DE1548030A1

DE1548030A1 - Elektrischer Zeitmesser

Info

Publication number: DE1548030A1
Application number: DE19641548030
Authority: DE
Inventors: Shelley John Henry
Original assignee: S Smith and Sons Ltd
Current assignee: S Smith and Sons Ltd
Priority date: 1963-10-17
Filing date: 1964-10-15
Publication date: 1969-09-25
Also published as: US3365635A; GB1104071A

Description

PATENTANWALT DIPL-ING. ERICH SCHUBERT

Abs.: Patentanwalt Dipl.-Ing. SCHUBERT, 59 Siegen (Westf.), Postfach325 OranienstraBe

64 142 Kü/Sohm

Telefon: 228021 548 03 0

Telegramm-Adr.: Patschub, Siegen

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Köln 106931, Essen 20362

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Deutsche Bank AG.,

Filialen Siegen u. Oberhausen (RhId.)

14. Okt. 1964

Firma'S. SMITH & SONS (ALAND) LIMITED, Cricklewood Works, London, NW2, England

I¹Ur diese Anmeldung wird die Priorität aus der britischen Patentanmeldung Nr. 4I 136/63 vom 17. Oktober 1963 beansprucht.

Elektrischer Zeitmesser

Die Erfindung bezieht sich auf horologische Instrumente bzw. Uhren und sonstige Zeitmesser (im Nachfolgenden einfach "Uhr" genannt).

Es sind bereits Uhren bekannt, bei welchen eine oder mehrere Spulen an einem Schwingbauteil, wie beispielsweise einer Unruhe

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oder einem Pendel, angebracht sind, der einer (durch eine Feder oder durch Schwerkraft erzeugten) Rückstell- oder Rückholkraft ausgesetzt ist, die im wesentlichen der Verschiebung bzw. Verlagerung -des Schwingbauteils von einer Bezugsstellung-aus proportional ist, wobei diese Spule oder Spulen so angeordnet sind, daß sie einen Magnetflußbereich passiert bzw. passieren.

Die EMK, die in der Spule oder in einer der Spulen, wenn diese den Magnetflußbereich passiert bzw. passieren, wird einer ScbsLteinrichtung zugeführt, die einen oder mehrere Transistoren aufweist. Die Schalteinrichtung ruft in Ansprecherwiderung auf die zugeführte EMK einen Strom durch die Spule oder eine der Spulen, der in Wechselwirkung mit dem Magnetfluß steht, hervor, um eo eine Kraft in einem solchen Sinne zu erzeugen, daß die Schwingungen des Schwingbauteils aufrechterhalten werden. Der Strom wirkt der EMC entgegen, die in der Spule induziert wird, durch welche der Strom fließt, so daß die Potentialdifferenz an dieser Spule vergrößert wird. Die Energie, die erforderlich ist, um die Schwingungen des Schwingbauteils aufrechtzuerhalten, wird von einer der Schaltung zugeordneten Gleichspannungsquelle geliefert. Der Schwingbauteil treibt herkömmliche Zeitanzeigemittel, was im Falle einer Unruhe in herkömmlicher Weise über einen Anker bzw. ein Echappement und einen Getriebezug geschieht. Solche Uhren werden im Nachfolgenden als "Uhren der vorgenannten Gattung" bezeichnet. Mit dem Ausdruck "Antriebsspule" ist diejenige Spule gemeint,

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durch welche der Strom fließt, ungeachtet dessen, oTd sie die einzige Spule ist oder nicht. Mit dem Ausdruck "Triggerspule¹¹ ist diejenige Spule gemeint, in welcher die der Schaltung zugeführte EMK indziert wird, durch welche aber der "besagte Strom nicht fließt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Uhr der vorgenannten Gattung geschaffen, die dadurch gekennzeichnet ist, daß im Betrieb die in der Antriebsspule induzierte EMK mindestens gleich der einen Hälfte der Potentialdifferenz an der Gleichsspannungsquelle ist.

Die Gleichspannungsquelle wird normalerweise eine Batterie sein, kann aber auch ein Teil der Potentialdifferenz an einem Akkumulator sein, wobei die Potentialdifferenz des Akkumulators durch eine Kette von Widerständen reduziert wird.

Vorzugsweise ist die bei Betrieb in der Antriebsspule induzierte EMK gleich zwei Drittel der Potentialdifferenz an der Gleichspannungsquelle.

Eine theoretische Annäherungsformel der Eingangsenergie für eine Ohr der vorgenannten Gattung kann theoretisch wie folgt abgel-eitet werden:

V sei die Potentialdifferenz an der Antriebsspule während der Periode, in welcher der Strom durch sie hindurchfließt (in Volt). Es sei angenojimen, daß V die Potentialdifferenz an der Gleichspannungsquelle ist.

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E sei die in der Antriebsspule induzierte EMK (in Volt). I sei der in der Antriebsspule fließende Strom (in Ampere). R sei der Gesamtwiderstand des Antriebsspulen-Stromkreises

(in Ohm). '

T sei die Bauer des Stromes, der durch die Antriebsspule fließt (in Sekunden).

W sei die Eingangsenergie pro Impuls (in Erg). A sei die Amplitude der Schwingung des Schwingungsbauteils (in Grad).

Dann ist V = E + IR und I = ^Y " ^E

VI = EI + I²R

Nun ist VI die Gesamtenergie, die von der Gleichstromquelle

geliefert wird, I R ist der elektrische Verlust und EI ist die der

Uhr zugeführte mechanische Leistung. Somit ist die Eingangsenergie W während des Passierens der Spule oder Spulen durch den genannten Bereich W = EIT χ 1O"*⁷.

W = EIT χ 1(T⁷ = _{χ 10}-7 _{Erg prQ Impuls#}

Nun ist E proportional der Geschwindigkeit der Spule oder Spulen durch den Bereich hindurch. Die Geschwindigkeit der Spule oder Spulen ist proportional der Amplitude A, so daß E proportional A ist. T ist umgekehrt proportional der Geschwindigkeit der Spulen und ist daher umgekehrt proportional A, so daß das Produkt

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ET abhängig ist von der Amplitude A.

Somit ist W = I χ a konstant.
Jedoch ist I = ^—S—- .

Xi

Nun sei E = kA, wobei k = a konstant ist. Daher ist W= (T- kA) χ a konstant.

Somit nimmt bei einer Uhr der vorgenannten Gattung die Eingangsenergie pro Impuls mitzunehmender Amplitude ab, und zwar in einem Ausmaß, welches abhängig ist vom Wert der Konstanten k, d.h. von dem Verhältnis der in der Antriebsspule induzierten Spannung zur Schwingungsamplitude des Schwingbauteils.

Die Energiebedingung für eine Uhr der genannten Gattung ist abhängig von der Schwingungsamplitude des Schwingbauteils und nimmt mit zunehmender Amplitude zu. Die Schwingungsamplitude des Schwingbauteils erreicht ein Gleichgewicht, bei welchem die dem Schwingbauteil zugeführte Energie gleich den Energiebedingungen der Uhr ist. i/enn sich die Energiebedingung mit Faktoren^ändert, wie dem Alter oder der lage der Uhr, dann ändert sich die Amplitude der Schwingung, und diese Amplituden-Änderungen verursachen beständig Fehler in der Zeitgebung bzw* -messung.

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Bei einer uhr gemäß der Erfindung wird eine Änderung in der Amplitude der Schwingung des Schwingt)auteils infolge einer Änderung der Energiebedingung für die Uhr reduziert, da W, die Eingangsenergie pro Impuls, einer vergleichsweise großen .Änderung mit einer Änderung in der Amplitude unterliegt. Dies ist in Fig. 1 dargestellt, wo die Kurve A die normale Energiebedingung, die Kurve G eine erhöhte,-Energiebedingung und die Kurve B die Eingangsenergie zeigt. Es ist festzustellen, daß B relativ steil ist, so daß eine geringe Änderung der Schwingungsamplitude eine große änderung der Eingangsenergie pro Impuls ergibt.

Bei einer Uhr gemäß der Erfindung steht die Bedingung, daß der Wert des Verhältnisses E/T so groß wie möglich sein soll, im Konflikt bzw. Gegensatz zu der Notwendigkeit, genügend Energie zu liefern, um die stabile Betriebsamplitude A aufrechtzuerhalten. JJies liegt daran, daß der mathematische Ausdruck für W den Wert (T-B) enthält.

Es ergibt sich jedoch bei Betrachtung des Ausdrucks. W = E. (T - E) I- χ 10""' Erg pro Impuls, daß kleine V/erte von (T- E) ausgeglichen werden können, vorausgesetzt, daß der tfert von T/R in geeigneter Weise eingestellt werden kann, d.h. der Impuls muß für eine längere Zeitdauer beibehalten werden, und der Spulenwiderstandswert muß gering gehalten werden.

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Wenn sich die Antriebsspule um eine Drehachse dreht, dann beschreibt daher vorzugsweise der Weg der Spule über den genannten Bereich hinweg einen Winkel von mindestens 20° um die Drehachse.

Vorzugsweise beschreibt der Weg der Antriebsspule über den Bereich hinweg einen Winkel von mindestens 50° um die Drehachse,

Dies hat den Vorteil, daß ein vergleichsweise langer Impuls erzielt wird (d.h. T ist groß). Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß eine Antriebsspule mit Schenkeln, die in Richtung ihrer Bewegung durch den Bereich hindurch relativ breit sind, verwendet werden kann. Eine solche Spule hat einen vergleichsweise niedrigen Widerstandswert (d.h. R. ist klein).

Planungen auf der Basis einer hohen Flußdichte in diesem Bereich machen es möglich, einen entsprechend großen wert der induzierten Gegen-EMK aus einer Spule mit relativ geringem Widerstand zu erzielen.

Vorzugsweise ist daher die durchschnittliche Magnetflußdichte über diesem Bereich mindestens 4.000 Gauß.

Wenn die Uhr eine Triggerspule aufweist, dann kann die Antriebsspule die Triggerspule umgeben, und zwar in der Ebene ihrer Bewegung durch den genannten Bereich hindurch.

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In diesem Falle wird eine EMK nur im vorderen Schenkel der Triggerspule induziert, und ein Spannungssignal wird nur dann der Antriebsspule zugeführt, wenn sioh der Vordersehenkel der Antriebsspule innerhalb des Bleiches befindet.

Wenn die Uhr eine Triggerspule aufweist, dann können die Trigger- und Antriebsspulen einen gemeinsamen Anschluß haben, und in diesem Falle werden drei Verbindungen vom äußeren Stromkreis nach dem Schwingbauteil über drei feine Spiralfedern hergestellt.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel hat die eine * Spiralfeder eine solche Steifheit, daß sie die Bewegung des Schwingbauteils reguliert, und die Steifheit der anderen beiden Spiralfedern sind solcherart, daß sie eine vergleichsweise kleine Wirkung auf die Bewegung des Schwingbauteils haben.

Alternativ sind, wenn die Uhr eine Triggerspule aufweist, alle Komponenten bzw. Einzelteile der elektrischen Schaltung, außer der Gleichspannungsquelle, am Schwingbauteil angebracht, und in diesem Falle werden zwei Verbindungen von der Gelichstromquelle zur Schaltung am Schwingbauteil über zwei Spiralfedern hergestellt. Bei dieser Anordnung ist die Steifheit der einen der Spiralfedern vorzugsweise so gering, daß sie eine vergleichsweise kleine Wirkung auf die Bewegung des Schwingbauteils hat.

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Bei einer anderen Ausführungsform können, wenn die Uhr eine Triggerspule aufweist, alle Einzelteile der elektrischen Schaltung, einschließlich der Gleichstromquelle, am Schwingbauteil angebracht werden. Es werden keine elektrischen Verbindungen über Spiralfedern hergestellt, und die Bewegung des Sohwingbauteils wird in der herkömmlichen Weise durch eine einzige Spiralfeder geregelt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist eine separate Triggerspule nicht vorgesehen, und die Schaltung treibt den Strom nur dann durch die Antriebsspule, wenn die Potentialdifferenz an ihr einen vorbestimmten Viert überschreitet.

Wenn nun E größer ist als p" (bei Verwendung der bereits definierten Formelzeichen) bei einer Uhr gemäß der Erfindung, dann muß E größer sein als IR, so daß, wenn E größer ist als der vorbestimmte Wert und wenn dieser Wert größer ist als IR, dann der Strom aufhört, durch die Spule zu fließen, wenn diese den -Bereich des Magnetflusses verläßt.

Vorzugsweise ist die Antriebsspul'e als eine Belastung für einen ersten Transistor geschaltet, und die Potentialdifferenz an der Antriebsspule wird einem zweiten Transistor zugeführt, der den Stromsafluß durch den ersten Transistor hindurch steuert.

' Die Erfindung wird nun^mhr anhand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnung ausführlicher beschrieben, und zwar

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zeigt "bzw. zeigen

I¹Ig. 1 eine grafische Darstellung der Energiebe dingung en und des Ausgangs irgendeiner Uhr der vorbeschriebenen Gattung,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung eines Teils der Uhr, und zwar eine Bauteilgruppe aus Magneten und einer Unruhe (diese Zeichnung ist nicht maßstäblich),

•Pig. 3 eine Schaltungsanordnung der Uhr, Fig. 4 den Aufbau der Spulen,

^ign. 5 und 6 die Spulen in verschiedenen Stellungen,

Fig. 7 eine grafische Darstellung der Magnetflußdichte in einem Bereich in der Uhr,

Fig. 8 grafische Darstellungen der in einer der Spulen fließenden Ströme,

Fig» 9 und 10 Alternativ-Schaltungsanordnungen zu derjenigen der Fig. 3,

^ign. 11 und 12 Aufbauten der Spulen als Alternativausführungsformen zu denjenigen der Figo 4,

Fign. 13, 14 und 15 weitere Alternativ-Schaltungsanordnungen bei Verwendung einer Spule,

Fig. 16 Wellenformen der EMK und der Ströme, die in der Spule der Uhr induziert werden bzw. fließen, wenn diese eine der Schaltungen gemäß den Fign. 13,14 und 15 aufweist, unter verschiedenen Bedingungen, während

Fig. 17 die Wellenformen der EMK, die in der Spule der Uhr induziert wird, und der Ströme, die in der Spule fließen,

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wiedergibt, wenn diese Uhr eine der Schaltungen gemäß den -^ign. 3t 9 und 10 aufweist, unter den gleichen Bedingungen wie gemäß Mg, 16.

Wie aus Pig. 2 hervorgeht, sind zwei gleiche Permanentmagnete 1 und 2 an gegenüberliegenden Seiten eines Spaltes 3 angeordnet, wobei die Flächen der Magnete 1 und 2 auf gegenüberliegenden Seiten des Spaltes 3 Magnetpole von entgegengesetzter Polarität sind. Die Flächen der Magnete 1 und 2, die dem Spalt

3 abgelegen sind, werden durch einen Bauteil 25 miteinander verbunden, der aus einem Werkstoff von hohem Sättigungsgrad und hoher Flußdichte hergestellt ist, wie beispielsweise aus einem der Werkstoffe, die unter der Bezeichnung "VPermendur" und "Supermendur" gehandelt werden. Die Magnete 1 und 2 können aus einer der kristall- bzw* kornorientierten Aluminium-Nickel-Kobalt-Kupfer-Eisen-Legierungen hergestellt werden, die unter den Bezeichnungen "Ticonal GX" und "Oolumax" gehandelt werden. Spulen

4 und 5» die an einer Unruhe 6 angebracht sind, welche von einer Unruhewelle 7 getragen wird, passieren im Betrieb den Spalt 3. Die mittlere Flußdichte im Spalt 3 beträgt 5.000 Gauß, und die Länge des .feges der Spulen 4 und 5 durch den Spalt 3 hindurch entspricht einem »Vinkel von über 70 um die Achse der Unruhewelle 7.

Gemäß Fig. 3 ist das eine Ende der Spule 4 mit der Basis eines Transistors 8 über eine feine Spiralfeder 9 und einen Widerstand 10 in Reihe geschaltet. Das andere Ende der Spule 4 steht

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mit dem Emitter des Transistors 8 über eine Spiralfeder 11 ■und mit dem einen Ende der Spule 5 in Verbindung. Das andere Ende der Spule 5 ist mit dem Kollektor des Transistors 8 über eine Spiralfeder 12 und eine Batterie 13 in Reihe geschaltet. Die Basis des Transistors 8 ist mit seinem Kollektor über einen Kondensator 14 verbunden. Der Transistor 8, der Widerstand 10, die Batterie 13 und der Kondensator H sind in der Uhr befestigt. Die Spiralfedern 9, 11 und 12 regulieren die Bewegung der Unruhe 6, wobei die Steifheit der Spiralfedern 9 viel größer ist als die der Spiralfedern 11 und 12. Die Spiralfedern 9, 11 und 12 sind so angeordnet, daß sioh die Spulen 4 und 5 im Ruh-ezustand in der Mitte des Spaltes 3 befinden.

Im Betrieb schwingen die an der Unruhe 6 befindlichen Spulen 4 und 5 und passieren den Spalt 3. Wenn sie sich außerhalb des Spaltes 3 befinden, dann wird der Transistor 8 gesperrt /biased ¹¹OI¹F"/* und kein Strom fließt durch die Spule 5· Wenn die Spulen 4 und 5 in den Spalt 3 eintreten, dann werden in beiden Spulen EMKe erzeugt. Die in der Spule 4 induzierte EMK genügt, um den Transistor 9 leitend zu machen /to bias the transistor 9 "ON"/» und ein Spannungssignal bzw. Spannungsimpuls wird an die Spule 5 gelegt, so daß durch sie Strom fließt, und dieser Strom steht in Wechselwirkung mit dem Magnetfluß im Spalt 3, um eine Kraft in·einer solchen Richtung zu erzeugen, daß die Schwingungen aufrechterhalten werden. Das an die Spule 5 angelegte Spannungssignal ist im. wesentlichen gleich der Po-

, tentialdifferenz an den Anschlüssen der Batterie 13. Die in der

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Spule 5 induzierte EMK wirkt dem Spannungssignal entgegem, und deren Amplitude beträgt etwa 75 # derjenigen des Spannungssignals. Die Energie, die erforderlich ist, urai herkömmliche Anzeigemittel (Zeiger) anzutreiben, wird von der Unruhe über einen Anker abge- ■

τη ητητη,ΩΠ _t

Der Kondensator 14 dient dazu, Hochfrequenzschwingungen zu hemmen, und dessen Kapazität ist zu gering, als daß er den Betrieb der Schaltung beeinträchtigen könnte.

Wie bereits erläutert, ist die Energiebedingung einer Uhr abhängig von der Amplitude der Schwingungen der Unruh^ 6, und dies ist in der Kurve A der Fig. 1 veranschaulicht. Die Energie, die der Unruhy 6 zugeführt wird, ist in Kurve B der Pig. 1 veranschaulicht. Es wurde bereits ausgeführt: Je größer die Änderung der Eingangsenergie mit einer Änderung der Schwingungsamplitude ist, d.h. je näher die Schleife der Kurve B an der Vertikalen ist, desto kleiner ist die Änderung in der Zeitmessung der Uhr infolge von Änderungen in der Energiebedingung der Uhr. Eine solche Änderung ist in Kurve C veranschaulicht und kann infolge von Änderungen im der Viskosität des Öls, welches zur Schmierung der Uhr verwendet wird, auftreten. Die Uhr ist so gebaut, daß die normale Betriebsamplitude der Schwingungen der Unruhe 220° beträgt. Es ist auf dem Gebiet der Horologie bekannt, daß Änderungen in der Zeitgebung infolge eines Gleichgewichtsfehlers, kombiniert mit Haltungsänderungen, dann am geringsten sind, wenn, die Amplitude der Schwingungen der Unruhe 220° beträgt. Es ergibt sich, daß, weil die Kurve B relativ steil ist, eine Änderung in der Energiebedingung der Uhr eine geringe Änderung in der Amplitude der Schwingungen, der Unruhe mit sich bringt.

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Wie aus Fig. 4 zu ersehen ist, umgibt die Spule 5 die Spule 4 vollkommen in der Ebene ihrer Bewegungen durch den Spalt 3 hindurch. Der Schenkel der Spule 5 ist in der Ebene seiner Bewegung durch den Spalt 3 hindurch vergleichsweise breit, so daß ihr Widerstandswert relativ gering ist. Die Breite des Schenkels der Spule 5 wird durch den breiten Spalt

3 ermöglicht.

Es soll nunmehr auf die Fign. 5, 6, 7 und 8 Bezug genommen werden. Eine grafische Darsteilung der Magnetflußdichte am Spalt 3 ist in Fig. 7 gegeben. Die grafischen Darstellungea der EMKe, die in den Vorder- und Hinterschenkein der Spulen

4 und 5 induziert werden, haben die gleiche Form., jedoch unterschiedliche Maßstäbe. Die Stellung der Spulen 4 und 5, wenn die im. Vorderschenkel 17 der Spule 4 induzierte EMK ausreicht, den Transistor 8 leitend zu machen, ist in Fig. 5 dargestellt, und es ist ersichtlich, daß der Vorderschenkel 16 der Spule 5 sich danm innerhalb des Spaltes befindet. Die Stellung der Spulen 4 und 5» wenn die im hinteren Schenkel 18 der Spule 4 induzierte EMK ausreicht, um die im. Schenkel 17 induzierte soweit zu reduzieren, daß der Transistor 9 nicht langer leitet, ist in Fig. 6 dargestellt, und es ist festzustellen, daß der Schenkel 16 sich noch innerhalb des Spaltes 3 befindet. Strom fließt daher nur dann durch die Spule 5, wenn diese sich innerhalb eines Bereiches von hoher Magnetflußdichte befindet. Eine grafische Darstellung des Stromes, der durch die Spule 5 fließt, ist mit der Kurve E in Fig. 8 dargestellt, und es ist festzustellen,

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daß die Kurve kleine "Ohren" 19 und 20 hat, die den Stellungen des Schenkels 16 im Spalt entsprechen, wenn die Magnetflußdichte unterhalb des Maximums liegt. Der mittlere Strom ist proportional dem mittleren Wert des Spannungssignals, welches der Spule zugeführt wird, minus der mittleren EMK, die in ihr induziert wird. Je geringer der mittlere Wert des Stromes ist, desto näher ist die Kurve B in Fig. 1 der Vertikalen.

Eine grafische Darstellung des in der Spule 5 fließenden Stromes, wenn die Spulen 4 und 5 ubereinandergewickelt sind /are wound on top of each other/ ist mit der Kurve D in Mg. 8 dargestellt, und es ist ersichtlich, daß die Kurve zwei große "Ohren" 21 und 22 hat. Der Durchschnittsstrom, der in der Spule 5 fließt, ist erhöht. Unter bestimmten Umständen kann es erwünscht sein, eines der "Ohren" 19 und 20 oder beide zu vergrößern. Dies kann dadurch geschehen, daß die fflußdichte am einen Ende oder an beiden Enden des Spaltes 3 reduziert wird, beispielsweise durch Wegschneiden der Ecken der Magmete 1 und oder dadurch, daß die Größe der Spulen 4 und 5 so gewählt wird, daß, wenn der hintere Schenkel der Spule 4 in den Spalt 3 eintritt, der vordere Schenkel der Spule 5 bereits innerhalb eines Bereiches von relativ geringer Flußdichte ist.

Es versteht sich, daß die Arbeitsweise der Schaltung die gleiche ist, wenn die Spulen 4 und 5 sich in entgegengesetzter Richtung bewegen und die Schenkel 18 und 19 jeweils die vorderen Schenkel der Spulen 4 und 5 sind. Alternativausführungsformen

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der Schaltungsanordnung sind in den Fign. 9 und 10 dargestellt, die einen Kondensator 23 und einen Widerstand 24 aufweisen. Die Arbeitsweise dieser Schaltungen ist im Grunde die gleiche wie bei der in Fig. 3 dargestelltem und ist im einzelnen in der britischen Patentanmeldung Nr. 4768/63 beschrieben.

Alternativausführungen der Spulen sind in den Fign. 11 und 12 dargestellt. Bei der in Fig. 11 dargestellten Ausführungsform sind die Spulen 4 und 5 durch einen Abstandhalter 50 getrennt, um sicherzustellen, daß kein Strom, durch die Spule 5 fließt, es sei denn, daß sie sich innerhalb eines Bereiches von hoher Flußdichte befindet. Bei der in Fig. 12 dargestellten Ausführungsform ist die Spule 5 in zwei Hälften gespalten, von denen die eine völlig von der Spule 4 umgeben ist und die andere die Spule 4 völlig umgibt. Diese Ausfuhrungsform ist unter bestimmten Umständen nützlich.

Bei einem Ausführungsbeispiel sind alle Einzelteile der elektrischen Schaltung, außer der Batterie, an der Unruhe angebracht, mit welcher zwei Verbindungen über Spiralfedern hergestellt sind. Die Steifheit der einen der Spiralfedern ist vorzugsweise solcherart, daß sie eine geringe Wirkung auf die Bewegung der Unruhe hat. Bei einer anderen Ausführungsform sind alle Einzelteile der elektrischen Schaltung an der Unruhe angebracx/t, und deren Bewegung wird durch eine einzige Spiralfeder geregelt.

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Gemäß Pig. 13, die eine andere Schaltungsanordnung zeigt, hat die Uhr nur eine Spule (mit 4 bezeichnet) und zwei Spiralfedern (mit 9 und 11 bezeichnet). Eines der Enden der Spule 4, die von der Unruh^ 6 getragen wird, ist über die Spiralfeder 11 mit dem positiven Anschluß der Batterie 13 verbunden, welche eine Potentialdifferenz von etwa 1,5 V hat. Das andere Ende der Spule 4 ist über die Spiralfeder 9 mit dem Kollektor eines pnp-Silicium-iDransistors 38 verbunden und außerdem, mit der Basis eines pnp-Silicium-Transistors 32 über einen Widerstand 31· Der Kollektor des Transistors 32 ist mit dem negativen Anschluß der Batterie 13 über einen Widerstand 30 und mit der Basis des Transistors 38 unmittelbar verbunden. Im Betrieb kann in den Perioden, wo die EMK in der Spule 4 nicht induziert wird, der· durch den Transistor 32 fließende Strom zweckmäßigerweise etwa 1/UA für eine Taschenuhr sein, und der durch den Transistor 38 fließende Strom ist vernachlässigbar gering. Wenn die Spule 4 in den Spalt 3 eintritt, dann wird in ihr eine EMK induziert, die das mit der Spiralfeder 9 verbundene Ende mehr positiv macht. Diese EMK wird der Basis des Transistors 32 zugeführt und vermindert den durch den Transistor/fließenden Strom, wobei das Potential seines Kollektors mehr negativ gemacht wird.'Das Potential der Basis des Transistors 38 wird ebenfalls mehr negativ, was zur Folge hat, daß Strom durch den Transistor 38 und die Spule 4 fließt. Der durch die Spule 4 fließende Strom steht in Wechselwirkung mit dem Magnetfluß im Spalt 3, um eine Kraft in einem solchen Richtungssinne zu erzeugen, daß die Schwingungen der Unruhe aufrechterhalten werden. Die mittlere Amplitude des Stroms kann

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10 /uA sein. Bine mehr ins einzelne gehende Beschreibung der Schaltungsbetriebsweise wird später gegeben.

Oemäß der Pig. 14, die eine weitere Alternativschaltung ähnlich derjenigen der Fig. 13 zeigt, ist das eine Ende der Spule 4 über die Spiralfeder 11 mit dem negativen Anschluß der Batterie 13 verbunden, die eine Potentialdifferenz von etwa 1,5 Y hat. Das andere Ende der Spule 4 ist über die Spiralfeder 9 mit dem Kollektor eines pnp-Silicium-Transistors 36 und mit der Basis eines npn-Siliciumt-Transistors 37 über einen Widerstand 33 verbunden. Der Emitter des Transistors 37 ist mit dem negativen Anschluß der Batterie 13 verbunden, und dessen Kollektor steht mit der Basis des Transistors 36 in Verbindung. Der Emitter des Transistors 36 ist mit dem positiven Anschluß der Batterie 13 verbunden.

Bei Verwendung fließt in den Perioden, wo die Spule 4 ausserhalb des Spaltes 3 liegt, ein vernachlässigbar geringer Strom durch die Transistoren 36 und 37 hindurch. Wenn die Spule 4 in den Spalt 3 eintritt, dann wird in ihr eine EMK induziert, die das Potential des mit der Spiralfeder 9 verbundenen Endes mehr positiv macht. Die Basis des Transistors 37 wird ebenfalls mehr positiv, so daß Strom, durch den Transistor 37 fließen kann..

Der Transistor 37 liefert dann den Basisstrom: für den Transistor 36, so daß Strom durch den Transistor 36 und die Spule 4 fließen kann. Der durch die Spule 4 fließende Strom steht'in Wechselwirkung mit dem Magnetfluß im Spalt 3, um eine Kraft in einem

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solchen Richtungssinn zu erzeugen, daß die Schwingungen der Unruh/ 6 aufrechterhalten werden. Die mittlere Amplitude des Stroms kann 10 /uA sein. Eine mehr ins einzelne gehende Beschreibung der Schaltungsbetriebsweise wird später gegeben.

Gemäß Mg. 15, die eine weitere Alternativschaltung zeigt, ist das eine Ende der Spule 4 über die Spiralfeder 11 mit dem positiven Anschluß der Batterie 13 verbunden. Das andere Ende

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der Spule/ist über die Spiralfeder 9 mit dem Kollektor eines npn-Silicium-Transistors 40 verbunden. Der Kollektor des Transistors 40 ist außerdem über einen Widerstand 41 mit der Basis eines npn-Silicium-Transistors 42 verbunden. Der Kollektor des Transistors 42 steht mit der Basis eines npn-Siliciumr-Transistors 44 unmittelbar und mit dem positiven Anschluß der Battaie 13 über einen Widerstand 43 in Verbindung. Der Kollektor und Emitter des Transistors 44 sind jeweils mit dem positiven Anschluß der Batterie 13 und mit der Basis des Transistors 40 verbunden. Die Emitter der Transistoren 40 und 42 liegen am negativen Anschluß der Batterie 13·

Bei Gebrauch fließt in den Perioden, wo die Spule 4 außerhalb des Spaltes 3 liegt, Strom durch den Transistor 42, und dessen Stärke kann zweckmäßig etwa 1/2 /uA betragen. Ein vernachlässigbar geringer Strom fließt durch die Transistoren 40 und 44 und die Spule 4. Wenn die Spule 4 in den Spalt 3 eintritt, dann wird in ihr eine EIOC induziert, die das Potential des mit der Spiralfeder 9 verbundenen Endes mehr negativ macht. Das Po-

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tential der Basis des Transistors 42 wird mehr negativ, wodurch der durch ihn fließende Strom reduziert und das Potential seines Kollektors und dasjenige der Basis des Transistors 44 mehr positiv gemacht wird. Strom fließt durch den Transistor 44, der den B as is strom, für den Transistor 40 liefert. Strom, fließt daher durch den Transistor 40 und die Spule 4, und der durch die Spule 4 fließende Strom steht in Wechselwirkung mit dem Magnetfluß im Spalt, um eine Kraft in einem solchen Sinne zu erzeugen, daß die Schwingungen der Unruhe 6 aufrechterhalten werden.

Die mittlere Stärke des Stromimpulses in der Spule 4 kann. 10 /uA betragen. Es ist ersichtlich, daß die Schaltung der Mg. 15 ähnlich derjenigen der Mg. 13 ist, mit den Unterschieden, daß die pnp-Transistoren durch npn-Transistoren ersetzt sind und daß ein Extra-Transistor 44, der als Emitterfolger wirkt, eingebaut ist. Die Transistoren und Widerstände der Schaltungen der Mgn. 13, 14 und 15 können als Teile von intergderten Schaltungen ausgebildet sein. Die Schaltungen der Mgn. 13 und 15 sind als integrierte Schaltungen leichter herzustellen als diejenigen der Mg. 14, da die Transistoren alle vom gleichen Typ sind.

In Mg. 16, die Wellenformen zeigt, welche den drei Schaltungen der Mgn. 13, 14 und 15 gemeinsam sind, ist die.Kurve ¥ eine grafische Darstellung der Mußdichte im Spalt 3. Kurven G, H und I sind grafische Darstellungen des Stromes in der Spule 4 für verschiedene Schwingungsamplituden der Unruhe 6.

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Die Betriebsweise der Schaltungen der JFign. 13 bis 16 ist wie folgt: Sobald die Spule 4 in den Spalt 3 eintritt, wird in ihr eine EMK induziert, welche die gleiche Form hat wie die Kurve ]? (vorausgesetzt — was auch im wesentlichen zutrifft —, daß die Geschwindigkeit der Spule 4 sich nicht beim Durchgang durch den Spalt 3 ändert). Die Amplitude der induzierten EMK wächst mit zunehmender Spulengeschwindigkeit und somit mit zunehmender Amplitude der Schwingung der Unruhe 6.

Die Polarität der induzierten EMK ist so, daß sie dem Batteriepotential entgegenwirkt, und auf diese Weise wird das Potential am Transistorende der Spule vermindert, sobald die' Spule sich in den Spalt hinein bewegt. Wenn dieses Potential einen vorbestimmten Viert erreicht, dann wird die Schaltung· in Tätigkeit gesetzt, um einen annähernd konstanten Strom der Basis des Transistors, die mit der Spule verbunden ist, zuzuführen. Kollektorstrom fließt durch den Spule 4, welcher in Wechselwirkung mit dem Magnetfluß steht und eine Kraft in einem solchen Richtungssinn erzeugt, daß die Schwingungen der Unruhe aufrechterhalten werden. Der durch die Spule 4 fließende Kollektorstrom erzeugt eine Potentialdifferenz an der Spule wegen ihres Widerstandes, der das Potential des mit dem Transistor verbundenen Endes der Spule 4 noch weiter reduziert. Der Potentialabfall an der Spule 4 infolge des durchfließenden Stromes (d.h. IR) ist geringer als die in der Spule 4 induzierte EMK. Wenn sich die Spule 4 aus dem Spalt 3 herausbewegt und die induzierte EMK vermindert wird, dann verbleibt der Potentialabfall an der Spule infolge ihres Widerstandes, und der durch sie fließende

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Strom reicht nicht aus, die Schaltung in ihrem aktiven Zustand zu halten, d.h. es wird kein Basisstrom dem Transistor zugeführt, dessen Kollektor mit der Spule in Reihe geschaltet ist.

Dieser geringe Potentialabfall an der Spule 4 infolge des durch sie fließenden Stromes wird durch den geringen. Widerstand der Spule und durch den geringen Strom, der durch sie fließt, erzielt. Diese beiden Merkmale sind eine Folge des weiten Winkels, den der Spalt 3 um die Achse der Unruhe 6 beschreibt, weil die Spule mit einer relativ großen Drahtstärke gewickelt werden kann, um. einen geringen Widerstand zu ergeben, wobei die vergrößerte Breite des Spulenschenkels in dem weiten Spalt annehmbar ist und die Eingangsenergie nach der Unruhe über eine relativ lange Zeitdauer zugeführt wird, wodurch ein geringer leistungspegel und somit ein geringer Strom durch die Spule 4 ermöglicht werden. Die Stärke des Stroms ist proportional dem Ausdruck Y-E, so daß der Strom auf Änderungen von E (die in der Spule induzierte EMK) ansprechempfindlich ist. Dies wird durch die Kurven G-, H und I dargestellt, welche die Stromwellenformen für unterschiedliche Amplituden der Schwingung zeigen, da E abhängig ist von der Schwingungsamplitude. Es wurde bereits erläutert, daß, je größer die Änderung der Eingangsenergie (die vom Strom abhängig ist) mit einer Änderung der Schwingung Samplitude ist, desto geringer die Änderung in der Zeitmessung infolge Änderungen in den Energiebedingungen der Uhr ist.

]?ig. 17 zeigt mit der Kurve M die EMK, die in der Triggerspule 4-induziert wird, und die Ströme (Kurven N, O, P) die

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in der Antriebsspule 5 einer zweispuligen Uhr, wie beispielsweise derjenigen der Fig. 13, fließen. Die Kurven P und M sind identisch, jedoch haben die Kurven U, 0 und P, welche die Stromwellenformen bei Schwingungsamplituden gleich denjenigen gemäß den Kurven G, H und I zeigen, keine "Ohren" 51 und 52, die allen drei Kurven G, H und I gemeinsam sind. Diese beiden "Ohren" sind die Folge des konstanten Transistor-Basisstromes, der große Kollektorströme hervorruft, wenn die in der Spule 4 induzierte EMK relativ gering ist, sobald sie in den Spalt 3 eintritt und diesen verläßt, während bei der Schaltung gemäß Fig. 3 der Transistor-Basisstrom an diesen Stellen vermindert wird, wodurch der durch die Spule 4 fließende Strom begrenzt wird. .

Die Erfindung betrifft auch Abänderungen der im· beiliegenden Patentanspruch 1 umrissenen Ausfülirungsform und bezieht sich vor allem auch auf sämtliche Erfindungsmerkmale, die im einzelnen —- oder in Kombination — in der gesamten Beschreibungs und Zeichnung offenbart sind.

Patentansprüche

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Claims

DIPL-ING. ERICH SCHUBERT * * Telegramm-Adr.: Patschub, Siegen Abs.: Patentanwalt Dipl.-Ing. SCHUBERT, 59 Siegen (Wesff.), Postfach325 . ,»-. Postscheckkonten: J Ό >* 3 Deutsche Bank AG., OiuiiieiijlraPirt«j^**^ \ Köln 106931, Essen 20362 \ * Bankkonten: Filialen Siegen u. Oberhausen (RhId.) Anwaltsakte 64 HS' . 14. Oktober 1964 Kü/St. Patentansprüche

1. Elektrische Uhr, bei welcher eine oder mehrere Spulen an einem Schwingbauteil, wie beispielsweise einer Unruhe oder einem Pendel, angebracht ist bzw. sind, der einer (durch eine Feder oder durch Schwerkraft erzeugten) Rückholkraft ausgesetzt ist, die im wesentlichen der Terschiebung bzw. Verlagerung des Schwingbauteils von einer Bezugsstellung aus proportional ist, wobei diese Spule oder Spulen so angeordnet ist bzw. sind, dass sie einen Magnetflussbereich passiert bzw. passieren, wobei die EMK, die in der Spule oder in einer der Spulen, wenn diese den Magnetflussbereich passiert, induziert wird, einer Schaltung zugeführt wird, die einen oder mehrere Transistoren aufweist und in Ansprecherwiderung auf die zugeführte EMK einen. Strom durch die Spule oder eine der Spulen treibt, der in Wechselwirkung mit dem Magnetfluss steht, um eine Kraft in einem solchen Richtungssinne zu erzeugen, dass die Schwingungen des Schwingbauteils aufrechterhalten werden, dadurch gekennzeichnet, dass im Betrieb die in der Antriebsspule

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induzierte EMK mindestens die eine Hälfte der Potentialdifferenz an der G-Ieichspannungsquelle ist.

2. Uhr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die bei Betrieb in der Antriebsspule induzierte EMK mindestens zwei Drittel der Potentialdifferenz an der GfI eichspannungs quelle ist.

3. Uhr nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn sich die Antriebsspule um eine Drehachse dreht, der Y/eg der Spule über den Magnetflussbereich hinweg einen Winkel von mindestens 20° um die Drehachse beschreibt.

4. Uhr· nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, 'dass der Weg der Antriebsspule über den Bereich hinweg einen Winkel von mindestens 50° um die Drehachse beschreibt.

5. Uhr nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Magnetflußdichte am Bereich mindestens 4.000 G-auß beträgt.

6. Uhr nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Triggerspule aufweist, die von der Antriebsspule in der Bewegungsebene über den Bereich hinweg.umgeben ist.

7. Uhr nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Trigger- und Antriebsspule einen gemeinsamen Anschluss haben und daß in diesem Falle drei Verbindungen von der äußeren Schaltung nach dem Schwingbauteil über drei Spiralfedern bestehen.

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8. Uhr nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, dass die eine Spiralfeder eine solche Steifheit hat, dass sie die Bewegung des Schwingbauteils regelt, und dass die Steifheit der "beiden anderen Spiralfedern eine solche ist, dass sie eine vergleichsweise geringe Wirkung auf die Bewegung des Schwingbauteils haben.

9. Uhr nach Anspruch 1 bis 6 mit einer Triggerspule, dadurch gekennzeichnet, dass alle Komponenten bzw. Einzelteile der elektrischen Schaltung, ausser der G-I ei chs pannungsquelle, am Schwingbauteil angebracht sind und ass in diesem Falle zwei Verbindungen von der G-I ei chs pannungs quelle nach der Schaltung am Schwingbauteil über zwei Spiralfedern bestehen.

10. Uhr nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steifheit der einen Spiralfeder so gering ist, dass sie eine vergleichweise geringe Y/irkung auf die Bewegung des Schwingbauteils hat.

11. Uhr nach Anspruch 1 bis 6 mit einer Triggerspule, dadurch gekennzeichnet, dass alle Komponenten der elektrischen Triggerschaltung, einschliesslich der Gleichspannungsque11e, am Schwingbauteil angebracht sind.

12. Uhr nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, · dass eine separate Triggerspule nicht vorgesehen ist und daß die Schaltung nur dann Strom durch die Antriebsspule treibt, wenn die Potentialdifferenz an ihr einen vorbestimmten Wert überschreitet.

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13. Uhr nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsspule als eine Belastung für einen ersten Transistor geschaltet ist und dass die Potentialdifferenz an der Antriebsspule einem zweiten Transistor zugeführt wird, der den Stromfluß durch den ersten Transistor hindurch steuert.

H. Uhr nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Transistor Teile einer integrierten Schaltung sind.

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