DE2817622A1

DE2817622A1 - Elektronische uhr

Info

Publication number: DE2817622A1
Application number: DE19782817622
Authority: DE
Inventors: Kazuhiro Asano; Masaaki Mandai; Katsuhiko Satoh; Masaharu Shida; Akira Toriwawa; Makoto Ueda
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 1977-04-23
Filing date: 1978-04-21
Publication date: 1978-10-26
Also published as: JPS629876B2; US4217751A; FR2388325A1; JPS53132383A; GB1592900A

Description

DIPL.-PHYS. F. ENDLICH d· eos4 unterpfaffenhofen 11. April 1978

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TELEXi 021730

Meine Akte: D-4399

Kabushiki Kaisha Daini Seikosha Tokio, Japan

Elektronische Uhr

Die Erfindung "betrifft eine elektronische Uhr gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Unter Bezugnahme auf ELg. 1 wird der Anzeige- oder Schaltmechanismus einer Uhr mit Kristall- bzw. Quarzkristallsteuerung "beschrieben. Im Falle einer 'Armbanduhr ist die Belastung des Schrittmotors mit Ausnahme des ZeitIntervalls zum Veiterschalten des Kalenders sehr kleinj so daß ein Drehmoment von 10g«cm bezüglich des Sekundenrads für den Antrieb ausreicht. Venn jedoch der Kalender geschaltet wird, ist das Drehmoment um einiges höher als in diesem Hbrmalfall. Die Zeit für das Schalten des Kalenders inner-

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halb eines 24-Stunden-Betriebs belauft sich auf höchstens etwa 6 Stunden. Bei diesem Anzeige- oder Schaltmechanismus ergibt sich daher das Problem, daß die elektrische Leistung, die den Betrieb des Kalender-Schaltmechanismus in einem stabilen Zustand ermöglicht, ständig von der Speisequelle her zugeführt werden muß.

Unter Bezugnahme auf Fig. 2 ist der Aufbau der elektronischen Schaltung einer Uhr beschrieben. Bei dieser Schaltung wird die Steuerimpulsbreite durch das erforderliche maximale Drehmoment als dessen Richtwert vorgegeben. In dem Zeitintervall, in welchem kein großes Drehmoment erforderlich ist, wird demzufolge elektrische Leistung verschwendet. Dadurch haben die bekannten elektronischen Ohren einen hohen Leistungsverbrauch.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehend angegebenen Nachteile und Schwierigkeiten zu vermeiden und insbesondere eine elektronische Uhr mit reduziertem Energieverbrauch zu schaffen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Hauptanspruchs gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Bei der erfindungsgemäßen elektronischen Uhr wird der Motor durch eine Steuerschaltung angetrieben, die einen Serienwiderstand zur Reduzierung des Stromverbrauchs aufweist. Dabei wird der Motor angesteuert, nachdem ein Detektorimpuls an eine Wicklung angelegt wurde, um die Drehung des Rotors zu bestimmen. Die Drehung des Rotors wird durch einen Spannungswert erfaßt, der von einem Widerstand erhalten wird, welcher in Serie zur Steuer- bzw. Antriebsschaltung liegt. Wenn der Motor sich nicht dreht, wird eine Korrektur dadurch ausgeführt, daß der Motor so angesteuert wird, daß •sich der Strom erhöht, indem ein Widerstand bzw. Widerstands-

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wert über einen kurzen Zustand geändert wird.

Im folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand von Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen bekannten Anzeige- oder Schaltmechanismus einer analogen Uhr mit Eri st ansteuerung,

Fig. 2 den Schaltungsaufbau einer bekannten elektronischen Uhr,

Fig. 3 den Stromverlauf bei einem üblichen Schrittmotor, Fig. 4-, 5 und 6 die Arbeitsweise des Schrittmotors,

Fig. 7 den Stromverlauf des Rotors bei Mbrmaldrehung und bei Stillstand,

Fig. 8 ein ßesamtblockschaltbild einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektronischen Uhr,

Fig. 9 den Schaltungsaufbau nach einer bevorzugten Ausführungsform, und

Fig. 10 die an Teilen der Schaltung auftretenden Signale abhängig von der Zeit.

Fig. 1 zeigt den Anzeigemechanismus einer analogen Uhr mit Kristallsteuerung. Die Ausgangsleistung des Motors, der einen Stator 1, eine Wicklung 7 und einen Rotor 6 aufweist, wird einem fünften Rad 5> einem vierten Rad 4-, einem dritten Rad 3 und einem zweiten Rad 2 zugeführt. Obgleich es nicht dargestellt ist, wird die Motorausgangsleistung dann zu einem zylindrischen Element, einem zylindrischen Rad und

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einem Kalendermechanismus übertragen, wodurch, ein Sekundenzeiger, ein Minutenzeiger, ein Stundenzeiger und ein Kalender angetrieben werden. Bei einem derartigen Anzeigemechanismus treten die eingangs genannten Schwierigkeiten auf, daß eine bestimmte elektrische Leistung ständig angelegt werden muß, damit der Kaienderantriebsmechanismus in einem stabilen Zustand betrieben werden kann.

Fig. 2 zeigt den Aufbau einer elektronischen Schaltung. Das Ausgangssignal von 32,768 KHZ einer Oszillator-Schaltung 10 wird in ein 1-Sekunden-Signal mittels einer Frequenzteilerschaltung umgewandelt. Ein Sekunden-Signal wird ferner in ein Signal mit 7j8 msec, und einer Periode von 2 Sekunden durch eine Schaltung umgewandelt, die Impulse kombiniert, infolgedessen ein Signal mit der gleichen Periode und Impulsbreite, jedoch um eine Sekunde unterschiedlicher Phase/an Eingänge 15 und 16 von Invertern 13a und 13b angelegt wird. Bei dieser Schaltung wird ein invertierter Impuls jede Sekunde an eine Wicklung 14 angelegt, der die Richtung des Stromes ändert, so daß der zwei Pole aufweisende Rotor 6 in einer Richtung gedreht wird. Fig. zeigt den Verlauf des Stromes. Die Impulsbreite dieser elektronischen "Uhr wird somit durch das erforderliche maximale Drehmoment als Richtwert vorgegeben, wodurch ein unnötiger Leistungsverbrauch nicht verhindert werden kann.

Der in Fig. 4- gezeigte Schrittmotor weist einen mit 1 bezeichneten Stator auf, der als ein integraler Körper ausgebildet sein kann und einen magnetischen Kreis 17 auf preist, der leicht gesättigt werden kann. Der Stator steht über die Wicklung 7 mit dem Magnetkern in magnetischer Kopplung.

Um die Drehrichtung des Rotors 6 mit zwei Magnetpolen zu

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-r-

"bestimmen, wobei die Pole in Richtung des Durchmessers angeordnet sind, weist der Stator eine Auskerbung 18 auf. Fig. 4 zeigt den Zustand, in welchem der elektrische Strom gerade an die Wicklung 7 angelegt wird. Wenn kein Strom der Wicklung 7 zugeführt wird, "bleibt der Rotor stationär an einer Stellung, in welcher ein Winkel von etwa 90° zwischen der Auskerbung 18 und den Magnetpolen des Rotors eingehalten wird.

Wenn in diesem Zustand der Strom in der Wicklung 7 in der durch den Pfeil gezeigten Richtung fließt, liegen die Magnetpole im Stator 1 entsprechend Fig. 4 vor, so daß sich der Rotor 6 im Uhrzeigersinn dreht, wobei . Jy s-<f,,/z_{: c} die Pole" jeweils gegeneinander wirken. Wenn der Stromfluß durch die Wicklung 7 unterbrochen wird, nimmt der Rotor 6 die zur Fig. 4 entgegengesetzte Stellung ein, wobei die Magnetpole ebenfalls vertauscht sind. Daraufhin dreht sich der Rotor 6 weiterhin im Uhrzeigersinn aufgrund des in entgegengesetzter Richtung fließenden Stromes. Da ein derartiger Schrittmotor bei der erfindungsgemäßen, elektronischen Uhr verwendet wird, wird er so konzipiert, daß er einen einzigen integralen Eörper mit einem sättigungsfähigen Abschnitt 17 aufweist; der durch die Wicklung 7 fließende Strom zeigt dann eine Charakteristik mit einer langsam ansteigenden Kurve, wie sie in Figur 3 dargestellt ist.

Der Grund der in Fig. 3 gezeigten Stromcharakteristik liegt darin, daß vor der Sättigung des Abschnitts 17 des Stators 1 der magnetische Widerstand des Magnetkreises von Seiten der Wicklung 7 sehr klein ist, infolgedessen die Zeitkonstante L der Serienschaltung aus dem Widerstand und der Wicklung sehr groß ist. Die Gleichung für diesen Zustand ist folgendermaßen:

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= L/E, L =
Daraus ergibt sich folgende Gleichung ^= H²Z(R · Rm)

In vorstehenden Gleichungen "bedeuten L die Induktivität der Wicklung 7i ^ die Zahl der Windungen der Wicklung 7 und Rm den magnetischen Widerstand.

Wenn der Abschnitt 17 des Stators 1 gesättigt ist, ist die Permeabilität dieses Abschnitts gleich der Permeabilität in der Luft. Demzufolge erhöht sich der magnetische Widerstand Rm und die Zeitkonstante Cd.es Kreises wird klein und der Strom erhöht sich sehr stark, wie in Fig. 3 gezeigt ist.

Die Feststellung, ob sich der Rotor dreht oder nicht dreht, wird erfindungsgemäß dadurch ausgeführt, daß die Differenz der Zeitkonstante des Kreises, bestehend aus dem Widerstand und der dazu in Serie liegenden Wicklung^ erfaßt wird. Der Grund zur Erzeugung der Differenz der Zeitkonstanten wird im folgenden beschrieben.

In Fig. 5 ist das Magnetfeld dargestellt, welches während des Stromflusses durch die Wicklung 7 auftritt. Der Rotor 6 nimmt in Fig. 5 die Position ein, in der er sich gegen die Magnetpole dreht. Der Magnetfluß 20 resultiert aus dem Rotor 6. Der die Wicklung 7 schneidende Magnetfluß besteht in der Praxis, jedoch wird dies hier vernachlässigt. Die Magnetflüsse 20a und 20b ergeben sich aus den sättigungsfähigen Abschnitten 17a und 17b und haben die durch den Pfeil gekennzeichnete Richtung. In den meisten Fällen befindet sich jedoch der Abschnitt 17 nicht im gesättigten Zustand.

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Z-

Unter dieser Bedingung fließt der Strom in Richtung des Pfeiles durch die Wicklung 7» infolgedessen sich der Rotor 6 im Uhrzeigersinn dreht. Die durch die Wicklung 7 hervorgerufenen Magnetflüsse 19a "und 19b werden zu den Magnetflüssen 20a und 20b, die durch den Rotor 6 im sättigungsfähigen Abschnitt 17a bzw. 17b hervorgerufen werden, hinzuaddiert, infolgedessen sich der Abschnitt 17 des Stators 1 sehr schnell sättigt. Danach wird der Magnetfluß hervorgerufen, der ausreichend ist, um den Rotor 6 drehen zu lassen. Dieser Zustand ist jedoch in Fig. 5 nicht gezeigt. Pig. 7 zeigt den durch die Wicklung fließenden Strom, der in Fig. 7 mit 22 angegeben ist.

Fig. 6 zeigt den Magnetfluß, wenn ein Strom durch die Wicklung 7 fließt und der Rotor 6 aus verschiedenen Gründen sich nicht drehen kann und in die Ursprungsstellung zurückgekehrt ist. Zur Drehung des Rotors 6 muß im allgemeinen der Strom durch die Wicklung 7 in der Richtung fließen, die entgegengesetzt zu dem Pfeil zeigt, d.h. in der gleichen Richtung, wie in Fig. 5 veranschaulicht ist. Da jedoch in diesem Fall ein invertierter Wechselstrom bei jeder Drehung an die Wicklung 7 angelegt wird, tritt dieser Zustand auf, wenn sich der Rotor 6 nicht drehen kann. Wenn - wie in diesem Fall - der Rotor 6 nicht drehen kann, ist die Richtung des Hagnetflusses, der durch den Rotor 6 hervorgerufen vd.rd, die gleiche wie in Fig. 5 angegeben ist. Da der Strom in der zur Fig. 5 entgegengesetzten Richtung fließt, ergeben sich als Magnetflüsse die Magnetflüsse 21a und 21b (vgl. Fig. 6). Die in den sattigungsfähigen Abschnitten 17a und 17b von dem Rotor 6 und die Wicklung 7 hervorgerufenen Magnetflüsse heben sich gegenseitig auf, so daß zur Sättigung des betreffenden Abschnitts des Stator 1 ein längerer

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Zeitraum benötigt wird.

Fig. 7 zeigt diesen Zustand durch die Stromkurve 23. Das Zeitintervall D vor der Sättigung des Anschnitts beträgt nach Pig.7 1msee, wenn der WicklungsdrahtdurchmesserO,23 mm, die Zahl der Windungen 10 000, der Wicklungswiderstand 3k£l , der Durchmesser des Rotors 1,3 mm und die minimale Breite des sättigungsfähigen Abschnitts 0,1 mm sind« Die Kurven 22 und 23 für die beiden Ströme nach Pig. zeigen, daß die Induktivität der Wicklung klein ist, wenn sich der Rotor im Bereich C nach Fig. 7 dreht, während die Induktivität groß ist, wenn sich der Rotor nicht dreht. In dem beschriebenen Schrittmotor beträgt die Ersatzinduktivität im Bereich D L = 5 H für den Strom 22 und L = 40 H für den Strom 23 (d.h. während des Rotorstillstands). Wenn beispielsweise der Widerstand zur Feststellung, ob sich der Rotor dreht oder nicht, ein passives Element ist ("r") und der Wicklungs-Serienwiderstand R über die Speisequelle TD in Serie zum Wicklungswiderstand liegt, wird eine .Änderung der Induktivität leicht durch die Spannung festgestellt, die an dem Widerstandselement zur Erfassung des Schwellwerts Vth eines MOS-Inverters erfaßt wird, wobei die Schwellwertspannung gleich 1/2 Vn ist.

Vorstehende Beschreibung zeigt, daß eine Drehung bzw. Mchtdrehung des Rotors 6 dadurch festgestellt wird, daß ein Detektorsignal angelegt wird, infolgedessen es möglich ist, den Rotor mit einem kleinen Drehmoment anzutreiben, indem ein kleiner Stromimpuls angelegt wird; eine Korrektur zum Antrieb mit -hohem Drehmoment ist dadurch erreichbar, daß ein normaler Stromimpuls angelegt wird, falls eine Mlchtdrehung des Motors vorliegt.

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Pig. 9 zeigt ein Blockschaltbild der gesamten elektronischen Uhr. Eine Kristalloszillatorschaltung 51 gibt ein Signal ab, welches das !formsignal der Uhr darstellt. Eine Jrequenzteilerschaltung 52 besteht aus in mehrstufiger .Anordnung vorgesehenen Flipflops, welche das Signal auf ein 1-Sekunden-Signal herunterteilen, das in der Uhr benötigt wird. Eine Schaltung 53» die eine Impulsbreitenkombinierung ausführt, empfängt von jedem Plipflop der Erequenzteilerschaltung ein Ausgangssignal, ein normales Steuerimpulssignal mit der erforderlichen Impulsbreite für die Ansteuerung, ein Steuerimpulssignal für die Korrektursteuerung, ein Detektorimpulssignal mit einer Dauer, die für die Erfassung des Stillstands oder der Drehung des Rotors notwendig ist, ein Signal zur Festlegung des Zeitintervalls zwischen dem normalen Steuerimpuls und dem Detektorimpuls und ein breiteres Signal zur Einstellung des Zeitintervalls zwischen dem Detektorimpuls und dem Korrektur impuls, usw.

Eine Steuerschaltung 54· überträgt den normalen Steuerimpuls, den Detektorimpuls oder den korrigierenden Steuerimpuls als invertierten Impuls an den Schrittmotor.

Der Rotor des Schrittmotors 55 wird durch das Anlegen des normalen Steuerimpulses in Drehung versetzt, wenn die Belastung niedrig ist. Wenn jedoch der Rotor infolge einer hohen Last sich nicht dreht, ist es möglich, den Drehzustand oder Stillstandszustand des Rotors aufgrund der Differenz der Induktivität der Wicklung abhängig von dem vorstehend erwähnten Zustand dadurch zu erfassen, daß das Detektorsignal an die Detektorschaltung 57 angelegt wird. ¥enn sich die Last des Motors aus verschiedenen Gründen erhöht und der Rotor zum Zeitpunkt des Anlegens des normalen Steuerimpulses nicht gedreht wird, wird somit entweder der drehende oder nichtdrehende Zustand des Rotors

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durch. .Anlegen des Detektorimpulses unmittelbar nach Anlegen des Steuerimpulses festgestellt. Venn sich der Rotor in den nichtdrehenden Zustand befindet, wird der in Serie zur Antriebs- oder Steuerschaltung liegende Widerstand kurzgeschlossen, der Korrekturimpuls wird von der Steuerschaltung 56 an den Rotor für eine Korrektursteuerung angelegt. Bei der beschriebenen Ausführungsform der elektronischen Uhr wird die Richtung des Detektorimpulses so gesetzt, daß dessen Richtung der des Steuerimpulses entspricht; es ist jedoch auch möglich, die Richtung des Steuerimpulses umzukehren.

Die bei der Erfindung verwendete Schaltung 53 zur Impulsbreitenkombinierung kann deswegen einfachen Aufbau haben, weil direkt die Impulse, beispielsweise mit 1 msec, 3,9 msec, 7j8 msec und 31 msec, verwendet werden, die ausgangsseitig der Oszillatorschaltung 51 erhalten werden, die mit 32,768 ZHZ schwingt. Eine detaillierte Beschreibung der Kristall-Oszillatorschaltung wird wegen des allgemein bekannten Aufbaus nicht gegeben.

Pig. 8 zeigt eine Ausführungsform der Hotor-Regelschaltung 100. Die Steuerschaltung 54 besteht gemäß Pig. aus ITAlTD- Gliedern 64a, 64b, einem Flip flop 65, Steuerinvertern 66a, 65b und 67a, 67b. Der Schrittmotor 3^> enthält die in Fig. 9 angedeutete Wicklung 72. Die Detektorschaltung 57 -ach Pig. 8 besteht gemäß Pig. aus Invertern 70a, 70b und 70c, einem Transistor 69 als Schaltelement und einem Uiderstandselement 68. Der Steuerkreis 56 besteht aus einem Flipflop 71 und einem ODER-Gatter 63. Pig. 11 zeigt; die an Teilen der Schaltung nach Pig. 8 bzw- 9 auftretenden Signale als Punktion der Zeit.

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ORIGINAL fNSPECTED

An Anschlüsse 60, 61 und 62 werden der normale Steuerimpuls, der Detektorimpuls und der Korrektursteuerimpuls zu "bestimmten Zeiten angelegt, wie in Pig. 10 bei a, b und c angedeutet ist. Diese Signale werden durch ein ODER-Glied 63 kombiniert und deren Phasen werden durch ein Plipflop 65 und NAIiD-Glieder 64-a, 64-b entsprechend ausgewählt. Diese Signale werden über die Steuerinverter 66a, 66b und 67a, 67b entsprechend Pig. 9 an den Anschluß der Wicklung 72 geführt. Im folgenden wird angenommen, daß sich der Rotor aufgrund eines Steuerimpulses 71a jeweils um einen Schritt weiterdreht .

Die Spannung an dem Punkt f (Verbindung zwischen dem Steuerinverter 70a und dem Widerstand 68 in Pig. 9) überschreitet eine Schwellwertspannung des Inverters 70a, wenn der normale Steuerimpuls an die Wicklung"72 angelegt wird; ein Eingang eines UND-Glieds 73 wird auf dem O-Pegel gehalten, wie das am Anschluß b in Pig. 10 gezeigt ist, wodurch die Spannung am Punkt g (auf Pig. 9) unverändert bleibt. Die Detektorschaltung ist so aufgebaut, daß sie nur während des VorÜegens eines Detektorsignals sich im Betrieb befindet, das am Anschluß b auftritt. Wenn der Detektorimpuls 72a an diesen Anschluß angelegt wird, stellt sich das in Pig. 6 gezeigte "Verhältnis der Magnetpole ein, wodurch die Spannung am Punkt f nicht auf den Schwellwert des Inverters 70a ansteigt undkeine Änderung des Signals am Anschluß S (Setz-Anschluß) des Plipflops erfolgt. Demzufolge wird der Korrektursteuerimpuls nicht an die Wicklung 72 angelegt. Wenn sich jedoch der Rotor nicht im Schrittschaltbetrieb aus verschiedenen Gründen gedreht hat, ergibt sich das Magnetpolverhältnis, wie es in Pig. 5 gezeigt ist, wenn der Detektorimpuls 72b angelegt wurde, infolgedessen die Spannung am Funkt f den

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gleichen Wert wie die Schwellwertspannung des Inverters 70a annimmt und demzufolge das Ausgangssignal umgekehrt wird. Die Spannung am Punkt g des UND-Glieds 73 steigt auf den Pegel "1" an und es wird ein Setz-Signal an das Flipflop 71 an dessen Eingang S angelegt. Am Ausgang Q des Flipflops 71 ergibt sich ein Signalanstieg und ein Korrektursteuerimpuls wird über das NOR-Glied 73 an die Wicklung 72 angelegt; ein Transistor 74- wird durch das Ausgangssignal Q in den EIlT-Zustand geschaltet, so daß der Widerstand kurzgeschlossen wird. Gemäß der vorstehend beschriebenen Arbeitsweise ist es damit möglich, daß gegenüber dem normalen Antriebs- öler Steuerzustand ein großer Strom zur Wicklung 72 fließen kann.

Der Widerstand 68 wird daher als passives Detektorelement sowie als strombegrenzendes oder stromreduzierendes Element verwendet, während der Transistor 7^- ein Schaltelement darstellt; darüber hinaus ist es möglich, anstelle des Transistors 74--einen MOS-Transistor zu verwenden. In diesem Fall ist es möglich, den Widerstand 68 (Fig. 10) dadurch wegfallen zu lassen, daß der ΕΙΪΤ-Widerstand des MOS-Transistors auf nahezu Null und der AUS-Widerstand des MOS-Transistors auf 2 kil konzipiert wird.

Mit der erfindungsgemäßen Schaltung ist es daher auf ganz einfache Weise möglich, die Stellung eines Sotors festzustellen, ohne daß ein Verstärker Einsatz finden muß, infolgedessen die Leistungsaufnahme wesentlich reduziert werden kann.

Trotz der vorstehend angegebenen Hotorart kann die elektronische Uhr einen Motor mit anderen Betriebsparametern, d.h. Induktivitätswerten aufweisen; als vorstehend angegeben ist.

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OR(QlNAL INSPECTED

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Claims

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Patentansprüche

(1J Elektronische Uhr mit einer Oszillatorschaltung zur Erzeugung eines Zeitnormalsignals, einer an die Oszillatorschaltung angeschlossenen Teilerschaltung, einem Schrittmotor mit Steuerschaltung und einer den Schrittmotor speisenden Speisequelle, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schaltung (53) zur Impulsbreitenkombinierung, eine an den Schrittmotor angeschlossene Steuerschaltung (54-) und eine die Drehung des Rotors des Schrittmotors erfassende Detektorschaltung (57) vorgesehen sind und daß zv/ischen die Steuerschaltung und die Speisequelle ein Widerstand (68) geschaltet ist,

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der bei Feststellung eines Stillstandszustandes des Rotors kurzgeschlossen wird.
2. Elektronische Uhr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Widerstand (68) ein Transistor (74-) geschaltet ist.

3· Elektronische Uhr nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand und der Transistor durch einen MOS-Transistor gebildet sind.

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