DE2038185A1

DE2038185A1 - Elektronische Uhr

Info

Publication number: DE2038185A1
Application number: DE19702038185
Authority: DE
Inventors: Jean-Claude Berney
Original assignee: Compagnie des Montres Longines Francillon SA
Current assignee: Compagnie des Montres Longines Francillon SA
Priority date: 1969-08-12
Filing date: 1970-07-31
Publication date: 1971-05-19
Also published as: FR2058215A1; US3766454A; CH532280A; FR2058215B1; GB1303455A; CH1222869A4

Description

Dr. ERNST STURM

MÜ N C H EN 23

_? 2^,; Hönchen, den 31. 7o 1970

Compagnie des Montr es Longines„

Francillon S.A. _T Saint-Imier, und

Bernard Golay S.A. _? ■ Lausanne.

Elektronische Uhr.

Im tonfrequenten Bereiche schwingende Motoren zum Antrieb des Räderwerks elektronischer Uhren mit einem bei hoher Frequenz schwingenden Referenzoszillator, z.B. Quarzoszillator, sind in verschiedener Hinsicht interessant und werden heute allgemein angewendet.

Allerdings muss der Motor, dessen Eigenfrequenz f beträgt, mit einer Referenzfrequenz fo schwingen, die durch den Referenzoszillator bestimmt ist, um eine hohe Ganggenauigkeit zu erzielen. Dabei ist die zum erzwungenen Antrieb des Motors bei Referenzfrequenz erforderliche Leistung eine Funktion der Differenz zwi-

10982171224 '

sehen der Eigenfrequenz f und der Referenzfrequenz fo, gemäss folgender Formel; - · ■ _ /

Pol / 1 +■

2Q (f-fo)

fo

Q « Güte

Die aufgenommene Leistung ist somit minimal für f=fo..

Selbst wenn die Eigenfrequenz f des Motors bei der Fabrikation genau auf die Referenzfrequenz fo eingestellt wird, kann sie nachträglich infolge Temperaturschwankungen oder Alterungserscheinungen abweichen. Damit ist eine unerwünschte Erhöhung der elektrischen Antriebsleistung besonders in tragbaren Kleinuhren, wo die verfügbare Energie sehr beschränkt ist, verbunden.

Es sollte daher vermieden werden, eine Schwingung des Motors bei Referenzfrequenz fo zu erzwingen. Vielmehr sollte die Eigenfrequenz des Motors dauernd auf die Referenzfrequenz geregelt werden. Die vorliegende Erfindung sieht nun einen für diesen Zweck geeigneten Regelkreis vor.

Die erfindungsgemässe Uhr ist dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Wandler (4) des Motors eine Kapazität verbunden ist, deren Wert in Funktion der Ausgangsspannung eines Phasenmessers gesteuert wird, derart, dass die Eigenfrequenz des Motors durch die Referenzfrequenz geregelt wird.

Im Folgenden ist die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 ist ein Blockschema der wesentlichen Teile der Uhr,

Fig. 2 ist das Ersatz-Schaltbild des Motors und seines Wandlers und

Fig. 3 ist ein vollständiges Schaltbild eines Ausführungsbeispiels des Regelstromkreises.

109821/1224

Die Uhr weist einen nicht dargestellten Referenzoszillator, z.B. Quarzoszillator auf, der eine stabile Referenzfrequenz entweder direkt oder am Ausgang eines Frequenzteilers liefert. Diese Referenzfrequenz fo wird .dem einen Eingang eines Phasenmessers 2 zugeführt. Der andere Eingang des Phasenmessers 2 ist mit dein Motor 1 der Uhr verbunden. Der Ausgang des Phasenmessers regelt eine variable Kapazität 3 die der Spule des Wandlers des Motors parallel geschaltet ist.

Der Motor 1, der durch in Fig. 1 nicht dargestellte, beliebige Mittel in Schwingung gehalten wird, weist an den Klemmen seines Wandlers eine praktisch sinusförmige Spannung auf. Diese Spannung wird dem Phasenmesser 2 zugeführt, der ein von der Phase zwischen der Schwingung des Motors und dem Referenzsignal abhängiges Ausgangssignal liefert. Dieses Ausgangssignal bestimmt den Wert der Kapazität 3, die mit dem Wandler verbunden ist. Der Einfluss dieser Kapazität auf die Eigenfrequenz des Motors ist anhand der Fig. 2 erläutert. Man kann zeigen, dass die schwingende Masse des Motors einer Kapazität C, die Elastizität des Schwingers einer Induktivität L und die mechanischen Verluste einem Parallelwiderstand Rp entsprechen. Der Wandler 4 .ist einem Transformator mit dem UeberSetzungsverhältnis η äquivalent. Weist der Wandler eine in einem magnetischen Feld bewegliche Spule auf, so hängt das Uebersetzungsverhältnis η von der Induktion und der Windungszahl der Spule ab, während der Spulenwiderstand als Wicklungswiderstand Rb wirkt.

Aus der Ersatzschaltung nach Fig. 2 ist ersichtlich, dass die regelbare Kapazität 3 der Kapazität C parallel geschaltet ist. Die Frequenzänderung durch die Kapazität 3 (0,) beträgt:

109821/1224

Af ⁰R η²
f 2 C .

Wenn Rb und Rp vernächlässigbar sind, ergibt sich eine Aenderung der Eigenfrequenz des.Motors 1 ohne Einfluss auf die Güte und den Wirkungsgrad desselben. Der Motor kann eine oder mehrere schwingende Massen und einen oder mehrere elektromechanische Wandler aufweisen, ohne dass sich am beschriebenen Prinzip etwas ändert.

Ist die Eigenfrequenz f des Motors 1 zu hoch (f>fo), nimmt die Phase ab. Das Ausgangssignal des Phasenmessers 2 ändert im Sinne einer Erhöhung der Kapazität 3. Diese Kapazitätserhöhung wirkt sich in einer Senkung der Eigenfrequenz f aus, bis das Gleichgewicht (f=fo) hergestellt ist. Wird dieses Gleichgewicht auf die andere Seite überschnitten, d.h., wird die Eigenfrequenz f zu niedrig (f«<fo), nimmt die Phase zu und die Kapazität 3 nimmt ab.

Praktische Beispiele;

Der im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 verwendete Motor ist durch seine Wandlerspule dargestellt, die eine Anzapfung aufweist. Die Spule sei beispielsweise auf einer einseitig eingespannten schwingenden Lamelle angebracht und bewege sich in einem Magnetfeld. Der Motor weist folgende Charakteristiken aufs

Virtuelle Leistung Pv = 1 mW Frequenz f = 170 Hz

Die Spule des Motors 1 wirkt auf einen C-Verstärker bestehend aus dem Widerstand S₁ dem Transistor 6 und dem Kondensator 7. Der Transistor 6 gibt Ausgangsimpulse ab, die über die Widerstände 8 und 9 an die Basis eines Transistors 10 gelangen, der der

10 9 8 21/12 2 4

Aufrechterhaltung der Motorschwingung dient. Die Spannung an der Stelle 1 ist praktisch sinusoidal. Sie stabilisiert sich automatisch auf 2V zwischen Spitzenwerten.

Beim Auftreten eines Impulses am Kollektor des Transistors 6 wird der Kondensator 12 durch den Transistor 11 rasch geladen. Zugleich erscheint an der Basis eines weiteren, durch einen Widerstand 14 vorgespannten Transistors 13 ein Impuls. Die Transistoren 13 und 15 bilden einen bistabilen Kreis der dem Phasenvergleich dient. Wenn der Transistor 13 leitend wird, wird auch der Transistor 15 leitend und hält mit seinem Kollektorstrom den Transistor 15 in leitendem Zustand. Dieser bistabile Kreis bleibt so- g mit leitend bis ein Impuls des Referenzsignals fo an die Basis des Transistors 16 gelangt. In diesem Augenblick wird dieser leitend und schliesst die Basis des Transistors 15 kurz, wodurch der bistabile Kreis in nichtleitenden Zustand zurückkippt.

Die Breite bzw. Dauer der dadurch gebildeten Ausgangs-Impulse des Phasenmessers hängt vom Abstand (also der Phase) zwischen den vom Motorsignal abgeleiteten Und den vom Referenzsignal abgeleiteten Eingangsimpulsen ab. Die Ausgangsimpulse des bistabilen Kreises bzw. Phasenmessers werden durch einen Widerstand 17 und ein RC-Glied mit einem Kondensator 18 und einem Widerstand integriert. Die Gleichspannung an der Stelle II neigt somit zum Steigen wenn die Ausgangsimpulse langer werden, d.h., wenn die Eigenfrequenz f des Motors zunimmt und umgekehrt. Diese Gleichspannung wirkt auf ein Halbleiterelement 20, dessen Kapazität sich in Funktion der Polarisationsspannung ändert. Dieses Element 20 ist mittels einer grossen Kapazität 21 mit dem Abgriff der Motorspule verbunden, an welcher Stelle die Wechselspannung genügend gering ist, um die Gleichspannung am Element 20 nicht zu beein-

109821/1224

flüssen.

Steigt die Spannung an der Stelle II so nimmt auch die Kapazität des Elementes 20 zu und umgekehrt, wodurch die Eigenfrequenz f des Motors auf ihren Sollwert zurückgeführt wird.

Der hier dargestellte und beschriebene Phasenmesser ist auch verwendbar, wenn die Referenzfrequenz fo ein Vielfaches der Motorfrequenz f ist. Diese Schaltung kann also zugleich als Frequenzteiler verwendet werden.

Um eine angemessene Frequenzkorrektur zu erzielen, ist eine Kapazitätsänderung in der Grössenordnung von mehreren Nanofarad erforderlich. Gegenwärtig sind bereits "Varicaps" verfügbar, die brauchbar sind. Man kann auch mehrere Elemente parallelschalten oder auf einem einzigen .Siliziumkörper integrieren.

Anstelle der dargestellten Stromkreise kann man andere geeignete Schaltungen, insbesondere Phasenmesser verwenden.

Beim dargestellten und oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wird der Motor 1 indirekt durch Phasenvergleich und Regelung der Eigenfrequenz des Motors mit Hilfe einer variablen Kapazität synchronisiert. Es ist jedoch auch möglich, den Motor direkt mit dem Signal von Referenzfrequenz anzutreiben und die Eigenfrequenz .des Motors derart zu regeln, dass die Phasenverschiebung zwischen der Schwingung des Motors und dem Referenzsignal stets in engen Grenzen gehalten wird. Der Vorteil der dargestellten gegenüber der soeben angedeuteten Ausführung besteht in der Möglichkeit, zugleich eine Frequenzteilung vorzunehmen, d.h., den Motor mit einer Frequenz zu synchronisieren, die. ein Mehrfaches der Eigenfrequenz des Motors beträgt.

109821/122*

Claims

..' ■.■+■■. '■■■-.

Patentansprüche;

/I)]Elektronische Uhr mit einem Referenzoszillator und min-* destens einem einen elektromechanischen Wandler aufweisenden, mit einer Eigenfrequenz schwingenden Motor, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Wandler (4) des Motors (1) eine Kapazität (3) verbunden ist, deren Wert in Funktion der Ausgangsspannung eines Phasenmessers (2) gesteuert wird, derart, dass die Eigenfrequenz (f) des Motors durch die Referenzfrequenz (fo) geregelt wird.
2) Uhr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der

Motor den Resonator eines selbständigen Oszillators (1,6,10) bil- * det, der durch den Beferenzoszillator zu synchronisieren ist.
3) uhr nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Phasenmesser (2) zugeführte Referenzfrequenz (fo) ein Vielfaches der Motorfrequenz (f) ist.
4) Uhr nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenmesser (2) einen bistabilen Kreis (13, 15) aufweist, der durch von der Spannung am Wandler (4) abgeleitete Impulse in leitenden und durch von der Referenzfrequenz (fo) abgeleitete Impulse in nichtleitenden Zustand versetzt wird, wo- g bei das Ausgangssignal des Phasenmessers (2) eine Funktion der Dauer des leitenden Zustandes des bistabilen Kreises ist.
5) Uhr nach einem der Ansprüche 1, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor direkt durch ein Signal von Referenzfrequenz (fo) angetrieben wird, wobei die Eigenfrequenz des Motors gemäss der Phase zwischen seiner Schwingung und dem Signal von Referenzfrequenz geregelt wird.

109821 / 1 224

Leerseite