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Kontaktlos über elektronische Schaltungen gesteuerter Gangordner eines
elektrischen Zeitmessers Die Erfindung bezieht sich auf einen kontaktlos über elektronische,
z. B. Transistorschaltungen gesteuerten Gangordner eines elektrischen Zeitmessers,
vorzugsweise Unruh einer elektrischen Uhr, insbesondere Kleinuhr, bei dessen Bewegung
durch die Nulllage sowohl bei der Hinschwingung als auch bei der Rückschwingung
in einem Steuerelement, vorzugsweise durch Induktionsänderung eines axial polarisierten
Unruhmagneten in einer Steuerspule, gleichartige Steuerimpulse im Eingangkreis der
elektronischen Schaltung erzeugbar sind, während im Aus-. gangskreis der elektronischen
Schaltung in einem Triebelement, vorzugsweise einer Triebspule, kurzfristige Antriebsimpulse
entstehen, die auf den Gangordner, z. B. ein magnetisch beeinflußbares Teil an diesem,
antreibend übertragbar sind.
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Bei bekannten bzw. vorgeschlagenen Anordnungen dieser Art sind Steuerelement
und Triebelement, also z. B. eine oder mehrere Steuerspulen und eine oder mehrere
Triebspulen, teilweise - bezüglich der Schwingungsrichtung des Gangordners um einen
relativ geringen Betrag gegeneinander versetzt angeordnet, was dazu führt, daß entweder
die Steuerelemente oder aber die Triebelemente bezüglich des Nulldurchganges der
Schwingung des Gangordners nicht symmetrisch liegen. Jede solche Asymmetrie führt
nun bei den bekannten bzw. vorgeschlagenen Anordnungen dazu, daß es z. B. wohl möglich
ist, bezüglich des Nulldurchganges der Schwingung des Gangordners zeitlich symmetrische
Steuersignale und auch Antriebssignale zu erzeugen, daß es aber unmöglich wird,
alle diese Antriebssignale auszunutzen. Es wird bei den bekannten bzw. vorgeschlagenen
Anordnungen jedes zweite Antriebssignal für den Antrieb des Gangordners wirkungslos
bleiben oder sogar bremsend wirken. Da dieses Antriebssignal im allgemeinen einen
durch Transistor oder Elektronenröhre gesteuerten Stromstoß von bedeutendem Energieinhalt
darstellt, geht also bei den bekannten Systemen ein erheblicher Anteil der verfügbaren
Energie verloren, so daß der Wirkungsgrad des Systems notwendigerweise sehr schlecht
ausfällt. Das ist von ganz besonderer Bedeutung, wenn der Gangordner in eine Kleinuhr,
z. B. eine Armbanduhr oder Taschenuhr, eingebaut werden soll, wo immer nur eine
Stromquelle begrenzter Kapazität zur Verfügung stehen wird, mit deren Energie sehr
sparsam umgegangen werden soll.
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Es ist zwar bereits bekannt, unausnutzbare Antriebssignale dadurch
zu vermeiden, daß die Steuersignale je in der Nähe einer Umkehrstelle der Schwingung
des Gangordners erzeugt werden, derart, daß für jede Schwingungsperiode nur ein
einziger Antriebsimpuls entsteht, welcher auch wirklich ausgenutzt wird. Zu diesem
Zwecke ist es beispielsweise bekannt, ein Pendel mit einem Stabmagneten zu versehen,
dessen Pole bei der Pendelschwingung in Spulen eintauchen bzw. diese Spulen verlassen.
Es ist nun möglich, eine Steuerspule und eine Triebspule so anzuordnen, daß das
eine Ende des Stabmagneten in die Triebspule eintaucht, wenn das andere Magnetende
aus der Steuerspule zurückgezogen wird. Die Steuerspule wird beispielsweise so gepolt
in die elektronische Schaltung gelegt, daß stets dann ein Antriebsimpuls in der
Triebspule auftritt, wenn das eine Magnetende aus der Steuerspule austritt und das
andere Ende in die Triebspule eintritt, wobei weiterhin dafür gesorgt ist, daß dieses
andere Spulenende von der stromdurchflossenen Triebspule angezogen wird, wodurch
pro Schwingungsperiode je ein Antriebsimpuls entsteht. Dieses bekannte System läßt
sich aber nicht bei kleineren Zeitmessern anwenden, welche nämlich im allgemeinen
als Gangordner Drehschwinger mit sehr großer Amplitude, also Unruhen, verwenden,
deren Abmessungen gering sind, und wobei auch sehr geringe Kräfte wirksam sind.
Es wäre dabei praktisch ausgeschlossen, etwa an den Umkehrpunkten der Unruhschwingung
die Steuerspannung zu erzeugen, weil dort die auftretenden Geschwindigkeiten so
gering sind, daß kaum genügende magnetische Flußänderungen zur Erzeugung von Steuerspannungen
brauchbarer Größe erzielbar wären. Jedenfalls müßte aber die Ganggenauigkeit des
Gangordners zweifellos darunter leiden, daß die antreibenden
Kräfte
gerade in der Umgebung des Umkehrpunktes der Schwingung angreifen; weil besonders
bei der bei kleinen Abmessungen kaum zu vermeidenden Verwendung von ferromagnetischen
Spulenkernen ein Haftenbleiben des Gangreglers in seiner Umkehrstellung auftreten
kann.
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Die Erfindung zielt darauf hin, die Nachteile der erwähnten bekannten
bzw. vorgeschlagenen Systeme zu beheben und erreicht dies bei Gangordnern der eingangs
genannten Art erfindungsgemäß durch die Verwendung einer an sich bekannten Anordnung
mit symmetrischer Lage von Steuer- und Triebelement, vorzugsweise Steuer- und Triebspule,
zur Nullage des Gangordners, jedoch derart abgewandelt hinsichtlich der Bemessung
der Steuer- und Triebelemente, z. B. der Spulen und ihrer Kerne, und ihrer räumlichen
Anordnung, daß das Triebelement, z. B. die Triebspule, dem Gangordner bei jedem
Nulldurchgang gleichartige, bei Hin- und Rückschwingung in ihrer Kraftrichtung jedoch
abwechselnd entgegengesetzte Antriebsimpulse übermittelt. Es ist also durch die
erfindungsgemäße Anordnung möglich, trotz der Abgabe der Antriebsimpulse an den
Gangordner in der Umgebung des Nulldurchgangs, also bei größter Geschwindigkeit
des Gangordners, alle auftretenden Antriebsimpulse voll auszunützen und damit eine
sprunghafte Verbesserung des Wirkungsgrades gegenüber entsprechenden bekannten bzw.
vorgeschlagenen Anordnungen zu erzielen, bei- welchen notwendigerweise jeder zweite
Antriebsimpuls verlorengeht. Da die Steuerimpulse bei voller Geschwindigkeit des
Gangreglers erzeugt werden, ist es möglich, genügend rasche Änderungen des magnetischen
Flusses und somit brauchbare Steuerspannungen in der Steuerspule zu erhalten. Eine
Beeinflussung der Ganggenauigkeit durch die Antriebsimpulse ist praktisch ausgeschlossen,
weil der Gang-Ordner beim Nulldurchgang maximale kinetische Energie besitzt und
der verhältmäßig geringe Energiezuwachs infolge des Antriebsimpulses die Durchlaufgeschwindigkeit
des Gangordners nur unbedeutend beeinflussen kann.
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Die Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei lediglich
-die Teile dargestellt sind, die zum Verständnis erforderlich sind.
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Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht der wesentlichen .Teile
seines Zeitmessers gemäß der Erfindung, und Fig. 2 zeigt ein Schema der elektrischen
Transistorschaltung.
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Das in Fig. 1 dargestellte Uhrwerk weist als mechanischen, schwingfähigen
Gangordner eine Unruh 1 auf, deren Achse 2 einerseits in der Platine 3 und anderseits
in einer mit der Platine 3 mittels einer Schraube 5 verschraubten Brücke 4 (Unruhkolben)
gelagert ist. Eine Flachspirale 6 üblicher Art ist mit dem inneren Ende an einer
auf der Achse 2 sitzenden Spiralrolle 7 und mit dem äußeren Ende mittels eines Spiralklötzchens
8 an der Brücke 4 befestigt.
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Auf dem Kranz der Unruh 1 ist ein magnetisierbares Stück 9, z. B.
aus Ferroxcuben, gesinterten Ferriten, Weicheisen oder dergleichen Material geringer
Remanenz, angebracht. Eine auf der Welle 2 sitzende Scheibe 10 trägt einen kleinen,
axial polarisierten Stabmagneten 11. In der Nähe der Unruh 1 sind Induktionsspulen
12 und 13 mit magnetisierbaren Kernen derart angeordnet, daß bei schwingender Unruh
1 das Stück 9 frei durch den Luftspalt des Kernes der Spule 12 und der Magnet 11
frei durch den Luftspalt der Spule 13 schwingen kann. Die beiden Induktionsspulen
12 und 13 sind auf der Platine 3 montiert. Diese Induktionsspulen 12 und 13 und
die Teile 9 und 11 sind derart angeordnet, daß das magnetisierbare Stück 9 sich
ganz und symmetrisch innerhalb des Luftspaltes des Kernes der Spule 12 und der Magnet
11 ganz und symmetrisch innerhalb des Luftspaltes des Kernes der Spule 13 befindet,
wenn sich die Unruh in Ruhestellung befindet.
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Das Uhrwerk weist ferner eine Gleichstromquelle 14 auf, die als Primär-
oder Sekundärelement ausgebildet sein kann, in welchem letzten Falle sie mittels
einer photoelektrischen Sperrzelle periodisch aufgeladen werden kann, indem man
die Zelle einer Lichtquelle aussetzt. Das Uhrwerk weist ferner einen elektronischen
Schalter 15 auf, welcher im vorliegenden Falle als Transistor ausgebildet ist.
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Die Induktionsspule 13 ist in den Steuerstromkreis des elektronischen
Schalters, und zwar gemäß Fig. 2 in den Emitter-Basis-Kreis des Transistors 15 geschaltet,
während die Induktionsspule 12 und die Gleichstromquelle 14 in den gesteuerten Stromkreis
des elektronischen Schalters, und zwar gemäß Fig. 2 in den Kollektor-Basis-Kreis
des Transistors 15 geschaltet sind.
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Das Uhrwerk arbeitet wie folgt: Dreht man die Unruh 1 aus ihrer Gleichgewichtslage
heraus und gibt sie dann frei, so beginnt sie zu schwingen, und beim ersten Durchgang
des Magneten 11 durch den Luftspalt des Kerns der Spule 13 wird in dieser Spule
eine Wechselspannung induziert. Diese Spannung wirkt zwischen dem Emitter und der
Basis des Transistors 15. In dem als Beispiel beschriebenen Transistor 15 ist der
Kollektorstrom eine Funktion der an den Sender angelegten Spannung, und zwar ist
der Kollektorstrom Null oder sehr klein, wenn die an den Sender angelegte Spannung
Null oder positiv gegenüber der Basis ist, und der Kollektorstrom ist verhältnismäßig
groß, wenn der Sender bezüglich der Basis negativ ist. Es ist also leicht einzusehen,
daß wenn zwischen dem Emitter und der Basis des Transistors 15 die in der Spule
13 in der erwähnten Weise erzeugte Wechselspannung angelegt wird, der Kollektorstrom
während der positiven Halbwelle der Steuerspannung Null und während der negativen
Halbwelle der Steuerspannung ziemlich hoch ist. Der im Kollektor-Basis-Kreis auftretende
Strom fließt auch durch die Spule 12 und erzeugt in deren Kern ein magnetisches
Feld. Die Schaltung ist nun so angelegt, daß ein negativer Spannungsstoß an den
Sender des Transistors 15 angelegt wird, wenn sich der Magnet 11 der Spule 13 nähert.
Während dieser Annäherung des Magneten 11 wird also der Kollektorstrom und damit
der Strom in der Spule 12 ansteigen, so daß der Kern der Spule 12 magnetisiert wird
und das magnetisierbare Stück 9 der Unruh 1 anzieht. Da der Magnet 11 und das Stück
9 gleichzeitig in die entsprechenden Luftspalte eintreten bzw. aus denselben austreten
und da die durch den Magneten 11 induzierte Spannung in dem Augenblick Null wird,
wo der magnetische Fluß maximal ist und diese Spannung bei Abnahme des Flusses positiv
wird und damit den Kollektorstrom unterbricht, bricht im selben Augenblick auch
das auf das magnetisierbare Stück 9 wirkende Magnetfeld der Spule 12 zusammen, so
daß Stück 9 kräftefrei, also ohne Bremsung, aus dem Luftspalt austritt. Man berechnet
die verschiedenen Teile und ihre gegenseitige Lage derart, daß der der Unruh infolge
der Anziehung des Stückes 9 durch die Spule 12 erteilte Impuls die Reibungsverluste
der schwingenden Unruh und eventuell die zum Antrieb des Räderwerkes abgegebene
mechanische Energie ersetzt,
wenn dieser Antrieb auf mechanischem
Wege von der Unruh aus erfolgt. Wenn die Teile und ihre gegenseitige Anordnung richtig
bemessen sind, werden die Schwingungen der Unruh 1 ungestört aufrechterhalten.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Uhrwerkes
ist das Stück 9 nicht dauernd oder permanent magnetisiert. Man könnte es aber auch
durch einen Magneten ähnlich dem Magneten 11 ersetzen, in welchem Falle aber der
elektrische Kreis derart abgeändert werden müßte, daß die Spule 13 nach Überschreitung
des maximalen magnetischen Flusses eine negative Spannung an den Sender des Transistors
anlegen würde und daß die Spule 12 in diesem Augenblick ein den Magneten 9 abstoßendes
Feld erzeugen würde.
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In einer weiteren Ausführungsvariante des Erfindungsgegenstandes könnte
man den Magneten 11 durch ein Weicheisenstück ersetzen, in welchem Falle der Kern
der Spule 13 mindestens einen Permanentmagneten aufweisen müßte, so daß beim Durchgang
des Weicheisenstückes 11 zwischen den Polen des Kerns -der Spule 13 in diesem Kern
eine Flußänderung und in der Spule 13 eine Wechselspannung auftreten würde.
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Es wird mit Vorteil ein Transistor gewählt, weil er keine Kathodenheizung
erfordert und weil beim vorliegenden Anwendungszwecke seine Anwendung ganz besonders
wirtschaftlich ist. Es könnte jedoch grundsätzlich jedes andere geeignete elektronische
Schaltmittel dieselben Aufgaben erfüllen, vorausgesetzt, daß die erforderlichen
Spannungswerte und Spannungsrichtungen eingehalten werden.
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Der Antrieb des Räderwerkes und der Zeiger des beschriebenen Uhrwerkes
kann mit an sich- bekannten Mitteln auf mechanischem Wege erfolgen, z. B. mittels
eines Ankers, aber der vorteilhafteste Antrieb ergibt sich bei Verwendung der durch
die Spule 13 gelieferten Wechselspannung oder am Kollektor des Transistors auftretenden
Stromimpulse zur Betätigung eines kleinen Elektromotors, z. B. eines Synchronmotors
oder eines Schrittschaltmotors, welcher seinerseits ein Untersetzungsräderwerk zum
Antrieb der Zeiger antreibt. Dieses nicht dargestellte Räderwerk üblicher Bauart
läßt sich leicht aus der Schwingungsdauer der Unruh berechnen.