DE69835940T2

DE69835940T2 - Elektronisch gesteuerte mechanische uhr und steuerungsverfahren dafür

Info

Publication number: DE69835940T2
Application number: DE69835940T
Authority: DE
Inventors: Osamu Shinkawa; Kunio Seiko Epson Corporation KOIKE
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1997-09-30
Filing date: 1998-09-30
Publication date: 2007-05-10
Anticipated expiration: 2018-10-01
Also published as: CN1241268A; CN1119721C; EP0942341A4; USRE38110E1; US6252828B1; EP0942341B1; WO1999017172A1; US6041021A; EP0942341A1; DE69835940D1; HK1020619A1; JP3472877B2

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft elektronisch gesteuerte, mechanische Uhren, die exakt Zeiger, die an einer Räderwerkbrücke befestigt sind, unter Verwendung eines Generators antreiben, der mechanische Energie im Entspannungsmodus einer Feder in elektrische Energie umwandelt, und den Drehzyklus des Generators durch Antreiben eines Drehkontrollmittels mit der elektrischen Energie kontrollieren, und Kontrollverfahren dafür.
Stand der Technik
Eine elektronisch gesteuerte, mechanische Uhr, die in der Geprüften Japanischen Patentschrift Nr. 7-119812 beschrieben ist, ist für die Anzeige einer exakten Zeit bekannt, die Zeiger, die an einer Räderwerkbrücke befestigt sind, unter Verwendung eines Generators exakt antreibt, der mechanische Energie im Entspannungsmodus einer Feder in elektrische Energie umwandelt, und zum Steuern eines Stroms, der in der Spule des Generators fließt, durch Antreiben eines Drehkontrollmittels mit der elektrischen Energie.
In der elektronisch gesteuerten mechanischen Uhr wird durch Eingabe eines Signals, das auf der Drehung des Generators beruht, in den Zähler, während ein Signal von einem Quarzoszillator in den Zähler eingegeben wird, einen Vergleich von Werten in dem Zähler, und Steuern des Generators auf der Basis der Differenz die Drehgeschwindigkeit kontrolliert. Der Zähler vergleicht die Phasendifferenz von Referenztaktimpulsen (Ref-Impulsen) und Generator-Drehzyklus-Impulsen (G-Impulsen, und erhöht den Wert eines Auf/Abwärtszählers, wenn die G-Impulse voreilen, oder senkt den Wert, wenn die G-Impulse nacheilen. Der Zähler besteht aus einem sogenannten integralen Zähler.
Wenn ein Wert, der durch Messen der Zeit eines Zyklus der Ref-Impulse erhalten wird, gleich einem Wert ist, der durch den integralen Zähler erhalten wird, wird der Generator gebremst, und mit dem Bremsen wird kontinuierlich fortgefahren, bis die Messung der Zeit eines Zyklus der Ref-Impulse endet. Daher stellt der Wert des integralen Zählers eine Bremslösungszeit ein. Das heißt, der wert des integralen Zählers wird mit der Bremslösezeit N multipliziert, zu der die durchschnittliche Geschwindigkeit der G-Impulse gleich einer Zielgeschwindigkeit (ref-Impulse) ist. Mit anderen Worten, in diesem System wird eine Integralsteuerung verwendet.
Gemäß der Integralsteuerung kann die durchschnittliche Geschwindigkeit eines Rotors über eine ausreichende Dauer bei einer Geschwindigkeit in einer Sollzeit kontrolliert werden, wodurch Zeiger exakt bei einer kontrollierten Geschwindigkeit bewegt werden können, da Signale, die in jedem Zyklus ausgegeben werden, verglichen werden, während die Signale gezählt werden. Die Integralsteuerung weist jedoch das Problem auf, dass die Drehgeschwindigkeit des Rotors nicht sofort eingestellt werden kann, was zu einem geringen Ansprechvermögen führt. Die Integralsteuerung hat auch das Problem, dass mehrere Phasenexkursionen erzeugt werden, bis das Verhältnis zwischen der Federkraft und der Bremskraft so eingestellt ist, dass es einer Zielfrequenz entspricht.
Die Integralsteuerung kann in dem Blockdiagramm von 20 ausgedrückt werden.
Allgemein ist bekannt, dass eine Transferfunktion, die für einen Generator oder Motor verwendet wird, 1/s(sT + 1) ist. Diese besteht aus einer Transferfunktion einer Verzögerung erster Ordnung 101 und einem Integralterm 102 von 1/s. Daher ist ein Integralfaktor in dem Generator als zu kontrollierendes Objekt enthalten. Bode-Diagramme unter der Annahme, dass nur die Integralsteuerung für das Objekt ausgeführt wird, sind in 21 und 22 dargestellt.
In den Bode-Diagrammen ist als Bedingung für eine stabile Drehkontrolle erforderlich, dass eine Phasentoleranz, d.h., die Phase bei einer Verstärkung von Null db (Verstärkungsgrenzlinie) vor –180° liegt, und dass eine Verstärkungstoleranz, d.h., die Verstärkung bei einer Phase von –180° (Phasengrenzlinie) nicht mehr als Null db beträgt.
Wenn jedoch nur die Integralsteuerung durchgeführt wird, tritt eine Phasenverzögerung von –90° in dem Objekt auf, und einer weitere Phasenverzögerung von –90° tritt aufgrund der Integralsteuerung auf, wie in 21 dargestellt ist, so dass die Phase bei etwa –180° liegt. Somit ist eine stabile Steuerung schwierig, da nur die Integralsteuerung keine Phasentoleranz und Verstärkungstoleranz erreichen kann. Daher muss die Uhr in der Geprüften Japanischen Patentschrift Nr. 7-119812 eine Steuerung bei einer sehr niederen Frequenz ausführen, und ihre Ansprechcharakteristik ist bei etwa 0,016 Hz oder weniger positioniert.
Ein Fall, in dem die Verstärkung des integralen Zählers hundertfach größer eingestellt ist, ist in 22 dargestellt. Auch in diesem Fall liegt die Phasentoleranz hinter –180° und es kann keine stabile Kontrolle erwartet werden.
Wie aus den zuvor beschriebenen Daten hervorgeht, kann durch Ausführen einer Kontrolle unter Verwendung nur der herkömmlichen Integralsteuerung eine Durchschnittsgeschwindigkeitssteuerung ausgeführt werden, aber es tritt das Problem auf, dass Phasenexkursionen nicht beseitigt werden können.
Zusätzlich verursacht ein langsames Ansprechen der Steuerung das Problem, dass nahezu nichts bei einer raschen Störung gemacht werden kann, wie in dem Fall, wenn eine Beschleunigung in einer Uhr durch Schwenken eines Arms verursacht wird.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektronisch gesteuerte, mechanische Uhr bereitzustellen, die keine Phasenexkursionen aufweist und über ein rasches Ansprechvermögen des Kontrollsystems verfügt, sowie ein Kontrollverfahren für diese.
WO 97/09657 offenbart ein Werk einer Uhr, die eine Feder umfasst, die eine Zeitanzeige und einen Generator über Zahnräder antreibt. Der Generator wird durch eine Steuerschaltung reguliert, die eine Komparatorschaltung umfasst, die ein Referenzsignal mit einem Generatorsignal von dem Generator vergleicht. Die Komparatorschaltung enthält einen Zähler, dessen Ablesung der Frequenzdifferenz zwischen dem Referenzsignal und dem Generatorsignal entspricht. Eine Energiestreuungsschaltung ist über die Generator-Anschlussklemmen angeschlossen und der Energieverbrauch der Energiestreuungsschaltung wird durch die Zählerablesung gesteuert, um das Werk der Uhr mit dem Referenzsignal zu synchronisieren.
US 2927001 offenbart eine elektronisch gesteuerte mechanische Uhr, die eine Antriebsfeder, einen Generator, der von der Feder über ein Räderwerk angetrieben wird, eine Bremsschaltung zum Bremsen des Generators, und eine Drehkontrollschaltung zum Kontrollieren der Bremsschaltung umfasst. Die Drehkontrollschaltung umfasst einen Oszillator, der eine Referenzfrequenz erzeugt, einen Verstärker, der eine Frequenz erzeugt, die der Drehung des Generators entspricht, und einen Komparator zum Vergleichen der beiden Frequenzen, der ein einfacher Phasenkomparator sein kann. Der Ausgang des Komparators kontrolliert die Bremsschaltung.
Offenbarung der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine elektronisch gesteuerte, mechanische Uhr bereitgestellt, umfassend: eine mechanische Energiequelle; einen Generator, der von der mechanischen Energiequelle angetrieben wird, die über ein Räderwerk an den Generator angeschlossen ist, wobei der Generator zwei Anschlüsse aufweist und induzierte elektrische Energie zur Zuleitung von elektrischer Energie erzeugt; eine Bremsschaltung zum Bremsen des Generators; Zeiger, die mit dem Räderwerk verbunden sind; und ein Drehkontrollmittel zum Kontrollieren des Drehzyklus des Generators durch Kontrollieren der Bremsschaltung;
wobei das Drehkontrollmittel Folgendes enthält: ein Drehungserfassungsmittel zum Erzeugen eines Drehungssignals des Generators; ein Sollwertsignalerzeugungsmittel zum Erzeugen eines Sollwertsignals, das einer Sollzahl von Umdrehungen entspricht; und ein Phasendifferenzkompensationsmittel zum Erfassen der Phasendifferenz des Drehungssignals, das von dem Drehungserfassungsmittel ausgegeben wird, und dem Sollwertsignal, das von dem Sollwertsignalerzeugungsmittel ausgegeben wird, und zum Ausgeben eines Phasendifferenzkompensationssignals, das als Bremskontrollsignal in der Bremsschaltung verwendet wird;
wobei der Generator und die Bremsschaltung einen spannungskontrollierten Oszillator bilden, und das Phasendifferenzkompensationsmittel Folgendes enthält: eine Phasenvergleichsschaltung zum Vergleichen der Phasen des Drehungssignals und des Sollwertsignals; und ein Bremskontrollmittel zum Eingeben des Phasendifferenzkompensationssignals zum Kontrollieren der Bremsschaltung, das auf einem Ausgang von der Phasenvergleichsschaltung beruht, in den spannungskontrollierten Oszillator; und
dadurch gekennzeichnet, dass die Bremsschaltung eine Chopper-Ladungsschaltung zum Kurzschließen beider Anschlüsse des Generators umfasst, wobei das Tastverhältnis der Chopper-Ladungsschaltung durch das Phasendifferenzkompensationssignal kontrolliert wird.
Eine elektronisch gesteuerte, mechanische Uhr der vorliegenden Erfindung verwendet eine mechanische Energiequelle, wie eine Feder, zum Antreiben von Zeigern und eines Generators, und steuert die Drehzahl eines Rotors, d.h., der Zeiger, durch Bremsen des Generators. Zu diesem Zeitpunkt vergleicht die elektronisch gesteuerte mechanische Uhr die Phasen eines Drehungssignals des Generators und eines Sollwertsignals, wie eines Standardsignals der Uhr, und gibt auf der Basis der Phasendifferenz ein Bremskontrollsignal an die Bremsschaltung für den Generator aus, wodurch eine sogenannte Phasensynchronisationsschaltungssteuerung (PLL-Steuerung) in einer elektronisch gesteuerten, mechanischen Uhr erreicht wird. Da ein Bremspegel durch einen Vergleich der Wellenformen der erzeugten Energie in jedem Zyklus eingestellt werden kann, erreicht die Aktivierung eines verriegelten Bereichs ein stabiles, rasch ansprechendes System und ermöglicht die Beseitigung von Phasenexkursionen, wenn sich Wellenformen der erzeugten Energie nicht in einem Moment deutlich ändern.
Unter diesen Umständen ist bevorzugt, dass das Drehkontrollmittel eine Wellenform-Formungsschaltung enthält, zum Umwandeln der vom spannungskontrollierten Oszillator ausgegebenen Wellenform in Impulse mit rechteckiger Welle, sowie zum Ausgeben derselben als Drehungssignal an die Phasenvergleichsschaltung.
Die ausgegebene Wellenform des spannungskontrollierten Oszillators ändert sich in Übereinstimmung mit einem Kontrollverfahren für diesen. Durch Bereitstellung der Wellenform-Formungsschaltung kann jedoch der unterschiedliche Teil der ausgegebenen Wellenform absorbiert werden, und Impulse mit rechteckiger Welle, die mit einem Zeitstandardsignal verglichen werden können, können an die Phasenvergleichsschaltung ausgegeben werden, unabhängig von der ausgegebenen Wellenform des spannungskontrollierten Oszillators. Somit kann die Phasenvergleichsschaltung usw. allgemein verwendet werden, um eine Verringerung von Komponentenkosten zu ermöglichen.
Zusätzlich ist bevorzugt, dass das Drehkontrollmittel einen Frequenz-Geschwindigkeits-Wandler zum Umwandeln der Frequenz eines Ausgangssignals von dem spannungskontrollierten Oszillator in Geschwindigkeit enthält, und das Bremskontrollmittel imstande ist, ein Signal auszugeben, das die Bremsschaltung auf der Basis eines Ausgangs von der Phasenvergleichsschaltung und eines Ausgangs von dem Frequenz-Geschwindigkeits-Wandler kontrolliert.
Durch die Bereitstellung des Frequenz-Geschwindigkeits-Wandlers kann die Zeitkonstante einer Steuerschaltung verringert werden, und das Ansprechvermögen kann weiter verbessert werden.
Ferner ist bevorzugt, dass das Phasendifferenzkompensationsmittel ein Phasendifferenzerfassungsmittel und ein Kompensationssignalerzeugungsmittel zum Empfangen eines Ausgangs von dem Phasendifferenzerfassungsmittel enthält, dass das Drehungssignal und das Sollwertsignal periodisch wiederkehrende Impulse sind, dass das Phasendifferenzerfassungsmittel Zähler zum Zählen der Anzahl von Anstiegen oder Abfällen der entsprechenden Signale enthält, und dass ein Zähler erhöht oder gesenkt wird, wenn das Sollwertsignal steigt oder fällt, oder erhöht oder gesenkt wird, wenn das Drehungssignal steigt oder fällt, und einen Ausgang des Zählers als Phasendifferenzsignal an das Kompensationssignalerzeugungsmittel ausgibt.
Unter Verwendung eines Zählers zur Bildung des Phasendifferenzerfassungsmittels kann die Schaltungsanordnung vereinfacht werden und es können auch die Kosten reduziert werden. Zusätzlich kann ein Zähler, der imstande ist, mehrere Zählungen zu führen, verwendet werden. Somit kann eine Phasendifferenz in einem weiteren Bereich erfasst werden, und selbst wenn Phasendifferenzen summiert wird, kann die Gesamtsumme gehalten wird. Daher kann eine Steuerung mit einer Gesamtsumme der Phasendifferenzen ausgeführt werden und eine exaktere geschwindigkeitskontrollierte Steuerung ausgeführt werden.
Unter diesen Umständen ist bevorzugt, dass das Phasendifferenzerfassungsmittel Folgendes enthält: einen integralen Zähler zum Messen einer Gesamtzahl der Phasenexkursionsperioden des Drehungssignals und des Sollwertsignals; einen proportionalen Zähler zum Messen der Phasenexkursionsperioden; und einen Addierer zum Erhöhen oder Verringern des Wertes jedes Zählers in Übereinstimmung mit einem Voreilen oder Nachlaufen der Phasenexkursion des Drehungssignals im Bezug auf das Sollwertsignal.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Kontrollverfahren für eine elektronisch gesteuerte, mechanische Uhr nach Anspruch 6 bereitgestellt.
In der vorliegenden Erfindung können Phasenexkursionen beseitigt werden und ein stabiles, rasch ansprechendes Kontrollsystem erreicht werden, da eine elektronisch gesteuerte, mechanische Uhr durch eine Phasensynchronisationsschaltungssteuerung (PLL-Steuerung) gesteuert werden kann.
Unter diesen Umständen ist bevorzugt, dass das Kontrollverfahren Folgendes umfasst: die Verwendung eines integralen Zählers zum Messen einer Gesamtzahl der Phasenexkursionsperioden des Drehungssignals und des Sollwertsignals; und die Verwendung eines proportionalen Zählers zum Messen der Phasenexkursionsperioden; das Bestimmen eines Voreilens oder Nachlaufens der Phasenexkursion des Drehungssignals im Bezug auf das Sollwertsignal; das Berechnen eines Phasendifferenzkompensationssignals zum Einstellen einer Bremszeit durch Erhöhen oder Verringern des Wertes jedes Zählers gemäß dem bestimmten Ergebnis; und das Verwenden des Phasendifferenzkompensationssignals zum Kontrollieren der Bremsschaltung.
Das Einstellen der Bremszeit beinhaltet nicht nur den Fall, in dem eine Bremszeit direkt eingestellt werden kann, sondern auch den Fall, in dem eine indirekte Bremsung durch Einstellen einer Bremslösungszeit ausgeführt, in der in einem vorbestimmten Zyklus keine Bremsung ausgeführt wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Draufsicht, die Hauptkomponenten einer elektronisch gesteuerten, mechanischen Uhr gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist eine Querschnittsansicht, die einen Hauptteil in 1 zeigt.
3 ist eine Querschnittsansicht, die einen Hauptteil in 1 zeigt.
4 ist ein Blockdiagramm, das Funktionen einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
5 ist ein Blockdiagram, das die Konstruktion einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
6 ist ein Schaltungsdiagramm, das eine Chopper-Ladungsschaltung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
7 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel einer Wellenform-Formungsschaltung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
8 ist ein Blockdiagramm, das ein weiteres Beispiel einer Wellenform-Formungsschaltung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
9 ist ein Wellenformdiagramm gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
10 ist eine Zeichnung, die eine Verarbeitung durch einen Komparator in einer Bremskontrollschaltung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
11 ist ein Blockdiagramm, das Hauptkomponenten einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
12 ist ein Flussdiagramm, das ein Kontrollverfahren gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt.
13 ist ein Flussdiagramm, das eine Fortsetzung der Steuerung in dem Flussdiagramm von 12 zeigt.
14 ist ein Flussdiagramm, das den Ablauf zur I-Wert-Berechnung in 12 zeigt.
15 ist ein Flussdiagramm, das den Ablauf zur P-Wert-Berechnung in 12 zeigt.
16 ist ein Bode-Diagramm gemäß einer zweiten Ausführungsform.
17 ist ein Blockdiagramm, das eine Modifizierung der vorliegenden Erfindung zeigt.
18 ist ein Schaltungsdiagramm, das eine Modifizierung einer Chopper-Ladungsschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
19 ist ein Blockdiagramm, das eine Modifizierung einer Wellenform-Formungsschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
20 ist ein Blockdiagramm, das die Konstruktion eines herkömmlichen Beispiels zeigt, das sich auf die vorliegende Erfindung bezieht.
21 ist ein Bode-Diagramm gemäß einem herkömmlichen Beispiel.
22 ist ein Bode-Diagramm gemäß einem herkömmlichen Beispiel.
Beste Ausführungsform der Erfindung
Für eine ausführlichere Beschreibung der vorliegenden Erfindung wird diese unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen erklärt.
1 ist eine Draufsicht, die Hauptteile einer elektronisch gesteuerten, mechanischen Uhr gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, und 2 und 3 sind Schnittansichten der Uhr.
Die elektronisch gesteuerte, mechanische Uhr enthält ein Federhaus 1, das aus einer Feder 1a, einem Federzahnrad 1b, einer Federwelle 1c und einer Federhausdeckel 1d besteht. Ein äußeres Ende der Feder 1a ist an dem Federzahnrad 1b befestigt, und ein inneres Ende ist an der Federwelle 1c befestigt. Die Federwelle 1c wird von einer Hauptplatine 2 und einer Räderwerkbrücke 3 gehalten, und ist an einer Sperrradhalterung 5 befestigt, so dass sie gemeinsam mit einem Sperrrad 4 dreht.
Das Sperrrad 4 steht mit einer Vertiefung 6 in Eingriff, so dass es im Uhrzeigersinn, aber nicht gegen den Uhrzeigersinn dreht. Eine Beschreibung einer Technik zum Aufziehen der Feder 1a durch Drehen des Sperrrades 4 im Uhrzeigersinn wird unterlassen, da die Technik ähnlich jener bei einem Selbstaufzieh- oder Handaufziehmechanismus einer mechanischen Uhr ist. Die Drehung des Federzahnrades 1b wird auf ein zentrales Rad 7 bei einer siebenfachen Geschwindigkeitserhöhung übertragen. Anschließend wird sie auf ein drittes Rad 8 bei einer 6,4-fachen Geschwindigkeitserhöhung übertragen. Sie wird auf ein zweites Rad 9 bei einer 9,375-fachen Geschwindigkeitserhöhung übertragen. Sie wird auf ein fünftes Rad 10 bei einer 3-fachen Geschwindigkeitserhöhung übertragen. Sie wird auf ein sechstes Rad 11 bei einer 10-fachen Geschwindigkeitserhöhung übertragen. Sie wird auf einen Rotor 12 bei einer 10-fachen Geschwindigkeitserhöhung übertragen. Insgesamt wird die Drehzahl auf das 126 000-Fache erhöht.
Ein Viertelrohr 7a ist an dem zentralen Rad 7 befestigt. Ein Minutenzeiger 13 ist an dem Viertelrohr 7a befestigt. Ein Sekundenzeiger 14 ist an dem zweiten Rad 9 befestigt. Damit das zentrale Rad 7 bei 1 U/h drehen kann und dass zweite Rad 9 bei 1 U/min drehen kann, kann ein Rotor 12 so kontrolliert werden, dass er bei 5 U/sec dreht. Zu diesem Zeitpunkt dreht das Federzahnrad 1b bei 1/7 U/h.
Die elektronisch gesteuerte, mechanische Uhr enthält einen Generator 20, der aus dem Rotor 12, einem Stator 15 und einem Spulenblock 16 besteht. Der Rotor 12 besteht aus einem Rotormagneten 12a, einem Rotorritzel 12b und einer Rotor-Trägheitsscheibe 12c. Die Rotor-Trägheitsscheibe 12c dient zum Unterdrücken einer Änderung in der Umdrehung des Rotors 12 gegenüber einer Änderung in dem Antriebsmoment von dem Federhaus 1. Der Stator 15 ist eine Statorbasis 15a, um die vierzigtausend Wicklungen einer Statorspule 15b gewickelt sind.
Der Spulenblock 16 ist ein magnetischer Kern 16a, um den elftausend Wicklungen einer Spule 16b gewickelt sind. Die Statorbasis 15a und der Magnetkern 16a sind aus PC-Permalloy oder dergleichen hergestellt. Die Statorspule 15b und die Spule 16b sind in Serie verbunden, so dass eine Ausgangsspannung als Summe der von ihnen erzeugten Spannungen erhalten wird.
Anschließend wird die Steuerschaltung der elektronisch gesteuerten, mechanischen Uhr unter Bezugnahme auf 4 bis 9 beschrieben.
In 4 ist ein Blockdiagramm dargestellt, das die Funktionen dieser Ausführungsform zeigt.
Ein Wechselstromausgang von dem Generator 20 wird in seiner Spannung erhöht und durch eine Gleichrichterschaltung 21 mit einer spannungserhöhenden Gleichrichtung, Vollwellengleichrichtung, einer Halbwellengleichrichtung, Transistorgleichrichtung usw. erhöht. Eine Last 22, wie eine IC zur Steuerung eines Drehkontrollmittels oder dergleichen, und ein Quarzoszillator oder dergleichen, ist an die Gleichrichterschaltung 21 angeschlossen. In 4 wird der einfacheren Erklärung wegen jede funktionelle Schaltung, die in der IC enthalten ist, separat von der Last 22 beschrieben.
Eine Bremsschaltung 23, die durch serielle Verbindung eines Bremswiderstands 23A und eines N-Kanal- oder P-Kanal-Transistors 23B gebildet wird, ist an den Generator 20 angeschlossen. Der Generator 20 und die Bremsschaltung 23 bilden einen spannungskontrollierten Oszillator ("voltagecontrolled oscillator" – VCO) 25. In der Bremsschaltung 23 kann anstelle des Bremswiderstands 23A eine Diode eingesetzt werden, falls erforderlich.
Ein Drehkontrollmittel 50 ist an den VCO 25 angeschlossen.
Das Drehkontrollmittel 50 enthält eine Oszillatorschaltung 51, eine Frequenzteilerschaltung 52, eine Drehungserfassungsschaltung 53 für den Rotor 12, eine Phasenvergleichsschaltung (PC) 54, ein Tiefpassfilter (LPF) 55 und eine Bremskontrollschaltung 56.
Die Oszillatorschaltung 51 verwendet einen Quarzoszillator 51a zur Ausgabe eines oszillierenden Signals, und das oszillierende Signal wird durch die Frequenzteilerschaltung 52 frequenzgeteilt, so dass es einen konstanten Zyklus hat. Das frequenzgeteilte Signal wird zum Beispiel als 10 Hz Zeitstandardsignal (Referenzzyklussignal) fs an die Phasenvergleichsschaltung 54 ausgegeben. Das Zeitstandardsignal (Referenzzyklussignal) fs wird als Sollumdrehung des Generators 20 verwendet. Somit stellen die Oszillatorschaltung 51 und die Frequenzteilerschaltung 52 ein Sollwertsignalerzeugungsmittel zum Erzeugen eines Sollwertsignals (Zeitstandardsignals fs) dar, das einer Sollumdrehung entspricht.
Die Drehungserfassungsschaltung 53 empfängt eine ausgegebene Wellenform von dem VCO 25 bei hoher Impedanz, so dass der Generator 20 nicht beeinflusst ist. Sie führt die Wellenformverarbeitung des Ausgangs aus, um Impulse mit rechteckiger Welle fr zu bilden, und gibt diese an die Phasenvergleichsschaltung 54 aus. Daher wird unter Verwendung der Drehungserfassungsschaltung 53 ein Drehungserfassungsmittel zum Erzeugen eines Drehungssignals gebildet, das mit der Drehung des Generators 20 synchronisiert ist.
Die Phasenvergleichsschaltung 54 vergleicht die Phasen des Zeitreferenzsignals fs von der Frequenzteilerschaltung 52 und die Impulse mit der rechteckigen Welle fr von der Drehungserfassungsschaltung 53 und gibt ein Differenzsignal aus. Das Differenzsignal wird von dem LPF 55 so verarbeitet, dass seine Hochfrequenzkomponenten beseitigt werden, bevor es in die Bremskontrollschaltung 56 als Bremskontrollmittel eingegeben wird.
Die Bremskontrollschaltung 56 gibt auf der Basis des Signals an den VCO 25 ein Kontrollsignal von der Bremsschaltung 23 aus. Dadurch wird die Phasensynchronisierungssteuerung ausgeführt.
Daher bilden die Phasenvergleichsschaltung 54, das LPF 55 und die Bremskontrollschaltung 56 ein Phasendifferenzkompensationsmittel zum Erfassen der Phasendifferenz zwischen dem Drehungssignal, das von dem Drehungserfassungsmittel ausgegeben wird, und dem Sollwertsignal, das von dem Sollwertsignalerzeugungsmittel ausgegeben wird, und zum Ausgeben eines Phasenkompensationssignals, das zum Bremskontrollsignal in der Bremsschaltung 23 wird.
Eine ausführlichere Konstruktion dieser Ausführungsform ist in 5 und 6 dargestellt.
Wie in 5 und 6 dargestellt ist, wird in dieser Ausführungsform eine Chopper-Ladungsschaltung 60 als Bremsschaltung 23 verwendet. Die Chopper-Ladungsschaltung 60 enthält: zwei Komparatoren 61 und 62, die an die Spulen 15b und 16b in dem Generator 20 angeschlossen sind; eine Stromzufuhr 63 zum Zuführen einer Vergleichsreferenzspannung Vref zu den Komparatoren 61 und 62; ODER-Schaltungen 64 und 65 zum Ausgeben der logischen Summen von Ausgängen von den Komparatoren 61 und 62, und einen Taktausgang (Kontrollsignal) von der Bremskontrollschaltung 56; Feldeffekttransistoren (FETs) 66 und 67, die an die Spulen 15b und 16b angeschlossen sind, und deren Gates an die Ausgänge der ODER-Schaltungen 64 und 65 angeschlossen sind; und Dioden 68 und 69, die an den Kondensator 21A angeschlossen sind, der in der Gleichrichterschaltung 21 bereitgestellt ist. Die FETs 66 und 67 sind mit parasitären Dioden 66A und 67A bereitgestellt.
Der Kondensator 21A hat eine positive Elektrode, die auf eine Spannung VDD eingestellt ist, und eine negative Elektrode, die auf VTKN (V/TANK/Negativ: negative Elektrode einer Batterie) gestellt ist. Ebenso sind die negative Elektrode der Energiezufuhr 63 und die Sourcen der Transistoren 66 und 67 auf VTKN eingestellt. Daher werden in der Chopper-Ladungsschaltung 60 die Transistoren 66 und 67 so kontrolliert, dass der Generator 60 auf VTKN kurzgeschlossen wird, wodurch ein Chopper-Boosten ausgeführt wird, so dass, wenn der Generator 60 offen ist, er die Spannung VDD oder mehr erhält. Daher vergleichen die Komparatoren 61 und 62 eine erhöhte erzeugte Spannung und eine beliebig eingestellte Spannung Vref zwischen VDD und VTKN.
In der Chopper-Ladungsschaltung 60 werden Ausgänge von den entsprechenden Komparatoren 61 und 62 auch zu einer Wellenform-Formungsschaltung 70 geleitet. Daher bilden die Chopper-Ladungsschaltung 60 und die Wellenform-Formungsschaltung 70 die Drehungserfassungsschaltung 53.
Ein monostabiler Multivibrator (vom Monofloptyp) 71, wie in 7 dargestellt ist, einer Art, die einen Zähler 74 und einen Latch 75 verwendet, wie in 8 usw. dargestellt ist, werden als Wellenform-Formungsschaltung 70 verwendet.
Die Phasenvergleichsschaltung 54 enthält einen Analogphasenkomparator und einen Digitalphasenkomparator. Als Beispiel können CMOS-benutzende, CMOS-artige Phasenkompartoren usw. verwendet werden. Die Phasenvergleichsschaltung 54 erfasst die Phasendifferenz zwischen dem 10 Hz Zeitstandardsignal fs von der Frequenzteilerschaltung 52 und Impul sen mit rechteckiger Welle fr von der Wellenform-Formungsschaltung 70 und gibt ein Differenzsignal aus.
Das Differenzsignal wird in eine Ladepumpe ("charge pump" – CP) 80 eingegeben, in der es zu einem Spannungspegel umgewandelt wird, und der Spannungspegel wird von einem Schleifenfilter 81 verarbeitet, das aus einem Widerstand 82 und einem Kondensator 83 besteht, so dass seine Hochfrequenzkomponenten beseitigt werden. Daher bilden die Ladepumpe 80 und das Schleifenfilter 81 das LPF 55.
Ein Pegelsignal als Ausgang von dem Schleifenfilter 81 wird in einen Komparator 90 eingegeben. Dreieckige Wellen b, die durch Umwandeln eines Signals durch eine Frequenzteilerschaltung 91 zur Ausführung einer Frequenzteilung auf 50 Hz bis 100 kHz und eine Dreieckswellenerzeugungsschaltung 92, die einen Integrator usw. verwendet, erhalten werden, werden in den Komparator 90 eingegeben. Der Komparator 90 gibt ein rechteckiges Impulssignal c auf der Basis des Pegelsignals a von dem Schleifenfilter 81 und des Dreieckswellensignals b aus. Daher bilden der Komparator 90, die Frequenzteilerschaltung 91 und die Dreieckswellenschaltung 92 die Bremskontrollschaltung 56.
Das rechteckige Impulssignal c, das von dem Komparator 90 ausgegeben wird, wird als Taktsignal CLK in die Chopper-Ladungsschaltung 60 wie zuvor beschrieben eingegeben.
Anschließend wird der Betrieb dieser Ausführungsform unter Bezugnahme auf 9 und 10 beschrieben.
Wenn der Rotor 12 des Generators 20 durch die Feder 1a dreht, geben die entsprechenden Spulen 15b und 16b Wechselstromwellenformen in Übereinstimmung mit der Änderung im Magnetfluss aus. Die Wellenformen werden den entsprechenden Komparatoren 61 und 62 eingegeben. Jeder Komparator 61 oder 62 vergleicht den Eingang mit der Spannung Vref von der Energiezufuhr 63. Die Vergleiche durch die Komparatoren 61 und 62 erfassen die Zeitpunkte einer Polarität zum Umschalten der Transistoren 66 und 67.
Mit anderen Worten, die spannungserhöhende Ladung des Kondensators 21A und die Chopper-Bremsung des Generators 20 können nur durch Eingabe des Taktsignals CLK in die Gates der Transistoren 66 und 67 ausgeführt werden. Wenn eine Steuerung nur unter Verwendung des Taktsignals ausgeführt wird, werden die Transistoren 66 und 67 gleichzeitig aktiviert, um einen Kurschluss zu erzeugen, wenn das Taktsignal auf seinem Hi-Pegel ist, und wenn das Taktsignal auf seinem Lo-Pegel ist, geht es durch eine der parasitären Dioden 66A und 67A und eine der Dioden 68 und 69, um den Kondensator 21A zu laden. Insbesondere, wenn AG1 positiv ist, wird eine Ladung unter Verwendung eines Pfades von der parasitären Diode 67A zu der Diode 68 über die Spulen 15b und 16b ausgeführt, und wenn AG2 positiv ist, wird eine Ladung unter Verwendung eines Pfades von der parasitären Diode 66A zu der Diode 69 über die Spulen 15b und 16b ausgeführt.
In diesem Fall sind zwei Dioden in Serie in jedem Ladungspfad angeschlossen und es wird ein Spannungsabfall für die Summe der Anstiegsspannungen VF der entsprechenden Dioden erzeugt. Daher kann der Kondensator 21A nicht geladen werden, wenn die Ladungsspannung nicht geringer als eine Spannung ist, die durch Addieren des Spannungsabfalls zu dem Potenzial des Kondensators 21A erhalten wird. Dies ist ein signifikanter Faktor, der die Ladungseffizienz im Falle eines Generator, dessen erzeugte Spannung gering ist, wie einer elektronisch gesteuerten, mechanischen Uhr, senkt.
Daher werden in dieser Ausführungsform die Transistoren 66 und 67 nicht ein- oder ausgeschalten, aber deren Zeitsteuerung kontrolliert, wodurch die Ladungseffizienz erhöht wird.
Mit anderen Worten, wenn AG1 in Bezug auf VTKN positiv und höher als die Spannung Vref ist, gibt der Komparator 62 ein Hi-Pegel Signal aus. Somit gibt die ODER-Schaltung 65 kontinuierlich das Hi-Pegel Signal aus, unabhängig von dem Taktsignal CLK, wodurch eine Spannung an das Gate des Transistors 67 angelegt und der Transistor 67 eingeschalten wird.
Zusätzlich gibt der Komparator 61, der an die AG1-Seite angeschlossen ist, ein Lo-Pegel Signal aus, da AG2 < Spannung Vref. Die ODER-Schaltung 64 gibt ein Signal aus, das mit dem Taktsignal synchronisiert ist. Der Transistor 66 führt kontinuierlich einen EIN/AUS-Vorgang aus. Die Chopper-Spannung im Anschluss AG1 wird erhöht.
Wenn zu diesem Zeitpunkt der Transistor 66 nach dem Einschalten ausgeschalten wird, wird ein Ladungspfad von AG1 zu der Diode 68 zu dem Kondensator 21A zu VTKN zu dem Transistor 67 (dessen Source zu Drain) zu AG2 gebildet, und der parasitäre Transistor 67A wird außerhalb des Pfades positioniert. Somit ist ein Spannungsabfall gering und die Ladungseffizienz wird verbessert.
Bezüglich des Pegels der Spannung Vref ist bevorzugt, einen erzeugten Spannungspegel zu wählen, der die Erhöhung der Chopper-Spannung einer Spannung ausführt, die von dem Generator 20 erzeugt wird, so dass der Kondensator 21A geladen werden kann. Normalerweise kann der Spannungspegel bei einem Pegel eingestellt werden, der mehrere hundert mV größer als VTKN ist. Wenn die Spannung Vref bei einem hohen Pegel eingestellt ist, ist eine Periode, bis die Komparatoren 61 und 62 arbeiten, lang, und während der Periode wird ein Ladungspfad gebildet, in dem zwei Dioden in Serie geschalten sind, wie zuvor beschrieben, so dass die Energieerzeugungseffizienz um dieses Maß abnimmt.
Wenn der Transistor 66 eingeschalten wird, tritt ein Kurzschluss in dem Generator 20 ein, so dass eine kurze Bremsung hervorgerufen wird, da der Transistor 67 auch eingeschalten wird, und das Ausmaß der erzeugten Energie abnimmt. Durch Kurzschließen des Generators 20 an der VTKN-Seite kann jedoch eine Spannungserhöhung auf eine Spannung von nicht weniger als VDD ausgeführt werden, wenn der Transistor 66 offen ist. Somit kann durch Einstellen des Chopping-Zyklus für ein Ein/Ausschalten bei einem vorbestimmten Zyklus eine Abnahme in der Energiemenge, die verursacht wird, wenn ein kurzer Bremsvorgang ausgeführt wird, kompensiert werden, und das Bremsmoment kann mit der erzeugten Energie bei einem konstanten oder höheren Wert gehalten werden.
Auch in dem Fall, in dem der Ausgang von dem Generator 20 zu der AG2-Seite gelenkt wird, werden die Operationen der Komparatoren 61 und 62 und der Transistoren 66 und 67 nur umgeschalten, und Operationen ähnlich jenen, die zuvor beschrieben sind, werden ausgeführt. Die Ausgänge der Komparatoren 61 und 62 in der Chopper-Ladungsschaltung 60 werden der Wellenform-Formungsschaltung 70 eingegeben und zu Impulsen mit rechteckiger Welle fr umgewandelt.
Zum Beispiel führt der monostabile Multivibrator 71 in 7 eine Wellenform-Formung auf der Basis nur eines Polaritätserfassungsergebnisses (des Ausgangs des Komparators 62) aus. Insbesondere wird nur beim Anstieg des Ausgangs des Komparators 62 der monostabile Multivibrator 71 getriggert, und Impulse mit einer Länge, die von CR eingestellt wird, werden ausgegeben. Die CR Zeitkonstante wird bei nicht weniger als etwa dem 1,5-Fachen eines Zyklus eines Taktsignals CLK eingestellt. Innerhalb der Impulszeit, die vom CR eingestellt ist, wird der Anstieg des nächsten Ausgangs des Komparators 62 in den monostabilen Multivibrator 71 eingegeben, und erneut getriggert. Daher gibt der monostabile Multivibrator 71 kontinuierlich ein Hi-Pegel-Signal aus, bis der Anstieg des Ausgangs des Komparators 62 nicht innerhalb der Zeit 1,5T erzeugt wird, die vom CR eingestellt ist, wodurch Impulse mit rechteckiger Welle fr, die einem Ausgangssignal des Generators 20 entsprechen, ausgegeben werden. Der Zeitanstieg von Impulsen fr ist durch die Cr-Einstellzeit – die Hi-Pegel-Periode der Polaritätserfassungsimpulse – verzögert, und wie in 9 dargestellt ist, wenn CR 1,5T ist, wird eine Verzögerung m 1,5T – 0,5T = 1T erzeugt.
Ebenso führt die Wellenform-Formungsschaltung 70, die in 8 dargestellt ist, eine Wellenform-Formung nur auf der Basis des Polaritätserfassungsergebnisses (dem Ausgang entweder des Komparators 61 oder 62) aus. Insbesondere enthält die Wellenform-Formungsschaltung 70 einen Zähler 74 zum Zählen der Taktsignale für die Zeit 2T und Löschen der Zählung, und ein Latch-Mittel 75 zur Ausführung eines Latch-Vorganges mit einem Ausgang von dem Zähler 74. Der Zähler 74 und das Latch-Mittel 75 werden von dem Ausgang entweder des Komparators 61 oder 62 zurückgestellt. Wenn zum Beispiel ein Ausgang von dem Komparator 62 erzeugt wird, wie in 9 dargestellt ist, werden das Latch-Mittel 75 und der Zähler 74 zurückgestellt, und der Ausgang fr wird als Lo-Pegel Signal ausgegeben. wenn kein Ausgang vom Komparator 62 erzeugt wird, wird der Ausgang fr bei seinem Hi-Pegel verriegelt.
Wenn der Ausgang von dem Komparator 62 wieder erzeugt wird, wird das Latch-Signal gelöscht und der Ausgang fr ist bei seinem Lo-Pegel, so dass Impulse mit rechteckiger Welle erhalten werden können. Wenn der Ausgang von dem Komparator 62 innerhalb der Sollzeit des Zählers (2T) erzeugt wird, wird kein Latch-Vorgang ausgeführt. Auch in diesem Fall ist der Anstieg des Hi-Pegels der Impulse mit rechteckiger welle fr, wie in 9 dargestellt ist, um die Sollzeit (2T) des Zählers 74 verzögert.
Die Wellenform-Formungsschaltungen 70 in 7 und 8 führen eine Umwandlung in Impulse mit rechteckiger Welle aus, indem der Ausgang von dem Komparator 62 verzögert wird. Dies verhindert eine Impulsverformung unter Verwendung der CR-Sollzeit und der Zähler-Sollzeit, weil, da der Ausgang von dem Komparator 62 nicht immer als Signal erhalten werden kann, das mit dem Zyklus des Taktsignals synchronisiert ist, sondern als sogenannter Impuls-Fehlausgang, eine direkte Umwandlung zu Impulsen mit rechteckiger Welle eine Impulsverformung bewirkt. Die CR-Sollzeit und die Zähler-Sollzeit können abhängig von dem Ausmaß der Impulsverformung bestimmt werden und können bei einem ungefähren Zyklus von 1,5 bis 5T eingestellt werden. Bezüglich der Kontrolle verursacht eine solche Verzögerung keine nachteiligen Auswirkungen.
Impulse mit rechteckiger Welle fr, die wie zuvor beschrieben geformt sind, werden durch die Phasendifferenzvergleichsschaltung 54 mit dem Zeitstandardsignal fs der Frequenzteilerschaltung 54 verglichen, und das Differenzsignal wird durch die Ladepumpe 80 und das Schleifenfilter 81 zu einem Pegelsignal a umgewandelt.
Der Komparator 90 gibt ein Impulssignal rechteckiger Welle c unter Verwendung des Pegelsignals a und des dreieckigen Signals b von der Dreieckswellenerzeugungsschaltung 92 aus, wie in 10 dargestellt ist. Das Pegelsignal a wird so eingestellt, dass es niedriger als ein Standardpegel ist, wenn die Impulse mit rechteckiger Welle fr, die auf der Drehung des Rotors 12 beruhen, dem Zeitstandardsignal fs vorauseilen, und so, dass es höher als der Standardpegel ist, wenn die Impulse mit rechteckiger Welle fr dem Zeitstandardsignal fs nachlaufen.
Wenn daher die Impulse mit rechteckiger Welle fr dem Zeitstandardsignal fs vorauseilen, dauert der H-Pegelzustand des Impulssignals mit rechteckiger Welle c lange, und die kurze Bremszeit jedes Chopper-Zyklus in der Chopper-Ladungsschaltung 60 nimmt durch den verlängerten Zustand zu, so dass die Bremsung verstärkt wird, um die Geschwindigkeit des Rotors 12 des Generators 20 zu verringern. Wenn im Gegensatz dazu die Impulse mit rechteckiger Welle fr hinter dem Zeitstandardsignal fs liegen, dauert der L-Pegelzustand des Impulssignals mit rechteckiger Welle c lange, und die kurze Bremszeit jedes Chopper-Zyklus in der Chopper-Ladungsschaltung 60 nimmt durch den verlängerten Zustand ab, so dass die Bremsung geschwächt wird, um die Geschwindigkeit des Rotors 12 des Generators 20 zu erhöhen. Dadurch wird die Steuerung für eine Übereinstimmung der Impulse mit rechteckiger Welle fr mit dem Zeitstandardsignal fs ausgeführt.
Gemäß der zuvor beschriebenen Ausführungsform werden die folgenden Effekte erhalten.

(1) Durch Bereitstellung des VCO 25, der aus dem Generator 20 und der Bremsschaltung 23 besteht, und dem Phasendifferenzkompensationsmittel, das aus der Phasenvergleichsschaltung 54 und der Bremskontrollschaltung 56 besteht, wird die PLL-Steuerung zur Steuerung der Drehung des Generators 20 verwendet. Da der Bremspegel in der Bremsschaltung 23 durch einen Vergleich der Wellenform der erzeugten Energie für jeden Zyklus eingestellt werden kann, ermöglicht die Aktivierung eines verriegelten Bereichs eine stabile, rasch ansprechende Kontrolle und die Beseitigung einer Phasendifferenz, wenn sich nicht die Wellenform der erzeugten Energie in einem Moment deutlich ändert.
(2) Die Bremsschaltung 23 wird unter Verwendung der Chopper-Ladungsschaltung 60 gebildet und die Verwendung des Chopper-Vorgangs ermöglicht eine Bremskontrolle, wodurch ein Bremsmoment erhöht werden kann, während die erzeugte Energie bei einem konstanten Wert oder höher gehalten wird.
Während die Systemstabilität aufrechterhalten wird, kann dadurch eine effiziente Bremskontrolle ausgeführt werden.
(3) Durch Verwendung der Chopper-Ladungsschaltung 60 wird nicht nur eine Bremskontrolle, sondern auch ein Laden des Kondensators 21A in der Gleichrichterschaltung 21 und ein Erfassen der Drehung des Rotors 12 des Generators 20 durch die Chopper-Ladungsschaltung 60 erreicht. Im Vergleich zu dem Fall, in dem die entsprechenden Funktionen unter Verwendung separater Schaltungen erreicht werden, kann die Schaltungsanordnung vereinfacht werden, um die Anzahl von Komponenten zu verringern und die Kosten zu senken, und die Produktionseffizienz kann verbessert werden.
(4) In der Chopper-Ladungsschaltung 60 wird die Zeitsteuerung zur Kontrolle des Umschaltens jedes Transistors 66 oder 67 eingestellt, und während ein Transistor 66 oder 67 eingeschalten ist, ist der andere ein- oder ausgeschalten, wodurch ein Spannungsabfall in dem Ladungspfad verringert werden kann, um die Energieerzeugungseffizienz zu verbessern. Dies ist deshalb effektiv, weil in dem Fall, wenn der kleine Generator 20 verwendet muss, wie insbesondere in einer elektronisch gesteuerten, mechanischen Uhr, die Energieerzeugungseffizienz verbessert werden kann.
(5) Da die Wellenform-Formungsschaltung 70 bereitgestellt ist, selbst wenn die Anordnung der Chopper-Ladungsschaltung 60 usw. modifiziert ist und die von dem VCO 25 ausgegebene Wellenform unterschiedlich ist, der unterschiedliche Teil der ausgegebenen Wellenform von der Wellenform-Formungsschaltung 70 absorbiert werden kann. Wenn daher die Schaltungsanordnung der Chopper-Ladungsschaltung 60 anders ist, kann das Drehkontrollmittel 50 allgemein verwendet werden, und die Komponentenkosten können verringert werden.
(6) Wenn eine allgemeine Schaltung, die aus einem Tiefpassfilter ("low pass filter" – LPF) und einem Kompara tor besteht, als Wellenform-Formungsschaltung 70 verwendet wird, wird ein LPF, das z.B. aus einem CR-Filter mit einer Verzögerung erster Ordnung usw. besteht, geladen, wobei ein Teil der erzeugten Spannung, der durch die Chopper-Spannung erhalten wird, steigt, was ein Faktor ist, der die Ladungseffizienz des Kondensators 21A erhöht. Jede Wellenform-Formungsschaltung 70 in dieser Ausführungsform führt jedoch eine digitale Verarbeitung aus, wodurch der Stromverbrauch auf einen niedrigen gesenkt werden kann, und die Ladungseffizienz des Kondensators 21A verbessert werden kann.

Anschließend wird eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. In der Ausführungsform sind Komponenten, die mit der zuvor beschriebenen Ausführungsform gleich oder identisch sind, mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und deren Beschreibung wird unterlassen oder vereinfacht.
Im Bezug auf die elektronisch gesteuerte, mechanische Uhr gemäß der Ausführungsform unterscheidet sich die spezifische Struktur eines Drehkontrollmittels von jener in der ersten Ausführungsform. Insbesondere enthält das Drehkontrollmittel gemäß der Ausführungsform eine Oszillatorschaltung (einen Quarzoszillator) 51, einen Frequenzteiler 52, ein Phasendifferenzkompensationsmittel 200, einen Generator 20 und ein Drehungserfassungsmittel 53, wie in 11 dargestellt ist. Andere Komponenten, die für eine elektronisch gesteuerte, mechanisch Uhr notwendig sind, sind gleich jenen in der ersten Ausführungsform.
Der Frequenzteiler 52 gibt erste Referenztaktimpulse (Ref1-Impulse) und zweite Referenztaktimpulse (Ref2-Impulse) aus. Die Frequenz der Ref2-Impulse wird extrem höher als die Frequenz der Ref1-Impulse eingestellt.
Das Phasendifferenzkompensationsmittel 200 enthält ein Phasendifferenzerfassungsmittel 210 und ein Bremssignaler zeugungsmittel (Bremskontrollmittel 220) als Phasendifferenzkompensationsmittel. Das Phasendifferenzerfassungsmittel 210 enthält einen integralen Zähler 211, einen proportionalen Zähler 212 und einen Addierer 213.
Ein Verfahren zur Steuerung des Generators 20 in der Ausführungsform wird unter Bezugnahme auf 12 bis 15 beschrieben.
Anfangs werden Generator-Drehzyklus-Impulse (G-Impulse) von dem Drehungserfassungsmittel 53 und die ersten Referenztaktimpulse (Ref1-Impulse) vom Frequenzteiler 52 in ihrer Phasendifferenz vergleichen (Schritt 1) (ein Schritt ist in der Folge mit "S" abgekürzt).
Dann wird der integrale Zähler 211 verwendet, um einen I-Wert (S2) zu ermitteln, und der proportionale Zähler 212 wird verwendet, um einen P-Wert zu ermitteln (S3).
Eine Technik, bei der der integrale Zähler 211 den I-Wert ermittelt, wird nach dem I-Wert-Berechnungsablauf durchgeführt, der in 14 dargestellt ist. Mit anderen Worten, durch einen Vergleich der Ref1-Impulse und G-Impulse in Bezug auf die Phasendifferenz innerhalb eines Zyklus wird bestimmt, ob die G-Impulse voraneilen (S21).
Wenn die G-Impulse in dem Schritt voraneilen, wird durch Zählen ihrer Voreilzeit unter Verwendung von integralen Verstärkungsimpulsen Ci das Ausmaß des Voreilens gemessen (S22) und der integrale Zähler (Auf/Abwärtszähler) 211 wird erhöht (S23). Wenn die G-Impulse nacheilen, wird ihre Verzögerungszeit unter Verwendung integraler Verstärkungsimpulse Ci gezählt, die Verzögerung wird gemessen (S24) und der integrale Zähler (Auf/Abwärtszähler) 211 wird gesenkt (S25). Daher ist ein Wert, der durch den integralen Zähler 211 gezählt wird, ein Vielfaches der Phasenexkursionszeit, gemessen unter Verwendung der integralen Verstärkungsimpulse Ci, und dies wird als I-Wert verwendet (S26).
Zusätzlich wird eine Technik bei der der proportionale Zähler 212 den P-Wert ermittelt, in Übereinstimmung mit dem P-Wert-Berechnungsablauf durchgeführt, der in 15 dargestellt ist. Mit anderen Worten, Phasenexkursionen auf der Basis der voreilenden oder nacheilenden G-Impulse werden unter Verwendung von proportionalen Verstärkungsimpulsen Cp gezählt, und die Phasenexkursionszeit wird von dem proportionalen Zähler gemessen (S31). Durch Erfassen zum Beispiel des Verschwindens eines Eingangs von einer Messtafel (proportionale Verstärkungsimpulse Cp), die in den Zähler eingegeben wird, während die Phasendifferenz erzeugt wird, wird bestimmt, ob die Phasenexkursionsmessung endet (S32). Wenn die Messung endet, wird der proportionale Zählerwert auf den P-Wert gestellt (S33). Zu diesem Zeitpunkt wird insbesondere der proportionale Zählerwert als P-Wert in einem Register gespeichert, und der proportionale Zähler wird anschließend zurückgestellt.
Es wird bestimmt, ob der gespeicherte Wert eine voreilende Exkursion (voreilende Phase) ist (S4). Wenn der gespeicherte Wert eine voreilende Exkursion ist, wird die Operation N = I + P ausgeführt (S5). Wenn der gespeicherte Wert eine nacheilende Exkursion ist, wird die Operation N = I – P ausgeführt, um den N-Wert zu ermitteln. Der N-Wert stellt eine Bremszeit in einer Zyklusperiode des Generators 20 ein, wie in der Folge beschrieben ist. Wenn die Drehzyklusimpulse des Generators 20 vor den Referenztaktimpulsen liegen, erhöht sich der N-Wert infolge von I + P, wodurch die Bremszeit weiter erhöht wird. Wenn die Drehzyklusimpulse des Generators 20 hinter den Referenztaktimpulsen liegen, sinkt der N-Wert infolge von I – P, wodurch die Bremszeit weiter verkürzt wird. Daher wird der N-Wert auch als Phasendifferenzkompensationssignal verwendet.
Bezüglich der integralen Verstärkungsimpulse Ci und der proportionalen Verstärkungsimpulse Cp ist das Verhältnis zwischen ihren Frequenzen Ci << Cp. Daher dient der P-Wert so, dass er aktiv eine Phasenexkursion aufgrund einer raschen Störung usw. unterdrückt, wie zum Beispiel, wenn die elektronisch gesteuerte, mechanische Uhr als Armbanduhr verwendet wird, wenn die Bewegung eines Arms den Rotor 12 oder dergleichen beschleunigt, während der I-Wert zur Kontrolle einer langsamen Änderung aufgrund der Entspannung der Feder 1a dient.
Dass Bremssignalerzeugungsmittel 220 enthält einen Ref2-Zähler zum Messen der zweiten Referenztaktimpulse (Ref2-Impulse). Das Bremssignalerzeugungsmittel 220 verwendet den Ref2-Zähler zum Starten der Zählung der Ref2-Impulse, während das Phasendifferenzerfassungsmittel 210 den N-Wert berechnet (S7) und gleichzeitig eine Bremsung ausführt (S8).
Es wird bestimmt, ob der Wert vom Ref2-Zähler gleich dem berechneten N-Wert ist (S9). Wenn diese Werte gleich sind, wird die Bremsung des Generators 20 gelöst (S10).
Anschließend wird zum Beispiel durch Erfassen, ob der Ref2-Zähler erhöht wird, bestimmt, ob ein einziger vorbestimmter Zyklussatz zur Bremskontrolle endet (S11). Wenn der vorbestimmte Zyklus endet, wird der Ref2-Zähler gestoppt und zurückgestellt (S12), und die Zählung der Ref2-Impulse durch den Ref2-Zähler wird erneut gestartet (S7).
Insbesondere besteht der Ref2-Zähler aus z.B. einem 4-Bit-Ripple-Zähler, der wiederholt einer Neuzählung von Null ausführt, wenn die Zählung von Null bis fünfzehn beendet ist. Wenn der Ref2-Zähler auf Null steht (S7), wird der Bremszustand aktiviert (S8) und die Bremsung wird kontinuierlich ausgeführt, bis der berechnete N-Wert gleich dem Ref2-Zählerwert ist (S9). Wenn der N-Wert gleich dem Ref2- Zähler ist (S9), wird die Bremsung gelöst (S10), und der bremsgelöste Zustand wird beibehalten, bis der Ref2-Zählerwert eine 4-Bit-Vollzählung aufweist, nämlich fünfzehn (S11). Wenn der Ref2-Zählerwert von fünfzehn auf Null zurückkehrt (S12), wird der Bremszustand aktiviert (S7 und S8).
Daher stellt der N-Wert die Bremszeit in einer Zyklusperiode des Generators 20 ein. Dadurch wird der Generator 20 mit den ersten Referenztaktimpulsen in Frequenz und Phase synchronisiert, wobei seine Frequenz und Phase nahe jenen der ersten Referenztaktimpulse sind. Somit zeigen die Zeiger eine exakte Zeit an.
In der zweiten Ausführungsform werden die zweiten Referenztaktimpulse (Ref2-Impulse) verwendet, von welchen jede Frequenz das Verhältnis Ref1-Impulse >> Ref2-Impulse hat. Durch Verwendung der Ref2-Impulse, deren Frequenz extrem höher als jene der Ref1-Impulse ist, kann die Chopper-Ladungssschaltung in der ersten Ausführungsform durch die Ref2-Impulse gesteuert werden.
Ein Bode-Diagramm, in dem eine Integralkontrolle und Proportionalkontrolle ähnlich wie in der ersten Ausführungsform kombiniert sind, ist in 16 dargestellt. Gemäß dem Diagramm ist die Phasentoleranz etwa 40°, die Verstärkungstoleranz ist nicht weniger als –40 db, und die Ansprechfrequenz ist 0,16 Hz, so dass die Ansprechgeschwindigkeit auf etwa das Zehnfache des Standes der Technik eingestellt werden kann, wie in 21 und 22 dargestellt ist.
Die zweite Ausführungsform verwendet auch die PI-Kontrolle, ähnlich wie die erste Ausführungsform, und stellt daher Operationen und Effekte bereit, die ähnlich den Operationen und Effekten (1) bis (6) sind.
Zusätzlich ermöglicht (7) die Verwendung der zweiten Referenztaktimpulse (Ref2-Impulse) mit hoher Frequenz, dass die zweite Ausführungsform bei einem Steuerablauf für die Chopper-Ladungsschaltung angewendet werden kann.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf jede Ausführungsform beschränkt, sondern enthält Modifizierungen und Verbesserungen in einem Bereich, wo die Aufgabe der vorliegenden Erfindung erreicht werden kann.
Wie zum Beispiel in 17 dargestellt ist, kann das Drehkontrollmittel 50 mit einem Frequenz-Geschwindigkeits- (F/V-) Wandler 100 zum Umwandeln der Ausgangsfrequenz einer Wellenform-Formungsschaltung 70 in Geschwindigkeitsinformationen bereitgestellt sein. Durch Bereitstellen des F/V-Wandlers 70 können Drehgeschwindigkeitsinformationen über einen Generator 20 erhalten werden, und die Zeitkonstante einer Kontrollschaltung kann verringert werden, so dass ein verbessertes Ansprechvermögen verringert werden kann, und die Drehgeschwindigkeit des Generators 20 kann so gesteuert werden, dass er rasch eine eingestellte Geschwindigkeit erreicht, d.h., ein Zeitstandardsignal. Wenn daher die Wellenform einer erzeugten Energie sich in einem Moment deutlich ändert und sich außerhalb eines verriegelten Bereichs befindet, kann ein rasches Ansprechen ausgeführt werden, um die Kontrolle aufrecht zu erhalten, wodurch ein stabileres System bereitgestellt werden kann.
Eine Chopper-Ladungsschaltung 60 ist nicht auf jene in der Ausführungsform beschränkt, sondern eine Chopper-Ladungsschaltung 110, die einen Komparator 11 zum Erfassen der Polarität eines Rotors 12, eine Diode 112 zum Ausführen des Chopping-Vorgangs der Transistoren 66 und 67, und einen Widerstand 113, wie in 18 dargestellt ist.
Da in der Ausführungsform die Komparatoren 61 und 62 zur Polaritätserfassung verwendet werden, ist die Energiever sorgung 63 für einen Vergleich der Referenzspannung Vref notwendig. In dieser Ausführungsform jedoch kann der Bedarf an einer Energieversorgung entfallen. Damit in der Chopper-Ladungsschaltung 110 die Transistoren 66 und 67 so gesteuert werden können, dass sie in Leitung für die Polarität einer energieerzeugenden Spule sind, werden die Transistoren 44 und 67 so angetrieben, dass eine Spulen-Ende-Spannung durch die Dioden 112 geht. Daher muss die Spulen-Ende-Spannung erhöht werden, um größer als die Spannung (Schwellenspannung) Vth zu sein, die die Transistoren 66 und 67 antreiben kann, + die Anstiegsspannung Vf der Dioden 112. Wenn zum Beispiel Vth = 0,5 V und Diode Vf = 0,3, erfordert alleine diese Bedingung 0,8 V und der Generator 20 erfordert eine energieerzeugende Fähigkeit von etwa 1,0 bis 1,6 V. Aus diesem Grund ist die Chopper-Ladungsschaltung 60 in der Ausführungsform, die die Transistoren 66 und 67 antreibt, ohne die Dioden zu verwenden, dahingehend bevorzugt, dass eine effiziente Chopper-Ladungsoperation von einer kleinen erzeugten Spannung des Generators 20 durchgeführt werden kann.
Zusätzlich kann die Chopper-Ladungsschaltungsstruktur durch Ändern der Art der Transistoren 66 und 67 der Chopper-Ladungsschaltung 60 in 6 zum P-Kanaltyp, Austausch derselben und der Dioden 68 und 69, und Kurzschluss derselben auf positive VDD des Kondensators 21A für eine Spannungserhöhung gebildet werden, so dass, wenn die Transistoren 66 und 67 offen sind, deren Spannung nicht mehr als die Spannung VTKN ist. In diesem Fall werden Ausgänge der Komparatoren 61 und 62 und das Taktsignal CLK logisch durch eine UND-Schaltung addiert, und werden den Gates der Transistoren 66 und 67 eingegeben.
Ferner sind die Strukturen der Drehungserfassungsschaltung 53, des LPF 55 und der Bremskontrollschaltung 56 nicht auf jene begrenzt, die aus der Wellenform-Formungsschaltung 70, der Ladepumpe 80 und dem Schleifenfilter 81, dem Komparator 90 und der Frequenzteilerschaltung 91 und der Dreieckswellenerzeugungsschaltung 82 wie in der Ausführungsform bestehen, sondern können passend zur Ausführung der vorliegenden Erfindung bereitgestellt werden.
Zum Beispiel kann bezüglich der Wellenform-Formungsschaltung 70 ein Latch-Mittel 120, wie in 19 dargestellt ist, verwendet werden. Die Wellenform-Formungsschaltung 70 verwendet einen Ausgang von einem Komparator 61 oder 62 zur Ausführung der Formung der Impulse mit rechteckiger Welle fr, wie auch in 9 dargestellt ist. Eine Wellenform-Formungsschaltung 70 gemäß 13 führt jedoch den Latch-Vorgang des Latch-Mittels 120 beim Anstieg eines Ausgangs von der AG1-Polaritätserfassung (Komparator 62) aus, und stellt das Latch-Mittel 120 bei einem Ausgang vom Komparator 61 für AG2 zurück. Dieser Fall hat Vorteile, dass keine Zeitverzögerung auftritt und eine exakte Erfassung ausgeführt werden kann, obwohl zwei Ausgänge verwendet werden müssen. wenn durch Ausführen des Latch-Vorgangs bei einem Ausgang für AG1, ein fehlender Impuls in dem Ausgang für AG1 erzeugt wird, wird dieser ignoriert, wodurch verhindert werden kann, dass er die Impulse mit rechteckiger Welle fr beeinflusst.
Zusätzlich ist die Bremsschaltung 23 nicht auf die Verwendung des Chopping-Vorgangs beschränkt, sondern kann jene sein, die eine Bremsung durch Verwendung des VCO ausführt, um den Strom, der in den Spulen 15b und 16b strömt, zu ändern. Sie kann passend zur Ausführung der vorliegenden Erfindung gewählt werden.
Wie zuvor beschrieben, wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine PLL-Steuerung in einer elektronisch gesteuerten mechanischen Uhr ausgeführt, wobei Phasenexkursionen beseitigt werden können und das Ansprechen des Kontrollsystems beschleunigt werden kann.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf Armbanduhren beschränkt, sondern kann bei federbetriebenen Uhren und Wanduhren usw. angewendet werden.
Industrielle Anwendbarkeit
Wie zuvor beschrieben, sind eine elektronisch gesteuerte, mechanische Uhr und ein Kontrollverfahren dafür gemäß der vorliegenden Erfindung für verschiedene Arten von elektronisch gesteuerten, mechanischen Uhren nützlich, die einen Generator verwenden, um mechanische Energie im Entspannungsmodus einer Feder in elektrische Energie umzuwandeln, und ein Drehkontrollmittel mit der elektrischen Energie anzutreiben, wodurch der Drehzyklus des Generators gesteuert wird, und insbesondere bei kleinen elektronisch gesteuerten, mechanischen Uhren, wie Armbanduhren.

Claims

Elektronisch gesteuerte, mechanische Uhr, umfassend: eine mechanische Energiequelle (1a); einen Generator (20), der von der mechanischen Energiequelle (1a) angetrieben wird, die über ein Räderwerk (7 bis 11) an den Generator (20) angeschlossen ist, wobei der Generator (20) zwei Anschlüsse (AG1, AG2) aufweist und induzierte elektrische Energie zur Zuleitung von elektrischer Energie erzeugt; eine Bremsschaltung (23) zum Bremsen des Generators (20); Zeiger (13, 14), die mit dem Räderwerk (7 bis 11) verbunden sind; und ein Drehkontrollmittel (50) zum Kontrollieren des Drehzyklus des Generators (20) durch Kontrollieren der Bremsschaltung (23); wobei das Drehkontrollmittel (50) Folgendes enthält: ein Drehungserfassungsmittel (53) zum Erzeugen eines Drehungssignals des Generators (20); ein Sollwertsignalerzeugungsmittel (51, 52) zum Erzeugen eines Sollwertsignals, das einer Sollzahl von Umdrehungen entspricht; und ein Phasendifferenzkompensationsmittel (54 bis 56) zum Erfassen der Phasendifferenz des Drehungssignals, das von dem Drehungserfassungsmittel (53) ausgegeben wird, und dem Sollwertsignal, das von dem Sollwertsignalerzeugungsmittel (51, 52) ausgegeben wird, und zum Ausgeben eines Phasendifferenzkompensationssignals, das als Bremskontrollsignal in der Bremsschaltung (23) verwendet wird; wobei der Generator (20) und die Bremsschaltung (23) einen spannungskontrollierten Oszillator (25) bilden, und das Phasendifferenzkompensationsmittel (54 bis 56) Folgendes enthält: eine Phasenvergleichsschaltung (54) zum Vergleichen der Phasen des Drehungssignals und des Sollwertsignals; und ein Bremskontrollmittel (56) zum Eingeben des Phasendifferenzkompensationssignals zum Kontrollieren der Bremsschaltung (23), das auf einem Ausgang von der Phasenvergleichsschaltung (54) beruht, in den spannungskontrollierten Oszillator (25); und dadurch gekennzeichnet, dass die Bremsschaltung (23) eine Chopper-Ladungsschaltung (60) zum Kurzschließen beider Anschlüsse (AG1, AG2) des Generators (20) umfasst, wobei das Tastverhältnis der Chopper-Ladungsschaltung (60) durch das Phasendifferenzkompensationssignal kontrolliert wird.
Elektronisch gesteuerte, mechanische Uhr nach Anspruch 1, wobei das Drehkontrollmittel (50) eine Wellenform-Formungsschaltung (70) enthält, zum Umwandeln der vom spannungskontrollierten Oszillator (25) ausgegebenen Wellenform in Impulse mit rechteckiger Welle, entsprechend der Drehperiode des Generators (20), sowie zum Ausgeben derselben als Drehungssignal an die Phasenvergleichsschaltung (54).
Elektronisch gesteuerte, mechanische Uhr nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Drehkontrollmittel (50) einen Frequenz-Geschwindigkeits-Wandler (100) zum Umwandeln der Frequenz eines Ausgangssignals von dem spannungskontrollierten Oszillator (25) in Geschwindigkeit enthält, und das Bremskontrollmittel (56) imstande ist, ein Signal auszugeben, das die Bremsschaltung (23) auf der Basis eines Ausgangs von der Phasenvergleichsschaltung (54) und eines Ausgangs von dem Frequenz-Geschwindigkeits-Wandler (100) kontrolliert.
Elektronisch gesteuerte, mechanische Uhr nach Anspruch 1, wobei das Phasendifferenzkompensationsmittel (200) ein Phasendifferenzerfassungsmittel (210) und ein Kompensationssignalerzeugungsmittel (220) zum Empfangen eines Ausgangs von dem Phasendifferenzerfassungsmittel (210) enthält, das Drehungssignal und das Sollwertsignal periodisch wiederkehrende Impulse sind, das Phasendifferenzerfassungsmittel (54) Zähler (211, 212) zum Zählen der Anzahl von Anstiegen oder Abfällen der entsprechenden Signale enthält, und ein Zähler erhöht oder gesenkt wird, wenn das Sollwertsignal steigt oder fällt, oder erhöht oder gesenkt wird, wenn das Drehungssignal steigt oder fällt, und einen Ausgang des Zählers als Phasendifferenzsignal an das Kompensationssignalerzeugungsmittel (220) ausgibt.
Elektronisch gesteuerte, mechanische Uhr nach Anspruch 4, wobei das Phasendifferenzerfassungsmittel (210) Folgendes enthält: einen integralen Zähler (211) zum Messen einer Gesamtzahl der Phasenexkursionsperioden des Drehungssignals und des Sollwertsignals; einen proportionalen Zähler (212) zum Messen der Phasenexkursionsperioden; und einen Addierer (213) zum Erhöhen oder Verringern des Wertes jedes Zählers in Übereinstimmung mit einem Voreilen oder Nachlaufen der Phasenexkursion des Drehungssignals im Bezug auf das Sollwertsignal.
Kontrollverfahren für eine elektronisch gesteuerte, mechanische Uhr, die eine mechanische Energiequelle (1a); einen Generator (20), der von der mechanischen Energiequelle (1a) angetrieben wird, die über ein Räderwerk (7 bis 11) an den Generator (20) angeschlossen ist, wobei der Generator (20) zwei Anschlüsse (AG1, AG2) aufweist und induzierte elektrische Energie zur Zuleitung von elektrischer Energie erzeugt; eine Bremsschaltung (23) zum Bremsen des Generators (20); Zeiger (14, 15), die mit dem Räderwerk (7 bis 11) verbunden sind; und ein Drehkontrollmittel (50) zum Kontrollieren des Drehzyklus des Generators (20) durch Kontrollieren der Bremsschaltung (23), enthält; wobei ein Drehungssignal des Generators (20) und ein Sollwertsignal, das gemäß der Sollanzahl von Umdrehungen erzeugt wird, verglichen werden, um die Phasendifferenz zwischen diesen zu erfassen, und ein Phasendifferenzkompensationssignal gemäß der Phasendifferenz zum Kontrollieren der Bremsschaltung (23) verwendet wird; wobei der Generator (20) und die Bremsschaltung (23) einen spannungskontrollierten Oszillator (25) bilden, und das Phasendifferenzkompensationssignal in den spannungskontrollierten Oszillator (25) eingegeben wird; und dadurch gekennzeichnet, dass beide Anschlüsse (AG1, AG2) des Generators (20) durch eine Chopper-Ladungsschaltung (60), die die Bremsschaltung (23) bildet, periodisch kurzgeschlossen werden, wobei das Tastverhältnis der Chopper-Ladungsschaltung (60) durch das Phasendifferenzkompensationssignal kontrolliert wird.
Kontrollverfahren für eine elektronisch gesteuerte, mechanische Uhr nach Anspruch 6, wobei das Kontrollverfahren Folgendes umfasst: die Verwendung eines integralen Zählers (211) zum Messen einer Gesamtzahl der Phasenexkursionsperioden des Drehungssignals und des Sollwertsignals; und die Verwendung eines proportionalen Zählers (212) zum Messen der Phasenexkursionsperiode; das Bestimmen eines Voreilens oder Nachlaufens der Phasenexkursion des Drehungssignals im Bezug auf das Sollwertsignal; des Berechnens eines Phasendifferenzkompensationssignals zum Einstellen einer Bremszeit durch Erhöhen oder Verringern des Wertes jedes Zählers gemäß dem bestimmten Ergebnis; und das Verwenden des Phasendifferenzkompensationssignals zum Kontrollieren der Bremsschaltung (23).