DE4311065C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Positionserkennung von Anzeigeelementen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Positionserkennung von analogen Anzeigeelementen einer Uhr gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 3.

Anwendungsgebiet der Erfindung ist insbesondere die analoge Zeitanzeige mittels einer Funkuhr.

Es ist bekannt, die Positionserkennung von analogen Anzeigeele­ menten auf indirektem Wege vorzunehmen. Hierbei wird die Stellung der Zahnräder im Antriebsmechanismus der Anzeigeelemente mittels einer Lichtschranke überwacht. Über zusätzlich angeordnete Detek­ tionsräder wird bei definierten Stellungen dieser Räder über Durchgangs- oder Reflexionslichtschranken ein Signal ausgelöst. Eine derartige Einrichtung ist in der EP 00 82 821 A1 be­ schrieben. Nachteilig an dieser Lösung ist der zusätzliche ge­ triebetechnische Aufwand, der zusätzliche Montage-, Justier- und Prüfaufwand sowie der relativ hohe Bedarf an Einbauraum für die zusätzlichen Detektionsräder.

Die EP 01 80 880 B1 beschreibt ein Detektionsverfahren bzw. eine Detektionsvorrichtung der ein­ gangs genannten Art, wobei die Zeigerstellungs­ abfrage über eine Lichtschranke ebenfalls im Inneren des vor­ handenen Räderwerkes erfolgt, ohne jedoch zusätzliche Getriebe­ teile zu benötigen. Die Schaltungsplatine für die Lichtschranke übernimmt hierbei sowohl eine mechanische als auch eine elektro­ nische Funktion, indem sie zum einen als axiale Bewegungsbegren­ zung der Räder dient und zum anderen die Lichtschrankenschaltung und die Funkuhrenschaltung aufnimmt. Nachteilig an dieser Lösung ist, daß sie nur bei einem speziell für den Zweck der Zeiger­ stellungsdetektion entwickelten Uhrwerk Anwendung finden kann.

Die Herstellung dieser Art von Uhrwerken ist wesentlich auf­ wendiger und kostenintensiver als die Montage von herkömmlichen Quarzuhrwerken. Weiterhin ist beim Zusammenbau der Uhr, speziell beim Aufsetzen der Zeiger, die aktuelle Stellung der Zahnräder von Bedeutung, um eine eindeutige Zuordnung zwischen Zeiger­ stellung und Zahnradstellung zu erreichen. Dies erfordert auch bei der Montage der Uhr einen deutlich erhöhten Fertigungs- und Prüfaufwand.

Es sind ferner Detektionseinrichtungen mit Reflexionslicht­ schranken bekannt, bei welchen die Abschattung des opto-elektro­ nischen Systems durch die Anzeigeelemente zur Signalauslösung führt. Nachteilig bei diesen Lösungen ist, daß eine genaue und reproduzierbare Signalauslösung nur sehr schwer zu erreichen ist und unterschiedliche Abmessungen der Anzeigeelemente zu unter­ schiedlichen Signalauslösezeitpunkten führen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zur Positionserkennung von Zeigern einer Uhr ein Verfahren anzugeben und eine Vorrich­ tung zu schaffen, welche es bei Verwendung herkömmlicher Uhrwerke gestatten, deren Position kostengünstig und mit einfachen Mitteln exakt zu erkennen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Anspruch 1 ange­ gebene Verfahren gelöst. Eine Vorrichtung zur Lösung der Aufgabe ist in Anspruch 3 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und der Vorrichtung sind in den Unteransprüchen ge­ kennzeichnet.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Positionserkennung der analogen Anzeigeelemente durch die An­ zeigeelemente direkt erfolgt, indem die Anzeigeelemente selbst beziehungsweise deren Funktionsbereiche im Zusammenwirken mit einem optischen Sendeelement und einem optischen Empfangselement die aktive Signalauslösung bewirken. Diese resultiert wie beim Stand der Stand der Technik aus dem Auftreffen des optischen Signals auf das optische Empfangselement.

An den Anzeigeelementen erfolgt eine Reflexion und/oder Brechung der von dem optischen Sendeelement ausgesendeten optischen Signale derart, daß nur bei einer definierten Stellung aller An­ zeigeelemente die mehrfach reflektierten beziehungsweise ge­ brochenen optischen Signale von dem optischen Empfangselement empfangen werden. Die Anzeigeelemente weisen hierzu Funktional­ bereiche auf, die der Reflexion und/oder Brechung des Signals dienen. Die Funktionalbereiche können als zum Strahlengang ge­ neigte Reflexionsflächen oder senkrechte Reflexionsflächen oder auch als transparenter, prismatischer Bestandteil des Anzeige­ elementes ausgebildet sein. Weiterhin können die Funktionalbe­ reiche ebene oder geneigte Lichteintritts- bzw. Lichtaustritts­ flächen von Lichtleitern sein. Die optischen Sendeelemente und die optischen Empfangselemente können an oder in dem Gehäuse, welches die Anzeigeelemente umgibt, angeordnet sein. Dabei ist es bei einer Anordnung der optischen Sende- und Empfangselemente an einem Gehäuse möglich, diese, in Blickrichtung auf die Skala ge­ sehen, am Rand der Skala sowohl nebeneinander als auch hinter­ einander anzuordnen. Bei einer Anordnung der optischen Sende- und Empfangselemente innerhalb des Gehäuses können diese hinter der Skala angeordnet sein, wobei die Skala transparente Bereiche oder Öffnungen für den Durchtritt der optischen Signale aufweist.

Die optischen Sende- und Empfangselemente arbeiten vorzugsweise im Strahlenspektrum jenseits des sichtbaren Lichts, wobei die optischen Sendeelemente als Infrarot-Lumineszenzdioden und die optischen Empfangselemente als Infrarot-Fotodioden oder Infra­ rot-Fototransistoren ausgebildet sein können.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß durch den Verlauf des Strahlengangs zwischen den Sende- und Empfangsele­ menten Streulichteinflüsse, die zur Verfälschung der Positions­ erkennung führen können, weitgehend eliminiert werden. Eine zu­ sätzliche Maßnahme hierzu ist erfindungsgemäß, das optische Empfangselement mit einem schmalbandigen optischen Filter zu ver­ sehen, welcher nur die Wellenlänge des optischen Sendeelementes transmittiert. Zusätzlich kann ferner zur Abdeckung der Skala ein Material verwendet werden, welches im sichtbaren Wellenbereich transparent, im Wellenlängenbereich des optischen Empfangsele­ mentes jedoch undurchsichtig ist.

Um Reflexionen an der Abdeckung der Skala entgegenzuwirken, kann die Abdeckung eine geeignete Geometrie aufweisen und/oder zweck­ entsprechend bearbeitet sein. Auch die geometrische Anordnung beispielsweise der optischen Sende- und Empfangselemente im Ver­ hältnis zu den Anzeigeelementen, die Abstände der Anzeigeelemente zueinander sowie zu weiteren Bauteilen, die Breite der Anzeige­ elemente etc. ist für eine Optimierung der Positionserkennung und Vermeidung von Streueinflüssen von Bedeutung.

Mit der Anwendung der Erfindung bei einer Funkuhr ist es möglich, zumindest den mechanischen Teil eines herkömmlichen Quarzuhr­ werkes in unveränderter Form zu verwenden. Die Stellung der Zahn­ räder beim Montieren der Zeiger ist ohne Bedeutung für die korrekte Funktion der Positionserkennung.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben, die in der Zeichnung dargestellt sind. Es zeigen:

Fig. 1 eine Vorderansicht einer Funkuhr mit Detaildarstellung der nebeneinander angeordneten Sende- und Empfangsele­ mente,

Fig. 2 eine schematische Seitenansicht zu Fig. 1 mit Detaildar­ stellung der Reflexionsflächen,

Fig. 3 eine Vorderansicht einer Detaildarstellung einer Variante einer Funkuhr mit hintereinander angeordneten Sende- und Empfangselementen,

Fig. 4 eine Detailseitenansicht zu Fig. 3 mit Darstellung der Reflexionsflächen,

Fig. 5 eine Detailseitenansicht einer Funkuhr mit Anordnung der Sende- und Empfangselemente hinter dem Zifferblatt und

Fig. 6 eine Seitenansicht einer Funkuhr gemäß Fig. 3 mit einer Positionserkennung unter Verwendung von Lichtleitern als Zeiger.

Um eine automatische Einstellung der Uhrzeit bei einer analog an­ zeigenden Uhr vornehmen zu können, ist es notwendig, daß die Elektronik der Uhr die Stellung der Zeiger in einer bestimmten Stellung erkennt. In den nachfolgenden Ausführungsbeispielen ist diese Stellung die 12 : 00-Uhr-Stellung des Stunden- und Minuten­ zeigers an einer Funkuhr.

Gemäß Fig. 1 ist an einem Gehäuse 3 einer Funkuhr oberhalb des Zifferblattes 5 ein optisches Sendeelement 1 neben einem optischen Empfangselement 2 angeordnet. Öffnungen 6, 7 im Gehäuse 3 bilden Durchgänge für ein optisches Signal 9. Die Öffnung 6 zum Empfangselement 2 ist zur Abschirmung von Streulicht gezahnt aus­ gebildet. Das Sendeelement 1 ist eine Infrarot-Lumineszenzdiode, das Empfangselement 2 ein Infrarot-Fototransistor.

In der dargestellten exakt 12 : 00-Uhr-Stellung der Zeiger 4a und 4b trifft das von dem Sendeelement 1 ausgesendete optische Signal 9, wie in den Fig. 1 und 2 ersichtlich, unter einem Winkel von etwa 45° auf die geneigte Reflexionsfläche 41 des Zeigers 4a, wird von dort in einem Winkel von etwa 90° reflektiert und trifft senkrecht auf die Reflexionsfläche 42 des Zeigers 4b. Von hier wird das optische Signal 9 auf die geneigte Reflexionsfläche 41 des Zeigers 4a zurückreflektiert und trifft nach erneuter Refle­ xion an der Reflexionsfläche 41 auf das Empfangselement 2 und löst dort ein weiterverarbeitbares elektrisches Signal aus.

Aufgrund der Tatsache, daß das optische Signal 9 in der 12 : 00-Uhr-Stellung der Zeiger 4a und 4b mit deren Richtung in­ folge der räumlichen Anbringung des Sendeelements 1 einen Winkel bildet, trifft das optische Signal 9 nach seiner Reflexion an der Reflexionsfläche 41 mit einem von 90° verschiedenen Winkel auf die zweite Reflexionsfläche 42 des Zeigers 4b auf und wird auch wieder unter demselben Winkel von der Reflexionsfläche 42 auf die geneigte Reflexionsfläche 41 zurückgeworfen. Auf diese Weise ent­ steht die in der Fig. 1 mit Bezugszeichen v bezeichnete Verschie­ bung des optischen Signals 9 längs der geneigten Reflexionsfläche 41. Das Ausmaß der Verschiebung hängt vom Winkel zwischen der Zeigerrichtung und dem optischen Signal 9 ab, wobei die Anordnung von Sendeelement 1 und Empfangselement 2 in Bezug auf die Rich­ tung der Zeiger in 12 : 00-Uhr-Stellung symmetrisch ist.

Steht einer der beiden Zeiger 4a oder 4b nicht genau in der zu detektierenden Zeigerstellung, so erreicht das optische Signal 9 das Empfangselement 2 nicht.

Zur Unterdrückung von Streulichteinflüssen ist die Geometrie des Strahlenganges durch die räumliche Anordnung des Sendeelements 1, des Empfangselements 2, der Zeiger 4a und 4b sowie der Durch­ messer der Öffnungen 6, 7 für den Lichteintritt des Sendeele­ mentes 1 und den Lichtaustritt des Empfangselementes 2 optimiert. Hierzu trägt auch die Lage der Reflexionsfläche 41 auf der Rück­ seite des Zeigers 4b vorteilhaft bei, da sie gegen direkten Lichteinfall abgeschirmt ist. Vor dem optischen Empfangselement 2 kann zusätzlich ein nicht dargestelltes schmalbandiges optisches Filter angeordnet sein, das nur die Wellenlänge des optischen Sendeelementes 1 transmittiert. Das Zifferblatt 5 wird durch eine transparente Abdeckscheibe 8 abgedeckt, welche im sichtbaren Wellenbereich des Lichtes transparent, im Wellenbereich des optischen Empfangselementes 2 jedoch undurchsichtig ist. Zusätz­ lich ist die Abdeckscheibe 8 zumindest partiell zur Vermeidung von Störsignalen durch ungewollte Reflexionen geeignet bearbeitet.

Fig. 3 und 4 zeigen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei welchem das optische Sendeelement 1 in Blickrichtung auf das Zifferblatt 5 hinter dem optischen Empfangselement 2 angeordnet ist. In der exakten 12 : 00-Uhr-Stellung der Zeiger 4a und 4b ver­ läuft der Strahlengang des optischen Signals 9 von dem Sendeele­ ment 1 zu der geneigten Reflexionsfläche 41 des Zeigers 4a, wird von dort im Winkel von 90° auf die diametral geneigte Reflexions­ fläche 43 des Zeigers 4b reflektiert und dort wiederum im Winkel von 90° auf das Empfangselement 2 reflektiert. Da der Zeiger 4b als Minutenzeiger länger ausgebildet sein muß als der Zeiger 4a als Stundenzeiger, schließt sich an die Reflexionsfläche 43 des Zeigers 4b noch ein im Querschnitt reduzierter Bereich 4c an.

Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel tritt hier keine Ver­ schiebung des optischen Signals 9 längs der geneigten Reflexions­ fläche 41 auf, da das optische Signal 9 in der 12 : 00-Uhr-Stellung der Zeiger 4a und 4b mit deren Richtung übereinstimmt.

In Fig. 5 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei welchem das optische Sendeelement 1 und das optische Empfangselement 2 nebeneinander hinter dem Zifferblatt 5 angeordnet sind, wobei nach Fig. 5 das optische Empfangselement 2 dicht hinter dem optischen Sendeelement 1 liegt. Für den Strahlendurchgang des optischen Signals 9 ist eine Öffnung 10 im Zifferblatt vorhanden. Der Strahlengang verläuft in der exakten 12 : 00 Uhr-Stellung vom Sendeelement 1 zu dem Funktionalbereich 44 des Zeigers 4a. Dieser Funktionalbereich 44 ist als transparentes Prisma ausgebildet und an der dem Sendeelement 1 und dem Empfangselement 2 abgewandten Seite geneigt. Hierdurch wird das von dem optischen Sendeelement ausgehende optische Signal 9 im Funktionalbereich 44 gebrochen und auf eine geneigte Reflexionsfläche 45 des Zeigers 4b gelenkt, von wo das optische Signal 9 zu dem Funktionalbereich 44 rück­ reflektiert, und durch nochmalige Brechung zum optischen Empfangselement 2 gelenkt wird.

Durch eine entsprechende Neigung der Reflexionsfläche 45 auch in Bezug auf die Zeichenebene läßt sich erreichen, daß das optische Signal 9 nicht in sich selbst, sondern in Bezug auf die Zeichen­ ebene nach hinten versetzt reflektiert wird, so daß es auf das hinter dem Sendeelement 1 liegende Empfangselement 2 auftrifft.

Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Zeiger 4a, 4b als Lichtleiter ausgebildet sind, wobei in Blickrichtung auf das Zifferblatt 5 das optische Empfangselement 2 hinter dem optischen Sendeelement 1 angeordnet ist. In der exakt 12 : 00-Uhr-Stellung der Zeiger 4a und 4b gelangt das von dem optischen Sendeelement ausgehende optische Signal 9 zu einer zum Strahlengang senk­ rechten Lichteintrittsfläche 46 und wird von dort im Zeiger 4b zu einer geneigten Reflexionsfläche 47 geleitet, die das Signal im Winkel von 90° zu einer Lichtaustrittsfläche 48 des Zeigers 4b reflektiert. Von der Lichtaustrittsfläche 48 gelangt das optische Signal zu einer Lichteintrittsfläche 49 des Zeigers 4a und wird von dort nach Reflexion im Winkel von 90° an einer Reflexions­ fläche 50 in Längsrichtung des als Lichtleiter ausgebildeten Zeigers 4a gelenkt. An einer ebenen, zum Strahlengang senkrechten Lichtaustrittsfläche 51 tritt das optische Signal 9 aus und ge­ langt zu dem optischen Empfangselement 2. Dieser Lichtweg ist nur dann offen, wenn sich beide Zeiger 4a und 4b in der korrekten Zeigerstellung befinden. Anstelle der Ausbildung der Zeiger 4a und 4b als Lichtleiter ist es auch möglich, herkömmliche Zeiger mit Lichtleitern zu versehen.

Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungs­ beispiele beschränkt, vielmehr sind sowohl weitere Varianten des Strahlenganges, auch unter Verwendung von mehr als zwei Zeigern bei einer Uhr, möglich.

Claims (15)

1. Verfahren zur Positionserkennung von analogen Anzeigeele­ menten einer Uhr unter Verwendung von mindestens einem optischen Sendeelement, dessen ausgesendetes op­ tisches Signal nur bei einer definierten Stellung der Anzeigeelemente zu mindestens einem optischen Empfangselement übertragen wird, wodurch ein weiterverarbeitbares elektronisches Signal ausgelöst wird, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Signal (9) in der definierten Stellung auf Funktionalbereiche (41, 44, 47) der Anzeigeelemente (4a, 4b) auftrifft und dort reflektiert und/oder gebeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Signal (9) bei Erreichen einer definierten Position eines ersten Anzeige­ elementes (4a) auf dessen Funktionalbereich (41, 44, 47) auf­ trifft und dort reflektiert und/oder gebrochen wird, dieses erstmalig reflektierte und/oder gebrochene optische Signal (9) bei Erreichen einer definierten Position eines zweiten Anzeigeelementes (4b) auf dessen Funktionalbereich (42, 43, 45, 50) auftrifft und erneut reflektiert und/oder gebrochen wird, und dieses erneut reflektierte und/oder gebrochene optische Signal (9) entweder direkt oder über eine Rück­ reflexion und/oder Rückbrechung am Funktionalbereich (41, 44) des ersten Anzeigeelementes (4a) oder einer erneuten Reflexion und/oder Brechung an den Funktionalbereichen weiterer Anzeigeelemente nur während der Verweilzeit aller Anzeigeelemente in ihrer jeweils definierten Position auf ein optisches Empfangselement (2) trifft.

3. Vorrichtung zur Positionserkennung von analogen Anzeigeele­ menten einer Uhr unter Verwendung von mindestens einem optischen Sendeelement und mindestens einem optischen Empfangselement, die räumlich derart angeordnet sind, daß nur bei einer definierten Stellung der Anzeige­ elemente der Strahlengang eines optischen Signals vom Sendeelement zum Empfangselement verläuft, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigeelemente (4a, 4b) das optische Signal (9) reflektierende und/oder beugende Funk­ tionalbereiche (41 bis 45, 47, 50) aufweisen, über die in der definierten Stellung der Anzeigeelemente der Strah­ lengang verläuft.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das optischen Sendeelement (1) und das optische Empfangselement (2) am Rand des den Anzeigeelementen (4a, 4b) benachbarten Zifferblattes (5) in Blickrichtung nebeneinander oder hintereinander angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Sendeelement (1) und das optische Empfangs­ element (2) auf der den Anzeigeelementen (4a, 4b) abge­ kehrten Seite des Zifferblattes (5) angeordnet sind und dieses (5) im Bereich des Sendeelements (1) und des Empfangs­ elements (2) für das optische Signal transparent ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Funktionalbereich eines Anzeigeelementes (4a) eine zum Strahlengang geneigte Reflexionsfläche (41) und der Funktio­ nalbereich des andern Anzeigeelementes (4b) eine zum Strahlengang senkrechte Reflexionsfläche (42) ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionalbereiche der Anzeigeelemente (4a, 4b) diametral geneigte Reflexionsflächen (41, 43) sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Anzeige­ element (4a) im Funktionalbereich (44) als transparentes Prisma ausgebildet ist und daß der Funktionalbereich des anderen Anzeigeelementes (4b) eine zum Strahlengang senkrechte Reflexionsfläche (45) aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigeelemente (4a, 4b) als Lichtleiter ausgebildet oder mit Lichtleitern versehen sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der Anzeigeelemente (4a, 4b), die in der definierten Stellung dem Sendeelement (1) bzw. dem Empfangs­ element (2) gegenüberliegen, zum Strahlengang senkrechte Lichteintrittsflächen (46, 49) aufweisen und daß die entge­ gengesetzten Enden der Anzeigeelemente (4a, 4b) einander zu­ gekehrte Lichtaustrittsflächen (48, 51) haben.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die den Lichteintrittsflächen (46, 49) entgegengesetzten Enden der Anzeigeelemente (4a, 4b) zur Längsachse der An­ zeigeelemente (4a, 4b) geneigte Reflexionsflächen (47, 50) aufweisen.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß dem optischen Empfangselement (2) ein schmalbandiges optisches Filter zugeordnet ist, welches nur die Wellenlänge des optischen Sendeelementes (1) transmittiert.

13. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Zifferblatt (5) und die Anzeigeelemente (4a, 4b) durch eine im sichtbaren Wellenlängenbereich transparente Abdeck­ scheibe (8) abgedeckt sind, die im Wellenlängenbereich des optischen Sendeelementes (1) undurchsichtig ist und derart gestaltet ist, daß Reflexion und somit die Entstehung von Störsignalen verhindert wird.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Sendeelemente (1) Infrarot-Lumineszenz­ dioden und die optischen Empfangselemente (2) Infrarot-Foto­ dioden oder Infrarot-Fototransistoren sind.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß sie bei einer Funkuhr an­ gewendet wird.