CN1310364A - 带有可人工输入数据的压电传感器的便携式物件,如计时器 - Google Patents

Abstract

一种便携式装置例如一种计时器(1),它具有一个用于显示至少一项信息的显示器(16)和一个壳体(2),该壳体(2)由具有盖在上述显示器(16)上面的晶体(14)的上部和由一个位于上述显示器(16)下面的后盖(6)界定的下部构成,上述装置(1)具有一个可在对上述的上部施加机械压力时产生电压的压电传感器(32),该压电传感器(32)产生的电压加到会产生与所加压力相应的逻辑信号的第一电路上,该第一电路设置在上述壳体(2)内,其特征在于,上述的压电传感器(32)安置在上述壳体(2)的下部并牢牢固定在上述的壳体(2)内。

Description

带有可人工输入数据的压电传感器的 便携式物件，如计时器

本发明涉及一种具有可人工输入数据的压电传感器的便携式装置例如计时器，更具体地说，本发明的目的是在一种带有报警装置的手表内使用压电传感器作为发声器，以便履行按钮开关的功能。

Junghans Uhren GmbH的美国专利No.5742564公开过一种具有与晶体气密密封的平面的或稍为凹陷的壳体的计时器例如手表。一个起到标度盘作用的圆盘带有小时符号，置于晶体下面的该圆盘是强制压入壳体内的，其周边由一个沿圆形壳体的圆筒形内表面延伸的并位于晶体与上述圆盘之间形成的手表指针移动空间内的支承环圈界定。压电传感器(最好是4个)沿环圈边缘均匀隔开并位于环圈的与传感器相对的边缘与面对晶体的边缘之间。这些传感器对手表的钟表功能起到控制开关的作用。它们通过人工对晶体边缘的轴向加压而致动。为了能够对使用者施加的应力作出反应，晶体必须能稍稍移动，为此用一种刚性橡皮圈使晶体相对于壳体富有弹性地安装。上述的压电传感器与设置在表盘下面的用于测定作用在传感器上的压力的电路相连接。

上述的Junghans专利所公开的发明提供了一种不带转柄或按钮因而其制造成本较低而且外观诱人的手表。这种手表的钟表功能由作用在压电传感器上的简单机械压力通过合适的电路产生改变钟表功能所需的电压。

遗憾的是，Junghans手表存在一些缺点，其中之一是晶体必须安装成可以稍为移动，故在上述晶体与表壳之间的配合方面出现较大问题。这些问题当然对制造成本有不利影响，通过采用设置在上述的晶体与上述壳体中部之间的刚性橡皮圈的办法只有部分地解决问题。实际上，由于橡皮圈的刚性大，难以补偿晶体与表壳之间的间隙，所以不能保证足够的密封。因此，水汽进入表内的可能性大，这当然是不允许的。而且，固体材料的颗粒也可能进入橡皮圈与晶体之间，而使机构在工作时卡住。最后，正如上面所述，Junghans专利的装置是通过对手表晶体连续施加机械压力而致动的。在这种压力的作用下，压电传感器变形，并产生一个加在电子判读电路输入端的电压，上述电路则根据这个信号而改变所需的钟表功能。重复上述的加压动作，可能在一定的时间之后会损坏压电传感器甚至使它失效。尤其是，对于使用者来说，很难在不施加过大的压力和不易损坏传感器的情况下，以足够的压力来驱动传感器。

本发明的目的主要是要克服上述的问题和缺点，为此提出一种其人工输入数据的装置具有压电传感器的便携式装置，上述的压电传感器不易于因过大的机械压力而损坏。

因此，本发明涉及一种便携式装置例如计时器，它具有一个显示至少一项数据的显示器和一个壳体，该壳体由具有一个盖在上述显示器上面的晶体的上部与由位于上述显示器下面的后盖界定的下部构成。上述的便携式装置具有一个可在对上述的上部施加机械压力时产生电压的压电传感器，由该压电传感器产生的电压加到会根据所施加的压力产生逻辑信号的第一电路上，该电路设置在上述壳体内，其特征在于，上述的压电传感器设置在上述壳体的下部，并且牢牢固定在上述壳体上。

由于有上述的特征，在人工输入数据项时施加的机械压力可加在上述晶体表面上的任何部位。在该压力的作用下，戴手表的人的手腕对壳体产生一个反作用力。壳体就会发生很轻微的变形，无论壳体是用塑料、钢还是其他材料制成都会这样。由于压电传感器牢牢固定在壳体上，所以，壳体的变形就会使它也发生变形，并且以普通的方式产生对应于这种变形的电压。因此，不再会由于机械压力过大的影响而损坏传感器。而且，不再夹在固定部分与活动部分之间的传感器也可承受很多次的连续加压，而不会在过一段时间后使其物理特性变坏。

本发明的另一个优点基于这样的事实：即本发明的便携式装置不具有任何活动的部分，因此，在计时器例如手表的特定情况下，手表的晶体是通过例如粘接法或超声焊接法或通过将它压入的方法而紧紧地装入该手表的壳体中的，同时在晶体与壳体之间设有垫片。所以手表的密封不会改变，这种手表的结构是很简单的，因此价格不贵。

本发明提供其钟表功能可由对晶体施加简单的机械压力来控制的手表。因此，这种手表可不用转柄或按钮来开动，这也进一步降低制造成本。当然，还有其他的可通过触感压力而输入数据的装置，这些装置采用例如电容的、电感的、超声的或红外线的电键，但是，这些装置的缺点在于，在它们可被使用之前，必须按照要通入电流的有源指令程序接收模式安装。相反地，本发明的数据输入系统是不用任何电流而永久可用的。

按照本发明的一个补充的特征，便携式装置还具有可使压电传感器作为发生器的振动源而工作的第二电路。

由于这一特征，同一个压电传感器既可用作在例如电子表内的报警装置的发声器，又可用作通过对上述手表的晶体施加机械压力而输入数据的装置。很显然，这个实施例是特别有利的，可以减少所用的零件数目，因此可缩小这些零件在表壳内所占的体积，而且也降低制造成本。

通过阅读下面结合附图对本发明的便携式装置的实施例的详细说明，将会更加明白本发明的其他特征和优点，上述的实施例纯粹是示范性的，而不是限制性的，附图中：

图1是本发明的计时器的总剖视图；

图2示出使压电传感器超发声器的作用而履行按钮开关功能的电路图；和

图3示出在图2的电路的两个位置上的电压值与时间的关系图。

首先要注意，虽然下面的说明涉及一种计时器并且具体涉及一种手表。但是，本发明并不限于这类计时器，而是可以容易地应用于其他的装有可人工输入数据的压电传感器的便携式制品。

首先参看图1，图中示出本发明的计时器，总的用标号1表示。

计时器1通常具有一个带有中间部分4的壳体和一个界定壳体2底部的后盖6，在所示的实施例中，后盖6与中间部分4做成一个整体，但是，不言而喻，本发明也可按同样的方式应用于不做成整体而是具有不同于中间件的后盖的壳体。壳体2可以用例如塑料按人们熟知的注射成型技术制成，但是，本发明不限于选用这种材料，壳体2可以用任何适合于钟表工业要求的材料例如钢制成。

计时器1还具有一个安装在环圈10内的钟表机件8，该机件8由一种需要时(电池用完)可再充电的电池12供电。图1简单示出的电池12一般为钮扣形，它可装入计时器1的后盖6内，构成电池端子之一的电池12的底面可通过例如固定在计时器1的后盖6上的弹簧触片13与计时器1的地线电连接。由电池12的上表面构成的另一个端子则以普通方式与钟表机件8电连接。

壳体2的上部由一个盖住用于显示与时间相关的数据的显示器16的晶体14界定。在图1所示的实施例中，上述的显示器16具有一个在其上面有时针20、分针22和秒针24移动的标度盘18。所以，该显示器与时间显示器相类似。显示器16也可以是由液晶元件构成的数字式显示器。

最后，在壳体2的上周边具有一个凹槽26，该凹槽26与一个将晶体14固定在壳体2上的前盖框28相接合。前盖框28通过例如粘接法或超声焊接法或压入法牢固地安装在壳体2上。由于在晶体14与壳体2之间装有密封垫30，故可保持晶体14相对于壳体2的水密密封。

按照本发明的主要特征，在计时器1的壳体2的底部设置一个与壳体2刚性连接的压电传感器32，使用该压电传感器32的唯一目的是将数据输入计时器1。但是，按照本发明的一个优选的替换实施例，上述压电传感器32既用作计时器1的警报装置的发声器，又用作一种对计时器1的晶体14连续施加机械压力来输入数据的装置。因此，压电传感器32由例如压电陶瓷元件构成，这种元件可以是圆形的(非限定的)，其直径一般为10～15mm，其厚度约为几十分之一mm。如图1所示，这种元件粘接在上、下金属电极34和36之间。下电极36通过合适的方式例如粘接法牢牢固定在壳体2的后盖6上，电极34、36通过电子激励和判读线路38(下面将结合图2详述之)并分别通过触片34a和36a与电池12的两个端子相连接。

示于图2的电路图38中具有一个连接到转换器的输出端的线圈L₁，上述的转换器是一个交替地导电和不导电的晶体管T_R0。压电传感器32与线圈L₁并联。该电路38在输入端“a”接收相应于图3曲线A所示的长方控制信号(图3横坐标表示时间“t”而纵坐标表示电压“V”)。该信号从输入端“a”通过电阻R₀传到晶体管T_R0的基极。当晶体管T_R0(它是双极NPN型晶体管)由控制信号的脉冲保持导电状态时，便有来自直流电源+E的电流流过线圈L₁，与此同时，压电传感器的接头“b”通过晶体管T_R0按图3的曲线B表示的情况与电路38的地线相连接(图3的横坐标为时间“t”，而其纵坐标为电压“V”)。

在晶体管T_R0在每个波形A脉冲的尾部转向不导电状态的时刻。积累在线圈L₁内的全部能量都传输到压电传感器32的端子上，从而使传感器32充电至其电压比电源电压+E高得多。这种高振幅脉冲供给压电传感器32作为发声器工作所需的有效电能。按照一个改型实施例，为了获得较高的声压，可对线圈L₁串联一个二极管(未示出)。进一步的细节可参看Seiko的瑞士专利No.641625。

说明到这里，实质上是了解上述的电路元件仅仅用于激励压电传感器32以便使其起到安装在例如上述的计时器1内的警报装置的发声器的作用。因此，上述的各种零件不是实施本发明所必需的。可以简单地说，正由于本发明的特殊的特征，单一的压电传感器可以有利地既用作发声器又用作向手表内输入数据的装置。本说明的以下部分将集中在可将连续施加的机械压力转换成可被装在本发明计时器1内的微处理机认识的信息并可控制微处理机的钟表功能的电激励和判读电路38的部分。

将用户对手表1的晶体14连续施加的机械压力沿压电传感器32的端子转换成通常为1Hz左右的低频电信号，这信号的强度必须增大。为此，图2所示的电激励和判读电路38首先在线圈L₁与压力传感器32之间连接一个电容器C₁，在低频下，线圈L₁的阻抗是低的，所以线圈L₁实际上起到短路的作用。因此，在压电传感器32的连接点“b”处的电压变化也小。为了解决这个问题，添加了电容器C₁。的确，在连接点“b”上电压的变化只有在该连接点“b”上有高的阻抗时才是明显的，但是，在低频下，电容器C₁具有高的阻抗，所以在该连接点“b”处的电压可达到高的临界值。反之，若压电传感器32在高频(通常约为1KHz)下被激励而作为发声器工作时，电容器C₁便具有低的阻抗，因此它在线圈L₁与传感器32之间基本上起到一个简单的电接头的作用。所以电容器C₁不会妨碍压电传感器32作为发声器的工作。

电激励和判读电路38通过一个并联在压电传感器32的端子上的无源滤波器40形成回流。该滤波器40以普通方式由电阻器R₁和电容器C₂组成。由关系式 $f=\frac{1}{2{\mathrm{\πR}}_1{C}_1}$ 确定截止频率(超过该频率时滤波器40不再让信号通过)。显然，采用滤波器40可滤去压电传感器32作为发声器时在约1KHz频率下工作时在其端子上出现的高频信号，并可阻止这种信号传至放大级和转换级(这一点下面再说明)。相反地，在低频下，当压电传感器32被驱动时，电信号便可通过。

最后，电路38还具有一个以一个接一个的方式并联地与无源滤波器40的端子相连接的极化电阻器R₂、放大级42和转换级44，上述的放大级42具有一个其源极与直流电源+E相连接的pMOS晶体管T_R1，该晶体管T_R1的漏极与电阻器R₃相连接，它的栅极与电阻器R₂的一端“C”相连接，而电阻器R₂的另一端与直流电源+E相连接。

在现代技术中，流行的任何倒相器都可设想用于转换级44，仅仅作为一个非限定性实例，转换级44可含有一个由一个与nMOS晶体管T_R3相连接的pMOS晶体管T_R2构成的CMOS倒相器。上述两个晶体管T_R2和T_R3的栅极都与位于晶体管T_R1的漏极与电阻器R₃之间的连接点“d”相连接。该连接点“d”构成转换器44的输入端。pMOS晶体管T_R2的源极与直流电源+E相连接，它的漏极与晶体管T_R3的漏极相连接，晶体管T_R2与T_R3的漏极之间的连接点“f”构成为倒相器44的输出端，晶体管T_R2的源极与电路38的地线相连接。

当压电传感器32处于静止状态也就是说在不压按手表1的晶体14时，采用电阻值足够大的电阻器_R2来保持晶体管T_R1栅-源极电压为零，以阻止晶体管T_R1导电。还要注意，在对压电传感器32连续两次施加机械压力之间，传感器32会通过电阻器R₂放电，所以其两个端子间的电压值会逐渐达到其静止值。

正如在上一节说明中可看到的，当压电传感器32处于静止状态时，晶体管T_R1不导电。因此晶体管T_R1的漏极与电阻器R₃之间的连接点“d”与电路38的地线相连接，该连接点“d”构成了转换级44的输入端，因此，pMOS晶体管T_R2的栅-源极电压等于-E，该电压小于晶体管T_R2的门坎值电压(该值约为-0.6伏)，所以该晶体管T_R2导电。与此同时，nMOS晶体管T_R3的栅-源电压为零，也就是小于晶体管T_R3的触发电压，因此，晶体管T_R3不导电。这样，构成转换级44的输出端的连接点“f”的电压等于+E，而构成转换级44的输入端的连接点“d”的电压为零，而转换级44正好像一个倒相器一样工作。

下面研究对压电传感器32施加机械压力的情况。在该压力的作用下，压电传感器32发生极化，在其连接点“b”处的电压降低。而且pMOS晶体管T_R1的栅极电压也降低。晶体管T_R1的栅-源极电势差将变成小于触发电压，所以这个晶体管T_R1会开始导电。在晶体管T_R1导电的影响下，构成转换级44的输入端的连接点“d”处的电势将增大，并趋向于+E值。此时，nMOS晶体管T_R2的栅-源极电压变成大于该晶体管T_R2的门坎值电压，所以该晶体管T_R2将进入不导电阶段，与此同时，nMOS晶体管T_R3的栅-源极电压变成大于该晶体管T_R3的触发电压，所以晶体管T_R3会开始导电。构成转换级44的输出端的连接点“f”的电压将变为零，因此，在转换级44的输入端处的电压为+E，而在转换级44的输出端处的电压则为零，而转换级44正像一个倒相器一样工作。

因此，转换级44输出端“f”处的电压便在压电传感器32处于静止状态时的+E值与传感器32被驱动时的零值之间交替变化。这种逻辑信号被加到控制手表1的钟表功能的微处理机(未示出)的输入端。

要注意，通过压按计时器1的晶体14可有利地输入数据，而压电传感器32作为发声器而工作。实际上，无源滤波器40阻止了由传感器32产生并到达放大级42和转换级44的高频信号。因此，本发明的数据输入系统总是可用的。因此，上述滤波器可以是一种具有转换电容器的数字滤波器，或者是一种有源的滤波器。

还要明白，电激励和判读电路38的供电电压的极性是可以颠倒的，在此情况下，可用一种pnp晶体管替代双极npn晶体管T_R0，而且，pMOS晶体管也用nMOS晶体管替代之，反之亦然。

不言而喻，对上述实施例的各种改型和简单的改进都应纳入本发明的范围之内。

Claims (15)

1．一种便携式装置例如计时器(1)，它具有一个显示至少一项信息的显示器(16)和一个壳体(2)，该壳体(2)由具有一个盖在显示器(16)的晶体(14)上面的上部和由一个位于上述显示器(16)下面的后盖(6)所界定的下部组成，上述的装置具有一个可在对上述的上部施加机械压力时产生电压的压电传感器(32)，由该压电传感器(32)产生的电压加到会产生与所施加的压力相应的逻辑信号的第一电路上，该电路设置在上述壳体(2)内，其特征在于，上述的压电传感器(32)设置在上述壳体(2)的下部并与上述壳体(2)刚性地连接。

2．根据权利要求1的便携式装置，其特征在于，上述的压电传感器(32)粘接在上述壳体(2)的上述后盖(6)上。

3．根据权利要求1或2的便携式装置，其特征在于，它还具有可使压电传感器(32)作为发声器振动源而工作的第二电路。

4．根据权利要求1或2的便携式装置，其特征在于，上述的与压电传感器(32)并联的第一电路具有可对压电传感器(32)在机械压力作用下所产生的电压的逻辑信号进行放大和倒相的放大器(42)和转换器(44)。

5．根据权利要求3和4的便携式装置，其特征在于，上述的第一电路还具有一个可对压电传感器(32)作为发声器工作时所产生的声脉冲进行滤波的滤波器(40)。

6．根据权利要求5的便携式装置，其特征在于，上述的滤波器(40)具有一个电阻器(R₁)和一个电容器(C₂)。

7．根据权利要求5的便携式装置，其特征在于，上述的滤波器是一种数字滤波器，一种具有转换电容器的滤波器，或者是一种有源的滤波器。

8．根据权利要求4～7中任一项的便携式装置，其特征在于，上述的放大器(42)和转换器(44)分别具有一个串联有一个晶体管(T_R1)和一个电阻器(R₂)的分叉电路和一个与该分叉电路并联的倒相器。

9．根据权利要求8的便携式装置，其特征在于，上述的倒相器是CMOS型的。

10．根据权利要求8或9的便携式装置，其特征在于，在压电传感器(32)与含有晶体管(T_R1)的分叉电路之间并联一个极化电阻器(R₂)。

11．根据权利要求3～10中任一项的便携式装置，其特征在于，上述的第二电路具有：

一种可在接收脉冲控制信号时致动的转换器，该转换器对压电传感器(32)供给声频脉冲；

一种用于供给电压以使电流流过上述转换器的供电器；和

一个连接在上述供电器与上述转换器之间的线圈(L₁)，上述的压电传感器(32)与该线圈(L₁)并联。

12．根据权利要求11的便携式装置，其特征在于，在线圈(L₁)与压电传感器(32)之间接入一个电容器(C₁)。

13．根据权利要求11或12的便携式装置，其特征在于，上述的第二电路还含有一个与线圈(L₁)串联的二极管。

14．根据权利要求11～13中任一项的便携式装置，其特征在于，上述的转换器由一个按转换模式工作的晶体管构成。

15．根据权利要求14的便携式装置，其特征在于，上述的晶体管(T_R0)是双极晶体管。

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