CN110673460A

CN110673460A - 使用者可测试的热电手表

Info

Publication number: CN110673460A
Application number: CN201910585149.3A
Authority: CN
Inventors: F·盖斯萨斯; A·约诺德; Y·特奥杜洛兹
Original assignee: Swatch Group Research and Development SA
Current assignee: Swatch Group Research and Development SA
Priority date: 2018-07-02
Filing date: 2019-07-01
Publication date: 2020-01-10
Anticipated expiration: 2039-07-01
Also published as: EP3591476A1; CN110673460B; US11573535B2; JP2020008570A; US20200004204A1; EP3591476B1; JP6723414B2

Abstract

本发明涉及一种热电手表(1)，包括：热电产生器(10)；电压升压器(20)，连接到所述热电产生器(10)；能量管理电路(30)，连接到所述电压升压器(20)并配置为控制至少一个能量储存元件(40)的充电，所述能量管理电路(30)包括输出(HR_LOW)，输出(HR_LOW)被配置为当所述热电产生器(10)开始产生电能时从第一逻辑状态(S1)变为第二逻辑状态(S2)，并且当所述热电产生器(10)完成产生电能时，从第二逻辑状态(S2)变为第一逻辑状态(S1)。

Description

使用者可测试的热电手表

技术领域

本发明涉及一种热电手表，包括热电产生器、连接到所述热电产生器的电压升压器和连接到所述电压升压器并且被配置为控制至少一个能量储存元件的充电的能量管理电路。

背景技术

在热电手表的领域，本领域技术人员知道，当手表在腕部上时，热电产生器能被利用从身体热量向手表提供电能。由于热电产生器产生低电压，电压升压器可以增加所产生的电压，从而获得充分高的电压为能量管理电路供电。能量管理电路使对诸如电池的至少一个储存元件充电成为可能，以便即使在不再满足热电能量产生的条件时也为热电手表的电机供电。热电产生的强度能通过在热电手表表盘边缘的圆条形图显示。因此，使用者能看见热电产生是否活动。

一个缺点是条形图使用由能量管理电路的输出控制的LCD显示。LCD显示连续工作，消耗最好的几微瓦，并且最多达几百微瓦。考虑到戴在腕部上的设备产生的热电功率在休息时几乎不能超过几微瓦，这种LCD设备显得对能量预算非常不利。

发明内容

本发明的目的是克服上述缺点。

为此，本发明涉及根据权利要求1所述的热电手表。

因此，如下文将详细看到的，当能量管理输出从一个状态变为另一个状态(经由上升或下降转变)时，发光二极管发射光脉冲(光的闪烁)。这让使用者知道热电产生何时使能(enable)或去使能(disable)。

根据本发明的非限制性实施例，热电手表能单独或以所有技术上可能的组合具有权利要求2及其后的权利要求的特征。

附图说明

本发明将参考以非限制性示例的方式给出的附图，更详细地描述如下，其中：

图1示意性地示出了根据本发明的热电手表，所述热电手表包括电压发生器、电压升压器和能量管理电路。

图2a示出了根据本发明第一个实施例的第一个非限制性变型的，连接到其自身耦合到发光二极管的电容器的图1的能量管理电路。

图2b示出了根据本发明第一个实施例的第二个非限制性变型的，连接到其自身耦合到发光二极管的电容器的图1的能量管理电路。

图3示出了根据第二个实施例的，连接到每个耦合到发光二极管的两个电容器的图1的能量管理电路。

具体实施方式

除非另有说明，各个附图中出现的在结构或功能中同样的元件保持相同的标记。

根据本发明的热电手表1参考图1至3进行描述。

如图1所示，热电手表1包括：

-热电产生器10；

-电压升压器20；

-能量管理电路30；

-至少一个电容器C1，耦合到发光二极管LED；

-所述发光二极管LED。

热电手表1还包括：

-能量储存元件40；

-电机50，被配置为移动热电手表1的指针和刻度盘(未示出)；

-谐振器60，被配置用作热电手表1的频率基准。

在下面的描述中，热电手表1也称为手表1。手表1的元件在下文中详细描述。

热电产生器10

热电产生器10被配置为当手表1在使用者的腕部上时，从人的身体热量产生几毫伏(mV)级别，即低电压，的电能。在非限制性示例中，电压被包含在6到12mV之间。需要注意的是，当手表1放在腕部上时，电能的产生通常用不到1秒的时间。

因此，当手表被戴在腕部上时，热电产生器10变成活动。当所述手表的电池被放电时，热电产生器10允许手表1启动。

因为热电产生器对本领域技术人员是已知的，因此本文不再详细描述热电产生器10。

热电产生器10连接到电压升压器20。

电压升压器20

电压升压器20被配置为升高热电产生器10产生的电压，以获得充分高的电压到能量管理电路30。该电压在伏特的级别上。在非限制性示例中，其等于2.5V。

电压升压器20连接到能量管理电路30。

所产生的电压在所述能量管理电路30的输入VDD_SOL上。因此，高于或等于阈值(在描述的非限制性示例中为2.5V)的电压意味着热电产生器10被使能，换句话说，其已经开始产生电能。

因为电压升压器对本领域技术人员是已知的，电压升压器20在此不详细描述。

能量管理电路30和能量储存元件40

能量管理电路30配置为控制至少一个能量储存元件40的充电。

在非限制性实施例中，能量管理电路30是可编程微控制器，被配置为给所述至少一个能量储存元件40充电。

在非限制性实施例中，管理电路30包括有着一定的传送电流，在非限制性实施例中典型地是1到2mA，的能力推挽放大器(push-pull amplifier)电路，以便获得跨越下面描述的输出HR_LOW的上升和下降转变。

如图1所示，能量管理电路30尤其包括：

-输入VDD_SOL，

-输出HR_LOW，

-输出VSUP，

-输出VDD_LTS，

-输出VDD_STS。

通过在其输入VDD_SOL处接收到的电压，能量管理电路30能对于所述至少一个能量储存元件40供电。

在非限制性示例中，所述至少一个能量储存元件40是电池Bat。电池Bat使得即使在不再有任何电能产生时也可能对于例如手表1的电机50供电。

在非限制性实施例中，能量管理电路30被配置为控制两个能量储存元件40的充电。每个能量储存元件40经由各自的输出VDD_LTS和VCC_STS连接到能量管理电路30。

在非限制性实施例中，第一能量储存元件40是短期储存元件，第二能量储存元件40是长期储存能量元件。在非限制性示例中，短期能量储存元件是图1中标记为C5的电容器，长期能量储存元件是图1中标记为Bat的可再充电电池。在非限制性示例中，电池Bat是锂离子电池。

在下面的描述中，电容器C5和电池Bat用作非限制性示例。

在非限制性实施例中，所述能量管理电路30配置为交替控制电容器C5和电池Bat的充电，以便对例如所述手表1的电机50供电。为此，其还包括多个开关(未示出)。

因此，经由其输入VDD_SOL，能量管理电路30通过给电容器C5充电启动，其在几秒钟内充电(典型地在3到5秒之间，取决于期望的终端体验)。然后，当电容器C5被充电时(其已经达到充分的电压，例如，在1.5V到3V之间)，能量管理电路30从其输入VDD_SOL断开电容器C5，并经由其输入VDD_SOL给电池Bat充电，其在几个小时甚至几天上更缓慢地充电，直到达到充分的电压，例如，在1.5V到3V之间。

当电池Bat正充电的时候，电容器C5在输出VSUP处放电，使得可以为手表1的电机50供电，并因此开始手表1的移动。电容器C5实际上在几秒钟内放电。

电池Bat从电容器C5接管来对电机50供电。电池Bat也跨越输出VSUP放电，使对手表1的电机50供电几个月成为可能。电池Bat事实上能用几个月来放电。

当电容器C5和电池Bat各自已经达到充分的电压时，能量管理电路30把两者并联。

因此，当热电产生器10活动时，热电产生器10产生的电能到达输入VDD_SOL处，使给电容器C5和电池Bat充电成为可能。

当热电产生器10不活动时，即其不再产生电能，电容器C5和电池Bat从输入VDD_SOL断开。

例如，当手表1处于热平衡和不再戴在腕部上时，热电产生器10变成不活动。当其再次放在腕部上时，上述的电容器C5和电池Bat充电的交替控制再次启动。

能量管理电路30的输出HR_LOW被配置为：

-当所述热电产生器10开始产生电能时，从第一逻辑状态S1变为第二逻辑状态S2，并且

-当所述热电产生器10完成产生电能时，从第二逻辑状态S2变为第一逻辑状态S1。

因此，输出HR_LOW指示热电产生器10的活动性。

在下文中，假定第一逻辑状态S1为高状态，第二逻辑状态S2为低状态。然而，相反情况也是可能的。

在非限制性实施例中，高状态S1处于电位+Vbat，低状态S2处于电位-Vbat。

因此，当输出HR_LOW从低状态S2变为高状态S1时处于上升转变，当其从高状态S1变为低状态S2时处于下降转变。

更具体地说，输出HR_LOW被配置为：

-当所述热电产生器10开始产生电能时，从高状态S1变为低状态S2，并且

-当所述热电产生器10完成产生电能时，从低状态S2变为高状态S1。

输出HR_LOW的低状态意味着热电产生器10活动。输出HR_LOW的高状态意味着热电产生器10不活动。

被考虑的是，在正常使用期间，输出HR_LOW每天不能有超过100次上升和/或下降转变。每天100次转变对应通过下面提到的耦合元件C1的小于0.1微安的平均电流，代表小于10％的手表1的低的功耗百分比。

能量管理电路30连接到下面描述的所述至少一个电容器C1。

电容器C1和发光二极管LED

如图1、2a和2b所示，所述至少一个电容器C1耦合到发光二极管LED，并且配置为：

-当所述能量管理电路30的所述输出HR_LOW从状态S1、S2变为另一状态S2、S1时，经历电荷变化(variation of charge)dQ。

-当其经历所述电荷变化dQ时，向所述发光二极管LED提供电流。

向发光二极管LED供电的电流等于dQ/dt。由于电容器的电荷表示为Q＝C*U，在非限制性示例中，最大值为Q1＝C1*Vbat，并且dQ＝+或-Q1。

电容器1与所述发光二极管LED串联。

当电容器C1经历电荷变化dQ时，充电或放电电流i，也称为其充电或放电所需的电流i，暂时流入发光二极管LED，使其在可见光谱中发射光脉冲L，也称为可见光脉冲L或光脉冲L。

应注意的是，在输出HR_LOW的上升或下降转变之后，当所述输出HR_LOW保持在S1、S2两个状态之一时，发光二极管LED中没有电流i流动。因此，发光二极管LED在稳定状态下不使用能量，而只在上升和下降转变期间使用。其平均电位为Uq＝0。

流过发光二极管LED的电流i实际上是电流突发(burst)，因为其只在电容器C1经历电荷变化dQ，即在输出HR_LOW的上升和下降转变期间时产生。该电流突发的强度在毫安的级别上。在非限制性示例中，其被包含在1和10mA之间。应注意的是，在至少50毫秒的持续时间后，电流突发的强度典型地下降到10％。因此，对于典型地小于50毫秒的持续时间，发光二极管LED发射的光脉冲L被看见。

在非限制性实施例中，所述至少一个电容器C1连接到电阻器R1。电阻器R1与所述至少一个发光二极管LED并联。

在输出HR_LOW每次上升或下降转变后，即当相应的发光二极管LED不再导通时，电阻器R1使所述电容器C1缓慢地和逐渐地放电成为可能。应注意的是，在非限制性示例中，电阻器R1导致电容器C1在每次转变之间的5和10秒中放电90％到99％。因此，时间常数RC一般在5和10秒之间。电容器C 1放电以在其端子处获得零电位差。

发光二极管LED被配置为当来自所述电容器C1的充电或放电电流i通过其时，发射可见光脉冲L。在下面的描述中，可见光脉冲L也称为光脉冲L。

在非限制性实施例中，发光二极管LED设置在手表1表盘上的孔后面，使得光脉冲L对手表1的使用者可见。

在图2a所示的第一个非限制性实施例中，所述至少一个电容器C1耦合到绿色发光二极管LED，并且配置为当所述能量管理电路30的所述输出HR_LOW从高状态S1变为低状态S2时，即当所述输出HR_LOW在下降转变时，充电。

这对应热电产生器10的电能产生的开始。电容器C1充电所需的电流i通过绿色发光二极管LED，然后绿色发光二极管LED发射绿色光脉冲L。

因此，输出HR_LOW的状态变化导致发光二极管LED发射光脉冲L。

因此，当热电产生器10开始产生能量(变成活动)时，绿色发光二极管LED发射绿色光脉冲L，绿色光脉冲L对手表1的使用者可见。因此，使用者知道热电产生器10正在运行，即热电产生器10正在开始产生电能。

在非限制性示例中，当手表1放在使用者的腕部上时，热电产生器10变成活动。实际上，手表1接收人的身体热量。

在下降转变后，当输出HR_LOW保持在低状态S2(热电产生器10仍活动)时，绿色发光二极管LED中流动的电流i的值迅速下降至零。所以，使用者不再看到绿光的闪烁。

当输出HR_LOW从低状态S2变为高状态S1(热电产生器10变成不活动)时，绿色发光二极管LED中没有电流i流动。连接到电阻器R1的电容器C1放电以在其端子处获得零电位差。

应注意的是，绿色发光二极管LED的阳极连接到电池正极端子+Vbat。然而，在另一个未示出的非限制性实施例中，绿色发光二极管LED的阳极也可以连接到电池Bat的负极端子–Vbat或任何其他静态电位。在每种情况下，这使得可以在存在到在所用的非限制性示例中处于电位–Vbat的低状态S2的改变时，在绿色发光二极管LED的端子处有电位差，使得电流能够在绿色发光二极管LED中流动。

在图2b所示的第二个非限制性实施例中，所述至少一个电容器C1耦合到红色发光二极管LED，并且配置为当所述能量管理电路30的所述输出HR_LOW从低状态S2变为高状态S1时放电，即当所述输出HR_LOW在上升转变时。

这对应热电产生器10的电能产生的终止。电容器C1放电所需的电流i通过红色发光二极管LED，然后红色发光二极管LED发射红色光脉冲L。

输出HR_LOW的状态变化导致从发光二极管LED发射光脉冲L。

因此，当热电产生器10结束产生能量(变成不活动)时，红色发光二极管LED发射红色光脉冲L，红色光脉冲L对手表1的使用者可见。因此，使用者知道热电产生器10正在关闭，即其正在结束电能产生。

在非限制性示例中，当手表1不再戴在使用者的腕部上时，热电产生器10变成不活动。实际上，手表1不再与人的身体热量接触，因此在热电产生器端子处趋于热平衡。

在另一个非限制性示例中，当手表1在完全的阳光下时，暗表盘从太阳吸收能量，热电产生器10变成不活动。即使其仍然在腕部上，手表1的壳中(case middle)也变得比腕部更暖和。热电产生器10在白天期间能停止几次。据考虑，在正常使用期间，热电产生器10能够每天最多100次地停止并再次变成活动。

在上升转变后，当输出HR_LOW保持在高状态S1(热电发生器10仍不活动)时，在红色发光二极管LED中流动的电流i的值迅速下降至零。所以，使用者不再看到红光的闪烁。

当输出HR_LOW从高状态S1变为低状态S2(热电产生器10变成活动)时，红色发光二极管LED中没有电流i流动。连接到电阻器R1的电容器C1放电以在其端子处获得零电位差。

应注意的是，红色发光二极管LED的阴极连接到电池负极端子–Vbat。然而，在另一个未示出的非限制性实施例中，红色发光二极管LED的阴极也可以连接到电池Bat的正极端子+Vbat或任何其他静态电位。在每种情况下，这使得可以在存在到在所用的非限制性示例中处于电位+Vbat的高状态S1的改变时，在红色发光二极管LED的端子处有电位差，使得电流能够在红色发光二极管LED中流动。

在图3所示的第三个非限制性实施例中，所述能量管理电路30连接到两个电容器C1、C1’，每个耦合到发光二极管LED1、LED2。

在非限制性实施例中，一个发光二极管LED1为绿色，另一个发光二极管LED2为红色。

在非限制性实施例中，其中一个电容器被配置为当所述输出HR_LOW从高状态S1变为低状态S2时，经历电荷变化dQ，另一个电容器被配置为当所述输出HR_LOW从低状态S2变为高状态S1时，经历电荷变化dQ。

在非限制性实施例中，其中一个电容器被配置为当所述输出HR_LOW从高状态S1变为低状态S2时充电，另一个电容器配置为当所述输出HR_LOW从低状态S2变为高状态S1时放电。

因此，根据该非限制性变型，电容器C1配置为当所述输出HR_LOW从高状态S1变为低状态S2时充电，电容器C1’配置为当所述输出HR_LOW从低状态S2变为高状态S1时放电。

因此，电容器C1充电所需的电流i在绿色发光二极管LED1中流动，电容器C1’放电所需的电流i在红色发光二极管LED2中流动。

当热电产生器10开始产生电能时，绿色发光二极管LED1发射绿色光脉冲L1，当热电产生器10完成产生电能时，红色发光二极管LED2发射红色光脉冲L2。

这样，分别经由绿光的闪烁L1或红光的闪烁L2，手表1的使用者能看到热电产生器10产生电能的开始和终止。

应注意的是，一旦短期能量储存元件C5被热电产生器10产生的电能充电，使用者可见的绿色光脉冲L1在手表1放在腕部上几秒钟后出现。

应注意的是，取决于温度条件，使用者可见的红色光脉冲L2在手表1从腕部取下几秒到几分钟后出现。这段时间对应被人的身体热量加热的手表1的后盖用来冷却的时间。

应注意的是，来自发光二极管的光脉冲L的光强度取决于相应电容器C1的充电或放电方式。该光脉冲L的生理感知本质上取决于其时间的积分，与相应电容器C1的充电或放电速度成比例。由于电容器C1的端子处电压是固定的(等于+或-vbat)，调整电容器C1的值以获得确定的光脉冲L的强度。

应注意的是，绿色发光二极管的导通电压(conduction voltage)通常高于红色发光二极管的导通电压，其效率低于红色发光二极管的效率。

因此，取决于发光二极管的类型，调整相应电容器C1的值。为了对绿色和红色发光二极管获得相同的光脉冲L生理感知，相对于与红色发光二极管LED2对应的电容器C1的值，典型地增加与绿色发光二极管LED1对应的电容器C1的值。在非限制性示例中，与绿色发光二极管LED1对应的电容器C1的值等于22μF，与红色发光二极管LED2对应的电容器C1的值等于10μF。因此，对于22μF的值，对于等于2.5V的电池电压Vbat获得55μC(库仑)的总电荷。对于10μF的值，对于等于2.5V的电池电压Vbat获得25μC(库仑)的总电荷。因此，下降或上升转变使用非常低的对应几毫安的充电/放电电流i的电荷。所以，低的充电/放电电流i用于发射在大白天可见的绿或红色光脉冲。非常小的电流用于提醒使用者热电产生或不产生。

在非限制性实施例中，发光二极管LED具有包含在1.5V到3V之间的导通电压Vc。所以，为了使光脉冲L成为可能，电池电压Vbat必须高于导通电压Vc。因此，在非限制性实施例中，电池电压Vbat高于1.5V。在非限制性变型中，电池电压Vbat包含在2V到4V之间。该数值范围对应市场上常见的锂离子电池。该数值范围足以使电流在发光二极管LED中流动，使得后者发射在大白天可见的光脉冲L。因此，发光二极管LED使把电能转变成在大白天广泛可见的光脉冲成为可能。

当然，本发明不限于所示的示例，而是可以有本领域技术人员能知晓的不同变型和修改。

因此，在另一个非限制性实施例中，发光二极管LED发射红和绿色以外的颜色。

Claims

1.一种热电手表(1)，包括：

-热电产生器(10)，

-电压升压器(20)，连接到所述热电产生器(10)；

-能量管理电路(30)，连接到所述电压升压器(20)并且被配置为

控制至少一个能量储存元件(40)的充电，所述能量管理电路(30)包括输出(HR_LOW)，所述输出(HR_LOW)被配置为当所述热电产生器(10)开始产生电能时从第一逻辑状态(S1)变为第二逻辑状态(S2)，并且当所述热电产生器(10)完成产生电能时从所述第二逻辑状态(S2)变为所述第一逻辑状态(S1)；

其特征在于，所述手表还包括至少一个电容器(C1)，所述至少一个电容器(C1)连接到所述能量管理电路(30)，耦合到发光二极管(LED)，并且被配置为：

-当所述能量管理电路(30)的所述输出(HR_LOW)从所述第一状态(S1)变为所述第二状态(S2)或从所述第二状态(S2)变为所述第一状态(S1)时，经历电荷变化(dQ)，

-当所述电容器经历所述电荷变化(dQ)时，为所述发光二极管(LED)提供电流，所述发光二极管(LED)被配置为当所述电流流过其时发射在可见光谱中的光脉冲(L)。

2.根据权利要求1所述的热电手表(1)，其中，电阻(R1)与所述发光二极管(LED)并联。

3.根据权利要求1所述的热电手表(1)，其中，所述发光二极管(LED)具有被包含在1.5伏特和3伏特之间的导通电压(Vc)。

4.根据权利要求1所述的热电手表(1)，其中，所述发光二极管(LED)由包含在2伏特和4伏特之间的电池电压(Vbat)供电。

5.根据权利要求1所述的热电手表(1)，其中，所述能量管理电路(30)被连接到两个电容器(C1，C1’)，每个耦合到发光二极管(LED1，LED2)，

所述电容器中的一个(C1)被配置为：

-当所述输出(HR_LOW)从所述第一逻辑状态(S1)变为所述第二逻辑状态(S2)时，经历电荷变化(dQ)，

-当所述电容器经历所述电荷(dQ)的变化时，为其耦合到的所述发光二极管(LED1)提供电流，所述发光二极管(LED1)被配置为当所述电流流过其时发射可见光谱中的光脉冲(L1)，

另一个电容器(C1’)配置为：

-当所述输出(HR_LOW)从所述第二逻辑状态(S2)变为所述第一逻辑状态(S1)时，经历电荷变化(dQ)，

-当其经历所述电荷变化(dQ)时，为所述电容器耦合到的所述发光二极管(LED2)提供电流，所述发光二极管(LED2)被配置为当所述电流流过其时发射可见光谱中的光脉冲(L2)。

6.根据权利要求1所述的热电手表(1)，其中，所述管理电路(30)包括推挽放大器级。

7.根据权利要求1所述的热电手表(1)，其中，所述能量管理电路(30)被配置为交替控制两个能量储存元件(40)的充电，从而对所述热电手表(1)的电机或显示器(50)供电。