DE2133596A1 - Zelthaltendes Instrument - Google Patents

Description

DR-INO. DIPL.-ING. M. SC. DIPL.-PH YS. D R. DIPl-. -PM VS-

HÖGER - STELLRECHT-GRIESSBACH - HAECKER

PATENTANWÄLTE IN STUTTGART

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5. Juli 1971

U.S.Ser.No. 47,842

Timex Corporation

Waterbury, Connecticut, U.S.A.

Zeithaltendes Instrument

Die Erfindung bezieht sich auf Zeithaltung und im besonderen auf ein zeithaltendes Instrument unter Verwendung einer elektronischen Schaltung.

Die Verbesserung in ßezug auf Akkumulatorbauarten und Kapazitäten in den letzten Jahren hat ein erneutes Interesse an zeithaltenden Instrumenten ergeben, die eine geschlossene Energiequelle aufweisen. Es kann beispielsweise eine Großuhr mit einem Akkumulator innerhalb des Gehäuses hergestellt werden, so daß es nunmehr nicht mehr notwendig ist, die Großuhr an das elektrische Netz anzuschliessen. In ähnlicher Weise kann nun eine Kleinuhr hergestellt werden, in der eine sogenannte Knopfzelle, das heißt ein sehr kleiner Pr iiüär akkumulator, innerhalb des Uhrengehäues enthalten ist die die Energie zum Antrieb des Uhrwerkes ergibt.

Es sind nun mehrere Versuche durch die Hersteller von Uhrwerken angestellt worden, um die zeithaltende Fähigkeit eines Oszillators

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bei einem elektronischen zeithaltenden Gerät zu verwirklichen. Beispielsweise wurden Kleinuhren hergestellt, bei denen ein oder mehrere Magnete auf der Unruh angeordnet waren,die dann die Magnete durch die Magnetfelder einer oder mehrerer Magnetspulen bewegte. Derartige Antriebe haben entweder einen auf der Unruh angeordneten Unterbrecherkontakt verwendet, oder es wurde eine getrennte Anlaßspule verwendet, welche die elektronische Schaltung einschaltete. Bei einer anderen Art eines Uhrenantriebs trägt die Unruh eine Magnetspule, die durch ein Magnetfeld einer Anzahl von Permanentmagneten hindurchbewegt wird, die auf einer Uhrenplatte befestigt sind. Die Magnetspule erhält nun Strom entweder über einen Unterbrecherkontakt oder mit Hilfe von zwei Spiralfedern. Ferner wurden verschiedene, andere Systeme vorgeschlagen. Diese erfordern jedoch ganz allgemein, daß beispielsweise der Oszillator, die Unruh oder die Stimmgabel entweder eine Spule oder einen Magnet tragen.

Wenn der Oszillator einen Magnet trägt, so ergeben sich Schwierigkeiten in Bezug auf die magnetischen Felder, die zeitweilig in der Bahn der Schwingung durch den beweglichen Magnet zu erzeugen sind.Das einen beweglichen Magneten aufweisende zeithaltends Instrument kann gegen äußere magnetische Einflüsse und äußere Entmagnetisierungskräfte empfindlich sein. In solchen zeithaltenden Instrumenten, in denen der Oszillator eine elektrische Spule oder eine Magnetspule trägt, ist es notwendig, daß ein Strom diese Spule erreicht. Die Mittel, mit deren Hilfe der Strom zu der beweglichen Spule geführt wird, beispielsweise unter Verwendung von zwei Spiralfedern oder Unterbrecherkontakten, können Schwierigkeiten in Bezug auf die Kosten des Antriebs ergeben. Es ist notwendig, die Spule, die Spiralfedern und die Kontakte gegenüber anderen Teilen der Unruh zu isolieren, was beispielsweise mit Hilfe von Kunststoffmaterialien erreicht werden kann.

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Derartige Kunststoffmaterialien können jedoch gegen Feuchtigkeit empfindlich sein, so daß sich ihr Gewicht in einer feuchten Atmosphäre erhöht, wodurch dann die Unruh nicht mehr vollkommen ausgewuchtet ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Zeitmeßgerät unter Verwendung eines Oszillators als Zeitnormal zu schaffen, bei dem der Oszillator wegen Änderungen in der Feuchtigkeit unempfindlich ist und ferner bei dem der Oszillator verhältnismäßig einfach und billig ist und keine Schwierigkeiten in magnetischer Abschirmung ergibt. Diese Aufgabe wird nach der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, daß der Oszillator eine Spule trägt. Die Spule kann eine einzelne blanke Windung aus Kupfer oder einem anderen leitenden, nicht-magnetischen Material sein. In dieser vom Oszillator getragenen Spule wird ein elektrischer Strom mit Hilfe einer am Uhrwerk befestigten Spule induziert. Der in der beweglichen Spule induzierte Strom wirkt nun mit einem permanenten Magnet oder einem magnetischen Feld einer zweiten Spule zusammen, wobei der Permanentmagnet oder die zweite Spule am Uhrwerk befestigt sind.

Der Oszillator, der beispielsweise eine Unruh sein kann, braucht mit dem Uhrwerksgestell oder einer Brücke nur durch seine Lagerund Federvorrichtungen verbunden sein, beispielsweise im Falle einer Unruh durch die Unruhwelle und die übliche Spiralfeder. Die vom Oszillator getragene Spule führt kein magnetisches Feld an ihrer Betriebsstellung vorbei. Damit hat die vom Oszillator getragene Spule keinen ungünstigen magnetischen Effekt auf das Uhrwerk und kann nicht durch äußere Magnetkräfte entmagnetisiert werden.

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Ferner ist eine Schaltung vorgesehen, die einen Selbstanlaß des Uhrwerkes ermöglicht. Die Schaltung ist ein selbstanschvingender Schwingkreis, dessen Frequenz durch die Bewegung des körperlichen Oszillators bestimmt wird, die jedoch zusätzlich eine Eigenfrequenz zum Anlassen der Bewegung des mechanischen Oszillators hat. Die Schaltung wird durch die Bewegung des mechanischen Oszillators eingeschaltet und/oder synchronisiert. Infolge der Anordnung der Spulen ist es möglich, die Anordnung so zu treffen, daß die Weiterschaltung des Schaltrades des Uhrwerkes über eine der Spulen erfolgt, die an einer Gestellplatte,und nicht wie bei anderen Kleinuhren an dem sich bewegenden Oszillator, befestigt ist. Damit schwingt der mechanische Oszillator verhältnismäßig frei und ungedämpft.

In einer besonderen Ausführungsform weist das erfindungsgemäße zeithaltende Instrument einen Oszillator, beispielsweise eine Unruh, auf. Der Oszillator trägt eine Spule, die aus einem einzigen leitenden Ring bestehen kann. Der Strom wird in dieser beweglichen Spule durch Gegeninduktion mit einer ortsfesten Spule induziert. Ferner sind ein oder mehrere ortsfeste Magnetfelder so angeordnet, daß die mit Energie versorgte Spule angetriebsn wird. Ferner ist eine Schaltung vorgesehen, um die Spule mit Energie zu versehen, d.h. einen Strom zum richtigen Zeitpunkt während der Schwingung hindurchzuschicken.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält. Es zeigen:

Fig. 1 eine schaubildliche Ansicht eines Unruhoszillators und der dazugehörigen Antriebsvorrichtung,

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Fig. 2 eine Seitenansicht entsprechend Linie A-A Der Fig. 1,

Fig. 3 ein Diagramm einer elektronischen Schaltung, wie sie in Verbindung mit der Erfindung verwendet werden kann,

Fig. 4 eine schaubildliche Darstellung zur Erläuterung der Wellenformen der Schaltung nach Fig. 3,

Fig. 5 die Anordnung eines Permanentmagneten und einer magnetischen Verbindungsbrücke.

Die vorliegende Erfindung wird in Zusammenhang mit einem Uhrenantrieb für Kleinuhren, insbesondere Armbanduhren, beschrieben. Der Antrieb ist jedoch ohne weiteres auch für andere zeithaltende Instrumente brauchbar, beispielsweise stationären Uhren mit einer Unruh, Autouhren mit einer Unruh, Wanduhren mit Pendelantrieb usw.

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung ist in Fig. 1 dargestellt. Auf einer Unruhwelle 11 ist ein Unruhkörper 10, beispielsweise ein Unruhrad, angeordnet. Die Unruhwelle ist mittels einer Nabe mit dem inneren Ende einer üblichen Spiralfeder 12 verbunden, wie sie in Uhren verwendet wird. Das äußere Ende der Spiralfeder 12 ist am Gestell öder an der Brücke eines nicht dargestellten Uhrwerkes angeschlossen. Der Unruhkörper hat eine Querspeiche 13, welche von der Uhrenwelle durchdrungen ist, ferner ein Gegengewicht 14 in Form eines Teilrandstückes und schließlich eine von der Querspeiche 13 getragene Spule 15. Die Spule 15 kann aus vielen Windungen eines feinen Drahtes bestehen, die durch ein

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Klebemittel zusammengehalten sind, wobei die Spule an der Querspeiche 13 ebenfalls durch ein Klebemittel befestigt ist. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 besteht die Spule 15 aus einer Wicklung mit einer einzigen Windung. Der ganze Unruhkörper einschließlich der einzigen Windung 15 kann aus einem entsprechenden nichtmagnetischen, leitenden Material, beispielsweise Kupfer oder Phosphorbronze, ausgestanzt werden.

An einer Platine des Uhrwerkes ist eine Induktionsspule 16 befestigt. Die Induktionsspule 16 hat ein Mittelloch, welches ein U-förmiges magnetisches Verbindungsglied 17 durchdringt. Das Verbindungsglied 17 ist aus einem weichen, magnetisch permeablen Material, beispielsweise Eisen. Die Schenkel des Verbindungsgliedes sind so geformt, daß sich ein Luftspalt 18 ergibt, durch welchen die Spule 15 sich hindurchbewegt. Ferner ist noch eine Antriebsspule 19 an der Platine des Uhrwerkes befestigt. Die Antriebsspule 19 hat ein Mittelloch, in dem ein schwacher Permanentmagnet 20 angeordnet ist. Der Permanentmagnet 2O ist mechanisch mit einem unteren magnetischen Verbindungsglied 22 der Antriebsspule 19 verbunden. Das untere Verbundungsglxed hat vorzugsweise eine solche Form, daß sich in den radialen Teilstücken der Spule 15 eine maximale magnetische Induktion ergibt. Zur näheren Erläuterung ist das untere Verbindungsglied in den Figuren 1 und 5 als U-förmig dargestellt. Das untere Verbindungsglied 22 ist unterhalb der Bewegungsbahn der beweglichen Spule 15 angeordnet. Das obere Verbindungsglied 21 der Antriebsspule wird beispielsweise in der Weise richtig positioniert, daß es an ein Brückenglied des Uhrwerkes oberhalb der Bewegungsbahn der Spule 15 angebracht wird. Das obere Verbindungsglied 21 ist ähnlich wie das untere Verbindungsglied 22 vorzugsweise von einer solchen Form, daß sich in den radialen Teilstücken der Spule

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eine maximale magnetische Induktion ergibt. In dem Ausführungsbeispiel ist das obere Verbindungsglied gemäß Fig. 1 in Form
eines Halbringes dargestellt. Ähnlich wie im Falle des unteren
Verbindungsgliedes nach Fig. 1 ist das obere Verbindungsglied
nur als ein Halbring in diesem Beispiel dargestellt.

Die elektronische Schaltung ist in Fig. 3 gezeigt. Diese Schaltung hat einen Akkumulator 30 oder irgend eine" andere Gleichstromquelle. Vorzugsweise ist der Akkumulator 30 innerhalb des Gehäuses des Uhrenantriebes angeordnet. Die positive Klemme des Akkumulators 3O ist mit einem Anschluß der Induktionsspule 16 verbunden. Der positive Anschluß des Akkumulators 30 ist ferner mit der Kathode einer Diode 31 und mit dem Emitter 32 eines Transistors 33 verbunden. Der Kollektor 34 des Transistors 33 ist an
eine Basis 35 eines Transistors 36 angeschlossen. Der Emitter 37 des Transistors 36 ist mit der Anode der Diode 31 und mit der
Anode einer Diode 38 verbunden. Die Kathode der Diode 38 ist
an den negativen Anschluß des Akkumulators 30 angeschlossen.
Zwischen der Basis des Transistors 33 und dem negativen Anschluß des Akkumulators ist elektrisch ein Widerstand 39 angeschlossen, der mit Masse verbunden sein kann. Ferner ist ein Kondensator zwischen der Basis des Transistors 33 und der Basis 41 eines
Transistors 32 elektrisch angeschlossen. Der Emittor 43 des
Transistors 42 ist mit der Kathode einer Diode 44 verbunden, deren Anode an die Basis 41 angeschlossen isc. Der Emitter 43 ist ferner mit einem Anschluß der anderen Spule 19 mit einem Anschluß
des Kondensators 4 5 und ferner mit einem Anschluß der Induktionsspule 16 verbunden. Der and^ere Anschluß der Antriebsspule 19
ist mit der einen Seite des Kondensators 46 verbunden. Die andere Seite desselben ist an den Kollektor 47 des Transistors 36 angeschlossen.

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Die Wirkungsweise der Anordnung und der Schaltung wird nun in Verbindung mit dem Diagramm der Wellenform gemäß Fig. 4 des näheren erläutert. In Figur 4 bedeutet die Abszisse die Zeit und die Ordinate den Strom. Der Strom I und der Strom II beziehen sich auf den Strom in der Antriebsspule 19 zu verschiedenen Zeitpunkten. Es handelt sich hier um den Antriebsimpulsstrom. Der Strom 16 ist der Strom in der Induktionsspule 16. Der Strom 15 ist der Strom, der in der von der Unruh getragenen Spule 15 induziert wird.

Wenn die Spule 15 sich innerhalb des Luftspaltes 18 bewegt, der zwischen dem oberen Verbindungsglied 21 und dem unteren Verbindungsglied 22 gebildet ist, so wird in der Spule 15 durch den Permanentmagneten 20 eine Spannung induziert, die einen Strom zur Folge hat. Dieser in der Spule 15 fließende Strom erzeugt ein magnetisches Feld über diese Spule, wodurch sich eine Änderung in dem Magnetfluß des Verbindungsgliedes 17 ergibt. Die Flußänderung im Verbindungsglied 17 induziert nun eine Spannung an der Induktionsspule 16, wodurch sich eine Stromänderung ergibt. Diese Stromänderung in der Induktionsspule 16 ergibt nun ein Einschalten der elektronischen Schaltung, um dadurch einen Antriebsimpuls zu erzeugen.

Wenn im besonderen die Schaltung nach Fig. 3 betrachtet wird, so macht eine Stromänderung in der Induktionsspule 16 mit Hilfe der Diode 44 und des Kondensators 40 den Transistor 33 leitend* Es fließt nun ein Akkumulatorstrom durch den Transistor 33,wodurch nun der Transistor 36 leitend wird und ein Strom durch die Diode 38 fließt.

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Sobald der Transistor 36 leitend geworden ist, tritt eine Änderung des Akkumulatorstropes in der Antriebsspule 19 mit Hilfe der Kapazität 46, des Transistors 36 und der Diode 38 ein, wobei diese Stromänderung durch Strom I in Fig. 4 dargestellt ist. Wenn der Strom in der Induktionsspule 16 ansteigt, wird ein Strom in der als Kurzschlußwindung ausgebildeten Spule 15 der Unruh induziert. Der in der Spule 15 induzierte Strom wirkt mit dem magnetischen Feld der Verbindungsglieder 21 und 22 (der Antriebsspule 19) zusammen, um so einen Antriebsimpuls für die Unruh zu erzeugen.

Während des Antriebsimpulses ist der Transistor 43 durch die in der Induktionsspule 16 induzierte Spannung nicht leitend. Zu diesem Zeitpunkt ist der Kondensator 45 über die Diode 38 bereits aufgeladen. Der Kondensator 46 wird nun gesättigt oder vollgeladen und der Strom durch die Spulen 16 und 19 nimmt ab. Der Magnetfluß entsprechend der Spule 19 nimmt ab, so daß sich nun über die Spule 16 eine abnehmende Spannung ergibt. Der Steuerstrom von der Induktionsspule 16 zum Transistor 33 nimmt ab, wodurch der Steuerstrom zum Transistor 36 ermäßigt wird. Hieraus ergibt sich eine Abnahme des Stromes durch den Transistor 36 und durch die Spulen 16 und 19. Die Wirkung ist damit verstärkend, da wiederum die induzierte Spannung der Spule 16 so lange reduziert wird, bis schließlich der Transistor 36 nichtleitend wird. Der durch die Induktionsspule 16 fließende Strom fällt rasch ab, wobei die Geschwindigkeit der Stromabnahme lediglich durch die Induktivität der Spule begrenzt wird. Der Stromabfall in der Induktionsspule 16 ergibt ein Laden des Kondensators 45 auf einen Wert oberhalb der Akkumulatorspannung. Durch die Ladung der Kapazität 45 kann nun die Antriebsspule 19 während des Impulses der nächsten Schwingung stromführend sein . Die Stromänderung in

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der Induktionsspule 16 induziert nun einen Strom in der Spul 15 von entgegengesetzter Richtung, die von der Unruh getrag ist.

Durch den Ladestrom der Kapazität 40, der vom Akkumulator 30 über den Widerstand 39 fliesst, wird der Transistor 42 leitend. Der Kondensator 46 entlädt sich über "den Transistor 42 und die Antriebsspule 19. Der in der Spule 19 zu diesem Zeitpunkt fliessende Strom (in Fig.3 ist er durch II gekennzeichnet) ist entgegengesetzt zu der Richtung des Akkumulatorstromes. Die Antriebsspule 19, die nun den Strom II führt, induziert einen Magnetfluss von einer Richtung, die relativ zu dem vom Strom I erzeugten Magnetfluss umgekehrt ist. Dieser entgegengesetzte Magnetfluss wirkt nun mit dem induzierten und entgegengesetzten Strom in der Spule 15 zusammen, um so einen Antriebsimpuls auf die Unruh in der gleichen Richtung wie der erste Antriebsimpuls auszuüben. Damit sind die Antriebsimpulse lediglich in einer Bewegungsrichtung der Unruh vorhanden.

Die Schaltung nach Fig.3 arbeitet wie ein einen Widerstand und einen Kondensator aufweisender selbstschwingender Multivibrator, wenn die Unruh angehalten wird. Die Frequenz ist durch den Kondensator 40 und den Widerstand 39 bestimmt. Die mit dieser Frequenz ausgestattete Schwingung ergibt dann die induzierten Stromimpulse für die auf der Unruh angeordnete Spule 15 zum Selbstanlaufen der Kleinuhr.

Die Weiterschaltung kann über die Unruh oder über die Spulen erfolgen. Beispielsweise kann eine an der Unruhwelle befestigte Habe einen Stift tragen, der eine Gabel weiterschaltet, die ihrerseits ein Schaltrad schrittweise weiterbewegt. Gegebenenfalls kann die Induktionsspule 16 oder auch die Antriebsspule 19 diejenige Spule sein, die mit einem sich bewegenden Anker zusammenwirkt, der ein Schaltrad weiterschaltet. Diese zuletzt genannte Ausführungsform hat den Vorteil, dass die Unruh durch die Schaltung des Schaltrades nicht gedämpft wird.

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Es sei darauf hingewiesen, dass die Schaltung nach Fig.3 durch
einen äusseren Stromkreis synchronisiert werden kann. Beispielsweise kann ein Synchronisierungssignal über einen Quarzoszillator erzeugt v/erden, dessen hohe Frequenz durch Teiler herunteraeteilt wird.

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Claims (1)

A 38 975 h 5.VII.1971 Patentansprüche : Zeithaltendes Instrument/ insbesondere tragbare Kleinuhr, mit einem durch eine elektronische Schaltung steuerbaren mechanischen Schwinger, der eine mit ihm mitschwingende Spule trägt, dadurch gekennzeichnet, dass die mitschwingende Spule (15) in sich kurzgeschlossen ist, dass neben der Bewegungsbahn der mitschwingenden Spule (15) eine ortsfeste Antriebsspule (19) angeordnet sind, die in der mitschwingenden Spule (15) einen Strom zu induzieren vermag, sowie eine ortsfeste Induktionsspule (16), welche die Lage der mitschwingenden Spule (15) festzustellen vermag und dass die elektronische Schaltung (30 bis 47) durch die Induktionsspule (16) derart steuerbar ist, dass sie an die Antriebsspule (19) für den Antrieb des Schwingers (10) ausreichende Antriebsimpulse zu liefern vermag. 2. Zeithaltendes Instrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Bewegungsbahn der mitschwingenden Spule (15) ein Magnetfeld erzeugbar ist. 3. Zeithaltendes Instrument nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass neben der Bewegungsbahn der mitschwingenden Spule (15) ein Permanentmagnet (20) angeordnet ist. 4. Zeithaltendes Instrument nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mitschwingende Spule (15) nur eine Windung aufweist. - 2 109884/1699 ■ '■'■»"■■ A 38 975 h - /f - 5.VII.1971 * l 5. Zeithaltendes Instrument nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mitschwingende Spule (15) als Teil eines Unruhkörpers (10) ausgebildet ist. 6. Zeithaltendes Instrument nach einem der Ansprüche 1 b.is 5, dadurch gekennzeichnet, dass die ortsfeste Induktionsspule (16) auf einem U-förmigen Kern (17) angeordnet ist, dessen Enden einen Luftspalt (18) bilden, in dem sich die mitschwingende Spule (15) bewegt. 7. Zeithaltendes Instrument nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die ortsfeste Induktionsspule (16) eine Öffnung aufweist, mit welcher sie auf den U-förmigen Kern (17) aufgesteckt ist. 8. Zeithaltendes Instrument nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die ortsfeste Antriebsspule (19) auf einem weiteren Kern (22) angeordnet ist, der derart neben der Bewegungsbahn der mitschwingenden Spule (15) angeordnet ist, dass das Magnetfeld der Antriebsspule (19) auf die mitschwingende Spule (15) konzentriert wird. 9. Zeithaltendes Instrument nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Schaltung (30 bis 47) als selbstschwingender und selbstanlaufender Oszillator ausgebildet ist. 10. Zeithaltendes Instrument nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Schaltung 30 bis 47) einen Multivibrator enthält. 109884/1699

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