DE2051741B2 - Schwingungsmotor, insbesondere fuer zeitmessgeraete - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Schwingungsmotor, insbesondere für Zeitmeßgeräte, mit einem mechanischen Schwinger und mit auf ein Schaltrad, das magnetisch an ein an einem ortsfesten Teil gelagertes Kupplungsrad gekoppelt ist, v/irkenden Klinken.

Bei Schwingungsmotoren der genannten Art ist im allgemeinen ein Schwinger an einem elastischen Arm befestigt, der periodisch sich wiederholende, im wesentlichen translatorische Bewegungen des Schwingers zuläßt. Bei geeigneter Bemessung ist Schwingarm und Schwinger als Resonator zu betrachten. Bekanntlich zeichnet sich ein Resonator im Schwingungszustand einer bestimmten Frequenz, seiner Resonanzfrequenz, durch verhältnismäßig große innere Energie und durch geringen Energieumsatz nach außen aus. Die Erfindung erstreckt sich aber auch auf Schwingungsmotoren, deren Schwinger nicht im Zustand einer Resonanzfrequenz betrieben werden.

Bei den meisten Schwingungsmotoren der eingangs 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 (belgische Patentschrift 716).

Die Belriebsfrequenz von Schwingungsmotoren der genannten Art liegt üblicherweise bei stwa 200 bis 700 Schwingungen pro Sekunde. 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 bei dieser Umwandlung 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 daif, der vom Energieinhalt der verwendeten Batterie und von Forderungen des Marktes (gewünschte Laufzeit ohne Batteriewechsel) abhängt. Der zweite Grund liegt in der Tatsache, daß die Verlustleistung zur Zerstörung eines Schwingungsmotors führt, wenn sie einen bestimmten Wert überschreitet. Um einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen, bedarf es genauester Einstellung der Klinken gegenüber dem 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 verhältnismäßig weit auseinanderliegen und alle Teile sowohl thermischen als auch mechanischen Einflüssen unterliegen.

Von Schwingungsmotoren der genannten Art, die als Synchronmotoren oder sogar als Gangordner für Uhren dienen, wird erwartet, daß periodische Bewegungen oder periodische Stromstöße einer bestimmten Frequenz in die Drehbewegung eines Rades mit einer bestimmten Drehzahl synchron umgewandelt werden. Dies setzt voraus, 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 Schwingungsmoloren der genannten Art läßt sich aus dem Umstand erklären, daß beispielsweise in der Anwendung für Armbanduhren der gesamte EnergieumscHz 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 Wasser oder öl, bilden deren molekulare Anziehungskräfte in Form von Oberflächenspannung und Haftfähigkeit vielfach die Nutzkräfte übersteigen. Flüssigkeitsschichten der genannten Art bilden sich durch Verdunstung, z. B. von Öl aus ölgeschmierten Lagern einer Uhr, und Kondensation auf dem Schaltrad. Die Kondensation von Wasserdampf aus feuchter Luft beispielsweise läßt sich selbst in wasserdichten Uhrgehäusen vielfach nicht vermeiden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die ge· nannten Probleme zu lösen und einen Schwingungsmntnr 7ii schaffen, dessen Produktionstoleranzen und Betriebssicherheit groß sind und dessen empfindlichste Elemente sich bei Betriebsstörungen mit nur geringen Mitteln, geringen Vorkenntnissen und geringer Übung auswechseln lassen.
Die Lösung der Aufgabe besteht erflndungsgemilß darin, daß auf dem Schwinger zwei zur Schwingungsrächtung etwa parallel angeordnete Klinken befestigt sind, die gegeneinander um etwa 180° gedreht sind und an einander gegenüberliegenden Seiten in

ίο die Zähne des Schaltrades eingreifen, daß außerdem das Schaltrad am Schwinger beweglich angeordnet ist und daß sich das Schaltrad einerseits und die Klinken andererseits in Schwingungsrichtung unter dem Einfluß von Massenträgheit und Beschleuni-

gung durch den Schwinger in relativ zueinander entgegengesetzte Bewegungen versetzen lassen, welche durch Begrenzungselemente so begrenzt werden, daß das Schaltrad gegenüber den Klinken nur Relatiybewegungen mit einem Hub von etwa seiner Zahntei-

ao lung ausführen kann, weiche Relativbewegungen durch das Zusammenwirken besagter Klinken und Begrenzungselemente mit dem Schaltrad zu gleichgerichteten Drehbewegungen desselben umgewandelt werden.

as Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schwingungsmotors ist dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltrad ein Loch aufweist, in das ein am Schwinger befestigter Zapfen ragt, dessen Querschnitt kleiner als der des Lochs ist. Für die gewünschte Funktion sind lediglich Relativbewegungen zwischen den Klinken einerseits und dem Schaltrad andererseits erforderlich. Deshalb könnte grundsätzlich 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, während 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 bekannten schmierenden Gase ausgefüllt sein. Als Flüssigkeiten kommen beispielsweise Silikon-Öle oder Lösungen in Frage, deren Lösungsbestandteile die physikalischen Eigenschaften der Flüssigkeit, wie beispielsweise die Oberflächenspannung und die Netzfähigkeit, verändem. Der Vorschlag, die Büchse mit Flüssigkeiten auszufüllen, scheint zwar zunächst im Hinblick auf obige Ausführungen sehr nachteilig zu sein. Tatsächlich aber wirkt es sich sehr vorteilhaft aus, daß keine der genannten Störkräfte, wie Oberflächenspannungen und veränderte Haftfähigkeit, mehr auftreten können, wenn die Büchse vollständig mit einer Flüssigkeit ausgefüllt ist. Da Flüssigkeiten in sich dichtere Fluide sind als Gase, wird mit Sicherheit ihre Zusammensetzung jedenfalls durch Diffusion 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 Schall-

rad ausgerichtet sein, je nachdem wie das Kupp- einer Störung, ohne besonders hohe Anforderungen

lungsrad gegenüber dem Schaltrad angeordnet ist. an die Vorkenntnisse und Erfahrungen des Repara-

Eine besonders kraftvolle Kupplung besteht, wenn teurs sowie an die Werkzeuge stellen zu müssen,

die Drehachsen vom Schaltrad und Kupplungsrad ausgewechselt werden kann.

zueinander etwa parallel verlaufen und ihr gegensei- 5 5. Die empfindlichen Bauteile können, da sie zu

tiger Abstand innerhalb der Grenzen des Durchmes- einer selbständigen Einheit zusammengefaßt werden

sers des kleineren Rades liegt. Dann haben näm- können, durch Kapselung atmosphärischen Einflüs-

lich beide Räder dieselbe Drehrichtung, und korre- sen entzogen werden.

spondierende Magnetpole verbleiben ständig im ein- 6. Die in einer elektrischen Uhr der größten Reimal gegebenen Kraftschluß. Die Achse des Kupp- io bung unterliegenden Bauteile und Lagerstellen, nämlungsrades kann gegenüber der des Schaltrades aber lieh die des Klinkengetriebes, können vollständig in auch derart versetzt sein, daß sich die beiden Räder das Bad eines Schmiermittels getaucht sein und unterentgegengesetzt drehen und bezüglich virtueller Dreh- liegen deshalb nur noch geringem Verschleiß,
kreise aufeinander abwälzen. Im Falle einer Kupp- 7. Die Toleranzgrenzen für die bisher empfindlung mit koaxial zum Schaltrad angeordnetem Kupp- 15 lichsten Lagerstellen einer elektrischen Uhr sind lungsrad treten keine die Dynamik des Schaltrades durch die Erfindung erheblich erhöht worden, da störenden radialen Komponenten der magnetischen beispielsweise das Lagerspiel systematisch zur rich-Kräfte auf. tigen Funktion herangezogen werden kann.

Wenn erfindungsgemäß das Schaltrad am Schwin- 8. Die Frequenz der Betriebsschwingungen kann

ger angeordnet ist und sich der Schwinger gegen- 20 bei dem neuen Schwingungsmotor erheblich erhöht

über der Drehachse des Kupplungsrades bewegt, be- werden, was insbesondere für die Anwendung als

wegt sich das Schaltrad gegenüber dem Kupplungs- Gangordner in einer elektrischen Uhr von Vorteil

rad. Im Betrieb ändert sich also der gegenseitige ist.

Abstand der Drehachsen der beiden Räder periodisch. 9. Die Drehzahl am Ausgang des neuen Schwin-Die magnetische Kupplung kann ohne weiteres so 25 gungsmotors ist in einem weiten Bereich unabhängig bemessen sein, daß die Übertragung des Dreh- von der Amplitude der translatorischen Bewegungen moments vom Schaltrad auf das Kupplungsrad durch des Schwingers und somit auch veitgehend unabhändie periodischen Schwankungen des Abstandes zwi- gig von der Belastung durch das Räderwerk,
sehen den beiden Drehachsen nicht beeinträchtigt 10. Die Drehzahl am Ausgang des neuen Schwinwird, selbst wenn die Amplitude der translatorischen 3° gungsmotors läßt sich durch von außen einwirkende Bewegungen des Schwingers gegenüber dem bisher Stöße weniger beeinflussen, als dies bisher bei den üblichen Maß wesentlich vergrößert wird. Die An- bekannten Schwingungsmotoren der Fall war, weil Ordnung der Begrenzungselemente, die die Relativ- eben beim neuen Schwingungsmotor im Gegensatz bewegung zwischen Schaltrad und Klinken auf etwa zu den bekannten die Drehzahl von der Amplitude eine Zahnteilung des Schaltrades begrenzen, der 35 weitgehend unabhängig ist und eine durch Stöße erKlinken und des Schaltrades auf dem Schwinger er- höhte Amplitude in elektrischen Uhren mit bekannfolgt zweckmäßigerweise derart, daß von einer Ruhe- ten Schwingungsmotoren jeweils nur langsam auf stellung aus die gegenseitige Beweglichkeit in einer ihren Normalwert wieder abfällt.
Richtung etwa ein Viertel der Länge eines Zahnes Die Erfindung wird im folgenden durch Ausfühdes Schaltrades und in der Gegenrichtung etwa drei 40 rungsbeispiele mit Hilfe der Zeichnungen näher er-Vicrlel derselben Länge beträgt. läutert. In den Zeichnungen stellt dar

Im folgenden sind zusammenfassend die wesent- Fig. 1 die für die Erfindung wesentlichen Teile

liehen Vorteile aufgeführt, die durch die Erfindung eines als Gangordner einer elektrischen Uhr dienen-

erzielbar sind, insbesondere für den Fall, daß der den Schwingungsmotors,

Schwingungsmotor Anwendung in einer elektrischen 45 F i g. 2 einen Ausschnitt aus einem Schwingungs-Uhr als Gangordner findet, dessen Resonanzschwin- motor nach Fig. 1, aus dem die Stellungen der Klingungen durch elektrischen Antrieb unterhalten wer- ken und des Schaltrades zueinander zu entnehmer den: sind,

1. Die Klinken und das Schaltrad sind gemeinsam F i g. 3 a bis 3 k neun Phasen sich periodisch wieauf einer sehr kleinen Grundplatte angeordnet, so 5° derholender Betriebszustände zwischen Klinken und daß die gegenseitigen Stellungen der Teile weder Schaltrad in einem erfindungsgemäßen Schwingungsdurch thermische noch durch mechanische Störgrößen motor,

wesentlich beeinflußt werden können. F i g. 4 die Aufsicht auf wesentliche Bauteile de;

2. Während bisher die Stellungen der Klinken Schwingungsmotors nach Fig. 1, eingebaut in eine zum Schaltrad bei bekannten Schwingungsmotoren 55 zur besseren zeichnerischen Darstellung aufgeschnitnur im Betriebszustand, d. h. dynamisch ausgerichtet tene Büchse,

werden konnten, erfolgt beim erfindungsgemäßen Fig. 5 den Querschnitt durch Büchse und Schalt-

Schwingungsmotor die Einstellung der Lage der rad nach Fig. 4 entlang der strichpunktierten Linii

Klinken gegenüber dem Schaltrad im Ruhezustand. V-V,

Dies vereinfacht die Produktion sehr wesentlich. 60 Fig. 6 die geschnittene Teilansicht einer abge

3. Alle empfindlichen Bauteile des neuen Schwin- wandelten Ausführungsform von Bauteilen dei gungsmolors lassen sich in einem einzigen, als Gang- Schwingungsmotors nach den Fig. 1, 4 und 5,

zes relativ unempfindlichen Bauelement zusammen- F i g. 7 die geschnittene Teilansicht einer änderet

fassen, dessen Produktion von der Produktion der abgewandelten Ausführungsform des Schwingungs

übrigen Teile unabhängig ist. 65 motors nach den Fig. 1,4 und 5,

4. Alle Bauteile, die zu Betriebsstörungen führen' * Fig. 8 eine schematische Teilansicht einer weite könnten, sind in dem bereits erwähnten, unempfind- ' ren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schwin liehen Bauelement zusammengefaßt, das im Fall ''■' gungsmotors und

\o

F i g. 9 ein Diagramm zur Erläuterung der gegen- rades 9, außerdem der Durchmesser des Zapfens 20, seitigen Bewegungen von Massenpunkten bei Betrieb der Klinken 10 und 11 mit den beiden Klinkensteides neuen Schwingungsmotors. nen 21 und 22 und den beiden Klinkenfedern 23 und

Gemäß Fig. 1 umgreift ein Polschuh 1 eine 24 etwa miteinander übereinstimmen. Im übrigen ist Spule 2 und bildet mit dieser zusammen die wesent- 5 das Schaltrad 9 stark deformiert dargestellt. Zwei geliehen Bauteile eines elektromechanischen Ener- strichelte Linien 25 und 26 verbinden die beiden giewandlers. Der Polschuh 1 trägt an seinen Innen- Zahnreihen 16 und 17 und sollen andeuten, daß diese seifen Magnete 1', deren Magnetfluß die Windungen am Umfang des Schaltrades 9 ineinander übergehen, der Spule 2 schneiden. Die Spule 2 befindet sich auf Der Zapfen 20 ist ebenso wie die nicht dargestellten einem Spulenkern 3, in dessen Innerem sich in be- ίο Enden der Klinken 23 und 24 auf einer ebenfalls kannter Weise die Bestandteile eines elektrischen Os- nicht dargestellten Grundplatte befestigt. Die Diffezillator-Schaltkreises 3' befinden können, dessen renz der Durchmesser der Bohrung und des Zapfens Ausgang mit den Spulenden verbunden ist. Schrau- 20 beträgt etwa die Länge eines Zahns der Zahnreihe ben 4 und 5 dienen der Befestigung von Spulen- 16 oder 17.

kern 3 und Spule 2 auf einer nicht näher bezeich- 15 In Fig. 2 ist die Ruhestellung der einzelnen Bauneten Grundplatte. Auf derselben Grundplatte ist teile zueinander dargestellt. Die Bauteile nehmen die das ebenfalls nicht dargestellte Ende eines Schwing- Ruhestellung dann ein, wenn zwischen ihnen keine armes 6 befestigt, dessen freies Ende in einen Relativbewegung herrscht und auf sie keine andere Schwingkörper 7 übergeht, der seinerseits den Pol- Beschleunigung als die Erdbeschleunigung einwirkt, schuh 1 trägt. Die Teile 1, 6 und 7 sind beispiels- 20 In der Ruhestellung soll zweckmäßigerweise eine weise durch Löten oder Kleben miteinander verbun- durch ein Kreuz 27 angedeutete Mittelachse der Bohäen. ^rung 18 von einer ebenfalls durch ein Kreuz ange-

Der Polschuh 1, der Schwingkörper 7 und der deuteten Mittelachse 28 des Zapfens 20 einen Ab-Schwingarm 6 bilden zusammen den mechanischen stand von der Größenordnung eines Viertels der Schwinger 6', der seinerseits die eine Hälfte eines 25 Länge eines Zahns 16' bzw. 17' der Zahnreihen 16 mechanischen Resonators im eingangs beschriebenen und 17, also von der Größenordnung eines Viertels Sinne darstellt. Im Schwingarm 6 tritt die gespei- einer Zahnteilung aufweisen. Wenn die zuletzt gecherte, innere Energie des Schwingers 6' in Form nannten Bedingungen erfüllt sind, beträgt die Provon Elastizitätskräften in Erscheinung. Die zweite duktionstoleranz im Bereich der Durchmesser der Hälfte des Resonators ist nicht dargestellt und kann 30 Bohrung 18 und des Zapfens 20 ebenso wie im Bezur ersten Hälfte achssymmetrisch angeordnet sein. reich der Einstellung der Klinken 23 und 24 ± ein Dabei umgreift dann ein weiterer Polschuh die Win- Viertel der Länge eines Zahns, d. h. ein Viertel einer düngen derselben Spule 2. In der beschriebenen Form Zahnteilung.

dienen der Resonator und der von diesem gesteuerte Im gegebenen Fall sind die Klinken 10 und 11 um

Oszillator-Schaltkreis 3' im Spulenkern 3 zugleich als 35 ein Viertel der Länge eines Zahns 16' bzw. 17' des Antrieb und als Gangordner einer elektrischen Arm- Schaltrades 9 in Schwingungsrichtung aus einer zum banduhr. Zapfen 20 zentralsymmetrischen Lage verschoben an

Auf dem Schwingkörper 7 ist eine im wesentlichen der nicht dargestellten Grundplatte befestigt, kreiszylindrische Büchse 8 angeordnet, in der sich In F i g. 3 sind die Bauteile nach F i g. 2 zum rei-

ein Schaltrad 9 und zwei Klinken 10 und 11 befinden. 40 nen Schema deformiert und vereinfacht dargestellt. Im Interesse der Übersichtlichkeit wurden in der Im Interesse der Übersichtlichkeit wurden nur an der F i g. 1 die Größenverhältnisse insbesondere der KHn- Fig· 3 f entsprechende Bezugsziffern angebracht. ken 10, 11 und des Schaltrades 9 stark verzerrt und Dementsprechend bedeuten die Pfeile in Fig. 3 jediese nur schematisch angedeutet. Es ist jedoch er- weils die beiden Klinken 10 und 11. Die stufenförmikennbar, daß die Klinken etwa zueinander und zur 45 gen Gebilde sind die Zahnreihen 16 und 17. Die Schwingungsrichtung des Schwingkörpers 7 parallel mehr oder weniger exzentrischen Ringe bedeuten die ausgerichtet sind. Die Drehachse des Schaltrades 9 Umfangslinien der Bohrung 18 und des in die Bohsteht dazu etwa senkrecht. rung ragenden Zapfens 20.

Die Büchse 8 ist vorzugsweise gasdicht verschlos- In F i g. 3 a ist die der Fi g. 2 entsprechende Ruhe-

sen. Das Schaltrad 9 überträgt magnetisch ein Dreh- 50 stellung dargestellt. In der Ruhestellung berühren die moment auf ein Kupplungsrad 12, das sich außer- freien Enden der beiden Klinken 10 und 11 zwei einhalb der Büchse 8 befindet und ebenfalls im Interesse ander gegenüberliegende Zahnflanken 16" und 17" der Übersichtlichkeit nur schematisch dargestellt ist. der beiden Zahnreihen 16 und 17. Die Drehachse des Kupplungsrades 12 ist durch ein Im folgenden wird auch auf Fig. 1 und 2 Bezug

Kreuz 13 angedeutet und verläuft etwa parallel zu 55 genommen.

der des Schaltrades 9, allerdings weit außerhalb des Fig. 3b zeigt eine Stellung, die dann auftritt,

Bereiches des Schaltrades, was konstruktive Vorteile wenn der Schwinger und damit die Klinken 10 und mit sich bringt. Wie bereits vorher in der allgemei- H und der Zapfen 20 sich nach rechts bewegt haben nen Beschreibung erklärt wurde, könnte das Kupp- und wenn der Zapfen 20 und die Klinke 10 auf das lungsrad 12 auch etwa koaxial zum Schaltrad 9 an- 60 Schaltrad 19 eine Kraft ausüben und dieses beschleugeordnet sein. In diesem Fall wäre allerdings sein nigen. In diesem Zustand hat der Zapfen 20 gegenmagnetisch wirksamer Durchmesser etwa auf den des über dem Zustand nach F i g. 3 a und mit Bezug auf Schaltrades 9 beschränkt. Das Kupplungsrad 12 kann das Schaltrad 9 einen Weg der Länge eines Viertels mit dem nicht dargestellten Räderwerk und den nicht einer Zahnteilung zurückgelegt, während der Weg dargestellten Zeigern einer Uhr in Eingriff stehen. 65 der Klinke 11 mit Bezug auf die Zahnflanke, die sie

Bei Fig. 2 ist davon auszugehen, daß allein die vorher berührt hatte, den doppelten Weg hinter sich Größenverhältnisse der beiden Zahnreihen 16 und 17 brachte, d. h. etwa den Weg von der Länge der und des Durchmessers der Bohrung 18 des Schalt- Hälfte einer Zahnteilung.

ίο

Die Fig. 3c stellt den dynamischen Zustand der Der dynamische Betriebszustand nach Fig. 3h

Bauteile in einem späteren Zeitpunkt dar, in dem das entspricht dem nach F i g. 3 d, jedoch mit umgekehr-

Schaltrad 9 seine Bewegung in Richtung nach rechts ter Richtung der Kraft- und Beschleunigungsverhält-

beibehält, während die vom Schwinger 6' gesteuerte nisse. Die Klinken 10 und 11 haben im Zustand nach

Beschleunigung der Klinken 10,11 und des Zapfens 5 F i g. 3 h gegenüber dem nach F i g. 3 d ebenfalls ihre

20 bereits umgekehrt ist. Sobald sich der Zapfen 20 Funktionen vertauscht. Im Fall nach F i g. 3 h steht

wieder konzentrisch in der Mitte der Bohrung 18 des nämlich die Klinke 11 im Begriff, vom einen Zahn

Schaltrades 9 befindet, schlägt die Klinke 11 an der 17' der Zahnreihe 17 auf den nächsten Zahn 17' her-

bereits genannten Zahnflanke 17" der Zahnreihe 17 unterzufallen, was an sich physikalisch richtiger als

an, während sich die Klinke 23 von der Zahnflanke ίο ein Fortschreiten des Schaltrades 9 gegenüber der

16", die sie vorher berührt hatte, um die Länge der Klinke 11 um einen Zahn 17' bezeichnet wird. Die

Hälfte einer Zahnteilung entfernt hat. Drehung des Schaltrades 9 gegenüber den Klinken 10

Bei weiterer Relativbewegung von Zapfen 20 und und 11 bzw. gegenüber der nicht dargestellten Klinken 10,11 gegenüber dem Schaltrad 9 nach links Grundplatte und dem Schwinger 6' beträgt zwischen erreichen die Bauteile eine Stellung nach Fig. 3d, 15 den Betriebszuständen nach den Fig. 3a und 3h in der die Klinke 11 weiterhin dieselbe Zahnflanke insgesamt eine Zahnteilung. Wenn man von der 17" berührt und auf das Schaltrad 9 eine nach links irreversiblen Drehung des Schaltrades 9 um diese gerichtete Kraft ausübt, während sich die Klinke 10 Zahnteilung absieht, ist der dynamische Betriebsam Ende des Zahns 16' befindet, auf dem sie bisher zustand nach F i g. 3 h völlig dem nach F i g. 3 a verauflag. Zu diesem Zeitpunkt fällt die Klinke 10 von 20 gleichbar.

einem Zahn 16' zum nächsten. In der Zeitspanne Die F i g. 3 i und 3 k stellen denselben dynamischen zwischen den Stellungen nach den F i g. 3 c und 3 d Betriebszustand wie die F i g. 3 b dar. Die beiden letzhat der Zapfen 20 gegenüber dem Schaltrad 9 nur ten Figuren unterscheiden sich voneinander lediglich die Weglänge eines Viertels einer Zahnteilung zu- durch eine Verschiebung der die Zahnreihen 16 und rückgelegt, während die Klinke 10 gegenüber dem 25 17 darstellenden Treppenstufen gegenüber dem Um-Schaltrad 9 die doppelte Weglänge, d. h. die Weg- fangskreis der Bohrung 18. Diese formal notwendige länge der Hälfte einer Zahnteilung, zurücklegen Verschiebung beweist sinnfällig das Fortschreiten des konnte. Es sei in diesem Zusammenhang ausdrück- Schaltrades 9 um eine Zahnteilung gegenüber den Hch darauf hingewiesen, daß auf Grund der gegebe- Klinken 10,11 und den Zapfen 20.
nen Konstruktion die absolute zurückgelegte Weg- 30 Mit Hilfe der F i g. 3 lassen sich auch alle im Zulänge für beide Klinken 10 und 11 ebenso wie für sammenhang mit der Fig. 2 aufgestellten Bedingunden Zapfen 20 einander und der des Schwingers 6' gen rechtfertigen und die Tatsachenbehauptung über entsprechen. Die verschiedenen Darstellungen in die einzuhaltenden Toleranzen ohne weiteres be-F i g. 3 betreffen jedoch die relativen Weglängen ge- weisen.

genüber dem Schaltrad 9, das sich einmal auf das 35 Gemäß der Darstellung nach Fig. 4 greifen ebenfreie Ende der einen Klinke und ein anderes Mal auf falls die beiden Klinken 10 und 11 in die Zähne des das freie Ende der anderen Klinke abstützt und sich Schaltrades 9 ein. Zwei verschiedene Stellglieder 34 um diese freien Enden in wechselnden Richtungen und 35 halten je eine der Klinken 10 und 11 in ihrer dreht. Stellung etwa parallel zur anderen und parallel zur

Der in F i g. 3 e dargestellte dynamische Betriebs- 40 Hauptschwingungsrichtung des Schwingers 6'. Die

zustand entspricht dem in F i g. 3 b dargestellten, je- beiden Stellglieder 34 bzw. 35 repräsentieren zwei

doch mit dem Unterschied, daß Kraft- und Be- verschiedene Konstruktionsmöglichkeiten, von denen

wegungsrichtung des Zustands nach F i g. 3 e der des jede ihre besonderen Vorzüge und Nachteile aufweist.

Zustands nach Fig. 3b entgegengesetzt gerichtet ist. Das Stellglied 34 ist an einem Boden 8' einei

Ein weiterer und wesentlicher Unterschied besteht 45 Büchse 8 durch drei Bolzen 38, 39 und 40 befestigt,

auch darin, daß im Zustand nach F i g. 3 e, bezogen Selbstverständlich sind die Bolzen 38, 39, 40 aucli

auf den Zustand nach Fig. 3b, das Schaltrad 9 durch eine Lötung oder durch andere Befestigungs-

gegenüber der Klinke 10 um einen Zahn 16' vor- mittel ersetzbar. Das freie Ende des Stellglieds 34

gerückt ist. Hegt auf einem Exzenterbolzen 41 auf, der in eine

Im Zustand nach F i g. 3 f behält der Masseschwer- 50 Bohrung 43 des Boden 8' eingelassen ist. Die Wirpunkt des Schaltrades 9 noch seine Bewegung in kung des Stellglieds 34 liegt in seiner Elastizität. Da« Richtung nach links bei, während Zapfen 20 und Stellglied 34 liegt mit einer gewissen Vorspannunj Klinken 10, 11, bezogen auf den Zustand nach am Exzenterbolzen 41 an. Wenn man den Exzenter-F i g. 3 e, bereits umgekehrter Beschleunigung unter- bolzen 41 beispielsweise mit einem Schraubenziehei liegen. 55 dreht, verschiebt sich das freie Ende des Stellglied;

Der Zustand nach Fig. 3g entspricht dem nach 34 und damit auch das freie Ende der Klinke 10.

F i g. 3 c, allerdings mit umgekehrten Verhältnissen Am Stellglied 35 ist demgegenüber ein Zapfen 4<

bezüglich der auftretenden Kräfte und Beschleuni- befestigt, der in einer entsprechenden Bohrung de:

gungen. Zum richtigen Verständnis der Funktion Bodens 8' klemmt. Das freie Ende des Stellglieds 3i

muß man jedoch immer berücksichtigen, daß der 60 und damit das freie Ende der Klinkeil läßt siel

Vorgang des Fortschreitens des Schaltrades 9 gegen- also durch Drehen am Stellglied 35 im Bereich seine

über der Klinke 10 im Zustand nach Fi g. 3 d irrever- Zapfens 44 bewegen. Mit dem Stellglied 35 läßt siel

sibel ist und daß die festgestellten Äquivalenzen zwar die Lage der Klinke 11 nicht si fein einstellci

zwischen verschiedenen dynamischen Zuständen in wie die Lage der Klinke 10 mit dem Stellglied 34

fortschreitender Zeit nicht die Umkehrbarkeit aller 65 doch wird dieser Nachteil durch die besondere Ein

dazwischenliegender Vorgänge begründen können. fachheit der Konstruktion des Stellglieds 35 ausgc Eine gewisse Periodizität tritt jeweils nur mit einer glichen.

1 TmHrehunfi des Schaltrades 9 auf. Für die Fi g. 5 wurden, im Interesse der Übersichi

11 12

lichkeit der Exzenterbolzen 43, die beiden Stellglie- besondere dann von Vorteil, wenn die einzelnen Bauder 34 und 35 und die beiden Klinken 10 und 11 teile des Schwingungsmotors sehr klein sind, weggelassen. In Fig. 5 erkennt man die besonderen Im Diagramm nach Fig. 9 ist die Amplitude eines Konstruktionsmerkmale einer Radnabe 46, auf der virtuellen Mittelpunkts des Schwingers 6' und eines das Schaltrad 9 aufgezogen ist. Die Radnabe 46 be- 5 Masseschwerpunkts von Schaltrad 9 des Schwingungssteht aus ferromagnetischem Material hoher Koerzi- motors nach Fig. 1 und 2 über der Zeit aufgetragen, tivkraft und weist mindestens ein magnetisches Pol- Die mit ausgezogener Linie gezeichnete Kurve 76 paar auf. Die Radnabe 46 läßt sich dementsprechend betrifft den virtuellen Mittelpunkt des Schwinauch als Polrad bezeichnen. Bisher haben sich Pol- gers 6', während die mit gestrichelter Linie gezeichräder mit einem oder zwei Polpaaren am Umfang für io nete Kurve 77 die Bewegung des Masseschwer-Schwingungsmotoren in elektrischen Uhren bewährt. punkts des Schaltrades 9 wiedergibt. Die Zuord-Dabei folgen einander am Umfang jeweils Pole ver- nung der beiden Kurven zueinander wird nun im schiedener Polarität. Zusammenhang mit F i g. 2 der Zeichnungen deutln eine Bohrung 47 der Radnabe 46 ragt ein Stift lieh. Der virtuelle Mittelpunkt, dessen Bewegung 18', der in einer entsprechenden Bohrung der Grund- 15 durch die Kurve 76 repräsentiert ist, liegt nach F i g. 2 platte 8' verankert ist. Die Differenz der Durchmes- auf der Mittelachse 28, während der Masseschwerser der Bohrung 47 und des Stifts 18' beträgt etwa punkt von Schaltrad 9 gemäß F i g. 2 auf der Drehdie Länge einer Zahnteilung des Schaltrades 9. achse 27 liegt. Wenn man in erster Näherung an-

Die Radnabe 46 berührt nur mit einer Kante 46' nimmt, daß die beiden Achsen 27 und 28 sich nur an ihrem Umfang die Oberfläche eines flachen Uhren- 20 achsparallel zueinander bewegen, kann man also steins 49, der ebenfalls an der Grundplatte 36 der auch ohne weiteres die Kurve 76 der Mittelachse 28 Büchse 8 befestigt ist. Eine weitere Kante 50 der Rad- und die Kurve 77 der Drehachse 27 zuordnen. Es ist nabe 46 liegt einer Abschlußplatte 8" gegenüber, die dann nur noch zu beachten, daß die Kurven 76 und in einem Bördelrand 52 der Büchse 8 eingelegt ist und 77 in einer Ebene senkrecht zu den Achsen 27 und die Büchse 8 abschließt. Die Abschlußplatte 8" kann 25 28 nur eine einzige Bewegungskomponente repräsenaus mineralischem Material bestehen, vorzugsweise tieren, und zwar die in der Hauptrichtung der Schwinaus dem Material der Uhrensteine. Selbstverständ- gungsbewegungen des Schwingers 6'. lieh darf das Material der Abschlußplatte 8" ebenso- Die Kurve 76 ist eine Sinuslinie, die der Praxis entwenig wie das der Büchse 8 ferromagnetisch sein, spricht, wenn der Schwinger 6' zu einem mechanidamit die magnetische Kupplung zwischen der Rad- 30 sehen Resonator gehört. Die waagerechte Zeitachse nabe 46 und einem außerhalb der Büchse 8 befind- repräsentiert im Diagramm nach F i g. 9 die Ruhelichen Kupplungsrad 12 nicht gestört wird. Die stellung der Mittelachse 28 nach F i g. 2, d. h. die Büchse 8 einschließlich ihrem Inhalt könnte identisch Ruhestellung des Schwingers 6'. mit der Büchse 8 nach F i g. 1 und deren Inhalt sein. Wenn im dynamischen Betriebszustand die Mittel-In diesem Fall stände das Kupplungsrad 12 im Kraft- 35 achse 28 die Ruhestellung durchläuft, befinden sich Schluß mit der Radnabe 46 und dem Schaltrad 9. die verschiedenen Bauteile in einer Lage zueinander.

Bei der Ausführungsform nach F i g. 6 sitzen ein die etwa der nach F i g. 3 b entspricht. Die Drehachse Schaltrad 9 und ein Magnetrad 56 mit gemeinsamem 27 folgt der Mittelachse 28 dabei im Abstand von Schwerpunkt fest auf einer Radachse 57. Das eine etwa einer halben Zahnteilung nach. Dieser Betriebs-Ende dieser Radachse 57 ist in einem Steinlager 58 40 zustand wird im Diagramm nach F i g. 9 durch die ohne erhebliches Spiel gelagert. Ein Steinlager 59 um- Punkte 78 und 79 gekennzeichnet. Im Punkt 78 erfaßt das andere Ende der Radachse, und zwar mit folgt für die Mittelachse 28 eine Beschleunigungseinem Spiel von etwa einer Zahnteilung des Schalt- umkehr, während die Drehachse 27 in Punkt 79 die rades 9. Die beiden Steinlager 58 und 59 befinden sich erreichte Geschwindigkeit beibehält. Deshalb läßt wiederum in einer Bodenplatte 8' und einer Deck- 45 sich die Bewegung der Drehachse von Punkt 79 aus platte 8" einer Büchse 8. durch eine Gerade darstellen, und zwar bis zu einem

Im Betrieb führen das Schaltrad 9 und das Magnet- Punkt 80. Im Punkt 80 ist die Drehachse 27 der

rad 56 zusammen mit der Radachse 57 Taumel- Mittelachse 28 etwa um die Länge einer Zahntcilune

Bewegungen aus. vorausgeeilt. Dieser Betriebszustand entspricht dei

Bei der Ausführungsform nach F i g. 7 sitzen ein 5o Darstellung in F i g. 3 e.

Schaltrad 9 und ein Magnetrad 56 fest auf einer Rad- Vom Punkt 80 aus bestimmt die Bewegung dei

achse 57, deren eines Ende in ein Steinlager 65 ragt Mittelachse 28 auch die Bewegung der Drehachse 27

und deren anderes Ende von einem Steinlager 66 um- Deshalb setzt sich die Kurve 77 vom Punkt 80 aus ir

faßt wird. Die beiden Steinlager 65 und 66 befinden einer Sinus-Linie fort, und zwar bis zu einem Punk

sich in einer Bodenplatte 8' und einer Deckplatte 8" 55 82, der senkrecht über dem Schnittpunkt 83 der Linii

einer Büchse 8. 76 mit der Zeitachse liegt.

Zwischen der Radachse 57 und den beiden Lagern Im Punkt 83 erfolgt eine Beschleunigungsumkeh

65 und 66 herrscht ein Spiel von der Größenordnung für die Mittelachse 28, während die Drehachse 27 ii

einer Zahnteilung des Schaltrades 9. Während des Be- Punkt 82 ihre erreichte Geschwindigkeit bis zu einer

triebs bewegen sich dementsprechend das Schaltrad 9. 6° Punkt 84 der Kurve 77 beibehält. Dementsprechen

das Magnetrad 56 und die Radachse 57 periodisch geht in diesem Bereich die Kurve 77 in eine Gerad

achsparallel. über. Dem Betriebszustand nach Punkt 84 entspricl

Bei der Ausführungsform nach Fig. 8 befinden die Stellung der Bauteile nach Fig. 3i zueinander,

sich im Axialbereich eines Schaltrades 9 keine gegen- Vom Punkt 84 aus wird die Bewegung der Drei

über diesem feste Anschläge. Achsparallele Bewegun- 65 achse 27 wieder vollständig von der Bewegung di

gen im Betrieb dieses Schaltradcs 9 werden vielmehr Mittelachse 28 bestimmt. Dementsprechend geht d

durch Käfig-Wände 71 und 72 und durch die Klinken Kurve 77 vom Punkt 84 aus in eine Sinus-Linie übe

10 und 11 begrenzt. Diese Konstruktionsform ist ins- und zwar bis zu einem Punkt 86, der senkrecht unt

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 F i g. 3 c und 3 g zugrunde liegen.

FUi die Kurve 77 wurden Einflüsse der Reibung und der Klinken 10,11 auf das Schaltrad 9 nicht berücksichtigt. Deshalb ist auch die Zuordnung bestimmter Punkte der beiden Kurven zu bestimmten Stellungen der Bauteile nach F i g. 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 dabei die Kurvenabschnitte zwischen den Punkten 79 und 80 einerseits und den Punkten 82 und 84 anderer-

seits keine Geraden sein. Wenn man die Einflüsse der Klinken 10, 11 berücksichtigt, treten neben den Unstetigkeiten an den Punkten 80 und 84 weitere Unstetigkeiten auf.

Allgemein läßt sich feststellen, daß die Bewegung von Schaltrad 9, d. h. 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

ίο 77 zwischen den Punkten 80 und 82. Die andere durchlaufende Sinus-Linie enthält 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 F i g. 9, etwa eine Zahnteilung beträgt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (13)

Patentansprüche:

1. Schwingungsmotor, insbesondere für Zeitmeßlerlite, mit einem mechanischen Schwinger und mit

auf ein Schaltrad, das magnetisch an ein an einem ortfesten Teil gelagertes Kupplungsrad gekoppelt 1st, wirkenden Klinken, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Schwinger (6') zwei zur Schwingungsrichtung etwa parallel angeordnete Klinken (10, 11) befestigt sind, die gegen- iq einander um etwa 180° gedreht sind und an einander gegenüberliegenden Seiten in die Zähne (16', 17') des Schaltrades (9) eingreifen, daß außerdem das Schaltrad (9) am Schwinger (6') beweglich angeordnet ist und daß sich das Schaltrad (9) einerseits und die Klinken (10, 11) andererseits in Schwingungsrichtung unter dem Einfluß von Massenträgheit und Beschleunigung durch den Schwinger (6') in relativ zueinander entgegengesetzte Bewegungen versetzen lassen, welche ao durch Begrenzungselemente (18, 20) so begrenzt werden, daß das Schaltrad (9) gegenüber den Klinken (10, 11) nur Relativbewegungen mit einem Hub von etwa seiner Zahnteilung ausführen kann, welche Relativbewegungen durch das Zusammenwirken besagter Klinken (10, 11) und Begrenzungselemente (18, 20) mit dem Schaltrad (9) zu gleichgerichteten Drehbewegungen desselben umgewandelt werden (Fig. 1 und 2).

2. Schwingungsmotor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Anordnung der Begrenzungselemente (18, 20) der Klinken (10, 11) und des Schaltrades (9) auf dem Schwinger derart, daß von einer Ruhestellung aus die gegenseitige Beweglichkeit in einer Richtung etwa ein Viertel der Zahnteilung des Schaltrades (9) und in der Gegenrichtung etwa drei Viertel dieser Zahnteilung beträgt (F i g. 2).

3. Schwingungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltrad (9) ein Loch (18) aufweist, in das ein am Schwinger befestigter Zapfen (20) ragt, dessen Querschnitt kleiner als der des Lochs ist (F i g. 2).

4. Schwingungsmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Loch (18) als konzentrische Bohrung des Schaltrades (9) und der Zapfen (20) kreiszylindrisch ausgebildet ist (Fig. 2).

5. Schwingungsmotor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Spiel zwischen Bohrung (18) und Zapfen (20), das heißt die Differenz der Durchmesser von Bohrung und Zapfen, in Schwingrichtung etwa eine Zahnteilung des Schaltrades (9) beträgt und daß die Klinken (10, 11) um ein Viertel der Zahnteilung des Schaltrades (9) in Schwingungsrichtung aus einer zum Zapfen (20) zentralsymmetrischen Lage verschoben am Schwinger befestigt sind (F i g. 2).

6. Schwingungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltrad (9) auf einer Radachse (57) befestigt ist, von der mindestens ein Ende in ein Achslager (59 bzw. 66) ragt, dessen freier Durchmesser größer ist als der der Radachse (57) (Fig. 6 bzw. 7).

7. Schwingungsmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz zwischen den Durchmessern von Radachse (57) und Achslager ("59 bzw. 66") etwa eine Zahnteilung des Schaltrades (9) beträgt und daß die Klinken (10, U) um ein Viertel dieser Zahnteilung in Schwingungsrichtung aus einer zum Achslager (59 bzw. 06) zentralsymmetrischen Lage verschober, am Schwinger befestigt sind (Fi g. 6 bzw. 7).

8. Schwingungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltrad (9) in einer Büchse (8) gelagert ist, deren lichte Weite in Schwingungsrichtung um etwa eine Zahnteilung des Schaltrades (9) größer als der Durchmesser desselben ist (Fig. 8).

9. Schwingungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Klinken (10, 11) und das Schaltrad (9) in einer geschlossenen Büchse (8) angeordnet sind, die auf dem Schwinger lösbar befestigt ist (Fig. 4 und 5).

10. Schwingungsmotor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Büchse (8) mit einer Flüssigkeit niederen Dampfdruckes und niederer Viskosität ausgefüllt ist.

11. Schwingungsmotor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Büchse (8) mit Silikon-Öl ausgefüllt ist.

12. Schwingungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß sich am Schaltrad (9) mindestens ein magnetisches Polpaar befindet.

13. Schwingungsmotor, zur Anwendung in Uhren, nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwinger (6') Teil eines mechanischen Resonators ist, der den Gangordner der Uhr bildet und dessen Resonanzschwingungen durch elektromagnetischen Antrieb (1, 2, 3) unterhalten werden.