DE1904889A1

DE1904889A1 - Elektronisch-magnetisches Antriebssystem fuer Uhren

Info

Publication number: DE1904889A1
Application number: DE19691904889
Authority: DE
Inventors: Reich Robert Walter
Original assignee: REICH ROBERT WALTER
Current assignee: REICH ROBERT WALTER
Priority date: 1968-02-06
Filing date: 1969-01-31
Publication date: 1969-09-11
Also published as: CH491426A; GB1262744A; US3596461A; FR2001412A7; CH190368A4

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektronischmagnetischeo Antriebssystem für Uhren«

Alle bisher bekannton elektronischen Uhren mit Transistor» schaltungen und Permanentmagneten arbeiten mit einer Antriebs= spule und einer Erregerspule. Diese Erregerspule liegt im Basis«» kreis und die in der Erregerspule erzeugte Spannung öffnet den Transistor. Es sind also immer zwei Spulen erforderlich» die ent» weder miteinander gekoppelt oder nebeneinanderliegend oder in irgendeiner sonderen Form den Antriebsimpuls durch den Erreger» strom auslösenο

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DarUberhinaua sind auch Sohaltungen angegeben» velohe mit Kult !.vibratoren oder anderen elektronischen Sohaltungen arbeiten, bei denen aber Impulse aus der Schaltung selbst erzeugt werden« Diese Art von Sohaltungen ist aber sehr aufwendig und kost= spielig, so dass βίο für Gebraucheuhren praktisch nicht eingesetzt wirdο Es kommt gerade bei Gebrauchauhren darauf an, die Schaltung selbst und den Aufwand für die Spulen und Magnete eo weit wie möglich zu vereinfachen, weil diese Elemente kostenbestimmend sind« Vor allem für Armbanduhren sind vielfach die Hagnetelemente und mehrere Spulen erforderlich, weil eine einzige Erregerspule garnioht ausreichend ist. In solchen Armbanduhren sind aber mehrere Spulen und Magnetsysteme meist überhaupt nicht unterzug bringen; auseerdem sind sie auch wegen des auftretenden hohen Gewichtes für die Unruh nicht anwendbare

Durch die Erfindung sollen die Nachteile der bisherigen Antriebssysteme behoben werden <-

Das den Gegenstand der Erfindung bildende elektronisch« magnetische Antriebssystem für Uhren mit Permanentmagneten auf dem mechanischen Schwinger und feststehenden Spulen oder mit schwingenden Spulen und feststehenden Magneten kennzeichnet sich dadurch, dass nur eine einsige Spule für den Antrieb angeordnet 1st, und dass der Erregerimpuls zur Steuerung der Transistor»

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schaltung kapazitiv oder galvanisch über hochsperrende Dioden, Zenerdioden oder transformatoriBch von der gleichen Spule gleich* zeitig ausgekoppelt ist»

In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispiels« weise dargestellt, und zwar zeigen:

Figo 1 eine erste Ausf Uhrungsform mit einphasiger Aus= kopplung und

Fig, 2 eine zweite Ausführungsform mit gegenphaeiger Auskopplungο

Bei der AuefUhrungsform nach Figo 1 liegt die Antriebsspule 1 zwischen dem Minuspol der Batterie und dem Kollektor eines pnp-Transistors 2, dessen Emitter an den Pluspol der Batterie ange« schlossen ist. Ebenfalls am Pluspol der Batterie liegt der einen Widerstand 3 enthaltende Basie-Leitun^szug eines npn-Transtistors 4, dessen Kollektor mit der Basis des ersten Transistors 2, und dessen Emitter mit dem batterieseitigen Ende der Spule 1 verbunden ist_o Zwischen Basis und Emitter des Transistors 4 ist eine Si-Diode 5 geschaltet mit Flussrichtung zum Emitter. Ausserdem ist die Basis des Transistors 4 über einen Leitungezug, der in Serie einen Wider« stand 6 und einen Kondensator 7 enthält, mit dem Kollektor des Transistors 2 verbunden.

Im Ausführungsbeispiel nach Figo 2 liegt die Antriebsspule 1 mit ihrem einen Ende am Kollektor des pnp-Transistors 2, dessen Emitter mit dem Pluspol der Batterie verbunden iet, und mit ihrem anderen Ende am Kollektor des npn-Transietore 4, dessen Emitter mit

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dem Minuspol der Batterie verbunden ißt. Parallel sur Spule 1 liegt ein Kondensator 8. Vom Emitter des Transistors 2 führt ein einen Widerstand 3 enthaltender Leitungsaiig zur Basis des Transistors 4; gleichzeitig ist die Basis dee Transistors 4 mit dem Kollektor des Transistors 2 über einen Leitungszug verbunden, der in Serie einen Widerstand 6 und einen Konden= öator 7 enthält« In der Verbindungsleitung sswischen der Basis des Transistors·2 und dem Kollektor des Transistors 4 liegt ein Widerstand 9·

Die Wirkungsweise der in Figo 1 dargestellten Sohaltung ist folgende:

Wenn das asiatische Magnetsystem N=S die Spule 1 in Rieh= tung des Pfeiles I überschwingt, wird in der Spule 1 ein posi= tlvQi' Impuls indusiert, welcher mit der durch den Kondensator unö den Widerstand 6 gegebenen Zeitkonstante den npn~Transistor 4 öi'fnot. Die Spannung sn der Basis des Transistors 4 ißt unter Berücksichtigung der Schwellenspannung mittels der Diode 5 so stabiliaiert, daas der Sranaistorsti-ora einen konstanten Wert aufweißte Ser goöffeste Transistor 4 sieht Strom aus der Basis dec pap»Sransiatora 2; dadurch ifir-d der Transistor 2 geöffnet, νθΐ-sxif ¥Oi» Pluspol der Batterie B Strom über den Transistor 2 flioßst. Durch dis am Kollektor des Transistors 2 auftretende positive Spannung wächst infolge der Rückkopplung der über den

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•Transistor 2 und die Spule 1 fliessende Strom lawinenartig an und (ibt auf das Magnetsystem N-S einen abstossenden Im» puls aua; nach dem vollständigen Aufladen dea Kondensators 7 ist der Vorgang beendet. Bei der zweiten Halbschwingung (in Richtung des Pfeiles II) kann wegen der Umkehrung des in der Spule 1 induzierten Impulses der Tranaistor 4 nicht ge» öffnet und somit auch kein auf das Magnetsystem N-S wirkender Impuls abgegeben werden. Erst wieder bei der nächsten Halb« schwingungen in Richtung des Pfeiles I wiederholt sich der oben beschriebene Vorgänge

Die in Fig. 2 gezeigte Schaltungsanordnung arbeitet fol»

gendermassen:

Anfangs sind beide Transistoren 2, 4 gesperrt» und da die Spule 1 in Reihe mit ihnen liegt, kann kein Strom Über die Translatoren fliesoen. Der beim Ueberachwingen der Spule 1 durch das Magnetsystem 1J-3 entstehende Induktioneimpuls wird an die Basis der Transistoren 2 und 4 gegeben; dadurch werden boidebransistoren gleichzeitig geöffnet und es flieset ein Strom aua der Batterie B über die Transistoren 2, 4 und über di© swiachen ihnen liegende Spule 1, die auf das Magnetsystem einen abotossenden Impuls ausübt. Der Kondensator 8, der aich langsam entlädt, bedingt die Einschaltzeit. Während der zweiten

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Halbsciroingung (in Richtung des Pfeilee II)kann wegen Umkehrung der Stromrichtung in der Spul© 1 das Oeffnen der Transistoren 2, 4 nicht erfolgen und somit auch kein abotosaender Impuls auf das Magnetsystem N-S ausgeübt werden. Bei der nächsten Halbschwingung in Richtung des Pfeiles I wiederholt sich der oben beschriebene Vorgang.

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Abweichend von den in der Zeichnung dargestellten AuefUh« rungsformen können beispielsweise fUr Armbanduhren mehrere Teil* spulen hintereinanderßesehaltet sein, die aber zusammen eine einzige Antriebsspule bilden. Jedenfalls entfällt die Notwendig« keit der Anordnung einer oder mehrerer lärregerspulen. Durch die Bewegung des Magneten oder der Spule im Magnetfeld wird eine hohe Induktionsspannung erzeugt, die um ein Vielfaches höher im Spannungswert liegt als die Spannung, die normalerweise aue der Batterie über den Transistor an der Antriebsspule liegt_r also die eigentliche Antrieh3Bpannung„ Diese Induktionsspannung wird nun ausgekoppelt und auf die Basis des betreffenden Transistors gegeben» Hit den modernen Siliciumtransistoren z.B₀ mit hohem Verstärkungsfaktor und sehr niedrigen Erregerströmen an der Basis, besteht ohne weiteres die Möglichkeit, als Erregerimpuls die ausgekoppelte Induktionsspannung aus der Antriebespule su verwenden. Es ist auch möglich, beide entstehenden Induktionsspannungen gegenphasig von aussen bis zum Hittelpunkt und vom Mittelpunkt nach aussen auch gegenphasig auszukoppeln und jeweils mit einem Transistor« pnp oder npn, mit der für diese Transistor« type erforderlichen positiven oder negativen Stromrichtung des ausgekoppelten Induktionsimpulses zu arbeiten. In diesem Falle

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entstehen zwei nacheinanderllegende Impulse, die jeweils nur einem Transistor in der Phase entsprechen und dementsprechend einmal anziehend und einmal abstossend Über die Antriebespule auf den Schwinger wirken« Die Antriebespule ist in die Trans« leerschaltung so eingesetzt» dass jeweils nur der Antriebes= impuls in der erforderlichen Stromrichtung» anziehend oder abstoesend, über den gesteuerten Transistor aus dem Induktionsimpuls auftreten kann Bei gegenphaslgen Induktionsimpulsen mit entsprechend geschaltetem pnp- und npn-Transistor in der Antriebsspule ist der auftretende Antriebsimpule gleichfalls gegenphaslgr. Hierbei können beide Transistoren als völlig selb» ständige Schaltungen nebeneinander angeordnet sein. Sie können aber auch durch Koppelglieder miteinander so verbunden sein und die Antriebsspule zur Schaltung durch kapazitive, galvanische oder induktive Kopplung so angeordnet sein» dass für beide gegenphasige Impulse auch gegenphaeige Antriebeströme auftreten

Darüberhinaue besteht die Möglichkeit, dl· elektronische Schaltung so auszuführen, dass an Jeder Basis jedes Transistors in Siliciumtechnik eine Vorspannung gelegt wird, so dass nur ein sehr niedriger Induktionsspule die Aufsteuerung dee entspre* ohenden Transistors herbeiführt · Durch die Gröeee dee Kondensat tore und des entsprechenden Ladewiderstandee zur Erzeugung der Vorspannung wird eine Zeitkonstante für jeden Transistor ge-

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"bildetr, die etwa in der gleichen Grösoenordnung wie die Zeit» konstante liegt» die sich aus der Geschwindigkeit des meehanl« sehen Schwingers ergibt, und hierdurch wird automatisch der Selbstanlauf der Uhr herbeigeführte

Bei Hagnetanordnungen» die in der Sohwingungsrichtung in bezug auf die Nullage, von rechts oder von links einschwingende in der Spule in der Fluesrlchtung jeweils wechselnde Induktionsimpulse erzeugen, d.h. also, wenn beispielsweise zwei Hagnet** paare oben und unten in einem asiatischen System vorhanden sind, die gegenpolig magnetisiert sind, wobei die Bedingungen des wechselnden Impulses ohne weiteres auftreten und nicht zu ver« hindern sind, wird die Transistorsohaltung so angeordnet, dass nach jedem Impuls die Sohaltrlchtung des Stromes in der Antriebs· spule für den Transistor oder die Transistoren wechselt.

Der Vorteil einer derartigen Anordnung und Ausnutzung des Induktionsimpulses ist ausserordentlich gross, da sehr viel einfachere Uhren herstellbar sind und nur einen Kostenaufwand erfordern, der einen Bruchteil des bisherigen Aufwandes für die elektronische Schaltung darstellte Man braucht nur eine einzige Spule, gleichgültig« ob man nur mit einem oder mit mehreren Transistoren arbeitet, und gleichgültig , in welcher Schaltung diese Transistoren angeordnat sind» Hierdurch ist der Aufbau

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des eigentlichen Schwingers und des Spulensyetema ganz wesent» lieh vereinfacht. Bei Armbanduhren sind Anordnungen möglich, die iBit normalen Schaltungen, mit Erreger- und Antriebespulen, gamicht ausführbar viren ₀ Auch für viele anderen Arten von IJferta sind erstmalig mechanische Aufbauten und elektronische Anordnung» möglioh, die zu KleinetausfUhrungen, s_oBo für die Konstruktion von Reiseweckern, in jedes normale Reiseweckergehäuse paeeen» Der Schaltungsaufwand ist wesentlich geringer und die Wirkung ist sehr viel bessern So benötigt beispielsweise eine Uhr, die mit normaler Erreger» und Antriebsspule ausgerüstet ist und dem dazugehörigen Magnetsystem, etwa den 5 bis lOfachen Strom gegen» über einer erflndungsgemäss ausgeführten Uhr=> Das liegt vor allem daran, dass man den gesamten Wickelraum, in dem man bisher die Erreger- und Antriebespule unterbringen musste, für die An= triebsspule allein zur Verfügung hat« Hierdurch 1st auf gleichem Raum und mit geringerem Aufwand ein höheres Antriebsmoment er» zielbar als mit zwei Spulen auf dem gleichen Spulenträger und in der gleichen Dicke der Spulen und dem gleichen Durchmesserο

Weiterhin kommt noch dazu, dass man für die Erregerspule andere Drahtstärken benötigt als für die Antriebsspule. Wickelt man beispielsweise bifilar oder wickelt man konzentrische Spulen, so muss man jede Spule für sich den erforderlichen Kenndaten des Transistors, der verwendet wird, anpassen_o Man muss also

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beispielsweise eine AntriebsepuXe mit einer Drahstärke von 0,05 mm und eine Erregerspule mit einer Drahtstärke von 0,05 mm wickelnο Bei bifilaren Spulen geht ein sehr grosser Raum durch die Verwendung verschiedener Drahtstärken verloren. Bei kon» zentrischen Spulen stehen nur sehr geringe ringförmige Spulen sowohl für den Antrieb als auch für die aussenherumliegende oder innen liegende Erregerspule zur Verfugungο Bei nur einer einsigen Spule kann man diese optimal nur für den Antrieb der geeigneten Drahstärke auslegen und erhält eine viel höhere Amperewindungszahl auf gleichem Raum» Auseerdem erhält man bei der geeigneten Verwendung von Transistoren und der gegenphasigen Auskopplung in der gleichen Spule sogar zwei nacheinanderliegende, gleich grosse Impuls® ohne Hehraufwand und dementsprechend eine wesentlich höhere Antriebskraft als mit nur einer einzigen klei» nen Antriebsspule und herumliegender Erregerspule» Der Gesamt« Stromverbrauch einer solchen Schaltung liegt zwischen 30 und 50 Mikroampere, während für normale Uhren mit Erreger« und An« trlebsspule dieser zwischen 500 und 500 Mikroampere liegt (Gross« uhren)«

Ein weiterer, wesentlicher Vorteil ist der, daBS in einer Serienfertigung die Streuung des Verstärkungsfaktors der Trans» istoren in das Antriebsmoment nicht eingeht, wie es bei Erre« ger~ und Antriebsschaltung der Fall ist₀ Auseerdem ist die Tem«

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peraturabhängigkeit wesentlich niedriger, weil sich ja die Sohleueenepannung des Traneistore um 2 Millivolt pro Grad Celsius ändert und die Erregerspule so ausgelegt sein muss, dass auch bei niedrigeren Temperaturen, sogar bis -20 oder -40 Grad, die an der Brregerspule erzeugte Spannung noch ausreicht,den Transistor Überhaupt zu öffnen. Auch dies fällt bei der Aus» kopplung der Induktionsspannung vollständig weg, da die Induk« tionsspannung in jedem Fall um Zehnerpotenzen höher liegt oder zumindest um eine Zehnerpotenz, selbst bei nur einer einzigen Spule und einem Magneten, und.diese hohe Induktionsspannung in jedem Falle den Transistor öffnet₀ Die bestehende Spannungsab= hängigkeit für jede Transietorechaltung lässt sich in üblicher Weise durch Zenerdiodenschaltung oder VDR-Widerstand in der Schaltung vollständig auekompensieren wie bei normalen Schal= tungeno Da sich ein automatischer Selbstanlauf der Uhr von selbst aus der Schaltung heraus ergibt, ist auch kein weiterer Aufwand zur Herbeiführung dieses Selbstanlaufes erforderlich. Insgesamt gesehen, sind die Vorteile für den Aufbau von Uhren nach der vorliegenden Erfindung ganz bedeutend und der tech* nieehe Fortschritt nutzt alle Möglichkeiten aus, die durch die modernen Schaltelemente heute möglich geworden sindo Die ein= fachste Uhr, welche nach dieser Art auszuführen ist, besteht nur aus einer feststehenden Antriebespule, die für den Transistor

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optimal ausgelegt 1st» und einem astatiechen schwingenden Magnet» paar auf der Unruh oder auf einem Pendel und entsprechender Transistorschaltung, entweder für die einphasige Ausnutzung des Induktionsimpulses oder für die gegenphasige mit entsprechender Transistorschaltungο In bezug auf den Stromverbrauch und auf die Wirkungsweise ist die gegenphasige Transistorschaltung mit gegen» phasig gesteuerten Transistoren die vorteilhafteste, da sie auto» matlBoh in der gleichen Spule noch einen doppelten Antriebs* impuls wechselnder Richtung ergibtο

Ein weiterer beachtlicher Vorteil, insbesondere für Arm« banduhren, ergibt sich daraus, dass man nach 180 Grad jeweils eine Antriebsspule anordnet, die mit Transistoren jeweils als selbständige Schaltung nebeneinander betrieben werden. Man hat auf diese Weise die Möglichkeit, den Raum, weloher für den An» trieb der schwingenden Unruh in einer Armbanduhr zur Verfügung steht, in bestmöglicher Weise auszunutzen, weil nach 180 Grad Schwingungsbogen nur in dem jeweils riohtigen Transistor der Antriebsspule auch der richtige Antriebsimpuls abgegeben werden kann und nach 180 Grad niemals ein Hemmungsimpuls auftreten kann. Verwendet man hierbei zwei Magnetpaare astatisch nach 180 Grad angeordnet, so ist auch das Auswuchten und die Lageabhängigkeit für die Armbanduhr auf ein Minimum reduziert, und zwar ohne Mehraufwandο Man kann hierbei also beliebige Spulenanordnungen

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und beliebige Traneistorechaltungen verwenden* da man niemals auf irgendwelche Erregerimpulse, welche falsch liegen oder sich addieren oder aufheben, Rücksicht zu nehmen braucht; denn man hat immer nur Antriebsspulen, so dass also in der gesamten Schwingungsweite keine hemmenden Impulse auftreten können«

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Claims

-yC- Patentansprüche:

1. Elektronisch-magnetisches Antriebssystem für Uhren mit Permanentmagneten, auf dem mechanischen Schwinger und feststehenden Spulen oder mit schwingenden Spulen und feststehenden Magneten, dadurch gekennzeichnet, dass nur eine einzige Spule für den Antrieb angeordnet ist, und dass der Erregerimpule zur Steuerung der Transistorschaltung kapazitiv oder galvanisch Über hochsperrende Dioden, Zenerdioden oder transformatorisch von der gleichen Spule gleichzeitig ausgekoppelt ist.

2. Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daee beide entstehenden Induktionsspannungen - gegenphasig von aussen bis zum Hittelpunkt und vom Hittelpunkt nach aussen auch gegenphasig ausgekoppelt und jeweils einem Transietor pnp oder npn - mit der für diesen Transistortyp erforderlichen positiven oder negativen Stromrichtung als Steuerimpuls zugeführt werden«.

3° Antriebssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn= zeichnet, dass die AntriebBspule in die Transistorschaltung jeweils so eingeschaltet ist, dass der Antriebeimpuls nur in der erforderlichen Stromrichtung in der Spule auftreten kann.

4. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch

gekennzeichnet, dass bei gegenphaeigen Induktioneimpulsen mit

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entsprechend geschaltetem pnp- oder npn-Transistor in der An= triebsspule gleichfalls gegenphasig der Antriebsimpuls auftritt.

5 ο Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4» dadurch gekennzeichnet, dass beide Transistoren als selbständige Schaltungen nebeneinander angeordnet sind«,

6. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, dass beide Transistoren durch Koppel= glieder miteinander verbunden sind, und dass die Antriebss'pule in der Schaltung durch kapazitive, galvanische oder induktive Kopp= lung so angeordnet ist, dass für beide gegenphasige Impulse auch gegenphasige Antriebsströme auftreten.

7. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Schaltung durch Vorspannung an der Basis jedes Transistors in Si-Technik bei sehr niedrigem Induktionsimpuls die Aufsteuerung des entsprechenden Transistors herbeiführt,

8 c Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Grosse der Kondensatoren und durch den entsprechenden Ladewiderstand eine Zeitkonstante gebildet ist, die in der gleichen Grössenordnung liegt wie die Zeitkonstante, die sich aus der Geschwindigkeit des mechanischen Schwingers er= gibt, wodurch der Selbstanlauf der Uhr gewährleistet ist»

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9. Antrlebeeyatem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei Magnetanordnungen, die in der Schwingungen richtung in bezug auf die Nullage von rechte oder links in die Spule einschwingend, jeweils in der Flussrichtung weohselnde Induktionsimpulse erzeugen, eine Transistorschaltung angeordnet iBt, welche in sich nach jedem Impuls die Schaltrichtung des Stromes in der Antriebsspule für den Transistor oder die Transistoren weoheelt.

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