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Durch elektrische Impulse angetriebenes Uhrwerk Die Erfindung bezieht
sich auf elektrische Uhrwerke mit einem durch elektrische Impulse angetriebenen
drehbaren Gangregler (Unruh) mit Rückholfeder, dessen Antriebssystem aus festen
Belegungen und aus auf der Unruh selbst angeordneten, d. h. schwingenden Belegungen
besteht, denen taktmäßig Impulse zugeführt werden, Derartige Bauweisen sind zwar
schon vorgeschlagen worden, aber die bisher bekannten Uhrwerke dieser Art werden
den normalerweise geforderten hohen Anforderungen an ein gleichmäßiges und zuverlässiges
Arbeiten nicht in hinreichendem Maße gerecht. Vor allem bei Kleinuhren können diese
Bauweisen nicht angewendet werden, da die für ein einigermaßen regelmäßiges Arbeiten
der Uhr erforderlichen Mechanismen zu umständlich sind.
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Zum Beispiel sind solche Uhrwerke, denen durch Netz-Wechselstrom taktmäßig
Impulse erteilt werden, von allen Schwankungen der Frequenz in Mitleidenschaft gezogen
genau wie die im allgemeinen üblichen Uhrwerke mit Synchronmotoren. Die Unruh steht
ferner praktisch während der ganzen Dauer ihrer oszillierenden Bewegung unter der
Wirkung des elektrostatischen Feldes. Infolgedessen ist eine solche Anordnung nur
verwendbar, wenn die Anforderungen hinsichtlich eines präzisen Ganges des Gerätes
nicht sehr groß sind.
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Es sind freilich bereits elektromagnetische und elektrodynamische
Systeme für Uhrwerke entwickelt worden, bei denen der Impulsgeber über eine Kontaktanordnung
von der Unruh selbst gesteuert wird, also., was bei Kleinuhren, z. B. Armbanduhren,
selbstverständlich nötig ist, in die Uhr hineinverlegt ist. Bei einigen derartigen
Uhrwerken ist außerdem die Rückholfeder so zu den beweglichen Teilen abgestimmt,
daß Selbstanlauf gesichert ist. Aber diese Systeme sind kompliziert und weisen vor
allem die Nachteile magnetischer Störfelder auf, welche den Isochronismus beeinflussen.
Derartige Systeme haben ferner einen höheren Strombedarf und sind für Kleinuhren,
wie Stutzuhren, Taschenuhren, Armbanduhren, weniger brauchbar als elektrostatische
Systeme.
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Bei den eingangs erwähnten bekannten Bauweisen, bei denen der drehbare
Gangregler mit einer Rückholfeder und mit einem elektrostatischen Antriebssystem
verbunden ist, das sowohl feste als auch an der Unruh selbst angeordnete Elektroden
aufweist und diesem Antriebssystem taktmäßig Impulse zugeführt werden, sind ferner
vor allem die Pole an. der Unruh und die festen Gegenpole relativ sehr klein, so
da.ß ein einzelner Impuls unzureichend ist, um den Gang der Uhr aufrechtzuerhalten.
Dieser schwerwiegende Mangel kann aber nicht einfach durch eine Vergrößerung der
Pole beseitigt werden, denn der an der Unruh angebrachte Pol stört, je größer er
ist, um so mehr das statische und dynamische Gleichgewicht der Unruh und ruft außerdem
infolge des Luftwiderstandes eine Abbremsung der Unruh hervor. Anderseits muß der
Impuls zur Aufrechterhaltung des Ganges um so größer sein, je größer die Oberfläche
der Pole und die Abbremsung der Unruh ist. Es ist daher bei derartigen Systemen
nicht möglich, ein ausgeglichenes Kräfteverhältnis zur Sicherung des gleichmäßigen
Laufes der Unruh herbeizuführen.
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Bei solchen Bauweisen ist ferner bisher auf eine dynamische Auswuchtung
der Unruh keinerlei Rücksicht genommen, sondern die bewegliche Elektrode ist einfach
als kleines zusätzliches Teil an der Unruh angebracht. Es könnte zwar versucht werden,
in der bei Unruhen an sich allgemein bekannten Weise durch ein Gegengewicht einen
Ausgleich herbeizuführen, aber ein solches Gegengewicht würde in dem System einen
störenden, nicht als Antrieb mitwirkenden Fremdkörper darstellen und die Arbeitsweise
des Uhrwerkes komplizierter und die Fertigung kostspieliger gestalten.
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Ferner stimmt bei dieser bekannten Brauweise der stabile elektrische
Gleichgewichtszustand mit dem Zustand bei Stillstand überein. Wenn die Unruh diese
Gleichgewichtslage passiert, hat die Federspannung einen Minimalwert erreicht, während.
das elektrische Feld einen Maximalwert annimmt. Dadurch wird
einerseits
die Regelmäßigkeit der oszillierenden Bewegung der Unruh gestört, andererseits kann
die Unruh, wenn sie stehengeblieben ist, nicht durch einfaches Anlegen der Spannung
wieder in Gang gesetzt werden, benötigt also einen mechanischen Anstoß von außen.
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Die Nachteile der bisher bekannten Systeme werden durch das erfindungsgemäße
Uhrwerk vermieden. Dieses ist für ein Uhrwerk der eingangs genannten Gattung dadurch
gekennzeichnet, daß symmetrisch zur Unruhachse mehrere mit ihr bewegliche Belegungen
und in Parallelebenen zur Schwingungsebene dieser beweglichen Belegungen eine vorzugsweise
gleiche Anzahl von festen Belegungen ebenfalls symmetrisch um die Unruhachse angeordnet
sind, daß ferner die Rückholspiralfeder und die schwingenden Belegungen so zueinander
angeordnet sind, daß bei entspannter Feder die schwingenden Belegungen sieh in einer
elektrisch labilen Gleichgewichtslage befinden, schließlich durch Verwendung eines
von der Unruh selbst gesteuerten Impulsgebers, jedoch derart, daß an das elektrostatische
Antriebssystem in dem Augenblick Spannungsimpulse gelegt werden, wenn der schwingende
Teil sich in einer elektrisch labilen Gleichgewichtslage befindet. Der Impuls wirkt
also in dem Augenblick auf die Unruh, in dem sich diese mit ihrer größten Geschwindigkeit
bewegt. Außerdem kann daher der Impuls sehr kurz gehalten sein. Hierdurch wird bei
der erfindungsgemäßen Bauweise ein ausgeglichener, ruhiger Gang des Uhrwerkes erzielt.
Infolge des geringen Energiebedarfes ist dieses Uhrwerk auch für Kleinuhren verwendbar,
also sowohl für Stutzuhren, wie für Taschenuhren, Armbanduhren od. dgl.
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Die Zeichnungen bringen in schematischer Darstellung zwei Ausführungsformen
des Erfindungsgegenstandes als Beispiele.
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Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung des Uhrwerkes mit einem
elektrostatischen :Motor in perspektivischer Darstellung so`vie den zugehörigen
Schaltungsplan; Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform im Querschnitt.
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Nach der in Fig.1 dargestellten Ausführungsform weist die Anordnung
zur elektrischen Erhaltung des Lauffes eines Uhrwerkes ein Paar bewegliche Belegungen
1 auf. Jede Belegung weist nur eine Elektrode auf, die auf einer Achse 2 fest angebracht
ist. Diese Achse dreht sich in Lagern, die in einem feststehenden Teil 3 vorgesehen
sind.
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Die Belegungen 1 stehen symmetrisch auf der einen und der anderen
Seite der Achse 2. Zwei Gruppen von feststehenden Belegurigen 4 sind symmetrisch
um die Achse 2 herum angeordnet. Diese Belegungen 4 liegen in Ebenen, welche senkrecht
zur Achse 2 stehen, und jede dieser Belegungen weist zwei Elektroden auf, die unter
sich elektrisch, mittels einer zylindrischen Wand 5, verbunden sind. Diese Belegungen
4 sind mittels eines elektrisch isolierenden Trägers auf die Seitenträger des Uhrwerkes
(nicht dargestellt) fest angebracht.
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Eine Spiralfeder 6 trachtet danach, die Achse 2 in einer neutralem
Lage zurückzuhalten, für welche die beweglichen Belegungen in einem gleich großen
Winkelabstand von beiden feststehenden Belegungen stehen.
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Ein auf der Achse 2 festsitzender Teller 7 trägt einen Finger 8, welcher
mit dem Hinterende eines Schwinghebels 9 zusammenarbeitet. Dieser Schwinghebel ist
der Wirkung einer Feder 10 unterworfen und trägt zwei Anschläge 11 und 12, die mit
einem Schaltrad 13 zusammenarbeiten, dessen Achse 14 das erste Triebrad (nicht dargestellt)
des Uhrwerkes trägt.
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Der Schwinghebel 9 weist eine Achse 15 auf, die sich in in einem feststehenden
Teil 16 vorgesehenen Lagern dreht. Ein auf dem Schwinghebel 9 festsitzender Finger
17 arbeitet mit einer elastischen Lamelle 18 zusammen, die auf einem Klotz 19 fest
angebracht ist. Dieser Klotz ist auf einer der Seitenplatten des Uhrwerkes fest
angebracht, ist aber von dieser durch bekannte Mittel elektrisch isoliert.
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Der Finger 17 und die Lamelle 18 stellen einen Stromunterbrecher dar,
der in einem elektrischen Kreis eingeschaltet ist, welcher eine Batterie B und die
primäre Wicklung a eines Spannungstransformators R aufweist. Die sekundäre Wicklung
s dieses Transformators ist einerseits mit den zwei Gruppen der feststehenden Belegungen
4 mittels eines Leiters ei und andererseits mit den beweglichen Belegungen 1 mittels
eines Leiters e2, dem Teil 3 und der Spiralfeder 6 elektrisch verbunden. Der Transformator
R weist einen geschlossenen magnetischen Kreis c auf und ist im Innern eines Gehäuses
b untergebracht.
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Steht das Uhrwerk still, so trachtet die Feder 6 danach, die beweglichenBelegungen
in einer neutralen Lage zurückzuhalten. Nun sind diese feststehenden und heweglichen
Belegungen elektrisch auf verschiedene Potentiale geladen, und diese neutrale Lage
entspricht dann der Lage von größter elektrischer Energie und somit einer elektrisch
labilen Gleichgewichtslage. Daraus folgt, daß die kleinste Winkelverschiebung der
Achse 2 schon die Ursache eines Mitnehrnens der beweglichen Belegungen bis in die
Lage der kleinsten Energie, für welche diese Belegungen im Innern der feststehenden
Belegungen liegen, ist. Im dargestellten Beispiel stehen die Lagen kleinster Energie
in einem Winkel von 90° beidseitig der Lage größter Energie.
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Wird also unter diesen Umständen der schwingende Teil 1, 2 und 7 angeworfen,
dann treibt der Finger 8 den Schwinghebel 9 in eine Schwingbewegung, und der Finger
17, der in Kontakt mit der Lamelle 18 kommt, bewirkt im Laufe jeder halben Periode
die momentane Schließung des Speisekreises des Spannungstransformators.
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Daraus folgt, daß im Laufe jeder halben Periode der Schwingbewegung
der Achse 2 die Belegungen 1 und 4 während einer kurzen Zeit unter Spannung gesetzt
werden. Infolgedessen wird im Laufe jeder halben Periode der Schwingbewegung des
beweglichen Teiles 2 dieser Teil in Richtung einer dieser zwei Lagen von minimaler
Energie angezogen und erhält einen Impuls, welcher seine Schwingbewegung unterhält.
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Durch Wahl der an die Elektroden der Belegungen 1 und 4 angelegten
Spannung, der Distanz dieser Elektroden, der Dauer, während welcher die Elektroden
unter Spannung gesetzt werden, und des genauen Zeitmomentes, in welchem dieser elektrische
Impuls ausgesendet wird, im Verhältnis zur Schwingbewegung des schwingenden Teiles,
ist es möglich, eine regelmäßige Schwingbewegung mittels eines sehr kleinen Energieverbrauchs
zu unterhalten.
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In der Tat werden in der beschriebenen Antriebsvorrichtung, die in
Wixklichkeit einen elektrostatischen Motor darstellt, die Verluste auf einen Mindestwert
herabgesetzt, da in einer solchen Vorrichtung nur noch elektrische und mechanische
Reibungsverluste entstehen können. jeder Fachmann
ist sich bewußt,
daß diese Verluste auf einen praktisch vernachlässigbaren Wert heruntergedrückt
werden können. Der Nutzeffekt der beschriebenen Antriebsvorrichtung ist somit viel
höher als der '.\Tntzeffekt der bekannten elektromagnetischen Anordnungen.
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Die beschriebene Anordnung erlaubt es, die Kapazität der Energiequelle
in sehr großem Maße zu vermindern. Praktische Versuche haben gezeigt, daß es durchaus
möglich ist, die Schwingbewegung mittels Spannungsimpulsen von z. B. 600 Volt und
von einer Dauer kleiner als 5/iooo Sekunden zu unterhalten. Diese Dauer ist aber
um 2/iooo Sekunden kleiner als die Dauer der Impulse, die nötig sind, um den Lauf
eines Uhrwerkes mittels der besten bekannten Vorrichtung zu unterhalten. Diese Tatsache
bildet ebenfalls einen großen Vorteil der beschriebenen Anordnung und erlaubt, eine
sehr große Präzision d°r Regulierung u erreichen.
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Die beschriebene Antriebsvorrichtung ist rein elektrostatisch, da
als Antriebskraft nur das elektrische Feld zwischen den Elektroden eines Kondensators
benutzt wird. Dadurch werden alle Übelstände der bekannten elektrischen Uhrwerke,
welche durch das magnetische Streufeld ihrer elektromagnetischen Unterhaltungsvorrichtung
verursacht werden, beseitigt. Die beschriebene Unterhaltungsvorrichtung erlaubt
es, Kompensationsspiralfedern zu benutzen und ganz allgemein für jedes Werkstück
das zweckmäßigste Metall oder die zweckmäßigste ferromagnetische oder nichtferromagnetische
Legierung zu verwenden.
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In einer anderen Ausführungsform könnte die Unterhaltungsvorrichtung
mittels eines Spannungstransformators gespeist werden, welcher mit einem aus einem
hochwertigen Material (z, B. zusammengepreßtem ferromagnetischem Pulver) hergestellten
und die Form eines Wulstes aufweisenden magnetischen Kern ausgerüstet sein würde.
Der magnetische Streufluß eines solchen Transformators ist praktisch Null, und wenn
dieser Transformator noch. in ein antimagnetisches Gehäuse untergebracht wird, so
besteht außerhalb dieses Gehäuses absolut kein magnetisches Störfeld mehr oder auf
jeden Fall kein solches Störfeld, daß die richtige Wirkungsweise des Uhrwerkes durch
dieses Feld beeinträchtigt werden könnte.
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Die Anzahl der feststehenden und beweglichen Belegungen kann beliebig
sein, aber es ist von Vorteil, eine gerade Zahl von beweglichen Belegungen vorzusehen,
um die Gewichtsausgleichung am beweglichen Teil des Schwingmotors zu erleichtern.
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In der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform weist der elektrostatische
Motor zwei Paar feststehender und ein Paar beweglicher Bel,egungen auf. Jede feststehende
Belegung weist eine Elektrode 20 und eine Elektrode 21 auf, die elektrisch gegeneinander
isoliert sind. Jede bewegliche Belegung weist eine einzige Elektrode 23 auf, die
auf der schwingenden Achse 2 fest angebracht ist.
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Die Elektroden 20 und 21 sind mittels Leitern ei und e2 mit der Wicklung
des Spannungstransformators R elektrisch verbunden. Diese vier feststehenden Belegungen
sind fest auf den Seitenplatten des Uhrwerkes angebracht, sind aber gegenüber diesen
durch bekannte Mittel elektrisch isoliert.
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Diese Ausführungsform weist den Vorteil auf, d.a@ß der bewegliche
Teil des Motors, und insbesondere die Spiralfeder, nicht unter Spannung gesetzt
wird. Dagegen ist der Impuls, welcher dem beweglichen Teil bei jeder halben Periode
erteilt wird, selbstverständlich viel schwächer als im Falle der Ausführungsform
der Fig. 1, da nach Fig: 2 dieser Impuls nur durch eine Kapazitätsänderung des durch
die Elektroden 20 und 21 gebildeten Kondensators erzeugt wird. Diese Kapazitätsänderung
wird durch das Eindringen der beweglichen Elektrode 23 zwischen diesen beiden feststehenden
Elektroden 20 und 21, die durch den Impulsgenerator kurzzeiti^ auf verschiedene
Spannungen gebracht werden, hervorgerufen.
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Praktische Versuche haben gezeigt, daß diese Ausführungsform des elektrostatischen
Motors es ebenfalls erlaubt, den Lauf des Uhrwerkes zu unterhalten.
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Der Impulsgenerator kann durch jeden bekannten Impulsgenerator ersetzt
werden, so z. B. durch einen elektronischen Generator mit Röhren und Transistoren
ausgerüstet, welcher z. B. durch einen Ouarzoszillator ebenfalls mit Röhren oder
Transistoren ausgerüstet, und mittels eines Stromunterbrechers 17, 18 oder irgendeiner
Transistorvorrichtung, die .als Stromunterbrecher wirkt, gesteuert wird. In diesem
letzten Fall kann die Dauer der elektrischen Impulse sowie der genaue Zeitpunkt
ihrer Aussendung verändert und gewählt werden.
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Der Impulsgenerator kann auch einerseits, z. B. entweder aus einer
Hochspannungsquelle, wie ein Voltaelement, oder durch eine Hochspannungsquelle mit
einem radioaktiven Körper (dessen eine Elektrode aus einem radioaktiven Körper und
dessen zweite Elektrode aus einer, durch diesen Körper beschossenen Metallplatte
besteht) und andererseits aus einem durch die Schwingbewegung der Achse 2 gesteuerten
und zeitweise diese Hochspannungsquelle mit den Elektroden des elektrostatischen
Motors verbindenden Stromunterbrecher gebildet werden.
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In einer anderen Ausführungsform könnte der Finger 17 auf der Achse
2 fest angebracht und der schwingende Teil des elektrostatischen Motors könnte mit
Anschlägen versehen sein, die in einer solchen Weise mit einem Auslöserad zusammenarbeiten,
daß das Ganze gleichzeitig den Rotor des schwingenden Motors und den schwingenden
Teil der Regulierorgane bildet.
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Verschiedene andere Ausführungsformen der beschriebenen Anordnung
können noch vorgesehen werden. Die Impulse können z. B. den Belegungen des Motors
bei jeder halben Periode seiner schwingenden Bewegung aufgesetzt werden, wie oben
beschrieben, oder nur einmal im Laufe einer ganzen Periode oder auch nur einmal
jede zweite oder dritte Periode oder andere ganze Zahl von halben Perioden der schwingenden
Bewegung. Diese Spannungsimpulse müssen aber dem Motor immer in regelmäßigen Zeitintervallen
zugeführt werden.