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.
Electric clock In the main patent No. 444 767 an electric clock is described, the drive motor of which has a permanent magnetic rotor, a drive coil that can be connected periodically to a DC voltage source via a switch, a control coil that can be influenced by the rotor, the switch actuates and a motor with syn- synchronizing signals of a frequency standard applying synchronization device, with the characteristic feature that a provided in the motor,
Additional synchronization coil to the rotor is arranged and polarized in opposite directions to the drive coil in such a way that a drive pulse from the synchronization coil and a drive pulse in the opposite field direction of the drive coil in the opposite field direction act alternately on the rotor.
As a frequency standard, a preferably provided with a permanent magnet oscillator is proposed in the main patent, which has a control and a drive coil in the area of action of the permanent magnet, which, like the control and drive coil of the motor, are connected to one another via an amplifier circuit, in particular a transistor circuit .
To achieve as constant a frequency as possible for the vibrator and to facilitate the synchronization of the motor, a special control circuit in the drive system of the vibrator and motor is proposed in the main patent, through which the vibrator receives a constant drive power and the motor is set to a speed from the start which is close to the corresponding synchronization frequency. The synchronization coil for the motor is switched outside of the control system of the oscillator, in series with the drive coil of the oscillator, which eliminates armature feedback from the motor on the oscillator.
The motor according to the main patent receives a high drive torque and good efficiency if its permanent magnetic rotor and its drive and control coil are dimensioned so that the self-controlled drive produces drive pulses that are as wide as possible, with the ratio of pulse width to pulse gap as possible has the value 1: 1.
An optimal synchronization through the normal frequency is only achieved if the synchronization pulses in the opposite field direction are also as wide as possible, i.e. the synchronization pulses within the gaps of the drive pulses generated by the motor are as wide as possible. H. fill these gaps as completely as possible, where these synchronization pulses should be at least as strong as the drive pulses generated by the motor itself.
However, this means that the frequency standard must generate relatively broad synchronization pulses that are closely spaced from one another; which, in the same shape and width, also serve to drive the frequency standard itself. Clock systems with such broad drive pulses have the major disadvantage that they result in large time errors as a function of even small changes in the amplitude.
The present invention thus relates to an electrical clock according to the patent claim of the main patent, with a permanent magnet pointing oscillator as a frequency standard with the characteristic that the oscillator is operated with an amplitude that is approximately the same, d. H. only slightly larger than the area of influence of the control and drive coil on the transducer is that the control coil concentrically encloses the drive coil and the control coil is so dimensioned and arranged with respect to the drive coil and the magnet pole of the transducer that the due to the Energy supply through the drive coil caused time error of the oscillator is compensated for by the time error caused by the energy withdrawal by the control coil.
The oscillation duration of the frequency standard is thus largely independent of amplitude fluctuations.
Although a pendulum clock has become known in which the pendulum oscillations are maintained by an electronic cal self-control circuit with a drive and a concentrically enclosing control coil, the coils interact with a permanent magnet attached to the pendulum. The concentric coil arrangement is only met, however, so that a direct magnetic coupling of the coils is avoided and the coils are only coupled when passing the permanent magnet via this to generate a vibration.
A compensation of the time errors by suitable arrangement and dimensioning of the coils is not possible with this arrangement, since the pendulum has to do mechanical stepping and tripping work. The energy withdrawal takes place essentially before and the energy supply after the zero crossing of the oscillator, so that the time errors caused thereby cannot compensate each other.
In a known clock system, in which a motor that drives the movement is also synchronized by a balance oscillator, the synchronization of the movement motor takes place in that a second transistor is connected in series with the working circuit of the motor, i.e. its supply battery, transistor and drive coil is, this control circuit is in the working circuit of the oscillator, which is formed by a battery, another transistor and the drive coil of the oscillator.
Neither the object on which the present invention is based nor the solvents proposed here are present in this clock system. The achievable synchronization effect of the arrangement is only slight despite the considerable expense of three transistors and two separate batteries, whereby it is by no means ensured that the frequency standard oscillates isochronously in the event of amplitude fluctuations.
It is also known to use control and drive coils located coaxially with one another in a watch with a transistor-controlled balance oscillator, the control coil being located within the drive coil and supposed to make up about 50 to 70% of the drive coil. This is intended to suppress self-exciting high-frequency vibrations. This watch thus also does not show the features of the present invention.
The invention will be explained in more detail with reference to the drawing voltages. 1 shows an oscillator according to the invention, FIG. 2 shows a section along the line 11-I1 in FIG. 1, FIG. 3 shows a graphic representation to explain the mode of operation of the oscillator according to FIGS. 1 and 2 and FIG a graphical representation of the deviations in rate of various transducers.
In Fig. 1 and 2, a balance oscillator is shown, which has two disc-shaped pole plates 18, between tween the two tablet-shaped permanent magnets 19 with the diameter D and on the opposite side two balancing weights 20 are attached. A soft magnetic spacer bolt 21 fastened to a shaft 17 serves as a magnetic return circuit for the magnetic flux (h of the field of the magnets 19. The field of the magnets 19 penetrates a stationary control coil 23 and a drive coil 24 arranged concentrically with it. The coils 23, 24 are components of the circuit arrangement described in the main patent.
In Fig. 2 the balance oscillator is shown in its zero position, in which the magnets 19 partially cover the coils 23, 24. In the oscillator shown in Fig. 1 and 2, the number of turns of the control coil 23 is approximately equal to the number of turns of the drive coil 24 is selected.
It can be seen from FIG. 2 that the diameter of the two coils is so large and their distance from the axis of rotation of the balance oscillator is selected so small that the tangents drawn by the axis of rotation of the balance oscillator to the coil circumference include approximately an angle of 90.
The diameter of the round permanent magnets 19 is also only slightly smaller than the diameter of the drive coil selected and its axis has a slightly smaller distance from the axis of rotation of the oscillator than the axis of the coil assembly.
The circuit of the amplifier arrangement of the vibrator is expediently designed so that the drive pulse and thus also the control pulse occurs before the vibrator passes through zero.
The balance oscillator according to FIGS. 1 and 2 is preferably dimensioned so that its frequency is greater than or equal to 10 Hz and its oscillation amplitude re relatively small, for. B. 90 is. If the magnets 19 move over the coils 23, 24, the force field of the magnets 19 first intersects the control coil 23, and the induced control pulse opens the transistor in the known manner, in whose control input the coil 23 is located. The drive pulse supplied by the transistor to the drive coil 24 drives the oscillator and the latter moves beyond its zero position, the force field of the magnets 19 now being cut first by the drive coil 24 and then by the control coil 23.
The control pulse induced in this case remains ineffective because it has opposite polarity to the first induced control pulse, so that the transistor is not opened. With every half oscillation of the oscillator, a control and a drive pulse act on it before the oscillator crosses zero.
The course of the moments acting on the oscillator according to FIGS. 1 and 2 will be explained in more detail with reference to FIG. Decelerating moments are shown in Fig. 3 as negative and accelerating moments as positive. The curve a shows the course of the damping moment acting on the oscillator (air resistance, bearing friction, damping of the spiral spring) as a function of the oscillation arc (h at an amplitude (1)).
The energy withdrawn by the damping corresponds to the area F;, located under curve a. The curve b shows the course of the additional delaying moment occurring as a result of the control pulse in the control coil 23 in duced. The area F i lying under the curve b corresponds to the energy withdrawn from the oscillator by the control pulse. The curve c shows the course of the accelerating moment acting on the oscillator due to the drive pulse occurring in the drive coil 24, with the area F 1. corresponds to the drive energy.
Due to the concentric arrangement of the coils 23, 24, curve c is not symmetrical to curve b, since the magnets 19 are located on the outside of the control coil 23 at the start of the control pulse, so that the drive pulse flowing through the drive coil 24 is still relatively large Distance of the magnets 19 from the coil 24 initially has a very little influence on the oscillator. The distance f, the vertical center of gravity of the surface F ,. from the ordinate is thus smaller than the distance f ,, from the vertical center of gravity of the surface F ,,.
Since the energy supply must equal the energy loss during a half oscillation of the oscillator, the following must apply: @ F ,, I = @ F. # + IF ,,. The time error caused by the damping torque is practically zero because curve a is symmetrical to the ordinate. The negative time error caused by the control pulse is the product F ,, -f, "and the positive time error caused by the drive pulse is the product F, - f, proportional.
With suitable dimensioning and arrangement of the coils 23, 24, it is possible to achieve with generally given areas F ,, and F ,. to determine the distances f ,, and f, so that the products F ,, - f ,, and F, - f ,. and so the time errors caused by the control and drive pulses are approximately the same size, so that these errors compensate each other and the resulting error is practically zero. In this way, the rate deviation of the oscillator is largely independent of the amplitude of the oscillator, so that, for. B. the accuracy of a watch equipped with this oscillator by appro designated arrangement and dimensioning of the concentrically arranged coils 23, 24 can be increased.
In contrast to the known electronically controlled oscillators, which have to perform mechanical work, the control and drive pulse can be flatter and wider, the isochronism still being much better than that of the known oscillators. In the exemplary embodiment, the drive pulse extends, as can be seen from FIG. 3, over an angle of approximately 60 with an amplitude of c @ "-90, so that the amplitude is only slightly larger than the area of influence of the control and drive coils on the oscillator.
In Fig. 4, curve d shows the course of the rate deviation of a clock constructed in this way as a function of the amplitude A 'of the gear folder oscillator. The curve d runs almost horizontally here. For comparison, curve e shows the course of the gear deviation of a watch equipped with a gear folder oscillator, in which the control pulse acts mainly before the oscillator and the drive pulse mainly after the oscillator passes through zero. The dependence of the rate deviation on the amplitude of the oscillator is much greater here.