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Elektronisch gesteuertes, mechanisches Schwingorgan, insbesondere für Uhren Die Erfindung betrifft ein kontaktlos über eine elektronische Schaltungsanordnung, insbesondere eine Transistorrückkopplungsverstärkereinrichtung, gesteuertes, zeitbestimmendes mechanisches Schwingorgan, insbesondere für Uhren.
Es ist bereits bekannt, auf einem mechanisch schwingfähigen System eine mit einen stationären Permanentmagnet zusammenwirkende Steuerspule anzuordnen, die an die Gitter zweier im Gegentakt geschalteter Trioden angeschlossen ist. Bei einem mechanischen Anstoss des mechanischen Systems schaukelt sich das selbsterregte elektrische System und zugleich wegen des Zusammenwirkens der Steuerspule mit dem Magnet auch das mechanische System bis zu einer bestimmten mechanischen Schwingungsamplitude auf. Bei diesem Schwingungserzeuger ist damit die elektrische Frequenz gleich der mechanischen. Die gesamte Einrichtung benötigt zur Funktion eine Vielzahl von elektrischen Elementen, ganz abgesehen davon, dass zwei Trioden notwendig sind. Auch zum Anlauf ist ein äusserer Anstoss erforderlich.
Ferner ist eine Antriebseinrichtung eines schwingenden Pendels bekannt, bei der ein auf dem Pendel befestigter Pergamentmagnet in zwei Spulen, und zwar eine Antriebsspule und eine Steuerspule eintaucht. Die beiden Spulen sind miteinander magnetisch gekoppelt und mit einem Transistor und einer Stromquelle derart verbunden, dass bei ausreichender Kopplung der beiden Spulen ein selbsterregtes elektrisches System entsteht. Diese erforderliche Kopplung wird durch das mechanische Einschwingen des Permanentmagneten erzeugt, worauf das elektrische System mit höherer als der mechanischen Schwingfrequenz zu schwingen beginnt. Die Antriebsspule übt dann bis zum Abriss der elektrischen Schwingungen auf das Pendel einen mechanischen Impuls aus, der zur Aufrechterhaltung der Schwingung ausreicht.
Diese bekannte Einrichtung hat den Nachteil, dass sie nicht von selbst anschwingen kann, vielmehr muss das Pendel mechanisch in Gang gebracht werden.
Ferner ist vorgeschlagen worden, einen Permanentmagnet auf einer Unruh anzuordnen und bei seinem Vorbeischwingen an einer Steuerspule in dieser einen Impuls zu erzeugen, der verstärkt einer auf die Unruh einwirkenden Antriebsspule zugeführt wird. Auch hier kann die Antriebseinrichtung aus der Ruhelage nicht selbst anschwingen.
Schliesslich ist es auch schon vorgeschlagen worden, auf der Unruh eine Antriebsspule anzuordnen, die mit einer stationären Steuerspule zusammenwirkt, die zwischen zwei Permanentmagneten angeordnet ist. Dabei ist die Steuerspule im Steuerkreis und die Antriebsspule im Anodenkreis angeordnet.
Bei dieser Anordnung sind die beiden Spulen in Ruhelage.der- art miteinander gekoppelt, dass das elektrische System sich mit hoher Frequenz selbst erregt. Da nunmehr in der zweiten, das heisst der Antriebsspule, ein gleichgerichteter Strom fliesst, ergibt sich eine Anziehungskraft zwischen dieser auf dem Schwinger sitzenden Spule und dem Magnetfeld, so dass das Schwingorgan anschwingt. Diese mechanische Schwingung schaukelt sich dann bis zu einer bestimmten mechanischen Schwingamplitude auf, mit der es ständig weiterschwingt.
Im Gegensatz zu diesen bekannten bzw. vorgeschlagenen Anordnungen kann bei einem kontaktlos über elektronische Mittel, insbesondere eine Transi- storrückkopplungsverstärkungsschaltung, gesteuerten, zeitbestimmenden, mechanischen Schwingorgan mit einem Magneten, vorzugsweise Dauermagneten, und einer mit dem Magneten zusammenwirkenden Antriebsspule, die sich im Takt des Schwingorgans re-
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lativ zum Feld des Magneten und der Antriebsspule bewegt, die Anordnung so getroffen werden, dass ein Kippgenerator vorgesehen ist, bei dem in einem Zweig, vorzugsweise im Kollektor- oder Anodenzweig, die Antriebsspule vorgesehen ist.
Bei der mechanischen Relativbewegung von Antriebsspule und Magnet wird in der Antriebsspule eine ungefähr sinusförmige Spannung erzeugt, die der Basis eines Transistors oder dem Gitter einer Röhre, aufgedrückt wird. Hierdurch wird der Kippvorgang synchron mit der mechanischen Bewegung gesteuert.
Als Kippgenerator kann irgendeine an sich bekannte Kippschaltung verwendet werden, sofern dort das Kippen eintritt. Die Kippgeneratoren können mit einer oder mehreren Röhren bzw. einem oder mehreren Transistoren ausgestattet sein. Im Vergleich zu den bekannten bzw.
vorgeschlagenen Oszillatorschal- tungen für mechanische Schwingorgane hat der Kipp- generator den Vorteil, dass nur eine einzige Spule vorhanden ist, deren Induktivität für den Vorgang nicht kritisch ist, während bei den Oszillatoren mit Kopplung das richtige Schwingen weitgehend von der Bemessung, der Güte und der gegenseitigen Induk- tivität der Spulen, das heisst, ihre relative Lage zueinander, abhängt. Falls die hierdurch sich ergebende Kopplung nicht die richtige Grösse aufweist, müssen an derartigen Einrichtungen, besonders bei kleinen Teilen, schwierig durchzuführende Justierungen vorgenommen werden.
Ferner sind bei der Kippgene- ratorschaltung alle ungünstigen Rückwirkungen zwischen dem Magneten und der bewegten Spule vermieden worden, da nun durch den Magneten im Zusammenhang mit der Antriebsspule das ganze System synchronisiert oder getriggert wird.
Eine günstige Anordnung ergibt sich, wenn in an sich bekannter Weise der Dauermagnet stationär und die Antriebsspule auf dem Schwingorgan angeordnet ist, doch ist es auch ohne weiteres möglich, in bestimmten Fällen den Dauermagneten beweglich und die Antriebsspule stationär vorzusehen, Zweckmässig wird der Kippgenerator so ausgelegt, dass er das Schwingorgan aus der Ruhelage zum Anschwingen bringt. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, dass sich die mechanische Eigenschwingung des Schwingorgans und die elektrische Frequenz des Kippgenerators nicht erheblich unterscheiden.
Es können jedoch auch die beiderseitigen Frequenzen ein Vielfaches bzw. einen Bruchteil voneinander betragen, und auch hierdurch ist das Anschwingen des Schwingorgans aus der Ruhelage gewährleistet.
Der mit der Antriebsspule zusammenwirkende Magnet kann von beliebiger Art, beispielsweise auch ein Elektromagnet, sein. Zweckmässig wird jedoch zur Vereinfachung der Anordnung ein Permanent- magnet verwendet. Um ein kräftiges Magnetfeld zu erzeugen, kann dieser Permanentmagnet einen Hauptmagnet aufweisen, dem in Ruhelage des Schwingorgans die Antriebsspule gegenübersteht, und es kann dann auf einer, vorzugsweise auf beiden Seiten dieses Hauptmagneten, je ein parallel und entgegengesetzt zum Hauptmagneten gerichteter Seitenmagnet angeordnet sein, so dass zwischen dem Hauptmagnet und diesem letzteren kräftige Magnetfelder entstehen.
Antriebsstösse können auf den Schwingkörper an irgendeiner beliebigen Stelle während einer Schwingung oder Halbschwingung auftreffen, und damit ergibt sich durch eine ungleichmässige Dauer der Halbschwingungen eine Gangungenauigkeit, die besonders bei hochwertigen Uhren unerwünscht ist.
Dieser Nachteil kann bei kontaktlos, über elektronische Mittel gesteuerten, elektrischen Antriebsvorrichtungen zum Antrieb eines periodisch hin- und herschwingenden Schwingkörpers, insbesondere der Unruh einer Armbanduhr, mit einem Magnetsystem und einem Spulensystem, die einerseits auf einem stationären Teil und andererseits auf dem Schwingkörper angeordnet sind, dadurch vermieden werden, dass der je Schwingung mindestens einmalige Antriebsimpuls im wesentlichen symmetrisch zur Ruhelage, das heisst, der Schwingungsmitte, des Schwingorgans erfolgt. Bei dieser Anordnung beeinflusst der Anstoss die jeweiligen beiden Halbschwingungen gleichmässig, so dass eine Gangungenauigkeit, als Folge des Anstosses, praktisch ganz vermieden wird.
Ausserdem hat gerade bei elektronischen Antriebsvorrichtungen diese Anordnung den Vorteil, dass die aus irgendeinem Grund eintretenden Änderungen, insbesondere der elektrischen Grössen, zu keiner Störung der Genauigkeit führen, da durch sie üblicherweise nur eine Verbreiterung oder zur Schwingungsmitte symmetrische Verlagerung des Impulses oder der Impulse herbeigeführt wird. Solche Änderungen können beispielsweise durch den Temperaturgang der verwendeten Transistoren oder die Verlage- gerung des Arbeitspunktes eines Transistors eintreten.
Die Anordnung kann nun derart sein, dass der jeweilige Antriebsimpuls kurz vor Erreichen der Mittellage des Schwingkörpers beginnt und eine entsprechende Zeit bis nach dieser Mittellage andauert. Eine ungünstige Einwirkung auf den Schwingkörper wird jedoch auch dann vermieden, wenn binnen je Halbschwingung ein Antriebsimpuls erfolgt und diese Antriebsimpulse gleich sind und in gleichem Abstand von der Mittellage auftreten. Dabei ist es auch ohne weiteres möglich, die beiden vorerwähnten Arten von Impulsen nebeneinander zu verwenden. Falls je Schwingung zwei Antriebsimpulse symmetrisch zur Ruhelage erzeugt werden, ist es zweckmässig, diese verhältnismässig nahe zur Mittellage anzuordnen.
Erwähnt sei noch, dass es selbstverständlich auch möglich ist, bei jeder Halbschwingung mehrere Impulse auf den Schwingkörper einwirken zu lassen, sofern nur auf die andere Halbschwingung die gleiche Zahl, Phase und Art von Impulsen einwirkt.
Die Erzeugung der Antriebsimpulse geschieht am besten dadurch, dass die aufeinander einwirkenden Teile des Magnetsystems und des Spulensystems,
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beispielsweise ein Magnetteilsystem und eine Spule, so angeordnet sind, dass sie im Ruhestand des Schwingkörpers, in Axialrichtung gesehen, symmetrisch zu der durch die Schwingachse gehenden Mittelebene angeordnet sind. Dabei ist es vor allem wichtig, dass eine elektrische Symmetrie besteht, die jedoch in vielen Fällen aus der mechanischen Symmetrie erfolgt oder mit ihr im Zusammenhang steht. Für den eigentlichen Antrieb ist es dabei gleichgültig, ob das Magnetsystem stationär und das Spulensystem beweglich ist, oder ob die Anordnung umgekehrt ist.
Falls ein aus mehreren Magnetteilsystemen bestehendes Magnetsystem und ein aus mehreren Spulen bestehendes Spulensystem verwendet werden, ist es zweckmässig, diese in gleichmässigen Abständen von der vorerwähnten Mittellage anzuordnen. Beispielsweise ist es günstig, wenn bei insgesamt drei Spulen diese um 120 gegeneinander versetzt sind. Dasselbe trifft dann auch auf die Magnetteilsysteme zu.
Um die gewünschte Form der Antriebsimpulse zu erhalten, kann ein Magnetteilsytem jeweils aus einem Magnetstück oder aus einem oder mehreren Paaren von Magnetstücken bestehen, doch ist es für den Antrieb ausreichend, wenn nur je ein einziges derartiges System vorhanden ist, das dann das ganze Magnetsystem bildet. In diesem Fall ist auf dem Schwingkörper zweckmässig nur eine einzige Spule angeordnet, und im Ruhezustand sind die beiden Magnetstücke in Axialrichtung gesehen, um den gleichen Zentriwinkel von der Mittellage der Spule nach beiden Seiten entfernt.
Die Magnete selbst können von beliebiger Art sein, und die Erregung kann über eine besondere Wicklung erfolgen. Wegen der beschränkten Platzverhältnisse ist es jedoch meist zweckmässig, Permanentmagnete zu verwenden. Bei Anbringen von gleichen Permanentmagneten sind üblicherweise die mechanischen Abmessungen der beiden Magnetstücke gleich. Die beiden Magnetstücke sind dabei so angeordnet, dass sie an ihren der Spule zugekehrten Enden verschiedene Polarität aufweisen, dass also beispielsweise der eine Pol ein Nordpol und der andere Pol ein Südpol ist.
Um die Wirkung der Magnete zu verbessern, ist es günstig, wenn in der Ruhelage die Magnetstücke, in Achsrichtung gesehen, unterhalb der Seitenschenkel der Spule angeordnet sind, wobei unterhalb lediglich die Richtung angeben soll.
Die Form der Magnetstücke kann an sich beliebig sein, doch wird sie aus fabrikatorischen Gründen häufig zylindrisch gewählt. Zur Verstärkung der Wirkung ist es günstig, wenn die Magnete einen ungefähr rechteckigen Querschnitt aufweisen, der in seiner Lage und Grösse ungefähr der Breite der Seitenschenkel der Spule, in Achsrichtung gesehen, ange- passt ist.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des mechanischen Aufbaues des erfindungsgemässen Schwingorgans und Ausführungsbeispiele für die hierzu gehörenden elektronischen Schaltungen dargestellt. Es zeigen Fig. 1 eine Seitenansicht eines mechanischen Schwingorgans gemäss der Erfindung nach einer 1.
Ausführungsform, wobei einzelne Teile entlang der Linie 1-1 der Fig. 3 geschnitten oder aufgebrochen sind ; Fig. 2 eine Teilansicht in Richtung des Pfeiles A ; Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie 3-3 der Fig. 1 ; Fig. 4 ein erstes Schaltschema einer Kippgenera- torschaltung ; Fig. 5 ein zweites Schaltschema einer Kippgene- ratorschaltung ; Fig. 6 ein Beispiel für die symmetrische Verteilung der Impulse mit theoretisch angenommenen Kurven nach einer zweiten Ausführungsform eines mechanischen Schwingorgans ;
Fig. 7 ein Oszillogramm der in der Schwingkör- perspule induzierten EMK ; Fig. 8 eine Seitenansicht einer Antriebsvorrichtung der Unruh nach der zweiten Ausführungsform einer Armbanduhr, wobei einzelne Teile nach der Linie 8-8 der Fig. 10 geschnitten oder aufgebrochen sind ; Fig. 9 eine Teilvorderansicht in Richtung des Pfeiles A ; Fig. 10 einen Schnitt nach der Linie 10-10 der Fig. 8 ; Fig. 11 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Schaltschemas einer Antriebsvorrichtung ;
Fig. 12 ein Kurvenbild der in der Schwingkörperspule induzierten EMK mit gleichen Amplituden; Fig. 13 eine Draufsicht auf eine dritte Ausführungsform des Unruhkörpers zur Erreichung der Kurve nach Fig. 12 ; Fig. 14 einen Schnitt nach der Linie. 14-14 der Fig. 13 ; Fig. 15 eine Draufsicht auf eine vereinfacht dargestellte vierte Ausführungsform des Unruhkörpers zur Erreichung der Kurve nach Fig. 12 ; Fig. 16 einen Schnitt nach der Linie 16-16 der Fig. 15.
In der Fig. 1 ist eine Unruhwelle mit 10 bezeichnet, die bei 11 in einer Platine 13 und bei 12 in einer Brücke 14 gelagert ist. Auf der Unruhwelle 10 ist ein scheibenförmiger Schwingkörper 18 befestigt, der im Abstand von der Mittelachse eine Antriebsspule 19 trägt. Mit 20 und 21 sind zwei Spiralfedern bezeichnet, deren eine Enden mit der Unruhwelle bzw. dem Schwingkörper und deren andere Enden mit Bolzen 25 und 26 verbunden sind, die in der Platine 13 befestigt sind. Da die Antriebsspule 19 über diese beiden Spiralfedern ihren Strom erhält, ist eine der Spiralfedern gegen Masse isoliert.
Die beiden Verbindungsleitungen zwischen Spiralfedern und Antriebsspulen sind in der Zeichnung nicht eingezeichnet.
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Auf der Unruhwelle ist ferner noch die übliche Einrichtung zur übertragung der Schwingung auf das Uhrwerk angeordnet.
Auf der Brücke 14 ist ein aus magnetisierbarem Material bestehendes Joch 30 befestigt, auf dem drei permanente Magnete 32, 33 und 34 parallel zueinander angeordnet sind.
In Ruhelage der Unruh ist dabei der mittlere als Hauptmagnet bezeichnete permanente Magnet 33 koaxial mit der Antriebsspule 19. Die beiden als Seitenmagnete bezeichneten Magnete 32 und 34 sind entgegengesetzt wie der Hauptmagnet 33 polarisiert (vergleiche Fig. 2).
Im folgenden sollen die in Fig. 4 und 5 dargestellten Schaltungen des näheren beschrieben werden. Die Antriebsspule und der Hauptmagnet sind in beiden Schaltungen entsprechend den Fig. 1 bis 3 mit 19 bzw. 33 bezeichnet.
In Fig. 4 ist der Anschlusspunkt 40 der Antriebsspule 19 mit dem Emitter eines Transistors 42 und mit dem Pluspol einer Stromquelle 43 verbunden, während der Verbindungspunkt 45 der Antriebsspule 19 mit dem Kollektor eines Transistors 46 und über einen Kondensator 47 mit der Basis des Transistors 42 verbunden ist. Die Basis des Transistors 46 ist ausserdem am Kollektor des Transistors 42 angeschlossen.
Die Basis des Transistors 42 ist ferner über einen einstellbaren Widerstand 48 mit dem Emitter des Transistors 46 und mit dem Minuspunkt der Stromquelle 43 verbunden.
In dem Schaltschema nach Fig. 5 ist der Verbindungspunkt 50, an dem das eine Ende der Antriebsspule 19 angeschlossen ist, mit dem Pluspol einer Stromquelle 51, ferner über einen Widerstand 52 mit der Basis eines Transistors 54 und ausserdem über einen einstellbaren Widerstand 56 mit der Basis eines zweiten Transistors 58 verbunden. Von dem an das andere Ende der Antriebsspule 19 angeschlossenen Verbindungspunkt 60 führt eine Leitung zum Kollektor des Transistors 54, und dieser Punkt ist ferner über einen Kondensator 62 mit der Basis des Transistors 58 verbunden.
Vom Kollektor des Transistors 58 führt eine Verbindung über einen Kondensator 64 zur Basis des Transistors 54, und zwischen Kollektor und Emitter des Transistors 58 ist noch ein Ableitwiderstand 66 angeschlossen.
Auf die Wirkungsweise der beiden Kippgenerator- schaltungen nach Fig. 4 und 5 braucht nicht näher eingegangen zu werden, da sie als grundsätzlich bekannt vorausgesetzt werden können.
In Fig. 6 ist die in der Spule einer Unruh durch ein aus zwei Magnetstücken, wie vorstehend angegeben, bestehendes Magnetsystem erzeugte elektrische Spannung dargestellt. Dabei ist auf der X-Achse die Zeit T und auf der Y-Achse die induzierte elektrische Spannung eingetragen. Die Mittellagen der Unruh sind durch strichpunktierte Linien a-a, b-b, c-c und d-d bezeichnet. Die für den Antrieb wirksamen Teile der erzeugten Spannungen sind schraffiert, und in dem vorliegenden Beispiel nach Fig. 1l (Transistorschaltung) sind dies lediglich die negativen Spannungsimpulse, weil der erste Transistor in diesem Beispiel ein PNP-Transistor ist.
Der verhältnismässig grosse Spannungsimpuls e liegt symmetrisch zu der Mittellage a-a des Schwingkörpers, und wenn nun durch elektronische Steuerung die Anordnung so getroffen ist, dass dieser Spannungsimpuls auch zu einem entsprechenden Stromimpuls in der Spule An- lass gibt, so zeigt dieser Impuls e zugleich die Grösse und Art des Antriebsimpulses.
Beim Durchgang durch die nächste Mittellage b-b werden in der Spule zwei Spannungsimpulse f und g erzeugt, die symmetrisch zur Mittellage b-b, jedoch im gleichen Abstand von ihr sind. Wird nun durch die elektronische Steuerung erreicht, dass diese Spannungsimpulse entsprechende Stromimpulse in der Spule ergeben, so wirken diese beiden Stromimpulse als Antriebsimpulse auf die Unruh, und zwar eine gewisse Zeit vor der Mittellage b-b und die gleiche Zeit nach der Mittellage b-b.
Der vorgenannte Vorgang wiederholt sich dann ständig.
In dem Oszillogramm nach Fig. 7 sind die Impulse und Mittellinien mit den gleichen, jedoch grossen Buchstaben bezeichnet. Ferner sind dort noch zwei Höcker H und I erkennbar, die daher rühren, dass die Unruh um einen verhältnismässig grossen Winkel, beispielsweise 270 , schwingt und gegen Ende der Schwingungen ebenfalls noch eine geringe EMK erzeugt wird. Das Maximum dieser Spannung ist jedoch verhältnismässig niedrig, so dass das Steuersystem die Antriebsvorrichtung nicht in Tätigkeit setzt und also diese beiden Spannungsimpulse keine merkliche Wirkung ergeben.
Zu erwähnen wäre noch, dass die Zünd- oder Anlaufspannung der in der Steuerung verwendeten elektronischen Mittel, beispielsweise der Röhren oder Transistoren, derart sein muss, dass nur bei den erwähnten Impulsen eine solche Zündung eintritt. Dies ist üblicherweise für alle Impulse der Fall, die symmetrisch zur Mittellage erfolgen.
Bei entsprechender Einstellung der elektronischen Mittel könnte ohne weiteres auch nur der eine mittlere Impuls e zum Antrieb der Unruh benützt und könnten die beiden Impulse f und n ganz unterdrückt werden. Im allgemeinen ist jedoch die Aus- nützung sämtlicher symmetrischer Spannungsimpulse erwünscht.
In den Fig. 8 bis 10 ist eine Unruhwelle mit 110 bezeichnet, die bei 111 in einer Platine 113 und bei 112 in einer Brücke 114 gelagert ist. Auf der Un- ruhwelle 110 ist ein Schwingkörper 118 befestigt, der im Abstand von der Mittelachse e;ne Antriebsspule 119 trägt. Mit 120 und 121 sind zwei Spiralfedern bezeichnet, deren eine Enden mit Bolzen 125 und 126 verbunden sind, die in der Platine 113 befestigt sind.
Da die Antriebsspule 119 über diese beiden Spiralfedern ihren Strom erhält, ist eine der Spiralfedern gegen Masse isoliert.
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Der Schwingkörper 118 ist derart ausgebildet, dass er ein gabelförmiges Teilstück bildet, zwischen dessen Armen 127 die Spule 119 mit Hilfe eines Klebstoffes, beispielsweise eines Kunstharzklebers, an mindestens zwei Stellen gehalten ist. Das dem gabelförmigen Teilstück des Schwingkörpers gegen- überliegende Teilstück ist T-förmig ausgebildet und weist einen Mittelsteg 128 und ein Querstück 128a auf. An dem Querstück 128a und den Armen 127 angeordnete Ausgleichsschrauben sind mit 129 bezeichnet.
Die Verbindungsleitungen zwischen Spiralfedern und Antriebsspule sind in der Zeichnung nicht eingezeichnet.
Auf der Unruhwelle ist ferner noch die übliche Einrichtung zur Übertragung der Schwingung auf das Uhrwerk angeordnet.
Auf der Brücke 114 ist ein aus magnetisierbarem Material bestehendes Joch 130 befestigt, auf dem zwei permanente Magnete 132 und 134 parallel zueinander angeordnet sind. Die Polarität der beiden Magnete ist dabei umgekehrt.
In dem Schaltschema nach Fig. 11 ist der An- schlusspunkt 140 der Antriebsspule 119 mit dem Emitter eines Transistors 142 und mit dem Pluspol einer Stromquelle 143 verbunden, während der Verbindungspunkt 145 der Antriebsspule 119 mit dem Kollektor eines Transistors 146 und über einen Kondensator 147 mit der Basis des Transistors 142 verbunden ist. Die Basis des Transistors 146 ist ausser- dem am Kollektor des Transistors 142 angeschlossen.
Die Basis des Transistors 142 ist ferner über einen einstellbaren Widerstand 148 mit dem Emitter des Transistors 146 und mit dem Minuspunkt der Stromquelle 143 verbunden.
Die in den Fig. 6 und 7 dargestellten Impulse haben noch insofern einen gewissen Nachteil, als die Amplituden der wirksamen Halbwellen verschieden gross sind und daher die der Unruh erteilten Impulse je Halbwelle nicht die gewünscht-; Grösse aufweisen. Das Verhältnis dieser Amplituden kann nun durch Veränderung der relativen Lage der Magnete und der Spule, auf ihre Ruhestellung bezogen, ver- ändert werden. Beispielsweise kann hierdurch die Anordnung so getroffen werden, dass die Impulse je Halbwelle ungefähr gleich sind oder auch derart, dass die Amplituden gleiche Höhen haben. Dieser letztere Fall ist in Fig. 12 dargestellt, in der die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 6, jedoch mit einem Strich versehen, verwendet sind.
In den Fig. 13 bis 16 sind zwei Ausführungsbeispiele für die mögliche relative Anordnung von Spule und Magneten gezeigt, doch sei erwähnt, dass das vorgenannte Ziel der Amplitudenänderung nicht nur durch eine Verschiebung der Magnete in Umfangsrichtung, sondern auch in radialer Richtung oder durch eine Kombination beider Richtungen erreicht werden kann.
In dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 13 und 14 ist auf einer Unruhwelle 210 der Schwing- körper 218 angeordnet, wobei diese Anordnung im wesentlichen derjenigen aus den Fig. 8 bis 10 entspricht. Der Schwungkörper 218 ist derart ausgebildet, dass er ein gabelförmiges Teilstück bildet, zwischen dessen Armen 227 die Antriebsspule 219 mit Hilfe eines Klebstoffes, beispielsweise eines Kunstharzklebers, an mindestens zwei Stellen gehalten ist. Das dem gabelförmigen Teilstück des Schwingkörpers 218 gegenüberliegende Teilstück ist T-förmig ausgebildet und weist einen Mittelsteg 228 und ein Querstück 228a auf. Am Querstück 228a und den Armen 227 sind Ausgleichsschrauben 229 angebracht.
Auf der Brücke 214 ist ein aus magnetisierbarem Material bestehendes Joch 230 befestigt, auf dem zwei permanente Magnete 232 und 234 parallel zueinander mit einem bestimmten Abstand angeordnet sind. Die Polarität der Magnete ist dabei umgekehrt.
Bei Bewegen des Schwingkörpers 218 wird nun ein gleichmässiges Ändern des von der Spule um- fassten Kraftlinienflusses erreicht. Es entsteht das Impulsbild nach Fig. 12.
In den Fig. 15 und 16 ist die Anordnung der in den Fig. 13 und 14 beschriebenen Teile der Schwingkörperanordnung bis auf die Stellung der Magnete die gleiche. Hier sind zwei permanente Magnete 246 und 247 parallel zueinander und mit einem Abstand, der grösser als der in Fig. 14 ist, angeordnet. Ihre Polarität ist dabei umgekehrt.
Bei Bewegen des Schwingkörpers 218 wird auch hier ein gleichmässiges Ändern des von der Spule umfassten Kraftlinienflusses erreicht und damit eine Spannung erzielt, wie sie aus dem Impulsbild nach Fig. 12 zu ersehen ist.
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Electronically controlled, mechanical oscillating element, in particular for watches. The invention relates to a contactless, time-determining mechanical oscillating element, in particular for watches, which is controlled by an electronic circuit arrangement, in particular a transistor feedback amplifier device.
It is already known to arrange a control coil which interacts with a stationary permanent magnet and which is connected to the grid of two triodes connected in push-pull on a mechanically oscillatable system. In the event of a mechanical impact of the mechanical system, the self-excited electrical system and at the same time, due to the interaction of the control coil with the magnet, also the mechanical system up to a certain mechanical vibration amplitude. In this vibration generator, the electrical frequency is the same as the mechanical frequency. The entire facility requires a large number of electrical elements to function, quite apart from the fact that two triodes are necessary. An external impetus is also required for the start-up.
Furthermore, a drive device for a swinging pendulum is known in which a parchment magnet fastened on the pendulum is immersed in two coils, namely a drive coil and a control coil. The two coils are magnetically coupled to one another and connected to a transistor and a current source in such a way that a self-excited electrical system is created when the two coils are sufficiently coupled. This required coupling is generated by the mechanical oscillation of the permanent magnet, whereupon the electrical system begins to oscillate at a frequency higher than the mechanical oscillation frequency. The drive coil then exerts a mechanical impulse on the pendulum until the electrical oscillations cease, which is sufficient to maintain the oscillation.
This known device has the disadvantage that it cannot start to oscillate by itself; rather, the pendulum must be started mechanically.
It has also been proposed to arrange a permanent magnet on a balance wheel and, when it swings past a control coil, to generate a pulse in the latter, which is increasingly fed to a drive coil acting on the balance wheel. Here, too, the drive device cannot itself start to oscillate from the rest position.
Finally, it has also already been proposed to arrange a drive coil on the balance wheel which cooperates with a stationary control coil which is arranged between two permanent magnets. The control coil is arranged in the control circuit and the drive coil in the anode circuit.
In this arrangement, the two coils are coupled to one another in the rest position so that the electrical system is self-excited at a high frequency. Since a rectified current now flows in the second, i.e. the drive coil, there is an attractive force between this coil sitting on the oscillator and the magnetic field, so that the oscillating element starts to oscillate. This mechanical oscillation then sways up to a certain mechanical oscillation amplitude with which it continues to oscillate.
In contrast to these known or proposed arrangements, in the case of a contactless, time-determining, mechanical oscillating element with a magnet, preferably permanent magnet, and a drive coil interacting with the magnet, which is in time with the oscillating element re-
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moved relative to the field of the magnet and the drive coil, the arrangement can be made such that a tilt generator is provided in which the drive coil is provided in a branch, preferably in the collector or anode branch.
During the mechanical relative movement of the drive coil and magnet, an approximately sinusoidal voltage is generated in the drive coil, which is applied to the base of a transistor or the grid of a tube. This controls the tilting process synchronously with the mechanical movement.
Any flip-flop circuit known per se can be used as the tilt generator, provided that the tilt occurs there. The relaxation generators can be equipped with one or more tubes or one or more transistors. Compared to the known resp.
proposed oscillator circuits for mechanical oscillating organs, the tilt generator has the advantage that there is only a single coil, the inductance of which is not critical for the process, while in the case of oscillators with coupling the correct oscillation largely depends on the dimensioning, the quality and the mutual inductivity of the coils, that is, their relative position to one another, depends. If the resulting coupling is not of the correct size, difficult-to-carry out adjustments must be made to such devices, especially with small parts.
In addition, all unfavorable reactions between the magnet and the moving coil have been avoided with the multivibrator circuit, since the entire system is now synchronized or triggered by the magnet in connection with the drive coil.
A favorable arrangement results when the permanent magnet is stationary and the drive coil is arranged on the oscillating element in a known manner, but it is also easily possible in certain cases to make the permanent magnet movable and the drive coil stationary; the tilt generator is expediently designed in this way that it brings the oscillating organ from its rest position to oscillate. This is achieved, for example, in that the mechanical natural oscillation of the oscillating element and the electrical frequency of the tilt generator do not differ significantly.
However, the frequencies on both sides can also be a multiple or a fraction of each other, and this also ensures that the oscillating element starts to oscillate from the rest position.
The magnet interacting with the drive coil can be of any type, for example also an electromagnet. However, a permanent magnet is expediently used to simplify the arrangement. In order to generate a strong magnetic field, this permanent magnet can have a main magnet, which is opposite the drive coil when the oscillating member is in the rest position, and a side magnet directed parallel and opposite to the main magnet can then be arranged on one, preferably on both sides of this main magnet, so that strong magnetic fields arise between the main magnet and the latter.
Drive shocks can strike the oscillating body at any point during an oscillation or half-oscillation, and the uneven duration of the half-oscillations thus results in an inaccuracy of the rate, which is particularly undesirable in high-quality watches.
This disadvantage can be found in contactless electrical drive devices controlled by electronic means for driving an oscillating body that periodically oscillates back and forth, in particular the balance wheel of a wristwatch, with a magnet system and a coil system which are arranged on the one hand on a stationary part and on the other hand on the oscillating body, be avoided in that the drive pulse, which is at least once per oscillation, occurs essentially symmetrically to the rest position, that is to say to the center of oscillation, of the oscillating element. With this arrangement, the impact influences the respective two semi-oscillations evenly, so that an inaccuracy as a result of the impact is practically completely avoided.
In addition, especially with electronic drive devices, this arrangement has the advantage that the changes occurring for any reason, in particular the electrical variables, do not lead to any impairment of accuracy, since it usually only brings about a broadening or shifting of the pulse or pulses symmetrical to the center of vibration . Such changes can occur, for example, as a result of the temperature response of the transistors used or the shift in the operating point of a transistor.
The arrangement can now be such that the respective drive pulse begins shortly before reaching the central position of the oscillating body and lasts a corresponding time until after this central position. However, an unfavorable effect on the oscillating body is also avoided if a drive pulse occurs within each half-oscillation and these drive pulses are the same and occur at the same distance from the central position. It is also easily possible to use the two aforementioned types of pulses side by side. If two drive pulses are generated symmetrically to the rest position for each oscillation, it is advisable to arrange them relatively close to the central position.
It should also be mentioned that it is of course also possible to have several pulses act on the vibrating body for each half oscillation, provided that the same number, phase and type of impulses act on the other half oscillation.
The best way to generate the drive pulses is that the interacting parts of the magnet system and the coil system,
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For example, a magnetic subsystem and a coil are arranged so that, when the oscillating body is at rest, viewed in the axial direction, they are arranged symmetrically to the central plane passing through the oscillating axis. It is particularly important that there is electrical symmetry, which in many cases results from or is related to mechanical symmetry. For the actual drive, it does not matter whether the magnet system is stationary and the coil system is movable, or whether the arrangement is reversed.
If a magnet system consisting of several magnetic subsystems and a coil system consisting of several coils are used, it is advisable to arrange them at equal distances from the aforementioned central position. For example, it is advantageous if, given a total of three coils, these are offset by 120 relative to one another. The same then also applies to the magnetic part systems.
In order to obtain the desired shape of the drive pulses, a magnetic part system can consist of a magnetic piece or one or more pairs of magnetic pieces, but it is sufficient for the drive if there is only one such system, which then forms the entire magnet system . In this case, only a single coil is expediently arranged on the oscillating body, and in the rest state the two magnet pieces, viewed in the axial direction, are at the same central angle from the central position of the coil on both sides.
The magnets themselves can be of any type and the excitation can be provided through a special winding. However, due to the limited space available, it is usually advisable to use permanent magnets. If the same permanent magnets are attached, the mechanical dimensions of the two magnet pieces are usually the same. The two magnet pieces are arranged in such a way that they have different polarities at their ends facing the coil, so that for example one pole is a north pole and the other pole is a south pole.
In order to improve the effect of the magnets, it is advantageous if, in the rest position, the magnet pieces, viewed in the axial direction, are arranged below the side limbs of the coil, with the intention below merely to indicate the direction.
The shape of the magnet pieces can be arbitrary per se, but it is often chosen cylindrical for manufacturing reasons. To reinforce the effect, it is advantageous if the magnets have an approximately rectangular cross-section, the position and size of which is adapted approximately to the width of the side legs of the coil, viewed in the axial direction.
In the drawing, exemplary embodiments of the mechanical structure of the oscillating element according to the invention and exemplary embodiments for the electronic circuits belonging to it are shown. 1 shows a side view of a mechanical oscillating element according to the invention according to FIG.
Embodiment, wherein individual parts are cut or broken along the line 1-1 of Figure 3; Fig. 2 is a partial view in the direction of arrow A; Fig. 3 is a section along line 3-3 of Fig. 1; 4 shows a first circuit diagram of a ripple generator circuit; 5 shows a second circuit diagram of a multivibrator circuit; 6 shows an example of the symmetrical distribution of the impulses with theoretically assumed curves according to a second embodiment of a mechanical oscillating element;
7 shows an oscillogram of the EMF induced in the oscillating body coil; 8 shows a side view of a drive device for the balance according to the second embodiment of a wristwatch, with individual parts being cut or broken along the line 8-8 in FIG. 10; Fig. 9 is a partial front view in the direction of arrow A; Fig. 10 is a section along line 10-10 of Fig. 8; 11 shows a third exemplary embodiment of a circuit diagram of a drive device;
12 shows a graph of the EMF induced in the oscillating body coil with the same amplitudes; 13 shows a plan view of a third embodiment of the balance body for achieving the curve according to FIG. 12; 14 shows a section along the line. 14-14 of Figure 13; FIG. 15 shows a plan view of a fourth embodiment of the balance body, shown in simplified form, for reaching the curve according to FIG. 12; FIG. 16 shows a section along line 16-16 in FIG. 15.
In FIG. 1, a balance shaft is denoted by 10, which is mounted at 11 in a plate 13 and at 12 in a bridge 14. A disk-shaped oscillating body 18 is attached to the balance shaft 10 and carries a drive coil 19 at a distance from the central axis. 20 and 21 designate two spiral springs, one end of which is connected to the balance shaft or the oscillating body and the other ends of which are connected to bolts 25 and 26 which are fastened in the plate 13. Since the drive coil 19 receives its current via these two spiral springs, one of the spiral springs is isolated from ground.
The two connecting lines between spiral springs and drive coils are not shown in the drawing.
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The usual device for transmitting the vibration to the movement is also arranged on the balance shaft.
A yoke 30 made of magnetizable material is attached to the bridge 14, on which three permanent magnets 32, 33 and 34 are arranged parallel to one another.
When the balance is in the rest position, the central permanent magnet 33, referred to as the main magnet, is coaxial with the drive coil 19. The two magnets 32 and 34, referred to as the side magnets, are polarized opposite to the main magnet 33 (see FIG. 2).
The circuits shown in FIGS. 4 and 5 will be described in more detail below. The drive coil and the main magnet are designated 19 and 33 in both circuits according to FIGS. 1 to 3.
In FIG. 4, the connection point 40 of the drive coil 19 is connected to the emitter of a transistor 42 and to the positive pole of a current source 43, while the connection point 45 of the drive coil 19 is connected to the collector of a transistor 46 and via a capacitor 47 to the base of the transistor 42 connected is. The base of transistor 46 is also connected to the collector of transistor 42.
The base of the transistor 42 is also connected via an adjustable resistor 48 to the emitter of the transistor 46 and to the negative point of the current source 43.
In the circuit diagram of FIG. 5, the connection point 50, to which one end of the drive coil 19 is connected, is connected to the positive pole of a current source 51, furthermore via a resistor 52 to the base of a transistor 54 and also via an adjustable resistor 56 to the Base of a second transistor 58 connected. A line leads from the connection point 60 connected to the other end of the drive coil 19 to the collector of the transistor 54, and this point is also connected to the base of the transistor 58 via a capacitor 62.
A connection leads from the collector of the transistor 58 via a capacitor 64 to the base of the transistor 54, and a bleeder resistor 66 is also connected between the collector and emitter of the transistor 58.
There is no need to go into the operation of the two ripple generator circuits according to FIGS. 4 and 5, since they can be assumed to be known in principle.
FIG. 6 shows the electrical voltage generated in the coil of a balance wheel by a magnet system consisting of two magnet pieces, as indicated above. The time T is entered on the X axis and the induced electrical voltage on the Y axis. The central positions of the balance are indicated by dash-dotted lines a-a, b-b, c-c and d-d. The parts of the generated voltages that are effective for the drive are hatched, and in the present example according to FIG. 1l (transistor circuit) these are only the negative voltage pulses, because the first transistor in this example is a PNP transistor.
The relatively large voltage pulse e is symmetrical to the central position aa of the oscillating body, and if the arrangement is now made by electronic control so that this voltage pulse also gives rise to a corresponding current pulse in the coil, this pulse e also shows the size and type of drive pulse.
When passing through the next central position b-b, two voltage pulses f and g are generated in the coil, which are symmetrical to the central position b-b, but at the same distance from it. If the electronic control now ensures that these voltage pulses result in corresponding current pulses in the coil, these two current pulses act as drive pulses on the balance wheel, namely a certain time before the middle position b-b and the same time after the middle position b-b.
The aforementioned process is then repeated continuously.
In the oscillogram according to FIG. 7, the pulses and center lines are denoted by the same but capitalized letters. Two humps H and I can also be seen there, which stem from the fact that the balance wheel oscillates through a relatively large angle, for example 270, and a small emf is also generated towards the end of the oscillations. However, the maximum of this voltage is relatively low, so that the control system does not activate the drive device and so these two voltage pulses do not have any noticeable effect.
It should also be mentioned that the ignition or start-up voltage of the electronic means used in the control, for example the tubes or transistors, must be such that such an ignition occurs only with the pulses mentioned. This is usually the case for all impulses that are symmetrical to the central position.
With the appropriate setting of the electronic means, only one middle pulse e could easily be used to drive the balance wheel and the two pulses f and n could be suppressed entirely. In general, however, the use of all symmetrical voltage pulses is desirable.
In FIGS. 8 to 10, a balance shaft is designated by 110, which is mounted at 111 in a plate 113 and at 112 in a bridge 114. An oscillating body 118 is attached to the balance shaft 110 and carries a drive coil 119 at a distance from the central axis. With 120 and 121 two spiral springs are designated, one ends of which are connected to bolts 125 and 126 which are fastened in the circuit board 113.
Since the drive coil 119 receives its current via these two spiral springs, one of the spiral springs is isolated from ground.
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The oscillating body 118 is designed in such a way that it forms a fork-shaped section, between the arms 127 of which the coil 119 is held in at least two places with the aid of an adhesive, for example a synthetic resin adhesive. The section opposite the fork-shaped section of the oscillating body is T-shaped and has a central web 128 and a transverse piece 128a. Compensating screws arranged on the crosspiece 128a and the arms 127 are denoted by 129.
The connecting lines between the spiral springs and the drive coil are not shown in the drawing.
The usual device for transmitting the vibration to the clockwork is also arranged on the balance shaft.
A yoke 130 made of magnetizable material is fastened to the bridge 114 and two permanent magnets 132 and 134 are arranged parallel to one another on the yoke. The polarity of the two magnets is reversed.
In the circuit diagram according to FIG. 11, the connection point 140 of the drive coil 119 is connected to the emitter of a transistor 142 and to the positive pole of a current source 143, while the connection point 145 of the drive coil 119 is connected to the collector of a transistor 146 and via a capacitor 147 the base of transistor 142 is connected. The base of the transistor 146 is also connected to the collector of the transistor 142.
The base of the transistor 142 is also connected via an adjustable resistor 148 to the emitter of the transistor 146 and to the negative point of the current source 143.
The pulses shown in FIGS. 6 and 7 also have a certain disadvantage in that the amplitudes of the effective half-waves are of different sizes and therefore the impulses given to the balance wheel per half-wave are not the desired; Have size. The ratio of these amplitudes can now be changed by changing the relative position of the magnets and the coil in relation to their rest position. For example, the arrangement can thereby be made such that the pulses per half-wave are approximately the same or also such that the amplitudes have the same heights. This latter case is shown in FIG. 12, in which the same reference numerals as in FIG. 6, but with a prime, are used.
13 to 16 show two exemplary embodiments for the possible relative arrangement of the coil and magnets, but it should be mentioned that the aforementioned aim of the amplitude change is not only achieved by shifting the magnets in the circumferential direction, but also in the radial direction or by a combination both directions can be achieved.
In the embodiment according to FIGS. 13 and 14, the oscillating body 218 is arranged on a balance shaft 210, this arrangement essentially corresponding to that from FIGS. 8 to 10. The flywheel 218 is designed in such a way that it forms a fork-shaped section, between the arms 227 of which the drive coil 219 is held in at least two places with the aid of an adhesive, for example a synthetic resin adhesive. The part opposite the fork-shaped part of the oscillating body 218 is T-shaped and has a central web 228 and a crosspiece 228a. Compensating screws 229 are attached to the crosspiece 228a and the arms 227.
A yoke 230 made of magnetizable material is attached to the bridge 214, on which two permanent magnets 232 and 234 are arranged parallel to one another at a certain distance. The polarity of the magnets is reversed.
When the oscillating body 218 is moved, a uniform change in the flow of lines of force encompassed by the coil is achieved. The impulse pattern shown in FIG.
In FIGS. 15 and 16, the arrangement of the parts of the oscillating body arrangement described in FIGS. 13 and 14 is the same except for the position of the magnets. Here two permanent magnets 246 and 247 are arranged parallel to one another and at a distance that is greater than that in FIG. 14. Their polarity is reversed.
When the oscillating body 218 is moved, a uniform change in the flux of the lines of force encompassed by the coil is achieved here too, and a voltage is thus achieved as can be seen from the pulse pattern according to FIG.