen rechteckigen Querschnitt hat. Mechanische Klein-

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uhren verwenden eine einzige Spiralfeder. Bei elektrischen Uhren ist es ebenfalls bekannt^ eine einzige Spiralfeder zu benutzen, die den elektrischen Strom einer Spule zuführt, wenn diese Spule auf der Unruh angeordnet ist.

Die Spiralfeder ist bei einer Kleinuhr maßgebend für die richvtige Zeithaltung. Wenn sich die Federkraft der Spiralfeder ändert, beispielsweise infolge von Temperatüranderungen, einer längeren Benutzung oder durch den Einfluß von Magnetismus, so leidet darunter die Genauigkeit der Uhr.

Die übliche, für Kleinuhren verwendete Spiralfeder ist als Ergebnis einer Forschung über eine Zeitdauer von vielen Jahren aus teuren Stahllegierungen hoher Qualität hergestellt. Die Reinigung und die Wärmebehandlung der Spiralfeder wird sorgfältig überwacht. Die Spiralfeder wird genau so aufgewickelt, daß die Steigung, d.h. die Krümmung, sich konstant verändert und der archimedischen Spiralformel folgt. Diese Art der Aufwicklung der Spiralfeder ergibt insofern eine Schwierigkeit, als die äußeren Windungen so dicht beieinander sein können, daß sie beim Schwingen des Unruhkörpers, d.h. beim Aufwinden der Spiralfeder, gegeneinanderstoßen. Ein derartiges Aneinanderstoßen ergibt einen Verlust an Genauigkeit.

Die Höhe der Spiralfeder, d.h. ihre Dimension parallel zur Achse der Unruhwelle, kann ein besonderes Problem darstellen. Die Höhe der Spiralfeder addiert sich zu der Bauhöhe der Uhr, im besonderen, wenn die Uhr eine elektronische Kleinuhr ist, die gegebenenfalls zwei Spiralfedern verwendet.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde,, ein Zeitmeßgerät mit mindestens einer Spiralfeder und einer Unruh zu sehaf-

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fen, "bei dem die Spiralfeder ein relativ geringes Gewicht hat, eine verhältnismäßig große Anzahl von Windungen auf einem bestimmten Raum ohne Anschlagen der äußeren Windungen gegeneinander aufweist, -das'ferner weniger anfällig gegen schädliche Lufteinflüsse und magnetische" Einflüsse ist und das in der Herstellung billig ist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei dem eingangs erwähnten Zeitmeßgerät dadurch gelöst, daß die Spiralfeder einen runden, vorzugsweise einen kreisrunden, Querschnitt und eine nicht gleichmäßige Steigung hat. Dabei wird die Spiralfeder nach einer bestimmten Formel aufgewickelt, die keine einfache Punktion darstellt, wie dies bei einer Spirale mit konstanter Steigung der Fall ist.

Die Spiralfeder wird mit ihren Windungen dem Inneren zu dichter gewickelt als außen, so daß ein Zusammenprallen der äußeren Windungen verhindert wird. Der runde Querschnitt der Spiralfeder erfordert einen geringen senkrechten Raum, d.h. parallel zur Achse der Unruhwelle. Die Ersparnis im senkrechten Raum kann bei elektronischen Kleinuhren von besonderem Vorteil sein, wenn dort zwei Spiralfedern in unterschiedlichen parallelen Ebenen angeordnet sind. Ferner wiegt eine Spiralfeder mit rundem Querschnitt im Vergleich zu einer Spiralfeder mit einem rechteckigen Querschnitt von gleicher Kraft und Länge weniger. Die leichtere Feder von rundem Querschnitt hängt weniger durch, wenn die Kleinuhr in ih er senkrechten Lage ist, -d.h. senkrecht zur Unruhachse. Hierdurch ergibt sich eine verbesserte Zeithaltung infolge eines geringeren Lagefehlers', .da weniger schädliche Einflüsse auf die Zeithaltung in der senkrechten Lage vorhanden sind. "

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Ein Durchsacken, das in der horizontalen Lage der Uhr auftreten könnte, beeinflußt die Zeithaltung der Uhr nicht. Ferner kann die Spiralfeder mit rundem Querschnitt verhältnismäßig weniger durch Streumagnetfeld'er und. durch Luftdruckänderungen beeinflußt v/erden. Ferner kann die runde Spiralfeder aus einem verhältnismäßig billigen und rundgezogenen Draht hergestellt werden.

DiLe Spiralfeder mit einem runden Querschnitt würde, wenn sie mit der üblichen konstanten Steigung aufgewickelt würde, einen größeren Außendurchmesser erfordern, als dieser bei Verwendung einer nicht konstanten Steigung vorhanden ist.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus" der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit der Zeichnung, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält. In der Zeichnung zeigen:

Jig. 1A eine Draufsicht auf eine bekannte Spiralfeder, Fig. 1B einen Querschnitt entlang der Linie A-A der Fig. 1A, Fig. 2A eine Draufsicht auf eine Spiralfeder gemäß der Erfindung,

Fig. 2B einen Querschnitt nach Linie B-B der Fig. 2A, Fig. 3 eine schaubildliche schematische Ansicht einer elektrischen Uhr mit Spiralfedern gemäß Fig. 2A und 2B.

Die übliche und bekannte Spiralfeder der Fig. 1A und 1B besteht aus einem Streifen aus Federstahl, dessen Querschnitt rechteckig und' gleichmäßig auf der ganzen Länge ist. Die Höhe der Feder entspricht der langen Seite des rechteckigen Querschnitts parallel zur Achse der Unruhwelle. Die übliche Feder

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mit konstanter Steigung wird nach der folgenden Formel aufgewickelt:

J = A + KO. '

In dieser Gleichung bedeutet:

^ = Koordinate an einem Punkt der Spiralfeder,

= Konstante für den Innenradius der Spiralfeder, = Konstante entsprechend der Steigung, d.h. die Größe der Wölbung, ■ " *

θ β Winkelkoordinate.

Wenn eine Unruhwelle eine Nabe aufweist, die es erforderlich macht, daß die Spiralfeder einen bestimmten Radius A hat, so wird die obige lOrmel vereinfacht zu 9 = ΚΘ, einer Gleichung, welche" die archimedische Kurve darstellt.

Die archimedische Kurve hat eine lange Geschichte, besonders im Mittelalter, da sie beinahe magische Eigenschaften aufweist. Auf einer mehr praktischen Basis wurde die archimedische Kurve als ein relativ einfaches Element zum Messen,von vorgewählten Toleranzen betrachtet. Sie ist ferner einfach in ihrer Herstellung.

Der rechteckige Querschnitt wird bei Spiralfedern verwendet, um der Spiralfeder eine Steifheit gegen das Durchsacken, d.h. eine Abbiegung parallel zur Achse der Unruhwelle, zu verleihen. Beim Vergleich mit einer Spiralfeder von rundem Querschnitt erfordert jedoch der rechteckige Querschnitt eine größere Querschnittsfläche, um die gleiche Federkraft zu erreichen. Mit anderen Worten, es kann durch eine Spiralfeder mit rundem Querschnitt in einem bestimmten Raum mehr Kraft erzeugt werden

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als durch eine Feder mit rechteckigem Querschnitt. Bei einer Feder von rechteckigem Querschnitt ist das Elastizitätsmoment (das Rückführdrehmoment)

M=EhV³ .^

12 ^

In dieser Gleichung ist

E = Elastizitätskoeffizient,

w = Breite,

h = Höhe·des Querschnitts.

Eine Feder mit rundem Querschnitt hat ein Elastizitätsmoment

M, = ETTr^4- »cw/
α ——, .

Hier ist

E = Elastizitätskoeffizient,
r = Radius des Querschnittes.

Venn nun eine Spiralfeder mit einem runden Querschnitt mit einer Spiralfeder von rechteckigem Querschnitt verglichen unter den folgenden Annahmen verwendet wird, so ergibt sich, daß eine rechteckige Feder mit der gleichen Kraft wie eine runde Spiralfeder eine Querschnittsfläche Ar hat, die mehr als zweimal so groß wie die Querschnittsfläche Ad einer runden Feder ist, d.h. Ar : Ad = 1,00 : 0,46, Dabei werden folgende Annahmen gemacht:

1. Es wird das gleiche Material verwendet, so daß E für beide Federn gleich ist;

2. beide Federn werden mit der gleichen Steigung aufgewickelt;

3. der Innenradius A der beiden Federn iat der gleiche;

4. die Länge X der beiden Federn ist gleich;

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5. die Elastizitätsmomente beider Federn sind gleich, d.h. Md = Mr?

6. das Verhältnis von Breite w zu Höhe h ist beim rechteckigen ' Querschnitt wie bei üblichen Federn 1:5.

In einem speziellen Beispiel, das die Beziehung Ar : Ad = 1,00 : 0,46 ergibt, sind die typischen Dimensionen einer rechteckigen Feder, beispielsweise einer Armbanduhr, im üblichen Verhältnis von Breite w ί Höhe h =1:5, wobei die Breite 0,03 mm und die Höhe 0,15 mm ist. Unter der Annahme von Md - Mr ergibt sich:

E h w³«A, = EtTr⁴ ^ (1)

WX M

Da der Elastizitätskoeffizient E, die Winkelkonstante C7l und die Längest als gleich für beide Federn, also die rechteckige und die runde Feder, angenommen werden, bo wird die Gleichung (1) vereinfacht zu:

h w = TT r /«\

-T2— -IT" ' . ^U}

Mr = h w³ , (3)

-"TT*

Wenn die Werte w = 0,03 mm und h = 0,15 mm in den Ausdruck (3) eingesetzt werden, so ergibt sich:

Mr= 0,15 (O,O3)³ = 33,8 χ 10"⁸. 12

Da Md gleich Mr ist, so folgt hieraus:

- 8 -" ■

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19.3.1969 ; Ζ;

Tf r⁴ = Mr oder Tf _r4 = 33,3 χ 10~⁸ (5) 4 - 4

Beim Auflösen der Gleichung (5) für r ergibt sich r⁴ = 4(33,8 χ 10"⁸J = 43 x 10*"⁸

r = 2,56 χ 10"² = 0,0256 mm.

Die Querschnittsfläche der rechteckigen Feder ist Ar = wh = 0,03 x 0,15 = 0,0045 = 45 x 10~⁴ mm².

Die Querschnittsfläche der runden Feder ist Ad = Tfx² = 7Tx (O,O256)² = 20,6 χ 10~⁴ mm².

Das Verhältnis von Ar : Ad ist damit

Ar : Ad = 45 x 10~⁴ ί 20,6 χ 10~⁴ · oder

Ar : Ad = 1,00 : 0,46.

Die regelmäßige archimedische Kurve, d.h. eine Kurve von konstanter Steigung, wird in den üblichen Spiralfedern allgemein benützt, da der Gedanke weit verbreitet ist, daß sich hierdurch eine gleichmäßige Federkraft ergibt, und weil diese Feder verhältnismäßig leicht aufzuwickeln ist. Eine Feder kann, Jedoch nach einer vorbestimmten Kurve, d.h. mit veränderlicher Steigung, gemäß der folgenden Formel entsprechend der Erfindung aufgewickelt werden:

= A + ΚΘ (j (G, b, c ... .)J ; + ΚΘ £g (I, k ... )J .

In dieser Gleichung ist

(j = Koordinate an einem Punkt der Spiralfeder,

A = Konstante entsprechend dem Innenradius der Spiralfeder, K = Steigung der Spiralfeder,

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G - Winkelkoordinate,

F' = Punktion

b_r c ... = Eonstanten.

Die Punktion P (G, b, c ...) wird so gewählt, daß eine oder mehrere der Forderungen für eine Spiralfeder erfüllt werden:

- die
durch theoretische Gleichungen der Chronometrie 'bestimmte iSteigung, ■

das Resultat von experimentellen Prüfungen, die Kennlinie des Federmaterials,

die Wärmebehandlung der Spiralfeder und des die Feder bildenden Drahtes,

die mechanische Bearbeitung des Drahtes und andere Verfahrensschritte. -

Die Punktion G (Θ, i, k .. i) ergibt die Steigung für die Außenwindung der Spiralfeder. Die Außenwindung wird so ausgewählt, daß sie dem Regulator angepaßt ist und damit der Takt festgelegt wird.

Vorzugsweise haben die inneren Windungen der Spiralfeder 10 gemäß Pig. 2 eine relativ kleinere Steigung als die äußeren Windungen. Das Zusammenschlagen der Außenwindungen wird dadurch vermieden, daß sie in einem größeren Abstand gehalten werden.

Als Beispiel für eine Spiralfeder gemäß der Erfindung hat die Spiralfeder zwölf vollständige Windungen und ist mit einer Steigung der doppelten Stärke der Spiralfeder an der ersten Windung bis zu einer endgültigen Steigung von drei oder vier oder fünf aufgewickelt, wobei die Steigung kontinuierlich von zwei zu drei oder zu vier oder zu fünf ansteigt. Diese Art einer Spiralfeder kann im Vergleich zu Spiralfedern mit einer konstanten Steigung eine größere Länge innerhalb eines bestimmten Volumens haben, oder umgekehrt hat eine bestimmte Länge einer Spiralfeder einen

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kleineren Außendurehmesser.

Die Spiralfeder gemäß der Erfindung mit einer nicht gleichmäßigen Steigung und einem runden Querschnitt kann mit "besonderem Vorteil in einer elektronischen Uhr verwendet werden» In der in Fig. 3 dargestellten elektronischen Uhr ist ein Unruhkörper -20 auf einer Unruhwelle 21 angeordnet. Die Unruhwelle dreht sich frei in Stein- oder anderen Lagern in einer Gestellplatte 22 und einer Brücke 23. Der Unruhkörper 20 trägt eine runde Spule 24 mit zwei Anschlüssen 26 und 26a. Die Spule 24 wirkt mit einer Gruppe von drei Nord—Süd-Nörd-Permanentmagneten 25 zusammen, die auf einer Jochplatte 25a befestigt sind. Ferner ist ein Stromkreis 27 über Anschlüsse 30 und 31 mit einer nicht dargestellten Batterie oder einem Akkumulator verbunden. Der Stromkreis 27 überträgt Impulse auf die Spule 24 während des Durchgangs durch die Magnetfelder der Permanentmagneten 25. Einzelheiten über den Stromkreis und die Magnetbauart können beispielsweise aus dem USA-Patent 3 046 460 entnommen werden.

Die Spulenanselilüsse 26 und 26a sind mit den entsprechenden Stromkreisanschlüssen 30 und 31 über Spiralfedern 32 und 33 verbunden. Die Spiralfedern haben einen runden Querschnitt und sind mit einer ungleichmäßigen Steigung aufgewickelt. Die eine SpI-■. -. rälfeder 32 ist mit dem Spulenanschluß 26 verbunden und befindet sich auf der einen Seite des Unruhkörpers. Die andere* auf der anderen Seite des Unruhkörpers befindliche Spiralfeder 33 ist am Spulenanschluß 26a angeschlossen. Die äußeren Enden der Spiralfedern sind an Isoliersäulen 34, 35 der Gestellplatte bzw, der Brücke befestigt* Ihre anderen Enden sind an ITaben der Unruhwelle fest angebracht.

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Ein auf dem Unruhlcörper befestigter Antriebsstift 36 wirkt mit den Armen eines Gabelhebels 37 zusammen und schwenkt diesen hin und her. Der Gabelhebel 37 ist auf einer Welle 38 schwenkbar gelagert und hat nicht dargestellte Anschlagstifte, die seine Bewegung begrenzen. Mit den Zähnen eines Klinkenrades 40 wirkt ein am entgegengesetzten Ende des Gabelhebels befestigter Stift 39 zusammen, der das Klinkenrad 40 werterschaltet. Die Bewegung des Klinkenrades 40 wird über eine übliche Räderkette an die Zeiger der Kleinuhr weitergegeben.

Soweit einzelne !Deile aus, elektrisch leitendem Material, beispielsweise Metall, bestehen, sind noch entsprechende Isolierungen vorgesehen. Diese sind in der Zeichnung nicht dargestellt.

Die Spiralfeder gemäß der Erfindung ist ebenfalls zur Verwendung in mechanischen Uhren geeignet, die durch eine Zugfeder angetrieben sind. Die Zugfeder ist in einem Federhaus angeordnet, das äußere Zähne aufweist, und kann über eine Krone mit Hilfe von einem oder mehreren Rädern aufgezogen werden. Das Federhaus kämmt mit einer Gruppe von Rädern, um so die Zeiger anzutreiben. Die Freigabe der Energie der Hauptfeder wird über eine Hemmung gesteuert, die einen Hebel und eine Unruh aufweist, wobei der Hebel schwenkbar ist und einen Impuls auf die Unruh ausübt. Die Unruh ist zwischen dem Gestell und einer Brücke schwenkbar angeordnet. Ferner ist eine Spiralfeder von rundem Querschnitt ungleichmäßiger Steigung zwischen der Brücke und einer Nabe der Unruhwelle angeschlossen.

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Claims (11)

A 37 090 h - 12 - 19.3.1969 Patentansprüche

1./ Zeltmeßgerät mit einer Unruh und mindestens einer Spiralfeder, deren inneres Ende mit der Unruh fest verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiralfeder (10) einen runden, vorzugsweise einen kreisrunden, Querschnitt und eine nicht gleichmäßige Steigung hat.

2. Zeitmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,'_ daß die Steigung von der Innenwindung zur Außenwindung zunimmt.

3· Zeitmeßgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung kontinuierlich zunimmt. ■

4. Zeitmeßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung um ungefähr 50 bis 150 i» zunimmt.

5. Zeitmeßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung der Innenwindung der doppelten und die Steigung der Außenwindung der dreifachen, vierfachen oder fünffachen Stärke des Spiralfederdrahtes entspricht.

6. Zeitmeßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Unruh (20, 21) drehbar zwischen einem Teil eines Gestelles (22) und einer am Gestell befestigten Brücke (23) angeordnet ist.

7. Zeitmeßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß je eine Spiralfeder (32, 33) zu

' beiden Seiten des Unruhkörpers der Unruh (20, 21) angeordnet ist, von denen mindestens eine nach einem der Ansprüche 1-5 ausgebildet ist.

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8. Zeitiaeßgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Ende der einen Spiralfeder (33) mit einem Teil eines Gestellesj£22) und das eine Ende der anderen Spiralfeder (32) mit einer am Gestell (22) angebrachten Brücke (23) fest verbunden ist.

9. Zeitmeßgerät in Form einer elektrischen, insbesondere einer elektronischen Uhr :nach einem der vorhergehenden Ansprüche, -dadurch gekennzeichnet, daß ein elektronischer Stromkreis (27) mit einer Batterie oder einem Akkumulator, mit einer auf der Unruh angeordneten Spule (24), mit einer mit der Spule (24) zusammenwirkenden Magnetvorrichtung (25) vorgesehen ist und daß zwei Spiralfedern (32, 33) angebracht sind, die die Anschlüsse zur Spule (24) bilden.

10. Zeitmeßgerät nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Ende der Spiralfeder mit dem Gestell oder der Brücke verbunden ist.

11. Zeitmeßgerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein mechanischer Antrieb über eine Zugfeder vorgesehen ist, deren drehbares Pederhaus ein Uhrwerk antreibt, wobei die Unruh über einen schwenkbar am Gestell angebrachten Hebel Antriebsimpulse erhält.

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