DE2125224C3

DE2125224C3 - Vorrichtung zur Korrektur des Ganges eines zeithaltenden Gerätes

Info

Publication number: DE2125224C3
Application number: DE19712125224
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl.-Ing. 7153 Unterweissach Ackermann; Hanno Dipl.-Ing. 7030 Boeblingen Ix
Original assignee: FORSCHUNGSGESELLSCHAFT fur UHREN- und FEINGERAETETECHNIK E V 7000 STUTTGART
Current assignee: FORSCHUNGSGESELLSCHAFT fur UHREN- und FEINGERAETETECHNIK E V 7000 STUTTGART
Priority date: 1971-05-21
Filing date: 1971-05-21
Publication date: 1980-12-18
Also published as: DE2125224A1; DE2125224B2

Description

daß das mechanische Anzeigesystem solcher Uhren bei hoher Fortschaltsicherheit eine relativ hohe Leistungsaufnahme hat, die nur herabgesetzt werden kann, wenn eine größere Störempfindlichkeit zugelassen wird. Weiterhin ist bei den bisher bekannten S Systemen, die mit direkt gesteuerten Schrittschaltmotoren, z. B. mittels Vorrichtungen der eingangs genannten Art., direkt synchronisierten Schwingern und Motoren arbeiten, eine Anordnung notwendig, die schon innerhalb einer einzigen Fortschaltpcriode eventuelle Fehler rückgängig machen muß. Bei solchen Systemen kann die Stoßcmpfindlichkeit, z. B. bei sportlicher Betätigung, zu einer bleibenden Standabweichung führen.

Um diese Nachteile weitgehend zu beseitigen, mußten aufwendige Sonderkonstruktionen für das Anzeige- und Fortschaltsystcm vorgesehen werden, z. B. Schwingsystcmc mit hohem Encrgicinhalt, d. Ii. mit großer Amplitude und hoher Frequenz.

Diese prinzipiellen Schwierigkeiten treten, wie Versuche und praktische Ergebnisse an Tebrauchsquarzuhrcn, vor allem an Armbanduhren, gezeigt haben, bei allen bisher verwendeten elektromechanischen Antriebsarten für Anzeigesystemc auf, seien es Stimmgabel-, Blattfeder-, Unruh-Systeme, Synchronmotorcn, synchronisierte Motoren, synchronisierte Schwingungssystcme, Schrittschaltmotor oder elektromechanischc Schriltschaltwerkc. Man hat daher versucht, bei Schrittschaltwerkcn Sperrvorrichtungen einzubauen, um eine Fortschaltung durch Störungen zu verhindern. Außer der Notwendigkeit einer zusätzlichen Mechanik haben auch diese Vorrichtungen den Nachteil der Störanfälligkeit.

Durch Schüttclbcwcgungcn und Drehstöße, wie sie bei raschen Handbewegungen, beim Tcnnisspielcn, beim Wettlauf, im Fahrzeug vorkommen können, erhält man bei Uhren mit Unruhschwingungssystemen von 2,5 Hz Eigenfrequenz Fehler, verursacht vor allem durch das Prellen, entsprechend einer Standdiffcrenz innerhalb von I Minute von etwa 110 bis

— 5 Sekunden, bei einer 5-Hz-Uhr von etwa +2 bis

— 1 Sekunde. Deshalb läßt sich auch die Unruh üblicher Frequenz für Armbanduhren nicht mit der notwendigen Sicherheit direkt synchronisieren. Entsprechendes gilt für die Verwendung von direkt synchronisierten Gleichstrommotoren.

Weiterhin sind mechanische Schaltvorrichtung^ empfindlich gegen Translations- und Drehstöße, was sich insbesondere bei Armbanduhren fatal auswirken kann, wo im Gebrauch Beschleunigungen von einigen 10^Γι cm s~^!; auftreten können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gangkorrcklurvorrichlung der eingangs genannten Art zu schaffen, Oci der zwar kurzfristig Standänderungen zugelassen werden, der langzeitige Stand jedoch korrigiert wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch I angegebene Erfindung gelöst.

Bei Gebrauchsuhren muß die Ablesung der momentanen Zeit höchstens auf die Sekunde genau erfolgen, während der langzeitige Slanclfchler der Uhr möglichst klein sein soll. Die Erfindung macht sich diese Erkenntnis zunutze.

Bei der Erfindung wird das störuncmpfindlichc Frequenznormal in dieselbe Uhrcncinhcit eingebaut ^5 und mit ihr der Stand des Anzeigesystems korrigiert. Der Vorteil ist leicht ersichtlich. Selbst wenn das Anzcigesystcm durch Störungen relativ große StanddilTerenzen erfährt, so werden langzeiiige StanddilTerenzen ausgeglichen.

Auch wenn die gesamte Korrekturanordnuiig zu Regelschwingungen neigen sollte, was besonders bei Antriebssystemen hoher Güte möglich ist, so können auch diese Regelschwingungen hier — im Gegensatz zu konventionell synchronisierten Systemen — nicht zu langzeitigen StanddilTercnzen führen.

Es können also ohne weiteres viele bereits in großen Stückzahlen gefertigte Anzeigesysteme verwendet werden, die durch eine elektrisch gesteuerte Unruh, einen Motor od. dgl. angetrieben werden.

Als digitale Meßanordnung zur Ermittlung der Differenz der Anzahl von Wandler- und Normalfrcquenzimpulscn kann vortcilhafterweisc ein Vor-Rückwärts-Zähler, ein Ring-Zähler oder ein Schieberegister verwendet werden. Deren Vorteil gegenüber analogen Meßanordnungen besteht darin, daß sie bereits in integrierter Technik arf dem Markt sind und in kleinsten Abmessungen bei geringem Strombedarf und hoher Funktionssicherheit angeboten werden. Ein weiterer Vorteil dieser digitalen Meßanordnung besteht darin, daß durch Wahi einer passenden Auswertelogik in Kombination mit dem Stellglied in einfacher Weise eine Optimierung des Rcgclverhaltens der Gesamtanordnung erzielt werden kann. Dies kann z. B. dadurch erreicht werden, daß das Stellglied nur in Abhängigkeit "om Vorzeichen des Meßergebnisses gesteuert wird, oder daß zusätzlich stufenweise der Betrag des Meßergebnisses proportional, überproportional oder in anderer Weise mit zur Steuerung des Stellgliedes herangezogen wird, oder daß das Stellglied erst ab einem gewissen Mindestbetrag des Meßergebnisses in Abhängigkeit von dessen Vorzeichen gesteuert wird. Da besteht ferner noch die Möglichkeit, an den Bereichsgrenzen der Meßanordnung über das Stellglied den Antrifb des Anzcigesystcms sehr viel stärker als im Bercichsinncrcn zu beeinflussen, so daß die Einhaltung der Bereichsgrenzen mit noch größerer Sicherheit gewährleistet wird.

Alle hier gezeigten Möglichkeiten können schaltungstcchnisch rein digital und mit geringem Aufwand realisiert werden, so daß auch hier die Vorteile der Digitaltechnik zur Geltung kommen.

Ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß der Antrieb nicht nur gegenüber dem Frequenznormal mit wesentlich geringerer Genauigkeit arbeitet, sondern sogar wesentlich ungenauer arbeiten kann als bisher bekannte Uhrcnantriebc.

Das bringt besondere wirtschaftliche Vorteile bei Verwendung von relativ ungenauen Schwingungssystemen, z. B. von einer Blattfeder, einer unausgewuchteten Unruh, von freilaufenden oder drehzahlstabilisicrtcn Motoren.

Die Erläuterung der Erfindung erfolgt nunmehr an Hand eines in Jen Zeichnungen dargestellten Ausführungsbrispicls. Es zeigt

Fig. I diis Blockschaltbild einer quarzgesteuerten Armbanduhr mil geringer Leistungsaufnahme,

Fig. 2 die Ausführung von Auswertclogik, Stellglied und Antricbsschallung,

Fig. 3, 3a) bis .I?) ein Beispiel für die zeitliche Folge von Impulsen im quarzgcsteucrten System bei äußeren Störungen des elektromechanischen Wandlers,

Tabelle 3 f) die Zuordnuni; zwischen der Differenz

5 6

der Anzahl der am Hingang ties Zählers eingelrolTc- giirigcn des Vor-Rückwärls-Zählcrs zugeführt (F i g. I

ncn Impulse und den Ausgängen des Ziihlers und die und Fig. 3a). 3b). Dieser ist so ausgelegt, daß er bei

entsprechende Slcuerspannung U,. einem Impuls an f, (Quar/impulse) um eine Einheil

Wie F i g. I zeigt, steuert der interne Ouarzoszil- in negativer Richtung, bei einem Impuls an c,

lator I den Frequenzteiler 2. 5 (Molorimpulsc) um eine Einheit in positiver Rich-

Ein Vor-Rückwärts-Zählcr 4, der am Eingang von lung weiterzahlt. Hei gleichzeitigem Eintreffen von

den durch Impulsformer 3 und IO umgeformten Aus- Impulsen an r, und c, ändert sich der Zählerstand

gangsimpulsen des Teilers und den Motorimpulsen nicht.

gesteuert wird. liefert am Ausgang Dualwcrtc für die Der Zählerstand an den Ausgängen «„,«,, ri.„ «., Zahlen 0 bis 15. die von einer Auswcrtclogik mit i° des Vor-Riickwärts-Zählcrs erscheint nach Tabelle Stellglied 5 erfaßt werden und die Anti iebssdinlüing 6 3 f) als Dualzahl, wobei der logischen /- die Spanso beeinflussen, daß die Drehzahl des Motors 7 ge- nung ! "/;,„,. der logischen 0 die Spannung 0 V zuregclt wird, und damit das Anzeigewerk 8 im Mittel geordnet ist.

dem Stand des Frequenznormal* entsprich!. Das ge- Wie Tabelle 3 f) zeigt, genügt für die Auswertelogik

samlc Ouarz.ulirsystem wird von der Batlcriczcllc Il '5 die Erfassung des Ausganges a.,, da dieser für

versorgt Zählerstand 8 ... 15 in/.(- I (J₁₁,,,,), für

F ig. 2 zeigt die Ausführung von Aiiswcrlclogik. Zählerstand?... 0in0(- OV) steht.
Stellglied und Antriebssehaltiing.

Die an sich bekannte Antriebsschaltung soll hier Fi «.3 a) bis 3cf zeigt einige Größen des Quar/-wcgcn der Verständlichkeit der funktion ties Stell- 20 uhrsyslems ohne größere äußere Störung:
gliedcs kurz beschrieben werden. Der zu diesem _t q bis ί =- Γ
Zweck eingeführte Schalter .V sei hierzu geschlossen. '
Der Transistor T₁ mit dem Widerstand W₁. dem Kon- und während einer Sprungstörung:
(lensator C₁ und ilen Antriebs- und Steuerspulcn SS. _f ._ η· ^ / ₌ γ AS stellt zusammen mit dem pcrnianentmagnetisehen 25 ' ~
Läufer des Motors eine Oszillatorschaltung dar. Der bzw. das Wicdcrcinschwingcn nach der Störung:
Transistor T₁ mit dem Kondensator C, und dem ₍ _ y ^j₈ ₁ γ
Widerstand W₁ bildet eine von der induzierten Span- "' . ⁴
nung in beiden Spulen und damit eine von der Dreh- fig- 3 a) zeigt die äquidistantc Folge der Nadelzahl des Motors abhängige Vorspanniingsqiiclle für 3» impulse des Frequenznormal.

die Basis-Emittcr-Strccke ilcs Transistors T₁. Damit F i g. 3 b) zeigt die Folge der Nadclimpulsc, die aus

erreicht man eine sehr gute Drehzahlstabilisicrung den Motorimpulsen gebildet sind,

des Motors auch hei Veränderung sämtlicher Para- Der Abstand zweier Nadclimpulsc ist klein bei

meter der Anordnung durch ungewollte Einflüsse, großer Drehzahl des Motors und groß bei kleiner

Ab jetzt sei Schalter .V geöffnet. Dann funktioniert 35 Drehzahl des Motors. Ist der Zählerstand des Vor-

dic oben beschriebene Drehzahlstabilisicriinii nur. Rückwärls-Zählcrs 8 ... 15, d. h. der Digitalwert der

wenn Transistor 7_;| leitet. Sperrt T... dann steigt die Auswcrtelogik L und die Spannung des Stellgliedes

Drehzahl des Motors sehr stark an und wird nur U, -■- -I-1/ /,·„,„ dann ist die Drehzahl des Motors klein

durch die Verluste begrenzt. Diese Enddrehzahl kann (großer Abstand der Nadclimpulsc). Für Zählerstand

ein Vielfaches der bei geschlossenem Schalter .V auf- 40 0 ... 7 ist der Digitalwert der Auswcrtelogik 0,

tretenden stabilisierten Drehzahl sein. t/_s ■-■ 0 V, dann ist die Drehzahl des Motors groß

rw Γ\;«Λη D Uot r.,]„_n„,i., r:,,„ii;„„· p.·-., /7 - n\/ /1.1.,: ai„. 1 .1 ki_j_i: 1 \ D-: rii

stellt sie sicher, daß 7., sperrt, für U< — -! U₁₁₁₁₁, sorgt des Stellgliedes vom einen zum anderen Spannungs-

sic dafür, daß 7_:! erst leitend wird, wenn die Span- wert ändert sich die Drehzahl des Motors nicht

nung zwischen Null und Emitter von 7., etwas größer 45 schlagartig, sondern nach einer e-Funktion mit einer

als die Basis-Emitter-Schwcllspannung von 7., ist. Zcitkonstantc, die vom Aufbau des Motors bestimmt

Um T₁ leitend zu machen, muß das der Basis von wird.

7, abgewendetc Ende von R.. auf ! U' ,.„„ liegen Deshalb ergeben sich auch ohne größere äußere

(U_s — + Un,,,,). Transistor 7., ist eespcrrt. wenn Störungen Rcgelschwingungen kleiner Amplitude

dieses Ende auf O V liegt (('. -OV)." 50 (KT₁ und t>T_f). Im Bereich / = 7, bis t = T_i

Wie die Tawelle 3 f) des Zählerstandes zeigt, ist wurde eine äußere Sprungstörung angenommen, die

t/_s = OV, wenn der Ausgang «., des Zählers die direkt auf den Motor wirkt und innerhalb ungefähr

logische O zeigt, und U_s = 4- O₁₁₁₁₁,. wenn a„ die einer Periode des Frequenznormals fünf Vollschwin-

logische L zeigt. gunsen des Motors bewirkt. Diese Störung wird un-

Ist der Zähler, wie hier, so ausgeführt, daß die 55 gefahr bis zum Zeitpunkt t = T₄ ausgeregelt. Hier

logische O durch O V und die logische L durch zeigt sich sehr deutlich der Vorteil der erfindungs-

+ U/iatt dargestellt wird, dann reduziert sich die Aus- gemäßen Anordnung. Der Regelbereich, d. h. die

wertelogik auf eine einzige leitende Verbindung zwi- maximale Abweichung der Regelgröße (Zählerstand)

sehen α_Λ und R_x. in positiver und negativer Richtung, ohne daß ein

Wirkungsweise des in F i g. 1 und 2 dargestellten 60 Fehler auftritt, ist hier gleich dem 7fachen Abstand

Ausführungsbeispiels, die mit Hilfe der Fig. 3 er- zweier Motorimpulsc, während bei Synchronisation

läutert wird: durch herkömmliche Phasenregelung, bei optimal

Die Quarzimpulse am Ausgang des Frequenz- eingestelltem Arbeitspunkt, die Abweichung von

teiiers und die Motorimpulse werden durch Impuls- diesem höchstens gleich dem halben Abstand zweier former in Nadelimpulse umgeformt und so den Ein- 65 Motorimpulse sein darf.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Korrektur des Ganges eines zeithaltenden Gerätes, insbesondere einer batteriebetriebenen Armbanduhr, mit einem Frequenznormal, insbesondere einem quarzgesteuerten Oszillator, das über einen Frequenzteiler periodische Impulse erzeugt, die einen elektromechanischen Wandler als Antrieb des Anzeigewerks steuern, der eine gegenüber dem Frequenznormal ungenaue Eigenfrequenz aufweist und Impulse entsprechend seiner Eigenfrequenz abgibt, die seine Phasenlage gegenüber den vom Frequenznormal abgeleiteten Impulsen kennzeichnen, mit einer Meßanordnung, der die vom Wandler und die vom Frequenznormal abgeleiteten Impulse zugeführt werden und die deren Phasendifferenz ermittelt, und mit einem durch die Meßanordnung betätigten Stellglied, das je nach der ermittelten Phasendifferenz verschiedene elektrische Ausgangsignale abgibt, die den elektromechanischen Wandler in seine Eigenfrequenz so steuern, daß der Betrag der Phasendifferenz einen bestimmten Wert nicht überschreitet, dadurch gekennzeichnet, da& eine digitale Meßanordnung vorgesehen ist, die fortlaufend die Differenz der Anzahl der ihr zugeführten Impulse und damit deren gegenseitige Phasendifferenz ermittelt und die das Stellglied so betätigt, daß dieses je nach Vorzeichen der gemessenen Differenz verschiedene Ausga· gssignale abgibt, die den elektromechanirchen Wandler in seiner Eigenfrequenz derart becin^r«ssen, daß im zeitlichen Mittel die Anzahl seiner Impulse bzw. seine Phase die gleiche ist wie die der vom Frequenznormal abgeleiteten Impulse.

2. Vorrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die digitale Meßanordnung zur Ermittlung der Differenz der Anzahl von Wandler- und Normalfrequenzimpulscn und damit deren Phasendifferenz ein elektronischer Vor-Rückwärts-Zähler ist, der an seinen Eingängen mit den Impulsen vom elektromechanischen Wandler und vom Frequenznormal gesteuert wird, und an seinen Ausgängen Signale abgibt, die die genannte Differenz kennzeichnen.

3. Vorrichtung nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß die digitale Mcßanordting zur Ermittlung der Differenz der Anzahl von Wandler- und Normalimpulscn und damit deren Phasendifferenz ein elektronischer Ringzähler ist, der an seinen Eingängen mit den Impulsen vom elektromechanischen Wandler und vom Frequenznormal gesteuert wird, und an seinen Ausgängen Signale abgibt, die die genannte Differenz kennzeichnen.

4. Vorrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die digitale Meßanordnung zur Ermittlung der Differenz der Anzahl von Wand" lcr- und Normalimpulsen und damit deren Phasendifferenz ein Schieberegister ist, das an seinen Eingängen mit den Impulsen vom elektromechanischen Wandler und vom Frequenznormal gesteuert wird, und an seinen Ausgängen Signale abgibt, die die genannte Dilfcrcnz kennzeichnen.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Korrektur des Ganges eines zeithaltenden Gerätes, insbesondere einer batteriebetriebenen Armbanduhr, mit einem Frequenznormal, insbesondere einem quarzgesteuerten Oszillator, das über einen Frequenzteiler periodische Impulse erzeugt, die einen elektromechanischen Wandler als Antrieb des Anzeigewerks steuern, der eine gegenüber um Frequenznormal ungenaue Eigenfrequenz aufweist und

»o Impulse entsprechend seiner Eigenfrequenz abgibt, die seine Phasenlage gegenüber den vom Frequenznormal abgeleiteten Impulsen kennzeichnen, mit einer Meßanordnung, der die vom Wandler und die vom Frequenznormal abgeleiteten Impulse zugeführt werden und die deren Phasendifferenz ermittelt, und mit einem durch die Meßanordnung betätigten Stellglied, das je nach der ermittelten Phasendifferenz verschiedene elektrische Ausgangssignale abgibt, die den elektromechanischen Wandler in seine Eigenfrequenz so steuern, daß der Betrag der Phasendifferenz einen bestimmten Wert nicht überschreitet.

Bekannt sind Quarzarmbanduhren, die einen Quarzoszillator in Verbindung mit einem Frequenzteiler und ein direkt von den Ausgangsimpulsen des Frequenzteilers gesteuertes elcktromcchanischcs Anzeigesystem enthalten (vgl. Colloque International de Chronometrie, Paris 1969; Montre-bracelct electronique ä quartz IB 242]).

Häufig kommen bei solchen Uhren clcktromechanische Wandler >:ur Anwendung, die eine bestimmte Eigenfrequenz aufweisen. Diese Eigenfrequenz ist gegenüber der vom Quarzoszillator bestimmten Frequenz der Ausgangsimpulse des Frequenzteilers ungenau und insbesondere äußeren Einflüssen untcrworfen. Durch bekannte Vorrichtungen der eingangs genannten Art (DE-OS 16 73 781, CH-AS IO 747/67) können Gangabweichungen in relativ engen Grenzen korrigiert werden. Diese Grenzen sind dadurch gegeben, daß durch die bei diesen Vorrichtungen angewandten Phasenrcgclschlcifen nur eine Phasendifferenz zwischen Steuerimpuls und den vom Wandler erzeugten Impulsen von maximal ± 180° ausgcrcgelt werden kann. Größere Phascnabwcichun-,Ecn, durch äußere Einflüsse bedingt, worauf noch eingegangen wird, führen zu einer ständigen Gangabweichung.

Bekannt isl ferner eine Quarzarmbanduhr mil einem Zeitnormal hoher Schwingungsgüte mit Tcilcrstufcn und einem Zeitanzeiger, der die elektrischen, frcqucnzgctciltcn Signale in sichtbare Signale umwandelt. Hierbei findet eine Gangkorrckliirvorrichtung Anwendung, bei der eine mit dem Getriebe zusammenarbeitende Scheibe in bezug auf einen (über einen zusätzlichen Frequenzteiler) vom Frequcnznormal abgeleiteten Impuls zu bestimmten Zeiten (2 x in 64 see) über ein Stellglied einen Fehler von maximal einem Schritt (positiv und negativ) korrigieren kann (DE-OS 16 73 774).

Der Nachteil dieser Lösung besteht darin, daß eine aufwendige und störanfällige Kontaktannahme über cire zusätzliche Mechanik notwendig ist, wobei aber trotzdem bei hohen Armdrehbeschlcunigiingcn Fehler auftreten können, da nur ein Fehler in 32 see korrigiert werden kann. Zudem isl diese Lösung nur anwendbar bei aperiodisch arbeitenden Wandlern.

Besondere Nachteile bekannter Quarzuhrsystcmc, insbesondere Quar/arnihutuluhrcn. bestehen darin.