DE1523907C - Vorrichtung zur Stabilisierung der Frequenz eines mechanischen Oszillators für Zeitmeßgeräte - Google Patents

Description

55

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Stabilisierung der Frequenz eines mechanischen Oszillators für Zeitmeßgeräte, wobei der Oszillator wenigstens zwei mit der gleichen Frequenz in Gegenphase schwingende Glieder aufweist.

Derartige mechanische Oszillatoren, beispielsweise Stimmgabelschwingef oder mit zwei symmetrischen Schwingarmen zur Erzielung eines guten dynamischen Gleichgewichts arbeitende Torsionsoszillatoren haben bekanntlich eine Schwingungsfrequenz, die mehr oder weniger von der Schwingungsamplitude abhängt.

Dieser Effekt, der von der Amplitudenabhängigkeit der wirksamen mechanischen elastischen Rückstellkräfte des Oszillators herrührt, ist insbesondere bei elektrisch betriebenen Zeitmeßgeräten nachteilig, da er die Ganggenauigkeit beeinträchtigt. So nimmt, beispielsweise bei batteriegespeisten elektronischen Armbanduhren ,.die ,Schwingungsamplitude des mechanischen Oszillators ab, wenn sich die Batteriespannung allmählich verringert. Bisher bekannte Maßnahmen zur Stabilisierung der Schwingungsfrequenz erfordern zusätzliche Schaltungsanordnungen, die unerwünschten Raum beanspruchen und die Ursache zusätzlicher Fehlerquellen sein können. Aus Raumgründen ist außerdem eine derartige Frequenzstabilisierung mit bekannten Mitteln kaum möglich, so daß man häufig bei elektrischen Armbanduhren ganz darauf verzichtet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine sehr einfache, nur mit magnetischen Mitteln arbeitende-Vorrichtung zur Stabilisierung der Frequenz bei Amplitudenschwankungen zu schaffen, die praktisch keinen zusätzlichen Raum, insbesondere keine zusätzlichen, am Uhrgestell zu befestigenden Magneten,., beansprucht und die insbesondere bei mechanischen" Uhren-Oszillatoren, die mit einem Magnete aufweisenden elektromagnetischen Antriebssystem arbeiten, überhaupt keine zusätzlichea*J3auelemente erfordert. ·-,

Es ist bereits bekannt, die Schwingungsbewegung der beiden in Gegenphase schwingenden Glieder eines mechanischen Oszillators für Zeitmeßgeräte entweder zur Aufrechterhaltung der Schwingungen wechselseitig magnetisch zu beeinflussen oder aber, zur Erzielung von Stabilisierungseffekten, mit einem stationären Dauermagneten zusammenarbeiten zu lassen, welcher nicht zur elektromagnetischen Antriebsschaltung gehört.

Bei der bekannten, ersterwähnten Maßnahme (britische Patentschrift 488 502) umgibt die Antriebsspule die Arme einer insgesamt aus ferromagnetischem Material bestehenden Stimmgabel, und die Enden der schwingenden Arme sind als besonders geformte Polschuhe derart ausgebildet, daß sich der Luftspalt zwischen diesen Polschuhen als Funktion der Schwingungsamplitude nur möglichst wenig ändert. Auf diese Weise wird erreicht, daß der magnetische Kreis der Antriebsschaltung durch die Stimmgabel selber verläuft und daß leichte Unterschiede in der Breite des Spaltes zwischen den sonst üblichen feststehenden Magnetpolen der Antriebsschaltung» und den auf den schwingenden Armen befindlichen Magnetpolen vermieden werden!· Obwohl bei dieser bekannten Stimmgabel, welche außerdem durch eine zusätzliche, mit Gleichstrom gespeiste Spule oder durch Ausbildung eines Teils der Gabel als Dauermagnete, vormagnetisiert sein kann, die an den schwingenden Enden befindlichen Polschuhe während der periodischen Erregung der durch bekannte Schaltungen gesteuerten Antriebsspule entgegengesetzte Polarität erhalten und sich demzufolge gegenseitig anziehen, bewirkt diese Maßnahme keineswegs eine Verringerung der Amplitudenabhängigkeit der Frequenz; durch die besondere Ausbildung der Polschuhe bleibt nämlich der Luftspalt zwischen beiden Polschuhen näherungsweise konstant, so daß die Rückstellkraft der Stimmgabelarme nicht als Funktion der Amplitude verändert wird. Dieser bekannten Stimmgabel liegt nicht nur eine ganz andere Aufgabe als der vorliegenden Erfindung zugrunde, sondern die zur Lösung dieser anderen Aufgabe erforderlichen

Maßnahmen schließen es geradezu aus, daß durch sie das Problem der Amplitudenabhängigkeit der Frequenz gelöst werden könnte, zumal die Polschuhe bei dieser Stimmgabel notwendigerweise immer die entgegengesetzte Polarität erhalten.

Zur Begrenzung der Amplitude von schwingenden Gliedern eines mechanischen Oszillators ist es ferner bekannt (französisches Zusatzpatent 79 372), an Stelle eines mechanischen Anschlages einen »magnetischen Anschlag« derart zu verwenden, daß ein an einem schwingenden Glied befestigter Dauermagnet mit einem am Uhrgestell befestigten Dauermagneten zusammenarbeitet, wobei sich gleichnamige Pole gegenüberliegen, so daß mit Annäherung an den festen Magneten eine steigende Abstoßungskraft erzeugt wird. Abgesehen davon, daß bei dieser für einen zweiarmigen Biegeschwinger vorgesehenen Maßnahme wenigstens ein zusätzlicher fester Magnet erforderlich ist, wirkt die mit größer werdender Schwingungsamplitude ansteigende Abstoßkraft gerade in Richtung der elastischen Rückstellkraft und trägt damit zur Vergrößerung der Amplitudenabhängigkeit j der Frequenz bei, da ja bei einem Biegeschwinger, insbesondere einer Stimmgabel, bekanntlich die Frequenz mit steigender Amplitude zunimmt.

Schließlich ist es auch bekannt (französisches Zusatzpatent 80 213), bei Oszillatoren mit zwei mit gleicher Frequenz in Gegenphase schwingenden Gliedern an diese Dauermagnete zur Aufrechterhaltung der Schwingungen zu befestigen. Zwischen den beiden schwingenden Gliedern ist bei dieser Anordnung zusätzlich noch ein stationärer, relativ zum Schwinger jedoch einstellbarer Dauermagnet vorgesehen, durch den infolge einer magnetischen Wechselwirkung mit den an den Schwingarmen befestigten Dauermagneten die Schwingungsperiode in gewissen Grenzen einstellbar sein soll. Über die Polaritäten der bewegten und des feststehenden Magneten und damit über die im einzelnen wirksamen, anziehenden oder abstoßenden Kräfte wird in der diesen Oszillator beschreibenden Patentschrift nichts weiter ausgesagt, in jedem Falle ist jedoch wiederum zur Erzielung des gewünschten Zweckes ein zusätzlicher stationärer Dauermagnet erforderlich.

Obwohl also Maßnahmen zur Erzielung einer magnetischen Wechselwirkung zwischen den Armen eines Biegeschwingers und feststehenden Magneten einerseits und zwischen den in Gegenphase schwingenden Armen eines Biegeschwingers untereinander andererseits zur Erzielung unterschiedlicher Effekte in mannigfacher Form bekannt sind, ist die Möglichkeit der Kompensierung der Amplitudenabhängigkeit der Frequenz eines derartigen mechanischen Oszillators auf rein magnetischem Wege bisher offenbar überhaupt noch nicht erkannt worden.

Bei einer Vorrichtung zur Stabilisierung der Frequenz eines mechanischen Oszillators des eingangs beschriebenen Typs wird die genannte Aufgabe dadurch gelöst, daß an beiden schwingenden Oszillatorgliedern Dauermagneten befestigt sind, die zwischen beiden Oszillatorgliedern eine parallel zu den mechanischen elastischen Rückstellkräften der Oszillatorglieder orientierte magnetische Wechselwirkungskraft derartigen Vorzeichens und derartiger Größe erzeugen, daß sie der amplitudenabhängigen Frequenzänderung des Oszillators entgegenwirkt und diese weitgehend kompensiert.

Bei Oszillatoren mit einem mit Magneten arbeitendem Antriebssystem können diese Magneten zugleich zur Frequenzstabilisierung ausgenutzt werden. Wenn der mechanische Oszillator, wie beispielsweise ein Stimmgabelschwinger, eine mit steigender Schwingungsamplitude größer werdende Eigenfrequenz aufweist, dann werden die beiden Magneten auf den Innenseiten der beiden Stimmgabelarme derart angebracht, daß sie sich anziehen und damit der elastischen Rückstellkraft entgegenwirken, wenn sich beide Stimmgabelarme während einer Halbschwingung einander nähern. Bei bestimmten Torsionsoszillatoren, deren Schwingungsfrequenz mit steigender Amplitude abnimmt, werden dagegen die Magnete auf den Schwingarmen derart angebracht, daß sie einander abstoßen.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

F i g: 1 eine Vorrichtung zur Frequenzstabilisierung ausgerüstete Stimmgabel und

F i g. 2 bis 6 verschiedene Ansichten eines mit einer Vorrichtung zur Frequenzstabilisierung ausgerüsteten _ Torsionsoszillators.

Die einfachste Methode zur Erzeugung einer magnetischen Wechselwirkung, welche den von der Schwingungsamplitude abhängiges^ mechanischen elastischen Rückstellkräften bei einem mechanischen Schwinger entgegenwirkt, besteht darin, an zwei relativ zueinander bewegten Teilen des Schwingers zwei Dauermagneten entgegengesetzter Polarität zu befestigen. Als Material für diese Magneten wählt man vorzugsweise einen Werkstoff schlechter elektrischer Leitfähigkeit mit hoher Koerzitivkraft, beispielsweise ein Ferrit.

Im Ausführungsbeispiel der in F i g. 1 dargestellten Stimmgabel sind auf den einander zugewandten Seiten der beiden Gabelarme 1 und 1' in der Nähe von deren Enden zwei Magnete 2 bzw. 2' befestigt, deren Polflächen einander in geringem Abstand gegenüberliegen. Auf diese Weise wird eine verhältnismäßig hohe gegenseitige magnetische Wechselwirkung zwischen den beiden Dauermagneten erzielt. Die beiden aufeinander zu weisenden Pole beider Magnete haben entgegengesetzte Polarität, so daß sich also beide Magnete anzuziehen suchen, wodurch sich, wie im Folgenden noch näher erläutert wird, die Schwingungsfrequenz der Stimmgabel mit steigender Amplitude verringert.

Wenn sich während einer Halbschwingung der« Stimmgabel die beiden Arme 1 und 1' einander nähern, dann steigt entsprechend die magnetische Anziehungskraft zwischen den beiden Magneten 2 und 2', welche bis zur Erreichung der maximalen Amplitude beider Arme immer größer werdenden elastischen Rückstellkraft der Arme entgegengesetzt gerichtet ist. Wenn sich die Arme während der folgenden Halbschwingung voneinander entfernen, dann wirkt zwar die magnetische Anziehung zwischen beiden Magneten in Richtung der elastischen Rückstellkraft der Arme, jedoch ist in diesem Falle die magnetische Anziehungskraft wegen der größeren Entfernung der beiden Magnete voneinander wesentlich geringer. Wenn also während der zuerst betrachteten Halbschwingung die Reduzierung der effektiven Rückstellkraft durch die magnetische Anziehung eine Verringerung der Schwingungsfrequenz mit steigender Amplitude führt, dagegen während der zuletzt betrachteten Halbschwingung auch ein die Schwingungsfrequenz erhöhender Effekt eintritt, so" überwiegt

doch bei weitem der Effekt der Frequenzverringerung, da die magnetische Anziehung während der Spreizung der beiden Gabelarme praktisch vernachlässigbar wird. Je größer die Schwingungsamplitude ist, desto stärker wird der die Frequenz verringernde Effekt und desto schwächer der andere, die Frequenz erhöhende Effekt. Als Resultat der Überlagerung beider, während einer vollständigen Schwingungsperiode beider Arme auftretenden Effekte tritt also die gewünschte Frequenzverringerung der Stimmgabelschwingung mit steigender Amplitude auf.

Würde man die beiden Magneten derart anordnen, daß sie einander abzustoßen versuchen, dann sieht man auf Grund einer analogen Überlegung leicht ein, daß sich die Frequenz der Stimmgabel mit steigender Amplitude vergrößert.

Durch geeignete Wahl der Magnetkräfte und der Größe der verwendeten Magneten läßt sich leicht erreichen, daß die bekannte Frequenzänderung als Funktion der Schwingungsamplitude innerhalb eines großen Amplitudenbereiches weitgehend kompensiert wird.

Häufig weist das zur Aufrechterhaltung der Schwingung verwendete elektromagnetische Übertragungssystem selber bereits eine Anzahl von Dauermagneten auf, die man erfindungsgemäß dann vorzugsweise direkt zur beschriebenen Kompensation der Frequenzänderung verwendet, ohne daß es erforderlich wäre, dafür noch zusätzliche Magnete vorzusehen. Ein derartiges Beispiel eines Torsionsschwingers, der zur Aufrechterhaltung der Schwingungen sowieso mit Dauermagneten versehen sein muß, ist in den F i g. 2 bis 6 dargestellt.

F i g. 2 zeigt eine Draufsicht auf diesen Torsionsoszillator, der zwei parallel zueinander und übereinanderliegende Schwingarme 5 und 6 besitzt. Diese Schwingarme 5 und 6 haben ungefähr die Gestalt eines flachen S und sind in ihrer Mitte an einem Torsionsfedersystem befestigt, das aus zwei flachen, rechtwinklig zueinander orientierten Federn 10 und 11 mit am Orte der Torsionsachse rechtwinklig umgebogene Abschnitte 10 α bzw. 11a besteht. Auf diese Weise bilden die beiden flachen Torsionsfedern eine zusammengesetzte Feder mit kreuzförmigem Querschnitt, wobei die beiden Arme 5 und 6 an den vier Enden des Kreuzes befestigt sind. Die verlängerten Enden der Federn 10 und 11 sind an den Stellen 10 b und 11 b in einer Grundplatte verankert.

Jeder der beiden Arme 5 und 6 hat für sich allein betrachtet die in F i g. 4 in Draufsicht gezeigte Form. Die gegenüberliegenden freien Enden 12 und 13 sind durch zweimaliges Umbiegen U-förmig ausgebildet, wie die Seitenansicht nach F i g. 5 zeigt. Diese Form erhält man auf einfache Weise dadurch, daß man von einem ausgestanzten, flachen Profilteil ausgeht, wie es in F i g. 6 dargestellt ist. Die Endabschnitte 8 dieser ebenen Profilplatte werden zunächst längs der mit 9' bezeichneten Linien um 90° umgebogen, und anschließend wird der so erhaltene Winkel an beiden Enden der Platte nochmals längs der mit 9 bezeichneten Linie rechtwinklig umgeknickt. Man erhält dann die in den F i g. 3 und 5 in zwei Schmalseitenansichten dargestellte Form eines Schwingarmes.

Das System zur Aufrechterhaltung der Schwingungen des Trosionsoszillators nach F i g. 2 weist vier an den beiden Enden der Arme 5 und 6 im Inneren der U-förmigen Abschnitte in der gleichen Ebene angeordnete Magneten 3 und 4 bzw. 3' und 4' auf, die mit zwei nicht dargestellten stationären Spulen zusammenarbeiten. Wie in den F i g. 2 und 5 zu sehen, ist die Dicke der auf der Innenseite der jeweils äußeren U-Schenkel beider Schwingarme befestigten Magneten nur etwa halb so groß wie der freie Raum zwischen den beiden U-Schenkeln beider Schwingarme befestigten Magneten nur etwa halb so groß wie der freie Raum zwischen den beiden U-Schenkeln. Außerdem liegen die beiden Arme 5 und 6 nach F i g. 2 in

ίο Richtung der Schwingungsachse derart übereinander, daß die beiden U-Abschnitte des unteren Armes 6 nach unten und die beiden U-Abschnitte des oberen Armes 5 nach oben vorspringen, wobei sich die umgebogenen Enden beider Arme vorzugsweise seitlich überlappen. In Fig. 2 ist der den oberen linken U-Schenkel bildende Abschnitt des Schwingarmes 5 weggebrochen, so daß man den Magneten 3 vollständig sehen kann.

Eine der in den Figuren nicht dargestellten stationären Spulen arbeitet mit den beiden Magneten 3 und 3' zusammen und ragt in den freien Raum 71-(F i g. 5) zwischen den Magneten und dem gegenüber-" liegenden U-Schenkel, während die-andere Spule mit den Magneten 4 und 4' zusammenarbeitet und in den entsprechenden freien Raum 7 aä^den anderen Armenden hineinragt. ''

Während des Betriebs schwingen die beiden Arme 5 und 6 mit gleicher Frequenz in Gegenphase. Damit zwischen den periodisch erregten stationären Spulen und den betreffenden Magneten eine diese Schwingung aufrechterhaltende magnetische Wechselwirkung entsteht, müssen jeweils die beiden einer Spule gegenüberliegenden Polflächen der beiden Magneten dieselbe Polarität haben. Nur dann wird natürlich durch jeweils ein Magnetpaar in der zugehörigen Spule ein definierter Spannungsimpuls erzeugt, bzw. die mit den zwei Magneten zusammenarbeitende Spule übt bei Erregung eine gleichzeitige Abstoßung bzw. eine gleichzeitige Anziehung auf beide Dauermagneten aus.

Es hat sich gezeigt, daß bei einem derartigen Torsionsoszillator die Schwingungsfrequenz mit steigender Amplitude abnimmt. Dieser nachteilige .Effekt kann nun, wie eingangs an Hand der F i g. 1 erläutert, dadurch weitgehend kompensiert werden, daß man eine ständige magnetische Abstoßung zwischen den beiden Magneten^an den gleichen Schwingarmenden vorsieht. Die Voraussetzung für die Erfüllung*" dieser Bedingung ist nun beim beschriebenen Torsionsoszillator gegeben, da ja die beiden mit ein und derselben Spule zusammenarbeitenden Magnete an denselben Armenden dieselbe Polarität haben müssen. Um die gewünschte magnetische Abstoßung wirksam zu verstärken, genügt es, die Magnete 3 und 3' einerseits und 4 und 4' andererseits unter gegenseitiger Annäherung etwas in den Zwischenraum zwischen beide Arme hineinragen zu lassen, wie es in F i g. 2 dargestellt ist.

Die Schwingarme 5 und 6 bestehen aus einem ferromagnetischen Material, beispielsweise aus Eisen oder aus einer Legierung mit einer hohen Sättigungsinduktion, wodurch ein guter magnetischer Kreis gebildet wird.

Die in F i g. 2 dargestellte Ausführungsform eines Torsionsoszillators erlaubt es durch geeignete Anordnung und Ausbildung der Magnete, die normalerweise als Funktion der Schwingungsamplitude auftretende Abweichung der Schwingungsfrequenz von

der Sollfrequenz ungefähr im Verhältnis 20:1 für eine im Verhältnis 1 : 2 variierende Schwingungsamplitude zu verringern.

Die beschriebene, erfindungsgemäße Maßnahme zur Kompensation der üblichen, amplitudenabhängigen Frequenzänderung eines mechanischen Oszillators ist auf denkbar einfache Weise durchführbar und erfordert im allgemeinen, da meistens Dauermagne-

ten zur Aufrechterhaltung der Schwingungen in der elektromagnetischen Antriebsschaltung sowieso vorhanden sein müssen, keinerlei zusätzliche Bauelemente.

Im Prinzip läßt sich die Erfindung natürlich auch dadurch verwirklichen, daß man als magnetfelderzeugende Elemente an Stelle von Dauermagneten stromdurchflossene Spulen verwendet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

109 585/209

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Stabilisierung der Frequenz eines mechanischen Oszillators für Zeitmeßgeräte, wobei der Oszillator wenigstens zwei mit der gleichen Frequenz in Gegenphase schwingende Glieder aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß an beiden schwingenden Oszillatorgliedern Dauermagnete befestigt sind, die zwischen beiden Oszillatorgliedern eine parallel zu den mechanischen elastischen Rückstellkräften der Oszillatorglieder - orientierte magnetische Wechselwirkungskraft derartigen Vorzeichens und derartiger Größe erzeugen, daß sie der amplitudenabhängigen Frequenzänderung des Oszillators entgegenwirkt und diese weitgehend kompensiert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 für einen mechanischen Oszillator, dessen Schwingungen durch ein mit Magneten arbeitendes elektromagnetisches Antriebssystem aufrechterhalten werden, dadurch gekennzeichnet, daß diese vorhandenen Magnete auch zur Frequenzstabilisierung ausgenutzt werden.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2 für einen Oszillator, dessen Schwingungsfrequenz auf Grund der wirksamen mechanischen elastischen Rückstellkräfte mit steigender Schwingungsamplitude abnimmt, dadurch gekennzeichnet, daß die auf den schwingenden Oszillatorgliedern angeordneten Magnete einander abstoßen.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2 für einen Oszillator, dessen Schwingungsfrequenz auf Grund der wirksamen mechanischen elastischen Rückstellkräfte mit steigender Schwingungsamplitude zunimmt, dadurch gekennzeichnet, daß die auf den schwingenden Oszillatorgliedern angeordneten Magnete einander anziehen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4 für einen Stimmgabelschwinger, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Innenseiten der beiden Stimmgabelarme Dauermagnete angeordnet sind, deren gegenüberliegende Polflächen entgegengesetzte Polarität haben (F i g. 1).

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, für einen Torsionsoszillator mit zwei übereinanderliegenden Schwingarmen, die senkrecht zur gemeinsamen Achse einer kreuzförmigen Torsionsfeder orientiert sind, dadurch gekennzeichnet, daß an den Enden beider Schwingarme ein sich abstoßendes Magnetpaar befestigt ist (F i g. 2 bis 6).