DE1423545B2

DE1423545B2 - Anordnung zum betrieb von mechanischen schwingern insbeson dere von unruhen in uhren

Info

Publication number: DE1423545B2
Application number: DE19591423545
Authority: DE
Inventors: Edgar Dipl. Ing. 8000 München Schömnger
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1959-09-17
Filing date: 1959-09-17
Publication date: 1971-07-29
Also published as: CH734460A4; CH370711A; DE1423545A1

Description

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Es ist allgemein bekannt, daß die Antriebsimpulse elektrischen Schaltung erzeugt wird, und zwar bei zur Aufrechterhaltung der Schwingweite von Unruhen jeder Halbschwingung des mechanischen Schwingers, bzw. Pendeln möglichst während des Durchschwin- und mit einer derartigen elektrischen Schaltung und gens der Unruh bzw. des Pendeins durch ihre Null- Anordnung des den Schwinger antreibenden Systems, lage erfolgen sollen. Es läßt sich auch zeigen, daß 5 daß bei jeder Halbschwingung mindestens eine der unter Umständen der Antriebsimpuls aus mehreren, entstehenden Impulsspannungen, vorzugsweise in der sehr kurzen Impulsen pro Halbschwingung bestehen einen Halbschwingung, der Impuls in der Nullage, in darf, falls die Impulse symmetrisch zur Nullage des der anderen Halbschwindung zwei Impulse symmme-Schwingers erteilt werden. Bei elektronischen Uhren trisch zur Nullage als Triebimpulse ausgenutzt bereitet es meist große Schwierigkeiten, der oben- io werden, so auszubilden, daß der geometrische Vererwähnten Forderung Rechnung zu tragen und gleich- lauf der aktiven Spulenseiten bei der Relativbewezeitig alle anderen technischen Erfordernisse, wie gung zu der Form der Magnete bzw. zu der Form Gewinnung eines geeigneten Steuersignals, richtige der Verkettungsfläche der Magnetfelderzeuger, vor-Form der Induktionsspannung usw., zu beriicksich- zugsweise der Permanentmagnetpole, so gewählt ist, tigen. Die von Kontaktuhren her bekannten Unruh- 15 daß das für die Größe der in der Steuerspule er- bzw. Pendelmotoren sind nur in wenigen Fällen auf zeugten Impulsspannungsteile maßgebende Produkt transistorgesteuerte Uhren ohne weiteres übertragbar. aus Verkettungsfläche, Windungszahl und Geschwin-In der Praxis erweisen sie sich je nach Art des ver- digkeit unabhängig von der Anzahl der jeweils vom wendeten Steuerprinzips sogar als ungeeignet. Magnetfluß durchsetzten Spulenschenkel ist, derart,

Die heute allgemein bekannten Unruhmotoren ver- 20 daß mindestens die Steuerimpulse die Triebimpulse

wenden in der Regel zwei kreiszylindrische Per- bewirken, gleiche oder nahezu gleiche Spitzenwerte

manentmagnete zur Erzeugung eines konstanten ma- der induzierten Spannung aufweisen,

gnetischen Feldes, zu dem eine kreisförmige, dreieck- Es ist bereits bekannt, daß die heute allgemein ver-

förmige oder elliptische Spule Relativbewegungen wendeten Unruhmotoren in der Regel ein oder meh-

auszuführen in der Lage ist. 25 rere kreisförmige Permanentmagnete zur Erzeugung

Bei bewegtem Schwinger wird in der Spule beim eines konstanten magnetischen Feldes, zu dem eine

Durchgang durch das magnetische Feld eine Span- oder mehrere Spulen Relativbewegungen ausführen,

nung induziert. Diese kann bei Transistoren enthal- benutzen. So ist z.B. eine Anordnung bekanntge-

tenden Uhren zur Steuerung der Transistorschaltung worden, die unter Verwendung von drei Spulen und

Verwendung finden.'Die von den bekannten Unruh- 30 drei symmetrisch angeordneten Magneten, die an sich

motoren gelieferten Spannungssignale erweisen sich zur Nullage symmetrische Signalspannungen erzeugt,

jedoch in der Praxis für diese Anwendung als mehr Nachteilig für den Betrieb einer transistorgesteuerten,

oder weniger ungeeignet. oder elektronisch gesteuerten Uhr ist dabei die Viel-

Die bekannte, auf der Unruh befestigte Dreieck- zahl der entstehenden Signale, die außerdem, da die

spule liefert im Zusammenwirken mit den beiden auf ₃₅ Geschwindigkeit des Schwingers sinusförmig ist, eine

herkömmliche Art zylindrischen Permanentmagneten sinusförmige Amplitudenabhängigkeit aufweist. Da-

ein Signal, das zwar reglagetechnisch günstig ist, je- mit sind also von Signal zu Signal unterschiedliche

doch in seiner Gestalt nicht befriedigt, da, wie aus physikalische Bedingungen vorhanden und für den

dem Diagramm nach F i g. 1 hervorgeht, das die in Antrieb nicht optimal.

der Steuerspule induzierte Spannung U in Abhängig- 40 Es sind auch Anordnungen mit zwei Spulen bekeit von der Zeit t darstellt, die Hocker 1 und 3 kanntgeworden, die die gleichen Nachteile aufweisen, (bzw. 4 und 6) zu dem Hocker 2 (bzw. 5) etwa im wie oben beschrieben. Eine weitere Anordnung arbeitet Verhältnis 1: 2 stehen. Da der Steuermechanismus zwar mit zu den Spulenschenkeln versetzten Magneten, für den Unruhmotor auf die Hocker 1, 3 und 5 an- verwendet aber wiederum zwei Spulen. Durch das spricht, entsprechend der Polarität der Induktions- 45 Versetzen der Magnete würde an sich eine Signalverspannung, findet der Antriebsimpuls jeweils unter besserung im Sinne der Erfindung erzielt werden, jeverschiedenen elektrischen Bedingungen statt. Dieser doch entstehen durch die Benutzung der zwei Spulen Umstand ist, wie der Erfindung zugrunde liegende verwendenden Anordnung wiederum eine Vielzahl von Untersuchungen gezeigt haben, für die Gangstabilität amplitudenabhängigen Spannungen, die zum Antrieb solcher Uhren nachteilig. Bei anderen Anordnungen 50 einer elektronischen Uhr nicht zweckmäßig sind,
treten ähnliche Schwierigkeiten auf bzw. liegt das Aufgabenstellung der vorliegenden Erfindung ist Steuersignal unsymmetrisch zur Nullage des Schwin- es, ein zur Nullage des Schwingers symmetrisches gers. Diese Ausführungen versagen daher ebenfalls. Signal zu erzeugen, und zwar sowohl nach der Form

Zur Vermeidung dieser Nachteile sieht die Haupt- als auch nach der Amplitude der Spannungen,

anmeldung P 14 23 544.0-31 vor, den kontaktlos über 55 Außerdem sollte eine dritte Bedingung erfüllt

eine elektronische Schaltung, vorzugsweise eine Tran- sein, und zwar soll der Flächeninhalt der induzierten

sistorschaltung, gesteuerten mechanischen Schwinger Spannung bei einer Drehung in Linksrichtung des

als Gangordner eines zeithaltenden elektrischen Ge- Schwingers genauso groß sein wie bei einer Drehung

rätes, vorzugsweise als Unruh einer tragbaren Klein- in Rechtsrichtung.

uhr, mit Steuer- und Triebspannung in einem Spulen- 60 Damit soll erreicht werden, daß der Energieinhalt

system, vorzugsweise in einer mit der Unruh schwin- der Antriebsimpulse links- und rechtsdrehend gleich

genden Spule, durch Relativbewegung des Spulen- groß ist.

systems gegenüber Magnetfelderzeugern, vorzugsweise Außerdem ist es Ziel der Erfindung, bei jeder

Permanentmagneten, wobei kurz vor der Nullage des Halbschwingung der Unruh möglichst wenige Im-

Schwingers in einer aktiven Spulenseite, in der Null- 65 pulse zu erzeugen.

lage in zwei aktiven Spulenseiten, kurz nach der Die oben dargestellten Nachteile können dadurch

Nullage wieder nur in der einen aktiven Spulenseite beseitigt werden, daß gemäß der Erfindung die die

jeweils eine Impulsspannung als Steuerspannung der magnetischen Felder erzeugenden Elemente so an-

geordnet sind, daß der mittlere Abstand der die Felder erzeugenden Elemente größer oder kleiner als der mittlere Abstand der magnetisch wirksamen Spulenteile ist.

Damit ist es also möglich, mit einer Spule mit radialen Schenkeln ein bezüglich der Spannungsmaxima symmetrisches Signal zu erzeugen, wenn die Magnete nicht den gleichen gegenseitigen Abstand aufweisen wie die Schenkel der Spule. Mit der Permanentmagneten der üblichen Art, z.B. mit kreiszylindrischen Abmessungen und den bisher verwendeten Dreiecksspulen war es bisher nicht möglich, die in dem Diagramm nach F i g. 1 dargestellten Hocker 1, 3 und 5 gleich groß zu machen. Zum besseren Verständnis sei zunächst das Entstehen des in dem Diagramm nach F i g. 1 dargestellten Signals mit einer normalen, zweischenkeligen Flachspule im Zusammenwirken mit zwei kreiszylindrischen Magneten erklärt.

Wird die als senkrecht zu den Feldern der Magnete A und B und um O drehbar gedachte Spule Sp über den beiden Magneten in der Zeichenebene von links nach rechts bewegt, so wird zunächst beim Überstreichen des Magneten^ (Nordpol) durch den Strang H₂ der Hocker 1 induziert. Kurze Zeit später stehen die beiden Stränge H₁ und H₂ über den beiden Magneten A und B, wodurch der Hocker 2 induziert wird, der naturgemäß etwa doppelt so groß ist wie der Hocker 1, da, die magnetische Flußänderung durch die Spule jetzt doppelt so stark ist. Die Spule bewegt sich nun weiter, und es überstreicht der Strang H₁ den Magnet B (Südpol), wodurch der Hocker 3 induziert wird.

Schwingt die Spule in der entgegengesetzten Richtung, das ist in der Zeichenebene von rechts nach links, so weist das Signal infolge der Richtungsänderung die umgekehrte Polarität auf; es entstehen sinngemäß die Hocker 4, 5 und 6.

Die Erfindung wird nun an Hand eines in F i g. 3 dargestellten, als Ausführungsbeispiel zu wertenden Schemas, näher erläutert. Die mit Sp bezeichnete dreieckähnliche Flachspule ist auf einer Unruh Ur befestigt, welche in bekannter Weise um den Punkt O Drehbewegungen ausführen kann. Mit A und B sind zwei gegenseitig axial polarisierte Permanentmagnete bezeichnet, deren »magnetische Schwerpunkte« mit den Buchstaben m und m' symbolisiert sind. Die Punkte M und M' der beiden Spulenstränge H₁ und H₂ sollen die Mitte der elektrisch wirksamen Spulenteile, also den »elektrischen Schwerpunkt« der Spulenstränge," darstellen. Die Stränge haben die Breite s. Bei einer Drehung der Unruh um den Betrag des Winkels <x um die Rotationsachse O ist ein Spulenschenkel etwa deckungsgleich mit einem der Magnete A bzw. B.

Unter der Annahme einer in der Figur strichliert dargestellten Auslenkung der Unruh um mehr als 90° entgegen dem Uhrzeiger aus ihrer gezeichneten Lagen stellen sich während der nun folgenden Schwingungsperiode folgende elektrische Vorgänge in der Spule ein: Beim Zurückschwingen im Uhrzeigersinn wird zuerst Magnet B von Strang H₁ überstrichen. Auf Grund des Faradayschen Induktionsgesetzes wird nun diesem Strang eine Spannung entsprechend dem im Diagramm nach F i g. 4 dargestellten Vorhöcker I induziert, deren Maximalwert durch den magnetischen Fluß, Windungszahl der Spule und Winkelgeschwindigkeit bestimmt wird. Bei einer Weiterdrehung der Unruh verläßt nun H₁ das Feld von B und schneidet nach kurzer Zeit Strang H₂ die von B ausgehenden Feldlinien. Die Anordnung Spule—Magnete ist nun derart gewählt, daß Strang^ erst dann in das Feld von Magnet A gelangt, wenn die Anzahl der durch H₂ gehenden Feldlinien des Magneten B wieder abnimmt. Es überstreicht also zuerst Strang H₂ Magnet JS bis zur Deckungsgleichheit. Unmittelbar darauf taucht Strang

ίο H₁ in das Feld von Magnet A ein. Ist H₁ deckungsgleich mit A, hat H₂ das Feld von B gerade verlassen. Kurze Zeit später befindet sich dann auch Strang H₁ in praktisch feldfreiem Raum, und Strang H₀ tritt in das Feld von A ein (Hocker 3); schließlieh sind beide Stränge aus dem Magnetfeld heraus. An den Spulenklemmen erscheint während obiger Vorgänge der Mittelhöcker II, der etwa gleichen Spitzenwert besitzt wie Vorhöcker I. Hocker II dauert jedoch doppelt so lange, da beide Magnete zeitlieh hintereinander von der Spule überstrichen werden. Schließlich gelangt noch H₂ in das Feld von A, und es wird Nachhöcker III induziert. Beim Zurückschwingen der Unruh hat das Signal sinngemäß gleiche Gestalt, jedoch umgekehrte Polung, und es entstehen die Hocker IV, V und VI.

Die Anordnung der Magnete wurde derart getroffen, daß der Abstand der magnetischen Schwerpunkte m und m' etwa um die Breite j eines Spulenschenkels größer ist als der Abstand der Mittelpunkte M und M' der Stränge H₁ und H₂.

^; Es wäre auch eine Anordnung möglich, bei der der Abstand der Punkte m und m' um den Betrag s kleiner als der Abstand M und M' ist. Die Spitzenwerte der induzierten Spannung bleiben ebenfalls gleich groß, die Ausführung der Spule gestaltet sich jedoch ungünstiger. Schließlich könnte der Abstand S' mehr als WM' + s betragen. Diese Anordnung liefert jedoch ein zeitlich zu gedehntes Signal, wodurch reglagetechnisch ungünstigere Verhältnisse ent-

stehen.

Für ΉΜ'+s — mm' erhält das Signal die in dem Diagramm nach Fig. 4 gezeigte Form und enthält nur Hocker mit den gewünschten Spitzenwerten gleicher Größe. Mittelhöcker II (bzw. V) dauert dop-

pelt so lange wie Hocker I und III (bzw. IV und VI). Dieser Effekt ist erwünscht. Bekanntlich spricht ein zum Antrieb der Unruh verwendeter Transistorverstärker nur auf eine Polarität der Hocker an, erteilt also gemäß dem Spannungsverlauf nach Bild 4 wäh-

rend der einen Halbschwingung und während der darauffolgenden Halbperiode einen Antriebsimpuls an die Unruh. Da nun die Dauer des Mittelhöckers doppelt so groß ist wie die der Vor- bzw Nachhöcker, ist die vom Transistorverstärker an die Unruh abgegebene Leistung während beider Halbschwingungen etwa gleich groß.

Auf Grund beschriebener Anordnung wird die Spule in keiner Stellung vom gesamten Fluß aller beteiligten Magnetelemente durchsetzt.

Zur Erzielung einer möglichst hohen Spannung in der Spule werden daher große Magnete mit vorzugsweise ovalen bzw. länglichen Abmessungen verwendet, um möglichst die gesamte elektrische Spulenflache zu erfassen.

Claims

P atentansprüche:

1. Kontaktlos über eine elektronische Schaltung, vorzugsweise eine Transistorschaltung, ge-

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 Impuls 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 Patentanmeldung P 14 23 544.0-31, 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. 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. 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. Gangordnerschwinger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule flach ausgebildet und auf der Unruh befestigt ist.

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. Gangordnerschwinger nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Polfläche der Magnete mindestens in ihrer Längsrichtung der Richtung der aktiven Spulenseiten entspricht.

7. Gangordnerschwinger nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsspule Dreiecksform besitzt.

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