DE1488828C3 - Zeigerwerksantrieb für eine batteriegespeiste, selbständige Uhr mit einem kommutatorlosen Motor - Google Patents

Description

Das Hauptpatent 12 61242 betrifft einen Zeigerwerksantrieb für eine batteriegespeiste, selbständige Uhr mit einem kommutatorlosen Motor, welcher einen permanentmagnetischen Rotor, eine von dem Rotor beeinflußte Steuerspule, die über einen als Schalter arbeitenden Transistor eine den Rotor antreibende Antriebsspule periodisch an die Batterie legt und wenigstens eine gleichfalls auf den Rotor einwirkende Synchronisierungsspule aufweist, an welcher eine von einem Frequenznormal erzeugte, impulsförmige Synchronisierungsspannung liegt.

Diese Einrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß die Steuerspule, die Antriebsspule und die Synchronisierungsspule als Luftspulen ausgebildet sind, daß die Synchronisierungsspule und die Antriebsspule derart angeordnet und gepolt sind, daß auf den Rotor abwechselnd ein Antriebsimpuls der Synchronisierungsspule und ein Antriebsimpuls der Antriebsspule einwirken, daß zur Erzeugung der impulsförmigen Synchronisierungsspannung ein mit wenigstens einem Permanentmagneten versehener Schwinger dient, der in einer feststehenden Steuerspule periodisch Steuerimpulse induziert, die nach Verstärkung in einem Transistor Ti einer den Schwinger antreibenden Antriebsspule und der hierzu in Reihe geschalteten Synchronisierungsspule des Motors zugeführt werden, und daß zwischen der Basis des Transistors Ti des Schwingers und der Verbindungsleitung zwischen der Antriebsspule des Schwingers und der Synchronisierungsspule des Motors und zwischen der Basis des Transistors Ti des Motors und einer Anzapfung der Antriebsspule des Motors je eine gleichsinnig zur Basis-Emitter-Strecke des entsprechenden Transistors Ti, T2 gepolte Diode D₁, D₂ geschaltet ist.

Zur Erleichterung der Synchronisierung dieses Motors und zur Erzielung einer möglichst konstanten Frequenz des Schwingers wird in dem Hauptpatent sowohl für den Rotor als auch für den Schwinger eine Verstärkerschaltung vorgeschlagen, bei der durch eine geeignet gepolte und geeignet bemessene Diode sowohl der Motor als auch das Frequenznormal eine konstante und von der Spannung der Spannungsquelle unabhängige Abtriebsleitung erhalten. Die Antriebsi'mpulse für den Motor werden hierbei so bemessen, daß die Eigendrehzahl des Motors einer Impulsfrequenz entspricht, die in der Nähe und vorzugsweise etwas höher als die von dem Schwinger erzeugte Synchronisierungsfrequenz liegt.

Wie in dem Hauptpatent ausgeführt, sollen ferner die Motor-Antriebsspule, die Synchronisierungsspule und die Antriebsspule des Schwingers so bemessen sein, daß die Durchflutung dieser Spulen etwa gleich groß ist, d. h.

also, es sollen auf den Rotor etwa ebenso starke Synchronisierungsimpulse wie die von dem Motor selbst erzeugten Eigenimpulse einwirken. Die Synchronisierungsspule liegt hierbei nicht im Regelbereich der Diode des Verstärkers des Frequenznormals, was bewirkt, daß die von dem Rotormagneten auf die Synchronisierungsspule einwirkende Gegen-EMK sich nicht auf den Schwinger auswirken kann. Dadurch werden nicht nur Spannungsänderungen der Stromquelle sondern auch Belastungsänderungen des Zeigerwerkantriebes von dem Frequenznormal ferngehalten.

Zur Erzielung eines möglichst guten Wirkungsgrades und eines hohen Antriebsmomentes bei dem Motor werden Steuer- und Antriebsspule bzw. der permanentmagnetische Rotor so ausgebildet, daß relativ breite Antriebsimpulse durch den selbstgesteuerten Antrieb entstehen, die nur wenig schmaler als die zwischen diesen Antriebsimpulsen vorhandenen Impulspausen sind. Ein hoher Synchronisierungseffekt durch das Frequenznormal wird hierbei nur dann erzielt, wenn die innerhalb dieser Impulslücken auf den Rotor des Motors einwirkenden Synchronisierungsimpulse ebenfalls möglichst breit sind, d. h., daß diese Lücken möglichst vollständig ausgefüllt werden. Dies bedingt aber, daß von dem Frequenznormal relativ breite und in geringem Abstand zueinander liegende Synchronisierungsimpulse erzeugt werden müssen, die in der gleichen Form und der gleichen Breite auch zum Antrieb des Frequenznormals selbst benutzt werden. Uhrensysteme mit solchen breiten Antriebsimpulsen haben aber den großen Nachteil, daß sie in Abhängigkeit auch von nur kleinen Änderungen der Antriebsimpulse große Zeitfehler aufweisen.

Aufgabe der Erfindung ist es, das Frequenznormal für den Zeigerwerksantrieb der batteriegespeisten, selbständigen Uhr nach dem Hauptpatent so auszubilden, daß einerseits kräftige und im Vergleich zur Schwingungsdauer lang andauernde Synchronisierungsimpulse erzeugt werden und andererseits die noch als zulässig erachteten Amplitudenschwankungen des Schwingers keinen Zeitfehler ergeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Zeitnormal mit einer Amplitude betrieben wird, die nur wenig größer als der Einflußbereich von Steuer- und Antriebsspule auf den Schwinger ist, daß die Steuerspule die Antriebsspule konzentrisch umschließt und daß die Steuerspule so in bezug auf die Antriebsspule und die Magnetpole bemessen und angeordnet ist, daß der durch die Energiezufuhr durch die Antriebsspule verursachte Zeitfehler des Schwingers durch den durch den Energieentzug durch die Steuerspule verursachten Zeitfehler kompensiert wird.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Anspruchs 1 sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Bei den üblichen elektrischen Uhrenantrieben dieser Art ist man bestrebt, den Antriebsimpuls des Frequenznormals im Vergleich zur Schwingungsdauer des Schwingers möglichst schmal zu machen und ihn möglichst dicht vor oder hinter der Schwingungsmitte des Schwingers einwirken zu lassen, um einerseits einen hohen Wirkungsgrad der Anordnung und andererseits einen geringen Zeitfehler bei Amplitudenänderungen des Schwingers zu erhalten. Dieses günstige Verhalten schmaler Antriebsimpulse wird aber meist durch den notwendig werdenden Abtrieb für den Zeigerwerksantrieb wieder zerstört.

Bei dem im Hauptpatent beschriebenen Zeigerwerksantrieb für eine batteriegespeiste, selbständige Uhr wird durch die dort vorgesehene Regelschaltung beim Schwinger erreicht, daß diese unabhängig von Spannungsänderungen der Spannungsquelle und auch unabhängig von Rückwirkungen des Zeigerwerksantriebes auf den Antrieb des Schwingers wirkt. Nur durch diesen Umstand ist es möglich, das vorliegende Problem zu lösen, nämlich bei extrem breiten Antriebsimpulsen einen Isochronismusfehler des Schwingers durch die angegebenen Maßnahmen zu vermeiden.

Es ist zwar schon eine Pendeluhr bekanntgeworden, bei der die Pendelschwingungen durch eine elektronische Selbststeuerschaltung mit einer Antriebs- und einer diese konzentrisch umschließenden Steuerspule aufrechterhalten werden, wobei die Spulen mit einem am Pendel befestigten Dauermagneten zusammenwirken. Die konzentrische Spulenanordnung ist dabei jedoch nur getroffen, damit eine direkte magnetische Kopplung der beiden Spulen vermieden wird und die Spulen erst beim Passieren des Dauermagneten über diesen zur Erzeugung einer Schwingung gekoppelt werden. Eine Kompensation der Zeitfehler durch geeignete Anordnung und Bemessung der Spulen ist bei dieser Anordnung nicht möglich, da das Pendel mechanische Fortschalt- und Auslösearbeit leisten muß. Der Energieentzug erfolgt dabei im wesentlichen vor und die Energiezufuhr nach dem Nulldurchgang des Schwingers, so daß sich die hierdurch verursachten Zeitfehler nicht kompensieren können.

Die vorstehend beschriebene Einrichtung kann somit auch keinen Hinweis auf den Gegenstand der vorliegenden Anmeldung geben.

Auch ist es bekannt, einen mit einem Permanentmagneten versehenen Unruhschwinger mit Hilfe eines aus einer Antriebsspule, einer Steuerspule, einem Transistor und einer Spannungsquelle im wesentlichen bestehenden Anordnung anzutreiben, bei der die Steuerspule die Antriebsspule konzentrisch umgibt. Mit dieser Anordnung werden jedoch im Verhältnis zur Schwingungsdauer sehr kurze Antriebsimpulse erzeugt. Ein solcher Schwinger eignet sich daher nicht zur Synchronisierung eines sich selbst steuernden Antriebsmotors nach dem Hauptpatent.

Die Erfindung sei nachfolgend an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen Schwinger nach der Erfindung,

F i g. 2 einen Schnitt nach 11-II in F i g. 1,

Fig.3 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Wirkungsweise des Schwingers nach F i g. 1 und 2 und

F i g. 4 eine graphische Darstellung der Gangabweichung verschiedener Schwinger.

In F i g. 1 und 2 weist ein Unruhschwinger zwei scheibenförmige Polbleche 18 auf, an deren einen Enden zwei tablettenförmige Dauermagnete 19 des Durchmessers D und an deren anderen Enden zwei Ausgleichsmassen 20 befestigt sind. Ein weichmagnetischer, auf einer Welle 17 befestigter Distanzbolzen 21 dient als magnetischer Rückschluß für den magnetischen Fluß Φ des Feldes der Magnete 19. Das Feld der Magnete 19 wird von einer feststehenden Steuerspule 23 und einer konzentrisch dazu angeordneten Antriebsspule 24, welche eine zentrische Aussparung A aufweist, geschnitten. Die Spulen 23, 24 sind Bestandteile der im Hauptpatent beschriebenen Schaltungsanordnung. In F i g. 2 ist der Unruhschwinger in seiner Nullage dargestellt, in der die Magnete 19 die Spulen 23, 24 teilweise überdecken. Bei dem in F i g. 1 und 2 gezeigten Schwinger ist die Windungszahl der Steuerspule 23

etwa gleich der Windungszahl der Antriebsspule 24 gewählt. Der Fi g. 2 entnimmt man, daß der Durchmesser der beiden Spulen so groß und ihr Abstand von der Drehachse des Unruhschwingers so gering gewählt ist, daß die von der Drehachse des Unruhschwingers an den Spulenumfang gezogenen Tangenten etwa den Winkel von 90° einschließen.

Der Durchmesser der runden Dauermagnete 19 ist ferner nur wenig kleiner als der Durchmesser der Antriebsspule gewählt, und ihre Achse hat einen kleineren Abstand von der Drehachse des Schwingers als die Achse der Spulenanordnung.

Die Schaltung der Verstärkeranordnung des Schwingers wird zweckmäßig so ausgelegt, daß der Antriebsimpuls und damit auch der Steuerimpuls vor dem Nulldurchgang des Schwingers erfolgt.

Der Unruhschwinger gemäß F i g. 1 und 2 ist vorzugsweise so dimensioniert, daß seine Frequenz größer oder gleich 10 Hz und seine Schwingungsamplitude relativ klein, z. B. 90° ist. Bewegen sich die Magnete 19 über die Spulen 23,24 hinweg, so schneidet zunächst das Kraftfeld der Magnete 19 die Steuerspule 23, und der induzierte Steuerimpuls öffnet in bekannter Weise den Transistor, in dessen Steuereingang die Spule

23 liegt. Der vom Transistor an die Antriebsspule 24 gelieferte Antriebsimpuls treibt den Schwinger an, und dieser bewegt sich über seine Nullage hinaus, wobei das Kraftfeld der Magnete 19 zunächst von der Antriebsspule 24 und dann von der Steuerspule 23 geschnitten wird. Der hier induzierte Steuerimpuls bleibt unwirksam, da er gegenüber dem zuerst induzierten Steuerimpuls entgegengesetzte Polarität hat, so daß der Transistor nicht geöffnet wird.

Bei jeder Halbschwingung des Schwingers wirkt somit vor dem Nulldurchgang des Schwingers ein Steuer- und ein Antriebsimpuls auf diesen ein. Der Verlauf der auf den Schwinger gemäß F i g. 1 und 2 einwirkenden Momente sei anhand der Fig.3 noch näher erläutert, in der verzögernde Momente negativ und beschleunigende Momente positiv eingezeichnet sind. Durch die Kurve a ist der Verlauf des auf den Schwinger einwirkenden Dämpfungsmomentes (Luftwiderstand, Lagerreibung, Dämpfung der Spiralfeder) in Abhängigkeit vom Schwingungsbogen φ bei einer Amplitude φ₀ wiedergegeben. Die durch die Dämpfung entzogene Energie entspricht dabei der unter der Kurve a liegenden Fläche F₃. Die Kurve b zeigt den Verlauf des infolge des in der Steuerspule 23 induzierten Steuerimpulses auftretenden zusätzlichen verzögernden Momentes. Die unter der Kurve b liegende Fläche Fb entspricht der dem Schwinger durch den Steuerimpuls entzogenen Energie. Den Verlauf des durch den in der Antriebsspule

24 auftretenden Antriebsimpuls auf den Schwinger einwirkenden beschleunigenden Momentes zeigt die Kurve c, wobei die Fläche F_c der Antriebsenergie entspricht. Die Kurve c liegt infolge der konzentrischen Anordnung der Spulen 23, 24 nicht symmetrisch zu der Kurve b, da sich die Magnete 19 beim Beginn des Steuerimpulses an der Außenseite der Steuerspule 23 befinden, so daß der die Antriebsspule 24 durchfließende Antriebsimpuls wegen des noch relativ großen Abstandes der Magnete 19 von der Spule 24 zunächst einen sehr geringen Einfluß auf den Schwinger hat. Der Abstand f_cder lotrechten Schwerlinie der Fläche F_c von der Ordinate ist somit kleiner als der Abstand /j, der lotrechten Schwerlinie der Fläche F^. Da während einer Halbschwingung des Schwingers die Energiezufuhr gleich den Energieverlust sein muß, muß gelten: Fc=F₃₊ Ft.

Der durch das Dämpfungsmoment verursachte Zeitfehler ist praktisch Null, da die Kurve a symmetrisch zur Ordinate liegt. Der durch den Steuerimpuls verursachte negative Zeitfehler ist dem Produkt Fb ■ fb und der durch den Antriebsimpuls verursachte positive Zeitfehler ist dem Produkt F_c · f_c proportional. Bei geeigneter Dimensionierung und Anordnung der Spulen 23,24 gelingt es bei im allgemeinen gegebenen Flächen Fb und Fc die Abstände /i, und f_c so festzulegen, daß die Produkte Fb ■ fb und F_c · f_c und damit die durch den Steuer- und Antriebsimpuls hervorgerufenen Zeitfehler etwa gleich groß sind, so daß sich diese Fehler kompensieren und der resultierende Fehler praktisch Null ist. Auf diese Weise wird die Gangabweichung des Schwingers weitgehend unabhängig von der Amplitude des Schwingers, so daß z. B. die Ganggenauigkeit einer mit diesem Schwinger ausgerüsteten Uhr durch geeignete Anordnung und Dimensionierung der konzentrisch angeordneten Spulen 23, 24 noch gesteigert werden kann. Der Steuer- und der Antriebsimpuls kann dabei im Gegensatz zu den bekannten elektronisch gesteuerten Schwingern, welche mechanische Arbeit zu leisten haben, flacher und breiter sein, wobei der Isochronismus trotzdem noch wesentlich besser als bei den bekannten Schwingern ist. Bei dem Ausführungsbeispiel erstreckt sich der Antriebsimpuls wie aus Fig.3 hervorgeht, über einen Winkel von etwa 60° bei einer Amplitude von φ₀ = 90°, so daß die Amplitude nur wenig größer als der Einflußbereich von Steuer- und Antriebsspule auf den Schwinger ist.

In Fig.4 zeigt die Kurve d den Verlauf der Gangabweichung einer derart aufgebauten Uhr in Abhängigkeit von der Amplitude A'des Gangordnerschwingers. Die Kurve d verläuft hier fast waagrecht. Zum Vergleich zeigt die Kurve e den Verlauf der Gangabweichung einer mit einem Gangordnerschwinger ausgerüsteten Uhr, bei welcher der Steuerimpuls überwiegend vor und der Antriebsimpuls überwiegend nach dem Nulldurchgang des Schwingers auf diesen einwirkt. Die Abhängigkeit der Gangabweichung von der Amplitude des Schwingers ist hier wesentlich größer.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Zeigerwerksantrieb für eine batteriegespeiste, selbständige Uhr mit einem kommutatorlosen Motor, welcher einen permantentmagnetischen Rotor, eine von dem Rotor beeinflußte Steuerspule, die über einen als Schalter arbeitenden Transistor eine den Rotor antreibende Antriebsspule periodisch an die Batterie legt und wenigstens eine gleichfalls auf den Rotor einwirkende Synchronisierungsspule aufweist, an welcher eine von einem Frequenznormal erzeugte, impulsförmige Synchronisierungsspannung liegt, wobei die Steuerspule, die Antriebsspule und die Synchronisierungsspule als Luftspulen ausgebildet sind, ferner die Synchronisierungsspule und die Antriebsspule derart angeordnet und gepolt sind, daß auf den Rotor abwechselnd ein Antriebsimpuls der Synchronisierungsspule und ein Antriebsimpuls der Antnebsspule einwirken, außerdem zur Erzeugung der impulsförmigen Synchronisierungsspannung ein mit wenigstens einem Permanentmagneten versehener Schwinger dient, der in einer feststehenden Steuerspule periodisch Steuerimpulse induziert, die nach Verstärkung in einem Transistor Ti einer den Schwinger antreibenden Antriebsspule und der hierzu in Reihe geschalteten Synchronisierungsspule des Motors zugeführt werden, und schließlich zwischen der Basis des Transistors 7Ϊ des Schwingers und der Verbindungsleitung zwischen der Antriebsspule des Schwingers und der Synchronisierungsspule des Motors und zwischen der Basis des Transistors Ti des Motors und einer Anzapfung der Antriebsspule des Motors je eine gleichsinnig zur Basis-Emitter-Strecke des entsprechenden Transistors 71, Ti gepolte Diode Di, D₂ geschaltet ist, nach Patent 12 61 242, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeitnormal mit einer Amplitude betrieben wird, die nur wenig größer als der Einflußbereich von Steuer- und Antriebsspule auf den Schwinger ist, daß die Steuerspule (23) die Antriebsspule (24) konzentrisch umschließt und daß die Steuerspule so in bezug auf die Antriebsspule und die Magnetpole bemessen und angeordnet ist, daß der durch die Energiezufuhr durch die Antriebsspule verursachte Zeitfehler des Schwingers durch den durch den Energieentzug durch die Steuerspule verursachten Zeitfehler kompensiert wird.

2. Zeigerwerksantrieb nach Anspruch 1, bei dem das Zeitnormal einen Unruhschwinger mit einem gebündelten, achsparallelen Magnetfeld und eine von diesem Magnetfeld senkrecht geschnittene, durch einen Transistorverstärker verbundene koaxial zueinander gelegene Steuer- und Antriebsspule aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der beiden Spulen so groß und ihr Abstand von der Drehachse des Unruhschwingers so gering gewählt ist, daß die von der Drehachse des Unruhschwingers an den Spulenumfang gezogenen Tangenten etwa den Winkel von 90° einschließen.

3. Zeigerwerksantrieb nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Magnetfeld des Unruhschwingers durch über und unter den Spulen angeordnete runde Dauermagnete erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Dauermagnete nur wenig kleiner als der Durchmesser der Antriebsspule ist, wobei ihre Achse einen kleineren Abstand von

der Drehachse des Schwingers als die Achse der Spulenanordnung aufweist.

4. Zeigerwerksantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungszahl der Steuerspule etwa gleich der Windungszahl der Antriebsspule gewählt ist.

5. Zeigerwerksantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine solche Polung des Magnetfeldes des Schwingers in bezug auf den Wickelsinn von Steuer- und Antriebsspule, daß der Schwinger vor seinem Nulldurchgang einen Antriebsimpuls erhält.