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Elektrische Unruh-Uhr Die Erfindung betrifft eine elektrische Unruh-Uhr
mit kontaktloser Steuerung der Unruhschwingungen mittels einer elektronischen Schaltung,
vorzugsweise einer Transistorschaltung, bei welcher ein Impuls in einer Steuerspule
durch einen Permanentmagneten erzeugt wird, der mit der Unruh so in mechanischer
Verbindung steht, daß er im Takt- der Unruh periodisch bewegt wird, worauf dieser
Impuls nach entsprechender Verstärkung auf den Magneten über eine zweite Spule,
die Unruh antreibend, zurückwirkt.
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In Uhren, bei denen die Bewegung des Schwingsystems durch Induktion
in einer Steuerspule ein die Speisung einer Triebspule steuerndes Impulssignal erzeugt,
trägt die Unruh im allgemeinen einen sich gegenüber der Steuerspule bewegenden Magneten.
Dabei ist die Anordnung so getroffen, daß sich der Magnetfluß in der Steuerspule
beim Vorbeigang des Magneten vom Wert Null bis zu einem maximalen Wert ändert, um
dann wieder auf Null zurückzugehen. Diese Änderung kommt bei jeder Schwingung der
Unruh zweimal zustande. Da die induzierte Spannung in Abhängigkeit von der Ablenkung
des Magnetflusses steht, erzeugt jede Veränderung des Magnetflusses eine positive
und eine negative Spannung. Daraus ergibt sich, daß bei jeder Schwingung der Unruh
zwei - entweder durch die positiven oder durch die negativen Spannungen hervorgerufene
- Impulssignale der Triebspule zugeführt werden. Nun ist vom Standpunkt des Isochronismus
das Betreiben der Unruh mit Hilfe von zwei Antriebsimpulsen je Schwingung, und zwar
je eine in jeder ihrer Bewegungsrichtungen, unzweckmäßig, da dabei den Airy-Bedingungen
nicht entsprochen wird.
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Es wurde bereits vorgeschlagen, bei transistorgesteuerten Unruh-Uhren
den Antrieb der Unruh durch nur einen Impuls je Vollschwingung dadurch zu ermöglichen,
daß durch eine bestimmte Anordnung der entsprechenden Triebspule relativ zur Symetrielage
des Unruhmagneten sich jeweils jeder zweite dieser Triebspule zugeführte Impuls
infolge zu großer Entfernung des benachbarten Magnetpols der Unruh von dieser Spule
nicht mehr in einer Antriebskraft auf die Unruh auswirken kann. Diese bekannte Anordnung
hat aber den großen Nachteil, daß sie die Hälfte der in der Antriebsbatterie der
Uhr zur Verfügung stehenden Energie nutzlos zur Erzeugung der unwirksamen, der erwähnten
Spule zugeführten Erregungsimpulse vergeudet. Dieser Mangel macht die bekannte Anordnung
zur Anwendung insbesondere bei kleineren tragbaren Uhren, z. B. Taschen- oder Armbanduhren,
ungeeignet, da die Antriebsbatterie dabei entweder unzulässig häufig ausgewechselt
werden oder unzulässig große Abmessungen erhalten muß.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Mängel der bekannten
Uhren dadurch zu beseitigen, daß sie ein Schwingsystem vorsieht, das elektromagnetisch
mit Hilfe eines einzigen je Schwingung elektrische Antriebsenergie verbrauchenden
Impulses betrieben wird.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wurde schon vorgeschlagen, daß bei Uhren
der eingangs erwähnten Art ein an der Ankergabel angeordneter Stabmagnet mit seinen
beiden Polen mit den beiden Luftspalten zwischen den Polen einer ihn umschließenden
vierpoligen Statoranordnung zusammenwirkt, welche eine Fortsetzung der Kerne der
eingangs erwähnten beiden Spulen bildet.
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Eine solche Bauweise hat aber wegen der Zwischenschaltung der Ankergabel
in den Energiefluß des Antriebsmechanismus der Uhr einen verhältnis, mäßig ungünstigen
Wirkungsgrad. Sie nimmt ferner verhältnismäßig viel Raum in Anspruch und eignet
sich deshalb nicht gut für die Anwendung in Armband- und Taschenuhren, bei denen
auf eine besonders kompakte Bauweise des Unruhantriebs Wert gelegt werden muß. Schließlich
ist die Relativgeschwindigkeit zwischen dem mit der Ankergabel verbundenen Magneten
und den ortsfest angeordneten Spulen verhältnismäßig gering, so daß die Spulen eine
hohe Windungszahl aus sehr dünnem Draht aufweisen müssen und wegen des verhältnismäßig
niedrigen Wertes der in der Steuerspule induzierten EMK wiederum der Wirkungsgrad
des Unruhantriebs ungünstig beeinflußt wird.
Durch die Erfindung
werden die vorerwähnten Mängel der vorbekannten und der früher vorgeschlagenen elektrischen
Unruh-Uhren in einfacher Weise dadurch beseitigt, daß der Magnet symmetrisch zur
Unruhachse an der Unruhwelle befestigt und von einem ringförmigen Stator hoher magnetischer
Permeabilität umgeben ist, der den Magnetfluß des Magneten in der Weise lenkt, daß
dieser in Teilflüsse aufgeteilt wird, deren Anzahl gleich der Anzahl der Pole des
Magneten ist, wobei die Steuerspule um einen Abschnitt des Stators gewickelt ist
und die zweite Spule in dem den Magneten vom Stator trennenden Luftspalt so angeordnet
ist, daß die Steuerspule, sofern sie sich nicht gegenüber einem der Pole des Magneten
befindet, einen konstanten Magnetfluß ausgesetzt ist, dessen Wert gleich dem eines
Teilflusses ist, und der Magnetfluß beim Vorbeigang eines Poles des Magneten vor
der Steuerspule beim Durchgang durch die Nullage das Vorzeichen ändert, wodurch
in der Steuerspule eine Steuerspannung induziert wird, die die Speisung der zweiten
Spule in der Weise steuert, daß das Schwingsystem bei jeder vollständigen Schwingung
des Magneten nur einen einzigen Antriebsimpuls erhält.
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Die in dieser Weise ausgebildete Uhr ist, abgesehen von der Vermeidung
der bereits erwähnten Mängel der bekannten transistorgesteuerten Unruh-Uhren, durch
die folgenden Vorzüge ausgezeichnet: Die erfindungsgemäße Anordnung hat insgesamt
eine sehr geringe Bauhöhe. Die Höhe des Unruhmagneten läßt sich dabei verringern.
Dies ist besonders für die Anwendung in Armbanduhren von Vorteil.
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Der den Schwingmagneten der Unruh umgebende ringförmige Stator ergibt
einen besonders wirksamen Schutz der Antriebsvorrichtung gegen die Einwirkung wechselnder
äußerer magnetischer Störfelder.
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Die Länge des die Unruh antreibenden Magneten, bezogen auf die wirksame
Luftspaltbreite, ermöglicht das Arbeiten auf einem besonders günstigen Punkt der
magnetischen Sättigungscharakteristik für das Magnetmaterial. Es lassen sich ohne
weiteres Verhältnisse der Magnetstablänge zur Luftspaltbreite von 5 bis.10 : 1 erreichen.
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Die Konzentration des Magnetflusses im Luftspalt ist besonders günstig,
der Streuflußverlust erfahrungsgemäß besonders niedrig.
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Die beiden zuletzt genannten Vorzüge der erfindungsgemäß ausgebildeten
Uhr erlauben die Erzielung eines besonders hohen Wirkungsgrades ihres Antriebs.
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Die Zeichnung, in der nur die zum Verständnis notwendigen Teile dargestellt
sind, veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel und eine abgeänderte Ausführungsform
des Erfindungsgegenstandes. Es zeigt F i g. 1 eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform
des erfindungsgemäß ausgebildeten Schwingsystems einer Uhr im Teilschnitt nach der
Linie I-1 in F i g. 3, F i g. 2 eine perspektivische Ansicht einer Einzelheit eines
Schwingsystems, F i g. 3 einen Schnitt nach der Linie 111-11I in F i g. 1, F i g.
4 eine schematische Darstellung des Schaltungsprinzips der Uhr, F i g. 5 ein Diagramm
der Veränderungen des Magnetflusses und der in Abhängigkeit von der Zeit in der
Steuerspule induzierten Spannung, F i g. 6 eine Draufsicht auf eine abgeänderte
Ausführungsform des Schwingsystems einer Uhr, F i g. 7 eine perspektivische Ansicht
einer Einzelheit des Schwingsystems, und F i g. 8 einen Schnitt nach der Linie VIII-VIII
in Fig.1.
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Die in F i g. 1 bis 4 dargestellte Uhr enthält eine aus einem magnetisierten
Stab gebildete Unruh 1, deren Welle 2 zwischen der Platine 3 des Werkes und dem
Unruhkloben 4 schwenkbar gelagert ist. Die Welle 2 trägt ein Ankerplättchen 5, welches
einen Anker 6 steuert, der die schwingenden Bewegungen der Unruh 1 in eine schrittweise
Drehbewegung eines mit den Zeigern verbundenen, nicht dargestellten Triebwerkes
umwandelt. Die regelnde Spiralfeder ist mit 7 bezeichnet, wobei ihr inneres Ende
an der Spiralrolle 8 befestigt ist.
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Die Platine 3 trägt einen ringförmigen Stator 9 aus einem Werkstoff
mit hoher magnetischer Permeabilität, der koaxial zur Unruh 1 und in ihrer Schwingungsebene
angeordnet ist. Der Stator 9 hat die Aufgabe, den Magnetfluß des zweipoligen Magneten
1 zu lenken und ihn entsprechend den in F i g. 1 angegebenen Kraftlinien 10 und
11 in zwei Halbflüsse aufzuteilen. Eine Steuerspule 12 umgibt einen Abschnitt des
Stators 9, während eine Triebspule 13 in Form einer Flachspule in dem zwischen dem
Magneten 1 und dem Stator 9 vorhandenen freien Raum an der Innenseite des ringförmigen
Stators 9 befestigt ist. Diese besondere Anordnung der Triebspule 13 verhindert
die Gefahr einer Kopplung zwischen dem Eingang und dem Ausgang des nachstehend beschriebenen
Verstärkers. In F i g. 1 ist die Gleichgewichtsstellung der Unruh gestrichelt dargestellt.
Die Wicklung 12 ist auf dem Stator 9 in der Weise angeordnet, daß sie sich gegenüber
einem der Pole der Unruh, gegebenenfalls gegenüber dem Nordpol, befindet, wenn diese
ihre Gleichgewichtsstellung einnimmt. Die Triebspule 13 befindet sich dann etwas
versetzt gegenüber .dem anderen Pol.
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Die Triebspule 13 liegt einerseits am Kollektor eines Transistors
14 und andererseits an der Minusklemme einer Stromquelle 15, beispielsweise einer
Batterie von 1,3 V (F i g. 4). Die Plusklemme der Stromquelle 15 liegt am Emitter
des Transistors 14. Schließlich liegt die Steuerspule 12 einerseits an der Basis
des Transistors 14 und andererseits an dessen Emitter.
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Die Uhr nach der Erfindung arbeitet in folgender Weise: Wenn die Unruh
ihre Gleichgewichtsstellung einnimmt, verteilt sich der Magnetfluß 0 des Nordpols
des Magneten in den beiden Hälften der Steuerspule in der Weise in zwei gleiche
Teile, daß der von der Steuerspule 12 umspannte Gesamtmagnetfluß gleich Null ist.
Diese Stellung der Unruh entspricht dem Punkt O in F i g. 5, in der die Kurve 16
die Veränderung des Magnetflusses angibt, dem die Wicklung 12 ausgesetzt ist. Wenn
sich die Unruh aus ihrer Gleichgewichtsstellung in Richtung des Pfeiles 17 (F i
g. 1) bewegt, wobei sie durch die in F i g. 1 gestrichelt dargestellte Stellung
geht, steigt der Magnetfluß, dem die Wicklung 12 ausgesetzt ist, bis auf einen maximalen
Wert von
Sobald dieser Wert erreicht ist, hält er sich so lange, bis der Nordpol des Magneten
auf seinem Rückweg entsprechend dem Pfeil 18 in eine der Wicklung 12 gegenüberliegende
Stellung gelängt. Dann nimmt der Magnetfluß
erneut ab und geht in
dem Augenblick, da die Unruh ihre Gleichgewichtsstellung (2 in F i g. 5) einnimmt,
durch den Wert Null. Hierauf bewegt sich die Unruh entsprechend dem Pfeil
19, wobei sie durch die in F i g. 1 in Punkt-Strich-Linien dargestellte Stellung
geht. Der Magnetfluß, dem die Wicklung 12 ausgesetzt ist, nimmt bis zu einem minimalen
Wert von ab, der konstant bleibt, solange der Nordpol
des Magneten sich jenseits des Bereiches der Wicklung 12 bewegt. Am Ende der vollständigen
Schwingung (Punkt T in F i g. 5) und, nachdem die Unruh sich schließlich entsprechend
dem Pfeil 20 bewegt hat, ist der Magnetfluß wieder bis auf einen Wert Null angestiegen.
Diese Veränderung des Magnetflusses erzeugt durch Induktion in der Wicklung
12 eine in F i g. 5 durch die Kurve 21 dargestellte Spannung nach dem Gesetz
Diese zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors 14 angelegte Spannung
entsperrt den Transistor derart, daß die Triebspule 13 dann aus der Stromquelle
15 gespeist wird, wodurch der Unruh ein Antriebsimpuls zugeführt wird. Da nur eine
der Spannungen, und zwar entweder die positive oder die negative Spannung, verwendet
wird, ergibt sich nach dem Diagramm in F i g. 5, daß die Unruh nur bei jeder vollständigen
Schwingung einen einzigen Antriebsimpuls erhält. Da im dargestellten Beispiel die
Wicklung 12 genau gegenüber der Gleichgewichtsstellung des Nordpols des Magneten
liegt, ist der Antriebsimpuls symmetrisch beiderseits der Gleichgewichtsstellung
der Unruh verteilt.
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Es sei bemerkt, daß das geringfügige Versetzen der Triebspule 13 gegenüber
der Gleichgewichtsstellung des Südpols des Magneten deshalb notwendig ist, damit
während der Speisung der Spule 13 auf den Südpol eine Antriebswirkung ausgeübt wird.
Schließlich sei hervorgehoben, daß die Amplitude der Schwingungen der Unruh insofern
einen Grenzwert nicht überschreiten darf, als der Nordpol des Magneten niemals in
eine Stellung gegenüber der Triebspule 13 gelangt.
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Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die beschriebene und dargestellte
Ausführungsform. So kann beispielsweise der Magnet 1, statt selbst die Unruh zu
bilden, auf dieser befestigt sein. Außerdem könnte er mehr als zwei Pole haben.
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Bei einer abgeänderten Ausführungsform nach F i g. 6 bis 8 besteht
das Schwingsystem ebenfalls aus einem schwingenden, von einer Welle 23 getragenen
magnetisierten Stab 22, der -der Wirkung einer Spiralfeder 24 unterliegt. Dieser
magnetisierte Stab dreht sich im Innern eines bei 26 unterbrochenen ringförmigen
Stators 25 aus magnetisierbarem Werkstoff. In seiner in F i g. 6 ausgezogen dargestellten
Gleichgewichtsstellung liegt einer der Pole des Stabes 22 gegenüber dem Schlitz
26.
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Der Stator 25 trägt diametral gegenüber dem Schlitz 26 eine auf ihn
gewickelte Steuerspule 27 und in der Nähe des Schlitzes 26 eine an seiner Innenfläche
befestigte Triebspule 28 in Form einer Flachspule.
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Wenn der Stab 22 seine Gleichgewichtsstellung einnimmt, teilt sich
sein Magnetfluß 0 in zwei Teilflüsse gleichen Wertes. Sobald der Stab 22 seine Gleichgewichtsstellung
verläßt, durchsetzt einer der Teilflüsse den einen zusätzlichen Luftspalt bildenden
Schlitz 26, der ihn zugunsten des anderen Teilflusses, dem dann die Steuerspule
27 ausgesetzt ist, beachtlich verringert. Die Erfahrung hat gezeigt, daß ein Schlitz
26 von selbst geringer Breite zwischen den Teilflüssen einen solchen Unterschied
erzeugt, daß einer der beiden Teilflüsse nahezu den gesamten Magnetfluß 0 des Magneten
enthält, während der andere Teilfluß sich auf einen Magnetfluß von nahezu Null verringert.
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Durch diese Anordnung wird - für Teile gleicher Abmessungen - anstatt
einer Magnetflußveränderungen von
bis eine von etwa bis -0 reichenden Magnetflußveränderung
ermölicht. Die an den Klemmen der Steuerspule auftretende Spannung ist somit praktisch
verdoppelt.
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Das elektrische Schaltschema ist das gleiche wie bei der ersten Ausführungsform.
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Zur Verhinderung der Gefahr einer eventuellen Verformung des ringförmigen
Stators 25 kann die Unterbrechung 26 desselben von einem Teil aus nichtmagnetischem
Werkstoff, beispielsweise Messing, ausgefüllt sein.