Uhrenantriebseinrichtung
Die Erfindung betrifft eine Uhrenantriebseinrichtung für Kleinuhren, insbesondere Armbanduhren, zum Antrieb von Zeitanzeigeorganen über eine Ubertragungs- vorrichtung mit einer Unruh, deren Unruhkörper auf einer in einem Gestell drehbar gelagerten Welle befestigt ist, mit einem Haltearm, an dessen freiem Ende das äussere Ende einer mit dem inneren Ende an der Unruhwelle befestigten Spiralfeder fest angebracht ist, und mit einem elektrisch betätigbaren, zum Antrieb dienenden Motoraggregat, das am Gestell befestigt ist und seine elektrische Energie über eine elektronische Schaltung erhält, die über einen mit der Unruh zusam menwirkenden Aufnehmer zeitsteuerbar ist.
Die Wissenschaft über zeithaltende Geräte gehört zu den ältesten Bereichen der Industrie. Uhrmacher haben jahrelang versucht, zeithaltende Geräte mit grösserer Genauigkeit zu schaffen, die bei mässigen Kosten und n kleiner Grösse so hergestellt werden können, dass sie ohne weiteres tragbar sind.
Eines der grössten Probleme bei der Erhöhung der Genauigkeit besteht in der Beseitigung des Lagefehlers.
Dieses Problem tritt bei stationären Uhren nicht auf, die so konstruiert sind, dass sie in einer bestimmten Lage, beispielsweise der senkrechten Lage, betrieben werden. Anders ist es bei tragbaren Kleinuhren, insbesondere Taschen- oder Armbanduhren, die ihre Lage während des Tages oft in sehr erratischer Art ändern.
Besonders bei Armbanduhren kann das Zifferblatt zum Teil nach unten oder nach oben oder auch schräg gerichtet sein. Die senkrechte Schwerkraft verursacht dann in gewissen Stellungen einen langsameren Lauf der Uhr.
Um nun das Problem des Stelluagsfehlers zu beseitigen, wurden schon viele Lösungen vorgeschlagen. Beispielsweise ist es bekannt, eine Stimmgabel mit hoher Frequenz, beispielsweise 300 Schwingungen pro Sekunde, über eine Batterie anzutreiben, um so diesen Stellungsfehler auszuschalten. Diese Art eines Antriebs ist jedoch empfindlich und teuer und hat immer noch einen solchen Stellungsfehler, dass Uhren dieser Art nicht die offiziellen Bescheinigungen als Chronometer erhalten. Ferner sind auch verschiedene komplexe Arten von Resonatoren bekannt, doch bestehen bei diesen Schwierigkeiten in bezug auf Grösse, Kosten, Energie bedarf und Herstellung.
Es ist auch bekannt, federangetriebene Kleinuhren mit einer Vielzahl von Unruhrädern oder sonstigen komplizierten Kompensierungs- vorrichtungen auszustatten, doch haben sich auch diese Konstruktionen infolge ihrer hohen Kosen, ihrer komplexen Bauart und der Schwierigkeit der Einstellung nicht bewährt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Unruh-Kleinuhr zu schaffen, die in der Herstellung verhältnismässig einfach und billig und die frei von Stellungsfehlern ist. Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung dadurch gelöst, dass der im Gestell drehbar angeordnete Haltearm über die tlbertragungsvorrich- tung drehbar ist, die vom Iotoraggregat über ein Schrittschaltwerk antreibbar ist.
Durch diese erfindungsgemässe Konstruktion ergibt sich eine minimale mechanische Einwirkung auf die freie Bewegung dieser Unruh.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes hat die Kleinuhr, beispielsweise die Armbanduhr, ein Gestell einschliesslich einer Gestellplatine und einer Brücke oder auch zwei Gestellplatinen, zwischen denen die Unruhwelle drehbar angeordnet ist.
Ferner ist eine elektrische Energiequelle, beispielsweise eine elektrische Batterie oder eine Sonnenzelle, und ferner eine elektronische Schaltung vorgesehen. Die Unruh ist dabei mit dem inneren Ende der Spiralfeder verbunden. Das äussere Ende der Spiralfeder ist an einem Haltearm befestigt. Dieser ist entweder unmittelbar oder über ein Getriebe mit einem Schaltrad verbunden. Der Haltearm ist in einem Lager so gelagert, dass er durch das Schaltrad um volle 3600 gedreht werden kann.
Das Schaltrad selbst wird entweder mittelbar oder unmittelbar durch ein elektrisches Motoraggregat, bei spielsweise einen Elektromagneten, angetrieben. Das Motoraggregat wird mit elektrischen Impulsen über eine Schaltung versorgt, die elektrisch an die Stromquelle angeschlossen ist.
Durch die Drehung des Schaltrades wird über den mit dem Schaltrad verbundenen Haltearm ein Drehmoment auf das äussere Ende der Spiralfeder ausge übt. Hierdurch wird die Spiralfeder mehr aufgewunden, als dies in der gleichen Richtung infolge der Schwingung der Unruh der Fall wäre. Das Drehmoment ist entgegengesetzt zur Spannung der Spiralfeder infolge des Aufwindens durch die Unruh. Durch eine Über- tragung eines Drehmoments auf das äussere Ende der Spiralfeder wird der Unruh Energie zugeführt und die Schwingung der Unruh aufrechterhalten.
Vorzugsweise wird ein solches Drehmoment einmal bei jeder vollen Schwingung der Unruh in dem Augenblick zugeführt, wenn der Unruhkörper am einen Ende seiner Schwein' gung ist, d. h. wenn die Unruh die Schwingungsrichtung ändert und die ganze kinetische Energie der Unruh nunmehr in der Spiralfeder die Form von potentieller Energie aufgespeichert ist.
Die Schaltung wird dabei durch eine Zeitsteuervorrichtung gesteuert, die mit der Unruh zusammenwirkt. Beispielsweise kann die Unruh ein oder mehrere Magnete tragen, die mit einer stationären Spule im Gestell zusammenwirken, um so durch ihr Zusammenarbeiten eine Steuerung bzw. eine Aufnahme, d. h. eine Art Geber oder Steuerung, für die Schaltung zu bewirken.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung im Zusammenhang mit der Zeichnung, die Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes enthält. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Kleinuhr, wobei das Zifferblatt teilweise aufgebrochen ist, um die Lage der darunterliegenden Teile darzustellen.
Fig. 2 einen Teilschnitt nach der Linie A-A der Fig. 1 in grösserem Massstab als diese,
Fig. 3 eine schematische Darstellung des Schaltrades und seines Antriebs,
Fig. 4 eine Draufsicht auf die Unruh und den zugehörigen Aufnehmer,
Fig. 5 eine schaubildliche Teilansicht der Unruh und der stationären Spule,
Fig. 6 eine graphische Darstellung der Spannung eines Schaltimpulses als Funktion der Zeit,
Fig. 7 ein Blockdiagramm einer Schaltung zur Verwendung mit der Ausführungsform gemäss Fig. 4,
Fig. 8 ein Schaltdiagramm der Blockschaltung ge mäss Fig. 7,
Fig. 9 eine schaubildliche Teilansicht einer zweiten Ausführungsform der Unruh mit dem Aufnehmer,
Fig. 10 ein Schaltschema zur Verwendung mit der Ausführungsform nach Fig. 9.
Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt eine Armbanduhr, die ein übliches Gehäuse 1 mit einem nicht dargestellten Boden und einem einstückigen Aussenring 2 hat. Ein Uhrglas 3 ist am Gehäuse 1 angeordnet und schützt die Innenteile der Uhr. Ein unterhalb des Uhrglases angebrachtes Zifferblatt 4 hat auf seiner Vorderseite eine Vielzahl von Ziffern, die zur Zeitan-' gabe dienen. Der Sekundenzeiger 6, der Minutenzeiger 7 und der Stundenzeiger 8 sind mit den zugehörigen Wellen oder Rohren verbunden, die in der Mitte des Zifferblatts 4 angeordnet und angetrieben sind. Der Antrieb der Zeiger erfolgt über ein Getriebe 9, das eine Reihe von miteinander kämmenden Zahnrädern und Trieben aufweist. Ein erstes Zahnrad 10 des Getriebes ist mit einem Schaltrad 11 fest verbunden.
Die Antriebsenergie liefert eine kleine elektrische Trockenbatterie 12, die einen äusseren oberen Kontakt 13 aufweist. Gegebenenfalls können auch eine Sonnenzelle, ein aufladbarer Akkumulator oder andere Energiequellen verwendet werden. Am Kontakt 13 liegt eine Kontaktfeder 14 an, die an einer Leitung 15 befestigt ist, die zu einer elektronischen Schaltung 16 führt. Die Schaltung 16 hat eine Ausgangsleitung 17, die zum Motoraggregat 18 führt, das vorzugsweise eine Spule mit einem hin und her gehenden Anker 19 aufweist. Der Anker 19 endigt in Antriebsklinke 20, die das Schaltrad 11 antreibt. Eine Sperrklinke 21 dient dazu, das Schaltrad 11 in seiner richtigen Lage zu halten.
In dem Teilschnitt nach Fig. 2 sind der Unruhkörper 22 und die zugehörigen Teile zu sehen. Der Unruhkörper 22 ist mit einer Unruhwelle 26 fest verbunden, die in einem oberen Lager 23 und in einem Bodenlager 24 gelagert ist. Der Unruhkörper hat die Form einer flachen Stange. Doch können auch ohne weiteres andere Formen verwendet werden. Das Bodeniager 24 ist vorzugsweise ein Steinlager, das in der Bodenplatine 29 befestigt ist. Das innere Ende einer Spiralfeder 28 ist mit der Unruhwelle über eine Nabe 29 fest verbunden. Das andere Ende der Spiralfeder 28 ist an einem Flansch 30 eines Haltearmes 31 befestigt. Das innere Ende des Haltearmes 31 ist einstückig mit einer Buchse 32 oder mit dieser fest verbunden.
Die Buchse ist mit dem Schaltrad 11 einstückig oder fest mit ihm verbunden und ist drehbar in einer Brücke 27 angeordnet. Das obere Lager 23, vorzugsweise ein stossgesichertes Steinlager, ist in der Buchse 32 angeordnet. Die Uhr weist ferner eine nicht dargestellte Stellvorrichtung zum Handverstellen der Zeiger auf. Vorzugsweise ist die Anordnung dabei so, dass die Stellvorrichtung beim Stellen der Zeiger den Stromkreis zur Batterie unterbricht und der Unruhkörper von seiner Mittel- oder Ruhelage gehalten wird, so dass sich ein Wiederanlaufen der Uhr ergibt.
Fig. 3 zeigt die Funktion des Motoraggregats. Das Motoraggregat 18, vorzugsweise in Art einer Spule, trägt den hin und her gehenden Anker 19, der an seinem Ende die Antriebsklinke 20 hat. Bei Eingang eines von der Schaltung 16 kommenden Stromimpulses wird der Anker 19 vorbewegt. Hierdurch ergibt sich über die Antriebsklinke 20 eine Bewegung des Schaltrades 11 um einen Zahn im Uhrzeigersinn. Nach Aufhören des Stromes kehrt der Anker zurück. Das Motoraggregat kann gegebenenfalls bei Auftreten eines Impulses während der Rückwärtsbewegung einen Antrieb ausüben.
Als Motoraggregat kann auch ein Schrittmotor verwendet werden, der bei jedem Stromimpuls eine Schrittbewegung erzeugt. Der Anker des Schrittmotors wäre dann mit dem ersten Zahnrad 10 und mit der Buchse entweder unmittelbar oder über Zwischenräder verbunden. Die Sperrklinke 21 wird verwendet, um ein Drehen des Schaltrades durch Stoss oder andere Ursachen zu verhindern und um das Schaltrad in der richtigen Stellung zu halten. Die richtige Grösse und Anzahl der Zähne des Schaltrades 11 hängt von der Beziehung des Schaltrades zur Unruh ab. Vorzugsweise wird das Schaltrad 11 um einen Zahn bei jeder vollständigen Schwingung der Unruh weitergeschaltet. Wenn die Unruh eine Frequenz aufweist, bei der beispielsweise pro Sekunde sechs Schwingungen auftreten, so kann das Schaltrad sechzig Zähne haben und sich pro Minute sechsmal drehen.
Da jedoch der Zahnabstand die auf die Unruh übertragene Energiemenge bestimmt, über die die Drehbewegung des Haltearmes 31 bestimmt wird, hängt der Zahnabstand mit der Amplitudenabuahme infolge Reibung usw. der Unruh und der gewünschten Arbeits- amplitude der Unruh zusammen.
Verschiedene Aufnehmer und Schaltungen können vorgesehen werden, damit die dem Motoraggregat 18 zugeführten Stromimpulse richtig zeitgesteuert werden.' Ein geeigneter Aufnehmer ist in Fig. 4 und 5 dargestellt und eine bevorzugte Schaltung im Zusammenhang mit diesem Aufnehmer in den Fig. 7 und 8. Wie aus Fig. 4 und 5 hervorgeht, trägt der Unruhkörper an einem oder beiden Enden ein Magnetglied 34 bzw. 35.
Wenn nur ein Magnetglied verwendet wird, so trägt der Unruhkörper an seinem entgegengesetzten Ende ein Gegengewicht. Die Magnetglieder 34 und 35 sind so angeordnet, dass sie sich dicht an der Aufnahmespule 36 vorbeibewegen. Der Spule zugerichtet sind der Nordpol des Magnetgliedes 35 und der Südpol des Magnetgliedes 34. Die Magnetglieder können klein und aus sehr billigem keramischem Material sein. Das Zusammen- wirken der Magnetglieder 34 und 35 mit der Aufnahmespule 36 ergibt eine Aufnahmespannung, die zur Verwendung als Steuerspannung erheblich verstärkt werden kann, da sie nicht zur Erzeugung des Antriebsstromes zur Drehung der Unruh benützt wird. Die Spule hat die Form eines vollständigen toroidalea Kreises, d. h.
eines Ringes, und kann dadurch gebildet sein, dass ein feiner Draht auf eine Form aufgewickelt wird oder indem Kupfer oder Silber oder andere leitende Metalle aufgedruckt oder sonstwie abgelagert werden.
Wie aus Fig. 6 hervorgeht, wird Spannung durch den Aufnehmer ständig erzeugt, wenn die Uhruh in Bewegung ist. Wenn die Unruh anhält, so ist die Spannung an den Punkten b Null. In der einen Richtung, beispielsweise im Uhrzeigersinn, wird dabei eine positive Spannung (Vorwärts-Spannung) und bei Drehung in entgegengesetzter Richtung entgegen dem Uhrzeigersinn eine negative Spannung (Rückwärts-Spannung) erzeugt.
Vorzugsweise ist der Impuls für das Motoraggregat Null (Null-Spannung) am Ende der Unruhschwingung in einer Richtung. Beispielsweise dreht das Motoraggregat den Arm im Uhrzeigersinn um 60 in dem Moment, in dem der Unruhkörper seine Schwenkung im Uhrzeigersinn beendet hat, beispielsweise nach dem Vorbeischwingen um 130-1500 aus der Ruhestellung 104 (siehe Fig. 9). Die Mittelstellung der Unruhschwingung' ist um 60 versetzt und bildet einen vollständigen Kreis im Verlauf von 60 Schwingungen. Durch Drehen des Armes wird die Spiralfeder um jeweils 60 in der gleichen Wickelrichtung mehr aufgewickelt, als die Spiralfeder durch die Schwingung der Unruh aufgewickelt wird.
Der Aufnehmer erzeugt eine steigende und fallende Spannung, d. h. eine positive und eine negative, die in ihrer Form mehr oder weniger regelmässig in Abhängigkeit von der Regelmässigkeit der Amplitude der Unruh ist. Eine typische Spannungsausgangskurve als Funktion der Zeit ist in Fig. 6 dargestellt. Eine vollständige Schwingung ist während einer Halbschwingung positiv und während der anderen Halbschwingung negativ, wobei eine volle Schwingung von S-F reicht. Es ist erwünscht, dass das Motoraggregat lediglich aktiviert wird, wenn die Unruh in ihre momentane Null- oder Ruhestellung an einem Schwingungsende, d. h. an einem der beiden Endpunkte der Schwingung, angekommen ist. Zu diesem Zweck kann angenommen werden, dass die Polarität des Magneten derart ist, dass das gewünschte Schwingungsende, an dem der Impuls erteilt werden soll, in bezug auf die Spannung von negativ zu positiv geht.
Gemäss Fig. 6 wäre dies der Fall, wenn die Spannung in einer Richtung von a nach b und c zunimmt, während kein Impuls auftritt, wenn die Spannung in der Richtung von d nach e und f abnimmt.
Der dem Motoraggregat aufgedrückte Spannungsausgangsimpuls sollte vorzugsweise am Übergangspunkt auftreten, d. h. bei Null-Spannung des Aufnehmers, was also dem Punkt b entspricht.
Der Fortgang der Spannungen von Negativ zu Positiv wird mit Vorteil beim Aufbau einer geeigneten Steuerschaltung ausgenutzt. In Fig. 7 ist die Blockdarstellung einer solchen Schaltung gezeigt, die im einzelnen in Fig. 8 dargestellt ist. Aus Fig. 6 ergibt sich, dass beim Verlauf der Spannung von a zu b zu c diese vom negativen zum positiven Wert ansteigt. Der Aufnehmer 50 der Fig. 7 ergibt an seinem Ausgang 51 sowohl eine negative als auch eine positive Spannung. Diese Spannung wird dadurch aufgeteilt, dass ein positiver Zweig 52 parallel zu einem negativen Zweig 53 angeschlossen wird!. Der positive Zweig ist in einfacher Weise eine Leitung. Der negative Zweig 53 liegt in Reihe mit einem Umkehrkreis 54, der die negativen Impulse in positive Impulse umkehrt. Der Umkehrkreis 54 spricht auf positive Impulse nicht an.
Der Ausgang des Umkehrkreis es 54 liegt in Reihe mit einem Zeitverzögerungskreis 55. Der Zeitverzögerungskreis 55 verzögert den positiven, vom Umkehrkreis 54 kommenden Impuls ein wenig. Sowohl der positive Zweig 52 als auch der Ausgang des Zeitverzögerungskreises 55 sind mit einem digitalen Und -Tor 56 verbunden. Das Und -Tor 56 ergibt lediglich dann einen Ausgang, wenn eine gleichzeitige Eingangsgrösse an den beiden Eingängen 57 und 58 auftritt. Der positive, am Eingang 57 auftretende Impuls kommt von dem positiven Zweig 52. Der positive Impulse am Eingang 58 wird über den Zeitverzögerungskreis zugeführt.
Wenn die Spannung von Punkt a zu Punkt b weiterläuft, so ergibt sich ein Impuls (eine EingangsspanJ nung), auf die der Umkehrkreis 54 anspricht. Der Umkehrkreis 54 kehrt diesen Eingangswert in einen positiven Impuls u. Der Zeitverzögerungskreis 55 verzögert die Weitergabe dieses positiven Impulses. Wenn die Spannung weiter von Punkt b nach Punkt c ansteigt, so ergibt sie einen positiven Impuls, der durch den positiven Zweig 52 zu dem Eingang 57 des Und -Tores weitergeleitet wird. Das Und > -Tor 56 erkennt daher positive Eingangswerte, die an beiden Eingängen 57 und 58 gleichzeitig auftreten. Der Eingangswert am Eingang 57 ergibt sich aus der positiven Spannung von b nach c.
Der Eingangswert am Eingang 58 wird von der negativen Spannung von a nach b erzeugt, die so verzögert wurde, dass sie gleichzeitig mit dem positiven Spannungswert von b nach c über den Zeitverzögerungskreis 55 eintrifft.
Das Und > -Tor 56 ergibt infolge der gleichzeitigen Eingangswerte an seinen Eingängen 57 und 58 eine Ausgangsspannung an seinem Ausgang 59. Diese Aus gaagsspannung wird zu einem in Reihe angeordneten monostabilen Multivibrator 60 weitergeleitet. Dieser Multivibrator 60 erzeugt einen Ausgangsimpuls an seinem Ausgang 61, der mit dem Motoraggregat 18 verbunden ist. Das Motoraggregat 18, beispielsweise eine Spule, erteilt dem Schaltrad einen mechanischen Impuls.
Die Dauer des auf das Motoraggregat 18 über den Multivibrator 60 einwirkenden Impulses ist unabhängig von der Dauer des vom Und -Tor 56 kommenden Eingangswertes am Multivibrator 60. Die gleichzeitige Überlappung der negativen Spannung a-b und der positiven Spannung b-c kann sehr kurz - von der Grössenordnung von Mikrosekunden - sein. Der dem Motoraggregat 18 aufgedrückte Ausgangsimpuls kann jedoch irgendeine gewünschte Dauer entsprechend den Werten der im Multivibrator 60 verwendeten Komponenten haben. Anstatt einen derartigen monostabilen Multi vlbrator zu verwenden, können auch andere Impulsvorrichtungen benützt werden, deren Ausgangsimpuls unabhängig von der Dauer der Eingangstriggerspannung ist, beispielsweise ein Schmitt-Trigger oder ein stark gedämpfer Oszillator.
Fig. 8 zeigt ein Schaltschema. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass es sich hier lediglich um ein Ausführungsbeispiel der verschiedenen Schaltkreisteile der Fig. 7 handelt und dass auch andere bekannte Schaltungen anstatt dieser Schaltkreisteile verwendet werden können. Vorzugsweise wird eine ganze Schaltung durch Mikrostromkreisverfahren, beispielsweise in einem ein zigen Siliziumplättchen gebildet. Die Schaltung, obgleich sie kompliziert erscheinen mag, kann bei Verwendung von Mikrostromkreisverfahren sehr klein gehalten werden, da nur die letzte Stufe erhebliche Stromwerte führt. Der Aufnehmer 50 ist an die Eingangsseite 70 eines Impulsumformers 71 angeschlossen. Die Aus gangsseite des Impulsumformers 71 besteht aus zwei Teilwicklungen 72 und 73.
Die Teilwicklung 72 ist an die Leitung 74 angeschlossen, die den positiven Zweig 52 gemäss Fig. 7 darstellt. Die andere Teilwicklung 73 des Impulsumformers 71 ist mit ihrem einen Ende an die Basis eines PNP-Transistors 75 angeschlossen. Der PNP-Transistor 75 und seine zugehörigen Vorspan nungserzeuger bilden den Umkehrkreis 54, der die negativen Spannungsimpulse an der Teilwicklung 73 in positive Impulse umwandelt. Die Vorspannungserzeuger weisen zwei Spannungsquellen 76 und 77 auf. Der Ausgang des Transistors 75, d. h. sein Kollektor 78, führt zum Zeitverzögeruagskreis 55. Der Zeitverzögerungskreis hat eine Kapazität 80 und einen Entladewiderstand 81. Die Grösse der Kapazität 80 hängt von der Verzögerung ab, die erwünscht oder notwendig ist, um das Und -Tor 56 zu triggem.
Der Ausgang des Zeitverzögerungskreises 55 ist mit einem Eingang 82 des eUnd -Tores 56 verbunden. Der andere Eingang 83 des Und -Kreises ist unmittelbar an die Leitung 74 angeschlossen. Die Eingänge 82 und 83 bestehen jeweils aus NPN-Transistoren, nämlich den Transistoren 84 und 85. Der Ausgang des Transistors 84 ist mit der Basis 86 eines NPN-Transistors 87 verbunden. Der Emitter des Transistors 87 ist an einem Kollektor eines NPN-Transistors 88 angeschlossen. Die Transistoren 87 und 88 liegen in Reihe, um so die Und -Funktion des Tores 56 zu erzeugen. Der Ausgang des Und Stromkreises 56, welcher durch die Leitung 89 gebildet wird, führt vom Kollektor des Transistors 87 weg. Eine Ausgangsspannung an der Leitung 89 tritt nur auf, wenn gleichzeitig eine positive Spannung an den Eingängen 82 und 83 des Und -Tores 56 vorhanden ist.
In der dargestellten Schaltung ist die Schaltvorrichtung für die Eingänge durch die Transistoren 84 und 85 gebildet, doch können auch andere Schaltvorrichtungen verwendet werden, beispielsweise empfindliche Zungenrelais oder andere Arten von Halbleitervorrichtuagen. Der Ausgang des Und -Tores 56 ist mit einer Kapazität 90 verbunden, die den Eingang des Multivihrators 60 darstellt. Der Multivibrator 60 hat einen ersten NPN Transistor 91 und einen zweiten NPN-Transistor 92.
Dieser Kreis weist ferner eine Kapazität 93, eine Induktanz 94 und ferner Vorspann- und Stabilisierungswiderstände auf. Der Ausgangswert des Multivibrators 60 wird vom Kollektor des Transistors 92 über eine Aus gangsleitung 95 abgenommen, die mit der Spule des Motoraggregats 18 verbunden ist, die beispielsweise die Spule eines Elektromagneten sein kann.
Es können jedoch auch andere Aufnehmer und andere Stromkreise und Schaltungen bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
Der in Fig. 9 dargestellte Aufnehmer weist einen einzigen kleinen Magnet 100 auf, der an einem Ende des Uaruhkörpers 101 angeordnet ist. Am anderen entgegengesetzten Ende des Unruhkörpers ist ein nicht dargestelltes Gegengewicht angebracht. An der Gestellplatine 103 ist eine kleine Spule 102 von wenigen Windungen, beispielsweise fünfzig, eines feinen Drahtes befestigt. Gegebenenfalls kann die Spule auch an dem Haltearm 31 befestigt sein, oder es kann der Magnet stillstehen und die Spule an der Unruh angebracht sein.
Die Spule ist in Fig. 9 im Uhrzeigersinn aus der Ruhe- stellung 104 um 20 bis 300 versetzt dargestellt. Diese Mittelstellung 104 ändert sich bei jeder Bewegung des Armes. Die Unruh hat eine grosse Amplitude von ungefähr 2700 in beiden Richtungen, d. h. eine Gesamtschwingung von 5400, so dass der Magnet an der Spule ohne Rücksicht auf die Mittelstellung der Unruh vorbeigeht.
Ein bevorzugter Stromkreis in Verwendung mit dem Aufnehmer gemäss Fig. 9 ist in Fig. 10 dargestellt. Die Schaltung nach Fig. 10 ergibt eine kleine Spannung an der Spule 102, die ausreicht, um einen grossen Strom im Motoraggregat, hier in der Antriebsspule 18, zu er- zeugen. Die Schaltung verwendet ein komplementäres Paar von Transistoren, nämlich einen PNP-Transistor 105 und einen NPN-Transistor 106, und hat ferner einen Widerstand 107, eine Stromquelle 108 und eine Kapazität 109.
Die Uhrenantriebseinrichtung gemäss der Erfindung hat bestimmte Vorteile im Vergleich zu bekannten, elektronischen Unruh-Uhren. Der mechanische Impuls wird der Spiralfeder so erteilt, dass es nicht notwendig ist, Ringe an die Unruhwelle für die Kontaktgabe, elektrische Abnahmestifte usw. anzubringen. Aus diesem Grunde kann die Uhr sehr niedrig sein. Die Unruh kann eine grosse Amplitude, beispielsweise über zwei Umdrehungen, ohne Schwierigkeiten durch Galoppieren aufweisen. Das Zusammenschlagen der Spiralfeder kann bei grosser Amplitude dadurch vermieden werden, dass eine Überspule oder eine schraubenartige Feder verwendet wird. Ferner ist die Einrichtung gemäss der Erfindung frei von allen beweglichen elektrischen Kontakten und hat keine mechanischen Behinderungen der Unruh.
Der vorliegende Erfindungsgegenstand kann in mannigfacher Hinsicht abgewandelt werden. Beispielsweise könnte der Stiftarm nur eine kurze bogenartige Bewegung anstatt einer vollständigen Drehung durchführen.
Diese Anordnung würde zwar eine Unruh ergeben, die frei von mechanischen Störungen ist, die jedoch nicht frei von Stellungsfehlern wäre.
Clock drive device
The invention relates to a clock drive device for small watches, in particular wristwatches, for driving time display organs via a transmission device with a balance wheel, the balance body of which is attached to a shaft rotatably mounted in a frame, with a holding arm, at the free end of which the outer end of a with the inner end of the spiral spring attached to the balance shaft is firmly attached, and with an electrically operated motor unit which is used for driving and which is attached to the frame and receives its electrical energy via an electronic circuit that is time-controlled via a transducer that interacts with the balance.
The science of time-keeping devices is one of the oldest areas of industry. Watchmakers have tried for years to create time-keeping devices with greater accuracy that can be manufactured at moderate cost and small in size so that they are easily portable.
One of the biggest problems in increasing the accuracy is the elimination of the positional error.
This problem does not occur with stationary clocks that are designed so that they are operated in a certain position, for example the vertical position. It is different with portable small watches, especially pocket or wrist watches, which often change their position very erratically during the day.
In the case of wristwatches in particular, the dial can be directed partially downwards or upwards or even at an angle. The vertical force of gravity then causes the clock to run more slowly in certain positions.
Many solutions have already been proposed in order to eliminate the problem of the position error. For example, it is known to drive a tuning fork at a high frequency, for example 300 oscillations per second, via a battery in order to eliminate this positional error. However, this type of drive is delicate and expensive and still has such a positional error that watches of this type do not receive official certification as chronometers. Various complex types of resonators are also known, but these have difficulties in terms of size, cost, energy consumption and manufacture.
It is also known to equip spring-driven small watches with a large number of balance wheels or other complicated compensation devices, but these constructions have not proven themselves due to their high costs, their complex construction and the difficulty of adjustment.
The invention is therefore based on the object of creating a small balance watch which is relatively simple and cheap to manufacture and which is free from positional errors. According to the invention, this object is achieved in that the holding arm, which is rotatably arranged in the frame, can be rotated via the transmission device, which can be driven by the Iotor unit via an indexing mechanism.
This construction according to the invention results in a minimal mechanical effect on the free movement of this balance wheel.
In a preferred embodiment of the subject matter of the invention, the watch, for example the wristwatch, has a frame including a frame plate and a bridge or also two frame plates, between which the balance shaft is rotatably arranged.
Furthermore, an electrical energy source, for example an electrical battery or a solar cell, and also an electronic circuit are provided. The balance is connected to the inner end of the spiral spring. The outer end of the spiral spring is attached to a holding arm. This is connected to a ratchet wheel either directly or via a gear. The holding arm is mounted in a bearing in such a way that it can be turned a full 3600 by the ratchet wheel.
The ratchet itself is driven either indirectly or directly by an electric motor unit, for example an electromagnet. The motor unit is supplied with electrical pulses through a circuit that is electrically connected to the power source.
By rotating the ratchet wheel, a torque is exerted on the outer end of the spiral spring via the holding arm connected to the ratchet wheel. As a result, the spiral spring is wound up more than would be the case in the same direction due to the oscillation of the balance wheel. The torque is opposite to the tension of the spiral spring as a result of the winding through the balance. By transmitting a torque to the outer end of the spiral spring, energy is supplied to the balance and the oscillation of the balance is maintained.
Such a torque is preferably supplied once for each full oscillation of the balance wheel at the moment when the balance body is at one end of its swing, i.e. H. when the balance changes the direction of oscillation and all the kinetic energy of the balance is now stored in the spiral spring in the form of potential energy.
The circuit is controlled by a timing device that interacts with the balance wheel. For example, the balance wheel can carry one or more magnets that interact with a stationary coil in the frame, so that a control or a receptacle, ie. H. some kind of encoder or control to effect the circuit.
Further advantages of the invention emerge from the following description in connection with the drawing, which contains exemplary embodiments of the subject matter of the invention. In the drawing show:
Fig. 1 is a plan view of a watch with the dial partially broken away to show the location of the underlying parts.
Fig. 2 shows a partial section along the line A-A of Fig. 1 on a larger scale than this,
3 shows a schematic representation of the ratchet wheel and its drive,
4 is a plan view of the balance wheel and the associated pick-up,
5 is a diagrammatic partial view of the balance wheel and the stationary bobbin,
6 shows a graph of the voltage of a switching pulse as a function of time,
FIG. 7 is a block diagram of a circuit for use with the embodiment according to FIG. 4;
FIG. 8 is a circuit diagram of the block circuit according to FIG. 7,
9 shows a diagrammatic partial view of a second embodiment of the balance with the pick-up,
FIG. 10 shows a circuit diagram for use with the embodiment according to FIG. 9.
The exemplary embodiment shown in FIG. 1 shows a wristwatch which has a conventional housing 1 with a bottom (not shown) and an integral outer ring 2. A watch glass 3 is arranged on the housing 1 and protects the internal parts of the watch. A dial 4 attached below the watch glass has a large number of digits on its front side, which are used to indicate the time. The second hand 6, the minute hand 7 and the hour hand 8 are connected to the associated shafts or tubes which are arranged in the center of the dial 4 and driven. The pointer is driven by a gear 9 which has a number of intermeshing gears and drives. A first gear wheel 10 of the transmission is firmly connected to a ratchet wheel 11.
The drive energy is supplied by a small electrical dry battery 12 which has an outer upper contact 13. If necessary, a solar cell, a rechargeable battery or other energy sources can also be used. A contact spring 14, which is fastened to a line 15 leading to an electronic circuit 16, rests on contact 13. The circuit 16 has an output line 17 which leads to the motor unit 18, which preferably has a coil with an armature 19 moving back and forth. The armature 19 ends in the drive pawl 20 which drives the ratchet wheel 11. A pawl 21 is used to hold the ratchet wheel 11 in its correct position.
In the partial section according to FIG. 2, the balance body 22 and the associated parts can be seen. The balance body 22 is firmly connected to a balance shaft 26 which is mounted in an upper bearing 23 and in a bottom bearing 24. The balance body has the shape of a flat bar. However, other shapes can easily be used. The base bearing 24 is preferably a stone bearing which is fastened in the base plate 29. The inner end of a spiral spring 28 is firmly connected to the balance shaft via a hub 29. The other end of the spiral spring 28 is fastened to a flange 30 of a holding arm 31. The inner end of the holding arm 31 is integrally connected to a bushing 32 or firmly connected to it.
The socket is integrally or firmly connected to the ratchet wheel 11 and is rotatably arranged in a bridge 27. The upper bearing 23, preferably a shock-proof stone bearing, is arranged in the socket 32. The watch also has an adjusting device (not shown) for manual adjustment of the hands. The arrangement is preferably such that the adjusting device interrupts the circuit to the battery when the pointer is set and the balance body is held in its central or rest position so that the clock starts up again.
Fig. 3 shows the function of the motor unit. The motor unit 18, preferably in the form of a coil, carries the armature 19 which moves back and forth and which has the drive pawl 20 at its end. When a current pulse is received from the circuit 16, the armature 19 is moved forward. This results in a movement of the ratchet wheel 11 by one tooth in the clockwise direction via the drive pawl 20. After the current has stopped, the anchor returns. The motor unit can, if necessary, exercise a drive when a pulse occurs during the backward movement.
A stepper motor can also be used as the motor unit, which generates a step movement with each current pulse. The armature of the stepping motor would then be connected to the first gear 10 and to the socket either directly or via intermediate gears. The pawl 21 is used to prevent the ratchet wheel from rotating due to impact or other causes and to keep the ratchet wheel in the correct position. The correct size and number of teeth of the ratchet wheel 11 depends on the relationship between the ratchet wheel and the balance. Preferably, the ratchet wheel 11 is advanced by one tooth for each complete oscillation of the balance wheel. If the balance wheel has a frequency at which, for example, six vibrations occur per second, the ratchet wheel can have sixty teeth and rotate six times per minute.
However, since the tooth spacing determines the amount of energy transmitted to the balance, via which the rotational movement of the holding arm 31 is determined, the tooth spacing is related to the decrease in amplitude due to friction etc. of the balance and the desired working amplitude of the balance.
Various sensors and circuits can be provided so that the current pulses supplied to the motor assembly 18 are properly timed. A suitable pick-up is shown in FIGS. 4 and 5 and a preferred circuit in connection with this pick-up is shown in FIGS. 7 and 8. As can be seen from FIGS. 4 and 5, the balance body carries a magnetic member 34 or 35.
If only one magnetic member is used, the balance body carries a counterweight at its opposite end. The magnet members 34 and 35 are arranged to move close to the take-up spool 36. The north pole of the magnetic member 35 and the south pole of the magnetic member 34 are prepared for the coil. The magnetic members can be small and made of very cheap ceramic material. The interaction of the magnetic members 34 and 35 with the take-up coil 36 results in a take-up voltage which can be considerably increased for use as a control voltage, since it is not used to generate the drive current for rotating the balance wheel. The coil is in the form of a complete toroidal circle; H.
a ring, and can be formed by winding a fine wire around a mold, or by printing or otherwise depositing copper or silver or other conductive metals.
As can be seen from Fig. 6, voltage is continuously generated by the transducer when the watch is in motion. When the balance wheel stops, the tension at points b is zero. A positive voltage (forward voltage) is generated in one direction, for example clockwise, and a negative voltage (reverse voltage) is generated when rotating in the opposite direction counterclockwise.
The pulse for the motor assembly is preferably zero (zero voltage) at the end of the balance oscillation in one direction. For example, the motor unit rotates the arm clockwise by 60 at the moment in which the balance body has ended its pivoting in the clockwise direction, for example after swinging past 130-1500 from the rest position 104 (see FIG. 9). The middle position of the balance oscillation is offset by 60 and forms a complete circle with 60 oscillations. By turning the arm, the spiral spring is wound up by 60 more in the same winding direction than the spiral spring is wound up by the oscillation of the balance wheel.
The transducer generates a rising and falling voltage, i. H. a positive and a negative, which is more or less regular in shape depending on the regularity of the amplitude of the balance. A typical voltage output curve as a function of time is shown in FIG. A complete oscillation is positive during one half oscillation and negative during the other half oscillation, with a full oscillation ranging from S-F. It is desirable that the motor unit is only activated when the balance wheel is in its current zero or rest position at one end of oscillation, i. H. has arrived at one of the two endpoints of the oscillation. For this purpose it can be assumed that the polarity of the magnet is such that the desired oscillation end at which the pulse is to be given goes from negative to positive with respect to the voltage.
According to FIG. 6, this would be the case when the voltage increases in a direction from a to b and c, while no pulse occurs when the voltage decreases in the direction from d to e and f.
The voltage output pulse impressed on the engine assembly should preferably occur at the transition point; H. at zero voltage of the transducer, which corresponds to point b.
The progression of the voltages from negative to positive is used to advantage when setting up a suitable control circuit. FIG. 7 shows the block diagram of such a circuit, which is shown in detail in FIG. 6 shows that as the voltage progresses from a to b to c, it increases from a negative to a positive value. The pickup 50 of FIG. 7 produces both a negative and a positive voltage at its output 51. This voltage is divided by connecting a positive branch 52 in parallel to a negative branch 53! The positive branch is simply a line. The negative branch 53 is in series with an inversion circuit 54 which inverts the negative pulses into positive pulses. The reverse circuit 54 does not respond to positive pulses.
The output of the reverse circuit 54 is in series with a time delay circuit 55. The time delay circuit 55 delays the positive pulse coming from the reverse circuit 54 a little. Both the positive branch 52 and the output of the time delay circuit 55 are connected to a digital AND gate 56. The AND gate 56 only results in an output when a simultaneous input variable occurs at the two inputs 57 and 58. The positive pulse occurring at input 57 comes from the positive branch 52. The positive pulse at input 58 is supplied via the time delay circuit.
If the voltage continues from point a to point b, a pulse (an input voltage) results to which the reversing circuit 54 responds. The reverse circuit 54 inverts this input value into a positive pulse u. The time delay circuit 55 delays the transmission of this positive pulse. If the voltage rises further from point b to point c, it results in a positive pulse which is passed on through the positive branch 52 to the input 57 of the AND gate. The And> gate 56 therefore recognizes positive input values that occur at both inputs 57 and 58 at the same time. The input value at input 57 results from the positive voltage from b to c.
The input value at the input 58 is generated by the negative voltage from a to b, which has been delayed in such a way that it arrives via the time delay circuit 55 simultaneously with the positive voltage value from b to c.
As a result of the simultaneous input values at its inputs 57 and 58, the And> gate 56 results in an output voltage at its output 59. This output voltage is passed on to a monostable multivibrator 60 arranged in series. This multivibrator 60 generates an output pulse at its output 61, which is connected to the motor unit 18. The motor unit 18, for example a coil, gives the ratchet a mechanical impulse.
The duration of the pulse acting on the motor unit 18 via the multivibrator 60 is independent of the duration of the input value coming from the And gate 56 at the multivibrator 60. The simultaneous overlap of the negative voltage ab and the positive voltage bc can be very short - of the order of magnitude of Microseconds - be. However, the output pulse impressed on engine assembly 18 may be of any desired duration according to the values of the components used in multivibrator 60. Instead of using such a monostable multivibrator, other pulse devices can also be used whose output pulse is independent of the duration of the input trigger voltage, for example a Schmitt trigger or a strongly damped oscillator.
Fig. 8 shows a circuit diagram. It should be noted, however, that this is only an exemplary embodiment of the various circuit parts of FIG. 7 and that other known circuits can also be used instead of these circuit parts. A whole circuit is preferably formed by microcircuit processes, for example in a single silicon wafer. The circuit, although it may appear complicated, can be kept very small using microcircuit techniques since only the last stage carries significant current values. The pickup 50 is connected to the input side 70 of a pulse converter 71. The output side of the pulse converter 71 consists of two partial windings 72 and 73.
The partial winding 72 is connected to the line 74, which represents the positive branch 52 according to FIG. The other partial winding 73 of the pulse converter 71 is connected at one end to the base of a PNP transistor 75. The PNP transistor 75 and its associated bias voltage generator form the reverse circuit 54, which converts the negative voltage pulses on the partial winding 73 into positive pulses. The bias voltage generators have two voltage sources 76 and 77. The output of transistor 75, i.e. H. its collector 78 leads to the time delay circuit 55. The time delay circuit has a capacitance 80 and a discharge resistor 81. The size of the capacitance 80 depends on the delay that is desired or necessary to trigger the AND gate 56.
The output of the time delay circuit 55 is connected to an input 82 of the eUnd gate 56. The other input 83 of the AND circuit is connected directly to line 74. The inputs 82 and 83 each consist of NPN transistors, namely the transistors 84 and 85. The output of the transistor 84 is connected to the base 86 of an NPN transistor 87. The emitter of the transistor 87 is connected to a collector of an NPN transistor 88. The transistors 87 and 88 are in series so as to produce the AND function of the gate 56. The output of AND circuit 56, which is formed by line 89, leads away from the collector of transistor 87. An output voltage on line 89 only occurs when a positive voltage is present at the same time at inputs 82 and 83 of AND gate 56.
In the circuit shown, the switching device for the inputs is provided by transistors 84 and 85, but other switching devices can be used, such as sensitive reed relays or other types of semiconductor devices. The output of the AND gate 56 is connected to a capacitance 90 which represents the input of the multivihrator 60. The multivibrator 60 has a first NPN transistor 91 and a second NPN transistor 92.
This circuit also has a capacitance 93, an inductance 94, and also bias and stabilization resistors. The output value of the multivibrator 60 is taken from the collector of the transistor 92 via an output line 95 which is connected to the coil of the motor unit 18, which can be, for example, the coil of an electromagnet.
However, other transducers and other circuits and circuits can be used with the present invention.
The pickup shown in FIG. 9 has a single small magnet 100 which is arranged at one end of the Uaruh body 101. A counterweight, not shown, is attached to the other opposite end of the balance body. A small coil 102 of a few turns, for example fifty turns, of a fine wire is attached to the frame board 103. If necessary, the coil can also be attached to the holding arm 31, or the magnet can stand still and the coil can be attached to the balance wheel.
In FIG. 9, the coil is shown offset from the rest position 104 clockwise by 20 to 300. This middle position 104 changes with every movement of the arm. The balance wheel has a large amplitude of about 2700 in both directions; H. a total oscillation of 5400, so that the magnet passes the coil regardless of the center position of the balance.
A preferred circuit in use with the transducer according to FIG. 9 is shown in FIG. The circuit according to FIG. 10 results in a small voltage on the coil 102 which is sufficient to generate a large current in the motor unit, here in the drive coil 18. The circuit uses a complementary pair of transistors, namely a PNP transistor 105 and an NPN transistor 106, and further has a resistor 107, a current source 108 and a capacitance 109.
The clock drive device according to the invention has certain advantages compared to known electronic balance clocks. The mechanical impulse is given to the spiral spring in such a way that it is not necessary to attach rings to the balance shaft for making contacts, electrical tapping pins, etc. Because of this, the clock can be very slow. The balance wheel can have a large amplitude, for example over two revolutions, without difficulties due to galloping. If the amplitude is large, the coil spring can be prevented from striking together by using an overcoil or a helical spring. Furthermore, the device according to the invention is free of all movable electrical contacts and has no mechanical impediments to the balance.
The present subject matter of the invention can be modified in many ways. For example, the pen arm could only make a short arcuate movement instead of a full rotation.
Although this arrangement would result in a balance that is free from mechanical disturbances, it is not free from positional errors.