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Antriebsanordnung zum Antreiben eines Zahnrades eines zeithaltenden Gerätes Die Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung zum Antreiben eines Zahnrades eines zeithaltenden Gerätes mit einem elektromagnetischen, mit seiner Eigenfrequenz gesteuerten Erreger, an dem ein An triebsiglied befestigt ist, welches das Zahnrad bei jeder Vollschwingung um einen Zahn weiterschaltet.
Bei einer bekannten Anordnung dieser Art ist das schwingende Glied als Stimmgabel ausgebildet, und das Schaltende ist mittels eines Armes an einer Zinke dieser Stimmgabel angeordnet. Der Arm erstreckt sich dabei ungefähr in Schwingungsrichtung der betreffenden Stimmgabelzinke. Das Schaltende steht dabei infolge der einen einzigen Freiheitsgrad laufweisenden Schwingungen der Zinke praktisch ständig im Eingriff mit dem anzutreibenden Zahnrad, wobei die Zahnteilung auf die Schwingungsamplitude des Schaltendes so abgestimmt ist, dass das Zahnrad je Schwingung um eine Zahnteilung weiterbewegt wird. Die Stimmgabelschwingungen werden hierbei elektromagnetisch erregt. Diese Antriebsanordnung hat u. a. den erheblichen Nachbeil, dass die Schwingungsamplitude mindestens so gross wie die Zahn- tailung sein muss.
Auch wird durch den ständigen Eingriff des Schaltendes mit dem anzutreibenden Zahnrad die Frequenzkonstanz der Stimmgabelschwingung beeinträchtigt, was sich nachteilig auf die Ganggenauigkeit des Gerätes auswirkt. Ferner ist eine besondere mit dem Zahnrad zusammenwirkende Hemmung erforderlich, die ein Zurückdrehen des Zahnrades beim Zurückwandern des Schaltendes verhindert. Diese Hemmung stellt einen weiteren Reibungswiderstand für die Drehung des Zahnrades dar und wirkt sich ebenfalls nachteilig auf die Frequenzkonstanz der Stimmgabelschwingung aus. Auch bedingen die genannten Reibungen einen relativ grossen Energieverbrauch.
Diese Nachteile werden bei oder erfiadungsge- mässen Antriebsanordnung dadurch vermieden, dass das schwingfähige, als Resonator ausgebildete Antriebsglied vom Erreger zu Eigenschwingungen angeregt wird, deren Amplitude infolge der wesentlich geringeren Masse im Vergleich zum Erreger grösser als die Amplitude des Erregers ist, und dass das Verhältnis der Eigenfrequenzen zwischen dem Erreger und dem Antriebsglied zwischen 0,5 und 1 liegt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Antriebsanordnung ist vorgesehen, dass der Erreger ein Schwinger ist, an der der Resonator so angekoppelt ist, dass er an den Schwingungen des Erregers teilnimmt. Damit führt der Resonator sowohl seine ,eigenen Schwingungen als auch die Schwingungen des Erregers aus, und die Überlagerung dieser beiden Schwingungen ergibt eine resultierende, mehrdimensionale Schwingung des Resonators und damit auch des Schaltendes.
Hierbei ist es zweckmässig, den Resonator so auf dem Erreger anzuordnen, dass die Eigenschwingungsrichtung des Resonators unter einem Winkel, vorzugsweise einem Winkel von ungefähr 45-90 , zu der Egenschwiagungsrichtung dies Erregers sieht. Ein Winkel von 90 oder :annähernd 90 -ist insofern besonders günstig, als hier die Schwingungskurve des Schaltendes bei einer Phasenverschiebung von 90 der beiden Teilschwingungen -einer Ellipse entsprechen .kann.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dargestellt.
Es zeigen: Fig. 1 eine Draufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel, Fig. 2, 3 und 4 vergrösserte Ausschnitte aus Fig. 1 zur besseren Verdeutlichung des Zusammenwirkens zwischen dem Schaltstein und dem Zahnrad während einer Schwingung, Fig. 5 eine Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel, Fig. 6 ein Diagramm einer Schwingunggskurve, wie sie der in Fig. 5 dargestellte Schaltstein während einer vollständigen Schwingung beschreibt, Fig. 7 eine Draufsicht auf ein drittes Ausführungsbeispiel, Fig. 8 eine Draufsicht auf eine vierte Ausführungsform, Fig. 9 eine schematische Ansicht eines magneto- striktiven Erregers mit einem auf seiner freien Stirnseite angeordneten Resonator.
In dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2 ist mit 10 eine teilweise gebrochen dargestellte Uhrwerksplatine bezeichnet, auf der mittels eines Halters 12 ein aus einem Erreger 14 und einem im ganzen mit 16 bezeichnetem Resonator bestehendes Schwingungssystem befestigt ist. Der Erreger 14 ist in diesem Ausführungsbeispiel als eine gerade Biegefeder ausgebildet. Der Resonator 16 weist eine ebenfalls gerade Biegefssder 17 und einen an dem freien Ende dieser Biegefeder befestigten Schaltstein 20 auf. Die Biegefeder 17 ist mit ihrem rückwärtigen, abgebogenen Endstück 19 an dem Erreger 14 befestigt.
Die Befestigungsstelle befindet sich im Abstand von dem vorderen freien Ende des Erregers 14, wodurch erreicht wird, dass die Rückwirkung des schwingenden Resonators 16 auf den Erreger 14 kleiner ist, als wenn die Biegefeder 17 an dem genannten freien Ende des Erregers 14 angeordnet wäre. Dies wie auch die verhältnismässig grosse Masse der Feder 14 wirkt sich günstig ad die Frequenzkonstanz aus. Die in diesem Ausführungsbeispiel dargestellte Befestigung der Biegefeder 17 an dem Erreger 14 ist zwar besonders vorteilhaft, doch keinesfalls notwendig.
Der Schaltstein 20 wirkt mit dem Zahnrad 22 zusammen, das das Steigrad eines nicht dargestellten Getriebes oder dergleichen sein kann. Das Zahnrad 22 ist mittels seines Zapfens 23 auf der Platine in üblicher und nicht näher dargestellter Weise gelagert. Auf der Platine 10 ist ferner ein Rastmagnet 26 angeordnet, dessen freies Polende 27 mit den aus ferro- magnetischem Material bestehenden Zähnen 28 des Zahnrades 22 in der Art einer magnetischen Rasthalterung zusammenwirkt. Durch diesen Rastmagnet wird das Zahnrad in der in Fig. 1 dargestellten Ruhelage so lange festgehalten, bis es durch die Schwingung des Resonators 16 in Richtung des Pfeiles A um eine Zahnteilung weitertransportiert wird.
Mit 30 ist ein Elektromagnet bezeichnet, der zwei Anschlussklemmen 31 und 32 aufweist, an die ein übliches und hier nicht näher dargestelltes elektrisches eder elektronisches Steuersystem zur Steuerung der Erregung des Elektromagneten im Takt der Schwingungen des Erregers 14 angeschlossen ist.
Die Wirkungsweise der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Anordnung ist nun wie folgt: Der Erreger 14 wird durch die Erregung des Elektromagneten 30 je nach Ausbildung des nicht dargestellten Steuersystemes entweder im Takt seiner Eigenschwingungsfrequenz oder im Takt von Schwin- gungsn einer weiteren nicht dargestellten Schwingungsquelle zu erzwungenen Schwingungen angetrieben. Bevorzugt ist vorgesehen, den Erreger 14 im Takt seiner Eigenschwiugungen anzutreiben. Ihrerseits rufen die Erregerschwingungen erzwungene Schwingungen des Resonators 16 hervor, wobei in diesem Ausführungsbeispiel die Eigenschwingungs- frequonzen des Urregens 14 und des Resonators 16 so aufeinander abgestimmt sind, dass die effektiven Resonator- und Erregerschwingungen gleiche Frequenz aufweisen.
Und zwar äst hier insbesondere vorgesehen, dass die Eigenschwingungsfrequenz des Resonators 16 ungefähr so gross ist wie die Eigenschwingung sfrequenz des Erregers 14. In diesem Fall beträgt die Phasenverschiebung zwischen den Erregerschwingungen und Resonatorschwingungen ungefähr 90 . Da ferner die Schwingungsrichtung des Erregers nahezu senkrecht auf der Schwingungsrichtung des Resonators steht, so ergibt sich in diesem Ausführungsbeispiel, dass die vom dem Schaltstein 20 beschriebene Schwingungskurve praktisch einer Ellipse entspricht, wie dies durch die gestrichelte Schwingungskurve 34b angedeutet ist. Eine solche Kurvenform eist für di e Fortschaltung des Zahnrades besonders günstig.
Eine Phasenverschiobung von 90 der beiden Teilschwingungen kannbeispielsweise dadurch bewirkt werden, dass das Verhältnis der Eigen- schwi ngungsfrequenzen von Erreger und Resonator ungefähr 1 beträgt. Zwar eist das genannte Verhältnis 1 besonders vorteilhaft, doch keinesfalls unbedingt erforderlich. Se halben Versuche gezeigt, dass das Verhältnis der Eigenschwingungsfrequenzen von Erreger und Resonator erheblich von dem benannten Wert 1 abweichen kann, beispielsweise in dem Bereich zwischen 0,3 und 1, vorzugsweise 0,8 und 1, liegen kann.
Auch bei noch stärkeren Abweichungen von dem genannten Wert 1 erb bei sich in vielen Fällen günstige Schwingungsformen für den. Antrieb .des Zahnrades. Wie,aus Fig. 2 zu ersehen ist, kann ,die Grösse der Schwingungskurve in verhältnismässig weiten Grenzen schwanken, ohne dass .die Fort- schaltfunktion des Schaltsteines 20 nachteilig .beein- flusstwird. Und,zwar kann ,
beispielsweise idiie effektive Schwingungskurve des Schaltsteines 20 in Iden durch die Schwinb@ungskurvon 34b und 34c eingeschlossenen Flächenbereich fallen. Auch ,andere Abweichungen der Schwingungskurve des Schaltsteines 20 sind zu- lässig, .z.
B. kann die Schwingungsiamplitude ides Erregers 14 in noch erheblichen grösseren Grenzen schwanken als. in Fig.2 dargestellt, ohne dass die
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Fortschaltfunktion des Schaltsteines 20 nachteilig beeinflusstwird. Doch ist es, wie erwähnt, erwünscht, die Schwingungsamplitude des Erregers verhältnismässig klein zu halten, da hierdurch die Frequenzkonstanz dieses Schwingungssystemes verbessert wind und auch der Energieverbrauch besonders gering ist.
Zur Vereinfachung der Darstellung sind in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen diejenigen Teile, die Teilen der Fig. 1 und 2 entsprechen, mit edenselben Bezugszeichen wie in den Fig. 1 und 2 bezeichnet.
In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 ist der im ganzen mit 40 bezeichnete Erreger als Drehschwinger ausgebildet, an dessen Mittelarm 42 der Resonator 16 angeordnet .ist. Während in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 und 2 die Schwingungs- riehtungen von Erreger und Resonator ungefähr senkrecht aufeinander stehen, schliessen diese beiden Schwingungsrichtungen in vorliegendem Ausführungsbeispiel einen Winkel ein, der hier ungefähr 70 beträgt. An den beiden äusseren Enden des Mittelarmes 42 ist je ein Schwunggewicht 44 und 45 angeordnet.
Mit dem aus ferromagnetischem Material bestehenden Schwunggewicht 45 wirkt der Elektromagnet 30 zusammen, der wiederum mittels seinen Klemmen 31 und 32 an ein nicht näher dargestelltes, geeignetes Beaufsohlagungssystem angeschlossen ist. Zur Erzeugung des für die Drehschwingung des Erregers 40 erforderlichen Direktionsmomentes äst eine Spiralfeder 46 vorgesehen, denen eines Ende in einem auf der Uhrwerksplatine 10 angeordneten Halteelement 48 befestigt ist. Das andere Ende 50 der Spiralfeder ist in eine Nut 51 eines drehfest auf dem Arm 42 angeordneten Lagerstückes 52 eingehängt. Das Lagerstüok besitzt eine Ausnehmung, in die ein Zapfen 53 hineinragt, der der Drehlagerung des Erregers 40 dient.
Dieser Zapfen i8t in nicht näher dargestellter Weise auf der Uhrwerksplatine 10 gelagert.
Der Schaltstein 20 führt Schwingungen entsprechend der Kurve 56 aus. Diese Kurve ist in Fig. 6 in vergrössertem Massstab dargestellt.
Wie der Antrieb des Zahnrades 22 in vorliegendem Fall erfolgt, sei nun des näheren erklärt. Zunächst sei darauf hingewiesen, dass in diesem Ausführungsbeispiel die Amplitude des Resonators wesentlich kleiner als die Amplituden des Erregers an der Bef estigulngsstelle der Biegefeder 17 ist. Und zwar ist die Amplitude des Resonators in Höhe des Schaltsteines 20 gleich a/2 (Fig. 6), während die Amplitude des Erregers in Höhe der Befestigungsstelle des Resonators gleich b/2 ist. Durch die unterschiedlichen Grössen der beiden Amplituden ergibt sich eine verhältnismässig flache, von der Schwingungskurve 56 umschlossene Fläche, die sich in Umfangsrichtung des Zahnradeis 22 erstreckt.
In der in Fig.5 dargestellten Stellung des Zahnrades 22 und des Resonators 16 wird das Zahnrad momentan in Richtung des Pfeiles B bewegt, d.h. der Erreger 40 schwingt momentan in Richtung des Pfeiles C. Durch die Anpresskraft des Schaltsteines 20 an den Zahn 60 und durch die Reibung zwischen dem Schaltstein und dem Zahn 61 wird das Zahnrad bis ungefähr zu der in Feg. 6 mit 62 bezeichneten Stelle der Kurve 56 bewegt. In dem Bereich der Stelle 62 hebt sich der Schaltstein von dem Zahnrad 22 ab und schwingt frei zurück, wie aus dem Diagramm aus Fig. 6 unschwer ,zu ersehen ist. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel setzt während des Zurüokschwingens der Schaltstein bereits etwa bei der Stelle 63 wieder auf das Zahnrad auf, so dass hierdurch die Tendenz besteht, das Zahnrad um einen kleinen Betrag rückwärts zu bewegen.
Im allgemeinen stört eine derartige, geringfügige Bewegung nicht. Falls sie jedoch unterbunden werden soll, so kann hierfür irgendeine geeignete Hemmung oder Rasthalterung vorgesehen sein, wie bereits weiter oben erwähnt wurde. Auch kann selbstverständlich die Schwingungsform des Schaltsteines so getroffen sein, dass keine oder nur eine zu vernachlässigende Rückwärtsbewegung des Zahnrades 22 stattfindet. Sobald der Erreger seine Schwingung in Richtung des Pfeiles D beendet hat und gemäss der Richtung des Pfeiles C zurückschwingt, wird das Zahnrad 22 wieder in Richtung des Pfeiles B um eine Zahnteilung wDiter- transportiert. Dieser Vorgang wiederholt sich dann mit jeder Schwingung.
In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 7 ist mit 70 im ganzen ein Resonator bezeichnet, der zwei Freiheitsgrade aufweist, d. h. der im vorliegenden Fall sowohl in Richtung des Doppelpfeiles X wie auch in Richtung des Doppelpfeiles Y schwingen kann. Die diesen beiden Schwingungsrichtungen X und Y zugeordneten Eigenschwingungsfrequenzen sind in diesem Ausführungsbeispiel so aufeinander abgestimmt, dass die effektive Schwingungsfrequenz in Richtung des Pfeiles Y doppelt so gross ist wie die effektive Schwingungsfrequenz in Richtung des Pfeiles X. Hierdurch ergibt sich durch entsprechende Schwingungsanfachung, die in diesem Fall durch den in geeigneter Weise erregten Elektromagneten 30 erfolgt, die bei 72 angedeutete Schwingungskurve des Schaltsteines 20.
Es sei darauf hingewiesen, dass diese Schwingungskurve 72 nur eine beispielshafte Schwingungskurve ist, wie sie in diesem Ausführungsbeispiel vorgesehen ist. Bei dieser Schwin- gun(b knurve 72 transportiert in vorliegendem Fall der Schaltstein 20 Idas Zahnrad 22 Mnglich während des Durchlaufens des unteren Astes der linken Schleife der Kurve 72.
Demzufolge ist der Schaltstein 20 nur während eines verhältnismässig kleinen Teil- stückes seiner Schwingungskurve in Berührung mit dem Zahnrad 22, so @dass die Rückwirkung der Reibung zwischen dem Zahnrad und dem Schaltstein auf die Resonatorfrequenz :
bzw. Resonatorfrequen- zen äusserst igering äst und eine entsprechend gute Frequenzkonstanzerreichbar ist. Es sei !darauf hingewiesen, dass auch bei anderen Schwingungskurven des Schaltsteines die Anordnung in der Regel immer
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so getroffen werden kann, dass der Schaltstein nur während eines verhältnismässig kleinen Teilstückes seiner Gesamtschwingungskurve in Kontakt mit dem anzutreibenden Zahnrad, ist.
Zu dem Steuersystem des Elektromagneten 30, das nicht näher dargestellt ist, sei noch ausgeführt, dass dieses in diesem Ausführungsbeispiel zweckmässig so ausgebildet ist, dass es den Elektromagneten im Takt der Eigenschwingungsfrequenz der Schwin- gung in Richtung des Doppelpfeiles X antreibt. Die Krümmung der Biegefeder könnte so getroffen sein, dass ihre Schwingung im wesentlichen nur einen Freiheitsgrad aufweist. Essei jedoch darauf hingewiesen, dass bei einer gekrümmten Biegefeder im allgemeinen zwei Schwingungsfreiheitsgrade vorhanden sind.
Jedoch kann durch entsprechende Schwing ungsanre- gung bewirkt werden, dass im wesentlichen nur die Schwingungen eines Freiheitsgrades angeregt werden. Es hat sich gezeigt, dass mit sehr unterschiedlich gekrümmten. Resonatoren und sehr unterschiedlichen Erregern ein befriedigender Antrieb des Zahnrades erreichbar ist.
In eng. 8 ist mit 80 ein magnetostriktiver Geber im ganzen bezeichnet. Dieser magnetostriktive Geber weist einen aus einem geeigneten Material bestehenden Schwingstab 82 auf, der an einem Haltestück 82 befestigt ist. Der Schwingstab 82 durchdringt eine Magnetspule 85, die an eine geeignete Wechselstromquelle 86 angeschlossen ist. Diese Wechselstromquelle kann einem Steuersystem entsprechen, das die Spule 85 im Takt der Eigenfrequenz des Schwingstabes 82 mit Wechselspannung beaufschlagt und damit diese Eigenschwingung aufrechterhält. An der vorderen Stirnseite 88 des Schwingstabes 82 isst ein als Biegfeder 17 ausgebildeter Resonator angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Eigenfrequenz des Resonators 17 ungefähr so gross wie die Eigenfrequenz des .Schwingstabes 82.
Es ergibt sich dann eine Phasenverschiebung zwischen beiden von ungefähr 90 , so dass die Schwingungskurve 91 des freien Endes 90 des Resonators 17 annähernd ellipsenähnlich ist. Dieser Geber kann zum Antrieb eines Zahnhades, entsprechend dem Zahnrad 22 der Felg. 1, 5 und 7 verwendet wenden.
In Fig. 9 isst ein Dauermagnet 100 am Federarm 14 befestigt. Der Magnet 100 bewegt sich im zentralen Hohlraum einer elektrischen Spule 101. Diese Spule 101 weist Endklemmen 102 und 104 sowie eine Mittelklemme 103 auf, so dass ihre Wirkung derjenigen von zwei Spulen entspricht, d. h. einer angetriebenen Spule zum Antrieb des Magneten 100 und einer Pick-up-Spule zum Einschaltendes Transistors 105. Diese Translstorschaltung ist bereits bekennt und liefert einen Impuls, der unmittelbar mit dem Eintritt des Magneten 100 in die Spule 101 synchronisiert ist. In dieser Ausführungsforen wird der Antriebsimpuls synchron mit der Eigenfrequenz der mechanischen.
Schwingungsanordnung gehalten- Die beschriebene Antriebsanordnung kann mit einer verhältnismässig hohen Erregerfrequenz, vorzugsweise einer Erregerfrequenz in der Grössenordnung von 100-1000 Hertz, betrieben werden. Im Hinblick auf diese gewünschte hohe Erregerfrequenz, die eine besonders hohe Frequenzkonstanz bewirkt, ist es auch ibesonders g günstig, den Erreger nur zu Schwingungen verhältnismässig kleiner Amplitude anzuregen. Auch ist hierdurch die Anregungsenergie verhältnismässig klein, so dass seich die Antriebsunordnung besonders für tragbare zeithaltende Geräte, beispielsweise Armbanduhren, eignet, bei denen nur Energiespeicher beschränkter Kapazität mitgeführt wenden können.
Um Fehlfortschaltungen des Zahnhades durch zu grosse Schwingungsamplituden des Resonators zu verhindern, ist es zweckmässig, mindestens einen Anschlag zur Begrenzung der Schwingungsamplitude des Resonators vorzusehen. Ferner kann es in manchen Fällen günstig sein, eine mechanische oder magnetische Rasthalbeimg zur Halterung des Zahnrades in der jeweiligen Ruhelage zwischen zwei aufeinanderfolgenden Fortschaltungen vorzusehen.
Wenn es erwünscht oder erforderlich ist, die Schwingungsamplitude des Schaltendes kleiner als die Teilung des Zahnrades vorzusehen, so kann dennoch ein einwandfreier Antrieb des Zahnrades dadurch erreicht werden, dass eine zusätzliche, nach dem Prinzip der schiefen Ebene wirkende Triebfortschaltung zur teilweisen Fortschaltung und Hemmung des Zahnrades vorgesehen ist, die von bekannter Bauart sein kann.
Bei der beschriebenen Antriebsanordnung führt der Resonator erzwungene, mehrdimensionale Schwingungen laus, wobei diese Schwingen durch Überlagerung eindimensionaler Schwingungen zustande kommen. Durch die hierdurch ermöglichte, im wesentlichen freischwingende Zurückführung des Schaltendes wird die Gesanittreibung zwischen Schaltende und Zahnrad erheblich vermindert, da über einen Teil der Schwingung überhaupt keine Berührung zwischen Zahnrad und Schaltende stattfindet. Hierdurch wird vor allen Dingen auch die Frequenzkonstanz der Schwingung und damit die Ganggenauigkeit erheblich verbessert.
Ferner kann gegebenenfalls auf eine zusätzliche Hemmung für das antreibende Zahnrad verzichtet werden, wodurch nicht nur die Konstruktion vereinfacht wird, sondern auch die Frequenzkonstanz der Schwingung weiterhin verbessert wind. Auch der Enengievenbrauch wirdgegen- über Iden vorbekannten Geräten der oben ,genannten Art erniedrigt.