DE2420727A1

DE2420727A1 - Zeitgeber

Info

Publication number: DE2420727A1
Application number: DE2420727A
Authority: DE
Inventors: Charles Downing Flanagan
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1973-04-30
Filing date: 1974-04-29
Publication date: 1974-11-14
Also published as: IT1008473B; US3822413A; GB1457190A; FR2227442A1; FR2227442B1; JPS5015080A

Description

13500 North Central Expressway

Dallas , Texas
V.St.A.

Unser Zeichen; T 1563

Zeitgeber

Viele herkömmliche Haushaltsgeräte enthalten komplizierte und teuere Zeitgeber zum Regulieren der Arbeitszyklen der Geräte. Beispielsweise enthalten die Zeitgeber typischerweise Synchronmotoren, Folgesteuerungswalzen oder dergleichen und Sperrvorrichtungen zum Kuppeln der Motoren
mit,den Walzen. Es wäre erwünscht, verbesserte Zeitgeber vorzusehen, bei welchen vorzugsweise verbesserte
Schrittmotoren oder dergleichen verwendet werden und welche beträchtlich weniger kompliziert und teuer sind,
während trotzdem eine hohe Zuverlässigkeit der Vorrichtung erreicht wird. Am bedeutsamsten ist, daß die herkömm-

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lichen Zeitgeber häufig nur mit verhältnismäßig hohen Leistungswerten betreibbar sind. In Anbetracht der jüngsten Entwicklung von Steuersystemen mit integrierten Schaltungen niedriger Leistung für solche Geräte wäre es außerdem wünschenswert, verbesserte Zeitgeber zu schaffen, die mit bedeutend niedrigeren Leistungswerten betreibbar sind.

Ziel der Erfindung ist es, einen neuen und verbesserten Schrittmotor zu schaffen; einen neuen und verbesserten Zeitgeber zu schaffen, bei welchem ein solcher Schrittmotor verwendet wird; solch einen verbesserten Zeitgeber zu schaffen, mittels welchem die Arbeitszyklen von verschiedenen Haushaltsgeräten reguliert werden können; verbesserte Zeitgeber zu schaffen, die einfach und nicht kostspielig aufgebaut sind; verbesserte Zeitgeber zu schaffen, die kompakt, stabil und zuverlässig sind; und Zeitgeber zu schaffen, die mit sehr niedrigen Leistungswerten betreibbar sind.

Weitere Ziele und Vorteile des verbesserten Schrittmotors und des Zeitgebers nach der Erfindung ergeben sich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung von bevorzugten Ausführungsforinen der Erfindung. Die ausführliche Beschreibung nimmt auf die Zeichnung Bezug, welche eine perspektivische Ansicht des Zeitgebers nach der Erfindung zeigt, bei welchem der verbesserte Schrittmotor nach der Erfindung verwendet wird.

Gemäß der Darstellung in der Zeichnung weist der Zeitgeber nach der Erfindung, der bei 10 dargestellt ist, eine Basis oder einen Rahmen 12 aus angemessen festem und steifem, elektrisch isolierendem Werkstoff, wie etwa Phenolharz, auf, in welchem die Welle 14 oder eine andere von dem Motor angetriebene Einrichtung

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frei drehbar gelagert ist. Der Zeitgeber 10 enthält außerdem eine Folgesteuereinrichtung 16 irgendeiner herkömmlichen Bauart, die in der Zeichnung durch die Kurvenscheiben 18 und 20 und durch die Schalter 22 und 24 dargestellt ist. Es ist zu erkennen, daß jeder der genannten Schalter ein Paar Federkontaktarme 26 und 28 aufweist, die Kontakte 30 bzw. 32 tragen und die an dem Rahmen 12 elektrisch voneinander isoliert freitragend so befestigt sind, daß sie die Kontakte 30 und 32 normalerweise von einander getrennt in einer Stellung mit geöffnetem Stromkreis halten. Die federnden Kontaktarme 26 sind jedoch aufwärts bewegbar, damit die Kontakte 30 mit den feststehenden oder in anderer Weise komplementären Kontakten 32 zum Schließen der Ausgangsstromkreise des Zeitgebers 10 in Berührung kommen. Wie zu erkennen ist, bewirkt das Schließen dieser Ausgangsstromkreise das Speisen verschiedener Vorrichtungen außerhalb des Zeitgebers 10, wie in der Zeichnung durch die Klemmen 34 und 36 dargestellt. Die Kurvenscheiben 18 und 20 haben jeweils erhöhte oder Steuerkurventeile 18.1 und 20.1 mit gewählten Längen sowie vertiefte Teile 18.2 und 20.2, die ebenfalls gewählte Längen haben und bei welchen keine Kontaktbetätigung erfolgt. Die Kurvenscheiben sind auf der Welle 14 so befestigt, daß sie sich mit derselben gemeinsam drehen, und so proportioniert, daß, wenn die Kurvenscheiben mit der Welle gedreht werden, wie durch den Pfeil 37¹dargestellt, sich die erhöhten Teile der Kurvenscheiben selektiv gegen die federnden Kontaktarme 26 legen und diese anheben, damit die Ausgangsstromkreise des Zeitgebers 10 für gewählte Zeitspannen geschlossen werden. Andererseits können selbstverständlich, wenn die vertieften Teile der Kurvenscheiben an den Kontaktarmen 26'vorbeibewegt werden, die Arme 26 die Kontakte 30 aus ihrer Anlage an den Kontakten 32 federnd zurückziehen und die Ausgangsstromkreise des Zeitgebers 10 für gewählte Zeitspannen öffnen.

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Im Rahmen der Erfindung kann jede gewünschte Anzahl von Kurvenscheiben für eine Zusammenwirkung mit entsprechenden Ausgangsschaltern auf der Welle 14 befestigt sein. Die Folgesteuereinrichtung 16 des Zeitgebers 10, die als aus Kurvenscheiben und Federschaltern gebildet dargestellt ist, könnte im Rahmen der Erfindung statt dessen auch aus einer Zeitgeberwalze gebildet sein, die mit der Welle 14 drehbar ist und die mit geeigneten Schleifkontakten zusammenwirkt. Andere herkömmliche Folgesteuereinrichtungen könnten ebenfalls verwendet werden.

Gemäß der Erfindung weist ein in der Zeichnung bei 37 dargestellter verbesserter Schrittmotor ein Schaltrad 38 auf, welches ebenfalls auf der Motorabtriebswelle 14 so befestigt ist, daß es sich mit derselben gemeinsam dreht. Außerdem ist ein Betätigungsorgan 40 vorzugsweise in Reihenschaltung mit einem gewählten Widerstandselement 42 und vorzugsweise mit einem Drahtstück 43 zwischen ein SteueranschIußteil 44 und ein Federteil 46 geschaltet/ die beide vorzugsweise freitragend gehalten sind, wie in der Zeichnung gezeigt. Das Federteil 46 trägt einen Kontakt 48 und ist durch seine Eigenelastizität normalerweise so vorgespannt, daß der Kontakt 48 an einem komplementären Kontakt 50 anliegt, der an einem zweiten Steueranschlußteil 52 befestigt ist, welches ebenfalls an dem Rahmen 12 freitragend gehalten ist, damit auf diese Weise ein Steuerstromkreis des Zeitgebers 10 geschlossen wird. Wie zu erkennen ist, kann elektrischer Strom von einer Stromquelle außerhalb des Zeitgebers 10 aus, wie in der Zeichnung durch Klemmen 54 und 56 dargestellt, durch diesen Steuerstromkreis hindurchgeleitet werden. Eine Schaltklinke 58 ist an-dem Betätigungsorgan 40 angebracht und so angeordnet, daß durch die Wechselbewegung der Schaltklinke in der durch den Pfeil 59 angegebenen Richtung die Schaltklinke 58 mit dem Schaltrad 38 in Eingriff kommt,

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wenn die Schaltklinke in einer Richtung, d.h. gemäß der Darstellung in der Zeichnung in Abwärtsrichtung bewegt wird, um dadurch das Schaltrad 38 in der Richtung des Pfeiles 37' vorwärtszubewegen bzw. zu drehen, und daß sie wechselweise an dem Schaltrad vorbeibewegt wird, wenn sich die Schaltklinke in der entgegengesetzten Richtung bewegt.

Gemäß der Erfindung enthält das Betätigungsorgan 40 ein Drahtstück 43 aus einer gewählten Nickel-Titan-Legierung, die aus etwa 54 bis 56 Gewichtsprozent Nickel und dem Rest Titan besteht. Da diese Metalllegierung bekannt ist, wird sie hierin nicht weiter beschrieben . Es ist zu erkennen, daß diese Legierung einen verhältnismäßig niedrigen Elastizitätsmodul bei einer Temperatur unterhalb einer vorbestimmten Übergangstemperatur aufweist, die für die Legierung charakteristisch ist, und daß die Legierung dann bei einer Temperatur oberhalb dieser Übergangstemperatur einen verhältnismäßig viel höheren Elastizitätsmodul aufweist. Wenn das Legierungsmaterial in bekannter Weise richtig konditioniert ist, zeigt es außerdem beachtliche Formspeicherungseigenschaften, wenn es durch seinen Übergangstemperaturbereich hindurch aufgeheizt wird. Beispielsweise, wenn das Legierungsmaterial des Drahtes des Betätigungsorgans 40, während es sich unterhalb seiner Übergangstemperatur befindet, durch Ziehen des Drahtes verformt wird, um die Drahtlänge um etwa bis zu 8% zu vergrößern, ist der Draht in der Lage, danach eine beachtliche Formspeicherung zu zeigen und seine Länge plötzlich zu verkürzen, wenn er daran anschliessend auf eine Temperatur oberhalb seiner Übergangstemperatur aufgeheizt wird. Hach dem anschließenden Abkühlen des Drahtes unter seine Übergangstemperatur wird der Draht wieder durch Ziehen oder Dehnen leicht verformt, um den Draht wieder so vorzubereiten, daß

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b\ -

er seine Formspeicherung zeigt. Typischerweise wird
zum Beispiel der Draht 40 aus einer Nickel-Titan-Legxerung gebildet, die etwa 55 Gewichtsprozent Nickel und den Rest Titan enthält. Diese Legierung hat eine Übergangstemperatür bei etwa 60 C und folgende weiteren physikalischen Eigenschaften:

Zugfestigkeit - 8 788,8 kp/cm² (125 000 psi) Dichte - 6,5 g/cm

Wärmekapazität - 0,077 cal/°C/g
Spezifischer Wider-

stand - 80 χ 1O Ωαη

Elastizitätsmodul
(unterhalb der Über-

C O C

gangs temperatur) - 0,21 χ 10 kp/cm (3x10 psi) Elastizitätsmodul
(oberhalb der über-

£Z O CZ *

gangs temperatur) - 0,84 χ 10 kp/cm (12x10 psi)

Im Rahmen der Erfindung können selbstverständlich auch andere Metallegierungen, die entsprechende Formspeicherungseigenschaften zeigen, ebenfalls in dem Betätigungsorgan 40 vorgesehen sein.

In dieser Anordnung des Zeitgebers 10 ist das Federteil 46 so gewählt, daß es, wenn sich das Material
des Betätigungsorgans 4O unterhalb seiner Übergangs— temperatur befindet, auf den Betätigungsdraht eine
Kraft ausübt, die ausreichend groß ist, um die Drahtlänge von einer Ausgangslänge aus um etwa 4% zu vergrößern und um den Kontakt 48 normalerweise in Anlage an dem Kontakt 50 zu halten, damit der Steuerstromkreis des Zeitgebers 10 geschlossen ist, während
das Betätigungsorgan unter mechanischer Spannung gehalten wird. Demgemäß kann ein elektrischer Strom
in dem Steuerstromkreis durch den Betätigungsdraht 40 hindurchgeleitet werden, damit der Draht 40

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durch elektrische Selbsterwärmung auf eine Temperatur oberhalb seiner Übergangstemperatur aufgeheizt wird, so daß der Draht 40 seine Länge scharf verkürzt und seinen Elastizitätsmodul scharf vergrößert, um dadurch die Schaltklinke 58 so zu verschieben, daß sich das Schaltrad 38 vorwärtsbewegt, und um das Federteil 46 entgegen seiner mechanischen Vorspannung so zu bewegen, daß der Steuerstromkreis des Zeitgebers 10 geöffnet wird. Wenn der Steuerstromkreis des Zeitgebers 10 auf diese Weise geöffnet ist, kann sich der Betätigungsdraht 40 bis unter seine Übergangstemperatur abkühlen und, wenn der Draht wieder seinen verhältnismäßig niedrigen Elastizitätsmodul aufweist, dehnt die Feder 46 den Draht wieder so, daß die Schaltklinke 58 an dem Schaltrad 38 vorbei in eine Stellung zurückbewegt wird, in welcher das Schaltrad 38 wieder vorwärtsbewegt wird, wenn der Draht erneut aufgeheizt wird. Auf diese Weise wird durch das Hindurchleiten eines elektrischen Stromes durch die Steuerschaltung des Zeitgebers 10 während einer gewählten Zeitspanne der Schrittmotor 37 während dieser Zeitspanne betätigt und ist in der Lage, das Schaltrad- 38 vorwärtszubewegen, wenn der Draht 40 erneut aufgeheizt wird.Auf diese Weise wird durch Hindurchleiten eines elektrischen Stromes durch den Steuerstromkreis des- Zeitgebers 10 während einer gewählten Zeitspanne der Schrittmotor 37 während dieser Zeitspanne betätigt und ist in der Lage, das Schaltrad 38 innerhalb dieser Zeitspanne ein gewähltes Stück weit vorwärtszubewegen und die Kurvenscheiben 18 und 20 der Folgesteuereinrichtung 16 zu drehen, damit das öffnen und Schließen der Ausgangsstromkreise des Zeitgebers 10 reguliert wird. Es sollte zu erkennen -sein, daß zwar ein besonderer Aufbau gezeigt worden ist, der zum intermittierenden Aufheizen des Betätigungsorgans 40 bis über seine Übergangstemperatur verwendet wird, daß im Rahmen der Erfndung jedoch andere herkömmliche intermittierende Heizvorrichtungen ebenfalls verwendet werden könnten.

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Wenn sowohl ein Aufheizen als auch ein Abkühlen des Betätigungsdrahtes 40 verwendet werden, um die Schaltklinke 58 in einem Zyklus zum Vorwärtsbewegen des Schaltrades 38 um eine Kerbe zu bewegen, wie oben beschrieben, wird der Einfluß den die.Zunahme der Umgebungstemperatur ausübt, indem der Draht schneller aufgeheizt wird, während der Abkühlung des Drahtes durch den Einfluß der höheren Umgebungstemperatur aufgehoben, die die Abkühlung des Drahtes verzögert. Folglich wird die Betriebsgeschwindigkeit des Zeitgebers 10 durch Änderungen der Umgebungstemperatur nicht verändert. Das bedeutet, daß die Summe der Aufheizzeit und der Abkühlungszeit des Betätigungsdrahtes bei verschiedenen Umgebungstemperaturen im wesentlichen konstant ist. Wenn der Betätigungsdraht 40 während der Schaltklinkenbewegung außerdem einen Elastizitätsmodul aufweist, der so hoch ist, daß er eine Vorwärtsbewegung des Schaltrades 38 bewirkt, bewirkt ein Betätigungsdraht 40 mit einem verhältnismäßig kleinen Durchmesser, daß die Folgesteuereinrichtung 16 gedreht wird, während der Draht mit einer verhältnismäßig niedrigen Zufuhr von elektrischer Energie aufgeheizt werden kann. Typischerweise kann der Betätigungsdraht 40 z.B. einen Durchmesser von 0,05 mm (0,002") oder weniger haben und mit etwa 2 Watt oder einer geringeren elektrischen Leistung bei den niedrigen Leistungswerten, die mit den Leistungswerten kompatibel sind, welche zum Speisen von Steuersystemen mit integrierten Schaltungen verwendet werden, von Raumtemperatur auf seine Übergangstemperatur aufgeheizt werden.

Es sollte erkannt werden, daß, obwohl eine bevorzugte Ausführungsform des Schrittmotors und des Zeitgebers nach der Erfindung zur Erläuterung der Erfindung beschrieben worden sind, zahlreiche Abwandlungen und Äquivalente der beschriebenen Ausführungsform zum Erreichen der Vorteile der Erfindung verwendet werden könnten. Beispielsweise können die Steueranschlußteile

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44 und 52 aus verformbaren Werkstoffen gebildet sein, die eine Einstellung der auf das Betätigungsorgan 40 durch die Feder 4& ausgeübten mechanischen Spannung und eine Einstellung des Kontaktdruckes zwischen den Steuerkontakten 48 und 50 ermöglichen. Außerdem, obwohl das Schaltrad 38 als ein Rad dargestellt ist, welches so angeordnet ist, daß die Kurvenscheiben 18 und 20 gedreht werden, könnte im Rahmen der Erfindung das Schaltrad eine lineare Form haben und so angeordnet sein, daß verschiedene herkömmliche Folgesteuereinrichtungen bewegt werden. Weiter können in dem Zeitgeber 10 verschiedene herkömmliche Einrichtungen vorgesehen sein, um bei der Übertragung der genannten Bewegung des Betätigungsorgans auf die genannte Folgesteuereinrichtung des Zeitgebers einen gewählten mechanischen Vorteil zu schaffen.

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Claims

- 10 Patentansprüche :

Zeitgeber, gekennzeichnet durch eine Schalteinichtung (38) , durch eine mit der Schalteinrichtung bewegliche Folgesteuereinrichtung, durch eine bewegliche Schaltklinke zum Vorwärtsbewegen der Schalteinrichtung, durch eine Federeinrichtung, die die Schaltklinke so vorspannt, daß diese

sich in eine Richtung bewegt, durch eine Betätigungseinrichtung aus einer gewählten Metallegierung^ die so aufgebaut ist, daß sie aus einer ursprünglichen Konfiguration in eine andere Konfiguration verformt wird, wenn die Schaltklinke durch die Federvorspannung bewegt wird, während die Legierung unterhalb einer Übergangstemperatur einen verhältnismäßig niedrigen Elastizitätsmodul aufweist und plötzlich in ihre ursprüngliche Konfiguration zurückkehrt und einen verhältnismäßig höheren Elastizitätsmodul aufweist, damit die Schaltklinke entgegen der Federvorspannung bewegt und dadurch die Schalteinrichtung vorwärtsbewegt wird, wenn die Legierung auf eine Temperatur über ihie Übergangstemperatur aufgeheizt wird, und durch eine Einrichtung zum intermittierenden Aufheizen der Betätigungseinrichtung auf eine Temperatur oberhalb der Übergangs temperatur.
2. Zeitgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet» daß die Betätigungseinrichtung aus einer Nickel-Titan-Legierung gebildet ist.
3. Zeitgeber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Nickel-Titan-Legierung aus etwa 54 Gewichtsprozent bis 56 Gewichtsprozent Nickel und dem Rest Titan besteht.
4. Zeitgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch

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gekennzeichnet, daß die Betätigungseinrichtung einen Draht mit gewähltem Durchmesser aufweist, der mit einer zugeführten Leistung von weniger als etwa 2 Watt von Raumtemperatur auf die Übergangstemperatur aufheizbar ist.
5. Zeitgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum intermittierenden Aufheizen der Betätigungseinrichtung eine Kontakteinrichtung enthält, die mit der Schaltklinke bewegbar ist, damit ein elektrischer Stromkreis zum intermittierenden Hindurchleiten von elektrischem Strom durch die Betätigungseinrichtung zur elektrischen Selbsterwärmung der Betätigungseinrichtung auf die Übergangstemperatur geöffnet und geschlossen wird.
6. Zeitgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung ein drehbar gelagertes Schaltrad aufweist, welches durch die Vorwärtsbewegung der Schaltklinke gedreht wird, und daß die Folgesteuereinrichtung eine normalerweise geöffnete Federschalteranordnung und eine mit dem Schaltrad drehbare Kurvenscheibenanordnung zum selektiven Schließen der Schalteranordnung aufweist.
7. Zeitgeber, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch einen Rahmen aus elektrisch isolierendem Material, durch eine auf dem Rahmen drehbar gelagerte Welle, durch ein Schaltrad, welches auf der Welle so befestigt ist, daß es sich mit dieser gemeinsam dreht, durch einen an dem Rahmen befestigten ersten Ausgangskontakt, durch einen Ausgangsfederarm, der an dem Rahmen freitragend gehalten ist und einen beweglichen Ausgangskontakt trägt, der zum Schließen eines Ausgangsstromkreises an dem ersten Ausgangskontakt in Anlage bringbar ist, durch

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eine Kurvenscheibenanordnung, die auf der Welle so befestigt ist, daß sie sich gemeinsam mit dem Schaltrad dreht, damit sie mit dem Ausgangsfederarm selektiv in Eingriff kommt und dieser Arm selektiv so bewegt wird, daß der bewegliche Ausgangskontakt in Anlage an den ersten Ausgangskontakt kommt, durch einen ersten Steuerkontakt, der an dem Rahmen befestigt ist, durch ein Steuerfederteil, welches an dem Rahmen freitragend gehalten ist und einen beweglichen Steuerkontakt trägt, der durch den Steuerfederarm normalerweise so mechanisch vorgespannt ist, daß er an dem ersten Steuerkontakt anliegt, so daß ein Steuerstromkreis geschlossen ist, durch eine an dem Rahmen befestigte Steuerklemme, durch einen Betätigungsmetalldraht aus einer Nickel-Titan-Legierung, der zwischen dem Steuerfederteil und der Steuerklemme angeordnet und mit denselben elektrisch verbunden ist, wobei der Metalldraht von einer ursprünglichen Länge auf eine andere Länge verformt werden kann, wenn das Steuerfederteil den beweglichen Steuerkontakt so bewegt, daß er an dem ersten Steuerkontakt in Anlage kommt, während die Metallegierung unterhalb einer Übergangstemperatur einen verhältnismäßig niedrigen Elastizitätsmodul aufweist, damit in dem Steuerstromkreis ein elektrischer Strom fließen und den Draht auf die Übergangstemperatur aufheizen kann, und wobei der Metalldraht in der Lage ist, plötzlich zu seiner ursprünglichen Länge zurückzukehren und einen verhältnismäßig höheren Elastizitätsmodul aufzuweisen, wenn er auf eine Temperatur oberhalb seiner Übergangstemperatur aufgeheizt wird, damit der Steuerfederarm entgegen seiner mechanischen Vorspannung so bewegt wird, daß der Steuerstromkreis geöffnet wird und sich der Draht bis unter seine Übergangstemperatur abkühlen und durch die Federvorspannung wieder auf seine andere Länge verformt werden

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kann, und durch eine an dem Betätigungsdraht angebrachte Schaltklinke, die mit dem Schaltrad in Eingriff bringbar ist, damit das Schaltrad gedreht wird, wenn der Betätigungsdraht plötzlich zu seiner ursprünglichen Länge zurückkehrt, wodurch das Hindurchleiten von elektrischem Strom durch den Steuerstromkreis das öffnen und Schließen des Ausgangsstromkreises reguliert.
8. Schrittmotor, gekennzeichnet durch eine Schalteinrichtung (38), durch eine bewegliche Schaltklinke zum Vorwärtsbewegen der Schalteinrichtung, durch eine Federeinrichtung, die die Schaltklinke so vorspannt, daß diese sich in eine Richtung . bewegt , durch eine Betätigungseinrichtung aus einer gewählten Metallegierung, die so aufgebaut ist, daß sie aus einer ursprünglichen Konfiguration in eine andere Konfiguration verformt wird, wenn die Schaltklinke durch die Federvorspannung bewegt wird, während die Legierung unterhalb einer Übergangstemperatur einen verhältnismäßig niedrigen Elastizitätsmodul aufweist und plötzlich in ihre ursprüngliche Konfiguration zurückkehrt und einen verhältnismäßig höheren Elastizitätsmodul aufweist, damit die Schaltklinke entgegen der Federvorspannung bewegt und dadurch die Schalteinrichtung vorwärtsbeweft wird, wenn die Legierung auf eine Temperatur über ihre Übergangstemperatur aufgeheizt wird, durch eine Einrichtung zum intermittierenden Aufheizen der Betätigungseinrichtung auf eine Temperatur oberhalb der Übergangstemperatur, und durch eine mit der Schalteinrichtung bewegbare Motorausgangseinrichtung.

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