EP2687916A1 - Anker für eine Uhrenhemmung in einem mechanischen Uhrwerk - Google Patents
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- G—PHYSICS
- G04—HOROLOGY
- G04B—MECHANICALLY-DRIVEN CLOCKS OR WATCHES; MECHANICAL PARTS OF CLOCKS OR WATCHES IN GENERAL; TIME PIECES USING THE POSITION OF THE SUN, MOON OR STARS
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- G04B15/08—Lever escapements
Definitions
- the present invention relates to an anchor for a watch escapement in a mechanical movement with escape wheel, comprising two anchor arms, in each of which a pallet is held, and a fork, which acts on the balance.
- the basic features of the function of a mechanical watch are today well known and well documented.
- the movements of mechanical watches generally draw their energy from a spring, usually a spiral spring, the elevator spring or the so-called Barillet.
- This energy is delivered to a gear transmission, which in turn, for example, via pointer elements, the information for the display of the hour reproduces, to the last element, the so-called inhibition.
- the latter has three functions, namely to count the number of oscillations of the balance, that is, to measure the time, to block the energy of the gear during the additional turn of the balance, and to give the balance an impulse to maintain its oscillating motion.
- the so-called Swiss lever escapement where each of the pallets held in the anchor alternatively receives an impulse from the escapement wheel to pass it on to the balance, is the most widely used in the watch industry.
- each stage of the gear train has an efficiency of about 90% to 95%.
- the tooth engagement and profile of the teeth have been optimized as a result.
- lubricants however, have the disadvantage of deteriorating over time, namely aging, oxidizing, cracking and rancidity.
- lubricants are susceptible to the absorption of dust and tend to harden. Lubricants are therefore hardly used for bearing journals of the anchor.
- the anchor as a whole is denoted by A.
- the anchor has two anchor arms B, in each of whose ends a pallet C is held.
- a Fork D on In the middle between the two anchor arms in their connection area engages a Fork D on, which is practically perpendicular or at least on an angle bisector of the two armature arms.
- the fork D ends in tines E and the pivotal movement of the armature or the fork D is limited by two lateral anchor boundary pins F in the pivoting movement. This pivoting movement takes place about a bearing axis G with bilateral bearing journals H, which rest in bearing stones, not shown here.
- the anchor according to the invention is always designated 1.
- this anchor has two anchor arms 2 as a conventional anchor.
- the pallets 3 are held at the end in the two anchor arms 2.
- These two armature arms 2 are integrally connected to each other and in the connection area, the fork 4 engages the armature.
- the fork 4 is practically perpendicular to the two armature arms 2, when they are stretched aligned with each other. If the two anchor arms 2 enclose an angle deviating from the angle 180 °, the fork 4 lies on the bisector of said angle.
- connection region 6 The region in which the fork 4 is connected to the two armature arms 2 is defined here as the connection region 6.
- two fastening arms 7 engage.
- These attachment arms 7 extend exactly straight in the simplest embodiment shown here. With respect to the central axis through the fork 4, the two attachment arms 7 extend mirror-symmetrically. Consequently, so forms the fork 4 and the center axis bisecting the angle with respect to the two mounting arms 7 include each other.
- fasteners 8 Terminal at the two mounting arms 7 are fasteners 8, which are configured in the preferred embodiment here as an annular eyelets. Accordingly, the following is also spoken of eyelets 8, the expert will understand, of course, other fastener forms underneath.
- fasteners as eyelets is therefore preferred because they are both suitable to be connected by means of screws with a corresponding fixed part of the movement, for example, the movement board.
- eyelets 8 are also suitable for a soldered or welded connection as well as for an adhesive connection. For the latter types of connection but simple disc-shaped embodiments of the fasteners would be just as suitable.
- the introduction of force takes place, as in the case of a conventional anchor, by the escape wheel via the pallets 3.
- the entire anchor 1 is usually made in one piece, with the exception of the two pallets 3, of a plate-shaped material. It is preferable to choose a high modulus material.
- the force exerted by the escape wheel on the pallets 3 force leads to a bending deformation of the mounting arms 7.
- the width b of the mounting arms 7 is kept as small as possible.
- the height h of the attachment arms 7 is a multiple of the width b of these arms.
- each mounting arm 7 is made as long as possible and as thin as possible in width.
- the height of each attachment arm 7 is of course not free, since this must be sufficiently large so as not to obtain rotational degrees of freedom that are not in the plane of the anchor.
- the height of the mounting arm 7 also very small, so each arm 7 would behave like threads and would be stiff only on train and pressure but otherwise very flexible in all Biegerept.
- this is not desirable, but the freedom of movement should be limited to a bending movement of each mounting arm 7 within the extension plane in which the anchor is located.
- the armature 1 should rotate about a predetermined virtual axis without offset movement of the center.
- This problem can be largely reduced, for example, by allowing the mounting arms 7, as in the FIGS. 5 and 6 represented, designed.
- the attachment arms 7 designed with two parallel elastic sections 70 and 71. These two sections 70 and 71 are hairpin-like. The two sections are parallel and arranged in opposite directions.
- the two elastic partial sections 70, 71 are connected to one another via a thickened connection point 72.
- the first elastic section 70 thus extends between the thickened connection point 72 and the connection region 6 of the armature 1 or to a thickened part of the attachment arms 7 which is referred to here as the connection part 73.
- the second elastic section 71 extends from the thickened connection point 72 to a thickened fastening arm part 74, on which the fastening element or fastening eye 8 is formed at the end.
- the fastening elements 8 are designed such that they themselves form stops which limit the oszilierende rotational movement of the fork 4.
- the attachment lugs 8 movement limiting stops 9 which are designed in the form of bulges in the direction of the fork 4 out.
- these attachment limit stops 9 are monolithically designed as part of the fasteners or eyelets 8 in turn.
- FIGS. 7 and 8 there is also a fourth in the FIGS. 7 and 8 shown embodiment.
- the embodiments described so far also have a small residual rigidity in the direction of movement. Although part of the momentum given by the armature 1 to the balance is also returned by it, part of the work is spent on the movement of the armature 1 itself and on the elastic deformation work of its attachment arms. This work is significantly lower than the energy delivered by the escapement wheel.
- it is proposed in this embodiment again monolithically integrally form a zugelasticians spring element 10 on the armature 1 again. At the free end of the elastic spring element 10, a mounting plate 11 is attached.
- the mounting plate 11 can be adjustably screwed by means of a screw on the board of the clockwork.
- the bias of the zugelastischen spring element 10 can be adjusted.
- the zugelastician spring element 10 is located in the same plane as the mounting arms 7 and the other parts of the inventive anchor 1.
- the attachment arms 7 must be fastened with their fastener 8 either on the same board of the movement or at least on another fixed part of the movement, the lies in the same plane.
- the zugelastician spring element 10 has a much smaller width b in relation to height h.
- the zugelastician spring element 10 may in principle any Own form, which deviates from a straight line.
- the zugelastician spring element 10 could be designed as a simple arcuately curved arm or as shown here, as in the plane meandering extending route.
- the two fastening arms 7 are arranged mirror-symmetrically with respect to the central longitudinal axis of the fork 4, a different solution is shown here.
- the elastic attachment arms 7 are in turn as elongated elements between the connecting portion 6 and the terminal fasteners 8, which in turn are configured here as eyelets, extending.
- These two fastening arms 7 are now both arranged on the same side of the fork 4 between these and an armature arm 2.
- the zugelastician spring element 10 is now placed so that the connecting line between the center of the elongated hole 12 and the point of attachment of the zugelastischen spring element 10 at the connecting portion 6, the bisecting line between the two mounting arms 7.
- the virtual axis of rotation is always at the intersection of the extensions of the two mounting arms 7. While in the examples described above, where the mounting arms 7 are arranged mirror-symmetrically with respect to the fork 4, this virtual axis of rotation can also lie outside the connection area 6, it is in the Embodiment according to the FIGS. 7 and 8 preferably such that the virtual axis of rotation lies in the center of the connecting region 6. In other words, the location of the virtual axis of rotation can thus be determined virtually freely by the choice of the arrangement of the fastening arms 7.
- FIG. 7 is contrary to FIG. 8 also shown the possibility that the pallets 3 also monolithic one piece and thus made of the same material as the anchor 1 in one operation.
- a manufacturing process for the manufacture of the inventive armature 1 in which the boundary edges of the armature are extremely regularly finished with a very low roughness, friction losses are also reduced.
- two methods are suitable for the production.
- One method is called a DRIE method.
- DRIE Deep Reactive Ion Etching. This procedure was developed by the company Bosch and in this regard, for example, to the documents DE-3927163 or DE-4420962-A directed.
- fastening arms 7 can be produced with a very small width.
- the attachment arms 7 are made with a width of 15-50 microns.
- the geometry of an inventive armature 1 produced in this way has an extreme accuracy, with deviations which are usually less than one micrometer.
- silicon in the form of wafers may be considered as the material of manufacture for this process.
- This material is particularly suitable for the production of the inventive anchor.
- this material has ideal properties for this application. It has a high mechanical strength and a very low plastic deformability, so that the areas with large thickness in the loading direction have virtually no deformation. This leads to extremely low losses. Material fatigue practically does not occur as long as the applied stresses at the alternating stresses are kept below the elastic breaking point.
- silicon has a very low coefficient of friction. The only problem is that the parts etched by the DRIE method have very sharp edges. For the watchmaker who works with the tweezers, it is thus possible for the watchmaker to produce very high pressures locally on the sharp edges. This can lead to the destruction of the anchor.
- the silicon oxide and the silicon nitride also have tribological advantages in which in turn the coefficient of friction is positively influenced.
- silicon is the preferred material for the anchor, it can also be made of quartz, pyrex glass, sapphire or diamond. All these materials can be produced synthetically, are accordingly hard and abrasion resistant. In addition, these materials can be at least partially processed by the DRIE method.
- Another preferred manufacturing method is known from the so-called LIGA technology. With regard to the LIGA process, reference is made, for example, to the European patents EP-0183910A or the EP-1431844-A as well as on the U.S. Patent 6458263-B directed. In particular, nickel or nickel phosphorus compounds are used for the LIGA process. Also by means of this method, an anchor according to the invention can be produced with the required dimensions and accuracy, which has the desired physical properties.
- the LIGA process is a lithographic-galvanic etching process.
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Abstract
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft einen Anker für eine Uhrenhemmung in einem mechanischen Uhrwerk mit Hemmungsrad, umfassend zwei Ankerarme, in welchen jeweils eine Palette gehalten ist, und eine Gabel, welche auf die Unruh wirkt.
- Die Grundzüge der Funktion einer mechanischen Uhr sind heute allgemein bekannt und gut dokumentiert. Die Uhrwerke der mechanischen Uhren schöpfen im Allgemeinen ihre Energie aus einer Feder, meist einer Spiralfeder, der Aufzugsfeder beziehungsweise der so genannten Barillet. Diese Energie wird auf ein Zahnradgetriebe abgegeben, welches wiederum zum Beispiel über Zeigerelemente die Information für die Anzeige der Stunde wiedergibt, bis zum letzten Element, der so genannten Hemmung. Letztere hat drei Funktionen, nämlich die Anzahl der Oszillationen der Unruh zu zählen, das heisst die Zeit zu messen, die Energie des Räderwerks während des zusätzlichen Drehweges der Unruh zu blockieren, und der Unruh einen Impuls zu übermitteln um ihre oszillierende Bewegung zu erhalten. Die so genannte Schweizer Ankerhemmung, wo jede der im Anker gehaltenen Paletten alternativ einen Impuls vom Hemmungsrad erhält, um ihn an die Unruh weiterzugeben, ist die am meisten benutzte in der Uhrenindustrie.
- Wie jedes mechanische System ist der Kraftfluss in einem Uhrwerk mit Reibung behaftet. Die Energie, die in der Aufzugsfeder gesammelt wurde, erfährt Verluste bei der Übertragung von der Aufzugsfeder über das Getriebe bis zum letzten Element, der Unruh. Dies hat mehrere Nachteile. Zur Kompensation der Energieverluste muss die Aufzugsfeder vergrössert werden, um eine genügende Funktionsdauer der Uhr sowie der Ablaufreserve zu erhalten. Um den Einfluss der Reibungsverluste relativ zu reduzieren, liesse sich die Schwingfrequenz oder die Trägheit der Unruh erhöhen. Die so erzielte Verbesserung der Ganggenauigkeit müsste man sich aber wiederum mit der Vergrösserung der Unruh oder der Aufzugsfeder erkaufen, was unerwünscht ist.
- Ein Teil der Energie, die in der Aufzugsfeder gespeichert wurde, geht durch Reibung im Zahneingreifvorgang und beim Drehen des Räderwerkes in deren Lager verloren. Typisch hat jede Stufe des Räderwerks einen Wirkungsgrad von ungefähr 90% bis 95%. Der Zahneingreifvorgang und das Profil der Zähne wurden in Folge dessen optimiert.
- Ein anderer Teil der Energie geht an der Hemmung, vor allem durch Gleitreibung, verloren. Typisch beträgt der Wirkungsgrad letzterer ungefähr 40%. Die Verluste an der Hemmung können in mehreren Teilen getrennt werden:
- Übertragung der Energie des Hemmungsrades an die Paletten des Ankers;
- Führung des Ankers durch seine Achse in den Lagersteinen;
- Übertragung der Energie des Ankers an die Unruh und Reibungsverluste der Lagerung der Spindel der Unruh in einem entsprechenden Lagerstein.
- Um den Wirkungsgrad der Hemmung zu verbessern, wurden viele Lösungen vorgeschlagen, bei der Anpassungen vorgenommen wurden um die energiesparendste Möglichkeit der Übertragung vom Hemmungsrad auf die Paletten des Ankers zu erreichen. So offenbaren die Dokumente
CH-570644-A CH-342897-A CH-342897 WO-2007/003539 Lösungen, die auf die optimierte Geometrie der Palette Bezug nehmen. - Andere Dokumente, wie die
DE-2050013-A und dieCH-510285-A - Die Lagerung und Führung des Ankers beziehungsweise ihrer Achse in Lagersteinen (meist Rubinen) ist seit den ersten Uhren mit Ankerhemmungen wesentlich verbessert worden. Man hat natürliche Rubine und später synthetische Rubine als Werkstoff genommen, um die Reibung und den Verschleiss der Lagerzapfen der Achsen zu reduzieren. Man hat auch die Durchmesser der Lagerzapfen der Achse des Ankers reduziert und angepasst. Ebenfalls wurden Schmiermittel an den Lagerzapfen eingesetzt und die Schmiermittel wurden fortlaufend verbessert.
- Die Schmiermittel haben jedoch den Nachteil, dass sie sich mit der Zeit verschlechtern, nämlich altern, oxidieren, cracken und ranzig werden. Ausserdem sind Schmiermittel empfänglich für die Aufnahme von Staub und neigen dazu zu verharzen. Schmiermittel werden deshalb kaum noch für Lagerzapfen des Ankers benutzt.
- Trotz allen Vorkehrungen sind Reibung und Spiel zwischen den Lagerzapfen der Ankerachse und ihren Lagersteinen mit den wohlbekannten Nachteilen bis heute vorhanden. Es ist somit die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Anker zu schaffen, der sich praktisch spielfrei und reibungsfrei oszillierend bewegt, wodurch der Wirkungsgrad der Hemmung verbessert werden soll.
- Diese Aufgabe löst ein Anker der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.
- Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsformen des Erfindungsgegenstandes gehen aus den abhängigen Patentansprüchen hervor und deren Bedeutung und Wirkungsweise sind in der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen erläutert.
- Es zeigt:
-
Figur 1 : eine Aufsicht auf eine erste Ausführungsform des erfindungsgemässen Ankers; -
Figur 2 : den Anker ausFigur 1 in einer perspektivischen Ansicht; -
Figur 3 : eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemässen Ankers in der Aufsicht, wobei die Schwenkbewegung des Ankers beziehungsweise dessen Gabel beschränkt ist; -
Figur 4 : die zweite Ausführungsform des erfindungsgemässen Ankers in einer perspektivischen Darstellung; -
Figur 5 : eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemässen Ankers, der so gestaltet ist, dass er gewisse parasitäre Bewegungen zu kompensieren vermag; -
Figur 6 : den Anker ausFigur 5 in perspektivischer Lage; -
Figur 7 : eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemässen Ankers in der Aufsicht; -
Figur 8 : den Anker ausFigur 7 in perspektivischer Darstellung; und -
Figuren 9 bis 11 : einen herkömmlichen Anker in der Seitenansicht in der Aufsicht und in perspektivischer Darstellung. - Vorerst wird mit Bezug auf die
Figuren 9 bis 11 ein herkömmlicher Anker beschrieben. - Der Anker insgesamt ist mit A bezeichnet. Der Anker besitzt zwei Ankerarme B, in deren Enden jeweils eine Palette C gehalten ist. Mittig zwischen den beiden Ankerarmen in deren Verbindungsbereich greift eine Gabel D an, die praktisch senkrecht oder zumindest auf einer Winkelhalbierenden der beiden Ankerarme verläuft. Die Gabel D endet in Zinken E und die Schwenkbewegung des Ankers beziehungsweise der Gabel D wird durch zwei seitliche Ankerbegrenzungsstifte F in der Schwenkbewegung begrenzt. Diese Schwenkbewegung erfolgt um eine Lagerachse G mit beidseitigen Lagerzapfen H, die in hier nicht dargestellten Lagersteinen ruhen. Es ist selbstverständlich, dass diese Lagerzapfen H mit einer gewissen Reibung und damit mit Energieverlust in den Lagersteinen lagern und es ist ebenso klar, dass diese Lagerzapfen in den Lagersteinen nicht spielfrei lagern können. Wie eingangs erwähnt führt dies zu den entsprechenden Energieverlusten und einer Gangungenauigkeit.
- In allen nun folgenden Ausführungsformen des erfindungsgemässen Ankers fällt sogleich auf, dass dieser in keiner der hier dargestellten Ausführungsformen eine konkrete Lagerachse aufweist. Dies trifft auch entsprechend bei der ersten Ausführungsform gemäss den
Figuren 1 und 2 zu. Der erfindungsgemässe Anker wird insgesamt immer mit 1 bezeichnet. Auch dieser Anker besitzt wie ein herkömmlicher Anker zwei Ankerarme 2. Endständig in den beiden Ankerarmen 2 sind die Paletten 3 gehalten. Diese beiden Ankerarme 2 sind einstückig miteinander verbunden und in dem Verbindungsbereich greift die Gabel 4 des Ankers an. Die Gabel 4 steht praktisch senkrecht auf den beiden Ankerarmen 2, wenn diese gestreckt fluchtend miteinander verbunden sind. Schliessen die beiden Ankerarme 2 einen vom Winkel 180° abweichenden Winkel ein, so liegt die Gabel 4 auf der Winkelhalbierenden des genannten Winkels. Endständig weist die Gabel 4 Gabelzinken 5 beziehungsweise das Gabelhorn auf. Dieser Teil entspricht wiederum der herkömmlichen Machart. Der Bereich, in dem die Gabel 4 mit den beiden Ankerarmen 2 verbunden ist, wird hier als Verbindungsbereich 6 definiert. In diesem Verbindungsbereich 6 greifen zwei Befestigungsarme 7 an. Diese Befestigungsarme 7 verlaufen in der hier dargestellten einfachsten Ausführungsform exakt gerade. Bezüglich der Mittelachse durch die Gabel 4 verlaufen die beiden Befestigungsarme 7 spiegelsymmetrisch. Folglich bildet so die Gabel 4 beziehungsweise deren Mittelachse die Winkelhalbierende bezüglich den Winkel, den die beiden Befestigungsarme 7 miteinander einschliessen. - Endständig an den beiden Befestigungsarmen 7 sind Befestigungselemente 8, die in der hier bevorzugten Ausführungsform als ringförmige Ösen ausgestaltet sind. Entsprechend wird nachfolgend auch von Befestigungsösen 8 gesprochen, wobei der Fachmann selbstverständlich auch andere Befestigungselementformen darunter verstehen wird.
- Die Wahl der Befestigungselemente als Befestigungsösen wird daher bevorzugt, da diese sowohl geeignet sind um mittels Schrauben mit einem entsprechenden feststehenden Teil des Uhrwerkes, beispielsweise der Uhrwerksplatine, verbunden zu werden. Die Befestigungsösen 8 sind aber ebenso geeignet für eine Löt- oder Schweissverbindung wie auch für eine Klebeverbindung. Für die letztgenannten Verbindungsarten wären aber einfache scheibenförmige Ausgestaltungen der Befestigungselemente genau so geeignet.
- Auch beim erfindungsgemässen Anker erfolgt die Krafteinleitung wie bei einem herkömmlichen Anker vom Hemmungsrad über die Paletten 3. Der gesamte Anker 1 besteht meist mit Ausnahme der beiden Palletten 3 einstückig aus einem plattenförmigen Material. Es wird bevorzugterweise ein Material mit hohem E-Modul gewählt.
- Die vom Hemmungsrad auf die Paletten 3 ausgeübte Kraft führt zu einer Biegeverformung der Befestigungsarme 7. Dabei ist die Breite b der Befestigungsarme 7 möglichst klein gehalten. Die Höhe h der Befestigungsarme 7 ist ein mehrfaches der Breite b dieser Arme. Bezüglich der Biegefestigkeit der Befestigungsarme ergibt sich folgende Formel:
- Hierbei gilt, dass l = b × h3/12.
- In dieser Formel gilt:
- E = E-Modul des Materials
- b = Breite des Befestigungsarmes
- h = Höhe des Befestigungsarmes
- l = Länge des Befestigungsarmes
- l = Flächenträgheitsmoment des Balkens
- K = Die Gesteifigkeit des Balkens.
- Aus dieser Formel ersieht man, dass eine möglichst leichtgängige Ausgestaltung des erfindungsgemässen Ankers dadurch erreicht wird, dass man jeden Befestigungsarm 7 möglichst lang und in der Breite möglichst dünn gestalten sollte. Bezüglich der Höhe jedes Befestigungsarmes 7 ist man selbstverständlich nicht frei, da diese genügend gross sein muss um dadurch nicht Dreh-Freiheitsgrade zu erhalten, die nicht in der Ebene des Ankers liegen. Würde man die Höhe des Befestigungsarmes 7 ebenfalls sehr klein wählen, so würden sich jeder Befestigungsarm 7 gleich Fäden verhalten und wäre lediglich auf Zug und Druck steif aber ansonsten in alle Biegerichtungen sehr flexibel. Dies ist aber nicht erwünscht, sondern die Bewegungsfreiheit soll begrenzt sein auf eine Biegebewegung jedes Befestigungsarms 7 innerhalb der Erstreckungsebene, in der der Anker liegt.
- Die bisher beschriebene einfachste Ausführungsform des erfindungsgemässen Ankers mit flexiblen Befestigungsarmen 7 besitzt jedoch noch immer einen relativen Nachteil. Dieser Anker weist eine so genannte parasitäre Bewegung auf. Hierunter wird die unerwünschte, wenn auch kleine, Fehlbewegung des Rotationszentrums, also der virtuellen Achse bezeichnet. Die dritte Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes, wie sie in den
Figuren 5 und 6 dargestellt ist, löst auch dieses Problem. - Idealerweise sollte sich der Anker 1 ohne eine Offsetbewegung des Zentrums um eine vorgegebene, virtuelle Achse drehen. Diese Problematik lässt sich beispielsweise dadurch weitgehend reduzieren, dass man die Befestigungsarme 7, wie in den
Figuren 5 und 6 dargestellt, gestaltet. Hier sind die Befestigungsarme 7 mit zwei parallelen, elastischen Teilstrecken 70 und 71 gestaltet. Diese beiden Teilstrecken 70 und 71 verlaufen haarnadelartig. Die beiden Teilstrecken sind parallel und gegenläufig angeordnet. Die beiden elastischen Teilstrecken70, 71 sind über eine verdickte Verbindungsstelle 72 miteinander verbunden. Die erste elastische Teilstrecke 70 verläuft somit zwischen der verdickten Verbindungsstelle 72 und dem Verbindungsbereich 6 des Ankers 1 beziehungsweise zu einem verdickten Teil der Befestigungsarme 7 der hier als Verbindungsteil 73 bezeichnet ist. Die zweite elastische Teilstrecke 71 verläuft von der verdickten Verbindungsstelle 72 zu einem verdickten Befestigungsarmteil 74, an dem endständig das Befestigungselement beziehungsweise die Befestigungsöse 8 angeformt ist. - Die bei der erst beschriebenen Ausführungsform gemäss den
Figuren 1 und 2 aufgezeigt Lösung ergibt wie erwähnt eine leichte Verschiebung des Zentrums der virtuellen Drehachse. Diese Verschiebung wird durch die Deformationsbewegung der Befestigungsarme 7 ausgelöst. Die Befestigungsarme verkürzen ihre Länge etwas, wenn sie durchgebogen werden. Die Stärke dieser Verschiebung hängt sowohl von der Länge der Befestigungsarme 7 als auch von der angulären Position, der Auslenkung, des Ankers ab. Diese parasitäre Bewegung wird nun weitgehend kompensiert durch die hier aufgezeigt dritte Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes gemäss denFiguren 5 und 6 . Ein weiterer Vorteil dieser Ausgestaltungsform besteht darin, dass durch die beiden elastischen Teilstrecken 70 und 71 praktisch bei gleichem Platzbedarf die doppelte Länge des beweglichen Teils der Befestigungsarme 7 erreicht wird. Folglich führt diese Lösung nicht nur zu einer Kompensation der parasitären Bewegungen, sondern reduziert gleichzeitig auch die Steifigkeit der Befestigungsarme so dass die erforderliche Energie für die Verformung geringer ist. - Es sind auch andere Ausgestaltungsformen zur Reduktion der parasitären Bewegungen bekannt, die sich ebenfalls eignen würden. Hierzu wird beispielsweise auf die Lösung gemäss der
EP-1013949 Abbildung 4 verwiesen. Andere Vorschläge gehen auch aus der Publikation von W.H. Wittrick "The properties of crosslecture pivots and the influence of the point at which strips cross" (The aeronautique, Jahrgang 1951). - Normalerweise und insbesondere bei herkömmlichen Ankern wird deren Bewegung mittels Ankerbegrenzungsstiften begrenzt. In einer Ausführungsform, wie sie in den
Figuren 3 und 4 dargestellt ist, sind die Befestigungselemente 8 derart gestaltet, dass diese selbst Anschläge bilden, welche die oszilierende Drehbewegung der Gabel 4 begrenzen. Hierzu weisen die Befestigungsösen 8 Bewegungsbegrenzungsanschläge 9 auf, die in der Form von Ausbuchtungen in Richtung zur Gabel 4 hin gestaltet sind. Auch hier sind wiederum diese Befestigungsbegrenzungsanschläge 9 einstückig monolytisch als Teil der Befestigungselemente beziehungsweise Befestigungsösen 8 gestaltet. Damit erübrigt es sich im Uhrwerk selber Ankerbegrenzungsstifte vorzusehen. - Letztlich sei auch noch auf eine vierte in den
Figuren 7 und 8 dargestellte Ausführungsform verwiesen. Die bisher beschriebenen Ausführungsformen weisen auch in der Bewegungsrichtung noch eine kleine Reststeifigkeit auf. Obwohl ein Teil des Impulses den der Anker 1 an die Unruh abgibt auch von dieser wiederum zurückerstattet wird, wird ein Teil der Arbeit für die Bewegung des Ankers 1 selber sowie für die elastische Deformationsarbeit seiner Befestigungsarme aufgewendet. Diese Arbeit ist deutlich niedriger als die Engerie die vom Hemmungsrad geliefert wird. Um nun die Federsteifigkeit des Ankers 1 zu reduzieren, wird bei dieser Ausführungsform vorgeschlagen, am Anker 1 wieder monolytisch einstückig ein zugelastisches Federelement 10 anzuformen. Am freien Ende des zugelastischen Federelementes 10 ist eine Befestigungsplatte 11 angebracht. Diese Befestigungsplatte 11 besitzt ein Langloch 12. Durch dieses Langloch 12 kann die Befestigungsplatte 11 justierbar mittels einer Schraube auf die Platine des Uhrwerkes geschraubt sein. Hierdurch lässt sich die Vorspannung des zugelastischen Federelementes 10 einstellen. Das zugelastische Federelement 10 liegt in derselben Ebene wie auch die Befestigungsarme 7 und die übrigen Teile des erfindungsgemässen Ankers 1. Selbstverständlich müssen die Befestigungsarme 7 mit ihren Befestigungselement 8 entweder auf derselben Platine des Uhrwerkes befestigt sein oder zumindest auf einen anderen fixen Teil des Uhrwerkes, das in derselben Ebene liegt. Auch das zugelastische Federelement 10 weist eine wesentlich geringere Breite b auf im Verhältnis zu Höhe h. Das zugelastische Federelement 10 kann im Prinzip eine beliebige Form besitzen, die von einer Geraden abweicht. So könnte das zugelastische Federelement 10 als einfacher, bogenförmig gewölbter Arm gestaltet sein oder wie hier dargestellt, als in der Ebene mäanderförmig verlaufende Strecke. - Während bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen die beiden Befestigungsarme 7 spiegelsymmetrisch bezüglich der mittigen Längsachse der Gabel 4 verlaufend angeordnet sind, ist hier eine davon abweichende Lösung gezeigt. Die elastischen Befestigungsarme 7 sind wiederum als gestreckte Elemente zwischen dem Verbindungsbereich 6 und den endständigen Befestigungselementen 8, die hier wiederum als Befestigungsösen ausgestaltet sind, verlaufend. Diese beiden Befestigungsarme 7 sind nun beide auf derselben Seite der Gabel 4 zwischen diesen und einem Ankerarm 2 angeordnet. Das zugelastische Federelement 10 ist nun so gelegt, dass die Verbindungslinie zwischen dem Zentrum des Langloches 12 und der Anbindungsstelle des zugelastischen Federelementes 10 am Verbindungsbereich 6 die Winkelhalbierende zwischen den beiden Befestigungsarmen 7 darstellt. Die virtuelle Drehachse liegt immer auf dem Schnittpunkt der Verlängerungen der beiden Befestigungsarme 7. Während bei den zuvor beschriebenen Beispielen bei, denen die Befestigungsarme 7 spiegelsymmetrisch bezüglich der Gabel 4 angeordnet sind, diese virtuelle Drehachse auch ausserhalb des Verbindungsbereiches 6 liegen kann, ist es bei der Ausführungsform gemäss den
Figuren 7 und 8 bevorzugterweise so, dass die virtuelle Drehachse im Zentrum des Verbindungsbereiches 6 liegt. Mit anderen Worten der Ort der virtuellen Drehachse kann somit durch die Wahl der Anordnung der Befestigungsarme 7 praktisch frei bestimmt werden. - Dank der Verwendung eines zugelastischen Federelementes 10, wie zuvor beschrieben, wird nunmehr auf die Befestigungsarme 7 eine Vorspannkraft ausgeübt. Dank dieser Vorspannkraft lässt sich die angulare Steifigkeit des Ankers 1 verändern beziehungsweise dank dem Langloch 12 einstellen. Diese Vorspannung lässt sich soweit erhöhen, dass im Prinzip der Anker in eine instabile Lage gelangt. Der Anker wird dann im so genannten bistabilen Bucklingmode betrieben. Mit anderen Worten bei geringer Krafteinwirkung springt der Anker 1 um die virtuelle Drehachse schwenkend von der einen Endlage in die andere Endlage.
- In der
Figur 7 ist im Gegensatz zurFigur 8 auch noch die Möglichkeit aufgezeigt, dass man die Paletten 3 ebenfalls einstückig monolytisch und somit aus demselben Material wie den Anker 1 in einem Arbeitsgang herstellt. Da man zur Fertigung des erfindungsgemässen Ankers 1 erfindungsgemäss und bevorzugterweise ein Herstellungsverfahren wählt, bei dem die Begrenzungskanten des Ankers ausserordentlich regelmässig mit einer sehr geringen Rauhigkeit zu fertigen sind, werden so auch Reibungsverluste reduziert. Für die Fertigung kommen insbesondere zwei Verfahren in Frage. Das eine Verfahren wird als DRIE-Verfahren bezeichnet. Hierbei steht DRIE für Deep Reactive Ion Etching. Dieses Verfahren wurde von der Firma Bosch entwickelt und diesbezüglich wird beispielsweise auf die DokumenteDE-3927163 oderDE-4420962-A verwiesen. - Mittels dieses Verfahrens lassen sich Befestigungsarme 7 mit einer sehr kleinen Breite herstellen. Typischerweise werden die Befestigungsarme 7 mit einer Breite von 15 - 50 Mikrometern hergestellt. Die Geometrie eines so hergestellten erfindungsgemässen Ankers 1, weist eine extreme Genauigkeit auf, mit Abweichungen die üblicherweise unter ein Mikrometer liegen.
- Als Herstellungsmaterial für dieses Verfahren kommt unter anderem Silizium in Form von Wafern in Frage. Dieses Material eignet sich besonders gut für die Herstellung des erfindungsgemässen Ankers. In der Tat besitzt dieses Material ideale Eigenschaften für diese Anwendung. Es besitzt eine hohe mechanische Festigkeit und eine sehr geringe plastische Verformbarkeit, so dass die Bereiche mit grosser Dicke in Belastungsrichtung praktisch keine Verformung aufweisen. Dies führt zu äusserst geringen Verlusten. Eine Materialermüdung tritt praktisch nicht auf so lang die angelegten Spannungen bei den Wechselbelastungen unterhalb der elastischen Bruchgrenze gehalten sind. Schliesslich weist Silizium einen sehr kleinen Reibungskoeffizienten auf. Problematisch kann lediglich sein, dass die durch das DRIE-Verfahren geätzte Teile sehr scharfe Kanten aufweisen. Für den Uhrmacher, der mit der Pinzette arbeitet, können somit an den scharfen Kanten lokal sehr hohe Drucke entstehen. Dies kann zur Zerstörung des Ankers führen. Um diesem Nachteil abzuhelfen, kann man die Oberfläche des Werkstückes verändern in dem man die Oberfläche entweder oxidiert oder nitriert. Hierbei lagert sich um die Kanten Material an oder wird Material abgetragen, so dass die Kanten gewisse Rundungen erfahren. Das Siliziumoxyd und das Siliziumnitrid haben zudem tribologische Vorteile in dem wiederum der Reibungskoeffizient positiv beeinflusst wird.
- Es ist ferner auch möglich auf der Siliziumoberfläche eine harte Schicht aufzubringen in dem man hierauf einen synthetischen Diamant oder Saphir wachsen lässt. Auch dies sind bekannte Beschichtungsverfahren.
- Auch wenn Silizium das bevorzugte Material für den Anker ist, so kann dieser auch aus Quarz, Pyrexglas, Saphir oder Diamant hergestellt werden. All diese Materialien lassen sich synthetisch herstellen, sind entsprechend hart und abreibfest. Zudem lassen sich diese Materialien mindestens teilweise durch das DRIE-Verfahren bearbeiten. Ein weiteres bevorzugtes Herstellungsverfahren ist aus der so genannten LIGA-Technologie bekannt. Bezüglich des LIGA-Verfahrens wird beispielsweise auf die Europäischen Patentschriften
EP-0183910A oder dieEP-1431844-A sowie auf dasUS-Patent 6458263-B verwiesen. Für das LIGA-Verfahren werden insbesondere Nickel oder Nickelphosphorverbindungen verwendet. Auch mittels dieses Verfahrens lässt sich ein erfindungsgemässer Anker mit den erforderlichen Dimensionen und Genauigkeit fertigen, der die gewünschten physikalischen Eigenschaften aufweist. Das LIGA-Verfahren ist ein lithographisch-galvanisches Ätzverfahren. - Neben den beiden hier beschriebenen bevorzugten Herstellungsverfahren kommen selbstverständlich auch weitere geeignete Verfahren in Frage mit den jeweils dazu passenden Materialien. Lediglich der Vollständigkeit halber seien hier als Beispiel noch die Möglichkeit der Draht-Elektro-Erosion erwähnt, wobei dann der Anker aus einem entsprechenden Stahl geformt wird oder die Herstellung von metallischen Gläsern mit dem so genannten Mikrostrukturierungs-Verfahren (Mikro moulding) erwähnt.
Claims (13)
- Anker (1) für eine Uhrenhemmung in einem mechanischen Uhrwerk mit Hemmungsrad, umfassend zwei Ankerarme (2), in welchen jeweils eine Palette (3) gehalten ist, und eine Gabel (4), welche auf die Unruh wirkt,
dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (1) mindestens einen Befestigungsarm (7) umfasst, welcher mit den Ankerarmen (2) und der Gabel (4) einstückig gefertigt ist, und mittels welchem den Anker (1) mit einem feststehenden Teil des Uhrwerkes, verbindbar ist, wobei der mindestens eine Befestigungsarm (7) mindestens teilweise derart biegeelastisch gestaltet ist, dass der Anker (1) unter Einwirkung der vom Hemmungsrad auf ihn übertragenen Energie zu schwingen vermag. - Anker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Befestigungsarm (7) auf der gesamten Länge elastisch gestaltet ist.
- Anker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Befestigungsarm (7) zwei elastische Teilstrecken (70, 71) aufweist, die parallel gegenläufig angeordnet sind.
- Anker nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Teilstrecken (70, 71) haarnadelartig gestaltet sind, und dass die beiden Teilstrecken (70, 71) über eine verdickte Verbindungsstelle (72) miteinander verbunden sind.
- Anker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass am Anker (1) ein zugelastisches Federelement (10) einstückig angeformt ist, welches mit einer Befestigungsplatte (11) zur Befestigung versehen ist, um die Drehsteifigkeit des Ankers (1) zu vermindern.
- Anker nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsplatte (11) ein Langloch (12) aufweist, zur Befestigung des Federelementes (10) mit einstellbarer Vorspannung um die Drehsteifigkeit des Ankers (1) zu justieren.
- Anker nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Befestigungsarm (7) mittels Schrauben am feststehenden Teil des Uhrwerkes befestigt ist.
- Anker nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Befestigungsarm (7) unlösbar mittels Schweissen, Löten oder Kleben am feststehenden Teil des Uhrwerks befestigt ist.
- Anker nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (1) zwei Befestigungsarme (7) umfasst, wobei die beiden Befestigungsarme (7) symmetrisch zur Gabel (4) angeordnet sind, so dass die Gabel (4) auf den Winkelhalbierenden des von den beiden Befestigungsarmen (7) beziehungsweise deren beiden elastischen Teilstrecken eingeschlossenen Winkels liegt.
- Anker nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (1) zwei Befestigungsarme (7) umfasst, wobei die beiden Befestigungsarme (7) auf derselben Seite zwischen der Gabel (4) und einem Ankerarm (2) liegen.
- Anker nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Befestigungsarme (7) durch einen gemeinsamen Verbindungselement verbunden sind.
- Anker nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass dieser aus einem der folgenden Materialien gefertigt ist:- synthetischem Edelstein, insbesondere Diamant;- synthetischem Halbedelstein;- Silizium oder Siliziumverbindung.
- Anker nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass seine Oberfläche nitriert oder oxidiert ist.
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