Die Erfindung bezieht sich auf ein elektromagnetisch angetriebenes Schwingsystem für ein Zeitmessgerät mit einer Stimmgabel, einem durch die eine Gabelzinke getragenen permanentmagnetischen Element, einer Spule, die in einen von den magnetischen Kraftlinien durchflossenen Luftspalt des genannten magnetischen Elementes hineinragt und mit diesem Element zusammenwirkt, und ferner einer mit der Spule verbundenen elektronischen Stromkreiseinheit, wobei das Ganze derart ausgelegt ist, dass in der Spule bei jeder Stimmmgabelschwingung ein Antriebsimpuls erzeugt wird.
Es sind bereits Zeitmessgeräte mit derartigen Schwingsystemen allgemein bekannt geworden. Bei diesen Uhren trägt jede Gabelzinke ein permanentmagnetisches Element mit je einem Luftspalt, in welchen eine ortsfeste Spule hineinragt. Durch eine geeignete Verbindung der Spulenwicklungen mit den Komponenten einer von der Werkplatte getragenen Stromkreiseinheit kann man bekanntlich eine periodische Entsperrung eines Transistors und dementsprechend die Erzeugung von periodischen Antriebsimpulsen bewirken.
Diesen Zeitmessgeräten haftet der Nachteil an, dass das Schwingsystem viel Platz beansprucht. Dem Bestreben, das Schwingsystem zu verkleinern, steht die Herabsetzung des Wirkungsgrades entgegen. Man kann also nicht einfach bewährte Systeme im linearen Massstab miniaturisieren.
Mit der Erfindung wird die Schaffung eines vereinfachten und raumsparenden Schwingsystems angestrebt, dessen Wirkungsgrad genügend hoch ist, um den Antrieb der Stimmgabel mit einer Batterie geringer Kapazität über eine längere Zeitperiode zu gewährleisten. Das erfindungsgemässe Schwingsystem zeichnet sich dadurch aus, dass sowohl die genannte Spule als auch die mit dieser verbundene elektronische Stromkreiseinheit an der anderen Gabelzinke befestigt sind, und dass die aus Spule und Stromkreiseinheit bestehende Masse wenigstens angenähert gleich ist wie die Masse des magnetischen Elementes.
Bei Befolgung dieser Vorschrift sind die auf die beiden Zinken einwirkenden mechanischen Impulse gleich. Diese Symmetrie erhöht die Leistungsfähigkeit des Systems in einem beträchtlichen Ausmass. Ausserdem wird die ganze schwingfähige Anordnung nicht bloss verhältnismässig billig, sondern auch einheitlich und kompakt. Dank der Vereinigung von Spule und elektronischer Stromkreiseinheit gelingt es, mit einem Minimum von flexiblen Zuleitungsdrähten zwischen den an der Schwingung der Stimmgabel teilnehmenden und den nichtschwingenden Teilen auszukommen.
Es ist schon früher druckschriftlich vorgeschlagen worden, ein Zeitmessgerät mit einer Stimmgabel auszustatten, deren eine Zinke mit einem Permanentmagnet versehen ist, während die andere Zinke eine mit diesem Magnet zusammenwirkende Spule trägt. Im Falle dieses früheren Vorschlages ist jedoch die Stromkreiseinheit nicht mit der Spule vereinigt, und man hat auch nicht speziell Sorge dafür getragen, die an den beiden Zinken befestigten Massen gleich oder wenigstens angenähert gleich zu halten. Schliesslich ist das magnetische Element nicht mit einem Luftspalt ausgestattet. Aus diesen Gründen war es auch nicht möglich, die mit der Erfindung angestrebten Vorteile hinsichtlich Wirkungsgrad und Platzbeanspruchung zu erreichen.
Des weiteren war es auch bekannt, die Stromkreiseinheit im Innenraum einer flachen, mit von den Zinken einer Stimmgabel getragenen Permanentmagneten zusammenwirkenden Spule anzuordnen. Mit dieser Massnahme wollte man lediglich den von den Drahtwindungen umschlossenen freien Raum der im übrigen an der Werkplatte fest angeordneten Spule ausnützen.
Im folgenden sind mehrere Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes anhand der Zeichnung beschrieben. Es stellen dar:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform mit einer ausserhalb des Schwingsystems angeordneten Speisebatterie,
Fig. 2 eine bevorzugte Anordnung der Stromkreiselemente auf einer Stimmgabelzinke,
Fig. 3 ein Schema des Transistorstromkreises mit den dazugehörigen Transduktorspulen,
Fig. 4 eine auseinandergezogene Ansicht der elektromagnetischen Transduktorelemente und der durch eine Stimmgabelzinke getragenen Steuer-Stromkreiseinheit,
Fig. 5 einen Längsschnitt durch den Transduktor und die Stromkreiseinheit,
Fig. 6 eine Schnittansicht durch eine Ausführungsform mit einem elektromagnetischen Transduktor anderer Bauart,
Fig. 7 eine schematische Ansicht einer unterschiedlichen Transduktor-Anordnung,
Fig.
8 eine weitere Transduktor-Ausführung,
Fig. 9 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Transduktors.
In den Fig. 1-5 ist ein elektronisches Zeitmessgerät mit einem vereinheitlichten, als Zeitnormal wirkenden Stimmgabel-Schwingsystem gemäss der Erfindung dargestellt. Es besteht die Möglichkeit, die Erfindung ausser bei Stimmgabeln auch für Vibratoren anderer Art zu benützen, bei denen zwei Schwingglieder in Gegenphase schwingen. In Frage kommen beispielsweise Torsionsgabeln oder ein Paar schwingfähiger Zungen oder Lamellen.
Das im Beispiel gemäss Fig. 1-5 veranschaulichte Schwingsystem weist eine U-förmige Stimmgabel auf mit zwei Zinken
10 und 11 und einem von der Gabelbasis abstehenden Halter 12. Letzterer ist an der Werkplatte des Zeitmessgerätes gehalten. Die Vibrationsbewegung der Stimmgabel wird mit Hilfe eines mechanischen Bewegungsumformers in eine Rotationsbewegung umgewandelt. Dieser Umformer besteht aus einer an einem von der Zinke 10 abstehenden Stift angebrachten Klinke 13, deren steinbesetztes Ende derart in die Zähne eines Klinkenrades 14 greift, dass bei jedem Vorwärtshub der Klinke das Rad 14 um einen Zahn weitergeschaltet wird. Ein Drehen des Klinkenrades 14 im rückläufigen Sinne ist durch eine Bremsklinke 15 verhindert, von welcher ein steinbesetztes Ende mit dem Klinkenrad 14 in Eingriff steht, während das andere Ende durch einen an der Werkplatte befestigten Stift gehalten ist.
Die Drehzahl des Klinkenrades 14 ist durch die Betriebsfrequenz der Stimmgabel und das Verhältnis von dieser Frequenz zur Zähnezahl des Rades 14 bestimmt. Die Drehbewegung wird durch ein geeignetes Räderwerk auf die Zeiger übertragen. Die Stimmgabel hat weder Drehzapfen noch Lager. Ihre zeithaltende Wirkung ist deshalb unabhängig von Reibungseffekten. Obwohl ein mechanischer Bewegungsumformer dargestellt ist, könnte selbstverständlich die Stimmgabel auch in Verbindung mit einem magnetischen Hemmwerk oder einer anderen Einrichtung für das Umwandeln der Schwingbewegung in irgendeine Bewegungsart oder Energieform Anwendung finden.
Für die Aufrechterhaltung der Schwingung der Stimmgabel mit ihrer Eigenfrequenz ist ein einziger Transduktor vorgesehen. Dieser setzt sich zusammen aus einem am Ende der Zinke 10 befestigten magnetischen Element (allgemein mit 16 bezeichnet) und einer Spulen- und Transistor-Stromkreiseinheit (allgemein mit 17 bezeichnet).
Das magnetische Element 16 besteht aus einem im wesentlichen zylindrisch geformten Becher 18 aus ferromagnetischem Material, wie z. B. Eisen, und einem koaxial darin angeordneten, stabförmigen Permanentmagnet 19 aus Alnico oder einem ähnlichen Material. Der Stabmagnet 19 ist an der Abschlusswand des Bechers 18 gehalten, wodurch ein magnetischer Stromkreis entsteht, in welchem magnetische Fluss linien durch den ringförmigen, zwischen dem äusseren Becher und dem inneren Stab liegenden Luftspalt verlaufen.
Der Becher 18 ist in Übereinstimmung mit zwei einander diametrisch gegenüberliegenden Ebenen längsgeschlitzt, so dass Öffnungen 18a und 18b entstehen, welche eine wesent liche Herabsetzung der Transduktordimensionen bei verhält nismässig geringen Streuungen des magnetischen Feldes er möglichen. Ausser der Verringerung des von den Bechern beanspruchten Raumes wird gleichzeitig das Entstehen einer
Dämpfung durch Kompression der im Luftspalt vorhandenen
Luft verhindert. Das Ende der Gabelzinke 10 ist an der Seite des Bechers 18 angesetzt, und zwar in der Mitte desselben.
Die Mittelachsen von Stab 19 und Zinke 10 stehen senkrecht aufeinander.
Die Spulen- und Stromkreiseinheit 17 ist durch die Zinke 11 getragen. Zu diesem Zwecke ist ein Montage- und Haltering 20 mit einem rechteckigen Querschnitt vorhanden. Der Ring 20 ist in aufrechter Stellung derart mit dem Zinkenende verbunden, dass seine Längsachse mit der Längsachse des Stabes 19 zusammenfällt. Der äussere Durchmesser des Rings en#tspricht im wesentlichen demjenigen des Bechers 18. Ein rohrförmiger Träger 21 aus einem geeigneten Isolationsmaterial, wie Kunststoff, liegt teleskopartig im Ring 20 und ragt in den kreisförmigen Luftspalt des magnetischen Elements 16.
Der Träger 21 weist einen verhältnismässig langen vorderen Abschnitt 21a auf, dessen äusserer Durchmesser etwas geringer ist als der innere Durchmesser des Rings 20, und ferner einen kurzen hinteren Abschnitt 21b, dessen äusserer Durchmesser dem äusseren Ringdurchmesser entspricht. Dadurch wird eine Schulter 21c gebildet, die gegen das flache Ende des Rings 20 anliegt. Ring 20 und Träger 21 sind durch Schrauben 22 zusammengehalten, die durch Bohrungen des Abschnitts 21b verlaufen und in gewindeten Bohrungen des Rings 20 sitzen. Die beiden Teile können auch miteinander vernietet oder durch Verleimung verbunden sein.
Der konzentrisch in den Luftspalt ragende vordere Abschnitt 21a des Trägers ist mit einer umlaufenden Vertiefung für die Aufnahme einer Antriebsspule 23 und einer Abfühlspule 24 ausgestattet. Die Abfühlspule kann über die Antriebsspule gewickelt sein, oder es können die beiden Spulen nebeneinander angeordnet sein. Ferner können die beiden Spulen auch als Bifilar-Anordnung ausgebildet sein.
Im hohlen hinteren Abschnitt 21b sind die mit den Spulen zusammenwirkenden Stromkreiselemente untergebracht.
Diese Elemente sind im Blockschema nach Fig. 2 und im Verbindungsdiagramm nach Fig. 3 veranschaulicht. Es handelt sich um einen NPN-Transistor mit einem Emitter E, einem Kollektor C und einer Basis B, einen Kondensator 26 und einen Widerstand R. Diese Elemente sind zylinderförmig und sind durch Anschlussdrähte gehalten, welche ihrerseits mit im ringförmigen Ende des Trägers gehaltenen Anschluss Stiften 28 verbunden sind. In der Praxis wird man es oft vorziehen, diese Stromkreiskomponenten und die Verbindungen als gedruckte Stromkreise oder als Mikromodul-Stromkreise auszuführen.
Die Speisung des elektronischen Stromkreises erfolgt über eine Batterie 29, insbesondere eine Quecksilberzelle (d. h.
1,3 V). Diese Zelle soll eine konstante, über den grössten Teil ihrer Lebensdauer gleichbleibende Spannung abgeben.
Sie ist an einer passenden Stelle innerhalb des das Schwingsystem aufnehmenden Gehäuses untergebracht und mit einem Anschluss der Antriebsspule 23 und ferner mit dem Kollektor C des Transistors verbunden.
Es sind somit zwei Verbindungswege für den Anschluss der Zelle 29 notwendig. Da nun aber die Stimmgabel aus einem leitenden Material besteht und mit Hilfe des Halters direkt an der Werkplatte befestigt ist, kann der eine Verbindungsweg auch direkt über diese Teile führen. Zu diesem Zwecke ist der Kontakt 30 für den positiven Pol direkt an der Werkplatte angebracht.
Der Kontakt 31 für den negativen Pol der Batterie muss dagegen mit der durch die Zinke 11 getragenen Antriebsspule 23 verbunden werden. Hierbei ist es sehr wichtig, dass diese Verbindung die Schwingungsbewegung der Stimmgabel nicht beeinträrhtigt. Aus diesem Grunde besteht diese Verbindung aus einem U-förmig gebogenen, schlanken Leiter 32 aus einem Federmetall. Mit Vorzug ist dieses Metall eine temperaturkompensierende Legierung, deren Eigenschaften dieselben sind wie die Eigenschaften der Legierung, aus welcher die Stimmgabel hergestellt ist.
Die Federkennlinie des nachgiebigen Leiters 32 ist derart, dass die elastische Kraft klein ist im Vergleich zu derjenigen der Zinke 11. Dank dieser Tatsache und des weiteren dank des Umstandes, dass der Temperaturkoeffizient des Leiters 32 gleich ist wie derjenige der Stimmgabel, gelingt es, den ungünstigen Einfluss des Leiters auf den Q-Faktor und den Wirkungsgrad der Gabel klein zu halten. Dieser Einfluss ist praktisch vernachlässigbar. Anstelle des Federdrahtes 32 könnte man auch einen hochflexiblen Haardraht benützen.
Die Betriebsfrequenz der Stimmgabel ist nicht durch die Gabel an sich, sondern durch die kombinierte Masse der Zinken und der daran montierten Elemente bestimmt. Um einen möglichst hohen Betriebswirkungsgrad zu erhalten, ist es wesentlich, dass die Schwerpunkte der oszillierenden Massen mit Bezug auf die Längsmittelachse der Gabel symmetrisch liegen. Das magnetische Element ist daher derart zu dimensionieren, dass seine Masse und sein Schwerpunkt weitgehend der Masse und dem Schwerpunkt der Spulen- und Stromkreisanordnung 17 auf der Zinke 11 entsprechen.
Schmale Abweichungen der Frequenz lassen sich mit vorbekannten Mitteln korrigieren.
Bei dem in den Fig. 2 und 3 gezeigten Stromkreis ist die Antriebsspule 23 einerseits mit dem Emitter E des Transistors und anderseits über die Batterie 29 mit dem Kollektor C verbunden. Der Kollektor ist über den Widerstand 27 mit der Basis B des Transistors verbunden, welche ihrerseits über den Kondensator 26 und die Abfühlspule an den Emitter E angeschlossen ist.
Während des Betriebes, solange der Transistor 25 vor übergehend leitend ist, fliesst ein von der Zelle 29 abgeleiteter Stromimpuls durch die Antriebsspule 23. Das resultierende magnetische Feld bewirkt die Entstehung eines axialen Schubes am magnetischen Element 16 und eine gleich starke, entgegengesetzte Reaktion an der Spulen- und Stromkreiseinheit 17. Da nun das magnetische Element 16 von der einen Zinke und die Stromkreiseinheit 17 von der anderen Zinke getragen ist, werden die beiden Zinken in entgegengesetzter Richtung ausgebogen.
Die gegenseitige Bewegung des magnetischen Elementes 16 und der Stromkreiseinheit 17 induziert in der Antriebsspule 23 und in der Abfühlspule eine Gegen-EMK. Weil diese Gegenspannung von der Stimmgabelschwingung abhängt, hat sie Form einer Wechselspannung, deren Frequenz gleich ist wie diejenige der Stimmgabel. Die in der Abfühlspule 24 induzierte Spannung ist an die Basis B des Transistors angelegt und überwindet dort eine durch den Widerstand 27 und den Kondensator 26 bestimmte Vorspannung, so dass der Moment bzw. die Phasenposition, während welcher im Verlaufe jedes Schwingzyklus ein Antriebsimpuls freigegeben wird, genau bestimmt ist.
Die in der Antriebsspule entstehende Gegen-EMK ist gegenüber der zwischen dem Emitter E und dem Kollektor C liegenden Batteriespannung entgegengesetzt gerichtet. Die Batteriespannung hat einen konstanten Wert, wogegen die Gegen-EMK von der Zinkenamplitude abhängt. Während der leitenden Periode ist der Transistor durch die algebraische Summe der Batteriespannung und der Gegen-EMK gesteuert, so dass die Amplitude der Stimmgabelschwingung reguliert wird. Das Verhalten eines derartigen Stromkreises ist in der schweizerischen Patentschrift Nr. 353 311 eingehend erläutert.
Man muss sich vor Augen halten, dass bei gleicher Frequenz und Vibrationsamplitude die beim neuartigen Schwingsystem in einer einzigen Spule induzierte Spannung die gleiche ist wie die Summe der in den beiden Spulen der vorbekannten Anordnung induzierten Spannungen, sofern in beiden Systemen die gleichen Spulen und Magnete zur Verwendung kommen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass im Falle des erfindungsgemässen Systems die relative Bewegung zwischen Spule und Magnet doppelt so gross ist, weil beide in Gegenphase schwingen.
Das beschriebene Schwingsystem hat gegenüber dem bekannten System drei grundlegende Vorteile. Es beansprucht weniger Platz und gestattet die Herstellung sehr raumsparender Zeitmessgeräte. Die Tatsache, dass es gelingt, die mechanischen Antriebsimpulse an beiden Zinken genau gleich gross zu halten, führt zu einer optimalen Arbeitsweise des Systems.
Ferner gestattet die einfache Ausbildung des Systems eine Herabsetzung der Produktionskosten bei gleichzeitiger Erhöhung der Betriebssicherheit.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 6 ist die Stimmgabel wiederum durch einen einzigen Transduktor angetrieben.
Dieser setzt sich aus einem an der Zinke 10 befestigten magnetischen Element 33 und einer durch die Zinke 11 getragenen Spulen- und Stromkreiseinheit 34 zusammen. Im Gegensatz zu den weiter oben beschriebenen Ausführungsbeispielen hat das magnetische Element eine hufeisenförmige Gestalt.
Zwei Pole S und N erstrecken sich in einer zu den Längsachsen der Zinken senkrechten Richtung und begrenzen einen Luftspalt.
Ein in Form einer Rolle bzw. eines Haspels ausgeführter, mit der Zinke 11 verbundener Träger 35 nimmt in einer umlaufenden Nut 35a eine Antriebsspule 23 und eine Phasenabfühlspule 24 auf. Diese beiden Spulen ragen in den Luftspalt zwischen den Magnetpolen N und S. In einer Vertiefung 35b des Trägers 35 sind die gemäss Fig. 2 und 3 mit den Spulen zusammengeschalteten Stromkreiselemente 25, 26 und 27 angeordnet. Diese Art der Verwirklichung der Erfindung hat dieselben Vorteile wie die bereits besprochenen Ausführungsformen.
Im Falle des Zeitmessgerätes nach Fig. 6 liegt lediglich ein Teil der Spulen 23 und 24 innerhalb des Luftspaltes des Hufeisenmagnets. Zwecks Vergrösserung des von diesen Spulen erfassten Flusses können gemäss Fig. 7 die von der Zinke 11 gehaltenen Spulen 23 und 24 mit zwei Luftspalten zusammen wirken, und zwar einem Luftspalt des Hufeisenmagnets 36 und einem Luftspalt des Hufeisenmagnets 37. Die beiden Magnete sind an der Zinke 10 mit Hilfe eines nichtmagnetischen Jochs 38 befestigt. Diese Magnete können, wie in Fig. 7 dargestellt, eine Kreisform haben oder wie das magnetische Element in Fig. 6 rechteckig ausgebildet sein. Der elektronische Stromkreis ist in Anlehnung an das Beispiel nach Fig. 6 innerhalb des Spulenträgers untergebracht.
Die Fig. 8 zeigt eine Möglichkeit, in welcher zwei parallel mit Abstand zueinander angeordnete Stabmagnet: 39 und 40 durch nichtmagnetische Rahmenglieder 41 und 42 zusammen gehalten sind. Die Pole der beiden Stabmagnete sind abgewinkelt und definieren in dieser Weise die Luftspalte.
Schliesslich illustriert die Fig. 9 eine Verkörperung des Erfindungsgedankens, bei welcher ein einzelnes magnetisches Element 43 mit auf beiden Seiten angebrachten Ausschnitten versehen ist. Diese Ausschnitte bilden Luftspalte, in welche die Spulen ragen. Je nach der Bewegungsbahn der Spulen wird man die beiden Schlitze geneigt oder gebogen gestalten.
Zweckmässigerweise wird man mit Rücksicht auf den bogenförmigen Schwingungsweg der vibrierenden Zinken auch bei den Beispielen nach Fig. 7 und 8 die Luftspalte in ähnlicher Weise ausbilden. Die Transduktoren der in Fig. 7, 8 und 9 gezeigten Schwingsysteme haben im wesentlichen die gleiche Arbeitsweise wie die Transduktoren der weiter oben beschrie benen Ausführungsbeispiele.