JP2019053054A - 自動周波数制御回路用の圧電素子、それを備えた機械振動系および装置、ならびに圧電素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】機械振動系の振動周波数の正確な制御のために圧電効果を正確かつ最適に利用できる、自動周波数制御回路用の圧電素子を提供する。【解決手段】自動周波数制御回路用の圧電素子３は、圧電材料のストリップで形成されたテンプバネ７と、自動制御回路に接続されるとともにストリップの１つの側の全体または一部に配置された第１の電極と、自動制御回路に接続されるとともに圧電材料のストリップの他の側の全体または一部に配置された第２の電極と、を備える。圧電素子３は、さらに、絶縁材料の少なくとも２つの不連続層を備え、絶縁材料の不連続層の各々は、圧電材料のストリップの少なくとも１つの側に配置されて、第１の電極を第２の電極から隔離している。絶縁材料の不連続層は、所定の角度周期で、テンプバネの略円弧を形成する所定部分に分布している。【選択図】図１
Description
本発明は、自動周波数制御回路用の圧電素子に関するものである。
本発明は、さらに、圧電素子とテン輪とを有する機械振動系に関する。
本発明は、さらに、機械振動系と、その機械振動系の振動周波数の自動制御のための回路と、を含む装置に関する。
本発明は、さらに、圧電素子の製造方法に関する。
圧電素子は、例えば、振動子を時間基準として使用するため、または質量センサ、力センサ、ジャイロセンサ、およびその他多くの用途で、電気機械システムの分野で一般的に使用される。
特に機械式または電気機械式時計の時計製作分野では、圧電素子を有する機械振動系を提供することが知られている。機械振動系は、典型的には、テンプバネが装着されたテン輪を備えるものであってよく、テンプバネの一端は、回転するテン真に固定され、テンプバネの他端は、受け板の固定要素に固定される。機械系の振動は、一般的には機械的なものである動力源によって維持される。この動力源は、例えば、アンクルと協働するガンギ車と共に輪列を駆動する香箱であり得る。この回転するアンクルは、例えば、回転するテン真に近接して固定された振り石を動かす。このように、テンプバネ付きテン輪（テンプ）は、時計ムーブメントの調速機を形成し得る。この振動調速機は、時刻表示針につながるガンギ車と共に輪列の駆動速度を決める。圧電素子は、テンプバネを含んでよく、これに対して、例えばバネの内面および外面に、（ＰＺＴ系）圧電材料の膜を堆積させることが知られている。これに関連して、特許文献１または特許文献２を挙げることができる。しかしながら、このようにテンプバネの全長にわたって圧電膜を堆積させることは、このバネの製造にコストのかかる余分な工程を導入することになり、これが欠点となる。
これら２つの特許文献では、テン輪と圧電テンプバネとの組み合わせの振動周波数の制御は、自動周波数制御回路によって実現される。この電子回路は、圧電素子が発生させる交流電圧を整流してコンデンサに蓄えることで、これにより直接給電されてよい。振動周波数を制御するために、振動子段によって供給される基準周波数の信号と、発電機からの交流信号との比較を行う。この比較に基づいて、周波数適応信号を生成し、これが圧電素子に印加されると、機械振動系の振動を制動または加速するように、素子において圧縮力または伸張力を発生させることが可能となる。
圧電素子を備えた機械振動系と、その機械振動系の振動周波数の自動制御のための回路と、を含む装置の他の例は、特許文献３で提供されている。この装置の特定の例示的な実施形態によれば、圧電素子は、圧電材料のストリップで形成されたテンプバネと、そのバネの内側に配置された第１の電極と、バネの外側に配置された第２の電極と、を含む。それらの電極は、自動周波数制御回路に接続されている。ところが、この提案の圧電素子の欠点の１つは、系の設計をかなり複雑にしなければ、素子の圧電効果を正確かつ最適に利用できないことである。
そこで、本発明の目的は、単純に実現できるとともに、機械振動系の振動周波数の正確な制御のために圧電効果を正確かつ最適に利用できる、自動周波数制御回路用の圧電素子を提供することであり、そして、現状技術の上記欠点を克服することである。
この目的のため、本発明は、独立請求項１に記載の特徴を有する、自動周波数制御回路用の圧電素子に関するものである。
この圧電素子の具体的な実施形態を、従属請求項２〜１２で規定している。
テンプバネに圧電結晶を用いることにより、良好な圧電性能を維持しつつ、圧電素子を簡単かつ経済的に製造することが可能となる。さらに、テンプバネにおいて、所定の角度周期で、第１の電極を第２の電極から隔離する絶縁材料の不連続層を特定の配置で設けることよって、圧電結晶の結晶配向が変化することにより電荷の極性が変化する問題を解消して、それらの電極は、機械的応力によって発生する電荷の一部を収集することが可能となる。このような電荷の極性の変化は、テンプバネにおいて周期的な角度分布で生じる。実際に、圧電材料の結晶構造によって、ＸＹ水平面における機械的応力の配向に対する圧電係数の依存性が生じる。すなわち、ＸＹ平面における応力の方向に依存して、発生する電荷は正または負であり得るとともに、その値は、例えば水晶（石英）の場合の図２に示すように、ゼロ値と最大値との間となり得る。本発明による圧電素子の結果として、電極のそれぞれにおいて正と負の電荷が互いに打ち消し合う問題は解消される。これは、絶縁材料の不連続層によって実現される電極のデカップリングによって可能となり、これにより、それぞれの電極は、１つの極性のみの電荷を収集することが可能となる。さらに、電極の設計および製造は、それらの特に単純な幾何学的形状によって、容易となる。本発明の範囲内で、非限定的に、圧電結晶は、例えば水晶単結晶である。
効果的には、圧電素子は、圧電材料のストリップの第１の側に形成された第１の溝と、圧電材料のストリップの第２の側に形成された第２の溝と、を有する。第１の電極は、第１の溝内に配置されており、第２の電極は、第２の溝内に配置されている。これにより、電極間の容量結合を大きくすることで、素子の圧電性能を向上させることができる。
この目的のため、本発明は、さらに、請求項１３に記載の特徴を有する、自動周波数制御回路用の圧電素子を有する機械振動系に関する。
この目的のため、本発明は、さらに、請求項１４に記載の特徴を有する、機械振動系と、その機械振動系の振動周波数の自動制御のための回路と、を含む装置に関する。
この装置の具体的な実施形態を、請求項１５および１６で規定している。
この目的のため、本発明は、さらに、請求項１７に記載の特徴を有する、自動周波数制御回路用の圧電素子の製造方法に関する。
この方法の具体的な実施形態を、請求項１８で規定している。
自動周波数制御回路用の圧電素子、それを備えた機械振動系および装置、ならびに素子の製造方法の、目的、効果、ならびに特徴は、図面で示す少なくとも１つの非限定的な実施形態に基づく以下の説明において、より明らかになるであろう。
以下の説明では、特に機械振動系の振動周波数を自動制御するための回路である自動周波数制御回路用の、圧電素子について記載する。当該技術分野の当業者には周知の自動周波数制御回路の電子部品については、いずれも簡潔にのみ説明する。後述するように、自動制御回路は、主に、圧電素子のテンプバネを装着したテン輪の振動周波数を制御するために用いられる。ただし、他の機械振動系を想定してもよいが、以下の説明では、圧電素子のテンプバネを装着したテン輪の形態の機械振動系についてのみ記載する。
図１は、機械振動系２、３と、その機械振動系の振動周波数ｆｏｓｃの自動制御のための回路１０と、を含む装置１を示している。機械式時計では、機械振動系は、回転するテン真６に対して例えば３つのアーム５で連結された金属リングで形成されたテン輪２と、テンプバネ７を含む圧電素子３と、を有し得る。図４〜６に示すように、圧電素子３は、さらに、少なくとも２つの電極８ａ〜８ｄと、絶縁材料の少なくとも２つの不連続層１２と、を含む。電極８ａ〜８ｄは、自動周波数制御回路１０に電気的に接続されている。図１を再び参照して、テンプバネ７の第１端７ａは、テンプ受け（図示せず）のヒゲ持ち４で固定保持されている。このテンプ受けは、時計ムーブメントの地板（図示せず）に固定されている。テンプバネ７の第２端７ｂは、テン輪２の回転するテン真６に直接固定されている。
テンプバネ７付きテン輪２（テンプ）の振動は、動力源（図示せず）によって維持され、その動力源は、電気的なものであってもよいが、好ましくは機械的なものである。この機械的動力源は、一般的にアンクルと協働するガンギ車と共に輪列を駆動する香箱であり得る。この回転するアンクルは、例えば、回転するテン真に近接して固定された振り石を動かす。このように、テンプバネ付きテン輪（テンプ）は、時計ムーブメントの調速機を形成し得る。
テンプバネ７は、一般的に０．２５ｍｍ未満の厚さ、例えば０．１〜０．２ｍｍ程度の厚さの、圧電材料のストリップによって実現される。この圧電材料は、圧電結晶またはＰＺＴ圧電セラミックであってよい。好ましくは、圧電結晶は、図２〜６の例示的な実施形態では、単結晶であり、典型的には水晶単結晶である。圧電材料のストリップを、例えば、Ｚカット水晶単結晶に加工し、すなわち、水晶単結晶棒の主軸に対して垂直にカットする。そして、少なくとも２つの金属電極を、さらに詳細に後述する配置で、圧電結晶ストリップの個別の側に堆積させる。より具体的には、電極は、テンプバネ７の一部に、またはテンプバネ７の全長にわたって、配置される。それぞれの電極は、例えば、Ａｕ／Ｃｒ（金／クロム）電極である。ここで、絶縁材料の少なくとも２つの不連続層を、さらに詳細に後述する配置で、圧電結晶ストリップの少なくとも２つの側に堆積させる。絶縁材料の不連続層のそれぞれは、反対極性の２つの電極を隔離する。絶縁材料は、例えば、酸化物である。最終的に、圧電結晶ストリップを、螺旋状に、コイル巻回間が互いに離間するように巻回させる。
螺旋の加工は、フォトリソグラフィとフッ化水素酸エッチングによって実現する。この目的で、水晶ウェハを、最初にＣｒ層で、次にＡｕ層で、次にＵＶ感光性樹脂で被覆する。この樹脂を、螺旋形状を含むマスクを通して露光し、次に専用製品で現像する。その後、金とクロムをウェットエッチングする。最後に、水晶をフッ化水素酸浴でエッチングする。樹脂を溶剤で除去し、Ａｕ／Ｃｒマスクをウェットプロセスで除去する。これで、電極を配置および構造形成することができる。
図２は、水晶テンプバネ７を含む場合の素子３の、ＸＹ水平面における応力の配向に応じた圧電効果による振幅を示している。同図に示すように、水晶の結晶構造によって、ＸＹ平面における機械的応力の配向に対する圧電係数の依存性が生じる。すなわち、ＸＹ平面における応力の方向に依存して、テンプバネ７で発生する電荷は正または負であり得るとともに、その値は、ゼロ値と最大値との間となり得る。水晶の結晶構造は三方晶系であるため、電荷の最大値は６０°ごとに繰り返すとともに、電荷の極性が変化するのも６０°ごとである。
図３に示すように、テンプバネ７の所定部分１４に、絶縁材料の不連続層１２を分布させる。この所定部分１４は、テンプバネ７において所定の角度周期で略円弧を形成している。テンプバネ７が水晶ストリップで形成される場合の好ましい例示的な実施形態では、所定の角度周期は１２０°に略等しい。絶縁材料の不連続層１２で形成される円弧は、それぞれ６０°に略等しい角度セクタを画定している。すなわち、この好ましい例示的な実施形態によれば、テンプバネ７の長さにわたって、６０°ごとに、絶縁材料層１２を有する部分と、そのような層１２がない部分が、交互に存在する。従って、図２を参照して、水晶テンプバネ７の結晶配向が変化することにより極性が変化することに起因して電荷が互いに打ち消し合うことは、本発明による圧電素子３により回避することが可能となる。絶縁材料の不連続層によって実現される電極のデカップリングの結果として、電荷の相互の打ち消しを回避して、機械的応力によって発生する電荷の一部を、それらの電極は収集する。
本発明の第１の実施形態について、図４を参照して以下で説明する。この第１の実施形態によれば、圧電素子３は、２つの電極８ａ、８ｂと、絶縁材料の２つの不連続層１２ａ、１２ｂと、を含む。２つの電極のうちの第１の電極８ａは、圧電結晶ストリップの「上」側に示す１つの側に配置されている。第２の電極８ｂは、ストリップの「下」側に示す反対側に配置されている。これらの電極８ａ、８ｂを有する圧電結晶ストリップが巻回した状態では、下側と上側は、テン輪の回転軸に対して垂直である。図４にはテンプバネ７の一部分１４のみを示しているが、２つの電極８ａ、８ｂは、テンプバネ７の全長に及ぶものであることが好ましい。
２つの層のうちの、絶縁材料の第１の不連続層１２ａは、圧電結晶ストリップの「外」側に示す１つの側に配置されている。絶縁材料の第２の不連続層１２ｂは、ストリップの「内」側に示す反対側に配置されている。内側はテン輪の回転軸のほうに向いているのに対し、外側は内側と反対側にある。絶縁材料の不連続層１２ａ、１２ｂのそれぞれは、第１の電極８ａを第２の電極８ｂから隔離している。図４は、テンプバネ７の一部分１４を示しており、この部分は、絶縁材料の２つの層１２ａ、１２ｂが設けられる略円弧を形成している。前述のように、テンプバネ７が水晶ストリップで形成される場合の好ましい例示的な実施形態では、この円弧は６０°に略等しい角度セクタを画定している。
好ましくは、圧電素子３は、圧電結晶ストリップの上側に形成された第１の溝１６ａと、下側に形成された第２の溝１６ｂと、を有し得る。第１の電極８ａは、第１の溝１６ａ内に配置されており、第２の電極８ｂは、第２の溝１６ｂ内に配置されている。
図５〜６は、本発明の第２の実施形態を示しており、ここで、上記の第１の実施形態と類似の要素は同じ参照符号で示し、よって、それらの説明は繰り返さない。
この第２の実施形態では、圧電素子３は、第１と第２の電極８ａ、８ｂに加えて、さらに第３と第４の電極８ｃ、８ｄを含む。圧電素子３は、さらに、絶縁材料の４つの不連続層１２ａ〜１２ｄを含む。図５に示すように、第１の電極８ａと同極性である第３の電極８ｃは、第１の接続端子２６において第１の電極８ａに接続されている。第２の電極８ｂと同極性である第４の電極８ｄは、第２の接続端子２８において第２の電極８ｂに接続されている。第１と第２の接続端子２６、２８は、それぞれ自動周波数制御回路１０に接続されている。図示していない特定の例示的な一実施形態では、第１と第２の接続端子２６、２８は、テンプバネ７の第１端７ａを固定保持するヒゲ持ち４に配置されている。
第１、第２、第３、第４の電極８ａ〜８ｄは、圧電結晶ストリップの外側、上側、内側、下側にそれぞれ配置されている。図５にはテンプバネ７の一部分のみを示しているが、４つの電極８ａ〜８ｄは、テンプバネ７の全長に及ぶものであることが好ましい。
絶縁材料の不連続層１２ａ〜１２ｄのそれぞれは、圧電結晶ストリップの２つの隣接する側にまたがって配置されている。これにより、絶縁材料の第１の不連続層１２ａは、第１の電極８ａを第２の電極８ｂから隔離している。絶縁材料の第２の不連続層１２ｂは、第２の電極８ｂを第３の電極８ｃから隔離している。絶縁材料の第３の不連続層１２ｃは、第３の電極８ｃを第４の電極８ｄから隔離している。最後に、絶縁材料の第４の不連続層１２ｄは、第４の電極８ｄを第１の電極８ａから隔離している。
図５および６には示していないが、この第２の実施形態による圧電素子３は、効果的には、圧電結晶ストリップの相対する両側に形成された電極支持溝を有し得る。
テンプバネ７付きテン輪２の振動中には、圧電水晶ストリップに圧縮力または伸張力が交互に作用し、これが組み合わさって交流電圧が発生する。典型的には、テンプバネ７付きテン輪２の振動周波数は、例えば３〜１０Ｈｚの間であり得る。従って、この交流電圧を、自動制御回路１０は、これが接続されている電極を介して受け取る。自動制御回路は、電極に対して直接的に、または２本の金属線を介して接続することができる。
図７は、機械振動系の振動周波数を制御するための自動制御回路１０の例示的な一実施形態の各種電子要素を示している。本発明の範囲から逸脱することなく、自動周波数制御回路の他の例を想定することができる。
自動制御回路１０は、圧電素子３の２つの電極または２つの電極群に接続されている。自動制御回路１０は、圧電素子３から受け取った交流電圧ＶＰを、通常の整流器５１によって整流することができる。この交流電圧ＶＰの整流電圧を、コンデンサＣｃに蓄える。コンデンサＣｃの端子ＶＤＤ、ＶＳＳ間のこの整流電圧は、電池のような追加の電圧源の助けがなくても、自動制御回路のすべての電子要素に通電するのに十分であり得る。
自動制御回路１０は、例えばＭＥＭＳ振動子５６に接続された振動子段５５を含む。ＭＥＭＳ振動子と共に振動子段の振動回路は、振動信号を供給し、それは、５００ｋＨｚ未満の、例えば２００ｋＨｚ程度の周波数であり得る。このように、振動子段５５は、好ましくは、振動回路の振動信号の周波数に等しい周波数を有し得る基準信号ＶＲを供給することができる。
機械振動系の振動周波数を制御するためには、自動制御回路１０において、交流電圧ＶＰと基準信号ＶＲとを比較しなければならない。この目的のため、自動制御回路１０は、交流電圧ＶＰの周波数を基準信号ＶＲの周波数と比較するための比較手段５２、５３、５４、５７を含む。基準信号周波数が、振動子段５５の振動回路の周波数すなわち２００ｋＨｚ程度の周波数と一致している場合には、比較手段は、交流電圧ＶＰと基準信号ＶＲとの間の大きな周波数偏差を考慮に入れて設計されなければならない。
比較手段は、まず、第１の交番カウンタ５２で構成され、これは、圧電素子の交流電圧ＶＰを入力として受け取って、第１のカウント信号ＮＰをプロセッサ処理ユニット５７に供給する。比較手段は、さらに、第２の交番カウンタ５４を含み、これは、基準信号ＶＲを入力として受け取って、第２のカウント信号ＮＲをプロセッサ処理ユニット５７に供給する。
交流電圧ＶＰと基準信号ＶＲとの間の周波数偏差を考慮するために、さらに、第１の交番カウンタ５２と第２の交番カウンタ５４との間に配置される測定窓５３を設ける。この測定窓５３は、第２の交番カウンタ５４のカウント時間を決定する。プロセッサ処理ユニット５７は、第２の交番カウンタのカウント時間を決定するための構成パラメータを測定窓５３に供給する。これらの構成パラメータは、プロセッサ処理ユニット内のメモリ（図示せず）に保存されている。これらの構成パラメータは、その時計が女性用の時計であるのか男性用の時計であるのかによって異なる場合がある。プロセッサ処理ユニット５７で処理される様々なオペレーションは、例えば振動子段５５の振動回路によって供給されるクロック信号で制御することができる。
第１のカウント信号ＮＰで第１の交番カウンタ５２によりカウントされる所定の交番回数のカウント時間に対して比例的に、第２の交番カウンタ５４のカウント時間を適合させる。また、プロセッサ処理ユニット５７は、カウント期間の開始と終了を規定するように、第１の交番カウンタ５２を制御することもできる。一方、第１の交番カウンタ５２が、所定の交番回数のカウントの開始と終了に関する情報をプロセッサ処理ユニット５７に供給することも想定できる。例えば、第１の交番カウンタでカウントされる交番回数が２００である場合には、測定窓５３は、それよりも約５０００倍短い持続時間の間に第２の交番カウンタ５４が基準信号ＶＲの交番回数をカウントするように、構成される。この持続時間は、例えば第１の交番カウンタ５２における２００回の交番のカウント時間にも依存し得る。これにより、自動制御回路の電力消費を削減することが可能となる。
測定窓５３によって制御されるカウントの開始は、第１の交番カウンタ５２で決定することができるが、プロセッサ処理ユニット５７によって直接制御できることが好ましい。プロセッサ処理ユニット５７は、最初に、第１の時間インターバルでカウントされた交流電圧ＶＰの第１の所定の交番カウント数に関する第１のカウント信号ＮＰを受け取ることができる。この第１のカウント信号は、例えばプロセッサ処理ユニットのレジスタに保存される。その後、処理ユニット５７は、測定窓５３によって制御される第２の時間インターバルで第２の交番カウンタ５４においてカウントされた第２の交番カウント数に関する第２のカウント信号ＮＲを受け取ることができる。この第２のカウント信号ＮＲは、同じくプロセッサ処理ユニットの他のレジスタに保存することができる。最後に、プロセッサ処理ユニット５７で、それらの２つのカウント信号を比較することで、交流電圧ＶＰの周波数が基準信号周波数に対して比例的に高すぎるのか低すぎるのかを決定する。
プロセッサ処理ユニットでの２つのカウント信号ＮＰとＮＲの比較に基づいて、プロセッサ処理ユニットは、周波数適応ユニット５８を制御し、これの出力は圧電素子３の２つの電極または２つの電極群に接続されている。この周波数適応ユニット５８は、連続信号である周波数適応信号ＶＡを供給するように構成することができ、周波数適応信号のレベルは、プロセッサ処理ユニットによって伝達される２つのカウント信号間の差の関数である。この目的のために、切り替え可能なコンデンサアレイまたは抵抗アレイを設けることができる。連続電圧値は、適応ユニット５８から電圧フォロワを介して、圧電素子３の一方の電極もしくは一方の電極群、または圧電素子の他方の電極もしくは他方の電極群に供給することができる。これにより、２つのカウント信号の比較に応じて、機械振動系の振動を制動または加速するために、圧電素子において、ある特定の力を発生させることが可能となる。
自動制御回路１０は、さらに、周知の温度補償素子と、自動制御回路１０を起動のたびにリセットするためのユニットと、を含んでもよい。自動制御回路のすべての電子部品と、ＭＥＭＳ振動子５６およびコンデンサＣｃは、例えば、同じ小型電子モジュールの一部をなす。これらのすべての電子部品は、効果的には、同じモノリシックシリコン基板に集積することができ、これにより、機械振動系の周波数を制御するための単独の自己給電式電子モジュールを得ることが可能となる。
本発明による圧電素子についての上記説明は、水晶単結晶ストリップで形成されるテンプバネに関するものであった。しかしながら、圧電結晶として使用される水晶は、限定するものではなく、本発明の範囲内で、テンプバネを形成するために他の圧電結晶を想定してもよく、例えば、トパーズ、ベルリナイト、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、リン酸ガリウム、ヒ酸ガリウム、ケイ酸アルミニウム、二酸化ゲルマニウム、トルマリン単結晶、閃亜鉛鉱型構造のＩＩＩ−Ｖ族半導体の単結晶、またはウルツ鉱型構造のＩＩ−ＶＩ族半導体の単結晶などであるが、ただし、これは網羅的列挙ではない。
従って、上記の本発明の説明は、水晶の結晶構造による６０°の周期的な角度分布が観測される電荷の極性の変化に関するものであったが、請求項で規定される本発明の範囲から逸脱することなく、テンプバネを形成するために使用される様々に異なる種類の圧電結晶に応じて、他の周期的な角度分布を想定することもできる。
また、本発明による圧電素子についての上記説明は、絶縁材料としての酸化物で形成される不連続層に関するものであった。そのような酸化物は、例えば、シリカ、アルミナ、または酸化ハフニウム、から選択してよいが、ただし、これは網羅的列挙ではない。さらに、絶縁材料として酸化物を選択することは、限定するものではなく、本発明の範囲内で、例えば窒化シリコンのような他の絶縁材料を想定することもできる。
１ 装置
２ テン輪（機械振動系）
３ 圧電素子（機械振動系）
４ ヒゲ持ち
５ （テン輪の）アーム
６ テン真
７ テンプバネ
７ａ （テンプバネの）第１端
７ｂ （テンプバネの）第２端
８ａ 第１の電極（第１の電極）
８ｂ 第２の電極（第２の電極）
８ｃ 第３の電極（第１の電極）
８ｄ 第４の電極（第２の電極）
１０ 自動周波数制御回路
１２ 不連続層
１２ａ 第１の不連続層
１２ｂ 第２の不連続層
１２ｃ 第３の不連続層
１２ｄ 第４の不連続層
１４ （テンプバネの）所定部分
１６ａ 第１の溝
１６ｂ 第２の溝
２６ 第１の接続端子
２８ 第２の接続端子
５１ 整流器
５２ 第１の交番カウンタ（周波数比較手段）
５３ 測定窓（周波数比較手段）
５４ 第２の交番カウンタ（周波数比較手段）
５５ 振動子段
５６ ＭＥＭＳ振動子
５７ プロセッサ処理ユニット（周波数比較手段）
５８ 周波数適応ユニット
Ｃｃ コンデンサ
ｆｏｓｃ （機械振動系の）振動周波数
ＮP 第１のカウント信号
ＮR 第２のカウント信号
ＶA 周波数適応信号
ＶDD （コンデンサの）端子電圧
ＶＩ 断面
ＶP 交流電圧（交流信号）
ＶR 基準信号
ＶSS （コンデンサの）端子電圧
２ テン輪（機械振動系）
３ 圧電素子（機械振動系）
４ ヒゲ持ち
５ （テン輪の）アーム
６ テン真
７ テンプバネ
７ａ （テンプバネの）第１端
７ｂ （テンプバネの）第２端
８ａ 第１の電極（第１の電極）
８ｂ 第２の電極（第２の電極）
８ｃ 第３の電極（第１の電極）
８ｄ 第４の電極（第２の電極）
１０ 自動周波数制御回路
１２ 不連続層
１２ａ 第１の不連続層
１２ｂ 第２の不連続層
１２ｃ 第３の不連続層
１２ｄ 第４の不連続層
１４ （テンプバネの）所定部分
１６ａ 第１の溝
１６ｂ 第２の溝
２６ 第１の接続端子
２８ 第２の接続端子
５１ 整流器
５２ 第１の交番カウンタ（周波数比較手段）
５３ 測定窓（周波数比較手段）
５４ 第２の交番カウンタ（周波数比較手段）
５５ 振動子段
５６ ＭＥＭＳ振動子
５７ プロセッサ処理ユニット（周波数比較手段）
５８ 周波数適応ユニット
Ｃｃ コンデンサ
ｆｏｓｃ （機械振動系の）振動周波数
ＮP 第１のカウント信号
ＮR 第２のカウント信号
ＶA 周波数適応信号
ＶDD （コンデンサの）端子電圧
ＶＩ 断面
ＶP 交流電圧（交流信号）
ＶR 基準信号
ＶSS （コンデンサの）端子電圧
Claims (18)
- 自動周波数制御回路（１０）用の圧電素子（３）であって、
圧電材料のストリップで形成されたテンプバネ（７）と、
前記自動周波数制御回路（１０）に接続されるために、前記圧電材料のストリップの１つの側の全体または一部に配置された少なくとも１つの第１の電極（８ａ，８ｃ）と、
前記自動周波数制御回路（１０）に接続されるために、前記第１の電極（８ａ，８ｃ）を有する側とは異なる前記圧電材料のストリップの１つの側の全体または一部に配置された少なくとも１つの第２の電極（８ｂ，８ｄ）と、を備える、圧電素子（３）において、
前記圧電材料は、圧電結晶または圧電セラミックであることと、
当該圧電素子（３）は、絶縁材料の少なくとも２つの不連続層（１２ａ〜１２ｄ）をさらに備えることであって、前記絶縁材料の不連続層の各々は、前記圧電材料のストリップの少なくとも１つの側に配置されて、前記第１の電極（８ａ，８ｃ）の１つを前記第２の電極（８ｂ，８ｄ）の１つから隔離しており、前記絶縁材料の不連続層は、所定の角度周期で、前記テンプバネ（７）の略円弧を形成する所定部分（１４）に分布している、ことと、を特徴とする圧電素子。 - 当該素子は、２つの電極（８ａ，８ｂ）と、絶縁材料の２つの不連続層（１２ａ，１２ｂ）と、を備え、前記第１の電極（８ａ）は、前記圧電材料のストリップの第１の側の全体または一部に配置されており、前記第２の電極（８ｂ）は、前記圧電材料のストリップの前記第１の側と反対側の第２の側の全体または一部に配置されており、絶縁材料の第１の不連続層（１２ａ）は、前記圧電材料のストリップの第３の側に配置されており、絶縁材料の第２の不連続層（１２ｂ）は、前記圧電材料のストリップの前記第３の側と反対側の第４の側に配置されている、ことを特徴とする、請求項１に記載の圧電素子（３）。
- 当該素子は、２つの第１の電極（８ａ，８ｃ）と、２つの第２の電極（８ｂ，８ｄ）と、絶縁材料の４つの不連続層（１２ａ〜１２ｄ）と、を備え、前記２つの第１の電極（８ａ，８ｃ）は、前記自動周波数制御回路（１０）に接続されるための第１の接続端子（２６）において接続されているとともに、前記圧電材料のストリップの相対する側である第１対の側に配置されており、前記２つの第２の電極（８ｂ，８ｄ）は、前記自動周波数制御回路（１０）に接続されるための第２の接続端子（２８）において接続されているとともに、前記圧電材料のストリップの相対する側である第２対の側に配置されており、前記絶縁材料の不連続層（１２ａ〜１２ｄ）の各々は、前記圧電材料のストリップの面のうちの前記第１対の面の一方の面と前記第２対の面の一方の面にまたがって配置されている、ことを特徴とする、請求項１に記載の圧電素子（３）。
- 前記圧電結晶は単結晶であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の圧電素子（３）。
- 前記圧電結晶は、トパーズ、ベルリナイト、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、リン酸ガリウム、ヒ酸ガリウム、ケイ酸アルミニウム、二酸化ゲルマニウム、トルマリン単結晶、閃亜鉛鉱型構造のＩＩＩ−Ｖ族半導体の単結晶、またはウルツ鉱型構造のＩＩ−ＶＩ族半導体の単結晶、からなる群から選択された単結晶であることを特徴とする、請求項４に記載の圧電素子（３）。
- 前記圧電結晶は水晶単結晶であることを特徴とする、請求項４に記載の圧電素子（３）。
- 前記テンプバネ（７）は、Ｚカット水晶単結晶に加工されることを特徴とする、請求項６に記載の圧電素子（３）。
- 前記所定の角度周期は１２０°に略等しいことを特徴とする、請求項６または７に記載の圧電素子（３）。
- 前記円弧は、それぞれ６０°に略等しい角度セクタを画定していることを特徴とする、請求項６〜８のいずれかに記載の圧電素子（３）。
- 当該素子は、前記圧電材料のストリップの第１の側である上側に形成された第１の溝（１６ａ）と、前記圧電材料のストリップの第２の側である下側に形成された第２の溝（１６ｂ）と、をさらに有し、前記第１の電極（８ａ）は、前記第１の溝（１６ａ）内に配置されており、前記第２の電極は、前記第２の溝（１６ｂ）内に配置されている、ことを特徴とする、請求項１〜９のいずれかに記載の圧電素子（３）。
- 前記絶縁材料は酸化物であることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれかに記載の圧電素子（３）。
- 前記絶縁材料は、シリカ、アルミナ、酸化ハフニウム、および窒化シリコン、を含む群から選択されることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれかに記載の圧電素子（３）。
- 自動周波数制御回路（１０）用の機械振動系であって、テン輪（２）と、テンプバネ（７）を備えた圧電素子（３）と、を有し、前記テンプバネ（７）は、前記テン輪（２）に装着されている、機械振動系において、
前記圧電素子（３）は、請求項１〜１２のいずれかに記載のものであることを特徴とする、機械振動系。 - 請求項１３に記載の機械振動系と、前記機械振動系の振動周波数の自動制御のための回路（１０）と、を含む装置（１）であって、前記自動制御回路（１０）は、基準信号（ＶR）を供給することが可能な振動子段（５５）と、２つの信号の周波数を比較するための手段（５２，５３，５４，５７）と、前記機械振動系の前記圧電素子（３）に接続されているとともに、周波数適応信号（ＶA）を供給することが可能な周波数適応ユニット（５８）と、を有する、装置において、
前記機械振動系の前記圧電素子（３）は、前記機械振動系に一致した周波数で交流電圧（ＶＰ）を発生することが可能であり、前記圧電素子の前記第１と第２の電極は、前記周波数比較手段における前記交流信号（ＶP）と前記基準信号（ＶR）との間の周波数比較の結果に基づく前記周波数適応信号（ＶA）を前記周波数適応ユニット（５８）から受け取るために、前記自動制御回路（１０）に接続されている、ことを特徴とする装置。 - 前記機械振動系の振動周波数の自動制御のための前記回路（１０）は、前記圧電素子（３）で発生する前記交流電圧（ＶP）を整流するとともに、前記整流した電圧を、該自動制御回路への給電用として少なくとも１つのコンデンサ（Ｃｃ）に蓄えるために、整流器（５１）をさらに有することを特徴とする、請求項１４に記載の装置。
- 前記自動制御回路（１０）の前記振動子段（５５）は、振動信号を供給するために、ＭＥＭＳ振動子（５６）に接続された振動回路を含み、これにより前記振動子段（５５）は、前記基準信号（ＶR）を供給し、前記自動制御回路のすべての電子部品は、１つにまとめられて単一の電子モジュールを形成している、ことを特徴とする、請求項１４または１５に記載の装置（１）。
- 請求項１〜１２のいずれかに記載の圧電素子（３）の製造方法であって、
圧電結晶または圧電セラミックのような圧電材料のストリップを、水晶または圧電セラミックの板から加工するステップと、
前記圧電材料のストリップの第１の側の全体または一部に、第１の電極（８ａ，８ｃ）を配置するステップと、
前記圧電材料のストリップの第２の側の全体または一部に、第２の電極（８ｂ，８ｄ）を配置するステップと、
前記圧電材料のストリップの少なくとも２つの面に、絶縁材料の少なくとも２つの不連続層（１２ａ〜１２ｄ）を配置するステップであって、前記絶縁材料の不連続層（１２ａ〜１２ｄ）の各々によって、前記第１の電極（８ａ，８ｃ）の１つを前記第２の電極（８ｂ，８ｄ）の１つから隔離するように、前記絶縁材料の不連続層を、前記圧電材料のストリップの所定部分（１４）に分布させるステップと、
前記圧電材料のストリップを、巻回したテンプバネ（７）の形状にするステップであって、これにより、前記テンプバネ（７）において、前記絶縁材料の不連続層（１２ａ〜１２ｄ）は、所定の角度周期で略円弧を形成して、前記圧電材料のストリップの前記所定部分（１４）に分布する、ステップと、を含むことを特徴とする方法。 - 前記圧電テンプバネを、水晶板のような単結晶板から加工することと、
次に、フォトリソグラフィによって第１のＡｕ／Ｃｒ層を構造形成することと、
次に、フッ化水素酸を用いるとともに、前記Ａｕ／Ｃｒ層をマスクとして用いて、ウェット手段で前記水晶を加工することと、
樹脂および前記Ａｕ／Ｃｒ層を除去することと、
酸化物、窒化物、炭化物、またはポリマであり得る絶縁層を、陰極スパッタリングまたは真空蒸着によって堆積させた後に、フォトリソグラフィおよびウェットエッチングによって構造形成することと、
前記電極を、マスクを通して堆積させるか、またはフォトリソグラフィによって構造形成することと、を特徴とする、請求項１７に記載の製造方法。
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