EP2561409B1 - Regelorgan für ein uhrwerk, und entsprechendes verfahren - Google Patents

Regelorgan für ein uhrwerk, und entsprechendes verfahren Download PDF

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EP2561409B1
EP2561409B1 EP11716529.0A EP11716529A EP2561409B1 EP 2561409 B1 EP2561409 B1 EP 2561409B1 EP 11716529 A EP11716529 A EP 11716529A EP 2561409 B1 EP2561409 B1 EP 2561409B1
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EP
European Patent Office
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spring
voltage
balance
circuit
piezoelectric
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EP11716529.0A
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EP2561409A1 (de
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Konrad Schafroth
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TEAM SMARTFISH GmbH
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TEAM SMARTFISH GmbH
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Publication date
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Publication of EP2561409B1 publication Critical patent/EP2561409B1/de
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    • G—PHYSICS
    • G04—HOROLOGY
    • G04B—MECHANICALLY-DRIVEN CLOCKS OR WATCHES; MECHANICAL PARTS OF CLOCKS OR WATCHES IN GENERAL; TIME PIECES USING THE POSITION OF THE SUN, MOON OR STARS
    • G04B17/00—Mechanisms for stabilising frequency
    • G04B17/20—Compensation of mechanisms for stabilising frequency
    • G04B17/22—Compensation of mechanisms for stabilising frequency for the effect of variations of temperature
    • G04B17/227—Compensation of mechanisms for stabilising frequency for the effect of variations of temperature composition and manufacture of the material used
    • G—PHYSICS
    • G04—HOROLOGY
    • G04B—MECHANICALLY-DRIVEN CLOCKS OR WATCHES; MECHANICAL PARTS OF CLOCKS OR WATCHES IN GENERAL; TIME PIECES USING THE POSITION OF THE SUN, MOON OR STARS
    • G04B17/00—Mechanisms for stabilising frequency
    • G04B17/04—Oscillators acting by spring tension
    • G04B17/06—Oscillators with hairsprings, e.g. balance
    • G04B17/066—Manufacture of the spiral spring
    • G—PHYSICS
    • G04—HOROLOGY
    • G04C—ELECTROMECHANICAL CLOCKS OR WATCHES
    • G04C3/00—Electromechanical clocks or watches independent of other time-pieces and in which the movement is maintained by electric means
    • G04C3/04—Electromechanical clocks or watches independent of other time-pieces and in which the movement is maintained by electric means wherein movement is regulated by a balance
    • G04C3/047—Electromechanical clocks or watches independent of other time-pieces and in which the movement is maintained by electric means wherein movement is regulated by a balance using other coupling means, e.g. electrostrictive, magnetostrictive

Definitions

  • the invention relates to a mechanical timepiece whose control element comprises a restlessness, a spiral spring and an electronic circuit with a quartz oscillator.
  • Mechanical watches are driven by a winding spring.
  • This spring is the engine of the mechanical watch: it is wound up either manually or by wearing over the automatic winding mechanism of the watch on the wrist and thus stores the energy. This is then delivered continuously to the wheel train.
  • the gear train is a kind of gearbox that transmits and translates the great energy of the barrel to small wheels (minute, low floor, second and escape wheel).
  • the escapement acts as a connecting link between the gear train and the balance for the clock transmission and releases the drive energy from the barrel to the unrest via the escapement wheel and the armature and keeps it from vibrating.
  • the escapement controlled by the control element, frees and stops the gear train at very precise intervals.
  • the control organ comprises a coil spring and a balance.
  • the balance behaves in a similar way to a pendulum, which is always returned to the rest position with the help of the coil spring, thus ensuring that the clock has the same rhythm.
  • the balance oscillates at 8800A / h, or eight times a second, or nearly 700,000 times a day. These intervals cause the hands to indicate the "correct time" on the dial.
  • a disadvantage of the mechanical watch compared to the electronic watch is that the gear of the watch goes through Layer changes, fluctuating temperature, magnetism, dust, are adversely affected by irregular mounting and oiling.
  • Out EP848842 is a clockwork known whose spring via a gear train a time display and a generator supplying an AC voltage.
  • the generator feeds a voltage converter circuit
  • the voltage converter circuit feeds a capacitive component
  • the capacitive component feeds a reference electronic circuit having a stable oscillator and an electronic control circuit.
  • the electronic control circuit comprises a comparator logic circuit and an energy dissipation circuit connected to an output of the comparator logic circuit and controllable by the comparator logic circuit in their power consumption.
  • One input of the comparator logic circuit is connected to the electronic reference circuit and another input of the comparator logic circuit is connected to the generator via a comparator stage and an anti-coincidence circuit.
  • the comparator logic circuit is adapted to compare a clock signal from the electronic reference circuit with a clock signal from the generator, and controls the magnitude of the power consumption of the electronic control circuit over the amount of power consumption of the energy dissipation circuit, depending on the result of this comparison this way, via the control of the control circuit power consumption regulates the gear of the generator and thus the course of the time display.
  • Another object is to provide a new control mechanism or auxiliary control mechanism for a mechanical movement that can be incorporated in an existing mechanical movement with minimal changes.
  • control device that includes a restlessness, a coil spring at least partially made of piezoelectric material, and a gait-regulating electronics.
  • a mechanical timepiece governing device which substantially improves the accuracy of the mechanical governor by electronically stabilizing the oscillating frequency of the disturbance, the energy for the electronics of the governor being provided by the coil spring.
  • the coil spring of a conventional mechanical timepiece is replaced by a piezoelectric coil spring.
  • the piezospiral spring generates an alternating voltage dependent on the oscillations of the balance and / or the coil spring.
  • the AC voltage is transmitted to control the vibration frequency of the balance via an electrical connection to an electronic circuit, which can change the stiffness of the coil spring and thus the frequency of the balance system balance / coil spring and thus can regulate.
  • the electronic circuit can be fed exclusively by the named piezospiral spring, so that an additional battery is not needed. Although a battery is not necessary, one can imagine that the electronic circuit powered by a solar cell and a small battery or a capacity.
  • the stiffness of the coil spring is adjusted by changing the impedance at the output of the piezospiral spring. In a preferred variant, this is achieved by adjusting the value of a capacitance parallel to the piezospiral spring. The greater the value of the capacitance connected in parallel with the piezospiral spring, the smaller the stiffness of the spiral spring.
  • the adjustable capacitance comprises a number of capacitors which can be switched on and off with switches.
  • piezoelectric coil spring was made by Tao Dong et al. in "Proceedings of PowerMEMS 2008+ micro EMS 2008", Sendai, Japan, November 9-12 , “A Mems-based spiral piezoelectric energy harvester”; However, this coil spring is not used as a control member for a movement, and the oscillation frequency is not set electronically.
  • US4435667 describes an actuator with a piezoelectric spiral; this actuator is not used for a movement.
  • JP2002228774 (Seiko Epson Corp) describes a method for adjusting the oscillation frequency of a piezoelectric coil spring in which the piezo element is either connected to an electrical circuit, or completely separated from this circuit.
  • this results in abrupt changes in the impedance associated with the coil spring each time the electrical circuit is connected to or disconnected from the piezoelectric element.
  • Such fast Impedance changes with a large amplitude abruptly modify the electrical voltage at the input of the electronic circuit.
  • the larger the capacitance connected in parallel with the piezospiral spring the smaller the induced AC voltage at the input of the rectifier. This can cause the voltage at the input of the electronics is no longer high enough to ensure the safe functioning of the electronics.
  • Another problem is that in this embodiment, the agitation oscillates either too fast or too slow, but never at the right frequency. Again, this can lead to problems with the control and even unwanted vibrations. This proves to be detrimental to the accuracy.
  • the capacitance at the output of the piezoelectric coil spring is set in several stages, on the one hand to be able to change the stiffness of the coil spring in small steps, and on the other hand only to switch the minimum necessary capacity parallel to the piezospiral spring, so that the Voltage at the input of the rectifier is not unnecessarily reduced.
  • at least one fixed small capacitance in the electronic circuit is constantly connected to the piezoelectric coil spring. This has the advantage that the voltage at the input of the rectifier can be adjusted so that the rectifier works safely and has a high efficiency.
  • the electronic circuit for adjusting the impedance at the output of the coil spring comprises an active rectifier, in which diodes are replaced by transistors, and / or a circuit having a plurality of transistors for adjusting the impedance at the output of the spiral spring; at least some of these transistors are driven with an increased voltage, for example, with a voltage that is higher than the voltage of the greater part of the digital components of the electronic circuit.
  • the control of the switch can be realized for example with level shifter; This reduces the ohmic resistance in these switches.
  • the voltage for driving the transistors in the rectifier and / or in the impedance matching circuit is thus higher than the supply voltage Vdd of the electronic circuit with which the or most digital components of the electronic circuit are driven.
  • Vdd the supply voltage of the electronic circuit with which the or most digital components of the electronic circuit are driven.
  • the transistors for adjusting the impedance at the output of the coil spring are switched on or off only when the voltage induced by the coil spring is lower than a predetermined threshold, or when the current generated by the coil spring is lower than a predetermined threshold. As a result, energy losses can be reduced.
  • a control device comprises a conventional balance 30, a piezoelectric coil spring 20 (FIG. FIGS. 4 . 5a and 5b ) and an electronic circuit 40 for controlling the accuracy of a mechanical movement with a piezoelectric coil spring.
  • This control element is conventionally connected via an escapement, not shown, with the gear train of a mechanical movement that supplies the required energy, and whose gear is thus regulated.
  • the piezoelectric spiral spring 20 consists entirely of a piezoelectric material, or of a material coated with at least one piezoelectric layer, preferably of a semiconductor material (for example silicon) 200, which is at least partially ( Fig. 5a and Fig. 5b ) is coated with a piezoelectric material 202-207 and an electrode 208.
  • 202 is a seed layer
  • 203 and 204 are intermediate layers of AIGaN and AIN
  • 205 is the semiconductor layer (for example, GaN)
  • 206 is an intermediate layer of AIN
  • 207 is another piezoelectric layer of GaN for example
  • 208 is an electrode.
  • the piezospiral is advantageously designed as a bimorph piezoelectric element, but other designs are conceivable.
  • the piezoelectric spiral spring can be produced, for example, from a wafer, for example from a wafer made from silicon.
  • a wafer for example from a wafer made from silicon.
  • the wafer is highly conductive, and the core of the piezospiral spring made of silicon can be used directly as an electrode.
  • the coil springs are structured on the wafer. With the Deep Reactive Ion Etching DRIE method, vertical structures can be easily realized in silicon.
  • a thin oxide layer of the order of 1-3 ⁇ m is formed on the surface of the coil springs. This rounds the edges and smooths out the bumps in the vertically etched surfaces.
  • This oxide layer is then etched away, on the one hand to ensure a good electrical contact between the conductive core 200 of the spiral spring and the piezoelectric layer 205, 207, and on the other hand to achieve a good quality of the piezoelectric coating.
  • At least one piezoelectric layer 205, 207 having the desired layer thickness is applied to a seed layer 202 made of AIN on the wafer and thus onto the coil springs freed of an oxide layer, for example a layer of aluminum nitride.
  • This layer 205, 207 ideally has an identical thickness throughout the coil spring. Thus it can be prevented that the coil spring deforms by the different thermal expansion coefficients of the silicon and the piezoelectric material in an undesired manner.
  • the electrodes 208 are still applied.
  • One possibility is first to coat the entire wafer with a thin adhesive layer having a thickness of a few nm of chromium or titanium in order then to apply thereto a layer 208 of, for example, nickel or nickel / gold in a thickness of 100-500 nm.
  • the entire wafer and the coil springs are provided on the entire surface everywhere with an electrically conductive layer.
  • the electrode material on the top and bottom of the wafer is removed with a directed etching process, so that only electrodes 208 remain on the vertical side walls of the coil spring.
  • the electrodes 208 are separated on the inside and outside of the coil spring and the coil spring is ready for installation in the movement.
  • This piezoelectric coil spring is then mounted in place of a conventional coil spring in a mechanical movement.
  • the piezoelectric coil spring 20 vibrates, the piezoelectric material generates an electrical output signal V gen AV gen B, with which an electronic circuit 40 is fed on a printed circuit board 400.
  • V gen AV gen B electrical output signal
  • the rigidity of the piezospiral spring can be changed, and Thus, the oscillation frequency of the piezoelectric coil spring and the restlessness can be controlled by the electronic circuit 40.
  • FIG. 2 An example of an electronic circuit 40 for controlling the oscillation frequency of a piezoelectric coil spring 20 is disclosed FIG. 2 , and in detail FIG. 7 . 8th shown.
  • Two electrodes are connected to the piezomaterial on the piezospiral spring 20 and deliver an AC voltage V gen AV gen B.
  • the coil spring thus works like a small generator.
  • the frequency of the output signal V gen AV gen B is controlled by a frequency control circuit 22, so that the gear of the mechanical movement is controlled.
  • a rectifier circuit 23 converts the AC voltage into a DC voltage V dc , and a voltage regulation circuit with the transistor 25 regulates the voltage V dd of a capacitance, by which the electronic circuit 40 is then fed.
  • a first capacitive component 24 is preferably used as energy storage or energy buffer.
  • the first capacitive component 24 either directly or via a second capacitive component 26, which is kept at a regulated voltage, feeds the electronic reference circuit with a stable quartz oscillator 1 and a frequency divider 2.
  • the stable oscillator has an oscillating quartz whose oscillation defines a reference frequency , All components except the quartz oscillator and the external capacitors can be constructed as an IC 40; most digital components in the IC can be fed with a low supply voltage V dd .
  • the electronic circuit 40 can only further reduce the frequency of the restlessness.
  • the oscillation frequency of restlessness and piezospiral spring 20 can be influenced by the piezospiral spring 20 having to deliver a lot of electrical power.
  • the disadvantage of this solution is that the change in frequency is on the one hand only small, of the order of 0.5% or less, and that on the other hand, the amplitude of vibration of restlessness is very small, because energy is permanently destroyed by the ohmic resistance.
  • a much larger frequency change in the combination of restlessness and piezospiral spring can be achieved by the impedance changing circuit 22 varying the capacitance which is switched in parallel with the piezospiral spring 20.
  • the greater the capacity the smaller the stiffness of the piezospiral spring 20 and thus the oscillation frequency of the system.
  • Frequency changes of the order of 1-2% can be achieved. This corresponds to a correction possibility of 10-20 minutes per day.
  • both electrical connections of the piezospiral spring 20 are each connected via a capacitance to the ground, wherein at least one capacitance is varied.
  • the electronic control circuit 40 has a comparator logic circuit 4, whose one input to the electronic reference circuit 1, 2 and the other input via a zero crossing of the AC voltage V gen AV gene B detecting comparator stage 5 and an anti-coincidence circuit 3 is connected is.
  • the anti-coincidence circuit 3 is essentially an intermediate memory which prevents the simultaneous occurrence of pulses on both inputs of the comparator logic circuit 4.
  • An exit of the Comparator logic circuit 4 controls the switching on and off of the capacitances in the impedance varying circuit 22.
  • the impedance varying circuit 22 is constructed in this example from a plurality of equal small capacitances 21, 222, 223, 224, 226, 228 (capacitors).
  • the capacitances can also have different values, for example, the capacitance values can be selected such that the smallest capacitance has a value of 1nF, the second capacitance a value of 2nF, the third capacitance a value of 4nF and the fourth capacitance a value of 8nF ,
  • the comparator logic circuit 4 controls the impedance of the impedance varying circuit 22 by changing the number or combination of the capacitances connected in parallel to the piezospiral spring 20. In this way, the impedance of the electronic control circuit 40 can be controlled in small steps in a size range predetermined by the number and the value of the capacitances.
  • the comparator logic circuit 4 compares a clock signal A coming from the electronic reference circuit 1, 2 with a clock signal B originating from the piezoelectric generator. Depending on the result of this comparison, the comparator logic circuit 4 controls the magnitude of the impedance of the electronic control circuit via the Number or combination of parallel to the piezospiral 20 connected capacitances 21, 222, 224, 226, 228. In this way, the control of the impedance of the gear of the piezospiral spring 20 and balance and thus the gear of the time display is regulated. The control is designed so that the gear of the time display is synchronized in the desired manner with the reference frequency supplied by the quartz crystal 1.
  • One possibility is to connect the one input of an up-down counter to the output of the comparator 5, which has the phase V gen A, V gene B of the induced voltage of the piezospiral spring 20, for example, the zero crossing of the AC voltage detected to connect; and to connect the other input of the up-down counter with the reference circuit 1, 2.
  • the signals from the comparator 5 are added to the count, and the signals from the reference circuit 1, 2 are subtracted.
  • the value counted by the counter thus corresponds to the difference between the number of pulses from the piezospiral spring 20 and the number of pulses from reference circuit 1, 2.
  • the incoming signals which are obtained from the counter in the comparator logic circuit 5, are synchronized with the anti-coincidence circuit 3 so that never simultaneously a UP pulse from the comparator 5 and a DOWN pulse from the reference circuit 1, 2 arrive at the counter.
  • the scheme can safely operate below a certain count none of the turn-off capacity 222, 224, 226, 228 connected in parallel to the piezospiral 20.
  • This can be realized by, for example, counter stage 0-7 no capacity (or only the fixed capacitance 21) capacitance is connected in parallel to the piezospiral spring 20, but from counter reading 8-15 the corresponding number or combination of capacitors is connected in parallel, ie at count 8 is an additional capacity In parallel with the piezospiral spring, with counter reading 9 two additional capacitors are connected in parallel, with count 10 three, etc., if capacitances with equal capacitance values are used.
  • the switches 221, 223, 225, 227 for connecting and disconnecting the capacitors 222, 224, 226, 228 can be driven directly from the binary counter in the comparator logic circuit 4.
  • the second hand may have a deviation of up to 1s, since the maximum number of capacities in this example is only turned on when the counter 7 has received UP pulses more than Down pulses.
  • 8 RPM pulses are equivalent to one second on the dial when using 4Hz restlessness.
  • the size of the counter in the comparator logic circuit 4 can be chosen freely, but it is reasonable to use a counter which can cover a range of +/- 2-4 seconds.
  • the capacitances 222, 224, 226, 228 are switched on or off only when the induced voltage at the output of the piezospiral spring 20 is very small or zero. This has the advantage on the one hand that the electrical losses can thus be minimized. Another advantage is that the polarity of the capacitances must not be detected and / or stored beforehand. Yet another advantage is that so per capacitance 222, 224, 226 and 228 only one switch 221, 223, 225 and, 227, consisting of a P-channel and an N-channel transistor, the are connected in parallel, needed. The capacities can all be interconnected with the one electrical connection, only one switch per capacity is required for the respective other connection.
  • the electrical resistance can be minimized, and on the other hand, fewer outputs for the switching transistors 221, 223, 225, 227 must be provided. This allows the construction of a smaller printed circuit 400, as well as the use of a chip 40 with fewer terminal pads.
  • the switching of the capacitances at the zero crossing can be realized by synchronizing the switching operation to the zero crossing comparator 5 which detects the zero crossing of the voltage at the output of the spiral spring. From the comparator logic circuit 4, the information about the combination of zuzugateden capacitors is supplied, and the next sign change of the generator voltage, the switches 221-227 for the connection of the capacitances 222-228 are driven with this information until the next sign change of the Piezo generator 20 supplied voltage at which then the switches for the next cycle are driven with the information from the comparator logic circuit.
  • the switching on or off of the capacitances 222-228 can also take place during the charging of a first capacitor 24 at the output of the rectifier 23. Then, the output from the piezoelectric generator 20 voltage V gen AV gen B over a certain period of time is virtually constant, since the charging capacitor 24 is charged and the internal resistance of the piezospiral spring 20 is very high. If a small capacitance 222 to 228 with the correct polarity is switched on, this does not change the induced voltage. So no electricity will flow, and the system will not take energy from it.
  • the switching of the capacitances 222 to 228 must be synchronized in this case to the charging process.
  • the comparator logic circuit 4 determines the combination of zuzugateden capacity, and during the next charging process, this combination of capacitances is switched to the piezospiral spring.
  • the capacitors 222 to 228 in this variant must be connected with the correct polarity.
  • the applied polarity can either be stored or determined with additional comparators.
  • a disadvantage of this solution is that then per switch 222 to 228 each 2 switches must be used. This means that 2 outputs per IC are needed on the IC 40, and the number of tracks on the printed circuit 400 will be larger accordingly.
  • the capacitances 222 to 228 are ideally switched on or off parallel to the piezospiral spring 20 if the voltage across the piezospiral spring 20 and the voltage at the corresponding capacitor 24 are approximately equal, and if this voltage is more than a few to a few dozen mV must also be the same polarity.
  • the phase shift between the UP pulse of the piezospiral spring 20 and the subsequent DOWN pulse from the reference circuit is measured with the small counter.
  • the small counter is operated for example with 64Hz. Each UP pulse starts the counter at 0, and the counter is stopped by the subsequent DOWN pulse. The value at the output of the small counter is latched after the input of the DOWN pulse, and at the next zero crossing of the AC voltage, when an UP pulse is again generated, the corresponding combination of capacitances is switched in parallel with the piezospiral spring with the latched value from the small counter. With count 1-7 no capacity (or only the fixed capacity 21) is switched on, with count 8-15 an additional capacity is switched on, with count 16-23 a second additional capacity is switched on etc. (if the capacities are all the same size ). The regulation takes place in this case in the range of 1 / 8s, which is barely noticed by the user of the clock, for the user, the clock will always indicate the exact time.
  • the small counter can also be operated at a much higher frequency, for example, 1024Hz. With each UP pulse, the counter is started at 0, and with the DOWN pulse, the counter is stopped and the value of the count is stored to switch the corresponding combination of capacitances parallel to the piezospiral spring 20 at the next UP pulse.
  • the induced voltage at the output of the piezospiral spring 20 is influenced as described above.
  • a large capacitance results in a small induced voltage
  • a small capacitance or no capacitance connected in parallel with the piezospiral spring 20 gives a large voltage at the input of the rectifier 23.
  • the voltage V gen A, V gen B induced by the piezospiral spring 20 can be adjusted by means of a capacitance 21 connected in parallel with the piezospiral spring 20. On the one hand, this may be necessary so that the induced voltage is in a range favorable for the electronics 40.
  • the induced voltage must not be too high, as otherwise protective diodes will be switched on at the inputs on the IC 40, resulting in a loss of energy. On the other hand, the induced voltage should be higher than the minimum operating voltage, which is necessary for a safe functioning of the electronic circuit.
  • a capacitance 21 connected in parallel with the piezospiral spring 20 With a capacitance 21 connected in parallel with the piezospiral spring 20, the desired induced voltage can be set.
  • a first small capacitance 21 in the value of 1-10nF can be switched fixed parallel to the piezospiral spring, so that the voltage at the input of the rectifier 23 is in the desired range and does not exceed a maximum value.
  • the electronic circuit 40 must be able to operate with minimal power consumption. This is achieved by at least one passive component (for example a diode for the rectifier) of the rectifier circuit 23 being at least temporarily replaced by an active structural unit (for example a switch controlled by a comparator 7 or 8) 230 ', 231', 232 ', 233'. is replaced with a smaller in the forward direction electrical resistance.
  • at least one passive component for example a diode for the rectifier
  • an active structural unit for example a switch controlled by a comparator 7 or 8
  • the switch 230 ', 231', 232 ', 233' may be a field-effect transistor and may be connected in such a way that, in its blocked state, part of its structure acts as a diode. In this way, all four diodes of the rectifier 23 are replaced by active switches. Voltage losses across the switch are at least an order of magnitude less than voltage losses across the diode. The voltage drop across a diode can be several hundred mV. However, the voltage drop across the channel of a field effect transistor is only a few mV.
  • the charging of the first capacitor 24 takes place in the start-up phase of the movement on the subject with a high voltage loss diodes.
  • the diodes are replaced by the active components, so that the voltage loss can be minimized, which is much cheaper energetically than charging via the diodes. In this way, the energy reserve of the movement is used more economically and increases the power reserve.
  • the charging of the first capacitive component 24 thus takes place only in the start-up phase of the movement on the subject with a high voltage loss diodes.
  • the first comparator 7 compares the electrical potential V dc at the terminal of the first capacitive component 24, which is not at ground potential, with the electrical potential V gen B of the non-ground potential load-side terminal of the rectifier 23.
  • the first switch 230 ' is closed by the first comparator 7 only when the voltage of the first capacitive device 24 is sufficient to operate the first comparator 7 and the electrical potential V dc at the ground-free load-side terminal of the rectifier 23, for further charging of the first capacitive device is high enough.
  • the voltage value of the first capacitive component 24, which is sufficient for operating the first comparator 7 and for operating a second comparator 8 present in the rectifier 23, is 0.7 V in this exemplary embodiment.
  • the first capacitive component 23 is connected via the passive components (diodes). is charged to at least 0.7 V, the power source and thus also the comparators 7,8.
  • the first comparator 7 closes as soon as the voltage V gen B delivered by the piezospiral spring is higher than the voltage V dc of the first capacitive component 24, ie it closes the first switch 230 'or opens the first field effect transistor.
  • the first comparator 7 closes the first field effect transistor 230 '. If the voltage V genB delivered by the piezospiral spring 20 again rises to a sufficiently large value, the first comparator 7 opens the first field-effect transistor 230 'again and so on. However, the voltage drop across the channel of the first field effect transistor 230 'is only a few mV compared to the diodes. The efficiency of the rectifier with the active elements is thus substantially higher than that of a rectifier 23 with passive elements. The voltage loss is thus significantly reduced by the use of an active rectifier.
  • the comparator 7 (or 8) measures a voltage difference, but once the switch 230 'is closed, the voltage drop across the switch 230' is so small that the comparator 7 reopens the switch. As soon as the switch is opened detected the comparator again a voltage difference, and the switch is closed again.
  • the system can oscillate switch / comparator, which in extreme cases may result in the capacitive device not being charged with enough voltage to ensure the functioning of the electronic circuit. In any event, the efficiency of the rectifier 23 will degrade as the comparator / switch system begins to bounce or oscillate.
  • Another way to avoid this effect is to measure during the time T1 with the comparator 7, 8 (measuring phase), whether the switch 230 '(or 231', 232 ', 233') must be closed or remain open can. If the comparator 7 (or 8) has detected a voltage difference at which the voltage generated by the piezoelectric generator in front of the transistor is greater than the voltage of the capacitive element, the switch is closed during the time T2 (switching phase).
  • the switch 230 ' (or 231', 232 ', 233') is opened again and measured again during the time T1 with the comparator 7, 8, whether the switch during the next time T2 must be closed or left open. In this way, bouncing or vibration of the active diodes can be avoided.
  • Said control circuit contains at least one memory means which stores in the first phase (T1, measuring phase) with the switch disabled, at least one control signal which is to be applied to said switch, wherein further in the second phase (T2, Switching phase) of said switch is controlled by said control signal.
  • a voltage converter circuit with a rectifier for example a voltage doubler circuit, can be used instead of the simple rectifier 23.
  • this has the small disadvantage that more than one external capacitive element is required, which results in an increased space requirement for the electronic circuit.
  • the rectifier 23 could also consist only of passive diodes.
  • the oscillation amplitude of the restlessness of a mechanical clock can vary relatively strongly.
  • the escape wheel transmits a large drive torque to the turbulence via the armature.
  • the restlessness has a large oscillation amplitude. Due to the piezo spring, a relatively high voltage is generated in this case. If only little drive torque is transmitted to the restlessness, for example, when the drive spring is only slightly raised, accordingly, the vibration amplitude of the restlessness and thus the voltage generated by the piezoelectric spring is relatively small.
  • the electronics must also be able to be operated with a low power consumption even at different high AC voltages from the piezospiral spring 20.
  • a first possibility is that at least a substantial part of the electronics 40 on the integrated circuit 400 is operated with a regulated voltage, for example the Quartz oscillator 1 and the frequency divider 2, the anti-coincidence circuit 3 and the comparator logic circuit 4, the comparators 5 and 11, possibly also the comparators 7, 8.
  • a regulated voltage for example the Quartz oscillator 1 and the frequency divider 2, the anti-coincidence circuit 3 and the comparator logic circuit 4, the comparators 5 and 11, possibly also the comparators 7, 8.
  • a second possibility is to regulate the supply voltage for the integrated circuit 40.
  • the easiest way to do this is by controlling the voltage of the capacitance 26 which powers the electronics.
  • the (active) rectifier 23 By the (active) rectifier 23, the electric voltage V gen generated by the piezoelectric spring 20 is rectified and the capacity is charged.
  • the voltage of V dd can be regulated by turning off the rectifier above a certain level of V dd and no longer charging the capacitance, although the voltage from the piezo generator is higher at the moment than the voltage at V dd .
  • a possible upper limit for the V dd might be 1.2V.
  • a third possibility is that a first capacitor 24 is fed by the rectifier 23.
  • this first capacitor 24 is always charged via the rectifier 23 from the electric power supplied by the piezospiral spring 20.
  • This second capacitor 26 is now regulated to a certain voltage V dd . This can be done, for example, by making a switch 25 at certain intervals, for example 8 times per second, an electrical connection between the first capacitor 24, which has a voltage between 1.2 and 5V, and the second capacitor 26, if after the last charging the voltage at the second capacitor 26 has fallen below the desired value Vdd . As soon as the desired voltage, for example 1.2V, has been reached at the second capacitor, the charging process is interrupted.
  • V low a lower V low and an upper voltage V high can be defined.
  • the switch is closed between the first and second capacitances and the second capacitance is charged by the first capacitance.
  • the switch 25 is opened again.
  • a fourth possibility is to vary the length of the charging window, that is the time during which the capacitor 26, which supplies the supply voltage V dd for the integrated circuit, can be charged at all.
  • the higher the V dd the shorter the loading window becomes.
  • a small charging window gives a relatively small V dd even at high input voltages from the piezo generator. In this way, the amount of voltage on the capacitor 26 can also be limited.
  • the piezospiral spring 20 no longer has to be adapted so precisely to the electronics 40.
  • the piezospiral spring 20 must provide only a minimum voltage V gen during operation sufficient to safely operate the electronics 40 and to control or control the pace of the agitation. If the piezoelectric generator 20 delivers a voltage which is greater than necessary for safe operation, the power consumption of the electronics will therefore not be higher.
  • control signals for the control of the electronic switching elements / transistors 230 ', 231', 232 ', 233' may be used on the part of the electronic circuit with the higher voltage, these signals must be from the part of the electronic circuit 40 with the low voltage be brought by means of level shifters 10 to a higher voltage V dc .
  • the analog circuit with current sources and oscillator 1 and comparators 5, 7, 8, 11 and the logic circuit 4 and the frequency divider 2 and the anti-coincidence circuit 3 is at a low voltage V dd , for example 200mV above the minimum voltage at which the electronic circuit 40 still safe works, feeds.
  • the switches 230 ', 231', 232 ', 233' in the rectifier 23, the switches 221, 223, 225, 227 for changing the impedance (by switching capacitors 222-228 on or off), feeding the level shifters 9, 10 12 and the switch 25 needed to supply the low voltage part of the circuit are operated at a higher voltage V dc , typically between 1.2 and 5V.
  • the switching transistors 230 ', 231', 232 ', 233' in the rectifier 23 must also be controlled with 5V. This can be done by bringing the control signal for the switching transistors 230 ', 231', 232 ', 233' by means of level shifters 10 to approximately the same voltage as the voltage to be switched.
  • the level shifters are fed by the first capacitor 24, which is loaded by the piezoelectric generator 20.
  • the transistors 230 ', 231 ', 232', 233 ' are still driven in the rectifier with a voltage which is approximately the same size as the voltage to be switched from the piezoelectric generator. This can be done by internally providing a boost circuit, such as a voltage doubler or quadrupler. Then, the logic signals that drive the switch / transistors, by means of Level shifters 9, 10, 12, which are fed by the internal voltage booster circuit, raised to an increased voltage level V dc .
  • the switching transistors 221, 223, 225, 227 at least one P-channel transistor and one N-channel transistor are connected in parallel per switch.
  • these transistors Via level shifters 9, which are supplied with a sufficiently high voltage V dc as described above, these transistors are activated for the connection and disconnection of the capacitances 222 to 228.
  • the logic signals from the comparator logic circuit 4, which drive the switch / transistors are so by means of the level shifters 9, which are fed either by the higher voltage V dc at the output of the first capacitor or by an internal voltage booster circuit to an increased Raised voltage level.
  • Comparators are used to measure different signals. Since the system is already largely stabilized by the mechanical oscillator, the times are known when the different values are needed. So it is possible to work with a reduced number of comparators. The inputs and outputs of the comparators are then switched differently depending on the phase.
  • Another option is to turn off certain comparators when they are not needed. Even so, electricity can be saved. If, for example, the comparator 5 for the measurement of the sign change of the induced voltage of the piezator (zero crossing) is switched off after the switching process for 1/16 seconds, since the next zero crossing takes place only after 1/8 second (4Hz restlessness), thus electricity can be saved become. The functioning of the movement is nevertheless ensured, since the vibration frequency is already largely stabilized by the restlessness / spiral spring.
  • the output of the respective comparator is not enabled until the operating point of the corresponding comparator has been reached. This can be realized by only after a predefined period of time after switching on the comparator, the output of the comparator is enabled.
  • POR POR circuit
  • the active rectifier 23 is put into a start-up mode, as long as the quartz oscillator 1 does not yet work.
  • the POR serves to operate the rectifier 23 with the comparators and the switches (for example field effect transistors), even without the oscillator 1 functioning.
  • the switches 230 'to 233' operate as simple diodes, and in this phase at least one capacitor 24 is charged via these lossy diodes.
  • the comparators will start to work as well. In this phase, the switches are then controlled directly by the comparators.
  • the POR can also be used to switch one or more capacitors 222 to 228 parallel to the piezospiral spring 20 during the start-up phase.
  • the induced voltage can be set to a certain value favorable for starting the electronic circuit 40.
  • the POR also serves to ensure safe start-up of the quartz oscillator 1 and to ensure that when starting the crystal oscillator 1 not too much power is needed on.
  • This can be realized by first charging at least one capacitor 24 with the aid of the rectifier, first with the passive elements (diodes), and once the power source has started up with the active elements (comparators and switches). Only when the capacitance which supplies the quartz oscillator is charged to a minimum voltage, for example 1 V, is the quartz oscillator 1 started. The current can reach 200nA for one second. However, this is not a problem since most of the electrical power is supplied by the already charged capacity. With a capacitance of 1uF and 1V, this results in approximately a voltage drop of 0.2V. Thus, a safe starting of the quartz oscillator can be ensured without the system restlessness / coil spring is loaded too much by a high starting current.
  • the POR also ensures that the second capacitor 26 is supplied with sufficient electrical energy by the first capacitor 24 during the startup process. It is also possible to feed the quartz oscillator 1 exclusively by the second capacitor 26 and to start the oscillator 1 as soon as the second capacitor 26 has reached a certain minimum voltage.
  • the POR also serves to start the regulation of the oscillation frequency of the restlessness in a certain control state. If the Control by means of a counter in the comparator logic circuit 4 works, for example, by the POR or the counters are first placed in a certain state A, and then set and released in the state B on the disappearance of the POR.
  • comparators 7, 8 (13, 14) for the rectifier 23 are switched with the POR in such a way that during the starting process the comparators 7, 8 (13, 14) are always switched on and work, and only with the disappearance of the POR The comparators are switched on and off at certain times in order to save electricity. It is also possible to operate in the start-up phase, only the comparators for the rectifier 23, and then turn on the other comparators 5, 11 as soon as they are needed in the further course of the start-up process.
  • the signal POR depends on the internal current source and the quartz oscillator 1 and, if desired, also on the voltage at at least one capacitance. As long as the current source does not supply enough power, a signal of a PORA is one, and as long as the frequency of the quartz oscillator does not reach a predetermined value, the signal of a PORB is also one. And as long as the voltage on a capacitance does not reach a desired value, the signal of the PORC is also one.
  • the signal POR can be formed of PORA, PORB, PORC and signals from the frequency divider and the logic part of the electronic circuit; In addition, signals from the analog part of the electronic circuit can also be used. However, different PORs can also be formed from the signals described above.
  • the electronic circuit is preferably designed so small that can be readily arranged in the movement under a bridge and hide.
  • the chip 40 is mounted directly with the flip-chip mounting technology, without further connecting wires, with the active contacting side facing downwards - to the substrate / circuit carrier. This leads to particularly small dimensions of the housing and short conductor lengths. Thus, the entire surface of the die (of the chip) can be used for contacting.
  • the dimensions of the individual commercially available components then have the following dimensions, for example: IC / chip 40 1x 1.52 x 1.03 x 0.4 mm Quartz 1 1x 2.0 x.0 x 0.6 mm capacitor 2x 1.0 x 0.5 x 0.5 mm capacitor 3x 0.4 x 0.2 x 0.2 mm
  • the elements are so small that they can be accommodated on a printed circuit board 400 of approx. 3.35 x 2.3mm, even if the elements are only mounted on one side. However, it would be possible to mount the elements on both sides of the printed circuit. Or it is also possible to use a flexible printed circuit and then bend the printed circuit so that capacitors come to lie on each other.
  • test pads for debugging the electronic circuit can not be mounted on such a small circuit board. Also, arranging the conductor tracks for connecting the elements with each other is hardly possible. This problem can be solved by on the one hand the circuit board has on both sides strip conductors, which can also be interconnected through the circuit board. Thus, it is possible to solder a number of very small capacitors on top of the circuit board, but to arrange the electrical connections to the other elements on the underside of the circuit board. But this does not solve the problem of the test pads. This can be solved by placing the test pads 401 on an additional part of the circuit board 400 ( Fig. 3a, 3b ). This part of the circuit board 400 is disconnected after successful testing of the electronics. Thus, the test pads 401 can be generously designed, which facilitates testing later. But since this part is separated after successful testing, the final circuit board 400 has only very small dimensions.
  • the terminals 300 for the piezospiral spring 20 may be configured as a thin long extension 402 of the circuit board 400. So it is no longer necessary to solder wires on the circuit board, which then produce the electrical connection to the piezospiral spring 20. The function of the wires takes over the thin, long extension of the flexible circuit board. This has the further advantage that after attaching the electronic components on the circuit board and the subsequent testing only the connection to the piezospiral spring 20 must be made. These are just two electrical connections that can be made with soldering or with electrically conductive glue. The electrical connection could also be made by bonding.
  • a multilayer, flexible circuit board 400 for example, with 3 layers.
  • the electrical connection between the individual layers is produced by vertical contacts.
  • the contacts to the IC, the capacitances, the quartz and the piezo spiked spring are applied.
  • the connections between the IC, quartz, capacitance and piezo-generator junctions are made, and the third layer can be used to form an opaque barrier under the IC.
  • the first and the third full-surface layer can first be nickel-plated and then gold-plated.
  • the electronic circuit is coated after the separation of the test pads with a thin electrically insulating protective layer, for example with a paint which cures under UV light. This can be prevented that the electronic module makes an unwanted electrical contact with the movement or parts of the movement and is thus impaired in the function.
  • test pads 401 it is also conceivable not to separate the test pads 401 after testing out the electronics, but to fold the test pads in such a way that they take up only little space under the electronic circuit 400.
  • the entire electronics module is thus very small and can be easily hidden under a bridge or a similar component. This has the further advantage that the electronics are then protected from light, from electric fields and from magnetic fields. According to the invention, it would be advantageous to place the electronics under the balance bridge. Thus, an inventive movement looks like a purely mechanical movement, but has the advantage of much better accuracy.
  • the ability to display with the control electronics if the frequency of the disturbance is no longer within the control range of the electronics.
  • the electronics may indicate that the control range has been exhausted by changing the vibrational frequency of the crystal. This can be done by adding or removing internal capacitances of the integrated circuit 40 to the terminals of the crystal oscillator 1. Exactly the same can happen if the disturbance oscillates too fast and is no longer within the control range.
  • the frequency of the crystal oscillator can be increased if the disturbance oscillates too slowly and outside the control range of the electronics.
  • the frequency of the crystal oscillator can be slowed down if the noise oscillates too fast and outside the control range of the electronics.
  • the watchmaker can determine if electronics can properly control the frequency of the disturbance.
  • the electrical connection 300 from the piezospiral spring 20 to the electronic circuit 40 must be designed such that it Connection is not mechanically stressed by the swinging of the restlessness.
  • the end 30 of the coil spring 20 can be provided with a thickening 280. This thickening is then no longer subject to deformation when the rest swings back and forth and the coil spring is deformed.
  • the mechanical fixation of the coil spring can also be realized at this thickening, be it by screws, clamps or gluing.
  • the electrical connection to the electronic circuit can be realized by soldering, gluing with an adhesive conductive adhesive or Adhesive Conduction Paste or by bonding; but it is also an electrical connection conceivable realized by mechanical means, for example by clamping.
  • Another possibility is to extend the coil spring 20 so that the end 280 of the piezospiral spring 30 protrudes beyond the blocks, so that the electrical connection 300 between the piezospiral spring 20 and the electronic circuit 40 can be made at the mechanically unloaded end. This can be done with soldering, for example, if the Curie temperature of the piezoelectric material is not exceeded.
  • Another variant is to make the blocks so that in the front region of the piezo-helical spring 20 is mechanically held and absorbs the vibrations, and in the rear region of the electrical contact between the electrodes of the piezoelectric material and the electronic circuit 40 is made.
  • the electrodes can be applied to the piezo material by CVD (Chemical Vapor Deposition) process.
  • the electrodes may be applied by sputtering or by a galvanic process.
  • the inventive movement can be designed so that the end customer can choose whether he wants to have a conventional, mechanical restlessness or an additionally electronically controlled restlessness.
  • the restlessness and the spiral spring of the inventive movement will be designed differently, anchor, escape wheel can remain the same, although they may also be changed.
  • the bearings are the same.
  • the electronics can be integrated, for example, in the balance bridge. This ensures that the watch's plate is the same for both types of watches, whether purely mechanical or electronically controlled. In this way, a higher added value can be generated with the same amount of capital.
  • This method consists in bringing together a balance with the appropriate coil spring.
  • the riots, already balanced, are divided into several, for example twenty, classes according to their moment of inertia.
  • the piezospiral springs are also classified according to their respective moment in several, for example twenty, classes.
  • the riots and spiral springs so divided can now be assigned to each other according to their classes.
  • the oscillation frequency of the restlessness can be changed by means of the control electronics in a range of about 1%, it is in the careful measurement of restlessness and piezospiral and the subsequent assembly possible to regulate the exact oscillation frequency of restlessness only with the small auxiliary electronics. Ideally, the watchmaker has nothing to do with the regulator.

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Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung bezieht sich auf eine mechanische Uhr, deren Regelorgan eine Unruhe, ein Spiralfeder und eine elektronische Schaltung mit einem Quarzoszillator umfasst.
    • Stand der Technik
  • Mechanischen Uhren werden von einer Aufzugsfeder angetrieben. Diese Feder ist der Motor der mechanischen Uhr: Sie wird entweder manuell oder durch das Tragen über den automatischen Aufzugsmechanismus der Uhr am Handgelenk aufgezogen und speichert so die Energie. Diese wird dann kontinuierlich an das Räderwerk abgegeben.
  • Das Räderwerk ist eine Art Getriebe, das die große Energie des Federhauses an kleine Räder (Minuten-, Kleinboden-, Sekunden- und Ankerrad) abgibt und übersetzt. Die Hemmung sorgt als Verbindungsglied zwischen Räderwerk und Unruh für die Taktweitergabe und gibt über das Ankerrad und den Anker die Antriebsenergie vom Federhaus an die Unruhe ab und hält diese am Schwingen. Die Hemmung, gesteuert durch das Regelorgan, befreit und stoppt das Räderwerk in sehr präzisen Intervallen.
  • Das Regelorgan umfasst eine Spiralfeder und eine Unruh. Die Unruh verhält sich ähnlich wie ein Pendel, das immer mit Hilfe der Spiralfeder in die Ruhelage zurückgeführt wird und sorgt so für den gleichmäßigen Takt der Uhr. Bei den meisten modernen Uhren schwingt die Unruh mit 8800A/h, also acht Mal pro Sekunde oder fast 700'000 Mal pro Tag. Diese Intervalle bringen die Zeiger dazu, die "richtige Zeit" auf dem Zifferblatt anzuzeigen.
  • Ein Nachteil der mechanischen Uhr im Vergleich zur elektronischen Uhr ist, dass der Gang der Armbanduhr durch Lagenveränderungen, schwankende Temperatur, Magnetismus, Staub, durch unregelmäßiges Aufziehen und Ölen nachteilig beeinflusst wird.
  • Aus EP848842 ist ein Uhrwerk bekannt, dessen Feder über ein Räderwerk eine Zeitanzeige und einen eine Wechselspannung liefernden Generator antreibt. Der Generator speist eine Spannungswandlerschaltung, die Spannungswandlerschaltung speist ein kapazitives Bauelement, und das kapazitive Bauelement speist eine elektronische Referenzschaltung mit einem stabilen Oszillator sowie eine elektronische Regelschaltung. Die elektronische Regelschaltung weist eine Komparator-Logik-Schaltung und eine mit einem Ausgang der Komparator-Logik-Schaltung verbundene und durch die Komparator-Logik-Schaltung in ihrer Leistungsaufnahme steuerbare Energiedissipationsschaltung auf. Ein Eingang der Komparator-Logik-Schaltung ist mit der elektronischen Referenzschaltung und ein anderer Eingang der Komparator-Logik-Schaltung mit dem Generator über eine Komparatorstufe und eine Antikoinzidenzschaltung verbunden. Die Komparator-Logik-Schaltung ist so ausgelegt, dass sie ein von der elektronischen Referenzschaltung kommendes Taktsignal mit einem vom Generator stammenden Taktsignal vergleicht, in Abhängigkeit vom Ergebnis dieses Vergleichs die Grösse der Leistungsaufnahme der elektronischen Regelschaltung über die Größe der Leistungsaufnahme der Energiedissipationsschaltung steuert und auf diese Weise über die Steuerung der Regelschaltungsleistungsaufnahme den Gang des Generators und damit den Gang der Zeitanzeige regelt.
  • Das Uhrwerk aus EP848842 benötigt aber eine relativ komplizierte Elektronik, einen Generator der die notwendige Energie für den Betrieb der Elektronik liefert, sowie relativ viel Platz, um die Systeme einzubauen. Ein weiterer Nachteil eines solchen Uhrwerks ist, dass die Kräfte und Momente anders als bei einem mechanischen Uhrwerk sind, so dass das gesamte Uhrwerk angepasst werden muss.
    • Darstellung der Erfindung
  • Es ist ein Ziel der Erfindung, ein verbessertes Regelorgan für eine mechanische Uhr vorzuschlagen.
  • Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, ein genaueres Regelorgan für eine mechanische Uhr vorzuschlagen.
  • Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, ein elektronisches Regelorgan für eine mechanische Uhr vorzuschlagen, wobei das elektronische Regelorgan vom mechanischen Uhrwerk und ohne Batterie gespeist wird.
  • Eine andere Aufgabe ist es, ein neues Regelorgan oder HilfsRegelorgan für ein mechanisches Uhrwerk bereitzustellen, das in einem bestehenden mechanischen Uhrwerk mit minimalen Änderungen eingebracht werden kann.
  • Diese Ziele werden mit einem Regelorgan erreicht, das eine Unruhe, eine Spiralfeder mindestens teilweise aus piezoelektrischem Material und eine den Gang der Unruhe regelnde Elektronik umfasst.
  • Gemäss einem Aspekt wird ein Regelorgan für ein mechanisches Uhrwerk bereitgestellt, das die Ganggenauigkeit des mechanischen Regelorgans wesentlich verbessert, indem die Schwingfrequenz der Unruhe elektronisch stabilisiert wird, wobei die Energie für die Elektronik des Regelorgans durch die Spiralfeder zur Verfügung gestellt wird.
  • Gemäss einem Aspekt wird die Spiralfeder einer konventionellen mechanischen Uhr durch eine piezoelektrische Spiralfeder ersetzt. Die Piezospiralfeder erzeugt eine von den Schwingungen der Unruh und/oder der Spiralfeder abhängige Wechselspannung.
  • Die Wechselspannung wird zur Regelung der Schwingfrequenz der Unruh über eine elektrische Verbindung an eine elektronische Schaltung übertragen, welche die Steifigkeit der Spiralfeder und somit die Frequenz des Schwingsystems Unruh/Spiralfeder verändern und somit regeln kann. Gleichzeitig kann die elektronische Schaltung ausschliesslich von der benannten Piezospiralfeder elektrisch gespeist sein, so dass eine zusätzliche Batterie nicht benötigt wird. Obwohl eine Batterie nicht notwendig ist, kann man sich vorstellen, dass die elektronische Schaltung durch eine Solarzelle und einen kleinen Akku oder eine Kapazität gespeist wird.
  • Wenn also die Unruh in Schwingung versetzt wird, wird durch die auf der Spiralfeder angebrachten piezoelektrischen Materialien eine Wechselspannung erzeugt. Die Spiralfeder funktioniert also wie ein kleiner Generator. Die Wechselspannung am Ausgang der Spiralfeder wird gleichgerichtet, um die elektronische Schaltung zu speisen.
  • Die Steifigkeit der Spiralfeder wird durch verändern der Impedanz am Ausgang der Piezospiralfeder angepasst. In einer bevorzugten Variante wird dies durch Anpassung des Werts einer Kapazität parallel zur Piezospiralfeder erreicht. Je grösser der Wert der parallel zur Piezospiralfeder geschalteten Kapazität ist, umso kleiner ist die Steifigkeit der Spiralfeder. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die einstellbare Kapazität eine Anzahl von mit Schaltern zu- und wegschaltbaren Kapazitäten.
  • Ein Beispiel von piezoelektrischen Spiralfeder wurde von Tao Dong et al. in "Proceedings of PowerMEMS 2008+ micro EMS 2008", Sendai, Japan, November 9-12, "A Mems-based spiral piezoelectric energy harvester" beschrieben; diese Spiralfeder wird jedoch nicht als Regelorgan für ein Uhrwerk verwendet, und die Schwingfrequenz wird nicht elektronisch eingestellt.
  • US4435667 beschreibt einen Aktuator mit einer piezoelektrischen Spirale; dieser Aktuator wird nicht für ein Uhrwerk verwendet.
  • JP2002228774 (Seiko Epson Corp) beschreibt ein Verfahren zur Einstellung der Schwingfrequenz einer piezoelektrischen Spiralfeder, in welchem das Piezoelement entweder mit einer elektrischen Schaltung verbunden wird, oder von dieser Schaltung ganz getrennt wird. Dies führt jedoch zu sprungartigen Änderungen der mit der Spiralfeder verbundenen Impedanz, jedesmal wenn die elektrische Schaltung mit dem Piezoelement verbunden wird oder von dieser Schaltung getrennt wird. Solche schnellen Impedanzänderungen mit einer grossen Amplitude modifizieren schlagartig die elektrische Spannung am Eingang der elektronischen Schaltung. Je grösser die parallel zur Piezospiralfeder geschaltete Kapazität ist, desto kleiner ist die induzierte Wechselspannung am Eingang des Gleichrichters. Dies kann dazu führen dass die Spannung am Eingang der Elektronik nicht mehr hoch genug ist, um ein sicheres Funktionieren der Elektronik zu gewährleisten. Ein anderes Problem ist, dass bei dieser Ausführungsform die Unruhe entweder zu schnell oder zu langsam schwingt, nie aber mit der richtigen Frequenz. Auch dies kann zu Problemen mit der Regelung und sogar zu unerwünschten Schwingungen führen. Dies erweist sich als nachteilig für die Ganggenauigkeit.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Kapazität am Ausgang der piezoelektrischen Spiralfeder in mehreren Stufen eingestellt, um einerseits die Steifigkeit der Spiralfeder in kleinen Schritten ändern zu können, und um andererseits nur die minimal notwendige Kapazität parallel zur Piezospiralfeder zu schalten, so dass die Spannung am Eingang des Gleichrichters nicht unnötig herabgesetzt wird. In einer bevorzugten Ausführungsform wird ständig mindestens eine fixe kleine Kapazität in der elektronischen Schaltung mit der piezoelektrischen Spiralfeder verbunden. Dies hat den Vorteil, dass die Spannung am Eingang des Gleichrichters so eingestellt werden kann, dass der Gleichrichter sicher funktioniert und einen hohen Wirkungsgrad aufweist.
  • Gemäss einem anderen unabhängigen Aspekt der Erfindung umfasst die elektronische Schaltung zur Anpassung der Impedanz am Ausgang der Spiralfeder einen aktiven Gleichrichter, in welchem Dioden durch Transistoren ersetzt werden, und/oder eine Schaltung mit mehreren Transistoren zur Anpassung der Impedanz am Ausgang der Spiralfeder; mindestens gewisse dieser Transistoren werden mit einer erhöhten Spannung angesteuert, zum Beispiel mit einer Spannung, die höher als die Spannung des grösseren Teils der digitalen Komponenten der elektronischen Schaltung ist. Die Ansteuerung der Schalter kann beispielsweise mit Levelshifter realisiert werden; dadurch wird der ohmsche Widerstand in diesen Schaltern reduziert.
  • Die Spannung zur Ansteuerung der Transistoren im Gleichrichter und/oder in der Impedanzanpassungsschaltung ist somit höher als die Speisepannung Vdd der elektronischen Schaltung, mit welcher die oder die meisten digitale Komponenten der elektronischen Schaltung angesteuert sind. Dadurch wird der Stromverbrauch der elektronischen Schaltung reduziert, und die Transistoren haben einen kleinen ohmschen Widerstand.
  • Die Transistoren zur Anpassung der Impedanz am Ausgang der Spiralfeder werden erst dann ein- oder zu-geschaltet, wenn die von der Spiralfeder induzierte Spannung niedriger als eine vorbestimmte Schwelle ist, oder wenn der von der Spiralfeder erzeugte Strom niedriger als eine vorbestimmte Schwelle ist. Dadurch können Energieverluste reduziert werden.
  • Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
    • Kurze Beschreibung der Figuren
  • Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren näher erläutert, wobei zeigen:
    • Fig.1
    Eine schematische Ansicht der Regelung darstellt mit den Kapazitäten, den die Kapazitäten zu- und wegschaltenden Schaltern sowie der Komparator-Logik Schaltung, welche die Schalter ansteuern.
    Fig.2
    Eine schematische Ansicht darstellt der Regelung der Spannung des Kondensators, der die elektronische Schaltung mit Energie versorgt.
    Fig.3a
    Eine schematische Ansicht der gedruckten Schaltung mit den aufgelöteten Bauteilen zeigt, wobei neben der elektronischen Schaltung grosse Flächen vorhanden sind, auf denen Testpads oder Testkontakte aufgebracht sind.
    Fig.3b
    Eine schematische Ansicht der gedruckten Schaltung mit den aufgelöteten Bauteilen zeigt, wobei die Testflächen abgetrennt sind.
    Fig.4
    Eine schematische Ansicht einer Spiralfeder darstellt.
    Fig.5a
    Eine schematische Ansicht des Querschnitts einer erfindungsgemässen Spiralfeder darstellt.
    Fig.5b
    Einen Detail des Querschnitts der Spiralfeder mit den verschiedenen Schichten darstellt.
    Fig.6
    Eine schematische Ansicht der Unruhe, der Piezospiralfeder und der elektronischen Schaltung zeigt.
    Fig.7
    Eine schematische Ansicht der elektronischen Schaltung darstellt, wobei die Schalter für die Frequenzregelung und den aktiven Gleichrichter sowie der Schalter für die Spannungsregelung der zweiten Kapazität über Levelshifter angesteuert werden.
    Fig.8
    Eine schematische Ansicht der elektronischen Schaltung darstellt, wobei nur die Schalter für die Frequenzregelung sowie der Schalter für die Spannungsregelung der zweiten Kapazität über Levelshifter angesteuert werden.
    Wege zur Ausführung der Erfindung
  • Ein Regelorgan gemäss der Erfindung umfasst eine konventionelle Unruh 30, eine piezoelektrische Spiralfeder 20 (Figuren 4, 5a und 5b) und eine elektronische Schaltung 40 zur Steuerung der Ganggenauigkeit eines mechanischen Uhrwerks mit einer piezoelektrischen Spiralfeder. Dieses Regelorgan wird konventionell über eine nicht dargestellte Hemmung mit dem Räderwerk eines mechanischen Uhrwerks verbunden, dass die benötigte Energie versorgt, und deren Gang somit geregelt wird.
  • Die piezoelektrische Spiralfeder 20 besteht ganz aus einem piezoelektrischen Material, oder aus einem mit mindestens einer piezoelektrischen Schicht überzogenen Material, vorzugsweise aus einem Halbleiter Material (zum Beispiel Silizium) 200, das mindestens teilweise (Fig. 5a und Fig. 5b) mit einem piezoelektrischen Material 202-207 und einer Elektrode 208 beschichtet wird. 202 ist eine Keimschicht, 203 und 204 sind Zwischenschichten aus AIGaN bzw. AIN, 205 ist die Halbleiterschicht (beispielsweise aus GaN), 206 ist eine Zwischenschicht aus AIN, 207 ist eine weitere Piezoelektrische Schicht aus GaN zum Beispiel, und 208 ist eine Elektrode. Die Piezospiralfeder wird vorteilhafterweise als Bimorphes Piezoelement gestaltet, es sind aber auch andere Ausführungen denkbar.
  • Die piezoelektrische Spiralfeder kann beispielsweise aus einem Wafer hergestellt werden, beispielsweise aus einem Wafer aus Silizium. Indem entsprechend n- oder p-dotiertes Silizium 200 verwendet wird ist der Wafer gut leitend, und der Kern der Piezospiralfeder aus Silizium kann direkt als Elektrode verwendet werden.
  • Die Spiralfedern werden auf dem Wafer strukturiert. Mit dem Deep Reactive Ion Etching DRIE Verfahren können vertikale Strukturen auf einfache Art und Weise in Silizium realisiert werden.
  • Nach dem Strukturieren der Spiralfedern auf dem Wafer wird durch kontrolliertes Oxidieren des Wafers eine dünne Oxydschicht in der Grössenordnung von 1-3 µm auf der Oberfläche der Spiralfedern gebildet. Damit werden die Kanten gerundet, und die Unebenheiten in den vertikal geätzten Oberflächen werden geglättet.
  • Diese Oxydschicht wird dann weggeätzt, um einerseits einen guten elektrischen Kontakt zwischen dem leitfähigen Kern 200 der Spiralfeder und der piezoelektrischen Schicht 205, 207 sicherzustellen, und andererseits um eine gute Qualität der piezoelektrischen Beschichtung zu erreichen.
  • Anschliessend wird auf eine Ankeimschicht 202 aus AIN mindestens eine piezoelektrische Schicht 205, 207 mit der gewünschten Schichtdicke auf den Wafer und somit auf die von einer Oxydschicht befreiten Spiralfedern aufgebracht, beispielsweise eine Schicht Aluminiumnitrid. Diese Schicht 205, 207 hat idealerweise überall auf der Spiralfeder eine identische Dicke. So kann verhindert werden dass sich die Spiralfeder durch die unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten des Siliziums und des Piezomaterials in unerwünschter Art und Weise verformt.
  • Nach dem Aufbringen der piezoelektrischen Schicht(en) werden noch die Elektroden 208 aufgebracht. Eine Möglichkeit besteht darin zuerst den gesamten Wafer mit einer dünnen Haftschicht mit einer Dicke von wenigen nm aus Chrom oder Titan zu überziehen, um anschliessend daran eine Schicht 208 aus beispielsweise Nickel oder Nickel / Gold in einer Dicke von 100-500nm aufzubringen. Somit sind der gesamte Wafer und auch die Spiralfedern auf der gesamten Oberfläche überall mit einer elektrisch leitenden Schicht versehen.
  • Nach dem Aufbringen der Elektroden 208 wird mit einem gerichteten Ätzprozess das Elektrodenmaterial auf der Ober- und Unterseite des Wafers entfernt, so dass nur noch Elektroden 208 auf den vertikalen Seitenwänden der Spiralfeder übrig bleiben. Nach dem zerbrechen einer Sollbruchstelle an der Spiralrolle und einer Sollbruchstelle an Klötzchen sind dann die Elektroden 208 auf der Innen- und Aussenseite der Spiralfeder voneinander getrennt und die Spiralfeder ist bereit zu Einbau in das Uhrwerk.
  • Diese piezoelektrische Spiralfeder wird dann anstelle einer konventionellen Spiralfeder in einem mechanischen Uhrwerk montiert. Wenn die piezoelektrische Spiralfeder 20 schwingt, erzeugt das Piezomaterial ein elektrisches Ausgangssignal VgenA-VgenB, mit welchen eine elektronische Schaltung 40 auf einer Leiterplatte 400 gespeist wird. Durch Verändern einer Impedanz, die parallel zur Spiralfeder 20 geschaltet wird, kann die Steifigkeit der Piezospiralfeder verändert werden , und somit kann die Schwingfrequenz der piezoelektrischen Spiralfeder und der Unruhe durch die elektronische Schaltung 40 geregelt werden.
  • Ein Beispiel einer elektronischen Schaltung 40 zur Steuerung der Schwingfrequenz einer piezoelektrischen Spiralfeder 20 wird auf Figur 2, und detailliert auf Figur 7,8 dargestellt. Zwei Elektroden werden mit dem Piezomaterial auf der Piezospiralfeder 20 verbunden und liefern eine Wechselspannung VgenA-VgenB. Die Spiralfeder funktioniert also wie ein kleiner Generator.
  • Die Frequenz des Ausgangssignals VgenA-VgenB wird von einer Frequenzregelschaltung 22 geregelt, damit die Gang des mechanischen Uhrwerks geregelt wird.
  • Eine Gleichrichterschaltung 23 konvertiert die Wechselspannung in eine Gleichspannung Vdc, und eine Spannungsregelungsschaltung mit dem Transistor 25 regelt die Spannung Vdd einer Kapazität, durch welche dann die elektronische Schaltung 40 gespeist wird. Ein erstes kapazitives Bauelement 24 wird vorzugsweise als Energiespeicher oder Energiezwischenspeicher verwendet. Das erste kapazitive Bauelement 24 speist entweder direkt oder über ein zweites kapazitives Bauelement 26, welches auf einer geregelten Spannung gehalten wird, die elektronische Referenzschaltung mit einem stabilen Quarzoszillator 1 und einem Frequenzteiler 2. Der stabile Oszillator weist einen Schwingquarz auf, dessen Schwingung eine Referenzfrequenz definiert. Alle Komponenten ausser dem Schwingquarz und den externen Kapazitäten können als ein IC 40 aufgebaut werden; die meisten digitalen Komponenten im IC können mit einer niedrigen Speisespannung Vdd gespeist werden.
  • Da die Wechselspannung, die mit einem Piezoelement 20 erzeugt werden kann, relativ hoch sein kann, wird zur Speisung des ICs 40 kein Spannungsvervielfacher benötigt.
  • Die elektronische Schaltung 40 kann die Frequenz der Unruhe nur zusätzlich verringern.
    • Einstellen / Regeln der Frequenz
  • Einerseits kann die Schwingfrequenz von Unruhe und Piezospiralfeder 20 beeinflusst werden, indem die Piezospiralfeder 20 viel elektrische Leistung abgeben muss. Dies könnte beispielswiese geschehen indem ein ohmscher Widerstand parallel zur Piezospiralfeder geschaltet wird, oder indem ein ohmscher Widerstand parallel zum ersten Kondensator 24, welcher von der Piezospiralfeder über den Gleichrichter 23 gespiesen wird, geschaltet wird. Der Nachteil dieser Lösung ist allerdings dass die Frequenzänderung einerseits nur klein ist, in der Grössenordnung von 0.5% oder weniger, und dass andererseits die Schwingungsamplitude der Unruhe durch sehr klein wird, da durch den ohmschen Widerstand dauernd Energie vernichtet wird.
  • Eine wesentlich grössere Frequenzänderung an der Kombination Unruhe und Piezospiralfeder kann erreicht werden, indem die Impedanzveränderungsschaltung 22 die Kapazität variiert, die parallel zur Piezospiralfeder 20 geschaltet wird. Je grösser die Kapazität, desto kleiner ist die Steifigkeit der Piezospiralfeder 20 und somit die Schwingfrequenz des Systems. Frequenzänderungen in der Grössenordnung von 1-2% können so erreicht werden. Dies entspricht einer Korrekturmöglichkeit von 10-20 Minuten pro Tag.
  • In einer nicht dargestellten Variante werden beide elektrischen Anschlüsse der Piezospiralfeder 20 je über eine Kapazität an die Masse angeschlossen werden, wobei mindestens eine Kapazität variiert wird.
  • In einem Ausführungsbeispiel weist die elektronische Steuerschaltung 40 eine Komparator-Logik-Schaltung 4 auf, deren einer Eingang mit der elektronischen Referenzschaltung 1, 2 und deren anderen Eingang über eine den Nulldurchgang der Wechselspannung VgenA-VgenB erfassende Komparatorstufe 5 und eine Antikoinzidenzschaltung 3 verbunden ist. Die Antikoinzidenzschaltung 3 ist im Wesentlichen ein Zwischenspeicher, der ein gleichzeitiges Einlaufen von Impulsen auf beiden Eingängen der Komparator-Logik-Schaltung 4 verhindert. Ein Ausgang der Komparator-Logik-Schaltung 4 steuert das Zu- und Wegschalten der Kapazitäten in der Impedanzveränderungsschaltung 22.
  • Die Impedanzveränderungsschaltung 22 ist in diesem Beispiel aus einer Vielzahl gleicher kleiner Kapazitäten 21, 222, 223, 224, 226, 228 (Kondensatoren) aufgebaut. Die Kapazitäten können aber auch verschiedene Werte haben, beispielsweise können die Kapazitätswerte so gewählt werden, dass die kleinste Kapazität einen Wert von 1nF aufweist, die zweite Kapazität einen Wert von 2nF, die dritte Kapazität einen Wert von 4nF und die vierte Kapazität einen Wert von 8nF. Die Komparator-Logik-Schaltung 4 steuert die Impedanz der Impedanzveränderungsschaltung 22, indem sie die Anzahl oder die Kombination von den parallel zur Piezospiralfeder 20 geschalteten Kapazitäten verändert. Auf diese Weise ist die Impedanz der elektronischen Steuerschaltung 40 in einem durch die Anzahl und den Wert der Kapazitäten vorbestimmten Größenbereich in kleinen Stufen steuerbar.
  • Die Komparator-Logik-Schaltung 4 vergleicht ein von der elektronischen Referenzschaltung 1, 2 kommendes Taktsignal A mit einem vom Piezogenerator stammenden Taktsignal B. In Abhängigkeit vom Ergebnis dieses Vergleichs steuert die Komparator-Logik-Schaltung 4 die Größe der Impedanz der elektronischen Steuerschaltung über die Anzahl oder die Kombination der parallel zur Piezospiralfeder 20 geschalteten Kapazitäten 21, 222, 224, 226, 228. Auf diese Weise wird über die Steuerung der Impedanz der Gang des Piezospiralfeder 20 und Unruh und damit der Gang der Zeitanzeige geregelt. Die Steuerung ist so ausgelegt, dass der Gang der Zeitanzeige in gewünschter Weise mit der vom Schwingquarz 1 gelieferten Referenzfrequenz synchronisiert wird.
  • Um eine energetisch möglichst günstige Regelschaltung zu realisieren bietet es sich an, die Komparator-Logik-Schaltung 4 mit Hilfe von nicht dargestellten Zählern zu realisieren.
  • Eine Möglichkeit besteht darin, den einen Eingang eines Up-Down Zählers mit dem Ausgang des Komparators 5, der die Phase VgenA, VgenB der induzierten Spannung der Piezospiralfeder 20, beispielsweise den Nulldurchgang der Wechselspannung, detektiert, zu verbinden; und den anderen Eingang des Up-Down Zählers mit der Referenzschaltung 1, 2 zu verbinden. Die Signale aus dem Komparator 5 werden zum Zählerstand addiert, und die Signale aus der Referenzschaltung 1, 2 werden subtrahiert. Der vom Zähler gezählte Wert entspricht somit dem Unterschied zwischen der Anzahl von Impulsen aus der Piezospiralfeder 20 und der Anzahl von Impulsen aus Referenzschaltung 1, 2.
  • Die eintreffenden Signale, die vom Zähler in der Komparator-Logik Schaltung 5 erhalten werden, werden mit der Antikoinzidenschaltung 3 so synchronisiert, dass nie gleichzeitig ein UP Impuls vom Komparator 5 und ein DOWN Impuls aus der Referenzschaltung 1, 2 beim Zähler eintreffen.
  • Wenn beide Frequenzen identisch sind, wird der Zählerstand sich immer nur um einen Schritt erhöhen, sobald das Signal UP vom Komparator (der beispielsweise den Nulldurchgang der von der Piezospiralfeder induzierten Spannung misst) beim Zähler eintrifft, und wiederum um einen Schritt verringern, sobald das Referenzsignal DOWN aus der Referenzschaltung 1, 2 eintrifft. Wenn nun die Unruhe zu schnell schwingt, werden mit der Zeit mehr UP Impulse als DOWN Impulse eintreffen, und der Zählerstand wird steigen. In einer einfachen Ausführung können nun direkt vom Ausgang des Zählers Schalter 221, 223, 225, 227 (Transistoren) angesteuert werden, welche die Kapazitäten 222, 224, 226, 228 parallel zur Piezospiralfeder 20 zu- oder wegschalten. Je grösser die Phasenverschiebung ist, umso grösser ist der Zählerstand, und umso mehr Kapazitäten werden parallel zur Piezospiralfeder 20 geschaltet. Je grösser aber die parallel zur Piezospiralfeder 20 geschaltete Impedanz ist, umso mehr wird die Schwingfrequenz der Unruhe verlangsamt.
  • Damit bei kurzfristigen Störungen, wenn beispielsweise die Schwingfrequenz der Unruhe durch einen Schlag kurzfristig zu niedrig ist, die Regelung sicher funktionieren kann, wird unterhalb eines bestimmten Zählerstandes keine der abschaltbares Kapazitäten 222, 224, 226, 228 parallel zur Piezospiralfeder 20 geschaltet. Dies kann realisiert werden indem beispielsweise von Zählerstufe 0-7 keine Kapazität (oder nur die feste Kapazität 21) Kapazität parallel zur Piezospiralfeder 20 geschaltet wird, aber von Zählerstand 8-15 die Entsprechende Anzahl oder Kombination von Kapazitäten parallel geschaltet wird, d.h. bei Zählerstand 8 wird eine zusätzliche Kapazität parallel zur Piezospiralfeder geschaltet, bei Zählerstand 9 werden zwei zusätzlichen Kapazitäten parallel geschaltet, bei Zählerstand 10 drei usw, wenn Kapazitäten mit gleich grossen Kapazitätswerten verwendet werden.
  • Wenn Kapazitäten mit binären Kapazitätswerten verwendet werden können die Schalter 221, 223, 225, 227 für das Zu- und Wegschalten der Kapazitäten 222, 224, 226, 228 direkt aus dem binären Zähler in der Komparator-Logik-Schaltung 4 angesteuert werden. Mit diesem Prinzip lässt sich eine einfache Variante einer Regelung realisieren, die zudem sehr wenig Strom verbraucht. Allerdings kann es sein dass dann der Sekundenzeiger eine Abweichung von bis zu 1s haben kann, da die maximale Anzahl der Kapazitäten in diesem Beispiel erst eingeschaltet ist wenn der Zähler 7 UP Impulse mehr erhalten hat als Down Impulse. 8 UP Impulse entsprechen aber einer Sekunde auf dem Zifferblatt, wenn eine Unruhe mit 4Hz verwendet wird.
  • Die Grösse des Zählers in der Komparator-Logik-Schaltung 4 kann frei gewählt werden, vernünftigerweise wird aber ein Zähler verwendet, mit dem ein Bereich von +/-2-4 Sekunden abgedeckt werden kann.
    • Verlustfreies Schalten der Kapazitäten
  • Idealerweise werden die Kapazitäten 222, 224, 226, 228 nur dann zu oder weggeschaltet, wenn die induzierte Spannung am Ausgang der Piezospiralfeder 20 sehr klein oder 0 ist. Dies hat einerseits den Vorteil, dass damit die elektrischen Verluste minimiert werden können. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Polarität der Kapazitäten nicht festgestellt und/oder vorher abgespeichert werden muss. Noch ein weiterer Vorteil ist, dass so pro Kapazität 222, 224, 226 bzw. 228 nur ein Schalter 221, 223, 225 bzw, 227, bestehend aus einem P-Kanal und ein N-Kanal Transistor, die parallel geschaltet sind, benötigt werden. Die Kapazitäten können mit dem einen elektrischen Anschluss alle zusammengeschaltet werden, nur für den jeweiligen anderen Anschluss wird je ein Schalter pro Kapazität benötigt. So kann einerseits der elektrische Widerstand minimiert werden, und andererseits müssen weniger Ausgänge für die Schalttransistoren 221, 223, 225, 227 vorgesehen werden. Dies ermöglicht die Konstruktion einer kleineren gedruckten Schaltung 400, und auch die Verwendung eines Chips 40 mit weniger Anschlusspads.
  • Das Umschalten der Kapazitäten beim Nulldurchgang (wenn die von der Piezospiralfeder 20 induzierte Spannung 0 ist oder nur wenige mV beträgt) kann realisiert werden, indem der Schaltvorgang auf den Nulldurchgangskomparator 5, der den Nulldurchgang der Spannung am Ausgang der Spiralfeder detektiert, synchronisiert wird. Aus der Komparator-Logik-Schaltung 4 wird die Information über die Kombination der zuzuschaltenden Kapazitäten geliefert, und beim nächsten Vorzeichenwechsel der Generatorspannung werden die Schalter 221-227 für das Zuschalten der Kapazitäten 222-228 mit dieser Information angesteuert, bis zum nächsten Vorzeichenwechsel der vom Piezogenerator 20 gelieferten Spannung, bei der dann die Schalter für den nächsten Zyklus mit den Informationen aus der Komparator-Logik-Schaltung angesteuert werden.
  • Das zu- oder wegschalten der Kapazitäten 222-228 kann auch während dem Laden einer ersten Kapazität 24 am Ausgang des Gleichrichters 23 erfolgen. Dann ist die vom Piezogenerator 20 abgegebene Spannung VgenA-VgenB über eine bestimmte Zeitspanne praktisch konstant, da die Ladekapazität 24 geladen wird und der interne Widerstand der Piezospiralfeder 20 sehr hoch ist. Wenn da eine kleine Kapazität 222 bis 228 mit der richtigen Polarität zugeschaltet wird ändert dies die induzierte Spannung nicht. Also wird auch kein Strom fliessen, und dem System wird damit keine Energie entnommen.
  • Das Schalten der Kapazitäten 222 bis 228 muss in diesem Falle auf den Ladevorgang synchronisiert werden. Die Komparator-Logik Schaltung 4 bestimmt die Kombination der zuzuschaltenden Kapazitäten, und beim nächsten Ladevorgang wird diese Kombination von Kapazitäten zur Piezospiralfeder zugeschaltet.
  • Damit die Umladeverluste vermieden oder minimiert werden können müssen aber die Kapazitäten 222 bis 228 bei dieser Variante mit der richtigen Polarität zugeschaltet werden. Die angewendete Polarität kann entweder gespeichert werden oder aber mit zusätzlichen Komparatoren festgestellt werden. Ein Nachteil dieser Lösung ist allerdings, dass dann pro Kapazität 222 bis 228 je 2 Schalter verwendet werden müssen. Dies bedeutet dass pro Kapazität 2 Ausgänge am IC 40 benötigt werden, und auch die Anzahl der Leiterbahnen auf der gedruckten Schaltung 400 wird dementsprechend grösser sein.
  • Vereinfacht gesagt werden die Kapazitäten 222 bis 228 idealerweise dann parallel zur Piezospiralfeder 20 zu-oder weggeschaltet, wenn die Spannung an der Piezospiralfeder 20 und die Spannung an der entsprechenden Kapazität 24 in etwa gleich gross ist, und falls diese Spannung mehr als einige bis einige Dutzend mV beträgt muss auch noch die Polarität dieselbe sein.
    • Regelung mit 2 Zählern
  • Eine noch elegantere Lösung für die Regelung kann realisiert werden, indem einerseits ein Zähler in der Komparator-Logik-Schaltung 4, wie oben beschrieben mit einem zweiten kleinen Zähler kombiniert wird. Wenn beim grossen Zähler der Zählerstand zwischen 0 und 7 ist, werden keine Kapazitäten 222 bis 228 zusätzlich parallel geschaltet. Bei Zählerstand zwischen 7 und 8 wird die Anzahl der parallel geschalteten Kapazitäten durch den kleinen Zähler bestimmt. Und wenn der Zählerstand des grossen Zählers grösser als 8 ist werden alle verfügbaren Kapazitäten parallel zur Piezospiralfeder 20 geschaltet.
  • In dieser Variante wird also mit dem kleinen Zähler die Phasenverschiebung zwischen dem UP Impuls von der Piezospiralfeder 20 und dem nachfolgenden DOWN Impuls aus der Referenzschaltung gemessen. Je grösser die Phasenverschiebung ist, d.h. je grösse die Zeitspanne ist zwischen dem UP Impuls und dem DOWN Impuls, umso grösser ist dann der Wert der Kombination der Kapazitäten, die parallel zur Piezospiralfeder geschaltet werden.
  • Der kleine Zähler wird beispielsweise mit 64Hz betrieben. Durch den jeden UP Impuls wird der Zähler bei 0 gestartet, und durch den nachfolgenden DOWN Impuls wird der Zähler gestoppt. Der Wert am Ausgang des kleinen Zählers wird nach dem Eingang des DOWN Impulses zwischengespeichert, und beim nächsten Nulldurchgang der Wechselspannung, wenn wieder ein UP Impuls generiert wird, wird mit dem zwischengespeicherten Wert aus dem kleinen Zähler die entsprechende Kombination von Kapazitäten parallel zur Piezospiralfeder geschaltet. Bei Zählerstand 1-7 wird keine Kapazität (oder nur die feste Kapazität 21) zugeschaltet, bei Zählerstand 8-15 wird eine zusätzliche Kapazität zugeschaltet, bei Zählerstand 16-23 wird eine zweite zusätzliche Kapazität zugeschaltet etc. (wenn die Kapazitäten alle dieselbe Grösse haben). Die Regelung findet in diesem Falle also im Bereich von 1/8s statt, was durch den Benutzer der Uhr kaum bemerkt wird, für den Benutzer wird die Uhr immer die genaue Zeit anzeigen.
  • Der kleine Zähler kann aber auch mit einer wesentlich höheren Frequenz betrieben werden, beispielsweise mit 1024Hz. Mit jedem UP Impuls wird der Zähler bei 0 gestartet, und mit dem DOWN Impuls wird der Zähler gestoppt und der Wert des Zählerstandes zwischengespeichert, um beim nächsten UP Impuls die entsprechende Kombination von Kapazitäten parallel zur Piezospiralfeder 20 geschaltet.
    • Einstellen der induzierten Spannung
  • Wird eine Kapazität 21, 222, 224, 226 oder 228 parallel zur Piezofeder geschaltet, wird wie weiter oben beschrieben die induzierte Spannung am Ausgang der Piezospiralfeder 20 beeinflusst. Eine grosse Kapazität ergibt eine kleine induzierte Spannung, eine kleine Kapazität oder keine Kapazität parallel zur Piezospiralfeder 20 geschaltet gibt eine grosse Spannung am Eingang des Gleichrichters 23. So kann die von der Piezospiralfeder 20 induzierte Spannung VgenA, VgenB eingestellt werden durch mittels einer parallel zur Piezospiralfeder 20 geschalteten Kapazität21. Dies kann einerseits notwendig sein damit die induzierte Spannung in einem für die Elektronik 40 günstigen Bereich liegt. Die induzierte Spannung darf nicht zu hoch sein, da sonst Schutzdioden an den Eingängen auf dem IC 40 eingeschaltet werden und dadurch ein Verlust an Energie entsteht. Andererseits sollte die induzierte Spannung höher sein als die minimale Betriebsspannung, welche für ein sicheres Funktionieren der elektronischen Schaltung notwendig ist.
  • Mit einer Kapazität21 parallel zur Piezospiralfeder 20 geschaltet kann die gewünschte induzierte Spannung eingestellt werden. Eine erste kleine Kapazität 21 im Wert von 1-10nF kann fix parallel zur Piezospiralfeder geschaltet werden, damit die Spannung am Eingang des Gleichrichters 23 sich im gewünschten Bereich befindet und einen Maximalwert nicht überschreitet.
  • Es ist auch denkbar, nur eine, dafür eine grosse Kapazität für das Regeln der Frequenz der Unruhe zu verwenden. Diese Kapazität muss so gross sein dass die Frequenz der Unruhe / Spiralfeder mit zugeschalteter Kapazität auf jeden Fall kleiner ist als die Sollfrequenz. Da hier aber nicht genau bekannt ist wie gross die Kapazität sein muss, wird diese Kapazität eher zu gross gewählt werden müssen. Dies hat aber den Nachteil dass die induzierte Spannung der Piezospiralfeder beim Zuschalten der Kapazität deutlich kleiner wird, je nach Piezospiralfeder und verwendeter Kapazität, und dadurch wird die Sicherstellung der Energieversorgung der elektronischen Schaltung erschwert. Die Spannung am Eingang des Gleichrichters kann sogar so tief werden dass ein sicheres Funktionieren der elektronischen Schaltung nicht mehr gewährleistet werden kann.
  • Daher ist es vorteilhaft mehr als nur eine Kapazität für die Regelung zu verwenden. Dann wird nur gerade der Kapazitätswert zugeschaltet, der notwendig ist, um die richtige Schwingfrequenz der Unruhe / Spiralfeder zu erhalten, und die induzierte Spannung am Eingang der elektronischen Regelschaltung wird nicht unnötig herabgesetzt.
    • Aktiver Gleichrichter
  • Die elektronische Schaltung 40 muss mit minimalem Energieverbrauch betrieben werden können. Dies wird erreicht indem mindestens ein passives Bauelement (zum Beispiel eine Diode für den Gleichrichter) der Gleichrichterschaltung 23 wenigstens zeitweise durch eine aktive Baueinheit (zum Beispiel einen mittels eines Komparators 7 oder 8 gesteuerten Schalter) 230', 231', 232', 233' mit einem in Durchlassrichtung kleineren elektrischen Widerstand ersetzt wird.
  • Der Schalter 230', 231', 232', 233' kann ein Feldeffekttransistor sein und so geschaltet sein, dass in seinem gesperrten Zustand ein Teil seiner Struktur als Diode wirkt. Auf diese Weise werden alle vier Dioden des Gleichrichters 23 durch aktive Schalter ersetzt. Spannungsverluste über dem Schalter sind um mindestens eine Größenordnung geringer als Spannungsverluste über der Diode. Der Spannungsabfall über eine Diode kann mehrere hundert mV betragen. Der Spannungsabfall über den Kanal eines Feldeffekttransistors beträgt jedoch nur wenige mV.
  • Das Aufladen des ersten Kapazitäts 24 erfolgt in der Anlaufphase des Uhrwerks über die mit einem hohen Spannungsverlust behafteten Dioden. Im weiteren Verlauf, sobald die Komparatoren 7, 8 funktionieren, werden dann die Dioden ersetzt durch die aktiven Bauelemente, so dass der Spannungsverlust minimiert werden kann, was energetisch wesentlich günstiger als ein Laden über die Dioden ist. Auf diese Weise wird die Energiereserve des Uhrwerks sparsamer genutzt und die Gangreserve erhöht.
  • Das Aufladen des ersten kapazitiven Bauelements 24 erfolgt also nur in der Anlaufphase des Uhrwerks über die mit einem hohen Spannungsverlust behafteten Dioden.
  • Der erste Komparator 7 vergleicht das elektrische Potential Vdc an dem nicht auf Massepotential liegenden Anschluss des ersten kapazitiven Bauelements 24 mit dem elektrischen Potential VgenB des nicht auf Massepotential liegenden lastseitigen Anschlusses des Gleichrichters 23. Der erste Schalter 230' wird durch den ersten Komparator 7 nur dann geschlossen, wenn die Spannung des ersten kapazitiven Bauelements 24 zum Betreiben des ersten Komparators 7 ausreicht und das elektrische Potential Vdc an dem massefreien lastseitigen Anschluss des Gleichrichters 23, zum weiteren Aufladen des ersten kapazitiven Bauelements hoch genug ist.
  • Der Spannungswert des ersten kapazitiven Bauelements 24, der zum Betreiben des ersten Komparators 7 und zum Betreiben eines in dem Gleichrichter 23 vorhandenen zweiten Komparators 8 ausreicht, ist in diesem Ausführungsbeispiel, 0.7 V. Sobald das erste kapazitive Bauelement 23 über die passiven Bauelemente (Dioden) auf mindestens 0.7 V aufgeladen ist, funktioniert die Stromquelle und somit auch die Komparatoren 7,8. Der erste Komparator 7 schließt, sobald die von der Piezospiralfeder gelieferte Spannung VgenB höher ist als die Spannung Vdc des ersten kapazitiven Bauelements 24, d.h. er schliesst den ersten Schalter 230' bzw. öffnet den ersten Feldeffekttransistor. Sobald die von der Piezospiralfeder 20 gelieferte Spannung VgenB wieder unter die Spannung Vdc des ersten kapazitiven Bauelements 24 absinkt, schließt der erste Komparator 7 den ersten Feldeffekttransistor 230'. Steigt die von der Piezospiralfeder 20 gelieferte Spannung VgenB abermals auf einen genügend großen Wert, so öffnet der erste Komparator 7 den ersten Feldeffekttransistor 230' wieder und so weiter. Der Spannungsabfall über dem Kanal des ersten Feldeffekttransistors 230' beträgt jedoch im Vergleich zu den Dioden nur wenige mV. Der Wirkungsgrad des Gleichrichters mit den aktiven Elementen ist somit wesentlich höher als der eines Gleichrichters 23 mit passiven Elementen. Der Spannungsverlust wird durch die Verwendung eines aktiven Gleichrichters also erheblich herabgesetzt.
  • Wenn aber nur kleine Spannungen und Ströme geschaltet werden, kann es sein, dass ein Schwingen oder Prellen der Kombination Komparator / Schalter entsteht. Der Komparator 7 (oder 8) misst einen Spannungsunterschied, aber sobald der Schalter 230' geschlossen wird ist der Spannungsabfall über den Schalter 230' so klein, dass der Komparator 7 den Schalter wieder aufmacht. Sobald der Schalter geöffnet ist detektiert der Komparator wieder eine Spannungsdifferenz, und der Schalter wird wieder geschlossen. So kann das System Schalter / Komparator schwingen, was im Extremfall dazu führen kann, dass das kapazitive Bauelement nicht mit genügend Spannung geladen ist, um das Funktionieren der elektronischen Schaltung sicherzustellen. Auf jeden Fall wird sich der Wirkungsgrad des Gleichrichters 23 verschlechtern, wenn das System Komparator / Schalter zu prellen oder schwingen beginnt.
  • Dies kann einerseits verhindert werden indem Komparatoren 7, 8 mit einem genügend grossen Offset und einer genügend grossen Hysterese verwendet werden. Dies hat auch den Vorteil dass der Piezogenerator 20 immer auf die eine oder andere Weise mit der ersten Kapazität über einen Schalter mit einem mehr oder weniger grossen Innenwiderstand verbunden ist, sobald die induzierte Spannung der Piezospiralfeder 20 grösser ist als die Spannung an der ersten Kapazität.
  • Eine andere Möglichkeit, diesen Effekt zu vermeiden ist, wird während der Zeit T1 mit dem Komparator 7, 8 zu messen (Messphase), ob der Schalter 230' (bzw. 231', 232', 233') geschlossen werden muss oder geöffnet bleiben kann. Wenn der Komparator 7 (oder 8) eine Spannungsdifferenz festgestellt hat, bei welcher die vom Piezogenerator erzeugte Spannung vor dem Transistor grösser ist als die Spannung des kapazitiven Elements, wird der Schalter während der Zeit T2 geschlossen (Schaltphase).
  • Anschliessend wird der Schalter 230' (bzw. 231', 232', 233') wieder geöffnet und während der Zeit T1 mit dem Komparator 7, 8 wieder gemessen, ob der Schalter während der nächsten Zeit T2 geschlossen werden muss oder geöffnet bleiben kann. Auf diese Art und Weise kann ein Prellen oder Schwingen der aktiven Dioden vermieden werden.
  • Die genannte Steuerschaltung enthält mindestens ein Speichermittel, welches in der ersten Phase (T1, Messphase) bei gesperrtem Schalter mindestens ein Steuersignal speichert, welches auf den genannten Schalter anzuwenden ist, wobei weiter in der zweiten Phase (T2, Schaltphase) der genannte Schalter mit dem genannten Steuersignal angesteuert wird.
  • Falls die vom Piezogenerator 20 gelieferte Spannung nicht hoch genug ist um nach erfolgter Gleichrichtung mit dem aktiven Gleichrichter 23 die elektronische Schaltung 40 mit genügend hoher Spannung zu versorgen, kann anstelle des einfachen Gleichrichters 23 eine Spannungswandlerschaltung mit einem Gleichrichter verwendet werden, beispielsweise eine Spannungsverdopplerschaltung. Dies bringt aber den kleinen Nachteil mit sich, dass dann mehr als ein externes kapazitives Element benötigt wird, was zu einem erhöhten Raumbedarf für die elektronische Schaltung resultiert.
  • Der Gleichrichter 23 könnte aber auch nur aus passiven Dioden bestehen.
    • Minimaler Stromverbrauch / Maximale Amplitudenunabhängigkeit
  • Die Schwingungsamplitude der Unruhe einer mechanischen Uhr kann relativ stark variieren. Wenn die Aufzugsfeder ganz aufgezogen ist wird vom Ankerrad über den Anker ein grosses Antriebsmoment auf die Unruhe übertragen. In diesem Falle hat die Unruhe eine grosse Schwingungsamplitude. Durch die Piezofeder wird in diesem Falle eine relativ hohe Spannung erzeugt. Wenn nur noch wenig Antriebsmoment auf die Unruhe übertragen wird, beispielsweise wenn die Antriebsfeder nur noch wenig aufgezogen ist, wird dementsprechend die Schwingungsamplitude der Unruhe und somit auch die von der Piezofeder erzeugte Spannung relativ klein.
  • Die Elektronik muss aber auch bei unterschiedlich hohen Wechselspannungen aus der Piezospiralfeder 20 mit einer möglichst geringen Leistungsaufnahme betrieben werden können.
  • Eine erste Möglichkeit besteht darin, dass zumindest ein wesentlicher Teil der Elektronik 40 auf der integrierten Schaltung 400mit einer geregelten Spannung betrieben wird, beispielsweise der Quarzoszillator 1 und der Frequenzteiler 2, die Antikoinzidenzschaltung 3 und die Komparator-Logik Schaltung 4, die Komparatoren 5 und 11, eventuell auch die Komparatoren 7, 8. So ist sichergestellt dass auch bei einem hohen Spannung an der ersten Kapazität 24 das IC 40 mit einer minimalen Leistungsaufnahme betrieben werden kann. Das hat den Vorteil dass auch bei grosser Amplitude der Unruhe und somit einer grossen induzierten Spannung aus dem Piezogenerator 20 und somit einer hohen Spannung am Ausgang des Gleichrichters 23 die Leistungsaufnahme des IC nicht deutlich ansteigen wird.
  • Eine zweite Möglichkeit besteht darin, die Speisespannung für die integrierte Schaltung 40 zu regeln. Am einfachsten geschieht dies indem die Spannung der Kapazität 26, welche die Elektronik speist, geregelt wird. Durch den (aktiven) Gleichrichter 23 wird die von der Piezofeder 20 erzeugte elektrische Spannung Vgen gleichgerichtet und die Kapazität geladen. Die Spannung von Vdd kann geregelt werden indem ab einer bestimmten Höhe von Vdd der Gleichrichter ausgeschaltet wird und die Kapazität nicht mehr lädt, obschon die Spannung aus dem Piezogenerator höher ist in dem Moment als die Spannung an Vdd. Eine mögliche Obergrenze für das Vdd könnte beispielsweise 1.2V sein.
  • Eine dritte Möglichkeit besteht darin, dass eine erste Kapazität 24 durch den Gleichrichter 23 gespeist wird. Dabei wird diese erste Kapazität 24 über den Gleichrichter 23 immer aufgeladen von der durch die Piezospiralfeder 20 gelieferte elektrische Leistung. Es ist eine zweite Kapazität 26 vorhanden, welche die elektronische Schaltung 40 speist. Diese zweite Kapazität 26 wird nun auf eine bestimmte Spannung Vdd geregelt. Dies kann beispielsweise gemacht werden indem in bestimmten Abständen, beispielsweise 8x pro Sekunde, ein Schalter 25 eine elektrische Verbindung zwischen der ersten Kapazität 24, welche eine Spannung zwischen 1.2 und 5V aufweist, und der zweiten Kapazität 26 herstellt, wenn nach dem letzten Ladevorgang die Spannung an der zweiten Kapazität 26 unter den gewünschten Wert Vdd gesunken ist. Sobald an der zweiten Kapazität die gewünschte Spannung, beispielsweise 1.2V erreicht ist, wird der Ladevorgang unterbrochen. Oder es kann eine untere Vlow und eine obere Spannung Vhigh definiert werden. Wenn die Spannung an der zweiten Kapazität tiefer ist als Vlow wird der Schalter zwischen der ersten und der zweiten Kapazität geschlossen, und die zweite Kapazität wird von der ersten Kapazität aufgeladen. Wenn die Spannung an der zweiten Kapazität 26 dann über den Wert von Vhigh steigt wird der Schalter 25 wieder geöffnet.
  • Eine vierte Möglichkeit besteht darin, die Länge des Ladefensters, das heisst die Zeit, während der die Kapazität 26, welche die Speisespannung Vdd für die integrierte Schaltung liefert, überhaupt geladen werden kann, zu variieren. Je höher das Vdd ist, umso kürzer wird das Ladefenster. Ein kleines Ladefenster gibt auch bei hohen Eingangsspannungen vom Piezogenerator ein relativ kleines Vdd. Auf diese Weise kann die Höhe der Spannung an der Kapazität 26 auch limitiert werden.
  • Ein weiterer Vorteil der Regelung der Speisespannung für die integrierte Schaltung 40 ist dass die Piezospiralfeder 20 nicht mehr so genau an die Elektronik 40 angepasst sein muss. Der Piezospiralfeder 20 muss im Betrieb nur eine minimale Spannung Vgen liefern, die ausreicht um die Elektronik 40 sicher betreiben zu können und um den Gang der Unruhe zu regeln oder steuern. Wenn der Piezogenerator 20 eine Spannung liefert die grösser ist als für den sicheren Betrieb notwendig wird die Leistungsaufnahme der Elektronik deshalb nicht höher werden.
    • Ansteuerung der Schalttransistoren 230', 231', 232', 233' für den Gleichrichter 23 mit höherer Spannung als die Speisespannung Vdd des ICs 40
  • Damit die Steuersignale für die Steuerung der elektronischen Schaltelemente / Transistoren 230', 231', 232', 233' auf dem Teil der elektronischen Schaltung mit der höheren Spannung verwendet werden können, müssen diese Signale aus dem Teil der elektronischen Schaltung 40 mit der niederen Spannung mittels Levelshiftern 10 auf eine höhere Spannung Vdc gebracht werden.
  • Die Analogschaltung mit Stromquellen und Oszillator 1 sowie Komparatoren 5, 7, 8, 11 und der Logikschaltung 4 sowie dem Frequenzteiler 2 und der Antikoinzidenzschaltung 3 wird mit einer tiefen Spannung Vdd, beispielsweise 200mV über der Minimalspannung, bei der die elektronische Schaltung 40 noch sicher funktioniert, gespiesen.
  • Die Schalter 230', 231', 232', 233' im Gleichrichter 23, die Schalter 221, 223, 225, 227 für die Änderung der Impedanz (durch zu oder wegschalten von Kapazitäten 222-228), die Speisung der Levelshifter 9, 10, 12 sowie der Schalter 25, der benötigt wird um den Niederspannungsteil der Schaltung zu versorgen, werden mit einer höheren Spannung Vdc betrieben, typischerweise zwischen 1.2 und 5V.
  • Wenn die Speisespannung für die integrierte elektronische Schaltung 40 geregelt wird, beispielsweise auf 1.0V, indem die zweite Kapazität 26 auf diese Spannung geregelt wird, die induzierte Spannung an der Piezospiralfeder 20 aber höher als die 1.0V ist, und die erste Kapazität 24 auf beispielsweise 5V aufgeladen ist, müssen die Schalttransistoren 230', 231', 232', 233' im Gleichrichter 23 auch mit 5V angesteuert werden. Dies kann gemacht werden indem das Steuersignal für die Schalttransistoren 230', 231', 232', 233' mit Hilfe von Levelshiftern 10 auf in etwa dieselbe Spannung gebracht wird wie die zu schaltende Spannung. Die Levelshifter werden dabei von der ersten Kapazität 24 gespiesen, die vom Piezogenerator 20 geladen wird.
  • Falls die erste Kapazität 24, welche direkt von der Piezospiralfeder 20 über den aktiven Gleichrichter 23 aufgeladen wird, auf ca. 1 V gehalten wird, indem der Ladevorgang abgebrochen wird, sobald die gewünschte Spannung Vdc erreicht ist, müssen die Transistoren 230', 231', 232', 233' im Gleichrichter trotzdem mit einer Spannung angesteuert werden, die in etwa gleich gross ist wie die zu schaltende Spannung vom Piezogenerator. Dies kann so gemacht werden indem intern eine Spannungserhöhungsschaltung vorgesehen wird, beispielsweise ein Spannungsverdoppler oder Spannungsvervierfacher. Dann werden die logischen Signale, welche die Schalter / Transistoren ansteuern, mittels Levelshiftern 9, 10, 12, die von der internen Spannungserhöhungsschaltung gespiesen werden, auf ein erhöhtes Spannungsniveau Vdc angehoben.
  • Es gibt aber auch die Möglichkeit, die Komparatoren 13, 14 für den Gleichrichter mit der höheren Spannung Vdc aus der ersten Kapazität 24 nach dem Gleichrichter 23 (Siehe Figur 8) zu betreiben. Dann können die Schalter 230' bis 233' für den Gleichrichter 23 direkt über die Komparatoren 13, 14 gesteuert werden, in diesem Fall sind dann für den Gleichrichter auch keine Levelshifter notwendig.
    • Ansteuerung der Schalttransistoren für die Impedanzveränderung mit höherer Spannung als die Speisespannung Vdd des ICs 40
  • Wenn der Widerstand über die Schalter 221, 223, 225, 227, welche die Kapazitäten 222, 224, 226, 228 zu oder wegschalten, zu gross wird, beispielsweise 1MOhm oder grösser, werden die elektrischen Verluste gross, und die Schwingungsamplitude der Unruhe wird dann viel zu klein. Ein sicheres Funktionieren des Uhrwerks ist dann nicht mehr gewährleistet.
  • Damit ein möglichst geringer elektrischer Widerstand über die Schalttransistoren 221, 223, 225, 227 sichergestellt werden kann, werden pro Schalter mindestens ein P-Kanal Transistor und ein N-Kanal Transistor parallel geschaltet. Über Levelshifter 9, die wie weiter oben beschrieben mit einer genügend hohen Spannung Vdc gespiesen werden, werden diese Transistoren für das Zu- und Wegschalten der Kapazitäten 222 bis 228 angesteuert. Die logischen Signale aus der Komparator-Logik-Schaltung 4, welche die Schalter / Transistoren ansteuern, werden also mittels den Levelshiftern 9, die entweder von der höheren Spannung Vdc am Ausgang der ersten Kapazität oder von einer internen Spannungserhöhungsschaltung gespiesen werden, auf ein erhöhtes Spannungsniveau angehoben.
    • Beschränkung der maximalen Amplitude
  • Bei Uhrwerken mit einem automatischen Aufzug kann es vorkommen, dass die Aufzugsfeder zu stark aufgezogen wird und dementsprechend ein zu hohes Drehmoment an das Uhrwerk abgegeben wird. Ein hohes Drehmoment an der Aufzugsfeder erzeugt an der Unruhe eine grosse Amplitude. Eine zu grosse Amplitude ist aber nicht gewünscht. Im Falle des mit einer Piezospiralfeder 40 ausgerüsteten Uhrwerks führt eine grosse Amplitude zu einer grossen induzierten Spannung, und somit zu einer relativ grossen Spannung an der Kapazität 24, welche vom Gleichrichter 23 gespiesen wird. Sobald aber diese Kapazität belastet wird, indem beispielsweise ein Widerstand parallel zur Kapazität geschaltet wird, wird die Spannung an der Kapazität sinken, und die Piezospiralfeder wird mehr belastet. Dies führt dazu dass die Schwingungsamplitude der Unruhe kleiner wird, was in diesem Falle ja gewünscht ist. Es genügt also die Spannung an der ersten Kapazität 24 nach dem Gleichrichter 23 zu messen, und bei Überschreiten einer bestimmten Spannung einen nicht dargestellten Widerstand parallel zur Kapazität 24 zu schalten, um so die Amplitude zu begrenzen.
    • Minimierung Stromverbrauch Komparatoren
  • Komparatoren werden für die Messung von verschiedenen Signalen verwendet. Da das System durch den mechanischen Schwinger schon weitgehend stabilisiert ist, sind die Zeiten bekannt, an denen die verschiedenen Werte benötigt werden. So ist es möglich mit einer reduzierten Anzahl von Komparatoren zu arbeiten. Die Ein- und Ausgänge der Komparatoren werden dann je nach Phase verschieden geschaltet.
  • Eine weitere Möglichkeit besteht darin, gewisse Komparatoren abzuschalten wenn sie nicht benötigt werden. Auch so kann Strom gespart werden. Wenn beispielsweise der Komparator 5 für die Messung des Vorzeichenwechsels der induzierten Spannung des Piezogenerators (Nulldurchgang) nach dem Schaltvorgang für 1/16 Sekunden abgeschaltet wird, da der nächste Nulldurchgang erst nach 1/8 Sekunde erfolgt (Unruhe mit 4Hz), kann also Strom gespart werden. Das Funktionieren des Uhrwerks ist dennoch sichergestellt, da durch die Unruhe/Spiralfeder die Schwingfrequenz schon weitgehend stabilisiert ist.
  • Nach dem Einschalten der Komparatoren benötigen diese eine bestimmte Zeit, bis dass der gewünschte Arbeitspunkt erreicht ist. Um zu verhindern, dass während dieser Zeitspanne die Komparatoren falsche Signale liefern, wird der Ausgang des jeweiligen Komparators erst freigeschaltet, wenn der Arbeitspunkt des entsprechenden Komparators erreicht worden ist. Dies kann realisiert werden, indem erst nach einer vordefinierten Zeitspanne nach dem Einschalten des Komparators der Ausgang des Komparators freigeschaltet wird.
    • Power-on-Reset (POR)
  • Mit einem nicht dargestellten POR Schaltung (im kurzen: POR) wird sichergestellt, dass die elektronische Regelschaltung 40 sicher anlaufen kann, nicht einen zu grossen Anlaufstrom benötigt, und auch nicht im Anlaufprozess hängenbleibt. Dabei werden nach und nach diejenigen Elemente aktiviert die für die jeweilige Phase des Startvorgangs benötigt werden, oder diejenigen Elemente deaktiviert, die in diesem Moment nicht benötigt werden, oder auch einige Elemente in einen Anlaufmodus versetzt.
  • Damit die elektronische Regelschaltung 40 sicher anlaufen kann muss sichergestellt werden, dass beim Anlaufen der Schaltung der aktive Gleichrichter 23 in einen Anlaufmodus versetzt wird, solange der Quarzoszillator 1 noch nicht funktioniert. Das POR dient dazu den Gleichrichter 23 mit den Komparatoren und den Schaltern (beispielsweise Feldeffekttransistoren) zu betreiben, auch ohne dass der Oszillator 1 funktioniert.
  • Ganz zu Beginn der Anlaufphase funktioniert ein Teil der Schalter 230' bis 233' als einfache Dioden, und in dieser Phase wird mindestens eine Kapazität 24 über diese verlustbehafteten Dioden geladen. Sobald die interne Stromquelle auf dem IC funktioniert beginnen auch die Komparatoren zu funktionieren. In dieser Phase werden dann die Schalter direkt von den Komparatoren angesteuert.
  • Damit ein für das Anlaufen der elektronischen Schaltung günstige Wechselspannung vorliegt kann das POR auch dazu verwendet werden, um während der Anlaufphase einen oder mehrere Kondensatoren 222 bis 228 parallel zur Piezospiralfeder 20 zu schalten. So kann die induzierte Spannung auf einen bestimmten, für das Anlaufen der elektronischen Schaltung 40 günstigen Wert eingestellt werden. Sobald der Quarzoszillator 1 funktioniert und das POR verschwindet wird das Zu- und Wegschalten der Kapazitäten 222 bis 228 wieder dazu verwendet um die Schwingfrequenz der Unruhe zu regeln.
  • Das POR dient des Weiteren dazu, ein sicheres Anlaufen des Quarzoszillators 1 zu gewährleisten und dafür zu sorgen, dass beim Anlaufen des Quarzoszillators 1 nicht zu viel Strom auf benötigt wird. Dies kann realisiert werden, indem zuerst mindestens eine Kapazität 24 mit Hilfe des Gleichrichters geladen wird, zuerst mit den passiven Elementen (Dioden), und sobald die Stromquelle aufgestartet ist mit den aktiven Elementen (Komparatoren und Schalter). Erst wenn die Kapazität, welche den Quarzoszillator speist, auf eine Mindestspannung, beispielsweise 1V, aufgeladen ist, wird der Quarzoszillator 1 gestartet. Dabei kann der Strom 200nA während einer Sekunde erreichen. Dies ist aber kein Problem, da der grösste Teil der elektrischen Leistung von der schon aufgeladenen Kapazität geliefert wird. Bei einer Kapazität von 1uF und 1V ergibt dass dann ungefähr einen Spannungsabfall von 0.2V. So kann ein sicheres Anlaufen des Quarzoszillators sichergestellt werden, ohne dass das System Unruhe / Spiralfeder durch einen hohen Anlaufstrom zu stark belastet wird.
  • Durch das POR wird auch sichergestellt dass die zweite Kapazität 26 während des Anlaufvorgangs durch die erste Kapazität 24 mit genügend elektrischer Energie versorgt wird. Es ist auch möglich, den Quarzoszillator 1 ausschließlich durch die zweite Kapazität 26 zu speisen und den Oszillator 1 erst zu starten, sobald die zweite Kapazität 26 eine gewisse Mindestspannung erreicht hat.
  • Das POR dient weiter dazu, die Regelung der Schwingfrequenz der Unruhe in einem bestimmten Regelzustand zu starten. Wenn die Regelung mit Hilfe eines Zählers in der Komparator-Logik Schaltung 4 funktioniert, kann beispielsweise durch das POR der oder die Zähler zuerst in einem bestimmten Zustand A versetzt werden, um dann beim Verschwinden des POR im den Zustand B gesetzt und freigegeben werden.
  • Mit dem POR werden des weiteren die Komparatoren 7, 8 (13, 14) für den Gleichrichter 23 so geschaltet, dass während des Anlaufvorganges die Komparatoren 7, 8 (13,14) immer eingeschaltet sind und funktionieren, und erst mit dem Verschwinden des POR werden die Komparatoren zu gewissen Zeiten ein- und ausgeschaltet um Strom zu sparen. Es ist auch möglich, in der Anlaufphase nur die Komparatoren für den Gleichrichter 23 zu betreiben, und erst im weiteren Verlauf des Anlaufvorganges dann die weiteren Komparatoren 5, 11 einzuschalten, sobald sie benötigt werden.
  • Das Signal POR hängt von der internen Stromquelle und dem Quarzoszillator 1, sowie falls gewünscht auch von der Spannung an mindestens einer Kapazität ab. Solange die Stromquelle nicht genügend Strom liefert, beträgt ein Signal eines PORA Eins, und solange die Frequenz des Quarzoszillators nicht einen vorbestimmten Wert erreicht beträgt das Signal eines PORB auch Eins. Und solange die Spannung an einer Kapazität einen gewünschten Wert nicht erreicht beträgt das Signal des PORC auch Eins. Das Signal POR kann aus PORA, PORB, PORC und Signalen aus dem Frequenzteiler und dem Logikteil der elektronischen Schaltung gebildet werden; zusätzlich dazu können auch noch Signale aus dem analogen Teil der elektronischen Schaltung verwendet werden. Es können aber auch verschiedene POR gebildet werden aus den oben beschriebenen Signalen.
    • Miniaturisierung der elektronischen Schaltung
  • Die elektronische Schaltung wird vorzugsweise so klein gestaltet, dass die sich ohne weiteres im Uhrwerk unter einer Brücke anordnen und verstecken lässt.
  • Idealerweise geschieht dies indem die Unruhebrücke eines konventionellen mechanischen Uhrwerks mitsamt der Unruhe und der Spiralfeder ausgetauscht wird. Nun muss zusätzlich noch die Elektronik 40 im Uhrwerk platziert werden. Es kann vorteilhaft sein, die Elektronik so zu platzieren dass sie nicht mehr sichtbar ist, beispielsweise unter der Unruhebrücke. Damit dies machbar ist muss die Elektronik so klein wie möglich gestaltet werden. Im Idealfall lässt sich die elektronische Regelschaltung sogar direkt in die Unruhebrücke integrieren.
  • Dies kann realisiert werden, indem die gesamte elektrische Schaltung 40 mit Ausnahme der externen Kapazitäten und des externen Schwingquarzes 1 als eine integrierte elektronische Schaltung 400 realisiert wird. Um weiter Platz zu sparen wird mit der Flip-Chip-Montagetechnik der Chip 40 direkt, ohne weitere Anschlussdrähte, mit der aktiven Kontaktierungsseite nach unten - zum Substrat/Schaltungsträger hin - montiert. Dies führt zu besonders geringen Abmessungen des Gehäuses und kurzen Leiterlängen. So kann die gesamte Fläche des Die (des Chips) zur Kontaktierung genutzt werden.
  • Die Dimensionen der einzelnen, handelsüblichen Bauelemente haben dann beispielsweise folgende Abmessungen:
    IC/Chip 40 1x 1.52 x 1.03 x 0.4 mm
    Quarz 1 1x 2.0 x.0 x 0.6 mm
    Kondensator 2x 1.0 x 0.5 x 0.5 mm
    Kondensator 3x 0.4 x 0.2 x 0.2 mm
  • Die Elemente sind so klein dass sie sich auf einer gedruckten Schaltung 400 von ca. 3.35 x 2.3mm unterbringen lassen, und dies auch wenn die Elemente nur auf einer Seite montiert sind. Es wäre allerdings möglich die Elemente auch auf beiden Seiten der gedruckten Schaltung anzubringen. Oder es gibt auch die Möglichkeit eine flexible gedruckte Schaltung zu verwenden und die gedruckte Schaltung dann zu biegen, so dass Kondensatoren aufeinander zu liegen kommen.
  • Auf so einem kleinen Modul ist aber der Platz sehr begrenzt, es hat praktisch nur genügend Platz für die elektronischen Bauteile. Testpads für das Austesten der elektronischen Schaltung können auf so einer kleinen Leiterplatte nicht angebracht werden. Auch das Anordnen der Leiterbahnen zum Verbinden der Elemente untereinander ist so kaum möglich. Dieses Problem kann gelöst werden indem einerseits die Leiterplatte beidseitig Leiterbahnen aufweist, die auch durchgehend durch die Leiterplatte miteinander verbunden sein können. So ist es möglich auf der Oberseite der Leiterplatte eine Anzahl von sehr kleinen Kondensatoren aufzulöten, die elektrischen Verbindungen zu den anderen Elementen aber auf der Unterseite der Leiterplatte anzuordnen. Damit ist aber das Problem der Testpads noch nicht gelöst. Dies kann gelöst werden indem die Testpads 401 auf einem zusätzlichen Teil der Leiterplatte 400 angeordnet werden (Fig. 3a, 3b). Dieser Teil der Leiterplatte 400 wird nach erfolgreichem Testen der Elektronik abgetrennt. So können die Testpads 401 grosszügig gestaltet werden, was später das Testen erleichtert. Da aber ja dieser Teil nach dem erfolgreichen Testen abgetrennt wird hat die finale Leiterplatte 400 nur sehr kleine Abmessungen.
  • Eine weitere Möglichkeit, um Platz zu sparen, besteht darin, die Leiterplatte 400 mindestens teilweise aus flexiblem Material zu fertigen. So können die Anschlüsse 300 für die Piezospiralfeder 20 als eine dünne lange Verlängerung 402 der Leiterplatte 400 gestaltet werden. So ist es nicht mehr notwendig auf der Leiterplatte Drähte anzulöten, welche dann die elektrische Verbindung zur Piezospiralfeder 20 herstellen. Die Funktion der Drähte übernimmt die dünne, lange Verlängerung der flexiblen Leiterplatte. Dies hat den weiteren Vorteil dass nach dem Anbringen der elektronischen Bauteile auf der Leiterplatte und dem anschliessenden Testen nur noch die Verbindung zur Piezospiralfeder 20 gemacht werden muss. Dies sind nur noch zwei elektrische Verbindungen, die mit Löten oder mit elektrisch leitfähigem Leim hergestellt werden können. Die elektrische Verbindung könnte aber auch durch Bonden hergestellt werden.
  • Auf der gedruckten Schaltung 400 ist unter dem IC 40 auf beiden Seiten der gedruckten Schaltung Kupfer vorzusehen. So kann kein Licht durch die gedruckte Schaltung dringen und die Funktionsfähigkeit des IC beeinträchtigen.
  • Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung einer mehrlagigen, flexiblen Leiterplatte 400, beispielsweise mit 3 Layern. Die elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Layern wird durch vertikale Kontaktierungen hergestellt. Auf dem obersten Layer sind die Kontakte zum IC, den Kapazitäten, dem Quarz und der Piezospifalfeder aufgebracht. Im Zwischenlayer werden die Verbindungen zwischen den Kontaktstellen von IC, Quarz, Kapazitäten und dem Piezogenerator hergestellt, und der dritte Layer kann dazu verwendet werden unter dem IC eine lichtundurchlässige Barriere zu realisieren. Somit kann auf Lötstoplack verzichtet werden, und der erste und der dritte vollflächige Layer kann zuerst vernickelt und anschliessend vergoldet werden.
  • Um ein sicheres Funktionieren der elektronischen Schaltung zu gewährleisten wird die elektronische Schaltung nach dem Abtrennen der Testpads mit einem dünnen elektrisch isolierenden Schutzschicht überzogen, beispielsweise mit einem Lack, der unter UV Licht aushärtet. Damit kann verhindert werden dass das Elektronikmodul einen unerwünschten elektrischen Kontakt mit dem Uhrwerk oder Teilen des Uhrwerks herstellt und damit in der Funktion beeinträchtigt wird.
  • Auf diese Art und Weise kann ein Elektronikmodul mit möglichst geringer Grundfläche, aber auch mit einem möglichst geringen Volumen realisiert werden.
  • Es ist aber auch denkbar, die Testpads 401 nicht abzutrennen nach dem Austesten der Elektronik, sondern die Testpads so zu falten dass sie nur wenig Platz unter der elektronischen Schaltung 400 einnehmen.
  • Wenn die elektronische Schaltung gebogen wird dann sollte an dieser Stelle nicht mit Nickel beschichtet werden. Nickel ist zu hart, und der Print könnte an dieser Stelle brechen. Mit einer dreilagigen flexiblen gedruckten Schaltung lässt sich dieses Problem lösen, indem die elektrische Verbindung zur Piezopiralfeder durch die mittlere Lage oder Layer realisiert wird.
  • Das gesamte Elektronikmodul wird somit sehr klein und lässt sich problemlos unter einer Brücke oder einem ähnlichen Bauteil verstecken. Dies hat den weiteren Vorteil, dass dann die Elektronik vor Licht, vor elektrischen Feldern und vor Magnetfeldern geschützt ist. Erfindungsgemäss wäre es vorteilhaft, die Elektronik unter der Unruhbrücke zu platzieren. So sieht ein erfindungsgemässes Uhrwerk praktisch wie ein rein mechanisches Uhrwerk aus, hat aber den Vorteil der wesentlich besseren Ganggenauigkeit.
    • Feststellen des Regelbereichs
  • Für den Uhrmacher hilfreich sein kann die Möglichkeit, mit der Regelelektronik anzuzeigen, wenn die Frequenz der Unruhe nicht mehr im Regelbereich der Elektronik liegt. Wenn die Unruhe zu langsam schwingt, kann die Elektronik beispielsweise anzeigen, dass der Regelbereich ausgeschöpft ist, indem die Schwingfrequenz des Quarzes geändert wird. Dies kann geschehen indem interne Kapazitäten der integrierte Schaltung 40 hinzu- oder weggeschaltet werden an die Anschlüsse des Quarzoszillators 1. Genau dasselbe kann geschehen wenn die Unruhe zu schnell schwingt und nicht mehr innerhalb des Regelbereichs liegt. Beispielsweise kann die Frequenz des Quarzoszillators erhöht werden, wenn die Unruhe zu langsam und außerhalb des Regelbereichs der Elektronik schwingt. Umgekehrt kann die Frequenz des Quarzoszillators verlangsamt werden, wenn die Unruhe zu schnell und außerhalb des Regelbereichs der Elektronik schwingt. So kann der Uhrmacher durch einfaches messen der Frequenz des Quarzoszillators feststellen, ob Elektronik die Schwingfrequenz der Unruhe korrekt regeln kann.
    • Anschluss der Piezospiralfeder 20 an elektronische Schaltung 40
  • Die elektrische Verbindung 300 von der Piezospiralfeder 20 zur elektronischen Schaltung 40 muss so gestaltet werden, dass diese Verbindung durch das Schwingen der Unruhe nicht mechanisch belastet wird.
  • Die kann beispielsweise gemacht werden indem das Ende 30 der Spiralfeder 20 mit einer Verdickung 280 zu versehen. Diese Verdickung ist dann keinen Verformungen mehr unterworfen, wenn die Unruhe hin und her schwingt und die Spiralfeder verformt wird. Die mechanische Fixierung der Spiralfeder kann auch an dieser Verdickung realisiert werden, sei es durch Schrauben, Klemmen oder Kleben. Und die elektrische Verbindung zur elektronischen Schaltung kann durch Löten, Kleben mit einem elektrisch leitfähigem Leim (Adhesive Conducting Glue oder Adhesive Conduction Paste) oder durch Bonden realisiert werden; es ist aber auch eine elektrische Verbindung denkbar die mit mechanischen Mitteln realisiert wird, beispielsweise durch Klemmen.
  • Eine weitere Möglichkeit besteht darin die Spiralfeder 20 so zu verlängern, dass das Ende 280 der Piezospiralfeder 30 über das Klötzchen hinausragt, so dass die elektrische Verbindung 300 zwischen der Piezospiralfeder 20 und der elektronischen Schaltung 40 am mechanisch unbelasteten Ende hergestellt werden kann. Dies kann beispielsweise mit Löten geschehen, wenn dabei die Curie Temperatur des piezoelektrischen Materials nicht überschritten wird.
  • Eine andere Variante ist das Klötzchen so zu gestalten dass im vorderen Bereich die Piezospiralfeder 20 mechanisch gehalten wird und die Schwingungen aufnimmt, und im hinteren Bereich der elektrische Kontakt zwischen den Elektroden des Piezomaterials und der Elektronischen Schaltung 40 hergestellt wird. Die Elektroden können mit CVD (Chemical Vapor Deposition) Prozess auf dem Piezomaterial aufgebracht werden. Alternativ können die Elektroden mit Sputtering oder mit einem galvanischen Verfahren aufgebracht werden.
  • Bei einem erfindungsgemässen Uhrwerk können sämtliche für mechanische Uhren schon bekannten Komplikationen wie automatischer Aufzug, Datum, Mondphase, Chronograph, usw. realisiert werden. Der Unterschied zum herkömmlichen mechanischen Uhrwerk ist nur in der Realisierung der Regelung. Alle anderen Bauteile sind zu einer mechanischen Uhr identisch.
  • Dass erfindungsgemässe Uhrwerk kann so konstruiert werden, dass der Endkunde wählen kann, ob er eine konventionelle, mechanische Unruhe haben will oder eine zusätzlich noch elektronisch geregelte Unruhe. In diesem Fall werden die Unruhe und die Spiralfeder des erfindungsgemässen Uhrwerks anders gestaltet sein, Anker, Ankerrad können gleich bleiben, obwohl diese eventuell auch verändert werden. Die Lagerstellen sind dagegen dieselben. Die Elektronik kann beispielsweise in der Unruhbrücke integriert werden. So ist sichergestellt, dass die Platine des Uhrwerks für beide Arten von Uhren, sei es rein mechanisch oder noch zusätzlich elektronisch geregelt, dieselbe ist. Auf diese Weise wird sich eine höhere Wertschöpfung bei gleichem Kapitaleinsatz generieren lassen.
    • Zusammenführen von Unruh und Piezospiralfeder
  • Da sie getrennt hergestellt werden, müssen Unruh und Spiralfeder aneinander angepasst werden. Es ist sehr wichtig, Spirale und Unruh präzise herzustellen, damit das Trägheitsmoment der Unruh und das Moment der Spiralfeder aufeinander abgestimmt werden können.
  • Diese Methode besteht darin, eine Unruh mit der passenden Spiralfeder zusammenzuführen. Die Unruhen, bereits ausgewuchtet, werden in mehreren, zum Beispiel zwanzig, Klassen entsprechend ihrem Trägheitsmoment eingeteilt.
  • Die Piezospiralfedern werden auch anhand ihres jeweiligen Momentes ebenfalls in mehreren, zum Beispiel zwanzig, Klassen eingeteilt.
  • Die derart eigeteilten Unruhen und Spiralfedern können einander nun ihren Klassen entsprechend zugeordnet werden.
  • Da die Schwingfrequenz der Unruhe mit Hilfe der Regelelektronik in einem Bereich von ca. 1% verändert werden kann, ist es bei der sorgfältigen Vermessung von Unruhe und Piezospiralfeder und der anschliessenden Montage möglich, die genaue Schwingfrequenz der Unruhe nur mit der kleinen Hilfselektronik zu regeln. Der Uhrmacher hat also im Idealfall mit dem Reglage nichts mehr zu tun.
  • Es ist auch sinnvoll nicht nur die mechanischen Eigenschaften der Piezospiralfeder zu vermessen, sondern auch die elektrischen Eigenschaften wie beispielsweise die induzierte Spannung in Abhängigkeit von der Amplitude der Unruhe, den inneren Widerstand der Piezospiralfeder und die elektrische Kapazität der Piezospiralfeder. So können mechanisch einwandfreie, elektrisch aber defekte Spiralfedern aussortiert werden.

Claims (22)

  1. Verfahren zur Steuerung der Schwingfrequenz einer piezoelektrischen Spiralfeder (20) in einem Uhrwerk , dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingfrequenz der piezoelektrischen Spiralfeder durch Anpassung einer parallel mit der Spiralfeder verbundenen Kapazität (22) geregelt wird.
  2. Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die benannte Kapazität (22) aus einer Anzahl von zu- oder wegschaltbaren Kapazitäten (222, 224, 226, 228) besteht.
  3. Verfahren gemäss Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingfrequenz durch individuelles zu- oder wegschalten der einzelnen Kapazitäten (222, 224, 226, 228) geregelt wird.
  4. Verfahren gemäss Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kombination der zu schaltenden Kapazitäten durch die Grösse der Phasenverschiebung zwischen der Frequenz der Unruhe (30) und einer Referenzfrequenz bestimmt wird.
  5. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazitäten (222, 224, 226, 228) erst dann geschaltet werden, wenn die von der Spiralfeder (20) induzierte Spannung niedriger als eine vorbestimmte Schwelle ist.
  6. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazitäten (222, 224, 226, 228) erst dann geschaltet werden, wenn der von der Spiralfeder erzeugte Strom niedriger als eine vorbestimmte Schwelle ist.
  7. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jede Kapazität (222, 224, 226, 228) individuell über einen einzelnen Schalter (221, 223, 225, 227) geschaltet wird.
  8. Verfahren gemäss Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerspannung der benannten Schalter ungefähr gleich hoch ist wie die zu schaltende Spannung.
  9. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die benannten Schalter (221, 223, 225, 227) über einen Level-Shifter (9) geschaltet werden.
  10. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die benannten Schalter von einer elektronischen Schaltung gesteuert werden, wobei die Steuerspannung (Vdc) der benannten Schalter (221, 223, 225, 227) höher als die Speisespannung (Vdd) der meisten digitalen Komponenten in der elektronischen Schaltung ist.
  11. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kapazität (21) parallel mit der piezoelektrischen Spiralfeder (20) permanent verbunden wird, damit die Ausgangsspannung der piezoelektrischen Spiralfeder (20) in einem vorbestimmten Bereich liegt.
  12. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Spiralfeder (20) induzierten Spannung mit einem Gleichrichter (23) gleichgerichtet wird, dass der benannte Gleichrichter Dioden umfasst, die nach dem Anlaufen durch Schalter (230' bis 233') ersetzt werden, und dass die die Steuerspannung der benannten Schalter des Gleichrichters ungefähr gleich wie die gleichgerichtete Spannung ist.
  13. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Spiralfeder induzierten Spannung mit einem Gleichrichter (23) gleichgerichtet wird, dass der benannte Gleichrichter Dioden umfasst, die nach dem Anlaufen durch Schalter (230' bis 233') ersetzt werden, und dass die benannten Schalter des Gleichrichters über einen Levelshifter (10) geschaltet werden.
  14. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 13, in welchem ein Eingang einer Komparator-Logik-Schaltung (4) mit einer elektronischen Referenzschaltung (1, 2) verbunden wird, ein anderer Eingang der Komparator-Logik-Schaltung mit dem piezoelektrischen Spiralfeder (20) verbunden wird, wobei die Komparator-Logik-Schaltung ein von der elektronischen Referenzschaltung kommendes Taktsignal mit einem vom Spiralfeder stammenden Taktsignal vergleicht, und in Abhängigkeit vom Ergebnis dieses Vergleichs die Grösse der Impedanz der elektronischen Regelschaltung (22) über die Anzahl der parallel zur Piezospiralfeder geschalteten Kapazitäten (222, 224, 226, 228) steuert und auf diese Weise über die Steuerung der Impedanz den Gang der Zeitanzeige regelt, wobei mindestens ein Komparator (5) während jeder Periode abgeschaltet wird.
  15. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass beim Anlaufen der elektronischen Schaltung durch ein Power On Reset POR Signal eine bestimmte Kombination von Kapazitäten (222, 224, 226, 228) parallel zur Piezospiralfeder (20) geschaltet wird, um ein für das Anlaufen der elektronischen Schaltung vorteilhafte induzierte Spannung der Piezospiralfeder zu erzielen.
  16. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 4 bis 15, in welchem die benannte Phasenverschiebung anhand eines ersten grossen Zähler und eines zweiten kleinen Zähler ermittelt wird.
  17. Verfahren gemäss einer der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Zählerstand am Ausgang des kleinen Zählers nach dem Eintreffen eines Down-Impulses zwischengespeichert und später verwendet wird, um die benannten Kapazitäten zu- oder weg zuschalten.
  18. Regelorgan für ein Uhrwerk, mit folgenden Komponenten:
    eine Unruhe (30), die mit einer Schwingfrequenz um eine Unruhachse schwingt;
    eine mit der Unruhe verbundene piezoelektrische Spiralfeder (20), die eine von den Schwingungen der Unruh und der Spiralfeder abhängige Spannung erzeugt;
    eine elektronische Schaltung als Hilfsregelorgan, zur Anpassung der Steifigkeit der piezoelektrischen Spiralfeder (20) um die Schwingfrequenz der Unruh zu regeln;
    dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Schaltung mindestens eine parallel zur Spiralfeder (20) verbundene Kapazität für die Anpassung der Schwingfrequenz der piezoelektrischen Spiralfeder umfasst.
  19. Regelorgan gemäss Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazität eine Mehrzahl von individuell einschaltbaren (222, 224, 226, 228) Kapazitäten aufweist.
  20. Regelorgan gemäss einem der Ansprüche 18 oder 19, in welchem das Hilfsregelorgan eine Gleichrichterschaltung (23) zur Gleichrichtung der von der Spiralfeder erzeugten Spannung umfasst, wobei mindestens ein erstes kapazitives Bauelement mindestens unmittelbar nach einem erstmaligen Anlaufen des Uhrwerks über ein passives Bauelement oder über passive Bauelemente geladen wird und das passive Bauelement bzw. die passiven Bauelemente durch eine aktive Baueinheit ersetzbar sind, sobald die Spannung des ersten kapazitiven Bauelements zum Betreiben der aktiven Baueinheit ausreicht, wobei die aktive Baueinheit in Durchlassrichtung einen geringeren elektrischen Widerstand als das passive Bauelement hat.
  21. Regelorgan gemäss einem der Ansprüche 19 oder 20, gekennzeichnet durch:
    Schalter (221, 223, 225, 227), um die benannten Kapazitäten einzuschalten;
    einen Level-Shifter (9), um die benannten Schalter mit einer erhöhten Spannung zu steuern.
  22. Regelorgan gemäss einem der Ansprüche 18 bis 21, gekennzeichnet durch eine flexible Leiterplatte, um die piezoelektrische Spiralfeder (20) mit der elektronischen Schaltung (40) zu verbinden.
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