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Kontaktlos gesteuerte elektromechanische Antriebsvorrichtung für Zeitmessgeräte Gegenstand der Erfindung ist eine kontaktlos gesteuerte elektromechanische Antriebsvorrichtung für Zeitmessgeräte, mit einer Abfühl- und einer Antriebselektrode und einem zwischen diesen beiden Elektroden angeordneten, auf Druck- oder Erschütterung ansprechenden piezoelektrischen Kristall, der durch ein von einem Elektromagneten beeinflusstes Organ zum Schwingen angeregt wird.
Es ist bekannt, als Dielektrikum Schwins oder X-Y-Biegequarze zu verwenden. Die mechanischen Eigenschaften dieser Quarze sind gegeben durch die Kapazität und die Induktivität. Dabei variiert die Eigenfrequenz als Funktion der Temperatur. Solche Schwing- oder Biegequarze sind jedoch weitgehend temperaturabhängig. Um die Temperaturabhängigkeit auszuschalten, wird als Schwingkörper ein Material benutzt, das weitgehend temperaturunabhängig ist, zum Beispiel Invar.
Im weitern ist eine kontaktlos gesteuerte, elektromechanische Antriebsvorrichtung für Zeitmessgeräte bekannt (französische Patentschrift Nr. 1151427), mit einer Abfühl- und einer Antriebselektrode. Gegenüber dieser bekannten Antriebsvorrichtung unterscheidet sich der vorliegende Erfindungsgegenstand einerseits durch einen Verstärker, der die durch die Schwingungen des Kristalls entstehenden Spannungsimpulse gleichrichtet, sowie anderseits durch einen Hubmagneten, der die gleichgerichteten Impulse aufnimmt und mittels eines Ankers ein Zahnrad antreibt.
Diese Ausbildung gewährleistet in einfacher und sicherer Weise den Antrieb eines Zahnrades mit mindestens annähernd konstanter Drehgeschwindigkeit.
Die Erfindung bezweckt die Schaffung einer elektromechanischen Antriebsvorrichtung, welche vorzugsweise eine Kombination von Invar und piezoelektrischem Kristall aufweist, die praktisch temperaturunabhängig ist. Die eingangs umschriebene Antriebsvorrichtung ist ge- kennzeichnet durch einen Verstärker, der die durch die Schwingungen entstehenden Spannungsimpulse gleichrichtet, sowie einen Hubmagneten, der die gleichgerichteten Impulse aufnimmt und mittels eines Ankers ein Zahnrad antreibt.
Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Antriebsvorrichtung ist nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.
Die Figur stellt schematisch eine elektromechanische Antriebsvorrichtung dar.
Auf dem einen Arm eines C-förmigen Kerns 1 ist eine Spule 2 angeordnet, die den Elektromagneten der Antriebsvorrichtung bildet. Der andere Arm des Kerns trägt einen Permanentmagneten 3, der mit dem piezo- elektrischen Kristall 4, welcher eine Rückkopplungsspannung erzeugt, und dem Schwingkörper 5 zusammenwirkt. Der piezoelektrische Kristall 4 spricht auf Druck oder Erschütterung an. Das durch Druck oder Erschütterung erzielte, als Piezoeffekt bezeichnete Phänomen, ist an sich bekannt und soll deshalb hier nicht näher umschrieben werden. Hingegen ist die Zusammensetzung des verwendeten Piezoxid von Bedeutung.
Während bisher zur Herstellung piezoelektrischer Kristalle Barium- titanat, Blei-Barium-Titanat oder Blei-Kalzium-Barium- Titanat verwendet wurde, ist das in der erfindungsgemässen Antriebsvorrichtung zur Verwendung gelangende Element auf der Basis von Blei-Zirkonat-Titanat hergestellt.
Diese Elemente weisen gegenüber Barium-Tita- nat-Elementen gewisse Vorteile auf, nämlich a) die Curie-Temperatur liegt erheblich höher; b) der Koppelfaktor k ist um einen Faktor 2 bis 3 grösser; c) die Dielektrizitätskonstante ist grösser und d) die Empfindlichkeit ist gegenüber Bariumtitanat um das 2- bis 4fache grösser.
Diese neuen piezoelektrischen Materialien sind in ihrer Zusammensetzung und Herstellungstechnik so auf-
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einander abgestimmt, dass man mit wenig Materialarten möglichst viele Anwendungsgebiete erfassen kann. Die Verwendung dieses piezoelektrischen Kristalls in einer Antriebsvorrichtung für Zeitmessgeräte bietet somit be- sondre Vorteile.
Der Ausgang eines rückgekoppelten Verstärkers 6 ist mit der Spule 2, also dem Elektromagneten, verbunden. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass eine unmittelbare Kopplung zwischen dem Elektromagneten 2 und dem Verstärkereingang nicht möglich ist. Die Erzeugung der Schwingungen muss somit über den piezoelektrischen Kristall zum Eingang des Verstärkers 6 erfolgen.
Im weiteren ist mit dem Eingang des Verstärkers 6 ein weiterer Verstärker 7 gekoppelt. Bei Eigenresonanz des Schwingkörpers 5 entsteht im Verstärker 6 eine Sinusspannung, welche im Verstärker 7 zu Rechteckspannungen umgeformt und gleichgerichtet wird. Diese Spannung wird einem Hilfsmagneten 8 zugeführt, der auf ein nicht dargestelltes Zahnrad einwirkt. Der Schwingkörper 5 selber braucht somit keine mechanische Arbeit zu leisten; er kann folglich mit sehr geringer Energie frei schwingen. Dadurch wird eine grössere Genauigkeit in der Frequenzkonstanz der Schwingungen des Schwingkörpers erzielt.
Damit diese Frequenz erreicht wird. ist der Permanentmagnet 3 vorgesehen, welcher der Antriebsvorrichtung eine Vorspannung erteilt.
Die Übsriragung auf das erste Rad des Räderwerkes geschieht üblicherweise mittels einer Klinke oder einer mechanischen Schrittschaltvorrichtung. Diese übertragungsart ist jedoch störanfällig. Die mechanische 'Übertragung wird daher durch eine elektrische übertra- gungsvorrichtung ersetzt, die einen Schrittschaltmotor aufweist, d r durch die einzelnen, umgewandelten Impulse gesteuert und synchronisiert wird. Beim vorliegen- den Erfindungsgegenstand wird die Übertragung durch einen Hubmapeten, der die Impulse aufnimmt und mittels eines Ankers ein Zahnrad antreibt, gewährleistet.
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Contactlessly controlled electromechanical drive device for timing devices The object of the invention is a contactlessly controlled electromechanical drive device for timing devices, with a sensing and a drive electrode and a piezoelectric crystal, which is arranged between these two electrodes and which responds to pressure or vibration and which is influenced by an organ influenced by an electromagnet is excited to vibrate.
It is known to use Schwins or X-Y bending crystals as a dielectric. The mechanical properties of these crystals are given by their capacitance and inductance. The natural frequency varies as a function of temperature. Such oscillating or bending crystals are largely temperature-dependent. In order to eliminate the temperature dependency, a material is used as the oscillating body that is largely independent of temperature, for example Invar.
Furthermore, a contactlessly controlled, electromechanical drive device for timing devices is known (French patent specification No. 1151427), with a sensing and a drive electrode. Compared to this known drive device, the present subject of the invention differs on the one hand by an amplifier that rectifies the voltage pulses generated by the oscillations of the crystal, and on the other hand by a lifting magnet that picks up the rectified pulses and drives a gear by means of an armature.
This design ensures that a gear is driven in a simple and reliable manner with at least an approximately constant rotational speed.
The invention aims to provide an electromechanical drive device which preferably has a combination of Invar and piezoelectric crystal which is practically independent of temperature. The drive device described at the outset is characterized by an amplifier which rectifies the voltage pulses produced by the vibrations, and a lifting magnet which picks up the rectified pulses and drives a gearwheel by means of an armature.
An embodiment of the drive device according to the invention is explained in more detail below with reference to the drawing.
The figure shows schematically an electromechanical drive device.
On one arm of a C-shaped core 1, a coil 2 is arranged, which forms the electromagnet of the drive device. The other arm of the core carries a permanent magnet 3, which interacts with the piezoelectric crystal 4, which generates a feedback voltage, and the oscillating body 5. The piezoelectric crystal 4 responds to pressure or vibration. The phenomenon called piezoelectric effect achieved by pressure or vibration is known per se and will therefore not be described in more detail here. In contrast, the composition of the piezo oxide used is important.
While barium titanate, lead-barium-titanate or lead-calcium-barium-titanate have been used to produce piezoelectric crystals, the element used in the drive device according to the invention is made on the basis of lead-zirconate-titanate.
These elements have certain advantages over barium titanate elements, namely a) the Curie temperature is considerably higher; b) the coupling factor k is greater by a factor of 2 to 3; c) the dielectric constant is greater and d) the sensitivity to barium titanate is 2 to 4 times greater.
These new piezoelectric materials are so composed in their composition and manufacturing technology
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coordinated so that you can cover as many areas of application as possible with just a few types of material. The use of this piezoelectric crystal in a drive device for timing devices therefore offers particular advantages.
The output of a feedback amplifier 6 is connected to the coil 2, that is to say the electromagnet. This arrangement has the advantage that a direct coupling between the electromagnet 2 and the amplifier input is not possible. The vibrations must therefore be generated via the piezoelectric crystal to the input of the amplifier 6.
Furthermore, a further amplifier 7 is coupled to the input of the amplifier 6. In the case of natural resonance of the oscillating body 5, a sinusoidal voltage arises in the amplifier 6, which is converted into square-wave voltages in the amplifier 7 and rectified. This voltage is fed to an auxiliary magnet 8 which acts on a gearwheel, not shown. The oscillating body 5 itself therefore does not need to perform any mechanical work; consequently, it can vibrate freely with very little energy. This achieves greater accuracy in the frequency constancy of the oscillations of the oscillating body.
So that this frequency is reached. the permanent magnet 3 is provided, which gives the drive device a bias.
The transmission to the first wheel of the gear train is usually done by means of a pawl or a mechanical stepping device. However, this type of transmission is prone to failure. The mechanical transmission is therefore replaced by an electrical transmission device which has a stepping motor, which is controlled and synchronized by the individual converted pulses. In the present subject matter of the invention, the transmission is ensured by a hub map, which receives the impulses and drives a gearwheel by means of an anchor.