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Kontaktloses Antriebs- und Steuersystem für ein zeithaltendes elektrisches
Gerät, insbesondere eine elektrische Uhr Die Erfindung bezieht sich auf ein kontaktloses
Antriebs-, und Steuersystem für ein zeithaltendes elektrisches Gerät, insbesondere
eine elektrische Uhr, bei welchem durch Relativbewegung zwischen einem schwingenden
Steuerelement, vorzugsweise einem mit der Unruh schwingenden Permanentmagneten,
und einer Steuerspule in dieser ein Steuerimpuls erzeugbar ist; der über eine elektrische
Schaltung, vorzugsweise eine Transistorschaltung, eine Triebspule für den Antrieb
des gangordnenden mechanischen Schwingers, vorzugsweise der Unruh, mit entsprechenden
Antriebsimpulsen steuert.
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Es wurden bereits Systeme dieser Art vorgeschlagen, bei welchen das
Steuerelement im Bereiche sowohl der Steuerspule als auch der Triebspule durchschwingt,
welche beiden Spulen ohne mechanische Verbindung mit dem Steuerelement außerhalb
des Schwingbereiches des Steuerelementes nebeneinander angeordnet waren, so daß
beide der genannten Spulen im magnetischen Kreis des Steuerelementes lagen und die
gegenseitige Stellung von Steuerspule und Triebspule nur schwer verändert werden
konnte.
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Zur Justierung des Systems, insbesondere auch zur Veränderung der
Lage des Antriebsimpulses relativ zum Nulldurchgang der Schwingung, ist nun aber
eine relativ leichte Veränderung der gegenseitigen Lage der beiden Spulen erwünscht.
Des weiteren gibt es Fälle, wo ein beidseitiger Antriebsimpuls zumindestens eine
gleichmäßigere Ausnutzung der Energie bewirkt, welche Art der Impulsgebung regelmäßig
dann nicht möglich ist, wenn das Steuerelement und das Triebelement im gleichen
magnetischen Kreise liegen.
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Das Ziel der Erfindung besteht in Schaffung eines Antriebs- und Steuersystems
der genannten Art, bei welchem die Justierung erleichtert und ein beidseitiger Antrieb
ermöglicht ist.
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Das erfindungsgemäße System ist dadurch gekennzeichnet, daß das die
Steuerspule beeinflussende Steuerelement, vorzugsweise der schwingende Steuermagnet,
und das von der Triebspule beeinflußte Triebelement, vorzugsweise ein mit der Unruhwelle
verbundener Triebanker, in magnetisch getrennten Kreisen liegen und gegeneinander
verstellbar, vorzugsweise auf der Unruhwelle verdrehbar, angeordnet sind.
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Des weiteren war bei den schon vorgeschlagenen Transistorschaltungen
die Steuerspule direkt mit der Basis des Transistors verbunden, was ebenfalls eine
genaueste Justierung darum erschwerte, weil die Antriebsimpulse relativ lang und
demzufolge auch wenig scharf waren und dazuhin keine Möglichkeit bestand, die Länge
der Impulse den besonderen Eigenschaften eines besonderen Antriebssystems anzupassen.
Die Justierung kann nun gemäß zweckmäßiger Weiterbildung der Erfindung weiter dadurch
verbessert werden, daß in dem Kreis zwischen der Steuerspule und der Steuerelektrode
des elektrischen Gliedes, insbesondere der Basis des Transistors, ein Kondensator
in Reihe geschaltet ist.
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In der Zeichnung, die sich auf die Darstellung derjenigen Elemente,
die zum Verständnis der Erfindung notwendig sind, beschränkt, ist schematisch eine
beispielsweise Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt.
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Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch die Vorrichtung nach der Linie I-I
in Fig. 2; Fig. 2 ist eine Draufsicht in Richtung der Pfeile II in Fig. 1; Fig.
3 veranschaulicht das Schaltschema der betreffenden Ausführungsform, und die Fig.
4 bis 7 sind Diagramme zum besseren Verständnis der Funktionsweise.
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Die in der Zeichnung dargestellte Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Systems bezieht sich auf eine elektrische Uhr und besitzt eine Unruh 1, deren Achse
2 in zwei Lagern drehbar gelagert ist, von denen das eine in der Grundplatte 3 und
das andere im Rückenkloben 4 und im Rückenplättchen 5 befestigt ist, wobei wie üblich
der Rücken 6 um das Rückerplättchen 5 drehbar angeordnet ist. Der Rückerklo#ben
4 besitzt einen nicht dargestellten Ansatz, in welchem ein ebenfalls nicht dargestellter,
am Ende der Spiralfeder befestigter Stift eingesetzt ist. Das innere Ende der Spiralfeder
ist seinerseits mit einer auf die Achse 2 aufgepreßten Zwinge 8 verbunden. Wie
bei
einem gewöhnlichen Uhrwerk ist die Unruh 1 in der Lage, Schwingungen von mindestens
angenähert konstanter Frequenz auszuführen, unter der Voraussetzung, daß die Amplitude
dieser Schwingungen ebenfalls konstant ist.
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Senkrecht zur Achse 2 ist an dieser das Triebelement 9 aus ferromagnetischem
Material befestigt. Das Triebelement 9 (Fig. 2) hat im wesentlichen, die Form eines
gleichseitigen Dreieckes, welches an seinen Ecken Vorsprünge 10, 10' und 10" besitzt.
Die Form aller dieser Vorsprünge ist dieselbe und entspricht ungefähr derjenigen
eines Kreisringabschnittes.
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Auf der Achse 2 sitzt weiter der durch Verdrehung verstellbare ferromagnetische,
U-förmige Ausleger mit seinen beiden Schenkeln 11 und 11', von denen der Schenkel
11 den stabförmigen, als Steuerelement dienenden, permanenten Magneten
12 trägt.
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Bei einer Verdrehung des Triebelementes 9, zusammen mit der Unruh
1, drehen sich die Vorsprünge 10, 10' und 10" in einer Ebene knapp oberhalb der
beiden Polstücke 13 und 13' eines am Uhrengestell befestigten Elektromagneten, dessen
Spule 17 als Triebspule ausgebildet ist. Diese Polstücke 13 und 13' sind flach und
liegen in einer zur Achse 2 senkrechten Ebene. Sie sind des weiteren so angeordnet,
daß sie möglichst nahe an das Triebelement 9 heranreichen, ohne aber das Durchdrehen
der Vorsprünge oder, wenn der Elektromagnet nicht erregt ist, die freien Schwingungen
der Unruh 1 zu beeinträchtigen. Die Form der Polstücke 13 und 13' entspricht ungefähr
derjenigen des Zwischenraumes zwischen den Vorsprüngen 10, 10' und 10".
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Bei der Stellung der Unruh 1 gemäß den Fig. 1 und 2 befindet sich
der als Steuerelement ausgebildete Magnet 12 unmittelbar oberhalb einer auf einem
mit der Grundplatte 3 verbundenen Träger 15 befestigten Steuerspule 14. Der Magnet
12 und die Steuerspule 14 sind dabei derart angeordnet, daß die beiden Elemente
in dem Zeitpunkt koaxial sind (Fig. 2), wo, einer der Vorsprünge 10, 10' und 10",
in Fig. 2 der Vorsprung 10', des Drehkörpers 9 sich in der Mitte zwischen den Polstücken
13 und 13` des Elektromagneten befindet.
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Aus Fig. 3 ergibt sich, daß die Spule 14, zusammen mit einem Kondensator
19 und einem Widerstand 20 im Eingangskreis (Basis-Emissionselektrode), während
die Spule 17 des Elektromagneten im Ausgangskreis (Emissionselektrode-Sammelelektrode)
eines Transistorverstärkers 16 liegt. Die beiden Kreise werden durch eine Batterie
18 gespeist.
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Solange in der Spule 14 durch das Steuerelement bzw. den Magneten
12 keine Spannung induziert wird, bleibt dank des Kondensators 19 der Ausgangskreis
des Transistors praktisch stromlos, so daß der Elektromagnet nicht genügend erregt
wird, um eine merkbare Wirkung auf das Triebelement 9 auszuüben. Induziert hingegen
der Magnet 12 eine Spannung in der Spule 14, so fließt im Eingangskreis Strom, welcher
durch den Transistor verstärkt in den Ausgangskreis gelangt, wo die Stromstärke
nunmehr von genügender Größe ist, um den Elektromagneten zu erregen, und zwar so,
daß die Polstücke 13 und 13' ein Drehmoment auf das Triebelement 9 ausüben und es
so weit verdrehen, bis zwei Vorsprünge 10, 10' und 10" über den Polstücken 13 und
13' liegen. Die Dauer und die Amplitude des Antriebsimpulses hängen demzufolge von
der Bemessung des Kondensators 19 ab, und die Schaltung dieses Kondensators zwischen
der Spule 14 und die Basis des Transistors, d. h. die Steuerelektrode des elektronischen
Gliedes, erlaubt so die Abgabe eines scharfen und zeitlich präzisen Antriebsimpulses,
von durch die Wahl eines Kondensators von entsprechender Kapazität bestimmbarer
Dauer, was für die Justierung von wesentlicher Bedeutung ist.
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Grundsätzlich könnte an die Stelle der dargestellten und beschriebenen
Transistorschaltung auch eine andere elektrische Schaltung treten.
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Die Wirkungsweise der beschriebenen Einrichtung ist in den Diagrammen
gemäß den Fig. 4 bis 7 näher erläutert.
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In der ersten Stellung gemäß Fig. 4 links schwingt die Unruh in der
Richtung des Pfeiles a; und der Magnet 12 läuft ebengerade über der Spule 14 durch.
In der zweiten Stellung (Mitte) schwingt die Unruh im Sinne des Pfeiles b, und der
Magnet 12 befindet sich in der gleichen Lage wie in der Darstellung links. Die dritte
Stellung rechts entspricht wieder der ersten.
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Da immer der gleiche Pol des Magneten 12 über die gleiche Seite der
Spule 14 durchschwingt, so besitzt der durch die Spule durchtretende magnetische
Fluß stets das gleiche Vorzeichen, und zwar unbekümmert um den Drehsinn der Unruh
1.
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Der Wicklungssinn der Spule 14 und die Polarität des Magneten 12 sind
so gewählt, daß der magnetische Fluß $ durch die Spule stets ein positiver ist,
wie dies in Fig. 5 dargestellt ist.
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Die induzierte Spannung ,
ist im Diagramm gemäß Fig. 6 dargestellt. Der sich daraus ergebende Strom im Eingangskreis
des verläuft ähnlich wie die induzierte Spannung E. Bei beschriebenen Schaltung
der Spule 14 im Transistoreingangskreis werden nur die positiven verstärkt, während
die negativen Impulse unterdrückt werden. Daraus ergibt sich, daß die durch den
Magneten 12 in der Spule 14 induzierte Spannung - vom Zeitpunkt wo der Magnet 12
in eine Winkelstellung zur Spule 14 gelangt, bei der sein Magnetfeld durch die Spule
14 geschnitten wird, bis zur Koaxialität von Spule und Magnet -Stromfluß im Ausgangskreis
des Verstärkers zur Folge hat, so daß auch jegliche Einwirkung auf die Triebspule
17 ausbleibt. Diese letzte wird demzufolge auch nicht erregt, und die Polstücke
13, 13' üben kein Drehmoment auf das. Triebelement 9 aus.
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Daraus und insbesondere aus den Diagrammen gemäß den Fig. 6 und 7
gehst hervor, daß in der Spule 17 nur dann ein Strom fließt, wenn sich der Magnet
12 aus der zur Spule 14 koaxialen Stellung berträgt man diese Erkenntnisse gemäß
dem Diagramm nach Fig. 7 auf Fig. 2, so stellt man fest, daB; Wenn die Unruh 1 seich
in einer Stellung die des Magneten 12 entspricht, wenn er die in Fig.2 untere Extremallage
erreicht hat und demzufo g von Spiralfeder 7 im Uhrzeigersinn verdreht wird, diese
Unruh sich ausschließlich unter der Feder bis in die in Fig.2 darg stell Stellung
verdreht, wo der Magnet 12 und die Spule 14 koaxial sind. Die Unruh verdreht sich
dann im gleichen Sinne weiter, wodurch die Vorsprünge 10 und 10' in der Richtung
gegen die Polstücke 13 und 13' hin bewegt werden. Gleichzeitig wird der Elektromagnet
erregt, und seine Polstücke 13,13' üben kurzzeitig, d. h. bis das Feld des aus der
Spule 14 ausgetreten ist, ein im Uhrzeigersinn gerichtetes Drehmoment auf das Triebelement
und
damit auf die Unruh 1 aus. Die Dauer der Wirkung dieses Drehmoments ergibt sich
aus dem schraffierten Kreisausschnitt in der ersten Stellung gemäß Fig. 7. Die Kraftübertragung
hört auf, bevor die Vorsprünge 10 und 10' völlig über den entsprechenden Polstücken
13 und 13' liegen.
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Befindet sich die Unruh in der anderen Extremstellung, in welcher
der Magnet 12 seine in Fig. 2 oberste Stellung erreicht hat, so wird, sie sich unter
Wirkung der Feder im Gegenuhrzeigersinn zu bewegen beginnen., welche ausschließlich
durch die Spiralfeder bewirkte Bewegung solange andauert, bis die in Fig. 2 dargestellte
Mittellage erreicht ist. Von diesem Zeitpunkt an und bis die Unruh 1 den beim mittleren
Diagramm in Fig. 7 gestrichelten Winkel durchlaufen hat, wird der Elektromagnet
erregt, und seine Polstücke 13 und 13' ziehen die Vorsprünge 10' und 10" an. Gleich
wie bei der vorher beschriebenen Schwingungsperiode hört die von den Polstücken
herrührende Kraftübertragung auf das Triebelement 9 und die Unruh 1 auf, bevor die
untere Extremlage erreicht ist, d. h. die Vorsprünge 10' und 10" völlig über den
Polstücken 13 und 13' liegen.
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Daraus geht hervor, daß die Unruh alterinierende Impulse erhält, und
zwar immer in der Richtung ihrer Drehung und immer dann, wenn der Magnet 12 im einen
oder anderen Drehsinn über die Spule 14 durchschwingt.
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An Stelle des stabförmigen permanenten Magneten 12, welcher am U-förmigen
Ausleger 11, 11' aus ferromagnetischem Material befestigt ist, könnte auch ein der
Form des Auslegers 11, 11' entsprechender Permamentmagnet treten, dessen Schenkel
gerade so weit auseinanderliegen würden, daß die Spule 14 zwischen ihnen Platz findet.
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Schließlich wäre es auch möglich, auf der Achse 2 einen Magnetring
zu befestigen mit zwei Armen aus ferromagnetischem Material, ähnlich denjenigen,
welche in der Zeichnung mit 11 und 11' bezeichnet sind.
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Was die Schaltung angeht, so wäre es auch denkbar, an Stelle der Serienschaltung
des Kondensators 19 der Spule 14 und des Widerstandes 20 im Eingangskreis des Verstärkers
(vgl. Fig. 3) nur den Kondensator 19 und die Spule 14 in Serie und parallel zu den,
beiden genannten Elementen den Widerstand 20 zu schalten.
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Man könnte auch den Kondensator 19 und den Widerstand 20 aus der Schaltung
weglassen, die Batterie 18 in den Kreis der Sendeelektrode-Sammelelektrode des Transistors
einbeziehen und die Spule einerseits mit der Grundelektrode und andererseits mit
dem positiven Pol der Batterie 18 verbinden.
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An die Stelle eines aus einem einzigen Transistor bestehenden Verstärkers
könnte auch ein zweistufiger Verstärker mit zwei Transistoren treten. In einem solchen
zweistufigen Verstärker könnten die Sendeelektroden der Transistoren miteinander
und dem positiven Pol der Batterie über einem entsprechenden Widerstand verbunden
sein, während in diesem Falle der negative Batteriepol sowohl am einen Ende der
Spule 14 als auch der Triebspule 17 liegen würde. In diesem Falle ist der positive
Batteriepol über entsprechende Widerstände mit den Grundelektroden beider Transistoren
und mit der Sammelelektrode des ersten Transistors verbunden, während das andere
Ende der Spule 14 über einen Kondensator an die Grundelektrode des ersten Transistors,
und das andere Ende der Triebspule 17 an die Sammelelektrode des zweiten Transistors
angeschlossen ist. Dabei wäre weiter die Sammelelektrode des ersten Transistors
über einen zwischen den Anschlußstellen derjenigen Widerstände, über welche der
negative Batteriepol an der Sammelelektrode des ersten und der Grundelektrode des
zweiten Transistors liegt, angeordneten Kondensator mit der Grundelektrode des zweiten
Transistors zu verbinden.
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Nimmt man endlich an, daß die Spiralfeder 7 so eingestellt ist, daß
in ihrer Ruhelage der Magnet 12 koaxial zur Spule 14 liegt (Fig. 2), so ergibt sich
aus der beschriebenen Einrichtung, daß die Unruh 1 ihren Impuls nach Durchlaufen
dieser Mittellage erhält. Versuche haben gezeigt, daß es vorteilhafter ist, der
Unruh den Impuls kurz vor der, genannten Mittellage zu erteilen. Dies ist bei einer,
wie oben erwähnt, eingestellten Spiralfeder leicht möglich. So genügt es zu diesem
Zweck, die Ausleger 11, 11' um 60° um die Achse 2 zu verdrehen, so daß sie beispielsweise
unter den Vorsprung 10 zu liegen kommen und die Anschlüsse der Spule 14 zu vertauschen.
Eine solche Veränderung hat zur Folge, daß nunmehr die in Fig. 6 gestrichelten Spannungsimpulse
verstärkt werden, so daß der Elektromagnet kurz vor dem Zeitpunkt erregt würde,
in welchem die Vorsprünge 10', 10" über den Polstücken 13 und 13' liegen.
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Es ist selbstverständlich, daß diese Veränderungsmöglichkeit besteht,
unbekümmert um die Art des verwendeten Permanentmagneten (U-förmiger Magnet oder
Ringmagnet) und unbekümmert um die Art des verwendeten Verstärkers.