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Hintergrund der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Zeitmessgerät mit einem mechanischen Gangwerk,
das durch eine Feder angetrieben wird und mit einem mechanischen
Regulator versehen ist, der über
eine elektromagnetische Kopplung einem elektronischen Regulator
zugeordnet ist, wobei:
- – der mechanische Regulator
eine Spiralfeder umfasst, die einer Unruh zugeordnet ist, die zwischen
einer Platine und einem Kloben drehbar angebracht ist, wobei die
Unruh einen Unruh-Ring besitzt, der mit wenigstens einem Paar Permanentmagneten
versehen ist, deren Magnetisierungsrichtungen zur Achse der Unruh
im Wesentlichen parallel, jedoch zueinander entgegengesetzt sind;
und
- – der
elektronische Regulator wenigstens eine feste Spule, die so beschaffen
ist, dass sie mit dem Magneten durch elektromagnetische Kopplung
zusammenwirkt, einen Gleichrichter, der durch die Spule versorgt
wird und mit wenigstens einem Kondensator versehen ist, und eine
Regelungsschaltung, die mit einem Oszillator versehen und so beschaffen
ist, dass sie die Frequenz des mechanischen Regulators über die
elektromagnetische Kopplung auf die Oszillatorfrequenz regelt, umfasst.
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Das
Prinzip eines mechanischen Gangwerks, das durch eine Feder angetrieben
und durch eine elektronische Schaltung reguliert wird, ist von J.-C.
Berney in dem Patent
CH 597 636 beschrieben worden.
In einer Grundversion wird es betrieben, indem ein elektrischer
Generator verwendet wird, dessen Rotor direkt mit dem Räderwerk
des mechanischen Gangwerks in Eingriff ist, das sich folglich ständig dreht.
Die Geschwindigkeit des Rotors wird durch eine durch die elektronische
Schaltung regulierte elektromagnetische Bremsung auf die für die Stundenanzeige
passende Umlauffrequenz stabilisiert, wobei die Schaltung diese
Frequenz auf jene eines durch einen Quarzresonator gesteuerten Oszillators
regelt. Weiterentwicklungen von so beschaffenen Zeitmessgeräten sind
in den Patentanmeldungen
EP 679
968 ,
EP 762 243 ,
EP 806 710 ,
EP 822 470 ,
EP 848 306 ,
EP 875 807 und
EP 935 177 des Anmelders der vorliegenden
Anmeldung beschrieben.
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Dasselbe
Prinzip ist Gegenstand der späteren
Anmeldung
DE 39 03 706 ,
die schematisch verschiedene Typen von elektrischen Generatoren,
die in diesem Kontext einschließlich
in Kombination mit einem schwingenden Pendel verwendbar sind, schildert.
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3 des
oben zitierten Patents
CH 597
636 zeigt schematisch eine Variante, die dem oben angeführten Oberbegriff
entspricht, d. h., bei der das drehbare Teil des elektrischen Generators,
der durch die Feder des Gangwerks angetrieben wird, durch die Unruh
eines zeitmesstechnischen Resonators des Unruh-Spiralfeder-Typs
gebildet ist. Anders gesagt ist der Rotor des Generators der Grundversion
durch ein schwingendes Element, nämlich die Unruh, ersetzt. Diese
trägt zwei
nebeneinander liegende Magneten, die zueinander entgegengesetzte
Polaritäten besitzen
und sich im Zuge der Schwingung der Unruh an einer festen Induktionsspule
vorbei bewegen. Jedoch wird in diesem Patent keinerlei Konstruktion
eines solchen Generators mit Unruh vorgeschlagen; auch ist nach
unserer Kenntnis eine solche bisher nicht realisiert worden. Ein
besonderes Problem, das sich bei einem solchen Generator mit Unruh
stellt, beruht auf der Konfiguration des magnetischen Kreises, der
die Kopplung zwischen der festen Spule und den Magneten der Unruh
gewährleistet,
wenn die benachbarten metallischen Massen des mechanischen Gangwerks
bedacht werden.
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Ein ähnliches
Problem tritt bei den elektrischen Uhren des Typs auf, bei dem die
Pendelbewegung einer Unruh-Spiralfeder-Einheit nicht nur durch eine
Antriebsfeder, sondern auch durch elektrische Impulse, die an wenigstens
eine feste Spule angelegt werden, die gegenüber der Bahn der Magneten angeordnet
ist, unterhalten wird, wie in den Patenten
FR 1 473 362 und
US 3 653 199 beschrieben ist. Um zu
vermeiden, dass der geschlossene magnetische Kreis in die Platine
oder andere metallische Elemente des mechanischen Gangwerks übertritt,
umfasst die Unruh zwei parallele Räder, die beiderseits der festen Spule
angeordnet sind. Die Magneten sind einander zugewandt an den zwei
Rädern
angeordnet. Nach dem Patent
FR
1 473 362 ist jedes Rad aus einem magnetisch durchlässigen Material,
beispielsweise aus Weicheisen, gefertigt, um den magnetischen Kreis
hinter den zwei Magneten, die es trägt, zu schließen. Das
Patent
US 3 670 492 sieht
eine andere Lösung
vor, die darin besteht, wie bei den herkömmlichen Gangwerken Unruh-Räder aus
Nichteisen-Metall zu verwenden und hinter dem Paar Magneten jedes
Rades ein Joch aus magnetischem Metall hinzuzufügen.
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Die
Verwendung einer solchen Unruh mit zwei Rädern in einer Uhr des durch
die vorliegende Erfindung betroffenen Typs wäre hauptsächlich deswegen, weil eine
solche Unruh zu voluminös
wäre und
ein zu großes
Trägheitsmoment
besäße, sehr nachteilig.
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Tatsächlich wird
im Fail der vorliegenden Erfindung angestrebt, soweit wie möglich ein
mechanisches Gangwerk üblicher
Konstruktion zu verwenden und diesem einfach einen elektronischen
Regulator hinzuzufügen,
der mit der Unruh des mechanischen Regulators dank der Hinzufügung eines
Paars Magneten zu der Unruh zusammenwirkt. Wegen der Hinzufügung der
Magneten muss dazu als einziges Element in dem mechanischen Gangwerk
die Unruh modifiziert werden. Die Schwingungseigenfrequenz der Unruh-Spiralfeder-Einheit
nach der Modifikation muss dann etwas größer als jene der ursprünglichen sein,
damit der elektronische Regulator sie durch kurze Bremsvorgänge der
Unruh stabilisieren kann, jedoch muss die so stabilisierte Frequenz
gleich der ursprünglichen
Frequenz sein. Eine Aufgabe der Erfindung ist, die anderen Elemente
des Mechanismus soweit wie möglich
beizubehalten, um aus Gründen der
Konstruktionskosten und der Rationalisierung der Beschaffung der
Teile ein vorhandenes oder ähnliches
mechanisches Gangwerk zu verwenden.
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Wenn
die herkömmliche
Unruh eines mechanischen Gangwerks durch eine Unruh mit zwei Rädern gemäß den oben
genannten Patenten ersetzt werden muss, erfordert die axiale Abmessung
von dieser eine komplette Neudimensionierung des Gangwerks, das
viel dicker würde.
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Eine
weitere Art der Kombination eines mechanischen Gangwerks mit einer
Vorrichtung zur Regulierung auf elektromagnetischem Wege ist Gegenstand
einer Gruppe von Patentanmeldungen der Seiko Instruments Inc., insbesondere
der Anmeldungen
EP 1 093 036 und
EP 1 143 307 , und umfasst
einen ringförmigen,
mehrpoligen Magneten, der an der Unruh angebracht ist und mit einer
oder mehreren festen Induktionsspulen zusammenwirkt. Diese sind durch
Leiterdrähte
an einen Schaltmechanismus angeschlossen, der sich an dem Kloben
befindet und durch Kontakt mit der Spiralfeder in Abhängigkeit
von der Schwingungsamplitude der Unruh arbeitet. Dieser Kontakt
schließt
die Spulen kurz, um die Unruh zu bremsen, wenn die Schwingungsamplitude
einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. Diese Spulen
sind auf der Platine des Gangwerks gegenüber dem Unruh-Ring der Unruh
angeordnet. In einer besonderen Konstruktion, die in der Anmeldung
EP 1 143 307 beschrieben
ist, sind sie auf einer gedruckten Leiterplatte zusammengefasst,
um eine Einheit mit elektrischen Schaltungen zu bilden, die an einem dazu
auf der Platine eingerichteten Ort installiert ist.
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Da
eine solche Anordnung nicht die Funktion besitzt, elektrische Energie
zu erzeugen, sondern nur, der Unruh Energie zu entziehen, wird weder
dem Wirkungsgrad der Energieumsetzung noch der Konfiguration des
magnetischen Kreises große
Bedeutung zugemessen. Das Vorhandensein der Platine und anderer
Elemente des Gangwerks in der Nachbarschaft der Induktionsspulen
ist bei dieser Anwendung nicht störend, wohingegen es dies sein
kann, wenn es sich darum dreht, im Fall der vorliegenden Erfindung
die Versorgung eines elektronischen Oszillators unter möglichst
geringem Verbrauch der von der Feder gelieferten mechanischen Energie
sicherzustellen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Folglich
besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, ein Zeitmessgerät des im
Oberbegriff angegebenen Typs herzustellen, indem der durch die Unruh und
die Induktionsspule gebildete elektronische Regulator in der Weise
ausgestaltet wird, dass ein mechanisches Gangwerk mit möglichst
geringen Modifikationen verwendet werden kann und dabei eine wirksame
elektromagnetische Kopplung zwischen dem festen Teil und dem beweglichen
Teil des elektrischen Generators gewährleistet ist. Eine zusätzliche
Aufgabe ist, den elektronischen Regulator mit Unruh derart zu gestalten,
dass er mit einem Gangwerk mit automatischem Aufzug kombiniert werden kann,
und dabei das Gangwerk möglichst
wenig zu modifizieren. Eine weitere zusätzliche Aufgabe ist, den elektronischen
Regulator in einer Form zu gestalten, die kompakt ist und wenn möglich seine
Unterbringung in einem Gehäuse
zulässt,
die die gleiche Größe wie ein
Gehäuse
besitzt, das dazu vorgesehen ist, lediglich das mechanische Gangwerk
aufzunehmen.
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Dazu
beruht ein Grundmerkmal eines Zeitmessgeräts gemäß der Erfindung darauf, dass
die Spule im Wesentlichen neben der Spiralfeder auf Seiten des Klobens
in Bezug auf den Unruh-Ring der Unruh angeordnet ist, wobei das
Paar Magneten auf Seiten der Platine durch eine Shunt-Platte aus
magnetischem Metall abgedeckt ist.
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Mit
anderen Worten, die Spule befindet sich auf der zur Platine entgegengesetzten
Seite in Bezug auf die Unruh, vorzugsweise in der Nähe des Umfangs
des mechanischen Gangwerks, d. h. in einem Bereich, der bei einem herkömmlichen
Gangwerk im Allgemeinen frei ist. Somit ist es nicht erforderlich, den
magnetischen Kreis durch ein magnetisches Joch auf Seiten der Spule,
die der Unruh gegenüberliegt,
zu schließen.
Hingegen ist auf Seiten der Platine der magnetische Kreis hinter
den Magneten durch eine Platte aus magnetischem Metall geschlossen, weshalb
es eine sehr geringe Streuung des Feldes zu den Bereichen gibt,
wo Teile aus Stahl wie etwa Schrauben der Platine zugeordnet sein
müssen.
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Ein
weiterer vorteilhafter Aspekt der oben angeführten Position der Spule ist,
dass sie sich im Wesentlichen auf gleicher Höhe wie die Spiralfeder befindet.
Anders gesagt erstrecken sich die Spiralfeder und die Spule im Wesentlichen
in einer zur Achse der Unruh senkrechten gemeinsamen Ebene. Dies
bedeutet, dass der Raumbedarf der Spule in der Höhe, d. h. parallel zur Achse
der Unruh, nichts zur Gesamtdicke des mechanischen Gangwerks hinzufügt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst der elektronische Regulator eine Leiterplatte, die wenigstens
den Gleichrichter, einen Quarzresonator und die Regelungsschaltung
und vorzugsweise außerdem
die Spule trägt.
Somit ist der elektronische Regulator ein autonomes und von dem
mechanischen Gangwerk vollständig
getrenntes konstruktives Modul, das sich bis auf die Spule gänzlich außerhalb
des mechanischen Gangwerks befinden kann. Dieses Modul kann beispielsweise
an einem Werkgestellkreis, der das mechanische Gangwerk umgibt, befestigt
sein. Dies lässt
nach dem Einbau des mechanischen Gangwerks eine einfache Montage
des elektronischen Moduls in ein Uhrengehäuse zu.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden weiter unten
in der genauen Beschreibung von zwei Ausführungsformen, die unter Bezugnahme
auf die beigefügte
Zeichnung anhand von nicht einschränkenden Beispielen gegeben wird,
deutlich.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
die Anordnung eines mechanischen Gangwerks, das einem elektronischen
Regulatormodul in einer Uhr gemäß den Prinzipien
der vorliegenden Erfindung zugeordnet ist, in einer ersten Ausführungsform,
wobei das Ganze von der zur Platine des mechanischen Gangwerks entgegengesetzten
Seite aus gesehen wird.
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2 zeigt
die Unruh des mechanischen Gangwerks näher.
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3 zeigt
das elektronische Regulatormodul näher.
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4 ist
eine schematische Vertikalschnittansicht einer Uhr mit automatischem
Aufzug, die die in 1 gezeigten Elemente umfasst.
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5 ist
eine Unteransicht, die die Schwingmasse der Uhr von 4 zeigt.
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6 ist
ein Funktionsschema der Uhr von 4.
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7 zeigt
Steuerungsdiagramme von bestimmten Signalen, die in 6 erwähnt sind.
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8 ist
eine zu 1 ähnliche Ansicht, die eine zweite
Ausführungsform
zeigt.
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9 ist
eine schematische Vertikalschnittansicht einer Uhr mit automatischem
Aufzug, die die in 8 gezeigten Elemente umfasst.
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10 ist
eine Unteransicht, die die Schwingmasse der Uhr von 8 zeigt.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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Es
wird zuerst Bezug auf die 1 bis 5 genommen,
die schematisch die Hauptelemente einer Armbanduhr gemäß der Erfindung
in einer ersten Ausführungsform
zeigen. Die Uhr umfasst ein mechanisches Gangwerk 10 mit
automatischem Aufzug eines üblichen
Typs wie etwa das Kaliber Eta 2824 und einen elektronischen Regulator,
der in Form einer elektronischen Moduls 11 ausgeführt ist,
das eine Spule 12 aufweist, die durch elektromagnetische Kopplung
mit der Unruh 13 des mechanischen Gangwerks 10 zusammenwirkt,
wobei diese Unruh das einzige Teil ist, das gegenüber dem
ursprünglichen Gangwerk
modifiziert worden ist.
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Da
das Gangwerk 10 an sich bekannt ist, sind in der Zeichnung
nur einige seiner Komponenten, insbesondere ein Federhaus 14,
das über
ein Räderwerk 16,
das ein zentrales Sekundenrad 17 umfasst, von dem der Antrieb
der Zeiger 18 der Uhr abgeleitet wird, ein Hemmungsrad 15 antreibt.
Die Hemmung umfasst einen Anker 19, der dem mechanischen
Regulator 20, der die Unruh 13 und eine Spiralfeder 21 umfasst,
Impulse gibt, wobei der Regulator zwischen der Platine 22 des
Gangwerks 10 und einem an der Platine befestigten Kloben 23 drehbar angebracht
ist. In 1 ist der Kloben 23 transparent gezeigt,
um die Zeichnung deutlicher zu machen. Wie gewöhnlich befindet sich die Platine 22 (4) des Gangwerks 10 in
dem Gehäuse
der Uhr auf Seiten des Zifferblatts 24 und ist durch Flansche
an einem Werkgestellkreis 26, der das Gangwerk 10 umgibt
und der seinerseits innerhalb des Gehäusemittelteils 27 des
Uhrengehäuses
angebracht ist, befestigt. Somit befinden sich der Kloben 23 und
die anderen Brücken
des Gangwerks 10 sowie die Schwingmasse 28 des
automatischen Aufzugs auf Seiten des abnehmbaren Bodens 29 des
Uhrengehäuses.
Die Oberseite des Gehäuses
ist durch ein Glas 30 gebildet, das entweder direkt oder über eine
Lünette
an dem Gehäusemittelteil 27 angebracht
ist.
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Das
Gangwerk 10 ist so konzipiert, dass es mit einer üblichen
Schwingungsfrequenz des Regulators 20 arbeitet, wobei die üblichen
Frequenzen im Allgemeinen zwischen 2,5 Hz und 5 Hz liegen und vorzugsweise
gleich 3 Hz oder 4 Hz betragen. In den hier beschriebenen Beispielen
beträgt
die theoretische Schwingungsfrequenz des Regulators 20 4
Hz.
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2 zeigt
die Unruh 13 von Seiten des Klobens 23 gesehen
näher.
Die Unruh besitzt eine Achse 32, deren Enden in von der
Platine 22 und dem Kloben 23 getragenen Achslagern
angebracht sind, und ein Planrad mit einem Unruh-Ring 34, der mit zwei vergrößerten Teilen 35 und 36 versehen
ist, wovon jedes auf eine diametrale Achse 37 des Unruh-Rades
zentriert ist. Das Teil 35 trägt zwei Magneten 38 und 39,
während
das Teil 36 ein Ausgleichsgewicht bildet, derart, dass
sich der Schwerpunkt der Unruh in der Mitte ihrer Achse 32 befindet.
Jeder der Magneten 38 und 39 ist aus einem kleinen
zylindrischen, magnetischen Plättchen
parallel zur Achse 32 der Unruh gebildet, wobei jedoch
die Polarität
des einen Magneten zu jener des anderen entgegengesetzt ist, um
Feldlinien zu erzeugen, die durch die zwei Magneten gehen. Die Magneten
sind auf der zur Platine 22 entgegengesetzten Seite beispielsweise durch
Kleben an dem Teil 35 des Unruh-Rings befestigt. Der Unruh-Ring 34 der
Unruh ist aus einem magnetischen Metall wie etwa Eisen-Nickel gefertigt,
so dass sein Teil 35 einen magnetischen Shunt bildet, der
den Kreis des von den Magneten 38 und 39 erzeugten
Magnetfeldes auf Seiten der Platine 22 schließt.
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Im
Vergleich zur Unruh des ursprünglichen Gangwerks
kann die Unruh 13 annähernd
die gleichen Außenabmessungen
und die gleich Masse besitzen. Beispielsweise kann die Dicke des
Unruh-Rings 34 0,15 mm betragen und jene der Magneten 0,25
mm, so dass die Gesamtdicke von 0,4 mm gleich jener des Unruh-Rings der Unruh des
ursprünglichen
Gangwerks ist. Der mechanische Regulator 20 ist so beschaffen,
dass er eine Schwingungseigenfrequenz besitzt, die über den
gesamten Nutzbereich der Spannung der Feder 54 etwas höher (beispielsweise
um 1%) als die theoretische Frequenz von 4 Hz ist, damit die Stabilisierung
seiner wirklichen Frequenz durch die Regelungsschaltung durch lediglich
kleine Bremsimpulse erfolgen kann. Dazu besteht eine einfache Lösung darin,
eine Spiralfeder zu verwenden, die zu jener des ursprünglichen
Gangwerks gleich ist, und der Unruh ein etwas kleineres Trägheitsmoment
zu verleihen. Die Voreilung bzw. der Vorschub des mechanischen Regulators
kann auch in herkömmlicher
Weise mittels des Rückers
reguliert werden.
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Vorzugsweise
ist der mechanische Regulator 20 in der Weise angebracht,
dass sich in seiner neutralen Position, wo die Spiralfeder 21 in
Ruhe ist, die diametrale Achse 37 und somit das Paar Magneten 38 und 39 gegenüber der
Spule 12 befinden. Im Betrieb schwingt die Unruh 13 um
diese neutrale Position, wie durch die Pfeile A und B in 2 angegeben
ist. Da die Momentangeschwindigkeit der Unruh dann maximal ist,
wenn sie durch ihre neutrale Position geht, wird die in der Spule
induzierte Effektivspannung maximiert, wenn sich das Paar Magneten zu
jenem Zeitpunkt an der Spule vorbei bewegt. Die Schwingungsamplitude
von etwa ± 270
Grad bei einem herkömmlichen
Gangwerk, wenn die Feder des Federhauses vollständig gespannt ist, kann hier
wegen des Energieverbrauchs des elektrischen Generators um einiges
kleiner sein, beispielsweise etwa ± 180 Grad.
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Um
eine höhere
Ausgangsspannung zu erhalten, können
zwei oder mehr in Reihe geschaltete feste Spulen 12 vorgesehen
sein, die mit einer entsprechenden Anzahl von Magnetpaaren auf der
Unruh 13 zusammenwirken.
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3 zeigt
das äußere Aussehen
des elektronischen Moduls 11, dessen Schaltungen weiter unten
mit Bezug auf 6 beschrieben werden. Seine
Komponenten sind durch eine gedruckte Leiterplatte bzw. Schaltungskarte 41 unterstützt, die
die Grundform eines Kreissegments, um sie an der unteren Fläche des
Werkgestellkreises 26 anzusetzen, an dem sie mit Schrauben 42 befestigt
ist, besitzt. Die in 3 gezeigten Komponenten umfassen
die Spule 12, die an einem Teil 43 der Karte 41 angebracht ist,
die zum Inneren der Uhr hin vergrößert ist, ein Paar Schottky-Dioden 44 und 45,
ein Paar Kondensatoren 46 und 47, einen Quarzresonator 48 und
eine integrierte Schaltung 49. Die Spule 12 ist
an der oberen Fläche
der Karte 41 angebracht, die sie in einer festen Position
hält, die
so gewählt
ist, dass ein kleiner Luftspalt zwischen der Spule 12 und
den Magneten 38 und 39, typischerweise in der
Größenordnung von
0,2 mm, vorhanden ist, um eine ausreichend starke elektromagnetische
Kopplung zu gewährleisten.
In dem hier gezeigten Beispiel sind die anderen Elemente 44 bis 49 an
der unteren Fläche
der Karte 41 angebracht, so dass sie sich in einem Raum 50 zwischen
dem Werkgestellkreis 26 und dem Boden 29 des Gehäuses befinden,
der gewöhnlich
frei ist. Jedoch könnten
diese Elemente oder bestimmte unter ihnen unter der Bedingung, dass
geeignete Aussparungen in dem Werkgestellkreis 26 vorgesehen sind,
auch an der oberen Fläche
der Karte 41 angeordnet sein.
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In
einer nicht gezeigten Variante könnte
die Spule 12 an einer getrennten Abstützung anstelle direkt an der
Karte 41 angebracht sein. Diese könnte dann durch eine elastische
Folie ersetzt sein, die auf den Werkgestellkreis 26 geklebt
sein könnte.
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Wenn
insbesondere die 1 bis 4 betrachtet
werden, ist erkennbar, dass die Konfiguration des elektronischen
Moduls 11 das Unterbringen dieses Moduls in dem Gehäuse der
Uhr vollständig
außerhalb
des mechanischen Gangwerk 10 zulässt, mit Ausnahme der Spule 12,
die sich gegenüber
dem Unruh-Ring der Unruh 13 befinden muss. Jedoch belegt
diese Spule einen Raum zwischen der Spiralfeder 21 und
dem Umfang des Gangwerks, der bei den gewöhnlichen mechanischen Gangwerken
im Allgemeinen frei ist. Bei bestimmten Typen von Gangwerken mit
automatischem Aufzug kann es vorkommen, dass dieser Raum durch den
dicken Umfangsteil der Schwingmasse 28 teilweise belegt
ist. Wenn die vorliegende Erfindung mit einem solchen Gangwerk verwendet
werden soll, reicht es aus, diesen Teil der Schwingmasse leicht
zu modifizieren, derart, dass eine ausreichende Höhe für die Spule 12 freigelassen
wird. Eine solche Modifikation ist einfach und hat unter der Voraussetzung,
dass die Modifikation der Schwingmasse das Aufzugsmoment nicht verkleinert,
keine Auswirkungen auf die anderen Komponenten. Das Gehäuse der
Uhr kann zu jenem, das das ursprüngliche
Gangwerk aufnimmt, gleich sein.
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Nun
wird die Funktionsweise der Uhr, die in den 1 bis 5 veranschaulicht
worden ist, beschrieben, wobei speziell auf die 6 bis 7 Bezug
genommen wird. In 6 wird das mechanische Gangwerk 10 durch
die Feder 54 des Federgehäuses angetrieben, wobei die
Feder die Quelle mechanischer Energie ist, die die Unruh 13 über das
Räderwerk 16 und
die Hemmung 55 antreibt, wobei das Räderwerk auch die Zeiger 18 antreibt.
Es ist außerdem
das Paar Magneten 38 und 39 der Unruh 13 und die
Spule 12, die zusammen mit der Unruh einen elektrischen
Generator 56 bildet, zu erkennen.
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Die
oben beschriebenen Schaltungen bzw. Schaltkreise des elektronischen
Moduls 11 sind in 6 gezeigt
und umfassen die Spule 12, einen Gleichrichter 58 und
eine Regelungsschaltung 60, die in der in 3 gezeigten
integrierten Schaltung ausgeführt
ist. Der Gleichrichter 58 umfasst die zwei Schottky-Dioden 44 und 45 und
die zwei Kondensatoren 46 und 47, die vorzugsweise
vom keramischen Typ sind. Die Eingänge des Gleichrichters sind
mit den Klemmen der Spule 12 verbunden, wobei seine Ausgänge V+,
V0 und V– dank
der von dem Generator 56 erzeugten und in den zwei Kondensatoren
gespeicherten elektrischen Energie die Versorgung der Regelungsschaltung 60 sicherstellen.
Ein minimaler Wert von 0,6 V der gleichgerichteten Spannungen V+ und
V–, der
der minimal zulässigen
Amplitude der Schwingung der Unruh 13 entspricht, reicht
aus, um die integrierte Schaltung 49 zu betreiben, insbesondere
dann, wenn diese in SOI-Technologie ausgeführt ist.
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Das
Steuerungsdiagramm (a) von 7 zeigt
den Verlauf der Spannung Ug, die durch drei Wechsel bzw. Halbperioden
der Unruh 13 an den Klemmen der Spule 12 induziert
wird, wobei jede Halbperiode ein Vorbeibewegen bzw. einen Durchgang
des Paars Magneten 38 und 39 an der Spule umfasst.
Der erste Durchgang bei der Bewegung der Unruh in einer ersten Richtung
erzeugt nacheinander drei Haupt-Halbperioden bzw. -Halbwellen der
Spannung Ug, nämlich
eine negative Halbwelle A1, eine positive Halbwelle A2 und eine
negative Halbwelle A3, worauf die Spannung, während die Bewegung der Unruh
endet und die Richtung wechselt, im Wesentlichen null bleibt. Die
Unterbrechung der Spannung für
eine kurze Dauer tf entspricht einer Bremsung, die weiter unten
beschrieben wird. Der Durchgang der Magneten bei der Rückkehr der
Unruh erzeugt drei weitere Haupt-Halbwellen der Spannung Ug, nämlich eine
positive Halbwelle A4, eine negative Halbwelle A5 und eine positive
Halbwelle A6, worauf die Spannung bis zum nächsten Durchgang in der ersten
Richtung, wo die Spannung Ug ihren Zyklus mit einer Periode T, die
der wirklichen Schwingungsperiode der Unruh entspricht, erneut beginnt,
im Wesentlichen null bleibt.
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Die
Regelungsschaltung
60 umfasst einen mit Osc bezeichneten
Oszillator, der durch den Quarzresonator
48 gesteuert wird,
um eine Zeitbasis zu bilden. Die Schaltung
60 ist so beschaffen,
dass sie gemäß dem in
den oben erwähnten
Patenten
EP 679 968 und
EP 806 710 beschriebenen
Prinzip die Schwingungs frequenz der Unruh
13 auf eine mit
FR bezeichnete Frequenz, die von dem Oszillator Osc hergeleitet
wird, regelt, indem kurze Bremsvorgänge der Unruh durch Kurzschließen der
Spule
12 über
einen elektronischen Stromunterbrecher wie etwa einen Transistor
62 ausgeführt werden.
In Anbetracht dessen, dass die in
6 gezeigte
Regelungsschaltung
60 jener, die in dem Patent
EP 806 710 (das dem Patent
US 5 740 131 entspricht)
beschrieben ist, auf das der Leser für nähere Einzelheiten verwiesen werden
soll, praktisch vergleichbar ist, wird diese hier in vereinfachter
Weise beschrieben, jedoch werden die aus der vorliegenden Erfindung
resultierenden Unterschiede im Einzelnen erläutert.
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Der
Oszillator Osc liefert das Signal FO, das beispielsweise eine Frequenz
von 32768 Hz besitzt, an eine Teilerschaltung Div, deren Ausgang
ein Signal mit der Bezugsfrequenz FR = 4 Hz an den negativen Eingang
einer Komparatorschaltung Cmp liefert, während ein weiterer Ausgang
ein Signal mit der Zwischenfrequenz F1 von beispielsweise 4096 Hz als
Taktsignal an ein Zeitrelais Tmr liefert. Ein Ausgang des Zeitrelais
Tmr liefert, wenn es erforderlich ist, einen Bremsimpuls IF mit
der Dauer tf, der den Transistor 62 durchschaltet, um die
Spule 12 kurzzuschließen.
Während
dieser Dauer fällt
die Spannung Ug auf einen Wert nahe bei null ab, wie in dem Steuerungsdiagramm
(a) von 7 zu erkennen ist.
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Die
Spannung Ug an den Klemmen der Spule 12 wird an Mittel
zum Messen ihrer Frequenz, die einen mit Trig bezeichneten Schmitt-Trigger
und eine Sperrschaltung Inh umfassen, geliefert. Wie aus den Steuerungsdiagrammen
(a) und (b) von 7 ersichtlich ist, stellt die
Kippstufe Trig der Sperrschaltung ein Erfassungssignal IM bereit,
das jedes Mal, wenn der Absolutwert der Spannung Ug soweit ansteigt,
dass er den oberen Spannungsschwellenwert Uth oder den unteren Spannungsschwellenwert
Utb der Kippstufe über-
bzw. unterschreitet, das Vorzeichen wechselt. Die Funktion der Sperrschaltung
Inh ist, für
jede Periode der Schwingung der Unruh 13 und folglich für jeden
zweiten Durchgang des Paars Magneten 38 und 39 an
der Spule 12 vorbei, einen Messimpuls In an den positiven
Eingang der Komparatorschaltung Cmp und an das Zeitrelais zu liefern. Die
in dem Steuerungsdiagramm (c) von 7 gezeigten
Messimpulse IN besitzen somit theoretisch eine Frequenz f von 4
Hz und eine Periode T von 250 ms, jedoch kann auch in Betracht gezogen
werden, bei jedem Durchgang der Magneten an der Spule vorbei einen
Messimpuls IN zu liefern, womit sich eine theoretische Frequenz
von 8 Hz ergibt.
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In
dem vorliegenden Beispiel ist gewählt worden, die Bremsung eventuell
im Verlauf der größten Halbwelle
A2 der Spannung Ug auszuführen
und nicht im Verlauf der ersten Halbwelle A1, weil diese kürzer ist.
Folglich ist die Sperrschaltung Inh so beschaffen, dass sie nicht
den ersten Zustandwechsel des Signals IM zu dem in 7 angegebenen
Zeitpunkt t11, sondern nur den zweiten zum Zeitpunkt t2 berücksichtigt,
um den Messimpuls IN zu liefern. Andernfalls käme auch in Betracht, die Bremsung
während
der ersten Halbwelle A1l auszuführen.
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Die
Komparatorschaltung Cmp hat die Funktion, durch ihr Ausgangssignal
AV anzugeben, wenn die Schwingung der Unruh 13 in Bezug
auf jene des Oszillators Osc voreilt. Dieser Komparator kann beispielsweise
ein Vorwärts-Rückwärts-Zähler oder
ein reversibler Zähler
sein, der die Differenz zwischen der Anzahl der an seinem positiven
Eingang empfangenen Messimpulse IN und der Anzahl der mit der Frequenz
FR an seinem negativen Eingang empfangenen Bezugsimpulse aufsummiert.
Das Zeitrelais Tmr empfängt
das Signal AV und liefert, wenn dieses angibt, dass die Unruh voreilt,
ein kurzes Bremssignal IF, das den Transistor 62 vorübergehend
durchschaltet, was die Unruh bremst, wie oben erläutert worden
ist. Der Beginn des Bremssignals IF ist vorzugsweise in Bezug auf
das Auftreten des Messimpulses etwas verzögert, wie in 7 sichtbar
ist, wobei die Dauer tf des Bremssignals IF in der Weise vorgegeben
ist, dass die Bremsung in einem Anfangsabschnitt der größten Halbwelle
A2 der Spannung Ug, jedoch nicht während der Dauer, wo die Spannung am
höchsten
ist, erfolgt, da gerade zu diesem Zeitpunkt der elektrische Generator 56 die
meiste Energie an die Kondensatoren 46 und 47 liefern
kann. Zum Zeitpunkt, zu dem das Zeitrelais Tmr das Bremssignal IF
liefert, beginnt es der Schaltung Inh ein Sperrsignal SI bereitzustellen,
das die Funktion hat, das Senden eines weiteren Messimpulses IN
vor der nächsten
Schwingungsperiode der Unruh zu verhindern. Wie aus dem Steuerungsdiagramm
(d) von 7 hervorgeht, ist die Dauer
ti des Sperrsignals SI etwas kürzer
als die Periode T und beträgt
beispielsweise 80% von T.
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Das
Steuerungsdiagramm von 7 entspricht dem Fall, in dem
eine einzige Bremsung mit der Dauer tf ausreicht, um den Zwischenzählwert in dem
Komparator Cmp auf null zurückzustellen,
derart, dass im Verlauf der nächsten
Halbwelle A2 der Spannung keine erneute Bremsung erfolgt. Im gegenteiligen
Fall wird in jeder aufeinander folgenden Periode eine Bremsung ausgeführt, bis
die Anzahl von Perioden der Unruh 13 gleich jener des elektronischen
Oszillators Osc ist.
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Die
oben beschriebene spezielle Struktur der Regelungsschaltung
60 und
die Funktionen ihrer verschiedenen Komponenten sind für die Ausführung der
vorliegenden Erfindung nicht kritisch, da sie unterschiedlich ausgeführt sein
können.
An ihnen könnten
darüber
hinaus jene Weiterentwicklungen, die in den oben zitierten Patenten
desselben Anmelders vorgesehen sind, vorgenommen werden. Insbesondere
lässt sich
die in dem Patent
EP 875 807 beschriebene
Weiterentwicklung in Kombination mit der vorliegenden Erfindung
vorteilhaft anwenden. Es handelt sich darum, elektrische Antriebsimpulse
an einen elektromechanischen Wandler anzulegen, der durch den elektrischen
Generator
56 gebildet ist, um eine Schwingungsamplitude
der Unruh aufrechtzuerhalten, die ausreicht, damit die Hemmung
55 gut
arbeitet, wenn das von der Feder
54 gelieferte Moment unter
einen Grenzwert abfällt,
und zwar bis die Feder beispielsweise durch den automatischen Aufzug
wieder gespannt ist. Es ist dann zweckmäßig, eine Batterie hinzuzufügen, die
elektrische Energie liefern kann, die dazu dient, vorübergehend
dem Mangel an mechanischer Energie abzuhelfen.
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Die 8 bis 10 sind
zu den 1, 4 und 5 ähnliche
Ansichten und zeigen eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Uhr,
wovon nur die Unterschiede zu dem oben beschriebenen Beispiel beschrieben
werden, wobei für die
entsprechenden Elemente wieder dieselben Bezugszeichen verwendet
werden. In diesem Fall ist das mechanische Gangwerk 10 ohne
Verwendung eines Werkgestellkreises durch Flansche 25 direkt
an dem Gehäusemittelteil 27 des
Uhrengehäuses
befestigt. Das elektronische Modul 11 ist dann durch Schrauben
und nicht gezeigte Füße, durch
die diese Schrauben verlaufen und die zwischen die Platine 22 und
die gedruckte Leiterplatte 41 des Moduls 11 gesetzt
sind, an der Platine 22 des Gangwerks 10 befestigt.
Der verbreiterte Teil 43 dieser Karte, deren Oberseite
die Spule 12 trägt,
ist kleiner als in dem vorhergehenden Beispiel, weil sich die Spule 12 auch über den
bogenförmigen
Teil der Karte erstreckt. Die Komponenten 44 bis 49 des
Moduls sind in diesem Fall an der unteren Seite der Karte 41 angebracht, um
nicht mit den Elementen des Gangwerks in Konflikt zu geraten. Um
ihnen genug Platz zu verschaffen, ist der Durchmesser der Schwingmasse 28 des
automatischen Aufzugs einfach verkleinert worden, wobei zur Kompensation
die Dicke des Umfangteils 51 dieser Masse vergrößert worden
ist. Die Funktionsweise ist die gleiche wie bei der ersten Ausführungsform.
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In
diesem zweiten Beispiel bestehen die einzigen Modifikationen, die
an dem mechanischen Gangwerk 10 vorzunehmen sind, darin,
die Unruh und die Schwingmasse des automatischen Aufzugs zu wechseln
und in der Platine Gewindelöcher
für die Aufnahme
der Schrauben 42 anzubringen. Das Gehäuse der Uhr kann zu jenem,
das das ursprüngliche mechanische
Gangwerk aufnimmt, gleich sein.
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Obwohl
sich die hier beschriebenen Beispiele auf eine Armanduhr mit automatischem
Aufzug beziehen, sind die Anwendungen der vorliegenden Erfindung
nicht auf diesen Gegenstand begrenzt, sondern erstrecken sich auf
jeden Typ von Zeitmessgerät
mit einem mechanischen Gangwerk, das mit einem Unruh-Spiralfeder-Regulator
versehen ist.