-
Antriebsanordnung zum Antreiben eines Zahnrades eines zeithaltenden
Gerätes Die Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung zum Antreiben eines Zahnrades
eines zeithaltenden Gerätes mit einem elektromagnetisch erregten, in seiner Eigenfrequenz
schwingenden, mechanischen Oszillator, an dem ein Antriebsglied befestigt ist, welches
das Zahnrad bei jeder Vollschwingung um einen Zahn weiterschaltet.
-
Bei einer bekannten Anordnung dieser Art (französische Patentschrift
1218 410) ist der Oszillator als Stimmgabel ausgebildet, und als Antriebsglied
ist ein Arm an einer Zinke dieser Stimmgabel angeordnet. Der Arm erstreckt sich
dabei ungefähr in Schwingungsrichtung der betreffenden Stimmgabelzinke. Das Antriebsglied
steht dabei infolge der einen einzigen Freiheitsgrad aufweisenden Schwingungen der
Zinke praktisch ständig im Eingriff mit dem anzutreibenden Zahnrad, wobei die Zahnteilung
auf die Schwingungsamplitude des Antriebsgliedes so abgestimmt ist, daß das Zahnrad
je Schwingung um eine Zahnteilung weiterbewegt wird. Die Stimmgabelschwingungen
werden hierbei elektromagnetisch erregt.
-
Diese Antriebsanordnung hat unter anderem den erheblichen Nachteil,
daß die Schwingungsamplitude mindestens so groß wie die Zahnteilung sein muß. Auch
wird durch den ständigen Eingriff des Antriebsgliedes mit dem anzutreibenden Zahnrad
die Frequenzkonstanz der Stimmgabelschwingung beeinträchtigt, was sich nachteilig
auf die Ganggenauigkeit des Gerätes auswirkt. Ferner ist eine besondere mit dem
Zahnrad zusammenwirkende Hemmung erforderlich, die ein Zurücktreten des Zahnrades
beim Zurückwandern des Antriebsgliedes verhindert. Diese Hemmung stellt einen weiteren
Reibungswiderstand für die Drehung des Zahnrades dar und wirkt sich ebenfalls nachteilig
auf die Frequenzkonstanz der Stimmgabelschwingung aus. Auch bedingen die genannten
Reibungen einen relativ großen Energieverbrauch.
-
Diese Nachteile werden bei einer Antriebsanordnung der eingangs erwähnten
Art gemäß der Erfindung dadurch vermieden, daß das Antriebsglied als Resonator mit
gegenüber dem zeithaltenden mechanischen Oszillator wesentlich geringerer Masse
ausgebildet ist, von diesem zu Eigenschwingungen mit im Vergleich zu ihm größerer
Amplitude angeregt wird und daß das Verhältnis der Resonanzfrequenz von zeithaltendem
Oszillator und Antriebsglied zwischen 0,5 und 2, vorzugsweise bei ungefähr 1, liegt.
-
Hierdurch ist eine Anordnung geschaffen worden, bei der das Antriebsglied
erzwungene mehrdimensionale Schwingungen ausführt, wobei diese Schwingungen durch
Überlagerung eindimensionaler Schwingungen am Oszillator und Resonator zustande
kommen. Durch die hierdurch ermöglichte, im wesentlichen freischwingende Zurückführung
des Antriebsgliedes wird die Gesamtreibung zwischen ihm und dem Zahnrad erheblich
vermindert, da über einen Teil der Schwingung überhaupt keine Berührung zwischen
beiden stattfindet. Hierdurch wird vor allen Dingen auch die Frequenzkonstanz der
Schwingung und damit die Ganggenauigkeit erheblich verbessert. Ferner kann auf eine
zusätzliche Hemmung für das angetriebene Zahnrad verzichtet werden, wodurch nicht
nur die Konstruktion vereinfacht wird, sondern die Frequenzkonstanz der Schwingung
noch weiterhin verbessert wird. Auch der Energieverbrauch wird gegenüber den vorbekannten
Geräten der obengenannten Art erniedrigt.
-
Eine andere Antriebsvorrichtung (USA.-Patentschrift 2 926 534) arbeitet
nur mit einer Spiralfeder, mit der sich jedoch günstige Antriebsbewegungen wie bei
der Erfindung nicht erzielen lassen. Es ist deshalb dort auch nötig, daß ein Teil
der schrittweisen Bewegung durch eine Arretiervorrichtung übernommen wird. Ferner
sind noch zeithaltende Hemmungen für konventionelle Uhren bekannt (französische
Patentschrift 1305 070 und schweizerische Patentschrift 313 810). Diese sind jedoch
schon im Prinzip anders, allein deswegen, weil es sich dort um die Hemmung
eines
durch Federkraft oder Gewicht erfolgenden Antriebes handelt. Bei der Erfindung dagegen
handelt es sich um einen Antrieb.
-
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Resonator
so auf dem Oszillator angeordnet, daß die Eigenschwingungsrichtung des Resonators
unter einem Winkel, vorzugsweise einem Winkel von ungefähr 45 bis 90°, zu der Eigenschwingungsrichtung
des Oszillators steht. Ein Winkel von 90 oder annähernd 90° ist insofern besonders
günstig, als hier die Schwingungskurve des Antriebsgliedes bei einer Phasenverschiebung
von 90@ der beiden Teilschwingungen einer Ellipse entsprechen kann. Eine solche
Kurvenform ist für die For tschaltung des Zahnrades besonders günstig. Eine Phasenverschiebung
von 90° der beiden Teilschwingungen kann erfindungsgemäß dadurch bewirkt werden,
daß das Verhältnis der Eigenschwingungsfrequenzen von Oszillator und Resonator ungefähr
1 beträgt.
-
Gemäß der Erfindung ist es in vielen Fällen günstig, wenn der Oszillator
und der Resonator jeweils mechanische Schwinger von je einem Freiheitsgrad, vorzugsweise
an sich bekannte Biege- oder Drehschwinger, sind. Eine besonders einfache Ausführungsform
ergibt sich hierbei, wenn sowohl der Oszillator als auch der Resonator Biegeschwinger
sind.
-
Es sei hier darauf hingewiesen, daß die Antriebsanordnung, bei der
Oszillator und Resonator jeweils Schwinger sind, auch den erheblichen Vorteil aufweist,
daß bei geeigneter Ausbildung und Abstimmung der beiden die resultierende Amplitude
des vom Resonator gebildeten Antriebsgliedes erheblich größer als die Oszillator-Amplitude
ist, so daß ein Zahnrad entsprechend großer Teilung vorgesehen werden kann. Da aus
Gründen der Frequenzkonstanz die Amplitude der Oszillatorschwingung so klein wie
möglich sein soll, so wird hierdurch die Ganggenauigkeit des Gerätes weiterverbessert.
-
Den elektromagnetischen Antrieb kann fremdgesteuert sein, beispielsweise
mittels eines Schwingquarzes, mit einer Spannung konstanter Frequenz. Eine besonders
günstige und einfache Antriebsanordnung ergibt sich jedoch dadurch, daß das elektromagnetische
Antriebssystem durch mindestens eine Eigenschwingung des Resonators gesteuert wird,
d. b., daß das aus Oszillator und Resonator bestehende Gesamtsystem selbststeuernd
ist. Die Erfindung bevorzugt weiter eine Lösung, wonach der Resonator im wesentlichen
ungedämpft an dem Oszillator angekoppelt ist. Ferner kann der Oszillator selbst
ein elektromagnetisches Schwingungssystem sein.
-
Es wurde bereits darauf hingewiesen, daß der Oszillator den Resonator
zu erzwungenen Schwingungen anregt. Als besonders günstig hat es sich erwiesen,
wenn Oszillator und Resonator Schwingungen derselben Frequenz ausführen, d. h.,
daß zwischen beiden eire im wesentlichen konstante Phasenverschiebung besteht. Gemäß
der Erfindung kann diese Phasenverschiebung mit Vorteil ungefähr 90° betra-Qen.
In diesem Fall kann der Bewegungsablauf des .-\.rbeitsgliedes. wie bereits erwähnt,
ellipsenförmig oder in einem Sonderfall auch kreisförmig sein. Im allgemeinen liegt
die Längsrichtung dieser Ellipse z-,@reckmäßi- in Umfangsrichtung des anzutreibenden
Zahnrades.
-
Um Fehlfortschaltungen des Zahnrades durch zu große Schwingungsamplitude
des Resonators zu verhindern, ist dem Resonator mindestens ein Anschlag zur Begrenzung
seiner Schwingungsamplitude zu= geordnet.
-
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
Es zeigt F i g. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung in Draufsicht.
-
F i g. 2 einen vergrößerten Ausschnitt aus F i g. 1 zur besseren Verdeutlichung
des Zusammenwirkens zwischen Antriebsglied und Zahnrad bei unterschiedlich großen
Schwingungen (a bis c) des Antriebsgliedes, F i g. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel
der Erfindung in Draufsicht.
-
F i g. 4 den Verlauf einer Schwingungskurve eines Antriebsgliedes
nach F i g. 3 und F i g. 5 einen magnetostriktiven Oszillator mit einem auf seiner
freien Stirnseite angeordneten Resonator in schematischer Ansicht. ' Nach F i g.
1 und 2 ist auf einer teilweise gebrochen dargestellten Uhrwerksplatine
10 mittels eines Halters 12 ein aus einem Oszillator 14 und
einem im ganzen mit 16 bezeichneten Resonator bestehendes Schwingungssystem befestigt.
Der Oszillator 14 ist als eine gerade Biegefeder ausgebildet. Der Resonator
16
weist eine ebenfalls gerade Biegefeder 17 und ein an dem freien
Ende dieser Biegefeder befestigtes Antriebsglied 20 auf. Die Biegefeder
17 ist mit ihrem rückwärtigen abgebogenen Endstück 19 am Oszillator
14 im Abstand von dem vorderen freien Ende desselben befestigt. Dadurch wird
erreicht, daß die Rückwirkung des schwingenden Resonators 16 auf den Oszillator
14 kleiner ist, als wenn die Biegefeder 17 am Ende des Oszillators 14 angeordnet
wäre. Dies wie auch die verhältnismäßig große Masse der Oszillatorfeder
14 wirkt sich günstig auf die Frequenzkonstanz aus.
-
Das Antriebsglied 20 wirkt mit einem Zahnrad 22
zusammen,
das das Steigrad eines nicht dargestellten Getriebes od. dgl. sein kann. Es ist
mittels seines Zapfens 23 auf der Platine 10 in üblicher und nicht näher dargestellter
Weise gelagert. Auf der Platine 10 ist ferner ein Rastmagnet 26 angeordnet,
dessen freies Polende 27 mit den aus ferromagnetischem Material bestehenden Zähnen
28 des Zahnrades 22 in der Art einer magnetischen Rasthalterung zusammenwirkt. Durch
diesen Rastmagneten wird das Zahnrad in der in F i g. 1. dargestellten Ruhelage
so lange festgehalten, bis es durch die Schwingung des Resonators 16 um eine Zahnteilung
in Richtung des Pfeiles A weitertransportiert wird.
-
Ein Elektromagnet 30 ist mit zwei Anschlußklemmen 31. und 32 an ein
übliches und hier nicht näher dargestelltes elektrisches oder elektronisches Steuersystem
zur Steuerung der Erregung des Elektromagneten im Takt der Schwingungen des Oszillators
14 angeschlossen.
-
Die Wirkungsweise der in den F i g. 1 und 2 dargestellten Anordnung
ergibt sich wie folgt: Der Oszillator 14 wird durch die Erregung des Elektromagneten
30 je nach Ausbildung des nicht dargestellten Steuersystems entweder im Takt
seiner Eigenschwingung oder im Takt von Schwingungen einer weiteren nicht dargestellten
Schwingungsquelle zn erzwungenen Schwingungen angetrieben. Bevorzugt ist der Antrieb
im Takt seiner Eigenschwingung. Ihrerseits rufen die Oszillatorschwingungen erzwungene
Schwingungen des Resonators 16 hervor, wobei in diesem Ausführungsbeispiel die Eigenschwingungsfrequenzen
des
Oszillators 14 und des Resonators 16 so aufeinander abgestimmt
sind, daß die effektiven Resonator- und Oszillatorschwingungen die gleiche Frequenz
aufweisen. Und zwar ist hier insbesondere vorgesehen, daß die Eigenschwingungsfrequenz
des Resonators 16 ungefähr so groß ist wie die Eigenschwingungsfrequenz des Oszillators
14. In diesem Fall betrifft die Phasenverschiebung zwischen den Oszillatorschwin-ungen
und Resonatorschwingungen ungefähr 90°. Da ferner die mechanische Schwingungsrichtung
des Oszillators nahezu senkrecht auf der des Resonators steht, so ergibt sich am
Antriebsglied 20 eine Schwingungskurve nahezu in Form einer Ellipse, beispielsweise
nach der strichpunktierten Schwingungskurve 34 a. Wie aus den Linien
34 b und 34 c zu ersehen ist, kann die Größe der Schwindungskurve
in verhältnismäßig weiten Grenzen schwanken, ohne daß die Fortschaltfunktion des
Antriebsgliedes 20
nachteilig beeinflußt wird. Die effektive Schwingungskurve
des Antriebsgliedes kann in den Bereich zwischen den Schwingungskurven 34 b und
34 c fallen. Zum Beispiel kann auch die Schwingungsamplitude des Oszillators 14
in noch erheblich größeren Grenzen schwanken, als es den Linien 34 b bis 34 c entspricht,
ohne daß die Fortschaltfunktion des Antriebsgliedes 20 nachteilig beeinflußt wird.
Doch ist es - wie bereits erwähnt - erwünscht, die Schwingungsamplitude des Oszillators
verhältnismäßig klein zu halten, da hierdurch die Frequenzkonstanz verbessert und
auch der Energieverbrauch herabgesetzt wird.
-
Zur Vereinfachung der Darstellung sind in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen
die einander entsprechenden Teilen mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
-
In dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 3 ist der im ganzen mit 40
bezeichnete Oszillator als Drehschwinger ausgebildet, an dessen Mittelarm
42 der Resonator angeordnet ist. Während in dem Ausführungsbeispiel nach
F i g. 1 und 2 die Schwingungsrichtungen von Oszillator und Resonator ungefähr senkrecht
aufeinander stehen. schließen hier diese beiden Schwingungsrichtungen einen Winkel
von ungefähr 70' ein. An den beiden äußeren Enden des Mittelarmes 42 ist
je ein Schwunggewicht 44 und 45 angeordnet. Mit dem aus ferromagnetischem Material
bestehenden Schwunggewicht 45 wirkt der Elektromagnet 30 zusammen, der wiederum
mit Klemmen 31 und 32 an ein nicht näher dargestelltes Beaufschlagungssystem angeschlossen
ist. Zur Erzeugung des für die Drehschwingung des Oszillators 40 erforderlichen
Direktionsmomentes ist eine Spiralfeder 46 mit einem Ende in einem auf der Uhrwerksplatine
10 angeordneten Halteelement 48 befestigt und mit dem anderen Ende
50 in eine Nut 51 eines drehfest auf dem Arm 42 angeordneten
Lagerstückes 52 eingehängt. Letzteres besitzt eine Ausnehmung, in die ein Zapfen
53 hineinragt, der als Drehlagerung für den Oszillator40 dient. Dieser Zapfen ist
in nicht näher dargestellter Weise auf der Uhrwerksplatine 10 gelagert. Das
Antriebsglied 20 führt Schwingungen entsprechend der Kurve 56
aus,
die in F i g. 4 in vergrößertem Maßstab dargestellt ist. Wie der Antrieb des Zahnrades
22 in vorliegendem Fall erfolgt, sei nun des näheren erklärt.
-
Zunächst sei darauf hingewiesen, daß in diesem Ausführungsbeispiel
die Amplitude des Resonators wesentlich kleiner ist als die Amplitude des Oszillators
an der Befestigungsstelle der Biegefeder 17. Die Amplitude des Resonators in Höhe
des Antriebsgliedes 20 ist gleich a : 2 (F i g. 4), während die Amplitude
des Oszillators in Höhe der Befestigungsstelle des Resonators gleich b : 2 ist.
Durch die unterschiedliche Größe der beiden Amplituden ergibt sich eine verhältnismäßig
flache Schwingungskurve 56, die sich in Umfangsrichtung des Zahnrades
22 erstreckt.
-
In der in F i g. 3 dargestellten Stellung wird das Zahnrad 22 momentan
in Richtung des Pfeiles B bewegt, d. h., der Oszillator 40 schwingt momentan
in Richtung des Pfeiles C. Durch die Anpreßkraft des Antriebsgliedes 20 an
den Zahn 60 und durch die Reibung zwischen dem Antriebsglied und dem Zahn
61 wird das Zahnrad bis ungefähr zu der in F i g. 4 mit 62 bezeichneten Stelle der
Kurve 56 bewegt. An dieser Stelle 62 hebt sich das Antriebsglied von dem Zahnrad
22 ab und schwingt frei zurück, wie F i g. 4 unschwer erkennen läßt. In dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel setzt sich während des Zurückschwingens das Antriebsglied bereits
etwa bei der Stelle 63 wieder auf das Zahnrad auf, so daß hierdurch die Tendenz
besteht, das Zahnrad um einen kleinen Betrag rückwärts zu bewegen. Im allgemeinen
stört eine derartige geringfügige Bewegung nicht. Falls sie jedoch unterbunden werden
soll, so kann hierfür irgendeine geeignete Hemmung oder Rasthalterung vorgesehen
sein, wie bereits weiter oben erwähnt wurde. Auch kann selbstverständlich die Schwingungsform
des Antriebsgliedes so getroffen sein, daß keine oder nur eine zu vernachlässigende
Rückwärtsbewegung des Zahnrades 22 stattfindet. Sobald der Oszillator seine Schwingung
in Richtung des Pfeiles D beendet hat und wieder gemäß der Richtung des Pfeiles
C schwingt, wird das Zahnrad 22 wieder in Richtung des Pfeiles B um eine Zahnteilung
weitertransportiert. Dieser Vorgang wiederholt sich dann mit jeder Schwingung.
-
Nach F i g. 5 ist der Oszillator selbst ein elektromagnetisches Schwingsystem.
Ein magnetostriktiver Geber 70 weist einen aus einem geeigneten Material
bestehenden Schwingstab 71 auf, der an einem Halsstück 72 befestigt ist.
Der Schwingstab 71 durchdringt eine Magnetspule 73. die an eine geeignete Wechselstromquelle
74 angeschlossen ist. Diese Wechselstromquelle kann einem Steuersystem entsprechen,
das die Spule 73 im Takt der Eigenfrequenz des Schwingstabes 71 mit Wechselspannung
beaufschlagt und damit diese Eigenschwingung aufrechterhält. An der vorderen Stirnseite
75 des Schwingstabes 71 ist ein als Biegefeder 17 ausgebildeter Resonator angeordnet.
Die Eigenfrequenz des Resonators 17 ist ungefähr so groß wie die Eigenfrequenz
des Schwingstabes 71. Es ergibt sich dann eine Phasenverschiebung zwischen beiden
von ungefähr 90°, so daß die Schwingungskurve 76 des freien Endes 77 des Resonators
17 annähernd ellipsenähnlich ist, wie es der Antriebsanordnung der F i g.
1 entspricht.