DE3733575A1 - Anzeigeelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Anzeigeelement, das aus minde­ stens einem sich um die eigene Achse drehenden Bauteil mit kleinem Trägheitsmoment und mehreren Hauptansichten in ver­ schiedenen Farben besteht, sowie einem Schrittmotor, der dazu bestimmt ist, das drehbare Teil um einen festgelegten Winkel unterhalb von 15 Grad bei jedem Schritt zu drehen.

Solche Anzeigeelemente sind aus zahlreichen industriellen Verwirklichungen in verschiedenen Dimensionen bereits gut be­ kannt. Sie ermöglichen besonders die Herstellung von großen Anzeigetafeln, um z.B. die Uhrzeit in öffentlichen Gebäuden oder auf der Straße, sowie die Temperatur oder auch die Ab­ fahrtszeiten auf den Bahnhöfen oder auf dem Flughafen anzu­ zeigen.

Die Europäische Patentanmeldung, veröffentlicht unter der Nr. 00 93 600, beschreibt im einzelnen ein Element mit einem drehbaren Bauteil, das dazu bestimmt ist, in einer großen Matrizenanzeigetafel, die große Ausmessungen haben kann, ein­ gebaut zu werden. Bei dieser Konstruktion hat das sich um die eigene Achse drehende Bauteil die Form eines Würfels. Es ist direkt auf die Achse eines Schrittmotors montiert, der es bei jedem Schritt um die eigene Symmetrieachse um 90 Grad dreht. Der Würfel hat vier Hauptansichten, die untereinander einen Winkel von 90 Grad einschließen; bei jedem Schritt des Motors werden nacheinander durch die Öffnungen in der Front­ abdeckung die Hauptansichten sichtbar. Eine der Hauptansich­ ten hat die gleiche Farbe wie die Frontabdeckung, während die anderen Seiten zwei andere Farben haben. Eine Anzeigeta­ fel, die aus den eben beschriebenen Elementen besteht, er­ laubt es, je nach Wunsch Zeichen, Zahlen oder Buchstaben in drei verschiedenen Farben anzuzeigen, sie kann aber auch gar nichts anzeigen.

Bei dieser Konstruktion befindet sich der größte Teil der Masse des sich um die eigene Achse drehenden Bauteils außen, was ein hohes Trägheitsmoment zur Folge hat. Außerdem dreht sich das Bauteil bei jedem Schritt des Schrittmotors um einen großen Winkel. Daraus resultiert ein großer Energiever­ lust bei jeder Drehbewegung des Würfels, der bei zunehmender Größe schnell anwächst. Um diese Verluste auszugleichen und um ein sicheres Funktionieren der Anzeigetafel zu garantie­ ren, muß der Motor eine große Energieabgabe und somit auch einen hohen Stromverbrauch haben.

Die vorher zitierten Beispiele sprechen von festen Installa­ tionen oft komplex, die vom Stromnetz mit Energie versorgt wurden. Der Stromverbrauch der Anzeigetafel hat unter diesen Umständen mehr als eine zweitrangige Bedeutung. Deshalb ist es wünschenswert, den Stromverbrauch so niedrig wie möglich zu halten. Es gibt keine bekannte Anzeigetafel mit bewegli­ chen Bauteilen, die einen sehr niedrigen Stromverbrauch auf­ weist.

Die neuesten Fortschritte auf dem Gebiet der Mikroelektronik und der Batterien erlauben es allerdings, eine unabhängige Stromversorgung in Betracht zu ziehen. Tatsächlich haben die integrierten Schaltungen bedingt durch die CMOS-Technologie und die Anwendung von Halbleiterelementen einen sehr kleinen Stromverbrauch, obwohl sie durch ihre Bauweise auch komplexe Funktionen erfüllen können. In der Regel beträgt der Strom­ verbrauch ungefähr 100 Milliampere, kann aber z.B. in Quarz­ uhren auch unter ein 1 Milliampere abfallen. Weiterhin haben die modernen Lithiumbatterien einen sehr hohen spezifischen Energiegehalt und vor allem eine sehr geringe Selbstentla­ dung, die es möglich macht, daß die Batterien während zehn Jahren oder länger funktionieren.

Die Informationen, die man anzeigen könnte, wären z.B. die Temperatur, die exakte Uhrzeit oder andere Informationen, die man über Funk an einen in die Anzeigetafel eingebauten Empfänger übermitteln kann. Man könnte z.B. die Uhrzeit syn­ chron in einer Stadt, in einer Region oder in einem ganzen Land mit Hilfe eines Netzes von Digitaluhren, die eine unab­ hängige Energieversorgung besitzen und über Funk synchroni­ siert werden, anzeigen, sofern es eine ausreichend große Anzeigetafel geben würde, die nur einen geringen Energiever­ brauch aufweist. Logischerweise hat eine solche Zeitübermitt­ lung gegenüber den bisherigen Zeitübermittlungen die Vortei­ le einer einfachen Montage und einer Wartungsfreiheit.

Da es noch keine Anzeigetafeln mit drehbaren Bauteilen und großen Abmessungen bei kleinem Energieverbrauch gibt, gelten auch hier die genannten Vorteile gegenüber allen bisher be­ kannten Anzeigetypen. Offensichtlich haben Aktivanzeigen bei einem hohen Energieverbrauch eine geringe Leistung. Bei Flüs­ sigkristallanzeigen liegt der Stromverbrauch im Bereich von 15 nA bei 3 Volt und pro mm² aktivierten Kristalls. Eine Anzeige, bestehend aus sieben Segmenten, die 10 cm hoch und 6 cm breit ist, hat also eine Oberfläche von 12 cm² und ver­ braucht 54 Milliwatt. Dieser Verbrauch kann als zu hoch be­ zeichnet werden, vor allem bei der ungenügenden Zuverlässig­ keit unter erschwerten Betriebsbedingungen.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Anzeigeelement mit drehbarem Bauteil bei großen Abmessungen und geringem Energieverbrauch.

Erfindunsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Motor das sich drehende Bauteil über ein elastisches Zwi­ schenstück, das die ruckartigen Bewegungen des Schrittmotors dämpft, antreibt.

Vorzugsweise könnte man das sich um die eigene Achse drehen­ de Bauteil aus einer dünnen Platte mit rechteckigen Abmessun­ gen herstellen. Vorteilhaft wäre die Herstellung aus einem dünnen Metall oder aus einem Kunststoff.

Als weitere Herstellungsmöglichkeit könnte man das elasti­ sche Bauteil aus einem Geflecht von Metallfäden herstellen.

Vorteilhafterweise könnte man den Schrittmotor eines Uhr­ werks verwenden.

Weitere charakteristische Merkmale und Vorzüge der vorliegen­ den Erfindung sind aus der beiliegenden Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung, die ein vorteilhaftes Ausführungsbei­ spiel eines solchen drehbaren Bauteiles zeigt, ersichtlich. Die Zeichnungen zeigen folgendes:

Fig. 1 ist eine perspektivische Seitenansicht eines Ausfüh­ rungsbeispiels eines Anzeigeelements gemäß der Erfindung;

Fig. 2 ist die Hauptansicht einer Anzeigetafel bestehend aus sieben Elementen gemäß der Erfindung; und

Fig. 3A und 3B zeigen Hauptansichten eines möglichen Ausfüh­ rungsbeispiels zum Antrieb der Anzeigeplatten, wie sie auch aus Fig. 2 ersichtlich sind.

Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel eines solchen Anzeige­ elements zeigt die Fig. 1 perspektivisch im Teilschnitt. Man erkennt in dieser Fig. eine Abdeckung 1 mit einer sichtbaren Fläche 2 und einer Öffnung 3, abgegrenzt durch eine seit­ liche Wandung 4. In der Öffnung leicht zurückgesetzt befin­ det sich das sich drehende Bauteil, von dem nur der untere Teil gezeigt ist. Bei dieser Ausführung hat das sich drehen­ de Bauteil die Form einer rechtwinkligen Klappe mit zwei parallelen Hauptansichten 6 und 6′, wobei nur die Seite 6 sichtbar ist. Die Seitenflächen der Klappe sind bei diesem Beispiel schräg abgeschnitten, wobei auch andere Formen denk­ bar wären. Die Klappe 5 hat eine längsverlaufende Symmetrie­ achse a-a′, um welche das Teil rotieren kann. In diesem Fall befindet sich an jedem Ende der Klappe eine Achse, die sich in einem Lager bewegt, welches auf einem Rahmen befestigt ist, der ebenso die Frontabdeckung trägt und auf der Zeich­ nung nicht gezeigt ist. In der Fig. 1 ist lediglich die Welle 7 sowie der Befestigungsarm 8 dargestellt. Die andere Welle mit dem gleichen Befestigungsarm befindet sich am obe­ ren Ende der Klappe. Die Welle 7 durchquert den Arm 8 und das freie Ende befindet sich in einem Zahnrad 9. Dieses Zahn­ rad greift in ein anderes Zahnrad 10, das von einer Welle 11 getragen wird, die auf einer Seite im Arm 8 gelagert ist. Die andere Seite ist im Arm 12 gelagert, der auf dem nicht gezeigten Rahmen befestigt ist.

Ein Schrittmotor 13, bestehend aus einer Welle 14 und einer Regelspule 15, ist so angeordnet, daß die Achse der Welle 14 eine Verlängerung der Achse der Welle 11 ist. Der Motor 13 ist auf eine nicht dargestellte Art und Weise auf dem Rahmen befestigt und die Wellen 11 und 14 sind untereinander durch ein elastisches Bauteil 16 verbunden, das in dieser Ausfüh­ rung aus einem metallischen Plättchen besteht, wobei andere Ausführungsmöglichkeiten selbstverständlich möglich sind, z.B. über ein Federelement oder ein Röhrchen aus Kunststoff. Der Motor 13 wird durch Impulse, die über die Anschlüsse A und B an die Spule 15 geleitet werden, in Bewegung versetzt.

Bei jedem elektrischen Impuls dreht sich die Welle 14 um einen Winkel von 180 Grad. Die Drehbewegung findet immer in der gleichen Richtung statt, wenn es sich um einen nicht um­ schaltbaren Motor handelt oder auch in beide Richtungen, wenn der Motor in beide Richtungen laufen kann. In letzterem Fall kann der Motor, wenn er zweiphasig ist, zwei Spulen oder, wenn der mehrphasig ist, auch mehrere Spulen tragen.

Die Funktionsweise des in Fig. 1 dargestellten Anzeigeele­ ments wird im folgenden beschrieben. Bei jedem elektrischen Impuls, der über die Anschlüsse A und B eingeleitet wird, bewegt sich die Welle 14 des Motors um eine halbe Umdrehung. Diese Drehbewegung wird mittels eines elastischen Organs 16 auf die Welle 11 übertragen, welche wiederum über das Zahn­ rad 10 die Welle 7 durch das auf ihr sitzende Zahnrad 9 an­ treibt. Der Durchmesser des Zahnrades 9 muß größer sein als der Durchmesser des Ritzels 10, damit die Welle 7, auf der die Klappe 5 sitzt, gegenüber der Welle 11 untersetzt ist. Unter diesen Umständen muß der Motor mehrere Schritte zurück­ legen, damit sich die Klappe 5 um eine halbe Umdrehung be­ wegt.

Eine der Hauptansichten der Klappe 5, z.B. die Seite 6, hat die gleiche Farbe wie die sichtbare Seite 2 der Frontabdek­ kung 1, während die andere Seite 6′ eine andere Farbe hat. Also hebt sich die Hauptansicht 6, die man durch die Öffnung in der Abdeckung 1 sieht, farblich nicht von der sichtbaren Seite der Abdeckung 2 ab. Das Anzeigeelement ist also neu­ tral. Falls jedoch die Seite 6′ sichtbar wird, die eine ande­ re Farbe hat, tritt die Klappe 5 gegenüber der Abdeckung 1 klar hervor. Hierdurch kann das Anzeigeelement Teil einer Information werden.

Damit diese Information mit einem Minimum von Energieaufwand bewerkstelligt werden kann, muß das Trägheitsmoment aller beweglichen Teile, sowie die Querbeschleunigung während der Rotation, so klein wie möglich gehalten werden. Ein kleines Trägheitsmoment kann erreicht werden, in dem als Material für die Klappe entweder ein dünnes Metallblatt verwendet wird oder ein Thermoplast oder auch ein synthethischer Schaumstoff. Im Ruhezustand sind die Hauptansichten 6 und 6′ der Klappe 5 genau vertikal. Die Klappe kann also durch ihr Eigengewicht nicht ihre Position auf der Achse a-a′ verän­ dern. Bei der Rotation könnte sich die Klappe allerdings durchbiegen, wenn die beiden Hauptansichten sowie die Achse a-a′ horizontal sind. Während der Drehbewegung kann diese leichte Deformation allerdings hingenommen werden. Die Be­ schleunigungen der Klappe 5, die durch den Motor 13 hervorge­ rufen werden, werden einerseits durch das elastische Bauteil 16 zwischen den Achsen 14 und 11, sowie durch die Unterset­ zung zwischen dem Ritzel 10 und dem Zahnrad 9 begrenzt. Dar­ aus resultiert eine gleichmäßige und langsame Drehbewegung als eine gute Voraussetzung für geringen Energieverbrauch.

Das Untersetzungsverhältnis zwischen dem Ritzel 10 und dem Zahnrad 9 ergibt sich aus einem Kompromiß zwischen dem Ener­ gieverlust, der entsteht, wenn sich die Klappe 5 um mehr als 180 Grad schwingt, und der tolerierbaren Zeit, die notwendig ist, um die Bewegung auszuführen. Abhängig von der Größe der Klappe kann diese Untersetzung jedoch nicht kleiner als 12 werden, was ungefähr einem Rotationswinkel von 15 Grad pro Schritt des Motors entspricht. Die Elastizität des elasti­ schen Bauteils 16 wird begrenzt durch das Trägheitsmoment der auf der Welle 11 vereinigten Bauteile, sowie durch das Drehmoment des Motors 13. Je kleiner das Drehmoment des Motors ist, desto elastischer kann das elastische Bauteil also sein.

Um die Klappe anzutreiben, können Schrittmotoren verwendet werden in der Größenordnung zwischen 1 und 100 Milliwatt, abhängig von den Abmessungen der Klappe, dem Untersetzungs­ verhältnis, sowie der Elastizität des elastischen Übertra­ gungsbauteils. Diese Motoren werden in großer Stückzahl in Uhrwerken verwendet. Bedingt durch die hohen Produktions­ zahlen sind diese Motoren günstig. Das hat einen günstigen Einfluß auf den Preis des Anzeigeelements gemäß dieser Erfin­ dung, da es aus keinen teuren Bauteilen besteht, weil alles eine einfache Form hat und aus leichtem Material besteht.

Das beschriebene Anzeigeelement mit geringem Energiebedarf kann in Anzeigetafeln, die komplexe Information darstellen, verwendet werden. Ein Beispiel solch einer Anwendung ist Fig. 2, die eine bekannte Siebensegmentanzeige mit den Seg­ menten a, b, c, d, e, f und g darstellt. Solch eine Einheit be­ steht aus einer Abdeckung 20 mit sieben Öffnungen 21, sowie sieben Klappen 22, die in diese Öffnungen eingefügt sind. Die Klappen sind identisch mit den Klappen 5, die in Fig. 1 dargestellt sind, und jede einzelne Klappe ist von einem ei­ genen Motor angetrieben. Bei diesem Beispiel sind die Klap­ pen so angeordnet, daß die Ziffer drei erscheint. Dies bedeu­ tet, daß die Segmente e und f die gleiche Farbe wie die Ab­ deckung haben, während die Segmente a, b, c, d und g eine ande­ re Farbe aufweisen.

Der Energieverbrauch einer solchen Anzeige, die z.B. die Sekunden anzeigen kann und eine Höhe von ca. 10 cm aufweist, kann weniger als 10 Milliwatt betragen. Dieser Wert ist mit den ca. 54 Milliwatt Stromverbrauch einer Flüssigkristallan­ zeige bei gleicher Größe zu vergleichen.

Vorteilhafterweise kann ein Anzeigeelement gemäß der Erfin­ dung als Teil einer großen Anzeigetafel mit sehr vielen Seg­ menten eingesetzt werden oder auch in einer Matrizenanzeige­ tafel, wo jedes Segment eine quadratische Form haben muß.

Aus Platzgründen können in diesem Fall die Schrittmotoren zum Antrieb der Klappen nicht wie in Fig. 1 dargestellt montiert werden.

Eine kompaktere Konstruktion des Mechanismus bei zwei benach­ barten Anzeigeklappen ist in den Fig. 3A und 3B für die Seg­ mente d und e der Fig. 2 dargestellt. Die Klappe 22 des Segmentes d ist z.B. mit einem Ende auf einer Welle 25 mon­ tiert, die sich in einem Lager dreht, das in der Befestigung 26 montiert ist und Teil der nicht dargestellten Abdeckung 20 ist. Die Welle 25 wird angetrieben über ein Kegelrad 28, das auf ihr befestigt ist, und über ein Kegelrad 29, das auf der Achse des Motors 27 befestigt ist. Dieses Getriebe ermög­ licht eine rechtwinklige Anordnung der Achse des Motors zur Achse 25, was den Platzbedarf des Antriebsmechanismus der Klappe verringert. Die Betätigung der anderen Klappe ist ana­ log zu der eben beschriebenen. Selbstverständlich können auch andere Möglichkeiten angewendet werden, und der rechte Winkel kann genausogut durch einen Schneckentrieb, anstatt der beiden Kegelräder, erreicht werden.

Es ist selbstverständlich, daß das beschriebene Anzeigeele­ ment von einem Fachmann in verschiedenen Varianten modifi­ ziert werden kann, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlas­ sen.

Claims (7)

1. Ein Anzeigeelement, das zumindest besteht aus

• - einem sich drehbaren Bauteil (5) mit kleinem Trägheits­ moment das mehrere verschiedenfarbige Hauptansichten hat (6, 6′);
• - sowie einem Schrittmotor, der dazu bestimmt ist, das sich drehende Bauteil (5) um einen bestimmten Winkel unter 15 Grad bei jedem Schritt zu drehen,

dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Motor (13) das sich drehende Bauteil (5) mit­ tels eines elastischen Bauteils (16), das die Rucke des Mo­ tors dämpft, antreibt.

2. Anzeigeelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das sich drehende Bauteil (5) eine Klappe von geringer Stär­ ke ist, die zwei Hauptansichten (6, 6′), die parallel und rechtwinklig sind, aufweist.

3. Anzeigeelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Klappe aus einem dünnen Metallblatt hergestellt wird.

4. Anzeigeelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Klappe aus einem thermisch verformten Kunststoff herge­ stellt wird.

5. Anzeigeelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Bauteil (16) aus einem Ring aus metallischen Drähten besteht.

6. Anzeigeelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Schrittmotor um ein Uhrwerk handelt.