Instrument horaire magnéto-électrique
La présente invention a pour objet un instrument horaire magnéto-électrique comprenant, d'une part, un balancier oscillant pourvu d'au moins un aimant per manent produisant un flux magnétique intense parallèle à son axe et, d'autre part, un ensemble moteur compre- nant au moins un enroulement dans lequel circule périodiquement un courant continu et un interrupteur, ledit ensemble moteur étant monté sur un socle amovible et relié à une source de courant continu.
On connaît déjà des instruments horaires de ce genre.
Dans certains cas, l'interrupteur est d'un type à contacts mécaniques, alors que dans d'autres cas, le circuit électrique est piloté par des moyens magnétiques et fonctionne sans contact mécanique. L'utilisation d'un circuit transistorisé sans contact mécanique évite les inconvénients qui peuvent résulter de l'oxydation progressive ou des difficultés de réglage des lames élastiques des contacts. En revanche, un tel circuit nécessite l'emploi de deux enroulements distincts qui sont en général combinés dans un seul ensemble. Comme cet ensemble doit être de dimensions très réduites en particulier dans le sens de l'épaisseur, afin de pouvoir être inséré entre les pôles du balancier, la réalisation d'une bobine captrice et d'une bobine motrice présente naturellement plus de difficultés que celle d'une seule bobine destinée à être logée dans l'espace à disposition.
Par ailleurs, dans les dispositifs à contacts mécaniques, le problème de l'ajustage et du maintien des éléments de contact en état de fonctionnement se pose avec acuité.
L'utilisation de bobines galettes constituées d'un fil métallique isolé d'un diamètre extrêmement faible, dans les instruments horaires de petites dimensions oblige à prévoir des moyens de remplacement de ces bobines en cas de défectuosité, et l'on connaît ainsi des instruments horaires du genre mentionné ci-dessus dans lesquels la bobine galette et l'interrupteur à contact sont montés sur un socle amovible, à l'intérieur du boîtier de l'appareil, de sorte qu'il est possible de changer cet ensemble facilement. Dans ces instruments, l'interrupteur est combiné avec les moyens d'entraînement du rouage, de sorte que lors d'un remplacement du socle interchangeable, il est nécessaire de prendre garde à l'ajustement correct de ces moyens d'entraînement mécaniques.
Dans le cas d'instruments horaires sans contacts mécaniques, on a également prévu de monter l'ensemble constitué par les deux enroulements combinés sur un socle amovible, afin de permettre le remplacement des bobines.
Certains instruments horaires qui sont susceptibles d'être fabriqués en grande série sont destinés aussi bien à des utilisations dans lesquelles il est avantageux d'éviter la présence de contacts mécaniques qu'à des utilisations dans lesquelles, au contraire il est désirable de réduire au maximum le nombre et l'encombrement des enroulements alors que la présence d'un contact mécanique ne constitue pas en soi un inconvénient et l'invention se propose, comme but, de fournir les moyens d'une réalisation aussi rationnelle que possible de séries de tels instruments horaires en utilisant dans la plus grande mesure possible des éléments identiques dans les deux cas d'utilisation.
Pour cela, l'instrument horaire selon l'invention est caractérisé en ce que les organes mécaniques qui assurent l'entretien des oscillations du balancier et Fentraine- ment des organes indicateurs de l'instrument horaire sont montés directement dans le bâti de cet instrument, en ce que ce dernier présente des moyens de fixation agencés de façon à assujettir à l'intérieur de l'instrument, soit un socle portant deux enroulements combinés s'engageant dans un entrefer que présente le balancier et un transistor, soit un socle portant un seul enroulement et au moins un élément d'un interrupteur, le socle amovible portant ainsi uniquement l'ensemble des organcs qui assurent la production des impulsions motrices, et en ce que chaque socle est agencé de façon à pouvoir être extrait de l'instrument horaire sans nécessiter le démontage desdits organes mécaniques.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, différentes formes d'exécution de l'instrument selon l'invention.
La fig. 1 représente un mécanisme convenant tout spécialement à l'établissement de montres de bord, en élévation avec coupe partielle selon la ligne I-I de la fig. 2; ce mécanisme fonctionne à l'aide d'une puissante batterie d'accumulateurs servant à d'autres usages,
la fig. 2 est une vue en coupe transversale selon la ligne II-II de la fig. 1,
les fig. 3, 4 et 5, en partie schématiques, montrent les phases du fonctionnement de l'interrupteur automatique qui assure une marche très régulière de la montre des fig. 1 et 2,
la fig. 6 est un schéma des organes électriques de la montre des fig. 1 et 2,
la fig. 7 montre une position particulière du balancier moteur de la fig. 2 pour laquelle les forces électromagnétiques s'annulent,
les fig.
8 et 9 sont des courbes représentant le mou vement et l'évolution correspondante, en fonction du temps, du courant périodique ondulé chargé d'entretenir l'oscillation isochrone du balancier moteur,
les fig. 10 et 1 1 sont des croquis indiquant, respecti ccment en élévation et en plan, avec certaines parties vues en coupe, une première variante d'exécution du balancier autoentretenu de la montre de la fig. 1.
la fig. 12 est le schéma électrique du moteur oscil lant de la fig. 10,
la fig. 13 représente, par deux courbes, le mouvement de ce moteur et le courant pulsatoire qui engendre le couple électromagnétique,
la fig. 14 représente une deuxième variante d'exécution du mouvement horaire des fig. 1 et 2,
la fig. 15 est une vue en coupe d'un enroulement double qui permet de modifier la montre électrique des fig. 10 et 1 1 en remplaçant simplement le contact mobile par un transistor à jonction,
la fig. 16 représente un modèle de pendulette réalisable avec les principaux organes de la montre de bord des fig. 1 et 2 ou de celle des fig. 10 et 11.
Sur ces figures, les pièces analogues ont été dési gnées par les mêmes lettres ou chiffres de référence; les croquis sont en partie schématisés et les organes dessinés ont été disposés pour faciliter la compréhension du fonctionnement. Ils pourraient être disposés autrement, par exemple superposés, pour réduire l'encombrement total du mécanisme.
Certaines pièces, de faibles dimensions, ont été représentées plus grandes qu'elles ne le sont en réalité, mais les proportions qui conditionnent le fonctionnement seront précisées dans la suite du présent mémoire. Celuici est limité aux descriptions des organes essentiels permettant la réalisation pratique de l'invention. Divers éléments d'utilisation courante dans la construction hor 30gèle, tels que les bâtis, les supports et les dispositifs de fixation, seront supprimés afin de rendre plus clairs les dessins.
l es fig. 1 et 2 représentent, dans ces conditions, les organes moteurs d'une montre automobile dont le principe général de base est connu. Ces organes sont groupés dans un petit boîtier 1, facilement démontable de l'arrière, de préférence en tôle de fer doux embouti, qui forme une cuirasse de protection contre les champs magnétiques extérieurs. Le diamètre intérieur de ce boîtier est, par exemple de 3 à 5 cm et l'arbre 2 du balancier moteur est disposé selon une ligne diamétrale verticale du boîtier, comme l'indique la vue en élévation fig. 1.
La masse oscillante du balancier est formée par deux volants superposés 3 et 4. Ces pièces, dont le diamètre est de préférence compris entre 1,5 et 2 cm, sont ajourées et présentent la forme de petites roues à quatre bras radiaux (forme visible sur la vue en plan fig. 2); elles sont découpées dans de la tôle de fer doux recuite, offrant une perméabilité magnétique très élevée.
Sur l'extrémité d'un large bras du volant inférieur 3, on a collé un petit aimant permanent A dont la forme préférée est celle d'un parallélépipède à base carrée d'environ 3 X 3 mm à 5 X 5 mm, traversé par des lignes de flux parallèles à l'arbre 2.
Cet aimant minuscule A peut être constitué par divers matériaux caractérisés par un champ coercitif très élevé. Le matériau choisi pour A est, par exemple, un ferrite de baryum à texture orientée dont le champ coercitif et l'induction rémanente sont respectivement d'environ 1500 oersteds et 3500gauss.
Une pièce en laiton 5 rapportée sur le volant 3 forme un contrepoids d'équilibrage et les volants 3 et 4 sont réunis et fixés invariablement sur l'arbre 2 au moyen d'un manchon 6 en acier doux très perméable.
La distance des volants 3 et 4 est déterminée pour obtenir un entrefer de faible réluctance entre la face inférieure de la pièce 4 et la face polaire N de l'aimant A.
La longueur des lignes de force dans cet entrefer doit être, de préférence, comprise entre 1,5 et 3 mm. On voit sur la vue en élévation (fig. 1) que l'on a constitué un circuit ferromagnétique bien fermé comprenant les pièces suivantes assemblées en permanence: L'aimant A, le bras 7 du volant inférieur 3, le manchon axial 6 et le bras 8 du volant supérieur 4. L'aimantation à saturation de ces pièces peut être obtenue facilement après leur assemblage, ce qui permet de maintenir dans l'entrefer étroit un champ magnétique intense et bien limité, les courtes lignes de flux dans l'air étant parallèles à l'arbre du balancier. Ces lignes de flux existent seulement dans un secteur étroit du pourtour du balancier.
La forme donnée au boîtier protecteur 1 est choisie telle que l'attraction magnétique entre l'aimant A et ledit boîtier soit très faible et reste à peu près constante quelle que soit la position angulaire du balancier. L'expérience montre que ce résultat est pratiquement atteint lorsque la surface intérieure de l'enveloppe 1, 1' est écartée du balancier d'au moins quatre millimètres.
Sur les extrémités de l'arbre 2, on monte à friction d'une part un manchon 9 sur lequel est fixée une goupille conductrice (ou doigt de contact) D et d'autre part, la virole du spiral réglant 10. Le manchon 9 porte les petits plateaux 11 et 12 d'un dispositif d'entraine- ment en forme d'ancre motrice destiné à faire progresser dent par dent la roue d'échappement 13 d'un compteur chronométrique usuel actionnant les aiguilles. Le rouage de ce compteur n'a pas été représenté sur le dessin.
Le balancier, qui doit être soigneusement équilibré, est muni de pivots de faible diamètre tournant dans des paliers établis selon les règles de l'art horloger. Les coussinets et les contre-pivots sont, de préférence, logés dams des vis creuses démontables 14 et 15. Ces pièces sont vissées dans le bâti 16 et maintenues par des contreécrous 17 et 18. La vis évidée 14 peut renfermer un petit aimant 19 attirant le pivot supérieur de l'arbre 2, ce qui permet de réduire la pression exercée par le poids du balancier sur le contre-pivot inférieur 20. Pour réduire la dispersion du flux magnétique de cet aimant 19 vers le spiral 10, on constitue le contre-écrou 18 par une matière ferromagnétique très perméable entourant à faible distance ledit aimant 19.
L'expérience montre que ce dispositif permet de solliciter un pivot de 0,3 à 0,5 mm de diamètre avec une force verticale compensant une fraction notable du poids du balancier.
Une petite bobine motrice BM, en forme de galette très plate, dont les spires en fil de cuivre émaillé sont normales à l'axe de rotation 2, est disposée dans l'entrefer se trouvant au-dessus de l'aimant A lorsque le balancier est au repos. Cette bobine est encastrée partiellement et collée dans un support amovible 21, en matière isolante moulée, dont la forme permet la libre oscillation du balancier décrit précédemment et qui est fixé au boîtier par un socle 21'. On voit que la bobine
BM présente une forme semi-circulaire (forme d'un D) les portions actives BM' des fils conducteurs sont rectilignes et dirigées selon un rayon du balancier; elles se trouvent dans le champ magnétique très intense entre
A et 8 lorsque le balancier est au repos.
La bobine BM étant parcourue par un faible courant de sens convenable engendre une force de Laplace normale aux lignes de force dans l'air et aux portions rectilignes BM' des fils conducteurs ; cette force fait tourner le balancier en sens f1 (voir fig. 2) et l'on réalise ainsi des conditions particulièrement favorables pour produire une action électromagnétique efficace avec une faible dépense d'énergie électrique. On remarquera aussi que. pendant une oscillation à grande amplitude du balancier. le couple moteur a lieu uniquement lorsque la face polaire
N de l'aimant A passe au-dessous des fils conducteurs rectilignes BM' (voir fig. 2).
Au-delà d'une rotation d'environ 200 de part et d'autre du point mort (c'est-à-dire de la position d'équilibre représentée fig. 2) le couple moteur de direction f1 devient toujours faible et négligeable même si le courant ne s'annule pas complètement.
Quand l'aimant A passe en sens f1 devant les parties circulaires BM' de la bobine (ce qui a lieu après une rotation du balancier d'environ 450 après le passage au point mort) il peut se produire un petit couple antagoniste mais l'amortissement qui en résulte est minime lorsque le courant dans BM est convenablement affaibli par un dispositif approprié de commutation dépendant soit de la position angulaire de l'aimant mobile A, soit de la vitesse de cet aimant.
La distribution des impulsions motrices dans le sens f, peut être assurée soit par un interrupteur actionné directement ou indirectement par le balancier soit au moyen du dispositif électronique décrit dans le brevet suisse N" 321957 du 20 août 1959 au nom de la titulaire.
L'appareil horaire des fig. 1 et 2 peut comprendre un contact périodique simple et peu coûteux entre des pièces métalliques ou un transistor à jonction. Par suite, un seul outillage fondamental permet de construire deux genres d'appareils s'adressant à des catégories d'utilisateurs recherchant soit des modèles de très bas prix, soit des modèles de haute qualité mais un peu plus coûteux. On va décrire ci-après le dispositif établi au prix de revient le plus bas dans l'état actuel de la technique.
Comme l'indiquent la fig. 1 et le schéma électrique fig. 6, un courant extrêmement réduit passe constamment dans la bobine BM, mais, à chaque passage du balancier au point mort dans la direction fl, le courant il,, prend brusquement une valeur plus importante grâce à l'établissement d'un contact électrique de courte durée entre le doigt conducteur D porté par le balancier et l'extrémité d'une lame métallique étroite et mince 22 fixée sur un support isolé électriquement 23. La lame au repos est dirigée vers un point voisin de l'axe géométrique du balancier comme il est indiqué en 22' sur la fig. 5 et le doigt D, pendant le fonctionnement normal, tourne d'environ 3/4 de tour de part et d'autre du point mort.
Les proportions de construction sont choisies de façon que, lorsque l'aimant A passe au-dessous des conducteurs rectilignes BM', le doigt D agisse sur l'extrémité libre de la lame 22. Cette lame fléchit, puis s'échappe et revient immédiatement à sa position initiale.
Les dispositifs décrits plus haut conviennent tout spécialement aux montres de véhicules alimentées par une puissante batterie de bord fournissant habituellement une tension nominale U de 6 volts ou de 12 volts.
On sait que ces tensions peuvent parfois varier de trente pour cent en plus ou en moins et il est nécessaire d'éviter les perturbations causées par ces importantes modifications de tension et aussi par les changements de la température ambiante.
La construction décrite ici en se référant au schéma fig. 6 a permis de maintenir un fonctionnement sûr et régulier du mécanisme horaire fig. 1 et 2, malgré de fortes diminutions de la tension d'alimentation U et un ahaissement considérable de température ambiante.
La bobine galette BM (dont l'épaisseur préférée est comprise entre 1 et 2 mm) est constituée par un enroulement très serré en fil de cuivre (diamètre du fil compris entre 0,03 et 0.06 mm) revêtu d'une mince couche isolante capable de coller les spires entre elles par simple chauffage de l'enroulement dans son moule. On obtient ainsi des bobines-blocs peu fragiles et peu coûteuses qui peuvent être fixées aisément par encastrement et collage à froid dans les supports amovibles 21.
Entre les bornes + et - reliées à la batterie de bord (tension nominale U de 12 volts, par exemple) on monte en série les résistances Rt et Ro logées à l'intérieur du boîtier 1. La résistance R est bobinée en fil métallique à fort coefficient positif de température tandis que R2 est constituée par un alliage ou une matière semi-conductrice à coefficient de température nul ou négatif. Le rapport R/R2 est choisi assez grand (par exemple supérieur à 3) afin que la chute de tension permanente dans R1 soit supérieure à la moitié de U.
De plus, le volume de cette résistance Rj est déterminé de façon que la température due à l'effet Joule s'élève sensiblement sans toutefois atteindre une valeur excessive (par exemple 20 à 400 C au-dessus de la température ambiante). Ce résultat est aisément atteint à l'aide d'une résistance de faible volume constituée par un fil de cuivre fin isolé par un émail moderne résistant aux températures élevées.
Entre les bornes de R2, on établit un circuit dérivé comprenant la bobine fixe BM et une troisième résistance R.. de valeur élevée et pratiquement dépourvue de self-inductance. Le rapport entre la résistance R3 et la résistance de BM est choisi de préférence supérieur à 5.
Le contact électrique intermittent K entre D et 22 est monté en dérivation sur les bornes de la résistance R.., le courant passant par le spiral 10 et les valeurs des résistances R1 et R2 sont déterminées par l'expérience de façon que. lorsque le doigt D touche la lame 22. les actions motrices F soient suffisantes pour entretenir l'oscillation du balancier et faire fonctionner l'appareil fig. 1 à une très grande amplitude.
Cette amplitude est régularisée par la force contreélectromotrice induite dans la bobine BM et l'on peut éviter tout risque de rebattement du balancier lorsque la tension U de la batterie est anormalement élevée, en ajoutant le frein représenté à gauche des fig. 1 et 2. Le dispositif est constitué par une simple plaquette étroite 25, en cuivre pur, fixée sur le bâti 26 et placée au-dessous du volant 4. Lorsque le balancier tourne d'un angle supérieur à 1800 à partir du point mort, le flux magnétique développé par l'aimant mobile A traverse la plaquette et produit un amortissement dû aux courants tourbillonnaires (courants de Foucault) induits dans le métal conducteur 25.
Cet amortissement croît très vite lorsque l'axe d'oscillation du balancier augmente et il limite l'augmentation d'amplitude causée par l'élévation anormale de la tension d'alimentation U.
Les modifications de la conductibilité des résistances R et R2 sont utilisées aussi pour limiter la réduction de l'amplitude du balancier quand la tension U de la batterie décroît fortement. Dans ce cas, la puissance dissipée par effet Joule dans les résistances varie proportionnellement au carré de la tension et la température du fil de cuivre R1 s'abaisse ainsi que la résistance de ce fil, tandis que la résistance R2 reste stationnaire ou s'élève. Par suite, la diminution de la tension recueillie aux bornes de RI est peu importante et l'amplitude de l'oscillation, régularisée par le frein 25, ne subit que de très faibles modifications.
Il devient donc possible de stabiliser la période d'oscillation T du balancier en mettant en oeuvre les moyens de l'art horloger traditionnel et en profitant au besoin des phénomènes analysés ciaprès.
L'autoentretien du balancier provient du couple électromagnétique pulsatoire dont l'évolution dans le temps t peut être déduite de la forme des courbes fig. 8 et 9. La sinusoïde fig. 8 représente le mouvement isochrone du balancier (0: angle définissant la position angulaire instantanée, 1} amplitude, T: période constante d'oscillation) et la courbe fig. 9 montre, en concordance avec la sinusoïde a la variation du courant im qui parcourt la bobine BM. En régime normal, les fortes impulsions Inotrices ont lieu pendant les passages du balancier au point mort en sens ft, quand la résistance très élevée R.' est mise en court-circuit par le contact du doigt
D et des lamelles 22' (voir les fig. 3 et 4).
La montée et la chute du courant sont très rapides car l'inductance propre de la bobine BtSi, dépourvue de noyau de fer, est très faible. La durée des contacts principaux correspond au parcours angulaire constant bj t 62 indiqué en fig. 4.
Cette durée décroît quand l'amplitude *m et la vitesse angulaire augmentent, de plus, la valeur maximale Im décroît lorsque l'amplitude augmente.
Pendant le retour du balancier en sens f2, le contact du doigt D et de la lame flexible 22 a lieu pendant le faible parcours ôs indiqué sur la fig. 5 et l'on voit que les contacts K ne s'établissent pas pour les mêmes positions angulaires de l'aimant A lorsque le balancier tourne en sens f1 et en sens f;,. Pendant les courses en sens f des contacts très brefs sont opérés par D après les passages au point mort et l'aimant A est éloigné de la bobine BM comme le montre la fig. 7; par suite, le flux magnétique mobile ne coupe pas les conducteurs BM' et la force électromagnétique de Laplace est nulle.
Les brève émissions de courant après les époques T/2 et 3T/2... sont très faibles et pratiquement sans importance car l'énergie est fournie par une puissante batterie d'accumulateurs. Par le réglage de la position de repos de l'extrémité libre de la lame 22, on peut d'ailleurs réduire l'angle 63 (fig. 5), ce qui permet de diminuer les pertes d'énergie électrique.
En résumé, l'oscillation du balancier est entretenue par des impulsions électromagnétiques de sens unique f1 concentrées exactement au point mort et se renouvelant une fois par période. Le dispositif décrit se comporte comme les meilleurs échappements mécaniques connus (échappement à détente et à coup perdu) et les conditions reconnues nécessaires pour ne pas troubler la période de l'oscillation libre sont bien observées. On peut même compenser un petit défaut d'isochronisme dû à l'imperfection des spiraux plats et aux chocs sur la roue 13 en modifiant le calage du doigt D porté par le manchon 9 (principe du correcteur d'isochronisme bien connu. dû au professeur Ch. Fery).
Dans l'intervalle des contacts D-22, le circuit de la bobine BM reste établi comme le montre la fig. 6, mais le courant de repos ir est extrêmement faible et ce courant n'engendre pas de force électromagnétique continuelle car l'aimant A est fortement éloigné de la bobine
BM. Les forces antagonistes minimes qui se développent pendant les brefs passages de l'aimant devant les portions de conducteurs BM" ont une influence négligeable sur la marche. La résistance pure R, permet d'éviter la détérioration du contact K par une étincelle de rupture car la tension électrique entre D et 22 ne peut dépasser le faible produit R3 X ir. L'autoinductance de BM n'intervient en aucun cas pour créer une surtension nuisible.
On remarquera aussi que l'échauffement de la résistance
R1 joue un rôle très utile en hiver car l'apport de chaleur à l'intérieur du boîtier limite l'abaissement de la température du mécanisme.
L'interrupteur et le montage représentés sur les fig. 3 à 7 permettent aussi d'obtenir l'autodémarrage du balancier lorsqu'on applique la tension U aux bornes d'entrée. En effet, lorsque le balancier est au repos. le contact K est établi (fig. 3) et les conducteurs BM' se trouvent dans le champ magnétique très intense développé par l'aimant A. L'expérience montre que la force électromagnétique F qui se développe est suffisante pour lancer le balancier. Pour obtenir plus de sécurité dans ce lancement, on peut ajouter un bouton de contact K' capable de mettre en court-circuit pendant un instant la résistance R1. On accroît ainsi le courant 1m et la force mécanique motrice F.
La manoeuvre temporaire de K' pourrait être combinée avec la manoeuvre d'un dispo
sitif usuel de mise à l'heure des aiguilles nécessitant le déplacement alternatif longitudinal d'un arbre de commande.
La compensation thermique approximative d'une montre de bord d'usage courant est obtenue en utilisant un spiral 10 en alliage dit elinvar )y, dont le module d'élasticité reste sensiblement constant malgré les variations modérées de la température ambiante. On sait que les alliages qui présentent cette propriété sont sensibles aux champs magnétiques importants. Le mode de construction représenté fig. 1 permet d'éviter cette cause de perturbation car le bras 8 conduit le flux sortant de l'aimant A jusqu'au manchon 6 et au volant 3 et il empêche ainsi la dispersion des lignes de force vers le spiral.
Pour améliorer les qualités chronométriques de l'appareil horaire considéré, il est facile de parachever la compensation thermique par la simple adjonction au balancier de deux bilames thermo-sensibles 27 et 28 disposés dans l'espace libre entre l'aimant A et le contrepoids 5 (fig. 1 et 2). On fixe les bilames par des petits piliers 29 et 30 rapportés au-dessus du volant inférieur 2 et l'on donne aux parties sortant des piliers la forme d'arcs de cercle approximativement concentriques à l'arbre 2. Les dimensions et les ajustements les plus favorables des pièces 27 et 28 sont aisément déterminés par les procédés déjà en usage dans la construction des chronomètres mécaniques.
Les organes groupés et assemblés comme l'indiquent les fig. 1 et 2 forment un bloc fonctionnel très compact et amovible.
Deux types de transmission ont été prévus pour commander des aiguilles ou tout autre dispositif d'indication de l'heure. En premier lieu, on peut monter à l'extrémité arrière de l'arbre de la roue d'échappement 13 un pignon 31 (représenté en haut sur la fig. 2) engrenant avec une roue dentée 32 tournant à la vitesse de 1 t/mn. Cette roue peut entraîner par une liaison à friction modérée l'arbre de trotteuse 33 de petit rouage classique.
En disposant l'arbre 33 dans l'axe géométrique du boîtier, il est possible de loger tous les engrenages dans un espace cylindrique plat situé derrière le mouvement fig. 1 et occupant un diamètre restreint (par exemple inférieur à 3cm). Il est possible aussi d'éloigner le rouage et de le placer latéralement, ce qui permet d'établir des horloges relativement plates (épaisseur totale de l'ordre de 2 cm). Pour la réalisation de modèles de ce genre munis de cadrans relativement grands (diamètres de 6 à 25 cm), il est avantageux de recourir à la transmission irréversible représentée en pointillé à gauche de la fig. 1: l'axe de la roue d'échappement 13 forme une vis sans fin engrenant avec une roue tangente 34 portée par l'arbre vertical 35, dont le pivot supérieur est guidé par un trou percé dans l'équerre 36' du bâti.
La commande d'une minuterie à arc horizontal est aisément opérée à l'aide d'un deuxième engrenage à vis sans fin et roue tangente (voir fig. 16).
Pour modifier commodément la période d'oscillation, on peut employer une raquette classique 37 munie d'un bras de commande 38 (voir en haut de la fig. 1); ce bras peut se terminer par une partie recourbée et pointue appuyant sur une grosse vis à filet triangulaire 39. La rotation de cette vis permet de modifier la longueur active du spiral 10.
Les opérations de vérification et d'entretien ainsi que les dépannages de l'appareil décrit plus haut sont facilitées par les dispositions décrites plus haut. En effet, après l'enlèvement du boîtier 1, toutes les fonctions mécaniques sont visibles et l'on peut aisément nettoyer le contact électrique D - 22' (fig. 1). Les pièces exposées à des détériorations accidentelles (vis-paliers 14 et 15, bobine BM, lame de contact 22 maintenue par la vis 40, fig. 3) sont remplacées rapidement par des rechanges interchangeables. La forme plane de la lame 22 et la butée d'appui 24 permettent d'éviter les réglages délicats du contact électrique et les réparations sont à la portée d'ouvriers non spécialisés.
Le support isolant 21-21' muni de la bobine BM et de la lame 22, est applicable à la construction de plusieurs modèles de balanciers auto-entretenus.
On peut encore apporter divers changements au mécanisme horaire fig. 1, 2 et au schéma électrique fig. 6.
Les fig. 10 à 13 représentent une première variante d'exécution de la bobine motrice BM et du dispositif chargé de distribuer opportunément les impulsions motrices. On voit que la structure du balancier moteur à axe vertical 2 est à peu près conservée; les modifications portent principalement sur la forme de l'enroulement fixe BM coopérant avec le flux magnétique mobile et sur le dispositif de commutation. Comme le montrent les croquis fig. 10 et 11, l'interrupteur périodique K est placé dans une enveloppe hermétique 41 se trouvant à droite du balancier. La commande du contact est opérée à distance par une attraction magnétique intermittente due à l'aimant mobile A.
Le principe général des interrupteurs à commande magnétique est connu en soi, mais les organes fig. 1 utilisés pour établir et couper le courant 1m ont été établis avec des simplifications et des particularités de construction destinées à réduire à l'extrême la dépense de travail mécanique qui tend à amortir le mouvement alternatif et à troubler la période d'oscillation T du balancier.
Les éléments conducteurs de l'interrupteur K sont, d'une part, la tige conductrice 42 et, d'autre part, la lame mince et étroite 43 dont l'extrémité supérieure vient appuyer sur 42 lorsque le balancier est au point mort (position de repos représentée en fig. 10; contre cette lame 42 et près de son extrémité est collé un micro-aimant permanent 44 dont les lignes de flux internes sont parallèles à celles de l'aimant A du balancier. Le minuscule aimant 44 est constitué par un matériau moderne très coercitif et de faible densité, tel que le ferrite de baryum. Les pôles s et n de 44 se trouvent à une faible distance des pôles N et S du balancier (par exemple à environ 3 à 5 millimètres), l'attraction peut atteindre plusieurs décigrammes-force).
A une faible distance de 44 se trouve une contrelame peu flexible 45 constituée par un alliage légèrement ferro-magnétique (par exemple un alliage à base de fer et de nickel saturé dans un champ faible). Les extrémités inférieures des lames 41 et 45 sont encastrées dans un support métallique 46 qui traverse l'enveloppe 41. Les traversées de 42, 47 et 46 sont étanches.
La contre-lame 45 attire le petit aimant 44 et tend à séparer les pièces conductrices 42 et 43 ; toutefois, lorsque le balancier passe au point mort, I'attraction exercée par l'aimant A est prépondérante. Dès que le balancier s'écarte de la position fig. 10 d'un angle de l'ordre de 203,1'attraction de A décroît très vite tandis que l'attraction de la contre-lame 45 progresse. Par suite, le contact K est rompu très brusquement.
Une tige 47 limite le déplacement latéral de l'extrémité de la lame 43. Ce déplacement doit être juste suffisant pour rompre le circuit électrique; par exemple, il est limité à 0,1 mm.
On donne à la bobine BM la forme d'un trapèze isocèle dont les côtés obliques sont disposés selon des rayons formant des angles égaux (b. d'environ 200) avec le rayon médian Om passant par le centre de la face polaire N lorsque le balancier est au repos.
La bobine B est reliée à la batterie donnant une tension U d'environ 12 volts par les circuits électriques représentés en fig. 12. Un premier circuit comprend une forte résistance R1 à coefficient thermique positif en série avec une résistance R à coefficient nul ou négatif.
Un deuxième circuit, dérivé aux bornes de R9, comprend la lame 43. la tige conductrice 42 et le conden sateur C. La bobine BM est branchée aux bornes de ce condensateur C.
L'autoentretien de l'oscillation normale est obtenu peu après un premier lancement du balancier. Il est ciu aux phénomènes suivants: à chaque passage du balancier au point mort, dans la direction fl, le petit aimant 44 est attiré par les pôles magnétiques N et S et la bobine BM est parcourue par un courant im qui croît assez lentement en raison de la charge du condensateur
C. La fermeture du contact K est un peu retardée par la retenue magnétique provenant de la contre-lame 45 et par l'inertie de la masse 44. La capacité C est choisie de facon que le courant atteigne la valeur maximale lin avec un retard At (voir fig. 13) par rapport à l'époque du passage nu point mort.
Ce retard est déterminé de façon qu'il corresponde en régime normal, à un parcours an angulaire b-, de l'ordre de 200. Dans ces conditions, la face polaire N de l'aimant A du balancier se trouve au-dessus d'un faisceau BM de conducteurs radiaux actifs et reçoit une force tangentielle F maximale dirigée dans le sens du mouvement, comme l'indique la fig. 12.
Après la rupture du contact matériel entre 42 et 43, le courant ii, ne s'annule pas instantanément car le condensateur C se décharge dans la bobine BM.
Les mêmes phénomènes se renouvellent au retour du balancier en sens f, (fig. 11) lorsque, peu après le passage au point mort, la face polaire N de A défile devant les conducteurs radiaux BM'. Le système consi déjà' se comporte ainsi comme l'échappement à ancre des montres usuelles mais, par l'application en combinaison des propriétés magnétiques spéciales des pièces
A. 8, 44 et 45, on a évité les frottements instables de glissement et l'on a réduit à l'extrême l'amortissement du balancier provenant du déclenchement des actions motrices.
Ce dernier résultat provient surtout du fait que le courant moteur , est distribué par le déplacement infime d'un très léger aimant 44 constitué par une matière céramique isolante (aimant ne donnant pas lieu à des pertes par hystérésis et courants de Foucault).
Il va de soi que enveloppe hermétique qui protège l'interrupteur K est réalisable de diverses façons. Le boîtier en isolant moulé 41 représenté sur les fig. 10 et 1 1 est peu coûteux et la cavité contenant la lame flexible 43 est fermée par un bouchon 48 enfoncé à frottement et restant démontable. L'étanchéité pourrait être renfor cée par un vernissage recouvrant tous les joints.
Pour un appareil de haute qualité exposé à l'air humide ou à des vapeurs oxydantes, on peut enfermer l'interrupteur K dans une boîte non magnétique absolument étanche et contenant un gaz inerte comme l'azote. Un boîtier de ce genre est réalisable en mettant en ceuvre les procédés connus déjà appliqués pour la fabrication des tubes électroniques, des diodes, des transistors, etc. On peut assurer les connexions extérieures du bloc de commutation au moyen de fiches ou de lames flexibles afin de faciliter le remplacement éventuel de cet organe.
La fig. 14 représente une variante de réalisation du dispositif fig. 10, 11. L'interrupteur K, disposé sur le côté du balancier, comporte une lame 43 perpendiculaire à l'arbre 2. La boîte protectrice 41, en matière isolante moulée, est munie d'une anse mince dans laquelle la bobine BM est encastrée et collée. La ligne des pôles de l'aimant 44 solidaire de la lame flexible 43 doit être parallèle à l'arbre 2 du balancier.
Dans le dispositif schématisé par les fig. 12 et 14, on pourrait utiliser plusieurs bobines BM agissant sur plusieurs aimants A répartis autour d'un plateau en fer 3 de forme circulaire. Toutefois. il faudrait diriger les aimantations permanentes normales au plateau de façon qu'un seul des aimants périphériques attire la lame flexible 43. Une modification simple de ce genre est indiquée sur la fig. 14. A gauche du plateau 3, on colle un contrepoids 48 identique à la pièce A mais dont le flux interne est dirigé en sens inverse. On peut alors prévoir une bobine supplémentaire 49 insérée en série avec la bobine BM. Il suffit d'établir les connexions de façon que les couples électromagnétiques exercés sur A et sur 49 soient concordants. Après une rotation de 1800, à partir du point mort.
L'aimant 48 repoussera la lame 43 et ne provoquera pas la fermeture d'un contact intempestif. Pour la réalisation d'un appareil moins coûteux, il suffira de supprimer la bobine 49 et ne pas aimanter la pièce 4S. cette dernière jouant le rôle d'une simple masse d'équilibrage sans action magnétique.
Le mode d'exécution représenté sur les fig. 10 à 13 permet aussi d'établir avec le même outillage de fabrication mécanique soit des horloges électriques à contact, soit des horloges électroniques à transistor. Dans ce dernier cas, il suffit d'incorporer (fig. 15) dans la bobine
BM un enroulement en fil BC formant un capteur à induction et de remplacer le contact K par un transistor, les connexions avec la source étant établies conformément aux descriptions contenues dans le brevet suisse No 321957 du 20 août 1959 au nom de la titulaire.
Pour cette modification. on utilisera de préférence le double enroulement représenté en coupe, et à grande échelle, sur la fig. 15. On bobinera simultanément deux fils de cuivre BM et BC. Le fil de cuivre BM sera recouvert d'un vernis isolant collant à chaud (fil d'utilisation courante que l'on peut se procurer dans le commerce sous le nom de fil émaillé thermofix ); le conducteur BC sera constitué, de préférence, par un fil nu plus fin que le fil BM et occupant les intervalles libres entre les spires isolées BM. La bobine, placée dans son moule, sera chauffée dans un four qui ramollira le vernis thermoplastique et provoquera le collage. L'échauffement pourra aussi être obtenu en soumettant le bobinage à une source de courant convenablement choisie.
L'isolement du double enroulement représenté en fig. 15 est faible mais largement suffisant pour l'application considérée car la tension électrique entre les fils BC et BM reste toujours très faible. Par la réduction de la section de l'isolant, on loge beaucoup plus de cuivre dans un espace très limité, ce qui permet de maintenir un entrefer réduit et d'élever la puissance et le rendement électrique du moteur oscillant.
La fig. 16 représente un modèle de pendulette ou de pendule d'appartement constituant une forme d'exécution de l'invention. Le mécanisme est protégé par un globe ou par une enveloppe analogue en matière plastique transparente. Le balancier 3-4 est visible et constitue. sous le cadran, un élément attractif de décoration.
Les organes de commutation sont dissimulés derrière le balancier.
Magneto-electric time instrument
The present invention relates to a magneto-electric time instrument comprising, on the one hand, an oscillating balance provided with at least one permanent magnet producing an intense magnetic flux parallel to its axis and, on the other hand, a motor assembly. comprising at least one winding in which a direct current circulates periodically and a switch, said motor assembly being mounted on a removable base and connected to a direct current source.
Time instruments of this kind are already known.
In some cases the switch is of a type with mechanical contacts, while in other cases the electrical circuit is driven by magnetic means and operates without mechanical contact. The use of a transistorized circuit without mechanical contact avoids the drawbacks which may result from the progressive oxidation or from the difficulties of adjusting the elastic contact blades. On the other hand, such a circuit requires the use of two separate windings which are generally combined in a single assembly. As this assembly must be of very small dimensions, in particular in the direction of the thickness, in order to be able to be inserted between the poles of the balance, the realization of a sensing coil and a driving coil naturally presents more difficulties than that a single coil intended to be housed in the space available.
Moreover, in devices with mechanical contacts, the problem of adjusting and maintaining the contact elements in operating condition arises acutely.
The use of wafer coils made of an insulated metal wire of an extremely small diameter, in small-sized time instruments requires the provision of means for replacing these coils in the event of a defect, and instruments are thus known. schedules of the kind mentioned above in which the wafer coil and the contact switch are mounted on a removable base, inside the housing of the apparatus, so that it is possible to change this assembly easily. In these instruments, the switch is combined with the gear train drive means, so that when replacing the interchangeable base, it is necessary to take care of the correct adjustment of these mechanical drive means.
In the case of time instruments without mechanical contacts, provision has also been made to mount the assembly formed by the two combined windings on a removable base, in order to allow the coils to be replaced.
Certain time instruments which are likely to be mass-produced are intended both for uses in which it is advantageous to avoid the presence of mechanical contacts and for uses in which, on the contrary, it is desirable to reduce as much as possible the number and size of the windings while the presence of a mechanical contact does not in itself constitute a drawback and the invention aims, as an aim, to provide the means of producing as rational as possible a series of such time instruments using identical elements to the greatest extent possible in both use cases.
For this, the time instrument according to the invention is characterized in that the mechanical members which ensure the maintenance of the oscillations of the balance and the driving of the indicator members of the time instrument are mounted directly in the frame of this instrument, in that the latter has fixing means arranged so as to secure inside the instrument, either a base carrying two combined windings engaging in an air gap that the balance and a transistor has, or a base carrying a single winding and at least one element of a switch, the removable base thus carrying only all of the organs which ensure the production of the driving impulses, and in that each base is arranged so as to be able to be extracted from the time instrument without requiring the disassembly of said mechanical members.
The appended drawing represents, by way of example, various embodiments of the instrument according to the invention.
Fig. 1 shows a mechanism particularly suitable for setting up on-board watches, in elevation with partial section along the line I-I of FIG. 2; this mechanism operates using a powerful battery of accumulators used for other uses,
fig. 2 is a cross-sectional view along the line II-II of FIG. 1,
figs. 3, 4 and 5, partly schematic, show the phases of operation of the automatic switch which ensures very regular operation of the watch of FIGS. 1 and 2,
fig. 6 is a diagram of the electrical components of the watch of FIGS. 1 and 2,
fig. 7 shows a particular position of the motor balance of FIG. 2 for which the electromagnetic forces cancel each other out,
figs.
8 and 9 are curves representing the movement and the corresponding evolution, as a function of time, of the undulating periodic current responsible for maintaining the isochronous oscillation of the motor balance,
figs. 10 and 11 are sketches showing, respectively in elevation and in plan, with certain parts seen in section, a first variant embodiment of the self-supporting balance of the watch of FIG. 1.
fig. 12 is the electrical diagram of the oscillating motor of FIG. 10,
fig. 13 represents, by two curves, the movement of this motor and the pulsating current which generates the electromagnetic torque,
fig. 14 shows a second variant embodiment of the clockwise movement of FIGS. 1 and 2,
fig. 15 is a sectional view of a double winding which makes it possible to modify the electric watch of FIGS. 10 and 1 1 by simply replacing the moving contact with a junction transistor,
fig. 16 shows a model of a clock that can be produced with the main components of the on-board watch of FIGS. 1 and 2 or that of Figs. 10 and 11.
In these figures, similar parts have been designated by the same letters or reference numbers; the sketches are partly schematized and the drawn components have been arranged to facilitate understanding of the operation. They could be arranged otherwise, for example superimposed, to reduce the total bulk of the mechanism.
Certain parts, of small dimensions, have been shown larger than they are in reality, but the proportions which condition the operation will be specified in the remainder of this memorandum. This is limited to the descriptions of the essential organs allowing the practical realization of the invention. Various elements of common use in freezing construction, such as frames, brackets and fasteners, will be deleted in order to make the drawings clearer.
The fig. 1 and 2 represent, under these conditions, the driving parts of an automobile watch, the general basic principle of which is known. These members are grouped together in a small box 1, easily removable from the rear, preferably made of pressed soft iron sheet, which forms a protective armor against external magnetic fields. The internal diameter of this housing is, for example, 3 to 5 cm and the shaft 2 of the motor balance is arranged along a vertical diametral line of the housing, as shown in the elevational view in fig. 1.
The oscillating mass of the balance is formed by two superimposed flywheels 3 and 4. These parts, whose diameter is preferably between 1.5 and 2 cm, are perforated and have the shape of small wheels with four radial arms (shape visible on the plan view (fig. 2); they are cut from annealed soft iron sheet, offering a very high magnetic permeability.
On the end of a large arm of the lower flywheel 3, a small permanent magnet A has been glued, the preferred shape of which is that of a parallelepiped with a square base of about 3 X 3 mm to 5 X 5 mm, crossed by flow lines parallel to the shaft 2.
This tiny magnet A can be made of various materials characterized by a very high coercive field. The material chosen for A is, for example, a barium ferrite with an oriented texture, the coercive field of which and the remanent induction are respectively about 1500 oersteds and 3500gauss.
A brass part 5 attached to the flywheel 3 forms a balancing counterweight and the flywheels 3 and 4 are brought together and fixed invariably on the shaft 2 by means of a sleeve 6 of very permeable mild steel.
The distance of the flywheels 3 and 4 is determined to obtain a low reluctance air gap between the lower face of part 4 and the pole face N of magnet A.
The length of the lines of force in this air gap should preferably be between 1.5 and 3 mm. It can be seen in the elevational view (fig. 1) that a tightly closed ferromagnetic circuit has been formed comprising the following parts permanently assembled: The magnet A, the arm 7 of the lower flywheel 3, the axial sleeve 6 and the arm 8 of the upper flywheel 4. The saturation magnetization of these parts can be obtained easily after their assembly, which makes it possible to maintain in the narrow air gap an intense and well limited magnetic field, the short lines of flux in the air being parallel to the balance shaft. These flux lines exist only in a narrow sector of the perimeter of the balance.
The shape given to the protective case 1 is chosen such that the magnetic attraction between the magnet A and said case is very weak and remains more or less constant whatever the angular position of the balance. Experience shows that this result is practically achieved when the inner surface of the casing 1, 1 'is spaced from the balance by at least four millimeters.
On the ends of the shaft 2, a sleeve 9 is mounted in friction on the one hand on which is fixed a conductive pin (or contact finger) D and on the other hand, the ferrule of the regulating balance-spring 10. The sleeve 9 carries the small plates 11 and 12 of a driving device in the form of a driving anchor intended to advance tooth by tooth the escape wheel 13 of a conventional chronometric counter actuating the hands. The cog of this counter has not been shown in the drawing.
The balance, which must be carefully balanced, is fitted with small diameter pivots rotating in bearings established according to the rules of the watchmaking art. The bearings and the counter-pivots are preferably housed in removable hollow screws 14 and 15. These parts are screwed into the frame 16 and held by locknuts 17 and 18. The recessed screw 14 may contain a small magnet 19 attracting the upper pivot of the shaft 2, which makes it possible to reduce the pressure exerted by the weight of the balance on the lower counter-pivot 20. To reduce the dispersion of the magnetic flux of this magnet 19 towards the hairspring 10, we constitute the counter -nut 18 by a very permeable ferromagnetic material surrounding said magnet 19 at a short distance.
Experience shows that this device makes it possible to apply a pivot of 0.3 to 0.5 mm in diameter with a vertical force compensating for a significant fraction of the weight of the balance.
A small BM motor coil, in the form of a very flat wafer, the turns of enamelled copper wire of which are normal to the axis of rotation 2, is placed in the air gap located above the magnet A when the balance wheel is at rest. This coil is partially embedded and glued in a removable support 21, of molded insulating material, the shape of which allows the free oscillation of the balance described above and which is fixed to the housing by a base 21 '. We see that the coil
BM has a semi-circular shape (shape of a D) the active portions BM 'of the conductor wires are rectilinear and directed along a radius of the balance; they are located in the very intense magnetic field between
A and 8 when the balance is at rest.
The coil BM being traversed by a weak current of suitable direction generates a Laplace force normal to the lines of force in the air and to the rectilinear portions BM 'of the conducting wires; this force causes the balance to rotate in direction f1 (see fig. 2) and thus particularly favorable conditions are produced for producing an effective electromagnetic action with a low expenditure of electrical energy. We will also notice that. during a large amplitude oscillation of the balance. the motor torque occurs only when the pole face
N of magnet A passes under the straight conductor wires BM '(see fig. 2).
Beyond a rotation of about 200 on either side of the neutral point (that is to say of the equilibrium position shown in fig. 2), the steering motor torque f1 always becomes low and negligible. even if the current does not cancel out completely.
When the magnet A passes in direction f1 in front of the circular parts BM 'of the coil (which takes place after a rotation of the balance of about 450 after the passage in neutral) a small antagonistic torque can occur but the damping which results therefrom is minimal when the current in BM is suitably weakened by a suitable switching device depending either on the angular position of the moving magnet A, or on the speed of this magnet.
The distribution of the driving impulses in the direction f can be ensured either by a switch actuated directly or indirectly by the balance or by means of the electronic device described in Swiss patent No. 321957 of August 20, 1959 in the name of the holder.
The time apparatus of FIGS. 1 and 2 can include simple and inexpensive periodic contact between metal parts or a junction transistor. Consequently, a single fundamental tool makes it possible to construct two types of apparatus aimed at categories of users seeking either models of very low price, or models of high quality but a little more expensive. The device established at the lowest cost price in the current state of the art will be described below.
As shown in fig. 1 and the electrical diagram fig. 6, an extremely reduced current constantly passes through the coil BM, but, with each passage of the balance wheel in neutral in the direction fl, the current il ,, suddenly takes a greater value thanks to the establishment of an electrical contact of short duration between the conducting finger D carried by the balance and the end of a narrow and thin metal blade 22 fixed on an electrically insulated support 23. The blade at rest is directed towards a point close to the geometric axis of the balance as it is indicated at 22 'in FIG. 5 and finger D, during normal operation, turns about 3/4 of a turn on either side of neutral.
The construction proportions are chosen so that, when the magnet A passes below the rectilinear conductors BM ', the finger D acts on the free end of the blade 22. This blade flexes, then escapes and immediately returns. to its initial position.
The devices described above are especially suitable for vehicle watches powered by a powerful on-board battery usually providing a nominal voltage U of 6 volts or 12 volts.
It is known that these voltages can sometimes vary by thirty percent more or less and it is necessary to avoid disturbances caused by these large voltage changes and also by changes in the ambient temperature.
The construction described here with reference to the diagram in fig. 6 has made it possible to maintain safe and regular operation of the time mechanism fig. 1 and 2, despite sharp drops in the supply voltage U and a considerable increase in ambient temperature.
The BM wafer coil (the preferred thickness of which is between 1 and 2 mm) consists of a very tight winding of copper wire (wire diameter between 0.03 and 0.06 mm) coated with a thin insulating layer capable of to glue the turns together by simply heating the winding in its mold. In this way, little fragile and inexpensive block reels are obtained which can be easily fixed by embedding and cold gluing in the removable supports 21.
Between the + and - terminals connected to the on-board battery (nominal voltage U of 12 volts, for example) the resistors Rt and Ro are mounted in series inside the box 1. The resistor R is wound in metal wire with strong positive temperature coefficient while R2 consists of an alloy or a semiconductor material with zero or negative temperature coefficient. The R / R2 ratio is chosen large enough (for example greater than 3) so that the permanent voltage drop in R1 is greater than half of U.
In addition, the volume of this resistor Rj is determined so that the temperature due to the Joule effect increases substantially without however reaching an excessive value (for example 20 to 400 ° C. above ambient temperature). This result is easily achieved using a low volume resistor consisting of a thin copper wire insulated with modern enamel resistant to high temperatures.
Between the terminals of R2, a derivative circuit is established comprising the fixed coil BM and a third resistor R .. of high value and practically devoid of self-inductance. The ratio between the resistance R3 and the resistance of BM is preferably chosen to be greater than 5.
The intermittent electrical contact K between D and 22 is mounted in shunt on the terminals of the resistor R .., the current flowing through the hairspring 10 and the values of the resistors R1 and R2 are determined by experience so that. when the finger D touches the blade 22. the motor actions F are sufficient to maintain the oscillation of the balance and to operate the apparatus fig. 1 at a very large amplitude.
This amplitude is regulated by the back-electromotive force induced in the coil BM and any risk of rebounding of the balance wheel when the voltage U of the battery is abnormally high can be avoided by adding the brake shown to the left of FIGS. 1 and 2. The device consists of a simple narrow plate 25, made of pure copper, fixed to the frame 26 and placed below the flywheel 4. When the balance turns by an angle greater than 1800 from neutral, the magnetic flux developed by the moving magnet A passes through the wafer and produces a damping due to the eddy currents (eddy currents) induced in the conductive metal 25.
This damping increases very quickly when the axis of oscillation of the balance increases and it limits the increase in amplitude caused by the abnormal rise in the supply voltage U.
The changes in the conductivity of resistors R and R2 are also used to limit the reduction in the amplitude of the balance when the voltage U of the battery decreases sharply. In this case, the power dissipated by the Joule effect in the resistors varies in proportion to the square of the voltage and the temperature of the copper wire R1 drops as well as the resistance of this wire, while the resistance R2 remains stationary or rises . Consequently, the decrease in the voltage collected at the terminals of RI is not very significant and the amplitude of the oscillation, regulated by the brake 25, undergoes only very slight modifications.
It therefore becomes possible to stabilize the period of oscillation T of the balance by using the means of the traditional watchmaking art and by taking advantage, if necessary, of the phenomena analyzed below.
The self-maintenance of the balance comes from the pulsating electromagnetic couple whose evolution over time t can be deduced from the shape of the curves fig. 8 and 9. The sinusoid fig. 8 represents the isochronous movement of the balance (0: angle defining the instantaneous angular position, 1} amplitude, T: constant period of oscillation) and the curve fig. 9 shows, in agreement with the sinusoid a the variation of the current im which passes through the coil BM. In normal operation, the strong Inotor pulses take place during the passages of the balance in neutral in the direction ft, when the very high resistance R. ' is short-circuited by touching the finger
D and slats 22 '(see fig. 3 and 4).
The rise and fall of the current are very rapid because the intrinsic inductance of the BtSi coil, devoid of an iron core, is very low. The duration of the main contacts corresponds to the constant angular path bj t 62 indicated in fig. 4.
This duration decreases when the amplitude * m and the angular speed increase, moreover, the maximum value Im decreases when the amplitude increases.
During the return of the balance in direction f2, the contact of the finger D and the flexible blade 22 takes place during the short path ôs indicated in FIG. 5 and it can be seen that the contacts K are not established for the same angular positions of the magnet A when the balance rotates in direction f1 and in direction f;,. During the strokes in direction f, very short contacts are made by D after passing through neutral and the magnet A is moved away from the coil BM as shown in fig. 7; consequently, the mobile magnetic flux does not cut the conductors BM 'and the electromagnetic force of Laplace is zero.
The brief current emissions after epochs T / 2 and 3T / 2 ... are very small and practically irrelevant as the energy is supplied by a powerful storage battery. By adjusting the rest position of the free end of the blade 22, the angle 63 can also be reduced (FIG. 5), which makes it possible to reduce the losses of electrical energy.
In short, the oscillation of the balance is maintained by one-way electromagnetic pulses f1 concentrated exactly at neutral and renewing themselves once per period. The device described behaves like the best known mechanical escapements (detent and stray escapement) and the conditions recognized as necessary so as not to disturb the period of free oscillation are well observed. It is even possible to compensate for a small defect in isochronism due to the imperfection of the flat balance-springs and to the shocks on the wheel 13 by modifying the timing of the finger D carried by the sleeve 9 (principle of the well-known isochronism corrector. Due to the professor Ch. Fery).
In the interval of contacts D-22, the circuit of coil BM remains established as shown in fig. 6, but the quiescent current ir is extremely low and this current does not generate a continuous electromagnetic force because the magnet A is far away from the coil
BM. The minimal antagonistic forces which develop during the brief passages of the magnet in front of the portions of conductors BM "have a negligible influence on the rate. The pure resistance R, makes it possible to avoid the deterioration of the contact K by a breaking spark because the electric voltage between D and 22 cannot exceed the weak product R3 X ir. The autoinductance of BM does not intervene in any case to create a harmful overvoltage.
It will also be noted that the heating of the resistance
R1 plays a very useful role in winter because the heat input inside the case limits the lowering of the temperature of the mechanism.
The switch and the assembly shown in fig. 3 to 7 also make it possible to obtain self-start of the balance when the voltage U is applied to the input terminals. Indeed, when the balance is at rest. the contact K is established (fig. 3) and the conductors BM 'are in the very intense magnetic field developed by the magnet A. Experience shows that the electromagnetic force F which develops is sufficient to start the balance. To obtain more security in this launch, we can add a contact button K 'capable of short-circuiting the resistor R1 for an instant. The current 1m and the mechanical driving force F.
The temporary maneuver of K 'could be combined with the maneuver of a dispo
usual hand setting device requiring the longitudinal reciprocating displacement of a control shaft.
The approximate thermal compensation of an on-board watch in current use is obtained by using a hairspring 10 made of an alloy called elinvar) y, the elastic modulus of which remains substantially constant despite moderate variations in ambient temperature. It is known that the alloys which exhibit this property are sensitive to strong magnetic fields. The construction method shown in fig. 1 avoids this cause of disturbance because the arm 8 leads the flow leaving the magnet A to the sleeve 6 and to the flywheel 3 and it thus prevents the dispersion of the lines of force towards the balance spring.
To improve the chronometric qualities of the time device considered, it is easy to complete the thermal compensation by simply adding to the balance two thermo-sensitive bimetallic strips 27 and 28 arranged in the free space between the magnet A and the counterweight 5 (fig. 1 and 2). The bimetallic strips are fixed by small pillars 29 and 30 attached above the lower flywheel 2 and the parts coming out of the pillars are given the shape of arcs of a circle approximately concentric to the shaft 2. The dimensions and the most suitable adjustments more favorable parts 27 and 28 are easily determined by the methods already in use in the construction of mechanical chronometers.
The organs grouped and assembled as shown in Figs. 1 and 2 form a very compact and removable functional block.
Two types of transmission have been provided for controlling hands or any other time indicating device. In the first place, a pinion 31 (shown above in fig. 2) can be mounted at the rear end of the shaft of the escape wheel 13, meshing with a toothed wheel 32 rotating at a speed of 1 t / mn. This wheel can drive by a moderate friction connection the second hand shaft 33 of conventional small gear.
By placing the shaft 33 in the geometric axis of the housing, it is possible to accommodate all the gears in a flat cylindrical space located behind the movement fig. 1 and occupying a small diameter (for example less than 3cm). It is also possible to move the cog away and place it laterally, which makes it possible to establish relatively flat clocks (total thickness of the order of 2 cm). For the production of models of this kind provided with relatively large dials (diameters of 6 to 25 cm), it is advantageous to resort to the irreversible transmission shown in dotted lines on the left of FIG. 1: the axis of the escape wheel 13 forms an endless screw meshing with a tangent wheel 34 carried by the vertical shaft 35, the upper pivot of which is guided by a hole drilled in the square 36 'of the frame.
The control of a horizontal arc timer is easily operated using a second worm gear and tangent wheel (see fig. 16).
To conveniently modify the period of oscillation, one can employ a conventional racket 37 provided with a control arm 38 (see top of Fig. 1); this arm can end with a curved and pointed part pressing on a large screw with triangular thread 39. The rotation of this screw makes it possible to modify the active length of the hairspring 10.
The checking and maintenance operations as well as the troubleshooting of the apparatus described above are facilitated by the arrangements described above. In fact, after removing the housing 1, all the mechanical functions are visible and the electrical contact D-22 'can easily be cleaned (fig. 1). The parts exposed to accidental deterioration (screw-bearings 14 and 15, coil BM, contact blade 22 held by screw 40, fig. 3) are quickly replaced by interchangeable spares. The planar shape of the blade 22 and the support stop 24 make it possible to avoid delicate adjustments of the electrical contact and repairs are within the reach of non-specialized workers.
The insulating support 21-21 'provided with the BM coil and the blade 22, is applicable to the construction of several models of self-sustaining balances.
Various changes can still be made to the time mechanism fig. 1, 2 and the electrical diagram fig. 6.
Figs. 10 to 13 show a first variant embodiment of the driving coil BM and of the device responsible for distributing the driving pulses appropriately. It can be seen that the structure of the motor balance with vertical axis 2 is more or less preserved; the modifications mainly relate to the shape of the fixed winding BM cooperating with the mobile magnetic flux and to the switching device. As shown in the sketches fig. 10 and 11, the periodic switch K is placed in a hermetic envelope 41 located to the right of the balance. The contact control is operated remotely by an intermittent magnetic attraction due to the moving magnet A.
The general principle of magnetically operated switches is known per se, but the members fig. 1 used to establish and cut the current 1m have been established with simplifications and construction features intended to reduce to the extreme the expenditure of mechanical work which tends to dampen the reciprocating movement and to disturb the period of oscillation T of the balance .
The conductive elements of switch K are, on the one hand, the conductive rod 42 and, on the other hand, the thin and narrow blade 43, the upper end of which presses on 42 when the balance is in neutral (position of rest shown in Fig. 10, against this blade 42 and near its end is glued a permanent micro-magnet 44 whose internal flux lines are parallel to those of the magnet A of the balance. The tiny magnet 44 is formed by a modern, very coercive and low density material, such as barium ferrite. The s and n poles of 44 are at a short distance from the N and S poles of the balance (eg about 3 to 5 millimeters), the attraction can reach several decigrams-force).
At a short distance of 44 is an inflexible counterblade 45 formed by a slightly ferro-magnetic alloy (for example an alloy based on iron and nickel saturated in a weak field). The lower ends of the blades 41 and 45 are embedded in a metal support 46 which passes through the casing 41. The crossings of 42, 47 and 46 are sealed.
The counter-blade 45 attracts the small magnet 44 and tends to separate the conductive parts 42 and 43; however, when the balance goes into neutral, the attraction exerted by the magnet A is preponderant. As soon as the balance moves away from the position fig. 10 at an angle of the order of 203.1 'The attraction of A decreases very quickly as the attraction of the counterblade 45 progresses. As a result, the contact K is broken very suddenly.
A rod 47 limits the lateral displacement of the end of the blade 43. This displacement must be just sufficient to break the electrical circuit; for example, it is limited to 0.1 mm.
The BM coil is given the shape of an isosceles trapezoid whose oblique sides are arranged along radii forming equal angles (b. Of about 200) with the median radius Om passing through the center of the polar face N when the balance is at rest.
Coil B is connected to the battery giving a voltage U of about 12 volts by the electrical circuits shown in FIG. 12. A first circuit comprises a strong resistor R1 with a positive thermal coefficient in series with a resistance R with a zero or negative coefficient.
A second circuit, derived across the terminals of R9, comprises the blade 43. the conductive rod 42 and the capacitor C. The coil BM is connected to the terminals of this capacitor C.
The self-maintenance of the normal oscillation is obtained shortly after the first launch of the balance. It is the following phenomena: at each passage of the balance in neutral, in the direction fl, the small magnet 44 is attracted by the magnetic poles N and S and the coil BM is traversed by a current im which increases rather slowly due to of the capacitor charge
C. The closing of contact K is slightly delayed by the magnetic retention coming from the counter blade 45 and by the inertia of the mass 44. The capacity C is chosen so that the current reaches the maximum value lin with a delay. At (see fig. 13) in relation to the time of the passage bare neutral.
This delay is determined so that it corresponds in normal operation to an angular path b-, of the order of 200. Under these conditions, the polar face N of the magnet A of the balance is above d 'a bundle BM of active radial conductors and receives a maximum tangential force F directed in the direction of movement, as shown in fig. 12.
After breaking the material contact between 42 and 43, the current ii is not instantly canceled because the capacitor C is discharged in the coil BM.
The same phenomena are repeated when the balance returns in direction f, (fig. 11) when, shortly after passing into neutral, the pole face N of A passes in front of the radial conductors BM '. The system already considered thus behaves like the anchor escapement of conventional watches but, by the application in combination of the special magnetic properties of the parts.
A. 8, 44 and 45, unstable sliding friction was avoided and the damping of the balance resulting from the triggering of the driving actions was reduced to the extreme.
This last result comes mainly from the fact that the motor current is distributed by the tiny displacement of a very light magnet 44 formed by an insulating ceramic material (magnet not giving rise to losses by hysteresis and eddy currents).
It goes without saying that the hermetic envelope which protects the switch K is achievable in various ways. The molded insulation housing 41 shown in Figs. 10 and 1 1 is inexpensive and the cavity containing the flexible blade 43 is closed by a plug 48 frictionally pressed and remaining removable. The tightness could be reinforced by a varnishing covering all the joints.
For a high-quality device exposed to humid air or oxidizing vapors, the switch K can be enclosed in a non-magnetic box which is absolutely sealed and contains an inert gas such as nitrogen. A case of this type can be produced by implementing the known methods already applied for the manufacture of electron tubes, diodes, transistors, etc. The external connections of the switching unit can be made by means of plugs or flexible blades in order to facilitate the possible replacement of this member.
Fig. 14 shows an alternative embodiment of the device FIG. 10, 11. The switch K, arranged on the side of the balance, comprises a blade 43 perpendicular to the shaft 2. The protective box 41, in molded insulating material, is provided with a thin handle in which the coil BM is recessed and glued. The line of the poles of the magnet 44 integral with the flexible blade 43 must be parallel to the shaft 2 of the balance.
In the device shown schematically in FIGS. 12 and 14, one could use several coils BM acting on several magnets A distributed around an iron plate 3 of circular shape. However. the permanent magnetizations normal to the plate should be directed so that only one of the peripheral magnets attracts the flexible blade 43. A simple modification of this kind is shown in fig. 14. To the left of the plate 3, we glue a counterweight 48 identical to the part A but whose internal flow is directed in the opposite direction. It is then possible to provide an additional coil 49 inserted in series with the coil BM. It suffices to establish the connections so that the electromagnetic torques exerted on A and on 49 are concordant. After a rotation of 1800, from neutral.
The magnet 48 will push back the blade 43 and will not cause the closing of an unwanted contact. For the production of a less expensive device, it will suffice to eliminate the coil 49 and not to magnetize the part 4S. the latter playing the role of a simple balancing mass without magnetic action.
The embodiment shown in FIGS. 10 to 13 also makes it possible to establish, with the same mechanical manufacturing equipment, either contact electric clocks or transistor electronic clocks. In the latter case, it suffices to incorporate (fig. 15) in the coil
BM a wire winding BC forming an induction sensor and replacing the contact K by a transistor, the connections with the source being made in accordance with the descriptions contained in Swiss patent No. 321957 of August 20, 1959 in the name of the holder.
For this modification. the double winding shown in section, and on a large scale, in FIG. 15. We will simultaneously wind two copper wires BM and BC. The BM copper wire will be covered with a hot tacky insulating varnish (wire in common use that can be obtained commercially under the name of enameled thermofix wire); the conductor BC will preferably consist of a bare wire thinner than the wire BM and occupying the free spaces between the insulated turns BM. The coil, placed in its mold, will be heated in an oven which will soften the thermoplastic varnish and cause sticking. Heating can also be obtained by subjecting the winding to a suitably chosen current source.
The insulation of the double winding shown in fig. 15 is low but largely sufficient for the application considered because the electric voltage between the wires BC and BM always remains very low. By reducing the section of the insulation, much more copper is accommodated in a very limited space, which makes it possible to maintain a reduced air gap and to increase the power and the electrical efficiency of the oscillating motor.
Fig. 16 shows a model of a clock or an apartment pendulum constituting an embodiment of the invention. The mechanism is protected by a globe or by a similar transparent plastic envelope. The balance 3-4 is visible and constitutes. under the dial, an attractive element of decoration.
The switching elements are hidden behind the balance.