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.