EP0960361B1 - Wheel work part comprising a capacitive sensing device - Google Patents
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Classifications
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- G04—HOROLOGY
- G04G—ELECTRONIC TIME-PIECES
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- G04G21/08—Touch switches specially adapted for time-pieces
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- G—PHYSICS
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- G04C—ELECTROMECHANICAL CLOCKS OR WATCHES
- G04C3/00—Electromechanical clocks or watches independent of other time-pieces and in which the movement is maintained by electric means
- G04C3/001—Electromechanical switches for setting or display
- G04C3/007—Electromechanical contact-making and breaking devices acting as pulse generators for setting
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- G04C3/14—Electromechanical clocks or watches independent of other time-pieces and in which the movement is maintained by electric means incorporating a stepping motor
Definitions
- the present invention relates to a part horological, in particular a watch, comprising a mobile rotary and an electrical device capacitive sensing to detect positions and / or movements of said mobile, in which the detection device comprises at least one capacitive sensor having a fixed part provided at least two fixed electrodes and part mobile with electrically conductive rotor driven by said mobile and arranged to influence the electric field between the fixed electrodes by its rotational position, and means detection electronics that are sensitive to variations in the capacity of said sensor, both fixed electrodes being arranged on a substrate and separated from each other by an interval.
- the invention is particularly applicable, but not exclusively, when ordering functions such as manual time correction or the date in an electronic watch using the traditional control rod fitted with a outer crown.
- detection rotational and translational movements of this stem is essentially based on electromechanical switches actuated by a arrangement of cams integral with the rod, these cams acting on contact slats flexible that will touch fixed contacts generally provided on a printed circuit which includes other component parts watchmaking.
- pulses are generated from variations in coupling capacitive produced by the rotor electrode between different stator electrodes, thanks to variations in the overlap area between the rotor and each fixed electrode, while the thickness of the dielectric between the electrodes remains constant.
- the object of the present invention is to avoid disadvantages of the prior art by creating a reliable contactless detection device, usable in a timepiece such as watch, can be made and mounted at a low cost and can be applied advantageously to the correction of time or date or on detection of a particular position of a mobile rotary.
- a timepiece as defined in claim 1.
- the detection device acts essentially by varying capacity thanks to the variation in distance between the surface toothed device of the rotor and each electrode fixed.
- capacitive sensors that detect a quite a lot of angular positions successive, for example eight or twelve positions per turn.
- the rotor can be kept at a potential fixed, its teeth being arranged to screen in the electric field between the electrodes fixed.
- this substrate can advantageously be part of an element to printed circuits of the timepiece, i.e. that we use an element that exists already in an electronic watch movement or electromechanical.
- the rotor is integral with the mobile, which has a support cylinder which rests in sliding against a dielectric layer arranged on the substrate and / or on the fixed electrodes. This avoids any adjustment of the sensor when mounting the mobile.
- the toothed shape of the surface rotor device Thanks to the toothed shape of the surface rotor device, capacity variation between the electrodes is due in this case to the thickness modulation of the dielectric.
- the fixed electrodes can be find on the same printed circuit substrate, for example on two opposite edges of an opening of the substrate.
- the rotor can be isolated and used as transmitter of an electrical signal between the two fixed electrodes. The rotor is then at a potential floating.
- Another advantageous embodiment of the sensor with a pair of fixed electrodes consists of the rotor being an electrode mobile connected to the detection means and whose teeth, during its rotation, pass alternately opposite one or other of the fixed electrodes.
- the rotor thus forms a third electrode for signal injection in the two capacitors it forms respectively with the two fixed electrodes.
- the detection device without contact can also indicate the direction of rotation of the mobile
- the detection device includes preferably two of said capacitive sensors, which are offset angularly so as to provide respective output signals which are quadrature during the rotation of the mobile.
- the mobile which it is a question of detecting positions is a rod 1 which can be for example the rod of time setting command for a watch or another timepiece.
- this mobile could be another piece of a movement of watchmaking, for example a tree bearing a second, minute or hour hand, or a chronograph counter hand.
- the rod 1 is associated with a device for detection of its angular positions which includes a capacitive sensor 2 and electronic means detection 3 using the signal from the sensor on an output line 4.
- the sensor 2 comprises a mobile part, constituted by a fixed rotor 5 coaxially on the rod 1, and a fixed part essentially consisting of two electrodes fixed 6 and 7 which, in this case, are coplanar and applied to the underside an insulating substrate 8 parallel to the axis of the rotor 5.
- This can advantageously be a card to printed circuits as there are in the most electronic watches or electromechanical, this card usually being parallel to the watch face and to the ordered.
- a voltage source 9 is connected in series between ground 10 and first electrode 6 to apply a pulsed voltage Ue thereto.
- the second electrode 7 is connected to line 4 to deliver an output signal which depends on the capacity between the two electrodes 6 and 7.
- the rotor 5 is a conductive part, of preferably metallic, star-shaped, its peripheral surface presenting in this case four teeth 11 to 14 regularly spaced angularly. Preferably, it is connected to the mass 10 via rod 1.
- the rotor is located in front of the interval 15 between the electrodes 6 and 7 and its teeth go to low distance from the electrodes. Presence and position of the rotor thus influences the electric field 16 and therefore the capacitive coupling between the electrodes.
- the capacity of the sensor 2 varies periodically and the signal exit on line 4 goes through a minimum in the position of Figure 1, where the rotor forms a screen in the electric field, and by a maximum in the position of figure 2, where the rotor does practically no screen.
- the signal sensor output is applied to the negative input an amplifier 16 connected in parallel to a integration capacitor 17 of capacity Ci.
- a square pulse voltage signal Us (Cv / Ci) ⁇ Ue, where Cv is the capacitance between two electrodes 6 and 7.
- Each pulse of this signal represents the passage of one of teeth 11 to 14 in front of the electrodes, so a step of rotation of rod 1, this step being a quarter turn in this example.
- the Us signal is used in a processing circuit 19 which controls so known the desired function, for example setting the time or date of the watch.
- Figure 3 illustrates an embodiment advantage of the capacitive sensor 2, in order to maintain a determined distance and also small as possible between the teeth of rotor 5 and the electrodes 6 and 7, so that variations in sensor capacity during rod movements 1 are as high as possible and can therefore be detected easily.
- a thin layer dielectric 20 is applied to at least one part of electrodes 6 and 7 and on interval 15 separating them.
- This layer can be formed by example of a resin film having a thickness of a few micrometers. This thickness is obviously exaggerated in the drawing. Otherwise, the rod 1 carries a support cylinder 21 placed at a sufficient distance from rotor 5 so as not to influence the capacitance between the electrodes.
- the rod 1 is placed relative to substrate 8 of so that its cylinder 21 rests slightly against layer 20, which also extends over the substrate in front of the cylinder.
- the surfaces end of teeth 11 to 14 of rotor 5 can be cylindrical and have the same radius as the cylinder 21, so that their distance to electrodes 6 and 7 is practically equal to the thickness of the dielectric layer 20.
- Figure 4 illustrates an embodiment comprising, next to the capacitive sensor 2, a second similar capacitive sensor 22 in order to ability to detect direction of rotation of rod 1.
- the sensor 22 comprises a rotor 25 fixed on the rod 1 and a pair of electrodes 26 and 27 identical to electrodes 6 and 7 and applied to the substrate 8 to side of these. These electrodes are also covered by the dielectric layer 20.
- the rotor 25 is identical to rotor 5, but offset angularly of a quarter of the pitch of the teeth, or a sixteenth of a turn in this case, so that the output signals from sensor 22 are in quadrature with those of sensor 2. Signals from these kinds are described later with reference to the figure 10.
- control rod 1 of the watch can slide axially between at minus two positions, one of which is a position time setting, shown in solid lines in Figure 4.
- the other axial position of the rod is a neutral position, shown in lines interrupted, where the rod 1 must be able to rotate without correct the time of the watch.
- the rotor 25 of sensor 22 is then located opposite the electrodes 6 and 7 of sensor 2, so that sensor 2 is active, while the sensor 22 is inactive.
- the processing circuits 19 detect this fact when rod 1 turns and they do not engage any action. If, on the contrary, the two sensors 2 and 22 provide quadrature signals, circuits 19 make a time correction the extent of which is determined by the number of steps indicated by sensor 2, and direction by order of succession of signals from sensors 2 and 22.
- FIGS 5 and 6 illustrate another form of a capacitive sensor usable at the place of each of the sensors 2 and 22 described above.
- This sensor 30 has two electrodes fixtures arranged on a common insulating substrate 33 and connected to respective terminals A and B. Each electrode 31, 32 extends in particular over opposite edges of an opening 34 of the substrate 33 to each form an electrode plate 35, 36.
- the axis 37 of the rotary rod 1 extends in the middle of the opening 34, in the median plane of the substrate, of so that the rotor 5 fixed on the rod 1 is roughly the same distance from each of electrodes 31 and 32.
- the rotor 5 has an even number of teeth, it is isolated electrically and stands at a potential floating, to serve as a passive transmitter of a electrical signal between the two electrodes.
- the equivalent diagram in Figure 6 shows that the sensor capacity 30 is equal to the serialization variable capacities C1 and C2 located respectively between the electrode 31 and the rotor 5 and between the rotor 5 and the electrode 32.
- the capacities C1 and C2 vary together by variation distances and therefore dielectric intervals between the conducting rotor and the electrodes when rod 1 rotates. If necessary, rod 1 can be guided by the insulating substrate 33.
- it can be associated with two sensors 30 delivering quadrature signals that allow also indicate the direction of rotation of the rod by a method analogous to that described with reference to Figure 4.
- Figures 7 and 8 illustrate a sensor capacitive 40 in which we find the same elements 31 to 37 than in sensor 30, but with a different rotor 41 which constitutes an electrode mobile connected to a terminal D by a flexible blade 42 which rubs on a collar 43 of the rotor 41.
- the latter has an odd number of teeth, for example three teeth 44, 45 and 46, which have equal angular intervals and therefore pass alternately in front of one or other of the electrodes 31 and 32.
- the capacity C1 is maximum when capacity C2 is minimum.
- the terminal D is used for signal injection electric on the mobile electrode constituted by the rotor 41, the output signals being collected on terminals A and B.
- a another advantage of sensor 40 is that its resolution for one revolution of the rotor is double the number teeth. For example, a resolution of ten steps per revolution would be obtained with only five teeth.
- FIG. 9 illustrates a capacitive sensor 50 with the same elements 31 to 37 and 41 to 43 that the sensor 40 described above, but in this case the rotor 41 has only two teeth 44 and 45 asymmetrically arranged, their distance angular being for example 135 °.
- the detection means can determine both angular positions and the direction of rotation of the rod 1 by means of the single sensor 50.
- the top diagram in Figure 10 represents, as a function of the angle ⁇ of rotation of the rod 1, the variation of the capacity C1 of the sensor 2 and the capacity C2 of sensor 22 shown in Figure 4. These two signals are in squaring if, for example, teeth 11 to 14 of two rotors 5 and 25 are mutually in the direction of rotation of the rod 1. Also shown in figure 10 the square voltage pulses Us1 and Us2 which are obtained for each sensor as described with reference to Figure 1 and which allow the detection means to indicate the number of steps and the direction of rotation of the rod 1.
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Description
La présente invention concerne une pièce d'horlogerie, notamment une montre, comportant un mobile rotatif et un dispositif électrique de détection capacitif pour détecter des positions et/ou des mouvements dudit mobile, dans laquelle le dispositif de détection comporte au moins un capteur capacitif ayant une partie fixe pourvue d'au moins deux électrodes fixes et une partie mobile pourvue d'un rotor électriquement conducteur entraíné par ledit mobile et agencé pour influencer le champ électrique entre les électrodes fixes par sa position de rotation, et des moyens électroniques de détection qui sont sensibles à des variations de capacité dudit capteur, les deux électrodes fixes étant disposées sur un substrat et séparées l'une de l'autre par un intervalle.The present invention relates to a part horological, in particular a watch, comprising a mobile rotary and an electrical device capacitive sensing to detect positions and / or movements of said mobile, in which the detection device comprises at least one capacitive sensor having a fixed part provided at least two fixed electrodes and part mobile with electrically conductive rotor driven by said mobile and arranged to influence the electric field between the fixed electrodes by its rotational position, and means detection electronics that are sensitive to variations in the capacity of said sensor, both fixed electrodes being arranged on a substrate and separated from each other by an interval.
L'invention s'applique particulièrement, mais pas exclusivement, à la commande de fonctions telles que la correction manuelle de l'heure ou de la date dans une montre électronique au moyen de la traditionnelle tige de commande équipée d'une couronne extérieure. Habituellement, la détection des mouvements de rotation et translation de cette tige est essentiellement basée sur des interrupteurs électromécaniques actionnés par un agencement de cames solidaires de la tige, ces cames agissant sur des lamelles de contact flexibles qui vont toucher des contacts fixes prévus généralement sur un circuit imprimé qui comprend d'autres composants de la pièce d'horlogerie.The invention is particularly applicable, but not exclusively, when ordering functions such as manual time correction or the date in an electronic watch using the traditional control rod fitted with a outer crown. Usually the detection rotational and translational movements of this stem is essentially based on electromechanical switches actuated by a arrangement of cams integral with the rod, these cams acting on contact slats flexible that will touch fixed contacts generally provided on a printed circuit which includes other component parts watchmaking.
Pour la fabrication et le montage de ces interrupteurs, la difficulté principale réside dans la fiabilité de fermeture du contact électrique, qui exige un positionnement très précis de chaque lamelle de contact par rapport à la came correspondante et par rapport au contact fixe correspondant. Il est donc nécessaire d'effectuer des tests de fonctionnement et éventuellement des réglages lors du montage de chaque pièce d'horlogerie. Ces opérations sont coûteuses et gênent considérablement l'automatisation de l'assemblage des montres.For the manufacture and assembly of these switches, the main difficulty lies in the reliability of closing the electrical contact, which requires very precise positioning of each contact strip with respect to the cam corresponding and relative to the fixed contact corresponding. It is therefore necessary to perform functional tests and possibly adjustments during assembly of each part watchmaking. These operations are costly and considerably hamper the automation of assembly of watches.
Des problèmes analogues se présentent avec les contacts électriques destinés à détecter des positions particulières d'un mobile, par exemple la position "zéro" d'une aiguille de chronographe ou d'un indicateur de quantièmes.Similar problems arise with electrical contacts for detecting particular positions of a mobile, for example the "zero" position of a chronograph hand or a date indicator.
Il serait donc souhaitable de remplacer les interrupteurs susmentionnés par des dispositifs sans contact, aptes à être utilisés dans des montres.It would therefore be desirable to replace the switches mentioned above by devices contactless, suitable for use in watches.
Dans la demande de brevet DE 3934158 A1, il est décrit un générateur d'impulsions utilisable pour commander une horloge électronique dans un appareil domestique, ce générateur correspondant approximativement à un capteur capacitif du genre indiqué en préambule ci-dessus. Un rotor en forme de disque, rotatif autour d'un axe perpendiculaire au disque, porte une électrode plate ayant deux secteurs diamétralement opposés, en face d'un stator plat pourvu de plusieurs électrodes fixes ayant une disposition particulière et raccordées à des circuits électroniques de détection. Un diélectrique mince est placé entre le stator et le rotor. Lorsque le rotor tourne, des impulsions sont engendrées à partir des variations du couplage capacitif produit par l'électrode du rotor entre différentes électrodes du stator, grâce aux variations de la surface de recouvrement entre le rotor et chaque électrode fixe, tandis que l'épaisseur du diélectrique entre les électrodes reste constante.In patent application DE 3934158 A1, it a usable pulse generator is described to control an electronic clock in a domestic appliance, this corresponding generator roughly like a capacitive sensor indicated in the preamble above. A shaped rotor disc, rotatable about a perpendicular axis to the disc, carries a flat electrode having two diametrically opposite sectors, opposite a flat stator with several fixed electrodes having a particular arrangement and connected to electronic detection circuits. A thin dielectric is placed between the stator and the rotor. When the rotor turns, pulses are generated from variations in coupling capacitive produced by the rotor electrode between different stator electrodes, thanks to variations in the overlap area between the rotor and each fixed electrode, while the thickness of the dielectric between the electrodes remains constant.
Une telle construction est beaucoup trop encombrante pour des applications dans l'industrie horlogère, en particulier dans les montres. D'autre part, le rotor doit être monté avec une précision et une stabilité suffisante pour que la distance entre les électrodes, c'est-à-dire l'épaisseur du diélectrique, reste constante.Such a construction is far too much bulky for industrial applications horological, in particular in watches. Else apart, the rotor must be mounted with precision and sufficient stability for the distance between the electrodes, i.e. the thickness of the dielectric, remains constant.
Dans la publication Patent Abstracts of Japan vol. 007, no. 270 (P-240) relative à la demande de brevet JP 58-150865A, il est décrit un détecteur capacitif de rotation comportant deux électrodes fixes annulaires superposées et pourvues de dents intérieures, et une électrode rotative montée sur un disque isolant et présentant des dents extérieures assez hautes pour faire face aux dents des deux électrodes fixes en même temps. On détecte la rotation du disque par les variations de capacité entre les deux électrodes fixes. Une telle construction, destinée à détecter la rotation d'un moteur, est trop encombrante pour être utilisable dans une montre.In the publication Patent Abstracts of Japan flight. 007, no. 270 (P-240) relating to the request for patent JP 58-150865A, a detector is described rotational capacitive with two electrodes fixed annular superimposed and provided with teeth interior, and a rotary electrode mounted on an insulating disc with teeth exterior high enough to face the teeth of the two fixed electrodes at the same time. We detect the rotation of the disc by variations of capacity between the two fixed electrodes. Such a construction, intended to detect the rotation of a motor, is too bulky to be usable in a watch.
La présente invention a pour but d'éviter les inconvénients de l'art antérieur en créant un dispositif fiable de détection sans contact, utilisable dans une pièce d'horlogerie telle qu'une montre, pouvant être réalisé et monté à un faible coût et pouvant s'appliquer avantageusement à la correction de l'heure ou de la date ou à la détection d'une position particulière d'un mobile rotatif.The object of the present invention is to avoid disadvantages of the prior art by creating a reliable contactless detection device, usable in a timepiece such as watch, can be made and mounted at a low cost and can be applied advantageously to the correction of time or date or on detection of a particular position of a mobile rotary.
A cet effet, selon un premier aspect de
l'invention, il est prévu une pièce d'horlogerie
telle que définie dans la revendication 1.To this end, according to a first aspect of
the invention there is provided a timepiece
as defined in
Ainsi, le dispositif de détection agit essentiellement par variation de la capacité grâce à la variation de distance entre la surface périphérique dentée du rotor et chaque électrode fixe. Par sa nature, un tel dispositif est réalisable sous une forme à la fois peu encombrante et consommant peu d'énergie électrique, ce qui convient bien à une utilisation dans une montre. De plus, on peut réaliser sans grande complication des capteurs capacitifs qui permettent de détecter un assez grand nombre de positions angulaires successives, par exemple huit ou douze positions par tour.Thus, the detection device acts essentially by varying capacity thanks to the variation in distance between the surface toothed device of the rotor and each electrode fixed. By its nature, such a device is achievable in a space-saving form and consuming little electrical energy, which suitable for use in a watch. Of more, we can achieve without great complication capacitive sensors that detect a quite a lot of angular positions successive, for example eight or twelve positions per turn.
Le rotor peut être maintenu à un potentiel fixe, ses dents étant agencées pour faire écran dans le champ électrique entre les électrodes fixes.The rotor can be kept at a potential fixed, its teeth being arranged to screen in the electric field between the electrodes fixed.
Comme les deux électrodes fixes sont coplanaires sur un substrat, ce substrat peut avantageusement faire partie d'un élément à circuits imprimés de la pièce d'horlogerie, c'est-à-dire qu'on utilise ainsi un élément qui existe déjà dans un mouvement d'horlogerie électronique ou électromécanique.As the two fixed electrodes are coplanar on a substrate, this substrate can advantageously be part of an element to printed circuits of the timepiece, i.e. that we use an element that exists already in an electronic watch movement or electromechanical.
Afin de maintenir un écartement constant entre le rotor et les électrodes fixes, on peut prévoir que le rotor est solidaire du mobile, lequel comporte un cylindre d'appui qui s'appuie en glissant contre une couche diélectrique disposée sur le substrat et/ou sur les électrodes fixes. Ceci permet d'éviter tout réglage du capteur lors du montage du mobile.In order to maintain a constant spacing between the rotor and the fixed electrodes, we can provide that the rotor is integral with the mobile, which has a support cylinder which rests in sliding against a dielectric layer arranged on the substrate and / or on the fixed electrodes. This avoids any adjustment of the sensor when mounting the mobile.
Selon un second aspect de l'invention, il est
prévu une pièce d'horlogerie telle que définie dans
la revendication 2.According to a second aspect of the invention, it is
provided a timepiece as defined in
Grâce à la forme dentée de la surface périphérique du rotor, la variation de capacité entre les électrodes est due dans ce cas à la modulation d'épaisseur du diélectrique. Dans cet agencement aussi, les électrodes fixes peuvent se trouver sur un même substrat à circuits imprimés, par exemple sur deux bords opposés d'une ouverture du substrat. Le rotor peut être isolé et servir de transmetteur d'un signal électrique entre les deux électrodes fixes. Le rotor est alors à un potentiel flottant.Thanks to the toothed shape of the surface rotor device, capacity variation between the electrodes is due in this case to the thickness modulation of the dielectric. In this arrangement also, the fixed electrodes can be find on the same printed circuit substrate, for example on two opposite edges of an opening of the substrate. The rotor can be isolated and used as transmitter of an electrical signal between the two fixed electrodes. The rotor is then at a potential floating.
Une autre forme de réalisation avantageuse du capteur comportant une paire d'électrodes fixes consiste en ce que le rotor est une électrode mobile reliée aux moyens de détection et dont les dents, au cours de sa rotation, passent alternativement en face de l'une ou l'autre des électrodes fixes. Le rotor forme ainsi une troisième électrode pour l'injection d'un signal dans les deux condensateurs qu'il forme respectivement avec les deux électrodes fixes.Another advantageous embodiment of the sensor with a pair of fixed electrodes consists of the rotor being an electrode mobile connected to the detection means and whose teeth, during its rotation, pass alternately opposite one or other of the fixed electrodes. The rotor thus forms a third electrode for signal injection in the two capacitors it forms respectively with the two fixed electrodes.
Afin que le dispositif de détection sans contact puisse indiquer aussi le sens de rotation du mobile, le dispositif de détection comporte de préférence deux desdits capteurs capacitifs, qui sont décalés angulairement de façon à fournir des signaux de sortie respectifs qui sont en quadrature au cours de la rotation du mobile.So that the detection device without contact can also indicate the direction of rotation of the mobile, the detection device includes preferably two of said capacitive sensors, which are offset angularly so as to provide respective output signals which are quadrature during the rotation of the mobile.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaítront dans la description suivante de différents exemples de réalisation, en référence aux dessins annexés, dans lesquels :
- la figure 1 représente schématiquement une première forme de réalisation de l'invention, plus particulièrement un dispositif de détection sans contact des positions d'un mobile rotatif, ce dispositif comportant un capteur capacitif,
- la figure 2 est une vue analogue à la figure 1, illustrant une autre position du mobile,
- la figure 3 est une vue schématique en coupe transversale d'un capteur capacitif utilisé dans la présent invention, suivant la ligne III-III de la figure 4,
- la figure 4 est une vue latérale schématique d'un dispositif comportant deux capteurs capacitifs associés à un mobile rotatif et coulissant,
- la figure 5 est une vue en coupe schématique d'une autre forme de réalisation d'un capteur capacitif,
- la figure 6 est un schéma électrique équivalent du capteur de la figure 5,
- la figure 7 est une vue en coupe schématique d'une autre forme de réalisation d'un capteur capacitif,
- la figure 8 est un schéma électrique équivalent du capteur de la figure 7,
- la figure 9 est une vue en coupe schématique d'une autre forme de réalisation d'un capteur capacitif, et
- la figure 10 représente des signaux électriques obtenus dans le dispositif des la figures 4 au cours de la rotation du mobile.
- FIG. 1 schematically represents a first embodiment of the invention, more particularly a device for non-contact detection of the positions of a rotary mobile, this device comprising a capacitive sensor,
- FIG. 2 is a view similar to FIG. 1, illustrating another position of the mobile,
- FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a capacitive sensor used in the present invention, along the line III-III of FIG. 4,
- FIG. 4 is a schematic side view of a device comprising two capacitive sensors associated with a rotary and sliding mobile,
- FIG. 5 is a schematic sectional view of another embodiment of a capacitive sensor,
- FIG. 6 is an equivalent electrical diagram of the sensor of FIG. 5,
- FIG. 7 is a schematic sectional view of another embodiment of a capacitive sensor,
- FIG. 8 is an equivalent electrical diagram of the sensor of FIG. 7,
- FIG. 9 is a schematic sectional view of another embodiment of a capacitive sensor, and
- FIG. 10 represents electrical signals obtained in the device of FIGS. 4 during the rotation of the mobile.
Dans l'exemple des figures 1 et 2, le mobile
dont il s'agit de détecter des positions est une
tige 1 qui peut être par exemple la tige de
commande de mise à l'heure d'une montre ou d'une
autre pièce d'horlogerie. Toutefois, ce mobile
pourrait être une autre pièce d'un mouvement
d'horlogerie, par exemple un arbre portant une
aiguille des secondes, des minutes ou des heures,
ou une aiguille d'un compteur de chronographe.In the example of Figures 1 and 2, the mobile
which it is a question of detecting positions is a
La tige 1 est associée à un dispositif de
détection de ses positions angulaires qui comprend
un capteur capacitif 2 et des moyens électroniques
de détection 3 utilisant le signal issu du capteur
sur une ligne de sortie 4. Le capteur 2 comprend
une partie mobile, constituée par un rotor 5 fixé
coaxialement sur la tige 1, et une partie fixe
constituée essentiellement par deux électrodes
fixes 6 et 7 qui, dans le cas présent, sont
coplanaires et appliquées sur la face inférieure
d'un substrat isolant 8 parallèle à l'axe du rotor
5. Celui-ci peut avantageusement être une carte à
circuits imprimés telle qu'il en existe dans la
plupart des montres électroniques ou
électromécaniques, cette carte étant habituellement
parallèle au cadran de la montre et à la tige de
commande. Une source de tension 9 est branchée en
série entre la masse 10 et la première électrode 6
pour appliquer à celle-ci une tension pulsée Ue. La
seconde électrode 7 est raccordée à la ligne 4 pour
délivrer un signal de sortie qui dépend de la
capacité entre les deux électrodes 6 et 7.The
Le rotor 5 est une pièce conductrice, de
préférence métallique, en forme d'étoile, sa
surface périphérique présentant dans le cas présent
quatre dents 11 à 14 régulièrement espacées
angulairement. De préférence, il est raccordé à la
masse 10 par l'intermédiaire de la tige 1. Le rotor
se trouve en face de l'intervalle 15 séparant les
électrodes 6 et 7 et ses dents passent à une faible
distance des électrodes. La présence et la position
du rotor influence ainsi le champ électrique 16 et
donc le couplage capacitif entre les électrodes. Au
cours de la rotation de la tige 1, la capacité du
capteur 2 varie périodiquement et le signal de
sortie sur la ligne 4 passe par un minimum dans la
position de la figure 1, où le rotor forme un écran
dans le champ électrique, et par un maximum dans la
position de la figure 2, où le rotor ne fait
pratiquement pas écran.The
Dans les moyens de détection 3, le signal de
sortie du capteur est appliqué à l'entrée négative
d'un amplificateur 16 branché en parallèle à un
condensateur d'intégration 17 de capacité Ci. On
obtient à la sortie 18 de l'amplificateur 16 un
signal à impulsions carrées de tension
Us = (Cv/Ci) · Ue, où Cv est la capacité entre les
deux électrodes 6 et 7. Chaque impulsion de ce
signal représente le passage d'une des dents 11 à
14 devant les électrodes, donc un pas de rotation
de la tige 1, ce pas étant d'un quart de tour dans
le présent exemple. Le signal Us est utilisé dans
un circuit de traitement 19 qui commande de manière
connue la fonction voulue, par exemple la mise à
l'heure ou la mise à la date de la montre.In the detection means 3, the signal
sensor output is applied to the negative input
an
La figure 3 illustre une forme de réalisation
avantageuse du capteur capacitif 2, afin de
maintenir une distance déterminée et aussi faible
que possible entre les dents du rotor 5 et les
électrodes 6 et 7, pour que les variations de
capacité du capteur lors des mouvements de la tige
1 soient aussi élevées que possible et puissent
donc être détectées facilement. Une mince couche
diélectrique 20 est appliquée sur au moins une
partie des électrodes 6 et 7 et sur l'intervalle 15
les séparant. Cette couche peut être formée par
exemple d'un film de résine ayant une épaisseur de
quelques micromètres. Cette épaisseur est
évidemment exagérée dans le dessin. Par ailleurs,
la tige 1 porte un cylindre d'appui 21 placé à une
distance suffisante du rotor 5 pour ne pas
influencer la capacité entre les électrodes. La
tige 1 est placée par rapport au substrat 8 de
façon que son cylindre 21 s'appuie légèrement
contre la couche 20, qui s'étend aussi sur le
substrat en face du cylindre. Les surfaces
d'extrémité des dents 11 à 14 du rotor 5 peuvent
être cylindriques et avoir le même rayon que le
cylindre 21, si bien que leur distance aux
électrodes 6 et 7 est pratiquement égale à
l'épaisseur de la couche diélectrique 20.Figure 3 illustrates an embodiment
advantage of the
Les avantages d'un tel agencement ne
concernent pas seulement la qualité des signaux
obtenus : comme il détermine positivement la
distance entre la tige 1 et le substrat 8, il
permet un montage facilité du capteur 2 en évitant
tout réglage. En particulier, lorsque la tige 1 est
la tige de commande d'une montre, elle est mise en
place après le substrat à circuit imprimé 8. Celui-ci
peut être maintenu d'une manière élastique de
façon à s'appuyer légèrement contre le cylindre 21
de la tige.The advantages of such an arrangement do not
not just about signal quality
obtained: as it positively determines the
distance between the
La figure 4 illustre une forme de réalisation
comportant, à côté du capteur capacitif 2, un
deuxième capteur capacitif semblable 22 afin de
pouvoir détecter le sens de rotation de la tige 1.
Le capteur 22 comprend un rotor 25 fixé sur la tige
1 et une paire d'électrodes 26 et 27 identiques aux
électrodes 6 et 7 et appliquées sur le substrat 8 à
côté de celles-ci. Ces électrodes sont également
recouvertes par la couche diélectrique 20. Le rotor
25 est identique au rotor 5, mais décalé
angulairement d'un quart du pas des dents, soit
d'un seizième de tour dans le cas présent, pour que
les signaux de sortie du capteur 22 soient en
quadrature avec ceux du capteur 2. Des signaux de
ce genre sont décrits plus loin en référence à la
figure 10. Comme d'habitude, la tige de commande 1
de la montre peut coulisser axialement entre au
moins deux positions, dont l'une est une position
de mise à l'heure, représentée en traits continus
dans la figure 4. L'autre position axiale de la
tige est une position neutre, représentée en traits
interrompus, où la tige 1 doit pouvoir tourner sans
corriger l'heure de la montre. Le rotor 25 du
capteur 22 se trouve alors en face des électrodes 6
et 7 du capteur 2, de sorte que le capteur 2 est
actif, tandis que le capteur 22 est inactif. Les
circuits de traitement 19 détectent ce fait quand
la tige 1 tourne et ils n'enclenchent aucune
action. Si au contraire les deux capteurs 2 et 22
fournissent des signaux en quadrature, les circuits
de traitement 19 effectuent une correction horaire
dont l'ampleur est déterminée par le nombre de pas
indiqué par le capteur 2, et le sens par l'ordre de
succession des signaux issus des capteurs 2 et 22.Figure 4 illustrates an embodiment
comprising, next to the
Les figures 5 et 6 illustrent une autre forme
de réalisation d'un capteur capacitif utilisable à
la place de chacun des capteurs 2 et 22 décrits ci-dessus.
Ce capteur 30 comporte deux électrodes
fixes disposées sur un substrat isolant commun 33
et raccordées à des bornes respectives A et B.
Chaque électrode 31, 32 s'étend notamment sur des
bords opposés d'une ouverture 34 du substrat 33
pour former chacune une plaque d'électrode 35, 36.
L'axe 37 de la tige rotative 1 s'étend au milieu de
l'ouverture 34, dans le plan médian du substrat, de
sorte que le rotor 5 fixé sur la tige 1 se trouve
sensiblement à la même distance de chacune des
électrodes 31 et 32. Dans le cas présent, le rotor
5 comporte un nombre pair de dents, il est isolé
électriquement et se trouve à un potentiel
flottant, pour servir de transmetteur passif d'un
signal électrique entre les deux électrodes. Le
schéma équivalent de la figure 6 montre que la
capacité du capteur 30 est égale à la mise en série
des capacités variables C1 et C2 situées
respectivement entre l'électrode 31 et le rotor 5
et entre le rotor 5 et l'électrode 32. Les
capacités C1 et C2 varient ensemble par variation
des distances et donc des intervalles diélectriques
entre le rotor conducteur et les électrodes lorsque
la tige 1 tourne. Au besoin, la tige 1 peut être
guidée par le substrat isolant 33. Bien entendu,
elle peut être associée à deux capteurs 30
délivrant des signaux en quadrature qui permettent
d'indiquer aussi le sens de rotation de la tige par
une méthode analogue à celle décrite en référence à
la figure 4.Figures 5 and 6 illustrate another form
of a capacitive sensor usable at
the place of each of the
Les figures 7 et 8 illustrent un capteur
capacitif 40 dans lequel on retrouve les mêmes
éléments 31 à 37 que dans le capteur 30, mais avec
un rotor 41 différent qui constitue une électrode
mobile reliée à une borne D par une lame flexible
42 qui frotte sur un collet 43 du rotor 41. Celui-ci
comporte un nombre impair de dents, par exemple
trois dents 44, 45 et 46, qui présentent des
intervalles angulaires égaux et passent donc
alternativement devant l'une ou l'autre des
électrodes 31 et 32. Ainsi, la capacité C1 est
maximale quand la capacité C2 est minimale. La
borne D est utilisée pour l'injection d'un signal
électrique sur l'électrode mobile constituée par le
rotor 41, les signaux de sortie étant recueillis
sur les bornes A et B. On peut ainsi mesurer d'une
manière précise une capacité différentielle entre A
et B, en éliminant les capacités parasites entre
les différents conducteurs et la masse, lesquelles
sont souvent beaucoup plus élevées que C1 et C2. Un
autre avantage du capteur 40 est que sa résolution
pour un tour du rotor est égale au double du nombre
de dents. Par exemple, une résolution de dix pas
par tour serait obtenue avec cinq dents seulement.Figures 7 and 8 illustrate a
La figure 9 illustre un capteur capacitif 50
comportant les mêmes éléments 31 à 37 et 41 à 43
que le capteur 40 décrit ci-dessus, mais dans ce
cas le rotor 41 n'a que deux dents 44 et 45
disposées de manière dissymétrique, leur distance
angulaire étant par exemple de 135°. Il en résulte
que les signaux recueillis aux bornes A et B se
succèdent dans un ordre différent selon que la tige
1 tourne dans un sens ou dans l'autre. Donc les
moyens de détection peuvent déterminer à la fois
des positions angulaires et le sens de rotation de
la tige 1 au moyen du seul capteur 50.FIG. 9 illustrates a
On notera qu'il est possible d'obtenir le même
résultat avec un rotor ayant des dents
diamétralement opposées, si les deux plaques
d'électrodes 35 et 36 ne sont pas diamétralement
opposées par rapport à l'axe 37 du rotor.Note that it is possible to obtain the same
result with a rotor having teeth
diametrically opposite, if the two
Le diagramme supérieur de la figure 10
représente, en fonction de l'angle α de rotation de
la tige 1, la variation de la capacité C1 du
capteur 2 et de la capacité C2 du capteur 22
représenté à la figure 4. Ces deux signaux sont en
quadrature si, par exemple, les dents 11 à 14 des
deux rotors 5 et 25 sont mutuellement dans le sens
de rotation de la tige 1. On a également représenté
dans la figure 10 les impulsions carrées de tension
Us1 et Us2 qui sont obtenues pour chaque capteur
comme on l'a décrit en référence à la figure 1 et
qui permettent aux moyens de détection d'indiquer
le nombre de pas et le sens de rotation de la tige
1.The top diagram in Figure 10
represents, as a function of the angle α of rotation of
the
Les exemples décrits ci-dessus démontrent que la présente invention permet d'installer dans une pièce d'horlogerie de petite taille, comme une montre, un dispositif de détection sans contact qui remplace avantageusement les dispositifs de détection de rotation à contacts électriques, grâce à sa simplicité et sa fiabilité.The examples described above demonstrate that the present invention allows to install in a small timepiece, like a watch, a contactless detection device which advantageously replaces the rotation detection with electrical contacts, thanks to to its simplicity and reliability.
Claims (12)
- Timepiece including a rotating member (1) and an electric capacitive detection device for detecting positions and/or movements of said rotating member, wherein the detection device includes at least one capacitive sensor (2, 22), having a fixed portion provided with a pair of fixed electrodes (6, 7; 26, 27) and a mobile portion provided with an electrically conductive rotor (5, 25) driven by said rotating member and arranged to influence the electric field between the fixed electrodes by its position of rotation, and electronic detection means (3) which are sensitive to variations in said sensor's capacitance, the two fixed electrodes (6, 7; 26, 27) being coplanar on a substrate (8) and separated from each other by a gap (15),
characterized in that the rotor (5, 25) axis is disposed opposite said gap and parallel to the plane of the fixed electrodes, and in that each fixed electrode (6, 7, 26, 27) is disposed opposite a peripheral surface of the rotor (5, 25), said surface including teeth (11-14) arranged to pass close to each fixed electrode during rotation of the rotor. - Timepiece including a rotating member (1) and an electric capacitive detection device for detecting positions and/or movements of said rotating member, wherein the detection device includes at least one capacitive sensor (30, 40), having a fixed portion provided with at least two fixed electrodes (31, 32) and a mobile portion provided with an electrically conductive rotor (5, 41) driven by said rotating member and arranged to influence the electric field between the fixed electrodes by its position of rotation, and electronic detection means (3) which are sensitive to variations in said sensor's capacitance, the two fixed electrodes (31, 32) being disposed on a substrate (33) and separated from each other by a gap,
characterized in that the fixed electrodes form two respective spaced opposite electrode plates (35, 36) separated by said gap, in that the rotor (5, 25, 41) is disposed within said gap, its axis of rotation (37) being parallel to said plates, and in that each of said fixed electrode plates (35, 36) is disposed opposite a peripheral surface of the rotor, said surface including teeth (11-14, 44-46) arranged to pass close to each electrode plate during rotation of the rotor. - Timepiece according to claim 1, characterized in that the rotor (5) is held at a fixed potential and in that its teeth (11-14) are arranged to form a shield in the electric field between the fixed electrodes.
- Timepiece according to claim 1 or 2, characterized in that said teeth (11-14, 44-46) are distributed with a constant angular pitch about the rotor.
- Timepiece according to claim 2, characterized in that the substrate (33) is planar and has an opening (34) wherein the rotor is located, said electrode plates (35, 36) extending on opposite edges of said opening.
- Timepiece according to claim 1 or 2, characterized in that the substrate (8, 33) forms part of a printed circuit element of the timepiece.
- Timepiece according to claim 1, characterized in that the rotor (5, 25) is attached to the rotating member (1), which includes a support cylinder (21) which slidingly abuts against a dielectric layer (20) disposed on the substrate and/or on the fixed electrodes.
- Timepiece according to claim 2, characterized in that the rotor (5) is insulated and acts as transmitter of an electric signal between the two fixed electrodes.
- Timepiece according to claim 1 or 2, characterized in that the rotor (41) is a mobile electrode connected to the detection means and whose teeth (44, 45, 46) pass alternately opposite one or other of the fixed electrodes during its rotation.
- Timepiece according to claim 1 or 2, characterized in that the detection device includes two of said capacitive sensors (2, 22), which are offset angularly so as to provide respective output signals which are in quadrature during the rotation of the rotating member.
- Timepiece according to claim 1 or 2, characterized in that the rotating member (1) is a control stem having at least two axial positions, namely a time-setting position in which the capacitive sensor (22) is active and at least one other position in which said sensor is inactive.
- Timepiece according to claim 1 or 2, characterized in that the rotating member (1) is an indicator element having a reference position which is detected by the detection device.
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