DE1523957B2

DE1523957B2 - Mechanischer schwinger insbes fuer elektrische uhren

Info

Publication number: DE1523957B2
Application number: DE1965K0056134
Authority: DE
Inventors: Monyoshi Tokio Kurosawa
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 1964-05-18
Filing date: 1965-05-15
Publication date: 1971-05-19
Also published as: DE1523957A1; CH685465A4; FR1433927A; US3335561A; CH452448A; GB1092887A

Description

Die Erfindung betrifft einen mechanischen Schwinger, insbesondere für elektrische Uhren, mit einem Schwingglied aus einem metallischen Werkstoff hoher Permeabilität, das mit einem Vorsprung versehen ist, mit einem ferromagnetischen Kern, mit einer Trieb- und einer Steuerspule, die auf dem Kern angeordnet sind, und mit einem dem Kern zugeordneten Permanentmagneten.

In der französischen Patentschrift 1 177 277 ist ein mechanischer Schwinger beschrieben, der den obigen grundsätzlichen Aufbau besitzt. Dieser Schwinger besitzt einen U-förmigen Kern, der an seinen äußeren Enden mit nach innen ragenden Vorsprüngen versehen ist, zwischen denen sich ein mit zwei Vorsprüngen oder Nasen versehenes Schwingglied befindet. Auf den beiden Schenkeln des U-förmigen Kerns sind zwei Spulen angeordnet, von denen die eine als Triebspule, die andere als Steuerspule dient. Zwischen den Enden der beiden Schenkel dieses Kerns ist ferner eine Jochbrücke angeordnet, innerhalb deren ein Permanentmagnet angeordnet ist. Da bei diesem Schwinger die beiden Schenkel des U-förmigen Kerns das Schwingglied umfassen müssen, ist der Platzbedarf des Schwingers verhältnismäßig groß. Weiterer Platzbedarf entsteht dujch die zusätzliche Jochbrücke, innerhalb derer der Permanentmagnet angeordnet ist. Da die beiden Spulen jeweils auf einem Schenkel des Kerns angeordnet sind, ist die magnetische Kopplung infolge auftretender Streuverluste unvollkommen.

Ferner sind in den französischen Patentschriften 1 196 801 und 1 248 640 Vorrichtungen beschrieben, bei denen, gesteuert durch einen elektrischen Kontakt bzw. durch einen Transistor, der Antrieb des Schwinggliedes jeweils nur bei einer Bewegungsrichtung des Schwinggliedes erfolgt. Der Nachteil dieser Vorrichtungen besteht insbesondere darin, daß infolge dieses asymmetrischen Antriebs starke Gangungenauigkeiten der mit denselben angetriebenen Uhren auftreten.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen mechanischen Schwinger zu schaffen, der eine kompakte Bauweise und damit einen geringen Platzbedarf aufweist, bei dem die Trieb- und Steuerspule in idealer Weise miteinander gekoppelt sind, und bei dem der Antrieb symmetrisch, d. h. gleichmäßig in jeder Bewegungsrichtung des Schwinggliedes, erfolgt.

Dies wird erfindungsg^mäß dadurch erreicht, daß der ferromagnetische Kern im wesentlichen rechteckförmig mit etwa in einer Ecke des Rechteckes liegendem Luftspalt ausgebildet ist, daß das eine freie Ende des ferromagnetischen Kerns im Ruhezustand des Schwinggliedes gegenüber dem Vorsprung des Schwinggliedes liegt, daß das andere freie Ende des ferromagnetischen Kerns unterhalb des Schwinggliedes angeordnet ist, daß der Permanentmagnet an dem dem ersten freien Ende gegenüberliegenden Schenkelende des ferromagnetischen Kerns so angebracht ist, daß seine magnetische Achse in Richtung dieses Schenkels liegt, und daß die Triebspule und die Steuerspule auf den an dem Schenkel mit dem ersten freien Ende anliegenden Schenkel des Kerns übereinanderliegend gewickelt sind.

In einer vorteilhaften Weiterbildung, die sich durch einen besonders hohen Wirkungsgrad auszeichnet, ist das zweite freie Ende des ferromagnetischen Kerns als Scheibe ausgebildet, deren Durchmesser größer ist, als der Durchmesser des Schwinggliedes und deren Achse mit der Achse des Schwinggliedes übereinstimmt. Der Vorsprung des Schwinggliedes und das erste freie Ende des ferromagnetischen Kerns sind mit Armen versehen und am freien Ende des Permanentmagneten ist ein zusätzliches Flußkopplungsglied befestigt, das bis in die Nähe der übereinander gewickelten Spulen reicht.

Bei diesem mechanischen Schwinger erfolgt der Antrieb symmetrisch bei jeder Hin- und Herbewegung des Schwinggliedes. Er besitzt einen besonders kompakten und platzsparenden Aufbau und ist konstruktiv einfach und billig in der Herstellung. Da die beiden Spulen übereinanderliegend angeordnet sind, ergibt sich zwischen diesen eine ideale magnetische Kopplung. Überdies sind sie praktisch in einem Arbeitsgang herstellbar. Der erfindungsgemäße Schwinger hat einen sehr hohen Wirkungsgrad. Beispielsweise können für Armbanduhren Batterien mit einer Leistung von 7 μ W verwendet werden.

Die Erfindung soll an Hand der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 ein erstes Ausfütmingsbeispiel eines media-, nischen Schwingers, — -

F i g. 2 a, 2 b und 2 c Teile des · Schwingers von F i g. 1 in drei verschiedenen relativen Lagen,

F i g. 3 a, 3 b und 3 c Diagramffic-4es Betriebsverhaltens des Schwingers von F i g. 1,

Fig. 4 ein Schaltbild des Schwingers von Fig. 1,

F i g. 5 ein Diagramm des Betriebsverhaltens der Schaltung von F i g. 4, und

F i g. 6 eine Gesamtansicht eines abgewandelten Ausführungsbeispiels des mechanischen Schwingers.

Das an Hand der F i g. 1 bis 5 erläuterte Ausführungsbeispiel des Schwingers hat ein Schwingglied 1, das um eine Achse 5 schwingen kann und eine Buchse 2 trägt, an der das innere Ende einer Spiralfeder 4 befestigt ist, deren äußeres Ende an einem festen Punkt 3 befestigt ist.

Das Schwingglied 1 hat einen Vorsprung 6, der mit einem Ende 8 eines rechtwinkligen ferromagnetischen Kerns 7 zusammenarbeitet, dessen anderes Ende 9 mit einem anderen Teil des Schwinggliedes 1 zusammenarbeitet. Der Vorsprung 6 besteht aus einem metallischen Werkstoff hoher Permeabilität. Zwischen den Enden 8 und 9 des Kerns 7 liegt ein Luftspalt und in der in F i g. 1 abgebildeten Lage überbrücken der Vorsprung 6 und ein Teil des Schwinggliedes 1 im wesentlichen den Luftspalt, so daß ein Induktionsfluß zwischen den Enden 8 und 9 durch den Vorsprung 6 und einen Teil des Schwinggliedes 1 verläuft.

Mit dem Ende 8 des Kerns 7 fluchtet ein Permanentmagnet 10. Um den einen längeren Schenkel 12 des Kerns 7 ist eine Triebspule 13 und auf diese eine Steuerspule 14 gewickelt.

Die Spulen 13 und 14 sind Bestandteile der in F i g. 4 abgebildeten Schaltung. Die Schaltung enthält einen Transistor 27, der als Verstärker arbeitet. Die Steuerspule 14 ist zwischen dessen Basis und Emitter geschaltet. Zwischen die Steuerspule 14 und die Basis des Transistors 27 ist ein Blockkondensator 25 geschaltet. Mit dem Emitter des Transistors 27 und der Spule 13 ist eine Batterie 24 verbunden. Ein Widerstand 26 befindet sich zwischen der Basis und der Triebspule 13.

Der Vorsprung 6 des Schwinggliedes 1 ist so angeordnet, daß sich über ihn in der in F i g. 1 abgebildeten Mittellage der Kraftlinienweg im Kern 7 schließt, der in jeder anderen Lage praktisch unter-

brechen wird. Der Permanentmagnet 10 erzeugt einen Induktionsfluß 11, der den Schenkel 12 des Kerns 7 sowie die Spulen 13 und 14 wie abgebildet durchsetzt.

Zur Erläuterung der Bewegung des Schwinggliedes 1 soll von einer Lage ausgegangen werden, in der der Vorsprung 6 vom Ende 8 getrennt ist und die Scheibe sich in Richtung des Pfeils 17 bewegt. Wenn eine Ecke 20 des Vorsprungs 6 sich einer Ecke 18 des Endes 8 nähert, dann beginnt der Vorsprung 6 den Luftspalt zwischen den Enden 8 und 9 des Kerns 7 zu überbrücken, so daß ein zusätzlicher Induktionsfluß 16 durch den Kern 7 zu fließen beginnt. Diese Lage ist in F i g. 2 a abgebildet. Wenn das Schwingglied sich in Richtung des Pfeils 17 weiterdreht, gelangt es in die in Fig. 2b abgebildete Lage, in der der Vorsprung 6 den Luftspalt zwischen den Enden 8 und 9 des Kerns 7 im wesentlichen überbrückt und der zusätzliche Induktionsfluß 16 durch den Kern sein Maximum erreicht. Dieser Induktionsfluß 16 verläuft durch das Ende 8, den Vorsprung 6, einen Teil des Schwinggliedes 1, das Ende 9, durch eine Längsseite 15 des Kerns 7 und schließt sich im _ Magneten 10. Bei Weiterdrehung bewegt sich das Schwingglied 1 in die-·'in Fig.2c abgebildete Lage, in der die andere Ecke 19 des Vorsprungs 6 sich an der Ecke 21 des Endes 8 befindet. In dieser Lage wird der Induktionsfluß 16 durch den vergrößerten Luftspalt praktisch unterbrochen.

Der Einfluß dieser Bewegung des Schwinggliedes 1 3a auf den Induktionsfluß durch die Steuerspule 14 ist in F i g. 3 a abgebildet, in der der Fluß Φ über der Zeit / für eine Schwingung des Schwinggliedes 1 aufgetragen ist, wobei außerhalb der in den Fig. 2a, 2b, 2c gezeigten Lagen Φ im wesentlichen konstant ist. Wenn die Lage von F i g. 2 a erreicht wird, hat Φ den bei 22 in F i g. 3 a abgebildeten Wert. Wenn die Lage von F i g. 2 b erreicht wird, hat Φ den bei 23 in F i g. 3 a abgebildeten Wert, und wenn die relative Lage von F i g. 2 c erreicht wird, hat Φ den bei 22' in F i g. 3 a abgebildeten Wert.

Während des Weiterschwingens des Schwinggliedes 1 nimmt Φ wieder seinen früheren konstanten Wert an. Es ist daher ersichtlich, daß durch Überbrückung des Luftspalts zwischen den Enden 8 und 9 des Kerns 7 ein zusätzlicher Induktionsflußweg 16 im Kern 7 hergestellt wird, der im wesentlichen einen Teil des Induktionsflusses vom Schenkel 12 des Kerns 7 ableitet, so daß der Induktionsfluß durch die Steuerspule 14 verringert wird. Dieser Sachverhalt wird durch die in F i g. 3 a abgebildete Änderung des Induktionsflusses erläutert.

Die in F i g. 3 a abgebildete Flußänderung in der Steuerspule 14 erzeugt einen elektrischen Impuls, der proportional zur zeitlichen Änderung der Flußkopplung ist. Dieses elektrische Signal e ist in F i g. 3 b aufgetragen. Während der Änderung des Flusses Φ von der Stelle 22 zur Stelle 23 in F i g. 3 a ist das Signal e positiv, wie bei 28 abgebildet ist, und für den Fluß Φ zwischen den Stellen 23 und 22' von F i g. 3 a ist das Signal e negativ wie bei 29 in F i g. 3 b abgebildet ist. Der positive Anteil des elektrischen Signals e von der Steuerspule 14 triggert den Transistor 27, dessen Strom / (F i g. 3) durch die Triebspule 13 fließt. Die Triebspule 13 erhält also einen im Vergleich zum von der Steuerspule 14 abgegebenen elektrischen Signal verstärkten Strom i, da der Transistor 27 den empfangenen Strom verstärkt. Wegen der starken induktiven Kopplung der Spulen 13 und 14 ist die Verstärkung des Transistors 27 sehr hoch, und infolge der Rückkopplung und Sättigung fließt der Strom durch die Triebspule 13 im wesentlichen ohne Verzögerung.

Der Strom / durch die Spule 13 erzeugt einen Antriebsimpuls durch den Kern 7, dessen Ende 8 den Vorsprung 6 des Schwinggliedes 1 anzieht, so daß dieses zu Schwingungen angeregt wird. Da der Impuls regelmäßig auftritt, werden die Schwingungen des Schwinggliedes 1 aufrechterhalten.

Obwohl gemäß den F i g. 3 b und 3 c das elektrische Signal e und der Strom / sprunghaft ansteigt (d. h. diese Impulse ihren maximalen Wert ohne Verzögerung erreichen), unterliegen diese Impulse in der Praxis einer endlichen Anstiegszeit. Wenn das elektrische Signal unendlich schnell ansteigen würde, härteres den in F i g. 5 abgebildeten Verlauf /, während es tatsächlich den Verlauf g hat. Da bekannterweise-die Transistoreigenschaften von der Temperatur abhängen, kann die endliche Anstiegszeit des Signals e die Betriebseigenschaften' des Schwingers nachteilig beeinflussen. Wenn die Triggerspannung für den Transistor 27 für eine relativ niedrige Te'mperatur gleich Q ist und bei einer relativ hohen Temperatur auf P abfällt, dann kann die Zeit vom ZelÜpu-nkt, zu dem das Signal e zum Transistor 27 gelangt, bis eier Strom i durch den Transistor 27 zur Spule 13 geflossen ist, innerhalb der Grenzen / und J in F i g. 5 liegen. Wenn also das Signal e eine verschwindende Anstiegszeit hätte, dann würde der Arbeitspunkt bei H liegen, und es würde keine Verzögerung zwischen dem Signal e und dem Strom i auftreten, der durch den Transistor fließt. Infolge der endlichen Anstiegszeit des Signals e kann jedoch die Verzögerung zwischen dem am Transistor 27 eintreffenden Signal e und dem Strom i, der der Triebspule 13 zugeführt wird, mit der Temperatur schwanken, so daß der Zeitpunkt, zu dem der Antriebsimpuls dem Schwingglied 1 zugeführt wird, von der Temperatur abhängen kann. Es ist ersichtlich, daß, falls das Schwingglied 1 dem Antriebsimpuls nicht immer zum gleichen Zeitpunkt während jeder Schwingung ausgesetzt wird, ein Fehler in der Zeitgabe durch das Schwingglied auftritt.

Es ist ferner ersichtlich, daß Temperaturänderungen eine weitere Änderung des Betriebsverhaltens des Schwingers mit sich bringeti, da die Stromzufuhr aus der Batterie 24 von der Temperatur abhängt, denn die Batterie ist sehr klein, falls der Schwinger z. BT für eine Armbanduhr verwendet wird.

Es ist daher ersichtlich, daß die Anstiegszeit des Signals e möglichst kurz sein sollte, um die Fehler infolge der Temperaturänderung klein zu halten. Die Anstiegszeit des Signals e kann beträchtlich verkürzt werden, wenn die Ecken des Vorsprungs 6 und die Ecken des Endes 8 möglichst scharf ausgebildet sind (F i g. 1 und 2), und der Luftspalt zwischen dem Vorsprung 6 und dem Ende 8 sehr klein ist.

Außerdem ist zur Erhöhung der Leistungsfähigkeit des Schwingers die Steuerspule 14 mit relativ viel Windungen versehen und eng um die Triebspule 13 gewickelt. Beide Spulen sind eng auf den Kern 7 gewickelt, um eine möglichst große induktive Kopplung zu erreichen.

In Fig. 6 ist ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel des mechanischen Schwingers abgebildet. Bei dem Schwinger der F i g. 6 hat jedoch das eine Ende 32 des Kerns 7 die Form einer Scheibe, deren Durchmesser etwas größer als der des Schwinggliedes 1 ist,

wobei die Achse der Scheibe 32 mit der Achse 5 des Schwinggliedes 1 zusammenfällt. Auf diese Weise wird die Flußkopplung zwischen dem Schwingglied 1 und dem Ende des Kerns erhöht. Außerdem hat der Vorsprung 6 am Schwingglied 1, das aus einem metallischen Werkstoff hoher Permeabilität besteht, ein vergrößertes Ende oder einen Arm 30, der mit einem vergrößerten Ende oder mit einem Arm 31 zusammenarbeitet, der sich an dem Ende 8 des Schenkels 12 befindet, der seinerseits starr am Kern 7 durch eine Schraube 36 befestigt ist. Der Magnet 10 ist ebenfalls am Schenkel 12 durch ein Hilfsjoch 33 mittels einer Schraube 37 befestigt, und der Fluß 11 zwischen dem Magnet 10 und dem Kern 7 wird durch ein zusätzliches Flußkopplungsglied oder Seitenjoch 34 erhöht, dessen eines Ende an einem Ende des Magnets 10 und dessen anderes Ende in der Nähe des Schenkels 12 des Kerns 7 befestigt ist, auf das die Triebspule 13 und die Steuerspule 14 gewickelt sind.

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Claims

Patentansprüche:

1. Mechanischer Schwinger, insbesondere für elektrische Uhren, mit einem Schwingglied aus einem metallischen Werkstoff hoher Permeabilität, das mit einem Vorsprung versehen ist, mit einem ferromagnetische^ Kern, mit einer Trieb- und einer Steuerspule, die auf dem Kern angeordnet sind, und mit einem dem Kern zugeordneten Permanentmagneten, dadurch gekennzeichnet, daß der ferromagnetische Kern (7) im wesentlichen rechteckförmig mit etwa in einer Ecke des Rechteckes liegendem Luftspalt ausgebildet ist, daß das eine freie Ende (8) des ferromägnetischen Kerns (7) im Ruhezustand des Schwinggliedes (1) gegenüber dem Vorsprung (6) des Schwinggliedes liegt, daß das andere freie Ende (9) des ferromägnetischen Kerns (7) unterhalb des Schwinggliedes (1) angeordnet ist, daß der Permanentmagnet (10) an dem dem ersten freien Ende (8) gegenüberliegenden Schenkelende des ferromägnetischen Kerns so angebracht ist, daß seine magnetische Achse in Richtung dieses Schenkels liegt, und daß die Triebspule (13) und die Steuerspule (14) auf den an dem Schenkel (12) mit dem ersten freien Ende (8) anliegenden Schenkel des Kerns übereinanderliegend gewickelt sind. .

2. Mechanischer Schwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite freie Ende des ferromägnetischen Kerns (9) als Scheibe (32) ausgebildet ist, d.eren Durchmesser größer ist, als der Durchmesser des Schwinggliedes (1)" und deren Achse mit der Achse .des Schwinggliedes (1) übereinstimmt, daß der Vorsprung (6) des Schwinggliedes (1) und das eiste, freie Ende (8) des ferromägnetischen Kerns mit Armen (30 bzw. 31) versehen sind, und daß am freien Ende des Permanentmagneten (10) ein zusätzliches Flußkopplungsglied (34) befestigt ist, das bis in die Nähe der Spulen (13,14) reicht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen