DE2951947A1 - Antriebsschaltung fuer einen schrittmotor einer elektrischen uhr - Google Patents

Description

Antriebsschaltung für einen Schrittmotor einer elektrischen

Die Erfindung eine Antriebsschaltung für einen Schrittmotor einer elektrischen Uhr, insbesondere einer Quarzarmbanduhr.

Um den Verbrauch elektrischer Energie bei dem Antrieb des Schrittmotors einer Quarz armbanduhr möglichst gering zu halten, istes bereits bekannt, den Schrittmotor beim Normalbetrieb mit Impulsen kürzerer Dauer anzutreiben, aber den Motor mit Impulsen längerer Impulsdauer anzutreiben, wenn sich der Rotor aus irgendeinem Grund nicht normal dreht (D-4280).

Bei derartigen Korrekturverfahren wird die Drehung bzw. der Stillstand des Rotors mit Hilfe einer Nachweisschaltung festgestellt, um gegebenenfalls anstelle von Nörmalimpulsen Korrekturimpulse zuführen zu können. Fig. 1a zeigt einen bekannten Schrittmotor (D-3681), der zum Antrieb der Uhrzeiger einer Quarzarmbanduhr dient. Fig. 1b zeigt einen Impulszug zum Antrieb dieses Schrittmotors. Wenn ein derartiger Impuls der Spule 3 des Schrittmotors zugeführt wird, wird der Stator 1 magnetisiert und der Rotor 2 um 180° durch abstoßende bzw. anziehende Kräfte zwischen dem Stator 1 und dem Magnetpol des Rotors 2 gedreht.

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Bei dem bekannten Antriebsverfahren wird die Impulsdauer derart bestimmt, daß eine ausreichende Ausgangsleistung des Schrittmotors bei allen Betriebsbedingungen der Uhr gewährleistet ist. Deshalb ist eine zusätzliche Ausgangsleistung des Schrittmotors erforderlich, die einer größeren Impulsdauer des Antriebsimpulses entspricht, damit auch eine Fortschaltung der Datumanzeige, eine Erhöhung des Innenwiderstand der Batterie, eine Verringerung der Betriebsspannung der Batterie und dergleichen Umstände berücksichtigt werden können. Deshalb muß der Schrittmotor auch im Normalfall mit Impulsen verhältnismäßig langer Dauer angetrieben werden.

Zur Vermeidung dieses Nachteils wurde bereits vorgeschlagen, den Schrittmotor mit Normalimpulsen kurzer Impulsdauer anzutreiben und bei größerer Belastung des Schrittmotors Impulse mit längerer Impulsdauer zuzuführen, damit ein ausreichendes Ausgangsdrehmoment erzielt werden kann. Es ist jedoch verhältnismäßig schwierig, Nachweiselemente wie mechanische Kontakte, Hall-Elemente und dergleichen Elemente zum Nachweis der Drehung oder des Stillstands des Rotors zu verwenden, weil sich dadurch ein zusätzlicher Raumbedarf ergibt und die Herstellungskosten nicht unbeträchtlich erhöht werden.

Um den Drehzustand des Rotors nachzuweisen, kann auch davon ausgegangen werden, daß nach der Zufuhr eines Antriebsimpulses eine Spannung durch Vibration des Rotors durch die Änderung seines Drehzustands induziert wird. Ein Nachteil dieses bekannten NachweisVerfahrens ist jedoch darin zu sehen, daß Meßfehler auftreten können, wenn ein äußeres magnetisches Wechselfeld auf den Rotor ausgeübt wird. Deshalb eine stärkere magnetische Abschirmung erforderlich.

Fig. 2 zeigt eine bekannte Treiberschaltung, die ebenso wie der Schrittmotor in Fig. 1a bei einer Einrichtung gemäß .der Erfindung verwendbar ist. In der Schaltung sind die Eingänge von n-Kanal-FET-Gattern 4b,5b und die Eingänge von p-Kanal-FET-Gattern 4a, 5a getrennt und die η-Gatter 4b,5b und die p-Gatter 4a, 5a sind gleichzeitig abgeschaltet. Die Schaltung enthält Nachweiswiderstände 6a,6b zum Nachweis des Drehzustands des Rotors 2, sowie η-Gatter 7a,7b zum Anschalten der Nachweis-

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widerstände 6a,6b.

Fig. 3 zeigt einen Impulszug bei dem bekannten Korrekturverfahren. Wenn eine Spannung an die Spule 3 angelegt wird, fließt ein Strom durch die Spule entlang dem Stromweg 9 in Fig. 2 während eines Zeitintervalls ;=» in FigT 3. Während des Äeitintervalls h in Fig. 3 fließt ein Strom in der geschlossenen Schleife 10, welche den Nachweiswiderstand 6b in Fig. 2 durch einen Schaltvorgang enthält. Die durch Vibration des Rotors 2 induzierte Spannung tritt an dem Anschluß 8b nach der Zufuhr des Antriebsimpulses auf. Wenn ein den Stillstand kennzeichnendes Signal während des Zeitintervalls b nachgewiesen wird, wird der Schrittmotor in geeigneter Weise durch einen hinreichend langen Impuls angetrieben, wobei Strom entlang dem Weg in Fig. 2 fließt, um einen geeigneten Antrieb der Uhr während des Zeitintervalls c in Fig. 3 zu gewährleisten.

Im folgenden soll das Nachweisverfahren zur Bestimmung des Drehzustand des Rotors näher erläutert werden.

Fig. 4 zeigt Wellenformen des Stroms in der Spule 3 des Schrittmotors, deren Spulenwiderstand 3 k Sl und deren Windungszahl 10 000 beträgt. Wenn ein Antriebsimpuls von 3,9 msec Impulsbreite der-Spule 3 zugeführt wird, hat der durch den Weg 9 in Fig. 2 während des Zeitintervalls a fließende Strom fast dieselbe Wellenform unabhängig von dem Drehzustand des Rotors. Während des Zeitintervalls b erfolgt eine starke Änderung des Stroms in der geschlossenen Schleife 10, der durch den Einfluß der Vibration des Rotors 2 nach der Zuführung des Antriebsimpulses induziert wird, welche Änderung von dem Drehzustand des Rotors und auch davon unabhängig ist, ob eine Last angeschlossen ist oder nicht. Die Wellenform b1 während des Zeitintervalls b in Fig. 4 zeigt die Wellenform, wenn sich der Rotor 2 dreht. Die Wellenform b2 betrifft den Fall, daß sich der Rotor 2 nicht dreht. Durch die Schaltung in Fig. 2 soll der Unterschied zwischen der Drehung und dem Stillstand des Rotors als Spannungswellenform festgestellt werden. Während des ZeitintervalIs b in Fig. 4 fließt der durch die Vibration des Rotors 2 induzierte Strom durch den Nachweiswiderstand 6b in der geschlossenen Schleife 10, und an dem Anschluß 8b tritt

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eine größere Spannungswellenform auf als in dem Fall, in dem der Nachweiswiderstand 6b nicht angeschlossen ist. Da der in der Normalrichtung während des Zeitintervalls b fließende Strom umgekehrt gegenüber dem Nachweiswiderstand 6b ist, tritt eine negative Spannung über dem Nachweiswiderstand 6b auf.

Wenn jedoch die η-Gatter 5b und 7b abgeschaltet bzw. angeschaltet sind, arbeitet das η-Gatter 5b als Diode durch Verwendung der Vss-Anschlußseite als Anodenspannung, da ein pn-übergang vorhanden ist, der als Diode zwischen der Drainelektrode und der p-Sourceelektrode des η-Gatters 5b wirkt. Deshalb wird das η-Gatter 5b durch die in der Spule 3 induzierte Spannung in Durchlaßrichtung vorgespannt, und es ergibt sich eine negative Spannung an dem Anschluß 8b und ein Strom fließt in Durchlaßrichtung in dem η-Gatter 5b. Da beim Fließen des Durchlaßstroms in dem η-Gatter 5b die Impedanz niedrig ist, wird der Rotor gedämpft.

Die Beziehung zwischen der Arbeitsweise des Rotors 2 und dem Nachweissignal soll in Verbindung mit Fig. 5 erläutert werden» welche den Stator 1 und den Rotor 2 des Schrittmotors zeigt. Fig. 5a zeigt die Ruhelage des Rotors 2. Der Stator 1 weist in den den Rotor umgebenden öffnungen Ausnehmungen 16a,16b auf, welche das Fortschalt-Drehmoment bestimmen. Die äußeren Ausnehmungen 15a, 15b ermöglichen eine einstückige Ausbildung des Stators. Im Falle eines zweistückigen Stators ist an Stellen 15a,15b eine Trennung vorhanden. In der Ruhelage des Rotors 2 sind die Magnetpole N und S um 90° zu den Ausnehmungen 16a, 16b versetzt.

Fig.5b betrifft die Zufuhr eines Antriebsimpulses, wobei sich der Rotor in Richtung des Pfeils 17 dreht. Da die Impulsdauer des Antriebsimpulses nicht mehr als 3,9 msec beträgt, ist der Impuls beendet, wenn die Pole des Rotors in der Nähe der Ausnehmungen 16 gelangen. Bei einer großen Last kann sich jedoch der Rotor nicht vollständig drehen, sondern dreht sich wieder in umgekehrter Richtung, wie in Fig. 5c dargestellt ist. In diesem Fall werden die Magnetpole des Rotors 2 in der Nähe der äußeren Ausnehmungen 15a vorbeibewegt, so daß ein starker Strom in der Spule erzeugt wird. Da jedoch die Schaltung in

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Fig. 2 die geschlossene Schleife 10 enthält, tritt eine negative Spannung an dem Anschluß 8b auf und ein Durchlaßstrom fließt durch das η-Gatter, das als Diode dient. Dadurch wird der Rotor 2 gedämpft. Deshalb wird die Bewegung des Rotors 2 schnell verzögert und die durch die Vibration des Rotors 2 induzierte Spannung ist danach klein. Andererseits kann sich im Fall einer kleinen Last der Rotor durch Trägheitskräfte weiter drehen, so daß er sich dann in Richtung des Pfeils 19 in Fig. 5d dreht. Da der Magnetfluß des Rotors 2 rechtwinkelig durch die äußeren Ausnehmungen 15 verläuft, ist die induzierte Stromstärke am Anfang klein. Eine große Stromstärke wird erzeugt, wenn sich die Magnetpole zu dem angrenzenden Teil der äußeren Ausnehmungen 15 bewegen.

Weil dann eine negative Spannung an dem Anschluß 8b der geschlossenen Schleife 10 vorhanden ist, wird der Rotor durch den Diodeneffekt des η-Gatters 5b gedämpft. Danach gelang der Rotor in die Ruhelage in Fig. 5a und die für die Drehung des Rotors 2 kennzeichnende Spannung tritt an dem Anschluß 8b in Fig. 2 auf, wenn der Rotor in die Ruhelage zurückgelangt.

Fig. 6a zeigt den Spannungsverlauf 20 an dem Anschluß 8b bei einer Drehung des Rotors 2. Während des Zeitintervalls a wird der Antriebsimpuls mit einer Impulsbreite von 3,9 msec zugeführt. Während des Zeitintervalls a ergibt sich der Stromweg 9 in Fig. 2 (VDD = 1,57 V). Während des Zeitintervalls b tritt eine Wellenform auf, welcher der durch die Vibration, des Rotors in - der geschlossenen Schleife 10 in Fig. 2 induzierten Spannung entspricht. Die negative Spannung wird auf etwa 0,5 V durch den Diodeneffekt des η-Gatters 5b festgehalten, und der Scheitelwert der positiven Spannung beträgt 0,4 V. Die Wellenform 21 zeigt die Spannung an dem Anschluß 8b, wenn sich der Rotor 2 nicht dreht, und der Maximalwert der positiven Spannung beträgt weniger als 0,1 V. Mit Hilfe der beiden Maximalwerte dieser Spannungen kann unterschieden werden, ob sich der Rotor dreht oder nicht. Obwohl die Differenz zwischen den beiden Scheitelwerten dieser Spannungen klein ist, kann mit Hilfe einer Verstärkung eine zuverlässige Unterscheidung erfolgen, wie im folgenden noch näher erläutert wird.

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Die Schleifen 10 und 11 in Fig. 2 werden abwechselnd während des Zeitintervalls b in Fig. 6a geschlossen. Da die beiden Enden der Spule 3 durch die η-Gatter 4b,5b kurzgeschlossen werden, die im leitenden Zustand einen Widerstand von etwa 100 JQ. aufweisen, wird durch die Vibration des Rotors in der Schleife 11 ein verhältnismäßig starker Strom erzeugt. Wenn die Schleife 10 angeschaltet wird, fließt ein Strom durch den Nachweiswiderstand 6b während eines Augenblicks, wegen der Induktivität der Spule 3. Deshalb ist dann eine hohe Scheitelspannung über den Nachweiswiderstand 6b vorhanden. Die durch den Rotor 2 induzierte Spannungwellenform 20 an dem Anschluß 8b ist in Fig. 6b dargestellt und tritt auf, wenn die Schleifen 10 und 11 in Fig. 2 abwechselnd geschlossen werden. Fig. 6c zeigt die Spannungswellen 22,23 in Abhängigkeit von der Zeit in Mikrosekunden. Die Scheitelspannung ist in diesem Fall um 30 /t/sec im Vergleich zu dem Zeitpunkt des Schließens der Schleife 10 verzögert. Die Verzögerung der Scheitelspannung wird durch die Kapazität zwischen der Drainelektrode und der Sourceelektrode des n-Gatters 5b verursacht. Die Nachweissignale können in einfacher Weise um eine Vielfaches durch das oben beschriebene Verfahren verstärkt werden, so daß der Drehzustand des Rotors 2 zuverlässiger nachgewiesen werden kann. Obwohl der Drehzustand des Rotors 2 in der beschriebenen Weise nachgewiesen werden kann, weist die Nachweismethode einen wesentlichen Nachteil auf. Wenn nämlich der Schrittmotor einem äußeren magnetischen Wechselfeld ausgesetzt ist, wird durch dieses Wechselfeld eine Spannung in der Spule 3 induziert, so daß durch den Nachweiswiderstand die Feststellung erfolgt, daß sich der Rotor dreht, obwohl der Rotor tatsächlich stillsteht. Ob der Motor durch ein äußeres magnetisches Wechselfeld angehalten werden kann, hängt deshalb von der Impulsbreite des Normalimpulses mit eher Impulsdauer von 3,9 msec ab. Fig. 7 zeigt den antimagnetischen Widerstand, der weniger als 3 Oerstedt ist, wenn die Impulsbreite 3,9 msec beträgt.

Deshalb eine weitgehende antimagnetische Abschirmung benötigt, wenn der Schrittmotor mit Hilfe dieser Antriebsschaltung betätigt werden soll. Dadurch ergibt sich der Nachteil eines erhöhten Raumbedarfs, sowie eine Vergrößerung der Dicke und eine

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Erhöhung der Herstellungskosten.

Bei einem anderen vorgeschlagenen Antriebsverfahren wird die Impulsbreite des Normalimpulses entsprechend der Belastung geändert, um den Stromverbrauch des Schrittmotors zu verringern. Bei diesem Verfahren wird der Rotor durch einen Impuls mit einer derartigen minimalen Impulsbreite angetrieben, daß der Rotor sich bei geringer Belastung noch drehen kann, wenn ein Antrieb der Datumanzeigeeinrichtung nicht benötigt wird. Wie aus Fig. 7 ersichtlich ist, ergeben sich dann jedoch noch schlechtere antimagnetisehe Eigenschaften. Deshalb ist es erforderlich, die antimagnetischen Eigenschaften beispielsweise durch eine Abschirmplatte zu verbessern. Deshalb ist auch bei Verwendung dieses Verfahrens eine Verringerung der Abmessungen der Uhr nicht erzielbar.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Antriebsschaltung der eingangs genannten Art unter möglichst weitgehender Vermeidung der genannten Nachteile und Schwierigkeiten derart zu verbessern, daß einerseits äußere magnetische Wechselfelder einen geringeren Störeinfluß ausüben, und daß andererseits die antimagnetischen Eigenschaften des Schrittmotors unter Beibehaltung der Vorteile eines Korrekturverfahrens verbessert werden. Ferner sollen zur Lösung dieser Aufgabe möglichst keine zusätzlichen Elemente erforderlich sein.

Fig. 8 zeigt das an den Anschlüssen 8b - 8a in Fig. 2 auftretende Signal. Das Zeitintervall a entspricht einem Normalimpuls, das Zeitintervall b dient zum Nachweis des Drehzustands des Rotors, das Zeitintervall c dient zur Erzeugung eines Korrekturimpulses , wenn sich der Rotor nicht dreht, das Zeitintervall b¹ entspricht der Vibrationsdauer des Rotors, wenn der Korrekturimpuls erzeugt wird, und das Zeitintervall c entspricht dem Ruhezustand des Rotors. Wenn die in der Spule 3 induzierte Spannung während des Zeitintervalls d nachgewiesen wird, soll davon ausgegangen·werden, daß der Schrittmotor einem äußeren magnetischen Wechselfeld ausgesetzt ist, und daß die Impulsbreite des nächsten Antriebsimpulses der Darstellung in Fig. 7 entspricht. Gemäß der Erfindung wird der Schrittmotor durch einen Impuls mit einer Impulsbreite angetrieben, welche

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die antimagnetischen Eigenschaften des Schrittmotors beim Auftreten eines äußeren magnetischen Wechselfelds verbessert.

Ferner soll durch die Erfindung vermieden werden, daß ein fehlerhafter Nachweis des Drehzustands des Schrittmotors beim Auftreten eines magnetischen Wechselfelds erfolgt, oder daß ein in gleicher Richtung verlaufender Antriebsimpuls zweimal erzeugt wird, um andererseits zu erreichen, daß der Schrittmotor in einem magnetischen Wechselfeld stabil angetrieben werden kann.

Gemäß der Erfindung ist ein einfacherer Nachweis des Nachweissignals mit erhöhter Spannung möglich, weil ein Element mit hoher Impedanz Verwendung findet. Dieses Element wird in einer integrierten Schaltung durch einen Diffusionswiderstand gebildet, der ohne weiteres der integrierten Schaltung zugefügt werden kann. Dieser Diffusionswiderstand besteht aus Schichten ρ , ρ und η . Ferner soll gemäß der Erfindung ein Spannungskomparator vorgesehen werden, dessen Elemente ebenfalls in die integrierte Schaltung aufgenommen weiden können.

Ferner soll beim Nachweis des Dsehzustands des Rotors der Verstärkungsfaktor der Nachweisspannung vergrößert werden, falls eine äußere magnetische Wechselspannung festgestellt wird. Der Verstärkungsfaktor soll veränderlich sein, ohne daß eine Konstante der Nachweisschaltung verändert werden muß, in dem das Zeitintervall verändert wird,um wahlweise die Schleife mit dem Element niedriger Impedanz und die Schleife mit dem Element hoher Impedanz zu schließen. Deshalb soll erreicht werden, daß durch Verstärkung des Nachweissignals für das Magnetfeld ein geringerer Stöueinfluß durch äußere Bedingungen erzielt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Zusammenfassend sind deshalb die wesentlichen Merkmale der Erfindung in einer Antriebsschaltung für einen Schrittmotor zu sehen, die eine Nachweisschaltung für ein äußeres magnetisches Wechselfeld enthält, das durch die Antriebsspule des Schrittmotors nachgewiesen wird. Wenn ein äußeres magnetisches Feld

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festgestellt wird, wird ein Impuls mit größerer Impulsbreite der Antriebsspule zugeführt, so daß die Uhr mit geringem .Lei stungsverbrauch stetig angetrieben werden kann, weil dann der Antriebsimpuls so klein wie möglich sein kann.

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

Fig. 1a eine perspektivische Ansicht eines bekannten Schrittmotors, der in einer Schaltung gemäß der Erfindung verwendbar ist;

Fig. 1b Antriebsimpulse für diesen Schrittmotor;

Fig. 2 ein Teilschaltbild einer an sich bekannten Antriebsschaltung mit einer Nachweisschaltung, die in einer Schaltung gemäß der Erfindung verwendbar ist;

Fig. 3 Antriebsimpulse zur Durchführung eines bekannten Korrekturverfahrens ;

Fig. 4 in einem Schrittmotor auftretende Wellenform des Stromverlaufs ;

Fig. 5a - Fig. 5d Teilansichten eines Schrittmotors zur Erläuterung des Drehzustands des Rotors;

Fig. 6a Wellenformen der Spannung, die in dem Nachweiswiderstand induziert wird> wenn die Schleife mit dem hohen Widerstand und die Schleife mit dem niedrigen Widerstand geschlossen werden, falls der Rotor sich dreht oder nicht dreht;

Fig. 6b zeigt die in dem Nachweiswiderstand induzierte Welleform, wenn die Schleife mit dem hohen Widerstand und die Schleife mit dem niedrigen Widerstand geschlossen werden, wenn sich der Rotor dreht oder nicht dreht;

Fig. 6c eine hinsichtlich der Zeit verlängerte Darstellung der Wellenformen 22 und 23 in Fig. 6b;

Fig. 7 eine grafische Darstellung der antimagnetischen Eigenschaften in Abhängigkeit von der Impulsbreite;

Fig. 8 einen Impuls zug für Antriebs impulse in einer Schaltung gemäß der Erfindung zum Nachweis eines magnetischen Wechselfelds;

Fig. 9 einen Grundriß einer Quarzarmbanduhr mit einer Schaltung gemäß der Erfindung;

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Fig. 10a ein Blockschaltbild einer Quarzuhr mit einer Schaltung gemäß der Erfindung;

Fig. 10b ein im Vergleich zu Fig. 10a abgewandeltes Ausführungsbeispiel;

Fig. 11a ein Schaltbild eines Teils der Steuerschaltung in Fig. 10;

Fig. 11b ein Schaltbild eines Komparators in der Nachweisschaltung;

Fig. 12a Ausgangssignale der Antriebsschaltung;

Fig. 12b ein Schaltbild der Steuerschaltung, der die Signale in Fig. 12a zugeführt werden;

Fig. 13 eine grafische Darstellung des Aus gangs drehmoments des Schrittmotors in Abhängigkeit von der Impulsbreite der Antriebsimpulse beim Antrieb des Minutenzeigers;

Fig. 14 Antriebsimpulse zur Erläuterung des Zusammenhangs zwischen einem Korrekturverfahren/ bei dem die Impuls breite entsprechend der Belastungsänderung geändert wird, und einer Schaltung gemäß der Erfindung, mit der ein sich änderndes Süßeres magnetisches Wechselfeld nachgewiesen wird;

Fig. 15a einem abgewandelten Ausführungsbeispiel entsprechende Ausgangssignale der Antriebsschalbung;

Fig. 15b ein Schaltbild eines Teils der Steuerschaltung, der die Signale in Fig. 15a zugeführt werden;

Fig. 16a eine Schnittansicht eines n-Kanal-Transistors;

Fig. 16b ein Fig. 16a entsprechendes Äquivalentschaltbild im abgeschalteten Zustand des n-Kanal-Transistors;

Fig. 17 ein Äquivalentschaltbild im Falle des abwechselnden Schließens der Schleife mit dem niedrigen Widerstand und der Schleife mit dem hohen Widerstand;

Fig. 18a eine Wellenform der Nachweisspannung beim Nachweis eines magnetischen Wechselfelds mit 50 Hz;

Fig. 18b die Abhängigkeit der Nachweisspannung von der Feldstärke des magnetischen Wechselfelds; .

Fig. 19 die Abhängigkeit der Nachweisspannung V^ von dem Nachweiswiderstand R-;

Fig. 20a ein Schaltbild des Spannungskomparators; Fig. 20b ein Blockschaltbild des Spannungskomparators;

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Fig. 20c eine grafische Darstellung der Stromstärke in Abhängigkeit von der Spannung bei der Transistoren 160 und 161; und

Fig. 2Od eine grafische Darstellung der Abhängigkeit der Stromstärke von der Spannung bei den Transistoren 162 und 163.

Fig. 9 zeigt eine Quarzuhr mit einer Schaltung gemäß der Erfindung, welche eine Basisplatte 60, einen Spulenblock 61, einen Stator 62, eine Brücke 63 für einen Rotor, einen Getriebezug etc., eine Batterie 64, einen Schwingquarz 65 sowie einen Schaltungsblock 66 aufweist, der eine Schaltung gemäß der Erfindung und eine integrierte Schaltung enthält.

Fig. 10a zeigt ein Elockschaltbild einer Quarzuhr, die eine Schaltung gemäß der Erfindung enthält. Fig. 10b zeigt eine abgewandeltes Ausführungsbeispiel eines derartigen Blockschaltbilds. Das Blockschaltbild enthält eine Oszillatorschaltung 90 mit einem Schwingquarz für 3276 8 Hz. Dieses Signal wird einer Frequenzteilerschaltung 91 zugeführt, die 15 Stufen mit Flipflopschaltungen enthält und ein Signal von 1 Hz abgibt. Der Ausgang jeder Stufe der Flipflopschaltungen besteht aus einer Wellenformschaltung 95, und die Antriebsimpulse für den Schrittmotor und Taktimpulse für den Nachweis werden in einem UND-Gatter, ODER-Gatter einer Flipflopschaltung oder dergleichen gebildet. Eine Nachweisschaltung 93 besteht aus der Schaltung in Fig. 2 und aus ethern Komparator, welcher das an den Anschlüssen 8a und 8b auftretende Nachweissignal prüft. Der Ausgang der Treiberschaltung und der Nachweisschaltung 93 ist mit einem Schrittmotor 94 verbunden. Das Nachweissignal wird ferner zu einer Rückkoppelung einer Steuerschaltung 92 zugeführt.

Die Wellenformschaltung 95 bildet das Signal, das für die Steuerschaltung erforderlich ist, mit Hilfe des von dem Frequenzteiler gelieferten Signals. Zunächst soll die Treiber-Nachweisschaltung 93 erläutert werden, da sie bei den im folgenden zu beschreibenden Ausführungsbeispielen 1 und 2 gleich ausgebildet ist.

Fig. 11a zeigt einen Teil der Steuerschaltung. Ausgangsanschlüsse 101 - 106 sind mit Eingangsanschlüssen mit den glei-

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chen Bezugszeichen in Fig. 2 verbunden, und ein Anschluß 107 ist mit dem Anschluß 107 in Fig. 11b verbunden. Ein Eingangsanschluß 147 in Fig. 11a schließt die Schleife 10 in Fig. 2 bei hohem Niveau "H" und ein Phasensteueranschluß 122 ändert den Zustand einer Flipflopschaltung (FF) 74, welche die Stromrichtung in dem Schrittmotor steuert. Die Phasensteuerschaltung ändert den Zustand von FF74 durch die positive Kante des Eingangssignals, wenn PD3-Signale in Fig. 12a und 15a zugeführt werden. Ein Anschluß 146 dient als Stromweg 9 in Fig. 2, wenn das "H"-Signal zugeführt wird.

FF74 wird durch eine negative Kante betätigt und das Signal von dem Anschluß 122 wird dem Taktimpulseingang CL von FF74 über einen Inverter in Form eines NICHT-Gatters 73 zugeführt.

Ein Ausgangssignal Q von FF74 wird UND-Gattern 75,76 und ein Ausgangssignal Q von FF74 wird UND-Gattern 77 und 78 zugeführt. Mit den UND-Gattern 75 und 77 ist ein Treiberanschluß 146 verbunden. Ein Nachweissignal-Eingangsanschluß 147 ist mit UND-Gattern 76 und 78 verbunden. Das Ausgangssignal des UND-Gatters 75 ist mit einem Anschluß 101 über ein NICHT-Gatter 79 verbunden und wird einem NOR-Gatter 81 zugeführt. Das Ausgangssignal des UND-Gatters 76 wird dem Anschluß 105 des NOR-Gatters 81 zugeführt. Der Ausgang des UND-Gatters 77 ist mit dem Anschluß 102 über ein NICHT-Gatter 80 und ein NOR-Gatter 82 verbunden. Die Ausgänge des NOR-Gatters 81, der Ausgang des NOR-Gatters 82 und der NachweiseIgnal-Eingangsanschluß 124 sind mit dem Anschluß 103, dem Anschluß 104 bzw. dem Anschluß 107 verbunden.

Fig. 11b zeigt eine Spannungsnachweisschaltung, die einen Teil der Treiber-Nachweisschaltung/BIldet. Die Anschlüsse 8a und 8b sind mit den Anschlüssen ix Fig. 11b verbunden. Der Anschluß 107 in Fig. 11a ist mit dem Anschluß 107 in Fig. 11b verbunden.

Die Widerstände 85,86 unterteilen die zugeführte Spannung und die unterteilte Spannung dient als Bezugssignal für den Nachweis des Drehzustands des Rotors und des äußeren Magnetfelds. Das n-Gatter 87 verhindert, daß außerhalb der Nachweisperiode ein Strom durch die Spannungsteilerwiderstände 85,

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86 fließt. Die Ausgänge von Komparatorschaltungen 83,84 befinden sich auf "H"-Niveau, wenn die Spannung des positiven Eingangssignals höher als die Spannung des negativen Eingangssignals ist. Die Ausgangssignale der Komparatoren 83,84 werden einem ODER-Ga-fcter 88 und dessen Ausgangssignal einem UND-Gatter 89 zusammen mit dem Signal von dem Anschluß 107 zugeführt, und das im Ausgang auftretende Nachweissignal wird einem Anschluß 110 zugeführt.

Im folgenden soll das 1. Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Fig. 12a zeigt das Ausgangssignal der We Ilen forms ehalt ung 95 in Fig. 10a. Das Ausgangssignal der Wellenformschaltung 95 wird jedem der Eingangsanschlüsse PD1,PD2,PD3, PS1 und PS2 der Steuerschaltung 92B in Fig. 12b zugeführt. Die We Ilen formal in Fig. 12a zeigen die Signale, die von den UND-, ODER-, NOR-, NAND-, NICHT-Gattern und dergleichen zugeführt werden, die an die Frequenzteilerschaltung angeschlossen sind. PD1 ist ein normaler Antriebsimpuls mit einer Impulsbreite von 3,9msec und wird von der Wellenformschaltung 95 einmal pro Sekunde abgegeben. PD2 ist ein Korrekturimpuls mit eiier Impulsbreite von 7,8 msec. PD3 ist ein Impuls mit einer Impulsbreite von 15,6 msec, der zur Verbesserung der antimagnetischen Eigenschaften dient, wenn ein magnetisches Wechselfeld nachgewiesen wird. PS1 ist der Impuls zum Nachweis des magnetischen Wechselfelds und verstärkt das Drehungs -Nach weis signal. Die Impulsbreite "H" =0,5 msec und "L" =1,5 msec. Deshalb ist H:L =1:3 für 23,4 msec vor der Anstiegszeit des Impulses PD1, und 7li" dauert 3,9 msec nach der Anstiegszeit des Impulses. PD1. Danach ist "H" <= 0,5 msec und "L" = 0,5 msec, also H:L =1:1. Das Drehungs-Nachweissignal des Rotors wird durch den Impuls von H:L β 1:1 verstärkt. Tatsächlich wird jedoch die Drehung des Rotors nur während eines Intervalls nachgewiesen, in dem PS2 = "H", also während 11,7 msec.

Wie aus Fig. 12b ersichtlich ist, wird das Nachweissignal von dem Anschluß 110 einem Anschluß 141 zugeführt. Das Nachweissignal wird dem Eingang S von SR-FF 150 über UND-Gatter 156 und 152 sugeführt. Ein Signal von einem Anschluß 142 wird dem UND-Gatter über ein NICHT-Gatter 157 sowie einem Eingang des UND-Gatters 152 zugeführt. Ein Ausgang des UND-Gatters 152 ist mit dem Eingang S von FF 151 verbunden. Ein Signal von einem Anschluß 143 wird dem

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Eingang R von FF 151 zugeführt. Ein Signal von dem Anschluß wird dem Eingang R von FF 151 und dem ODER-Gatter 154 zugeführt. Ein Ausgang Q von FF 151 ist mit dem UND-Gatter 153 verbunden .und ein Ausgang von dem UND-Gatter 15 3 ist mit dem DDER-Gatter 154 verbunden. Das Ausgangssignal von dem ODER-Gatter 154 wird dem UND-ODER-Gatter 155 zugeführt. Die Ausgänge Q und Q von FF 150 sind mit dem UND-ODER-Gatter 155 vabunden. Der Ausgang des Gatters 155 ist mit einem Treiberimpuls-Ausganganschluß 146 verbunden. Ein Ausgangs Q von FF 150 ist mit dem UND-Gatter 157 verbunden. Ein Anschluß 145 ist mit einem Anschluß 147 über ein UND-Gatter 157 verbunden.

Wenn ein äußeres magnetisches Wechselfeld nicht vorhanden ist, wird von der Nachweisschaltung für das Wechselfeld kein Ausgangssignal abgegeben, so daß FF150 nicht eingestellt ist. Deshalb wird das Signal PDi mit 3,9 msec Impulsbreite dem Anschluß 146 über das ODER-Gatter 154 zugeführt. Wenn ein Drehungs-Signals des Rotors dem Anschluß 141 zugeführt wird, wird FF 151 eingestellt und das Signal PD2 mit einer Impulsbreite von 7,8 msec wird nicht dem Anschluß 146 zugeführt, weil der Ausgang Q von FF 151 sich auf "L" befindet. Wenn sich jedoch der Rotor nicht dreht, empfängt der Anschluß 141 dieses Signal nicht, so daß FF151 nicht eingestellt ist und Q = ¹¹H". Deshalb wird das Signal PD2/eiiser Impulsbreite von 7,8 msec dem Anschluß 146 über das UND-Gatter 153, das ODER-Gatter 154 und das UND-ODER-Gatter 155 zugeführt. Wenn die Uhr einem magnetischen Wechselfeld ausgesetzt wird, wird dem Anschluß 141 ein Nachweissignal zugeführt, FF 150 wird eingestellt, Q wird gleich"H" und ein Signal mit einer Impulsdauer von 15,6 msec wird von dem Anschluß 140 an den Anschluß 146 Über das Gatter 155 abgegeben. Da das Signal von dem Anschluß 146 dem Eingangsanschluß 121 der Steuerschaltung zugeführt wird und das Signal von dem Anschluß 14 7 dem Anschluß 124 der Steuerschaltung zugeführt wird, wird der Schrittmotor zuverlässig durch Impulse PD3 mit einer Impulsdauer von 15,6 msec angetrieben.

Bei diesem ersten Ausführungsbeispiel ist eine bestimmte Impulsbreite für die normalen Antriebsimpulse vorgesehen. Im Gegensatz zu dem ersten Ausführungsbeispiel wird bei dem zweiten Ausführungsbeispiel der Schrittmotor durch Impulse mit minimaler Impulsbreite

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angetrieben, so daß die normalen Antriebsimpulse nur eine Impulsdauer besitzen, die gerade zum Drehen des Rotors ausreicht.

Fig. 13 zeigt das Ausgangsdrehmoment des Schrittmotors g ' cm in Abhängigkeit von der Impulsbreite der Antriebs impulse in m, see. Bei einer bestimmten Impulsbreite der Antriebsimpulse wird die Impulsbreite so festgelegt, daß das maximale Ausgangsdrehmoment Tmax erzielt wird.

Bei dem Korrekturverfahren entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel findet für die normalen Antriebsimpulse eine Impulsbreite a2 a 3,4 msec oder a3 = 3,9msec Verwendung, wenn ein Drehmoment Tc für die Betätigung der Datumanzeigeeinrichtung erforderlich ist. Dies ist deshalb der Fall, weil der Rotor durch normale Antriebsimpulse nicht gedreht werden kann, weshalb ein Korrekturimpuls erzeugt werden muß. Wenn jedoch ein Korrekturimpuls zu oft erforderlich wird, addiert sich der Stromverbrauch für die normalen Antriebsimpulse und die Korrekturimpulse, so daß sich eine Erhöhung des Stromverbrauchs anstelle der angestrebten Erniedrigung ergibt. Wenn keine Belastung vorhanden ist, kann sich jedoch der Rotor bereits bei einer Impulsbreite aO = 2,4msec drehen. Deshalb kann der Stromverbrauch des Schrittmotors weiter verringert werden, wenn der Schrittmotor mit Impulsen angetrieben wird, deren Impulsdauer 2,4msec beträgt.

Durch dieses Ausführungsbeispiel soll der Stromverbrauch verringert werden. Die Arbeitsweise der Schrittmotors soll in Verbindung mit Fig. 14 erläutert werden. Normalerweise wird der Schrittmotor mit einer Impulsbreite von 2,4msec angetrieben. Falls der Rotor durch diese Impulse wegen der Belastung durch die Datumanzeige nicht gedreht werden kann, stellt die Nachweisschaltung fest, daß sich der Rotor nicht dreht, so daß der Rotor durch Korrekturimpulse angetrieben werden kann. In Fig. 15a beträgt die Impulsdauer a der Korrekturimpulse im allgemeinen 7,8msec. Nach einer Sekunde wird die Impulsdauer automatisch auf al = 2,9msec eingestellt, welche Impulsdauer etwas größer als aO = 2,4msec ist. Bei dem Ausführungsbeispiel in Fig. 13 dreht sich jedoch der Rotor nicht, weil der Impuls das für die Datumanzeige erforderliche Drehmoment Tc nicht bewirken kann, selbst wenn die Impulsbreite 2,9msec beträgt. Deshalb wird dann der Schrittmotor durch Korrekturimpulse a mit einer Impulsdauer von 7,8msec angetrieben. Nach einer Sekunde wird dann .

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automatisch die Impulsdauer auf a2=3,4msec eingestellt. Da das Drehmoment dann größer als das für die Datumanzeige erforderliche Drehmoment Tc ist, wird der Schrittmotor dann mit Impulsbreiten a=3,4msec pro Sekunde angetrieben. Wenn jedoch der Schrittmotor mit Impulsbreiten von 3,4 Sekunden angetrieben wird, wenn keine Belastung durch die Verstellung der Datumanzeige gegeben ist, ergibt sich ein unnötiger Stromverbrauch. Zur Vermeidung dieses Nachteils wird eine Schaltung zur Kürzung der Antriebsimpulse nach N Sekunden vorgesehen. Dann kann der Schrittmotor derart angetrieben werden, daß Impulse a2 mit 3,4msec kontinuierlich N-mal erzeugt werden, wonach Impulse al mit 2,9msec kontinuierlich erzeugt werden, und dann die Impulse aO mit der kürzesten Impulsbreite. Durch dieses Verfahren kann der bekannte Schrittmotor mit geringerem Stromverbrauch zuverlässig angetrieben werden.

Fig. 15a zeigt Eingangsimpulse der Steuerschaltung 92 für einen Schrittmotor mit der in Fig. 13 dargestellten Charakteristik. Die Impulse in Fig. 15a werden von der Wellenformschaltung 95 in Fig. 10b erzeugt. Die an die Frequenzteilerschaltung 91 angeschlossene Schaltung 95 besteht aus kombinierten Gatterschaltungen.

Einer der normalen Antriebsimpulse PaO = 2,4msec, Pa1 «= 2,9msec, Pa2 = 3,4msec oder Pa3 = 3,9msec wird automatisch entsprechend der Belastung des Schrittmotors ausgewählt. Der ausgewählte Impulse dient dann als der normale Antriebsimpuls PD1. Der Korrekturimpuls PD2 dient zum Antrieb des Schrittmotors , falls der Rotor durch PD1 nicht gedreht werden kann, und gewährleistet das maximale Drehmoment, wenn die Impulsbreite 7,8msec beträgt. PD3 wird auf eine Impulsbreite von 15,6msec eingestellt, wenn die Nachweisschaltung feststellt, daß die Uhr einem äußeren magnetischen Wechselfeld ausgesetzt ist.

PS1 ist ein Eingangsimpuls für· den Nachweis. Wenn ein magnetisches Wechselfeld nachgewiesen wird, ist "L" = 0,5msec und "H" « 1,5msec, also "L" : "H" = 1:3. Wenn die Drehungc. ·. . des Rotors nachgewiesen wird, ist "L" = 0,5msec und "H" = 0,5msec, also "L" : "H" -1:1. PS3 ist ein Impuls zur Festlegung des Zeitpunkts zum Nachweis der "^Drehung oder des Stillstands des Rotors. PS2 löst den Nachweis nach 9,8msec aus, weil der normale Antriebsimpuls PD1 zugeführt wird und die Impulsbreite von PS2 11,7msec beträgt.

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Die Aus gangs sign a le der Schaltung 95 werden den Anschlüssen in Fig. 15b zugeführt.

PaO, Pa1, Pa2, Pa3, PD2 , PD3, PS1 und PS2 werden den Anschlüssen 174,175,176,177,173,170,168 beziehungsweise 172 zugeführt. Ein Nachweis aus gangs sign al von der Nachweisschaltung wird dem Anschluß 171 zugeführt. Die Anschlüsse 178 und 169 sind mit den Anschlüssen 121 beziehungsweise 124 der Steuerschaltung 92 in Fig. 11a verbunden.

Die Arbeitsweise der Anschlüsse 170, 171, 172, 173, der Gatter 183, 184, 185, von FF 180 und 181, der Gatter 182, 200 und 201 bedarf keiner Erläuterung, da diese bereits in Verbindung mit Fig. 12b beschrieben wurde. Ein ODER-Gatter 204, UND-Gatter 205 und 206,ein ODER-Gatter 207, sowie FF 202 und 203 bilden einen Vorwärts-Rück - wärts-Zähler UPC von 2 Bits. Ein Eingang des UND-Gatters 200 ist ein Aufwärts-Zähleingang und ein Eingang des UND-Gatters 186 ist ein Abwärts-Zähleingang. Die Zählstand-Ausgangssignale von diesen Zählern sind die Ausgangssi gn a le QO, Q1 von FF 202 und 203. Die Ausgänge der Aufwärts-Abwärts-Zähler sind mit einer Decoder 189 verbunden, und das Aus gangs sign al PD1 des Decoders 189 besitzt die in Tabelle 1 angegebene Zusammensetzung.

Q1

Tabelle 1	PaO	PD1
QO	Pa1	= 2,4msec
O	Pa2	= 2,9msec
1	Pa3	= 3,4msec
O		= 3,9msec
1

O O 1

Der von dem Decoder 189 erzeugte normale Antriebsimpuls ist der selbe wie der normale Antriebsimpuls PD1 in Fig. 12b und wird dem ODER-Gatter 201 und dem FF 181 zugeführt. Der normale Antriebs- impuls PD1 wird dem UND-Gatter 209 über das NICHT-Gatter 208 zuge führt, um eine Zufuhr des Nachweissignals zu der Steuerschaltung 92C zu verhindern, wenn der Schrittmotor durch die normalen An triebsimpulse PD1 angetrieben wird. Deshalb treten die Ausgangs signale PS1 nicht an dem Anschluß 169 auf, wenn die normalen An- triebsimpulse zugeführt werden. Da der Ausgang Q von FF 180 mit dem Eingang des UND-Gatters 210 verbunden ist, wird das Ausgangs-

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ι/ZO

signal des UND-Gatters 210 "L", wenn das magnetische Wechselfeld nachgewiesen wird. PaO mit der Impulsdauer von 2,4msec und die normalen Antriebsimpulse PD1 werden einem exklusiven NOR-Gatter 188 zugeführt. Deshalb werden die Eingangssignale zu dem N-Zähler 187 verhindert, wenn PD1 = PaO,und der N-Zähler 187 zählt jede Sekunde, wenn PD1 ■£ PaO. Das Ausgangssignal des N-Zählers 187 beendet die Zählung N und ein mit PD1 synchronisiertes Signal wird dem ODER-Gatter 204 zugeführt. Dadurch erfolgt eine Abwärtszählung durch den Zähler UPC.

Wenn sich der Rotor nicht dreht, wird PD2 erzeugt, dem UND-Gatter zugeführt und der Zähler UPC führt eine Aufwärtszählung durch. Des. halb ändert sich die Impulsbreite von PD1 derart, daß PaO > Pa1 , Pa1 ■ -> Pa2 , und Pa2 > Pa3.

Bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen werden die geschlossenen Schleifen nach Zufuhr des Antriebsimpulses geschaltet, um die Nachweissignale für den Nachweis des Drehzustands des Rotors 2 zu verstärken, und um die Spannung an der Spule zu verstärken, die durch das äußere Magnetfeld erzeugt wird. Deshalb muß das magnetische Wechselfeld entsprechend dem Niveau der antimagnetischen Charakteristik bei normalen Antriebsimpulsen PD1 nachgewiesen werden. Deshalb ist es erforderlich, die Nachweisempfindlichkeit für den Nachweis des äußeren magnetischen Wechselfelds zu verbessern.

Wenn bei diesem Ausführungsbeispiel das äußere Magnetfeld während des Zeitintervalls zum Nachweis des Magnetfelds nachgewiesen wird, wird der Nachweis des Magnetfelds, der Drehung oder des Stillstands des Rotors sofort angehalten und der Schrittmotor wird durch Impulse mit den vorherbestimmten Impulsbreiten angetrieben.

Wenn der Drehzustand des Rotors nachgewiesen wird, besteht ferner nach dem Nachweis eines Magnetfelds die Möglichkeit, daß eine falsche Feststellung des Drehzustands erfolgt. Dieser fehlerhafte Nachweis , daß die Nachweisschaltung feststellt, daß sich

der tatsächlich drehende Rotor nicht dreht, wird demnach durch das äußere Magnetfeld beeinflußt. Bei einem fehlerhaften Nachweis des Drehzustands des Rotors wird ein Korrekturimpuls in derselben Richtung wie der Antriebs impuls dem Schrittmotor zugeführt. Dann besteht jedoch die Gefahr, daß sich der Rotor um 360° dreht, wenn der Antriebsimpuls in derselben Richtung zugeführt wird,

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während der Rotor noch vibriert. Deshalb stellt der Schrittmotor bei stabiler Rotation um 2 Sekunden vor, obwohl bei der Uhr Schritte von einer Sekunde vorgesehen sind.

Gemäß der Erfindung wird jedoch der NachweisVorgang sofort beendet, wenn ein Magnetfeld während des Nachweisvorgangs festgestellt wird, und der Schrittmotor wird durch die Antriebsimpulse angetrieben,die trotz des Magnetfelds einen geeigneten Antrieb ermöglichen.

Deshalb wird der beschriebene fehlerhafte Nachweis korrigiert und der Schrittmotor wird auch bei einem äußeren Magnetischen Wechselfeld stabil angetrieben. Der Schrittmotor kann trotz des äußeren Magnetfelds mit verringertem Stromverbrauch angetrieben werden.

Um die Empfindlichkeit beim Nachweis des äußeren Magnetfelds gegenüber der Empfindlichkeit beim Nachweis des Drehzustands des Rotors zu erhöhen, wird in folgender Weise vorgegangen. Das Verhältnis der Zeitspanne entsprechend dem Schließen der Schleife mit dem Nachweiswiderstand zu der Zeitspanne entsprechend dem Schließen der Schleife mit dem geringen Widerstand ist unterschiedlich, wenn die Drehung des Rotors oder das äußere.Magnetfeld nachgewiesen wird.

Im folgenden soll die Verstärkung des Signals durch abwechselndes Schließen der Schleifen 10 und 11 erläutert werden.

Fig. 16a zeigt eine Schnittansicht des n-Kanal-Transistors für die Antriebsschaltung in Fig. 2. Eine p-Quelle ist an einem Substrat ausgebildet, und eine>Drainelektrode 31 und eine Source-Elektrode 30 sind an der p-Quelle ausgebildet und die Source-Elektrode 30 ist mit der p-Quelle verbunden. Ferner ist auf dem Substrat ein Gatter 33 mit Hilfe einer Siliziumoxidschicht 32 ausgebildet.

Wenn das elektrische Potential des Gatters 33 des Transistors gleich dem elektrischen Potential der Source-Elektrode ist, werden Source und Drain abgeschaltet. Zu diesem Zeitpunktist eine para sitische Diode 41 und eine parasitische Kapazität 42b zwischen Drain und p-Quelle durch den pn-übergang vorhanden. Andererseits ist eine parasitische Kapazität 42a zwischen Drain 31 und dem Gatter 33 vorhanden. Das Äquivalentschaltbild des η-Gatters ist in Fig. 16b dargestellt. Die Diode 41 und die Kapazität 42 sind parallel zwischen Drain 31 und Source 31 angeschlossen. Das Bezugszeichen 39 zeigt den Widerstand im leitenden Zustand des ,

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U-

Transistors. Das Bezugszeichen 40 bezeichnet ein Gatter.

Fig. 17 zeigt das Äquivalentschaltbild wenn die Schleifen 10 und 11 in Fig. 2 entsprechend der Schaltung 16b geschlossen sind. Das Bezugszeichen 43 bezeichnet eine Spannung V_n, die durch die Vibration des Rotors oder durch das äußere Magnetfeld erzeugt wird. Eine Spule 44 ist die Motorspule, die eine Induktivität von L Henry aufweist. Ein Widerstand 45 ist der Innenwiderstand der Spule 44. Ferner ist ein Umschalter 47 zum Umschalten zwischen den Schleifen vorgesehen. Der Widerstand 46 ist der Widerstand im leitenden Zustand des η-Gatters und beträgt normalerweise etwa 10_Q_ welcher Widerstand vernachlässigbar ist, da er klein im Vergleich zu dem Gleichstromwiderstand der Spule ist.

Ein Kondensator 48 entspricht der Summe der parasitischen Kapazität des η-Gatters und des p-Gatters 22, welche c Farad beträgt.-Ein Nachweiswiderstand 39 besitzt einen Widerstand von RJi. 50 und 52 sind parasitische Dioden zwischen dem Substrat und der Drainelektrode des N-Gatters und P-Gatters. Eine Silberbatterie 51 dient zum Antrieb der Uhr und besitzt im allgemeinen eine Spannung V_D = 1,57 V.

Die Spannung an dem Anschluß 53 ist die Nachweisspannung V_RC und wird dem Spannungsnachweiselement zugeführt. Die Wirkung des Umschaltens des Umschalters 47 entsprechend dem Ersatzschaltbild in Fig. 17 soll im folgenden theoretisch berechnet werden.

^{a =} 2⁽L⁺CR⁾' ^b= ^

D = 1 - exp (- \ t₀)

\ t₀)

i) wenn a / b

V_RS

il) wenn a = b

-{^ (a - ⁰^ b) sinhW t + coshCJtj exp (tat)J

Vps » E^I - (1 + at - ψ- bt) exp (-at)

030028/081.1

2/43.

iii) wenn a \b

^VRS

^E[¹ "(^ <^a ~ ψ**>) sin Ut + cosMtj exp (-at)] ,

wobei t_Q der Zeitpunkt des Schließens der Schleife mit dem niedrigen Widerstand und t die Zeit ist.

Die Wellenform V__e entsprechend der obigen Gleichung ist in Fig. 6c dargestellt.

Entsprechend der Berechnung eines Ausführungsbeispiels sind etwa 30 msec für Vp₅ erforderlich, bis der Scheitelwert erreicht wird, falls L ■ 11 Henry, C = 75 pF, R = 150 k^2, r = 3,0 kCl, v_Q = 0,1V und T_Q =oo. Die Scheitelspannung beträgt in diesem Fall 4,2 V und der Verstärkungsfaktor beträgt etwa 42. Die Berechnung zeigt, daß das Nachweissignal ohne Verwendung eines Verstärkers für das analoge Signal ausreichend verstärkt wird.

Obwohl bei der obigen Berechnung die geschlossene Periode der Schleife mit dem niedrigen Widerstand als unendlich betrachtet wird, müssen die Schleife 10 und die Schleife 11 abwechselnd geschlossen werden, da sich die erzeugte Spannung V momentan ändert. Für die Schleife 10 mit dem hohen Widerstand ist die Zeit zur Wiederherstellung des stationären Stroms kurz, weil die Zeitkonstante der geschlossene Schleife 10 klein ist, während für die Schleife 11 mit dem niedrigen Widerstand die Zeit zur Wiederherstellung des stationären Stroms lang ist, weil die Zeitkonstante der geschlossenen Schleife 11 groß ist. Bei der Schleife 11 mitdem hohen Widerstand erreicht V_DC, die stationäre Spannung in etwa 0,2 msec. Bei der Schleife 10 mit dem niedrigen Widerstand ist die Zeitkonstante TT= L/r = 3,9 msec. Selbst wenn die Schleife 10 3,9 msec geschlossen bleibt, beträgt die Spannung von V^ 63% der stationären Spannung.

Wenn das äußere Magnetfeld nachgewiesen wird, ist es vorzuziehen, wenn der Verstärkungsfaktor groß ist.

Das äußere magnetische Wechselfeld, dem eine Uhr normalerweise ausgesetzt wird, entspricht der Netzfrequenz von 50 oder 60 Hz, deren Periode 20 msec bzw. 16,7 msec beträgt. Zum Nachweis der maximalen Feldstärke entsprechend der Netzfrequenz ist deshalb die optimale Schaltperiode gegeben.

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Fig. 18a zeigt eine Wellenform der Nachweisspannung, wenn ein Wechselfeld mit 50 Hz auftritt und die Schleife 10 mit dem hohen Widerstand während 0_#5 msec und die Schleife 11 mit dem niedrigen Widerstand während 1,5 msec geschlossen wird. Der berechnete Verstärkungsfaktor für das Nachweissignal beträgt in diesem Fall etwa 15.

Fig. 18b zeigt die Beziehung zwischen der Feldstärke des magnetischen Wechselfelds und der Nachweisspannung, wobei die Kurve eine Spannung darstellt, welche in der Spule Bei geschlossenen Schleifen auftritt, während die Kurve 56 eine Spannung kennzeichnet, wenn die Schleife 11 und die Schleife 10 abwechselnd für jeweils 0,5 msec geschlossen werden und der Verstärkungsfaktor etwa 5 beträgt.

Zum Nachweis des magnetischen Wechselfelds mit der Netzfreguenz kann deshalb die Schließzeit zum abwechselnden Schließen" der Schleife 10 und der Schleife 11 nicht so lang gewählt werden. In diesem Fall kann der Verstärkungsfaktor durch Kürzung der Schließzeit der Schleife mit dem hohen Widerstand und durch Verlängerung der Schließzeit der Schleife mit dem niedrigen Widerstand erhöht werden. Obwohl die Schleife 10 und die Schleife 11 abwechselnd mit einem Zeitverhältnis von 1:3 bei diesem Ausführungsbeispiel geschlossen werden, ist es zweckmäßiger,wenn die Schleifen abwechselnd mit dem Zeitverhältnis von 1:7 oder 1:15 geschlossen we rden.

Wie bereits erwähnt wurde, kann die Nachweisempfindlichkeit bei Nachweis des magnetischen Wechselfelds dadurch erhöht werden, daß der Schaltimpuls unter Verwendung des Nachweiswiderstands und der Bezugsspannung geändert wird, die durch den Schrittmotor bestimmt wird. Deshalb kann selbst ein sehr schwaches magnetisches Wechselfeld nachgewiesen werden.

Aus den genannten Gründen kann deshalb auch beim Auftreten eines äußeren magnetischen Wechselfelds der Schrittmotor stabiler als bei dem eingangs beschriebenen bekannten Korrekturverfahren angetrieben werden. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist deshalb lediglich der Zusatz der digitalen Schaltung ohne Verursachung zusätzlicher Kosten erforderlich.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung sind ein Element

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mit hoher Impedanz, ein Spannungskomparator und eine Bezugspannungs-Schaltung zum Nachweis vorgesehen, ob sich der Rotor dreht oder nicht, und ob ein äußeres magnetisches Wechselfeld vorhanden ist oder nicht. Das Element mit hoher Impedanz wird dazu 'verwendet, dem in der Spule durch die Vibration des Rotors und durch das äußere magnetische Wechselfeld erzeugten Strom in die Spannung bei einem bestimmten Verstärkungsfaktor umzuwandeln. Das Element mit hoher Impedanz besteht aus einem Diffusionswiderstand oder einem Widerstand eines leitenden Transistors in einer integrierten Schaltung. Das Impedanzelement kann einen unbestimmten Impedanzwert haben.

Der Diffusionswiderstand kann durch Diffusionsschichten wie ρ , ρ und η gebildet werden. Wenn der Widerstand im leitenden Zustand des Transistors verwendet wird, wird 7a und 7b in der Schaltung in Fig. 2 verwendet, so daß dann die Nachweiswiderstände 6a und 6b nicht erforderlich sind.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die Nachweisempfindlichkeit für die Feststellung des Drehzustands und des magnetischen Wechselfelds durch den Wert des Elements mit hoher Impedanz und der Bezugsspannung bestimmt. Fig. 19 zeigt eine Beziehung zwischen dem Nachweiswiderstand R_g und dem Scheitelwert V__, welche Spannung in dem ersten Ausführungsbeispiel über dem Widerstand auftritt, wenn der Wert des als Element mit hoher Impedanz verwendeten Diffusionswiderstands R_g ist.

Bei _%den» in Verbindung mit Fig. 19 verwendeten Schrittmotor ist der Gleichstronwiderstand der Spule 3 k und die Wicklungszahl beträgt 10 CX)O. Der Rotor besteht aus Samarium-Kobalt und hat einen Durchmesser von 1,3 mm. Die Bezugsspannung V_TH 300 in Fig. 19 wird durch Unterteilung der Versorgungsspannung V_QD durch die Widerstände 85 und 86 in Fig. 11b bestimmt. Der Drehzustand des Rotors und das Vorhandensein eines äußeren Magnetfelds werden mit Hilfe der Bezugsspannung V_m„ 300 festgestellt. Die Kurve 301

Tn

zeigt die Beziehung zwischen dem Nachweiswiderstand R und der maximalen Spannung V_g während des Nachweisintervalls, falls der Rotor durch den Antriebsimpuls PD1 nicht gedreht wird. Die Kurve 302 zeigt die Beziehung zwischen dem Nachweiswiderstand R_g und dem Minimalwert der maximalen Spannung V^ während des Nachweisintervalls, falls der Rotor durch den Antriebsimpuls PD1 gedreht

^wird· 030028/0813

Es ist deshalb der Nachweis möglich, ob sich der Rotor dreht oder nicht, falls die Bezugsspannung einschließlich einer Toleranz sich innerhalb eines Bereichs befindet, der durch die Kurven 301 und 302 umgeben wird, innerhalb der Toleranzgrenzen des Nachweiswiderstands R„ in der integrierten Schaltung.

Die Kurve 303 zeigt die Beziehung zwischen dem Nachweiswiderstand Rg und der Spannung V über dem Nachweiswiderstand R_g,falls die Frequenz des äußeren Magnetfelds 50 Hz und die Feldstärke 3 Oersted beträgt.

Es ist schwierig, den Nachweiswiderstand R_g durch die erwähnte Beziehung zwischen dem Nachweiswiderstand R_g und der Spannung Vpg und die Toleranz des Nachweiswiderstands zu verringern, falls der Nachweiswiderstand in die integrierte Schaltung aufgenommen wird. Es werden ausreichende Toleranzgrenzen bei der Aufnahme des Nach-· Weiswiderstands in die integrierte Schaltung erreicht, wenn der Wert des Nachweiswiderstands mehr als 5 mal so groß wie der Spulenwiderstand gewählt wird. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel beträgt der Spulenwiderstand 3 k SL , also der Wert des Nachweiswiderstands 15 kJI. Wenn der Widerstand des Nachweiswider stands Rg 10OkIL beträgt, ergeben sich ausreichende Toleranzgren zen von -50% beziehungsweise + 100%.

Fig. 20a zeigt ein Ausführungsbeispiel des Spannungskomparators, der ein wesentliches Element der Nachweisschaltung ist. Dieser Kom parator muß folgende Eigenschaften aufweisen:

1. Der Fehler beim Vergleich mit der Bezugsspannung ist klein.

2. Der Spannungskomparator ist in einfacher Weise als C-MOS-EIement herstellbar.

3. Schnelles Ansprechvermögen.

4. Der Stromverbrauch ist gering.

Diese Forderung erfüllt der Komparator in Fig. 20a. Fig. 20a und Fig. 20b zeigen ein Schaltbild und ein Blockdiagramm des Kompara- tors. Der Anschluß 164 ist der positive Anschluß, der Anschluß 165 der negative Anschluß und der Anschluß 166 der Ausgang. Die Funktion des Komparators zeigt Tabelle 2.

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Tabelle 2 Positiver Eingang Negativer Eingang Ausgang

V⁺ ,/ ν "H'

η τ ··

V ¹¹L

Ein Anschluß 167 für die Bezugsspannung ist mit der Source-Elektrode von zwei Feldeffekttransistoren 160,162 verbunden. Die Gate- und die Drain-Elektrode des p-MOS-FET 160 sind miteinander verbunden und der Verbindungspunkt ist mit der Gate-Elektrode des p-MOS-FET 162 beziehungsweise der Feldelektrode eines n-MOS-FET

161 verbunden. Die Gate-Elektrode des FET 161 ist mit dem Anschluß 164 und die Source-Elektrode des FET 161 ist mit der Drain-Elektrode eines n-MOS-FET 124 verbunden. Die Drain-Elektrode des FET

162 ist mit der Drain-Elektrode des FET 163 und dem Ausgangsanschluß 166 verbunden. Die Gate-Elektrode des FET 163 ist mit dem Anschluß 165 und die Source-Elektrode des FET 163 ist zusammen mit der Source-EIeJctrode des FET 161 zu dem V_g -Potential geerdet.Die Eigenschaften der n-FET 161, 163 beziehungsweise der p-FET 160, 162 sind gleich.

Im folgenden soll die Arbeitsweise dieser Schaltung näher erläutert werden. Wenn eine Spannung V. dem Anschluß 164 zugeführt wird, ergibt sich an der Verbindungsstelle 168 der in Fig. 20c. dargestellte Stromverlauf. In Fig. 20c ist V168 das Potential des Anschlusses 168 und 1168 der Strom durch den Anschluß 168. Da V168 der Gate-Elektrode des FET 162 zugeführt wird, ist der Sättigungsstrom des FET 162 gleich 1168, wie durch die Charakteristik des FET 162 in Fig. 2Od dargestellt ist. Wenn die dem Anschluß 165 zugeführte Spannung V₂ beträgt, ist der Sättigungsstrom des FET 163 größer als 1168, falls V₂ > V₁. Deshalb nähert sich des Potential V166 des Ausgangsanschlusses 166 dem Niveau "L", wie durch den Arbeitspunkt X in Fig. 2Od dargestellt ist. Falls V, ^ V-, wird das Potential V166 des Ausgangsanschlusses "H", wie durch den Arbeitspunkt Y in Fig. 2Od dargestellt ist.

Bei diesem Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung besteht die Schaltung zum Nachweis des äußeren magnetischen Wechselfelds und

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des Drehzustands des Rotors aus Elementen, die ohne weiteres in eine integrierte Schaltung aufgenommen werden können. Das als Nachweiselement dienende Impedanzelement kann aus einem Diffusionswiderstand in der integrierten Schaltung bestehen, oder aus dem Widerstand des Schalttransistors im leitenden Zustand oder durch einen Kondensator gebildet sein. Diese Elemente können in einfacher Weise in die integrierte Schaltung eingebaut werden, und die Toleranzen der Elemente können innerhalb weiter Grenzen gewählt werden. Durch die Verwendung einer Nachweisschaltung gemäß den Ausführungsbeispielen der Erfindung in einer üblichen integrierten Schaltung ergibt sich deshalb koine wesentliche Erhöhung der Herstellungskosten.

Wenn der Schrittmotor entsprechend den Ausführungsbeispielen der Erfindung angetrieben wird, wird dasselbe Ausgangsdrehmoment wie bei dem bekannten Verfahren erzielt, wobei jedoch nur die Hälfte des Stromverbrauchs wie bei dem bekannten Verfahren erforderlich ist. Ferner ergeben sich verbesserte ant!magnetische Ei^genschaften beim Auftreten eines äußeren Wechselfelds und eine zuverlässigere Arbeitsweise des Schrittmotors bei unterschiedlichen ümgebun gsbe dingungen.

Bei Uhren mit denselben antimagnetischen Eigenschaften und derselben Lebensdauer der Batterie kann deshalb die magnetische Abschirmung vereinfacht werden und eine Batterie kleinerer Größe verwandt werden, so daß die Abmessungen einer Uhr entsprechend den Ausführungsbeispielen der Erfindung weiter verringert werden können.

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Claims (4)

1. Patentansprüche.

   Antriebsschaltung für einen Schrittmotor einer elektrischen Uhr, insbesondere einer Quarzarmbanduhr, mit einer geschlossenen Schleife (11) mit einem Element (4b,5b) niedriger Impedanz und einer Spule, mit einer geschlossenen Schleife (10) mit einem Element hoher Impedanz (6a,6b) und der Spule (3), mit einer Einrichtung zum abwechselnden Schließen der Schleifen, sowie mit einer Nachweisschaltung für den Drehzustand des Rotors des Schrittmotors,dadurch gekennzeichnet, daß der Nachweis eines äußeren magnetischen Wechselfelds durch die Spule (3) des Schrittmotors durchführbar ist, und daß eine Belastungsänderung durch mindestens ein Element hoher Impedanz durchführbar ist.
2. 2. Nachweisschaltung nach Anspruch 1, dadurch g_e kennzeichnet , daß das Element mit hoher Impedanz ein Diffusionswiderstand in einer integrierten Schaltung ist.
3. 3. Nachweisschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Element mit hoher Impedanz der Widerstand eines leitenden Transistors in einer integrierten Schaltung ist.
4. 4. Nachweisschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a durch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Schließzeit der Schleife (10) mit dem Element hoher Impedanz zu der Schließzeit der Schleife (11) mit dem Element niedriger Impedanz dem Unterschied zwischen dem Nachweis des äußeren Magnetfelds und dem Nachweis des Drehzustands des Rotors entspricht.

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   Nachweisschaltung für eine Antriebsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zum Nachweis eines äußeren magnetischen Wechselfelds unmittelbar vor der Zufuhr eines normalen Antriebsimpulses nachweist, daß die Einrichtung zum Nachweis des Drehzustands des Rotors des Schrittmotors unmittelbar nach der Zufuhr eines normalen Antriebsimpulses nachweist, und daß der Schrittmotor durch einen Antriebsimpuls mit einer vorherbestimmten Impulsbreite angetrieben wird, wenn ein äußeres, sich änderndes Magnetfeld nachgewiesen wird.

   Nachweisschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß der Nachweis der Drehung des Rotors verhindert ist, wenn der Schrittmotor durch den Antriebsimpuls mit der vorherbestimmten Impulsbreite angetrieben wird.

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