DE2357244C3 - Mechanisches Uhrwerk, dessen Ganggenauigkeit von einer elektronischen Schaltung bestimmt wird - Google Patents

Mechanisches Uhrwerk, dessen Ganggenauigkeit von einer elektronischen Schaltung bestimmt wird

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DE2357244C3 DE2357244A DE2357244A DE2357244C3 DE 2357244 C3 DE2357244 C3 DE 2357244C3 DE 2357244 A DE2357244 A DE 2357244A DE 2357244 A DE2357244 A DE 2357244A DE 2357244 C3 DE2357244 C3 DE 2357244C3
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Description

Die Erfindung betrifft ein mechanisches Uhrwerk gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der DE-OS 21 18 057 ist eine batteriegetriebene Uhr bekannt, bei der eine elektromechanisch oder rein mechanisch angetriebene Unruh über ein Getriebe die Zeiger der Uhr antreibt. Im Getriebe befindet sich eine Rutschkupplung, mit deren Hilfe die Zeiger angehalten werden können, obwohl die Unruh das Getriebe antreibt. Die Unruh ist auf eine solche Schwingfrequenz eingestellt, die zu einem permanenten Vorgehen der Uhrenanzeige führt. Am Ende einer jeden von diesem etwas zu schnell gehenden Uhrwerk angezeigten Minute werden die Uhrenzeiger mit Hilfe der Rutschkupplung angehalten. Dem Uhrwerk ist als Zeitnormal ein Quarzoszillator beigefügt, dessen elektrische Schwingungen von einer Frequenzteilerschaltung auf Ein-Minuten-Impulse herabgeteilt wird. Am Ende einer jeden Minute wird das von der Frequenzteilerschaltung abgegebene Ein-Minute-Signal dazu verwendet, die mit Hilfe der Rutschkupplung angehaltenen Uhrenzeiger wieder zur Drehung freizugeben. Damit ist zwar erreicht, daß die relativ ungenau schwingende und störempfindliche Unruh in jeder Minute mit dem recht genauen Quarzoszillator synchronisiert wird, die Uhr ist jedoch von einer Batterie abhängig, die nicht nur relativ oft gewechselt werden muß, was Unwirtschaftlichkeit bedeutet, sondern an deren rechteckigen Wechsel der Uhrenbenutzer immer denken muß.
Aus der US-PS 36 48 453 ist eine batteriegetriebene Uhr bekannt, bei der ein mechanischer Schwinger in Form einer Unruh vorgesehen ist. Die Unruh trägt Magneten die mit ortsfesten Spulen zusammenarbeiten, die einerseits der Einkopplung von Antriebsenergie aus einer elektrischen Treibschaltung dienen, andererseits der Messung der Schwingfrequenz der Unruh. Außerdem weist diese bekannte Uhr einen frequenzstabilen
Oszillator auf, dessen Frequenz in einer Vergleichsschaltung mit der ermittelten Schwingfrequenz der Unruh verglichen wird. In Abhängigkeit vom Ergebnis dieses Vergleichs Hefen die Vergleichsschaltung Korrektursignale an eine weitere Spule, mit deren Hilfe über die auf der Unruh befindlichen Magneten die Schwingfrequenz der Unruh mit der Oszillatorschwingung synchronisiert werden kann. Auch bei dieser bekannten Uhr ist eine Batterie als Energielieferant erforderlich.
Es wurde zwar vorgeschlagen, die Bewegungen des Armes des Uhrenbenutzers in elektrische Energie umzuwandeln, diese in einem Akkumulator zu speichern und zum Antrieb des Uhrwerkes zu benutzen. Eine solche Lösung fünrt jedoch zu einem schlechten Wirkungsgrad, weil man mechanische Energie in elektrische Energie, und diese wiederum in mechanische Energie umwandeln muß.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung !jt es, ein Uhrwerk verfügbar zu machen, das einen mechanischen Antrieb besitzt sowie eine mit dem mechanischen Antrieb zusammenwirkende elektronische Schaltung zur Bestimmung von dessen Ganggenauigkeit, wobei eine Batterie nicht erforderlich sein soll.
Die Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch 1 gekennzeichnet und in den Unteransprüchen vorteilhaft weitergeleitet.
Die Uhrfeder kann sowohl von Hand als auch auch automatisch aufgezogen werden.
Die Zeichnung zeigt beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung.
Die F i g. 1 ist eine sehr vereinfachte schematische Darstellung des den Generator gemäß der ersten Ausführungsform enthaltenden Weckers.
Die F i g. 2 ist ein axialer Schnitt dieses Generators.
Die Fig.3 ist eine teilweise, sehr vereinfachte Darstellung des Generators gemäß der zweiten Ausführungsform.
Die Kurve der F i g. 4 entspricht der durch den einen oder anderen Generator induzierten Spannung.
Die F i g. 5 zeigt eine erste Ausführungsform der elektronischen Schaltung.
Die Fig.6 zeigt eine zweite Ausführungsform der elektronischen Schaltung.
Das in Fig. 1 dargestellte Uhrwerk besitzt ein Federhaus 1, welches einen Generator 13, 14, 15 über Räder 3, 5, 7, 9, 11 und Ritzel 2, 4, 6, 8, 10 und 12 des Uhrwerkes antreibt. Dabei ist bei der ersten Ausführungsform das letztgenannte Ritzel 12 mit dem Rotor 13 des Generators gekuppelt, was eine große Untersetzung bedeutet.
Die Feder wird durch den mitten im Werk sitzenden Rotor 29, der zwei Klinken 22 durch Ritzel 10 des Rades 20 und der Exzenterscheibe 21 in Bewegung setzt. Diese Klinken wirken auf das Klinkenrad 23 und somit auf Sperrad 24, derart, daß die Drehrichtung dieser Räder von derjenigen des Rotors 23 unabhängig ist.
Der Rotor des Generators besteht aus zwei Scheiben aus Weicheisen, aus sechs auf der einen Scheibe sitzenden Magneten 14 und aus einer ortsfesten Spule 15, vor der die Magnete nacheinander vorbeiwandern.
Die Anzahl sechs ist nicht bindend, doch soll die Zahl der Magnete immer eine gerade Zahl sein.
Es könnten auch mehr ortsfeste Spulen vorhanden sein, zum Beispie zwei, die um 180° zueinander versetzt wären.
Die sechs Magnte sind wechselweise Nord-Süd und Süd-Nord polarisiert, derart, daß bei sich drehendem
Rotor eine induzierte Wechselspannung Ui an den Klemmen der Spule 15 erscheint, und zwar entsprechend der Spannungskurve der F i g. 4, die einer vollen Umdrehung des Rotors entspricht
Die elektronische Schaltung besieht vor allem aus einer Integrierten Schaltung 15, die die weiter unten beschriebene Funktion hat, aus einem Quarz-Resonator 18, der in sehr stabiler Weise die Frequenz des Oszillators bestimmt, und aus einem Trimmerkondensator 17, durch den die Frequenz des Oszillators genau eingestellt werden kann.
Der Generator 13 ist in F i g. 2 im axialen Schnitt mit seiner ortsfesten Spule 15 dargestellt
Die F i g. 3 zeigt in vereinfachter schematischer Darstellung eine Draufsicht des Generators gemäß der zweiten Ausführungsform, dessen Rotor 13' mit der Spiralfeder 28 einen Resonator bildet, wie etwa die Unruh einer üblichen Uhr. Die Energie wird hier vom Räderwerk her über das Hemmungsrad 26 und der Hemmung 27 geleitet, wie dies in jeder Uhr üblich ist, was auch eine ziemlich große Untersetzung bildet
Der schwingende Rotor trägt hier nur zwei Magnete 14' die einander gegenüber sinnverkehrt liegen und wechselweise vor der ortsfesten Spule 15 vorbeiwan dem, in welche sie gleichfalls eine Wechselspannung Ui (F i g. 4) induzieren.
Der so gebildete Resonator hat eine veränderliche Schwingungsfrequenz FG, die je nach der Amplitude größer oder kleiner als die Frequenz FR ist (unstabiler Isochronismus). Diese Änderungen der Amplitude kann man also einer Veränderung der Drehgeschwindigkeit des Generators gleichstellen. Die elektronische Schaltung wirkt genau gleich wie diejenige der Fig. 1, doch hat diese Ausführungsart den Vorteil, von vorn herein die Drehgeschwindigkeit des Räderwerkes im Bereich der Frequenz FR einzustellen.
Die Fig.5 zeigt eine erste Ausführungsform der elektronischen Schaltung. Sie läßt sich in CMOS-Technik integrieren und weist dann nur einen kleinen Stromverbrauch auf. Ihr Oszillator umfaßt einen Schwingquarz.
Diese Schaltung weist vor allem einen Gleichrichter A auf, der von der Wechselspannung Ui der Spule 15 ausgehend eine Gleichspannung V abgibt. Diese dem Kondensator C zugeführte Spannung gestattet es, die Bestandteile D, E, F1 G, H, zu speisen, das heißt, einen Verstärker D, der eine Wechselspannung mit der Frequenz FG liefert:
einen Quarz-Oszillator G;
einen Frequenzteiler F, der die Frequenz FR abgibt und
einen Vergleicher E für die Frequenzen FG und FR, der ein Analogsignal ausgibt, das von den Änderungen des verglichenen Wertes abhängt
Es kann sich beim Vergleicher um eine übliche Phasenvergleichseinrichtung oder um eine jede andere bekannte Vergleichseinrichtung handeln.
Eine dieser Einrichtungen kann zum Beispiel einen Vorwärts/Rückwärtszähler aufweisen, der addiert oder subtrahiert. Die Frequenz FG wird vom Zähler addiert und die Frequenz FR substrahiert. Der Zähler ist stabil, wenn FG = FR. Werden mehr Impulse addiert als subtrahiert (FG> FR), so nimmt der Zählstand des Zählers ab. Es ist dann möglich, am Ausgang des Vergleichers ein Signal + V zu erhalten, wenn FG FR ist, oder ein Signal 0, wenn FG<FR ist.
//ist ein üblicher Inverter oder Umkehrverstärker. Es gibt eine Spannung + Vab, wenn er ein Signal 0 erhält,
d.h., wenn FG<FR ist. Der im Widerstand R verbrauchte Strom ist dann gleich Null. Ist FG>FR, so erhält H das Signal + V und gibt dann 0 aus. De^ Widerstand R verbraucht in diesem Fall eine Energie -^-.
Nun sei erklärt, wie die Vorrichtung Generator-elektronische Schaltung wirkt:
Bekanntlich kann ein Generator nicht mehr Energie liefern, als ihm mechanische Energie zugeführt wird. Es ist auch bekannt, daß die Uhrfeder eine stabile Energie to liefert. Diese Energie wird man so wählen, daß sie bei ausgeschaltetem Widerstand R eine stabile elektrische Energie liefert und den Generator so antreibt, daß seine Geschwindigkeit höher als die erwünschte regulierte Geschwindigkeit steht. Unter diesen Umständen wird der Vergleicher FG>FR feststellen. Die Spannung am Ausgang des Verstärkers f/ist 0.
Wird der Widerstand R eingeschaltet, so wird dem
V2
Generator eine zusätzliche Energie -g entnommen. Da die von der Feder herrührende Energie konstant ist, kann diese zusätzliche Energie nur der kinetische Energie des Rotors des Generators entnommen werden, was ihn abbremst R wählt man so, daß die Drehgeschwindigkeit kleiner wird als die erwünschten regulierte Geschwindigkeit. Der Vergleicher kehrt dann das an H abgegebene Signal um. Es wird keine Energie mehr dem Widerstand R entzogen, der Generator wird beschleunigt, bis FG>FR. Es findet also eine Regelung zwischen FG und FR statt. Die Drehgeschwindigkeit wird stabilisiert und die Uhr zeigt die genaue vom Quarz abhängige Zeit an.
Es handelt sich also um eine Regulierung der Leistung, die man so ausdrücken kann:
^^ Π Π T^ f\ JJ
Pm die von der Feder geleistete mechanische Leistung bedeutet,
Pg die durch das Räderwerk und den Generator bei der geregelten Drehgeschwindigkeit verbrauchte Leistung,
Pc die der Schaltung abgegebene Leistung und
V2 Pr die maximale elektrische Regulierleistung -g-
K
20
25 hingegen durch den Miniaturakkumulator A ersetzt. Es wird ein umschaltbarer Gleichrichter B in Form eines Transistors angewendet. Ist FG>FR, so ist der Transistor T leitend. Es wird dem Generator eine Leistung Pa entnommen. Ist FG<FR, so schaltet der Transistor Baus. Es wird dem Generator keine Leistung mehr entnommen. Der Vorteil dieser Anordnung liegt darin, daß man die Regulierleistung aufspeichert, statt sie in einem Widerstand zu verbrauchen.
Geht man zur Grundbedingung zurück, so muß die aufgespeicherte Energie folgenden Stromkreis speichern können:
Pa<PM-Pa<Pc
P3 kann hingegen plötzlich Nuii werden, da die Speicherung vom Akkumulator herrührt und nicht vom Generator.
P,< Pm- Pg <0
Dies gibt eine vergrößerte Gangsicherheit, zum Beispiel bei einer Kalenderuhr, im Augenblick, wie die Tagesscheibe vorgerückt wird. Ferner ist es bekannt, daß die Feder nach 0 oder 36 Stunden lang nicht diesselbe Leistung abgibt.
Nun soil ein praktisches Beispiel gegeben werden, mit einem Federhaus von 35 erg/sek., d. h. 3,5 μ Watt, wie dies in den sogenannten Hochfrequenzuhren vorkommt (36 000 A/St).
V1
R >P«-Pa>Pr
Die Faktoren PM, Pg und Pc können sich innerhalb dieses Verhältnisses verändern.
Die F ι g. 6 zeigt die zweite Ausführungsfonn einer diese Bedingungen erfüllenden Schaltung.
Der Verstärker D, der Oszillator G, der Verteiler F, der Frequenzvergleicher E und der Verstärker H wirken wie im ersten Beispiel. Der Kondensator Cwird
Maximalwert Mittelwert Minimalwert J.
μ Watt \
4,0 3,5 3,0 \
Pm 2,0 1,0 0,5
Pa 5,0
PA 2,0
Pe
In den schlechtesten Fällen erhält man:
Mn,in-Pcmax>0 3,0-2,0= 1,0 >0
4,0 -0,5 = 3,5 <5
PMmBK-Pc m
Pm mittel-Pc mm Pe
2-3.5-K5
2,5
Beachtet man diese Werte, so funktioniert die Vorrichtung zur vollen Zufriedenheit
Man könnte selbstverständlich andere Generatoren mit einem oder mehreren Magneten verwenden, wie auch eine oder mehrere Spulen.
Die Magnete können ortsfest oder beweglich sein, wie auch die Spulen.
Auch können alle bekannten elektronischen Schaltungen Anwendung finden, die es gestatten, den Leistengsverbrauch des Generators zu verändern.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

  1. Patentansprüche:
    1. Mechanisches Uhrwerk, dessen Ganggenauigkeit von einer elektronischen Schaltung bestimmt wird, die einen präzisen Oszillator als Zeitnormal und eine dem Oszillator nachgeschaltete Frequenzteilerschaltung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Uhrwerk Ober ein Räderwerk von einer Feder (im Federhaus 1) angetrieben wird, daß ein über das Räderwerk angetriebener Generator (13, 14,15) vorgesehen ist, der die elektronische Schaltung (Fig.5, 6) mit elektrischer Energie versorgt und eine Wechselspannung mit einer von der jeweiligen Drehzahl des Räderwerks abhängigen Frequenz erzeugt, daß eine die Frequenz der Wechselspannung (FG) mit der Frequenz (FR) am Ausgang der Frequenzteilerschaltung (F) vergleichende Vergleichseinrichtung (E) vorgesehen ist, deren Ausgangssignal eine Generatorlastschalltung (R; T, Λος) steuert, die den Generator bremst, sobald die Frequenz der Wechselspannung (FG) größer als die Frequenz (FR) am Ausgang der Frequenzteilerschaltung (F) ist
    2. Uhrwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Generatorlastschaltung einen Widerstand ^aufweist.
    3. Uhrwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Generatorlastschaltung einen steuerbaren Gleichrichter (T) aufweist, dessen jo Steueranschluß mit dem Ausgang der Vergleichseinrichtung (^verbunden ist.
    4. Uhrwerk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der steuerbare Gleichrichter (B)durch einen Schalttransistor (T) gebildet ist, dessen Basis mit dem Ausgang der Vergleichseinrichtung (E) verbunden ist.
    5. Uhrwerk nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem steuerbaren Gleichrichter (B, T) ein Akkumulator (Acc) zur Speicherung der dem Generator zu dessen Abbremsung entnommenen elektrischen Energie nachgeschaltet ist.
    6. Uhrwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator einen Rotor (13) aufweist, der eine gerade Anzahl Magnete (14) besitzt, deren Polarität wechselweise umgekehrt ist und die beim Drehen des Rotors an mindestens einer Spule (15) vorbeilaufen.
    7. Uhrwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator e:inen eine Spule tragenden Rotor aufweist, dessen Spule im Lauf der Drehung des Rotors an einer geraden Anzahl von Magneten vorbeiläuft, deren Polaritäten wechselweise umgekehrt sind.
    8. Uhrwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (gem. Fig.3) eine als Resonator dienende Unruh (13') aufweist (von der Art Unruh-Spiralfeder 28), welche zwei Magnete (14') trägt, deren Polaritäten entgegengesetzt sind und die bei jeder Schwingung an einer ortsfesten Spule (26) vorbeilaufen.
    9. Uhrwerk nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule auf der Unruh angeordnet ist und die Magnete ortsfest sind.
    10. Uhrwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Zeitnormal ein Quarzoszillator vorgesehen ist.
    11. Uhrwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Schaltung eine integrierte CMOS-Schaltung mit geringem Stromverbrauch ist
    !2. Uhrwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Schaltung einen Gleichrichter (A; B) aufweist, der aus der vom Generator (13, 14, 15) erzeugten Wechselspannung (Ui) eine in einem Kondensator (C) integrierte Spannung (V) abgibt, sowie einen Verstärker (D), der ein Ausgangssignal mit der Frequenz (FG) der Wechselspannung erzeugt, die der Vergleichseinrichtung (£]} zugeführt wird.
    13. Uhrwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichseinrichtung (E) einen Vorwärts/Rückwärts-Zähler aufweist, dessen Vorwärtszähleingang die Frequenz (FG) der Wechselspannung und dessen Rückwärtszähleingang die Frequenz (FR) der Frequenzteilerschaltung (F) zugeführt wird, wobei dieser Zähler ein Signal + V abgibt, wenn sein Zählstand zunimmt, und ein Signal 0, wenn sein Zählzustand abnimmt, daß an den Ausgang des Vorwärts/Rückwärts-Zählers ein Inverter (H) angeschlossen ist, der bei zunehmendem Zählstand des Vorwärts/Rückwärts-Zählers die Generatorlastschaltung (R; T, Acc) zur Stromentnahme aus dem Generator (13,14,15) und somit zum Bremsen des Generators einschaltet.
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