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Zeithaltendes Gerät, insbesondere Quarzarmbanduhr Die Erfindung bezieht
sich auf ein zeithaltendes Gerät, insbesondere ein quarzgesteuertes System, vorzugsweise
eine batteriebetriebene Quarzarmbanduhr.
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Bekannt sind Quarzarmbanduhren, die einen Schwingquarzoszillator in
Verbindung mit einem Frequenzteiler und ein direkt von den Ausgangsimpulsen des
Frequenzteilers gesteuertes elektromechanisches Anzeigesystem enthalten (vgl. Colloque
International de Chrom nométrie, Paris 1969; Montre-bracelet electronique à quartz
(B 242)) Besondere Nachteile bekannter Quarzuhrsysteme, insbesondere Quarzarmbanduhren,
bestehen darin, daß das mechanische Anzeigesystem solcher Uhren bei hoher Fortschaltsicherheit
eine relativ hohe Leistungsaufnahme hat, die nur herabgesetzt werden kann,
wenn
eine größere Störempfindlichkeit zugelassen wird. Weiterhin ist bei den bisher bekannten
Systemen, die mit direkt gesteuerten Schrittschaltmotoren, direkt synchronisierten
Schwingern und Motoren arbeiten, eine Anordnung notwendig, die schon innerhalb einer
einzigen Schaltperiode eventuelle Fehler rückgängig machen muß. Bei solchen Systemen
kann die Stoßempfindlichkeit, z.B. bei sportlicher Betätigung zu einer bleibenden
Standabweichung führen.
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Um diese Nachteile weitgehend zu beseitigen, mußten aufwendige.
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Sonderkonstruktionen für das Anzeige- und Fortschaltsystem vorgesehen
werden, z.B. Schwingsysteme mit hohem Energieinhalt, d.h. mit großer Amplitude und
hoher Frequenz.
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Diese prinzipiellen Schwierigkeiten treten, wie Versuche und praktische
Ergebnisse an Gebrauchsquarzuhren, vor allem an Armbanduhren gezeigt haben, bei
allen bisher verwendeten elektromechanischen Antriebsarten für Anzeigesysteme auf,
seien es Stimmgabel-, Blattfeder-, Unruh-Systeme, Synchronmotoren, synchronisierte
Motoren, synchronisierte Schwingungssysteme, Schrittschaltmotoren oder elektromechanische
Schrittschaltwerke.
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Man hat daher versucht, bei Schrittschaltwerken Sperrvorrichtungen
einzubauen, um eine Fortschaltung durch Störungen zu verhindern. Auger der zusätzlichen
Mechanik sind auch diese Vorrichtungen störanfällig, was sich besonders dann bemerkbar
macht, wenn ein äußerer Störimpuls im Moment des Schaltvorganges auftritt.
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Durch Schüttelbewegungen und Drehstäbe, wie sie bei raschen Handbewegungen,
beim Tennisspielen, beim Wettlauf, im Fahrzeug vorkommen können, erhält man bei
Uhren mit Unruhschwingungssystemen von 2,5 Hz Fehler, verursacht vor allem durch
das Prellen, entsprechend einer Standdifferenz innerhalb von 1 Minute von etwa +10
bis -5 Sekunden, bei einer 5 Hz-Uhr von etwa +2, -1 Sekunden. Deshalb läßt sich
auch eine Unruh üblicher Frequenz für Armbanduhren nicht mit der notwendigen Sicherheit
direkt synchronisieren.
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Weiterhin sind mechanische Schaltvorrichtungen empfindlich gegen Translations-
und Drehstöße, was sich insbesondere bei Armbanduhren fatal auswirken kann, wo im
Gebrauch Beschleunigungen von einigen 105 cm s 2 auftreten können. Je kleiner die
Fortschaltfrequenz ist, umsomehr wirken sich Fehler bei der Fortschaltung des Zeigerwerkes
auf den Stand der Uhr aus.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein zeithaltendes Gerät,
insbesondere eine Quarzarmbanduhr zu schaffen, bei der zwar kurzfristig Standänderungen
in relativ hohem Maße zugelassen werden können, der langzeitige Stand jedoch periodisch
korrigiert wird.
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Bei Gebrauchsuhren muß die Ablesung der momentanen Zeit höchstens
auf die Sekunde genau erfolgen, während der langzeitige Fehler der Uhr möglichst
klein sein soll.
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Bei der Erfindung wird das störunempfindliche Frequenznormal in dieselbe
Uhreneinheit eingebaut und mit ihr der Stand des Anzeigewerkes
korrigiert.
Der Vorteil ist leicht ersichtlich.
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Selbst wenn das Anzeigesystem durch Störungen relativ große Standdifferenzen
innerhalb des Korrekturzeitintervalles erfährt, so werden langzeitige Standdifferenzen
ausgeglichen, selbst wenn zeitweise die Korrekturvorrichtung durch Störungen aussetzen
würde. In weiterer Verfolgung des erfinderischen Gedankens wird als Korrekturzeitraum
1 Minute gewählt, ohne daß man sich prinzipiell auf dieses Zeitintervall festlegen
müßte. Zum Antrieb des Anzeigesystems kann ein mechanisches oder elektrisches Uhrwerk,
ein Motor oder dergleichen verwendet werden. Vorzugsweise kann ein elektrisch angetriebenes
Zeigerwerk verwendet werden.
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Die Lösung der Aufgabe bei einer Anordnung der oben genannten Art
liegt darin, daß einerseits ein internes Frequenznormal, insbesondere ein Schwingquarzoszillator
vorhanden ist, andererseits ein gegenüber dem Frequenznormal mit geringerer Genauigkeit
arbeitendes, weniger störunempfindliches elektrisch, elektromechanisch oder mechanisch
angetriebenes Anzeigesystem vorliegt, das durch die vom Frequenznormal periodisch
abgegebenen Impulssignaleüber einen Frequenzteiler durch eine elektromechanische
Anhalte-, Start- oder Stellvorrichtung kurzzeitig, mit geringer Dauerleistung, dergestalt
beeinflußt wird, daß zum Zeitpunkt der vom Frequenzteiler abgegebenen Impulse eine
zeitliche Differenz zwischen diesen Impulsen und dem Stand des Anzeigesystems nahezu
oder vollständig aufgehoben wird.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist im Getriebe des aus
Antrieb, Getriebe und Anzeigewerk bestehenden Anzeigesystems eine durch Steuerung
lösbare und feststellbare Kupplung vorhanden.
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Ein besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel ergibt sich dadurch
daß als elektromechanische Stellvorrichtung vorzugsweise ein elektromechanisch betätigtes
Stellherz verwendet wird.
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Eine andere sehr günstige Ausführung erhält man dadurch, daß das Anzeigesystem
in der Zeit zwischen zwei vom Frequenzteiler abgegebenen Impulsen mit Sicherheit
eine positive zeitliche Standdifferenz aufweist, o.h. vorgeht, sodaß gilt: Anzeige
TNOrmal > 0, wobei TAnzeige den Stand des Anzeigesystems und TNormal den Stand
des internen Zeitnormals bedeutet.
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Eine weitere Möglichkeit bietet sich dadurch an, daß das gesamte Anzeigesystem
durch eine steuerbare Start- und Anhaltevorrichtung betätigt wird, und zwar einerseits
durch einen von dem Anzeigesystem selbstgesteuerten mechanischen oder elektronischen
Kontakt, wobei das gesamte Anzeigesystem angehalten wird und andererseits durch
die vom Zeitnormal periodisch über einen Frequenzteiler abgegebenen Impulssignale
wieder gestartet wird.
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Besonders vorteilhaft ist eine Anordnung, bei der die Kupplung im
Getriebe des Anzeigesystems, vorzugsweise eine Rutschkupplung, dadurch gelöst oder
festgestellt wird, daß eine elektromechanische Start- und Anhaltevorrichtung im
Getriebe oder im Anzeigewerk eingreift, während der Antrieb des Anzeigesystems weiterläuft.
Diese elektromechanisch betätigte Start- und Anhaltevorrichtung besteht beispielsweise
aus einem Anschlag (z.B. Stift), der das Anzeigesystem kurzzeitig anhält.
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Der Anschlagstift wird durch eine elektromechanische Vorrichtung kurzzeitig
durch die vom Frequenznormal periodisch über einen Frequenzteiler abgegebenen Impulssignale
betätigt, so daß das Anzeigewerk des Anzeigesystems startet. Die Funktion des Anschlagstiftes
kann auch vorteilhafterweise berührungslos und mit geringer Reibung durch einen
Rastmagneten verwirklicht werden.
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Der Start des Anzeigewerkes geschieht durch teilweise Aufhebung des
magnetischen Feldes des Rastmagneten durch ein kurzzeitig eingeschaltetes elektromagnetisches
Gegen feld. Die Steuerung erfolgt wieder durch die vom Frequenznormal über einen
Frequenzteiler periodisch abgegebenen Impulssignale.
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Vorteilhafterweise wird zwischen Kupplung und Anhaltevorrichtung im
Getriebe des Anzeigesystems eine Feder als Energiespeicher vorgesehen. Diese bewirkt
beim Start eine zusätzliche Beschleunigung des Anzeigewerkes, so daß kurze energiesparende
Impulse angewendet werden können.
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Eine weitere Erhöhung der Betriebssicherheit gegenüber Störungen (hauptsächlich
Drehstößen) wird dadurch erzielt, daß der Frequenzteiler Impulsgruppen, bestehend
aus zwei oder mehreren Impulsen abgibt, deren zeitlicher Abstand untereinander wesentlich
kleiner ist als der zeitliche Abstand der Impulsgruppen.
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Bei allen bisher beschriebenen Anordnungen kann ein Vorlauf des Anzeigesystems
gegenüber den vom Frequenzteiler abgegebenen Impulsen leicht sichergestellt werden.
Hierbei kann das selbständig angetriebene Anzeigesystem mit relativ geringer Drehzahlgenauigkeit
arbeiten.
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Ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß
ein gegenüber dem Frequenznormal mit wesentlich geringerer Genauigkeit arbeitendes
Anzeigesystem verwendet werden kann.
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Das bringt besondere wirtschaftliche Vorteile bei Verwendung von relativ
ungenauen Schwingungssystemen, z.B. von einer Blattfeder, einer unausgewuchteten
Unruh, von freilaufenden oder eventuell drehzahlstabilisierten Motoren.
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Verwendet man für die Steuerung eines Schrittschaltwerkes, das das
Anzeigesystem antreibt, die vom Frequenznormal über einen ersten Frequenzteiler
abgegebenen periodischen Impulse, so wird ohne Störung von außen i.a. keine Fehlanzeige
des Anzeigewerkes auftreten. Im Falle von Störungen dagegen ist dies nicht ohne
weiteres sichergestellt. Durch die Anwendung eines weiteren Frequenzteilers kann
man durch eine elektromechanische Start- und Anhaltevorrichtung z.B. wie oben beschrieben,
durch einen Rastmagneten, einen elektromechanisch betätigten Stift mit Anschlag
oder durch ein Stellherz diesen Fehler wieder rückgängig machen.
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Es ergibt sich also hier auch für niederrequente bei Störungen nicht
schaltsichere Fortschaltsysteme eine Verwendbarkeit in Gebrauchsquarzuhren.
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Eine besonders günstige Ausgestaltung der Erfindung -aufgrund der
Verwendbarkeit von Bauelementen, die schon lange in Großserie gefertigt werden-
ergibt sich aus dem in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiel.
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Es zeigen: Fig. 1: das Blockschaltbild einer quarzgesteuerten Armbanduhr
mit geringer Leistungsaufnahme.
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Fig. 2: den zeitlichen Ablauf der Impulse des Anzeige- und des Frequenznormalsystems
und der Winkel des Anzeigesystems.
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Der interne Quarzoszillator (1) steuert den Frequenzteiler (2).
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Dieser wiederum betätig die elektromechanische Start- und Anhaltevorrichtung
(3). Diese greift in das Getriebe (4 b) des Anzeigesystems (5) ein.
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Das Anzeigesystem (5) besteht aus Antrieb (6) in Form einer elektromechanisch
angetriebenen Unruh, dem Getriebe (4 a), (4 b) und dem Anzeigewerk (7) sowie der
Rutschkupplung (8), die zwischen den Getriebeteilen (4 a) und (4 b) liegt.
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Die Batteriezelle (9) versorgt das Anzeigesystem (5), das interne
Frequenznormal (1), den Frequenzteiler (2) und die Start- und Anhaltevorrichtung
(3).
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Wirkungsweise des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels, die
mit Hilfe der Fig. 2 erläutert wird: Das interne Frequenznormal (1) besitzt die
Frequenz fQ = 221/60 = 34,95253 kHz. Der damit angesteuerte Frequenzteiler (2) hat
das Teilverhältnis 2 : 1 und liefert an seinem Ausgang Impulse der Frequenz fT =
1/60 Hz, so daß diese Ausgangsimpulse voneinander
den zeitlichen
Abstand von einer Minute haben.
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Die als Antrieb des Anzeigesystems (5) dienende, elektromechanisch
in Schwingung gehaltene Unruh (6) besitzt die Frequenz fU ~ 4 Hz + #f, wobei f>O
f 0 so gewählt ist, daß immer selbst bei Störung ein Vorlauf gewährleistet ist.
Bezeichnet tf TU den augenblicklichen Drehwinkel der Rutschkupplung (8) auf der
Seite des Getriebeteils (4 a) gegenüber einer beliebig gewählten Nullstellung, so
wird dieser Winkel y TU wegen des Vorlaufs schon sicher vor Ablauf einer Minute
eine volle Umdrehung vollendet haben (siehe Fig. 2).
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Die Start- und Anhaltevorrichtung (3) besteht aus einem permanentmagnet-dynamisch
betätigten Stift, der 2 Stellungen einnehmen kann: während der Zeit still (Fig.
2) befindet er sich in einer Stellung, wo er als Anschlag das Getriebe blockiert,
die Rutschkupplung (8) also durchrutscht und das Anzeigewerk (7) vom Antrieb des
Anzeigesystems (5) getrennt ist.
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Während einer relativ kurzen darauffolgenden sog. Freigabezeit tFr
befindet sich der Stift in der anderen Stellung, so daß der mit dem Stift zusammenwirkende
Getriebeteil den Anschlagstift frei passieren kann. Daraufhin wird der Stift in
die Ausgangsstellung zurückgeführt.
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In diesem Ausführungsbeispiel ist zur Erzielung besonders geringer
Leistungsaufnahme das permanentmagnet-dynamische System, das den Stift betätigt,
als polarisiertes System ausgeführt, so daß nur für den Umschaltvorgang selbst Strom
benötigt wird.
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Das Ende der Freigabezeit tFr wird von einer monostabilen Kippstufe
bestimmt, während der Anfang der Freigabezeit vom Ausgangsimpuls des steuernden
Frequenzteilers festgelegt wird. Die Dauer der Freigabezeit kann mehrere Sekunden
betragen.
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Bis zum Beginn der Stillstandszeit Still war das Anzeigewerk direkt
mit dem Antrieb des Anzeigesystems gekoppelt, so daß der Winkel tAS der die Stellung
des Sekundenzeigers bezeichnet, im gleichen Maße wie der Winkel cP tTU zunahm (Fig.
2).
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Während der Stillstandszeit tStill nimmt AS nicht mehr zu, der Getriebeteil
(4 b) und das Anzeigewerk (i) stehen still.
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Zur Zeit Start trifft der Ausgangsimpuls fT des Frequenzteilers (2)
ein und steuert die Start- und Anhaltevorrichtung (3) so, daß diese den Getriebeteil
(4 b) freigibt. Damit hört die Rutschkupplung (8) auf durchzurutschen und das Anzeigewerk
(7) ist für einen weiteren Umlauf der Rutschkupplung (8) auf der Seite des Getriebeteils
(4 a) direkt mit dem Antrieb gekoppelt, wie die Darstellung des zeitlichen Verlaufs
des Winkels TU in Fig. 2 zeigt.
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Diese Ausführung der Erfindung kann im Mittel mit einer Leistungsaufnahme
von weniger als 15 µW betrieben werden. Dabei benötigt die mit einem Wirkungsgrad
von 50 % bis zu 65 % betriebene Unruh etwa 10 MW, der Frequenzteiler 3 µW und die
Start-und Anhaltevorrichtung 1 µW.