Montre électronique
Les montres électroniques munies d'un oscillateur électromécanique qui sert de base de temps sont difficiles à réaliser, car la fréquence propre du résonateur n'est pas indépendante de la position de celuici. En effet, la pesanteur produit sur l'élément oscillant une composante perturbatrice dont la direction, lorsque la montre est portée, dépend de la position de cette dernière. Cette composante variable est source de l'erreur dite de gravitation o.
La fig. 1 du dessin montre schématiquement l'effet produit par la pesanteur: une lame vibrante qui, au repos, est verticale et fixée par son extrémité supérieure, est soumise lors d'un écart X, par l'effet de la pe pesanteur m.g dirigée vers le bas, à une composante a qui comme force perturbatrice, a la direction de l'écart et se superpose à la force de rappel de la lame. La grandeur de cette composante a peut être considérée, pour de petites oscillations, comme pratiquement proportionnelle à l'écart X: elle a donc le caractère d'une force perturbatrice élastique, étant donné, ainsi qu'il est bien connu, que l'essence d'une force élastique est d'être proportionnelle à la déviation de la pièce élastique.
Mais si la fig. 1 est retournée de 1800, de façon que la pesanteur agisse à l'extrémité supérieure de la lame, on voit immédiatement que, dans ce cas, la composante perturbatrice a sera négative, autrement dit opposée à la force de rappel de la lame. Ainsi, les forces qui agissant sur la lame vibrante représentée en fig. I, dépendent de la position de cette lame par rapport au champ terrestre et par conséquent la fréquence propre de cette lame en dépend aussi. Ainsi, la lame vibrante n'est pas indiquée pour être utilisée comme organe ayant une fréquence invariable, donc, comme résonateur dans un oscillaleur électromécanique destiné aux montres.
En particulier, les résonateurs ulilisant une bilame magnétostrictive qui ont été proposés pour équiper des pièces d'horlogerie ne sont pas non plus exempts, bien que dans une plus faible mesure que les lames vibrant librement, de cette erreur de gravitation.
Dans la montre objet de l'invention, on utilise, comme base de temps, un oscillateur comprenant une bilame magnétostrictive en forme de double U et qui ne présente pas l'effet perturbateur susmentionné.
En recourant à deux manières de produire une magnétisation préalable permanente de la bilame, on obtient, comme il sera montré plus loin, deux modes d'oscillation différents de cette bilame, modes dans lesquels les effets perturbateurs résultant du champ terrestre sont sans effet, dans toutes les positions de la bilame par rapport au champ terrestre. En même temps, par une magnétisation préalable spéciale, on obtient que le point de travail * de la bilame se trouve déplacé sur la ligne caractéristique de déformation et de champ magnétique, dans une région pour laquelle de petites variations du champ magnétique produisent de grands écarts.
Les fig. 2 à 12 du dessin concernent différentes formes d'exécution et des variantes de l'objet de la présente invention, données à titre d'exemple.
Les fig. 2 et 3 montrent deux formes d'exécution de l'oscillateur: les fig. 4, 5, 6, 7a et 7b concernent des variantes. Les fig. 8, 9, 10, montrent trois autres formes d'exécution. La fig. I I est un diagramme explicatif ct la fig. 12, un schéma d'une montre élec troniq ue.
La fig. 2 représente une première forme d'exécution d'un oscillateur, sa bilame en forme de double
U est constituée de deux lames la et 1D, cette de- nière étant représentée hachurée. La bilame est suspendue par ses deux points nodaux K à des lames élastiques 5 et 6 dont une dcs extrémités est fixée à un support 7 stationnaire, c'est-à-dire solidaire de la montre.
Il est connu de la mécanique, que lors de la flexion d'une lame, dans le cas particulier lors de la vibration en flexion de celle-ci, chaque point de la section droite de la lame est sollicité par une tension qui se décompose en deux composantes. l'une normale et l'autre tangentielle, dont la composante nor male est beaucoup plus grande que la composante tangentielle. Il en est de même pour une bilame.
Dans le cas particulier la bilame étant fléchie par la déformation magnétostrictive dans deux directions opposées, elle présentera deux points nodaux, c'està-dire des points par lesquels passent des sections droites dans lesquelles les composantes nonuales sont nulles en tout point de la section.
Pour que la composante tangentielle, bien que relativement faible, ne soit pas transmise au boîtier de la montre, on a prévu des lamelles élastiques de suspension 5 et 6 qui l'absorbent. La fixation rigide de ces lamelles aux points nodaux de la bilame peut se faire par rivage, soudage ou même collage. La fig. 4 donne une vue schématique de la partie de la bilame
I sur laquelle est fixée par encastrement l'extrémité de la lame élastique 5, respectivement 6.
La bilame I est constituée par deux lamelles juxtaposées la et Ih. ayant des coefficients de magnétostriction différents, I'une d'elle peut être constituée d'un alliage de 3S 6/o Ni, 5 < )/o Çr, 0,100/o (, 0,75 O/o
Ti, le reste de Fe, alors que l'autre lame peut être en un alliage du type 96 O/B Ni, 40/o Co.
Dans le cas d'une montre. les dimensions de la bilame sont par exemple : longueur i' environ 16 mm; distance entre les extrémités libres BB' environ 5 mm: épaisseur de la bilame environ 0,15 mm. Une telle bilame, alimentée par une batterie débitant une puissance de 3 microwatts el ayant une fréquence de 300 Hz, subit une déviation de l'ordre de 0,01 mm.
La prémagnétisation de la bilame est obtenue (fig. 2) par un aimant 2 qui est disposé parallèlement à la droite joignant les extrémités libres BB' de la bilame et présente à l'extrémité B, son pôle N el à l'extrémité B' son pôle S. De cette manière, la bilame est prémagnétisée par un champ continu s'étendant pratiquement dans un même sens, de son extrémité
B à son extrémité B'.
Une bobine captrice Bc est disposée autour de l'une des jambes extérieures du double U alors qu'une bobine motrice Bm entoure l'autre jambe extérieure.
La bobine captrice est incorporée de façon connue au circuit d'entrée d'un amplificateur 10 alors que la bobine motrice est incorporée au circuit de sortie de cet amplificateur. Lorsque la bobine motrice Bin reçoit une impulsion de courant, la lame lb s'allonge en vertu de ses propriétés magnétostrictives, tandis que la iongueui- de la lame 1ü ne varie pratiquement pas. Cet nllongenlent provoque une déformation de la bilame, déformation telle que le point A se déplace vers la droite, dans le sens de la flèche, alors que le point 13 se déplace vers la gauche.
En correspondancc, le point B' sc déplace vers la droite et le point A' vers la gauche, de telle sorte que les points A et A' se rapprochent l'un de l'autre alors que les points B et B' s'éloignent l'un de l'autre.
Chacun de ces quatre points décrit un arc de cercle sur lequel agit une composante de la pesanteur, telle que a de la fig. 1 , laquelle est positive pour les points
A et A' et négative pour les points B et B'. Lorsque l'on donne à la bilame (fig. 2) une longueur ] | légèrement supérieuie à i;, les circonférences sur lesquelles agissent lesdites composantes a de gravité de sens opposé, ont des diamètres différents et les composantes a ont une résultante non nulle.
Si les longueui-s I et I, de la fig. 2 sont choisies à peu près de même valeur, les composantes perturbatrices susmentionnées sont égales et opposées. La perturbation produite par la pesanteur disparaît donc et ceci pour toutes les positions dans le champ terrestre de l'oscillateur.
Le rôle de la prémagnétisation peut être expliqué par le diagramme de la fig. 11 qui comprend, en abscisse, le champ magnétique H total appliqué à la bilame el en ordonnéc les allongements relatifs 4 de la bilame. La courbe S sera donc la caractéristique donnant les valeurs proportionnelles aux déplacement
A, A', B, B' en fonction du champ magnétique. Lorsque la prémagnétisation est nulle, et que la bobine Bm produit un champ t ;\ H, lesdits déplacements, appelés dans la suite écarts, sont très faible.
Lorsque l'on soumet la bilame à une prémagnétisation, produite par le champ i H < t de l'aimant permanent, le point de travail P se trouve dans la partie fortement inclinée de la caractcristisqlle. de sorte qu une augmentation de champ o \ H provoque une grande variation d'écart
Dans la forme d'exécution de la fig. 3, la bilame se trouve dans un champ de magnétisation homogène et le point de travail est le même en toutes ses sections.
La prémagnétisation étant différente de celle représentée à la fig. 2, la forme d'oscillation est toute différente. De nouveau la bilame B, en forme de double U, est suspendue en ses points nodaux au moyen de lames élastiques 5, 6, dont une extrémité est fixée au support 7. La disposition des bobines
Bc et Bm est égalcment la même que dans l'exemple précédent. La bilame est donc placée dans un champ magnétique extérieur qui est orienté suivant l'axe longitudinal des jambes du double U. La prémagnétisation est donnée par deux aimants parallèles 3, 4 qui, disposés dans le plan de la bilame, engendrent un champ approximativement homogène.
Les aimants sont placés parallèlement à la droite joignant les ex extrémités libres B, n' de la bilame et à la tangente commune aux sommets des deux arrondis du double U.
La bilame est ainsi disposée entre le pôle S de l'aimant 3 et le pôle N de l'aimant 4. Ce champ prémagnétise la bilame d'une façon discontinue aux points A, A' et C, de sorte que le sens de prémagnétisation est inverse. Selon la fig. 11. les points de travail P des jambes A-B et A'-C sont définis par le champ + Ho tandis il que les points de travail P' des jambes A-C et A'-B' sont définis par le champ -Ho.
Le champ I NH induit par la bobine motrice Bnt dans la bilame est le même en chaque point de la bilame et produit, comme montré en fig. II, dans toutes les sections susmentionnées de la bilame, une augmentation régulière du champ qui, cependant, pour les sections B-A et C-A' avec le point de travail P produisent un allongement -t- .\). et pour les sections A-C et A'B' avec le point de travail P' un raccourcissement -A i..
Ainsi selon la fig. 3. I'extrémité B et le point d'inflexion A de la bilame se déplacent à peu près linéairement vers la gauche alors que l'extrémité B' et le point d'inflexion A' se déplacent vers la droite.
Lorsque la longueur 1 de la fig. 2 est environ équivalente à 1,02 fois la longueur 1 l, les points A, A' et B, B' se déplacent sur une droite perpendiculaire à la direction du champ de prémagnétisation. Comme dans la forme d'exécution précédente, les composantes perturbatrices dues à la pesanteur s'annulent de façon que le travail de l'oscillateur est indépendant de sa position.
Lorsque la partie centrale du double U, partie à laquelle appartient le point C, (fig. 3) présente une courbure suffisamment grande, les deux points nodaux K se rapprochent l'un de l'autre et constituent pratiquement une zone nodale permettant de suspendre la bilame soit au moyen d'un seul élément 1 1 (fig. 5) relié élastiquement à un support stationnaire 17, soit au moyen d'un bloc 21 (fig. 6) lié rigidement à un support stationnaire 27. Les fig. 7a et 7h représentent un mode de fixation simple, suivant lequel la bilame est fixée par collage ou serrage, dans la rainure 32 de la virole 31. Celle-ci est assemblée au bâti 38 par une vis 33.
Les bobines captrices Be et motrices Bm peuvent être disposées de diverses manières autour de la bilame. On voit à la fig. 8 que ces deux bobines coaxiales sont placées autour des deux jambes intérieures de la bilame 1. Dans les fig. 9 et l0, il y a trois bobines la première entoure l'une des jambes extérieures, la seconde, les deux jambes intérieures et la troisième, I'autre jambe extérieure; dans la fig. 9.
les bobines extérieures sont motrices, dans la fig. 10, elles sont captrices.
La fig. 12 montre le schéma de principe d'une montre électronique comprenant le résonateur 1 entretenu par ses bobines captrice Bc et motrice
Bm, à travers un amplificateur V. Cet ensemble constitue un générateur de fréquence réglant les oscillalions d'un oscillateur moteur comprenant un résonateur 81 entraînant, par un cliquet 86, la roue 87, première du rouage de minuterie. Ce résonateur 81 présente la forme d'un U et possède une fréquence propre F,, qui est un sous-multiple de la fréquence fo du résonateur, la fréquence de vibration est F fo/n, où n est un nombre entier, et F, frO
n
L'oscillateur moteur comprend les bobines cap- trice be et motrice hni reliées par un circuit d'amplification.
Dans une réalisation pratique, la fréquence du résonateur est de 300 ou 450 Hz et le facteur de division n vaut 2 ou 3.
L'oscillateur moteur 81 peul évidemment présenter d'autres fonnes qu'un U, par exemple celle d'une lame vibrante rectiligne, ou d'tin élément ma gnétostrictif.
Electronic watch
Electronic watches fitted with an electromechanical oscillator which serves as a time base are difficult to produce, since the natural frequency of the resonator is not independent of its position. Indeed, gravity produces on the oscillating element a disturbing component whose direction, when the watch is worn, depends on the position of the latter. This variable component is the source of the so-called gravitation error o.
Fig. 1 of the drawing schematically shows the effect produced by gravity: a vibrating blade which, at rest, is vertical and fixed by its upper end, is subjected during a deviation X, by the effect of the gravity pe directed towards the bottom, to a component a which, as a disturbing force, has the direction of the gap and is superimposed on the return force of the blade. The magnitude of this component a can be considered, for small oscillations, as practically proportional to the deviation X: it therefore has the character of an elastic disturbing force, given, as is well known, that the essence of an elastic force is to be proportional to the deviation of the elastic piece.
But if fig. 1 is returned from 1800, so that gravity acts at the upper end of the blade, we immediately see that, in this case, the disturbing component a will be negative, in other words opposite to the restoring force of the blade. Thus, the forces which act on the vibrating blade represented in fig. I, depend on the position of this plate relative to the terrestrial field and consequently the natural frequency of this plate also depends on it. Thus, the vibrating blade is not indicated to be used as an organ having an invariable frequency, therefore, as a resonator in an electromechanical oscillator intended for watches.
In particular, the resonators using a magnetostrictive bimetallic strip which have been proposed to equip timepieces are also not exempt, although to a lesser extent than the freely vibrating blades, from this gravitational error.
In the watch which is the subject of the invention, an oscillator is used as the time base comprising a magnetostrictive bimetal strip in the form of a double U and which does not have the above-mentioned disturbing effect.
By resorting to two ways of producing a permanent prior magnetization of the bimetallic strip, we obtain, as will be shown below, two different oscillation modes of this bimetallic strip, modes in which the disturbing effects resulting from the terrestrial field have no effect, in all positions of the bimetallic strip in relation to the terrestrial field. At the same time, by means of a special prior magnetization, it is obtained that the working point * of the bimetallic strip is displaced on the characteristic line of deformation and magnetic field, in a region for which small variations in the magnetic field produce large differences .
Figs. 2 to 12 of the drawing relate to different embodiments and variants of the subject of the present invention, given by way of example.
Figs. 2 and 3 show two embodiments of the oscillator: FIGS. 4, 5, 6, 7a and 7b relate to variants. Figs. 8, 9, 10 show three other embodiments. Fig. I I is an explanatory diagram and fig. 12, a diagram of an electronic watch.
Fig. 2 shows a first embodiment of an oscillator, its bimetallic strip in the form of a double
U consists of two blades 1a and 1D, the latter being shown hatched. The bimetallic strip is suspended by its two nodal points K from elastic blades 5 and 6, one end of which is fixed to a stationary support 7, that is to say integral with the watch.
It is known in mechanics, that during the bending of a blade, in the particular case during the vibration in bending of the latter, each point of the cross section of the blade is stressed by a tension which breaks down into two components. one normal and the other tangential, whose normal component is much larger than the tangential component. It is the same for a bimetallic strip.
In the particular case the bimetallic strip being bent by the magnetostrictive deformation in two opposite directions, it will present two nodal points, ie points by which pass straight sections in which the nonual components are null in any point of the section.
So that the tangential component, although relatively small, is not transmitted to the watch case, elastic suspension strips 5 and 6 are provided which absorb it. The rigid fixing of these strips to the nodal points of the bimetallic strip can be done by shore, welding or even gluing. Fig. 4 gives a schematic view of the part of the bimetallic strip
I on which the end of the elastic blade 5, respectively 6, is fixed by embedding.
The bimetallic strip I consists of two juxtaposed lamellae la and Ih. having different magnetostriction coefficients, one of them may be made of an alloy of 3S 6 / o Ni, 5 <) / o Çr, 0.100 / o (, 0.75 O / o
Ti, the rest of Fe, while the other blade may be an alloy of the type 96 O / B Ni, 40 / o Co.
In the case of a watch. the dimensions of the bimetal strip are for example: length i ′ approximately 16 mm; distance between the free ends BB 'approximately 5 mm: thickness of the bimetallic strip approximately 0.15 mm. Such a bimetallic strip, supplied by a battery delivering a power of 3 microwatts el having a frequency of 300 Hz, undergoes a deviation of the order of 0.01 mm.
The premagnetization of the bimetallic strip is obtained (fig. 2) by a magnet 2 which is arranged parallel to the right joining the free ends BB 'of the bimetallic strip and has, at the end B, its pole N el at the end B' its S pole. In this way, the bimetallic strip is premagnetized by a continuous field extending practically in the same direction, from its end
B at its end B '.
A sensing coil Bc is arranged around one of the outer legs of the double U while a driving coil Bm surrounds the other outer leg.
The pick-up coil is incorporated in a known manner into the input circuit of an amplifier 10 while the drive coil is incorporated into the output circuit of this amplifier. When the driving coil Bin receives a current pulse, the blade lb elongates by virtue of its magnetostrictive properties, while the iongueui- of the blade 1ü practically does not vary. This nllongenlent causes a deformation of the bimetallic strip, deformation such that point A moves to the right, in the direction of the arrow, while point 13 moves to the left.
In correspondence, point B 'sc moves to the right and point A' to the left, so that points A and A 'approach each other while points B and B' s' move away from each other.
Each of these four points describes an arc of a circle on which a component of gravity acts, as in fig. 1, which is positive for the points
A and A 'and negative for points B and B'. When we give the bimetallic strip (fig. 2) a length] | slightly greater than i;, the circumferences on which said components have gravity in opposite directions, have different diameters and the components a have a non-zero result.
If the lengths I and I, from fig. 2 are chosen to be of approximately the same value, the above-mentioned disturbing components are equal and opposite. The disturbance produced by gravity therefore disappears and this for all positions in the terrestrial field of the oscillator.
The role of premagnetization can be explained by the diagram in fig. 11 which comprises, on the abscissa, the total magnetic field H applied to the bimetallic strip and in order the relative elongations 4 of the bimetallic strip. The curve S will therefore be the characteristic giving the values proportional to the displacement
A, A ', B, B' depending on the magnetic field. When the premagnetization is zero, and the coil Bm produces a field t; \ H, said displacements, hereinafter called deviations, are very small.
When the bimetallic strip is subjected to a premagnetization, produced by the field i H <t of the permanent magnet, the working point P is located in the strongly inclined part of the characteristic. so that an increase in field o \ H causes a large variation in deviation
In the embodiment of FIG. 3, the bimetallic strip is in a homogeneous magnetization field and the working point is the same in all its sections.
The premagnetization being different from that shown in FIG. 2, the form of oscillation is quite different. Again the bimetallic strip B, in the form of a double U, is suspended at its nodal points by means of elastic blades 5, 6, one end of which is fixed to the support 7. The arrangement of the coils
Bc and Bm is also the same as in the previous example. The bimetallic strip is therefore placed in an external magnetic field which is oriented along the longitudinal axis of the legs of the double U. The premagnetization is given by two parallel magnets 3, 4 which, arranged in the plane of the bimetallic strip, generate an approximately homogeneous field .
The magnets are placed parallel to the right joining the ex free ends B, n 'of the bimetallic strip and to the tangent common to the vertices of the two rounds of the double U.
The bimetallic strip is thus placed between the pole S of the magnet 3 and the N pole of the magnet 4. This field premagnetizes the bimetallic strip discontinuously at points A, A 'and C, so that the direction of premagnetization is the opposite. According to fig. 11. the working points P of the legs A-B and A'-C are defined by the field + Ho while the working points P 'of the legs A-C and A'-B' are defined by the field -Ho.
The field I NH induced by the driving coil Bnt in the bimetallic strip is the same at each point of the bimetallic strip and produced, as shown in fig. II, in all the above-mentioned sections of the bimetallic strip, a regular increase in the field which, however, for sections B-A and C-A 'with the working point P produce an elongation -t-. \). and for sections A-C and A'B 'with the working point P' a shortening -A i ..
Thus according to fig. 3. the end B and the point of inflection A of the bimetallic strip move approximately linearly to the left while the end B 'and the point of inflection A' move to the right.
When the length 1 of fig. 2 is approximately equivalent to 1.02 times the length 11 l, the points A, A 'and B, B' move on a straight line perpendicular to the direction of the premagnetization field. As in the previous embodiment, the disturbing components due to gravity cancel each other out so that the work of the oscillator is independent of its position.
When the central part of the double U, part to which the point C belongs (fig. 3) has a sufficiently large curvature, the two nodal points K approach each other and practically constitute a nodal zone making it possible to suspend the bimetallic strip either by means of a single element 11 (fig. 5) connected elastically to a stationary support 17, or by means of a block 21 (fig. 6) rigidly connected to a stationary support 27. FIGS. 7a and 7h represent a simple method of fixing, according to which the bimetallic strip is fixed by gluing or tightening, in the groove 32 of the ferrule 31. The latter is assembled to the frame 38 by a screw 33.
The capturing coils Be and driving coils Bm can be arranged in various ways around the bimetallic strip. We see in fig. 8 that these two coaxial coils are placed around the two inner legs of the bimetallic strip 1. In FIGS. 9 and 10, there are three coils the first surrounds one of the outer legs, the second, the two inner legs and the third, the other outer leg; in fig. 9.
the outer coils are driven, in fig. 10, they are captivating.
Fig. 12 shows the block diagram of an electronic watch comprising the resonator 1 maintained by its pick-up Bc and driving coils
Bm, through an amplifier V. This assembly constitutes a frequency generator regulating the oscillations of a motor oscillator comprising a resonator 81 driving, by a pawl 86, the wheel 87, first of the gear train of the timer. This resonator 81 has the shape of a U and has a natural frequency F ,, which is a sub-multiple of the frequency fo of the resonator, the vibration frequency is F fo / n, where n is an integer, and F , frO
not
The motor oscillator comprises the conducting and hni driving coils connected by an amplification circuit.
In a practical embodiment, the frequency of the resonator is 300 or 450 Hz and the division factor n is 2 or 3.
The motor oscillator 81 can obviously have other forms than a U, for example that of a rectilinear vibrating blade, or of a gnetostrictive element.