DE1423545C - Anordnung zum Betrieb von mechanischen Schwingern, insbesondere von Unruhen in Uhren - Google Patents

Description

Es ist allgemein bekannt, daß die Antriebsimpulse zur Aufrcchterhaltung der Schwingweite von Unruhen bzw. Pendeln möglichst während des Durchschwingens der Unruh bzw. des Pendeins durch ihre Nulllage erfolgen sollen. Es läßt sich auch zeigen, daß unter Umständen der Antriebsimpuls aus mehreren, sehr kurzen Impulsen pro Halbschwingung bestehen darf, falls die Impulse symmetrisch zur Nullage des Schwingers erteilt werden. Bei elektronischen Uhren bereitet es meist große Schwierigkeiten, der obenerwähnten Forderung Rechnung zu tragen und gleichzeitig alle anderen technischen Erfordernisse, wie Gewinnung eines geeigneten Steuersignals, richtige Form der Induktionsspannung usw., zu berücksichtigen. Die von Kontaktuhren her bekannten Unruh- bzw. Pendelmotorcn sind nur in wenigen Fällen auf transiStorgcstcuerte Uhren ohne weiteres übertragbar. In der Praxis erweisen sie sich je nach Art des verwendeten Steuerprinzips sogar als ungeeignet.

Die heute allgemein bekannten Unruhmotoren ver-"wenden in der Regel zwei kreiszylindrische Permanentmagnete zur Erzeugung eines konstanten ma-. gnetischen Feldes, zu dem eine kreisförmige, dreieckförmige oder elliptische Spule Relativbewegungen auszuführen in der Lage ist.

Bei bewegtem Schwinger wird in der Spule beim Durchgang durch das magnetische Feld eine Spannung induziert. Diese kann bei Transistoren enthaltenden Uhren zur Steuerung der Transistorschaltung Verwendung finden. Die von den bekannten Unruhmotoren gelieferten Spannungssignale erweisen sich jedoch in der Praxis für diese Anwendung als mehr oder weniger ungeeignet.

Die bekannte, auf der Unruh befestigte Dreieckspule liefert im Zusammenwirken mit den beiden auf herkömmliche Art zylindrischen Permanentmagneten ein Signal, das zwar reglagetechnisch günstig ist, jedoch in seiner Gestalt nicht befriedigt, da, wie aus dem Diagramm nach Fig. 1 hervorgeht, das die in der Steuerspule induzierte Spannung U in Abhängigkcit von der Zeit / darstellt, die Hocker 1 und 3 (bzw. 4 und 6) zu dem Hocker 2 (bzw. 5) etwa im Verhältnis 1: 2 stehen. Da der Steuermechanismus für den Unruhmotor auf die Hocker 1, 3 und 5 anspricht, entsprechend der Polarität der Induktionsspannung, findet der Antriebsimpuls jeweils unter verschiedcncn elektrischen Bedingungen statt. Dieser Umstand ist, wie der Erfindung zugrunde liegende Untersuchungen gezeigt haben, für die Gangstabilität solcher Uhren nachteilig. Bei anderen Anordnungen treten ähnliche Schwierigkeiten auf bzw. liegt das Steuersignal unsymmetrisch zur Nullage des Schwingers. Diese Ausführungen versagen daher ebenfalls.

Zur Vermeidung dieser Nachteile sieht das Hauptpatent I 423 544 vor, den kontaktlos über eine elek-¹ tronischc Schaltung, vorzugsweise eine Transistorschaltung, gesteuerten mechanischen Schwinger als Gangordner eines zeithaltenden elektrischen Gerätes, vorzugsweise als Unruh einer tragbaren Kleinuhr, mit Steuer- und Triebspannung in einem Spulensystem, vorzugsweise in einer mit der Unruh schwingenden Spule, durch Relativbewegung des Spulensystems gegenüber Magnetfelderzeugern, vorzugsweise Permanentmagneten, wobei kurz vor der Nullage des Schwiiigers in einer aktiven Spulenscite, in der Nulllage in zwei aktiven Spulenseiten, kurz nach der Nulhige wieder nur in der einen aktiven Spulenseite jeweils eine linpulsspaniiung als Steuerspannimg der elektrischen Schaltung erzeugt .wird, und zwar bei jeder Halbschwingung des mechanischen Schwingers, und mit einer derartigen elektrischen Schaltung und Anordnung des den Schwinger antreibenden Systems, daß bei jeder Halbschwingung mindestens eine der entstehenden Impulsspannungen, vorzugsweise in der einen Halbschwingung, der Impuls in der Nullage, in der anderen Halbschwindung zwei Impulse symmmetrisch zur Nullage als Triebimpulse ausgenutzt werden, so auszubilden, daß der geometrische Verlauf der aktiven Spulenseiten bei der Relativbewegung zu der Form der Magnete bzw. zu der Form der Verkettungsflüche der Magnetfelderzeuger, vorzugsweise der Permanentmagnetpole, so gewählt ist, daß das für die Größe der in der Steuerspule erzeugten Impulsspannungsteile maßgebende Produkt aus Verkettungsfläche, Windungszahl und Geschwindigkeit unabhängig von der Anzahl der jeweils vom Magnetfluß durchsetzten Spulenschenkel ist, derart, daß mindestens die Steuerimpulse die Triebimpulse bewirken, gleiche oder nahezu gleiche Spitzenwerte der induzierten Spannung aufweisen. M

Es ist bereits bekannt, daß die heute allgemein ver- m wendeten Unruhmotoren in der Regel ein oder mehrere kreisförmige Permanentmagnete zur Erzeugung

eines konstanten magnetischen Feldes, zu dem eine .oder mehrere Spulen Relativbewegungen ausführen, benutzen. So ist z. B. eine Anordnung bekanntgeworden, die unter Verwendung von drei Spulen und drei symmetrisch angeordneten Magneten, die an sich zur Nullage symmetrische Signalspannungen erzeugt. Nachteilig für den Betrieb einer transistorgesteuerten oder elektronisch gesteuerten Uhr ist dabei die Vielzahl der entstehenden Signale, die außerdem, da die Geschwindigkeit des Schwingers sinusförmig ist, eine sinusförmige Amplitudenabhängigkeit aufweist. Damit sind also von Signal zu Signal unterschiedliche physikalische Bedingungen vorhanden und für den Antrieb nicht optimal.

Es sind auch Anordnungen mit zwei Spulen bekanntgeworden, die die gleichen Nachteile aufweisen, wie oben beschrieben. Eine weitere Anordnung arbeitet zwar mit zu den Spulenschenkeln versetzten Magneten, verwendet aber wiederum zwei Spulen. Durch das Versetzen der Magnete würde an sich eine Signalverbesserung im Sinne der Erfindung erzielt werden, jedoch entstehen durch die Benutzung der zwei Spulen verwendenden Anordnung wiederum eine Vielzahl von amplitudenabhängigen Spannungen, die zum Antrieb einer elektronischen Uhr nicht zweckmäßig sind.

Aufgabenstellung der vorliegenden Erfindung ist es, ein zur.Nullage des Schwingers symmetrisches Signal zu erzeugen, und zwar sowohl nach der Form als auch nach der Amplitude der Spannungen.

Außerdem sollte eine dritte Bedingung erfüllt sein, und zwar soll der Flächeninhalt der induzierten Spannung bei einer Drehung in Linksrichtung des Schwingers genauso groß sein wie bei einer Drehung in Rechtsrichtung·.

Damit soll .erreicht werden, daß der Energieinhalt der Antriebsimpulse links- und rechtsdrehend gleich groß ist.

Außerdem ist es Ziel der Erfindung, bei jeder Halbschwingung der Unruh möglichst wenige Impulse zu erzeugen.

Die oben dargestellten Nachteile können dadurch beseitigt werden, daß gemäß der Erfindung die die magnetischen Felder erzeugenden Elemente so an-

Claims (8)

1. 3 4

   geordnet sind, daß der mittlere Abstand der die einer Weiterdrehung der Unruh verläßt nun H₁ das Felder erzeugenden Elemente größer oder kleiner Feld von B und schneidet nach kurzer Zeit Strang als der mittlere Abstand der magnetisch wirksamen H₂ die von B ausgehenden Feldlinien. Die Anord-Spulenteile ist. nung Spule—Magnete ist nun derart gewählt, daß Damit ist es also möglich, mit einer Spule mit 5 Strang H₁ erst dann in das Feld von Magnet A geradialen Schenkeln ein bezüglich der Spannungs- langt, wenn die Anzahl der durch H₂ gehenden FeIdmaxima symmetrisches Signal zu erzeugen, wenn die linien des Magneten B wieder abnimmt. Es überMagnete nicht den gleichen gegenseitigen Abstand streicht also zuerst Strang H., Magnet B bis zur aufweisen wie die Schenkel der Spule. Mit der Per- Deckungsgleichheit. Unmittelbar darauf taucht Strang manentmagneten der üblichen Art, z. B. mit kreis- io H₁ in das Feld von Magnet A ein. Ist H₁ deckungszylindrischen Abmessungen und den bisher verwen- gleich mit A, hat H., das Feld von B gerade verdeten Dreiecksspulen war es bisher nicht möglich, lassen. Kurze Zeit später befindet sich dann auch die in dem Diagramm nach Fig. 1 dargestellten Strang H₁ in praktisch feldfreiem Raum, und Strang Höcker 1, 3 und 5 gleich groß zu machen. Zum H., tritt in das Feld von A ein (Höcker 3); schließbcsseren Verständnis sei zunächst das Entstehen des 15 lieh sind beide Stränge aus dem Magnetfeld heraus, in dem.Diagramm nach Fig. 1 dargestellten Signals An den Spulenklemmen erscheint während obiger mit einer normalen, zweischenkeligen Flachspule im Vorgänge der Mittelhöcker II, der etwa gleichen Zusammenwirken mit zwei kreiszylindrischen Ma- Spitzenwert besitzt wie Vorhöcker I. Höcker II daugneten erklärt. ert jedoch doppelt so lange, da beide Magnete zeit-Wird die als senkrecht zu den Feldern der Ma- 20 lieh hintereinander von der Spule überstrichen gneteyl und B und um O drehbar gedachte Spule Sp werden. Schließlich gelangt noch H₁ in das Feld von über den beiden Magneten in der Zeichenebene von A, und es wird Nachhöcker III induziert. Beim Zulinks nach rechts bewegt, so wird zunächst beim rückschwingenr der Unruh hat das Signal sinngemäß Überstreichen des Magneten A (Nordpol) durch den gleiche Gestalt, jedoch umgekehrte Polung, und es Strang H₂ der Höcker 1 induziert. Kurze Zeit später 25 entstehen die Höcker IV, V und VI.
   stehen die beiden Stränge H₁ und H₂ über den beiden Die Anordnung der Magnete wurde derart geMagneten A und B, wodurch der Höcker 2 induziert troffen, daß der Abstand der magnetischen Schwerwird, der naturgemäß etwa doppelt so groß ist wie punkte m und m' etwa um die Breite s eines Spulender Höcker 1, da die magnetische Flußänderung schenkeis größer ist als der Abstand der Mitteldurch die Spule jetzt doppelt so stark ist. Die Spule 30 punkte M und M' der Stränge H₁ und H.,.
   bewegt sich nun weiter, und es überstreicht der Strang Es wäre auch eine Anordnung möglich, bei der der H₁ den Magnet B (Südpol), wodurch der Höcker 3 Abstand der Punkte m und rri um den Betrags induziert wird. kleiner als der Abstand M und M' ist. Die Spitzen-Schwingt die Spule in der entgegengesetzten Rieh- werte der induzierten Spannung bleiben ebenfalls tung, das ist in der Zeichenebene von rechts nach 35 gleich groß, die Ausführung der Spule gestaltet sich links, so weist das Signal infolge der Richtungsände- jedoch ungünstiger. Schließlich könnte der Abstand rung die umgekehrte Polarität auf; es entstehen sinn- mm' mehr als WM' + s betragen. Diese Anordnung gemäß die Höcker 4, 5 und 6. liefert jedoch ein zeitlich zu gedehntes Signal, wo-Die Erfindung wird nun an Hand eines in Fig. 3 durch reglagetechnisch ungünstigere Verhältnisse entdargestellten, als Ausführungsbeispiel zu wertenden 40 stehen.

   Schemas, näher erläutert. Die mit Sp bezeichnete Für MM' -Vs = mm' erhält das Signal die in dem dreieckähnliche Flachspule ist auf einer Unruh Ur be- Diagramm nach Fig. 4 gezeigte Form und enthält festigt, welche in bekannter Weise um den Punkt O nur Höcker mit den gewünschten Spitzenwerten Drehbewegungen ausführen kann. Mit A und B sind gleicher Größe. Mittelhöcker II (bzw. V) dauert dopzwei gegenseitig axial polarisierte Permanentmagnete 45 pelt so lange wie Höcker I und III (bzw. IV und VI). bezeichnet, deren »magnetische Schwerpunkte« mit Dieser Effekt ist erwünscht. Bekanntlich spricht ein den Buchstaben m und m' symbolisiert sind. Die zum Antrieb der Unruh verwendeter Transistorver-Punkte M und M' der beiden Spulenstränge H₁ und stärker nur auf eine Polarität der Höcker an, erteilt H, sollen die Mitte der elektrisch wirksamen Spulen- also gemäß dem Spannungsverlauf nach Bild 4 wähteile, also den »elektrischen Schwerpunkt« der 5° rend der_ einen Halbschwingung und während der Spulenstränge, darstellen. Die Stränge haben die darauffolgenden Halbperiode einen Antriebsimpuls Breite j. Bei einer Drehung der Unruh um den Be- an die Unruh. Da nun die Dauer des Mittelhöckers trag des Winkels « um die Rotationsachse O ist ein doppelt so groß ist wie die der Vor- bzw Nach-Spulenschenkel etwa deckungsgleich mit einem der hocker, ist die vom Transistorverstärker an die Un-Maenete A bzw. B. 05 ruh abgegebene Leistung während beider Halb-Unter der Annahme einer in der Figur strichliert schwingungen etwa gleich groß.

   dargestellten Auslenkung der Unruh um mehr als Auf Grund beschriebener Anordnung wird die 90" entgegen dem Uhrzeiger aus ihrer gezeichneten Spule in keiner Stellung vom gesamten Fluß aller be-Lagen stellen sich während der nun folgenden teiligten Magnetelemente durchsetzt.
   Schwingungsperiode folgende elektrische Vorgänge 60 Zur Erzielung einer möglichst hohen Spannung in in der Spule ein: Beim Zurückschwingen im Uhr- der Spule werden daher große Magnete mit vorzugszeigersinn wird zuerst Magnet B von Strang H₁ über- weise ovalen bzw. länglichen Abmessungen verwenstrichen.' Auf Grund des Faradayschen Induktions- det, um möglichst die gesamte elektrische Spulengesetzes wird nun diesem Strang eine Spannung ent- fläche zu erfassen,
   sprechend dem im Diagramm nach Fig. 4 darge- 65 p-itenfinsnriiche·
   stellten Vorhöcker I induziert, deren Maximalwert raienumspruuic
   durch den magnetischen Fluß, Windungszahl der 1. Kontaktlos über eine elektronische Schal-Spule und Winkelgeschwindigkeit bestimmt wird. Bei tung, vorzugsweise eine Transistorschaltung, gc-

   i 423

   steuerter mechanischer Schwinger als Gangordner eines zeithaltenden elektrischen Gerätes, vorzugsweise als Unruh einer tragbaren Kleinuhr, mit Steuer- und Triebspannung in einem Spulensystem, vorzugsweise in einer mit der Unruh schwingenden Spule, durch Relativbewegung des Spulensystems gegenüber Magnetfelderzeugern, vorzugsweise Permanentmagneten, wobei kurz vor der Nullage des Schwingers in einer aktiven Spulenseite, in der Nullage in zwei aktiven Spulenseiten, kurz nach der Nullage wieder nur in der einen aktiven Spulenseite jeweils eine Impulsspannung als Steuerspannung der elektrischen Schaltung erzeugt wird, und zwar bei jeder Halbschwingung des mechanischen Schwingers, und mit einer derartigen elektrischen Schaltung und Anordnung des den Schwinger antreibenden Systems, daß bei jeder Halbschwingung mindestens eine der entstehenden Impulsspannungen, vorzugsweise in der einen Halbschwingung, der Im- ao puls in der Nullage, in der anderen Halbschwingung zweier Impulse symmetrisch zur Nullage als Triebimpulse ausgenutzt werden, bei dem der geometrische Verlauf der aktiven Spulenseiten bei der Relativbewegung zu der Form der Magnete bzw. zu der Form der Verkettungsfläche der Magnetfelderzeuger, vorzugsweise der Permanentmagnetpole, so gewählt ist, daß das für die Größe der in der Steuerspule erzeugten Impulsspannungsteile maßgebende Produkt aus Verkettungsfläche, Windungszahl und Geschwindigkeit unabhängig von der Anzahl der jeweils durchsetzten Spulenschenkel ist, derart, daß mindestens die Steuerimpulse, die Triebimpulse bewirken, gleiche oder nahezu gleiche Spitzenwerte der induzierten Spannung aufweisen, nach Patent 1 423544, dadurch gekennzeichnet, daß die die magnetischen Felder erzeugenden Elemente so angeordnet sind, daß der mittlere Abstand der die Felder erzeugenden Elemente größer oder kleiner als der mittlere Abstand der magnetisch wirksamen Spulenteile ist.
2. 2. Gangordnerschwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Abstand der die magnetischen Felder erzeugenden Elemente sich um die Breite eines magnetisch wirksamen Spulenteils (Spulenschenkel) unterscheidet.
3. 3. Gangordnerschwinger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Abstand der die magnetischen Felder erzeugenden Elemente um die Breite eines magnetisch wirksamen Spulenteiles (Spulenschenkel) größer ist.
4. 4. Gangordnerschwinger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule flach ausgebildet und auf der Unruh befestigt ist.
5. 5. Gangordnerschwinger nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelpunkte der wirksamen Spulenteile und der die magnetischen Felder erzeugenden Elemente auf der Peripherie eines Kreises um die Drehachse des Schwingers liegen.
6. 6. Gangordnerschwinger nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Polfläche der Magnete mindestens in ihrer Längsrichtung der Richtung der aktiven Spulenseiten entspricht.
7. 7. Gangordnerschwinger nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsspule Dreiecksform besitzt.
8. 8. Gangordnerschwinger nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die die magnetischen Felder erzeugenden Elemente (Permanentmagnete) länglichen oder ovalen Querschnitt besitzen.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen