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Elektronische Gangregleranordnung für Uhren und andere zeitgenau laufende Geräte Es sind elektrische Uhren mit einem kontaktlos gesteuerten, niederfrequenten mechanischen Schwinger als Gangregler bekannt, bei dem durch die Relativbewegung des Gangreglers zu einer ersten Spule (Steuerspule) ein Steuerimpuls induziert wird, der nach Durchgang, vorzugsweise Verstärkung, durch eine elektronische Schaltung, vorzugsweise eine Transistor-Rückkopplungsschaltung, einer zweiten Spule zugeführt wird, welche die Erregerspule einer elektrischen, vorzugsweise elektromagnetischen, Antriebseinrichtung bildet, die ihrerseits den Antrieb des Gangreglers bewirkt.
Diese bekannten elektrischen Uhren sind im allgemeinen derart ausgebildet, dass die Steuerspule und die Erregerspule symmetrisch zueinander angeordnet sind und der Antrieb durch direkte elektromagnetische Einwirkung der Erregerspule auf den elektromagnetischen Gangregler erfolgt. Es ist auch bekannt, den als Gangregler dienenden mechanischen Schwinger durch einen Anker mechanisch anzutreiben, der seinerseits durch das erwähnte elektronisch rückgekoppelte Spulenpaar in periodischer Bewegung gehalten wird. In diesem Falle wirkt die erwähnte elektromagnetische Antriebseinrichtung nicht direkt, sondern über den Anker taktmässig impulsgebend auf den Gangregler ein. Es ist weiterhin bekannt, dass hierbei gleichzeitig der Antrieb des Zeigerwerks durch den Anker bewirkt werden kann.
Die beschriebene bekannte Anordnung hat den Nachteil, dass irgendwelche Unregelmässigkeiten in der Wirkungsweise des Transistors, beispielsweise auf Grund von Temperatureinflüssen oder durch Spannungsänderungen der den Transistor versorgenden Spannungsquelle, in die Grösse der elektrischen Impulse eingehen und dadurch auch die Frequenz des Schwingers bis zu einem gewissen Grade beeinflussen können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die genannten und unter Umständen schädlichen Einflüsse zu vermeiden. Die Leitidee zur Lösung dieser Aufgabe ist darauf gerichtet, die unmittelbare Kopplung der elektronischen Steuerung mit dem Antriebsvorgang für den Schwinger, wie sie seit Einführung der Elektronik in die Uhrentechnik allgemein angestrebt wird, zu lösen und die Funktionen des Antriebs des Uhrwerks einerseits und der Frequenzbestim- mung durch den Schwinger andererseits rückwirkungslos zu trennen, wie es an sich bei rein mechanisch wirkenden Uhren bei höchsten Genauigkeitsansprüchen schon durchgeführt worden ist.
Auch bei bekannten elektrischen Uhren mit elektromagnetischem Antrieb und elektrischer Kontaktsteuerung hat man bereits getrennt bewegliche Teile für die Kontaktsteuerung einerseits und die elektromagnetische Antriebsimpulsgabe andererseits vorgesehen. Bei der beschriebenen, bekannten, kontaktlosen, elektronisch gesteuerten Uhr ist jedoch für die elektromagnetische Wechselwirkung mit der Steuerspule einerseits und mit der Erregerspule andererseits ein und derselbe schwingbewegliche Teil vorgesehen.
Das Steuer- und Antriebssystem ist demnach sowohl elektronisch als auch mechanisch rückgekoppelt, so dass durch den Transistor bewirkte Fehler auch dann nicht vom Gangregler ferngehalten werden, wenn zwischen diesen und die beiden Spulen ein mechanisch auf ihn einwirkender Anker geschaltet ist.
Die Erfindung bezieht sich auf eine elektronische Gangregleranordnung für Uhren und andere zeitgenau laufende Geräte, bestehend aus einem kontaktlos gesteuerten, niederfrequenten, mechanischen
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Schwinger, gegebenenfalls Kreisschwinger, insbesondere oszillatorischen Schwinger, z. B. Pendel oder Unruhe, vorzugsweise magnetischen Schwinger, z. B. Permanentmagnet am Pendelende oder Unruhrand, und zwei im Ein- und Ausgang eines elektronischen Vierpols, z. B. Transistors, liegenden Impedanzen, z. B. Spulen, wobei mindestens in der Eingangsimpedanz durch die Bewegung des Schwingers im Takte der Schwingungen periodisch elektrische Steuerimpulse, z. B.
Induktionsimpulse, entstehen, die im gleichen Takt elektrische Impulse in der Augangs- impedanz bedingen, die ihrerseits mechanische Antriebsimpulse auf den mechanischen Schwinger übertragen. Das Merkmal der Erfindung besteht darin, dass mindestens im Ausgangskreis der elektronischen Schaltung ein elektromechanisches Energieumsatzgerät mit einem vom Schwinger getrennt beweglichen mechanischen Schwingteil, insbesondere Anker, angeordnet ist, welcher Schwingteil als mechanisches Antriebsorgan des Schwingers dient.
Da der Schwinger als reines Frequenznormal dient und ohne Rückwirkung das Fortschreiten des Zeigerwerkes steuert, wird erstens der Vorteil erreicht, dass mit einem beliebig kleinen und leichten Schwinger beliebig grosse Zeigerwerke gesteuert werden können, und zweitens bleiben etwaige Amplitu- denschwankungen des Schwingers ohne Rückwirkung auf die ihm von der Antriebsfeder erteilte Antriebsenergie.
In Fig. 1 ist eine Prinzip-Skizze dargestellt, anhand deren zunächst der allgemeine Erfindungsgedanke erläutert werden soll.
a bedeutet ein Pendel, dessen Masse als Dauermagnet b ausgebildet ist und bei dessen Schwingungen in eine Steuerspule c eintaucht. Die hierbei in der Spule c induzierten Spannungen werden durch eine steuerbare Halbleiteranordnung d in deren Ausgang in Stromimpulse umgesetzt, die von einer Magnetspule e aufgenommen werden. Bei einer bekannten Anordnung dient das in der Spule e erzeugte elektromagnetische Feld zur unmittelbaren Beeinflussung des Magneten b und damit des Pendels a, von welchem ausserdem der Antrieb nach der Nutzwelle abgeleitet wurde.
Bei dieser Anordnung traten die Nachteile auf, dass Schwankungen im Ausgangskreis der steuerbaren Halbleiteranordnung, die beispielsweise durch Temperaturschwankungen an der Halbleiteranordnung und Spannungsschwankungen der Batterie bedingt sein können, auf das frequenz- bestimmende Element a, b frequenzstörend wirken. Desgleichen werden solche Frequenzstörungen beispielsweise von der Nutzwelle f rückwirkend auf den Schwinger a, b übertragen.
Zwischen der Elektromagnetspule e und dem Pendel a ist ein Glied g geschaltet, das die frequenz- störenden Einflüsse vom Pendel a fernhält. Dies wird dadurch erreicht, dass das Glied g eine direkte oder indirekte Antriebswirkung, die schematisch durch den Pfeil h dargestellt ist, auf das Pendel a und andererseits eine entsprechende direkte oder indirekte Antriebswirkung, die durch den Pfeil i schematisch angedeutet ist, auf die Nutzwelle f ausübt.
In Fig. 2 bis 6 sind einige Ausführungsformen der Gangregleranordnung nach der Erfindung beispielsweise dargestellt.
In Fig. 2 bedeutet 1 eine Steuerspule, in deren Windungsbereich ein Dauermagnet 2 pendelnd hin- und herschwingt, der auf einer Unruh befestigt ist, deren Spiralfeder 6 in dem Stift 5 gehaltert ist. Durch die Schwingungen des Magneten 2 werden in der Spule 1 periodisch Stromimpulse erzeugt, die in an sich bekannter Weise mittels eines Transistors 22 verstärkt bzw. in verstärkte Schaltimpulse im Emitter-Kollektor-Kreis umgesetzt werden.
Im Emit- ter-Kollektor-Kreis ist eine Magnetspule 21 angeordnet, der ein die Schwingneigung des Transistors unterdrückender ohmscher Stabilisierungswiderstand 25 parallel geschaltet ist. 23 ist eine Spannungsquelle, 17 ist der Magnetanker, der um den raumfesten Punkt 26 schwenkbar gelagert ist. Der mit dem Magnetanker 17 starr verbundene Hebel 24 wird in der in der Zeichnung dargestellten Ruhelage durch einen Anschlag 27 festgehalten, gegen den er mittels der Zugfeder 16 gezogen wird. Unter der Wirkung der Anziehung durch das Magnetfeld der Spule 21 wird der Anker 17 in Richtung des Pfeiles verschwenkt, bis er in die gestrichelt gezeichnete Lage gelangt.
Eine mit dem Anker 17 starr verbundene Schaltklinke 15 vermag dabei ein Schaltrad 18 entgegen einer Sperrfeder 28 fortzuschalten, wodurch das Werk 19 einer Uhr angetrieben wird. Gleichzeitig wird ein auf dem Hebel 24 angeord- neter Spannstift 13 nach rechts ausgelenkt, wodurch dieser eine gestrichelt gezeichnete, vorzugsweise aus Bandstahl bestehende Blattfeder 14 in die rechts daneben ausgezogen dargestellte Lage biegt, in welcher die Feder mittels eines Stiftes 7 festgehalten wird, der auf einem um die Achse 29 schwenkbaren Hebel 8 sitzt. Der Hebel 8 liegt unter der Wirkung der Zugfeder 9 an einem Anschlagstift 30 an.
Beim Rücklauf der Unruh 4 stösst der Stift 11 gegen die an der Halterung 12 befestigte Feder 3 und nimmt den Hebel 8 mit, worauf der Stift 7 die im Gehäuseteil 20 befestigte und gespannt gewesene Blattfeder 14 freigibt, die den Antriebsstift 10 der Unruh 4 anstösst und ihm dabei einen Antriebsimpuls versetzt. Hierdurch werden die Unruhschwingungen in Gang gehalten.
Durch die doppelte Wirkung der als Schrittschaltwerk dienenden Magnetspule 21 wird der Vorteil erreicht, dass der Antrieb des Werks völlig unabhängig vom Antrieb des Pendels selbst ist, welches als reine Schwingungsnormale wirkt. Ausserdem wird durch die Anordnung und Ausbildung der Blattfeder 14 der Vorteil erreicht, dass die auf das Unruhpendel ausgeübten Antriebsimpulse stets untereinander gleich sind, da sie eindeutig durch die Federkraft der Blattfeder 14 und deren durch die geometrische Anordnung des Stiftes 7 festgelegten Auslenkwinkel definiert sind.
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Die Blattfeder 14 ist dem Trägheitsmoment des Schwingers anzupassen.
Die Magnetspule 21 ist zweckmässig so auf die Betriebsspannung abgestimmt, dass sie die Feder 14 bei der niedrigsten in Frage kommenden Betriebsspannung, z. B. 1 Volt, noch einwandfrei und sicher zu spannen vermag. Hierdurch ist gewährleistet, dass die Antriebsimpulse auch bei grösseren Magneterregungen gleich sind. Der Dauermagnet 2 befindet sich zweckmässigerweise in einer solchen Lage zur Spule 1, dass der mechanische Impuls in demjenigen Augenblick erfolgt, in dem der Schwinger seine grösste Geschwindigkeit besitzt und am unempfindlichsten gegen Stösse und Dämpfungen ist.
Der Impuls zum Weiterschalten des Werkes und zum Spannen der Blattfeder soll nach Möglichkeit beim Vorschwingen des Schwingers gegeben werden, während der Antriebsimpuls aus der Feder 14 an den Schwinger beim Rückschwingen des Schwingers erzeugt wird.
Das Ausführungsbeispiel kann in mannigfacher Weise abgeändert werden. Sowohl der Antrieb für das Werk als auch derjenige für den Schwinger können anders ausgebildet und anders angeordnet sein. Ausser der einen Steuerspule 1 kann z. B. eine zweite entsprechende Spule für einen weiteren Pol des Magneten vorgesehen sein. Anstelle des Transistors 22 kann eine andere Halbleiteranordnung zur Verstärkung und/oder Erregung von Schaltimpulsen treten. Auch die Frequenznormale kann anders ausgebildet sein, beispielsweise als Pendel, z. B. für Wanduhren. Im Falle der Unruh kann deren Masse als Dauermagnet ausgebildet sein, oder es kann auf deren praktisch masseloses Gestell ein Dauermagnet geeigneter Formgebung aufgesetzt sein.
Besonders bei der Verwendung des getrennten Federantriebs für den Schwinger kann dieser beliebig klein und leicht ausgeführt werden. Für eine Serienanfertigung ist es z. B. vorteilhaft, eine gebräuchliche Uhrenunruh zu verwenden und auf ihr durch Einpressen, Aufkleben und/oder mechanisches Fassen den Dauermagneten anzuordnen. Ein besonders einfacher technischer Weg besteht darin, in eine Unruh ein Magnetpulver einzugiessen oder anderweitig, gegebenenfalls unter Beimengung eines geeigneten, zweck- mässig aushärtenden Bindemittels, einzubringen, und nachträglich zu magnetisieren.
Eine besonders zweckmässige Abwandlung des Ausführungsbeispiels besteht darin, den Dauermagneten als astatisches, gegebenenfalls als justier- bares Dauermagnetpaar auszubilden. Ferner bestehen verschiedene Möglichkeiten, die in der Zeichnung nur schematisch angedeutete elektrische Spannungsquelle zu verwirklichen. Die wichtigsten Ausführungsformen bestehen in der Verwendung einer Batterie und/oder einer Photozellen-Anordnung, die zweckmässigerweise aus einem oder mehreren Sili- ziumphotoelementen aufgebaut ist.
Eine weitere Abwandlung des Ausführungsbeispieles nach Fig. 2 ist in Fig. 3 dargestellt. In Fig. 3 ist im wesentlichen der Magnetanker anders aus- gebildet als in der Anordnung gemäss Fig. 2. Er weist einen eigentlichen Ankerteil 31 auf, mit dem im Drehpunkt 26 ein Arm 32 starr verbunden ist, der das Spannen der Feder 14 bewirkt. Ausserdem ist mit dem Anker eine Klinke 33 gelenkig verbunden, die auf das Schaltrad 18 wirkt, gegen das sie mittels einer Feder 34 gedrückt wird. Der Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass, nachdem der Anker 31 angezogen worden ist, dessen Abfallen in die Ausgangsstellung, verursacht durch die Wirkung der nicht gezeichneten Rückstellfeder, das Weiterschalten des Werkes tätigt.
Man erreicht damit, dass der Anker nicht die Kraft zum Spannen der Feder zum Weiterschalten des Werkes und zum Spannen der Rückstellfeder überwinden muss, sondern dass das Weiterschalten des Werks durch die Ankerrückstellfeder ausgeführt wird. Dadurch wird erreicht, dass erstens die Kraft zum Weiterschalten des Werkes immer dieselbe ist, und dass zweitens der Anker keine so grosse Arbeit mehr zu leisten braucht und dadurch entlastet ist.
Ein zweckmässiges Ausführungsbeispiel kann auch so verwirklicht werden, dass bei jeder Hin- und bei jeder Rückschwingung das Werk geschaltet wird, dass jedoch der Impuls zum Spannen der Feder nur durch jede Doppelschwingung hervorgebracht wird. Dies kann durch eine entsprechende Ausbildung der Spulen- und/oder Magnetanordnung erreicht werden.
Da der Schwinger beim Abgeben des Steuerimpulses für die Auslösung des Transistor-Schalt- vorganges leicht gedämpft wird, soll die Abgabe dieses Steuerimpulses möglichst im Zeitpunkt der gröss- ten Geschwindigkeit des Schwingers erfolgen, um den Ischronismus des Schwingers zu erhalten.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Fig. 4 dargestellt. Hier bedeutet 41 ein mit einer Schwingmasse 42 versehenes, im Drehpunkt 43 aufgehängtes mechanisches Pendel, an dessen unterem Ende sich ein magnetischer Körper 44 befindet, der aus einem Permanentmagneten oder einem Weicheisenstück bestehen kann. Dem Körper 44 ist eine Spule 45 zugeordnet, die im Eingang eines Transistors 47 liegt. Im Ausgang des Transistorkreises liegen eine elektrische Spannungsquelle 46 und eine zweite Spule 49.
Diese ist als Tauchspule einem Magneten, insbesondere Permanentmagneten 48, zugeordnet und bildet mit diesem zusammen das elektromechanische Energieumsatzgerät. Die Tauchspule 49 ist auf einem Hebel 51 angeordnet, der um den Punkt 50 schwenkbar gelagert ist. Der Hebel 51 wirkt an seinem anderen Ende als Schaltklinke, die das Zahnrad 52 fortschaltet, wodurch ein an der Pendelstange 41 befestigter Hebel 56 betätigt wird, durch den mechanische Antriebsimpulse auf die Pendelstange 41 übertragen werden.
Die Wirkungsweise der Transistorschaltung ist dieselbe wie bereits anhand der Fig. 1 bis 3 erläutert wurde. Das elektromechanische Energieumsatzgerät kann beispielsweise auch einen nach dem magneto-
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striktiven Prinzip arbeitenden, vorzugsweise als Biegeschwinger ausgebildeten mechanischen Schwingteil aufweisen, der gegebenenfalls unmittelbar das Schaltrad 52 betätigen kann.
Der schwingende Gangregler kann auch andere Formen als die eines Pendels oder einer Unruh nach den beschriebenen Ausführungsbeispielen aufweisen. Bei Verwendung eines Schwingers höherer Eigenfrequenz, beispielsweise eines Longitudinalschwingers, besteht die Möglichkeit, das elektromagnetische Energieumsatzgerät auf eine Frequenz abzustimmen, die derjenigen des mechanischen Schwingers derart benachbart ist, dass diesem gekoppelte Schwingungen niedrigerer Frequenz aufgezwungen werden, um hierdurch eine günstige niedrige Frequenz für den Antrieb des Uhrwerks oder dergleichen zu erhalten.
Schliesslich seien noch zwei weitere Ausführungsbeispiele anhand der Fig. 5 und 6 beschrieben, bei denen der mechanische Schwinger wiederum als Unruh ausgebildet ist. Fig. 5 zeigt eine Anordnung mit einer relativ zu einem raumfesten Dauermagneten beweglichen, mit einer Unruh verbundenen Spule, während in Fig. 6 die Steuerung der Rückkopplung des elektronischen Kreises, insbesondere Schwingungskreises, mittels zweier durch den mechanischen Schwinger relativ zueinander bewegter Spulen dargestellt ist.
Soweit die Teile der Anordnung in den beiden Figuren übereinstimmen, sind sie mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
101 bedeutet eine Unruh, die mit der Welle 102 gegen die Direktionskraft einer Unruhspiralfeder 103 drehbar ist. Die Welle 102 ist in einem gehäusefesten Teil 104 gelagert. In diesem Teil 104 ist ausserdem eine Achse 105 angeordnet, auf welcher ein Hebel 106 schwenkbar gelagert ist, der an seinem einen Ende eine Spule 107 trägt und an dessen anderem Ende mittels einer Schraube 108 das äussere Ende der Spiralfeder 103 befestigt ist.
Gemäss der Fig. 5 wird durch das Schwingen der Unruh 101 über die Spiralfeder 103 auch die Spule 107 zum Schwingen gegen einen raumfesten Dauermagneten 109 verarAlasst. Die Schwingungsweiten sind durch Stifte 110 und 111 begrenzt. Die Spule 107 liegt im Eingangskreis eines Transistors 112. Im Ausgangskreis des Transistors 112 liegen eine elektrische Spannungsquelle 113, z. B. eine Batterie, und eine Spule 114, die einen Relaismagneten 115 zu erregen vermag. Dieser arbeitet mit einem Anker 116, der um eine raumfeste Achse 117 schwenkbar ist, und zwar gegen die Rückstellkraft einer Feder 118, deren eines Ende auf dem Anker 116 im Punkt 119 befestigt ist, während ihr anderes Ende auf einem raumfesten Stift 120 sitzt.
Die Verschwenkung des Ankers 116 auf Grund der Erregung des Relais 114, 115 einerseits und der Rückstellung durch die Feder 118 andererseits ist durch raumfeste Anschlagstifte 121 und 122 begrenzt. Bei seiner Bewegung arbeitet der Anker 116 mit seinem gabelförmigen Ende 123 bei der Rückstellung durch die Feder 118 mit einem in der Unruh befindlichen Stift 124 und erteilt hierbei der Unruh Antriebsimpulse. Gleichzeitig arbeitet das andere T-förmige Ende 125 des Ankers 116 über zwei durch eine Feder 126 miteinander verbundene Klinken 127 und 128 in an sich bekannter Weise mit einem Zahnrad 129, dessen Welle 130 mit dem Uhrwerk gekoppelt ist und auf dieses die schrittweisen Fortschaltungen des Rades 129 überträgt.
Da bei dieser Ausführungsform die verhältnis- mässig leichte Spule 107 die Unruh 101 weniger belastet als der gemäss Fig. 2 und 3 vorgesehene Dauermagnet, ist auch nur eine geringere Antriebsenergie für den Anker 116 und damit eine geringere Stromentnahme aus der Batterie 113 durch die Relaisanordnung 114, 115 notwendig.
In der Anordnung nach Fig. 6 liegen die Verhältnisse noch günstiger. Anstelle des Dauermagneten 109 ist hier eine Spule 131 getreten, die in Serie mit der Spule 114 liegt und nur ganz geringe Stromleistung aufnimmt. Das Schwingen der Spule 107 gegen die Spule 131 bewirkt, weil beide Spulen kernlos sind, noch geringere elektrische Bremsverluste als das Schwingen der Spule 107 gegen den Dauermagneten 109 gemäss Fig. 5. Die Veränderung der Rückkopplung durch die beiden Spulen 107 und 131 auf Grund deren Relativbewegung zueinander genügt, um das Relais 114 und 115 zu steuern.
Der Zapfen 105 greift in eine Feder 132, die eine elastisch nachgiebige Kupplung mit dem Arm 106 bewirkt.
Der Zapfen 105 ist in der Platine 104 gestellfest angeordnet. Die beiden Enden der Feder 132 sind auf dem Arm 106 befestigt. In dem mittleren - gestrichelt gezeichneten - Teil der Feder 132 ist die Lagerhülse - die in der Zeichnung als Kreis dargestellt, jedoch mit keiner Nummer versehen ist befestigt. Durch diese Lagerhülse ist der Arm 106 auf dem gestellfesten Zapfen 105 gelagert und damit auch geführt.
Die Lagerung des Armes 106 auf dem Zapfen 105 ist demnach im wesentlichen ebenso ausgeführt wie die Lagerung des Armes 106 auf dem Zapfen 105 gemäss Fig. 5. Der Unterschied besteht nur darin, dass die Lagerhülse bei der Ausführungsform gemäss Fig. 5 fest auf dem Arm 106 montiert ist, während sie bei der Ausführungsform gemäss Fig. 6 elastisch mittels der Feder 132 auf dem Arm 106 montiert ist.
Die Steuerung der Rückkopplung des elektronischen Kreises kann auch noch auf andere Weise herbeigeführt werden. Es können beispielsweise beide Spulen 107 und 131 in der Anordnung gemäss Fig. 6 raumfest, vorzugsweise zueinander axial angeordnet sein, und auf dem Arm 106 kann eine im Zwischenraum zwischen den beiden Spulen koaxial zu diesen befindliche zylindrische Blende aus für magnetische Kraftlinien undurchlässigem Material im Rhythmus der Unruh Schwingungen ausführen, und dabei die Rückkopplung der beiden Spulen periodisch ver- ändern bzw. unterbrechen. Auch kann statt der Spu-
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lenrückkopplung in entsprechender Weise eine ver- änderbare kapazitive Rückkopplung vorgesehen sein.
Die elektronische Gangregleranordnung nach der Erfindung lässt sich auch als reines Frequenznormal verwenden. Die Wechselspannung kann parallel und/ oder in Reihe zum Antriebsrelais abgenommen werden. Die Frequenzen werden durch die Anzahl der Pole des als Schwinger ausgebildeten Dauermagneten bestimmt. Ein Schaltmittel, das vom Transistor- Rückkopplungskreis dem erzeugten Wechselstrom Sinus- oder Kastenform geben soll, kann an die Stelle des Widerstandes 25 treten oder zusätzlich zu ihm z. B. als Kondensator, vorhanden sein. Bei allen Ausführungsformen kann auch die Rolle des Dauermagneten und der Spule in der Weise vertauscht werden, dass der Dauermagnet fest angeordnet und die Spule als Schwinger ausgebildet ist.
Eine weitere Ausführungsform besteht darin, die Unruh, d. h. den mechanischen Schwingteil mit der Feder und den mechanischen Antriebsteilen, zusammen mit dem elektronischen Antriebs- und Steuermechanismus, d. h. dem Transistorkreis mit den im Ein- und Ausgang befindlichen Impedanzen, z. B. Spulen, einschliesslich der die Rückkopplung takt- mässig verändernden Schwing- oder Drehteile, auf mindestens einer gemeinsamen Platine oder auf einem anderen gemeinsamen Träger anzuordnen und als ein einheitliches Bauelement auszubilden, das nach Art einer Hemmung, wie es bei rein mechanischen Uhren üblich ist, mit dem übrigen Uhrwerk zusammengebaut werden kann.
Diese Bauweise wurde beim Übergang von der rein mechanischen zu der elektrischen Ausbildung verlassen und ist bei der Weiterentwicklung zur elektronischen Uhr deshalb bisher nie wieder aufgenommen worden, weil das Bestreben bestand, die Uhr als Ganzes den elektronischen Bauprinzipien unterzuordnen. Wie aber gerade die vorangehenden Ausführungsbeispiele und auch sonstige Untersuchungen gezeigt haben, sind die elektronischen und die rein mechanischen Bauprinzipien voneinander so verschieden, dass es sinnvoll ist, beide fertigungs- und konstruktionsmässig voneinander zu trennen. Dabei ist es insbesondere vorgesehen, die neue Baueinheit der alten rein mechanischen Hemmung nach Form und Grösse weitgehend anzupassen.
Hierdurch wird gleichzeitig der weitere Vorteil erzielt, dass es möglich wird, rein mechanische Uhren mit Unruh nachträglich durch Ersatz der Hemmung durch die neue elektronische Baueinheit in eine elektronische Uhr umzuwandeln. Die elektrische Batterie kann gegebenenfalls in die Baueinheit mit einbezogen werden. Aus Raumgründen wird es jedoch in den meisten Fallen einfacher sein, sie im Uhrgehäuse gesondert anzuordnen.
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Electronic rate regulator arrangement for clocks and other timely running devices There are electrical clocks with a contactless controlled, low-frequency mechanical oscillator known as a rate regulator, in which a control pulse is induced by the relative movement of the rate regulator to a first coil (control coil), which after passage, preferably amplification , is fed by an electronic circuit, preferably a transistor feedback circuit, to a second coil, which forms the excitation coil of an electrical, preferably electromagnetic, drive device which in turn drives the gear regulator.
These known electrical clocks are generally designed in such a way that the control coil and the excitation coil are arranged symmetrically to one another and the drive is effected by direct electromagnetic action of the excitation coil on the electromagnetic gear regulator. It is also known to mechanically drive the mechanical oscillator serving as a speed regulator by an armature which in turn is kept in periodic motion by the aforementioned electronically fed back coil pair. In this case, the aforementioned electromagnetic drive device does not act directly, but rather, via the armature, acts as a pulse generator on the speed regulator. It is also known that the armature can drive the pointer mechanism at the same time.
The known arrangement described has the disadvantage that any irregularities in the operation of the transistor, for example due to temperature influences or changes in voltage of the voltage source supplying the transistor, affect the size of the electrical pulses and thus also the frequency of the oscillator to a certain extent can influence.
The invention is based on the object of avoiding the named and possibly harmful influences. The main idea for solving this task is to solve the direct coupling of the electronic control with the drive process for the oscillator, as it has been strived for since the introduction of electronics in watch technology, and to solve the functions of the drive of the movement on the one hand and the frequency determination On the other hand, the transducer has to separate it without any reaction, as has already been done in purely mechanical clocks with the highest demands on accuracy.
Even with known electrical clocks with electromagnetic drive and electrical contact control, separate moving parts have already been provided for the contact control on the one hand and the electromagnetic drive impulses on the other. In the known, contactless, electronically controlled watch described, however, one and the same oscillating part is provided for the electromagnetic interaction with the control coil on the one hand and with the excitation coil on the other hand.
The control and drive system is therefore both electronically and mechanically fed back, so that errors caused by the transistor are not kept away from the regulator even if an armature that acts mechanically on it is connected between it and the two coils.
The invention relates to an electronic rate regulator arrangement for clocks and other timely running devices, consisting of a contactlessly controlled, low-frequency, mechanical
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Vibrators, optionally circular vibrators, in particular oscillatory vibrators, e.g. B. pendulum or unrest, preferably magnetic oscillator, z. B. permanent magnet at the pendulum end or balance rim, and two in the input and output of an electronic quadrupole, z. B. transistor, lying impedances, z. B. coils, at least in the input impedance by the movement of the oscillator in the cycle of the oscillations periodically electrical control pulses, z. B.
Induction impulses arise, which in the same cycle cause electrical impulses in the output impedance, which in turn transmit mechanical drive impulses to the mechanical oscillator. The feature of the invention is that at least in the output circuit of the electronic circuit there is an electromechanical energy conversion device with a mechanical oscillating part, in particular an armature, which is movable separately from the oscillator and which oscillating part serves as the mechanical drive element of the oscillator.
Since the oscillator serves as a pure frequency standard and controls the progress of the pointer mechanism without any retroactive effect, firstly the advantage is achieved that any size pointer mechanism can be controlled with an arbitrarily small and light oscillator, and secondly, any amplitude fluctuations of the oscillator have no effect on the drive energy imparted to it by the mainspring.
In Fig. 1 a principle sketch is shown, on the basis of which the general idea of the invention is to be explained first.
a means a pendulum, the mass of which is designed as a permanent magnet b and which dips into a control coil c when it vibrates. The voltages induced in the coil c in this case are converted by a controllable semiconductor arrangement d in its output into current pulses which are picked up by a magnetic coil e. In a known arrangement, the electromagnetic field generated in the coil e serves to directly influence the magnet b and thus the pendulum a, from which the drive to the useful shaft was also derived.
With this arrangement, the disadvantages occurred that fluctuations in the output circuit of the controllable semiconductor arrangement, which can be caused, for example, by temperature fluctuations in the semiconductor arrangement and voltage fluctuations in the battery, have a frequency-disrupting effect on the frequency-determining element a, b. Likewise, such frequency interferences are, for example, transmitted retroactively from the useful wave f to the oscillators a, b.
A member g is connected between the electromagnetic coil e and the pendulum a and keeps the frequency-interfering influences away from the pendulum a. This is achieved in that the link g has a direct or indirect drive effect, which is shown schematically by the arrow h, on the pendulum a and, on the other hand, a corresponding direct or indirect drive effect, which is schematically indicated by the arrow i, on the useful shaft f exercises.
In Fig. 2 to 6 some embodiments of the regulator assembly according to the invention are shown for example.
In FIG. 2, 1 denotes a control coil, in the winding area of which a permanent magnet 2 oscillates back and forth, which magnet is attached to a balance wheel, the spiral spring 6 of which is held in the pin 5. The oscillations of the magnet 2 periodically generate current pulses in the coil 1, which are amplified in a manner known per se by means of a transistor 22 or converted into amplified switching pulses in the emitter-collector circuit.
A magnet coil 21 is arranged in the emitter-collector circuit, to which an ohmic stabilizing resistor 25, which suppresses the tendency of the transistor to oscillate, is connected in parallel. 23 is a voltage source, 17 is the magnet armature, which is mounted pivotably about the point 26 fixed in space. The lever 24 rigidly connected to the armature 17 is held in the rest position shown in the drawing by a stop 27, against which it is pulled by means of the tension spring 16. Under the effect of the attraction by the magnetic field of the coil 21, the armature 17 is pivoted in the direction of the arrow until it reaches the position shown in dashed lines.
A pawl 15 rigidly connected to the armature 17 is able to advance a ratchet wheel 18 against a locking spring 28, whereby the movement 19 of a clock is driven. At the same time, a dowel pin 13 arranged on the lever 24 is deflected to the right, as a result of which it bends a leaf spring 14, drawn in dashed lines, preferably made of strip steel, into the position shown in solid lines to the right, in which the spring is held by means of a pin 7 which is open a lever 8 pivotable about the axis 29 is seated. The lever 8 rests against a stop pin 30 under the action of the tension spring 9.
When the balance 4 returns, the pin 11 pushes against the spring 3 attached to the holder 12 and takes the lever 8 with it, whereupon the pin 7 releases the leaf spring 14 attached and tensioned in the housing part 20, which pushes the drive pin 10 of the balance 4 and gives him a drive pulse. This keeps the balance vibrations going.
The double action of the solenoid 21 serving as a stepping mechanism has the advantage that the drive of the mechanism is completely independent of the drive of the pendulum itself, which acts as a pure vibration standard. In addition, the arrangement and design of the leaf spring 14 has the advantage that the drive pulses exerted on the balance pendulum are always the same, as they are clearly defined by the spring force of the leaf spring 14 and its deflection angle determined by the geometric arrangement of the pin 7.
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The leaf spring 14 is to be adapted to the moment of inertia of the oscillator.
The solenoid 21 is suitably matched to the operating voltage so that it pulls the spring 14 at the lowest possible operating voltage, e.g. B. 1 volt, still able to tension properly and safely. This ensures that the drive impulses are the same even with larger magnet excitations. The permanent magnet 2 is expediently in such a position relative to the coil 1 that the mechanical impulse occurs at the moment when the oscillator has its greatest speed and is most insensitive to shocks and damping.
The impulse for advancing the movement and for tensioning the leaf spring should, if possible, be given when the oscillator oscillates forward, while the drive impulse from the spring 14 is generated to the oscillator when the oscillator oscillates back.
The embodiment can be modified in many ways. Both the drive for the work and that for the oscillator can be designed differently and arranged differently. Besides the one control coil 1, z. B. a second corresponding coil can be provided for a further pole of the magnet. Instead of the transistor 22, another semiconductor arrangement for amplifying and / or exciting switching pulses can be used. The frequency standards can also be designed differently, for example as a pendulum, e.g. B. for wall clocks. In the case of the balance, its mass can be designed as a permanent magnet, or a permanent magnet of suitable shape can be placed on its practically massless frame.
Especially when using the separate spring drive for the transducer, it can be made as small and light as desired. For series production it is z. B. advantageous to use a conventional clock balance and to arrange the permanent magnet on it by pressing, gluing and / or mechanical gripping. A particularly simple technical way consists in pouring a magnetic powder into a balance wheel or in some other way, possibly with the admixture of a suitable, suitably hardening binding agent, and then magnetizing it.
A particularly expedient modification of the exemplary embodiment consists in designing the permanent magnet as an astatic, possibly as an adjustable, permanent magnet pair. Furthermore, there are various options for realizing the electrical voltage source, which is only indicated schematically in the drawing. The most important embodiments consist in the use of a battery and / or a photocell arrangement, which is expediently constructed from one or more silicon photo elements.
Another modification of the embodiment according to FIG. 2 is shown in FIG. In FIG. 3, the magnet armature is essentially designed differently than in the arrangement according to FIG. 2. It has an actual armature part 31, to which an arm 32 is rigidly connected at the pivot point 26, which brings about the tensioning of the spring 14. In addition, a pawl 33 is articulated to the armature, which acts on the ratchet wheel 18 against which it is pressed by means of a spring 34. The advantage of this embodiment is that, after the armature 31 has been tightened, its falling into the starting position, caused by the action of the return spring (not shown), switches the movement forward.
The result is that the armature does not have to overcome the force to tension the spring to advance the movement and to tension the return spring, but that the movement is advanced by the armature return spring. This ensures that, firstly, the force for switching the movement is always the same and, secondly, that the armature no longer needs to do so much work and is thus relieved.
An expedient exemplary embodiment can also be implemented in such a way that the movement is switched with every back and forth oscillation, but the impulse for tensioning the spring is only produced by every double oscillation. This can be achieved by appropriately designing the coil and / or magnet arrangement.
Since the transducer is slightly damped when the control pulse is emitted to trigger the transistor switching process, this control pulse should be emitted at the time of the highest speed of the transducer in order to maintain the ischronism of the transducer.
Another embodiment is shown in FIG. Here, 41 denotes a mechanical pendulum provided with an oscillating mass 42 and suspended in the pivot point 43, at the lower end of which there is a magnetic body 44 which can consist of a permanent magnet or a piece of soft iron. The body 44 is assigned a coil 45 which is connected to the input of a transistor 47. An electrical voltage source 46 and a second coil 49 are located at the output of the transistor circuit.
As a moving coil, this is assigned to a magnet, in particular permanent magnet 48, and together with it forms the electromechanical energy conversion device. The plunger coil 49 is arranged on a lever 51 which is pivotably mounted about the point 50. The lever 51 acts at its other end as a pawl, which advances the gear 52, whereby a lever 56 attached to the pendulum rod 41 is actuated, through which mechanical drive impulses are transmitted to the pendulum rod 41.
The mode of operation of the transistor circuit is the same as that already explained with reference to FIGS. 1 to 3. The electromechanical energy conversion device can, for example, also operate according to the magneto
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have a mechanical oscillating part which operates on a strict principle and is preferably designed as a flexural oscillator, which can optionally actuate the ratchet 52 directly.
The oscillating regulator can also have other shapes than that of a pendulum or a balance wheel according to the exemplary embodiments described. When using a vibrator with a higher natural frequency, for example a longitudinal vibrator, it is possible to tune the electromagnetic energy conversion device to a frequency that is close to that of the mechanical vibrator in such a way that coupled vibrations of lower frequency are imposed on it, in order to achieve a favorable low frequency for the drive of the clockwork or the like.
Finally, two further exemplary embodiments are described with reference to FIGS. 5 and 6, in which the mechanical oscillator is again designed as a balance. Fig. 5 shows an arrangement with a coil that is movable relative to a fixed permanent magnet and is connected to a balance wheel, while Fig. 6 shows the control of the feedback of the electronic circuit, in particular the oscillating circuit, by means of two coils moved relative to one another by the mechanical oscillator.
As far as the parts of the arrangement in the two figures match, they are provided with the same reference numerals.
101 denotes a balance wheel which can be rotated with the shaft 102 against the directional force of a balance spiral spring 103. The shaft 102 is mounted in a part 104 fixed to the housing. In this part 104 there is also arranged an axis 105 on which a lever 106 is pivotably mounted, which carries a coil 107 at one end and the outer end of the spiral spring 103 is fastened to the other end by means of a screw 108.
According to FIG. 5, the oscillation of the balance wheel 101 via the spiral spring 103 also causes the coil 107 to oscillate against a permanent magnet 109 fixed in space. The oscillation amplitudes are limited by pins 110 and 111. The coil 107 is in the input circuit of a transistor 112. In the output circuit of the transistor 112 there is an electrical voltage source 113, e.g. B. a battery, and a coil 114 capable of energizing a relay magnet 115. This works with an armature 116, which is pivotable about a fixed axis 117, against the restoring force of a spring 118, one end of which is attached to the armature 116 at point 119, while the other end is seated on a fixed pin 120.
The pivoting of the armature 116 due to the excitation of the relay 114, 115 on the one hand and the resetting by the spring 118 on the other hand is limited by spatially fixed stop pins 121 and 122. During its movement, the armature 116 works with its fork-shaped end 123 when it is reset by the spring 118 with a pin 124 located in the balance wheel, thereby issuing drive pulses to the balance wheel. At the same time, the other T-shaped end 125 of the armature 116 works via two pawls 127 and 128 connected to one another by a spring 126 in a manner known per se with a gear 129 whose shaft 130 is coupled to the clockwork and on this the incremental advancement of the wheel 129 transmits.
Since, in this embodiment, the relatively light coil 107 loads the balance wheel 101 less than the permanent magnet provided according to FIGS. 2 and 3, there is only less drive energy for the armature 116 and thus less current drawn from the battery 113 by the relay arrangement 114 , 115 necessary.
In the arrangement according to FIG. 6, the conditions are even more favorable. Instead of the permanent magnet 109, a coil 131 is used here, which is in series with the coil 114 and only consumes a very small amount of current. The oscillation of the coil 107 against the coil 131 causes, because both coils are coreless, even lower electrical braking losses than the oscillation of the coil 107 against the permanent magnet 109 according to FIG. 5. The change in the feedback through the two coils 107 and 131 due to them Movement relative to one another is sufficient to control the relay 114 and 115.
The pin 105 engages in a spring 132, which causes a resilient coupling with the arm 106.
The pin 105 is arranged fixed to the frame in the board 104. The two ends of the spring 132 are fixed on the arm 106. In the middle part of the spring 132 - shown in dashed lines - is the bearing sleeve - which is shown as a circle in the drawing but is not provided with a number. The arm 106 is supported by this bearing sleeve on the journal 105 fixed to the frame and is thus also guided.
The mounting of the arm 106 on the pin 105 is therefore essentially the same as the mounting of the arm 106 on the pin 105 according to FIG. 5. The only difference is that the bearing sleeve in the embodiment according to FIG. 5 is firmly on the arm 106 is mounted, while in the embodiment according to FIG. 6 it is mounted elastically on the arm 106 by means of the spring 132.
The control of the feedback of the electronic circuit can also be brought about in other ways. For example, both coils 107 and 131 in the arrangement according to FIG. 6 can be fixed in space, preferably axially to one another, and a cylindrical diaphragm made of material impermeable to magnetic lines of force and located in the space between the two coils coaxially to these can be placed on the arm 106 in rhythm the balance wheel oscillate and periodically change or interrupt the feedback of the two coils. Instead of the sp
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A variable capacitive feedback can be provided in a corresponding manner.
The electronic gear regulator arrangement according to the invention can also be used as a pure frequency standard. The AC voltage can be tapped in parallel and / or in series with the drive relay. The frequencies are determined by the number of poles of the permanent magnet designed as a vibrator. A switching means that is to give the generated alternating current sinusoidal or box shape from the transistor feedback circuit can take the place of the resistor 25 or in addition to it z. B. be available as a capacitor. In all the embodiments, the role of the permanent magnet and the coil can also be interchanged in such a way that the permanent magnet is arranged in a fixed manner and the coil is designed as an oscillator.
Another embodiment consists in the balance, i. H. the mechanical oscillating part with the spring and the mechanical drive parts, together with the electronic drive and control mechanism, d. H. the transistor circuit with the impedances in the input and output, z. B. Coils, including the feedback clockwise changing oscillating or rotating parts, to be arranged on at least one common board or on another common carrier and designed as a unitary component that is in the manner of an escapement, as is common with purely mechanical watches , can be assembled with the rest of the movement.
This construction method was abandoned during the transition from the purely mechanical to the electrical training and has therefore never been resumed in the further development of the electronic clock, because there was an effort to subordinate the clock as a whole to the electronic construction principles. However, as the preceding exemplary embodiments and other investigations have shown, the electronic and purely mechanical construction principles are so different from one another that it makes sense to separate the two from one another in terms of production and construction. In particular, it is provided that the new structural unit is largely adapted to the old, purely mechanical escapement in terms of shape and size.
This also has the further advantage that it is possible to subsequently convert purely mechanical watches with a balance wheel into an electronic watch by replacing the escapement with the new electronic unit. The electric battery can optionally be included in the structural unit. For reasons of space, however, in most cases it will be easier to arrange them separately in the watch case.