Brevet FR2293004A1 — publié le 19760625

la présente invention a essentiellement pour objets un procédé pour la synchronisation électronique d'un élément oscillant en vue d'entretenir avec précision ses oscillations à une fréquence donnée, ainsi qu'un dispositif mettant en oeuvre ce procédé. l'invention s'applique plus particulièrement à un élément oscillant du type balancier-spiral d'un instrument d'horlogerie. Dans les instruments d'horlogerie de précision, les oscillations libres à basse fréquence de l'élément oscillant, dit élément moteur, sont réglées par une fréquence étalon de haute stabilité, fixéa le plus couramment par un oscillateur électronique à cristal, afin de les maintenir sur la basse fréquence imposée avec la précision demandée. C'est là le but de ce qui est couramment appelé circuit d'entretien de l'instrument, but réalisé par unesynchronisation des oscillations de l'élément moteur par la fréquence étalon. la synchronisation généralement utilisée est de type électromagnétique. D'un bobinage et un dispositif à aimantåtion permanente couplés magnétiquement entre eux, l'un étant fixé au balancier et l'autre étant monté fixe, on extrait d'un élément du bobinage un courant dont la forme d'onde est représentative du mouvement du balancier et de sa fréquence instantanée ; l'onde est comparée à des impulsions récurrentes à une fréquence étalon relativement élevée par rapport à la fréquence d'oscillation du balancier, de l'ordre de quelques dizaines de kilohertz ; selon que les impulsions arrivent avant, pendant ou après que le balancier atteint son point neutre (correspondant à sa vitesse maximale dans le cycle d'oscillation ), le circuit d'entretien de l'instrument d'horlogerie envoie à un élément dudit bobinage une impulsion de courant dans des temps correspondants par rapport au point neutre, laquelle impulsion augmente, laisse inchangée, ou diminue d'autant la fréquence du balancier pour la caler sur la fréquence désirée avec la précision demandée. Le procédé de synchronisation selon l'invention est aussi de caractère électromagnétique, mais il utilise un raye principe de synchronisation. Ce principe est d'autant plus avantageux qu'il permet la combinaison avec le prlncijpe qui vient d'être décrit et l'amélioration notable de la précision que l'on peut obtenir de chacun d'eux. Le procédé appliqué conformément à l'invention pour la synchronisation électronique, sur une fréquence donne, d'un élément oscillant à oscillations entretenues est caractérisé en ce qu'il consiste à rendre la fréquence propre de ltélément oscillant différente mais voisine de la fréquence duna-ee et à rendre la fréquence de ses oscillations variables selon une fonction de leur amplitude ; à combiner un train d'ondes récurrentes à la fréquence donnée avec un signal représentatif des oscillations dudit élément oscillant pour former un signal composé ; à comparer l-'amplitude du signal compose a un niveau de seuil de manière à produire un signal de cainmande quand le signal composé dépasse ledit seuil ; et à entretenir les oscillations de l'élément oscillant par action mur leur amplitude en fonction du signal de commande. Ce procédé de synchronisation est ainsi indépendant de celui appliqué antérieurement, mais on verra mieux par la suite que l'on peut faire en sorte que ladite impulsion qui est appliquée au circuit d'entretien soit produite de part et d'autre du point neutre des oscillations de l'élément moteur, combinant ainsi avantageusement les effets de ces procédés pour un asservissement de très haute précision des oscillations de cet élément. Le dispositif mettant en oeuvre le procédé selon l'inven- tion est du type comprenant un élément oscillant à snillations entretenues, c'est-à-dire comprenant un circuit de détection prévu pour fournir un signal représentatif des oscillations de l'élément oscillant, une source d'ondes récurrentes à une fréquence de récurrence de haute stabilité, et un circuit pour entretenir lesdites oscillations à une fréquence donnée en fonction des ondes fournies par ladite source,eteRcarac- térisé en ce que l'élément oscillant a sa fréquence propre différente mais voisine de la fréquence donnée et k fréquence de ses oscillations varie selon une fonction de leur amplitude et en ce que ledit dispositif comporte un montage électronique combinant ledit train d'ondes, celles-ci étant récurrentes à la fréquence donnée, avec ledit signal représentatif des oscillations de l'élément oscillant pour former un signal composée formant un signal de commande quand le signal composé dépasse un niveau de seuil déterminé par un circuità seuil, ledit circuit d'entretien réagissant à ce signal de commande pour agir sur l'amplitude des oscillations de l'élément oscillant pour les maintenir avec précision à la fréquence donnée. Dans le cas où l'élément oscillant est un montage balancier-spiral d'un instrument d'horlogerie, le circuit de détection est généralement constitué par un premier élément d'un bobinage couplé avec un dispositif à aimantation permanente, ce dernier ou ledit bobinage étant monté sur le balancier, l'autre étant fixe. Le circuit d'entretien est dans ce cas constitué par un second élément du bobinage. Selon l'invention, le dispositif à aimantation permanente peut notre constitué que par un seul aimant, prouvant ainsi la facilité de réalisation du dispositif selon l'invention Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui suit, faite en référence aux dessins annexés.Dans ces dessins ;la figure 1 décrit d'une manière synoptique le système électromécanique d'un instrument d'horlogerie auquel par exemple peut être appliquée 11 invention - les figures 2Â à 2D donnent les formes d'ondes résultant respectivement de divers circuits électromagnétiques prévus pour la détection du mouvement du balancier d'un instrument d'horlogerie et pour la détection de ses oscilla tions - la figure 3 illustre les formes d'ondes permettant d'expliquer le procédé selon l'invention, dans le cas où ce procédé fait intervenir le montage de la figure 2 & ; - la figure 4A illustre une forme d'ondes que l'on obtiendrait de l'application du procédé faisant intervenir le montage de la figure 2B ;; - la figure 43 illustre une variante d'exécution du procédé selon l'invention ; et - les figures 5, 6 et 7 représentent respectivement le schéma de divers circuits électroniques permettant l'exécution du procédé selon l'invention. L' exemple choisi pour la description du procédé selon l'invention entre dans le domaine de son application naturelle, à savoir l'horlogerie. La figure 1 est un exemple d'un système électromécanique d'un instrument d'horlogerie auquel s'applique l'invention. Pans ce système, l'élément moteur 10, dont le mouvement est transmis par le mécanisme de transmission 12 au système d'affichage 14, est un élément oscillant à basse fréquence, du type balancier-spiral , dont les oscillations sont entretenues par un circuit électromagnétique d'entretien 16 qui reçoit d'une source 18 de haute stabilité des ondes récurrentes à haute fréquence, abaissées en fréquence dans le bloc 20 et mises en forme dans le bloc 22. Dans les systèmes classiques de ce type, au moins l'un des blocs 20 et 22 peuvent ne pas exister ; par ailleurs, la source 18 est généralement un oscillateur associé à un élément étalon 24 tel qu'un cristal piézo-électrique. La liaison bilatérale entre les blocs 10 et 16, c'est-adire la combinaison du balancier-spiral 10 avec son circuit d'entretien, est illustrée schématiquement dans les figures 2. Le balancier-spiral 10 y est représenté par deux cercles symbolisant deux disques 10a, 10b fixées en étant centrés sur un arbre schématisé par la ligne verticale en traits mixtes 10co La liaison bilatérale entre le balancier 10 et son circuit électronique d'entretien est réalisée par un circuit électromagnétique 26 pour la détection du mouvement réel du balancier et pour ltentretien de ses oscillations, constitué par un bobinage 28 couplé magnétiquement à un dispositif à aimantation permanente 30 ; d'une manière générale, ce dispositif ou son bobinage associé est fixé au balancier, l'autre élément étant monté fixe, sur le chassies du-balancier par exemple. Dans les dessins, c'est le bobinage 28 qui est fixe. Dans la figure 2A, le dispositif à aimantation permanente 30 -est constitué par deux aimants 30a, 30b fixés respectivement sur chacun des disques 10a, 10b, tandis que dans la figure t le dispositif 30 se compose de quatre aimants, deux (30a, 30a') montés sur le disque 10a, les deux autres (30b, NOb') sur ie disque 10b. On peut encore avoir les configurations représentées dans les figures 2C et 2D, qui correspondent respectivement aux figures 2A et 2B mindaslesquelles l'un des disques lOb est en matériau magnétique mou afin de constituer une fermeture pour le champ magnétique. Quand le balancier oscille, la variation du flux magnétique dans le bobinage 28 crée un courant que l'on prélève d'un élément du bobinage par des bornes 32, 34, qui est représentatif des oscillations réelles du balancier, en particulier de sa fréquence instantanée. Selon les modes de réalisation du dispositif SO à aimantation permanente représentés sur les figures 2, le signal prend les formes illustrées dans ces mimes figures. On notera en particulier que les signaux obtenus des montages des figures 2C et 2D ont des formes d'ondes correspondantes respectivement à celles correspondant aux montages des figures 2A et 2B, mais avec des amplitudes plus faibles. Ce signal est traité par le circuit d'entretien 16 en fonction de la fréquence étalon provenant de l'oscillateur 18 afin de fournir un signal de commande à un second élément du bobinage 28 au travers des bornes 34 et 36, afin d'exercer une force adéquate pour maintenir la fréquence du balancier sur la fréquence désirée avec la précision requise. Cette façon de faire est bien connue dans la technioue. Le procédé selon l'invention va maintenant être décrit. Soient F la fréquence étalon fournie par le bloc de mise en forme 22 du signal délivré par l'oscillateur étalon 18et f f la fréquence instantanée des oscillations du balancier. On supposera aussi que l'entretien se fait avec une impulsion par cycle d'oscillation la mise en oeuvre du procédé exige que trois conditions préliminaires soient satisfaites. (a) Tout d'abord, la fréquence F sera déterminée pour correspondre à la fréquence àlaBeon désire faire osciller le balancier avec la précision imposée. On supposera, cela n'étant pas une condition nécessaire pour le procédé comme cela ressortira par la suite de la description, que le signal étalon sortant du bloc 22 est un train d'impulsions rectangulaires récurrentes à la fréquence F, quatre de ces impulsions étant repérées dans la-figure 3 par I1, I2, I3, I4. (b) Ensuite, il faut que la fréquence f des oscillations de l'élément oscillant 10 varie avec leur amplitude selon une fonction prédéterminée. Entant donné que, pour-le balancierspiral , cette fréquence f des oscillations varie naturellement en proportion directe avec leur amplitude, cette fonction sera évidemment choisie. (c) Enfin, il doit être fait en sorte que la fréquence naturelle fn de l'élément oscillation soit différente, mais voisine de la fréquence étalon F, Pour la suite de lteposé, la fréquence f sera supposée être supérieure à la fréquence F, l'inverse étant possible. Ces trois conditions étant remplies, la figure 3 aidera à comprendre le procédé selon l'invention . On y reconnaitra les impulsions rectangulaires I1-I4 et les signaux. représen- tatifs de la fréquence instantanée des oscillations du balancier tels que décrits aux figures 2A et 2C, provenant des bornes 32 et 34 du bobinage 28. On a désigné par il, i2, 13 èt i4 les quatre signaux représentés sur la figure 3. La première phase active du procédé consiste à additionner les impulsions I aux impulsions i. Les signaux St-84 qui sont tracés en trait fort dans-la figure 3 représentent la forme de 11 onde résultante de cette somme selon la position relative des impulsions I et des signaux i. En fonctionnement, étant donné que la fréquence naturelle de 11 élément oscillant est supérieure à la fréquence F des impulsions I, on aura au départ la période des signaux i inférieure à la période des impulsions I. Ainsi, en supposant que la première impulsion I1 se combine avec le signal il pour donner le signal S1 tel que représenté sur la figure 3, on aura par la suite la configuration illustrée. C'est ainsi que les signaux S1, 52 et 53 seront supérieurs à un niveau de seuil donné A. Selon la seconde phase active du procédé selon l'invention, chaque signal composé 31-S4 est comparé au niveau A et, quand il le dépasse, un signal de commande C est délivré, pour être ensuite appliqué aux bornes 34 et 36 du bobinage 28 et agir sur 11 amplitude des oscillations du balancier. Ccmme d'après 11 hypothèse du paragraphe (b) ci-dessus, la fréquence des oscillations du balancier dépend de leur amplitude, la fréquence f ayant été choisie supérieure à la fréquence F, le signal de commande C aura pour action de diminuer l'amplitude d'oscillation du balancier pour réduire sa fréquence. On a représenté par Ci, C2 et C3 les signaux de commande obtenus en comparaison des signaux composés S1-S4 avec le niveau de seuil AÇ le signal 94 ne peut pas impliquer la production d'un signal de commandes Aussi l'amplitude des oscillations du balancier-spiral va-t-elle diminuer en même temps que sa fréquence, de sorte que la périodetdes oscillations i va tendre vers la période T des impulsions I, pour donner comme signal suivant 55 (non représenté) un signal similaire au signal S3 ou-s2. Dès lors, une impulsion de commande se produira, qui tendra à nouveau à augmenter la fréquence des oscillations, pour produire à nouveau un signal analogue au signal 94. En résumé, la position relative des signaux i par rapport au front de montee des impulsions I sert de base pour la réali- sation d'un asservissement selon l'invention quand les signaux de frequence talon sont constitues par des impulsions rectangulaires. Comme avantages de cet asservissement, il est à noter tout d'abord sa simplicité. Un seul aimant comme dans la figure 2C, ou deux aimants en vis-à-vis comme dans la figure 2A peuvent suffire pour former les signaux i. La figure 4A illustre la forme d'onde d'un signal composé S' que l'on obtiendrait en utilisant comme signal i des formes d'ondes analogues à celles produits par les montages réalises suivant les figures 23 et 2D. Un autre avantage consiste en la modulation des signaux de commande g comme le montre la figure 3. ta largeur des Impulsions C va impliquer l'action de forces proportion- nelles sur le balancer de l'instrument d'horlogerie et permet ainsi un réglage fin pour la synchronisation des oscillations au balancier sur la fréquence désirée En outre, la figure 4B montre que la forme d'ondes des signaux T peut être autre qu'un signal à impulsions rectangulaires, sans altérer le principe du procédé selon l'invention. En effet, on voit sur cette figure qu'un signal en dents de scieI'donnerait les mêmes résultats, avec une modulation des impulsions de commande plus prononcée. De rlus, un asservissement selon l'invention peut être amélioré en faisant en sorte que l'impulsion de commande C se produise de part et d'autre du point neutre des oscillations, c'est-à-dire du oint où le balancier atteint sa vitesse maximale, créant ainsi un défaut d'isochronisme supplémentaire, caract-risticue des procédés utilisés dans la technique antérieure tels que décrits précédemment. Les figures 5, 6 et 7 illustrent diverses formes de réalisation d'un circuit d'entretien 16 mettant en oeuvre le procédé conforme à l'invention. Les éléments identiques aux trois circuits 16 illustrés sont désignés ar les memes chiffres de référence. Ce circuit comprend une borne d'entrée 38 destinée à recevoir les impulsions I du bloc 22. 40 et 42 désignent deux bornes d'alimentation en énergie du circuit électronique 16 par, par exemple, une pile ou batterie d'accumulateurs44. Un organe à conduction commandée 46, ici un transistor, a son émetteur relié à la borne 42 et son collecteur relié à la borne 40 par l'intermédiaire des bornes 34 et 36 représentées sur les figures 2, ces bornes étant les bornes de sortie d'un élément 28a du bobinage 28, adapté pour l'entretien des oscillations du balancier.La base du transistor 46 est raccordée à un pont de polarisation constitué par deux résistances 48 et 50 connectées par leur autre extrémité respectivement aux bornes 40 et 42. Un condensateur 52 shunte le circuit base-collecteur du transistor 46. la base de ce transistor est aussi connectée au travers d'un condensateur 54 à un élément 28b du bobinage 28, destiné à la détection des oscillations réelles du balancier et produisant par ses deux extrémités 32 et 34 les ondes illustrées danses figures 2. En se référant tout d'abord à la figure 5, la façon d'exécuter le procédé selon l'invention illustré dans la figure 3 va maintenant être présentée. les signaux i fournis par la bobine 28b sont ajoutés à la borne 38 aux signaux I provenant du bloc 22, appliquant ainsi des signaux S sur la base du transistor 46. La tension de seuil A est déterminée par la polarisation du transistor 46. De la sorte, des signaux de commande C seront appliqués à la bobine 28a quand les signaux S à la base du transistor 46 dépasseront la tension de blocage de ce transistor, déterminée par sa jonction base émetteur. Cela montre la simplicité de réalisation de l'invention. Ce circuit admet naturellement de nombreuses variantes. C'est ainsi que lesignal de sortie du bloc 22 pourrait être appliqué aux extrémités d'une résistance comprise entre la borne 38 et la base du transistor 46 du montage de la figure 5. A la figure 6, le signal étalon appliqué à la borne 38 commande la conduction d'un transistor 56 dont le trajet collecteurémetteur est compris entre la résistance 48 et la base du transistor 46, constituant ainsi un étage tampon entre les blocs 22 et 16. Les résultats sont identiques à ceux du montage de la figure 5. Quant à la figure 7, seul-le signal i est appliqué sur la base du transistor 46, les signaux I étant appliqués à la base d'un transistor 58 dont le trajet collecteur-émetteur est en série avec celui du transistor 46, pouvant être aussi bien du cSté de l'émetteur du transistor 46 comme représenté,que du coté collecteur. En fonctionnement, une impulsion de commande traversera la bobine 28a si les deux transistors 46 et 58 conduisent en même temps, c'est-à-dire quand une partie d'au moins du signal i se présentera dans le temps d'une impulsion I (cas des signaux S1-S3)o De bons résultats ont été obtenus avec le circuit de la figure 5 pour un signal étalon de 0,4 volt d'amplitude, de rapport cyclique de 0,4 environ, ce dans le cas d'un balancier entretenu à l'aide d'une impulsion de commande par période d'oscillation .Dans ce meme cas, mais avec des circuits faisant intervenir un transistor de commutation comme dans les circuits des figures 6 et 7, le signal appliqué à la borne 38 doit avoir une amplitude supérieure à 0,6 volt et un rapport cyclique de 0,6 environ. Dans le cas d'un élément oscillant entretenu au moyen de deux impulsions par période d'oscillation , une à l'aller et une au retour, la fréquence délivrée par le bloc 22 doit être deux fois celle de la fréquence désirée F du balancier-spiral et le rapport cyclique doit être de 0,8 au lieu de 0,4, ou de 0,1 au lieu de 0,6. On remarquera que ce procédé s'applique à toutes sortes d'élément oscillant , celui-ci pouvant être de nature électromécanique comme dans l'exemple illustré, ou purement électronique. Par exemple, la bobine 28a peut être couplée à un élément d'un oscillateur électronique pour synchroniser ses oscillations sur une fréquence donnée, détectée par la bobine 28b. Bien sûr, d'autres élémentsqs'un bobinage peuvent être mis en oeuvre, L'invention n1 est donc nullement limitée aux modes de réalisation décrits et illustrés, celle-ci comprenant tous les moyens constituant les équivalents techniques des moyens décrits, ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. REVENDICATIONS 1. - Procédé pour la synchronisation électronique, sur une fréquence donnée, d'un élément oscillant à oscillations entretenues, caractérisé en ce qu'il consiste : à rendre la fréquence propre de l'élément oscillant différente, mais voisine de la fréquence donnée et à rendre la fréquence de ses oscillations variable selon une fonction de leur amplitude ;-à combiner un train d'ondes récurrentes à la fréquence donnée avec un signal représentatif des oscillations dudit élément oscillant pour former un signal composé ; à comparer l'amplitude du signal composé avec un niveau de seuil de manière à produire un signal de commande quand le signal composé dépasse ledit seuil , et à entretenir les oscillations de l'élément oscillant par action sur leur amplitude en fonction du signal de commande, 2. - Procédé selon la revendication t, caractérisé en ce que le signal de commande précité est produit dans une marge de variations incluant le point neutre des oscillations de l'élément oscillant. 5. - Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le train d'ondes précité est un train d'impulsions rectangulaires 4. - Procédé selon la revendication 3, caractérist en ce que le rapport cyclique du train d'impulsions rectangulaires est différent de 0,5. 5. - Procédé selon la revendication 4, caractérisé e ce que le rapport cyclique est de 0,4 ou de 3,6 environ lorsque le signal de commande est produit une fois par cycle d'oscil- lation de l'élément oscillant. 6. - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 c 4, caract-risc- en ce uo, lorsque le signal de commande est produit deux fois par cycle d'oscillation de l'élément oscillant, la fréquence de récurrence desdites ondes est de deux fois la fréquence donnée précite. 7. - Procédé sellez la revendication 6, caractrise en ce que 1 rapport cyclique est de 0,8 au lieu de 0,-4- et de 0,1 au lieu de 0,6 en comparaison d'un montage à un signal de commande par cycle d'oscillation 8. - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, à chaque cycle d'oscillation de l'élément oscillant, le signal représentatif de ses oscillations se compose d'au moins une alternance ayant le signe du niveau du seuil. 9. - Dispositif comprenant un élément oscillant à oscillations entretenues mettant en oeuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, du type comprenant un circuit de détection prévu pour fournir un signal représentatif des oscillations de l'élément oscillant, une source d'ondes récurrentes avec une haute stabilité, et un circuit pour entretenir lesdites oscillations à une fréquence donnée en fonction des ondes fournies par ladite source, caractérisé en ce que l'élément oscillant a sa fréquence propre différente, mais voisine de la fréquence donnée et la fréquence de ses oscillations varie selon une fonction de leur amplitude, et en ce que ledit dispositif comporte un montage électronique combinant ledit train d'ondes, celles-ci étant récurrentes à la fréquence donnée, avec ledit signal représentatif des oscillations de l'élément oscillant pour former un signal composé, et formant un signal de commande quand le signal composé dépasse un niveau de seuil déterminé par un circuit à seuil, ledit circuit d'entretien réagissant à ce signal de commande pour agir sur 'amplitude des oscillations de l'élément oscillant pour les maintenir avec précision à la fréquence donnée. 10. - Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'élément oscillant est un montage balancier-spiral, d'un instrument d'horlogerie. 11. - Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que le circuit de détection est constitué par un premier élément d'un bobinage couplé avec un dispositif à aimantation permanente incluant au moins un aimant, ce dernier ou ledit bobinage étant monté sur le balancier, l'autre étant fixe. 12. - Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que le circuit d'entretien comprend un second élément dudit bobinage. 13. - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisé en ce que le montage électronique comprend au moins un organe à conduction commandée ayant une électrode de référence, une électrode d'entrée recevant au moins l'une des composantes du signal composé, et une éléctrode de sortie couplée audit second élément de bobinage constituant le circuit d'entretien. 14. - Dispositif selon la revendication 13 > caractérisé en ce que l'électrode d'entrée ne recevant qu'une composante du signal composé, l'autre composante est appliquée à l'électrode de commande d'un second organe à conduction contrôlée dont le trajet reliant on électrode de référence à son électrode de sortie est monté en série avec le trajet correspondant de l'organe précité.