配备有包括压电式游丝的振荡器的钟表机芯的制作方法

1.本发明涉及一种钟表机芯，该钟表机芯包括发条盒和模拟时间显示器，以及用于控制钟表机芯的运行的游丝-摆轮机构，该模拟时间显示器由发条盒经由齿轮系驱动。该游丝属于电极布置在两个侧表面上的压电式类型。本发明还涉及一种结合了这种钟表机芯和电能源的手表。


背景技术：

2.从专利us 9,721,169已知一种钟表机芯，该钟表机芯包括具有压电式游丝的游丝-摆轮类型的振荡器，该压电式游丝设有连接到可变电容的电极，以便能够改变游丝的刚度并因此调整其固有频率，以提高时间显示的精度。
3.专利申请ep 3 540 528和ep 3 629 103分别描述了一种用于调节游丝-摆轮机构的平均频率的方法，和一种使用连接到设有石英振荡器的电子控制单元的压电式游丝来同步游丝-摆轮机构的频率的方法。


技术实现要素：

4.本发明的目的是通过集成电子系统来改良机械型钟表机芯，从而可以提高其运行精度，但无需完全取消用于对钟表机芯的运行(特别是其模拟显示装置的驱动)进行计时的游丝-摆轮机构。此外，本发明提出以这样一种方式改良钟表机芯：即，即使在电子系统特别是由于缺乏可用电能而闲置时，钟表机芯也能保持运行。
5.本发明涉及一种钟表机芯，该钟表机芯包括模拟时间显示器、齿轮系、经由齿轮系与模拟时间显示器运动学地连接的发条盒、以及振荡器，该振荡器由包括摆轮和压电式游丝的谐振器以及将摆轮与齿轮系联接的机械擒纵机构形成，压电式游丝部分由压电材料形成并且包括至少两个电极，其中至少一个电极连接到电子控制电路，压电材料和所述至少一个电极被布置成能够在电子控制电路的管理下在压电式游丝上施加电应力。其次，钟表机芯构造成使得发条盒能够驱动模拟显示器并单独维持振荡器以第一振幅进行功能性振荡，该第一振幅尤其取决于钟表机芯的空间取向。此外，电子控制电路被布置成能够连接到电能源并且能够控制对所述至少一个电极施加电压，以便产生用于振荡器的驱动电脉冲，该驱动电脉冲为振荡器提供充足的能量，以便对于钟表机芯的每种空间取向该振荡器都能够以第二振幅进行功能性振荡，该第二振幅大于针对该空间取向的第一振幅的最大标称值。
6.根据一个优选实施例，电子控制电路被布置成以这样的方式控制电压的所述施加：即，对于钟表机芯的任何空间取向和发条盒的任何上条水平，都保持第二振幅基本恒定。为此，在一个特定的可选实施例中，电子控制电路包括用于检测压电式游丝中感应的电压的幅值的电路和用以将该幅值保持在给定设定值的反馈环路，从而可以调节谐振器的振荡振幅。
7.在一个有利的可选实施例中，对于钟表机芯的任何空间取向，所述最大标称值都
小于或等于300
°
，并且对于钟表机芯的任何空间取向和发条盒的任何上条水平，所述第二振幅都大于300
°
。
8.本发明还涉及一种集成了能量源的手表，该能量源由发电机形成，该发电机被布置成能够收集外部能量并将其转化为电能，从而能够为电子控制电路和压电式游丝供电。
9.由于本发明的特征，可以提高包含根据本发明的机芯的手表的精度，这特别是由于摆轮振荡的大的振幅，该大的振幅可通过经由压电式游丝提供给电子机械振荡器的驱动电脉冲来维持。因此，该优选实施例首先可以补偿由发条盒提供的力矩的减小，从而对于钟表机芯或包含钟表机芯的手表的每种空间取向都保持振荡维持功率基本恒定。因此，在该优选实施例中，消除了传统机械机芯中由于发条盒提供的力矩随时间的变化而通常涉及的振荡器的频率变化。此外，该优选实施例可以消除针对钟表机芯或包含钟表机芯的手表的不同空间位置的振幅差异。最后，该优选实施例可以防止传统机械机芯中由于其它原因——即，油的老化、齿轮系中的硬点或例如当从一天切换到下一天时瞬间增加的力矩需求等——而容易出现的钟表机芯的运行变化。因此，本发明可以有效解决机械钟表机芯中容易出现的会导致失去等时性的各种问题，失去等时性会导致当前时间显示中的时间漂移。
附图说明
10.在下文中将使用作为非限制性示例给出的附图更详细地描述本发明，在附图中：
[0011]-图1是根据本发明的钟表机芯的一个实施例(不具有为了给发条盒上条而设置的振荡质量块)的透视图；
[0012]-图2是图1中的钟表机芯的底视图，其中摆轮桥夹板和分度组件(index-assembly)已被移除；
[0013]-图3是图1的钟表机芯的实施例中形成电子机械振荡器的谐振器的放大示意图；
[0014]-图4是形成图3中的谐振器的压电式游丝的横截面图；
[0015]-图5示意性示出了包含根据本发明的钟表机芯的根据本发明的手表，该手表在此被表示为处于第一主操作状态；
[0016]-图6表示处于第二主操作状态的图5中的手表；以及
[0017]-图7是结合在本发明的该优选实施例中的电子机械振荡器的电子控制电路的示意性图示。
具体实施方式
[0018]
参考附图，将描述根据本发明的钟表机芯的各种实施例，以及根据本发明的手表的总体布置。
[0019]
钟表机芯2包括模拟时间显示器4、齿轮系6、经由该齿轮系驱动模拟显示器的发条盒8、以及电子机械振荡器10，该电子机械振荡器10由包括摆轮14和压电式游丝16的谐振器12以及将摆轮与齿轮系联接的机械擒纵机构18形成。该钟表机芯配备有用于给发条盒上条的振荡质量块24(图1和2中未示出，但是在图5和6中示出)。摆轮在摆轮桥夹板26中枢转，该桥夹板承载用于设置谐振器12的振荡频率的分度组件28，这是机械钟表机芯的标准配置。
[0020]
总体而言，压电式游丝至少部分地由压电材料形成并且包括至少两个电极，其中
至少一个电极连接到电子控制电路20。在图3中示出了谐振器12和电子控制电路20，压电式游丝16的两个外部电极68和69通过电连接件21a和21b连接到该电子控制电路20。压电式游丝16的横截面图在图4中以非限制性方式示出。该游丝包括由硅制成的中心体60、沉积在中心体表面上以对游丝进行热补偿的氧化硅涂层62、沉积在氧化硅涂层上的第一导电涂层64、以及以压电涂层66的形式沉积在第一导电涂层64上的压电材料。在一个特定的可选实施例中，压电涂层由氮化铝晶体组成，该氮化铝晶体是通过从第一导电涂层并垂直于第一导电涂层生长该晶体而形成的。由压电涂层上的第二部分导电涂层形成的两个外部电极68和69分别布置在游丝的两个侧面上，并连接到电子控制电路20的两个相应端子70和71。因此，压电层66包括第一部分74a和第二部分74b，它们分别在中心体60的两个侧面上延伸，并且由于它们从第一导电涂层64的生长而具有相对于与这两个侧面平行的中间平面76对称的相应晶体结构。因此，在两个侧向部分74a和74b中，压电涂层66具有垂直于该压电涂层并且方向相反的两个相应压电轴线78a和78b。
[0021]
对于施加在压电式游丝16上的相同总机械应力(游丝相对于其空闲位置收缩或伸展)，在由第一导电涂层形成的内部电极64与两个外部侧向电极68和69中的每一个之间发生感应电压的符号反转，这是因为当游丝从其空闲位置收缩或伸展时，第一和第二侧向部分74a和74b中的机械应力是相反的，也就是说，这两个部分中的一个部分发生压缩，而这些部分中的另一部分发生伸长/牵引，或者相反。
[0022]
由上述考虑可知，压电涂层的第一和第二部分74a、74b中的局部感应电压沿着垂直于两个侧面的几何轴线具有相同的极性，因此单个公共内部电极64就足够了，该公共内部电极在中心体60的两个侧面上延伸。因此可以获得两个外部电极68和69之间的感应电压，这对应于分别在压电涂层66的第一和第二部分74a和74b中产生的两个局部感应电压(绝对值)的相加。基于这些考虑，还可以在两个电极68和69之间施加一定的电压，以在激励谐振器12期间主动约束游丝，特别是为它提供驱动脉冲。应当注意，由第一导电涂层64形成的内部电极不需要其自身与电子控制电路20或与钟表机芯的质量块的电连接，尽管不排除这一点。
[0023]
在本发明的范围内，压电材料66和两个电极68和69布置成能够在电子控制电路20的控制下在压电式游丝上施加电应力，从而为谐振器12提供驱动脉冲，该驱动脉冲至少部分有助于维持该谐振器优选地以基本恒定的振幅进行功能性振荡。为此，电子控制电路20布置成能够连接到电能源30并且能够控制在外部电极68和69之间施加电压，从而产生用于谐振器12的驱动脉冲。总体而言，根据本发明，电子控制电路布置成能够管理对两个外部电极68和69中的至少一个电极施加电压，以便经由通过所施加的电压约束的压电式游丝产生用于电子机械振荡器10的驱动脉冲，从而向该振荡器提供足够的电能，使得在没有电来源的驱动脉冲的情况下，对于钟表机芯的每种空间取向，该谐振器12都可具有振幅大于该谐振器的功能性振荡的振幅的最大标称值的功能性振荡。
[0024]
特别地，规定向电子机械振荡器10提供驱动电脉冲，即能量脉冲，这使得可以维持谐振器12的功能性振荡，或者有助于维持这种功能性振荡。这些驱动脉冲的频率尤其取决于其持续时间及其电压。特别地，此类驱动脉冲可以设计成使得它们在谐振器的每个半周期(alternation)期间出现一次或在谐振器的每个振荡周期出现一次。
[0025]
图5和6示意性示出了根据本发明的手表22，该手表22包括根据本发明的钟表机
芯。已经描述的钟表机芯的零件在此不再详细描述。手表22包括电能源30，该电能源30由布置成产生电力的发电机形成，从而能够为电子控制电路20和压电式游丝供电。在所示的可选实施例中，发电机经由用于管理提供给电子控制电路20和电子机械振荡器10的电力的电路连接到存储单元，特别是可充电电池或超级电容器。特别地，应当注意的是，为压电式游丝供电所需的电压在10v与40v之间的电压范围内。这样的电压显著高于手表中通常包含的电池电压，也显著高于由钟表型太阳能电池提供的电压。因此，电力管理电路布置成能够增加存储单元中累积的电压或由发电机直接提供的电压。为此，它包括升压器，例如增压泵。
[0026]
可以提供各种类型的发电机，尤其是布置在手表的表盘或手表的表圈处的至少一个太阳能电池。在另一实施例中，设置了热电堆，该热电堆接收来自使用者手臂的热能作为手表的外部能量。该热电堆因此布置成能够将使用者的身体热量转化成电能。此可选实施例是特别有利的，因为当手表被佩戴并因此经历其空间取向的变化时，它使得可以激活电子机械振荡器的电能供给，从而根据本发明增大其振荡振幅并能够提高其精度，如下文更详细描述的。当手表未被佩戴且电源未激活时，可以将该手表保持在稳定位置，使得电子机械振荡器的振荡振幅和因此其频率不再受到手表取向变化的干扰。另一方面，当手表被佩戴时，也就是说当传统机械机芯的振幅和因此其频率根据手表的空间取向而变化时，电源激活并且电子控制电路工作。在这种情况下，本发明通常可以改善手表的运行，并且在下文将更详细描述的一个优选实施例中，对于任何空间取向和发条盒的任何上条水平都保持电子机械振荡器的振荡振幅恒定，其足以驱动模拟显示装置。最后，应当注意的是，在另一实施例中，根据本发明的手表不包括使其自主化的发电机，而是包括单电池形式的电池。
[0027]
在图5中，示出了在手表22、特别是结合在其中的钟表机芯2的操作期间提供的第一主状态。在该第一主操作状态下，电能源30不包括足够的储存电能或没有从发电机接收足够的电能来正确地为压电式游丝供电，使得电子控制电路20不产生驱动电脉冲。在该第一状态下，钟表机芯2因此像传统机械机芯那样表现。擒纵机构18是标准擒纵机构，其不仅执行计数，而且布置成使得发条盒能够经由齿轮系向谐振器12提供机械维持脉冲以获得其功能性振荡。该钟表机芯因此构造成使得发条盒能够驱动手表22的模拟显示器4，并且单独维持振荡器以第一振幅进行功能性振荡，该第一振幅尤其取决于钟表机芯的空间取向。
[0028]
在第一主操作状态下，谐振器的振荡频率因此将根据钟表机芯的空间取向并且一般而言还根据发条盒的上条水平而变化。已知当发条盒提供的力矩减小时，谐振器的振荡振幅在动力储备的最后三分之一中也显著减小。振幅的减小通常会引起振荡频率的降低，从而影响运行精度。此外，振幅根据钟表机芯的(更具体而言谐振器的)取向而变化，使得该第一状态因此不是理想的，但在本发明的范围内是有用的，本发明的目的尤其是在没有足够的电力供应的情况下保持钟表机芯工作。该第一状态特别设置用于以下情形：其中，所讨论的手表没有被佩戴并且有利地被保留在方便的给定位置。谐振器的频率变化因此受到限制，因为不会发生由于该谐振器的取向变化而引起的振幅变化。
[0029]
在图6中，示出了在手表22、特别是钟表机芯2的操作期间提供的第二主状态。在该第二主操作状态下，电能源30包括足够的存储电能或从发电机接收足够的电能以正确地为压电式游丝供电，使得电子控制电路20从而产生驱动电脉冲。因此，电子控制电路通过向相应端子70、71(参见图4和7)中的至少一个端子施加电压，来管理对压电式游丝的两个电极68、69中的至少一个电极施加电压，以便为振荡器10产生驱动脉冲，该驱动脉冲为振荡器10
提供足够的能量，以便针对钟表机芯的每种空间取向使振荡器能够以第二振幅进行功能性振荡，该第二振幅大于针对该空间取向在上文提到并且在第一主状态下发生的第一振幅的最大标称值。
[0030]
在第一可选实施例中，对于钟表机芯、特别是其谐振器12的任何空间取向，第一振幅的最大标称值都小于或等于300
°
，并且对于钟表机芯的任何空间取向和发条盒的任何上条水平，第二振幅都大于300
°
。
[0031]
在第二可选实施例中，对于钟表机芯、特别是谐振器12的任何空间取向，第一振幅的最大标称值都在240
°
与300
°
之间，并且对于钟表机芯的任何空间取向和发条盒的任何上条水平，第二振幅都在305
°
与300
°
之间。
[0032]
特别是如上所述当手表由使用者佩戴时，通过以电力手段增大谐振器10的振幅，其总能量增加，因此其承受特别是由于突然运动引起的加速度的能力增加，而无需增加机械能消耗。由此提高了时间显示的精度。特别地，如果在所讨论的手表被佩戴时确保了第二主操作状态，则本发明可以提供比传统机械机芯更大的、在发条盒与擒纵轮之间的传动比，从而增加动力储备，同时优选地针对该手表的以及因此钟表机芯的任何空间取向，但至少针对给定取向，至少在稳定情况期间且特别是在没有加速度的情况下，例如当手表未被佩戴时，确保振荡器10的功能性振荡。
[0033]
根据机械擒纵机构的构型、发条盒的上条水平和提供给电子机械振荡器10的电力，在上述的手表22的第二主状态中可发生两种可选操作。在第一可选方案中，特别是由于齿轮系(包括擒纵轮)的惯性，基本上或完全地通过对压电式游丝的供电、特别是通过驱动电脉冲，来执行对谐振器12的维持以及机械擒纵机构的擒纵叉组件的交替运动。在这种情况下，谐振器12的摆轮对擒纵叉组件的驱动速度太高，以至于在擒纵叉组件解锁后的擒纵轮的每次步进期间，擒纵轮不能向该擒纵叉组件提供显著的力矩。在第二可选方案中，由发条盒8和电能源30共同执行对谐振器的维持和擒纵叉组件的交替运动。可以设想，当第二主状态被激活时，根据本发明的手表在其操作时仅具有这两个可选方案中的一者或另一者。然而，在根据本发明的另一种手表中，第一可选操作和第二可选操作发生在不同时间，特别是根据发条盒的上条水平以及任选地该另一种手表、特别是其谐振器的空间取向。
[0034]
参考图7，下面将描述本发明的一个优选实施例，其中电子控制电路20布置成能够控制对压电式游丝施加电压，以便在钟表机芯的第二主操作状态下，特别是对于钟表机芯的任何空间取向和发条盒的任何上条水平，都保持谐振器12/振荡器14的振幅基本恒定。
[0035]
在此优选实施例中，电子控制电路20包括峰值电压检测器46和调节电路20a，峰值电压检测器46布置成能够基本上检测当谐振器12振荡时在压电式游丝16中感应的电压的幅值，调节电路20a从峰值电压检测器接收与感应电压的幅值相关的信号sa，并且布置成根据由峰值电压检测器提供的信号sa的设定点值sc来管理通过锁相环路20b供应给压电式游丝的供电电压va，以便获得谐振器的具有基本恒定振幅的振荡。设定点值sc对应于为谐振器12的振荡提供的设定点幅值。调节电路20a包括本领域技术人员所熟知的并行布置的处理部p、i、d，其分别根据设定点值sc与幅值信号sa的值之间的差值随时间的积分和导数通过正比例响应来处理该差值。调节电路还接收基准电压vr，该基准电压vr根据由电路20a执行的调节而被调整。最后，为了将压电式游丝与峰值电压检测器和调节电路隔离并避免干扰其供电，在峰值电压检测器的上游设置有缓冲元件44(高输入阻抗晶体管)。
[0036]
在一个主要的可选实施例中，锁相环路20b根据特别是供应给端子71的感应电压信号的相位伺服控制周期性供电信号的相位，使得供电电压在压电式游丝的移动方向上约束压电式游丝，根据当前的半周期，所述移动要么是收缩，要么是伸展。例如，电路20b检测感应电压特别是在端子71处的过零。因此，对于要成为驱动脉冲的脉冲，选择供电电压的极性以便在压电式游丝的移动方向上约束压电式游丝，在谐振器的振荡的各个半周期期间，所述移动交替地为伸展和收缩。
[0037]
在一个特定实施例中，石英振荡器与电子控制电路20相关联。该石英振荡器可用于各种需求。特别地，供电电压va的管理可包括根据幅值信号sa和设定点值sc、特别是它们的差值来以可变循环比/占空比(cycle ratio)调制驱动脉冲。在此特定实施例的一个有利可选实施例中，驱动电脉冲以振荡器10/谐振器12的设定点频率fc触发，该设定点频率由石英振荡器非常精确地确定。如果供电信号的频率fs与谐振器的谐振频率(即，其固有频率fn)相差不太远，则对压电式游丝的这种供电可以将设定点频率施加在部分或完全由驱动电脉冲维持的谐振器12上，使得电子机械振荡器10将能够以设定点频率振荡，其具有石英的精度，并且振幅大于第一主操作状态中的相应振幅，特别是大于给定的极限值，而无论钟表机芯的空间取向如何。石英振荡器——更一般而言，电子振荡器——在该系统中是主振荡器，而电子机械振荡器是从属振荡器。通过生成提供给电子机械振荡器的驱动电脉冲，电子机械振荡器间接地从属于电子振荡器，所述驱动电脉冲的触发由电子振荡器控制/确定。一般而言，为了能够经由驱动电脉冲将设定点频率施加在电子机械振荡器上，以设定点频率fc、以该设定点频率的谐波(例如设定点频率的两倍(fs＝2
·
fc))或以较低频率fs＝2
·
fc/n(其中n等于大于2的整数(n》2))提供驱动电脉冲。该数n必须足够小，特别是根据电子机械振荡器的固有频率fn的可能值的范围来提供，以及根据要提供给该电子机械振荡器以获得有利地维持在预定极限值之上的增大的振幅的电能的量来提供。
[0038]
可以容易地实施上述有利的可选实施例，以获得钟表机芯以及因此包含它的手表在第二主操作状态下的运行精度的增益，而实际上不增加与部分或完全维持相对宽幅振荡相关的电力消耗。应当注意的是，在此有利的可选实施例中，供电电路不必包括用于控制驱动脉冲的锁相环路；这简化了其设计。然而，在由发条盒(经由机械擒纵机构)和由电子控制电路经由施加到压电式游丝的电脉冲共同维持电子机械振荡器的情况下，对于电子机械振荡器的相位的周期性检测，特别是对于压电式游丝中的感应电压的过零的周期性检测(其通过用于检测这种过零的电路实现)，可以证明是有用的，其能够有效地管理至少一个初始操作周期，特别是通过在周期性电脉冲的频率和相位被施加在电子机械振荡器上的同步阶段之前减少该初始操作周期的持续时间，使得驱动脉冲基本上出现在谐振器通过其空闲位置时。总体而言，在该有利的可选实施例中，电子控制电路因此与石英振荡器相关联并且布置成产生具有特定供电频率的驱动电脉冲，该特定供电频率由石英振荡器确定并且取决于电子机械振荡器的设定点频率，电子机械振荡器被配置为使得对于钟表机芯的任何空间取向和发条盒的任何上条水平，其固有振荡频率都保持在足够接近设定点频率的值范围内，以使得至少在初始操作周期之后并且在没有过度干扰的情况下，驱动电脉冲能够将设定点频率fc施加在电子机械振荡器10上，该电子机械振荡器具有以优选恒定的上述第二振幅的功能性振荡。
[0039]
通过将上述有利的可选实施例与上述电子控制电路20的优选实施例相结合，在第
二主操作状态下获得了对电子机械振荡器的振荡频率的一种双重调节，即第一振幅调节，其不论钟表机芯的空间取向如何都倾向于保持振幅恒定，从而减少与钟表机芯的空间取向相关的谐振器的固有频率的变化，使得只要正确执行了初始设置，则对于任何可能的空间取向，该固有频率都保持接近于设定点频率fc，以及通过以上面定义的供电频率fs——优选地fs＝2
·
fc/n，其中n等于不为零的整数——或更一般地以驱动电脉冲之间的时间间隔产生驱动电脉冲而获得的第二调节，该时间间隔的值d
t
等于整数n乘以设定点周期tc的一半(tc＝1/fc)，或数学关系式d
t
＝n
·
tc/2，其中n大于零。数n可以是可变的，其在可以将设定点频率fc施加在电子机械振荡器上的值范围内选择，该值范围取决于振荡器的可能固有频率的范围，由于上面提到的第一调节，该可能固有频率的范围保持足够接近设定点频率。
[0040]
因此，由于不论钟表机芯的取向如何第一振幅调节都可以使电子机械振荡器的固有频率fn与设定点频率fc之间的最大偏差最小化，以相对大的功能性振幅确保了通过由石英振荡器确定的周期性供电信号、特别是处于设定点频率fc的驱动电脉冲进行的第二调节，前提是数n不是太大。因此，在第二主操作状态下，对于钟表机芯的任何空间取向和发条盒的任何上条水平，钟表机芯的运行精度都等于石英振荡器的运行精度。
[0041]
在另一实施方案中，该特定实施例的有利可选实施例可以不与电子控制电路的优选实施例相结合，从而不提供振幅调节，并且至少在初始操作阶段之后通过以上面定义的供电频率fs产生驱动电脉冲来施加电子机械振荡器的频率。在这种情况下，为了使驱动电脉冲的频率能够将设定点频率fc施加在电子机械振荡器上，这些驱动电脉冲优选被设计成使得其频率对应于小的数n，例如n＝1或n＝2。注意，偶数n是优选的，因为这样供电电压可以保持相同的极性。在一个简化的可选实施例中，供电电路不包括用于检测感应电压过零的电路。