DE2219548C3 - Verfahren zum Synchronisieren der Frequenz eines mechanischen Resonators und Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zum Synchronisieren der Frequenz eines mechanischen Resonators gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 2.

Ein solcher Resonator findet beispielsweise in einer Uhr Verwendung.

Aus der DE-OS 18 11 193 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 2 bekannt, bei dem als antreibende Spannung entweder eine Gleichspannung oder eine Wechselspannung verwendet werden kann. Auf einem als Unruh ausgebildeten mechanischen Resonator befindet sich ein Permanentmagnet, der mit einer Steuer- und einer Antriebssptile zusammenarbeitet Über Antriebsspule und Permanentmagnet wird der Resonator eine zur Aufrechterhaltung st iner Schwingung dienende Energie zugeführt Beim Vorbeilaufen des Permanentmagneten an der Steuerspule wird in dieser ein Spannungsimpuls erzeugt der während seiner Dauer einen als elektronischer Schalter wirkenden Transistor leitend schaltet.

Wird die Antriebsvorrichtung mit einer Gleichspannungsquelle betrieben, gelangt von dieser jeweils dann Antriebsenergie in die Antriebswicklung, wenn der Transistor von dem in der Steuerwicklung induzierten Impuls leitend geschaltet wird. Das heißt, der Resonator steuert von außen unbeeinflußt den Zeitpunkt und die Dauer der auf ihn wirkenden Antriebsimpulse. Die Korrektur einer von der Sollfreqrenz abv/eichenden Resonatorfrequenz ist nicht möglich. Wird die bekannte Antriebsvorrichtung dagegen mit Wechselspannung betrieben, gelangt diese mit beiden Halbwellen auf die Antriebswicklung, wenn der Transistor durch den in der Steuerwicklung induzierten Impuls leitend geschaltet ist. so daß sich die Wirkung der positiven und negativen Halbwellen in der Antnebswicklung kompensiert. Sperrt der Transistor, wird die Wechselspannung gleichgerichtet und diejenigen Halbwellenimpulse. die dann auf die Antneoswicklung gelangen, wenn sich der Permanentmagnet gerade an dieser vorbeibewegt.

führen die zur Aufrechterhaltung der Resonatorschwingung benötigte Antriebsenergie zu. Je nach zeitlicher Beziehung zwischen den von der Steuerwicklung kommenden Impulsen und den gleichgerichteten Halb Wellenimpulsen wird der Antriebsspule mehr oder weniger tnergie zugeführt, so daß eine Synchronisation der Resonatorfrequenz mit der Frequenz der Wechselspannung möglich ist Da jedoch sowohl die Steuerwick lung als auch die Antriebswicklung mit der Basis des als elektronischer Schalter verwendeten Transistors ve^r bunden ist, kann dessen Schaltverhalten in nachteiliger Weise von denjenigen Spannungsimpulsen verfälscht werden, die von den die Antriebswicklung durchfließenden Stmmsignalen induziert werden. Dies kann eine exakte Synchronisation der Resonatorfrequenz mit der

Frequenz der Wechselspannung verhindern. Hinzu kommt, daß bei fehlerhafter Resonatorfrequenz eine Synchronisation mit der Frequenz der Wechselspannung recht lange dauert, da der Resonator zur Erzielung

eines geringen Energieverbrauchs möglichst dicht an eine ungedämpfte Schwingung herangebracht wird. Bei der bekannten Resonatorvorrichtung ist also eine Synchronisation der Resonatorfrequenz nur bei Wechselspannungsbetrieb möglich, und dann auch nicht sicher und nur nach langer, Synchronisationszeit.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Synchronisieren der Frequenz eines mechanischen Resonators verfügbar zu machen, bei denen eine Synchronisierung der Resonatorfrequenz mit einer Bezugsfrequenz bei Gleichstrombetrieb möglich ist, wobei die Synchronisierung sicher und in kurzer Zeit möglich sein soll.

Diese Aufgabe wird gelöst mit den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche t bzw. 2.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsformen näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 einen lotrechten Axialschnitt durch eine erste Ausführungsform des mechanischen Teils einer erfindungsgemäßen Synchronisiervorrichtung;

F i g. 2 eine Draufsicht auf die Ausführungsform nach Fig. 1;

Fig.3 eine erste Ausführungsform des elektrischen Teils einer erfindungsgemäßen Synchronisiervorrichtung;

Fig.4 eine Kennlinie, die den Zusammenhang zwischen Resonatorschwingungsfrequenz und Resonatoramplitude zeigt;

Fig. 5 die von der Ausführungsform gemäß Fig. 3 erzeugten Antriebsimpulse für den Resonator nach den F i g. 1 und 2;

F i g. 6 und 7 eine zweite bzw. dritte Ausführungsform des elektrischen Teiles einer erfindungsgemäßen Synchronisiervorrichtung;

Fig. 8 bi< 13 schematisch drei weitere Ausführungsformen des mechanischen Teiles einer erfindungsgemä- ßen Synchronisiervorrichtung.

Zunächst werden die Fig. 1 und 2 betracntet. Es soll die Schwingungsfrequenz eines mechanischen Resonators 1, der vorliegend die Gestalt einer um eine Achse 2 schwingenden Unrvih mit der Form eines Waagebalkens aufweist, mit elektrischen Steuerimpulsen der mit einer Bezugsfrequenz f synchronisiert werden, die einer Antriebsspule 3 zugeführt werden.

Zu diesem Zweck *>-ägt der Resonator 1 einen Magneten 4. Ähnlich wie bei der Unruh eines Feder-Uhrwerks ist de^r Resonator 1 mit einer Spiralfeder 5 verbunden.

Der Magnet 4 ist so am Resonator angeordnet, daß er in der Resonator!uhelage zwischen den Ankern 6 an einem Kern 7 der als Elektromagnet dienenden Spule 3 zu liegen kommt

Der Resonator ist außerdem mit einem Stift 8 versehen, der bei jeder Schwingung um i80° nach der einen oder anderen Richtung von der Ruhelage des Resonators aus gegen eine Feder 9 stößt. Die Feder 9 wird von einem Klötzchen 9' gehalten, das unter einer Brücke 10 liegt, die das eine Lager 11 der Achse 2 trägt. Das andere Lager 12 der Achse 2 liegt in einer Werkplatte 13.

Versucht der Res jnator im Laufe des Schwingens eine μ Amplitude von 180° nach der einen oder anderen Richtung von seiner Runelage aus zu überschreiten, so stößt der Stift 8 gegen die Feder 9 und wird zurückgestoßen, was die Schwingungsfrequenz derart beeinflußt, daß sie zwischen F+Af'und F-άΓζν liegen kommt.

Die Frequenzerhöhung F+Af erscheint in der Frequenz-Amplitude-Kurve der Fig.4, deren Ordinate λ der Amplitude und deren Abszissen F der Frequenz entspricht Diese nimmt beim Auftreffen auf die Feder plötzlich zu.

Beim Vorbeilaufen des Magneten 4 an den Ankern 6 entsteht eine mehr oder weniger große Phasenverschiebung.

Der Kern 7 trägt eine zweite Spule 14, die als Steuerspule bezeichnet wird und bei jedem Durchgang des Magneten einen induzierten Strom abgibt, dessen Eigenschaften wie Dauer und Phasenlage von der Schwingungsfrequenz des Resonators abhängen.

Dieser Beschreibung des mechanischen Teils folgt nun eine Erläuterung der elektrischen Teils anhand der Fig. 3.

Im Schaltbild der F i g. 3 sind die 'pulen 3 und 14 mit B 3 bzw. B 14 bezeichnet.

Der Steuerstromkreis der Antriebsvorrichtung erhält ein Rechtecksignal mit einer Frequenz /"von einem nicht dargestellten Oszillator. Dieses wird auf die Basis eines Transistors Γ3 gegeben, der mit einer Spannungsquelle + V verbunden ist. Der Steuerstromkreis B 14, C, R und Γ14 ist eine an sich bekannte Anordnung zum Aufrechterhalten der Unruhschwingungen in Uhrwerken.

Im vorliegenden Fall soll eine Frequenz F±Af korrigiert werden, um sie mit einer Bezugsfrequenz zu synchronisieren. Zu diesem Zwecke werden die vom Kollektor des Transistors Γ3 abgegebenen Impulse dem Kollektor eines zweiten Transistors 7"14 zugeführt, dessen Emitter mit der Antriebswicklung B3 und dessen Basis mit der Steuerwicklung B 14 verbunden ist. in der Steuerimpulse induziert werden. Der Kollektor des Transistors Γ14 ist über eine Diode Dan eine Spannung + ^angeschlossen.

Das impulsförmige Steuersignal 15 steuert den Transistor Γ3 abwechselnd jeweils während einer Halbperiode leitend und während der folgenden Halbperiode nichtleitend. Während der Halbperiode, während welcher er leitend ist. überbrückt der Transistor Γ3 die Diode D, d. h.. er schließt die Diode kurz.

Wenn die in der Steuerspule B14 induzierte Spannung den Transistor Γ14 leitend macht, erhält die Spule B 3 die volle Spannung V, wenn der Transistor T3 gleichzeitig leitenc¹ ist. oder aber eine Spannung V-VcI, wenn der Transistor Γ3 nichtleitend ist. Vd bedeutet den .Spannungsverlust i:i der Diode.

S. m.t hängt die abgegebene Antriebsenergiemenge, welche die Spule ö 3 aufgrund des Steuersignals 15 dem Resonator 1 zule.tet, vor allem von der Phasenbeziehung zwischen den Impulsen in der Spule B 14 und de;n mit der Frequenz f auf den Transistor Γ 3 wirkenden Steuersignal 15 ab

Die F 1 g. 5 erkiart diesen Vorgang

Im oberen Teil dieser Figur sind diu rethit^kigcn Impulse mit der Frequenz /dargestellt, und der untere Teil zeigt das Profil der an die Spule B3 tatsächlich abgegebenen Impulse.

Von diesen Hzteren Impulsen entspricht die Impulsform 16 dem normalen synchronen Gang.

Die in der Steuerspule induzierten Impulse ergeben sich in diesem Falle genau dann, wenn die gleichfalls mit 15 bezeichnete Steuerkurve den Transistor Γ3 leitend

macht. Wie bereits gesagt, entspricht die Antriebsspannung unmittelbar vor diesem leitend Schalten dem Wert V- Vd und unmittelbar nach dem leitend Schalten dem Wert V. Die entsprechende Energiemenge ist diejenige, die der Aufrechterhaltung der Frequenz Feines idealen Resonators entsprechen würde.

Wird aber diese Frequenz infolge Anschlag des Stiftes 8 gegen die Feder 9 erhöht, so eilt das in der Spule D 14 induzierte Signal gegenüber dem Augenblick, in dem der Leitungszustand des Transistors 7"3 umgekehrt wird, vor. Da die Diode nicht kurzgeschlossen ist, entspricht die abgegebene Antriebsenergie lediglich der Spannung V- Vd (Kurve 17). Das heißt, sie ist kleiner als im vorhergehenden Fall, was es dem Resonator gestattet, seine Geschwindigkeit zu verzögern, d. h, seine Frequenz zu vermindern. : Fällt dagegen diese Frequenz unter den Wert F, so wird das in der Spule S14 induzierte Signal mit Verspätung abgegeben, d. h., in demjenigen Augenblick, in welchem der antriebsspule S3 die volle Spannung V (Kurve 18) zugeführt wird. Es findet eine Beschleunigung statt, d. h. eine Frequenzerhöhung.

Dank dieser wechselweisen Wirkungen wird ein Gleichgewichtszustand einsetzen, d. h. daß die Schwingung des Resonators (schwingender Teil 1) und das Steuersignal (Impulse 15) synchron verlaufen werden.

Dieses Ergebnis kann auch mit anderen Ausführungsformen von sowohl elektronischem als auch mechani-, scliem Teil erreicht werden, wie nachfolgend gezeigt wird.

In Fig.6 ist eine zweite Ausführungsform des elektrischen Teiles, bei welcher der Zener-Effekt ausgenutzt wird, dargestellt.

Die rechteckigen Steuerimpulse 14 werden wieder dem Transistor Γ3 zugeführt, S3 und B14 stellen wieder die Antriebs- und die Steuerspule dar. Der Emitter des Transistors TZ ist unmittelbar mit der Spule S3 verbunden und sein Kollektor mit einer Zenerdiode Z Diese Diode wird leitend oder nicht, je nachdem, ob der Transistor T3 wie bei der ersten Ausführungsform leitend oder nichtleitend ist. Diese Anordnung hat wieder zur Folge, daß die Spule 53 entweder die volle Spannung Voder eine verminderte Spannung Vzerhält, wobei Vz den Spannungsverlust in der Diode Z bedeutet.

Das Auslösen der Anlriebsimpulse findet hier wie bei der ersten Ausführungsform durch die in der Spule B 14 induzierten Und auf den Transistor 7*14 wirkenden Impulse statt. Ansonsten funktioniert diese Ausführungsform so, wie es bereits im Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform des elektrischen Teils beschrieben wurde.

Die F i g, 7 zeigt eine dritte Ausführungsform des elektrischen Teils, bei der ein Unijunktion-Transislor T3 benutzt wird, wobei das Sägesignal 15' Sägezähneform aufweist.

Die weiteren Bezugszeichen sind dieselben, wie bei den anderen Ausführungsformen, wobei Vn den Spannungsabfall im Transistor Γ3 bedeutet.

Wie bei den anderen Ausführungsformen, erhält die

Spule S3 die volle Spannung Voder eine Spannung V-Vu, je nach der vorzunehmenden Korrektur. Die Steuersignalimpulse 15' können selbstverständlich eine andere Fo^rm aufweisen.

Außer diesen Beispielen verschiedener elektrischer Schaltungen sollen nun drei weitere Beispiele des mechanischen Teiles beschrieben werden.

Anstatt die Feder an der Werkplatte zu befestigen, könnte man sie am Resonator befestigen und gegen einen ortsfesten Stift anschlagen lassen, wie dies die F i g. 8 uiid 9 zeigen.

Hier trägt der schwingende Resonator 19 die Feder 20, die wie in Fig.9 gegen den ortsfesten Stift 21 anschlagen kann.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 10 und 11 sind zwei Magnete 22 und 23- vorgesehen, wovon erslerer mit dem ihn tragenden Resonator 24 umläuft, und der andere ortsfest angeordnet ist. Diese Magnete liegen so, daß sie sich bei einem bestimmten Schwingungswinkel begegnen und sich gegenseitig abstoßen (Fig. 11). Dieses Abstoßen zeigt dieselben Eigenschaften wie die elastische Federung.

Bei der letzten Ausführungsform gemäß den Fig. 12 und 13 wird die Spiralfeder 25 (z.b. die Feder 5 der F i g. 1 und 2) durch zwei ihre äußere Windung anschließende Stifte 26 und 27 beim Schwingen derart beeinträchtigt, daß sie in einem bestimmten Augenblick durch diese Stifte zurückgestoßen wird (F i g. 13).

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Synchronisieren der Frequenz eines mechanischen Resonators rr.ittels einer elektromagnetischen Antriebseinrichtung, bei dem der Antriebseinrichtung zur Erzeugung von Antriebsimpulsen ein Bezugsfrequenzsteuersignal mit einer in einem bestimmten Verhältnis zur Resonatorsollfrequenz stehenden Frequenz zugeführt wird, bei dem die Antriebsimpulse durch von der Resonatorfrequenz abhängendes Schalten einer Antriebsspannung erzeugt werden und bei dem bei einer Abweichung der Resonatorfrequenz von der Sollfrequenz der Energieinhalt der Antriebsimpulse selbsttätig so verändert wird, daß die Resonatorfrequenz mit der Frequenz des Bezugsfrequenzsteuersignals synchronisiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Antriebsspannung eine entsprechend dem Bezug ifrequenzsteuersignal (15) modulierte Gleichspannung (V bzw. V- Δ V) verwendet wird und daß der Resonator beim Überschreiten einer vorbestimmten Schwingungsamplitude mit Hilfe eines mit dem Resonator elastisch zusammenwirkenden Anschlags augenblicklich auf eine höhere Schwingungsfrequenz gebrach' wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch I zum Synchronisieren der Frequenz eines im Sinn einer Unruh ausgebildeten mechanischen Resonators, der einen mit einer Antriebs- und mit einer Steuerwicklung zusammenwirkenden Permanentmagneten aufweist, wobei die Steuerwicklung der Resonatorfrequenz entsprechende Schaltimpulse abgibt ünc der Antriebswicklung Antriebsimpulse zugeführt wercwn, deren Energieinhalt veränderlich ist und vom Verhältnis der Frequenz des Resonators zur Frequenz eines über einen Steueranschluß zugeführten Bezugsfrequenzsteuersignals abhängt, wobei ferner eine Schaltvorrichtung vorgesehen ist, mittels derer eine Antriebsspannung für die Antriebsspule in Abhängigkeit von den Schaltimpulsen geschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das auf den Steueranschluß gegebene Bezugsfrequenzsteuersignal (15) eine Spannungsmodulationseinrichtung (TI) betätigt, mittels welcher eine als Antriebsspannung dienende Gleichspannung (+ V) in Abhängigkeit vom Sollfrequenzsteuersignal in ihrer Amplitude (V bzw V-A Vy modulierbar ist. und daß ein Anschlag (9; 21; 23; 26, 27) vorgesehen ist, der eine eine vorbestimmte .Schwingungsamplitude des Resonators überschreitende Amplitude elastisch begrenzt und den Resonator augenblicklich auf eine höhere Schwingungsfrequenz bring!

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Schaltvorrichtung um einen elektronischen Schalter (T \4) handelt

4 Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3. dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsmodulationseinrichtung einen mn dem Beziigsfrequenzsteiiersignal (15) gesteuerten Transistor (T3) aufweist, der abhängig von seinem Schaltzustand die volle Betriebsspannung (V) bzw. eine verminderte Spannung (V ~ Vd bzw. Vi) auf die Antriebswicklürtg (B 3) führt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der vom Bezugsfrequenzsttuersignal gesteuerte Transistor (T3) cine Diode (D) überbrückt und in Reihe mit dem elektronischen Schalter (T 14) und der Antriebswicklung (B 3) liegt,

6.Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der vom Bezugsfrequenzsteuersignal gesteuerte Transistor (T3) in Reihe mit einer Zenerdiode (Z) liegt und zusammen mit dieser die Antriebswicklung (B 3) überbrückt