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Schwingsystem für einen elektrischen Zeitmesser Die Erfindung bezieht
sich auf ein Schwingsystem für einen elektrischen Zeitmesser, bestehend aus einem
mechanischen, Torsionsschwingungen ausführenden Oszillator, einer den Oszillator
antreibenden elektromagnetischen Einrichtung mit mindestens einem elektronischen
Element, vorzugsweise einem Transistor, in dessen Steuerkreis mindestens eine Steuerspule
und in dessen Arbeitskreis mindestens eine Arbeitsspule liegt, sowie mindestens
einem mit dem Oszillator schwingenden Dauermagnet.
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Außer elektrischen Uhren, die mit an einem Torsionsband aufgehängtem
Drehpendel und mit einer elektrischen Kontaktsteuerung arbeiten, sind auch bereits
Schwingsysteme für elektrische Zeitmesser der genannten Art bekannt, bei denen eine
langgestreckte, beidseitig eingespannte tordierbare Feder in der Mitte wenigstens
einen Magnet trägt, welcher bei Schwingung der Feder nach Art eines Tauchankers
in stationäre Spulen eintaucht oder, U-förmig ausgebildet, stationäre Spulen umgreift,
welche sich auf diese Weise in einem durch die Form des beweglichen Magnets selber
gebildeten Luftspalt befinden.
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Es ist ferner bei Schwingsystemen bekannt, den an einer schwingenden
Masse befestigten Magnet innerhalb eines durch Statorteile gebildeten Luftspalts
schwingen zu lassen.
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Bei diesen bisher bekannten Anordnungen von relativ zueinander bewegten
Dauermagneten und Spulen ändert sich während der Schwingung die Größe des Luftspalts
und damit die Reluktanz des magnetischen Kreises erheblich, was sich auf die Frequenzstabilität
des Systems ungünstig auswirken kann. Dieser Nachteil soll durch die Erfindung vermieden
werden, welche als Torsionsschwinger eine an sich bekannte, in ihrem Schwerpunkt
an einer Torsionsfeder befestigte balkenförmige Schwungmasse verwendet, die nur
mit sehr kleinen Schwingungsamplituden und mit Frequenzen zwischen etwa 10 und 150
Hz schwingt.
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Bei einem Unruhschwinger mit einem an der Unruhwelle befestigten und
dazu senkrecht orientierten Stab- oder kreuzförmigen Dauermagnet ist es zwar zur
Vermeidung der mit einer starken Luftspaltänderung zusammenhängenden Nachteile bereits
bekannt, konzentrisch zur Unruhwelle angeordnete Statorteile vorzusehen, welche
stationäre Luftspalte bilden, vor denen die Pole des sich längs des Durchmessers
der Unruh erstreckenden Magnet schwingen, wobei jeweils mindestens zwei Luftspalte
gleichzeitig von den Magnetpolen passiert werden; jedoch gibt diese bekannte Anordnung
für Unruhschwinger keine Anregungen, wie diese an sich günstige Maßnahme ohne weiteres
auf einen an einer Schwungmasse befestigten Magnet zu übertragen wäre, da sich ja
dieser Magnet keinesfalls längs des Durchmessers irgendeines konzentrischen Statorsystems
erstrecken kann.
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Ausgehend von einem Schwingsystem der eingangs beschriebenen Art ist
die Erfindung zur Lösung der genannten Aufgabe gekennzeichnet durch wenigstens eine
an sich bekannte, in ihrem Schwerpunkt an einer Torsionsfeder befestigte balkenförmige
Schwungmasse, die an wenigstens einem ihrer Enden einen Dauermagnet trägt, sowie
durch wenigstens zwei feststehende, voneinander getrennte Statorteile, die so angeordnet
sind, daß die beiden Pole der Dauermagnete jeweils vor den zwischen den Statorteilen
befindlichen Luftspalten mit einer in der Größenordnung der Polbreite liegenden
Amplitude schwingen und wenigstens das eine Statorteil den Kern der Steuer- und
Arbeitsspule bildet.
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Dadurch wird erreicht, daß zwischen den Statorteilen feste Luftspalte
optimaler Größe vorgegeben werden können, vor denen die Dauermagnetpole in sehr
geringem Abstand von diesen Statorteilen schwingen, wobei die Magnetpole den effektiven
Bereich des Luftspalts praktisch nicht verlassen, so daß sich das magnetische System
durch eine nahezu konstante Reluktanz auszeichnet.
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Zur Erzielung eines dynamischen Gleichgewichts des Schwingsystems
sieht man vorzugsweise zwei seitlich nebeneinanderliegende balkenförmige Schwungmassen
mit wenigstens je einem Dauermagnet vor,
die beide mit einem wenigstens
eine der Steuerspulen oder Arbeitsspulen tragenden Statorteil so zusammenarbeiten,
daß sich die beiden das gemeinsame Statorteil durchsetzenden Magnetflüsse im gleichen
Sinn ändern.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen an zwei Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform
des Schwingsystems nach der Erfindung, F i g. 2 und 3 Schnitte durch das System
entsprechend den Linien II-11 bzw. III-III nach F i g. 1, F i g. 4 ein elektrisches
Schaltbild, F i g. 5 und 6 eine zweite Ausführungsform des Schwingsystems nach der
Erfindung in der Draufsicht und im Schnitt.
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Nach F i g. 1 enthält der Zeitmesser eine Grundplatte 1, die auf der
Platine der Uhr befestigt ist und an welcher zwei Torsionsfedern 2 von kreuzförmigem
Querschnitt befestigt sind. An den oberen Enden dieser Federn ist je eine balkenförmige
Schwungmasse 3 angeordnet. Die Eigenschaften dieser Torsionsfedern sowie ihre Montage
sind bereits bekannt und in der französischen Patentschrift 1240 964 beschrieben
worden.
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Die beiden Schwungmassen 3 liegen nebeneinander und schwingen parallel
zur Fläche des Uhrwerks um die Achsen ihrer Torsionsfedern. Sie erstrecken sich
über das größte Teil der Uhrwerksfläche von einem Ende bis zum anderen, damit ihr
Trägheitsmoment in bezug auf ihre Schwingungsachsen möglichst groß ist.
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An jedem Ende der beiden Massen ist je ein Magnetstab 4 bzw. 14 angeordnet,
dessen beide Pole vor den jeweils aus zwei Statorteilen (7 und 8 bzw. 10 und 7)
gebildeten Luftspalten 5 bzw. 6 vorbeischwingen.
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Die Statorteile bestehen aus Weicheisen. Während die äußeren Statorteile
7 eine U-Form haben, deren durch die beiden U-Schenkel gebildeten Ebene in der Schwingungsebene
des Systems liegt, bilden die beiden mittleren Statorteile 8, 9 bzw. 10 die Form
eines H, dessen breiter Quersteg 9 parallel zur Schwingungsebene des Systems liegt.
Quersteg 9 der Statorteile auf der einen Seite des Systems bildet gleichzeitig
den Kern einer Steuerspule 11, während der entsprechende Quersteg 9 der Statorteile
auf der anderen Seite des Systems den Kern einer symmetrisch zur Steuerspule liegenden
Arbeitsspule 12 bildet.
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Das äußere Magnetfeld jedes der Dauermagnete 4 bzw. 14 schließt sich
über zwei Eisenpfade, nämlich einerseits über das Statorteil 7 und andererseits
über die Statorteile 8, 9 bzw. 10, 9. Bei der Schwingung der Dauermagnete wird auf
diese Weise in jedem der beiden mit einem Dauermagnet zusammenarbeitenden Statorteile
eine periodische Änderung des Magnetflusses erzeugt, die in diesen beiden Statorteilen
entgegengesetztes Vorzeichen hat, wobei jedoch der magnetische Widerstand des Gesamtkreises
konstant bleibt. Dadurch werden Störungen der durch die mechanischen Elemente bestimmten
Schwingungsperiode vermieden.
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Die Flußänderung des Kerns 9 auf der Steuerseite induziert in der
Steuerspule 11, die, wie im Schaltbild nach F i g. 1 gezeigt, im Basis-Emitter-Kreis
eines Transistors 13 liegt, einen Stromstoß, der den Transistor 13 in den leitenden
Zustand versetzt. Der nun durch den Transistor fließende Kollektorstrom erregt die
im Ausgangskreis dieses Transistors liegende Arbeitsspule 12, welche ihrerseits
auf die Magnete 14
auf der Arbeitsseite der beiden Massen 3 wirkt, wodurch
diese periodisch mechanische Impulse erhalten.
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Da die beiden Massen 3 zwar mit der gleichen Frequenz, aber in jedem
Zeitpunkt in entgegengesetzter Richtung schwingen, addieren sich jeweils die Flußänderungen
in den mit den beiden Magneten 4 bzw. 14 zusammenarbeitenden Kernen 9 der
Steuer- bzw. Arbeitsspule; außerdem wird durch diese Schwingungsform erreicht, daß
sich das System im dynamischen Gleichgewicht befindet. Die Schwingungsfrequenz des
Systems kann durch Schrauben eingestellt werden, die an den Enden der Massen angeordnet
sind.
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Zur Verbesserung der Umwandlung der Schwingbewegung der Massen 3 in
eine Drehbewegung für den Antrieb eines Uhrenrades können zwei Spulen 17 und 18
in der Schaltung vorgesehen werden, die auf die Fortschaltklinken derart einwirken,
daß der Längsbewegung der Fortschaltklinken tangential zum Umfang des Schaltrades
eine Querbewegung überlagert wird, so daß die Enden der Fortschaltklinken etwa eine
elliptische oder kreisförmige Bewegung ausführen.
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Die Spulen 17 und 18 können beispielsweise im elektrischen Kreis der
Anordnung parallel zur Arbeitsspule 12 angeordnet sein, wie in F i g. 4 gestrichelt
eingezeichnet; die Spulen sind dort mit 17' und 18' bezeichnet. In dieser Schaltung
werden die Spulen 17' und 18' gleichzeitig mit der Arbeitsspule 18 durch
einen sinusförmigen Strom erregt.
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Nach einer Variante können diese Spulen auch im Steuerkreis des Transistors
parallel zur Steuerspule 11 angeordnet sein, wie ebenfalls in F i g. 4 gestrichelt
eingezeichnet; dort sind die Spulen mit 17" und 18" bezeichnet.
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Die ferner noch in F i g. 4 gestrichelt eingezeichneten Elemente R
und C wird man vorzugsweise dann vorsehen, wenn ein Siliziumtransistor verwendet
wird.
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In den F i g. 5 und 6 ist eine zweite Ausführungsform des Schwingsystems
nach der Erfindung dargestellt, das wiederum zwei balkenförmige Schwungmassen
3 hat, die an kreuzförmigen Torsionsfedern 2
aufgehängt sind und deren
Enden je einen Magnetstab 4 bzw. 14 tragen, der diesmal, im Unterschied zur ersten
Ausführungsform, parallel zur Schwingachse orientiert ist. Die Enden der Massen
mit dem Magnet 4 bzw. 14 schwingen vor den Luftspalten 21 a und 21 b (F i g. 6),
die von aus Lamellen zusammengesetzten U-förmigen Statorblechen 19 bzw. 20 gebildet
werden. Die Grundflächen der U-förmigen Statorbleche bilden gleichzeitig die Kerne
für die jeweils drei Spulen 22, 23 und 24 bzw. 25, 26 und 27, wobei die mittleren
Spulen 23 bzw. 26 jeweils zwei Kerne 20
gemeinsam haben. Die eine Spulengruppe
bildet den Steuerteil, die andere Spulengruppe den Antriebsteil des Schwingsystems,
dessen Funktion der des ersten Ausführungsbeispieles entspricht.
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Die beschriebenen Schwingsysteme nach der Erfindung können nun in
zahlreichen Varianten ausgeführt werden, welche sich sowohl auf die Anordnung und
Ausbildung der Statorteile als auch auf die der Spulen beziehen können. Beispielsweise
können die beiden beschriebenen Schwingsysteme so gestaltet sein, da8
nur
auf den jeweils äußeren Statorteilen 7 bzw. 19
Spulen vorgesehen sind. Ferner
läßt sich auf einfache Weise das Schwingsystem nach dem ersten Ausführungsbeispiel
(F i g. 1) so abändern, daß jede der Massen nur auf einer Seite einen Magnet trägt,
wobei jeder der beiden mit einem der Magnete zusammenarbeitenden Statorteile je
eine der Spulen trägt.
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Schließlich kann man, unter Verzicht auf ein konstantes dynamisches
Gleichgewicht des Systems, das Schwingsystem auch nur mit einer Masse ausstatten,
die an beiden Enden je einen Magnet trägt, wobei der eine Magnet mit dem Steuerteil
und der andere Magnet mit dem Antriebsteil des Systems zusammenarbeitet.