[0001] Die Erfindung betrifft ein optisches Messverfahren zur Bestimmung der Schwingungsweite
einer Spiralfeder mit mehreren Windungen sowie eine Spiralfeder für ein mechanisches
Uhrwerk und mit für das Messverfahren optimierter Geometrie.
[0002] Spiralfedern mechanischer Uhrwerke sind archimedische Flachfedern. Die Windungen
der sogenannten Spiralklinge verlaufen entlang jeweiliger Kreisbahnen in einer gemeinsamen
Ebene von einem inneren Windungsende zu einem äußeren Windungsende spiralförmig. Die
Anzahl der Windungen liegt typischerweise zwischen zehn und vierzehn, es sind aber
auch Spiralfedern für mechanische Uhrwerke mit mehr oder weniger Windungen bekannt.
Der Abstand zwischen benachbarten Windungen bei Spiralfedern für mechanische Uhrwerke
ist entlang des Spiralverlaufs konstant und liegt üblicherweise in einem Bereich zwischen
0,08 mm und 0,2 mm. Im mechanischen Uhrwerk bildet die Spiralfeder zusammen mit der
Masse eines Schwingkörpers das schwingungsfähige und taktgebende Schwingsystem, auch
als Unruh bezeichnet. Der exakte Gang der Uhr basiert dabei auf dem möglichst gleichmäßigen
Hin- und Herschwingen der Spiralfeder um ihre spannungsfreie Mittellage. Während der
Schwingungsbewegung der Spiralfeder bewegen sich die einzelnen Windungen entlang ihrer
jeweiligen Kreisbahnen. Hierbei zieht sich die Spiralfeder zusammen und wieder auseinander,
man spricht vom "Atmen" der Spiralfeder. Die sogenannte Schwingungsweite oder Amplitude
entspricht einer vollen Schwingung, also einer zweifachen Auslenkung der Spiralfeder
aus der Mittellage in eine erste und eine zweite, entgegengesetzte Richtung und wird
daher in Winkelgrad angegeben. Bei Spiralfedern für mechanische Uhrwerke liegt die
Schwingungsweite standardmäßig bei etwa 200° - 300°.
[0003] Die Schwingungsdauer oder -frequenz hängt wesentlich vom Trägheitsmoment der Unruh
ab und liegt üblicherweise im Bereich von 1 bis 5 Schwingungen pro Sekunde. Schwingungsweite
und -frequenz sind maßgeblich für die Ganggenauigkeit des Uhrwerks und dürfen folglich
keinen oder nur sehr geringen Abweichungen von den jeweils vorgesehenen Sollwerten
unterliegen. Spiralfedern mit möglichst konstantem und unverändertem Schwingverhalten
leisten daher einen wesentlichen Beitrag zur Qualität eines mechanischen Uhrwerks.
[0004] Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Werkstoffe und verschiedene Verfahren
zur Herstellung von Spiralfedern bekannt. Die gängigsten Werkstoffe für Spiralfedern
umfassen Glas, Keramik, Kohlenstoffe, Metalle und Metalllegierungen, aber auch Bornitrid,
Siliziumkarbid oder Diamant. Bekannte Herstellungsverfahren sind Wickeln, Laserbearbeitung,
Gießen und Ähnliches. In der jüngeren Vergangenheit hat sich außerdem die Herstellung
von Spiralfedern aus mono- oder polykristallinem Silizium mittels des reaktiven Ionenätzens
etabliert. Das bekannteste Ätzverfahren für Siliziumbauteile ist das sogenannte DRIE-Verfahren
(
Deep
Reactive
Iron
Etch). Derartige Ätzverfahren sind hinreichend im Stand der Technik beschrieben. Derzeit
sind Strukturen bis 2,5 nm durch Fotomasken abbildbar. Durch Einstellung der Ätzgeschwindigkeit
und die Wahl der Technologie für das Seitenwandätzen kann die Geometrie der Spiralklinge
eingestellt werden. Optional kann nach dem Ätzprozess noch eine Beschichtung erfolgen,
welche ebenfalls zur Beeinflussung der Geometrie der Spiralklinge nutzbar ist.
[0005] Beim reaktiven Ionenätzen von Silizium können daher besonders hochwertige Bauteile
mit exakter Geometrie erhalten werden. So ist beispielsweise aus der
EP 3 452 874 B1 eine Spiralfeder aus Silizium für ein mechanisches Uhrwerk bekannt, die durch reaktives
Ionenätzen hergestellt worden ist. Die Patentschrift beschäftigt sich mit der Problematik,
dass aufgrund der hervorragenden Oberflächenbeschaffenheit der glatten Seitenflächen
der Spiralklinge, deren Windungen bei Stößen, die das Uhrwerk erleidet, oder bei schlechter
Handhabung während der Montage, aneinanderhaften können. Um ein derartiges Aneinanderhaften
zu vermeiden, wird eine Spiralfeder vorgeschlagen, deren Spiralklinge im Querschnitt
eine Abweichung von der üblicherweise rechteckigen Form aufweisen soll. Konkret sollen
die jeweiligen Flanken oder Seitenflächen zwar geradlinig und mit geringer Oberflächenrauheit
ausgebildet, jedoch um einen Flankenwinkel α von mindestens 2,5° gegenüber der Vertikalen
geneigt sein. Im Radialschnitt der Spiralklinge ergibt sich so eine Trapezform, wobei
die obere und untere Fläche der Spiralklinge zueinander parallel sind.
[0006] Aus der
WO 2014/203085 A1 ist ebenfalls eine Spiralfeder für mechanische Uhrwerke bekannt. Der aktive Schwingungsbereich
dieser Spiralfeder erstreckt sich zwischen dem inneren Windungsende, welches an einen
Spiralfederbefestigungsabschnitt angrenzt und dem äußeren Windungsende, welches einen
Federhaltepunkt aufweist und von einem Halteelement gehalten wird. Um das Schwingungsverhalten
zu verbessern, soll die Spiralfeder geometrisch derart ausgebildet werden, dass die
Masse reduziert und so das Trägheitsmoment der Unruh positiv beeinflusst wird. Hierzu
soll der aktive Schwingungsbereich mehrere Teilbereiche aufweisen, wobei sich Höhe
und/oder Breite der hier rechteckigen Spiralklinge eines Teilbereichs gegenüber der
Höhe und/oder Breite eines anderen Teilbereichs unterscheiden. Innerhalb des jeweiligen
Teilbereichs ist die Höhe bzw. die Breite der Spiralklinge stets konstant. Die unterschiedlichen
Teilbereiche können direkt bei der Herstellung der Spiralfeder erzeugt werden. Die
WO 2014/203085 A1 schlägt hierzu vor, die Spiralfeder mittels eines Ätzverfahrens aus einer Platte
heraus zu ätzen. Auf die Oberfläche der Platte soll eine Fotomaske aufgebracht werden,
auf welcher die Strukturen bzw. Abmessungen der zu ätzenden Bauteile lithographisch
abgebildet werden.
[0007] Im Anschluss an die Herstellung von Spiralfedern wird im Rahmen einer Qualitätskontrolle
deren Schwingungsverhalten bei der Montage und Regelage überprüft. Hierzu wird üblicherweise
eine Körperschall-Messung mittels eines Körperschall-Mikrofons durchgeführt und grafisch
dargestellt. Dieser Messvorgang erfolgt nicht automatisiert und ist daher vergleichsweise
zeitaufwendig.
[0008] Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das Schwingungsverhalten von Spiralfedern,
insbesondere mit archimedischem und/oder logarithmischem Verlauf, anhand charakteristischer
Geometrien zu bestimmen, und insbesondere ein nicht invasives, berührungsloses Messverfahren
bereitzustellen, welches in automatisierten Montagestraßen in der Linienmontage bei
der Uhrwerksfertigung einsetzbar ist.
[0009] Die Aufgabe wird gelöst durch ein optisches Messverfahren gemäß Anspruch 1, und durch
eine Spiralfeder mit für das Messverfahren optimierter Geometrie gemäß Anspruch 10.
[0010] Bei einem erfindungsgemäßen optischen Messverfahren wird während der Schwingungsbewegung
der Spiralfeder, in mindestens einem Windungsabschnitt eine Auslenkung benachbarter
Windungen zueinander und entlang ihrer jeweiligen Kreisbahnen, anhand einer Varianz
des Abstands zwischen den benachbarten Windungen entlang des Windungsabschnitts optisch
erfasst. Anders als im Stand der Technik, soll für das erfindungsgemäße optische Messverfahren
der Abstand zwischen benachbarten Windungen entlang eines Windungsabschnitts bzw.
entlang des Spiralverlaufs also nicht konstant sein, sondern variieren.
[0011] Vorzugsweise schließt sich das Messverfahren unmittelbar an die Montage des Uhrwerks
an, sodass die Spiralfeder noch in der Montagelinie, im montierten Zustand vermessen
wird. Das heißt, das äußere und das innere Windungsende sind bereits mit den entsprechenden
Halteelementen des Schwingsystems montiert und folglich fixiert. Für das optische
Messverfahren wird der aktive Schwingungsbereich der Spiralfeder in Schwingung versetzt,
wodurch sich die einzelnen Windungen entlang ihrer Kreisbahnen um den Mittelpunkt
der Spiralfeder bzw. die Drehachse des Schwingkörpers hin und her bewegen. Einander
benachbarte Windungen unterliegen hierbei einer relativen Bewegung, die in einer Auslenkung
der Windungen zueinander resultiert.
[0012] Erfindungsgemäß wird diese Auslenkung zweier benachbarter Windungen zueinander mit
optischen Messmitteln, bspw. zur Aufzeichnung der Bewegung oder mittels Lasermessung
bzw. Laserscanning berührungslos erfasst. Als Bezug oder Referenz für das optische
Messmittel fungiert der Abstand zwischen den Windungen. Hierzu darf der Abstand in
Längsrichtung der Windungen, also dem Spiralverlauf folgend, aber nicht konstant sein,
da die relative Bewegung sonst optisch nicht erkennbar wäre. Eine "Visualisierung"
der relativen Bewegung oder Auslenkung benachbarter Windungen zueinander erfolgt nämlich,
indem deren Abstand entlang des Windungsabschnitts, durch die Bauteilgeometrie der
Spiralfeder bedingt, variiert. Durch den bauteilgeometriebedingt variierenden Abstand
ergibt sich eine optimierte Abtastmöglichkeit zur Konturerkennung für die optischen
Messmittel, um den Grad der Auslenkung benachbarter Windungen zueinander zu jedem
Zeitpunkt der Schwingungsbewegung fehlerfrei erfassen zu können.
[0013] Anhand der optisch erfassten, maximalen Auslenkung, wenn also die Schwingungsbewegung
ihren Umkehrpunkt erreicht, d. h. die benachbarten Windungen eine umgekehrte, relative
Bewegung ausführen, wird dann die daraus resultierende Winkelverschiebung der benachbarten
Windungen zueinander in Winkelgrad bestimmt. Typische Werte für die Winkelverschiebung
von Spiralfedern für mechanische Uhrwerke liegen in einem Bereich zwischen 5° und
30°.
[0014] Auf Basis der Winkelverschiebung wird schließlich die Schwingungsweite und/oder die
Schwingungsfrequenz der Spiralfeder rechnerisch ermittelt. Bei einer Schwingbewegung
der Spiralfeder wird der radiale Winkelweg bzw. die Winkelverschiebung der einzelnen
Windungen der Spiralfeder von außen nach innen, z. B. beim Zusammenziehen, immer kleiner,
diese Abweichung lässt sich dynamisch messen. Auch die Abstände zwischen den Windungen
verändern sich beim Atmen, also dem periodischen Zusammen- bzw. Auseinanderziehen
der Spiralfeder. Anders als die erfindungsgemäße Varianz des Abstands ist diese Änderung
aber nicht durch die Bauteilgeometrie, insbesondere die Geometrie der Windungsabschnitte,
sondern durch die Schwingungsbewegung selbst bedingt und in der Ruhelage nicht erkennbar.
Dieses Atmen der Spiralfeder ist bekannt bzw. kann gemessen werden und sollte zur
Berechnung von Schwingungsweite und/oder die Schwingungsfrequenz berücksichtigt werden.
Für den mittleren Abstand, welcher erfindungsgemäß durch die Bauteilgeometrie bedingt
variieren soll, ist daher vorzugsweise nicht der Abstand der Windungen in der Ruhelage
der Spiralfeder zugrunde zu legen, sondern der sich während der Schwingungsbewegung
dynamisch verändernde Windungsabstand der Spiralfeder.
[0015] Die Auswertung der optischen Messsignale und die rechnerische Ermittlung der Schwingungsweite
sind vorzugsweise automatisiert und in die Montagestraße einer Linienmontage bei der
Uhrwerksfertigung integriert. Die von den optischen Messmitteln erfassten Signale
werden hierzu an ein Steuerungsmodul übermittelt. Anhand einer auf einem elektronischen
Datenträger des Steuerungsmoduls hinterlegten Programmierung wird aus den erhaltenen
optischen Messsignalen die Winkelverschiebung bestimmt und die Schwingungsweite rechnerisch
ermittelt. Für die Berechnung können in der Programmierung weitere Werte, wie bspw.
die Anzahl der Windungen der Spiralfeder, deren Abweichung vom archimedischen Verlauf
und/oder logarithmischen Verlauf, die radiale Position des überwachten Windungsabschnitts,
Trägheitsmoment, Atmen der Spiralfeder usw. berücksichtigt werden und hierzu auf dem
Datenträger hinterlegt sein. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen
beansprucht und werden nachfolgend näher erläutert.
[0016] So kann nach einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung für die optische Erfassung
der Auslenkung benachbarter Windungen zueinander mindestens ein Windungsabschnitt
festgelegt werden, innerhalb dessen die Varianz des Abstands zwischen den benachbarten
Windungen zumindest entlang einer der Winkelverschiebung entsprechenden Messstrecke
mindestens 0,05 %, insbesondere mindestens 0,1 % beträgt, weiter bevorzugt 0,25 %
und vorzugsweise höchstens 3,0 %.
[0017] Vorteilhaft ist es nämlich, nicht den gesamte Verlauf der Spiralfeder, sondern einen
vorab festgelegten Windungsabschnitt optisch zu überwachen. Hierdurch lässt sich der
apparative Aufwand des Messverfahrens verringern, wodurch die optischen Messmittel
weniger Platz benötigen und folglich einfacher im Bereich der im Uhrwerk vormontierten
Spiralfeder positioniert werden können.
[0018] Grundsätzlich gilt, je höher die Varianz, umso genauer bzw. einfacher und mit entsprechend
geringerem Aufwand kann die Auslenkung der benachbarten Windungen zueinander mit optischen
Messmitteln erfasst werden. Die Varianz darf aber auch nicht zu hoch sein, um auszuschließen,
dass sich benachbarte Windungen bei der Schwingungsbewegung berühren könnten. Bei
einem beispielhaften Abstand zweier benachbarter Windungen von bspw. 0,1 mm und einer
Varianz von insbesondere 0,05 % sollte der Abstand vorzugsweise, um die optische Erfassung
zu optimieren, also um mindestens +/- 0,05 µm variieren, d. h. der maximale und der
minimale Abstand zwischen den Windungen weicht entlang der Messstrecke um mindestens
0,1 µm voneinander ab. Eine derartige Varianz ist mit modernen Messverfahren optisch
erfassbar und kann als Referenz bzw. Bezug zur Überwachung der relativen Bewegung
und folglich der Auslenkung zweier benachbarter Windungen zueinander genutzt werden.
Die Länge der Messstrecke entspricht vorzugsweise mindestens der Winkelverschiebung.
Bei einer Winkelverschiebung in einem Bereich zwischen 5° und 30°, resultiert eine
Messstrecke von mindestens 0,1 mm bis 0,9 mm Länge.
[0019] Dadurch, dass sich die Windungen in der Schwingungsbewegung relativ zueinander bewegen,
ist es nach einer Erfindungsvariante vorteilhaft, die Auslenkung benachbarter Windungen
zueinander anhand des zumindest entlang einer der Winkelverschiebung entsprechenden
Messstrecke stetig oder kontinuierlich variierenden Abstands zwischen den benachbarten
Windungen optisch zu erfassen. Bei einer kontinuierlichen Varianz oder Änderung des
Abstands, also einer kontinuierlichen Zu- oder Abnahme oder einem kontinuierlichen
Wechsel zwischen Zu- und Abnahme des Abstands, wird bei der optischen Erfassung ein
sich kontinuierlich veränderndes optisches Messsignal oder Bild erhalten. Hierdurch
wird die Auswertung des optischen Messignals zur Bestimmung der maximalen Auslenkung,
also dem Punkt, an dem sich die Schwingungsbewegung umkehrt, erheblich vereinfacht.
Gleichzeitig wird so die Fehleranfälligkeit gesenkt. Anhand einer kontinuierlichen
Varianz können nämlich für die jeweilige Positionierung der Windungen zueinander charakteristische
Abstandsmuster softwaregestützt ermittelt werden, anhand derer beispielsweise die
Richtung der Schwingungsbewegung und/oder der Grad der Auslenkung benachbarter Windungen
zueinander zu jedem Zeitpunkt eindeutig bestimmt werden können. Dabei hat es sich
ebenfalls als Vorteil erwiesen, dass der insbesondere kontinuierlich variierende Abstand
einer stetig verlaufenden Änderung unterliegt, also stetig variiert. Hierdurch werden
Spitzen oder "Ausreißer" des optischen Messsignals vermieden.
[0020] Grundsätzlich ist es denkbar, den Abstand zwischen benachbarten Windungen als die
jeweils orthogonal auf die einander zugewandten Seitenflächen der benachbarten Windungen
orthogonal auftreffende Verbindungslinie zu definieren. Um die für das optische Messverfahren
erforderliche Varianz des Abstands zu erzeugen, wird die Geometrie der Spiralfeder
bzw. der Spiralklinge so verändert, dass die Seitenflächen nicht dem üblicherweise
vertikalen Verlauf folgen. Vorzugsweise wird der Abstand daher als radialer Abstand
zwischen den benachbarten Windungen entlang eines Radius der Spiralfeder ausgehend
von einer Seitenfläche einer der Windungen hin zu der gegenüberliegenden Seitenfläche
der anderen Windung definiert.
[0021] Wegen der veränderten, optimierten Geometrie der Spiralklinge kann es nach einer
ebenso vorteilhaften Erfindungsvariante erforderlich sein, die Varianz des Abstands
zwischen den benachbarten Windungen entlang des Windungsabschnitts auf einer in Bezug
auf die Höhe der Spiralklinge, insbesondere der benachbarten Windungen definierten
Messhöhe zu erfassen. Die Messhöhe kann bspw. einem Bruchteil, insbesondere der Hälfte
der Höhe der benachbarten Windungen aber auch der oberen oder unteren Längskante entsprechen
und hängt von der konkreten und die Varianz des Abstands bewirkenden Geometrie der
einander zugewandten Seitenflächen der benachbarten Windungen ab.
[0022] Die Messhöhe wird daher auf Basis der Geometrie der Spiralklinge, insbesondere der
einander zugewandten Seitenflächen festgelegt. Entsprechende Daten, zur konkreten
Geometrie der Spiralklinge, zumindest in einem Windungsabschnitt der Spiralfeder,
können bspw. auf einem elektronischen Datenträger hinterlegt werden und anschließend
für die Einstellung der Parameter im optischen Messverfahren genutzt werden.
[0023] Um den Abstand zwischen benachbarten Windungen fehlerfrei zu erfassen ist es nach
einer Ausführung der Erfindung besonders vorteilhaft, dass für die optische Erfassung
vorgesehene optische Messmittel, insbesondere Lichtquelle(n) und/oder Lichtempfänger
von oben oder unten gerade, d. h. parallel zur Achse der Spiralfeder oder alternativ
schräg, einen Winkel größer oder kleiner 90° mit der Achse der Spiralfeder einschließend,
auf den zu überwachenden Windungsabschnitt bzw. die benachbarten Windungen ausgerichtet
sind.
[0024] Durch das optische Messverfahren und ggf. nachgeschaltete (Bild)-Auswertungssoftware
ist ein hochpräzises, direktes Überwachen von Bewegungsabläufen möglich. Die einander
benachbarten Windungen der Spiralfeder weisen während der Schwingungsbewegung entlang
des überwachten Windungsabschnitts ein durch den variierenden Abstand charakteristisches
Bildmuster auf, welches als Bezug bzw. Referenz für die (Bild)-Auswertungssoftware
dient. Für das optische Messverfahren geeignete und im Stand der Technik hinreichend
beschriebene Messverfahren sind bspw. die Laser-Doppler Vibrometrie, Laser interferometrische
Vibrometrie, Weißlicht-Interferometrie, auch mit konfokalem Mikroskop, 2D/3D-Laserscanning,
hochauflösende Digitalmikroskopie mit Videofunktion und/oder kombinierte Laserlicht-
und Weißlicht Mikroskopie für 2D/3D Scanning. Bei der Weißlicht-Interferometrie handelt
es sich um ein rein optisches Messverfahren, welches bis zu einer Million Bilder pro
Sekunde aufnimmt. Eine nachgeschaltete Software bzw. hinterlegte Programmierung kann
anhand der Unregelmäßigkeiten, die sich aus der Varianz des Abstands ergeben, die
Auslenkung bzw. die maximale Auslenkung oder Winkelabweichung der benachbarten Windungen
zueinander bestimmen. Bei der Laserinterferometrie bspw. wird die Geometrie bzw. der
Abstand der zueinander benachbarten Windungen mittels eines Lasers mit 1 Million Punkte
pro Sekunde gescannt oder abgetastet.
[0025] Die oben genannten Messverfahren können allein oder in Kombination eingesetzt werden.
Insbesondere in Kombination lässt sich eine hochpräzise, qualitative Aussage über
das Schwingverhalten der Spiralfeder treffen und Ansatzpunkte für gezielte Eingriffe
ermitteln.
[0026] Wegen der sekundenschnellen Messwertaufnahme und -auswertung ist das erfindungsgemäße
Verfahren besonders zum Einsatz in automatisierten Montagestraßen, in der Linienmontage
bei der Uhrwerkfertigung, einsetzbar. Die Prüfung und zugleich Regulierung der Spiralfeder
kann vollautomatisch erfolgen. Auch ist das Verfahren sehr gut geeignet zum Vorregulieren
von kompletten Schwingsystemen als Einzelplatzmessung. Es wird durch das Messsystem
direkt an der Spirale bzw. an einem definierten Windungsabschnitt die Schwingungsweite,
die Frequenz und der Gang der Uhr angezeigt. Auch etwaige Störeinflüsse wie Eigenfrequenzen
und Auslenken aus der Spiralebene während der Schwingung werden sichtbar gemacht.
Diese Messungen erfolgen innerhalb weniger Sekunden.
[0027] Bedarfsweise, im Zuge einer Qualitätskontrolle und insbesondere zur Bestimmung der
Ganggenauigkeit eines mechanischen Uhrwerks, kann nach einer optionalen Verfahrensvariante
die Schwingungsfrequenz anhand der Schwingungsdauer der Spiralfeder ermittelt werden.
Ein einmalige Auslenkung zweier benachbarter Windungen zueinander um die Winkelabweichung
entspricht einer Halbschwingung der Spiralfeder. Anhand einer Messung der hierfür
benötigten Zeitdauer kann die Anzahl an Halbschwingungen oder vollständigen Schwingungen
(also zwei Halbschwingungen) pro Zeiteinheit und folglich die Schwingungsfrequenz
bestimmt werden.
[0028] Schließlich kann nach einer vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens
die Ganggenauigkeit bzw. eine Gangabweichung oder ein Gangfehler eines mechanischen
Uhrwerks anhand der ermittelten Schwingungsweite und/oder -frequenz erfolgen. Hierzu
wird ein Sollwert-/IstwertVergleich durchgeführt, wobei die ermittelte Schwingungsweite
und/oder - frequenz dem Istwert entspricht und dieser mit einem entsprechenden, zuvor
festgelegten Sollwert verglichen wird. Vorzugsweise können die Sollwertdaten zur automatisierten
Durchführung des optischen Messverfahrens vorab auf einem elektronischen Datenträger
eines zur Durchführung des Messverfahrens geeigneten Steuerungsmoduls hinterlegt werden.
[0029] Vorzugsweise wird eine für das erfindungsgemäße Messverfahren optimierte Geometrie
der Spiralklinge der Spiralfeder bereits bei deren Herstellung berücksichtigt, d.
h. die Spiralfeder kann mit mindestens einem Windungsabschnitt hergestellt werden,
der sich aufgrund der Geometrie der einander zugewandten Seitenflächen zur optischen
Erfassung der relativen Auslenkung benachbarter Windungen eignet. Die Geometrie der
Seitenflächen wird hierzu derart ausgebildet, dass der Abstand zwischen den benachbarten
Windungen entlang des Windungsabschnitts variiert. Entsprechende Daten, zur konkreten
Geometrie der Spiralklinge, zumindest in einem Windungsabschnitt, können für ein automatisiertes
Herstellungs- und Messverfahren auf einem elektronischen Datenträger hinterlegt und
sowohl zur Festlegung entsprechender Parameter im optischen Messverfahren, wie Messhöhe
oder Abstandsdefinition, als auch zur Festlegung der Parameter für die Herstellung
der Spiralfeder zur Verfügung gestellt werden.
[0030] Die eingangs gestellte Erfindungsaufgabe wird daher auch durch eine Spiralfeder,
die sich zur Verwendung in dem erfindungsgemäßen optischen Messverfahren eignet und
deren Geometrie dafür optimiert ist, gelöst.
[0031] Eine derartige, erfindungsgemäße Spiralfeder weist mehrere Windungen auf, die sich
entlang jeweiliger Kreisbahnen einen spiralförmigen, insbesondere archimedischen und/oder
logarithmischen Verlauf bildend erstrecken und ist, insbesondere zur Taktgebung eines
mechanischen Uhrwerks, zu einer Schwingungsbewegung anregbar, wobei benachbarte Windungen
entlang ihrer jeweiligen Kreisbahnen um eine Winkelverschiebung zueinander ausgelenkt
werden. Die erfindungsgemäße Spiralfeder kennzeichnet sich dadurch, dass der Abstand
zwischen den benachbarten Windungen zumindest entlang einer der Winkelverschiebung
β entsprechenden Messstrecke variiert.
[0032] Anders als die aus dem Stand der Technik bekannten Spiralfedern, bei welchen der
Abstand zwischen benachbarten Windungen entlang der Längserstreckung also dem Spiralverlauf
folgend konstant ist, weist die erfindungsgemäße Spiralfeder einen variierenden oder
variablen Abstand auf.
[0033] Um die Erfassung der Schwingungsbewegung und die relative Auslenkung, die während
der Schwingung zwischen benachbarten Windungen stattfindet, mit optischen Messmitteln
bzw. Messverfahren zu erleichtern, beträgt nach einer vorteilhaften Ausgestaltung
der Spiralfeder die Varianz des Abstands zwischen den benachbarten Windungen entlang
der Messstrecke mindestens 0,05 %, insbesondere mindestens 0,1 %, mindestens 0,15
% oder mindestens 0,2 % und weiter bevorzugt mindestens 0,25 %. Je höher die Varianz,
desto präziser lässt sich die relative Auslenkung mit optischen Mitteln erfassen und
desto zuverlässiger sind die ermittelten Werte für Schwingungsweite und/oder - frequenz.
Um ein weiterhin gleichmäßiges Schwingungsverhalten zu gewährleisten und um insbesondere
zu vermeiden, dass die benachbarten Windungen einander während der Schwingungsbewegung
berühren, sollte die Varianz vorzugsweise höchstens 1,5 % betragen, besonders bevorzugt
höchstens 1,0 %.
[0034] Üblicherweise ist der Abstand zwischen den Windungen einer Spiralfeder für mechanische
Uhrwerke entlang des vollständigen Spiralverlaufs konstant und liegt in einem Bereich
von 0,06 mm bis 0,25 mm. Die meisten Spiralfedern weisen einen konstanten Abstand
in einem Bereich von 0,08 mm bis 0,2 mm auf. Für den gemäß dieser Ausgestaltung variierenden
Abstand wird dieser Abstand (d. h. 0,08 mm bzw. 0,2 mm) jeweils als beispielhafter,
mittlerer Abstand angenommen, daraus ergibt sich bei einer Varianz von mindestens
0,05 % ein Bereich für die Mindest-Varianz (= 0,05 %) von 0,04 µm - 0,1 µm und die
Höchst-Varianz (= 1,5 %) von 1,2 µm - 3,0 µm. Für eine Spiralfeder, deren benachbarte
Windungen einen mittleren Abstand von 0,2 mm zueinander aufweisen, unterscheidet sich
der Abstand zumindest entlang der Messtrecke um mindestens 6,0 µm, variiert also um
+/- 3,0 µm. Alternativ oder optional kann der Abstand entlang der Messstrecke (auch)
kontinuierlich oder stetig variieren.
[0035] Der variierende Abstand wird nach bevorzugter Erfindungsausführung durch die Geometrie
der einander zugewandten Seitenflächen der benachbarten Windungen der Spiralfeder
bewirkt. Die Geometrie der einander zugewandten Seitenflächen ist dabei derart ausgebildet,
dass der Abstand zwischen den Windungen entweder über die vollständige Höhe der Spiralklinge,
oder lediglich auf einer bestimmten Höhe, oder einem bestimmten Höhenbereich entlang
der Messstrecke variiert.
[0036] Vorzugsweise ist die Höhe der Spiralklinge entlang des vollständigen Spiralverlaufs
konstant und liegt bspw. in einem Bereich zwischen 120 µm und 140 µm. Auch die Breite
der Spiralklinge, welche üblicherweise in etwa 40 µm beträgt, ist grundsätzlich entlang
des vollständigen Spiralverlaufs konstant. Durch die veränderte Geometrie der einander
zugewandten Seitenflächen treten jedoch Abweichungen auf, die der Varianz des Abstands
zwischen den benachbarten Windungen entsprechen.
[0037] In Weiterbildung dieser Erfindungsausführung kann der Abstand zwischen den benachbarten
Windungen bspw. im Bereich der unteren Längskante von dem Abstand zwischen den benachbarten
Windungen im Bereich der oberen Längskante der einander zugewandten Seitenflächen
abweichen, wobei der Abstand im Bereich der oberen Längskante und/oder im Bereich
der unteren Längskante entlang der Messstrecke variiert. Insbesondere kann der Abstand
im Bereich einer der Längskanten, vorzugsweise der oberen Längskante entlang des vollständigen
Spiralverlaufs konstant sein und im Bereich der anderen Längskante, vorzugsweise der
unteren Längskante, zumindest entlang der Messstrecke variieren. Hieraus kann sich
dann eine ebenfalls konstante Breite der Spiralklinge im Bereich der oberen und eine
entsprechend der Varianz des Abstands zumindest entlang der Messstrecke abweichende
Breite der Spiralklinge im Bereich der unteren Längskante ergeben. Die Bezeichnung
"obere" und "untere" Längskante bezieht sich auf die Einbaulage der Spiralfeder bzw.
des Uhrwerks in einem Chronographen, und zwar von dessen Rückseite aus in Richtung
des Ziffernblatts betrachtet.
[0038] Hierzu kann in besonders vorteilhafter Weiterbildung insbesondere die Geometrie der
einander zugewandten Seitenflächen einem über die Höhe konkaven und/oder konvexen
Verlauf folgend und/oder einen dazwischenliegenden Öffnungswinkel einschließend und/oder
im Bereich der oberen und/oder unteren Längskante einen abgerundeten oder angeschrägten
Übergangsbereich aufweisend ausgebildet sein, wobei der konkave und/oder konvexe Verlauf
und/oder der Öffnungswinkel und/oder die Abrundung oder Anschrägung des Übergangsbereichs
entlang der Messstrecke variieren.
[0039] Ein konkaver und/oder konvexer Verlauf der Seitenfläche kann wahlweise auf einer
oder auf beiden Seitenflächen ausgebildet sein, wobei sich der Verlauf entweder über
die gesamte Höhe oder lediglich einen Teilbereich der Höhe erstreckt. Ein angeschrägter
und/oder abgerundeter Übergangsbereich ist an der oberen und/oder unteren Längskante
einer oder beider Seitenflächen ausgebildet. Um eine ausreichende Varianz des Abstands
zu bewirken, beträgt eine Varianz des Übergangsbereichs entlang der Messtrecke vorzugsweise
mindestens 25 %, insbesondere mindestens 40 %. Bei einer mittleren Kantenverrundung
von 2,0 µm sollte die Varianz bspw. mindestens 0,5 µm betragen, die Kantenverrundung
also mindestens von 1,5 µm bis 2,5 µm variieren. Der Öffnungswinkel kann durch einen
über die Höhe schrägen Verlauf einer oder beider Seitenflächen ausgebildet sein. Um
eine ausreichende Varianz des Abstands zwischen den benachbarten Windungen zu bewirken,
beträgt eine Varianz des Öffnungswinkels zumindest entlang der Messstrecke mindestens
0,1°. Der mittlere Öffnungswinkel kann grundsätzlich 0° betragen, liegt aber vorzugsweise
in einem Bereich zwischen 1° und 20°, weiter bevorzugt zwischen 1° und 10° oder besonders
bevorzugt zwischen 1° und 7°. Alternativ beträgt der Öffnungswinkel mindestens 2°
oder mindestens 3° und liegt dann bspw. in einem Bereich zwischen 2° und 10°, bevorzugt
zwischen 2° und 7° oder besonders bevorzugt zwischen 3° und 5°. Um eine ausreichende
Varianz des Abstands zwischen den benachbarten Windungen zu bewirken, beträgt eine
Varianz des Öffnungswinkels zumindest entlang der Messstrecke mindestens 0,1°, bei
einem mittleren Öffnungswinkel von 3° sollte dieser also mindestens von 2,9° bis 3,1°
variieren.
[0040] Nach einer alternativen Erfindungsausführung ist der Abstand zwischen den benachbarten
Windungen über die vollständige Höhe der einander zugewandten Seitenflächen gleich
und variiert entlang der Messstrecke. Beispielsweise kann sich ein kontinuierlich
oder stetig entlang der Messtrecke variierender oder unregelmäßiger Verlauf der oberen
und unteren Längskanten in die entsprechenden Seitenflächen fortsetzen, sodass ein
über die Höhe der Spiralklinge konstanter und entlang der Messstrecke variierender
Abstand zwischen den benachbarten Windungen erzeugt wird. Dies hat den Vorteil, dass
die optische Erfassung des Abstands auf beliebiger Messhöhe erfolgen kann, wodurch
die Messwertaufnahme eindeutig gesichert ist.
[0041] Nach einer bevorzugten Erfindungsvariante ist die Geometrie der einander zugewandten
Seitenflächen der Windungen im Bereich der oberen und/oder unteren Längskante derart
ausgebildet, dass die Längskante(n) zumindest entlang der Messtrecke einen unregelmäßigen
oder variierenden Verlauf aufweist.
[0042] Weitere Einzelheiten, Merkmale, Merkmals(unter)kombinationen, Vorteile und Wirkungen
auf Basis der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels
{bzw. -beispiele} der Erfindung und den Zeichnungen. Diese zeigen in
- Fig. 1
- eine perspektivische Darstellung eines aus dem Stand der Technik bekannten Schwingungssystems
eines mechanischen Uhrwerks, mit einer Spiralfeder,
- Fig. 2
- eine perspektivische Darstellung der Spiralfeder aus Figur 1 in einer spannungsfreien
Mittellage,
- Fig. 3
- eine schematische, radiale Schnittansicht zweier benachbarter Windungen der Spiralklinge
der Spiralfeder aus den Figuren 1 und 2,
- Fig. 4
- eine Draufsicht auf die Spiralfeder aus den Figuren 1 bis 3 in einer um die halbe
Schwingungsweite ausgelenkten Stellung,
- Fig. 5
- eine beispielhafte Auftragung des Schwingungsverlaufs einer Spiralfeder,
- Fig. 6
- eine schematische, radiale Schnittansicht mehrerer jeweils benachbarter Windungen
der Spiralklinge der Spiralfeder aus den Figuren 1 bis 4, mit dazu positionierten
Messmitteln nach einer erfindungsgemäßen Verfahrensvariante,
- Fig. 7
- eine schematische Darstellung der schwingungsbedingten Änderung des Windungsabstands
während der Schwingungsbewegung einer Spiralfeder,
- Fig. 8
- eine schematische Darstellung der schwingungsbedingten Änderung des Windungsabstands
in Überlagerung mit einer beispielhaften, erfindungsgemäßen, durch die Bauteilgeometrie
bedingten Varianz des Abstands,
- Fig. 9
- eine schematisch perspektivische Darstellung eines Windungsabschnitts mit zwei benachbarten
Windungen nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung, mit in einem Übergangsbereich
variierendem Abstand,
- Fig. 10
- eine schematisch perspektivische Darstellung eines Windungsabschnitts mit zwei benachbarten
Windungen nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, mit konkaver Geometrie
der Seitenflächen,
- Fig. 11
- eine schematisch perspektivische Darstellung eines Windungsabschnitts mit zwei benachbarten
Windungen nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung, mit einem variierenden
Öffnungswinkel,
- Fig. 12
- eine schematisch perspektivische Darstellung eines Windungsabschnitts mit zwei benachbarten
Windungen nach einer vierten Ausführungsform der Erfindung, mit entlang der oberen
und der unteren Längskante jeweils variierendem Abstand und
- Fig. 13
- eine schematisch perspektivische Darstellung eines Windungsabschnitts mit zwei benachbarten
Windungen nach einer fünften Ausführungsform der Erfindung, mit über die Höhe der
Seitenflächen konstantem und entlang des Windungsabschnitts variierendem Abstand.
[0043] Die Figuren sind lediglich beispielhafter Natur und dienen nur dem Verständnis der
Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
[0044] Figur 1 zeigt eine perspektivische Darstellung eines aus dem Stand der Technik bekannten
Schwingsystems 200 für mechanische Uhrwerke. Das Schwingsystem 200, auch als Unruh
bezeichnet, umfasst als wesentliche Bestandteile einen Schwingkörper 210, hier als
Schwungrad ausgebildet, und eine Spiralfeder 100. Der Schwingkörper 210 dient als
Schwungmasse und ist um eine Drehachse 220 drehbar gelagert. Die Spiralfeder 100 ist
mit ihrem inneren Windungsende 140 an einem inneren Federbefestigungsmittel 230 und
mit ihrem äußeren Windungsende 150 an einem äußeren Federhalteelement 240 befestigt.
Dazwischen erstreckt sich in spiralförmigem Verlauf die im Querschnitt rechteckige
Spiralklinge 130 mit mehreren Windungen 110 die den aktiven Schwingungsbereich der
Spiralfeder 100 bilden. Zur Taktgebung des Uhrwerks wird die vom Federhaus kommende
Kraft auf das Schwingsystem 200 übertragen, sodass die Spiralfeder 100 möglichst gleichmäßig
um ihre spannungsfreie Mittellage schwingt. Beim Verlassen der Mittellage bewirkt
der Schwingkörper 210 ein Vorspannen der Spiralfeder 100, wodurch ein Rückholdrehmoment
erzeugt wird, das die Spiralfeder 100 zur Rückkehr in ihre Mittellage veranlasst.
Dabei wird dem Schwingkörper 210 eine kinetische Energie verliehen, wodurch die Spiralfeder
100 über ihre Mittellage hinaus in die andere Richtung schwingt. Die Spiralfeder 100
schwingt ihrer Schwingungsweite entsprechend einmal hin und einmal her. Schwingungsweiten
von Flachspiralfeder für mechanische Uhrwerke liegen üblicherweise bei 200° bis 300°.
[0045] Die Figur 2 zeigt eine perspektivische Darstellung der Spiralfeder 100 aus Figur
1, die sich in ihrer spannungsfreien Mittellage befindet. Dies ist anhand der rein
der Veranschaulichung dienenden Markierungen auf den Windungen 110 dargestellt. Die
Markierungen sind lediglich in der Zeichnung vorhanden und stellen keinen Bestandteil
der tatsächlichen Spiralfeder 100 dar. Beispielhaft ist außerdem die Schwingungsweite
von etwa 220° dargestellt, innerhalb derer sich die Spiralfeder 100 um die Mittellage
bewegt.
[0046] In der Figur 3 ist eine schematische, radiale Schnittansicht zweier benachbarter
Windungen 110 der Spiralklinge 130 der Spiralfeder 100 aus den Figuren 1 und 2 dargestellt.
Gut zu erkennen ist, dass die die einzelnen Windungen 110 bildende Spiralklinge 130
einen rechteckigen Querschnitt mit einer Höhe h und einer Breite b aufweist. Die Höhe
h, die Breite b und der Abstand x zwischen zueinander benachbarten Windungen 110,
sind entlang des spiralförmigen Verlaufs der Spiralklinge 130 konstant. Beispielhaft
kann die Höhe h in einem Bereich zwischen 120 µm und 140 µm, die Breite b in etwa
40 µm betragen und der Abstand x in einem Bereich zwischen 0,08 mm und 0,2 mm liegen.
[0047] Eine Draufsicht der Spiralfeder 100 aus den Figuren 1 bis 3, in einer um die halbe
Schwingungsweite ausgelenkten Stellung, kann der Figur 4 entnommen werden. Während
der Schwingungsbewegung, deren Richtung in der Zeichnung durch einen Pfeil angedeutet
ist, folgen die einzelnen Windungen 110 ihren jeweiligen Kreisbahnen und bewegen sich
um den Mittelpunkt bzw. die Drehachse 220. Anhand der zur Veranschaulichung dienenden
Markierung ist gut zu erkennen, dass innerhalb eines Windungsabschnitts 120 zueinander
benachbarte Windungen 110 während der Schwingungsbewegung der Spiralfeder 100 einer
Relativbewegung unterliegen, d. h. um eine entlang der entsprechenden Kreisbahn verlaufende
Strecke zueinander ausgelenkt werden. In der hier gezeigten Stellung befindet sich
die Spiralfeder 100 nach einer Halbschwingung an ihrem Umkehrpunkt UP, sodass benachbarte
Windungen 110 um einen Maximalbetrag zueinander ausgelenkt sind, welcher der ebenfalls
eingezeichneten Winkelverschiebung β entspricht. Typische Werte für die Winkelverschiebung
β liegen im Bereich zwischen 5° und 30°.
[0048] In der Figur 5 ist der Verlauf einer vollständigen Schwingung der Spiralfeder 100
anhand deren Auslenkung um ihre spannungsfreie Mittellage 0 dargestellt. Ebenfalls
eingezeichnet sind die Umkehrpunkte UP, an denen sich die Richtung der Schwingung
umkehrt. Die Spiralfeder 100 wird zunächst aus der spannungsfreien Mittellage 0 in
einer ersten Richtung ausgelenkt, solange bis die maximale Auslenkung am Umkehrpunkt
UP erreicht ist und kehrt danach, in entgegengesetzter, zweiter Richtung in die spannungsfreie
Mittellage 0 zurück (Halbschwingung). Eine vollständige Schwingung ist abgeschlossen,
nachdem die spannungsfreie Mittellage 0 in der zweiten Richtung durchlaufen wurde
und die Spiralfeder 100 nach erneuter Richtungsumkehr am Umkehrpunkt UP wieder der
ersten Richtung folgend in die spannungsfreie Mittellage 0 zurückkehrt. Die einzelnen
Windungen 110 folgen einer entsprechenden Bewegung entlang ihrer jeweiligen Kreisbahnen,
wobei zwischen zueinander benachbarten Windungen 110 jeweils eine die Winkelverschiebung
β (s. Figur 4) verursachende Relativbewegung resultiert.
[0049] Erfindungsgemäß soll nun mittels eines optischen Messverfahrens auf Basis dieser
Winkelverschiebung β die Schwingungsweite der Spiralfeder 100 ermittelt werden. Hierzu
sind, wie in der Figur 6 dargestellt, optische Messmittel 160, bspw. Lichtsender und/oder
Lichtempfänger, vorzugsweise von oben oder unten vertikal, d. h. parallel zur Drehachse
220 bzw. zur Höhe h der Spiralklinge, oder schräg, d. h. einen Winkel größer oder
kleiner 90°, hier beispielhaft in etwa 45° mit der Drehachse 220 oder Höhe h einschließend,
auf einen jeweiligen Windungsabschnitt 120 ausgerichtet. Die hier gezeigte Anordnung
der optischen Messmittel 160 ist lediglich beispielhaft. Zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Messverfahrens genügt auch ein einziges optisches Messmittel 160.
[0050] Die optischen Messmittel 160 dienen der Überwachung des jeweiligen Windungsabschnitts
120, wobei die darin erfolgende Auslenkung der benachbarten Windungen 110 zueinander
optisch erfasst wird. Als Bezug oder Referenz für das optische Messmittel 160 fungiert
der Abstand x zwischen den benachbarten Windungen 110 innerhalb zumindest eines Windungsabschnitts
120. Hierzu darf der Abstand x in Längsrichtung der Windungen 110, also dem Spiralverlauf
folgend, aber nicht konstant sein, da die relative Bewegung sonst optisch nicht erkennbar
wäre. Eine "Visualisierung" der relativen Bewegung oder Auslenkung benachbarter Windungen
110 zueinander erfolgt nämlich, indem deren Abstand x entlang des Windungsabschnitts
120 variiert. Durch optisches Abtasten mittels der Messmittel 160 kann bei einem variierenden
Abstand x die Winkelverschiebung β der Windungen 110, welche sich im dynamischen Betrieb,
also während der Schwingungsbewegung zueinander verschieben, gesichert aufgenommen
werden.
[0051] In der Figur 7 ist die schwingungsbedingte Änderung des Windungsabstands WA während
der Schwingungsbewegung der Spiralfeder 100 schematisch veranschaulicht. Während der
Schwingung zieht sich die Spiralfeder 100 nämlich schwingungsbedingt zusammen und
wieder auseinander, die Spiralfeder 100 "atmet". Hierdurch wird eine der Schwingungsperiode
folgende Änderung des Windungsabstands WA hervorgerufen. Diese schwingungsbedingte
Änderung des Windungsabstands WA tritt unvermeidlich beim Zusammen- und Auseinanderziehen
von Spiralfedern 100 auf, und sollte daher vorzugsweise bei der optischen Erfassung
der Winkelverschiebung β (s. Figur 4) anhand des erfindungsgemäß variierenden Abstands,
welcher durch die Bauteilgeometrie, insbesondere die Geometrie der benachbarten Windungsabschnitte
120 bedingt ist, berücksichtigt werden.
[0052] In der Figur 8 ist daher schematisch eine Überlagerung der schwingungsbedingten Änderung
des Windungsabstands WA und der erfindungsgemäßen, bauteilgeometriebedingten Varianz
des Abstands x anhand zweier beispielhafter Abstände x
1 und x
n dargestellt. Für den mittleren Abstand x, welcher erfindungsgemäß zwischen den Werten
x
1 und x
n variieren soll, ist daher vorzugsweise nicht der Abstand der Windungen 110 in der
Ruhelage der Spiralfeder 100 zugrunde zu legen, sondern der sich während der Schwingungsbewegung
dynamisch verändernde Windungsabstand WA der Spiralfeder 100.
[0053] Bei einer erfindungsgemäßen Spiralfeder 100, die sich zur Verwendung in dem erfindungsgemäßen
optischen Messverfahren eignet, ist es daher erforderlich, dass der Abstand x zwischen
den benachbarten Windungen 110 zumindest entlang einer Messstrecke, die mindestens
der Winkelverschiebung β entspricht, variiert. Vorzugsweise beträgt die Varianz des
Abstands mindestens 0,05 %, insbesondere 0,1 % und höchstens 3,0 %. Bei einer Winkelverschiebung
β von bspw. 5° ergibt sich eine Mindestlänge der Messstrecke von 0,1 mm, bei einer
Winkelverschiebung β von bspw. 30° eine Mindestlänge von 0,9 mm.
[0054] Vorzugsweise wird der variierende Abstand x durch eine Optimierung der Geometrie
der einander zugewandten Seitenflächen 131 der benachbarten Windungen 110 der Spiralfeder
100 bewirkt. Eine schematisch perspektivische Darstellung eines Windungsabschnitts
120 mit zwei benachbarten Windungen 110 nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung
ist in der Figur 9 gezeigt. Die einander zugewandten Seitenflächen 131 der benachbarten
Windungen 110 weisen an ihrer jeweiligen, oberen Längskante LK einen Übergangsbereich
ÜB mit einer mittleren Kantenverrundung von bspw. 2,0 µm auf. Entlang des Windungsabschnitts
120, also entlang des Spiralverlaufs, und mindestens entlang der Messtrecke variiert
die Kantenverrundung des Übergangsbereichs ÜB hier bspw. um mindestens 25 % (+/- 0,5
µm), die Kantenverrundung variiert entlang der Messstrecke also mindestens von 1,5
µm bis 2,5 µm. Eine derartige Geometrie der Seitenflächen 131 bewirkt auch eine Varianz
des mittleren Abstands x
2, welcher, hier im Bereich der oberen Längskante LK entlang der Messtrecke innerhalb
der Wertereihe x
21 - x
2n vorzugsweise stetig oder kontinuierlich variiert. Konkret könnte beispielsweise der
Wert x
23 größer als x
21 und x
24 kleiner als x
23 sein, der Abstand x
2 nimmt dann zunächst zu und anschließend wieder ab. Alternativ ist natürlich auch
eine kontinuierliche Zu- oder Abnahme des Abstands x
2 entlang der Messstrecke denkbar. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel variiert
der Abstand x
2 ausschließlich im Bereich der oberen Längskante LK, entsprechend wird die Messhöhe
für das optische Messverfahren ebenfalls an der oberen Längskante LK festgelegt.
[0055] Die Bezeichnung "obere" und "untere" Längskante LK bezieht sich auf die Einbaulage
der Spiralfeder 100 bzw. des Uhrwerks bspw. in einer Uhr oder einem Chronographen,
und zwar von dessen Rückseite aus in Richtung des Ziffernblatts betrachtet.
[0056] Die Figur 10 zeigt eine schematisch perspektivische Darstellung eines Windungsabschnitts
120 mit zwei benachbarten Windungen 110 nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
Die einander zugewandten Seitenflächen 131 weisen hier eine über die Höhe h konkav
verlaufende Geometrie auf. Die Konkavität ist hier vor allem im unteren Teilbereich
der Seitenflächen 131 ausgebildet, wodurch der Abstand x
2 der benachbarten Windungen 110 im Bereich der oberen Längskante LK entlang der Messstrecke
konstant und größer als der mittlere Abstand x
1 im Bereich der unteren Längskante LK ist. Durch eine Varianz der Konkavität entlang
der Messstrecke bzw. entlang des Windungsabschnitts 120, kann eine sich vorzugsweise
kontinuierlich verändernder untere Längskante LK ausgebildet werden. Eine derartige
Geometrie der Seitenflächen 131 bewirkt wiederum eine Varianz des mittleren Abstands
x
1, diesmal im Bereich der unteren Längskante LK. Entlang der Messtrecke variiert der
mittlere Abstand x
1 innerhalb der Wertereihe x
11 - x
1n vorzugsweise stetig oder kontinuierlich. Entsprechend wird auch die Messhöhe für
die untere Längskante LK festgelegt.
[0057] Die Figur 11 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung in einer schematisch
perspektivischen Darstellung. Der hier gezeigte Windungsabschnitt 120 umfasst zwei
benachbarten Windungen 110 mit jeweils schräg verlaufenden, einander zugewandten Seitenflächen
131. Durch den schrägen, von der vertikalen abweichenden Verlauf der Seitenflächen
131 schließen diese einen sogenannten Öffnungswinkel α ein, welcher entlang der Messtrecke
bzw. entlang des Spiralverlaufs variierend ausgebildet ist und innerhalb der Wertereihe
α
1 - α
n um einen mittleren Öffnungswinkel α variiert. Der mittlere Öffnungswinkel α kann
beispielhaft 5° betragen, die Varianz liegt insbesondere bei mindestens +/- 0,1°,
wodurch der Öffnungswinkel α dann innerhalb der Wertereihe α
1 - α
n mindestens zwischen 4,9° und 5,1° variiert. Die geometrische Ausgestaltung des Öffnungswinkels
α bewirkt bspw. einen innerhalb der Wertereihe x
21 - x
2n variierenden Abstand x
2 im Bereich der oberen Längskante LK, wohingegen der Abstand x
1 im Bereich der unteren Längskante LK entlang der Messstrecke konstant sein kann.
[0058] Optional kann, wie in der Figur 12 in schematisch perspektivischer Darstellung gezeigt,
ein variierender Öffnungswinkel α durch die Geometrie der Seitenflächen 131 auch so
gewählt werden, dass der Abstand x
1, x
2 der benachbarten Windungen 110 sowohl im Bereich der oberen Längskante LK, innerhalb
der Wertereihe x
21 - x
2n, als auch im Bereich der unteren Längskante LK, innerhalb der Wertereihe x
11 - x
1n variiert. Dies kann insbesondere durch einen unregelmäßigen, variierenden Verlauf
der jeweiligen Längskante LK erreicht werden.
[0059] Die Geometrie der einander zugewandten Seitenflächen 131 kann aber auch so ausgebildet
sein, dass der Abstand x zwischen den benachbarten Windungen 110 über die vollständige
Höhe h der Spiralklinge 130 konstant ist und entlang der Messtrecke variiert. Eine
derartige, vierte Ausführungsform der Erfindung ist schließlich der Figur 13 in schematisch
perspektivischer Darstellung eines Windungsabschnitts 120 zu entnehmen. Diese Ausführung
hat insbesondere den Vorteil, dass die Messhöhe für das optische Messverfahren auf
beliebiger Höhe h der Spiralklinge 130 gewählt werden kann.
Bezugszeichenliste
[0060]
- 100
- Spiralfeder
- 110
- Windung
- 120
- Windungsabschnitt
- 130
- Spiralklinge
- 131
- Seitenfläche der Spiralklinge
- 140
- inneres Windungsende
- 150
- äußeres Windungsende
- 160
- optisches Messmittel
- 200
- Schwingsystem
- 210
- Schwingkörper
- 220
- Drehachse
- 230
- inneres Federbefestigungsmittel
- 240
- äußeres Federhalteelement
- b
- Breite der Spiralklinge
- h
- Höhe der Spiralklinge
- x
- Abstand zwischen benachbarten Windungen
- UP
- Umkehrpunkt
- WA
- schwingungsbedingter Windungsabstand
- 0
- spannungsfreie Mittellage
- α
- Öffnungswinkel
- β
- Winkelverschiebung
1. Optisches Messverfahren zur Bestimmung der Schwingungsweite (SW) einer Spiralfeder
(100) mit mehreren Windungen (110), die sich entlang jeweiliger Kreisbahnen einem
spiralförmigen, insbesondere archimedischen und/oder logarithmischen Verlauf folgend
erstrecken, wobei
- während der Schwingungsbewegung der Spiralfeder (100), in mindestens einem Windungsabschnitt
(120) eine Auslenkung benachbarter Windungen (110) zueinander und entlang ihrer jeweiligen
Kreisbahnen, anhand einer Varianz des Abstands (x) zwischen den benachbarten Windungen
(110) entlang des Windungsabschnitts (120) optisch erfasst wird,
- anhand der maximalen Auslenkung eine entsprechende Winkelverschiebung (β) der benachbarten
Windungen (110) zueinander bestimmt wird, und
- auf Basis der Winkelverschiebung (β) die Schwingungsweite und/oder - frequenz der
Spiralfeder (100) rechnerisch ermittelt wird.
2. Messverfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
für die optische Erfassung der Auslenkung benachbarter Windungen (110) zueinander
mindestens ein Windungsabschnitt (120) festgelegt wird, innerhalb dessen die Varianz
des Abstands (x) zwischen den benachbarten Windungen (110) zumindest entlang einer
der Winkelverschiebung (ß) entsprechenden Messstrecke mindestens 0,05 % beträgt.
3. Messverfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Auslenkung benachbarter Windungen (110) zueinander anhand des zumindest entlang
einer der Winkelverschiebung (ß) entsprechenden Messtrecke stetig oder kontinuierlich
variierenden Abstands (x) zwischen den benachbarten Windungen (110) optisch erfasst
wird.
4. Messverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Abstand (x), als radialer Abstand (x) zwischen den benachbarten Windungen (110)
entlang eines Radius der Spiralfeder (100) ausgehend von einer Seitenfläche (131)
einer der Windungen (110) hin zu der gegenüberliegenden Seitenfläche (131) der anderen
Windung (110) definiert wird.
5. Messverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Varianz des Abstands (x) zwischen den benachbarten Windungen (110) entlang des
Windungsabschnitts (120) auf einer in Bezug auf die Höhe (h) der Spiralfeder (100)
definierten Messhöhe erfasst wird, und die Messhöhe auf Basis der Geometrie der einander
zugewandten Seitenflächen (131) festgelegt wird.
6. Messverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
für die optische Erfassung vorgesehene optische Messmittel (160), insbesondere eine
Lichtquelle und/oder ein Lichtempfänger von oben oder unten gerade, entlang bzw. parallel
zur Achse der Spiralfeder (100) oder schräg, einen Winkel größer oder kleiner 90°
mit der Achse der Spiralfeder (100) einschließend, auf die Windungen (110), insbesondere
den Windungsabschnitt (120) ausgerichtet ist.
7. Messverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
zur optischen Erfassung Laser-Doppler Vibrometrie, Laser interferometrische Vibrometrie,
Weißlicht-Interferometrie, auch mit konfokalem Mikroskop, 2D/3D-Laserscanning, hochauflösende
Digitalmikroskopie mit Videofunktion und/oder kombinierte Laserlicht- und Weißlicht
Mikroskopie für 2D/3D Scanning verwendet wird.
8. Messverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Schwingungsfrequenz anhand der Schwingungsdauer der Spiralfeder (100) ermittelt
wird, wobei eine einmalige Auslenkung benachbarter Windungen (110) zueinander um die
Winkelabweichung (β) einer Halbschwingung der Spiralfeder (100) entspricht.
9. Messverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
anhand der ermittelten Schwingungsweite und/oder -frequenz ein Soll-/Ist-Wert-Vergleich,
insbesondere zur Bestimmung der Gangabweichung des Uhrwerks durchgeführt wird, wobei
die ermittelte Schwingungsweite und/oder -frequenz dem Ist-Wert entspricht und dieser
mit einem entsprechenden, zuvor festgelegten Soll-Wert verglichen wird.
10. Spiralfeder (100), geeignet zur Verwendung in einem optischen Messverfahren nach einem
der vorhergehenden Ansprüche, mit mehreren Windungen (110), die sich entlang jeweiliger
Kreisbahnen einen spiralförmigen, insbesondere archimedischen und/oder logarithmischen
Verlauf bildend erstrecken, welche Spiralfeder (100), insbesondere zur Taktgebung
eines mechanischen Uhrwerks, zu einer Schwingungsbewegung anregbar ist, wobei benachbarte
Windungen (110) entlang ihrer jeweiligen Kreisbahnen um eine Winkelverschiebung (ß)
zueinander ausgelenkt werden,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Abstand (x) zwischen den benachbarten Windungen (110) zumindest entlang einer
der Winkelverschiebung (β) entsprechenden Messstrecke variiert.
11. Spiralfeder (100) nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Varianz des Abstands (x) zwischen den benachbarten Windungen (110) entlang der
Messstrecke mindestens 0,05% beträgt und/oder der Abstand (x) entlang der Messstrecke
kontinuierlich oder stetig variiert.
12. Spiralfeder (100) nach Anspruch 10 oder 11,
dadurch gekennzeichnet, dass
der variierende Abstand (x) durch die Geometrie der einander zugewandten Seitenflächen
(131) der benachbarten Windungen (110) der Spiralfeder (100) bewirkt wird, wobei die
Geometrie der einander zugewandten Seitenflächen (131) derart ausgebildet ist, dass
der Abstand (x) zwischen den Windungen (110) entweder über die vollständige Höhe (h)
der einander zugewandten Seitenflächen (131) oder lediglich auf einer bestimmten Höhe
(h) oder einem bestimmten Höhenbereichen entlang der Messstrecke variiert.
13. Spiralfeder (100) nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Abstand (x) zwischen den benachbarten Windungen (110) im Bereich der unteren Längskante
(LK) der einander zugewandten Seitenflächen (131) von dem Abstand (x) zwischen den
benachbarten Windungen (110) im Bereich der oberen Längskante (LK) der einander zugewandten
Seitenflächen (131) abweicht, wobei der Abstand (x) im Bereich der oberen Längskante
(LK) und/oder im Bereich der unteren Längskante (LK) entlang der Messstrecke variiert.
14. Spiralfeder (100) nach einem der Ansprüche 12 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Geometrie der einander zugewandten Seitenflächen (131) einem über die Höhe (h)
einer oder beider Seitenflächen (131) konkaven und/oder konvexen Verlauf folgend und/oder
einen dazwischenliegenden Öffnungswinkel (α) einschließend und/oder im Bereich der
oberen und/oder unteren Längskante (LK) einen abgerundeten oder angeschrägten Übergangsbereich
(ÜB) aufweisend ausgebildet ist, wobei der konkave und/oder konvexe Verlauf und/oder
der Öffnungswinkel (α) und/oder die Abrundung oder Anschrägung des Übergangsbereichs
(ÜB) entlang der Messstrecke variieren.
15. Spiralfeder (100) nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Abstand (x) zwischen den benachbarten Windungen (110) über die vollständige Höhe
(h) der einander zugewandten Seitenflächen (131) konstant ist und entlang der Messstrecke
variiert.
16. Spiralfeder (100) nach einem der Ansprüche 12 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Geometrie der einander zugewandten Seitenflächen (131) der Windungen (110) im
Bereich der oberen und/oder unteren Längskante (LK) derart ausgebildet ist, dass die
Längskanten (LK) zumindest entlang der Messtrecke einen unregelmäßigen Verlauf aufweisen.