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Elektronische Uhr Die Erfindung bezieht sich auf ein direkt angetriebenes
Schwingsystem aus Unruh und Spiralfeder mit elektronischer Energiesteuerung und
-Übertragung, vorzugsweise mit Transistoren, mit mindestens einem mit der Unruh
schwingenden Magneten und einer eisenkemlosen feststehenden Steuerspule, wobei pro
VoRschwingung drei Steuerimpulse erzeugt werden, die alle drei über eine elektronische
Schaltung Antriebsimpulse auf die Unruh bewirken, und zwar bei der einen Halbschwingung
ein Impuls in der Nulllage und bei der anderen Halbschwingung je ein Impuls
vor und nach der Nullage des Schwingsystems.
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Eine der Aufgaben bei Uhren der vorgenannten Art besteht darin, die
Antriebsimpulse in der Nulllage oder symmetrisch zur Nullage des mechanischen Schwingsystems
auftreten zu lassen.
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Eine unsymmetrisch zur Nullage erfolgende Impulsgabe wirkt sich ungünstig
auf das Isochronismusverhalten des Schwingsystems aus, was insbesondere wegen der
Spannungsabhängigkeit der Schwingungsamplitude von großem Nachteil ist.
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Bei Uhren, bei denen der axial polarisierte Unruhmagnet durch einen
Weicheisenstator schwingt, der zwei Wicklungen trägt, erhält die Unruh ihre Energie
während der Eintrittsperiode des Magneten in den Stator durch die Anziehungskraft
ihres Permanentmagneten. Beim Durchschwingen wird sodann durch eine entsprechend
gerichtete Induktionsspannung ein Stromfluß im Arbeitskreis des Transistors ausgelöst,
der so den Antrieb der Unruh nach der Mittellage im Stator hervorruft. Die dabei
erzielte Symmetrierung der auf die Unruh antreibend wirkenden Kräfte ist jedoch
nicht ausreichend, selbst wenn Zusatzmagnete am Stator verwendet werden.
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Eine Spannungsabhängigkeit des Ganges ist nach wie vor vorhanden,
denn die Größe des Antriebsimpulses, der durch den Stromfluß im Arbeitskreis des
Transistors ausgelöst wird, ist spannungsabhängig, während der durch die Anziehungskraft
zwischen Pennanentmagnet und Stator hervorgerufene Impuls immer konstant ist. Das
Isochromsmusverhalten ist also trotz scheinbarer Symmetrierung der auf die Unruh
wirkenden Impulse schlecht. Durch die zwischen Stator und Permanentmagnet herrschende
Anziehungskraft ist außerdem ein Selbstanlauf erschwert bzw. unmöglich. Durchschwingt
der Permanentmagnet nicht exakt die Mitte des Luftspaltes des Stators, so sind die
Lagerbelastungen für die Unruh ungünstig. Eine genaue Einstellung der Nullage der
Unruh ist zudem durch die gegenseitige Anziehung zwischen Stator und Permanentmagnet
erschwert.
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Es sind deshalb Systeme vorzuziehen, die mit eisenkemlosen Spulen
arbeiten. Um dabei Symmetrie der Antriebsimpulse zu erhalten, müssen die Steuerimpulse,
die den Stromfluß im Arbeitskreis des Transistors bewirken, ebenfalls symmetrisch
sein. Hier wird bei bekannten Anordnungen mit einer feststehenden Spule gearbeitet,
über die Magnete hinwegschwingen, wobei in der Nullstellung des Schwingsystems die
eine Spulenseite von einem Magnetfluß in Richtung der Spulenachse in Nord-Süd-Richtung
und die gegenüberliegende Spulenseite von einem Magnetfluß ebenfalls in Richtung
der Spulenachse in Süd-Nord-Richtung durchsetzt wird. Der magnetische Fluß ist während
des überschwingens der Magnete einmal positiv, sodann negativ, stellt also die Periode
einer Sinusschwingung dar.
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In ähnlicher Weise wirkt eine andere Anordnung, bei der ein Magnet
ohne ausgeprägten Luftspalt verwendet wird, der in tangentialer Richtung zum Unruhreif
polarisiert ist und in eine Spule mit U-förmigem Querschnitt einschwingt. Die entstehende
Induktionsspannung in der Spule weist dabei zwei Höcker symmetrisch zur Nullage
und einen Höcker in der Nullage, jedoch mit entgegengesetztem Vorzeichen wie die
beiden äußeren Höcker, auf.
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Bei der einen Halbschwingung bewirken die beiden äußeren, bei der
anderen Halbschwingung bewirkt der mittlere Induktionsimpuls einen Stromfluß im
Arbeitskreis des Transistors.
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Der Nachteil bei dieser bekannten Anordnung ist darin zu sehen, daß
die zwei bzw. vier Magnete so zueinander justiert werden müssen, daß der periphere
Abstand von jeweils zwei in der gleichen Ebene angeordneten Magneten der Spulenbreite
entspricht, da andernfalls der entstehende Induktionsimpuls - und damit auch
die Antriebsimpulse - unsym-, metrisch zur Nullage liegen. Weitere Unsymmetrien,
können durch unterschiedliche Luftspalte zwischen# den Magneten in Richtung der
Unruhachsen und
durch unterschiedliche Kraftflußdichten entstehen.
Weiterhin hat diese bekannte Anordnung ziemlich starke Streufelder, selbst wenn
die Anordnung so getroffen ist, daß der Luftspalt zwischen den Magnetpolen in Richtung
der Unruhachse kleiner ist als der periphere Abstand zwischen zwei benachbarten
in gleicher Ebene angeordneten Magneten. Weiterhin weist der magnetische Kreis zwei
Luftspalte auf. Die Impulsbreite beim Auftreten von zwei symmetrisch zur Nullage
liegenden Antriebsimpulsen, d. h. der Winkel, den die Unruh zwischen dem
Beginn des ersten Impulses durchläuft, ist größer als die doppelte Spulenbreite.
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- Der Verkleinerung der Spulenbreite sind Grenzen gesetzt.
Der periphere Abstand zwischen zwei in der gleichen Ebene angeordneten Magneten
muß immer größer sein als der Luftspalt zwischen zwei Magnetpolen in Richtung der
Unruhachse. Der Luftspalt in Richtung der Unruhachse ist jedoch bestimmt durch den
Querschnitt der Spule, d. h. von der Windungszahl, dem Drahtquerschnitt und
dem erforderlichen Ohmschen Widerstand abhängig. Eine Verwendung von flachen Spulen
würde wohl den Luftspalt verkleinem, aber gleichzeitig die Spulenbreite und damit
die Dauer der Antriebshnpulse erhöhen. Die günstigste Anordnung erhält man bei ungefähr
quadratischem Wicklungsquerschnitt.
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- Die vorliegende Erfindung verwendet demgegenüber zwei eng
benachbart nebeneinander angeordnete Steuerspulen, die periodisch von einem Magnetflgß
in Richtung der Spulenachsen durchsetzt werden und wobei die sich berührenden Seiten
beider im Eingang einer elektronischen Schaltung liegenden Steuerspulen in der Nullage
des Schwingsystems so vom Magnetfluß durchsetzt werden, daß die sich ergebende Induktionsspannung
einen symmetrischen Verlauf zur Nullage des Schwingsysteins zeigt.
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Der Magnetfluß 0 hat also sein Optiraum, wenn der Magnet in
der Mitte über einer Spule steht. Es ist null, wenn der Magnet in der Nullage steht,
der Auß also die sich berührenden Windungen der beiden Spulen durchsetzt. Er beginnt
und endet beim Ein- bzw. Austritt des Magneten über die äußeren Windungen der Spulenbündel.
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Die beim Schwingen der Unruh entstehende Steuerspannung weist zwei
Höcker symmetrisch zur Nullage und einen Höcker mit entgegengesetztem Vorzeichen
in die Nullage, auf. Bei der einen Halbschwingung bewirken -die beiden äußeren,
bei der anderen Halbschwingung bewirkt der mittlere Induktionsimpuls einen Stromfluß
im Transistor.
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Anordnungen mit zwei Steuerspulen sind bekannt. Hier sind jedoch zwei
Magnetflüsse in Richtung der Spulenachse vorhanden, die die Spulen in NulIage des
Schwingsystems durchsetzen. Die entstehende Induktionsspannung und damit die Antriebsimpulse
sind jedoch nicht symmetrisch zur Nullage. Das Isochronismusverhalten ist gleich
oder schlechter wie bei Verwendung einer Luftspule mit einem Magneten. Zudem kann
diese Anordnung nur weniger als ± 180' schwingen, da sonst bei 18011 Schwingungsamplitude
nochmals Impulse erzeugt werden.
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Transistor uhren mit einer Steuer- und zwei Triebspulen sind ebenfalls
bekannt. Die hier erzeugten Steuerünpulse sind jedoch ebenfalls nicht symmetrisch
zur Nullage. Die beiden Tierbspulen dienen zur Verbesserung des Wirkungsgrades.
Die Anordnung zeigt eine auf der Unruh angebrachte Magnet-Scheibe, wodurch das Unruhgewicht
nachteilig groß wird.
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Die erzielte Induktionsspannung bei der erfindungsgemäßen Anordnung
zeigt also den prinzipiell gleichen Verlauf wie bei der vorbeschriebenen bekannten
Anordnung mit einer Spule und zwei Magnetflüssen. Neben den schon erwähnten Vorteilen
der Verwendung von nur einem bzw. zwei Magneten gegenüber zwei bzw. vier Magneten
und der weit einfacheren Justierung zwischen Magnet und Spule (die Justierung des
peripheren Abstandes zwischen zwei in der gleichen Ebene angeordneten Magneten zur
Spulenbreite entfällt) ergeben sich noch weitere Vorzüge gegenüber den bekannten
Anordnungen: Die magnetischen Streufelder sind weit geringer, da der magnetische
Kreis nur einen Luftspalt aufweist. Der magnetische Rückschluß ist gut über die
Unruhwelle durchzuführen. Der Luftspalt kann bedeutend kleineg gehalten werden,
da die erforderliche Windungszahl der Gesamtspule (Steuerspule) sich auf zwei Teilspulen
verteilt: der Wicklungsquerschnitt einer jeden Spulenhälfte ist also kleiner als
bei der Verwendung von nur einer Spule bei der vorbeschriebenen Anordnung. Durch
diesen kleineren Luftspalt vermindem sich wiederum die magnetischen Streufelder
und die magnetische Feldstärke im Luftspalt bei gleichen Magneten erhöht sich.
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Die Streuung des Trägheitsmoments und der Unwuchtfehler der Unruh
ist bei der Anbringung von einem bzw. zwei Magneten gegenüber zwei bzw. vier Magneten
auf der Unruh auch weit geringer, was wiederum fabrikationstechnische Vorteile mit
sich bringt.
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Bei den beiden Spulenbündeln ist jeweils eine Steuerspule (Eingang)
und eine Triebspule (Ausgang) zusammengewickelt. Bei frei tragenden Spulen,
d. h. bei Spulen ohne Wickelkörper, wird üblicherweise ein Backlackdraht
verwendet, bei dem bei höherer Temperatur die Windungen aneinanderbacken. Nachteilig
bei diesem Backlackdraht ist sein relativ hoher Gesamtquerschnitt im Verhältnis
zum Kupferquerschnitt, so daß der zur Verfügung stehende Winkelraum schlecht ausgenützt
wird. Es ist deshalb vorteilhaft, bei den aus zwei Drähten bestehenden Spulen für
den einen Draht. isolierten Normaldraht und für den anderen Backlackdraht zu verwenden.
Ein Spulenbündel besteht somit aus dem querschnittgünstigen Normal- und dem Halt
gebenden Backlackdraht. Der zur Verfügung stehende Wickelraum ist dadurch besser
ausgenützt.
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Als Anlaufhilfe ist ein Kontakt vorgesehen, der den negativen Pol
der Batterie mit der Basis des Transistors verbindet. Dadurch fließt ün Arbeitskreis
ein Dauerstrom, der das Schwingsystem aus seiner Nullage auslenkt. Am Gegenkopplungskondensator
liegt dabei der Potentialunterschied zwischen Kollektor und Basis, wobei an der
mit dem Kollektor verbundenen Plattenseite positives Potential und an der basisseitigen
Platte negatives Potential herrscht. Nach dem öffnen des Anlaufkontaktes muß sich
der Kondensator umladen. Während dieser Umladezeit ist die Sperrschwingerschaltung
unbedämpft, d. h. die HF-Schwingungen können sich frei ausbilden. Dadurch
erhält der mechanische Schwinger einen kräftigen Antriebsimpüls, so daß er weit
ausgelenkt wird. Die durch die Rückschwingbewegung der Unruh in der Steuerspule
erzeugten Induktionsimpulse reichen dann aus, die Schwellspannung bzw. Basisvorspannung
des
Transistors zu überwinden. Die normale Funktionsweise der Schaltung tritt damit
ein.
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Die Erfindung ist an Hand der B i 1 d e r 1 bis
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dargestellt. Teil 1 ist die Batterie, deren positiver Pol mit dem
Emitter und deren negativer Pol mit den Windungen im Arbeitskreis 2' und 2" verbunden
ist. Zwischen Basis und Emitter sind die Windungen der Steuerspule 3' und
Y' geschaltet. Die Windungen 2 und 3 sind jeweils aufgeteilt (2', V und
Y, Y') und bilden die Spulenbündel 4 und 5. Jedes der Spulenbündel
4 und 5 besteht also aus den Windungen 3
und den Windungen 2, wobei
beide Drähte zusammengewickelt sind und der eine vorzugsweise aus Normaldraht und
der andere aus Backlackdraht besteht. Zwischen Kollektor und Basis ist ein Kondensator
6 geschaltet. Die beiden Spulenbündel 4 und 5
werden Von einem Magneten
7 überschwungen, der an der Unruh 8 befestigt ist.
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In B i 1 d 2 ist die Anordnung im Schnitt gezeigt. An Stelle
eines Magneten 7 können auch zwei Magnete 7' und T' verwendet werden.
Der magnetische Fluß im Luftspalt verläuft parallel zur Spulenachse. Der magnetische
Kreis wird durch die Rückschlußbleche 8' und 8" sowie durch die Unruhwelle
9 gebildet.
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In B i 1 d 3 ist der Verlauf der Induktionsspannung während
einer Schwingungsperiode gezeigt, ebenso der magnetische Fluß 0.
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Wie aus den Bildern hervorgeht, verläuft der Magnetfluß im Luftspalt
parallel zur Spulenachse. Diese wiederum verläuft parallel zur Unruhachse. Diese
Anordnung ist als die günstigste zu bezeichnen.
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Die radiale Länge des auf der Unruh angeordneten Magneten braucht
nicht größer zu sein als die Ausdehnung der Spulenhälften 4 und 5 in radialer
Richtung. Um eine genügend hohe Induktions- oder Steuerspannung zu erzielen, ist
man natürlich bestrebt, die aktive Leiterlänge voll auszunützen. Die Breite des
Unruhmagneten soll nicht größer sein als der Mittenabstand der Spulenhälften 4 und
5, und sie soll nicht wesentlich kleiner sein als die Breite der Wicklungen
der sich berührenden Radialseiten der Spulenhälften 4 und 5.
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Die Anlaufhilfe wird durch den Kontakt 10 bewirkt, der den
negativen Pol der Batterie 1 mit der Basis des Transistors verbindet. Solange
der Kontakt geschlossen ist, fließt im Arbeitskreis ein Strom. Nach dem öffnen des
Kontaktes wechselt die basisseitige Kondensatorplatte ihr Potential von Minus nach
Plus. Während dieser Umladung des Kondensators 6
können sich die HF-Schwingungen
frei ausbilden. Dadurch wird der Unruh ein Impuls erteilt, der eine so große Auslenkung
bewirkt, daß die Größe der Induktionsspannung für eine normale Arbeitsweise ausreicht.