CN113960912A - 包括设有机电转换器的电源设备的可穿戴物体，特别是表链 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可穿戴物体(42)，其包括电子单元和由机电转换器(6A)形成的电源单元，该机电转换器包括承载第一磁体(10A)的转子(44)、设置有能够以相对高的谐振频率振荡并承载第二磁体(20)的惯性质量体(46)的机械谐振器(12A)、以及线圈，这些线圈布置成使得当机械谐振器振荡时在线圈中产生感应电压。机电转换器布置成使得第一磁体和第二磁体能够在转子的旋转驱动期间磁性地相互作用，以便瞬时或暂时地向惯性质量体施加允许激励机械谐振器的磁力转矩，以便以其谐振频率产生机械谐振器的至少一次振荡，从而产生允许给蓄电池再充电的相对高的感应电压。

Description

包括设有机电转换器的电源设备的可穿戴物体，特别是表链

技术领域

本发明涉及可穿戴的物体，特别是可佩戴在手腕上的物体，例如手表，其包括电子单元和至少为该电子单元供电的电源单元。更具体地，本发明涉及被称为自主可穿戴电子设备的可穿戴电子设备，该可穿戴电子设备配备有电源单元，该电源单元从内部机械装置、特别是从与内部机械能量源(例如，其发条由转子自动上紧或被手动上紧的发条盒)相关联的发电机获得能量，或者该可穿戴电子设备配备有至少一个传感器，其从可穿戴电子设备的环境或携带该电子设备的用户的环境接收能量。因此，这是关于集成在自主电子设备中的能量采集器。

背景技术

手腕的运动是可被用来给腕表提供动力的机械能的来源。这在自动机械手表中已经使用了很长时间。最近，本领域技术人员已经想到使用转子的机械能来为机电或电子类型的腕表的至少一个电子单元供电。为此，已经提出了各种类型的机电转换器。特别地，电磁感应的使用已经被证明是成功的。可以提及两种已知类型的具有电子单元的自动手表。第一种类型特别是在Asulab名下的专利申请EP 822470中进行了描述。它是一种机电式手表，包括一个安装在钟表机芯齿轮系中的机电式发电机，其具有两个功能，即调节其旋转频率的功能和能够为调节电子电路供电的机电转换器功能。第二种类型尤其是在KINETRON名下的专利申请EP1239349和WO 9204662中进行了描述。在在ETA SA Swiss WatchManufacturer名下的专利申请EP 1085383中描述了一个特定实施例。在此第二种类型中，转子仅用于驱动机电式发电机，该机电式发电机为包含在电子类型手表中的蓄电池供电。在机电式钟表机芯的情况下，指针由被蓄电池供电的电动马达、特别是步进马达驱动。

前述实施例具有限制其效率的因素，特别是因为齿轮系中的摩擦导致的能量损失。此外，为了获得足够高的电压，需要至少一个中间倍增器运动件和/或至少一个复杂功能装置，其允许发条盒通过脉冲反馈累积的机械能。

另一种从手表中获取动能的方法是采用在其外周部配备有磁体的转子，在转子磁体通过的印刷电路板上嵌入固定线圈。当转子被驱动时，由于磁通量的变化，在线圈中感应出电压。这种方法的一个缺点源于转子旋转相对较慢(通常平均转速在1-5转/秒)的事实，由于产生的感应电压较低，这限制了能量转换的效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种配备有电子单元和电源单元的可穿戴设备，该电源单元包括具有良好效率的机电转换器，这特别是通过在任何可能的升压器之前提供相对高的电压而实现。

因此，本发明涉及一种可穿戴物体，其包括电子单元和由机电转换器形成的电源单元，该机电转换器包括：

-转子，其能够通过可穿戴物体所经历的运动而被旋转，该转子承载至少一个第一永磁体；

-机械谐振器，其安装在支撑件上并设有惯性质量体，该惯性质量体能够围绕振荡轴线以该机械谐振器特有的谐振频率振荡；和

-电磁系统，其由至少一个第二永磁体和至少一个线圈形成，所述第二永磁体和线圈分别由惯性质量体(从而部分地形成该惯性质量体)和所述支撑件或与所述支撑件成一体的元件承载，并且所述第二永磁体和线圈被布置成使得当机械谐振器休止时，由第二永磁体产生的磁通量的至少一部分穿过线圈，以便当机械谐振器振荡时，在该线圈中产生感应电压(U_Ind)。

所述机电转换器被布置成使得在转子的旋转驱动期间，所述至少一个第一永磁体和所述至少一个第二永磁体能够磁性地相互作用，以便瞬时地或暂时地向惯性质量体施加磁力转矩，从而允许激励机械谐振器，以使该机械谐振器基本以其谐振频率产生至少一次振荡。

在一个有利的变型中，谐振频率基本上等于或大于10赫兹(F_Res≥10Hz)，优选地在15赫兹和30赫兹之间(15Hz≤F_Res≤30Hz)。

在一个主要实施例中，所述至少一个第一永磁体和所述至少一个第二永磁体位于垂直于机械谐振器的振荡轴线的相同总平面中，并且布置成使得它们的磁性相互作用是相斥的。

在一个优选的变型中，当机械谐振器休止时，所述第二永磁体的中心和所述线圈的中心之间具有关于机械谐振器的振荡轴线的角度偏移，该角度偏移为非零，并且优选地对应于第二永磁体的中心基本在磁通量曲线的拐点处的角度定位，该磁通量是由所述至少一个第二永磁体产生的并且根据第二永磁体和线圈之间的相对角度位置穿过线圈。

附图说明

下面将使用附图更详细地描述本发明，附图以非限制性例子的方式给出，其中：

-图1A至1C示出了根据本发明的可穿戴物体的第一实施例的第一变型，图1A中没有转子，图1B仅被部分切开；

-图2A和2B示出了第一实施例的第二变型，图2B仅示出了所提供的整个磁系统；

-图3A至3C示出了根据本发明的可佩戴物体的第二实施例，图3C仅部分示出了机械谐振器；

-图4A至4F通过旋转的转子和由该旋转的转子激活的机械谐振器的一系列瞬时位置，示出了第二实施例的机电转换器的操作；

-图5A至5C示出了根据本发明的可穿戴物体的第三实施例；

-图6是第三实施例的机械谐振器、转子和电磁系统的透视分解图；而图7示出了组装好的这些部件；

-图8A至8H通过旋转的转子和由该旋转的转子激活的机械谐振器的一系列瞬时位置，示出了第三实施例的机电转换器的操作；

-图9是电子电路的一个替代实施例的电路图，该电子电路将形成根据本发明的可穿戴物体的电磁系统的线圈连接到结合在该可穿戴物体中的电能蓄积器。

具体实施方式

参考图1A至1C、2A和2B，下面将描述根据本发明的可穿戴物体的第一实施例的两种变型。该可穿戴物体是腕表2，其包括电子单元(结合在钟表机芯4中)和电源单元。请注意，连接钟表机芯和表壳的装配环(fitting circle)以及表壳后盖未在图中显示。电源单元由机电转换器6形成，该机电转换器6将来自转子8的机械能转换成电能，该电能存储在为电子单元供电的蓄电池中。转子能够通过手表经历的运动(特别是当手表佩戴在用户的手腕上时)而被旋转。

机电转换器6包括:

-转子8，其承载至少一个第一永磁体，特别是关于转子的旋转轴线14沿直径相对的两个磁体10(所示的第一变型的情况)；

-安装在支撑件(钟表机芯4)上的机械谐振器12，该机械谐振器12设有环形的惯性质量体16，该惯性质量体16能够以该机械谐振器特有的谐振频率F_Res围绕与转子8的旋转轴线重合的振荡轴线14振荡，

-电磁系统，该电磁系统由至少一个第二永磁体20、特别是由六个磁体20(所示的两个变型的情况)和至少一个线圈24形成，所述至少一个第二永磁体20由惯性质量体16承载并且部分地形成惯性质量体16，所述至少一个线圈24由与钟表机芯4成一体的PCB 22承载，在所示的两个变型的情况下，线圈的数量等于惯性质量体承载的磁体20的数量。

总体而言，所述至少一个第二永磁体20和所述至少一个线圈24被布置成使得当机械谐振器12休止时，由所述第二永磁体产生的磁通量的至少一部分穿过线圈，使得当机械谐振器振荡时，在该线圈中产生感应电压(U_Ind)。

机电转换器6被布置成使得所述至少一个第一永磁体和所述至少一个第二永磁体能够在转子的旋转驱动期间磁性地相互作用，以便瞬时地或暂时地向惯性质量体施加允许激励机械谐振器的磁力转矩，以便基本以其谐振频率产生该机械谐振器的至少一次振荡。

请注意，在本文中，所有使用的磁体都是永久磁体，因此它们也将都被称为“磁体”。“一次振荡”是指在至少一个振荡周期期间的一次振荡运动，因此具有至少两次振动。机械谐振器在限定其振幅的两个极端角度值之间的每个运动被称为“振动”。在一个优选的变型中，至少一对第一磁体10和至少一对第二磁体20磁性地相互作用，以向惯性质量体施加磁力转矩，该磁力转矩用于激活/激励机械谐振器，这将在下文参照图4A-4F详细描述。

在第一变型中，磁体20和线圈24被布置成使得当机械谐振器12休止时，这些磁体和这些线圈在机械谐振器的总平面上的轴向投影关于振荡轴线14分别径向对齐。优选地，在机械谐振器的休止位置，每个磁体20和相应的线圈24在轴向对齐。在第二优选变型中，当机械谐振器休止时，每个第二磁体20的中心和相应线圈24的中心之间具有关于机械谐振器的振荡轴线的非零角度偏移。特别地，所提供的角度偏移对应于每个第二磁体的中心大约在磁通量曲线的拐点处的角度定位，该磁通量是由该第二磁体产生的并且根据该第二磁体和相应线圈之间关于机械谐振器的振荡轴线的相对角度位置穿过相应的线圈。此优选变型允许显著增加在每个线圈中产生的感应电压，特别是当机械谐振器在其每次激励后的振荡幅度相对较小时，例如在磁体20的中心处大约半角。通过使用一系列测量或模拟，本领域技术人员将能够一方面确定线圈和第二磁体20的特征和尺寸，另一方面确定这些第二磁体和相应线圈之间的最佳角度偏移，以优化每个线圈中磁通量的变化，使得当惯性质量体具有最大速度时，即，当机械谐振器通过其中性位置(休止位置)时，该变化最大，以便获得最大的感应电压U_Ind。

机械谐振器12是具有柔性叶片26的谐振器，这些柔性叶片承载惯性质量体16，并将形成该惯性质量体的环连接到中心元件28，该中心元件28固定在机械谐振器的支撑件上，也就是说，它与钟表机芯是一体的。示意性地，在所示的变型中，中心元件由位于转子8的固定中心部分的突出部与对准中心螺钉的螺母之间的中心螺钉保持固定。这个变型作为一个简化的例子给出。本领域的技术人员将知道如何设计用于将机械谐振器固定到钟表机芯的各种装置，以便尤其确保中心元件28的良好稳定性。应当注意，该中心元件可以独立于转子8的中心部分连接到钟表机芯4或者连接到与钟表机芯4成一体的另一个支撑件。

应当注意，转子8类似于自动机械机芯的上条摆陀(winding mass)。转子的旋转部分通过滚珠轴承安装于固定的中心部分。因此，该第一实施例具有在钟表机芯为机械类型的情况下允许协同作用的优点，则转子8能够用于激活机械谐振器，如稍后将解释的，并且还能够同时对机械机芯的发条盒上条。在后一种情况下，由根据本发明的电源单元供电的电子单元具有不同于显示当前时间的功能。例如，它是用于通过光或电磁波进行通信的单元、用于处理感测信号的传感器及其电子单元、用于电子调节集成在机械机芯中的游丝的平均频率的单元、附加的数字显示器、等等。还将注意到，转子和机械谐振器被布置成它们各自的中心轴线位于钟表机芯的中心。然而，在一种变型中，这些机构关于钟表机芯的中心轴线偏心布置。

机电转换器6布置在钟表机芯4的后面，在表壳32的表盖一侧，因此关于机芯4在表盘34的相对侧，机芯4在这里是具有模拟时间显示的机电式机芯。因此，该机芯包括马达，特别是步进马达。

第一实施例的特征尤其在于，转子8安装成在中心部分上自由旋转，根据各种变型，该中心部分固定到固定的中心元件28，或者直接固定到钟表机芯4，或者可选地固定到与该中心元件或该钟表机芯成一体的内部装置，并且该内部装置相对于转子位于惯性质量体16的另一侧，即在手表2的情况下位于模拟显示器的一侧。转子被构造成在手表可能经历的运动期间具有不平衡以促进其旋转。在第一变型中，转子具有以大约200°角度延伸的外周部分，并且在侧向向内开口的两个内部空腔中承载两个磁体10，这两个磁体从转子的外周部分朝向机械谐振器的惯性质量体16突出。

在第一实施例中，如同后面将描述的其他实施例，第一磁体10和第二磁体20位于相同的总平面中，该总平面垂直于中心轴线14，该中心轴线14限定机械谐振器12的振荡轴线和转子8的旋转轴线，这两者是重合的。此特征的目的是防止在机械谐振器的惯性质量体上以及因此在转子上产生轴向力。然后，第一磁体10和第二磁体20被布置成使得它们的磁相互作用处于排斥状态。在一个有利的变型中，它们都具有基本平行于中心轴线14的磁化轴线。应注意，具有径向磁化轴线的变型是可能的。最后，应注意，提供偶数个第一磁体10和偶数个第二磁体20，每对第一磁体和每对第二磁体关于中心轴线14沿直径相对设置。此特征旨在防止在机械谐振器的惯性质量体上以及因此在转子上出现总的径向力。由于这些各种的特征，一方面，避免了在机械谐振器12的惯性质量体16上出现轴向磁力，该轴向磁力将轴向压迫柔性叶片26，另一方面，避免了出现总的径向磁力，该径向磁力将径向压迫这些柔性叶片。否则，惯性质量体可以轴向或径向被移位，或者绕垂直于中心轴线14的轴线旋转，这将不利于根据本发明的机电转换器6的正确操作。第一磁体10和第二磁体20之间提供的磁相互作用必须基本上允许在机械谐振器12的惯性质量体16上产生磁力转矩。

在未示出的一个变型中，通过在线圈24的两侧布置第一惯性质量体16和与其类似的第二惯性质量体，使得惯性质量体加倍。因此，每个第二磁体20在这里由一对具有相同极性的第二磁体代替，并且与位于这两个磁体之间的线圈24轴向对齐，优选地与它们中的每一个相距相同的距离。由于每对磁体中的两个磁体相互磁性吸引，所以如果不是必要的话，每对第二磁体中的两个磁体刚性组装是有利的。在此变型中，第一磁体10有利地位于线圈24所在的总平面中。在另一个未示出的变型中，由转子承载的第一磁体10被加倍，从而具有相同极性的第一磁体对代替所示的两个变型中的每个第一磁体10。应当注意，此最后一个变型允许第一磁体对与第二磁体的轴向布置，也就是说，第一磁体和第二磁体在中心轴线处具有基本相同的半径，而没有轴向磁力施加在惯性质量体上，其中该中心轴线限定了机械谐振器的振荡轴线和转子的旋转轴线。在组合了这里所述的未示出的两个变型的一个变型中，存在成对的第一磁体和成对的第二磁体。在第一种情况下，所有这些磁体对位于分别在线圈24的总平面两侧的两个总平面中。在第二种情况下，提供了第一磁体对与第二磁体对的轴向布置。

在一个有利的变型中，谐振频率F_Res基本上等于或大于10赫兹(F_Res≥10Hz)。在一个优选的变型中，谐振频率F_Res包括在十五赫兹和三十赫兹之间(15Hz≤F_Res≤30Hz)。虽然转子通常以1Hz数量级的频率旋转(也就是说，1-5转/秒)，但是机械谐振器以相对高的频率振荡，并且优选地通过处于磁排斥的磁体-磁体耦合将转子的动能转换成振荡机械能。由于每个线圈与机械谐振器的磁体相关联，所以只要机械谐振器自由振荡，则每个线圈中产生的正弦脉冲的数量等于谐振频率F_Res的两倍。通过设置机电转换器以使得当转子在常规速度范围内以基本恒定的速度旋转时，机械谐振器保持近似连续地被激活，则随着转子的每次回转，可以获得大量的正弦感应电压脉冲，从而有效地将转子动能的某一部分转换成电能，该电能被注入电源蓄电池。

图2A和2B示出了根据第一实施例的腕表2A的第二可选实施例。机械谐振器与第一变型的机械谐振器相同。此第二变型与第一变型的不同之处在于转子8A承载六个磁体10，也就是说，与惯性质量体16承载的磁体20的数量相同。由于六个磁体10沿转子的外周部分38规则地分布，该外周部分延伸一整圈(360°)。外周部分因此形成环形部分，该环形部分侧向围绕机械谐振器的惯性质量体16。为了保持转子的不平衡，在转子的板片上加工出三个开口36。鉴于惯性质量体的六个磁体均匀分布，每个磁体10与磁体20具有相同的磁耦合，使得在每个磁体10和磁体20之间产生的力转矩相加。图2B示出了根据本发明提供的整个磁系统，即，由转子承载并用于激活机械谐振器的磁体10、由机械谐振器的振荡的惯性质量体16承载的磁体20、以及安装在印刷电路板22上以便当机械谐振器通过其休止位置时位于磁体20前面的线圈24。

在一个特定的变型中，机械谐振器的柔性叶片26由压电材料制成，并且每个叶片都覆有两个电极，当机械谐振器被激活时，通过这两个电极产生电流，该电流还被提供给包含在手表2或2A的电源单元中的蓄电池。

包括根据本发明的机电转换器6A的手表42的第二实施例在图3A至3C中示出。该第二实施例与第一实施例的不同之处主要在于转子44的布置和机械谐振器12A的布置。机械谐振器包括安装在钟表机芯4的突出部分4A上的惯性质量体46和谐振结构48。惯性质量体限定了一个轮，该轮由外环、中心部分和将外环连接到该中心部分的径向臂形成，该外环类似于第一实施例中提供的环并且承载四个规则分布的磁体20。中心部分牢固地连接到具有柔性叶片的谐振结构48的振荡部分，该振荡部分位于低于惯性质量体的总平面的总平面中。该谐振结构是专利申请EP 3206089中描述的类型。根据两个特定的变型，惯性质量体的径向臂分别是刚性的和半刚性的。半刚性变型允许吸收惯性质量体的突然加速，特别是来自手表可能经受的冲击的突然加速。根据已经在第一实施例的上下文中解释的一个有利变型，四个线圈24布置在印刷电路板22上，以便当机械谐振器6A处于其休止角位置时，与四个相应的磁体20具有角度偏移。

转子44借助于滚珠轴承50安装成在可穿戴物体的固定结构上自由旋转，有利地如所示变型，在手表的表壳32的中间部分上自由旋转，或者优选地在钟表机芯4的表壳圈上自由旋转。为了释放谐振结构48位于其下方的转子的中心区域，滚珠轴承50的内圈51有利地由转子形成或与该转子成一体，而该轴承的外圈52由所述固定结构形成或与所述固定结构成一体。在所示的变型中，内圈51的轴承路径由转子44的外侧面形成。优选地，如所示的变型，滚珠轴承50位于转子44的外围。

在所示的特定变型中，转子44由承载四个磁体10A的环形部分形成，并且其布置在与机械谐振器的惯性质量体46和滚珠轴承50相同的总平面中。因此，转子和机械谐振器有利地共面，以便限制手表42的表壳32的厚度增加，该厚度增加是由根据本发明的机电转换器在此手表中的布置产生的。此外，该组件在这里也布置成与滚珠轴承共面。在一种变型中，滚珠轴承布置在转子的环形部分下方，在钟表机芯4一侧。转子的磁体10A的数量与机械谐振器12A的惯性质量体46的磁体20的数量相同。磁体10A和20有利地布置在相同的总平面中。在所示的变型中，这些磁体被插入转子的环形部分和惯性质量体的相应开口中，使得它们布置在该环形部分和该惯性质量体在其中延伸的总平面中。如同上述第一实施例，磁体10A和20具有轴向磁化轴线和排斥的磁相互作用。磁体10A、20分别以沿直径相对的成对磁体方式布置。因此，惯性质量体在布置有磁体10A和20的总平面中仅经受磁力转矩(换句话说，该磁力转矩的矢量是轴向的，与机械谐振器12A的振荡轴线14重合)。还将注意到，转子44的环形部分具有两个开口，以允许产生不平衡。

参考图4A至4F，将更精确地描述第二实施例的机电转换器的操作，更具体地将描述转子44对机械谐振器12A的激活。在这些图中，转子仅由磁体10A表示。在这里讨论的特定例子中，转子预期以每秒一转(1Hz)的基本连续速度沿逆时针方向旋转。应注意，第一实施例的机电转换器的操作类似于第二实施例的机电转换器。

在图4A中，转子基本静止，并且机械谐振器12A停止在其休止位置。从机电转换器的这个初始位置开始，在例如由于手表42的用户的手臂的突然运动导致的初始加速之后，转子及其磁体10A以基本恒定的速度沿逆时针方向旋转。在图4B中，转子的四个磁体10A已经接近机械谐振器的四个磁体20。每个磁体10A和相应的磁体20之间发生磁相互作用。此时磁斥力F_RM施加在每个磁体20上，并且发生第一次强磁耦合。应当注意，四个力F_RM的径向分量通过一对沿直径相对的磁体相互抵消，而这些力F_RM的切向分量相加并产生施加到机械谐振器的惯性质量体46的磁力转矩，该磁力转矩使惯性质量体46旋转，使得由该惯性质量体承载的磁体20经历离开机械谐振器的休止位置的角位移，如虚线圆圈所示，在图4B至4F中，这些虚线圆圈指示磁体20的休止角位置以及机电转换器6A的四个线圈24中的每一个的角位置。随着磁体10A移动至更靠近相应的磁体20，磁斥力F_RM的强度进一步增加，但是主要是径向分量增加，以便作用在惯性质量体上的磁力转矩对于磁体10A和磁体20的相对角位置达到最大值，如图4C所示。

一旦机械谐振器的弹性返回转矩等于磁力转矩，并且在磁力转矩持续增加的情况下弹性返回转矩增加得比磁力转矩更强，则由于机械谐振器的弹性返回转矩而开始机械谐振器的振荡，机械谐振器在与转子旋转方向相反的方向上驱动惯性质量体，如图4D所示。转子和机械谐振器的惯性质量体之间的磁耦合的显著之处在于，它不仅在转子的旋转方向上施加初始磁力转矩，以产生惯性质量体的初始运动，允许惯性质量体移动离开其休止位置并从而允许以谐振频率振荡，而且一旦磁体10A在角度上超过在所述初始运动期间它们基本与之耦合的相应磁体20，则这种磁耦合随后施加相反方向的磁力转矩，该磁力转矩在上述角度超过之后惯性质量体的振荡的第一次振动中向惯性质量体提供能量，并且允许放大惯性质量体在谐振频率F_Res下的振荡。图4E和4F示出了在图4D所示的第一次振动之后的两次振动期间机电转换器的两个瞬时位置。因此，鉴于相对高的谐振频率F_Res，例如在所讨论的例子中为20Hz，在转子的磁体10A再次与惯性质量体的磁体20强耦合之前，可以基本以此谐振频率发生几次振动，则在此新的强磁耦合期间，每个磁体10A与惯性质量体的随后的磁体20(在转子的旋转方向上)基本上磁耦合。

新的强磁耦合可以产生各种磁相互作用变化，从而在各种场景下作用于机械谐振器。这些各种场景尤其取决于这样的事实：即，在新的强磁耦合开始时机械谐振器以与转子相同的旋转方向旋转，或者相反地，转子和机械谐振器各自的旋转方向相反。在第一种情况下，新的强磁耦合将主要用于维持在第一强磁转矩期间产生的第一次振荡。在第二种情况下，首先，新的强磁耦合减慢了惯性质量体，因此基本上抑制第一次振荡，然后其次，主要通过与转子相反方向的磁力转矩产生第二次振荡，该磁力转矩在转子的磁体已经在角度上超过惯性质量体的磁体之后介入。应当注意，由于谐振频率相对较高的事实，第二种情况占主导地位。此外，即使第一种情况在一些情形下占主导地位，惯性质量体也经常经历短时间的停止或接近静止不动(不一定在休止位置，因为在其他角度位置也是可能的，特别是接近振荡的机械谐振器的极限角度位置)，从而在机械谐振器的振荡运动中产生时间相移。因此，持续振荡(sustained oscillation)和相继振荡(succession of oscillations)之间的区别并不清楚。当机械谐振器在其休止位置停止一定时间间隔时，这是关于两次相继的振荡，而在相反的情况下，这是关于保持进行中的振荡，通常引入时间相移。在任何情况下，在相继的强磁耦合之间可以观察到基本上处于谐振频率F_Res的多个相继的瞬时振荡。

在一个主要变型中，机电转换器被布置成使得在大于机械谐振器的两个相邻磁体20之间在中心处的角度的角距离上旋转驱动转子期间，由转子施加到惯性质量体的磁力转矩允许以谐振频率F_Res产生多个相继的瞬时振荡，这些瞬时振荡的振幅基本上等于或大于最小振幅，对于该最小振幅，在与机械谐振器相关联的磁系统的每个线圈中感应的电压基本上等于预定阈值电压，所述多个相继的瞬时振荡发生在转子对机械谐振器的惯性质量体的多个相应的瞬时旋转驱动之后，其允许分别产生所述多个相继的瞬时振荡。

例如，每个线圈24的直径为4毫米，高度为0.4毫米，转数为2300转，电阻为2.6千欧。每个线圈固定地布置在机械谐振器的相应磁体20下方0.1-0.2毫米的轴向距离处，这些磁体20被选择为具有强剩余磁化，并且具有与线圈直径大致相同的直径。通过选择谐振频率F_Res大约等于20Hz并且当其被以通常的角频率旋转的转子激活时平均振幅在7°和10°之间的机械谐振器，这里描述的与机械谐振器相关联的磁系统可以在阻抗适配的负载上产生每个线圈2μW数量级的平均功率，以及每个线圈100mV数量级的平均感应电压。应注意，更高的性能是可能的。

图9是机电转换器的电子电路的一个可选实施例的电路图，该电子电路将电磁系统的线圈(参考标记为24*)连接到结合在根据本发明的可穿戴物体中的电能蓄积器98。所有的线圈，其通常是偶数个并且并联或串联连接，连接到整流器94，此组件向整流器94提供感应电压U_Ind。感应电压信号然后被提供给平滑滤波器95和升压器96(它们是可选的)，以产生蓄电池98的再充电电压U_Rec。蓄电池向集成在所考虑的可穿戴物体中的负载100提供电源电压U_Al。可以提供其他特定的电子单元，特别是为了保证电源电压U_Al的值在有用的范围内并确保该电压的一定稳定性。根据请求和/或根据其他电参数，特别是蓄电池98的电压水平，开关S_W被设置成能够启动或不启动负载的电源。

参照图5A至8H，还将描述配备有根据本发明的机电转换器6B的腕表62的第三实施例。这里不再详细描述类似于上面已经描述的若干元件。应当注意，机械谐振器12B基本上与已经描述的机械谐振器12A相同。它的操作是类似的。只有惯性质量体16B的外部轮廓是不同的，这与该第三实施例的特定特征有关，该第三实施例与前一实施例的不同之处主要在于，转子66的布置允许更高效率地启动机械谐振器12B，并且鉴于位于机械谐振器中心的谐振结构48的存在，转子直接固定到表壳32A。这种将转子固定到表壳后盖的方案构成了在第二实施例的上下文中提出的系统的替代方案，该系统在这里也可以作为变型来提供。

钟表机芯4在其后部突出部分4A上承载谐振结构48，该谐振结构48的部分48A固定到该后部突出部分，该后部突出部分插入承载四个线圈24的印刷电路板22的开口中。谐振结构还包括振荡部分48B，该振荡部分48B通过柔性叶片系统连接到固定部分48A，该柔性叶片系统位于相同的总平面中，并且限定了该振荡部分和惯性质量体16B的振荡轴线，该惯性质量体16B通过螺柱固定到该振荡部分，该螺柱插入设置在该惯性质量体的中心元件18中的相应孔内。惯性质量体16B在其周边部分承载四个圆形磁体20，这些磁体20被插入四个相应突出部分的孔中，在这些突出部分之间设置有四个自由角区域78，这些自由角区域78朝向惯性质量体外部的空间侧向开口，并且沿径向延伸到与惯性质量体16B内切的几何圆的半径相对应的半径处。转子64由三部分组成，即，固定的中心部分71、具有更厚重的外周部分的半圆盘70、以及刚性固定到该外周部分的环形结构72。半圆盘70借助于滚珠轴承安装成在中心部分71上自由旋转。

在对于第三实施例所示的变型中，中心部分71通过螺钉68固定到表壳32A的后盖66。可以考虑其他固定方式，特别是焊接或胶合。因此，将转子64安装在后盖66的内侧，然后将该组件与表壳的中间部件组装在一起。根据此第三实施例的一个主要特征，环形结构72承载四个磁体10B以允许这些磁体进行径向弹性运动，以便当这些磁体到达分别被惯性质量体的磁体20占据的角区域时能够缩回，这些被占据的角区域分隔开自由角区域78。实际上，出于稍后将使用图8A至8H更详细解释的原因，磁体10B被布置成使得在其中这些磁体10B不受任何径向弹力的中性位置，这些磁体10B至少部分地穿入自由角区域78。然而，磁体10B设置成在中心轴线处的半径大于机械谐振器的磁体20在该中心轴线处的半径，以便允许下面描述的为此第三实施例提供的操作。

在所示的有利变型中，圆柱形磁体10B插入固定到相应柔性叶片74的自由端的环中。每个柔性叶片74具有以转子64的旋转轴线为中心的圆弧形纵向轴线，转子64的所述旋转轴线与惯性质量体的振荡轴线重合。因此，每个柔性叶片在径向方向上具有很大的柔性，但在角向/切向方向上具有相对较大的刚性。柔性叶片有利地具有大于其宽度的高度，从而在磁体10B和20之间的相互作用期间也具有足够的轴向刚度以保持在机械谐振器的磁体20的总平面中，鉴于制造公差，在所述相互作用期间可能产生一定的轴向磁力。空腔76设置在环形结构中，以便当转子旋转时，允许由磁体10B和用于固定到柔性叶片74的环形成的每个第一组件在足以绕过由磁体20和用于固定该磁体的惯性质量体的突出部分形成的每个第二组件的距离上经历径向运动。

概括而言，惯性质量体的每个磁体被布置成从该惯性质量体突出，使得惯性质量体分别在该磁体的两侧具有第一和第二自由角区域，转子的每个磁体能够在其中移动。因而，转子的每个磁体布置成：当转子的该磁体位于惯性质量体的相关磁体附近时，在由于与惯性质量体的磁体的磁排斥相互作用而产生的径向磁力的作用下，能够相对于机械谐振器的振荡轴线进行径向弹性运动。优选地，在关于转子旋转轴线在其中心处考虑的转子的每个第一磁体的最小机械能位置对应于位于关于转子旋转轴线的径向位置范围内的该第一磁体的径向位置，该径向位置范围对应于位于惯性质量体的第二磁体之间的自由角区域，其中该转子旋转轴线与惯性质量体的振荡轴线重合。转子的每个第一磁体的径向弹性运动设置成使得当该第一磁体通过机械谐振器的第二磁体的角位置时，该第一磁体能够充分缩回，从而能够从第一自由角区域切换到与该第二磁体相关的第二自由角区域。在一个有利的变型中，转子的每个第一磁体被固定到相应的弹性叶片的端部，该弹性叶片被布置成具有主要切向的纵向轴线和关于机械谐振器的振荡轴线基本在径向方向上的弹性变形能力。

在一个优选的变型中，转子的每个第一磁体在径向磁力作用下的径向弹性运动具有足够的振幅，以避免在第一磁体通过第二磁体的角位置期间转子与机械谐振器的惯性质量体之间的冲击。此外，将被第二磁体占据的角区域与惯性质量体分开的自由角区域78设置成使得在转子的第一磁体通过第二磁体的相应角位置之后，这些第一磁体不会抵靠惯性质量体，以便在通过之后不会干扰惯性质量体以谐振频率F_Res的振荡运动。

参考图8A至8H，其示出了在布置有磁体10B和20的总平面上的转子的一部分，以及仅机械谐振器12B的四个磁体20(其中一个具有可变角位置β)，将描述机电转换器6B在其操作期间的一系列瞬时状态。考虑转子64沿顺时针方向基本以恒定速度旋转的特定情况。在图8A中，由相应的柔性叶片74承载的转子的磁体10B(其中一个具有角位置α)已经充分接近机械谐振器的磁体20(转子的磁体与机械谐振器的相应磁体之间的可变角距离θ)，使得它们之间的磁斥力F_RM很大并且足以旋转惯性质量体16B(这里仅由四个磁体20表示)。在图8A中已经理解了本发明第三实施例中的转子和机械谐振器的特定布置的益处。力F_RM基本上是切向的，其结果是，基本上所有的力F_RM都参与了施加到惯性质量体上的磁力转矩。通过继续其旋转，转子以力F_RM驱动惯性质量体，该力的强度随着第一磁体10B和相应的第二磁体20之间距离的减小而增加。由于前面描述的自由角区域78的存在以及转子的每个磁体10B的预期中性径向位置，当力F_RM的强度急剧增加时，力F_RM在图8B所示的快照的相对位置保持基本切向。因此，相对高强度的磁转矩被施加到机械谐振器的惯性质量体上。

随着转子继续沿顺时针方向旋转，力F_RM的径向分量的值变得相对较大，该径向分量作用在每个磁体10B上，使得每个磁体10B由于承载它的柔性叶片而开始经历向外的径向弹性运动。如图8C的快照所示，当磁体10B通过惯性质量体的磁体20的相应角位置时，这些磁体10B偏离它们的圆形轨迹并从而缩回。当转子的磁体10B在磁斥力的径向分量(也称为“径向磁力”)的作用下绕过机械谐振器的磁体20时，惯性质量体到达切向力(机械谐振器的切向的磁力和弹性返回力)的平衡位置，并因此处于对应于图8C的快照的极限角位置(具有零角速度)。因此，机械谐振器被旋转的转子激励/激活，并且它从这个极限角位置开始基本以其谐振频率F_Res振荡，所述极限角位置确定了该振荡的初始振幅。

在图8D中，当磁体10B和20基本上径向对齐时，惯性质量体已经在与转子旋转方向相反的旋转方向上开始了第一循环。此时，每个磁体10B已经通过了在机械谐振器的所述激活/激励期间它与之瞬时相关联的磁体20，它们之间的磁斥力瞬时驱动惯性质量体沿逆时针方向进行其第一次振动，这仍然向该惯性质量体提供额外的能量并参与机械谐振器的激活/激励。图8E显示了第一次振动结束的时刻。由于预期谐振频率F_Res相对较高，在下一次振动中，惯性质量体的磁体20沿顺时针方向旋转并再次接近转子磁体10B，如图8F所示，图8F示出了惯性质量体再次处于极限角位置，尽管这些转子磁体10B继续沿顺时针方向旋转，但是速度比惯性质量体的磁体20的平均速度慢。请注意，磁斥力F_RM减慢了机械谐振器的速度，从而降低了其第二次振动的振幅。然而，由于磁力是保守力/守恒力，大部分制动能量会在下一次振动期间返回给机械谐振器。图8G基本上显示了所述下一次振动结束的时刻。此时，在所考虑的特定情况下，机械谐振器仍然在两个到三个振荡周期期间自由振荡，之后再次处于类似于图8B的情形，其中在转子和机械谐振器的惯性质量体之间再次出现强磁耦合，从而保持机械谐振器的振荡运动或者产生机械谐振器的新的振荡。图8H还示出了图8G的快照之后振动结束时的快照，这两个图指示了机械谐振器自由振荡的角区域。如已经解释的，当惯性质量体的磁体20接近转子的磁体10B时，在转子磁体通过机械谐振器的磁体的相应角位置期间，惯性质量体通常经历磁制动，该磁制动能够暂时停止正在进行的振荡。因此，可以观察到，当磁力F_RM沿与转子旋转方向相反的方向起作用时，也就是说，在转子的磁体10B已经在缩回的同时经过惯性质量体的磁体20之后，也就是说在根据图8D中给出的瞬时状态的时间间隔内，机械谐振器的相继振荡基本上由旋转的转子通过磁力F_RM产生。

尽管由磁体10B和承载磁体10B的柔性叶片74形成的每个弹性结构的径向弹性常数被选择为足够小以便在磁体10B通过磁体20的角位置期间，径向磁力将磁体10B移出被惯性质量体、特别是被磁体20及其相应条带扫过的圆形区域，然而，预期该径向弹性常数足够大以使得每个前述弹性结构的径向振荡频率高于机械谐振器的谐振频率F_Res。例如，如果谐振频率F_Res等于20Hz，有利的是，转子的每个弹性结构的径向振荡频率至少等于两倍F_Res，但是优选为F_Res的四到五倍，特别是等于大约100Hz。这确保了转子的每个弹性结构的机械响应比机械谐振器的机械响应更快。因此，在这些磁体通过磁体20的角位置期间转子的磁体10B足够快速地移动，从而避免了将会干扰所提供系统的操作的碰撞。

Claims (20)

1.一种可穿戴物体(2；2A；42；62)，包括电子单元和由机电转换器(6；6A；6B)形成的电源单元，其中所述机电转换器包括：

-能够被所述可穿戴物体经历的运动旋转的转子(8；8A；44；64)，该转子承载至少一个第一永磁体(10；10A；10B)；

-安装在支撑件(4)上并设有惯性质量体(16；46；16B)的机械谐振器(12；12A；12B)，所述惯性质量体能够围绕振荡轴线(14)以该机械谐振器特有的谐振频率(F_Res)振荡；和

-由至少一个第二永磁体(20)和至少一个线圈(24)形成的电磁系统，所述至少一个第二永磁体(20)由所述惯性质量体承载并且所述至少一个线圈(24)由所述支撑件或与所述支撑件成一体的元件承载，并且所述至少一个第二永磁体(20)和所述至少一个线圈(24)布置成使得当所述机械谐振器处于休止时，由所述第二永磁体产生的磁通量的至少一部分穿过所述线圈，从而当所述机械谐振器振荡时在所述线圈中产生感应电压(U_Ind)；

所述机电转换器布置成使得所述至少一个第一永磁体和所述至少一个第二永磁体能够在所述转子的旋转驱动期间磁性地相互作用，以便瞬时地或暂时地向所述惯性质量体施加磁力转矩，从而允许激励所述机械谐振器，以便所述机械谐振器基本以其谐振频率产生至少一次振荡。

2.根据权利要求1所述的可穿戴物体，其中，所述机电转换器(6；6A；6B)布置成使得在所述转子的旋转驱动期间，被施加到所述惯性质量体(16；46；16B)的所述磁力转矩允许以所述谐振频率产生多个相继的瞬时振荡，所述多个相继的瞬时振荡的振幅基本上等于或大于在所述感应电压基本上等于预定阈值电压时的最小振幅，并且所述多个相继的瞬时振荡分别发生在旋转的转子对所述机械谐振器的多个相继的激励之后。

3.根据权利要求1或2所述的可穿戴物体，其中，当所述机械谐振器休止时，所述第二永磁体(20)的中心与所述线圈(24)的中心之间关于所述振荡轴线(14)具有非零角度偏移，优选地，所述角度偏移对应于所述第二永磁体的中心基本在磁通量的曲线的拐点处的角度定位，所述磁通量由所述至少一个第二永磁体产生并且根据所述第二永磁体和所述线圈之间关于所述振荡轴线的相对角位置穿过所述线圈。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的可穿戴物体，其中，所述机械谐振器(12；12A；12B)是具有柔性叶片(26；48)的谐振器。

5.根据权利要求4所述的可穿戴物体，其中，所述柔性叶片由压电材料制成，并且每个均覆有两个电极，当所述机械谐振器被激活时，通过所述两个电极产生电流，所述电流被提供给包括在所述电源单元中的蓄电池。

6.根据前述权利要求中任一项所述的可穿戴物体，其中，所述至少一个第一永磁体(10；10A；10B)和所述至少一个第二永磁体(20)布置成使得它们的磁相互作用是相斥的。

7.根据权利要求6所述的可穿戴物体，其中，所述至少一个第一永磁体(10；10A；10B)和所述至少一个第二永磁体(20)位于垂直于所述机械谐振器的所述振荡轴线的同一总平面中。

8.根据权利要求7所述的可穿戴物体，其中，所述至少一个第一永磁体(10；10A；10B)和所述至少一个第二永磁体(20)具有基本平行于所述振荡轴线(14)的磁化轴线。

9.根据前述权利要求中任一项所述的可穿戴物体，其中，所述谐振频率基本上等于或大于10赫兹，即F_Res≥10Hz，优选地在15赫兹和30赫兹之间，即15Hz≤F_Res≤30Hz。

10.根据前述权利要求中任一项所述的可穿戴物体，其中，所述机械谐振器(12)的所述惯性质量体(16)由支撑所述至少一个第二永磁体(20)的环形成。

11.根据引用权利要求4的权利要求10所述的可穿戴物体(2；2A)，其中，所述柔性叶片(26)将所述环连接到中心元件(28)，所述中心元件固定到所述机械谐振器的所述支撑件(4)；并且其中，所述转子(8)安装成在中心部分上自由旋转，所述中心部分固定到所述中心元件、所述支撑件或与所述中心元件或所述支撑件成一体的内部装置上，所述内部装置相对于所述转子位于所述惯性质量体(16)的另一侧。

12.根据权利要求1至10中任一项所述的可穿戴物体(42)，其中，所述转子借助于滚珠轴承或滚柱轴承(50)安装成在所述可穿戴物体(42)的固定结构(32)上自由旋转，所述滚珠轴承或滚柱轴承的内圈(51)由所述转子(44)形成或与所述转子成一体，而所述滚珠轴承或滚柱轴承的外圈(52)由所述固定结构形成或与所述固定结构(32)成一体。

13.根据权利要求12所述的可穿戴物体，其中，所述内圈(51)的轴承路径由所述转子(44)的外侧面形成，所述滚珠轴承或滚柱轴承(50)布置在所述转子的外周处。

14.根据权利要求1至10中任一项所述的可穿戴物体(62)，其中，所述转子(64)安装成在其中容纳所述机电转换器(6B)的表壳(32A)的后盖(66)上自由旋转。

15.根据权利要求7或根据引用权利要求7的权利要求8至14中任一项所述的可穿戴物体(62)，其中，所述至少一个第二永磁体(20)布置成从所述惯性质量体(16B)突出，使得所述惯性质量体分别在所述第二永磁体的两侧具有第一和第二自由角区域(78)，所述转子(64)的所述至少一个第一永磁体(10B)能够在所述第一和第二自由角区域中移动；并且其中，所述第一永磁体布置成能够在径向磁力的作用下相对于所述振荡轴线进行径向弹性运动，所述径向磁力是在所述第一永磁体位于所述第二永磁体附近时通过所述第一永磁体与所述第二永磁体的磁相互作用产生的，所述第一永磁体关于所述转子的最小机械能位置对应于所述第一永磁体位于关于所述振荡轴线的径向位置范围内的径向位置，所述径向位置范围对应于所述第一和第二自由角区域，所述径向弹性运动设置成使得当所述第一永磁体通过所述第二永磁体的角位置时所述第一永磁体能够充分缩回，以便能够从第一自由角区域切换到第二自由角区域。

16.根据权利要求15所述的可穿戴物体，其中，所述至少一个第一永磁体(10B)分别固定到至少一个相应的弹性叶片(74)的端部，所述弹性叶片布置成具有主要切向的纵向轴线，从而具有关于所述振荡轴线基本在径向方向上的弹性变形能力。

17.根据权利要求15或16所述的可穿戴物体，其中，在所述径向磁力作用下的所述径向弹性运动的幅度足以在所述第一永磁体(10B)通过所述第二永磁体(20)的角位置期间，避免所述转子(64)与所述机械谐振器(12B)的所述惯性质量体(16B)之间的冲击。

18.根据前述权利要求中任一项所述的可穿戴物体，其中，所述转子具有环形部分，所述环形部分侧向围绕所述机械谐振器的所述惯性质量体。

19.根据前述权利要求中任一项所述的可穿戴物体，其中，所述转子配置为具有不平衡，以在所述可穿戴物体可能经历的运动期间促进所述转子的旋转。

20.根据前述权利要求中任一项所述的可穿戴物体，其中，所述可穿戴物体能够佩戴在用户的手腕上，并且特别是腕表。

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