Vorrichtung zum Aufrechterhalten mechanischer Schwingungen Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrich tung zum Aufrechterhalten mechanischer Schwin gungen eines Schwingsystems mittels während be stimmter Phasenintervalle der Schwingung erzeugten elektrischen Impulsen, die über eine Antriebsspule dem erwähnten System die zum Aufrechterhalten der Schwingung erforderliche Energie liefern. Eine solche Vorrichtung wird zum Beispiel für elektrische Uhr werke verwendet, deren Pendel bzw. Unruh auf die angegebene Weise in Schwingung gehalten wird.
Bei einer bekannten Ausführung eines elek trischen Pendeluhrwerkes schliesst der Pendelarm in seinen äussersten Lagen einen Kontakt, wobei in diesem Moment ein Stromimpuls erzeugt und einer Spule zugeführt wird, die das Pendel wieder in seine Zwischenlage zurücktreibt. Es ergibt sich aber, dass die Schwingungsperiode eines so angetrie benen Pendels mehr oder weniger von der Energie dieses Stromimpulses abhängt, was daher Fehlanzei gen des Uhrwerkes zur Folge haben kann.
Die Erfindung bezweckt, diese Abhängigkeit auf ein Minimum herabzusetzen und weist das Kern zeichen auf, dass die auf das Schwingsystem ausge übten antreibenden Kraftimpulse in bezug auf dessen Nulldurchgang nahezu spiegelbildsymmetrisch auf das Schwingsystem einwirken. Sie beruht auf der Er kenntnis, dass ein Antrieb des Systems im Augen blick seines Nulidurchgangs zu einer von der An triebsenergie unabhängigen Schwingungszeit führt. Hierdurch ergibt sich dann zum Beispiel den Vor teil, dass es nicht mehr notwendig ist, die grösste Sorgfalt auf eine praktisch dämpfungsfreie Lagerung des Schwingsystems zu legen, was zu einer wesent lichen Kostenersparnis führen kann.
Ein solcher Augenblick des Antriebs lässt sich beim mechani schen Antrieb des Schwingsystems praktisch sehr schwer genau verwirklichen. Bei elektrischem An- trieb aber kann man diese Anforderung sehr be friedigend erfüllen.
In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung nach der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt: Fig. 1 eine Seitenansicht dieses Ausführungsbei spiels; Fig. 2 ist eine Draufsicht eines Teils von Fig. 1, Fig. 3 und 4 Zeitdiagramme zur Erläuterung der Fig. 1, Fig. 5 eine Variante des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1, Fig. 6 eine weitere Variante zu Fig. 1, Fig. 7 eine Variante zu Fig. 5,
Fig. 8 und 10 Draufsichten eines Teils von Fig. 7, Fig. 9 und 11 Zeitdiagramme zur Erläuterung der Fig. 7 im Zusammenhang mit den Fig. 8 und 10, Fig. 12 eine Seitenansicht, und Fig. 13 und 14 sind Draufsichten einer Variante zu Fig. 7 und Fig. 15 eine weitere Abart zu Fig. 7.
Die Vorrichtung nach Fig. 1 besitzt ein Schwing system 1, zum Beispiel die Unruh eines elektrischen Uhrwerkes, das eine Welle 2 mit Lagern 3 und 4, eine auf der Welle angebrachte Scheibe 5 aus dauer magnetischem oder hartmagnetischem Material auf Magnetoplumbitbasis sowie einen Stab 6 aus hoch permeablem oder weichmagnetischem Material, zum Beispiel Ferrit, und eine Feder. 7 aufweist, deren Steifheit in Verbindung mit den Trägheitsmomenten der Scheibe 5 und des Stabs 6 die Periodenzeit des Systems 1 bedingt.
Die Scheibe 5 erzeugt auf die nachstehend zu beschreibende Weise elektrische Im pulse in einer Aufnahme -Spule 8, wobei die Im pulse nach erfolgter Verstärkung in einem Verstärker 9, insbesondere einem Transistor-B-Verstärker, einer Antriebsspule 10 zugeführt werden, die den Stab 6 derart anzieht, dass die Schwingung des Systems 1 aufrechterhalten wird.
Die Scheibe 5 ist in der Axialrichtung magneti siert, und zwar bildet nach den Fig. 1 und 2 nahezu die ganze obere Fläche der Scheibe 5 eine Polfläche S mit Südmagnetismus und nahezu die ganze untere Fläche eine Polfläche N mit Nordmagnetismus. An nur einer Stelle, in Fig. 2 mit 12 bezeichnet, ist die Magnetisierrichtung N-S gerade umgekehrt, so dass also die obere Fläche Nord- und die untere Fläche Südmagnetismus aufweist. Bewegt sich die Stelle 12 zwischen die Schenkel 13 der Spule 8, so ändert sich dabei plötzlich das Vorzeichen des Magnet flusses, so dass in der Spule 8 ein Impuls erzeugt wird.
Die Feder 7 ist dabei derart angeordnet, dass der Nulldurchgang der Scheibe 5 der Lage entspricht, in der sich die Stelle 12 zwischen den Schenkeln 13 befindet. Der Stab 6 befindet sich denn auch ge rade in der Mitte zwischen den Schenkeln 14 der Spule 10.
In Fig. 3 sind als Funktion der Zeit t die sinus- förmige Amplitude u der Schwingung, der durch die Schenkel 13 der Spule 8 strömende Magnet fluss h, die von diesem F1uss in der Spule 8 er zeugte Spannung V, der folglich im Ausgang des Verstärkers 9 erzeugte und der Spule 10 zugeführte Strom i und die folglich auf den Stab ausgeübte Kraft Kt dargestellt. Die Kraft Kt ist positiv vorge zeichnet, wenn sie einem Drehsinn, zum Beispiel linksum, entspricht, und negativ vorgezeichnet, wenn sie dem entgegengesetzten Drehsinn, zum Beispiel rechtsum, der Scheibe 5 entspricht.
Die Zeitskala ist in der Nähe der Impulse deutlichkeitshalber etwas ausgedehnt, im allgemeinen haben die Impulse eine kürzere Dauer gegenüber den zwischen ihnen auf tretenden Zeitintervallen.
Aus Fig. 3 ist ersichtlich, dass die Kraftimpulse Kt immer auftreten, kurz bevor der Nulldurchgang der Scheibe erreicht ist (dieser Zeitpunkt ist durch die senkrechten gestrichelten Linien dargestellt). Folglich hängt die Periodenzeit T der Schwingung noch von der Grösse der Kraft Kt ab, was uner wünscht ist. Bei der erwähnten bekannten Vorrich tung macht dieser Nachteil sich noch stärker be merkbar, da diese Kraft dann mit wechselndem Vor zeichen in den Augenblicken auftritt, in denen die Amplitude u der Schwingung maximal ist.
Man kann diesem Nachteil auch nicht dadurch begegnen, dass die Feder 7 anders eingespannt oder dem Stab 6 eine andere Lage gegenüber der Stelle 12 an der Scheibe 5 gegeben wird, da dann zwar für eine, aber nie gleichzeitig für die entgegengesetzte Bewe gungsrichtung eine Antriebskraft mit einem symme trischen Verlauf gegenüber diesem Nullpunkt erzielt werden kann.
In Fig. 1 ist dieses Problem durch die Anwen dung eines Magneten 15 zwischen den Schenkeln 13 der Spule 8 gelöst. Dieser Magnet 15 bewirkt mit der Scheibe 5, infolge seiner abstossenden Wirkung, eine Bremskraft kurz bevor der Nulldurchgang der Scheibe 5 erreicht ist und eine Antriebskraft kurz nachdem der Nulldurchgang passiert ist. Dieser Kraft verlauf ist in Fig. 3 mit K", angedeutet. Die resultie rende, auf das Schwingsystem ausgeübte Kraft K, weist daher bei richtiger Einstellung von K", gegen über Kt, z. B. durch richtige Einstellung der Stärke des Magneten 15, einen symmetrischen Verlauf gegen über dem erwähnten Nulldurchgang auf, so dass der vorerwähnte Nachteil vermieden ist.
Die Ampli tude von Kt muss dann zweimal so gross wie die von K", sein.
Zwar kann durch eine Änderung von Kt die Symmetrie von Kr etwas gestört werden, aber der resultierende Fehler ist um eine Grössenordnung klei ner als ohne den Magneten 15. Zum Erreichen dieser Einstellung braucht der Magnet 15 nicht aus dem gleichen Material wie die Scheibe 5 hergestellt zu sein; sie kann zum Beispiel aus einem Stoff mit einer wesentlich höheren. Remanenz als die der Scheibe 5 bestehen.
Aus dem vorgehenden ergibt sich, dass der Stab 6 gewünschtenfalls auch als Dauermagnet, zum Bei spiel mit einer Magnetisierungsrichtung, parallel zu der der Scheibe 5 ausgebildet werden kann. Die weichmagnetischen Schenkel 14 der Spule 10 be wirken dann eine ähnliche Kraft, aber mit kleinerer Amplitude und entgegengesetzter Phase gegenüber der Kraft K"" so dass bei richtiger Einstellung der Amplitude von Kt wieder eine resultierende Kraft K,. mit einem symmetrischen Verlauf gegenüber dem Nulldurchgang der Scheibe erreicht werden kann, deren Amplitude aber kleiner ist als bei einem weich magnetischen Stab 6.
Dies kann vorteilhaft sein, wenn man bestrebt ist, mit kleinen Impulsen Kt auskom men zu können.
In Fig.3 ist angenommen, dass der in B ein gestellte Verstärker 9 nur Ströme i durchlässt, die den positiven Hälften der Spannungsimpulse V, also den kurz vor dem Nulldurchgang der Scheibe 5 auftretenden Impulsen entsprechen. Durch ein völ liges Umpolen der Scheibe 5 lassen sich bei der obenerwähnten Annahme auf ähnliche Weise die kurz nach dem Nulldurchgang der Scheibe 5 auf tretenden Impulse benutzen, wobei die erzeugte An triebskraft Kt also eine Abstossung des Dauermagnet stabes 6 herbeiführt. In Fig.4 ist der dann durch die Schenkel 13 strömende Fluss (I), die Spannung<I>V</I> in der Spule 8, der Strom i durch die Spule 10 und die vom Strom i erzeugte Antriebskraft Kt dar gestellt.
Die gestrichelten Linien stellen wieder den Nulldurchgang der Scheibe 5 mit der Amplitude t( dar. Das Vorzeichen der vom Magnet 15 auf die Scheibe 5 ausgeübten Kraft K", ist dann umgekehrt und daher gleichphasig mit der Kraft K",' der Schen kel 14 auf den dauermagnetisch angenommenen Stab 6. Die aus den Kräften Kt, K"" K"; resultie rende Kraft K, auf das System kann daher wieder bei richtiger Einstellung einen genau symmetrischen Verlauf gegenüber dem Nulldurchgang der Scheibe 5 aufweisen.
Andere Abarten ergeben sich zum Beispiel durch Umkehrung des Wickelsinns der Spulen 8 und 10, durch Verwendung nicht nur eines dauermagneti schen Stabes 6, sondern auch eines kleinen Dauer tnagneten zwischen den Schenkeln 14 der Spule 10 oder durch Anordnung dieses kleinen Magneten und/oder des Magneten 15 in Reihe mit dem weich magnetischen Kern der Schenkel 14 und 13. Ein Beispiel des letzteren Falles ist in Fig. 5 dargestellt.
Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 könnten der Unterschenkel 13 und der Oberschenkel 14 gemein sam gewählt werden, während in Fig. 5 die beiden Kerne völlig zu einem Kern 18 vereinigt sind, der die beiden Spulen 8 und 10 trägt. Im Augenblick, in dem die Stelle 12 entgegengesetzter Magnetisier- richtung der Scheibe 5 zwischen die Schenkel des Kernes 18 durchgeht, werden wieder Spannungs impulse V nach Fig. 3 oder Fig. 4 in der Spule 8 induziert. Die entsprechenden der Spule 10 zuge führten Stromimpulse i ziehen dann wieder die Scheibe 5 durch Kraftimpulse Kt an.
Durch die Anbringung eines kleinen Hilfsmagneten 19 in Reihe mit dem Magnetkreis des Kernes 18 wird wieder eine zusätzliche Kraft K", auf die Scheibe 5 ausgeübt, so dass bei geeigneter Bemessung, wobei die Kraft K, eine zweimal so grosse Amplitude wie die Kraft K", hat, eine resultierende Kraft K,, auf die Scheibe ausgeübt wird, die genau symmetrisch gegenüber dem Nulldurchgang der Scheibe 5 verläuft. Ge- wünschtenfalls kann der Magnet 19 dabei als ein dünner flacher Magnet ausgebildet werden, dessen Polflächen sich etwa parallel zur Mittellinie des weichmagnetischen Kernes 18 erstrecken.
Ebenso wie bei Fig. 1, bleibt aber der Nachteil bestehen, dass Änderungen von Kt zu einer geringen Unsym- metrie von K, führen.
Dieser Nachteil ist im Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 vermieden, da sowohl die positiven als auch die negativen Spannungsimpulse V an der Spule 8 verstärkt und der Spule 10 weitergegeben werden, wo sie auf einen mit dem Schwingsystem 1 ver bundenen dauermagnetischen Stab 6' wirken, der also kurz vor dem Erreichen des Nulldurchganges der Scheibe 5 eine anziehende Kraft und kurz dar auf eine abstossende Kraft erhält. Der Verstärker 9 ist dazu vorzugsweise mit zwei als B-Verstärker ar beitenden Transistoren 22 und 23 versehen, so dass praktisch vermieden wird, dass bei Stillstand des Systems 1 der Speisequelle 24 Energie entzogen wird.
Fig. 6 zeigt auch eine Ausführung für den An trieb der Zeiger eines gesteuerten Uhrwerkes. Die von den Transistoren 22 und 23 erzeugten posi tiven bzw. negativen Stromimpulse werden getrennt den zwei Spulen 25 und 26 zugeführt, die mit einer Magnetscheibe 27 mit abwechselnd das Vor zeichen wechselnder, axialer Magnetisierungsrich- tung zusammenwirken. Infolge der geringen Phasen verschiebung zwischen den positiven und den nega tiven Stromimpulsen wird daher eine stufenweise Verschiebung der Scheibe 27 bewerkstelligt, die auf die Zeiger des Uhrwerkes übertragen werden kann.
Die Scheibe 27 ist deutlichkeitshalber mit ihrer Achse senkrecht zur Zeichenebene dargestellt, wird aber im allgemeinen um eine Vierteldrehung gedreht werden, so dass ihre Achse parallel zu der des Systems 1 verläuft.
In Fig. 7 ist eine Abart von Fig. 5 dargestellt, bei der der Nachteil einer noch Unsymmetrie unter liegenden resultierenden Antriebskraft auf andere Weise vermieden wird. Die der Scheibe 5 entspre chende Scheibe 5' ist dabei, wie in Fig. 8 darge stellt, derart magnetisiert, dass an zwei einander diametral gegenüberliegenden Stellen 30 und 31 das Vorzeichen der axialen Magnetisierrichtung plötz lich umkehrt, während zwischen den Stellen 30 und 31 die Polstärke konstant bleibt.
Wird vorläufig angenommen, dass die Ampli tude ai der Scheibe 5' kleiner als 180 bleibt (bei 180 würden die Stellen 30 und 31 gerade umge tauscht sein), so erfährt der magnetische Fluss 0 in den Schenkeln 32 nur im Augenblick, in dem die Stelle 30 die Schenkel 32 passiert, eine sprung- weise Änderung, wie sie in Fig.9 dargestellt ist. Hierdurch wird wieder eine Spannung V in der Spule 8 induziert, so dass ein Strom i in der Spule 10 erzeugt wird, der zu einer Antriebskraft Kt führt.
Durch die Anbringung des kleinen Magneten 15 zwischen den Schenkeln 32 wird ferner eine Kraft K", auf die Scheibe 5' ausgeübt, so dass schliesslich auf die Scheibe eine resultierende Kraft K, wirkt, deren Verlauf gegenüber den durch die senkrecht gestrichelten Linien angegebenen Null durchgängen der Scheibe 5 symmetrisch ist. Der Magnet 15 kann auch gewünschtenfalls durch einen mit der Stelle 31 zusammenwirkenden Magnet 15' ersetzt werden.
Dem Magnet 15 wird vorzugsweise das Vor zeichen gegeben, bei dem die Kräfte Kt und K", entgegengesetzt gerichtet sind, das heisst in der Phase, bei der der Magnet 15 eine Bremsung der Scheibe 5' herbeiführen würde, ist der Verstärker 9 geöffnet, so dass der Bremsung entgegengewirkt wird. Auch wird vorzugsweise die Kraft Kt grösser, aber höchstens zweimal so gross wie die Kraft K", gewählt, so dass für K, ein Kräfteverlauf entsteht, wie er in Fig. 9 dargestellt ist. Dies ist aber keines wegs notwendig, um eine gute Wirkung zu gewähr leisten.
Um grössere Impulse zur Verfügung zu haben, kann man nach Fig. 15 gewünschtenfalls einen ähn lichen Kreis 8'-10'-32' mit der Stelle 31 (siehe Fig. 8) der Scheibe 5' zusammenwirken lassen und die Spulen 8 und 8' bzw. 10 und 10' in Reihe schalten. Auch kann man die Spulen 8, 8' und 10' zum Erzeugen des Spannungsimpulses V in Reihe schalten und nur die Spule 10 zum Erzeugen der Antriebskraft Kt anwenden.
Wenn die Schwingungsamplitude mehr als 180 beträgt, so kommt auch die Stelle 31 periodisch in Wechselwirkung mit den Schenkeln 32 der Spulen 8 und 10, aber da dort die Geschwindigkeit der Be wegung der Scheibe 5' viel geringer ist als in der Nähe des Nulldurchganges der Scheibe 5 ist die entsprechende Flussänderung und daher auch die in der Spule 8 induzierte Spannung kleiner als während dieser Nulldurchgänge. Der Verlauf der verschiedenen Grössen ist dann wie gestrichelt in Fig.9 dargestellt, wobei angenommen wird, dass diese geringen Spannungsimpulse kleiner bleiben als die natürliche Schwellenspannung des Transistor verstärkers 9.
Aus dem Verlauf der resultierenden Kraft K, ergibt sich, dass wieder ein gegenüber den Null durchgängen der Bewegung genau symmetrisch auf tretender Kraftverlauf erreicht wird. Trotzdem sind die zusätzlich auftretenden Kräfte K1 und K, in der resultierenden Kraft K,. vielfach wenig erwünscht, da die Kraft K., ein Abbremsen der Bewegung ver ursacht, so dass also die Amplitude u dort verrin gert wird, jedoch die Kraft K1 gerade einen An trieb bewirkt, so dass die Amplitude u dort ver grössert wird, was wieder zu unerwünschten Feh lern in der Schwingungsperiode führen kann.
Um diesen Nachteil zu vermeiden, kann nach Fig. 10 eine Scheibe 5" angewendet werden, die gleichfalls an der Stelle 30 eine Magnetisierung mit sich änderndem Vorzeichen aufweist, deren Polstärke sich aber von der Stelle 30 ab längs des weiteren Umfanges der Scheibe 5" allmählich verringert, zum Beispiel durch allmähliche Einschränkung der Pol oberfläche.
Der Fluss (I) weist daher nach Fig. 11 während der Intervalle zwischen den Nulldurch gängen der Bewegung nur allmähliche Änderungen auf, die zu Spannungen V, die vorzugsweise niedri ger als die Schwellenspannung des Transistors bleiben, und zu einer resultierenden Kraft K, füh ren, die möglicherweise eine geringe Vorspannung der Feder 7 notwendig machen kann, um das kon stante Glied der Kraft K,. auszugleichen, im übri gen aber keine Störungen in der Bewegung herbei führt.
Bei den Ausführungsformen nach den Fig. 5 und 7 bewirken die von der Spule 10 erzeugten Felder nicht nur einen Antrieb der Scheibe 5 (bzw. 5' oder 5"), sondern auch eine Rückkopplungsspan nung in der Wicklung 8, .was zu einem steilen Hin aufgehen des Stromes i führt, gegebenenfalls bis dieser Strom durch Begrenzung im Ausgangskreis des Verstärkers 9 nicht weiter zunehmen kann. Diese Begrenzung hat die günstige Folge, dass, wenn aus irgendeinem Grunde die Scheibe 5 eine grössere Amplitude aufweisen sollte, die Zeitdauer der Impulse abgekürzt wird, ihre Amplitude aber nicht ver grössert wird, so dass also die Antriebsenergie ab nimmt, was dieser Vergrösserung der Amplitude entgegenwirkt.
Die Begrenzung wird dadurch be günstigt , dass die Impedanz der Spule 10 verhält nismässig gross und die Spannung der Quelle 24 ver hältnismässig klein gewählt wird. Die Rückkopplung zwischen den Spulen 8 und 10 muss aber derart sein, dass der Verstärker 9 bei stillstehender Scheibe 5 (bzw. 5' oder 5") nicht zum Selbstschwingen kommt. Dies wird erreicht durch eine geeignete Wahl der Windungszahl und des Streukoeffizienten der magnetischen Kopplung zwi schen den Spulen 8 und 10 und gegebenenfalls durch Benutzung der natürlichen Eingangsschwellenspan- nung, die ein Transistorverstärker aufweisen kann.
Im Ausführungsbeispiel nach den Fig. 12 und 13 ist eine teilweise Lösung für das gestellte Pro blem dargestellt. Die Scheibe 5 ist dabei durch eine Scheibe 5"' mit den in Fig. 14 dargestellten Pol flächen N und S ersetzt, wobei von der Stelle 35 ab gemäss der gestrichelten Linie eine plötzliche Um kehrung der Magnetisierrichtung auftritt. Die Stelle 35 entspricht wieder dem Nulldurchgang der Scheibe und erzeugt beim Durchgang zwischen den Schen keln 36 des weichmagnetischen Kernes 37 der Spule 8 wieder einen Spannungsimpuls in dieser Spule, so dass nach erfolgter Verstärkung ein Stromimpuls durch die in Reihe liegenden Spulen 10' und 10" fliesst.
Hierdurch werden die Schenkel 3 8 derart magnetisiert, dass sie in Zusammenwirkung mit der Magnetisierung an der Stelle 39 der Scheibe 5"' eine tangential gerichtete Antriebskraft während der Zeit liefern, in der die Flussänderung durch die Schenkel 36 auftritt, das heisst also symmetrisch ge genüber dem Nulldurchgang der Scheibe. Bei Um kehrung der Bewegung aber hat der entsprechende, in der Spule 8 erzeugte Spannungsimpuls das ent gegengesetzte Vorzeichen, bei dem der Verstärker 9 gesperrt ist und daher keine Antriebskraft erzeugt wird. Die weichmagnetischen Schenkel 36 und 38 können dann aber noch eine geringe Bremsung der Scheibe 5"' herbeiführen, was einen unsymmetri schen Kraftverlauf gegenüber dem Nulldurchgang der Scheibe bedeutet.
Ist die betreffende Bremskraft aber klein, so kann die resultierende Störung in der Bewegung vernachlässigt werden. Es ist einleuchtend, dass die verschiedenen Aus führungsbeispiele auf entsprechende Weise bei Pen deln anwendbar sind. Auch könnte man die Spulen die Schwingungsbewegung ausführen lassen und den Dauermagnet fest anordnen, obzwar dies zu ver wickelteren Bauarten führen würde.