DE2051741A1 - Schwingungsmotor - Google Patents

Description

K. 20

OMEGA Louis Brandt & Frere S.A., Biel (Schweiz)

ßCHWINGÜNGSMOTOR

Die Erfindung betrifft Schwingungsmotoren und insbesondere Schwingungsmotoren elektrischer Uhren, bei denen ein Schwinger Teil eines mechanischen Resonators 1st, der den Gangordner einer Uhr bildet, und dessen Resonanzschwingungen durch elektrischen Antrieb unterhalten werden.

Bei Schwingungsmotoren der genannten Art ist im allgemeinen ein Schwinger an einem elastischen Arm befestigt, der periodisch sich wiederholende, im wesentlichen translator!sehe Bewegungen des Schwingers zulässt. Je nach der Bemessung und dem Betriebszustand ist Schwingarm und Schwinger als Resonator zu betrachten. Bekanntlich zeichnet sich ein Resonator im Schwingungszustand bestimmter Resonanzfrequenz durch verhältnismä'ssig grosse innere Energie und durch geringen Energieumsatz nach aussen aus.

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Fall 106

Die Erfindung erstreckt sich auch auf Schwingungsmotoren, deren Schwinger nicht im Zustand einer Resonanzfrequenz betrieben werden.

Bei den meisten Schwingungsmotoren der genannten Art ist am Schwinger eine Antriebsklinke befestigt und in Schwingungsrichtung ausgerichtet. Diese Antriebsklinke greift in die Zähne eines Schaltrades, dessen Drehlager gegenüber dem Schwinger unbeweglich angeordnet ist. In die Zähne des Schaltrades greift ausserdem eine Halteklinke, deren befestigtes Ende ebenfalls unbeweglich gegenüber dem Schwinger ist.

Die Betriebsfrequenz von Schwingungsmotoren der genannten Art liegt üblicherweise bei etwa 200 bis 700 Schwingungen pro Se-' künde. Die Durchmesser von Schalträdern bekannter Konstruktion .liegen bei etwa 1 bis 3 mm. Bereits diese Zahlen lassen erkennen, dass die Teile von Schwingungsmotoren, die die periodischen, translatorischen Bewegungen in gleichgerichtete Drehbewegungen umwandeln, dem Konstrukteur grosse technologische Probleme bieten. So muss beispielsweise der Wirkungsgrad der Umwandlung von Bewegungen sehr hoch sein, und zwar aus zwei Gründen. Der erste Grund besteht darin, dass der Energieverbrauch eines Schwingungsmotors beispielsweise für Kleinuhren einen bestimmten Wert nicht überschreiten darf, der vom Energieinhalt einer Batterie bestimmter Grosse und von Forderungen des Marktes abhängt. Der zweite Grund liegt in der Tatsache, dass Verlustenergie zur Zerstörung eines Schwingungsmotors führt, wenn die Verlustleistung einen bestimmten Wert überschreitet. Hohen Wirkungsgrad zu erzielen bedarf es genauester Einstellung der Klinken gegenüber dem

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Schaltrad und besonders widerstandsfähiger Materialien. Die Einstellung der Klinken' und die Lagerung des Schaltrades unterliegen bei bekannten Schwingungsmotoren leider im Laufe des Betriebs unerwünschten Veränderungen, da die Befestigungspunkte von Schwinger, Schaltrad und Halteklinke auf einer Grundplatte im allgemeinen verhältnismassig weit auseinanderliegen und alle Teile sowohl thermischen als auch mechanischen Einflüssen unterliegen.

Soweit Schwingungsmotoren der genannten Art als Synchronmotoren oder sogar als Gangordner für Uhren dienen, wird erwartet, dass eine bestimmte Frequenz periodischer Bev;sgungen oder periodischer Stroastösse elektrischer Energie in Drehung bestimmter Drehzahl ■ umgewandelt wird. Diese Erwartung bedingt, dass die Amplituden der Bewegungen des Schwingers in gewissen Grenzen konstant gehalten werden müssen, und dass die Stellungen der Klinken und des Schaltrades zueinander in engen Grenzen unverändert bleiben. Bei den bekannten Schwingungsmotoren sind die genannten Bedingungen nur sehr schwer zu erfüllen.

Ein weiteres Problem bei Schwingungsmotoren der genannten Art lässt sich aus dem Umstand erklären, dass beispielsweise in der Anwendung für Armbanduhren der gesamte Energieumsatz in der Grössenordnung von nur wenigen Mikrowatt liegen soll. Die in einem Schwingungsmotor dabei auftretenden Nutzkräfte sind dementsprechend gering. Deshalb können schon sehr kleine Störkräfte zu Betriebsstörungen führen. Solche Störkräfte treten beispielsweise zwischen den Klinken und dem Schaltrad auf, wenn sich zwischen diesen Teilen Schichten von Flüssigkeiten, wie

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Waser oder OeI bilden, deren molekulare Anziehungskräfte in Form von Oberflächenspannung und Haftfähigkeit vielfach die Nutzkräfte übersteigen. Flüssigkeitsschichten der genannten Art bilden sich durch Diffusion, das heisst Verdunstung von OeI aus ölgeschmierten Lagern einer Uhr und Kondensation auf dem Schaltrad oder durch Kondensator. von Wasserdampf aus feuchter Luft. Wenn beispielsweise die Ledger eines Schaltrades mit OeI geschmiert sind, ist der Diffusions-W( j verhältnismässig kurz. Die Kondensation von Wasserdampf lässt i.jh selbst in wasserdichten Uhrengehäusen vielfach nicht vermeiden.

: Er£inc^*'ig ^.iegt die Aufgabe zugrunde, die genannten Probleme zu xcsen und einen Schwingungsmotor zu schaffen, dessen Produktionsto-.—ranzen und Betriebssicherheit gross sind, und dessen empfindlichste Elemente sich bei Betriebsstörungen mit nur geringen Mitteln, geringen Vorkenntnissen und geringer Uebung auswechseln lassen.

Die Lösung der Aufgabe besteht erfindungsgemäss darin, dass sich auf einem Schwinger zwei etwa zur Schv/ingungsrichtung parallel angeordnete Klinken befinden, die an einander gegenüberliegendem Seiten in die Zähne eines Schaltrades eingreifen, dass ausserdem das Schaltrad am genannten Schwinger beweglich angeordnet und magnetisch an ein Kupplungsrad gekoppelt ist, das an einem ortsfesten Teil gelagert ist, und dass sich Schaltrad und Klinken mindestens in Schwingungsrichtung unter dem Einfluss der Massenträgheit einerseits und der Beschleunigungen durch den Schwinger andererseits in gegenseitige Bewegungen versetzen lassen, die zu gleichgerichteten Drehbewegungen dec Schaltrades führen.

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Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemassen Schwingungsmotors ist dadurch gekennzeichnet, dass sich das Schaltrad bezüglich seiner Drehachse gegenüber dem Schwinger bewegen lässt, während die Klinken am Schwinger befestigt sind. Für die gewünschte Funktion sind allerdings nur Relativbewegungen zwischen den Klinken einerseits und dem Schaltrad andererseits erforderlich. Deshalb könnte erfindungsgemä'ss auch das Schaltrad bezüglich seiner Drehachse am Schwinger befestigt sein, während sich nur die Klinken gegenüber dem Schwinger bewegen lassen. Allerdings weisen die bekannten Klinken noch zu geringe Massen auf, wahrend die Massen der bekannten Schalträder ohne weiteres das Auftreten genügend grosser Nutzkräfte erwarten lassen.

Vorzugsweise sind die Klinken und das Schaltrad in einer geschlossenen Büchse angeordnet, die auf dem Schwinger lösbar befestigt ist. Die Büchse kann mit einer Flüssigkeit niederen Dampfdrucks und niederer Viskosität oder mit einem der bekannteri| schmierenden Gase ausgefüllt sein. Als Flüssigkeiten kommen beispielsweise Silikon-Oele oder Lösungen in Frage, deren Lösungsbestandteile die physikalischen Eigenschaften der Flüssigkeit, wie beispielsweise die Oberflächenspannung und die Netzfähigkeit, verändern. Der Vorschlag, die Büchse mit Flüssigkeiten auszufüllen, scheint zwar zunächst im Hinblick auf das vorher festgestellte sehr nachteilig zu sein. Tatsächlich aber wirkt es sich sehr vorteilhaft aus, dass keine. Oberflächenspannungen mehr als Störkräfte auftreten können, wenn die Büchse vollständig mit einer Flüssigkeit ausgefüllt ist. Da Flüssigkeiten in sich dichtere Fluide sind als Gase,

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wird mit Sicherheit ihre Zusammensetzung jedenfalls durch Diffusionsion auch langfristig nicht verändert.

Für die magnetische Kopplung zwischen Schaltrad und Kupplungsrad bedarf es an sich nur an einem Rad eines magnetischen Polpaares, während am anderen Rad ein ferromagnetisches Joch aus magnetisch weichem Material bestehen könnte. Vorzugsweise weist das Schaltrad mindestens ein magnetisches Polpaar mit verhältnismässig hoher Feldstärke auf. Dieses Polpaar kann axial oder radial zum Schaltrad ausgerichtet sein, je nachdem wie das Kupplungsrad gegenüber dem Schaltrad angeordnet ist. Eine besonders kraftvolle Kupplung besteht, wenn die Drehachsen vom Schaltrad und Kupplungsrad zueinander etwa parallel verlaufen und ihr gegenseitiger Abstand innerhalb der Grenzen des Durchmessers des kleineren Rades liegt. Dann haben nämlich beide Räder dieselbe Drehrichtung, und korrespondierende Magnetpole verbleiben ständig im einmal gegebenen Kraftschluss. Die Achse des Kupplungsrades kann gegenüber der des Schaltrades aber auch derart versetzt sein, dass sich die beiden Räder entgegengesetzt drehen und bezüglich virtueller Drehkreise aufeinander abwälzen. Im Falle einer Kupplung mit koaxial zum Schaltrand angeordneten Kupplungsrad treten keine die Dynamik des Schaltrades störenden radialen Komponenten der magnetischen Kräfte auf.

Wenn erfindungsgemäss das Schaltrad am Schwinger angeordnet ist, und eich der Schwinger gegenüber der Drehachse dee Kupplungsrades bewegt, bewegt sich das Schaltrad gegenüber dem Kupplungsrad. Im Betrieb ändert eich also der gegenseitige Abstand der Drehachsen der beiden Räder periodisch. Die magnetische Kupplung

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kann ohne weiteres so bemessen sein, dass die Uebertragung des Drehmoments vom Schaltrad auf das Kupplungsrad durch die periodischen Schwankungen des Abstands zwischen den beiden Dreh-

• achsen nicht beeinträchtigt wird, selbst wenn die Amplitude der translatorischen Bewegungen des Schwingers gegenüber dem bisher

• üblichen Mass wesentlich vergrossert wird. Grundsätzlich müssen für die Konstruktion des erfindungsgemässen Schwingungsmotors keine besonderen, zusätzlichen Bedingungen berücksichtigt werden. Wenn allerdings die Toleranzen für die Produktion und die Einregulierung besonders gross sein sollen, weist der Schwingungs motor zweckmässigerweise am Schwinger befestigte Anschläge auf, die die gegenseitige Beweglichkeit zwischen Schaltrad und Klinken in Schwingungsrichtung begrenzen, und ausserdem die Anordnung der Anschläge, der Klinken und des Schaltrads auf dem Schwinger derart, dass von einer Ruhestellung aus die gegenseitige Beweglichkeit in einer Richtung etwa ein Viertel der Lange eines Zahnes des Schaltrads und in der Gegenrichtung etwa drei Viertel derselben Länge beträgt.

Wenn man keinen Anspruch auf Vollständigkeit stellt, lässt sich folgende Liste der Vorteile aufstellen, die durch die Erfindung erzielbar sind, insbesondere für den Fall, dass der Schwingungsmotor Anwendung in einer elektrischen Uhr als Gangordner findet, dessen Resonanzschwingungen durch-elektrischen Antrieb unterhalten werden:

1. Die Klinken und das Schaltrad sind gemeinsam auf einer sehr kleinen Grundplatte angeordnet, so dass die gegenseitigen Stellungen der Teile weder durch thermische noch durch mecha-

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nische Störgrö'ssen wesentlich beeinflusst werden können.

2. Während bisher die Stellungen der Klinken zum Schaltrad bei bekannten Schwingungsmotoren nur im Betriebszustand, d.h. dynamisch ausgerichtet werden konnten, erfolgt beim erfindungsgemässen Schwingungsmotor die Einstellung der Lage der Klinken gegenüber dem Schaltrad im Ruhezustand. Dies vereinfacht die Produktion sehr wesentlich.

ψ 3. Alle empfindlichen Bauteile des neuen Schwingungsmotors lassen sich in einem einzigen, als solches unempfindlichen Bauelement zusammenfassen, dessen Produktion somit von der Produktion der übrigen Teile unabhängig ist.

4. Alle Bauteile, die zu Betriebsstörungen führen könnten, sind in dem bereits erwähnten, unempfindlichen Bauelement zusammengefasst, das im Fall einer Störung ohne besondere Vorkenntnisse, Werkzeuge und Erfahrungen ausgewechselt werden

^ kann.

5. Die empfindlichen Bauteile können durch Kapselung atmosphärischen Einflüssen entzogen werden.

6. Die in einer elektrischen Uhr der grössten Reibung unterliegenden Bauteile und Lagerstellen können vollständig in das Bad eines Schmiermittels getaucht sein und unterliegen deshalb nur noch geringem Verschleiss.

7. Die Toleranzgrenzen für die bisher empfindlichsten Lager-

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stellen einer elektrischen Uhr sind durch die Erfindung erheblich erhöht worden, da beispielsweise Lagerspiel systematisch zur richtigen Funktion herangezogen werden kann.

8. Die Frequenz der Betriebsschwingungen -kann bei dem neuen Schwingungsmotor erheblich erhöht werden, was insbesondere für die Anwendung als Gangordner in einer elektrischen Uhr von Vorteil ist.

9. Die Drehzahl am Ausgang des neuen -Schwingungsmotors ist unabhängig von der Amplitude der translatorischen Bewegungen des Schwingers und somit auch weitgehend unabhängig von der Belastung durch das Räderwerk·

10. Die Drehzahl am Ausgang des neuen Schwingungsmotors lässt sich durch von aussen einwirkende Stösse weniger beeinflussen, als dies bisher bei den bekannten Schwingungsmotoren der Fall war, weil eben beim neuen Schwingungsmotor im Gegensatz zu den bekannten die Drehzahl von der Amplitude unabhängig ist und eine durch Stösse erhöhte Amplitude in elektrischen Uhren mit bekannten Schwingungsmotoren jeweils nur langsam auf ihren Normalwert wieder abfällt.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden durch Ausführungsbeispiele mit Hilfe der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen stellen dar:

Figur 1 die für die Erfindung wesentlichen Teile eines als Gangordner einer elektrischen Uhr dienenden Schwingungsmotors

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Figur 2 einen Ausschnitt aus einem Schwingungsmotor nach Figur 1, aus dem die Stellungen der Klinken und des Schaltrads bezüglich dem Schwinger zu entnehmen sind,

Figuren 3a bis k neun Phasen sich periodisch wiederholender Betriebszustände zwischen Klinken und Schaltrad in einem erfindungsgemässen Schwingungsmotor,

Figur 4 die Aufsicht auf wesentliche Bauteile des Schwingungsmob tors nach Figur 1, eingebaut in eine, für die Zeichnung

aufgeschnittene Büchse,

Figur 5 den Querschnitt durch Büchse und Schaltrad nach Figur 4 entlang der strichpunktierten Linie 1Γ-Υ,

Figur 6 die geschnittene Teilansicht einer abgewandelten Ausführungsform von Bauteilen des Schwingungsmotors nach den Figuren 1, 4 und 5

Figur 7 die geschnittene Teilansicht einer wiederum abgewandelten Ausführungsform des Schwingungsmotors nach den Figuren 1, 4 und 5,

Figur 8 eine schematische Teilansicht einer anderen Augführungs- torm des erfindungsgemassen Schwingung§motorS₁ und

Figur 9 ein Diagramm mv SrläufceTWig der ge.£§nseiWgen Bewegungen von Massenpvmlctiin im lstriefc dei neuen

i0«taa/i in

Gemäss Figur 1 umgreift ein Polschuh 1 eine Spule 2 und bildet mit dieser zusammen die wesentlichen Bauteile eines elektromechanischen Energiewandlers. Der Polschuh 1 trägt an seinen Innenseiten Magnete, deren Magnetfluss die Windungen der Spule 2 schneiden. Die Spule befindet sich auf einem Spulenkern 3, in dessen Innerem sich in bekannter Weise die Bestandteile eines elektrischen Oszillator-Schaltkreises befinden können, dessen Ausgang mit den Spulonenden verbunden ist. Schrauben 4 und 5 dienen der Befestigung von Spulenkern und Spule auf einer nicht näher bezeichneten Grundplatte. Auf derselben Grundplatte ist das ebenfalls nicht dargestellte Ende eines Schwingarms 6 befestigt, dessen freies Ende in einen Schwingkörper 7 übergeht, der seinerseits den Polschuh 1 trägt. Genau genommen sind in der Praxis die verschiedenen Teile 1, 6 und 7 durch Lotung oder Kleber miteinander verbunden.

Der Polschuh 1, der Schwingkörper 7 und der Schwingarm 6 bilden zusammen die eine Hälfte eines mechanischen Resonators im anfangs beschriebenen Sinne. Im Schwingarm 6 tritt die gespeicherte, innere Energie des Resonators in Form von Eüastizitätskräften in Erscheinung. Die zweite Hälfte des Resonators ist nicht dargestellt und kann vorteilhaft zur ersten Hälfte achssymmetrisch angeordnet sein. Dabei umgreift dann ein weiterer Polschuh die Windungen derselben Spule 2. In der beschriebenen Form dienen der Resonator und der von diesem gesteuerte Oszillator-Schaltkreis im Spulenkern 3 zugleich als Antrieb und als Gangordner einer elektrischen Armbanduhr.

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Al

Auf dem Schwingkörper 7 ist eine im wesentlichen kreiszylindrische Büchse 8 angeordnet, in der sich ein Schaltrad 9 und zwei Klinken 10 und 11 befinden. Im Interesse der Uebersichtlichkeit wurden in der Figur 1 die Grossenverhaltnisse insbesondere der Klinken und des Schaltrads stark verzerrt und diese nur schematisch angedeutet. Es soll jedenfalls erkennbar sein, dass die Klinken etwa zueinander und zur Schwingungshauptrichtung des Schwingkörpers 7 parallel ausgerichtet sind. Die Drehachse des Schaltrads 9 steht dazu etwa senkrecht.

Die Büchse 8 ist vorzugsweise gasdicht verschlossen. Das Schaltrad 9 überträgt magnetisch ein Drehmoment auf ein Kupplungsrad 12, das sich ausserhalb der Büchse 8 befindet und ebenfalls im Interesse der Uebersichtlichkeit nur schematisch dargestellt ist. Die Drehachse des Kupplungsrads 12 ist durch ein Kreuz 13 angedeutet und verläuft etwa parallel zu der des Schaltrads 9, allerdings weit ausserhalb des Bereichs des Schaltrads, was gewisse konstruktive Vorteile mit sich bringt. Wie bereits vorher in der allgemeinen Beschreibung erklärt wurde, könnte das Kupplungsrad auch etwa koaxial zum Schaltrad 9 angeordnet sein. In diesem Fall wäre allerdings sein magnetisch wirksamer Durchmesser etwa auf den des Schaltrads beschränkt. Das Schaltrad 12 kann mit dem Räderwerk und den Zeigern einer Uhr in Verbindung stehen.

Bei Figur 2 ist davon auszugehen, dass allein die Grossenverhaltnisse zweier Zahnreihen 16 und 17 und des Durchmessers einer Bohrung 18 eines Schaltrads 19, ausserdem der Durchmesser eines Zapfens 20, zweier Klinkensteine 21 und 22 und zweier Klinken und 24 etwa miteinander übereinstimmen. Im übrigen ist das

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Schaltrad 19 stark deformiert dargestellt. Zwei gestrichelte Linien 25 und 26 verbinden die beiden Zahnreihen 16 und 17 und sollen andeuten, dass diese am Umfang des Schaltrads ineinander übergehen. Der Zapfen 20 ist ebenso wie die nicht dargestellten Enden der Klinken 23 und 24 auf einer Grundplatte befestigt. Die Differenz der Durchmesser der Bohrung 18 und des Zapfens 20 beträgt etwa die Länge eines Zahns der Zahnreihe 16 oder 17, bzw. eine Zahnteilung.

In Figur 2 ist die Ruhestellung der einzelnen Bauteile zueinander dargestellt. Die Bauteile nehmen die Ruhestellung dann ein, wenn zwischen ihnen keine Relativbewegung herrscht und auf sie keine andere Beschleunigung als die Erdbeschleunigung einwirkt. In der Ruhestellung soll erfindungsgemass eine durch ein Kreuz 27 angedeutete Mittelachse der Bohrung 18 von einer ebenfalls durch ein Kreuz angedeuteten Mittelachse 28 des Zapfen 20 einen Abstand von der Grösaenordnung eines Viertels der Länge eines Zahns der Zahnreihen 16 und 17, bzw. von der Grössenordnung eines Viertels einer Zahnteilung aufweisen. Wenn die zuletzt genannten Bedingungen erfüllt sind, beträgt die Produktionstole- tsliiz im Bereich d@r Durchmesser der Bohung 18 und des Zapfens 20 ebenso wie im Bereich der Einstellung der Klinken 23 und 24 i ein Viertel 4er Länge eines Zahns bzw. ein Viertel einer Zahnteilung.

Ia gegebenen Fall sind die Klinken 23 und 24 um ein Viertel der Länge eines Zahns des Schaltrads 19 in Schwingungsrichtung aus einer zum Zap'fen 20 zentralsymmetiLschen Lage verschoben an der Grundplatte befestigt»

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In Figur 3 sind die Bauteile nach Figur 2 zum reinen Schema deformiert und vereinfacht dargestellt. Im Interesse der Uebersichtlichkeit wurden nur an der Figur 3f entsprechende Bezugsziffern angebracht. Dementsprechend bedeuten die Pfeile in Figur 3 Jeweils die beiden Klinken 23 und 24. Die stufenförmigen Gebil de sind die Zahnreihen 16 und 17. Die mehr oder weniger exzentri schen Ringe bedeuten die Umfangslinien der Bohrung 18 und des in die Bohrung ragenden Zapfens 20.

In Figur 3a ist die der·Figur 2 entsprechende Ruhestellung dargestellt. In der Ruhestellung berühren die freien Enden der beiden Klinken zwei einander gegenüberliegende Zahnflanken der beiden Zahnreihen.

Figur 3b zeigt eine Stellung» die dann auftritt, wenn der Schwinger, die Klinken und der Zapfen sich nach rechts bewegt haben, und wenn der Zapfen 20 und die Klinke 23 auf das Schaltrad 19 eine Kraft ausüben und dieses beschleunigen. In diesem Zustand hat der Zapfen 20 gegenüber dem Zustand nach Figur 3a und mit Bezug auf das Schaltrad 19 einen Weg der Lange eines Viertels einer Zahnteilung zurückgelegt, während der Weg der Klinke 24 mit Bezug auf die Zahnflanke, die sie vorher berührt hatte, den doppelten Meg hinter sich brachte, d*h. etwa den Weg von der Länge der Hälfte eines Zahnteilung.

Die Figur 3c stellt den dynamischen Zustand der Bauteile in einem späteren Zeitpunkt dar, in de.« das Schal trad If seine Bewegung in Richtung nach recht» beibehält, während die vom Schwinger gesteuerte Beschleunigung«der Klinken und des Zapfens

bereits umgekehrt ist. Sobald sich der Zapfen wieder konzentrisch in der Mitte der Bohrung 18 des Schaltrads 19 befindet, schlägt die Klinke 24 an der bereits genannten Zahnflanke der Zahnreihe 17 an, während sich die Klinke 23 von der Zahnflanke, die sie vorher berührt hatte, um die Länge der Hälfte einer Zahnteilung entfernt hat.

Bei weiterer Relativbewegung von Zapfen und Klinken gegenüber dem Schaltrad nach links erreichen die Bauteile eine Stellung nach Figur 3d, in der die Klinke 24 weiterhin dieselbe Zahnflanke berührt und auf das Schaltrad eine nach links gerichtete Kraft ausübt, während sich die Klinke 23 am Ende des Zahns befindet, auf dem sie bisher auflag. Zu diesem Zeitpunkt fällt die Klinke 23 von einem Zahn zum nächsten. In der Zeitspanne zwischen den Stellungen nach den Figuren 3c und 3d hat der Zapfen gegenüber dem Schaltrad nur die Weglänge eines Viertels einer Zahnteilung zurückgelegt, während die Klinke 23 gegenüber dem Schaltrad die doppelte Weglänge, d.h. die Weglänge der Hälfte einer Zahnteilung zurücklegen konnte. Es sei in diesem Zusammenhang ausdrücklich darauf hingewiesen, dass auf Grund der gegebenen Konstruktion die absolute, zurückgelegte Weglänge für beide Klinken ebenso wie für den Zapfen identisch ist und vom Schwinger gesteuert wird. Die verschiedenen Darstellung in Figur 3"betreffen jedoch die relativen Weglängen gegenüber dem Schaltrad, das sich einmal auf das freie Ende der einen Klinke und ein anderes Mal auf das freie Ende der anderen Klinke abstützt und sich um diese freien Enden in wechselnden Richtungen dreht.

Der in Figur 3e dargestellte, dynamische Betriebszustand ent-

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spricht dem in Figur 3b₍ dargestellten, jedoch mit dem Unterschied, dass Kraft- und Bewegungsrichtung des zweiten Zustands der des ersten Zustands entgegengesetzt gerichtet ist. Ein weiterer und wesentlicher Unterschied besteht auch darin, dass im Zustand nach Figur 3e, bezogen auf den Zustand nach Figur 3b, das Schaltrad gegenüber der Klinke 23 um einen Zahn vorgerückt ist.

Im Zustand nach Figur 3f behält der Masseschwerpunkt des Schaltrads 19 noch seine Bewegung in Richtung nach links bei, während Zapfen und Klinken, bezogen auf den Zustand nach Figur 3e, bereits umgekehrter Beschleunigung unterliegen.

Der Zustand nach Figur 3g entspricht dem nach Figur 3c, allerdings mit umgekehrten Verhältnissen bezüglich den auftretenden Kräften und Beschleunigungen. Zum richtigen Verständnis der Funktion muss man jedoch immer berücksichtigen, dass der Vorgang des Fortschreitens des Schaltrads gegenüber der Klinke 23 im Zustand nach Figur 3d irreversibel ist, und dass die festgestellten Aequivalenzen zwischen verschiedenen dynamischen Zuständen in fortschreitender Zeit nicht die Umkehrbarkeit aller dazwischenliegender Vorgänge begründen können. Eine gewisse Periodizität tritt jeweils nur mit einer Umdrehung des Schaltrads auf.

Der dynamische Betriebszustand nach Figur 3h entspricht dem nach Figur 3d, jedoch mit umgekehrter Richtung der Kraft- und Beschleunigungsverhaltnisse. Die Klinken 23 und 24 haben im Zustand nach Figur 3h gegenüber dem nach Figur 3d ebenfalls ihre Funktionen vertauscht. Im jüngeren Fall steht nämlich die Klinke 24 im Begriff, vom einen Zahn der Zahnreihe 17 auf den nächsten Zahn herunter -

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zufallen, was an sich physikalisch richtiger als ein Fortschreiten des Schaltrads gegenüber der Klinke 24 um einen Zahn bezeichnet wird. Die Drehung des Schaltrads 19 gegenüber den Klinken 23 und 24, bzw. gegenüber der Grundplatte und dem Schwinger beträgt zwischen den Betriebszuständen nach den Figuren 3a und 3h insgesamt eine Zahnteilung. Wenn man von der irreversiblen Drehung des Schaltrads um diese Zahnteilung absieht, ist der dynamische Betriebszustand nach Figur 3h völlig dem nach Figur 3a vergleichbar.

Die Figuren 3i und 3k stellen denselben dynamischen Betriebszu- ' stand wie die Figur 3b dar. Die beiden le»tzten Figuren unterscheiden sich voneinander lediglich durch eine Verschiebung der die Zahnreihen 16 und 17 darstellenden Treppenstufen gegenüber dem Umfangskreis der Bohrung 19· Diese formal notwendige Verschiebung beweist sinnfällig das Fortschreiten des Schaltrads um eine Zahnteilung gegenüber den Klinken und dem Zapfen.

Mit Hilfe der Figur 3 lassen sich auch alle, im Zusammenhang mit der Figur 2 aufgestellten Bedingungen rechtfertigen und die Tatsachenbehauptung über die einzuhaltenden Toleranzen ohne weiteres beweisen.

Gemäss der Darstellung nach Figur 4 greifen zwei Klinken 31 und 32 in die Zahne eines Schaltrads 33 ein. Zwei verschiedene Stellglieder 34 und 35 halten je eine Klinke in ihrer Stellung etwa parallel zur anderen und parallel zur Hauptschwingungsrichtung des Schwingers· Die beiden Stellglieder repräsentieren zwei verschiedene Konstruktionsmöglichkeiten, von denen jede ihre beson-

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deren Vorzüge und Nachteile aufweist. .

Das Stellglied 34 ist an einem Boden 36 einer Büchse 37 durch drei Bolzen 38, 39 und 40 befestigt. Selbstverständlich sind die Bolzen auch durch eine Lötung oder durch andere Befestigungsmittel ersetzbar. Das'freie Ende des Stellglieds 34 liegt auf einem Exzenterbolzen 41 auf, der in eine Bohrung 43 des Bodens.36 einchassiert ist. Die Wirkung des Stellglieds 34 liegt in seiner Elastizität. Das Stellglied liegt jedenfalls mit einer gewissen Vorspannung am Exzenterbolzen an. Wenn man den Exzenterbolzen beispielsweise mit einem Schraubenzieher dreht, verschiebt sich das freie Ende des Stellglieds 34 und damit auch das freie Ende der Klinke 31.

Am Stellglied 35 ist demgegenüber ein Zapfen 44 befestigt, der in einer entsprechenden Bohrung des Bodens 36 klemmt. Das freie Ende des Stellglieds 35 und damit das freie Ende der Klinke 32 lässt sich also durch Drehen am Stellglied im Bereich seines Zapfens 44 bewegen. Mit dem Stellglied 35 lässt sich zwar die Lage der Klinke 32 nicht so fein einstellen wie die Lage der Klinke 31 mit dem Stellglied 34. Dieser Nachteil wird jedoch durch die besondere Einfachheit der Konstruktion des Stellglieds 35 ausgeglichen· '

Für die Figur 5 wurden,im Interesse der üebersichtlichkeit der Exzenterbolzen 43, die beiden Stellglieder 34 und 35 und die beiden Klinken 31 und 32 weggelassen. In Figur 5 erkennt man die besonderen Konstruktionsmerkmale einer Radnabe 46, auf der das Schaltrad 33 aufgezogen ist. Die Radnabe besteht aus ferro-

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magnetischem Material hoher Koerzitivkraft und weist mindestens ein magnetisches Polpaar auf. Die Radnabe lässt sich dementsprechend auch als Polrad bezeichnen. Bisher haben sich Polräder mit einem oder zwei Polpaaren am Umfang für Schwingungsmotoren in elektrischen Uhren bewährt. Dabei folgen einander am Umfang jeweils Pole verschiedener Polarität.

In eine Bohrung 47 der Radnabe 46 ragt ein Stift 48, der in einer entsprechenden Bohrung der Grundplatte 36 verankert ist. Die Differenz der Durchmesser der Bohrung 47 und des Stifts 48 beträgt etwa die Länge einer Zahnteilung des Schaltrads 33.

Die Radnabe 46 berührt nur mit einer Kante an ihrem Umfang die Oberfläche eines flachen Uhrensteins 49, der ebenfalls an der Grundplatte 36 der Büchse 37 befestigt ist. Eine weitere Kante 50 der Radnabe 46 liegt einer Abschlussplatte 51 gegenüber, die in einen Bördelrand 52 der Büchse 37 eingelegt ist und die Büchse abschliesst. Die Abschlussplatte kann aus mineralischem Material bestehen, vorzugsweise aus dem Material der Uhrensteine. Selbstverständlich darf das Material der Abschlussplatte 51 ebenso wenig wie das der Büchse 37 ferromagnetisch sein, damit die magnetische Kupplung zwischen der Radnabe 46 und einem, ausserhalb der Büchse 37 befindlichen Kupplungsrad nicht gestört wird. , Die Büchse 37 einschlosslieh ihrem Inhalt könnte identisch mit der Büchse 8 nach Figur 1 und deren Inhalt sein. In diesem Fall stände das Kupplungsrad 12 im Kraftschluss mit der Radnabe 46 und dem Schaltrad 33.

Bei der Ausführungsform nach Figur 6 sitzen-ein Schaltrad 55 und

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ein Magnetrad 56 mit geraeinsamem Schwerpunkt fest auf einer Radachse 57. Das eine Ende dieser Radachse ist in einem Stein-Lager 58 ohne erhebliches Spiel gelagert. Ein Stein-Lager 59 umfasst das andere Ende der Radachse, und zwar mit einem Spiel von der Grössenordnung einer Zahnteilung am Schaltrad 55.' Die beiden Stein-Lager 58 und 59 befinden sich wiederum in einer Bodenplatte 60 und einer Deckplatte 61 einer Büchse.

Im Betrieb führen das.Schaltrad 55 und das Magnetrad 56 zusammen mit der Radachse 57 Taumel-Bewegungen aus.

Bei der Ausführungsform nach Figur 7 sitzen ein Schaltrad 62 und ein Magnetrad 63 fest auf einer Radachse 64, deren eines Ende in ein Stein-Lager 65 ragt, und deren anderes Ende von einem Stein-Lager 66 umfasst wird. Die beiden Stein-Lager befinden sich in einer Bodenplatte 67 und einer Deckplatte 68 einer Büchse.

Zwischen der Radachse 64 und den beiden Lagern 65 und 66 herrscht ein Spiel von der Grossenordmmg einer Zahnteilung am Schaltrad 62. Während des Betriebs bewegen sich dementsprechend das Schaltrad 62, das Magnetrad 63 und die Radachse 64 periodisch achsparallel.

Bei der Ausführungsform nach Figur 8 befinden sich im Axialbereich eines Schaltrads 70 keine gegenüber diesem festen Anschläge. Achsparallele Bewegungen im Betrieb dieses Schaltrads werden vielmehr durch Käfig-Wände 71 und 72 und durch Klinken 7.3 und 74 ; begrenzt. Diese Konstruktionsform ist. insbesondere dann von Vor- ; teil, wenn die einzelnen Bauteile des Schwingungsmotors sehr

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klein sind und die Toleranzgrössen im mikroskopischen Bereich liegen.

Im Diagramm nach Figur 9 ist die Amplitude eines virtuellen Mittelpunkts des Schwingers und eines Masseschwerpunkts von Schaltrad und Magnetrad des erfindungsgemässen Schwingungsmotors über der Zeit aufgetragen. Die mit ausgezogener Linie gezeichnete Airve 76 betrifft den virtuellen Mittelpunkt des Schwingers, während die mit gestrichelter Linie gezeichnete Kurve 77 die Bewegung des Massenschwerpunkts von Schaltrad und Magnetrad wiedergibt. Die Zuordnung der beiden Kurven zueinander wird insbesondere im Zusammenhang mit Figur 2 der Zeichnungen deutlich. Der virtuelle Mittelpunkt, dessen Bewegung durch die Kurve 76 repräsentiert ist, liegt nach Figur 2 auf der Mittelachse 28, während der Masseschwerpunkt von Schaltrad und Magnetrad gemäss Figur 2 auf der Drehachse 27 liegt.. Wenn man in erster Näherung annimmt, dass die beiden Achsen sich nur achsparallel zueinander bewegen, kann man also auch ohne weiteres die Kurve 76 der Mittelachse 28 und die Kurve 77 der Drehachse 27 zuordnen. Es ist dann nur noch zu beachten, dass die Kurven in einer Ebene senkrecht zu den Achsen nur eine einzige Bewegungskomponente repräsentieren, und zwar die in der Hauptrichtung der Schwingungsbewegungen des Schwingers.

Die Kurve 76 ist eine Sinuslinie, die der Praxis entspricht, wenn der Schwinger zu einem mechanischen Resonator gehört. Die Zeit-Achse repräsentiert im Diagramm nach Figur 9 die Ruhestellung der Mittelachse 28 nach Figur 2, bzw. die Ruhestellung des Schwingers·

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Wenn im dynamischen Betriebszustand die Mittelachse 28 die Ruhestellung durchläuft, befinden sich die verschiedenen Bauteile in einer Lage zueinander, die etwa der nach Figur 3b entspricht. Die Drehachse 27 folgt der Mittelachse 28 dabei im Abstand van etwa einer iTalben Zahnteilung nach. Dieser Betriebszustand wird im Diagramm nach Figur 9 durch die Punkte 78 und 79 gekennzeichnet. Im Punkt 78 erfolgt fur die Mittelachse 28 eine Beschleunigungsumkehr,

während die Drehachse 27 in Punkt-79 die erreichte Geschwindigkeit beibehält. Deshalb lässt sich die Bewegung der Drehachse von Punkt 29 aus durch eine Gerade darstellen, und zwar bis zu einem Punkt 80. Im Punkt 80 ist die Drehachse 27 der Mittelachse 28 etwa um die Länge einer Zahnteilung vorausgeeilt. Dieser Betriebszustand entspricht der Darstellung in Figur 3e.

Vom Punkt 80 aus bestimmt die Bewegung der Mittelachse 28 auch die Bewegung der Drehachse 27. Deshalb setzt sich die Kurve 77 vom Punkt 80 aus in einer Sinus-Linie fort, und zwar bis zu einem Punkt 82, der senkrecht über dem Schnittpunkt 83 der Linie 76 mit der Zeitachse liegt.

Im Punkt 83 erfolgt eine Beschleunigungsumkehr für die Mittelachse 28, während ^ die Drehachse 27 in Punkt 82 ihre erreichte Geschwindigkeit bis zu einem Punkt 84 der Kurve 77 beibehält. Dem-

entsprechend geht in diesem Bereich die Kurve 77 in eine Gerade über. Dem Betriebszustand nach Punkt 84 entspricht die Stellung der Bauteile nach Figur .31 zueinander.

Vom Punkt 84 aus wird die Bewegung der Drehachse 27 wieder vollständig von der Bewegung der Mittelachse 28 bestimmt. Dement-

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sprechend geht die Kurve 77 vom Punkt 84 aus in eine Sinus-Linie über, und zwar bis zu einem Punkt 86, der senkrecht unter dem Schnittpunkt 87 der Kurve 76 mit der Zeitachse liegt.

Zwei Schnittpunkte 88 und 89 der beiden Kurven 76 und 77 stellen die Betriebszustände dar, die den Figuren 3c und 3g zu Grunde liegen.

Für die Kurve 77 wurden Einflüsse der Reibung und der Klinken auf das Schaltrad nicht berücksichtigt. Deshalb ist auch die Zuordnung bestimmter Punkte der beiden Kurven zu bestimmten Stellungen der Bauteile nach Figur 3 nicht ganz eindeutig. Wenn man für die Kurve 77 eine Reibung berücksichtigt, verschieben sich die Punkte 80 und 84 jeweils nach rechts auf den sinusförmigen Abschnitten der Kurve. Selbstverständlich können d-abei die Kurvenabschnitte zwischen den Punkte 79 und 80 einerseits und den Punkten 82 und 84 andererseits keine Geraden sein. Wenn man die Einflüsse der Klinken berücksichtigt, treten neben den Unstetigkeiten an den Punkten 80 und 84 weitere Unstetigkeiten auf.

Allgemein lässt sich feststellen, dass die Bewegung von Schaltrad und Magnetrad, bzw. die Bewegung der Drehachse 27 in einem Bereich liegt, der von zwei durchlaufenden Sinus-Linien begrenzt ,wird. Die eine durchlaufende Sinus-Linie enthält das Teilstück der Kurve 77 zwischen den Punkten 80 und 82. Die andere durchlaufende Sinus-Linie enthalt das Teilstück der Kurve 77 zwischen den Punkten 84 und 86. Der Bewegungsbereich der Drehachse 27 liegt also in einem, der Kurve 76 folgenden Band, dessen Breite in Richtung der Amplitude, bezogen auf das Diagramm nach Figur 9,

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etwa eine Zahnteilung beträgt.

Obwohl die Erfindung oben anhand von Anwendungsbeispielen für die Zeitmessung erläutert ist, sind auch vorteilhafte Anwendungen ausserhalb der Zeitmesstechnik möglich.

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Claims (15)

1. JlS

   Patentansprüche

   (l))Schwingungsmotor insbesondere für Zeitmessgeräte, mit auf ein Schaltrad wirkenden Klinken, dadurch gekennzeichnet, dass sich auf einem Schwinger (6, 7) zwei etwa zur Schwingungsrichtung parallel angeordnete Klinken (10, 11) befinden, die an einander gegenüberliegenden Seiten in die Zähne eines Schaltrades (9) eingreifen, dass ausserdem das Schaltrad am genannten Schwinger beweglich angeordnet und magnetisch an ein Kupplungsrad (12) gekoppelt ist, das an einem ortsfesten Teil gelagert ist, und dass sich Schaltrad und Klinken mindestens in Schwingungsrichtung unter dem Einfluss der Massenträgheit einerseits und der Beschleunigung durch den Schwinger andererseits in gegenseitige Bewegungen versetzen lassen, die zu gleichgerichteten Drehbewegungen des Schaltrades führen.
2. 2) Schwingungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Schaltrad (9) bezüglich seiner Drehachse gegenüber dem Schwinger (6, 7) bewegen lässt, während die Klinken (10, 11) am Schwinger befestigt sind.
3. 3) Schwingungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltrad (19) ein Loch (18) aufweist, in das ein am λ Schwinger (6, 7) befestigter Zapfen (20) ragt, dessen Querschnitt kleiner als der des Lochs ist.
4. 4) Schwingungsmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Loch (18) als konzentrische Bohrung des Schaltrades (19) und der Zapfen (20) kreiszylindrisch ausgebildet ist.
5. 5) Schwingungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltrad (55, 63) auf einer Radachse (57, 64) befestigt ist, von der mindestens ein Ende in ein Achslager (59/ 66) ragt, dessen freier Durchmesser grosser ist als der der Radachse.

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6. 6) Schwingungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltrad (9, 33) in einem Käfig (8, 37) lagert, dessen lichte Weite in Schwingungsrichtung grosser als der Durchmesser des Schaltrads ist.
7. 7) Schwingungsmotor nach einem der Ansprüche 1-6, gekennzeichnet durch am Schwinger befestigte Anschläge (71, 72), die die gegenseitige Beweglichkeit zwischen Schaltrad (70) und Klinken (73, 74) in Schwingungsrichtung begrenzen, und durch die Anordnung der Anschläge, der Klinken und des Schaltrades auf dem Schwinger derart, dass von einer Ruhestellung aus die gegenseitige Beweglichkeit in einer Richtung etwa ein Viertel der Länge.eines Zahns des Schaltrads und in der Gegenrichtung etwa drei Viertel derselben Länge beträgt.
8. 8)Schwingungsmotor nach Anspruch 4 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Spiel zwischen Bohrung (18) und Zapfen (20), das heisst die Differenz der Durchmesser von Bohrung und Zapfen etwa die Länge eines Zahns (16) des Schaltrads (19) beträgt, und dass die Klinken (21, 22) um ein Viertel der Länge eines Zahns des Schaltrads in Schwingungsrichtung aus einer zum Zapfen zentralsymmetrischen Lage verschoben am Schwinger befestigt sind.
9. 9) Schwingungemotor nach Anspruch 5 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz zwischen den Durchmessern von Radachse (57, 64) und Achslager (59, 66) etwa die Länge eines Zahns beträgt, und

   dass die Klinken um ein Viertel der Länge eines Zahns des Schaltrads in Schwingungsrichtung aus einer zum Zapfen zentralsymmetrischen Lage verschoben am Schwinger befestigt «Ind.
10. 10) Schwingungemotor nach einem der Ansprüche 1*9, dadurch

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    gekennzeichnet, dass Klinken und Schaltrad in einer geschlossenen Büchse (8, 37) angeordnet sind, die auf dem Schwinger lösbar befestigt ist.
11. 11) Schwingungsraotor nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, dass sich am Schaltrad mindestens ein magnetisches Polpaar befindet.
12. 12) Schwingungsmotor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Büchse mit einer Flüssigkeit niederen Dampfdrucks und niederer Viskosität ausgefüllt ist.
13. 13) Schwingungsmotor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Büchse mit Silikon-Oel ausgefüllt ist.
14. 14) Schwingungsmotor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Büchse mit einer Lösung gefüllt ist.
15. 15) Anwendung des Schwingungsmotors nach Ansprüchen 1-14 in einer elektrischen Uhr, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwinger Teil eines mechanischen Resonators (6, 7) ist, der den Gangordner der Uhr bildet, und dessen Resonanzschwingungen durch elektrischen Antrieb (1, 2) unterhalten werden.

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