Uhrwerk, enthaltend einen Synchronmotor in Verbindung mit einem mechanischen Oszillator
Die Erfindung betrifft ein Uhrwerk, enthaltend einen Synchronmotor in Verbindung mit einem mechanischen Oszillator, welcher elektromagnetisch mit einer ersten Transistorschaltung gekoppelt ist.
Es wurde eine relativ genaue Zeitmesseinrichtung entwickelt, welche ein batteriebetriebenes Uhrwerk mit einem Synchronmotor enthält, dessen Drehzahl von einem elektromechanischen Oszillator bestimmt ist. Der elektrische Teil des Oszillators ist mit dem Motor und mit der Batterie verbunden und enthält eine Aufnahmespule, welche mit einem Permanentmagnet induktiv gekoppelt ist, welcher Magnet mit dem mechanischen Teil des Oszillators verbunden ist. Der mechanische Teil hat eine relativ genaue Eigenschwingfrequenz, die möglichst übereinstimmend mit der Schwingfrequenz des elektrischen Oszillatorteils gewählt ist. Infolge der Schwingungen des mechanischen Teils induziert dessen Permanentmagnet Signale in der Aufnahmespule des elektrischen Teils, weicher dadurch mit der Frequenz des mechanischen Teils schwingt.
Der elektrische Teil erzeugt elektrische Signale, welche zur Aufrechterhaltung der Schwingungen des mechanischen Teils und zum Antrieb des Synchronmotors verwendet werden. Da der Synchronmotor vom elektrischen Teil angetrieben wird, ist die Drehzahl des Uhrwerks mit der Eigenschwingfrequenz des mechanischen Oszillatorteils synchronisiert und ebenso genau wie diese.
Bekannte Systeme dieser Art sind mit dem Nachteil behaftet, dass sie bei Schwankungen der Temperatur und der Speisespannung nicht die erwünschte Stabilität aufweisen. Die erwähnten Schwankungen beeinflussen die Schwingungsamplitude des mechanischen Oszillatorteils, wodurch die Eigenschwingfrequenz verändert wird.
Es wird deshalb angestrebt, diese Auswirkungen zu vermindern. Bei bekannten Anordnungen wird ausserdem die für den Antrieb des Motors erforderliche Energie sowie Energieverluste im Motor teilweise in den elektrischen Oszillatorteil zurückreflektiert, wodurch der Gütefaktor Q und damit die Ganggenauigkeit der Zeitmesseinrichtung beeinträchtigt werden. Es ist deshalb anzustreben, auch diese unerwünschten Erscheinungen zu beseitigen.
Gemäss der vorliegenden Erfindung ist das Uhrwerk der eingangs genannten Art dadurch gekennzoichnot, dass der Ausgang der ersten Transistorschaltung mit einer Transistor-Verstärkerschaltung verbunden ist, deren Ausgang die Wicklungen des Synchronmotors speist, wobei der genannte Ausgang der ersten Transistorschaltung ferner mit einem elektromagnetisch mit dem mechanischen Oszillator gekoppelten Stromkreis verbunden ist, um die Schwingungen des mechanischen Oszillators durch Rückkopplung aufrechtzuerhalten.
Da der eine Transistor den mechanischen Oszillatorteil und der andere Transistor den Motor steuert, wirken sich Energieverluste im Motor nicht im mechanischen Oszillatorteil aus.
Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes wird nachstehend im Zusammenhang mit der Zeichnung erläutert.
Fig. 1 ist eine Ansicht der Hauptbestandteile eines batteriegespeisten Uhrwerks, und
Fig. 2 zeigt den mechanischen Oszillatorteil in perspektivischer Ansicht und die Schaltung des elektronischen Oszillatorteils, welche zusammen den im Uhrwerk nach Fig. 1 verwendeten elektromechanischen Oszillator bilden.
Im Gehäuse 1 des batteriebetriebenen Uhrwerks nach Fig. 1 ist ein Impuls- oder Wechselstrommotor 2 angeordnet, dessen permanentmagnetischer Rotor 3 ein Rädergetriebe 4 für die nicht dargestellten, auf den konzentrischen Achsen 5 sitzenden Uhrzeiger antreibt. Der Motor 2 wird von einer Batterie 6 gespeist und mittels elektrischer Schwingungen in seinen Statorwicklungen 7 und 8 erregt und synchronisiert, welche Schwingungen von einer elektrischen Oszillatorschaltung 9 geliefert werden. Ein mechanischer Oszillatorteil 10 enthält ein Torsionsorgan 11, auf welchem zwei scheibenförmige Permanentmagnete 12 und 13 befestigt sind. Die Enden des Torsionsorgans 11 sind an zwei Supporten 14 und 15 befestigt.
Das Torsionsorgan 11 ist vorzugsweise durch einen flachen Draht bzw. ein Band gebildet, welches Drehschwingungen mit einer Eigenfrequenz ausführt, die durch die Länge zwischen den Supporten 14 und 15 und durch die mechanische Spannung des Bandes bestimmt ist, wobei die letztere durch eine nicht dargestellte Spannanordnung einstellbar ist. Zusammen mit dem Torsionsband 11 führen die Permanentmagnete 12 und 13 und deren Magnetfelder ebenfalls Drehschwingungen aus.
Mit den Permanentmagneten 12 und 13 sind zwei Spulen 16 bzw. 17 induktiv gekoppelt, welche Spulen mit der elektronischen Oszillatorschaltung 9 verbunden sind.
Der mechanische Oszillator 10 mit dem Torsionsorgan 11 und den Permanentmagneten 12 und 13 ist in Fig. 2 im einzelnen perspektivisch dargestellt, wobei entsprechende Teile mit gleichen Bezugszahlen wie in Fig. 1 bezeichnet sind. Gemäss Fig. 2 sind die Spulen
16 und 17 zu den Permanentmagneten 12 und 13 eng benachbart angeordnet, was eine enge induktive Kopplung ergibt. Die Spule 16 ist über ihre Klemmen 18 und 19 und die Spule 17 über ihre Klemmen 20 und 21 mit der elektronischen Oszillatorschaltung 9 elektrisch verbunden. Die Klemme 18 ist an einen Verbindungspunkt 22 angeschlossen, mit welchem auch ein Kondensator 23, ein zweiter Kondensator 24 und ein Widerstand 25 verbunden sind. Die Klemme 19 ist direkt mit der Basis eines Oszillatortransistors 26 verbunden, dessen Emitter an einen Verbindungspunkt 27 und dessen Kollektor an einen Verbindungspunkt 28 angeschlossen sind.
Die dem Punkt 22 gegenüberliegenden Enden des Widerstandes 25 und des Kondensators 24 sind zusammen mit einem weiteren Widerstand 29 am Verbindungspunkt 28 angeschlossen. Das dem Punkt 22 gegen überliegende Ende des Kondensators 23 ist mit dem Punkt 27 verbunden. Die Klemme 20 der Spule 17 ist mit einem Punkt 30 verbunden, an welchem ferner das dem Punkt 28 gegenüberliegende Ende des Widerstandes 29 angeschlossen ist. Der Punkt 30 liegt ausserdem direkt an der Basis eines Verstärkertransistors 31, dessen Emitter mit einem Punkt 32 verbunden ist. Am Kollektor des Transistors 31 sind die einen Enden der Statonvicklungen 7 und 8 des Motors 2 angeschlossen, deren gegenüberliegende Enden mit dem Punkt 27 verbunden sind. Der Pluspol der Batterie 6 ist am Punkt 32 und der Minuspol am Punkt 27 angeschlossen.
Der elektronische Oszillator 9 enthält ferner die Serieschaltung eines Widerstandes 33 und einer Diode 34 zwischen dem Punkt 32 und der Klemme 21 der Spule 17. Die Diode 34 ist für eine Stromrichtung vom Punkt 32 zur Klemme 21 gepolt.
Bei Speisung der Anordnung durch die Batterie 6 fliesst zunächst ein Strom durch die Antriebsspule 17, wodurch der Permanentmagnet 13 ausgelenkt wird.
Durch diese Bewegung wird das Torsionsband 11 zu Drehschwingungen angeregt, welche mit der durch die mechanischen Eigenschaften des Bandes 11 bestimmten Eigenfrequenz aufrechterhalten werden. Durch die Schwingungen des Torsionsbandes 11 werden elektrische Signale sowohl in der Aufnahmespule 16 als auch in der Antriebsspule 17 erzeugt. Während der ersten Halbwelle der Drehschwingung des Bandes 11 wird an der Klemme 19 der Aufnahmespule 16 ein positives
Signal induziert. Wenn während der nächsten Halbwelle der Permanentmagnet 12 in der entgegengesetzten Richtung zurückschwingt, wird die Klemme 19 gegenüber der Klemme 18 negativ. Der Oszillatortransistor 26 erhält eine automatische Vorspannung über den Wider stand 25. Während der ersten Halbwelle wird der Transistor 26 weiter in die Sättigung getrieben, und während der zweiten Halbwelle wird der Transistor 26 wieder weniger leitend.
Der Kondensator 24 bildet einen Nebenschluss geringer Impedanz für hohe Frequenzen, welche durch eine Kopplung zwischen den Spulen 16 und 17 entstehen könnten; der Kondensator 24 verhindert dadurch, dass der Oszillatortransistor 26 zu hochfrequenten Schwingungen angeregt wird. Der Kondensator 23 stellt eine niedrige Impedanz zwischen Basis und Emitter des Transistors 26 für die in der Aufnahmespule 16 induzierten Signale dar und hält gleichzeitig den Gleichstrom aus der Batterie 6 vom mechanischen Oszillatorteil 10 fern.
Der Widerstand 29 stellt einen Teil der Kollektorbelastung des Oszillatortransistors 26 dar. Während der ersten Halbwelle, wenn der Transistor 26 in den Sättigungsbereich gelangt, sinkt die Kollektorspannung und damit die Spannung am Punkt 30 ab. Während der nächsten Halbwelle wird der Transistor 26 weniger leitend, und die Spannung am Kollektor wie auch die Spannung am Punkt 30 steigen an. Da der Punkt 30 mit der Klemme 20 der Antriebsspule 17 verbunden ist, findet eine Rückkopplung statt, und der mechanische Oszillatorteil 10 und der Oszillatortransistor 26 bilden zusammen einen elektromechanischen Oszillator.
Die Basis des Verstärkertransistors 31 ist in Vorwärtsrichtung vorgespannt, da das Potential am Punkt 30 niedriger ist als dasjenige am Punkt 32. Der Emitter Basis-Strom durch den Transistor 31 wird vom Antriebsstrom subtrahiert, welcher vom Oszillatortransistor 26 nach der Antriebsspule 17 geliefert wird. Während der ersten Halbwelle, wenn die Spannung am Punkt 30 vermindert ist, leitet der Transistor 31 besser als bei erhöhter Spannung am Punkt 30 während der zweiten Halbwelle. Dadurch entstehen am Kollektor-Ausgang des Transistors 31 verstärkte Stromimpulse mit einer Schwingungsfrequenz, die gleich der mechanischen Schwingungsfrequenz des Bandes 11 ist. Die verstärkten Stromimpulse werden auf die Statorwicklungen 7 und 8 des Synchronmotors 2 geleitet, wodurch dieser und damit die Uhrzeiger synchron angetrieben werden.
Da der Verstärkertransistor 31 und die Statorwicklungen 7 und 8 des Motors 2 keinen Bestandteil des elektromechanischen Oszillators bilden, machen sich Energieverluste im Motor nicht im Oszillator bemerkbar. Dadurch bleibt der Gütefaktor Q des elektromechanischen Oszillators relativ hoch, und es ergibt sich eine gute Ganggenauigkeit der Zeitmesseinrichtung.
Der Rückkopplungswiderstand 33 in Verbindung mit dem Belastungswiderstand 29 bildet einen Amplituden- regelkreis für die Stromimpulse in der Antriebswicklung 17. Jede Tendenz zur Vergrösserung der Schwingamplitude des Torsionselementes 11, verursacht durch eine Erhöhung der Speisespannung, bewirkt eine vermehrte Leitfähigkeit des Transistors 26 und damit eine vermehrte Senkung des Potentials am Punkt 30 während der ersten Halbwelle. Das verminderte Potential bewirkt vermehrte Leitfähigkeit des Emitter-Basis-Übergangs im Transistor 31, wodurch der grösste Teil des vermehrt anfallenden Antriebsstromes durch die Antriebsspule 17 abgeleitet wird. Diese Subtraktion des Antriebsstromes durch die Spule 17 hält den Antriebsstrom relativ konstant, und die Schwingungsamplitude des Torsionsbandes 11 bleibt ebenfalls konstant.
Da die Widerstände 33 und 29 im Kreis des durch die Antriebsspule 17 flie ssenden Stromes liegen, ermöglicht ihre Dimensionierung die Stabilisierung der Schwingungsamplitude des Torsionsbandes 11.
Die Strom amplitude in der Antriebsspule 17 kann auch infolge von Änderungen des Spannungsabfalls an der Basis-Emitter-Strecke des Transistors 31 variieren, welche Änderungen durch Temperaturschwankungen bedingt sind. In der vorliegenden Schaltung wird eine Temperaturkompensation mittels der Diode 34 erreicht, die in den Stromkreis der Antriebsspule 17 geschaltet ist. Bei einem Temperaturanstieg vermindert sich der Spannungsabfall über der Basis-Emitter-Strecke des Transistors 31, und der vom Antriebsstrom für die Spule 17 am Punkt 30 subtrahierte Stromanteil nimmt zu. Daraus ergibt sich eine Tendenz zur Verminderung der Schwingungsamplitude des Torsionsbandes 11.
Dieser Tendenz zur Verminderung wird durch die Diode 34 entgegengewirkt, dank der Tatsache, dass bei einem Temperaturanstieg der Spannungsabfall in Vorwärtsrichtung an der Diode abnimmt und dadurch der in diesem Stromkreis fliessende Antriebsstrom sich erhöht.
Die Diode 34 sollte deshalb aus dem gleichen Halbleitermaterial bestehen wie der Transistor 31, oder es sollte mindestens mit anderen Mitteln für einen ähnlichen Temperaturgang im Transistor 31 und in der Diode 34 gesorgt sein.
Es wurde festgestellt, dass durch Anwendung eines zweiten Transistors 31 und der Spannungs- und Temperaturkompensation mittels Widerstand 33 und Diode 34 eine wesentlich bessere Ganggenauigkeit erzielt wird als mit bekannten Anordnungen ähnlicher Art. Die Prüfung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels einer Zeitmesseinrichtung der hier beschriebenen Art hat Frequenzänderungen von weniger als + 0,005 % über einen Temperaturbereich zwischen 25 und 40,6 C und in einem Bereich der Speisespannung zwischen 1 und 1,6 Volt ergeben.
In Abweichung vom beschriebenen Ausführungsbeispiel könnte auch ein Torsionsorgan mit einem einzigen Permanentmagnet anstelle der beiden Permanentmagnete 12 und 13 nach Fig. 2 verwendet werden. In diesem Fall können die Aufnahmespule 16 und die Antriebsspule 17 auf den gleichen Träger, jedoch im entgegengesetzten Sinn gewickelt werden, so dass beide Spulen mit dem gleichen Magnet induktiv gekoppelt sind, dabei jedoch die gleichen Funktionen erfüllen, wie im Zus am- menhang mit Fig. 2 beschrieben. Eine induktive Kopplung zwischen den Spulen 16 und 17 ist dabei unerheblich, dank dem Umstand, dass allfällige hochfrequente Oberschwingungen, verursacht durch die Gegeninduktion, über den Kondensator 24 abgeleitet und vom Oszillator-Transistor 26 ferngehalten werden.
Deshalb hat die Anordnung der Spulen 16 und 17 auf dem gleichen Träger keinen Einfluss auf die Wirkungsweise der Schaltung.