Die Erfindung betrifft einen zweiarmigen Biegeschwinger für elektrisches Zeitmessgerät mit an einem Arm angeschlossenem Bewegungswandler zur Umformung der Translationsbewegung des Armes in eine Drehbewegung zum Antrieb mechanischer Teile des Zeitmessgerätes, wobei der Schwinger in seiner Schwingungsebene eine asymmetrische Gestalt hat und die beiden Arme des Schwingers verschieden grosse effektive Massen aufweisen, wodurch die Schwingungsamplituden beider Arme verschieden gross ausfallen.
Es sind zweiarmige Biegeschwinger für Zeitmessgeräte bekannt, deren Arme jedoch gleich grosse Massen aufweisen, so dass beide Arme des Biegeschwingers mit gleich grossen Amplituden schwingen. Üblicherweise ist der Bewegungswandler zur Umformung der Translationsbewegung des Biegeschwingers in eine Drehbewegung an einen einzigen Arm des Biegeschwingers angeschlossen.
Durch die Schweizer Patentschrift Nr. 432 390 ist ein zweiarmiger Biegeschwinger bekannt, dessen Arme verschieden grosse Massen aufweisen, wodurch die Schwingungsamplituden der beiden Arme verschieden gross ausfallen. Der Schwingerarm mit der geringeren Masse schwingt mit einer relativ grossen Amplitude, während der andere Schwingerarm mit einem Gegengewicht belastet ist und mit einer relativ geringen Amplitude schwingt. An dem Schwingerarm mit der geringeren Amplitude ist ein Bewegungswandler zur Umformung der Translationsbewegung in eine Drehbewegung angeschlossen, der aus einem bekannten Klinkenantrieb besteht, für welchen die Schwingungsamplituden innerhalb genau definierter Grenzen konstant gehalten werden müssen, um die Genauigkeit des Biegeschwingers für die Zeitmessanzeige zu bewahren.
Im Hinblick auf einen neuartigen, vollständig auf einem Arm des Biegeschwingers angebrachten und praktisch amplitudenunempfindlich arbeitenden B ewegungswandler haben sich die bei der erwähnten Lösung angewendeten Kriterien zur Auslegung des Biegeschwingers jedoch als verbesserungswürdig erwiesen.
Insbesondere bei elektrischen Kleinuhren, wie z. B. Armbanduhren muss, dem Gesamtwirkungsgrad des Antriebssystems grösste Beachtung geschenkt werden, da aus Platzgründen oder wegen einer möglichst geringen Wartungsbedürftigkeit die Kapazität der verwendeten Batterie bestmöglich ausgenutzt werden soll und damit der Wirkungsgrad optimal sein muss.
Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, einen zweiarmigen Biegeschwinger zu schaffen, welcher eine weitere Reduzierung der Stromaufnahme zu seinem Antrieb und damit eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrades eines elektrischen Zeitmessgerätes erlaubt, wobei die Amplituden zum Antrieb des Bewegungswandlers eine gewisse Mindestgrösse nicht unterschreiten dürfen, damit dieser noch fehlerfrei und störungsfrei arbeitet. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der gesamte Bewegungswandler vollständig an demjenigen Arm angeschlossen ist, welcher die grössere Schwingungsamplitude aufweist.
Durch diese Massnahme wird erreicht, dass nur derjenige Arm, welcher zum Antrieb des Wandlers dient, die für die einwandfreie Arbeitsweise des Wandlers notwendige Mindestamplitude aufweist, dass jedoch der andere Arm mit einer geringeren Amplitude schwingen kann. Dadurch verbessert sich der Wirkungsgrad der Anordnung wesentlich.
Wird gemäss einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung die effektive Masse des einen Biegeschwingerarmes gleich der doppelten effektiven Masse des anderen Armes gewählt, kann die Leistungsaufnahme eines derartigen Biegeschwingers gegenüber der Leistungsaufnahme eines symmetrischen Biegeschwingers auf 37,5 % gesenkt werden.
Damit beide Arme des Biegeschwingers mit gleicher Frequenz schwingen, muss die Dimensionierung des Armes mit der der kleineren effektiven Masse entsprechend angepasst wer- den, d. h. die Länge und/oder die Breite werden für beide Schwingarme verschieden ausfallen.
Eine einfache und platzsparende Anordnung ergibt sich für einen derartigen Biegeschwinger in einer Uhr, wenn beide Arme des Biegeschwingers auf der gleichen Seite des die beiden Arme verbindenden Steges liegen.
Durch die angegebene Lösung wird es möglich, dem Bewegungswandler einen möglichst hohen Energieanteil vom Biegeschwinger zu übertragen und damit den Gesamtwirkungsgrad des Antriebssystems wesentlich zu verbessern.
Die Lösung ermöglicht die Schaffung eines in seiner Zuverlässigkeit weiter gesteigerten und dabei preiswerter herstellbaren Stimmgabel-Zeitmessers, als es mit bekannten, zweiarmigen Biegeschwingern möglich war.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Die Figur zeigt die Ansicht eines als Ausführungsbeispiel gewählten zweiarmigen Biegeschwingers.
Der in der Figur gezeigte Biegeschwinger besteht aus zwei Armen 1 und 2, welche über einen gemeinsamen Steg 3 mit einer Basis 4 in Verbindung stehen. Die Basis 4 weist zwei Montagelöcher 5 und 6 auf, mit denen der Biegeschwinger auf einer nicht dargestellten Grundplatte befestigt ist. An den freien Enden der Arme 1 und 2 sind zwei verschieden grosse Permanentmagnete 7 und 8 befestigt. Diese Permanentmagnete wirken mit einer darunterliegenden, in der Figur nicht dargestellten Spule nach dem elektrodynamischen Prinzip zusammen. Über dieses System erfolgt der Antrieb des Biegeschwingers sowie die elektrische Abtastung der Schwingungen zur synchronen Steuerung der elektrischen Antriebsschaltung.
Auf dem Arm 1, welcher den kleineren Permanentmagneten 7 trägt, ist ausserdem ein Bewegungswandler 9 zur Umformung der Translationsbewegung des Biegeschwingerarmes in eine Drehbewegung angeordnet. Als Wandler kann beispielsweise ein Schwingungsmotor verwendet werden, wie er im Schweizer Patent Nr. 516 189 beschrieben worden ist. Der gesamte Wandler ist in einem Gehäuse eingeschlossen und fest auf dem Arm 1 befestigt, so dass er dessen Schwingungen mitmacht. Die Übertragung der im Wandler erzeugten Drehbewegung auf die feststehenden, mechanischen Teile des Uhrwerkes kann beispielsweise mit Hilfe einer Magnetkupplung erfolgen, wie es bereits durch die Anmelderin vorgeschlagen worden ist.
Die effektiven Massen der beiden Biegeschwingerarme, welche für den ersten Arm aus einem Teil der Masse des Armes selbst, der Masse des ersten Permanentmagneten 7 sowie der Masse des Wandlers 9 und für den zweiten Biegeschwingerarm 2 aus einem Teil dessen Masse sowie der Masse des zweiten Permanentmagneten 8 besteht, sind verschieden gross gewählt. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird davon ausgegangen, dass die effektive Masse des zweiten Biegeschwingerarms 2 doppelt so gross ist wie diejenige des ersten Biegeschwingerarms 1. Es ist also: = = 1/2 M2
Nach dem Impulssatz verhalten sich die Schwingungsamplituden des angeregten Biegeschwingers umgekehrt wie deren Massen:
M1= A2
M2 A1 worin Aj die Schwingungsamplitude des ersten und A2 diejenige des zweiten Armes bedeutet.
Da jedoch beide Biegeschwingerarme mit der gleichen Frequenz schwingen sollen, ist es notwendig, durch die geometrische Ausbildung der Arme den Einfluss der unterschiedlichen Massen auf die Schwingungsfrequenz zu kompensieren. Da die Schwingungsfrequenz eines Armes nur der Wurzel aus dessen Masse umgekehrt proportional ist, bleiben die entsprechenden Anpassungen in bescheidenem Rahmen. Wie sich aus der Figur ergibt, ist einerseits der Abstand der freien Enden der beiden Biegeschwingerarme von dem gemeinsamen Verbindungssteg 3 verschieden gross, anderseits sind die Breiten beider Biegeschwingerarme verschieden gross gewählt. Da der erste Biegeschwingerarm 1 wegen seiner kleineren effektiven Masse eine höhere Schwingungsfrequenz aufweisen würde, ist er zur Kompensation dieses Einflusses länger ausgeführt als der zweite Biegeschwingerarm 2.
Ferner ist seine Breite b grösser gewählt als die Breite a des zweiten Biegeschwingerarmes 2.
Der Einfluss von Länge und Breite bzw. anderer hier nicht erwähnter geometrischer Grössen, welche die Elastizität der Arme beeinflussen, auf die Schwingungsfrequenz der Biegeschwingerarme ist allgemein bekannt und braucht hier nicht näher erläutert zu werden.
Im folgenden wird nun der Einfluss der verschieden grossen Massen und damit der verschieden grossen Schwingungsamplituden auf die vom Biegeschwinger aufgenommene Leistung dargestellt. Die virtuelle Leistung Nv eines zweiarmigen Biegeschwingers beträgt bekanntermassen: Nv M A2 worin M die Masse des Biegeschwingers, A die Schwingungsamplitude und w die Kreisfrequenz der Schwingung, mit w = 2 r f, wenn f die Schwingungsfrequenz ist, bedeuten.
Für einen zweiarmigen Biegeschwinger beträgt die virtuelle Gesamtleistung N*v, welche sich aus der Summe der Leistungen beider Schwingungsarme zusammensetzt:
EMI2.1
worin MX die Masse des ersten Biegeschwingerarmes, A, dessen Schwingungsamplitude, M2 die Masse. des zweiten Armes und A2 dessen Schwingungsamplitude bedeuten.
Unter der obigen Annahme M1 = 1/2 M2 ist wegen des Impulssatzes:
A1 = 2 A2
Damit beträgt die gesamte virtuelle Leistung N*v eines solchen Biegeschwingers:
EMI2.2
N = 3 M, 23
8 M2 A1
Die reelle Leistung NR ergibt sich nach Division durch den Gütefaktor Q des Biegeschwingers, also:
EMI2.3
Die vom Biegeschwinger aufgenommene Leistung beträgt somit nur 3/8 oder 37,5 % der von einem symmetrischen Biegeschwinger aufgenommenen Leistung bei gleichen Amplituden am Bewegungswandler. Dies stellt einen wesentlichen Gewinn bezüglich der gerade bei Kleinuhren kritischen Leistungsaufnahme dar.
Bei gleicher Empfindlichkeit des Wandlers 9 werden in diesem Ausführungsbeispiel nur 3/8 der Antriebsleistung eines mit zwei gleichen Armen ausgestatteten Biegeschwingers benötigt.
Selbstverständlich können anstelle des im bevorzugten Ausführungsbeispiel gewählten Massenverhältnisses von 1: 2 auch beliebige andere Massenverhältnisse, welche sich für den vorliegenden Anwendungsfall als besonders günstig erweisen, gewählt werden. Der Leistungsgewinn gegenüber einem Biegeschwinger mit einem Massenverhältnis von 1:1 lässt sich anhand obiger Formeln leicht berechnen.
The invention relates to a two-armed flexural oscillator for an electrical timepiece with a motion converter connected to one arm for converting the translational movement of the arm into a rotary motion for driving mechanical parts of the timepiece, the oscillator having an asymmetrical shape in its plane of oscillation and the two arms of the oscillator having different effective sizes Have masses, as a result of which the oscillation amplitudes of the two arms turn out to be of different sizes.
Two-armed flexural oscillators for timing devices are known, the arms of which, however, have masses of equal size, so that both arms of the flexural oscillator oscillate with the same amplitudes. Usually, the motion converter for converting the translational movement of the flexural oscillator into a rotary motion is connected to a single arm of the flexural oscillator.
A two-armed flexural oscillator is known from Swiss patent specification No. 432 390, the arms of which have different masses, so that the oscillation amplitudes of the two arms are different. The oscillating arm with the lower mass oscillates with a relatively large amplitude, while the other oscillating arm is loaded with a counterweight and oscillates with a relatively small amplitude. A motion converter for converting the translational motion into a rotary motion is connected to the oscillating arm with the lower amplitude, which consists of a known ratchet drive, for which the oscillation amplitudes must be kept constant within precisely defined limits in order to maintain the accuracy of the flexural oscillator for the time measurement display.
With regard to a new type of motion transducer, which is attached completely to one arm of the flexural oscillator and which operates practically insensitive to amplitude, the criteria for the design of the flexural oscillator used in the aforementioned solution have proven to be in need of improvement.
Especially with small electric watches, such as. B. wristwatches must be paid the greatest attention to the overall efficiency of the drive system, because for reasons of space or because the need for maintenance as low as possible, the capacity of the battery used should be optimally used and thus the efficiency must be optimal.
The object of the present invention is to create a two-armed flexural oscillator which allows a further reduction in the power consumption for its drive and thus a further improvement in the efficiency of an electrical timepiece, whereby the amplitudes for driving the motion converter must not fall below a certain minimum size so that it still does works error-free and trouble-free. According to the invention, this object is achieved in that the entire motion converter is completely connected to that arm which has the greater oscillation amplitude.
This measure ensures that only that arm which is used to drive the transducer has the minimum amplitude necessary for the transducer to function properly, but that the other arm can oscillate with a lower amplitude. This significantly improves the efficiency of the arrangement.
If, according to a particularly advantageous embodiment, the effective mass of one flexural oscillator arm is chosen to be equal to twice the effective mass of the other arm, the power consumption of such a flexural oscillator can be reduced to 37.5% compared to the power consumption of a symmetrical flexural oscillator.
So that both arms of the flexural oscillator vibrate at the same frequency, the dimensioning of the arm with the smaller effective mass must be adapted accordingly, ie. H. the length and / or the width will be different for both swing arms.
A simple and space-saving arrangement results for such a flexural oscillator in a watch if both arms of the flexural oscillator are on the same side of the web connecting the two arms.
The specified solution makes it possible to transfer the highest possible amount of energy from the flexural oscillator to the motion converter and thus to improve the overall efficiency of the drive system significantly.
The solution enables the creation of a tuning fork timepiece that is further increased in terms of its reliability and can be manufactured more cheaply than was possible with known, two-armed flexural oscillators.
In the following, an embodiment of the subject matter of the invention is explained in more detail with reference to a drawing.
The figure shows the view of a two-armed flexural oscillator chosen as an exemplary embodiment.
The flexural oscillator shown in the figure consists of two arms 1 and 2 which are connected to a base 4 via a common web 3. The base 4 has two mounting holes 5 and 6 with which the flexural oscillator is attached to a base plate, not shown. At the free ends of the arms 1 and 2, two permanent magnets 7 and 8 of different sizes are attached. These permanent magnets interact with an underlying coil, not shown in the figure, according to the electrodynamic principle. This system is used to drive the flexural vibrator and to electrically scan the vibrations for synchronous control of the electrical drive circuit.
On the arm 1, which carries the smaller permanent magnet 7, there is also a movement converter 9 for converting the translational movement of the flexible oscillating arm into a rotary movement. A vibration motor, for example, as described in Swiss Patent No. 516 189, can be used as the converter. The entire transducer is enclosed in a housing and firmly attached to the arm 1 so that it takes part in its vibrations. The transmission of the rotary movement generated in the converter to the fixed, mechanical parts of the clockwork can be done, for example, with the aid of a magnetic coupling, as has already been proposed by the applicant.
The effective masses of the two flexural oscillator arms, which for the first arm from part of the mass of the arm itself, the mass of the first permanent magnet 7 and the mass of the transducer 9 and for the second flexural oscillator arm 2 from part of its mass and the mass of the second permanent magnet 8 consists of different sizes. In the preferred exemplary embodiment, it is assumed that the effective mass of the second flexible oscillating arm 2 is twice as large as that of the first flexible oscillating arm 1. It is therefore: = = 1/2 M2
According to the law of momentum, the oscillation amplitudes of the excited flexural oscillator behave inversely to their masses:
M1 = A2
M2 A1 where Aj is the vibration amplitude of the first arm and A2 that of the second arm.
However, since both flexural oscillator arms should oscillate at the same frequency, it is necessary to compensate for the influence of the different masses on the oscillation frequency through the geometric design of the arms. Since the oscillation frequency of an arm is only inversely proportional to the square root of its mass, the corresponding adjustments remain modest. As can be seen from the figure, on the one hand the distance between the free ends of the two flexural oscillator arms and the common connecting web 3 is different, and on the other hand the widths of the two flexural oscillator arms are selected to be different. Since the first flexural vibrator arm 1 would have a higher oscillation frequency due to its smaller effective mass, it is designed to be longer than the second flexural vibrator arm 2 to compensate for this influence.
Furthermore, its width b is selected to be greater than the width a of the second flexible oscillating arm 2.
The influence of length and width or other geometric variables not mentioned here which influence the elasticity of the arms on the oscillation frequency of the flexural oscillating arms is generally known and does not need to be explained in more detail here.
In the following, the influence of the differently large masses and thus of the differently large vibration amplitudes on the power absorbed by the flexural vibrator is shown. The virtual power Nv of a two-armed flexural oscillator is known to be: Nv M A2 where M is the mass of the flexural oscillator, A is the oscillation amplitude and w is the angular frequency of the oscillation, with w = 2 r f if f is the oscillation frequency.
For a two-arm flexural vibrator, the virtual total power is N * v, which is the sum of the power of both vibration arms:
EMI2.1
where MX is the mass of the first flexural oscillating arm, A, its oscillation amplitude, M2 the mass. of the second arm and A2 mean its oscillation amplitude.
With the above assumption M1 = 1/2 M2, because of the law of momentum:
A1 = 2 A2
The total virtual power N * v of such a flexural oscillator is:
EMI2.2
N = 3 M, 23rd
8 M2 A1
The real power NR results after dividing by the quality factor Q of the flexural oscillator, i.e.:
EMI2.3
The power absorbed by the flexural oscillator is therefore only 3/8 or 37.5% of the power consumed by a symmetrical flexural oscillator with the same amplitudes at the motion converter. This represents a significant gain in terms of the critical power consumption of small watches.
With the same sensitivity of the transducer 9, only 3/8 of the drive power of a flexural oscillator equipped with two identical arms are required in this exemplary embodiment.
Of course, instead of the mass ratio of 1: 2 selected in the preferred exemplary embodiment, any other mass ratios that prove to be particularly favorable for the present application can also be selected. The gain in performance compared to a flexural oscillator with a mass ratio of 1: 1 can easily be calculated using the above formulas.