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Du signal électrique au signal mécanique

Dossier - Le fonctionnement de la montre à quartz
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L'utilisation du quartz dans une montre à quartz : Comment utiliser le quartz pour générer un mouvement d'aiguille régulier ?

  
DossiersLe fonctionnement de la montre à quartz
 

1. Le Diviseur de fréquence

Le quartz produisant un signal d'une fréquence de 32768Hz (soit 2^15), il est nécessaire d'avoir ensuite un montage diviseur de fréquence, pour obtenir en sortie un signal de fréquence plus faible, pour la commande du moteur pas-à-pas.

Mécanisme de montre à quartz. © MadGeographer - CC BY-SA 3.0

Pour cela, il faut utiliser différents circuits faisant parties des circuits élémentaires de l'électronique, et notamment des bascules D et des portes inverseuses (Il existe d'autres manières, mais celle-là a l'avantage d'être simple, et de ne nécessiter que deux portes par division). En fait, le but de ce circuit va être de faire des opérations "modulo" 2, pour diviser le signal par deux à chaque passage.
Pour la commande du moteur pas-à-pas, on aura besoin d'un signal de 2Hz.
On obtient donc un montage semblable à celui-ci :

On utilise ici uniquement une Bascule D, ce type de bascule fait partie des bascules élémentaires : à chaque front d'horloge (ici : un front montant sur C), la sortie Q "recopie" D. En utilisant la sortie  , on inverse le signal à chaque front actif. On aurait également pu utiliser une bascule JK, et mettre ses deux entrées (J et K) à 1, avec le signal à diviser en horloge :

A l'aide de 14 de ces bascules, mises les unes à la suite des autres, on fait passer le signal d'une fréquence de 32768Hz à 2Hz, ce qui permet ensuite au moteur pas-à-pas d'avoir une rotation de 0.5 tours par secondes (voir partie II-2).

2. Le moteur pas-à-pas

La partie piézo-électrique et la partie électronique produisent un signal carré, régulier et précis, et il reste à le transformer en un mouvement (c'est en quelque sorte une conversion d'énergie).
Pour cela, il faut un moteur qui puisse être suffisamment précis pour la précision du quartz ne soit pas perdue lors le la transformation en mouvement.
Il existe deux types de moteurs capables de créer un mouvement : les moteurs électriques dits "classique", et les moteurs pas-à-pas.
Les premiers ne conviennent pas, car leur vitesse de rotation dépend uniquement de l'intensité et de la tension du courant qui leur sont fournies, il serait donc impossible de trouver des réglages stables et de valeurs correctes. De plus, ce type de moteur peut avoir une forte consommation, ce qui ne rentre pas non plus dans les spécificités d'une montre.
Les seconds conviennent parfaitement, car ils ont une grande précision, et consomment très peu.

Dans une montre, on utilise le moteur pas-à-pas pour sa précision non pas en vitesse, mais en pas (ce qui rejoint bien sûr la vitesse...).
Le pas correspond à l'angle minimal que l'on peut faire accomplir par un moteur.
Il existe deux types de moteurs pas-à-pas : les moteurs classiques, utilisés dans nombres d'appareils (lecteurs de CD, photocopieuse, scanner, imprimante...)

a. Le moteur pas-à-pas classique

Voici le schéma simplifié d'un moteur pas-à-pas :

Il est constitué de deux bobines, en réalité quatre, car chacune de ces paires doit pouvoir créer un champ magnétique dans les deux sens.
Ce moteur, est un des plus simples des moteurs pas-à-pas, car il ne comporte justement que deux bobines, ce qui ne lui permet d'avoir un pas que de 90°, ce qui ne conviendrait pas pour une utilisation précise, comme dans la plupart des applications (pilotages d'appareils, réglages...), mais qui suffit dans l'emploi d'une montre, car il est ensuite démultiplié.

La commande d'un moteur pas-à-pas se fait donc en alimentant les bobines de différentes manières afin d'avoir les positions suivantes (pour la simplification du schéma, les bobines sont regroupées deux par deux, et sont symbolisées par différentes couleurs) :

A l'aide d'un circuit électronique, il donc faut transformer le signal d'horloge en une séquence de signaux envoyés aux bornes des bobines.
On fonctionne ici en "tout ou rien" en entrées sur les bobines, mais pour un fonctionnement optimal (qui réduit les vibrations, et améliore la fluidité du mouvement, ce qui n'est pas recherché ici), il faudrait produire un signal sinusoïdal sur chacune des entrées, ce qui demanderait l'emploi d'un circuit intégré spécifique.

Ce circuit est composé de deux bascules D, qui ont en commun leur entrée d'horloge, tel que le montre le schéma suivant :


A l'aide de ce montage, à chaque front montant de l'horloge, on aura successivement l'alimentation des bornes a-c, c-b, b-d, puis d-a (voir chronogramme), et ainsi de suite, ce qui permet d'accomplir un tour pour quatre fronts actifs de l'horloge, soit une vitesse de rotation de 0,5tours/secondes, car la fréquence de l'horloge est de 2Hz (voir partie II-1).
On obtient donc une rotation de 180° par secondes, qui est ensuite utilisée par les engrenages pour produire le mouvement des aiguilles.

b. Le moteur pas-à-pas utilisé dans les montres

Généralité

Le moteur, vu sa dimension, est appelé micro-moteur. C'est l'élément transformant l'énergie électrique en énergie mécanique. Le plus répandu à l'heure actuelle est le Lavet, du nom de son inventeur Marius Lavet.

Les éléments

Le micro-moteur Lavet est composé des éléments suivants :

  • la bobine avec le noyau
  • le stator (statique)
  • le rotor (rotation)

La bobine est réalisée avec un fil de cuivre isolé, d'un diamètre de 20 µm (un cheveu a 60 µm), d'une longueur de 50 m, enroulé 10 000 fois autour d'un noyau. Noyau qui, comme le stator, est en fer magnétique doux. Le stator de forme très complexe, offre un logement au rotor. Le rotor, en samarium cobalt, est un cylindre creux ou non suivant le montage. Il est magnétisé de façon permanente. Le rotor a deux positions d'équilibre stable par tour.

Fonctionnement

Lorsqu'une impulsion électrique (d'une duré inférieure à 10 ms) parcourt la bobine, un champ magnétique se propage du noyau dans le stator. Sous l'effet de ce champ, le rotor est dépositionné et fait une rotation d'un demi-tour pour se repositionner sous l'effet de son magnétisme. La polarité de l'impulsion détermine le sens dans lequel le champ magnétique va parcourir le stator. Comme le rotor, après son demi-tour, se positionne en créant des conditions magnétiques opposées à celles du premier pas, il faut une impulsion de signe contraire à la précédente pour permettre de le repousser à nouveau d'un demi-tour (toujours dans le même sens de rotation). Ce cycle se répète inlassablement.

Le positionnement

Le rotor est monté sur un arbre (axe en horlogerie) sur lequel une denture est taillée. Elle engrène avec les mobiles du rouage, permettant de transmettre la rotation du rotor aux aiguilles. Pour les calibres avec une aiguille de secondes, le rotor tourne de 180° chaque seconde, mais l'aiguille de secondes ne parcourt que 6°. Ce phénomène est obtenu par une démultiplication de l'engrenage.

C'est également sur cette aiguille que l'on mesure la force mécanique appelée coupe utile Tu transmise par le micro-moteur.
C'est également à partir de cette aiguille que l'on mesure le couple de positionnement Tp, couple s'opposant à la rotation du rotor lors des chocs.

Le micro-moteur est l'élément qui consomme la plus grande partie de l'énergie.