DE2219681A1 - Schwingungsmotor und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Description

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OMEGA Louis Brandt & Fr&re S.A. 2500 Bienne

(Schvjeiz)

21. April 1972

Schwingungsmotor und Verfahren zu dessen Herstellung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schwingunrsmotor für die Anwendung in der Zeitmesstechnik, mit einem klinkengetriebenen Schaltrad, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.

Bei Schwingungsmotoren elektrischer Uhren, bei denen ein Schwinger Teil eines elektromechanischen Oszillators ist, der den Gangordner einer Uhr bildet und dessen Resonanzschwingungen durch elektrischen Antrieb unterhalten werden, ist dieser Schwinger im allgemeinen so ausgebildet, dass er periodisch sich wiederholende, im wesentlichen translatorisch' Bewegungen zulässt.

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Bekanntlich zeichnet sich ein Resonator im Schwingungszustand bestimmter Resonanzfrequenz durch verhältnismässig grosse innere Energie und durch geringen Energieumsatz nach aussen aus. Die Erfindung erstreckt aich auch auf Sehwingungsmotoren, deren Schwinger nicht im Zustand einer Resonanzfrequenz betrieben werden.

Bei den meisten Schwingungsmotoren der genannten Art ist am Schwinger eine Antriebsklinke befestigt und in Schwingungsrichtung ausgerichtet» Diese Antriebsklinke greift in die Zähne eines Schaltrades, dessen Drehlager gegenüber dem Schwinger unbevreglich angeordnet ist. In die Zähne des Schaltrades greift aus3erdem eine Halteklinke, deren befestigtes Ende ebenfalls unbeweglich gegenüber dem Schwinger ist»

Die Betriebsfrequenz von Schwingungsmotoren der genannten Art liegt üblicherweise bei etwa 200 bis 700 Schwingungen pro Sek. Die Durchmesser von Schalträdern bekannter Konstruktion liegen bei etwa 1 bis 3 mm. Bereits diese Zahlen lassen erkennen dass die Teile von Schwingungsmotoren, die die neriodischen, translatorischen Bewegungen in gleichgerichtete Drehbewegungen umwandeln, dem Konstrukteur grosse technologische Probleme bieten. So muss beispielsweise der Wirkungsgrad der Umwandlung von Bewegungen sehr hoch sein, und zwar aus zwei. Gründen. Der erste Grund besteht darin, dass der Energieverbrauch eines Schwingungsmotors beispielsweise für Kleinuhren einen

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bestimmten Wert nicht überschreiten darf, da..» vom Energieinhalt einer Batterie bestimmter Grosse und von Forderungen des Marktes abhängt. Der zweite Grund liegt in der Tatsache, dass Verlustenergie zur Zerstörung eines Schwingungsmotors führt, wenn die Verlustleistung einen bestimmten Wert überschreitet. XJm hohen Wirkungsgrad zu erzielen, bedarf es genauester Einstellung der Klinken gegenüber dem Schaltrad und besonders widerstandsfähiger Materialien. Die Einstellung der Klinken und die Lagerung des Schaltrades unterliegen bei bekannten Schwingungsmotoren leider im Laufe des Betriebes unerwünschten Veränderungen, da die Befestigungspunkte von Schwinger Schaltrad und Halteklinke auf einer Grundplatte im allgemeinen verhältnismSssig weit auseinanderliegen und alle Teile sowohl thermischen als auch mechanischen Einflüssen unterliegen.

Soweit Schwingungsmotoren der genannten Art als Synchronmotoren oder sogar als Gangordner für Uhren dienen, wird erwartet, dass eine bestirnte Frequenz periodischer Bewegungen oder periodischer Strömstösse elektrischer Energie.in Drehung bestimmter Drehzahl umgewandelt wird, Diese Erwartung bedingt, dass die Amplituden der Bewegungen des Schwingers in geifissen Grenzen konstant gehalten werden müssen, und dass die Stellungen der Klinken und des Schaltrades zueinander in engen Grenzen unverändert bleiben. Bei den bekannten Schwingungsmotoren sind die genannten Bedingungen nur sehr schwer zu erfüllen.

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Ein weiteres Problem bei Schwingungsmotoren der genannten Art lässt sich aus dem Umstand erklären, dass beispielsweise in der Anwendung für Armbanduhren der gesamte Energieumsatz in der Grössenordnung von nur wenigen Mikrowatt liegen soll. Die in einem Schwingunpsmotor dabei auftretenden Mutzkräfte sind dementsprechend gering. Deshalb können schon sehr kleine Störkräfte zu Betriebsstörungen führen. Man ist deshalb dazu übergegangen, das Schaltrad derartiger Schwingungsmotoren mit den dazugehörigen Teilen in einer Flüssigkeit geringer Viskosität z.B. von 1 CSt, beispielsweise OeI, zu lagern und damit einen grossen Teil der vorerwähnten Schwierigkeiten zu beheben.

Im Schweizer Patent 516 198 ist der grundsätzliche Aufbau eines derartigen Schwingungsmotors eingehend erläutert.

Es geht aus zahlreichen Versuchen hervor, dass einer der heiklen Punkte eines derartigen Schwingungsmotors darin besteht, die Temperatureinflüsse auf den Schwingungsmotor zu kompensieren.

In diesem Zusammenhang spielt auch die Masse der Flüssigkeit, in welcher, wie vorerwähnt, das Schaltrad mit den dazugehörenden Teilen eingebettet ist, eine wesentliche Rolle; denn je grosser diese Masse, bzw. deren Volumen·, umso grosser werden

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die durch Temperaturänderungen bedingte Volumenänderungen. Da die Ausdehnungskoeffizienten des umgebenden Gehäuses um ein Vielfaches kleiner sind, als diejenigen der Flüssigkeiten, ergeben sich entsprechende Probleme.

Diese werden im Sinne der vorliegenden Erfindung gelöst, mit Hilfe einer mit Flüssigkeit gefüllten Schaltrad und Klinke aufnehmende Kammer, sowie durch einen, mit dieser Kammer durch eine kapillar wirkende Verbindung zusammenwirkenden Expansionsraum, welcher zusätzlich zur Flflssigkeitaufnahme der Aufnahme eines gasförmigen Mediums dient.

Die Erfindung wird anschliessend beispielsweise anhand von Figuren erläutert.
Es zeigen:

F'ig. 1 einen Ausschnitt aus einem Schwingungselement mit Schaltrad, Lagerung, seitlichen Anschlägen und einem Expansionsraum, im Schnitt gemäss Linie I-I,

Fig. 2 eine Aufsicht auf den Ausschnitt nach Fig. 1 ~;%¥; "^r mit abgehobener Deckplatte.

In den Fig. 1 und 2 ist ein Ausschnitt 1 aus einen Schwingungsmotor einer elektrischen Uhr dargestellt, in welchem Ausschnitt ein Schaltrad 3 ersichtlich ist. Sich bezüglich dieses

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Schaltrades 3 ungefähr diametral gegenüberliegende, parallel zueinander angeordnete Klinken 5 und 8 sind an ihren freien Enden «Je mit einem, vorzugsweise scheibenförmigen, Klinkenstein 6 bzw. 9 versehen, welche zu gegebener Zeit in entsprechende Zahnausschnitte des Schaltrades 3 eingreifen, wie dies in der vorerwähnten Schweizer Patentschrift im einzelnen erläutert ist. Um das Schaltrad 3 in seinen translatorischen Bewegungen seitlich zu begrenzen sind in Bohrungen oder Ausnehmungen 13 zylindrische oder quaderförmig**, sieh diametral gegenüberliegende Anschlagstein 11 und 12 vorgesehen, welche funktionsmässig Teile einer Käfigwand darstellen, in welchem das Schaltrad 3 gefangen ist. Es ist ferner eine Bodenplatte 14 und eine Deckplatte 16 vorhanden, die das Gehäuse abdecken. Das Gehäuse 2 legt mit der Boden- und der Deckplatte 14 bzw. 16 zusammen eine Kammer 17 fest, deren Form, wie aus Fig. 2 ersichtlich, der Kontur des Schaltrades 3 angepasst ist. In tangential an den zylinderförmigen Teil 19 der Kammer 17 einmündenden Kanälen befinden sich die Klinken 5, 8. Die Deckplatte 16, welche normalerweise von dem sich frei bewegenden Schaltrad 3 nicht berührt wird, ist mit einem Stossplättcfcen 18 ausgerüstet, das vorzugsweise, wie die Bodenplatte I¹I und die Deckplatte 16, aus Halbedelstein, z.B. Hubin, besteht und, da als dünnes Plättchen geschliffen, durchsichtig ist.

Das Schaltrad 3 ist mit vier, z.B. kugelförmigen Auflagen 20

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ausgerüstet, welche beispielsweise im Rad 3 eingepresst, angekittet bzw. angeklebt oder aufzementiert sind. Auch diese Auflagen 20 werden aus Halbedelstein, insbesondere Rubin, gegebenenfalls Hartmetall, z.B. Wolfram-Carbid, oder dgl. hergestellt. In Fig. 1 sind ferner die beiden Pfeilrichtungen 22 und 23 angegeben, die zeigen, in welcher Richtung der Schwingungserzeuger diesen Teil, das Gehäuse 2 des Sehwingungsmotors, hin und her bewegt. Entsprechende Pfeilrichtungen 25 und 26 zeigen jeweils die Bewegungsrichtung des Schaltrades 3 bezüglich des Gehäuses 2 an, eine Bewegung, welche durch die Trägheit des Schaltrades 3 bedingt und durch die Klinken 5 und 8 mit den Steinen 6 und 9 bzw. die Anschlagsteine 11 und 12 so. gesteuert xfird, dass das Schaltrad 3 eine in einer Richtung gehende Drehbewegung ausführt.

Wie aus Fig. 1 und 2 hervorgeht, weist die Kammer 17 minimale, den Abmessunpen des Schaltrades 3 und der Klinken 5 und 8 Rechnung tragende Dimensionen auf. Zwecks Sicherung gleichbleibender geringer Bewegungswiderstände ist die Kammer IJ mit einer Flüssigkeit vollständig gefüllt.

Um die Auswirkungen der infolge Temperaturänderungen auftretenden Volumenänderungen der Flüssigkeit, welche um eine Zehnerpotenz grosser sind, als diejenigen der festen Teile, auf ein Mindestmass zu reduzieren, ist die Kammer 17

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über einen kapillarförmigen Kanal 35 mit einem Expansionsraum 37 verbunden. Dieser Raum 37 steht über eine Oeffnung 39 nach aussen in Verbindung. Beim fertigen Schwingungsmotor ist diese Oeffnung 39» z.B. mittels eines Rubinplättchens 4l, gasdicht verschlossen. Je nach Temperatur des Gehäuses 2 bildet sich dabei eine mehr oder weniger trosse Gasblase im Expansionsraum 37» Welche infolge der geringen Abmessung des Kanals 35 nie in die Kammer 17 gelangen kann, obwohl in einem vorgesehenen Temperaturintervall, beispielsweise zwischen -10 und +60⁰C, die Grosse der entstehenden Gasblase kj> stets geringer ist, als die Grosse des Expansionsraumes 37. Zudem verhindert die geringe Abmessung des Kanals 35 das lagebedingte Durchtreten der Gasblase 43 in die Kammer 17, wie es bei einem grosser dimensionierten Kanal der Fall wäre.

Ein derartiger Schwingungsmotor kann in der im folgenden beschriebenen Art und Weise hergestellt werden:

Das Gehäuse 2, in welchem die Kammer 17 mit den Klinken 5 und 8 sowie der Expansionsraum 37 vorgesehen sind, wird nach der Montage dieser Teile mit aufgesetzter Decktdatte 16 ineine mit einer Flüssigkeit versehene Schale getaucht, und das Ganze in einer Vakuumkammer evakuiert, beispielsweise

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auf 10 Torr. Dabei entweicht die Luft aus der Kammer 17, dem Kanal 35 und dem Expansionsraum 37· Hernach wird das Vakuum aufgehoben, wodurch sich die Kammer 17» der Kanal 35

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und der Expansionsraum 37 mit der Flüssigkeit auffüllen. Danach wird das Gehäuse aus dem Bad genommen und die Anordnung mit einem saugenden Material, beispielsweise Filterpapier von überschüssiger Flüssigkeit gereinigt. Hierauf erfolgt eine Erhitzung auf eine Temperatur, welche etwas über derjenigen liegt, bei welcher der Schwingungsmotor, noch funktionieren soll, also beispielsweise auf 70 C. Es dehnt sich dann die sich in der Kammer 17 und dem Expansionsraum 37 befindende Flüssigkeit entsprechend aus,tritt durch die Oeffnung 39 nach aussen und wird von dem Filterpanier nommen. Anschliessend wird das Ganze auf 60°C abgekühlt, wobei sich durch ein entsprechendes Zusammenziehen der Flüssigkeit in den besagten Räumen 17, 37 im Expansionsraum 37 eine durch die Oeffnung 39 eingesaugte kleine Luftblase 43 bildet. Hierauf wird mittels des Plättchens ¹Jl, das auf die Deckplatte 16, z.B. mit Hilfe eines Klebers aufgeklebt wird, die Oeffnung 39[verschlossen, so dass der Exp an si ons raum 37 und die Kammer 17 nach aussen luftdicht abgeschlossen sind. Der Kleber, vorzugsweise ein Zweikomponentenklebsr, z.B. Araldit (eingetragene Schutzmarke), wird hierauf während mindestens 15 Stunden, vorzugsweise während 24 Stunden bei 60°C, ausgehärtet.

Die Grosse der Kammer 17, des Kanals 35 und des Expansionsraumes 34 sind derart aufeinander abgestimmt, dass· bei einer vorbestimmten tiefsten Temperatur, z.B. -1O⁰C die Blase 43 ein geringeres Volumen einnimmt, als der Expansionsraum 37, und dass

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andererseits bei einer Temperatur von +6O⁰C die Expansion der Flüssigkeit die Gasblase 43 wohl verkleinert, sie jedoch nicht zum Verschwinden bringt, so dass sie gewissermas3en als Kristallisationspunkt bei erneutem Temperaturabfall dient. Andererseits darf die Blase auch nicht so klein werden, dass sie über den Kanal 35 in die Kammer 17 eintreten kann, da sonst die Punktion des Schwingunp:smotors erheblich gestört würde.

Wie im vorerwähnten Patent eingehend beschrieben, führt der, z.B. mit einer Stimmgabel verbundene Teil 1 eine translatorische Bewegung in Richtung der Pfeile 22 und 23 aus. Infolge seiner Trägheit bleibtbei der Bewegung in Richtung dc3s Pfeilfs 22 das Schaltrad 3 zurück, so dass es s.ich, vom Gehäuse 2 aus beurteilt, in Richtung des Pfeiles 26 so lange bewegt, bis es mit dem entsprechenden Zahn oder Zähnen an der Innenkontur des Anschlagsteines 12 aufläuft. Die beim Auflaufen mehr oder weniger vernichtete Bewegungsenergie des Schaltrades 3 wirddiesem wieder von aussen in Form neuer Energie zugeführt, da in der Zwischenzeit das Gehäuse 2 sich in Richtung des Pfeiles 23 zu bewegen begonnen hat, so dass infolge seiner Trägheit bezüglich diesem Gehäuse das Schaltrad 3 in Richtung des Pfeiles 25 bewegt wird, und zwar so lange, bis es am Anschlag 11 in seiner Bewegung gebremst wird. Dieses Spiel des Hin- und Herschiebens des Schaltrades 3 im Gehäuse 2

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wiederholt sich in derjenigen Frequenz, in welcher der Sehwingungsmotor, bzw. die Schwinggabel," schwingt. Während dieser Hin- und Herbewegung des Schaltrades 3 greifen die Klinkensteine 6 und 9 der Klinken 5 und 8 in entsprechende Zähne des Schaltrades 3 ein, wobei bei der einen Bewpimng des Schaltrades 3 dieses um die eine ärehachsenparallele Kante des einen Klinkensteines als Pixpunkt und bei der anderen Bewegung um die entstehende Kante des anderen Klinkensteines als Fixpunkt geschwenkt wird, so dass dieses ..Schaltrad 3 eine Drehbewegung ausführt, d.h. die Hin- und Herbewegung des Schwingungsmotors in eine Drehbewegung umwandelt. Dass diese Drehbewegung möglichst verlustlos erfolgen muss, liegt auf der Hand. Es wird in diesem Sinne die Auflagefläche zwischen Schaltrad und Bodenplatte möglichst klein, nahezu punktförmig, ausgebildet, was bei den Gewichten, um die es sich hier handelt, ohne weiteres möglich ist, da die entsprechenden Flächenpressungen trotz dieser fast punktförmigen Auflage äusserst gering bleiten.

Das Schaltrad 3 muss, sofern es den Aufbau gemSss Fig. 1 und 2 aufweist, aus einem hochkoerzitiven Permanentmagnetmaterial, z.B. PtCo hergestellt sein, welches die entsprechende magnetische Uebertragung der Drehbewegung des Schaltrades auf ein ausserhalb des Gehäuses angeordnetes Getriebe erlaubt, das beispielsweise bei einer Uhr drehbeweglich, jedoch sonst fest im Werkgehäuse angeordnet ist.

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Bei der beschriebenen Konstruktion ergibt sich bei Temperatur-Aenderungen ein sehr geringer Einfluss des Ausdehnungseffektes dieser Flüssigkeit auf die Kammer 17; denn je nach der Temperatur , bei welcher die Kammer 17 vollständig mit Flüssigkeit angefüllt wird, entsteht bei steigender Temperatur ein Innenä»uck in der Kammer, welcher bei genügender Grosse das Gehäuse 2 sum Platzen bringen könnte, oder die Flüssigkeit kann sich bei sinkender Temperatur derart zusammenziehen, dass eine Blase entsteht, welche, sofern sie eine gewisse Grosse erreicht, den Grund bilden kann, dass die Flüssigkeitsmasse in der Kammer 17 wenigstens teilweise mit dem Schaltrad mitschwingt, was zumindest erhöhte Reibungsverluste, d.h. erhöhten Stromverbrauch für den Betrieb des Zeitnehmers, mit sich bringt oder sogar das korrekte Arbeiten des Schwingungsmotors in Frage stellen kann. Aus diesem Grunde ist der Frage des Expansionsraumes in Verbindung jnit der Gehäusekonstruktion bzw. der Kammerform grösste Bedeutung beizumessen.

Alle in den Unterlagen offenbarten Angaben und Merkmale, insbesondere die offenbarte räumliche Ausgestaltung werden, soweit nie eineeln oder in Koabination gegenüber dem Stand der Technik neu Bind, ale erfindungewesentlich beaneprucht.

- Ansprüche

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   A. J Schwingungsmotor für die Anwendung in der Zeitmesstechnik mit einem klinkengetriebenen Schaltrad, gekennzeichnet durch eine mit Flüssigkeit gefüllte, Schaltrad und Klinke aufnehmende Kammer, sowie durch einen mit dieser Kammer durch eine kapillar wirkende Verbindung zusammenwirkenden ExOans.ions· raum, welcher zusätzlich zur Flüssigkeitsaufnähmeider .·· Auf ·*.;·-.-"" nähme eines gasförmigen Mediums dient.

   2, Schwingungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,-dass der Expansionsraum eine nach aussen führende Oeffnung_: aufweist, ,welche, z.B. mittels eines Halbedelsteines _% ,vorzugsweise Rubin, gasdicht verschlossen ist, z.B, durch Beizug, eines Klebers, vorzugsweise eines Zweikomponentenklebers. ·.-

   3. Verfahren zum Herstellen eines Schwingungsmotars gemäss , Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man die mit Schaltrad und Klinken'versehene Kammer bei welcher der Expansions-* räum, nach aussen offen, mit der Flüssigkeit verbunden, ist, in die: Flüssigkeit .einlegt,,, das: Ganze unter fiochvakuura so dass die Luft entweicht, anschliessend Normaldruck herstellt, wobei die Flüssigkeit in die Kammer und den Expansionsraum eindringt, dass man die Temperatur erhöht, sie anschliessend .leicht erniedrigt, so dass sich eine

   Gasblase im Expansionsraum bildet, und dass man anschliessend die Oeffnung des Expansionsraumes gasdicht verschliesst.

   4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass

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   man mit bis auf 10 Torr oder weniger evakuiert.

   5. Verfahren nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, dass die leichte Temperaturerniedrigung annähernd 10 C betrat.

   6. Verfahren nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, dass man die Temperatur auf mindestens 40 C, vorzugsweise auf 70⁰C erhöht.

   7. Verfahren nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, dass man die Oeffnung mit einem Plättchen, z.B. aus Rubin, und einem Zweikomponenterikleber versiegelt und das Ganze anschliessend mindestens für 15 Stunden, vorzugsweise für 24 Stunden aushärtet. ■

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