包括探测时计齿轮基准角度位置的磁或电容性装置的时计的制作方法

专利名称：包括探测时计齿轮基准角度位置的磁或电容性装置的时计的制作方法
技术领域：
本发明涉及时计，包括钟表机构，设有模拟显示装置以及至少一个在转动关系上固定在此模拟显示装置的转动指示器或显示器的齿轮和齿轴，它还包括有用来探测此齿轮和齿轴的至少一个基准角度位置的装置，这一探测装置则包括磁性或电容性传感器。
更确切地说，本发明涉及用来探测钟表机构齿轮系中齿轮的至少一个基准角位置的装置。
内行的人知道有用来探测属于钟表机构齿轮系的至少一个基准角齿轮位置的光学装置。但所有这类光学探测装置都是相当复杂的。它们需有光源和与此光源分隔一定距离的光接收机。光学探测装置的安装作业也常常是很困难的，必须在光源、光接收机和带有此探测装置的齿轮之间作出精密的调节。为此，在本发明的范围内，提出要避免用任何光学系统来探测钟表机构中齿轮的位置。
从国际专利申请No.WO97/45705的英文摘要中，已知有用来探测与钟表机构中同轴指针分别相关的同轴齿轮位置的系统。在各个实心齿轮或完整齿轮上，设有硬而薄的磁性膜的若干离散部分，它们为无触点的磁性传感器界定出识别图案。每个其角位置可被探测的齿轮都与其自身的磁性传感器相关联。为这些磁性传感器探测出的信号振幅。如上述国际专利申请中的图3与4所示，根据它们是否位于磁性材料部分之前而变化。该项申请中所提出的探测系统的缺点在于，与磁性传感器有关的各齿轮必须在其一个面上设有磁性材料制的固体膜的不同部段或部分。这样就会增大制造费用，同时将识别图案设在齿轮的实心板或完整板上也使钟表机构的工作不便。于是，这种齿轮的板至少要由两种材料制成，即形成此齿轮板基底的材料和布置在基底表面上的磁性材料。
本发明的目的在于为克服上述缺点而提供一种时计，此种时计包括有用来探测齿轮中至少一个基准半轴线的角位置的无接触装置，这种时计的结构简单，且给钟表机构带来的复杂性最小。
这样，本发明涉及的时计包括
钟表机构，它设有模拟显示装置且包括至少一个在转动关系上固定在此模拟显示装置的转动指示器上的齿轮，此齿轮包括一板和一垂直于所述板的轴，此板带有由其外边缘限定的齿圈；用来探测上述齿轮至少一个基准几何半轴线的角度位置的装置，此装置包括设有探测器件的磁性或电容性传感器；上述齿轮的板是由这样的材料组成的，此材料出现于传感器的探测器件之上或下的变化会使此传感器的至少一个参数或一个变数发生变化，传感器提供的测量信号取决于该变化。上述板在其为前述轴通过的中央孔和所述齿圈之间的中间部分有一个孔口。此孔口用来限定前述的至少一个基准几何半轴线。此传感器相对于齿轮设置成，使其探测器件在所述齿轮的至少一个给定角度位置处，至少是部分地位于所述孔口之上或下。
由于本发明的上述特点，与所述无接触传感器相关联的齿轮能够如钟表机构中齿轮的通常情形那样，具有仅由一种材料特别是由导电金属如黄铜形成的板。
与所述探测装置相关的这种齿轮板不必要由永磁材料形成，对于所选定的这类无接触传感器也不必载有磁化件。
参看下面的说明可以更好地理解到，本发明允许对所述齿轮的板作适当的机加工来以传统方式形成至少一个基准几何半轴线，特别是所述的至少一个孔口。
作为本发明范围内所提供的磁性或电容性传感器的电子电路例子，可以参看欧洲专利No.0746100，其中公开了一种感应式的或电容性的近程传感器，现综合于本说明书中作为参考。
根据本发明的一种具体实施形式，齿轮的参考几何半轴线是从所述齿轮的几何转动轴线垂直地出发，同时通过上述孔口的几何中心。
这样，在齿轮板中设置的单个孔口就能允许本发明的探测装置测定齿轮的角位置。于齿轮板中机加工出孔口是廉价的作业，这在某些齿轮中还能减轻其重量和节省材料。因而本发明能在不会使传统的钟表机构有任何复杂化的条件下探测齿轮的角位置。
根据另一种具体实施形式，与所述探测装置相关的齿轮板在其中间区中具有至少一个孔口和一个径向臂，此臂的中心线方向确定齿轮的基准几何半轴线而此齿轮的角位置则可由本发明的探测装置测定。
这样，在本发明的范围内，齿轮的角位置就能通过孔口或臂的径向和中心线方向测定。特别是在环形段的情况中。此外，下面还会描述到，本发明可通过所述齿轮板的孔口和一材料部间的过渡段来确定齿轮的基准几何半轴线，而在本发明的最佳实施形式中设置的那种传感器，当此过渡段允许确定此齿轮一特定的径向时就可探测出上述的过渡段。
下面参考附图，此非限制性的举例方式更详细地说明本发明，附图中

图1示明连带有用来探测一齿轮的基准几何半轴线的钟表机构中的所述齿轮；图2以部分剖面图概示了包括有图1中所示齿轮和感应传感器的钟表机构；图3概示由图1与2中所示感应传感器测得的结果所构成的曲线，借助此曲线可以测定图1与2中所示齿轮的基准半轴线；图4概示图1中齿轮的一种变型；图5概示连带有本发明的感应传感器的齿轮的具体实施形式；图6示明根据图5中感应传感器的测量结果求得的曲线，分析此曲线即可测定前述图中所述齿轮的至少一个基准半轴线；图7示明根据图5中感应传感器的测量结果求得的曲线，此时所经历的行程是从一孔口到一由平面螺旋线圈所形成的感应件上方的完整或实心部；图8概示本发明的一种具体实施形式；图9与10概示了图5中所示齿轮的两种变型，其中所取的布置允许探测此齿轮的若干基准半轴线。
以后所述的各实施形式都包括一感应传感器，同时设定在本发明范围内所做的开发与制得的原型已实现了一种新开发的整体式感应传感器。由这种包括有小尺寸的单个平面式螺旋线圈的整体式感应传感器所得的结果非常良好。但是同样可设置电容型的整体传感器来代替感应式传感器。在此应该指出，感应传感器对环境的敏感性以及对于因制造和组装公差造成的干扰都比电容型传感器稳定。
下面参看图1至3来说明本发明的第一实施形式。钟表机构2包括的齿轮4具有由板8的外边缘界定出的齿圈6。齿轮4还包括限定了几何转动轴线12的轴10。钟表机构2带有一包括固定地安装于轴10上的转动指示器14的模拟显示装置。指示器14可以用来指示时、分、秒或任何其它为模拟显示提供的有用信息。板8固定地安装于轴10上，使得指示器14固定于板8之上。
板8在其中间区，即在为轴10通过而设置的中央孔18与齿圈6之间，设有一圆形孔口16。由集成电路22和设在其一面上的平面螺旋线圈24所形成的感应传感器20，相对于齿轮4的板8设置，使得平面线圈24在齿轮4的至少一个给定的角位置中，至少是部分地位于孔口16之下，如图1所示。
应知传感器20同样可以位于板8之上，使得平面线圈24在齿轮4的至少一个给定的角位置中至少是部分地定位成面向孔口16。最好使此平面螺线线圈24的中心磁轴线26依齿轮4所取的一给定角位置通过孔口16的中心28，如图1所示。基准角2ref界定于钟表机构的基准方向RM与传感器20的基准几何半轴线RD这两者之间，后者平行于板8，从几何轴线12开始而与线圈24的中心磁轴线26相交。齿轮4的基准几何半轴线R1从几何轴线12开始，通过圆形孔口16的中心28。在图1中，半轴线R1与RD是相同的。
应知指示器14相对于半轴线R1的方向可以有任何大小的角偏移。
图3概示根据传感器20获得的测量数据点32所限定的曲线30。根据本发明，板8是由非磁性材料形成即不是由永磁材料形成，而是由这样一种材料形成，这种材料相对于平面线圈24极近之处的变化，在此传感器20的至少一个参数或变数中引发一个变化，该传感器所提供测量信号即取决于该变化。本实施形式中所提供的感应传感器包括的电子电路类似于欧洲专利No.0746100中所述的，这种传感器确定出一种差动张驰振荡器。传感器20所提供的测量信号表示为由此传感器的电子电路所确定的频率，此频率作为构成板8的材料出现在线圈24所限定的探测器件之上或之下这种变化的函数而变化。这种频率的变化起因于传感器20的电子电路中线圈24的电感值的变化。当线圈24位于大致面对形成板8的非磁性材料时，频率就高。相反，当线圈24位于面对板8中机加工出的孔口16时，频率就低。曲线30概示了传感器20所产生的，作为齿轮4的基准半轴线R1的角度位置的函数的频率值的变化趋势，此半轴线R1如前所述是从几何轴线12开始然后通过圆形孔口16的中心28。
可以看到，曲线30相对于对应于值α=αref的轴线34大致是对称的。这样，恰当地分析作为齿轮4的半轴线R1的角位置的函数的测量点32的变化趋势，就能确定那次测量与半轴线R1的角位置α=αref相对应，即什么时候半轴线R1基本上平行于相对于钟表机构固定的传感器20的基准半轴线RD。
应知，取决于所提供的电子电路的设计形式或是构成板8的材料，曲线30也可以具有峰来取代谷。对于这里以非限制性例子所提出的感应传感器，板8的材料或是导电的金属或是具有高磁导率的材料。最好所选材料是磁导率等于/或接近于1导电金属，即非铁磁金属，如广泛用于制造钟表机构中齿轮和其它部件的铝或黄铜。
应该看到，曲线30的峰或谷的宽度乃是所述基准孔口的或者如以下所述乃是基准径向臂的角度的函数。可以为所述孔口(狭缝)或径向提供一小的角度，和/或对于为确定所述峰或谷为主关键的单个测量点，提供低的测量频率和/或步进驱动，该步进驱动充分限定了显著的角度跃变或角度步长。在这样的情形下，就足以探测出何时测量的结果给出的频率值低于或相应地高于用来探测通过前述狭缝的阈值，或相应地所述峰的高度(反之亦然，取决于所提供的传感器20的类型)。于是，这一测量结果便对应于半轴线R1的角位置α等于αref。结果，当基准半轴线RD与R1一致时，就能直接测定齿轮的角位置而不需随后再来确定对应于这种情形的传感器的测量结果。应该看到这一特殊情形简化了测量结果的处理，但一般则减弱了本发明的探测装置的灵敏度。
在图3所示的情形中，对应于α=αref的测量结果可以由内行的人通过周知的电子装置确定。例如在计算曲线30的谷的特征高度处宽度的中点时，当如图3所示在曲线30上有振荡时要确定两个最小值中的较大值，或是要测定通过曲线30的导数为零的第二通道时(也是在发生有振荡的情况中)，这时可以采用电子求导数装置。当存在有峰时，也可以应用等效的分析。
从以上所述可知，这种探测装置布置成可以进行多次的连续测量，特别是在给定的所需频率下。其次，这种探测装置在一种实施形式中包括有用来存储一或多次连续测量结果的存储器，其中用来探测半轴线R1的测量曲线与曲线30类似。此外，在这种情况下，由于控制齿轮4的驱动装置所得到的转动的瞬时演变状态必须以适当的形式存储，得以在对应于半轴线R1的角度位置α等于αref的测量结果一旦得到验明时，就能即时确定半轴线R1相对于αref的瞬时角偏移。最后，当要求知道经过一段时间后的角位置时，必须继续在这段时间内依循所述的演变状态。
在用于齿轮4的驱动装置是由步进马达形成的传统情况下，步进的计数易于获得，而每次测量都能用与此步进的“数”有关的地址来存储，特别是在对每个步进都进行测量时。
在连续驱动情形，必须有瞬时性的基准，而半轴线R1的角α的瞬时演变状态可以通过旋转地驱动齿轮4(直接或通过齿轮系间接地)的同步马达推导出。内行的人可以设计出电子电路来实现跟踪齿轮4的转动的功能，而后确定基准半轴线R1的瞬时角位置，易知这种直接探测α=αref的特殊情形化简了必要的电子处理装置。
当齿轮4的角位置漏失或不知时，为了探测基准半轴线R1，可给出初始指令，以快速的方式控制驱动齿轮4的马达，同时起动探测装置得以在半轴线R1通过传感器20的线圈24之上或下时测定其角位置。
为了检查半轴线R1的位置(在钟表机构工作时)是否正确，在此半轴线R1按预期于传感器20区域中的通过时起动探测装置。在定位不正确时，马达控制装置便校正半轴线R1的角度位置。要是没有探测出这种情形，便起动前述的初始化模式。
图4示明的齿轮4A包括一具有方形孔口16A的板8A。基准半轴线R1通过此孔口16A的几何中心。这一齿轮4A构成了图1中齿轮4的另一实施形式。
图5概示了本发明的时计的第二实施例，其中的传感器20与图1和2中所述的一致。与传感器20相关的齿轮4B有两个环形段形状的孔口40和42。孔口40在圆心定出60°的角，孔口42在圆心定出120°的角。这两个孔口位于处在为使轴10通过所设的中央孔和齿圈6之间的板8B的中间区内。两个孔口40和42相互为两个分别在圆心定出60°和120°的角的材料部44和46所分开。
如上所述，在齿轮4B转动时由传感器20重复进行测量的结果，能够探测出所测齿轮的基准半轴线R2和R6的角位置。传感器20检查基准半轴线R4和RB的角位置(分别与环形段46和44中心线方向一致)是以与探测半轴线R2和R6角位置相同的方式进行。通过环形段44或46的线圈24上方时。如图6所示，会使此传感器所测频率增加。当基准半轴线R2和R6基本上与传感器20所确定的半轴线RD一致时，此传感器所测得的频率便基本上对应于Fmin，而当线圈24完全为环形段44或46之一所覆盖时，则所测频率基本上便是值Fmax。设在通过完整的或实心的环形段而由传感器20的测量结果所得的曲线确定出一条基本属对称的曲线48，与这一传感器相关的电子装置便允许依前面参看图1至3所述方式，使由垂直直线50给定的中心线位置对应于角位置αref。
图5所示齿轮4B的板8B的构造允许进一步测定齿轮4B的四个基准半轴线R1、R3、R5和R7。正如以前所述，传感器20对于材料形成板8B出现于线圈24之上或下的变化是敏感的。在从完整的或实心的部分即环形段44和46之一过渡到孔口40或42时，传感器20的测量信号的频率从值Fmax变到值Fmin。
图7示明从孔口40或42过渡到臂部或环形段44或46时所取的不同测量点确定的曲线。由测量点56所确定的曲线54在齿轮4B顺时针走向转动的情况下半轴线R3或R7的角增大时渐次地从频率值Fmin变至频率值Fmax，或是当齿轮4B反时针走向转动时，对半轴线R1或R5有相似的结果。通过测定曲线54对应于其值为Fmin和Fmax间的中间值的频率Fref时的角度，就能大致测定位置α=αref。这样，利用本实施形式所提供的探测装置，就能在一孔口的边缘限定出所述板的径向时，如图5中的情形那样，探测出此孔口的边缘。
由所述板的中间区内的孔口或材料部所界定的环形段允许限定包括有此板的齿轮的三个基准半轴线。这尤其可从图6中基本上对应于环形段44通过传感器20的线圈24上的情形的曲线48中看清。分析曲线48可以确定那些测量点相当于半轴线R8与传感器的基准半轴线RD一致以及那些测量点相当于半轴线R7或是R1与半轴线RD一致。上面后述的测量点分别对应于齿轮4B顺时针是向转动时图6中的角21和22。角度差δ2=α2-α1由环形段44或46的角度大小确定，在相反情形，则由孔口40或42的角度大小确定。
这样，对δ2的测量就能确定通过线圈24之上的是环形段44或是46。同样，对于通过面向线圈24的孔口40或42所求得的测量点形成的等效曲线，通过测量此曲线中的谷的半高度处的宽度，就能确定哪个孔口已通过线圈24之上。由以上考虑的结果可知，分析齿轮4B转动时由传感器20进行连续测量的结果，就能以唯一性的方式测定基准半轴线R1至R8中各个的角位置。于是，板8B便限定出可为传感器20探测出的六个基准半轴线，后者相互以60°角相邻地错开，此外，还可测定两个基准半轴线R6和R8。一旦确定了半轴线的角位置，就能确定其他半轴线的角位置。一般，单个基准半轴线便足以在初始化模式下确定齿轮的角位置，并能在超过预定时间后来检查齿轮相对于基准手段确定的所需向前运动而进行的正确向前运动。
图8示明与本发明的探测装置相关的齿轮4C的另一实施形式。此探测装置仍旧包括设有平面螺旋线圈24的传感器20。板8C有四个孔口60～63，限定出四个使齿轮4C的轮毂68与轮缘69相连接的径向臂64～67。径向臂64的径向尺寸大于其它三个臂。径向臂64的中线界定出与该中线一致的齿轮4C的基准几何半轴线R1。
给定臂64和其他臂之间的角度大小差，就能如前面相对于图6中所述的情形来测定此臂是否通过线圈24之上。对半轴线R1的角度位置的探测与相对于图5与6所述的测定半轴线R4和R8一致。
这一实施形式的优点是，由于板8C具有基本均匀分布的孔口，因而此板基本上平衡。为使板8C尽可能地平衡，可以加大臂66的材料厚度，或类似地去减轻臂64边上材料的重量。还可以稍稍减小孔口63和64来使板8C获得最佳平衡。内行的人可以设想出其他各种方法。特别是可以使臂65、66和67取不同的布置形式。也还能设置一个臂来多少使板8C取得满意的平衡。
图9和10示明了另一实施形式的两种变型。图9中所示齿轮4D的板8C具体确定出三个在角度错开120°且分别由孔口70、71与72的中直线所界定的基准半轴线R1、R2和R3。可以看到，孔口70的角度值大于相一致的孔口71和72的相应角度值。孔口71和72虽然一致，但当齿轮4D依预定方向例如顺时针走向转动时，它们以唯一的方式限定出基准半轴线R2和R3。
图10给出的变型表明的齿轮4E，它的板8E也有三个为三个孔口74、75和76分开的环形段。这三个环形段或径向臂77、78和79各具有不同的特定径向大小，即80°、60°和40°。不论齿轮的转动方向如何，半轴R1、R2和R3都是以唯一性的方式测定。
权利要求
1．时计，它包括钟表机构(2)，此机构设有模拟显示装置，且包括至少一个齿轮(4；4A；4B；4C；4D；4E)，在转动关系上固定在形成上述模拟显示装置一部分的转动模拟显示器件(14)上，所述齿轮包括有板(8；8A；8B；8C；8D；8E)，此板带有由其外边缘所界定出的齿圈(6)以及垂直于此板的轴(10)；用来探测所述齿轮至少一个基准几何半轴线(R1～R8)的角度位置的装置，此探测装置包括设有探测器件(24)的磁性或电容性传感器(20)；所述齿轮的板是由这样的材料形成，它出现于此传感器探测器件之上或之下的变化会使传感器中至少一个参数或变数产生变化，所述传感器提供的测量信号取决于该变化，所述板具有至少一个孔口(16；16A；40；42；60；61；70～72；74～76)位于其在给上述轴提供通道的中央孔(18)和所述齿圈之间的中间区域内，该孔口用来限定前述的至少一个基准几何半轴线，所述传感器则相对于此齿轮设置成使所述探测器件在齿轮的至少一个给定角度位置中至少是部分地在所述孔口之上或之下。
2．权利要求1所述的时计，其中构成所述板的材料是导电金属。
3．权利要求2所述的时计，其中所述金属具有磁导率等于/或接近1，例如是铝或黄铜。
4．如上述任一项权利要求所述的时针，其中所述探测器件是由单个平面螺旋线圈(24)形成，所述传感器(20)的电子电路限定了一差动张驰振荡器，前述构成板(8；8A；8B；8C；8D；8E)的材料出现于所述线圈之上或之下有变化时，便因此传感器的电子电路中线圈的电感值变化而使传感器所产生的信号的频率变化。
5．如上述任一项权利要求所述的时计，其中所述齿轮的至少一个基准几何半轴线垂直于所述轴的几何转动轴线开始并通过所述孔口的几何中心。
6．权利要求5所述的时计，其中所述齿轮的板具有一批位于此板中间区的孔口，且其中有至少一个(40；42；70；74～76)的角度大小不同于其他孔口，有若干孔口分别限定出所述齿轮的若干基准几何半轴线。
7．权利要求1～4所述的时计，其中所述板在前述中间区具有至少一个与所述孔口(40、42)邻近的材料部(44,46)，由所述材料部限定的所述孔口的边缘限定出齿轮(4B)的所述至少一个基准几何半轴线(R1)。
8．权利要求1～4中任一项所述的时计，其中所述的板在其中间区具有至少所述的孔口和至少一个径向臂，后者的中线限定出齿轮(4C)的所述至少一个与此中线一致的基准几何半轴线(R1)。
9．权利要求8所述的时计，其中设有一批为对应的一批孔口(60～63)所分开且位于所述中间区内的径向臂(64～67)，所述的这批径向臂实质上将齿轮(40)的轮毂(68)和轮缘(69)相连接，所述臂中的至少一个臂(64)具有不同于其他的臂的角度大小且界定出所述基准几何半轴线。
10．权利要求9所述的时计，其中所述若干径向臂的中线分别界定出所述齿轮的若干基准几何半轴线。
全文摘要
包括设有模拟显示装置(14)的钟表机构(2)的时计。其中的齿轮(4)包括的板(8)具有由其外边缘界定的齿圈(6)以及轴(10)。备有用来探测齿轮(4)角位置的装置,此装置包括的磁性或电容性传感器(20)的探测器件特别是平面螺旋线圈(24),用来探测形成此板的具体如非磁性导电金属材料出现情形的变化。所述的板具有至少一个位于其中间区在中央孔(18)和齿圈(6)之间的孔口(16)。孔口(16)界定出齿轮(4)的基准几何半轴线,后者的角位置有所述探测装置测定。
文档编号G01B7/30GK1234538SQ9910519
公开日1999年11月10日 申请日期1999年4月26日 优先权日1998年4月24日
发明者J·J·波恩, P·A·法里纳, P·帕瑟劳布 申请人:阿苏拉布股份有限公司