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Die
Erfindung bezieht sich auf einen mechanischen, automatischen Federaufzug
für die
Antriebs- oder Uhrfeder eines mechanischen Uhrwerks einer Armbanduhr
(Automatikuhr) gemäß Oberbegriff Patentanspruch
1 sowie auf eine Armbanduhr gemäß Oberbegriff
Patentanspruch 11.
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Armbanduhren
mit mechanischem Uhrwerk und mit einem automatischen Federaufzug,
der das Aufziehen der Antriebs- oder Uhrwerksfeder beim Bewegen
der Armbanduhr bewirkt, sind bekannt. Der Aufzug besteht bei derartigen
Uhren in der Regel aus einer an der Rückseite des Uhrwerks um eine
zentrale Uhrwerksachse schwenkbaren Unwucht oder Exzentermasse,
deren Schwenkbewegung über
eine Getriebeanordnung in eine das Aufziehen der Antriebsfeder wirkende
Drehbewegung umgewandelt wird.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, einen Federaufzug aufzuzeigen, der sich durch
eine konstruktiv vereinfachte und besonders preiswerte Lösung der Getriebemittel
zum Umwandeln der Schwenkbewegung der Exzentermasse in die Drehbewegung
zum Aufziehen der Antriebsfeder auszeichnet.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe ist ein Federaufzug entsprechend dem Patentanspruch
1 ausgebildet.
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Weiterbildungen,
Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten
der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen
und aus den Figuren. Dabei sind alle beschriebenen und/oder bildlich
dargestellten Merkmale für
sich oder in beliebiger Kombination grundsätzlich Gegenstand der Erfindung,
unabhängig
von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
Auch wird der Inhalt der Ansprüche zu
einem Bestandteil der Beschreibung gemacht.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der Figur, die in vereinfachter
Funktionsdarstellung einen mechanischen Federaufzug für Armbanduhren
zeigt, näher
erläutert.
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Der
in der Figur allgemein mit 1 bezeichnete Federaufzug besteht
u. a. aus einer Exzentermasse 2, welche an einer nicht
dargestellten Platine eines Uhrwerks einer Armbanduhr um die Achse
eines Gelenkstifts 3 schwenkbar gelagert ist. Mit der Exzentermasse 2 ist
antriebsmäßig ein
Zahnrad 3 verbunden, dessen Achse achsgleich mit der Achse
des Gelenkbolzens 3 angeordnet ist und beim Schwenken der Exzentermasse 2 um
die Achse des Gelenkstiftes 3 mitbewegt wird. Die Verzahnung
des Zahnrades 4 greift in die Verzahnung eines weiteren
Zahnrades 5 ein, welches um eine Achse einer Welle 6 parallel
zur Achse des Gelenkstiftes 3 ebenfalls drehbar an der nicht
dargestellten Platine des Uhrwerks gelagert ist und einen Exzenter 7 aufweist,
der beim Schwenken der Exzentermasse 2 über die Zahnräder 4 und 5 um die
Achse des Zahnrades 5 geschwenkt wird.
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Die Übersetzung
des von den Zahnrädern 4 und 5 gebildeten
Zahnradgetriebes ist so gewählt, dass
ein Schwenken der Exzentermasse 2 über einen kleineren Winkelbereich
zu einem Schwenken oder Drehen des Zahnrades 5 und damit
des Exzenters 7 über
einen wesentlich größeren Winkelbereich bewirkt,
beispielsweise ein Schwenken der Exzentermasse 2 um einen
Winkelbereich von 90° oder
weniger zu einem Schwenken des Zahnrades 5 und damit des
Exzenters 7 über
einen Winkelbereich von 180° führt.
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Mit 8 ist
in der Figur allgemein ein Klinkenmechanismus bezeichnet, mit dem
die Schwenkbewegung des Exzenters 7 in eine Drehbewegung
umgesetzt wird, die das Aufziehen der das Uhrwerk antreibenden Feder
bewirkt, beispielsweise in einer Dreh- bzw. Aufzugbewegung eines Federgehäuses. Der
Klinkenmechanismus 8 weist hierfür ein Klinkenrad 9 auf,
welches an seinem Umfang mit einer sägezahnförmigen Verzahnung 10 versehen
und auf einer mit der Uhrwerksfeder bzw. mit dem Federgehäuse antriebsmäßig verbundenen
Welle 11 angeordnet ist. Der Klinkenmechanismus 8 umfasst
weiterhin einen Klinkenhebel 12 der mehrarmig ausgebildet
ist, und zwar mit einem an seinem freien Ende gabelartigen Klinkenarm 12.1, der
mit einem Gabelabschnitt den an seiner Außenfläche kreiszylinderförmigen Exzenter 7 übergreift,
sowie mit den Klinkenarmen 12.2 und 12.3. An einem
in der Figur mit 12.4 bezeichneten Abschnitt zweigt der
Klinkenarm 12.2 von dem Klinkenarm 12.1 ab. An
einem in der Figur mit 12.4 bezeichneten Bereich geht der
Klinkenarm 12.1 in den Klinkenarm 12.3 über.
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Die
beiden Klinkenarme 12.2 und 12.3 bilden die Klinkenabschnitte,
die jeweils in die Verzahnung 10 des Klinkenrades 9 eingreifen,
und zwar bezogen auf die mit dem Pfeil B in der Figur angegebenen Drehrichtung
des Klinkenrades 9 zum Aufziehen der Uhrfeder gegeneinander
versetzt. Die Klinkenarme 12.1–12.3 und damit auch
der Klinkenhebel 12 insgesamt sind an ihrer einer gedachten
Verbindungslinie VL zwischen den Achsen der Wellen 6 und 11 zugewandten
Seite konkav gekrümmt.
Weiterhin ist die Ausbildung so getroffen, dass der Klinkenarm 12.2 sich
an der konkaven Seite des Klinkenarms 12.3, von diesem
aber beabstandet befindet, d. h. innerhalb des von der Krümmung oder
Wölbung
des Klinkenarmes 12.3 gebildeten Raumes.
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Die
Klinkenarme 12.1–12.3 des
im Wesentlichen flach ausgebildeten Klinkenhebels 12 sind
in einer gemeinsamen Ebene angeordnet, die senkrecht zu den Achsen
der Wellen 6 und 11 orientiert ist. In dieser
Ebene befindet sich insbesondere auch der mit dem gabelartigen Ende
des Klinkenarmes 12.1 zusammenwirkende Bereich des Exzenters 7 sowie der
mit den freien Enden der Klinkenarme 12.2 und 12.3 zusammenwirkende
Teil des Klinkenrades 9.
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An
der der Verbindungslinie VL abgewandten konvexen Außenseite
ist der Klinkenhebel 12 mittels eines Gelenks 13 an
einem ebenfalls an der Platine vorgesehenen Gelenkbolzen 14 schwenkbar vorgesehen,
und zwar um eine Schwenkachse parallel zu den Achsen der Wellen 6 und 11 und
des Gelenkstiftes 3. Das Gelenk 13, welches sich
zwischen den Übergangsbereichen 12.4 und 12.5 befindet,
ist von einem einstückig
mit den Gelenkarmen 12.1–12.3 geformten gabelartigen
Abschnitt 12.6 gebildet, der zu der der Verbindungslinie
VL abgewandten Außenseite
des Klinkenhebels 12 hin offen ist und den Gelenkbolzen 14 übergreift.
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Durch
ihre Krümmung
sowie insbesondere auch durch die federelastischen Eigenschaften
des für
die Herstellung des Klinkenhebels 12 verwendeten Materials
wirken die Klinkenabschnitte 12.2 und 12.3 jeweils
als federnde, mit der Verzahnung 10 zusammenwirkende Klinken,
die bei der dargestellten Ausführungsform
schiebend auf das Klinkenrad 9 einwirken, d. h. schiebend
das Weiterdrehen des Klinkenrades in der für das Aufziehen der Uhrfeder notwendigen
und mit dem Pfeil B angedeuteten Drehrichtung bewirken.
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Da
sich das Gelenk 13 am Klinkenarm 12.1 zwischen
den Übergängen 12.4 und 12.5 befindet, bewirkt
das Schwenken des Klinkenhebels 12 um die Achse des Gelenks 13 in
der einen Richtung (beispielsweise Pfeil C) über den inneren Klinkenarm 12.2 und
das Schwenken des Klinkenhebels 12 in entgegengesetzter
Richtung (Pfeil D) über
den Klinkenarm 12.3 jeweils ein Weiterdrehen des Klinkenrades 9 in
Richtung des Pfeils B. Da weiterhin der Abstand zwischen dem freien
gabelartigen Ende des Klinkenarmes 12.1 und dem Gelenk 13 wesentlich größer ist
als der Abstand zwischen dem Gelenk und den Übergangsbereichen 12.4 und 12.5 ergibt
sich auch eine ausreichend große
Hebelübersetzung,
die bereits bei einem kleinen über
den Exzenter 7 auf den Klinkenarm 12.1 ausgeübten Moment
eine ausreichend hohe, auf das Klinkenrad 9 einwirkende Schubkraft
der Klinkenarme 12.2 und 12.3 sicherstellt.
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Der
Klinkenhebel 12 ist mit all seinen Elementen einstückig z.
B. aus einem Halbleitermaterial, z. B. aus Silizium oder Siliziumcarbid,
beispielsweise aus monokristallinem oder polykristallinem Silizium oder
Siliziumcarbid gefertigt. Auch andere Werkstoffe sind für den Klinkenhebel 12 geeignet,
beispielsweise metallische Werkstoffe, z. B. Stahl oder Nickel-Eisen,
auch galvanisch abgeschiedene metallische Werkstoffe, z. B. Nickel-Eisen,
sowie keramische Werkstoffe, z. B. Aluminiumoxid-Keramik und/oder Aluminiumnitrid-Keramik
und/oder Zirconiumoxid und/oder Siliziumnitrid.
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Speziell
bei der Herstellung des Klinkenhebels 12 aus Halbleitermaterial
ist dieser an seinen Außenflächen bevorzugt
mit einer verstärkenden Schicht,
beispielsweise mit einer verstärkenden Schicht
aus Siliziumoxid oder einem anderen geeigneten Material versehen.
Als Ausgangsmaterial für die
Herstellung des Klinkenhebels 12 eignet sich beispielsweise
ein plattenförmiges
Siliziummaterial, beispielsweise ein Wafer aus Silizium, wobei die
Herstellung des Klinkenhebels 12 dann im Mehrfachnutzen
(gleichzeitige Herstellung einer Vielzahl von Klinkenhebeln 12)
durch bekannte Maskierungs- und Ätztechniken
oder durch Laserschneiden erfolgt. Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit,
als Ausgangsmaterial für
die Herstellung des Klinkenhebels 12 ein Flachmaterial
zu verwenden, welches Silizium in polykristalliner Form enthält, z. B.
ein durch epitaktisches Abscheiden hergestelltes Ausgangsmaterial, aus
dem dann wiederum im Mehrfachnutzen, vorzugsweise durch eine Maskierungs-
und Ätztechnik die
Klinkenhebel 12 gefertigt werden.
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Für die Bildung
des Ausgangsmaterials eignen sich die dem Fachmann bekannten Epitaxie-Verfahren,
beispielsweise eines der nachstehenden Verfahren:
- Flüssigphasenepitaxie
(LPE)
- Molekularstrahlepitaxie (MBE)
- Metallorganische Gasphasenepitaxie (MOVPE)
- Chemische Gasphasenepitaxie (CVD) oder (VPE)
- Physikalische Gasphasenepitaxie (PVD)
- Ionenstrahlgestützte
Abscheidung bzw. Epitaxie (IBAD)
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Im
Detail erfolgt das epitaktische Abscheiden beispielsweise so, dass
zunächst
ein flaches, plattenförmiges
Siliziumsubstrat als Trägersubstrat
bereitgestellt wird. Dieses Siliziumsubstrat, welches beispielsweise
ein polykristallines oder monokristallines Siliziumsubstrat ist,
wird dann an wenigstens eine Oberflächenseite mit einer Oxidschicht
aus Siliziumoxid versehen, und zwar beispielsweise durch thermische
Oxidation bei einer Prozesstemperatur im Bereich zwischen 900 und
1200°C.
Die Dicke dieser Oxidschicht beträgt beispielsweise 1 μm. In einem weiteren
Verfahrensschritt wird dann auf die Trennschicht eine Startschicht
aus polykristallinem Silizium aufgebracht, und zwar beispielsweise
mit einem LPCVD-Verfahren (low pressure chemical vapour deposition)
oder mit einem LPE-Verfahren oder mit einem CVD-Verfahren. In einem
weiteren Verfahrensabschnitt erfolgt das endgültige epitaktische Abscheiden
der das Ausgangsmaterial für
die Herstellung der Klinkenhebel 12 bildenden Schicht aus
polykristallinem Silizium mit einer Schichtdicke, die der Dicke des
Klinkenhebels 12 in der Achsrichtung senkrecht zu den Achsen
der Wellen 6 und 11 sowie des Gelenks 13 aufweist.
Aus dem so hergestellten Material werden dann durch Maskieren und Ätzen die
Klinkenhebel 12 im Mehrfachnutzen hergestellt und anschließend von
dem Siliziumausgangssubstrat getrennt die auf diese Substrate anfänglich aufgebrachte
Schicht aus Siliziumoxid dient als Sperrschicht beim Ätzen, d.
h., sie schützt
das Trägersubstrat
gegen das oder die beim Ätzen
verwendeten Mittel, so dass das Trägersubstrat für das Handling
während des Ätzprozesses
sowie auch später
beim Vereinzeln der einzelnen Klinkenhebel 12 erhalten
bleibt.
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Es
besteht auch die Möglichkeit,
das Ausgangsmaterial und dabei insbesondere das Halbleitermaterial,
beispielsweise das Silizium oder Siliziumcarbid als Sublimat durch
Sublimation (PVT-Verfahren) herzustellen, d. h. durch Abscheiden
in einer Schutzgasatmosphäre
aus eier erhitzten Silizium- oder Siliziumcarbid-Quelle.
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Die
Herstellung des jeweiligen Klinkenhebels 12 kann auch durch
Ausschneiden aus dem Ausgangsmaterial erfolgen, beispielsweise durch
Laserschneiden und dabei vorzugsweise durch Schneiden mit einem
kombinierten Laser- und Fluid-Strahl.
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Weiterhin
besteht die Möglichkeit,
den Klinkenhebel 12 mit dem sogenannten LIGA-Verfahren zu fertigen,
und zwar beispielsweise aus dem metallischen Werkstoff, z. B. Nickel-Eisen.
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Als
Oberflächenbeschichtung
eignet sich insbesondere Siliziumoxid, Siliziumdioxid, Siliziumnitrid
und/oder Siliziumcarbid. Anstelle dieser Beschichtung oder aber
zusätzlich
hierzu kann auch eine DCL-Oberflächenbeschichtung
vorgesehen werden, d. h. eine diamantartige Kohlenstoffbeschichtung,
die weiter verbesserte Eigenschaften, insbesondere auch hinsichtlich
der Oberflächenhärte- und
Gleitfähigkeit
aufweist.
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Die
Erfindung wurde voranstehend an einem Ausführungsbeispiel beschrieben.
Es versteht sich, dass zahlreiche Änderungen sowie Abwandlungen möglich sind,
ohne dass dadurch der der Erfindung zugrundeliegende Erfindungsgedanke
verlassen wird.
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- 1
- Federaufzug
- 2
- Exzentermasse
- 3
- Gelenkstift
- 4,
5
- Zahnrad
- 6
- Welle
des Zahnrades 5
- 7
- Exzenter
- 8
- Klinkengetriebe
- 9
- Klinkenrad
- 10
- Verzahnung
des Klinkenrades 9
- 11
- Welle
des Klinkenrades 9
- 12
- Klinkenhebel
- 12.1–12.3
- Klinkenarm
- 12.4,
12.5
- Übergangsbereich
- 12.6
- gabelartiger
Abschnitt
- 13
- Gelenk
- 14
- Gelenkbolzen
- A
- Schwenkbewegung
der Exzentermasse
- B
- Drehrichtung
des Klinkenrades 9
- C,
D
- Schwenkrichtung
des Klinkenhebels 12