Elektronische Uhr mit einem zwei Trägerscheiben aufweisenden Drehschwinger
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine elektronische Uhr mit einem zwei Trägerscheiben aufweisenden Drehschwinger, bei dessen Schwingungen die zur Aufrechterhaltung derselben erforderlichen Impulse durch die Relativbewegung zwischen einem Magnetsystem und einem Spulensystem erzeugt werden.
Eine derartige, jedoch mit Kontakten arbeitende Uhr ist in der französischen Patentschrift Nr. 1 135 382 beschrieben. Kontaktuhren sind jedoch bekanntlich stark spannungsabhängig, und ihre Ganggenauigkeit ist wegen der Kontaktschwierigkeiten für viele Zwecke nicht ausreichend. Man hat daher auch elektronische Uhren mit zwei Trägern und axial gerichteten Magnetsystemen gebaut. Eine solche elektronische Uhr ist beispielsweise durch das dritte Zusatzpatent Nr. 80 213 zum französischen Patent Nr. 1 090 564 bekanntgeworden; bei dieser Uhr steuern Stimmgabel über einen Transistor einen stetig in derselben Drehrichtung umlaufenden Motor mit zwei Trägern und drei magnetischen Kreisen mit benachbarten axialen Luftspalten.
Im Gegensatz dazu besitzt die Uhr nach der schweizerischen Patentschrift 452 445 einen, zwei parallele Scheiben umfassenden Drehschwinger, auf dessen Umfang ein astatisches System bildende, axial magnetisierte Magnete sich nur über einen wenigstens dem Schwingungsbogen des Drehschwingers entsprechenden Teil des Umfanges erstrecken und so angeordnet sind, dass sich in der Nullage des Drehschwingers die aus Antriebs- und Erregerspule bestehende Spulenkombination innerhalb des freien Sektors des astatischen Systems befindet.
Dadurch wird zwar der bei einer bekannten ähnlichen, mit in Umfangsrichtung magnetisierten Magneten arbeitenden Anordnung gemäss der USA-Patentschrift Nr. 2 986 683 auftretende Nachteil beseitigt, der darin besteht, dass die Flussänderung im astatischen Magnetsystem - wenn auch nur über einen verhältnismässig kleinen Teil des gesamten Schwingungsbogens nach einer Sinusfunktion verläuft; ausserdem wird der Tatsache Rechnung getragen, dass in elektronischen Uhren die Schaltzeit etwa fünf- bis zehnmal länger ist als in Kontaktuhren. Ringsegmentförmige, axial magne tisierte Magnete sind jedoch verhältnismässig kostspielig; zudem sind bei der bekannten Uhr durch die Ring segmentform der Magnete die Betriebsdaten ein für allemal festgelegt, so dass nachträgliche Anderungen praktisch nicht mehr möglich sind.
Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, in einer elektronischen Uhr ein ähnliches, die verlängerte Schaltzeit berücksichtigendes Magnetsystem anzuordnen, welches einerseits trotz nie drigerer Herstellungskosten zu einer Steigerung der Ganggenauigkeit führt, anderseits aber auch die Möglichkeit bietet, von Fall zu Fall zusätzliche Massnahmen zur Berücksichtigung der besonderen Eigenschaften der elektronischen Bauelemente, insbesondere der Transistoren, zu ergreifen.
Diese Aufgabe wird in einer elektronischen Uhr der eingangs genannten Art erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass das Magnetsystem aus zwei, durch eine neutrale Zone voneinander getrennten magnetischen Kreisen besteht, die sich in der elektrischen Nullage in Umfangsrichtung des Drehschwingers beiderseits ausserhalb des konzentrisch zu einer in der Ebene der Winkelhalbierenden der neutralen Zone liegenden Achse angeordneten Spulensystems befinden und deren jeder mindestens einen Permanentmagneten und zwei in Umfangsrichtung des Drehschwingers benachbarte, von entgegengesetzt gerichteten Magnetflüssen durchsetzte axiale Luftspalte zur Aufnahme des Spulensystems umfasst, wobei die magnetischen Kreise und das Spulensystem solche Dimensionen und eine solche gegenseitige Lage aufweisen,
dass der Zentrierwinkel der neutralen Zone dem Winkel des Leerlaufs der Fortschaltung entspricht und die magnetischen Antriebsimpulse mit der Energieabnahme der Fortschaltung übereinstimmen.
Der durch die Erfindung erzielbare technische Fortschritte besteht darin, dass infolge der in jeder Schwingungsrichtung lediglich in der mechanischen Nullage des Drehschwingers wirksamen schmalen Antriebsim pulse und infolge der ausserhalb der mechanischen Nulllage durch Gegenwirkung aufgehobenen Impulse die Isochronismusbedingungen in hervorragender Weise erfüllt sind.
Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes werden nachfolgend anhand ,der Zeichnungen erläutert, und zwar zeigen:
Fig. 1 die Vorderansicht des Drehschwingers einer elektronischen Uhr gemäss der Erfindung,
Fig. 2 einen Schnitt nach dere Linie Il-II in Fig. 1,
Fig. 3 bis 6 einige Phasen des Überschwingens des Spulensystems durch einen magnetischen Kreis in der einen Schwingungsrichtung,
Fig. 7 ein Beispiel einer elektronischen Schaltungsanordnung mit Mitteln zur Spannungs- und Temperaturstabilisation sowie für den Selbstanlauf und
Fig. 8 bis 10 verschiedene Anordnungen und Ausbildungen von Permanentmagneten.
Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte Drehschwinger 1 weist zwei im axialen Abstand voneinander an der Drehschwingerwelle 2 drehsteif befestigte Trägerscheiben 3, 4 auf. Der Ausdruck Trägerscheibe im Sinne der vorliegenden Erfindung und im Zusammen- hang mit der Beschreibung und den Ansprüchen soll nicht in einschränkendem Sinne ausgelegt werden, sonden auch Scheiben und Scheibenteile (Sektoren, Flügel, Arme usw.) beliebiger Gestalt umfassen, die nicht nur als Träger von Permanentmagneten bestimmt sein können, sondern auch als Mittel zur Erzielung eines magnetischen Rückschlusses; im ersteren Falle können sie aus ferromagnetischen Werkstoffen (z. B. Eisenblech) oder aus sonstigen geeigneten Werkstoffen (z. B.
Messing oder Kunststoff) bestehen, während sie im zweitgenannten Falle aus ferromagnetischen Werkstoffen bestehen müssen. An den Innenseiten der Trägerscheiben 3, 4 sind axial magnetisierte Permanentmagnete 5-12 befestigt, die sich paarweise einander gegenüberstehen. Die beiden Magnetpaare 5, 6 und 7, 8 bilden einen magnetischen Kreis mit zwei axialen Luftspalten; in gleicher Weise bilden die beiden Magnetpaare 9, 10 und 11, 12 einen zweiten magnetischen Kreis mit zwei axialen Luftspalten. Die beiden magnetischen Kreise sind durch punktierte magnetische Kraftlinien angedeutet und mit ml und m2 bezeichnet.
In der in den Fig. 1 und 2 gezeigten mechanischen Nulllage befindet sich - bezogen auf die Umfangsrichtung des Drehschwingers 1 - das Spulensystem 13 zwischen den beiden magnetischen Kreisen ml, m2, und zwar in der axialen Hohle der Luftspalte der letzteren. Im gezeigten Ausführungsbeispiel besteht das Spulensystem aus einer einzigen Spule für die Erregung und den Antrieb; in einem solchen Falle kann für den elektronischen Antrieb eine Schaltungsanordnung beispielsweise gemäss dem Schweizer Patent Nr. 491 426 verwendet werden. Die Erfindung ist jedoch keineswegs auf eine bestimmte Schaltungsanordnung beschränkt, so dass das Spulensystem 13 ebenso eine Spulenkombination für Erregung und Antrieb umfassen könnte.
Das Spulensystem 13 und die magnetischen Kreise mt, m2 weisen solche Dimensionen und eine solche gegenseitige Lage auf, dass in jeder Schwingungsrichtung nur durch das Zusammenwirken des jeweils nacheilenden magnetischen Kreises mit dem Spulensystem lediglich in der mechanischen Nullage des Drehschwingers ein schmaler, d. h. kurzer, Antriebsimpuls wirksam wird, während sich ausserhalb der mechanischen Nullage des Drehschwingers alle Impulse durch Gegenwirkung aufheben.
Im folgenden soll dies unter Betrachtung einer Halbschwingung im Sinne des Pfeiles x (Fig. 2) näher erläutert werden, und zwar im Zusammenhang mit den Fig. 3 bis 6. Wenn der Drehschwinger sich seiner mechanischen Nullage nähert, schwingen beide Magnete 6, 7 des magnetischen Kreises ml in den Bereich der ersten Spulenhälfte ein (Fig. 3); hier heben sich jedoch die durch die Magnete 6 und 7 in der Spule induzierten Impulse auf, weil die genannten Magnete gegensinnig polarisiert sind.
Sobald sich jedoch einer der beiden Magnete in der Spulenachse und der andere Magnet im Bereich einer Spulenhälfte befindet (Fig. 4 und 5) - was dann der Fall ist, wenn das Magnetsystem m1 die mechanische Nullage des Drehschwingers passiert -, wird der von einem Magnet in der Spule induzierte Impuls durch den vom anderen Magnet induzierten Impuls verstärkt, weil jetzt nicht nur die Polarisierungsrichtungen der Magnete, sondern auch die Stromrichtungen in den Windungen der zugeordneten Spulenhälften umgekehrt sind. Sobald sich nach dem Passieren der mechanischen Nullage des Drehschwingers durch den magnetischen Kreis ml beide Magnete 6, 7 im Bereich der linken Spulenhälfte befinden (Fig. 6), heben sich die induzierten Impulse wegen der gegensinnigen Pola risierungsrichtung wieder auf.
In der zweiten Halbschwingung kann der magnetische Kreis m1 keinen Antriebsimpuls erzeugen, weil lediglich die Bewegungsrichtung umgekehrt ist; erst wenn der zweite magnetische Kreis m2 das Spulensystem 13 überschwingt, tritt analog zum oben geschilderten Vorgang wieder ein in der Schwingungsrichtung wirkender Antriebsimpuls in der mechanischen Nullage des Drehschwingers auf.
Die Breite der Antriebsimpulse (deren jeder aus zwei überlagerten Einzelimpulsen besteht) entspricht dem durch die Achsen der Magnete 6, 7 bzw. 10, 11 bestimmten Zentriwinkel a; durch möglichst nahes Zusammenrücken der Magnetpaare 5, 6 und 7, 8 bzw.
9, 10 und 11, 12 (Fig. 1) in Umfangsrichtung des Drehschwingers 1 können die Antriebsimpulse sehr schmal gehalten werden.
Um auch andere, den Isochronismus störende Einflüsse weitestgehend auszuschalten, können zusätzliche Massnahmen getroffen werden, die aus der in Fig. 7 beispielsweise gezeigten Schaltungsanordnung ersichtlich sind. Bei dieser Schaltungsanordnung, die in der erfindungsgemässen Uhr ebenfalls verwendet werden kann, sind zwecks Spannungs- und Temperaturstabilisierung die im Basis-Emitterkreis des npn-Transistors 14 liegende Erregerspule 15 und die in Reihe damit geschaltete, zwischen dem Emitter und dem Minuspol der Spannungsquelle liegende Antriebsspule 16 durch eine Serienschaltung von Dioden 17 überbrückt; um die durch die Dioden 17 nur angenähert erzielte Temperaturkompensation vollkommen zu machen, kann man statt der Dioden-Serienschaltung 17 einen Transistor vorsehen. Der Widerstand 18 und der Kondensator 19 in der gezeigten Schaltungsanordnung bewirken den Selbstanlauf der Uhr.
Es versteht sich von selbst, dass bei Ausstattung der erfindungsgemässen Uhr mit der soeben beschriebenen oder einer beliebigen anderen Schaltungsanordnung diese auch integrierte Schaltelemente enthalten kann.
Die Erfindung ist in keiner Weise auf das beschriebene und dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern verschiedener, im Rahmen des eigentlichen Erfindungsgedankens liegender Abwandlungen fähig.
Insbesondere kann jeder magnetische Kreis nur einen einzigen Permanentmagneten umfassen, der eine längliche, sich wenigstens annähernd in Umfangsrichtung des Drehschwingers 1 erstreckende Gestalt aufweist und auf der Innenseite der oberen Trägerscheibe 3 (Fig. 8a) oder unteren Trägerscheibe 4 (Fig. 8b) befestigt ist, z. B. durch Ankleben; in diesem Falle muss zur Herbeiführung des magnetischen Rückschlusses die andere Trägerscheibe aus ferromagnetischem Werkstoff bestehen. Der Permanentmagnet kann gerade (Fig. 10a) oder gebogen (Fig. 10c) sein, wobei er in beiden Fällen - z. B. bei grösseren Uhren - als Formmagnet (Fig. 10b und 10d) ausgebildet sein kann.
Eine analoge Abwandlung mit zwei derartigen Permanentmagneten zeigt die Fig. 9a.
Jeder magnetische Kreis kann aber auch zwei Permanentmagnete umfassen, die parallel zur Achse der Drehschwingerwelle, jedoch gegensinnig polarisiert und auf der Innenseite der oberen Trägerscheibe 3 (Fig. 9b) oder der unteren Trägerscheibe 4 (Fig. 9c) beispielsweise durch Ankleben befestigt sind; auch hier muss die andere Trägerscheibe wegen des erforderlichen magnetischen Rückschlusses wieder aus ferromagnetischem Werkstoff bestehen.
Electronic clock with a rotary oscillator with two carrier disks
The present invention relates to an electronic watch with a rotary oscillator having two carrier disks, during the oscillations of which the pulses required to maintain the same are generated by the relative movement between a magnet system and a coil system.
A clock of this type, but which works with contacts, is described in French patent specification No. 1,135,382. However, it is known that contact clocks are highly voltage-dependent, and their accuracy is insufficient for many purposes because of the contact difficulties. Electronic clocks with two carriers and axially directed magnet systems have therefore also been built. Such an electronic watch has become known, for example, from the third additional patent no. 80 213 to French patent no. 1 090 564; In this clock, tuning forks control a transistor that rotates continuously in the same direction of rotation and has two carriers and three magnetic circuits with adjacent axial air gaps.
In contrast to this, the watch according to Swiss patent specification 452 445 has a rotary oscillator comprising two parallel discs, on the circumference of which an astatic system forming, axially magnetized magnets extend only over a part of the circumference corresponding to at least the oscillation arc of the rotary oscillator and are arranged so that in the zero position of the torsional oscillator, the coil combination consisting of the drive and excitation coil is located within the free sector of the astatic system.
This eliminates the disadvantage that occurs in a known similar arrangement according to US Pat. No. 2,986,683 working with magnets magnetized in the circumferential direction, which is that the change in flux in the astatic magnet system - albeit only over a relatively small part of the entire oscillation arc runs according to a sine function; In addition, account is taken of the fact that the switching time in electronic watches is around five to ten times longer than in contact watches. Ring segment-shaped, axially magnetized magnets are relatively expensive; In addition, in the known clock, the operating data are fixed once and for all due to the ring segment shape of the magnets, so that subsequent changes are practically no longer possible.
The object of the present invention is to arrange a similar magnet system in an electronic watch that takes into account the extended switching time, which on the one hand leads to an increase in accuracy despite lower manufacturing costs, but on the other hand also offers the possibility of additional measures to be taken from case to case Take into account the special properties of the electronic components, especially the transistors.
This object is achieved in an electronic watch of the type mentioned in that the magnet system consists of two magnetic circuits separated by a neutral zone, which are in the electrical zero position in the circumferential direction of the rotary oscillator on both sides outside the concentric to one in the plane the axis lying bisector of the neutral zone and each of which comprises at least one permanent magnet and two adjacent in the circumferential direction of the torsional vibrator, penetrated by oppositely directed magnetic fluxes, axial air gaps for receiving the coil system, the magnetic circuits and the coil system such dimensions and such mutual Show location
that the centering angle of the neutral zone corresponds to the angle of the idling of the step-up and the magnetic drive pulses correspond to the energy consumption of the step-up.
The technical advances that can be achieved by the invention are that the isochronism conditions are met in an excellent manner due to the narrow Antriebim pulses effective in each direction of oscillation only in the mechanical zero position of the torsional vibrator and due to the pulses canceled outside the mechanical zero position by counteraction.
Embodiments of the subject matter of the invention are explained below with reference to the drawings, namely show:
1 shows the front view of the rotary oscillator of an electronic watch according to the invention,
Fig. 2 is a section along the line II-II in Fig. 1,
3 to 6 show some phases of the overshooting of the coil system by a magnetic circuit in one direction of oscillation,
7 shows an example of an electronic circuit arrangement with means for voltage and temperature stabilization as well as for self-start and
8 to 10 different arrangements and designs of permanent magnets.
The rotary oscillator 1 shown in FIGS. 1 and 2 has two support disks 3, 4 which are axially spaced apart from one another on the rotary oscillator shaft 2 in a torsionally rigid manner. The term carrier disk within the meaning of the present invention and in connection with the description and the claims should not be interpreted in a restrictive sense, but also include disks and disk parts (sectors, wings, arms, etc.) of any shape that are not only used as supports can be determined by permanent magnets, but also as a means of achieving a magnetic return path; in the former case they can be made of ferromagnetic materials (e.g. sheet iron) or other suitable materials (e.g.
Brass or plastic), while in the second case they must be made of ferromagnetic materials. Axially magnetized permanent magnets 5-12 are attached to the inner sides of the carrier disks 3, 4 and face one another in pairs. The two pairs of magnets 5, 6 and 7, 8 form a magnetic circuit with two axial air gaps; in the same way, the two pairs of magnets 9, 10 and 11, 12 form a second magnetic circuit with two axial air gaps. The two magnetic circles are indicated by dotted lines of magnetic force and labeled ml and m2.
In the mechanical zero position shown in FIGS. 1 and 2 is - based on the circumferential direction of the torsional oscillator 1 - the coil system 13 between the two magnetic circles ml, m2, in the axial cavity of the air gap of the latter. In the embodiment shown, the coil system consists of a single coil for excitation and drive; in such a case, a circuit arrangement according to Swiss Patent No. 491,426, for example, can be used for the electronic drive. However, the invention is in no way restricted to a specific circuit arrangement, so that the coil system 13 could also include a coil combination for excitation and drive.
The coil system 13 and the magnetic circuits mt, m2 have such dimensions and such a mutual position that in each oscillation direction only through the interaction of the respectively lagging magnetic circuit with the coil system only in the mechanical zero position of the torsional vibrator a narrow, i.e. H. short drive pulse becomes effective, while outside the mechanical zero position of the torsional oscillator, all pulses cancel each other out by counteraction.
In the following, this will be explained in more detail considering a half oscillation in the sense of the arrow x (Fig. 2), in connection with FIGS. 3 to 6. When the rotary oscillator approaches its mechanical zero position, both magnets 6, 7 of the oscillate magnetic circuit ml in the area of the first coil half (Fig. 3); here, however, the impulses induced in the coil by magnets 6 and 7 cancel each other out because the magnets mentioned are polarized in opposite directions.
However, as soon as one of the two magnets is in the coil axis and the other magnet is in the area of a coil half (Fig. 4 and 5) - which is the case when the magnet system m1 passes the mechanical zero position of the rotary oscillator - it is activated by a magnet The impulse induced in the coil is amplified by the impulse induced by the other magnet, because now not only the polarization directions of the magnets, but also the current directions in the turns of the associated coil halves are reversed. As soon as both magnets 6, 7 are in the area of the left coil half after passing the mechanical zero position of the torsional vibrator through the magnetic circuit ml (Fig. 6), the induced pulses are raised again because of the opposite polarization direction.
In the second half oscillation, the magnetic circuit m1 cannot generate a drive pulse because only the direction of movement is reversed; only when the second magnetic circuit m2 overshoots the coil system 13 does a drive pulse, which acts in the direction of oscillation, occur again in the mechanical zero position of the rotary oscillator, analogous to the process described above.
The width of the drive pulses (each of which consists of two superimposed individual pulses) corresponds to the central angle α determined by the axes of the magnets 6, 7 and 10, 11; by moving the magnet pairs 5, 6 and 7, 8 or
9, 10 and 11, 12 (Fig. 1) in the circumferential direction of the rotary oscillator 1, the drive pulses can be kept very narrow.
In order to largely eliminate other influences that interfere with isochronism, additional measures can be taken, which can be seen from the circuit arrangement shown in FIG. 7, for example. In this circuit arrangement, which can also be used in the clock according to the invention, the excitation coil 15 located in the base-emitter circuit of the npn transistor 14 and the drive coil connected in series between the emitter and the negative pole of the voltage source are used for the purpose of voltage and temperature stabilization 16 bridged by a series connection of diodes 17; In order to make the temperature compensation achieved only approximately by the diodes 17 perfect, a transistor can be provided instead of the diode series circuit 17. The resistor 18 and the capacitor 19 in the circuit arrangement shown cause the clock to start automatically.
It goes without saying that if the clock according to the invention is equipped with the circuit arrangement just described or any other circuit arrangement, it can also contain integrated circuit elements.
The invention is in no way restricted to the exemplary embodiment described and illustrated, but rather is capable of various modifications within the scope of the actual inventive concept.
In particular, each magnetic circuit can comprise only a single permanent magnet, which has an elongated shape extending at least approximately in the circumferential direction of the rotary oscillator 1 and is fastened on the inside of the upper carrier disk 3 (Fig. 8a) or lower carrier disk 4 (Fig. 8b) , e.g. B. by gluing; in this case, the other carrier disk must be made of ferromagnetic material in order to produce the magnetic yoke. The permanent magnet can be straight (Fig. 10a) or curved (Fig. 10c), in both cases - z. B. in larger watches - can be designed as a shape magnet (Fig. 10b and 10d).
An analogous modification with two such permanent magnets is shown in FIG. 9a.
Each magnetic circuit can, however, also comprise two permanent magnets, which are parallel to the axis of the rotary oscillator shaft, but polarized in opposite directions and attached to the inside of the upper carrier disk 3 (FIG. 9b) or the lower carrier disk 4 (FIG. 9c), for example by gluing; Here, too, the other carrier disk must again be made of ferromagnetic material because of the required magnetic return.