Elektromechanischer Oszillator fur einen impulsgetriebenen Synchronmotor zum Antrieb eines Uhrwerks
Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen Oszillator zum Erzeugen von Treiberimpulsen für einen impulsgetriebenen Synchronmotor zum Antrieb eines Uhrwerks, enthaltend eine Spannungsquelle, einen mechanischen Oszillator, elektromagnetische Antriebsmittel für den mechanischen Oszillator, einen vom mechani- sehen Oszillator gesteuerten elektromagnetischen Signalgeber und einen ersten und einen zweiten Transistor.
In der schweizerischen Patentschrift Nr. 480 683 und den US-Patentschriften Nrn. 3401 663 und 3454856 des gleichen Anmelders sind verschiedene Varianten von batteriebetriebenen Uhrwerken beschrieben. Die betreffenden Schaltungen enthalten einen mechanischen Oszillator mit einem oder zwei scheibenförmigen Permanentmagneten, die im Wirkungsbereich einer Treibspule und einer Aufnahmespule auf einem Torsionsdraht montiert sind. Bei neueren Ausführungsformen sind die Treibspule und die Aufnahmespule auf einen gemeinsamen Träger oder Kern gewickelt, und es wird ein einziger Perma nentmagnet verwendet. Dieser Magnet sitzt auf einer bandförmigen Torsionsfeder, so dass er unter der Wirkung der Treibspule Drehschwingungen ausführt.
Ein NPN-Silizium-Oszillator-Transistor wird durch Signalimpulse, welche in der Aufnahmespule induziert werden, gesteuert, verstärkt diese Signalimpulse und speist mit dem verstärkten Signal die Treibspule, wodurch ein elektromechanischer Oszillator gebildet wird. Die gleichen Signale werden an die Basis eines PNP-Germanium Verstärker-Transistors geliefert, welcher mit den verstärkten Stromimpulsen die Statorspulen eines impulsbetriebenen Synchronmotors speist. Die Schaltung ist so ausgeführt, dass der Oszillator-Transistor und der Verstärker-Transistor jeweils gleichzeitig im leitenden bzw.
gesperrten Zustand sind.
Obwohl diese Schaltungen wesentliche Vorteile gegen über der früheren Technik bieten, weisen sie gewisse Mängel auf. Beispielsweise ist es erwünscht, die Kopplung zwischen den beiden Stufen zu vermindern. Bei den ge nannten Schaltungen liegt die Treibspule im Basis-Emitterkreis des Verstärkertransistors, so dass eine gewisse, unerwünschte Rückkopplung auftritt. Ausserdem wäre es der Einfachheit halber und aus preislichen Gründen erwünscht, wenn zwei gleichartige Transistoren vewendet werden könnten, und zwar vorzugsweise Siliziumtransistoren, da diese viel weniger temperaturabhängig und auch billiger sind als Germaniumtransistoren.
Selbst bei der geringen Temperaturabhängigkeit der Siliziumtransistoren ist eine gewisse Temperaturkompensation anzustreben, um die Temperaturabhängigkeit der Schaltung weiter herabzusetzen. In den erwähnten Schaltungen ist ferner die Impedanz der Treibspule von der Temperatur abhängig, woraus sich unerwünschte Amplitudenschwankungen der mechanischen Schwingung ergeben.
In der französischen Zusatzpatentschrift Nr. 87 253 wird eine Schaltung beschrieben, bei welcher die Frequenz von 50 Hertz einer Speisespannung dazu verwendet wird, um die Anregungsenergie für den Synchronmotor zu steuern. Diese Schaltung weist zwei gleiche PNP-Ger manium-Transistoren auf. Einer dieser Transistoren dient als Steuertransistor und wird durch Signalimpulse gesteuert, die mit Speisespannungsfrequenz über einen durch die Speisespannung getriebenen elektromecha- nischen Oszillator im Basis-Emitterkreis zugeführt werden. Die verstärkten Signale werden dann dem Emitter des zweiten, als Leistungsschalter ausgebildeten Transistors zugeführt, um den Servomotor zu treiben. Dieser Leistungsschalter wird von einer zweiten Gleichstromquelle gespeist, und beide Transistoren sind gleichzeitig ein- oder ausgeschaltet.
Der erfindungsgemässe elektromechanische Oszillator ist dadurch gekennzeichnet, dass an den ersten Transistor eine praktisch der Sättigung entsprechende Vorspannung anliegt und der elektromagnetische Signalgeber mit der Basis des ersten Transistors verbunden ist und diesen entsprechend den vom mechanischen Oszillator im Signalgeber erzeugten Stromsignalen abwechselnder Polarität abwechselnd in den gesperrten und in den leitfähigen Zustand schaltet, und dadurch, dass der zweite ebenfalls in den gesperrten und in den leitfähigen Zustand schaltbare Transistor mit dem Synchronmotor und der Spannungsquelle in Serie geschaltet ist und zum Sicherstellen entgegengesetzter Zustände der beiden Transistoren die Basis des zweiten Transistors mit dem Kollektor des ersten Transistors verbunden ist.
Bei der neuen Erfindung können gleichzeitig zwei gleichartige NPN-Transistoren verwendet werden, ohne auf die Speisespannungsfrequenz zur Steuerung des elektromechanischen Oszillators angewiesen zu sein wie bei dem zitierten französischen Patent.
Darüber hinaus weist die neue Schaltung durch die Verwendung gleichartiger Transistoren eine inhärente Temperaturkompensation auf und kann die Nachteile der bisher, ausser der französischen, bekannten Schaltungen vermeiden, bei denen die Antriebsmittel für den Oszillator mit der Basis-Emitter-Strecke des Verstärkertransistors verbunden waren, wodurch eine unerwünschte Rückkopplung auftrat. Die Bedingung, dass der Schaltzustand der beiden Transistoren immer entgegengesetzt sein kann, hat den weiteren Vorteil, dass der Oszillator selbständig zu schwingen beginnen kann, sobald die Betriebsspannung eingeschaltet wird.
Nachstehend wird eine bevorzugte Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben.
Fig. 1 ist eine teilweise schematische und teilweise perspektivische Darstellung der Schaltung,
Fig. 2 ist eine Schnittdarstellung des batteriebetriebenen Uhrwerks, aus welcher Darstellung die räumliche Anordnung der Komponenten ersichtlich ist, und
Fig. 3 ist eine perspektivische Darstellung des elektromechanischen Oszillators.
Die Schaltung nach Fig. 1 enthält eine Aufnahmespule 10 und ein Treibspule 12 eines elektromechanischen Oszillators. Wie schematisch dargestellt, sind diese beiden Spulen auf einen gemeinsamen Kern gewickelt.
Die Aufnahmespule 10 ist an der Basis des Oszillatortransistors 14 angeschlossen, welcher durch einen NPN Silizium-Transistor gebildet ist. Ein Kondensator 16 von 50 gF ist zwischen den Emitter des Transistors 14 und das der Basis abgewendete Ende der Aufnahmespule 10 geschaltet. Ein Widerstand 18 von 10 000 Ohm und ein Kondensator 20 von 0,1 ,uF sind zueinander parallel zwischen den Kollektor des Transistors 14 und das genannte, der Basis abgewendete Ende der Aufnahmespule 10 geschaltet. Ein Widerstand 22 von 4700 Ohm ist zwischen dem Kollektor des Transistors 14 und dem einen Ende der Treibspule 12 angeschlossen. Das andere Ende der Treibspule 12 ist mit einem Widerstand 24 von 47000 Ohm und mit dem positiven Pol der Batterie 26 verbunden.
Das andere Ende des Widerstandes 24 liegt an der gemeinsamen Verbindung von Kondensator 16, Aufnahmespule 10, Widerstand 18 und Kondensator 20. Der Kollektor des Transistors 14 ist ausserdem über einen Widerstand 28 von 10000 Ohm mit der Basis eines Schalttransistors 30 verbunden, welcher ebenfalls durch einen NPN-Silizium-Transistor der gleichen Art wie der Transistor 14 gebildet ist. Beim beschriebenen Ausführungsbeispiel sind beide Transistoren vom Typ General Electric 2N2926 .
Der Emitter des Transistors 30 ist mit dem Emitter des Transistors 14 und mit dem negativen Pol der 1,5 Volt-Batterie 26 verbunden. Ein Kondensator 32 von 2 ,uF ist zwischen dem Kollektor und dem Emitter des Transistors 30 angeschlossen, und die Feldspulen 34, 36 des Uhrwerkmotors sind zueinander in Serie zwischen den Kollektor des Transistors 30 und den positiven Pol der Batterie 26 geschaltet. Die beiden Feldspulen sind auf einen U-förmigen, laminierten Statorteil 38 gewickelt, welcher zwei halbkreisförmige Polschuhe 40, 42 aufweist, die einen permanentmagnetischen Rotor 44 (Fig.
2) umgeben.
Die Fig. 2 veranschaulicht eine vorzugsweise Anordnung der verschiedenen Einzelteile in einem Uhrengehäuse. Gemäss Fig. 2 enthält das Gehäuse 46 den Syn chronmotor für Impulsbetrieb, mit den Feld- oder Statorspulen 34, 36, die auf dem Statorteil 38 mit den halbkreisförmigen Polschuhen 40, 42 montiert sind. An den Enden dieser Polschuhe sind Pole 48, 50, 52 und 54 aus gebildet, welche dem permanentmagnetischen Rotor 44 gegenüberstehen. Ein Gehäuse 56 enthält die Batterie 26 nach Fig. 1. Der Rotor 44 steht in Antriebsverbindung mit einem Untersetzungsgetriebe 58, mit der Wellenanordnung 60, auf welcher die beiden (nicht dargestellten) Uhrzeiger sitzen.
Rechts im Gehäuse 46 ist der mechanische Teil 62 des elektromechanischen Oszillators untergebracht, welcher Teil im Detail in Fig. 3 dargestellt ist. Der mechanische Oszillatorteil 62 ist am einen Ende auf der Uhrenplatine 64 montiert. Er enthält zwei Supportanordnungen 66, 68, zwischen welchen die Torsionsfeder 70 in Form eines flachen Drahtes oder Bandes mittels zwei Paaren von Klenunwalzen 72, 74 ausgespannt ist. Auf der Torsionsfeder ist ein scheibenförmiger Permanentmagnet 76 montiert, der in ein rechteckiges Fenster 78 eines Spulenkörpers 80 ragt, welcher Spulenkörper die Aufnahmespule 10 und die Treibspule 12 trägt. Die Torsionsfeder 70 schwingt mit einer Eigenfrequenz, die durch ihre Einspannlänge zwischen den Walzenpaaren 72, 74 und ihre Spannung bestimmt ist.
Zusammen mit der Torsionsfeder 70 führt auch der Permanentmagnet 76 Drehschwingungen aus, wobei er in der Aufnahmespule 10 ein magnetisches Wechselfeld erzeugt.
Wie aus der Fig. 1 hervorgeht, entsteht über dem Widerstand 18 eine automatische Vorpannung für den Transistor 14, so dass der Arbeitspunkt nahe der Sättigung des Transistors liegt. Wenn der Magnet 76 in bezug auf die Aufnahmespule 10 Drehschwingungen ausführt, induziert er einen Wechselstrom in der Aufnahmespule, welcher die Basis des Transistors 14 gelangt und diesen Transistor abwechselnd in die Sättigung hinein und aus dieser heraus steuert. Jeweils während der Sätti gung ist das Potential am Kollektor niedrig, und der Transistor 14 ist leitend. Während denselben Zeitintervallen fliesst natürlich ein maximaler Strom durch die Treibspule 12, wodurch der Magnet 76 ausgelenkt wird.
Wenn das niedrige Potential am Kollektor des Transistors 14 über den Widerstand 28 auf die Basis des Transistors 30 gelangt, so ist dieser Transistor, welcher als Schalttransistor arbeitet, im gesperrten Zustand. Der Strom über die Kollektor-Emitterstrecke dieses Transistors ist dann minimal, so dass die Feldspulen 34, 36 des Uhrwerkmotors praktisch unerregt sind.
Wenn nun der Magnet 76 die Endlage seiner Drehschwingung erreicht und die Bewegungsrichtung umkehrt, induziert er in der Aufnahmespule 10 einen Strom von entgegengesetzter Polarität, welcher auf die Basis des Transistors 14 gelangt und diesen aus der Sättigung heraussteuert. Der Transistor 14 geht dann vom leiten den Zustand in den sperrenden Zustand über, wobei der Strom durch die Treibspule 12 beträchtlich vermindert wird. Gleichzeitig steigt das Kollektorpotential an und damit das Potential an der Basis des Transistors 30, wodurch leitend wird. Dadurch fliesst ein Stromimpuls aus der Batterie über die Feldspulen 34, 36, welche dadurch erregt werden und den Motor einen Schritt weiter schalten.
Der zyklische Wechsel zwischen dem leitenden und dem sperrenden Zustand des Transistors 30 erfolgt mit der Schwingungsfrequenz des elektromechanischen Oszillators, welcher somit den Gang des Uhrwerkmotors bestimmt.
Der Kondensator 16 sperrt den Gleichstrom von der Batterie 26 über die Treibspule 12, stellt jedoch für die in der Aufnahmespule 10 induzierten Signale eine niedrige Impedanz dar. Der Kondensator 20 dient zur Ableitung von Hochfrequenzschwingungen, welche infolge der Kopplung zwischen den Spulen 10 und 12 auftreten könnten, er verhindert somit, dass der Transistor 14 solche hochfrequente Schwingungen ausführt.
Neben der Vereinfachung, dass zwei gleichartige Transistoren verwendet sind, bietet die beschriebene Schaltung verschiedene weitere Vorteile. Da die Treibspule 12 nicht mehr über der Basis-Emitterstrecke des Transistors 30 liegt, wird eine wesentliche Enkopplung erreicht, so dass die Treibspule 12 praktisch keine Rückkopplung verursacht. Weil ferner Siliziumtransistoren wesentlich weniger temperaturabhängig sind als Germaniumtransistoren, erfährt die Impedanz des Speisekreises für die Treibspule weniger temperaturbedingte Ände- rungen. Dadurch bleibt die Schwingsamplitude in einem relativ grossen Temperaturbereich praktisch konstant, was die Ganggenauigkeit verbessert. Ein weiteres, wesentliches Merkmal der beschriebenen Schaltung ist ihre Fähigkeit zur selbsttätigen Kompensation von Temperaturschwankungen.
Falls die Temperatur ansteigt, so hat der Kollektor-Emitterstrom des Transistors 14 die Tendenz, ebenfalls anzusteigen. Dadurch würde aber das Kollektorpotential am Transistor 14 vermindert und eine entsprechende Verminderung des Basispotentials am Transistor 30 würde den Kollektor-Emitterstrom des Transistors 30 zu vermindern trachten, welche Tendenz dem Temperatureinfluss auf den Transistor entgegenwirken würde. Dadurch wird eine selbsttätige Tempera turkompensation in hohem Ausmass erzielt.
Als weiteres Betriebsmerkmal der beschriebenen Schaltung ist ihre Fähigkeit zum Selbstanlauf zu erwähnen. Sobald die Batterie 26 eingesetzt oder der Speisestromkreis anderweitig geschlossen wird, geht der Oszillatortransistor 14 durch Selbststeuerung nahezu in die Sättigung. Dessen Ausgangsimpedanz ist dann niedrig, und der Schalttransistor 30 ist leitend, wobei die Feldspulen des Motors erregt werden. Mit dem Aufschaukeln der Schwingungen wird der Transistor 14 durch Signale von der Aufnahmespule aus der Sättigung herausgesteuert, so dass er während etwa einem halben Zyklus sperrt und hierauf für den Rest des Zyklus wieder in die Sättigung geht.
Die Wirkung dieser Schwingungen ist, dass der Transistor 30 vom anfänglich leitenden Zustand in den sperrenden Zustand geschaltet wird, wodurch die Feldspulen des Motors in Vorbereitung auf den nächsten Impuls entregt werden.
Es versteht sich, dass die beschriebene Schaltung auch mit anderen als mit den für die einzelnen Schaltelemente angebenen Werten realisiert werden kann.