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Die Erfindung betrifft einen elektronischen Uhrenantrieb über einen
Drehschwinger (Unruh). Für solche Uhrenantriebe sind verschiedene Ausführungen bereits
bekannt und eine ganze Reihe in Vorschlag gebracht worden. So besteht ein Patent
über eine Schaltungsanordnung elektronischer Uhren, wo für den Antrieb an den Endwinkeln
je eine Spulenkombination für die Erregung und für den Antrieb oder wo in der Nullage
eines Drehschwingers die Triebspule und in entsprechenden Winkeln dazu Steuerspulen
angeordnet sind. Hierbei wurde bereits das Prinzip der Erregung des eintretenden
Magneten auf der gleichen Seiten oder auf der anderen Seite für den austretenden
Magneten zur Erzeugung eines Steuerimpulses an der Basis eines Transistors angewendet.
Es sind auch andere Anordnungen bekannt, bei denen durch Überschwingen oder Durchschwingen
eines Magneten oder mehrerer Magneten ein Steuerimpuls erzeugt wird, der dann zur
Öffnung des Transistors führt und den Triebimpuls an den Gangordner abgibt.
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Durch die Kombination von zwei Magneten oder durch Magnetisieren von
Teilen der Unruh zur Erzeugung von zwei Magnetflüssen, die sich schließen und eine
Spule beaufschlagen, wird auch bereits eine Verdopplung oder doch zum mindesten
eine Erhöhung des Steuerimpulses erzielt. Bei dieser Art der Magnet- und Spulenanordnung
wird ein sehr langer Impuls zum Antrieb erzeugt. Außerdem treten Nebenimpulse beim
jeweiligen Rückschwingen auf, welche nach Messungen an solchen Anordnungen diese
außerordentlich temperaturabhängig machen. Bei steigender Temperatur erhöht sich
die Amplitude des resultierenden Nebenimpulses erheblich, es treten sogar Schwingungen
auf, solange keine Übersteuerung des Transistors eintritt. Weiterhin ist eine Anordnung
bekannt, die eine Vielzahl von Magneten, z. B. drei in Zusammenhang mit drei Steuer-
und sechs Triebspulen, aufweist. Die sich zwangläufig ergebende sehr große Anzahl
von Nebenimpulsen, teils wieder antreibend, teils hemmend, hat aber ergeben, daß
nach solchen Prinzipien gangfähige und zeithaltende Uhren nicht herzustellen sind,
da der Isochronismus vollständig gestört ist.
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Untersuchungen mit den bisher bekannten Systemen haben ergeben, daß
immer verhältnismäßig große Magneten erforderlich sind, um einen Öffnungsimpuls
für eine Transistorschaltung zu erzeugen, der den Transistor voll aussteuert, und
daß durch den Aufbau des Schwingers mit diesen großen, relativ schweren Magneten
und dem gleich schweren Gegengewicht das Gewicht des Drehschwingers auf das Vielfache
der Unruh eines mechanischen Gangordners ansteigen muß. Dies heißt aber, daß der
elektrische Antrieb solcher Gangordner unwirtschaftlich bleibt. Da der Steuerimpuls
in der Höhe in bezug auf Spannung und Strom durch die Größe des Magneten und der
zugehörigen Spule beschränkt ist und weil die Geschwindigkeit des Drehschwingers
für Gebrauchsuhren nur durch die gebräuchliche Schwingungszahl und Amplitude gegeben
ist, ergeben sich nach eingehenden Untersuchungen eine ganze Reihe von Nachteilen
für solche elektronischen Schwingsysteme als Antrieb von Gangordnern.
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Sämtliche Schaltungsanordnungen sind zunächst einmal sehr spannungsabhängig.
So beträgt bei bisher bestehenden Uhren die Zeitabweichung zwischen 1,65 Volt, also
voller Batterie, und 1,05 Volt, also leerer Batterie, bis zu 30 Minuten/Tag. Man
hat dies zu umgehen versucht, indem man eine künstliche Dämpfung des Schwingers
für hohe Betriebsspannungen eingebaut hat, und zwar in Form von Wirbelstrombremsen
oder zusätzlichen Spulen oder durch andere Därripfungsmittel.
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Weiterhin besteht eine erhebliche Temperaturabhängigkeit. Der Öffnungsimpuls
ist z. B. mit 0,25 Volt Steuerspannung, wie bisher üblich, so niedrig, daß schon
die geringste Abweichung in bezug auf Spannung und insbesondere aber auf den von
der Temperatur abhängigen Verstärkungsfaktor zur Zeitabweichungen von mehreren Minuten/Tag
und Grad Celsius und zu Unregelmäßigkeiten im Gang führt. Wie durchaus üblich, legt
man die Schaltung so aus, daß noch bei niedrigen Batteriespannungen von beispielsweise
1,3 Volt der Transistor geöffnet werden kann. Hierfür sind aber sehr große Mangeten
und sehr große Spuleneinheiten erforderlich. Das Gewicht der Unruh steigt noch weiterhin
erheblich, und der Energiebedarf ist sehr viel höher, als wenn man die Erregung
nur so auszulegen brauchte, daß bei voller Betriebsspannung eine Öffnung des Transistors
durch den Steuerstrom vorgesehen wäre. Durch die Bemessung der Spulen und der Magneten
kann man nur innerhalb eines sehr engen Bereiches von 1,3 bis 1,5 Volt die Ansteuerung
eines Transistors variieren. Entweder kann man diesen Transistor für niedrige Betriebsspannungen
von 1,3 Volt noch ansteuern oder bei hohen. Um aber die Spannungs- und Temperaturabhängigkeit
wenigstens etwas zu kompensieren, hat man ganz allgemein den Weg beschritten, bereits
für die niedrige Betriebsspannung von 1,3 Volt die Erregerleistung so hoch zu setzen,
daß eine öffnung erfolgt. Hierdurch ergibt sich, daß eine Bremsung der Schwingungsweite
des Gangordners erforderlich ist. Die hierzu verwendeten Mittel bedeuten aber praktisch
eine Erhöhung der Leistungsaufnahme aus der Batterie. Solange die Batteriespannung
hoch ist, wird ein Teil der auf den Gangordner abgegebenen Energie vernichtet und
erst, wenn die Batteriespannung bis auf einen bestimmten Wert abgesunken .ist, werden
wieder normale Energieverhältnisse geschaffen. Solche Dämpfungen am Gangordner haben
außerdem noch den Nachteil, daß sie praktisch nur nach 180° Schwingungsamplitude
wirksam angebracht werden können und von der Geschwindigkeit des Schwingers außerordentlich
stark abhängig sind. Sobald der Gangordner eine Schwingungsweite unter 180° hat,
wirken diese Dämpfungsmittel überhaupt nicht mehr. Entfernt man die Wirbelstrombremse,
so überschwingt und prellt die Unruh in sehr starkem Maße bis zur Zerstörung eines
Teiles. Man hat daher einfach für die Lebensdauer der Batterie eine so kurze Zeit
angegeben, daß die Schwingungsweite mit der dann noch zur Verfügung stehenden Batteriespannung
immer noch über 180° beträgt. Während beispielsweise eine Batterie, eine Babyzelle
oder Monozelle, eigentlich für den Betrieb einer elektronischen Uhr für mehrere
Jahre ausreichen würde, setzt man die Zeit für die Auswechslung der Batterie auf
ein Jahr oder auf eine ähnliche Zeitspanne fest. Nur auf diese Weise ist eine Regulierungsmöglichkeit
der Uhr über diese Zeitspanne, allerdings bei ständiger Nachregulierung, gewährleistet.
Man nutzt also die Kapazität der Batterie nur höchstens bis zu einem Drittel aus.
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Die Erfindung betrifft einen elektronischen Uhrenantrieb über einen
Drehschwinger (Unruh) mittels
Transistorschaltung, im Schwinger
angeordneten Magneten und ortsfesten Spulen, wobei sich der oder die Magneten über
die Spulen hinweg oder durch die Spulen hindurch bewegen, dabei in den Steuerspulen
einen Impuls erzeugen, welcher über die Triebspulen der Transistorschaltung einen
Antriebsimpuls auf den Gangordner abgibt, welcher dadurch gekennzeichnet ist, daß
zwei Magneten parallel zueinander axial mit entgegengesetzten Polen in das Unruhplateau
eingesetzt, und am Drehschwinger oberhalb und unterhalb der Magneten in den gleichen
Abmessungen wie das Trägerplateau für die Magneten dünne Eisenrückschlußscheiben
angebracht sind und daß jeweils in den Luftspalten zwischen den Eisenrückschlußblechen
und den Magneten ober- und unterhalb dieser je eine aus Steuer- und Triebspule bestehende
Spulenkombination so angeordnet und dimensioniert ist, daß sowohl in den jeweils
hintereinandergeschalteten Steuer-und Triebspulen durch das gleichzeitige Einwirken
beider Magneten auf die eine und eines Magneten auf die andere Spulenkombination
ein gegenüber der Wirkung eines Magneten auf eine Spulenkombination dreifach höherer
Steuer- und Triebimpuls erzielbar ist.
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Dieser elektronische Uhrenantrieb führt zu sehr kleinen Ausführungen
des Drehschwingers, und es ist nur erforderlich, kleine Magnetdimensionen im Vergleich
mit den sonst erforderlichen zu verwenden. Das Gewicht des Unruhschwingers wird
sehr stark herabgesetzt. Die gesamte Bauhöhe sowie der Durchmesser werden sehr verkleinert.
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In der Zeichnung ist nur ein Ausführungsbeispiel dargestellt: Auf
der Welle 1 sind eine Scheibe 2 und zwei dünne Scheiben aus Eisen 3 und 4 befestigt,
die angenähert die Form zweier diametral angeordneter, mit ihren Spitzen zusammenstoßender
Sektoren haben. Auf der Scheibe 2 befinden sich die beiden Magneten 5 und 6 und
die entsprechenden Ausgleichsgewichte 13 und 14. Zwischen den Magneten und dem oberen
Eisenrückschlußblech liegt die Spulenkombination für Erregung und Antrieb 7 und
zwischen dem Magneten und dem unteren Eisenrückschlußblech die gleiche Spulenkombination
B. Beide sind an einem Halter 9 mit den vorgesehenen Trägern 10 und 11 befestigt.
Die Sektorform 12 als Träger für die Magneten ergibt sich aus dem erforderlichen
Durchmesser der Magneten und dem Abstand dieser voneinander. Bei einem Magnetdurchmesser
beispielsweise von 5 mm ist die gesamte Sektorbreite nicht größer als 20 mm. Als
Ausgleichsgewichte 13 und 14 wird unmagnetisches Material verwendet. Diese werden
auf dem gleichgebildeten Sektor 15 befestigt. Selbstverständlich können zur
Gewichtserleichterung die Sektoren 12 und 15 sowie die Eisenrückschlußbleche 3 und
4 noch mit Aussparungen versehen sein. Andere Ausführungsformen auch mit Mehrfachmagneten
und Magneten oberhalb oder unterhalb jeweils von den Spulen oder Formmagneten sind
selbstverständlich möglich. Alle gegebenen Möglichkeiten können nicht zeichnerisch
dargestellt werden. Bei Magneten von 3 mm Durchmesser beträgt die Breite der Sektorflügel
nur noch 9 mm und bei 1,5 mm Durchmesser sogar nur noch 5 mm. Das Gewicht für einen
Unruhschwinger mit 20 mm Durchmesser, wie für Gebrauchsuhren üblich, beträgt etwa
2 g, während andere bekannte Ausführungsformen ein Gewicht von 8 bis 10 und sogar
mehr Gramm besitzen.
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In der dargestellten Kurve sind die Verhältnisse bezüglich des Steuer-
und Triebimpulses für die Zeit des Eintritts der Magneten in die Spulen gezeichnet.
Bei Normalausführungen mit einfacher Wirkung des Magneten auf die Steuer- und Triebspule
ergibt sich ein Impuls bestimmter Höhe. Die Höhe liegt durch die praktische mögliche
Dimensionierung des Magneten und der Spule meist unterhalb der maximalen Erregerspannung
und des Erregerstromes für die vollständige Öffnung des Transistors. Die Erregerspannung
liegt bei Unruhuhren mit einem Unruhdurchmesser von 20 mm, wie sie für Gebrauchsuhren
als maximaler Durchmesser angesehen wird, in der Größenordnung von 0,2 Volt, zur
Aussteuerung und übersteuerung eine Germaniumtransistors sind aber mindestens 0,8
Volt erforderlich, für einen Siliciumtransistor sogar 2 bis 3 Volt. Diese Werte
für die Aussteuerung des Transistors sind durch eine gestrichelte Linie dargestellt.
Bei dem erfindungsgemäßen Antriebssystem liegt aber sowohl die Erregung dreifach
höher als auch der Antrieb, so daß sich die dargestellten Kurven ergeben. Hierdurch
wird selbst bei Absinken der Batteriespannung der Transistor noch immer voll geöffnet
und übersteuert. Durch die Triebspule, welche im Emitter- oder Kollektorkreis liegt,
können entsprechend dem Ohmschen Widerstand dieser Spule nur Ströme fließen, welche
diesem Widerstand im Verhältnis zur noch anliegenden Batteriespannung entsprechen.
Bei normaler Schaltung ist die Kollektorspannung aber direkt abhängig von der Batteriespannung,
da nur die Kniespannung verlorengeht, d. h. also, daß der Strom entsprechend der
Batteriespannung linear abnimmt. Bei der Anordnung nach der Erfindung ist aber im
Gegensatz hierzu die Differenz der Kollektorspannung zwischen hohen Betriebsspannungen
und niedrigen lange nicht so groß, weil der Transitor immer-voll geöffnet ist und
übersteuert ist. Hierdurch ergibt sich eine nur geringe Amplitudenabweichung des
Schwingers innerhalb eines bestimmten Spannungsbereiches.
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Genauso verhält es sich mit der Temperaturabhängigkeit, da der temperaturabhängige
Reststrom und auch der temperaturabhängige Verstärkungsfaktor in die Leistungsbilanz
nicht eingehen können. Durch Erhöhung der Temperatur würde bei normalen Ausführungen
ein Anstieg des Stromes durch die Triebspule erfolgen. Da aber bei der vorgeschlagenen
Ausführung der Transistor in der Schaltung immer voll geöffnet ist, so ist ein Stromanstieg
durch Temperaturerhöhung nicht möglich, weil er im wesentlichen nur vom Ohmschen
Widerstand der Spulen abhängt.
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Durch diese Anordnung ergibt sich noch ein weiterer Vorteil in bezug
auf den Anlauf der Uhr. Während andere Ausführungsformen mit nur einfacher Wirkung
mit einer Amplitudenauslenkung von mindestens 90 bis 180° angeworfen werden müssen,
genügt für diese Ausführungsform bereits eine Auslenkung von wenigen Graden. Auch
ein elektrischer Anwurf über einen Kontakt, mit dem ein Widerstand von Basis nach
Minus der Batterie gelegt wird, reicht vollkommen aus. Durch Knopfdruck springt
die Uhr sofort an, und der Schwinger hat nach wenigen Schwingungen nach jeder Seite
bereits seine volle Amplitude erreicht. Die Schwingungsamplitude nach jeder Seite
liegt weit über 180° bis zu 270°, auch bei niedrigster Batteriespannung. Eine Bremsung
(Wirbelstrombremse) ist nicht erforderlich. Auch eine Bedämpfung kommt vollkommen
in Wegfall. Die Zusammenschaltung der beiden Spulenkombinationen
bietet
außerdem noch den Vorteil, daß man an den Verbindungspunkt zwischen den beiden Triebspulen
einen kleinen Kondensator anschalten kann, der von diesem Verbindungspunkt nach
der Basis des Transistors gelegt ist. Durch eine derartige Rückkopplung der Ausgangsspannung
auf die Basis wird die Funktion der Anordnung günstig beeinflußt. Hierdurch ist
es möglich, solche Uhrenantriebe noch mit einer Batterie zu betreiben, welche nur
noch einen Kurzschlußstrom mit 5 mA besitzt. Es steht also der gesamte Bereich von
einem Kurzschlußstrom von etwa 8 bis 10 Ampere im Zustand der Einsetzung einer neuen
Batterie bis zu einer Ausnutzung der Kapazität ohne jeden Verlust zur Verfügung.
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Für Kleinstuhren kann es vorteilhaft sein, an Stelle der Magneten
mit oberhalb oder unterhalb befindlichen Eisenrückschlußblechen sehr kleine flache
Magneten im Schwingerplateau im unteren oder oberen Segment (mit einer Breite entsprechend
dem Gesamtspulendurchmesser einer Spulenkombination) anzuordnen. Hierdurch kann
man auf Magnetdicken von 1 mm oder weniger zurückgehen und, wenn man dann sehr kleine
Scheiben verwendet, auch die Bauhöhe noch erheblich einschränken.
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Es kommt für die Ausnutzung des Antriebssystems nur .darauf an, die
Magneten und die Spulen immer im Verhältnis so zueinander zu setzen und diese so
zu dimensionieren, daß eine Verdreifachung sowohl des Steuerimpulses als auch des
Triebimpulses ensteht. Hierzu sind entsprechende Anordnungen der Spulen im Durchmesser
und im Abstand voneinander und die dazugehörigen Magnetabmessungen immer möglich.
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Durch den sehr hohen Wirkungsgrad ist es auch möglich, den Drehschwingerantrieb
für einen Aufzug eines Federspeichers anzuwenden. Für eine solche Anordnung läßt
man den Schwinger die Federaufzugsvorrichtung betätigen und benutzt entweder eine
Gleitkupplung oder eine Abschaltung nach vollständigem Aufzug der Feder mit einer
mechanischen Vorrichtung oder einer elektrischen Kontaktgabe zum Wiederanwurf.
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Der Vorteil dieses elektronischen Uhrenantriebs liegt einmal in der
vollständigen Batterieausnutzung bis zum geringstmöglichen Kurzschlußstrom und in
der Ausnutzung des Magnet- und Spulensystems zur vollständigen Aussteuerung und
übersteuerung des Transistors über den gesamten Spannungsbereich der Batterie. Außerdem
ergeben sich sehr kleine Dimensionen und Gewicht für den Gangordner und gleichzeitigen
Antrieb des Werkes.