Elektromechanischer Resonator für ein Zeitmessgerät
Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektromechanischen Resonator für ein Zeitmessgerät mit einem ersten und einem zweiten starren Glied, welche wenigstens angenähert gleiche Trägheitsmomente besitzen, mit einem länglichen Verbindungsglied, welches zum Bewirken einer gegenläufigen Drehbewegung der beiden Glieder zueinander mit dem ersten Glied an einer ersten Stelle und mit dem zweiten Glied an einer zweiten Stelle verbunden ist, wobei die erste Verbindungsstelle auf der einen Seite der Knotenachse des ersten Gliedes und die zweite Verbindungsstelle auf der anderen Seite der Knoten achse des zweiten Gliedes zum Erhalten von mindestens angenähert gleichen Drehmomenten im gleichen Abstand von den Knotenachsen der zugehörigen beiden Glieder angeordnet sind, mit Tragemittel,
auf denen die beiden Gliedern gemeinsame Drehachse oder die jedem Glied einzeln zugeordneten Drehachsen, welche durch den Schwerpunkt der beiden Glieder verlaufen, gelagert sind, und mit am Verbindungsglied angeordneten Antriebsmittel zum Bewegen wenigstens eines der beiden Glieder.
Ein bekannter elektromechanischer Resonator, der in der Zeitschrift Electronics Magazine (2.10.1967, Seiten 99-106) beschrieben ist, umfasst zwei starre Glieder, die um ihre Knotenachse drehbar sind. Die starren Glieder sind miteinander durch ein biegsames Glied verbunden, das Drehbewegungen der beiden starren Glieder in zueinander entgegengesetzten Drehrichtungen bewirkt. Der in der vorstehend genannten Zeitschrift beschriebene Resonator hat eine H-förmige Gestalt, wobei das biegsame Verbindungsglied wesentlich kleiner ist als die starren Glieder.
In vielen Fällen sind Resonatoren der vorstehend genannten Art mit tiefen Resonanzfrequenzen, beispielsweise von 60 Hz, gewünscht. Eine Möglichkeit zur Schaffung eines Resonators mit tiefer Resonanzfrequenz besteht darin, dass die Länge des biegesamen Verbindungsgliedes des in der oben genannten Zeitschrift beschriebenen Resonators wesentlich vergrössert wird. Es ist jedoch leicht einzusehen, dass eine Vergrösserung des Verbindungsgliedes auch eine Vergrösserung der äusseren Abmessungen des Resonators zur Folge hat und dadurch dieser wesentlich weniger kompakt aufgebaut werden kann.
Weiter ist ein elektromechanisch angetriebener Resonator bekannt, der zwei um je eine Achse schwenkbare Schwingkörper aufweist. Diese beiden Schwingkörper sind zum Erzielen einer losen Kopplung über ein möglichst langes elastisches Verbindungsglied miteinander verbunden. Um ein möglichst langes Verbindungsglied zu erhalten, weisen die Schwingkörper gegeneinander gerichtete Aussparungen auf, in denen das Verbindungsglied angeordnet ist. Um die Forderung, die an derartige Resonatoren mit hoher Konstanz der Eigenfrequenz gestellt werden, zu erfüllen, ist es notwendig, zwischen diesen Schwingkörpern einen relativ grossen Abstand vorzusehen, um eine lose Kopplung zu erhalten. Deshalb beanspruchen solche bekannte Resonatoren relativ viel Platz.
Ausserdem wird durch die Aussparungen, in welchen das Verbindungsglied angeordnet ist, die Masse der Schwingkörper reduziert und sie sind gegenüber ihrer Drehachse nicht mehr symmetrisch, so dass sie auf Schockwirkungen empfindlich reagieren, was sich in einer unstabilen Eigenfrequenz äussert.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Schaffung eines Resonators vom in der genannten Zeitschrift beschriebenen Typ, der eine tiefe Resonanzfrequenz besitzt, kompekt ist und der gegenüber äussere, schockartige Einflüsse unempfindlich ist.
Der erfindungsgemässe Resonator ist dadurch gekennzeichnet, dass jedes starre Glied homogen und bezüglich seiner Drehachse symmetrisch ist, und dass das Verbindungsglied quer zur Geraden, welche die Schwerpunkte der starren Glieder verbindet, angeordnet ist.
Diese Anordnung des Verbindungsgliedes ermöglicht einerseits ein langes Verbindungsglied zu verwenden, was eine sehr lose Kopplung ergibt und anderseits können die starren Glieder nahe beieinander angeordnet werden, wodurch eine gedrängte Bauart möglich ist.
Bei allen Ausführungsbeispielen des Resonators nach der Erfindung kann die Masse der drehbaren Glieder bei einer gegebenen äusseren Abmessung im Vergleich zu den bekannten Resonatoren grösser gewählt werden, oder es können bei gleichen Massen die äusseren Abmessungen des erfindungsgemässen Resonators verkleinert werden.
Nachfolgend werden an Hand der Zeichnung Ausführungsbeispiele des Resonators nach der vorliegenden Erfindung beschrieben. In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 eine Draufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel des Resonators nach der Erfindung,
Fig. 2 eine Seitenansicht des Ausführungsbeispiels nach der Fig. 1,
Fig. 3 eine Rückenansicht des Ausführungsbeispiels nach den Fig. 1 und 2 mit zur besseren Übersicht weggebrochenen Teilen,
Fig. 4 eine schematische Darstellung der Elemente des Ausführungsbeispiels nach den Fig. 1-3, welche diese Elemente in Ruhe und nach Vollendung einer halben Schwingungsperiode zeigt,
Fig. 5 eine weitere schematische Darstellung der Elemente des Ausführungsbeispiels nach den Fig. 1-3, welche diese Elemente in Ruhe und nach Vollendung einer ganzen Schwingungsperiode zeigt,
Fig.
6 eine Seitenansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels des Resonators nach der Erfindung,
Fig. 7 eine Schnittansicht des Ausführungsbeispiels nach der Fig. 6 längs der Linie 7-7 in dieser Figur, gesehen in der durch die Pfeile angegebenen Richtung,
Fig. 8 eine Vorderansicht eines dritten Ausführungsbeispiels des Resonators nach der Erfindung,
Fig. 9 einen Querschnitt des Ausführungsbeispiels nach der Fig. 8 längs der Linie 9-9 in dieser Figur, gesehen in der durch die Pfeile angezeigten Richtung,
Fig. 10 eine schematische Darstellung der verschiedenen Elemente der Ausführungsbeispiele nach den Fig. 6 bis 9, welche diese Elemente in Ruhe und nach Vollendung einer halben Schwingungsperiode zeigt,
Fig. 11 eine weitere schematische Darstellung der verschiedenen Elemente der Ausführungsbeispiele nach den Fig.
6 bis 9, welche diese Elemente in Ruhe und nach Vollendung einer ganzen Schwingungsperiode zeigt,
Fig. 12 eine Vorderansicht eines vierten Ausführungsbeispiels des Resonators nach der Erfindung,
Fig. 13 eine Seitenansicht des Ausführungsbeispiels nach der Fig. 12 mit zur besseren Übersicht wggebro- chenen Teilen,
Fig. 14 eine schematische Darstellung der Elemente des Ausführungsbeispiels nach den Fig. 12 und 13, welche die Elemente in Ruhe und nach Vollendung einer halben Schwingungsperiode zeigt und
Fig. 15 eine weitere schematische Darstellung der Elemente des Ausführungsbeispiels nach den Fig. 12 und 13 welche die Elemente in Ruhe und nach Vollendung einer ganzen Schwingungsperiode zeigt.
Die Fig. 1 zeigt einen Resonator 10, der als Hauptkomponenten eine schwingungsfähige Anordnung 12, Trägermittel 14 und Mittel 16 zur Erregung der schwingungsfähigen Anordnung 12 aufweist.
Die schwingungsfähige Anordnung 12 umfasst ein erstes starres Glied 18 und ein zweites starres Glied 20, welche Glieder gleiche Trägheitsmomente besitzen. Die Glieder 18 und 20 müssen nicht, wie dargestellt, rechteckförmig sein, sondern können jede geeignebe geometrische Form aufweisen, zum Beispiel die Form von Zylindern, mit Aussengewinden versehenen Zylindern, mit Aussengewinden oder Innengewinden versehenen Röhren, Hanteln oder Kegeln besitzen. Vorzugsweise besitzen die Glieder 18 und 20 wie dargestellt die gleiche geometrische Gestalt, um die Herstellung der beiden Glieder zu vereinfachen. Dies ist jedoch nicht notwendig, wenn nur die Glieder im wesentlichen das gleiche Trägheitsmoment besitzen.
Die beiden Glieder 18 und 20 bestehen vorzugsweise aus einem Material, das einen relativ kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt, zum Beispiel Invar , so dass die Resonanzfrequenz der schwingungsfähigen Anordnung 12 im we sentlichen unabhängig von der Temperatur ist. Die Trägheitsmomente der starren Glieder 18 und 20 sind vorzugsweise einstellbar, beispielsweise durch verstellbare Zusatzgewichte auf der Aussenseite der starren Glieder 18 und 20, wie es in der bereits erwähnten Zeitschrift beschrieben ist. Durch Andern der Trägheitsmomente der Glieder 18 und 20 kann die Resonanzfrequenz des Resonators 10 geändert werden.
Die schwingungsfähige Anordnung 12 umfasst ferner ein drittes biegsames Glied 22, bestehend aus einer im wesentlichen ebenen Komponente, die an einer Ecke mittels eines abgewinkelten Teils 26 mit dem ersten starren Glied 18, benachbart dem einen Ende dieses Gliedes, verbunden ist. Die diagonal gegenüberliegende Ecke der biegsamen Komponente 24 ist mittels eines abgewinkelten Teils 28 mit dem anderen Endteil des zweiten starren Gliedes 20 verbunden. Die abgewinkelten Teile 26 und 28 sind auf den Gliedern 18 und 20 derart angeordnet, dass eine auf die Teile 26 und 28 wirkende Kraft gleiche Massenmomente in den starren Gliedern 18 und 20 erzeugt.
Das dritte Glied 22 und besonders seine biegsame Komponente 24 besteht aus einem isoelastischen Material mit einem relativ kleinen thermischen Elastizitätskoeffizienten, beispielsweise Ni Span C oder bestimmten Nickel-Eisenverbindungen. Die ebene Komponente 24 kann zur Erzielung der gewünschten Temperaturstabilität auch aus einer Schicht eines Materials mit einem positiven thermischen Elastizitätskoeffizienten und einer Schicht aus einem Material mit einem negativen thermischen Elastizitätskoeffizienten aufgebaut sein. Eine andere Möglichkeit ist die Verwendung einer ebenen Komponente 24 aus einem Material mit einem positiven thermischen Elastizitätskoeffizienten, der einen positiven thermischen Ausdehnungskoeffizienten der starren Glieder 18 und 20 kompensiert. Die Trägermittel 14 umfassen eine Grundplatte 30 mit darauf senkrecht montierten Trägern 32 und 34.
Zwischen den Trägern 32 und 34 erstreckt sich eine in den genannten Trägern drehbar gelagerte Welle 36. Die Welle 36 trägt Hülsen oder Lager 38 und 40, auf denen die Glieder 18 und 20 derart angeordnet sind, dass sie sich relativ zueinander und relativ zu den Trägermitteln 14 frei drehen können. Die Hülsen 38 und 40, die aus Gummi bestehen können, sind mit der Welle 36 verbunden und zur Erzielung von seitlicher Stabilität in den Bohrungen 42 und 44 des ersten und zweiten Gliedes gesichert. Wie die Fig. 3 zeigt, geht die geometrische Achse der Welle 36 durch die Schwerpunkte der starren Glieder 18 und 20.
Das Erregermittel 16 zur Erregung des Resonators kann eine magnetostriktive, elektromagnetisch-mechanische oder pneumatische Vorrichtung sein, oder wie im dargestellten Fall, eine piezo-elektrische Vorrichtung.
Das Erregermittel 16 umfasst ein piezo-elektrisches Element 46 mit elektrischen Leitungen 48 und 50. Wird eine Spannung mit geeigneter Polarität an die Leitungen 48 und 50 angelegt, so wird das piezolelektrische Element derart verkürzt, dass die ebene Komponente 24 eine nach oben konkave Form annimmt, wie in der Fig. 4 dargestellt.
Da die ebene Komponente 24 über den Teil 26 mit dem ersten starren Glied 18 verbunden ist, wird dieses Glied, wie in der Fig. 4 gezeigt, im Uhrzeigersinn um die Welle 36 gedreht. Da die Komponente 24 auf der gegenüberliegenden Seite der Welle 36 über das Glied 28 auch mit dem zweiten starren Glied 20 verbunden ist, wird dieses Glied, wie in der Fig. 4 gezeigt, gleichzeitig im Gegenuhrzeigersinn um die Welle 36 gedreht.
Wenn eine Spannung mit entgegengesetzter Polarität an die Leitungen 48 und 50 angelegt wird, nimmt die ebene Komponente 24, die in der Fig. 5 gezeigte, nach oben konvexe Form an. Da die Teile 26 und 28 auf gegen überliegenden Seiten der Welle 36 wirken, dreht sich das erste starre Glied 28 im Gegenuhrzeigersinn um die Welle 36, wenn sich das zweite starre Glied 20 im Uhrzeigersinn um die gleiche Welle dreht.
Da das erste starre Glied 18 und das zweite starre Glied 20 im wesentlichen das gleiche Trägheitsmoment besitzen und die Anordnung der Teile 26 und 28 derart gewählt ist, dass in den starren Gliedern 18 und 20 das gleiche Massenmoment erzeugt wird und die Glieder 18 und 20 um eine Achse drehbar sind, die durch ihre Schwerpunkte geht, ist der Betrieb der schwingungsfähigen Anordnung 12 erstaunlich unabhängig von I(räften, die auf die Trägermittel 14 wirken.
In den Fig. 6 und 7 ist ein Resonator 110 dargestellt, der als Hauptkomponenten eine schwingungsfähige Anordnung 112, Trägermittel 114 und ein Erregermittel 116 aufweist. Die schwingungsfähige Anordnung 112 umfasst ein erstes starres scheibenförmiges Glied 118 und ein zweites starres scheibenförmiges Glied 120. Die scheibenförmigen Glieder 118 und 120 haben im wesentlichen das gleiche Trägheitsmoment und können aus den bereits früher genannten Materialien bestehen.
Die schwingungsfähige Anordnung 112 besitzt ferner ein drittes biegsames Glied 122, das eine mittlere, im wesentlichen ebene Komponente 124 besitzt, die über einen ersten L-förmigen Vorsprung 126 mit der ersten starren Scheibe 118, benachbart einem Ende dieser Scheibe und über einen zweiten L-förmigen Vorsprung 128 mit der zweiten starren Scheibe 120, benachbart dem anderen Ende dieser Scheibe verbunden ist. Durch diesen Aufbau bewirkt eine Drehbewegung der einen Scheibe über das dritte biegsame Glied 122 eine Gegendrehbewegung der anderen Scheibe.
Die Trägermittel 114 umfassen eine Grundplatte 120, auf der zwei senkrecht nach oben gerichtete Träger 132 und 134 montiert sind. Im oberen Ende jedes der Träger 132 und 134 ist ein Wellenstumpf 136 bzw.
137 drehbar gelagert. Auf dem Wellenstumpf 136 ist die starre Scheibe 118 und auf dem Wellenstumpf 137 die Scheibe 120 angeordnet, und zwar derart, dass die Wellenstümpfe durch den Schwerpunkt der auf ihnen angeordneten Scheiben geht. Die Scheiben 118 und 120 sind mittels Gummihülsen 138 und 140 auf den Wellenstümpfen 136 und 137 gelagert, welche Gummihülsen auf den Wellenstümpfen und in den Bohrungen 142 und 144 der starren Scheiben 118 und 120 befestigt sind. Obgleich die geometrischen Achsen der Wellenstümpfe 136 und 137 als miteinander fluchtend dargestellt sind, können die Wellenstümpfe auch zueinander axial versetzt sein.
Das Erregungsmittel 116 kann von beliebiger Art sein, ist jedoch als piezoelektrisches Erregermittel dargestellt, das ein piezoelektrisches Element 146 mit zwei Zuleitungen 148 und 150 umfasst zum Anschluss einer elektrischen Spannungsquelle.
In den Fig. 8 bis 11 ist ein weiterer Resonator 210 dargestellt, der eine schwingungsfähige Anordnung 212, Trägermittel 214 und ein Erregermittel 216 umfasst. Die schwingungsfähige Anordnung 212 umfasst ein erstes rechteckiges starres Glied 218 und ein zweites rechteckiges starres Glied 220. Alle übrigen Komponenten des Resonators nach den Fig. 8 und 9 sind mit den bis auf die erste Ziffer gleich bezeichneten Komponenten des Resonators nach den Fig. 6 und 7 identisch, so dass eine weitere Erläuterung des Resonators nach den Fig. 8 und 9 überflüssig ist. In den Fig. 10 und 11 sind die Hinweiszahlen der Fig. 8 und 9 verwendet, obgleich die Fig. 10 und 11 auch für den Resonator nach den Fig. 6 und 7 gelten.
Wenn eine Spannung von gegebener Polarität an das piezoelektrische Element 246 angelegt wird, dehnt sich dieses Element derart aus, dass die biegsame Komponente 224 die in der Fig. 10 von links aus gesehene konkave Form annimmt. Da die starren Glieder 218 und 220 über das biegsame Glied 222 miteinander verbunden sind, dreht sich dadurch das erste Glied 218 im Uhrzeigersinn um die gemeinsame geometrische Achse der Wellen 236 und 237, während sich das zweite Glied 220 gleichzeitig im Gegenuhrzeigersinn um die gleiche Achse dreht. Wenn die Polarität der am piezoelektrischen Element 246 liegenden elektrischen Spannung umgekehrt wird, zieht sich das piezoelektrische Element 246 derart zusammen, dass die biegsame Komponente 224 die in der Fig. 11 dargestellte. von links aus gesehene konvexe Form annimmt.
Dadurch dreht sich das erste starre Glied 218 im Gegenuzrzeigersinn um die gemeinsame geometrische Achse der Wellen 236 und 237, während sich gleichzeitig das zweite starre Glied 220 im Uhrzeigersinn um die gleiche Achse dreht.
In den Fig. 12 bis 15 ist ein Resonator 310 gezeigt, der ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt. Der Resonator 310 umfasst als Hauptkomponente eine schwingungsfähige Anordnung 312, Trägermittel 314 und ein Erregermittel 316. Die schwingungsfähige Anordnung 312 umfasst ein erstes starres Glied 318 und ein zweites starres Glied 320. Obgleich die starren Glieder 318 und 320 als rechteckig dargestellt sind, können sie, wie bereits erwähnt, auch jede andere geeignete Form besitzen. Das erste Glied 318 und das zweite Glied 320 haben wieder im wesentlichen das gleiche Trägheitsmoment.
Die schwingungsfähige Anordnung 312 umfasst ferner ein drittes biegesames Glied 322 mit einer biegsamen Komponente 324, die im wesentlichen eben ist. Die biegsame Komponente 324 ist an ihrem einen Ende über einen L-förmigen Vorsprung 326 mit dem einen Endteil des ersten Gliedes 318 verbunden. Das andere Ende der biegesamen Komponente 324 ist über einen zweiten L-förmigen Vorsprung 328 mit dem entgegengesetzten Ende des zweiten starren Gliedes 320 verbun den. Diese Verbindung der Glieder 318 und 320 bewirkt, wie bei den übrigen Ausführungsbeispielen, die Gegendrehbewegung der genannten starren Glieder.
Die Trägermittel 314 umfassen eine Grundplatte 330, in welcher zwei Wellen 332 und 334 drehbar gelagert sind, die sich in senkrechter Richtung von der Grundplatte 330 weg erstrecken. Auf jeder Welle 332 und 334 ist eine Gummihülse 338 und 340 befestigt, welche Hülsen in Bohrungen 342 und 344, die sich im ersten Glied 318 bzw. im zweiten Glied 320 befinden, befestigt sind. Die Wellen 332 und 334 gehen durch die Schwerpunkte des ersten starren Gliedes 318 bzw.
des zweiten starren Gliedes 320, so dass die genannten Glieder um ihre Schwerpunkte drehbar sind.
Das Erregermittel 316 kann von beliebiger geeigneter Art sein. Im vorliegenden Fall umfasst es ein piezoelektrisches Element 346 mit elektrischen Leitungen 348 und 350 zum Anschluss einer elektrischen Spannungsquelle. Wenn eine elektrische Spannung von gegebener Polarität an die Leitungen 348 und 350 angelegt wird, dehnt sich das piezoelektrische Element 346 derart aus, dass die biegsame Komponente 324 die in der Fig. 14 dargestellte, von links gesehen konvexe Form annimmt. Wegen der gewählten Anordnung der Vorsprünge 326 und 328 dreht sich das erste Glied im Gegenuhrzeigersinn, während sich gleichzeitig das zweite Glied 320 im Uhrzeigersinn dreht, wie es ebenfalls in der Fig. 14 dargestellt ist.
Wenn eine elektrische Spannung mit entgegengesetzter Polarität an das piezoelektrische Element 346 angelegt wird, nimmt die biegsame Komponente 324 die in der Fig. 15 dargestellte, von links gesehen konkave Form an. Wegen der Art der Verbindung zwischen dem ersten Glied 318 und dem biegsamen Glied 322 und der Art der Verbindung zwischen dem biegsamen Glied 322 und dem zweiten Glied 320, dreht sich das erste Glied 318 im Uhrzeigersinn um die geometrische Achse der Welle 332, während sich das zweite Glied 320 gleichzeitig im Gegenuhrzeigersinn um die geometrische Achse der Welle 334 dreht.