DE2245644B2 - Anordnung zur aufrechterhaltung der schwingungen eines mechanischen resonators - Google Patents

Description

3. Anordnung nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß neben der Steuerspannung (13, 17) und der induzierten Spannung noch zwei weitere Spannungen (18, 19) vorgegebener, voneinander abweichender Frequenz (A, B) der logischen Schaltung (20 bis 28) zuführbar sind, welche zur Zerhackung der Steuerspannung (13) auf Grund der Kombination dieser weiteren Spannungen (18, 19) ausgebildet ist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die logische Schaltung ein erstes NAND-Glied (20) zur Verknüpfung der weiteren Spannungen (18, 19), ein zweites NAND-Glied (21) zur Verknüpfung des Ausgangssignals des ersten NAND-Gliedes (20) mit der Steuer-Spannung (17), ein drittes NAND-Glied (22) zur Verknüpfung des invertierten Ausgangssignals des ersten NAND-Gliedes (20) mit der invertierten Steuerspannung (17) sowie ein viertes NAND-Glied (25) zur Verknüpfung der Ausgangssignale des zweiten und dritten NAND-Gliedes(21,22) aufweist.

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Die Erfindung betrifft eine insbesondere für elektroche Uhren vorgesehene Anordnung zur Aufrechtertung und Synchronisierung der Schwingungen eines chanischen Resonators mit einem insbesondere auf scm angeordneten Magneten und einer mit diesem iammenwirkenden Spule und mit einer logischen

644 Schaltung, welcher eine rechteckförmige Steuerspannung vorgegebener Frequenz und die in der Spule auf Grund der Relativbewegung zu dem Magneten induzierte Spannung zugeführt werden und welche die Abgabe von Antriebsimpulsen steuert, wenn die induzierte Spannung einen vorgegebenen Wert übersteigt.

Bei einer bekannten Anordnung dieser Art (DT-OS 20 24 010) werden Steuerimpulse mit einer Folgefrequenz, die annähernd einem vielfachen der Frequenz der induzierten Spannung und damit der Frequenz des zu synchronisierenden Resonators ist, einem Eingang einer logischen UN D-Verknüpfungsschaltung zugeführt. Mit Hilfe einer Schwellenwertschaltung werden der negativen Häibschwingung der induzierten Spannung entsprechende Impulse erzeugt und auf einen weiteren Eingang der UND-Verknüpfungsschaltung gegeben. Zum Ausgang der mit der Spule verbundenen UND-Verknüpfungsschaltung gelangen deshalb nur solche Steuerimpulse als Antriebsimpulse, die während der negativen Halbschwingung des Resonators auftreten.

Da die Form der zur Aufrechterhaltung der resonatorschwingung zugeführten Antriebsimpulse und damit die zugeführte Energiemenge nicht geändert werden kann, ist es mit dieser bekannten Anordnung nicht möglich, die gewünschte Schwingung auch dann noch aufrecht zu erhalten, wenn sich die Dämpfung des mechanischen Resonators ändert, z. B. durch eine altersbedingte Reibungserhöhung in den Lagern des mechanischen Resonators größer wird. Da die lediglich zur Aufrechterhaltung der Schwingung benötigte Antriebsenergie, wie sie über die den Ausgang der UND-Verknüpfungsschaltung verlassenden Steuerimpulse zugeführt wird, reiativ gering ist, ist für eine Synchronisation des Resonators für den Fall einer Abweichung von der gewünschten Frequenz eine relativ lange Zeit erforderlich. Außerdem ist eine sichere Synchronisation nicht bei allen Phasenabweichungen der Resonatorschwingung von der durch die Frequenz der Steuerimpulse vorgegebenen gewünschten Schwingung möglich. In bestimmten Phasenabweichungsbereichen gelangt jeweils nur ein Teil des Steuerimpulses durch die UND-Verknüpfungsschaltung, der aber zum Ausgleich der Schwingungsdämpfung und damit zur Aufrechterhaltung der Resonatorschwingung nicht mehr ausreicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine rasche Synchronisation der Schwingung des mechanischen Resonators mit dem Steuersignal zu bewirken und zwar bei beliebigen Phasenabweichungen und auch bei sich ändernder Resonatordämpfung.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einet Anordnung der eingangs beschriebenen Art, die dadurch gekennzeichnet ist, daß Mittel vorgesehen sind die den Resonator zur Änderung der Schwingfrequens oberhalb eines bestimmten Wertes seiner Amplitude beidseitig seiner Ruhelage elastisch zurückstoßen, unc daß die logische Schaltung so ausgebildet ist, daß die Antriebsimpulse in zwei Impulsfolgen unterschiedlicher Energieinhalts dadurch aufgeteilt werden, daß da; Steuersignal für jeden seiner aufeinanderfolgender Stromrichtungswechsel in Abhängigkeit von der Pha senbeziehung zwischen induzierter Spannung unc .Steuerspannung so zerhackt wird, daß wechselweise Energien unterschiedlichen Energieinhalts enistehen.

Da die zur Aufrechterhaltung der Resonatorschwin gung zugeführte Energie um so größer ist, je größer die

?husenabweichung zwischen der der Resonatorschwinjung entsprechenden induzierten Spannung und der ?teuerspannung ist, läßt sich eine rasche Synchronisalion erreichen. Sollte sich die Resonatprdämpfung im Laufe der Zeit ändern, wird in^folge der dadurch bedingten Neigung zu einer Fehl-Synchronisation die zugeführte Aufrechterhaltungsenergie erhöht, die Synchronisation trotzdem herbeigeführt und automatisch eine Anpassung an den neuen Dämpfungswert herbeigeführt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand eines Ausführungsbsispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 und 2 einen axialen Schnitt bzw. eine Draufsicht eines Beispiels eines erfindungsgemäßen mechanischen Resonators,

Fig.3 bis 8 Diagramme zur Erklärung des der Anordnung zugrunde liegenden Prinzips,

F i g. 9 ein Beispiel einer erfindungsgemäß verwendbaren elektronischen Schaltung,

Fig. 10 Spannungskurven, die zeigen, wie die Steuerfrequenz /"zerhackt wird.

Bei dem als Beispiel gezeigten Resonator der F i g. 1 und 2 handelt es sich um die Unruh eines Uhrwerkes.

Die vorliegende Erfindung soll jedoch nicht ausschließlich im Gebiet der Uhrmacherei Anwendung finden, sondern bei jedem mechanischen Resoamor, der die weiter unten angeführten Merkmale aufweist.

Die Unruh 1 hat die Form eines Waagebalkens, der um die Welle 2 schwingt, und zwar unter der wirkung von elektrischen Impulsen, die der Wicklung einer Antriebsspule 3 zugeführt werden und von dieser aus einen Permanentmagneten 4 beeinflussen, der an dem Waagebalken angeordnet ist. Der Waagebalken unterliegt ferner der Wirkung einer Spiralfeder 5.

Der Magnet 4 ist so angeordnet, daß er in der Ruhelage der Spiralfeder zwischen den Armaturen 6 des durch die Antriebsspule 3 und ihren Kern 7 gebildeten Elektromagneten liegt.

Das Ganze liegt zwischen einer Werkplatte 8 und einer Brücke 9.

Der Waagebalken trägt noch einen Stift 10, der auf ein elastisches Band 11 auftritt, sobald die Schwingung des Waagebalkens über einen vorbestimmten Winkel hinausgeht.

Bei jedem Durchschwingen des Magneten 4 zwischen den Armaturen 6 wird in der Spule 7 ein sinusförmiger Strom induziert. Die induzierte Spannung nimmt bis zu einem Maximum zu und verringert sich dann wieder mit zunehmender Entfernung des Permanentmagneten vom Elektromagneten. Sie wird erfindungsgemäß mit rechteckigen Impulsen der Frequenz /"verglichen, mit denen diese induzierte Spannung synchronisiert werden soll, was in der Weise geschieht, daß man dem Antriebselektromagneten 3 bis 6 eine entsprechende veränderliche Energie zuführt.

Die Fig. 3 bis 8 veranschaulichen das hierzu angewendete Verfahren. do

Die F i g. 3 zeigt die sinusförmige Welle 12, die dem in der Spule 3 induzierten Signal entspricht, und darunter die rechteckige Steuerv.elle 13 der Frequenz f. Signal und Steuerwelle verlaufen hier genau synchron, so daß dem resonator nur eine relativ kleine Aufrechtcrhal- <>5 tungsenergie zugeführt zu werden braucht.

Dies geschieht gemäß F i g. 4 dadurch, daß die Rpi-hteckwelle 13 derart zerhackt wird, daß zum Beispiel nur ein Viertel ihrer Energie benützt wird, wie es durch die Flächen 14 dargestellt ist. Außerdem wird die Energie der Rechteckwelle nur oberhalb eines gewissen Pegels 15 des Signales 12 wirksam.

In Fig.5 verlaufen Signal 12 und Aufrechterhaltungs-Rechteckwelle 13 gegenphasig. Um den Resonator wieder zu synchronisieren, muß dem Elektromagneten deshalb eine relativ große Energiemenge zugeführt werden.

Die F i g. 6 zeigt, wie man verfährt. Die Recltteckwel-Ie wird derart zerhackt, daß man etwa drei Viertel von ihr benützt, wie es durch die Flächen 16 dargestellt ist. Dies entspricht einer Energie, die dreimal so groß wie die gemäß F i g. 4 benützte Energie ist. Auch hier wird die Energie der Rechteckwelle wieder nur oberhalb des Pegels 15 wirksam.

Verfährt man so, daß wechselweise ein oder drei Viertel der gesamten Energie benützt werden, erhält man eine Impulsfolge E und 3E (im vorliegenden Beispiel), wobei jeder Wert während einer gewissen Zeit der Schwingung der Frequenz /"wirksam ist.

Eine solche Impulsfolge E und 3£ tritt im allgemeinsten Fall auf, wenn nämlich irgendeine Phasenverschiebung zwischen Signalkurve 12 und Rechteckwelle 13 besteht. Dieser Fall ist in den F i g. 7 und 8 veranschaulicht.

Die F i g. 7 zeigt eine Phasenverschiebung L zwischen dem Signal 12 und dem rechteckigen Impuls 13. Als Folge dieser Phasenverschiebung wird dem Resonator während der Zeit L eine Energie 3E und während der übrigen Zeit L" seiner halben Schwingungsperioden eine Energie E zugeführt. Die Zufuhr dieser Energie 3 L'E + L"E führt zur Wiederherstellung des Synchronisationszustandes.

Da die Antriebsimpulse stets gleichgerichtet sein müssen, werden sie, wie man weiter unten sehen wird, durch den durch die Resonatorschwingungen induzierten Strom ausgelöst.

Eine Schaltung für eine derartige Steuerung ist in F i g. 9 dargestellt, wobei wiederum angenommen ist, daß die Gesamtenergie im Verhältnis eins zu drei aufgeteilt wird.

Es sind drei Wechselstromquellen vorgesehen, welche Rechteckwellen liefern.

Die eine, 17, liefert die Steuerimpulse und hat zum Beispiel eine Frequenz von 2 Hz.

Die anderen beiden Wechselstromquellen 18 und 19 liefern Rechteckwellen mit einer Frequenz von 1024 Hz bzw. 512Hz und sind mit einem NAND-Tor 20 verbunden.

Es folgen zwei weitere NAND-Tore 21 und 22, die durch die Rechteckwelle mit der Frequenz 2 Hz gesteuert werden und zwar das eine, 21, unmittelbar und das andere, 22, über einen Inverter 23. derAusgang des NAND-Tores 20 ist gleichfalls mit den zwei NAND-Toren 21 und 22 verbunden, und zwar mit dem Tor 21 unmittelbar und mit dem Tor 22 über einen Inverter 24.

Die Ausgänge der NAND-Tore 21 und 22 sind mit einem NAND-Tor 25 verbunden, dessen Ausgang die Quelle der zerhackten Impulse bildet.

Vom Tor 25 aus gelangen diese Impulse auf eir NOR-Tor 26, dessen Ausgangssignal über einer Transistor 27 den in die Antriebsspule 3 gelieferter Aufrechterhaltungsstrom steuert.

Die beschriebene Anordnung wirkt folgendermaßen:

Die Fig. 10 zeigt vier Kurven, wovon die Kurven / und ßden Rechteckimpulsen der Frequenz 512 Hz, bzw 1024 Hz entsprechen, zwischen denen also das Verhält

nis eins zu zwei besteht.

In der Logik-Darstellung nehmen diese Impulse wechselweise die Werte 0 und 1 an. Wie I ig.9 zeigt, werden sie dem N AN D-Tor 20 zugeführt.

Ein solches Tor weist folgende Logik-Tabelle auf:

00 = 1

01 = 1 10 = 1

11=0

Durch Vergleichen und Überlagern der Kurven A und B in Fig. 10 sieht, man, daß das Ausgangssignal des Tores 20 die Gestalt der Kurve Chat.

Diese Kurve zeigt nacheinander den logischen Wert 0 während ¹A Periode, und den logischen Wert 1 während ³A Periode.

Dies ist die zerhackte Spannung, die dem NAND-Tor gleichzeitig mit der Steuerfrequenz zugeführt wird, die im vorliegenden Beispiel 2 Hz ist.

Diese zerhackte Spannung geht außerdem durch den Inverter 24, verläßt diesen in der Gestalt der Kurve D und wird anschließend gleichzeitig mit der durch 23 invertierten Steuerspannung dem NAND-Tor 22 zugeführt.

Auf Grund der zuvor angegebenen Logik-Tabelle treten folgende Zustände auf:

b)

20

2Hz

Die Steuerrechteckwelle der Frequenz
(Steuersignal) hat den logischen Wert »1«:

a) Am Eingang des NAND-Tores 21 treten das Steuersignal »1« und die während ³A ihrer Periode den Wert »1« aufweisende Kurve Cauf. so daß an dessen Ausgang die gegenüber der Kurve Cinvertierte Kurve Derscheint;
am Eingang des NAND-Tores 22 treten der invertierte Wert »0« des Steuersignals und die während ¹A ihrer Periodendauer den Wert »1« aufweisende Kurve D auf, so daß an dessen Ausgang gleichbleibend der logische Wert »1« erscheint;

c) am Ausgang des NAND-Tores 25 tritt die

Kurve Cauf.
2. Die Steuerrechteckwelle hai den logischen Wert

a) Am Eingang des NAND-Tores 21 treten das Steuersignal »0« und die Kurve Cauf, so daß an dessen Ausgang gleichbleibend der logische Wert »0« erscheint:

am Eingang des NAND-Tores 22 treten die Kurve D und der invertierte Wert »1« des Steuersignals auf, so daß an dessen Ausgang die

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b)

gegenüber Kurve D invertierte Kurve C erscheint;

c) am Ausgang des NAND-Tores 25 tritt dit Kurve Dauf.

Die Zustände gemäß 1. und 2. wechseln sich den Logikwertwechsel der Steuerrechteckwelle der Fre quenz 2 Hz entsprechend ab, so daß am Ausgang de; NAND-Tores 25 während einer Halbperiode dei Steuerrechtcckwelle der Frequenz 2 Hz das Vi dei Energie benutzende und während der anderen Halbwolle das ¹A der Energie benutzende Signal auftritt.

Diese am Ausgang des NAND-Tores 25 auftretende neue Impulsreihe wird dem NORTor 26 zugeführt welches andererseits über den Inverter 28 mit einen-Steuerstromkreis verbunden ist, der unter dem EinlluU der durch die Spule 3 gelieferten induzierten Impulse liegt.

Diese Impulse werden über die Kapazität 29 dem Transistor 30 zugeführt. Es sind zwei Widerstände 31 und 32 vorgesehen, von denen der erste sowie eine Kapazität 29 genügend große Werte aulweisen, um den Transistor 30 als C-Verstärker und somit als Pcgeldetektor zu betreiben. Die Aufgabe cieses Transistors ist es, die in der Spule 3 induzierten sinusförmigen Signale nur dann durch zu lassen, wenn ihr Wert einen gew issen Pegel (15 in Fig. 3 bis 8) überschreitet.

Die auf diese Weise erhaltenen Impulse gelangen über einen Inverter zum NOR-Tor.

Die Logik-Tabelle eines NOR-Tores ist bekanntlich:

00 = 1

01 = 0
10 = 0
11=0

Wenn nun die der Antriebsspuie 3 induzierte Spannung den Schwellenwert des Pegeldetektors (Transistor 30) überschreite!, tritt zwischen den Anschlüssen des Widerstandes Xl und damit am Inverter 28 ein Logik-Signal »1« auf und damit am Ausgang des Inverters ein Logik-Signal <>0«, was zur Folge hat, daß sich das NOR-Tor 26 öffnet, so daß dem MOS-Verstärkertransistor 27 eine gegenüber dem Ausgangssignal des NAND-Tores 25 invertierte Spannung zugeführt wird.

Ein Teil der verstärkten Rechteckimpulsfolge wird der Spule 3 wie oben beschrieben zugeführt.

Man könnte selbstverständlich andere Frequenzen als die oben als Beispiel angegebenen wählen, um die geschilderten elektronischen Vorgänge mit anderen Mitteln auszulösen.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche: 22

1. Insbesondere für elektronische Uhren vorgesehene Anordnung zur Aufrechterhaltung und Synchronisierung der Schwingungen eines mechanischen Resonators mit einem insbesondere auf diesem angeordneten Magneten und einer mit diesem zusammenwirkenden Spule und mit einer logischen Schaltung, welcher eine rcchteckförmige Steuerspannung vorgegebener Frequenz und die in der Spule auf Grund der Relativbewegung zu dem Magneten induzierte Spannung zugeführt werden und welche die Abgabe von Antriebsimpulsen steuert, wenn die induzierte Spannung einen vorgegebenen Wert übersteigt, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (11) vorgesehen sind, die den Resonator zur Änderung der Schwingfrequenz oberhalb eines bestimmten Wertes seiner Amplitude beidseitig seiner Ruhelage elastisch zurückstoßen und daß die logische Schaltung (20 bis 28) so ausgebildet ist, daß die Antriebsimpulse in zwei Impulsfolgen unterschiedlichen Energieinhalts dadurch aufgeteilt werden, daß das Steuersignal für jeden seiner aufeinanderfolgenden Stromrichtungswechsel in Abhängigkeit von der Phasenbeziehung zwischen induzierter Spannung und Steuerspannung so zerhackt wird, daß wechselweise Energien unterschiedlichen Energieinhalts entstehen.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitpunkt des Wechsels von der Impulsfolge des einen Energieinhalts ^iE) zu der Impulsfolge des anderen Energieinhalts (E) von der Phasenabweichung zwischen der Steuerspannung (13,17) und der induziertet? Spannung (12) abhängig ist.