JP2017531800A - 計時器用セッティングステムの位置を判断する位置センサー及び方法 - Google Patents

Abstract

計時器のセッティングステム３の軸方向の位置及び／又は角位置を判断する位置センサー及び方法について記載されている。磁石２がセッティングステム３上に設けられ、少なくとも１つの磁場センサー５が、回転可能要素３が回転するにしたがって、磁場７の強さの変化を少なくとも第１の軸及びこの第１の軸と平行ではない第２の軸に沿って検出するように構成しており、磁気センサー５によって検知される変化する磁場７は、特徴的な痕跡パスに変換され、これは、二次元の環状の痕跡パス上にマッピングされ、セッティングステム３の角位置を得る。【選択図】 図１

Description

本発明は、計時器の回転可能なシャフトの位置及び／又は運動を検知する分野に関する。より詳細には、本発明は、計時器用セッティングステムの運動及び／又は位置を検知するために適した非接触のセンサー構成及び方法に関する。

電気機械式の計時器のような機械的な可動部品と電子制御回路が組み合わさっているデバイスにおいて、回転する機械的部品の位置及び／又は運動を検知するために正確なセンサーの必要性がある。回転可能なセッティングステムを有する腕時計などにおいては、正確であり応答性が良いセンサーが必要とされている。これによって、例えば、セッティングステムの瞬間的な角度位置及び／又は回転を検出して、腕時計の着用者の好みを、腕時計の電子制御系によって用いることができる電子情報に、迅速に正確に変換することができるようにする。特に、着用可能な計時器の分野において、このようなセンサーの電力消費を最小限にしつつ、精度及び速度を最大限にすることは重要である。また、腕時計のセッティングステムのような部品が小さいということは、回転／運動センサーが、小さな物体の小さな運動、例えば、０．１ｍｍの数倍の小さい直径を有するステムの回転、を検出することができなければならないことを意味している。これらのセンサー部品自身、小さくなければならない。空間が制限されているからである。このようなセンサーは、好ましくは、磨耗を減らすために接触しない方がよく、これによって、計時器の耐用年数を伸ばすことができる。センサー部品は、製造が容易である必要がある。

米国特許ＵＳ６２５２８２５において、接触していないセンサーが提案されている。これは、計時器のセッティングステムの位置及び／又は運動を検出するセンサーを用いることについて記載している。このセッティングステムには、２つのステーター電極の間の容量を調整するような形を有するローター電極が設けられている。この米国特許ＵＳ６２５２８２５に記載されている構成には、特別な形を有するステム及び容量性電極を精密に製造することが必要である。これらは貴重な空間を占め、付加的な製造ステップを必要とする。

本発明は、計時器の回転可能要素の軸方向の位置及び／又は角位置を判断する位置センサー及び方法を提供することを目的とする。これにおいては、前記永久磁石は、前記回転可能要素の回転軸のまわりを回転可能要素とともに回転するように構成しており、前記計時器に対して固定されている磁場センサーは、前記回転可能要素が回転するにしたがって、前記永久磁石の磁力線の回転に起因する磁場強度の変化を少なくとも第１の軸及び前記第１の軸と平行ではない第２の軸に沿って検出するように構成している。

本発明の位置センサー又は方法の別の変形例によると、前記永久磁石は、前記回転可能要素の軸方向の遠位の領域に配置される。

本発明の位置センサー又は方法の別の変形例によると、前記永久磁石は、前記回転可能要素の周領域に配置される。

本発明の位置センサー又は方法の別の変形例によると、前記磁場センサーは、少なくとも３つの互いに平行ではない測定軸を有する。

本発明の位置センサーの別の変形例によると、前記位置センサーは、第１の基準系から第２の基準系へのマッピング変換を行う変換ユニットを有する。

本発明の方法の別の変形例によると、当該方法は、第１の基準系から第２の基準系へのマッピング変換を行うステップを有する。

本発明の位置センサー又は方法の別の変形例によると、前記第２の基準系は、二次元の環状の痕跡パスを表す。

本発明の位置センサー又は方法の別の変形例によると、前記第１の基準系は、三次元の楕円状の痕跡パスを表す。

本発明の位置センサー又は方法の別の変形例によると、前記永久磁石は、回転可能要素が軸方向に運動しているときに、回転可能要素とともに軸方向に運動するように構成している。

本発明の位置センサー又は方法の別の変形例によると、前記回転可能要素には、少なくとも第１及び第２の所定の軸方向の位置があり、第１の所定の軸方向の位置にある回転可能要素の回転は、第１の計時器機能に関連づけられており、第２の所定の軸方向の位置にある回転可能要素の回転は、第２の計時器機能に関連づけられているか又は計時器機能に関連づけられていない。

本発明の位置センサー又は方法の別の変形例によると、前記磁気センサーは、当該磁気センサーが回転可能要素の軸方向の運動を検出するように構成している第１の検知モードと、及び当該磁気センサーが回転可能要素の回転を検出するように構成している第２のモードとで動作する。

本発明の位置センサー又は方法の別の変形例によると、前記磁気センサーは、当該位置センサーが第１の検知モードであるときには第１の分解能及び／又は第１のサンプリングレートで検知を行い、当該位置センサーが第２の検知モードであるときには第２の分解能及び／又は第２のサンプリングレートで検知を行うように構成しており、前記第１の分解能は前記第２の分解能よりも低く、かつ／又は、前記第１のサンプリングレートは前記第２のサンプリングレートよりも低い。

本発明の位置センサー又は方法の別の変形例によると、当該位置センサーは、前記永久磁石の磁場から計時器の部品を遮蔽するシールドを有する。

本発明の位置センサー又は方法の別の変形例によると、前記回転可能要素は、計時器のセッティングステムを有する。

提案している新規な手法によって、磨耗を減らし、パワー消費を減らし、角位置をより精密により正確に測定することができ、計時器のセッティングを高分解能にし、ユーザーが行うセッティング変更に対する応答を速くし、製造を単純にし、小さな寸法の規模の小さな空間しか必要ではない。また、角度の検出に加えて、軸方向の位置検出を提供することを可能にする。これによって、この目的のために専用の他のセンサーの必要性ががなくなり、腕時計ケース内に搭載されるさらなる要素又はモジュールのために付加的な利用可能な空間を確保することができる。

添付図面を参照しながら説明される例示的な実施形態（これに制限されない）についての以下の説明から、本発明の他の特徴及び利点が明白になるであろう。

本発明に係るセッティングステム及びセンサーの例の概略等角図を示している。 図１のセッティングステムの回転に起因する三次元の磁気回転痕跡パスの単純化された例を示している。 図２の磁気回転痕跡パスを二次元に変換したものである。 図１のセンサーのためのシールド構成を示している。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。別の図に示されている同一又は対応する機能的及び構造的な要素には、同じ参照符号が割り当てられている。図面は、寸法を測るために用いるべきではなく、相対的又は絶対的な寸法を与えるように意図されたものではない。

図１は、回転可能要素３の例を示している。これは、好ましくは、セッティングステムにマウントされる。このセッティングステムは、計時器内で用いられるものであることができる。回転可能要素３には回転軸４がある。以下に説明する好ましい実施形態において、本発明の位置センサーのアプリケーションの例として、回転可能要素がセッティングステムの一部のみによって構成しているような腕時計のセッティングステムを用いる。セッティングステムは、竜頭ステムとしても知られている。したがって、この例の回転可能要素３は、小さな部品であり、例えば、直径が０．５ｍｍや１ｍｍである。図１は、このようなセッティングステムの遠位端部分のみを示している。回転可能要素３には、その遠位端（すなわち、竜頭を端とするセッティングステムの場合には竜頭の反対側のセッティングステムの端）に取り付けられた磁石２が設けられている。磁石は、回転可能要素３と同じ直径の幅広の円筒として示されている。なぜなら、この構成が最小の付加的な空間しか占めないからである。しかし、実際上は、磁石はいずれの実際的な形を有することができる。図１において、磁石２の極性は、磁石２の磁力線７０を表す破線によって示されている。磁石２は、好ましくは、永久磁石によって構成しており、これは、例えば、強磁性、フェリ磁性又は他の磁性物質によって構成しており、代わりに、磁化されている又は磁化することができる鉄金属のような磁化可能な材料によって構成することもできる。

磁力線７０は、磁場センサー５に作用する。この磁場センサー５は、例えば、入射する磁場７を２つ又は３つの測定軸に沿って測定する２軸又は３軸のセンサーである。磁気センサー５は、例えば、小型の表面実装部品（ＳＭＤ）であり、これは、プリント回路ボード（ＰＣＢ）に嵌められＳＭＤ接続６を介してＰＣＢに接続される。磁力線７の大きさ及び方向は、一連の大きさ／方向のデータ点を有効に含む痕跡パスと呼ばれる完全な１回転の形を回転可能要素３が回転するにしたがって、磁気センサー５によって検出される。痕跡パス上のデータ点のそれぞれ（すなわち、測定された瞬間的な大きさ／方向のデータのそれぞれ）は、回転可能要素３の固有な角度方向に対応する。したがって、下で議論するように、センサーには、測定された磁場の大きさ及び方向から回転可能要素３の角度方向を評価する手段を設けることができる。この評価は、例えば、ルックアップテーブルを参照することによって、又は計算を行うことによって行われる。

腕時計のような計時器のセッティングステムは、通常、複数の軸方向の位置の間で運動することができる。これらの位置には、例えば、ステムの設定機能が無効になっているホーム位置と、計時器によってディスプレーされる時刻をセットするためにステムの回転を用いる時刻設定位置と、及び計時器によってディスプレーされる日付を設定するためにステムの回転を用いる日付設定位置とが含まれる。図１において、これらの軸方向の位置を参照符号８によって模式的に示してある。また、回転可能要素３も、このような手法で、離散的な軸方向の位置の間を軸方向に運動することができる場合、上で言及した痕跡パスは、回転可能要素３の角度方向を評価するためだけではなく、軸方向の位置８を評価するためにも用いられることができる。これは、特に、磁場７がある離散的な軸方向の位置から別の軸方向の位置まで通過するときに磁場７の大きさが変化するおかげである。各軸方向の位置の間の空間が大きく設けられるほど、大きさの値の間の飛びを良好に検出することができる。

電力消費を減らすために、位置センサーは、回転可能要素３が軸方向のホーム位置（すなわち、設定機能が無効となっている位置）にある場合に磁気センサー５の出力が、希に及び／又は粗い分解能で、サンプリングされるように構成することができる。なぜなら、この状態において唯一必要なことは、回転可能要素３が軸方向のホーム位置ではない軸方向の位置８に運動したことを検出することであるからである。このような希なサンプリングは、例えば、１秒当たり１回行われる。そして、粗い及び／又は希なサンプリングによって、回転可能要素３が他の軸方向の位置８又は他の軸方向の位置８のうちの１つにあることを検出すると、磁気センサー出力のサンプリングが、設定機能が有効になっている間に、より高いレート及び／又はより高い解像度で行われる。このようにして、位置センサーは、サンプリングレート及び／又はセンサー分解能が比較的低いような軸方向の検出モード、又はサンプリングレート及び／又はセンサー分解能がより高いような回転検出モードで動作することができる。

例えば、図４に示すように、磁石２及び／又は磁気センサー５を、磁気シールド１１によって完全に又は部分的に囲むことができる。このようなシールド１１は、外部磁気源又は計時器の他の要素からの漂遊磁場から磁気センサー５を保護することによって、位置センサーの精度を改善させることに貢献しうる。このようなシールド１１は、さらに、磁石２の近くにあることに起因して磁化されることから計時器の他の部品を保護するためにも貢献しうる。

位置センサーは、磁気センサー２によって検出された磁場パラメーターと回転可能要素３の回転及び／又は軸方向の位置の間のマッピング又は変換の操作を行う変換ユニット（図１に示さず）を有することができる。代わりに、マッピング／変換の機能を、計時器の中央処理装置（ＣＰＵ）のような別のデバイスによって行うことができる。図２は、磁石２及び回転可能要素３の回転に対応する三次元の痕跡パス（例、３軸磁気センサー２からのデータ点のセット）の単純化されたグラフ表現を示している。図３は、図２の３Ｄ痕跡パスが、二次元の痕跡パス上へマッピングされたときにどのようになるかを示している。この場合、マッピング／変換は、発生する２Ｄ痕跡パスが環状であるように行われる。このことには、さらなる計算を行わずに、回転可能要素の角位置を２Ｄデータから直接評価することができるという利点がある。例えば、３Ｄ痕跡パス９上の点１０が、２Ｄ痕跡パス９'上の点１０'にマッピングされる場合、角位置を、単に、Ｘ軸と点１０'が形成する角θによって得ることができる。

変換ユニットは、磁気センサー出力データ（例、３Ｄ痕跡パス１０）を（好ましくは、環状の）２Ｄ痕跡パスにマッピングするために、数学的な変換操作（例、行列変換）を行うことができる。図２及び３に示した好ましい実施形態によると、このマッピングは、回転軸４に垂直な平面上への図２の３Ｄ座標の射影に対応する。代わりに、マッピング関数をルックアップテーブルのような対応テーブルにて定めることができる。前者の手法の方が変換が正確であり、後者がより高速でありパワーを必要としないということでありうる。これらは単に例であって、他のマッピング又は変換法も可能である。

特定の例示的な実施形態を参照しながら本発明について説明したが、他の多くの構成要素の構成も可能であることがわかるであろう。例えば、図１に示す磁石２は、回転可能要素３の端に位置しているが、代わりに、回転可能要素３の周部面の内部又はその上に位置することもできる。この場合、磁力線は、異なるタイプの痕跡パスを発生させ、元の痕跡パス９を変換された（好ましくは、環状の）痕跡パス９'上にマッピングさせるために、異なるタイプの変換操作を必要とする。同様に、磁気センサー５を、回転可能要素２に対して、複数の異なる位置のうちの１つにマウントすることができる。また、複数の磁気センサー５及び／又は複数の磁石２を用いることもできる。また、図示した好ましい実施形態によると、永久磁石２が、好ましくは、回転可能要素３に関連づけられ、したがって、磁場センサー５が、好ましくは、計時器に対して固定されるように構成しているにもかかわらず、永久磁石２と磁気センサー５の間の相対的な回転及び／又は軸方向の運動が、磁場７の強度の変化を検出するように行われることのみが必要であることがわかる。したがって、代替実施形態によると、磁石２とセンサー５を入れ換えて、計時器の固定要素上と回転可能要素３上にそれぞれ配置することができる。

また、本発明が絶対的な角位置のセンサー及び位置検出方法を提供するために、位置変化のインクリメンタルな検出も行うことができることがわかる。これは、単に、例えば、検出される連続する角度及び／又は軸方向の位置の間の差を計算することによって行う。

Claims (15)

1. 計時器の回転可能要素（３）の軸方向及び／又は角度的な位置を判断する位置センサーであって、
   永久磁石（２）及び磁場センサー（５）を有し、
   前記永久磁石（２）は、前記回転可能要素（３）の回転軸（４）のまわりを前記回転可能要素（３）とともに回転するように構成しており、
   前記磁場センサー（５）は、前記計時器に対して固定されており、少なくとも第１の軸及び前記第１の軸と平行でない第２の軸に沿って入射する磁場（７）を測定して、かつ、前記回転可能要素（３）が回転するにしたがって前記第１の軸及び前記第２の軸に沿って前記永久磁石（２）の磁場（７）が回転することに起因する前記磁場の強さ（７）の変化を検出するように構成している
   ことを特徴とする位置センサー。
2. 計時器の回転可能要素（３）の位置を判断する方法であって、
   前記回転可能要素（３）の回転軸（４）のまわりを前記回転可能要素（３）とともに回転させるように永久磁石（２）を配置するステップと、及び
   少なくとも第１の軸及び前記第１の軸と平行でない第２の軸に沿って入射する磁場（７）を測定して、かつ、前記回転可能要素（３）が回転するにしたがって前記第１の軸及び前記第２の軸に沿って前記永久磁石（２）の磁場（７）が回転することに起因する前記磁場の強さ（７）の変化を検出するように磁場センサー（５）を用いるステップと
   を有することを特徴とする方法。
3. 前記永久磁石（２）は、前記回転可能要素（３）の軸方向の遠位の領域に配置されている
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の位置センサー又は方法。
4. 前記永久磁石（２）は、前記回転可能要素（３）の周領域に配置されている
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の位置センサー又は方法。
5. 前記磁場センサー（５）は、少なくとも３つの互いに平行ではない測定軸を有する
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の位置センサー又は方法。
6. 第１の基準系（９、１０）から第２の基準系（９'、１０'）へのマッピング変換を行う変換ユニットを有する
   ことを特徴とする請求項１、３〜５のいずれかに記載の位置センサー。
7. 第１の基準系（９、１０）から第２の基準系（９'、１０'）へのマッピング変換を行うステップを有する
   ことを特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載の方法。
8. 前記第２の基準系（９'、１０'）は、二次元の環状の痕跡パス（９'）を表す
   ことを特徴とする請求項６に記載の位置センサー又は請求項７に記載の方法。
9. 前記第１の基準系は、三次元の楕円状の痕跡パス（９）を表す
   ことを特徴とする請求項６又は８に記載の位置センサー又は請求項７又は８に記載の方法。
10. 前記永久磁石（２）は、前記回転可能要素（３）が軸方向に運動しているときに、前記回転可能要素（３）とともに軸方向に運動するように構成している
    ことを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の位置センサー又は方法。
11. 前記回転可能要素（３）には、少なくとも第１及び第２の所定の軸方向の位置（８）があり、
    前記第１の所定の軸方向の位置にある前記回転可能要素（３）の回転は、第１の計時器機能に関連づけられており、
    前記第２の所定の軸方向の位置にある前記回転可能要素（３）の回転は、第２の計時器機能に関連づけられているか又は計時器機能に関連づけられていない
    ことを特徴とする請求項１０に記載の位置センサー又は方法。
12. 前記磁気センサー（５）には、前記磁気センサー（５）が前記回転可能要素（３）の軸方向の運動を検出するように構成している第１の検知モードと、及び前記磁気センサー（５）が前記回転可能要素（３）の回転を検出するように構成している第２の検知モードとで動作する
    ことを特徴とする請求項１０又は１１に記載の位置センサー又は方法。
13. 前記磁気センサー（５）は、当該位置センサーが第１の検知モードであるときには第１の分解能及び／又は第１のサンプリングレートで検知を行い、当該位置センサーが第２の検知モードであるときには第２の分解能及び／又は第２のサンプリングレートで検知を行うように構成しており、
    前記第１の分解能は前記第２の分解能よりも低く、かつ／又は、前記第１のサンプリングレートは前記第２のサンプリングレートよりも低い
    ことを特徴とする請求項１２に記載の位置センサー又は方法。
14. 前記永久磁石（２）の磁場（７）から計時器の部品を遮蔽するために、当該位置センサーの外側部分に配置されるシールド（１１）を有する
    ことを特徴とする請求項１、３〜１３のいずれかに記載の位置センサー。
15. 前記回転可能要素（３）は、計時器のセッティングステムに組み立てられ又は計時器のセッティングステムと一体化されるように組み立てられる
    ことを特徴とする請求項１〜１４のいずれかに記載の位置センサー又は方法。

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