DE2745052C2

DE2745052C2 - Elektronische Uhr mit elektromechanischem Wandler

Info

Publication number: DE2745052C2
Application number: DE2745052A
Authority: DE
Inventors: Minoru Hosokawa; Hiroshi Suwa Nagano Ishii; Yoshikazu Kawamura; Sakiho Okazaki
Original assignee: Suwa Seikosha KK
Current assignee: Suwa Seikosha KK
Priority date: 1976-10-06
Filing date: 1977-10-06
Publication date: 1982-04-15
Also published as: JPS5345575A; US4522507A; CH640387GA3; CH633939GA3; US4715725A; US5038329A; MY8100338A; US4212156A; HK9481A; JPS6217198B2; CH640387B; DE2745052A1; GB1557408A; US4370065A; CH633939B; DE2759956C1; US4599005A

Description

Die Erfindung betrifft eine elektronische Uhr, insbesondere Armbanduhr, der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

Die sogenannte Quarzkristall-Armbanduhr, bei der ein Quarzkristallschwinger als Zeitnormal verwendet wird, ist seit ihrem praktischen Einsatz aufgrund ihrer hohen Genauigkeit und Zuverlässigkeit weitläufig benutzt worden. Inzwischen hat diese Quarzkristall-Armbanduhr eine beträchtliche technologische Neuerung durchgemacht Obwohl ihr Energieverbrauch zu Beginn 20 μW betrug, wurde ihr Energieverbrauch auf derzeit etwa 5 μW reduziert. Davon werden 1,5 bis μW in einer Oszillatorschaltung des Quarzkristallschwingers, einer Frequenzteilerschaltung usw. verbraucht, und 3 bis 3,5 μW werden im elektromechanischen Wandlermechanismus verbraucht. Da der Energieverbrauch im elektromechanischen Wandler 60 bis 70% des gesamten Energieverbrauchs ausmacht, wäre es wirksam, den Energieverbrauch in diesem elektromechanischen Wandler zu reduzieren, um in Zukunft den Energieverbrauch in Quarzkristall-Armbanduhren noch weiter zu verringern. Es ist jedoch schwierig, die Umwandlungsart zu verbessern und den Umwandlungsgrad zu erhöhen, da der Umwandlungsgrad bei derzeitigen elektromechanischen Wandlern beträchtlich hoch ist. Da ein herkömmlicher elektromechanischer Wandlermechanismus einen zusätzlichen Mechanismus wie einen Kalendermechanismus antreiben mußte sowie Umgebungsbedingungen wie Temperatur, Magnetismus usw, und einem von außen kommenden Druck wie Vibration, Schock usw. ausgesetzt ist, wurde er so ausgelegt daß er selbst im ungünstigsten Zustand zufriedenstellend arbeitete. Deshalb wurde verlangt daß der Wandlermechanismus eine bestimmte Last unter einer bestimmten Treibbedingung aushält Jedoch ίο befinden sich Uhren praktisch nur etwa 4 oder 5 Stunden pro Tag in einem solchen Lastzustand und 20 Stunden lang in einem Zustand praktisch ohne Last Wenn sich Uhren immer in einem lastfreien Zustand befinden, braucht der Wandlermechanismus nicht für eine große Last ausgelegt zu sein, und man kann den Energieverbrauch reduzieren. Da Uhren jedoch für kurze Zeit auch ein hohes Antriebsmoment erfordern können, war es erforderlich, einen Wandlermechanismus zu verwenden, der bei Einsatz hoher elektrischer Energie ein hohes Ausgangsmoment liefert, um mit solchen Bedingungen fertig zu werden.

Aus der DE-OS 24 09 925 ist eine Antriebsschaltung für einen als Antriebsmotor bei einer Uhr geeigneten Schrittmotor bekannt, die es gestattet, die Dauer eines an den Motor angelegten Antriebsimpulses durch Feststellen eines durch den Motor fließenden Antriebsstroms zu steuern. Unter Verwendung eines Differenzierglieds In einer Detektoreinrichtung schaltet diese den Antriebsimpuls exakt am Ende eines Drehschrittes des Rotors ab. Hierdurch wird zum einen gewährleistet, daß der Antriebsimpuls nicht länger ansteht, als sich der Rotor dreht, was zu einer Energieeinsparung führt. Zum anderen kann damit erreicht werden, daß durch Kurzschluß der Spule mit dem Ende des Antriebsimpulses der Rotor stabil in seiner neuen Lage gehalten wird. Es hat sich nun gezeigt, daß ein Antriebsimpuls, der für die volle Dauer eines Drehschrittes des Rotors ansteht, unnötig ist und einen immer noch unnötigen Energieverbrauch darstellt.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Energieverbrauch in einem solchen Wandlermechanismus zu reduzieren und eine große Zuverlässigkeit zu erhalten.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch 1 gekennzeichnet und im Unteranspruch vorteilhaft weitergebildet.

Dem erfindungsgemäßen Prinzip entsprechend wird ein Wandler bei kleiner Last mit geringer elektrischer Energie und bei großer Last mit hoher elektrischer Energie getrieben. Somit ist gegenüber der geschilderten Unzulänglichkeit eine Verbesserung erreicht und der Energieverbrauch im Wandlermechanismus ist stark reduziert. Überdies wird dieser Wandlermechanismus gänzlich durch elektronische Einrichtungen getrieben, ohne die Verwendung mechanischer Einrichtungen. Dieser Wandlermechanismus kann auch einen stabilen Antrieb realisieren, wobei man mit verschiedenen Arten von Wandlermechanismen und Ungleichmäßigkeiten aufgrund der Massenproduktion fertig wird. Es folgt eine Erläuterung der Erfindung. Zunächst werden ein Schrittmotor und seine Arbeitsweise als Beispiel eines elektromechanischen Wandlers für eine elektronische Armbanduhr beschrieben. Dann folgt eine Erläuterung des Erfindungsgegenstandes auf der Basis dieses Schrittmotors. Schließlich werden erfindungsgemäße Ausführungsformen ausführlich erläutert. In den Zeichnungen zeigt
F i g. 1 eine Ausführungsform eines Schrittmotors, der

bei einer erfindungsgemäßen elektronischen Uhr verwendet werden kann,

F i g. 2 und 3 eine herkömmliche Schaltung,

F i g. 4 Wellenformen in der Spule zum Treiben des Schrittmotors in einer herkömmlichen Uhr,

Fig.5 eine Beziehung zwischen dem Energieverbrauch und dem Ausgangsdrehmomem in Abhängigkeit von der Treibimpulsbreite eines Schrittmotors,

F i g. 6 Wellenformen des Spulenstroms, der auftritt, wenn der Motor mit einem schmaleren Impuls als dem herkömmlidien Treibimpuls getrieben wird,

F i g. 7 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Uhr,

F i g. 8 eine Zeitdai stellung von Motortreibimpulsen, wie sie von der erfindungsgemäßen Schaltung erzeugt werden,

F i g. 9 eine A.usführungsform der in F i g. 8 gezeigten Blockschaltung;

Fig. 10 Zeitdarstellungen für einen Lastdetektorteil in Fig. 9;

Fig. 11 eine weitere Ausführungsform eines Schrittmotors, der für die erfindungsgemäße Uhr verwendbar ist;

Fig. 12 Wellenformen des Spulenstroms, der auftritt, wenn der Schrittmotor mit einem schmalen Impuls getrieben wird;

Fig. 13 bis 18 weitere Ausführungsformen des Lastdetektorteils in F i g. 9 und

F i g. 19 die Änderung der Spulenstromweilenformen, die auftreten, wenn auf die erfindungsgemäße elektronische Uhr ein Gleichstrommagnetfeld einwirkt.

In den Zeichnungen bedeuten:

25 eine Oszillatorschaltung

26 eine Teilerschaltung

27 eine Treiberschaltung

28 einen Motor

29 eine Detektorschaltung zur Beurteilung der Motorlast

30 eine Steuerschaltung

31, 32 und 33 Treibsignale mit schmaler Impulsbreite

34 ein Korrektursignal

35 ein Treibsignal mit großer Impulsbreite

59 einen Standardimpuls zur Beurteilung der Last

60 ein Detektorsignal zu lastfreier Zeit

61 ein Detektorsignal zur Zeit einer Last.

F i g. 1 zeigt ein Beispiel eines Schrittmotors für elektronische Armbanduhren. Hierbei ist 1 ein Permanentmagnetrotor, der so magnetisiert ist, daß er zwei Pole aufweist, und dieser Rotor 1 ist zwischen gegenüberliegenden Statoren 2 und 3 angeordnet. Diese Statoren 2 und 3, die mit einem Joch 5 verbunden sind, um das eine Spule 4 gewickelt ist, bilden ein Statorpaar. Der Rotor 1 und kreisbogenförmige Teile 2a und 3a der Statoren 2 und 3 sind exzentrisch angeordnet, damit der Rotor 1 auf eine Drehrichtung festgelegt werden kann. In der Ruhestellung des Rotors 1 befinden sich seine Pole (N und S) auf einer Seite der Statoren 2 und 3. Diese Art Schrittmotor ist bereits praktisch verwendet und mit einer Schaltung betrieben worden, wie sie als Blockschaltbild in Fig.2 dargestellt ist. Hierbei ist 10 ein Quarzkristallschwinger, der durch eine Oszillatorschaltung 11 getrieben wird; deren Frequenz wird durch einen Frequenzteiler 12 herabgeteilt. Eine Vorrichtung 13 dient der Wellenformung und formt zwei Impulse, die je eine bestimmte Zeitdauer in einem bestimmten Zeitintervall aufweisen und deren Phasen um 180° gegeneinander verzögert sind.

Als Beispiel der erwähnten Impulse wird ein alle zwei Sekunden auftretender Impuls mit einer Dauer von 7,8 msec beschrieben. Diese Impulse werden von aus C-MOS Invertern aufgebauten Treibern 14 und 15 zugeführt, und deren Ausgangssignale werden Anschlüssen 4a und 4fc der Spule 4 geliefert F i g. 3 ist eine ausführliche Darstellung dieses Treiberteils. Wenn einem Eingangsanschluß 16 des einen Inverters 14 ein

ίο Signal 18 zugeführt wird, fließt Strom in Richtung eines Pfeils 19, und wenn ein solches Signal einem Eingangsanschluß 17 des anderen Inverters 15 zugeführt wird, fließt der Strom in einer zum Pfeil 19 symmetrischen Richtung entgegengesetzt durch die Spule 4. Der in die Spule 4 fließende Strom kann invertiert werden, indem Signale abwechselnd den Eingangsanschlüssen 16 und 17 der beiden Inverter 14 und 15 zugeführt werden. Genauer gesagt kann ein 7,8 msec dauernder Strom, dessen Richtung sich alle Sekunde umkehrt, in der Spule 4 fließen. Durch eine solche Treibschaltung werden die Statoren 2 una 3 des Schrittmotors in F i g. 1 so magnetisiert, daß sie abwechselnd einen N-PoI und einen S-PoI bilden und den Magnetpol des Rotors 1 abstoßen und anziehen; und der Rotor wird um 180° gedreht. Diese Drehung des Rotors 1 wird mit Hilfe eines Zwischenrades 6 mit Trieb auf ein Sekundenrad 7 mit Trieb übertragen und ferner auf ein Kleinbodenrad 8 mit Trieb und ein Minutenrad mit Trieb und mit Minutenrohr 9, und letztlich auf einen Stundenradtrieb, ein Stundenrad und einen Kalendermechanismus, die in dieser Figur nicht dargestellt sind. Infolgedessen wird ein Anzeigemechanismus mit einem Stundenzeiger, einem Minutenzeiger, einem Kalender usw. betätigt.

Der Schrittmotor in F i g. 1 ist grundsätzlich gemäß obiger Beschreibung betrieben worden und ist als Wandlermechanismus für eine elektronische Armbanduhr benutzt worden.
Wenn in der Treibschaltung in F i g. 3 Strom dadurch in Richtung des Pfeils 19 fließt, daß ein Signal hohen Pegels an den Anschluß 17 und das Signal 18 an den Anschluß 16 angelegt werden, entsteht ein Spannungsabfall aufgrund des Treibstroms entsprechend einem Kanalwiderstand im MOS-Transistor 15, und vom Anschluß Ab kann eine Signalwellenform entsprechend diesem Strom festgestellt werden. Ein Beispiel der Stromwellenform ist in F i g. 4 dargestellt. Hierin bedeutet Abschnitt A einen Treibabschnitt von 7,8 msec, und der im Abschnitt A fließende Strom wird im Motor verbraucht. Wie F i g. 4 zeigt, ist die Stromwellenform im Abschnitt A kompliziert, und zwar aufgrund des induzierten Stroms, der in der Spule durch Drehung des angetriebenen Motors zusätzlich zu jedem Strom fließt, welcher auf der von der Treibschaltung zugeführten Spannung beruht. Ein Abschnitt B ist der Abschnitt nach Anlegen des Treibimpulses, und aufgrund von Trägheit und Schwingen fährt der Rotor mit seiner Drehung fort, bis er bei einer stabilen Position stehenbleibt. Da die P-Kanal-MOS-Transistoren der treibenden Inverter 14 und 15 in diesem Abschnitt EIN sind, fließt zu dieser Zeit der Strom, der entsprechend der genannten Bewegung des Rotors induziert wird, in der Schleife aus der Spule 4 und diesen Transistoren zur Spule 4. Aus den genannten Gründen pulsiert die Wellenform im Abschnitt B in Fig.4. Deshalb unterscheidet sich das Aussehen der Wellenformen von Treibstrom und induziertem Strom nach dem Treiben entsprechend den Drehpositionen des Rotors.

Wellenform 20 und 20' folgen unter Bedingungen aufeinander, in denen die Last am Rotor extrem klein ist. Wellenformen 22 und 22' folgen aufeinander unter Bedingungen, in welchen die Rotorlast groß ist und der Rotor nahezu die Grenze seines Arbeitens erreicht. Wellenformen 21 und 21' folgen unter Bedingungen aufeinander, in denen etwa die Hälfte der maximal zugelassenen Last auftritt Betrachtet man diese Wellenformen, so sieht man, daß sie mit zunehmender Last nach rechts straff gezogen werden, da die Drehung des Rotors mit zunehmender Last langsamer wird. Dies bestätigt experimentell, daß die Schwingungszahl des in der stabilen Position anhaltenden Rotors niedrig ist und deren Amplitude klein wird. Betrachtet man dieses Phänomen umgekehrt, kann man verstehen, daß der Motor durch den Treibimpuls mit einer Breite von weniger als 7,8 msec getrieben werden kann, wenn sich der Rotor immer in lastfreiem Zustand befindet. Tatsächlich kann der Motor betrieben werden und wird das Ausgangsdrehmoment reduziert, wenn die Impulsbreite schmaler wird. Dies ist in F i g. 5 gezeigt F i g. 5 zeigt eine Kennlinie 7"des Ausgangsdrehmomentes und eine Kennlinie /des Energieverbrauchs in Abhängigkeit von einem in der Breite veränderlichen Treibimpuls. Die zuvor genannte Treibimpulsbreite von 7,8 msec entspricht P₂ in Fi g. 5. P₂ ist die Impulsbreite, T₂ das Ausgangsdrehmoment und I₂ der Energieverbrauch. Dieses Ausgangsdrehmoment ist so bestimmt, daß es mit einer Last fertig wird, wie man sie bei einer Uhr antrifft, wie zuvor ausgeführt worden ist. Wenn jedoch die Last am Rotor klein ist oder vernachlässigt werden kann, kann das Ausgangsdrehmoment kleiner werden und kann die Treibimpulsbreite schmaler gemacht werden, und somit kann der Energieverbrauch niedrig sein. Wenn der Motor beispielsweise mit einer Impulsbreite P\ getrieben wird, ist das Ausgangsdrehmoment Ti und der Energieverbrauch /_t. Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit diesem Punkt Dadurch, daß die Last am Rotor ermittelt wird, kann der Motor mit einer schmalen Impulsbreite betrieben werden, wenn keine oder eine geringe Last am Rotor auftritt, oder mit einer großen Impulsbreite, wenn eine große Last auftritt. Die Erfindung versucht den Energieverbrauch durch diese Methode zu rationalisieren und zu reduzieren. Wie bereits erwähnt worden ist hat eine Energieverbrauchsverringerung eine große Auswirkung, da sich eine Uhr meist in einem praktisch lastfreiem Zustand befindet Beispielsweise wird gemäß F i g. 5 der Motor während eines lastfreien Zustands (20 Stunden lang) mit der Impulsbreite Pj oder während eines Zustands großer Last (während 4 Stunden) mit der Impulsbreite P₂ getrieben, und /, «j h verhauen sich wie 1 zu 2 (I₁II₂=Ml). Der mittlere Energieverbrauch ist folgendermaßen;

I =

20 + I₂ -4 14 ,
~~2Ä 24 ^h

Somit liegt der Energieverbrauch unter 60% von jenem Energieverbrauch, welcher auftritt wenn der Motor mit der herkömmlichen Methode zu allen Zeiten mit der Impulsbreite P2 getrieben wird, und der Energieverbrauch ist stark reduziert

Die Methode zur Feststellung dieser Lastarten ist ein wichtiger Punkt der Erfindung. Diese Methode wird als nächstes beschrieben. Betrachtet man die Wellenform des in der Spule fließenden Stroms (F i g. 4) findet man, daß sich die Wellenform mit zunehmender Last ändert Die Stellen, an denen die Wellenform im Treibabschnitt A ein Maximum oder ein Minimum erreicht, verschieben sich mit zunehmender Last nach rechts. Obwohl man hieraus die Größe der Last ermitteln kann, ergeben sich doch Probleme, da die Änderung der Wellenform extrem gering ist, und es schwierig ist, zwangläufige Unregelmäßigkeiten aufgrund der Massenproduktion auszugleichen. Außerdem ist eine extrem empfindliche Steuerung erforderlich.
Deshalb befaßt sich die vorliegende Erfindung mit dem Abschnitt B nach Anlegen des Treibimpulses. Auch im Abschnitt B verschiebt sich die Position, in welcher die Wellenform das erste Mal ihr Minimum erreicht, mit zunehmender Last nach rechts. Diese Verschiebung der Wellenform beträgt ein Mehrfaches gegenüber der im Abschnitt A. Daher ist die Methode, den Lastbetrag durch die Weiienform des induzierten Stroms im Abschnitt B zu ermitteln, leichter und zuverlässiger als im Abschnitt A. Dieselben Aussagen gelten für den Fall, daß die Treibimpulsbreite schmaler gemacht wird. Der entsprechende Zustand ist in F i g. 6 gezeigt Ein Antrieb gemäß F i g. 6 kann nur einer kleinen Last standhalten, da seine Treibimpulsbreite schmaler als in F i g. 4 ist. Die Beziehung zwischen einer Treibstromwellenform 23 in einem lastfreien Zustand und einer Wellenform 23' eines iduzierten Stroms nach dem Antreiben im selben Zustand und zwischen einer Treibstromwellenform 24 im Zustand einer Last, welche die Betriebsgrenze erreicht, und einer Wellenform 24' eines induzierten Stroms nach dem Antreiben im selben Zustand ist jedoch zu den Beziehungen zwischen den Wellenformen in F i g. 4 analog. Auch in diesem Fall wird eine Last durch die zuvor genannte Methode ermittelt Erfindungsgemäß wird jedoch der Motor gewöhnlich unter Annahme eines lastfreien Zustands durch schmale Treibimpulse angetrieben, wird der Betrag der Last immer aus der Wellenform des induzierten Stroms nach dem Treiben ermittelt und wird der anfängliche Antrieb mit einer schmalen Treibimpulsbreite fortgesetzt wenn die Last klein ist. Wenn die Last zunimmt und der Antrieb des Motors die Grenze des Antriebs mit der schmalen Antriebsimpulsbreite erreicht wird der Motor während einer bestimmten Zeitdauer vom folgenden Antrieb ab mit einer großen Treibimpulsbreite angetrieben und kehrt dann zum ursprünglichen Antrieb mit der schmalen Treibimpulsbreite zurück. Dieses Prinzip der vorliegenden Erfindung wird in Verbindung mit F i g. 7 ausführlich erläutert

F i g. 7 zeigt ein Blockschaltbild vom Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. 25 ist ein als Zeitnormal arbeitender Schwinger. 26 ist eine Schaltungsanordnung mit einer Oszillatorschaltung, einer Teilerschaltung usw. 27 ist eine Treiberschaltung zum Treiben eines Schrittmotors 28. Der bisher beschriebene Aufbau ist der gleiche wie bei herkömmlichen elektronischen Uhren. 29 ist eine Lastdetektorschaltung, welche die Last entsprechend der Wellenform des induzierten Stroms nach Anlegen des Treibimpulses ermittelt wie es im Zusammenhang mit den Fig.4 und 6 erläutert worden ist Eine Steuerschaltung 30 steuert den Antrieb

ω des Schrittmotors 28 entsprechend dem Lastzustand, wie er von der Lastdetektorschaltung 29 ermittelt worden ist um den schmalen Treibimpuls zur lastfreien Zeit und den breiten Impuls beim Vorliegen einer Last zu liefern.

F i g. 8, in welcher diese Steuerungsmethode erläutert ist zeigt den Zustand der Treibimpulse. 31 und 32 sind Impulse and zeigen den Zustand der zugeführten Impulse, wie sie im Absatz über den Schrittmotor

erwähnt worden sind. Die Impulse 31 und 32 sind schmale Impulse im lastfreien Zustand. Nachdem diese Impulse 31 und 32 zugeführt worden sind, ermittelt die Detektorschaltung den Lastzustand und stellt z. B. einen Zustand ohne Last oder mit kleiner Last fest. Da als Lastzustand nach dem Impuls 31 keine Last festgestellt worden ist, wird entschieden, daß der nächste Impuls 32 eine kleine Impulsbreite hat. Und da als Lastzustand nach dem Impuls 32 ebenfalls ein lastfreier Zustand festgestellt wird, wird entschieden, daß der nächste Impuls 33 ebenfalls eine kleine Impulsbreite aufweist. Wenn dann aber z. B. nach dem Impuls 33 ein Lastzustand großer Last festgestellt wird, dann wird einige 10 msec nach dem Impuls 33 ein zweiter Treibimpuls 34 großer Impulsbreite angelegt, der die gleiche Polarität (d. h., die gleiche Stromrichtung) wie der Impuls 33 aufweist. Was die Zahl der konstanten Impulse betrifft, werden Impulse 35 und 36 mit großer Impulsbreite angelegt, und dann wieder Impulse 37, 38 ... mit schmaler Impulsbreite wie die ersten Impulse.

Zur Beziehung zwischen den Impulsen 33 und 34 ist zu sagen: Wenn nach dem Antrieb mit dem Impuls 33 der Lastzustand festgestellt worden ist, wird einige 10 msec danach der Impuls 34 mit großer Impulsbreite zugeführt. Der Grund für das Anlegen des Impulses 34 ist der, daß es schwierig ist zu entscheiden, ob der Rotor getrieben wurde oder nicht, wenn nach dem Impuls 33 ein Zustand großer Last festgestellt wird. Denn die Wellenform des induzierten Stroms gemäß Fig.6 ist entsprechend der Tatsache, daß die Last sich erhöht hat, nach rechts verschoben und reduziert. Wenn andererseits der Rotor nicht getrieben wird, fließt der induzierte Strom nicht. Wenn jedoch die Last beinahe an der Grenze liegt und der Rotor mit Schwierigkeiten gedreht wird, ist es schwer zu unterscheiden, ob der Rotor angetrieben worden ist oder nicht.

Wenn die Last allmählich zunimmt, kann der Rotor, obwohl eine große Last festgestellt wird, zu diesem Moment vom Impuls 33 getrieben worden sein. Wenn die Last rasch ansteigt und festgestellt wird, daß sie zu groß ist, um den Rotor mit schmaler Impulsbreite anzutreiben, wird der Rotor vom Impuls 33 nicht getrieben. Somit ist es schwierig, die beiden Fälle zu unterscheiden. Mit einigem Spielraum gilt: Der Lastzustand nach dem Impuls 33 wird ermittelt, wenn die Last nahezu an der Grenze ist oder der Rotor mit Schwierigkeit getrieben worden ist und somit ist es leicht, den Impuls 34 zuzuführen. In dem Fall, in welchem der Rotor durch den Impuls 33 getrieben worden ist, erhält der Impuls 34 die Gegenphase des regulären Impulses, und der Rotor wird nicht getrieben, da der Impuls 34 ein Impuls mit der gleichen Richtung wie der Impuls 33 ist Wenn der Rotor vom Impuls 33 nicht getrieben wurde, wird er vom Impuls 34 getrieben. In diesem Fall wird der Rotor einige 10 msec später getrieben, was man bei der Bewegung des Sekundenzeigers jedoch nicht sichtbar feststellt, und es ist nicht nötig, sich deswegen über die Schwierigkeit des Ablesens der Uhr zu beunruhigen.

Der Grund dafür, daß nach Feststellung des Lastzustandes breite Impulse wie die Impulse 35 und 36 zugeführt werden, bis sie eine bestimmte Impulszahl erreicht haben, liegt darin, daß die größte Last für den Rotor die Last ist, welche der Kalendermechanismus darstellt, und diese dauert drei oder vier Stunden, so daß, wenn wieder der schmale Impuls zugeführt würde, der Zustand großer Last erneut festgestellt würde. Wenn dieser Fall wiederholt wird, werden deshalb bei jeder Drehung des Rotors zwei Impulse geliefert, und der Energieverbrauch wird groß, und der geringe Energieverbrauch wird nicht erreicht.

Außerdem kann als Last für den Rotor nicht nur durch die durch den Kalendermechanismus gebildete Last, sondern auch eine vorübergehende atmosphärische Last, wie ein Magnetfeld, eine niedrige Temperatur usw. auftreten. In diesem Fall sollte die Anzahl der aufeinanderfolgenden Impulse mit großer Impulsbreite

ίο so klein wie möglich sein. Unter Beachtung dieses Umstands sollte die Anzahl der aufeinanderfolgenden Impulse zwischen einigen 10 Sekunden und einigen 10 Minuten festgelegt sein. Das Wesen der Erfindung ist vorausgehend erläutert worden. Als nächstens wird eine

is konkrete Ausführungsform der Erfindung beschrieben. F i g. 9 stellt ein Beispiel der Schaltung zum Steuern der Treibimpulse und der Lastdetektorschaitung gemäß der Erfindung dar. Dabei bedeuten: 25 eine Oszillatorschaltung, 26 eine Teilerschaltung, 28 einen Motor und eine Treibschaltung und 29 eine Schaltung zur Ermittlung des Lastzustandes des Motors.

Ein NAND-Gatter 39, dessen Eingänge mit bestimmten Ausgängen der Teilerschaltung 26 verbunden sind, gibt am Ausgang Taktimpulse einer bestimmten Folgefrequenz ab, von denen einer jeweils gerade 5 ms nach Abfall des Eine-Sekunde-Signals auftritt. Dieses Eine-Sekunde-Signal ist an Verzögerungsflipflops 42 und 44 und einen Inverter 100 angelegt. Die Ausgänge des Verzögerungsflipflops 42 und des Inverters 100 sind mit den beiden Eingängen eines NAND-Gatters 46 verbunden, während die Ausgänge des Inverters 100 und des Verzögerungsfüpflops 44 mit zwei Eingängen eines noch einen dritten Eingang aufweisenden NAND-Gatters 47 verbunden sind. Der Takteingang des Verzögerungsflipflops 44 ist mit einem Taktpuls einer Folgefrequenz von 128 Hz beaufschlagt. Wenn das Eine-Sekunde-Signal auf den Zustand L (niedriges Potential) abfällt, dann wird der Signalzustand an den mit dem Ausgang des Inverters 100 verbundenen Eingängen der NAND-Gatter 46 und 47 H (hohes Potential). Der Signalzustand an den Ausgängen der Verzögerungsflipflops 42 und 44 ändert sich erst 5 bzw. 7,8 ms später von H auf L. Während einer Zeitspanne von 5 ms sind daher beide Eingänge des NAND-Glieds 46 H, so daß dieses an seinem Ausgang einen L-Impuls von 5 ms Länge abgibt Während einer Zeitspanne von 7,8 ms sind die genannten beiden Eingänge des NAND-Gatters 47 H, so daß an dessen Ausgang ein L-lmpuls von 7,8 ms Länge erscheint, sofern das NAND-'Gatter 47 durch ein Η-Signal am Ausgang des Inverters 101 freigegeben ist. In der erläuterten Weise treten die L-Impulse an den Ausgängen der NAND-Gatter 46 und 47 alle Sekunde auf, wobei sich die Vorderflanken beider Impulse decken. Am Ausgang des ODER-Gatters 102 mit invertierten Eingängen treten demnach mit einer Folgefrequenz von 1 Sekunde Impulse einer Breite von 5 ms oder einer solchen von 7,8 ms auf. Die 5-ms-Impulse erscheinen, wenn das NAND-Gatter 47 durch ein L-Ausgangssignal des Inverters 101 gesperrt ist

Der Ausgang des ODER-Gatters 102 ist mit den Eingängen zweier NAND-Gatter verbunden, von denen das eine außerdem mit einem Zwei-Sekunden-Signal und das andere mit einem invertierten Zwei-Sekunden-Signal beaufschlagt ist Auf diese Weise gelangt der Ausgangsimpuls vom ODER-Gatter 102 über jeweils eines dieser NAND-Gatter abwechselnd auf ein ODER-Gatter 49 bzw. 89. Diese mit invertierten

Eingängen versehenen ODER-Gatler 49 und 89 sind außerdem eingangsseitig jeweils mit einem NAND-Gatter verbunden, die im Zwei-Sekunden-Rhythmus abwechselnd vorbereitet werden und mit dem Ausgang eines NAND-Gatters 41 verbunden sind, das unter später erläuterter Voraussetzung einen Korrekturimpuls abgibt Die Ausgänge der ODER-Gatter 49 und 89 sind mit den Invertern 14 und 15 der Treiberschaltung 28 (siehe auch F i g. 3) verbunden.

Nachdem die Erzeugung der schmalen Treiberimpulse für den lastfreien Zustand und der breiten Treiberimpulse für den Lastzustand sowie ihre wahlweise Zuführung zur Spule des Motors erläutert wurden, soll nun die Unterscheidung zwischen dem lastfreien und dem Lastzustand beschrieben werden. 53 und 54 sind Übertragungsgatter, die dem Treibsignai gemäß abwechselnd das Ausgangssignal der Inverter 14 und 15 auf eine Differenzierschaltung mit einem Verstärker 55 und einem vorgeschalteten Kondensator geben. Unter den Ausgangssignalen der Obertragungsgatter 53 und 54 sind die Wellenformen bei lastfreiem Zustand einerseits und bei Lastzustand andererseits in Fig. 10 mit 60 bzw. 61 bezeichnet. Die Differenzierschaltung arbeitet als Detektor, der Extremwerte dieser Wellenformen feststellt. Das Ausgangssignal der Differenzierschaltung wird mit Hilfe eines Inverters 103 zu einer Rechleckwelle umgeformt, die bei jedem Extremwert der entsprechenden Wellenform der Signale 60 bzw. 61 einen Signalsprung aufweist. Man erhält so eine Rechteckwelle 62 für die Wellenform 60 und eine Rechteckwelle 64 für die Wellenform 61. An den Ausgang des Inverters 103 ist eine ein NAND-Gatter 56 enthaltende Schaltung zur Ermittlung einer Abfallflanke in der Rechteckwelle 62 bzw. 64 angeschlossen, die im Fall des lastfreien Zustande das Ausgangssignal 63 in Fig. 10 und im Fall des Lastzustands das Ausgangssignal 65 in F i g. 10 abgibt Die Ausgangssignale 63 und 65 bestehen aus L-Impulsen. Tritt am Ausgang des NAND-Glieds 56 ein Impuls innerhalb einer relativ kurzen Zeit nach dem Treiberimpuls (58 in F i g. 10) auf, dann weist die auf einen lastfreien Zustand gemäß Wellenform 60 hin. Die Unterscheidung, ob ein Impuls am Ausgang des NAND-Gatters 56 nach relativ kurzer Zeit oder nach längerer Zeit nach dem Treiberimpuls auftritt, erfolgt mit Hilfe eines von einem NAND-Gatter 48 gelieferten und bei 59 in Fig. 10 dargestellten Impulses. Dieser Impuls, der ebenfalls im Sekundenrhythmus auftritt wird in entsprechender Weise wie die Treiberimpulse mit Hilfe eines Verzögerungsflipflops 43, das von einem NAND-Gatter 40 getaktet wird, aus dem Eine-Sekunde-Signal abgeleitet Die Eingänge des NAND-Gaitcrs 40 sind mit entsprechender. Ausgängen des Frequenzte.iers 26 verbunden, so daß sich die gewünschte Länge des Impulses 59 ergibt Wenn die drei Eingänge des mit invertierten Eingängen versehenen UND-Gatters 104 alle den Zustand L besitzen, dann liefert dieses UND-Gatter ein Signal des Zustands H an ein NOR-Glied 105, dessen Ausgangssignal dadurch zu L wird.

Die NAND-Gatter 106 bis 108 bilden ein Flipflop, das durch das Eine-Sekunde-Signal in einen Setzzustand gebracht wird, bei dem das Signal am Ausgang 57 H ist Durch ein Ausgangssignal L vom NOR-Gatter 105 wird das Flipflop 106 bis 108 zurückgesetzt Solange also ein Ausgangsimpuls vom NAND-Gatter 56 in den Impuls 59 fällt, d. h. zu einer Zeit auftritt, zu der das Signal am Ausgang des NAND-Gatters 48 L ist, wird das Flipflop 106 bis 108 abwechselnd durch das Eine-Sekunde-Signal gesetzt und anschließend auf Grund dieses Impulses vom NAND-Gatter 56 wieder zurückgesetzt. Im zurückgesetzten Zustand sperrt das Flipflop 105 bis 108 das NAND-Gatter 41, so daß dieses keinen Korrekiurimpuls abgibt, solange der lastfreie Zustand festgestellt wird. Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, daß das UND-Gatter 104 gesperrt ist, solange das Signal am Ausgang des Verzögerungsflipflops 44 H ist. Hierdurch wird sichergestellt, daß ein möglicherweise während eines Treiberimpulses auftretender Impuls am Ausgang des NAND-Gatters 56 sich nicht auswirken kann.

Tritt nun nach einem lastfreien Zustand des Motors ein Lastzustand auf, dann gibt das NAND-Gatter 56 während der Dauer des Impulses 59 keinen Impuls an das UND-Gatter 104 ab. Nach Abklingen des Impulses 59 am Ausgang des NAND-Gatters 56 auftretende Impulse können sich wegen des inzwischen gesperrten UND-Gatters 104 nicht mehr auswirken. Demzufolge wird im Fall dieses Lastzustands das Flipflop 106 bis 108 nicht zurückgesetzt, so daß das NAND-Gatter 41 den Korrekturimpuls erzeugen kann, der zu einem in F i g. 8 mit 34 und in F i g. 10 mit 66 bezeichneten Treiberimpuls wird. Dieser Korrekturimpuls gelangt außerdem an den einen Eingang eines NAND-Gatters 50, dessen anderer Eingang den Signalzustand H besitzt, solange der Zähler 52 den Zählerstand Null aufweist. Der Korrekturimpuls gelangt daher durch das NAND-Gatter 50 zum Eingang des Zählers 52 und bewirkt in diesem einen von Null verschiedenen Zählerstand. Als Folge davon werden das NAND-Gatter 50 gesperrt, ein NAND-Gatter 51 freigegeben und auch das NAND-Gatter 47 zum Erzeugen der Treiberimpulse großer Breite freigegeben. Das Η-Signal vom Ausgang des Inverters 101 liegt schließlich auch noch an einem Eingang des NOR-Gatters 105 an, wodurch das Flipflop 106 bis 108 im Rücksetzzustand gehalten und die Ausgabe eines weiteren Korrekturimpulses verhindert wird. Über das NAND-Gatter 51 zählt der Zähler 52 nun die Impulse des Zwei-Sekunden-Signals, um nach einer vorgegebenen Zeit wieder in den Zählerstand Null überzulaufen. Während dieser Zeitspanne erhält die Spule des Motors die 7,8 ms breiten Treiberimpulse. Sobald der Stand des Zählers 52 wieder Null geworden ist, werden die NAND-Gatter 47 und 51 erneut gesperrt und das NAND-Gatter 40 für den Empfang des nächsten Korrekturimpulses vorbereitet Hält der Lastzustand bis zu diesem Zeitpunkt an, dann würde nach dem nächsten Treiberimpuls erneut ein Korrekturimpuls ausgegeben werden und sich der beschriebene Ablauf wiederholen. Ist hingegen der Lastzustand inzwischen zu einem lastfreien Zustand gewechselt dann besorgt der Ausgangsimpuls vom NAND-Gatter 56 rechtzeitig eine Rückstellung des Flipflops 106 bis 108, bevor ein Korrekturimpuls ausgegeben werden kann. Zur Erzeugung des Korrekturimpulses in der gewünschten Weise nach Zeitpunkt und Länge sind die Eingänge des NAND-Gatters 41 mit geeigneten Ausgängen der Teilerschaltung 26 verbunden. Die Dauer, während derer der Zähler 52 nach einem Korrekturimpuls zählt, ist auf 10 s bis einige zehn Minuten eingestellt Die Tatsache, daß der Korrekturimpuls nur einmal nach Übergang vom lastfreien zum Lastzustand und nicht ständig mit den für den Lastzustand ausgegebenen breiten Treiberimpulsen erzeugt wird, hilft Energie zu sparen.

Anstelle der Differenzierschaltung mit dem Verstär- · ker 55 können andere Methoden zur Ermittlung der Spitzenwerte der Signalverläufe 60 bzw. 61 vorgesehen

werden.

Fig. 18 zeigt ein Blockschaltbild einer Spitzenwertdetektorschaltung, bei der eine Verzögerungsschaltung verwendet wird. 53 und 54 stellen wiederum die Übertragungsgatter dar, während 80 ein genereller Verstärker anstelle des Differenzierverstärkers 55 von Fig.9 ist. 81 ist eine Verzögerungsschaltung. 82 ist ein Komparator, dem als Eingangssignale das Ausgangssignal des Verstärkers 80 und das der Verzögerungsschaltung 81 zugeführt werden.

Die Fig. 13 und 14 zeigen eine Ausführungsform des Verstärkers 80. Die zuvor erwähnten Wellenformen 23, 24 usw. (F i g. 6) zur Ermittlung der Motorbelastung sind Signale zwischen einigen mV und einigen zehn mV, die um den Energiequellenpegel herum erzeugt werden. Die Spannung dieser Signale wird durch Widerstände 66 und 67 geteilt und auf den Eingangstreibpegel des Verstärkers umgewandelt. Am Anschluß 68 erscheint die Wellenform 76 in F i g. 16.

Fig. 14 stellt eine gegenüber Fig. 13 verbesserte Schaltung dar, bei der anstelle des Widerstandes 67 ein MOS-Transistor 69 eingesetzt ist und die eine Rückkopplungsschaltung zur Steuerung der Kanalimpedanz des Transistors 69 aufweist, damit der Eingangspegel des Verstärkers den Treibpegel erreicht. Block 70 ist eine Schaltung zur Feststellung des Ausgangspegels.

F i g. 15 ist eine Ausführungsform der Verzögerungsschaltung 81. 71 und 73 sind Übertragungsgatter. 72 und 74 sind Lastkondensatoren. In diesem Fall wird das Eingangssignal 76 des Anschlusses 68 wie 77 am Ausgangsanschluß verzögert.

Fig. 17 zeigt ein Modelldiagramm dieser Wellenformen. Das Eingangssignal 76 wird dem Kondensator 72 über das Übertragungsgatter 41 zugeführt. Wenn die Wellenformen 76 und 77 eingegeben werden, gibt der Komparator 82 das als 78 gezeigte Rechtecksignal aus. Als Verzögerungsschaltung ist Fig. 15 geeignet. Es ist jedoch auch eine Eimer-Ketten-Schaltung (BBD = eine ladungsgekoppelte Halbleitervorrichtung) geeignet, da die Frequenz des Eingangssignals relativ niedrig ist Es ist sicher, daß die erfindungsgemäße Methode zur Lastermittlung gegenüber einem Schock oder einem Magnetfeld, die auf eine Uhr einwirken, wirksam ist.

Fi g. 19 zeigt die Stronrvellenformen, die festgestellt werden, wenn ein Gleichstrommagnetfeld in Richtung der Schrittmotorspule angelegt ist. Die Wellenform 83 erscheint, wenn die Richtung des Treibmagnetfeldes entgegengesetzt zur Richtung des im Motorkern verursachten Magnetfeldes ist. Die Wellenform 84 erscheint, wenn beide Magnetfelder die gleiche Richtung haben. Bei 83 und 84 ist das äußere Magnetfeld der Wellenformen 85 und 86 Null, und man kann sie als nahezu gleiche Wellenformen ansehen. Die Wellenformen 87 und 88 erscheinen, wenn das äußere Magnetfeld 40 Gauss beträgt. Je stärker das äußere Magnetfeld wird, um so langsamer ist die Wirkung der Wellenform zwischen der Wellenform 87 und der Wellenform 83, und die Wirkung hat die gleiche Eigenschaft wie die Wirkung im Zustand großer Last. Bei der erfindungsgemäßen Uhrenschaltung ist deshalb die Wirkung wirksam auf den Einfluß eines äußeren Magnetfeldes, und es besteht experimentelle Übereistimmung, daß der Widerstand gegen das äußere Magnetfeld der gleiche wie bei einer herkömmlichen Uhr ist. Im Fall von 87 in Fig. 19 wird das als 87' gezeigte Korrektursignal hinzugefügt, weil eine recht kleine Position der Wellenform nach dem Normalimpuls für die Entscheidung auftrat. Es ist sehr leicht, aus der vorausgehenden Erläuterung den Schluß zu ziehen, daß die vorliegende Erfindung eine gute Wirkung hinsichtlich der Schock-Widerstandsfähigkeit aufweist.

Im Rahmen der Erfindung sind zahlreiche Abwandlungen gegenüber der vorausgehenden Beschreibung möglich. Beispielsweise ist der elektromechanische Wandlermechanismus nicht auf den erwähnten Schrittmotor begrenzt. Es ist möglich, einen recht ähnlichen Aufbau zu verwirklichen mit einem Schrittmotor, wie er in F i g. 11 gezeigt ist. Der Schrittmotor in F i g. 11 weist einen Rotor 200 auf, der aus einem Permanentmagneten hergestellt ist, und der Stator 201 unterscheidet sich von dem der F i g. 1 in dem Punkt, daß er als ein Körper ohne Spalt hergestellt ist, wobei die Kerben 202 und 203 gebildet sind, um die statische Position festzulegen. 204 ist eine Treibspule. Da bei diesem Schrittmotor der Stator 201 als ein Körper hergestellt ist, unterscheidet sich der induzierte Strom nach dem Antreiben, wie er in F i g. 12 gezeigt ist, etwas von dem der F i g. 4 und 6. Die Beziehung zwischen den Wellenformen 205 und 205' für den lastfreien Zustand und den Wellenformen 206 und 206' für den Lastzustand ist im wesentlichen die gleiche wie bei den Fig.4 und 6, und sie kann in der gleichen Weise realisiert werden.

Hierzu 8 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektronische Uhr mit einem elektromechanischen Wandler, der eine von einer Treiberschaltung mit Treibsighalen gespeiste elektromagnetische Spule besitzt, wobei die Treiberschaltung eine Detektoreinrichtung zur Steuerung des Energiegehalts der Treibsignale enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung (29) nach dem Ende eines Treibsignals den Zustand der mechanischen Last für den Wandler (1—9; 101 — 104) aus der induzierten Spannung oder dem induzierten Strom der Spule (4; 104) ermittelt, und daß der Spule im Zustand geringer Last ein energiearmes Treibsignal und im Zustand hoher Last ein energiereiches Treibsignal zugeführt wird und eine entsprechende elektromechanische Umwandlung erfolgt

2. Elektronische Uhr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das energiearme Treibsignal Impulse einer vorbestimmten kleinen Impulsbreite und das energiereiche Treibsignal Impulse einer vorbestimmten großen Impulsbreite aufweist

3. Elektronische Uhr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Spule (4; 104) für eine vorgegebene Zeitspanne ein energiereiches Treibsignal zuführbar ist, nachdem die Detektoreinrichtung (29) einen Zustand hoher Last festgestellt hat.

4. Elektronische Uhr nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei das Treibsignal Impulse (31 bis 38) wechselnder Polarität umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß der Spule (4; 104) nach einem Impuls (33) kleiner Impulsbreite in relativ kurzem Abstand ein Impuls (34) gleicher Polarität großer Impulsbreite zuführbar ist, nachdem die Detektoreinrichtung (29) einen Zustand hoher Last festgestellt hat.