DE2120436A1 - Oszillator für eine Uhr, insbesondere eine Kleinuhr - Google Patents

Description

Erwin BERNHEIM ZUERICH / Schweiz

Oszillator für eine Uhr, insbesondere eine Kleinuhr

Die Erfindung bezieht sich auf eine Uhr, insbesondere eine Kleinuhr, mit einem Transistor, einem in dessen Ausgangskreis liegenden ersten Schwingkristall und einem im Steuerkreis des Transistors liegenden zweiten Schwingkristall, welcher mit dem ersten Schwingkristall mechanisch gekoppelt ist.

Derartige Oszillatoren sind bekannt (deutsche Patentschrift 1 236 423 und 1 241 371) und können insbesondere zum direkten Antrieb des Zeigerwerks verwendet werden, indem ein am freien Ende des einen Schwingkristalls befestigtes Uebertragungs glied als Antriebsklinke direkt auf das erste Rad des Zeigerwerks wirkt.

Diese Oszillatoren zeichnen sich durch einen besonders einfachen Aufbau der Schaltung aus, da der Schwingkreis weder Spulen noch Kondensatoren benötigt. Dagegen bestehen die Schwierigkeiten, dass die Schwingungsamplitude des antreibenden Kristalls grössenordnungsmässig nur bei 10 Mikron und die Schwingungsfrequenz im allgemeinen im kHz-Bereich liegt; daher muss das Schaltrad mit einer sehr feinen Verzahnung ausgebildet werden, die der nur geringen Schwingungsamplitude angepasst ist, und auch die Zähnezahl des Schaltrades bzw. dessen Durchmesser muss verhältnismässig gross gewählt

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werden, damit das Schaltrad durch die rasch schwingende Lamelle nicht zu schnell angetrieben wird und die Zahl der die Antriebsraddrehung untersetzenden Räder des Räderwerks nicht zu gross wird. Auch muss das das Schaltrad antreibende Uebertragungsglied besonders fein und stabil ausgebildet sein, da es in Folge der hohen Frequenz einer starken Beanspruchung unterliegt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile bei L· einem Oszillator der eingangs beschriebenen Art zu beseitigen

und einen Resonator zu schaffen, welcher ohne zusätzliche elektrische Bauelemente eine Frequenzuntersetsung und gleichzeitig eine Amplitude nüberssfeaung einschliesst und welcher auaserdem nur Schwingkristalle verhältnismässig kleiner Abmessungen benötigt, so dass sich eine Einsparung an diesem verhältnismässig teuren Material ergibt.

Ausgehend voa eicam Oscillator der eingangs beschriebenen Art ist die Erfindung aur Lösung dieser Aufgabe dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens der erste Schwingkristall an einer einseitig in fe einem Träger eingespannten, elastischen Lamelle in der Nähe der

Einspannstelle, vorzugsweise durch Kleben, befestigt ist und dass die Länge der Lamelle um so viel grosser als die Abmessung des Schwingkristalls ist, dass das freie Lamellenende mit einer Unterharmonischen der Schwingungsfrequenz der Oszillator schaltung schwingt.

Dadurch werden folgende technische Vorzüge erreicht;

a) Die Oszillator schaltung kann mit der für Schwingkr istalle üblichen, verhältnismässig hohen Frequenz von über 1000 Hz betrieben werden, während das freie Lamellenende mit einer wesentlich geringeren Frequenz unter 1000 Hz und mit einer

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Amplitude von einigen Zetoitel Millimetern schwingt. Dadurch kann ein Schaltrad normaler Abmessungen und ohne besonders feine Verzahnung einwandfrei angetrieben werden, wenn in bekannter Weise am freien Ende der Lamelle ein in die Verzahnung eingreifendes Uebertragungsglied befestigt wird.

b) Die Masse des schwingenden Resonators kann durch Wahl der Abmessungen der Lamelle, welche aus einem handelsüblichen, preiswerten Material bestehen kann, geeignet vergrössert werden, ohne dass dazu eine entsprechend grosse Menge des kostspieligen Schwingkristallmaterials erforderlich wäre.

c) Man kann vorzugsweise ein Lamellenmaterial mit einem nur geringen Temperaturkoeffizienten, beispielsweise die unter dem Handelsnamen Nivarox bekannte Legierung, eine geeignete Stahllegierung oder aber auch Kunststoff, verwenden. Dadurch wird die unerwünschte Temperatur abhängigkeit des Schwingungsverhaltens piezoelektrischer Kristalle weitgehend ausgeschaltet, weil das Schwingungsverhalten des Oszillators nach der Erfindung praktisch ausschliesslich durch die Abme ssungen und das Material der elastischen Lamelle bestimmt wird.

d) Die Montage des Oszillators ist sehr einfach, weil die Lamelle einfach mittels Schrauben an ihrem Träger befestigt werden kann. Bisher mussten Schwingkristalle an ihrer Einspannstelle mit dem Träger verklebt werden, was sehr umständlich war. Ebenso vereinfacht sich die Befestigung des das erste Rad des Zeigerwerks antreibenden Uebertragungsglieds, das nicht mehr vorsichtig am Kristall angeklebt zu werden braucht, sondern auf beliebige Weise am freien Ende der Lamelle angebracht werden kann, deren Material besser und einfacher bearbeitet werden kann als das Kristallmaterial.

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e) Da der empfindliche Schwingkristall durch Befestigung an der Lamelle sozusagen verstärkt wird, ist der mechanische Aufbau des Oszillators ziemlich stabil.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung/an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen;

Fig. 1 : eine erste Ausführungsform mit zwei in einem gemeinsamen

Träger eingespannten elastischen Lamellen, an denen je ein

Schwingkristall befestigt ist,
Fig. 2 } eine zweite Ausführungsform mit zwei an gegenüberliegenden

Seiten einer Lamelle befestigten Schwingkristallen, Fig. 3 : eine dritte Ausführungsform mit einer zusätzlichen, von der

elektrischen Oszillator schaltung unabhängigen Lamelle,

welche nur über das Trägermaterial zum Mitschwingen

angeregt wird, und

Fig. 4 ί die Seitenansicht einer an ihrem freien Ende mit einem ^ Längsschlitz versehenen Lamelle in der Schaltung nach

Fig. 2.

Nach Fig. 1 sind an einem Träger 5, beispielsweise einem am Uhrgestell befestigten Metallklotz, die einen Enden zweier elastischer Metall-Lamellen 2 und 4 durch Schrauben 6 eingespannt. An einer Seite jeder Lamelle ist ein Schwingkristall 1 bzw. 3 durch Kleben befestigt, von denen der Kristall 1 im Emitter-Kollektor-Kreis und der Kristall 3 im Emitter-Basis-Kreis eines Transistors T liegt. Als Stromquelle dient eine Batterie B im Emitter-Kreis des Transistors T. Die Abmessung der Kristalle beträgt nur einen Bruchteil der Länge der Lamellen. Am freien Ende der Lamelle 2, welche den Antriebsresonator bildet, ist ein Uebertragungsglied 7 befestigt, welches das erste Rad 8

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eines nicht näher dargestellten Zeigerwerks antreibt. Das Glied 7 kann ein Draht mit einem am Ende befestigten Stein sein, der in die Verzahnung des Rades 8 eingreift. Die beiden Kristalle 1 und 3 sind über das Material der Lamellen 2 bzw. 4 und des Trägers 5 mechanisch miteinander gekoppelt, und die Oszillatorschaltung arbeitet wie die bekannte, im deutschen Patent 1 236 423 beschriebene Schaltung, jedoch mit dem Unterschied, das-s die freien Lamellenenden mit einer Unterharmonischen der Frequenz der Oszillator schaltung schwingen.

Zur Dämpfung der Spitzen der durch die Schwingkristalle infolge des piezoelektrischen Effekts erzeugten Impulse ist dem Kristall 1 eine Spule S parallelgeschaltet, welche in Reihe mit einer Diode D liegt. Auf diese Massnahme kann jedoch auch verzichtet werden. Dem Kristall 3 ist ein Widerstand R elektrisch parallelgeschaltet.

Wenn die Lamellen 2 und 4 und der Träger 5 aus metallischem Material bestehen und ausserdem, beispielsweise durch Verwendung eines Klebers mit elektrischer Leitfähigkeit, für einen elektrischen Kontakt zwischen der Lamelle und der Innenelektrode des Kristalls gesorgt wird, dann sind beide Innenelektroden der Kristalle 1 und 3 elektrisch miteinander und über das Material der Lamellen und des Trägers mit der Oszillatorschaltung verbunden. Eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der Innenelektrode eines Kristalls und der betreffenden Lamelle ist jedoch nicht unbedingt erforderlich, weil in diesem Falle die dann bestehende kapazitive Kopplung ausreicht. Wenn der Träger 5 aus nicht leitendem Material besteht, dann ist natürlich eine besondere elektrische Verbindung zu den Lamellen erforderlich. Wenn die Lamellen aus nicht leitendem Material bestehen, dann können en tweder elektrische Leitungen zu den Innenelektroden der Kristalle vorgesehen oder auch die Lamellen an ihren Grenzflächen zum Kristall metallisiert sein. Das gleiche

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gilt für. die Beispiele nach den Fig. 2 und 3.

Im Beispiel nach Fig. 2 sind zwei Schwingkristalle 11 und 13 auf gegenüberliegenden Seiten einer Lamelle 12 befestigt, deren eines Ende mittels einer Schraube 16 in einem Träger 15 eingespannt ist und deren anderes, freies Ende ein Uebertragungs glied 17 trägt, das das erste Rad 18 eines Zeigerwerks antreibt. Die Kristalle liegen wiederum im Steuer- bzw. Arbeitskreis eines Transistors T, und jedem Kristall ist ein Widerstand Rl bzw. R2 parallelgeschaltet.

Im Beispiel nach Fig. 3 sind an einem Träger 25 sowohl eine Lamelle 22, welche auf gegenüberliegenden Seiten Schwingkristalle 21 und 23 trägt, als auch eine weitere elastische Lamelle 29 als Antriebsresonator befestigt. Diese Lamelle 29 ist unabhängig von der Oszillatorschaltung, wird nur infolge der mechanischen Kopplung über das Material des Trägers 25, welcher wie ein Resonanzboden wirkt, zum Mitschwingen angeregt und trägt das das erste Rad 28 antreibende Uebertragungs glied 27. Auf diese Weise sind die Zeitbasis und das Antriebsorgan voneinander getrennt, so dass Rückwirkungen vom Zeigerwerk auf die Oszillatorschaltung weitgehend vermieden werden. Die beiden Kristalle 21 und 23 liegen wiederum im Arbeite- bzw. Steuerkreis eines Transistors T. Dem einen Kristall ist eine Spule S, dem. anderen ein Widerstand R parallelgeschaltet.

Wie auf Fig. 4 gezeigt, kann das freie Ende der Lamelle, beispielsweise der Lamelle 12 nach Fig. 2, mit einem Längsschlitz 12a versehen sein, welcher ausserhalb der Befestigungsstelle für den Kristall bzw. 13 endet. Ein derartiger Längsschlitz erhöht die Elastizität und die Resonanz der schwingenden Lamelle.

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Versuche mit dem Oszillator nach der Erfindung haben folgendes gezeigt: Wenn zwei lamellenförmige Schwingkristalle von 16 mm Länge in bekannter Weise verwendet werden, dann beträgt die Schwingungsfrequenz der Kristalle etwa 3 kHz, und die Schwingung Samplitude nur etwa 0,01 mm. Wenn dagegen, gemäss dem Beispiel nach Fig. 1, 16 mm lange und lmm dicke Nivarox-Lamellen mit angeklebten,· 0,7 mm dicken und etwa 4 mm langen Kristallen verwendet werden, dann schwingen die freien Lamellenenden mit einer Frequenz von nur 600 bis 800 Hz, und die Schwingung Samplitude beträgt 0,3 bis 0,5 mm. Bei einem Resonator nach Fig. Z mit einer 20 mm langen und 0,2 mm dicken Lamelle und mit 0,125 mm dicken und etwa 4 mm langen Kristallen wurde eine Schwingungsfrequenz des freien Lamellenendes von 400 bis 600 Hz und eine Schwingungsamplitude von 0,4 bis 0,6 mm gemessen. Mit einer etwa 35 mm langen Lamelle, auf deren gegenüberliegenden Seiten 5 bis 6 mm lange Kristalle befestigt waren, wurden Schwingungsfrequenzen des freien Lamellenendes zwischen 200 bis 300 Hz und Schwingungsamplituden bis zu 1 mm beobachtet. In allen Fällen lag die Frequenz der Oszillator schaltung und damit der Kristalle über 1000 Hz.

Vorzugsweise sind die Lamellen 12 bis 25 mm lang, und die in der Nähe der Einspannstelle befestigten Kristalle haben eine Länge von 20 bis 25 % der Lamellenlänge, so dass der frei schwingende Bereich der Lamelle aus serhalb der Kristalle wenigstens 50 % der gesamten Lamellenlänge beträgt.

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Claims (10)

1. PATENTANSPR UECHE

   MJ Oszillator für eine Uhr, insbesondere eine Kleinuhr, mit wenigstens einem Transistor, einem in dessen Ausgangskreis liegenden ersten Schwingkristall und einem im Steuerkreis des Transistors liegenden zweiten Schwingkristall, welcher mechanisch mit dem ersten Schwingkristall gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens der erste Schwingkristall (l;ll;21) an t einer einseitig in einem Träger (5;15;25) eingespannten, elastischen

   Lamelle in der Nähe der Einspannstelle, vorzugsweise durch Kleben, befestigt ist und dass die Länge der Lamelle um so viel grosser als die Abmessung des Schwingkr is tails ist, dass das freie Lamellenende mit einer Unter harmonische η der Schwingungsfrequenz der Oszillator schaltung schwingt.
2. 2. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beide Schwingkristalle (ll,13;21,23) auf den gegenüberliegenden Seiten einer elastischen Lamelle (12;22) befestigt sind.

   fc
3. 3. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

   beide Schwingkristalle (1,3) an je einer elastischen Lamelle (2,4) befestigt sind, welche in einem gemeinsamen Träger (5) eingespannt sind.
4. 4. Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Lamellen an ihrem freien Ende ein Uebertragungsglied (7;17) trägt, welches das erste Rad (8;17) des Zeigerwerks der Uhr antreibt.
5. 5. Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass am Träger (25) wenigstens eine weitere, von der Oszillatorschaltung unabhängige elastische Lamelle (29) befestigt ist, welche nur mechanisch über das Material des Trägers zum

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   Mitschwingen angeregt wird und welche an ihrem freien Ende ein das erste Rad (28) des Zeigerwerks antreibendes Uebertragungsglied (27) trägt.
6. 6. Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das freie Ende der Lamelle wenigstens einen Längsschlitz (12a) aufweist, welcher ausserhalb der Befestigung««teile des Kristalls endet.
7. 7. Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessungen von Lamelle und Kristall derart gewählt sind, dass das freie Lamellenende mit einer Frequenz unter 1000 Hz und mit einer Schwingungsamplitude von über 0,1 mra schwingt, und dass zu diesem Zwecke die Lamellenlänge vor zug·- weise 12 - 25 mm, die Länge der Kristalle 20 % bi» 25 % der Lamellenlänge und der freie Lamellenbereich ausserhalb der Kristalle wenigstens 50 % der Lamellenlänge beträgt.
8. 8. Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Lamellenmaterial einen nur geringen Temperaturkoeffizienten aufweist und beispielsweise aus einer Stahllegierung, aus der unter dem Handelsnamen Nivarox bekannten Legierung oder aus Kunststoff besteht,
9. 9. Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn· zeichnet, dass die Lamelle bzw, die Lamellen an ihren Einspann-•tellen durch Schrauben (6;16) am Träger (5;15) befestigt sind,
10. 10. Oszillator nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, das· wenigstens dem im Arbeitskreis de· Transietors (T) liegend·» Schwingkristall (l;21) eine Spule (8) und gegebenenfalls eine mit dieser elektrisch in Reihe geschaltete Diode (D) parallele «ehaltet ist.

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