DE102016211503B3 - Solar clock with a mechanical, a spring drive having automatic movement - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft Solaruhren mit einem mechanischen einen Federantrieb aufweisenden Automatikuhrwerk mit einem Rotor zum Aufzug der Feder als Federspeicher des Federantriebs. Die Solaruhren zeichnen sich insbesondere durch ihre sehr lange Lebensdauer auf. Dazu ist die Feder des Federantriebs zum Aufzug über einen Schrittmotor entweder direkt oder über wenigstens einen elektrischen Energiespeicher an ein Solarmodul als Bestandteile der Solaruhr so gekoppelt, dass das Solarmodul die elektrische Energiequelle bildet und die Feder der alleinige Antrieb des Uhrwerks ist. Das Solarmodul bildet dabei den Wandler von eingestrahlter Lichtenergie in Form von elektromagnetischer Strahlung in elektrische Energie.The invention relates to solar watches with a mechanical spring drive having an automatic movement with a rotor for lifting the spring as a spring store of the spring drive. The solar watches are characterized in particular by their very long life. For this purpose, the spring of the spring drive to the elevator via a stepper motor either directly or via at least one electrical energy storage to a solar module as components of the solar clock is coupled so that the solar module forms the electrical energy source and the spring is the sole drive of the movement. The solar module forms the converter of incident light energy in the form of electromagnetic radiation into electrical energy.
Description
Die Erfindung betrifft Solaruhren mit einem mechanischen, einen Federantrieb aufweisenden Automatikuhrwerk mit einem Rotor zum Aufzug der Feder als Federspeicher des Federantriebs.The invention relates to solar watches with a mechanical, a spring drive having automatic movement with a rotor for winding the spring as a spring store of the spring drive.
Bekannte, rein mechanische Uhren weisen ein sogenanntes Federwerk als mechanischen Energiespeicher auf. Bei einer Ausführung in einer hohen Materialqualität gibt es kaum eine Lebensdauerbegrenzung, wie beispielsweise aufgrund von Materialermüdung oder Materialbruch. Die Gangreserve als Energiespeicherkapazität eines solchen Federspeichers einer aufgezogenen Uhr ist mit ungefähr zwei bis vier Tagen allerdings sehr gering. Mittels sogenannter Automatikuhren wird die Betriebsdauer bei Bewegung der Uhr erhöht. Dabei wird der Federspeicher bei Bewegungen, beispielsweise durch Armbewegungen des Trägers, durch einen Rotor in kleinen Schritten selbstständig aufgezogen. Der gelagerte Rotor bleibt bei Bewegungen des Uhrgehäuses aufgrund seiner Massenträgheit und der Schwerkraft stehen. Damit wirkt ein Drehmoment auf den Aufzugsmechanismus. Die Gangreserve einer derartigen Uhr wird aber dadurch nicht erhöht. Keine Bewegung führt zu keinem Aufzug des Federspeichers. Um diesen Sachverhalt zu umgehen, sind sogenannte Uhrenbeweger bekannt. Diese sind teuer, umständlich und benötigen in der Regel eine Netzstromversorgung, alternativer Batteriebetrieb führt zu hohem Batterieverbrauch.Known, purely mechanical watches have a so-called spring mechanism as a mechanical energy storage. In an embodiment in a high material quality, there is hardly a lifetime limit, such as due to material fatigue or material fracture. However, the power reserve as energy storage capacity of such a spring accumulator of a wound up clock is very small at about two to four days. By means of so-called automatic watches, the operating time is increased when moving the clock. In this case, the spring accumulator is automatically raised during movements, for example by arm movements of the wearer, by a rotor in small steps. The mounted rotor remains stationary during movements of the watch case due to its inertia and gravity. Thus, a torque acts on the elevator mechanism. The power reserve of such a clock is not increased by this. No movement does not lead to a lift of the spring accumulator. To circumvent this situation, so-called watch winders are known. These are expensive, cumbersome and usually require a mains power supply, alternative battery operation leads to high battery consumption.
Bekannte elektronische Uhren weisen Pufferspeicher in Form von Akkumulatoren oder Doppelschichtkondensatoren sowie eine im Bereich des Zifferblatts angeordnete Solarzellenanordnung auf.Known electronic clocks have buffer memory in the form of accumulators or double-layer capacitors and arranged in the region of the dial solar cell array.
Durch die Druckschrift
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Das Problem bei elektronischen Uhren mit Solarzellen oder Solarelementen besteht in der Verwendung von wiederaufladbaren Energiespeichern auf elektrochemischer Basis, wobei diese Sekundärelemente eine typische Lebensdauer von ungefähr fünf bis zu zwanzig Jahre aufweisen. Diese Art von Uhren ist damit nicht gänzlich wartungsfrei. Dazu kommt das Problem der Entsorgung der Sekundärelemente als Akkumulatoren als Sondermüll.The problem with electronic watches with solar cells or solar elements is the use of electrochemical-based rechargeable energy stores, which have a typical lifetime of about five to twenty years. This type of watch is therefore not completely maintenance free. Added to this is the problem of disposal of the secondary elements as accumulators as hazardous waste.
Ein weiteres Problem ist die Störanfälligkeit der Elektronik gegen hohe Ionenströme und elektromagnetische Strahlung, die besonders bei Komponenten mit minimiertem Stromverbrauch zum Tragen kommt.Another problem is the susceptibility of the electronics to high ion currents and electromagnetic radiation, which is especially significant in components with minimized power consumption.
Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Solaruhr mit einer sehr langen Lebensdauer zu schaffen.The specified in
Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.This object is achieved with the features listed in
Die Solaruhren mit einem mechanischen, einen Federantrieb aufweisenden Automatikuhrwerk mit einem Rotor zum Aufzug der Feder als Federspeicher des Federantriebs zeichnen sich insbesondere durch ihre sehr lange Lebensdauer auf.The solar watches with a mechanical, a spring drive having automatic movement with a rotor to the elevator of the spring as a spring storage of the spring drive are characterized in particular by their very long life.
Dazu ist die Feder des Federantriebs zum Aufzug über einen Schrittmotor entweder direkt oder über wenigstens einen elektrischen Energiespeicher an ein Solarmodul als Bestandteile der Solaruhr so gekoppelt, dass der Läufer des einen Ständer und den Läufer aufweisenden Schrittmotors und der Rotor zum Aufzug des Federspeichers über eine Kopplungseinrichtung miteinander verbunden sind. Die Kopplungseinrichtung weist einen Bewegungen in drei Achsen messenden Beschleunigungssensor auf, mit welchem bei Bewegungen in Richtung der Rotation des Rotors oberhalb einer bestimmten Schwelle die Kopplung deaktiviert ist. Weiterhin bildet das Solarmodul die elektrische Energiequelle und die Feder ist der alleinige Antrieb des Automatikuhrwerks.For this purpose, the spring of the spring drive to the elevator via a stepper motor either directly or via at least one electrical energy storage to a solar module as components of the solar clock so coupled, that the rotor of the stator and the rotor having a stepping motor and the rotor are connected to the elevator of the spring accumulator via a coupling device. The coupling device has a movement in three axes measuring acceleration sensor, with which the coupling is deactivated when moving in the direction of rotation of the rotor above a certain threshold. Furthermore, the solar module forms the electrical energy source and the spring is the sole drive of the automatic movement.
Das Solarmodul bildet dabei den Wandler von eingestrahlter Lichtenergie in Form von elektromagnetischer Strahlung in elektrische Energie.The solar module forms the converter of incident light energy in the form of electromagnetic radiation into electrical energy.
Die Solaruhr kann sowohl als eine mobile als auch als eine ortsfeste Solaruhr ausgebildet sein. Die Solaruhr stellt eine Kombination aus elektronischer Solaruhr und mechanischer Automatikuhr dar, wobei aber der alleinige Antrieb des Zeigerwerks als Anzeigevorrichtung der Solaruhr die Feder ist. Der Aufzug der Feder kann kontinuierlich oder periodisch erfolgen. Die Ganggenauigkeit des Uhrwerks ist vorteilhafterweise auch bei schwankenden Energieeinträgen aus dem Solarmodul gewährleistet. Die Lebensdauer ist damit nahezu unendlich.The solar clock can be designed as a mobile as well as a stationary solar clock. The solar clock represents a combination of electronic solar clock and mechanical automatic clock, but the sole drive of the pointer movement as a display device of the solar clock is the spring. The elevator of the spring can be continuous or periodic. The accuracy of the movement is advantageously ensured even with fluctuating energy inputs from the solar module. The lifetime is thus almost infinite.
Die Solaruhr weist in einer einfachen und robusten sowie strahlungsresistenten Realisierung
- – ein hochwertiges mechanisches Automatikuhrwerk mit geringem Energiebedarf, hoher Robustheit und Präzision,
- – die Feder als Federspeicher mit einer hohen Gangreserve von mindestens zwei Tagen, um Phasen geringer Lichteinstrahlung zu überbrücken,
- – en mit dem Solarmodul gekoppelten Schrittmotor zum Aufzug der Feder,
- – ein leistungsfähiges Solarmodul mit Solarzellen, die auch bei niedrigen Lichtintensitäten die Mindestleistung für den Betrieb des Uhrwerks liefern und
- – eine einfache Steuereinrichtung zur Ansteuerung des Schrittmotors auf.
- - a high-quality mechanical automatic movement with low energy requirement, high robustness and precision,
- - The spring as a spring store with a high power reserve of at least two days to bridge phases of low light irradiation,
- A stepper motor coupled to the solar module to the elevator of the spring,
- - a powerful solar module with solar cells, which provide the minimum performance for the operation of the movement even at low light intensities and
- - A simple control device for controlling the stepping motor on.
Das Automatikuhrwerk besitzt bekannterweise den Rotor zum Aufzug der Feder des Federantriebs. Neben der elektromagnetischen Lichtenergie kann die Solaruhr dabei zusätzlich mittels Bewegungen der Solaruhr aufgezogen werden. Diese Komponenten bilden zusammen einen hybriden Antrieb in der Solaruhr. Der Rotor ist dabei eine Schwungmasse oder mit einer Schwungmasse versehen.The automatic movement is known to have the rotor to the elevator of the spring of the spring drive. In addition to the electromagnetic light energy, the solar clock can be additionally raised by movements of the solar clock. These components together form a hybrid drive in the solar clock. The rotor is a flywheel or provided with a flywheel.
Der Schrittmotor kann ein Reluktanz-Schrittmotor, ein Permanentmagnet-Schrittmotor oder ein Hybridmotor sein.The stepper motor may be a reluctance stepping motor, a permanent magnet stepping motor or a hybrid motor.
Der Schrittmotor kann so direkt an das Solarmodul gekoppelt sein, dass vorteilhafterweise keine Speicherkomponenten benötigt werden. Der begrenzte Arbeitsbereich von Antriebsspannung und Antriebsstrom, der sich zwischen minimalen Anlaufstrom/minimaler Anlaufspannung des Schrittmotors und maximalem Solarstrom/maximaler Solarspannung bewegt, kann mit einer minimal zu gewährleistenden Lichteinstrahlung überwunden werden. Die Lichteinstrahlung kann sich dazu beispielsweise in einem Bereich jeweils einschließlich 1000 Lux, minimale Lichteinstrahlung – der Anlaufstrom wird überwunden – und 20 klux, maximale Lichteinstrahlung – maximale Solarspannung wird erreicht –, befinden. Darüber hinaus kann der Solarstrom und die Solarspannung elektronisch begrenzt werden, falls der Schrittmotor oder die Elektronik dies erfordern.The stepper motor can be coupled directly to the solar module so that advantageously no memory components are needed. The limited operating range of drive voltage and drive current, which varies between minimum start-up current / minimum start-up voltage of the stepping motor and maximum solar power / maximum solar voltage, can be overcome with a minimum of light to be ensured. The light irradiation can be located, for example, in a range in each case including 1000 lux, minimum light irradiation - the starting current is overcome - and 20 klux, maximum light irradiation - maximum solar voltage is reached - are located. In addition, the solar power and the solar voltage can be electronically limited, if required by the stepper motor or the electronics.
Darüber hinaus kann der Schrittmotor über einen Energiespeicher mit dem Solarmodul gekoppelt sein. Damit kann ein periodisch, pulsförmiger Steuerstrom zum Betrieb des Schrittmotors gewonnen werden, der aus dem wenigstens einen Kondensator als Energiespeicher erzeugt wird. Der Kondensator kann vorteilhafterweise ein Keramikkondensator oder ein Kunststoff-Folienkondensator sein, der eine nahezu unbegrenzte Lebensdauer besitzt. Darüber hinaus kann zur Erzielung einer kleineren Baugröße oder bei Verwendung größerer Periodendauern auch ein Doppelschichtkondensator als Kondensator verwendet werden. Der Vorteil gegenüber einem kontinuierlich betriebenen Elektromotor liegt in dem höheren Wirkungsgrad, da der Schrittmotor im gleichen Arbeitspunkt betreibbar ist, idealerweise im Punkt maximalen Wirkungsgrads. Lediglich der Abstand der Antriebsimpulse ist proportional von der Antriebsleistung abhängig.In addition, the stepper motor can be coupled to the solar module via an energy store. Thus, a periodic, pulse-shaped control current for operation of the stepping motor can be obtained, which is generated from the at least one capacitor as energy storage. The capacitor may advantageously be a ceramic capacitor or a plastic foil capacitor having a virtually unlimited lifetime. In addition, a double-layer capacitor can be used as a capacitor to achieve a smaller size or when using larger period lengths. The advantage over a continuously operated electric motor is the higher efficiency, since the stepper motor is operable at the same operating point, ideally at the point of maximum efficiency. Only the distance of the drive pulses is proportional to the drive power dependent.
Weiterhin ist eine den Schrittmotor periodisch ansteuernde Steuereinrichtung vorgesehen. Mittels dieser wird der Kondensator mit einer ansteigenden Spannungsflanke entsprechend dem aus dem Solarmodul erzeugten Ladestrom innerhalb einer Zeiteinheit aufgeladen. Bei einer bestimmten Spannung als obere Schaltschwelle wird mittels der Steuereinrichtung über einen Schalter der Kondensator mit dem Schrittmotor verbunden, wodurch eine Entladung des Kondensators bis zu einer Spannung als untere Schaltschwelle verursacht wird. Der dabei entnommene Energiebetrag beträgt W = 1/2 C·(U1 2 – U2 2). Die Periodendauer kann im Bereich von 0,1 s bis mehrere Minuten liegen. Die Steuereinrichtung kann dazu einen elektronischen Spannungsdetektor mit definierter Hysterese aufweisen. Die Hysterese basiert auf der Differenz der Spannungen der oberen Schaltschwelle und der unteren Schaltschwelle.Furthermore, a control device which periodically activates the stepping motor is provided. By means of this, the capacitor is charged with a rising voltage edge in accordance with the charging current generated from the solar module within a unit time. At a certain voltage as the upper switching threshold, the capacitor is connected to the stepping motor by means of the control device via a switch, whereby a discharge of the capacitor is caused up to a voltage as the lower switching threshold. The amount of energy removed is W = 1/2 C · (U 1 2 - U 2 2 ). The period can be in the range of 0.1 s to several minutes. The control device can for this purpose have an electronic voltage detector with a defined hysteresis. The hysteresis is based on the difference between the voltages of the upper switching threshold and the lower switching threshold.
Die Kopplungseinrichtung weist den Beschleunigungssensor auf, mit welchem bei Bewegungen in Richtung der Rotation des Rotors oberhalb einer bestimmten Schwelle die Kopplung deaktiviert ist. Damit ist sichergestellt, dass bei ausreichender Bewegungsenergie der Rotor nicht durch den Schrittmotor abgebremst wird. Der Beschleunigungssensor ist dazu der Bewegungen in drei Achsen messender Beschleunigungssensor.The coupling device has the acceleration sensor, with which, when moving in the direction of rotation of the rotor above a certain threshold, the coupling is disabled. This ensures that with adequate kinetic energy, the rotor is not braked by the stepper motor. The acceleration sensor is to the movements in three axes measuring acceleration sensor.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 9 angegeben.Advantageous embodiments of the invention are specified in the
Der Läufer des Schrittmotors, wobei der Schrittmotor einen Ständer und den Läufer aufweist, ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 gleichzeitig der Rotor zum Aufzug des Federspeichers. Damit ist eine sehr kompakte Bauweise gegeben.The rotor of the stepping motor, wherein the stepping motor has a stator and the rotor, according to the embodiment of
Der Läufer des Schrittmotors, wobei der Schrittmotor einen Ständer und den Läufer aufweist, ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 3 beabstandet übereinander angeordnet. Weiterhin sind der Läufer des Schrittmotors und der Rotor jeweils über eine ein Überdrehen des Federspeichers des Federantriebs bei vollem Aufzug verhindernde Rutschkupplung mit dem Federspeicher gekoppelt. Hierbei wirken der Schrittmotor und der Rotor des Automatikuhrwerks unabhängig auf den Federspeicher als alleiniger Antrieb der Solaruhr.The rotor of the stepping motor, wherein the stepping motor has a stator and the rotor is spaced above the other according to the embodiment of
Der Läufer und der Rotor sind nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 4 beabstandet übereinander angeordnet. Der Läufer ist über eine Hohlwelle und eine ein Überdrehen des Federspeichers des Federantriebs bei vollem Aufzug verhindernde Rutschkupplung mit dem Federspeicher gekoppelt. Weiterhin ist der Rotor mit einer Welle in der Hohlwelle verbunden. Dabei kann die Welle vorteilhafterweise in der Hohlwelle gelagert sein.The rotor and the rotor are arranged one above the other according to the embodiment of patent claim 4 spaced. The rotor is coupled via a hollow shaft and a overrunning of the spring accumulator of the spring drive at full lift preventing slip clutch with the spring accumulator. Furthermore, the rotor is connected to a shaft in the hollow shaft. In this case, the shaft can be advantageously stored in the hollow shaft.
Die Kopplungseinrichtung ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 5 ein Elektromagnet, dessen Spule zentrisch im Uhrengehäuse eingebettet ist, so dass der gesamte Läufer des Schrittmotors in dessen magnetischen Feld läuft. Der Läufer weist Einrastlöcher auf. Im Rotor ist ein Permanentmagnet federnd gelagert, so dass bei Stromfluss in der Spule der Permanentmagnet wenigstens bereichsweise in ein Einrastloch eingreift.The coupling device is according to the embodiment of
Die Kopplung der Kopplungseinrichtung ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 6 ab Überschreiten einer bestimmten Lichteinstrahlung aktiviert. Damit ist ein sicherer Aufzug des Federspeichers bei ausreichenden Lichtbedingungen gegeben.The coupling of the coupling device is activated according to the embodiment of
In der elektrischen Verbindung des Schrittmotors und des Solarmoduls ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 7 ein die Verbindung trennender oder verbindender Schalter geschaltet. Eine Betätigungseinrichtung des Schalters ist weiterhin mit dem Federspeicher direkt oder über einen den Endanschlag der Feder detektierenden Sensor gekoppelt. Das ist eine einfache Möglichkeit, die Bewegung des Motors bei aufgezogener Feder zu stoppen. Bei aufgezogener Feder wird dazu die Verbindung zwischen Solarmodul und der elektrische Energie in Bewegungsenergie wandelnden Einrichtung einfach getrennt. Das kann auch mittels eines Sensors zur Detektion eines Bereiches oder eines Bestandteiles der Feder oder dessen Position berührungsfrei erfolgen. Dazu kann ein auf Berührung reagierender Sensor oder eine Lichtschranke entweder als Reflexkoppler oder Gabelkoppler verwendet werden.In the electrical connection of the stepping motor and the solar module, a connection separating or connecting switch is connected according to the embodiment of
Der elektrische Energiespeicher ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 8 eine elektrische Energiequelle zum Betrieb von wenigstens einem elektrischen Gerät. In Fortführung kann das elektrische Gerät nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 9 vorteilhafterweise eine Mess-/Sensoreinrichtung, eine Anzeigeeinrichtung, eine Sende-/Empfangseinrichtung, eine Steuer-/Kontrolleinrichtung, eine Beleuchtungseinrichtung, eine Audioeinrichtung oder ein weiterer mechanischer Aktor sein.The electrical energy storage device according to the embodiment of
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen jeweils prinzipiell dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.An embodiment of the invention is illustrated in principle in the drawings and will be described in more detail below.
Es zeigen:Show it:
Eine Solaruhr besteht im Wesentlichen aus einem mechanischen Automatikuhrwerk
Die
Das Automatikuhrwerk
Der Schrittmotor
Anstelle der Rutschkupplung kann in der elektrischen Verbindung des Elektromotors
Die
In einer Ausführungsform ist der Federspeicher
Der Schrittmotor
Die Steuereinrichtung weist einen elektronischen Spannungsdetektor mit definierter Hysterese auf. Der Kondensator wird mit einer ansteigenden Spannungsflanke entsprechend dem aus dem Solarmodul
Die
In der
Die Darstellung der
Die
Der Schrittmotor
Die
Der Rotor
Bei der ersten Ausführungsform sind dabei der Rotor
Bei der zweiten Ausführungsform ist der Läufer
Die
Die Kopplungseinrichtung basiert auf einem Elektromagnet, dessen Spule
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Automatikuhrwerk automatic movement
- 22
- Solarmodul solar module
- 33
- Federspeicher spring
- 44
- Schrittmotor stepper motor
- 55
- Energiespeicher energy storage
- 66
- Ständer stand
- 77
- Läufer runner
- 88th
- Rotor rotor
- 99
- Hohlwelle hollow shaft
- 1010
- Welle wave
- 1111
- Zahnradgetriebe gear transmission
- 1212
- Spule Kitchen sink
- 1313
- Einrastloch detent
- 1414
- Permanentmagnet permanent magnet
Claims (9)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102016211503.0A DE102016211503B3 (en) | 2016-06-27 | 2016-06-27 | Solar clock with a mechanical, a spring drive having automatic movement |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102016211503.0A DE102016211503B3 (en) | 2016-06-27 | 2016-06-27 | Solar clock with a mechanical, a spring drive having automatic movement |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102016211503B3 true DE102016211503B3 (en) | 2017-11-02 |
Family
ID=60081784
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102016211503.0A Active DE102016211503B3 (en) | 2016-06-27 | 2016-06-27 | Solar clock with a mechanical, a spring drive having automatic movement |
Country Status (1)
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DE (1) | DE102016211503B3 (en) |
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2016
- 2016-06-27 DE DE102016211503.0A patent/DE102016211503B3/en active Active
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final |