DE1673742A1

DE1673742A1 - Elektrische Uhr

Info

Publication number: DE1673742A1
Application number: DE1967G0049018
Authority: DE
Inventors: Jones Clifford Morgan
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1966-01-21
Filing date: 1967-01-18
Publication date: 1971-01-28
Also published as: CH63467A4; US3454856A; CH506122A; GB1167581A; DE1673742B2; FR1508738A

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. W. Scherrmann Dr.-Ing. R. Roger

73 Esslingen (Neckar), Fabrikstraße 9, Postfach 348

16. Jan. 1967 ^τ·'^β1οη

PA 38 rüba ^{stutl9art(O711) 35653?}

Telegramme Patentschutz Essllngennecfcar

General· Electric Company. 1 River Road, Schenectady. New York. N.Y. 12 305 / USA

Elektrische Uhr

Die Erfindung betrifft eine elektrische.Uhr mit Antrieb über einen batteriegespeisten zeithaltenden Synchronmotor, dessen Drehzahl durch einen elektromechanischen Oszillator bestimmt ist, dessen mechanisches Oszillatorglied elektromagnetisch mit einem ersten Transistorkreis gekoppelt ist.

Grundsätzlich bezieht sich die Erfindung auf zeithaltende Mechanismen und hierbei insbesondere auf einen elektromechanischen Oszillator zur Synchronisation der Drehbewegung eines zelthaltenden Mechanismus.

Es ist ein verhältnismäßig genauer zeithaltender Mechanismus bekannt, der aus einer batteriegespeisten elektrischen Uhr besteht, die über einen Synchronmotor verfügt, dessen Drehzahl durch einen elektromechanischen Oszillator bestimmt ist. Der elektrische Teil des Oszillators ist an den Motor und die Batterie angeschlossen und verfügt über eine Abnahmespule, die induktiv mit einem Permanentmagnet gekoppelt ist, der auf dem mechanischen Teil des Oszillators angeordnet ist. Der mechanische Oszillatorteil hat eine

verhältnismäßig genau bestimmte Schwingungseigenfrequenz, 00988B/0734

die derart gewählt wird, daß sie nahe der Schwingungsfrequenz des elektrischen Teiles des Oszillators liegt. Bei Betätigung des mechanischen Oszillatorteiles induziert dessen Permanentmagnet in der Abnahmespule des elektrischen Oszillatorteiles Signale, die eine Schwingung dieses Teiles mit der Frequenz des mechanischen Oszillatorteiles ergeben. Der elektrische Oszillatorteil erzeugt seinerseits elektrische Signale, die zur Aufrechterhaltung der Schwingungen des mechanischen Oszillatorteiles und zum Antrieb des Synchronmotors verwendet werden. Da der elektrische Oszillatorteil den Synchronmotor antreibt, ist die Umdrehungszahl der Uhrwerkausgangswelle (Zeigerwelle) synchronisiert mit der mechanischen Frequenz der Schwingungen des mechanischen Oszillatorteiles und damit ebenso genau wie diese zelthaltend.

Bekannte Systeme dieser Art weisen, obwohl sie verhältnismäßig genau sind, Nachtelle insofern auf, daß sie nicht in gewünschtem Maße temperatur- und speisespannungsschwankungsunabhänglg sind.

Temperatur- und SpeisespannungsSchwankungen neigen dazu, die Schwingungsamplitude des mechanischen Oszillatorteiles zu beeinflussen, die ihrerseits einen Einfluß auf die Eigenfrequenz hat. Ein Ziel der Erfindung 1st es, diesen Einfluß zu mindern. Darüber hinaus beeinflußt bei bekannten Systemen der Energiebedarf,der zur Steuerung des Motors erforderlich 1st, zusammen mit den in dem Motor auftretenden Energieverlusten den elektrischen Oszillatorteil in dem Sinne, daß der Gütefaktor (Q) verkleinert

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wird, womit in entsprechender Weise der Wirkungsgrad des Systems als zeithaltender Mechanismus zurückgeht. Es ist ein zweites Ziel der Erfindung, diese Wirkung zu bekämpfen.

Gemäß der Erfindung ist eine elektrische Uhr mit den eingangs erwähnten Merkmalen derart ausgebildet, daß der Ausgang des ersten Transistorkreises mit einem Transistorverstärkerkreis verbunden ist, von dessen Ausgang die Wicklungen des Synchronmotors gespeist sind, wobei der Ausgang des ersten Transistorkreises gleichfalls " mit einem dem mechanischen Oszillator elektromagnetisch zugeordneten Anregungskreis verbunden ist, der die Schwingungen des mechanischen Oszillators stetig anregend aufrechterhält.

In einer bevorzugten Ausführungsform werden zwei Transisto-

en ren und zwei Spulen verwendet, von den/ein Transistor und eine Spule zur Abnahme von Signalen von dem mechanischen Oszillatorteil und zur überführung dieser Signale in ,

proportionale elektronische Schwingungen benutzt werden. Der zweite Transistor dient zur Verstärkung der von dem ersten Transistor erzeugten elektronischen Schwingungen und zum Antrieb des Synchronmotors der Uhr, während die zweite Spule zur Rückkopplung der elektronischen Schwingungen von dem ersten Transistor zum mechanischen Oszillatorteil zur Aufrechterhaltung dessen Schwingung herangezogen wird. Oa ein Transistor zum Antrieb des mechanischen Teils und der andere zum Antrieb des Motors benutzt wird, haben Energieverluste des Motors keinen Einfluß auf den

mechanischen Oszillatorteil. 009885/0734

ORIGINAL INSPECTED

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 einen batteriebetriebenen Wecker gemäß der Erfindung in einer allgemeinen Seitenansicht seiner Einzelteile und

Fig. 2 den mechanischen Oszillator des Weckers nach Fig. l'in perspektivischer Darstellung zusammen mit einer schematischen Darstellung des Oszillator-Stromkreises.

In Fig. 1 ist bei 1 das Gehäuse eines batteriebetriebenen Weckers dargestellt, in dem ein Impuls- oder Wechselstrom-Permanentmagnetmotor 2 enthalten ist, dessen Rotor 3 mit einem Räderzug k gekuppelt ist, über den mittels einer Anordnung ineinander verlaufender Wellen 5 zwei nicht weiter dargestellte Uhrzeiger angetrieben werden. Der Motor 2 wird von einer Batterie 6 aus betrieben; erregt und synchronisiert wird er durch elektrische Schwingungen in seinen Ständerwicklungen 7 und 8, die von einem elektrischen Oszillatorstromkreis 9 geliefert werden. Diesem ist ein mechanisches Oszillatorelement IO zugeordnet, welches ein Torsionsglied 11 aufweist, an dem zwei Permanentmagnete 12, 13 starr befestigt sind. Die Enden des Torsionsgliedes 11 sind an zwei Auflageteilen I¹I, 15 befestigt. Das Torsionsglied 11 kann im übrigen einen flachen Draht enthalten, der abhängig von seiner Länge zwischen den Auflageteilen I²I, 15 und der ihm von nicht

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weiter dargestellten Spanneinrichtungen erteilten Spannung mit einer bestimmten Eigenfrequenz schwingt. Die Schwingung des Torsionsdrahtes 11 hat in entsprechender Weise eine Oszillation der Magnete 12, 13 zur Folge, die damit ein oszillierendes Magnetfeld erzeugen. Mit den Permanentmagneten 12, 13 sind zwei Spulen 16, 17 induktiv gekoppelt, die elektrisch mit dem elektronischen Oszillatorkreis 9 verbunden sind.

Der mechanische Oszillator 10 mit dem Torsionsglied 11 λ

und den Permanentmagneten 12, 13 * Λ deutlicher in Fig. perspektivisch dargestellt, wo gleiche Bezugsziffern zur Bezeichnung gleicher Teile v: ^? Pig. I.verwendet sind. Aus Fig. 2 ist zu ersehen, daß lie elektrischen Spulen 16, 17 den Permanentmagneten 12, 13 unmittelbar benachbart zugeordnet sind, so daß sieh eine sehr enge induktive Kopplung ergibt. Die elektrischen Anschlüsse an den elektronischen Oszillatorkreis 9 geschehen von der elektrischen Spule 16 aus mittels zwei Anschlußklemmen 18, 19, während die elektrische Spule 17 mit dem Oszilla- ' torkreis 9 über zwei Anschlußklemmen 20» 21 verbunden ist. Der Klemmpunkt 18 ist mit einem Versweigungspunkt 22 verbunden, an den noch eine Seite eines Koiiier^a-ora 23, eine Seite eines zweiten Kondensators 2·'; mrJ eine Seite eines Widerstandes 25 angeschlossen pirf* "er K.¹ ■?·">■/npunkt 19 ist unmittelbar mit der Basis ein^i- Ossi'„I?<t-ortransistors 26 verbunden, dessen Emitter en e:**ier? Ve^swic.jn^v-Er'- kt angeschlossen ist, während sein Kolieiscv r-₍ -^o- .«jr.τ _ari einem Verzweigungspunkt 28 liegt, Rv "■ \;ng8-

punkt 28 sind die Jweils entgegsngeß. ;. r":.?■.t v;<?? ?? 009885/0734

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an den Verzweigungspunkt 22 angeschlossenen Widerstandes 25 sowie des Kondensators 2k zusammen mit einer Seite eines zweiten Widerstandes 29 verbunden» Der einseitig an dem Verzweigungspunkt 22 liegende Kondensator 23 ist auf seiner anderen Seite unmittelbar mit dem Verzweigungspunkt 27 verbunden. Der Klerampunkt 20 der Spule 17 liegt an ^i ■^r-^ Verzweigungspunkt 30, der auch einseitig mit dem Widerstand 29 verbunden ist, welcher auf seiner anderen Seite an den Verzweigungspunkt 28 angeschlossen ist. Darüber hinaus ist der Verzweigungspunkt 30 unmittelbar mit der Basis eines Verstärkertransistors 31 verbunden, dessen Emitter an einem Verzweigungspunkt 32 liegt, während sein Kollektor mit den Ständerwicklungen" 7, 8 des Motors 2 verbunden ist, deren entgegengesetzte Enden an den Verzweigungspunkt 27 angeschlossen sind. Zwischen den Verzweigungspunkten 32, 27 liegt die Batterie 6_f deren positive Klemme an dem Veizweigungspunkt 32 liegt. Zur Vervollständigung- des Stromkreises des elektronischen Oszillators 9 liegt ein Widerstand "33 in Reihe mit einer Diode 3¹I zwischen dem Verzweigu;:._t - , ^?2 und der Klemme 21 der Spule 17* Die Diode

A*M; v.£>*&;?*: gepolt, daß ein Stromfluft von dem Verzweigungspunkt 3?. zu dem Klemmpunkt 21 möglich ist.

Wird das öz$t$r;i ■*-j*'■:-':! E.lnschai t-- ■ i-er Batterie 6 In den Stromkreis unter .u.-u ...:./ig ;;;-^;* -iX _> j : ΓΙΙβ.Ή "trom durch üie Antriebsjpv;Io V: _p «<· ^ "-..n ein»; Le^ngang cUiS Permanent-magnete:: i;^: l^rvoi-g r "..-■:. π wird, Diöse "«e.-iegr; ers^

ues^ aufrechte :\ ^iw-&- ^r'^en, d* -^:- .--.*rci- ~

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BAD ORIGINAL

physikalischen Eigenschaften des Torsionsdrahtes bestimmt ist. Die Schwingungen des Torsionsdrahtes 11 haben zur Folge, daß sowohl in der Abnahmespule 16 wie auch in der Antriebsspule 17 elektrische Signale auftreten. Während der ersten halben Schwingungsperiode des Drahtes 11 wird in der Abnahraespule 16 an dem Klemmpunkt 19 ein positives Signal induziert. Während der nächsten halben Periode wird der Klemmpunkt 19» wenn der Permanentmagnet 12 sich in der entgegengesetzten Richtung bewegt, negativ bezüglich des Klemrapunktes 18. Der Oszillatortransistor 26 ist über den Widerstand 25 mit automatischer Vorspannung versehen. Während der ersten halben Schwingungsperiode des Torsionsdrahtes 11 wird der Transistor 26 welter in die Sättigung geführt, während er in der nächsten halben Periode weiter aus der Sättigung herausgebracht wird. Der den Widerstand 25 überbrückende Kondensator 2*i stellt einen Weg niedriger Impedanz für hochfrequente Schwingungen dar, die wegen der Kopplung zwischen den Spulen 16, 17 auftreten könnenj er verhindert damit» daß der Oszillatortransistor 26 hochfrequente Schwingungen erregt. Der Kondensator 23 bildet einen Weg niederer Impedanz für die in der Abnahmespule 16 induzierten Signale zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors 26, während er gleichzeitig die Gleichspannung der Batterie 6 . gegen den mechanischen Teil des Oszillators 10 abblockt.

Der Widerstand 29 bildet einen Teil des Kollektorbelastungswiderstandes des Oszillatortransistors 26. Während der ersten halben Schwingungsper-iode des Torsionsdrahtes

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nimmt.die Kollektorspannung, wenn der Transistor 26 in Sättigung gebracht wird, ab, wodurch die an dem Klemmpunkt 30 anstehende Spannung verringert wird. Während der nächsten halben Periode tritt die entgegengesetzte Wirkung ein; der Transistor 26 wird aus der Sättigung herausgeführt, wodurch seine Kollektorspannung ansteigt und damit auch die am Klemmpunkt 30 anstehende Spannung zunimmt. Da der Klemmpunkt 30 mit der Antriebsspule 17 an deren Klemmpunkt verbunden ist, ist der Kreis selbsterregend, so daß der mechanische Oszillator 10 und der Oszillatortransistor zusammen einen elektromechanischen Oszillator bilden.

Die Basis des Verstärkertransistors 31 Ist mit dem Verzweigungspunkt 30 verbunden« Sie liegt an Vorspannung, da die Spannung am Verzweigungspunkt 30 niedriger ist als die Spannung an den Punkt 32. Der Emitter-Basisvorspannungs-8trom durch den Verstärkungstransistor 31 wird praktisch von dem Antriebsstrom abgezogen, der von dem Oszillatortransistor 26 der Antriebsspule 17 geliefert wird. V/ährend der ersten halben Schwingungsperiode, während der die Spannung an dem Punkt 30 abnimmt, ist der Transistor 31 mehr leitend als während der zweiten Hälfte der Periode, wenn die Spannung an dem Punkt 30 zunimmt. Demgemäß erscheinen verstärkte Stromimpulse mit einer der mechanischen Oszillationsfrequenz des Torsionsdrahtes 11 gleichen Frequenz am Kollektorausgang des Verstärkertransistors 31· Diese verstärkten Stromimpulse werden den Statorwicklungen 7, 8 des Synchronmotors 2 zugeführt, der damit Im synchronisierten Takt zum Antrieb der Uhrzeiger umläuft.

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Da der Verstärkertransistor 31 und die Statorwicklungen 7, 8 des Motors 2 keinen Teil des elektromechanischen Oszillators bilden, werden Energieverluste des Motors nicht auf den elektromagnetischen Oszillator übertragen. Damit kann der Wirkungsgrad, d. h· genauer der Gütefaktor des elektromechanischen Oszillatorteiles der Schaltung verhältnismäßig hoch gehalten werden, wodurch der Wirkungsgrad des ganzen Systems als zeithaltender Mechanismus entsprechend verhältnismäßig hoch ist.

Der Rückkopplungswiderstand 33 gibt zusammen mit dem BelastungBwiderstand 29 eine Amplitudenbegrenzung für die Stromimpulse in der Antriebsspule 17· Sollten die Schwingungsamplituden, veranlrc durch eine Zunahme der Speisespannung, des Torsionsdrahtes 11 zunehmen wollen, so hat dies zur Folge, daß der Transistor 26 mehr leitend wird und damit die Spannung an dem Punkt 30 während der ersten Schwingungsperiodenhälfte senken will. Diese verringerte Spannung bewirkt, daß bei dem Transistor 31 eine erhöhte Emitter-Basisstromführung auftritt, wodurch der '

größte Teil des verstärkten zur Verfügung stehenden Antriebsstromes über die Antriebsspule 17 wieder abgezogen wird» Dieser Antriebsstromabsug bei dem Strom durch die Antriebsspule 3? wirkt in dem Sinns, das αοι⁵ Strom durch die Antriebsspule verhältnismäßig konsfcprrj geh^i^s^ wird, so daß die Amplitude der Schwingungen C3S- TQi&Io^drnhtaj--11 ebenfalls verhältnismäßig konstant bleibt;_s Ώ& die Widerstände 33» 29 in den St romp fader* ίΠ-ϋ^ üis -um . te umspule 17 liegen, ergibt eine VerSnder«;»p th&Q'- ^f / .3

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eine Steuerung der Schwingungsamplitude des Torsionsdrahtes 11.

Änderungen der Stromamplitude in der Antriebsspule 17 können auch dann auftreten» wenn der Basis-Emitterspannungsfall des Transistors 31 wegen Temperaturänderungen eine Veränderung erfährt. Eine Temperaturkompensation erfolgt Über die Diode 3^, die in dem Stromweg der Antriebsspule 17 liegt. Mit zunehmender Temperatur nimmt der Spannungsfall über die Basis-Emitterverbindung des Transistors 31 ab, wodurch der von dem für die Spule 17 am Punkt 30 zur Verfügung stehenden Antriebsstrom abgezogene Stromwert zunimmt. Dies wirkt in dem Sinne, daß eine Abnahme der Schwingungsamplitude der Schwingungen des Torsionsdrahtes 11 sich ergibt. Diese Tenctenz zur Abnahme wird durch die Diode 3*1 kompensiert, weil die gleiche Temperaturzunähme auch den Vorwärtsspannungsfall der Diode 3*J verringert, wodurch der durch sie fließende Antriebsspulenstrom vergrößert wj.rou Die Diode 34 sollte deshalb aus dem gleichen HaIb-Isdtermat·» i bestehen wie der Transistor 31» oder aber e& sollten zumindest Einrichtungen vorgesehen sein» damit in dem Transis'oj' 31 und· der Diode 3^j* die gleichen

auftreten.

überraschenderweise wu ■■■■■]« g? inuec- _P i-afc durch Verwendung eines zweiten transistor ι 31 sowie des Sp^nnungs- und ^rreroperatu?kowpensatlo^swlaer3tan<le3 33 π*·* der zugeordu = Diode 3k sieh eine s&eic'.ai^ftndt* Schaltung w<^# *. τ;■■'».·.eh

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größerer Wirksamkeit erzielen läßt, als dies bei bekannten Schaltungen der Fall gewesen ist. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel zeigte eine Prüfung einer erfindungsr,emäßen zeithaltenden Schaltung eine Frequenzabweichung von weniger als + 0,005 % Über einen Temperaturbereich von 29⁰C bis 40,6° C und einen Speisespannungsbereich von 1 bis 1,6 V.

Im Vorstehenden wurde die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles beschrieben. Die Erfindung 1st,Jedoch " nicht auf dieses spezielle Beispiel beschränkt. So wurde z. B. auch schon ein Torsionsdraht-Mechanismus verwendet, der lediglich einen einzigen Permanentmagneten im Gegensatz zu den beiden Permanentmagneten 12, 13 der Fig. 2 aufweist. Bei dieser Ausführungsform können die Abnahmewicklung l6 und die Antriebswicklung 17 auf einen gemeinsamen Kern, jedoch mit umgekehrtem Wickelsinn aufgewickelt werden, so daß sie beide dem einzigen Permanentmagneten induktiv zugeordnet werden können, während sie die gleichen Funktionen ausüben, wie sie anhand von Fig. 2 beschrieben worden waren. Es versteht sich, daß es nicht darauf ankommt, ob zwischen den Spulen 16, 17 eine induktive Kopplung besteht, und zwar deshalb, weil irgendwelche hochfrequente Schwingungen, die durch diese Gegeninduktion zustande kommen können, durch den Kondensator 24 an dem Oszillatortransistor 26 vorbeigeleitet werden. Die Anordnung der 4*r Wicklungen bzw. der Spulen 16, 17 auf einem gemeinsamen Kern hat demnach keinen Einfluß auf die Schaltung.

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Claims

Patentansprüche

1. Elektrische Uhr mit Antrieb über einen batteriegespeisten zeithaltenden Synchronmotor, dessen Drehzahl durch einen elektromechanischen Oszillator bestimmt ist, dessen mechanisches Oszillatorglied elektromagnetisch mit einem ersten Transistorkreis gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang (30) des ersten Transistorkreises (16, 26, 29) mit einem Transistorverstärkerkreis (31, 8,

7) verbunden ist, von dessen Ausgang die Wicklungen (8, 7) des Synchronmotors (2) gespeist sind, und daß der Ausgang (30) des ersten Transistorkreises (16, 26, 29) gleichfalls mit einem dem mechanischen Oszillator (10) elektromagnetisch zugeordneten Anregungskreis (17» 20, 21) verbunden ist, der die Schwingungen des mechanischen Oszillators (10) stetig anregend aufrechterhält.

2. Uhr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anregungskreis (17» 20, 21) eine Rückkopplung zum Ausgang des Verstärkertransistors (3D aufweist, die einen Spannungsstabillsierungswlderstand (33) enthält«

3. Uhr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anregungskreis (17, 20, 21) eine Rückkopplung zum Ausgang des Verstärkertransistors (31) enthält, in der eine Temperaturkompensationsdiode (3¹O angeordnet 1st.

Ί. Uhr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mechanische Oszillator (10) zumindest ein Permanentmagnetelement (12, 13) aufweist, das

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mit zwei Abnahmespulen (16, 17) Induktiv gekoppelt ist, von denen die erste Spule (16) in dem ersten Transistorkreis (16, 26, 29) und die zweite Spule (17) in dem Anregungskreis (17, 20, 21) liegt.

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