Brevet FR2085458A1 — publié le 19711224

La présente invention concerne les indicateurs horométriques autonomes du type dont les moyens d'indication sont animés et régulés par des moyens fonctionnant à partir d'une réserve énergétique constituée par une batterie électrique. Dans les appareils connus de ce genre, et en particulier dans ceux qui, comme les montres, sont destinés à être portés en permanence par un individu dont on a cherché à favoriser le plues possible le confort par réduction des dimensions et du poids, ainsi que, concurremment, par augmentation de l'autonomie et de la régularité de marche, on trouve, réunis dans un boltier plus ou moins hermétique de très petites dimensions, des moyens indicateurs traditionnels : aiguilles, disques chiffrés, etc, mus électromécaniquement par l'intermédiaire d'un rouage réducteur de vitesse, par des moyens moteurs miniaturisés : micromoteur synchrone, diapason à rochet, etc, dont le mouvement est entretenu et régulé sur la réserve énergétique d'une microbatterie, grâce à une base de temps qui, dans les réalisations les plus perfectionnées, est constituée par un oscillateur électronique à cristal vibrant. On connait les inconvénients de telles réalisations qui, en cumulant ceux inhérents d'une part, à l'emploi de moyens mécaniques traditionnels dont la vulnérabilité impose les précautions d'entretien et de protection que lton sait, et, d'autre part, à l'emploi de moyens électrodynamiques dont la consommation permanente et non négligeable s'exerce au détriment d'une réserve énergétique très limitée, en compromettant leur fiabilité, leur précision et leur autonomie et, de toute manière, en obligeant leur constructeur à des précautions technologiques coûteuses pour s en affranchir en partie, réduisent dans une large mesure leur intéret et les avantages qu'ils prétendent avoir sur les réalisations traditionnelles dont le mouvement, entièrement mécanique, est entretenu automatiquement par inertie. Le dispositif suivant l'invention permet d'éviter ces incon vénients en supprimant complètement les moyens électro-mécaniques employés jusqu'à présent. Dans la réalisation proposée, en effet, l'ensemble des moyens mis en oeuvre tant pour traduire visuellement l'indication de l'heure - et de ses sous-multiples usuels - que pour animer et réguler le déplacement horométrique des éléments indicateurs, sont intégralement statiques et fonctionnent électroniquement sur la seule réserve d'énergie électrique incorporée au boîtier de dimensions usuelles contenant l'ensemble du dispositif. Le dispositif objet de l'invention comporte essentiellement sous forme de trois sous-ensembles associés à semi-conducteurs de structure intégrée - ane base de temps constituée de façon connue par un oscillateur à cristal étalon de pilotage délivrant des signaux périodiques de fréquence élevée, réduite à une fréquence très basse par un diviseur de structure également connue, constitué par une série de bascules bistables en nombre convenable;; - un système de codage digital, comportant plusieurs registres à décalage, destinés, à partir des signaux périodiques fournis par la base de temps , à commander le déplacement quantique des indications horométriques ainsi que des moyens permettant d'effectuer leur recalage arbitraire en vue d'une éventuelle remise à l'heure - un ensemble indicateur constitué par au moins une série d'éléments semi-conducteurs photo-émissifs dont l'excitation successive est commandée par le système de codage précité et dont l'allumage, dans un but dléconoblie- énergétique, peut être commandé arbitrairement par l'utilisateur. L'exposé qui suit, d'un principe de réalisation donné à titre d'exemple, permettra, en regard des diverses figures du dessin annexé, de bien saisir, tout en appréciant sa portée, la constitution et le fonctionnement de l'invention ; sur le dessin - la figure 1 représente, sous forme schématique, l'organisation générale des différents moyens du dispositif - les figures 2 et 2A représentent respectivement l'orga nisation d'une série de cellules successives d'un registre à décalage conçu pour être réalisé suivant la technologie intégrée MOS et le diagramme des phases de l'information évoluant dans ce registre - les figures 3 et 3A représentent respectivement l'organisation dtune série de cellules successives d'un registre à décalage conçu pour être réalisé suivant la technologie intégrée GOS-MOS et le diagramme des phases de l'information évoluant dans ce registre - la figure 4 représente schématiquement le dispositif optique permettant d'améliorer les conditions de lecture des moyens indicateurs photo-émissifs. Tel qu'il est représenté dans son organisation théorique générale (figure 1), le dispositif est essentiellement constitué, comme on dit plus haut, de l'association dans un même ensemble fonctionnel dlune base de temps Bt, d'un système de codage digital comportant trois registres à décalage en boucle fermée Rs, Rm et Rh et d'un ensemble indicateur comportant les deux rampes d'éléments photo-émissifs Lsm et Lh. Le dispositif, y compris sa réserve énergétique, étant destiné à être logé dans le volume très restreint -quelques centimètres cubesd'un boîtier de montre usuelle, sa réalisation, telle quelle est ici proposée, n'est envisageable que si l'on dispose de moyens technologiques permettant d'intégrer un très grand nombre d'éléments fonctionnels associés dans un espace très restreint, les éléments en question devant, en outre, pouvoir fonctionner en permanence pendant une période de temps d'au moins une année en puisant leur énergie dans une réserve de faible capacité (quelques 10 mA.h) et de très basse tension (quelques volts).De tels moyens technologiques sont dès à présent disponibles sur le marché industriel international et consistent d'une part, pour ce qui concerne la circuiterie électronique complexe, en des structures monolithiques complexes à semi-conducteurs universellement désignés sous l'appellation MOS et COS-MOS ; autre part, pour ce qui concerne les éléments de visualisation, en des microdiodes photo-émissives à l'ar- séniure de Gallium dont le pouvoir d'émission d'une lumière colorée visible en lumière ambiante normale nécessite dans l'état actuel des techniques seulement 2 mA sous 1, 5 V de puissance de commande d'allumage. La base de temps Bt, schématiquement représentée (figure 1) ne sera pas décrite, car son organisation interne est des plus classiques dans le domaine de l'horlogerie électrique : il suffit donc de préciser qu'elle se compose d'un oscillateur transistorisé 0, piloté par quartz étalon dont la fréquence d'oscillation (par exemple et de préférence : 8 192 Hz) est abaissé à 0, 5 Hz par un diviseur de fréquence D essentiellement constitué d'un registre à décalage transistorisé comportant (dans ce cas particulier de division par 214), quatorze bascules bistables Le signal périodique de base (demi-période = 1 seconde) ainsi disponible est introduit à travers l'interrupteur K1, dont le rôle sera expliqué plus loin, dans un inverseur de phase X, aux sorties duquel, on dispose, sur deux lignes distinctes de deux signaux périodiques de base Cs et Cs, en opposition de phase, destinés à la commande de chacune des soixante s cel lules unitaires du registre à décalage bouclé des secondes Rs qui est le siège d'une information logique circulatoire véhiculée indéfiniment d'une cellule S à la suivante (S + 1) au rythme périodique d'une seconde réglé par la base de temps Bt.Lorsque, à l > issue de chaque période successive d'une minute, l'information ayant accompli son cycle circulatoire dans le registre Rs, apparait à la sortie de la cellule de rang 60 pour être appliquée à l'entrée de la cellule suivante de rang 1, elle est parallèlement expédiée sous forme d'impulsion négative, grâce à un circuit dérivateur-redresseur intermédiaire, dans la bascule bistable Y, aux sorties de laquelle, comme pour l'inverseur X, on dispose de nouveau sur deux lignes distinctes de deux signaux périodiques Cm et Cm destinés à la commande de chacune des soixante cellules unitaires du registre à décalage bouclé des minutes Rm. Comme précédemment, à l'issue de chaque période successive d'une heure, l'information apparaissant à la sortie de la cellule de rang 60, pour être appliquée à l'entrée de la cellule suivante de rang 1, est parallèlement expédiée sous forme d'impulsion négative grâce à un autre circuit dérivateur-redresseur intermédiaire, dans la bascule bistable Z aux sorties de laquelle, comme pour l'inverseur X et la bascule Y, on dispose alors sur deux lignes distinctes des deux signaux périodiques Ch et Ch destinés à la commande de chacune des douze cellules unitaires du registre à décalage bouclé des heures Rh. Afin de matérialiser visuellement le passage de l'information horométrique circulant quantiquement de cellule en cellule dans chacun des trois registres, on a prévu de mettre à profit l'état momentanément conductif d'un transistor contenu dans chacune des cellules de chaque registre pour exciter parmi l'ensemble des microdiodes photo-émissives, correspondant chacune respectivement à une cellule, celle qui, dans chaque registre, correspond à une cellule contenant l'information. Pour cela, le plus simple est évidemment de relier l'ensemble des diodes correspondant à un registre à un même pôle +E de la source d'énergie par l'intermédiaire d'un interrupteur K3 normalement ouvert, grâce auquel, dans un souci évident d'économie énergétique, l'utilisateur pourra commander l'allumage seulement quand il le juge utile. Sur la figure 1, on a désigné par Lh la rampe des diodes photo-émissives correspondant au registre Rh. Bien que l'on puisse disposer de la même manière des rampes de diodes correspondant respectivement aux registres Rm et Rs, on a préféré, dans un souci bien évident d'économie de réalisation, ne prévoir qu'une seule rampe Lsm de soixante diodes photoémissives, commandées concuremment par les deux registres Rm et Rs, grâce à un jeu de portes "OU" G.Lorsque la visualisation de l'heure est réclamée par l'utilisateur en fermant l'interrupteur K3, on comprend aisément que, sur les deux rampes Lh et Lsm de respectivement douze et soixante diodes émissives disposées en cercles concentriques sur le cadran de la montre, il verra apparaitre trois points lumineux dont les deux, correspondant à l'indication des heures et des minutes, paraitront immobiles, alors que le troisième, correspondant aux secondes, se déplacera rapidement de diode en diode sur la rampe de soixante diodes commune à l'indication des minutes et des secondes. En vue d'effectuer la remise à l'heure de la montre > par suite dé la plus ou moins légère dérive qu'elle peut manifester en cours de fonctionnement normal, on a prévu que l'utilisateur dispose des deux interrupteurs K1 et K2, dont le rôle respectif est le suivant a) Dans le cas où la montre traduit une "avance", l'ouvert ture de l'interrupteur K1 normalement fermé, pendant un temps correspondant précisément à cette avance, a pour effet d'isoler de la base de temps Bt le registre Rs, et par conséquent, évidemment, d'arrêter momentanément la progression de l'information horométrique qui y circule b) Dans le cas où la montre traduit un "retard", la re mise å l'heure s'effectue alors en deux temps : dans un premier temps, on donne volontairement de 1' "avance" à la montre, puis dans un deuxième temps, on neutralise cette avance de la manière exposée précédemment. L'introduction de l'avance s'effectue en agissant le nombre voulu de fois sur l'interrup- teur K2, normalement ouvert, ce qui a évidemment pour effet, par génération d1impulsions supplémentaires, d'accélérer- la progression de l'information horométrique qui- circule normalement dans le registre Rm des minutes. Au moment de la mise en marche du dispositif, à l'occa- sion notamment du remplacement d'une pile usée par une pile neuve, la mise sous tension initiale des registres et des bascules s'effectue sans qu'il soit possible de prévoir l'état logique totalement aléatoire qu'ils vont spontanément occuper. En conséquence,- pour permettre le calage horaire de départ du dispositif, on a prévu des moyens pour amener l'ensemble de ses éléments conductifs (transistor) à occuper un état logique déterminé.L'état le plus convenable étant celui pour lequel les cellules de rang 60 des registres Rs et Rm et la cellule de rang 12 du registre Rh contiennent simultanément et à l'exclusion de toutes les autres cellules l'information horométrique, on a pré- vu tout en interrompant par K1 l'arrivée des signaux issus de Bt, de mettre momentanément et simultanément en liaison avec le pôle positif de la source énergétique, grâce à l'interrupteur normalement ouvert K4, l'organe de commande d'un élément conductif (transistor) approprié des cellules de rang 60 et 12 précitées qui détermine l'état "allumage" desdites cellules et de facon complémentaire, l'organe de commande d'un élément conductif de toutes les cellules de rang pair qui détermine l'état "extinction" de chacune desdites cellules et de la suivante de rang impair. La compréhension de ce mode opératoire ressortira de façon évidente à tout homme de l'art de l'examen attentif des figures 2 et 2A qui schématisent respectivement la structure successive des cellules d'un des registres du dispositif et le diagramme évolutif des phases logiques de l'informatinn circulant de cellule en cellule dans le registre. Sur le diagramme, les zones hachurées correspondent aux périodes d"'allumage" des cellules correspondantes. Le schéma de la figure 2 décrit un registre à décalage conçu pour être construit suivant une technologie intégrée MOS à canal. Une technologie MOS à canal P peut évidemment tout aussi bien être envisagée. En vue de faire bénéficier l'invention des progrès les plus récents de la technique des microcircuits électroniques, on a encore prévu de réaliser le registre des secondes suivant une technologie intégrée COS-MOS (figure 3) dans laquelle on sait que sur un même substrat semiconducteur, on peut obtenir concuremment des transistors à effet de champ des deux types complémentaires : canal P et canal N. Cette dernière technique, dont on sait qu'elle permet de faire fonctionner des circuits logiques complexes avec une consommation d'énergie pratiquement nulle, a donc été prévue pour la réalisation intégrée d'fun ou plusieurs des registres du dispositif pour autant que les délais de transmission de l'information horométrique dans ces derniers soient compatibles avec les possibilités de mémorisatinnlimitées qui caractérise, semble t-il, cette technique. Dans la réalisation pratique prévue d'une montre de dimension usuelle, les rampes circulaires de diodes photo-émissives sont disposées sur une pastille de substrat semi-conducteur, dont le diamètre2 pour des raisons économiques, ne devrait guère excéder 15 mm. Cette dimension réduite pouvant entrainer une lecture difficile, on a prévu la possibilité de dilater artificiellement le diamètre apparent des rampes circulaires de diodes-émissives grâce à un système optique basé sur le principe des conduits de lumière.En pratique (figure 4), on a prévu de coiffer la pastille p de substrat porteuse des rampes circulaires de diodes photo-émissives par une pièce moulée en matière plastique aux caractéristiques réfringentes convenables, présentant un faisceau radial divergent de conduits optiques, reliés entre eux par une toile t venant de moulage, afin d'assurer la cohésion mécanique de l'ensemble des conduits. Dans une telle disposition, l'extrémité intérieure de chaque conduit du faisceau capte la lumière émise par la diode disposée en regard pour l'amener à l'extrémité extérieure du conduit correspondant où elle se manifeste de façon visible grâce, par exemple, à la présence d'une rainure de diffraction qui, selon un phénomène optique connu, coupe le flux lumineux. On peut évidemment et aisément envisager pour dilater la dimension apparente des deux rampes concentriques de diodes (Lsm et Lh), l'emboitage concentrique de deux pièces moulées conçues, selon le principe précédemment exposé. REV-ENDICATIONS 1 - Dispositif indicateur horométrique autonome du type dont les moyens d'indication sont animés par des moyens moto-régulateurs fonctionnant à partir d'une réserve énergétique constituée par une batterie électrique,caractérisé par le fait que l'ensemble des moyens fonctionnels mis en oeuvre tant pour traduire visuellement l'indication de l'heure -et de ses sous-multiples usuels- que pour provoquer et réguler le déplacement horométrique des éléments indicateurs, sont intégralement statiques et fonctionnent électroniquement sur la seule réserve d'énergie électrique incorporée au boitier de dimensions usuelles contenant l'ensemble du dispositif. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'ensemble des moyens fonctionnels est essentiellement constitué des trois sous-ensembles micrc-électroniques intégrés comportant: - une base de temps constituée de façon connue par un oscillateur à cristal étalon de pilotage délivrant des signaux périodiques de fréquence élevée réduite à une fréquence très basse par un diviseur de structure également connue: constitué par une série de bascules bistables associtées - un système de codage digital, comportant plusieurs registres à décalage bouclés destinés, à partir des signaux périodiques fournis par la base de temps, à commander le déplacement quantique des indications horométriques ainsi que des moyens permettant d'effectuer leur recalage arbitraire en vue dtane éventuelle remise à l'heure - un ensemble indicateur constitué par au moins une série d'éléments semi-conducteurs photo-émissifs dont l'excitation successive est commandée par le système de codage précité et dont l'allumage, dans un but d'économie énergétique peut être commandé arbitrairement par l'utilisateur, 3 - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les circuits micro-électroniques intégrés des trois sous-ensembles sont réalisés en application d'une technologie monolithique dite MOS ou COS-MOS, comprenant un très grand nombre d'éléments conductifs de type N et/ou P disposes en couches minces selon une structure fonctionnelle complexe sur un substrat semi-conducteur commun. 4 - Dispositif selon la revendi cation 2, caractérisé par le fait que les éléments semi-conducteurs photo-émissifs sont des microdiodes à arséniure de gallium, disposées en rampe fermée sur un substrat semi-conducteur commun. 5 - Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait que pour améliorer les conditions de lecture le diamètre apparent de la ou des rampes fermées de micro-diodes photo-émissives est augmenté grâce à un ou plusieurs faisceaux divergents de conduits optiques, obtenus par moulage en une pièce, d'une matière plastique aux caractéristiques réfringentes convenables.