DE2150242B2 - Vollelektronische Armbanduhr - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine vollelektronische Armbanduhr, enthaltend elektronische Schaltmittel zur Erzeugung einer Grundfrequenz, einen Quarzkristall zur genauen Kontrolle dieser Grundfrequenz, eine Frequenzteilerkaskade, eine Kombination von elektronischen Zählern, Decodern und Treibern zum Betrieb einer Mulli-Segment-Anzeige uiuJ eine MultiSegment-Anzeige, sowie Mittel zum Verstellen der angezeigten Uhrzeit.

In elektronischen Armbanduhren, die an sich bekannt sind und in der Regel aus einer Grundfrequenzquelle, einem Frequenzteiler, einer Zählerkaskade, einem Decoder/Treiber und einer Anzeige sowie einer Stromquelle bestehen, hat die Verwendung von mechanischen Schaltern =iur Fortschaltung der angezeigten Uhrzeit oder zur Voreinstellung der Uhrzeit für eine Weckeinrichtung dadurch zu Störungen geführt, daß die Schaltfunktion unsauber war und die Lebensdauer des Schalters selbst bei Reed-Schaltern beschränkt ist.

Aus der »Elektronik-Zeitung« vom 10. Januar 1969, S. 3 und 4, ist es bereits an sich bekannt, daß Hall-Generatoren, welche als Schalter wirken können, zusammen mit weiteren Bauelementen in eine Halbleiterschaltung integriert werden können.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine vollelektronische Armbanduhr zu schaffen, bei der auch die vorgenannten Schaltoperationen elektronisch erfolgen.

Diese Aufgabe wird bei einer vollelektronischen Armbanduhr der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß als Mitte! zum Verstellen der Uhrzeit ein Hallgenerator verwendet wird, dessen Schicht auf einer gemeinsamen Unterlage mit wenigstens einem Teil des übrigen Schaltkreises aufgedampft oder aufgebracht ist.

Die Erfindung bietet den Vorteil, daß der eingebaute elektronische Schalter mechanisch absolut unempfindlich ist, eine unbegrenzte Lebensdauer hat und bei größerer Lebensdauer ein absolut einwandfreies Schalten ohne störende Flattereffekte ermöglicht, wie es in elektronischen Armbanduhren notwendig ist. Die Erfindung ermöglicht weiterhin die vollkommene Abdichtung der Armbanduhr gegen Wasser.

Selbst notwendige Anschlüsse für eine Batterie können zusammen mit dieser eingegossen werden, wobei dann Mittel, wie beispielsweise eine mit eingegossene Sekundärwicklung vorzusehen sind, um die Batterie aufladen zu können.

Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

.Im folgenden wird die Erfindung an Hand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen noch näher erläutert. Die einzelnen Zeichnungen bedeuten:

F i g. I zwei typische Oszillogramme (a) für einen elektronischen Schalter, dessen Auslösung durch einen Hallgenerator, einen Schmitt-Trigger und einen Vor-

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verstärker vorgenommen wird, eine Kombination, die an sich bekannt ist, und die eine besonders saubere Schaltung ermöglicht und (ώ) for ein Reed-Relais durchschnittlicher Bauart, wie es auf dem Markt erhältlich ist, j

Fig.2 die grafische Darstellung der An- und Abschaltzeitpunkte in Abhängigkeit von fj<) der Distanz Magnet/Hallgenerator wobei mit zunehmendem (y) die Entfernung zunimmt, und (*) der magnetischen Feldstärke, wobei die Feldstärke entsprechend der Entfer- nung Magnet/Hallgenerator von links nach rechts zunimmt

F i g. 3 eine Ausführungsform, wobei ein drehbarer Magnet nacheinander mit einer Reihe von Hallgeneratoren in Kontakt gebracht wird, wobei hierunter eine körperliche Annäherung eines Magnetspaltes zu verstehen ist

F i g. 4 eine andere Ausführungsform, wobei wiederum ein Magnetspalt angenähert wird, diesesmal durch Verschiebung des Magneten auf seiner Längsachse, so

Fig.5 eine weitere Ausführungsform, bei der ein Hallgenerator mit verschieden weit entfernten Magneten, dementsprechend also mit unterschiedlichen Feldstärken, in Annäherung gebracht wird,

F i g. 6 und 7 zeigen Abwandlungen dieses Grundgedankens jeweils mit dem Vorschlag, nacheinander unterschiedliche Feldstärken auf einen Hallgenerator einwirken zu lassen, um hierdurch unterschiedliche Schaltfunktionen auszulösen, wobei an Stelle eines Hallgenerators natürlich auch eine Mehrzahl verwendet werden kann,

F i g. 8 und 9 weitere Ausführungsformen.

Die Erfindung besteht in der Anordnung eines Hallgenerators auf einer Trägerplatte gemeinsam mit dem übrigen elektronischen Schallkreis für die Armbanduhr, wobei die Anordnung so erfolgt, daß mittels eines besonders geformten Magneten der Hallgenerator einem magnetischen Feld ausgesetzt werden kann. Die Erfindung besteht ferner in der Formung von integrierten Komponente!., so daß diese eine Doppelfunktion ausüben und einerseits innerhalb des integrierten Schaltkreises arbeiten andererseits aber ihre Funktion ändern oder erweitern, sobald sie in ein magnetisches Feld gebracht werden, welches eine ausreichende Stärke besitzt, wobei Funktionen ausgelöst werden, wie z. B. Schalterfunktionen, die eine wünschenswerte Wirkung ausüben.

In einer besonderen Ausführungsform wird der Hallgenerator durch eine Schicht dargestellt, die ohne einen zusätzlichen Arbeitsgang während der Herstellung des integrierten Schaltkreises aus demselben Material gewonnen wird, welches zur Herstellung des integrierten Schaltkreises ohnehin angewandt wird. In wiederum einer anderen Ausführungsform werden eine Mehrzahl von Hallgeneratoren so ausgebildet, daß sie auf unterschiedliche Feldstärken ansprechen und demzufolge unterschiedliche Funktionen auslösen. Endlich wird eine Ausführungsform beschrieben, die darin besteht, daß der Hallgenerator Bestandteil eines Oszillatorschaltkreises ist und der Oszillator seine Tätigkeit beginnt, wenn eine ausreichende Feldstärke vorhanden ist, die eine Hallspannung genügender Höhe erzeugt.

Ein Hallgenerator ist eine Vorrichtung in der ein in einem Leiter oder Halbleiter fließender Strom unter dem Einfluß eines magnetischen Feldes durch sögenannte Lorentz-Kräfte seitlich abgelenkt und bei Vorhandensein von an der Seite des Leiters angebrachten Elektroden als sogenanrt? Hallspannung entnommen werden kann, Hallgeneratoren sind seit 1879 bekannt und nach dem amerikanischen Physiker E,F.H al I benannt. In der Zwischenzeit sind zahlreich» Produkte auf den Markt gekommen die auf den Grundlagen der Häuschen Erfindung aufgebaut worden sind,

Hallgeneratoren sind in verschiedenen Ausföhrungsformen erhältlieh, unter anderem auch zusammen mit einem Vorverstärker und einem Schroitt-TrSgger in einen Schaltkreis integriert Bei diskreten Komponenten ist es nachteilig, daß Störeinflösse (Rauschen) insbesondere bei niederen Hallspannungen, gelegentlich zu Fehlschaltungen führen, was bei integrierten Schaltkreisen so gut wie vollkommen vermieden ist

Für elektronische Armbanduhren ist es eine der wesentlichen Voraussetzungen, daß Schaltfunktionen fehlerfrei vorgenommen werden und daß Störeinflüsse (Rauschen) so gut wie nicht vorhanden sind. Es wird demnach vorgeschlagen, den Hallgenerator auf dersel ben Trägerplatte unterzubringen, der den elektronischen Sehaltkreis der Armbanduhr trägt, und zwar vorzugsweise an einer seiner Kanten oder doch nahe ge nug, so daß ein Magnet auf ihn ein·· ^:rken kann.

In der beschriebenen elektronischen Armbanduhr wird tin Hallgenerator auf derselben Trägerplatte untergebracht, auf der der übrige Schaltkreis der Uhr enthalten ist, wobei die Hallgeneratorschicht aus GaAs, vorzugsweise aber aus η-leitendem Silizium besteht, gegen die Unterlage isoliert ist, dergestalt, daß eine Verbindung zwischen Hallgeneratorschicht und Unterlage zum Zwecke der Erzeugung einer Elektrode nur an einem Punkte (F i g. 9), und zwar vorzugsweise an einer der Kanten besteht, die zur Außenkante der Trägerplatte zuweist, und daß der Hallgenerator vorzugsweise eine Funktion innerhalb der chronometrischen Funktionen der Uhr erfüllt (F i g. 8), wie z.B. als Leiter von Masse zu einer Komponente in einer Zählerkaskade.

In Fig.8 bedeuten 11 Frequenzteiler. 12 Zähler, 13 Haligenerator, 14 Schmitt-Trigger und 15 Verstärker, während ! den im Gehäuse eingebauten Magneten enihält, über den der Hallgenerator in Betrieb gesetzt wird, a bedeutet die Verbindung vom Hallgenerator zur Frequenzteiler- bzw. Zählerkaskade, b bedeutet die Verbindung vom Ausgang des HallschaHers zur Ausgangsschaltung der Zählerkaskade \2. Wird der Hallgenerator in ein magnetisches Feld gebracht, so erzeugt er eine Hallspannung, die, wenn eine bestimmte Größe erreicht ist, den Schmitt-Trigger ansprechen läßt. Da die Steuerspannung am Hallgenerator impulsförmig auftritt, wird auch der Schmitt-Trigger iropulsförmig betrieben, und dementsprechend tritt am Ausgang der Verstärkerschaltung eine impulsförmige Ausgangsspannung auf. Nachdem die Pulsrate von der Frequenz am Hallgenerator abhängig ist und der Hallgenerator im gezeigten Beispiel mit der am Ausgang der Frequenzteilerkaskade anliegenden Frequenz gespeist wird, so wird am Ausgang der Zählerkaskade auch folgerichtig dieselbe Impulsrate eingespeist; oder in anderen Worten: die Zählerkaskade wird bei Anliegen eines magnetischen Feldes kurzgeschlossen. Eine solche Schaltung ist besonders dann vorteilhaft, wenn die Einstellung der Uhr besorgt wird oder wenn eins Voreinstellung einer Weckzeit notwendig ist.

Die Dimensionierung der Bauelemente im Schmitt-Trigger und im Verstärker bestimmt, wenn und wann die Auslösung des Schmitt-Triggers erfolgt, d. h. welche Feldstärke vorliegen muß, um eine Auslösung zu bewirken. In c'ner anderen Ausführungsform wird ein zwei-

ter Hallgenerator mit Nachfolgekreis so dimensioniert, daß die Auslösung erst bei einer stärkeren Annäherung des Magneten erfolgt, wobei in diesem Falle z. B. Impulse aus einer höheren Frequenzstufe zur selben Stelle der Zählerkaskade geleitet werden wie im Falle wie zuvor beschrieben. In wieder einer anderen Ausführungsform wird ein zweiter Hallgenerator mit Folgeschaltkreis so dimensioniert, daß die Auslösung bei stärkerer Annäherung des Magneten erfolgt, aber dieselbe Impulsrate an eine spätere Stufe der Zählerkas- ic kade geleitet wird. d. h., daß eine Impulsrate von 4 H/ z. B. wahlweise — nämlich bei schwacher Annäherung eines Magneten — an den Zählerausgang für die Minuten, bei starker Annäherung dagegen an den Zählerausgang für die Stunden geleitet wird. Hier nicht gezeich- nete Schaltmittel, an sich bekannt. — sind vorgesehen, um eine Abschaltung des ersten Hallgenerator-Schaltkreises zu bewirken, wenn der zweite Hallgeneratorkreis angeschaltet ist. Ein einfacher monostabiler Multivibrator z. B. kann hierzu eingesetzt werden. Durch ao den Einsatz eines Schmitt-Triggers im Hallgeneratorschaltkreis besteht nicht nur die Möglichkeit, den Anschaltzeitpunkt für den Hallschalter zu bestimmen sondern auch im Sinne einer Hysterese den Abschaltzeitpunkt heraufzusetzen, d. h. bei einer größeren Annähe- as rung wird eingeschaltet, dagegen bleibt der Schalter eingeschaltet, auch wenn der Magnet weiter entfernt wird, bis ein kritischer Punkt erreicht ist, der eine Abschaltung bewirkt. In F i g. 2 bedeuten auf der x-Achse A der Einschaltpunkt für den ersten Hallschalter, bei verringerter Entfernung B der Anschaltpunkt für den zweiten Hallschalter. Bei Entfernung des Magneten wird am Punkte feder zweite Hallschalter, am Punkte a der erste Hallschalter ausgeschaltet. Durch die Überlappung von b und A wird erreicht, daß der erste Hall- schalter — einmal durch den obenerwähnten astabilen Multivibrator abgeschaltet — nicht mehr anspricht, wenn der Magnet Ober den Punkt A hinaus von ßnach b entfernt wird.

Die Entfernung und Annäherung eines Magneten oder doch eines magnetischen Feldes kann auf verschiedene Arten verwirklicht werden. F i g. 3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform, bei der ein mantelförmiger Magnet um die Achse gedreht wird und dabei nacheinander ein Magnetspalt nach dem anderen mit einer Reihe von Hallgeneratoren in Verbindung gebracht wird, hierdurch e^;sie Reihe von Funktionen auslösend die von den einzelnen Hallschaltern gesteuert werden.

In Fig.4 hingegen wird der Spalt in Längsachse an den Hallschaltcr herangebracht. In Fig.5 ist dargestellt, wie ein Magnettriple, welches natürlich auch eine größere oder kleinere Zahl von Magneten haben könnte, durch unterschiedliche Entfernung der Magneten eine stärkere oder schwächere Wirkung auf den Hallschaltcr ausübt. In Fig.6 hingegen ist eine ähnliche Anordnung gewählt, bei der jedoch die Magnete 1 unterschiedlich in ihrer Feldstärke durch verschieden starke Magnetisierung gehalten worden sind.

Eine ähnliche Wirkung wird auch erreicht, wenn die Anordnung der Pole der Magnete wie in F i g. 7 links gezeichnet vorgenommen wird. In einer entsprechenden Stellung wird auf den Hallschalter eine Polung N-S einwirken. Befindet sich im Elektrodenbereich derHtII-eiuktroden eine Diode, so bewirkt diese, daß lediglich in dieser Richtung beispielsweise eine Hallspannung fließt. Wird jedoch durch verschieben des Magneten die Polung 5-N erzielt, so fließt keine Hallspannung.

Eine typische Größe für einen Hallgenerator, wie vorstehend beschrieben, ist etwa eine Räche von 0,25 χ 0.25 mm, aber selbst Schichten mit den Abmessungen von 0.1 χ 0.25 haben hervorragende Resultate ergeben. Die Dicke solcher Schichten ist nicht kritisch und kann in weiten Grenzen variieren, sie entspricht etwa der Dicke von Schichten, wie sie bei der Herstellung integrierter Schaltkreise verwendet werden.

Der Vorteil der Anwendung von Hallgeneratorschichten in einer Doppelfunktion, d. h innerhalb des chronometrisch funktionierenden Schaltkreises und als Hallschalter, liegt weiterhin darin, daß keine zusätzliche Energie für den Hallgenerator verbraucht wird und der Stromverbrauch für die Nachfolgeschaltkreise, insbesondere sofern sie in C/MOS-Technik hergestellt sind, im Bereich vom Nanowatt liegt während ein Hallschaller im anderen Falle, also bei ausschließlicher Verwendung als solcher. Energie verbraucht, die nicht mehr zu vernachlässigen ist. Entsprechend diesem Grundgedanken kann der Hallgenerator mit dem FoI-gcschaltkreis in einen Oszillatorschaltkreis eingebaut werden, wobei die Elektroden an denen die Hallspannung entnommen wird z. B. die Rückkopplung herstellen. In ähnlicher Weise stellen die beiden Elektroden die elektrische Verbindung zu einem zusätzlichen Kondensator her, welcher die Frequenz des Oszillators verändert, was in einer besonderen Ausführungsform wünschenswert ist.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   ί. Vollelektronische Armbanduhr, enthaltend elektronische Schaltmittel zur Erzeugung einer S Grwidfrequenz, einen Quarzkristall zur genauen Kontrolle dieser Grundfrequenz, eine Frequenzteilerkaskade, eine Kombination von elektronischen Zählern, Decodern und Treibern zum Setrieb einer Multi-Segment'Anzeige und eine Multi-Segment- « Anzeige, sowie Mittel zum Verstellen der angezeigten Uhrzeit, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel zum Verstellen der Uhirzeit ein Hallgenerator (4, 13) verwendet wird, dessen Schicht auf einer gemeinsamen Unterlage (3) mit wenigstens einem Teil des übrigen Schaltkreises aufgedampft oder aufgebracht wird

   Z Vollelektronische Armbanduhr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daB als Hall-Leiterschicht (13) eine epitaxiale Schicht η-leitenden SiIi- ao ziums verwendet wird

   3. Vollelektronische Armbanduhr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hallgenerator (13) eine multiple Funktion erfüllt, einerseits als Leiter innerhalb einer Fre- as quenzteilerkaskade (11), andererseits über die Hall-Elektroden als Schalter für das Kurzschließen mindestens einer Teilerstufe (11) dient, wobei im letzteren Falle vorzugsweise ein Schmitt-Trigger (14) und ein Verstärker (15) als Schalthilfsmittel eingesetzt werden.

   4. Vollelektronische Armbanduhr nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Hallgeneratoren (i, 5, 6, 7) auf einer Trägerplatte (3) untergebracht werden, deren Hilfsschaltkreise so dimensioniert sind, daß sie bei unterschiedlichen Feldstärken ansprechen und dementsprechend unterschiedliche Funktionen auslösen.

   5. Vollelektronische Armbanduhr nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß 4» Magnete (1) zur Bedienung des Hallgenerators (4) angewandt werden, die im Gehäuse eingebaut aber drehbar angeordnet sind und die bei Drehung den Spalt an den Hallgenerator annähern.

   6. Vollelektronische Armbanduhr nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetspalt stufenweise ausgebildet ist (F i g. 3) und nacheinander mehrere Hallgeneratoren (4, 5, 6,

   7) bedient

   7. Vollelektronische Armbanduhr nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Magnete (1,10) unterschiedlicher Feldstärke auf einem gemeinsamen Träger untergebracht und gegenüber dem feststehenden Hallgenerator (4) verschiebbar oder drehbar angeordnet sind und nacheinander mit ihren magnetischen Feldern auf mindestens einen Hallgenerator (4) einwirken können.

   8. Vollelektronische Armbanduhr nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Hallgenerator (4) an einer Kante der Trägerplatte (3) untergebracht ist und von dieser nicht weiter als '/3 der gesamten Trägerplattenlänge entfernt ist.

   9. Vollelektronische Armbanduhr gemäß Anipruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Hallgenerator (beispielsweise 4) an einer Kante Jer Trägerplatte (3) untergebracht ist, dergestalt.

   daß der Hallgenerator (4) oder eine Reihe von HaII-generatoren (4,5,6,7) nicht weiter von der Kante als 1 mm entfernt ist»

   10, Vollelektronische Armbanduhr gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß sich an der Kante, an der sich der Haligenerator (4) oder die Reine von Hallgeneratoren (4,5,6,7) befindet, keine Anschlösse zur Verbindung nach außen befinden.