DE68913420T2

DE68913420T2 - Zusammenbau eines Schrittmotorrotors für ein elektronisches Uhrwerk.

Info

Publication number: DE68913420T2
Application number: DE68913420T
Authority: DE
Inventors: Michel Bertrix; Michel Plancon
Original assignee: Timex Corp
Current assignee: Timex Group USA Inc
Priority date: 1988-10-27
Filing date: 1989-08-23
Publication date: 1994-09-29
Anticipated expiration: 2009-08-24
Also published as: JPH02261045A; US4888507A; DE68913420D1; EP0365781A3; EP0365781B1; JP2690573B2; EP0365781A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Rotoranordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Allgemein befaßt sich die vorliegende Erfindung mit einer Rotoranordnung für einen Schrittmotor, der in einer elektronischen Uhr verwendet wird, und insbesondere mit einer verbesserten Schrittmotor-Rotoranordnung, welche weniger kostspielig herzustellen ist.
Eine Rotoranordnung des Typs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der JP-OS-55 133 655 bekannt, die eine Rotoranordnung offenbart, in der ein Rotormagnet in einen Rotorsitz gepreßt wird.
Ferner offenbart die uS-pS-3,246,187 eine Rotoranordnung, bei der ein Permanentmagnet in Form eines magnetisierten zylindrischen Ferritkerns in einer Sicherungsscheibe angeordnet wird, die über den Magneten aufgepaßt wird.
Ferner offenbart die JP-OS-58 136 259 einen Schrittmotor, bei dem ein Kragen, welcher ein Rotorritzel trägt, auf einer Rotorwelle ausgebildet ist, wobei das Ritzel im Preßsitz auf den Kragen der Welle aufgesetzt ist und wobei ein Magnetrahmen, ein Rotormagnet und ein Magnetrahmen in dieser Reihenfolge zusammengebaut werden, so daß der Magnet zwischen dem oberen und dem unteren Magnetrahmen liegt und von der Welle gehalten wird.
Außerdem offenbart die GB-OS-2 176 913 eine Rotoranordnung für eine elektronische Uhr, in der ein Rotorkörper einen Rahmenteil zum Haltern eines Ende eines Magneten und einen Anschlag zum Sichern des Magneten gegen eine Ablösung umfaßt.
Gemäß der zitierten Druckschrift wird der Rotorkörper durch Gießen hergestellt, indem ein Kunstharzmaterial in eine Form eingebracht wird, wobei der Magnet vorab in diese eingesetzt wird, so daß gleichzeitig mit dem Gießen des Rotorkörpers das Kunstharzmaterial in einen Innenraum des Magneten eingeführt wird, wodurch der gegossene Rotor und der Magnet einstückig werden.
Allgemein verwendet eine analoge Quarz-Armbanduhr einen kleinen Schrittmotor, der besteht aus einem Stator mit einer Spule, die periodisch mit elektrischen Stromimpulsen alternierender Polarität erregt wird, um den Motor fortzuschalten und die Zeiger der Armbanduhr über ein Getriebe anzutreiben. Der Rotor des Schrittmotors umfaßt ein Antriebselement, wie z.B. ein Zahnradritzel, einen Permanentmagnet, welcher üblicherweise zwei Pole hat und eine Ritzelwelle mit Lagern, die in dem Uhrwerk drehbar montiert sind. Der Permanentmagnet hat häufig die Form eines kleinen Zylinders oder Ringes mit einer zentralen durchgehenden Öffnung für die Ritzelwelle.
Die Permanentmagnete, typischerweise anisotrope, seltene Erden, wie z.B. Samarium-Kobalt, sind außerordentlich brüchig und schwer maschinell zu bearbeiten. Ferner werden wegen der geringen Größe des Rotors bei dem Schrittmotor enge Toleranzen gefordert. Daher wurden, wie oben ausgeführt, verschiedene Verbesserungen angeregt, um das Brechen der Magnete zu verringern und um die Herstellungskosten für einen Schrittmotor-Rotor zu verringern. Die Möglichkeit für ein Brechen nimmt zu, wenn die (konstruktive) Ausgestaltung einen Prepsitz des Magnetmaterials auf der Rotor-Ritzelwelle erforderlich macht oder wenn Druckkräfte auf den Außendurchmesser des Magneten erforderlich sind, um diesen an dem Rotor in seiner Lage zu halten. Schützende Buchsen wurden verwendet, um das Brechen zu reduzieren.
Eine wünschenswerte Charakteristik eines Schrittmotor-Rotors besteht darin, daß er bezüglich seiner Drehachse ein niedriges Trägheitsmoment haben sollte. Da das Trägheitsmoment sich mit dem Quadrat des Radius der Drehbewegung ändert, ist die Verwendung unnötiger schützender Buchsen zwischen dem Innendurchmesser des Magneten und der Rotorwelle oder die Verwendung metallischer Schalen, welche den Außendurchmesser des Magneten umschließen, zu vermeiden.
Aus dem Stand der Technik bekannte Rotoranordnungen mit internen Kunststoffbuchsen, die zwischen der Welle und dem Magneten angeordnet sind, sind in den US-PSn 4,206,379, 3,953,752, 2,488,729 und 4,340,560 beschrieben.
Ein Beispiel für einen Schrittmotorrotor mit einem Permanentmagneten, der in axialer Richtung zwischen Metallbuchsen im eingeklemmten Zustand gehalten wird, die im Preßsitz auf einen Gegensitz auf der Rotorwelle aufgesetzt sind, ist in der US-PS-4,035,677 zu sehen. In dieser Patentschrift erfolgt das Zentrieren des Magneten dadurch, daß der Innendurchmesser des Magneten lose auf die Buchsen aufgepaßt wird, was sehr enge Toleranzen und eine teure Endbearbeitung des inneren Öffnungsumfangs des spröden Magnetmaterials erforderlich macht. Es werden Konstruktionen gezeigt bei denen der innere Öffnungsdurchmesser des Permanentmagneten einer Endbearbeitung unterzogen und direkt auf die Rotorwelle aufgepreßt wird, und zwar in der US-PS-3,943,698, welche eine Verstärkungsplatte aus rostfreiem Stahl oder einem anderen nicht magnetisierbaren Material verwendet, die mit dem Magneten verklebt ist, um ein Springen bzw. Reiben des spröden Materials zu verhindern.
Eine Rotoranordnung, welche eine radiale Wand und eine äußere schützende Metallhülse verwendet, in die der Magnet mit seinem Aupendurchmesser im Preßsitz eingesetzt wird, ist in der US-PS-4,095,129 offenbart. Obwohl dies die Herstellung des Innendurchmessers des Seltenerdmagneten mittels eines groben Bohrprozesses gestattet, erhöht die äußere, metallische, schützende Hülse einerseits das Trägheitsmoment und schafft andererseits die Möglichkeit eines Brechens aufgrund von Kompressionsspannungen, die auf dem Preßsitz am äußeren Umfang des Magneten beruhen.
Es wäre wünschenswert, eine verbesserte Rotoranordnung mit niedrigem Drehmoment anzugeben sowie ein Verfahren zum Haltern des Permanentmagneten mit reduzierter mechanischer Spannung für den spröden Magneten. Es wäre auch wünschenswert, eine Konstruktion zu schaffen, welche verbesserte Fertigungsverfahren ermöglicht, die die Kosten für die Rotoranordnung verringern würden.
Es ist praktisch die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Schrittmotor-Rotoranordnung und ein Verfahren zur Herstellung eines preiswerten Schrittmotor-Rotors anzugeben.
Bei einer Rotoranordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung mit Hilfe der Merkmale des Kennzeichenteils des Patentanspruchs 1 gelöst.
Es ist ein Vorteil der Erfindung, dar sie eine vereinfachte Gestaltung für einen Schrittmotor-Rotor mit niedrigerem Trägheitsmoment angibt.
Die Erfindung wird sowohl hinsichtlich der Organisation als auch hinsichtlich des Verfahrens in der Praxis zusammen mit weiteren Zielen und Vorteilen der Erfindung am besten durch Bezugnahme auf die nachfolgende Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verstanden werden. In diesen zeigen:
Fig. 1 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt einer Schrittmotor-Rotoranordnung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 2 eine ähnliche Ansicht einer Modifikation der Erfindung.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Kurz gesagt, umfaßt die verbesserte Anordnung einen Rotor mit einer Welle und einem Antriebselement, wie z.B. einem (Zahnrad)-Ritzel, eine auf der Welle angeordnete Zentrierscheibe, die auf ihrer dem Antriebselement gegenüberliegenden Seite eine Aussparung mit einer endbearbeiteten kurzen zylindrischen Wand definiert, die koaxial zu der Welle ist, sowie eine runde Stützfläche am Boden der Aussparung, einen im wesentlichen zylindrischen Seltenerd-Permanentmagnet mit einer grob gebohrten Mittelöffnung, die einen ringförmigen Spalt mit dem Schaft definiert, und mit einer endbearbeiteten zylindrischen Außenwand, die lose in die Aussparung paßt, um den Magneten bezüglich der Rotorachse zu zentrieren, und eine Scheibe, die mit der Welle einen Preßsitz bildet und den Magneten axial gegen die Stützfläche an der Zentrierscheibe prept. Die Zentrierscheibe kann axial durch einen leichten Preßsitz mit der Welle gesichert werden oder durch Kontakt mit dem Antriebselement gehalten werden. Während der Herstellung des Rotormagneten wird dessen Mittelöffnung mit Hilfe eines Planeten-Laserstrahls direkt durchgestochen und grob gebohrt, ohne die Notwendigkeit für eine teure Endbearbeitung durch Schleifen. Da für den Magneten kein Preßsitz erforderlich ist, werden die Montagekosten und die Gefahr eines Brechens reduziert.

BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS

Es wird nunmehr auf Fig. 1 der Zeichnung Bezug genommen. Eine Rotoranordnung, die insgesamt mit dem Bezugszeichen 2 bezeichnet ist, umfaßt einen Rotor, welcher eine Welle 4 und ein Antriebselement 6 aufweist, welches ein Zahnradritzel umfaßt, welches so ausgebildet ist, daß es in den Getriebezug der Uhr eingreift. Das Antriebselement 6 könnte auch ein Paar von einander diametral gegenüberliegenden Zapfen sein, wie dies in der US-PS-4,647,218 angewandt wird (veröffentlicht am 3. Mai 1987 und auf die Anmelderin übertragen). Die Welle 4 und das Antriebselement 6 bestehen im vorliegenden Fall aus einem einzigen maschinell hergestellten Stahlteil und besitzen einander gegenüberliegende Lagerzapfen 8, 10, die drehbar in Uhrwerkslagern montiert sind. Die Welle 4 umfaßt eine maschinell hergestellte Nabe 4a mit einem etwas größeren Durchmesser als der längere angrenzende Teil 4b geringeren Durchmessers.
Die Rotoranordnung umfaßt ferner eine Zentrierscheibe 12, einen ringförmigen Permanentmagneten 14 und eine Halterungsscheibe 16.
Die Zentrierscheibe 12, die vorzugsweise aus Messing besteht, alternativ jedoch auch aus anderen nichtmagnetischen Materialien, wie z.B. Aluminium oder Kunststoff hergestellt werden kann, umfaßt einen axialen Abschnitt 18, der die Unterseite des Antriebselements 6 abstützt und einen radialen Abschnitt 20. In der dem Antriebselement gegenüberliegenden Seite der Zentrierscheibe 12 ist eine kreisrunde Aussparung ausgebildet. Die Aussparung besitzt eine flache, ringförmige Stützfläche 22 und eine kurze, aber glatt endbearbeitete zylindrische Wand 24. Die Wand 24 endet in einer ringförmigen konischen Kante bzw. Schräge 25, die den Zusammenbau fördert.
Der Permanentmagnet 14 wird zunächst als eine gesinterte Scheibe aus Seltenerdmaterial, wie z.B. Samarium-Kobalt hergestellt. Derartige Materialien sind unter der Handelsbezeichnung VAC 170 der Firma Vacuumschmelze AG oder REC 20 der Firma Unimag Recoma AG erhältlich. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der äußere Umfang maschinell derart endbearbeitet, dar sich eine glatte zylindrische Oberfläche mit einem Durchmesser ergibt, der geringfügig kleiner ist als derjenige der zylindrischen Wand 24, so daß er mit engen Toleranzen, aber lose in die Aussparung paßt. Lediglich etwa 30 % der axialen Länge des Magneten passen in die Aussparung.
Weiterhin umfaßt der Fertigungsprozeß gemäß der vorliegenden Erfindung ein rohes Bohren einer Öffnung 26 in der Mitte des Magneten 14, vorzugsweise unter Verwendung eines Planeten- Laserstrahls ohne die Notwendigkeit einer teuren Endbearbeitung durch eine Innenschleifoperation. Die innere Öffnung 26 ist so geschnitten, daß sie rings um den Schaftteil 4b reichlich Spiel bietet, wie dies durch den ringförmigen Spalt angedeutet ist, der mit dem Bezugszeichen 28 bezeichnet ist. Daher ist während der Herstellung der Mittelöffnung 26 ein Schleifen mit exakten Toleranzen nicht erforderlich. Hierdurch werden die Kosten für die Herstellung der Rotoranordnung erheblich reduziert.
Die Haltescheibe 16 kann eine einfache flache Messingscheibe mit einer Innenbohrung sein, welche entweder polygonal oder rund ist und welche mit dem Schaftteil 4b einen Preßsitz bildet.
Es sind Mittel vorgesehen, um die axiale Bewegung der Zentrierscheibe 12 auf der Welle 4 zu beschränkten. Ein derartiges Mittel umfaßt die Fertigung des Innendurchmessers der Zentrierscheibe 12 in der Weise, daß für einen schwachen Preßsitz auf der Schaftnabe 4a gesorgt ist, um die Scheibe auf der Welle in ihrer axialen Position zu halten. Ein weiteres Mittel zur Schaffung einer axialen Sicherung besteht darin, eine lose Passung zu verwenden und die axiale Bewegung dadurch zu verhindern, daß die Zentrierscheibe bei dem Bezugszeichen 30 gegen das Antriebselement 6 abgestützt wird. Diese beiden Verfahren können, falls erwünscht, gemeinsam angewandt werden.

HERSTELLUNGSVERFAHREN

Nach der maschinellen Bearbeitung des Rotors mit dem Antriebselement und der Welle wird die Zentrierscheibe 12 auf die Nabe 4a der Welle aufgesetzt, und es wird dafür gesorgt, daß sie sich auf dem Antriebselement 6 abstützt. Statt einer solchen Abstützung oder in Verbindung mit dieser kann ein leichter Preßsitz der Scheibe 12 angewandt werden; der Permanentmagnet wird nach der Endbearbeitung seines Außendurchmessers durch Schleifen und nach dem groben Laserbohren zur Schaffung der Mittelöffnung über den Schaftteil 4b hinweg mit lockerer Passung in die Aussparung eingesetzt, um sich mit seinem einen Ende an der Oberfläche 22 abzustützen. Die radiale Zentrierung des Magneten 14 bezüglich der Wellenachse erfolgt durch die kurze zylindrische Wand 24 ohne Druckbelastung des Magneten. Schließlich wird die Haltescheibe 16 im Preßsitz auf den Schaftteil 4b aufgepaßt und gegen das andere Ende des Magneten 14 gedrückt, um diesen axial gegen die Stützfläche 22 der Zentrierscheibe 12 zu pressen. Diese axiale Kraft wird über die Enden des Magneten erteilt und hält diesen an dem Rotor in seiner Lage.

MODIFIKATION

Eine modifizierte Form der Erfindung ist in Fig. 2 zu sehen. Diese Variation sorgt für eine kürzere axiale Geometrie des Schrittmotor-Rotors. Die Scheiben zum Erzeugen der axialen Haltekraft sind entsprechend modifiziert. Der Schrittmotor- Rotor 32 umfaßt eine Rotorwelle 34 mit einem Antriebselement 36 und Lagerzapfen 38, 40. Die Zentrierscheibe 42 ist scheibenförmig mit einer Öffnung, die mit einer kürzeren Nabe 34a an der Welle 34 einen leichten Preßsitz bildet. Eine Aussparung mit ringförmiger Stützfläche 48 und einer glatten zylindrischen Wand 50 nimmt das Ende des Permanentmagneten 44 mit lockerer Passung auf, wobei der Zusammenbau durch eine innere Abschrägung 52 unterstützt wird. Die Haltescheibe 46 besitzt einen L-förmigen Querschnitt, wobei ein Schenkel des "L" einen Stützteil 46a bezüglich der Unterseite des Magneten 44 bildet, während der andere Schenkel 46b des "L" einen Preßsitz mit dem Wellenteil 34b bildet.
Die Wirkung und das Montageverfahren sind ebenso, wie dies zuvor in Verbindung mit Fig. 1 angedeutet wurde. Aufgrund der Zentrierscheibe 48 und der speziellen Haltescheibe 46 werden jedoch eine kürzere axiale Länge, zusätzliche Flexibilität und ein niedrigeres Trägheitsmoment erreicht. Außerdem kann die axiale Sicherung der Zentrierscheibe 32 vollständig durch deren Abstützung an dem Antriebselement 36 erreicht werden, wobei die kurze Nabe 34a lediglich eine radiale Zentrierfunktion ausübt.

ARBEITSWEISE

Bei der Verbesserung gemäß vorliegender Erfindung werden die beiden Funktionen, nämlich (1) das Zentrieren des Magneten in radialer Richtung bezüglich der Achse und (2) das Haltern desselben in seiner Position auf der Welle getrennt. Das Zentrieren wird mit Hilfe der kurzen zylindrischen Wand der Aussparung der Zentrierscheibe erreicht, während das Halten einer Position durch axiales Festklemmen zwischen zwei groben flachen Scheibenoberflächen erreicht wird. Wegen der kurzen Lippe an der Aussparung der Zentrierscheibe und dem Verzicht auf interne Vorsprünge zwischen dem Magneten und der Welle wird das Trägheitsmoment der Rotoranordnung verringert. Durch Laserbohren der Mittelöffnung des Magneten und die alleinige Endbearbeitung des äußeren Umfangs des Magneten durch Schleifen werden die Gesamtkosten erheblich verringert. Außerdem verringert das Fehlen von radialen Preßsitzspannungen an dem Magneten die Möglichkeit eines Brechens. Es besteht die Möglichkeit, das Trägheitsmoment dadurch noch weiter zu reduzieren, daß man für die Zentrierscheibe Materialien geringer Dichte verwendet, wie z.B. Aluminium oder Kunststoff, was für eine Preßsitzanordnung machbar wäre.
Ein leichter Zusammenbau des Rotormagneten wird ohne das Risiko einer Beschädigung des Magneten erreicht, da dieser lediglich zwischen den flachen Oberflächen zweier Scheiben eingeklemmt wird, während ein konventioneller Zusammenbau eines Seltenerdmagneten durch einen Preßsitz das Risiko eines Brechens des spröden Materials mit sich bringt.
Beispiele für die Rotorabmessungen in Fig. 1 sind wie folgt: Fig. 1 Fig. 2 Rotorwelle (4b)-Durchmesser Zentrierring - Durchmesser der zylindrischen Wand Endbearbeiteter Außendurchmesser des Rotormagneten Durchmesser der roh bearbeiteten Mittelbohrung des Rotormagneten Axiale Länge des Permanentmagneten Fig. 1 Fig. 2 Tiefe der zentrierenden ringförmigen zylindrischen Wand Trägheitsmoment des Rotors
Während beschrieben wurde, was als bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung angesehen wird, werden sich für die Fachleute weitere Modifikationen ergeben, und es wird angestrebt, alle derartigen Modifikationen der Erfindung durch die beigefügten Ansprüche zu umfassen.

Claims

1. Rotoranordnung für einen Schrittmotor mit einem Rotor (2, 32), welcher umfaßt:

eine Welle (4,34),

ein Antriebselement (6, 36),

eine Zentrierscheibe (12, 42), die auf der Welle (4, 34) angeordnet ist und ihrer dem Antriebselement (6, 36) gegenüberliegenden Seite eine Aussparung definiert, welche einen endbearbeiteten, zylindrischen Wandbereich (24, 50) aufweist, der koaxial zu der Welle (4, 34) ist, und welche eine erste ringförmige Stützfläche (22, 48) am Boden der Aussparung definiert,

einen im wesentlichen zylindrischen Seltenerdmetallmagnet (14, 44), welcher eine Mittelöffnung (26) aufweist, die die Welle (4, 34) umgibt, und welcher einen äußeren Wandbereich besitzt, der sich nur über einen Teil seiner axialen Länge in die Aussparung erstreckt und in Kontakt mit dem zylindrischen Wandbereich (24, 50) und der ersten ringförmigen Stützfläche (22, 48) steht,

Mittel, welche die Zentrierscheibe (12, 42) gegen eine axiale Bewegung auf der Welle (4, 34) sichern, während der zylindrische Wandbereich (24, 50) der Aussparung den Permanentmagneten (14, 44) radial bezüglich der Achse der Welle (4, 34) zentriert, wobei diese Anordnung dadurch gekennzeichnet ist, dar die Mittelöffnung (26) des Permanentmagneten (14, 44) eine grobe Mittelbohrung (26) ist, die bezüglich der Welle (4, 34) einen ringförmigen Zwischenraum definiert,

daß der äußere Wandbereich, der sich nur über einen Teil seiner axialen Länge in die Aussparung erstreckt, ein endbearbeiteter äußerer Wandbereich ist, der sich mit einem lockeren Sitz in die Aussparung erstreckt,

daß die Sicherungsmittel eine Haltescheibe (16, 46) umfassen, die eine Mittelbohrung hat, welche mit der Welle (4, 34) einen Preßsitz bildet und auf die Welle (4, 34) aufgepreßt wird, um den Permanentmagneten (14, 44) axial gegen die erste ringförmige Stützfläche (22, 48) zu pressen, und dar die Zentrierscheibe (12, 42) und die Haltescheibe (16, 46) den Permanentmagneten (14, 44) gemeinsam in einer Position an der Welle (4, 34) des Rotors (2, 32) haltern und auf diese Weise die Mittel bilden, welche die Zentrierscheibe (12, 42) auf der Welle (4, 34) gegen eine axiale Bewegung sichern.

2. Rotoranordnung nach Anspruch 1, bei der die Mittel zum Sichern gegen eine axiale Bewegung einen Nabenteil (4a) an der Welle (4, 34) umfassen und bei der die Zentrierscheibe (12, 42) im Preßsitz auf den Nabenteil (4a) gepreßt ist.

3. Rotoranordnung nach Anspruch 1, bei der die Mittel zum Sichern gegen eine axiale Bewegung das Antriebselement (6, 36) und die Zentrierscheibe (12, 42) umfassen, die sich an einem Teil (30) des Antriebselements (6, 36) abstützt, um die Zentrierscheibe (12, 42) in axialer Richtung auf der Welle (4, 34) zu sichern.

4. Rotoranordnung nach Anspruch 1, bei der die Zentrierscheibe (12, 42) auf ihrer dem Antriebselement (6, 36) zugewandten Seite eine axiale Verlängerung (18) aufweist und bei der die Haltescheibe (16, 46) eine flache Unterlagsscheibe (16) ist.

5. Rotoranordnung nach Anspruch 1, bei der die Zentrierscheibe (12, 42) ein in radialer Richtung scheibenförmiges Element (42) ist, welches sich in der Nähe seines inneren Durchmessers an dem Antriebselement (6, 36) abstützt und bei der die Haltescheibe (16, 46) einen L-förmigen Querschnitt aufweist.

6. Rotoranordnung nach Anspruch 5, bei der die Zentrierscheibe (12, 42) aus einem Material niedriger Dichte hergestellt ist, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus Aluminium und Kunststoff, wodurch das Trägheitsmoment des Rotors verringert wird.

7. Rotoranordnung nach Anspruch 1, bei der die Tiefe der Aussparung in der Größenordnung von 30 % der axialen Länge des Permanentmagneten (14, 44) liegt.