DE3621349C2 - Elektronische Uhr - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektronische Uhr mit wenigstens einem Zeiger und einem Ziffernblatt, wobei der mindestens eine Zeiger zwischen einer transparenten Deckplatte und einer lichtundurchlässigen Grundplatte angeordnet ist, mit einem an einen Energiespeicher angeschlossenen Uhrwerk, wobei der Energiespeicher mit einem Solargenerator verbunden ist, wobei dessen Solarzellen an wenigstens einer Kantenfläche der transparenten Deckplatte angekoppelt sind.

Eine solche Uhr ist aus der DE 33 46 046 C2 bekannt, in der eine Vielzahl von mit Solarzellen betriebenen Uhren beschrieben sind. Dabei wird einfallendes Licht über die Deckplatte zu den Solargeneratoren geführt, die seitlich am Umkreisrand der Uhr rechtwinklig zur Deckplatte angeordnet sind. Ein Nachteil dieser bekannten Uhr liegt darin, daß das Ziffernblatt nicht beleuchtet ist bzw. bei der Beleuchtung des Ziffernblattes die Lebensdauer von Batterien oder die Standzeit des Energiespeichers erheblich geringer wird.

Aus der DE 29 27 792 C3 ist eine Uhr bekannt, bei der feste Markierungen auf der Innenseite des Uhrenglases aufgezeichnet oder durch Metallisierung aufgetragen sind, um ein Ziffernblatt zu bilden. Eine Beleuchtung dieses Ziffernblattes ist jedoch nicht vorgesehen.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Uhr der eingangs genannten Art zu schaffen, die ein leuchtendes Ziffernblatt aufweist und dennoch keine Belastung des Energiespeichers herbeiführt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß für eine Uhr gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, daß die Deckplatte als Fluoreszenzkollektorplatte ausgestaltet ist und daß das Ziffernblatt auf der Rückseite der Fluoreszenzkollektorplatte aufgebracht ist.

Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine elektronische Uhr gemäß der Erfindung mit einem Fluoreszenzkollektor im Längs­ schnitt,

Fig. 2 einen Schnitt durch die Randbereiche des Fluoreszenzkollektors der Uhr gemäß Fig. 1 in einer vergrößerten Darstellung,

Fig. 3 eine schematische perspektivische Ansicht der Belegung der Kanten des Fluoreszenzkollektors mit Kantenreflektoren und Solarzellen und

Fig. 4 ein Schaltbild des Versorgungsstromkreises des Uhrwerkes der Uhr.

In Fig. 1 erkennt man im Schnitt eine Solaruhr, die als Wanduhr ausgebildet ist und einen quadratischen Rahmen 1 aufweist, dessen Aussehen im wesentlichen dem Aus­ sehen üblicher Wanduhrenrahmen für eine Ziffernblatt­ größe von beispielsweise 25 cm×25 cm entspricht. Der Rahmen 1 verfügt über einen umlaufenden Absatz 2, gegen den eine Grundplatte 3 angedrückt ist und beispiels­ weise mit in der Zeichnung nicht dargestellten Schrau­ ben befestigt ist. Zur Befestigung der Wanduhr an einer in der Zeichnung ebenfalls nicht dargestellten Wand ist ein Befestigungselement 4 vorgesehen, in dem eine Vertiefung 5 vorhanden ist, um den Kopf einer Befesti­ gungsschraube aufzunehmen, wobei der Kopf hinter eine in die Vertiefung 5 eingesetzte Scheibe 6 hintergreift.

In der Mitte der Grundplatte 3 ist ein Gehäuse 7 ange­ ordnet, das mit einem Deckel 8 verschlossen ist. Im Innern des Gehäuses 7 befindet sich ein Analoguhrwerk 9 mit den zugehörigen Komponenten, insbesondere einem integrierten Schaltkreis 10 und einem Nickel-Cadmium- Akkumulator 11. Diese Teile sind auf einer gemeinsamen Printplatte 12 angeordnet, aus der eine Doppelwelle 13 zur Betätigung eines kleinen Zeigers 14 und eines großen Zeigers 15 herausragt und sich durch eine Öff­ nung 16 in der Grundplatte 3 erstreckt.

Auf der Grundplatte 3 ist mit Hilfe eines Klemmrings 17 ein tellerförmiger Bodenreflektor 18 befestigt, der beispielsweise aus einem entsprechend den jeweiligen Wünschen gefärbten Kunststoff, beispielsweise einem grün eingefärbten Kunststoff bestehen kann. Der Boden­ reflektor 18 in Gestalt eines quadratischen Tellers verfügt über eine Vertiefung 19, in der die Zeiger 14, 15 umlaufen. Die Vertiefung 19 wird von schrägen Sei­ tenwänden 20 begrenzt, die in umlaufende Randbereiche 21 übergehen, die sich im wesentlichen parallel zur Bodenfläche 22 des Bodenreflektors 18 erstrecken.

Die umlaufenden Randbereiche 21 dienen als Anschlag­ fläche für einen Fluoreszenzkollektor 22, der bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel eine Fläche von 25×25 cm hat. Der Fluoreszenzkollektor 22 besteht aus einer Acrylglasplatte und dient einerseits dazu, diffuses und direktes Umgebungslicht, insbesondere Raumlicht, zu konzentrieren und die in diesem Licht enthaltene Energie einem Solargenerator 23 zuzuführen, der über Leitungen 24 mit dem im Gehäuse 7 enthaltenen Analoguhrwerk 9 verbunden ist.

Neben der Funktion als Lichtsammler hat der Fluores­ zenzkollektor 22 die Funktion eines üblichen Uhren­ glases zum Abdecken der Zeiger 14, 15. Weiter dient der Fluoreszenzkollektor 22 als Ziffernblatt, indem auf dessen Rückseite 25 Zahlen und sonstige Punkte oder Striche aufgedruckt sind, die in Fig. 1 im Schnitt an den mit Druckfarbe 26 hinterlegten Stellen erkennbar sind. Dort wo die Druckfarbe 26 unmittelbar auf die Rückseite 25 des Fluoreszenzkollektors 22 aufgebracht ist, wird Licht aus dem Fluoreszenzkollektor ausge­ koppelt, so daß die mit Druckfarbe 26 belegten Stellen für den Betrachter wesentlich heller als die Umgebung erscheinen. Von besonderem Vorteil ist es dabei, daß die Helligkeit des so gebildeten Ziffernblattes ent­ sprechend der Umgebungshelligkeit sinkt oder größer wird.

Der Fluoreszenzkollektor 22 hat beispielsweise eine Dicke von 3 mm und enthält eine optimale Farbstoff­ konzentration. Eine bevorzugte Herstellungsmethode für den Fluoreszenzkollektor 22 ist wegen der guten op­ tischen Qualität das Gießen zwischen zwei Glasplatten im Wasserbad. Dem Monomer wird dabei 60 bis 100 mg Fluoreszenzfarbstoff pro kg Monomer zugesetzt. Solche Farbstoffe werden beispielsweise unter den Typenbe­ zeichnungen 240 (gelb), 856 (rot) und 339 (rot) von der Firma BASF in den Handel gebracht. Beim Spritzgußver­ fahren zur Herstellung eines Fluoreszenzkollektors 22 wird dem PMMA-Granulat die gleiche Farbstoffmenge als Pulver beigemischt.

Die Kanten 27 des Fluoreszenzkollektors sind hochglanz­ poliert und völlig plan. Beim Gußverfahren wird dies durch Bearbeitung mit einem Diamantfräser, beim Spritz­ guß durch entsprechende Gestaltung der Spritzgußform sichergestellt.

Der Bodenreflektor 18 darf nicht optisch an den Fluor­ eszenzkollektor 22 ankoppeln und soll möglichst gut reflektieren. Im einfachsten Fall besteht er aus weißer Pappe, auf die der Fluoreszenzkollektor 22 gelegt wird.

Die optimale Farbstoffkonzentration des Fluoreszenz­ kollektors 22 ist von herausragender Bedeutung für ihren Wirkungsgrad. Konzentriert man den Fluoreszenz­ kollektor zu schwach, so verliert man transmittiertes Licht, dotiert man ihn zu stark, so hat man erhöhte Selbstabsorptionsverluste im Fluoreszenzkollektor 22. Für die Optimierung der Farbstoffkonzentration wurde ein Monte-Carlo-Simulationsprogramm entwickelt, mit dessen Hilfe die Farbstoffkonzentration in der oben angegebenen Weise optimiert wurde. Die optimale Kon­ zentration ist dabei abhängig von der Kantenlänge des Fluoreszenzkollektors 22, seiner Dicke, seiner Geo­ metrie und seinem Hintergrund (Reflektor, Absorber).

Wie man in Fig. 1 erkennt, liegt der Fluoreszenzkollek­ tor auf der nach vorne weisenden Seite der Solaruhr gegen Nasen 28 an, die umlaufend am Rahmen 1 ausge­ bildet sind.

Weiter erkennt man in Fig. 1 und deutlicher in der vergrößerten Darstellung in der Fig. 2, wie der außen umlaufende Rand 29 des Bodenreflektors 18 rechtwinklig hochgezogen ist. Durch den umlaufenden hochgezogenen Rand 29 wird eine seitliche Führung und Einklemmung des Fluoreszenzkollektors 22 möglich, wenn der Fluor­ eszenzkollektor 22 auf den umlaufenden Randbereich 21 aufgesetzt wird.

Um im Bereich der Kanten 27 des Fluoreszenzkollektors 22, wo keine Solarzellen des Solargenerators 23 vor­ handen sind, Lichtverluste und damit Energieverluste zu vermeiden, sind Kantenreflektoren 30 vorgesehen. Die Kantenreflektoren 30 bestehen beispielsweise aus weißen Papierstreifen oder Kunststoffstreifen, die zwischen den Kanten 27 und dem hochgezogenen Rand 29 des aus elastischem Kunststoff bestehenden Bodenreflektors 18 eingeklemmt sind. Durch die Abstimmung des Abstandes zwischen den sich gegenüberliegenden Rändern 29 auf die Abmessungen des Fluoreszenzkollektors 22 wird auf einfache Weise eine mechanische Befestigung der Kanten­ reflektoren 30 und eine Fixierung des Solargenerators 23 erreicht, der aus mehreren Solarzellen besteht, die auf einer Basisleiste 31 aufgebracht sind. Die elasti­ sche Einklemmung der erwähnten Bauteile mit Hilfe der Ränder 29 gestattet nicht nur eine einfache Montage, sondern auch eine leichte Justierung der Komponenten. Außerdem wird durch die Klemmwirkung eine Anpreßkraft auf die Basisleiste 31 und die Solarzellen des Solar­ generators 23 erzeugt, so daß eine bessere Lichtan­ kopplung der Solarzellen erreicht wird und mechanische Belastungen auf den als Koppelmittel zwischen dem Solargenerator 23 und der benachbarten Kante 27 ver­ wendeten Kleber vermieden werden. Die Aufbringung der Solarzellen des Solargenerators 23 auf die zugeordnete Kante 27 erfolgt vorzugsweise mit einem dauerelasti­ schen, hochtransparenten altersbeständigen Kleber (z.B. Wacker RTV2 Siliconkautschuk VP7612 im Verhältnis 5 : 4). Die angerührte Masse wird in einem ca. 1 mm starken Film bei Raumtemperatur auf die Solarzellen gegossen und eine Stunde bei 100°C ausgehärtet. Danach werden die Solarzellen mit leichtem Dauerdruck an den Fluoreszenzkollektor gedrückt. Ein für die optimale Kopplung wünschenswerter Dauerdruck wird dabei durch die Elastizität des hochgezogenen Randes 29 bewirkt.

In Fig. 3 erkennt man schematisch in einer perspek­ tivischen Ansicht einen Fluoreszenzkollektor 22 mit einer Vielzahl von in Reihe geschalteten Solarzellen 32. Man erkennt in Fig. 3 auch, daß die nicht mit Solarzellen belegten Kanten 27 mit Kantenreflektoren 30 versehen sind. Solche Kantenreflektoren 30 sind auch in den Bereichen vorgesehen, die keine Solarzellen 32 aufweisen, was jedoch in Fig. 3 nicht dargestellt ist.

Bei der in Fig. 3 beispielsweise dargestellten Anord­ nung von Solarzellen 32 eines Solargenerators 23 ist nicht nur eine Kante 27 mit Solarzellen 32 belegt, sondern zwei benachbarte Kanten 37 weisen jeweils eine gleiche Belegung mit Solarzellen 32 auf. Durch eine solche L-förmige Anordnung wird eine Verringerung der Selbstabsorptionsverluste gegenüber einer Anordnung an gegenüberliegenden Kanten 27 erreicht.

Wie man in Fig. 3 weiterhin erkennt, belegen die Solar­ zellen 32 nicht die gesamte Länge der Kanten 27 bis zu den Ecken 33. Versuche und Simulationsrechnungen haben gezeigt, daß die Lichtintensität in der Nähe der Ecken 33 gegenüber der Kantenmitte erheblich abfällt. Würde man eine gesamte Kante 27 mit Solarzellen 32 belegen und diese in Serie schalten, so würde das zu einer Stromeinbuße führen, da die Zellen an den Kantenrändern den Strom bestimmen würden. Aus diesem Grunde belegen die Solarzellen 32 nur etwa 80% der Kantenfläche. Für Solargeneratoren 23, die mehr als 80% der Kantenfläche umfassen sollen, empfiehlt es sich deshalb, den Solargenerator 23 auf mehrere Kanten 27 zu verteilen, wie in Fig. 3 veranschaulicht ist.

In Fig. 3 erkennt man weiterhin, daß die Länge der Solarzellen 32, ausgehend von der Kantenmitte, in Rich­ tung auf die Ecken 33 zunimmt. Hierdurch wird der in Richtung auf die Ecken abnehmenden Beleuchtungsstärke Rechnung getragen, um einen optimalen Wirkungsgrad zu erhalten. Zur Berechnung des Solargenerators 23 wurde zunächst der Strom- und Spannungsbedarf des Analoguhr­ werkes 9 einschließlich der Schaltungsverluste berech­ net. Danach wurde die Kombination Fluoreszenzkollektor 22/Solargenerator 23 so optimiert, daß die gewünschten Anforderungen mit einer minimalen Solargeneratorfläche befriedigt werden können. Die Suche nach der optimalen Kombination der Zahl der Solarzellen 32 im Solargenera­ tor 23 und der parallel geschalteten Fläche im Solar­ generator erfolgt iterativ, um schließlich das absolute Minimum der Generatorfläche zu bestimmen. Die Anordnung des Solargenerators 23 erfolgt dann symmetrisch von der Mitte einer Kante aus, in der Weise, daß die mittlere Solarzelle 32 die kleinste ist und die Solarzellen 32 nach außen um den gleichen Faktor länger werden, wie die Beleuchtungsstärke an der Kante 27 des Fluoreszenz­ kollektors 22 geringer wird. Werden zwei Kanten 27 eines rechteckigen Fluoreszenzkollektors 22 belegt, so müssen sie L-förmig aneinanderstoßen, um eine optimale Ausbeute zu erreichen, was bereits oben erwähnt worden ist.

Fig. 4 zeigt die elektrische Schaltung, mit der die vom Solargenerator 23 gelieferte Energie in den Nickel- Cadmium-Akkumulator 11 eingespeist wird. Wie man in Fig. 4 erkennt, erfolgt dies über eine Serienschaltung aus einer Entladeschutzdiode 34, die vorzugsweise eine Schottky-Diode ist, und einem Begrenzungswiderstand 35. Der Begrenzungswiderstand 35 mit einem Wert von bei­ spielsweise 2 kΩ ist so dimensioniert, daß bei den maximal auftretenden Beleuchtungsstärken keine Über­ ladung des Nickel-Cadmium-Akkumulators erfolgt.

Dem Nickel-Cadmium-Akkumulator 11 ist ein Glättungs­ kondensator 36 sowie das Analoguhrwerk 9 parallel geschaltet. Der Glättungskondensator 36 hat beispiels­ weise eine Kapazität von 100 µF und dient dazu, den Speicherwirkungsgrad zu erhöhen. Der Glättungskonden­ sator 36 führt zur ständigen gleichmäßigen Entladung des Speichers zwischen den Uhrenimpulsen. Dies ist für die Selbstentladung und die Entladeverluste günstiger als die direkte Stoßbelastung des Nickel-Cadmium-Akku­ mulators 11 ohne Glättungskondensator 36. Das Analog­ uhrwerk 9 benötigt beispielsweise im Durchschnitt einen Strom von 7 µA. Dieser Strombedarf konzentriert sich jedoch beispielsweise alle acht Sekunden auf einen Stromimpuls mit einer Dauer von 50 ms. Der Stromimpuls wird dabei im wesentlichen vom Glättungskondensator 36 geliefert, der sich anschließend wieder über den Nickel-Cadmium-Akkumulator 11 und dessen Innenwider­ stand auflädt. Auf diese Weise wird der Nickel-Cad­ mium-Akkumulator 11 gleichmäßiger belastet. Hierdurch ergibt sich eine geringere Verlustleistung und eine Verringerung der Selbstentladung und somit insgesamt eine bessere Nutzung des vom Solargenerator 23 ge­ lieferten Solarstromes.

Claims (17)

1. Elektronische Uhr mit wenigstens einem Zeiger und einem Ziffernblatt (26), wobei der mindestens eine Zeiger zwischen einer transparenten Deckplatte (22) und einer lichtundurchlässigen Grundplatte (3) angeordnet ist, mit einem an einen Energiespeicher (11) angeschlossenen Uhrwerk, wobei der Energiespeicher (11) mit einem Solargenerator (23) verbunden ist, wobei dessen Solarzellen (32) an wenigstens einer Kantenfläche (27) der transparenten Deckplatte (22) angekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckplatte als Fluoreszenzkollektorplatte (22) ausgestaltet ist und daß das Ziffernblatt (26) auf der Rückseite (25) der Fluoreszenzkollektorplatte (22) aufgebracht ist.

2. Uhr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ziffernblatt mit weißer Farbe (26) aufgedruckt ist.

3. Uhr nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an den nicht mit Solarzellen (32) belegten Kantenflächen Kantenreflektoren (30) vorgesehen sind.

4. Uhr nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kantenreflektoren (30) aus weißen Papierstreifen oder Kunststoffstreifen bestehen, die gegen die Kantenflächen (27) angedrückt sind.

5. Uhr nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckplatte (22) vieleckig ist und die Kantenflächen eine Polygonzug bilden, daß die Solarzellen (32) zentriert um die jeweilige Kantenmitte angeordnet sind und daß die an den Ecken (33) des Polygons liegenden Randbereiche der Kantenflächen (27) nicht mit Solarzellen (32) belegt sind.

6. Uhr nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Längen der Solarzellen (32), ausgehend von der Kantenmitte jeder Vieleckkante, entsprechend dem Abfall der Beleuchtungsstärke in Richtung auf die Randbereiche größer ausgebildet sind.

7. Uhr nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Solarzellen (32) mittels eines dauerelastischen hochtransparenten und alterungsbeständigen Klebstoffes mit der Kantenfläche (27) der Fluoreszenzkollektorplatte (22) gekoppelt sind.

8. Uhr nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Solarzellen (32) des Solargenerators (23) auf einer Basisleiste (31) angeordnet sind.

9. Uhr nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Solarzellen (32) entlang einer einzigen Kantenfläche (27) angeordnet sind.

10. Uhr nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckplatte (22) vieleckig ist und daß die Solarzellen (32) entlang zweier L-förmig benachbarter Kantenflächen (27) angeordnet sind.

11. Uhr nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß dem Fluoreszenzkollek­ tor (22) ein Bodenreflektor (18) mit tellerför­ miger Gestalt zugeordnet ist, in den der Fluor­ eszenzkollektor (22) eingesetzt ist.

12. Uhr nach Anspruch 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Bodenreflektor (18) im mittleren Bereich eine Vertiefung (19) aufweist, in der die Zeiger (14, 15) der Uhr aufgenommen sind.

13. Uhr nach Anspruch 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Ränder (21, 29) des Boden­ reflektors (18) in etwa rechtwinklig hochgezogen sind und den Kanten (27) des Fluoreszenzkollektors (22) zugeordnete Klemmflächen (29) bilden.

14. Uhr nach Anspruch 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Basisleiste (31) mit den Solarzellen (32) sowie die Kantenreflektoren (30) zwischen den Klemmflächen (29) des Bodenreflektors (18) und den Kantenflächen (27) des Fluoreszenz­ kollektors (22) eingeklemmt sind.

15. Uhr nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Solargenerator (23) über eine Entladeschutzdiode (34) sowie einen Begrenzungswiderstand (35) an den Energiespeicher (11) angeschlossen ist.

16. Uhr nach Anspruch 15, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Energiespeicher (11) ein Nickel-Cadmium-Akkumulator ist, dem ein Konden­ sator (36) mit einer Kapazität parallel geschaltet ist, die mindestens gleich dem Quotienten aus dem Produkt des mittleren Uhrenstromes mit dem Impuls­ abstand der vom Uhrwerk (9) entnommenen Strom­ impulse und der Speicherspannung des Nickel-Cad­ mium-Akkumulators (11) ist.

17. Uhr nach Anspruch 15 oder 16, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Begrenzungswiderstand (35) so ausgelegt ist, daß bei höchster Einstrah­ lung auf den Fluoreszenzkollektor (22) nur der maximal zulässige Ladestrom für den Nickel-Cad­ mium-Akkumulator (11) fließt.