-
SCHRITTSCHALTWERK Die Erfindung betrifft Schrittschaltwerke insbesondere
für Uhren, bei denen die periodisch wechselnden Bewegungen eines Ankers auf ein
Schaltrad dbertragen und in schrittweise Drehbewegungen unigewandelt werden, und
zwar durch zwei mit dem Anker in Verbindung stehende Schaltfinger, die an zwei einander
gegenüberliegenden Seiten in die Zähne des Schaltrads mit ungeradzahliger Zähnezahl
eingreifen. Die Erfindung betrifft ausserdem elektromechanische Schrittmotoren mit
Schrittschaltwerken der genannten Art.
-
Es ist bekannt, dass Schrittschaltwerke zum Umwandeln periodisch wechselnder
Bewegungen in gleichgerichtete, schrittweise Drehbewegungen in Uhren verhältnismässig
grosse Schwierigkeiten bereiten, weil in ihnen viel Energie verloren geht. Vor allem
bei der Entwicklung elektronischer Armbanduhren haben sich die verschiedensten Systeme
elektromechanischer Schrittmotoren nicht bewährt, weil sie bei geringer Betriebsenergie
unzuverlässig arbeiten.
-
Es ist beispielsweise ein elektromechanischer Schrittmotor mit einem
anfangs beschriebenen Schrittschaltwerk bereits bekannt (F-Patentschrift 1 480 394).
Dieser Motor stellt gleichzeitig einen Gangordner dar, an dessen Unruh sich der
bewegliche Teil eines elektromechanischen Energiewandlers befindet. Die Unruh treibt
über ihre Welle zwei Schaltfinger an, die ihrerseits abwechselnd in die Zähne eines
Schaltrads mit ungeradzahliger Zähnezahl eingreifen und dieses fortschalten. Das
Schaltrad wird gegen unerwünschte Drehung durch eine Bremse gesichert, die die Form
einer in Rasten eingreifenden Klinke auAreist. Durch die Bremse geht allerdings
sehr viel Energie verloren.
-
Bei einem anderen bekannten Schrittmotor mit dem anfangs beschriebenen
Schrittschaltwerk (CH-Patentschrift 207 233) ist an eine elektrisch angetriebene
Unruh ein Anker in bekannter Weise angekoppelt.
-
Der Anker trägt seinerseits zwei Schalt finger, die abwechselnd einen
von drei Zähnen eines Schaltrads weiterschalten und gleichzeitig das Schaltrad gegen
unerwünschte Drehungen durch Anschlagstifte oder entsprechende Mittel verriegelt.
Bei diesem bekannnten Schrittmotor ist der Anker verhältnismässig kompliziert ausgebildet
und unsicher in der Funktion. Während der Drehwinkel der Unruh nahezu 3600 betragen
kann, lässt die Konstruktion des bekannten Schrittmotor einen nur eng begrenzten
Schwenkwinkel beim Anker zu, so dass bereits die Einregulierung der Lage der Einzelteile
zueinaander erhebliche Schwierigkeiten bereitet.
-
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die genannten
Nachteile zu überwinden und ein Schrittschaltwerk insbesondere für Uhren zu schaffen,
in dem nur wenig Energie verloren geht, das einfach und billig herzustellen ist
und zuverlässig arbeitet. Unmittelbarer Zweck der Erfindung ist ein Schrittmotor
fur eine elektronische Armbanduhr, der elektrische Antriebsimpulse in schrittweise
Drehungen umwandelt. Die Antriebsimpulse sind dabei durch einen Gangordner gesteuert,
der nicht unmittelbarer Teil des Schrittmotors ist.
-
Die Aufgabe ist bei einem Schrittschaltwerk der anfangs beschriebenen
Art erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die dem Mittelpunkt des Schaltrads zugekehrten
Flanken der Schaltfinger den äusseren Umfang, des Schaltrads jeweils an zwei Punkten
schneiden, durch die zwei zueinander etwa parallele Sehnen bestimmt sind,
und
die etwa der Zahnteilung des Schaltrads entsprechen, und dass die dem Schaltrad
zugekehrten Flanken der Schaltfinger Flächen bilden, die bei Bewegung der Schaltfinger
mindestens angenähert gegenüber dem Schaltrad stillstehen. Die Zähne des Schaltrads
sind dabei vorzugsweise sagezahnförmig ausgebildet. Gemäss einer besonderen Ausgestaltung
des Erfindungsgedankens können den Schaltfingern elastische, auf die Zahnflanken
des Schaltrads gerichtete Stossfänger vorgeschaltet sein.
-
Die Erfindung lässt sich besonders vorteilhaft im Zusammenhang mit
elektromechanischen Schrittmotoren anwenden. Ein erfindungsgemäss ausgestalteter
Schrittmotor ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schalt finger direkt mit einer
schwenkbar gelagerten Drehspule als Anker in Verbindung stehen, und dass die Schwenkachse
der Drehspule etwa senkrecht zur Drehachse des Schaltrads steht. Bei einer anderen
Ausführungsform eines erfinderischen Schrittmotors ist der Anker auf einer Schwenkachse
etwa parallel zur Drehachse des Schaltrads gelagert, wobei die dem Schaltrad zugekehrten
Flanken der Schaltfinger etwa kreiszylindrische Flanken bilden, deren gemeinsame
Zylinderachse mit der Schzbrenkachse des Ankers zusammenfällt. Vorteilhaft weist
der Anker des zuletzt beschriebenen Schrittmotors den beweglichen Teil eie elektromechanischen
Energiewandlers auf.
-
Bei der erfindungsgemässen Anordnung werden die kräfte von den
Schalt
fingern ziemlich genau tangential auf das Schaltrad übertragen und somit periodisch
wechselnde Bewegungen nahezu ohne Reibung und andere Verluste in gleichgerichtete
Drehbewegungen umgewandeltd Demgegenüber treten beispielsweise bei der bekannten
Ankerhemmung nur nahezu radiale Kräfte zwischen Anker und Schaltrad auf, so dass
viel Energie durch Reibung verloren geht.
-
Die Erfindung bringt ausserdem den Vorteil mit sich, dass der Schwenkwinkel
des Ankers, an dem die beiden Schaltfinger ang,eordnet sind, nahezu beliebig gross
sein kann und das Schaltrad auch dann nicht unerwünscht weit forgeschaltet wird,
wenn die Bewegungen des Ankers beispielsweise unter dem Einfluss von äusseren Stßssen
oder in anderer Weise erzeugten Beschleunigungen besonders gross sind. Demgegenüber
besteht beispielsweise bei einem Klinken-Schaltradgetriebe, bei dem das Schaltrad
durch eine Halteklinke gebremst ist, immer die Gefahr, dass unter dem Einfluss von
Beschleunigungen die Antriebsklinke eine zu grosse Bewegung ausfuhrt und das Schaltrad
zu weit tortschaltet.
-
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden durch verschiedene
Ausfthrungsbeispiele mit Hilfe der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. In den
Zeichnungen stellen dar: Figur 1 das Schema eines Querschnitts durch einen elektromechanischen
Schrittmotor insbesondere für Uhren,
Figuren 2 - 4 Schemaskizzen
der wichtigsten Teile des erfindungsgemässen Schrittschaltwerks des Schrittmotors
nach Figur 1 in verschiedenen Betriebsstellungen, Figur 5 eine schematische Seitenansicht
der wichtigsten Teile des Schrittschaltwerks nach den Figuren 1 bis 4, Figuren 6
und 7 schematische Ansichten der wichtigsten Teile einer zweiten Ausführungsform
des erfindungsgemässen Schrittschaltwerks Figur 8 die perspektifische Ansicht eines
Bestandteils des erfindungsgemässen Schrittmotors nach Figur 1 jedoch in abgewandelter
Ausführtrgsform, Figuren 9 - 11 schematische Ansichten der wichtigsten Bestandteile
einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemässen Schrittschaltwerks, und Figur
12 die schematische Ansicht auf die wichtigsten Bestandteile einer vierten Ausführungsform
des erfindungsgemässen Schrittschaltwerks.
-
Der Schrittmotor nach Figur 1 weist einen elektromechanischen Energiewandler
1 auf, von dem eine Drehspule 5 sich um eine Achse 2 schwenken lässt. Die Achse
verläuft etwa parallel zu einer oberen Platine 3 und einer unteren Platine 4 eines
Uhrwerks. Die Drehspule 5 wird durch zwei Ueberwurfkappen 6 und 7 gehalten, an denen
sich Achswellen 8 und 9 befinden. Die Achse wellen sind in der Achse 2 ausgerichtet.
Ihre Lagerzapfon ragen in die Uhrensteine von Lagerstützen 10 und 11. An der Achsweile
8 sind zwei steife Schaltfinger 12 und 13 befestigt. Die freien Enden dieser Schaltfinger
ragen in den Bereich der Zähne an zwei einander gegenüberliegenden Seiten des Umfangs
eines Schalt'-rads 14, das sich um eine Achse 15 dreht. Die Achse 15 stehet e';a
senkrecht zur Schwenkachse 2 der Drehspule 5. Ueber ein Ritzel 16 ist ein an sich
bekanntes R£denrerk trr die Zeitanzeige an das Schaltrad 14 angeschlossen. Das Räderwerk
treibt üblicherlreise Zeiger oder andere Mittel zum Anzeigen der Zeit an.
-
Gemäss der Darstellungen in den Figuren 2 bis 4, 6, 7 und 9 bis 13
weist das Schaltrad 14 sieben sägezahnförmige Schalt zähne auf, also eine ungerade
Anzahl. In der Praxis werden jedoch vorzugsweise Schalträder mit fünf Zähnen angewendet.
-
din beiden Schaltfingern 12 und 13 befinden sich jeweils eine der
Achse 15 zugekehrte Flanke und bestimmen damit zwei zueinander und zur Achse 15
parallele Ebenen. Die beiden Ebenen schneiden das Schaltrad 14 und bilden in einer
Ragebene zwei zueinander parallele Sehnen deren Länge dem Abstand zwischen den Spitzen
zweier nebeneinander liegenden Zähne gleich ist Bei ungerader Anzahl der Zähne ragt
immer ein Zahn unmittelbar in den Bereich eines Schalt fingers, wahrend die Spitzen
zweier Zähne gerade die genannte Sehne des anderen Schaltfingers berRhren. Gegeniber
der Achse 2 sind die beiden Schaltfinger 12 und 13 in einem bestimmten Winkel zueinander
versetzt angeordnet In der Stellung nach Figur 2 ruhen die Spitzen zweier Beteneinander
liegender Zähne des Schaltrads 14 auf der flanke des Schaltfingers 12 Dabei haben
die Schalt finger 12 und 13 nach einer Schwenkung im Sinn des Pfeils F eine Endstellung
erreicht und beginnen, in Drehrichtung des Pfeils ri zurückzuschwenken. Cemäss der
Darstellung in Figur 3 löst sich dabei zunächst der Schaltfinger a2 vom Schaltrad
149 während der Schaltfinger 13 auf der anderen Seite am Umfang des Schaltrads die
Flanke eines Zahn gerade berührt. Dann wird das Schaltrad 14 im Laufe der Bewegung
der beiden Schaltfinger im Gegenuhrzeigersinn weitergedreht, bis der nach Figur
3 om Schaltfinger 14 gestossene Zahn an der Flanke des Schalt fingers entlang gleitet
und sich in einer Stellung befindet,
die in Figur lR erkennbar
ist. In dieser Stellung berührt gerade die Spitze des genannten Zahns ebenso wie
die Spitze des darauflolgenden Zahns die durch die Flanke des Schalt fingers 13
bestimmte Sehne. Das Schaltrad 14 ist also gegen unbeabsichtigte Drehung verriegelt.
In der Stellung nach Figur 4 ändern die Schaltfinger 12 und 13 während des Betriebs
wiederum ihre Schwenkrichtung so lange, bis sie wieder in die Stellung nach Figur
2 zurückgekehft sind.
-
Aus Figur 5 lasst sich insbesondere die Form der Schaltfinger 12 und
13 und ihre gegenseitige Winkelversetzung gegenüber der Achswelle 8 entnehmen.
-
Die Wirkungsweise der Ausführungsform nach den Figuren 6 und 7 ist
gleich der der Ausführungssorm nach den Figuren 1 - 5. Der einzige Unterschied besteht
darin, dass bei der Ausführungsform nach den Figuren 6 und 7 die Drehachse 15 des
Schaltrads 14 parallel zu einer Schwenkachse 17 zweier Schaltfinger 18 und 19 liegt.
Die Schaltfinger 18 und 19 sind dabei nicht axial versetzt sondern konzentrisch
mit Bezug auf die Schwenkachse angeordnet.
-
Ihre der Achse des Schaltrads zugekehrten Flanken bilden mit Bezug
auf die Schwenkachse 17 etwa konzentrische Zylinderflächen deren radialer Abstand
etwa dem Durchmesser am Schaltrad 14 entspricht,
der durch die
Grundlinie der Verzahnung gegeben ist. Allerdings bestehen Unterschiede zwischen
den Schwenkerinkelns bei denen die beiden Schalt finger 18 und 19 etwa vergleichbare
Stellungen gegenüber den Zähnen des Schaltrads 14 einnehmen. Obwohl das Schaltrad
14 bei der AusSührungsform nach den Figuren 6 und 7 ebenso fortgeschaltet wird wie
bei der Aus führungs form nach den Figuren 2 bis 5, bestimmen die Flanken der Schaltfinger
18 und 19 mit Bezug auf das Schaltrad keine Sehnen, sondern konzentrische Bogenstückeh
Die Abwandlung nach Figur 8 des erfindungsgemässen Schrittmotors nach Figur 1 betrifft
insbesondere die Anordnung der Schaltfinger an der Drehspule. Gemäss Figur 8 sind
die Schaltfinger 12 und 13 an einem Spulenkörper 20 angeordnet, der ohne die Wicklung
der Drehspule dargestellt ist. Der Spulenkörper 20 könnte beispielsweise zusammen
mit den Schaltfinger 12 und 13 in einem Stück aus Kunststoff gegossen sein. Eine
solche Konstruktion könnte prak-Ich nicht mehr einfacher gestaltet werden.
-
Bei den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen ist das Schaltrad
14 in einer Periode während zweier wenn auch nur sehr kurzer Augenblicke nicht verriegelt,
und zwar wenn der eine Schaltfinger das Schaltrad frei gibt und der andere Schaltfinger
in die Verzahnung eingreift und einen Zahn berührt.
-
Die Zeitspanne zwischen der Entriegelung des Schaltrads durch den
einen Schaltfinger und die nachfolgende Yerriegelung durch den anderen Schaltfinger
kann aus Gründen der Betriebssicherheit nicht vollständig zum Verschwinden gebracht
werden, da sonst das Schrittschaltwerk blockieren könnte. Die Figuren 9 bis 12 zeigen
eine Möglichkeit, die kurzfristige ntriegelung des Schaltrads zu vermeiden, ohne
dass das Schaltwerk klemmt oder vollständig blockiert. Dabei weisen beide Schaltfinger
12 und 13 jeweils an ihrer Vorderfront, die die Zähne des Schaltrads antreiben,
eine elastischen Teil 21 bzw. 22 auf, der sehr verschiedene Ausgestaltungen erfahren
kann. Die Figuren, insbesondere Figur 10, zeigen deutlich die Arbeitsweise der elastischen
Teile der beiden Schalt finger. Wenn beispielsweise die Schaltfinger in Sinne des
Teils F1 schwenken, befindet sich der elastische Teil 21 des Schalt fingers 72 noch
in Berührung mit einem Zahn des Schaltrads 14, während bereits der elastische Teil
22 des Schaltfingers 13 in Beruhrung mit einet Zahn des Schaltrads gekommen ist.
-
Während also noch eine Verriegelung durch den Schalt finger 12 besteht,
wird der elastische Teil 22 des Schaltfingers 13 zusammengedrückt, bis der Schaltfinger
12 den Zahn des Schaltrades 14 frei gibt. Danach entspannt sich der elastl Rche
Teil 22 wieder und treibt das Schaltrad 14 soweit an, bis es die Stellun nach Figur
11 erreicht hat.
-
In der Stellung nach Fipr 11 ändert sich die Bewegungsriehbung der
Schaltfinger und zwar im Sinne des Pfeils F, bis die Schaltfinger wieder die in
Figur 9 dargestellte Stellung erreicht halber.
-
Dabei durchlaufen die Schaltfinger eine Zone, in der der elas1,ische
Teil 21 ebenso zusammengedrückt ist, wie der elastische Teil 22 des Schaltfingers
13 gemäss der Darstellung in Figur 10.
-
Bei der Ausführungsform nach Figur 12 bestehen die elastischen Teile
aus Federlamellen 23 und 24, die jeweils an ihrem einen Ende zusammen mit den stabförmigen
Schalt fingern 12 und 13 im Anker des elektromechanischen Energiewandlers eingespannt
sind. In unbelastetem Zustand besteht ein Winkel zwischen den Federlamellen 23 und
24 einerseits und den Schalt fingern 12 und 13 andererseits. Im Kontakt mit dem
Schaltrad 14 werden jedoch die Federlamellen gegen die entsprechenden Schaltfinger
gedrückt.