DE2051741C - Schwingungsmotor, insbesondere fur Zeitmessgerate - 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 Kupplu.igsrad gekoppelt ist, wirkenden 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 Antriebsklinkc befestigt und in Schwingungsrichtung ausgerichtet. Diese Antriebskiinke 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 Betriebsfrequenz von Schwingungsmotoren der genannten Art liegt üblicherweise bei etwa 200 bis 70Ü 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 period'cchen, translatorischen Bewegungen in gleichgerichtete Drehbewegungen umwandeln, «'em 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 darf, der vom Energieinhalt der verwendeten Batterie und von Forderungen des Marktes (gewünschte Laufzeit ohne Baiteriewechsel) abhängt. Der /weite Grund liegt in der Tatsacht;, daß die Verlustleistung zur Zerstörung eines Schwingungsmutcrs führt, wenn sie einen bestimmten Wert überschreitet. Um einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen, bedarf es gciuucslcr 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 Veranden ngen, da die Befestigungspunkte von Schwinger, Schaltrad und Halieklinke auf einer Grundplatte im allgemeinen verhältnismäßig weit auseinanderlegen und alle Teile sowohl thermischen als auch mechanischen Einflüssen unterliegen.

Vor. Schwingungsmotoren der genannten Art, die als Synchron.notoren 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 Grenzer 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 Mikrcwatt liegen soll. Die in einem Schwingungsmotor dabei auftretenden Nutzkräftt sind dementsprechend gering. Deshalb können schon sehr kleine Störkiäfte 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 ö! aus ölgeschmierten Lagern einer Uhr, und Kondensation auf dem Schalt rad. Die Kondensation von Wasserdampf aus feuchter Luft beispielsweise läßt sich selbst in wasserdichten Uhrgehäusen vielfach nicht vermeiden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die genannten Probleme ai lösen und einen Schwingungsmotor zu schaffen, dessen Produktionslolcranzen 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 erfindungsgemäß darin, daß auf dem Schwinger zwei zur Schwingungsrichtung etwa parallel angeordnete Klinken befestigt sind, die gegeneinander um etwa 180° gedreht sind und an einander gegenüberliegenden Seiten in

ίο die Zähne des Schaltmdes 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 Beschleunigung durch den Schwinger in relativ zueinander entgegengesetzte Bewegungen versetzen lassen, welche durch Begrcn/ungselementt- so begrenzt vwrden. iIjU das Sehaltiad gegenüber i..ii Klinken nur Relativ bewegungen mit einem Hub Vo₁₁ etwa seine 1 /.dhntei lung ausführen kann, welche Relativbeweguiigcn durch das Zusammenwirken besagter Klinken und Begrenzungselemente mit dem Schaltrad /u gleichgerichteten Drehbewegungen desselben umgewandelt werden.

Eine, besonders vorteilhafte Ausführungsform des erfiiidungsgemiißen Schwingung«-motors 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 konnte 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, verän-

;o dem. Der Vorschlag, die Büchse mit Flüssigkeiten auszufüllen, scheint zwar zunächs*. 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 axiiil oder radial zum Schult-

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mal gcgc^l\^nc" ^^ari™;, "'Je, Sciiallradcs aber lieh die des Klinkenge.riebes. können vollständig .n lungsradcs kann ge gen du Iu.djs *.ι u Schmiermittels getaucht sein und unter-

sU?e,S η r lialeS Komrc^ncn.en der magnetischen beispielsweise das Lagersp.el systematisch zur nch-Moruiuui 1.1UUII1. ι ^_{11 i:unktlon} |_1cranp_LV(,p_C._n werden kann.

wSincrfindungsgcmäß das Schaltrad am Schwin- > Die Frequenz der Be.riebssdiwingungen kann

wenn ui i.uu y _b Schwimmer gegen- 20 bei dem neuen Schwingungsmolor erheblich erholt

iberXSS c c d Kipplu^gsrades bewerbe- werden, was insbesondere für die Anwendung ah

vcut sich das Schal.rad gegenüber dem Kupplung»- Gangordner in einer elek.nsehen Uhr von Vortc.1

r-ul Im Betrieb ändert sich also der gegenseitige ist.

ÄbstanTl de Π hachscn der beiden Räder periodic, «». Die Drehzahl am Ausgang des neuer, Sdvwm-

n mnpnetischc Kupplung kann ohne weiteres so »5 gungsmolois ,si ,n einem weiten Bereich unabhängig

b neTsen S daß die übertragung des Dreh- von der Amplitude der iransln.orischen Bewegungen

_.......„ c..i,..i.rn,i mif das Kupplungsrad durch des Schwingers und somit auch weitgehend unabhiin-

!irJ'ncriodVsch^n "Schwankungen des'Abstandcs zwi- pip von der Belastung durch das Räderwerk. d,e den beiden Drehachsen nicht beeinträchtigt 10. Die Duh/,.Μ am Ausgang des neuen Schwin-

vvird selbst wenn die Amplitude der translatorischen 30 pungsmoiois UiUi sieh durch von außen einwirkende Hewccuimen des Schwingers gegenüber dem bisher Stöße wenige !<c,mihivsni. als dies bisher lui den üblichen'Maß wesentlich vergrößert wird. Die An- bektmnien Sdiw.npm^in.itoicn der Fall war. wen ordnmm der Hegrenzungsclcmente. die die Relativ- eben beim iu-wn Svlivmpimpsmolor im p^cpcnsaiz beweZu /wischen Schal.rad und Klinken auf etwa /u den bckann.cn ,:i, Drch/i.hl von der Amplitude L-i-ie Z-ihiUeilunc des Schaltrades bcgrcivcn, der ?,5 weilueh n·¹ miabhärir.iii ist und eine durch Stolpe cr-Klirken und des Schallradcs auf dem Schwinger er- höhv A-npliliuk· in elekiiischcn Uhren mit bekannfoli'l zweckmäKiperweise derart, daß von einer Ruhe- Un Sdiwunuii! mhokm.i' jeweils nur langsam aui slellunc aus die gegenseitige Beweglichkeit in eine. ihier. Noir-.^.Acri wi-da i-.bfäUl. Riehtium etwa ein Viertel der Länge eines Zahnes 1):,· !.,.,JiMu- v,,,,! im folgenden durch Λυ-ΙιΐΜ-

des Sclrillr-ides wk\ in der Gegenrichtung etwa du-i t" iungsbeispu-1.; v,v.\ l!ü;,. tier /ciclinimgcn nah.τ cr-Viertel derselben Länge beträgt. ImiUr, In ,i η/,Ι,μ,,γ, ,n sielll dar

Im foleenden sind zusammenfassend die wescnt- I : μ. , ei,- in· di. I lfimlun» wesentlichen 't"¹·

liehen Vorteile aufgeführt, die durch die Hrfindimi'. ein,-- aK i\.-,.,.nio:·. ,,.,,, dekliisdicn \i|irdKiicner/ielbar sind, insbesondeie für den I^;all. da« der den Sdiwiiu'Uüysmoi.-trs,

Sduvin-uivsmotor Anwendung in einer eleklrisehen tr. I 1 r. -¹ cin.-n Nmsm/Iui-h .ins einem Sdi.vim'.ungs-I)Iu als Gangordnci liiulel. dessen Rcsonmi/sdiwin- moim m\d\ 1 1·.·. 1. ;ius turn die Slelluuj'.en dci KImüuimen durch elektrischen Antrieb unterhalten wer- ken ηι\ύ <k-s Sdialli.uks /ueiuander zu cnlin iimen ··. . sind.

1 Die Klinken und das Schallrad sind gemeinsam Γίμ Vi bis 3k neun Phasen sich iH-iiodiM.ii wieauf cini-r sehr kleinen Cirundplaltc angeoidnel, so 50 dahoknda Hetin bs/uMJinde /wischen Klinken und d-iB die gcpenseitigrn Stellungen der Teile weder Sehallrad in einem crfmduivjsgemäHen Sdiwincungsdiirch thermische noch durch mechanische Sli.rpröBen mnto-.

wescnllich beeinflußt weiden können. I iu 4 ,Yw Aufsicht auf wesentliche Bauteile de¹·

2 Während bishoi die Stellungen der Klinken Schwmpmiiismotors nadi Fig 1. eingebaut in eine zürn Schaltrad bei bekannlcn Schwingungsmotorcn 55 zur benenn zeidmerisehen D.uvUllung aufpcschnilluir im Betriebszustand, d. li. dynamisch ausgerichtet tene Biichse.

weiden konnten, erfolgt beim erfindungsgema'ßcn lip. 5 den Querschnitt dnidi Büchse und Schalf-

Schwingunpsmolor die I-instcllung der Lage der rad nach I i g. 4 entlang dei siridipunkliertcn Linn-' Klinken pegcnübcr dem Sehallrad im Ruhezustand. V-V.

Dies vereinfacht die Produktion sehr wesentlich. 60 I" i g 6 die gesdmillene Teilansicht einer abge-.■?. Alle empfindlichen Bauteile des neuen Schwin- .wandollen Aiisfiiluungsform \on Bauteilen des punpsnmlors lassen sieh in einem einzigen, als Gang- Schwingungsmotors nath den Fig. 1, 4 und 5. zcs relativ unempfindlichen Bauelement zusammen- Fig. 7 die geschnittene Tcilansicht einer anderen

fassen, dessen Produktion von der Produktion der abgewandelten Ausfiihrur.gslorm des Schwingungs-

übrigcn Teile unabhängig ist. ⁶5 molnrs nach den Fig- 1.4 und 5,

4. Alle Bauteile, die zu Betriebsstörungen führen Fig. 8 eine schcmtilische Tcitansiclit einer weite-

könnten, sind in dem bereits erwähnten, uncrnpfmd- ren Ausfiihrungsfo. m descrlindungsgcmäßcn Schwin-

lii-hen Bauelement zusammengefaßt, das im Fall piingsmotors und

Fig. 9 ein Diagramm zur Erläuterung der gegenseitigen Bewegungen von Massenpunkten bei Betrieb des neuen Schwingungsmotors.

Gemäß F ί g. 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 1', deren Magnetfluß die Windungen der Spule 2 schneiden. Die Spule 2 befindet sich auf einem Spulenkern 3, in dessen Innerem sich in bekannter Weise die Bestandteile eines elektrischen Oszillator-Schaltkreises 3' befinden können, dessen Ausgang mit den Spulenden verbunden ist. Schrauben 4 und S dienen der Befestigung von Spulenkern 3 und Spule 2 auf einer nicht näher bezeichneten Grundplatte. Auf derselben Grundplatte ist das ebenfalls nicht dargestellte Ende eines Schwingarmes 6 befestigt, dessen freies Ende in einen Schwingkörper 7 übergeht, der seinerseits den Polschuh 1 trägt. Die Teile 1, 6 und 7 sind beispielsweise durch Löten oder Kleben miteinander verbunden.

Der Polschuh 1, der Schwingkörper 7 und der Schwingarm 6 bilden zusammen den mechanischen Schwinger 6', der seinerseits die eine Hälfte eines ,•mechanischen Resonators im eingangs beschriebenen Sinne darstellt. Im Schwingarm 6 tritt die gespeicherte, innere Energie des Schwingers 6' in Form von Elaslizitätskräften in Erscheinung. Die zweite Hälfte des Resonators ist nicht dargestellt und kann 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 3' im Spulenkern 3 zugleich ah Antrieb und als Gangordner einer elektrischen Armbanduhr.

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 Übersichtlichkeit wurden in der Fig. 1 die Größcnvcrhällnissc insbesondere der Klinken 10, 11 und des Schaltrades 9 stark verzerrt und diese nur schemalisch angedeutet. Es ist jedoch erkennbar, daß die Klinken etwa zueinander und zur Schwingungsrichlung des Sehwingkörpers 7 parallel . ausgerichtet sind. Die Drehachse des Schaltradcs 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 Übersichtlichkeit nur schematisch dargestellt ist. Die Drehachse des Kupplungsradcs 12 ist durch ein Kreuz 13 angedeutet und verläuft etwa parallel ?u der des SchaUrades 9, allerdings weil außerhalb des Bereiches des Schallradcs, was konstruktive Vorteile mit sich bringt. Wie bereits vorher in der allgemeinen Beschreibung erklärt wurde, könnte das Kupplungsrad 12 auch etwa koaxial zum Srhaltrad 9 angeordnet sein. In diesem Fall wäre allerdings sein magnetisch wirksamer Durchmesser etwa auf den des Schaltrades 9 beschränkt. Das Kupplungsrad 12 kann mit dem nicht dargestellten Räderwerk und den nicht dargestellten Zeigern einer Uhr in Eingriff stehen.

Bei Fig. 2 ist davon auszugchen, daß allein die ürößcnverhältnissc der beiden Zahnrcihcn 16 und 17 und des Durchmessers der Bohrung 18 des Schaltrades 9, außerdem der Durchmesser des Zapfens 20, der Klinken 10 und 11 mit den beiden Klinkensteinen 21 und 22 und den beiden Klinkenfedern 23 und 24 etwa miteinander übereinstimmen. Im übrigen ist das Schaltrad 9 stark deformiert dargestellt. Zwei gestrichelte Linien 25 und 26 verbinden die beiden Zahnreihen 16 und 17 und sollen andeuten, daß diese am Umfang des Schaltrades 9 ineinander übergehen. Der Zapfen 20 ist ebenso wie die nicht dargestellten

ίο Enden der Klinken 23 und 24 auf einer ebenfalls nicht dargestellten Grundplatte befestigt. Die Differenz der Durchmesser der Bohrung und des Zapfens 20 beträgt etwa die Länge eines Zahns der Zahnreihe 16 oder 17.

In Fig. 2 ist die Ruhestellung der einzelnen Bauteile zueinander datgestellt. Die Bauteile nehmen die Ruhestellung dann ein, wenn zwischen ihnen keine Relativbewegung herrscht und auf sie keine andere Beschleunigung als die Erdbeschleunigung einwirkt.

ao In der Ruhestellung soll zweckmäßigerweise eine durch ein Kreuz 27 angedeutete Mittelachse der Bohrung 18 von einer ebenfalls durch ein Kreuz angedeuteten Mittelachse 28 des Zapfens 20 einen Abstand von der Größenordnung eines Viertels der

as Länge eines Zahns 16' bzw. 17' der Zahnreihen 16 und 17, also von der Größenordnung eines Viertels einer Zahnteilung aufweisen. Wenn die zuletzt genannten Bedingungen erfüllt sind, beträgt die Produktionslolcranz im Bereich der Durchmesser der Bohrung 18 und des Zapfens 20 ebenso wie im Bereich der Einstellung der Klinken 23 und 24 * ein Viertel, der Länge eines Zahns, d. h. ein Viertel einer Zahnteilung.

Im gegebenen Fall sind die Klinken 10 und 11 um

ein Viertel der Länge eines Zahns 16' bzw. 17' des Schallrades 9 in Schwingungsrichtung aus sincr zum Zapfen 20 zcntralsymmetrischen Lage verschoben an der nicht dargestellten Grundplatte befestigt.

In Fig. 3 sind die Bauteile nach Fig. 2 zum rcinen Schema dclotmicrt und vereinfacht dargestellt. Im Interesse der Übersichtlichkeit wurden nur an der F ig. 3 f entsprechende Bezugszilfern angebracht. Dementsprechend bedeuten die Pfeile in Fig. 3 jeweils die beiden Klinken 10 und 11. Die stufenförmigen Gebilde sind die Zahnreihen 16 und 17. Die mehr oder weniger exzentrischen Ringe bedeuten die Unilangslinicn der Bohrung 18 und des in die Bohrung lagenden Zapfens 20.

In F i g. 3 :t ist die der IMg. 2 entsprechende Ruhcstellung daigestellt. In der Ruhestellung beruhten die freien Enden der beiden Klinken 10 und 11 zwei einander gegenüberliegende Zahnflanken 16" und 17" der beiden Zahurcihcn 16 und 17.

Im folgenden wird mich auf Fig. 1 und 2 Ile/υμ genommen.

Fig. 3b zeigt eine Stellung, die dann auftritt, wenn der Schwinger und damit die Klinken 10 und 11 und der Zapfen 20 sich nach rechts bewegt haben und wenn der Zapfen 20 und die Klinke 10 auf das Schalt rad 19 eine Kraft ausüben und dieses beschleunigen. In diesen· Zustand hat der Zapfen 20 gegenüber dem Zustand nach F i g. 3 a und mit Bezug auf das Schaltrad 9 einen Weg der Länge eines Viertels einer Zahnteilung zurückgelegt, während der Weg

der Klinke 11 mit Bezug auf die Zahnflanke, die sie vorher berührt halte, den doppelten Weg hinter sich brachte, d. h. etwa den Weg von der Länge der 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 Fig. 3d, jedoch mit umgekehr-Schaltrad 9 seine Bewegung in Richtung nach rechts ter Richtung der Kraft- und Beschleunigungsverhältbcibehäit, während die vom Schwinger 6' gesteuerte nisse. Die Klinken 10 und 11 haben im Zustand nach Beschleunigung der Klinken 10, Il 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 Fig. 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' herbereits 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, Il gegenüber dem Schaltrad 9 nach links Grundplatte und dem Schwinger 6' beträgt zwischen erreichen die Bauteile eine Stellung nach Fig. 3d, »5 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 Fig. 3h völlig dem nach Fig. 3 a verauflag. Zu diesem Zeitpunkt fällt die Klinke 10 von ao gleichbar.

einem Zahn 16' zum nächsten. In der Zeitspanne Die Fig. 3 i und 3 k stellen denselben dynamischen

zwischen den Stellungen nach den Fi 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 as 17 darstellenden Treppenstufen gegenüber dein Um-Schaltrad9 die doppelte Weglänge, d.h. die Weg- fangskreis der Bohrung 18. Diese formal notwendige länge der Hälfte einer Zahnteilung, zurücklegen Verschiebung beweist sinnfällig das Fortschreilen des konnte. F.s sei in diesem Zusammenhang ausdrück- Schaltrades 9 um eine Zahnteilung gegenüber den lieh darauf hingewiesen, daß auf Grund der gegebe- Klinken 10, 11 und den Zapfen 20.
nen Konstruktion die absolute zurückgelegte Weg- 3° Mit Hilfe der Fig. 3 lassen sich auch alle im Zulänge für beide Klinken 10 und 11 ebenso wie für sammenhnng mit der Fig. 2 aufgestellten Bedingunden Zapfen 20 einander und der des Schwingers 6' gen rechtfertigen und die Tat^acnenbehauptung übet 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 de« das freie Ende der anderen Klinke abstützt und sich Schaltradcs 9 ein. Zwei verschiedene Stellglieder 3-4 um diese freien Enden in wechselnden Richtungen und 35 halten je eine der Klinken 10 und 11 in ihrei dreht. Stellung etwa parallel zur anderen und parallel ?ui

Der in Fig. 3e 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 zwe doch mit dem Unterschied, daß Kraft- und Be- verschieden·; Konstruktionsmöglichkeiten, von dentr wegungsrichtung des Zustands nach Fi g. 3 e der des jede ihre besonderen Vorzüge und Nachteile aufweist Zustands nach F i g. 3 b 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 Fig. 3e, bezogen Selbstverständlich sind die Bolzen 38, 39, 40 aucl auf den Zustand nach Fig. 3b, das Schaltrad 9 durch eine Lötung oder durch andere Befestigung^ gegenüber der Klinke 10 um einen Zahn 16' vor- mittel ersetzbar. Das freie Ende nts Stellglieds 3' genickt ist. Hegt auf einem Exzen?_erbolzen 4i auf, der in eini

Im Zustand nach Fig. 3 f behält der Masseschwer- 5° Bohrung 43 des Boden 8' eingelassen ist. Die Wir punkt 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 Vorspannuni Klinken 10, 11, bezogen auf den Zv tand nach am Exzenterbolzen 41 an. Wenn man den Exzenter F i g. 3 e, bereits umgekehrter Beschleunigung unter- bolzen 41 beispielsweise mit einem Schraubenziehe 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 Φ

bc/üglich der auftretenden Kräfte und Beschleuni- befestigt, der in cr?r entsprechenden 3ohrung de gungen. Zum richtigen Verständnis der Funktion Bodens 8' klemmt. Das freie Ende des Stellglieds 31 muß man jedoch immer berücksichtigen, daß der 6o und damit das freie Ende der Klinke 11 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 F i g. 3 d irrever- Zapfens 44 bewegen. Mit dem Stellglied 35 läßt siel sibet ist und daß die festgestellten Äquivalenzen zwar die Lage der Klinke 11 nicht so fein einstellci zwischen verschiedenen dynamischen Zuständen in wie die Lage der Klinke 10 mit dem Stellglied 3Ί fortschreitender Zeit nicht die Umkehrbarkeit aller 65 doch wird dieser Nachteil durc' die besondere Ein dazwischenliegender Vorgänge begründen können. fachheit der Konstruktion des Stellglieds 35 ausge Eine gewisse Penodizität tritt jeweils nur mit einer glichen.
I (mischung des Schaltrades 9 auf. Für die F i g. 5 wurden, im Interesse der Obersicht

lichkcit der Exzenterbolzen 43, die beiden Stellglieder 34 und 35 und die beiden Klinken 10 und 15 weggelassen. In Fig. 5 erkennt man die besonderen Konstruktionsmerkmale einer Radnaoe46, auf der das Schaltrad 9 aufgezogen ist. Die Radnabe 46 besteht aus ferroinagnetischem Material hoher Koerzitivkraft und weist mindestens ein magnetisches Polpaar auf. Die Radnabe 46 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 18', der in einer entsprechenden Bohrung der Grundplatte 8' verankert ist. Die Differenz der Durchmesser der Bohrung 47 und des Stifts 18' beträgt etwa die Länge einer Zahnteilung des Schaltrades 9.

Die Radnabe 46 berührt nur mit einer Kante 46' an ihrem Umfang die Oberfläche eines flachen Uhrensteins 49, der ebenfalls an der Grundplatte 36 der Büchse 8 befestigt ist. Eine weitere Kante 50 der Radnabe 46 liegt einer Abschlußplattc 8" gegenüber, die in einem Bördelrand 52 der Büchse 8 eingelegt ist und die Büchse 8 abschli. (it. Die Abschlußplatte 8" kann aus mineralischem Material bestehen, vorzugsweise aus dem Material der Uhrensteine. Selbstverständlich darf das Material der Abschlußplatte 8" ebensowenig wie das der Büchse 8 ferromagnetisch sein, damit die magnetische Kupplung zwischen der Radnabe 46 und einem außerhalb der Büchse 8 befindlichen Kupplungsrad 12 nicht gestört wird. Die Büchse 8 einschließlich ihrem Inhalt könnte identisch mit der Büchse 8 nach Fig. 1 und deren Inhalt sein. In diesem Fall stände das Kupplungsrad 12 im Kraftschluß mit der Radnabe 46 und dem Schaltrad 9.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 6 sitzen ein Schaltrad 9 und ein Magnetrad 56 mit gemeinsamem Schwerpunkt fest auf einer Radachse 57. Das eine Ende dieser Radachse 57 ist in einem Steinlager 58 ohne erhebliches Spiel gelagert. Ein Steinlager 59 umfaßt das andere Ende der Radachse, und zwar mit einem Spiel von etwa einer Zahnteilung des Schaltrades 9. Die beiden Steinlager 58 und 59 befinden sich wiederum in einer Bodenplatte 8' und einer Deckplatte 8" einer Büchse 8.

Im Betrieb führen das SchaUrad 9 und das Magnetrad 56 zusammen mit der Radachse 57 Taumel-Bewegungen aus.

Bei der Ausführungsform nach F i g. 7 sitzen ein Schaltrad 9 und ein Magnetrad 56 fest auf einer Radachse 57, deren eines Ende in ein Steinlager 65 ragt und deren anderes Ende von einem Steinlager 66 umfaßt wird. Die beiden Steinlager 65 und 66 befinden sich in einer Bodenplatte 8' und einer Deckplatte 8" einer Büchse 8.

Zwischen der Radachse 57 und den beiden Lagern 65 und 66 herrscht ein Spiel von der Größenordnung einer Zahnteilung des Schaltrades 9. Während des Betriebs bewegen sich dementsprechend das Schaltrad 9, das Magnetrad 56 und die Radachse 57 periodisch achsparallel.

Bei der Ausführungsform nach F i g. S befinden sich im Axialbereich eines Schaitrades 9 keine gegenüber diesem feste Anschläge. Achsparallele Bewegungen im Betrieb dieses Schaltrades 9 werden vielmehr durch Käfig-Wände 71 und 72 und durch die Klinken 10 und Il begrenzt. Diese Konstruktionsform ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die einzelnen Bauteile des Schwingungsmolors sehr klein sind.

Im Diagramm nach Fig.¹/ ist die Amplitude eines virtuellen Mittelpunkts de;: Schwingers 6' und eines Masseschwerpunkts von Schaltrad 9 des Schwingungsmotors nach Fig. 1 und 2 über der Zeit aufgetragen Die mit ausgezogener Linie gezeichnete Kurve 76 betrifft den virtuellen Mittelpunkt des Schwingers 6', während die mit gestrichelter Linie gezeichnete Kurve 77 die Bewegung des Masseschwerpunkts des Schakrades 9 wiedergibt. Die Zuordnung der beiden Kurven zueinander wird nun im Zusammenhang mit Fig. 2 der Zeichnungen deutlich. Der virtuelle Mittelpunkt, dessen Bewegung

•5 Jurch die Kurve 76 repräsentiert ist, liegt nach Fi g. 2 auf der Mittelachse 28, während der Masseschwerpunkt von Schaltrad 9 gemäß Fig. 2 auf der Drehachse 27 liegt. Wenn man in erster Näherung annimmt, daß die beiden Achsen 27 und 28 sich nur

ao achsparallel zueinander bewegen, kann man als< auch ohne weiteres die Kurve 76 der Mittelachse 28 und die Kurve 77 der Drehachse 27 zuordnen. Es is dann nur noch zu beachten, daß die Kurven 76 und 77 in einer Ebene senkrecht zu den Achsen 27 und 28 nur eine einzige Bewegungskomponente repräsentieren, und zwar die in der Hauptrichtung der Schwingungsbewegungen des Schwingers 6'.

Die Kurve 76 ist eine Sinuslinie, die der Praxis ent spricht, wenn der Schwinger 6' zu einem mechuni sehen Resonator gehurt. Die waagerechte Zcilachse repräsentiert im Diagramm nach Fig.¹) die Ruhe stellung der Mittelachse 28 nach F i g. 2. d. h. die Ruhestellung des Schwingers 6'.

Wenn im dynamischen Betriebszustand die Mittel achse 28 die Ruhestellung durchläuft, befinden siel die verschiedenen Bauteile in einer Lage zueinander die etwa der nach Fig. 3b entspricht. Die Drehachse 27 folgt der Mittelachse 28 dabei im Abstand von etwa einer halben Zahnteilung imch. Dieser Betriebs zustand wird im Diagramm nach F i g. 9 durch die Punkte 78 und 79 gekennzeichnet. Im Punkt 78 er folgt für die Mittelachse 28 eine Beschleunigungs umkehr, während die Drehachse 27 in Punkt 79 die erreichte Geschwindigkeit beibehält. Deshalb laß sich die Bewegung der Drehachse von Pun.<.t 79 au durch eine Gerade darstellen, und zwar bis zu einem Punkt 80. Im Punkt 80 ist die Drehachse 27 de Mittelachse 28 etwa um die Länge einer Zahnteilunjj vorausgeeilt. Dieser Betriebszustand entspricht de Darstellung in Fig. 3e.

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

Im Punkt 83 erfolgt eine Beschleunigungsumkelt für die Mittelachse 28, während die Drehachse 27 ir Punkt 82 ihre erreichte Geschwindigkeit bis zu einen Punkt 84 der Kurve 77 beibehält. Dementspreeheni

geht in diesem Bereich die Kurve 77 in eine Geradi über. Dem Betriebszustand nach Punkt S4 entsprich

die Stellung der Bauteile nach Fig. 3i zueinander.

Vom Punkt 84 aus wird die Bewegung der Dreh

achse 27 wieder vollständig von der Bewegung de Mittelachse 28 bestimmt. Dementsprechend echt dii Kurve 77 vom Punkt 84 aus in eine Sinus-Linie libci und zwar bis zu einem Punkt 86, der senkrecht unto

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dem Schnittpunkt 87 der Kurve 76 mit der Zeilachse liegt.

Zwei Schnittpunkte b8 und 89 der beiden Kurven 76 und 77 stellen die Betriebszustände dar, die den F i g. 3 c und 3 g zugrunde liegen.

Für die Kurve 77 wurden Einflüsse der Reibung uud 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 Fig. 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 andererseits 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 Rich-

tung der Amplitude, bezogen auf das Diagramm nach F i g. 9, etwa eine Zahnteilung beträgt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (12)

Patentansprüche:

1. Schwingungsmotor, insbesondere für Zeitmeßgeräte, mit einem mechanischen Schwinger und mit auf ein Schaltrad, das magnetisch an ein an einem ortfcslen Teil gelagertes Kupplungsrad gekoppelt ist, wirkenden Klinken, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Schwinger (60 zwei zur Schwingungsrichtung etwa parallel angeordnete Klinken (10, 11) befestigt sind, die gegeneinander 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 Schwingungsridming unter dem Einfluß von Massentr; L'ieit und Beschleunigung durch den Schwinger (6') in relativ zueinander entgegengesetzte Bewegungen versetzen lassen, welche durch Begrenzungselementc (18, 20) so begrenzt werden, daß das Schaltrad (9) gegenüber den Klinken (10, 11) nur Relativbewegungen mit einem Hub von etwa seine: Zahnteilung ausführen kann, welche Relativbewegungen durch das as Zusainmenwiiken besagter Klinken (10, 11) und Begrenzungselemente (18, 20) mit dem Schaltrad (9) zu gleichgerichteten Drehbewegungen desselben umgewandelt werden (Fig. 1 und 2).

2. SchwingungsmJtor r.uch Anspruch I, gekennzeichnet durch CUc Anordnung der Begrenzungselemente (18, 20) Jer !.linken (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 j 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, 11) um ein Viertel dieser Zahrteilung in Schwingungsrichtung aus einer zum Achslager (59 bzw. 66) zentralsymmetrischen Lage verschoben am Schwinger befestigt sind (F i 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. Schwinguiijjsmotor 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 (F i g. 4 und 5).

ID. 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.

Π. 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.