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Uhr, deren Unruh durch Stromimpulse in einer Antriebsspule in Schwingung gehalten werden kann Die vorliegende Erfindung betrifft eine Uhr, deren Unruh durch Stromimpulse in einer Antriebsspule in Schwingung gehalten werden kann, welche Antriebstimpulse durch einen von einer Steuerspule gesteuerten Transistor ausgelöst werden. Uhren dieser Art sind allgemein bekannt. Ein Hauptproblem besteht in allen Fällen darin, eine vorhandene Energiequelle, insbesondere eine Primärzelle, so wirtschaftlich als möglich auszunutzen und doch eine gute Ganggenauigkeit bis zum Ersatz der Energiequelle zu gewährleisten.
Man geht dabei allgemein von einem Kompromiss aus, indem die optimale Betriebsspannung des elektronischen Kreises der Uhr etwas unter der Spannung der neuen Zelle gewählt wird. Eine Regelung der Betriebsspannung wird nicht vongenommen, da sie viel zu grossen schaltungstechnischen Aufwand und zu grosse Energieverluste mit sich bringt. Sinkt bei den bekannten Antriebssystemen für Unruhen oder Stimmgabeln die Betriebsspannung unter 1 Volt, so ist ein normaler Betrieb nicht mehr möglich.
Die vorliegende Erfindung geht demgegenüber von einer ganz anderen Problemstellung und Lösung aus, welche in allen Fällen eine praktisch restlose Ausnützung jeder beliebigen verfügbaren Zelle bei sicherem Betrieb und hoher Ganggenauigkeit gewährleistet. Die erfindungsgemässe Uhr ist dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Antriebsspule als Durchmesser-Drehspulen übereinander-gewickelt sind und in einem Magnetfeld begrenzter Ausdehnung in Richtung der Spulenschwingung bei neutraler Lage der Unruh symmetrisch in der Ebene des Feldes liegen, und dass der Antriebsspule eine Diode in Durchlassrichtung bezüglich der Richtung der Stromimpulse parallel geschaltet ist.
Durch die Kombination dieser Massnahmen wird es nun möglich, einer- seits ein hochempfindliches Antriebssystem zu schaffen, welches auch bei einer Betriebsspannung weit unter 1 Volt, z. B. bis 0,2 bis 0,3 Volt, auch bei äusserst geringem Stromverbrauch noch zuverlässig und mit hoher Amplitude arbeitet, und anderseits unabhängig von der vom Entladungszustand und von der Art der Quelle abhängigen verfügbaren Betriebsspannung die Stromimpulse in der Antriebsspule so zu regeln, dass eine hohe Konstanz der Schwingungsamplitude und damit des Ganges erzielt wird. Die Regelung ist deshalb besonders wirtschaftlich, weil nicht eine dauernde Regelung der Betriebsspannung, sondern eine Regelung der während sehr kurzer Zeit auftretenden Antriebsimpulse erfolgt.
Es ist zwar bekannt, die in der Antriebsspule fliessenden Impulse dadurch zu regeln, dass der Antriebsspule eine Zenerdiode parallel geschaltet wird. Die Regelspannung solcher Dioden liegt jedoch zu hoch, um eine einfache Regelung zu erzielen. Es ist denn auch so, dass bei der bekannten Schaltung nur transformatorisch erhöhte Spannungsstösse geregelt werden, was jedoch eine erhebliche Komplikation der Schaltung bedeutet.
Es ist anderseits auch bekannt, die Antriebsspule als Durchmesser-Drehspule auszubilden und trans- formatorisch mit dem Steuerstromkreis des Transistors zu kuppeln. Da jedoch in diesem Falle eine zusätzliche Verstärkung der .Steuerimpulse durch die Antriebsistromstösse erfolen muss, ist eine Ampl.itu- denbegrenzung .der Antriebsstromstösse unerwünscht und somit nicht vogesehen.
Anhand der Zeichnung ist im folgenden ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Uhr erläutert.
Fig. 1 zeigt die Unruh mit dem zugeordneten Spulensystem im Axialschnitt.
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Fig. 2 zeigt einen Horizontalschnitt nach Linie II-II in Fig. 1.
Fig. 3 zeigt schematisch die Bewegungsübertragung zwischen der Unruh und dem Räderwerk der Uhr.
Fig. 4 zeigt das elektrische Schaltschema der Uhr, und Fig. 5-8 zeigen Diagramme zur Erläuterung der Funktionsweise der Uhr.
Die Unruh 1 der Uhr ist mit ihrer Welle 2 im Flansch eines L-förmigen Trägers 3 und in einer nicht dargestellten. Ausnehmung eines Permanent magneten 4 gelagert. Mit dem Träger 3 ist ein Rückschlussjoch 5 aus Weicheisen verschraubt. Zwischen diesem Joch 5 und dem Magneten 4 entstehen in Umfangsrichtung verhältnismässig schmale Luftspalte 6, in welchen ein weitgehend homogenes Feld erzeugt wird. Der Permanentmagnet 4 ist mittels eines Zapfens 7 mit Bund 8 und Gewinde und Gegenmutter 9 mit dem Joch 5 verschraubt.
Am .unteren Ende der Unruhwelle 2 ist mittels einer Nabe 10 ein trommeIförmiger Kunststoffträger 11 befestigt, welcher an der unteren Stirnseite einen Deckel 12 aufweist. Der Deckel 12 ist mit einem den Zapfen 7 mit Spiel umgebenden, nach unten ragenden Kragen 13 versehen. Der Kunststoffträger 11 dient als Spulenkörper für zwei Durchmesser-Drehspulen 14 und 15, deren auf der Aussenseite des Deckels 12 liegenden Spulenseiten um den Kragen 13 gelegt sind, um jede Berührung mit dem Zapfen 7 zu vermeiden.
Die beiden Spulen 14 und 15 sind vollständig voneinander getrennt. Ihre Anschlüsse sind mit den von der Unruhwelle durch Isolationsringe 16 isolierten inneren Enden der eigentlichen Unruhspirale 17 und von drei weiteren, sehr feinem Instrumentenspiralen 18 verbunden. Die äusseren Enden der Spiralen 17 und 18 sind in nicht näher dargestellter Weise mit Anschlusslamellen 19 verbundeng die in einem .isolierenden Träger 20 eingesetzt sind. Zur Gangregelung kann ein nicht dargestellter Rücker für die Unruhspirale 17 vorgesehen sein.
über der Unruh 1 eist auf der Unruhwelle 2 eine Fortschaltvorrichtung 21 vorgesehen, welche bei Schwingung der Unruh ein Zahnrad 22 schrittweise fortschaltet. In Fig. 3 ist schematisch eine Ausführungsmöglichkeit der Fortschaltvorrichtung dargestellt. Sie weist zwei radial von der Unnuhwelle vorstehende Fahnen 23 und 24 auf, die axial versetzt und nach entgegengesetzten Seiten geneigt sind. Das Zahnrad 22 weist eine Zahnteilung auf, die dem doppelten Abstand der beiden Fahnen 23 und 24 entspricht. Beim Schwingen der Unruh wird das Zahnrad durch die beiden Fahnen 23 und 24 ab- wechslungsweise um eine halbe Zahnteilung nach unten in Fig. 3 fortgeschaltet. Das Zahnrad 22 treibt über ein nicht dargestelltes Räderwerk die Zeiger der Uhr.
Wie Fig. 4 zeigt, ist die Spule 15 zwischen Basis und Emitter eines Transistors 25 .geschaltet. Die Spule 14 liegt im Kollektor-Emitter-Kreis des Transistors. Die Energiequelle 26 ist zwischen der Spule 14 und dem Emitter des Transitors 25 angeordnet. Die Spule 14 ist durch zwei in Serie geschaltete Dioden 27 überbrückt, die in Vorwärtsrichtung bezüglich des Stromflusses in der Spule 14 bzw. der Spannung an der Spule 14 bei leitendem Transistor 25 geschaltet sind.
Die Figuren 1 und 2 zeigen die Unruh und das Spulensystem in der Gleichgewichtslage, in welcher die Spulen 14 und 15 symmetrisch in der Mitte der Luftspalte 6 oder in der gleichen Ebene wie das Joch 5 liegen. Bei Auslenkung der Unruh und der Spulen aus dieser Gleiohgewichtslage findet in den Spulen 14 und 15 eine Flussänderung statt, wobei in der Steuerspule 15 induzierte Spannungen richtiger Polarität im Transistor 25 einen Stromfluss bewirken, welcher durch die Spule 14 fliesst. Durch diesen Stromfluss in der Spule 14 wird der Unruh ein Antriebsstoss erteilt, so dass die Schwingungsamplitude zunimmt. Die Elemente sind so bemessen, dass die Unruh, eine Amplitude von rund 90 erreicht. Für diese Amplitude sind die verschiedenen Grössen in Fig. 5-7 dargestellt.
Fig. 5 zeigt den Fluss in ,der Spule 15, wobei der zusätzliche Fluss infolge des Stromstosses in der Spule 14 nicht berücksichtigt ist. In ihren Extremlagen umfasst die .Spule den vollen Fluss, wobei die Flussrichtung beim Durchgang der Spule durch den in Umfangsrichtung schmalen Luftspalt 6 wechselt. Entsprechend der Richtung dieser Flussänderung entstehen in der Steuerspule 15 gemäss Fig. 6 entgegengesetzte Spannungsimpulse, von welchen gemäss Fig. 7 jeder zweite den Transistor 25 leitend werden lässt und einen Antriebsstromstoss in der Spule 14,verursacht.
Der im Emitter-Kollektorkreis fliessende Strom und somit die an der Antriebsspule 14 .auftretende Spannung hängt im wesentlichen von zwei Faktoren ab, nämlich von der Spannung der Quelle 26 und von,der in der Steuerspule 15 induzierten Steuerspan- nung,also von der Amplitude d er Unruh. Bei voller Quellenspannung und voller Amplitude der Unruh werden daher ,
an der Spule 14 starke Strom- und Spannungsimpulse euftreten. Die Dioden 27 sind nun so bemessen, dass sie die Sapnnungs- und Stromamplitude der Impulse weitgehend --regeln. Fig. 8 zeigt,die Charakteristik der einzelnen verwendeten Dioden 27. Diese Dioden führen einen verhältnismässig ,geringen Strom bis zu :
einer Spannung von 0,1 Volt, worauf d!er Strom stark ansteigt. Die Spannung an den Klemmen der Antriebsspule 14 wird somit auf praktisch 0,2 Volt geregelt, weil höhere Spannungen durch die Dioden 27 abgeleitet werden.
Unabhängig von Unterschieden der Steuerimpulse :bleiben die Antriebsimpulse praktisch konstant. Eierfolgt daher,eine allgemeine Regelung der Impulsstärke und damit eine Regelung der Unruh- amplitude,wodurch wiederum eine hohe Gangkonstanz erzielt wird. Die Spannungsstabilisierung an der Antriebsspule durch die parallelgeschaltete Diade
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hat den besonderen Vorteil, dass die der Unruh zugeführten Enengieimpulse weitgehend unabhängig sein können von der Dauer der Antriebsimpulse.
Die Antribsspule wird sich nämlich beim Durchlauf durch das Magnetfeld etwa entsprechend dem Rotor einer Gleichstrom-Nebenschlussmaschine bei konstanter Klemmenspannung verhalten, d. h. die Winkelgeschwindigkeit der Spule wird beim Durchlauf durch das Magnetfeld einen der an der Spule liegenden Spannung entsprechenden Wert annehmen, der unabhängig davon isst, ob der Spannungsimpuls an der Spule kürzere oder längere Zeit dauert. Entsprechend dieser stets gleichen Durchlaufgeschwindigkeit wird auch die Amplitude der Unruh stets konstant gehalten. Diese vorteilhafte Wirkung wird unterstützt durch die Wahl eines besonders empfindlichen Drehspulsystems mit hohem Wirkungsgrad.
Es findet auch eine gute Temperaturstabilisation statt, weil die Temperaturabhängigkeit des Transistors etwa gleich verläuft wie die Temperaturabhängigkeit der Dioden.
Der Transistor soll einen möglichst geringen Strom führen, wenn die Spulen im Leerhub zurückschwingen, damit keine Bremsung durch in der Spule 14 fliessenden Strom stattfindet. Diese Bedinagung kann mit einem geeigneten Plenar-Transistor erfüllt werden, der einen E-C-Restarbeitsstrom von 0,1- 10 nA führt.
Das Antriebssystem nach Fig. 1 mit Drehspulen und kräftigem Permanentmagneten erlaubt seinerseits einen Betrieb mit den geringen Impulsleistungen in der Grössenordnung von 50-100 A und etwa 0,2 V, weil durch dieses Antriebssystem eine Energiewandlung mit sehr hohem Wirkungsgrad stattfindet.
Die folgenden Werte und Elemente haben günstige Ergebnisse erzielen lassen:
EMI3.5
<tb> Windungszahl <SEP> Antriebsspule <SEP> 14 <SEP> 800
<tb> Windungszahl <SEP> Steuerspule <SEP> 15 <SEP> 2500
<tb> Transistor: <SEP> PNP-Plenar <SEP> (Interm.) <SEP> Typ <SEP> weisBUY
<tb> Dioden <SEP> Siemens <SEP> Type
<tb> AAY <SEP> 14 <SEP> U <SEP> 2
<tb> Spulendurchmesser <SEP> 22 <SEP> mm
<tb> Wirksame <SEP> Ankerleiterlänge <SEP> 25 <SEP> mm
<tb> Magnetlänge <SEP> 25 <SEP> mm
<tb> Induktionsweg <SEP> (Luftspaltlänge) <SEP> 15 <SEP> mm
<tb> Breite <SEP> der <SEP> Spulen <SEP> 8 <SEP> mm
<tb> Luftspaltinduktion <SEP> 1550 <SEP> Gauss
<tb> Luftspalt <SEP> (einseitig) <SEP> 4 <SEP> mm
Es sind jedoch andere Anordnungen möglich. So kann nur eine Diode verwendet werden, falls sich eine solche mit geeigneter Charakteristik finden lässt.
Die beschriebene Uhr ist vor allem für ortsfeste Anordnung geeignet. Da hierbei ein selbständiger Schwingungseinsatz bei der erstmaligen Anschaltung der Energiequelle 26 nicht ohne weiteres sichergestellt ist, können Hilfsmittel zur Anregung der Unruh- sohwingung vorhanden sein. Es kann z. B. ein vor- übergehend schliessbarer Schalter zur direkten Anschaltung der Antriebsspule 14 an die Energiequelle 26 vorhanden sein, über welchen ein Anfansstromstoss an die Antriebsspule 14 abgegeben werden kann. Es ist auch möglich, einen Hilfsschalter vorzusehen, Reit welchem die Basis des Transistors 25 direkt mit der negativen Klemme der Zelle 26 verbunden werden kann.
Beide Schalter können mit dem eigentlichen Betriebsschalter kombiniert werden, indem die eine oder andere der erwähnten Anschwingverbindungen in einer Zwischenstellung des Schalters zwischen seiner Ausschalt- und Einschaltstellung her- gestellt wird.