DE2011233A1 - Antriebsvorrichtung für ein zeithaltendes Gerät - Google Patents

Description

DR.-INO. DIPL.-ΙΝβ. M. SC. Dl.'t-.-PIIYJ. D.*. OIPL.-PHYS. HÖGER - STELLRECHT-GRIESSBACH - HAECKER

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9.März 1970 :

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Timex Corporation Waterbury., Connecticut, USA

Antriebsvorrichtung für ein zeithaltendes Gerät.

Die Erfindung betrifft, eine Antriebsvorrichtung für ein zeit- | haltendes Gex'ät, insbesondere eine Kleinuhr.

Das Problem des Uhrenbaues war schon seit je her der genaue Gang. Es wurden schon Uhren entwickelt, deren Ganggenauig-

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keit bei 2x10 liegt und die auf astronomischen BeObachtüngen berühren. Noch genauere Uhren beruhen auf den Gasabsorbtionserscheinungen und dem Phänomen der radioaktiven Emission.

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Jedoch handelt es sich bei diesen Uhren vorzugsweise um Laborgeräte mit grossen Abmessungen und extrem hohen Herstellungskosten. Ihre Prinzipien sind deshalb für tragbare Uhren indiskutabel.

Die genauesten handelsüblichen Uhren sind noch immer diejenigen¹ mit einem mechanischen Schwinger, einer Kauptfeder, einer Hemmung und einem Zahnrädergetriebe, die Chronometer genannt werden. Diese Chronometer haben jedoch auch den Nachteil, dass sie verhältnismässig teuer und ausserdem stossempfindlich sine. Es gibt aber auf dem Markt auch elektronische Uhren mit einem Oszillator, dessen Frequenz zwischen 300 und 400 Kz liegt. Diese elektronischen Uhren haben ihrerseits wieder den Kachteil, dass ihre Ganggenauigkeit von ihrer Lage bezüglich dem Schwerefeld der Erde abhängt, und auch sie sind bis zu einem gewissen Grad teuer in der Herstellung und stossempfindlich. Insbesondere erfordern sie ein äusserst genau gearbeitetes Klinkensystem, um die schnellen Schwingungen des mechanischen Oszillators auf ein Untersetzungsgetriebe der Uhr zu übertragen. Es wurde auch schon vorgeschlagen, ein derartiges Klinkensystem, zu umgehen, indem der mechanische Oszillator mit einem Wandler zusammen arbeitet, dessen Impulse entweder direkt oder nach entsprechender Frequenzteilung einen Motor antreiben. Eine derartige Konstruktion macht jedoch zwei fjotoren erforderlich, nämlich zunächst den mechanischen Oszillator und ausserdem noch den Motor zum Antrieb der Zeiger, so dass der Strombedarf einer derartigen Konstruktion für die Praxis zu hoch ist.

Es wurde ferner schon eine Konstruktion vorgeschlagen, die einen hochfrequent schwingenden piezoelektrischen Kristall aufweist, dessen Frequenz durch eine Reihe hintereinander ge-

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schalteter Frequenzteiler "herunter geteilt wird. Der Ausgang des letzten Frequenzteilers wird dann dazu verwendet, entweder einen Motor anzutreiben oder eine Antriebsschaltung zu triggern. .

Der Erfindung lag nun die Aufgate zugrunde, eine Antriebsvorrichtung für Uhren zu schaffen, die eine hohe Genauigkeit gewährleistet, trotzdem lageunempfindlich und robust ist und sich schliesslich billig herstellen lässt. Ausgehend von einer Antriebsvorrichtung, die eine Stromquelle, einen hochfrequen-. ten Oszillator als Frequenznormal₃ mindestens einen, diesem nachgeschalteten Frequenzteiler, einen mechanischen Schwinger f verhältnismässig niederer Eigenfrequenz, eine Spule und mindestens einen Magneten, von denen das eine Teil am mechanischen Schwinger angebracht ist -, sowie eine mit der Stromquelle verbundene Antriebsschaltung aufweist, wird diese Aufgabe gemäss der Erfindung dadurch gelöst, dass .die Antriebsschaltung eine vom Frequenzteiler synchronisierbare Schaltung ist, deren Ausgang mit der Spule verbunden ist. Insbesondere wird in weiterer Fortbildung der erfindungsgemässen Konstruktion empfohlen, den Magneten bzw. die Magneten so auszubilden, dass sie mindestens zwei Magnetfelder abwechselnd - unterschiedlicher Polarität aufweisen. Eine gemäss

¹ der Erfindung ausgebildete.Uhr lässt sich ohne weiteres so g konstruieren, dass sie beispielsweise durch Stösse nicht zum Stehen gebracht werden kann, kleine Abmessungen aufweist und eine Batterie geringer Kapazität erfordert. Insbesondere wenn als Frequenznormal ein piezoelektrischer Kristall verwendet wird, so lässt sich dieser so klein ausbilden, dass er in jeder normalen Armbanduhr untergebracht werden kann. Bevorzugt wird ein Frequenznormal mit einer Eigenfrequenz grosser als 1OkIIz, insbesondere 60 kHz. Für die Frequenz-

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teiler wird empfohlen, Transistoren zu verwenden, insbesondere

Als mechanischer Schwinger empfiehlt sich wieder eine Unruh, die eine Antriebs- und Steuerspule trägt, die durch die Felder mehrerer Magnete schwingt, welch letztere an einer Platine der Uhr befestigt sind. Bei einer bevorzugten Konstruktion sind drei Magnetfelder abwechselnd unterschiedlicher Polarität vorhanden, obwohl auch eine grössere oder kleinere Anzahl von Feldern verwendet werden kann.

Die Konstruktion kann ferner so ausgebildet werden, dass die Magnete von der Unruh getragen werden, während die Spule ortsfest montiert ist. Bevorzugt wird eine Konstruktion mit einer einzigen Spule auf der Unruh, die infolge ihrer Wechselwirkung mit den Magnetfeldern die Unruh antreibt und ausserdem auch als Steuerspule dient, um die Antriebsschaltung zu triggern. Bevorzugt wird eine Antriebsschaltung, wie sie in der US-Patentschrift 3 046 4-60 beschrieben ist, insbesondere in Pig. 4 dieser Veröffentlichung; die letztere enthält auch eine bevorzugte Ausführungsform für die Konstruktion der Unruh unä der Magnete in den Fig. 1 bis 3, 8 bis 10 und 13 bis 16.

Die von den Frequenzteilern abgegebenen Impulse werden dazu benutzt, den Betrieb der elektronischen Antriebsvorrichtung zu synchronisieren. Besonders bevorzugt v.'ird eine Konstruktion, bei der die Impulsfolgefrequenz am Ausgang der Frequenzteiler im Vergleich zur Eigenfrequenz der nachgeschalteten Antriebsvorrichtung verhältnismässig hoch ist. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Impulsfolgefrequenz am Ausgang der Frequenzteiler 48 Hz, während die Eigenfrequenz der Unruh 3 Hz beträgt. Durch eine derart hohe Impulfsfolge-

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frequenz der Synchronisationsimpulse lässt sich die Zahl der benötigten Frequenzteiler verringern. Zweckmässigerweise ist der mechanische Schwinger, d.h. beispielsweise die Unruh, mit einem Stift versehen, der entweder direkt oder indirekt über eine Gabel ο.dgl. ein Zahnrädergetriebe Schritt für Schritt fortschaltet, welch letzteres'dem Antrieb der Zeiger einer Uhr dienen kann. Bin derartiger Antrieb hat sich in üblichen Uhren als zuverlässig und über Jahre hinaus robust bewährt, ·

Dia erfindungsgemässe Konstruktion bringt eine hohe Ganggenauigkeit mit sich, weil für die Synchronisation bei- J spielsweise ein piezoelektrischer Oszillator herangezogen . wird. Trotzdem ist sie relativ stossunempfindlieh infolge des Abtriebs von der Unruh mittels eines Stifts oder Zapfens und einer Gabel ο.dgl., sie lässt sich ferner billig herstellen, da viele Teile, wei beispielsweise Unruh, Antriebssehaltung, Zahnrädergetriebe u*dgl. mit den. entsprechenden Teilen billiger und schon auf dem Markt.befindlicher elektrischer Uhren identisch sein können oder sich von diesen nur geringfügig unterscheiden,; und schliesslich weist der erfindungsgemässe Antrieb einen, äusserst geringen Strombedarf auf. Dies ist insbesondere darauf zurückzuführen, dass die Uhr den grössten Teil der Zeit ohne Synchronisation· aus- j kommt, so dass die Synchronisation selbst nur einen geringen eigenen Energiebedarf hat. -

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Ansprüchen und/oder aus der nachfolgenden Beschreibung, die der Erläuterung einiger in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele der Erfindung dient; es zeigen:

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Fig. 1 ein Blockschaltbild der Schaltung einer elektronischen Uhr gemäss der Erfindung;

Fig. 2 einen senkrechten Schnitt durch die Teile einer erfindungsgemässen Uhr;

Pig. 3 einen Schnitt nach der Linie 3-3 in Pig.2; Pig. 4 einen Schnitt nach der Linie 4-4 in Pig.3;

Pig. 5 eine der Fig.4 entsprechende Darstellung eines abgewandelten Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Pig. 6 ein schematisches Schaltbild der Antriebsschaltung einer erfindungsgemässen Uhr;

Pig. 7 Diagramme zur Untersuchung einer erfindungsgemässen Antriebsvorrichtung;

Fig. 8 ein Diagramm der in der Spule einer erfin_T dungsgemässen Uhr induzierten Spannung sowie der am Ausgang der Schaltung gemäss Fig.6 theoretisch erzeugten Ströme;

Fig.9A ein Diagramm der Magnetfelder;

Fig.9B ein Diagramm der in der Spule durch die

Magnetfelder der Fig.9A induzierten Spannung;

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Pig. 10A Draufsichten auf eine Magnetanordnung ^un sowie die relativen Spulenlagen hei einer erfindungsgemässen Uhr;

Pig. 11 ein Diagramm zur Darstellung der in der Spule induzierten Summenspannung;

Pig« 12 eine Draufsicht auf eine andere Magnetanordnung hei einer erfindungsgemassen Uhr;

I¹Ig' 13 ein Diagramm der hei dem Ausführungs- f beispiel gemäss. Pig.12 in der Spule induzierten Spannung;

Pig, 14 ' eine Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Magnetanordnung mit zwei Magneten, wobei verschiedene Stellungen, der Spule angedeutet sind;

Pig. 15 ein Diagramm der Spannungen, die beim Vorwärts- und Rückwärtsschwingen der Spule beim Ausführungsbeispiel gemäss Pig. 14 in der Spule erzeugt werden; Λ

Pig. 16 ein Diagramm, das die induzierten Spannungen und die Wirkungsweise der Synchronisation während zweier verschiedener Ruckschwingvorgäiige der Spule beim Ausführungsbeispiel gemäss Pig.14 darstellt und

Pig. 17 ein Diagramm der Summenspannungen, die in der Spule bei einer Konstruktion mit zwei Magneten entsprechend Pig.14 erzeugt . werden.

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Die Fig.1 zeigt einen Hochfrequenz-Oszillator 10, der insbesondere aus einem piezoelektrischen Kristall mit einer Eigenfrequenz über 10 kHz besteht. Diese Frequenz wird durch einen Frequenzteiler 11 heruntergeteilt, und beim Frequenzteiler kann es sich beispielsweise um eine Reihe von Flip-Flops handeln, die in Reihe geschaltet sind. Als Frequenzteiler können aber auch mehrere Kippgeneratoren mit ausgewählten Zeitkonstanten Verwendung finden. Die letzteren können in Kaskade oder in Reihe geschaltet sein und jeweils im Verhältnis 7:1 die Frequenz herunterteilen. Über eine Leitung 12 wird eine entsprechend verminderte Frequenz an eine An- W' triebsschaltung 13 einer Uhr gelegt. Diese Antriebsschaltung wird also durch den Ausgang des Frequenzteilers synchronisiert, sie gibt aber auch bei. fehlender Synchronisation Antriebsimpulse ab. Diese werden an eine Spule 14 gelegt, die mit einem Magneten 15 zusammenwirkt. Entweder die Spule oder der Magnet ist auf der Unruh einer Uhr befestigt.

Den Aufbau der hier interessierenden Teile einer erfindungsgemässen Uhr zeigt die Fig.2. Das Uhrwerk ist zwischen einer oberen und einer unteren Platine 20 bzw. 21 untergebracht, die im Abstand voneinander angeordnet sind. Für die Achse eines Unruhrades 25 sind zwei Lager 23 und 24 vorgesehen; ^ und eine elektrische Spule 26 von runder, trapezförmiger oder anderer geeigneter Gestalt wird vom Unruhrad getragen. Über dem letzteren liegt ein magnetischer Nebenschluss 27 oder auch Anker aus magnetisierbarem Material geringer Koerzitivkraft, wie beispielsweise Weicheisen, und er ist an einer der beiden Platinen in nicht näher gezeigter V/eise befestigt.

An der oberen Platine 20 ist ein Stift 28 befestigt, an dem

Ende
wiederum das eine / einer Spiralfeder 29 angebracht ist.

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Das innere Ende dieser Spiralfeder ist an einer Nabe befestigt, die sich auf der Unruhachse 22 befindet. Beispielsweise mittels eines dünnen elektrischen Drahtes ist das eine Ende der Spule 26 mit dieser Nabe oder unmittelbar mit der Spiralfeder 29 elektrisch leitend verbunden. Die obere Platine 20 trägt ferner einen zweiten-.Stift 30, und zwar über eine,, kleine Isolierscheibe 31, die in die obere Platine eingelassen ist. An diesem Stift 30 ist das äussere Ende einer zweiten Spiralfeder 32 befestigt, deren inneres Ende an einer zweiten, isolierenden oder isolierten Nabe der. Unruhachse 22 angebracht ist. Mit diesem Ende ist mittelbar oder unmittelbar das andere Ende der Spule 26 elektrisch leitend verbunden. Die Stifte 28 und 30 stellen also elektrische Anschlüsse für die Spule 26 dar.

Unterhalb des ünruhrades 25 ist eine Magnetanordnung 33 angedeutete Sie ist vorzugsweise auf einem unteren magnetischen Nebenschluss bzw. einer unteren Ankerplatte 34 aus magnetisierbarem Material geringer Koerzitivkraft angeordnet, die ihrerseits von der unteren Platine 21 getragen wird. Die in den Fig. 2 bis 4 gezeigte Mägnetanordnüng besteht vorzugsweise aus einem einzigen Stück eines keramischen, magnetischen Materials, das in axialer Richtung, d.h. in Richtung der Unruhachse/magnetisiert ist und tatsächlich drei Magnete darstellt, die drei Magnetfelder hervorrufen, durch die die Spule 26 hindurchschwingt. Wie in der Zeichnung dargestellt, sind die Magnetfelder abwechselnd unterschiedlich polarisiert, so dass auf der Oberseite eine Nörd-Süd'-Nord-Magnetfeldanordnung und auf der Unterseite eine Süd-Nord-Süd-Magnetfeldanordnung vorliegt.

Wie die Fig.3 zeigt, weist das Unruhrad 25- einen Aussenring 35 mit einem verbreiterten Abschnitt 36 .auf, welch letzterer

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dazu dient, das Unruhrad bezüglich zweier aufeinander senkrecht stehender Richtungen auszuwuchten. Die Spule 26 liegt zwischen zwei Armen 37 und 38, die zusammen mit einer Speiche 39 ein Y-förmiges Gebilde bilden.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig.5 ist wiederum die Spule 26 im Unruhrad 25 und unterhalb des magnetischen Nebenschlusses 27 angeordnet. Zur Erzeugung der drei Magnetfelder sind aber drei voneinander getrennte Magnete 40 bis 42 vorgesehen, die wieder in axialer Richtung magnetisiert sind. Der untere magnetische Nebenschluss entfällt jedoch bei diesem Ausführungsbeispiel, und die Magnete 40 bis 42 sind unmittelbar auf der unteren Platine 21 befestigt, die aus nicht magnetischem Material, wie beispielsweise Älessing, besteht.

Das gezeigte Ausführungsbeispiel kann aber auch so abgewandelt werden, dass nur die beiden Magnete 40 und 41 vorgesehen werden, während der Magnet 42 entfällt.

Die Antriebsschaltung des gezeigten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemässen Uhr ist in Fig.6 dargestellt. Sie zeigt eine Kippschaltung mit zwei komplementären Transistoren. Ein pnp-Transistor 50 ist über einen Widerstand 52 an die negative Klemme einer Batterie 52 angeschlossen. Der Kollektor des Transistors 50 ist über einen Viiderstand 54 mit der Basis eines npn-Transistors 55 verbunden. Der Emitter dieses Transistors ist über einen Widerstand 56 ebenfalls mit der negativen Klemme der Batterie 52 verbunden_; und der Kollektor des Transistors 55 liegt an einem gemeinsamen Schaltungspunkt A mit dem einen Ende der Antriebsspule 26. Das andere Ende dieser Spule ist mit einem V/iderstand 51 verbunden. Der Schaltungspunkt A liegt auch am einen Anschluss eines Kondensators

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58, dessen anderer Anschluss mit der Basis des Transistors verbunden ist. Ein Synchronisationssignal liegt an einer Leitung 59» die zum Emitter des Transistors 50 führt.

Die Spule 26 schwingt wie erwähnt durch mehrere abwechselnd unterschiedlich gepolte Magnetfelder und dient zwei Zwecken:' Sie wirkt nämlich sowohl als'Antriebs- wie auch als Steuerspule zum Triggern der Antriebsschaltung. I¹Iresst Strom durch die Spule, so treibt sie das schwingende Unruhrad an. Die Bewegung der Spule in den Feldern hat aber eine Gegen-EMK zur Folge, mit deren Hilfe die Antriebsschaltung zur Abgabe eines Antriebsimpulses getriggert wird. |

Die in Fig.6 gezeigte Antriebsschaltung wird vorzugsweise von drei verschiedenen Ursachen getriggert: - '

1.In der Spule 26 induzierte Gegen-EMK infolge der Bewegung der Spule in den Magnetfeldern; diese Gegen-EMK bewirkt über dem Kondensator 58 eine Spannungsänderung der Basis des Transistors 50. Dieser leitet infolgedessen, weshalb dann auch der Transistor 55 leitet, so dass ein Antriebsstrom von der Batterie durch die Spule 26 fliessen kann. Die Rückkopplungseigensehaften der Schaltung führen dazu, dass die Dauer des.Antriebsimpulses unabhängig von der Gegen-EMK ist. Nach Abbau der letzteren durch den Antriebs- Λ ström dauert dieser noch so lange an, wie dies von den Zeitkonstanten der Schaltung festgelegt ist, insbesondere durch den Kondensator 58 und den Widerstand 51«

2. Die Antrieinschaltung wird unabhängig getriggert, damit die Uhr selbst anlaufen kann. Das heisst also, dass die Schaltung selbstschwingend ist, und zwar infolge der Ver-

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bindung der Basis des Transistors 50 über den Widerstand 53 mit dem negativen Pol der Batterie 52. Selbst bei stillstehendem Unruhrad gibt die Antriebsschaltung eine Impulsfolge ab, so dass die Uhr selbst anlaufen kann.

3. Ein auf der Leitung 59 ankommender Synchronisationsimpuls löst ebenfalls einen Impuls aus der Antriebsschaltung aus. Der Synchronisationsimpuls auf der Leitung 59 wird zu dem addiert, was normalerweise als nicht ausreichende Gegen-EMK bezeichnet werden muss, nämlich eine Spannung, die nicht ausreicht, einen Antriebsimpuls alleine auszulösen. Die Schaltung ist ferner so bemessen, dass ein Synchronisationsimpuls alleine bei fehlender Gegen-EI.ÜK nicht ausreicht, die Antriebsschaltung zu triggern.

Es soll von einem mechanischen Schwinger ausgegangen werden, der leicht gedämpft ist und durch seine Eigenfrequenz coq im ungedämpften Zustand und seinen Dämpfungsfaktor ^ charakterisiert wird (der Dämpfungsfaktor J" stellt das Verhältnis zwischen der tatsächlichen und der kritischen Dämpfung dar). Übt man einen einzigen, kurzen Impuls auf einen solchen Schwinger aus, so führt er sinusförmige Schwingungen ir.it einer geringeren als seiner Eigenfrequenz aus, nämlich mit der Frequenz

und mit exponentiell abnehmender Amplitude. Um eine konstante Amplitude herbeizuführen, übt man üblicherweise einen kurzen Impuls in jeder Periode der Schwingung aus (ein solcher Impuls soll kurz sein im Vergleich mit der Periode der Schwingung). Wesentlich ist der Punkt, an dem innerhalb der Periode der Impuls aufgebracht wird. Nur wenn er am neutralen Punkt

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auftritt (Auslenkung = Null und maximale Geschwindigkeit) bleibt die Frequenz umgeändert gleich

Tritt der Antriebsimpuls früher auf, nimmt die Frequenz zu, tritt er später auf, nimmt die Frequenz ab. Bezeichnet man mit ψ den Phasenwinkel, bei dem der Antriebsimpuls auftritt, so gilt für kleine W_erte von ^f für die Frequenzänderung

Beträgt beispielsweise J = 3° =0.05 und

= 0.01,
(ein V/ert, der für ein Unruhrad realistisch ist),

dann ist

^^ = 0.0005, /

was 43 Sekunden pro Tag entspricht.

Solange j klein ist, d.h. cos/ nahezu gleich 1 ist,und solange ferner die Impulsdauer klein im Verhältnis zur Periode der Schwingung ist, kann man einen Antriebsimpuls willkürli-

dur,ch

eher Gestalt und Dauer für Üntersuchungszwecke / einen äquivalenten Rechtecksimpuls der Höhe 1 ersetzen, der dieselbe Fläche wie der ursprüngliche Impuls hat (siehe Fig.7). So kann man zwei rechteckige Impulse P. und P2» die bei T \ und / ρ auftreten und deren Breiten W. und VU betragen, durch einen einzigen Impuls V/,, ersetzen, der bezüglich des Punktes T=O dieselben Momente hat wie die beiden ursprünglichen Impulse. Dabei gilt

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w, =

+ W f · V ^W1 ^V -^V2 + W₂ / ₂, "JT

Bleibt der Impuls P₁ konstant und variiert man den Impuls Pp hinsichtlich seiner Breite V^ und/oder seiner Lage To» ^s0 verschiebt sich die Lage / ■, des Impulses P,. Dies zeigen die Fig. 7A und 7B.

Bei der vorstehend beschriebenen Uhr durchläuft die Spule des Unruhrades nacheinander drei Magnetfelder abwechselnd unterschiedlicher Polarität. Die in der Spule induzierte Spannung in Abhängigkeit vom Phasenwinkel ist in Pig.8 aufgetragen. Die Antriebsschaltung der Pig.6 hat Rückkopplungseigenschaften. Fällt die Spannung am gemeinsamen Schaltungspunkt A auch nur kurzzeitig unter den V/ert V_Q (siehe Fig.8 und 11) ab, so werden beide Transistoren leitend, und die Antriebsschaltung gibt einen Antriebsimpuls an die Spule ab. Dieser Antriebsstrom fliesst, bis die Neigung der Spannungskurve einen bestimmten positiven Wert erreicht.

Ohne Synchronisation tritt lediglich der Impuls P₁ auf, und die Uhr läuft mit einer von den Konstanten der Unruh bestinmten Geschwindigkeiten. Legt man aber Synchronisationsimpulse an die Leitung 59, so tritt zusätzlich zum Impuls P₁ noch der Impuls Pp auf. Der Gesamteffekt beider Impulse lässt sich durch einen äquivalenten Impuls P-, darstellen. L'an kann zeigen, dass der Impuls P, bei negativen Phasenwinkeln ^f auftritt, d.h. vor der Null-Lage des Schwingers, und dass er infolgedessen die Uhr beschleunigt. Die Lage des Impulses P, hängt aber natürlich auch vom Phasenwinkel "7" ab, bei

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dem der Synchronisationsimpuls auftritt'. Geht die Uhr normalerweise, erheblich nach, so ist \ ungefähr -30 , der Impuls Pp verhältnismässig breit und infolgedessen ist P, nach links verschoben. Geht die Uhr nur geringfügig nach, so ist der Impuls Pp sehmal und P, ist nahezu identisch mit P...

Geht die.Uhr vor, so trägt der Synchronisationsimpuls nur zu einem ausserst schmalen (eine Mikrosekunde) Impuls Pp bei, was keine Wirkung hat, so dass auch keine Synchronisation auftritt. ·

Infolgedessen ist die Uhrenkonstruktion so getroffen, dass die Uhr zunächst etwas nachgeht (ohne Synchronisation), so dass die Einführung des Impulses zur Folge hat, dass die Unnruh synchron mit den Synchronimpulsen schwingt, die ihrerseits wieder Tom schwingenden, piezoelektrischen Kristall kontrolliert werden. Geht aus irgendeinem Grunde die Synchronisation vorübergehend verloren, so geht die Uhr weiterhin, jedoch geringfügig langsamer, bis wieder ein Synchronimpuls in der in Fig. 8 gezeigten lage auftritt. Das Nachgehen bei 48 Hz und einer Frequenz der Unruh von 3 Hz beläuft sich auf ungefähr 1/48 Sekunde.

Die drei Magnete sehen einen Magnetfeldverlauf Uord-Süd-Nord ä vor (Siehe Fig.9A), durch den die Spule hindurchbewegt wird. In Fig. 9B ist auch die Gegen-EMK eingezeichnet, und zwar unter der Annahme, dass die Magnetfelder verhältnismässig grosse Abstände voneinander aifweisen. Tatsächlich liegen aber diese Magnetfelder nahe beieinander, so dass die gezeichneten Gegen-EMK-Spannungen kombiniert werden. Die Fig. 10A und 1OB zeigen die verschiedenen.Stellungen der Spule 26, wenn sie sich durch die verschiedenen Magnetfelder hindurchbewegt,

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und es wurde lediglich eine Magnetanordnung gseichnet, jedoch zwei Figuren 10A und 10B, um die Darstellung klarer werden zu lassen. Die Stellungen der Spule in aufeinanderfolgenden Zeitpunkten sind mit I "bis V bezeichnet, wobei III die mittlere Stellung der Spule bezeichnet, d.h. die Stellung direkt über dem mittleren Magneten. Der in Schwingungsrichtung vordere Schenkel der Spule ist mit a und der nachfolgende Schenkel mit b bezeichnet. Die Pig.11 zeigt die Gegen-EMK, die die algebraische Summe aus den in der Spule durch die Hagnetfelder induzierten Spannungen darstellt. So zeigt der ansteigende und mit Ha + Hb bezeichnete Teil an, dass die Spannung ansteigt, wenn der vordere Schenkel der Spule sich in die Stellung Ha und der nachfolgende Spulenschenkel sich in die Stellung Hb hineinbewegt (Stellung II in Pig.9A).

Die Synchronisationsimpulse 71 bis 73, die in Fig.11 eingezeichnet sind, weisen eine verhältnismässig hohe Impulsfolgefrequenz auf - verglichen mit der Schwingung der Unruh. So wird eine Impulsfolgefrequenz von 48 Hz für die Synchronisationsimpulse bevorzugt, wenn die Unruh eine Eigenfrequenz von 3 Hz aufweist. Nimmt man an, dass die Unruh nach jeder Richtung eine Amplitude von 210° aufweist - die gesamte Schwingung überstreicht also 840 , dann haben die Synchronisationsimpulse einen Abstand von ■ = «-^52°. Die Synchronisationsimpulse 72 und 73 haben keinerlei Wirkung, jedoch führt der Impuls 71, wenn man ihn algebraisch zu der Gegen-EMK addiert, zu einem Abfallen der Spannung unter den Wert Vq (an der Stelle 74), so dass die Antriebsschaltung getriggert wird. An der Stelle 75 wird jedoch die Antriebsschaltung ohne Hilfe eines Synchronisationsimpulses erneut getriggert. D.h. also, dass die Antriebsschaltung an die Spule pro Schwingungsrichtung jeweils zwei Antriebsimpulse

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abgibt, d.h.» also vier Antriebsimpulse pro Periode oder zwölf Antriebsimpulse pro Sekunde, wenn die Unruh eine Eigenfrequenz von 3 Hz aufweist.

Wird die Unruhschwingung langsamer, so reicht der Triggereffekt am Punkt 74 in Pig. 11 trotz geringer werdender Gegen-EMK immer noch aus, die Antriebsschaltung zu triggern und die richtige Geschwindigkeit der Unruhschwingung wieder herzustellen. Wie bereits erwähnt, hängt die Dauer des Impulses von dem Spannungsanstieg bis auf einen bestimmten positiven Viert ab. Dieser Wert wird frühzeitiger erreicht und infolge- λ dessen ergibt sich ein schmälerer Impuls, wenn die Geschwindigkeit der Unruhschwingung zu gross ist. .

Das Ausführungöbeispiel gemäss den Mg. 12 und 13 verwendet mindestens vier Magnetfelder. Wie bei dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel ist wieder für eine Synchronisation gesorgt, die die Unruhschwingung beschleunigt. Es ist auch für eine Synchronisation gesorgt, die die Unruhschwingüng verlangsamen kann. ·

Die Fig.12 zeigt vier in gleichen Abständen, voneinander angeordnete Magnete 80 bis 82, die in axialer Richtung magnetialertsind, d.h. parallel zur Achsrichtung der Unruh. Die Spule 26 überdeckt zv/eiLIagnetpolflachen gleichzeitig. Der Spannungsverlauf der Gegen-EMK ist in Pig.13 dargestellt. Normalerweise führt ein Synchronisationsimpuls 84 zu einer Beschleunigung der Unruh, da er vor der Null-Linie 85 auftritt. Die Synchronisationsfrequenz wird so gewählt, dass bei zu schneller Unruhschwingung ein Synchronisationsimpuls 84a an der dritten, negativen Spannungsspitze 86 der Spannungskurve auftritt. Die Antriebsschaltung wird dann zu einem

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Zeitpunkt getriggert, der eine Verlangsamung der Unruhschwingung zur Folge hat. Normalerweise tritt ein derart verzögernd wirkender Synchronisationsimpuls hinter den negativen Spitzen 86 und 87 auf und hat deshalb keinen Einfluss auf das System. Der beschleunigend wirkende Synchronimpuls tritt bei zu schneller Unruhschwingung an der Stelle 88 auf, d.h. vor der ersten negativen Spitze der Spannungskurve, und triggert infolgedessen die Antriebsschaltung ebenfalls nicht.

Die erfindungsgemässe Synchronisierung gibt dem Uhrenkonstrukteur eine grössere Freiheit beim Entwerfen einer neuen Uhr. So können beispielsweise die Magnete auf der Unruh angeordnet und zwei feste Spulen verwendet werden, und zwar eine zum Aussteuern der Antriebsschaltung und eine zum Antrieb der Unruh; die Schwingungsamplitude der Unruh kann reduziert werden, da die Unruh für den Gang der Uhr nicht bestimmend ist, und die Synchronisationsfrequenz kann beliebig gewählt werden, vorausgesetzt, dass sie ein geradzahliges Vielfaches der Frequenz der Unruh ist.

Bei dem in Fig.14 gezeigten Ausführungsbeispiel besteht ein Magnet 90 aus ferroelektrischem, keramischem Material und er ist auf einer Platine oder einem magnetischen Nebenschluss befestigt. Er hat zwei in axialer Richtung gepolte Zonen, obwohl auch andere Magnettypen mit zwei entgegengesetzt gepolten Magnetfeldern verwendet werden können. Wie die Draufsicht der Fig.14 zeigt, ist der eine Pol 91 ein Nordpol und der andere Pol 92 ein Südpol. Dieser Magnet kann zusammen mit derselben Synchronisationsschaltung verwendet werden, wie sie anhand der Fig.1 beschrieben wurde, und ausserdem in derselben Konstruktion, wie sie anhand der Fig. 2 bis 5 beschrieben worden ist. Auch hier trägt eine Unruh eine

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Spule 93f die der Spule 26 der Pig.3 entspricht* Die Spule 93 ist in fünf Stellungen gezeigt, die mit I bis V bezeichnet sind. In der Stellung I liegt die in Schwingungsrichtung vordere Hälfte der Spule über dein Nordpol 91, in der Stellung III fällt die Mittellinie der Spule mit dem Zentrum des Ivlagneten .90 zusammen, so dass die Spule 93 sowohl über dem Südpol 92 (mit HIb bezeichnet) als auch über dem IJordpol 91 (mit IHa bezeichnet) liegt, und in der Stellung IV liegt die Spule 93 hauptsächlich über dem Südpol 92. In der. Stellung V befindet sich schliesslich der hintere Teil der Spule 93 über dem Südpol 92.

■ . ■ · ι

Mit Vorwärtsbewegung soll im folgenden eine Bewegung im Uhrzeigersinn gemäss Pig.14 bezeichnet werden,währeriials Rückwärtsbewegung die gegenläufige Bewegung angesprochen v/ird. Diese Bewegung ist in Pig.14 mit dem Pfeil bezeichnet.

Während der Vorwärtsbewegung wird in der Spule eine Spannung induziert, deren Verlauf ungefähr der Linie 95 in Pig.15A entspricht. Die linie 95 hat einen ersten ansteigenden Teil

96, einen darauffolgenden absteigenden Teil 97, der die Antriebsschaltung triggert, und einen zweiten ansteigenden Teil 98. Die Synchronisationsimpulse 99 im Teil 96 und 100 im Teil 97 sowie 101 im Teil 93 sind wirkungslos. Sie bewir- g ken keine Verschiebung irgendeines Teils der Linie und auch keine Addition oder Subtraktion irgendeines Antriebsimpulses, In anderen V/orten bedeutet dies, dass die während der Vorwärtsbewegung induzierte Spannung nach algebraischer Addition zu den Synchronisationsimpulsen nicht zu einem Abfallen der Spannung unter einen gewissen Wert (angedeutet durch die strichpunktierte Linie 102) führt, welcher notwendig ist, um die Antriebsschaltung zu triggern.

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Hingegen wird die während der rückläufigen Bewegung induzierte Spannung dazu verwendet, die Uhr zu synchronisieren. Diese in Fig.15B mit 103 bezeichnete induzierte Spannung enthält einen kleinen negativen Teil 104, einen grösseren positiven Teil 105 und einen zweiten kleinen negativen Teil 106. Keiner der negativen Teile liegt unterhalt der Triggerspannungslinie 102, so dass bei Abwesenheit eines Synchronisationsimpulses die Antriebsschaltung nicht getriggert wird.

Die Pig.16 stellt die induzierte Spannung bei der Rückwärtsbewegung dar. In Fig.16A ist dem ersten negativen Teil 104a der Wellenlinie 103a ein Synchronisationsiiapuls 107 algebraisch überlagert. Die Kombination des negativen Teils 104a mit dem Synchronisationsimpuls 107 reicht aus, um wegen Unterschreitens der Triggerlinie 102a die Antriebs schaltung zu triggern, so dass ein Antriebsimpuls erzeugt wird. Der induzierte, negative Teil 104a und demzufolge der Antriebsimpuls treten auf, wenn die Spule beginnt, die LIagnete zu überstreichen, d.h. wenn sich die Spule in den Stellungen I und II über dem Nordpol 91 befindet und ehe sie die Uittellinie 110 erreicht. Infolgedessen führt der zusätzlich addierte Antriebsimpuls in jeder Stellung der Spule zu einer Beschleunigung der letzteren und damit der Unruh, denn die antreibende Kraft weist in Gegenuhrzeigerrichtung.

Ist die Unruhfrequenz gerade richtig, so sollte der Synchronisationsimpuls im Teil 105a auftreten. Ein solcher Synchronisationsimpuls 108 hätte keine Wirkung, da er keinen zusätzlichen Antriebsimpuls auslöst.

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Wie die Fig.iöB zeigt, stimmt der Verlauf der induzierten Spannung, d.h. die Linie 103b, bei zu schneller Unruhschwingung mit dem Verlauf in Fig.16A überein; Jedoch tritt der Synchronisationsimpuls 109 im Teil 106B auf, so dass er sich diesem Teil überlagert und die Gesamtspannung die Triggerlinie 102a unterschreitet, so dass die Antriebsschaltung getriggert wird. Der Teil 106b und der sich ergebende Antriebsimpuls treten auf, wenn die Spüle 93 über dem Südpol 92 liegt, d.h. in den Stellungen IV und V. Tritt der Antriebsimpuls aber auf, wenn die Spule hinter der Mittellinie 110 liegt, welche sich zwischen den Magnetpolen 91 und 92 befindet, so verlangsamt er die Rückwärtsbewegung der Unruh und <| verzögert diese somit.

Wie die Fig.17 zeigt, weist die induzierte Spannung in der Phase der Rückwärtsbewegung einen ersten negativen Teil 104b auf, der zu den Stellungen I und II der Spule gehört, sowie einen positiven Teil 105b, der zu den Spulenstellungen IHa und IHb gehört, sowie sehliesslich einen zweiten negativen Teil 106c, dem die Spulenstellungen 4 und 5 zugeordnet sind.

Auch in diesem Beispiel können wie bei dem .vorher beschriebenen die Magnete auf der Unruh angeordnet sein, während die Spule ortsfest in der Uhr montiert ist. Auch kann es.sieh g bei der Antriebsschaltung lim einen rückgekoppelten Multivibrator handeln, so dass jede Breite eines eingehenden Triggerimpulses ausreicht, die Antriebsschaltung zu triggern. Zweckmässigerweise handelt es sich bei der Antriebsschaltung um einen Kippgenerator oder einen anderen Typ eines astabilen Multivibrators mit komplementären Transistoren.

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Claims (6)

A 38 027 h - 22 - 9.März 1970 . b-35 Patentansprüche

1./Antriebsvorrichtung für ein zeithaitendes Gerät, die eine Stromquelle, einen hochfrequenten Oszillator als Frequenznormal, mindestens einen diesem nachgeschalteten Frequenzteiler, einen mechanischen Schwinger verhältnismässig niederer Eigenfrequenz, eine Spule und mindestens einen Magneten, von denen das eine Teil am mechanischen Schwinger angebracht ist, sowie eine mit der Stromquelle verbundene Antriebsschaltung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsschaltung (13) eine vom Frequenzteiler (11) synchronisierbare Schaltung ist, deren Ausgang mit der Spule (26; 93) verbunden ist.

2. Vorrichtung iiach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsschaltung eine rückgekoppelte TJultivibratorschaltung ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsschaltung eine astabile Iwultivibratorschaltung ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsschaltung eine Kippschaltung mit zwei komplementären Transistoren (50, 55) ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der hochfrequente Oszillator ein piezoelektrischer Kristall ist.

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g.Karz 1970
b-35

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6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine einzige Spule auf einer Unruh als mechanischem Schwinger befestigt ist.

7· Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, . dass der Ausgang (12) .des Frequenzteilers (11) so an die Antriebsschaltung (13:) angeschlossen ist, dass "-.-■' Sy nchranisations impulsund in der Spule 'durch'den Magneten induzierte Gegen-EMK:algebraisch zu einem,:TxIgger-■-..;impulsfür die Antriebsschaltung ,addiert werdeni :

8. Vorrichtung nach Anspruch 7» gekennzeichnet durch einen nach- oder vor einem HaUptantriebsimpuls .der Antriebs-Schaltung auftretenden Triggerimpuls bei gegenüber dem Preguenznprmal vor- oder nache;ilejiden meehanischen.. Schwinger* ".-■-. . .. ■ : _;. ■':',-·-·.:-■'-. „ ;

9» Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet bzw. die ,Magneten mindestens zwei Magnetfelder abwechselnd unterschiedlicher Polarität aufweisen..

10.. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwei bis vier, vorzugsweise drei, abwechselnd ^; unterschiedlich gepolte Magnete vorgesehen sind, deren j( Magnetfelder·parallel zur Achse einer den mechanischen Schwinger bildenden Unruh verlaufen.

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