Oscillateur électromécanique pour la mesure du temps, comprenant un vibreur
La présente invention a pour objet un oscillateur électromécanique destiné à un appareil de mesure du temps et comprenant un vibreur à flexion, comportant au moins un ensemble en croix à quatre branches flexibles égales disposées autour d'un centre au moins approximativement dans un même plan, dans deux directions perpendiculaires, l'ensemble étant, en son centre, solidaire d'un support fixe ayant un axe perpendiculaire au plan dans lequel se situent lesdites branches, et des masses magnétiques disposées aux extrémités desdites branches symétriquement par rapport audit axe.
On sait que les vibreurs à flexion, souvent associés à des moyens pour transformer les mouvements vibratoires en mouvements circulaires unidirectionnels et de préférence uniformes, trouvent une application particulièrement intéressante dans le domaine de la mesure du temps, notamment comme dispositifs d'entraînement d'appareils à mesurer le temps; d'autre part, les vibreurs à flexion peuvent être utilisés, d'une manière classique, comme générateurs de signaux rythmés mesurant des intervalles de temps.
Le diapason constitue l'exemple classique de vibreurs de ce genre et, à partir de ce dispositif de base, on a proposé de nombreuses variantes tendant: - d'une part à diminuer ou à supprimer les réactions
mécaniques du vibreur sur son support; - d'autre part, à supprimer les effets de la gravité, de
telle sorte que le vibreur puisse fonctionner en toute
position, un changement de position n'entraînant
aucune perturbation de fonctionnement; - d'autre part encore à rendre possible un couplage,
simple et exempt de frottement mécanique, du
vibreur avec l'organe, généralement rotatif, qu'il doit
commander; - d'autre part enfin, à permettre une excitation du
vibreur par un agencement à haut rendement, c'est
à-dire provoquant peu de dissipation d'énergie autre
que celle transmise au vibreur et dissipée dans celui
ci.
On connaît, par le brevet USA 3.150.337, un oscillateur électromécanique pour appareil de mesure du temps qui répond partiellement à la définition donnée plus haut. Cet oscillateur comprend un vibreur à flexion comportant un ensemble en croix à quatre branches flexibles disposées autour d'un centre, dans un même plan et dans deux directions perpendiculaires. Cet ensemble est solidaire en ce centre avec un support. Des moyens d'entretien des vibrations appliquent aux extrémités des branches de chacune des paires de branches ayant même direction des forces oscillantes de même grandeur dirigées perpendiculairement au plan de l'ensemble et pour chaque paire de branches de sens opposé.
Chaque ensemble en croix est une pièce métallique. Les branches peuvent porter des éléments en quartz. Des aimants sont fixés aux extrémités des branches et coopèrent avec deux bobinages électriques, I'un capteur dans lequel le mouvement vibratoire du vibreur produit un signal électrique induit à la fréquence de vibration et l'autre moteur parcouru par un courant moteur agissant sur les masses aimantées. Les bobinages moteurs et capteurs sont associés dans un circuit comportant une source de courant continu et un transistor de déclenchement. Les aimants sont aimantés perpendiculairement au plan du vibreur et coopèrent à la manière de noyaux plongeurs avec les bobinages électriques.
Dans cet oscillateur électromécanique connu, on a cependant plusieurs bobines de captage et plusieurs bobines motrices, chaque extrémité de branche coopérant avec une ou plusieurs bobines individuelles, et le rendement de l'agencement d'excitation du vibreur constitué par ces bobines est affecté défavorablement par des pertes joules notables dans ces bobines.
On connaît d'autre part par le brevet français No 1.363.530, un oscillateur électromécanique comportant un vibreur à flexion à quatre branches vibrantes, muni d'un seul bobinage capteur et d'un seul bobinage moteur.
Cet oscillateur comprend un vibreur à flexion sur lequel sont fixées quatre masses magnétiques placées suivant deux directions perpendiculaires. Ces masses magnétiques coopèrent d'une part avec un bobinage électrique capteur qui leur est commun et qui est coaxial à l'ensemble formé par les quatre masses, de manière telle que lorsqu'un mouvement vibratoire affecte l'ensemble des masses un signal soit induit dans ledit bobinage capteur, et d'autre part avec un bobinage moteur qui est également commun et coaxial à l'ensemble des masses magnétiques de manière telle que lorsqu'un courant parcourt ce bobinage moteur, celui-ci agisse sur lesdites masses. Dans un dispositif auxiliaire représenté, des masses magnétiques sont disposées aux extrémités d'un support en forme de croix.
Dans le vibreur principal représenté, les masses magnétiques sont aimantées suivant l'axe du vibreur, avec une aimantation dirigée vers la base du vibreur pour l'une des paires des masses et une aimantation dirigée vers l'extérieur du vibreur pour la seconde paire; L'ensemble des bobinages constitue une bobine unique, de section carrée; les masses aimantées sont constituées de petits parallélipipèdes perpendiculaires au vibreur.
Dans cet oscillateur connu, le vibreur élément principal de cet oscillateur, n'est pas un vibreur à flexion mais un vibreur circulaire vibrant dans son plan et se déformant en vibrant pour prendre la forme d'une ellipse allongée selon un premier axe dans une alternance et allongée selon un second axe perpendiculaire au premier dans la seconde alternance. On ne saurait dire qu'il s'agit là d'un vibreur en croix. Le dispositif auxiliaire destiné à ajuster la fréquence de cet oscillateur à vibreur circulaire a, quant à lui, la forme d'une croix aux extrémités des branches de laquelle sont fixées des masses magnétiques, mais ce dispositif auxiliaire n'est pas un vibreur et n'est nullement défini comme ayant les propriétés qui lui permettraient de fonctionner en vibreur en croix.
Cet oscillateur antérieurement connu, selon le brevet français No 1.363.530 ne répond donc pas d'une manière complète à la définition de l'oscillateur donnée précédemment, il s'en rapproche, toutefois, partiellement en ce qu'il comporte un seul bobinage moteur et un seul bobinage capteur coopérant avec quatre masses magnétiques disposées sur quatre projections d'un vibreur circulaire.
In paraît par contre y avoir lieu d'admettre que la combinaison de ces deux dispositifs connus, selon le brevet USA No 3.150.337 et selon le brevet français
1.363.530, mettrait à portée de connaissance un oscillateur d'un type proche de celui précédemment défini.
Cependant, dans un oscillateur à vibreur mécanique résultant d'une telle combinaison, le rendement de l'agencement d'excitation du vibreur ne saurait être des meilleurs, étant donné que les uniques bobinages capteur et moteur mentionnés dans le brevet français devraient avoir, par rapport aux dimensions du vibreur, un diamètre notamment plus grand que ce qui est prévu
dans le dispositif selon le brevet français. Si l'on se rapporte à ce que représente ledit brevet USA, on constate que les bobinages d'un vibreur résultant d'une telle combinaison devraient avoir un diamètre approximativement égal à la distance entre les extrémités de deux branches opposées du vibreur en croix.
Dans ces conditions, seule une faible partie de ces bobinages coopérerait effectivement avec les masses magnétiques fixées aux extrémités des branches du vibreur en croix, et il en résulterait un rendement fort peu favorable.
On connaît encore d'autre part, par une première addition No 87.253 au brevet français No 1.386.616, un oscillateur électromécanique dont le vibreur est réalisé en Elinvar. On connaît également, par le brevet français
No 1.345.549 un vibreur constitué par deux lames de cristaux piézo-électriques. Les deux dispositifs d'oscillateur antérieurement connus ne répondent cependant pas à la définition précédemment mentionnée, et les particularités qu'ils divulguent ne sauraient nullement, en combinaison avec un oscillateur électromécanique admis comme répondant à cette définition, améliorer le rendement de l'agenoement d'excitation de celui-ci.
Le but de la présente invention est de fournir, pour la mesure du temps, un dispositif oscillateur électromagnétique à vibreur qui, tout en répondant aux impératifs d'isochronisme et d'insensibilité aux positions, classiques pour un dispositif destiné à la mesure du temps, permette un fonctionnement à rendement élevé, notamment en ce qui concerne l'agencement d'excitation du vibreur.
Dans ce but, L'invention propose un oscillateur électromécanique destiné à un appareil de mesure du temps, comprenant un vibreur à flexion, comportant au moins un ensemble en croix à quatre branches flexibles égales disposées autour d'un centre au moins approximativement dans un même plan, dans deux directions perpendiculaires, l'ensemble étant, en son centre, solidaire d'un support fixe ayant un axe perpendiculaire au plan dans lequel se situent lesdites branches, et des masses magnétiques disposées aux extrémités desdites branches symétriquement par rapport audit axe, lesdites masses ma magnétiques coopérant, d'une part avec au moins un bobinage électrique capteur d'une bobine qui leur est com mun et qui est coaxial audit axe,
de manière telle que lorsqu'un mouvement vibratoire affecte l'une quelconque ou l'ensemble de ces masses magnétiques un signal électrique soit induit dans ce bobinage capteur à la fréquence de vibration, et d'autre part avec au moins un bobinage moteur d'une bobine qui leur est commun et
qui est coaxial audit axe, de manière telle que lorsqu'un courant parcourt ce bobinage moteur celui-ci agisse à distance sur ces masses magnétiques, caractérisé en ce que lesdites masses magnétiques ont la forme de secteurs circulaires et sont aimantées avec une aimantation dirigée vers le centre du vibreur pour les masses d'une paire de branches opposées, et une aimantation tournée vers l'extérieur du vibreur pour les masses de l'autre paire de branches opposées. ladite bobine ayant une forme circulaire.
Avantageusement cet oscillateur est encore caractérisé, dans une forme d'exécution, en ce que chaque ensemble en croix fait partie intégrante de son support.
La constitution et les caractéristiques d'élasticité des ensembles en croix conditionnent, dans une mesure notable, le bon fonctionnement et le bon rendement du vibreur. notamment du fait que, de par la forme arquée des masses magnétiques, le centre de gravité de celles-ci ne se situe pas à l'endroit exact de la fixation de ces masses magnétiques aux extrémités des branches du vibreur.
Du fait de la structure du vibreur, la résultante des forces de réaction mécanique appliquée au support, lorsque le vibreur fonctionne, se trouve constamment nulle.
En variante, dans une forme d'exécution, le vibreur peut comporter plusieurs ensembles à quatre branches, régulièrement répartis autour d'un même centre, le vibreur pouvant ainsi comporter huit branches angulairement séparées par des angles de 45O, douze branches angulairement séparées par des angles de 30O, etc.
La description qui va suivre et les dessins annexés, donnés à titre d'exemples, feront mieux comprendre comment de tels dispositifs peuvent être réalisés.
Sur les dessins annexés:
la fig. 1 représente en perspective un vibreur du type élémentaire à quatre branches;
la fig. 2 représente, en coupe axiale, un oscillateur comportant un vibreur du type précité et des moyens d'entretien des vibrations
la fig. 3 représente schématiquement, en vue de dessus, l'ensemble oscillateur de la fig. 2;
les fig. 4 et 5 représentent, en vue partielle, I'oscil- lateur de la fig. 2, dans deux variantes de réalisation,
les fig. 6, 7, 8, 9 représentent schématiquement un système moteur comportant un oscillateur du type décrit et un rotor entraîné sans contact par l'oscillateur, la fig. 7 représentant en coupe axiale le système au repos tandis que les fig. 8 et 9 représentent dans deux phases extrêmes de fonctionnement et la fig. 6 représentant schématiquement un tel système en vue de dessous;
;
les fig. 10 et 11 représentent schématiquement en vue de dessous et en coupe axiale respectivement un système moteur complet réalisant l'entraînement des aiguilles d'une horloge.
Sur toutes les figures, les mêmes références ont été utilisées.
Le vibreur représenté à la fig. 1 est constitué de deux lames souples Ll et L2, d'égales longueurs, disposées en croix, dans un même plan, de part et d'autre d'un support central S, autour d'un axe central aa, perpendiculaire au plan commun des deux lames LL et L2.
Pour fixer les idées, on supposera, dans tout ce qui suit, que le plan des deux lames est un plan horizontal, l'axe aa étant un axe vertical, mais il doit être bien entendu que l'on se place ici dans un cas particulier, non nécessaire, et uniquement pour clarifier la terminologie utilisée.
Les lames Lt et L2, définissant un ensemble à quatre branches coplanaires peuvent être distinctes l'une de l'autre, en étant fixées au support 5 par tous moyens appropriés, notamment par soudure, rivetage, boulonnage; les lames LL et L2 peuvent également être découpées dans une même surface; enfin, le support 5 peut faire partie intégrante d'une lame ou des deux.
Les lames L1 et L2 sont en un matériau flexible, élastique, par exemple en un métal comme l'acier et, de préférence, en un métal ayant un faible coefficient de dilatation et surtout un module d'élasticité restant constant dans une large gamme de températures, notamment en Elinvar.
Pour amener et maintenir un tel vibreur dans son état de vibration entretenu, on applique aux extrémités des lames LI et L2 des forces oscillantes F1 et F2, respectivement, parallèles à l'axe aa, ayant toujours la même valeur instantanée, les forces F1 et F2 étant de sens opposé. Avec un tel mode d'entretien, la résultante des forces de réaction appliquées au support du fait de la vibration des lames Lí et Lo se trouve constamment nulle, ce qui représente l'un des grands avantages de la structure du vibreur ci-décrit.
On doit remarquer qu'il en serait de même pour tous les vibreurs qui comporteraient, régulièrement disposés autour d'un axe central et d'un support central, plusieurs ensembles en croix du type représenté à la fig. 1.
Ces vibreurs à huit, douze, seize, ... branches, entrent bien entendu dans le cadre du dispositif décrit.
Les fig. 2 et 3 représentent un oscillateur comportant un vibreur du type décrit à la fig. 1, et des moyens élec tromagnétiques d'entretien sans contact matériel de ses oscillations.
Aux extrémités des lames Lí et L2 du vibreur de cet oscillateur, sont disposées des masses aimantées A1 et A2. Dans le mode de réalisation des fig. 2 et 3, ces masses aimantées se présentent comme des secteurs circulaires, délimités par des surfaces cylindriques de révolution autour de l'axe aa du vibreur, par des plans radiaux passant par cet axe, et par des plans horizontaux, ces secteurs étant disposés symétriquement par rapport aux lames auxquelles ils sont associés.
Ces masses aimantées sont constituées par exemple de ferrite et sont aimantées horizontalement, en direction radiale, les masses A1 ayant leurs directions d'aimantation tournées vers l'extérieur de l'oscillateur, les masses A2 ayant leurs directions d'aimantation tournées vers l'intérieur de l'oscillateur.
Une bobine de forme circulaire Bob, est disposée horizontalement en dessous des lames Lj et L2, ces spires étant ainsi en regard des faces verticales des masses A1 et A2, dont elles ne sont séparées que par un faible intervalle périphérique. D'une manière connue en soi la bobine Bob est composée de deux enroulements superposés ou juxtaposés, à savoir un enroulement capteur et un enroulement moteur . L'enroulement moteur est alimenté par une pile électrique P, par l'intermédiaire d'un transistor Tr qui est lui-même commandé par les signaux électriques issus de l'enroulement capteur, un tel montage étant en lui-même déjà continu, notamment de par le brevet français 1090564 au nom de la demanderesse.
Dans le montage représenté, le condensateur C est un condensateur de découplage des deux enroulements, disposé entre la base et l'émetteur du transistor Tr.
Le fonctionnement d'un tel oscillateur est facile à comprendre: les directions d'aimantation des aimants A1 et A2 sont perpendiculaires aux spires actives homologues de la bobine Bob, ces aimants étant déplacés en vibration dans une direction elle-même perpendiculaire à la direction générale des spires dans les différentes zones de la bobine faisant face aux aimants A1 et A2.
Dans ces conditions, les vibrations des aimants montés aux extrémités des lames Lj et L2 produisent dans l'enroulement capteur un courant induit qui déclenche le transistor qui laisse alors passer dans l'enroulement moteur une impulsion du courant qui exerce sur les aimants une action à distance assurant l'entretien des vibrations des lames Lí et Lo.
Un tel phénomène se produit à chaque vibration (cycle oscillatoire) des extrémités des lames Lí et L . Ainsi qu'il est facile à com- prendre, du fait que, d'une part, les aimants A1 se trouvent en position haute alors que les aimants A2 se trouvent en position basse et inversement, et que, d'autre part, les directions d'aimantation respectives des aimants A1 et des aimants As sont dirigées dans des sens oppo sés par rapport au centre de la bobine Bob, les phénomènes d'interaction entre les aimants et les conducteurs des deux enroulements de la bobine, au niveau de chaque extrémité de lame. ont des effets qui se cumulent:
il y a addition des courants induits dans l'enroulement capteur, et le même courant moteur parcourant l'enroulement moteur produit sur les aimants A1, A2, respectivement, des effets de sens opposé, pour maintenir l'ensemble du vibreur dans les conditions de vibration entretenue précédemment définies.
Les fig. 4 et 5 représentent des variantes de réalisation dans lesquelles l'influence des aimants A (soit A1, soit A2) sur la bobine Bob se trouve renforcée grâce à des modalités particulières.
Dans le mode de réalisation de la fig. 4, à l'extrémité de chaque lame L, (soit Ll, soit L2) la masse aimantée A se trouve montée par l'intermédiaire d'une pièce en fer doux à section en U, M, l'aimant A et la bobine Bob se trouvant disposés dans un même plan horizontal de fermeture du U; la pièce M constitue un circuit magnétique canalisant le champ de l'aimant A en un circuit fermé coupant les conducteurs actifs de la bobine Bob (voir les flèches).
La fig. 5 concerne une autre variante comportant les mêmes éléments, à ceci près que l'aimant A se trouve dédoublé en deux portions montées sur M et encadrent les conducteurs actifs de la bobine Bob.
Les fig. 6, 7, 8 et 9 illustrent schématiquement un système moteur comportant un oscillateur, dans lequel les oscillations du vibreur sont transformées en un mouvement de rotation uniforme sans contact matériel. La fig. 6 étant, ainsi qu'il a été dit, une vue de dessous du système moteur, les fig. 7, 8 et 9 sont des coupes axiales selon la ligne de coupe xoy de la fig. 6.
Aux extrémités respectives des lames L1 et L2, vibrant au régime exposé ci-dessus, on associe des pôles magnétiques, P1, P2, respectivement; de tels pôles sont par exemple créés par des épanouissements polaires de pièces telles que les pièces M précédemment définies.
Dans l'axe aa du système, se trouve monté un rotor R.
Ce rotor est par exemple constitué par une roue plane, de faible épaisseur en matière ferromagnétique comportant, régulièrement répartis à sa périphérie, des pôles p, séparés par des encoches e: on appellera par la suite pas polaire la distance angulaire séparant deux pôles p, mesurée par rapport au centre de la roue ou du rotor.
De façon générale, le nombre de pôles p est égal au double d'un nombre impair.
La fig. 7 représente le système moteur précédemment défini, lorsque le vibreur se trouve au repos, les fig. 8 et 9 représentant l'état du système lors de la vibration du vibreur, dans deux sens différents: lorsque (fig. 8) les pôles p1 de L1 s'éloignent des pôles p de R, simultanément, les pôles p2 de L2 s'en rapprochent. Il en résulte que l'action des pôles p2 devenant prédominante sur celle des pôles p1 et, de ce fait, un couple moteur se trouvant transmis à la roue R, cette roue, à partir d'une position initiale pour laquelle elle présentait des encoches e aux pôles p2 (fig. 6) tourne d'un demipas polaire pour venir présenter aux pôles p2 ses pôles p suivant immédiatement, sur sa périphérie, les encoches e précédemment présentées.
Lors de la demi-vibration suivante du vibreur (fig. 9), les pôles p1 se rapprochent de la roue, alors que les pôles p2 s'en éloignent. Il en résulte, de la même manière que précédemment, que la roue R tourne à nouveau d'un demi-pas polaire, dans le même sens. A chaque vibration complète du vibreur, il y a donc en définitive. rotation d'un pas polaire.
Les fig. 10 et 11 représentent un ensemble d'entraîné nement des aiguilles d'une horloge ou d'un autre instrument de mesure du temps équipé d'un système moteur du type ci-décrit. Cet ensemble comprend un oscillateur du type conforme aux fig. 3 et 4, une roue R montée solidaire d'un axe de rotation r coïncidant avec l'axe aa de l'oscillateur, et du type représenté à la fig. 6.
Les pôles p1 et p2 se présentent comme des épanouissements d'une pièce M', en fer doux, associés à la pièce
M, précédemment définie à propos de la fig. 5; les pôles p se présentent ainsi comme des épanouissements radiaux de la roue R, séparés par des encoches e et, de même, les pôles p1 et p2 de formes et dimensions homologues de celles des pôles p comme des saillies radiales tournées vers l'intérieur de l'oscillateur, en direction de l'axe aa.
Les différents organes de l'ensemble se trouvent dans un boîtier 8, à l'intérieur duquel des pièces fixes, telles que sí et S9 servent de supports aux différents organes fixes ou mobiles; on peut remarquer que le support S du vibreur est monté au centre de la pièce sl, I'axe r passant sans contact dans un alésage central du support S.
Le système moteur d'un tel ensemble fonctionne de la manière décrite à propos des fig. 6 à 9, l'axe r du système moteur se trouvant finalement entraîné dans un mouvement de rotation uniforme, à la vitesse d'un pas polaire par période d'oscillation du vibreur.
Comme représenté, le mouvement de l'arbre r provoque, par l'intermédiaire de trains d'engrenages tels que Eí Ea, E3, le mouvement des différentes aiguilles Iî, 12 13 de l'ensemble d'indication horaire.
Les avantages de ce vibreur ont déjà été exposés ci-dessus: suppression des réactions sur le support, possibilité de fonctionnement en toutes positions; la fréquence de vibration d'un tel vibreur peut par exemple être comprise entre ]0 et 1000 Hz. Les oscillateurs comportant un tel vibreur, étant alimentés par une source de courant continu, avec une consommation très faible, présentent une grande autonomie de fonctionnement.
Ces systèmes moteurs présentent, par rapport aux systèmes classiques, une augmentation notable du couple moteur produit, à puissances électriques consommées égales. Ils présentent de plus l'avantage de fonctionner sans contact mécanique, et donc sans usure, et sans bruit, bien que des systèmes moteurs différents de ceux qui ont été décrits puissent être réalisés en associant à un oscillateur du type décrit, des moyens mécaniques transfonnant les oscillations des extrémités des branches du vibreur de l'oscillateur en un mouvement uniforme, notamment en un mouvement de rotation uniforme.
D'autre part, des moyens connus en eux-mêmes peuvent être utilisés pour améliorer le fonctionnement des systèmes moteurs ci-décrits. En particulier, on peut régler la fréquence du vibreur par un système de masses plus ou moins excentrées par rapport au vibreur, ou par des actions magnétiques. Des moyens facilitant l'autodémarrage et la rotation unidirectionnelle du rotor des systèmes moteurs peuvent être employés: on peut, par exemple, donner aux pôles p, p1, p;, ou aux encoches les séparant une forme dissymétrique; on peut aussi utiliser un organe mécanique du genre cliquet pour ne permettre la rotation du rotor que dans un seul sens.
Enfin le rotor R peut comporter des zones périphériques aimantées, notamment pour constituer ses pôles p.
Bien entendu, la présente description n'est pas limitative, d'autres modes de réalisation de vibreurs destinés à la mesure du temps constituant des variantes sont possibles.
Electromechanical oscillator for measuring time, including a vibrator
The present invention relates to an electromechanical oscillator intended for a time measuring device and comprising a bending vibrator, comprising at least one cross-shaped assembly with four equal flexible branches arranged around a center at least approximately in the same plane, in two perpendicular directions, the assembly being, at its center, integral with a fixed support having an axis perpendicular to the plane in which said branches are located, and magnetic masses arranged at the ends of said branches symmetrically with respect to said axis.
It is known that bending vibrators, often associated with means for transforming vibratory movements into unidirectional circular movements and preferably uniform, find a particularly interesting application in the field of time measurement, in particular as devices for driving devices. to measure time; on the other hand, bending vibrators can be used, in a conventional manner, as generators of rhythmic signals measuring time intervals.
The tuning fork constitutes the classic example of vibrators of this kind and, from this basic device, many variants have been proposed which tend: - on the one hand to reduce or eliminate the reactions
mechanics of the vibrator on its support; - on the other hand, to remove the effects of gravity,
so that the vibrator can operate in full
position, a change of position does not result in
no operational disturbance; - on the other hand still to make coupling possible,
simple and free from mechanical friction,
vibrator with the member, generally rotating, that it must
order; - on the other hand finally, to allow an excitation of the
vibrator by a high efficiency arrangement, it is
i.e. causing little energy dissipation other
than that transmitted to the vibrator and dissipated in that
this.
From US Pat. No. 3,150,337, an electromechanical oscillator for a time measuring device is known which partially meets the definition given above. This oscillator comprises a flexural vibrator comprising a cross assembly with four flexible branches arranged around a center, in the same plane and in two perpendicular directions. This set is integral at this center with a support. Vibration maintenance means apply to the ends of the branches of each of the pairs of branches having the same direction oscillating forces of the same magnitude directed perpendicularly to the plane of the assembly and for each pair of branches of the opposite direction.
Each cross set is a metal piece. The branches can carry quartz elements. Magnets are attached to the ends of the branches and cooperate with two electrical coils, one sensor in which the vibratory movement of the vibrator produces an electrical signal induced at the vibration frequency and the other motor through which a motor current acts on the masses. magnetized. The motor and sensor windings are associated in a circuit comprising a direct current source and a tripping transistor. The magnets are magnetized perpendicular to the plane of the vibrator and cooperate in the manner of plunger cores with the electrical coils.
In this known electromechanical oscillator, however, there are several pickup coils and several drive coils, each branch end cooperating with one or more individual coils, and the efficiency of the vibrator excitation arrangement formed by these coils is adversely affected by notable joule losses in these coils.
On the other hand, French patent No. 1,363,530 discloses an electromechanical oscillator comprising a bending vibrator with four vibrating branches, provided with a single sensor winding and a single motor winding.
This oscillator comprises a bending vibrator on which are fixed four magnetic masses placed in two perpendicular directions. These magnetic masses cooperate on the one hand with an electrical sensor coil which is common to them and which is coaxial with the assembly formed by the four masses, in such a way that when a vibratory movement affects all of the masses a signal is induced in said sensor winding, and on the other hand with a motor winding which is also common and coaxial to all the magnetic masses in such a way that when a current flows through this motor winding, the latter acts on said masses. In an auxiliary device shown, magnetic masses are arranged at the ends of a cross-shaped support.
In the main vibrator shown, the magnetic masses are magnetized along the axis of the vibrator, with a magnetization directed towards the base of the vibrator for one of the pairs of masses and a magnetization directed towards the outside of the vibrator for the second pair; The set of coils constitutes a single coil, of square section; the magnetized masses are made up of small parallelipipeds perpendicular to the vibrator.
In this known oscillator, the main element vibrator of this oscillator is not a bending vibrator but a circular vibrator vibrating in its plane and deforming by vibrating to take the form of an ellipse elongated along a first axis in an alternation and elongated along a second axis perpendicular to the first in the second alternation. We cannot say that this is a cross vibrator. The auxiliary device intended to adjust the frequency of this circular vibrator oscillator has, for its part, the shape of a cross at the ends of the branches of which magnetic masses are fixed, but this auxiliary device is not a vibrator and n 'is in no way defined as having the properties which would allow it to function as a cross vibrator.
This previously known oscillator, according to French patent No. 1,363,530 therefore does not fully meet the definition of the oscillator given previously, it approaches it, however, partially in that it comprises a single winding motor and a single sensor winding cooperating with four magnetic masses arranged on four projections of a circular vibrator.
On the other hand, there seems to be reason to admit that the combination of these two known devices, according to USA patent No. 3,150,337 and according to French patent
1,363,530, would bring within reach an oscillator of a type close to the one previously defined.
However, in an oscillator with a mechanical vibrator resulting from such a combination, the efficiency of the excitation arrangement of the vibrator could not be of the best, given that the only sensor and motor windings mentioned in the French patent should have, for example, in relation to the dimensions of the vibrator, a diameter in particular larger than what is planned
in the device according to the French patent. If we refer to what said US patent represents, we see that the coils of a vibrator resulting from such a combination should have a diameter approximately equal to the distance between the ends of two opposite branches of the cross vibrator.
Under these conditions, only a small part of these coils would actually cooperate with the magnetic masses fixed to the ends of the branches of the cross vibrator, and the result would be a very unfavorable efficiency.
Also known on the other hand, by a first addition No. 87,253 to French patent No. 1,386,616, an electromechanical oscillator whose vibrator is made of Elinvar. We also know, from the French patent
No 1.345.549 a vibrator consisting of two blades of piezoelectric crystals. However, the two previously known oscillator devices do not meet the definition mentioned above, and the particularities which they disclose in no way, in combination with an electromechanical oscillator admitted as meeting this definition, improve the efficiency of the arrangement of d excitement of it.
The aim of the present invention is to provide, for the measurement of time, an electromagnetic oscillator device with vibrator which, while meeting the requirements of isochronism and insensitivity to positions, conventional for a device intended for the measurement of time, allows high efficiency operation, especially as regards the vibrator excitation arrangement.
To this end, the invention provides an electromechanical oscillator intended for a time measuring device, comprising a bending vibrator, comprising at least one cross-shaped assembly with four equal flexible branches arranged around a center at least approximately in the same plane, in two perpendicular directions, the assembly being, at its center, integral with a fixed support having an axis perpendicular to the plane in which said branches are located, and magnetic masses arranged at the ends of said branches symmetrically with respect to said axis, said magnetic masses ma cooperating, on the one hand with at least one electrical coil sensor of a coil which is common to them and which is coaxial with said axis,
in such a way that when a vibratory movement affects any one or all of these magnetic masses an electrical signal is induced in this sensor coil at the vibration frequency, and on the other hand with at least one motor coil of a coil that is common to them and
which is coaxial with said axis, in such a way that when a current passes through this motor winding, the latter acts remotely on these magnetic masses, characterized in that said magnetic masses have the form of circular sectors and are magnetized with a magnetization directed towards the center of the vibrator for the masses of a pair of opposite branches, and a magnetization facing outward from the vibrator for the masses of the other pair of opposite branches. said coil having a circular shape.
Advantageously, this oscillator is further characterized, in one embodiment, in that each cross assembly forms an integral part of its support.
The constitution and the elasticity characteristics of the cross assemblies condition, to a significant extent, the correct operation and the good performance of the vibrator. in particular due to the fact that, by virtue of the arcuate shape of the magnetic masses, the center of gravity of the latter is not located at the exact location of the attachment of these magnetic masses to the ends of the branches of the vibrator.
Due to the structure of the vibrator, the resultant of the mechanical reaction forces applied to the support, when the vibrator is operating, is constantly zero.
As a variant, in one embodiment, the vibrator can comprise several sets with four branches, regularly distributed around the same center, the vibrator thus being able to comprise eight branches angularly separated by angles of 45O, twelve branches angularly separated by angles of 30O, etc.
The following description and the accompanying drawings, given by way of examples, will make it easier to understand how such devices can be produced.
In the accompanying drawings:
fig. 1 shows in perspective a vibrator of the elementary type with four branches;
fig. 2 shows, in axial section, an oscillator comprising a vibrator of the aforementioned type and vibration maintenance means
fig. 3 schematically shows, in top view, the oscillator assembly of FIG. 2;
figs. 4 and 5 show, in partial view, the oscillator of FIG. 2, in two variant embodiments,
figs. 6, 7, 8, 9 schematically represent a motor system comprising an oscillator of the type described and a rotor driven without contact by the oscillator, FIG. 7 showing in axial section the system at rest, while FIGS. 8 and 9 represent in two extreme phases of operation and FIG. 6 schematically showing such a system in bottom view;
;
figs. 10 and 11 schematically show in bottom view and in axial section respectively a complete motor system driving the hands of a clock.
In all the figures, the same references have been used.
The vibrator shown in fig. 1 consists of two flexible blades L1 and L2, of equal length, arranged in a cross, in the same plane, on either side of a central support S, around a central axis aa, perpendicular to the common plane of the two blades LL and L2.
To fix the ideas, we will assume, in what follows, that the plane of the two blades is a horizontal plane, the axis aa being a vertical axis, but it must be understood that we are here in a case particular, not necessary, and only to clarify terminology used.
The blades Lt and L2, defining an assembly with four coplanar branches can be distinct from one another, being fixed to the support 5 by any suitable means, in particular by welding, riveting, bolting; the blades LL and L2 can also be cut from the same surface; finally, the support 5 can be an integral part of a blade or of both.
The blades L1 and L2 are made of a flexible, elastic material, for example a metal such as steel and, preferably, a metal having a low coefficient of expansion and especially a modulus of elasticity remaining constant over a wide range of temperatures, especially in Elinvar.
To bring and maintain such a vibrator in its maintained state of vibration, oscillating forces F1 and F2 are applied to the ends of the blades LI and L2, respectively, parallel to the axis aa, always having the same instantaneous value, the forces F1 and F2 being in the opposite direction. With such a maintenance mode, the resultant of the reaction forces applied to the support due to the vibration of the blades Lí and Lo is constantly zero, which represents one of the great advantages of the structure of the vibrator described above.
It should be noted that the same would apply to all the vibrators which would include, regularly arranged around a central axis and a central support, several cross assemblies of the type shown in FIG. 1.
These vibrators with eight, twelve, sixteen, ... branches, naturally come within the scope of the device described.
Figs. 2 and 3 represent an oscillator comprising a vibrator of the type described in FIG. 1, and electromagnetic means of maintenance without material contact of its oscillations.
At the ends of the blades Lí and L2 of the vibrator of this oscillator, are arranged magnetized masses A1 and A2. In the embodiment of FIGS. 2 and 3, these magnetized masses are presented as circular sectors, delimited by cylindrical surfaces of revolution about the axis aa of the vibrator, by radial planes passing through this axis, and by horizontal planes, these sectors being arranged symmetrically with respect to the blades with which they are associated.
These magnetized masses consist for example of ferrite and are magnetized horizontally, in the radial direction, the masses A1 having their directions of magnetization turned towards the outside of the oscillator, the masses A2 having their directions of magnetization turned toward the oscillator. inside the oscillator.
A coil of circular shape Bob, is disposed horizontally below the blades Lj and L2, these turns thus being facing the vertical faces of the masses A1 and A2, from which they are separated only by a small peripheral gap. In a manner known per se, the Bob coil is composed of two superimposed or juxtaposed windings, namely a sensor winding and a motor winding. The motor winding is supplied by an electric battery P, via a transistor Tr which is itself controlled by the electric signals coming from the sensor winding, such an assembly being in itself already continuous, in particular from French patent 1090564 in the name of the applicant.
In the assembly shown, capacitor C is a decoupling capacitor for the two windings, arranged between the base and the emitter of transistor Tr.
The operation of such an oscillator is easy to understand: the magnetization directions of the magnets A1 and A2 are perpendicular to the homologous active turns of the Bob coil, these magnets being moved in vibration in a direction itself perpendicular to the general direction turns in the different areas of the coil facing the magnets A1 and A2.
Under these conditions, the vibrations of the magnets mounted at the ends of the blades Lj and L2 produce in the sensor winding an induced current which triggers the transistor which then allows a pulse of current to pass through the motor winding which exerts an action on the magnets. distance ensuring the maintenance of the vibrations of the Lí and Lo blades.
Such a phenomenon occurs with each vibration (oscillatory cycle) of the ends of the blades Lí and L. As it is easy to understand, from the fact that, on the one hand, the magnets A1 are in the high position while the magnets A2 are in the low position and vice versa, and that, on the other hand, the magnets The respective magnetization directions of the magnets A1 and the magnets As are directed in opposite directions with respect to the center of the coil Bob, the phenomena of interaction between the magnets and the conductors of the two windings of the coil, at the level of each blade end. have cumulative effects:
there is addition of the currents induced in the sensor winding, and the same motor current flowing through the motor winding produces on the magnets A1, A2, respectively, effects of opposite directions, to maintain the whole of the vibrator in the conditions of previously defined sustained vibration.
Figs. 4 and 5 represent variant embodiments in which the influence of the magnets A (either A1 or A2) on the coil Bob is reinforced by means of particular modalities.
In the embodiment of FIG. 4, at the end of each blade L, (either L1 or L2) the magnetized mass A is mounted by means of a piece of soft iron with U section, M, the magnet A and the coil Bob being arranged in the same horizontal closing plane of the U; part M constitutes a magnetic circuit channeling the field of the magnet A in a closed circuit cutting the active conductors of the coil Bob (see arrows).
Fig. 5 relates to another variant comprising the same elements, except that the magnet A is split into two portions mounted on M and surround the active conductors of the coil Bob.
Figs. 6, 7, 8 and 9 schematically illustrate a motor system comprising an oscillator, in which the oscillations of the vibrator are transformed into a uniform rotational movement without material contact. Fig. 6 being, as has been said, a bottom view of the motor system, FIGS. 7, 8 and 9 are axial sections along the section line xoy of FIG. 6.
At the respective ends of the blades L1 and L2, vibrating at the regime described above, there are associated magnetic poles, P1, P2, respectively; such poles are for example created by pole shoes of parts such as the previously defined M parts.
In the axis aa of the system, is mounted a rotor R.
This rotor is for example constituted by a flat wheel, of small thickness in ferromagnetic material comprising, regularly distributed around its periphery, p poles, separated by notches e: the angular distance separating two p poles will be called thereafter not polar, measured from the center of the wheel or rotor.
Generally, the number of poles p is equal to twice an odd number.
Fig. 7 shows the motor system defined above, when the vibrator is at rest, FIGS. 8 and 9 representing the state of the system during the vibration of the vibrator, in two different directions: when (fig. 8) the poles p1 of L1 move away from the poles p of R, simultaneously, the poles p2 of L2 s' bring them closer. The result is that the action of the poles p2 becoming predominant over that of the poles p1 and, therefore, a motor torque being transmitted to the wheel R, this wheel, from an initial position for which it had notches. e at the poles p2 (fig. 6) rotates by half a polar step in order to present its poles p to the poles p2 immediately following, on its periphery, the notches e previously presented.
During the next half-vibration of the vibrator (fig. 9), the poles p1 approach the wheel, while the poles p2 move away from it. As a result, in the same way as above, the wheel R turns again by half a pole pitch, in the same direction. At each complete vibration of the vibrator, there is therefore ultimately. rotation of a polar step.
Figs. 10 and 11 show an assembly for driving the hands of a clock or of another time measuring instrument equipped with a motor system of the type described above. This assembly comprises an oscillator of the type in accordance with FIGS. 3 and 4, a wheel R mounted integral with an axis of rotation r coinciding with the axis aa of the oscillator, and of the type shown in FIG. 6.
The poles p1 and p2 appear as openings of a piece M ', in soft iron, associated with the piece
M, previously defined with reference to fig. 5; the poles p are thus presented as radial openings of the wheel R, separated by notches e and, similarly, the poles p1 and p2 of shapes and dimensions similar to those of the poles p as radial projections turned towards the inside of the oscillator, in the direction of the axis aa.
The various members of the assembly are in a housing 8, inside which fixed parts, such as sí and S9 serve as supports for the various fixed or movable members; it can be noted that the support S of the vibrator is mounted in the center of the part sl, the axis r passing without contact in a central bore of the support S.
The motor system of such an assembly operates in the manner described with reference to FIGS. 6 to 9, the axis r of the motor system being finally driven in a uniform rotational movement, at the speed of one pole step per period of oscillation of the vibrator.
As shown, the movement of the shaft r causes, by means of gear trains such as Eí Ea, E3, the movement of the various hands Iî, 12 13 of the time indication assembly.
The advantages of this vibrator have already been explained above: elimination of reactions on the support, possibility of operation in any position; the vibration frequency of such a vibrator can for example be between] 0 and 1000 Hz. The oscillators comprising such a vibrator, being supplied by a direct current source, with a very low consumption, have a large operating autonomy.
These motor systems exhibit, compared with conventional systems, a notable increase in the motor torque produced, at equal consumed electrical power. They also have the advantage of operating without mechanical contact, and therefore without wear, and without noise, although motor systems different from those which have been described can be produced by associating with an oscillator of the type described, mechanical means transforming the oscillations of the ends of the branches of the vibrator of the oscillator in a uniform movement, in particular in a uniform rotational movement.
On the other hand, means known in themselves can be used to improve the operation of the motor systems described above. In particular, the frequency of the vibrator can be adjusted by a system of masses more or less eccentric with respect to the vibrator, or by magnetic actions. Means facilitating self-starting and unidirectional rotation of the rotor of the motor systems can be used: it is possible, for example, to give the poles p, p1, p ;, or the notches separating them an asymmetrical shape; it is also possible to use a mechanical member of the pawl type so as to allow the rotation of the rotor only in one direction.
Finally, the rotor R can include magnetized peripheral zones, in particular to constitute its p poles.
Of course, the present description is not limitative, other embodiments of vibrators intended for measuring time constituting variants are possible.