DE2611319A1

DE2611319A1 - Schrittschaltmotor fuer eine elektronische uhr

Info

Publication number: DE2611319A1
Application number: DE19762611319
Authority: DE
Inventors: Takayasu Machida; Fumio Nakajima; Kenji Yamada
Original assignee: Citizen Watch Co Ltd
Current assignee: Citizen Watch Co Ltd
Priority date: 1975-09-25
Filing date: 1976-03-17
Publication date: 1977-04-07
Also published as: CH616051B; GB1539989A; US4066947A; DE2611319B2; MY8300249A; CH616051GA3; HK34082A; JPS5239111A; DE2611319C3

Description

PATENTANWÄLTE A. GRUNECKER

Dl PL-ING.

H. KINKELDEY

DR-ING

W. STOCKMAIR

OR-IMa-ZwEICALTECH)

K. SCHUMANN

_m DRRERNAt-DlPL-PHYS.

P. H. JAKOB

DlPL-ING.

G. BEZOLD

OR RERNAT- DFL-CHEM.

MÜNCHEN E. K. WEIL

DR RER OEC INCl

LINDAU

8 MÜNCHEN 22 vaximilianstrasse; 43

P 10 033 17. März 1976

Citizen Watch Company Limited

No. 9-18, 1-chome, Nishishinjuku, Shinjuku-ku, Tokyo, Japan

Schrittschaltmotor für eine elektronische Uhr

Die Erfindung betrifft einen Schrittschaltmotor für eine elektronische Uhr mit einem Rotor aus einem Permanentmagneten und mit einem Stator, der eine Antriebswicklung und zwei Stator-polstücke enthält, die durch Luftspalte voneinander getrennt sind.

Allgemein bezieht die vorliegende Erfindung sich auf Schrittschaltmotoren, und insbesondere auf einen umschaltbaren Schrittschaltmotor, der bei einer elektronischen Uhr eingesetzt werden kann.

Schrittschaltmotoren, die auch als Impulsmotoren bezeichnet werden, können aufgrund der Einführung von digitalen Impulstechniken in zunehmendem Maße auf industriellenAnwendungsgebieten eingesetzt werden. Ein

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TELEFON (OB9) 22 28 62 TELEX OS-2938O TELEGRAMME MONAPAT

typisches neues Anwendungsgebiet sind die elektronischen Uhren mit elektromechanischen Zeitmeßbewegungen, die durch die' Schrittschaltmotoren angetrieben werden. Solche Motoren laufen in einer Richtung und drehen sich üblicherweise um 180 pro Eingangsimpuls. Im allgemeinen weist der Schrittschaltmotor einen Rotor und einen Stator auf, der mit einer Antriebswicklung versehen ist. Der Stator enthält zwei polstücke, die voneinander in Bezug auf eine Mittelachse zwischen den polstücken verschoben oder versetzt sind. Bei diesem Aufbau bereitet jedoch der Zusammenbau und die Montage der Stator—polstücke Schwierigkeiten, so daß der stabile Betrieb des Rotors nicht sichergestellt ist. Bei einer anderen Ausführungsform sind die Stator-polstük— ke einstückig miteinander ausgebildet und werden durch Stanzen bzw. Prägen geformt. Dabei ist jedoch ein komplizierter stempel für die spezifischen Stator—Pol— stücke erforderlich. Darüberhinaus.kann ein Schrittschaltmotor dieses Typs sich aufgrund seines Aufbaus nicht in der umgekehrten Richtung drehen.

Außerdem sind bereits mehrere Typen von umschaltbaren Schrittschaltmotoren vorgeschlagen worden, die in elektronischen uhren eingesetzt werden können, jeder dieser Schrittschaltmotoren weist im allgemeinen mehr als drei Stator—Polstücke und zwei Antriebswicklungen auf, so daß sich der Raumbedarf für die Unterbringung der einzelnen Bauteile erhöht; sie sind deshalb nicht für den Einbau in elektronischen Uhren geeignet, bei denen nur sehr wenig Raum für die unterbringung der Bauteile des Schrittschaltmotors zur Verfügung steht. Außerdem wird ein Schrittschaltmotor dieses Typs durch Vierphasen-Impulse angetrieben, so daß die Treiberschaltung zwangsläufig einen sehr komplizierten Aufbau hat.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Schrittschaltmotor der angegebenen Gattung zu schaffen,

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bei dem die oben zusammengestellten Nachteile nicht auftreten·

Diese Aufgabe wird bei einem Schrittschaltmotor der angegebenen Gattung dadurch gelöst, daß die Stator-polstücke Bereiche aufweisen, die eine maximale Fluß-Reluktanz auf einer Achse in einem winkel von 60 bis 90 in Bezug auf eine Mittellinie der Luftspalte zwischen den Stator-polstücken bilden, während eine Achse des statischen Gleichgewichtes für den Rotor in einem winkel von 0 bis 30 angeordnet ist, wobei die Phasendifferenz zwischen dem Antriebs-Drehmoment und der auf den Rotor ausgeübten Anziehungskraft bei einer normalen Drehung des Rotors im Bereich von 60 bis 9o um einen elektrischen Winkel und bei einer umgekehrten Drehung des Rotors im Bereich von 90 bis 120 liegt.

Die Erfindung schafft also einen Schrittschaltmotor, der in einer elektronischen Uhr eingesetzt werden kann; dabei ist der Rotor auf einer Achse des statischen Gleichgewichts in einem Winkel von 0 bis 30 in Bezug auf eine Mittellinie der Luftspalte zwischen den Stator—polstücken stabil. Die Beziehung zwischen den Stator-Pols tücken und dem Rotor ist so ausgelegt, daß die Phasendifferenz zwischen dem Antriebs-Drehmoment und der auf den Rotor ausgeübten Anziehungskraft bei einer normalen Drehung des Rotors im Bereich von 60 bis 90 um einen elektrischen winkel und.-bei einer umgekehrten Drehung des Rotors im Bereich von 90 bis 120 liegt.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden, schematischen zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines herkömmlichen Schrittschaltmotors, wie er in einer

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(ρ

elektronischen Uhr eingesetzt wird;

Fig. 2 eine schematische Ansicht eines weiteren herkömmlichen Schrittschältmotors, wie er in einer elektronischen uhr eingesetzt wird;

Fig. 3 eine schematische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines schrittschalt— motors nach der Erfindung;

Fig. 4A bis 4c Ansichten zur Erläuterung der Funktionsweise des in Fig. 3 gezeigten Schrittschaltmotors;

,ffig. 5a bis 5c ähnliche Ansichten wie die Fig.4A bis 4c, jedoch einer anderen Betriebsweise des in Fig. 3 gezeigten Schrittschaltmotors;

Fig. 6 ein Blockschaltbild einer elektrischen Schaltungsanordnung für eine elektronische Uhr mit einer Treiberschaltung für den in Fig. 3 gezeigten Schrittschaltmotor;

Fig. 7 im einzelnen ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der in Fig· 6 gezeigten Treiberschaltung;

Fig. 8 und 9 Wellendiagramme verschiedener impulse, die in der in Fig. 7 gezeigten Treiberschaltung erzeugt werden;

Fig. lOA eine graphische Darstellung des elektrischen Stroms, der durch den in Fig. 3 gezeigten Schrittschaltmotor während der normalen Drehung seines Rotors genutzt wird;

Fig. lOB eine graphische Darstellung der Ände—

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rungen des Drehwinkels des Rotors, der durch den elektrischen Strom gedreht wird, dessen verlauf in Fig· 1OA dargestellt ist;

Fig. llA eine ähnliche Ansicht wie Fig. 10A, jedoch mit dem verlauf des elektrischen Stroms, der durch den in Fig. 3 gezeigten Schrittschaltmotor während der umgekehrten Drehung des Rotors genutzt wird;

Fig. llB· eine ähnliche Ansicht wie Fig. lOB, jedoch mit den Änderungen des Drehwinkels des Rotors, der durch den elektrischen Strom gedreht wird, dessen verlauf in Fig. dargestellt ist;

Fig. 12 ein Drehmoment-Diagramm zur Erläuterung des Bewegungsablaufs des in Fig. 3 gezeigten Schrittschaltmotors während der normalen Drehung;

Fig. 13 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 12, jedoch mit einer Darstellung des Drehmoment-Diagramms bei der umgekehrten Drehung des Rotors;

Fig. 14 eine schematische Ansicht einer modifizierten Ausführungsform des in Fig. 3 gezeigten Schrittschaltmotors;

Fig. 15 eine schematische Ansicht einer weiteren modifizierten Ausführungsform des in Fig.3 gezeigten Schrittschaltmotors; und

Fig. 16 eine schematische Ansicht einer weiteren modifizierten Ausführungsform des in Fig.3 gezeigten Schrittschaltmotors·

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In Fig. 1 ist schematisch ein Ausführungsbeispiel eines herkömmlichen Schrittschaltmotors dargestellt, der bei einer elektronischen Uhr eingesetzt wird. Wie sich dieser Figur entnehmen läßt, weist der Schrittschaltmotor einen Läufer bzw. Rotor 10 aus einem Permanentmagneten und einen Ständer bzw. Stator 12 auf, der Ständer-Pol— stücke 14 und 16 des Stators enthält, die von einer Antriebsspule bzw. Antriebswicklung 18 angetrieben werden. Die polstücke 14 und 16 des Stators sind so angeordnet, daß die Mittelpunkte der Krümmungsradien voneinander um die Strecke ^t versetzt sind, so daß der Rotor 10 auf einer Achse A-A^f des statischen Gleichgewichtes stabil sein kann. Demzufolge wird der Rotor 10 durch Anlegen von Wechselstromimpulsen an die Antriebswicklung 10 in einer einzigen, bestimmten Richtung gedreht und kann sich nicht in der umgekehrten Richtung drehen. Ein weiterer Nachteil dieser herkömmlichen Ausgestaltung liegt darin, daß es schwierig ist, die. polstücke des Stators mit hoher Genauigkeit zusammen zubauen und zu montieren.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eine herkömmlichen, reversiblen bzw. umschaltbaren Schrittschaltmotors. Wie sich dieser Figur entnehmen läßt, weist der umschaltbare Schrittschaltmotor einen Rotor 2Ό und einen Stator 22 auf. Der Stator enthält vier polstücke 30 und 32, die sich teilweise überlappen und magnetisch miteinander durch Schrauben 34 verbunden sind. Jedes polstück wird von einer Antriebswicklung 36 getrieben, die um einen Teil bzw. Bereich des Polstücks "gewickelt ist. Durch diesen Aufbau kann der Rotor 20 in der normalen oder umgekehrten Richtung gedreht werden, indem an die Antriebswicklungen 36 Vierphasen—Impulse angelegt werden. Bei diesem Aufbau tritt jedoch der Nachteil auf, daß der Schrittschaltmotor aufgrund seiner Konstruktion relativ groß ist. Ein Schrittschaltmotor dieses Typs ist deshalb nicht für den Einsatz in einer elektrischen bzw. elektronischen Uhr, wie beispielsweise einer Armbanduhr

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geeignet, bei dem nur ein äußerst kleiner Raum für die Unterbringung, und Montage des Schrittschaltmotors zur Verfügung steht·

Mit der vorliegenden Erfindung soll deshalb ein verbesserter Schrittschaltmotor geschaffen werden, der einen einfachen Aufbau hat und leicht herzustellen ist. Eine bevorzugte Ausführungsform eines Schrittschaltmotors, der diese Bedingungen erfüllt, ist in Fig. 3 dargestellt· Bei dieser Ausführungsform weist der Schrittschaltmotor einen Rotor 40 aus einem Permanentmagneten auf, der drehbar in einem durch einen Stator 44 gebildeten Luftspalt 42 angeordnet ist. Der Stator 44 weist polstücke 46 und 48 auf, die magnetisch miteinander durch ein magnetisch leitendes, längliches Teil 49 verbunden sind. Eine Antriebswicklung 50 ist um das magnetisch leitende, längliche Teil 49 gewickelt und wird auf eine Weise erregt, die im folgenden im einzelnen beschrieben werden soll. Die polstücke 46 und 48 des Stators haben nach innen gerundete Umfange 46a bzw. 48a, die symmetrisch in Bezug auf die Mittellinie Y-Y' der Luftspalte 52 und 52' zwischen den polstücken 46 und 48 des Stators sind. Gemäß einem wesentlichen Merkmal der vorliegenden Erfindung weisen die polstücke des Stators Bereiche auf, die eine maximale Reluktanz bzw. einen maximalen magnetischen Widerstand des magnetischen Flusses auf einer Achse in einem Winkel von 60 bis 90° in Bezug auf die Mittellinie Y-Y' der Luftspalte 52 und 52» zwischen den polstücken des Stators bilden, wodurch eine Achse des stabilen Gleichgewichtes für den Rotor in einem Winkel von 0 bis 30 liegt· Als Ergebnis hiervon liegt die phasendifferenz zwischen dem Antriebs-Drehmoment und der auf den Rotor ausgeübten Anziehungskraft bei einer normalen Drehung des Rotors um einen elektrischen Winkel im Bereich von 60 bis 90 , während sie bei einer umgekehrten Drehung des Rotors im Bereich von 90 bis 120° liegt, im einzelnen weisen die polstücke 46 und 48 des

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Stators ausgeschnittene Bereiche 46b bzw. 48b auf einer Achse V-V^f auf, die in einem vorher bestimmten Winkel ß in Bezug auf die Mittellinie Y-Y¹ angeordnet ist; der Winkel ß liegt zwischen 60 und 90 · Durch diese Anordnung ist der Rotor 20 auf einer Achse Z-Z¹ des statischen Gleichgewichts in einem Winkel GL stationär, der in Bezug auf die Mittellinie Y-Y¹ zwischen 0 und 30° liegt. Die Achse Z-Z¹ fällt mit den punkten 54 und 54^r des statischen Gleichgewichtes zusammen, die an den Polstücken 46 bzw. 48 des Stators vorgesehen sind.

Fig. 6 stellt ein Blockschaltbild einer elektronischen Uhr dar, bei welcher der Schrittschaltmotor nach der vorliegenden Erfindung verwendet wird; diese elektronische Uhr verwendet einen Quarzkristall als schwingendes Element. Die elektronische uhr weist ein Frequenznormal 60 mit einem Quarzkristall (nicht dargestellt), einen Frequenzteiler 62, eine wellen— bzw. impulsformer— Schaltung 64 und eine Treiberschaltung 66 auf, die mit einem Steuerschalter 68 und der Antriebswicklung 50 des Schrittschaltmotors verbunden ist. Wie in Fig. 7 dargestellt ist, enthält die Treiberschaltung 66 ein erstes und ein zweites NAND-Glied 70 und 72. Das erste NAND-Glied 70 empfängt an einem Eingang einen Taktimpuls /6^, der von der Wellenformerschaltung 64 weitergegeben wird; die Wellenformerschaltung 64 läßt weiterhin einen Taktimpuls /δ« durch, der auf einen Eingang des zweiten NAND-Gliedes 72 geführt wird. Das Ausgangssignal f des NAND-Gliedes 70 wird auf einen Rücksetzeingang eines ersten Füp-Flops 74 und durch ein ODER-Glieder 78 auf einen Setzeingang eines zweiten Flip-Flops 76 gegeben. Das · Ausgangssignal g des zweiten NAND-Gliedes 72 wird auf den Setzeingang des ersten Flip-Flops 74 und durch das ODER-Glied 78 auf den Setzeingang des zweiten Flip-Flops 76 geführt. Ein Rücksetzeingang des zweiten Flip-Flops 76 ist mit dem Steuerschalter 68 verbunden. Der Steuerschalter 68 weist einen stationären Kontakt 80, der mit der positiven Klemme 82 einer Energiequelle ver—

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bunden ist, einen·Stationären Kontakt 84, der mit der geerdeten Seite der Energiequelle verbunden ist, und einen beweglichen Kontaktarm 86 auf, der mit jedem der beiden stationären Kontakte 80 und 84 in Eingriff gebracht werden kann. Das Ausgangssignal b der Seite ¹¹F" des ersten Flip-Flops 74 wird auf einen Eingang eines dritten NAND-Gliedes 88 gegeben. Das Ausgangssignal a der Seite "F" des zweiten Flip-Flops 76 wird auf einen weiteren Eingang des dritten NAND-Gliedes 88 und auf einen Eingang eines vierten NAND-Gliedes 90 geführt. Das Ausgangssignal d des dritten NAND-Gliedes 88 wird auf einen weiteren Eingang des ersten NAND-Gliedes 70 gegeben. Der Ausgang e des vierten NAND-Gliedes 90 ist mit einem weiteren Eingang des zweiten NAND-Gliedes 72 verbunden. Der Ausgang f des ersten NAND-Güedes 70 ist außerdem mit einem invertierenden Verstärker 92 gekoppelt, der mit der Antriebswicklung 50 des Schrittschaltmotors verbunden ist; weiterhin ist aauch der Ausgang g des zweiten NAND-Gliedes 72 durch einen invertierenden verstärker 94 mit der Antriebswicklung 50 gekoppelt·

Bei diesem Aufbau wird der bewegliche Kontaktarm 86 des Steuerschalters 68 normalerweise in Berührung mit dem stationären Kontakt 80 gehalten, der mit der positiven Klemme 82 der Energiequelle verbunden ist. Unter diesen Bedingungen hat das Ausgangssignal a des zweiten Flip-Flops 76 einen niedrigen Wert, während die Ausgangssignale d und e des dritten und vierten NAND-Gliedes 88 und 90 einen hohen Wert haben. Bei diesem Beispiel werden die Ausgangssignale f und g des · ersten und zweiten NAND-Gliedes 70 und 72 abwechselnd an die Antriebswicklung 50 des Schriitschaltmotors angelegt, der demzufolge in einer normalen Richtung gedreht wird, wie im folgenden im einzelnen beschrieben werden soll.

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Wenn im Gegensatz hierzu der Kontaktarm 86 im Zeitpunkt t. in Berührung mit dem stationären Kontakt 84 gebracht wird, der mit der geerdeten Seite der Energiequelle verbunden wird, nimmt das Ausgangssignal a des zweiten Flip-Flops 76 einen hohen Wert an, wie in Fig. 8 dargestellt ist· Da bei diesem Beispiel das Ausgangssignal b des ersten Flip-Flops 74 in Abhängigkeit von dem Eingangsimpuls 0₂, der vor dem Zeitpunkt t- angelegt wurde, einen hohen wert hat, wird das Ausgangssignal d des dritten NAND-Gliedes 88 klein, so daß das erste NAND-Glied 70 gesperrt ist· Da andererseits das Ausgangssignal c des ersten Flip-Flops 74 einen kleinen wert hat, ist das Ausgangssignal e des NAND-Gliedes 90 auf einem hohen Wert. Der Taktimpuls jöp wird also durch das zweite NAND-Glied 72 torgesteuert und dadurch invertiert· Der zweite Flip—Flop 76 wird in Abhängigkeit von dem invertierten impuls jo_? rückgesetzt, und das Ausgangssignal a des zweiten Flip-Flops 76 nimmt einen niedrigen Wert an. Deshalb wird das Ausgangssignal d des dritten NAND-Gliedes 88 hoch, so daß der Taktimpuls P^. durch das erste NAND-Glied 70 torgesteuert wird. Wenn also der Steuerschalter zum Zeitpunkt t,- mit der geerdeten Seite der Energiequelle verbunden ist, wird der Antriebsim— puls jop aufeinanderfolgend innerhalb einer vorher bestimmten Zeitspanne an die Antriebswicklung 50 des Schrittschaltmotors angelegt, wie es durch das wellen- bzw. Ilupulsdiagramm g in Fig. 8 dargestellt ist. Anschließend werden die Antriebs impulse /6^ und £>„ abwechselnd zu der Antriebswicklung 50 geführt, so daß der Rotor in die umgekehrte Richtung gedreht wird, wie im einzelnen im folgenden beschrieben werden soll·

Wenn der Kontaktarm 86 des Steuerschalters 68 im Zeitpunkt tp in Berührung mit dem stationären Kontakt 84 gebracht wird, der mit der geerdeten Seite der Energiequelle verbunden ist, wie in Fig· 9 dargestellt ist, so nimmt das Ausgangssignal a des zweiten Flip-Flops 76 einen hohen wert an· Da gleichzeitig das Ausgangssignal c des ersten Flip—Flops 74 in Abhängigkeit von dem Ausgangs—

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signal f des ersten NAND-Gliedes 70, das vor dem Zeitpunkt tp auf -den ersten Flip-Flop 74 gegeben wird, hoch wird, nimmt das Ausgangssignal e des vierten NAND-Gliedes 90 einen niedrigen Wert an und das zweite NAND-Glied 72 wird gesperrt, wie in Fig. 9 durch die Wellenform g angedeutet wird. Da andererseits das Ausgangssignal b des ersten Flip-Flops 74 niedrig ist, ist das Ausgangssignal d des dritten NAND-Gliedes 88 hoch, so daß der Taktimpuls jo. durch das erste NAND-Glied 70 torgesteuert wird. Das Ausgangssignal des ersten NAND-Gliedes 70 wird durch die Wellenform f in Fig. 9 dargestellt. Der zweite Flip—Flop 76 wird in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal f des ersten NA'iD-Gliedes 70 zurückgesetzt, und das Ausgangssignal a hat einen niedrigen Wert, so daß der Taktimpuls j6» durch das zweite NAND-Glied torgesteuert wird. Dabei wird also der Antriebsimpuls /ό. aufeinander folgend innerhalb einer vorher bestimmten Zeitspanne an die Antriebswicklung 50 des Schrittschaltmotors angelegt, wie es durch das Wellendiagramm f in Fig. 9 gezeigt wird. Anschließend werden die Antriebs impulse jb^ und f>~ abwechselnd an die Antriebswicklung 50 angelegt, wodurch der Rotor, der in die umgekehrte Richtung gedreht worden war, sich nun in die normale Richtung drehen kann, wie es im einzelnen im folgenden beschrieben werden soll.

Fig. lOA zeigt eine graphische Darstellung des elektrischen Stroms, der während seiner normalen Drehung von dem Schrittschaltmotor verwendet wird. Fig. lOB zeigt eine Kurve,die einen Drehwinkel des Rotors des Schrittschaltmotors angibt, wenn der elektrische Strom dem Rotor so zugeführt wird, wie es in Fig. lOA dargestellt ist.

Fig. llA zeigt eine graphische Darstellung des elektrischen Stroms, der von dem Schrittschaltmotor während seiner umgekehrten Drehung genutzt wird. Fig. llB stellt

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einen Drehwinkel des Rotors des Schrittschaltmotors dar, wenn ihm der elektrische Strom so zugeführt wird, wie es in Fig. llA dargestellt ist.

Fig. 12 zeigt ein Drehmoment-Diagramm, bei dem der Drehwinkel des Rotors des Schrittschaltmotors während seiner normalen Drehung aufgetragen ist. in Fig. 12 gibt die Kurve P- das Antriebs-Drehmoment an, während eine Kurve T- eine Anziehungskraft angibt, die an den Rotor des Schrittschaltmotors angelegt wird.

Fig*. 13 zeigt eine Drehmoment-Kurve, in welcher der Drehwinkel des Rotors des Schrittschaltmotors während seiner umgekehrten Drehung aufgetragen ist. In Fig. 13 stellt die Kurve p„ das Antriebs-Drehmoment dar, während die Kurve T₂ die Anziehungskraft darstellt, die auf den Rotor des Schrittschaltmotors ausgeübt wird.

Üblicherweise wird die Bewegungsgleichung eines umschaltbaren Schrittschaltmotors, der einen permanentmagnet" — Rotor verwendet, in folgender Weise ausgedrückt:

2
J . + μ = A(O)Kt) - Τ(2Θ· +ο/-) - jp (θ·)...(1)

+ Pi(t) 3 E (2)

dabei bedeuten: J = Trägheitsmoment des Rotors

μ s= Fluidwiderstands-Koeffizient A = Drehmoment-Koeffizient oder Koeffizient der elektromechanischen Verbindung, der sich als Faktor von ö ändert;

T β Anziehungskraft zwischen dem Stator und dem Rotor, die sich als ein Faktor von 2 Θ ändert; Θ- = Drehwinkel des Rotors; i (t) = Antriebsstrom

L = Induktivität der Antriebswicklung des Schrittschaltmotors;

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E = Vorspann— bzw. Steuerstrom; Oi_ = Phasenwinkel der Anziehungskraft T in Bezug auf die Mittellinie der Spalte der Stator-polstücke; und Θ- = Last-Drehmoment·

Der Koeffizient der elektromechanischen Verbindung und die Anziehungskraft des Schrittschaltmotors, der bei der elektronischen Uhr verwendet wird, werden üblicherweise durch die Mittellinie der Luftspalte zwischen den Stator-polstücken auf folgende Weise ausgedrückt:

A(e> = Ao sin (Θ- + —-) (3)

Τ(2θ· + oc) = το sin (2O- + oC) . .· (4)

P = A(O)i(t) = AO sin (& + -4p)-i(t) .. (5)

Dabei ist P = Antriebs-Drehmoment.

Die Kurven für τ und ρ sind in den Figuren 12 und 13 dargestellt, wie bereits oben erwähnt wurde, während der normalen Drehung des Rotors wird der Unterschied θο in den Phasen zwischen der Anziehungskraft τ und dem Antriebs—Drehmoment P ausgedrückt durch θο = - — OL » Während der umgekehrten Drehung des Rotors wird der Unterschied θο' in den Phasen zwischen der Anziehungskraft T und dem Antriebs-Drehmoment P ausgedrückt durch Θο' a -- ■- +ο*.. Da der Rotor stabil ist, wenn

T=O ist, stellt das Symbol »e^»» einen Winkel des statischen Gleichgewichts relativ zu der Mittellinie der Luftspalte zwischen den Stator-polstücken dar· Dabei wird darauf hingewiesen, daß die Summe von Θ-ο und gleich einem Wert77_fist·

Im folgenden soll die Funktionsweise des in Fig· 3 dargestellten Schrittschaltmotors im einzelnen beschrieben werden·

Bei einer normalen Drehung des Rotors ist der Rotor 4o

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zu Beginn unter der Bedingung stationär, daß die Nord— und Südpole des Rotors 40 mit der Achse Z-Z' des statischen Gleichgewichtes ausgerichtet sind, welche die Punkte 54 und 54' des statischen Gleichgewichtes kreuzt. Der Punkt 54 des statischen Gleichgewichtes entspricht einem Punkt A in Fig· 12, während der punkt 54» des statischen Gleichgewichtes einem Punkt E in Fig· 12 entspricht· in dieser Lage wird der impuls jo^ an die Antriebswicklung 50 des Schrittschaltmotors angelegt, so daß das polstück 46 des Stators erregt wird und als Nordpol dient, während das polstück 48 des Stators erregt wird und als Südpol dient· Unter dieser Bedingung wird der Nordpol des Rotors 40 durch die Nord-Polarität des Polstücks 46 zurückgestoßen und durch die Süd-Polarität des polstücks 48 angezogen. Gleichzeitig wird der Südpol des Rotors 40 durch die Süd—Polarität des polstücks 48 zurückgestoßen und durch die Nord-polarität des polstücks 46 angezogen. Als Ergebnis hiervon wird der Rotor 40 in der normalen Richtung gedreht, das heißt, im Uhrzeigersinn, wie es in Fig. 4b dargestellt ist· Das auf den Motor 40 ausgeübte Drehmoment wird positiv, nachdem der Rotor 40 in eine Lage gedreht worden ist, in der der Nordpol des Rotors mit der Achse W-W ausgerichtet ist, welche den Punkt 58' kreuzt; dieser punkt 58» entspricht einem punkt B in Fig. 12, in dem T^ = 0. Der Rotor 40 wird deshalb weiter in eine Lage gedreht, in der der Nordpol des Rotors mit der Achse Z—Z^f des statischen Gleichgewichtes ausgerichtet ist, die den Punkt 54' kreuzt; dieser punkt 54» entspricht dem Punkt E in Fig. 12. Sogar dann, wenn die Zuführung des Impulses fi* zu der Antriebswicklung 50 unterbrochen wird, bevor der Nordpol des Rotors 40 den Punkt B in Fig. 12 erreicht, kann sich der Rotor 40 aufgrund seiner kinetischen Energie drehen, wenn die impulsdauer so festgelegt wird, daß sich der Rotor durch die Kraft, welche das entgegenwirkende Drehmoment überwindet, weiter in Richtung auf den punkt B in Fig. 12 drehen kann.

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Obwohl die untere Grenze der impulsdauer dadurch bestimmt wird, daß die kinetische Energie des Rotors an dem Punkt B in Fig. 12 Null ist, sollte die impulsdauer etwas größer als die untere, oben erwähnte Grenze sein, um das Last-Drehmoment zu überwinden. Für die obere Grenze der Impulsdauer besteht kein Beschränkung, weil die Anziehungskraft T^ im positiven Bereich liegt und der Motor dazu neigt, sich an dem Punkt D, in dem die summe des Antriebs— Drehmomentes P^ und der Anziehungskraft T* Null ist, in der normalen Richtung zu drehen; trotzdem sollte die Impulsdauer beispielsweise auf die Größenordnung von 16 Millisekunden eingestellt werden, um den Energieverbrauch minimal zu machen.

Fig. 4C zeigt einen zustand, bei dem der Rotor 40 um 180 in eine Lage gedreht ist, in welcher der Nordpol des Rotors 40 an dem statischen Gleichgewichtspunkt 54' stabil ist, der dem Punkt E in Fig. 12 entspricht. Die Wellen— bzw. impulsform des elektrischen, der Antriebs— wicklung 50 zugeführten Stroms ist in Fig. 10A dargestellt, in Fig. 10A ist die impulsdauer mit «£-» bezeichnet; die gestrichelte Linie stellt die Wellenform des elektrischen Strom dar, wenn der Rotor 40 angehalten wird. Fig. 1OB zeigt die Art der Drehung des Rotors. Bei einer elektronischen Uhr, die den Schrittschaltmotor verwendet, ist der Koeffizient μ des Fluidwiderstandes relativ klein, so daß der Rotor in einer Bewegung angehalten wird, die einer gedämpften Schwingung entspricht. Obwohl es möglich ist, den Schrittschaltmotor durch Erhöhung des Wertes für den Koeffizienten μ des Fluidwiderstandes abzubremsen, wird dieser Weg nicht bevorzugt, da hierdurch der Energieverbrauch zunimmt.

Da der impuls /6« der Antriebswicklung 50 zugeführt wird, wenn der Rotor 40 in einer in Fig. 4C gezeigten Lage stabil bleibt, werden die Polaritäten der Polstücke und 48 des Stators umgekehrt, so daß der Nordpol des

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Rotors 40 durch die Nord-Polarität des polstücks 48 zurückgestoßen und durch die Süd-poia_rität 'des polstücks 46 angezogen wird, während der Südpol des Rotors 40 durch die Süd-polarität des polstücks 46 zurückgestoßen und durch die Nord-Polarität des polstücks 48 angezogen wird. Dadurch wird der Rotor 40 in der normalen Richtung um 180 zu der in Fig. 4a dargestellten Lage gedreht, Auf diese weise wird der Rotor 40 in der normalen Richtung durch Zweiphasen-Impulse gedreht, die abwechselnd der Antriebswicklung 50 zugeführt werden.

Im folgenden soll unter Bezugnahme auf die Fig. 5A bis 5c der Ablauf der umgekehrten Drehung des Rotors beschrieben werden. Fig. 5a zeigt einen zustand des Rotors, der dem in Fig. 4A gezeigten Zustand ähnelt. 0b^en wurde bereits folgendes erwähnti Da der Impuls j6„ der Antriebswicklung 50 zugeführt wird, wenn der Rotor 40 in der in Fig. 4C dargestellten Lage stabil ist, wird der Rotor 40 um 180 zu der in Fig. 4a gezeigten Lage gedreht, die Fig. 5a entspricht. Wenn unter diesen Bedingungen der Impuls ^₂ wieder so an die Antriebswick— lung 50 angelegt wird, wie es durch die Wellenform g in Fig. 8 dargestellt ist, wird das polstück 46 des Stators erregt und bildet einen Südpolf während das polstück 48 des Stators erregt wird und einen Nordpol bildet. Dadurch wird der Rotor 40 durch die angelegten Anziehungskräfte in der umgekehrten Richtung gedreht, das heißt, gegen den Uhrzeigersinn, wie es in Fig. 5B dargestellt ist. Das Antriebs-Drehmoment P₂ für den Rotor ist Null bei dem Punkt 56, der dem Punkt C^f in Fig· 13 entspricht. Da jedoch die kinetische Energie des Rotors größer als das negative Anziehungs-Drehmoment Tp ist, wird der Rotor 40 zu der in Fig. 5B gezeigten Lage gedreht, die dem Punkt B¹ in Fig. 13 entspricht, in dem T=O ist. in dieser Situation wird der Rotor 40 durch die positive Anziehungskraft T weiter zu der in Fig. 5C gezeigten Lage gedreht, d.h., zu einer Lage,

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in welcher der Nordpol des Rotors 40 den statischen Gleichgewichtspunkt 54» erreicht, der dem Punkt E¹ in Fig. 13 entspricht. Die Dauer des impulses /2>₂ wird so bestimmt, wie es bereits oben beschrieben wurde. Da die Anziehungskraft T₂ einen Wert im negativen Bereich hat, wie es in Fig. 13 dargestellt ist, wenn die Summe der Antriebsenergie P₂ und der Anziehungskraft Tp Null ist, wird der Rotor 40 zu dem ρunkt D¹ in Fig. 13 zurückgeführt; ist die Dauer des impulses Jo₂ zu groß, so kann der Rotor 40 sich zu dem Punkt A¹ in Fig. 13 weiter drehen, der dem statischen Gleichgewichtspunkt 54 entspricht, wenn die Zuführung des Impulses £₂ zu der Antriebswicklung 50 beendet wird. Deshalb sollte die Dauer des Impulses fb~ so festgelegt werden, daß sie klein ist und nach einer bevorzugten Ausführungsform in der Größenordnung von 16 Millisekunden liegt.

Wie oben beschrieben wurde, wird der Rotor 40 in Abhängigkeit von dem impuls /6p um 180 in der umgekehrten Richtung gedreht und nach einer gedämpften Schwingungsbewegung in ungefähr 30 Millisekunden an dem Punkt E' stabil, der dem statischen Gleichgewichtspunkt 54' ent spricht. Die Wellenform des elektrischen Stroms, welcher der Antriebswicklung 50 zugeführt wird, ist in Fig. llA dargestellt. In Fig. llA ist die Dauer des Impulses /op mit "r" bezeichnet. Fig. llB stellt den Ablauf der Drehung des Rotors 40 dar, wenn der Antriebs wicklung 50 der elektrische Strom so zugeführt wird, wie es in Fig. llA gezeigt ist. Der Rotor wird gedämpften Schwingungen unterworfen, wenn die Zuführung des Impulses /O₂ beendet wird. Die gedämpften Schwingungen enden jedoch früher als bei der normalen Drehung, weil die Drehzahl des Rotors während der umgekehrten Drehung kleiner als während der normalen Drehung des Rotors ist.

Da der Impuls jöp der Antriebswicklung 50 zugeführt wird, wenn der Motor 40 stabil in der in Fig. 5C ge-

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zeigten Lage ist, wird das polstück 46 des Stators erregt und bildet einen Nordpol, während das Polstück des Stators erregt wird und einen Südpol bildet. In diesem Zustand wird der Nordpol des Rotors 40 durch die Nord-Polarität des Polstücks 46 zurückgestoßen und durch die Süd-polaritat des polstücks 48 angezogen, während der Südpol des Rotors 40 durch die süd-polarität des Polstücks 48 zurückgestoßen und durch die Nord—Polarität des polstücks- 46 angezogen wird. Dadurch dreht sich der Rotor 40 um 180 in die umgekehrte Richtung zu der in Fig. 5a gezeigten Lage. Auf diese Weise wird der Rotor 4o kontinuierlich in der umgekehrten Richtung in Abhängigkeit von den Zweiphasen-Impulsen gedreht, die der Antriebswicklung 50 abwechselnd zugeführt werden.

Bei einer elektronischen Uhr, die mit einem Mechanismus zur Vorwärtsbewegung der Datumsanzeige versehen ist, muß das Ausgangs—Drehmoment des Schrittschaltmotors größer als die Last des Mechanismus für die Datumsanzeige während der normalen Drehung des Schrittschalt— motors sein. Da der Schrittschaltmotor nur während der Nullstellung der Sekundenanzeige in der umgekehrten Richtung gedreht wird und die Last klein ist, sollte nach einer bevorzugten Ausführungsform die phasendifferenz βο zwischen dem Antriebs-Drehmoment und der Anziehungskraft so bestimmt werden, daß der Schrittschaltmotor während seiner normalen Drehung einen maximalen Wirkungsgrad hat. Der relevante Wert für die phasendifferenz liegt für dieSnormale Drehung des Rotors im Bereich von 60 bis 90 des elektrischen Winkels, während sie für die umgekehrte Drehung des Rotors im Bereich von 120 bis 90° liegt. In diesem Fall liegt der Winkel ot des statischen Gleichgewichtes im Bereich von 0 bis 30°. Soll die gleiche Betriebs-Kennlinie für die normale und umgekehrte Drehung des Rotors erhalten werden, so wird die phasendifferenz θο zwischen dem Antriebs-Drehmoment und der Anziehungskraft auf einen Wert von

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festgelegt, in diesem Fall ist der winkel des statischen Gleichgewichtes Null, wobei die Betriebs-Kennlinie bzw· die Betriebsmerkmale des Schrittschaltmotors während der normalen Drehung des Rotors etwas veaingert bzw. \gesenkt werden.

Wenn die phasendifferenz zwischen dem Antriebs—Drehmoment und der Anziehungskraft für die umgekehrte Drehung des Rotors in der weise auf einen Wert eingestellt ist, der größer als 120 ist, daß das Antriebs-Drehmoment Null wird, bevor die Anziehungskraft ihren maximalen Wert erreicht, kann der Rotor nicht bis zu dem Punkt B¹ in Fig. 13 gedreht werden, so daß Rotor nicht in der umgekehrten Richtung gedreht werden kann; dies bedeutet, daß sich der Rotor nur in der normalen Richtung drehen kann.

Eine modifizierte Ausführungsform des Schrittschaltmotors ist in Fig. 14 dargestellt, wobei gleiche oder entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, wie sie in Fig. 3 verwendet wurden. Diese Modifikation hat einen ähnlichen Aufbau wie die bereits beschriebene Ausführungsform; der Unterschied liegt darin, daß die Aussparungsbereiche 46b und 48b auf der Achse V-V in einem Winkel ß vorgesehen sind, der unter 60° liegt, wodurch sich die Achse Z-Z' des statischen Gleichgewichtes in einem Winkel oi. befindet, der über 30 beträgt; deshalb kann der Rotor 40 in einer einzigen Richtung gedreht werden.

Fig. 15 stellt eine weitere modifizierte Ausführungsform des Schrittschaltmotors nach der vorliegenden Erfindung dar. Bei dieser Modifikation haben die polstücke 46 und 48 ovale innere Umfange 46»a und 48·a, deren Scheitel 96 und 98 auf der Achse V-V in einem Winkel ß in Bezug auf die Mittellinie Y-Y» der Luftspalte 52 und 52» zwischen den polstücken 46 und 48 des Stators liegen.

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Bei dieser Anordnung liegen die punkte 54 und 54* des statischen Gleichgewichtes auf der Achse z—Z' in einem Winkel oc in Bezug auf die Mittellinie Y-Y«. Der in Fig.

15 dargestellte Schrittschaltmotor arbeitet auf eine ähnliche weise wie der in Fig. 3 gezeigte Schrittschaltmotor, so daß er nicht im einzelnen beschrieben werden soll, jeder der ovalförmigen inneren Umfange der Pol— stücke des Stators kann bei Bedarf durch zwei Bögen mit unterschiedlichen Krümmungsmittelpunkten gebildet werden·

Fig. 16 zeigt eine weitere modifizierte Ausführungsform des Schrittschaltmotors nach der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Modifikation sind die ausgesparten Bereiche 46b und 48b durch hohle Bereiche 100 und 102 ersetzt, die in den polstücken 46 und 48 des Stators ausgebildet sind. Die Mittelpunkte lOOa und 102a der hohlen Bereiche 100 und 102 liegen auf der Achse V-V* in einem winkel ß in Bezug auf die Mittellinie Y-Y» , so daß die punkte 54 und 54* des statischen Gleichgewichtes in einem Winkel dt auf der Achse Z-Z¹ liegen. Der in Fig.

16 dargestellte Schrittschaltmotor arbeitet auf ähnliche Weise wie der in Fig. 3 gezeigte Schrittschaltmotor, so daß er nicht im einzelnen beschrieben werden soll.

Obwohl nur Stator-polstücke 46 und 48 beschrieben und dargestellt worden sind, die voneinander durch Luftspal— te 52 und 52« getrennt sind, kann das Prinzip der vorliegenden Erfindung auch bei einem Schrittschaltmotor eingesetzt werden, bei dem keine Luftspalte verwendet werden·

Aus der Beschreibung ergibt sich, daß gemäß der vorliegenden Erfindung der Aufbau eines Schrittschaltmotors unter Verwendung einer minimalen Zahl von Einzelteilen vereinfacht werden kann; ein solcher Schrittschaltmo-

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tor ist insbesondere für eine elektronische Uhr, wie beispielsweise eine Armbanduhr, geeignet, bei der für jedes Bauteil nur ein sehr begrenzter Raum zur Verfugung steht·

Der Schrittschaltmotor nach der vorliegenden Erfindung kann entweder in der normalen Richtung oder in der umgekehrten Richtung gedreht werden, indem einfach die Reihenfolge der Zuführung der abwechselnden Stromim— pulse zu der einzigen Antriebswicklung geändert wird. Der Schrittschaltmotor weist über die einzige Antriebswicklung hinaus nur zwei Stator-polstücke auf, so daß er in Miniaturbauweise hergestellt werden kann.

Wird der Schrittschaltmotor nach der vorliegenden Erfindung bei einer Armbanduhr eingesetzt, so kann eine Korrektur der angezeigten Zeit innerhalb kürzester Zeit erreicht werden, indem der Stundenzeiger, der Minutenzeiger oder der Sekundenzeiger rasch vorwärts bewegt oder verlangsamt werden; dazu muß der Antriebswicklung... des Schrittschaltmotors nur ein Zeitkorrek— türimpuls mit einer Frequenz zugeführt werden, die höher als die üblicherweise angelegte Frequenz ist· Der Steuerschalter für die Erzeugung des Zeitkorrekturimpulses kann einem äußeren Steuerschalter, wie beispielsweise einem Druckknopf, zugeordnet werden, so daß in diesem Fall auf ein Schwungrad verzichtet werden kann. Darüberhinaus kann eine Speicherschaltung vorgesehen werden, um die Winkellage des Stundenzeigers, Minutenzeigers oder Sekundenzeigers zu speichern; dadurch kann während der Zeitkorrektur eine Anzahl von Zeitkorrektur impulsen erzeugt werden, . deren,-Zahl dem in der Speicherschaltung gespeicherten numerischen Wert entspricht; diese impulse werden der Antriebswicklung des Schrittschaltmotors zugeführt, so daß die Zeitkorrek tür rasch durchgeführt werden kann.

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Schließlich soll/nochmals darauf hingewiesen werden, daß der Schrittschaltmotor nach der vorliegenden Erfindung auch nur in einer Richtung laufen kann, ohne daß komplizierte Bauteile erforderlich sind, so daß der zusammenbau und die Montage einfach und die Herstellungskosten gering sind.

- Patentansprüche -

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Claims

Patentansprüche

1. Schrittschaltmotor für eine elektronische Uhr mit einem Rotor aus einem Permanentmagneten und mit einem Stator, der eine Antriebswicklung und zwei Stator—Polstücke enthält, die durch Luftspalte voneinander getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die S ta— tor-polstücke (46,48) Bereiche (46b,48b,96,98,100,Io2) aufweisen, die eine maximale Fluß-Reluktanz auf einer Achse (V-V¹) in einem Winkel von 60 bis 90 in Bezug auf eine Mittellinie (Y-Y¹) der Luftspalte (52,52·) zwischen den Stator-Polstücken (46,48) bilden, während eine Achse (Z-2i) des statischen Gleichgewichtes für den Rotor (40) in einem Winkel von 0 bis 30 angeordnet ist, wobei die Phasendifferenz zwischen dem Antriebs—Drehmoment und der auf den Rotor (40) ausgeübten Anziehungskraft bei einer normalen Drehung des Rotors (40) im Bereich von 60 bis

eines elektrischen Winkels und bei einer umgekehrten Drehung des Rotors (40) im Bereich von 90 bis 120 liegt·

2· Schrittschaltmotor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Treiberschaltung (66), die der Antriebswicklung (50) einen zusätzlichen impuls mit der gleichen Phase wie der zuletzt angelegte impuls zu.führt, um dadurch die Drehrichtung des Rotors (40) von der normalen Richtung zu der umgekehrten Richtung und von der umgekehrten Richtung zur normalen Richtung zu ändern·

3. Schrittschaltmotor nach einem der Ansprüche 1 oder 2,

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— .2" F*

dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Bereiche eine Aussparung (46b,48b) aufweist, die zur Erzeugung der Phasendifferenz an einem inneren umfang (46a,48a) eines jeden Stator-Polstücks (46,48) ausgebildet ist..

4. Schrittschaltmotor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stator—polstücke (46,48) ovalförmige innere Umfange (46'a,48'a) aufweisen, welche die- Bereiche bilden.

5· Schrittschaltmotor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stator-Polstücke (46,48) jeweils darin ausgebildete hohle Bereiche (100,102) aufweisen.

6. Schrittschaltmotor für eine elektronische Uhr mit einem Rotor aus einem Permanentmagneten und einem Stator, der eine Antriebswicklung und zwei stator—PoIstücke enthält, die voneinander durch Luftspalte getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Stator-Polstücke (46,48) Aussparungen (46b,48b) auf einer Achse (V-V¹) in einem vorher bestimmten spitzen Winkel in Bezug auf eine Mittellinie (Y-Y') der Luftspalte (52,52·) aufweisen, wobei eine Achse (Z-Z¹) des statischen Gleichgewichtes für den Rotor (40) im rechten Winkel in Bezug auf die Achse liegt, auf der sich die Aussparungen (46b,48b) befinden.

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