DE1961629B2 - Drehschwinger mit elektrodynamischem antrieb und elektrodyna mischer abtastung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Drehschwinger, d. h. eine drehbar gelagerte und mit einem Riickstellglied in einer Ruhelage gehaltene Masse, mit elektrodynamischem Antrieb und elektrodynamischer Abtastung, wobei eine Spulenanordnung und eine Permanentmagnetanordnung mit mindestens einem Paar von

vlagneten entgegengesetzt gerichteter Induktion- legungen heraus auch schon in manchen Fällen die achsen, aeren Kraftlinien über die Spule(n) ent- Magnete groß und stark gewählt, auch die magnelialtende Luftspalte und gegebenenfalls über ein tische und die elektrische Kopplung von Bauiveidimagnetisches Kurzschlußjoch geschlossen sind, elementen bzw. Schaltungsgruppen sowie der Spulen relativ zueinander schwingen, indem die eine Anord- 5 miteinander und mit den Magnetfeldern, hat dabei nung einen Teil des Rotors und die andere einen aber immer wieder letztlich deswegen das gesteckte Teil des Stators bildet, wobei weiterhin die (gemein- Ziel nicht erreicht, weil nicht nur antreibende Kräfte, same) Achse der Spule(n) und die innerhalb eines sondern auch hemmende auftreten, wenn man keine Quadranten in einem Abstand mindestens annähernd besonderen Vorkehrungen trifft, und diese hemmengleich dem Spulendurchmesser liegenden zwei Induk- io den Kräfte Frequenzverwerfungen oder mindestens tionsachsen der Magnete zueinander parallel sind Störeinflüsse hervorrufen, indem die Systemerregung und mindestens annähernd senkrecht auf einer ge- dann auch von Nebenbedineungen, wie Betriebsmeinsamen kreisförmigen Schwenkbahn um die spannungen, Temperatur und" deren Schwankungen, Rotorachse stehen sowie schließlich die Spule(n) mit in unzulässigem Maße abhängig ist. Aus diesen einer elektronischen Verstärkeranordnung zusam- 15 Gründen ist es trotz der Vielfalt der bisher bekannten menwirken, sowie die Verwendung eines solchen Vorrichtungen bisher immer noch nicht gelungen, Drehschwingers als Gangordner für elektronische eine Antriebsvorrichtung für elektronische Uhren zu Uhren, bauen, bei der eine Abbremt'.ing des Gangordners

Obwohl es nicht an Versuchen gefi.hlt hat, das im Rücklauf — die durch Phasenfehler der Antriebs-Prinzip des kontaktlos, d. h. über einen Energie- so impulse verursacht wird — wirklich vermieden ist. wandler, ζ. B. eine aus einer Batterie versorgte Ver- Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die neustärkeranordnung mit Hilfe von relativ zueinander artige Aufgabe zugrunde, einen Drehschwinger mit schwingenden Spulen- und Magnetanordnungen be- elektromechanischer Erregung so auszubilden, daß triebenen mechanischen Schwingers nach den stür- er bei beliebiger, auch sehr großer Auslenkung mit mischen Fortschritten der Halbleitertechnik (der 25 möglichst kurzzeitigen Stromimpulsen immer phasen-Trnnsistoren usw.) in weiteren Ausbaustufen bei den richtig, d. h. ohne hemmende Impulse angetrieben elektrischen Uhren anzuwenden, konnten sich diese werden kann, auch wenn aus Gründen der Energiedennoch nicht recht, d. h. nicht in dem erwarteten ersparnis die elektrische, magnetische und die Umfange, durchsetzen. Dies geht auch aus der nahezu elektromechanische Kopplung sehr fest gewählt wird; unübersehbaren Zahl von Vorschlägen hervor, die 30 die Auslenkung soll dabei immer einwandfrei und den verschiedensten Richtungen von Verbesserungs- ohne komplizierte Maßnahmen auf maximal ± 150° versuchen gewidmet sind, aber jedenfalls wegen der beim Unruhschwinger und etwa ± 30° beim Schwerinnigen Verquickung von elektronischen und mecha- kraft-Pendelschwinger beschränkbar sein. In diese nischen Problemen auf dem hier in Rede stehenden Aufgabe soll auch die allgemeine, bisher schon be-Sondergebiet nicht die in vollem Umfange befrie- 35 stehende und bereits erwähnte eingeschlossen sein, engenden technischen Lehren vermitteln konnten, daß das System raumsparend, fertigungstechnisch sondern allenfalls mehr oder weniger konkret gefaßte einfach und zu einem sicheren Selbstanlauf fähig Aufgabenstellungen. sein soll. Schließlich soll der Drehschwinger mit nur

Von einer elektrischen Uhr wird als selbstverständ- geringen Abwandlungen bei elektronischen Uhren

lieh erwartet, daß sie unter verschiedensten Betriebs- 40 verschiedener Bauart und jeweils in einfacher Weise

bedingungen genau geht, zumal auch die rein mecha- einzubauen sein.

nischen Uhren dank der in letzter Zeit gewonnenen Die vorstehend beschriebene Aufgabe wird unter technischen Fortschritte einen sehr hohen Qualitäts- Vermeidung der Mängel bekannter Vorrichtungen stand erreicht haben. Es genügt also nicht, wenn eine dadurch gelöst, daß bei einem Drehschwinger der solche Uhr zusätzlich zu diesen Forderungen ledig- 45 eingangs näher beschriebenen Gattung erfindungslich diejenige erfüllt, nicht aufgezogen oder längere gemäß die Spule(n) als eine elektrisch einzige Wick-Zeit nicht gewartet werden zu müssen. Wenn der lung gleichzeitig sowohl als Antriebsspule im Aus-Markt zu einem noch gesteigerten Anteil den elek- gangskreis als auch als Abtastspule, geger^enenfalls irischen Uhren gehören soll, dann müssen sie mög- über einen komplexen Spannungsteiler, im Eingangslichst die Stabilität der mechanischen Uhren noch 50 kreis einer Verstärkeranordnung mit einem Phasenübertreffen und darüber hinaus raumsparend und übertragungsmaß mindestens annähernd gleich Null fertigungstechnisch einfach sein, d. h. auch hinsieht- angeschlossen ist (sind) und eine Wicklungshöhe hat lieh der Herstellungskosten Vorzüge aufweisen. (haben), die größer als der Durchmesser der Induk-Schließlich wird noch verlangt, daß die elektrische tionsquenschnitte bzw. der Magnete ist.
Uhr sicher von selbst anläuft und die Batterie mög- 55 Eine solche Anordnung der Spulen und Magnete liehst lange ausreicht, d. h. also, daß der Energie- des elektrodynamischen Systems relativ zueinander verbrauch des Schwingerantriebs minimal ist. vermittelt den besonderen Vorzug, daß sowohl die

Es ist bereits durchaus richtig erkannt worden, Kraftwirkung insofern eine optimale Funktion der daß die genannten geforderten Eigenschaften in wc- Stromimpulsc und die induzierte Spannung eine optisentlichcm Grade von den Eigenschaften des als 60 male Funktion de<· relativen Bewegung beider An-Gangordncr meist verwendeten Drehschwingers ab- Ordnungen ist, als jede wegen des gewählten Abhängen, d. h. aucn vor allem von der Art seiner Standes der Magnet-Induktions-Achsen (in Schwenk-Schwingungserregung mittels eines elektromecha- richtung) das höchste Maximum beim Nulldurchlauf nischen Encrgicw.' ndlers. Die Erfindung geht des- — Induktionsachsen symmetrisch zur Spulenachse — wegen von der in dieser Form neuen Erkenntnis aus, 65 aufweist, als auch wegen des im Vergleich zum Abdaß große Stabilität gleichbedeutend mit einer mög- stand verhältnismäßig kleinen Induktionsquerschnitts liehst großen Schwingungsamplitude des Dreh- Feldstärkeverluste infolge eines magnetischen Kurzist. Man hat zwar aus ähnlichen Über- Schlusses zwischen den Polflächen und in der Schwin-

gungsebene vermieden werden, welch letztere Kraftwirkungen in völlig unerwünschter Richtung, d. h. Energieverluste zur Folge hätten.

Durch die Literaturstellen »Deutsche Uhrmacherzeitschrift«, 1967, H. 9, S. 511 bis 513, und »Neue Uhrmacher-Zeitung Ulm«, 1967, H. 7, S. 32 bis 35, ist zwar bereits eine Permanentmagnetanordnung mit einem Paar von Magneten mit entgegengesetzt gerichteten und in einem Abstand mindestens annähernd gleich dem Spulendurchmesser liegenden Induktionsachsen vorbekannt; abgesehen davon, daß es sich bei den vorveröffentlichten Gegenständen um eine Anordnung mit zwei als Übertrager wirkenden Spulen handelt, deren Eingangs- und Ausgangsspannungen um 180° phasenverschoben sind, während die Spule bei der erfindungsgemäßen Anordnung sowohl als Antriebsspule im Ausgangskreis als auch als Abtastspule im Eingangskreis einer Verstärkeranordnung mit Phasenübertragungsmaß praktisch gleich Null angeschlossen ist, bildet die erwähnte Permanentmagnetanordnung mit einem Paar von entgegengesetzt gerichteten Magneten an sich nicht den Gegenstand der Erfindung.

Das Entscheidende bei der Erfindung ist nämlich, daß bei einem gemäß ihrer technischen Lehre aufgebauten Drehschwinger eindeutige Funktionen der elektromechanischen, hier der elektrodynamischen Systemkonstante, d. h. also der Kraft und der induzierten Spannung in Abhängigkeit von der relativen Lage bzw. Bewegung der Systemteile, zustande kommen, wie sie als physikalisch beste, d. h. lineare Beziehung nur beim elektrodynamischen Prinzip überhaupt möglich sind. Demgegenüber können scheinbare Nachteile in Form von etwas kleineren Werten der je Längeneinheit des Spulendrahts induzierten Spannung oder erzeugten Kraft, welch beide Größen auch von der magnetischen Induktion beeinflußt werden, durch eine entsprechend größere Windungszahl wieder ausgeglichen werden, wofür bei gleichen fertigungstechnischen Grenzen bei einer Spule mit nur einer Wicklung überdies ein größerer Spielraum zur Verfügung steht.

Zwischen der vorbekannten und der vorliegenden Gangordner-Antriebsvorrichtung besteht deswegen ein wesentlicher Unterschied, weil bei der ersteren ein von der üblichen Rückkopplungsschaltung abgeleiteter Betrieb mit einer nicht stark verzerrten Kurvenform vorliegt, während die letztere als ausgesprochene Kippschaltung mit sehr scharfen Impulsen arbeitet. In einem solchen Falle genügt es aber nicht, wenn in der Abtastspule ein mehr oder weniger spitziger Impuls induziert wird, vielmehr kommt es entscheidend auf die Nulldurchgänge der induzierten Spannung in bezug auf die relative Lage der Magnetanordnung zur Spule an. Diese Nundurchgänge werden nun, wie gefunden worden ist. wesentlich durch die relative Größe der Magnete zu der Spulenform bestimmt, wobei die Versuche ergeben haben, daß die Magnete einen Induktionsquerschnitt haben müssen, der kleiner ist als die Spulenhöhe.

Die Kurvenform der in der Wicklung, wenn sie als Abtastspule wirkt, induzierten Spannung ist auch noch im Zusammenhang mit dem geforderten einwandfreien Selbstanlauf von erheblicher Bedeutung. Der Erfindung liegt hier die Beobachtung und Erkenntnis zugrunde, daß es auf eine möglichst große Steilheit der Kurve gemäß Fig. 1 ankommt, weil dann eben schon sehr kleine Änderungen eine Aufschaukelung zur Vollaussteuerung bewirken. Auch in dieser Hinsicht vermittelt die erfindungsgem'aße Vorschrift, daß der Induktionsquerschnitt kleiner sein soll als die Spulenhöhe, einen besonderen technischen Fortschritt, weil dann der Abstand der Induktionsachsen der Magnete kleiner gewählt werden kann und die von den Einzelmagneten herrührenden Anteile der induzierten Spannung sich trotzdem noch nicht zu viel überlappen. Die beschriebenen eindeutigen Funktionen ermöglichen darüber hinaus bei zweckmäßig gewählten Mitteln auch eine Vereinfachung der zugehörigen elektronischen Schaltung, wie noch erläutert werden wird.

Infolge der, wie beschrieben, eindeutigen Funktionen ist es nach einer weiteren Lehre der vorliegenden Erfindung auch möglich, ein sicheres Selbstanlaufen zu gewährleisten, indem in der Ruhelage des Rotors die Achse der einen Paarhälfte der Magnetanordnung in Richtung des Kraftvektors aus

ao Induktion und Flußrichtung der die zugeordnete Spulenhälfte durchfließenden Gleichstromimpulse um mindestens annähernd die halbe Wicklungshöhe aus dem Spulenmittelpunkt versetzt ist. Der erfindungsgemäße technische Fortschritt wird dadurch erzielt.

daß an der für die Nullage ausgewählten Stelle die Funktion für die elektrodynamische Systemkonstante ihre größte Steilheit hat und somit die besten Bedingungen für Selbsterregung gegeben sind, zumal außerhalb dieses Bereiches wegen des einfachen Charakters der Funktion keine gleich günstigen Bedingungen vorliegen. Mit anderen Worten, die optimalen Selbsterregungsbedingungen sind, genau wie gewünscht und notwendig, nur bei kleinen Schwingungsamplituden erfüllt, mit zunehmender Amplitude ist dies weniger der Fall, so daß schon hierdurch eine natürliche Amplitudenbegrenzung zustande kommt, die durch die gewählte elektronische Schaltung noch unterstützt wird, wobei je nach der Einstellung der elektrischen Werte die maximalen Ausschläge bei mehr oder weniger großen Winkeln liegen. Es entfällt also auch die bei manchen bekannten Vorrichtungen gefürchtete und beanstandete komplizierte Justierung.

Diese elektronische Schaltung ist, ebenso wie schon der Aufbau des elektrodynamischen Systems, in einfachster Weise aus möglichst wenig Bauelementen zusammengesetzt, so daß ihre Arbeitsweise übersichtlich bleibt und genau auf die Bedürfnisse des Drehschwingers mit elektrodynamischem Antrieb und elektrodynamischer Abtastung abgestimmt sein kann. Erfindungsgemäß ist in diesem Sinne die Verstärkeranordnung aus zwei mit Halbleitertrioden entgegengesetzten Leitungstyps bestückten und ohmisch miteinander gekoppelten Stufen !zusammengesetzt.

wobei die Basis des PNP-Steuertransistors über einen mindestens einen Kondensator enthaltenden komplexen Spannungsteiler mit dem Kollektor des NPN-Antriebstransistors einerseits und der — gegebenenfalls durch eine Diode von zur Stromrichtung entgegengesetzter Durchlaßrichtung überbrückter und am anderen Ende an den positiven Pol der Stromquelle angeschlossenen — Spulenwicklung andererseits und weiterhin der Kollektor des Steuertransistors über einen ohmschen Spannungsteiler mit dem negativen Pol der Stromquelle, der Abgriff dieses Spannungsteilers mit der Basis des Antriebstransistors und schließlich der Emitter des Steuertransistors mit dem Pluspol und der Emitter des Antriebstransistors mit

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dem Minuspol der Stromquelle verbunden sind. l^:s In der deutschen Oftenlegungsschrift (52."¹UI. Ut kann zweckmäßig «ein. in die Emitterleitungen und /war auch ein Drehschwinger mit einer Magnetoder die Ba^isleitunsen Vorwiderstände einzu- anordnung beschrieben, die Verteilung der Magnete schalten. in Beziehung zur Spule und die Richtlinien der In-Der Aufbau ei^es zum Antrieb eines Drehsehwin- 5 duktionsachsen «ind \on denjenigen des Erfindungssers geeigneten kippfähigen Systems aus zwei gal- gegenstandes aber so sehr verschieden, daß ohne weivanisch gekoppelten komplementärer Transistoren. teres offensichtlich ist. daß weder die Funktionen wobei der Kollektor des einen über ein RC-Glied noch folglich die Arbeitsweise die gleiche sein kann. mit der Basis des anderen verbunden ist. ist an sich Auch die in der »Funkschau«. 1969. H. 8. S. 617 schon durch die USA-Patentschrift 2 77g 449 be- >o bis 620. beschriebene Anordnung unterscheidet sich kannt. Eine Abwandlung dieses vorbekannten Prin- von derjenigen der Erfindung sowohl durch die ganz rips ist weiterhin in der deutschen Patentschrift andere Ausbildung des Schwingers, der nur einen 1 166 705 beschrieben, deren Besonderheit deshalb Magnet aufweist, als auch durch die ganz andere nur darin bestehen kann, daß die Spule zusammen Verstärkerschaltung, bei der der zweite Transistor mit drei Widerständen zu einer Brückenschaltung 15 ein Außenwiderstand des ersten ist. vereinigt ist. an deren einer Diagonale der Eingang Es wird noch im Laufe der ausführlichen Bedes Transistorverstärkers und an deren anderer Dia- Schreibung im einzelnen erläutert werden, daß sich gonale der Ausgang liegt. Im übrigen ist auch die die in den erfindungsgemäßen Einzelheiten der ein-Spulen- bzw. Magnetanordnung dieser vorverörTent- fachen und übersichtlichen Anordnung sowohl belichten Anordnung nicht mit derjenigen der Erfin- »« züglich des Drehschwingers mit den eigentlichen dung vergleichbar, weil sie drei feststehende Ma- elektrodynamischen Systemteilen als auch der Vergnete und ein anderes Magnetquerschnitt-Spulen- Stärkeranordnung begründeten besonderen teehwicklungshöhen-Verhältnis hat. Sowohl deswegen als nischen Vorteile gegenseitig unterstützen, auch wegen der Art der Kopplung der Transistoren Die Erfindung wird an Hand eines Ausführungsgenügt diese Schaltungsanordnung der eingangs ge- 25 beispiels in Verbindung mit den Zeichnungen näher stel .en Aufgabe nicht, weil die beiden Stufen infolge erläutert,
der wesentlich verschiedenen Kopplungsgrade sehr Es stellt dar

verschieden ausgesteuert werden. F i g. 1 eine schematische Draufsicht auf die Spule Die erfindungsgemäße Schaltung unterscheidet sich des elektrodynamischen Systems mit der Magnetalso von den vielen bisher vorgeschlagenen und be- 3» anordnung, die in einigen verschiedenen Lagen einkannten — allerdings zum Teil auch in unvoll- gezeichnet ist. und zwei sich beim Überschwingen kommener Art. d. h. ohne eindeutige technische ergebenden Funktionen für die elektrodynamische Lehre beschriebenen — und scheinbar ähnlichen Systemkonstante »Induktion mal Leiterlängenmaßgebend dadurch, daß ihr Kippverhalten vor allem einheit«, wobei beide Faktoren als Vektoren berückwegen der Gleichspannungskopplung zwischen erster 35 sichtigt sind.

und zweiter Stufe über einen Spannungsteiler und F i g. 2 a eine Vorderansicht des Drehschw mgers.

der mittels eines komplexen Spannungsteilers rück- wobei in diesem Zusammenhang unwesentliche Teile

wirkungsarmen Ausgangsschaltung eindeutig auf die fortgelassen sind.

beim Überschwingen von Magneten und Spule(n) Fig. 2b eine Draufsicht, teilweise im Schnitt entauftretenden ersten negativen Impulse anspricht und 40 lang der in Fig. 2a mit A-A bezeichneten strichnur so lange einen Antriebsstrom fließen läßt, bis ein punktierten Linien.

positiver Impuls eine Mindestspannung überschreitet. Fig. 2c eine Seitenansicht, ebenfalls teilweise im

bei der die Spannung zwischen Basis und Emitter Schnitt entlang der in F i g. 2 b mit B-B bezeichneten

am Steuertransistor so klein wird, daß er und damit strichpunktierten Linien.

auch der Antriebstransistor gesperrt wird. Dadurch 45 Fig. 2d eine Abwandlung de« Drehschwingers der

ist gewährleistet, daß eine elektrodynamische An- F i g. 2 a bis 2 c.

triebskraft nur in der Schwingungsrichtung, also F i g. 3 das Schaltbild der zugehörigen Versthrkcr-

phasenrichtig auftritt. anordnung mit der eingeschalteten Spulenanordnung.

Bei der einen Überschwingungs-Halbperiode. bei Fig. 4 den zeitlichen Verlauf der Spannung am

welcher die Systemkonstanten-Funktion zwei nega- 5< > Kollektor des Antriebstransistors gegen den Minus-

tive Impulse enthält, würde an sich durch den zwei- pol der Stromquelle, in einer Darstellung, bei der

ten ein weiterer Kippvorgang mit hemmender, d. h. das Verhältnis der induzierten Spannungsanteile zu

entgegengesetzt der Schwingungsrichtung wirkender dem Spannungsabfall am ohmschen Widerstand bei

elektrodynamischer Antriebskraft ausgelöst werden. stromleitendem Antriebstransistor aus Gründen der

Dies wird bei der erfindungsgemäßen Schaltung aber 55 deutlichen Darstellung verändert ist.

dadurch verhindert, daß der Kippvorgang eine Um- In Fig. 1 ist die scheibenförmige Spule 1 schema-

ladune des Kondensators im Verbindungsweg zvvi- tisch dargestellt zusammen mit der kreisförmigen

schenAusgang und Eingang des zweistufigen Ver- Schwenkbahn 2. auf der die Achse der Spule 1 prak-

stärkers verursacht und somit eine solche Verlage- tisch senkrecht steht, d. h. nur wenig innerhalb der

rung der Basis des Steuertransistors der ersten Stufe. 60 Schwenkbahn 2. und die Magnete 3 und 4 mit eben-

daß dieser für den zweiten Impuls ausreichend ge- falls mindestens annähernd auf der Schwenkbahn

sperrt wird. Die Zeitkonstante dieses /?C-Gliedes ist senkrecht stehenden, parallelen, aber entgegengesetzt

nicht besonders kritisch, weil es genügt, wenn sie gerichtetenlnduktionsachsenüberdieSpulenoberfläche

kleiner als die halbe Periodendauer bemessen ist. so weg hin und her um eine nicht gezeichnete Achse

daß dann bis zum ersten negativen Impuls des nach- 65 geschwenkt werden. Die entgegengesetzt gerichteten

sten Durchlaufs die Verlagerung beendet ist, und Induktionsachsen sind durch das in üblicher Weise

wenn letztere nach dem Rückkippen deutlich be- vom Pfeil übernommene Kreuz 5 der Federung und

merkbar ist. den Punkt 6 der Pfeilspitze dargestellt. Eine bei der

Schwenkung auftretende andere Lage der Magnete ist bei 7 und 8 angedeutet.

Wenn die Magnete längs der gestrichelten Linie für die kreis'iürmige Schwenkbahn 2 über die Spule bewegt werden, wird in der Spule eine Spannung induziert oder tritt bei einem durch die Spulenwick-Iwng fließenden elektrischen Strom eine Kraft auf, die von der magnetischen Induktion im Luftspalt und der Bewegungsgeschwindigkeit bzw. dem Strom nach Größe und Richtung abhängt und der Tangente an die kreisförmige Schwenkbahn 2 an der betreffenden Stelle gleichgerichtet — hin und her — ist. Wenn man entsprechend diesen Bedingungen den elektrodynamischen Systemfaktor bildet, so ergibt sich dafür eine Funktion entsprechend der Kurve 9 in Abhängigkeit von der Lage eines Einzelmagnets oder der Kurve 10 in Abhängigkeit von der Lage des Mittelpunkts 11 für die beiden Magnete 3 und 4 zusammen. Außer dem verhältnismäßig schmalen (d. h. zeitlich kurzen) und positiven Teil sind noch zwei negative Nebenmaxima vorhanden, die zustande kommen, wenn nur einer der Magnete 3 und 4 über einer Spulenhälfte 12 bzw. 13 liegt. Das Maximum des schmalen positiven Stücks ist, wie sich zeigen läßt, am höchsten, wenn der Abstand der Induktionsachsen der Magnete 3 und 4 mindestens annähernd gleich dem Durchmesser der Spule 1 und erfindungsgemäß die Wicklungshöhe der Spule 1 größer als der Durchmesser der Magnete 3 und 4 sind.

An der Kurve 10 ist auch deutlich zu erkennen, daß die Funktion für den Systemfaktor bei der ausgezogen gezeichneten Lage 14 der Magnete 3 und 4 bzw. ihres Mittelpunkts 11 ihre größte Steilheit aufweist. In diesem Bereich kommt das System also am leichtesten zur Selbsterregung. Diese Einstellung ist nicht besonders kritisch, da ähnliche Verhältnisse auch noch an der benachbarten Stelle 15 herrschen. Die oft mit Recht gefürchtete Notwendigkeit einer besonders sorgfältigen Justierung ist also durch die Erfindung in Wegfall gekommen.

In Fig. 2a, 2b und 2c sind auf einer abgewinkelten Grundplatte 21 die Distanzsäulen 22,23 montiert, die die Führungsplatte 24 tragen; in der Grundplatte 21 und der Führungsplatte 24 ist die Welle 25 des Drehschwingers 26 gelagert. Auf der Welle 25 sind die beiden weichmagnetischen Scheiben 27, 28 befestigt, die zwecks Gewichtsverminderung und Vermeidung unnötiger Bedämpfung der Spule durch Wirbelströme mit Viertelkreissegment-Ausschnitten 28a, 28b versehen sind; in Fig. 2b ist wegen der Lage der Schnittfläche A-A nur die untere, 28, sichtbar. Die Scheiben tragen auf der Unter- bzw. Oberseite je ein Paar von kleinen Dauermagneten 29 a,

29 b bzw. 30 a, 30 b, deren Induktionsachsen, wie durch die Polbezeichnungen »N«. »5« angedeutet ist, paarweise gleich und von Paar (29) zu Paar (30) entgegengesetzt gerichtet sind, was auch die Pfeile 31, 32 andeuten sollen. Auf der den Magnetpaaren 29.

30 entgegengesetzten Seite der Scheiben 27 und 28 sind die Gegengewichte 33, 34 zwecks Beseitigung der Unwucht angebracht.

Der Weg der magnetischen Kraftlinien ist also von Magnet 29 a zu Magnet 29 b bzw. 30 a zu 30 b, über den die Spule 35 enthaltenden Luftspalt 36 und die betreffenden Teile der Scheiben 27, 28 als Kurzschlußjoehe geschlossen; es bildet sich also ein starker maenetischer Fluß mit entsprechend großer Induktion aus: außerdem wird die Spule 35 im Luftspalt 36 praKtisch nur von solchen Kraftlinien durchdrungen, die senkrecht auf der zur Welle 25 und zu der Ebene der Spule 35 senkrechten Fläche stehen, womit zwischen den Windungen der Spule 35 einerseits und dem Induktionsfeld andererseits nur Kräfte in Richtung der Tangente an die kreisförmige Schwenkbahn 28c um die Welle 25 auftreten.

Die Spule 35 ist in die Trageplatte 37 aus isolierendem Werkstoff eingebettet, deren Fluß 38 die ίο Anschlußdrähte 39, 40 für die eine und 41, 42 für die andere Spulenhälfte enthält und über das Distanzstück 43, wiederum zweckmäßigerweise aus Isoliermaterial, ebenfalls auf der Grundplatte 21 mittels Verschraubung 44 abgestützt ist. In der Regel ist bei dem Erfindungsgegenstand die zweigeteilte Spule durch eine mit einer einzigen Wicklung ersetzt, wobei dann die Leitungsbrücke 45 entfällt.

In Fig. 2d ist eine abgewandelte Ausführungsform des Drehschwingers dargestellt, bei der wieao derum zwei weichmagnetische Scheiben 71, 72 (ähnlich denen der F i g. 2b) und der Träger 73, beispielsweise aus Kunststoff, auf der Welle 74 befestigt sind. Im Träger 73 sind in gleicher Weise wie in F i g. 2 a bis 2 c zwei Dauermagnete 75, 76 im Abstand etwa gleich dem Durchmesser der Spulen 77, 78 hintereinander angeordnet. Die Spulen 77, 78 sind in die Trägerplatten 79, 80 vorzugsweise aus Kunststoff, aber auf jeden Fall aus isolierendem Werkstoff eingesetzt, die vermittels eines Zwischenstücks 81 und eines Fußes 82 auf der Grundplatte 83 fest montiert sind. Die Magnete schwingen hier also nicht über die Spulen hinweg, sondern zwischen den übereinanderliegenden Spulen 77, 78 mit gemeinsamer Wickelachse hindurch. Im übrigen ist die Ausbildung entsprechend derjenigen der Ausführungsform der Fig. 2a bis 2c.

Innerhalb der abgewinkelten Grundplatte 21 ist das nicht gezeichnete Zeigerwerk untergebracht, wenn der erfindungsgemäße Drehschwinger mit elektrodynamischem Antrieb bei einer elektronischen Uhr Verwendung findet. In diesem Falle überträgt das Klinkenrad 52 jeweils eine der beiden Halbschwingungen des Drehschwingers auf das gestrichelt gezeichnete Steigrad 53 des Zeigerwerks. Mit der beschriebenen Ausfühningsform ist es dabei zweckmäßig, das Steigrad 53 mit solcher Zahnungsrichtung auszustatten, daß das Klinkenrad jeweils während der Halbschwingung mit dem vollen Antriebsimpuls eingreift, wozu auf die nachfolgende Beschreibung der Verstärkeranordnung verwiesen wird.

Mit dem Schenkel 48 wird, wofür sich eine besondere Darstellung erübrigt, die ganze Einheit mit Drehschwinger 26, Zeigerwerk, Spule 35 und elektronischer Schaltung 51 mit einem Gehäuse aus isolierendem und zum Teil durchsichtigem Werkstoff zu einer Baugruppe vereinigt, die auch die Batterie enthält; das erwähnte Gehäuse ist so ausgebildet, daß es mit einem Uhrengehäuse mehr oder weniger leicht lösbar, beispielsweise durch Einhängen, verbunden werden kann.

Nur der Vollständigkeit halber sei erwähnt, daß der Drehschwinger praktisch gleich wie in Verbindung mit dem Ausführungsbeispiel beschrieben als Unruh Verwendung finden kann, wobei das Rückstellglied durch eine an sich bekannte Spiralfeder gebildet wird. Bei einer Pendeluhr entfällt diese Spiralfeder, da die Schwerkraft des Pendels das Rückstellglied ersetzt; der Drehschwinger enthält da-

bei also als Rotor die Pendelstange, mit der die Magnetanordnung in entsprechender Weise baulich vereinigt ist.

An dem Fuß 38, mit eingelöteten Anschlußdrähten 39 bis 42, liegt die nur in Fig. 2a ausführlicher wiedergegebene Leiterplatte 46 mit den Transistoren 47. 48 und den wiedergegebenen Bauelementen 49, 50 sowie weiteren nicht sichtbaren Bauelementen an, die zusammen die elektronische Schaltung 51 der Verslärkeranordnuiig bilden. Statt in dieser herkömm'iclien Technik kann sie selbstverständlich in einer modernen Mikroschaltungstechnik, wie der Dickfilm-, der Dünnfilmtechnik oder der Technik der integrierten Schaltkreise, ganz oder teilweise ausgeführt sein.

Die als Rückstellglied in bekannter Weise dienende Spiralfeder 54 ist an einem Ende an der Welle 25 und am anderen Ende an dem Stift 55 befestigt, wirkt also zwischen Drehschwinger 26 und Grundplatte 21 bzw. Führungsplatte 24.

In F i g. 3 ist die Wicklung 104 der Spulenanordnung, die mit den schematisch angedeuteten zwei Magneten 101. 102 zusammenwirkt, welche — wie in Verbindung mit F i g. 2 a bis 2 c bzw. 2 d ausführlich beschrieben — um die Welle 103 schwenkbar gelagert sind, zwischen die mit dem Pluspol 105 verbundene Leitung 106 und den Kollektor 107 des NPN-Antriebs-Transistors (Silicium) 108 eingeschaltet, dessen Emitter 109 an die zum Minuspol 110 führende Leitung 111 angeschlossen ist. Der im Kreis des Kollektors 107 liegende, gesamte, aus dem Widerstand der Wicklung 104 und gegebenenfalls einem zusätzlichen ohmschen Widerstand zusammengesetzte Widerstand 112 ist gestrichelt angedeutet; Wicklung 104 und ohmscher Widerstand 112 sind durch die Diode 113 überbrückt, deren Durchlaßrichtung der Spannung zwischen dem Pluspol 105 und dem Minuspol 110 entgegengesetzt ist.

Parallel zu der Kollektor (107)-Emitter (109)-Strecke des Transistors 108 ist der komplexe Spannungsteiler aus Widerstand 114, Kondensator 115 und Widerstand 116 geschaltet, dessen Abgriff 117 über die Leitung 118 mit der Basis 119 des PNP-Steuertransistors 120 verbunden ist. Der Emitter 121 liegt an der Leitung 106, der Kollektor 122 über die hintereinandergeschalteten Widerstände 123, 124 an der Leitung 111. Der Abgriff 125 des aus den Widerständen 123. 124 gebildeten Spannungsteilers ist über die Leitung 126 an die Basis 127 des Antriebstransistors 108 angeschlossen. Zur noch besseren Stabilisierung gegen Betriebsspannungs- und Temperatur-Änderungen ist einer der Widerstände 123,124 zweckmäßig durch einen temperaturabhängigen Widerstand ersetzt, im Falle des Widerstandes 124 durch einen mit negativem Temperaturkoeffizienten.

Die Wirkungsweise des über den komplexen Spannungsteiler~114 bis 116 rückgekoppelten Verstärkers ist an sich ohne weiteres abzulesen; es sei lediglich hervorgehoben, daß ein negativer Impuls an der Basis 119 eine Stromzunahme in der Wicklung 104 und damit eine weitere Spannungsabnahme und umgekehrte, positive Impulse eine Stromabnahme in der" Wicklung 104 und damit entsprechend eine Spannungszunahme am Kollektor 107 und folglich auch an dem Abgriff 117 herbeiführen. Wie man sieht, schaukeln sich beide Vorgänge, wenn sie erst einmal angestoßen sind, bis zur Stromsättigung bzw. bis zur vollen Sperrung auf. Der sich ergebende Kippvorgang wird also durch negative Impulse an dem zum Kollektor 107 gehörenden Ende der Wicklung 104 ausgelöst und durch positive Impulse beendet.

Dieser Schaltvorgang ist am besten in Verbindung mit Fig. 4 zu erläutern, die den Verlauf d;r Spannung am Kollektor 107 der F i g. 3, gemessen gegen Leitung 111, in Abhängigkeit von der Zeit, d. h. von den Winkelausschlägen des Drehschwingers (26 in

ίο Fig. 2), wiedergibt. Dabei ist im linken Teil des Schaubilds eine kleinere, im rechten Teil eine ziemlich große Amplitude angenommen.

Genau entsprechend der in Fig. 1 dargestellten Funktion wechseln sich im Rhythmus der halben Schwingungsdauer [TiI) positive 152, 154 und negative 151, 153 Funktionen ab. die sich praktisch der Betriebsspannung 155 überlagern. Wenn man zunächst die bei rein mechanisch angestoßenem Drehschwinger induzierten Funktionen betrachtet, dann erkennt man entweder zunächst einen positiven (156, 157), dann einen etwa doppelt so hohen negativen (158, 159) und schließlich wieder einen positiven (160, 161) von gleicher Höhe wie die ersten (156, 157). Genau entsprechend lösen sich erste negative (162, 163), positive von doppelter Höhe (164, 165) und schließlich wieder negative (166, 167) bei den anderen (positiven) Funktionen 152, 154 ab. Es ist noch he;vorzuheben. daß die Impulse bei kleiner Amplitude (und kleinerer Spannung) einen größeren und bei größeren Amplituden einen kleineren Teil der Schwingungsdauer T ausmachen, also absolut längere oder kürzere Zeit dauern.

Wenn nun die Verstärkeranordnung eingeschaltet wird, dann kommt bei Überschreitung eines Schwellenwertes zunächst bei dem ersten negativen Impuls 158 ein erster Kippvorgang 168 zustande, der die Spannung am Kollektor des Antriebstransistors auf den Wert 169 absinken läßt; dieser Kippzustand wird durch den positiven Impuls 160 abcebrochen und in eine Sperrung überführt. Die beim Kippen auftretende Spannungsänderung am Kollektor wird durch das flC-Glied (114 bis 116 in Fig. 3) verzögert, d. h. mit einem Ausgleichsvorgang überlagert, so daß während der Pause bis zum nächsten Überschwingen der Magnete die Spannung entsp chend dem Kurvenzweig 171 verläuft.

Der nächste Kippvorgang 172 wird bei dem entgegengesetzt verlaufenden Überschwingen (positive Funktion 152) durch den ersten negativen Impuls 162 ausgelöst und durch den folgenden positiven 164 abgebrochen, wobei dieser aber durch die Kondensator-Verlagerung nach positiven Werten 173 verschoben wird, so daß damit der zweite negative Impuls (166) eine nochmalige Zündung nicht mehr bewirken kann. Genau entsprechend verlaufen beide Vorgänge auch bei den Funktionen 153, 154 für größere Amplituden.

Durch die Marken 174 bis 177 sind die Nulldurchgänge des Drehschwingers, d. h. genauer der Mittelachse der beiden Magnete, über der Achse der Spule angegeben. Der erste Durchlauf, der zu einem Impuls von doppelter Höhe gehört (151), bei dem also beide Magnete in gleicher Weise beteiligt sind, ergibt einen Antriebsimpuls, der sich über fast die aanze Breite des Durchlaufs erstreckt. Der folgende Durchlauf dagegen liefert einen Antriebsimpuls, dessen Kippvorgang 172 beim Eintreten des ersten der beiden Magnete ausgelöst wird und der infolgedessen — wie

es sein muß, wenn keine Hemmung durch den Antrieb vorkommen soli — dem vorhergehenden entgegengesetzt gerichtet ist und vor allem vor dem Mittendurchgang aufhört, also nur so lange andauert, wie die Kraft des Impulses der Bewegung gleichgerichtet ist. Der längere und infolgedessen auch in der Wirkung stärkere Impuls wird zweckmäßig auch für den Antrieb des Steigrades ausgewertet, indem die Verzahnung so gewählt wird, daß das Klinkenrad dieses während des vorher zuerst beschriebenen Durchlaufs betätigt.

In F i g. 4 ist auch zu erkennen, daß nicht nur die Funktion der induzierten Spannungen, sondern auch die zu den Kippvorgängen gehörenden Antriebsimpulse mit größerer Amplitude schmäler, d. h. kürzer, d. h. energieärmer werden, so daß damit automatisch eine natürliche Amplitudenbegrenzung — ohne Dämpfun» — zustande kommt. Damit und in Verbindung mit^der bereits beschriebenen sicheren Vermeidung von hemmenden Antriebsimpulsen ist ίο die der Erfindung zugrunde gelegte Aufgabe in vollem Umfang gelöst.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Drehschwinger, d. h. drehbar gelagerte und mit einem Rückstellglied in einer Ruhelage gehaltene Masse, mit elektrodynamischem Antrieb und elektrodynamischer Abtastung, wobei eine Spulenanordnung und eine Permanentmagnetanordnung mit mindestens einem Paar von Magneten entgegengesetzt gerichteter Induktionsachsen, deren Kraftlinien über die Spule(n) enthaltende Luftspalte und gegebenenfalls über ein weichmagnetisches Kurzschlußjoch geschlossen sind, relativ zueinander schwingen, indem die eine Anordnung einen Teil des Rotors und die andere einen Teil des Stators bildet, wobei weiterhin die (gsmeinsame) Achse der Spule(n) und die innerhalb eines Quadranten in einem Abstand mindestens annähernd gleich dem Spulendurchmesser liegenden zwei Induktionsachsen der Magnete zueinander parallel sind und mindestens annähernd senkrecht auf einer gemeinsamen kreisförmigen Schwenkbahn um die Rotorachse stehen sowie schließlich die Spule(n) mit einer elektronischen Verstärkeranordnung zusammenwirken, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule(:) als eine elektrisch einzige Wicklung gleichzeitig sowohl als Antriebsspule im Ausgangskreis als auch als Abtastspule, gegebenenfalls über einen komp'exer Spannungsteiler, im Eingangskreis einer Verstärkeranordnung mit einem Phasenübertragungsmaß mindestens annähernd gleich Null angeschlossen ist (sind) und eine Wicklungshöhe hat (haben), die größer als der Durchmesser der Induktionsquerschnitte bzw. der Magnete ist.

2. Drehschwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Ruhelage des Rotors die Achse der einen Paarhälfte (29 a, 29 b) der Magnetanordnung in Richtung des Kraftvektors aus Induktion und Flußrichtung der die zugeordnete Spulenhälfte (13) durchfließenden Gleichstromimpulse um mindestens annähernd die halbe Wicklungshöhe aus dem Spulenmittelpunkt versetzt ist.

3. Drehschwinger nach einem der Ansprüche 1 und 2. dadurch gekennzeichnet, daß jede Paarhälfte der Magnetanordnung aus mindestens zwei Einzelmagncten (29a, 29 b bzw. 30a. 306) gleicher Induktions-Richtung und -Achse zusammengesetzt ist, von denen je mindestens einer ober- und unterhalb der Spulenanordnung (mit der Spule 35) liegt.

4. Drehschwinger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenanordnung aus zwei übereinanderliegenden, vorzugsweise gleichen Spulen (77, 78) mit gemeinsamer Achse zusammengesetzt ist. zwischen denen das Paar von Magneten (75, 76) mit entgegengesetzt gerichteten Induktionsachsen durchschwingt.

5. Drehschwinger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Verstärkeranord.iung mit zwei mit Halblcitertriodcn (108, 120) entgegengesetzten Leitungstyps bestückten und ohmisch miteinander gekoppelten Stufen, wobei die Basis des PNP-Steucr-Transistors (120) über einen mindestens einen Kondensator (115)

enthaltenden komplexen Spannungsteiler (114 bis 116) mit dem Kollektor (107) des NPN-Antriebs-Transistors (108) einerseits und — gegebenenfalls durch eine Diode (113) von zur Stromrichtung entgegengesetzter Durchlaßrichtung überbrückter und am anderen Ende an den positiven Pol (1OS, 106) der Stromquelle angeschlossener — Spulenwicklung (104) andererseits und weiterhin der Kollektor (122) des Steuer-Transistors (120) über einen vorzugsweise voreinstellbaren Spannungsteiler (123,124) mit dem negativen Pol (110,111) der Stromquelle, der Abgriff (125) dieses Spannungsteilers mit der Basis (127) des Antriebs-Transistors (108) und schließlich der Emitter (121) des Steuer-Transistors (120) mit dem Pluspol (105, 106) und der Emitter (109) des Antriebs-Transistors (108) mit dem Minuspol (110, 111) der Stromquelle — in jedem der beiden Fälle gegebenenfalls über einen Widerstand — verbunden sind.

6. Drehschwinger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in einem der zwischen Kollektor (1221 des Steuer-Transistors (120), Basis (127) des Antriebs-Transistors (108) und negativem Pol (111) der Stromquelle liegenden Zweige des Spannungsteilers ein temperaturabhängiger Widerstand, vorzugsweise im Zweig Basis/negativer Pol ein solcher mit negativem Temperaturkoeffizienten, enthalten ist.

7. Drehschwinger nach einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der in Serie der Spulenanordnung liegende ohmsche Widerstand mindestens teilweise durch den des Wicklungsdrahtes gebildet ist.

8. Drehschwinger nacb einem der Ansprüche I bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Schaltung (51) der Verstärkeranordnung — gegebenenfalls in Verbindung mit der Spulenanordnung — in Mikroschaltungstechnik, d. h. in Dickfilmtechnik, Dünnfilmtechnik oder in der Technik der integrierten Schaltkreise, ausgebildet ist.

9. Verwendung des Drehschwingers nach einem der Ansprüche 1 bis 8 als Gangordner für elektronische Uhren mit einer aus Zeigerwerk, einer Batterie als Stromquelle sowie einem Gehäuse vorzugsweise aus teilweise durchsichtigem Kunststoff zusammengesetzten Baugruppe und einem Uhrengehäuse, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor mindestens einen Teil der Unruh bzw. des Schwerkraft- oder des Drehpendels bildet, ferner der Stator mit einer Platine des Zeigerwerks und dieses mit dem Baugruppengehäuse baulich vereinigt und die Baugruppe mit dem Uhrengehäuse lösbar verbunden ist sowie schließlich das Rückstellglied in an sich bekannter Weise durch die Unruhfcderspirale bzw. die Schwerkraft eier Pcndelmassc gebildet wird.