DE2201557C2 - Synchronisiereinrichtung für ein zeithaltendes Instrument - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Synchronisiereinrichtung für ein zeithaltendes Instrument, beispielsweise eine Kleinuhr, wie eine Armbanduhr, mit einem elektrische Steuerimpulse konstanter Größe und konstanter, jedoch mittlerer Synchronisierfrequenz, beispielsweise geteilter Quarzfrequenz, erzeugenden Impulseizeuger, dessen Steuerimpulse einer Steuerschaltung einer elektrodynamischen, zum Antrieb des Instruments dienenden Antriebsvorrichtung zuführbar sind, die mindestens eine Antriebsspule und relativ beweglich hierzu ein Permanentmagnetsystem hat und mit deren Hilfe ein mechanischer Schwinger mit konstanter Synchronisierfrequenz und Synchronisieramplitude in Schwingung versetzbar ist, dem ein eine im wesentlichen konstante Gegenkraft ausübendes Federglied entgegenwirkt.

Es ist bereits bekannt, zeithaltendcn Instrumenten, insbesondere Uhren. Antriebsimpulse konstanter Frequenz zuzuführen, die üblicherweise durch einen Erzeuger von Steuerimpulsen gesteuert werden. Dabei wird im allgemeinen ein mechanischer Schwinger synchronisiert, der üblicherweise eine von dieser Synchronisierfrequenz abweichende Eigenfrequenz aufweist. Um nun diese Eigenfrequenz zu unterdrükken, ist es bekannt, die Antnebsimpulse so kräftig zu machen, daß der Einfluß der Eigenfrequenz unterdrückt wird. Diese Anordnung hat den Nachteil, daß eine große Energiequelle erforderlich ist.

Einfacher ist die Synchronisierung von Schrittschallwerken, die jedoch nur in besonderen Fällen für den Antrieb einer Uhr brauchbar sind. Der Grund liegt darin, daß ein solches Schrittschaltwerk mangeis eines eigentlichen Schwingvorgangs gar keine Eigenschwingung hat und insofern diese auch nicht unterdrückt werden muß. Triit jedoch ein Stoß auf, so liegt hier der Nachteil vor, daß ein Antriebsimpuls übersprungen werden kann und damit die Genauigkeit der Uhr leidet.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe /umrunde, eine Synchronisiereinrichtung zu schallen, die es ermöglicht, ein zeithallendes Instrument aiii eine Ix-rlimnite Synchronisierfrequen/. einzuregeln und hei Abweichen von dieser Frequenz den Schwinger wie-Jcr auf diese Synchmnisierfrequenz /uiiickzufuhren, wobei dieser Synchronisiervorgang ii'it einer verhältnismäßig geringen Energie durchführbar ist. Diese Aufgabe wird bei der eingangs erwähnten Synchronisiereinrichtung gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß in fester geometrischer Beziehung zur Antriebsspule mindestens ein ferromagnetisches Zusatzelement vorgesehen ist, das bei der Relativbewegung von Antriebsspule und Permanentmagnetsystem im Zusammenwirken mit dem letzteren eine Synchronisierkraft zum Einregeln erzeugt, die bei größer werdender Amplitude die Schwingerfrequenz verkleinert bzw. bei kleiner werdender Amplitude vergrößert, oder umgekehrt. Durch diese neuartige Einrichtung ist es nun möglich, die Gegenkraft so zu gestalten, daß sie nicht mehr linear ist, und damit wird erreicht, daß bei Abweichen von der Synchr-.inisieramplitudc eine rasche Rückführung und damit Einregelung auf die Synchronisieramplitude und -frequenz wieder erfolgt. Es ist dabei gar nicht notwendig, daß die Antriebsimpulse größer als üblich gewählt werden. Gegen Stöße oder sonstige Einflüsse, die ein Abweichen von der Synchronisierfrequenz und Amplitude erzeugen, ist nunmehr das zeithaltende instrument unempfindlich.

Zur Erläuterung der Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Einrichtung wird folgendes ausgeführt:

Es wird der Einfachheit halber angenommen, daß sieh auf dem Schwinger eine Antriebsspule befindet, die im Zusammenwirken mit einem stationären Permanentmagnetsystem ungefähr in der Null-Lage, d.h. im Zustand der größten Geschwindigkeit, bei jeder Halb- oder Vollschwingung einen Antriebsimpuls erhält. Diese Antriebsimpulse werden über die eigenen Schwingungen des Schwingers gesteuert. Wenn durch eine Impulsquelle, die von außerhalb Steuerimpulse bestimmter Synchronisierfrequenz und Impulsdauer liefert, die Antriebsimpulse entsprechend beeinflußt werden, wird der Schwinger auf diese Synchronisierfrequenz eingeregelt. Bei der Erklärung dieses Einregeins wird zuerst angenommen, daß der Schwinger bereits synchron mit der Synchronisierfrequenz schwingt und taktmäßig Antriebsimpulse solcher Größe erhält, daß die Schwingungen des Schwingers mit der konstanten Synchronisierfrequenz und konstanter Synchronisieramplitude aufrechterhalten werden.

Im Gegensatz zu den üblichen Uhrenantrieben ist nun gemäß der Erfindung die Anordnung so getroffen, daß bei Änderung der Amplitude, beispielsweise durch Stoß, die Gegenkraft gegen die durch den Antrieb hervorgerufenen Schwingungen nicht konstant bleibt, sondern sich ändert. Beispielsweise erhöht oder ermäßigt sich diese Gegenkraft innerhalb eines bestimmten Amplitudenbereiches ständig bei Abweichen von der Synchronisieramplitude. Im Gegensatz zu den üblichen Schwingern, bei denen trotz Amplitudenänderung infolge einer gleichbleibenden Gegenkraft die Frequenz des Schwingers nahezu unverändert bleibt, wird nun die Schwingel frequenz verändert, die sich damit von der Synchronisierferquenz nach oben oder unten entfernt. Durch den Unter

schied zwischen der Synchronisierfrequenz und dei Schwingerfreqiienz ergibt sich eine entsprechende Phasenverschiebung zwischen den Steuerimpulsen und den Antriebsimpulsen. Dies hat zur Folge, daß 5 die Aniriebsimpulse bei vergrößerter Amplitude verkleben und bei verkleineiter Amplitude vergrößert werden. Durch diesen Vorgang ergibt sich eine rasche hinregelung der Schwingelfrequenz auf die Synchronisierlrequenz und auf die Synchronisierampli-Ki lüde.

Diese Hinregelung kann entweder durch eine Steuerung mit Hilfe der Rückflanke oder der Vordertlanke der Steuerimpulse erzielt werden. Dies steht im Zusammenhang mit der Wahl der sich ändernden Gegenkraft, d.h. damit, ob bei sich ändernder Amplitude die Schwingerfrequenz abnimmt oder zunimmt. In jedem Falle werden die Antriebsimpulse bei vergrößerter Amplitude so lange verkleinert, bis die Synchronisierfrequenz und die Synchronisieram-

pliuide erreicht ist. Bei abnehmender Amplitude ist der Vorgang umgekehrt.

Vorteilhaft ist es, wenn im Einregelbereich die Änderung der Schwingerfrequenz als Funktion der Amplitudenänderung verhältnismäßig groß ist, da dann ein besonders rasches Einregeln erfolgt. Dabei kann günstigerweise im Einregelbereich die Änderung der Schwingerfrequenz ungefähr proportional der Amplitudenänderung sein, d. h., die Kurve wäre im wesentlichen eine Gerade.

Da das Zusatzelement ständig ummagnetisiert wird, ist es vorteilhaft, wenn das ferromagnetische Eiement aus einem Material besteht, das kleine Hystereseverluste, beispielsweise ähnlich Ferriten hat. Die Synchronisiereinrichtung gemäß der Erfindung ist für sehr unterschiedliche Synchronisierfrequenzen brauchbar, beispielsweise für Frequenzen des Schwingers von der Größenordnung beispielsweise von 1 bis 30 Hz. Auch die Synchronisieramplituden können in weiten Grenzen, beispielsweise zwisehen 280 und 30°, geändert werden.

Eine besonders günstige Form des Zusatzelementes besteht in der Ausbildung eines dünnen Plättchens, doch ist es ohne weiteres auch möglich, dieses Zusatzelement in anderer Form vorzusehen, beispielsweise als ein ferromagnetisclies Pulver, das in einem Träger dispergiert ist.

Infolge der beidseitigen Schwingungen des Schwingers ist es günstig, wenn das ferromagnetische Element zur Erzeugung gleicher Verhältnisse in beiden Schwingungsrichtungen symmetrisch zur Schwingungsmittelebene angeordnet ist. Es kann dabei in dieser Ebene vorgesehen sein oder auch bei mehreren derartigen Zusatzelementen in und/oder heidseits dieser Schwingungsmittelebene.

Die Erfindung wird an Hand von Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

F i g. I einen Axialschnitt durch eine erste Ausführunsjsform,

Fi g. 2 einen Teilschnitt nach Linie 2-2 der Fig. 1, F i g. 2 a eine schematische Darstellung eines Steuerimpulserzeugers im Zusammenhang mit dem Antrieb des Schwingers,

F i g. 3 eine Teilseitenansicht zur Darstellung einer zweiten Ausführungsform,

F i g. 4 eine Ansicht nach Linie 4-4 der F i g. 3.

In dem ersten Ausführungsbeispiel nach den

Fig. I und 2 ist ein mechanischer Schwinger in Form eincr Unruh vorhanden, die eine Anlriebsspule trägt. Dieser Antriebsspule werden nun Antriebsimpulse von Synchronisierfrequenz zugeführt. Zur Erzeugung dieser Antriebsimpulse kann ein beliebiger Impulserzeuger verwendet werden, solange nur sichergestellt ist, daß diese Antriebsimpulsc eine konstante Frequenz aufweisen. Ein bekannter Erzeuger dieser Art, der auch vorzugsweise im Zusammenhang mit der zu beschreibenden Synchronisiereinrichtung verwendet wird, ist in Fig.2a schematisch dargestellt. Mit 100 ist hier der Impulserzeuger bezeichnet, der üblicherweise ein Kristalloszillator, vorzugsweise ein Quarzoszillator, sein kann. Dieser Impulserzeuger liefert Steuerimpulse an eine Anzahl von Frequenzteilern 102. so daß nun die Steucrimpulsfrequenz auf die gewünschte niedrige Frequenz, beispielsweise 1 bis 30 Hz, nach unten geteilt wird.

Diese Steuerimpulse niedriger Frequenz werden dann einer Leistungsstufe 104 zugeführt, in der mit Hilfe der Steuerimpulse Antriebsimpulse gleicher Frequenz eingeregelt werden, die dann einer Antriebsspulc 106 zugeführt werden, die mit einem Magneten 108 zusammenwirkt. Dabei kann entweder dic Spule oder der Magnet stationär sein, wichtig ist nur. daß die beiden Teile eine Relativbewegung zueinander durchführen.

Bei der Besehreibung der Ausführungsbeispielc wird nun angenommen, daß der dort eingezeichneten Antriebsspule Antriebsimpulsc mit Synchronisierfrequenz zugeführt werden.

Es sei des weiteren darauf hingewiesen, daß der mechanische und elektromagnetische Aufbau der im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielc weitgehend mit bekannten Konstruktionen übereinstimmt, so daß eine verhältnismäßig kurze Bcschrcibung ausreichend ist.

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. I und 2 ist eine Unruh als Ganzes mit 10 bezeichnet. Diese Unruh hat eine Unruhvvellc 12, die in Lagern 14 und 16 von Brücken 18 und 20 gelagert ist. Die Unruhwellc trägt einen Unruhkörper 22 und ferner eine Nabe 24, an der eine Antriebsspule 26 und ein Hcbestilt 28 befestigt ist. Der Unruhkörper ist gegen die Unruhwelle isoliert und an ihm und der Brücke 18 ist eine erste Spiralfeder 30 befestigt. Eine zweite Spiralfeder 32 ist am anderen Ende der Unruhwellc und an einem nicht dargestellten Gestclltcil befestigt.

Der Hcbcstift 28 wirkt mit einem Anker 34 zu-',.aminen, der bei 36 schwenkbar gelagert ist und mit seinen Ankerstiften 38 in ein an einer Schaltradwclle 40 befestigtes Schaltrad 42 eingreift.

Die Antriebsspulc 26 hat parallele Längsseiten 26 α und 26 b und zwei diese verbindende Bogenstücke 26c· und KmI. Mit ihr wirken vier Paare von Permanentmagneten 44, 46, 48 und 50 zusammen, jeweils zwei Paare sind auf einer Rückschlußplattc 52 bzw. 54 befestigt.

An der einen Längsseite 26 (/ der Magnetspule, und zwar an der Umfangsfläche und in der Schwingungsmiltelcbenc A-A, ist ein ferromagnetisehes Zusatzclement 56 befestigt.

Wenn nun die Unruh in Schwingung ist und der Antriebsspulc. wie bereits oben erwähnt, Antriebsimpulse zugeführt werden, so ist die Wirkung des ferromagnetischen Zusalzclcmentes 56 wie folgt:

F-s wird angenommen, daß die Unruh 10 und damit die Anlfiebssptile 26 mit einer konstanten S\nchronisierfrequenz von (S Hz schwingt und kurze Antriebsimpulse gleicher Frequenz im Nulldurchgang der Antriebsspule 26 zugeführt werden. Damit schwingt die Unruh mit Synchronisierfrequenz und Synchronisicramplitude. Während dieser Schwingung von beispielsweise 160 bis 2(W wirkt das ferromagnetische Zusatzelement 56 nacheinander mit den verschiedenen Polen der Permanentmagnete 44 bis 50 zusammen. Der Einfachheit halber wird im folgenden nur eine Magnetgruppc mit den Magnetpaaren 44 und 46 betrachtet, da die Wirkung der beiden anderen Magnctpaarc 48 und 50 genau gleich ist.

Da es sich bei dem Zusatzelemcnt um einen Körper mit Wcicheiscncharakter und damit ohne permanenten Magnetismus handelt, wird das Zusatzclement vein allen Magneten angezogen, und zwar zuerst vom Nordpol und dann vom Südpol des Magnctpaarcs 44. Da jedoch hier die Schwingungsgcschwindigkeit der Unruhr sehr hoch ist, ist die Wirkung des Zusatzclements 56 unbedeutend. Schwingt dazu das Element über den Südpol des Magnetpaares 44 hinaus, so gelangt das Zusatzclement in einen Bcreich, in dem die Schwingungsgeschwindigkeit wesentlich kleiner ist und sogar durch Null hindurchgeht. Wenn nun das Zusatzelemcnt über den Südpol des Magnetpaarcs 44 hinausschwingt, so wird bei der weiteren Schwingung bis zur Schwingungsmittelcbcnc A-A eine Art Bremskraft auf die Antriebsspule ausgeübt, d. h.. die Gegenkraft der Spiralfedern 30 und 32 wird geschwächt. Im Durchgang durch die Schwingungsmittelcbenc A-A ist die magnetische Anziehung des Südpols von 44 und des Nordpoh von 46 ungefähr gleich, so daß die Wirkung des Eicments gleich Null ist. Beim Weiterschwingen auf der Nordpol von 46 zu ergibt sich durch Anziehen de; Zusatzclcmcnts durch diesen Nordpol eine Vcrstärkung der Gegenkraft der Spiralfedern 30, 32. Uir den Anschlag von I8()^i: ist deshalb nach beider Richtungen die Gesamtgegenkraft nicht linear, beispielswcise über einen gewissen Bereich geradlinig ansteigend bzw. abfallend. Der Schnittpunkt der Zusatzkraft mit der Gegenkraft der Spiralfedern kam nun durch Änderung der Federkraft der Spiralfeder! geändert werden, und damit ändert sich auch dei Einregelungspunkt. d. h.. die Synchronisicramplitude die also keineswegs etwa so groß sein muß, daß da; Zusatzelemcnt bis zur Schwingungsmittclcbem schwingt.

Bei Abweichen von der Synehronisicrampliludi wird, wie eingangs erklärt, die Frequenz der Unrul geändert und damit tue Größe der Antriebsimpulse die bei größer werdender Amplitude abnehmen um bei kleiner weidender Amplitude zunehmen.

In den I-" i g. 3 und 4 ist ein weiteres Ausfiihrungs bcispiel dargestellt. Hier sind die Magnetpaare weg gelassen, doch können sie in ähnlicher Weise an geordnet sein wie im ersten Ausführungsbcispicl. (Ic zeigt ist im wesentlichen nur die Unruh, die beispiels weise mit 4 11/ schwingt. Diese ist als Ganzes mit 61 bezeichnet und hat eine in Lagern 64 und 66 gcla gertc l'nruhwelk· 68. an der die einen linden voi Spiralfedern 70 und 72 befestigt sind, deren anden Enden an (iestellteilen 74 und 76 fest angebrach sind. Der Unruhkörper ist als Ganzes mit 78 bezeich net. Er hat eine Nabe 80 und zwei gabelförmig Arme 82 und 84, an denen mit Gießhar/eingüsscn 8l und 88 eine Anlricbsspiile 90 befestigt ist. In dei (iier-hiM/eiui'ü'.'.cn M je ein iciiomaunclisdics /n

satzelement 92 bzw. 94 eingesetzt. Der Antriebsspule gegenüber ist ein Steg 96 und an diesem ein zum Gewichtsausgleich dienendes Bogenstück 98 angeordnet.

Die Wirkungsweise der beiden ferromagnetische!! Zusatzelemente ist gleich, wie oben im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbcispiel beschrieben wurde. Sind die nicht eingezeichneten Magnetpaare symmetrisch zur Sehwingungsmittclebene ß-ß angeordnet, so ergibt sich auch hier bei einer Schwingung von 180" eine Nullage der Zusatzelemcnte, in der also die Gegenkraft der Spiralfedern nicht beeinflußt wird.

Die Anordnung der Magnete, der Zusatzciemcnte und der gegebenenfalls mehreren Antriebsspulen

kann vielfach abgewandelt werden. F.s ist dabei nur zu beachten, daß die Wirkung der fei romagnetischen Zusatzclemente beidscits einer bestimmten Amplitude, die dann die Synchronisicramplitudc ist, eine entgegengesetzte Änderung der Synchronisierfrequenz bei sich ändernder Amplitude hervorrufen.

Die Wirkungsweise der ferromagnetischcn Zusatzelemcnte ist unabhängig von der Art der Relativschwingung zwischen Magnetspule und den Magne

ίο len. Beispielsweise kann die Antriebsspulc stationäi und die Permanentmagnete auf der Unruh angeord net sein. In diesem Fall ist es nicht erforderlich, dal die Zusalzclemcnte an der Antriebsspule selbst auge bracht, werden, sondern sie können an irgendeinen stationären Teil befestigt sein.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

709 64I₁

Claims (14)

Patentansprüche:

1. Synchronisiereinrichtung für ein zeithaltendes Instrument, beispielsweise eine Kleinulir, wie eine Armbanduhr, mit einem elektrische Steuerimpulse konstanter Größe und konstanter, jedoch mittlerer Synchronisierfrequenz — beispielsweise geteilter Quarzfrequenz — erzeugenden Impulserzeuger, dessen Steuerimpulse einer Steucischaltung einer elektrodynamischen, zum A.!trieb des Instruments dienenden Antriebsvorrichtung zuführbar sind, die mindestens eine Antriebsspule und relativ beweglich hierzu ein Permanentmagnetsystem hat und mit deren Hilfe ein mcchanischer Schwinger mit konstante. Synchronisierfrequenz und Synchronisieramplitude in Schwingung versetzbar sind, dem ein eine im wesentlichen konstante Gegenkraft ausübendes Federglied entgegenwirkt, dadurch g e k e η η zeichnet, daß in fester geometrischer Beziehung zur Antriebsspule (26) mindestens ein l'erromagnetisches Zusatzelement (56) vorgesehen ist, das bei der Relativbewegung von Antriebsspule (26) und Permanentmagnetsystem (44 bis SO) im Zusammenwirken mit dem letzteren eine Synchronisierkraft zum Einregeln erzeugt, die bei größer werdender Amplitude die Schwingerfrequenz verkleinert bzw. bei kleiner werdender Amplitude vergrößert, oder umgekehrt.

2. Synchronisiereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Einregelbereich die Änderung der Schwingerfrequenz als Funktion der Amplitudenänderung verhältnismäßig groß ist.

3. Synchronisiereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Einregelbereich die Änderung der Schwingerfrequenz ungefähr proportional der Amplitudenänderung ist.

4. Synchronisiereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das ferromagnetische Element (56) aus einem Material besteht, das kleine Hystereseverluste, beispielsweise ähnlich Ferriten hat.

5. Synchronisiereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das eine oder mehrere ferromagnetische Elemente (92, 94) symmetrisch zur Schwingungsmittelebene angeordnet sind.

6. Synchronisiereinrichtung, bei der das Permanentmagnetsystem mindestens zwei Gruppen von Magnetpaaren aufweist, die symmetrisch zur Schw'mgungsmittelebene angeordnet sind, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das ferromagnetische Zusatzelement (56) mit einer oder beiden Gruppen bei jeder Halbschwingung zusammenwirkt.

7. Synchronisiereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Synchronisierfrequenz des Schwingers in der Größenordnung von I bis 30 Hz ist.

8. Synchronisiereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Synchronisierampiituden zwisehen 280 und 30° sind.

9. Synchronisiereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das ferromagnetische Zusalzelement (56) die Form eines dünnen Plättchens hat. K).

Synchronisiereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis K, dadineb gekennzeichnet, daß das ferromagnetische Zusalzelement (56) als Pulver dispergiert in einem Träger angeordnet ist.

11. Synchronisiereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das ferromagnetische Zusatzelemenl (56) in der Schwingungsmittelebene angeordnet ist.

12. Synchronisiereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsspule (26) eine langgestreckte Ovalform hat und quer zur Schwingungsmittelebene [A-A) angeordnet ist.

13. Synchronisiereinrichtung nach einem der Ansprüche I bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß beidseits der Schwingungsmittelebene mindestens je ein ferromagnetisches Zusatzelement (92, 94) angeordnet ist.

14. Synchronisiereinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine kreisrunde Antriebsspule (90) exzentrisch zur Schwingungsachsc des Schwingers und symmetrisch zur Schwingungsmittelebene (B-B) angeordnet ist.