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Oszillator für Uhren Die Hauptpatentanmeldung C 28441 IXb/83b (deutsche
Auslegeschrift 1236 423) bezieht sich auf einen Oszillator für Uhren, der aus einer
Schaltung mit wenigstens einem Transistor und mit Schwingkristallen als frequenzbestimmenden
Organen besteht, bei welchen zwei piezoelektrische Schwingkristalle mechanisch-akustisch
miteinander gekoppelt sind, deren einer im Eingangskreis, der andere im Ausgangskreis
des Transistors liegt, und welche, unter Ausschluß von zusätzlichen Vorspannungserzeugern,
z. B. RC-Gliedern im Eingangskreis, ausschließlich die frequenzbestimmenden Elemente
der Schwingschaltung bilden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine besonders zweckmäßige
und vor allem raumsparende Ausführungsform eines derartigen Oszillators für Armbanduhren
zu schaffen.
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Ausgehend von einem Oszillator für Uhren nach der Hauptpatentanmeldung
ist die Erfindung zur Lösung dieser Aufgabe dadurch gekennzeichnet, daß die beiden
Schwingkristalle die Form langgestreckter Lamellen haben, welche auf einem kleinen
Bereich ihrer Länge an einem Ende in einem gemeinsamen Träger eingespannt sind und
welche parallel zueinander in der Ebene der Uhr liegen.
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Bei einem bekannten Präzisionspendel. (USA: Patentschrift
2364681) hat man zwar bereits zur Erzielung. besonderer Eigenschaften der
Pendelaufhängung zwei parallel im Abstand nebeneinander angeordnete piezoelektrische
Kristalle verwendet, .jedoch sind diese keineswegs mechanisch-akustisch gekoppelt,
sondern mit ihren Elektroden derart an einen Röhrenoszillator geschaltet, daß bei
Vorhandensein eines bestimmten Ausgangspotentials der eine Schwingkristall gedehnt
und der andere - zusammengezogen wird.
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Zweckmäßigerweise wird der Oszillator nach der Erfindung derart ausgebildet,
daß die beiden Schwingkristalle außerhalb ihrer Einspannstelle durch einen Reiter
verbunden sind, der zur Einstellung der effektiven Länge der Lamellen und damit
ihrer Schwingungsfrequenz in Längsrichtung der Lamellen verschiebbar ist.
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Bei dem bereits erwähnten bekannten Präzisionspendel sind die beiden
parallel zueinanderliegenden Kristalle an ihren freien Enden unter Verwendung von
Abstandshaltern und Klemmstücken eingespannt, wobei zwischen den Abstandshaltern
gleichzeitig noch eine ebenfalls zur Pendelaufhängung gehörende flexible Lamelle
eingeklemmt ist, ohne daß jedoch eine Verschiebung .der Abstandshalter und Klemmstücke-
zur Änderung der effektiven Kristalllänge vorgesehen wäre.
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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung an :einem Ausführungsbeispiel
näher erläutert. Es zeigt .- F i g. 1 eine Draufsicht auf das Uhrwerk einer Armbanduhr,
das von einem Oszillator gemäß der Erfindung angetrieben wird, F i g. 2 einen Schnitt
längs der Linie II-11 nach F i g. 1 und -F i g. 3 einen Schnitt längs der Linie
111-III nach F i g. 1.
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Das auf der Zeichnung dargestellte Uhrwerk weist eine Werkplatte 1
auf, auf welcher eine -kleine Batterie 2, das Zeigerräderwerk 3, ein Widerstand
4, ein Transistor 5 sowie ein Träger 8 für die Schwingkristalle des Oszillators
befestigt sind.
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Batterie 2, Transistor 5 und die in den Träger 8
eingespannten
Schwingkristalle in Form von langgestreckten -Lamellen 6 und 7 sind Bestandteile
einer nicht näher dargestellten Oszillatorschaltung mit einem Transistor, in dessen
Eingangskreis der eine Schwingkristall als Steuerelement und in dessen Ausgangskreis
der andere Schwingkristall als Antriebselement liegt. Beide Schwingkristalle sind
mechanisch-akustisch derart miteinander gekoppelt, daß
sich die
Schevingungen des einen Kristalls ohne Störung und wesentliche Schwächung direkt
auf den anderen Kristall übertragen können, so daß dieser Oszillator mit einer rein
mechanisch-akustischen Rückkopplung arbeitet. Zu diesem Zweck sind die beiden Schwingkristalle
mit ihren einen Enden hinreichend dicht nebeneinander in einen Träger 8 eingespannt.
Bei Schwingkristalle besitzen eine gemeinsame Resonanzfrequenz, auf die sich die
Schwingungen im stationären Zustand einstellen, wodurch ein optimaler Wirkungsgrad
erreicht wird. Beim Anlegen der Speisespannung wird durch den auftretenden Stromimpuls
auf Grund des elektrostricktiven Effekts eine kleine Auslenkung- der- Kristalle
erzeugt, -wobei die Auslenkung des einen Schwingkristalls im Eingangskreis des Transistors
infolge des piezoelektrischen Effekts einen den Transistor in den leitenden Zustand
schaltenden Stromimpuls zur Folge hat. Der so erzeugte Ausgangsstromimpuls beaufschlagt
den anderen Schwingkristall, der auf diese Weise infolge der beschriebenen Rückkopplung
nunmehr periodisch erregt wird.
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Die beiden Kristallamellen 6 und 7 haben einen reckteckförmigen
Querschnitt und sind parallel zueinander in der Ebene des Uhrwerks orientiert angeordnet.
An ihren einen Enden sind sie in zwei Nuten auf der Oberfläche des Trägers 8 eingesetzt.
Der Träger 8 besteht aus einem isolierenden, nichthygroskopischen Material. Die
Seitenflächen der Lamellen "sind mit metallischen Schichten 9 bedeckt, die in an
sich bekannter Weise die Elektroden der Kristalle darstellen. Diese Metallelektroden
stehen mit einem elektrisch leitenden Metallteil 10 auf dem Support in Verbindung,
das zwischen die beiden Lamellen eingesetzt ist und für die Stromzuführung von der
Batterie 2 sorgt.
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Zur Fixierung der in den Support eingesetzten Lamellen dient eine
Platte 11 aus einem isolierenden Material, die mittels zweier Schrauben 12
und 13 jenseits der beiden Außenseiten der Lamellen am Träger 8 befestigt ist. Diese
Platte 11 verhindert, daß die Lamellen aus den Nuten des Trägers 8
herausgleiten
können.
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Im Abstand vom Träger 8 ist auf die beiden Lamellen ein Reiter
14 aufgesetzt, welcher die beiden Lamellen 6 und 7 mechanisch miteinander
verbindet und der in Längsrichtung der Lamellen auf diesen verschiebbar ist. Mit
Hilfe dieses Reiters 14 läßt sich die aktive Länge der Lamellen und damit ihre Schwingungsfrequenz
innerhalb eines weiten Bereichs beliebig einstellen.
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Dieser Reiter besteht nach F i g. 3 aus zwei T-förmigen Profilstücken,
deren eines mit einer zentralen Öffnung versehen ist und deren anderes einen in
diese Öffnung einschiebbaren Mittelarm aufweist. Auf diese Weise werden, wie in
F i g. 3 dargestellt, die beiden Lamellen 6 und 7 auf ihren Schmalseiten eingeklemmt.
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Die Kristallamelle 6 liegt im Steuerkreis des Transistors 5, während
die Lamelle 7 im Arbeitskreis des Transistors angeordnet ist. Die Lamelle 7 dient
gleichzeitig zur direkten Abnahme der mechanischen Antriebsenergie für das Räderwerk.
Zu diesem Zweck ist am freien Ende der Lamelle 7 mittels eines Befestigungsplättchens
16 eine Sonde 15 in Form eines dünnen Drahtes angebracht, beispielsweise durch Löten,
Schweißen oder Kleben, welche an ihrem freien Ende die eigentliche Antriebsklinke
17 in Form eines mit einer Kante ausgebildeten Rubins trägt. Diese Klinke 17 arbeitet
mit dem Kranz des ersten Rades des Zeigerräderwerks zusammen. Dieser Kranz weist
eine sehr feine Verzahnung auf, die beispielsweise 3000 Zähne umfassen kann und
bei welcher der Zahnabstand größenordnungsmäßig 4 #t und die Zahntiefe größenordnungsmäßig
2 #L betragen können.
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Im betrachteten Ausführungsbeispiel ist außerdem noch eine zusätzliche
Sperrklinke vorgesehen, die, wie das Antriebsorgan 15 bis 17, aus einem mittels
eines Plättchens 20 an einem Träger 19 befestigten Draht 18 mit einer Klinke 21
besteht. Diese im Winkel zum Antriebsorgan orientierte Sperrklinke sorgt dafür,
daß sich das angetriebene erste Rad des Zeigerräderwerks nur in einer Richtung drehen
kann. Wohlgemerkt ist eine derartige zusätzliche Sperrklinke keineswegs erforderlich,
wenn der Angriffswinkel der Antriebsklinke 17 in bezug auf den Umfang des angetriebenen
Rades korrekt gewählt wird.
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Während der Schwingung der Kristallamellen 6 und 7 führt die Sonde
15 infolge der Masse der Klinke 17 an ihrem freien Ende eine Biegeschwingung derart
aus, daß sie sich in der Uhrwerksebene ähnlich wie ein in Schwingungen versetztes
Seil verformt, wobei die Klinke 17 etwa einen Schwingungsknoten bildet; auf diese
Weise führt die Klinke 17 näherungsweise eine in Längsrichtung der Sonde
15
gerichtete axiale Hin- und Herbewegung aus, die der periodischen Stauchung
und Streckung der Sonde 15 entspricht. Die Frequenz der Biegeschwingung der Sonde
15 ist eine Unterharmonische der Schwingungsfrequenz der Kristallamellen. Die Schwingungsamplitude
der Klinke 17 in Längsrichtung der Sonde 15 ist wesentlich größer als die Schwingungsamplitude
der Kristallamellen, so daß mit Hilfe der Sonde 15 einerseits eine Frequenzuntersetzung
und andererseits eine Schwingungsamplituden-übersetzung erzielt wird. Während beispielsweise
die Schwingungsamplitude der Kristallamellen in der Größenordnung von 10-4 mm liegt,
beträgt die Schwingungsamplitude der Klinke 17 einige Mikron und wird auf alle Fälle
wesentlich größer als die Zahntiefe des ersten Rades des Zeigerräderwerks gewählt,
um zu erreichen, daß die Klinke 17 vollständig außer Eingriff mit dieser Verzahnung
gelangt.
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Der beschriebene Oszillator nach der Erfindung zeichnet sich durch
einen äußerst einfachen Aufbau; durch sehr kleine Abmessungen, durch eine hohe Betriebssicherheit
sowie durch eine nur sehr geringe Stromaufnahme aus. Die praktisch nur aus einem
Transistor und den beiden Schwingkristallen bestehende elektrische Schaltung benötigt
lediglich einen Strom in der Größenordnung von Mikroampere und hat außerdem den
Vorzug, daß die Schwingungsfrequenz und die Schwingungsamplitude weitgehend unabhängig
von der Speisespannung dei Batterie sind.