EP3629103B1 - Pièce d'horlogerie comprenant un mouvement mécanique dont la marche est régulée par un dispositif électronique - Google Patents

Pièce d'horlogerie comprenant un mouvement mécanique dont la marche est régulée par un dispositif électronique Download PDF

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EP3629103B1
EP3629103B1 EP18197529.3A EP18197529A EP3629103B1 EP 3629103 B1 EP3629103 B1 EP 3629103B1 EP 18197529 A EP18197529 A EP 18197529A EP 3629103 B1 EP3629103 B1 EP 3629103B1
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EP
European Patent Office
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frequency
control
control device
timepiece according
pulses
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EP3629103A1 (fr
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Lionel TOMBEZ
Laurent Nagy
Alexandre Haemmerli
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Swatch Group Research and Development SA
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Swatch Group Research and Development SA
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Publication date
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Definitions

  • the present invention relates to a timepiece comprising a mechanical movement, provided with a mechanical oscillator which is formed by a balance wheel and a hairspring, and an electronic regulating device for regulating the frequency of the mechanical oscillator which controls the operation of the. mechanical movement.
  • the electronic regulation device comprises an auxiliary oscillator of the electronic type which is generally more precise than the mechanical oscillator, in particular a quartz oscillator.
  • the patent application US 2013/051191 relates to a timepiece comprising a sprung balance and an electronic circuit for regulating the frequency of oscillation of this sprung balance.
  • the hairspring is made of a piezoelectric material or has two side layers of piezoelectric material on a silicon core, two outer side electrodes being arranged on the side surfaces of the hairspring. These two electrodes are connected to the electronic regulation circuit which comprises a plurality of switchable capacitors arranged in parallel and connected to the two electrodes of the hairspring.
  • FIG. 1 Using the Figures 1 to 4 , a timepiece of the type described in the aforementioned American patent application will be described.
  • Figure 1 only the mechanical resonator 2 of the mechanical movement of the timepiece, this resonator comprising a balance 4 oscillating around a geometric axis 6 and a hairspring 8 whose end curve 10 conventionally passes through a stud 12 integral with a balance bridge (not shown) of the mechanical movement.
  • the Figure 2 schematically shows a portion of the hairspring 8.
  • This hairspring is formed by a central body 14 in silicon, two side layers 16, 18 in piezoelectric material, in particular in aluminum nitride (AIN), and two external metal electrodes 20, 22.
  • the two electrodes are connected by conductive wires 26, 28 (schematic representation) to an electronic regulation circuit 24.
  • the Figure 3 (which reproduces the figure 1 of the previous document considered with some additional information from figures 2 and 7 ) shows the general arrangement of the regulation device 32 which is incorporated in the timepiece in question and in particular the electronic regulation circuit 24.
  • This circuit 24 comprises a first capacitor 34 connected to the two electrodes of the piezoelectric balance spring and a plurality switchable capacitors 36a to 36d which are arranged in parallel with the first capacitor, so as to form a variable capacitor Cv in order to be able to vary the value of the capacitance connected to the electrodes of the balance spring and thus vary, according to the teaching of the document, the rigidity of the hairspring.
  • the circuit 24 further comprises a comparator 38 whose two inputs are connected respectively to the two electrodes of the balance spring 8, this comparator being provided to supply a logic signal making it possible to determine, thanks to the successive changes of the logic state of this logic signal by zero of the voltage induced between the two electrodes of the balance spring.
  • the logic signal is supplied to a logic circuit 40 which also receives a reference signal from a clock circuit 42 associated with a crystal resonator 44. Based on a comparison between the reference signal and the supplied logic signal by comparator 38, logic circuit 40 controls the switches of switchable capacitors 36a to 36d.
  • a full-wave rectifier circuit 46 conventionally formed of a bridge with four diodes, which supplies a direct voltage V DC and charges a storage capacitor 48.
  • This supplied electrical energy. by the piezoelectric balance spring enables the device 32 to be powered.
  • We therefore have an autonomous electrical system because it is self-powered in the sense that the electrical energy comes from the mechanical energy supplied to the mechanical resonator 2, including the piezoelectric balance spring 8, when the resonator mechanical oscillates, forms an electromechanical transducer (an electric current generator).
  • the electronic regulation circuit 24 can only reduce the oscillation frequency of the mechanical resonator 2 by increasing the value of the variable capacitance Cv.
  • This observation is confirmed by the graph of the Figure 4 which shows the curve 50 giving the operating deviation as a function of the value of the variable capacitance Cv. It is in fact observed that the operating deviation obtained is always less than zero and increases in absolute value when the value of the variable capacitance increases.
  • the regulation system requests that the natural frequency of the mechanical oscillator (frequency in the absence of regulation) be greater than the nominal frequency (reference frequency) of this mechanical oscillator.
  • the document CH 705 679 A2 describes a very similar control device compared to that described in US2013 / 051191 .
  • the DC voltage is varied using a network of capacitors and / or resistors.
  • the document EP 1 164 441 A1 discloses a mechanical timepiece having a sprung balance oscillator and a Swiss lever escapement.
  • the frequency of the mechanical oscillator is first measured by counting, over a time span of one hour, the number of strikes of the anchor on piezoelectric pins, then it is regulated by an electronic regulating device.
  • This regulation circuit acts on a piezoelectric element which varies the length of the hairspring by moving the eyebolt.
  • the document EP 2 908 187 A1 describes a balance-spring oscillator with a piezoelectric balance-spring.
  • a circuit connected to the hairspring electrodes is used to maintain the oscillator and to stabilize its oscillation frequency at the value of its natural frequency.
  • the object of the present invention is to provide a timepiece, provided with a mechanical resonator comprising a balance spring formed at least partially from a piezoelectric material and an electronic regulation system, associated with the piezoelectric balance spring, which does not have the drawbacks of the timepiece of the prior art described above, in particular which can be associated with a mechanical movement the rate of which is initially adjusted optimally, that is to say to the best of its ability.
  • the objective of the invention is to provide an electronic regulation system which is, thanks to the use of a piezoelectric balance spring, discrete and autonomous and which is truly complementary to the mechanical movement by making it possible to increase its precision without degrading by elsewhere an optimal initial adjustment of this mechanical movement.
  • the object of the invention is a timepiece comprising a regulating device arranged to be able to regulate the average frequency of a mechanical oscillator, formed by a balance wheel and a hairspring, which rates the rate of the piece.
  • this regulation device comprising an auxiliary time base, formed by an auxiliary electronic oscillator, which supplies a reference frequency signal for regulation.
  • the hairspring is formed at least partially by a piezoelectric material and by at least two electrodes arranged so as to present between them a voltage induced by the piezoelectric material undergoing mechanical stress and electrically connected to the regulation device which is arranged to be able to vary the impedance of the system regulation formed by the piezoelectric material, the at least two electrodes and the regulation device.
  • the regulation device is arranged so as to be able to momentarily vary the electrical resistance generated by this control device.
  • regulation between the at least two electrodes in order to be able to generate, at least at times, regulation pulses which are distinct and each have a certain duration T P , each regulation pulse consisting of a momentary decrease in said electrical resistance relative to a nominal electrical resistance which is generated by the regulation device between the two electrodes apart from the separate regulation pulses.
  • the regulation device is arranged to determine by means of the reference time base the start of each of the regulation pulses, so as to satisfy the aforementioned mathematical relationship between the time distance and the regulation period, and thereby to determine the frequency. regulation.
  • said moments are contiguous and together form a continuous time range.
  • the regulation device is arranged to apply the regulation pulses during the continuous time range in such a way that any two successive regulation pulses occurring in this continuous time range have, between their beginnings, the time distance D T with the regulation period Treg equal to one reference period T0c, which is the inverse of the reference frequency F0c, so as to be able to continuously synchronize, after a possible initial transient phase, the frequency of the mechanical oscillator on a reference frequency F0c during the continuous time range.
  • the number N, respectively M is constant and predefined for the continuous time range.
  • the timepiece further comprises a device for measuring a time drift in the operation of the mechanical oscillator relative to its setpoint frequency F0c, and the regulating device is arranged to select , before each of said moments, for the regulation period Treg, depending on whether at least a certain positive or negative time drift is detected, respectively a first correction period Tcor1 which is greater than a setpoint period T0c, equal to the reverse of the setpoint frequency, or a second correction period Tcor2 which is less than the setpoint period.
  • the number N, respectively M is constant during each of said moments and it is either predetermined or determined before the following moment considered.
  • the characteristics of the timepiece according to the invention it is possible to correct both an advance and a delay in the natural course of a mechanical movement by acting by regulating pulses, each having a limited duration, which vary the resistance between the at least two electrodes of the hairspring which is formed at least partially of a piezoelectric material.
  • the separate regulation pulses are applied without interruption and the times of their triggering are determined so that the frequency of the mechanical oscillator is constantly synchronized with a setpoint frequency, so that none time drift occurs after an initial phase to obtain the desired synchronization.
  • This first embodiment is very advantageous by virtue of the simplicity of its electronic circuit.
  • the regulation system generates an induced voltage between the two electrodes of the hairspring, which makes it possible to easily count the alternations or periods of the mechanical oscillator and thus be able to detect a temporal drift in the progress of the timepiece.
  • the timepiece according to the invention comprises, like the timepiece of the prior art described above, a mechanical watch movement provided with a mechanical oscillator, formed by a balance and a piezoelectric balance-spring, for example as shown. to the Figures 1 and 2 , and arranged to clock the rate of the watch movement, this mechanical oscillator having a predefined reference frequency F0c.
  • the hairspring is formed at least partially by a piezoelectric material and it comprises two electrodes 20, 22 arranged so as to be able to present between them a voltage induced by the piezoelectric material when the latter is placed under mechanical stress during an oscillation of the piezoelectric material. mechanical oscillator.
  • the timepiece further comprises a regulating device arranged in order to be able to regulate the average frequency of the mechanical oscillator and comprising an auxiliary time base, formed by an auxiliary electronic oscillator and supplying a reference frequency signal.
  • the two electrodes of the hairspring are electrically connected to the regulation device which is arranged to be able to vary the impedance of the regulation system which is formed by the piezoelectric material, the two electrodes and the regulation device.
  • the regulation device is arranged so as to be able to momentarily vary the electrical resistance generated by this regulation device between the two electrodes of the balance spring, in order to be able to generate, at least at times, regulation pulses which are distinct and each have a certain duration T P , each regulation pulse consisting of a momentary decrease in the electrical resistance of the regulation system, namely the aforementioned electrical resistance relative to a nominal electrical resistance which is generated by the regulation device between the two electrodes outside separate regulation pulses.
  • the regulation device is arranged to determine by means of the reference time base the start of each of said regulation pulses, so as to satisfy the aforementioned mathematical relation between the temporal distance D T and the regulation period Treg, and thus to determine the regulation frequency.
  • F D (M) 2.Freg / (2M - 1) for the advantageous variant mentioned above.
  • the electronic circuit which forms the entire regulator device 52, is very simple.
  • a quartz resonator 44 is excited by a clock circuit 42, the latter supplying a reference signal S Ref either at the frequency of the quartz F Q , preferably at a frequency adjusted to 32'768 Hz, or at a fraction of this frequency F Q , for example F Q / 4 and preferably at a fraction of the frequency adjusted in particular by means of an inhibition circuit known to the person skilled in the art.
  • the reference signal S Ref is supplied to a frequency divider 64 which outputs a control signal S com to a timer 58 which, in response to the control signal, supplies a short-circuit signal Scc to a switch 60 arranged between the two electrodes 20, 22 of the piezoelectric balance spring 8 (shown schematically on Figure 6 ) at the frequency imposed by the control signal.
  • This process takes place without interruption over a continuous period of time which lasts as long as the regulating device is active, that is to say as long as it is supplied with electricity.
  • the piezoelectric balance spring 8 is formed at least partially by a piezoelectric material and by at least two electrodes 20, 22 (see Figures2 and 10 ) which are arranged so as to be able to present between them an induced voltage U (t) by the piezoelectric material when the latter is placed under mechanical stress during an oscillation of the mechanical oscillator (see Figure 9 ).
  • the numbers N and M are constant and predefined po ur the continuous time range during which the short-circuit pulses which define the regulation pulses are applied.
  • the timer 58 at each pulse of the control signal, closes the switch 60 (switch on and therefore on) during a time interval T R , so that the short-circuit pulses each have a duration T R , which is preferably planned to be less than a quarter of the setpoint period T0c.
  • the duration of the regulation pulses is less than or substantially equal to one tenth of the reference period T0c.
  • FIG. 7 To the Figure 7 is shown the electronic diagram of a regulation device, identical to that described above, which is associated with a supply circuit 66, formed of a rectifier 68 of an induced voltage U (t) between the two electrodes 20, 22 of the hairspring 8 when the mechanical resonator oscillates and arranged to supply the regulation device 62, the rectified voltage being stored in a storage capacity C AL , so that the regulation device with the power supply circuit form a unit autonomous.
  • this autonomous unit is supported by the balance 4 (see Figure 1 ) to which it is attached.
  • the timepiece comprises a regulation device 62 formed by an electronic regulation circuit 62a and an auxiliary time base which comprises an auxiliary oscillator and which supplies a reference signal S Ref to the electronic regulation circuit.
  • This time base comprises for example a quartz resonator 44 and a clock circuit 42 which supplies the reference signal S Ref , already described in the context of the first main embodiment, to a divider having at least two stages DIV1 and DIV2, this divider being included in the circuit 62a.
  • the piezoelectric hairspring 8 is similar to that described in the first main embodiment and its two electrodes 20, 22 are electrically connected to the electronic regulation circuit 62a.
  • the electronic regulation circuit comprises a device for measuring a possible temporal drift in the operation of the watch movement relative to a reference frequency for the mechanical oscillator which is determined by the auxiliary time base 42,44.
  • the measuring device is formed by a hysteresis comparator 54, the two inputs of which are connected to the two electrodes 20, 22 of the piezoelectric balance spring 8. It will be noted that in the example given, the electrode 20 is electrically connected to an input of the comparator 54 via the ground of the regulation device.
  • the hysteresis comparator supplies a digital 'Comp' signal (see Figure 9 ) whose logic state changes just after each passage of the mechanical oscillator through its neutral position (angular position ⁇ (t) equal to zero) and therefore after each passage through zero of the mechanical resonator forming this mechanical oscillator.
  • the induced voltage U (t) generated by the piezoelectric balance spring is zero when the mechanical resonator passes through its neutral position (angular position 'zero'), while it is maximum, for a given load applied between the two electrodes, when the mechanical resonator is in one or the other of its two extreme positions (defining the amplitude of the mechanical oscillator respectively on both sides of the neutral position), as shown in Figure 9 .
  • the 'Comp' signal is supplied to a first 'Up' input of a bidirectional counter CB forming the measuring device.
  • the bidirectional counter is thus incremented by one unit for each period of oscillation of the mechanical oscillator (in particular on each rising edge of the signal). It therefore continuously receives a measurement of the instantaneous oscillation frequency of the mechanical oscillator.
  • the bidirectional counter receives at its second 'Down' input a clock signal S hor supplied by the frequency divider DIV1 & DIV2, this clock signal corresponding to a reference frequency F0c for the mechanical oscillator which is determined by l auxiliary oscillator of the auxiliary time base.
  • the bidirectional counter supplies the logic control circuit 56 with a signal S DT corresponding to an error accumulated over time between the oscillation frequency of the mechanical oscillator and the reference frequency, this cumulative error defining the time drift of the mechanical oscillator relative to the auxiliary oscillator.
  • the regulation device 62 comprises a switch 60 formed by a transistor and arranged between the two electrodes 20, 22 of the hairspring 8, this switch being controlled by the logic control circuit 56. which is arranged to be able to temporarily close, via a timer 58, this switch so as to make it on / conductive during the regulation pulses, which then define short-circuit pulses.
  • the control circuit selectively supplies a control signal S com to the timer 58 which, in response to this control signal, controls the momentary closing of the transistor 60 by applying a signal Scc to it.
  • the control circuit determines the instant of the start of each short-circuit pulse by triggering or resetting the timer ('Timer') which makes transistor 60 directly on / conductive (switch closed), the timer determining the duration T R of each short-circuit pulse.
  • the timer opens the switch again so that the transistor 60 is no longer conducting, that is to say that it becomes non-conductive again.
  • the regulation pulses each have a duration less than a quarter of the reference period T0c which is equal to the inverse of the reference frequency for the mechanical oscillator.
  • the duration of the regulation pulses is less than or substantially equal to one tenth of a set period.
  • the electronic circuit 62a further comprises a supply circuit 66 for the regulation device, which has already been described above.
  • the regulation method according to the second main embodiment, implemented by the regulation device 62 and implemented in the control logic circuit 56, is explained below.
  • the control logic circuit is designed to be able to determine whether a time drift measured by the measuring device corresponds to at least a certain advance (CB> N1) or to at least a certain delay (CB ⁇ - N2), N1 and N2 being positive integers.
  • the number N is preferably expected to be constant during each correction moment and it is either predetermined or determined before the next considered correction moment.
  • the whole number N is made smaller in an initial phase than in a final phase of each of the correction moments, so as to best reduce the initial transient phase.
  • the number M is expected to be constant during each correction moment and it is either predetermined or determined before the next correction moment considered.
  • a first regulation pulse from among the plurality of regulation pulses provided for the correction moment. considered, relative to the angular position of the mechanical oscillator.
  • the signal “Comp” is also supplied to the logic control circuit 56.
  • the first regulation pulse is triggered by a rising edge or a falling edge of the signal “Comp”.
  • This hairspring 70 shown in cross section, comprises a central body 72 in silicon, a silicon oxide layer 74 deposited on the surface of the central body so as to thermally compensate the hairspring, a conductive layer 76 deposited on the oxide layer. silicon, and a piezoelectric material deposited in the form of a piezoelectric layer 78 on the conductive layer 76.
  • Two electrodes 20a and 22a are arranged on the piezoelectric layer 78 respectively on the two lateral sides of the hairspring (the two electrodes being able to partially cover the lower and upper sides of the hairspring without however joining).
  • the first part 80a and the second part 80b of the piezoelectric layer extending respectively on the two lateral sides of the central body 72 have, by their growth from the conductive layer 76, respective crystallographic structures which are symmetrical with respect to a plane median 84 parallel to these two lateral sides.
  • the piezoelectric layer has two same respective piezoelectric axes 82a, 82b which are perpendicular to the piezoelectric layer and in opposite directions. We therefore have an inversion of the sign of the voltage induced between the internal electrode and each of the two external side electrodes for the same mechanical stress.
  • the hairspring contracts or expands from its rest position, there is a reversal of the mechanical stress between the first and second parts 80a and 80b, that is to say that one of these parts is subjected compression while the other of these parts is under tension, and vice versa.
  • the voltages induced in the first and second parts have, along an axis perpendicular to the two lateral sides, the same polarity so that the conductive layer 76 can form one and the same internal electrode which extends on the two lateral sides of the central body 72, this internal electrode not having its own electrical connection with the regulation device.
  • the piezoelectric layer consists of an aluminum nitride crystal formed by a growth of this crystal from the conductive layer 76 (internal electrode) and perpendicularly thereto.

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Description

    Domaine technique
  • La présente invention concerne une pièce d'horlogerie comprenant un mouvement mécanique, muni d'un oscillateur mécanique qui est formé par un balancier et un spiral, et un dispositif électronique de régulation pour réguler la fréquence de l'oscillateur mécanique qui contrôle la marche du mouvement mécanique.
  • En particulier, le dispositif électronique de régulation comprend un oscillateur auxiliaire du type électronique généralement plus précis que l'oscillateur mécanique, en particulier un oscillateur à quartz.
    • Arrière-plan technologique
  • Plusieurs documents concernent la régulation électronique d'un oscillateur mécanique dans une pièce d'horlogerie. En particulier, la demande de brevet US 2013/051191 concerne une pièce d'horlogerie comprenant un balancier-spiral et un circuit électronique de régulation de la fréquence d'oscillation de ce balancier-spiral. Le spiral est constitué d'un matériau piézoélectrique ou comporte deux couches latérales en matériau piézoélectrique sur un noyau en silicium, deux électrodes latérales externes étant agencées sur les surfaces latérales du spiral. Ces deux électrodes sont reliées au circuit électronique de régulation qui comprend une pluralité de capacités commutables agencées en parallèle et reliées aux deux électrodes du spiral.
  • A l'aide des Figures 1 à 4, on décrira une pièce d'horlogerie du type décrit dans la demande de brevet américaine mentionnée ci-avant. Pour ne pas charger le dessin, on a représenté à la Figure 1 seulement le résonateur mécanique 2 du mouvement mécanique de la pièce d'horlogerie, ce résonateur comprenant un balancier 4 oscillant autour d'un axe géométrique 6 et un spiral 8 dont la courbe terminale 10 passe classiquement au travers d'un piton 12 solidaire d'un pont de balancier (non représenté) du mouvement mécanique. La Figure 2 montre schématiquement une portion du spiral 8. Ce spiral est formé par un corps central 14 en silicium, deux couches latérales 16, 18 en matériau piézoélectrique, notamment en nitrure d'aluminium (AIN), et deux électrodes métalliques externes 20, 22. Les deux électrodes sont reliées par des fils conducteurs 26, 28 (représentation schématique) à un circuit électronique de régulation 24.
  • La Figure 3 (qui reproduit la figure 1 du document antérieur considéré avec quelques informations supplémentaires provenant des figures 2 et 7) montre l'agencement général du dispositif de régulation 32 qui est incorporé dans la pièce d'horlogerie en question et en particulier le circuit électronique de régulation 24. Ce circuit 24 comprend une première capacité 34 reliée aux deux électrodes du spiral piézoélectrique et une pluralité de capacités commutables 36a à 36d qui sont agencées en parallèle de la première capacité, de manière à former une capacité variable Cv pour pouvoir varier la valeur de la capacité reliée aux électrodes du spiral et ainsi varier, selon l'enseignement du document, la rigidité du spiral. Le circuit 24 comprend en outre un comparateur 38 dont les deux entrées sont reliées respectivement aux deux électrodes du spiral 8, ce comparateur étant prévu pour fournir un signal logique permettant de déterminer grâce aux changements successifs de l'état logique de ce signal logique les passages par zéro de la tension induite entre les deux électrodes du spiral. Le signal logique est fourni à un circuit logique 40 qui reçoit également un signal de référence d'un circuit d'horloge 42 associé à un résonateur à quartz 44. Sur la base d'une comparaison entre le signal de référence et le signal logique fourni par le comparateur 38, le circuit logique 40 commande les interrupteurs des capacités commutables 36a à 36d.
  • De plus, il est prévu à la suite du circuit de capacités commutables un circuit redresseur double alternance 46, formé classiquement d'un pont à quatre diodes, qui fournit une tension continue VDC et charge une capacité de stockage 48. Cette énergie électrique fournie par le spiral piézoélectrique permet une alimentation du dispositif 32. On a donc un système électrique autonome car il est autoalimenté en ce sens que l'énergie électrique provient de l'énergie mécanique fournie au résonateur mécanique 2 dont le spiral piézoélectrique 8, lorsque le résonateur mécanique oscille, forme un transducteur électromécanique (un générateur de courant électrique).
  • Comme indiqué dans le document US2013/051191 à son paragraphe 0052, le circuit électronique de régulation 24 ne peut que réduire la fréquence d'oscillation du résonateur mécanique 2 en augmentant la valeur de la capacité variable Cv. Cette constatation est confirmée par le graphe de la Figure 4 qui montre la courbe 50 donnant l'écart de marche en fonction de la valeur de la capacité variable Cv. On observe en effet que l'écart de marche obtenu est toujours inférieur à zéro et augmente en valeur absolue lorsque la valeur de la capacité variable augmente. Ainsi, le système de régulation demande que la fréquence naturelle de l'oscillateur mécanique (fréquence en l'absence de régulation) soit supérieure à la fréquence nominale (fréquence de consigne) de cet oscillateur mécanique. En d'autres termes, il est prévu de régler l'oscillateur mécanique de manière à ce que sa fréquence naturelle corresponde à une fréquence supérieure à la fréquence de consigne, le circuit de régulation ayant pour fonction de faire diminuer plus ou moins cette fréquence naturelle pour que la marche corresponde à la fréquence de consigne. Ainsi, un grand désavantage d'un tel système réside dans le fait que la marche du mouvement mécanique n'est pas optimale en l'absence de régulation électronique. Pour un mouvement horloger mécanique de haute précision, on doit en effet dégrader ses propres caractéristiques mécaniques par un réglage non optimal. On peut conclure qu'un tel système de régulation électronique n'a de sens que pour des mouvements mécaniques de qualité moyenne, voire de mauvaise qualité, la précision de ces mouvements mécaniques dépendant du système de régulation électronique
  • Le document CH 705 679 A2 décrit un dispositif de régulation très similaire par rapport à celui décrit dans US2013/051191 . Ici, la tension continue est variée en utilisant un réseau de condensateurs et/ou de résistances.
  • Le document EP 1 164 441 A1 divulgue une pièce d'horlogerie mécanique ayant un oscillateur balancier-spiral et un échappement à ancre suisse. La fréquence de l'oscillateur mécanique est d'abord mesurée en comptant, sur une plage temporelle d'une heure, le nombre de frappes de l'ancre sur des goupilles piézoélectriques, puis elle est régulée par un dispositif électronique de régulation. Ce circuit de régulation agit sur un élément piézoélectrique qui varie la longueur du spiral en déplaçant le piton.
  • Enfin, le document EP 2 908 187 A1 décrit un oscillateur balancier-spiral dont le spiral est piézoélectrique. Un circuit branché aux électrodes du spiral est utilisé pour l'entretien de l'oscillateur et pour stabiliser sa fréquence d'oscillation à la valeur de sa fréquence propre.
    • Résumé de l'invention
  • La présente invention a pour but de proposer une pièce d'horlogerie, munie d'un résonateur mécanique comprenant un spiral formé au moins partiellement d'un matériau piézoélectrique et d'un système de régulation électronique, associé au spiral piézoélectrique, qui ne présente pas les inconvénients de la pièce d'horlogerie de l'art antérieur précédemment décrite, en particulier qui puisse être associé à un mouvement mécanique dont la marche est réglée initialement de manière optimale, c'est-à-dire au mieux de ses possibilités. Ainsi, l'invention a pour objectif de fournir un système de régulation électronique qui soit, grâce à l'utilisation d'un spiral piézoélectrique, discret et autonome et qui soit réellement complémentaire au mouvement mécanique en permettant d'augmenter sa précision sans dégrader par ailleurs un réglage initial optimal de ce mouvement mécanique.
  • A cet effet, l'invention a pour objet une pièce d'horlogerie comprenant un dispositif de régulation agencé pour pouvoir réguler la fréquence moyenne d'un oscillateur mécanique, formé par un balancier et un spiral, qui cadence la marche de la pièce d'horlogerie, ce dispositif de régulation comprenant une base de temps auxiliaire, formée par un oscillateur électronique auxiliaire, qui fournit un signal de fréquence de référence pour la régulation. Le spiral est formé au moins partiellement par un matériau piézoélectrique et par au moins deux électrodes agencées de manière à présenter entre elles une tension induite par le matériau piézoélectrique subissant une contrainte mécanique et reliées électriquement au dispositif de régulation qui est agencé pour pouvoir varier l'impédance du système de régulation formé par le matériau piézoélectrique, les au moins deux électrodes et le dispositif de régulation. Le dispositif de régulation est agencé de manière à pouvoir varier momentanément la résistance électrique engendrée par ce dispositif de régulation entre les au moins deux électrodes, pour pouvoir engendrer au moins par moments des impulsions de régulation qui sont distinctes et ont chacune une certaine durée TP, chaque impulsion de régulation consistant en une diminution momentanée de ladite résistance électrique relativement à une résistance électrique nominale qui est engendrée par le dispositif de régulation entre les deux électrodes en dehors des impulsions de régulation distinctes. Le dispositif de régulation est agencé pour pouvoir appliquer une pluralité d'impulsions de régulation durant chacun desdits moments, de manière que deux impulsions de régulation successives quelconques parmi chaque pluralité d'impulsions de régulation présentent entre leurs débuts une distance temporelle DT égale à un nombre N multiplié par la moitié d'une période de régulation Treg déterminée pour chacun desdits moments, soit une relation mathématique DT = N·Treg / 2, N étant un nombre entier positif supérieur à zéro. La période de régulation Treg et le nombre N sont sélectionnés de manière à permettre une synchronisation de l'oscillateur mécanique sur une fréquence de régulation Freg = 1 /Treg au cours de chacun desdits moments. Le dispositif de régulation est agencé pour déterminer au moyen de la base de temps de référence le début de chacune des impulsions de régulation, de manière à satisfaire la relation mathématique susmentionnée entre la distance temporelle et la période de régulation, et pour ainsi déterminer la fréquence de régulation.
  • Selon une variante avantageuse, la distance temporelle DT est égale à un nombre impair 2M - 1 multiplié par la moitié d'une période de régulation Treg déterminée pour chacun desdits moments, soit une relation mathématique DT = (2M - 1)·Treg / 2, M étant un nombre entier positif supérieur à zéro. La période de régulation Treg et le nombre M sont sélectionnés de manière à permettre une synchronisation de l'oscillateur mécanique sur une fréquence de régulation Freg = 1 /Treg au cours de chacun desdits moments.
  • Selon un premier mode de réalisation principal, lesdits moments sont contigus et forment ensemble une plage temporelle continue. Le dispositif de régulation est agencé pour appliquer durant la plage temporelle continue les impulsions de régulation de manière que deux impulsions de régulation successives quelconques intervenant dans cette plage temporelle continue présentent entre leurs débuts la distance temporelle DT avec la période de régulation Treg égale à une période de consigne T0c, laquelle est l'inverse de la fréquence de consigne F0c, de manière à pouvoir synchroniser continument, après une éventuelle phase transitoire initiale, la fréquence de l'oscillateur mécanique sur une fréquence de consigne F0c durant la plage temporelle continue.
  • Dans une variante particulière, le dispositif de régulation est agencé pour appliquer, durant la plage temporelle continue, périodiquement les impulsions de régulation avec une fréquence de déclenchement FD(N)=2·F0c/N dans le cadre de la variante générale exposée précédemment, respectivement FD(M) = 2·F0c/ (2M - 1) dans le cadre de la variante avantageuse aussi mentionnée précédemment. Dans une variante préférée, le nombre N, respectivement M est constant et prédéfini pour la plage temporelle continue.
  • Selon un deuxième mode de réalisation principal, la pièce d'horlogerie comprend en outre un dispositif de mesure d'une dérive temporelle dans le fonctionnement de l'oscillateur mécanique relativement à sa fréquence de consigne F0c, et le dispositif de régulation est agencé pour sélectionner, avant chacun desdits moments, pour la période de régulation Treg, selon qu'au moins une certaine dérive temporelle positive ou négative est détectée, respectivement une première période de correction Tcor1 qui est supérieure à une période de consigne T0c, égale à l'inverse de la fréquence de consigne, ou une deuxième période de correction Tcor2 qui est inférieure à la période de consigne. Chacun desdits moments est prévu avec une durée suffisante à l'établissement d'une phase synchrone dans laquelle la fréquence de l'oscillateur mécanique est synchronisée soit sur une première fréquence de correction Fcor1 = 1/Tcor1 lorsque ladite au moins une certaine dérive temporelle positive est détectée avant le moment considéré, soit sur une deuxième fréquence de correction Fcor2 = 1/Tcor2 lorsque ladite au moins une certaine dérive temporelle négative est détectée avant le moment considéré.
  • Selon une variante préférée, lorsque ladite au moins une certaine dérive temporelle positive ou négative est détectée, le dispositif de régulation est agencé pour appliquer périodiquement, durant le moment suivant parmi lesdits moments, la pluralité d'impulsions de régulation correspondante avec respectivement une première fréquence FINF, selon la variante mentionnée précédemment FINF = 2·Fcor1/N ou FINF = 2·Fcor1 / (2M - 1), ou avec une deuxième fréquence FSUP, selon la variante mentionnée précédemment FSUP= 2·Fcor2/N ou FSUP= 2·Fcor2/(2M - 1). En particulier, le nombre N, respectivement M est constant au cours de chacun desdits moments et il est soit prédéterminé, soit déterminé avant le moment suivant considéré.
  • Grâce aux caractéristiques de la pièce d'horlogerie selon l'invention, il est possible de corriger aussi bien une avance qu'un retard dans la marche naturelle d'un mouvement mécanique en agissant par des impulsions de régulation, ayant chacune une durée limitée, qui varient la résistance entre les au moins deux électrodes du spiral qui est formé au moins partiellement d'un matériau piézoélectrique.
  • Dans le premier mode de réalisation principal, les impulsions de régulation distinctes sont appliquées sans interruption et les instants de leur déclenchement sont déterminés de manière que la fréquence de l'oscillateur mécanique soit synchronisée en permanence sur une fréquence de consigne, de sorte qu'aucune dérive temporelle n'intervient après une phase initiale permettant d'obtenir la synchronisation voulue. Ce premier mode de réalisation est très avantageux par la simplicité de son circuit électronique.
  • Dans le deuxième mode de réalisation principal, on tire parti du fait que le système de régulation engendre une tension induite entre les deux électrodes du spiral, ce qui permet de compter aisément les alternances ou les périodes de l'oscillateur mécanique et de pouvoir ainsi détecter une dérive temporelle dans la marche de la pièce d'horlogerie. Dans ce cas, il est prévu d'appliquer des impulsions de régulation que par moments séparés et seulement lorsque qu'une certaine dérive temporelle est détectée, de manière différenciée selon que cette dérive temporelle est positive ou négative, pour corriger la dérive temporelle.
    • Brève description des figures
  • L'invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide des dessins annexés, donnés à titre d'exemples nullement limitatifs, dans lesquels :
    • La Figure 1, déjà décrite, montre une pièce d'horlogerie de l'art antérieur comprenant un résonateur mécanique, formé d'un balancier et d'un spiral piézoélectrique, et un circuit électronique de régulation qui est relié aux deux électrodes du spiral piézoélectrique;
    • La Figure 2 est un agrandissement d'une portion du spiral piézoélectrique de la Figure 1 ;
    • La Figure 3 montre partiellement le schéma électrique du dispositif de régulation de la pièce d'horlogerie de la Figure 1 ;
    • La Figure 4 donne l'écart de marche pour la pièce d'horlogerie des figures précédentes en fonction d'une capacité variable appliquée entre les deux électrodes du spiral piézoélectrique;
    • La Figure 5 montre l'évolution de la fréquence d'oscillation du résonateur mécanique lors d'une application périodique d'impulsions de régulation pour diverses fréquences de déclenchement de ces impulsions de régulation autour d'une fréquence égale au double d'une fréquence de consigne pour l'oscillateur mécanique de la pièce d'horlogerie;
    • La Figure 6 montre le schéma électrique d'un dispositif de régulation incorporé dans une variante d'un premier mode de réalisation principal d'une pièce d'horlogerie selon l'invention;
    • La Figure 7 montre le schéma électrique d'un dispositif de régulation incorporé dans une variante préférée du premier mode de réalisation principal;
    • La Figure 8 montre le schéma électrique d'un dispositif de régulation incorporé dans une variante d'un deuxième mode de réalisation principal d'une pièce d'horlogerie selon l'invention;
    • La Figure 9 montre le graphe de la tension induite entre les deux électrodes du spiral piézoélectrique en fonction de la position angulaire du résonateur mécanique, ainsi qu'un signal fourni par un comparateur à hystérèse pour pouvoir compter les périodes d'oscillation du résonateur mécanique; et
    • La Figure 10 est une coupe transversale d'un mode de réalisation préféré d'un spiral piézoélectrique formant le résonateur mécanique d'une pièce d'horlogerie selon l'invention.
    Description détaillée de l'invention
  • La pièce d'horlogerie selon l'invention comprend, comme la pièce d'horlogerie de l'art antérieur décrite précédemment, un mouvement horloger mécanique muni d'un oscillateur mécanique, formé par un balancier et un spiral piézoélectrique, par exemple tel que représenté aux Figures 1 et 2, et agencé pour cadencer la marche du mouvement horloger, cet oscillateur mécanique ayant une fréquence de consigne F0c prédéfinie. Le spiral est formé au moins partiellement par un matériau piézoélectrique et il comprend deux électrodes 20, 22 agencées de manière à pouvoir présenter entre elles une tension induite par le matériau piézoélectrique lorsque ce dernier est mis sous contrainte mécanique lors d'une oscillation de l'oscillateur mécanique. La pièce d'horlogerie comprend en outre un dispositif de régulation agencé pour pouvoir réguler la fréquence moyenne de l'oscillateur mécanique et comprenant une base de temps auxiliaire, formée par un oscillateur électronique auxiliaire et fournissant un signal de fréquence de référence. Les deux électrodes du spiral sont reliées électriquement au dispositif de régulation qui est agencé pour pouvoir varier l'impédance du système de régulation qui est formé par le matériau piézoélectrique, les deux électrodes et le dispositif de régulation.
  • Selon l'invention, le dispositif de régulation est agencé de manière à pouvoir varier momentanément la résistance électrique engendrée par ce dispositif de régulation entre les deux électrodes du spiral, pour pouvoir engendrer au moins par moments des impulsions de régulation qui sont distinctes et ont chacune une certaine durée TP, chaque impulsion de régulation consistant en une diminution momentanée de la résistance électrique du système de régulation, à savoir la résistance électrique susmentionnée relativement à une résistance électrique nominale qui est engendrée par le dispositif de régulation entre les deux électrodes en dehors des impulsions de régulation distinctes. De manière générale, le dispositif de régulation est agencé pour pouvoir appliquer au moins par moments une pluralité d'impulsions de régulation durant chacun de ces moments, de manière que deux impulsions de régulation successives quelconques parmi chaque pluralité d'impulsions de régulation présentent entre leurs débuts une distance temporelle DT égale à un nombre N multiplié par la moitié d'une période de régulation Treg déterminée pour chacun desdits moments, soit une relation mathématique DT = N·Treg / 2, N étant un nombre entier positif supérieur à zéro. La période de régulation Treg et le nombre N sont sélectionnés de manière à permettre une synchronisation de l'oscillateur mécanique sur une fréquence de régulation Freg = 1 /Treg au cours de chacun desdits moments, comme ceci sera exposé plus en détails par la suite. Le dispositif de régulation est agencé pour déterminer au moyen de la base de temps de référence le début de chacune desdites impulsions de régulation, de manière à satisfaire la relation mathématique susmentionnée entre la distance temporelle DT et la période de régulation Treg, et pour ainsi déterminer la fréquence de régulation.
  • Dans une variante avantageuse, la distance temporelle DT est égale à un nombre impair 2M - 1 multiplié par la moitié d'une période de régulation Treg déterminée pour chacun desdits moments, soit une relation mathématique DT = (2M - 1)·Treg / 2, M étant un nombre entier positif supérieur à zéro. Cette variante, qui sélectionne les nombres impairs parmi les valeurs possibles pour le nombre N susmentionné dans la variante générale exposée ci-avant, est avantageuse car, selon les observations effectuées par les inventeurs, la sélection d'un nombre impair résulte en une plus grande efficacité de régulation relativement au cas d'un nombre pair pour le nombre N.
  • De préférence, au cours de chaque moment où intervient une pluralité d'impulsions de régulation, le dispositif de régulation est agencé pour appliquer périodiquement les impulsions de régulation avec une fréquence de déclenchement FD(N) = 2.Freg /N pour la variante générale, et FD(M) = 2.Freg / (2M - 1) pour la variante avantageuse susmentionnée.
  • Dans le cadre du développement ayant conduit à la présente invention, les inventeurs ont mis en lumière un phénomène physique tout-à-fait remarquable en relation avec un oscillateur mécanique formé par un balancier et un spiral piézoélectrique, ce phénomène physique permettant d'effectuer selon l'invention une régulation de la fréquence moyenne d'un oscillateur mécanique incorporé dans un mouvement mécanique au moyen d'un dispositif de régulation électronique, comme exposé ci-avant. Ensuite, les inventeurs ont définis deux types de régulation basés sur ce phénomène physique qui sont respectivement implémentés dans deux modes de réalisation principaux qui seront décrits en détails par la suite. Pour exposer ce phénomène physique, la Figure 5 montre le comportement d'un oscillateur mécanique équipé d'un spiral piézo-électrique, du type décrit précédemment, auquel on applique de manière périodique des impulsions de court-circuit de courte durée, par exemple moins d'un dixième d'une période de consigne T0c (dans le cas représenté, la durée des impulsions de court-circuit est de 10 ms, soit un vingtième de la période de consigne T0c = 200 ms), l'oscillateur mécanique et le mouvement mécanique qui l'incorpore étant conçus pour fonctionner naturellement sensiblement à une fréquence de consigne F0c égale par définition à l'inverse de la période de consigne.
  • Dans l'exemple représenté à la Figure 5, la fréquence naturelle F0 de l'oscillateur mécanique est précisément égal à sa fréquence de consigne F0c = 5 Hz et des impulsions de court-circuit, formant des impulsions de régulation selon l'invention, sont appliquées ici avec une fréquence de déclenchement FD proche du double de la fréquence de consigne mais différente, soit FD ≈ 2·F0c, en plus du cas spécifique d'une fréquence de déclenchement FD exactement égale au double de la fréquence naturelle et donc au double de la fréquence de consigne. Diverses courbes montrent l'évolution temporelle de la fréquence de l'oscillateur mécanique pour diverses fréquences de déclenchement (pour N = M = 1 dans la formule de la fréquence de déclenchement FD(N), respectivement FD(M) mentionnées précédemment) au cours de moments durant lesquels on applique une pluralité d'impulsions de court-circuit périodiques. On obtient les résultats suivant :
    • La courbe CF0 correspond à une fréquence de déclenchement des impulsions de court-circuit FD0 = 10.00 Hz, et on observe que la fréquence d'oscillation se stabilise à la fréquence de consigne Fso = F0c = 5.00 Hz ;
    • Les courbes CF1 et CF2 correspondent à des fréquences de déclenchement des impulsions de court-circuit qui sont supérieures à FD0, soit respectivement FD1 = 10.03 Hz et FD2 = 10.08 Hz, et on observe que la fréquence d'oscillation se synchronise respectivement sur les fréquences de synchronisation Fsi = 5.015 Hz et FS2 = 5.04 Hz après une phase transitoire intervenant au début de chaque moment d'application d'impulsions de court-circuit ; et
    • Les courbes CF3, CF4 et CF5 correspondent à des fréquences de déclenchement des impulsions de court-circuit qui sont inférieures à FD0, soit respectivement FD3 = 9.96 Hz, FD4 = 9.94 Hz et FD5 = 9.88 Hz, et on observe que la fréquence d'oscillation se synchronise respectivement sur les fréquences de synchronisation FS3 = 4.98 Hz, FS4 = 4.97 Hz et FS5 = 4.94 Hz après une phase transitoire intervenant au début de chaque moment d'application d'impulsions de court-circuit.
  • De manière remarquable, les mêmes fréquences de synchronisation ont été obtenues pour des fréquences de déclenchement des impulsions de court-circuit respectivement égales aux fréquences de déclenchement FDX, X = 1 à 5, mentionnées ci-avant, divisées par un nombre impair 2M - 1, M étant un nombre entier positif supérieur à zéro, dans la mesure où le rapport entre la fréquence de synchronisation et la fréquence naturelle de l'oscillateur mécanique / la fréquence de consigne est comprise entre (K-1) / K et (K+1) / K avec K> 40.(2M - 1). Des résultats similaires peuvent être obtenus avec une division par un nombre pair 2M et une condition semblable entre K et M, mais a priori il semble que dans ce dernier cas la synchronisation ne s'établisse pas de manière aussi efficace que pour un nombre impair, l'effet des impulsions de court-circuit étant moindre.
  • Des observations et considérations précédentes, on déduit qu'il est possible de synchroniser un oscillateur mécanique, ayant un spiral piézo-électrique tel que décrit précédemment, en appliquant périodiquement des impulsions de court-circuit entre les deux électrodes de ce spiral, sur une fréquence proche de sa fréquence naturelle mais différente de cette dernière.
  • Ainsi, si la fréquence naturelle s'écarte de la fréquence de consigne de manière usuelle, soit d'une seconde à environ une quinzaine de secondes par jour, on peut aisément synchroniser, par une régulation totalement en boucle ouverte, la fréquence de l'oscillateur mécanique sur la fréquence de consigne en appliquant de manière continue des impulsions de régulation distinctes telles que décrites précédemment avec une fréquence de déclenchement sélectionnée de manière appropriée. Cette application fait l'objet du premier mode de réalisation principal. En utilisant le signal de tension induite entre les électrodes du spiral lorsque le résonateur mécanique oscille, on peut aisément compter les périodes d'oscillation et déterminer une dérive temporelle, en particulier détecter lorsqu'une certaine dérive temporelle positive ou négative est atteinte, et ensuite on peut appliquer durant un certain moment de correction une pluralité d'impulsions de régulation distinctes telles que décrites précédemment avec une fréquence de déclenchement sélectionnée de manière appropriée pour synchroniser l'oscillation de l'oscillateur mécanique sur une fréquence de correction différente de la fréquence de consigne mais sélectionnée suffisamment proche de cette fréquence de consigne pour permettre une synchronisation, et pour ainsi corriger la dérive temporelle détectée. Cette application, que l'on peut considérer en boucle semi-ouverte ou semi-fermée, fait l'objet du deuxième mode de réalisation principal.
  • A la Figure 6 est montré le schéma électronique d'une première variante du premier mode de réalisation principal. Le circuit électronique, qui forme l'entier du dispositif de régulation 52, est très simple. Un résonateur à quartz 44 est excité par un circuit d'horloge 42, ce dernier fournissant un signal de référence SRef soit à la fréquence du quartz FQ, de préférence à une fréquence ajustée à 32'768 Hz, soit à une fraction de cette fréquence FQ, par exemple FQ/4 et de préférence à une fraction de la fréquence ajustée notamment au moyen d'un circuit d'inhibition connu de la personne du métier. Le signal de référence SRef est fourni à un diviseur de fréquence 64 qui fournit en sortie un signal de commande Scom à un minuteur 58 qui, en réponse au signal de commande, fournit un signal de court-circuit Scc à un interrupteur 60 agencé entre les deux électrodes 20, 22 du spiral piézoélectrique 8 (représenté schématiquement à la Figure 6) à la fréquence imposée par le signal de commande. Ce processus a lieu sans interruption dans une plage temporelle continue qui dure tant que le dispositif de régulation est actif, c'est-à-dire tant qu'il est alimenté électriquement.
  • Le spiral piézoélectrique 8 est formé au moins partiellement par un matériau piézoélectrique et par au moins deux électrodes 20, 22 (voir Figures2 et 10) qui sont agencées de manière à pouvoir présenter entre elles une tension induite U(t) par le matériau piézoélectrique lorsque ce dernier est mis sous contrainte mécanique lors d'une oscillation de l'oscillateur mécanique (voir Figure 9).
  • Le signal de commande Scom est un signal de fréquence ayant, dans une variante générale, une fréquence de déclenchement FD(N) = 2·F0c/N, le nombre N étant un nombre entier supérieur à zéro qui est sélectionné de manière que, pour un rapport entre une fréquence de dérive maximale dans le fonctionnement de l'oscillateur mécanique et la fréquence de consigne F0c compris entre (K - 1) / K et (K + 1) / K, ce nombre N est inférieur à K / 40, soit N < K / 40. Dans une variante avantageuse, le signal de commande Scom est un signal de fréquence qui présente une fréquence de déclenchement FD (M) = 2·F0c / (2M - 1), le nombre M étant un nombre entier supérieur à zéro qui est sélectionné de manière que, pour un rapport entre une fréquence de dérive maximale dans le fonctionnement de l'oscillateur mécanique et la fréquence de consigne compris entre (K - 1) / K et (K + 1) / K, on a 2M - 1 inférieur à K / 40, soit 2M - 1 < K / 40. De préférence, les nombres N et M sont constants et prédéfinis pour la plage temporelle continue durant laquelle sont appliquées les impulsions de court-circuit qui définissent les impulsions de régulation.
  • Le minuteur 58, à chaque impulsion du signal de commande, ferme l'interrupteur 60 (interrupteur passant et donc conducteur) durant un intervalle de temps TR, de sorte que les impulsions de court-circuit ont chacune une durée TR, laquelle est prévue de préférence inférieure au quart de la période de consigne T0c. Dans une variante avantageuse, la durée des impulsions de régulation est inférieure ou sensiblement égale à un dixième de la période de consigne T0c. On obtient ainsi durant la plage temporelle continue susmentionnée, après une phase transitoire éventuelle lors de l'activation du dispositif de régulation, une synchronisation continue de la fréquence de l'oscillateur mécanique sur la fréquence de consigne F0c.
  • A la Figure 7 est représenté le schéma électronique d'un dispositif de régulation, identique à celui décrit ci-avant, qui est associé à un circuit d'alimentation 66, formé d'un redresseur 68 d'une tension induite U(t) entre les deux électrodes 20, 22 du spiral 8 lorsque le résonateur mécanique oscille et agencé pour alimenter le dispositif de régulation 62, la tension redressée étant emmagasinée dans une capacité de stockage CAL, de sorte que le dispositif de régulation avec le circuit d'alimentation forment une unité autonome. Dans une variante avantageuse, cette unité autonome est supportée par le balancier 4 (voir Figure 1) auquel elle est fixée.
  • A la Figure 8 est montré le schéma électronique d'une variante avantageuse du deuxième mode de réalisation principal. La pièce d'horlogerie comprend un dispositif de régulation 62 formé par un circuit électronique de régulation 62a et une base de temps auxiliaire qui comprend un oscillateur auxiliaire et qui fournit un signal de référence SRef au circuit électronique de régulation. Cette base de temps comprend par exemple un résonateur à quartz 44 et un circuit d'horloge 42 qui fournit le signal de référence SRef, déjà décrit dans le cadre du premier mode de réalisation principal, à un diviseur présentant au moins deux étages DIV1 et DIV2, ce diviseur étant compris dans le circuit 62a. Le spiral piézoélectrique 8 est semblable à celui décrit dans le premier mode de réalisation principal et ses deux électrodes 20, 22 sont reliées électriquement au circuit électronique de régulation 62a.
  • Le circuit électronique de régulation comprend un dispositif de mesure d'une dérive temporelle éventuelle dans la marche du mouvement horloger relativement à une fréquence de consigne pour l'oscillateur mécanique qui est déterminée par la base de temps auxiliaire 42,44. Le dispositif de mesure est formé par un comparateur à hystérèse 54 dont les deux entrées sont reliées aux deux électrodes 20,22 du spiral piézoélectrique 8. On remarquera que dans l'exemple donné, l'électrode 20 est reliée électriquement à une entrée du comparateur 54 via la masse du dispositif de régulation. Le comparateur à hystérèse fournit un signal digital 'Comp' (voir Figure 9) dont l'état logique change juste après chaque passage de l'oscillateur mécanique par sa position neutre (position angulaire θ(t) égal à zéro) et donc après chaque passage par zéro du résonateur mécanique formant cet oscillateur mécanique. La tension induite U(t) générée par le spiral piézoélectrique est nulle lors du passage du résonateur mécanique par sa position neutre (position angulaire 'zéro'), alors qu'elle est maximale, pour une charge donnée appliquée entre les deux électrodes, lorsque le résonateur mécanique est dans une ou l'autre de ses deux positions extrêmes (définissant l'amplitude de l'oscillateur mécanique respectivement des deux côtés de la position neutre), comme montré à la Figure 9.
  • Le signal 'Comp' est fourni à une première entrée 'Up' d'un compteur bidirectionnel CB formant le dispositif de mesure. Le compteur bidirectionnel est ainsi incrémenté d'une unité à chaque période d'oscillation de l'oscillateur mécanique (notamment à chaque flanc montant du signal). Il reçoit donc en continu une mesure de la fréquence d'oscillation instantanée de l'oscillateur mécanique. Le compteur bidirectionnel reçoit à sa deuxième entrée 'Down' un signal d'horloge Shor fourni par le diviseur de fréquence DIV1 & DIV2, ce signal d'horloge correspondant à une fréquence de consigne F0c pour l'oscillateur mécanique qui est déterminée par l'oscillateur auxiliaire de la base de temps auxiliaire. Ainsi, le compteur bidirectionnel fournit au circuit logique de commande 56 un signal SDT correspondant à une erreur cumulée au cours du temps entre la fréquence d'oscillation de l'oscillateur mécanique et la fréquence de consigne, cette erreur cumulée définissant la dérive temporelle de l'oscillateur mécanique relativement à l'oscillateur auxiliaire.
  • Ensuite, le dispositif de régulation 62 comprend un interrupteur 60 formé par un transistor et agencé entre les deux électrodes 20, 22 du spiral 8, cet interrupteur étant commandé par le circuit logique de commande 56 qui est agencé pour pouvoir fermer, via un minuteur 58, momentanément cet interrupteur de manière à le rendre passant / conducteur durant les impulsions de régulation, lesquelles définissent alors des impulsions de court-circuit. Le circuit de commande fournit sélectivement un signal de commande Scom au minuteur 58 qui, en réponse à ce signal de commande, commande la fermeture momentanée du transistor 60 en lui appliquant un signal Scc. Plus précisément, le circuit de commande détermine l'instant du début de chaque impulsion de court-circuit en déclenchant ou réinitialisant le minuteur ('Timer') qui rend directement passant / conducteur le transistor 60 (interrupteur fermé), le minuteur déterminant la durée TR de chaque impulsion de court-circuit. A la fin de chaque impulsion de court-circuit, le minuteur ouvre à nouveau l'interrupteur de sorte que le transistor 60 n'est plus passant, c'est-à-dire qu'il redevient non conducteur. Dans une variante générale, les impulsions de régulation ont chacune une durée inférieure au quart de la période de consigne T0c qui est égale à l'inverse de la fréquence de consigne pour l'oscillateur mécanique. Dans une variante de réalisation préférée, la durée des impulsions de régulation est inférieure ou sensiblement égale à un dixième d'une période de consigne.
  • Le circuit électronique 62a comprend en outre un circuit d'alimentation 66 du dispositif de régulation, lequel a déjà été décrit précédemment.
  • Le procédé de régulation selon le deuxième mode de réalisation principal, mis en œuvre par le dispositif de régulation 62 et implémenté dans le circuit logique de commande 56, est exposé ci-après. Le circuit logique de commande est agencé pour pouvoir déterminer si une dérive temporelle mesurée par le dispositif de mesure correspond à au moins une certaine avance (CB > N1) ou à au moins un certain retard (CB < - N2), N1 et N2 étant des nombres entiers positifs. Le dispositif de régulation, en particulier son circuit logique de commande, est agencé pour sélectionner, avant chaque moment de correction distinct prévu, pour la période de régulation Treg telle que définie précédemment, selon qu'au moins une certaine dérive temporelle positive ou négative est détectée, respectivement une première période de correction Tcor1 qui est supérieure à la période de consigne T0c ou une deuxième période de correction Tcor2 qui est inférieure à la période de consigne, chacun des moments de correction étant prévu avec une durée suffisante à l'établissement d'une phase synchrone dans laquelle la fréquence de l'oscillateur mécanique est synchronisée soit sur une première fréquence de correction Fcor1 = 1/Tcor1 lorsque ladite au moins une certaine dérive temporelle positive est détectée avant le moment considéré, soit sur une deuxième fréquence de correction Fcor2= 1/Tcor2 lorsque ladite au moins une certaine dérive temporelle négative est détectée avant le moment considéré, de sorte à corriger la dérive temporelle détectée.
  • Dans une variante avantageuse, le circuit logique de commande 56 est agencé de manière que la distance temporelle DT entre deux impulsions de court-circuit, dans chaque moment de correction distinct, est égale à un nombre impair 2M - 1 multiplié par la moitié de la période de régulation Treg déterminée pour chacun des moments de correction, soit une relation mathématique DT = (2M - 1)·Treg/2, M étant un nombre entier positif supérieur à zéro, la période de régulation Treg et le nombre M étant sélectionnés de manière à permettre une synchronisation de l'oscillateur mécanique sur une fréquence de régulation Freg = 1 /Treg au cours de chacun des moments de correction.
  • Dans une variante particulière, lorsque ladite au moins une certaine dérive temporelle positive ou négative est détectée par le circuit logique de commande 56, le dispositif de régulation 62 est agencé pour appliquer périodiquement, durant le moment de correction suivant, une pluralité d'impulsions de régulation correspondante avec respectivement une première fréquence de déclenchement FINF = 2·Fcor1/N ou une deuxième fréquence de déclenchement FSUP = 2·Fcor2/N. Le nombre N est de préférence prévu constant au cours de chaque moment de correction et il est soit prédéterminé, soit déterminé avant le moment de correction suivant considéré.
  • De manière à assurer la synchronisation voulue au cours de chacun des moments de correction, il est avantageusement prévu que, pour chacun des moments de correction où intervient la première fréquence de déclenchement FINF, cette dernière est prévue supérieure à une première fréquence limite FL1(N,K)=[(K-1)/K]·2·F0c/N avec K>40·N, et, pour chacun des moments de correction où intervient la deuxième fréquence de déclenchement FSUP, cette dernière est prévue inférieure à une deuxième fréquence limite FL2(N,K) = [(K+1)/K]·2·F0c/N avec K> 40·N.
  • Dans une variante spécifique, le nombre entier N est prévu plus petit dans une phase initiale que dans une phase finale de chacun des moments de correction, de manière à diminuer au mieux la phase transitoire initiale.
  • Dans une variante préférée, lorsque ladite au moins une certaine dérive temporelle positive ou négative est détectée par le circuit logique de commande 56, le dispositif de régulation 62 est agencé pour appliquer périodiquement, durant le moment de correction suivant, une pluralité d'impulsions de régulation correspondante avec respectivement une première fréquence de déclenchement FINF= 2·Fcor1 /(2M - 1) ou une deuxième fréquence de déclenchement FSUP=2·Fcor2/(2M - 1). En particulier, le nombre M est prévu constant au cours de chaque moment de correction et il est soit prédéterminé, soit déterminé avant le moment de correction suivant considéré.
  • De manière à assurer la synchronisation voulue au cours de chacun des moments de correction, il est avantageusement prévu que, pour chacun des moments de correction où intervient la première fréquence de déclenchement FINF, cette dernière est prévue supérieure à une première fréquence limite FL1 (M, K) = [(K-1)/K]·2·F0c/(2M - 1) avec K> 40.(2M - 1), et, pour chacun des moments de correction où intervient la deuxième fréquence de déclenchement FSUP, cette dernière est prévue inférieure à une deuxième fréquence limite FL2(M, K) = [(K+1)/K]·2·F0c/(2M - 1) avec K>40.(2M - 1).
  • Dans une variante spécifique, de manière à diminuer au mieux la phase transitoire initiale dans chaque moment de correction, il est prévu de déterminer le début d'une première impulsion de régulation, parmi la pluralité d'impulsions de régulation prévue pour le moment de correction considéré, relativement à la position angulaire de l'oscillateur mécanique. A cet effet, le signal 'Comp' est aussi fourni au circuit logique de commande 56. Dans cette variante spécifique, la première impulsion de régulation est déclenchée par un flanc montant ou un flanc descendant du signal 'Comp'.
  • A l'aide de la Figure 10, on décrira un mode de réalisation préféré du spiral piézoélectrique 70 de la pièce d'horlogerie selon l'invention. Ce spiral 70, représenté en coupe transversale, comprend un corps central 72 en silicium, une couche d'oxyde de silicium 74 déposée en surface du corps central de manière à compenser thermiquement le spiral, une couche conductrice 76 déposée sur la couche d'oxyde de silicium, et un matériau piézoélectrique déposé sous forme d'une couche piézoélectrique 78 sur la couche conductrice 76. Deux électrodes 20a et 22a sont agencées sur la couche piézoélectrique 78 respectivement des deux côtés latéraux du spiral (les deux électrodes pouvant recouvrir en partie les côtés inférieur et supérieur du spiral sans toutefois se rejoindre).
  • Dans la variante particulière représentée à la Figure 10, la première partie 80a et la deuxième partie 80b de la couche piézoélectrique s'étendant respectivement sur les deux côtés latéraux du corps central 72 présentent, de par leur croissance depuis la couche conductrice 76, des structures cristallographiques respectives qui sont symétriques relativement à un plan médian 84 parallèle à ces deux côtés latéraux. Ainsi, dans les deux parties latérales 80a et 80b, la couche piézoélectrique présente deux mêmes axes piézoélectriques respectifs 82a, 82b qui sont perpendiculaires à la couche piézoélectrique et de sens opposés. On a donc une inversion du signe de la tension induite entre l'électrode interne et chacune des deux électrodes latérales externes pour une même contrainte mécanique. Or, lorsque le spiral se contracte ou se dilate depuis sa position de repos, il y a une inversion de la contrainte mécanique entre les première et deuxième parties 80a et 80b, c'est-à-dire que l'une de ces parties subit une compression alors que l'autre de ces parties subit une traction, et inversement. Au final il résulte de ces considérations que les tensions induites dans les première et deuxième parties présentent, selon un axe perpendiculaire aux deux côtés latéraux, une même polarité de sorte que la couche conductrice 76 peut former une seule et même électrode interne qui s'étend des deux côtés latéraux du corps central 72, cette électrode interne n'ayant pas de liaison électrique propre avec le dispositif de régulation. Dans une variante particulière, la couche piézoélectrique est constituée d'un cristal de nitrure d'aluminium formé par une croissance de ce cristal depuis la couche conductrice 76 (électrode interne) et perpendiculairement à celle-ci.

Claims (20)

  1. Pièce d'horlogerie comprenant un mouvement mécanique qui est muni d'un oscillateur mécanique formé par un balancier (4) et un spiral (8; 70), cet oscillateur mécanique ayant une fréquence de consigne F0c prédéfinie et étant agencé pour cadencer la marche de la pièce d'horlogerie, cette pièce d'horlogerie comprenant en outre un dispositif de régulation (52, 62) agencé pour pouvoir réguler la fréquence moyenne de l'oscillateur mécanique et comprenant une base de temps auxiliaire (42,44), formée par un oscillateur électronique auxiliaire et fournissant un signal de référence (SRef), le spiral étant formé au moins partiellement par un matériau piézoélectrique et par au moins deux électrodes (20,22; 20a,22a) agencées de manière à pouvoir présenter entre elles une tension induite U(t) par ledit matériau piézoélectrique lorsque ce dernier est mis sous contrainte mécanique lors d'une oscillation de l'oscillateur mécanique, les deux électrodes étant reliées électriquement au dispositif de régulation qui est agencé pour pouvoir varier l'impédance du système de régulation, lequel est formé par ledit matériau piézoélectrique, lesdites au moins deux électrodes et le dispositif de régulation ; caractérisée en ce que le dispositif de régulation (62) est agencé de manière à pouvoir varier momentanément la résistance électrique engendrée par ce dispositif de régulation entre lesdites deux électrodes, pour pouvoir engendrer au moins par moments des impulsions de régulation qui sont distinctes et ont chacune une certaine durée (TP), chaque impulsion de régulation consistant en une diminution momentanée de ladite résistance électrique relativement à une résistance électrique nominale qui est engendrée par le dispositif de régulation entre lesdites deux électrodes en dehors desdites impulsions de régulation distinctes, le dispositif de régulation étant agencé pour pouvoir appliquer une pluralité de dites impulsions de régulation durant chacun desdits moments, de manière que deux impulsions de régulation successives quelconques parmi chaque pluralité d'impulsions de régulation présentent entre leurs débuts une distance temporelle DT égale à un nombre N multiplié par la moitié d'une période de régulation Treg déterminée pour chacun desdits moments, soit une relation mathématique DT = N·Treg / 2, N étant un nombre entier positif supérieur à zéro, la période de régulation Treg et le nombre N étant sélectionnés de manière à permettre une synchronisation de l'oscillateur mécanique sur une fréquence de régulation Freg = 1 /Treg au cours de chacun desdits moments, le dispositif de régulation étant agencé pour déterminer au moyen de la base de temps de référence le début de chacune desdites impulsions de régulation, de manière à satisfaire ladite relation mathématique entre ladite distance temporelle et la période de régulation, et pour ainsi déterminer la fréquence de régulation.
  2. Pièce d'horlogerie selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un dispositif de mesure (54, CB) d'une dérive temporelle dans le fonctionnement de l'oscillateur mécanique relativement à sa fréquence de consigne F0c, et en ce que le dispositif de régulation (62) est agencé pour sélectionner, avant chacun desdits moments, pour ladite période de régulation Treg, selon qu'au moins une certaine dérive temporelle positive ou négative est détectée par le dispositif de régulation, respectivement une première période de correction Tcor1 qui est supérieure à une période de consigne T0c, égale à l'inverse de la fréquence de consigne, ou une deuxième période de correction Tcor2 qui est inférieure à la période de consigne, chacun desdits moments étant prévu avec une durée suffisante à l'établissement d'une phase synchrone dans laquelle la fréquence de l'oscillateur mécanique est synchronisée soit sur une première fréquence de correction Fcor1 = 1/Tcor1 lorsque ladite au moins une certaine dérive temporelle positive est détectée avant le moment considéré, soit sur une deuxième fréquence de correction Fcor2 = 1/Tcor2 lorsque ladite au moins une certaine dérive temporelle négative est détectée avant le moment considéré.
  3. Pièce d'horlogerie selon la revendication 2, caractérisée en ce que la distance temporelle DT est égale à un nombre impair 2M - 1 multiplié par la moitié de la période de régulation Treg déterminée pour chacun desdits moments, soit une relation mathématique DT = (2M - 1)·Treg / 2, M étant un nombre entier positif supérieur à zéro, la période de régulation Treg et le nombre M étant sélectionnés de manière à permettre une synchronisation de l'oscillateur mécanique sur une fréquence de régulation Freg = 1 /Treg au cours de chacun desdits moments.
  4. Pièce d'horlogerie selon la revendication 2, caractérisée en ce que, lorsque ladite au moins une certaine dérive temporelle positive ou négative est détectée, le dispositif de régulation (62) est agencé pour appliquer périodiquement, durant le moment suivant parmi lesdits moments, la pluralité d'impulsions de régulation correspondante avec respectivement une première fréquence de déclenchement FINF= 2·Fcor1/N ou une deuxième fréquence de déclenchement FSUP= 2·Fcor2/N, le nombre N étant prévu constant au cours de chacun desdits moments et il est soit prédéterminé, soit déterminé avant le moment suivant considéré.
  5. Pièce d'horlogerie selon la revendication 3, caractérisée en ce que, lorsque ladite au moins une certaine dérive temporelle positive ou négative est détectée, le dispositif de régulation (62) est agencé pour appliquer périodiquement, durant le moment suivant parmi lesdits moments, la pluralité d'impulsions de régulation correspondante avec respectivement une première fréquence de déclenchement FINF= 2·Fcor1/(2M - 1) ou une deuxième fréquence de déclenchement FSUP=2.Fcor2 / (2M - 1), le nombre M étant prévu constant au cours de chacun desdits moments et il est soit prédéterminé, soit déterminé avant le moment suivant considéré.
  6. Pièce d'horlogerie selon la revendication 4, caractérisée en ce que, pour chacun desdits moments où intervient la première fréquence de déclenchement FINF, cette dernière est prévue supérieure à une première fréquence limite FL1(N,K)=[(K-1)/K]·2·F0c/N avec K>40·N, et, pour chacun desdits moments où intervient la deuxième fréquence de déclenchement FSUP, cette dernière est prévue inférieure à une deuxième fréquence limite FL2(N, K) = [(K+1 )/K]·2·F0c/N avec K>40.N.
  7. Pièce d'horlogerie selon la revendication 5, caractérisée en ce que, pour chacun desdits moments où intervient la première fréquence de déclenchement FINF, cette dernière est prévue supérieure à une première fréquence limite FL1 (M, K)=[(K-1)/K]·2·F0c/(2M - 1) avec K> 40·(2M-1), et, pour chacun desdits moments où intervient la deuxième fréquence de déclenchement FSUP, cette dernière est prévue inférieure à une deuxième fréquence limite FL2 (M,K) = [(K+1)/K]·2·F0c/(2M - 1) avec K> 40·(2M - 1).
  8. Pièce d'horlogerie selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits moments sont contigus et forment ensemble une plage temporelle continue ; et en ce que le dispositif de régulation (52) est agencé pour appliquer durant la plage temporelle continue lesdites impulsions de régulation de manière que deux impulsions de régulation successives quelconques intervenant dans cette plage temporelle continue présentent entre leurs débuts ladite distance temporelle DT avec ladite période de régulation Treg égale à une période de consigne T0c, laquelle est l'inverse de la fréquence de consigne F0c, de manière à pouvoir synchroniser continument, après une éventuelle phase transitoire initiale, la fréquence de l'oscillateur mécanique sur la fréquence de consigne F0c durant la plage temporelle continue.
  9. Pièce d'horlogerie selon la revendication 8, caractérisée en ce que la distance temporelle DT est égale à un nombre impair 2M - 1 multiplié par la moitié de la période de consigne T0c, soit une relation mathématique DT = (2M - 1)·T0c / 2, M étant un nombre entier positif supérieur à zéro, le nombre M étant sélectionné de manière à permettre une synchronisation de l'oscillateur mécanique sur la fréquence de consigne F0c = 1/T0c durant la plage temporelle continue après une phase transitoire initiale éventuelle.
  10. Pièce d'horlogerie selon la revendication 8, caractérisée en ce que le dispositif de régulation (52) est agencé pour appliquer, durant la plage temporelle continue, périodiquement les impulsions de régulation avec une fréquence de déclenchement FD(N)=2·F0c/N, le nombre N étant sélectionné de manière que, pour un rapport entre une fréquence de dérive maximale dans le fonctionnement de l'oscillateur mécanique et la fréquence de consigne compris entre (K - 1) / K et (K + 1) / K, ce nombre N < K/40.
  11. Pièce d'horlogerie selon la revendication 9, caractérisée en ce que le dispositif de régulation (52) est agencé pour appliquer, durant la plage temporelle continue, périodiquement les impulsions de régulation avec une fréquence de déclenchement FD (M) = 2.F0c / (2M - 1), le nombre M étant sélectionné de manière que, pour un rapport entre une fréquence de dérive maximale dans le fonctionnement de l'oscillateur mécanique et la fréquence de consigne compris entre (K - 1) / K et (K + 1) / K, on a 2M - 1 < K/40.
  12. Pièce d'horlogerie selon la revendication 10, caractérisée en ce que le nombre N est constant et prédéfini pour la plage temporelle continue.
  13. Pièce d'horlogerie selon la revendication 11, caractérisée en ce que le nombre M est constant et prédéfini pour la plage temporelle continue.
  14. Pièce d'horlogerie selon une quelconque des revendications 2 à 13, caractérisée en ce que les impulsions de régulation ont chacune une durée (TR) inférieure au quart de la période de consigne T0c.
  15. Pièce d'horlogerie selon une quelconque des revendications 2 à 13, caractérisée en ce que la durée (TR) desdites impulsions de régulation est inférieure ou égale à un dixième de la période de consigne T0c.
  16. Pièce d'horlogerie selon une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le dispositif de régulation (52, 62) comprend un interrupteur (60) agencé entre les deux électrodes (20,22) du spiral piézoélectrique, cet interrupteur étant commandé par un circuit de commande (56, 64) qui est agencé pour fermer momentanément cet interrupteur durant lesdites impulsions de régulation de manière à le rendre passant / conducteur, ces impulsions de régulation définissant alors des impulsions de court-circuit.
  17. Pièce d'horlogerie selon une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit spiral (70) comprend un corps central (72) en silicium, une couche d'oxyde de silicium (74) déposée en surface dudit corps central de manière à compenser thermiquement le spiral, une couche conductrice (76) déposée sur la couche d'oxyde de silicium, et ledit matériau piézoélectrique déposé sous forme d'une couche piézoélectrique (78) sur ladite couche conductrice, lesdites deux électrodes (20a, 20b) étant agencées sur la couche piézoélectrique respectivement des deux côtés latéraux du spiral.
  18. Pièce d'horlogerie selon la revendication 17, caractérisée en ce que des première et deuxième parties (80a,80b) de la couche piézo-électrique, qui s'étendent respectivement sur les deux côtés latéraux dudit corps central (72), présentent des structures cristallographiques respectives qui sont symétriques relativement à un plan médian (84) parallèle à ces deux côtés latéraux ; et en ce que ladite couche conductrice (76) forme une seule et même électrode interne qui s'étend sur les deux côtés latéraux du corps central, cette électrode interne n'ayant pas de liaison électrique propre avec le dispositif de régulation.
  19. Pièce d'horlogerie selon la revendication 18, caractérisée en ce que ladite couche piézoélectrique (78) est constituée d'un cristal de nitrure d'aluminium formé par une croissance de ce cristal perpendiculairement à ladite couche conductrice (76) et depuis cette couche conductrice.
  20. Pièce d'horlogerie selon une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le dispositif de régulation comprend ou est associé à un circuit d'alimentation (66), formé d'un redresseur (68) d'une tension induite U(t) entre les deux électrodes du spiral piézoélectrique lorsque le résonateur mécanique oscille et agencé pour alimenter le dispositif de régulation, de sorte que le dispositif de régulation avec le circuit d'alimentation forment une unité autonome ; et en ce que ladite unité autonome est supportée par le balancier auquel elle est fixée.
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