CN103092057B - 自动调节振荡机械系统的振荡频率的电路与包括该电路的设备 - Google Patents
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Abstract
自动调节电路（10）调节振荡机械系统的振荡频率，所述振荡机械系统例如为具有游丝的摆轮。压电元件（23）被安装在振荡游丝上以产生交变电压（VP），并且被连接到自动调节电路，该自动调节电路对交变电压进行整流并且调节交变电压频率。把所整流的电压存储在电容器（Cc）中以向自动调节电路供电。自动调节电路包括振荡器阶（15），其连接到MEMS共振器（16）以提供参照信号（VR）；用于比较交变电压的频率和参照信号频率的装置；以及频率适配单元（18），用于根据比较装置的结果向压电元件提供频率适配信号（VA）以调节摆轮的振荡频率。自动调节电路的电子部件形成单个电子模块。还涉及包括该自动调节电路的设备。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于自动调节振荡机械系统的振荡频率的电路。
本发明还涉及一种包含振荡机械系统以及用于自动调节振荡机械系统的振荡频率的电路的设备。
背景技术
在钟表制造领域，振荡机械系统可以是一种把游丝安装在其上的摆轮，该游丝的一端固定到旋转摆轴，而该游丝的另一端固定到底盘的固定元件。该机械系统的振荡经由为通常机械的能源来维持。例如，这一能源可以为驱动齿轮系的发条盒，所述齿轮系具有与棘爪控制杆协同操作的擒纵轮。例如，这一旋转棘爪控制杆启动固定在旋转摆轴附近的销。因此，具有游丝的摆轮可以形成钟表机芯的调节部件。这一振荡调节部件确定了齿轮系的驱动速度，其中，所述擒纵轮通向时间指针。
为了精确地调节振荡机械系统的振荡频率，可以适配游丝的长度，或者向摆轮的外圆形部分添加重量或者从该外圆形部分去除重量。然而在手表的情况下，所有这些附加的调节元件占据了表壳内相当大的空间，并且导致相对长的制造时间和高的成本。因此这构成了缺陷。
在机械或者电动机械表中，已知调节连接到螺旋形弹簧发条盒的发电机的旋转速度，以经由齿轮系机械地驱动表的指针。发电机生成交变电压，通过电子调节电路的整流器对这一交变电压进行整流。这一调节电路的功能旨在控制所述发电机的旋转速度，从而能够依据正确的当前时间指示来移动时间指针。调节电路的晶体管可以按确定的时间周期对发电机进行短路，以制动发电机并由此调节旋转速度。在这一方面，可以参见EP专利申请0762243A1或者0822470A1，这两个专利申请公开了配有这种类型的调节电路的表。
以上所提到的发电机包括旋转永久磁铁和与磁铁相对的线圈，从而能够提供感应的交变电压。制造这种类型的发电机和调节电路可能是复杂的。设计具有所述调节电路的所述发电机通常需要提供大量的元件。而且，旋转磁铁的磁场可能导致对某些附近铁磁零件的干扰。因此这构成了若干缺陷。
取代由生成感应交变电压的旋转永久磁铁和线圈形成的发电机，FR专利2119482已经建议提供具有压电元件的振荡机械系统。优选把这一压电元件设置在连接到摆轮的游丝上。为了实现这一点，把压电材料（PZT）的薄膜淀积在所述游丝的大部分长度上，以及所述金属游丝的内表面和外表面上。电压转换器向压电元件提供交变电压，以交替地生成对游丝的压缩力和扩张力，从而调节连接到游丝的摆轮的振荡。然而，在这一专利文献中，没有提到使用自动调节电路调节具有游丝的摆轮的振荡频率，这是一个缺点。
从JP专利申请2002-228774已知作为交变电压发电机，对与压电游丝相组合的摆轮的振荡频率进行调节。在包含电子调节电路所控制的至少两个二极管和FET晶体管的整流器中对交变电压进行整流。把所整流的电压至少存储在供给电压存储电容器中。可以通过来自发电机的交变电压直接向电子电路提供电力，所述交变电压已经被整流和存储在电容器中。压电发电机为双金属型（PZT）。为了对振荡频率进行调节，把具有石英振荡器电路所提供的参照频率的信号与来自发电机的交变信号进行比较。使用所建议的电子电路，不能够以容易实现的方式设计具有调节电路的十分紧凑的振荡机械系统，这构成了一个缺陷。
发明内容
因此，本发明的目的旨在提供一种具有有限个部件的紧凑的自动调节电路，以精确地调节振荡机械系统的振荡频率，并且克服现有技术的上述缺陷。
因此，本发明涉及一种包括独立权利要求1中所提到的特性的用于自动调节振荡机械系统的振荡频率的电路。
在从属权利要求2~10中定义了该自动调节电路的具体的实施例。
根据本发明的这一自动调节电路的一个优点是，能够按单个电子模块的形式制造该自动调节电路，可以直接或者经由两条电线将所述单个电子模块连接到设置在振荡机械系统上的压电元件或者电活化聚合体元件。这一振荡机械系统优选可以为把游丝设置在其上的摆轮，该游丝包括压电或者电活化聚合体元件。
有利的做法是，自动调节电路包括连接到MEMS共振器的振荡器阶，可以将该MEMS共振器放置在或者制造在集成了所述自动调节电路的其它部件的同一衬底之上、之旁或者之中。在这一方式下，具有所有这些部件的自动调节电路形成了单个紧凑部件。这明显减小了具有振荡频率自动调节电路的振荡机械系统的维度，因此能够有利地将该振荡机械系统安装在机械手表中。
有利的做法是，自动调节电路能够在压电或者电活化聚合体元件上施加自适应电压，以连续地或者按确定的时间周期生成压缩或者扩张力。这允许对振荡机械系统的振荡频率进行调节。为此，在经由振荡器阶所生成的参照信号的频率和由压电元件或者电活化聚合体元件所生成的交变电压的频率之间进行比较。
因此，本发明也涉及一种包括所述振荡机械系统和所述用于自动调节振荡机械系统的振荡频率的电路的设备，该设备包括独立权利要求11中所提到的特性。
在从属权利要求12~15中定义了所述设备的具体的实施例。
附图说明
在以下参照由附图所图解的至少一个非限制性实施例所进行的描述中，振荡机械系统的振荡频率自动调节电路与包括这一电路的设备的目的、优点以及特性将变得更为清楚，其中，
图1示出包括振荡机械系统和根据本发明的用于振荡机械系统的振荡频率自动调节电路的设备的简化图，
图2示出包括根据本发明的设备的压电或者电活化聚合体元件的振荡机械系统的游丝的一部分，以及
图3示出根据本发明的连接到振荡机械系统的压电元件或者电活化聚合体元件的自动调节电路的电子部件的简化结构图。
具体实施方式
在以下的描述中，仅以简化的方式描述振荡机械系统的振荡频率自动调节电路的这一技术领域中本领域技术人员所熟悉的所有电子部件。如以下所描述的，自动调节电路主要用于调节把具有压电或者电活化聚合体元件的游丝安装在其上的摆轮的振荡频率。然而，也可以考虑其它振荡机械系统，例如，诸如音叉的声学系统，但在以下的描述中，将仅参照呈具有游丝的摆轮形式的振荡机械系统，所述游丝包含压电元件或者电活化聚合体（EAP）元件。
图1示出包括振荡机械系统2，3以及自动调节振荡机械系统的振荡频率fosc的电路10的设备1。在机械表中，振荡机械系统可以包括由例如通过3个支臂5连接到旋转轴6的金属环形成的摆轮2、以及以下将简要解释的在其上设置压电元件或者电活化聚合体元件的游丝3。摆轮杆（未在图中加以显示）的摆轮销4牢固地保持游丝3的第一端3a。把所述摆轮杆固定到表机芯的底盘（未在图中加以显示）。把游丝3的第二端3b直接固定到旋转摆轴6。
经由能源（未在图中加以显示）维持具有游丝3的摆轮2的振荡，能源可以为电的，但优选为机械的。这一机械能源可以为发条盒，其常规地驱动具有与棘爪控制杆协同操作的擒纵轮的齿轮系。例如，这一旋转棘爪控制杆启动固定在旋转摆轴附近的销。因此，具有游丝的摆轮可以形成钟表机芯的调节部件。
如图2中部分地所示，按已知的方式，使用通常小于0.3mm（例如，大约0.025~0.045mm）粗的金属丝或者金属条制造游丝3。在使用互相间隔的线圈、按螺旋形状优选热缠绕金属条24之前，把至少一个压电或者电活化聚合体层23淀积在金属条24的表面之一上。例如，这一压电层可以由优选小于0.1mm厚的氧化钛形成。
也可以把第一压电或者电活化聚合体层23淀积在被指定为外表面的一个表面上，而把第二压电或者电活化聚合体层23′淀积在被指定为内表面的另一个面上。当缠绕具有压电或者电活化聚合体层23，23′的金属条时，内表面为与旋转摆轴相对的表面，而外表面与内表面相对。
优选的做法是，沿金属条24的整个长度淀积压电或者电活化聚合体层23，23′，但也可以考虑只对金属条的一部分涂敷一个或者若干压电或者电活化聚合体层。也可以考虑完全使用压电材料或者电活化聚合体材料制造金属条，例如具有圆形或者矩形横断面。
当摆轮2随着游丝3振荡时，把压缩力或者扩张力交替地施加于压电或者电活化聚合体层，从而产生交变电压。具有游丝3的摆轮2的振荡频率可以在3和10Hz之间。因此，自动调节电路10电连接到两个压电或者电活化聚合体层，以接收这一交变电压。自动调节电路可以直接或者经由两条金属丝连接到压电或者电活化聚合体层的两端。
图3示出用于调节振荡机械系统的振荡频率的自动调节电路10的各种电子元件。自动调节电路10连接到放置在诸如摆轮的振荡机械系统的游丝上的压电或者电活化聚合体元件23的两端。自动调节电路10能够经由常规的整流器11对从压电或者电活化聚合体元件23所接收的交变电压VP进行整流。把交变电压VP的所整流的电压存储在电容器Cc中。电容器Cc的端部VDD和VSS之间的这一整流的电压足以向自动调节电路的所有电子元件提供电力，而无需使用诸如电池的额外的电压源。
自动调节电路10包括连接到MEMS共振器16的振荡器阶15。振荡器阶与MEMS共振器的振荡电路提供振荡信号，所述振荡信号可以具有低于500kHz的频率，例如大约200kHz。因此，优选振荡器阶15可以提供参照信号VR，参照信号VR的频率可以等于来自振荡器电路的振荡信号的频率。
也可以考虑包括至少一个用于分割振荡信号频率的分频器的振荡器阶，以按相对振荡信号频率分割的频率提供参照信号VR。在这样的情况下，参照信号VR的频率可以处于与压电或者电活化聚合体元件所生成的交变电压频率VP相同的量级。
可以在厚的、SOI类型的单片硅衬底中制造MEMS共振器。也可以使用相同的衬底集成自动调节电路10的所有其它部件。为了实现这一点，可以在厚SOI衬底上淀积另一个薄SOI层，以集成其它电子部件。因此，自动调节电路可以形成用于调节振荡机械系统的振荡频率的单个紧凑的电子模块。也可以按常规的方式把所制造的自动调节电路封装在不透明的塑料材料中。这减少了与其它外部元件的互连，并且也降低了电能的消耗。
应该加以注意的是，也可以考虑在第一单片硅衬底中制造MEMS共振器。可以把MEMS共振器放置在集成了自动调节电路的其它部件的第二硅单片衬底之上或者之旁。把两个衬底封装在常规的不透明的塑料材料中，以形成单个紧凑模块。
为了能够调节振荡机械系统的振荡频率，必须在自动调节电路10中对交变电压VP和参照信号VR之间进行比较。为了实现这一点，自动调节电路10包括用于把交变电压VP的频率与参照信号VR的频率进行比较的比较装置12，13，14，17。如果参照信号频率与来自振荡器阶15的振荡信号频率相匹配，即为200kHz量级的频率，则必须把比较装置设计为考虑交变电压VP和参照信号VR之间的相当大的频率间隙。
首先，由第一交变计数器12形成比较装置，第一交变计数器12在输入端接收来自压电或者电活化聚合体元件的交变电压VP，并且向处理器单元17提供第一计数信号NP。比较装置还包括第二交变计数器14，第二交变计数器14在输入端接收参照信号VR，并且向处理器单元17提供第二计数信号NR。
为了考虑交变电压VP和参照信号VR之间的频率间隙，在第一交变计数器12和第二交变计数器14之间设置测量窗口13。所述测量窗口13确定第二交变计数器14的计数时间。处理器单元17向测量窗口13提供配置参数以确定第二交变计数器的计数时间。把这些配置参数存储在处理器单元中的存储器（未在图中加以显示）中。这些配置参数可以取决于是女士表还是男士表而不同。处理器单元17中所处理的各种操作可以由例如振荡器阶15的振荡器电路所提供的时钟信号加以控制。
第二交变计数器14的计数时间成比例地适应于在第一计数信号NP中由第一交变计数器所计数的某一确定的交变次数的计数时间。处理器单元也可以控制第一交变计数器12，以定义计数周期的开始与结束。但是也可以考虑令第一交变计数器12向处理器单元提供有关所计数的确定交变次数的开始与结束的信息。例如，如果在第一交变计数器中计数了200次交变，则把测量窗口13配置为使第二交变计数器14在是5000分之一的时间周期期间对参照信号VR的交变次数计数。这一时间周期也可以取决于计数时间，例如，取决于第一交变计数器的200次交变。这减小了自动调节电路的电能消耗。
测量窗口13所控制的计数的开始可以由第一交变计数器12确定，然而也可以优选由处理器单元17直接控制。首先，处理器单元可以接收与第一时间周期中交变电压VP的所计数的第一确定交变次数相关的第一计数信号NP。例如，把第一计数信号存储在处理器单元的寄存器中。接下来，处理器单元可以接收与测量窗口13所控制的第二时间周期中第二交变计数器14中所计数的第二交变次数相关的第二计数信号NR。也可以把这一第二计数信号NR存储在处理器单元的另一个寄存器中。最后，在处理器单元中比较两个计数信号，以确定交变电压VP的频率相对参照信号频率是成比例地过高还是过低。
基于在处理器单元中对两个计数信号NP和NR之间所进行的比较，所述处理器单元操作频率适配单元18，频率适配单元18的输出连接到压电或者电活化聚合体元件23的端部。可以把这一频率适配单元18设置为提供频率适配信号，该频率适配信号为连续的电压VA，其电平为处理器单元所传递的两个计数信号之间的差的函数。为此，可以提供可开关的电容器或者电阻器阵列。适配单元18的电压跟随器可以向压电或者电活化聚合体元件23的一端或者向压电或者电活化聚合体元件的另一端提供连续的电压值。因此，这在压电或者电活化聚合体元件上引发了依据两个计数信号的比较的某一使振荡机械系统的振荡制动或加速的力。
频率适配单元18可以按确定的时间周期提供具有某一值VA的连续的电压，可以在处理器单元中对此进行编程。为了节省能量，也可以把自动调节电路的若干电子部件设置为仅按确定的时间周期加以接通。例如，测量窗口13、第二交变计数器14、连接到MEMS共振器16的振荡器阶15以及处理器单元17的一部分可以留在休息状态，并且按确定的时间周期加以接通，以调节振荡频率。但是，按极低频率操作的第一交变计数器12可以被连续地接通，并且可以在交变电压VP的所计数的某一交变次数之后用于控制自动调节电路10的其它部分的接通。
如果已经适配了振荡机械系统的振荡频率，则可以延伸不参与时间，特别是振荡器阶15的不参与时间。在这些条件下，例如每一分钟可以接通自动调节电路的大多数空闲的电子部件，这大大降低了自动调节电路的电能消耗。在这些条件下，存储整流的供给电压的电容器Cc几乎没有被卸载，因为仅当在参照信号VR和交变信号VP之间进行频率比较时，才偶然使用较大的能量。
自动调节电路10还可以包括已知的热补偿元件和用于每次接通自动调节电路10时的复位单元。自动调节电路、MEMS共振器16以及电容器Cc的所有电子部件形成了同一紧凑电子模块的一部分。有利地把所有这些电子部件集成在同一单片硅衬底中，这意味着，为了调节振荡机械系统的振荡频率仅需要一个自供电的电子模块。
如果振荡器阶15按与压电或者电活化聚合体元件23的交变电压VP的希望频率相匹配的分割的频率提供参照信号VR，则第一交变计数器12可以直接控制第二交变计数器14的计数时间。可以在处理器单元17中把交变电压VP的交变次数NP与第二交变计数器14中所计数的交变次数NR直接进行比较。
从以上进行的描述中可以看出，在不背离权利要求所限定的本发明的范围的情况下，本领域技术人员可以设计自动调节振荡机械系统的振荡频率的电路以及包含所述电路的设备的若干变形。振荡机械系统可以为声学系统。通过基于交变电压和参照信号之间的频率比较把一定数目的电容器与压电或者电活化聚合体元件并联地放置，可以适配振荡机械系统的振荡频率。可以考虑在游丝上淀积复合金属离子层，以用于与压电元件相同的目的。
Claims (15)
1.一种用于自动调节振荡机械系统（2，3）的振荡频率的电路（10），其中，该机械系统包括能够生成跟随该机械系统的振荡的交变电压（VP）的压电或者电活化聚合体元件（23），该电路（10）旨在连接到压电或者电活化聚合体元件以适配振荡机械系统的振荡频率，并且所述电路（10）包含：
-整流器（11），用于对压电或者电活化聚合体元件所生成的交变电压（VP）进行整流，并且用于把所整流的电压存储在至少一个电容器（Cc）中以向所述电路（10）供电，
-振荡器阶（15），包括连接到MEMS共振器（16）的振荡电路，以提供参照信号（VR），
-比较装置，用于比较交变电压（VP）的频率和参照信号（VR）的频率，
-频率适配单元（18），旨在连接到压电或者电活化聚合体元件（23），以基于比较装置中的比较结果向压电或者电活化聚合体元件提供频率适配信号（VA），以调节振荡机械系统的振荡频率，以及
-所述电路（10）的所有电子部件聚集在一起以形成单个电子模块，
其特征在于，比较装置包括第一交变计数器（12），用于在第一确定时间周期中对压电或者电活化聚合体元件的交变电压（VP）的第一交变次数进行计数，并且用于提供第一计数信号（NP）；第二交变计数器（14），用于部分地基于第一确定时间周期在第二确定时间周期中对振荡器阶（15）所提供的参照信号（VR）的第二交变次数进行计数，并且用于提供第二计数信号（NR）；以及处理器单元（17），用于把第一计数信号与第二计数信号进行比较以基于比较结果控制频率适配单元（18）。
2.根据权利要求1所述的电路（10），其特征在于，在也用于集成所述电路（10）的所有其它电子部件的单片硅衬底中制造MEMS共振器，以形成单个紧凑模块。
3.根据权利要求1所述的电路（10），其特征在于，在第一单片硅衬底中制造MEMS共振器，所述第一单片硅衬底放置在用于集成所述电路（10）的其它部件的第二单片硅衬底之上或者之旁，两个衬底被封装以形成单个紧凑模块。
4.根据权利要求1所述的电路（10），其特征在于，振荡器阶（15）适合于提供具有与来自振荡电路的振荡信号的频率相同频率的参照信号（VR）。
5.根据权利要求4所述的电路（10），其特征在于，把振荡器阶（15）配置为提供具有高于或者等于200kHz的频率的参照信号（VR）。
6.根据权利要求1所述的电路（10），其特征在于，比较装置还包括设置在第一交变计数器（12）和第二交变计数器（14）之间的测量窗口（13），其中，在考虑第一时间周期的同时，使用由处理器单元（17）所提供的配置参数配置所述测量窗口（13），以确定第二交变计数器（14）的第二计数时间周期。
7.根据权利要求1所述的电路（10），其特征在于，振荡器阶（15）包括用于分割振荡信号的频率的分频器以提供参照信号（VR），所述参照信号（VR）的频率根据压电或者电活化聚合体元件的交变电压（VP）的所希望的适配频率来定义，而且处理器单元（17）控制第一和第二交变计数器（12，14）的计数操作，其中第一计数周期与第二计数周期相同。
8.根据权利要求1所述的电路（10），其特征在于，频率适配单元（18）适合于根据比较装置的处理器单元（17）中的比较结果，把连续的自适应电压提供给压电或者电活化聚合体元件（23）。
9.根据权利要求8所述的电路（10），其特征在于，频率适配单元（18）适合于在确定的时间周期中提供连续的自适应电压。
10.根据权利要求1所述的电路（10），其特征在于，第一交变计数器（12）适合于按用于频率比较的确定的周期接通振荡器阶（15）、第二交变计数器（14）以及处理器单元（17）的一部分，并且在所述确定的周期之外，电容器（Cc）中的所整流的电压不向振荡器阶（15）、第二交变计数器（14）以及处理器单元（17）的一部分供电。
11.一种包括振荡机械系统（2，3）和根据权利要求1所述的用于自动调节振荡机械系统的振荡频率的电路（10）的设备，其特征在于，振荡机械系统（2，3）包括用于按与振荡机械系统的振荡频率相匹配的频率生成交变电压的压电或者电活化聚合体元件（23），所述压电或者电活化聚合体元件的两端连接到所述电路（10），以基于所述交变电压（VP）和来自所述电路（10）的振荡器阶（15）的参照信号（VR）之间的频率比较从所述电路（10）接收频率适配信号（VA）。
12.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，振荡机械系统（2，3）为表的摆轮（2），在该摆轮中安装了游丝（3），所述游丝携带压电或者电活化聚合体元件（23）。
13.根据权利要求12所述的设备，其特征在于，压电或者电活化聚合体元件（23）包括至少一个设置在游丝（3）的金属条（24）的至少一个表面上的压电或者电活化聚合体层。
14.根据权利要求13所述的设备，其特征在于，压电或者电活化聚合体元件包括设置在金属条（24）的外表面上的第一压电或者电活化聚合体层和设置在金属条（24）的内表面上的第二压电或者电活化聚合体层，所述压电或者电活化聚合体元件的第一连接端固定到第一压电或者电活化聚合体层，以及所述压电或者电活化聚合体元件的第二连接端固定到第二压电或者电活化聚合体层，第一和第二端连接到所述电路（10）。
15.根据权利要求14所述的设备，其特征在于，第一和第二压电或者电活化聚合体层被淀积在金属条（24）的内表面和外表面的一部分长度或者整个长度上。
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