Elektrische Uhr Im Hauptpatent Nr. 444 767 ist eine elektrische Uhr beschrieben, deren Antriebsmotor einen dauerma gnetischen Rotor, eine über einen Schalter periodisch an eine Gleichspannungsquelle anschaltbare Antriebs spule, eine durch den Rotor beeinflussbare, den Schalter betätigende Steuerspule und eine den Motor mit Syn- chronisierungssignalen eines Frequenznormales beauf- schlagende Synchronisierungseinrichtung aufweist, mit dem kennzeichnenden Merkmal, dass eine im Motor vor gesehene,
zusätzliche Synchronisierungsspule zum Rotor so angeordnet und gegenüber der Antriebsspule derar tig gegensinnig gepolt ist, dass .auf den Rotor abwech selnd ein Antriebsimpuls der Synchronisierungsspule und ein gegenüber diesem Impuls zeitlich mehr oder weniger verschobener Antriebsimpuls entgegengesetzter Feldrichtung der Antriebsspule einwirkt.
Als Frequenznormal wird in dem Hauptpatent be vorzugt ein mit einem Dauermagneten versehener Schwinger vorgeschlagen, der im Wirkungsbereich des Dauermagneten eine Steuer- und eine Antriebsspule auf weist, die ebenso wie die Steuer- und Antriebsspule des Motors über eine Verstärkerschaltung, insbesondere eine Transisterschaltung miteinander verbunden sind.
Zur Erzielung einer möglichst konstanten Frequenz des Schwingers und zur Erleichterung der Synchronisie rung des Motors wird in dem Hauptpatent eine beson dere Regelschaltung in dem Antriebssystem von Schwin ger und Motor vorgeschlagen, durch die der Schwinger eine konstante Antriebsleistung erhält und der Motor von vornherein auf eine Drehzahl gebracht wird, die in der Nähe der entsprechenden Synchronisierungsfre- quenz liegt. Die Synchronisierungsspule für den Motor wird hierbei ausserhalb des Regelsystems des Schwin gers, in Serie zu der Antriebsspule des Schwingers ge schaltet, wodurch Ankerrückwirkungen des Motors auf den Schwinger ausgeschaltet werden.
Der Motor nach dem Hauptpatent erhält ein hohes Antriebsmoment und einen guten Wirkungsgrad, wenn dessen permanentmagnetischer Rotor sowie dessen An triebs- und Steuerspule so bemessen werden, dass durch den selbstgesteuerten Antrieb möglichst breite Antriebs impulse entstehen, bei denen das Verhältnis von Impuls breite zu Impulslücke möglichst den Wert 1 : 1 aufweist.
Eine optimale Synchronisierung durch das Frequenz normal wird hierbei nur dann erzielt, wenn die inner halb der Lücken der vom Motor erzeugten Antriebs impulse liegenden Synchronisierungsimpulse entgegen gesetzter Feldrichtung ebenfalls möglichst breit sind, d. h. diese Lücken möglichst vollständig ausfüllen, wo bei diese Synchronisierungsimpulse mindestens ebenso stark sein sollen wie die vom Motor selbst erzeugten Antriebsimpulse.
Dies bedingt aber, dass von dem Fre- quenznormal relativ breite und in geringem Abstand zueinanderliegende Synchronisierungsimpulse erzeugt werden müssen; die in der gleichen Form und in der gleichen Breite auch zum Antrieb des Frequenznormals selbst dienen. Uhrensysteme mit solchen breiten An triebsimpulsen haben aber den grossen Nachteil, dass sie in Abhängigkeit auch von nur kleinen Änderungen der Amplitude grosse Zeitfehler ergeben.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich somit auf eine elektrische Uhr nach dem Patentanspruch des Hauptpatentes, mit einem einen Dauermagneten auf weisenden Schwinger als Frequenznormal mit dem Kennzeichen, dass der Schwinger mit einer Amplitude betrieben wird, die annähernd gleich, d. h. nur wenig grösser als der Einflussbereich von Steuer- und Antriebs spule auf den Schwinger ist, dass die Steuerspule die Antriebsspule konzentrisch umschliesst und die Steuer spule so in bezug auf die Antriebsspule und die Magnet pole des Schwingers bemessen und angeordnet ist, dass der auf Grund der Energiezufuhr durch die Antriebs spule verursachte Zeitfehler des Schwingers durch den auf Grund des Energieentzuges durch die Steuerspule verursachten Zeitfehlers kompensiert wird.
Die Schwin gungsdauer des Frequenznormals ist damit weitgehend unabhängig von Amplitudenschwankungen.
Es ist zwar schon eine Pendeluhr bekanntgeworden, bei der die Pendelschwingungen durch eine elektroni sche Selbststeuerschaltung mit einer Antriebs- und einer diese konzentrisch umschliessenden Steuerspule aufrecht erhalten werden, wobei die Spulen mit einem am Pendel befestigten Dauermagneten zusammenwirken. Die kon zentrische ,Spulenanordnung ist dabei jedoch nur getrof fen, damit eine direkte magnetische Kopplung der bei den Spulen vermieden wird und die Spulen erst beim Passieren des Dauermagneten über diesen zur Erzeu gung einer Schwingung gekoppelt werden.
Eine Kom pensation der Zeitfehler durch geeignete Anordnung und Bemessung der Spulen ist bei dieser Anordnung nicht möglich, da das Pendel mechanische Fortschalt- und Auslösearbeit leisten muss. Der Energieentzug erfolgt dabei im wesentlichen vor und die Energiezufuhr nach dem Nulldurchgang des Schwingers, so dass sich die hierdurch verursachten Zeitfehler nicht kompensieren können.
Bei einem bekannten Uhrensystem, bei dem eben falls ein das Zeigerwerk antreibender Motor von einem Unruhschwinger synchronisiert wird, erfolgt die Syn chronisierung des Zeigerwerkmotors dadurch, dass in Serie zu dem Arbeitskreis des Motors, also dessen Speisebatterie, Transistor und Antriebsspule ein zweiter Transistor in Reihe geschaltet ist, diesen Steuerkreis im Arbeitskreis des Schwingers liegt, der durch eine Bat terie, einen weiteren Transistor und der Antriebsspule des Schwingers gebildet wird.
Weder die der vorliegenden Erfindung zugrundelie- gende Aufgabe, noch die hierbei vorgeschlagenen Lö sungsmittel, sind bei diesem Uhrensystem vorhanden. Der erzielbare Synchronisierungseffekt der Anordnung ist trotz des erheblichen Aufwandes von drei Transisto ren und zwei getrennten Batterien nur gering, wobei keinesfalls sichergestellt ist, dass das Frequenznormal bei Amplitudenschwankungen isochron schwingt.
Es ist ebenfalls bekannt, bei einer Kleinuhr mit einem transistorgesteuerten Unruhschwinger koaxial zueinan- derliegende Steuer- und Antriebsspulen zu verwenden, wobei die Steuerspule innerhalb der Antriebsspule liegt und etwa 50 bis 70 % der Antriebsspule ausmachen soll. Beabsichtigt ist hierdurch, sich selbsterregende Hoch frequenzschwingungen zu unterdrücken. Diese Uhr zeigt somit ebenfalls nicht die Merkmale der vorliegenden Erfindung.
Die Erfindung sei nachfolgend anhand der Zeich nungen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 einen Schwinger nach der Erfindung, Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie 11-I1 in Fig. 1, Fig. 3 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Wirkungsweise des Schwingers nach Fig. 1 und 2 und Fig. 4 eine graphische Darstellung der Gangabwei chung verschiedener Schwinger.
In Fig. 1 und 2 ist ein Unruhschwinger dargestellt, der zwei scheibenförmige Polbleche 18 aufweist, zwi schen die auf einer Seite zwei tablettenförmige Dauer magnete 19 mit dem Durchmesser D und auf der gegen überliegenden Seite zwei Ausgleichsmassen 20 befestigt sind. Ein weichmagnetischer, auf einer Welle 17 befe stigter Distanzbolzen 21 dient als magnetischer Rück schluss für den magnetischen Fluss (h des Feldes der Ma- gnete 19. Das Feld der Magnete 19 durchsetzt eine feststehende Steuerspule 23 und eine konzentrisch dazu angeordnete Antriebsspule 24. Die Spulen 23, 24 sind Bestandteile der im Hauptpatent beschriebenen Schal tungsanordnung.
In Fig. 2 ist der Unruhschwinger in seiner Nullage dargestellt, in der die Magnete 19 die Spulen 23, 24 teilweise überdecken. Bei dem in Fig. 1 und 2 gezeigten Schwinger ist die Windungszahl der Steuerspule 23 etwa gleich der Windungszahl der An triebsspule 24 gewählt.
Der Fig. 2 entnimmt man, dass der Durchmesser der beiden Spulen so gross und ihr Abstand von der Drehachse des Unruhschwingers so gering gewählt ist, dass die von der Drehachse des Un- ruhschwingers an den Spulenumfang gezogenen Tan genten etwa den Winkel von 90 einschliessen.
Der Durchmesser der runden Dauermagnete 19 ist ferner nur wenig kleiner als der Durchmesser der An triebsspule gewählt und ihre Achse hat einen etwas klei neren Abstand von der Drehachse des Schwingers als die Achse der Spulenanordnung.
Die Schaltung der Verstärkeranordnung des Schwin gers wird zweckmässig so ausgelegt, dass der Antriebs impuls und damit auch der Steuerimpuls vor dem Null durchgang des Schwingers erfolgt.
Der Unruhschwinger gemäss Fig. 1 und 2 ist vor zugsweise so dimensioniert, dass seine Frequenz grösser oder gleich 10 Hz und seine Schwingungsamplitude re lativ klein, z. B. 90 , ist. Bewegen sich die Magnete 19 über die Spulen 23, 24 hinweg, so schneidet zu nächst das Kraftfeld der Magnete 19 die Steuerspule 23, und der induzierte Steuerimpuls öffnet in bekannter Weise den Transistor, in dessen Steuereingang die Spule 23 liegt. Der vom Transistor .an die Antriebsspule 24 gelieferte Antriebsimpuls treibt den Schwinger an und dieser bewegt sich über seine Nullage hinaus, wobei das Kraf;feld der Magnete 19 jetzt zuerst von der Antriebs spule 24 und dann von der Steuerspule 23 geschnitten wird.
Der hierbei induzierte Steuerimpuls bleibt unwirk sam, da er gegenüber dem zuerst induzierten Steuerim puls entgegengesetzte Polarität hat, so dass der Tran sistor nicht geöffnet wird. Bei jeder Halbschwingung des Schwingers wirkt somit vor dem Nulldurchgang des Schwingers ein Steuer- und ein Antriebsimpuls auf die sen ein.
Der Verlauf der auf den Schwinger gemäss Fig. 1 und 2 einwirkenden Momente sei anhand der Fig. 3 noch näher erläutert. Verzögernde Momente sind in Fig. 3 negativ und beschleunigende Momente positiv eingezeichnet. Durch die Kurve a ist der Verlauf des auf den Schwinger einwirkenden Dämpfungsmomentes (Luftwiderstand, Lagerreibung, Dämpfung der Spiral feder) in Abhängigkeit vom Schwingungsbogen (h bei einer Amplitude (1) wiedergegeben.
Die durch die Dämpfung entzogene Energie entspricht dabei der unter der Kurve a liegenden Fläche F;,. Die Kurve b zeigt den Verlauf des infolge des in der Steuerspule 23 in duzierten Steuerimpulses auftretenden zusätzlichen ver zögernden Momentes. Die unter der Kurve b liegende Fläche F,, entspricht der dem Schwinger durch den Steuerimpuls entzogenen Energie. Den Verlauf des durch den in der Antriebsspule 24 auftretenden An triebsimpuls auf den Schwinger einwirkenden beschleu nigenden Momentes zeigt die Kurve c, wobei die Flä che F,. der Antriebsenergie entspricht.
Die Kurve c liegt infolge der konzentrischen Anordnung der Spulen 23, 24 nicht symmetrisch zu der Kurve b, da sich die Magnete 19 beim Beginn des Steuerimpulses an der Aussenseite der Steuerspule 23 befinden, so dass der die Antriebsspule 24 durchfliessende Antriebsimpuls wegen des noch relativ grossen Abstandes der Magnete 19 von der Spule 24 zunächst einen sehr geringen Einfluss auf den Schwinger hat. Der Abstand f, der lotrechten Schwerlinie der Fläche F,. von der Ordinate ist somit kleiner als der Abstand f,, der lotrechten Schwerlinie der Fläche F,,.
Da während einer Halbschwingung des Schwingers die Energiezufuhr gleich den Energieverlust sein muss, muss gelten: @F,,I=@F.#+IF,,. Der durch das Dämpfungsmoment verursachte Zeit fehler ist praktisch Null, da die Kurve a symmetrisch zur Ordinate liegt. Der durch den Steuerimpuls verur sachte negative Zeitfehler ist dem Produkt F,, -f," und der durch den Antriebsimpuls verursachte positive Zeit fehler ist dem Produkt F, - f, proportional.
Bei geeig neter Dimensionierung und Anordnung der Spulen 23, 24 gelingt es, bei im allgemeinen gegebenen Flächen F,, und F,. die Abstände f,, und f, so festzulegen, dass die Produkte F,, - f,, und F, - f,. und damit die durch den Steuer- und Antriebsimpuls hervorgerufenen Zeitfehler etwa gleich gross sind, so dass sich diese Fehler kom pensieren und der resultierende Fehler praktisch Null ist. Auf diese Weise wird die Gangabweichung des Schwingers weitgehend unabhängig von der Amplitude des Schwingers, so dass z. B. die Ganggenauigkeit einer mit diesem Schwinger ausgerüsteten Uhr durch geeig nete Anordnung und Dimensionierung der konzentrisch angeordneten Spulen 23, 24 noch gesteigert werden kann.
Der Steuer- und der Antriebsimpuls kann dabei im Gegensatz zu den bekannten elektronisch gesteuerten Schwingern, welche mechanische Arbeit zu leisten ha ben, flacher und breiter sein, wobei der Isochronismus trotzdem noch wesentlich besser als bei den bekannten Schwingern ist. Bei dem Ausführungsbeispiel erstreckt sich der Antriebsimpuls wie aus Fig. 3 hervorgeht, über einen Winkel von etwa 60 bei einer Amplitude von c@ " -90 , so dass die Amplitude nur wenig grösser als der Einflussbereich von Steuer- und Antriebsspule auf den Schwinger ist.
In Fig. 4 zeigt die Kurve d den Verlauf der Gang abweichung einer derart aufgebauten Uhr in Abhängig keit von der Amplitude A' des Gangordnerschwingers. Die Kurve d verläuft hier fast waagrecht. Zum Ver gleich zeigt die Kurve e den Verlauf der Gangabwei chung einer mit einem Gangordnerschwinger ausgerüste ten Uhr, bei welcher der Steuerimpuls überwiegend vor und der Antriebsimpuls überwiegend nach dem Null durchgang des Schwingers auf diesen einwirkt. Die Ab hängigkeit der Gangabweichung von der Amplitude des Schwingers ist hier wesentlich grösser.