-
Mechanischer Schwinger mit magnetischen Steuer- und Triebelementen
Die Erfindung bezieht sich auf einen mechanischen Schwinger mit magnetischen Steuer-
und Triebelementen, insbesondere auf eine kontaktlos elektromagnetisch selbst gesteuerte
Uhr, mit einer Stimmgabel und einem Wandler zur selbsttätigen Steuerung der Unterhaltung
der Stimmgabelschwingungen, der ein mindestens an einer Zinke der Stimmgabel befestigtes
magnetisches Element enthält und der mit dem magnetischen Element in Wirkverbindung
stehende Abfühl- und Antriebspulen aufweist, wobei die Abfühlspule (Steuerspule)
in zwei zueinander vorzugsweise symmetrische Teilspulen unterteilt ist.
-
Es sind Anordnungen der vorgenannten Art bebekannt, die vorzugsweise
bei Armbanduhren Anwendung finden und die mit einer selbsterregten, in ihrer Eigenfrequenz
durch elektromagnetische Antriebsysteme in Schwingung unterhaltenen Stimmgabel als
zeitbestimmendes und zugleich die Uhr antreibendes Schwingglied ausgestattet sind,
wobei einerseits ein kontaktloser, elektronischer Stimmgabelgenerator, d. h. ein
eine Stimmgabel als frequenzbestimmendes Glied enthaltender elektronischer Schwingkreis,
vorzugsweise mit einer Transistorschaltung, der auf die Stimmgabel, diese antreibend,
zurückwirkt, und andererseits eine mechanisch an die Stimmgabel angeschlossene,
die Schwingung der Stimmgabel in eine Drehbewegung umsetzende übertragungsvorrichtung
zum Antrieb des Zeigerwerkes vorgesehen ist. Hierbei weist jeder Gabelzinken einen
permanenten Topfmagneten auf, welcher im Feld einer ortsfesten, einen rohrförmigen
Träger umfassenden Spule schwingen kann. Bei diesen bekannten Anordnungen liegt
nun die Antriebsspule zwischen den Emitter- und Kollektorelektroden und die Abfühlspule
zwischen den Emitter- und Basiselektroden, beide Spulen sind jeweils in Reihe geschaltet.
Die durch die Stimmgabelvibration in der Abfühlspule induzierte Wechselspannung
wird also an den Transistor gelegt, um diesen periodisch leitend zu machen und dadurch
in der Antriebsspule Antriebsimpulse zu erzeugen.
-
Die Stimmgabel, die mit beiden Spulen wirksam gekoppelt ist, wirkt
im wesentlichen als Rückkopplungsglied für den Transistorverstärker, und wenn der
Verstärkungsfaktor des Verstärkers die Dämpfung dieses Rückkopplungselementes übersteigt,
wird unter geeigneten Phasenbedingungen die Stimmgabel in Vibration versetzt und
deren Schwingungen durch den Verstärker aufrechterhalten.
-
In der praktischen Ausgestaltung dieser Anordnung ist es schwierig,
die Antriebs- und die Abnehmerspulen voneinander zu trennen oder zu isolieren, und
als Folge davon kann eine elektromagnetische oder elektrostatische Kopplung zwischen
diesen Spulen zu einem höheren Grad an Rückkopplung als der von der Stimmgabel hervorgebrachte
führen. Folglich wird der Verstärker veranlaßt, parasitär mit einer Frequenz zu
schwingen, die nicht von der der Stimmgabel bestimmt wird, sondern von der unerwünschten
Streuungsrückkopplung. Wenn dies geschieht, kann das Schwingen der Stimmgabel aufhören
und die Uhr stehenbleiben.
-
Eine derartige Streuungskopplung ist insbesondere in kleinen elektronischen
Uhren akut, in denen es wegen des begrenzt zur Verfügung stehenden Raumes erforderlich
wird, die Abfühlspule und einen Teil der Antriebsspule auf einem Wandler zu vereinigen,
der mit einer Zinke der Stimmgabel wirksam gekoppelt ist, wobei der Hauptteil der
Antriebsspule auf dem zweiten, wirksam mit der anderen Zinke gekoppelten Wandler
angeordnet ist. So sind beispielsweise in einer zur Zeit auf dem Markt befindlichen
Uhr die 6000 Windungen der Antriebsspule sowie die 2000 Windungen der Abfühlspule
auf einem Spulenkörper aufgewickelt, die verbleibenden 8000 Windungen der Antriebsspule
sind auf einem zweiten Spulenkörper aufgewickelt. Auf diese Weise tritt eine starke
elektromagnetische Kopplung zwischen der Steuer- und der Antriebsspule auf. Dies
regt den Stromkreis zu parasitären Schwingungen an, die eine Frequenz von mehreren
tausend Hertz haben können.
-
Während man diese höherfrequenten Schwingungen mit einem parallelgeschalteten
Kondensator, dessen Reaktanz bei der niedrigeren -Frequenz der mechanischen Schwingung
verhältnismäßig groß ist,
unterdrücken kann, verursacht der Kondensator
auch eine Phasenverschiebung, die, wenn auch klein, trotzdem ausreicht, einen Wechsel
in der Zeitgebung zu verursachen, die ein Falschgehen bis zu einigen Sekunden pro
Tag bewirken kann. Wenn die Phasenverschiebung mit der Temperatur leicht variiert,
bewirkt dies eine weitere Ungenauigkeit. Ein solcher Kondensator beeinträchtigt
nicht nur die Ganggenauigkeit der Uhr, sondern bedingt auch einen erhöhten Raumbedarf.
Dies ist natürlich ein Nachteil in sehr kleinen Uhren, wo der Raum sehr beschränkt
ist.
-
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die bei engbenachbarten
Steuer- und Triebspulen einer Uhr möglichen Kopplungsschwingungen mit Sicherheit
auszuschalten, ohne daß dafür besondere Abschirmungen oder Dämpfungsglieder, z.
B. in Form von Kondensatoren parallel zur Triebspule oder von Hochohmwiderständen,
verwendet werden müssen, die entweder Energie verzehren oder zumindest den in einer
Armbanduhr besonders knappen Raum beanspruchen.-Es sind zwar Anordnungen bekannt,
bei welchen das Auftreten unerwünschter Rückkopplungsschwingungen bereits mit Sicherheit
verhindert wird. Bei jenen Anordnungen sind ein Permanentmagnetsystem so ausgebildet
und die vom Magnetsystem in der Antriebslage jeweils mit Kraftflüssen entgegengesetzter
Richtung beaufschlagten Spulen so angeordnet, daß in der Null-Lage bzw. der Antriebslage
des Schwingers eine Einwirkung der Spulen aufeinander weitgehend ausgeschaltet ist,
bei aus dem Spulenbereich herausgedrehtem Schwinger jedoch eine Gegenkopplung auftritt.
Findet diese bekannte Anordnung Verwendung bei einer Unruhuhr, insbesondere einer
Armbanduhr der eingangs erwähnten Art, dann ergeben sich erhebliche Schwierigkeiten
hinsichtlich ihrer Unterbringung, weil eine Vergrößerung der Bauhöhe erforderlich
ist.
-
Für einen anderen Verwendungszweck ist bereits die Anordnung mehrerer
Teilspulen für die Erregerspulen bekannt. So kennt man elektrisch angetriebene Uhren,
bei welchen einem schwingenden mechanischen System durch eine von diesem im Takt
der Eigenschwingung gesteuerte Transistorschaltung elektromagnetische Antriebsimpulse
zugeführt werden, die in einer Sperrschwingerschaltung, bei welcher die Steuerenergie
für den Transistor einem elektromagnetischen Rückkopplungskreis entnommen wird,
mit bestimmter Intensität und Dauer erzeugt und durch das schwingende mechanische
System ausgelöst werden.
-
Für die Lösung der vorgenannten Aufgabe schlägt die Erfindung vor,
bei einem mechanischen Schwinger, wie einem einteiligen Biegeschwinger, Torsionsschwingern
od. dgl., jedoch insbesondere einem Stimmgabelschwinger, dafür zu sorgen, daß die
beiden Teilspulen der Steuerspule im Gegensinne zueinander gewickelt sind und derart
gegenüber dem ihnen engbenachbarten Triebspulenanteil angeordnet sind, daß trotz
der engen Nachbarschaft dieses Triebspulenteils zu den Steuerspulenanteilen die
Streuungskopplung zwischen der Antriebs- und Abfühlspule auf ein Mindestmaß verringert
ist und daß andererseits die beiden Teile der Steuerspule gegenüber dem schwingenden
Permanentmagnetsystem so angeordnet sind, daß in dem einen Steuerspulenteil ein
erheblich größerer Anteil an Steuerspannung gegenüber dem Steuerspannungsanteil
in dem anderen Steuerspulenteil erzeugt wird, derart, daß die Differenz der beiden
Steuerspannungsanteile zur periodischen Aussteuerung eines Verstärkers, wie eines
batteriegespeisten Transistorverstärkers, ausreicht.
-
Bei Verwendung eines aus einem zylindrischen Topf mit koaxial angeordnetem,
einen ringförmigen Luftspalt begrenzendem Magnetstab und einem in den Luftspalt
eingreifenden, ortsfest gelagerten Spulenträger, auf welchem Abfühl- und Antriebsspulen
aufgewickelt sind, bestehenden magnetischen Elementes ist der Spulenträger zweckmäßig
mit einem mittigen, die beiden Teilspulen der Steuerspule voneinander trennenden
Wulst versehen. Der Spulenträger kann aber auch zweckmäßig zwei mit Abstand voneinander
angeordnete, beide Teilspulen der Steuerspule voneinander trennende Wülste aufweisen,
wobei die Antriebsspule auch im Bereich zwischen den Wülsten den Spulenträger umfaßt.
-
Ein Ausführungsbeispiel wird nachstehend an Hand der Zeichnungen schematisch
näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 eine schematische, perspektivische Darstellung
der Hauptteile einer elektronischen Uhr gemäß der Erfindung, F i g. 2 das elektrische
Stromkreisdiagramm der Uhr, F i g. 3 einen Schnitt durch einen Wandler, der die
Anordnung der Windungen der Spulen zeigt, F i g. 4 das äquivalente Stromkreisdiagramm
des Wandlers, F i g. 5 ein abgewandeltes elektrisches Stromkreisdiagramm für die
Uhr, die als Stoppuhr dient, und F i g. 6 einen anderen Spulenträger für den Wandler:
In F i g. 1 sind die Hauptteile der Uhr eines üblichen Uhrwerks dargestellt, bestehend
aus einer Stimmgabel 10 und einem elektronischen Antriebsstromkreis 11 für
diese sowie einem Umlauf-Gangwerk 12 üblichen Aufbaues, enthaltend ein Rädergetriebe
zum Drehen der Zeiger der Uhr, die eine Tisch-, Wecker-, Taschen- oder Armbanduhr
oder irgendein anderer Uhrenmechanismus, wie ein Verzögerungsschalter, sein kann.
Wegen der außerordentlichen Genauigkeit der Vorrichtung kann eine Schaltaktion veranlaßt
werden, die innerhalb vorbestimmter Monate, Tage, Stunden oder Minuten oder Bruchteilen
davon eintreten soll, die von einem gegebenen Startmoment einen zeitlichen Abstand
hat. Das Rädergetriebe wird mittels einer Klinke 13 angetrieben, die mit einer Zinke
der Stimmgabel verbunden ist und in ein Klinkenrad 14 eingreift, das mit dem Gangwerk
12 gekoppelt ist. Die Stimmgabel hat keine Zapfen oder Lager, und ihre Uhrwerkstätigkeit
ist daher unabhängig von Reibungswirkungen.
-
Die Stimgabe110 ist mit zwei federnden Zinken 15 und 16 versehen,
die durch einen verhältnismäßig steifen Steg 17 miteinander verbunden sind, welcher
einen nach oben gerichteten Haltearm 18 aufweist, der mittels geeigneter Schrauben
19 und 20 an der Grundplatte der Uhr befestigt ist. Der mittlere Bereich dieser
Grundplatte ist ausgespart, um ein ungehindertes Schwingen der Stimmgabelzinken
zu gestatten.
-
Die Stimmgabel wird von dem ersten und dem zweiten Wandler T1 und
T2 beeinfiußt. Der Wandler T1 besteht aus einem magnetischen Element 21,
das
an dem freien Ende der Zinke 15 befestigt ist, wobei das Element mit einer Antriebsspule
22 und einer Abnehmer- oder Phasenabfühlspule 23 zusammenwirkt. Die beiden Spulen
sind in einer später noch zu beschreibenden Weise auf einem am Ende offener, rohrförmigen
Träger 24 aufgewickelt, der an einem Unterbau-Tragteil angehängt ist, der an der
Grundplatte befestigt ist. Der zweite Wandler TZ weist ein magnetisches Element
25 auf, das an dem freien Ende der Zinke 16 befestigt ist und mit einer Antriebsspule
26 zusammenwirkt, die auf einem rohrförmigen Träger 27 gewickelt ist.
-
Der elektronische Antriebsstromkreis 11 umfaßt einen Transistor 28,
eine einzellige Batterie 29 und ein von einem Kondensator 30 und einem nebengeschalteten
Widerstand 31 gebildetes RC-Glied. Der Transistor 28, der eine Germaniumverbindung
der PNP-Art sein kann, ist mit Basis-, Emitter- und Kollektorelektroden B, E bzw.
C versehen.
-
Die Basis E ist über das RC-Glied 30-31 mit einem Ende der Abfühlspule
23 gekoppelt, deren anderes Ende mit einem Ende des Antriebsspulenteils 22 verbunden
ist. Der Hauptantriebsspulenteil 26 ist mit dem Antriebsspulenteil22 in Reihe
geschaltet und mit der Kollektor-Elektrode C des Transistors verbunden.
-
Der Emitter E ist mit der positiven Klemme der Batterie 29 verbunden,
deren negative Klemme mit der Verbindungsstelle der Antriebsspule 22 und der Phasenabfühlspule
23 verbunden ist. Auf diese Weise ist die Batterie 29 über beide Antriebsspulenteile
22
und 26 zwischen dem Emitter und dem Kollektor des Transistors in Reihe
geschaltet, wobei der Kollektor gegenüber dem Emitter negativ ist. Die Batterie
29 sollte von derjenigen Art sein, die eine hochstabile Spannung (d. h. von 1,32
Volt) nahezu über ihre gesamte Lebensdauer hat.
-
Die Wechselwirkung zwischen elektronischem Antriebsstromkreis 11 und
der Stimmgabel ist selbstregulierend und arbeitet nicht nur, um die Zinken mit ihrer
natürlichen Frequenz zum Schwingen zu bringen, sondern auch, um die Schwingung mit
im wesentlichen konstanter Amplitude aufrechtzuerhalten.
-
Im Betrieb verursacht ein erregter Impuls, der an die Antriebsspulen
der Wandler gelegt ist, einen axialen Stoß auf das zugeordnete magnetische Element
in einer Richtung, die von der Polarität des Impulses in bezug auf die Polarisation
des Permanentmagneten in dieser abhängt. Da das magnetische Element an einer Zinke
der Stimmgabel befestigt ist, wird das Element durch den Stoß ausgelenkt und die
Gabel in Vibration versetzt.
-
Die resultierende Bewegung des magnetischen Elements gegenüber den
ortsfesten Spulen induziert eine Gegen-EMK in den Antriebsspulen und im Fall des
Wandlers T1 ebenso in der Abfühlspule. Da das magnetische Element in übereinstimmung
mit der Stimmgabelbewegung hin- und hergeht, nimmt die Gegen-EMK die Form einer
Wechselspannung an, deren Frequenz der der Stimmgabelfrequenz entspricht. Die von
der Abfühlspule abgenommene Spannung wird an die Basis des Transistors gelegt, um
den Zeitpunkt während jeder Periode zu steuern, in dem der Antriebsimpuls den Antriebsspulen
zugeführt werden soll.
-
Die beiden Wandler sind von gleicher Gestalt, mit der Ausnahme, daß
der Wandler T1 eine Steuerspule 23 sowie eine Antriebsspule 22 enthält. Die Konstruktion
und das Verhalten der Wandler sind ähnlich dem eines dynamischen Permanentlautsprechers,
außer daß das Bewegungselement der Magnet ist und nicht die Spule.
-
Die Erfindung in der Anordnung der Abfühlspule und der Antriebsspule
im Wandler T1. Wie in F i g. 3 dargestellt, besteht das magnetische Elemente 21
aus einem zylindrischen Topf 21a aus magnetisierbarem Material, wie Eisen, und einem
Permanentmagnetstab 21 b, der in dem Topf koaxial festgelegt ist. Der Magnet 21
b, der beispielsweise aus Alnico bestehen kann, stützt sich an der Stirnwand des
Topfes ab, um einen magnetischen Kreislauf zu bilden, in dem die Linien des Kraftflusses
sich über den ringförmigen Luftspalt 21 c erstrecken, der von dem inneren Magneten
und dem diesen umgebenden Topf begrenzt ist.
-
Der Magnetstab 21 b ist ein Zylinder mit über seine gesamte
Länge einheitlichem kreisförmigem Querschnitt, woraus folgt, daß der Querschnittsbereich
des Luftspalts über die Länge des Topfes ebenfalls einheitlich ist. Gleichwohl ist
die Stärke des magnetischen Feldes an der Topföffnung nahe dem freien Pol des Magneten
am größten und an der Bodenplatte des Topfes am schwächsten insoweit, als die Kraftliniendichte
mit dem Nachinnenbewegen zum offenen Ende hin progressiv abnimmt.
-
Wie am besten aus F i g. 1 ersichtlich, ist der zylindrische Topf
21a mit längsgerichteten Ausschnitten längs diametral gegenüberliegenden Ebenenversehen,
die Schlitze bilden. Dies bewirkt eine beträchtliche Reduzierung in den Abmessungen
der Wandler mit verhältnismäßig wenig Kraftlinienschwund. Die Ausschnitte bewirken,
daß der von den Töpfen in der Tiefe des Uhrwerks eingenommene Raum reduziert wird,
und sie verhindern auch Dämpfungseffekte, die sich aus der Luftverdichtung in der
Magnet-Topf-Einheit ergeben würden.
-
Es ist ersichtlich, daß der ortsfeste rohrförmige Träger 24 auch zylindrisch
ist und konzentrisch innerhalb des ringförmigen Luftspalts 21 c mit Abstand sowohl
vom Magnetstab als auch von dem diesen umgebenden Topf angeordnet ist, wodurch sich
das magnetische Element in bezug auf die ortsfesten Spulen axial frei hin- und herbewegen
kann.
-
Der rohrförmige Spulenträger 24 ist im mittleren Teil mit einem Umfangswulst
24 a versehen, um zwischen den beiden Hälften der Abfühlspule 23 eine Trennung
vorzusehen, wobei die eine-Hälfte 23a auf einer Seite des Wulstes und die verbleibende
Hälfte 23b in Gegenrichtung auf die andere Seite aufgewickelt ist. Die beiden Hälften
sind in Reihe geschaltet. Um die beiden Hälften der Abfühlspule sind die Windungen
der Antriebsspule 22 herumgewickelt.
-
An Stelle eines einzigen Wulstes ist es auch möglich, zwei mit Abstand
voneinander angeordnete Umfangswülste 24 b und 24 c zu verwenden,
die auf dem Träger mit Abstand voneinander angeordnet sind und eine größere Trennung
zwischen den Spulenhälften 23 a und 23 b ermöglichen. Der Raum zwischen den beiden
Wülsten kann, wie in F i g. 6 dargestellt, durch Teile der Antriebsspule 22 ausgefüllt
werden.
-
Die Arbeitsweise dieser Anordnung wird am besten durch Betrachten
der F i g. 4 verständlich. Es ist ersichtlich, daß die Antriebsspule 22 und die
Abfühlspulenhälfte 23 a und 23 b magnetisch gekoppelt sind,
wobei
die beiden Hälften gegenüber der Antriebsspule symmetrisch angeordnet und mit dieser
induktiv gekoppelt sind. Da jedoch die von der Antriebsspule in den Abfühlspulenhälften
induzierte Spannungen von gleicher Amplitude und in Gegenphase sind, heben sie sich
auf.
-
Andererseits 'haben die in den Abfühlspulenhälften durch hin.- und
hergehende Bewegung des magnetischne Elements 21a, 21b induzierten Spannungen nicht
die gleiche Amplitude, denn dis Kraftlimendichte - in dem Luftspaltbereich, in dem
die Spulenhälfte 23b liegt, ist weit größer als die für die Spulenhälfte 23a. Daraus
-folgt, daß selbst dann, wenn die beiden induzierten Spannungen in Gegenphase liegen,
die resultierende Spannung in erster Linie der in der Spulenhälfte 23b induzierten
Spannung entspricht. Die Differenzspannung reicht zur Steuerung des Transistors
in der zuvor beschriebenen Weise aus.
-
Während eine symmetrische Anordnung der Spulenhälfte dargestellt worden
ist, um die induktive übertragung zwischen d'er Abfühlspule und der Antriebsspule
auf Null zu reduzieren, ist eine strenge Symmetrie nicht unbedingt erforderlich,
jedoch zu bevorzugen, da .es notwendig ist, die Rückkopplung beträchtlich zu reduzieren,
um ein Schwingen mit hoher Frequenz zu vermeiden. Es wird darauf hingewiesen,, daß
die gegebene spezifische Anzahl von Windungen lediglich als Beispiel angegeben wurde.
-
In dem in. F i g. 1 und 2 dargestellten Stromkreis ist die Anordnung
die einer Emitterschaltung. In dem in F i g. 5 dargestellten Alternativstromkreis
ist der -Stromkreis der einer Kollektorschaltung unter Verwendung -eines
Siliziumtransistors 32 mit hohem ß-Wert. Der Vorteil des Siliziumtransistors gegenüber
dem Germaniumtransistor besteht darin, daß er frei von Schwundstrom ist und gut
von -60 bis 110° C mit einem Wirkungsgrad von 75 % und darüber arbeitet. Dies setzt
den Leistungsbedarf der Uhr herab und macht sie auch in außerordentlich heißem und
kaltem Klima arbeitsfähig, ohne an Genauigkeit zu verlieren.