DE2838709B2 - Antriebsvorrichtung für eine Uhr - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung für Uhren entsprechend dem Gattungsbegriff des Hauptanspruchs.

Bei einer solchen bekannten Antriebsvorrichtung (»NUZ Schmuck und Uhren« 1976, Nr. 17, S. 47—57) wird die richtige Anlaufrichtung des Rotors durch nockenartige Verstärkungen des Stators und der dadurch bedingten Asymmetrie der Feldlinien eingehalten, wodurch aber der Wirkungsgrad des Motors herabgesetzt wird.

Es sind weiterhin Steuermittel für einen Schrittmotor aus der DE-OS 26 58 326 bekannt, wobei der Richtungssinn pro 180°-Schritt wechselt Diese Steuervorrichtung ist ebenfalls derartig ausgebildet daß die Motorwicklung bei Abwesenheit von Stromimpulsen kurzgeschlos- sen ist Diese Vorrichtungen sinci mit dem Nachteil behaftet daß ein nicht vernachlässigbarer Teil der dem Motor zugePihrten elektrischen Energie ohne Nutzen für die Dämpfung des Rotors verbraucht wird, wenn keine Stromimpulse anliegen.

Die DE-OS 28 08 534 beschreibt eine Vorrichtung der im Gattungsbegriff ties Hauptanspruchs angegebenen Art. Dabei sind die Steuermittel derart angeordnet, daß sie der Steuerspule entsprechend dem Wert eines Steuersignals Impulse unterschiedlicher Art verleihen,

so um den Motor in der einen oder anderen Richtung drehen zu lassen. Hierbei wird jedoch die zur Verfügung stehende Energie nicht optimal ausgenutzt, um einen einwandfreien Lauf des Schrittmotors in beiden Richtungen zu gewährleisten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antriebsvorrichtung für eine Uhr zu schaffen mit einem Schrittmotor, der einwandfrei in beiden Richtungen

läuft ohne zur Unzeit in falscher Richtung zu laufen.

Diese Aufgabe wird mit der im Hauptanspruch

angegebenen Erfindung gelöst

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil liegt in der verringerten Stromaufnahme, was darauf beruht, daß die Spule nicht fortwährend unter Spannung gehalten werden muß, wobei trotzdem die Lage des Rotors unabhängig von irgendwelchen schädlichen Einflüssen einwandfrei fixiert bleibt.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Verschiedene vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung zur Anwendung bei der Armbanduhr,

F i g. 2 eine Darstellung der dem Motor zugeführten Impulse, wobei die Darstellung a) dem positiven und die Darstellung b) dem negativen Umdrehungssinn des Motors zugeorunet ist,

Fig.3 eine schematische Darstellung des magnetischen Feldes, das durch positive Antriebsimpulse im Anker des Motors erzeugt wird,

F i g. 4 eine schematische Darstellung der vom Rotor während der Antriebsimpulse durchlaufenen Drehwin- y- kel,

F i g. 5 einen Motor mit drei Polaren,

Fig.6 bis tO Details verschiedener Varianten des erfindungsgemäßen Schrittmotors,

|i F i g. U ein Diagramm, in dem die Funktion einer

IJ bekannten Antriebsvorrichtung gemäß F i g. 1 darge-

p stellt ist,

F i g. 12 ein Diagramm, in dem die Betriebsweise der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung gemäß F i g. 1 f dargestellt ist,

- Fig. 13 ein weiteres Diagramm zur Darstellung der

erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung unter Verwendung eines Motors, wie er aus der genannten DE-OS 26 58 326 bekannt ist.

Der in F i g. 1 dargestellte Antrieb einer Armbanduhr umfaßt eine Zeitbasis 1, die beispielsweise aus einem Quarzoszillator besteht, der ein Signal mit einer Frequenz von 32 kHz an einen Frequenzteiler 2 liefert, der in bekannter Weise durch eine Teilerkaskade gebildet wird. Die von mindestens einer Frequenzteiler-Stufe gelieferten Signale werden einer Treiberschaltung 3 zugeführt, deren Ausgänge 3a und 3b mit Anschlüssen 4a und 4b eines Motors 4 verbunden sind. Letzterer : weist eine Wicklung 5 mit den Anschlüssen 4a und 4b

auf, welche auf einem einen Stator 7 bildenden Kern aus weichem magnetischen Material angebracht ist, der durch ebenfalls aus weichmagnetischem Material bestehende Poischuhe verlängert wird, die aus zwei relativ dicken Teilen 7a und Tb zusammengesetzt und unter sich über zwei dünnere Teile Tc und Td verbunden sind. Dadurch wird ein eine zentrale Öffnung bildender Raum 8 für einen rotierenden Zylinder geschaffen.

Ein aus einem Permanentmagneten mit diametraler Magnetisierung gebildeter Rotor 9 ist in dem Raum 8 auf einer Welle IO drehbar gelagert, deren Achse mit derjenigen des Raums 8 zusammenfällt.

Ein zweiter Permanentmagnet wird durch einen aus einem magnetisierten Stab bestehenden Magneten 1 i gebildet, der den dünneren Bereichen Td des Stators benachbart ist, in der Weise, daß die Nord-Süd-Magnetisierungsebene die Achse des Rotors 9 schneidet. Die Dimensionen und magnetischen Charakteristiken des Stators 7 und insbesondere der dünneren Teile Tc und Td, sowie des Magneten 11 sind so gewählt, daß die Felder der Magneten 9 und 11 in Abwesenheit eines Stromes durch die Wicklung 5 in der Weise zusammenwirken, daß sie den Rotor in Richtung einer Geraden X positionieren, welche durch seine beiden Pole und die beiden Pole des Magneten 11 definiert ist.

Der Rotor 9 trägt ein Ritzel 12, welches das erste ^hr> Element in einem Getriebe bildet, das weiterhin Untersetzungselemcntf 13, 14 und ein Rad 15 auf einer Welle enthält, auf der außerdem ein Zeiger 17 befestigt ist, der schematisch die Anzeigeelemente der Armbanduhr darstellen soll. Letztere enthält eine Steuervorrichtung für die Drehrichtung des Motors, für dte Ausführungsbeispiele weiter unten näher beschrieben sind.

Die von der Treiberschaltung 3 an den Motor 4 gelieferten Impulse sind in Fig.2 dargestellt, wobei diejenigen Impulse willkürlich als positiv angenommen wurden, welche im Stator 7 ein Feld hervorrufen, das im Teil Ta als magnetischer Nord- und im Teil Tb als magnetischer Südpol wirkt Das Feld, welches eino viel größere Intensität aufweist als jenes, welches vom Positionsmagneten 11 herrührt, ist in F i g. 3 dargestellt, wo die strichpunktierten Linien schematisch die Verteilung der Kraftlinien in dem freien Raum 8 bei abwesendem Rotor 9 und Positionsmagneten 11 angeben. Diese Kraftlinien haben eine Hauptrichtung, die durch den Pfeil Y gekennzeichnet ist. Bei einem negativen Impuls kehrt sich die Richtung der Kraftlinien um.

Das durch positive Impulse es j;ugte Magnetfeld (Fig.2a) hai daher die Tendenz, den Rotor aus seiner Gleichgewichtsposition um eine viertel Umdrehung in der Richtung, die in F i g. 1 durch den Pfeil 19 angedeutet ist (positive Richtung im Uhrzeigersinn), zu bewegen. Dieser Impuls wird nach einer Zeitdauer 11, wenn der Rotor sich um einen Winkel φ 1 (F i g. 4) gedreht hat, unterbrochen. Während des Zeitraums f 2 setzt der Rotor aufgrund seiner kinetischen Energie seine Umdrehung fort und durchläuft den Winkel φ 2. Am Ende des Zeitraums f2 dreht sich der Motor um weitere 90°, so daß durch das Feld, welches durch den negativen Antriebsimpuls erzeugt wird, der in diesem Moment beginnt, die Tendenz einer Drehbewegung im selben Sinn erzeugt wird. Dieser Impuls dauert für eine Zeit i3 an, und wenn er beendet ist, hat der Motor eine Drehung um den Winkel φ 3 ausgeführt. Die Summe dieser Winkel φ 1, φ 2 und φ 3 ist größer als 180° und der Rotor gelangt aufgrund seiner kinetischen Cnergie und des durch die Einwirkung des Magneten 11 und den Rotor 9 ausgeübten Positionierungsmoments wieder in sei,ie Ausgangsstellung zurück. Damit hat er unter dem Einfluß eines Impulspaares, bestehend aus einem von einem negativen Impuls gefolgten positiven impuls, eine vollständige Umdrehung ausgeführt.

Um eine Drehbewegung des Rotors im umgekehrten Sinn zu bewirken, ist es ausreichend, einen von einem positiven Impuls gefolgten negativen impuls abzugeben, wie es in F i g. 2b dargestellt ist. Die durch diese Impulse erzeugten Magnetfelder bewirken eine Umdrehung des Rotors entgegen dem Uhrzeigersinn in negativer Richtung.

Die Zeitdauern 11, t? und f 3, die Impulse und die sie trenr iriden Pausen hängen von der Charakteristik des Motors und dem zu liefernden Moment ab. Die Zeiten /1 und ί 2 können gleich oder unterschiedlich sein. Es ist jedoch von gewisser Bedeutung, f3 größer als (1 zu machen, um eine Vergrößerung des entgegengerichteten Momentes durch die abstoßende Wirkung der Nordpole der Magnete 9 und 11 zu erhalten, wenn der Motor seine erste halbe Umdrehung beendet.

In entsprechender Weise ist es in AbhänpigSieit vom Anwendungsfall möglich, die Zeitdauer der Pause / 2 zwischen den beiden antreibenden Impulsen bis auf null zu verringern.

Es ist weiterhin möglich, den Rotor mit mehr als einem Paar von Magnetpolen zu versehen, unter der Bedingung, daß ihre Zahl ungerade ist. In F i g. 5 ist ein

Motor dargestellt, dessen Rotor 9'. der in einem Stator ähnlich demjenigen in F ig. I montiert ist,drei Poloaarc aufweist, die mit N 1-51, N2-S2 und N3-53 bezeichnet sind. Jedes Paar von Impulsen, das demjenigen gemäß Fig. 2a entspricht, bewirkt dabei eine Umdrehung des Rotors um eine drittel Umdrehung im negativen Sinn, während jedes Impulspaar gemäß Fig. 2 eine drittel Umdrehung im positiven Sinn hervorruft. Ein Rotor mil fünf Polpaaren dreht sich im Gegensatz dazu im selben Sinn wie die Anordnung gemäß Fig. I. Es ist ersichtlich, daß die Dauer der Antriebsimpulse an die Anzahl der verwendeten Polpaare des Rotors angepaßt sein muß.

In den Fig. 6 bis 10 sind verschiedene Ai'sführungsvariantcn des Motors dargestellt:

Bei der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform werden die allein dargestellten Teile Ta und Tb des Stators 7 durch einen nutförmigen Spalt 20 getrennt, in dem ein Positionierungsmagnet angeordnet ist.

In F i g. 7 ist der Positionierungsmagnet 11 in einer Ausnehmung 21 im dünneren Bereich Td des Stators gegenüber dem freien Raum 8 angeordnet.

In F i g. 8 sind, wie in F i g. 5, die starken Teile Ta und Th des Stators 7 durch einen Spalt 20 getrennt, wobei der Positionierungsmagnet in Form eines Kreissegments 22 unterhalb des Bogens 23 des Stators angeordnet ist.

In Fig. 9 ist ein Positionierungsmagnet Il in einer Spalte 20 wie bei der Variante gemäß F i g. 6 angeordnet, wobei seine Wirkung durch einen zweiten Positionierungsmagnet 11', der in einer Spalte 20' gegenüber dem Rotor 9 angeordnet ist. verstärkt wird.

Die Spalten 20 bzw. 20'. die bei den Ausführungsformen gemäß den F i g. 5.7 und 8 in den Bereichen 7cf bzw. Tc des Stators 7 angeordnet sind, erzeugen ein zusätzliches Positionierungsmoment des Rotors, das sinusförmig periodisch pro halber Umdrehung des Rotors verläuft und eine Glättung des umdrehungsabhängigen Moments bewirkt.

Ein ähnlicher Effekt kann durch eine exzentrische Anordnung des Rotors erreicht werden, wie sie in Fig. 10 dargestellt ist. wobei sich in diesem Fall die Wir kung mit derjenigen des Spalts 20 überlagert.

Der Positionierungsmagnet kann auch in anderer Weise angeordnet sein und es können weitere Mittel vorgesehen sein, um die Abhängigkeit des Motormoments und des Positionierungsmoments in Abhängigkeit von der Winkelstellung des Rotors zu beeinflussen.

In F i g. 11 sind in Diagrammen Motormomente, die Spannung VM an den Klemmen der Wicklung 5 und die Winkelgeschwindigkeit des Rotors 9 des Motors in Abhängigkeit vca άζτ Winkelstellung dargestellt. Dabei zeigt sich, daß ein positiver Impuls der Spannung VM ein Moment hervorruft welches den Rotor 9 (in Richtung des Pfeiles 19 in Fig. 1) aus der Ruheposition in die Position B) treibt Nach einer Pause, in der die Wicklung 5 des Motors nicht mit Spannung versorgt wird, in der aber der Rotor seine Drehbewegung fortsetzt und in die Position C gelangt erhält die Wicklung an ihren Anschlüssen einen negativen Impuls — VM, welcher den Rotor aus der Position C in die Position D gelangen läßt Von der Position D ab ist die Wicklung 5 des Motors kurzgeschlossen (cc.), um die Bewegung des Rotors, dessen Geschwindigkeit bis zu einem Winkel von ungefähr 300° zunimmt abzubremsen. Die Geschwindigkeit nimmt daraufhin gegen Ende des Schrittes (360°) rapide ab. Das in Fig. 12 dargestellte Diagramm stellt die Funktion einer Antriebsvorrichtung dar, welche von der erfindungsge

mäßen Lehre Gebrauch macht. Dieses Diagramm zeigt Motormomente, die Spannung an den Anschlüssen der Wicklung 5 und die Winkelgeschwindigkeit des Rotors 9 in Abhängigkeit vom Drehwinkel.

Bis ru einer Position C des P"tnrs ähnelt das Diagramm dem in Fig. Il dargestellten. Im Punkt C erhält die Wicklung 5 des Motors an ihren Anschlüssen einen negativen Impuls — VM von wesentlich kürzerer Dauer C-D) als es in Fig. 11 dargestellt ist. Von der Position D aus wird die weiter unten beschriebene Treiberschaltung derart betrieben, daß sie für die Wicklung 5 einen praktisch unendlich großen Widerstand, also praktisch einen offenen Schaltkreis darstellt (co.). Da die Geschwindigkeit des Rotors 9 damit ungedämpft ist, wird seine Bewegung nur durch den Widerstand des Getriebes für die Anzeigeorgane abgebremst.

Es ist ausreichend, die Abbremsiing der Motorbewegung gegen Ende des Schrittes ungefähr von der Position E an vorzunehmen, so daß der Rotor nach einer abklingenden Schwingung in der Endposition dos Schrittes stehenbleibt.

Zu der graphischen Darstellung der Winkelgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Winkelstellung (unterer Teil in Fig. 12) ist zu bemerken, daß die erreichte maximale Geschwindigkeit kleiner ist als diejenige, die bei der bekannten Einrichtung gemäß Fig. 1 erreicht wird, w»e es aus dem zugehörigen Diagramm in F i g. 11 ersichtlich ist. Das hat seine Ursache darin, daß die elektromotorische Gegenkraft der Rotorwicklung den Motor nicht meiir abbremst und es damit nicht notwendig ist, ihm zum Überwinden dieser Kraft eine erhöhte Geschwindigkeit zu erteilen.

Daraus resultiert eine beträchtliche Energieersparnis, welche stattdessen zum Antrieb des Motors zur Verfügung steht.

In Fig. 13 ist als Beispiel gezeigt, wie bei der erfindungsgemäßen Antriebsvorrirhtung auch von einem Motor Gebrauch gemacht werden kann, wie er aus der obengenannten DE-OS 26 58 326 (Fig. I) bekannt ist.

In diesem Diagramm sind die statischen Momente und die Winkelgeschwindigkeit des Rotors in Abhängigkeit vom Drehwinkel dargestellt, wohingegen die Spannung an den Anschlüssen der Motorwicklung in Abhängigkeit von der Zeit wiedergegeben ist.

Die Funktionsweise des Motors bei Vorwärtslauf entspricht dem zuvor beschriebenen. Daher soll lediglich die Rückwärtsbewegung beschrieben werden.

Ein positiver Impuls + VM (A-b im zeit'-chen Diagramm des Stroms) läßt den Motor im Uhrzeigersinn anlaufen, d. h. entgegengesetzt zum gewünschten Drehsinn. Der Motor gelangt in eine Position B, in der das negative Positionierungsmoment ein Maximum ist In diesem Augenblick wird ein negativer Impuls — VM (B-C) geliefert und ein maximales inverses Moment hervorgerufen, welches eine Verlangsamung, ein Anhalten und ein Beschleunigen des Motors im gewünschten Drehsinn entgegen dem Uhrzeiger in die Position C bewirkt Hier setzt der Motor seine Umdrehung ohne Energieverbrauch allein aufgrund seiner gespeicherten kinetischen Energie fort Das Ende des Schrittes von der Position C (490°) wird wie bei der gegenwärtigen Vorrichtung dadurch erleichtert, daß die Versorgungsschaltung für die Motorwicklung geöffnet wird, d. h. jeder Strom durch die Motorwicklurg unterbrochen wird, so daß eine Bedämpfung der Motorbewegung durch Induktionsstrom, wie sie bei kurzgeschlossener

Wicklung stattfinden würde, verhindert ist.

In der Position D wird die Wicklung kurzgeschlossen, um den Stillsland des Motors sicherzustellen, welcher nach einer abklingenden Schwingung um die Ruhe-Inge (O") eintritt.

Hierzu 5 B!ntt /eichtnincen

Claims (12)

Patentansprüche:

1. Antriebsvorrichtung fpr eine Uhr, bestehend einerseits aus einem Schrittmotor mit einem Stator, einem Rotor und Positionierungsmitteln für den Rotor, wobei der Stator eine Spule mit nur einer Wicklung enthält, die auf einem Kern angeordnet ist, der einen magnetischen Kreis mit Polschuhen bildet, weiche eine Aussparung umschließen, die an die Form eines drehbaren Zylinders angepaßt ist, und der Rotor als Permanentmagnet mit mindestens einem diametral einander gegenüberliegenden Polpaar ausgebildet und drehbar in der Aussparung angeordnet ist, und zum anderen aus Steuermitteln, die der Spule entsprechend dem Wert eines Steuersignals Impulse unterschiedlicher Art erteilen können, um den Motor in der einen oder der anderen Richtung drehen zu lassen, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionierungsmittel derart angeordnet sind, daß in Abwesenheit von Impulsen eine Gerade, weiche durch das Polpaar definiert ist, genau senkrecht zur Hauptrichtung der magnetischen Feldlinien gerichtet ist, welche sich in der Aussparung (Raum 8) auf die Impulse hin ausbilden, und daß die Steuermittel derart angeordnet sind, daß sie der Spule entweder einen ":rsten Impuls mit einer ersten Polarität und einer ersten Energie, gefolgt von einem zweiten Impuls mit einer zweiten Polarität and einer zweiten Energie verleihen, um den Motor in der einen Richtung drehen zu lassen, oder einen ersten Impuls mit der zweiten Polarität und der erstt". Energie gefolgt von einem Impuls mit der ersten Polarität und ^er zweiten Energie verleihen, um den Motor in der anderen Richtung drehen zu lassen.

2. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermittel so angeordnet sind, daß die Spule am Ende des zweiten Impulses aus dem Schaltkreis verbracht wird, bevor die Spule kurzgeschlossen wird.

3. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermittel so angeordnet sind, daß die Spule zwischen dem ersten und den zweiten Impuls aus dem Schaltkreis verbracht wird.

4. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionierungsmittel einen ersten Permanentmagneten (11, 11', 22) mit einem Polpaar umfassen, der im Stator derart angeordnet ist, daß die durch das Polpaar definierte Gerade mit der Achse der Aussparung zusammenfällt

5 Antriebsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Positioniemngsmagnet in einem in der Wand der Aussparung vorgesehenen Spalt angeordnet ist

6. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionierungsmittel einen ersten Spalt aufweisen, der in den Polschuhen vorgesehen ist, wobei die Achse des Spalts mit der Geraden zusammenfällt, welche durch das Polpaar des Positionierungsmagneten definiert wird.

7. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Positionierungsrnagnet in den Spalt eingelassen ist.

8. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 6. dadurch gekennzeichnet, daß der Positionierungsmagnel außerhalb des Stators (7) in der Nähe des Spalts vorgesehen ist.

9. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprü-

ehe 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionierungsmittel einen zweiten Permanentmagneten mit zwei Polen enthalten, der in dem Stator symmetrisch zu dem ersten Magneten in bezug auf die Achse durch die Aussparung angeordnet ist, wobei die durch die Polpaare definierte Gerade durch die Pole des ersten Positionterungsmagneten verläuft

10. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Achse des Rotors mit der Achse der Aussparung zusammenfällt

11. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß die Achse des Rotors die Gerade schneidet weiche durch die Pole des ersten Positionierungsmagneten gebildet wird, jedoch außerhalb der Achse der Aussparung verläuft

12. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß der Rotor durch einen Permanentmagneten mit π Polpaaren gebildet wird, wobei π eine ungerade Zahl größer als! darstellt