CN111352337B - 用于确定与心轴的角运动有关的至少一个参数的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
用于确定与心轴的角运动有关的至少一个参数的系统和方法。该系统和方法被布置成确定与手表的表冠成一体的心轴的角运动，该心轴能够在纵向方向上自身旋转。该系统包括旋转反射器，以及两个发射器/检测器对。每个发射器/检测器对包括光源和光检测器，以及处理器，该处理器用于处理由检测器生成的电信号，并且用于确定与心轴的角运动有关的参数。旋转反射器以旋转圆柱体的形式，并且在外部圆柱面的圆周上进行光吸收点的布置。外表面上的吸收点布置为使得当反射器以规则的方式并且在相同的旋转方向上自身旋转时，由每个对的每个检测器生成的代表性电信号具有基本正弦的形状。
Description
技术领域
本发明涉及用于确定与能够自身旋转的心轴的角运动有关的至少一个参数的系统和方法。这样的参数例如是心轴的角度方位或旋转速度或旋转方向。
本发明还涉及一种包括确定系统的计时装置（timepiece）。该计时装置例如是石英表，然后心轴是与时间设置表冠成一体的柄。
背景技术
已知的是提供一种具有电子表冠的手表，例如石英表，用户可以借助于该电子表冠设置时间，并且因此设置指针的方位，而不与手表的齿轮系相接触。为了这么做，电子或光学或电光器件被布置在手表的内部，这使得确定与同表冠成一体的心轴的角运动有关的一个或多个参数，并且因此将指针定位在用户期望的方位中是可能的。更具体地，由用户进行的表冠的旋转动作被该器件转换成对手表处理器的电子脉冲，以便向该手表处理器传送指针必须转动多少步以及在哪个方向上转动的信息。可以例如经由电接触、使用霍尔效应的磁线圈、电容器件或实现光信号传输和检测的电光器件来实现这种类型的编码。
例如，在欧洲专利文献No. EP 3 015 925 A1中公开了这样的电光器件，其特别被用于确定与手表的表冠成一体的心轴的角度方位和/或旋转方向。与表冠成一体的杆在其外部周边具有反射表面。该器件具有意图于照明反射表面的光源以及意图于接收来自反射表面的反射光束并且生成代表该射束的电信号的光检测器。该器件进一步包括处理器，该处理器被配置成根据从检测器接收到的电信号形成两个不同时刻下的至少两个像素图案。处理器还被配置成比较连续的像素图案，并且如果像素图案之间发生移位，则从其推导与杆的角运动有关的至少一个参数。
然而，EP 3 015 925 A1中提出的电光器件的一个缺点在于，由于所获取的数据量，它为处理器生成了相对长的处理时间。因此，该解决方案需要为处理器提供足够的功率，这影响了该处理器的总体大小和器件的功耗两者。考虑到手表中的可用空间和能量是特别受限的，这可以证明对于系统的总体尺寸及其自主性而言是有问题的。
美国专利文献No. 9,797,753 B1公开了一种用于设置手表功能的光学编码器。该编码器包括具有图案化表面的旋转轴、用于照明该图案化表面的光源、用于接收图案化表面上的一部分光反射的光学传感器阵列，以及用于处理来自光学传感器的信息的处理器。提供单个光源，这意味着精确且简单地确定旋转轴的每个角运动是不可能的。
发明内容
因此，本发明的目的是要提供一种用于确定与能够自身旋转的心轴的角运动有关的至少一个参数的电光系统，这使得利用有限量的所获取的数据进行操作以便减少所需的处理功率，同时确保精确且快速地确定（一个或多个）参数是可能的。
为此，本发明涉及一种用于确定与心轴的角运动有关的至少一个参数的系统，该心轴特别是与计时装置的表冠成一体的心轴。
由于在旋转反射器的圆柱面上制成的吸收点的图案，当反射器在相同的旋转方向上自身旋转时，本发明系统的光检测器均生成具有基本正弦形状的代表性电信号。更精确地，当反射器以规律的方式自身旋转时，从每个发射器/检测器对看到的反射器的外表面上的光吸收点的布置改变，并且使得由每个检测器生成的代表性电信号具有基本正弦的形状。由于由检测器生成的信号的基本正弦的形状，减少了由系统处理器实行的、用以确定与心轴的角运动有关的（一个或多个）参数的处理。这使得以精确、可靠的方式并且利用有限量的所获取的数据来确定（一个或多个）参数，从而允许处理器的快速处理时间、紧凑性和最小能耗是可能的。
有利地，两个发射器/检测器对相对于旋转反射器进行布置，使得两个发射器、相应地两个检测器相对于另一个头对尾地布置。这使得当反射器自身旋转时在两个光检测器生成的信号之间引入相移是可能的。这样的相移使得系统存储器装置中实现的计算机程序确定心轴的旋转方向或旋转速度是可能的。另外，归因于两个发射器/检测器对的此空间布置，没有光检测器错过来自反射器的反射光束。
有利地，两个发射器/检测器对被布置在旋转反射器的任一侧上、在其中心基本上是旋转反射器的中心的圆上，并且与彼此偏移具有不同于180°的值的角度。此特征使得当反射器自身旋转时，引入相移和/或增强由两个光检测器生成的信号之间的现有相移是可能的。事实上，两个发射器/检测器对没有在相同的角度处看到反射器，这在生成的信号之间引入了相移。优选地，两个信号之间创建的总相移是至少25°，更优选地仍基本上等于90°。
根据本发明的特定技术特征，旋转反射器由旋转圆柱体形成。可以借助于激光蚀刻或者通过来自数字打印机的黑点（墨水）沉积来制成吸收点布置。
为此，本发明还涉及一种包括上述确定系统的计时装置。
为此，本发明还涉及一种借助于上述确定系统来确定与心轴的角运动有关的至少一个参数的方法，该心轴特别是与计时装置的表冠成一体的心轴。
有利地，该方法进一步包括由处理器实现的步骤，该步骤包括将两个接收到的电信号表示为相同函数的正弦和余弦，并且计算反正切函数，该反正切函数的变量是两个信号之间的比率。这使得在任何时候并且以明确的方式确定心轴的角度方位是可能的。
有利地，该方法进一步包括由处理器实现的步骤，该步骤包括根据所计算的反正切函数的斜率的符号来确定心轴的旋转方向。
有利地，该方法进一步包括由处理器实现的步骤，该步骤包括交替地控制每一个光源的照明。这防止发射器/检测器对之一的检测器受到来自另一个发射器/检测器对的发射器的光的影响。
为此，本发明还涉及一种计算机程序，该计算机程序包括如下程序指令：该程序指令被存储在上述确定系统的存储器装置中，并且当由系统处理器执行时，能够实现如上所述的确定方法。
附图说明
基于通过附图图示的至少一个非限制性实施例，根据本发明的确定系统和方法以及包含该系统的计时装置的目的、优点和特征将在以下描述中更清楚地显现，在附图中：
-图1是根据本发明的配备有时间设置表冠的手表，以及用于确定与同该表冠成一体的心轴的角运动有关的至少一个参数的系统的透视图。
图2是图1的系统的透视图，该系统包括旋转反射器和两个发射器/检测器对。
图3是图2的系统的前正视图。
图4是图2的旋转反射器的透视图。
图5表示对要被蚀刻或印刷在反射器壁上以便以正弦函数调制反射器壁表面的反射率的黑/白像素的矩阵的计算。
图6是表示由两个发射器/检测器对的检测器生成的两个电信号作为旋转反射器的角度方位的函数的演化的示图。
图7是表示由图1的系统实现的、用于确定与心轴的角运动有关的至少一个参数的方法的步骤的流程图。
图8是表示由图2的系统的处理器计算的反正切函数作为旋转反射器的角度方位的函数的演化的示图。
具体实施方式
图1表示了配备有时间设置表冠2的手表1的一部分。表冠2联接到心轴4，该心轴4部分地在手表1内部延伸，特别是在表壳内部延伸。例如是石英表的手表1进一步包括系统6，以用于确定与同表冠2成一体的心轴4的角运动有关的至少一个参数。
心轴4能够围绕纵向方向D1自身旋转。更精确地，当用户旋转表冠2来设置时间时，心轴4被驱动围绕方向D1进行自身旋转。要注意到，可选地，表冠2可以被配置成由用户拉出和/或推入，从而驱动心轴4进行纵向平移。当心轴4被装配到手表1时，如在图1至图4的说明性示例中的情况，心轴4的直径通常被包括在从0.5至2 mm的范围内。
如图2和图3中图示的，除了心轴4之外，系统6还包括旋转反射器8和两个光发射器/检测器对10A、10B。系统6还包括处理器和存储器装置，但是为了清楚起见，没有在图中表示这些元件。
旋转反射器8围绕心轴4而安装在心轴4上。旋转反射器8因此与心轴4成一体。例如，旋转反射器8被安装在心轴4的端部，尽管反射器8在心轴4上的此特定布置在本发明的上下文中不是限制性的。反射器8和心轴4可以被制成一个工件（未进行表示）。
如图2至图4所示，旋转反射器8优选地由旋转圆柱体形成。反射器8的周边表面12初始被完全地抛光，以像反射镜一样具有恒定的光反射率。该恒定的反射率仅由材料特性和表面质量提供。该圆柱反射器8可以例如具有1.3 mm的直径和0.77 mm的长度。给出这些尺寸仅仅是为了说明而没有对于其他值的限制。
旋转反射器8例如是金属的。优选地挑选反射器8的金属，使得抛光的表面12在由光发射器发射的光的波长中反射良好。例如，对于红外光发射器，为反射器8挑选的金属可以是金沉积。因此，为反射器8选择金属通过所选择的光发射器的类型来决定，并且可以根据产品的约束条件来进行调整。
在随后的操作中，特别地通过例如在旋转圆柱体的抛光表面12的整个圆周之上进行印刷，吸收点布置被布置成被蚀刻或沉积。出于简化的目的，此点布置没有完全在图1至图4中示出，而是在图5中被表示，如下面解释的那样。在抛光表面上进行此光吸收点布置之前，必须产生吸收点（黑点）的图案。例如，这是以2D计算机图像的形式获得的，以及更精确地，是以黑/白像素的矩阵的形式获得的。
图5表示频率正弦函数2，可以向该频率正弦函数2添加为1的偏移，使得该值总是正的。该正弦函数在1与0之间振荡。频率2意味着在反射器8的整个旋转之上，存在检测到的由检测器反射的光束的两个完整的正弦波，即，对于每个正弦波周期为180°。正弦函数图中的2D图像中示出了要在圆柱体的抛光表面上制成的点的矩阵。必须在旋转圆柱体的抛光表面的整个周边圆周P之上以及在圆柱体长度L之上重新产生此2D图像。
它被制成柱体。其中在函数为1的点，反射镜的反射率必须是最大值。因此，在该柱体中，将不会制成吸收像素（黑色）。然而，在函数为0的地方，反射镜的反射率必须是最小值。因此，此柱体的所有像素都将是黑色的。
在像素方面，以及在图5中所示的示例中，反射率1意味着，例如，柱体的39个像素都是白色的。反射率0意味着，例如，柱体的39个像素都是黑色的。中间情况被处理如下。如果在某个点处，函数的值为0.6，则这意味着60%的像素必须保持白色（23个像素），并且40%的像素必须是黑色的（16个像素）。在所表示的非限制性示例中，圆柱体具有等于4 mm的周边圆周P和等于0.77 mm的长度L。初始图像由4 mm乘0.77 mm的矩形组成，因此是200乘以39个像素。在这样的情况中，这些像素或点是20 µm乘20 µm的。
在反射器8上的点的此布置的目的是要在发射器/检测器对的每个检测器18检测到光时获得信号，特别是正弦信号。为此，反射器8以规则的方式自身旋转，特别是以几乎恒定的速度且在相同的旋转方向上、并且在光反射率中的变化的基础上自身旋转。
图5中呈现的图像可以被蚀刻或印刷在以旋转圆柱体的形式的反射器8的抛光表面上。可以例如通过激光射束来蚀刻吸收点。如果每个（黑色）吸收点具有20 µm乘20 µm的大小，则蚀刻激光射束可以是由控制单元从计算机所控制的20 µm斑点。将此2D图像上传到激光控制单元中，并且然后使用与激光发射同步的旋转支架将该2D图像蚀刻在圆柱体壁上。
要注意到，公知的是，使用激光射束的动作来修改材料表面的光学属性是可能的。因此，激光可以被用来局部地蚀刻反射器表面上的吸收点。激光设置在部件的机器加工期间保持恒定，使得每个黑点都以统一的效率吸收光。在这样的状况下，反射率的变化仅仅是由于黑点的密度，如图5中所表示的那样。逐渐地，随着反射器旋转，从而面向光发射器，吸收点的密度变化，并且这产生了被反射且被发送到对应的检测器的光的变化。如所指示的，反射光的此变化生成了检测信号，该检测信号取决于在其自身并且在相同的旋转方向上旋转的反射器上制成的吸收点的布置而可以是正弦的。还可能的是，设想例如使用PVD处理来具有吸收表面，其中例如通过激光进行的蚀刻暴露了反射点而不是吸收点。
如图1至图3中所示并且如上面部分地解释的，每个发射器/检测器对10A、10B包括一个光源16和一个光检测器18。光源16通常由例如能够发射红外光的一个或多个发光二极管形成。光源16和光检测器18被布置在保护壳20中，并且优选地，例如借助于分隔壁与彼此光学隔离。每个发射器/检测器对10A、10B形成例如接近传感器单元器件。
两个发射器/检测器对10A、10B被设置在旋转反射器8的任一侧上，面向反射器8。在图3中所表示的优选实施例中，两个发射器/检测器对10A、10B相对于旋转反射器8进行布置，使得两个发射器16、相应地两个检测器18相对于彼此头对尾地布置。优选地，如图3中图示的，两个发射器/检测器对10A、10B被放置在其中心基本上是旋转反射器8的中心22的圆上，并且与彼此偏移具有不同于180°的值的角度。
而且，优选地，如图3中可见的，两个发射器/检测器对10A、10B和旋转反射器8被布置成限定基本上是Y形的空间布置。更精确地，旋转反射器8被设置在Y的中心，第一发射器/检测器对10A被设置在Y的短臂的自由端，并且另一个发射器/检测器对10B被设置在Y的长臂的自由端。换言之，如图3中所见，两个发射器/检测器对10A、10B被设置在旋转反射器8的任一侧上，并且与彼此轴向偏移。
每个光源16意图照明反射器8的一个部分。每个光检测器18意图接收来自反射器8的反射光束24，并且生成代表射束24的电信号。当反射器8在相同的旋转方向S1、S2上自身旋转时，由每个检测器18生成的代表性电信号具有基本正弦的形状。这样的信号26A、26B例如在图6中是可见的。
处理器被配置成处理由检测器18生成的每一个电信号26A、26B。处理器还被配置成根据处理结果确定与心轴4的角运动有关的至少一个参数，如将在下面详细地解释的。所确定的（一个或多个）参数例如是心轴4的角度方位、旋转速度或旋转方向。
图6表示来自以不同角度的检测器18的两个真实信号26A、26B，该不同角度与旋转反射器8的自身旋转相对应。每个信号26A、26B来自发射器/检测器对10A、10B之一的相应检测器18。每个信号26A、26B具有基本正弦的形状。另外，在图6的说明性示例中，信号26A、26B与彼此相移大约25°。优选地，信号26A、26B相移至少25°，并且优选地基本上是90°。
现在将参照图7和图8描述根据本发明的用于确定与心轴4的角运动有关的至少一个参数的方法，该方法由系统6的处理器实现。初始地，假设用户例如通过操纵表冠2来设置手表1的时间，以操纵心轴4使其自身围绕纵向方向D1旋转。心轴4的此旋转引起旋转反射器8围绕纵向方向D1的旋转。
优选地，该方法包括初始步骤30，在该初始步骤30期间，处理器交替地控制每一个光源16的照明。
在初始或后续步骤32期间，处理器从两个光检测器18接收两个电信号26A、26B。电信号26A、26B中的每一个代表来自反射器8的反射光束24，并且具有基本正弦的形状。
在下一个步骤34期间，处理器确定两个接收到的正弦信号26A、26B中的每一个的频率。
在下一个步骤36期间，处理器通过将在步骤34期间确定的频率与预存储在系统存储器装置中的对应关系表进行比较来确定心轴4的旋转速度。
优选地，该方法包括并行或下一个步骤38，在其期间，处理器将两个接收到的电信号26A、26B表示为相同函数的正弦和余弦，然后计算反正切函数，该反正切函数的变量是两个信号之间的比率。对于图6中表示的信号26A、26B的特定示例实施例，该计算的结果在图8中表示。注意到，在与180°相对应的旋转反射器8的半个旋转周期内，所获得的曲线39是直线。因此，有权访问所计算的反正切函数的给定值的处理器可以以明确的方式从其推导心轴4的角度方位。另外，所获得的直线的斜率的符号是心轴4的旋转方向的函数。因此，该方法可以包括并行或下一个步骤40，在步骤40期间，处理器根据所获得的直线的斜率的符号来确定心轴4的旋转方向。
要注意到，为了获得图8中所表示的曲线39的形状，信号26A、26B必须进行相移，优选地相移至少25°。如上所述的那样通过发射器/检测器对10A、10B的头对尾布置，和/或如上所述的那样通过旋转反射器8的任一侧上的两个发射器/检测器对10A、10B的不对称布置来获得这样的相移。因此，信号26A、26B之间的所得到的相移使得获得图8中所表示的曲线39的形状是可能的，并且因此允许处理器精确地确定心轴4的角度方位和旋转方向。
存储器装置存储包括程序指令的计算机程序产品，该程序指令当由系统6的处理器执行时，能够实现如上所述的方法。
要注意到，当利用除了激光之外的技术制成圆柱反射器上的图案时，上述用于生成反射率图像的算法通常也保持有效。例如，因此可以使用由数字打印机喷射的黑色墨水来制成黑色像素。
还要注意到，相同的算法可以被用来制成其他反射率图像，并且在检测器中生成其他信号，诸如方波或斜升波。然而更困难的是容易地确定与表冠成一体的心轴或杆的旋转速度。
Claims (16)
1.一种用于确定与心轴（4）的角运动有关的至少一个参数的确定系统（6），所述心轴（4）是与计时装置（1）的表冠（2）成一体的杆，所述确定系统（6）包括：
-心轴（4），其被配置成能够围绕纵向方向（D1）自身旋转；
-旋转反射器（8），其被围绕所述心轴（4）安装在所述心轴（4）上；
-两个发射器/检测器对（10A，10B），所述两个发射器/检测器对（10A，10B）被设置在所述旋转反射器（8）的任一侧上，面向所述旋转反射器（8），每个发射器/检测器对（10A，10B）包括意图用以照明所述旋转反射器（8）的一个部分的一个光源（16）以及意图用以接收来自所述旋转反射器（8）的反射光束（24）并且用以生成代表所述反射光束（24）的电信号（26A，26B）的一个光检测器（18）；以及
-处理器，其被配置成处理由所述光检测器（18）生成的每一个电信号，并且根据处理结果确定与心轴（4）的角运动有关的所述至少一个参数；
其特征在于，旋转反射器（8）以旋转圆柱体的形式，并且在所述旋转圆柱体的反射外表面(12)的整个圆周之上进行光吸收点的布置，所述反射外表面(12)上的吸收点布置为使得当所述旋转反射器（8）以规则的方式并且在相同的旋转方向（S1，S2）上自身旋转时，由每个发射器/检测器对（10A，10B）的每个光检测器（18）生成的代表性电信号（26A，26B）具有基本正弦的形状，所述两个发射器/检测器对（10A，10B）相对于所述旋转反射器（8）进行布置，使得两个所述发射器、相应地两个所述光检测器（18）相对于彼此头对尾地布置。
2.根据权利要求1所述的确定系统（6），其特征在于，所述两个发射器/检测器对（10A，10B）被设置在所述旋转反射器（8）的任一侧上、在其中心基本上是所述旋转反射器（8）的中心（22）的圆上，并且与彼此偏移具有不同于180°的值的角度。
3.根据权利要求2所述的确定系统（6），其特征在于，所述两个发射器/检测器对（10A，10B）和所述旋转反射器（8）被布置成限定基本上是Y形的空间布置，所述旋转反射器（8）被设置在所述Y的中心，第一发射器/检测器对（10A）被设置在所述Y的短臂的自由端，并且另一个发射器/检测器对（10B）被设置在所述Y的长臂的自由端。
4.根据权利要求1所述的确定系统（6），其特征在于，在每个发射器/检测器对（10A，10B）中，所述发射器和所述光检测器（18）与彼此光学隔离。
5.根据权利要求1所述的确定系统（6），其特征在于，所述旋转反射器(8)由金属制成，金属反射器的反射外表面(12)被抛光。
6.根据权利要求1所述的确定系统，其特征在于，通过使用在对点或像素的矩阵进行限定的确定的图像的基础上被控制的激光来进行蚀刻，来获得旋转圆柱体的反射外表面(12)的整个圆周之上的光吸收点布置的点，其中吸收点的密度以正弦的方式变化。
7.根据权利要求1所述的确定系统，其特征在于，通过在对点或像素的矩阵进行限定的确定的图像的基础上沉积来自数字打印机的黑色墨水的点，来获得所述旋转圆柱体的反射外表面(12)的整个圆周之上的光吸收点布置的点，其中吸收点的密度以正弦的方式变化。
8.根据权利要求6所述的确定系统(6)，其特征在于，在外表面的整个圆周之上蚀刻或印刷的吸收点的密度在两个正弦波周期内变化。
9.根据权利要求7所述的确定系统(6)，其特征在于，在外表面的整个圆周之上蚀刻或印刷的吸收点的密度在两个正弦波周期内变化。
10.一种计时装置（1），其包括用于确定与心轴（4）的角运动有关的至少一个参数的确定系统（6），其特征在于，所述确定系统（6）符合权利要求1。
11.根据权利要求10所述的计时装置（1），其特征在于，所述计时装置（1）是配备有时间设置表冠（2）的石英表，所述心轴（4）是与所述表冠（2）成一体的杆。
12.一种用于借助于根据权利要求1所述的确定系统（6）来确定与心轴（4）的角运动有关的至少一个参数的确定方法，所述心轴（4）是与计时装置（1）的表冠（2）成一体的杆，所述确定方法包括由处理器实现的以下步骤：
-从两个光检测器（18）接收（32）两个电信号（26A，26B），每一个电信号（26A，26B）代表来自所述旋转反射器（8）的反射光束（24），每一个电信号（26A，26B）具有基本正弦的形状；
-确定两个接收到的电信号（26A，26B）中的每一个的频率；
-通过将由处理器确定的频率与预存储在所述确定系统（6）的存储器装置中的对应关系表进行比较，来确定所述心轴（4）的旋转速度。
13.根据权利要求12所述的确定方法，当所述确定系统（6）取决于权利要求3时，其特征在于，所述确定方法进一步包括由处理器实现的步骤（38），所述步骤（38）包括将两个接收到的电信号（26A，26B）表示为相同函数的正弦和余弦，并且计算反正切函数（39），所述反正切函数（39）的变量是两个信号之间的比率。
14.根据权利要求12所述的确定方法，其特征在于，所述确定方法进一步包括由处理器实现的步骤（40），所述步骤（40）包括根据所计算的反正切函数（39）的斜率的符号来确定所述心轴（4）的旋转方向。
15.根据权利要求12所述的确定方法，其特征在于，所述确定方法进一步包括由处理器实现的步骤（30），所述步骤（30）包括交替地控制每一个光源（16）的照明。
16.一种其上存储有指令的计算机可读存储介质，当由处理器执行指令时使所述处理器执行根据权利要求12-15中任一项所述的确定方法。
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