Brevet FR2111962A1 — publié le 19720609

La présente invention a pour objet un dispositif d'affichage électronique d'une pièce d'horlogerie comprenant un ensemble d'éléments électroluminescents commandés par vm circuit électronique de sélection de façon à exciter les éléments corres-5 pondant a. l'indication requise. Un très grand noinbx^e d'effets sont utilisables pour réaliser un affichage électronique. Cependant, peu d'entre eux remplissent favorablement les conditions énergétiques, de tension, de stabilité, de longévité et d'intégrabilité requises par 10 un affichage horloger. Ces systèmes peuvent être classés en deux groupes respectivement dénommés passif et actif. Les systèmes actifs émettent d'eux-mêmes les radiations requises à sensibiliser la rétine de l'oeil. Pour eux, l'é-clairement ambiant est à considérer comme un bruit de fond lumi-15 neux que leur émission doit vaincre pour être visible. Etant don- p né l'intense radiation solaire 100mW/cm ) à laquelle la Terre est soumise, il appert immédiatement que de tels systèmes devront vaincre des taux d'éclairement élevés et de ce fait, consommer beaucoup d'énergie. 2D j?our éviter cet inconvénient, l'utilisation d'inter rupteur de lecture et de cache-lumière a été proposée afin de diminuer les exigences énergétiques des systèmes en réduisant le temps d'affichage ou le niveau d'éclairement. Ces solutions sont toutefois imparfaites et rendent la lecture de l'heure malaisée. 2^ Les systèmes passifs ne génèrent pas la puissance ou l'énergie nécessaire à l'excitation de l'oeil mais ils l'empruntent à 1'éclairement ambiant. De ce fait, ils ne sont perceptibles qu'en présence d'un rayonnement incident et n'exigent qu'une énergie de commutation pour faire basculer le système d'un 30 état de réflexion ou de transmission dans un autre. Cependant, les systèmes passifs remplissent difficilement les conditions de tension ou de stabilité, de longévité ou d'intégrabilité requises par un affichage horloger, alors que les systèmes actifs utilisant des éléments électroluminescents 55 P^r exemple possèdent ces qualités. De ces remarques, il ressort qu'une solution adéquate pour un affichage horloger existe si un système peut être conçu • de façon à cumuler les avantages des systèmes actifs et passifs. 1 71 38983 2 2111962 Pour ce faire, et c'est le but de l'invention, il faut réaliser une variante électronique d'un système passif qui utilise un système actif d'affichage. De cette manière et par un dimensionne-ment judicieux du système, il sera possible de réaliser, d'une 5 part une perception contrastée et indépendante du niveau d*éclairement analogue à celle obtenue à l'aide de systèmes passifs et de satisfaire d'autre part aux exigences énergétiques d'un affichage actif permanent et autonome. Le dispositif selon l'invention est caractérisé en ce 10 qu'il comprend une batterie photovoltaique qui alimente les éléments électroluminescents dès qu'un niveau donné d'irradiation est présent. Dans un mode d'exécution préféré l'alimentation des éléments électroluminescents commute aux faibles taux d'irradia-15 tion sur une source d'énergie interne de la montre de façon à maintenir un contraste visible de l'affichage jusque dans l'obscurité et un dispositif électronique d'adaptation, comprenant un accumulateur d'énergie électrique est prévu. Ce dispositif d'adaptation accumule l'énergie fournie par la batterie photo-20 voltaique et la restitue d'une manière discontinue aux éléments électroluminescents. Le dessin représente, à titre d'exemples, plusieurs formes d'exécution. La figure 1 est le schéma-bloc d'une première forme 25 d'exécution dans laquelle l'alimentation du dispositif d'affichage s'effectue uniquement à l'aide d'une batterie photovoltaique. La figure 2 est un diagramme explicatif du fonctionnement du dispositif selon la figure 1. La figure 3 est un schéma de détail d'une variante 30 possible de la forme d'exécution représentée à la figure 1. La figure 4 est le schéma-bloc d'une deuxième forme d'exécution, dans laquelle l'alimentation du dispositif d'affichage est assistée pair une source interne. La figure 5 est le schéma-bloc d'une troisième forme 35 d'exécution, dans laquelle l'alimentation du dispositif d'affichage est également assistée par une source interne. Le dispositif d'affichage électronique 1 de la montre, représenté à la figure 1, comprend un ensemble d'éléments 71 38983 3 2111962 électroluminescents 2 destinés à réaliser un affichage par points lumineux ou constituant plusieurs matrices d'éléments pour réaliser un affichage numérique. Ces éléments sont alimentés à partir d'un condensateur 5 chargé par une batterie photovoltaique 4-, 5 par l'intermédiaire de résistances 5 et de contacts électroniques 6» Ces résistances 5 servent à ajuster les courants circulant dans les éléments 2 à un même niveau pour tous les éléments. Les contacts 6 sont commandés par des portes logiques ET 7 à deux entrées. L'une des entrées est commandée par le signal de sortie 10 F d'un circuit logique 8 et l'autre entrée par un signal S de sélection des éléments, ces'signaux S étant émis par un circuit de comptage et de transcodage 9 de la montre. Ces signaux S, comme il est bien connu, indiquent à chaque instant ceux des éléments 2 qui doivent être allumés et ceux qui doivent être éteints 15 pour afficher l'heure. Le circuit logique 8 réalise la fonction logique F = N (H + F) N étant un signal émis par un comparateur 10 comparant le potentiel du condensateur 3 à celui d'une source de référence ajusta-20 ble 11 et H étant un signal d'horloge périodique émis par le circuit 9. Le comparateur 10 émet un signal logique ïï de valeur "1" chaque fois que la tension du condensateur dépasse celle de la source de référence 4. Comme représenté en traits pleins à la figure 1, 25 le condensateur alimente également le circuit logique 8 et le comparateur 10, le circuit 9 de même que la base de temps non représentée de la montre étant alimentée par une autre source non représentée. Le fonctionnement du circuit de la figure 1 est expliqué en regard de la figure 2,'dans laquelle le premier dia-30 gramme représente la tension V aux bornes du condensateur 5» le second le signal de sortie N du comparateur 10, le troisième le signal H émis par le circuit 9 de la montre, et le quatrième le signal F émis par le circuit logique 8. Pour assurer aux éléments 2 un rendement lumineux ef-55 ficace et constant, le courant et par conséquent la tension qui est appliquée aux bornes des contacts électroniques 6, doivent atteindre un certain seuil d'efficacité I , respectivement V . S S En effet, le courant d'excitation d'éléments tels que des diodes 71 38983 4 2111962 électroluminescentes présente deux composantes, l'une radiative, l'autre non radiative. Un seuil d'efficacité radiative du courant peut être défini lorsque sa composante radiative est dix fois supérieure à celle non radiative. 5 La tension de seuil requise Vg est affichée par la source réglable 11 et comparée, par le comparateur 10, avec la tension Vc du condensateur 3. Lorsque cette dernière dépasse la tension de seuil Y. le comparateur 10 émet un signal N indiquant que les éléments 2 peuvent être allumés. Le signal d'horloge H 10 émis par le circuit 9 est d'une fréquence suffisamment élevée pour que sa période T soit inférieure à la durée de la persistance de la rétine. Lorsque le signal N a pris la valeur logique "1", c'est-à-dire que la tension Yc est supérieure à la tension V et qu'une impulsion d'horloge H est émise, le circuit 8 émet 15 une impulsion F, qui ne s'éteint que lorsque le signal N reprend la valeur logique "0". On voit ainsi que lorsque le taux d'irradiation ambiante augmente, la valeur moyenne de la tension V o du condensateur 3 augmente de même que la durée moyenne des impulsions F et par conséquent la brillance moyenne des éléments. 20 Lorsque le taux d'irradiation de la batterie devient suffisamment intense pour que la tension V ne repasse plus par V , le signal F devient continu et le courant alimentant les éléments 2 n'est plus modulé en largeur d'impulsion mais uniquement en amplitude, ceci en correspondance avec la tension V . c 25 On voit ainsi qu'outre l'économie de puissance réali sée puisqu'aucune énergie n'est prélevée de la source interne non représentée, on réalise à l'instar des systèmes passifs, une perception à contraste constant indépendante du taux d1éclairement par asservissement de la brillance des éléments à l'irradia-30 tion ambiante. La figure 3 est une vue de détail de la forme d'exécution représentée à la figure 1. A la figure 3, les éléments correspondant à la figure 1 sont représentés par les mêmes indices de référence que 5 dans cette dernière. Ce sont les éléments électroluminescents 2 ou diodes électroluminescentes, le condensateur 3, la batterie photovolt ai que 4-, les résistances 5» les contacts 6, les portes ET 7j le circuit logique 8, le comparâteur 10 et la source de 71 38983 5 2111962 référence 11» La batterie photovoltaïque 4 comprend plusieurs éléments semi-conducteurs 12 montés en cascade et dont le nombre est choisi de façon à obtenir, dès au'us. taux minimum d'irradia-5 tion est présent, une tension de travail dépassant la tension Vg de seuil d'efficacité des diodes luminescentes. Le circuit logique 8 comprend un transistor PNP 13 et deux transistors HPN 14, 15, les signaux d'entrée H et N étant appliqués aux bases des transistors 15 et 14 par l'intermédiaire 10 de résistances 16 et 17» et le signal de sortie F étant recueilli au point médian d'un diviseur de tension formé-de deux résistances 18, 19. Le transistor 13 est relié à l'armature positive du condensateur 3 par l'intermédiaire d'une résistance 20. Le circuit comparateur 10 comprend vin transistor PÎJP 15 20 monté en collecteur commun avec une charge 21, le signal à comparer N étant appliqué au collecteur, et le signal de référence étant appliqué à la base, par l'intermédiaire d'une résistance 22. La source de référence 11 est constituée par un sim-20 pie potentiomètre 23. Les circuits logiques ET 7> comprennent chacun un tran -sistor NPN 24, en série avec un second transistor lïPIT 25 et deux résistances 26 et 27. La base du transistor 25 est commandée par un transistor PKP 28 branché en série avec une résistan-25 ce 29. Le signal 8 est appliqué à la base du transistor 24 par l'intermédiaire d'une résistance 30, tandis que le signal F est appliqué directement à la base du transistor 28. Enfin, les contacts 6 sont constitués chacun par un transistor 31 travaillant en commutation et dont la base est com-30 mandée par le courant prélevé au point commun aux deux résistances 26 et 27. La forme d'exécution décrite en regard des figures 1 à 3 ne saurait évidemment fonctionner dans l'obscurité ou lorsque 1'éclairement ambiant est insuffisant et il est alors néces-35 saire de prévoir un apport d'énergie de la source interne de la montre. Une telle forme d'exécution est représentée à la figure 4» e 71 38933 6 2111962 Le dispositif d'affichage électronique comprend une batterie photovoltaïque 32 alimentant un condensateur 33» un comparateur 34- comparant le potentiel du condensateur 33 avec une source de potentiel de référence 35 et émettant un signal de sor-5 tie N qui prend la valeur logique "1" seulement lorsque le potentiel du condensateur 33 est supérieur au potentiel de la source de référence 35» et un circuit logique 36 à deux entrées ïî et H et émettant un signal de sortie F défini par F = N (H + F) 10 H étant un signal d'horloge qui sera défini plus loin. Cette alimentation des différents éléments énumérés est représentée en trait gras. Le condensateur 33 alimente, par l'intermédiaire de contacts 37 et de résistance 38', des éléments électrolumines-15 cents 38, et par un contact 39 un circuit logique 4-0 de sélection des éléments 38, lequel commande, par l'intermédiaire d'amplificateurs 4-1, les contacts 37» £a montre comprend encore une base de temps 4-2 et un circuit de comptage 4-3 alimentés par une source d'énergie interne 44. La batterie photovoltaïque 32 et la 20 source 44- sont reliées par une résistance 45. Le fonctionnement du dispositif est le suivant : 2«s éléments 32, 33, 34, 35 et 36 fonctionnent comme les éléments correspondants de la forme d'exécution selon figures 1 à 3. On peut montrer que pour obtenir m contraste cons-25 tant de l'affichage à tous les niveaux d'éclairement ambiant, il suffit de fournir en permanence à la batterie photovoltaïque 3£ une puissance constante additionnelle, égale à ceci pour autant que la tension de seuil V soit égale à la tension en cir-cuit ouvert de la batterie 32 au niveau d'éclairement E^ (ce qui 30 détermine le nombre d'éléments en série de la batterie) et que le courant 1^ soit le courant de court-circuit de la batterie 32 au niveau d'éclairement E1. E^ étant la limite supérieure d'é-clairement que peut vaincre la source interne 44 pour un long terme, il est donc énergétiquement possible de fournir en per-35 manence cette puissance additionnelle en reliant la source irter-ne 44 à la batterie 32 par la résistance 45. Le courant moyen traversant la résistance 45 est pratiquement constant et égal à I1 aux faibles éclairements, étant donné que la tension aux 71 38983 7 2111962 bornes de la capacité 33 varie peu par rapport à V (voir fig. 2, 1er diagramme). Aux fortes intensités lumineuses, il diminue ce qui est avantageux énergétiquement et n'altère en rien le fonctionnement du dispositif, étant donné que ce courant est faible 5 par rapport à celui fourni par la batterie photovoltaïque. Dans le cas où la tension aux bornes de la capacité 33 devient supérieure à celle de la source 44, cette dernière pourra être rechargée aux fortes intensités lumineuses. Au lieu de commander les éléments électroluminescents 10 par l'intermédiaire de circuits logiques ET attaqués par la fonction de sélection S et par la fonction d'allumage général F, comme dans la forme d'exécution selon figures 1 à 3, l'alimentation générale du circuit de sélection 40 est puisée par la fonction F et les sorties du circuit 40 sont amplifiées par les am-15 plificateurs 41 avant d'attaquer les contacts 37* La forme d'exécution selon figure 4 est élégante par sa simplicité. Toutefois elle consomme, aux faibles niveaux d'é-clairement ambiant, une puissance supérieure à celle requise par l'affichage. Ceci est dû au fait qu'elle utilise la batterie 20 photovoltaïque comme détecteur du niveau d'éclairement ambiant. En découplant la batterie photovoltaïque lorsque 1'éclairement ambiant tombe en-dessous du niveau E^, la même puissance permettrait de produire une brillance moyenne constante des éléments électroluminescents. Cependant, une telle brillance risquerait 25 d'entraîner une perception désagréable des points lumineux aux très faibles niveaux d'éclairement parce que surcontrastée. Donc, pour des raisons physiologiques, il est nécessaire de maintenir encore au-dessous de E^ un certain rapport entre la brillance des éléments et 1'éclairement ambiant. Ce rapport peut être pro-30 portionnel de façon à maintenir un contraste constant ou être effectué par paliers successifs. L'introduction d'un seuil minimal d'émission des points lumineux est cependant proposée, car si l'oeil possède une imposante capacité-d'adaptation aux conditions d1éclairement, il est toutefois lent à s'adapter aux très 35 faibles niveaux. La figure 5 est le schéma-bloc d'une forme d'exécution dans laquelle l'alimentation de la source interne supplée à celle de la batterie photovoltaïque dès que cette dernière ne suffit 71 38983 e 2111962 plus à maintenir un contraste constant jusqu'au seuil minimal d'émission discuté précédemment. Le dispositif représenté à la figure 5 comprend une batterie photovoltaïque 46 alimentant, comme représenté en trait 5 gras, un premier condensateur 47, un premier comparateur 48 comparant la tension aux bornes du condensateur 47 avec line première tension de référence 49 et émettant un signal logique N de valeur "1" lorsque la tension aux bornes du condensateur 47 est supérieure à la tension de référence 49, un second comparateur 10 50 comparant la tension aux bornes du condensateur 47 avec une seconde tension de référence 51 supérieure à la tension de référence 49 et émettant un signal logique de valeur "1" lorsque la tension aux bornes du condensateur 47 est supérieure à la deuxième tension de référence 51, et alimentant encore un circuit 15 logique 52 à deux entrées N et H et dont le signal de sortie F est défini par F = H" (H + F) H étant un premier signal horaire émis par le circuit de comptage de la montre. 2D Le dispositif comprend une source d'énergie interne 55 alimentant, comme représenté en trait gras, la base de temps 54 et le circuit de comptage 55 de la montre, un second condensateur 56 relié à deux résistances 57 et 58, un modulateur 59 commandé par un second signal horaire émis par le circuit de 25 comptage 55, par le signal logique N et un signal E émis par un détecteur 60 de 1 *éclairement ambiant, et alimentant enfin un circuit logique ET 61 dont une entrée est constituée par la sortie d'un inverseur 62 alimenté par le signal de sortie du second comparateur 50 et dont l'autre entrée est constituée 30 par le signal de sortie du modulateur 59. Les éléments électroluminescents 65 en série avec les résistances 65' sont alimentés à partir des deux condensateurs 47 et 56, par l'intermédiaire de deux contacts électroniques correspondants 64 et 65 commandés respectivement par les signaux de 55 sortie F et F^ ainsi que par l'intermédiaire de contacts électroniques 66 propres à chacun des éléments 65 et commandés à partir d'un circuit 67 sélecteur d'éléments par des amplificateurs 68. Le fonctionnement du dispositif est le suivant : 71 38933 9 2111962 La batterie photovoltaïque étant dimensionnée de façon à produire une tension en circuit ouvert V , au niveau d'é-clairement ambiant , tin apport énergétique de la source interne 53 est déjà requis à un niveau d'éclairement E^, supérieur 5 à E^, c'est-à-dire au moment où 1'éclairement ne permet plus de produire un courant de charge acceptable de la capacité 47, par la batterie photovoltaïque 46. Ce niveau Eg correspond à une certaine valeur de la tension aux bornes de la capacité 47, au moment où le signal HJj est appliqué à la porte ET 61 produisant 10 le signal . Hjj a la même fréquence que H mais n'est pas forcément en phase avec lui. Si cette tension est atteinte, ^ vaut "0" et le contact 65 actionné par F^ demeure ouvert tandis que N vaut "1" et que le contact 64 commandé par F travaille comme dans le cas de la forme d'exécution selon figures 1 et 3. Si 15 vaut "0", ÎT.J vaut "1" et le contact 65 est actionné conformément au signal HJj. Deux cas peuvent se présenter : N est égal à "1" ou "0". Lorsque N vaut "1", la source interne 53 doit fournir une puissance constante complémentaire à celle fournie par la batterie photovoltaïque 46 pour maintenir une visibilité à con-20 traste constant du réseau électroluminescent 63. Ceci est réalisé en appliquant un signal à largeur d'impulsion constante. Lorsque iï vaut "0", la batterie photovoltaïque est déconnectée par le contact 64 commandé par le signal F et qui'reste ouvert. Dans ce cas, la largeur des impulsions Hjj est réduite proportion-25 nellement à l'éclairage ambiant ou par paliers successifs suivant le mode de fonctionnement du modulateur 59, jusqu'à ce qu'elle corresponde au minimum constant requis pour l'affichage. Cette commande de la largeur des impulsions est déterminée par le signal E en provenance du détecteur 60. 30 En variante de la forme d'exécution selon figure 1, on pourrait choisir une fréquence pour le signal d'horloge H qui soit suffisamment basse pour sensibiliser l'oeil de manière discontinue, par "flashes". Ce mode d'excitation est particulièrement intéressant, car il réduit le temps effectif de sensibi-35 lisation de l'oeil et par conséquent la puissance moyenne consommée. Il permet en effet d'accumuler l'énergie du rayonnement incident entre deux "flashes", sans demande d'affichage. Un supplément appréciable d'énergie est ainsi obtenu, k 71 38983 2111962 lequel peut être mis à disposition pour sensibiliser l'oeil durant les "flashes". Pour un affichage donné, cette façon de faire permettra une réduction de la surface de la batterie photovoltaïque. Inversément, pour une surface de batterie photovoltaïque, 5 un affichage plus généreux en surface radiative ou ayant des éléments à "rendement plus faible sera réalisable. Par exemple, l'affichage de la minute pourra battre au rythme de la seconde, ce qui aura l'avantage supplémentaire d'attirer le regard et le cas échéant, de supprimer l'affichage 10 de la seconde. 71 38983 11 2111962 REVENDICATIONS 1. Dispositif d'affichage électronique d'une pièce d'horlogerie comprenant un ensemble d'éléments électroluminescents commandés par un circuit électronique de sélection de fa- 5 çon à exciter les éléments correspondant à l'indication requise, caractérisé en ce qu'il comprend une batterie photovoltaïque qui alimente les éléments électroluminescents dès qu'un niveau donné d'irradiation est présent. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé 10 en ce que l'alimentation des éléments électroluminescents commute aux faibles taux d'irradiation sur une source d'énergie interne de la montre de façon à maintenir un contraste visible de l'affichage jusque dans l'obscurité. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé 15 en ce qu'un dispositif électronique d'adaptation, comprenant un accumulateur d'énergie électrique, accumule l'énergie fournie par la batterie photovoltaïque et la restitue d'une manière discontinue aux éléments électroluminescents. 4. Dispositif selon la revendication 3, c a r a c -20 térisé en ce que la tension aux bornes de l'accumulateur d'énergie électrique est appliquée à un circuit comparateur émettant un signal logique N prenant la valeur "1" lorsque la tension du-dit accumulateur dépasse une valeur de seuil donnée, ce signal logique étant appliqué à une entrée d'un circuit logique dont 25 une autre entrée reçoit un signal horaire H, ledit circuit logique émettant un signal logique F défini par la relation F « .N (H+F)» pour que le signal F soit constitué par des impulsions modulées en largeur et dont la fréquence de récurrence est égale à celle des impulsions constituant ledit signal horaire, lorsque 30 l'irradiation de la batterie est telle que la tension de l'accumulateur d'énergie électrique puisse revenir à la valeur de seuil après chaque décharge, ces impulsions F commandant les décharges de l'accumulateur d'énergie électrique. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé 35 en ce que l'accumulateur d'énergie électrique est relié à une source d'énergie interne de la montre, par l'intermédiaire d'une résistance, pour assurer l'affichage lorsque l'éclairement am-" biant est insuffisant. 71 38983 12 2111962 6. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend -un second accumulateur d'énergie électrique relié à une source d'énergie interne de la montre, un second circuit électronique de commande de décharge pour commander la dé-5 charge du second accumulateur d'énergie électrique dans lesdits éléments électroluminescents lorsque l'irradiation ambiante est faible, lequel comprend un second comparateur comparant la tension aux bornes du premier accumulateur d'énergie électrique a-vec line seconde tension de seuil plus élevée que la première pour 10 que, lorsque l'irradiation de la batterie est suffisamment élevée pour que la tension du premier accumulateur d'énergie électrique atteigne la seconde valeur de seuil, les éléments électroluminescents ne soient alimentés que par le premier accumulateur d'énergie électrique. 15 7» Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit second circuit électronique de commande de décharge comprend un circuit logique ET à deux entrées dont l'une est reliée à la sortie du second comparateur par l'intermédiaire d'un inverseur et l'autre à la sortie d'un modulateur commandé 20 par un détecteur de l'irradiation ambiante, le signal de sortie de ce circuit ET commandant la décharge du second accumulateur d'énergie électrique. quelconque 8. Dispositif selon l'une/des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que lesdits accumulateurs d'énergie électrique sont constitués par des condensateurs.