用于频率自动控制电路的压电元件、包括压电元件的机械振荡系统和设备的制作方法

本发明涉及一种用于频率自动控制电路的压电元件。

本发明还涉及一种包括压电元件和摆轮的机械振荡系统。

本发明还涉及一种包括机械振荡系统和用于自动控制该机械振荡系统的振荡频率的电路的设备。

背景技术：

压电元件通常在电子机械系统的领域中例如用于制造被用作时基的振荡器，或用于针对质量、力、陀螺仪传感器和许多其它传感器的应用

在钟表、特别是机械表或电子机械表的领域中，已知为机械振荡系统设置压电元件。该机械振荡系统通常可以包括摆轮，游丝安装在该摆轮上，该摆轮的一端固定在旋转摆轴上且其另一端固定在底板的固定元件上。机械系统的振荡经由能量源来维持，该能量源一般是机械式的。该能量源例如可以是发条盒，该发条盒驱动具有与擒纵叉配合的擒纵轮的齿轮系。该旋转擒纵叉例如致动被固定在旋转摆轴附近的销。带有游丝的摆轮因此可以形成钟表机芯的调节部件。该振荡调节部件决定具有通向时间指针的擒纵轮的齿轮系的驱动速度。压电元件可以包括游丝，已知将(pzt型)压电材料膜沉积(或称为“镀覆”)在游丝上，例如沉积在游丝的内表面和外表面上。在这方面，可以提到日本专利申请no2002-228774或欧洲专利申请no2590035a1。然而，将此类压电膜沉积在游丝的整个长度上会将昂贵的额外工序引入到游丝的制造中，这是一个缺点。

在这两个专利申请中，借助于频率自动控制电路来实现与压电游丝组合的摆轮的振荡频率的控制。电子电路可以通过由压电元件产生的交流电压直接通电，所述交流电压已被整流并储存在电容器的两端。为了控制振荡频率，在由振荡器级提供的基准频率下的信号与来自发电机的交流信号之间进行比较。基于该比较，产生频率适配信号，该频率适配信号一旦施加至压电元件便允许在元件上产生压缩力或伸展力以便制动或加速机械振荡系统的振荡。

wo专利申请no2011/131784a1提供了包括设置有压电元件的机械振荡系统和用于自动控制机械振荡系统的振荡频率的电路的设备的另一示例。根据该设备的一个具体示例性实施例，压电元件包括由压电材料带形成的游丝、配置在游丝的内侧面上的第一电极、和配置在游丝的外侧面上的第二电极。电极连接到频率自动控制电路。然而，所提出的压电元件的一个缺点在于，在不使系统的设计明显复杂的情况下，无法以精确和最佳的方式利用元件的压电效应。

技术实现要素：

因此，本发明的一个目的是提供一种用于频率自动控制电路的压电元件，其可以简单地实现并且允许以精确和最佳的方式利用压电效应，以便精确地控制机械振荡系统的振荡频率，并且克服现有技术的上述缺点。

为此，本发明涉及一种用于频率自动控制电路的压电元件，其包括在独立权利要求1中提到的特征。

压电元件的具体实施方案在从属权利要求2至13中定义。

将压电晶体用于游丝使得可以以简单和经济的方式制造压电元件，同时维持良好的压电性能。此外，第一电极和第二电极以预定的角度周期分布在游丝上的具体布置允许电极收集通过机械应力产生的电荷的一部分，从而克服由于压电晶体的晶体取向的变化而引起的电荷极性的变化问题。这种电荷的极性变化在游丝中以周期性的角度分布发生。事实上，压电材料的晶体结构引起压电系数取决于水平面xy中的机械应力的取向。换而言之，取决于平面xy中的应力的方向，所产生的电荷可以是正的或负的，并且在石英的情况下它们的值介于零值与最大值之间，如例如图2中所示。作为根据本发明的压电元件的结果，各电极中的正、负电荷彼此抵消的问题得到解决。在本发明的范围内以非限制性的方式，压电晶体例如是单晶石英。

根据本发明的第一实施例，所述第一电极和第二电极配置在游丝的外圈的一部分上，所述一部分包括游丝的一端并且限定预定的角扇区。该第一实施例的一个优点在于制造压电元件、特别是其电极的简单性。

根据本发明的第二实施例，所述第一电极包括配置在压电材料带的第一侧面上的第一部分，和配置在压电材料带的与所述第一侧面不同的至少一个侧面上的第二部分；所述第二电极包括配置在压电材料带的第二侧面上的第一部分，和配置在压电材料带的与所述第二侧面不同的至少一个侧面上的第二部分。所述第一或第二电极的第一部分和第二部分分别在结合区域交替地连接。所述结合区域以预定的角度周期分布在游丝上。该第二实施例的一个优点在于使得能够最大化地收集所产生的电荷，并且因此最大化所收集的电能量。

有利地，压电元件包括在压电材料带的第一侧面中形成的第一沟槽和在压电材料带的第二侧面中形成的第二沟槽。第一电极至少部分地配置在第一沟槽中，并且第二电极至少部分地配置在第二沟槽中。这使得可以增强电极之间的电容耦合，并由此提高元件的压电性能。

为此，本发明还涉及一种包括用于频率自动控制电路的压电元件的机械振荡系统，其包括在权利要求14中提到的特征。

为此，本发明还涉及一种包括机械振荡系统和用于自动控制该机械振荡系统的振荡频率的电路的设备，其包括在权利要求15中提到的特征。

该设备的具体实施方案在权利要求15和16中定义。

该设备的具体实施方案在权利要求16和17中定义。

附图说明

用于频率自动控制电路的压电元件以及包括该元件的机械振荡系统和设备的目的、优点和特征将在以下参考通过附图示出的至少一个非限制性实施例的描述中更清楚地显现，在附图中：

图1示出了包括设置有根据本发明的压电元件的机械振荡系统和用于自动控制机械振荡系统的振荡频率的电路的设备的简化视图。

图2为取决于平面xy中的应力的取向，根据本发明的示例性实施例的压电元件的压电效应的幅度图。

图3示出了根据本发明的第一实施例的压电元件。

图4示出了图3的压电元件的游丝的外圈的一部分。

图5示出了根据本发明的第二实施例的压电元件的游丝的一部分，其中电极在游丝上处于第一交替布置。

图6示出了根据本发明的第二实施例的压电元件的游丝的一部分，其中电极在游丝上处于第二交替布置。

图7是沿着截平面vii-vii截取的图6的压电元件的截面图。

图8是沿着截平面viii-viii截取的图6的压电元件的截面图。

图9示出了根据示例性实施例的图1的自动控制电路的电子元件的简化框图，其中所述电路连接到机械振荡系统的压电元件。

具体实施方式

在以下描述中，谈到了用于频率自动控制电路、特别是用于自动控制机械振荡系统的振荡频率的电路的压电元件。频率自动控制电路的为所有本技术领域的本领域技术人员公知的电子元件将仅以简化方式进行描述。如以下描述的，自动控制电路主要用于控制压电元件的游丝被安装在其上的摆轮的振荡频率。然而，也可以设想其它机械振荡系统，但在以下描述中，将仅谈到形式为压电元件的游丝被安装在其上的摆轮的机械振荡系统。

图1示出了设备1，其包括机械振荡系统2、3和用于自动控制机械振荡系统的振荡频率fosc的电路10。在机械表中，机械振荡系统可以包括摆轮2，其由例如通过三个臂5连接到旋转摆轴6的金属环和包括游丝7的压电元件3形成。如图3至8所示，压电元件3还包括与频率自动控制电路10电连接的至少两个电极8a-8d。返回图1，游丝7的第一端7a由摆轮夹板(未示出)的游丝外桩4固定地保持。该摆轮夹板被固定在手表机芯的底板(未示出)上。游丝7的第二端7b被直接固定在摆轮2的旋转摆轴6上。

带有其游丝7的摆轮2的振荡经由能量源(未示出)维持，所述能量源可以是电气式的，但优选是机械式的。该机械能量源可以是发条盒，其通常驱动具有与擒纵叉配合的擒纵轮的齿轮系。该旋转的擒纵叉例如致动被固定在摆轮的旋转轴线附近的销。带有游丝的摆轮因此可以形成钟表机芯的调节部件。

游丝7借助于厚度通常小于0.25mm、例如为约0.1至0.2mm的压电材料带来实现。压电材料可以是压电晶体或pzt压电陶瓷。优选地，在图2至8的示例性实施例中，压电晶体可以是单晶体，通常为单晶石英。游丝7例如在z形切割单晶石英中加工而成，换而言之，所述z形切割单晶石英垂直于单晶石英棒的轴线z或光轴进行切割。如美国专利申请no2015/0061467a1(该专利申请通过引用结合于本文)中所述，具有由压电材料条制成的彼此间隔开的盘圈的游丝通过在氢氟酸浴中进行微加工获得。至少两个金属电极以下面将更详细地描述的布置被沉积在压电晶体带的至少两个侧面上。更具体而言，电极以预定的角度分布布置在游丝7的一部分或整个长度上。各电极例如为au/cr(金/铬)电极

图2表示取决于水平面xy中的应力的取向的、当元件3包括石英游丝7时的元件3的压电效应的幅度(振幅/幅值)。如该图所示，石英的晶体结构引起压电系数取决于平面xy中的机械应力的取向。换而言之，取决于平面xy中的应力的方向，由游丝7产生的电荷可以是正的或负的，并且它们的值介于零值与最大值之间。由于石英的晶体结构是三角形的，所以每隔60°重复电荷的最大值，并且每隔60°电荷的极性也发生变化。

现在将参考图3和图4描述本发明的第一实施例。根据该第一实施例，压电元件3包括两个电极8a、8b。这两个电极8a、8b配置在游丝7的外圈14的一部分12上。所述部分12包括游丝7的第一端7a并且限定预定的角扇区。在其中游丝7由石英条形成的优选示例中，所述预定的角扇区基本上等于60°。因此，参照图2，本发明的该第一实施例可以避免由于极性变化(该极性变化由石英游丝7的晶体取向变化引起)所导致的电荷的相互抵消。电极8a、8b收集通过机械应力产生/诱发的部分电荷，从而避免电荷的相互抵消。

优选地，如图4中所示，压电元件3可以包括在压电晶体带的上表面(标记为“上侧面”)中形成的至少一个沟槽16a。当卷绕/盘绕带有电极8a、8b的压电晶体带时，承载有电极8a的上侧面垂直于摆轮的旋转轴线，所述摆轮的旋转轴线平行于游丝的平面，而电极8b的内侧面面向摆轮的旋转轴线。所述两个电极中的第一电极8a配置在上侧面的沟槽16a中，而第二电极8b配置在所述内侧面上。

图5至8示出了本发明的第二实施例，其中类似于上述第一实施例的元件通过相同的附图标记标识并且因此不再进行描述。

根据图5中示出的第一变型实施例，两个电极中的第一电极8a包括配置在压电晶体带的外侧面上的第一部分18a，和配置在所述带的被标记为“上侧面”的侧面上的第二部分18b。第二电极8b包括配置在压电晶体带的内侧面上的第一部分20a，和配置在所述上侧面上的第二部分20b。虽然在图5中仅示出了游丝7的一部分，以及由此仅示出了各电极8a、8b的一个第一部分18a、20a和一个第二部分18b、20b，但是两个电极8a、8b在游丝7的整个长度上延伸。

第一电极8a的第一部分18a和第二部分18b在第一结合区域22中彼此交替地连接。第二电极8b的第一部分20a和第二部分20b在第二结合区域24中彼此交替地连接，所述第二结合区域24毗邻所述第一结合区域22。第一和第二结合区域22、24以预定的角度周期分布在游丝7上。第一和第二电极8a、8b的第二部分18b、20b在压电晶体带的上侧面上以相同的预定角度周期一个接一个连续且交替地延伸。在未示出的一个变型中，第一和第二电极8a、8b的第二部分18b、20b以同样的方式在压电晶体带的被标记为“下侧面”的一侧上延伸。在游丝7由石英带形成的优选示例性实施例中，所述预定的角度周期基本上等于60°。

在图6至8中示出的第二变型实施例中，除了第一和第二电极8a、8b之外，压电元件3还包括第三和第四电极8c、8d。如图6所示，极性与第一电极8a相同的第三电极8c在第一连接端子26中连接到第一电极8a。极性与第二电极8b相同的第四电极8d在第二连接端子28中连接到第二电极8b。第一和第二连接端子26、28各自连接到频率自动控制电路10。在图中未示出的一个具体示例性实施例中，第一和第二连接端子26、28配置在固定地保持游丝7的第一端7a的游丝外桩4上。

第一电极8a包括配置在压电晶体带的外侧面上的第一部分30a，和配置在所述带的与所述外侧面不同的每个侧面上的第二部分30b。第二电极8b包括配置在压电晶体带的上侧面上的第一部分32a，和配置在所述带的与所述上侧面不同的每个侧面上的第二部分32b。第三电极8c包括配置在压电晶体带的内侧面上的第一部分34a，和配置在所述带的与所述内侧面不同的每个侧面上的第二部分。第四电极8d包括配置在压电晶体带的下侧面上的第一部分36a，和配置在所述带的与所述下侧面不同的每个侧面上的第二部分。优选地，四个电极8a、8b、8c、8d在游丝7的整个长度上延伸，但在图6中仅示出游丝7的一部分。第三和第四电极8c、8d的第二部分因此在图6至8中不可见。

第一电极8a的第一部分30a和第二部分30b在第一结合区域38中彼此交替地连接。第二电极8b的第一部分32a和第二部分32b在第二结合区域40中彼此交替地连接。第三电极8c的第一部分34a和第二部分在第三结合区域42中彼此交替地连接。第四电极8d的第一部分36a和第二部分在第四结合区域44中彼此交替地连接。各个结合区域38-44以预定的角度周期分布在游丝7上。

如图7中所示，每个结合区域38-44跨越压电晶体带的两个相邻侧面延伸。因此，第一、第二、第三和第四电极8a、8b、8c、8d在压电晶体带的各个侧面上以相同的预定角度子周期一个接一个连续且交替地延伸。在游丝7由石英带形成的优选示例性实施例中，所述预定的角度子周期基本上等于60°。

参照图2，本发明的该第二实施例可以避免由于极性变化(该极性变化由石英游丝7的晶体取向变化引起)所导致的电荷的相互抵消。通过侧面上的电极的周期性变化，使得电极能够收集由机械应力产生的所有电荷，从而避免电荷的相互抵消。在包括机械振荡系统2、3的设备1中，收集由机械振荡系统2、3产生的所有电荷，从而使得被收集且提供给电路10的电能量最大化。

虽然在图5至8中未示出，但是根据该第二实施例的压电元件3有利地可以包括在压电晶体带的相对侧面(上侧面和下侧面)中形成的电极支承沟槽。

在带有游丝7的摆轮2振荡期间，压缩力或伸展力交替地施加至压电晶体带，其因此共同产生交流电压。带有游丝7的摆轮2的振荡频率通常可以处于3与10hz之间。自动控制电路10因此经由与其连接的电极接收该交流电压。自动控制电路可以直接或经由两根金属线连接到电极。

图9示出了用于控制机械振荡系统的振荡频率的自动控制电路10的示例性实施例的各种电子元件。可以设想频率自动控制电路的其它示例而不偏离本发明的范围。

自动控制电路10连接到压电元件3的两个电极或电极组。自动控制电路10能够借助于常规整流器51对从压电元件3接收的交流电压vp进行整流。交流电压vp的经整流的电压被储存在电容器cc两端。电容器cc的端子vdd和vss之间的这种经整流的电压可足以在不借助于诸如电池或能量转换单元(例如太阳能电池、热电发电机或其它元件)的附加电压源的情况下为自动控制电路的所有电子元件供电。

自动控制电路10包括例如连接到mems谐振器56的振荡器级55。具有mems谐振器的振荡器级的振荡电路提供振荡信号，该振荡信号可以具有低于500khz、例如为约200khz的频率。因此，振荡器级55优选地可以提供基准信号vr，其频率可以等于振荡器电路的振荡信号的频率。

为了控制机械振荡系统的振荡频率，必须在自动控制电路10中将交流电压vp与基准信号vr进行比较。为此目的，自动控制电路10包括用于将交流电压vp的频率与基准信号vr的频率进行比较的比较装置52、53、54、57。在基准信号频率与振荡器级55的振荡电路的频率、即约200khz的频率一致的情况下，比较装置必须设计成考虑交流电压vp与基准信号vr之间的大频率偏差。

比较装置首先由第一交替计数器52形成，第一交替计数器52接收压电元件的交流电压vp作为输入，并且将第一计数信号np提供给处理器处理单元57。比较装置还包括第二交替计数器54，其接收基准信号vr作为输入，并且向处理器处理单元57提供第二计数信号nr。

为了考虑交流电压vp与基准信号vr之间的频率偏差，还设置了测量窗口53，其配置在第一交替计数器52与第二交替计数器54之间。该测量窗口53确定第二交替计数器54的计数时间。处理器处理单元57向测量窗口53提供配置参数，以确定第二交替计数器的计数时间。这些配置参数存储在处理器处理单元的存储器(未示出)中。这些配置参数可以不同，取决于手表是女士手表还是男士手表。在处理器处理单元57中处理的不同操作可以通过例如由振荡器级55的振荡电路提供的时钟信号来控制。

第二交替计数器54的计数时间与第一计数信号np中由第一交替计数器52计数的某一确定的交替次数的计数时间成比例地适配。处理器处理单元57还可以控制第一交替计数器52以定义计数周期的开始和结束。然而，还可以设想第一交替计数器52向处理器处理单元57提供关于确定的计数交替次数的开始和结束的信息。例如，如果在第一交替计数器中进行200次交替的计数，则测量窗口53配置成使得第二交替计数器54在短大约5000倍的持续时间期间对基准信号vr的交替次数进行计数。该持续时间还可以取决于计数时间，例如，取决于第一交替计数器52的200次交替。这可以减少自动控制电路的电力消耗。

由测量窗口53控制的计数的开始可以由第一交替计数器52确定，但也可以优选地由处理器处理单元57直接控制。处理器处理单元57可以在第一时间区间中首先接收第一计数信号np，该第一计数信号np与交流电压vp的所计数的第一确定交替次数相关。该第一计数信号例如存储在处理器处理单元的寄存器中。此后，处理单元57可以在由测量窗口53控制的第二时间区间中接收第二计数信号nr，该第二计数信号nr与第二交替计数器54中的所计数的第二交替次数相关。该第二计数信号nr也可以存储在处理器处理单元的另一寄存器中。最后，在处理器处理单元57中进行两个计数信号的比较，以判断交流电压vp的频率是否相对于基准信号频率成比例地过高或过低。

基于处理器处理单元中在两个计数信号np和nr之间进行的比较，所述处理器处理单元控制频率适配单元58，其输出端连接到压电元件3的两个电极或电极组。该频率适配单元58可以设置成提供频率适配信号，该频率适配信号是连续信号va，其电平是由处理器处理单元传送的两个计数信号之差的函数。为此目的，可以设置可切换的电容器或电阻器阵列。可以经由电压跟随器从适配单元58向压电元件3的电极或电极组中的一者或压电元件的电极或电极组中的另一者提供连续电压值。因此，这允许在压电元件上产生一定的力，以便根据两个计数信号的比较来制动或加速机械振荡系统的振荡。

自动控制电路10还可以包括公知的温度补偿元件，以及用于在自动控制电路10的每次启动时复位的单元。自动控制电路的所有电子元件以及mems谐振器56和电容器cc构成例如同一紧凑电子模块的一部分。所有这些电子元件可以有利地集成在同一单片硅衬底中，这使得可以具有单个自供电电子模块以用于控制机械振荡系统的频率。

前面对根据本发明的压电元件的描述是参考由单晶石英条形成的游丝来进行的。然而，用作压电晶体的石英在本发明的范围内不受限制，并且还可以设想其它压电晶体用于形成游丝，例如，尽管该列表不是详尽的，但是可以设想托帕石(黄玉)、柏林石/块磷铝矿(berlinite)、铌酸锂、钽酸锂、磷酸镓、砷酸镓、硅酸铝、二氧化锗、单晶电气石，来自闪锌矿结构iii-v半导体群组的单晶体，或来自纤锌矿结构ii-vi半导体群组的单晶体。

因此，尽管上面给出的本发明的描述是参考引起60°的周期性角度分布的电荷极性的变化进行的，但是由于石英的晶体结构，也可以设想其它周期性角度分布而不偏离通过权利要求限定的本发明的范围，取决于用于形成游丝的不同类型的压电晶体。

如上文所述用于控制机械振荡系统的振荡频率的、根据本发明的压电元件的两个实施例还可以有利地用于测量该振荡频率、和/或用于系统相位校准、和/或用于收集能量。