CN1248332A - 带有电容检测装置的计时器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种含有一个转动件(1)和一个用于检测上述转动件的位置和/或运转状态的非电接触电容检测装置的计时器(51)。为了避免在常规系统中采用电开关带来的问题,上述检测装置具有至少一个电容传感器(55、56)和一个电子检测器,上述电容传感器具有一个或多个固定电极(59、60)和一个由上述转动件带动的带齿的转子(57、58),上述的电子检测器对于上述传感器中的电容的变化是敏感的。上述检测装置含有两个输出信号相位差为90°的电容传感器(55、56),以便能指示出转动件的转动方向。上述的转动件可以是一个对时控制杆(1),或者是诸如手表指针的轴之类的其他零件。

Description

带有电容检测装置的计时器

本发明涉及一种计时器(具体地说是一种手表)，它含有一个转动部件和一个用于检测上述转动件的位置和/或运转情况的电容检测装置，该电容检测装置含有至少一个电容传感器和一个对该电容传感器的电容变化敏感的电子检测器，上述电容传感器具有一个带有一个或多个固定电极的固定部分和一个带有一个由上述转动件带动的导电转子的可动部分。

本发明具体地用于(但不限于)功能方面的控制，例如，借助于与外部冠状件相配的普通控制杆由手工校正电子表的时间或日期。上述控制杆的转动和移动情况的检测通常主要依靠由一种固定在控制杆上的凸轮机构带动的机电开关实现的，上述凸轮对与通常设置在包含其他计时器零件的印刷电路板上的固定接头相接触的柔性接触片施加作用力。

制造装配上述机电开关的主要困难在于电接触闭合的可靠性，它要求每个接触片相对于对应的凸轮和对应的固定接头有十分精确的定位。因此，必需进行运转试验，并在装配每个计时器时也许还要进行调整，这些工作既费钱又极不方便于装配手表的自动作业。

应用电接触件检测转动件的特殊位置(例如，计时器指针或日期指示器的“零”位置)也存在类似的问题。

因此，希望采用能用于手表的非接触性机构来替代上述的机电开关。

德国专利申请3934158 A1公开了一种可用于控制家用器械中的电子表的脉冲发生器，该发生器大致相当于本文开头序言中指出的那类电容传感器，一个绕垂直于盘件的轴线转动的盘状转子支承一个具有两个径向对置的扇形段的平电极，该电极与带有几个以特殊方式排列并与电子检测线路相连接的固定电极的平直定片相对，在该定片与转子之间安置一个薄的介电体。为转子转动时，由于转子与每个固定电极之间的重叠表面的变化，在定片的不同电极之间由转子的电极产生的电容耦合发生变化而产生脉冲，与此同时，电极之间的介电体的厚度保持不变。

上述的结构用于微型钟表工业(具体说是手表)需要很大的空间，而且转子装配时电极之间的距离必须十分精确和稳定，也就是要使介电体的厚度保持不变。

本发明的目的在于通过提出一种可用于计时器(例如手表)的可靠的非接触性检测装置来克服现有技术的缺点，所述的非接触性检测装置可以低成本地制造和装配，并可方便地用于校正时间或日期或检测转动件的特殊位置。

因此，本发明涉及到前序部分中所述的计时器，其特征在于，每个固定电极排列成面对转子的圆周表面，而该表面带有多个在转子转动时转到接近每个固定电极的齿。

于是，上述检测装置本质上是通过改变转子的带齿的圆周表面与每个固定电极之间的距离而改变电容起作用的。理所当然地，这种装置可以制成紧凑而且低电能耗的形式，很适合于用在手表内。而且，电容传感器可以做成具有很多连续的角度位置(例如每一转有8个或12个位置)，而不会过分复杂。

在一个具体的实施例中，电容传感器的固定部分含有一对固定电极，转子设置成可通过其转动位置而影响固定电极之间的电场。转子可以保持在一个固定电位上，其齿的排列可以在固定电极间的电场内形成屏蔽。

这两个固定电极最好同在一个基板上的平面内，并且彼此间隔开一个间隙，转子的轴线设置成面对上述的间隙，并且平行于固定电极。上述的基板最好是计时器的印刷电路元件的一部分，也就是利用电子表或电子机械表中运动部分已有的元件。

在上述实施例中，为了使转子与固定电极之间的间隙保持恒定，可将转子固定在转动件上，该转动件具有一个滑动地压靠在位于基板和/或固定电极上的介电层的支承圆筒。这样，在装配转动件时就不需要进行任何调整。

在另一个带有两个固定电极的结构中，固定电极构成两个互相隔开相对的电极板，转子就置于它们之间，转子的转动轴线平行于上述电极板。由于转子的圆周表面具有带齿的形状，故电极之间电容的变化是由于介电层厚度变化所致。在这种结构中，固定电极也可置于相同的印刷电路板上，例如，置于基板上的孔的两个相对边缘上。转子可以是绝缘的，并用作两个固定电极之间的电信号的传送器。因此，转子处在漂移电位上。

另一个含有一对固定电极的传感器的优选实施例的特征在于，转子是一个与检测装置相连接的可动电极，转子转动时，它的齿交替地从一个或另一个固定电极的前面通过。于是转子形成一个用于对分别由两个固定电极组成的两个电容器发射信号的第三电极。

又一个实施例的特征在于，电容传感器的固定部分含有一个带有组成固定电极的内齿的环形静子，而转子设置在上述环形静子内，它的齿形成一个面对静子齿的可动电极。于是，可在一个体积较小的结构内获得表面较大而且表面间距离小的电极，从而获得极高的电容。齿的数目越多，传感器的角度分度越多，静子的内部可涂上薄的介电层，转子可在该介电层上滑动，这就可保证转子在静子内对中。

为了使非接触检测装置也能指示转动件的转动方向，检测装置最好也含有两个上述的电容传感器，此两传感器互相偏离一定角度，以便在转动件转动时分别发生相位差为90°的输出信号。

通过下面参看附图说明不同的实施例可更加了解本发明的其他特征和优点，附图中，

图1简单示出本发明的第一实施例，更具体地说，示出一个用于检测转动件的位置的含有电容传感器的非接触性检测装置；

图2是类似于图1的视图，示出转动件处于另一个位置；

图3是用于本发明的电容传感器的沿图4的III-III线的简单横剖视图；

图4是含有两个与滑动转动件相配合的电容传感器的检测装置的简单侧视图；

图5是电容传感器的另一个实施例的简单剖视图；

图6是图5传感器的等效电路图；

图7是电容传感器又一个实施例的简单剖视图；

图8是图7电容传感器的等效电路图；

图9是电容传感器的再一个实施例的简单剖视图；

图10简单示出本发明的另一个实施例，其中手表的控制杆与两个圆柱形电容传感器相连接；

图11是图10的一个传感器的横剖视图；和

图12示出转动件转动时图10和图11的检测装置获得的电信号。

在图1和2所示的实施例中，其位置待测定的零件是一个可以例如是一种手表或其他计时器的对时控制杆1。但是，这个零件也可以是计时机构的运动件，例如带有秒针、分针或时针的轴，或计时器的记数指针。

控制杆1与检测其角度位置的装置相连接，该装置包含一个电容传感器2和一个接收来自输出线路4上的传感器的信号的电子检测器3。电容传感器2具有一个由一个同轴固定在杆1上的转子5形成的运动部分和一个实际上由两个固定电极6和7形成的固定部分，在本实施例中，上述电极6和7是同平面的，并且贴到平行于转子5的轴线的绝缘基板8的下表面上。所述的基板8最好是一种在大多数电子表或电子机构表中都有的印刷电路板，这种电路板通常是平行于表盘，并平行于控制杆1，在地线10与第一电极6之间串联一个电压源9，施加一个脉冲电压Ue，第二电极7与输出线路4相连接，发出一个与两个电极6和7之间的电容有关的输出信号。

转子5是一种导电件，最好用金属制成一个星形，在本实施例中，其圆周面上带有4个彼此呈规则角度隔开的齿11～14。转子5最好通过控制杆1与地线10连接。转子5的位置正好对着电极6与7之间的间隙15，而且它的齿11～14与电极6、7相距一段小的距离。因此，转子5的设置及其位置影响着电场16，从而影响着电极6、7之间的电容耦合。在控制杆1转动过程中，传感器2的电容周期地变化，在图1的位置时(转子形成电场中的屏蔽)通过线路4的输出信号为最小值，而在图2位置时(转子实际上不形成屏蔽)为最大值。

传感器输出信号加在检测器3的放大器16的负输入端，上述放大器16与电容Ci的积分电容器17是并联的。在放大器的输出端18获得一个电压矩形脉冲信号Us＝(Cv/Ci)·Ue，式中Cv是电极6和7之间的电容。上述信号的每个脉冲代表齿11～14中的一个齿转到电极的前面，也就是杆1转动过一个节距，在本实施例中，上述节距是一转子的四分之一。信号Us用于处理环路19中，以公知的方式控制所需的功能例如，调整手表的时间或日期。

图3示出电容传感器2的首选实施例，为了使转子5的齿与电极6、7之间确定的距离保持尽可能地小，从而使杆1转动过程中传感器电容的变化尽可能地大，而且容易测出，在电极6和7至少一个部分和隔开电极的间隙15处贴上一个薄的介电层20，该介电层20可以是例如几个微米厚的树脂薄膜制成(图中所画介电层的厚度是明显地夸大的)。另外，控制杆1带有一个支承圆筒21，该圆筒21与转子5隔开足够的距离，以便不影响电极6、7之间的电容。控制杆1相对于基板8的位置要使其支承圆筒21稍稍碰着介电层20，延伸通过与圆筒相对部位的基板的介电层20。转子5的齿11～14的端面是圆柱形的，其半径与圆筒21相同，所以它们与电极6、7的距离实际上等于介电层20的厚度。

上述结构的优点不仅涉及所获信号的质量(因为它有效地确定了杆1与基板8之间的距离)，而且也方便于传感器2的装配(因为不用任何调整)。具体地说，如果杆1是手表的控制杆，它便被置于印刷电路板8之后面，电路板8可按弹性方式支承，以便稍稍碰着杆的圆筒21。

图4所示的实施例，除了含有电容传感器2以外，还有一个相似的第二电容传感器22，以便能测定杆1的转动方向。传感器22具有一个固定在杆1上的转子25和一对与位于电极6和7旁边且与其相同的贴在基板8上的电极26和27。这些电极都被介电层20盖住。转子25与转子5相同，但是角度偏移四分之一的齿距，也就是说，在本实施例中，角度偏移十六分之一转，所以来自传感器22的输出信号与传感器2的信号在相位上相差90°。这种类型的信号在后面还要结合图12加以说明。通常，手表的控制杆1可以在至少两个位置之间沿轴向滑动，其中一个位置是对时位置，(如图4中实线所示)，杆1的另一个轴向位置是中立位置(如图中虚线所示)，在此位置时，杆1必须能转动但不修正手表的时间。这时，传感器22的转子25面对着传感器2的电极6和7，所以传感器2是起作用的，而传感器22是不起作用的。由处理环路19检测杆1是转动还是未开始任何动作。相反地，如果两个传感器2和22发生相位差为90°的信号，处理环路19就进行时间修正，其修正的程序取决于由传感器2所示的级数，修正的方向则取决于来自传感器2和22的连续信号的指令。

图5和6示出可用来代替上面所述的传感器2或22的电容传感器的另一个实施例。这种传感器30具有两个设置在公共绝缘基板33上并且与各自的端子A和B相连接的固定电极31、32，每个电极31、32具体地沿基板33的孔34的相对边延伸，分别形成一个电极板35、36。转动杆1的轴线37穿过基板中间平面上的孔34的中心，所以固定在杆1上的转子与每个电极31和32相隔大致相同的距离。在本实施例中，转子5具有偶数数目的齿，它是电绝缘的，并且在位移电位下用作两个电极间的电信号的无源发送器。图6的等效图示出传感器30的电容等于分别位于电极31与转子5之间和转子与电极32之间的可变电容C1和C2的串联。当杆1转动时，电容C1和C2随距离的变化，也就是导电转子与电极间的介电间隙的变化而变化。如果需要的话，杆1可电绝缘基板33导引，当然，它可通过上面结合图4所示的类似方法与两个按90°相位差发出也可指示杆的转动方向的信号的传感器30相连接。

图7和8示出一种电容传感器40，该传感器40具有与传感器30中的相同的零件31～37，但具有不同的转子41，该转子41构成一个通过一个与转子41的卡圈43相摩擦的柔性条42与端子D相连接的可动电极，上述转子41具有奇数的齿例如3个齿44、45和46，这些齿间具有等角度间隙，因此，也可交替地从电极31和32中的一个或另一个的前面通过。因此，当电容C2是最小值时，电容C1为最大值。端子D用于向转子41形成的可动电极发射电信号，而端子A和B用于接收输出信号。因此，可通过消去不同导体与地线之间的寄生电容而精确测量出A、B之间的电容差(上述的寄生电容通常比C1和C2高得多)。传感器40的一个优点是，其转子转一圈的分度等于齿数的两倍。例如，每转10个节距的分度可以只用5个齿获得。

图9示出一个具有上述传感器40相同的元件31～37和41、43的电容传感器50，但是，在此情况下，其转子41只有非对称设置的两个齿44和45，它们间的角度距离是例如135°。因此，在端子A和B接收到的信号按照杆1是沿一个方向转动还是沿另一个方向转动而以不同指令而相互接续。因此，检测器可以通过信号传感器50既测定杆1的角度位置又确定它的转动方向。

应当注意，如果两个电极板35和36不是相对于转子的轴线37而径向相对，也可以获得与具有径向相对的齿的转子相同的结果。

在图10和图11所示的本发明的实施例中，手表51的控制杆1具有一个普通的外冠，杆1以转动和滑动的方式支承在表壳52和计时器可动件的固定部分54上。为了在不产生电接触的情况下进行手表的对时，杆1与两个同轴的圆柱形电容传感器55和56相配合，以便像图4所示实施例一样发出相位差为90°的输出信号。传感器55、56各具有一个与杆1做成一体的转子57、58，和一个与转子同轴设置(此时杆1处于图10所示的轴线位置)并固定在手表内的环形静子59、60。

图11是传感器55的简单剖视放大图。金属转子57的大致为圆柱形的外表面从轴向槽62形成肋条，在槽62之间构成例如8个规则地隔开的外齿63，同理，金属静子59以同样数目的槽(未示出)形成内肋，在这些槽之间构成8个规则地隔开的、宽度与转子的齿63相同的内齿64。为了对转子调节和对中，在静子59内部涂上介电材料层65，该介电层65在通过齿64的部位要尽可能地薄，以便增大传感器的电容。静子59还带有一个狭缝66，以便能弹性地压靠在转子的圆周上。静子59带有例如两个对置的凸耳67，该凸耳卡入手表内的凹槽的小间隙中，以便将静子59固定在手表内。为了使传感器的电容在转子转动过程中充分变化的同时其值尽可能地大，齿63和64的圆周宽度最好是稍小于转子和静子的槽的宽度。在转动过程中，当齿63和64处于互相面对的位置时，电容值最大，而当转子的槽62与静子的齿64面对时，电容值最小。

图12的上图示出传感器55的电容C1和传感器56的电容C2中的变化与杆1的转动角度α的关系。如果(例如)两个转子57、58的齿63是互相对准的，而静子60的齿64相对于静子59的齿偏离它们的节距的1/4，也就是偏离沿杆1转动方向(箭头下)转一圈的1/32，那么上述的两个信号(C1、C2)就是相位差为90°的。图12还示出对每个传感器获得的(像结合图1所示那样的)电压矩形脉冲U_S1和U_S2，这些脉冲代表检测器测出的台阶数目和杆1的转动方向。

上面所述的各实施例表明，由于本发明的结构简单而且可靠，故可将一种非接触性检测装置有利地取代电接触转动检测装置而安装在小型计时器例如手表内。

Claims (15)

1.一种计时器，含有一个转动件(1)和一个用于检测该转动件的位置和/或运动的电容检测装置，其中，上述检测装置具有至少一个电容传感器(2、22、30、40、50、55、56)和一个电子检测器(3)，上述的电容传感器具有一个配有一个或多个固定电极的固定部分和一个配有一个由上述转动件带动的导电转子的可动部分，上述的电子检测器(3)对于上述电容传感器的电容的变化是敏感的，其特征在于，每个固定电极(6、7、26、27、31、32、59、60)被设置成对着上述转子(5、25、41、57、58)的圆周表面，该表面上带有齿(11～14、44～46、63)，在转子转动过程中，上述齿转到接近每个固定电极。

2.根据权利要求1的计时器，其特征在于，上述传感器(2、22、30、40、50)的固定部分具有一对固定电极(6、7；26、27；31、32)，而上述转子(5、25；41)被设置成可通过其转动位置来影响这些固定电极之间的电场。

3.根据权利要求2的计时器，其特征在于，上述转子(5)保持在一个固定的电位上，它的齿(11～14)被排列成可在这些固定电极之间的电场内形成一个屏蔽。

4.根据权利要求2的计时器，其特征在于，上述的齿(11～14、44～46)围绕转子按一个恒定的角节距分布。

5.根据权利要求2～4中任一项的计时器，其特征在于，上述的两个固定电极(6、7；26、27)位于基板(8)的同一平面内，并且彼此相隔一个间隙(15)，而且转子(5、25)的轴线与上述间隙(15)相对，并与固定电极平行。

6.根据权利要求5的计时器，其特征在于，上述的基板(8)构成计时器的印刷电路板的一部分。

7.根据权利要求5或6的计时器，其特征在于，上述转子(5、25)固定在转动件(1)上，该转动件包含一个可滑动地压靠在位于基板和/或固定电极上的介电层(20)上的支承圆筒(21)。

8.根据权利要求2的计时器，其特征在于，上述的固定电极(31、32)构成两个分别隔开相对的电极板(35、36)，并且上述转子(5、41)被配置于上述电极板之间，其转动轴线(37)与电极板平行。

9.根据权利要求8的计时器，其特征在于，上述转子(5)是绝缘的，并且用作两个固定电极之间的电信号的传送器。

10.根据权利要求2或8的计时器，其特征在于，转子(41)是一个与检测器连接的可动电极；在转动时，它的齿(44、45、46)交替地转到与一个或另一个固定电极对着。

11.根据权利要求1的计时器，其特征在于，电容传感器(55、56)的固定部分含有一个环形的静子(59、60)，该静子具有构成一个固定电极的内齿(64)，并且，转子(57、58)被设置在上述环形静子内，它的齿(63)组成一个面对静子的齿的可动电极。

12.根据权利要求11的计时器，其特征在于，上述静子(59)的内部覆盖一种介电层(65)，转子(57)可以滑动地靠着上述介电层(65)。

13.根据上述权利要求中任一项的计时器，其特征在于，上述检测装置包含两个呈一定角度偏置的上述的电容传感器(5、25；55、56)，以便在转动件转动时以90°相位差发出各自的输出信号。

14.根据权利要求1的计时器，其特征在于，上述的转动件是一个至少具有两个轴向位置的控制杆(1)，所述的轴向位置即一个是电容传感器(25)起作用的对时位置和至少一个电容传感器(25)不起作用的其他位置。

15.根据权利要求1的计时器，其特征在于，上述的转动件是一个具有可由上述检测装置检测的起始位置的指示件。

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