Die Erfindung betrifft ein zeithaltendes Gerät, insbesondere eine Uhr, mit einem mit hoher Frequenz arbeitenden Frequenznormal, mit einem diesem nachgeschalteten Frequenzteiler und mit einer auf den Frequenzteiler folgenden Treiberstufe, die in Abhängigkeit von ihr zugeführten Steuerimpulsen Ausgangssignale alternierender Polarität an einen eine Pendelbewegung ausführenden Motor liefert, der in den Intervallen zwischen den Ausgangssignalen der Treiberstufe durch eine Blockiervorrichtung blockiert wird, die mindestens einen Magneten und mindestens ein durch die Ausgangsimpulse magnetisierbares Element aufweist, das relativ zum Magneten zwei definierte Blockierstellungen einnehmen kann.
Die derzeit bekannten, quarzgesteuerten Uhren besitzen hauptsächlich Anzeigesysteme, welche von mechanischen Oszillatoren angetrieben werden, die von einem quarzgesteuerten Oszillator synchronisiert werden. Eines der Probleme, welches bei dieser Art der Synchronisierung auftritt, besteht, darin, dass der mit niedriger Frequenz schwingende, mechanische Oszillator die Tendenz hat, ausser Tritt zu fallen, wenn Bewegungen der Uhr die Amplitude beeinträchtigen. Bei anderen quarzgesteuerten Chronometern, welche Anzeigesysteme besitzen, um direkt die heruntergeteilte Resonanzfrequenz des Quarzes anzuzeigen, und welche beispielsweise mit einer Frequenz von 1 Hz oder von 0,5 Hz arbeiten, und zwar ohne Synchronisation, besitzen andere Nachteile.
Insbesondere haben diese letzgenannten Systeme im allgemeinen einen relativ hohen Leistungsverbrauch und besitzen bei nichtarbeitendem Motor nur ein Blockiersystem geringer Wirksamkeit (siehe z. B. die USA-Patentschriften 2 546 371, 3 163 808, 3212252 und 3432311).
In der deutschen Offenlegungsschrift 1 773 675 ist bereits ein Gerät der eingangs genannten Art beschrieben worden.
Dessen Blockiervorrichtung bewirkt aber lediglich, dass der Motor jeweils in der durch den letzten Antriebsimpuls herbeigeführten Stellung gehalten wird. Daher musste für das eigentliche Uhrwerk noch eine besondere mechanische Verriegelung in Form einer Rastfeder vorgesehen werden. Deren Gegenkraft muss bei jedem Schaltvorgang erneut überwunden werden, was mit zusätzlichem Energiebedarf und Verschleiss verbunden ist. Darüberhinaus bringt die in der deutschen Offenlegungsschrift verwendete Doppeljochanordnung, welche mit dem Permanentmagneten zusammenwirkt, Justierungsschwierigkeiten mit sich und erhöht den Raumbedarf ganz beträchtlich.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein zeithaltendes Gerät der eingangs genannten Art zu schaffen, welches die Nachteile der bekannten Geräte vermeidet und bei vergleichsweise einfachem und billigem Aufbau eine hohe Ganggenauigkeit und Zuverlässigkeit gewährleistet.
Das erfindungsgemässe Gerät ist dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Motor eine Schaltklinkenwelle verbunden ist, an der mindestens eine Rotorspule des Motors befestigt ist, und dass innerhalb der Rotorspule das magnetisierbare Element angeordnet ist, das mit zwei Magneten zusammenwirkt, die in der Ebene der Pendelbewegung des Motors symmetrisch zur Mittelstellung der Rotorspule angeordnet sind.
Ein Vorteil des Geräts ist darin zu sehen, dass es wegen des Fehlens einer Doppeljochanordnung einen geringen Raumbedarf und wegen des Fehlens einer besonderen mechanischen Verriegelungsvorrichtung einen geringen Energiebedarf und Verschleiss aufweist. Der Hauptvorteil des Gerätes ist aber darin zu erblicken, dass es seine konstruktiv vorgegebene Ganggenauigkeit auch bei mechanisch sehr rauher Behandlung, d. h. unter starken, von aussen aufgezwungenen Beschleunigungen, beibehält, weil es selbstkorrigierend ist.
Ein harter Stoss auf das zeithaltende Gerät führt nämlich im schlimmsten Fall zu folgendem Ergebnis: Der Rotor wird infolge des Stosses aus der Ruhestellung, die er gerade einnimmt, in die entgegengesetzte Endstellung bewegt, wodurch das Schaltrad vor Eintreffen eines entsprechenden Impulses weitergeschaltet wird. Der nächste Impuls führt nun aber nicht zu einer Fortschaltung des Schaltrades, da seine Stromrichtung so gewählt ist, dass die Blockiervorrichtung den Rotor festhält, während bei entgegengesetzter Stromrichtung eine magnetische Abstossung und damit eine Fortschaltung des Rotors erfolgen würde. Auf diese Weise wird die Synchronisation zwischen dem Frequenznormal und der mechanischen Fortschaltung auch dann aufrechterhalten, wenn die mechanischen Einrichtungen infolge eines Stosses zunächst um einen Schritt vorgeeilt sind.
Das neue Gerät unterscheidet sich gegenüber dem Stand der Technik in fortschrittlicher Weise durch diese selbsttätige Korrektur, die den g-Bereich des Geräts bei vorgegebener Ganggenauigkeit bzw. die Ganggenauigkeit bei vorgegebenem g-Bereich beträchtlich erhöht, ferner durch seine konstruktive Einfachheit, seinen geringen Raum- und Energiebedarf.
Bei der bevorzugten Ausführungsform geht man so vor, dass die Treiberstufe einen ersten Eingang und einen zweiten Eingang aufweist, dass eine erste Anzahl von Transistoren derart mit dem ersten Eingang verbunden ist, dass ein ansteigendes Potential an dem ersten Eingang diese ersten Transistoren in die Sättigung treibt, dass eine zweite Anzahl von Transistoren derart mit dem zweiten Eingang verbunden ist, dass das Erdpotential am zweiten Eingang diese Transistoren sperrt, während die erste Anzahl von Transistoren gesättigt ist, und dass eine Vorrichtung vorgesehen ist, um nach Empfang eines Eingangsimpulses von dem Frequenzteiler einen vorgewählten Ausgangsimpuls zu erzeugen, wobei zweckmässigerweise die Vorrichtung zur Erzeugung eines vorgewählten Ausgangsimpulses mit dem ersten Eingang und mit dem zweiten Eingang verbundene RC-Schaltungen hat.
Es ist auch von Vorteil, wenn mindestens zwei stationäre Magnetvorrichtungen vorgesehen sind, zwischen denen die Rotorspule in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen der Treiberstufe hin und her schwingt. Es ist ferner zweckmässig, wenn die Blokkiervorrichtung eine mit dem Motor verbundene Fortschaltvorrichtung in ihrer Stellung hält, solange kein Antrieb über den Motor erfolgt, wobei es von Vorteil ist, wenn die Rotorspule mehrere Wicklungen aufweist, die symmetrisch bezüglich der Schaltklinkenwelle angeordnet sind und wenn die Fortschaltvorrichtung eine auf der Schaltklinkenwelle befestigte Schaltklinke mit zwei Armen hat, ferner ein Klinkenrad mit einer Vielzahl längs des Umfanges angeordneter Zähne, mit denen die Schaltklinke beim Oszillieren der Schaltklinkenwelle zusammenwirkt.
Schliesslich ist es von Vorteil, wenn der Motor mindestens eine von den Ausgangssignalen der Treiberstufe durchflossene Leiterschleife hat, die relativ zu zwei magnetischen Polen entgegengesetzter Polarität beweglich ist.
Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes werden nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockdiagramm des Antriebs für eine Uhr,
Fig. 2 ein Schaltbild der Treiberstufe des Uhrenantriebs der Fig. 1,
Fig. 3a bis 3c Impulsdiagramme der Impulsfolgen am Eingang und Ausgang der Treiberstufe der Fig. 2,
Fig. 4a bis 4e verschiedene Spulenformen für den Rotor des Motors des Uhrenantriebs der Fig. 1,
Fig. 5a und 5b eine Seitenansicht bzw. eine Draufsicht einer Blockiervorrichtung für die Uhr, und
Fig. 6a und 6b eine Draufsicht bzw. eine Seitenansicht des Motors für die Uhr.
Der Uhren antrieb der Fig. 1 enthält einen Quarzoszillator 10, welcher an seinem Ausgang 11 ein Signal hoher Frequenz an einen Frequenzteiler 12 liefert. Der Frequenzteiler 12 re duziert die Frequenz des Quarzoszillators derart, dass die Impulsfolgefrequenz an seinen Ausgängen 13 und 14 0,5 oder 1 Hz beträgt. Wie die Fig. 3a bis 3c zeigen, ändert eine Treiberstufe 16, deren Eingänge durch die Ausgänge 13 und 14 des Frequenzteilers gebildet werden, nach jedem Impuls auf einem ihrer Eingänge 13 und 14 die Polarität ihres Ausgangssignals auf einer zu einem Motor 18 führenden Ausgangsleitung 17. Der Motor 18 wird somit direkt mit der heruntergeteilten Frequenz des Quarzoszillators betrieben, so dass sich eine äusserst hohe Ganggenauigkeit ergibt, ohne dass die üblicherweise bei quarzgesteuerten Systemen auftretenden Nachteile zu verzeichnen sind.
Vermieden wird hauptsächlich die ausgeprägte Tendenz des mechanischen Vibrators, ausser Tritt zu fallen, wenn der Uhr aufgezwungene Beschleunigungen die Schwingungsamplitude beeinflussen.
Der Quarzoszillator 10 enthält in üblicher Weise einen Quarzkristall, der zu Schwingungen in seiner Resonanzfrequenz erregt wird. Die Resonanzfrequenz des Quarzes liegt in Abhängigkeit von dem gewählten Kristall zwischen etwa 8000 Hz und 5 000 000 Hz. Eine Signalfolge dieser Frequenzen wird dem Frequenzteiler 12 vom Ausgang 11 des Quarzoszillators 10 zugeführt. Der Frequenzteiler 12 ist ein üblicher, mehrstufiger Frequenzteiler, der die Frequenz des seinem Eingang zugeführten Signals herunterteilt und an seinen Ausgängen 13 und 14 Signale mit einer Impulsfolgefrequenz von 1 Hz bzw. 0,5 Hz liefert.
Die Treiberstufe 16 bildet eine Einheit zur Erzeugung eines Stromes wechselnder Polarität, wie dies aus Fig. 3c deutlich wird. Die Polarität des Stromes am Ausgang 17 der Treiberstufe ändert sich nach jedem Impuls auf den Leitungen 13 und 14, so dass es möglich wird, mit dem Ausgangssignal der Treiberstufe einen polarisierten Elektromotor 18 anzutreiben. Wie aus Fig. 2 deutlich wird, arbeitet die Treiberstufe 16 wie folgt: Ein ansteigendes Potential am Eingang 13 sättigt die Transistoren 19, 21 und 22. Gleichzeitig sperrt das Erdpotential am Eingang 14, welches der Basis 23 des Transistors 24 zugeführt wird, die Transistoren 24, 26 und 27, so dass der Strom in einer Richtung fliesst. Nach einem Zeitintervall t, (vgl. Fig. 3c) ist ein Kondensator 28 über einen Widerstand 29 entladen, und die Transistoren 19, 21 und 22 werden gesperrt.
Die Treiberstufe befindet sich damit in einem neutralen Zustand.
Ausgehend von diesem Zustand führt ein ansteigendes Potential am Eingang 14 zu einer Sättigung der Transistoren 24, 26 und 27, so dass der Strom in der anderen Richtung fliesst. Nach Ablauf eines Zeitintervalls t2 ist ein Kondensator 31 über einen Widerstand 32 entladen, und die Transistoren 24, 26 und 27 werden gesperrt. Die Treiberstufe befindet sich damit erneut in dem neutralen Zustand. Die Länge der Treiberimpulse auf der Leitung 17 kann mit Hilfe der RC-Glieder 28, 29 bzw. 31, 32 eingestellt werden. An dieser Stelle soll ferner festgehalten werden, dass tl = t2 = Länge der Treiberimpulse.
Der Motor 18, der in den Fig. 6a und 6b in seinen Einzelheiten dargestellt ist, umfasst einen Rotor 33 mit einer einzigen Spule oder mehreren, symmetrisch angeordneten Einzelspulen. In den Fig. 4a bis 4e sind verschiedene Spulenanordnungen dargestellt, die folgende Erläuterung beschränkt sich aber auf die Spulenform gemäss Fig. 4d.
Aus Fig. 6a und 6b wird deutlich, dass der Mittelteil des Rotors 33 auf der Welle 34 einer Schaltklinke befestigt ist.
Der Spulen-Rotor wird kontinuierlich zwischen zwei stationären Systemen von Permanentmagneten 36 und 37 hin und her geschaltet. Eine andere - jedoch nicht dargestellte - Möglich- keit besteht darin, ein einziges Magnetsystem mit einem Shunt zu verwenden. Die Welle 34 trägt ferner eine an ihr befestigte Schaltklinke 38 mit Armen 39 und 41, welche mit den Zähnen 42 eines Schaltrades 43 zusammenwirken. Während der Rotor 33 in Abhängigkeit von den Antriebsimpulsen auf der Leitung 17 hin und her geschaltet wird, schaltet die Schaltklinke 38 das Schaltrad 43 weiter, welches seinerseits in üblicher Weise mit den Anzeigeeinrichtungen gekoppelt ist. Vorzungsweise besitzt das Schaltrad 43 dreissig oder sechzig auf seinen Umfang verteilte Zähne 42, was einer Impulsfolgefrequenz von 1 Hz bzw. 0,5 Hz am Ausgang der Treiberstufe entspricht.
Der Motor 18 wird von den Impulsen bzw. Treiberimpulsen entgegengesetzter Polarität auf der Leitung 17 in der Weise angetrieben, dass sich der Rotor 33 bei allen ersten Impulsen von der Stellung A in die Stellung B dreht. Eine Sekunde später drehen dann die jeweils zweiten Impulse den Rotor 33 aus der Stellung B zurück in die Stellung A. Der Motor 18 arbeitet auf diese Weise kontinuierlich mit der Genauigkeit des Quarzoszillators, da die Antriebsimpulse von dem Quarzoszillator über den Frequenzteiler 12 und die Treiberstufe 16 direkt an ihn gelangen.
Wenn sich der Motor 18 nach einem Treiberimpuls 17 in einer Ruhestellung befindet, ist das gesamte Fortschaltsystem blockiert, und zwar mittels mindestens eines Eisen- oder Ferritkerns 44, welcher an mindestens einem Ende der Spule angeordnet ist, wie dies in den Einzelheiten in Fig. 5a und 5b gezeigt ist. Der Eisenkern 44, der in der Spule 33 angeordnet ist, wird zu einem Elektromagnet, wenn ein Treiberimpuls auf der Leitung 17 empfangen wird. Die Polarität dieses Elektromagneten wird von der Stromrichtung des Treiberimpulses auf der Leitung 17 bestimmt.
Der Eisenkern 44 arbeitet mit zwei Permanentmagneten 46 und 47 zusammen. Wenn der Kern 44 zunächst von dem Magnet 46 festgehalten wird, verwandelt ein Treiberimpuls auf der Leitung 17 bei der in der Zeichnung angedeuteten Richtung des Stromes I den Kern 44 in einen Elektromagneten, der die gleiche Polarität besitzt wie der den Kern bis dahin festhaltende Permanentmagnet 46. Auf diese Weise wird eine rücktreibende Kraft zwischen dem Elektromagneten 44 und dem Permanentmagneten 46 wirksam, die zur Folge hat, dass sich diese beiden Elemente voneinander entfernen. Im Gegensatz zu den bekannten Systemen mit einer Feder- oder einer Magnetblockierung wird also bei der beschriebenen Uhr nur eine geringe Leistung benötigt, um die Blockierung zu überwinden.
Im übrigen arbeitet die beschriebene Uhr in entsprechender Weise, wenn der Eisenkern 44 zunächst durch den Permanentmagneten 47 festgehalten wird, und zwar dann, wenn ein Treiberimpuls entgegengesetzter Polarität auf der Leitung 17 empfangen wird. Die Bewegungsrichtung ist dann natürlich entgegengesetzt.
In Fällen, in denen die beschriebene Uhr einen schweren Stoss empfängt, könnte nun der Rotor aus seiner Stellung herausgeworfen werden und beispielsweise von der Stellung A in die Stellung B gelangen. Hierdurch wäre es möglich, dass die Uhr einen Zeitvorsprung von einer Sekunde erzielen könnte.
Infolge der wechselnden Polarität der Treiberimpulse führt jedoch der nächste Treiberimpuls zu keiner Auslenkung des Rotors 33 der Uhr, so dass die Uhr wieder die genaue Zeit anzeigt. Man kann somit sagen, dass der Motor 18 und damit die gesamte Uhr selbstkorrigierend arbeiten.
Diese Ausführungen zeigen, dass die Uhr viele Vorteile bietet, und insbesondere eine direkte Anzeige der heruntergeteilten Quarzfrequenz liefert. Auf diese Weise nutzt sie trotz ihres einfachen und damit billigen Aufbaus die Genauigkeit des Quarznormals voll aus. Ferner ergibt sich bei der Uhr ein geringer Leistungsverbrauch, da Treiberimpulse wechselnder Polarität verwendet werden und da für das Blockieren bzw.
Freigeben der Fortschalteinrichtungen nur sehr wenig Energie benötigt wird. Falls eine Spiralfeder für das elektrische Anschliessen des Motors benutzt wird, kann sie zusätzlich dazu dienen, potentielle Energie zu speichern, wodurch der Ener gieverbrauch noch weiter verringert wird. Des weiteren sind bei der Uhr jetzt keine mechanischen Rast-, Blockier- oder Rückstellfedern mehr erforderlich, und die Uhr kann auch ohne weiteres mit einem in Sekundenschritten fortgeschalteten Zeiger versehen werden.