DE2611319B2

DE2611319B2 - Schrittschaltmotor für eine elektronische Uhr

Info

Publication number: DE2611319B2
Application number: DE2611319A
Authority: DE
Inventors: Takayasu Iruma Saitama Machida; Fumio Tokio Nakajima; Kenji Koganei Tokio 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: 1979-08-23
Also published as: DE2611319C3; GB1539989A; MY8300249A; CH616051B; US4066947A; HK34082A; CH616051GA3; DE2611319A1; JPS5239111A

Description

Die Erfindung betrifft einen Schrittschaltmotor Tür eine elektronische Uhr gemäß Oberbegriff des .Anspruchs J.

Schrittschaltmotoren, die auch als Impulsmotoren bezeichnet werden, können aufgrund der Einführung von digitalen Impulstechniken in zunehmendem Maße auf industriellen Anwendungsgebieten eingesetzt werden. Ein typisches neues Anwendungsgebiet sind die elektronischen Uhren mit elektromechanischen Zt U-meßbewegungen, 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 Antriebswicldung 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-Polstückß Schwierigkeiten, so daß der stabile Betrieb des Roters nicht

ίο sichergestellt ist Sei einer anderen Ausführungsform sind die Stator-Polstücke einstückig miteinander ausgebildet und werden durch Stanzen bzw. Prägen geformt Dabei ist jedoch ein komplizierter Stempel für die spezifischen Stator-Pobtücke erforderlich. Darüber hinaus 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 in 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

so daß die Treiberschaltung zwangsläufig einen sehr komplizierten Aufbau hat

Aus »Die Uhr, Uhren, juwelen, Schmuck« Heft 8, 1975, S. 20 ist es allgemein bekannt, Schrittschaltmotoren für Uhren mit einer Antriebswicldung zu verwen- den, bei denen durch positive oder negative Impulse eine Vor- oder Rückwärtsdrehung erreicht wird. Bezüglich des Aufbaus des Motors läßt sich der Druckschrift jedoch kein Hinweis entnehmen. Anhand der Zeichnung werden unten zwei bekannte Motoren erläutert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schrittschaltmotor der angegebenen Gattung zu schaffen, der trotz eines einfachen Aufbaus in zwei Drehrichtungen betrieben werden kann.

Vi Diese Aufgabe wird bei einem Schrittschaltmotor der angegebenen Gattung durch die im kennzeichnenden Teil >des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst

Bei dem erfindungsgemäßen Motor ist der Rotor auf der Achse des st&tischen Gleichgewichts stabil Dies

-A) wird durch die spezielle Ausbildung der Stator-Polstükke erreicht Im Gegensatz zu den bekannten Motoren kann der erfindungsgemäße Motor in beiden Drehrichtungen betrieben werden, benötigt nur eine Antriebswicklung und kann problemlos zusammengebaut wer-

Y, den, ohne daß bei der Montage besonders große Sorgfalt beim Anordnen der Teile aufgewendet zu werden braucht

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

M) Die Erfindung wird im folgenden an Hand von AusfOhrungsbeispielen unter Bezugnahme auf die schematischen Zeichnungen näher erläutert
Es zeigt
P i g. 1 eine schematische Ansicht eines herkömmli-

b5 chen Schrittschaltmotors, wie er in einer elektronischen Uhr eingesetzt wird,

Pig.2 eine schematische Ansicht eines weiteren herkömmlichen Schrittschaltmotors, wie er in einer

elektronischen Uhr eingesetzt wird,

F i g, 3 eine schematische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines Schrittschaltmotors nach der Erfindung,

Fig.4A bis 4C Ansichten zur Erläuterung der Funktionsweise des in Fig.3 gezeigten Schrittschaltmotors,

F i g. 5A bis 5C ähnliche Ansichten wie die F i g. 4A bis 4C, jedoch einer anderen Betriebsweise des in F i g. 3 gezeigten Schrittschaltmotor, iu

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

F i g. 7 im einzelnen ein Schaltbild eines Ausführungs- ι j beispiels der in F i g. 6 gezeigten Treiberschaltung,

F i g. 8 und 9 Wellendiagramme verschiedener Impulse, die in der in Fig.7 gezeigten Treiberschaltung erzeugt werden,

Fig. 1OA eine graphische Darstellung des elektrisehen Stroms, der durch den in Fig.3 gezeigten Schrittschaltmotor während der normalen Drehung seines Rotors genutzt wird,

F i g. 1OB eine graphische Darstellung der Änderungen des Drehwinkels des Rotors, der durch den elektrischen Strom gedreht wird, dessen Verlauf in F i g. 1OA dargestellt ist,

F i g. 11A eine ähnliche Ansicht wie F i g. 10A, jedoch mit dem Verlauf des elektrischen Stroms, der durch den in Fig.3 gezeigten Schrittschaltmotor während der «1 umgekehrten Drehung des Rotors genutzt wird,

Fig. 1IB eine ähnliche Ansicht wie Fig. 10B, jedoch mit den Änderungen des Drehwinkels des Rotors, der durch den elektrischen Strom gedreht wird, dessen Verlauf in F i g. 11A dargestellt ist, r>

F i g. 12 ein Drehmoment-Diagramm zur Erläuterung des Bewegungsablaufes 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 w 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 -r> modifizierten Ausführungsform des in F i g. 3 gezeigten Schrittschaltmotors, und

Fig. 16 eine schematische Ansicht einer weiteren modifizierten Ausführungsform des in Fi g. 3 gezeigten Schrittschaltmotors. ^r><>

In F i g. 1 ist schematisch ein Ausführungsbeispiel eines herkömmlichen Schrittschaltmotors dargestellt, der bei einer elektronischen Uhr eingesetzt wird. Wie sich dieser Figur entnehmen IaBt, weist der Schrittschaltmotor eine® Läufer bzw. Rotor f0 aus einem v> Permanentmagneten und einen Ständer bzw. Stator 12 auf, der Ständer-Polstöcke 14 und 16 des Stators enthält, die von einer Antriebsspule bzw. Ankerwicklung 18 angetrieben werden. Die Polstücke 14 und 16 des Stators sind so angeordnet, daß die Mitilelpunkte der mi Krümmungsradien voneinander um die: Strecke at versetzt sind, so daß der Rotor 10 auf einer Achse A-A' des statischen Gleichgewichtes stabil sein kann. Demzufolge wird der Rotor 10 durch Anlegen von Wechselstromimpulsen an die Antriebswicklung 10 in ir> 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 zusammenzubauen und zu montieren.

F i g. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eine herkömmlichen, reversiblen bzw. umschaltbaren Schrittschaltmotors. Wie sich dieser Figur entnehmen läßt, weist der umschaltbare Schrittschaltmotor einen Rotor 20 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 isL Ein Schrittschaltmotor dieses Typs ist deshalb nicht für den Einsatz in einer elektrischen bzw. elektronischen Uhr, wie beispielsweise einer Armbanduhr geeignet, bei C>.m nur ein äußerst kleiner Raum für die Unterbringung und Montage des Schrittschaltmotors zur Verfugung 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 Schnttschaltmotors, 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 diese Weise erregt, die im folgenden im einzelnen beschrieben werden SoIL Die Polstücke 46 und 48 des Stators haben nach innen gerundete Uoifänge 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 Gleichgewichts 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 eine: 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 Stators ausgeschnittene Bereiche 466 bzw. 486 auf einer Achse V- V auf, die iri einem vorher bestimmten Winkel β in bezug auf die Mittellinie Y- Y' angeordnet ist; der Winkel β liegt zwischen 60 und 90°. Durch diese Anordnung ist der Rotor 20 auf einer Achse Z-Z' des statischen Gleichgewichts in einem Winkel « stationär, der in bezug auf die Mittellinie Y- Y' zwischen 0 und 30° liegt. Die Achse Z-Z' fällt mit den Punkten 54 und 54' des statischen Gleichgewichtes zusammen, die an den Polstücken 46 bzw. 48 des Stators vorgesehen sind.

F i g. 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 F i g. 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 Φι, der von der Wellenformerschaltung 64 weitergegeben wird; die Wellenformerschaltung 64 läßt weiterhin einen Taktimpuls Φ; durch, der auf einen Eingang des zweiten NAND-Glie-

Λη— f% nafiikpl «»«(«vl ΓΊ·»» A iiananneeirtnal f sloe

NAND-Gliedes 70 wird auf einen Rücksetzeingang eines ersten Flip-Flops 74 und durch ein ODER-Glieder 78 auf einen Setzeingang 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 verbunden 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 »F« 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 /des ersten NAND-Gliedes 70 ist außerdem mit einem invertierenden Verstärker 92 gekoppelt, der mit der Antriebswicklung 50 des Schrittschaltmotors verbunden ist; weiterhin ist auch 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 /und gdes ersten und zweiten NAND-Gliedes 70 und 72 abwechselnd an die Antriebswicklung 50 des Schrittschaltmotors angelegt der demzufolge in einer normalen Richtung gedreht wird, wie hn folgenden hn einzelnen beschrieben werden soIL

Wenn hn Gegensatz hierzu der Kontaktarm 86 hn 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 F i g. 8 dargestellt ist Da bei diesem Beispiel das <-, Ausgangssignal b des ersten Flip-Flops 74 in Abhängigkeit von dem Eingangsimpulii Φ₂, der vor dem Zeitpunkt /ι angelegt wurde, einen hohen Wert hat wird das Ausgangssignal (/des dritten NAND-Gliedes 88 klein, so daß das erste NAND-Glied 70 gesperrt ist Da

in andererseits das Ausgangssignal edes ersten Flip-Flops 74 einen kleinen Wert hat ist das Ausgangssignal e des NAND-Gliedes 90 auf einem hohen Wert. Der Taktimpuls Φ2 wird also durch das zweite NAND-Glied 72 torgesteuert und dadurch invertiert Der zweite -, Flip-Flop 76 wird in Abhängigkeit von dem invertierten Impuls Φ2 rückgesetzt und das Ausgangssignal a des zweiten Flip-Flops 76 nimmt einen niedrigen Wert an.

Deshalb wird das ΑικοηησΜΪιτηίΐΙ H des dritten NAND-Gliedes 88 hoch,"so "daß der Taktimpuls Φι

durch das erste NAND-Glied 70 torgesteuert wird. Wenn ulso der Steuerschalter zum Zeitpunkt U mit der geerdeten Seite der Energiequelle verbunden ist, wird der Antriebsimpuls Φί aufeinanderfolgend innerhalb einer vorher bestimmten Zeitspanne an die Antriebs-

2-, wicklung 50 des Schrittschaltmotors angelegt wie es durch das Wellen- bzw. Impulsdiagramm g in F i g. 8 dargestellt ist Anschließend werden die Antriebsimpulse Φ\ und Φ7 abwechselnd zu der Antriebswicklung 50 geführt, so daß der Rotor in die umgekehrte Richtung

κι gedreht wird, wie im einzelnen im folgenden beschrieben werden soIL

Wenn der Kontaktarm 86 des Steuerschalters 68 im Zeitpunkt h in Berührung mit dem stationären Kontakt 84 gebracht wird, der mit der geerdeten Seite der

r> Energiequelle verbunden ist wie in F i g. 9 dargestellt ist, so nimmt das Ausgangssignal a des zweiten Flip-Flops 76 einen hohen Wert an. Da gleichzeitig das Ausgangssignal Cdes ersten Flip-Flops 74 in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal /des ersten NAND-Gliedes 70, das vor dem Zeitpunkt (2 auf den ersten Rip-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 F i g. 9 durch die Wellenform g angedeutet wird. Da

4-, 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 Φι durch das erste NAND-Glied 70 torgesteuert wird. Das Ausgangssignal des ersten NAND-Gliedes 70 wird

>o durch die Wellenform /in F i g. 9 dargestellt Der -zweite Flip-Flop 76 wird in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal /des ersten NAND-Gliedes 70 zurückgesetzt und das Ausgangssignal a hat einen niedrigen Wert, so daß der Taktimpuls Φ₂ durch das zweite NAND-Glied torgesteuert wird. Dabei wird also der Antriebsimpuls Φι aufeinanderfolgend innerhalb einer vorher bestimmten Zeitspanne an die Antriebswicklung 50 des Schrittschaltmotor angelegt wie es durch das Wellendiagramm /in Fig.9 gezeigt wird. Anschließend werden die Antriebshnpulse Φι und Φ2 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 soIL

Fig. 1OA zeigt eine graphische Darstellung des elektrischen Stroms, der während seiner normalen Drehung von dem Schrittschaltmotor verwendet wird. Fig. 1OB zeigt eine Kurve, die einen Dreh winkel des

Rotors des Schrittschaltmotors angibt, wenn der elektrische Strom dem Rotor so zugeführt wird, wie es in F i g. 1OA dargestellt ist

Fig. 11A zeigt eine graphische Darstellung des elektrischen Stroms, der von dem Schrittschaltmotor während seiner umgekehrten Drehung genutzt wird. Fig. HB stellt einen Drehwinkel des Rotors des Schnl'schaltmotors dar, wenn ihm der elektrische Strom so zugeführt wird, wie es in F i g. 11A dargestellt ist.

Fig. 12 zeigt ein Drehmoment-Diagramm, bei dem der Drehwinkel des Rotors des Schrittschaltmotors während seiner normalen Drehung aufgetragen ist. In F i g. 12 gibt die Kurve P\ das Antriebs-Drehmoment an, während eine Kurve T) eine Anziehungskraft angibt, die an dem 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 F i (;. 13 stellt die Kurve P₂ 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:

U²H

άι

el Ht)
(I/

(Ir

+ A[H)

dt

- T[Ih i \) -P[H)

dabei bedeuten:

/ = Trägheitsmoment des Rotors;

μ = Fluid Widerstands-Koeffizient;

A = Drehmoment-Koeffizient oder Koeffizient der elektromechanischen Verbindung, der sich als Faktor von θ ändert;

T =* 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;

E == Vorspann- bzw. Steuerstrom;

λ =■■ Phasenwinkel der Anziehungskraft T in bezug auf die Mittellinie der Spalte der Stator-Polstükke;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(H) = AO sin

f)

T(2H±a) = T0sm(2H±/x) (4)
P =.A(H)IU) = AQ sin (fi f ψ) ■ i(t). (5)

Dabei ist P= Antriebs-Drehmoment Die Kurven für Γ und P sind in den Fig. 12 und 13

dargestellt wie bereits oben erwähnt wurde. Während der normalen Drehung des Rotors wird der Unterschied

■-, θ 0 in den Phasen zwischen der Anziehungskraft Γ und dem Antriebs-Drehmoment P ausgedrückt durch Θ0= -^ -α. Während der umgekehrten Drehung des

Rotors wird der Unterschied Θ0' in den Phasen in zwischen der Anziehungskraft T und dem Antriebs-Drehmoment P ausgedrückt durch θ 0'= ^ +«. Da der Rotor stabil ist, wenn T=O ist, stellt das Symbol >xx« einen Winkel des statischen Gleichgewichts relativ zu

ι. der Mittellinie der Luftspalte zwischen den Stator-Polstücken dar. Dabei wird darauf hingewiesen, daß die Summe von θ 0 und θ 0' gleich einem Wert η ist.

Im folgenden soll die Funktionsweise des in Fig.3 dargestellten Schritischaitmotors im einzelnen be-

2(i schrieben werden.

Bei einer normalen Drehung des Rotors ist der Rotor 40 zu Beginn unter der Bedingung stationär, daß die Nord- und Südpole des Rotors 40 mit der Achse Z-Z' des statischen Gleichgewichtes ausgerichtet sind,

2-. 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 fin Fig. 12 entspricht In dieser Lage wird der

in Impuls Φ\ 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

r· 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 Rotqr 40 in der normalen Richtung gedreht das heißt im Uhrzeigersinn, wie es in F i g. 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

Y-. mit der Achse W—W ausgerichtet ist welche den Punkt 58' kreuzt; dieser Punkt 58' entspricht einem Punkt B in Fig. 12, in dem Ti=O. Der Rotor 40 wird deshalb weiter in eine Lage gedreht in der der Nordpol des Rotors mit der Achse Z-Z' des statischen

V) Gleichgewichts ausgerichtet ist, die den Punkt 54' kreuzt; dieser Punkt 54' entspricht dem Punkt E in F i g. IZ Sogar dann, wenn die Zuführung des Impulses Φ\ zu der Antriebswicklung 50 unterbrochen wird, bevor der Nordpol des Rotors 40 den Punkt Bm 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

μ drehen kann.

Obwohl die untere Grenze der Impulsdauer dadurch bestimmt wird, daß die kinetische Energie des Rotors an dem Punkt B in Fi g. 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 keine 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.

F i g. 4C zeigt einen Zustand, bei dem der Rotor 40 mm 180" in eine Lage gedreht ist, in welcher der Nordpol des Rotors 44 an dem statischen Gleichgewichtspunkt 54' stabil ist der dem Punkt E in F i g. 12 entspricht (die Wellen- bzw. Impulsform des elektrischen, der Antriebswicklung 50 zugeführten Stroms ist in Fig. IOA dargestellt. In Fig. 1OA ist die Impulsdauer mit >τ« 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 dies 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 Φ? der Antriebswicklung 50 zugeführt wird, wenn der Rotor 40 in einer in F i g. 4C gezeigten Lage stabil bleibt werden die Polaritäten der Polstücke 46 und 48 des Stators umgekehrt, so daß der Nordpol des Rotors 40 durch die Nord-Polarität des Polstücks 48 zurückgestoßen und durch die Süd-Polarität 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 F i g. 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 F i g. iiA bis 5C der Ablauf der umgekehrten Drehung des Rotors beschrieben werden. Γ/g. 5A zeigt einen Zustand des Rotors, der dem in Fig.4A gezeigten Zustand ähnelt. Oben wurde bereits folgendes erwähnt: Da der Impuls Φ₂ 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 F i g. 4A gezeigten Lage gedreht, die Fig.5A entspricht Wenn unter diesen Bedingungen der Impuls Φ₂ wieder so an die Antriebswicklung 50 angelegt wird, wie es durch die Wellenform g in F i g. 8 dargestellt ist wird das Polstück 46 des Stators erregt und bildet einen Südpol, 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 F i g. 5B dargestellt ist Das Antriebs-Drehmoment Pi für den Rotor ist Null bei dem Punkt 56, der dem Punkt C'in F i g. 13 entspricht Da jedoch die kinetische Energie des Rotors größer als das negative Anziehungs-Drehmoment T₂ ist wird der Rotor 40 zu der in F i g. 5B gezeigten Lage gedreht die dem Punkt B'in Fig. 13 entspricht in dem Γ=0 ist In dieser Situation wird der Rotor 40 durch die positive Anziehungskraft Tweiter zu der in F i g. 5C gezeigten Lage gedreht d. h„ zu einer Lage, in welcher der Nordpol des Rotors 40 den statischen Gleichgewichtspunkt 54' erreicht der dem Punkt £'in Fig. 13 entspricht Die Dauer des Impulses

Φ2 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 Pi und der Anziehungskraft T₂ Null ist wird der Rotor 40 zu dem Punkt D' in Fi g. 13 zurückgeführt; ist die Dauer des Impulses Φι zu groß, so kann der Rotor 40 sich zu dem Punkt A'in Fig. 13 weiter drehen, der dem statischen Gleichgewichtspunkt 54 entspricht, wenn die Zuführung des Impulses Φ₂ zu der Antriebswicklung 50 beendet wird. Deshalb sollte die Dauer des Impulses Φ₂ 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 Φ₂ um 180° in irr umgekehrten Richtung gedreht und nach einer gedämpften Schwingungsbewegung in ungefähr 30 Millisekunden an dem Punkt E' sisbä!, der dem statischen Gleichgewichtspunkt 54, entspricht Die Wellenform des elektrischen Stroms, welcher der Antriebswicklung 50 zugeführt wird, ist in Fig. UA dargestellt In Fig HA ist die Dauer des Impulses Φ₂ mit *r«r bezeichnet F i g. 11B stellt den Ablauf der Drehung des Roturs 40 dar, wenn der Antriebswicklung 50 der elektrische Strom so zugeführt wird, wie es in F i g. 11A gezeigt ist Der Rotor wird gedämpften Schwingungen unterworfen, wenn die Zuführung des Impulses Φ₂ 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 Φ₂ der Antriebswicklung 50 zugeführt wird, wenn der Motor 40 stabil in der in der in F i g. 5C gezeigten Lage ist wird das Polstück 46 des Stators erregt und bildet einen Nordpol, während das Polstück 48 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-Polarität des Polstücks 49 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 F i g. 5A gezeigten Lage. Auf diese Weise wird der Rotor 40 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-Drehincnteni des Schrittschaltmotors größer als die Last des Mechanismus für die Datumsanzeige während der normalen Drehung des Schrittschaltmotors 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 Θ0 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 die normale Drehung des Rotors im Bereich von 60 bis 90° des elektrischen Winkeis, während sie für die umgekehrte Drehung des Rotors im Bereidi von 120 bis 90° liegt In diesem Fall liegt der Winkel <x des

statischen Gleichgewichts im Bareich von 0 bis 30°. Soll die gleiche Betriebs-Kennlinie IQr die normale und umgekehite Drehung des Rotors erhalten werden, so wird die Phasendifferenz θ 0 zwischen dem Antriebs-Drehmoment und der Anziehungskraft auf eilten Wert von 90° 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 verringert 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-Drelimoment Null wird, bevor die Anziehungskraft ihren maximalen Wert erreicht, kann der Rotor nicht bis zu dem Punkt B' in Fig. 13 gedreht werden, so daß Rotor nicht in der umgekehrten Richtung gedreht werden Wann: Hies bedeutet daß sich der Rotor nu,- 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 46f> und 48b auf der Achse V— V'in einem Winkel β vorgesehen sind, der unter 60° liegt wodurch sich die Achse Z-Z' des statischen Gleichgewichtes in einem Winkel α 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 Pols'.ücke 46 und 48 ovale innere Umfange 46a 'und 48a', deren Scheitel 96 und 98 auf der Achse V— V'in einem Winkel β in bezug auf die Mittellinie Y- Y' der Luftspalte 52 und 52* zwischen den Polstückcn 46 und 48 des Stators liegen.

Bei dieser Anordnung liegen die Punkte 54 und 54' des statischen Gleichgewichtes auf der Achse Z-Z' in einem Winkel α 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 Polstücke des Stators kann bei Bedarf durch zwei Bögen mit unterschiedlichen Krümmungsmittelpunkten gebildet werden.

Fi g. !6 zeigt eine weitere modifizierte Ausführungsform des Schrittschaiimoiors nach der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Modifikation sind die aasgesparten Bereiche 46b und 486 durch hohle Bereiche 100 und 102 ersetzt die in den Polstücken 46 und 48 des Stators ausgebildet sind. Die Mittelpunkte 100a und 102a der hohlen Bereiche 100 und 102 liegen auf der Achse V— V in einem Winkel β in bezug auf die Mittellinie Y— V, so daß die Punkte 54 und 54' des statischen Gleichgewichtes in einem Winkel « auf der Achse Z—Z'liegen. Der in Fig. 16 dargestellte Schrittschaltmotor arbeitet auf ähnliche Weise wie der in F i g. 3 gezeigte Schrittschalt-

s motor, so daß er nicht im einzelnen beschrieben werden soll.

Obwohl nur Stator-Polstücke 46 und 48 beschrieben und dargestellt worden sind, die voneinander durch Luftspalte 52 und 52' getrennt sind, kann das Prinzip der

ίο vorliegenden Erfindung auch bei einem Schrittschaltmotor eingesetzt werden, bei bei dem keine Luftspalte verwendet werden.

Aus der Beschreibung ergibt sich, daß gemäß der vorliegenden Erfindung der Aufbau eines Schrittschalt-

r> motors unter Verwendung einer minimalen Zahl von Einzelteilen vereinfacht werden kann; ein solcher Schrittschaltmotor ist insbesondere für eine elektronische Uhr, wie beispielsweise eine Armbanduhr, geeignet, bei der für jedes Bauteil nur ein sehr begrenzter

>o Raum zur Verfügung 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 abwechselu-

r, den Stromimpulse 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.

in 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

γ. bewegt oder verlangsamt werden; dazu muß der Antriebswicklung des Schrittschaltmotors nur ein Zeitkorrekturimpuls 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. Darüber hinaus kann eine Speicherschaltung vorgesehen wt^ien, um

t'i die Winkellage des Stundenzeigers, Minutenzeigers oder Sekundenzeigers zu speichern; dadurch kann während der Zeitkorrektur eine Anzahl von Zeitkorrekturimpulsen erzeugt werden, deren Zahl dem in der Speicherschaltung gespeicherten numerischen Wert

"><> entspricht; diese Impulse werden der Antriebswicklung des Schrittschaltmotors zugeführt so daß die Zeitkorrektur rasch durchgeführt werden kann.

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.

Hierzu 12 Blatt Zeichnungen

Claims

2(5 Π 319 Patentansprüche:

1. Schrittschaltmotor für eine elektronische Uhr, mit einem einen Südpol und einen Nordpol aufweisenden Permanentmagnetrotor, der in ;twei Richtungen drehbar ist, einem Stator, der eine Antriebswicklung und zwei Stator-Polstücke enthält, die durch Luftspalte voneinander getrennt sind, und einer Treiberschaltung zum Abgeben von zweipluisigen Treiberimpulsen, durch die die Antriebswicklung die Statorpolstücke alternierend als Süd- und Nordpol erregt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Stator-Polstücke (46, 48) profilierte Bereiche (46b, 4Sb, 96, 98, 100, 102) aufweisen, die eine maximale Fluß-Reluktanz auf einer Achse (V- V) in einem Winkel von 60 bis 90° in bezug; auf eine Mittellinie (Y-V) der Luftspalte (52, !»20 zwischen den Stator-Polstücken (46, 48) bilden, während «ae Achse (Z-Z') des statischen Gleichgewichtes i3r den Rotor (40) in einem Winkel von 0 bis 30° bezüglich der Mittellinie (Y- Y') angeordnet ist

2. Schrittschaltmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Treiberschaltung (66) «sine Schaltungseinrichtung aufweist, mit der der /Uitriebswicklung (50) ein zusätzlicher Impuls mit der gleichen Phase wie der zuletzt angelegte Impuls; Jbei normalter Drehung des Motors zuführbar ist, mm dadurch die Statorpolstücke (46, 48) in demseltien Sinn zu erregen wie bei der letzten Erregung durch die Antriebswicklung (50) während der normalen Rotordrehung, um &omit die Drehrichtung des Motors umzukehren.

3. Schrittschaltmotor nach < nspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der profilieren Bereiche eine Aussparung (466,4Sb) aufweist, di.s an einem inneren Umfang (46a, 4Sa) eines jeden Stator-Polstücks (46,48) ausgebildet ist

4. Schrittschaltmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stator-Polstücke (46, 48) ovalförmige innere Umfange (46a', 48a'; aufweisen, welche die profilierten Bereiche bilden.

5. Schrittschaltmotor nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stator-Polstücke (46, 48) jeweils darin ausgebildete hohle Bereiche (100, 102) aufweisen, welche die profilierten Bereiche bilden.

6. Schrittschaltmotor nach mindestens einem dler Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stator-Polstücke (46, 48) Aussparungen {46b, AMb) auf der Achse (V- V) maximaler Ruß-Reluktanz aufweisen.