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Stimmgabeluhr Uhren mit Pendel oder Unruh als frequenzbestimmendes
Element (Oszillator) sind seit langem bekannt. Diese Oszillatoren besitzen aber
einen so geringen mechanischen Gütefaktor Q und einen so schlechten Isochronismus,
daß eine hohe Ganggenauigkeit nur sehr schwierig zu erreichen ist. Genaue Uhren
dieser Art sind deshalb sehr teuer.
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Eine Uhr, bei der eine Stimmgabel als Oszillator dient, ist in der
USA.-Patentschrift 2971323 beschrieben. Die Schwingbewegung der Stimmgabel
wird hier mechanisch in eine zum Antrieb der Zeiger geeignete Drehbewegung verwandelt.
Dadurch wird die Vorrichtung zur Umwandlung der Schwingbewegung in eine mechanische
Bewegung recht kompliziert und ist schwierig herzustellen.
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In der britischen Patentschrift 660 584 ist eine magnetische Hemmung
beschrieben, bei der ein Dauermagnet am vorderen Ende eines Oszillators befestigt
ist und ein Hemmungsrad (Steigrad) aus magnetisierbarem Material, das unsymmetrische,
wellenförmig verlaufende Bahnen aufweist, derart zwischen den Polen des Dauermagnets
angeordnet ist, daß der Oszillator bei seinen Schwingbewegungen das Steigrad antreibt.
Diese Anordnung ist aber nie zur praktischen Ausführung gelangt, und zwar hauptsächlich
deshalb, weil die kontinuierliche magnetische Kopplung des Steigrades mit den schwingenden
Magnetpolen nur bei den geringen Frequenzen eines Pendels oder einer Unruh eine
ausreichende Kraftübertragung ermöglicht, während bei den vorteilhaften Stimmgabelfrequenzen,
die bekanntlich in der Größenordnung von 300 Hz liegen, eine ausreichende Synchronisierung
nicht mehr möglich ist. Im übrigen sind auch Entwurf, Herstellung und Prüfung sowie
Einbau und Wartung eines unsymmetrischen Steigrades schwieriger als bei einem symmetrischen
Gebilde.
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Aus der deutschen Patentschrift 809 420 ist eine magnetische Ankerhemmung
mit symmetrischem Steigrad bekannt, die in kinematischer Umkehr auch als Antrieb
für das Steigrad durch einen selbstschwingenden Oszillator dienen könnte. Der Kranz
dieses Steigrades ist so gestaltet, daß er dem wellenförmigen Pfad der schwingenden
Magnetpole möglichst nahe kommt. Im Idealfall verläuft also der Kranz gemäß einer
Sinuskurve. Auf die Scheitel dieses wellenförmigen Kranzes sind innere und äußere
Zähne aufgesetzt, die verhindern sollen, daß bei großen Amplituden die Magnetpole
den magnetischen Kontakt mit dem Steigrad verlieren. Ist die Amplitude zu gering
oder weicht die Schwingungsform des Oszillators von einer Sinuskurve ab, wie es
häufig vorkommt, so verschlechtert sich die magnetische Kopplung. Bei dieser bekannten
Anordnung ist also ebenfalls keine ausreichende Energieübertragung gewährleistet.
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Die Erfindung beruht demgegenüber auf einem abweichenden Prinzip.
Es soll nicht dafür gesorgt werden, daß die Magnetpole stets einen geschlossenen
Eisenweg durch das Steigrad vorfinden, sondern es soll eine möglichst starke Anziehung
auf die jeweils jenseits des Mittelsteges liegenden Zähne ausgeübt werden.
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Zu diesem Zweck ist die erfindungsgemäße Stimmgabeluhr mit magnetischer
Fortschaltung eines Steigrades, das auf seinem Umfang magnetische Unstetigkeiten
aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Steigrad in an sich bekannter Weise symmetrisch
ausgebildet und mit inneren und äußeren Zähnen aus magnetisch leitfähigem Material
versehen ist, daß der die inneren mit den äußeren Zähnen verbindende Kreisring eine
möglichst geringe radiale Ausdehnung hat und daß die Breite der Zähne von der Breite
der Magnetpole der Antriebsmagnete abweicht.
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Während also bei dem Steigrad nach der deutschen Patentschrift 809420
der wellenförmige Kranz die eigentliche Kopplung besorgt und die äußeren und inneren
Zähne nur zusätzliche Ergänzungen darstellen, sind erfindungsgemäß die Zähne die
wesentliehen
Bestandteile des Steigrades, und der die inneren mit
den äußeren Zähnen verbindende Kreisring soll so schmal sein, wie es aus konstruktiven
Gründen möglich ist. Die schwingenden Magnetpole laufen in jeder Stellung einem
jenseits des Kreisrings befindlichen Zahn vor und ziehen ihn an, so daß auf das
Steigrad eine tangentiale Kraft ausgeübt wird. Axiale Kräfte werden im wesentlichen
nur im Bereich des schmalen Kreisringes auf das Steigrad übertragen.
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Durch die geringe Bxeite des Kreisringes ist die Fortschaltung auch
bei einer kleinen Amplitude des Schwingers und somit auch des Fortschaltmagnets
möglich; bei einer wellenförmigen Ausbildung des Übergangs zwischen den inneren
und äußeren Zähnen müßte dagegen die Mindestamplitude des Schwingers den Abmessungen
des wellenförmigen Teils entsprechen.
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Durch die abweichende Bemessung der Breite der Zähne im Verhältnis
zur Breite der Magnetpole ist ferner an Stelle einer ruckweisen Bewegung des Steigrades
eine gleichförmigere Drehbewegung erzielbar.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend an Hand der
Zeichnung erläutert. Hierin ist A b b. 1 die schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen
Stimmgabeluhr, A b b. 2 eine Darstellung . der relativen Lage der Magnetpole eines
Magnets und des Steigrades im größeren Maßstab, A b b. 3 ein Schaltbild der Antriebsvorrichtung,
A b b. 4 bis 10 Darstellungen der relativen Lage der Magnetpole und der Zähne des
Steigrades im Verlauf einer Schwingung und A b b. 11 ein Grundriß eines Ausschnitts
des Steigrades.
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Gemäß A b b. 1 wird eine Stimmgabel 2 mittels einer Oszillatorschaltung,
die eine Steuerspule 4, eine Triebspule 3, einen Transistor 5, einen Widerstand
7 und einen Kondensator 8 enthält und von einer Trockenbatterie 6 mit Strom versorgt
wird, angetrieben. Die Wicklungen 4 und 3 sind auf Dauermagneten 9 und 9' angeordnet.
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Die Anregung der Stimmgabel mittels der Oszillatorschaltung erfolgt
in bekannter Weise.
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Die Stimmgabel 2 ist an einem Träger 10 befestigt und
trägt an ihren freien Enden Dauermagnete 11 und I1'. Zwischen den Polschuhen dieser
Magnete ist ein Steigrad 12 drehbar angeordnet, dessen Zähne nur magnetisch mit
der Stimmgabel 2 gekoppelt sind. Das Steigrad 12 ist auf einer Welle
13 befestigt. Diese trägt einen Trieb 14, der mit einem auf der Welle 15
befestigten Zahnrad 16 kämmt. Auf der Welle 15 sitzt ein Trieb 17, der das Sekundenrad
18 antreibt. Dieses -ist in bekannter Weise mit Zahnrädern 19 derart verbunden,
daß der Sekundenzeiger 20, der Minutenzeiger 21 und der Stundenzeiger 22 im richtigen
Übersetzungsverhältnis angetrieben werden. Zur Inbetriebsetzung der Uhr dient eine
Anwurfvorrichtung 23.
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Die Gangregelung der Uhr erfolgt in bekannter Weise, indem einer der
am Ende der Stimmgabelzinken angeordneten Magnete 11 von einer fein einstellbaren
Gangregelscheibe 24 magnetisch beeinflußt wird.
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Die erfindungsgemäße Uhr arbeitet folgendermaßen: wenn von der Batterie
6 elektrische Energie der Antriebsvorrichtung, zugeführt wird, beginnt die Stimmgabel
2 zu schwingen. Wenn nun mittels der Anwurfvorrichtung das . Steigrad 12 kurzzeitig
mit einer höheren Drehzahl als die Synchrondrehzahl angetrieben wird, so wird die
Schwingbewegung der Stimmgabel 2 als Drehbewegung auf das Steigrad 12 übertragen,
und dieses dreht sich selbsttätig weiter. Das Steigrad 12 wird also durch die Schwingbewegung
der Stimmgabel 12 stets mit Energie versorgt, die zur Aufrechterhaltung seiner Drehung
im vollständigen Synchronismus mit den Schwingungen der Stimmgabel ausreicht. Wie
die Schwingbewegung der Stimmgabel 2 in eine Drehbewegung des Steigrades 12 umgesetzt
wird, wird nun an Hand der A b b. 4 bis 10 im einzelnen beschrieben. Wenn hierbei
von der Bewegung der Magnetpole N und S gesprochen wird, so soll dies einfach die
Schwingbewegung der Stimmgabel 2 mit den an ihren Enden befestigten Magneten 11
und 11' bedeuten.
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In A b b. 4 bis 10 stellt das doppeIschraffierte Rechteck jeweils
die Projektion der ,Polschuhe N und S des in A b b. 2 gezeigten Magnets 11 auf das
Steigrad 12 dar. Es wird nur einer der beiden Magnete betrachtet, da der andere
Magnet genau in der gleichen Weise wirkt.
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Das Steigrad 12 besteht aus einem Stoff mit weit geringerem magnetischem
Widerstand (d. h. mit höherer magnetischer Permeabilität) als Luft. Ist nun die
Schwingungsamplitude des Magnets 11 kleiner als die Strecke AA' mit
der Ruhelage O' auf der Geraden 0A', so wird jeweils einer der Teile 35, 36, 37,
38 und 39 aus magnetisierbarem Material angezogen, und das Steigrad 12 führt kleine
hin- und hergehende Drehbewegungen um die Achse O aus.
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Schwingen die Polschuhe in Richtung der Achse O aus der in A b b.
4 gezeigten Lage in die Lage nach A b b. 5, so dreht sich das Steigrad im Uhrzeigersinn
oder entgegen dem Uhrzeigersinn um einen sehr kleinen Winkel derart, daß anstatt
des Zahnes 35 entweder der am Steg 37 sitzende Zahn 38 oder der am Steg 36 sitzende
Zahn 39 zwischen die Magnetpole N und S gelangt. Da beide Stege 36 und 37 symmetrisch
zur Mittellinie 0Q., des Zahnes 35 ausgebildet sind, ist keiner der Zähne 38 und
39 bevorzugt, wenn vorher die Bahn AA' der Magnetpole gemäß A b b. 4 mit
der Achse 0Q2 zusammengefallen ist. Es ist also keine Drehrichtung bevorzugt,
sondern das Steigrad kann sich sowohl im Uhrzeigersinn als auch entgegen dem Uhrzeigersinn
bewegen. Dies gilt auch für die Lage nach A b b. 5, bei der die Bahn AA'
mit der Mittelachse OP, des Zahnes 38 übereinstimmt und die Magnetpole
N und S sich in Richtung AA'
bewegen. Die auf die Steigradwelle
13 ausgeübten Drehmomente sind also in beiden Richtungen gleich groß und heben sich
gegenseitig auf.
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Es muß aber an der Welle 13 ein Drehmoment erzeugt werden, das ausreicht,
um die Schwingbewegung der Stimmgabel 2 in eine Drehbewegung des Steigrades 12 umzuwandeln
und die Reibungswiderstände des mit der Welle 13 verbundenen Uhrwerkes zu überwinden.
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Beim Anlauf wird zunächst die Stimmgabel 2 in Schwingung versetzt
und dann mittels der Anwurfvorrichtung 23 das Steigrad 12 in eine Drehbewegung versetzt,
die schneller als die Synchrondrehzahl ist. Verläuft diese Anlaufbewegung beispielsweise
im Uhrzeigersinn und befindet sich anfangs gemäß A b b. 4 der äußere Zahn 35 zwischen
den Polen des Magnets 11, wobei diese sich in Richtung zum Punkt A bewegen, so ergibt
sich gemäß A b b. 6 eine Verschiebung zwischen der Bahn AA' und der Mittelachse
0Q,
des Zahnes 35. Dadurch erfährt der linke innere Zähn 38 eine so viel größere Anziehung
als der rechte Zahn 39, daß das Steigrad 12 einen Impuls in Uhrzeigerrichtung erfährt.
Befindet sich nun der Zahn 38 zwischen den Magnetpolen, und der Magnet hat seine
Bewegungsrichtung in Richtung zum Punkt A' umgekehrt, so ergibt sich wieder eine
Verschiebung zwischen der Bahn AA' und der Mittelachse OP, des Zahns 38.
Diese ist in A b b. 7 dargestellt. Dadurch wird der äußere Zahn 41 stärker vom Magnet
angezogen als der Zahn 35, und das Steigrad dreht sich weiter im Uhrzeigersinn,
so daß der Zahn 41 zwischen die Magnetpole gelangt. Bei der Rückbewegung des Magnets
in Richtung zum Punkt A ergibt sich gemäß A b b. 8 wieder eine Verschiebung zwischen
der Bahn AA' und der Mittelachse 0Q3 des Zahnes 41, wodurch
der am Steg 42 angeordnete innere magnetische Zahn 43 angezogen wird und
das Steigrad 12 abermals einen Impuls im Uhrzeigersinn erfährt, durch welchen der
Zahn 43
zwischen die Magnetpole gelangt. So setzt sich die Drehung im Uhrzeigersinn
ständig fort.
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Die obige Erklärung ging davon aus, daß anfangs die Achse OQZ die
in A b b. 4 gezeigte Lage hatte. Aber auch wenn die Magnetbahn AA' anfangs
mit der Achse OP, gemäß A b b. 5 zusammenfällt, ergibt sich die gleiche Bewegung,
wobei nur die Phase jeweils um eine halbe Schwingungsperiode verschoben ist. Wird
das Steigrad entgegen dem Uhrzeigersinn angeworfen, so setzt es seine Drehung in
gleicher Weise entgegen dem Uhrzeigersinn fort.
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Damit die Schwingbewegung der Stimmgabel 2 wirksam in eine Drehbewegung
des Steigrades 12 verwandelt werden kann, müssen bestimmte Beziehungen zwischen
den Abmessungen der Magnetpole und der radialen Zähne beachtet werden. Damit die
Verschiebung und die Anziehung möglichst ausgeprägt sind, soll die Breite c
(Ab b. 9) jedes Polschuhes kleiner (oder auch größer) als die Breite b der
Zähne 35, 38, 39, 41 und 43 sein. In diesem Fall hat die erwähnte Verschiebung nur
einen geringen Einfluß auf denjenigen Zahn, über dem sich die Polschuhe gerade befinden.
Dreht sich nämlich das Steigrad in A b b. 9 aus der ausgezogenen in die gestrichelte
Stellung, so ändert sich der Magnetfluß zwischen den einander gegenüberstehenden
Polen des Magnets so gering, daß die entsprechende Änderung der magnetischen Anziehung
auf das Steigrad 12 vernachlässigt werden kann. Infolgedessen tritt keine
Hemmung der Drehbewegung ein, welche die Verschiebung verursacht. Dasselbe gilt
auch, wenn die Breite c größer als die Breite b gewählt wird.
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Die günstigste radiale Dicke d der Polschuhe ist 1,2- bis 4mal so
groß wie die Breite e der Verbindungsstege. Wenn die Amplitude der Schwingbewegung
nicht sehr groß ist, beeinträchtigt eine Vergrößerung der Dicke d die Anziehung
des nächstfolgenden Zahnes und ist also nicht erwünscht. Wenn nämlich gemäß A b
b. 10 die Amplitude der Schwingbewegung nicht groß im Vergleich zur Dicke d ist,
so behindert die Anziehungskraft des unteren Endes der Magnetpole N und
S die Drehung des Steigrades 12 in jeder Richtung, während die Magnetpole
vom Zahn 39 zum Zahn 35 übergehen. Die Dicke d ist also nicht nur unter Beachtung
der Stärke des Magnetflusses, sondern auch der maximalen und minimalen Amplituden
zu wählen, welche die Stimmgabel annehmen kann.
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Die erfindungsgemäße Stimmgabeluhr ist einfach, betriebssicher und
genau. Die Verbindungsstege aus magnetisierbarem Material im Steigrad sind so schmal,
daß auch bei einer geringen Amplitude der Stimmgabel der Synchronlauf des Steigrades
gewährleistet ist.