La présente invention a pour objet un élément vibrant pour pièce d'horlogerie électrique comprenant une base de temps constituée par un oscillateur.
Les oscillateurs mécaniques utilisés comme base de temps dans les pièces d'horlogerie sont en général de fréquence relativement basse, c'est-à-dire de quelques dizaines ou plusieurs centaines de cycles.
On sait déjà que pour ce qui est de la régularité, un diapason ayant un facteur de qualité élevée est bien meilleur qu'un balancier de facteur de qualité inférieure alors qu'un balancier de basse fréquence pourrait avoir une erreur de position égale à zéro, ce qui est impossible dans une montre à diapason. En outre, dans une montre à diapason, la construction du dispositif de conversion des mouvements oscillants en rotation présente des difficultés dues à la fréquence élevée.
On connaît déjà des éléments vibrants pour pièces d'horlogerie électrique, qui comprennent un diapason dont les deux branches électriques portent à leur extrémité libre des corps rigides et allongés dont le mouvement comprend une rotation autour d'un axe fictif.
Le but de la présente invention est de réaliser une pièce d'horlogerie stabilisée et entièrement libre d'erreur de position en utilisant un organe oscillant ayant l'inertie d'un corps rotatif sans axe supporté par une plaque de base et ayant un facteur de qualité élevée.
Un autre but de l'invention est de faciliter la fabrication du dispositif convertisseur en abaissant la fréquence de la base de temps.
Pour cela l'élément vibrant selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend un corps rigide formé d'un bras et de deux masses disposées chacune à l'une des extrémités du bras, et un ressort relié audit corps rigide en un de ses points, ledit corps rigide étant agencé de façon à osciller dans un plan selon un mode symétrique de part et d'autre d'un axe de symétrie et de façon que son centre de gravité soit mobile, pendant l'oscillation, le long d'une ligne droite de ce plan, perpendiculaire audit axe de symétrie.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, diverses formes d'exécution de l'élément vibrant, objet de l'invention.
La fig. 1 est une vue en plan d'un organe vibrant de construction connue en forme de U.
Les fig. 2 et 3 sont des diagrammes montrant les principes de l'invention.
Les fig. 4A, B, C sont des diagrammes montrant les effets de l'invention.
Les fig. 5A et B représentent, en coupe et en plan, un organe vibrant expérimental construit selon les principes de l'invention.
Les fig. 6A et B représentent des résultats de mesure sur l'organe vibrant
Les fig. 7A et B sont des vues en plan et en coupe d'une forme d'exécution constituant l'organe vibrant d'une base de temps dans une pièce d'horlogerie électrique.
La fig. 8 est une vue en plan d'une forme d'exécution de l'invention.
La fig. 9 représente un circuit électrique de la pièce d'horlogerie de la fig. 8.
La fig. 10 est une vue d'une autre forme d'exécution de l'invention, et
la fig. 11 montre le circuit électrique de l'oscillateur de la fig. 10.
On sait que dans un organe vibrant conventionnel en forme de U comme celui de la fig. 1 le centre de rotation des masses 1 se trouve à environ 1/3 de la longueur du ressort 2 et que la fréquence du vibrateur varie selon sa position dans le champ de gravité.
La fig. 2 est un diagramme montrant un mode d'oscillation choisi pour décrire le principe du vibrateur. A la fig. 2, les masses 4 et S ayant les valeurs ml et m2 reliées par le bras 3 constituent un corps rotatif rigide ayant son centre de gravité en G. Le ressort 2, en lame de longueur 1, fixé à la plaque 6 au point a par une de ses extrémités est connecté au bras 3 du corps rigide au point b de telle façon que le centre de rotation de ce corps soit situé sur l'axe d'oscillation symétrique M. Ce corps oscille sous l'effet d'un moment rotatif.
Dans l'oscillateur de la fig. 2 L'erreur de position dans le champ de gravité peut être éliminée de deux façon différentes, soit
1) en faisant coïncider le centre de gravité du corps rotatif avec le centre de rotation,
2) en déplaçant le centre de gravité d'un mouve- ment rectiligne perpendiculairement à l'axe M.
Lorsque le centre de gravité coïncide avec le centre de rotation selon la méthode (1), la gravitation n'a pas d'effet sur la force de rappel de l'oscillateur et en conséquence l'erreur de position peut être éliminée. Cependant, il est impossible d'appliquer la méthode 1) puisqu'il n'y a pas de centre de rotation fixe dans ce type d'oscillateur. La raison de ce fait sera expliquée ci-après en se référant à la fig. 3. Dans ce cas, seul le ressort 2 subit un moment de force car ce ressort 2 se déforme selon un arc circulaire dont le rayon de courbure est R.
L'axe Y de la fig. 3 s'étend parallèlement au ressort et l'axe X s'étend perpendiculairement à l'axe Y. Les projections du placement de G, situé à la distance 1 du point de jonction b, dans les directions des axes X et Y, sont: Ax = R (1- cos µ) - h sin -(1)
Ay = h (cos 6 - 1) + (I - R sin µ) (2)
avec R= (3)
*
EMI2.1
En omettant les termes d'ordre supérieur à la 4e puissance de e dans les relations (4) et (5) et en substituant les équations (3), (4) et (S) aux équations (1) et (2) on a:
EMI2.2
Comme e g 1, L'erreur provenant de la suppression des termes susmentionnés est très petite. Comme le montrent les équations (6) et (7), il n'existe pas de point où
Ax et Ay deviennent nuls simultanément.
Dans les fig. 4A, B et C, on suppose que la longueur du ressort est infinie et que le lieu du mouvement du centre de gravité est une droite.
Les fig. 4A et B montrent le cas où l'axe Y de symétrie de l'oscillation est dans la direction du champ de gravitation (flèche g). Dans ce cas, il n'y a pas de moment de force dû à la gravitation si le centre de gravité
G se déplace en droite ligne du fait de la longueur infinie du rayon de rotation. En conséquence, la fréquence ne varie plus.
La fig. 4C montre le cas où l'axe de vibration est incliné sur la direction de la gravitation de l'angle cc.
Les effets des moments des forces de gravitation sur la fréquence sont égaux en valeur absolue du côté droit et du côté gauche comme on le voit à la fig. 4C, de sorte qu'ils s'annulent l'un l'autre et n'ont aucune résultante sur la fréquence. Le lieu du mouvement du centre de gravité est donné par l'équation (8) grâce aux équations (6) et (7):
EMI2.3
Ainsi le coefficient de l'équation (8) doit être nul pour que le mouvement du centre de gravité soit rectiligne: 3 h-i 0 = 0 . h . h = - (9)
3
L'équation (9) représente les conditions pour éliminer l'erreur de position.
Dans le cas pratique envisagé, le moment de force et la force de flexion s'appliquent tous deux sur le ressort (2) car l'équation (9) n'est pas satisfaisante entièrement.
La distance h entre le point b et le centre de gravité G est approximativement 1/3 de la longueur 1 du ressort 2.
L'expérience pratique montre que h est compris entre 1/3 et 1/2.
Pour prouver le raisonnement ci-dessus, on peut faire les mesures suivantes: dans les fig. SA et B, 7 est une tige pour relier le corps rotatif rigide formé par les masses 4 et 5 et par le bras 3 au ressort 2 et 8 est une tige pour relier le ressort 2 à la plaque 6. L'erreur de position varie sinusoldalement lorsque le vibreur représenté à la fig. S change de position. Dans la fig. 6A, on voit différentes courbes sinusoïdales avec différents paramètres h. A partir de la relation entre le maximum de r et de h représenté à la fig. 6A, on peut obtenir la condition pour avoir r = o. Dans ce cas, le maximum de r apparaît dans deux positions haute et basse. On suppose que la position haute correspond à la masse 4 à droite au-dessus de la masse S et la position basse à la masse 4 en dessous de la masse S.
A la fig. 6B, on voit un graphique montrant la relation entre h et le rapport n
EMI2.4
h est la distance entre le centre de gravité G du corps rotatif rigide et le point b du ressort 2. Af est l'erreur de fréquence dans les deux positions haute et basse et f est la fréquence naturelle. Les valeurs des fig. 6A et B ont été obtenues en mesurant l'oscillateur représenté aux fig. SA et B dont la longueur du ressort est de 47,5 mm et la fréquence de 16.7 c/sec.
Le graphique de la fig. 6B montre que l'erreur de position peut être éliminée seulement si h = 16 mm. La dérive naturelle et le point où l'erreur de position atteint zéro varient selon la masse, la longueur du bras et la longueur du ressort. En faisant tourner le corps rigide sur la ligne du centre K du ressort 2 prise comme axe de rotation horizontal, il est nécessaire que le centre de gravité G soit sur la ligne de centre K du ressort 2 -pour rendre l'erreur de position égale à zéro. Ce résultat de mesure montre que l'erreur de position peut être éliminée lorsque le centre de gravité G du corps rotatif rigide est situé sur l'axe de symétrie M ou de préférence sur la ligne de centre K du ressort 2 et se trouve au voisinage du tiers de la longueur effective 1 du ressort à partir de l'extrémité b.
Les fig. 7A et B montrent une forme d'exécution de l'oscillateur standard d'une pièce d'horlogerie selon la présente invention. L'oscillateur consiste, pour éliminer le moment produit au point a de la fig. 2, en un oscillateur gauche 1 dans lequel le corps rotatif rigide ayant les masses 4 et 5 et le bras 3, est connecté au ressort 2 au point b et en un oscillateur droit 1' dans lequel le corps rotatif rigide ayant les masses 4' et 5' et le bras 3' est relié au ressort 2' au point b'. Lesdits oscillateurs sont fixés sur une plaque 6 symétriquement par rapport à l'axe z et oscillent dans le même plan.
Les fig. 8 et 9 montrent une vue en plan d'une pièce d'horlogerie et un circuit d'un oscillateur selon l'invention; l'oscillateur des fig. 7A et 7B est utilisé comme base de temps. Cet oscillateur comprend un ressort 2 en forme de U, le corps rigide gauche avec la masse 5, le bras 3 et la cupule magnétique pourvue d'un logement cylindrique contenant un aimant permanent en son centre. Dans l'ouverture de cette pièce est logée une bobine 9 sans contact matériel avec son support. Le corps rigide droit est composé de la masse 5' de la cupule magnétique 4' et du bras 3', construits de la même manière que le premier corps. Les deux corps rigides sont reliés par les ressorts 2 et 2' fixés sur la plaque 6 au point a et les extrémités des ressorts sont fixées sur les bras 3 et 3' par les goupilles 7 et 7' comme on le voit également aux fig. 7A et 7B.
L'oscillation de l'oscillateur décrit est transformée en un mouvement de rotation de la roue à rochet 10 au moyen du ressort 13 pourvu du cliquet 11 qui coopère avec la roue à rochet 10 et est fixé sur le bras 3'. Le ressort 16 pourvu du cliquet 14 qui coopère avec la roue 10 et est fixé sur la plaque de base 6 de la montre par une goupille 15 à l'une de ses extrémités empêche la roue 10 de tourner en arrière, selon une disposition bien connue. La rotation de la roue à rochet 10 est transmise à la roue de seconde 18 par le pignon 17 venu d'une pièce avec la roue à rochet 10 de façon à indiquer les secondes par l'intermédiaire de l'aiguille 19 sur l'arbre de seconde.
On ne décrira pas le train d'engrenages entre la roue de seconde 18 et la roue des heures car ces pièces sont bien connues en soi. La roue à rochet 10 est entraînée d'un pas à chaque oscillation de l'oscillateur par le moyen du cliquet 11. Supposons que la fréquence de l'oscillateur soit de 60 c/sec, le nombre de dents de la roue à rochet de 300 et le pas de 50 . Cela nous donne un diamètre de 5 mm pour la roue à rochet et 12 tours par min. Le rapport de réduction entre la roue 10 et la roue de seconde étant de 1 à 12, la roue de seconde peut être en prise directe avec le pignon de la roue à rochet.
Dans la forme d'exécution représentée à la fig. 8 la pile 20 est placée sur le côté gauche de l'oscillateur et le circuit électrique 21 du côté droit. Un des pôles de la pile 20 est mis à la masse sur la platine 6 par une armature 22 et une vis fixe 23.
Dans le circuit électrique d'une forme de réalisation (fig. 9) le signal émis par une bobine détectrice 9 placée dans la cupule magnétique 4 de l'oscillateur standard représenté à la fig. 8 passe à travers le circuit composé du condensateur 24 et de la résistance 25, est amplifié par le transistor 26 et fourni à la bobine 9'. La pile 20 constitue la source de courant.
Bien que l'oscillateur standard de la fig. 8 soit entraîné par des moyens électromagnétiques grâce à la cupule magnétique, on peut également utiliser d'autres méthodes pour entretenir l'oscillateur.
La fig. 10 montre un exemple où l'oscillateur est entraîné par un élément piézo-électrique. L'oscillateur de cette figure comprend un élément piézo-électrique 27 pour détecter la déformation du ressort 2, un autre élément 27' qui provoque la flexion du ressort 2 sous l'action du signal détecté et amplifié par le circuit 28, un corps rotatif rigide gauche ayant les masses 4 et 5 et le bras 3, un corps rotatif rigide droit ayant les masses 4' et 5' et le bras 3' et les ressorts 2 et 2' fixés sur la platine 6 au point a, l'extrémité de ces ressorts étant fixée aux bras droit et gauche par les goupilles 7 et 7'.
La fig. 1 1 montre le circuit électrique 28 de la fig. 10.
Le signal émis par l'élément 27 est fourni à l'élément menant 27' par un amplificateur formé du transistor 29 et du transformateur 30 de compensation des impédances. La résistance 31 sert à la polarisation et la source d'énergie est en 32.
La position dans laquelle les éléments 27 et 27' sont montés n'est pas limitée à ce que représente la fig. 10.
Ces éléments peuvent être fixés à n'importe quel endroit pourvu que la déformation du ressort à cet endroit soit suffisante. L'élément détecteur et l'élément entraîneur du circuit de la fig. 11 peuvent être des éléments piézoélectriques ou électromagnétiques. Le ressort de l'oscillateur utilisé dans la pièce d'horlogerie selon l'invention ne sera pas nécessairement une lame-ressort. 11 peut présenter n'importe quelle fondez par exemple celle d'une barre.