JP2013525778A - 時計仕掛用制御機構及びそれに対応する方法 - Google Patents

Abstract

テンプと、圧電式ひげぜんまい（２０）と、圧電式ひげぜんまい（２０）の剛性を調整するための電子回路とを備えた時計仕掛のための制御機構であり、この電子回路が複数の個々に切換可能なコンデンサ（２２２，２２４，２２６，２２８）を有することを特徴とする。

Description

本発明は、機械式時計に関し、その制御機構は、テンプと、ひげぜんまいと、水晶発振器を備えた電子回路とを有する。

機械式時計は、ぜんまいによって駆動される。このぜんまいは、機械式時計のモーターであり、それは、手動で、或いは手首上の時計の自動巻き機構による駆動によって巻かれて、そのようにしてエネルギーを蓄積している。その後、そのエネルギーは歯車仕掛に持続的に出力される。

この歯車仕掛は、香箱の大きなエネルギーを小さい歯車（二番車、三番車、四番車及びがんぎ車）に出力して変換する一種の伝動機構である。調速機構は、歯車仕掛とクロック伝達用テンプの間のリンク機構としての役割を果たし、がんぎ車とアンクルを介して、香箱からの駆動エネルギーをテンプに出力して、テンプを振動させ続けている。この調速機構は、制御機構によって制御された形で非常に正確な間隔で歯車仕掛の解放と停止を行なっている。

この制御機構は、ひげぜんまいとテンプで構成される。このテンプは、ひげぜんまいを用いて常に初期位置に戻され、そのようにして時計の規則正しいクロックを供給する振り子と同様に動作する。最近の大部分の時計では、テンプは、８８００Ａ／ｈで、即ち、一秒当たり８回又は一日当たり凡そ７００，０００回振動している。この間隔は、針を動かして、文字盤上に「正しい時刻」を表示させる。

電子式時計と比べた機械式時計の欠点は、腕時計の動作が位置の変化、温度変化、磁気、埃、不規則な捻子巻きと油差しによって悪影響を受けることである。

特許文献１により、ぜんまいが歯車仕掛を介して時刻表示部と交流電圧を供給する発電機とを駆動する時計仕掛が周知である。その発電機は、変圧回路に電力を供給し、その変圧回路は、容量素子に電力を供給し、その容量素子は、安定した発振器を備えた電子基準回路と電子制御回路とに電力を供給している。この電子制御回路は、比較論理回路と、その比較論理回路の出力と接続され、比較論理回路を介して電力消費部内の制御可能なエネルギー拡散回路とを備えている。比較論理回路の一方の入力は、電子基準回路と接続され、比較論理回路の他方の入力は、比較器段と不一致回路を介して発電機と接続されている。この比較論理回路は、電子基準回路から出力されたクロック信号を発電機から出力されたクロック信号と比較して、その比較結果に応じて、電子制御回路の電力消費量をエネルギー拡散回路のエネルギー消費量によって制御しており、そのようにして、制御回路の電力消費量の制御によって、発電機の動作を、そのため時刻表示部の動作を制御するように設計されている。

しかし、特許文献１の時計仕掛は、比較的複雑な電子回路と、電子回路の動作に必要なエネルギーを供給する発電機と、システムを組み立てるための比較的大きなスペースとを必要としている。そのような時計仕掛の別の欠点は、力及びトルクが機械式時計仕掛と異なり、その結果時計仕掛全体を調整しなければならないことである。

欧州特許第８４８８４２号明細書 米国特許第４４３５６６７号明細書 特開２００２−２２８７７４号公報

Tao Dong et al. in "Proceedings of PowerMEMS 2008+ micro EMS 2008", Sendai, Japan, November 9-12, "A Mems-based spiral piezoelectric energy harvester"

本発明の課題は、機械式時計のための改善された制御機構を提案することである。

本発明の別の課題は、機械式時計のための正確な制御機構を提案することである。

本発明の別の課題は、機械式時計のための電子制御機構を提案することであり、この電子制御機構は、バッテリーを備えておらず、機械式時計仕掛からエネルギーを供給される。

別の課題は、既存の機械式時計仕掛に最小限の変更で組み込むことができる機械式時計仕掛のための新しい制御機構又は補助制御機構を提供することである。

これらの課題は、テンプと、少なくとも部分的に圧電材料から構成されたひげぜんまいと、テンプの動作を制御する電子回路とを備えた制御機構によって達成される。

一つの観点において、機械式制御機構の動作精度を大幅に改善する機械式時計仕掛のための制御機構は、テンプの振動周波数を電子的に安定化させて、制御機構の電子回路用のエネルギーをひげぜんまいから供給することによって実現される。

一つの観点において、従来の機械式時計のひげぜんまいを圧電式ひげぜんまいによって置き換える。この圧電式ひげぜんまいは、テンプ及び／又はひげぜんまいの振動に応じた交流電圧を発生させる。

この交流電圧は、テンプの振動周波数を制御するために、電気接続部を介して、電子回路に伝達され、その電子回路は、ひげぜんまいの剛性を、そのためテンプとひげぜんまいの振動システムの周波数を変化させて、それにより制御することができる。同時に、専ら前記の圧電式ひげぜんまいから電子回路に電力を供給することができ、その結果追加のバッテリーが不要となる。バッテリーが不要であるにも関わらず、太陽電池と小さい蓄電池又はコンデンサから電子回路に電力を供給することも考えられる。

即ち、テンプが振動状態に移行した場合、ひげぜんまい上にコーティングされた圧電材料が交流電圧を発生させる。即ち、ひげぜんまいは、小さい発電機と同様に動作する。ひげぜんまいの出力における交流電圧は、電子回路に電力を供給するために整流される。

圧電式ひげぜんまいの出力におけるインピーダンスを変更することによって、ひげぜんまいの剛性を調整する。有利な変化形態では、それは、圧電式ひげぜんまいに対して並列のコンデンサの値を調整することによって行なわれる。圧電式ひげぜんまいに対して並列のコンデンサの値を大きくする程、ひげぜんまいの剛性が小さくなる。有利な実施構成では、この調整可能なコンデンサは、スイッチによって断続可能な一定数のコンデンサで構成される。

圧電式ひげぜんまいの例は、非特許文献１に記載されているが、そのひげぜんまいは、時計仕掛のための制御機構として使用されておらず、振動周波数は、電子的に調整されていない。

特許文献２は、圧電式ぜんまいを備えたアクチュエータを記載しており、そのアクチュエータは、時計仕掛のために使用されていない。

特許文献３（セイコーエプソン社）は、圧電素子を電気回路と接続するか、或いはその回路から完全に切り離す、圧電式ひげぜんまいの振動周波数を調整する方法を記載している。しかし、それは、電気回路を圧電素子と接続するか、或いはその回路から切り離す度に、ひげぜんまいと接続されるインピーダンスを飛躍的に変化させている。そのような大きな振幅の速いインピーダンスの変化は、電子回路の入力における電圧を急激に変化させる。圧電式ひげぜんまいに対して並列に接続される容量が大きくなる程、整流器の入力に誘導される交流電圧は小さくなる。それは、電子回路の入力における電圧の高さを最早電子回路の確実な動作を保証するのに不十分な高さとする可能性が有る。別の問題は、そのような実施構成では、テンプが速く、或いは遅く振動し過ぎるが、決して正しい周波数で振動しないことである。それも、制御の問題を、それどころか望ましくない振動を引き起こす可能性が有る。それは、動作の正確性にとって不利であることが分かっている。

本発明の有利な実施形態では、圧電式ひげぜんまいの出力における容量を複数の段階に調整して、一方ではひげぜんまいの剛性を小さいステップで変更することができ、他方では、最小限必要な容量だけを圧電式ひげぜんまいに対して並列に接続して、その結果整流器の入力における電圧を不必要に低下させないようにする。有利な実施形態では、電子回路内の少なくとも一つの固定の小さい容量を常に圧電式ひげぜんまいと接続する。その利点は、整流器が確実に動作して、高い効率を持つように、整流器の入力における電圧を調整できることである。

本発明の別の独立した観点において、ひげぜんまいの出力におけるインピーダンスを調整する電子回路が、ダイオードをトランジスタで置き換えた能動式整流器とひげぜんまいの出力におけるインピーダンスを調整するための複数のトランジスタを備えた回路の一方又は両方を備えており、これらのトランジスタの中の少なくとも幾つかは、増幅された電圧、例えば、電子回路の大部分のデジタル部品の電圧よりも高い電圧で駆動される。スイッチの駆動は、例えば、レベルシフターによって行なうことができ、それによって、このスイッチのオーム抵抗が低減される。

従って、整流器とインピーダンス調整回路の一方又は両方のトランジスタを駆動する電圧は、電子回路の大部分のデジタル部品を駆動するための電子回路の供給電圧Ｖｄｄよりも高い。それによって、電子回路の電力消費量が低減されるとともに、トランジスタのオーム抵抗が小さくなる。

ひげぜんまいの出力におけるインピーダンス調整用トランジスタは、ひげぜんまいによって誘導される電圧が所定の閾値よりも低くなるか、或いはひげぜんまいが発生する電流が所定の閾値よりも小さくなった場合に漸く導通又はスイッチオンされる。それによって、エネルギー損失を低減できる。

更に別の有利な実施構成は、従属請求項に記載されている。

添付図面に基づき、本発明を詳しく説明する。

コンデンサと、コンデンサを断続するスイッチと、それらのスイッチを駆動する比較論理回路とを備えた制御部の模式図 電子回路にエネルギーを供給するコンデンサの電圧制御部の模式図 テストパッド又はテスト接点を取り付けるための大きな平面が電子回路の側に有る、部品を半田付けしたプリント基板の模式図 テスト用平面を取り去った、部品を半田付けしたプリント基板の模式図 ひげぜんまいの模式図 本発明によるひげぜんまいの横断面の模式図 異なる層を備えたひげぜんまいの細部の断面図 テンプ、圧電式ひげぜんまい及び電子回路の模式図 周波数制御用スイッチ、能動式整流器及び第二のコンデンサの電圧制御用スイッチをレベルシフターによって駆動する電子回路の模式図 周波数制御用スイッチ及び第二のコンデンサの電圧制御用スイッチをレベルシフターによって駆動する電子回路の模式図

［本発明の実施形態］
本発明による制御機構は、従来のテンプ３０と、圧電式ひげぜんまい２０（図４、５ａ及び５ｂ）と、圧電式ひげぜんまいを備えた機械式時計仕掛の動作精度を制御するための電子回路４０とを備えている。この制御機構は、必要なエネルギーを供給するとともに、それにより動作を制御するように、従来の通り、図示されていない調速機構を介して、機械式時計仕掛の歯車仕掛と接続されている。

圧電式ひげぜんまい２０は、全体として圧電材料から構成されるか、或いは少なくとも一つの圧電層で覆われた材料、有利には、少なくとも部分的に圧電材料２０２〜２０７と電極２０８を積層された半導体材料（例えば、シリコン）２００（図５ａと図５ｂ）から構成される。符号２０２は中核層であり、符号２０３と２０４はＡｌＧａＮ又はＡｌＮから成る中間層であり、符号２０５は（例えば、ＧａＮから成る）半導体層であり、符号２０６はＡｌＮから成る中間層であり、符号２０７は、例えば、ＧａＮから成る別の圧電層であり、符号２０８は電極である。この圧電式ひげぜんまいは、有利には、バイモル圧電素子として構成されるが、それ以外の実施形態も考えられる。

この圧電式ひげぜんまいは、例えば、一つのウェーハから、例えば、相応にｎ型又はｐ型にドーピングされたシリコン２００を使用して、ウェーハを良好な導電性とするともに、圧電式ひげぜんまいのシリコンから成る中核部を直接電極として使用することによって、シリコン製ウェーハから製作することができる。

これらのひげぜんまいは、ウェーハ上に構成される。深堀り反応性イオンエッチング法ＤＲＩＥにより、簡単な手法でシリコン内に垂直の構造を構成することができる。

ウェーハ上にひげぜんまいの構造を構築した後、ウェーハの酸化を制御することによって、ひげぜんまいの表面上に１〜３μｍの範囲の薄い酸化物層を形成する。それによって、縁を丸くするとともに、垂直にエッチングされた表面の凹凸を滑らかにする。

次に、一方ではひげぜんまいの導電性の中核部２００と圧電層２０５，２０７の間の良好な電気接点を確保し、他方では圧電膜の良好な品質を達成するために、この酸化物層をエッチングする。

次に、ウェーハ上に、そのため酸化物層を除去されたひげぜんまいの上には、少なくとも一つの圧電層２０５，２０７、例えば、窒化アルミニウムの層を所望の層厚でＡＩＮから成る中核層２０２の上に成膜する。この層２０５，２０７の厚さは、理想的にはひげぜんまい上の至る所で同じである。即ち、シリコンと圧電材料のの温度膨張率の違いによってひげぜんまいが望ましくない形で変形することを防止することができる。

圧電層の成膜後、電極２０８も成膜する。一つの手法は、先ずはウェーハ全体に数ｎｍの厚さのクロムとチタンから成る薄い接着層をコーティングした後、例えば、ニッケル又はニッケル／金から成る層２０８を１００〜５００ｎｍの厚さでコーティングする。それによって、ウェーハ全体とひげぜんまいの全表面上の至る所に導電性の層を配備する。

電極２０８のコーティング後、有向エッチングプロセスにより、ウェーハの上側と下側の電極材料を取り去って、ひげぜんまいの垂直な側壁に電極２０８だけが残るようにする。そして、ひげぜんまいのロールの目標破壊個所及び本体部の目標破壊個所を破壊した後、ひげぜんまいの内側と外側の電極２０８を互いに分離して、ひげぜんまいを時計仕掛に組み込む準備が整う。

そして、機械式時計仕掛の従来のひげぜんまいの代わりに、この圧電式ひげぜんまいを取り付ける。この圧電式ひげぜんまい２０が振動すると、圧電材料が、回路基板４００上の電子回路４０に供給される電気出力信号Ｖ_gen Ａ−Ｖ_gen Ｂを発生する。ひげぜんまい２０に対して並列に接続されるインピーダンスを変更することによって、圧電式ひげぜんまいの剛性を変えることができ、そのため、電子回路４０によって、圧電式ひげぜんまいとテンプの振動周波数を制御することができる。

圧電式ひげぜんまい２０の振動周波数を制御する電子回路４０の例は、図２に図示されており、図７，８には詳しく図示されている。二つの電極は、圧電式ひげぜんまい２０上の圧電材料と接続されており、交流電圧Ｖ_gen Ａ−Ｖ_gen Ｂを供給する。即ち、このひげぜんまいは、小さい発電機と同様に動作する。

機械式時計仕掛の動作を制御するために、周波数制御回路２２によって、出力信号Ｖ_gen Ａ−Ｖ_gen Ｂの周波数を制御する。

整流回路２３は、交流電圧を直流電圧Ｖ_dcに変換し、トランジスタ２５を備えた電圧制御回路は、電子回路４０に電力を供給するコンデンサの電圧Ｖ_ddを制御する。第一の容量素子２４は、有利には、エネルギー蓄積機器又はエネルギー一時蓄積機器として使用される。この第一の容量素子２４は、直接に、或いは制御電圧に保持された第二の容量素子２６を介して、安定した水晶発振器１と周波数分周器２を備えた電子基準回路に電力を供給する。この安定した発振器は、水晶振動子を備えており、その振動が基準周波数を規定する。水晶振動子と外部コンデンサ以外の全ての部品は、ＩＣ４０として組み立てることができ、ＩＣ内の大部分のデジタル部品に低い供給電圧Ｖ_ddを供給することができる。

圧電素子２０により発生可能な交流電圧は比較的高いこともあるので、ＩＣ４０への電力供給のためには、電圧増倍器は不要である。

電子回路４０は、テンプの周波数を更に低減することだけができる。

［周波数の調整／制御］
一方では、テンプと圧電式ひげぜんまい２０の振動周波数を制御することができ、そのためには、圧電式ひげぜんまい２０が大きな電力を出力しなければならない。それは、例えば、圧電式ひげぜんまいに対して並列にオーム抵抗を接続するか、或いは圧電式ひげぜんまいから整流器２３を介して電力を供給する第一のコンデンサ２４に対して並列にオーム抵抗を接続することによって行なうことができる。しかし、この解決策の欠点は、一方では周波数の変化がほんの僅かであり、０．５％以下の範囲であり、他方では、オーム抵抗を介して絶えずエネルギーが無駄に消費されるので、テンプの振動振幅が非常に小さいことである。

テンプと圧電式ひげぜんまいの組合せにおける著しく大きな周波数変化は、インピーダンス変更回路２２が圧電式ひげぜんまい２０に対して並列に接続される容量を変化させることによって行なうことができる。そのような容量が大きくなる程、圧電式ひげぜんまい２０の剛性が、そのためシステムの振動周波数が低くなる。そのようにして、１〜２％の範囲の周波数変化が達成できる。それは、一日当たり１０〜２０分補正できることに相当する。

図示されていない変化形態では、圧電式ひげぜんまい２０の二つの電気端子をそれぞれ一つのコンデンサを介してアースに接続して、少なくとも一つの容量を変化させる。

一つの実施例では、電子制御回路４０は、比較論理回路４を備えており、その一方の入力が電子基準回路１，２と接続され、他方の入力が不一致回路３を介して交流電圧Ｖ_gen Ａ−Ｖ_gen Ｂのゼロ交差点を検出する比較段５と接続されている。不一致回路３は、基本的に比較論理回路４の二つの入力にパルスが同時に入力することを防止する一時蓄積機器である。比較論理回路４の出力は、インピーダンス変更回路２２のコンデンサの断続を制御している。

この例では、インピーダンス変更回路２２は、多数の同じ小さい容量のコンデンサ２１，２２２，２２３，２２４，２２６，２２８を備えている。しかし、これらのコンデンサは、異なる値を持つこともでき、例えば、最も小さい容量を１ｎＦの値とし、二番目の容量を２ｎＦの値とし、三番目の容量を４ｎＦの値とし、四番目の容量を８ｎＦの値とするように、容量の値を選択することができる。この比較論理回路４は、圧電式ひげぜんまい２０に対して並列に接続されるコンデンサの数又は組合せを変更することによって、インピーダンス変更回路２２のインピーダンスを制御する。そのようにして、電子制御回路４０のインピーダンスは、コンデンサの数と値によって決まる数値範囲内において、小さいステップで制御することが可能となる。

比較論理回路４は、電子基準回路１，２から出力されるクロック信号Ａを圧電式発電機から出力されるクロック信号Ｂと比較する。比較論理回路４が、その比較結果に応じた圧電式ひげぜんまい２０に対して並列に接続されるコンデンサ２１，２２２，２２３，２２４，２２６，２２８の数又は組合せによって、電子制御回路のインピーダンスの大きさを制御する。そのようにインピーダンスを制御することによって、圧電式ひげぜんまい２０とテンプの動作を、そのため時計表示部の動作を制御している。その制御は、時計表示部の動作が望ましい形で水晶振動子１から供給される基準周波数と同期するように設計されている。

エネルギーに関して出来る限り有利な制御回路を実現するために、比較論理回路４を図示されていないカウンターを用いて実現することを提案する。

一つの手法は、アップダウンカウンターの一方の入力を圧電式ひげぜんまい２０の誘導電圧Ｖ_gen Ａ−Ｖ_gen Ｂの位相、例えば、交流電圧のゼロ交差点を検出する比較器５の出力と接続し、アップダウンカウンターの他方の入力を基準回路１，２と接続することである。カウンターの状態に対して、比較器５からの信号を加算し、基準回路１，２からの信号を減算する。従って、カウンターにより計数された値は、圧電式ひげぜんまい２０からのパルス数と基準回路１，２からのパルス数の間の差と一致する。

比較器５からのアップパルスと基準回路１，２からのダウンパルスが決して同時にカウンターに入力しないように、カウンターから比較論理回路４に入る入力信号は不一致回路３と同期している。

二つの周波数が同じ場合、カウンター状態は、（例えば、圧電式ひげぜんまいの誘導電圧のゼロ交差点を測定する）比較器からのアップ信号がカウンターに入力されると、必ず１ステップだけ上昇し、基準回路１，２からのダウン基準信号が入力されると、再び１ステップ低下する。ここで、テンプの振動だけが速くなると、次第にダウンパルスよりも多くのアップパルスが入力して、カウンター状態が上昇する。そこで、簡単な実施形態では、カウンターの出力によって、直接圧電式ひげぜんまい２０に対して並列にコンデンサ２２２，２２４，２２６，２２８を断続するスイッチ２２１，２２３，２２５，２２７（トランジスタ）を駆動することができる。位相差が大きくなる程、カウンター状態が高くなり、より多くのコンデンサが圧電式ひげぜんまい２０に対して並列に接続される。しかし、圧電式ひげぜんまい２０に対して並列に接続されるインピーダンスが大きくなる程、テンプの振動周波数の遅れが大きくなる。

例えば、テンプの振動周波数が一回の衝撃により短時間低下する短時間の乱れの場合、制御が確実に動作できるように、所定のカウンター状態以下では、切り離されているコンデンサ２２２，２２４，２２６，２２８の何れも圧電式ひげぜんまい２０に対して並列に接続しない。それは、例えば、カウンター状態０〜７では、圧電式ひげぜんまい２０に対して並列に何れのコンデンサも接続しないか、或いは固定のコンデンサ２１だけを接続するが、カウンター状態８〜１５では、それに対応する数のコンデンサ又はコンデンサの組合せを並列に接続することによって、即ち、容量値が同じ大きさのコンデンサを使用した場合、カウンター状態８では、一つの追加コンデンサを圧電式ひげぜんまいに対して並列に接続し、カウンター状態９では、二つの追加コンデンサを並列に接続し、カウンター状態１０では、三つの云々によって実現される。

容量値が二進のコンデンサを使用した場合、コンデンサ２２２，２２４，２２６，２２８を断続するためのスイッチ２２１，２２３，２２５，２２７を比較論理回路４の二進カウンターから直接駆動することができる。このような方式によって、更に非常に少ない電力を消費する制御の簡単な変化形態を実現することができる。しかし、この例では、カウンターがダウンパルスよりも７個多いアップパルスを受け取った場合に初めて最大数のコンデンサが接続されてしまうので、秒針が１秒までの偏差を持つ可能性が有る。しかしながら、４Ｈｚのテンプを使用した場合、８個のアップパルスは、文字盤上では１秒に相当する。

比較論理回路４のカウンターの大きさは、自由に選択できるが、＋／−２〜４秒の範囲をカバーできるカウンターを使用することが賢明である。

［コンデンサの無損失の切換］
理想的には、圧電式ひげぜんまい２０の出力に誘導される電圧が非常に低いか、或いは０である場合にのみ、コンデンサ２２２，２２４，２２６，２２８は断続される。その一つの利点は、それによって、電気損失を最小化できることである。別の利点は、コンデンサの極性を決める必要が無いか、或いは予め保存しておく必要が無いことである。更に別の利点は、そのようにしてコンデンサ２２２，２２４，２２６又は２２８毎に、並列に接続された、一つのｐチャンネル又はｎチャンネルトランジスタから成る一つのスイッチ２２１，２２３，２２５又は２２７だけが必要なことである。これらのコンデンサの一方の電気端子を全て一緒に切り換えることができ、他方の端子の各々に関して、コンデンサ毎に一つのスイッチだけが必要となる。即ち、一方では電気抵抗を最小化できるとともに、他方ではスイッチングトランジスタ２２１，２２３，２２５，２２７のために少ない出力を配備するだけである。それによって、小さいプリント回路の構成と、少ない端子パッドのチップ４０の使用とが可能となる。

切換プロセスをひげぜんまいの出力電圧のゼロ交差を検出するゼロ交差比較器５と同期させることによって、ゼロ交差時（圧電式ひげぜんまい２０の誘導電圧が０となるか、或いは僅か数ｍＶとなる場合）に、コンデンサの切換を行なうことができる。比較論理回路４からは、接続すべきコンデンサの組合せに関する情報が供給され、発電機電圧の符号が次に切り換わる時に、その情報によって、圧電式発電機２０から供給される電圧の符号が次に切り換わるまで、コンデンサ２２２〜２２８を接続するためのスイッチ２２１〜２２７を駆動した後の次のサイクルにおいて、比較論理回路からの情報によってスイッチを駆動する。

コンデンサ２２２〜２２８の断続は、第一のコンデンサ２４が整流器２３の出力に電圧を加えている間に行なうこともできる。その場合、コンデンサ２４が電圧を加えられるとともに、圧電式ひげぜんまい２０の内部抵抗が非常に大きいので、圧電式発電機２０から出力される電圧Ｖ_gen Ａ−Ｖ_gen Ｂは所定の時間間隔に渡って実質的に一定である。小さいコンデンサ２２２〜２２８が正しい極性で接続された場合、それによって、誘導電圧は変化しない。即ち、電流も流れず、そのためシステムにエネルギーは投入されない。

この場合、コンデンサ２２２〜２２８の切換は、電圧印加プロセスと同期しなければならない。比較論理回路４は、接続すべきコンデンサの組合せを決定して、次の電圧印加プロセス時に、その組合せのコンデンサを圧電式ひげぜんまいと接続する。

しかし、この変化形態では、電圧損失を低減又は最小化できるためには、コンデンサ２２２〜２２８を正しい極性で接続しなければならない。適用する極性を保存するか、さもなければ追加の比較器を用いて確定することができる。しかし、そのような解決策の欠点は、コンデンサ２２２〜２２８毎に二つのスイッチを使用しなければならないことである。それは、コンデンサ毎に二つの出力をＩＣ４０上に必要とし、それに応じて、プリント回路４００上の導体通路の数も多くなることを意味する。

単純化して述べると、理想的には、圧電式ひげぜんまい２０の電圧とそれに対応するコンデンサ２４の電圧がほぼ同じ大きさである場合に、コンデンサ２２２〜２２８が圧電式ひげぜんまい２０に対して並列に断続され、これらの電圧が数ｍＶ〜数十ｍＶ以上である場合には、極性も同じとしなければならない。

［二つのカウンターによる制御］
一方では、前述した通りの比較論理回路４のカウンターを第二の小さいカウンターと組み合わせることによって、更に絶妙な制御手法を実現することができる。大きいカウンターのカウンター状態が０〜７の場合には、更にコンデンサ２２２〜２２８を並列に接続しない。７と８の間のカウンター状態の場合に、並列に接続するコンデンサの数を小さいカウンターによって決定する。そして、大きなカウンターのカウンター状態が８より大きくなった場合には、全ての使用可能なコンデンサを圧電式ひげぜんまい２０に対して並列に接続する。

即ち、この変化形態では、小さいカウンターを用いて、圧電式ひげぜんまい２０のアップパルスとそれに続く基準回路からのダウンパルスの間の位相差を測定している。その位相差が大きくなる程、即ち、アップパルスとダウンパルスの間の時間間隔が長くなる程、圧電式ひげぜんまいに対して並列に接続されるコンデンサの組合せの値が大きくなる。

この小さいカウンターは、例えば、６４Ｈｚで動作する。各アップパルスによって、カウンターは０からスタートし、次のダウンパルスによって、カウンターはストップする。小さいカウンターの出力における値は、ダウンパルスの入力後に一時的に保存されて、アップパルスが再び発生する、交流電圧の次のゼロ交差時に、その小さいカウンターの一時的に保存された値に対応するコンデンサの組合せを圧電式ひげぜんまいに対して並列に接続する。（コンデンサの大きさが全て同じとして）カウンター状態１〜７の場合には、コンデンサを接続しないか、或いは固定のコンデンサだけを接続し、カウンター状態８〜１５の場合には、追加のコンデンサを接続し、カウンター状態１６〜２３の場合には、第二の追加コンデンサを接続する等となる。即ち、この場合の制御は、１／８の範囲で実施され、それは、時計の利用者には全く気付かれず、利用者にとって、時計は常に正確な時刻を表示している。

しかし、小さいカウンターを著しく高い周波数で、例えば、１０２４Ｈｚで動作させることもできる。各アップパルスによって、カウンターは０からスタートし、ダウンパルスによって、カウンターはストップし、カウンター状態の値を一時的に保存しておき、次のアップパルス時に、それに対応したコンデンサの組合せを圧電式ひげぜんまい２０に対して並列に接続する。

［誘導電圧の調整］
一つのコンデンサ２１，２２２，２２４，２２６又は２２８が圧電式ひげぜんまいに対して並列に接続されると、前述した通り、圧電式ひげぜんまい２０の出力における誘導電圧が影響を受ける。圧電式ひげぜんまい２０に対して並列に大きなコンデンサが接続された場合には、整流器２３の入力に小さい誘導電圧が発生し、小さいコンデンサが接続された場合又はコンデンサが接続されない場合には、大きな誘導電圧が発生する。即ち、圧電式ひげぜんまい２０によって誘導される電圧Ｖ_gen Ａ，Ｖ_gen Ｂは、圧電式ひげぜんまい２０に対して並列に接続されたコンデンサ２１によって調整することができる。それは、一方では誘導電圧を電子回路４０に関して有利な範囲内とするために必要な場合もある。誘導電圧を高くすると、ＩＣ４０の入力に保護ダイオードを挿入することとなり、それによって、エネルギー損失が発生するので、誘導電圧を高くし過ぎてはならない。他方では、誘導電圧は、電子回路の確実な動作に必要な最小限の動作電圧よりも高くする。

圧電式ひげぜんまい２０に対して並列に接続されたコンデンサ２１によって、所望の誘導電圧に調整することができる。整流器２３の入力における電圧が所望の範囲内に有り、最大値を上回らないようにするために、１〜１０ｎＦの値の第一の小さいコンデンサ２１を固定的に圧電式ひげぜんまいに対して並列に接続することができる。

そのために、テンプの周波数制御用の大きなコンデンサを一つだけ使用することも考えられる。このコンデンサの大きさは、接続されたコンデンサと共にテンプ／ひげぜんまいの周波数が如何なる場合でも目標周波数よりも低くなるような大きさとしなければならない。しかし、ここでは、コンデンサを如何なる大きさとしなければならないかは正確には分からないので、どちらかと言えば、このコンデンサを大きく選択しなければならない。しかし、その欠点は、コンデンサを接続した場合の圧電式ひげぜんまいの誘導電圧が、圧電式ひげぜんまいと使用するコンデンサに応じて明らかに小さくなり、それによって、電子回路の供給エネルギーの確保が難しくなることである。それどころか、整流器の入力における電圧を電子回路の確実な動作を最早保証することができない程低くなる場合も起こり得る。

従って、この制御のためには、二つ以上のコンデンサを使用することが有利である。ちょうどテンプ／ひげぜんまいの正しい振動周波数を維持するために必要な容量値だけを接続するとともに、電子制御回路の入力における誘導電圧を不必要に低下させない。

［能動式整流器］
電子回路４０は、最小限のエネルギー消費で動作できなければならない。それは、能動素子ユニット（例えば、比較器７又は８を用いて制御されるスイッチ）２３０’，２３１’，２３２’，２３３’によって、整流回路２３の少なくとも一つの受動素子（例えば、整流器用のダイオード）を少なくとも時間毎に電流が流れる方向に対して、より小さい電気抵抗に置き換えることによって実現される。

スイッチ２３０’，２３１’，２３２’，２３３’は、電界効果トランジスタとして、電流阻止状態で、その構造の一部がダイオードとして作用するように切り換えることができる。そのようにして、整流器２３の四つのダイオード全てを能動的なスイッチによって置き換える。スイッチによる電圧損失は、ダイオードによる電圧損失よりも少なくとも一桁小さくなる。ダイオードによる電圧降下は、数百ｍＶとなる場合がある。しかし、電界効果トランジスタのチャンネルによる電圧降下は僅かに数ｍＶである。

第一のコンデンサ２４の電圧印加は、時計仕掛の動作開始段階で、大きな電圧損失を伴うダイオードによって行なわれる。更に進行して、比較器７，８が動作したら、電圧損失を最小化できるように、ダイオードを能動素子によって置き換え、それは、エネルギーに関して、ダイオードによる電圧印加よりも著しく有利である。そのようにして、時計仕掛の保存エネルギーの使用量を節約して、動作用保存エネルギーを増やしている。

即ち、第一の容量素子２４の電圧印加が大きな電圧損失を伴うダイオードによって行なわれるのは、時計仕掛の電圧印加段階だけである。

第一の比較器７は、第一の容量素子２４のアース電位でない端子の電位Ｖ_dcを整流器２３のアース電位でない負荷側の端子の電位Ｖ_gen Ｂと比較する。第一の容量素子２４の電圧が第一の比較器７を動作させるのに十分であり、整流器２３のアース電位でない負荷側の端子の電位Ｖ_dcが第一の容量素子に更に電圧を印加するのに十分に高い場合にのみ、第一のスイッチ２３０’は、第一の比較器７によって閉じられる。

この実施例では、第一の比較器７を動作させるとともに、整流器２３内に有る第二の比較器８を動作させるのに十分な第一の容量素子２４の電圧値は０．７Ｖである。第一の容量素子２３が受動素子（ダイオード）によって少なくとも０．７Ｖの電圧を加えられると、電源が動作し、そのため比較器７，８も動作する。圧電式ひげぜんまいから供給される電圧Ｖ_gen Ｂが第一の容量素子２４の電圧Ｖ_dcよりも高くなると、第一の比較器７はスイッチを閉じる、即ち、第一のスイッチ２３０’を閉じるか、或いは第一の電界効果トランジスタを開ける。圧電式ひげぜんまい２０から供給される電圧Ｖ_gen Ｂが再び第一の容量素子２４の電圧Ｖ_dc以下に低下すると、第一の比較器７は第一の電界効果トランジスタ２３０’を閉じる。圧電式ひげぜんまい２０から供給される電圧Ｖ_gen Ｂが再び十分に大きな値に上昇したら、第一の比較器７は第一の電界効果トランジスタ２３０’を再び開く等となる。しかし、第一の電界効果トランジスタ２３０’のチャンネルによる電圧降下は、ダイオードと比べて、僅か数ｍＶである。そのため、能動素子から成る整流器の効率は、受動素子から成る整流器２３よりも大幅に高くなる。即ち、電圧損失は、能動式整流器の使用によって著しく低下する。

しかし、僅かな小さい電圧及び電流による切換の場合、比較器／スイッチの振動又はチャタリングが起こる可能性がある。しかし、スイッチ２３０’が閉じられ、スイッチ２３０’による電圧降下が、比較器７がスイッチを再び閉じる程に小さくなると、比較器７（又は８）は電圧差を測定する。スイッチが開かれると、比較器は再び電圧差を検出して、スイッチを再び閉じる。即ち、システムは、スイッチ／比較器を振動させる可能性が有り、その結果極端な場合、容量素子が電子回路の動作を保証するのに十分な電圧を加えられなくなる可能性がある。如何なる場合でも、システムが比較器／スイッチをチャタリング又は振動させ始めると、整流器２３の効率は悪化する。

それは、一方では十分に大きなオフセットと十分に大きなヒステリシスを有する比較器７，８を使用することによって防止することができる。その利点は、圧電式ひげぜんまい２０の誘導電圧が第一のコンデンサの電圧よりも大きくなると、圧電式発電機２０が常に第一のコンデンサを用いて一つ以上の手法で大きい又は小さい内部抵抗と接続されることである。

そのような作用を防止する別の手法は、時間Ｔ１の間に比較器７，８により、スイッチ２３０’（又は２３１’，２３２’，２３３’）を閉じなければならないのか、或いは開いたままにしておくことができるのかを測定すること（測定段階）である。比較器７（又は８）がトランジスタの前での圧電式発電機が発生した電圧が容量素子の電圧よりも大きい場合の電圧差を確認したら、スイッチが時間Ｔ２の間閉じられる（閉鎖段階）。

次に、スイッチ２３０’（又は２３１’，２３２’，２３３’）が再び開かれて、時間Ｔ１の間に比較器７，８により、再び次の時間Ｔ２の間スイッチを閉じなければならないのか、或いは開いたままにしておくことができるのかを測定する。そのようにして、能動的なダイオードのチャタリング又は振動を防止することができる。

前記の制御回路は、スイッチが阻止状態にある第一の段階（Ｔ１、測定段階）において、前記のスイッチに適用する少なくとも一つの制御信号を記憶する少なくとも一つの記憶手段を有し、更に第二の段階（Ｔ２、閉鎖段階）において、前記のスイッチが前記の制御信号で駆動される。

圧電式発電機２０から供給される電圧が整流実施後に能動式整流器２３により電子回路４０に十分に高い電圧を供給するのに十分な高さでない場合、この簡単な整流器２３の代わりに、整流器を備えた電圧変換回路、例えば、電圧倍増回路を使用することができる。しかし、それには、二つ以上の外部容量素子を必要とし、その結果電子回路の所要スペースが大きくなるとの小さい欠点を伴う。

しかし、整流器２３は、受動的なダイオードだけから構成することもできる。

［最小電力消費／最大振幅非依存性］
機械式時計のテンプの振動振幅は、比較的大きく変動する場合がある。ぜんまいを完全に巻いた場合、がんぎ車からアンクルを介して大きな駆動トルクがテンプに伝達される。この場合、テンプの振動振幅は大きい。この場合、圧電式ひげぜんまいによって、比較的大きな電圧が生成される。僅かな小さい駆動トルクがテンプに伝達される場合、例えば、駆動用ぜんまいを僅かしか巻かなかった場合、それに対応して、テンプの振動振幅が比較的小さくなり、そのため圧電式ひげぜんまいが発生する電圧も比較的小さくなる。

しかし、圧電式ひげぜんまい２０からの交流電圧の高さが異なる場合でも、電子回路は出来る限り小さい電力消費量で動作できなければならない。

第一の手法は、集積回路４００上の電子回路４０の少なくとも一つの主要な部分、例えば、水晶発振器１、周波数分周器２、不一致回路３、比較論理回路４、比較器５と１１、場合によっては、比較器７，８を制御された電圧で駆動することである。即ち、第一のコンデンサ２４の電圧が高い場合でも、ＩＣ４０を最小限の電力消費量で動作できることを保証する。その利点は、テンプの振幅が大きい場合、そのため圧電式発電機２０の誘導電圧が大きい場合でも、そのため整流器２３の出力における電圧が高い場合でも、ＩＣの電力消費量が明らかに上昇しないことである。

第二の手法は、集積回路４０の供給電圧を制御することである。最も簡単な手法では、それは、電子回路に電力を供給するコンデンサ２６の電圧を制御することによって行なわれる。（能動式）整流器２３によって、圧電式ひげぜんまい２０が発生する電圧Ｖ_gen を整流して、コンデンサに加えている。所定の高さのＶ_dd以上において、整流器を切り離して、その時点では圧電式発電機からの電圧がＶ_ddの電圧よりも高くても、最早コンデンサに電圧を加えないようにすることによって、Ｖ_ddの電圧を制御することができる。Ｖ_ddの可能な上限は、例えば、１．２Ｖとすることができる。

第三の手法は、整流器２３により第一のコンデンサ２４に電力を供給することである。その場合、この第一のコンデンサ２４は、常に整流器２３を介して、圧電式ひげぜんまい２０から供給される電力を加えられる。電子回路４０に電力を供給するのは、第二のコンデンサ２６である。ここで、この第二のコンデンサ２６は、所定の電圧Ｖ_ddに制御される。それは、例えば、最後の電圧印加プロセス後、第二のコンデンサ２６の電圧が所望の値Ｖ_dd以下に低下した場合に、所定の間隔で、例えば、１秒当たり８回、スイッチ２５が１．２〜５Ｖの電圧を有する第一のコンデンサ２４と第二のコンデンサ２６の間の電気的な接続を形成することによって行なうことができる。第二のコンデンサで所望の電圧、例えば、１．２Ｖに到達したら、電圧印加プロセスを中断する。さもなければ、下限電圧Ｖ_low と上限電圧Ｖ_highを規定することができる。第二のコンデンサの電圧がＶ_low よりも低い場合、第一と第二のコンデンサの間のスイッチを閉じて、第一のコンデンサから第二のコンデンサに電圧を加える。そして、第二のコンデンサ２６の電圧がＶ_highの値を上回った場合、スイッチ２５を再び開く。

第四の手法は、電圧印加時間の長さ、即ち、集積回路用の供給電圧Ｖ_ddを供給するコンデンサ２６に主に電圧を印加できる時間を変化させることである。Ｖ_ddが高くなる程、電圧印加時間を短くする。圧電式発電機からの入力電圧が高い場合でも、短い電圧印加時間は比較的低い電圧Ｖ_ddを与える。そのようにして、コンデンサ２６の電圧の高さを制限することもできる。

集積回路４０の供給電圧を制御する別の利点は、圧電式ひげぜんまい２０を最早それ程正確に電子回路４０に合わせる必要がないことである。圧電式ひげぜんまい２０は、動作中に電子回路４０を確実に動作できるとともに、テンプの動作を制御、調節するのに十分な最小限の電圧Ｖ_gen だけを供給すれば良い。そのため、圧電式発電機２０が確実な動作に必要な電圧よりも高い電圧を供給すれば、電子回路の電力消費量は大きくならない。

［ＩＣ４０の供給電圧Ｖ_ddよりも高い電圧での整流器用スイッチングトランジスタ２３０’，２３１’，２３２’，２３３’の駆動］
電子回路の一部における電子回路素子／トランジスタ２３０’，２３１’，２３２’，２３３’を制御するための制御信号をより高い電圧で使用できるためには、これらの電子回路４０の一部からの低い電圧の信号をレベルシフター１０を用いて高い電圧Ｖ_dcとしなければならない。

電源、発振器１、比較器５，７，８，１１、論理回路４、周波数分周器２及び不一致回路３を備えたアナログ回路は、電子回路４０が依然として確実に動作するための最小限の電圧を上回る低い電圧Ｖ_dd、例えば、２００ｍＶを供給されている。

整流器２３のスイッチ２３０’，２３１’，２３２’，２３３’、（コンデンサ２２２〜２２８の断続により）インピーダンスを変更するためのスイッチ２２１，２２３，２２５，２２７、レベルシフター９，１０，１２の電圧供給部及び回路の低電圧部分に電力を供給するのに必要なスイッチ２５は、高い電圧Ｖ_dc、典型的には、１．２〜５Ｖで動作している。

そのような電圧に第二のコンデンサ２６を制御することによって、例えば、１．０Ｖに集積回路４０の供給電圧を制御するが、圧電式ひげぜんまい２０の誘導電圧が１．０Ｖよりも高く、第二のコンデンサ２４が、例えば、５Ｖの電圧を加えられている場合、整流器２３のスイッチングトランジスタ２３０’，２３１’，２３２’，２３３’も５Ｖで駆動しなければならない。それは、レベルシフター１０を用いて、スイッチングトランジスタ２３０’，２３１’，２３２’，２３３’の制御信号を切り換えるべき電圧とほぼ同じ電圧にすることによって行なうことができる。この場合、レベルシフターは、圧電式発電機２０から電圧を加えられている第一のコンデンサ２４から電力を供給される。

所望の電圧Ｖ_dcに到達したら、電圧印加プロセスを中断することによって、能動式整流器２３を介して圧電式ひげぜんまい２０から直接電圧を加えられている第一のコンデンサ２４が約１Ｖに保持されている場合、それにも関わらず、圧電式発電機の切換電圧とほぼ同じ大きさの電圧で整流器のトランジスタ２３０’，２３１’，２３２’，２３３’を駆動しなければならない。それは、電圧増倍回路、例えば、電圧倍増器又は電圧４倍増器を内部に配備することによって行なうことができる。そして、内部の電圧増倍回路から電力を供給されるレベルシフター９，１０，１２を用いて、スイッチ／トランジスタを駆動する論理信号を増幅された電圧レベルＶ_dcに上昇させる。

しかし、整流器２３後の第一のコンデンサ２４からの高い電圧Ｖ_dcで整流器用の比較器１３，１４を駆動する手法も有る（図８参照）。そして、比較器１３，１４を介して整流器２３用のスイッチ２３０’〜２３３’を直接制御することができ、その場合には整流器用のレベルシフターも不要である。

［ＩＣ４０の供給電圧Ｖ_ddよりも高い電圧によるインピーダンス変更用スイッチングトランジスタの駆動］
コンデンサ２２２，２２４，２２６，２２８を断続するスイッチ２２１，２２３，２２５，２２７による抵抗が大き過ぎる、例えば、１ＭΩ以上となる場合、電気損失が大きくなり、テンプの振動振幅が小さくなり過ぎる。その場合、時計仕掛の確実な動作は最早保証されない。

スイッチングトランジスタ２２１，２２３，２２５，２２７による出来る限り小さい電気抵抗を保証できるようにするため、スイッチ毎に、少なくとも一つのｐチャンネルトランジスタとｎチャンネルトランジスタを並列に接続する。前述した通り、十分に高い電圧Ｖ_dcを供給されるレベルシフター９によって、これらのコンデンサ２２２〜２２８を断続するためのトランジスタを駆動する。即ち、第一のコンデンサの出力における高い電圧Ｖ_dc又は内部電圧増倍回路から電力を供給されるレベルシフター９を用いて、スイッチ／トランジスタを駆動する比較論理回路４からの論理信号を増幅された電圧レベルに上昇させる。

［最大振幅の制限］
自動巻きの時計仕掛の場合、ぜんまいを強く巻き過ぎて、それに応じて大き過ぎる回転トルクが時計仕掛に加わることが起こり得る。ぜんまいの大きな回転トルクは、テンプに大きな振幅を発生させる。しかし、大き過ぎる振幅は望ましいことではない。圧電式ひげぜんまい２０を備えた時計仕掛の場合、大きな振幅は、大きな誘導電圧を発生させ、そのため整流器２３から電力を供給されるコンデンサ２４の電圧を比較的大きくする。しかし、例えば、コンデンサに対して並列に抵抗を接続することによって、このコンデンサに電圧を印加すると、コンデンサの電圧が低下して、圧電式ひげぜんまいの負担が更に大きくなる。その結果、テンプの振動振幅が小さくなり、この場合には、それは望ましいことである。即ち、整流器２３後の第一のコンデンサ２４の電圧を測定して、所定の電圧を上回った場合、図示されていない抵抗をコンデンサ２４に対して並列に接続し、そのようにして振幅を制限すれば十分である。

［比較器の電力消費量の最小化］
比較器は、様々な信号の測定に使用されている。このシステムは、機械的な振動子によって、既に著しく安定化しているので、様々な値とする必要のある時間が分かっている。即ち、動作させる比較器の数を減らすことが可能である。そして、比較器の入力及び出力は、段階に応じて様々な形で切り換えられる。

別の手法は、或る比較器が不必要となった場合に、それを切り離すことである。そのようにして、電力も節約できる。即ち、例えば、圧電式発電機の誘導電圧の符号の切り換わり（ゼロ交差）を測定するための比較器５を１／１６秒毎の切換プロセス後に切り離した場合、（４Ｈｚのテンプでは）次のゼロ交差が最初１／８秒後に起こるので、電力を節約することができる。それにも関わらず、テンプ／ひげぜんまいによって、振動周波数が既に著しく安定化しているので、時計仕掛の機能が保証される。

比較器のスイッチオン後、それらは、所望の動作点に到達するまでに所定の時間を必要とする。その時間間隔の間に比較器が誤った信号を供給することを防止するために、それに対応する比較器の動作点に到達した時に、漸く各比較器の出力を有効とする。それは、比較器をスイッチオンしてから所定の時間間隔後に漸く比較器の出力を有効とすることによって実現できる。

［パワーオンリセット（ＰＯＲ）］
図示されていないＰＯＲ回路（短縮して、ＰＯＲ）によって、電子制御回路４０が確実に始動でき、大き過ぎる始動電力を必要とせず、始動プロセスにも留まらないことが保証される。この場合、始動プロセスの各段階で必要な構成素子を徐々に起動するか、その時点で不要な構成素子を停止するか、或いは幾つかの構成素子を始動モードに移行する。

電子制御回路４０が確実に始動できるためには、回路の始動時に、水晶発振器１が未だ動作していない間に能動式整流器２３が始動モードに移行することを保証しなければならない。このＰＯＲは、発振器１を動作させなくとも、比較器及びスイッチ（例えば、電界効果トランジスタ）と共に整流器２３を動作させる役割を果たす。

始動段階の開始時に、単純なダイオードとしてのスイッチ２３０’〜２３３’の一部が動作して、この段階では、少なくとも一つのコンデンサ２４が、それに損失を生じさせるダイオードを介して電圧を加えられる。ＩＣ上の内部電源が動作すると、比較器も動作し始める。そして、この段階では、スイッチは、比較器によって直接駆動される。

電子回路の始動に有利な交流電圧を得るためには、ＰＯＲを使用して、始動段階の間に圧電式ひげぜんまい２０に対して並列に一つ以上のコンデンサ２２２〜２２８を接続することもできる。即ち、誘導電圧を電子回路４０の始動に有利な所定の値に調整することができる。水晶発振器１が動作して、ＰＯＲが停止すると、再びテンプの振動周波数を制御するためにコンデンサ２２２〜２２８の断続が適用される。

更に、このＰＯＲは、水晶発振器１の確実な始動を保証する役割を果たすとともに、水晶発振器１の始動時に大き過ぎる電力を必要としないように作用する。それは、先ずは整流器を用いて、差し当たり受動素子（ダイオード）により、少なくとも一つのコンデンサ２４に電圧を加え、電源が立ち上がったら、能動素子（比較器とスイッチ）により電圧を加える。水晶発振器に電力を供給するコンデンサに最小限の電圧、例えば、１Ｖが加わったら、漸く水晶発振器１を始動する。この場合、１秒の間に電流２００ｎＡに到達することができる。しかし、電力の大部分が既に電圧を加えられているコンデンサから供給されるので、それは問題とはならない。１μＦと１Ｖのコンデンサにより、約０．２Ｖの電圧降下となる。即ち、大きな始動電流によりテンプ／ひげぜんまいのシステムに大き過ぎる電圧を加わえること無く、水晶発振器の確実な始動を保証することができる。

このＰＯＲによって、始動プロセスの間に第一のコンデンサ２４により十分な電気エネルギーを第二のコンデンサ２６に供給することも保証される。専ら第二のコンデンサ２６により水晶発振器１に電力を供給して、第二のコンデンサ２６が一定の最小限の電圧に到達したら、漸く水晶発振器１を始動することも可能である。

更に、このＰＯＲは、所定の制御状態へのテンプの振動周波数の制御を始動する役割を果たす。比較論理回路４のカウンターを用いた制御が動作した場合、例えば、ＰＯＲによって、先ずは一つ以上のカウンターを所定の状態Ａに移行させた後、ＰＯＲの停止によって、状態Ｂに移行にして制御を解除することができる。

更に、このＰＯＲによって、始動プロセスの間に比較器７，８（１３，１４）を常にスイッチオンして動作させ、ＰＯＲの停止によって、漸く比較器を一定の時間で断続して、電力を節約するように、整流器２３用の比較器７，８（１３，１４）を切り換える。始動段階では整流器２３用の比較器だけを動作させて、始動プロセスが更に進行したら漸く、別の比較器５，１１が必要となった場合にそれをスイッチオンすることも可能である。

この信号ＰＯＲは、内部電源と水晶発振器１に依存し、必要な場合には、少なくとも一つのコンデンサの電圧にも依存する。電源が十分な電力を供給しない場合、ＰＯＲＡの信号は１となり、水晶発振器の周波数が所定の値に到達していない場合、ＰＯＲＢの信号も１となる。一つのコンデンサの電圧が所望の値に到達していない場合、ＰＯＲＣの信号も１となる。この信号ＰＯＲは、ＰＯＲＡ，ＰＯＲＢ，ＰＯＲＣと、電子回路の周波数分周器と論理部の信号とから構成することができ、それに加えて、電子回路のアナログ部分の信号を使用することもできる。しかし、前述した信号から様々なＰＯＲを構成することもできる。

［電子回路の小型化］
電子回路は、有利には、時計仕掛内のブリッジの下に難なく配置して隠すことができるように、小さく構成される。

それは、理想的には、従来の機械式時計仕掛のテンプ用ブリッジをテンプ及びひげぜんまいと一緒に構成することによって実現される。ここでは、更に電子回路４０も時計仕掛内に設置しなければならない。電子回路が最早見えなくなるように、例えば、テンプ用ブリッジの下に電子回路を設置することが有利な場合もある。それを実現可能とするためには、電子回路を出来る限り小さく構成しなければならない。それどころか、理想的には、電子制御回路をテンプ用ブリッジに直接統合することができる。

それは、外部コンデンサ及び外部水晶振動子１を除く電子回路４０全体を電子集積回路４００として実現することによって行なうことができる。更にスペースを節約するために、チップ４０は、フリップチップ組立方式により、追加の端子導線無しに直接能動接点側に下方に向かって（基板／回路支持体に対して）取り付けられる。その結果、筐体のサイズが特に小さくなるとともに、導体の長さが短くなる。即ち、ダイ（チップ）の全表面を接点のために活用することができる。

個々の商用部品の寸法は、例えば、次のサイズである。

ＩＣ／チップ４０ １ｘ １．５２ｘ１．０３ｘ０．４ｍｍ
水晶１ １ｘ ２．０ｘ．０ｘ０．６ｍｍ
コンデンサ ２ｘ １．０ｘ０．５ｘ０．５ｍｍ
コンデンサ ３ｘ ０．４ｘ０．２ｘ０．２ｍｍ

これらの部品は、約３．３５ｘ２．３ｍｍのプリント回路４００上に収容できるほど小さく、それは、これらの部品を片側だけに取り付けた場合でも言える。しかし、これらの部品をプリント回路の両側に取り付けることも可能である。さもなければ、柔軟なプリント回路を使用して、コンデンサが重なるようにプリント回路を曲げる手法も有る。

しかし、そのような小さいモジュール上のスペースは非常に限られており、実際には電子部品のための十分なスペースしか無い。電子回路を試験するためのテストパッドは、そのような小さい回路基板上に取り付けることはできない。部品を重ねて接続する導体通路の配置構成も殆ど不可能である。この問題は、一方で回路基板の両側に、回路基板を貫通して相互接続することもできる導体通路を配備することによって解決できる。即ち、回路基板の上側に一定数の非常に小さいコンデンサを半田付けするが、回路基板の下側には別の部品との電気接続部を配置することが可能である。しかし、それによって、テストパッドの問題は依然として解決されない。それは、テストパッド４０１を回路基板４００の追加部分の上に配置すること（図３ａ，３ｂ）によって解決できる。そのような回路基板４００の部分は、電子回路の試験が成功した後に切り離される。即ち、テストパッド４０１は、大きなサイズで構成することができ、それは、その後の試験の負担を軽減する。しかし、その部分は試験の成功後切り離されるので、最終的な回路基板４００のサイズが非常に小さくなる。

スペースを節約する別の手法は、回路基板４００を少なくとも部分的に柔軟な材料から製作することである。即ち、圧電式ひげぜんまい２０用の端子３００は、回路基板４００の薄くて長い延長部として構成することができる。そのようにして、最早圧電式ひげぜんまい２０との電気接続部を構成する配線を回路基板上に半田付けする必要がなくなる。この配線の機能は、柔軟な回路基板の薄くて長い延長部によって置き換えられる。それは、回路基板上への電子素子の取付とそれに続く試験後に更に圧電式ひげぜんまい２０との接続だけを行なえば良いとの別の利点も有する。それによって、半田又は導電性の糊により製作できる僅かに二つの電気接続部だけとなる。しかし、電気接続部を接合により製作することもできる。

プリント回路４００上のＩＣ４０の下には、プリント回路の両側に銅を配備している。即ち、光はプリント回路を貫通できず、ＩＣの正常な機能に影響を与えない。

別の手法は、複層の、例えば、３層の柔軟な回路基板４００を使用することである。個々の層の間の電気接続部は、垂直な接点によって形成される。最も上側の層の上には、ＩＣ、コンデンサ、水晶及び圧電式ひげぜんまいとの接点が設けられる。中間層内には、ＩＣ、水晶、コンデンサの接点位置と圧電式発電機の間の接続部が形成され、第三の層は、ＩＣの下に光を通さない障壁を実現するために使用することができる。そのため、半田レジストを省略することができ、先ずは第一と第三の層の全面にニッケル鍍金し、それに続いて金鍍金することができる。

電子回路の確実な機能を保証するために、テストパッドの切り離し後の電子回路に薄い電気絶縁保護層、例えば、ＵＶ光で硬化するラッカーをコーティングすることができる。それによって、電子回路モジュールが時計仕掛又は時計仕掛の一部との望ましくない電気接点を形成して、それにより機能に影響を与えることを防止することができる。

そのようにして、底面が出来る限り小さい、さもなければ体積が出来る限り小さい電子回路モジュールを実現することができる。

しかし、テストパッド４０１を電子回路の試験後に切り離さないで、テストパッドを折り畳んで電子回路４００の下で僅かなスペースしか占めないようにすることも考えられる。

電子回路を曲げる場合、その位置にはニッケルをコーティングしない。ニッケルは硬過ぎて、その位置でプリントが壊れる可能性がある。三層の柔軟なプリント回路では、圧電式ひげぜんまいとの電気接続部を中間の位置又は層により実現することによって、この問題を解決することができる。

従って、電子回路モジュール全体を非常に小さくして、ブリッジ又はそれと同様の素子の下に問題なく隠すことができる。それは、電子回路が光、電界及び磁界から保護されるとの別の利点を有する。本発明では、電子回路をテンプ用ブリッジの下に配置することが有利である。即ち、本発明による時計仕掛は、実質的に純粋に機械的な時計仕掛と同じように見えるが、動作精度が著しく改善されているとの利点を有する。

［制御範囲の調整］
テンプの周波数が最早電子回路の制御範囲内に無いことを制御電子回路により表示する手法が時計メーカーにとって有用な場合がある。テンプの振動が遅くなり過ぎた場合、電子回路は、例えば、水晶の振動周波数の変更によって制御範囲を使い果たしてしまったことを表示することができる。それは、集積回路４０の内部コンデンサを水晶発振器１の端子と断続させることによって行なうことができる。正確には、それは、テンプが速く振動し過ぎて、最早制御範囲内に無い場合に行なうことができる。例えば、テンプの振動が遅くなり過ぎて、電子回路の制御範囲外となった場合に、水晶発振器の周波数を上昇させることができる。それと反対に、テンプの振動が速くなり過ぎて、電子回路の範囲外となった場合には、水晶発振器の周波数を遅くすることができる。即ち、時計メーカーは、水晶発振器の周波数の簡単な測定によって、電子回路がテンプの振動周波数を正しく制御できるか否かを決定することができる。

［圧電式ひげぜんまい２０と電子回路４０の接続］
圧電式ひげぜんまい２０と電子回路４０の電気接続部３００は、それらの接続部がテンプの振動によって機械的な負荷を受けないように構成しなければならない。

それは、例えば、ひげぜんまい２０の端部３０に肉厚部２８０を設けることによって実現できる。この肉厚部は、テンプが往復振動して、ひげぜんまいが変形しても最早変形しない。この肉厚部とのひげぜんまいの機械的な固定を行なうこともでき、それは、捻子止め、挟持又は接着によって行なわれる。そして、この電子回路との電気接続部は、半田、導電性の糊（導電性粘着剤又は伝導糊）による接着又は接合によって実現できるが、機械的な手段、例えば、挟持により実現された電気接続部も考えられる。

別の手法は、ひげぜんまい２０の端部２８０が本体部から突き出るように、ひげぜんまい２０を延長して、圧電式ひげぜんまい２０と電子回路４０の間の電気接続部３００を機械的な負荷を受けない端部に形成できることである。それは、例えば、圧電材料のキュリー温度を上回らない場合には、半田付けにより行なうことができる。

別の変化形態は、圧電式ひげぜんまい２０が前方の領域で機械的に支持されて、振動を吸収し、圧電材料の電極と電子回路４０の間の電気接点が後方の領域に形成されるように、本体部を構成することである。これらの電極は、ＣＶＤ（化学蒸着）プロセスにより圧電材料上に成膜することができる。それに代わって、スパッタリング又はガルバーニ法により電極を成膜することもできる。

本発明による時計仕掛により、自動巻き、日付、月齢、クロノグラフなどの機械式時計に関して既に周知の全ての複雑機構を実現できる。従来の機械式時計仕掛との違いは、制御の実現形態だけである。それ以外の全ての部品は、機械式時計と同じである。

本発明による時計仕掛は、エンドユーザーが従来の機械式テンプとしたいのか、或いは更に電子制御を追加したテンプとしたいのかを選択できるように構成することができる。この場合、本発明による時計仕掛のテンプとひげぜんまいは異なる形で構成されて、アンクルとがんぎ車を同じままとすることができるが、場合によっては、それらも変更できる。それに対して、軸受は同じである。電子回路は、例えば、テンプ用ブリッジに統合することができる。即ち、純粋な機械制御方式と電子制御を更に追加した方式の二つの方式の時計に関する時計仕掛の地板が同じものであることが保証される。そのようにして、同じ資本投資で、より高い資本産出高比率を生み出すことができる。

［テンプと圧電式ひげぜんまいの組立］
これらは別個に製作されるので、テンプとひげぜんまいを互いに組み立てなければならない。テンプの慣性モーメントとひげぜんまいのモーメントが互いに一致できるように、ひげぜんまいとテンプを精密に製作することが非常に重要である。

この方法は、テンプをそれと適合したひげぜんまいと組み立てることである。既に校正されたテンプは、その慣性モーメントに応じて、複数のクラス、例えば、２０個のクラスに分類される。

圧電式ひげぜんまいも、同じくそれぞれのモーメントに基づき複数の、例えば、２０個のクラスに分類される。

ここで、そのように分類されたテンプとひげぜんまいは、そのクラスに応じて互いに対応付けることができる。

テンプの振動周波数は、電子制御回路を用いて約１％の範囲内で変更できるので、テンプと圧電式ひげぜんまいの綿密な測定とそれに続く組立時に、小さい補助電子回路だけでテンプの正確な振動周波数を制御することが可能である。即ち、時計メーカーは、理想的には調整時に何もすることがない。

圧電式ひげぜんまいの機械的な特性だけでなく、例えば、テンプの振幅に応じた誘導電圧、圧電式ひげぜんまいの内部抵抗、圧電式ひげぜんまいの電気容量などの電気的な特性を測定することも有効である。即ち、機械的に不足は無いが、電気的に欠点の有るひげぜんまいを選り分けることができる。

Claims (22)

1. 時計仕掛の圧電式ひげぜんまい（２０）の振動周波数を制御する方法において、
   ひげぜんまいと並列に接続されるコンデンサ（２２）を調整することによって、圧電式ひげぜんまいの振動周波数を制御することを特徴とする方法。
2. 当該のコンデンサ（２２）を一定数の断続可能なコンデンサ（２２２，２２４，２２６，２２８）から構成することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 個々のコンデンサ（２２２，２２４，２２６，２２８）を個別に断続することによって、振動周波数を制御することを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 接続するコンデンサの組合せをテンプ（３０）の周波数と基準周波数の間の位相差の大きさによって決定することを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. ひげぜんまい（２０）によって誘導される電圧が所定の閾値よりも小さくなった場合に漸くコンデンサ（２２２，２２４，２２６，２２８）を接続することを特徴とする請求項１から４までのいずれか一つに記載の方法。
6. ひげぜんまい（２０）によって生成される電流が所定の閾値よりも小さくなった場合に漸くコンデンサ（２２２，２２４，２２６，２２８）を接続することを特徴とする請求項１から４までのいずれか一つに記載の方法。
7. 各コンデンサ（２２２，２２４，２２６，２２８）を個別のスイッチ（２２１，２２３，２２５，２２７）によって個々に接続することを特徴とする請求項１から６までのいずれか一つに記載の方法。
8. 当該のスイッチの制御電圧を接続する電圧とほぼ同じ高さとすることを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 当該のスイッチ（２２１，２２３，２２５，２２７）をレベルシフター（９）を介して接続することを特徴とする請求項７又は８に記載の方法。
10. 当該のスイッチを電子回路によって制御し、当該のスイッチ（２２１，２２３，２２５，２２７）の制御電圧（Ｖ_dc）を電子回路の大部分のデジタル部品の供給電圧（Ｖ_dd）よりも高くすることを特徴とする請求項７から９までのいずれか一つに記載の方法。
11. 圧電式ひげぜんまい（２０）の出力電圧が所定の範囲内となるように、一つのコンデンサ（２１）を固定的に圧電式ひげぜんまい（２０）と並列に接続することを特徴とする請求項１から１０までのいずれか一つに記載の方法。
12. ひげぜんまい（２０）によって誘導される電圧を整流器（２３）によって整流することと、
    当該の整流器が、始動後にスイッチ（２３０’〜２３３’）によって置き換えられるダイオードを有することと、
    当該の整流器のスイッチの制御電圧が整流された電圧とほぼ同じであることと、
    を特徴とする請求項１から１１までのいずれか一つに記載の方法。
13. ひげぜんまい（２０）によって誘導される電圧を整流器（２３）によって整流することと、
    当該の整流器が、始動後にスイッチ（２３０’〜２３３’）によって置き換えられるダイオードを有することと、
    当該の整流器のスイッチをレベルシフター（１０）によって切り換えることと、
    を特徴とする請求項１から１２までのいずれか一つに記載の方法。
14. 比較論理回路（４）の一方の入力を電子基準回路（１，２）と接続し、比較論理回路の他方の入力を圧電式ひげぜんまい（２０）と接続して、
    この比較論理回路が、電子基準回路から出力されるクロック信号とひげぜんまいから出力されるクロック信号を比較して、その比較結果に応じた圧電式ひげぜんまいと並列に接続されるコンデンサ（２２２，２２４，２２６，２２８）の数によって、電子制御回路（２２）のインピーダンスの大きさを制御し、そのようにインピーダンスを制御することによって、時刻表示部の動作を制御するとともに、各周期中に少なくとも一つの比較器（５）をスイッチオフする、
    ことを特徴とする請求項１から１３までのいずれか一つに記載の方法。
15. 電子回路の始動時に、パワーオンリセット（ＰＯＲ）信号によって、コンデンサ（２２２，２２４，２２６，２２８）の所定の組合せを圧電式ひげぜんまい（２０）と並列に接続して、電子回路の始動に有利な圧電式ひげぜんまいの誘導電圧を生成することを特徴とする請求項１から１２までのいずれか一つに記載の方法。
16. 当該の位相差を第一の大きなカウンターと第二の小さなカウンターにより検出することを特徴とする請求項４から１５までのいずれか一つに記載の方法。
17. ダウンパルスの入力後の小さなカウンターの出力におけるカウンター状態を一時的に保存して、その後当該のコンデンサを断続するために使用することを特徴とする請求項１から１６までのいずれか一つに記載の方法。
18. テンプの軸の回りを振動周波数で振動するテンプ（３０）と、
    テンプ及びひげぜんまいの振動と無関係な電圧を生成する、テンプと接続された圧電式ひげぜんまい（２０）と、
    圧電式ひげぜんまい（２０）の剛性を調整することによりテンプの振動周波数を制御する補助制御機構としての電子回路と、
    を備えた時計仕掛のための制御機構において、
    この電子回路がひげぜんまい（２０）と並列に接続された少なくとも一つのコンデンサを有することを特徴とする制御機構。
19. 当該のコンデンサが複数の個々に切換可能なコンデンサ（２２２，２２４，２２６，２２８）で構成されることを特徴とする請求項１８に記載の制御機構。
20. 当該の補助制御機構が、ひげぜんまいによって生成された電圧を整流する整流器（２３）を備えており、
    少なくとも一つの第一の容量素子が少なくとも時計仕掛の最初の始動直後に受動素子又は能動素子を介して電圧を印加され、
    この第一の容量素子の電圧が能動素子ユニットを動作させるのに十分な高さとなったら、この能動素子ユニットによって、この受動素子又は能動素子を置き換えることが可能であり、この能動素子ユニットが、電流が流れる方向に関して受動素子よりも小さい電気抵抗を有する、
    ことを特徴とする請求項１８又は１９に記載の制御機構。
21. 当該のコンデンサを切り換えるためのスイッチ（２２１，２２３，２２５，２２７）と、
    前記のスイッチを増幅した電圧で駆動するためのレベルシフター（９）と、
    を特徴とする請求項１９又は２０に記載の制御機構。
22. 圧電式ひげぜんまい（２０）を電子回路（４０）と接続するための柔軟な回路基板を特徴とする請求項１８から２１までのいずれか一つに記載の制御機構。

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