Pièce d'horlogerie électrique comportant un ensemble balancier-spiral
commandé par un transducteur
L'objet de la présente invention est une pièce d'horlogerie électrique comportant un ensemble balancierspiral commandé par un transducteur comprenant un organe mobile, ledit balancier et ledit organe mobile étant agencés pour se trouver engagés l'un avec l'autre lorsque le balancier se trouve au voisinage de son point mort et dégagés l'un de l'autre lorsque le balancier se trouve loin de son point mort, de manière telle que ledit transducteur détecte le passage dudit balancier près de son point mort et soit capable en ce point de communiquer au balancier, par l'intermédiaire dudit organe mobile qui effectue une certaine course alors qu'il est engagé avec le balancier,
I'apport d'énergie nécessaire à l'entretien de ses oscfflations.
I1 est bien connu qu'une haute précision dans la mesure du temps nécessite, dans un tel dispositif, une quasicoïncidence entre les impulsions d'entretien et le passage du balancier à son point mort. De plus, spécialement dans le cas d'une pièce électrique, il faut, pour maintenir l'isochronisme, que le balancier ne soit pas un élément constitutif du transducteur, mais soit un simple élément de régulation comme c'est le cas dans les pièces mécaniques ordinaires. Un transducteur travaillant de la sorte peut être constitué par une fourchette d'ancre conventionnelle coopérant avec un convertisseur électromécanique. Ceci est aisément réalisable, sans complication constmctive et le moment d'inertie de ladite fourchette demeurant restreint, en munissant ladite fourchette d'un aimant permanent.
Pour prévenir la dispersion du flux magnétique, il est clair que l'armature magnétique conduisant ce flux doit être disposée le plus près possible dudit aimant. Il faut remarquer que, durant les phases d'oscillation du balancier où ladite fourchette cesse de lui être liée, celle pourrait subir des vibrations anormales dues aux perturbations extérieures.
Les circuits électriques conventionnels actuellement applicables à de tels dispositifs ne permettent pas de rendre le balancier autodémarrant tout en assurant une consommation électrique réduite à une valeur proche du minimum indispensable à l'entretien des oscillations du balancier ou même à une valeur moins proche de ce minimum, car la grande durée d'impulsions sans laquelle le démarrage n'est pas possible, et pour laquelle doivent être dimensionnés les éléments desdits circuits, se trouve maintenue lorsque ledit balancier oscille à son amplitude normale, situation dans laquelle une durée d'impulsions beaucoup plus faible serait suffisante,
c'est-à-dire que la consommation effective est alors supérieure à ladite valeur proche du minimum indispensable qu'on aurait si la durée des impulsions était adaptée suivant l'amplitude des oscillations du balancier pour éviter les dépenses d'énergie inutiles, et supérieure aussi à une valeur moins proche du minimum indispensable qu'on aurait si la durée des impulsions était, pour les grandes amplitudes d'oscillation, simplement réduite, sans autre adaptation particulière, mais dans une mesure telle que les conditions d'entretien ne risquent en aucun cas d'en être affectées. Cette consommation d'énergie plus grande que nécessaire a le grand inconvénient de raccourcir la durée d'emploi des piles alimentant le dispositif, durée d'emploi particulièrement critique dans le cas des montres-bracelets.
On connaît également, à côté des circuits les plus conventionnels, un circuit particulier, représenté notamment dans l'exposé de brevet US No 3238431, qui est capable de fournir des impulsions de longue durée lors du démarrage et des impulsions beaucoup plus courtes lorsque le balancier oscille à grande amplitude: ce circuit est cependant destiné à un dispositif où le bal an- cier porte lui-même au moins une bobine ou un aimant , c'est-à-dire est un élément constitutif du transducteur.
Dans un tel dispositif, il n'existe pas, en fonction du mouvement du balancier, c'est-à-dire en fonction du temps, une limite franche jusqu'à laquelle l'impulsion électrique est efficace et depuis laquelle l'impulsion est inefficace, mais simplement une dégressivité de l'efficacité de l'impulsion quand la bobine s'éloigne de plus en plus de l'aimant. Le circuit en question effectue, d'une manière adéquate pour le dispositif auquel il est destiné, une restriction de la durée de l'impulsion en dépendance de la tension de détection induite, cette dépendance étant obtenue à l'aide d'un composant non linéaire (par exemple une diode) placé dans la branche de circuit de la bobine.
Ce circuit fournit donc une impulsion d'une durée qui diminue quand l'amplitude d'oscillation du balancier augmente selon une fonction de dépendance qui fait intervenir la relation de covariation de deux grandeurs caraotéristiques d'un composant non linéaire, loi de dépendance qui va dans le sens recherché, mais n'en demeure pas moins soumise à un paramètre étranger (fourni par ledit composant non linéaire), dont la sélection cependant peut fort bien permettre d'obtenir une fonction de dépendance favorable pour un dispositif comme celui auquel ce circuit est destiné et dans lequel n'apparaît pas ladite limite franche d'efficacité.
Un tel circuit ne permet cependant pas d'assurer la meilleure adaptation possible de la durée de l'impulsion en fonction de l'amplitude des oscillations du balancier dans le cas d'un dispositif où l'action de l'impulsion s'exerce par une fourchette (ou un organe mobile agissant similairement) et non directement sur une bobine ou un aimant solidaires du balancier.
Cela revient à dire que ce circuit permet de réduire la consommation, mais sans assurer l'adaptation particulière qui amènerait la consommation à la valeur proche du minimum indispensable précédemment mentionnée, ce circuit n'étant apte, du fait qu'iI restreint la durée de l'impulsion en dépendance de la tension de détection, qu'à effectuer, du moins dans le cas d'un dispositif à fourchette , une restriction de la durée des impulsions sans adaptation particulière et maintenue dans une mesure telle que les conditions d'entretien ne risquent en aucun cas d'en être affectées .
Une telle réduction de durée d'impulsion conduit à une valeur de consommation moins proche du minimum indispensable que la valeur de consommation à laquelle conduit une réduction de durée d'impulsion adaptée, suivant l'amplitude d'oscillation du balancier, pour éviter les dépenses d'énergie inutiles ; elle est donc insuffisante si l'on tient, dans le cas d'un dispositif à fourchette, à abaisser la consommation jusqu'à une valeur proche du minimum indispensable, et le circuit particulier en question est donc inadéquat pour atteindre cette performance dans le cas d'un dispositif à fourchette .
La présente invention a pour but de fournir une pièce d'horlogerie électrique du type susmentionné ne présentant pas les inconvénients précédemment indiqués, c'està-dire dont la partie mobile du transducteur soit retenue en position d'arrêt lorsqu'elle n'est pas liée au balancier, et dont la durée d'impulsion soit adaptée en fonction de l'amplitude d'oscillation du balancier de manière telle que le démarrage s'effectue aisément et que la consommation soit réduite par élimination des dépenses d'énergie inutiles, à une valeur proche du minimum indispensable à l'entretien des oscillations du balancier.
L'invention consiste en ce que ledit transducteur comporte une armature magnétique coopérant avec ledit organe mobile et dont la conformation est déterminée de façon que ledit organe mobile soit arrêté en situation stable de moindre potentiel magnétomécanique lorsque ledit balancier occupe une position dans laquelle cet organe mobile n'est pas engagé avec lui, et en ce que ledit transducteur est relié à un circuit électrique agencé de manière à lui fournir des impulsions d'entretien dont la durée, grande lors du démarrage et lorsque le balancier oscille à une faible amplitude, subit, quand cette amplitude devient grande, une diminution réalisée par le fait que l'impulsion d'entretien prend fin à l'instant même où ledit organe mobile achève sa course en s'arrêtant en ladite situation stable et cesse d'être engagé avec le balancier.
Il est possible en outre d'agencer ledit circuit électrique de manière qu'il fournisse de lui-même au trans docteur une impulsion de très longue durée, lorsque le balancier est arrêté ou que l'amplitude de ses oscillations est pratiquement nulle.
Le dessin annexé représente une forme d'exécution, pour laquelle il présente quatre schémas possibles de circulits électriques accompagnés de diagrammes explicatifs.
Le dessin présente en outre un schéma supplémentaire de circuit électrique correspondant à l'art antérieur.
La fig. 1 représente l'ensemble du transducteur et du balancier;
la fig. 2 représente le transducteur seul alors que l'aimant permanent occupe la position inverse de celle qu'illustre la fig. 1 ; elle montre également le chemin du flux magnétique dans cette situation;
la fig. 3 est un diagramme montrant, en fonction de son angle de position, le potentiel de l'aimant permanent représenté sur les fig. 1 et 2;
la fig. 4 représente, à titre d'exemple comparatif, le schéma d'un circuit conventionnel que l'art antérieur aurait pu utiliser en liaison avec un tel transducteur;
les fig. 5, 6, 7 et 8 représentent le schéma de différents circuits électriques réalisables selon la présente invention;
la fig. 9 présente trois diagrammes montrant, en fonction du temps, l'évolution des tensions en différents points des circuits;
;
les fig. 10-I et 10-II sont des diagrammes montrant les tensions et les courants de charge du condensateur temporisateur du circuit.
Avant la description des circuits électriques fournies sant les impulsions utilisés pour la pièce d'horlogerie électrique décrite, une forme d'exécution typique du transducteur chargé de maintenir les oscillations du balancier est décrite en liaison avec les fig. 1 et 2. La fig. 1 représente un tel transducteur coopérant avec un balancier selon une forme connue. Dans la fig. 1, une roue de balancier avec son axe, une ellipse et une fourchette d'ancre, avec son pivot, sont représentées respectivement en 1, 2, 3, 4 et 5.
Ils sont de construction semblable à ceux qu'on trouve dans une montre mécanique du type standard à échappement ancre, un aimant permanent 6 est agencé de manière à se mouvoir solidairement avec une fourchette d'ancre 4, 7 et 8 en constituant respectivement les pôles magnétiques N et S. 9, 9', 10 et 10' sont respectivement les pôles de l'armature magnétique 1 1 qui ferme le circuit magnétique dudit aimant permanent. Dans la fig. 1, le pôle magnétique 9 est en face du pôle N 7 de l'aimant permanent et le pôle magnétique 10' est en face du pôle S 8 de l'aimant permanent. Une bobine de commande 12 et une bobine de détection 13 sont respectivement destinées à la génération du flux magnétique impulsionnel dans le circuit magnétique et à la détection des variations du flux magnétique dû à l'aimant permanent.
La bobine de commande 12 a des fils de connexion terminaux 12a et 12c et un fil de con nexion intermédiaire 12b, et la bobine de détection 13 possède deux fils de connexion 13a et 13b. Le sens de bobinage des bobines 12 et 13 est tel que les flux magnétiques qu'elles créent dans l'armature s'additionnent lorsque la connexion 12c et la connexion 13a sont reliées et que l'on fait passer un courant de la connexion 12a à la connexion 13b. Non représenté fig. 1, un mécanisme bien connu actionne les rouages de la montre à partir de la fourchette 4.
Lorsque l'aimant permanent occupe la position montrée fig. 1, si la bobine de commande 12 reçoit une impulsion de courant capable de produire dans le circuit magnétique un flux orienté dans le sens indiqué, sur la fig. 1, par les flèches continues, I'aimant permanent, repoussé par les pôles magnétiques 9 et 10' et attiré par les pôles magnétiques 9' et 10 pivotera sur son axe; si à ce moment l'ellipse 3 est engagée dans la fourchette 4, le balancier 1 reçoit un apport d'énergie. Si cet apport est suffisant, le balancier 1 quitte la fourchette 4 tandis que l'aimant permanent s'arrête en face des pôles magnétiques 9'-10. Peu après le balancier revient vers sa position d'origine mû par l'énergie que lui restitue le spiral.
et l'ellipse s'engage à nouveau dans la fourchette 4. lorsque le balancier arrive près de son point mort. Ensuite,
I'aimant permanent 6 reprend sa première position, c'està-dire qu'il passe de l'orientation 9'-10 à l'orientation 9-10', étant mû par l'énergie cinétique du balancier ].
Si la bobine de commande reçoit maintenant un courant produisant dans le circuit magnétique un flux de sens opposé à celui précédemment produit. I'aimant permanent 6, repoussé par les pôles magnétiques 9' et 10, et attiré par les pôles magnétiques 9 et 10' se trouve soumis à un couple mécanique d'origine magnétique qui accélère son mouvement de rotation et fournit ainsi un nouvel apport d'énergie au balancier 1. Ainsi, par l'établissement répété dans la bobine de commande 12 d'impulsions électriques alternées en correspondance avec la période d'oscillation du balancier 1, ce dernier acquiert toujours davantage d'énergie et atteint finalement son amplitude normale à laquelle les pertes d'énergie s'équilibrent avec les apports d'énergie.
L'aimant permanent 6 est actionné avec suffisamment de force tour à tour par le courant de commande et par l'énergie cinétique du balancier 1, le flux magnétique allant du pôle N 7 au pôle S 8 de l'aimant permanent 6 étant établi alternativement dans la direction de la ligne pointillée montrée fig. 1, allant donc du pôle N 7 par le pôle magnétique 9,
I'armature 11, et le pôle magnétique 10' jusqu'au pôle
S 8, et dans la direction de la ligne pointillée montrée fig. 2, allant donc du pôle 7 par le pôle magnétique 9', l'armature 11 et le pôle magnétique 10 jusqu'au pôle
S 8. A chaque changement de direction du flux magnétique dans l'armature 11, une tension électrique est induite dans les bobines de commande 12 et de détection 13, le sens de la tension induite étant opposé à celui du courant de commande.
Si le courant de commande circule en surmontant ladite tension induite, I'énergie électromagnétique convertie en énergie mécanique vient augmenter l'énergie du balancier 1. Ladite tension induite agit également comme signal de synchronisation du circuit électrique équipant la montre. La durée de l'impulsion de tension induite correspond approximativement à la durée de l'engagement de la fourchette 4 avec l'ellipse 2 du balancier 1.
L'évolution par rapport au temps de cette tension induite est représentée fig. 9-I, dans laquelle la partie inférieure correspond à la tension induite lorsque l'aimant permanent opère un mouvement dextrogyre, l'aimant permanent tournant de la direction 9-10' à la direction 9'-10, et la partie supérieure correspond à la tension induite lorsque l'aimant permanent opère un mouvement lévogyre, l'aimant permanent tournant de la direction 9'-10 à la direction 9-10'. Lorsque l'amplitude d'oscillation du balancier 1 croît, la durée d'engagement de la fourchette 4 décroît, en même temps, la vitesse de rotation de l'aimant permanent 6 et la vitesse de variation du flux magnétique augmentent, ce qui accroît la tension induite comme l'illustre le passage de la ligne pointillée à la ligne continue sur la fig. 9-I.
On note particulièrement le fait que, dans un transducteur coopérant avec un balancier comme montré fig. 1, I'aimant permanent 6 solidaire de la fourchette 4 induit dans les pôles magnétiques situés en face du pôle N 7 et du pôle S 8 des charges magnétiques de polarités inverses, étant ainsi attiré et maintenu dans l'une des positions 9-10' ou 9'-10 durant la plus grande partie de l'oscillation du balancier.
De ceci résulte que la relation entre l'angle de position e de l'aimant permanent 6 et son énergie potentielle magnétique correspond au diagramme représenté fig. 3, dans lequel -6 est l'angle de position de l'aimant permanent maintenu, comme montré fig. 1, près des pôles magnétiques 9-10', + µ l'angle de position correspondant à la fig. 2, I'aimant étant maintenu près des pôles magnétiques 9'-10 et it" I'angle de position correspondant au cas où l'aimant est à égale distance des pôles 9 et 10' et des pôles 9' et 10, le pôle
N 7 étant situé au milieu de l'entrefer 9-9' et le pôle S 8 étant situé au milieu de l'entrefer 10-10'.
Comme montré fig. 3, au cours d'une rotation de la fourchette égale à 2 la, I'énergie potentielle magnétique passe par un maximum. L'énergie cinétique du balancier doit donc, lorsque ledit balancier a atteint un état stable d'oscillation dans lequel l'amplitude est élevée, être notablement supérieure à cette crête d'énergie potentielle.
Dans ledit état stable d'oscillation, lorsque le balancier déplace la fourchette 4 et l'aimant permanent 6 de l'angle -µ à l'angle +6, le balancier perd, en passant de -µ à µ, I'énergie nécessaire à surmonter cette crête.
mais il récupère ensuite cette même énergie en passant de {}n à + e de sorte qu'il n'y a pas de perte d'énergie pour le balancier lui-même. Cependant, comme au démarrage ou en début d'oscillation l'énergie cinétique du balancier n'est pas suffisante pour surmonter ladite crête d'énergie potentielle, il est nécessaire, pour éviter l'arrêt du balancier et lui permettre de passer ladite crête, de fournir au transducteur une impulsion électrique relativement puissante ou relativement longue et de puissance atteignant le minimum nécessaire, comme la tension relativement basse des piles électriques pouvant être montées dans une montre-bracelet rend difficile l'obtention d'impulsions très puissantes, il est préférable de prévoir un circuit électrique augmentant la durée et non la puissance des impulsions.
Lors du démarrage ou en début d'oscillation. la fourchette 4 du transducteur montré fig. l est liée au balancier 1 durant presque toute la période d'oscillation et le circuit électrique ne peut actionner le balancier que s'il fournit au transducteur des impulsions de durée corres pondant. Par contre, dès que le balancier 1 atteint son état stable d'oscillation, la période durant laquelle ledit balancier 1 est lié à la fourchette 4 se raccourcit; de ce fait, si le circuit continue à fournir au transducteur des impulsions électriques de longue durée, une grande partie de l'énergie ainsi dépensée reste inutilisée. Il s'avère judicieux de diminuer alors la durée des impulsions. Les circuits électriques décrits plus loin, et spécialement destinés à la pièce d'horlogerie ci-décrite satisfont à cette condition.
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<tb>
a <SEP> 1° <SEP> diespositif <SEP> selon <SEP> tie. <SEP> i <SEP> on <SEP> a <SEP> admis <SEP> que <SEP> pour
<tb> actionner le balancier le courant de commande circulait alternativement dans les deux sens à l'intérieur de la bobine de commande, de manière à induire un flux magnétique traversant alternativement l'armature 11 dans les deux sens. I1 est cependant possible de communiquer suffisamment d'énergie ou balancier au moyen d'un courant de commande unidirectionnel, il est également possible d'entretenir les oscillations du balancier 1, en faisant appel, pour ramener la fourchette 4, à l'énergie cinétique du balancier et en fournissant au transducteur des impulsions de courant unidirectionnel en synchronisme avec les oscillations du balancier 1.
Cela revient à dire qu'il suffit généralement que le circuit électrique fournisse, à raison d'une seule par période d'oscillation, les impulsions électriques que le transducteur transmet au balancier sous forme d'appoint d'énergie mécanique.
La suite de la description concerne des circuits électriques capables de fournir au transducteur des impulsions électriques en synchronisme avec la période d'oscillation du balancier, afin de maintenir lesdites oscillations. Parmi ces circuits électriques capables de four nir les impulsions voulues au transducteur, on trouve de nombreux circuits-types allant du simple amplificateur à un transistor incluant la bobine de commande dans le circuit du collecteur et la bobine de détection dans le circuit de base, à l'oscillateur bloqué astable à un transistor comprenant un condensateur temporisateur déterminant la période d'oscillation propre du circuit en coopération avec une résistance de temporisation connectée, en série avec la bobine de détection à la base du transistor,
en passant par les multivibrateurs monostables ou astables constitués par deux transistors de mêmes polarités de conduction ou de polarités de conduction différentes. On note cependant que, dans le cas du simple amplificateur, si aucune tension n'est induite dans la bobine de détection par les oscillations du balancier, le transistor n'est pas rendu conducteur, cela rend impossible le démarrage à partir du repos complet.
Dans l'oscillateur bloqué, le temps de conduction du transistor, c'est-à-dire la durée des impulsions électriques, est fixée par la self inductance des bobines de commande et de détection et par leur inductance mutuelle. Comme le circuit magnétique du transducteur est ouvert au moins à un endroit, ainsi que cela paraît sur la fig. 1, I'induc- tance est faible et la durée des impulsions l'est aussi. En plus, on a observé qu'un tel circuit coopérant avec le transducteur décrit fournissait des impulsions augmentant de durée quand l'amplitude du balancier croît. Il est impossible de réaliser l'autodémarrage au moyen d'un tel circuit.
Dans le cas du multivibrateur monostable constitué par deux transistors de la même polarité, comme dans le cas du simple amplificateur, le transistor de sortie ne devient pas conducteur en l'absence de tension induite sur les bobines. Dans le cas du multivibrateur astable, même si la durée initiale des impulsions peut être rendue assez grande pour que le balancier démarre à partir du repos complet, la consommation électrique augmente défavorablement dans l'état stable d'oscillation du fait que l'un ou l'autre des deux transistors se trouve toujours conducteur.
Comme indiqué plus haut, il n'est pas possible pour des circuits conventionnels de concilier l'autodémarrage du balancier et la consommation électrique minimum.
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<tb> A5n <SEP> cependant <SEP> de <SEP> rendre <SEP> plus <SEP> compréhe sible <SEP> la <SEP> suite
<tb> de <SEP> la <SEP> descrîption <SEP> on <SEP> va, <SEP> sur <SEP> la <SEP> base <SEP> de <SEP> la <SEP> fig. <SEP> 4, <SEP> décrire
<tb> à titre d'exemple comparatif, un circuit électrique conventionnel. La fig. 4 représente un oscillateur astable constitué de deux transistors complémentaires de différentes polarités dans lequel le transistor NPN est le transistor de sortie et le transistor PNP est le transistor de contrôle.
La tension d'induction négative, représentée fig. 9-I, qui est engendrée dans la bobine de commande 17 en correspondance avec les mouvements du balancier, a le sens voulu pour rendre conducteur le transistor de contrôle 16. Lorsque cette tension est appliquée à la base du transistor de contrôle 16, par l'intermédiaire du condensateur temporisateur 18 et de la résistance 19 qui contrôle le courant de charge dudit condensateur 18, le circuit comprenant le transistor de contrôle 16, la résistance 21 et le transistor de sortie 15 est parcouru par le courant de collecteur du transistor de contrôle 16, qui est aussi le courant de base du transistor de sortie 15.
Ce dernier devient alors également conducteur, et sa tension de collecteur diminue; cette chute de tension rend le transistor de contrôle 16 encore plus conducteur, produisant un phénomène de réaction cumulative dans le circuit.
Ensuite, dès que le transistor de sortie 15 est saturé, la source de tension 23 débite son courant à travers la bobine de commande à l'encontre de la tension induite et fournit l'énergie au balancier. Le courant de charge du condensateur temporisateur 18, qui passe du pôle positif de la source de tension 23 par l'émetteur et la base du transistor de contrôle 16, la résistance 19, le condensateur temporisateur 18, le collecteur et l'émetteur du transistor de sortie 15 pour revenir au pôle négatif de la source de tension, décroît graduellement. Cette diminution de courant de charge coupe rapidement la conduction du transistor de contrôle 16 et du transistor de sortie 15 du fait de ladite réaction cumulative.
Dans cet état non conducteur, si la constante de temps de décharge du condensateur temporisateur 18, qui dépend des résistances 19 et 20, est un petit peu plus longue que la période du balancier, il est possible de parvenir à ce que le circuit soit commuté à nouveau dans l'état conducteur, lorsque apparaît la tension induite précédemment mentionnée et correspondant au mouvement du balancier, ceci pour autant que cette tension apparaisse au dernier moment avant que le circuit ne bascule de lui-même. Ainsi, même avec un circuit électrique conventionnel comme celui montré fig. 4, il est possible de commander le transducteur de manière qu'il fournisse des impulsions d'énergie synchronisées avec la période du balancier.
Cependant, la durée des impulsions électriques fournies est déterminée uniquement par le condensateur temporisateur 18 et la résistance 19 qui contrôle son courant de charge. C'est-à-dire que la tension pouvant charger le condensateur-temporisateur 18 étant uniquement celle de la source de tension 23, et la tension de charge du condensateur 18 devant atteindre en fin d'impulsion une valeur proche de la tension même de la source 23, le temps de charge du condensateur 18 est déterminé par la constante de temps résultant des valeurs dudit condensateur 18 et de la résistance 19.
Donc, dans le cas où l'énergie est fournie au balancier au moyen d'un transducteur comme celui montré fig. 1, cas dans lequel il est impossible de faire démarrer le balancier sans fournir au transducteur une longue impulsion électrique au moment du démarrage, les valeurs du condensateurtemporisateur 18 et de la résistance 19 doivent être fixées, dans un circuit comme celui représenté dans la fig. 4, de telle manière que l'impulsion électrique ait la durée voulue. Bien que dans ce cas le balancier finisse aussi par atteindre une amplitude d'oscillation stable, les impulsions électriques gardent alors la durée qu'elles avaient au moment du démarrage. et lorsque le balancier cesse d'être lié à la fourchette, le circuit électrique fournit au transducteur une énergie inutilisée.
Dans le cas où, comme sur les montres-bracelets, on utilise des piles de faible capacité, ce phénomène raccourcit par trop leur durée d'emploi et constitue donc un grave défaut pratique. Sur la fig. 4, une diode 22 absorbe à la fin de l'impulsion l'énergie qui se trouve emmagasinée dans la bobine de commande.
En liaison maintenant avec la fig. 5, un circuit spécialement conçu pour la présente pièce est décrit d'une manière approfondie.
Le circuit électrique spécial correspondant au schéma de la fig. 5 comporte une branche de circuit destinée à la réaction cumulative et constituée par la connexion intermédiaire 12b de la bobine de commande 12, la bobine de détection 13, ces deux bobines faisant partie du transducteur montré fig. 1, le condensateur-temporisateur 26, la résistance 27 contrôlant la charge dudit condensateur 26, la base et le collecteur du transistor de contrôle 25.
la résistance 29, la base et le collecteur du transistor de sortie 24 et les connexions 12c et 12b de la bobine de commande 12; une autre branche de circuit destinée à la temporisation de charge du condensateur 26 comprend le pôle positif de la source de tension 31, I'émet- teur et la base du transistor de contrôle 25, la résistance 27, le condensateur-temporisateur 26. la bobine de détection 13, la connexion intermédiaire 12b et la connexion terminale 12c de la bobine de commande 12, le collecteur et l'émetteur du transistor de sortie 12 et le pôle négatif de la source de tension 31:
enfin, la branche de circuit destinée à la temporisation de décharge du condensateur 26 comprend le pôle positif de la source de tension 31, la connexion terminale 12a et la connexion intermédiaire 12b de la bobine de commande 12, la bobine de détection 13. le condensateur-temporisateur 26, la résistance 27, la résistance temporisatrice 28 qui doit rendre la période propre du circuit un petit peu plus longue que la période du balancier, et le pôle négatif de l source de tension 31. Ce schéma est celui d'un multivibrateur astable utilisant un transistor NPN 25 qui est le transistor de sortie, et un transistor PNP 24 qui est le transistor de contrôle. De plus, une diode 30 absorbe l'énergie emmagasinée dans la bobine de commande et devant être résorbée lors du flanc de fin d'impulsion, comme c était le cas aussi dans le circuit montré fig. 4.
Le multivibrateur astable selon fig. 5 oscille de lui-même continuellement, même lorsque le balancier n'est pas en mouvement et fournit au transducteur par la bobine de commande 12 des impulsions électriques ayant une certaine durée. Si ces impulsions fournissent suffisamment d'énergie pour permettre à l'aimant permanent 6 de franchir la crête de potentiel mentionnée plus haut, le balancier se met à osciller. Lorsque le balancier oscille, des tensions sont induites dans les bobines de commande 12 et de détection 13.
Ces bobines sont connectées, selon fig. 5, de telle manière que les tensions induites entre les connexions 12a et 12b de la bobine de commande et les connexions 13a et 13b de la bobine de détection s'ajoutent l'une à l'autre, c'est-à-dire qu'elles sont de sens tel qu'elles s'opposent au courant provenant de la source 31 dans la bobine de commande 12 et qu'elles favorisent le passage dudit courant dans la bobine de détection 13.
Ainsi, les tensions induites dans les deux bobines forcent les transistors à devenir fortement conducteurs avant que le transistor de contrôle 25 ne le devienne du fait de la période propre du cicruit. Ainsi, une impulsion électrique parvient à la bobine de commande 12 et fournit au moment voulu un apport d'énergie au balancier. On voit donc que le circuit selon fig. 5 se synchronise avec les oscillations du balancier dont il peut ainsi augmenter l'énergie.
Ce circuit spécial, selon fig. 5, se distingue du circuit conventionnel, selon fig. 4, par les points suivants:
I1 peut, lors du démarrage du balancier, fournir des impulsions de grande durée, indépendantes de l'oscillation dudit balancier.
Quand le balancier atteint une certaine amplitude, la durée des impulsions commence à décroître et devient fonction de l'amplitude dudit balancier d'une manière (étudiée en détail plus loin) qui lui fait prendre fin à l'instant même où l'aimant achève son mouvement. Ce deuxième point correspond au caractère recherché dans le circuit selon fig. 5.
Contrairement au circuit selon fig. 4, dont la durée d'impulsion fournie reste constante, le circuit selon fig. 5, qui fournit des impulsions dont la durée est également déterminée par le temps de charge du condensateurtemporisateur, travaille dans des conditions telles que ce temps de charge se trouve suffisamment long lors du démarrage du balancier, et est ensuite, lorsque l'amplitude des oscillations augmente, raccourci, même interrompu, sous l'action de la tension induite dans la bobine de détection connectée en série dans le circuit temporisateur de charge.
Suivent maintenant quelques considérations concernant la force électromotrice qui contribue à charger le condensateur-temporisateur dès que le circuit selon fig. 5 a été mis en état de conduction. Désignons par CtE la tension existant sur la connexion intermédiaire 12b de la bobine de commande 12, lorsque le transistor de sortie 24 est saturé. expression dans laquelle E est la tension de la source 31, et Ct une fraction correspondant au rapport du nombre de spires existant entre les connexions 12b et 12c de la bobine de commande 12 au nombre de spires existant entre les connexions 12a et 12c de la même bobine.
La tension tendant à charger le condensateurtemporisateur 26 se compose de la différence entre la tension E de la source 31 et la tension seE de la connexion 12b, de la tension induite V dans la bobine 13 et d'une tension Vm engendrée dans la bobine 13 par induction mutuelle à partir de la bobine 12.
On peut écrire pour cette tension tendant à charger le condensateurtemporisateur 26, la formule suivante (1):
E-aEQV+Vm--c±'EQVÙVm (I) dans laquelle ax'=l-el
L'impédance Z, vue depuis les deux extrémités du condensateur-temporisateur 26 lorsque le circuit, selon fig. 5, est conducteur, est constituée par les inductances de la bobine de commande 12 et de la bobine de détec tion 13, par la résistance ohmique de leurs bobinages, par la résistance 27, par la résistance de saturation entre l'émetteur et le collecteur du transistor de sortie 24 et la résistance de saturation entre l'émetteur et la base du transistor de contrôle 25.
Cependant, comme la valeur de la résistance 27 est généralement beaucoup plus grande que celle des autres impédances, Z est environ égale à R, et l'on peut admettre Z = R. Il est possible aussi de considérer 'E + Vm comme constant pendant la durée de l'impulsion électrique en question pour autant que Vm, dû à l'induction mutuelle, soit suffisamment bref et de valeur peu élevée. Cette simplification est admissible du fait que l'inductance mutuelle des bobines de commande et de détection est très faible, puisque le transducteur du type illustré fig. 1 comporte un circuit magnétique ouvert au moins en un point.
D'autre part, au moment du démarrage du balancier, alors qu'aucune tension induite n'est encore engendrée, les tensions et courants de charge du condensateur-temporisateur 26 sont représentées par les formules (2) et (3):
EMI6.1
I= a'E + Vm e - CR
I CR (3)
R dans lesquelles C est la capacité du condensateur-temporisateur 26 et t le temps.
Ces valeurs V et I sont représentées en fonction du temps par les courbes A dans les fig. 10-I et 10-II. Des formules (2) et (3) il ressort que la constante de temps de charge est égale à CR. Comme c'est le courant de charge du condensateur 26 qui rend le transistor 25 conducteur, si on augmente la valeur de la résistance 27, la constante de temps de charge augmente également et il est possible ainsi de maintenir le transistor de contrôle conducteur durant une longue période. Le transistor de sortie 24 peut donc fournir à la bobine de commande 12 une impulsion électrique de longue durée.
Au départ, la durée de l'impulsion électrique est ainsi augmentée électriquement afin d'accroître l'amplitude d'oscillation du balancier jusqu'à la valeur désirée. Aussitôt que l'amplitude est suffisante, la tension induite, qui augmente avec l'amplitude, fait basculer le transistor de contrôle dans l'état conducteur juste avant la fin de la période propre du multivibrateur, le circuit électrique étant ainsi synchronisé avec la période du balancier. D'autre part, lorsque cette tension induite commence à être engendrée, les conditions de charge du condensateur-temporisateur se modifient, c'est-à-dire que la tension tendant à charger le condensateur 26 passe de a'E + Vm à a.'E + Vm + V, et lorsque la tension induite disparaît, elle reprend la valeur a'E + Vm.
De l'accroissement d'amplitude résulte donc un accroissement du courant de charge qui, durant l'impulsion, fait augmenter rapidement la tension de charge et diminuer le temps qui serait nécessaire pour que la tension aux bornes du condensateur atteigne la valeur a'E + Vm qui mettrait fin à l'impulsion si la tension aux bornes de la bobine 13 était nulle.
Tant que cette tension n'est pas nulle, l'impulsion peut se continuer, même si la tension aux bornes du condensateur dépasse cette valeur ct'E + Vm pour autant qu'elle soit encore inférieure à 'E + Vm + V; c'est ce qui se produit à grande amplitude (pour de grandes valeurs de V) et donc la tension du condensateur en vient, durant l'impulsion, à dépasser a.'E + Vm; au moment où la tension aux bornes du condensateur a dépassé a'E + Vm, une annulation de V provoque instantanément la fin de l'impulsion, ce dont il résulte que l'impulsion prend fin à l'instant même où V s'annule, c'est-à-dire où l'aimant achève sa course.
Ainsi, le courant de charge disparaît très rapidement et la durée de conduction du transistor de contrôle 25, commandée par ledit courant de charge, s'adaptant au mouvement de l'aimant pour que la période de conduction s'achève avec lui, devient très faible, ce qui diminue la durée des impulsions électriques fournies de manière à les faire finir au moment où l'aimant achève son mouvement.
Par exemple, dans le cas où la tension induite atteint une valeur environ- égale à a'E + Vm, le condensateur-temporisateur 26 se charge rapidement au moins à cette tension otE t Vm et, lorsque V dispa raît, le courant de charge s'annule immédiatement, puisque la tension a déjà atteint sa valeur finale a'E + Vm, la durée d'impulsion électrique est donc ainsi réduite au minimum indispensable.
Puisque le temps durant lequel la tension est induite est pratiquement égal au temps durant lequel la fourchette 4 et le balancier 1 sont liés (voir fig. 1), et puisque la durée de l'impulsion électrique fournie à la bobine de commande 12 se trouve égale à la durée de la tension induite, lorsque le balancier 1 a atteint son amplitude normale, ses oscillations se trouvent maintenues avec un maximum d'efficacité.
Réciproquement, dans le cas où l'amplitude du balancier diminue, par suite de perturbations extérieures ou autres, la tension induite redevient faible, ce qui a pour effet de rendre à l'impulsion sa durée première, et donc par-là de tendre immédiatement à la restauration de l'amplitude normale. Il apparaît donc que cette possibilité de contrôler électriquement l'amplitude est une des caractéristiques particulières du circuit électrique utilisées pour la présente pièce d'horlogerie, circuit dans lequel le temps de charge du condensateur-temporisateur est fonction de l'amplitude du balancier.
Les courbes B des fig. 10-I et 10-Il représentent l'évolution, en fonction du temps, de la tension et du courant de charge du condensateur, lorsque la tension V est induite dans les bobines, donc à l'amplitude normale.
On voit que la durée des impulsions électriques passe de la valeur t0 à la valeur toto, lorsque l'amplitude passe de zéro à sa valeur normale.
La fig. 9 représente l'évolution des tensions en fonction du temps en différents points du circuit électrique selon fig. 5. La fig. 9-II montre la tension au collecteur du transistor de sortie 24 et la fig. 9-III la tension à la base du transistor de contrôle. Dans chacune de ces figures, la ligne pointillée correspond au démarrage du balancier et la ligne continue à l'état stable d'oscillation du balancier.
On voit sur ces figures que les impulsions marquées par la ligne pointillée, pour lesquelles la tension induite est nulle ou très faible (fig. 9-I), sont de plus longue durée que les impulsions marquées par la ligne continue, pour lesquelles la tension induite est grande (fig. 9-I). I1 apparaît donc bien que l'impulsion électrique est notablement plus courte à amplitude normale que lors du démarrage. On voit également fig. 9-II et 9-III les portions C et d représentant les tensions induites lors du mouvement de retour du balancier.
Dans la fig. 9, on a admis a' = I . Remarquons que la connexion intermédiaire 12b de la bobine de com mande 12 ayant pour but de faciliter le réglage de la durée d'impulsion en rendant la tension induite V approximativement égale à & + Vm, si la tension de la source est relativement faible, I'effet voulu peut être obtenu en connectant la bobine de détection 13 directement au collecteur du transistor de sortie 24, ce qui donne a' = 1, et donc a'E = E, comme admis pour la fig. 9.
La fig. 6 montre une autre disposition du circuit électrique utilisable pour la pièce décrite. La différence entre la disposition selon fig. 6 et la disposition selon fig. 5 consiste en ce que la bobine de détection 13 est insérée entre l'émetteur du transistor de contrôle 25 et le pôle positif de la source de tension 31. Dans ce cas, la courbe de la tension sur la base du transistor de contrôle, montrée fig. 9, se trouve légèrement modifiée; cependant il est clair que l'effet résultant de la disposition selon fig. 6 est le même que celui résultant de la disposition selon fig. 5, aucune modification n'étant apportée dans le circuit de charge du condensateur-tempo rîsateur 26.
La fig. 7 représente une troisième disposition possible de circuit électrique utilisable pour la pièce décrite. Dans cette disposition, les forces électromotrices tendant à charger le condensateur-temporisateur 26 sont essentiellement les mêmes que dans les dispositions selon fig. 5 et 6, excepté le fait que la tension de comparaison due à la source de courant 31 n'est pas a'E mais aE .
La fig. 8 représente une quatrième disposition possible de circuit électrique utilisable pour la pièce décrite.
Cette disposition diffère de la disposition fig. 7 uniquement en ce que la bobine de détection 13 est insérée.
dans le circuit de charge du condensateur, entre la connexion intermédiaire 12b de la bobine de commande 12 et l'émetteur du transistor de contrôle 25. ce qui ne modifie rien d'essentiel à partir des circuits précédents selon fig. 5, 6 et 7.
Dans chacune des dispositions selon fig. 5, 6. 7 et 8 la résistance 27, chargée de contrôler la charge du condensateur-temporisateur 26, peut remplir sa fonction.
quel que soit l'endroit où elle est insérée dans le circuit de charge dudit condensateur, pour autant qu'elle ne se trouve pas en série dans la boucle constituée par la source de tension 31, la bobine de commande 12 et le collecteur et l'émetteur du transistor de sortie 24.
Comme précédemment indiqué. la pièce ci-décrite est donc capable de démarrer d'elle-même, même dans le cas où le transducteur doit surmonter une importante crête d'énergie potentielle pour franchir le point mort et maintenir les oscillations du balancier. Elle permet également de réduire la consommation électrique à un minimum lorsque le balancier a atteint son état stable d'oscillation. De plus, elle réalise le contrôle et la stabilisation de l'amplitude des oscillations du balancier.
La description qui précède se limite à l'exemple d'exécution utilisant un transducteur du type montré fig. 1, mais les circuits électriques décrits peuvent être adéquatement utilisés en liaison avec d'autres transducteurs, et en particulier avec les transducteurs qui doivent, au démarrage, surmonter d'abord une crête d'énergie.
Les circuits décrits suivant les fig. 5, 6, 7 et 8 utilisent un transistor NPN comme transistor de sortie et un transistor PNP comme transistor de contrôle, il est clair que des circuits présentant une disposition réciproquement inversée des transistors seraient équivalents aux circuits représentés par ces fig. 5, 6, 7 et 8.
Electric timepiece comprising a balance-spring assembly
controlled by a transducer
The object of the present invention is an electric timepiece comprising a spiral balance assembly controlled by a transducer comprising a movable member, said balance and said movable member being arranged to be engaged with each other when the balance is is in the vicinity of its neutral point and disengaged from one another when the balance is far from its neutral point, so that said transducer detects the passage of said balance near its neutral point and is capable at this point of communicate to the balance, via said movable member which performs a certain travel while it is engaged with the balance,
The energy input necessary for the maintenance of its oscillations.
It is well known that high precision in the measurement of time requires, in such a device, a quasi-coincidence between the sustaining pulses and the passage of the balance to its neutral point. In addition, especially in the case of an electrical part, to maintain isochronism, it is necessary that the balance is not a constituent element of the transducer, but is a simple regulation element as is the case in the parts. ordinary mechanics. A transducer working in this way can be constituted by a conventional anchor fork cooperating with an electromechanical converter. This is easily achievable, without constmctive complication and the moment of inertia of said fork remaining restricted, by providing said fork with a permanent magnet.
To prevent the dispersion of the magnetic flux, it is clear that the magnetic armature conducting this flux must be placed as close as possible to said magnet. It should be noted that, during the phases of oscillation of the balance when said fork ceases to be linked to it, it could undergo abnormal vibrations due to external disturbances.
The conventional electrical circuits currently applicable to such devices do not make it possible to make the balance wheel self-starting while ensuring a reduced electrical consumption to a value close to the minimum essential for the maintenance of the oscillations of the balance or even to a value less close to this minimum. , because the large pulse duration without which starting is not possible, and for which the elements of said circuits must be dimensioned, is maintained when said balance oscillates at its normal amplitude, a situation in which a very long pulse duration lower would be sufficient,
that is to say that the effective consumption is then greater than said value close to the essential minimum that would be if the duration of the pulses were adapted according to the amplitude of the oscillations of the balance to avoid unnecessary energy expenditure, and also greater than a value less close to the essential minimum that would be if the duration of the pulses were, for large amplitudes of oscillation, simply reduced, without any other particular adaptation, but to such an extent that the maintenance conditions do not risk in any case to be affected. This greater than necessary energy consumption has the great drawback of shortening the duration of use of the batteries supplying the device, which duration of use is particularly critical in the case of wristwatches.
There is also known, besides the most conventional circuits, a particular circuit, shown in particular in the disclosure of US Pat. No. 3238431, which is capable of providing long-lasting pulses when starting up and much shorter pulses when the balance wheel. oscillates at a large amplitude: this circuit is however intended for a device where the ancient ball itself carries at least one coil or a magnet, that is to say is a constituent element of the transducer.
In such a device, there does not exist, as a function of the movement of the balance, that is to say as a function of time, a clear limit up to which the electrical impulse is effective and from which the impulse is inefficient, but simply a decrease in the effectiveness of the pulse as the coil moves further and further away from the magnet. The circuit in question performs, in a manner suitable for the device for which it is intended, a restriction of the duration of the pulse in dependence on the induced detection voltage, this dependence being obtained using a non-component. linear (eg a diode) placed in the circuit branch of the coil.
This circuit therefore provides a pulse of a duration which decreases when the amplitude of oscillation of the balance increases according to a dependence function which brings into play the relation of covariation of two caraoteristic quantities of a nonlinear component, a law of dependence which goes in the desired sense, but nonetheless remains subject to a foreign parameter (provided by said nonlinear component), the selection of which, however, may very well make it possible to obtain a favorable dependency function for a device like the one to which this circuit is intended and in which does not appear said clear limit of effectiveness.
However, such a circuit does not make it possible to ensure the best possible adaptation of the duration of the pulse as a function of the amplitude of the oscillations of the balance in the case of a device where the action of the pulse is exerted by a fork (or a movable member acting similarly) and not directly on a coil or a magnet integral with the balance.
This amounts to saying that this circuit makes it possible to reduce consumption, but without ensuring the particular adaptation which would bring consumption to the value close to the indispensable minimum previously mentioned, this circuit not being suitable, due to the fact that it limits the duration of the pulse in dependence on the detection voltage, only to effect, at least in the case of a fork device, a restriction of the duration of the pulses without particular adaptation and maintained to such an extent as the maintenance conditions are in no way likely to be affected.
Such a reduction in pulse duration leads to a consumption value that is less close to the essential minimum than the consumption value to which a suitable pulse width reduction leads, depending on the amplitude of oscillation of the balance, to avoid expenditure. unnecessary energy; it is therefore insufficient if one wishes, in the case of a fork device, to lower the consumption to a value close to the essential minimum, and the particular circuit in question is therefore inadequate to achieve this performance in the case a fork device.
The object of the present invention is to provide an electric timepiece of the aforementioned type which does not have the previously indicated drawbacks, that is to say in which the mobile part of the transducer is retained in the stop position when it is not. linked to the balance, and the pulse duration of which is adapted as a function of the amplitude of oscillation of the balance in such a way that starting is carried out easily and consumption is reduced by eliminating unnecessary energy expenditure, a value close to the minimum essential for maintaining the oscillations of the balance.
The invention consists in that said transducer comprises a magnetic armature cooperating with said movable member and whose conformation is determined so that said movable member is stopped in a stable situation of lower magnetomechanical potential when said balance occupies a position in which this movable member is not engaged with it, and in that said transducer is connected to an electrical circuit arranged so as to provide it with sustaining pulses, the duration of which, great during starting and when the balance oscillates at a low amplitude, is subjected to , when this amplitude becomes large, a reduction produced by the fact that the sustaining pulse ends at the very instant when said movable member completes its travel by stopping in said stable situation and ceases to be engaged with the pendulum.
It is also possible to arrange said electrical circuit so that it provides the trans doctor with a very long pulse of its own accord, when the balance is stopped or the amplitude of its oscillations is practically zero.
The appended drawing represents an embodiment, for which it presents four possible diagrams of electrical circuits accompanied by explanatory diagrams.
The drawing further shows an additional electrical circuit diagram corresponding to the prior art.
Fig. 1 represents the assembly of the transducer and the balance;
fig. 2 shows the transducer alone while the permanent magnet occupies the opposite position to that shown in FIG. 1; it also shows the path of the magnetic flux in this situation;
fig. 3 is a diagram showing, as a function of its angle of position, the potential of the permanent magnet shown in FIGS. 1 and 2;
fig. 4 represents, by way of comparative example, the diagram of a conventional circuit that the prior art could have used in connection with such a transducer;
figs. 5, 6, 7 and 8 represent the diagram of various electrical circuits which can be produced according to the present invention;
fig. 9 presents three diagrams showing, as a function of time, the evolution of the voltages at different points of the circuits;
;
figs. 10-I and 10-II are diagrams showing the voltages and charging currents of the circuit's timer capacitor.
Before the description of the electrical circuits supplied without the pulses used for the electrical timepiece described, a typical embodiment of the transducer responsible for maintaining the oscillations of the balance is described in conjunction with FIGS. 1 and 2. FIG. 1 shows such a transducer cooperating with a rocker in a known form. In fig. 1, a balance wheel with its axis, an ellipse and an anchor fork, with its pivot, are represented respectively at 1, 2, 3, 4 and 5.
They are similar in construction to those found in a mechanical watch of the standard type with anchor escapement, a permanent magnet 6 is arranged so as to move integrally with an anchor fork 4, 7 and 8, respectively constituting the poles Magnetic N and S. 9, 9 ', 10 and 10' are respectively the poles of the magnetic armature 11 which closes the magnetic circuit of said permanent magnet. In fig. 1, the magnetic pole 9 is opposite the N pole 7 of the permanent magnet and the magnetic pole 10 'is opposite the S pole 8 of the permanent magnet. A control coil 12 and a detection coil 13 are respectively intended for the generation of the pulsed magnetic flux in the magnetic circuit and for the detection of the variations of the magnetic flux due to the permanent magnet.
The control coil 12 has terminal lead wires 12a and 12c and an intermediate lead wire 12b, and the sense coil 13 has two lead wires 13a and 13b. The winding direction of the coils 12 and 13 is such that the magnetic fluxes which they create in the armature are added when the connection 12c and the connection 13a are connected and that a current is passed from the connection 12a to connection 13b. Not shown in fig. 1, a well-known mechanism operates the cogs of the watch from the fork 4.
When the permanent magnet occupies the position shown in fig. 1, if the control coil 12 receives a current pulse capable of producing in the magnetic circuit a flux oriented in the direction indicated, in fig. 1, by the continuous arrows, the permanent magnet, repelled by the magnetic poles 9 and 10 'and attracted by the magnetic poles 9' and 10, will pivot on its axis; if at this moment the ellipse 3 is engaged in the fork 4, the balance 1 receives an energy input. If this contribution is sufficient, the balance 1 leaves the fork 4 while the permanent magnet stops opposite the magnetic poles 9'-10. Shortly after, the balance returns to its original position driven by the energy returned to it by the balance-spring.
and the ellipse engages again in the fork 4. when the balance comes close to its neutral point. Then,
The permanent magnet 6 resumes its first position, that is to say it goes from the 9'-10 orientation to the 9-10 'orientation, being moved by the kinetic energy of the balance].
If the control coil now receives a current producing in the magnetic circuit a flow of direction opposite to that previously produced. The permanent magnet 6, repelled by the magnetic poles 9 'and 10, and attracted by the magnetic poles 9 and 10', is subjected to a mechanical torque of magnetic origin which accelerates its rotational movement and thus provides a new contribution of energy to the balance 1. Thus, by the repeated establishment in the control coil 12 of alternating electrical pulses in correspondence with the period of oscillation of the balance 1, the latter acquires more and more energy and finally reaches its normal amplitude at which the energy losses are balanced with the energy inputs.
The permanent magnet 6 is actuated with sufficient force in turn by the control current and by the kinetic energy of the balance 1, the magnetic flux going from the N pole 7 to the S pole 8 of the permanent magnet 6 being established alternately in the direction of the dotted line shown in fig. 1, therefore going from pole N 7 through magnetic pole 9,
The armature 11, and the magnetic pole 10 'to the pole
S 8, and in the direction of the dotted line shown in fig. 2, therefore going from pole 7 through magnetic pole 9 ', armature 11 and magnetic pole 10 to pole
S 8. At each change of direction of the magnetic flux in the armature 11, an electric voltage is induced in the control 12 and detection 13 coils, the direction of the induced voltage being opposite to that of the control current.
If the control current flows overcoming said induced voltage, the electromagnetic energy converted into mechanical energy increases the energy of the balance 1. Said induced voltage also acts as a synchronization signal for the electrical circuit fitted to the watch. The duration of the induced voltage pulse corresponds approximately to the duration of the engagement of the fork 4 with the ellipse 2 of the balance 1.
The change over time of this induced voltage is shown in fig. 9-I, in which the lower part corresponds to the induced voltage when the permanent magnet operates a dextrorotatory movement, the permanent magnet rotating from the 9-10 'direction to the 9'-10 direction, and the upper part corresponds to the voltage induced when the permanent magnet operates a levorotatory movement, the permanent magnet rotating from the 9'-10 direction to the 9-10 'direction. When the amplitude of oscillation of the balance 1 increases, the duration of engagement of the fork 4 decreases, at the same time, the speed of rotation of the permanent magnet 6 and the speed of variation of the magnetic flux increase, which increases the induced voltage as illustrated by the passage from the dotted line to the continuous line in FIG. 9-I.
Note in particular the fact that, in a transducer cooperating with a balance as shown in FIG. 1, the permanent magnet 6 integral with the fork 4 induces in the magnetic poles located opposite the N pole 7 and the S pole 8 magnetic charges of opposite polarities, thus being attracted and held in one of the positions 9-10 'or 9'-10 during most of the swing of the balance.
From this it follows that the relationship between the position angle e of the permanent magnet 6 and its magnetic potential energy corresponds to the diagram shown in FIG. 3, where -6 is the position angle of the maintained permanent magnet, as shown in fig. 1, near the magnetic poles 9-10 ', + µ the position angle corresponding to fig. 2, the magnet being maintained near the magnetic poles 9'-10 and the angle of position corresponding to the case where the magnet is equidistant from the poles 9 and 10 'and the poles 9' and 10, the pole
N 7 being located in the middle of the air gap 9-9 'and the pole S 8 being located in the middle of the air gap 10-10'.
As shown in fig. 3, during a rotation of the fork equal to 2 la, the magnetic potential energy passes through a maximum. The kinetic energy of the balance must therefore, when said balance has reached a stable state of oscillation in which the amplitude is high, be appreciably greater than this peak of potential energy.
In said stable state of oscillation, when the balance moves the fork 4 and the permanent magnet 6 from the angle -µ to the angle +6, the balance loses, in passing from -µ to µ, the necessary energy to overcome this ridge.
but it then recovers this same energy by going from {} n to + e so that there is no loss of energy for the balance itself. However, as at the start or at the start of the oscillation the kinetic energy of the balance is not sufficient to overcome said peak of potential energy, it is necessary, to avoid stopping the balance and allow it to pass said peak, to supply the transducer with a relatively powerful or relatively long electric pulse and of power reaching the minimum necessary, as the relatively low voltage of the electric batteries which can be mounted in a wristwatch makes it difficult to obtain very powerful pulses, it is preferable to provide an electric circuit increasing the duration and not the power of the pulses.
When starting or at the start of oscillation. the fork 4 of the transducer shown in fig. l is linked to the balance 1 during almost the entire period of oscillation and the electric circuit can actuate the balance only if it supplies the transducer with pulses of corresponding duration. On the other hand, as soon as the balance 1 reaches its stable state of oscillation, the period during which said balance 1 is linked to the fork 4 is shortened; therefore, if the circuit continues to supply the transducer with electrical pulses of long duration, much of the energy thus expended remains unused. It is then judicious to reduce the duration of the pulses. The electrical circuits described below, and especially intended for the timepiece described above, satisfy this condition.
EMI4.1
<tb>
a <SEP> 1 ° <SEP> device <SEP> according to <SEP> tie. <SEP> i <SEP> on <SEP> a <SEP> allowed <SEP> than <SEP> for
<tb> actuating the balance wheel the control current circulated alternately in both directions inside the control coil, so as to induce a magnetic flux alternately crossing the armature 11 in both directions. However, it is possible to communicate sufficient energy or balance by means of a unidirectional control current, it is also possible to maintain the oscillations of the balance 1, by using, to bring the fork 4, the kinetic energy balance and supplying the transducer with unidirectional current pulses in synchronism with the oscillations of the balance 1.
This amounts to saying that it is generally sufficient for the electrical circuit to supply, at a rate of only one per period of oscillation, the electrical impulses which the transducer transmits to the balance in the form of additional mechanical energy.
The remainder of the description relates to electrical circuits capable of supplying the transducer with electrical pulses in synchronism with the period of oscillation of the balance, in order to maintain said oscillations. Among these electrical circuits capable of delivering the desired pulses to the transducer, there are many typical circuits ranging from a simple amplifier to a transistor including the control coil in the collector circuit and the detection coil in the base circuit, to the oscillator blocked astable to a transistor comprising a timer capacitor determining the period of proper oscillation of the circuit in cooperation with a delay resistor connected, in series with the detection coil at the base of the transistor,
via monostable or astable multivibrators formed by two transistors of the same conduction polarities or of different conduction polarities. It should be noted however that, in the case of the simple amplifier, if no voltage is induced in the detection coil by the oscillations of the balance, the transistor is not made conductive, this makes starting from complete rest impossible.
In the blocked oscillator, the conduction time of the transistor, that is to say the duration of the electric pulses, is fixed by the self inductance of the control and detection coils and by their mutual inductance. As the magnetic circuit of the transducer is open at least in one place, as can be seen in fig. 1, the inductance is low and so is the duration of the pulses. In addition, it has been observed that such a circuit cooperating with the transducer described provides pulses increasing in duration when the amplitude of the balance increases. It is not possible to perform self-start by means of such a circuit.
In the case of the monostable multivibrator consisting of two transistors of the same polarity, as in the case of the simple amplifier, the output transistor does not become conductive in the absence of voltage induced on the coils. In the case of the astable multivibrator, even though the initial pulse duration can be made large enough for the balance to start from complete rest, the power consumption increases unfavorably in the steady state of oscillation because either or the other of the two transistors is still conductive.
As indicated above, it is not possible for conventional circuits to reconcile the self-starting of the balance and minimum power consumption.
EMI4.2
<tb> A5n <SEP> however <SEP> of <SEP> make <SEP> more <SEP> understandable <SEP> the <SEP> following
<tb> of <SEP> the <SEP> description <SEP> on <SEP> goes, <SEP> on <SEP> the <SEP> base <SEP> of <SEP> the <SEP> fig. <SEP> 4, <SEP> describe
<tb> as a comparative example, a conventional electrical circuit. Fig. 4 shows an astable oscillator consisting of two complementary transistors of different polarities in which the NPN transistor is the output transistor and the PNP transistor is the control transistor.
The negative induction voltage, shown in fig. 9-I, which is generated in the control coil 17 in correspondence with the movements of the balance, has the desired direction to make the control transistor 16 conductive. When this voltage is applied to the base of the control transistor 16, by l 'intermediate the timer capacitor 18 and the resistor 19 which controls the charging current of said capacitor 18, the circuit comprising the control transistor 16, the resistor 21 and the output transistor 15 is traversed by the collector current of the control transistor 16, which is also the base current of the output transistor 15.
The latter then also becomes a conductor, and its collector voltage decreases; this voltage drop makes the control transistor 16 even more conductive, producing a phenomenon of cumulative reaction in the circuit.
Then, as soon as the output transistor 15 is saturated, the voltage source 23 delivers its current through the control coil against the induced voltage and supplies energy to the balance. The charge current of the timer capacitor 18, which passes from the positive pole of the voltage source 23 through the emitter and the base of the control transistor 16, the resistor 19, the timer capacitor 18, the collector and the emitter of the transistor output 15 to return to the negative pole of the voltage source, gradually decreases. This decrease in load current rapidly cuts off the conduction of the control transistor 16 and of the output transistor 15 due to said cumulative reaction.
In this non-conductive state, if the discharge time constant of the timer capacitor 18, which depends on the resistors 19 and 20, is a little longer than the period of the pendulum, it is possible to achieve that the circuit is switched. again in the conductive state, when the induced voltage mentioned above and corresponding to the movement of the balance appears, provided that this voltage appears at the last moment before the circuit switches on its own. Thus, even with a conventional electrical circuit like the one shown in fig. 4, it is possible to control the transducer so that it provides energy pulses synchronized with the period of the balance.
However, the duration of the supplied electrical pulses is determined only by the timer capacitor 18 and the resistor 19 which controls its charging current. That is to say that the voltage capable of charging the timer-capacitor 18 being only that of the voltage source 23, and the charging voltage of the capacitor 18 having to reach at the end of the pulse a value close to the voltage itself of source 23, the charging time of capacitor 18 is determined by the time constant resulting from the values of said capacitor 18 and resistor 19.
Therefore, in the case where the energy is supplied to the balance by means of a transducer like that shown in fig. 1, case in which it is impossible to start the balance without supplying the transducer with a long electrical impulse at the time of starting, the values of the timer capacitor 18 and the resistor 19 must be set, in a circuit like that shown in fig. 4, so that the electric pulse has the desired duration. Although in this case the balance also ends up reaching a stable oscillation amplitude, the electrical impulses then keep the duration they had at the time of starting. and when the balance wheel ceases to be linked to the fork, the electrical circuit supplies the transducer with unused energy.
In the case where, as with wristwatches, low capacity batteries are used, this phenomenon excessively shortens their working life and therefore constitutes a serious practical defect. In fig. 4, a diode 22 absorbs at the end of the pulse the energy which is stored in the control coil.
Now in conjunction with fig. 5, a circuit specially designed for the present part is described in detail.
The special electrical circuit corresponding to the diagram in fig. 5 comprises a circuit branch intended for the cumulative reaction and constituted by the intermediate connection 12b of the control coil 12, the detection coil 13, these two coils forming part of the transducer shown in FIG. 1, the timer-capacitor 26, the resistor 27 controlling the charge of said capacitor 26, the base and the collector of the control transistor 25.
resistor 29, the base and collector of output transistor 24, and connections 12c and 12b of control coil 12; another branch of circuit intended for the charge delay of the capacitor 26 comprises the positive pole of the voltage source 31, the emitter and the base of the control transistor 25, the resistor 27, the timer-capacitor 26. la detection coil 13, the intermediate connection 12b and the terminal connection 12c of the control coil 12, the collector and the emitter of the output transistor 12 and the negative pole of the voltage source 31:
finally, the circuit branch intended for the discharge delay of the capacitor 26 comprises the positive pole of the voltage source 31, the terminal connection 12a and the intermediate connection 12b of the control coil 12, the detection coil 13. the capacitor -timer 26, resistor 27, timer resistor 28 which must make the natural period of the circuit a little longer than the period of the balance, and the negative pole of the voltage source 31. This diagram is that of a multivibrator astable using an NPN transistor 25 which is the output transistor, and a PNP transistor 24 which is the control transistor. In addition, a diode 30 absorbs the energy stored in the control coil and which must be absorbed during the end of pulse edge, as was also the case in the circuit shown in fig. 4.
The astable multivibrator according to fig. 5 oscillates of itself continuously, even when the pendulum is not in motion and supplies the transducer by the control coil 12 with electrical pulses of a certain duration. If these pulses provide enough energy to allow the permanent magnet 6 to cross the peak of potential mentioned above, the balance starts to oscillate. When the balance oscillates, voltages are induced in the control 12 and detection 13 coils.
These coils are connected, according to fig. 5, so that the voltages induced between the connections 12a and 12b of the control coil and the connections 13a and 13b of the detection coil add to each other, that is to say that 'they have a meaning such that they oppose the current coming from the source 31 in the control coil 12 and that they promote the passage of said current in the detection coil 13.
Thus, the voltages induced in the two coils force the transistors to become strongly conductive before the control transistor 25 does so due to the natural period of the circuit. Thus, an electric pulse reaches the control coil 12 and supplies the balance wheel at the desired moment. It can therefore be seen that the circuit according to FIG. 5 is synchronized with the oscillations of the balance of which it can thus increase the energy.
This special circuit, according to fig. 5, differs from the conventional circuit, according to fig. 4, by the following points:
It can, when starting the balance, provide pulses of great duration, independent of the oscillation of said balance.
When the balance wheel reaches a certain amplitude, the duration of the pulses begins to decrease and becomes a function of the amplitude of the said balance in a way (studied in detail below) which causes it to end at the very moment when the magnet ends. its movement. This second point corresponds to the character sought in the circuit according to FIG. 5.
Unlike the circuit according to fig. 4, the pulse duration of which remains constant, the circuit according to fig. 5, which supplies pulses whose duration is also determined by the charging time of the timer capacitor, works under conditions such that this charging time is sufficiently long when the balance is started, and is then, when the amplitude of the oscillations increases, shortened, even interrupted, under the action of the voltage induced in the detection coil connected in series in the charge timer circuit.
Now follow some considerations concerning the electromotive force which contributes to charge the capacitor-timer as soon as the circuit according to fig. 5 has been put into a conduction state. Let us denote by CtE the voltage existing on the intermediate connection 12b of the control coil 12, when the output transistor 24 is saturated. expression in which E is the voltage of the source 31, and Ct a fraction corresponding to the ratio of the number of turns existing between the connections 12b and 12c of the control coil 12 to the number of turns existing between the connections 12a and 12c of the same coil.
The voltage tending to charge the timer capacitor 26 is composed of the difference between the voltage E of the source 31 and the voltage seE of the connection 12b, of the induced voltage V in the coil 13 and of a voltage Vm generated in the coil 13 by mutual induction from coil 12.
We can write for this voltage tending to charge the timer capacitor 26, the following formula (1):
E-aEQV + Vm - c ± 'EQVÙVm (I) in which ax' = l-el
The impedance Z, seen from the two ends of the capacitor-timer 26 when the circuit, according to fig. 5, is conductive, is formed by the inductances of the control coil 12 and of the detection coil 13, by the ohmic resistance of their windings, by the resistance 27, by the saturation resistance between the emitter and the collector of the output transistor 24 and the saturation resistor between the emitter and the base of the control transistor 25.
However, since the value of resistor 27 is generally much greater than that of the other impedances, Z is approximately equal to R, and we can assume Z = R. It is also possible to consider 'E + Vm as constant during the duration of the electrical pulse in question provided that Vm, due to mutual induction, is sufficiently short and of low value. This simplification is admissible owing to the fact that the mutual inductance of the control and detection coils is very low, since the transducer of the type illustrated in FIG. 1 comprises a magnetic circuit open at least at one point.
On the other hand, when the balance is started, while no induced voltage has yet been generated, the voltages and charging currents of the timer-capacitor 26 are represented by formulas (2) and (3):
EMI6.1
I = a'E + Vm e - CR
I CR (3)
R where C is the capacitance of the timer-capacitor 26 and t the time.
These values V and I are represented as a function of time by the curves A in figs. 10-I and 10-II. From formulas (2) and (3) it emerges that the charging time constant is equal to CR. Since it is the charging current of the capacitor 26 which makes the transistor 25 conductive, if the value of the resistor 27 is increased, the charge time constant also increases and it is thus possible to keep the control transistor conductive for a period of time. long period. The output transistor 24 can therefore supply the control coil 12 with an electrical pulse of long duration.
Initially, the duration of the electric pulse is thus electrically increased in order to increase the amplitude of oscillation of the balance to the desired value. As soon as the amplitude is sufficient, the induced voltage, which increases with the amplitude, switches the control transistor into the conducting state just before the end of the natural period of the multivibrator, the electric circuit being thus synchronized with the period of the balance. On the other hand, when this induced voltage begins to be generated, the charging conditions of the timer-capacitor change, i.e. the voltage tending to charge the capacitor 26 goes from a'E + Vm to a .'E + Vm + V, and when the induced voltage disappears, it returns to the value a'E + Vm.
The increase in amplitude therefore results in an increase in the charge current which, during the pulse, rapidly increases the charge voltage and decreases the time which would be necessary for the voltage at the terminals of the capacitor to reach the value a'E + Vm which would end the pulse if the voltage across the terminals of coil 13 was zero.
As long as this voltage is not zero, the pulse can continue, even if the voltage at the terminals of the capacitor exceeds this value ct'E + Vm, provided that it is still less than 'E + Vm + V; this is what occurs at large amplitude (for large values of V) and therefore the voltage of the capacitor comes, during the pulse, to exceed a.'E + Vm; at the moment when the voltage at the terminals of the capacitor has exceeded a'E + Vm, a cancellation of V causes instantaneously the end of the pulse, which results in the pulse terminating at the very moment when V is canceled , that is, where the magnet finishes its course.
Thus, the charging current disappears very quickly and the conduction duration of the control transistor 25, controlled by said charging current, adapting to the movement of the magnet so that the conduction period ends with it, becomes very weak, which decreases the duration of the electrical impulses supplied so as to make them finish when the magnet completes its movement.
For example, in the case where the induced voltage reaches a value approximately equal to a'E + Vm, the timer-capacitor 26 charges rapidly at least to this voltage otE t Vm and, when V disappears, the charging current is canceled immediately, since the voltage has already reached its final value a'E + Vm, the electrical pulse duration is thus reduced to the essential minimum.
Since the time during which the voltage is induced is practically equal to the time during which the fork 4 and the balance 1 are linked (see fig. 1), and since the duration of the electric pulse supplied to the control coil 12 is equal to the duration of the induced voltage, when the balance 1 has reached its normal amplitude, its oscillations are maintained with maximum efficiency.
Conversely, in the case where the amplitude of the balance decreases, as a result of external or other disturbances, the induced voltage becomes weak again, which has the effect of restoring the pulse to its first duration, and therefore thereby immediately straining the restoration of normal amplitude. It therefore appears that this possibility of electrically controlling the amplitude is one of the particular characteristics of the electric circuit used for the present timepiece, a circuit in which the charging time of the timer-capacitor is a function of the amplitude of the balance.
The curves B of fig. 10-I and 10-Il represent the evolution, as a function of time, of the voltage and of the charging current of the capacitor, when the voltage V is induced in the coils, therefore at normal amplitude.
It can be seen that the duration of the electric pulses changes from the value t0 to the value toto, when the amplitude goes from zero to its normal value.
Fig. 9 represents the evolution of the voltages as a function of time at different points of the electric circuit according to FIG. 5. FIG. 9-II shows the voltage at the collector of the output transistor 24 and fig. 9-III the voltage at the base of the control transistor. In each of these figures, the dotted line corresponds to the start of the balance and the continuous line to the stable state of oscillation of the balance.
We see in these figures that the pulses marked by the dotted line, for which the induced voltage is zero or very low (fig. 9-I), are of longer duration than the pulses marked by the continuous line, for which the voltage induced is large (fig. 9-I). It therefore appears that the electrical pulse is notably shorter at normal amplitude than during start-up. We also see fig. 9-II and 9-III the portions C and d representing the tensions induced during the return movement of the balance.
In fig. 9, we have admitted a '= I. Note that the intermediate connection 12b of the control coil 12 intended to facilitate the adjustment of the pulse duration by making the induced voltage V approximately equal to & + Vm, if the source voltage is relatively low, I The desired effect can be obtained by connecting the detection coil 13 directly to the collector of the output transistor 24, which gives a '= 1, and therefore a'E = E, as admitted for FIG. 9.
Fig. 6 shows another arrangement of the electrical circuit which can be used for the part described. The difference between the arrangement according to fig. 6 and the arrangement according to FIG. 5 consists in that the detection coil 13 is inserted between the emitter of the control transistor 25 and the positive pole of the voltage source 31. In this case, the curve of the voltage on the basis of the control transistor, shown fig. 9, is slightly modified; however it is clear that the effect resulting from the arrangement according to fig. 6 is the same as that resulting from the arrangement according to FIG. 5, no modification being made in the charging circuit of the capacitor-timer 26.
Fig. 7 shows a third possible electrical circuit arrangement that can be used for the part described. In this arrangement, the electromotive forces tending to charge the timer-capacitor 26 are essentially the same as in the arrangements according to FIG. 5 and 6, except the fact that the comparison voltage due to the current source 31 is not a'E but aE.
Fig. 8 shows a fourth possible electrical circuit arrangement that can be used for the part described.
This arrangement differs from the arrangement in fig. 7 only in that the detection coil 13 is inserted.
in the capacitor charging circuit, between the intermediate connection 12b of the control coil 12 and the emitter of the control transistor 25. which does not modify anything essential from the previous circuits according to FIG. 5, 6 and 7.
In each of the arrangements according to fig. 5, 6. 7 and 8 the resistor 27, responsible for controlling the charge of the timer-capacitor 26, can fulfill its function.
wherever it is inserted into the charging circuit of said capacitor, provided that it is not in series in the loop formed by the voltage source 31, the control coil 12 and the collector and the emitter of output transistor 24.
As previously stated. the part described above is therefore capable of starting on its own, even in the case where the transducer must overcome a large peak of potential energy to cross neutral and maintain the oscillations of the balance. It also reduces power consumption to a minimum when the balance has reached its stable state of oscillation. In addition, it controls and stabilizes the amplitude of the oscillations of the balance.
The above description is limited to the exemplary embodiment using a transducer of the type shown in FIG. 1, but the electrical circuits described can be suitably used in conjunction with other transducers, and in particular with transducers which must, on start-up, first overcome an energy peak.
The circuits described according to fig. 5, 6, 7 and 8 use an NPN transistor as output transistor and a PNP transistor as control transistor, it is clear that circuits having a reciprocally inverted arrangement of the transistors would be equivalent to the circuits represented by these figs. 5, 6, 7 and 8.