EP2287683B1 - Protection magnétique d'un spiral de pièce d'horlogerie - Google Patents

Protection magnétique d'un spiral de pièce d'horlogerie Download PDF

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EP2287683B1
EP2287683B1 EP09168003A EP09168003A EP2287683B1 EP 2287683 B1 EP2287683 B1 EP 2287683B1 EP 09168003 A EP09168003 A EP 09168003A EP 09168003 A EP09168003 A EP 09168003A EP 2287683 B1 EP2287683 B1 EP 2287683B1
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balance spring
ring
hairspring
spiral
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Jean-Pierre Mignot
Jean-Jacques Born
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Swatch Group Research and Development SA
Original Assignee
Swatch Group Research and Development SA
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    • G04—HOROLOGY
    • G04B—MECHANICALLY-DRIVEN CLOCKS OR WATCHES; MECHANICAL PARTS OF CLOCKS OR WATCHES IN GENERAL; TIME PIECES USING THE POSITION OF THE SUN, MOON OR STARS
    • G04B43/00—Protecting clockworks by shields or other means against external influences, e.g. magnetic fields
    • G04B43/007—Antimagnetic alloys
    • G—PHYSICS
    • G04—HOROLOGY
    • G04B—MECHANICALLY-DRIVEN CLOCKS OR WATCHES; MECHANICAL PARTS OF CLOCKS OR WATCHES IN GENERAL; TIME PIECES USING THE POSITION OF THE SUN, MOON OR STARS
    • G04B17/00—Mechanisms for stabilising frequency
    • G04B17/04—Oscillators acting by spring tension
    • G04B17/06—Oscillators with hairsprings, e.g. balance
    • G—PHYSICS
    • G04—HOROLOGY
    • G04B—MECHANICALLY-DRIVEN CLOCKS OR WATCHES; MECHANICAL PARTS OF CLOCKS OR WATCHES IN GENERAL; TIME PIECES USING THE POSITION OF THE SUN, MOON OR STARS
    • G04B17/00—Mechanisms for stabilising frequency
    • G04B17/20—Compensation of mechanisms for stabilising frequency
    • G04B17/28—Compensation of mechanisms for stabilising frequency for the effect of imbalance of the weights, e.g. tourbillon
    • G04B17/285—Tourbillons or carrousels

Definitions

  • the present invention relates to a device for protecting a timepiece hairspring against disruptive magnetic fields coming from outside said timepiece.
  • the simplest and most radical solution is to completely shield the movement of the timepiece to allow no disturbing line of fields to penetrate.
  • This is the case proposed by the document CH 122391 where the movement of the watch is protected by a set of elements formed of a stainless alloy, high permeability and low hysteresis, forming a magnetic screen.
  • the elements are a bowl disposed between the movement and the bottom of the watch, a dust cap ring forming a cap disposed between the movement and a casing ring and an intermediate plate disposed between the watch plate and its dial. This way of doing things is extremely cumbersome and expensive. Indeed it requires three additional pieces that not only weigh down the watch but increases its volume.
  • the device is constituted by a housing element having a sufficient impermeability to magnetic fields, the housing element being completed by a casing ring of mild steel with which it forms a bowl enveloping the movement and forming a magnetic screen .
  • the housing element is formed by the bottom of the housing, this bottom being made of stainless and polishable alloy having a homogeneous ferritic structure.
  • the bottom and the casing ring being directly made of materials with high magnetic permeance.
  • no screen is disposed between the movement and the dial of the watch, the protective device being limited to a bowl without cover serving as housing the movement of the watch.
  • the material of which the hairspring is made is generally made of a metal alloy such as a steel capable of remanent magnetization if it is subjected to an external magnetic field.
  • This disadvantage is very largely offset by its excellent mechanical properties (ductility, elasticity, coefficient of thermal expansion, etc.). It is therefore a question of protecting it against these disturbing fields. If the motion is subjected to a field of 4.8kA / m, the walking distance must not exceed 30 seconds per day according to a watch normalization.
  • this difference can be significant and reach significant variations, up to several minutes per day, this difference being due mainly to the longitudinal magnetization of the turns of which the hairspring is made, this magnetization producing on the axis of the pendulum to which is linked the spiral a torque that adds up or subtracts from the normal mechanical torque.
  • the gap is also influenced, but to a lesser extent, by the phenomenon of magnetostriction tending to lengthen or shorten the ribbon of which the spiral is made when subjected to a magnetic field.
  • the document DE19651320 discloses a device for protecting a timepiece hairspring against disruptive magnetic fields coming from outside said part, and comprising a cylindrical cage enclosing the hairspring, one of the bases of this cage being constituted by a disk with high magnetic permeance disposed in a plane parallel to the plane of the hairspring, the disk and the hairspring being also coaxially mounted to one another.
  • the schematic and perspective view of the figure 1 is a simplified way of representing the protection device of the invention against disturbing magnetic fields coming from outside the timepiece.
  • this device comprises at least one disk 2 with high magnetic permeance disposed in a plane parallel to the plane of the hairspring 1 equipping the timepiece.
  • the figure 1 also shows that the disc 2 and the spiral 1 are mounted coaxially to each other about an axis symbolized by the letter Z.
  • the figure 2 shows a portion of this spiral 1 which is a very long ribbon wound on itself, this ribbon having a reduced height and a very small thickness. It follows from this that if it is polarized in the direction of the Z or orthogonally height, or in the direction of the thickness R or radially, little or no remanent magnetization will remain. On the other hand a polarization in the direction of the length L is to be avoided because it is the only one, especially on the outer turns of the hairspring, to cause a residual magnetization of the latter producing, as we saw above, an additional couple parasite causing a random variation of the return moment of the spiral affecting the isochronism of the regulating system. To avoid or reduce this longitudinal polarization, the field lines will be oriented in a configuration more or less orthogonal and radial to the plane of the spiral.
  • FIGs 3a and 3b are diagrammatic views respectively in section and in plan of this provision which constitutes a first embodiment of the invention.
  • the figure 3a shows in section the hairspring 1 and the disk 2.
  • the field lines are represented at 6.
  • the figure 3b is a view from above and the field lines 6 are those acting at the level of the spiral 1. Note about this figure little radial deflection of these lines.
  • This embodiment is the simplest and we already see there the tendency to a vertical deflection of the field lines 6 sensed by the disk 2. Note that if the disk 2 did not exist the field line 6a of the figure 3a , instead of plunging onto the disc 2, would reach the hairspring 1 and magnetize its outer turns in the longitudinal direction L as explained in FIG. figure 2 .
  • the first embodiment that has just been described can be completed by a ring 3 surmounting the disc 2 and surrounding the spiral 1.
  • This second embodiment is shown on the Figures 4a and 4b which are schematic views respectively in section and in plan of this second mode where the field lines are represented at 6. If the figure 4b still shows little radial deflection of the field lines, the figure 4a
  • the hairspring 1, thanks to the presence of the ring 3 is thus better protected against disturbing fields which are deflected in greater numbers in the vertical direction.
  • concentration of the field at the periphery of the disc 2 always tends to locally increase this field, hence the need to provide a disc 2 of relatively large diameter relative to the diameter of the spiral 1.
  • Figures 5a and 5b are schematic views respectively in section and in plan of a third embodiment of the invention.
  • the figures show that the disc 2 is equipped with a plurality of branches 4 made of the same material as the disc and arranged in its plane and its periphery to form a star 5.
  • This third mode is completed by the same ring 3 present in the second execution mode.
  • the field lines are represented in 6.
  • the figure 5b shows that, captured by the branches 4 of the star 5, the field lines 6a tend to be radially (R direction according to the figure 2 )
  • This third embodiment has the advantage of a disk 2 significantly reduced thanks to the presence of the branches 4 of the star 5. This leads to a lighter execution, less cumbersome and therefore more airy than that described previously.
  • the standard disturbing effect of 4kA / m is reduced by a factor of 6 to 7 thanks to the proposed device.
  • the simple disk 2 proposed in the first embodiment requires approximately twice as much material, which increases the mass of the device, therefore the moment of inertia and the energy consumed if this device equips a system. in movement, for example a tourbillon whose construction will be discussed at the end of this description.
  • the device of the invention protects the hairspring of the timepiece regardless of the direction of the disturbing field entering said room, this thanks to the fact that the hairspring 1, the disk 2 or the star 5 which resulting and ring 3 are parts of revolution mounted coaxially on each other. We have seen that this is not the case of the device proposed in the document FR 1,408,872 cited above.
  • the material with high magnetic permeance used to make the ring 3, the disk 2 or the star 5 is soft iron or, more specifically an iron-nickel alloy of the AFK502 type of the Arcelormittal firm. According to variants, it will typically be possible to use Fer-Nickel-Molybdenum, Iron-Nickel-Copper alloys.
  • the figure 6 is a plan view of the third embodiment of the invention applied to a vortex and the figure 7 and a sectional view along the line VII-VII of the figure 6 .
  • the tourbillon comprises a conventional set consisting of an escape wheel 10, an anchor 11 and a plate 12 connected to a balance 13 and a spiral 1. These elements are mounted in a rotating cage 14.
  • the cage 14 operates as a second mobile and is usually one revolution per minute.
  • the cage is secured to a second gear 15 driven by a medium wheel (not shown).
  • a medium wheel not shown.
  • Inside the cage 14 the role of the exhaust is conventional.
  • the force is transmitted from an exhaust pinion 16 which meshes, in the manner of a satellite with a fixed second wheel 17 secured to the plate 18.
  • figures 6 and 7 show that a star 5 and a ring 3, objects of the present invention, have been added to protect the hairspring against disturbing magnetic fields.
  • the star here comprises six branches.
  • this arrangement highlights the mechanism of the vortex which would not be the case if the star was replaced by a large diameter disk that would hide this mechanism.

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Description

  • La présente invention est relative à un dispositif de protection d'un spiral de pièce d'horlogerie contre des champs magnétiques perturbateurs provenant de l'extérieur de ladite pièce d'horlogerie.
  • On a déjà proposé des dispositifs qui assurent la protection d'une pièce d'horlogerie contre l'influence perturbatrice de champs magnétiques extérieurs de toute nature, par exemple des aimants permanents ou des moteurs électriques de tout genre.
  • La solution la plus simple et la plus radicale aussi consiste à blinder entièrement le mouvement de la pièce d'horlogerie pour n'y laisser pénétrer aucune ligne de champs perturbatrice. C'est le cas proposé par le document CH 122391 où le mouvement de la montre est protégé par un ensemble d'éléments formés d'un alliage inoxydable, à haute perméabilité et à faible hystérésis, formant un écran magnétique. Les éléments sont une cuvette disposée entre le mouvement et le fond de la montre, un cercle cache-poussière formant calotte disposé entre le mouvement et un cercle d'encageage et une plaque intermédiaire disposée entre la platine de la montre et son cadran. Cette façon de faire est extrêmement lourde et coûteuse. En effet elle demande trois pièces supplémentaires qui non seulement alourdissent la montre mais augmente son volume.
  • Une solution plus légère et moins encombrante que celle proposée ci-dessus est décrite dans le document FR 1.408.872 . Il ne s'agit plus ici d'entourer complètement le mouvement de la montre par un matériau à haute perméance mais seulement son fond et son pourtour. A cet effet, le dispositif est constitué par un élément de boîtier présentant une imperméabilité suffisante aux champs magnétiques, l'élément de boîtier étant complété par un cercle d'emboîtage en acier doux avec lequel il forme une cuvette enveloppant le mouvement et formant écran magnétique. L'élément de boîtier est formé par le fond du boîtier, ce fond étant réalisé en alliage inoxydable et polissable présentant une structure ferritique homogène. Ainsi, dans cette réalisation, il n'y a aucun ajout de pièces supplémentaires le fond et le cercle d'emboîtage étant directement faits en matériaux à haute perméance magnétique. De plus aucun écran n'est disposé entre le mouvement et le cadran de la montre, le dispositif de protection se limitant à une cuvette sans couvercle servant de logement au mouvement de la montre.
  • Le matériau dont est fait le spiral est généralement réalisé dans un alliage métallique tel qu'un acier susceptible d'aimantation rémanente s'il est soumis à un champ magnétique extérieur. Cet inconvénient est très largement compensé par ses excellentes qualités mécaniques (ductibilité, élasticité, coefficient de dilatation thermique etc.) Il s'agit donc de le protéger contre ces champs perturbateurs. Si on soumet le mouvement à un champ de 4,8kA/m l'écart de marche ne doit pas dépasser 30 secondes par jour selon une normalisation horlogère. Sans protection cet écart peut être sensible et atteindre des variations importantes, jusqu'à plusieurs minutes par jour, cet écart étant dû surtout à l'aimantation longitudinale des spires dont est fait le spiral, cette aimantation produisant sur l'axe du balancier auquel est lié le spiral un couple qui s'additionne ou se soustrait au couple mécanique normal. L'écart de marche est aussi influencé, mais dans une moindre mesure, par le phénomène de magnétostriction tendant à allonger ou à raccourcir le ruban dont est fait le spiral lorsqu'il est soumis à un champ magnétique.
  • On verra que la solution proposée par le document FR 1.408.872 cité plus haut n'est pas sans montrer une certaine analogie avec celle qui fait l'objet de la présente invention. Dans ce document cependant le spiral proprement dit n'est pas protégé contre un champ perturbateur quelle que soit l'orientation de ce champ régnant dans le plan du spiral. En effet, comme le spiral est décentré par rapport au centre du mouvement et si l'on désire une protection omnidirectionnelle, il s'agit de proposer un dispositif centré par rapport audit spiral et non par rapport au mouvement dans son ensemble comme c'est le cas du document cité plus haut.
  • Le document DE19651320 décrit un dispositif de protection d'un spiral de pièce d'horlogerie contre des champs magnétiques perturbateurs provenant de l'extérieur de ladite pièce, et comportant une cage cylindrique enfermant le balancier-spiral, l'une des bases de cette cage étant constituée par un disque à haute perméance magnétique disposé dans un plan parallèle au plan du spiral, le disque et le spiral étant aussi montés coaxialement l'un à l'autre.
  • Ce but est atteint par le dispositif de protection défini par la revendication 1 du brevet.
  • L'invention va être expliquée maintenant en détail ci-dessous par plusieurs modes d'exécution donnés à titre d'exemples non limitatifs, ces exécutions étant illustrées par les dessins annexés dans lesquels :
    • la figure 1 est une vue schématique et en perspective d'un premier mode de réalisation de l'invention,
    • la figure 2 montre une portion du spiral représenté en figure 1,
    • les figures 3a et 3b sont des vues schématiques en coupe et en plan d'un premier mode de réalisation de l'invention,
    • les figures 4a et 4b sont des vues schématiques en coupe et en plan d'un deuxième mode de réalisation de l'invention,
    • les figures 5a et 5b sont des vues schématiques en coupe et en plan d'un troisième mode de réalisation de l'invention,
    • la figure 6 est une vue en plan du troisième mode de réalisation de l'invention appliqué à un tourbillon et
    • la figure 7 est une vue en coupe selon la ligne VII-VII de la figure 6.
  • La vue schématique et en perspective de la figure 1 est une manière simplifiée de représenter le dispositif de protection de l'invention contre des champs magnétique perturbateurs provenant de l'extérieur de la pièce d'horlogerie. Dans ce but, ce dispositif comporte au moins un disque 2 à haute perméance magnétique disposé dans un plan parallèle au plan du spiral 1 équipant la pièce d'horlogerie. La figure 1 montre aussi que le disque 2 et le spiral 1 sont montés coaxialement l'un à l'autre autour d'un axe symbolisé par la lettre Z.
  • Plutôt que d'essayer de diminuer ou de supprimer totalement le champ magnétique perturbateur au niveau du spiral comme indiqué dans le premier document cité plus haut ( CH122 391 ) et de proposer alors des solutions lourdes et encombrantes, comme on l'a vu, il apparaît plus judicieux d'orienter ou de dévier ce champ perturbateur sans nécessairement le diminuer ou le supprimer dans des directions où il est moins efficace du point de vue de son potentiel à polariser le matériau magnétique dont est constitué le spiral.
  • La figure 2 montre une portion de ce spiral 1 qui est un ruban très long enroulé sur lui-même, ce ruban présentant une hauteur réduite et une très faible épaisseur. Il résulte de cela que si on le polarise dans le sens de la hauteur Z ou orthogonalement, ou encore dans le sens de l'épaisseur R ou radialement, peu ou pas d'aimantation rémanente ne subsistera. Par contre une polarisation dans le sens de la longueur L est à éviter car elle est la seule, surtout sur les spires extérieures du spiral, à provoquer une aimantation rémanente de ce dernier produisant, comme on l'a vu plus haut, un couple supplémentaire parasite provoquant une variation aléatoire du couple de rappel du spiral affectant l'isochronisme du système réglant. Pour éviter ou diminuer cette polarisation longitudinale, on va orienter les lignes de champ dans une configuration plus ou moins orthogonale et radiale au plan du spiral.
  • Pour ce faire on va disposer comme déjà dit plus haut un disque dans un plan parallèle au plan du spiral. Les figures 3a et 3b sont des vues schématiques respectivement en coupe et en plan de cette disposition qui constitue un premier mode d'exécution de l'invention. La figure 3a montre en coupe le spiral 1 et le disque 2. Les lignes de champ sont représentées en 6. On note une concentration de champ en périphérie du disque 2, ce qui tend à accroître localement le champ. Il résulte de cela la nécessité d'un disque de relativement grand diamètre par rapport au diamètre du spiral 1. La figure 3b est une vue de dessus et les lignes de champ 6 sont celles agissant au niveau du spiral 1. On note à propos de cette figure peu de déflection radiale de ces lignes. Ce mode de réalisation est le plus simple et on y voit déjà la tendance à une déflection verticale des lignes de champ 6 captées par le disque 2. A noter que si le disque 2 n'existait pas la ligne de champ 6a de la figure 3a, au lieu de plonger sur le disque 2, atteindrait le spiral 1 et aimanterait ses spires extérieures dans le sens longitudinal L comme expliqué en figure 2.
  • Le premier mode d'exécution qui vient d'être décrit peut être complété par un anneau 3 surmontant le disque 2 et entourant le spiral 1. Ce deuxième mode d'exécution est montré sur les figures 4a et 4b qui sont des vues schématiques respectivement en coupe et en plan de ce deuxième mode où les lignes de champ sont représentées en 6. Si la figure 4b montre toujours peu de déflection radiale des lignes de champ, la figure 4a fait état par contre d'un accroissement significatif des lignes de champ 6a plongeant sur le disque 2 et atteignant le spiral 6 dans le sens orthogonal Z de ses spires (figure 2). Le spiral 1, grâce à la présence de l'anneau 3 est ainsi mieux protégé contre les champs perturbateurs qui sont déviés en plus grand nombre dans le sens vertical. On notera cependant que la concentration du champ en périphérie du disque 2 a toujours tendance à accroître localement ce champ d'où la nécessité de prévoir un disque 2 de diamètre relativement grand par rapport au diamètre du spiral 1.
  • Enfin les figures 5a et 5b sont des vues schématiques respectivement en coupe et en plan d'un troisième mode de réalisation de l'invention. Les figures montrent que le disque 2 est équipé d'une pluralité de branches 4 faites d'une même matière que le disque et disposées dans son plan et sa périphérie pour former une étoile 5. Ce troisième mode est complété par le même anneau 3 présent au deuxième mode d'exécution. Les lignes de champ sont représentées en 6. Comme pour le mode précédent on constate (voir figure 5a) un accroissement significatif de la verticalité des lignes de champ avec les avantages qui ont été décrits. De plus, la figure 5b montre que, captées par les branches 4 de l'étoile 5, les lignes de champ 6a ont tendance à se présenter radialement (sens R selon la figure 2) par rapport aux spires du spiral 1. Ce troisième mode de réalisation présente l'intérêt d'un disque 2 nettement réduit grâce à la présence des branches 4 de l'étoile 5. On aboutit alors à une exécution plus légère, moins encombrante et donc plus aérée que celle décrite précédemment. En plus de cela des mesures ont montré que l'effet perturbateur standard de 4kA/m est réduit d'un facteur 6 à 7 grâce au dispositif proposé. Pour obtenir un effet similaire, le simple disque 2 proposé en premier mode d'exécution demande environ deux fois plus de matière, ce qui augmente la masse du dispositif, donc le moment d'inertie et l'énergie consommée si ce dispositif équipe un système en mouvement, par exemple un tourbillon dont la construction va être évoquée en fin de cette description.
  • On peut imaginer enfin un dispositif utilisant l'étoile 5 mais dépourvu d'anneau 2 entourant le spiral 1. On se rapprocherait alors du premier mode d'exécution décrit plus haut avec tendance à direction radiale des lignes de champ mais sans verticalité desdites lignes.
  • On rappellera encore que le dispositif de l'invention protège le spiral de la pièce d'horlogerie quelle que soit la direction du champ perturbateur entrant dans ladite pièce, ceci grâce au fait que le spiral 1, le disque 2 ou l'étoile 5 qui en résulte et l'anneau 3 sont des pièces de révolution montées coaxialement les unes sur les autres. On a vu que cela n'est pas le cas du dispositif proposé dans le document FR 1.408.872 cité plus haut.
  • Le matériau à haute perméance magnétique utilisé pour confectionner l'anneau 3, le disque 2 ou encore l'étoile 5 est du fer doux ou, plus spécifiquement un alliage fer-nickel du type AFK502 de la firme Arcelormittal. Selon des variantes, on pourra typiquement utiliser des alliages de Fer-Nickel-Molybdène, Fer-Nickel-Cuivre.
  • La figure 6 est une vue en plan du troisième mode de réalisation de l'invention appliquée à un tourbillon et la figure 7 et une vue en coupe selon la ligne VII-VII de la figure 6.
  • Sans entrer dans les détails, on rappellera que le tourbillon comporte un assortiment conventionnel composé d'une roue d'échappement 10, d'une ancre 11 et d'un plateau 12 lié à un balancier 13 et à un spiral 1. Ces éléments sont montés dans une cage tournante 14. La cage 14 fonctionne comme un mobile de seconde et fait généralement un tour par minute. La cage est solidaire d'un pignon de seconde 15 entraînée par une roue moyenne (non représentée). A l'intérieur de la cage 14 le rôle de l'échappement est conventionnel. La force est transmise à partir d'un pignon d'échappement 16 qui engrène, à la manière d'un satellite avec une roue de seconde fixe 17 solidaire de la platine 18.
  • Dans cette construction, les figures 6 et 7 montrent qu'on a ajouté une étoile 5 et un anneau 3, objets de la présente invention pour protéger le spiral contre des champs magnétiques perturbateurs. L'étoile comprend ici six branches 4. On mesure ici tout l'intérêt de l'utilisation d'une étoile à longues branches liées au disque primitif. En effet cette disposition met bien en valeur le mécanisme du tourbillon ce qui ne serait pas le cas si l'étoile était remplacée par un disque de grand diamètre qui masquerait ce mécanisme.

Claims (5)

  1. Dispositif de protection d'un spiral (1) de pièce d'horlogerie contre des champs magnétiques perturbateurs provenant de l'extérieur de ladite pièce, comportant au moins un disque (2) à haute perméance magnétique disposé dans un plan parallèle au plan du spiral, le disque (2) et le spiral (1) étant montés coaxialement l'un à l'autre et agencés pour orienter ou dévier selon la direction radiale et/ou selon la direction de la hauteur du spiral les champs magnétiques perturbateurs qui atteignent le spiral.
  2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le disque est surmonté d'un anneau (3) à haute perméance magnétique, ledit anneau étant disposé autour du spiral (1) et coaxialement à ce dernier.
  3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le disque (2) est équipé d'une pluralité de branches (4) faites d'une même matière que le disque et disposées dans son plan et sa périphérie pour former une étoile (5).
  4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'étoile (5) est surmontée d'un anneau (3) à haute perméance magnétique, ledit anneau étant disposé autour du spiral (1) et coaxialement à ce dernier.
  5. Tourbillon comprenant un dispositif selon la revendication 4
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