DE2210454A1

DE2210454A1 - Zeitmesser, insbesondere Armbanduhr

Info

Publication number: DE2210454A1
Application number: DE19722210454
Authority: DE
Inventors: John Merrill; Walton Richard Sayres; Lancaster; Blouch Eric Lynn Richland; Pa. Bergey (V.StA.)
Original assignee: Hamilton Watch Co
Current assignee: Hamilton Watch Co
Priority date: 1971-03-12
Filing date: 1972-03-03
Publication date: 1972-09-28
Also published as: FR2128761B1; FR2128761A1; JPS5328461Y2; GB1358707A; CH363072A4; DE2210454B2; JPS4716465U; CA931768A; US3701249A

Description

Zeitmesser, insbesondere Armbanduhr

Die Erfindung betrifft einen aus Halbleitereler.ienten aufgebauten Zeitmesser und insbesondere eine elektrische Kleinuhr, die keine beweglichen Teile verwendet. Bein erfindungsgemäßen Zeitmesser wirkt ein Frequenznormal in Form eines kristallgesteuerten Hochfrequenz-Oszillators über elektronische Ilalbleitor-Stromkreicteiler und 'Treiberstufen zur Ansteuerung der Elemente einer eloktro-optisclien Anzeige in seatlicher Folge« niedriger Stromverbrauch sowie geringe Größe und niedriges Gewicht werden hierbei durch Verwendung komplementärer HOS-Schaltkroise erreicht, welche im wesentlichen einen sogenannten Festprogramm-Rechner bilden»

Erfindungsgemäß besitzt die elektro-optische Anzeige die Form einer Matrix aus Flüssigkristallen, die bei Erregung Licht emittieren und hierdurch eine optische Zeitanzeige liefern. Wesentliche Merkmale der Erfindung liegen in einer verbesserten Flüssigkristall-Anzeige, die entweder nach Bedarf oder kontinuierlich an Spannung legbar ist. Darüber hinaus wird der Strom zu den Elektroden der Flüssigkristalle umgekehrt, um deren Arbeitsweise und Betriebslebensdauer

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au. verbessern. Die Flüssigkristall-Anzeige wird von einer getrennten Hochspannungsversorgung aus betrieben und die Außenfläche der rückseitigen Glasscheibe der Flüssigkristall— Anzeige ist mit einer hochglanzpolierten Spiegelfläche versehen, um die Kontrastverhältnisse der Anzeige zu verbessern.

Bei der Entwicklung von Armbanduhren, welche keinen elektromechanischen Schwinger (Oszillator) als Haupt-Zeitnormal verwenden, wurden häufig ein kristallgesteuerter Hochfrequenz-Oszillator als Frequenznormal in Verbindung mit einer Frequenzwandlerschaltung zur Erzeugung eines Antriebssignals zweckmäßiger Zeithaltefrequenz verwendet. Hierbei ergaben sich jedoch Schwierigkeiten bezüglich der Schaffung einer Oszillator-Frequenzwandler-Kombination, die nicht nur die erforderliche Frequenzstabilität, sondern auch ausreichend niedrige Leistungsaufnahme und niedriges Gewicht besitzt, so daß sie für die praktische Verwendung in einer batteriegespeisten Armbanduhr geeignet ist.

Zur Überwindung dieser und anderer Probleme ist in der DT-OS P 19 52 203.3 eine einen kristallgesteuerten Oszillator aufweisende Uhrenkonstruktion unter Verwendung komplementärer I-iOS-Schaltkreise niedrigen Leistungsbedarfs offenbart. In den USA-Patentanmeldungen Serial ITo. 79^ 551 und SE^ 1 Zf8 sind Uhren offenbart, die eine Flüssigkristall-Anzeige aufweisen. Schließlich befaßt sich die DT-OS P 20 19 Ztf1.2 mit einer Uhrenkonstruktion, bei der die optische Anzeige die Form mehrerer lichtausstrahlender Dioden besitzt, die je naCiiBcdarf und nach Wahl des Uhrenbenutzers intermittierend an Spannung gelegt bzw. erregt werden.

Die Erfindung bezieht sich auf eine neuartige und verbesserte Uhrenkonstruktion der Art, wie sie in den vorgenannten Offenlegungsschriften und USA-Patentanmeldungen sowie in der

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DT-OS P 21 13 350,6 beschrieben ist, und insbesondere auf eine Konstruktion, die zur Durchführung der Zeithaltefunktion keinerlei bewegliche Teile verwendet. Die erfindungsgernäße Uhr besteht aus nur drei Haupt-Bauteilen, nä.::Iich einen Quarzkristall-Seitnormal, einen miniaturisierten Digital-Zeitrechner und einer optischen Zeitanzeige· Diese mikrominiaturisierten Bauteile sind in einen herkömmlichen Armbanduhr-Gehäuse untergebracht* Eine winzige Quarsplatte ist exakt auf vorbestimmte Abmeasungen geschnitten, so daß sie mit einer Frequenz von 32 768 Hz schwingt, wenn sie ■.-.-'-;.-sprechend durch Impulse von einem elektronischen Oszillato. angestoßen wird. Das vom Kristall-Seitnormal abgegebene hochfrequente Ausgangssignal wird dann unter Verwendung eines mehrstufigen, aus integrierten Schaltkreisen bestehenden Bi::är;;ählers auf einen Iopuls pro Sekunde unterteilt. Die Zeitreckr.er-Baueinheit zählt die üingangsimpulsreihe, kodiert sie in Binärform und entschlüsselt und verarbeitet anschließend die Ergebnisse, so daß die entsprechenden Signale an Anzeigestationen angelegt werden.

An der Frontseite der Uhr ist neben der Anzeige ein Bedarfsbz;v. Abfrage-Druckschalter angeordnet, eier nach seiner Betätigung augenblicklich die betreffenden Sichtanseigebereiche aktiviert. Minuten, Stunden und Sekunden sind so programmiert, daß sie bei Berührung des Abfrageschalters wiedergegeben werden. Die Sekundenanzeige läuft weiter, solange der ükreiibenutzer die iiechner-Bauoinheit abfragt. Die Berechnung der genauen Zeit erfolgt kontinuierlich und vollständig unabhängig davon, ob sie abgefragt wird oder nicht.

Im Uhrengeliäuse sind zwei Batterien (oder eine einzige Batterie nebst entsprechenden Schaltkreisen zur Lieferung einer hohen und einer niederen Spannung) angeordnet, nämlich eine Batterie hoher Spannung zur Betätigung der Flüssigkristall-

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BAD ORIGINAL

Anzeige und eine Batterie niedriger Spannung zur kontinuierlichen Betätigung der zeithaltenden Abschnitte der Uhr. Die Quelle hoher Spannung ist mit der Flüssigkristall-Anzeige über einen Polaritätsumschalter verbunden, so daß der die Flüssigkristall-Anzeige durchfließende Strom mit einer Frequenz von 10 bis 500 Hz gewechselt wird. Zur Erhöhung der scheinbaren Kontrastverhältnisse ist außerdem eine hochglanzpolierte Spiegelfläche an der Außen- oder Innenseite des rückseitigen Glases der Flüssigkristall-Anzeigeanordnung vorgesehen, um die Anzeige zu verbessern und ihre Betriebslebensdauer zu verlängern.

Aufgabe der Erfindung ist mithin in erster Linie die Schaffung einer verbesserten elektronischen Armbanduhr, die zur Durchführung der Zeithaltefunktion keine beweglichen Teile verwendet, die vollständig aus Halbleiter-Bauelementen aufgebaut ist und bei der die Anzeige aus mehreren Flüssigkristall-Segmenten besteht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen elektrischen Taktgeber, eine optis'che Zeitanzeige, einen den Talctgeber mit der Zeitanzeige verbindenden Zoitrechner, eine Spannungsquelle und eine Polaritäts-Wendeschalteinrichtung, welche die Spannungsquelle mit der Zeitanzeige verbindet, gelöst. Ein besonderes Merkmal, ist die Verwendung einer Flüssigkristall-Anzeige als Zeitanzeige.

Eine derartige Uhr bzw· Armbanduhr soll mit einer getrennten Spannungsquelle hoher Spannung zur Betätigung der Flüssigkristall-Anzeige ausgerüstet sein.

Weiterhin sollen bei dieser Halbleiter-Armbanduhr mit FIügsigkristall-Anzeige die zeithaltenden Abschnitte der Uhr kontinuierlich von einer Spannungsquelle niederer Spannung aus

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gespeist werden, während die Flüssigkristall-Anzeige kontinuierlich durch eine getrennte Versorgung hoher Spannung gespeist wird.

Ein anderes Erfindungsziel bezweckt die Schaffung einer aus Halbleitern aufgebauten Armbanduhr mit einer Flüssigkristall-Anzeige, bei der die Polarität der an die Elektroden der Flüssigkristalle angelegten Gleichspannung alternierend umgekehrt wird.

Bei dieser Armbanduhr soll an der Außenseite des rückseitigen Glases der Flüssigkristall-Anzeige eine hochglanzpolierte Spiegelfläche vorgesehen sein, um die scheinbaren Kontrastverhältnisse zu verbessern und die Betriebslebensdauer der Anzeige zu verlängern.

Im folgenden sind bevorzugte AusfUhrungsformen der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer Armbanduhr mit den Merkmalen der Erfindung,

Fig. 2 ein Blockschaltbild der Bauteile der Armbanduhr gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine bei der Armbanduhr gemäß Fig. 1 verwendbare BaI-kensegmont-Anzeige,

Fig. 4 einen in vergrößertem Maßstab gehaltenen Teilschnitt ■ durch die Anzeige gemäß Fig. 3»

Fig. 5 ein Schaltbild zur Darstellung des Anschlusses der Bauteile gemäß Fig. 2 an getrennte Stromversorgungen der Uhr,

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Figβ 6 ein Schaltbild zur Veranschaulichung der Arbeitsweise des Polaritätswendeschalters zur Umkehrung der Polarität der an die Flüssigkristall-Segmente angelegten Spannung und

Fig. 7 ein Schaltbild zur Darstellung des Ausgangssignals des Flip-Flops gemäß Fig. 6.

Die in Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße Uhr 10 ist so ausgelegt, daß sie in ein Uhren-Gehäuse 12 von etwa der Größe einer herkömmlichen Armbanduhr paßt. Das Gehäuse ist mit einem Uhren-Armband 1^ verbunden und v/eist ein Schauglas 16_T über das die Zeit in Digitalform dargestellt bzw. angezeigt wird, sowie einen Druckknopf 18 zur Betätigung eines Abfrageschalters auf, über welchen die Anzeige aktiviert wird.

Im Norraalbetrieb geht die Zeithaltefunktion kontinuierlich vor sich, doch wird die Zeit nicht über das Schauglas 16 angezeigt. Dies bedeutet, daß normalerweise keine Zeitanzeige durch das Schauglas erkennbar ist; dies ist der normalerweise vorherrschende Zustand, um Batterieenergie in der Uhr zu sparen. Auch wenn über das Schauglas 16 keine Zeitanzeige geliefert wird, hält die Uhr 10 dennoch ständig die genaue Zeit und vermag diese Zeit zu jedem beliebigen Zeitpunkt genau wiederzugeben. Wenn der Benutzer die genaue Zeit zu wissen wünscht, drückt er mit dem Finger den Druckknopf 1u, worauf augenblicklich bei 20 die richtige Zeit angezeigt wird, beispielsweise wie in Fig. 2 die Zeit 10:10:^9, d.h. zehn Minuten und neunundfünfzig Sekunden nach sehn Uhr. Die Stunden, Minuten und Sekunden, d.h. die Ziffern 10:10:59, werden eine bestimmte Zeitlang, vorzugsweise 1 i//f Sekunden lang, unabhängig davon, ob der Drucldmopf 1o gedruckt bleibt oder nicht, über das Schauglas 16 angezeigt. Die genaue Wiedergabedauer ist so gewählt, daß der Benutzer die Zeit nach Stunde, Minute und

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Sekunde gut ablesen kann. Sollte sich die I-Iinutenanseige wahrend der Ablesung ändern, so wird diese Änderung augenblicklich durch, ein Vorrücken der Ilinutenanzeige auf die nächste Ziffer, d,h· in vorliegenden Beispiel auf die 11, bereits während dem Ablesen der Uhr angezeigt» Die von O bis 59 fortlaufende Sekundenanzeige ist weiterhin über das Schauglas 16 sichtbar, bis der Druckknopf 18 losgelassen wird. Selbstverständlich ist es gewünschtenfalls auch möglich, die Stunden, iiinuten und Sekunden gleichzeitig ständig anzuzeigen, solange der Abfrage-Druckschalter gedruckt ist.

Das vereinfachte Blockschaltbild in Fig. 2 stellt die elektrische Schaltung der Uhr gemäß Fig. 1 dar. Die Schaltung weist einen Kristall als Frequenznormal 26 auf, der eine sehr genaue Frequenz liefert, so daß das Frequenznormal bzw. der Oszillator ir.it einer Frequenz von 32 76G Uz schwingt. Diese vergleichsweise hohe Frequenz wird über eine Zuleitung 23 an einen Frequenzwandler ^O bzw. einen Frequenzteiler angelegt, welcher die vom Frequenznormal gelieferte Frequenz unterteilt, so daß sein auf einer Zuleitung 32 erscheinendes Ausgangssignal eine Frequenz von 1 Hz besitzt· Dieses Signal wird an einen Anzeigen-Treiber 3h angelegt, der seinerseits die Anzeige 20 der Uhr über eine elektrische Zuleitung 36 ansteuert.

Die Einzelheiten des Frequenznormal 26, des Frequenzwandlers 30 und des Treibers J>k brauchen nicht näher erläutert zu werde:.:, da sie mit den betreffenden Bauteilen der DT-OS P 21 13 35O.6 praktisch identisch sind.

Kurz gesagt, bestehen diese Bauteile aus komplementären IiOS-Transistoren und sind als integrierte Schaltkreise ausgelegt, so daß sie für ihren Betrieb einen minimalen Leistungsbedarf erfordern und der Größenreduzierung zugänglich sind, die für '

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ihre Einfügung in eine herkömmliche Armbanduhr notwendig ist.

Obgleich die Uhr gemäß Fig. 1 und 2 mit einer aus 27 Punkten bestehenden Matrix aus Flüssigkristallen für jede Anzeige-Ziffer dargestellt ist, ist die Erfindung nicht hierauf beschränkt; die Anzeige kann auch gemäß Fig. 3 die Form eines aus sieben Balken bestehenden Segments besitzen. Fig. 3 zeigt sieben Flüssigkristall-Segmente 38, ZfO» 42> 1+1+, 46, 48 und 50 länglicher Form, die derart angeordnet sind, daß durch Erregung einer entsprechenden Kombination von Balken-Segrnenten jede beliebige Ziffer zwischen O und 9 dargestellt werden kann. In gewissen Fällen wird die aus sieben Balken-Segmenten bestehende Anzeige gemäß Fig. 3 bevorzugt, da sie für die optische Anzeige weniger Energie benötigt als die aus 27 Punkten bestehende Matrix gemäß Fig. 1.

Fig. 4 ist ein Schnitt durch einen Abschnitt von zwei benachbarten Balken-Segmenten der Anzeige, beispielsweise des obersten Segments ^o und des benachbarten Segments Zf8 gemäß Fig. 3. Selbstverständlich sind die anderen Balkon-Segmente der betreffenden Anzeigeziffer sowie die Balken-Segmente der anderen Anzeigeziffern und auch der Doppelpunkt-Segmente ähnlich aufgebaut. Die zur Unterscheidung von der Punkt-Anzeige 20 gemäß Fig. 1 mit 20' bezeichnete Balkensegment-Anzeige weist eine praktisch durchsichtige Frontscheibe 52, vorzugsweise aus Glas, sowie eine aus Glas bestehende Rückscheibe 54 auf.

Die Glasscheiben 52 und 54 sind durch nicht dargestellte Abstandstücke auf Abstand voneinander angeordnet, und zwischen ihnen befindet sich eine sich vorzugsweise über die gesamte Fläche der Glasscheiben 52 und 54 erstreckende, später noch näher erläuterte Flüssigkristall-Substanz 56. Eine noch näher zu erläuternde reflektierende Schicht 66 ist auf die

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Kückseite der Scheibe 54 aufgetragen. Die Stirnseite der Puickscheibe 5^f sowie die i'ückseite der Frontscheibe 52 sind mit einem bei 58 bzw. 58' angedeuteten transparenten Elektrodenmaterial beschichtet, wobei bestimmte Bereiche unbeschichtet sind. Elektroden 60 und 62 bilden die Balken-Segmente. Beispielsweise kann der überzug aus Elektrodenmaterial 58 über die ganze Stirnseite der Rückscheibe 5k hinweg aufgetragen werden, während das Elektrodenmaterial anschließend zur Festlegung der Elektroden für jedes der aus sieben Balken bestehenden Segmente sowie für die Doppelpunkte weggeätzt wird und die Elektrodenpaare elektrisch voneinander isoliert werden. In Fig, Zf sind zwei benachbarte Elektroden 60 und 62 dargestellt, wobei die Atzung des Elektrodenmaterials bei 61 angedeutet ist. Das Balken-Segment 32 stellt das Flüssigkristallmaterial 56 zwischen der Elektrode 60 und der Schicht ^u¹ und das Balken-Segment Zfö das Flüssigkristallmaterial zwischen der Elektrode 62 und dem unmittelbar gegenüberliegenden Abschnitt der leitfähigen Schicht bzw. des Elektrodenmaterials 58' dar. Jedes Balken-Segment jeder Anzeige-Ziffer besteht auf ähnliche Weise aus sich über das Flüssigkristallmaterial erstreckenden Elektrodenpaaren, Wie durch die Pfeile 6k angedeutet, fällt Licht durch die Frontscheibe 52 hindurch und läßt die Anzeige sichtbar werden, wobei das Licht entweder Umgebungslicht oder Licht von einer an der Uhr montierten Lichtquelle sein kann.

Wie erwähnt, ist die Flüssigkristall-Substanz ^6 zwischen den Glasscheiben 52 und 5A- angeordnet. Der Ausdruck "Flüssigkristall" bezieht sich auf eine Substanz, deren rheologisches Verhalten demjenigen von Fluiden entspricht, doch deren optisches Verhalten über einen vorgegebenen Temperaturbereich dem kristallinen Zustand ähnelt. Diese Substanzen zeigen mesomorphes Verhalten, und von den drei Zustän-

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den des raesomorphen Verhaltens zeigt der nematische Sustand den" bei der erfindungsgemäßen Digital-Zeitanzeige ausgenutzten elektromagnetisch-optischen Effekt. Ein bevorzugter nematischer Flüssigkristall mit den erforderlichen Eigenschaften ist p-Azoxyanisol. Dieses Material besitzt das gewünschte.mesomorphe Verhalten innerhalb des für Uhren gewünschten Temperaturbereichs, und es ist für derartige Flüssigkristalle unter diesen Temperaturbedingungen charakteristisch, daß sie praktisch durchsichtig sind, wenn kein elektrisches oder magnetisches Feld an sie angelegt ist. Wird jedoch ein elektrisches oder magnetisches Feld angelegt, so wird der Flüssigkristall turbulent und streut Licht, wodurch weiß erscheinendes Licht reflektiert wird. Ein weiteres Merkmal des Flüssigkristalls besteht darin, daß, je größer die auf den angeregten Flüssigkristall einfallende Lichtmenge ist, um so größer ist die Reflexionsfähigkeit bzw· Helligkeit und mithin der Kontrast mit der angrenzenden Umgebung.

Wenn die zwischen den Elektroden der Balken-Segmente befindlichen Bereiche der Flüssigkristall-Substanz % nicht aigeregt sind, ist ersichtlicherweise der reflektierende Hintergrund der Rückplatte 5A- durch die durchsichtige Frontscheibe 52 und den transparenten Flüssigkristall hindurch sichtbar. Bei Betrachtung des Anzeige-Schauglases 16 ist mithin der durch die Rückplatte 5A- gebildete reflektierende, dunkel erscheinende Hintergrund durch das durchsichtige Elektrodenmaterial 58 und 58', d.h. im wesentlichen über die gesamte Anzeigefläche hinweg, sowie durch die zwischen den Elektroden der nicht angeregten Balken-Segmente liegenden Bereiche des Flüssigkristalls hindurch sichtbar. Die durch den Treiber 3A- gemäß Fig. 2 an Spannung gelegten Elektroden regen jedoch die zwischen ihnen liegenden Flüssigkristalle an, so daß das einfallende Licht gestreut wird. Dieses ein- · fallende, reflektierte Licht erscheint gegen den dunklen

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umgebenden Hintergrund v;elß. Auf diese .'/eise liefern die angeregten Flüssigkristall-Balkensegmente eine leicht ablesbare und deutlich unterscheidbare Zeitanzeige in Digitalform, deren Ziffern durch die selektiv .erregter 71üssigkristall-Balkensegmente gebildet werden, die infolge der Streuung des einfallenden Lichts weiß erscheinen und mit dem dunlilen Hintergrund der Rückscheibe ^f kontrastieren bzw. abstechen. Zudem ist der Kontrast um so größer, je größer die einfallende Lichtmenge ist. Diese Wirkung wird noch durch die lieflexionsschicht bzw. den Spiegel 66 verstärkt, welcher das über das -Schauglas 16 einfallende lic durch das nunnehr durchscheinende Flüssigkristallmaterial cines angeregten Segments hindurch zurückwirft« Der Grund dafür, daß der Spiegel derart wirksam sub Auftreten eines Segments beiträgt, liegt darin, daß das angeregte Flüssigkristallnaterial das Licht am besten in Vorwärtsricktuia streut, co daß das aus dem Inneren der Anzeige kommende Licht am wirksamsten gestreut wird.

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Bei Anwendung dor derzeitige:: Technologie ist die Verkleinerung einer Flüssigkristalle verwendenden, schichtartig aufgebauten Anzeigeteile zur Verwendung in einer Armbanduhr herkömmlicher Größe gewiesen Fertigur.gsiiachteilen unterworfen. Dio HauptGchwierigke.iten betreffen die vergleichsweise kurze Betricbslebcnsdauer nenatischer Fliiasigkristalle sowie die vergleichsweise hohe Betriebsspannung, die zur Ilervorbringung einer v;irksai:ien dynamischen Streuung erforderlich ist. Die Erfindung beinhaltet verschie dene Merkmale, welche die Überwindung dieser Schwierigkeiten zu unterstützen vermögen. Beispielsweise war es zur Verbesserung der scheinbaren Kontrastverhältnisse üblich, eine hochglanzpolierte Spiegalflache, wie eine Aluminiumfolie, auf die Innenseite der Rückscheibenanordnung aufzubringen. Eine mit dieser Konstruktion verbundene Schwierigkeit besteht darin, daß einige Flüssigkristall-I-Iaterialien

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die Tendenz zeigen, schließlich die Spiegelfläche anzugreifen und ein unerwünscht blasenartigen Aussehen derselben hervorzurufen. Ein anderer Nachteil besteht darin, daß die Oberfläche typischerweise sehr dünne, aber dennoch sichtbare Elektroden-Trennlinien aufweisen muß, um ein Kurzschließen zu verhindern. Ein Merkmal der Erfindung besteht nun darin, daß die Spiegelfläche, beispielsweise eine Aluminiumfolie, wie bei 66 in Fig. Zf angedeutet, auf die Außenfläche der Glas-Rückscheibe statt auf deren Innenfläche aufgetragen wird. Hierdurch werden die beiden vorstehend behandelten Schwierigkeiten bezüglich des blasenartigen Aussehens und der Elektroden-Isolationslinien vermieden. Die hierdurch zusätzlich eingeführte Parallaxe ist unbedeutend, vorausgesetzt, daß die Dicke der Rückscheibe 5h nicht größer ist als etwa 1,0 mm. Zudem gewährleistet diese Technik, daß die Anzeige bei Sichtbetrachtung heller erscheint, was auf der Erhöhung des Lichtsammelvermogens der zugeordneten Spiegelfläche zurückzuführen ist.

Wie erwähnt, weist die erfindungsgemäße Uhr einen durch den Druckknopf 18 gemäß Fig. 1 betätigten Anzeige-Abfrageschalter auf. Hierdurch wird die Lebensdauer sowohl des Flüssigkristalls als auch der Stromversorgung um mehrere Größenordnungen erhöht, da es sich aufgrund früherer Erfahrungen herausgestellt hat, daß bei Anwendung der Abfragetechnik das Verhältnis von Betätigung zu Nicht-Betätigung ziemlich klein wird und in der Größenordnung von 0,05% liegt. Außer-' dem hat es sich gezeigt, daß durch Wechselstrombetrieb die Lebensdauer des Flüssigkristallmaterials gegenüber einem Gleichstrombetrieb um das Vier- bis Fünffache erhöht wird. Obgleich dem Gleichstrombetrieb gegenüber einer Wechselstromumwandlung bei einer Armbanduhr der Vorzug gegeben wird, ist es möglich, die vorteilhaften Wirkungen des Wechselstrombetriebs bezüglich der Übergangsionen im Flüssigkristallmaterial durch eine StromumkehrunG angenähert zu er-

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reichen. Dies bedeutet, daß die Anzeige weiterhin an einer Gleichspannung liegt, doch wird die Richtung'des elektrischen Felds zwischen Anode und Kathode bei Anregung eines Segments periodisch umgekehrt.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung liegt darin, daß es sich als durchführbar erwiesen hat, durch Verringerung der Dicke des Flüssigkristallmaterials - indem etwa die Glasscheiben oder andere Schichtungsmaterialien dichter gegeneinander verlegt werden - die Betriebsspannung und die dynamischen Streuungs-Abklingzeiten für den Flüssigkristall zu reduzieren. Obgleich durch Reduzierung der Materialdicke große Spannungsverminderungen Möglich sind, treten bei Reduzierung der Materialdicke auf unter etwa 0,025 ™ die praktischen Probleme der Planheit der Glasscheiben, der Abdichtung der Anzeigezelle und der Material-Gleichförmigkeit deutlicher zutage. Um diese Probleme mit der infolge des kleinen Einbauraums einer Armbanduhr begrenzten Energiemenge der Stromversorgung auszuräumen, schafft die Erfindung eine Anordnung, bei welcher die Uhr durch zwei getrennte Batterien bzw. Stromquellen gespeist wird» Genauer gesagt, ist eine Batterie niedriger Spannung und hoher Kapazität kontinuierlich mit dem Frequenznormal (Kristall-Oszillator) 26, dem Frequenzwandler (Teiler) 30 und dem Anzeige-Treiber 3k verbunden. Außerdem ist eine getrennte Batterie hoher Spannung vorgesehen, die nur bei Bedarf zum Anregen der Flüaigkristall-Anzeige eingeschaltet wird.

Die getrennte Batterien verwendende Stromversorgungsschaltung ist in Fig. 5 allgemein veranschaulicht. Bei dieser S_chaltung sind das Frequenznormal 26, der Frequenzwandler 30 und der Treiber 3k ständig über eine Batterie 68 niedriger Spannung geschaltot· Bei der Batterie 68 kann es sich beispielsweise um eine herkömmliche 1,5-V-Silberoxidzelle holier Kapazität handeln. Die Batterie 68 ist über eine Zu-

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leitung 72. und einen Masseanschluß 7h an die allgemein bei 70 angedeuteten zeithaltenden Bauteile der Uhr angeschlossen. Der Masseanschluß 7h kann auf übliche V/eise am Uhrengehäuse an Masse liegen.

Im vereinfachten Schaltbild der Uhrenkonstruktion gemäß Fig. 5 ist auch ein von Hand betätigbarer Abtageschalter dargestellt, der normalerweise offen ist, aber geschlossen wird, wenn der Druckknopf 18 gemäß Fig. 1 von Hand gedrückt wird. Beim Loslassen des Druckknopfes Io öffnet sich der Schalter 76 wieder. Bei der dargestellten Ausführungsform verbindet dieser Abfrageschalter 76 eine Zuleitung 79 einer Stromquelle 78 höherer Spannung über einen Polaritäts-Wendeschalter 80 mit der Flüssigkristall-Anzeige 20'. Die Spannungsquelle 78 kann beispielsweise die Form einer Batterie mit festem Aggregatszustand von etwa 30 V Spannung bei 1 niA/h besitzen; diese Batterie dient lediglich zur Betätigung der Flüssigkristall-Anzeige. V/ahlweise kann eine hohe Spannung durch Transformation der Spannung der Niederspannungsquelle erreicht werden.

Fig. 6 ist ein Einzelheiten zeigendes Schaltbild der Batterieanschlüsse und des Polaritäts-Wendeschalters 80 gemäß Fig, 5· Ein Teil des Treibers 3h ist am rechten Ende von Fig. 6 dargestellt, während ein Teil des Teilers 30 an der linken Seite von Fig. 6 angedeutet ist. Der Treiber J>h liefert die Taktsignale für die Flüssigkristall-Anzeige, und eine Zwischenstufe des Frequenzwandlers bzw. -teilers 30 liefert ein Polaritätswendesignal für die Anzeige. In bevorzugter Ausführungsform ist die Anzeige durch die Niederspannung-Abfrageschalter, wie den mit dem Teiler 30 verbundenen Schalter 76A gemäß Fig. 6, und mit dem Treiber 3h verbundene Schalter 76B trennbar. Diese Schalter ersetzen den Hochspannungsschalter 76 gemäß Fig, 5 und ermöglichen eine Trennung bzw. ein Abschalten der Anzeige, ohne daß eine Unterbrechung der von der Batterie 78 gelieferten höheren Spannung erforderlichji^g * q . q« g ρ

Gemäß Fig. 6 erzeugen zwei im Anzeige-Treiber 3h vorgesehene Dekoder-Treiberstufen Taktausgangssignale bei 82 und'8/f· Die Dekoder-Treiberstufen arbeiten mit niedriger Spannung und sind an eine Niederspannungs-Leitung 69 der Iliederspannungs-Batterie 68 angeschlossen» In bevorzugter Ausführungsform besitzen sie jeweils die Form eines komplementären Paars von P- und IT-Kanal-MOS-Transistoren. Die Ausgangssignale der Treiberstufen werden über die Schalter 76B sowie über entsprechende Widerstände 86 und 88 an zugeordnete Paare von ßchalt-Transistoren angelegt, beispielsweise an Transistoren 91 und 93 für das Segment 3o der Flüssigkristall- Anzeige sowie an Transistoren 91' und 93' für das Segment ifO der FlÜGsigkristall-Anzeige, über die betreffenden Transistoren sind Umgehungs- bzw· Bypaß-Gleichrichterdioden 95» 97» 95' und 97' geschaltet. Die Basen der Transistoren sind über Gleichrichterdioden 9OA, 92Δ, 9OB und 92B an die Treiberstufen-Ausgänge angeschaltet«

Ein Polaritäts-Wendesignal mit einer Frequenz von vorzugsweise zwischen etwa 10 Hz und etwa 500 Hz wird von einer Zwischenstufe des Teilers 30 abgenommen und über den Schalter 76A sowie einen Widerstand 106 an die Basis eines Transistors IO7 angelegt. Der Ausgang dieses Transistors ist an ein Ilochspannungs-Flip-Flop 81 mit Ausgängen IO3 und IO5, die mit Q bzw. Q bezeichnet sind, zum Anlegen des Potentials hoher Spannung derBatterie 78 über die betreffenden Flüssigkristall-Segmente, wie die Segmente 38 und ZfO, gemäß Fig. 6 angeschlossen. Die Ausgangsstufen dieses Flip-Flops 81 sind in. Fig. 7 näher dargestellt und bestehen aus einen ersten Paar komplementärer HOS-Tranaistoren 117 und Ho sowie einen zweiten Paar komplementärer MOS-Transistoren 121 und 123·

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Die Treiberstufen-Ausgänge 82 und 8/f sind über die Widerstände 86 und 88 an die Sperr-Dioden 90A₁ 92A₁ 90B und 92B von Steuer- bzw. Kegelkreisen 99 und 101 angeschlossen· Ersichtlicherweiso sind identische Regelkreise für jedes Segment der Anzeige vorgesehen, doch sind in Fig. 6 aus Gründen der Vereinfachung nur zwei Segmente 38 und /fO eingezeichnet. Bei der dargestellten Ausfuhrungsform regelt der Kreis 99 den Stromfluß über das Segment 38 und der Kreis 101 den Stromfluß über das Segment ZfO,

Zum Aktivieren des Segments 38 ^muß der Ausgang 82 positiv sein. Hierbei kann je nach dem Zustand des Flip-Flops 81 ein Basisstrom im Transistor 91 oder 93 fließen» Wenn beispielsweise der Q-Ausgang 103 positiv ist und der ^-Ausgang 105 an Masse liegt, fließt der Basisstrom über die Diode 92A und schaltet den Transistor 93 durch. Wenn der Transistor 93 durchgeschaltet ist und der Transistor 95 sperrt, fließt der Strom vom Q-Ausgang IO3 über die Bypaß-Diode 951 das Flüssigkristall-Segment 33, den Transistor 93 und zurück zu Hasse über den ^-Ausgang 105. Wenn die Ausgangssignale des Flip-Flops 81 entgegengesdzte Zustände besitzen und der Ausgang 82 der Treiberstufe positiv ist, wird der Stromfluß über das Flüssigkristall-Segment 38 umgekehrt. Der entsprechende Basisstrom für den Transistor 91 fließt über die Sperr-Diode 9OA und schaltet den Transistor 91 durch. Infolgedessen fließt der 'Strom vom ö/-Ausgang IO5 über die Bypaß-Diode 971 das Flüssigkristall-Segment 381 den Transistor 91 und zurück zu Masse beim Q-Ausgang IO3,

Der Zustand des Flip-Flops 81, das mit hoher Spannung betrieben wird und über die Ausgänge IO3 und IO5 die hohe Spannung zu den Flüscigkristall-Segmenten liefert, wird über den Spannungs-Transistor IO7 durch das über den Schalter 76A gelangende Ausgangssignal vom Frequenzteiler 30 gesteuert. Da der Transistor 107 ein Stromverstärker ist, ist er span-

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nungsunabhängig und kann von der niedrigen Spannung des Teilers 30 auf die hohe Spannung des Flip-Flops 81 übergehen« Der Strom im Basis-Emitterkreis des Transistors IO7 verursacht einen Stromfluß im Kollektor-Emitterkreis, wodurch ein Spannungsabfall über den Lastwiderstand \\J> hervorgerufen wird. Infolgedessen ändert sich das Eingangssignal zum Flip-Flop Si, wodurch der Zustand der Ausgänge IO3 und .105 verändert wird,

Fig. 7 veranschaulicht mit diesen Ausgängen verbundene Schaltkreise, die aus P- und N-Kanal-MOS-Transistören in komplementärer, symmetrischer Konfiguration bestehen* Dies bedeutet, daß der Η-Kanal-Transistor sperrt, wenn der P-Kanal-Transistor durchgeschaltet ist· Wenn beispielsweise das Q-Ausgangssignal bei IO3 hoch ist, ist der P-Kanal-Transistor 117 durchgeschaltet und bietet einen Stromkreis niedrigen V/iderstands zur positiven Spannung und einen nahe.zu unendlich großen Widerstand zur negativen Spannung, Die Transistoren 121 und 123 bilden ein ähnliches komplementäres Paar, doch da der Ausgang dieses Paars an den Eingang der beiden Transistoren 117 und 119 angeschlossen ist, ist das Ausgangssignal ^ bei 105 gegenüber dem Ausgangssignal Q bei 103 um ISO phasenverschoben« Demzufolge stellt der Transistor 123 einen Weg niedrigen Widerstands zur negativen Spannung für das Ausgangssignal Q bei 105 her« Ersichtlicherweise ist ein Regelkreis, wie der zwischen die Ausgänge Q und φ eingeschaltete Regelkreis 991 im wesentlichen zwischen die positive und die negative Spannung geschaltet, und wenn sich der Zustand des Flip-Flops o1 ändert, ändert sich auch die Polarität dieser Spannung,

Aus der vorangehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß die Erfindung eine verbesserte, aus Halbleitorelementen aufgebaute Uhr ohne bewegliche Teile schafft, die insbesondere eine verbesserte Flüssigkristall-Anzeige aufweist« Wesent-

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liehe Merkmale der Erfindung beziehen sich auf eine Abfrage-Anzeige anordnung, die nicht nur die Stromaufnahme von der in einem Armbanduhrgehäuse unterzubringenden kleinen Batterie bzw. den kleinen Batterien vermindert, sondern außerdem wegen des sehr kleinen Verhältnisses zwischen Betätigungszeit und ITichtbetatigungszeit bei Anwendung der Abfragetechnik die Betriebslebensdauer des einen Teils der Anzeige bildenden Flüssigkristallmaterials beträchtlich verlängert« Ein weiteres Merkmal der Erfindung liegt in einer Stromumkehrschaltung, durch welche die Richtung des Stromflusses über den Flüssigkristall umgekehrt wird. Die Stromumkehrung trägt weiterhin zu einer beträchtlich verlängerten Betriebslebensdauer des Flüssigkristallmaterials bei. In gewissen Fällen erhöht die Stromumkehrung die Betriebslebensdauer des Flüssigkristalls auf einen solchen Wert, daß der Abfrageschalter überflüssig wird.

Weiterhin ist eine Batterie hoher Spannung vorgesehen, die nur periodisch zur Betätigung der Flüssigkristall-Anzeige eingeschaltet wird, sowie eine getrennte Batterie niedriger Spannung und hoher Kapazität, die ständig mit den zeithaltenden Bauteilen der Schaltung verbunden ist, so daß die Zeiticontinuierlich gemessen wird. Eine solche Anordnung entspricht den variierenden Erfordernissen der Flüssigkristall-Anzeige, die, obgleich sie so dünn wie irgend möglich ausgebildet ist, dennoch eine Anregung mit verhältnismäßig hoher Spannung erfordert; außerdem gewährleistet sie den für die zeithaltenden Bauteile der Uhr erforderlichen Dauerbetrieb bei niedriger Stromaufnahme. Schließlich werden er- ■ höhte Betriebslebensdauer und verbessertes Aussehen der Flüssigkristall-Anzeige dadurch gewährleistet, daß eine hochglanzpolierte Spiegelfläche, wie eine Aluminiumfolie, an der Außenseite der rückseitigen Glasscheibe der Anzeige angeordnet wird, wodurch das Problem des Angriffs durch das Flüssigkristall-Material überwunden wird und die bishe-

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rigen, unerwünschten Elektroden-Isolierlinien bzw. -bereiche entfallen.

Selbstverständlich kann die Erfindung in anderen speziellen Ausführungsformen verwirklicht werden, ohne daß von ihrem Rahmen oder ihren wesentlichen Eigenschaften abgewichen wird. Aus diesem Grund sollen die dargestellten und beschriebenen Ausführungsformeη in jeder Hinsicht nur als erläuternd und keinesfalls die Erfindung einschränkend angesehen werden, vielmehr soll die Erfindung alle innerhalb des erweiterten Schutzumfangs liegenden Änderungen und Abwandlungen mit umfassen.

Zusammenfassend schafft die Erfindung mithin eine aus Halbleiterelementen aufgebaute Armbanduhr mit einer verbesserten Flüssigkristall-Anzeige. Zeithaltende Halbleiter-Bauelemente werden ständig durch eine Iliederspannungs-Batterie gespeist, während die Anzeige bei Bedarf bzw. bei Abfrage durch eine getrennte Batterie hoher Spannung gespeist wird. Zur Verlängerung der Betriebslebensdauer der Anzeige wird die Richtung des Stromflusses durch die Flüssigkristalle wäiirend des Anzeigeintervalls umgekehrt. An der Außenseite der Rückscheibo der dünnen Glas-Schichtaiiordnung ist eine hochglanzpolierte Spiegelfläche angeordnet, so daß sie nicht mit dem Flüssigkristallmaterial in Berührung steht.

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Claims

Patentansprüche

1,yZeitmesser, insbesondere Armbanduhr, gekennzeichnet durch einen elektrischen Taktgeber, eine optische Zeitanzeige, einen den Taktgeber mit der Zeitanzeige verbindenden
Zeitrechner, eine Spannungsquelle und eine Polaritäts-Wendeschalteinrichtung, welche die Spannungsquelle mit der' Zeitanzeige verbindet,

2. Zeitmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitanzeige eine Flüssigkristall-Anzeige ist·

3. Zeitmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Spannungsquelle vorgesehen ist, die mit dem Talctgeber und dem Zeitrechner verbunden ist.

Zf. Zeitmesser nach Anspruch 3_t dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur kontinuierlichen Verbindung der
zweiten Spannungsquelle mit dem Taktgeber und dem Zeitrechner vorgesehen ist.

5. Zeitmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Taktgeber aus einem Kristall-Oszillator besteht.

6. Zeitmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitrechner einen Frequenzteiler und eine Dekoder- und Treiberstufenanordnung für die optische Anzeige aufweist.

7. Zeitmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polaritäts-Wendeschalteinrichtung an den Talctgeber angekoppelt ist und der Stromfluß durch die Zeitanzeige periodisch umgekehrt werden kann.

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ο. Zeitmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitanzeige eine Flüssigkristall-Schichtkonstruktion mit einem Flüssigkristallmaterial, das zwischen Abstand voneinander besitzende Front- und Rückscheiben eingefügt ist, und einer an der Rückscheibe vorgesehenen /Schicht hochglanzpolierten Spiegelflächenmaterials aufweist.

9. Zeitmesser nach Anspruch o, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelschicht eine Aluminiumfolie ist*

10. Zeitmesser nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen elektrischen Hochfrequenz-Taktgeber, eine Flüssigkristall-Zeitanzeige, einen den Taktgeber mit der Zeitanzeige koppelnden digitalen Zeitrechner, eine mit dem Zeitrechner verbundene Kiederspannungsquelle, eine Quelle hoher Spannung und einen Bedarfs- bzw. Abfrageschalter, welcher die Spannungsquelle hoher Spannung mit der Flüssigkristall-Zeitanzeige verbindet, so daß letztere nur bei Bedarf betätigt wird.

11. Zeitmesser nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die liioderspannungs-Stronquelle eine Silberoxidzelle hoher Kapazität ist.

12. Zeitmesser nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochspannungsquelle eine Festzustand- bzw· Iialbleiter-Batterie ist,

13. Zeitmesser nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Batterie eine Spannung von etwa 9 bis 30 V bei mindestens 1 πΑ/h liefert.

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1Z₁.. Zeitmesser nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß • ein Polaritäts-1/ender vorgesehen ist, welcher die Flüssigkristall-Anzeige mit dem Zeitrechner koppelt, so daß das Potential über die Anzeige periodisch umgekehrt wird.

15· Elektronische Armbanduhr, gekennzeichnet durch eine Flüssigkristall-Zeitanzeige, eine Hochspannungs-Batterie und einen die Batterie mit der Zeitanzeige verbindenden Bedarfs- bzw· Abfrageachalter, so daß die Zeitanzeige nur bei Bedarf an Spannung legbar ist.

16· Uhr nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß ein Polaritäts-Wender vorgesehen ist, welcher die Zeitanzeige mit dem Zeitrechner verbindet.

17· Uhr nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Polaritäts-Wender mehrere an die Zeitanzeige angekoppelte Ilalbleiter-Zweirichtungsgatter aufweist.

18. Uhr nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitanzeige mehrere Flüssigkristall-Elemente aufweist, die so angeordnet sind, daß sie eine Dezimalzifferanzeige bilden.

19· Uhr nach Anspruch 1o, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente Flüssigkristall-Balkensegmente sind.

20. Uhr nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß für jedes Segment ein getrenntes Gatter und ein den Zeitrechner mit den Gattern verbindendes Flip-Flop vorgesehen sind.

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