DE2920894A1

DE2920894A1 - Elektronische uhr

Info

Publication number: DE2920894A1
Application number: DE19792920894
Authority: DE
Inventors: Masaaki Mandai; Shuji Otawa; Katsuhiko Sato; Masaharu Shida; Akira Torisawa; Makoto Ueda
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 1978-05-26
Filing date: 1979-05-23
Publication date: 1979-11-29
Also published as: FR2426999B1; GB2023891B; JPS6120821B2; DE2920894C2; US4321519A; FR2426999A1; CH634964B; JPS54155079A; GB2023891A; CH634964GA3

Description

282Q8S4

DIP L.-PHY S. F. ENDLICH germing

PATENTANWALT 21. Mai 1979 Ε/ΑΧ

~~ PHON*"' MÖNCHEN 84 3638

TELEGRAMMADRESSE: _DiTPMni inn unurwPN

CABLEADDRESS: patendlich mdnchen

DlPL-PHYS. F. ENDLICH, POSTFACH, D-8034 GERMERING TELEX: 521730 pate D

Meine Akte: D-4609

Anmelder: Kabushiki Kaisha Daini Seikosha, 31-3, 6-chome, Kameido, Koto-ku, Tokio, Japan

Elektronische Uhr

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

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

Bei bekannten elektronischen Uhren dieser Art sind besondere Elemente zum Nachweis des äußeren Magnetfelds erforderlich, beispielsweise magnetische Widerstandselemente, Hall-Elemente oder Reed-Schalter. Dadurch ergibt sich in Quarzarmbanduhren mit Schrittmotoren für eine analoge Zeitanzeige ein zusätzlicher' Raumbedarf für die Nachweiselemente. Neben einer unerwünschten Erhöhung der Abmessungen der Uhr ergibt sich darüber

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hinaus der Nachteil/ daß die Lebensdauer der Batterie der Uhr durch den Stromverbrauch der Nachweiseinrichtung verringert wird, und daß die Nachweiseinrichtung beträchtliche zusätzliche Herstellungskosten verursacht.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine elektronische Uhr mit einem Schrittmotor und einer Nachweiseinrichtung der eingangs genannten Art unter möglichst weitgehender Vermeidung der genannten Nachteile und Schwierigkeiten derart zu verbessern, daß keine zusät2lichen Elemente erforderlich sind, die einen wesentlichen Strombedarf oder einen zusätzlichen Raumbedarf verursachen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Patentanspruchs gelöst.

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

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

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

Fig. 3 den Verlauf der magnetischen Feldlinien bei Anordnung des Spulenkerns des Schrittmotors in Fig. 1 in einem äußeren Magnetfeld;

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

Fig. 5A ein Schaltbild eines n-Kanal-Gate;

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

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

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

Fig.· 7b den zeitlichen. Verlauf der Nachweis spannung in einem magnetischen Wechselfeld bei einem Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung;

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Fig. 7C eine graphische Darstellung der Abhängigkeit der Arbeitsspannung von der Feldstärke des äußeren magnetischen Wechselfelds bei einem Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung;

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

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

Fig. 1OA ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Steuerschaltung für eine Nachweiseinrichtung gemäß der Erfindung; Fig. 1OB Eingangssignale der Steuerschaltung in Fig.1OA; ■ Fig. 11A AusgangssignaIe dieser Steuerschaltung; und

Fig. 11B den Signalverlauf bei dem Nachweis eines äußeren magnetischen Wechselfelds mit einer Nachweiseinrichtung gemäß der Erfindung.

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

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

Fig.. 3 zeigt in einer schematischen Darstellung die Anordnung eines Spulenkerns 4 des Schrittmotors in Fig.." 1 in einem äußeren magnetischen Wechselfeld. Da die bei einem derartigen

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Schrittmotor verwandte Spule im allgemeinen sehr dünn ist, konzentriert sich das äußere Magnetfeld auf den Spulenkern 4, so daß abgesehen von dem unterschiedlichen Feldlinienverlauf die magnetische Flußdichte in dem Spulenkern etwa 10 mal so groß wie die äußere magnetische Flußdichte ist. Die in der Spule 1 induzierte Spannung ist gegeben durch

V = -n· djzi/dt ... (1) .

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

Ferner soll von folgenden Werten ausgegangen werden:

Material des Spulenkerns 45 Permalloy

Länge, des Spulenkerns 12 mm

Querschnitt des Spulenkerns 0,8 mm .* O₇8 mm

Anzahl der Windungen der Spule . 10 000 Windungen.

Wenn die magnetische Flußdichte eines derartigen Spulenkerns das iO-fache der äußeren magnetischen Flußdichte beträgt, ist der Magnetfluß des Spulenkerns 4 gegeben durch

0'« 10 - S · B · sinCöt ... (2).

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

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

V = -0,2 · B · cos&i t £ V"J · Wenn deshalb die magnetische Flußdichte des äußeren magnetischen Felds B 2 Gaüß beträgt, beträgt die induzierte Spannung V - -0,4 · cos<-fc>TlIv3 . Wenn ein Schrittmotor in einer Quarzarmbanduhr oder in einem sonstigen Instrument oder Gerät angeordnet ist, das verhältnismäßig klein ist und eine Energiequelle geringer Leistung aufweist, kann die. Steuerschaltung nicht mit einer Nachweisspannung von etwa 0,4 V betrieben .werden, so daß eine ausreichende Verstärkung dieser Spannung erfolgen muß, um beispielsweise einen CMOS-Inverter zu

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steuern. Beim derzeitigen Stand der Technik ist es jedoch verhältnismäßig schwierig/ einen CMOS-Verstärker herzustellen/ der stabil arbeitet. Deshalb ist es ein wesentlicher Vorteil der Erfindung , daß ein Jtiagnetisches Wechselfeld von etwa" 1 Oersted ohne Verwendung eines Verstärkers nachgewiesen werden kann. Obwohl der Spulenkern 4 in Fig. 3 für sich dargestellt ist, ist der Spulenkern 4 als Teil des Motors angeordnet/ so daß der auf den Spulenkern 4 konzentrierte Magnetfluß kleiner als derjenige des getrennten Motors'wegen des Nebenschlusses durch einen Stator ist. Da die in der Spule 1 induzierte Spannung klein bei einer Verringerung des Magnetflusses des Spulenkerns 4 ist, ist das Verfahren gemäß der Erfindung wirksamer, wenn ein Magnetfeld von größenordnungsmäßig 1 Oersted nachgewiesen werden soll.

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

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

In Fig. 4 (stehen die Antriebsschaltung und die Verstärkerschaltung aus p-Kanal-Bauteilen 21 und 22 (MOSFET), n-Kanal-Bauteilen 23/ 24, 25 und 26 (MOSFET), sowie Nachweiswiderständen 29 und dem Schrittmotor 20. Zum Verstärken des nachgewiesenen Signals kann abwechselnd ein geschlossener Kreis/ der den Schrittmotor 20/. die n-Kanal-Bauteile 23 und 24 enthält, sowie ein geschlossener Kreis, der Motor 20, die n-Kanal-Bauteile 23/ 26 und den Nachweiswiderstand 26 enthält,, bei nicht angetriebenem Schrittmotor angeschaltet werden. Da der geschlossene Kreis mit dem

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Schrittmotor 20, den n-Kanal-Bauteilen 23 und 24 über die Spule des Schrittmotors 20 kurzgeschlossen ist/ tritt die in der Spule durch das äußere Magnetfeld induzierte Spannung nicht über den n-Kanal-Bauteilen 23, 24 auf. Die n-Kanal-Bauteile 23,24 sind Transistoren zum Antrieb des Motors, deren Widerstand im leitenden Zustand im allgemeinen etwa einige 10 Ohm beträgt. Da die über der Spule induzierte Spannung bei dem leitenden Zustand kurzgeschlossen wird, fließt ein verhältnismäßig großer Strom in den n-Kanal-Bauteilen 23 und 24.

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

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

Fig. 5A zeigt ein n-Kanal-Gate und Fig. 5B ein äquivalentes Schaltbild. _Ein Schalter 40 wird durch ein Gatesignal geöffnet oder geschlossen. Ein Widerstand 39 wird beim Antrieb des Motors angeschaltet. Eine pn-übergang-Diode ist zwischen einer Drain-Elektrode D und einer Source-Elektrode S angeschlossen. Eine Kapazität 42 entspricht der Kapazität, des pn-übergangs zwischen dem Substrat und der Drain-Elektrode, der Kapazität' zwischen der Drain-Elektrode und der Gate-Elektrode,

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der Kapazität eines Dämpfungsglieds und Streukapazitäten oder derglei chen.

Wenn die n- und p-Kanal-Baueinheiten in Fig. 4 durch Fig. 5B entsprechende Ersatzschaltbilder ersetzt werden, sowie die Batterie durch einen Kondensator großer Kapazität mit einer idealen Spannungsquelle, ergibt sich das in Fig. 6 dargestellte Ersatzschaltbild. Das Bezugszeichen 43 bezeichnet eine Spannung V , die durch das äußere Magnetfeld erzeugt wird. Der Schrittmotor wird durch eine Spule 44 mit einer Induktivität von L Henry gebildet. Ein Widerstand 45 ist der Ohm'sche Widerstand rjCL der Spule. Ein Umschalter 47 dient zum Umschalten zwischen den geschlossenen Kreisen. Ein Widerstand 46 ist der Einschaltwiderstand rNJi. des η-Gate, falls rNil vernachlässigt wird, weil dieser Wert wesentlich kleiner als derjenige des Spulenwiderstands ist. Eine Kapazität 48 von C Farad entspricht der Summe der Kopplungskapazitäten des n-Gate 24 und des p-Gate 22. Ein Widerstand 49 ist ein Nachweiswiderstand RsII. 5O und 52 sind Kopplungsdioden zwischen dem Substrat und der Drain-Elektrode des η-Gate und des p-Gate. Eine Batterie 51 ist eine normalerweise in einer Quarzuhr vorgesehene Silberoxydzelle mit einer Spannung V_n = 1,57 V. Die Ausgangsspannung an einem Anschluß dient als Nachweisspannung V_,„ und wird dem Spannungsnachweis-

element zugeführt.

Mit den Beziehungen a

^Ε=Ϊ*ΓΊγ| V₀, «J-

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

1	⁽L	+ —	J	D =	, b	L +	Rs
'²		bl	Rs	LCRs R e	t
'la²

3) Im Falle a²> b

^VRS ** ²C^ - {c3"te'~ ^?^b) sinh&s) t .+ .coshCÜ tj e

2) im Falle a² « b .
^VRS ^{β E}

tj e~^at J

β b . ν

(a - u + at - ^bK)₀ -^atJ· 909848/0830

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3) Im Falle a² ζ b

^VRS " ^ΕΓ^!| ~{J" ^Ca ~ ⁵?^{b) sinüt +} cosiOtJ e "^atJ.

Dabei ist t die Verbindungsdauer'des geschlossenen Kreises mit dem niedrigen Widerstand, und t die Zeit.

Fig. 7A zeigtjdie Wellenform V^.

Wenn V_R„ entsprechend den Annahmen berechnet wird, daß L = 11 Henry, C = 75 pF, Rs = 15OkXL, r « 2,8kl! , V_Q = 0,1 V und t =c>o sind etwa 30 psec erforderlich, bis die Scheitelspannung von V_DCJ erreicht wird, welche dann 4,2 V beträgt, so daß der Verstärkungsfaktor 42 ist. Daraus geht hervor, daß das Nachweissignal in einfacher Weise ohne Verwendung eines Verstärkers für ein analoges Signal verstärkt werden kann.

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

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

Da die Frequenz des äußeren magnetischen Wechselfelds normalerweise 50 Hz beträgt, was einer Periode von 20msec ent-'¹ spricht, ist die Impulsbreite von 3,9msec zu groß zum Nachweis der maximalen Feldstärke des Magnetfelds.

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

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

Da die Periode der üblichen Netzfrequenz von 5O Hz 20msec beträgt, ist es beim Nachweis des magnetischen Wechselfelds erforderlich, die Zeitspanne zum aufeinanderfolgenden Umschalten zwischen dem Kreis mit dem hohen widerstand und dem Kreis mit dem niedrigen Widerstand zu verkürzen. Falls jedoch der Verstärkungsfaktor der Nachweisspannung während der Periodendauer von 20msec erhöht wird, ist die Periode zum Umschalten des geschlossenen Kreises mit dem niedrigen Widerstand größer als die Periode zum Umschalten des geschlossenen Kreises mit dem hohen Widerstand.

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

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Anstelle eines Widerstands als Impedanzelement für den Nachweis kann beispielsweise auch ein Nachweis mit Hilfe der kapazitiven Komponente und der Induktiven Komponente erfolgen. Da bei dem Ausführungsbeispiel· gemäß der Erfindung a^e Nachweiseiemente in der integrierten CMOS-Schaltung entha^en sind, kann auch der ungesättigte Teil· eines Puffertransistors al·s aktives El·ement in Vorte^hafter Weise al·s El·ement mit niedrigem Widerstand verwandt werden. Obwohl bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ein Impedanzelement Verwendung findet, bestehen also keine Schwierigkeiten, aktive Elemente zuverwenden.

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

Es bereitet auch keine Schwierigkeit, wenn der Widerstand des geschiossenen Kreises mit dem hohen Widerstand einen maximalen Wert hat, wenn also der Kreis geöffnet ist. Selbst in dem Fa^e eines geöffneten Kreises ist die Kopplungskapazität in dem Puffertransistor vorhanden, so daß die Scheitelspannung nicht unbegrenzt durch die kapazitive Komponente verstärkt wird und ein entsprechender Nachweis wie. bei einem geschossenen Kreis mit einem hohen Widerstand erfol·gt. Bei Verwendung eines unendlich großen Widerstands ergibt sich eine vorteilhafte Vereinfachung der Schalung.

Im fol·genden soll erläutert werden, warum bei Verwendung einer Nachweisschal·tung gemäß der Erfindung eine Quarzuhr im a^gemeinen auch dann nicht angehalten wird, wenn auf sie ein äußeres magnetisches Wechsel·fθl·d einwirkt. Die graphische Darste^ung in Fig. 8 zeigt die Breite des Antriebsimpul·ses des Schrittmotors in Abhängigkeit vom magnetischen Widerstand. Zweckmäßigerweise wird der Schrittmotor norrr^erWeise innerhaU) des Bereichs 58 angetrieben, wenn die Impul·sbreite innerhalb des Bereichs 58 erhöht wird, kann bei bestimmten relativen Dreh-

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lagen des Rotors eine fehlerhafte Drehung des Rotors verursacht werden, wodurch der magnetische Widerstand für das Wechselfeld nachteilig beeinflußt wird. Wenn die impulsbreite des Antriebsimpulses weiter erhöht wird, wird der Schrittmotor innerhalb des Bereichs 59 in Fig. 8 angetrieben. In dem Bereich 59 endet der Antriebsimpuls, nachdem der Rotor durch den Magnetfluß der Spule ausreichend angezogen wurde, wodurch der Schrittmotor gegen Einflüsse durch das äußere magnetische Feld verstärkt wird. Beim Nachweis des äußeren magnetischen Wechselfelds kann nämlich der zwangsläufige Antriebsimpuls des Motors entsprechend der Impulsbreite des günstigsten magnetischen Widerstands innerhalb des Bereichs 58 eingestellt werden, oder entsprechend der ausreichend großen Impulsbreite in dem Bereich 59, falls eine Einrichtung gemäß der Erfindung verwandt wird.

Bei bekannten Einrichtungen für Uhren, bei denen eine derartige Nachweiseinrichtung gemäß der Erfindung nicht vorgesehen ist, wird der magnetische widerstand des Schrittmotors durch zusätzliche Teile wie eine magnetische Abschirmplatte oder einen magnetischen Abschirmring auf Kosten des magnetischen Widerstands mehr oder weniger erhöht, wenn der Antriebsimpuls eingestellt wird. Bei Verwendung einer Einrichtung gemäß der Erfindung wird dagegen der Schrittmotor mit der zweckmäßigsten Impulsbreite und dem optimalen magnetischen Widerstand angetrieben.

Im folgenden soll die Arbeitsweise der Schaltung in Fig. 4 im Hinblick auf den Nachweis des magnetischen Wechselfelds näher erläutert werden. Bei der Nachweisschaltung in Fig. 4 bestehen die p-Kanal-Bauteile 21,22 und die n-Kanal-Bauteile 23,24 aus zwei Paaren von CMOS-Invertern, deren Ausgänge a,b mit den Enden der Spule 20 des Schrittmotors sowie mit einem Ende der Nachweiswiderstände 28,29 verbunden sind. Das andere Ende der Nachweiswiderstände 28,29 ist mit den Source-Elektrodeη der n-Kanal-Bauteile 25 bzw. 26 verbunden. Die positiven Eingänge von Spannungskomparatoren 30,31 sind mit dem einen Ende der Widerstände 28,29 verbunden. Die negativen Eingänge der Komparatoren 30,31 sind mit dem Spannungsteilerpunkt eines Bezugswiderstands 34 verbunden.

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original inspected

Die Ausgänge der Komparatoren sind mit einer ODER-Schaltung 32 verbunden. Ein Ende des Bezugswiderstands 34 ist über ein n-Kanal-Bauteil 27 geerdet. Die beiden Eingänge einer Umschaltung 33 sind mit einem Ausgang der ODER-Schaltung 32 und einer Gate-Elektrode des n-Kanal-Bauteils 27 verbunden. Die Gate-Anschlüsse lol bis 107 der Bauteile 21 bis' 27 und der Ausgang 110 der Umschaltung 33 sind mit einer Steuerschaltung 65 (Fig. 9) verbunden.

Bei dem in Fig. 9 dargestellten Blockschaltbild werden der Steuerschaltung 65 die von einer an einen Quarzoszillator angeschlossenen Frequenzteilerschaltung 66 gelieferten Signale zugeführt, um die Signale für die Betätigung der Driverschaltung und der Nachweisschaltung zu erzeugen. Ein Ausführungsbeispiel der Steuerschaltung 65 ist in Fig. lOA dargestellt. Fig. 1OB zeigt ein Laufzeitdiagramm der Eingangssignale.

Die Signale werden mit einer Periode von 1 Sekunde von der Frequenzteilerschaltung geliefert.

Ein Rückstelleingang R einer Flipflopschaltung 70 ist mit dem Eingangsanschluß 110 verbunden. Ein Stelleingang S dieser Schaltung ist mit einem Eingang zur Zufuhr eines Signals 121 verbunden. Die Ausgänge Q, -Q der Schaltung sind mit einem Eingang einer UND-Schaltung 71 bzw. 72 verbunden, deren anderem Eingang Signale 122 bzw. 123 zuführbar sind. Der Ausgang der UND-Schaltungen 71,72 ist mit dem betreffenden Eingang einer ODER-Schaltung 73 verbunden.

Ein Taktimpuls-Eingang CL einer Flipflopschaltung 74 ist mit dem Ausgang der ODER-Schaltung 73 verbunden. ?:in positiver Ausgang Q dieser Schaltung ist mit Eingängen von Jmschaltungen 75,76 verbunden. Ein negativer Ausgang Q ist mit Eingängen von UND-Schaltungen 77,78 und einen» Dateneingang D der Flipflop-Schaltung 74 verbunden. Die anderen Eingänge der UND-Schaltungen 15,11 sind mit dem Ausgang der ODER-Schaltung 73 und die anderen= Eingänge der UND-Schaltungen 76,78 mit einem Eingang für ein Signal 124 verbunden. Der Ausgang der UND-Schaltung 75 ist mit dem Anschluß lol über einen Inverter 79, und der Ausgang der

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UND-Schaltung 76 mit dem Anschluß 105 verbunden. Der Ausgang der UND-Schaltung 77 ist mit den Anschluß 102 über einen Inverter 80 verbunden. Der Ausgang der UND-Schaltung 78 ist mit dem Anschluß 106 verbunden. Die Eingänge von ODER-Schaltungen 81,82 sind mit den Ausgängen der UND-Schaltungen 75 bis 78 verbunden, deren Ausgänge mit den Gate-Anschlüssen 103,104 verbunden sind.

im folgenden soll die Arbeitsweise'unter Bezugnahme auf die Fig. 11, 4 und Io erläutert werden.

Da dem Eingang S der Flipflopschaltung 70 in Fig. lOA jede Sekunde ein Signal 121 zugeführt wird, ergibt sich an den Ausgängen Q bzw. Q ein Signal "H" bzw. "L", bis an dem Ausgangsanschluß 110 das Nachweissignal auftritt, wie später noch näher erläutert werden soll. Deshalb wird das Signal 123 von der ODER-Schaltung 73 abgegeben. Die Ausgangssignale der Flip-Flopschaltung 74 werden invertiert, wenn der jeweilige impuls dem Eingang CL zugeführt wird, so daß sich die Wellenform/ abwechselnd jede Sekunde ändern, die an den Gate-Anschlüssen lol bis 106 auftreten.

Die an den Anschlüssen 101 bis 106 auftretenden Wellenformen sind in Fig. HA dargestellt. Das Signal 123 ist das Antriebssignal für den Schrittmotor unter normalen Betriebsbedingungen, dessen Impulsbreite durch die Last, das Volumen etc. des Schrittmotors bestimmt wird. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt die Impulsbreite 5,8msec. Das Signal 122 ist ein zwangsläufiges Antriebsimpulssignal, das anstelle der Antriebsimpulse beim Normalbetrieb erzeugt wird, sobald an dem Schrittmotor das Magnetfeld auftritt, das mit Hilfe der Nachweisschaltung für ein äußeres Magnetfeld erzeugt wird. Die Impulsbreite des Signals 122 ist größer als die Impulsbreite des Signals 123, und betragen bei diesem Ausführungsbeispiel 9,8msec. Das Signal 124 dient zum Nachweis des äußeren magnetischen Wechselfe Ids. Die üblicherweise auftretenden Frequenzen des äußeren Magnetfelds haben eine der Netzfrequenz entsprechende Frequenz von 50 Hz, weshalb der gesamte Nachweisabschnitt

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mindestens eine wellenlänge entsprechend 20 msec bei 50 Hz Netzfrequenz hat, also eine längere Wellenlänge im Vergleich zu einer Netzfrequenz von 60 Hz. Der Umschaltzyklus zwischen dem Kreis mit dem hohen widerstand und dem Kreis mit dem geringen Widerstand entspricht 1 : 3 (in der Zeichnung übertrieben dargestellt), welche Frequenz bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel 512 Hz beträgt.

Das Signal Io7 in Fig. llA dient zur Verringerung des Stromverbrauchs durch den Bezugswiderstand 34 in der Nachweisschaltung auf einen möglichst geringen Wert, sowie zum Ausblenden des Nachweissignals, falls dieses unnötig ist. Die Frequenz des Signals 107 ist die gleiche wie diejenige der Nachweisimpulse 124 und des Zyklus des geschlossenen Kreises mit dem hohen Widerstand und des geschlossenen Kreises mit dem niedrigen Widerstand, welche im allgemeinen kleiner als diejenige des Signals 124 ist, und beträgt bei dem Ausführungsbeispiel 1:7.

Vor dem Nachweis des äußeren magnetischen Wechselfelds mit dem Nachweisabschnitt mit.20msec in Fig. HA, sind die p-Kanal-Bauteile 21,22 abgeschaltet, die n-Kanal-Bauteile 25,26, 27 abgeschaltet, und die η-Kanal-'Bauteile 23,24 sind eingeschaltet. Die beiden Enden der Spule 20 sind dann geerdet, die UND-Schaltung 33 ist ausgeblendet und das Nachweissignal 110 in Fig. 4 beträgt ¹¹L". Der Nachweisimpuls 105 ist dann "H", die n-Kanal-Bauteile 24,25 und 27 sind eingeschaltet und der geschlossene Kreis mit dem hohen Widerstand ist angeschaltet. Wenn der Nachweisimpuls "L" ist, sind die n-Kanal-Bauteile 23,24 eingeschaltet und der Kreis mit dem niedrigen Widerstand ist angeschaltet. Deshalb wird zwischen den geschlossenen Kreisen mit der Spule 20 umgeschaltet, wie bei der Erläuterung des Prinzips der Verstärkung beschrieben wurde. Wenn der abwechselnd umgeschaltete Motor sich nicht in einem magnetischen wechselfeld befindet, befinden sich die beiden Enden a,b der Spule konstant auf V , so daß die Nachweis-Schwellenwertspannung V_m„ nicht erreicht wird und das Signal Ho "L" bleibt. Deshalb wird ein normaler Antriebs impuls

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68 mit einer Impulsbreite von 5,8 msec für den nächsten Antrieb zugeführt. Bei einer derartigen zeitlichen Steuerung wird nur der p-Kanal- Bauteil 22 und der n-Kanal-Bauteil 23 eingeschaltet und ein Strom fließt durch die Spule 20 von b nach a. Bei dem nächsten Schritt nach etwa 1 Sekunde, erfolgt eine Phasenumkehr und die Schaltung bewirkt eine entsprechende Arbe it swe ise .

in Verbindung mit Fig. llB soll die Arbeitsweise erläutert werden,, wenn der Schrittmotor in ein magnetisches Wechselfeld gelangt. Bei der Nachweissteuerung ist das in Fig. 11B dargestellte Signal an beiden Enden a und b der Spule vorhanden, wie in Verbindung mit dem Prinzip der Verstärkung erläutert wurde. Das Signal wird den Komparatoren 30,31 zugeführt, so daß ein Vergleich mit der Nachweis-Schwellenwertspannung V_TH erfolgt und dadurch ein Nachweissignal 69 erzeugt wird. Das Nachweissignal 69 wird dem R-Eingang der Flipflopschaltung 70 in Fig. lOA zugeführt und invertiert die Schaltung. Als Folge davon wird der zwangsläufige Antriebsimpuls 122 dem Motor rechtzeitig zugeführt, so daß auch dann ein stabiler Antrieb erfolgt, wenn sich der Motor in einem äußeren magnetischen Wechselfeld befindet.

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

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Konstruktion im Vergleich zu bekannten elektronischen Uhren ermöglicht.

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Leerseite

Claims

Patentanspruch

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

909848/0830