EP0851322B1 - Mikrogenerator, Modul und Uhrwerk, enthaltend einen solchen Mikrogenerator - Google Patents

Mikrogenerator, Modul und Uhrwerk, enthaltend einen solchen Mikrogenerator Download PDF

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EP0851322B1
EP0851322B1 EP96810901A EP96810901A EP0851322B1 EP 0851322 B1 EP0851322 B1 EP 0851322B1 EP 96810901 A EP96810901 A EP 96810901A EP 96810901 A EP96810901 A EP 96810901A EP 0851322 B1 EP0851322 B1 EP 0851322B1
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EP
European Patent Office
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rotor
clockwork
coils
module
microgenerator
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP96810901A
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English (en)
French (fr)
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EP0851322A1 (de
Inventor
Konrad Schafroth
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Richemont International SA
Original Assignee
Ronda AG
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Publication date
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Application filed by Ronda AG filed Critical Ronda AG
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    • G—PHYSICS
    • G04—HOROLOGY
    • G04C—ELECTROMECHANICAL CLOCKS OR WATCHES
    • G04C10/00—Arrangements of electric power supplies in time-pieces
    • G—PHYSICS
    • G04—HOROLOGY
    • G04C—ELECTROMECHANICAL CLOCKS OR WATCHES
    • G04C23/00—Clocks with attached or built-in means operating any device at preselected times or after preselected time-intervals
    • G—PHYSICS
    • G04—HOROLOGY
    • G04C—ELECTROMECHANICAL CLOCKS OR WATCHES
    • G04C3/00—Electromechanical clocks or watches independent of other time-pieces and in which the movement is maintained by electric means

Definitions

  • the present invention relates to a microgenerator, in particular a micro-generator for a clockwork or for others miniaturized electronic or electromechanical devices.
  • the present invention also relates to an electronic module and a Clockwork containing such a micro generator.
  • Such microgenerators are found particularly in portable ones miniaturized devices application, for example in clocks, hearing aids, Cameras or radio receivers.
  • the patent CH597636 (Ebauches SA), for example, describes a clockwork whose spring is over a A time display and an AC voltage supply Generator drives.
  • the generator feeds a rectifier, the rectifier feeds a capacitive component, and the capacitive component feeds one electronic reference circuit with a stable crystal oscillator and a electronic control circuit.
  • the electronic control circuit has one Comparator logic circuit and one with the output of the comparator logic circuit connected and through the comparator logic circuit in their Power consumption controllable energy dissipation circuit.
  • An entrance The comparator logic circuit is with the electronic reference circuit and another input of the comparator logic circuit is with that Generator connected.
  • the comparator logic circuit is designed so that a clock signal coming from the electronic reference circuit compares a clock signal originating from the generator, depending on the The result of this comparison is the size of the power consumption Energy dissipation circuit controls and in this way via the controller the control circuit power consumption the gear of the generator and thus regulates the course of the time display.
  • a watch therefore combines that Advantages of a mechanical with the accuracy of a quartz watch.
  • the microgenerator described in the patent CH597636 consists of a rotation set by the spring via a gear train Rotor and a stator formed from at least one fixed coil.
  • the rotor consists of two disks, one of which has six permanent magnets is provided, which are alternately polarized north-south. The magnets induce an alternating voltage in the rotor during rotation Kitchen sink.
  • Patent documents EP0170303 (Kinetron), EP0474101 (Micromag) and in particular EP0547083 (Kinetron) describe others Types of micro generators. From the book permanent magnets, materials & Applications Chapter 9: Electrical clocks with permanent magnets from K. cancer and K. Brinkmann, Springerverlag Berlin / New York / Heidelberg from 1970 Various designs of such generators are known.
  • the object of the invention is an improved microgenerator to propose, in particular a micro-generator adapted for watch movements.
  • Another goal is to take up the space requirement of the microgenerator itself reduce it to easily in a miniaturized device, for example in a Clockwork to accommodate.
  • Another goal is an inexpensive, easy to assemble Propose a micro-generator with a simple construction.
  • FIG. 1 shows a cross section through part of the transmission and Microgenerator of a clockwork according to the invention.
  • Figure 2 is a plan view of a with a first variant of Micro generator and the associated electronics equipped module.
  • Figure 3 is a plan view of a with a second variant of the Micro generator and the associated electronics equipped module.
  • Figure 4 is a plan view of a third variant of the Micro generator and the associated electronics equipped module.
  • FIG. 1 shows a side section of one in a clockwork Mounted microgenerator according to the invention, only those for Understanding of the invention necessary elements are shown.
  • the Clockwork does not contain a mechanical energy storage in the form of a illustrated spring.
  • the spring is shown by a Elevator device or preferably by one through the movements of the Arms of the wearer of the watch raised mass vibrated.
  • the Spring drives the via a conventional gear, not shown various hands and indicators of the clock, especially the Second hand, which is mounted on the second axis 70.
  • the second wheel 71 mounted on the second axis 70 drives first intermediate pinion 60, which in turn via the first intermediate gear 61 drives a second intermediate pinion 50.
  • the first intermediate pinion 60 as well its axis is made of steel or another suitable metal; is against the second intermediate pinion 50 and its axis from one not magnetizable material, preferably a copper-beryllium alloy not on the idler gear because of the force of the magnets Position torque is exerted on the generator. If magnetizable Materials can be used for the second idler gear Position torque on the generator to be higher by factors than that of the spring available drive torque, which is a starting of the generator impossible.
  • the second pinion 50 in turn drives via the second idler gear 51 and the pinion 15 the axis 10 of the rotor of the generator.
  • the axis 10 is rotating between two synthetic shock-absorbing bearings 31 and 41 held.
  • the first shock absorbing bearing 31 is with the board 30 of the factory connected while the second shock-absorbing bearing 41 as below described is connected to a bridge 40.
  • the rotor consists of an upper disk 11 and a lower one Disc 13, which are firmly connected to the axis 10.
  • the disks 11 and 13 are preferably made of one Sheet with increased saturation (remanence about 2.4 Tesla), which is the Allows the use of a very fine sheet.
  • the lower surface of the upper In this example, disk 11 contains six individual magnets 12, which in regular intervals are arranged near the periphery of the disc.
  • the magnets 12 preferably have a cylindrical shape and are on the Disc 11 glued.
  • Her remanence is in the range of one Tesla and she are arranged with changing polarity from north to south.
  • the top surface the lower disk 13 is in the same way with six individual magnets 14 equipped, which is symmetrical to the six magnets of the upper disc are arranged.
  • the diameter of the rotor was approximately 5 Millimeters, the magnets had a diameter of 1.45 millimeters and a mutual distance of about 0.9 millimeters.
  • the second Intermediate axis 50 in this example, is at least 0.5 millimeters from the edge of the rotor.
  • the choice of an axis made of copper - beryllium allows in addition, the magnetism of axis 50 and thus the position torque to a strict minimum.
  • the stator contains three induction coils 20, 21 and 22 which are between the discs 11 and 13 are mounted.
  • the coils are in series with each other connected and attached to a support that also serves as a support for a serves electronic circuit.
  • the generator is between the board 30 of the Clockwork and a bridge 40 mounted, which allows the entire generator including coils to hide.
  • This construction has the following essential advantages. If the bridge 40 is made of an electrically conductive material, it forms with the metallic circuit board 30 an electromagnetic Shielding around the microgenerator, which protects it from the outside protects against electromagnetic interference. In that all electronic Components including the coils 20, 21, 22 are hidden under the bridge, they stay with one that has a transparent floor Clock invisible, which is very aesthetic for many people is appreciated.
  • FIG. 2 shows a top view of the module 80 equipped with a microgenerator according to a first variant of the invention.
  • the module 80 consists of a carrier made of synthetic material or Composite.
  • the three coils 20, 21, 22 of the stator of the microgenerator are mounted on the module 80 and fastened, for example, by gluing.
  • module 80 is one for Ultraviolet light permeable material and the coils are made using an ultraviolet light curing adhesive on the module glued what a very quick drying and a durable connection allowed.
  • the thickness of the module is sufficiently fine to Allow ultraviolet light to pass through, but thick enough to allow cutouts for the Coils 20, 21, 22 and for the capacities can be milled.
  • the thickness of the module is preferably approximately one millimeter. It however, other types of glue can be used, for example a two-component adhesive or one in the air or with photosensitive Medium curing resin.
  • the diameter of the coil is 4 Millimeter.
  • the diameter of the wire used for the winding is 16 Micrometer, attempts have been made to wind a 12 micron wire.
  • One end of each of the coil 20 and the coil 22 are on a connection point 801 soldered to the synthetic module 80, or preferably directly bonded.
  • the other end of the coil 22 is connected to one end of the coil 21 Connection point 802 soldered or bonded to module 80.
  • the other end the coil 20 or 21 is soldered to a contact point 800 or 803 or bonded.
  • the three coils 20, 21, 22 of the stator are so serial between the Points 800 and 803 of the electronic module 80 included. Through this In series connection, the voltages of the individual coils are added.
  • the Traces on the printed circuit are in one of the art of printed circuits executed known way
  • An IC 81 is mounted on the module 80.
  • the purpose of this IC is in monitoring the speed of rotation of the microgenerator and this Regulate speed by changing the value of a variable Load resistance is changed by the IC with which the microgenerator can be charged.
  • This circuit contains one Voltage tripler, which is the voltage generated by the microgenerator tripled. This voltage tripler preferably works without Diode voltage drops. It uses three capacities 82, 83, 84, the outside of the integrated circuit are mounted on module 80.
  • One in the IC 81 Integrated counter is provided per period of that supplied by the microgenerator Signal increased once and with each edge one by dividing the frequency of an external crystal 85 signal reduced. If the rotor of the Microgenerator rotates too quickly, the frequency of the signal at the output of the Microgenerators (between points 800 and 803) higher than the frequency of the divided signal coming from quartz 85. The counter is consequently in this Case increases more often than reduces and its value increases rapidly.
  • An integrated Brake control circuit controls the value of a load resistance of the Microgenerators as a function of the value of the counter. In case of increasing the Value in the counter becomes the value of the Load resistance is reduced and the micro-generator is braked.
  • the speed of rotation of the rotor and the arrangement the magnets are chosen such that the one generated by the generator AC voltage has a frequency of 2n Hz.
  • the electronics inside the IC's 81 are affected by the voltage on the Output of the generator fed. As stated, this tension is with Help the three capacities multiplied by three. In practice it is difficult to carry out suitable circuits which operate the voltage with more than three multiply. If the IC 81 in CMOS technology with very little Consumption must be at the input of the voltage triplet Signal with a peak voltage of at least 0.4 volts are applied. The microgenerator must therefore be designed so that it at least this Peak voltage provides. A higher peak voltage can easily pass through Increase in the dimensions of the disks 11, 13 of the rotor and the magnets 12 be achieved. However, this solution is like in a miniaturized device disadvantageous of a watch. It also results in more friction and in particular a higher inertia of the rotor, which consequently a requires greater drive power for the generator and thus the Mainspring becomes larger.
  • the peak voltage is maximized and the Space requirements, the inertia of the rotor and the friction are minimized by the diameter and thickness of the rotor are reduced to its Reduce inertia.
  • the experiments were carried out with a gap of approximately 0.1 Made millimeters.
  • the peak tension is also maximized by the Surfaces of the coils 20, 21, 22 are increased as much as possible by the largest possible proportion of the magnetic generated by the magnets 12 Collecting river.
  • it is desirable to mount the rotor can after the coils 20, 21, 22 have been glued to the module 80.
  • there is a space 18 between the two coils 20, 21 a width at least equal to the diameter of the central part of the axis 10 of the rotor provided.
  • the induced Peak voltage with the particular one shown, for example, in FIG Arrangement of the coils 20, 21, 22 is maximum.
  • they are Coils 20, 21 and 22 with respect to the axis of the rotor 10 in one arranged asymmetrical type.
  • the absolute angular distance is between the coils 20 and 21 larger than the angular distance between the coils 20 and 22 or between the coils 21 and 22.
  • the coils 20, 21 and 22 are all in contact with at least one other coil, the coil 22 is even in Touch with the other two coils.
  • a space 18 through which the axis of the rotor 10 can be inserted is between the coils 20th and 21 arranged.
  • the clockwork does not contain one, not shown magnetizable spring that stops the rotor 10 during the time setting.
  • the spring is preferably such with the crown, not shown connected that pulling the crown causes the spring directly or presses indirectly on the rotor and thus stops the rotation of the rotor.
  • the spring is released from the rotor and exercises at the same time an angular momentum on the rotor to ensure that the rotor starts up is.
  • Such braking and accelerating means are conventional mechanical movements known under the term stop second and need not be described in more detail here.
  • the rotor 10 starts again, and the Capacities 82, 83, 84 are reloaded by the generator. As soon as the Voltage at the capacities is greater than the minimum operating voltage of the IC, the IC starts to work again. During this process is the counter already mentioned on the IC with a predefined value started so that the start-up process is compensated and the second hand is in the same place exactly 60 seconds after the crown is reset.
  • the device is assembled as follows. First they are different axles and wheels 50, 60, 70, etc. arranged in the factory, then the rotor 10 is mounted between the board 30 and the bridge 40.
  • the Module 80 on which the coils 20, 21, 22 were previously glued then inserted between the discs 11, 13 of the rotor and on the board 30 attached, preferably with non-magnetic screw means.
  • the axis 10 of the rotor previously through the gap 18 between the coils 20, 21, 22 of the dismantled module 80, then the module-rotor unit is pushed in introduced the plant.
  • the module 80 is then attached, preferably by screwed non-magnetizable screws on the board 30, then the upper bridge 40 installed and screwed onto the board 30 to the upper To hold part of the axis of the rotor.
  • FIG. 3 illustrates one in the same view as FIG Variant of the invention, in which the individual magnets 12 by a continuous ring 19 are replaced.
  • the angularly consecutive Segments of the ring 19 are permanently magnetized with changing polarity.
  • the ring 19 preferably contains three with a positive polarity magnetized parts alternating with three parts of opposite Polarity. This variant enables the peak voltage of the signal generated at the output of the coils 20, 21, 22. If the diameter of the rotor is 5.3 millimeters, as in the example above, the ring has 19 preferably an equal outer diameter and an inner one Diameter of 3.5 millimeters.
  • the surface of the module 80 is in the direction the second intermediate axis 50, which gives more freedom to arrange of conductor tracks and components.
  • This expanded The module can therefore only be used according to the second one Assembly variant to be assembled, that is, by placing the rotor beforehand is inserted into the disassembled module 80, then the module with the rotor is then introduced into the work by the intermediate axis 50 through the Hole 804 is inserted before the bridge 40 is attached to the circuit board 30. It goes without saying that this form of the module 80 also with the using the example described in Figure 2 rotor can be used can.
  • FIG. 4 illustrates in the same view as FIG. 2 and FIG. 3 a variant of the invention, in which the individual magnets 12 an interrupted ring 19 are replaced.
  • the ring is 19th formed by several ring segments with the same surface, that of each other separated by spaces or by magnetically neutral portions 190 are.
  • the width of the spaces or portions 190 is preferably minimal compared to the diameter of the ring; for example, were attempts made with a width of 0.3 millimeters.
  • the invention is also applicable to Micro generators that are equipped with a rotor that more than contains two superimposed discs, for example with one Rotor-equipped microgenerators that contain three disks, all with Permanent magnets are provided, with three between each pair of disks Coils are arranged.
  • the invention encompasses generators with N. Discs and (N-1) superimposed sets of three coils each.

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Mikrogenerator, insbesondere einen Mikrogenerator für ein Uhrwerk oder für andere miniaturisierte elektronische oder elektromechanische Vorrichtungen. Die vorliegende Erfindung betrifft ebenfalls ein elektronisches Modul und ein Uhrwerk enthaltend einen solchen Mikrogenerator.
Solche Mikrogeneratoren finden namentlich in tragbaren miniaturisierten Vorrichtungen Anwendung, zum Beispiel in Uhren, Hörgeräten, Fotoapparaten oder Rundfunkempfangsgeräten. Die Patentschrift CH597636 (Ebauches SA) zum Beispiel beschriebt ein Uhrwerk, dessen Feder über ein Räderwerk eine Zeitanzeige und einen eine Wechselspannung liefernden Generator antreibt. Der Generator speist einen Gleichrichter, der Gleichrichter speist ein kapazitives Bauelement, und das kapazitive Bauelement speist eine elektronische Referenzschaltung mit einem stabilen Quarzoszillator sowie eine elektronische Regelschaltung. Die elektronische Regelschaltung weist eine Komparator-Logik-Schaltung und eine mit dem Ausgang der Komparator-Logik-Schaltung verbundene und durch die Komparator-Logik-Schaltung in ihrer Leistungsaufnahme steuerbare Energiedissipationsschaltung auf. Ein Eingang der Komparator-Logik-Schaltung ist mit der elektronischen Referenzschaltung und ein anderer Eingang der Komparator-Logik-Schaltung ist mit dem Generator verbunden. Die Komparator-Logik-Schaltung ist so ausgelegt, dass sie ein von der elektronischen Referenzschaltung kommendes Taktsignal mit einem vom Generator stammenden Taktsignal vergleicht, in Abhängigkeit vom Ergebnis dieses Vergleiches die Grösse der Leistungsaufnahme der Energiedissipationsschaltung steuert und auf diese Weise über die Steuerung der Regelschaltungsleistungsaufnahme den Gang des Generators und damit den Gang der Zeitanzeige regelt. Eine solche Uhr kombiniert folglich die Vorteile einer mechanischen mit der Genauigkeit einer Quarzuhr.
Der in der Patentschrift CH597636 beschriebene Mikrogenerator besteht aus einem durch die Feder über ein Räderwerk in Drehung versetzten Rotor sowie einen aus mindestens einer festen Spule gebildeten Stator. Der Rotor besteht aus zwei Scheiben, von denen eine mit sechs Dauermagneten versehen ist, die abwechselnd nord-süd polarisiert sind. Die Magnete induzieren während der Drehung des Rotors eine Wechselspannung in der Spule.
Die Patentdokumente EP0170303 (Kinetron), EP0474101 (Micromag) und insbesondere EP0547083 (Kinetron) beschreiben andere Typen von Mikrogeneratoren. Aus dem Buch Dauermagnete, Werkstoffe & Anwendungen Kapitel 9: Elektrische Uhren mit Dauermagneten von K. Schüler und K. Brinkmann, Springerverlag Berlin / New York / Heidelberg von 1970 sind verschiedenste Ausführungen von solchen Generatoren bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe, einen verbesserten Mikrogenerator vorzuschlagen, insbesondere einen für Uhrwerke angepassten Mikrogenerator.
Insbesondere ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Mikrogenerator vorzuschlagen, dessen angetriebene Masse so klein wie möglich ist, um Reibungsverluste und das Massenträgheitsmoment des Mikrogenerators zu reduzieren. Auf diese Art und Weise kann der Mikrogenerator durch eine Feder mit minimalem Raumbedarf angetrieben werden.
Ein anderes Ziel ist, den Raumbedarf des Mikrogenerators selbst zu reduzieren, um ihn leicht in einem miniaturisierten Gerät, zum Beispiel in einem Uhrwerk, unterbringen zu können.
Ein anderes Ziel ist, einen preiswerten, leicht zu montierenden Mikrogenerator mit einfacher Konstruktion vorzuschlagen.
Gemäss der Erfindung werden diese Ziele durch einen Mikrogenerator entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Regelmodul entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 12 erreicht; bevorzugte Varianten sind ausserdem in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
Figur 1 einen Querschnitt durch einen Teil des Getriebes und des Mikrogenerators eines erfindungsgemässen Uhrwerks.
Figur 2 eine Draufsicht auf ein mit einer ersten Variante des Mikrogenerators und der zugehörigen Elektronik ausgerüstetes Modul.
Figur 3 eine Draufsicht auf ein mit einer zweiten Variante des Mikrogenerators und der zugehörigen Elektronik ausgerüstetes Modul.
Figur 4 eine Draufsicht auf ein mit einer dritten Variante des Mikrogenerators und der zugehörigen Elektronik ausgerüstetes Modul.
Figur 1 zeigt einen seitlichen Schnitt eines in einem Uhrwerk montierten Mikrogenerators gemäss der Erfindung, wobei nur die zum Verständnis der Erfindung notwendigen Elemente dargestellt sind. Das Uhrwerk enthält einen mechanischen Energiespeicher in Form einer nicht dargestellten Feder. Die Feder wird durch eine nicht dargestellte Aufzugsvorrichtung oder vorzugsweise durch eine durch die Bewegungen des Arms des Trägers der Uhr in Schwingung gebrachte Masse aufgezogen. Die Feder treibt über ein nicht dargestelltes konventionelles Getriebe die verschiedenen Zeiger und Anzeigen der Uhr an, insbesondere den Sekundenzeiger, der auf der Sekundenachse 70 montiert ist.
Das auf der Sekundenachse 70 montierte Sekundenrad 71 treibt ein erstes Zwischenritzel 60 an, welches seinerseits über das erste Zwischenrad 61 ein zweites Zwischenritzel 50 antreibt. Das erste Zwischenritzel 60 sowie seine Achse ist aus Stahl oder einem anderen geeigneten Metall; dagegen ist das zweite Zwischenritzel 50 und seine Achse aus einem nicht magnetisierbaren Material, vorzugsweise einer Kupfer- Beryllium- Legierung damit nicht wegen der Kraft der Magneten auf das Zwischenrad ein Positionsmoment auf den Generator ausgeübt wird. Wenn magnetisierbare Materialien für das zweite Zwischenrad verwendet werden, kann das Positionsmoment am Generator um Faktoren höher sein als das von der Feder zur Verfügung stehende Antriebsmoment, was ein Anlaufen des Generators verunmöglicht.
Das zweite Ritzel 50 treibt seinerseits über das zweite Zwischenrad 51 und das Ritzel 15 die Achse 10 des Rotors des Generators. Die Achse 10 ist zwischen zwei synthetischen stossdämpfenden Lagern 31 und 41 rotierend gehalten. Das erste stossdämpfende Lager 31 ist mit der Platine 30 des Werks verbunden, während das zweite stossdämpfende Lager 41 wie weiter unten beschrieben mit einer Brücke 40 verbunden ist.
Der Rotor besteht aus einer oberen Scheibe 11 und einer unteren Scheibe 13, welche mit der Achse 10 fest verbunden sind. Um die Trägheit des Rotors zu reduzieren, sind die Scheiben 11 und 13 vorzugsweise aus einem Blech mit erhöhter Sättigung ausgeführt (Remanenz etwa 2,4 Tesla), was die Verwendung eines sehr feinen Bleches ermöglicht. Die untere Fläche der oberen Scheibe 11 enthält in diesem Beispiel sechs einzelne Magnete 12, die in regelmässigen Abständen nahe der Peripherie der Scheibe angeordnet sind. Die Magnete 12 haben vorzugsweise eine zylindrische Form und sind auf die Scheibe 11 geklebt. Ihre Remanenz ist im Bereich von einem Tesla und sie sind mit nord- süd- nord wechselnder Polarität angeordnet. Die obere Fläche der unteren Scheibe 13 ist in gleicher Weise mit sechs einzelnen Magneten 14 ausgestattet, welche symmetrisch zu den sechs Magneten der oberen Scheibe angeordnet sind.
Mit Test-Generatoren mit folgenden Abmessungen wurden gute Erfahrungen gemacht: Der Durchmesser des Rotors betrug ungefähr 5 Millimeter, die Magnete hatten einen Durchmesser von 1,45 Millimeter und einen gegenseitigen Abstand von etwa 0,9 Millimeter. Die zweite Zwischenachse 50, ist in diesem Beispiel mindestens 0,5 Millimeter vom Rand des Rotors gelegen. Die Wahl einer Achse aus Kupfer - Beryllium erlaubt ausserdem, den Magnetismus der Achse 50 und damit das Positionsmoment auf ein striktes Minimum zu reduzieren.
Der Stator enthält drei Induktionsspulen 20, 21 und 22, die zwischen den Scheiben 11 und 13 montiert sind. Die Spulen sind untereinander in Serie verbunden und auf einem Träger befestigt, der gleichzeitig als Träger für eine elektronische Schaltung dient. Der Generator ist zwischen der Platine 30 des Uhrwerks und einer Brücke 40 montiert, was erlaubt, den gesamten Generator inklusive Spulen zu verbergen. Diese Konstruktionsweise hat die folgenden wesentlichen Vorteile. Ist die Brücke 40 aus elektrisch leitendem Material, bildet sie mit der metallischen Platine 30 eine elektromagnetische Abschirmung um den Mikrogenerator, welche diesen vor äusseren elektromagnetischen Störungen schützt. Dadurch, dass alle elektronischen Komponenten inklusive der Spulen 20,21,22 unter der Brücke verborgen sind, bleiben diese auch bei einer mit einem durchsichtigen Boden ausgestatteten Uhr unsichtbar, was von vielen Leuten aus ästhetischen Gründen sehr geschätzt wird.
Die Figur 2 zeigt eine Draufsicht des Moduls 80 ausgestattet mit einem Mikrogenerator gemäss einer ersten Variante der Erfindung. Das Modul 80 besteht aus einem Träger aus synthetischem Material oder Verbundwerkstoff. Die drei Spulen 20, 21, 22 des Stators des Mikrogenerators sind auf dem Modul 80 montiert und zum Beispiel durch Kleben befestigt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Modul 80 aus einem für ultraviolettes Licht durchlässigen Material hergestellt und die Spulen sind mittels eines durch ultraviolettes Licht aushärtenden Klebstoffes auf das Modul geklebt, was ein sehr schnelles Trocknen und eine haltbare Verbindung erlaubt. In diesem Falle ist die Dicke des Moduls ausreichend fein, um Ultraviolettlicht durchzulassen, aber dick genug, damit Aussparungen für die Spulen 20, 21, 22 und für die Kapazitäten gefräst werden können. Vorzugsweise beträgt die Dicke des Moduls ungefähr einen Millimeter. Es können jedoch auch andere Typen von Klebstoff benutzt werden, zum Beispiel ein Zweikomponentenklebstoff oder ein in der Luft oder mit lichtempfindlichen Mitteln aushärtendes Harz.
In den vorgenommenen Versuchen ist der Durchmesser der Spule 4 Millimeter. Der Durchmesser des für die Wicklung benutzten Drahtes beträgt 16 Mikrometer, es wurden Versuche gemacht, einen Draht von 12 Mikrometer zu wickeln. Je ein Ende der Spule 20 und der Spule 22 sind auf einen Anschlusspunkt 801 auf dem synthetischen Modul 80 gelötet oder vorzugsweise direkt gebondet. Das andere Ende der Spule 22 ist mit einem Ende der Spule 21 auf einen Anschlusspunkt 802 auf dem Modul 80 gelötet oder gebondet. Das andere Ende der Spule 20 bzw. 21 ist auf einen Kontaktpunkt 800 bzw. 803 gelötet oder gebondet. Die drei Spulen 20, 21, 22 des Stators sind so seriell zwischen die Punkte 800 und 803 des elektronischen Moduls 80 eingebunden. Durch diese Serieschaltung werden die Spannungen der einzelnen Spulen addiert. Die Leiterbahnen auf der gedruckten Schaltung sind in einer in der Technik der gedruckten Schaltungen bekannten Art und Weise ausgeführt
Ein IC 81 ist auf dem Modul 80 montiert. Der Zweck dieses IC's besteht darin, die Drehgeschwindigkeit des Mikrogenerators zu überwachen und diese Geschwindigkeit zu regeln, indem der Wert eines variablen Belastungswiderstandes vom IC verändert wird, mit welchem der Mikrogenerator belastet werden kann. Wir beschreiben hier nicht im Einzelnen die Funktionen dieses Schaltkreises, von dem wenigstens ein Ausführungsbeispiel namentlich in der Patentanmeldung PCT/EP96/02791 angemeldet am 26. Juni 1996 auf den Namen Schafroth, beschrieben wurde. Dieser Schaltkreis enthält einen Spannungsverdreifacher, der die durch den Mikrogenerator erzeugte Spannung verdreifacht. Dieser Spannungsverdreifacher funktioniert vorzugsweise ohne Dioden-Spannungsabfälle. Er benutzt drei Kapazitäten 82, 83, 84, die ausserhalb des integrierten Schaltkreises auf dem Modul 80 montiert sind. Ein im IC 81 integrierter Zähler wird pro Periode des durch den Mikrogenerator gelieferten Signals ein Mal erhöht und mit jeder Flanke eines durch Teilung der Frequenz eines externen Quarzes 85 erzielten Signals vermindert. Wenn der Rotor des Mikrogenerators zu schnell dreht, wird die Frequenz des Signals am Ausgang des Mikrogenerators (zwischen den Punkten 800 und 803) höher als die Frequenz des vom Quarz 85 kommenden, geteilten Signals. Der Zähler wird folglich in diesem Fall öfter erhöht als reduziert und sein Wert nimmt schnell zu. Ein integrierter Bremskontrollschaltkreis steuert den Wert eines Belastungswiderstandes des Mikrogenerators in Funktion des Wertes des Zählers. Im Fall der Erhöhung des Wertes im Zähler wird der Wert des Belastungswiderstandes verkleinert und der Mikrogenerator wird so gebremst. Vorzugsweise werden die Drehgeschwindigkeit des Rotors und die Anordnung der Magnete derart gewählt, dass die vom Generator erzeugte Wechselspannug eine Frequenz von 2n Hz hat.
Die Elektronik im Inneren des IC's 81 wird durch die Spannung am Ausgang des Generators gespiesen. Wie angegeben, wird diese Spannung mit Hilfe der drei Kapazitäten mit drei multipliziert. In der Praxis ist es schwierig, passende Schaltkreise auszuführen, welche die Spannung mit mehr als drei multiplizieren. Wenn der IC 81 in CMOS-Technologie mit sehr geringem Verbrauch ausgeführt ist, muss am Eingang des Spannungsverdreifachers ein Signal mit einer Scheitelspannung von mindestens 0,4 Volt angelegt werden. Der Mikrogenerator muss folglich so ausgelegt sein, dass er mindestens diese Scheitelspannung liefert. Eine höhere Scheitelspannung kann leicht durch Erhöhung der Ausmasse der Scheiben 11, 13 des Rotors und der Magnete 12 erzielt werden. Diese Lösung ist jedoch in einer miniaturisierten Vorrichtung wie einer Uhr nachteilig. Ausserdem resultiert daraus mehr Reibung und insbesondere eine höhere Massenträgheit des Rotors, wodurch folglich eine grössere Antriebsleistung für den Generator benötigt und somit die Antriebsfeder grösser wird.
Gemäss der Erfindung wird die Scheitelspannung maximiert und der Raumbedarf, die Trägheit des Rotors sowie die Reibleistung minimiert, indem der Durchmesser und die Dicke des Rotors vermindert werden, um seine Trägheit zu reduzieren. Ausserdem ist die Abmessung des Zwischenraums zwischen den Dauermagneten 12 auf dem Rotor und den Spulen 20, 21, 22 in gleicher Weise vermindert, um den Gradienten des magnetischen Feldes B zwischen den Magneten und der Spule zu maximieren, was zu einer grösseren induzierten Spannung führt. Die Versuche wurden mit einem Spalt von etwa 0,1 Millimeter gemacht.
Die Scheitelspannung wird ausserdem maximiert, indem die Oberflächen der Spulen 20, 21, 22 soviel wie möglich erhöht werden, um den grösstmöglichen Anteil des durch die Magnete 12 erzeugten magnetischen Flusses zu sammeln. Es ist indessen wünschenswert, den Rotor montieren zu können, nachdem die Spulen 20, 21, 22 auf das Modul 80 geklebt wurden. Zu diesem Zweck ist zwischen den beiden Spulen 20, 21 ein Zwischenraum 18 mit einer Breite von wenigstens gleich dem Durchmesser des Mittelteils der Achse 10 des Rotors vorgesehen.
Simulationen und Versuche haben gezeigt, dass die induzierte Scheitelspannung mit der beispielsweise in Figur 2 dargestellten besonderen Anordnung der Spulen 20, 21, 22 maximal ist. In dieser Anordnung sind die Spulen 20, 21 und 22 in bezug auf die Achse des Rotors 10 in einer asymmetrischen Art angeordnet. Die Zentren der Spulen 20, 21, 22 nehmen folglich unregelmässig um die Achse des Rotors 10 herum verteilte Winkellagen ein: in diesem Beispiel ist der absolute Winkelabstand zwischen den Spulen 20 und 21 grösser als der Winkelabstand zwischen den Spulen 20 und 22 oder zwischen den Spulen 21 und 22. Die Spulen 20, 21 und 22 sind alle in Berührung mit wenigstens einer anderen Spule, die Spule 22 ist sogar in Berührung mit den zwei anderen Spulen. ie Isolation zwischen den Spulen besteht einzig und allein aus der Isolation des auf die Spulen gewickelten Drahtes. Ein Zwischenraum 18, durch welchen die Achse des Rotors 10 eingeführt werden kann, ist zwischen den Spulen 20 und 21 angeordnet.
Vorzugsweise enthält das Uhrwerk eine nicht dargestellte nicht magnetisierbare Feder, die während dem Zeiteinstellen den Rotor 10 stoppt. Die Feder wird vorzugsweise mit der nicht dargestellten Krone derart verbunden, dass das Ziehen der Krone bewirkt, dass die Feder direkt oder indirekt auf den Rotor drückt und somit die Drehung des Rotors stoppt. Beim Zurückstellen der Krone wird die Feder vom Rotor gelöst und übt gleichzeitig einen Drehimpuls auf den Rotor aus, damit das Anlaufen des Rotors gesichert ist. Solche Brems- und Beschleunigungsmittel sind bei konventionellen mechanischen Uhrwerken unter dem Begriff Stopsekunde bekannt und brauchen hier nicht ausführlicher beschrieben zu werden.
Beim Ziehen der Krone wird der Rotor 10 gestoppt und somit den Kapazitäten 82,83,84 keine Energie mehr zugeführt. Die Kapazitäten werden dann langsam entladen, so dass das IC 81 bald nicht mehr funktionieren kann.
Beim Zurückstellen der Krone läuft der Rotor 10 wieder an, und die Kapazitäten 82,83,84 werden vom Generator wieder geladen. Sobald die Spannung an den Kapazitäten grösser ist als die minimale Betriebspannung des IC's, beginnt das IC wieder zu funktionieren. Während dieses Vorganges wird der schon erwähnte Zähler auf dem IC mit einem vordefinierten Wert gestartet, damit der Anlaufvorgang kompensiert wird und der Sekundenzeiger genau 60 Sekunden nach dem Zurückstellen der Krone an derselben Stelle ist.
Auf diese Weise ist es möglich, die Zeit auf den Bruchteil einer Sekunde genau einzustellen.
Die Vorrichtung wird folgendermassen montiert. Zuerst werden die verschiedenen Achsen und Räder 50, 60, 70, usw. im Werk angeordnet, dann wird der Rotor 10 zwischen die Platine 30 und die Brücke 40 montiert. Das Modul 80, auf welchem die Spulen 20, 21, 22 vorher angeklebt wurden, wird dann zwischen die Scheiben 11, 13 des Rotors eingesetzt und auf der Platine 30 befestigt, vorzugsweise mit nicht magnetischen Schraubenmitteln.
In einer zweiten Montage-Variante wird die Achse 10 des Rotors vorhergehend durch den Zwischenraum 18 zwischen den Spulen 20, 21, 22 des demontierten Moduls 80 geschoben, dann wird die Modul-Rotor-Einheit in das Werk eingeführt. Das Modul 80 wird dann befestigt, vorzugsweise durch nicht magnetisierbare Schrauben auf die Platine 30 geschraubt, dann wird die obere Brücke 40 eingebaut und auf die Platine 30 geschraubt, um den oberen Teil der Achse des Rotors zu halten.
Die Figur 3 veranschaulicht in der gleichen Ansicht wie Figur 2 eine Variante der Erfindung, in welcher die einzelnen Magnete 12 durch einen durchgehenden Ring 19 ersetzt sind. Die winklig aufeinanderfolgenden Segmente des Rings 19 sind mit wechselnder Polarität permanent magnetisiert. Der Ring 19 enthält vorzugsweise drei mit einer positiven Polarität magnetisierte Anteile abwechselnd mit drei Anteilen entgegengesetzter Polarität. Diese Variante ermöglicht das Vergrössern der Scheitelspannung des am Ausgang der Spulen 20, 21, 22 erzeugten Signals. Wenn der Durchmesser des Rotors wie im Beispiel weiter oben 5,3 Millimeter beträgt, hat der Ring 19 vorzugsweise einen gleichen Aussendurchmesser und einen inneren Durchmesser von 3,5 Millimeter.
Ferner ist in dieser Variante die Fläche des Moduls 80 in Richtung der zweiten Zwischenachse 50 vergrössert, was mehr Freiheit zum Anordnen von Leiterbahnen und Bestandteilen mit sich bringt. Im Modul 80 ist ein Loch 804 zum Einführen der Zwischenachse 50 vorgesehen. Dieses erweiterte Modul kann folglich ausschliesslich gemäss der zweiten beschriebenen Montage-Variante montiert werden, das heisst, indem der Rotor vorhergehend in das demontierte Modul 80 eingeführt wird, dann das Modul mit dem Rotor darauf in das Werk eingeführt wird, indem die Zwischenachse 50 durch das Loch 804 gesteckt wird, bevor die Brücke 40 auf der Platine 30 befestigt wird. Es versteht sich von selbst, dass diese Form des Moduls 80 auch mit dem anhand des Beispiels gemäss Figur 2 beschriebenen Rotor benutzt werden kann.
Die Figur 4 veranschaulicht in der gleichen Ansicht wie die Figuren 2 und 3 eine Variante der Erfindung, in welcher die einzelnen Magnete 12 durch einen unterbrochenen Ring 19 ersetzt sind. In dieser Variante ist der Ring 19 durch mehrere Ringsegmente mit gleicher Oberfläche gebildet, die voneinander durch Zwischenräume oder durch magnetisch neutrale Anteile 190 getrennt sind. Die Breite der Zwischenräume oder Anteile 190 ist vorzugsweise minimal im Vergleich mit dem Durchmesser des Rings; zum Beispiel wurden Versuche gemacht mit einer Breite von 0,3 Millimeter.
Der Fachmann wird verstehen, dass die Erfindung sich auch auf Mikrogeneratoren bezieht, die mit einem Rotor ausgestattet sind, der mehr als zwei übereinanderliegende Scheiben enthält, beispielsweise auf mit einem Rotor ausgestattete Mikrogeneratoren, der drei Scheiben enthält, die alle mit Dauermagneten versehen sind, wobei zwischen jedem Paar von Scheiben drei Spulen angeordnet sind. Allgemein umfasst die Erfindung Generatoren mit N Scheiben und (N-1) übereinanderliegenden Sätzen von jeweils drei Spulen.

Claims (31)

  1. Mikrogenerator für Uhrwerk und entsprechende Vorrichtungen, bestehend aus einer Gruppe von mindestens drei elektrisch verbundenen Spulen (20, 21, 22) und einem mit einer oberen Scheibe (11) und mit einer unteren Scheibe (13) ausgestatteten Rotor, dessen Scheiben auf jeder Seite der besagten Spulen angeordnet sind, wobei die obere Fläche der unteren Scheibe sowie die untere Fläche der oberen Scheibe beide mit einer Mehrzahl von magnetisierten Bereichen (12, bzw. 14) mit wechselnder Polarität versehen sind, welche während der Rotation nacheinander an jeder der besagten Spulen vorbeigeführt werden, wobei die besagten Spulen (20, 21, 22) asymmetrisch um die Achse des Rotors (10) herum angeordnet sind.
  2. Mikrogenerator gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelabstände zwischen den Zentren der besagten Spulen (20, 21, 22) in bezug auf die Achse des Rotors (10) unregelmässig sind.
  3. Mikrogenerator gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Spule (20, 21, 22) an wenigstens eine andere Spule (20, 21, 22) angrenzt.
  4. Mikrogenerator gemäss dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass jede Spule (20, 21, 22) wenigstens eine andere Spule (20, 21, 22) berührt.
  5. Mikrogenerator gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch kennzeichnet, dass er drei Spulen (20, 21, 22) enthält.
  6. Mikrogenerator gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede der besagten Scheiben (11, 13) des Rotors eine gerade Anzahl von einzelnen Magneten (12, 14) mit wechselnder Polarität enthält.
  7. Mikrogenerator gemäss dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die besagte Anzahl der einzelnen Magnete (12, 14) auf jeder Scheibe (11, 13) gleich zwei mal der Zahl der Spulen (20, 21, 22) ist.
  8. Mikrogenerator gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede der besagten Scheiben (11, 13) des Rotors mit einem Magnetring (19) ausgestattet ist, der aufeinanderfolgende, permanent magnetisierte Winkelsegmente mit wechselnder Polarität enthält.
  9. Mikrogenerator gemäss dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der besagte Ring (19) zwischen jedem magnetisierten Winkelsegment mit wechselnder Polarität Unterbrechungen (190) enthält.
  10. Mikrogenerator gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er zwischen einer Platine (30) und einer Rotorbrücke (40) des Uhrwerks montiert ist und dass die Rotorbrücke und die Platine so gestaltet sind, dass der Generator elektrisch abgeschirmt ist.
  11. Mikrogenerator gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er durch einen Satz Zahnräder und Ritzel (50, 51, 60, 61, 70, 71) angetrieben ist und dass wenigstens das am nächsten beim Mikrogenerator (50) liegende Zahnrad und dessen Achse aus nicht magnetisierbarem Material ausgeführt ist.
  12. Regelmodul (80) für Uhrwerk mit einem Mikrogenerator und für entsprechende Vorrichtungen, ausgerüstet mit einer Gruppe von mindestens drei seriell verbundenen und mit einem IC (81) verbundenen Spulen (20, 21, 22), welche auf dem besagten Modul (80) montiert sind, wobei der Wert eines mit den besagten Spulen verbundenen Belastungswiderstandes in Funktion der Frequenz des am Ausgang der besagten Spulen erzeugten Signals und einer vom Signal am Ausgang eines auf dem besagten Modul montierten Quarzoszillators (85) abgeleiteten Referenzfrequenz anpassbar ist, wobei die Abstände zwischen den Zentren der besagten Spulen (20, 21, 22) ungleich sind.
  13. Modul (80) gemäss dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass jede Spule (20, 21, 22) an wenigstens eine andere Spule (20, 21, 22) angrenzt.
  14. Modul (80) gemäss dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass jede Spule (20, 21, 22) wenigstens eine andere Spule (20, 21, 22) berührt.
  15. Modul (80) gemäss dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass es drei Spulen (20, 21, 22) enthält.
  16. Modul (80) gemäss einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass es aus einem für ultraviolettes Licht durchlässigen Material hergestellt ist und dass die besagten Spulen (20, 21, 22) mittels eines durch ultraviolettes Licht aushärtbaren Klebstoffes auf dem besagten Modul aufgeklebt sind.
  17. Modul (80) gemäss einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass es wenigstens ein Loch (804) als Durchgang für eine der Achsen (50) des Uhrwerks enthält.
  18. Uhrwerk ausgerüstet mit einem Regelmodul (80) gemäss einem der Ansprüche 12 bis 17.
  19. Uhrwerk gemäss dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass es einen mit einer oberen Scheibe (11) und mit einer unteren Scheibe (13) ausgestatteten Rotor enthält, dessen Scheiben auf jeder Seite der besagten Spulen angeordnet sind, wobei die obere Fläche der unteren Scheibe sowie die untere Fläche der oberen Scheibe beide mit einer Mehrzahl von magnetisierten Bereichen (12, bzw. 14) mit wechselnder Polarität versehen sind, welche während der Rotation nacheinander an jeder der besagten Spulen vorbeigeführt werden.
  20. Uhrwerk gemäss dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der besagte Rotor zwischen einem ersten, mit der Platine (30) des Werkes verbundenen stossdämpfenden Lager (31) und einem zweiten, mit einer Brücke (40) des Werkes verbundenen stossdämpfenden Lager (41) montiert ist und dass die Brücke (40) und die Platine so gestaltet sind, dass der Rotor (10), die Spulen (20, 21, 22) und das Regelmodul elektrisch abgeschirmt sind.
  21. Uhrwerk gemäss einem der Ansprüche 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass der besagte Rotor durch ein Getriebe (70, 71, 60, 61, 50, 51, 15) angetrieben ist und dass wenigstens gewisse der am nächsten beim Rotor liegenden Elemente (50) des besagten Getriebes aus nicht magnetisierbarem Material ausgeführt sind.
  22. Uhrwerk gemäss einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass jede der besagten Scheiben (11, 13) des Rotors eine gerade Anzahl von einzelnen Magneten (12, 14) mit wechselnder Polarität enthält.
  23. Uhrwerk gemäss einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass jede der besagten Scheiben (11, 13) des Rotors mit einem Ring (19) ausgestattet ist, der aufeinanderfolgende, permanent magnetisierte Winkelsegmente mit wechselnder Polarität enthält.
  24. Uhrwerk gemäss einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der besagte Ring (19) zwischen jedem magnetisierten Winkelsegment mit wechselnder Polarität Unterbrechungen (190) enthält.
  25. Uhrwerk gemäss einem der Ansprüche 19 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass Bremsmittel enthalten sind, um den Rotor während dem Zeigerstellen zu stoppen.
  26. Uhrwerk gemäss dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremsmittel mit dem Ziehen der Krone betätigt werden.
  27. Uhrwerk gemäss dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremsmittel mindestens eine Feder enthalten.
  28. Uhrwerk gemäss dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder so angeordnet ist, dass beim Zurückstossen der Krone der Generator freigegeben wird und zugleich von der Feder einen Drehimpuls erhält.
  29. Verfahren zum Zusammenbauen eines Uhrwerkes gemäss einem der Ansprüche 19 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass zuerst der Rotor im Werk plaziert wird und dass dann das Modul (80) in das Werk eingesetzt wird, indem die Spulen (20, 21, 22) zwischen die Scheiben (11, 13) des Rotors geschoben werden.
  30. Verfahren zum Zusammenbauen eines Uhrwerkes gemäss einem der Ansprüche 19 bis 28, durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet:
       der Rotor (10) wird zuerst zwischen die Spulen (20, 21, 22) des Moduls (80) eingesetzt, dann wird das Modul (80) und der Rotor als Einheit in das Werk eingeführt, dann wird das Modul (80) befestigt, schliesslich wird der Rotor mittels der Rotorbrücke gehalten.
  31. Verfahren zum Zusammenbauen eines Uhrwerkes gemäss dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das besagte Modul (80) mindestens ein Loch (804) enthält, welches mit der am nächsten beim Rotor des besagten Werkes liegenden Achse (50) übereinstimmt und dass das Modul (80) und der Rotor als Einheit in das Werk eingeführt wird, indem die besagte Achse (50) durch das besagte Loch (804) geführt wird.
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