CN107076825A - 用于确定钟表设定柄轴的位置的位置传感器和方法 - Google Patents

用于确定钟表设定柄轴的位置的位置传感器和方法 Download PDF

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Abstract

描述了一种用于确定钟表的设定柄轴(3)的轴向位置和/或角位置的位置传感器和方法。在设定柄轴(3)上设置有磁体(2)，并且设置有至少一个磁场传感器(5)以在可旋转元件(3)旋转时至少沿第一轴线和第二轴线检测磁场(7)的强度变化，所述第二轴线不平行第一轴线。由磁性传感器(5)感测的变化的磁场(7)被转化成特征信号路径，该特征信号路径然后被映射为二维的圆形信号路径，以得出设定柄轴(3)的角位置。

Description

用于确定钟表设定柄轴的位置的位置传感器和方法
技术领域
本发明涉及感测钟表的可旋转轴的位置和/或运动的领域。更具体地，但是非排除性地，本发明涉及一种适于感测钟表设定柄轴的运动和/或位置的非接触式传感器装置和方法。
背景技术
在结合有机械移动部件和电子控制回路的装置例如机电式钟表中，需要精确的传感器以感测旋转机械部件的位置和/或运动。例如，对于具有可旋转设定柄轴的腕表，需要精确且敏感的传感器以检测设定柄轴的瞬时角位置和/或旋转，从而使得手表佩戴者的预设可以迅速且精确地转化成电子信息，该电子信息可被手表的电子控制系统使用。特别地在可佩戴钟表领域，重要的是使该传感器的精度和速度最大化，而同时使能量消耗最小化。另外，例如腕表的设定柄轴的构件的小尺寸特性意味着旋转/运动传感器必须能够检测微小物体的微小运动，例如具有数十毫米直径的柄轴的旋转。由于空间限制，传感器构件自身必须较小。该传感器优选地为非接触式的，使得减少磨损和因此延长钟表的使用寿命。传感器构件也应易于制造。
在美国专利US 6252825中提出了一种非接触式传感器，该专利描述了用于检测钟表的设定柄轴的位置和/或运动的传感器的使用。该设定柄轴设置有转子电极，该转子电极被成形成使得调节两个定子电极之间的电容。US 6252825中的装置要求特殊成形的柄轴和电容式电极的精确制造。这些占据了珍贵的空间并且需要另外的制造步骤。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于确定钟表的可旋转元件的轴向位置和/或角位置的位置传感器和方法，其中，永磁体被设置成与可旋转元件一起围绕可旋转元件的旋转轴线旋转，并且相对于钟表静止的磁场传感器被布置成在可旋转元件旋转时至少沿着第一轴线和第二轴线检测因永磁体的磁场线的转动而引起的磁场的强度变化，所述第二轴线与第一轴线平行。
根据本发明的位置传感器或方法的另一变型，永磁体布置在可旋转元件的远端轴向区域中。
根据本发明的位置传感器或方法的另一变型，永磁体布置在可旋转元件的周向区域中。
根据本发明的位置传感器或方法的另一变型，所述磁场传感器包括至少三个互相不平行的测量轴线。
根据本发明的位置传感器的另一变型，所述位置传感器包括变换单元，所述变换单元用于执行从第一参考系到第二参考系的映射变换。
根据本发明的方法的另一变型，所述方法包括执行从第一参考系到第二参考系的映射变换。
根据本发明的位置传感器或方法的另一变型，第二参考系包括二维的圆形信号路径。
根据本发明的位置传感器或方法的另一变型，第一参考系包括三维的椭圆形信号路径。
根据本发明的位置传感器或方法的另一变型，永磁体布置成在可旋转元件的轴向移动期间与所述可旋转元件一起轴向地移动。
根据本发明的位置传感器或方法的另一变型，可旋转元件包括至少一个第一和第二预定轴向位置，其中可旋转元件在第一预定轴向位置处的旋转与第一钟表功能相关，并且可旋转元件在第二预定轴向位置处的旋转与第二钟表功能相关或者不与钟表功能相关。
根据本发明的位置传感器或方法的另一变型，所述磁性传感器包括第一感测模式和第二模式，在所述第一感测模式下，磁性传感器配置成检测可旋转元件的轴向移动，在所述第二模式下，磁性传感器配置成检测可旋转元件的转动。
根据本发明的位置传感器或方法的另一变型，磁性传感器配置成：在位置传感器处于第一感测模式时以第一分辨率和/或以第一取样率执行感测，并且在位置传感器处于第二感测模式时以第二分辨率和/或以第二取样率执行感测，其中第一分辨率低于第二分辨率并且/或者第一取样率低于第二取样率。
根据本发明的位置传感器或方法的另一变型，位置传感器包括布置成用于使钟表的构件屏蔽永磁体的磁场的屏蔽装置。
根据本发明的位置传感器或方法的另一变型，可旋转元件包括钟表的设定柄轴。
所提出的新方案使得能够减少磨损、减少动力消耗、更精确和更准确地测量角位置，以及更快地响应于钟表装置中的用户致动变化，其具有高分辨率且同时要求更简单的制造并且占据较小尺寸量级的较少的空间。该方案还允许另外地提供除角度检测以外的轴向位置检测，以使得不再需要用于此目的的更专门的其它传感器，因此节约了额外的可利用空间，以用于要被结合到手表表壳中的另外的元件或模块。
附图说明
从参照附图描述的非限制示例性实施例的以下说明中，本发明的其它特征和优点将更加显而易见，图中：
-图1示出了根据本发明的示例性设定柄轴和传感器的示意性等轴测视图；
-图2示出了由于图1的设定柄轴的旋转而形成的三维磁性旋转信号路径的简化示例；
-图3示出了图2的磁性旋转信号路径向二维的变换；
-图4示出了用于图1的传感器的屏蔽装置。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本发明的实施例。在不同附图中出现的相同或相应的功能和结构元件使用相同的附图标记表示。所述附图不是按比例绘制的，并且也不意图表示任何相对或绝对尺寸。
图1示出了优选地安装在可能存在于钟表中的设定柄轴上的可旋转元件3的一个示例。可旋转元件3具有旋转轴线4。在以下描述的优选实施例中，腕表的设定柄轴将被视为本发明的位置传感器的示例性应用示例，其中可旋转元件仅由设定柄轴的一部分构成。设定柄轴也已知为表冠柄轴。因此，该示例的可旋转元件3将为具有例如0.5mm或1mm直径的较小件。图1仅示出了该设定柄轴的远端部分。可旋转元件3设置有磁体2，该磁体附接到可旋转元件的远端端部(即，在设定柄轴由表冠终止的情况中，在设定柄轴的与该表冠相对的端部处)。磁体示出为具有与可旋转元件3相同的直径的大致圆柱体，因为该构型占据最小的额外空间。但是，在实践中磁体可具有任何实际形状。磁体2的极性在附图1中通过表示磁体2的磁场线70的虚线表示。磁体2优选地包括永磁体，例如包括铁磁性或亚铁磁性材料或其它磁性材料，但是也可替换地包括一种可磁化材料，例如具有磁性或需要磁化的黑色金属(ferrous metal)。
磁场线70撞击磁场传感器5，磁场传感器5可例如为用于沿着两个或三个测量轴线测量入射磁场7的两轴或三轴传感器。磁性传感器5可例如为安装到印刷电路板(PCB)1的微型表面贴装装置(SMD)并且通过SMD连接件6连接到PCB。当可旋转元件3旋转通过一整圈时由磁性传感器5检测到的磁场7的强度和方向将形成所谓的信号路径，所述信号路径有效地包括一系列强度/方向数据点。在信号路径中的每个数据点(即每个瞬时测得的强度/方向数据)对应于可旋转元件3的唯一角度取向。如下面将讨论的，传感器因而可设置有用于从所测得的磁场的强度和方向推导出可旋转元件3的角度取向的装置，例如通过参考查找表或者通过执行计算。
钟表例如腕表的设定柄轴一般可以在多个轴向位置之间可移动。这些轴向位置可包括例如初始位置(原位置，home position)、时间设定位置、日期设定位置，在初始位置，柄轴的设定功能不可用，在时间设定位置，使用柄轴的旋转以设定由钟表所显示的时间，并且在日期设定位置，使用柄轴的旋转以设定由钟表所显示的日期。这些轴向位置在图1中通过附图标记8象征性地表示。如果可旋转元件3以此方式在多个离散的轴向位置之间也可轴向地移动，那么上面提及的信号路径可用于不仅推导可旋转元件3的角度取向，而且也可以推导其轴向位置8，特别是由于当从一个离散轴向位置转到另一轴向位置时磁场7的强度的改变。各轴向位置之间设置越多的空间，则可以更好地检测到强度值之间的跳跃。
为了减少能量消耗，位置传感器可被布置成，当可旋转元件3在其初始轴向位置时(即，设定功能不可用时)，磁性传感器5的输出不经常地取样和/或以粗分辨率取样，因为在该状态下仅仅需要检测可旋转元件3何时移动到轴向位置8而不是初始轴向位置。不经常地取样可为例如每秒钟执行一次。那么，当粗略地和/或不经常地取样检测到可旋转元件3处于其它轴向位置8、或者多个其它轴向位置8中的一个轴向位置时，磁性传感器输出的取样可能以更高的频率和/或更高的分辨率执行，同时设定功能被启用。位置传感器因此能以轴向检测模式或者以旋转检测模式操作，在轴向检测模式下，取样率和/或传感器分辨率相对较低，在旋转检测模式下，取样率和/或传感器分辨率较高。
磁体2和/或磁性传感器5可全部或部分地封闭在磁屏蔽装置11中，例如在图4中示出的。该磁屏蔽装置11可通过保护磁性传感器5免受来自外部磁场源或者甚至来自钟表的其它元件的杂散磁场的影响以用于帮助改进位置传感器的精度。该屏蔽装置11也可以帮助保护钟表的其它部件免于因靠近所述磁体2而被磁化。
位置传感器可包括变换单元(在图1中未示出)，所述变换单元用于执行由磁性传感器2所检测的磁场参数和可旋转元件3的旋转位置和/或轴向位置之间的映射或变换。替代地，映射/变换功能可通过独立的装置执行，所述独立的装置例如为钟表的中央处理单元(CPU)。图2示出了与磁体2和可旋转元件3的旋转对应的三维信号路径(例如来自三轴磁性传感器2的一组数据点)的简化图形示意。图3示出了图2的三维信号路径当映射为二维信号路径时将会如何显现。在这种情况中，映射/变换已被执行，使得所形成的2D信号路径是圆形的。这具有可旋转元件的角位置可由2D数据直接推导而不需要进一步的计算得到的优点。例如，当在3D信号路径9中的点10映射到2D信号路径9’上的点10’时，由点10’相对于X轴线所包括的角θ可简单地得到角位置。
变换单元可执行数学变换操作(例如矩阵变换)，以将磁性传感器输出数据(例如3D信号路径10)映射为(优选为圆形的)2D信号路径。根据在图2和图3中示出的优选实施例，该映射对应于图2的3D坐标系向垂直于旋转轴线4的平面的投影。替代地，映射功能可在对应表例如查找表中被限定。前一解决方案可提供更准确的变换，而后一解决方案可以更快并且需要更少的动力。这些是简单示例；其它映射或变换方法是可能的。
虽然已经参照特定示例性实施例描述了本发明，然而应当理解的是，构成元件的很多其它构型是可能的。例如，在图1中示出的位于可旋转元件3的端部的磁体可替代地位于可旋转元件3的周向表面内或周向表面上。在这种情况下，磁场线将提供不同类型的信号路径，并且将需要不同类型的变换操作，以用于将源信号路径9映射为经变换的(优选为圆形的)信号路径9’。类似地，磁性传感器5可相对于可旋转元件2安装在很多不同位置中的一个位置中。也可能使用多于一个的磁性传感器5，和/或多于一个的磁体2。另外，尽管永磁体2根据附图所示出的优选实施例而优选地与可旋转元件3相关联和磁场传感器5相应优选地布置成相对于钟表是静止的，可以理解的是，仅仅必要的是设置永磁体2和磁性传感器5之间的相对旋转和/或轴向移动以检测磁场7的强度变化，因而根据替代的实施例，磁体2和传感器5可以交换地分别布置在钟表的固定元件和可旋转元件3上。
还应理解的是，由于本发明提供了绝对角位置传感器和位置检测方法，因此也允许位置改变的增量检测，例如通过简单地计算相继检测到的角位置和/或轴向位置之间的差。

Claims (15)

1.一种用于确定钟表的可旋转元件(3)的轴向位置和/或角位置的位置传感器，所述位置传感器的特征在于，
永磁体(2)，所述永磁体布置成与可旋转元件(3)一起围绕所述可旋转元件(3)的旋转轴线(4)旋转，
磁场传感器(5)，所述磁场传感器相对于钟表是静止的并且布置成至少沿第一轴线和第二轴线测量入射磁场(7)，并且在所述可旋转元件(3)旋转时沿所述第一轴线和第二轴线检测因所述永磁体(2)的磁场(7)的转动而引起的磁场(7)的强度变化，所述第二轴线与第一轴线不平行。
2.一种用于确定钟表的可旋转元件(3)的位置的方法，所述方法的特征在于，
永磁体(2)被布置成使得该永磁体与可旋转元件(3)一起围绕所述可旋转元件(3)的旋转轴线(4)旋转，
使用磁场传感器(5)以至少沿第一轴线和第二轴线测量入射磁场(7)，并且在所述可旋转元件(3)旋转时沿所述第一轴线和第二轴线检测因所述永磁体(2)的磁场(7)的转动而引起的磁场(7)的强度变化，所述第二轴线与第一轴线不平行。
3.根据权利要求1或2所述的位置传感器或方法，其中，所述永磁体(2)布置在所述可旋转元件(3)的远端轴向区域。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的位置传感器或方法，其中，所述永磁体(2)布置在所述可旋转元件(3)的周向区域。
5.根据前述权利要求中任一项所述的位置传感器或方法，其中，所述磁场传感器(5)包括至少三个互相不平行的测量轴线。
6.根据前述权利要求中任一项所述的位置传感器，该位置传感器包括变换单元，所述变换单元用于执行从第一参考系(9,10)到第二参考系(9’,10’)映射变换。
7.根据权利要求2至5中任一项所述的方法，包括执行从第一参考系(9,10)到第二参考系(9’,10’)的映射变换。
8.根据权利要求6所述的位置传感器，或根据权利要求7所述的方法，其中，第二参考系(9’,10’)包括二维的圆形信号路径(9’)。
9.根据权利要求6或8所述的位置传感器，或根据权利要求7或8所述的方法，其中，第一参考系包括三维的椭圆形信号路径(9)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的位置传感器或方法，其中，所述永磁体(2)布置成在所述可旋转元件(3)的轴向移动期间与所述可旋转元件(3)一起轴向地移动。
11.根据权利要求10所述的位置传感器或方法，其中，所述可旋转元件(3)至少具有第一和第二预定轴向位置(8)，其中，所述可旋转元件(3)在第一预定轴向位置处的旋转与第一钟表功能相关，并且所述可旋转元件(3)在第二预定轴向位置处的旋转与第二钟表功能相关或者不与钟表功能相关。
12.根据权利要求10或权利要求11所述的位置传感器或方法，其中，磁性传感器(5)包括第一感测模式和第二感测模式，在所述第一感测模式下，磁性传感器(5)配置成检测所述可旋转元件(3)的轴向移动，在所述第二感测模式下，所述磁性传感器(5)配置成检测所述可旋转元件(3)的转动。
13.根据权利要求12所述的位置传感器或方法，其中，所述磁性传感器(5)配置成：在位置传感器处于第一感测模式时以第一分辨率和/或以第一取样率执行感测，并且在位置传感器处于第二感测模式时以第二分辨率和/或以第二取样率执行感测，其中，所述第一分辨率低于所述第二分辨率并且/或者所述第一取样率低于第二取样率。
14.根据前述权利要求中任一项所述的位置传感器，包括围绕所述位置传感器布置的屏蔽装置(11)，以使钟表的构件屏蔽永磁体(2)的磁场(7)。
15.根据前述权利要求中任一项所述的位置传感器或方法，其中，所述可旋转元件(3)被装配至钟表的设定柄轴，或者与所述钟表的设定柄轴成一体。
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