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Tragbare elektrische Uhr Die Erfindung bezieht sich auf eine tragbare
elektrische Uhr, z. B. Armband- oder Taschenuhr, bei der als Energiequelle ein elektrischer
Speicher, ins-'besondere eine Batterie, dient, der ständig mit der Uhr verbunden
ist, beispielsweise im Uhrgehäuse angeordnet ist. Zur Konstruktion einer derartigen
elektrischen Uhr hat man sich bisher um die Lösung der folgenden beiden Probleme
bemüht: Erstens die Verwandlung der elektrischen. Energie in eine frequenzgeregelte
mechanische Atriebsenergie für das Zeigerwerk und zweitens die ständige Nachladung
des elektrischen Speichers, wobei in beiden Fällen kleinste Abmessungen anzustreben
waren. Zum Nachladen des elektrischen Speichers hat man bekanntlich versucht, eine
öder mehrere Photozellen zu verwenden. Zur Erzeugung der frequenzgeregelten mechanischen
Antriebsenergie hat man bekanntlich versucht, mit Hilfe eines elektrischen Motors
über ein mechanisches Gesperre einen mechanischen Energiespeicher, beispielsweise
eine Uhrfeder, periodisch aufzuziehen bzw. ständig aufgezogen zu halten, um mit
dem mechanischen Speicher in bekannter Weise einen Gangregler, insbesondere eine
Unruhe, und von ihm ablaufgetrennt das Zeigerwerk anzutreiben.
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Die Gangregulierung wurde hiermit also rein mechanisch durchgeführt.
Eine andere bekannte Lösung steht darin, die Unruh selbst als Schwingteil eines
elektronisch gesteuerten, insbesondere über eine Transistorschaltung angetriebenen
Schwingmotors oder als mechanischen Taktgeber eines Transistor-Umformers zur Speisung
eines umlaufenden Motors auszubilden, wodurch die an sich mechanische Gangregulierung
mit dem Motorantrieb baulich vereinigt wird. Keiner dieser Versuche hat bisher zu
einer voll befriedigenden funktionsfähigen Uhr geführt, bei welcher sowohl die räumlichen
Abmessungen als auch die Herstellungskosten in tragbaren Grenzen bleiben, weil sowohl
die elektronische Motoranordnung als auch die Photozellenanordnung viel zu aufwendig
sind und eine sehr große Anzahl zum Teil recht kostspieliger Einzelteile erfordern.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die beiden gestellten-Probleme
mit anderen zum Teil bereits vorgeschlagenen Mitteln zu lösen, welche nicht nur
weniger aufwendig sind, sondern gleichzeitig eine besonders geschickte, raumsparende
Zueinanderördnung gestatten.
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Die Erfindung bedient sich dazu eines systematischen Schichtenaufbaus
von Elementgruppen. Bei elektrischen Uhren, insbesondere Kleinuhren, sind sowohl
»Einschichtenaufbauten« bekannt, bei denen Stromquelle, elektrische Uhrteile und
mechanische Uhrteile praktisch in derselben Ebene liegen, was die Bauhöhe verringert,
die Kalibergröße erhöht, als auch »Mehrschichtenaufbauten«, bei denen beispielsweise
in einer Schicht die Stromquelle liegt, in einer zweiten Schicht die elektrischen
Teile; gegebenenfalls in einer dritten Schicht die mechanischen Teile, diese Anordnung
hat den Vorteil kleinerer Kalibergröße, aber den Nachteil größerer Bauhöhe.
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Die Erfindung strebt minimalen Raumbedarf bei kleinem Kaliber und
kleiner Bauhöhe an, indem einzelne Elementgruppen, besonders aufeinander abgestimmt,
jeweils in einer Schicht zusammengefaßt werden.
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Bei einer tragbaren elektrischen Uhr, z. B. Armband- oder Taschenuhr,
mit einem Mehrschichtenäufbau, bei welchem in einer Schicht die Stromquelle angeordnet
ist, wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in dieser Schicht außer
der in an sieh bekannter Weise als aufladbarer Akkumulator ausgebildeten Stromquelle
eine Ladevorrichtung so angeordnet ist, daß Stromquelle und Ladevorrichtung annähernd
gleiche Höhe haben, und daß in einer darüber angeordneten zweiten Schicht ein elektronischer
Oszillator mit einem von ihm angetriebenen Motor derart angeordnet ist, daß die
zweckmäßigerweise gleichzeitig die Spulenanordnung des Oszillators bildende Spulenanordnung
des Motors auf dem Kreisumfang der Schicht rotationssymmetrisch angeordnet ist.
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Eine andere, zweckmäßig auch mit der ersten Lösung vereinigbare Lösung
bei einer elektrischen Kleinuhr mit zeitweilig selbsttätig aufgeladenem elektrischen
Gleichstromspeicher, insbesondere Akkumulator, und elektronischer Antriebssteuerung,
vorzugsweise Transistorsteuerung, wobei die Ladestromquelle in bereits von dem Erfinder
vorgeschlagener Weise als ein durch Relativbew_ egung mindestens zweier seiner Teile
-zueinander stromerzeugender-Generator ausgebildet ist, besteht erfindungsgemäß
darin,
daß der bewegliche Teil des Generators derart ausgebildet und gelagert ist, daß
er eine pendelnde Bewegung innerhalb eines beschränkten Winkelbereiches von beispielsweise
höchstens etwa 300° ausführt, und daß der restliche Winkelbereich für die Unterbringung
der Gleichstromspeicher ausgenutzt ist.
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Der das Zeigerwerk antreibende Motor ist zweckmäßig als Synchronmotor
mit Spaltpolen ausgebildet und z. B. an einem vom elektrischen Gleichstromspeicher
gespeisten elektronischen Niederfrequenzkreis angeschlossen. Der Niederfrequenzkreis
besteht zweckmäßig aus einer von dem Erfinder an sich bereits vorgeschlagenen elektronischen
Oszillatoranordnung, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß der Ein- und Ausgangskreis
eines elektrisch steuerbaren Halbleiterbauelements, z. B. eines Transistors, einer
Doppelbasisdiode, eines Ringmodulators mit Ferritkern, einer Hallsonde, oder eines
anderen elektronischen Bauelements mit ausgesprochener Schaltwirkung über Impedanzen
oder entsprechende Laufzeitglieder derart rückgekoppelt sind, daß die Frequenz des
Schaltvorganges und der hierdurch bedingten Schwingung des Kreises im wesentlichen
durch die Verzögerungszeit des Rückkopplungsvorganges - beispielsweise durch die
Phasenverschiebung des elektrischen Stromes in zwei rückgekoppelten Spulen - bestimmt
ist.
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Gemäß einer besonders zugkräftigen, weil besonsonders raumsparenden
Weiterbildung der Erfindung bilden die den Aus- und Eingangskreis der elektronischen
Oszillatoranordnung rückkoppelnden Spulen ganz oder teilweise die Wicklungen, vorzugsweise
Statorwicklungen, des Synchronmotors, welcher vorzugsweise mit einem Dauermagnetläufer
ausgestattet ist. Der Synchronmotor besteht zweckmäßigerweise aus einer bekannten
Magnetanordnung mit aus Stanzblechen bestehenden Polschuhen, welche, die Spulen
von außen zangenartig umgreifend, neben dieser einen Polkranz bilden, innerhalb
dessen ein Polrad angeordnet ist, und bei welchem in von dem Erfinder an sich bereits
vorgeschlagener Weise der Magnetkern ganz oder teilweise aus Verlängerungen der
beiden Polschuhe besteht, die mit diesen je einen gemeinsamen Stanzteil bilden,
wobei die eine Verlängerung von der einen und die andere Verlängerung von der anderen
Seite in die Spulen hinein-bzw. durch diese hindurchragen.
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Dadurch, daß die den Gang regelnde konstante Frequenz elektronisch
schaltungsmäßig unmittelbar hinter der elektrischen Energiequelle erzeugt wird,
wird der Vorteil erreicht, daß anschließend nur noch mit einem Synchronmotor gearbeitet
zu werden braucht, welcher das Zeigerwerk direkt - gegebenenfalls unter Zwischenschaltung
eines Übersetzungsgetriebes - anzutreiben vermag. Gegebenenfalls ist der Synchronläufer
mit einem Gesperre zu kombinieren, welches eine eindeutige Laufrichtung garantiert.
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Der Synchronmotor kann in der vorliegenden Ausführung zweckmäßig als
Außenläufer verwendet werden. Die Laufrichtung wird durch die Anwendung des Spaltpolprinzips
erreicht. Der Motor selbst ist ein Hysteresismotor, bestehend aus folgenden vier
Teilen: a) Magnet- oder Triebkern aus Dynamoblech, b) Erregerspule, c) Stahlscheibe
bzw. Läufertrommel aus Kobaltstahl, d) Kurzschlußringe aus Kupfer.
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beschriebene Anordnung könnte nun beispielsweise mit einer Photozellenanordnung
kombiniert werden, welche in an sich bekannter Weise die elektrische Energiequelle,
insbesondere den Akkumulator, ständig nachläd.
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Die Dynamo oder das Nachladegerät kann auch so angeordnet sein; daß
der als Schwinganker ausgebildete Dauermagnet nicht sektorförmig ausgebildet ist,
sondern über eine Untersetzung in an sich bekannter Weise von einem Schwingpendelaufzug,
wie er in den Automatikuhren verwendet wird, angetrieben wird.
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In der Zeichnung ist eine Ausführungsform der Uhr nach der Erfindung
beispielsweise dargestellt. Fig. 1 bis 5 zeigen die bauliche Anordnung; in Fig.
6 ist die elektrische Schaltung veranschaulicht.
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Fig. 1 zeigt den Rückdeckel 1 der elektrischen Uhr nach der Erfindung.
Die Lücken 2 dienen als Haltenuten für das Werkzeug zum Aufschrauben des Dekkels.
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Fig. 2 zeigt die erste Schicht der elektrischen Uhr nach der Erfindung,
auf die der Deckel 1 aufsetzbar ist. Sie besteht aus der Batterie 12' und einem
ringförmigen Teil, auf dem kranzartig einige Induktionsspulen 3, 4, 5 und 6 angeordnet
sind, welche je einen Eisenkern 3', 4'; 5' und 6' umschließen und elektrisch hintereinander
geschaltet sind. 7 bedeutet ein sektorförmiges Eisenpendel, welches um die Achse
8 drehbar gelagert ist. Das Pendel 7 ist derart magnetisiert, daß es in Achsnähe
seinen Nordpol N hat und an der Pheripherie durch mehr oder minder tiefe Einschnitte
getrennte Südpole S aufweist. Das Pendel 7 kann auch so magnetisiert sein, daß abwechselnd
ein Nord- und ein Südpol folgen. Die Schaltung der Spulen muß dann auf ein Grätzgleichrichtssystem
abgestimmt werden. Durch Bewegungen der Uhr pendelt das Pendel 7 in Richtung des
Pfeiles 9 hin-und her und erzeugt dabei Stromimpulse in den Spulen 3 bis 6', die
über deren Zuleitungen 10 und 11 einer hochwertigen Batterie (Akkumulator) 12 zugeführt
werden. Das Pendel 7 ist in seiner Bewegungsbahn durch Anschläge derart begrenzt,
daß zur Aufnahme der Batterie 12 ein Sektor von etwa 60° verbleibt. Das Pendel 7
selbst besteht aus einem hochwertigen Ferritmaterial.
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Fig. 3 zweigt die zweite Schicht der elektrischen Uhr nach der Erfindung.
13 ist ein als Läufer dienender Hysteresisring aus Kobaltstahl. 14 bedeutet ein
Blech, das zum Läuferteil des Motors gehört. Die Öffnungen 15, 16 und 17 sind zur
Gewichtsverringerung angebracht. 18 bedeutet eine Wicklung, die aus; zwei übereinander
gewickelten, elektrisch eng miteinander gekoppelten Spulen besteht, die einerseits
den Stator eines Synchronmotors bilden und andererseits im Ein- bzw. Ausgang eines
an die Batterie angeschlossenen Transistors 19 (Fig. 4) liegen. In Fig. 4 ist das
eigentliche Triebwerk mit den nötigen Untersetzungen angedeutet, in das auch die
Schaltmittel, wie z. B. Transistor und Diode, eingebaut sind. 21 bedeutet die Achse
für den Läufer; 20 bedeutet die das Zifferblatt tragende Platine. In Fig. 5 ist
als letzte Schicht der Gehäusedeckel 36 dargestellt.
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Der Schaltungsaufbau gliedert sich gemäß Fig. 6 in fünf Hauptabschnitte
»I« bis »V«: »I« umfaßt den Generatorteil, der aus dem Pendelteil 7 besteht, welches
in diesem Falle mit zwei beweglichen Polen N und S dargestellt ist, die sich vor
den Polschuhen 3' und 4' der Generatorspule 3 bewegen. 26 ist ein die Rückentladung
der Batterie verhindernder Gleichrichter, welcher gleichzeitig zur
Gleichrichtung
des bei der Hin- und Herbewegung des Pendels 7 erzeugten Wechselstroms dient.
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»II« umfaßt den elektrischen Speicher in Gestalt der Batterie 12.
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»III« umfaßt den elektronischen Oszillator, welcher den Gleichstrom
der Batterie in Wechselstrom umformt und gleichzeitig den Frequenzregler der Uhr
bildet. Er besteht nach dem Beispiel aus einem Transistor 19, in dessen Ein- und
Ausgangskreis die beiden Spulen 18 und 18' liegen.
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»IV« umfaßt den Antriebsmotor, welcher durch den Teil »III«frequenzgeregelt
gespeist ist. Er besteht aus einem Synchronmotor, mit Spaltpolen 31 und 32 und einem
Polradläufer 33.
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»V« umfaßt die Anzeige mit dem Räderwerk 34 und der Zeigeranordnung
35.
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Die Erfindung ist nicht auf das Ausführungsbeispiel beschränkt. Außer
bereits angedeuteten Abwandlungen im mechanischen Aufbau und in der elektrischen
Schaltung ist z. B. daran zu denken, den beweglichen Teil des Generators mit einem
handbetätigbaren mechanischen Aufziehorgan zu kupppeln, so daß die Uhr entweder
mit einem Schlüssel oder einem festen Aufziehknopf mindestens zusätzlich nach Art
des bei mechanischen Uhren üblichen Aufziehvorganges elektrisch nachgeladen werden
kann. Auch ist es möglich, das Ladeorgan mit der Stellvorrichtung für die Zeiger
oder bei einer Kapsel-Taschenuhr mit dem Deckel derart zu kombinieren, daß bei jeder
Betätigung eine elektrische Aufladung bzw. Nachladung erfolgt.
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Das Zeigerräderwerk läßt sich unter Umständen dadurch stark vereinfachen,
daß der elektronische Oszillator auf Frequenzen unter 100 Hz oder noch besser unter
10 Hz bemessen wird. Außer den in einem einem älteren Vorschlag des Erfinders genannten
und oben geschilderten Möglichkeiten läßt sich dies unter Umständen auch durch Anwendung
bzw. Kombination anderer bzw. verschiedener Halbleiter-Bauelemente erzielen. So
-kann beispielsweise durch Kombination zweier elektronischer Schaltungen gemäß Fig.
6, Teill »III« eine Schwebungsfrequenz erzeugt werden, so daß z. B. der Sekundenzeiger
direkt ohne Übersetzung antreibbar ist. Andererseits lassen sich langsame Schwingungsvorgänge
auch durch Doppelbasisdioden oder andere Fadenhalbleiter-Bauelemente mit gegebenenfalls
mehreren Emitter - und gegebenenfalls Kollektorelektroden, die zwischen zwei sperrfreien
Basiselektroden unterschiedlichen Potentials angeordnet sind, niedrige Frequenzen
erzeugen.
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Weiterhin ist bei der Bemessung der elektrischen Größen in bereits
vorgeschlagener Weise zu beachten, daß die mechanischen und elektrischen Glieder
nicht nur so angelegt werden, daß zur möglichst langen Betriebsfähigkeit und Schonung
der Batterie ein Höchstmaß der Stromstärke unterschritten wird, sondern daß andererseits
die Stromstärke ein Mindestmaß erreicht, welches dadurch gegeben ist, daß nach einigen
Tagen des Stromflusses über eine möglichst lange Zeit sich ein geradliniger Spannungsverlauf
ergibt. Insbesondere muß die Mindeststromstärke so bemessen sein, daß sich an der
Kathode kein aktiver Wasserstoff bildet.