(57)【要約】      （修正有）【課題】機械振動系の振動周波数の正確な制御のために圧電効果を正確かつ最適に利用できる、自動周波数制御回路用の圧電素子を提供する。【解決手段】自動周波数制御回路１０用の圧電素子３は、圧電結晶ストリップで形成されたテンプバネ７と、自動制御回路１０に接続されるとともにストリップの少なくとも第１の側に配置された第１の電極と、自動制御回路１０に接続されるとともにストリップの少なくとも第２の側に配置された第２の電極と、を備える。第１と第２の電極は、テンプバネ７の一部において、またはテンプバネ７の全長にわたって、所定の角度分布で配置されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
自動周波数制御回路（１０）用の圧電素子（３）であって、
圧電材料のストリップで形成されたテンプバネ（７）と、
前記自動周波数制御回路（１０）に接続されるために、前記圧電材料のストリップの少なくとも第１の側に配置された第１の電極（８ａ）と、
前記自動周波数制御回路（１０）に接続されるために、前記圧電材料のストリップの少なくとも第２の側に配置された第２の電極（８ｂ）と、を備える、圧電素子において、
前記圧電材料は、圧電結晶または圧電セラミックであることと、
前記第１と第２の電極（８ａ，８ｂ）は、前記テンプバネ（７）の一部において、または前記テンプバネ（７）の全長にわたって、所定の角度分布で配置されていることと、を特徴とする圧電素子（３）。
【請求項２】
前記第１と第２の電極（８ａ，８ｂ）は、前記テンプバネ（７）の外側コイル（１４）の一部分（１２）に配置されており、前記部分（１２）は、前記テンプバネ（７）の一端（７ａ）を含むとともに、所定の角度セクタを画定している、ことを特徴とする、請求項１に記載の圧電素子（３）。
【請求項３】
前記第１の電極（８ａ）は、前記圧電材料のストリップの前記第１の側に配置された第１の部分（１８ａ；３０ａ）と、前記圧電材料のストリップの前記第１の側とは異なる少なくとも１つの側に配置された第２の部分（１８ｂ；３０ｂ）と、を有することと、
前記第２の電極（８ｂ）は、前記圧電材料のストリップの前記第２の側に配置された第１の部分（２０ａ；３２ａ）と、前記圧電材料のストリップの前記第２の側とは異なる少なくとも１つの側に配置された第２の部分（２０ｂ；３２ｂ）と、を有することと、
前記第１の電極（８ａ）と前記第２の電極（８ｂ）のそれぞれの前記第１と第２の部分は、交互に、接合領域（２２，２４；３８，４０）において互いに接続されていることと、
前記接合領域（２２，２４；３８，４０）は、前記テンプバネ（７）において所定の角度周期で分布していることと、を特徴とする、請求項１に記載の圧電素子（３）。
【請求項４】
前記第１の電極（８ａ）の前記第２の部分（１８ｂ）および前記第２の電極（８ｂ）の前記第２の部分（２０ｂ）は、前記圧電材料のストリップの第３の側に配置されていることと、
前記第１と第２の電極（８ａ，８ｂ）の前記第２の部分（１８ｂ，２０ｂ）は、前記圧電材料のストリップの前記第３の側において、前記所定の角度周期で、交互に相次いで連なって延在していることと、を特徴とする、請求項３に記載の圧電素子（３）。
【請求項５】
当該素子は、第３の電極（８ｃ）および第４の電極（８ｄ）を備え、前記第３の電極（８ｃ）は、前記自動周波数制御回路（１０）に接続されるための第１の接続端子（２６）において前記第１の電極（８ａ）に接続されているとともに、前記第３の電極（８ｃ）は、前記圧電材料のストリップの第３の側に配置された第１の部分（３４ａ）と、前記圧電材料のストリップの前記第３の側とは異なる少なくとも１つの側に配置された第２の部分と、を有し、前記第４の電極（８ｄ）は、前記自動周波数制御回路（１０）に接続されるための第２の接続端子（２８）において前記第２の電極（８ｂ）に接続されているとともに、前記第４の電極（８ｄ）は、前記圧電材料のストリップの第４の側に配置された第１の部分（３６ａ）と、前記圧電材料のストリップの前記第４の側とは異なる少なくとも１つの側に配置された第２の部分と、を有し、前記第３の電極（８ｃ）と前記第４の電極（８ｄ）のそれぞれの前記第１と第２の部分は、交互に、接合領域（４２，４４）において互いに接続されている、ことと、
前記接合領域（４２，４４）は、前記テンプバネ（７）において所定の角度周期で分布していることと、を特徴とする、請求項３に記載の圧電素子。
【請求項６】
前記第１の電極、前記第２の電極、前記第３の電極、前記第４の電極のそれぞれの前記第２の部分は、前記圧電材料のストリップの前記第１の側、前記第２の側、前記第３の側、前記第４の側とはそれぞれ異なる各側に延在していることと、
前記第１の電極、前記第２の電極、前記第３の電極、前記第４の電極（８ａ〜８ｄ）は、前記圧電材料のストリップの各側において、所定のサブ角度周期で、交互に相次いで連なって延在していることと、を特徴とする、請求項５に記載の圧電素子（３）。
【請求項７】
前記電極は、前記テンプバネの全長にわたって配置されていることを特徴とする、請求項４〜６のいずれかに記載の圧電素子（３）。
【請求項８】
前記圧電結晶は単結晶であることを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載の圧電素子（３）。
【請求項９】
前記圧電結晶は、トパーズ、ベルリナイト、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、リン酸ガリウム、ヒ酸ガリウム、ケイ酸アルミニウム、二酸化ゲルマニウム、トルマリン単結晶、閃亜鉛鉱型構造のＩＩＩ−Ｖ族半導体の単結晶、またはウルツ鉱型構造のＩＩ−ＶＩ族半導体の単結晶、からなる群から選択された単結晶であることを特徴とする、請求項８に記載の圧電素子（３）。
【請求項１０】
前記圧電結晶は水晶単結晶であることを特徴とする、請求項８に記載の圧電素子（３）。
【請求項１１】
前記テンプバネ（７）は、Ｚカット水晶単結晶に加工されることを特徴とする、請求項１０に記載の圧電素子（３）。
【請求項１２】
前記所定の角度セクタ、前記所定の角度周期、または所定のサブ角度周期は、６０°に略等しいことを特徴とする、請求項２または３に従属する場合の請求項１０または１１に記載の圧電素子（３）。
【請求項１３】
当該素子は、前記圧電材料のストリップの第１の側である上側または下側に形成された少なくとも１つの溝（１６ａ）をさらに有し、前記第１の電極（８ａ）は、前記溝（１６ａ）内に少なくとも部分的に配置されており、前記第２の電極（８ｂ）は、第２の側である外側または内側に少なくとも部分的に配置されている、ことを特徴とする、請求項１〜１２のいずれかに記載の圧電素子（３）。
【請求項１４】
自動周波数制御回路（１０）用の機械振動系であって、テン輪（２）と、テンプバネ（７）を備えた圧電素子（３）と、を有し、前記テンプバネ（７）は、前記テン輪（２）に装着されている、機械振動系において、
前記圧電素子（３）は、請求項１〜１３のいずれかに記載のものであることを特徴とする、機械振動系。
【請求項１５】
請求項１４に記載の機械振動系と、前記機械振動系の振動周波数の自動制御のための回路（１０）と、を含む装置（１）であって、前記自動制御回路（１０）は、基準信号（ＶR）を供給することが可能な振動子段（５５）と、２つの信号の周波数を比較するための手段（５２，５３，５４，５７）と、前記機械振動系の前記圧電素子（３）に接続されているとともに、周波数適応信号（ＶA）を供給することが可能な周波数適応ユニット（５８）と、を有する、装置において、
前記機械振動系の前記圧電素子（３）は、前記機械振動系に一致した周波数で交流電圧（ＶP）を発生することが可能であり、前記圧電素子の前記第１と第２の電極（８ａ，８ｂ）は、前記周波数比較手段における前記交流電圧（ＶP）と前記基準電圧（ＶR）との間の周波数比較の結果に基づく前記周波数適応信号（ＶA）を前記周波数適応ユニット（５８）から受け取るために、前記自動制御回路（１０）に接続されている、ことを特徴とする装置。
【請求項１６】
前記機械振動系の振動周波数の自動制御のための前記回路（１０）は、前記圧電素子（３）で発生する前記交流電圧（ＶP）を整流するとともに、前記整流した電圧を、該自動制御回路への給電用として少なくとも１つのコンデンサ（Ｃｃ）に蓄えるために、整流器（５１）をさらに有することを特徴とする、請求項１５に記載の装置（１）。
【請求項１７】
前記自動制御回路（１０）の前記振動子段（５５）は、振動信号を供給するために、ＭＥＭＳ振動子（５６）に接続された振動回路を含み、これにより前記振動子段（５５）は、前記基準信号（ＶR）を供給し、前記自動制御回路のすべての電子部品は、１つにまとめられて単一の電子モジュールを形成している、ことを特徴とする、請求項１５または１６に記載の装置（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動周波数制御回路用の圧電素子に関するものである。
【０００２】
本発明は、さらに、圧電素子とテン輪とを有する機械振動系に関する。
【０００３】
本発明は、さらに、機械振動系と、その機械振動系の振動周波数の自動制御のための回路と、を含む装置に関する。
【背景技術】
【０００４】
圧電素子は、例えば、振動子を時間基準として使用するため、または質量センサ、力センサ、ジャイロセンサ、およびその他多くの用途で、電気機械システムの分野で一般的に使用される。
【０００５】
特に機械式または電気機械式時計の時計製作分野では、圧電素子を有する機械振動系を提供することが知られている。機械振動系は、典型的には、テンプバネが装着されたテン輪を備えるものであってよく、テンプバネの一端は、回転するテン真に固定され、テンプバネの他端は、受け板の固定要素に固定される。機械系の振動は、一般的には機械的なものである動力源によって維持される。この動力源は、例えば、アンクルと協働するガンギ車と共に輪列を駆動する香箱であり得る。この回転するアンクルは、例えば、回転するテン真に近接して固定された振り石を動かす。このように、テンプバネ付きテン輪（テンプ）は、時計ムーブメントの調速機を形成し得る。この振動調速機は、時刻表示針につながるガンギ車と共に輪列の駆動速度を決める。圧電素子は、テンプバネを含んでよく、これに対して、例えばバネの内面および外面に、（ＰＺＴ系）圧電材料の膜を堆積させることが知られている。これに関連して、特許文献１または特許文献２を挙げることができる。しかしながら、このようにテンプバネの全長にわたって圧電膜を堆積させることは、このバネの製造にコストのかかる余分な工程を導入することになり、これが欠点となる。
【０００６】
これら２つの特許文献では、テン輪と圧電テンプバネとの組み合わせの振動周波数の制御は、自動周波数制御回路によって実現される。この電子回路は、圧電素子が発生させる交流電圧を整流してコンデンサに蓄えることで、これにより直接給電されてよい。振動周波数を制御するために、振動子段によって供給される基準周波数の信号と、発電機からの交流信号との比較を行う。この比較に基づいて、周波数適応信号を生成し、これが圧電素子に印加されると、機械振動系の振動を制動または加速するように、素子において圧縮力または伸張力を発生させることが可能となる。
【０００７】
圧電素子を備えた機械振動系と、その機械振動系の振動周波数の自動制御のための回路と、を含む装置の他の例は、特許文献３で提供されている。この装置の特定の例示的な実施形態によれば、圧電素子は、圧電材料のストリップで形成されたテンプバネと、そのバネの内側に配置された第１の電極と、バネの外側に配置された第２の電極と、を含む。それらの電極は、自動周波数制御回路に接続されている。ところが、この提案の圧電素子の欠点の１つは、系の設計をかなり複雑にしなければ、素子の圧電効果を正確かつ最適に利用できないことである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−２２８７７４号公報
【特許文献２】欧州特許出願公開第２５９００３５号明細書
【特許文献３】国際公開第２０１１／１３１７８４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
そこで、本発明の目的は、単純に実現できるとともに、機械振動系の振動周波数の正確な制御のために圧電効果を正確かつ最適に利用できる、自動周波数制御回路用の圧電素子を提供することであり、そして、現状技術の上記欠点を克服することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この目的のため、本発明は、独立請求項１に記載の特徴を有する、自動周波数制御回路用の圧電素子に関するものである。
【００１１】
この圧電素子の具体的な実施形態を、従属請求項２〜１３で規定している。
【００１２】
テンプバネに圧電結晶を用いることにより、良好な圧電性能を維持しつつ、圧電素子を簡単かつ経済的に製造することが可能となる。さらに、そのバネにおいて所定の角度分布で第１と第２の電極を特定の配置で設けることよって、圧電結晶の結晶配向が変化することにより電荷の極性が変化する問題を解消して、それらの電極は、機械的応力によって発生する電荷の一部を収集することが可能となる。このような電荷の極性の変化は、テンプバネにおいて周期的な角度分布で生じる。実際に、圧電材料の結晶構造によって、ＸＹ水平面における機械的応力の配向に対する圧電係数の依存性が生じる。すなわち、ＸＹ平面における応力の方向に依存して、発生する電荷は正または負であり得るとともに、その値は、例えば水晶（石英）の場合の図２に示すように、ゼロ値と最大値との間となり得る。本発明による圧電素子の結果として、電極のそれぞれにおいて正と負の電荷が互いに打ち消し合う問題は解消される。本発明の範囲内で、非限定的に、圧電結晶は、例えば水晶単結晶である。
【００１３】
本発明の第１の実施形態によれば、第１と第２の電極は、テンプバネの外側コイルの一部分に配置されており、その部分は、テンプバネの一端を含むとともに、所定の角度セクタを画定している。この第１の実施形態の１つの利点は、圧電素子の製造、特にその電極の製造が簡単であることである。
【００１４】
本発明の第２の実施形態によれば、第１の電極は、圧電材料のストリップの第１の側に配置された第１の部分と、圧電材料のストリップの第１の側とは異なる少なくとも１つの側に配置された第２の部分と、を有し、第２の電極は、圧電材料のストリップの第２の側に配置された第１の部分と、圧電材料のストリップの第２の側とは異なる少なくとも１つの側に配置された第２の部分と、を有する。第１の電極または第２の電極のそれぞれの第１と第２の部分は、交互に、接合領域において互いに接続されている。それらの接合領域は、テンプバネにおいて所定の角度周期で分布している。この第２の実施形態の１つの利点は、発生する電荷の収集が最大限となり、ひいては収集される電気エネルギー量が最大限となることである。
【００１５】
効果的には、圧電素子は、圧電材料のストリップの第１の側に形成された第１の溝と、圧電材料のストリップの第２の側に形成された第２の溝と、を有する。第１の電極は、第１の溝内に少なくとも部分的に配置されており、第２の電極は、第２の溝内に少なくとも部分的に配置されている。これにより、電極間の容量結合を大きくすることで、素子の圧電性能を向上させることができる。
【００１６】
この目的のため、本発明は、さらに、請求項１４に記載の特徴を有する、自動周波数制御回路用の圧電素子を有する機械振動系に関する。
【００１７】
この目的のため、本発明は、さらに、請求項１５に記載の特徴を有する、機械振動系と、その機械振動系の振動周波数の自動制御のための回路と、を含む装置に関する。
【００１８】
この装置の具体的な実施形態を、請求項１６および１７で規定している。
【００１９】
自動周波数制御回路用の圧電素子、ならびに、それを備えた機械振動系および装置の、目的、効果、ならびに特徴は、図面で示す少なくとも１つの非限定的な実施形態を参照した以下の説明から、より明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、本発明による圧電素子を備えた機械振動系と、その機械振動系の振動周波数の自動制御のための回路と、を含む装置の簡略図を示している。
【図２】図２は、本発明の例示的な一実施形態による圧電素子の、ＸＹ平面における応力の配向に応じた圧電効果による振幅図である。
【図３】図３は、本発明の第１の実施形態による圧電素子を示している。
【図４】図４は、図３の圧電素子のテンプバネの外側コイルの一部分を示している。
【図５】図５は、テンプバネにおける第１の代替的な電極配置で、本発明の第２の実施形態による圧電素子のテンプバネの一部分を示している。
【図６】図６は、テンプバネにおける第２の代替的な電極配置で、本発明の第２の実施形態による圧電素子のテンプバネの一部分を示している。
【図７】図７は、図６の圧電素子のＶＩＩ−ＶＩＩ断面に沿った断面図である。
【図８】図８は、図６の圧電素子のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ断面に沿った断面図である。
【図９】図９は、例示的な一実施形態による、機械振動系の圧電素子に接続された図１の自動制御回路の電子部品の簡略ブロック図を示している。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下の説明では、特に機械振動系の振動周波数を自動制御するための回路である自動周波数制御回路用の、圧電素子について記載する。当該技術分野の当業者には周知の自動周波数制御回路の電子部品については、いずれも簡潔にのみ説明する。後述するように、自動制御回路は、主に、圧電素子のテンプバネを装着したテン輪の振動周波数を制御するために用いられる。ただし、他の機械振動系を想定してもよいが、以下の説明では、圧電素子のテンプバネを装着したテン輪の形態の機械振動系についてのみ記載する。
【００２２】
図１は、機械振動系２、３と、その機械振動系の振動周波数ｆｏｓｃの自動制御のための回路１０と、を含む装置１を示している。機械式時計では、機械振動系は、回転するテン真６に対して例えば３つのアーム５で連結された金属リングで形成されたテン輪２と、テンプバネ７を含む圧電素子３と、を有し得る。図３〜８に示すように、圧電素子３は、さらに、自動周波数制御回路１０に電気的に接続された少なくとも２つの電極８ａ〜８ｄを含む。図１を再び参照して、テンプバネ７の第１端７ａは、テンプ受け（図示せず）のヒゲ持ち４で固定保持されている。このテンプ受けは、時計ムーブメントの地板（図示せず）に固定されている。テンプバネ７の第２端７ｂは、テン輪２の回転するテン真６に直接固定されている。
【００２３】
テンプバネ７付きテン輪２（テンプ）の振動は、動力源（図示せず）によって維持され、その動力源は、電気的なものであってもよいが、好ましくは機械的なものである。この機械的動力源は、一般的にアンクルと協働するガンギ車と共に輪列を駆動する香箱であり得る。この回転するアンクルは、例えば、テン輪の回転軸（テン真）に近接して固定された振り石を動かす。このように、テンプバネ付きテン輪（テンプ）は、時計ムーブメントの調速機を形成し得る。
【００２４】
テンプバネ７は、一般的に０．２５ｍｍ未満の厚さ、例えば０．１〜０．２ｍｍ程度の厚さの、圧電材料のストリップによって実現される。この圧電材料は、圧電結晶またはＰＺＴ圧電セラミックであってよい。好ましくは、圧電結晶は、図２〜８の例示的な実施形態では、単結晶であり、典型的には水晶単結晶である。テンプバネ７を、例えば、Ｚカット水晶単結晶に加工し、すなわち、水晶単結晶棒のＺ軸または光軸に対して垂直にカットする。圧電材料のストリップから製造される、コイル巻回間を互いに離間させたテンプバネは、参照により本明細書に組み込まれる米国特許出願公開第２０１５／００６１４６７号に記載されているように、フッ化水素酸浴で、マイクロマシニングによって得られる。少なくとも２つの金属電極を、さらに詳細に後述する配置で、圧電結晶ストリップの少なくとも２つの側に堆積させる。より具体的には、電極は、テンプバネ７の一部に、またはテンプバネ７の全長にわたって、所定の角度分布で配置される。それぞれの電極は、例えば、Ａｕ／Ｃｒ（金／クロム）電極である。
【００２５】
図２は、水晶テンプバネ７を含む場合の素子３の、ＸＹ水平面における応力の配向に応じた圧電効果による振幅を示している。同図に示すように、水晶の結晶構造によって、ＸＹ平面における機械的応力の配向に対する圧電係数の依存性が生じる。すなわち、ＸＹ平面における応力の方向に依存して、テンプバネ７で発生する電荷は正または負であり得るとともに、その値は、ゼロ値と最大値との間となり得る。水晶の結晶構造は三方晶系であるため、電荷の最大値は６０°ごとに繰り返すとともに、電荷の極性が変化するのも６０°ごとである。
【００２６】
本発明の第１の実施形態について、図３および４を参照して以下で説明する。この第１の実施形態によれば、圧電素子３は、２つの電極８ａ、８ｂを含む。２つの電極８ａ、８ｂは、テンプバネ７の外側コイル１４の一部分１２に配置されている。その部分１２は、テンプバネ７の第１端７ａを含むとともに、所定の角度セクタを画定している。テンプバネ７が水晶ストリップで形成される場合の好ましい例示的な実施形態では、この所定の角度セクタは６０°に略等しい。従って、図２を参照して、水晶テンプバネ７の結晶配向が変化することにより極性が変化することに起因して電荷が互いに打ち消し合うことは、本発明のこの第１の実施形態により回避することが可能となる。電荷の相互の打ち消しを回避して、機械的応力によって発生する電荷の一部を、電極８ａ、８ｂは収集する。
【００２７】
好ましくは、図４に示すように、圧電素子３は、圧電結晶ストリップの「上側」に示す上面に形成された少なくとも１つの溝１６ａを有し得る。電極８ａ、８ｂを有する圧電結晶ストリップが巻回した状態では、電極８ａを支持する上側は、テンプバネの平面に平行なテン輪回転軸に対して垂直な側である一方、電極８ｂがある内側は、テン輪回転軸のほうに向いている。２つの電極のうちの第１の電極８ａは、上側の溝１６ａ内に配置されており、第２の電極８ｂは、内側に配置されている。
【００２８】
図５〜８は、本発明の第２の実施形態を示しており、ここで、上記の第１の実施形態と類似の要素は同じ参照符号で示し、よって、それらの説明は繰り返さない。
【００２９】
図５に示す第１の変形実施形態によれば、２つの電極のうちの第１の電極８ａは、圧電結晶ストリップの外側に配置された第１の部分１８ａと、ストリップの「上側」に示す側に配置された第２の部分１８ｂと、を有する。第２の電極８ｂは、圧電結晶ストリップの内側に配置された第１の部分２０ａと、上側に配置された第２の部分２０ｂと、を有する。図５には、テンプバネ７の一部分のみを示しており、このため、それぞれの電極８ａ、８ｂの第１の部分１８ａ、２０ａを１つのみ、第２の部分１８ｂ、２０ｂを１つのみ示しているが、２つの電極８ａ、８ｂは、テンプバネ７の全長に及ぶものであることが好ましい。
【００３０】
第１の電極８ａの第１の部分１８ａと第２の部分１８ｂは、交互に、第１の接合領域２２において互いに接続されている。第２の電極８ｂの第１の部分２０ａと第２の部分２０ｂは、交互に、第１の接合領域２２に隣接した第２の接合領域２４において互いに接続されている。第１の接合領域２２および第２の接合領域２４は、テンプバネ７において所定の角度周期で分布している。第１と第２の電極８ａ、８ｂの第２の部分１８ｂ、２０ｂは、圧電結晶ストリップの上側において、所定の同じ角度周期で、交互に相次いで連なって延在している。図示していない変形例では、第１と第２の電極８ａ、８ｂの第２の部分１８ｂ、２０ｂは、圧電結晶ストリップの「下側」に示す１つの側に、同様に延在することができる。テンプバネ７が水晶ストリップで形成される場合の好ましい例示的な実施形態では、この所定の角度周期は６０°に略等しい。
【００３１】
図６〜８に示す第２の変形実施形態では、圧電素子３は、第１と第２の電極８ａ、８ｂに加えて、さらに第３と第４の電極８ｃ、８ｄを含む。図６に示すように、第１の電極８ａと同極性である第３の電極８ｃは、第１の接続端子２６において第１の電極８ａに接続されている。第２の電極８ｂと同極性である第４の電極８ｄは、第２の接続端子２８において第２の電極８ｂに接続されている。第１と第２の接続端子２６、２８は、それぞれ自動周波数制御回路１０に接続されている。図示していない特定の例示的な一実施形態では、第１と第２の接続端子２６、２８は、テンプバネ７の第１端７ａを固定保持するヒゲ持ち４に配置されている。
【００３２】
第１の電極８ａは、圧電結晶ストリップの外側に配置された第１の部分３０ａと、ストリップの外側とは異なる各側に配置された第２の部分３０ｂと、を有する。第２の電極８ｂは、圧電結晶ストリップの上側に配置された第１の部分３２ａと、ストリップの上側とは異なる各側に配置された第２の部分３２ｂと、を有する。第３の電極８ｃは、圧電結晶ストリップの内側に配置された第１の部分３４ａと、ストリップの内側とは異なる各側に配置された第２の部分と、を有する。第４の電極８ｄは、圧電結晶ストリップの下側に配置された第１の部分３６ａと、ストリップの下側とは異なる各側に配置された第２の部分と、を有する。図６には、テンプバネ７の一部分のみを示しているが、４つの電極８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄは、テンプバネ７の全長に及ぶものであることが好ましい。第３と第４の電極８ｃ、８ｄの第２の部分は、よって図６〜８では見えていない。
【００３３】
第１の電極８ａの第１の部分３０ａと第２の部分３０ｂは、交互に、第１の接合領域３８において互いに接続されている。第２の電極８ｂの第１の部分３２ａと第２の部分３２ｂは、交互に、第２の接合領域４０において互いに接続されている。第３の電極８ｃの第１の部分３４ａと第２の部分は、交互に、第３の接合領域４２において互いに接続されている。第４の電極８ｄの第１の部分３６ａと第２の部分は、交互に、第４の接合領域４４において互いに接続されている。これらの接合領域３８〜４４は、テンプバネ７において所定の角度周期で分布している。
【００３４】
図７に示すように、それぞれの接合領域３８〜４４は、圧電結晶ストリップの２つの隣接する側にまたがって延在している。こうして、第１の電極８ａ、第２の電極８ｂ、第３の電極８ｃ、第４の電極８ｄは、圧電結晶ストリップの各側において、所定のサブ角度周期で、交互に相次いで連なって延在している。テンプバネ７が水晶ストリップで形成される場合の好ましい例示的な実施形態では、この所定のサブ角度周期は６０°に略等しい。
【００３５】
図２を参照して、水晶テンプバネ７の結晶配向が変化することにより極性が変化することに起因して電荷が互いに打ち消し合うことは、本発明のこの第２の実施形態により回避することが可能となる。それらの電極が各側で周期的に変化していることによって、電荷の相互の打ち消しを回避して、機械的応力によって発生する電荷のすべてを、それらの電極は収集する。機械振動系２、３を含む装置１では、振動系２、３によって発生する電荷のすべてが収集され、これにより、収集されて回路１０に供給される電気エネルギー量は最大限となる。
【００３６】
図５〜８には示していないが、この第２の実施形態による圧電素子３は、効果的には、圧電結晶ストリップの上側と下側である相対する側に形成された電極支持溝を有し得る。
【００３７】
テンプバネ７付きテン輪２の振動中には、圧電水晶ストリップに圧縮力または伸張力が交互に作用し、これが組み合わさって交流電圧が発生する。典型的には、テンプバネ７付きテン輪２の振動周波数は、３〜１０Ｈｚの間であり得る。従って、この交流電圧を、自動制御回路１０は、これが接続されている電極を介して受け取る。自動制御回路は、電極に対して直接的に、または２本の金属線を介して接続することができる。
【００３８】
図９は、機械振動系の振動周波数を制御するための自動制御回路１０の例示的な一実施形態の各種電子要素を示している。本発明の範囲から逸脱することなく、自動周波数制御回路の他の例を想定することができる。
【００３９】
自動制御回路１０は、圧電素子３の２つの電極または２つの電極群に接続されている。自動制御回路１０は、圧電素子３から受け取った交流電圧ＶＰを、通常の整流器５１によって整流することができる。この交流電圧ＶＰの整流電圧を、コンデンサＣｃに蓄える。コンデンサＣｃの端子ＶＤＤ、ＶＳＳ間のこの整流電圧は、電池のような、または太陽電池、熱電発電装置などのエネルギー変換素子のような、追加の電圧源の助けがなくても、自動制御回路のすべての電子要素に通電するのに十分であり得る。
【００４０】
自動制御回路１０は、例えばＭＥＭＳ振動子５６に接続された振動子段５５を含む。ＭＥＭＳ振動子と共に振動子段の振動回路は、振動信号を供給し、それは、５００ｋＨｚ未満の、例えば２００ｋＨｚ程度の周波数であり得る。このように、振動子段５５は、好ましくは、振動回路の振動信号の周波数に等しい周波数を有し得る基準信号ＶＲを供給することができる。
【００４１】
機械振動系の振動周波数を制御するためには、自動制御回路１０において、交流電圧ＶＰと基準信号ＶＲとを比較しなければならない。この目的のため、自動制御回路１０は、交流電圧ＶＰの周波数を基準信号ＶＲの周波数と比較するための比較手段５２、５３、５４、５７を含む。基準信号周波数が、振動子段５５の振動回路の周波数すなわち２００ｋＨｚ程度の周波数と一致している場合には、比較手段は、交流電圧ＶＰと基準信号ＶＲとの間の大きな周波数偏差を考慮に入れて設計されなければならない。
【００４２】
比較手段は、まず、第１の交番カウンタ５２で構成され、これは、圧電素子の交流電圧ＶＰを入力として受け取って、第１のカウント信号ＮＰをプロセッサ処理ユニット５７に供給する。比較手段は、さらに、第２の交番カウンタ５４を含み、これは、基準信号ＶＲを入力として受け取って、第２のカウント信号ＮＲをプロセッサ処理ユニット５７に供給する。
【００４３】
交流電圧ＶＰと基準信号ＶＲとの間の周波数偏差を考慮するために、さらに、第１の交番カウンタ５２と第２の交番カウンタ５４との間に配置される測定窓５３を設ける。この測定窓５３は、第２の交番カウンタ５４のカウント時間を決定する。プロセッサ処理ユニット５７は、第２の交番カウンタのカウント時間を決定するための構成パラメータを測定窓５３に供給する。これらの構成パラメータは、プロセッサ処理ユニット内のメモリ（図示せず）に保存されている。これらの構成パラメータは、その時計が女性用の時計であるのか男性用の時計であるのかによって異なる場合がある。プロセッサ処理ユニット５７で処理される様々なオペレーションは、例えば振動子段５５の振動回路によって供給されるクロック信号で制御することができる。
【００４４】
第１のカウント信号ＮＰで第１の交番カウンタ５２によりカウントされる所定の交番回数のカウント時間に対して比例的に、第２の交番カウンタ５４のカウント時間を適合させる。また、プロセッサ処理ユニット５７は、カウント期間の開始と終了を規定するように、第１の交番カウンタ５２を制御することもできる。一方、第１の交番カウンタ５２が、所定の交番回数のカウントの開始と終了に関する情報をプロセッサ処理ユニット５７に供給することも想定できる。例えば、第１の交番カウンタでカウントされる交番回数が２００である場合には、測定窓５３は、それよりも約５０００倍短い持続時間の間に第２の交番カウンタ５４が基準信号ＶＲの交番回数をカウントするように、構成される。この持続時間は、例えば第１の交番カウンタ５２における２００回の交番のカウント時間にも依存し得る。これにより、自動制御回路の電力消費を削減することが可能となる。
【００４５】
測定窓５３によって制御されるカウントの開始は、第１の交番カウンタ５２で決定することができるが、プロセッサ処理ユニット５７によって直接制御できることが好ましい。プロセッサ処理ユニット５７は、最初に、第１の時間インターバルでカウントされた交流電圧ＶＰの第１の所定の交番カウント数に関する第１のカウント信号ＮＰを受け取ることができる。この第１のカウント信号は、例えばプロセッサ処理ユニットのレジスタに保存される。その後、処理ユニット５７は、測定窓５３によって制御される第２の時間インターバルで第２の交番カウンタ５４においてカウントされた第２の交番カウント数に関する第２のカウント信号ＮＲを受け取ることができる。この第２のカウント信号ＮＲは、同じくプロセッサ処理ユニットの他のレジスタに保存することができる。最後に、プロセッサ処理ユニット５７で、それらの２つのカウント信号を比較することで、交流電圧ＶＰの周波数が基準信号周波数に対して比例的に高すぎるのか低すぎるのかを決定する。
【００４６】
プロセッサ処理ユニットでの２つのカウント信号ＮＰとＮＲの比較に基づいて、プロセッサ処理ユニットは、周波数適応ユニット５８を制御し、これの出力は圧電素子３の２つの電極または２つの電極群に接続されている。この周波数適応ユニット５８は、連続信号である周波数適応信号ＶＡを供給するように構成することができ、周波数適応信号のレベルは、プロセッサ処理ユニットによって伝達される２つのカウント信号間の差の関数である。この目的のために、切り替え可能なコンデンサアレイまたは抵抗アレイを設けることができる。連続電圧値は、適応ユニット５８から電圧フォロワを介して、圧電素子３の一方の電極もしくは一方の電極群、または圧電素子の他方の電極もしくは他方の電極群に供給することができる。これにより、２つのカウント信号の比較に応じて、機械振動系の振動を制動または加速するために、圧電素子において、ある特定の力を発生させることが可能となる。
【００４７】
自動制御回路１０は、さらに、周知の温度補償素子と、自動制御回路１０を起動のたびにリセットするためのユニットと、を含んでもよい。自動制御回路のすべての電子部品と、ＭＥＭＳ振動子５６およびコンデンサＣｃは、例えば、同じ小型電子モジュールの一部をなす。これらのすべての電子部品は、効果的には、同じモノリシックシリコン基板に集積することができ、これにより、機械振動系の周波数を制御するための単独の自己給電式電子モジュールを得ることが可能となる。
【００４８】
本発明による圧電素子についての上記説明は、水晶単結晶ストリップで形成されるテンプバネに関するものであった。しかしながら、圧電結晶として使用される水晶は、限定するものではなく、本発明の範囲内で、テンプバネを形成するために他の圧電結晶を想定してもよく、例えば、トパーズ、ベルリナイト、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、リン酸ガリウム、ヒ酸ガリウム、ケイ酸アルミニウム、二酸化ゲルマニウム、トルマリン単結晶、閃亜鉛鉱型構造のＩＩＩ−Ｖ族半導体の単結晶、またはウルツ鉱型構造のＩＩ−ＶＩ族半導体の単結晶などであるが、ただし、これは網羅的列挙ではない。
【００４９】
従って、上記の本発明の説明は、水晶の結晶構造による６０°の周期的な角度分布が観測される電荷の極性の変化に関するものであったが、請求項で規定される本発明の範囲から逸脱することなく、テンプバネを形成するために使用される様々に異なる種類の圧電結晶に応じて、他の周期的な角度分布を想定することもできる。
【００５０】
機械振動系の振動周波数を制御するための、上記の本発明による圧電素子の２つの実施形態は、その振動周波数を測定するため、ならびに／または系の位相補正および／もしくはエネルギー収集のために効果的に用いることも可能である。
【符号の説明】
【００５１】
１      装置
２      テン輪（機械振動系）
３      圧電素子（機械振動系）
４      ヒゲ持ち
５      （テン輪の）アーム
６      テン真
７      テンプバネ
７ａ    （テンプバネの）第１端
７ｂ    （テンプバネの）第２端
８ａ    第１の電極
８ｂ    第２の電極
８ｃ    第３の電極
８ｄ    第４の電極
１０    自動周波数制御回路
１２    外側コイルの一部分
１４    外側コイル
１６ａ  （上側の）溝
１８ａ  第１の電極の第１の部分
１８ｂ  第１の電極の第２の部分
２０ａ  第２の電極の第１の部分
２０ｂ  第２の電極の第２の部分
２２    第１の接合領域
２４    第２の接合領域
２６    第１の接続端子
２８    第２の接続端子
３０ａ  第１の電極の第１の部分
３０ｂ  第１の電極の第２の部分
３２ａ  第２の電極の第１の部分
３２ｂ  第２の電極の第２の部分
３４ａ  第３の電極の第１の部分
３６ａ  第４の電極の第１の部分
３８    第１の接合領域
４０    第２の接合領域
４２    第３の接合領域
４４    第４の接合領域
５１    整流器
５２    第１の交番カウンタ（周波数比較手段）
５３    測定窓（周波数比較手段）
５４    第２の交番カウンタ（周波数比較手段）
５５    振動子段
５６    ＭＥＭＳ振動子
５７    プロセッサ処理ユニット（周波数比較手段）
５８    周波数適応ユニット
Ｃｃ    コンデンサ
ｆｏｓｃ  （機械振動系の）振動周波数
ＮP    第１のカウント信号
ＮR    第２のカウント信号
ＶA    周波数適応信号
ＶDD    （コンデンサの）端子電圧
ＶＩＩ  断面
ＶＩＩＩ  断面
ＶP    交流電圧
ＶR    基準信号（基準電圧）
ＶSS    （コンデンサの）端子電圧
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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