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Elektromechanische Vorrichtung Es ist bekannt, elektrische Uhren und
Gleichstrommotoren durch Halbleiteranordnungen wie Transistorschaltungen oder Tunneldioden
zu steuern. Demgegenüber bezieht sich die Erfindung auf eine elektromechanische
Vorrichtung mit einem eine zeitlich periodische oder gleichförmig drehende Bewegung
ausübenden Körper, dessen Bewegungszustand gegenüber energieverzehrenden Einflüssen
durch Vermittlung eines von einer Halbleiteranordnung gesteuerten elektrischen Stromes,
insbesondere Gleichstromes, sich aufrecht hält, bei der erfindungsgemäß zur Steuerung
dieses Stromes eine druckempfindliche, von der Bewegung des Körpers mechanisch beeinflußte
Halbleiteranordnung, insbesondere mit pn-Übergang, vorgesehen ist.
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In einer bevorzugten Variante ist bei einer Vorrichtung gemäß der
Erfindung der die periodische Bewegung ausübende Körper ein permanenter Magnet,
der auf die ruhende druckempfindliche Halbleiteranordnung entsprechend seinem augenblicklichen
Bewegungszustand unterschiedlichen mechanischen Einfluß nimmt. Die wichtigsten Ausbildungsformen
des bewegten Körpers bei einer Vorrichtung gemäß der Erfindung sind folgende: Schwerependel,
Drehpendel, Federpendel und um eine Achse drehbar gelagerter, insbesondere um diese
Achse rotationssymmetrisch ausgestalteter Körper. Das Hauptanwendungsgebiet der
ersten drei dieser Möglichkeiten ist die als Regulator einer elektrischen Uhr, das
Hauptanwendungsgebiet der zuletzt genannten Möglichkeit ist die als Rotor eines
kollektorlosen Gleichstrommotors.
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Es gibt nun eine Reihe von Möglichkeiten, daß der bewegte Körper das
druckempfindliche Halbleiterbauelement mechanisch beeinflußt. Die erste Möglichkeit
ist durch die Anwendung eines in engen Grenzen bewegbaren oder federnden Anschlages
gegeben, gegen den der sich bewegende Körper an einer Stelle seines Weges schlägt
oder streift und der die hierdurch entstehende mechanische Kraft an das druckempfindliche
Halbleiterbauelement übermittelt. Diese beiden Möglichkeiten lassen sich bei den
genannten Pendelarten anwenden, während zur Steuerung eines Gleichstrommotors nur
ein streifender Anschlag zulässig ist. Die zweite Möglichkeit ist kontaktlos und
besteht in der Anwendung magnetischer Kräfte, die von dem dann notwendig als Permanentmagnet
ausgebildeten bewegten Körper auf eine mindestens zum Teil ferromagnetische Eigenschaften
aufweisende, wenigstens bei magnetischer Beeinflussung auf das druckempfindliche
Halbleiterbauelement drückende Vorrichtung ausgeübt werden. Diese Möglichkeit kann
stets angewendet werden.
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Zunächst soll die Erfindung an Hand eines per Anschlag gesteuerten
Schwerependels näher beschrieben werden. Zu diesem Zweck wird auf F i g. 1 hingewiesen.
Der um einen Aufhängepunkt 1 als Schwerependel bewegbare Körper 2 schlägt
gegen eine federnde Membrane 3, sobald sie die gestrichelt dargestellte Lage (Elongation)
eingenommen hat. Durch Vermittlung der Membrane erfährt das druckempfindliche Halbleiterbauelement
4 einen kurzzeitigen Druck, der es zu einer ebenso kurzdauernden, nach Aufhören
der Belastung von selbst wieder zurückgehenden Änderung seiner elektrischen Eigenschaften
veranlaßt. Ein über das Halbleiterbauelement fließender elektrischer Strom erfährt
hierdurch eine impulsartige Änderung seiner Stärke, die - gegebenenfalls nach vorheriger
Verstärkung - in an sich bekannter Weise dazu verwendet wird, um die Energieverluste
des Pendels während der vorherigen Ausschwingung auszugleichen. Wie die F i g. 2
zeigt, besteht die Möglichkeit, die Schwingung durch zwei derartige Anschläge zu
begrenzen und zu steuern. In diesem Fall empfiehlt es sich, wenn die dann in jeder
der beiden Elongationen erzeugten Energieimpulse im Sinne eines Antriebes in Richtung
auf die Mittellage des Pendels wirken. Selbst im Falle, daß die Elongationen ungleich
ausgebildet wären, hätte ein derartiges Pendel eine konstante Schwingungsdauer.
Voraussetzung für die Wirksamkeit ist lediglich, daß das Pendel in den Elongationen
noch genügend Wucht besitzt, um auf das Halbleiterbauelement einen merklichen Druck
auszuüben. Dies geschieht durch entsprechende Bemessung der Antriebsimpulse, welche
durch die Änderungen des über das Halbleiterbauelement fließenden Stromes ausgelöst
werden. Es empfiehlt sich, konstante Energieimpulse zu verwenden.
Das
druckempfindliche Halbleiterbauelement kann z. B. als Transistor oder als Diode
in an sich bekannter Weise ausgestaltet sein und in einer üblichen Schaltung, z.
B. Verstärkerschaltung, verwendet werden. Dabei kann das die Einwirkung des Pendels
auf das druckempfindliche Halbleiterbauelement übermittelnde Zwischenglied, z. B.
die in den F i g. 1 und 2 verwendeten Membranen, leitend ausgestaltet sein und als
Abnahmeelektrode verwendet werden. In den Zeichnungen ist von einer Darstellung
der elektrischen Anschlüsse und Schaltglieder Abstand genommen; es ist lediglich
das Halbleiterbauelement schematisch eingezeichnet.
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Die im folgenden zu beschreibende magnetische Steuerung einer Anordnung
gemäß der Erfindung hat gegenüber den bisher beschriebenen Methoden den Vorzug,
daß sie fast keine Bremsung des schwingenden Körpers bedingt. Ihr Prinzip ist in
F i g. 3 dargestellt.
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Das Pendel t ist als Permanentmagnet mit senkrecht zu seiner Aufhängung
5 orientiertem magnetischem Moment ausgebildet. Zur Reduktion der Feldstreuung sind
Polschuhe 6 vorgesehen, die das Feld nur in einem engen Spalt austreten lassen.
Das Pendel schwingt über einen U-förmigen Teil 7 mit vertikal orientierten Schenkeln,
die entweder elastisch oder über ein Gelenk miteinander verbunden sind. Zwischen
den Schenkeln dieses U-förmigen Teiles ist das druckempfindliche Halbleiterbauelement
4 derart montiert, daß mindestens beim Zusammendrücken der oberen Enden der beiden
Schenkel des U-förmigen Teiles das Halbleiterbauelement 4 einen Druck erfährt. Das
Zusammendrücken der beiden Schenkel des U-förmigen Teiles wird durch die magnetische
Kraft des Pendels bewirkt, sobald dieses über den U-förmigen Teil hinwegschwingt.
Zu diesem Zweck bestehen die beiden Enden 5 des U-förmigen Teiles 7 aus ferromagnetischem
Material (Polschuhe) und sind zweckmäßig so ausgebildet, daß sie den von dem Pendel
ausgehenden magnetischen Kreis weitgehend schließen, also als magnetisches Joch
wirken.
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Eine der F i g. 2 analoge magnetisch gesteuerte Anordnung ist in F
i g. 4 dargestellt. Die Bezugszeichen entsprechen denen der F i g. 3.
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In F i g. 5 -wird ein Drehpendel 2, z. B. eine Unruh, der an Hand
von F i g. 3 und 4 beschriebenen Steuerung unterworfen. Sie ist von oben gesehen
dargestellt. Die U-förmigen Teile 7 sind so angebracht, daß die steuernden Impulse
in den Mittellagen des Pendels, also in den Phasen maximaler kinetischer ; Energie,
und zwar im Sinne einer Beschleunigung in der jeweiligen Schwingungsrichtung wirksam
sind. Zu diesem Zweck ist das Drehpendel an zwei gegenüberliegenden Stellen mit
je einem kleinen Magneten 8 belegt, deren magnetisches Moment senkrecht zu der Ebene
des Drehpendels orientiert ist. Die beiden U-förmigen Teile 7 umgeben den Rand des
Drehpendels derart, daß die beiden Magneten 8 in der Mittellage des Pendels, also
in der Stellung maximaler kinetischer Energie, sich innerhalb der Schenkel der U-förmigen
Teile befinden und auf diese Weise einen selektiven Druck auf die an den U-förmigen
Teilen vorgesehenen druckempfindlichen Halbleiterbauelemente ausüben.
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Nach den vorstehenden Ausführungen wird z. B. bei einer magnetischen
Steuerung eines Pendels oder einer Unruh entsprechend der Lehre der Erfindung ein
Permanentmagnet in den schwingenden Körper eingebaut. Wenn man die Streuungen des
Feldes reduzieren will, erhält dieser Magnet Polschuhe, die das Feld nur an einem
engen Spalt austreten lassen. Gegenüber der Ruhelage des Pendels befindet sich der
beschriebene U-förmige Teil, zwischen dessen Schenkeln das Magnetfeld des Pendels
eintreten kann. Zwischen diesen Schenkeln befindet sich das druckempfindliche Halbleiterbauelement
derart, daß die beiden Schenkel durch das Bauelement in einer bestimmten kleinen
Distanz gehalten werden. Bein Vorbeischwingen des Pendel- oder Unruhmagneten tritt
für einen Moment das Feld dieses Magneten in den Zwischenraum dieser Schenkel, so
daß sich diese anziehen und auf das druckempfindliche Bauelement einen Druck ausüben.
Dadurch ändern sich kurzzeitig dessen elektrische Eigenschaften. Handelt es sich
z. B. um eine druckempfindliche Halbleiterdiode, so steigt der Sperrstrom dieser
Diode bei zunehmender Belastung an. Diese Stromänderung kann nun direkt oder verstärkt
dazu verwendet werden, um dem schwingenden System wieder Energie zuzuführen.
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Wichtig ist es, daß diese Art der Steuerung es ermöglicht, dem schwingenden
System möglichst wenig Energie zu entziehen. Wenn die beiden ortsfesten Schenkel
des U-förmigen Teiles durch das Feld des Pendels zusammengedrückt werden, ist nur
eine geringe elastische-Verformung notwendig, um das Halbleiterbauelement zur Abgabe
des gewünschten Signals zu veranlassen.
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Es gibt verschiedene Möglichkeiten, um durch den durch das druckempfindliche
Halbleiterbauelement erhaltenen Stromimpuls dem schwingenden System wieder Energie
zuzuführen. Solche Möglichkeiten sind z. B.: a) Der Stromimpuls löst einen Induktionsimpuls
aus, der mittels einer Stromschleife auf den schwingenden Permanentmagneten einen
mechanischen Impuls überträgt; b) wenn man den U-förmigen Teil als Elektromagneten
ausbildet, kann der Stromimpuls zur Erzeugung bzw. Änderung des Feldes dieses Elektromagneten
derart verwendet werden, daß das Pendel wieder Energie gewinnt; c) der Stromimpuls
löst eine pneumatische Steuerung aus; d) die Steuerung über Relais und andere bekannte
elektromechanische Schaltglieder.
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Ein Vorteil der beschriebenen Anordnungen ist ferner die Tatsache,
daß man den Phasenwinkel bzw. den Ort, an dem man dem Pendel Energie zuführt, genau
einstellen kann. Bei einer Uhr ist °s z. B. zweckmäßig, wenn die Energiezufuhr in
der Mittellage zugeführt wird, weil dann die Ganggenauigkeit bei geringstem Aufwand
erhalten bleibt, selbst wenn die zugeführte Energie etwas schwankt. Dies ist bei
den Anordnungen gemäß F i g. 3 der Fall. Um die Energieverluste bei empfindlichen
Systemen möglichst klein zu halten, empfiehlt es sich, die ferromagnetischen Teile,
insbesondere die Permanentmagneten in Form von Ferriten oder lamelliertem Eisen
auszuführen und auch sonst die Wirbelstromverluste durch bekannte Maßnahmen gering
zu halten.
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Der magnetische Antrieb des Pendels kann z. B. in der aus F i g. 6
ersichtlichen Weise erfolgen: Wenn
das senkrecht zur Zeichenebene
schwingende, mit einem Magneten 2 a versehene Pendel 2 sich dem U-förmigen Teil
nähert, wird es zwischen dessen Schenkel gezogen. In dieser Lage zieht der Magnet
des Pendels die beiden Schenkel des - im Beispielsfalle als Magnetjoch ausgebildeten
- U-förmigen Teiles an, so daß diese gegen das druckempfindliche Halbleiterbauelement
drücken. Dieser Druck löst einen Stromimpuls aus, der gegebenenfalls verstärkt und
gegebenenfalls etwas verzögert durch die Spule 9 des Magnetjoches in einer solchen
Richtung fließt, daß der magnetische Fluß im Magnetjoch geschwächt oder gar umgekehrt
wird. Dadurch wird die Anziehungskraft in das Magnetjoch hinein geschwächt oder
gar in eine abstoßende Kraft verwandelt. Dadurch kann das Pendel leicht wieder hinausschwingen.
Beim Rückschwingen des Pendels passiert der gleiche Vorgang, so daß das Pendel in
beiden Richtungen gleich angetrieben wird. Die gleiche Anordnung ist natürlich auch
zum Antrieb eines Drehpendels geeignet.
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Im Falle eines Antriebes des Pendels mit einem Luftimpuls kann z.
B. in der an Hand der F i g. 7 ersichtlichen Weise verfahren werden. Das wiederum
als Permanentmagnet ausgebildete Pendel ist unten mit einer schneidenförmigen Nase
2 b derart versehen, daß beim Antrieb durch einen von rechts der Nase 2 b von unten
auftreffenden Luftstrom das Pendel nach links, durch einen von rechts kommenden
Luftstrom hingegen nach links angetrieben wird. Zum Antrieb genügt jedoch nur ein
z. B. von links in der Nullage des Pendels gegen die Schneide blasender Luftstrom.
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Die Antriebsvorrichtung 10 befindet sich in der aus der Zeichnung
(F i g. 7) ersichtlichen Weise unterhalb der Nullage des Pendels. Sie weist zwei
Kanäle 11 und 12 auf. Beim Vorbeischwingen des Pendels mit der Nase 2 b am Kanal
11 wird dort ein kleiner Druckstoß erzeugt, der eine Membrane 13, die den Kanal
abschließt, dazu veranlaßt, gegen das druckempfindliche Halbleiterbauelement 4 zu
drücken. Der in einem Verstärker verstärkte Impuls erregt über einen Magneten 15
und eine Spule 16 eine den Kanal 12 abschließende Membran 17, die einen Druckstoß
erzeugt. Infolge der Laufzeit des Vorganges trifft dieser auf der Rückseite der
Nase 2 b auf und treibt das Pendel 2 an.
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Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß man mit dem Signal, das
man mit Hilfe des druckempfindlichen Halbleiterbauelementes erhält, einen Kondensator
auflädt und dessen gespeicherte Energie dazu verwendet, um das rückschwingende Pendel
anzutreiben. Als weitere Ausführungsform dieser Variante kann man auch zwei druckempfindliche
Halbleiterbauelemente symmetrisch zum Nullpunkt anbringen. Beim Vorbeischwingen
erzeugt das Pendel nun zwei Signale, deren Zeitabstand von der Geschwindigkeit des
Pendels abhängt. Je rascher nun das Pendel t schwingt, desto kürzer ist der Ladevorgang
und um so weniger Energie wird dem Pendel jedesmal zugeführt. Auf diese Weise ist
eine Amplitudenregelung möglich, die zu einer besonders hohen Genauigkeit führt.
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Die bisherigen Betrachtungen beschäftigten sich in erster Linie mit
der Steuerung eines Pendels. Um die andere Ausführungsform der Erfindung, nämlich
die Erzeugung einer permanenten Drehbewegung, also vor allem die Anwendung als Gleichstrommotor
zu zeigen, wird auf die F i g. 8 hingewiesen. Diese zeigt eine drehbar gelagerte
Achse 18, auf der als Läufer ein Permanentmagnet (Stabmagnet) 19 symmetrisch derart
befestigt ist, daß der Vektor seines magnetischen Moments senkrecht zur Drehachse
18 weist. Beiderseits befinden sich die Pole 20, 21 eines Elektromagneten. Damit
der Läufer permanent rotiert, ist ein zusätzlicher Antrieb in einer Richtung erforderlich.
Dieser wird durch das druckempfindliche Halbleiterbauelement 4 erzeugt, gegen welches
eine Blattfeder 22 drückt. Dieser Druck wird verstärkt. wenn eine an der Drehwelle
18 vorgesehene Nase 23 je Umlauf einmal gegen die Blattfeder 22 drückt. Der auf
diese Weise im Halbleiterbauelement 4 erzeugte Stromimpuls dient zu einer impulsartigen
zusätzlichen Erhöhung des Feldes des Elektromagneten (20, 21), durch die bei entsprechender
Stärke ein permanenter Umlauf des Läufers 19 und Arbeitsleistung möglich ist. Das
Prinzip läßt sich ohne weiteres weiter ausgestalten, indem mehrere druckempfindliche
Halbleiterbauelemente 4 und mehrere, insbesondere in der Peripherie der Welle 18
und auch in axialer Richtung gegeneinander versetzte Nasen 23 vorgesehen werden.
Man erkennt sofort, daß der Betrieb mit Gleichstrom möglich ist, ohne daß ein Kollektor
anwesend ist.
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Die beim Pendel beschriebene magnetische Steuerung läßt sich bei einem
Gleichstrommotor entsprechend der Lehre der Erfindung ebenfalls anwenden. Hierzu
wird auf die F i g. 9 hingewiesen. Hier wird wiederum die bereits beschriebene U-förmige
Vorrichtung mit dem druckempfindlichen Halbleiterbauelement 4 zwischen ihren Schenkeln
verwendet. Um den magnetischen Fluß zu schließen, werden gleichzeitig zwei entgegengesetzte
Magnetpole 24, 25, die mit der Drehwelle 18 des Läufers 19 starr verbunden sind,
an den Polschuhen 5 des U-förmigen Teiles 7 vorbeibewegt.
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Die beschriebenen Ausführungsformen sind besonders einfach gehalten,
um das Wesen der Erfindung klarzulegen. Es wird jedoch ohne weiteres verständlich,
daß der Fachmann nunmehr in der Lage ist, die Erfindung nach aus der Uhren- und
Motorentechnik bekannten Gesichtspunkten weiter ausgestalten kann, insbesondere,
um eine Vergleichmäßigung der Rotation des Motors zu erhalten. Dies geschieht vor
allem durch Anwendung von mehr als zwei, insbesondere sternförmig zueinander angeordneten
Magnetpolen. Hierzu steuern die druckempfindlichen Halbleiterbauelemente zweckmäßigerweise
bekannte Flip-Flop-Schaltungen, welche die Magnetspulen des Stators immer so umschalten,
daß auf den als Permanentmagneten ausgebildeten Rotor immer ein im gleichen Sinne
wirkendes Drehmoment ausgeübt wird.