DE1523876C - Elektronische Kleinuhr mit einem elektromechanischen Oszillator als Zeit basis - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektronische Kleinuhr mit einem elektromechanischen Oszillator als Zeitbasis, dessen Schwinger zur Aufrechterhaltung der Schwingungen mit einer Antriebs- und Steuerspulen enthaltenden elektrischen Schaltung zusammenarbeitet, sowie mit einem von der Zeitbasis mechanisch unabhängigen, das erste Rad des Räderwerkes antreibenden zweiten Schwinger, welcher als Antriebsorgan mit einer an dem elektrischen Ausgang der Zeitbasis angeschlossenen Antriebsspule zusammenarbeitet.

Bei bekannten elektronischen Kleinuhren dieses Typs ist die Anordnung derart getroffen, daß die elektrischen Ausgangssignale der Zeitbasis, die beispielsweise durch einen Quarzoszillator oder durch einen Stimmgabelschwinger gebildet sein kann, die Antriebsimpulse für das Antriebssystem liefern. Dabei wird bei allen bisher bekannten Ausführungen das Antriebssystem selber nicht durch einen selbsterregten Oszillator gebildet, sondern die Schwingung dieses Antriebssystems wird durch die von der Zeitbasis ao kommenden Impulse erzwungen, ohne welche keine Schwingung des Antriebssystems aufrechterhalten bliebe. Elektronische Uhren dieses Typs haben den Vorteil, daß Zeitbasis und Antriebssystem mechanisch voneinander unabhängig sind und daher Rück- as Wirkungen des Antriebssystems bzw. des Zeigerwerkes auf die Zeitbasis, die selber keine mechanische Arbeit leisten muß, weitgehend ausgeschaltet werden. Nachteilig ist jedoch, daß das Antriebssystem mit der Frequenz der Zeitbasis schwingt, wenn kein besonderer Frequenzteiler eingeschaltet wird. Nun ist es jedoch wünschenswert, daß die Frequenz der Zeitbasis höher als die des mechanisch mit dem Zeigerwerk zusammenarbeitenden Antriebssystem ist. Nutzt man andererseits die Möglichkeit der unterschiedlichen-Wahl der Schwingungsfrequenzen von Zeitbasis und Antriebs-. system aus, dann sind besondere Frequenzteilerstufen erforderlich, die insbesondere bei Verwendung eines Quarzoszillators wegen dessen hoher Frequenz bisher eine sehr aufwendige Schaltung mit einer verhältnismäßig großen Anzahl von Teilerstufen einschließen. Das schließt die Anwendung derartiger Schaltungen für Kleinuhren praktisch aus. Auch sind derartige Frequenzteilerstufen ziemlich kostspielig.

Wenn das Antriebssystem durch einen Synchronmotor gebildet wird, dann kann selbstverständlich dessen Drehzahl durch eine entsprechend hohe Polzahl des Motors relativ zur Frequenz der Zeitbasis untersetzt werden, jedoch ist einerseits der auf diese Weise erzielbare Untersetzungsfaktor natürlich begrenzt, und andererseits sind Synchronmotoren für Kleinuhren nicht geeignet.

Außerdem müssen bei derartigen Schaltungsanordnungen selbstverständlich die Ausgangsimpulse der Zeitbasis in jedem Falle durch einen dem Antriebssystem zugeordneten Verstärker verstärkt werden, da die Zeitbasis elektrisch nur möglichst wenig belastet werden soll.

Bei einem anderen Typ von elektronischen Uhren mit unabhängigen Schwingern für die Zeitbasis und das Antriebssystem arbeiten beide Schwinger mit denselben Steuer- und Antriebsspulen zusammen. Hierbei besteht die Notwendigkeit, beide Schwinger mit derselben Frequenz schwingen zu lassen, und außerdem ist es nachteilig, daß elektrische Rück-Wirkungen durch das Antriebssystem in den auch zur Zeitbasis gehörenden Steuerspulen erzeugt werden.

Ausgehend von einer elektronischen Kleinuhr der eingangs beschriebenen Art liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Kleinuhr zu schaffen, welche die Vorzüge mechanisch voneinander getrennter Zeitbasen und Antriebssysteme, wobei die Zeitbasis mit einer höheren Frequenz schwingt als das Antriebssystem, mit den Vorteilen einer sehr einfachen, keine besonderen Frequenzteilerstufen· benötigenden elektrischen Schaltung kombiniert, derart, daß Schaltungsaufwand und Raumbedarf bei sehr hoher Ganggenauigkeit nur gering sind.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der das Antriebsorgan bildende Schwinger Teil eines ebenfalls selbsterregten, mit einer Frequenz F schwingenden Oszillators mit individuellen Steuer- und Antriebsspulen ist, welcher durch die mit einer um ein ganzzahliges Vielfaches höheren Frequenz (n · F) schwingende" Zeitbasis, ohne Verwendung von Frequenzteilerstufen, synchronisiert wird.

Diese Ausbildung des Antriebsoszillators eröffnet die elegante Möglichkeit, eine Frequenzuntersetzung ohne besondere Untersetzerstufen ganz automatisch^ zu erzielen, indem man einfach den elektrischen Ausgang der Zeitbasis an den Eingang des Antriebsoszillators anschließt.

Da die Schwingungsfrequenz"~lles selbsterregten Antriebsoszillators durch die Zeitbasisimpulse synchronisiert wird, sind die Anforderungen, die an die Qualität des Antriebsschwingers zu stellen sind, nur gering. Bei diesem Antriebsschwinger kann es sich beispielsweise um eine einfache Lamelle oder um eine Stimmgabel handeln. Es entfallen die Notwendigkeiten, für den Antriebsschwinger ein qualitativ hochwertiges Material zu verwenden, auf große Präzision zu achten und für eine sehr exakte Aufhängung und Justierung zu sorgen. Verglichen mit dem ziemlich scharfen Resonanzmaximum der Zeitbasis ist die Resonanzkurve des Antriebsoszillators wegen dessen mechanischer Belastung bzw. Dämpfung breiter und flacher. Dadurch findet die Wechselwirkung fast ausschließlich in der Richtung Zeitbasis—Antriebsoszillator und nicnt umgekehrt statt.

Der Schwinger der.Zeitbasis kann derart ausgebildet sein, daß er mit einer ziemlich hohen Frequenz und einer nur kleinen Schwingungsämplitude arbeitet, da es ja nicht erforderlich ist, diese Schwingung direkt zum Antrieb des Räderwerks auszunutzen. Mit kleiner Amplitude schwingende Oszillatoren lassen sich wesentlich einfacher und besser hinsichtlich ihrer Frequenz stabilisieren als mit großer Amplitude schwingende Systeme. Insbesondere können sie durch geeignete Maßnahmen hinsichtlich ihrer Temperaturabhängigkeit und ihrer Lageabhängigkeit stabilisiert werden. '

Vorzugsweise wird als Schwinger für die Zeitbasis nach der Erfindung eine magnetostriktive Bilamelle in Form eines DoppeUJ mit geeigneter Vormagnetii sierung verwendet,-wie es in der deutschen Patentanmeldung P 15 23 875.2 der gleichen Patentinhaberin beschrieben ist. ■..-..■....·

Weitere Merkmaie der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. ■·

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert; es zeigt: ,

F i g. 1 ein allgemeines Blockschaltbild einer Zeitbasis, welche über einen Frequenzuntersetzer einen Antriebsoszillator synchronisiert, dessen Resonator das eigentliche Antriebsorgan zum Antrieb des Uhrenräderwerkes bildet,

3 4

F i g. 2 ein Schaltbild eines Frequenzuntersetzers kung nicht verringert. Die Widerstände Al und Rl

nach der Erfindung, bzw. R'l bzw. R'l und R3 dienen zur Erzeugung der

F i g. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel nach der erforderlichen Potentiale bzw. der gewünschten BeErfindung, in welcher die Zeitbasis und der Antriebs- triebsstromstärke.

oszillator einen gemeinsamen Verstärker besitzen, 5 Da die Basis-Emitter-Spannung für die vorzugs-

und weise verwendeten Siliziumtransistoren Ti bzw. 7"1

Fig. 4 das Schaltbild dieses Verstärkers in der etwa 0,45V und die Emitter-Koüektor-Sättigungs-

Schaltung nach F i g. 3. spannung der Transistoren Γ3 bzw. 7"3 ungefähr

In F i g. 1 ist das Blockschaltbild eines die Zeit- 0,2 V beträgt, liegt die minimale erforderliche Speisebasis bildenden Oszillators I dargestellt, -welcher über " spannung bei ungefähr 0,65 V. Der Gesamtstromeinen Frequenzuntersetzer II einen zweiten Oszil- verbrauch wird im wesentlichen durch den Kollektorlator III synchronisiert, dessen Resonator seinerseits strom des Transistors Γ3 bzw. T'3 bestimmt und ist als schwingendes Antriebsorgan . zum Antrieb des gleich der Basis-Emitter-Spannung der Transistoren Tl ersten Rades eines Uhrenräderwerkes dient. bzw. 7"1, dividiert durch den Widerstand Rl bzw. R' 2.

Nach diesem Schaltbild arbeitet die Zeitbasis mit 15 Die dreistufigen Verstärker nach Fig. 2 haben einer in Doppel-U-Form ausgebildeten magneto- gegenüber einstufigen Verstärkern den Vorzug, daß striktiven Bilamelle 60, deren besondere Eigenschaften ihre Verstärkung als Funktion der Speisespannung und Vorzüge in der deutschen Patentanmeldung wesentlich konstanter ist als bei einem einstufigen Ver-P 15 23 875.2 beschrieben sind. Der eine äußere stärker, da ja die Basis-Emitter-Spannung des Tran-Schenkel dieser Bilamelle 60 umgibt eine Rückkopp- ao sistors7*l bzw. T'l sich nur sehr wenig als Funktion lungsspule Bc, die im Eingangskreis eines Verstärkers der Speisespannung der Batterie β ändert. Wenn.sich-C liegt, während der. andere äußere Schenkel der Bi- andererseits die Umgebungstemperatur erhöht, dann lamelle von einer Antriebsspule Bm umgeben ist, die - verringert sich die erwähnte Basis-Emitter-Spannung im Ausgangskreis des erwähnten Verstärkers üegt. des erwähnten ersten Transistors und damit der Diese Bilamelle schwingt mit einer Frequenz /„. as Strombedarf; dieser Effekt ist sehr'wunschenswert, da

Der Antriebsoszillator III schwingt seinerseits mit er die temperaturabhängige Verstärkung der Traneiner Frequenz F — f_o/n und wird von der Zeitbasis I sistoren stabilisiert und ohne großen zusätzlichen Aufüber den Frequenzuntersetzer II auf diese Frequenz wand eine Verwendung dieser Verstärker in einem synchronisiert. Der Resonator dieses Antriebsoszü- großen Temperaturbereich erlaubt
lators III besteht im betrachteten Ausführungsbeispiel 30 Das beschriebene, aus Zeitbasis und Antriebsaus einer U-förmigen Lamelle bzw. aus einer Stimm- oszillator bestehende System mit getrennten Resogabelöl, deren beide Schenkel in bekannter Weise natoren für die Zeitbasis und den Antriebsoszillator wiederum einerseits mit einer im Eingangskreis eines hat den Vorzug, daß das Frequenzverhalten der Zeit-Verstärkers liegenden Rückkopplungsspule bc und basis durch die mechanische Belastung des Antriebsandererseits mit einer im Ausgangskreis des Ver- 35 organs nicht beeinflußt wird und daß auch die elekstärkers liegenden Antriebsspule bu umgeben sind. . trische Rückwirkung des Antriebsoszillators auf die

Die Eigenfrequenz F₀ des als Antriebsorgan dienen- Zeitbasis sehr klein ist. . ; /!

den Resonators61 liegt in der Nähe der Betriebs- Dias zweite Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 zeigt

frequenz F des Antriebsoszillators. Über eine am. eine Schaltung, in welcher zwar wiederum die Zeitbasis

Antriebsorgan 61 befestigte Antriebsklinke 52 wird 40 und^der Antriebsoszillator völlig getrennte Resonatoren

das erste Rad 53 des Uhrenräderwerkes, angetrieben. besitzen, entsprechend dem Blockschaltbild nach

Vorzugsweise wählt man die Frequenz /₀ der Zeit- F i g. 1, wobei in diesem Falle jedoch für die Zeitbasis

basis I zu 300 oder 450Hz und den Untersetzungs- und den Antriebsoszillator ein gemeinsamer Ve?-

faktor η des Frequenzuntersetzers II zu 2 oder 3. stärker 84 verwendet wird.

Selbstverständlich können auch anders ausgebildete 45 Der Aufbau dieses vorzugsweise dreistufigen Ver-

frequenzbestimmende Elemente für die Zeitbasis und stärkers ist der gleiche, wie bereits an Hand der F i g. 2

anders ausgebildete Resonatoren bzw. Antriebsorgane beschrieben, nur befinden sich in diesem Falle die_y

im Antriebsoszillator verwendet werden. Es kann sich beiden Antriebsspulen Bm des Zeitbasisresonators

in beiden Fällen auch um die gleichen mechanisch bzw. bu des Antriebsorgans im Ausgangskreis des

schwingenden Elemente handeln. 5<> dritten Transistors, während die entsprechenden

In F i g. 2 ist beispielsweise ein erfindungsgemäßes Rückkopplungsspulen Bc bzw. bc der beiden Reso-

Schaltbild dargestellt. Die Zeitbasis I und der An- natoren im Basiskreis des ersten Transistors liegen,

triebsoszillator III, der im betrachteten Ausführangs- Diese Schaltung ist in Fig.4 dargestellt

beispiel gleichzeitig die Funktion des Frequenzunter- Nach F i g. 3 hat der Resonator bzw. das frequenz-

setzers II in sich vereinigt, sind praktisch gleich auf- 55 bestimmende Glied 50 der Zeitbasis, die mit der Fre-

gebaut. Beide Verstärker werden über eine gemein- quenz / schwingt, die gleiche Gestalt wie der Reso-

same Batterie Q gespeist und bestehen jeweils aus drei nator bzw. das Antriebsorgan 51 des Antriebsoszilla-

Stufen, welche durch die npn-Transistoren 7"1 bzw. tors, der mit der Frequenz F = f\n schwingt. Mit η

T',1, Tl bzw. T'l sowie den pnp-Transistor Γ3 bzw. ist wiederum der Frequenzuntersetzungsfaktor be-

T'3 gebildet werden. Im Basiskreis des Transistors Π δο zeichnet.

bzw. 7"1 liegen die Rückkopplungsspulen Bc bzw. Das Antriebsorgan 51 des Antriebsoszillators trägt

bc, während die Antriebsspulen im Kollektorkreis des eine Antriebsklinke 6, die das erste Rad 7 eines

Transistors T3 bzw. T'3 liegen. Die mit X-X bezeich- Uhrenräderwerkes intermittierend antreibt.

nete Verbindung stellt die Rückkopplung des Oszilla- Die Ausführungsform nach den F i g. 3 bzw. 4

toren dar, welche nur auf die Gleichstromkomponente 65 zeichnet sich durch eine besonders einfache und raum-

des Stromes wirkt, während die Wechselstromkompo- sparende Bauweise aus.

nente durch den Kondensator C bzw. C entkoppelt Da die Resonanzkurve des Antriebsoszillators

wird. Auf diese Weise wird die Wechselstromverstär- wegen dessen mechanischer Belastung und Dämpfung

breiter und flacher ist als das ziemlich scharfe Resonanzmaximum der Zeitbasis, findet die Wechselwirkung fast ausschließlich in der Richtung Zeitbasis—Antricbsoszilliilor und nicht umgekehrt statt.

Als Resonatoren für die Zeitbasis und das Antriebssystem lassen sich alle bekannten Resonatoren verwenden, z. B. einfach schwingende gerade Lamellen, U-Lamcllcn, Stimmgabeln, magnetostrictive Bilamel-Icn, die beliebig geformt sein können, oder auch Torsionsschwinger. Von besonderem Interesse ist, wie . bereits erwähnt, eine Doppel-U-Form der magnetostriktivcn Bilamcllc.

Dabei können die Resonatoren von Zeitbasis und Antricbsoszillator von gleicher Bauart sein oder sich aber im Typ und/oder in der Gestalt unterscheiden. So kann beispielsweise ein magnetostriktiver Resonator in der Zeitbasis mit einem üblichen, elektromagnetisch erregten Resonator im Antriebsoszillatnr kombiniert werden.

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Claims (6)

Patentansprüche:

1. Elektronische Kleinuhr mit einem elektromechanischen Oszillator als Zeitbasis, dessen ~ Schwinger zur Aufrechterhaltung der Schwingungen mit einer Antriebs- und Steuerspulen enthaltcnden elektrischen Schaltung zusammenarbeitet, sowie mit einem von der Zeitbasis mechanisch unabhängigen, das erste Rad des Räderwerkes antreibenden zweiten Schwi.iger, welcher als Antriebsorgan mit einer an den elektrischen Ausgang der Zeitbasis angeschlossenen Antriebsspule zusammenarbeitet, dadurchgekennzeichnet, daß der zweite Schwinger (51, 61) Teil eines ebenfalls selbst erregten, mit einer Frequenz F schwingenden Oszillators mit individuellen Steuer- und Antriebsspulen ist, welcher durch die mit einer um ein ganzzahliges Vielfaches höheren Frequenz η (· F) schwingende Zeitbasis, ohne Verwendung von Frequenzteilerstufen, synchronisiert wird.

2. Kleinühr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eigenfrequenz des Schwingers des Antriebsoszillators ungefähr gleich der Eigenfrequenz des Schwingers der Zeitbasis dividiert durch η ist.

3. Kleinuhr nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden zur Aufrcchterhaltung der Schwingungen der Zeitbasis und des Antriebsoszillators dienenden elektrischen Schaltungen je einen besonderen Verstärker einschließen und der die Antriebsspule (Bm) der Zeitbasis enthaltende Ausgangskreis des Zeitbasisverstärkers mit dem Eingangskreis des Verstärkers des Antriebsoszillators verbunden ist.

4. Kleinuhr nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Aufrechterhaltung der Schwingungen der Zeitbasis und des Antriebsoszillators dienenden- elektrischen Schaltungeneinen gemeinsamen Verstärke r bilden, in dessen Eingangskreis die Steuerspulen- (B₀' und b_c) der Zeitbasis und des Antriebsoszillators hintereinandergeschaltet sind und in dessen Ausgangskreis die Antriebsspulen (Bm und Öm) der Zeitbasis und des Antriebsoszillators liegen.

5. Kleinuhr nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker ein dreistufiger Transistorverstärker ist, dessen erste beiden Stufen je einen npn-Transistor enthalten und dessen dritte Stufe durch einen pnp-Transistor gebildet ist.

6. Kleinuhr nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwinger (69, 59; 61, 51) der Zeitbasis und des Antriebsoszillators an sich bekannte Biegeschwinger sind, von denen wenigstens der eine vorzugsweise durch eine magnetostriktive Bilamelle gebildet wird.

Hierzu 1 Blau Zeichnungen