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.
The invention relates to an electromagnetically driven oscillating system for a timepiece with a tuning fork, a permanent magnetic element carried by a fork prong, a coil which protrudes into an air gap of said magnetic element through which the magnetic lines of force flow and interacts with this element, and furthermore an electronic circuit unit connected to the coil, the whole being designed in such a way that a drive pulse is generated in the coil with each tuning fork oscillation.
Timing devices with such oscillation systems have already become generally known. In these watches, each fork prong has a permanent magnetic element with an air gap each into which a stationary coil protrudes. By means of a suitable connection of the coil windings with the components of a circuit unit carried by the work plate, it is known that a transistor can be periodically unblocked and correspondingly periodic drive pulses can be generated.
These timing devices have the disadvantage that the oscillation system takes up a lot of space. The attempt to reduce the size of the oscillating system is opposed to the reduction in efficiency. So you cannot simply miniaturize proven systems on a linear scale.
The aim of the invention is to create a simplified and space-saving oscillating system, the efficiency of which is sufficiently high to ensure that the tuning fork can be driven with a low-capacity battery over a longer period of time. The oscillation system according to the invention is characterized in that both the said coil and the electronic circuit unit connected to it are attached to the other fork prong, and that the mass consisting of the coil and circuit unit is at least approximately the same as the mass of the magnetic element.
If this rule is followed, the mechanical impulses acting on the two tines are the same. This symmetry increases the performance of the system to a considerable extent. In addition, the entire oscillatable arrangement is not only relatively cheap, but also uniform and compact. Thanks to the combination of coil and electronic circuit unit, it is possible to get by with a minimum of flexible lead wires between the parts that participate in the vibration of the tuning fork and the non-vibrating parts.
It has previously been proposed in printed literature to equip a timepiece with a tuning fork, one prong of which is provided with a permanent magnet, while the other prong carries a coil that interacts with this magnet. In the case of this earlier proposal, however, the circuit unit is not united with the coil, and no special care has been taken to keep the masses attached to the two prongs the same or at least approximately the same. Finally, the magnetic element is not equipped with an air gap. For these reasons, it was also not possible to achieve the advantages aimed at with the invention in terms of efficiency and space requirements.
Furthermore, it was also known to arrange the circuit unit in the interior of a flat coil which cooperates with permanent magnets carried by the prongs of a tuning fork. With this measure, the aim was merely to utilize the free space enclosed by the wire windings in the coil, which is otherwise fixedly arranged on the work plate.
Several exemplary embodiments of the subject matter of the invention are described below with reference to the drawing. They represent:
1 shows a perspective view of an embodiment with a feed battery arranged outside the oscillating system,
2 shows a preferred arrangement of the circuit elements on a tuning fork prong,
3 shows a diagram of the transistor circuit with the associated transductor coils,
4 is an exploded view of the electromagnetic transducer elements and the control circuit unit carried by a tuning fork prong;
5 shows a longitudinal section through the transducer and the circuit unit,
6 shows a sectional view through an embodiment with an electromagnetic transducer of a different type,
7 shows a schematic view of a different transducer arrangement,
Fig.
8 another type of transducer,
9 shows a further embodiment of the transductor.
1-5 show an electronic time measuring device with a unified tuning fork oscillating system according to the invention that acts as a time standard. There is the possibility of using the invention, in addition to tuning forks, also for vibrators of other types in which two oscillating members oscillate in opposite phase. For example, torsion forks or a pair of tongues or lamellae that can vibrate are possible.
The oscillating system illustrated in the example according to FIGS. 1-5 has a U-shaped tuning fork with two prongs
10 and 11 and a holder 12 protruding from the fork base. The latter is held on the work plate of the timepiece. The vibratory movement of the tuning fork is converted into a rotary movement with the help of a mechanical movement converter. This converter consists of a pawl 13 attached to a pin protruding from the prong 10, the stone-studded end of which engages the teeth of a ratchet wheel 14 in such a way that the wheel 14 is indexed one tooth with each forward stroke of the pawl. Rotation of the ratchet wheel 14 in the reverse direction is prevented by a brake pawl 15, of which one end set with stones is in engagement with the ratchet wheel 14, while the other end is held by a pin attached to the work plate.
The speed of the ratchet wheel 14 is determined by the operating frequency of the tuning fork and the ratio of this frequency to the number of teeth of the wheel 14. The rotary motion is transmitted to the hands by a suitable gear train. The tuning fork has neither pivot pins nor bearings. Their time-keeping effect is therefore independent of the effects of friction. Although a mechanical motion converter is shown, the tuning fork could of course also be used in conjunction with a magnetic escapement or other device for converting the oscillating motion into any kind of motion or form of energy.
A single transducer is provided to keep the tuning fork vibrating at its natural frequency. This is composed of a magnetic element attached to the end of the prong 10 (generally designated 16) and a coil and transistor circuit unit (generally designated 17).
The magnetic element 16 consists of a substantially cylindrically shaped cup 18 made of ferromagnetic material, such as. B. iron, and a coaxially arranged therein, rod-shaped permanent magnet 19 made of Alnico or a similar material. The bar magnet 19 is held on the end wall of the cup 18, whereby a magnetic circuit is created in which lines of magnetic flux run through the annular air gap between the outer cup and the inner rod.
The cup 18 is longitudinally slotted in accordance with two diametrically opposed planes, so that openings 18a and 18b are created which allow a substantial reduction in the transductor dimensions with relatively low scattering of the magnetic field. In addition to reducing the space taken up by the cups, the creation of a
Damping through compression of the air gap
Air prevents. The end of the fork prong 10 is attached to the side of the cup 18, in the middle of the same.
The central axes of rod 19 and prong 10 are perpendicular to one another.
The coil and circuit unit 17 is supported by the prong 11. For this purpose, a mounting and retaining ring 20 with a rectangular cross section is provided. In the upright position, the ring 20 is connected to the prong end in such a way that its longitudinal axis coincides with the longitudinal axis of the rod 19. The outer diameter of the ring corresponds essentially to that of the cup 18. A tubular carrier 21 made of a suitable insulating material, such as plastic, lies telescopically in the ring 20 and protrudes into the circular air gap of the magnetic element 16.
The carrier 21 has a comparatively long front section 21a, the outer diameter of which is somewhat smaller than the inner diameter of the ring 20, and also a short rear section 21b, the outer diameter of which corresponds to the outer ring diameter. This forms a shoulder 21c which bears against the flat end of the ring 20. Ring 20 and carrier 21 are held together by screws 22 which run through bores in section 21b and sit in threaded bores in ring 20. The two parts can also be riveted to one another or connected by gluing.
The front section 21a of the carrier projecting concentrically into the air gap is equipped with a circumferential recess for receiving a drive coil 23 and a sensing coil 24. The sensing coil can be wound over the drive coil, or the two coils can be arranged side by side. Furthermore, the two coils can also be designed as a bifilar arrangement.
The circuit elements interacting with the coils are accommodated in the hollow rear section 21b.
These elements are illustrated in the block diagram of FIG. 2 and in the connection diagram of FIG. It is an NPN transistor with an emitter E, a collector C and a base B, a capacitor 26 and a resistor R. These elements are cylindrical and are held by connecting wires, which in turn are held with connecting pins held in the ring-shaped end of the carrier 28 are connected. In practice it will often be preferred to implement these circuit components and the connections as printed circuits or as micro-module circuits.
The electronic circuit is powered by a battery 29, in particular a mercury cell (i.e.
1.3 V). This cell should deliver a constant voltage that remains constant for most of its service life.
It is accommodated at a suitable location within the housing accommodating the oscillating system and is connected to a connection of the drive coil 23 and also to the collector C of the transistor.
Two connection paths are therefore necessary for connecting the cell 29. But since the tuning fork is made of a conductive material and is attached directly to the work plate with the help of the holder, the one connection path can also lead directly over these parts. For this purpose, the contact 30 for the positive pole is attached directly to the work plate.
The contact 31 for the negative pole of the battery, on the other hand, must be connected to the drive coil 23 carried by the prong 11. Here it is very important that this connection does not impair the vibratory movement of the tuning fork. For this reason, this connection consists of a U-shaped bent, slender conductor 32 made of a spring metal. This metal is preferably a temperature-compensating alloy whose properties are the same as the properties of the alloy from which the tuning fork is made.
The spring characteristic of the flexible conductor 32 is such that the elastic force is small compared to that of the prong 11. Thanks to this fact and also thanks to the fact that the temperature coefficient of the conductor 32 is the same as that of the tuning fork, it is possible to achieve the to keep the negative influence of the conductor on the Q-factor and the efficiency of the fork small. This influence is practically negligible. Instead of the spring wire 32, a highly flexible hair wire could also be used.
The operating frequency of the tuning fork is not determined by the fork itself, but by the combined mass of the prongs and the elements mounted on them. In order to obtain the highest possible operating efficiency, it is essential that the centers of gravity of the oscillating masses are symmetrical with respect to the longitudinal center axis of the fork. The magnetic element is therefore to be dimensioned such that its mass and its center of gravity largely correspond to the mass and center of gravity of the coil and circuit arrangement 17 on the prong 11.
Narrow deviations in the frequency can be corrected with previously known means.
In the circuit shown in FIGS. 2 and 3, the drive coil 23 is connected on the one hand to the emitter E of the transistor and on the other hand to the collector C via the battery 29. The collector is connected via the resistor 27 to the base B of the transistor, which in turn is connected to the emitter E via the capacitor 26 and the sensing coil.
During operation, as long as the transistor 25 is temporarily conductive, a current pulse derived from the cell 29 flows through the drive coil 23. The resulting magnetic field creates an axial thrust on the magnetic element 16 and an equally strong, opposite reaction on the coils - and circuit unit 17. Since the magnetic element 16 is now carried by one prong and the circuit unit 17 is carried by the other prong, the two prongs are bent in opposite directions.
The mutual movement of the magnetic element 16 and the circuit unit 17 induces a back EMF in the drive coil 23 and in the sensing coil. Because this counter-voltage depends on the tuning fork oscillation, it has the form of an alternating voltage, the frequency of which is the same as that of the tuning fork. The voltage induced in the sensing coil 24 is applied to the base B of the transistor and there overcomes a bias voltage determined by the resistor 27 and the capacitor 26, so that the moment or the phase position during which a drive pulse is released in the course of each oscillation cycle, is precisely determined.
The back EMF generated in the drive coil is directed in the opposite direction to the battery voltage between the emitter E and the collector C. The battery voltage has a constant value, whereas the back EMF depends on the tine amplitude. During the conducting period, the transistor is controlled by the algebraic sum of the battery voltage and the back EMF so that the amplitude of the tuning fork oscillation is regulated. The behavior of such a circuit is explained in detail in Swiss Patent No. 353 311.
One must keep in mind that with the same frequency and vibration amplitude, the voltage induced in a single coil in the new vibration system is the same as the sum of the voltages induced in the two coils of the previously known arrangement, provided that the same coils and magnets are used in both systems Use come. This is due to the fact that in the case of the system according to the invention the relative movement between the coil and the magnet is twice as great because both oscillate in opposite phase.
The oscillation system described has three fundamental advantages over the known system. It takes up less space and allows the production of very space-saving timepieces. The fact that it is possible to keep the mechanical drive impulses on both tines exactly the same leads to an optimal functioning of the system.
Furthermore, the simple design of the system allows a reduction in production costs with a simultaneous increase in operational reliability.
In the embodiment of FIG. 6, the tuning fork is again driven by a single transducer.
This is composed of a magnetic element 33 fastened to the prong 10 and a coil and circuit unit 34 carried by the prong 11. In contrast to the exemplary embodiments described above, the magnetic element has a horseshoe shape.
Two poles S and N extend in a direction perpendicular to the longitudinal axes of the prongs and define an air gap.
A carrier 35 in the form of a roller or a reel and connected to the prong 11 accommodates a drive coil 23 and a phase sensing coil 24 in a circumferential groove 35a. These two coils protrude into the air gap between the magnetic poles N and S. The circuit elements 25, 26 and 27 connected to the coils according to FIGS. 2 and 3 are arranged in a recess 35b of the carrier 35. This way of realizing the invention has the same advantages as the embodiments already discussed.
In the case of the timing device according to FIG. 6, only a part of the coils 23 and 24 lies within the air gap of the horseshoe magnet. In order to increase the flux detected by these coils, the coils 23 and 24 held by the prong 11 can work together with two air gaps, namely an air gap of the horseshoe magnet 36 and an air gap of the horseshoe magnet 37. The two magnets are on the prong 10 attached by means of a non-magnetic yoke 38. These magnets can, as shown in FIG. 7, have a circular shape or, like the magnetic element in FIG. 6, be rectangular. The electronic circuit is housed within the coil carrier based on the example of FIG.
8 shows a possibility in which two bar magnets 39 and 40, which are arranged parallel and spaced apart from one another, are held together by non-magnetic frame members 41 and 42. The poles of the two bar magnets are angled and thus define the air gaps.
Finally, FIG. 9 illustrates an embodiment of the idea of the invention, in which a single magnetic element 43 is provided with cutouts on both sides. These cutouts form air gaps into which the coils protrude. Depending on the path of movement of the coils, the two slots are designed to be inclined or curved.
Expediently, in consideration of the arcuate oscillation path of the vibrating prongs, the air gaps in the examples according to FIGS. 7 and 8 will also be formed in a similar manner. The transducers of the oscillating systems shown in FIGS. 7, 8 and 9 have essentially the same mode of operation as the transducers of the exemplary embodiments described above.