DE2137566A1

DE2137566A1 - Elektrisch gesteuerte Uhr

Info

Publication number: DE2137566A1
Application number: DE19712137566
Authority: DE
Inventors: Tetsuro Suwa Nagano Hama (Japan)
Original assignee: Suwa Seikosha KK
Current assignee: Suwa Seikosha KK
Priority date: 1970-07-27
Filing date: 1971-07-27
Publication date: 1972-02-03
Also published as: DE2137566B2; GB1343330A; US3742697A; FR2099617A1; CH1098271A4; FR2099617B1

Description

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.;· KABUSHIKI KAISHA SUWA SEIKOSHA

3-4, 4-chome, Ginza, chuo-ku L 9444

J Tokyo/ Japan Fl/km

Elektrisch gesteuerte Uhr

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrisch gesteuerte Uhr mit einem Schwingkristall.

Eine bekannte Uhr der eingangs genannten Art arbeitet mit einem 1-Sekunden-Signal, das einem bistabilen Schaltelement zugeführt wird, welches mit ohmschen Widerständen und Kapazitäten ausgerüstet ist. Ein Ausführungsbeispiel einer solchen bekannten elektrischen Uhr ist in Figur 1 dargestellt. Wie mit dem Pfeil angedeutet, wird ein 1-Sekunden-Signal einem bistabilen Schaltelement, einem sogenannten Flip-Flop FF, zugeleitet, das mit RC-Gliedern ausgerüstet ist. Mit Hilfe der beiden Ausgangssignale des Flip-Flops werden zwei monostabile Multivibratoren MV 1, MV 2 angesteuert, die ebenfalls RC-Glieder aufweisen. Das Signal erhält dadurch eine bestimmt e Impulsbreite und wird einer Treibertransistor-Schaltung zugeführt, die entsprechend diesen Steuersignalen einen elektrischen Strom abwechselnd durch die elektrischen Spulen L 1 und L 2 eines Wandlerelementes leitet.

Um mit Hilfe der mit RC-Glieder arbeitenden monostabilen Multivibratoren MV 1 oder MV 2 eine Impulsdauer von 15 msec zu erzielen, benötigt man bereits Bauelemente hoher Kapazität bzw. hohen Widerstandes, z.B. R= 10 Mil und C = 1500 PF.

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Es ist naturgemäss schwierig, solch grosse Bauelemente auf kleinem Raum wie beispielsweise innerhalb einer Armbanduhr, unterzubringen. Darüberhinaus ragt die Verdrahtung bei grossen Bauelementen von den elektronischen Schaltkreisen ab, was der Betriebssicherheit abträglich ist.

Mit der vorliegenden Erfindung soll eine Uhr der eingangs genannten Art zur Verfügung gestellt werden, bei der grossvolumige Bauteile vermieden sind und die entsprechend klein gebaut sein kann.

Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass der Schwingkristall eine relativ hohe Oszillatorfrequenz aufweist, für deren Teilung in Signale niedriger Frequenz ein mit Metall-Oxyd-Transistoren (MOS) arbeitender Frequenzteiler vorgesehen ist, dem ein von einem Steuersignal des Teilers schrittweise angetriebener elektro-mechanischer Wandler nachgeschaltet ist.

Aufgrund der Teilung einer relativ hohen Frequenz erhält man Signale, mit deren Hilfe Steuerimpulse bestimmter Impulsbreiten gewonnen werden können, ohne dass es raumaufwendiger Verzögerungsglieder, d.h. RC-Glieder, bedarf.

In bevorzugter Ausführung der Erfindung ist zwischen dem Frequenzteiler und dem elektro-mechanischen Wandler eine Impulsformerschaltung angeordnet, in welcher die Impulslänge der Impulse, des periodisch auftretenden Steuersignals für den Antrieb des Wandlers in Abhängigkeit von einem Signal einer der vor der Endstufe des Frequenzteilers liegenden Teilerstufen bestimmbar ist. Bevorzugt wird für diese Bestimmung der Impulslänge des Steuerimpulses für den Wandler das Ausgangesignal einer der im Teilungsablauf mittleren Teilerstufen

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vorgesehen.

Vorzugsweise wird so vorgegangen, dass die Impulslänge der Impulse des periodischen Steuersignals für den Wandler aus der logischen UND/ODER-Verknüpfung des periodischen Ausgangssignals des Frequenzteilers und einem Signal einer vor der Endstufe des Frequenzteilers liegenden Teilerstufe bestimmt ist. Die Steuerschaltung für die elektrische Uhr weist vorzugsweise einen galvanisch angekoppelten logischen Schaltkreis auf.

In besonders bevorzugter Ausführung werden die Schaltkreise mit Metalloxyd-Feldeffekt-Transistoren (MOSFET) ausgerüstet. Mit solchen Transistoren in integrierter Schaltkreistechnik erhält man ohne besondere Herstellungsschwierigkeiten eine elektrisch gesteuerte Uhr hoher Betriebssicherheit. Bei den Metalloxyd-Feldeffekt-Transistoren.wird eine statische Elektrizität durch ein aktives Element, wie einen Oxydbelag (Silizium-Oxyd-Film), auf eine Oberfläche des Halbleiters aufgebracht, ohne dass ein negatives Element, eine kapazitive Belastung, eingesetzt werden muss.

Auf diese Weise kann man eine elektrische Uhr erhalten, bei der ein Grundsignal, wie das eines Kristallgenerators, relativ hcjher Oszillatorfrequenz mit Hilfe eines Frequenzteilers in außerordentlich niedrige Frequenzen unterteilt werden kann und bei der ein elektro-mechanischer Wandler mit Hilfe dieses Sig nals gesteuert wird. Dabei wird die Form der Impulse für die Speisung des Frequenzteilers und die Steuerung des Wandlers ohne Einsatz derjüblichen Widerstände oder Kondensatoren gewon nen. Eine besonders vorteilhafte Ausführung der Erfindung er-

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i hält man dann, wenn Feldeffekt-Transistoren mit Hilfe inte— ' grierter Schaltkreistechnik zusammengefasst verwendet werden.

Eine Armbanduhr, deren Steuerung mit Hilfe integrierter Schalt-' kreistechnik von Halbleitern ausgeführt wird, kann klein gehal-j ten werden und arbeitet sehr zuverlässig. Darüherhinaus verringert sich der Herstellungsaufwand; die Uhr wird einer Massenproduktion vorteilhaft zugängig.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung wiedergegebenen Beispiele näher erläutert.
Es zeigen:

Figur 1 ein Blockschaltbild eines Steuerkreises

einer quarzkristall-gesteuerten Uhr oder dgl. bekannter Ausführung;

Figur 2 ein Blockschaltbild des Steuerkreises und j

eines elektromechanischen Wandlers eines Ausführungsbeispiels gemäss der Erfindung;

Figur 3 ein Diagramm von Antriebssignalen gemäss

der Erfindung;

Figuren 4 und 5 Schaltskizzen für das beschriebene Ausfüh- !

rungsbeispiel eines Steuerschaltkreises gemäss der Erfindung;

Figur 6 eine Einzelheit aus der Schaltung gemäss

Figur 5 in symbolischer Darstellung;

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Figur 7 ein Diagramm, mit dessen Hilfe die Her

stellung eines Steuersignals für den elektromechanischen Wandler aus zwei Frequenzen der Frequenzteilerschaltung erläutert wird.

Das in Figur 1 dargestellte Blockschaltbild einer Steuereinrichtung für ein bekanntes Ausführungsbeispiel einer elektrischen uhr wurde bereits im Zusammenhang mit den Ausführungen zum Stande der Technik erläutert.

Das in Figur 2 dargestellte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäss ausgerüsteten Uhr arbeitet mit einem Impuls- oder Schrittmotor. Der Rotor 1 ist mit Hilfe einer Dauermagnetanordnung mit sechs Polen versehen. Bei dieser Art von elektromechanischen Wandlern können die unterschiedlichsten Ausbildungen vorgesehen werden. Der Rotor 1 ist von einem Joch 2 umgriffen, welches die Antriebsspule 3 trägt. Mit 4 ist ein Rad für die Übertragung der Drehbewegung von dem Rotor 1 auf einen Sekundenzeiger 5 symbolisiert. 6,7,8 und 9 sind bipolare Treibertransistoren vom npn- und vom pnp-Typ. Die vier Transistoren sind in einer Brückenschaltung zusammengefasst, in dessen Lastzweig die Antriebsspule 3 eingeschaltet ist. Ein Steuersignal wird den Transistoren 6 und 8 gleichzeitig zugeführt, so dass ein elektrischer Strom die Antriebsspule in einer'Richtung durchfliesst. Im nächsten Augenblick wird das Steuersignal den Transistoren 7 und 9 zugeführt, worauf der elektrische Strom die Antriebsspule 3 in der entgegengesetzten Richtung durchfliesst. In diesem Ausführungsbeispiel beträgt die Impulsbreite bzw. die Impulsdauer der Steuerimpulse 15 msec, der Sekundenzeiger wird im Sekundenrhythmus arsgatrle-

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ben. In Figur 3 sind die Steuersignale der Treibertransistoren von Figur 2 in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt. Die Eingänge 1 und 2 führen dauernd positives Potential, das lediglich während des Auftretens der Steuerimpulse mit der Impulsbreite tm zu Null wird. An den Eingängen 3 und 4 liegen die entgegengesetzten Verhältnisse vor. Die Steuersignale an den Eingängen 1 und 3 treten gegenüber denen der Eingänge von 1 un 4 um eine Sekunde verschoben auf. Wird der Frequenzteiler zum Zwecke der Einstellung der Uhr mit Hilfe eines Rückstellsignales stillgesetzt und dann wieder freigegeben, so treten die Steuersignale an den Eingängen 1,2,3 und 4 im schlechtesten Fall mit einer Zeitverzögerung "td" auf. Diese Zeitverzögerung rührt daher, dass von den 15 Stufen der Frequenzteilerschaltung mit Rücksicht auf den für die Rückstellung zu treibenden Aufwand lediglich die Teilerstufen 9 bis 15 mit der Rückstellung ausgerüstet sind, während die Stufen 1 bis 8 keine solche Rückstelleinrichtung aufweisen. Da das Ausgangssignal der achten Teilerstufe 64 Hertz beträgt, tritt eine nur sehr geringe Zeitabweichung "td" von dem Zeitnormal auf, was den Benutzer der Uhr kaum stören kann.

Aus dem Blockschaltbild nach Figur 4 ist zu ersehen, dass das Ausgangssignal einer Standard-Signalquelle F mit Hilfe von Teller-Flip-Flop-Schaltkreisen F₁ bis F und F auf ein 1- ι

ι η χ j

Sekunden-Signal herabgeteilt wird. Das Signal F und ein Sig-

Ji,

nal einer vorhergehenden Teilerstufe F werden einem Komplex von Impulsformerschaltungen A, B und C zugeführt, an deren Ausgängen die Signale 1, 2, 3 und 4 auftreten, wie sie in Figur 3 dargestellt sind.

In der Impuls former schaltung A wird das Eingangssignal F hin-

sichtlich der Impulsbreite durch ein weiteres Eingangssignal F bestimmt. F_v wechselt seine Polarität ein um die andere

Π X

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Sekunde und ist Ausgangssignal einer Flip-Flop-Schaltung mit einer Periodendauer von zwei Sekunden. F ist das Ausgangssignal einer Flip-Flop-Schaltung mit 64 Hertz. Die Impulsflanken des Signals F von der Periodendauer von zwei Sekunden werden um 1/64-Sekunde ausgedehnt. Das so erhaltene Ausgangssignal ist aus Figur 7 ersichtlich. Der Impulsformerschaltung A sind die Schaltkreise B und C nachgeschaltet. Das Signal F mit der 2-Sekunden-Periodendauer und ein gegenüber diesem um 18Ο Grad phasenverschoben auftretendes, weiteres, von F_x abgeleitetes Signal werden' dem als NAND-Gatter ausgebildeten Schaltkreis B bzw. dem als NOR-Gatter ausgebildeten Schaltkreis C zugeführt, worauf man die in Figur 3 dargestellten Signale erhält.

In Figur 5 sind die Impulsformerschaltkreise A, B und C der Figur 4 durch gestrichelte Linien gegeneinander abgegrenzt dargestellt. Dabei zeigt die linke Hälfte des Schaltkreises B einen NAND-Schaltkreis und die rechte Hälfte einen NEGIER-Schaltkreis. Der Schaltkreis C besteht in der linken Hälfte aus einem NOR-Schaltkreis und in der rechten Hälfte aus einer NEGIER-Schaltung.

■ Wie in Figur 6 dargestellt, enthält der Teil A der Schaltung

der Figur 5 ein als Übergabeschalter arbeitendes Transmissions- ; Gatter mit den Anschlüssen 1, 2 und 3, weiterhin einen ΝΑΝΟΙ Schaltkreis 4 und eine NEGIER-Schaltung 5. Dem Anschluss 1 des Transmissions-Gatters wird das Signal F mit der 2-Sekunden-Periodendauer zugeführt, während dem Anschluss 3 das 32 Hz-Signal F_n und das dazu invertierte Signal F" zugeleitet wird. Es wird ein um die Zeit "tm" verzögertes Ausgangssignal F_xD erhalten, wie dies Figur 7 zeigt.

Werden das Signal F_x und das F"^ in einem AND-Schaltkreis ver-

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knüpft, so erhält man das Eingangssignal 3, wie dies im oberen Teil B in Figur 5 dargestellt ist. Werden andererseits F" und F _n einem AND-Schaltkreis zugeführt, so erhält man

X XU

das Signal des Einganges 4, wie das der untere Teil B in Figur 5 zeigt. Darüberhinaus werden die Signale der Eingänge 1 und 2 durch die Schaltungsteile C der Figur 5 nach den folgenden schaltalgebraischen Gleichungen erreicht, wobei das Signal des Einganges 1 die Negation der logischen Multiplikation der Signale Ρ_χ und F^ (F_x 7 F^ ).

= F

= F X

Auf gleiche Weise erhält man das Signal des Ausganges 2.

= F + F X X

Die verwendeten Transistoren bestehen aus verbesserten Metall-Oxyd-Halbleiter-Element-Feldeffekt-Transistoren (MOS-FET). Der N-Kanal des MOST öffnet, wenn die Spannung der Gatterelektrode einen hohen Wert aufweist, während der P-Kanal des MOST einschaltet, sobald die Spannung der Gatterelektrode einen niedrigen Wert annimmt.

Wie vorstehend erläutert, kann gemäss der Erfindung, ohne einen Widerstand oder einen Kondensator als Verzögerungselement zu benutzen, annähernd jede Impulsbreite dadurch erreicht werden, dass statt der Teilerfrequenz F_n der Figur 4 Teilerfrequenzen von F_n-I oder +1 verwendet werden. Darüberhinaus können Strom-

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j impulse abwechselnder Richtungen mit ausseroräentlich nledri-I ijer Frequenz jeweils die gesamte Elektromagnetspule des Wandlers durchs.trOmen, und zwar dadurch-, dass die Treiberschaltung ; vier Transistoren in Brückenschaltung aufweist, in deren -Last- ,

zweig die Elektromagnetspule eingeschaltet ist, wie dies "Fl-ί gur 2 zeigt. Der mit einem mehrpoligen Impulsmotor ausge-ί xiüstete .Wandler des Ausführungsbeispiels nach Figur 2 kann in ] vorteilhafter Weise für eine kristallgesteuerte Armbanduhr 1 mit mi-edrigsr elektrischer Energie bei hoher Genauigkeit und

Betriebssicherheit angetrieben werden. Durch Einsatz der Infcej grierten Halbleiter-Schaltkreistechnik kann eine,sehr betriebs- : sichere und raumsparende Ausbildung des Antriebes erfolgen.

Eine praktische Ausführung des vorstehend geschilderten Beispiels nach der Erfindung arbeitet mit einer Oszillatorfrequenz ] von 16,385 kHz, die mit Hilfe eines 15-stuflgen-Flip-Flop- - Teilerschaltkreises in ein 2-Sekunden-Signal, d.h. ein Signal der Frequenz 0,5 Hz, heraantergeteilt wird.

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Claims

D.pl.-Ing. Heim lesser. Patentanwalt ü -8 ^CmJie». 8ⁿ Coi.martrafce 81 Telefon- (08Π) 48?820

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PATENTANSPRÜCHE

Elektrisch gesteuerte Uhr mit einem Schwingkristall, dadurch gekennzeichnet , dass der Schwingkristall eine relativ hohe Oszillatorfrequenz aufweist, für deren Teilung in Signale niedriger Frequenz ein mit Metall-Oxyd-Halbleiter-Transistoren (MOS) arbeitender Frequenzteiler vorgesehen ist, dem ein von einem Steuersignal des Teilers schrittweise angetriebener elektromechanischer Wandler nachgeschaltet ist.
2. Uhr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass zwischen dem Frequenzteiler und dem elektromechanischen Wandler eine Impulsfοrmerschaltung angeordnet ist, in welcher die Impulslänge der Impulse des periodisch auftretenden Steuersignals für den Antrieb des Wandlers in Abhängigkeit von einem Signal einer der vor der Endstufe des Frequenzteilers liegenden Teilerstufen bestimmbar ist.
3. Uhr nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeich net , dass zur Bestimmung der Impulslänge des Steuerimpulses für den Wandler das Ausgangssignal einer der im Teilungsablauf mittleren Teilerstufen vorgesehen ist.
4. Uhr nach einem oder beiden der Ansprüche 2 und 3 ,dadurch gekennzeichnet, dass die Impulslänge der Impulse des periodischen Steuersignals für den Wandler aus der logischen UND/ODER-Verknüpfung des periodischen Ausgangssignals des Frequenzteilers und einem Signal einer vor der Endstufe des Frequenzteilers liegenden Teller-

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stufe bestimmt ist.
5.Uhr nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die Steuerschaltung einen galvanisch angekoppelten logischen Schaltkreis aufweist.
6.Uhr nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die Steuerschaltkreise mit Metall-Oxyd-Halbleiter-Feldeffekt-Transistoren (MOSFET) in integrierter Schaltkreistechnik ausgerüstet sind.
7.Uhr nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass der elektromechanische Wandler als Schrittmotor ausgebildet ist.
8.Uhr nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass zwischen der Impulsformerschaltung und dem elektro-mechanischen Wandler eine Treiberschaltung aus vier Transistoren vorgesehen ist, die in Brückenschaltung miteinander verbunden sind, wobei eine Antriebsspule des Wandlers in den Brückenquerzweig eingeschaltet ist.

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