CH707471B1 - Système régulateur pour montre mécanique. - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne les organes régulateurs pour une pièce d’horlogerie mécanique, spécifiquement un système basé sur l’interaction magnétique entre un résonateur, en forme de diapason par exemple, et une roue d’échappement, dit «échappement magnétique». Le système est caractérisé par le fait qu’il y a plusieurs zones d’interactions magnétiques (25) et (26) entre le résonateur (14) et la roue d’échappement (9) qui sont disposés de telle manière que les couples produits à la roue d’échappement par ces interactions se compensent mutuellement si la roue d’échappement n’est pas synchronisée sur la fréquence du résonateur. Il en résulte qu’un couple négligeable sur la roue d’échappement quand celle-ci tourne lentement dans le sens de la flèche (24) ou en contre-sens. Ceci permet le démarrage de la pièce d’horlogerie à un couple faible du ressort barillet et sans procédure ou dispositif de lancement ainsi qu’une meilleure résistance de la pièce d’horlogerie contre la perte de synchronisation en cas de choc.

Description

[0001] La présente invention concerne le système régulateur d’une pièce d’horlogerie mécanique. Par système régulateur ou organe régulateur on entend deux dispositifs distincts: le résonateur et l’échappement.

[0002] Le résonateur est l’organe produisant un mouvement périodique qui constitue la base de temps de la pièce d’horlogerie. Les résonateurs bien connus sont les pendules oscillant sous l’effet de la gravitation, les balanciers formant avec le spiral associé un résonateur mécanique oscillant autour de l’arbre du balancier et les diapasons oscillant par déformation élastique de leur structure. La réalisation la mieux connue des diapasons est le diapason utilisé dans la musique, celle produite en plus grande nombre est cependant le résonateur fabriqué en quartz cristallin utilisé comme base de temps pour les montres électroniques.

[0003] L’échappement est l’élément de liaison entre le rouage de la pièce d’horlogerie et le résonateur. L’échappement a deux fonctions. Premièrement il doit transmettre au résonateur l’énergie nécessaire au maintien de son oscillation. Cette fonction est normalement réalisée par un mécanisme transmettant au résonateur de l’énergie provenant de la dernière roue de l’engrenage (ci-après appelée roue d’échappement). En plus de la transmission de l’énergie alimentant le résonateur, l’échappement doit contrôler la vitesse d’avancement du rouage et la synchroniser avec l’oscillation du résonateur. Cette deuxième fonction est normalement réalisée par une partie du mécanisme de l’échappement qui s’engage dans les dents de la roue d’échappement et ne laisse passer la dent active que quand le résonateur a effectué une oscillation. Beaucoup de principes d’échappements sont connus dans l’horlogerie, l’échappement le plus utilisée dans le domaine des montres-bracelets est l’échappement à ancre, plus particulièrement l’échappement à ancre suisse qui est cité ici à titre d’exemple seulement. Une description de l’échappement à ancre suisse se trouve par exemple dans le document EP 2 336 832 A2.

[0004] Les échappements mécaniques ne peuvent remplir leurs fonctions qu’au moyen d’un contact mécanique direct avec les dents de la roue d’échappement ainsi qu’avec le résonateur. Dans l’exemple de l’échappement à ancre suisse, l’ancre est en contact avec le résonateur pendant que celui-ci est proche du point d’équilibre et il est presque en permanence en contact avec une des dents de la roue d’échappement. La situation s’aggrave par le fait que, dans un échappement mécanique, les contacts aussi bien avec les dents de la roue d’échappement qu’avec le résonateur sont au moins partiellement accompagnées d’un mouvement glissant entre les deux éléments en contact. Un mouvement glissant implique forcément des pertes de frottement ce qui a plusieurs conséquences néfastes.

[0005] Un désavantage majeur du contact avec le résonateur impliquant des frottements est le fait de perturber le mouvement du résonateur avec des forces qui ne sont pas du type des forces dites «élastiques». Ceci signifie que le résonateur est perturbé avec des forces influençant sa fréquence propre. Cette perturbation influence les performances horlogères de la pièce. On comprend facilement que la perturbation du mouvement du résonateur dépend de l’ampleur de l’interaction de l’échappement avec le résonateur. Comme la roue d’échappement est entraînée par le train d’engrenage et celui-ci par le ressort barillet, l’erreur chronométrique créée par le contact entre le mécanisme d’échappement et le résonateur dépend de l’état du ressort barillet: l’erreur chronométrique est différente si le ressort barillet est très tendu par rapport à la situation d’une montre où le ressort barillet est presque complètement détendu. Cette erreur chronométrique est bien connue des spécialistes sous le nom d’erreur d’isochronisme.

[0006] En plus de ceci, le mouvement glissant implique des frottements et de ce fait des pertes d’énergie. Afin de réduire les pertes d’énergie par frottement, les éléments en contact sont graissés ou huilés avec grand soin et on utilise des produits de lubrification très poussés. Ceci permet de réduire les pertes par frottement, mais implique cependant que les performances chronométriques deviennent dépendantes de la performance des lubrifiants. Celles-ci varient avec le temps, les lubrifiants se dégradent ou ne restent plus sur la surface à lubrifier. Suite à ce phénomène, la montre commence de ralentir et doit être nettoyée et à nouveau lubrifiée.

[0007] Beaucoup de développements ont été faits pour réduire le contact glissant entre le mécanisme de l’échappement et le résonateur. A titre d’exemple EP 1 967 919 B1 décrit un échappement coaxial améliorant les conditions de transmission d’énergie entre la roue échappement et le résonateur. Bien que ce type d’échappement soit une amélioration par rapport à l’échappement à ancre suisse, il ne peut éviter des contacts glissants et il ne peut de ce fait pas éviter les pertes de friction mentionnées plus haut.

[0008] Les pertes de friction peuvent cependant être évitées si la transmission d’énergie par contact mécanique est remplacée par une transmission par des forces magnétiques. Celles-ci n’ont évidemment pas de pertes de frottement. Un échappement où les contacts mécaniques sont remplacés par des aimants est appelé échappement magnétique. Des échappements magnétiques sont connus depuis fort longtemps. H.S. Baker a été le premier à déposer un brevet (U.S.) pour un échappement magnétique en 1927, suivi par C.F. Clifford (1938) et R. Straumann en 1941. Ces développements ont conduit à une réalisation industrielle: la société allemande Junghans a produit un réveil muni d’un échappement magnétique au début des années ’60. Une description de cet échappement se trouve dans l’article de C.F. Clifford dans le «Horological Journal» édition avril 1962. Cet échappement ne remplissait cependant que la moitié des fonctions classiques d’un échappement: il synchronisait la roue échappement au mouvement de l’oscillateur, mais l’oscillateur en forme de diapason était entraîné électriquement. Il ne s’agissait donc pas d’un mouvement mécanique, mais plutôt d’une montre (d’un réveil) électromécanique ou électronique. Les performances supérieures des mouvements électroniques à quartz ainsi que leur coût de revient plus bas ont fait perdre tout intérêt à l’échappement magnétique dès les années ’70. L’intérêt croissant pour les montres mécaniques est à l’origine de développements récents dans ce domaine, le document EP 2 466 401 A1 décrit une réalisation qui peut être considérée comme l’état actuel de la technique. Ce document décrit l’ensemble des organes régulateurs d’une montre mécanique, le résonateur et l’échappement. Le résonateur est un résonateur en forme de diapason dans sa forme similaire aux diapasons connus de la musique. Le résonateur diapason a en effet un grand nombre d’avantages par rapport au résonateur balancier-spiral. Premièrement, il n’a pas besoin de paliers et de ce fait son facteur de qualité n’est pas dégradé par les frottements dans les paliers (ses pertes par oscillation sont moindres) et le résonateur diapason n’a pas besoin de lubrification susceptible de demander des services réguliers de la montre. Il est bien connu également que le résonateur diapason permet des performances chronométriques bien meilleures qu’un résonateur balancier-spiral. Max Hetzel et la société Bulova sont à l’origine des montres-bracelet munis de résonateurs en forme de diapason, son brevet a été déposé en 1953, et la technologie utilisée est décrite par exemple dans le document US 2 971 323. Trois producteurs ont commercialisé plus de six millions de montres selon les principes décrits dans ce document, la société Bulova avec le produit appelé «Accutron», la société Citizen avec le produit appelé «HiSonic» et la société Ebauches SA avec un produit appelé «Swissonic 100» ou «Mosaba». Les trois produits n’étaient cependant pas des montres mécaniques. Le résonateur diapason était en effet entraîné et maintenu en oscillation par un circuit électronique fournissant des impulsions électriques à deux bobines situées en face d’aimants attachés aux extrémités des branches du diapason similaire au produit de la société Junghans susmentionnée. Le rouage était entraîné par le diapason moyennant un mécanisme de cliquet attaché à une des branches. L’énergie pour le fonctionnement de la montre venait de l’alimentation électrique du circuit d’excitation à transistor du diapason. Il s’agissait effectivement de montres électriques ou électroniques. Ces produits ont démontré les performances chronométriques supérieures d’un résonateur en forme de diapason par rapport à un résonateur balancier-spiral: leur précision de marche était meilleure que celle d’une montre munie d’un résonateur balancier-spiral. Il est bien connu également que la précision de marche d’une montre électronique à quartz est très supérieure à celle d’une montre mécanique. Ceci est également dû à la stabilité du résonateur diapason à quartz régulant la marche de ces produits.

[0009] Le choix d’un résonateur diapason est donc judicieux et le document EP 2 466 401 A1 montre le diapason muni de deux aimants (un aimant sur chaque branche) similaire aux montres à diapason susmentionnées. La fonction d’échappement est réalisée selon ce document par une roue d’échappement portant une multitude d’aimants situés entre les branches du diapason et de telle sorte que les aimants du diapason sont en face d’une paire d’aimants de la roue échappement comme représenté dans la fig. 1 de la présente demande. Le fonctionnement de l’échappement magnétique selon EP 2 466 401 A1 est décrit dans ce document et n’est ici que brièvement résumé pour la description de l’invention faisant l’objet de la présente demande. On comprend que, si les aimants de la roue d’échappement sont en face des aimants du diapason et ceci avec la bonne polarité (un pôle N est en face d’un pôle S), les branches du diapason sont tirées vers la roue d’échappement, si les aimants sont en face avec polarité identique les branches du diapason sont poussées vers l’extérieur. En rotation, la roue d’échappement va alternativement transmettre une force aux branches du diapason poussant les branches vers l’extérieur puis les tirant vers l’intérieur. On comprend que la rotation de la roue d’échappement va exciter la vibration du diapason. Un résonateur est caractérisé par le fait que son amplitude de vibration devient très grande quand il est excité à sa fréquence de résonance propre et ceci est également le cas avec le résonateur diapason décrit dans le document EP 2 466 401 A1. Quand la roue d’échappement approche la vitesse de rotation excitant le diapason dans sa fréquence de résonance, son amplitude devient substantiellement plus grande. Comme il va être montré plus tard dans la description détaillée de l’invention, les aimants du diapason exercent également une force tangentielle sur les aimants de la roue d’échappement. Cette force tangentielle agit dans le sens de freiner la roue d’échappement quand elle commence de devancer la vitesse donnée par les oscillations du diapason. C’est cette force tangentielle qui synchronise la vitesse de la roue d’échappement sur la fréquence du diapason et contrôle de ce fait la marche de la montre.

[0010] Le dispositif selon le document EP 2 466 401 A1 a cependant plusieurs désavantages qui sont la conséquence du fait que le diapason interagit avec la roue d’échappement de sorte à produire des forces tangentielles qui varient fortement quand la roue avance par une dent. On comprend facilement que les forces tangentielles agissant sur la roue d’échappement produisent un couple qui tire la roue dans la position ou les aimants sur la roue et sur le diapason sont en face et de polarité opposée. Celle-ci est la position d’équilibre stable. Partant de la position d’équilibre stable et tournant la roue d’échappement p. ex. dans le sens horaire l’interaction entre les aimants sur la roue et sur le diapason va d’abord créer un couple tirant la roue de retour dans la position d’équilibre. Ceci est le cas jusqu’à ce que les aimants de polarité identique sont en face. Dans cette situation, la disposition des aimants est à nouveau symétrique et il n’y a plus de forces tangentielles donc aucun couple sur la roue d’échappement. Cette position est la position d’équilibre instable de la roue. Si la roue d’échappement continue de tourner dans le même sens un couple tirant la roue vers la prochaine position d’équilibre stable se développe. On constate que les forces tangentielles exercées sur la roue d’échappement par le système décrit en EP 2 466 401 A1 varient très fortement quand la roue avance d’une position d’équilibre stable à la prochaine. Cette situation a plusieurs désavantages significatifs.

[0011] La première conséquence est le fait que la roue d’échappement est bloquée par les forces des aimants quand elle est à l’arrêt. On comprend facilement que, si les aimants de la roue d’échappement sont en face des aimants du diapason et de polarité inverse, les deux paires d’aimants s’attirent et la roue échappement reste bloquée dans cette position. Cette situation arrive à chaque fois que le rouage de la montre est arrêté, ce qui se produit si la montre n’est pas portée et s’arrête à la fin de sa réserve de marche mais aussi lors des mises à l’heure où l’on stoppe le rouage pour la mise en route à la seconde précise. Ce phénomène est bien connu et typique pour les pièces d’horlogerie munies d’un échappement magnétique de l’art antérieur. Les pièces d’horlogerie munies d’échappements magnétiques du type C.F. Clifford avaient des mécanismes sophistiqués pour lancer la roue d’échappement lors de la mise en route du mouvement.

[0012] Le deuxième désavantage du système décrit en EP 2 466 401 A1 est sa sensibilité à la désynchronisation en cas de choc. Le fait de placer des aimants sur la roue d’échappement et sur les bras du diapason conduit à des forces importantes entre les deux organes régulateurs. La puissance mécanique nécessaire pour synchroniser une montre mécanique est cependant très petite. La puissance mécanique étant donnée par le produit entre la force tangentielle et la vitesse, on constate que des forces importantes conduisent nécessairement à des vitesses faibles. Dans le cas d’un mouvement rotatif, ils conduisent à une vitesse de rotation de la roue d’échappement basse. Notamment les montres-bracelets sont soumises à des chocs assez violents. Si la montre tombe par terre, des chocs de plusieurs milliers fois l’accélération terrestre sont atteints. Même en utilisation normale, des chocs produisant des accélérations beaucoup plus élevées que l’accélération terrestre sont fréquents. Un choc n’est généralement pas seulement une accélération linéaire, la montre touche ou tombe normalement sur un coin de la pièce de sorte que l’accélération est une combinaison d’une accélération linéaire et d’une accélération angulaire. Si la composante angulaire de l’accélération due au choc accélère la roue d’échappement à une vitesse angulaire dépassant la vitesse de synchronisation avec le diapason, le mécanisme de synchronisation susmentionné ne fonctionnera plus et la roue d’échappement continue d’accélérer, entraînée par le rouage et le ressort barillet de la montre. Dans un tel cas, la montre perd toutes ses qualités chronométriques, les aiguilles tournent à une vitesse beaucoup trop élevée. Le risque de désynchronisation dans un système selon le document EP 2 466 401 A1 est également élevé parce que la synchronisation entre la roue d’échappement et le mouvement du résonateur diapason se fait aux positions relatives des deux organes où les forces d’attraction sont grandes et ceci n’est le cas qu’une fois par oscillation du résonateur dans la position dessinée en fig. 1 .

[0013] Un autre désavantage de la réalisation selon le document EP 2 466 401 A1 est lié à la forme du diapason décrit dans ce document. Le résonateur diapason est en effet un diapason en forme d’un barreau oscillant, plié en U. Ce type de diapason est bien connu de la musique et est utilisée pour accorder des instruments. Il est connu de son application dans la musique que ce type de diapason transmet sa vibration par sa tige attachée au milieu du U du diapason. Le musicien sait bien que le son du diapason est bien plus audible si le diapason est posé sur une surface capable de vibrer à sa fréquence, par exemple sur le couvercle du piano. Ceci vient du fait que le diapason transmet son énergie de vibration par sa tige au couvercle du piano qui – considérant sa grande surface – la transmet à l’air comme un haut-parleur. Un résonateur horloger devrait cependant garder son énergie dans la structure résonnante et ne pas la perdre dans la fixation, des pertes dans la fixation dégradent son facteur de qualité et de ce fait ses propriétés chronométriques. La fixation au pied d’un diapason en U est de ce fait très désavantageuse. Le document EP 2 466 401 A1 mentionne le fait que le diapason en U a deux points qui restent immobiles, les points (ou axes) nodales. Le diapason en U pourrait théoriquement être attaché à son support à ses deux points. Dans les conditions d’une montre bracelet notamment et considérant les grandes accélérations à laquelle elle doit résister, cette solution n’est cependant pas réalisable: soit l’attachement du diapason est effectivement suffisamment petit pour ne pas perturber la vibration du résonateur, auqueI cas le dispositif ne résiste pas aux chocs, soit le dispositif résiste aux chocs auquel cas l’attachement est physiquement trop important et il en résulte des pertes d’énergie significatives. Force est de constater que le diapason en U ne permet pas un montage dans le mouvement horloger satisfaisant les conditions exigées de cette application.

[0014] Le but de la présente invention est de remédier aux inconvénients des échappements magnétiques de l’art antérieur. Conformément à la revendication 1, ceci est atteint avec un échappement magnétique interagissant avec le résonateur avec des forces tangentielles négligeables à l’arrêt du résonateur et généralement plus faibles de sorte à permettre une vitesse de rotation de la roue d’échappement suffisamment élevée pour rendre la pièce d’horlogerie insensible aux chocs. Une des formes de réalisation préférées de l’invention permet de synchroniser la roue d’échappement avec le résonateur diapason à chaque demi-oscillation du résonateur diapason ce qui augmente encore la résistance aux chocs. Le résonateur diapason selon une des formes de réalisation de l’invention a une structure permettant un encastrement solide assurant la résistance aux chocs du résonateur et de son montage.

[0015] L’invention est expliquée en plus de détail en faisant référence aux figures annexées dans lesquels: <tb>la fig. 1<SEP>montre l’art antérieur, notamment le système selon le document EP 2 466 401 A1, <tb>la fig. 1a<SEP>représente le dispositif selon la fig. 1 en rotation et les forces tangentielles agissant sur la roue d’échappement quand le résonateur est à l’arrêt, <tb>la fig. 1b<SEP>montre graphiquement les forces tangentielles selon la fig. 1a pendant la rotation de la roue d’échappement d’une position d’équilibre à la prochaine, <tb>la fig. 2<SEP>montre le dispositif selon une réalisation préférée de l’invention, <tb>la fig. 3<SEP>montre une coupe à travers le dispositif montré en fig. 2 dans le plan B–B ́, <tb>la fig. 4<SEP>montre une coupe à travers le dispositif de la fig. 2 dans le plan A–A ́, <tb>la fig. 5<SEP>montre les forces tangentielles agissant sur la roue d’échappement dans le dispositif selon la fig. 2 quand le résonateur est à l’arrêt, <tb>la fig. 6<SEP>montre graphiquement les forces tangentielles selon la fig. 5 agissant sur la roue d’échappement pendant la rotation de la roue par une dent, <tb>la fig. 7<SEP>montre les forces tangentielles sur la roue d’échappement du dispositif selon l’invention quand le diapason vibre à sa fréquence de résonance et synchronise la vitesse de la roue d’échappement, <tb>la fig. 8<SEP>montre le couple produit par les forces tangentielles sur la roue d’échappement du dispositif selon l’invention quand la roue d’échappement est synchronisée sur l’oscillation du résonateur et ceci en fonction du déphasage entre le mouvement d’oscillation du diapason et la rotation de la roue d’échappement, <tb>la fig. 9<SEP>montre le dispositif selon l’invention avec un résonateur double-diapason en forme de H.

[0016] En faisant référence aux figures l’invention va être expliquée d’une manière détaillée. La fig. 1 montre l’art antérieur selon le document EP 2 466 401 A1. Le résonateur diapason 1 en forme de U porte à l’extrémité de chaque branche un aimant permanent 2 orienté de sorte à ce que les champs magnétiques crées par les aimants soient dans la même direction. La roue d’échappement 3 est disposée entre les branches du diapason et porte dans l’exemple dessiné six aimants permanents 4 alternativement orientés de sorte à montrer aux aimants du diapason des pôles magnétiques opposés ou identiques. La roue d’échappement porte en plus le pignon 5 engrenant dans le rouage de la pièce d’horlogerie.

[0017] La fig. 1a montre les forces tangentielles qui se développent quand la roue d’échappement tourne lentement et le résonateur est à l’arrêt. Il s’agit de la situation de démarrage du mouvement horloger. La géométrie en fig. 1 étant symétrique par rapport à un plan à travers l’axe de la roue et passant par les aimants du diapason, il ne peut pas y avoir de force tangentielle. En tournant la roue d’échappement par exemple dans le sens horaire comme indiquée par la flèche 6, les aimants de polarité opposés s’attirent ce qui produira les forces 7 et 8. On constate que les deux forces tangentielles produisent un couple sur la roue d’échappement qui agit dans le même sens et contre la rotation dans le sens de la flèche 6.

[0018] La fig. 1b montre la force tangentielle résultante (la somme des deux forces 7 et 8 montrés en fig. 1a ) de l’art antérieur selon la fig. 1 en fonction de l’angle de rotation de la roue d’échappement 3. L’angle de rotation représenté correspond à l’avancement de la roue d’échappement d’une position d’équilibre stable à la prochaine. Le mouvement commence par l’angle de rotation 0 dans la situation dessinée en fig. 1 . Cette situation correspond à l’équilibre stable de la roue d’échappement et elle est indiquée par la flèche désignée par A. En tournant comme dessinée en fig. 1a vers la position où les aimants de la roue d’échappement sont en face des aimants du diapason mais en polarité identique, la roue d’échappement aura fait la moitié de la rotation (désignée par 0.5) et elle arrive dans la position d’équilibre instable. Cette position est désignée en fig. 1b avec la flèche B. Dans cette première moitié du mouvement de rotation la force tangentielle est positive, elle agit contre la rotation de la roue d’échappement. Dès que le point d’équilibre instable B est dépassé, la force tangentielle tire la roue d’échappement dans le sens de la rotation, dans le diagramme en fig. 1b ceci se montre par des forces négatives. A la fin de la rotation, à l’angle de rotation désignée par 1, la roue d’échappement sera à nouveau dans la position A, mais elle aura avancée d’un pas. Dans la situation dessinée en fig. 1 , ce pas correspond à une rotation de 120° de la roue d’échappement.

[0019] La fig. 2 montre une des réalisations préférées de la présente invention. La roue d’échappement 9 porte une couronne en matériau ferromagnétique 10 munie d’une denture intérieure 11 et extérieure 12. La roue d’échappement engrène dans le rouage de la pièce d’horlogerie au moyen du pignon 13. Le rouage de la pièce d’horlogerie ainsi que son ressort moteur (ressort barillet) sont bien connus et ne sont pas représentés dans les figures. Par-dessus la couronne ferromagnétique 10 se situe le résonateur diapason 14. Le résonateur diapason comporte deux branches 16 et 17 attachés à une base massive 15. La réalisation dessinée schématiquement en fig. 2 est expliquée en plus de détail en se référant aux fig. 3 et 4 qui montrent les coupes à travers la structure dans les plans A–A ́ et B–B ́, la vue dans ces coupes est dans la direction des flèches en fig. 2 .

[0020] La fig. 3 est une coupe centrale à travers la roue d’échappement dans le plan B–B ́ montrant l’interaction entre la structure ferromagnétique et le résonateur diapason. Les surfaces hachurées correspondent à des parties de la structure coupées, tandis que les surfaces blanches sont des surfaces visibles en dehors du plan de la coupe. Les deux branches du diapason 16 et 17 qu’on voit ici coupées proche de leur extrémité libre portent des aimants 18 et 19. L’indication «N/S» dans les aimants indique leur polarité. Le côté inférieur des aimants porte les pièces polaires 20 et 21 qui dirigent le flux magnétique vers la structure ferromagnétique 10 de la roue d’échappement. Dans la position dessinée dans les fig. 2 et 3 , la pièce polaire droite 21 est en face d’une dent de la structure ferromagnétique tandis que la pièce polaire gauche 20 est entre deux dents.

[0021] La fig. 4 montre la coupe centrale selon le plan A–A ́. La figure montre le montage du diapason dans la cage du mouvement 22, cette pièce est normalement appelée «platine» par l’homme du métier et, d’une manière fortement schématisée, le palier de la roue d’échappement. On voit la coupe centrale à travers la roue d’échappement, l’arbre de la roue 23 étant interrompu dans la région des aimants et du diapason pour permettre la représentation de ces éléments qui sont en dehors du plan de la coupe.

[0022] Le pied du diapason 15 est coupé et on s’aperçoit du montage rigide que la structure du diapason selon l’invention permet de réaliser.

[0023] Faisant référence aux figures, le fonctionnement des organes régulateurs selon l’invention va maintenant être décrit en détail. Les fig. 2 et 3 montrent que la réalisation selon l’invention fait interagir le diapason avec la couronne en matériau ferromagnétique avec sa denture extérieure sur un bras du diapason (le bras 16) et avec la denture intérieure sur l’autre bras (le bras 17). On constate également que l’interaction avec la couronne dentée est alternante, quand la pièce polaire du bras droit 17 est en face d’une dent de la couronne ferromagnétique 10, la pièce polaire de l’autre bras 16 est entre deux dents. Il est bien connu qu’une pièce en matériau ferromagnétique se fait attirer par un aimant et on constate que la rotation de la roue d’échappement produira des forces agissant dans le sens radial et variant selon la position angulaire relative entre les dents de la couronne ferromagnétique et les pièces polaires du diapason. Le diapason étant une structure capable de vibrer et d’entrer en résonance va se faire exciter par la rotation de la roue d’échappement même si la roue d’échappement ne porte pas des aimants comme c’est le cas de l’art antérieur.

[0024] La fig. 5 montre les forces tangentielles 25 et 26 qui se développent dans la structure selon l’invention quand la roue d’échappement tourne dans le sens de la flèche 24. On s’aperçoit qu’en tournant la roue d’échappement dans le sens horaire par rapport à sa position d’équilibre une pièce polaire du diapason s’éloigne d’une dent de la structure ferromagnétique tandis que l’autre s’approche. Ceci produira des forces tangentielles comme dessinées par les flèches 25 et 26 et on constate que les deux forces tangentielles produisent des couples à la roue d’échappement de sens opposée. De ce fait les couples créés par les forces tangentielles s’annulent mutuellement.

[0025] La fig. 6 est une représentation graphique des forces tangentielles 25 et 26 en fonction de l’angle de rotation de la roue d’échappement. On constate que les deux forces 25 et 26 s’opposent donnant la force résultante très faible, désignée 27. Si les deux aimants ont une aimantation correcte la force résultante 27 est nulle, les tolérances de fabrication inévitables font cependant que les deux forces 25 et 26 ne se compensent pas exactement et il en résulte la faible force 27 représentée en fig. 6 .

[0026] A titre d’exemple, si un des aimants a une aimantation qui dévie de la valeur de conception par 1%, la force 27 aura également une valeur correspondante à 1% des forces 25 ou 26 respectivement. On constate que le système selon l’invention permet de réduire la force tangentielle résultante d’une manière très importante par rapport à l’art antérieur. L’échelle de rotation de la roue couvre l’avancement de la roue par une dent, dans la situation correspondante à la fig. 2 il y a 36 dents, la roue aura parcouru 10° dans la plage désignée de 0 à 1 sur l’axe de rotation de la roue.

[0027] La situation dessinée en fig. 6 est valable pour une vitesse de rotation de la roue d’échappement loin de la résonance, typiquement au démarrage de la roue et on s’aperçoit que la force tangentielle résultante 27 est très faible, théoriquement même nulle. Ceci permet à la pièce d’horlogerie de se mettre en marche sans dispositif auxiliaire de lancement, ce qui rend le mécanisme des organes régulateurs de la pièce considérablement plus simple et plus fiable.

[0028] Si la vitesse de rotation de la roue d’échappement approche la valeur produisant au diapason une excitation à sa fréquence de résonance, l’amplitude de vibration de ses bras devient élevée et peut atteindre plusieurs centièmes de millimètres. Plus l’amplitude de vibration du diapason est élevée, plus l’interaction entre le diapason oscillant et la roue d’échappement tournante va créer des forces tangentielles élevées, forçant la roue de tourner synchrone au mouvement du résonateur diapason. On a en effet trouvé que les forces tangentielles augmentent plus que linéairement avec l’amplitude de vibration du diapason. En comparaison avec les forces illustrées en fig. 6 , les forces tangentielles deviennent plus que vingt fois plus grandes si le diapason est en résonance.

[0029] La fig. 7 montre les forces tangentielles agissant sur la roue d’échappement quand la roue d’échappement est synchronisée sur la fréquence du résonateur diapason. Le résultat illustré en fig. 7 montre les forces magnétiques du dispositif dessiné en fig. 2 . L’axe horizontal indique la rotation de la roue d’échappement par une dent complète. A la position zéro, la dent est en face de la pièce polaire comme dessiné en fig. 2 . Aux positions 5 et –5, la roue est tournée par une demi-dent, la plage de rotation illustrée dans la fig. 7 correspond à la rotation de la roue par une dent complète. L’axe vertical est celle des forces tangentielles. La courbe 28 montre la force exercée par la pièce polaire au bras 17, la courbe 29 la valeur négative de celle exercée par la pièce polaire au bras 16 et la courbe 30 donne la somme des deux courbes. La figure montre la situation quand la roue d’échappement est synchronisée sur l’oscillation du diapason. Cette condition est remplie quand la roue d’échappement tourne par une dent dans le temps que le résonateur accomplit une oscillation. On constate que la force tangentielle montrée dans la courbe 30, qui indique la somme des forces des deux bras, est substantiellement plus faible que l’une ou l’autre des forces 28 et 29. On pourrait déduire de la fig. 7 que le diapason n’est même en oscillant à grande amplitude pas à même de synchroniser la roue d’échappement sur sa fréquence propre. La force tangentielle résultante est en effet faible et on s’aperçoit qu’elle a en plus de composants positives et négatives qui sont de même grandeur de sorte que le résultat global couvrant la force résultante pendant l’avancement d’une dent complète sera très faible. Ceci vient du fait que la fig. 7 montre la situation où le résonateur diapason vibre exactement en phase avec la rotation de la roue d’échappement. Par ceci, on entend que la dent de la denture 11 est exactement en face de la pièce polaire du bras 17 quand le diapason est, à son extrémité, écarté. Dans cette situation, il n’y a effectivement pas de transfert d’énergie entre le résonateur et la roue d’échappement. Ce cas n’a cependant qu’un intérêt pour l’explication du mécanisme de synchronisation, en réalité il n’existe pas. La roue d’échappement, qui est entraînée par le ressort barillet de la pièce d’horlogerie à travers le rouage à normalement tendance à tourner plus vite que le résonateur diapason oscille. Son mouvement des dents devance la vibration du diapason. L’homme du métier appelle l’avance de la roue son déphasage par rapport au mouvement du diapason. Le déphasage est mesuré en °, 0° signifie qu’il n’y a aucun déphasage, à 180° le déphasage correspond à une avance par une demi-dent et à moins 180° la roue d’échappement serait en retard par une demi-dent.

[0030] La fig. 8 montre le couple résultant de l’interaction entre le diapason vibrant et la roue d’échappement en fonction du déphasage entre la rotation de la roue d’échappement et la vibration du résonateur. Les forces tangentielles des deux bras du diapason sont multipliées avec leur rayon correspondant pour qu’on obtienne le couple agissant sur la roue d’échappement et l’axe vertical indique la somme des deux couples donc le couple résultant sur la roue d’échappement. Des valeurs négatives de couple dans la fig. 8 correspondent à un couple qui freine la roue d’échappement, des valeurs positives de couple accélèrent la roue d’échappement. La fig. 8 montre que dans la plage de 0 à 100 ° environ le couple de freinage agissant sur la roue d’échappement augmente continuellement avec le déphasage. Ceci signifie que, plus que le couple d’entrainement de la roue d’échappement est grand, plus la roue d’échappement sera déphasée par rapport au mouvement du diapason. Au contraire, s’il n’y a plus de couple entraînant la roue d’échappement, le déphasage tombe à zéro. Ce cas arrive quand le ressort barillet est à la fin de sa réserve de marche et la pièce d’horlogerie s’arrête. La fig. 8 montre clairement que la vitesse de rotation de la roue d’échappement est synchronisée sur la fréquence du diapason pour autant que le ressort barillet arrive à entraîner la pièce d’horlogerie. Le déphasage des deux mouvements synchronisés détermine le couple freinant la roue d’échappement et la synchronise sur la fréquence du résonateur diapason.

[0031] La fig. 8 correspond à la situation d’un résonateur vibrant avec une amplitude fixe. Tel n’est cependant pas le cas. Si le résonateur freine la roue d’échappement, il y a nécessairement un transfert d’énergie de la roue au résonateur. L’énergie transférée au résonateur diapason augmentera son amplitude de vibration jusqu’à ce que les pertes d’énergie du résonateur, dues par exemple au frottement dans l’air de ses branches, soient à nouveau égales à l’apport d’énergie provenant de la roue d’échappement. Le résonateur ne pouvant ni créer ni perdre de l’énergie doit en effet toujours vibrer à une amplitude conduisant à l’égalité de l’énergie apportée par la roue d’échappement et l’énergie perdue dans les frottements et autres pertes. Comme les pertes augmentent avec l’amplitude de vibration, on s’aperçoit que l’amplitude de vibration doit augmenter si l’énergie (le couple) transmise au résonateur augmente.

[0032] Plus l’amplitude de vibration devient grande, plus le freinage au même déphasage devient important. Bien que la plage de fonctionnement de l’échappement selon l’invention comme représenté en fig. 8 soit déjà assez grande et bien suffisante pour une application pratique, la physique du système montre que le domaine de fonctionnement est en effet bien plus grand encore.

[0033] Le résonateur diapason selon l’invention a une forme très différente d’un diapason en U selon l’art antérieur décrit dans le document EP 2 466 401 A1. Comme représenté en fig. 2 , le diapason est constitué de deux branches attachées à un pied 15 en forme d’une plaque massive. Cette géométrie a plusieurs avantages par rapport au résonateur de l’art antérieur montré en fig. 1 . Les avantages sont la conséquence des mouvements et déformations dans cette structure de diapason. Le diapason selon la fig. 2 se déforme comme si les deux bras 16 et 17 étaient encastrés et immobiles à leur base et oscillent à leur bout libre dans un mouvement gauche – droite en contre-phase. On constate que ce mouvement des bras est en première approximation dépourvu de mouvements dans le sens de la longueur du diapason. Le pied 15 du diapason ne se déplace donc pas, il subit les contraintes provenant des bras en oscillation. Ces contraintes déforment le pied 15 à proximité des bases des bras du diapason, elles s’atténuent cependant très vite et fortement vers la base du pied. Ceci offre la possibilité d’un assemblage simple et massif dans la zone inférieure du pied 15, par exemple par des vis comme dessiné en fig. 2 . On obtient de ce fait un résonateur diapason avec peu de pertes d’énergie de vibration dans l’encastrement et simultanément un montage massif satisfaisant les exigences de résistance aux chocs d’un mouvement horloger.

[0034] La structure dessinée en fig. 2 n’est pas la seule possibilité d’un résonateur satisfaisant les exigences d’un échappement magnétique selon l’invention. La fig. 9 montre à titre d’exemple une structure en double diapason. La structure en double diapason offre la possibilité d’attacher des masses 31 et 32 au bout des deux branches additionnelles. Ces masses 31 et 32 peuvent être montées à une position ajustable et permettent d’ajuster la fréquence de résonance du double diapason. D’autres méthodes d’ajustage à la fréquence chronométrique d’un diapason sont connues de l’homme du métier comme par exemple l’enlèvement de petites quantités de masse au bout des branches par des tirs au laser.

Claims (10)

1. Système régulateur d’une pièce d’horlogerie mécanique basé sur l’interaction magnétique entre un résonateur (14) et une roue d’échappement (9), ladite interaction créant des forces radiales et tangentielles (25, 26) agissant sur la roue d’échappement (9) et y générant des couples, caractérisé en ce que le système régulateur est agencé pour que les couples dues auxdites forces tangentielles agissent dans des sens opposés et s’annulent mutuellement lorsque le résonateur est à l’arrêt.

2. Système régulateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la roue d’échappement (9) interagit avec le résonateur (14) à chaque demi oscillation du résonateur avec des forces tangentielles sensiblement égales et opposées.

3. Système régulateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le résonateur est un diapason.

4. Système régulateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le diapason (14) est composé de deux bras (16, 17) attachés à un pied (15) de section plus grande que celle des bras.

5. Système régulateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le résonateur diapason porte un aimant permanent (18, 19) à chaque bras.

6. Système régulateur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le flux magnétique desdits aimants (18, 19) est dirigé vers l’extérieur du diapason à un bras et à l’autre bras vers l’intérieur du diapason.

7. Système régulateur selon la revendication 6, caractérisé en ce que la roue d’échappement porte une structure ferromagnétique (10) en forme de couronne dentée à denture intérieure (11) et extérieure (12) disposées en sorte que si une dent de ladite couronne intérieure est en face de l’aimant d’un bras du diapason, l’aimant situé sur l’autre bras du diapason est situé entre deux dents de ladite denture extérieure et vice versa.

8. Système régulateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le résonateur a la forme d’un double diapason en forme de H dont la partie centrale sert de base aux quatre bras.

9. Système régulateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le résonateur porte des moyens d’ajustage à la fréquence chronométrique en forme de masselottes réglables (31, 32) disposées sur la structure du résonateur ou de plages ménagées pour être enlevées par ablation.

10. Mouvement horloger comportant un système régulateur selon l’une des revendications précédentes.