CN107346101B - 包括齿轮角位置的检测装置的电子机械式钟表机芯 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电子机械式钟表机芯，其包括步进电机、由电机驱动旋转的齿轮(22)、与齿轮啮合的齿轴(24)以及用于检测齿轮的角位置的检测装置，该检测装置使得可以确定齿轮的基准半轴(42)通过由齿轮和齿轴限定的基准角度(α_REF)，并且为此目的包括电子电路，该电子电路能够在齿轮被驱动进行步进运动时检测额外的局部抵抗扭矩。该局部抵抗扭矩由与齿轮成一体的弹性元件(28)实现，该弹性元件的一部分至少部分地叠置在所述齿轮的齿圈(23)的给定凹部上。所述可移动部件具有齿圈(25)，该齿圈至少部分地位于弹性元件的高度处，使得当弹性元件进入所述给定凹部时，该齿圈发生移动且压靠弹性元件。

Description

包括齿轮角位置的检测装置的电子机械式钟表机芯

技术领域

本发明涉及一种包括步进电机的电子机械式钟表机芯，该步进电机布置为能够驱动轮系，该轮系包括至少一个第一齿轮(即轮，wheel)和与第一齿轮啮合的至少一个齿轴(即小齿轮)或第二齿轮，所述钟表机芯还包括用于确定第一齿轮的角位置的装置。

背景技术

已经提出多种用于检测由钟表电机驱动的齿轮的角位置的装置。多个文献涉及设置包括光源和光传感器的光学装置，其中，钟表机芯布置成根据相关齿轮的角位置以受控方式改变传感器对光的接收。其它文献提出设置电容式传感器或电感式传感器。一些文献提出设置磁化元件和至少一个霍尔传感器。这些装置全都比较昂贵和复杂。另外，它们通常导致钟表机芯的零件尤其是相关齿轮的轮盘(plate)的较大的总体尺寸和/或需要特殊加工。

为了减小用于检测齿轮的角位置的装置的成本、复杂性和总尺寸，已经提出在包括相关齿轮的轮系的一个齿轮中引入“硬点(hard point)”，这种“硬点”涉及对于驱动轮系的电机增加额外的负载或抵抗扭矩，其限于齿轮的受限角区域。通过借助适当的检测方法、尤其是确定执行一次电机步进所需的扭矩来对所述额外的抵抗扭矩进行检测，使得能够检测到相关齿轮的基准轴线通过关于齿轮的旋转轴线的特定的基准角度。

瑞士专利640098公开了一种没有附加的外部传感器的第一装置，其中，在齿轮轮盘上靠近齿圈处具有铁磁性元件并且在齿轮的外周处具有固定磁体。在齿轮旋转期间，当铁磁性元件靠近磁体时，磁体沿着旋转方向吸引该铁磁性元件，因此完成一次电机步进所需的能量减少。然而，一旦已经通过磁体的角位置，则磁体沿着与旋转相反的方向施加力，这导致完成一次步进所需的能量增加。利用对于每次步进检测由电机提供的电脉冲的能量的电路，可以确定其中铁磁性元件大体上面向磁体的步进。这种系统具有多个缺陷。首先，它使用磁体，这可能影响钟表机芯的其它元件。另外，齿轮上的磁力可能具有轴向分量，该轴向分量在齿轮心轴上产生扭矩并且增加了轴承中的摩擦。其次，磁体在齿轮外周处的布置需要机芯中释放一定的空间，这并非总是容易实现。最后，磁体在对应于多个电机步进的较大角距离上作用于铁磁性元件。因此，为了检测由铁磁性元件限定的齿轮的基准轴线的位置，需要分析电机在多个步进中的行为。因此这里提出对于每个脉冲分析电流曲线，以及确定依赖于为完成相应步进所提供的扭矩的该曲线的某些具体参数的演变。

美国专利6414908公开了没有附加的外部传感器的第二装置。该文献教导了“硬点”的设置，当齿轮被驱动时，该“硬点”在一个或多个步进上对于步进电机产生局部的高负载。在一个给定示例中，通过测量电机脉冲的长度实现对该负载的检测。更具体地，这里提供具有第一能量的标准脉冲以实现轮系的步进运动。检测装置能够确定在已经提供标准脉冲时，电机是否正确地完成一次步进。如果在该实施例中不是这种情况，则提供具有比第一能量更高的第二能量的第一校正脉冲。在没有设置硬点的正常操作中，通过标准脉冲和第一校正脉冲保证对轮系的驱动。然而，由硬点装置产生的抵抗扭矩需要具有比第二能量更高的第三能量的第二校正脉冲。因此，当已经提供第一校正脉冲时，任何检测到的非旋转都是硬点导致的，因此这使得能够简单地通过确定需要第二校正脉冲的步进来确定齿轮基准轴线的位置。例如，如果向电机提供大体上恒定的电源，则各个脉冲通过其各自不同的长度来区分。

美国专利6414908详细描述了在记录需要施加第二校正脉冲的步进的基础上，检测到指针通过“12点钟位置”，但是实际上没有教导关于硬点的实用实施例。为了产生额外的抵抗扭矩，仅简单提及了两个示例。第一变型提出对齿圈轮廓的局部修改。至于第二变型，仅指出通过凸轮产生额外的抵抗扭矩。此第二变型是模糊的，这里实际上没有为本领域技术人员给出实用的教导。关于第一变型，它并非没有意义，但是没有给出具体的示例。然而应指出，该第一变型的实施面临一些技术问题。首先，制造这种具有不均匀齿圈的齿轮使其制造工艺更复杂。其次，考虑到制造公差，不容易保证硬点具有数值在给定范围内的抵抗扭矩。最后，通常需要一些齿隙来保证适当的啮合。通过局部改变齿圈轮廓来产生硬点可能易于导致妨碍电机的旋转以及由此对与该电机相关联的轮系的驱动。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种具有用于检测齿轮的角位置的检测装置的电子机械式钟表机芯，该检测装置的制造相对简单，并且可以精确地检测齿轮的基准半轴经过给定的基准角度。

另一目的是提供这样一种检测装置，即，该检测装置在不需要对与步进电机的供电相关联的电信号进行复杂处理的情况下工作，其中该步进电机布置成驱动齿轮。

另一目的是提供一种相对紧凑的上述类型的检测装置。

为此，根据本发明的电子机械式钟表机芯包括由步进电机驱动旋转的齿轮和用于检测该齿轮的角位置的检测装置，该检测装置能够检测在齿轮以步进方式被驱动时瞬间产生的额外的抵抗扭矩。其特征在于，所述额外的抵抗扭矩由与齿轮成为一体的弹性元件产生，该弹性元件布置成：在齿轮的齿圈所在的齿轮的总平面上的投影中，该弹性元件延伸到设置在该齿圈的两个相邻的齿部之间的凹部中。其次，所述钟表机芯布置成使得齿轮与可移动部件啮合，该可移动部件具有齿圈，该齿圈至少部分地位于弹性元件上，使得当该齿圈的其中一个齿部进入所述给定凹部时，该齿圈发生移动且压靠弹性元件。

在一个有利的实施例中，弹性元件构造成：在所述齿轮的总平面上的投影中，所述弹性元件在更小的程度上进入与上述给定凹部相邻的两个凹部中的一个和/或另一个，或者优选地不进入所述两个相邻的凹部。

由于本发明的检测装置的特征，所述额外的抵抗扭矩可以受限于可移动部件的一个齿部进入齿轮齿圈的单个给定凹部中。因此，该抵抗扭矩非常局部化，并且在一些情况下可以仅在一次电机步进中被检测。这简化了对依赖于与齿轮相关联的步进电机提供的扭矩的电信号的处理，并且使得能够确定齿轮的基准半轴的基准角位置，该基准半轴经过齿轮齿圈的给定凹部的中心，并且对应于电机的一次基准步进(reference step)。

根据一个有利变型，所述弹性元件是附装到齿轮轮盘的小尺寸的线状弹簧(wirespring)。这种线状弹簧非常紧凑，能够容易地通过多种附装方法附装，特别是通过焊接，同时保证其自由端的一部分精确地布置为叠置在上述给定凹部上。

附图说明

下面将参考作为非限制性示例给出的附图描述本发明，图中：

-图1是根据本发明的电子机械式机芯的框图。

-图2A是图1的机芯的轮系的齿轮和齿轴的顶视图，其中，齿轮设置有弹簧，该弹簧属于用以检测齿轮的角位置的装置；图2B是与图2A相似的视图，但是齿轮具有特定的角位置，在该角位置，弹簧产生额外的抵抗扭矩。

-图3是图2A的局部放大图。

-图4是沿着图2B的直线IV-IV的局部剖视图。

-图5A至5C是对于三种不同变型，由步进电机提供的扭矩曲线的示意图。

具体实施方式

参考附图，下面将描述电子机械式钟表机芯2的一个实施例，其包括步进电机4，以及联接到电机并驱动模拟显示器8的轮系6。以常规方式，机芯还包括用于电机的电源电路10、为电源电路提供信号以形成施加于电机的脉冲的控制逻辑电路12、特别是为逻辑电路12定义了时基的时钟电路14、以及中央处理单元18，该中央处理单元18管理钟表机芯的各种功能。最后，钟表机芯还包括电路16，该电路16用于检测由轮系和模拟显示器限定的负载，或者检测伴随每次步进提供的驱动所述负载的电机扭矩。该检测电路构成根据本发明的用于检测齿轮的角位置的装置的一部分。该检测电路连接到电源电路(连接A)和/或直接连接到步进电机(连接B)和/或还连接到控制逻辑电路(特别是经由中央处理单元)。

检测电路16可以布置成本领域技术人员已知的、特别是如上述现有技术的多种方式。在其布置成可以提供具有三种不同的相应能量的三种不同脉冲的情况下，负载检测因而包括确定需要这三种不同脉冲中的哪一种来实现一次特定的步进。在根据负载变化提供对脉冲的实时管理的另一情况下，通过分析电脉冲的能量所涉及的三个物理参数(即时间、施加的电压和提供的电流)中的一个或多个参数，可以通过多种方式进行负载检测。如果可适用，则负载检测可以与这些参数的数值相联系，例如脉冲长度、峰值电流或所选择的电压。在更复杂的检测模式下，可以使用多个或这些数值或由此推导出的信息。最后，本领域技术人员还已知的是，在已经提供电脉冲(使用电源电路和检测电路之间的开关)之后分析电机线圈中的感应电压/感应电流的检测装置。特别地，这种感应信号可以确定是否已经正确地进行了步进，但是对该信号的分析还可以提供关于向电机施加的抵抗扭矩的信息。

轮系6包括齿轮22和齿轴24，该齿轮22具有齿圈23并且被电机驱动旋转，该齿轴24具有齿圈25并且与该齿轮啮合。该齿轴以非限制性方式构成与齿轮22的齿圈23啮合的可移动部件。通过与齿轮22成一体的弹性元件26实现额外的局部抵抗扭矩。该弹性元件由线状弹簧构成，该线状弹簧布置在齿轮轮盘上，并且其端部29附装到所述轮盘。在线状弹簧的自由端处具有弯曲部分30，该弯曲部分30叠置在齿圈23的位于该齿圈的两个相邻的齿部34和35之间的给定凹部32上。将注意到，在图中所示的有利变型中，弯曲部分30被弯曲成并不叠置在与凹部32相邻的两个凹部36、37上。在另一变型中，线状弹簧在两端被附装，弯曲部分大致定位在沿着线状弹簧的长度的中间。弯曲部分有利地从线状弹簧的主曲率突出，从而以非常局部化的方式叠置在齿圈23上。然而，此有利变型不是限制性的，因为弹性元件不是必须具有这种弯曲部分。因此，例如在一个变型中，仅弹簧的自由端的末端叠置在齿轮齿圈上。最后，如图3的剖视图所示，当齿轴24的齿圈25进入给定凹部32的内部时，齿轴24的齿圈25至少部分地位于线状弹簧上，从而该齿圈压靠弹性元件，即在这里压靠线状弹簧的弯曲部分。

更一般地，该弹性元件布置为：在齿轮22的齿圈23所位于的齿轮22的总平面40上的投影中，该弹性元件延伸到给定凹部中；该弹性元件可以在齿轮的径向方向上弹性变形，基本上直至所述给定凹部的底部(即，至少足以允许齿轴的齿圈进入所述凹部，而没有阻挡齿轴与齿轮啮合的风险)。有利地，弹性元件构造为：在所述总平面上的投影中，与进入所述给定凹部相比，弹性元件在较小程度上进入与所述给定凹部相邻的两个凹部中的一个和/或另一个。优选地，如在上述变型中的，使弹性元件附装到齿轮，以便在所述总平面上的投影中，该弹性元件不进入两个相邻的凹部中。

用于检测齿轮22的角位置的装置由此可以确定齿轮的基准半轴42通过由所述齿轮和可移动部件限定的基准方向44，该基准方向44对应于基准角度α_REF。半轴42由凹部32的中间部限定，或者由叠置在所述选定的凹部上的线状弹簧的弯曲部分30的一部分限定。在可移动部件构成齿轮或齿轴的情况下，基准角度α_REF对应于通过齿轮22的中心和所述可移动部件的中心的直线44的角位置。根据本发明的检测装置由此包括仅定位在齿轮齿圈的一个凹部中的“硬点”，为了所述检测，其包括能够检测额外的抵抗扭矩的电子电路，该抵抗扭矩在电机4驱动齿轮22和齿轴24进行步进运动时瞬间产生。

图5A、5B和5C分别示出三条曲线48A、48B和48C，这些曲线表示在轮系6被驱动进行步进运动时由电机提供的扭矩，其中，齿轴24的一个齿部进入齿轮22的齿圈的凹部32中，并由此通过由线状弹簧28产生的硬点，该线状弹簧28仅叠置在该给定凹部上。这三条曲线示意性示出在表示为连接的一系列脉冲期间电机必须克服的抵抗扭矩，而在正常操作中，脉冲由步进电机的休止周期间隔开。

图5A对应于齿圈23具有60个齿部并且齿轮每圈产生60次步进的特定情形。在这种情况下，仅对于一次电机步进出现由线状弹簧产生的额外的抵抗扭矩，使得一旦在由电机提供的扭矩中检测到对于步进N的峰值50A，则可以立即确定齿轮的角位置。然而应指出，根据在电机休止周期中啮合的齿圈的相对位置，还可以在两次连续的步进上感知所述额外的抵抗扭矩的作用。在以下情况下尤其如此：其中，电机休止位置对应于弯曲部分30被齿圈25的一个齿部压靠的情形。因此在这种情况下，必须限定两次连续的步进中的哪一次限定了基准角位置。

图5B对应于一个变型，其中，齿圈23也具有60个齿部，但是齿轮每30次步进完成一圈回转。抵抗扭矩的增大峰值50B在比标准脉冲长度更短的持续时间上产生。由于在以比一次电机步进限定的精度更高的精度上得知基准位置方面总体上没有实际的优势，因此应指出，在另一变型中，线状弹簧的弯曲部分30可以在两个连续的凹部上延伸，特别是如果有利地两个齿圈的啮合关系被精确地控制成使得在同一次步进中进入两个连续的凹部。然而，优选地，将保留线状弹簧仅叠置在一个凹部上的变型实施例。因此，在电机休止周期中的齿圈的相对位置不是太重要。电机和轮系将优选地安装成使得仅在电机产生的一次步进期间经过给定凹部32。

图5C对应于一种变型，其中，齿圈23具有30个齿部并且齿轮每圈产生60次步进。在这种情况下，在多次连续的步进上感知额外的抵抗扭矩，其中扭矩峰值50C在至少两次步进并且通常在三次步进上延伸。通过对产生与多次连续的步进相关的电脉冲的电源信号进行分析，通常可以限定其中抵抗扭矩通过最大值的步进，并且由此确定对应于齿轮22的基准位置的步进。然而，在额外的抵抗扭矩作用于电机的多次连续步进的情况下，存在多种方式来限定哪一次步进是所述基准步进。例如，该基准步进可以是抵抗扭矩高于预先确定的阈值的第一步进，或者全部具有高于所述阈值的抵抗扭矩的一系列步进中的最后一次步进。应当理解，还可以选择位于该一系列步进的中间的一次步进，或者在该一系列步进之后的步进，即，在抵抗扭矩高于阈值的一系列步进之后，具有低于给定阈值的扭矩的第一步进。

根据本发明的检测装置是紧凑的。该检测装置在构造方面具有的优点是，整个检测装置(除了并入钟表机芯的电子电路中的电子部件以外)被设置在相关的齿轮上。实际上，只需要一个与相关齿轮成为一体的弹性元件。该弹性元件可以容易地附装到齿轮，使得其仅覆盖一个凹部。

Claims (6)

1.一种电子机械式钟表机芯，包括步进电机(4)、由所述电机驱动旋转的齿轮(22)、与所述齿轮啮合的可移动部件(24)、以及用于检测齿轮的角位置的检测装置，所述检测装置使得能够确定所述齿轮的基准半轴(42)经过由所述齿轮和可移动部件限定的基准角度(α_REF)，并且为此目的包括电子电路(16)，该电子电路(16)能够检测在齿轮和可移动部件被电机驱动进行步进运动时瞬间出现的额外的抵抗扭矩；其特征在于，所述额外的抵抗扭矩由与所述齿轮成为一体的弹性元件(28)产生，所述弹性元件(28)布置成：在所述齿轮的齿圈(23)所在的所述齿轮的总平面(40)上的投影中，所述弹性元件至少延伸到所述齿轮的所述齿圈的两个相邻的齿部(34、35)之间的一个给定凹部(32)内，所述弹性元件能够在所述齿轮的径向方向上弹性变形，基本上直到所述给定凹部的底部；并且，所述可移动部件(24)具有齿圈，所述可移动部件的所述齿圈至少部分地位于所述弹性元件的高度处，使得当所述可移动部件的所述齿圈进入所述给定凹部时所述可移动部件的所述齿圈发生移动且压靠所述弹性元件，所述弹性元件布置在所述齿轮的轮盘上，所述轮盘在外周包括所述齿轮的所述齿圈，所述弹性元件具有叠置在所述齿轮的所述齿圈的所述给定凹部上的部分。

2.根据权利要求1所述的电子机械式钟表机芯，其特征在于，所述弹性元件构造成：在所述总平面上的投影中，所述弹性元件在比进入所述给定凹部更小的程度上进入与所述给定凹部相邻的两个凹部(36、37)中的一个和/或另一个。

3.根据权利要求1所述的电子机械式钟表机芯，其特征在于，所述弹性元件构造成不进入所述两个相邻的凹部。

4.根据权利要求1所述的电子机械式钟表机芯，其特征在于，所述弹性元件由线状弹簧(28)构成，该线状弹簧(28)在其两端中的至少一端(29)处附装到所述齿轮。

5.根据权利要求4所述的电子机械式钟表机芯，其特征在于，所述线状弹簧具有从所述线状弹簧的主曲率突出的弯曲部分(30)，所述弯曲部分叠置在所述齿轮的齿圈的所述给定凹部上。

6.根据权利要求1或2所述的电子机械式钟表机芯，其特征在于，所述可移动部件是齿轴，或者是与所述齿轮构成钟表机芯的轮系的另一齿轮。

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