DE2001569A1

DE2001569A1 - Zeitnormal fuer ein zeithaltendes Geraet

Info

Publication number: DE2001569A1
Application number: DE19702001569
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Timex Corp
Current assignee: Timex Group USA Inc
Priority date: 1969-01-30
Filing date: 1970-01-15
Publication date: 1970-08-13
Also published as: US3566601A; JPS4819276B1; FR2029664B1; GB1268613A; FR2029664A1

Description

DB.-INQ. UIPL.-IN&. M. *C. OIPL.-PMY9.DR. DIPL.-.PHYS.

HÖGER - STELLRECHT-GRIESSBACH - HAECKER PATENTANWÄUTe IN STUTTGART

A 37 937 h . · .

13.Januar 1970 .

Timex Corporation, Waterbury,.-Connecticut, USA

Zeitnormal für ein zeithaltendes Gerät.

Die Erfindung "betrifft ein Zeitnormal für ein zeithaltendes Gerät, insbesondere eine Kleinuhr, wie eine Armbanduhr, mit einer Stromquelle, einem mit der Stromquelle verbundenen, mit hoher Frequenz schwingenden Kristalloszillator, dessen Ausgangssignal frequenageteilt wird und einem mit der Stromquelle verbundenen Antriebsstromkreis, der entsprechend dem frequenzgeteilien Ausgangssignal Zeitanzeigemittel betätigt.

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A 37 937 Iv-

13.Januar 1970

Die Genauigkeit von Oszillatoren mit piezoelektrischen Kristallen ist auf dem Gebiet der Zeithaltung allgemein bekannt. Pur gewöhnlich wird die hohe Frequenz des Kristalloszillators, also des Zeitnormals, beispielsweise von 10 000 Hz durch frequenzteilende Stromkreise auf eine viel niedrigere Frequenz, beispielsweise 3 Hz, reduziert, um so zeitanzeigende Zeiger anzutreiben oder einen Motor zu synchronisieren, der dann solche Zeiger antreibt. Es war jedoch praktisch bis jetzt nicht möglich, eine Kleinuhr mit einem Kristalloszillator herzustellen, hauptsächlich deswewegen, weil Schwierigkeiten wegen des begrenzten Raumes, insbesondere auch in Hinblick auf eine begrenzte Grosse der Energiequelle aufgetreten sind.

Eine Kleinuhr, insbesondere eine Armbanduhr ist in ihrer äusseren Grosse begrenzt. Zu grosse oder zu schwere Armbanduhren sind ohne Rücksicht auf ihre Genauigkeit in der Zeithaltung nicht brauchbar. Die begrenzte Grosse der Kleinuhr bedeutet, dass sie nur eine verhältnismässig kleine Batterie oder einen kleinen Akkumulator, nämlich üblicherweise eine sogenannte Knopfzelle aufnehmen kann. Ausserdem sollte die Kleinuhr mindestens ein Jahr ohne Auswechseln der Stromquelle laufen, so dass nur eine kleine Leistung zum Antrieb der Kleinuhr vorhanden ist.

Die kleine Grosse der Kleinuhr bildet ebenfalls eine Schwierigkeit bei der Verwendung eines piezoelektrischen Kristalles. Allgemein ist die Kristallgrösse umso höher, je niedriger die Frequenz des Kristalles ist. Es ist schwierig, einen / Kristall mit einer Frequenz von 500 Hz in einem Uhrgehäuse unterzubringen, weil dieser Kristall zu gross ist. Die naheliegende Lösung besteht darin, die Frequenz zu erhöhen und

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einen kleineren Kristall zu verwenden. Das Benützen eines kleineren, eine höhere Frequenz aufweisenden Kristalles führt jedoch zu folgenden Forderungen:

(1)Es ist mehr Leistung erforderlich, da sich die Impulsfrequenz zum Antrieb des Kristalles erhöht, um so der Frequenz des Kristalles angepasst zu sein.

(2) Es ist ein komplizierterer frequenzteilender Stromkreis erforderlich, der die hohe Frequenz des Kristalloszillators auf die viel niedrigere Frequenz reduziert, wie sie zur Betätigung der Kleinuhr notwendig ist, wobei dieserkomplizierte frequenzteilende Stromkreis selbst eine verhältnismässig grössere Leistung erfordert.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Kleinuhr unter Verwendung eines Kristalloszillators zu schaffen, bei der

1. der Oszillator in seiner baulichen Grosse verhältnisraäs.-sig klein ist und damit in ein Kleinuhrgehäuse passt,

2. der Oszillator verhältnismässig wenig Leistung verbraucht und so die Kleinuhr mit einer kleinen Stromquelle gebaut. werden kann und

3. das Ausgangssignal des Oszillators von einer solch niedrigen Frequenz ist* dass ein verhältnismässig einfacher frequenzteilender Stromkreis verwendet werden kann.

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Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung bei dem eingangs erwähnten Zeitnormal dadurch gelöst, dass der Kristalloszillator ein astabiler I.iultivibrator ist, der dem Kristall Impulse von Resonanzfrequenz oder einer Subharmonischen der Resonanzfrequenz aufdrückt.

Gemäss der Erfindung ist damit eine Kleinuhr geschaffen worden, die einen Kristalloszillator als Zeitnormal verwendet. Der Kristalloszillator wird so ausgewählt, dass er in das Kleinuhrgehäuse passt und ist vorzugsweise nicht grosser als

W ein* der übrigen Bauelemente, beispielsweise der Stromquelle. Vorzugsweise ist der Kristall ein piezoelektrischer Quarzkristall mit einer Resonanzfrequenz von 60 000 Hz und einer Länge von ungefähr 12 mm. Der Kristall ist mit einem vorzugsweise niederohmigen Anschluss eines positiv rückgekoppelten, astabilen !,iultivibrators verbunden. Der astabile Multivibrator ist vorzugsweise ein Kipposzillator oder ein Kippgenerator, der einen sehr kurzen Antriebszyklus aufweist und ein komplementäres Paar von Transistoren verwendet. Der Kristall wird mit einer vorgewählten subharmonischen Frequenz seiner Resonanzfrequenz, beispielsweise 1/6 der Resonanzfrequenz, durch Impulse angetrieben. Hierdurch ergibt sich eine Ausgangsfrequenz des Multivibrators oberhalb eines minimalen Schwellwertes, der der ausgewählten subharmonischen Schwingung der Resonanzfrequenz des Kristalles entspricht. Der astabile Multivibrator ist einstellbar, beispielsweise durch Änderung der Zeitkonstante eines R-C-Kreises, so dass der Kristall gegenüber den Herstellungstoleranzen und dem Altern kompensiert werden kann. Eine derartige Kompensation kann schon bei der ursprünglichen Herstellung der Kleinuhr oder auch bei einer späteren Überprüfung oder Reparatur vorgesehen werden.

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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang" rait der Zeichnung, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält. In der Zeichnung zeigen: ■ ^N ;, "

Pig. 1 eine Draufsicht auf eine Kleinuhr gemäss der Erfindung, wobei einzelne Teile abgebrochen sind,

Pig. 2 ein schematisch.es Schaltdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform eines Kristalloszillators gemäss der Erfindung. .

In Fig. 1 ist die zelthaltende Vorrichtung gemäss der; Erfindung als Armbanduhr oder andere Kleinuhr dargestellt. Die Armbanduhr weist ein Gehäuse! mit einem Aussenring 2 auf. Eine durchsichtige Abdeckung 3 deckt eine Anzeigeseheibe 4 ab, die Ziffern .5 oder sonstige zeitanzeigende Mittel aufweist. Die Zeit wird hier wie bei üblichen Kleinuhren durch einen Sekundenzeiger 6, einen Minutenzeiger 7 und einen Stundenzeiger 8 angezeigt, die um eine gemeinsame Mittelachse 9 rotieren. Die Energie zur-Betätigung der Uhr wird von einer,Batterie oder einem. Akkumulator, hier von einer kleinen Knopfzelle 10, geliefert, die sich innerhalb des Gehäuses 1 befindet. Gegebenenfalls-kann auch eine Sonnenzelle oder eine andere elektrische Energiequelle verwendet werden. Die Knopfzelle 10 ist mit einem Zeitnormal 11 über einen Leiter 12 verbunden. Das Zeitnormal wird durch einen piezoelektrischen Hochfrequenzoszillator gebildet. Das hochfrequente Ausgangssignal des Zeitnormals ist über einen leiter 13 mit

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einem Teilerstromkreis 14 verbunden, der die hohe Frequenz des Zeitnormals reduziert. Der Ausgang des Teilerstromkreises 14 ist über einen Leiter 15 mit einem Antriebsstromkreis 16 verbunden. Der Ausgang des Antriebsstromkreises ist über einen Leiter 17 mit einer Spule 19 aus feinem Draht verbunden. Die Knopfzelle 10 versorgt über einen Leiter 26 den Teilerstromkreis 14 und über einen Leiter 27 den Antriebsstromkreis 16 mit Energie.

Wenn die Spule durch den Antriebsstromkreis Impulse erhält, wird ein Magnetstück 20 angezogen, das an einem schwenkbaren * Arm 21 befestigt ist, den eine Feder 22 in seine Ruhestel-

lung zurückzudrehen versucht. Mit Hilfe einer Klinke 23, die am oberen Ende des Armes 21 befestigt ist, wird ein Klinkenrad 24 schrittweise weiterbewegt. Das Klinkenrad 24 dreht mit Hilfe eines nicht dargestellten Ritzels ein Zahnrad 25, das seinerseits mit den anderen Rädern einer Räderkette der Kleinuhr verbunden ist. Die Räderkette der Uhr dreht die vorher erwähnten Zeiger 6, 7 und 8.

Es können auch andere Arten von Wandlern benutzt werden, um die elektrische Energie des Antriebsstromkreises 16 in mechanische Bewegung umzuwandeln, die erforderlich ist, um die Zeiger der Kleinuhr zu drehen. Gegebenenfalls kann der An- w triebsstromkreis 16 elektrolumineszierende Zeitanzeigemittel oder andere Arten von elektrooptisctien Zeitanzeigemitteln betätigen. Der Ausdruck /anzeigemittel" wie er hier verwendet wird, schliesst damit u.a. drehbare Zeiger gemäss Fig.1, elektrooptische Anzeigemittel, beispielsweise eine Gruppe von Lampen auf dem Zifferblatt der Kleinuhr, oder andere Arten von Zeitanzeigevorrichtungen mit ein.

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Die Schaltung gemäss Pig.2 stellt einen positiv rückgekoppelte« astabilen Multivibrator dar. Im einzelnen handelt es sich hier um.einen Kippgenerator, der ein komplementäres Paar von Transistoren verwendet. Vorzugsweise ist die Schaltung durch Verfahren hergestellt, wie sie bei integrierten Schaltungen üblich sind. Die Schaltung weist einen ersten Transistor 30 auf, der der Ausgangstransistor der Schaltung ist und vom NPN*-Typ ist. Der zweite Transistor 31 der Schaltung ist ein PNP-Transistor. Diese Transistorentypen können bei Änderung der Polarität der Energiequelle vertauscht werden. Der Kollektor des Transistors 30 ist an den positiven Anschluss der Energiequelle 10 über einen Widerstand 36 angeschlossen, wobei die Energiequelle beispielsweise eine als Batterie oder Akkumulator wirkende Knopfzelle 10 sein kann, die sich innerhalb des Uhrgehäuses befindet. Die Basis des Transistors 30 ist über einen Widerstand 32 mit dem Kollektor des Transistors 31 verbunden. Der Emitter des Transistors 31 ist über einen Widerstand 33 an den Kollektor des Transistors 30 angeschlossen. Zwischen dem positiven Anschluss der Knopfzelle ΊΟ und der Verbindungsstelle 37 ist der die Last darstellende Widerstand 36 angeordnet. Die Verbindungsstelle 37 ist mit der einen Seite eines Kondensators 39 verbunden, dessen anderes Ende an die Basis des Transistors 31 angeschlossen ist. Die Basis des Transistors 51 ist über einen Widerstand 34 mit dem negativen Pol der Knöpfzelle 10 verbunden. Ein piezoelektrischer Kristall 40, beispielsweise ein Quarzkristall, ist prallel zu einem zwischen den Verbindungsstellen 41 und 42 liegenden Widerstand 33 angeschlossen. Der Kristall 40, der aus Quarz oder einem anderen piezoelektrischen ilaterial sein kann, hat eine niedrige Impedanz bei Resonanzfrequenz und eine höhere Impedanz bei anderenFrequenzen. Die Verbindungsstelle 41

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ist über einen Kondensator 43 und einen Widerstand 44 mit dem negativen Pol der Knopfzelle 10 verbunden. Ferner ist ein Kondensator 39a parallel zum Widerstand 32 zwischen dem Kollektor des Transistors 31 und der Basis des Transistors 30 angeordnet. Ferner ist das eine Ende eines Widerstands 3* an die Basis des Transistors 30 und das andere Ende an den negativen Pol der Knopfzelle 10 angeschlossen.

Im folgenden sind einzelne Werte der Schaltelemente des Oszillators beispielsweise erwähnt, doch können auch andere Werte entsprechend der gewählten Frequenz und Spannung benützt werden. Der Quarzkristall hat eine Eigenfrequenz von 60 kHz, wobei ein geeigneter Schnitt NT ist.

Widerstand

Il Il Il It

Kondensator

Il Il

36 (R₁) 47 kOhm

33 (R₂) 47 kOhm

32 (R₅) 0 bis 10 kOhm

34 (R₄) 1,5 megaOhm 44 (R₅) 10 kOhm

39 (C₁) 100 picofarad

43 (C₂) 600 »

39 (C₅) 0 bis 100 picofarad

so
Wenn Spannung angelegt wird,/wird der Transistor 31 durch einen über den Widerstand 34 zugeführten Basistrom leitend. Der Transistor 31 führt einen Basisabrom dem Transistor 30 zu, der damit ebenfalls leitend wird. Wenn der Kollektor des Transistors 30 auf liassepotential geht, versucht der Kondensator 39 die Basis des Transistors 31 negativer zu machen, wodurch die Rückkopplungswirkung erhöht wird. Wenn nun der Kondensator 39 voll geladen ist, wird die Basis des Transistors 31 etwas positiver, wodurch eine Rückkopplungswirkung entsteht und der Transistor 30 und der Tran-Bistor 31 nicht leitend werden. An der Basis des Transis-

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tors 31 geht nun die Spannung mit einer Zeitkonstarite auf Massepotential zu, die durchden Widerstand 34, den Kondensator 39 und den .Widerstand 36 bestimmt ist. Wenn die Basis des Transistors erneut leitend wird, wiederholt sich der Zyklus. " - \ ■""■-..

Durch die Einwirkung der Spannungszeiten ain "Kollektor des Transistors 30 erzeugt der Kristall 40 einen abnehmenden Schwingungszug. Dieser erscheint am Widerstand 33? so dass die Schaltung auf die Grundschwingung oder eine subharmonische Kristallfrequenz synchronisiert wird. Durch die richtige Wahl des Widerstandes 34 und des Kondensators 39 kann ein weiter Bereich von subharmonischen Schwingungen ausgewählt werden. Infolge der eine sehr niedrige Leistung aufweisenden Transistoranoränung der gleichzeitig leitenden oder nicht leitenden Transistoren 30 und 31, hat.der Zyklus der ganzen Schaltung einen niedrigen Energieverbrauch und eine entsprechend niedrige Leistung. Die Ausgangsfrequenz kann über einen verhältnismässig engen Bereich durch entsprechende Wahl des Kondensators 43 und des Widerstandes verändert werden, wobei eines oder beide Bauelemente, einstellbar sein könnai.Der Kristall 40 arbeitet bei einer ziemlich niedrigen Impedanz,· wodurch die Stabilität in.- bezug auf Spannung und Temperatur verbessert wird. Der Kristall kann ferner an irgendeiner, eine niedrige Impedanz aufweisenden Stelle der Schaltung angeordnet werden, also beispielsweise am Widerstand 36.

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Claims

Patentansprüche

.^Zeitnormal für ein mithaltendes Gerät, insbesondere eine Kleinuhr, wie eine Armbanduhr, mit einer Stromquelle, einem mit der Stromquelle verbundenen, mit hoher Frequenz schwingenden Kristalloszillator, dessen Ausgangssignal frequenzgeteilt wird und einem mit der Stromquelle verbundenen Antriebsstrorckreis, der entsprechend dem fre- W quenzgeteilten Ausgangssignal Zeitanzeigemittel betätigt, dadurch gekennzeichnet, dass der Kristalloszillator ein astabiler Multivibrator ist, der dem Kristall (40) Impulse von Rsonanzfrequenz oder einer Subharmonischen der Resonanzfrequenz, aufdrückt.
2. Zeitnormal nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der astabile Multivibrator ein Kippgenerator ist.
3. Zeitnormal nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der astabile Uultivibrator ein Paar von komplementären kristallgesteuerten Transistoren (30, 31) aufweist.
4. Zeitnormal nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der astabile Multivibrator mindestens einen R-C-Stromkreis (34, 39, 36; 43, 44) aufweist, dessen Zeitkonstante zur Änderung der Frequenz veränderbar ist.
5. Zeitnormal nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der astabile Multivibrator einen vorzugsweise niederohmigen parallel zum Kristall (40) angeschlossenen V/iderstand (33) aufweist.

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