DE2920894C2

DE2920894C2 - Elektronische Uhr mit einem Schrittmotor und einer Nachweiseinrichtung für ein äußeres magnetisches Wechselfeld

Info

Publication number: DE2920894C2
Application number: DE2920894A
Authority: DE
Inventors: Masaaki Mandai; Shuji Otawa; Katsuhiko Tokio Sato; Masaharu Shida; Akira Torisawa; Makoto Ueda
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 1978-05-26
Filing date: 1979-05-23
Publication date: 1983-10-13
Also published as: FR2426999B1; GB2023891A; DE2920894A1; JPS54155079A; FR2426999A1; CH634964GA3; US4321519A; CH634964B; JPS6120821B2; GB2023891B

Description

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Die Erfindung betrifft eine elektronische Uhr, insbesondere eine Quarzarmbanduhr, mit einem Schrittmotor und einer Nachweiseinrichtung für ein äußeres magnelisches Wechselfeld.

Beim Auftreten eines äußeren magnetischen Wechselfelds wird in der Spule eines Schrittmotors eine Spannung induziert, so daß die Drehung des Rotors angehalten, das auf den Rotor ausgeübte Drehmoment verringert oder die Anzahl von Umdrehungen des Rotors pro Zeiteinheit verringert werden kann. Dies ist ein wesentlicher Nachteil von einen Schrittmotor enthaltenden Uhren. Zur Vermeidung von dadurch bedingten Schwierigkeiten ist es bereits bekannt, das Auftreten eines äußeren Magnetfelds nachzuweisen, um ein Alarmsignal zu erzeugen oder um die Antriebskraft des Schrittmotors zu ändern.

Bei bekannten elektronischen Uhren dieser Art sind besondere Elemente zum Nachweis des äußeren Magnetfelds erforderlich, bespielsweise magnetische Widerstandselemente, Hall-Elemente oder Reed-Schalter. Dadurch ergibt sich in Quarzbanduhren mit Schrittmotoren für eine analoge Zeitanzeige ein zusätzlicher Raumbedarffür die Nachweiselemente. Neben einer unerwünschten Erhöhung der Abmessungen der Uhr ergibt sich darüber hinaus der Nachteil, daß die Lebensdauer der Batterie der Uhr durch den Stromverbrauch der Nachweiseinrichtung verringert wird, und daß die Nachweiseinrichtung beträchtliche zusätzliche Herstellungskosten verursacht.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine elektronische Uhr mit einem Schrittmotor und einer Nachweiseinrichtung der eingangs genannten Art unter möglichst weitgehender Vermeidung der genannten Nachteile und Schwierigkeiten derart zu verbessern, daß keine zusätzlichen Elemente erforderlich sind, die einen wesentlichen Strombedarf oder einen zusätzlichen Raumbedarf verursachen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Patentanspruchs gelöst.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung beispielsweise näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines bekannten Schrittmotors für eine Quarzarmbanduhr;

F i g. 2 eine graphische Darstellung der den Schrittmotor in Fig. 1 antreibenden Stromimpulse;

Fig. 3 den Verlauf der magnetischen Feldlinien bei Anordnung des Spulenkerns des Schrittmotors in Fig.l in einem äußeren Magnetfeld;

Fig. 4 ein Schaltbild einer Antriebs- und Nachweisschaltung gemäß der Erfindung;

Fig. 5A ein Schaltbild eines M-Kanal-Gnte;

Fig. 5B ein Fig. 5A entsprechendes äquivalentes Schaltbild;

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65 Fig. 6 ein dem Ausführungsbeispiel in Fig. 4 entsprechendes äquivalentes Schaltbild;

Fig. 7A den zeitlichen Verlauf der nachgewiesenen Spannung bei einem Ausfuhrungsbeispiel gemäß der Erfindung;

Fig. 7B den zeitlichen Verlauf der Nachweisspannung in einem magnetischen Wechselfeld bei einem Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung;

F i g. 7 C eine graphische Darstellung der Abhängigkeit der Arbeitsspannung von der Feldstärke des äußeren magnetischen Wechselfelds bei einem Ausführungsbeispiei gemäß der Erfindung;

Fig. 8 eine graphische Darstellung der Impulsbreite des Antriebsimpulses bei einem Schrittmotor zur Erläuterung der Arbeitsweise einer Nachweiseinrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 9 ein Blockschaltbild eines Schaltkreises für eine elektronische Uhr gemäß der Erfindung;

Fig. 1OA ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Steuerschaltung für eine Nachweiseinrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 1OB Eingangssignale der Steuerschaltung in Fig. 10A;

Fig. HA Ausgangssignale dieser Steuerschaltung; und

Fig. HB den Signaiverlauf bei dem Nachweis eines äußeren magnetischen Wechselfelds mit einer Nachweiseinrichtung gemäß der Erfindung.

In Verbindung mit den Fig. 1 und 2 soll zunächst die grundsätzliche Arbeitsweise eines Schrittmotors erläutert werden, der vorzugsweise in Verbindung mit einer Nachweiseinrichtung gemäß der Erfindung verwandt wird. Fig. 1 zeigt eine Spule 1, die auf einen Magnetkern aufgewickelt ist, welcher aus einem Material mit einer hohen magnetischen Permeabilität besteht. Ein Stator 2 besteht aus einem Material mit einer hohen magnetischen Permeabilität und ein Rotor 3 besteht aus einem Permanentmagnet, welcher derart magnetisiert ist, daß er zwei diametral gegenüberliegende Magnetpole aufweist. Wenn dtr Spule in Fig. 2 dargestellte Stromimpulse zugeführt werden, erfolgt eine schrittweise Drehung des Rotors 3 in einer vorherbestimmten Richtung.

Für eine Nachweiseinrichtung gemäß der Erfindung findet die Spule 1 als Nachweiseinrichtung für ein äußeres magnetisches Wechselfeld Verwendung, so daß keine zusätzlichen Nachweiselemente erforderlich sind.

Fig. 3 zeigt in einer schematischen Darstellung die Anordnung eines Spulenkerns 4 des Schrittmotors in Fig. 1 in einem äußeren magnetischen Wechselfeld. Da die bei einem derartigen Schrittmotor verwandte Spule im allgemeinen sehr dünn ist, konzentriert sich das äußere Magnetfeld auf den Spulenkern 4, so daß abgesehen von dem unterschiedlichen Feldlinienverlauf die magnetische Flußdichte in dem Spulenkern etwa lOmal so groß wie die äußere magnetische Flußdichte ist. Die in der Spule 1 induzierte Spannung ist gegeben durch

ν=-η·άφΙάι... (D

Die Anzahl der Windungen der Spule beträgt dabei /; und der Magnetfluß in dem Spulenkern 4 beträgt φ.

Ferner soll von folgenden Werten ausgegangen werden:

Material des Spulenkerns 45 Permalloy

Länge des Spulenkerns 12 mm

Querschnitt des Spulenkerns 0,8 mm · 0,8 mm
Anzahl-der Windungen der Spule 10000 Windungen Wenn die magnetische Flußdichte eines derartigen Spulenkerns das lOfache der äußeren magnetischen

Flußdichte beträgt, ist der Magnetfluß des Spulenkerns 4 aeeeben durch

Φ =10- S- B-änvjt...

(2)

Dabei ist S die Querschnittsfläche des Spulenkerns 4, B der Scheitelwert der magnetischen Flußdichte in dem magnetischen Wechselfeld (in Gauß).

Aus den Gleichungen (1) und (2) ergibt sich deshalb,

C= -o.J-fl-coswi [Π-

Wenn deshalb die magnetische Flußdichie des äußeren magnetischen Felds B 2 Gauß beträgt, beträgt die induzierte Spannung

C= -0.4-cos

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Wenn ein Schrittmotor in einer Quarzarmbanduhr oder in einem sonstigen Instrument oder Gerät angeordnet ist, das verhältnismäßig klein ist und eine Eneigiequelle geringer Leistung aufweist, kann die Steuerschaltung nicht mehr einer Nachweisspannung von etwa 0,4 V betrieben weiden, so daß eine ausreichende Verstärkung dieser Spannung erfolgen muß, um beispielsweise einen CMOS-Inverier zu steuern. Beim derzeitigen Stand der Technik ist es jedoch verhältnismäßig schwierig, einen CMOS-Verstärker herzustellen, der stabil arbeilet. Deshalb ist es ein wesentlicher Vorteil der Erfindung, daß ein magnetisches Wechselfeld von etwa 1 Oersted ohne Verwendung eines Verstärkers nachgewiesen werden kann. Obwohl der Spulenkern 4 in Fig. 3 für sich dargestellt ist. ist der Spulenkern 4 als Teil des Motors angeordnet, so daß der auf den Spulenkern 4 konzentrierte Magnetfluß kleiner .ils derjenige des getrennten Motors wegen des Nebenschlusses durch einen Stator ist. Da die in der Spule I indu/ierie Spannung klein bei einer Verringerung des Magnetflusses des Spulenkerns 4 ist, ist das Verfahren gemäß der Erfindung wirksamer, wenn ein Magnetfeld \on größenordnungsmäßig 1 Oersted nachgewiesen werden soll.

Gemäß der Erfindung wird die in der Spule durch das äußere Magnetfeld induzierte Spannung verstärkt, ohne il.ili d.i/u ein besonderer Verstärker erforderlich ist. indem abwechselnd ein Element mit niedriger Impedanz und ein Element mit hoher Impedanz an die Enden der Spule angeschlossen wird, beispielsweise ein kleiner Wideisland oder ein großer Widerstand, um dadurch einen einfachen Nachweis eines äußeren Magnetfelds zu ermöglichen.

Fig. 4 zeigt eine Antriebsschaltung und eine Nachweisschaliung für einen derartigen Schrittmotor, wobei alle Elemente mit Ausnahme des Schrittmotors 20 in einer integrierten CMOS-Schaltung enthalten sind. Zunächst soll das Prinzip der Verstärkung in Verbindung nut Fig. 4 näher erläutert werden.

In Fig. 4 bestehen die Antriebsschaltung und die Ver-Makelschaltung aus /J-Kanal-Bauteilen 21 und 22 I MOSFET). «-Kanal-Bauteilen 23, 24, 25 und 26 (MOS-FET), sowie Nachweiswiderständen 28. 29 und dem Schrittmotor 20. Zum Verstärken des nachgewiesenen Signals kann abwechselnd ein geschlossener Kreis, der den Schrittmotor 20. die «-Kanal-Bauteile 23 und 24 enihäh. siiwie ein geschlossener Kreis, der Motor 20, die «-Kanal-Bauteile 23. 26 und den Nachweiswiderstand 26 enthält, bei nicht angetriebenem Schrittmotor angeschaltet werden. Da der geschlossene Kreis mit dem Schrittmotor 20. den «-Kanal-Bauteilen 23 und 24 über die Spule des Schrittmotors 20 kurzgeschlossen ist, tritt die in der Spule durch das äußere Magnetfeld induzierte Spannung nicht über den //-Kanal-Bauteilen 23,24 auf. Die «- Kanal-Bauteile 23,24 sind Transistoren zum Antrieb des Motors, deren Widerstand im leitenden Zustand im allgemeinen etwa einige 10 Ohm beträgt. Da die über der Spule induzierte Spannung bei dem leitenden Zustand kurzgeschlossen wird, fließt ein verhältnismäßig großer Strom in den «-Kanal-Bauteilen 23 und 24.

Wenn danach der geschlossene Kreis init dem Schrittmotor 20, den «-Kanal-Bauteilen 23, 26 und dem Nachweiswiderstand 29 eingeschaltet wird, wirkt die induktive Komponente der Spule des Schrittmotors auf die Aufrechterhaltung der verhältnismäßig großen Stromstärke vor dem Einschalten des geschlossenen Kreises, so daß ein großer Spannungsabfall über dem Nachweiswiderstand 29 für einen Augenblick auftritt. Danach wird die Spannung stationär und ein stabiler Zustand wird durch den Nachweiswiderstand 29, die durch das äußere Magnetfeld induzierte Spannung, den Widerstand der Spule und dergleichen bestimmt. Beim stationären Zustand ist die Spannung im Falle des unendlichen Nachweiswiderstands diejenige Spannung, die auftritt, bevor der geschlossene Kreis eingeschaltet wird.

Im folgenden soll der Bereichsfaktor für den Fall erläutert werden, daß die durch das äußere Magnetfeld induzierte Spannung durch abwechselndes Einschalten der geschlossenen Kreise verstärkt wird.

Fig. 5A zeigt ein «-Kanal-Gate und Fig. 5B ein äquivalentes Schaltbild. Ein Schalter 40 wird durch ein Gatesignal geöffnet oder geschlossen. Ein Widerstand 39 wird beim Antrieb des Motors angeschaltet. Eine ^«-Übergang-Diode ist zwischen einer Drain-Elektrode D und einer Source-Elektrode S angeschlossen. Eine Kapazität 42 entspricht der Kapazität des/?«-Übergangs zwischen dem Substrat und der Drain-Elektrode, der Kapazität zwischen der Drain-Elektrode und der Gate-Elektrode, der Kapazität eines Dämpfungsglieds und Streukapazitälen oder dergleichen.

Wenn die«- und/j-Kanal-Baueinheiten in Fig. ^ durch F i g. 5 B entsprechende Ersatzschaltbilder ersetzt werden, sowie die Batterie durch einen Kondensator großer Kapazität mit einer idealen Spannungsquelle, ergibt sich das in Fig. 6 dargestellte Ersatzschaltbild. Das Bezugszeichen 43 bezeichnet eine Spannung K₀, die durch das äußere Magnetfeld erzeugt wird. Der Schrittmotor wird durch eine Spule 44 mit einer Induktivität von L Henry gebildet. Ein Widerstand 45 ist der Ohm'sche Widerstand rü der Spule. Ein Umschalter 47 dient zum Umschalten zwischen den geschlossenen Kreisen. Ein Widerstand 46 ist der Einschaltwiderstand rNSl des «-Gate, falls ί-Λ'Ω vernachlässigt wird, weil dieser Wert wesentlich kleiner als derjenige des Spulenwiderstands ist. Eine Kapazität 48 von C Farad entspricht der Summe der Kopplungskapazitäten des «-Gate 24 und des p-Gnle 22. Ein Widerstand 49 ist ein Nachweiswiderstand RsQ. 50 und 52 sind Kopplungsdioden zwischen dem Substrat und der Drain-Elektrode des «-Gate und des p-Gate. Eine Batterie 51 ist eine normalerweise in einer Quarzuhr vorgesehene Silberoxydzelle mit einer Spannung V₀ = 1.57 V. Die Ausgangsspannung an einem Anschluß 53 dient als Nachweisspannung V_RS und wird dem Spannungsnachweiselement zugeführt.

Mit den Beziehungen

L + Rs

-TIo

Rs + r °

j = \/la²-bl, D=\-i-J.

ergibt sich theoretisch beim Umschalten des Umschalters 47 in dem Ersatzschaltbild in Fig. 6:

1) Im Falle ä^L>b

V_RS = E\ \-\—\a b )

2) im Falle a¹ =b

3) Im Falle a² < b

EΜ- Λ _fl_— _b _sin

t> Da die Periode der üblichen Netzfrequenz von 50 Hz 20 msec beträgt, ist es beim Nachweis des magnetischen Wechselfelds erforderlich, die Zeitspanne zum aufeinanderfolgenden Umschalten zwischen dem Kreis mit dem hohen Widerstand und dem Kreis mit dem niedrigen Widerstand zu verkürzen. Falls jedoch der Verstärkungsfaktor der Nachweisspannung während der Periodendauer von 20 msec erhöht wird, ist die Periode zum Umschalten des geschlossenen Kreises mit dem niedrigen

ίο Widerstand größer als die Periode zum Umschalten des geschlossenen Kreises mit dem hohen Widerstand.

Da das Nachweissignal allein dadurch verstärkt werden kann, daß ein Umschalten der Gate-Elemente erfolgt, kann das magnetische Wechselfeld mit Hilfe eines Komparator nachgewiesen werden, welcher innerhalb der CMOS-Schaiiung für eine Uhr in einfacher weise vorgesehen werden kann, wobei die Größe der Spannung im Vergleich zu einer Bezugsspannung ermittelt wird. Da der Verstärkungsfaktor des Nachweissignals bei Verwendung einer Einrichtung gemäß der Erfindung größer als 10 ist, kann die Größe der Spannung im Vergleich zu der Bezugsspannung innerhalb der Schwellenwertspannung des CMOS-lnverters ermittelt werden.

Anstelle eines Widerstands als Impedanzelement für

Dabei ist t₀ die Verbindungsdauer des geschlossenen Kreises mit dem niedrigen Widerstand, und / die Zeit.

Fig. 7A zeigt die Wellenform V_RS.

Wenn V_RS entsprechend den Annahmen berechnet wird, daß L=Il Henry, C = 75pF, fts= 15OkQ, r = 2,8kQ, ^₀ = ⁰.^{1 v} und/₀=x sind etwa 30 psec erforderlich, bis die Scheitelspannung von V_RS erreicht wird, welche dann 4,2 V beträgt, so daß der Verstärkerfaktor

42 ist. Daraus geht hervor, daß das Nachweissignal in 25 den Nachweis kann beispielsweise auch ein Nachweis mit einfacher Weise ohne Verwendung eines Verstärkers für Hilfe der kapazitiven Komponente und der Induktiven ein analoges Signal verstärkt werden kann.

Die obigen Berechnungen beruhen auf der Annahme, daß die über der Spule erzeugte Spannung konstant ist. Tatsächlich ist jedoch im Falle eines geschlossenen Kreises mit hohen Widerstand die Zeitkonstante klein und die stationäre Spannung tritt verhältnismäßig schnell wieder auf. Im Falle des geschlossenen Kreises mit dem geringen Widerstand ist dagegen die Zeitkonstante groß, so daß es verhältnismäßig lange dauert, bis die stationäre Spannung wieder auftritt.

Im Falle des geschlossenen Kreises mit dem hohen Widerstand dauert es etwa 0,2 msec, bis V_RS wieder den Wert der stationären Spannung erreicht. Im Falle des geschlossenen Kreises mit dem niedrigen Widerstand ist die Zeitkonstante gegeben durch τ = L/r = 3,9 msec, so daß die Scheitelspannung von V_RS nicht mehr als 63% der stationären Spannung beträgt, selbst wenn der Kreis mit dem niedrigen Widerstand 3,9 msec geschlossen bleibt.

Da die Frequenz des äußeren magnetischen Wechselfelds normalerweise 50 Hz beträgt, was einer Periode von 20 msec entspricht, ist die Impulsbreite von 3.9 msec zu .groß zum Nachweis der maximalen Feldstärke des Magnetfelds.

Fig. 7B zeigt die Wellenform einer mit einer Einrichtung gemäß der Erfindung nachgewiesenen Spannung, wobei der geschlossene Kreis mit dem hohen Widerstand während 0,5 msec eingeschaltet und der Kreis mit dem niedrigen Widerstand während 1,5 msec eingeschaltet wird, falls die Frequenz des magnetischen Wechselfelds unter den oben genannten Bedingungen 50 Hz beträgt. In diesem Fall wird ein Verstärkungsfaktor von etwa 15 für das Nachweissigna! erzielt.

Fig. 7C zeigt die Abhängigkeit der Nachweisspannung von der äußeren magnetischen Feldstärke. Dabei entspricht die Linie 55 der über der Spule erzeugten Spannung, die Linie 56 der über der Spule erzeugten Spannung im Fall des geschlossenen Kreises mit dem kleinen Widerstand und des geschlossenen Kreises mit dem großen Widerstand, wenn eine Umschaltung nach jeweils 0.5 msec erfolgt. Der Verstärkungsfaktor beträgt dann etwa 5.

Komponente erfolgen. Da bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung alle Nachweiselemente in der integrierten CMOS-Schaltung enthalten sind, kann auch der ungesättigte Teil eines Puffertransistors als aktives Element in vorteilhafter Weise als Element mit niedrigem Widerstand verwandt werden. Obwohl bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ein Impedanzelement Verwendung findet, bestehen also keine Schwierigkeiten, aktive Elemente zu verwenden.

Der geschlossene Kreis mit dem niedrigen Widerstand kann deshalb aus dem Einschaltwiderstand des Puffertransistors bestehen, der Kreis mit dem hohen Widerstand aus dem Diffusionswiderstand innerhalb der integrierten Schaltung, und das Spannungsnachweiselement aus einem CMOS-Inverter oder Komparator.

Es bereitet auch keine Schwierigkeit, wenn der Widerstand des geschlossenen Kreises mit dem hohen Widerstand einen maximalen Wert hat, wenn also der Kreis geöffnet ist. Selbst in dem Falle eines geöffneten Kreises ist die Kopplungskapazitäl in dem Puffertransistor vorhanden, so daß die Scheitelspannung nicht unbegrenzt durch die kapazitive Komponente verstärkt wird und ein entsprechender Nachweis wie bei einem geschlossenen

Kreis mit einem hohen Widerstand erfolgt. Bei Verwendung eines unendlich großen Widerstands ergibt sich eine vorteilhafte Vereinfachung der Schaltung.

Im folgenden soll erläutert werden, warum bei Verwendung einer Nachweisschallung gemäß der Erfindung eine Quarzuhr im allgemeinen auch dann nicht angehallen wird, wenn auf sie ein äußeres magnetisches Wechselfeld einwirkt. Die graphische Darstellung in Fig. 8 zeigt die Breite des Antriebsimpulses des Schrittmotors in Abhängigkeit vom magnetischen Widerstand. Zweckmäßigerweise wird der Schrittmotor normalerweise innerhalb des Bereichs 58 angetrieben. Wenn die Impulsbreite innerhalb des Bereichs 58 erhöht wird, kann bei bestimmten relativen Drehlagen des Rotors eine fehlerhafte Drehung des Rotors verursacht werden, wodurch der magnetische Widerstand für das Wechselfeld nachteilig beeinflußt wird. Wenn die Impulsbreite des Antriebsimpulses weiter erhöht wird, wird der Schrittmotor innerhalb des Bereichs 59 in Fig. 8 angetrieben. In dem Bereich 59

e.uL ι αι.] Anti iebsimpuls, nachdem der Rotor durch den \ I.ü; nci Π ulJder Spule ausreichend angezogen wurde, wodurch der Schrittmotür gegen Einflüsse durch das äußere magnetische IeId verstärkt wird. Beim Nachweis des äiißeien magneiischen Wechselfelds kann nämlich der zwangsläufige Antriebsimpuls des Motors entsprechend der Impulsbreite des günstigsten magnetischen Widerstands innerhalb des Bereichs 58 eingestellt werden, oder !.-!!!sprechend der ausreichend großen Impulsbreite in dem Bereich 59. falls eine Einrichtung gemäß der Erfindunii verwandt wird.

Hei bekannten Einrichtungen für Uhren, bei denen ..■Hu-- derartige Nachweiseinrichtung gemäß der Erfin-Jiinjj nicht \orgesehen ist, wird der magnetische Wider-Ni. ι im des Schriitiiiüiürs durch zusätzliche Teile wie eine magnetische Abschirmplatle oder einen magnetischen Abschirmung auf Kosten des magnetischen Widerstands mehr oder weniger erhöht, wenn der Anlriebsimpuls ein-■jesicllt wild. Bei Verwendung einer Einrichtung gemäß del I iTindung wird dagegen der Schrittmotor mit der ,--Aι«.kmäßigsten Impulsbreite und dem optimalen mauneiischen Widersland angetrieben.

Im folgenden soll die Arbeitsweise der Schaltung in i-ii;. 4 im Hinblick auf den Nachweis des magnetischen W echselfelds näher erläutert werden. Bei der Nachweisschaluing in Fig. 4 bestehen die/7-KanaI-Bauteile 21, 22 und die »-Kanal-Bauteile 23, 24 aus zwei Paaren von ( MC)S-Im erlern, deren Ausgänge a, h mit den Enden der Spule 20 des Schrittmotors sowie mit einem Ende der N.ichu eiswiderstände 28.29 verbunden sind. Das andere lind ^ der Nach weiswiderstände 28,29 ist mit den Source- !ilekiividen de^r »-Kanal-Bauteile 25 bzw. 26 verbunden. Die- puMiiven Eingänge von Spannungskomparatoren 30. 31 sind mit dem einen Ende der Widerstände 28, 29 \ erblinden. Die negativen Eingänge der Komparatoren 30. 31 sind mit dem Spannungsteilerpunkt eines Bezugsuiderstands 34 verbunden.Die Ausgänge der Kompara-I ore η sind mit einer ODER-Schaltung 32 verbunden. Ein linde des Bezugswiderstands 34 ist über ein n-Kanal-B.iuicil 27 geerdet. Die beiden Eingänge einer Umschal- ! im« 33 sind mit einem Ausgang der ODER-Schaltung 32 und einer Gate-Elektrode des /7-Kanal-Bauteils 27 verbunden. Die Gate-Anschlüsse 101 bis 107 der Bauteile 21 bis 27 und der Ausgang 110 der Umschaltung 33 sind mit einer Steuerschaltung 65 (Fig. 9) verbunden.

Bei dem in Fig. 9 dargestellten Blockschaltbild werden der Steuerschaltung 65 die von einer an einen Quarzoszillaior .ingeschlossenen Frequenzteilerschaltung 66 gelieferter· Signale zugeführt, um die Signale für die Betätigung der Driversehaltung und der Nachweisschaltung zu crzcusjc-n. Hin Ausfüiiiungsbeispiei der Steuerschaltung 65 ist die Fig. 1ÜA dargestellt. Fig. 10B zeigt ein Laufzeildiagramm der Eingangssignal.

Pie Signale werden mit einer Periode von 1 Sekunde »on der Frequenzteilerschaltung geliefert.

Hin Rückstelleingang R einer Flipflopschaliung 70 ist mit dem Eingangsanschluß 110 verbunden. Ein Stelleneingjng .9 dieser Schallung ist mit einem Eingang zur Zufuhr eines Signals 121 verbunden. Die Ausgänge Q, Q der Schallung sind mit einem Eingang einer UND-Schali uns 71 bzw. 72 verbunden, deren anderem Eingang Signale 122 bzw. 123 zuführbar sind. Der Ausgang der I ND-Sehahungen 71. 72 ist mit dem betreffenden Eingang einer ODER-Sqhallung 73 verbunden.

Ein Takiimpuls-Eingang CL einer Flipflopschaltung 74 isi mit dem Ausgang der ODER-Schaltung 73 verbunden. Ein positiver Ausgang Q dieser Schaltung ist mit Eingängen von Umschaltungen 75, 76 verbunden. Ein negativer Ausgang Q ist mit Eingängen von UND-Schaltungen 77, 78 und einem Dateneingang D der Flipflop-Schaltung 74 verbunden. Die anderen Eingänge der UND-Schaltungen 75, 77 sind mit dem Ausgang der 5 ODER-Schaltung 73 und die anderen Eingänge der UND-Schaltungen 76, 78 mit einem Eingang für ein Signal 124 verbunden. Der Ausgang der UND-Schaltung 75 ist mit dem Anschluß 101 über einen Inverter 79, und der Ausgang der UND-Schaltung 76 mit dem Anschluß 105 verbunden. Der Ausgang der UND-Schaltung 77 ist mit den Anschluß 102 über einen Inverter 80 verbunden. Der Ausgang der UND-Schaltung 78 ist mit dem Anschluß 106 verbunden. Die Eingänge von ODER-Schaltungen 81, 82 sind mit den Ausgängen der UND-Schaltungen 75 bis 78 verbunden, deren Ausgänge mit den Gate-Anschlüssen 103, 104 verbunden sind.

Im folgenden soll die Arbeitsweise unter Bezugnahme auf die Fig. 11, 4 und 10 erläutert werden.

Da dem Eingang S der Flipflopschaltung 70 in Fig.

10A jede Sekunde ein Signal 121 zugeführt wird, ergibt sich an den Ausgängen Q bzw. Q ein Signal »W« bzw. »L«, bis an dem Ausgangsanschluß 110 das Nachweissignal auftritt, wie später noch näher erläutert werden soll. Deshalb wird das Signal 123 von der ODER-Schaltung 73 abgegeben. Die Ausgangssignale der Flip-Flopschaltung 74 werden invertiert, wenn der jeweilige Impuls dem Eingang CL zugeführt wird, so daß sich die Wellenformen abwechselnd jede Sekunde ändern, die an den Gate-Anschlüssen 101 bis 106 auftreten.

Die an den Anschlüssen 101 bis 106 auftretenden Wellenformen sind in Fig. 11A dargestellt. Das Signal 123 ist das Antriebssignal für den Schrittmotor unter normalen Betriebsbedingungen, dessen Impulsbreite durch die Last, das Volumen etc. des Schrittmotors bestimmt wird.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt die Impulsbreite 5,8 msec. Das Signal 122 ist ein zwangsläufiges Antriebsimpulssignal, das anstelle der Antriebsimpulse beim Normalbetrieb erzeugt wird, sobald an dem Schrittmotor das Magnetfeld auftritt, das mit Hilfe der Nachweisschaltung für ein äußeres Magnetfeld erzeugt wird. Die Impulsbreite des Signals 122 ist größer als die Impulsbreite des Signals 123, und betragen bei diesem Ausführungsbeispiel 9,8 msec. Das Signal 124 dient zum Nachweis des äußeren magnetischen Wechselfelds. Die üblicherweise auftretenden Frequenzen des äußeren Magnetfelds haben eine der Netzfrequenz entsprechende Frequenz von 50 Hz, weshalb der gesamte Nachweisabschnitt mindestens eine Wellenlänge entsprechend 20 msec bei 50Hz Netzfrequenz hat, also eine längere Wellenlänge im Vergleich zu einer Netzfrequenz von 60 Hz. Der Umschaiizykius zwischen dem Kreis mit dem hohen Widerstand und dem Kreis mit dem geringen Widersland entspricht 1: 3 (in der Zeichnung übertrieben dargestellt), welche Frequenz bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel 512 Hz beträgt.

Das Signal 107 in Fig. 11 A dient zur Verringerung des Stromverbrauchs durch den Bezugswiderstand 34 in der Nachweisschaltung auf einen möglichst geringen Wert, sowie zum Ausblenden des Nachweissignals, falls dieses unnötig ist. Die Frequenz des Signals 107 ist die gleiche wie diejenige der Nachweisimpulse 124 und des Zyklus des geschlossenen Kreises mit dem hohen Widerstand und des geschlossenen Kreises mit dem niedrigen Widerstand, welche im allgemeinen kleiner als diejenige des Signals 124 ist. und beträgt bei dem Ausführungsbeispiel 1:7.

Vor dem Nachweis des äußeren magnetischen Wechselfelds mit dem Nachweisabschnitt mit 20msec in Fi ρ

11A, sind diep-Kanal-Bauteile 21,22 abgeschaltet, die n-Kanal-Bauteile 25,26, 27 abgeschaltet, und die n-Kanal-Bauteile 23, 24 sind eingeschaltet. Die beiden Enden der Spule 20 sind dann geerdet, die UND-Schaltung 33 ist ausgeblendet und das Nachweissignal 110 in Fig. 4 beträgt »L«. Der Nachweisimpuls 105 ist dann »//«, die n-Kanal-Bauteile 24, 25 und 27 sind eingeschaltet und der geschlossene Kreis mit dem hohen Widerstand ist angeschaltet. Wenn der Nachweisimpuls »L« ist, sind die n-Kanal-Bauteile 23, 24 eingeschaltet und der Kreis mit dem niedrigen Widerstand ist angeschaltet. Deshalb wird zwischen den geschlossenen Kreisen mit der Spule 20 umgeschaltet, wie bei der Erläuterung des Prinzips der Verstärkung beschrieben wurde. Wenn der abwechselnd umgeschaltete Motor sich nicht in einem magnetischen Wcchsclfcld befindet, befinden sich die beiden Enden a, b der Spule konstant auf ^₀, so daß die Nachweis-Schwellenwertspannung V_TH nicht erreicht wird und das Signal UO »L« bleibt. Deshalb wird ein normaler Antriebsimpuls 68 mit einer Impulsbreite von 5,8 msec für den nächsten Antrieb zugeführt. Bei einer derartigen zeitlichen Steuerung wird nur der /7-Kanal-Bauteil 22 und der n-Kanal-Bauteil 23 eingeschaltet und ein Strom fließt durch die Spule 20 von b nach a. Bei dem nächsten Schritt nach etwa 1 Sekunde, erfolgt eine Phasenumkehr und die Schaltung bewirkt eine entsprechende Arbeitsweise.

In Verbindung mit Fig. 11 B soll die Arbeitsweise erläutert werden, wenn der Schrittmotor in ein magnetisches Wechselfeld gelangt. Bei der Nachweissteuerung ist das in F i g. 11 B dargestellte Signal an beiden Enden α und b der Spule vorhanden, wie in Verbindung mit dem Prinzip der Verstärkung erläutert wurde. Das Signal wird den Komparatoren 30,31 zugeführ ., ι daß ein Vergleich mit der Nachweis-Schwellen« α (spannung V_TH erfolgt und dadurch ein Nachweissignal 69 erzeugt wird. Das Nachweissignal 69 wird dem Λ-Eingang der Flipflopschaltung 70 in Fig. 1OA.zugeführt und invertiert die Schaltung. Als Folge davon wird der zwangsläufige Antriebsimpuls 122 dem Motor rechtzeitig zugeführt, so daß auch dann

ίο ein stabiler Antrieb erfolgt, wenn sich der Motor in einem äußeren magnetischen Wechselfeld befindet.

Bei Verwendung einer Nachweiseinrichtung gemäß der Erfindung können deshalb die Impulsbreite für die Antriebsimpulse des Motors und die Motorantriebsspannung in einfacher Weise gesteuert werden, ferner auch eine Alarmschaltung, um das Vorhandensein eines magnetischen Wechselfelds anzuzeigen. Eine derartige Nachweisschaltung für ein magnetisches Wechselfeld ist besonders vorteilhaft in elektronischen Armbanduhren verwendbar, weil keine zusätzlichen Elemente außer den sowieso vorhandenen zusammengesetzten Elementen für die Armbanduhr erforderlich sind. Ein magnetisches Wechselfeld kann mit hoher Empfindlichkeit nachgewiesen werden und ferner wird beim Nachweis der in der Spule induzierten Spannung die Spannungsquelle nicht belastet und die Nachweisschaltung belastet die Spannungsquelle nur geringfügig. Deshalb wird praktisch kein zusätzlicher Energieverbrauch verursacht und zusätzlich eine raumsparende und kostensparende Konstruktion im Vergleich zu bekannten elektronischen Uhren ermöelicht.

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Elektronische Uhr, insbesondere Quarzarmbanduhr, mit einem Schrittmotor und einer Nachweiseinrichtung für ein äußeres magnetisches Wechselfeld, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Spule (20) des Schrittmotors durch ein äußeres Magnetfeld induzierte Spannung durch den abwechselnden Anschluß eines Impedanzelements mit niedriger Impedanz und eines Impedanzelements mit hoher Impedanz an die beiden Enden der Spule verstärkt wird, wenn die Spule nicht antreibt.