包括由电子装置调节速率的机械机芯的钟表的制作方法

本发明涉及一种钟表，其包括机械机芯和电子调节装置，该机械机芯设置有由摆轮和摆轮游丝形成的机械振荡器，并且该电子调节装置用于调节控制机械机芯的速率的机械振荡器的频率。

特别地，电子调节装置包括辅助电子振荡器和测量装置，该辅助电子振荡器通常比机械振荡器特别是石英振荡器更精确；并且该测量装置被布置成能够在必要时测量机械振荡器相对于辅助振荡器的时间偏差。

背景技术：

一些文献涉及钟表中机械振荡器的电子调节。特别是，美国专利申请no2013/0051191涉及一种钟表，其包括摆轮/摆轮游丝和用于调节该摆轮/摆轮游丝的振荡频率的电子电路。摆轮游丝由压电材料形成或包括在硅芯上的压电材料的两个侧向层，两个外部侧向电极被布置在摆轮游丝的侧向表面上。这两个电极连接到电子调节电路，该电子调节电路包括并联布置的并且连接到摆轮游丝的两个电极的多个可开关控制的电容。

参考图1至图4，将描述在前述美国专利申请中公开的类型的钟表。为简洁起见，图1仅表示钟表机械机芯的机械谐振器2，该谐振器包括摆轮4和摆轮游丝8，该摆轮4围绕几何轴6振荡，并且该摆轮游丝8的末端曲线10以传统方式穿过与机械机芯的摆轮旋塞(未示出)一体的螺柱12。图2示意性地表示摆轮游丝8的一部分。该摆轮游丝由中心硅体14、压电材料的两个侧向层16、18以及两个外部金属电极20、22形成，该压电材料特别是氮化铝(ain)。两个电极通过导电线26、28(示意图示)连接到电子调节电路24。

图3(其再现了与图2和图7中的一些附加信息有关的现有技术文献的图1)示出了被合并在所讨论的钟表中的调节装置32以及特别是电子调节电路24的一般布置。该电路24包括连接到压电摆轮游丝的两个电极的第一电容器34，以及与第一电容器并联布置的多个可开关控制的电容器36a到36d，以便形成可变电容cv，使得改变连接到摆轮游丝的电极的电容值，从而根据文献的教导改变摆轮游丝的刚度。电路24进一步包括比较器38，该比较器38的两个输入端分别连接到摆轮游丝8的两个电极，该比较器被布置成提供逻辑信号，以用于借助于该逻辑信号的连续逻辑状态变化来确定在摆轮游丝的两个电极之间的感应电压的过零点。逻辑信号被提供给逻辑电路40，该逻辑电路40还从与石英谐振器44相关联的时钟电路42接收基准信号。基于基准信号和比较器38提供的逻辑信号之间的比较，逻辑电路40控制可开关控制的电容器36a至36d的开关。

此外，在可开关控制的电容器电路之后，布置有通常由借助四个二极管形成的电桥形成的全波整流电路46，其提供连续电压vdc并对存储电容器48进行加载。由压电摆轮游丝提供的这种电能为装置32供电。因此，这是一种自动电气系统，因为它是自供电的，意思就是电能来自提供给机械谐振器2的机械能，当机械谐振器振荡时，该机械谐振器2的压电摆轮游丝8形成机电换能器(电流发生器)。

如美国专利no2015/0051191的第0052段所示，电子调节电路24只能通过增加可变电容cv的值来降低机械谐振器2的振荡频率。该观察结果由图4的曲线图证实，图4的该曲线图示出了根据可变电容cv的值给出速率变化的曲线50。实际上，观察到所获得的速率的变化总是小于零，并且当可变电容的值增加时绝对值增加。因此，调节系统要求机械振荡器的固有频率(在没有调节的情况下的频率)高于该机械振荡器的标称频率(期望频率)。换句话说，希望调整机械振荡器，使其固有频率对应于高于所需频率的频率，调节电路的功能在于或多或少地降低该固有频率，使得速率对应于所需频率。因此，这种系统的一个很大的缺点在于，在没有电子调节的情况下，机械机芯的速率不是最佳的。对于高精度的钟表机芯，实际上有必要以非最佳设定来降低其自然机械特征(或使其衰减)。可以得出结论，这种电子调节系统仅对平均质量或甚至差质量的机械机芯有意义，因为这些机械机芯的精度取决于电子调节系统。

技术实现要素：

发明内容本发明的目的是提出这样一种钟表：其设置有机械谐振器和电子调节系统，该机械谐振器包括至少部分地由压电材料形成的摆轮游丝，并且该电子调节系统与压电摆轮游丝相关联，该钟表没有上述现有技术的钟表的缺点，特别是可以与一种机械机芯相关联，该机械机芯的速率最初以最佳方式设定，即达到其最佳能力。因此，本发明的一个目的是提供一种电子调节系统，由于压电摆轮游丝的使用，该电子调节系统是分立/独立的(discrete)且自动的，并且与机械机芯真正互补，因为该电子调节系统提高了精度而不会因此不利地影响机械机芯的最佳初始设定。

本发明涉及一种钟表，包括机械钟表机芯和调节装置，所述机械钟表机芯设置有机械振荡器，所述机械振荡器由摆轮和摆轮游丝形成并且被布置成设定所述钟表机芯的速率，并且所述调节装置用以调节所述机械振荡器的频率，所述调节装置包括由辅助振荡器形成并提供基准频率信号的辅助时基，并且包括一种装置，其用于测量所述钟表机芯的速率相对于由所述辅助时基确定的所述机械振荡器的期望频率的时间偏差。所述摆轮游丝至少部分地由压电材料和至少两个电极形成，所述至少两个电极被布置成当所述压电材料在所述机械振荡器的振荡期间受到机械应力时能够在所述至少两个电极之间形成由所述压电材料感应的电压，所述两个电极电连接到所述调节装置，所述调节装置被布置成能够根据由所述测量装置提供的时间偏差测量信号，改变由所述压电材料、所述至少两个电极和所述调节装置形成的调节系统的阻抗；更特别地，根据本发明，调节装置被布置成能够瞬时地改变由所述调节装置在所述两个摆轮游丝电极之间产生的电阻，并且被布置成能够产生时间分离的调节脉冲，每个调节脉冲包括使所述电阻相对于在所述调节脉冲之外(“所述调节脉冲之外”是指没有施加该调节脉冲时所对应的标称电阻)由所述调节装置在所述两个电极之间产生的标称电阻瞬时降低。根据发明人揭示的显著的物理特性，前述调节脉冲中的每个脉冲产生机械机芯中的速率变化，其根据在机械振荡器的半周期中的开始时刻而变化，所述速率变化相对于在机械振荡器的至少一个半周期中的至少一个所述调节脉冲的所述开始时刻的特征函数在所述至少一个半周期的第一时间部分中为负，而在所述至少一个半周期的第二时间部分中为正。所述调节装置被布置成能够确定由测量装置测量的时间偏差是否对应于至少一些增益或至少一些损失，并且所述调节装置被布置成：在所述机械振荡器的至少一个半周期的所述第一时间部分或所述第二时间部分中，取决于所述测量的时间偏差是否对应于所述至少一些增益或所述至少一些损失，以选择性地设定的起点产生至少一个调节脉冲。

由于根据本发明的钟表的特征，因此可以借助于调节脉冲来校正机械机芯速率中的增益和损失，每个脉冲具有有限的持续时间，取决于在机械机芯的速率中是否检测到增益或损失，所述调节脉冲改变在对应的半周期的不同时间部分中的摆轮游丝的两个电极之间的电阻。

在一个优选实施例中，调节装置包括布置在摆轮游丝的两个电极之间的开关，该开关由控制电路控制，该控制电路被布置成瞬时关闭该开关以使其在调节脉冲期间导通，然后生成短路脉冲。

附图说明

下面将参考作为非限制性示例给出的附图更详细地描述本发明，而其中：

图1如已经描述的，示出了现有技术的钟表，其包括具有压电摆轮游丝的机械钟表谐振器，以及连接到压电摆轮游丝的两个电极的电子调节电路。

图2是图1的压电摆轮游丝的一部分的放大图。

图3部分地示出了图1的钟表的调节装置的电气图。

图4示出了前述附图的钟表的速率随着在压电摆轮游丝的两个电极之间施加的可变电容的变化。

图5示出了并入根据本发明的钟表的实施例中的调节装置的电气图，其包括具有压电摆轮游丝的机械谐振器。

图6示出了根据本发明的钟表的每日速率的变化，在相应的振荡周期期间，在机械谐振器通过这些振荡器周期中的每个的中性位置的两次通过(过零)之间的半周期中，随着短路脉冲的开始，由图5的调节装置产生该每日速率的变化。

图7示出了随着钟表的速率中所测量的时间偏差变化的、图5的调节装置中的短路脉冲生成模式。

图8是在图5的调节装置中实施的调节方法的流程图。

图9和10示出了当在机械谐振器通过极限位置(介于机械谐振器通过其中性位置的两个连续的过零点之间)之前和之后分别产生短路脉冲时，压电摆轮游丝的电极之间的感应电压的曲线图。

图11是形成根据本发明的钟表的机械谐振器的压电摆轮游丝的优选实施例的剖视图。

具体实施方式

与上述现有技术的钟表一样，根据本发明的钟表包括机械钟表机芯，该机械钟表机芯设置有机械振荡器，该机械振荡器由摆轮和压电摆轮游丝形成并被布置成设定钟表机芯的速率。其次，钟表包括调节装置62，其电气图如图5所示。被布置成调节机械振荡器的频率的该调节装置包括电子调节电路52和辅助时基，该辅助时基由辅助振荡器形成并向电子调节电路提供基准频率信号。该时基包括例如石英谐振器44和时钟电路42，该时钟电路42向具有至少两级div1和div2的分频器供应基准频率信号。压电摆轮游丝8至少部分地由压电材料和至少两个电极20、22形成(参见图2、5和11)，所述两个电极20、22被布置成，当压电材料在机械振荡器振荡期间受到机械应力时在所述两个电极20、22之间能够存在由所述压电材料产生的感应电压u(t)(参见图7)。两个电极电连接到电子调节电路52。

电子调节电路包括一用于测量钟表机芯的速率相对于机械振荡器的期望频率的任何时间偏差的测量装置，该期望频率由辅助时基42、44来确定。在图5所表示的实施例中，测量装置由迟滞比较器54形成，该迟滞比较器54的两个输入端连接到压电摆轮游丝8的两个电极20、22。应注意，在所示的示例中，电极20经由调节装置的质量电连接到比较器54的输入端。迟滞比较器提供数字信号‘comp’(见图5和图7)，其逻辑状态在机械振荡器通过其中性位置(角位置θ(t)等于零)的每次过零之后立即改变，更具体地，在形成该机械振荡器的机械谐振器的每次过零之后改变。在机械谐振器通过其中性位置(角位置‘零’)的过零期间，由压电摆轮游丝产生的感应电压u(t)为零，而对于施加在两个电极之间的给定负载，当机械谐振器处于其两个极限位置中的一个或另一个时(分别在中性位置的任一侧限定机械振荡器的振幅)，该感应电压u(t)最大。

一方面，向形成测量装置的双向计数器cb的第一输入端‘up’提供信号‘comp’，另一方面，向逻辑控制电路56提供该信号‘comp’。因此，双向计数器在机械振荡器的每个振荡周期中增加一个单位。因此，它连续地接收机械振荡器的瞬时振荡频率的测量值。双向计数器在其第二输入端‘down’接收由分频器div1和div2提供的时钟信号shor，该时钟信号限定用于由辅助时基的辅助振荡器确定的机械振荡器所需的频率。因此，双向计数器将与在机械振荡器的振荡频率与期望频率之间随时间的累积误差相对应的信号提供给逻辑控制电路56，该累积误差限定机械振荡器相对于辅助振荡器的时间偏差。

通常，根据本发明的调节装置被布置成，能够根据由用于测量时间偏差的装置所提供的钟表速率的时间偏差测量信号，瞬时地改变由该调节装置在压电摆轮游丝中的两个电极之间产生的电阻。更具体地，调节装置被布置成能够产生时间分离的调节脉冲，每个调节脉冲都包括上述电阻相对于标称电阻的瞬时降低，该标称电阻是在所述调节脉冲之外由调节装置在两个电极之间产生。因此，提供了一种用于调节钟表速率以及机械振荡器的平均频率的系统，该机械振荡器由摆轮游丝8的压电材料、该摆轮游丝的两个电极20、22和根据本发明的调节装置来形成。

在优选实施例中，调节装置62包括被布置在两个摆轮游丝电极之间的开关60，该开关由逻辑控制电路56来控制，该逻辑控制电路56被布置成在所述调节脉冲期间瞬时地闭合开关以使其导电，然后生成短路脉冲。

在本发明的范围内，发明人发现上述调节脉冲均产生机械机芯速率的变化，该变化是机械振荡器的半周期中所涉及的调节脉冲的开始时刻的函数。图6中示出了该观察，其给出了机械振荡器在一整天的所有振荡周期中，更特别是在这些振荡周期的各个半周期——这些半周期由机械振荡器通过中性位置的两个连续过零点来限定——中，钟表速率变化在一天中关于短路脉冲的开始时刻的特征函数66。因此，图6的曲线图的横坐标对应于各个振荡周期中的短路脉冲的开始时间与这些振荡周期中所涉及的半周期的开始时间之间的时间间隔δt。值得注意的是，发明人揭示出这样的事实，即在对于在短路脉冲开始而考虑的半周期的第一时间部分zt1＝zt1.1和zt1.2内，速率的变化为负，并且在该半周期的第二时间部分zt2内，该速率的变化为正。还应注意，图6中表示的特征函数66涉及一种变型，其中振荡频率基本上等于5hz(振荡周期＝200ms)。以秒/每天为单位(s/d)的速率的变化被给定为100ms的半周期中的短路脉冲的开始时刻的函数，在连续的振荡周期的每个周期期间，所述半周期为介于机械谐振器通过其中性位置的两次连续过零之间。在所示的示例中，短路脉冲均持续10ms，但这不是限制性的。

电子调节电路被布置成能够确定由测量装置测量的时间偏差是否对应于至少一些(或一定)增益(cb>n1)或至少一些损失(cb<-n2)，双向计数器cb的状态以信号sdt的方式被提供给逻辑电路56，所述信号sdt提供双向计数器的状态。调节装置被布置成，在机械振荡器的至少一个半周期各自的第一时间部分zt1或所述第二时间部分zt2内，取决于测量的时间偏差是否对应于所述至少一些增益或所述至少一些损失，产生至少一个具有选择性地设定的开始时刻的调节脉冲。实际上，在第一时间部分中开始的有限持续时间的短路脉冲在机械振荡器中产生损耗(负相移)，其可以至少部分地校正在钟表速率中检测到的增益，而在第二时间部分中开始的有限持续时间的短路脉冲在机械振荡器中产生增益(正相移)，其可以至少部分地校正在钟表速率中检测到的损耗。

图9和图10示出了分别在任何振荡周期的第一时间部分zt1的时刻t1和任何振荡周期的时间部分zt2的时刻t2开始的短路脉冲期间，即分别在机械振荡器经过极限位置——所述极限位置介于该机械振荡器通过其限定半周期所涉及到的中性位置的两个连续的过零点之间——之前和之后(见图7)，压电摆轮游丝的电极之间的感应电压u(t)的曲线图。

在一般变型中，调节脉冲均具有小于期望周期的四分之一的持续时间，该期望周期等于机械振荡器的所述期望频率的倒数。

在优选的变型中，调节脉冲的持续时间小于或等于期望周期的十分之一。最多，机械振荡器的每半周期产生一个调节脉冲，并且优选每个振荡周期最多产生一个调节脉冲。接下来，在第一时间部分zt1内的第一时间间隔int1中——其中由所述特征函数66给出的速率的绝对值比第一时间部分上的该特征函数的最大速率变化的至少一半更大，或者在第二时间部分zt2内的第二时间间隔int2中——其中由特征函数给出的速率的变化比该特征函数在第二时间部分上的速率的最大变化的至少一半更大，调节装置被布置成取决于测量的时间偏差是否对应于至少一些增益或至少一些损失，产生至少一个具有选择性地设置的开始时刻的调节脉冲。因此，这确保了在调节脉冲期间、特别是在短路脉冲期间的相对大的效果。

参考图7和图8，将描述通过调节装置62实施的根据本发明的调节方法，该调节方法符合上述本发明的特征。如已经指出的，迟滞部件54向逻辑控制电路56提供信号‘comp’，该逻辑控制电路56还接收机械振荡器以及由此所涉及的时钟的时间偏差的测量信号sdt。信号‘comp’的每个上升沿和每个下降沿指示分别在机械振荡器的两次连续振动期间，机械振荡器刚刚穿过其中性位置。控制电路选择性地向定时器58提供控制信号scom，该定时器58通过向晶体管60施加信号dcc来控制形成开关的晶体管60。更确切地，控制电路通过开始或复位定时器(‘timer’)来确定每个短路脉冲88a、88b的开始时刻，该定时器立即使晶体管60导通/导电(开关闭合)，定时器由此确定每个短路脉冲的持续时间tr。在每个短路脉冲结束时，定时器再次打开开关，从而使晶体管60截止，即不导电。

借助上述特征函数66，逻辑控制电路与用于测量至少两个时间间隔δt1和δt2的时间计数器ct相关联，以便取决于控制电路是否已确定机械振荡器的速率中的增益或损耗——即正或负时间偏差，在半周期的第一间隔int1和第二间隔int2中选择性地启动定时器58，如图6所考虑的。更确切地，当控制电路检测到信号‘comp’中的下降沿(或者上升沿)时，它重置计数器ct。如果信号sdt指示增益，即cb>n1，n1是正自然数，则控制电路等待时间间隔δt1以采用信号scom(1)激活定时器，定时器然后产生信号dcc(1)，该信号dcc(1)使晶体管60在时间t1(在第一时间部分zt1内，优选在第一时间间隔int1内)导通达持续时间tr，从而产生第一短路脉冲88a，其在机械振荡器的振荡中产生负相移(振荡周期增大并因此瞬时频率减小)。然而，如果信号sdt指示损耗，即cb<-n2，n2是正自然数，则控制电路等待时间间隔时间δt2以采用信号scom(2)激活定时器，定时器然后产生信号dcc(2)，该信号dcc(2)使晶体管60在时间t2(在第二时间部分zt2中，优选在第二间隔int2中)导通达持续时间tr，从而产生第二短路脉冲88b，其在机械振荡器的振荡中生成正相移(振荡周期减少/瞬时频率增大)。

应注意，由图8的流程图给出的算法可以具有不同的变型。因此，特别地，当已经注意到一些增益或一些损耗——其中在相应的多个振荡周期中产生多个短路脉冲时，可以提供子序列。在这种情况下，可以提供一种变型，其中多个短路脉冲在连续的振荡周期中产生，或者提供另一种变型，其中每n个振荡周期周期性地产生这些短路脉冲，n是大于1的整数(n>1)。然而，在理论上不太有利的变型中，可以在多个连续的半周期中产生多个调节脉冲。在后一种情况下，当信号‘comp’中出现下降沿和上升沿时，将交替触发调节脉冲。

参照图11(附图的第4/7页)，将描述根据本发明的钟表的压电摆轮游丝70的优选实施例。以横截面表示的该摆轮游丝70包括中心硅体72，用于对摆轮游丝进行温度补偿的在中心体表面沉积的氧化硅层74，在氧化硅层上沉积的导电层76，以及在导电层76上以压电层78的形式沉积的压电材料。两个电极20a和22a分别布置在摆轮游丝的两个侧向面上的压电层78上(两个电极可以部分地覆盖摆轮游丝的上侧和下侧，但不接合)。

在图11所示的特定变型中，压电层的第一部分80a和第二部分80b通过它们从导电层76的生长，具有关于与这两个侧向面平行的中间平面84对称的相应的晶体结构，其中所述压电层的第一部分80a和第二部分80b分别在中心体72的两个侧向面上延伸。因此，在两个侧向部分80a和80b中，压电层具有两个相同的相应的压电轴82a、82b，所述压电轴82a、82b垂直于压电层并具有相反的方向。因此，对于相同的机械应力，在内部电极与两个外部侧向电极中的每个之间存在感应电压的符号的反转。因此，当摆轮游丝从其静止位置收缩或伸展时，第一和第二部分80a和80b之间存在机械应力的反转，即这些部分中的一者受到压缩而另一者受到牵引，反之亦然。最后，作为这些考虑的结果，第一和第二部分中的感应电压在垂直于两个侧向面的轴上具有相同的极性，使得导电层76可以形成从中心体72的两个侧向面延伸的单个相同的内部电极，该内部电极本身不具有与调节装置的电连接。在特定的变型中，压电层由氮化铝晶体组成，该氮化铝晶体通过来自导电层76(内部电极)的并且与之相垂直的晶体生长而形成。