EP2979140B1 - Arbre de mobile a géométrie optimisée en environnement magnétique - Google Patents

Arbre de mobile a géométrie optimisée en environnement magnétique Download PDF

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EP2979140B1
EP2979140B1 EP14713783.0A EP14713783A EP2979140B1 EP 2979140 B1 EP2979140 B1 EP 2979140B1 EP 14713783 A EP14713783 A EP 14713783A EP 2979140 B1 EP2979140 B1 EP 2979140B1
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EP
European Patent Office
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arbor
pivot axis
magnetic
field
magnetization
Prior art date
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EP14713783.0A
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German (de)
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EP2979140A2 (fr
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Alain Zaugg
Davide Sarchi
Nakis Karapatis
Marco Verardo
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Montres Breguet SA
Original Assignee
Montres Breguet SA
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Publication date
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    • 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
    • G04B31/00—Bearings; Point suspensions or counter-point suspensions; Pivot bearings; Single parts therefor
    • 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
    • G04B17/32—Component parts or constructional details, e.g. collet, stud, virole or piton
    • G—PHYSICS
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    • G04B13/00—Gearwork
    • G04B13/02—Wheels; Pinions; Spindles; Pivots
    • G—PHYSICS
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    • G04B17/04—Oscillators acting by spring tension
    • G04B17/06—Oscillators with hairsprings, e.g. balance
    • G04B17/063—Balance construction
    • G—PHYSICS
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    • 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

Definitions

  • the invention relates to a clockwork mobile shaft intended to pivot about a pivot axis and comprising at least one projecting part whose main projection part defines the largest radius of said shaft about said pivot axis, where at least said protruding main portion is delimited, on either side of said pivot axis, by two surfaces symmetrical with respect to said pivot axis and which define, in projection on a plane perpendicular to said pivot axis, a profile inscribed in a rectangle whose ratio of the length to the width defines a shape ratio which is greater than or equal to 2, the direction of said length defining a main axis.
  • the invention also relates to a watchmaking movement comprising a watchmaking mechanism which comprises a watchmaker arranged to oscillate about a rest position defined by a rest plane passing through a pivot axis, and said cooperating mobile with elastic return means arranged to bias said mobile to a rest position, said mobile having such a shaft for pivoting about said pivot axis and having at least one main projecting portion defining the largest radius of said shaft about said axis of pivoting,
  • the invention also relates to a watch comprising at least one such watch movement.
  • the invention relates to the field of watch mechanisms, in particular the field of regulating members, in particular for mechanical watches.
  • the regulating organ of a mechanical watch is constituted by a harmonic oscillator, the sprung balance, whose oscillation natural frequency depends mainly on the inertia of the balance and the elastic rigidity of the spiral.
  • the oscillations of the sprung balance, otherwise damped, are maintained by the pulses provided by an escapement generally composed of one or two pivoting mobiles.
  • these pivoting mobiles are the anchor and the escape wheel.
  • the walking of the watch is determined by the frequency of the sprung balance and by the disturbance generated by the impulse of the escapement, which generally slows down the natural oscillation of the sprung balance and therefore causes a delay in running.
  • gait defects related to the residual effect of the field
  • the origin of these defects is the permanent magnetization of the fixed ferromagnetic components of the movement or the cladding and the permanent or transient magnetization of the moving magnetic components forming part of the regulating organ (sprung balance) and / or the exhaust .
  • magnetically or magnetically permeable mobile components (balance, hairspring, exhaust) are subjected to magnetostatic torque and / or magnetostatic forces.
  • these interactions modify the apparent rigidity of the sprung balance, the dynamics of the escape mobiles and the friction. These modifications produce a fault that can range from a few tens to a few hundred seconds a day.
  • the interaction of the watch movement with the external field, during the exhibition, can also lead to the stop of the movement.
  • the arrest in the field and the residual run-out are not correlated, because the arrest in field depends on the transient magnetization, sub-field, of the components (and therefore of the permeability and the saturation field). components), while the residual run fault depends on the residual magnetization (and therefore, mainly, the coercive field of the components) which can be low even in the presence of a significant magnetic permeability.
  • the anchor body and the escape wheel can be made of very weakly paramagnetic materials, without their mechanical performance be affected.
  • the shafts of the mobiles require very good mechanical performances (good tribology, low fatigue) to allow an optimal and constant pivoting in the time, and it is therefore preferable to manufacture them in hardened steel (typically carbon steel type 20AP or the like).
  • hardened steel typically carbon steel type 20AP or the like.
  • such steels are materials sensitive to magnetic fields because they have a high saturation field combined with a high coercive field.
  • the balance, anchor and escape wheel shafts are currently the most critical components in the face of the magnetic disturbances of the watch.
  • the balance shaft is the most sensitive component for chronometry (residual effect), because a disturbing torque of magnetic origin acting on the shaft directly modifies the oscillation frequency of the balance-spring, and this modification is, in principle, unlimited (it depends solely on the intensity of the residual magnetic fields and the rigidity of the hairspring), while a disturbance of the exhaust function gives a defect limited by the delay nominal exhaust (the resulting disturbance can not be much larger than the disturbance already produced by the exhaust under normal conditions).
  • the document FR 2 275 815 A1 NIVAROX describes the manufacture of a balance shaft from a profile with several wings distributed around the pivot axis., And a variant with two curvilinear wings.
  • the document FR 2 090 784 A5 FEINMETALL describes the assembly of a spiral to a balance having a crossbar with two substantially symmetrical wings.
  • the document JP S62 63884 A ZENKOSHA TOKEI describes the machining by cutting a balance with two wings.
  • the document WO 01/77759 A1 DETRA describes an escapement device comprising a gear train for transmitting energy to an oscillator capable of receiving this energy and transmitting an oscillation frequency, and first means capable of producing at least a first portion of the energy transmitted by this gear train and intended to feed the oscillator, where the first means are configured so as to provide a substantially variable mechanical torque as a function of the angular displacement angle of the gear train, this mechanical torque having at least one stable position, and at least one an unstable position, over a period of angular displacement of the gear train.
  • these first means produce a variable magnetic torque as a function of time, by the combination of a magnetized rotor diametrically, with a stator having cells at its bore receiving the rotor.
  • the invention proposes to limit the magnetic interaction on a mobile shaft, in particular on a balance shaft.
  • the invention relates to a clockwork mobile shaft according to claim 1.
  • the invention also relates to a watch movement comprising a watch mechanism, which comprises a watchmaker, according to claim 7.
  • the invention also relates to a watch comprising at least one such watch movement.
  • the invention more particularly the field of clocking devices for mechanical watches.
  • the invention proposes to limit the magnetic interaction on a mobile shaft, in particular on a balance shaft.
  • the invention thus relates to a mobile shaft with optimized geometry in a magnetic environment.
  • axis refers to a virtual geometric element such as a pivot axis, and “shaft” to a real mechanical element, made in one or more parts.
  • a pair of aligned and connected pivots on both sides of a median part of a mobile, to guide it in pivoting is also called “tree”.
  • the invention can allow watches with spiral, anchor body and nonmagnetic escape wheel to resist, without stopping, magnetic fields of high intensity, of the order of 0.5 Tesla, without the mechanical performances (chronometry and aging of the mobiles) are affected.
  • the implementation of the invention makes it possible to reduce the residual effect of watches with spiral, anchor body and non-magnetic escape wheel to less than one second per day.
  • axis refers to a virtual geometric element such as a pivot axis, and “shaft” to a real mechanical element, made in one or more parts.
  • a pair of pivots 2A and 2B aligned and reported on either side of a median portion 6 of a mobile 10, to guide it in pivoting is also called “tree”.
  • magnetically permeable materials are defined as materials having a relative permeability of between 10 and 10,000, such as steels, which have a relative permeability close to 100 for balance shafts for example. or around 4000 for steels commonly used in electrical circuits, or other alloys whose relative permeability reaches values of 8000 to 10000.
  • Magnetic materials for example in the case of polar masses, will be called materials capable of being magnetized so as to have a residual field of between 0.1 and 1.5 Tesla, such as for example the "Neodymium Iron Boron". a magnetic energy density Em close to 512 kJ / m 3 and giving a residual field of 0.5 to 1.3 Tesla. A lower residual field level, towards the lower part of the range can be used when combining, in a magnetization couple, such a magnetic material with a magnetically permeable antagonist component of high permeability, closer to 10000, in the range of 100 to 10,000.
  • Magnetic materials will be referred to as materials having a relative magnetic permeability of between 1.0001 and 100, for example for spacers interposed between a magnetic material and a magnetically permeable antagonist component, or alternatively between two magnetic materials, for example a spacer between a component and a polar mass.
  • poorly paramagnetic materials are CoCr20Ni16 Mo7, known especially under the name "Phynox®” or nickel-phosphorus NiP (either with a concentration of 12% phosphorus but hardened, or with a concentration of phosphorus less than 12%).
  • Magnetic materials will be referred to as materials of relative magnetic permeability less than 1 (negative magnetic susceptibility, less than or equal to -10 -5 ), such as graphite or graphene.
  • soft magnetic materials not to say non-magnetic, especially for shielding, materials with high permeability but high saturation, because we do not want them to be permanently magnetized: they must drive the best possible the field, so as to reduce the field to their outside. Such components can then also protect a magnetic system from external fields.
  • These materials are preferably chosen to have a relative magnetic permeability of between 50 and 200, and with a saturation field greater than 500 A / m.
  • Non-magnetic Materials qualified as “non-magnetic”, for their part, have a relative magnetic permeability very slightly greater than 0.9999, and less than 1.0001, as typically aluminum, brass, silicon, diamond, platinum and the like. These materials can generally be obtained by MEMS technologies or by the "LIGA" process.
  • the invention relates to a watchmaking tree 1, for a mobile 10, and optimized for the operation of this mobile 10 in an environment where there is a residual magnetic field in a preferred direction of magnetization DA.
  • this shaft 1 is a pivoting axial element, which serves as a support for other components: plate, flange, collar, balance, but which is not constituted by these other components, which are driven, glued, welded, brazed , or supported on the tree, or maintained by other methods.
  • the characteristics presented below concern this single tree 1.
  • the intrinsic magnetic properties are called the following quantities: permeability, saturation field, coercive field, Curie temperature, dependent hysteresis curve. Magnetization is not one of these intrinsic magnetic properties.
  • the magnetization profile of such a tree after magnetization does not depend solely on the intrinsic magnetic properties, but depends in particular on the magnetic field source that magnetized it and the shape and size of said shaft. For example, the shaft may have non-uniform magnetization even though the intrinsic magnetic properties are uniform.
  • a component can not become, for example, ferromagnetic after being subjected to a magnetic field: a material is either ferromagnetic or paramagnetic, antiferromagnetic or diamagnetic.
  • the temperature can modify this characteristic but it can not be modified by an external field. It is important to differentiate the magnetization from the intrinsic magnetic properties of the material.
  • magnetically permeable materials are defined as materials having a relative permeability of between 10 and 10,000, such as steels, which have a relative permeability close to 100 for balance shafts for example. or around 4000 for steels commonly used in electrical circuits, or other alloys whose relative permeability reaches values of 8000 to 10000.
  • Magnetic materials for example in the case of polar masses, will be called materials capable of being magnetized so as to have a residual field of between 0.1 and 1.5 Tesla, such as for example the "Neodymium Iron Boron". a magnetic energy density Em close to 512 kJ / m 3 and giving a residual field of 0.5 to 1.3 Tesla.
  • a field level lower remanent, towards the lower part of the fork can be used in case of combination, in a magnetization couple, of such a magnetic material with a magnetically permeable counterpart component of high permeability, closer to 10000, in the range of 100 to 10000.
  • Magnetic materials will be referred to as materials having a relative magnetic permeability of between 1.0001 and 100, for example for spacers interposed between a magnetic material and a magnetically permeable antagonist component, or alternatively between two magnetic materials, for example a spacer between a component and a polar mass.
  • Low paramagnetic materials having magnetic permeability of between 1.01 and 2, can be used for the implementation of the invention.
  • Materials such as CoCr20Ni16 Mo7, known especially under the name "Phynox®” or nickel-phosphorus NiP (either with a concentration of 12% phosphorus but hardened, or with a concentration of phosphorus of less than 12%) are weakly paramagnetic, therefore usable for the implementation of the invention.
  • non-magnetic materials are: aluminum, gold, brass or similar.
  • Magnetic materials will be referred to as materials of relative magnetic permeability less than 1 (negative magnetic susceptibility, less than or equal to -10 -5 ), such as graphite or graphene.
  • soft magnetic materials not to say non-magnetic, especially for shielding, materials with high permeability but high saturation, because we do not want them to be permanently magnetized: they must drive the best possible the field, so as to reduce the field to their outside. Such components can then also protect a magnetic system from external fields.
  • These materials are preferably chosen to have a relative magnetic permeability of between 50 and 200, and with a saturation field greater than 500 A / m.
  • Non-magnetic have a relative magnetic permeability very slightly greater than 1, and less than 1.0001, as typically silicon, diamond, palladium and the like. These materials can generally be obtained by MEMS technologies or by the "LIGA” process.
  • a permanent magnet can have a direction of magnetization completely different from the direction of preferential magnetization (both could even be orthogonal, as for axially magnetized permanent magnet discs).
  • a component may not have a preferred direction of magnetization, such as the stator which has an almost symmetrical geometry.
  • this mobile device 10 is a pendulum, forming part of a balance-spring assembly. usual in watchmaking. The person skilled in the art will be able to extrapolate the invention to other watchmobiles for which he wishes to avoid the influence of a residual magnetic field.
  • a standard balance shaft 1 relatively standard in the watch industry, is not optimized to limit its magnetization under an external field.
  • the median part 6 of the shaft 1, having a larger radius RMAX is strongly magnetized by a magnetic field orthogonal or oblique with respect to the direction of the pivot axis D. Because of this magnetization, in presence of an environmental field (external field or created by the magnetized components of the movement or the watch), the shaft 1 is subjected to a large magnetic torque.
  • this shaft is a ferromagnetic component, especially steel, and is in an initial state demagnetized (and can in no case be used as a permanent magnet).
  • the invention participates in the suppression of magnetic disturbances of the watch movement, and the invention makes it possible to reduce or eliminate any accidental magnetization possible at the level of the shaft.
  • the rocker 10 is part of an escapement mechanism 20, in a movement 30 of a watch 40.
  • the invention proposes to modify the geometry of the balance shaft 1, by modifying the aspect ratio of the so-called projecting part 11, which is the part of larger radial size of this balance shaft, by giving it, in projection on a plane perpendicular to the pivot axis D of the shaft 1 of the balance 10, a form ratio very different from 1, preferably greater than or equal to 2.
  • the idea is to reduce one of the two dimensions x or y (in projection in a plane perpendicular to the pivot axis D), the simplest way is to locally limit the shaft 1 by two surfaces 14, 15, substantially parallel to the axis D, which surfaces 14 and 15 are preferably two planes parallel to the axis D; indeed, if the surfaces, especially the planes, are not parallel, then there remains a larger part which can be magnetized more than the rest.
  • These two surfaces 14 and 15 are preferably very close to each other, to reduce the magnetization in this direction, and to well define a single preferred direction of magnetization in the xy plane.
  • these two surfaces 14 and 15 are symmetrical with respect to the pivot axis D of the shaft 1.
  • the projections are oriented with their main axes parallel to each other.
  • the projection of this projecting portion 11 along a plane perpendicular to the pivot axis D of the balance 10, has a profile 12, which is inscribed in a rectangle R symmetrical with respect to two orthogonal axes, of which a principal axis DP according to which extends the largest dimension of this protruding portion 11.
  • the aspect ratio is the ratio between the two dimensions of the rectangle, length LR and width LA.
  • the balance shaft 1 has no revolution symmetry.
  • this main axis DP in which the largest dimension of this projecting portion 11 extends, is in a position substantially orthogonal to the direction of preferential magnetization DA of the environment of the movement.
  • substantially orthogonal is meant an angle of between 80 ° and 100 °; in a particular way, the angle is 90 °.
  • This preferential direction DA is generally determined by bridges, bars, screws, or the like; it depends directly on the construction and generally it is quite obvious, by the examination of the form factor of the steel components near the axis; in ambiguous situations, it is sufficient to perform a finite element or equivalent load simulation to easily determine it.
  • This so-called “rest” position of the balance corresponds to that it occupies when the hairspring is at rest: this is the position in which the movement is the least often, but, as explained in the rest of the presentation, is the average position and, for very strong external fields, it is the position that defines the resulting magnetization.
  • the balance plate has its largest dimension perpendicular to the exhaust line, which makes it possible to maximize the surface effects in the face of the volume effects, so as to minimize magnetization in the direction of rotation. field and, hence, the "compass" effects that create a disruptive couple.
  • the shaft 1 according to the invention is symmetrical with respect to a plane passing through the pivot axis D and parallel to the direction of the main axis DP.
  • the surfaces of revolution 19, including the pivots and the cylindrical body of the balance shaft may be identical to the pivots and the cylindrical body of a traditional balance shaft: the mechanical performance of the component are therefore unaltered compared to the balance shafts existing.
  • the shafts shown in the figures have a preferred direction of magnetization parallel to the main axis DP and chosen so as to be substantially orthogonal to the direction of preferential magnetization DA of the environment of the movement (when the balance spring is at rest).
  • the remanent field will be oriented preferably like the external field while the remanent field created in the environment of the movement will be oriented according to the orientation of the fixed ferromagnetic components (bars, screws, bridges), according to the direction of preferential magnetization DA.
  • a residual magnetic torque acts on the balance shaft as on a compass needle.
  • the residual effect for a geometrically optimized shaft 1 according to the invention is different from that observed for a traditional tree.
  • the main axis DP of the shaft 1 is substantially orthogonal to the preferential direction of magnetization DA of the environment, for almost all possible orientations of the external field (except the orientation in the preferred direction of magnetization DA of the environment) the resulting residual magnetic torque on the shaft1 is an even function of the oscillation angle, which makes the residual run fault almost null.
  • the shaft is magnetized in the same direction, thus orthogonally to the main axis DP, but in this case its magnetization is weak, less than 0 , 2 T, as shown in figure 4 which illustrates the distribution of the remanent field, after magnetization at 0.2 T in the direction orthogonal to the main axis DP, of an optimized steel pendulum shaft 1 AP.
  • the magnetic torque is, in this case, an odd function of the oscillation angle, but it is between 10 and 100 times (depending on the geometry) lower than the torque acting on a traditional tree, as visible on the figure 5 , which illustrates, in the form of a graph, the comparison of the magnetic pairs exerted on a traditional balance shaft according to the graph GT shown in broken lines, and on a tree 1 optimized according to the invention according to the graph GO is shown in a line continued.
  • On the abscissa is the angle in degrees, and in ordinate the torque exerted on the balance, in mN.mm.
  • the residual run error is then reduced by a factor between 3 and 10.
  • FIG. 8 illustrates the influence of the value of the angle between the preferential direction of magnetization of the movement and that of the main axis of the balance shaft: it is very clear that for a 90 ° angle, the The difference in walking is very small, of the order of one second a day, whatever the amplitude.
  • the material of the shaft 1 is magnetically homogeneous in the simple embodiment illustrated by the figures. This particular embodiment does not exclude the embodiments where the shaft 1 is magnetically inhomogeneous.
  • the shaft 1 is integral and made in one or more aligned parts.
  • This monoblock tree 1 is magnetically inhomogeneous and has intrinsic magnetic properties, which are the permeability and the saturation field and the coercive field and the Curie temperature and the dependent hysteresis curve, which are non-uniform in its volume. More particularly, this shaft 1 is magnetically inhomogeneous, with a variation of the intrinsic magnetic properties of this one-piece shaft 1, either in the axial direction of the pivot axis D of this one-piece shaft 1, or radially relative to the pivot axis D, both in the axial direction of the pivot axis D of said one-piece shaft 1 and radially with a symmetry of revolution with respect to this pivot axis D.
  • the invention thus makes it possible to modify the geometry of the balance shaft (and not the whole balance), because the shaft is generally the only magnetic component, which is difficult to replace with a non-magnetic material. And it is the influence of the tree itself that must be reduced, this goal is achieved by the invention.
  • the invention makes it possible to obtain an oscillator with excellent regularity of operation because it is very insensitive to external magnetic disturbances, unlike attempts of the prior art (such as for example an oscillator constituted by the interaction of a magnetized shaft permanently with a stator, but whose frequency depends strongly on the magnetization of the axis, and therefore strongly feels any external magnetic disturbance, and can not be used for a precise watch movement).
  • a magnetically passive component such as the shaft 1 of the invention, (ferromagnetic, non-magnetized and, in principle, bad permanent magnet)
  • a magnetically active component as a permanent magnet (made with a specific ferromagnetic material, with a Curie point and a coercive field very high, and voluntarily magnetized in a specific direction before being integrated into the construction, using extremely high magnetization fields, of the order of 3 T to 6 T.
  • the skilled person can not not transfer known results for a permanent magnet to non-magnetic ferromagnetic components, whose behavior is completely different and which constitute much more complex systems because their magnetic response strongly depends on their geometry, surface effects and the environment in the movement.

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Description

    Domaine de l'invention
  • L'invention concerne un arbre de mobile d'horlogerie destiné à pivoter autour d'un axe de pivotement et comportant au moins une partie saillante dont une partie saillante principale définit le plus grand rayon dudit arbre autour dudit axe de pivotement, où au moins ladite partie saillante principale est délimitée, de part et d'autre dudit axe de pivotement, par deux surfaces symétriques par rapport audit axe de pivotement et qui définissent, en projection sur un plan perpendiculaire audit axe de pivotement, un profil inscrit dans un rectangle dont le rapport de la longueur à la largeur définit un rapport de forme qui est supérieur ou égal à 2, la direction de ladite longueur définissant un axe principal.
  • L'invention concerne encore un mouvement d'horlogerie comportant un mécanisme d'horlogerie lequel comporte un mobile d'horlogerie agencé pour osciller autour d'une position de repos définie par un plan de repos passant par un axe de pivotement, et ledit mobile coopérant avec des moyens de rappel élastique agencés pour rappeler ledit mobile vers une position de repos, ledit mobile comportant un tel arbre destiné à pivoter autour dudit axe de pivotement et comportant au moins une partie saillante principale définissant le plus grand rayon dudit arbre autour dudit axe de pivotement,
  • L'invention concerne encore une montre comportant au moins un tel mouvement d'horlogerie.
  • L'invention concerne le domaine des mécanismes d'horlogerie, en particulier le domaine des organes réglants, en particulier pour des montres mécaniques.
    • Arrière-plan de l'invention
  • L'organe réglant d'une montre mécanique est constitué par un oscillateur harmonique, le balancier-spiral, dont la fréquence propre d'oscillation dépend principalement de l'inertie du balancier et de la rigidité élastique du spiral.
  • Les oscillations du balancier-spiral, autrement amorties, sont entretenues par les impulsions fournies par un échappement généralement composé par un ou deux mobiles pivotants. Dans le cas de l'échappement à ancre suisse, ces mobiles pivotants sont l'ancre et la roue d'échappement. La marche de la montre est déterminée par la fréquence du balancier-spiral et par la perturbation générée par l'impulsion de l'échappement, qui généralement ralentit l'oscillation propre du balancier-spiral et donc provoque un retard de marche.
  • La marche de la montre est donc perturbée par tous les phénomènes qui peuvent altérer la fréquence propre du balancier-spiral et/ou la dépendance temporelle de l'impulsion fournie par l'échappement.
  • En particulier, suite à l'exposition transitoire d'une montre mécanique à un champ magnétique, des défauts de marche (liés à l'effet résiduel du champ) sont généralement observés. L'origine de ces défauts est la magnétisation permanente des composants ferromagnétiques fixes du mouvement ou de l'habillage et la magnétisation permanente ou transitoire des composants magnétiques mobiles faisant partie de l'organe réglant (balancier-spiral) et/ou de l'échappement.
  • Après l'exposition au champ, les composants mobiles (balancier, spiral, échappement) magnétisés ou perméables magnétiquement sont soumis à un couple magnétostatique et/ou à des forces magnétostatiques. En principe, ces interactions modifient la rigidité apparente du balancier-spiral, la dynamique des mobiles d'échappement et les frottements. Ces modifications produisent un défaut de marche qui peut aller de quelques dizaines à quelques centaines de secondes par jour.
  • L'interaction du mouvement horloger avec le champ externe, lors de l'exposition, peut aussi mener à l'arrêt du mouvement. En principe, l'arrêt sous champ et le défaut de marche résiduel ne sont pas corrélés, parce que l'arrêt sous champ dépend de l'aimantation transitoire, sous-champ, des composants (et donc de la perméabilité et du champ de saturation des composants), tandis que le défaut de marche résiduel dépend de l'aimantation résiduelle (et donc, principalement, du champ coercitif des composants) qui peut être faible même en présence d'une perméabilité magnétique importante.
  • Après l'introduction des spiraux fabriqués en matériaux très faiblement paramagnétiques (par exemple, en silicium), le spiral n'est plus responsable du défaut de marche des montres. Les perturbations magnétiques encore observables pour des champs d'aimantation inférieurs à 1,5 Tesla sont donc dues à l'aimantation de l'arbre de balancier et à l'aimantation des mobiles d'échappement.
  • Le corps d'ancre et la roue d'échappement peuvent être fabriqués en matériaux très faiblement paramagnétiques, sans que leur performance mécanique en soit affectée. Au contraire, les arbres des mobiles nécessitent de très bonnes performances mécaniques (bonne tribologie, faible fatigue) pour permettre un pivotement optimal et constant dans le temps, et il est donc préférable de les fabriquer en acier trempable (typiquement en acier au carbone de type 20AP ou similaire). Or de tels aciers sont des matériaux sensibles aux champs magnétiques parce qu'ils présentent un champ de saturation élevé combiné à un champ coercitif élevé. Les arbres de balancier, ancre et roue d'échappement sont actuellement les composants les plus critiques face aux perturbations magnétiques de la montre.
  • En particulier, l'arbre de balancier est le composant le plus sensible pour la chronométrie (effet résiduel), parce qu'un couple perturbateur d'origine magnétique agissant sur l'arbre modifie directement la fréquence d'oscillation du balancier-spiral, et cette modification est, en principe, illimitée (elle dépend uniquement de l'intensité des champs magnétiques résiduels et de la rigidité du spiral), tandis qu'une perturbation de la fonction d'échappement donne un défaut de marche limité par le retard à l'échappement nominal (la perturbation résultante ne peut pas être beaucoup plus importante que la perturbation déjà produite par l'échappement en conditions normales).
  • Le document FR 2 275 815 A1 NIVAROX décrit la fabrication d'un axe de balancier à partir d'un profilé comportant plusieurs ailes réparties autour de l'axe de pivotement., et une variante avec deux ailes curvilignes.
  • Le document FR 2 090 784 A5 FEINMETALL décrit l'assemblage d'un spiral à un balancier comportant une traverse avec deux ailes sensiblement symétriques.
  • Le document JP S62 63884 A ZENKOSHA TOKEI décrit l'usinage par taillage d'un balancier comportant deux ailes.
  • Le document WO 01/77759 A1 DETRA décrit un dispositif d'échappement comprenant un rouage de transmission d'énergie vers un oscillateur apte à recevoir cette énergie et à transmettre une fréquence d'oscillation, et des premiers moyens aptes à produire au moins une première portion de l'énergie transmise par ce rouage et destinée à alimenter l'oscillateur, où les premiers moyens sont configurés de manière à fournir un couple mécanique essentiellement variable en fonction de l'angle de déplacement angulaire du rouage, ce couple mécanique présentant au moins une position stable, et au moins une position instable, sur une période de déplacement angulaire du rouage. Dans une réalisation particulière, ces premiers moyens produisent un couple magnétique variable en fonction du temps, par la combinaison d'un rotor aimanté diamétralement, avec un stator comportant des alvéoles au niveau de son alésage recevant ce rotor.
    • Résumé de l'invention
  • L'invention se propose de limiter l'interaction magnétique sur un arbre de mobile, en particulier sur un arbre de balancier.
  • A cet effet, l'invention concerne un arbre de mobile d'horlogerie selon la revendication 1.
  • L'invention concerne encore un mouvement d'horlogerie comportant un mécanisme d'horlogerie, lequel comporte un mobile d'horlogerie, selon la revendication 7.
  • L'invention concerne encore une montre comportant au moins un tel mouvement d'horlogerie.
    • Description sommaire des dessins
  • D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, en référence aux dessins annexés, où :
    • la figure 1 représente, sous forme d'un schéma tridimensionnel, une première variante d'arbre de mobile selon l'invention, comportant des usinages de révolution autour d'un axe de pivotement, dont une partie saillante de plus grand encombrement radial que les autres, cet arbre comportant deux surfaces latérales symétriques par rapport à cet axe de pivotement, et à une distance l'une de l'autre telle que le rapport de forme de cette partie saillante, en projection selon un plan perpendiculaire à l'axe de pivotement, est supérieur à 2, et où la plus grande dimension, dite « axe principal » s'étend de façon sensiblement orthogonale à une direction d'aimantation préférentielle de l'environnement immédiat du mobile ;
    • la figure 2 représente, de façon similaire à la figure 1, une deuxième variante d'arbre de mobile selon l'invention, où la partie saillante est de profil rectangulaire avec un rapport de forme supérieur à 2, et où certaines parties constituant des support d'autres composants sont également de profil rectangulaire ;
    • la figure 3 représente une variante de la figure 2, où la partie saillante et une autre partie de profil rectangulaire comportent des découpes s'étendant selon leur plus grand dimension ;
    • la figure 4 représente, de façon schématisée, en vue de bout selon la direction de l'axe principal de l'arbre de la figure 2, et avec une coloration grisée d'autant plus intense que le champ rémanent est élevé, après son exposition à un champ magnétique selon la direction d'aimantation préférentielle de l'environnement du mobile;
    • la figure 5 illustre, sous forme d'un graphe, la comparaison des couples magnétiques exercés sur un arbre de balancier traditionnel selon le graphe GT représenté en trait interrompu, et sur un arbre optimisé selon l'invention selon le graphe GO est représenté en trait continu. En abscisse figure l'angle en degrés, et en ordonnée le couple exercé sur le balancier, en mN.mm ;
    • la figure 6 est une vue de bout, selon la direction de l'axe de pivotement, d'un arbre selon la figure 1, et illustré comme la transformation d'un arbre entièrement de révolution et de plus grand rayon RMAX;
    • la figure 7 représente, sous forme d'un schéma-blocs, une pièce d'horlogerie, comportant un mouvement comportant un mécanisme comportant un mobile équipé d'un arbre selon l'invention ;
    • la figure 8 est un diagramme de marche, avec en abscisse l'amplitude en degrés, et en ordonnée l'écart de marche en secondes par jour, pour différentes valeurs de l'angle existant entre la direction préférentielle d'aimantation du mouvement et celle de l'axe principal de l'arbre de balancier.
    Rescription détaillée des modes de réalisation préférés
  • L'invention plus particulièrement le domaine des organes réglants d'horlogerie pour des montres mécaniques.
  • L'invention se propose de limiter l'interaction magnétique sur un arbre de mobile, en particulier sur un arbre de balancier.
  • L'invention concerne ainsi un arbre de mobile à géométrie optimisée en environnement magnétique.
  • Par convention, on appelle, dans la présente description « axe » un élément géométrique virtuel tel qu'un axe de pivotement, et « arbre » un élément mécanique réel, réalisé en une ou plusieurs parties. Par exemple, une paire de pivots alignés et rapportés de part et d'autre d'une partie médiane d'un mobile, pour le guider en pivotement est aussi dénommée « arbre ».
  • L'invention peut permettre à des montres avec spiral, corps d'ancre et roue d'échappement amagnétiques de résister, sans s'arrêter, à des champs magnétiques d'intensité élevée, de l'ordre de 0,5 Tesla, sans que les performances mécaniques (chronométrie et vieillissement des mobiles) soient affectées.
  • La mise en oeuvre de l'invention permet de réduire l'effet résiduel des montres avec spiral, corps d'ancre et roue d'échappement amagnétiques à moins de une seconde par jour.
  • Par convention, on appelle, dans la présente description « axe » un élément géométrique virtuel tel qu'un axe de pivotement, et « arbre » un élément mécanique réel, réalisé en une ou plusieurs parties. Par exemple, une paire de pivots 2A et 2B alignés et rapportés de part et d'autre d'une partie médiane 6 d'un mobile 10, pour le guider en pivotement est aussi dénommée « arbre ».
  • Dans la suite de l'exposé, on définit par matériaux « perméables magnétiquement », des matériaux qui ont une perméabilité relative comprise entre 10 et 10000, comme des aciers, qui ont une perméabilité relative voisine de 100 pour des arbres de balanciers par exemple, ou voisine de 4000 pour les aciers utilisés couramment dans les circuits électriques, ou encore d'autres alliages dont la perméabilité relative atteint des valeurs de 8000 à 10000.
  • On appellera matériaux « magnétiques », par exemple dans le cas de masses polaires, des matériaux aptes à être aimantés de façon à présenter un champ rémanent compris entre 0,1 et 1,5 Tesla, comme par exemple le « Neodymium Iron Boron » d'une densité d'énergie magnétique Em voisine de 512 kJ/m3 et donnant un champ rémanent de 0,5 à 1,3 Tesla. Un niveau de champ rémanent inférieur, vers la partie inférieure de la fourchette peut être utilisé en cas de combinaison, dans un couple d'aimantation, d'un tel matériau magnétique avec un composant antagoniste perméable magnétiquement de perméabilité élevée, plus proche de 10000, dans la fourchette de 100 à 10000.
  • On appellera matériaux « ferromagnétiques » des matériaux dont les caractéristiques sont : champ de saturation Bs > 0 à la température T = 23°C, champ coercitif Hc > 0 à la température T = 23°C, perméabilité magnétique maximale µR > 2 à la température T = 23°C, température de Curie Tc > 60°C.
  • Plus particulièrement, on qualifiera de « faiblement ferromagnétiques » ceux dont les caractéristiques sont : champ de saturation Bs < 0,5 T à la température T = 23°C, champ coercitif Hc < 1'000 kA/m à la température T = 23°C, perméabilité magnétique maximale µR < 10 à la température T = 23°C, température de Curie Tc > 60°C.
  • Plus particulièrement, on qualifiera de « fortement ferromagnétiques » ceux dont les caractéristiques sont : champ de saturation Bs > 1 T à la température T = 23°C, champ coercitif Hc > 3'000 kA/m à la température T = 23°C, perméabilité magnétique maximale µR > 50 à la température T = 23°C, température de Curie Tc > 60°C.
  • On appellera matériaux « paramagnétiques » des matériaux de perméabilité magnétique relative comprise entre 1,0001 et 100, par exemple pour des entretoises interposées entre un matériau magnétique et un composant antagoniste perméable magnétiquement, ou encore entre deux matériaux magnétiques, par exemple une entretoise entre un composant et une masse polaire. Par exemple, des matériaux faiblement paramagnétiques (perméabilité magnétique inférieure à 2) sont le CoCr20Ni16 Mo7, connu notamment sous le nom de « Phynox ®» ou le nickel-phosphore NiP (soit avec concentration de phosphore 12% mais durci, soit avec concentration de phosphore inférieure à 12%).
  • On appellera matériaux «diamagnétiques » des matériaux de perméabilité magnétique relative inférieure à 1 (susceptibilité magnétique négative, inférieure ou égale à -10-5), tels que graphite ou graphène.
  • On appellera enfin matériaux «magnétiques doux», pour ne pas dire amagnétiques, notamment pour des blindages, des matériaux ayant une perméabilité élevée mais une haute saturation, car on ne veut pas qu'ils soient aimantés de manière permanente: ils doivent conduire le mieux possible le champ, de manière à réduire le champ à leur extérieur. De tels composants peuvent alors protéger aussi un système magnétique des champs externes. Ces matériaux sont choisis de préférence de perméabilité magnétique relative comprise entre 50 et 200, et avec un champ de saturation supérieur à 500 A/m.
  • Des matériaux qualifiés d'«amagnétiques », ont quant à eux une perméabilité magnétique relative très légèrement supérieure à 0.9999, et inférieure à 1.0001, comme typiquement l'aluminium, le laiton, le silicium, le diamant, le platine et similaires. Ces matériaux peuvent en général être obtenus par des technologies MEMS ou par le procédé « LIGA ».
  • L'invention concerne un arbre 1 d'horlogerie, pour un mobile 10, et optimisé pour le fonctionnement de ce mobile 10 dans un environnement où règne un champ magnétique résiduel selon une direction d'aimantation préférentielle DA.
  • Précisons que cet arbre 1 est un élément axial pivotant, qui sert de support à d'autres composants: plateau, collerette, virole, balancier, mais qui n'est pas constitué par ces autres composants, qui sont chassés, collés, soudés, brasés, ou appuyés sur l'arbre, ou encore maintenus par d'autres procédés. Les caractéristiques présentées ci-après concernent cet arbre 1 seul.
  • On appelle ici propriétés magnétiques intrinsèques l'ensemble des grandeurs suivantes : perméabilité, champ de saturation, champ coercitif, température de Curie, courbe d'hystérèse dépendante. L'aimantation ne fait pas partie de ces propriétés magnétiques intrinsèques. Le profil d'aimantation d'un tel arbre après aimantation ne dépend pas uniquement des propriétés magnétiques intrinsèques mais il dépend notamment de la source de champ magnétique qui l'a aimanté ainsi que de la forme et de la taille dudit arbre. Par exemple, l'arbre peut présenter une aimantation non-uniforme même si les propriétés magnétiques intrinsèques sont uniformes.
  • Rappelons qu'un composant ne peut pas devenir, par exemple, ferromagnétique après avoir été soumis à un champ magnétique : une matière est soit ferromagnétique, soit paramagnétique, antiferromagnétique ou diamagnétique. La température peut modifier cette caractéristique mais elle ne peut pas être modifiée par un champ externe. Il convient de bien différencier l'aimantation des propriétés magnétiques intrinsèques de la matière.
  • Dans la suite de l'exposé, on définit par matériaux « perméables magnétiquement », des matériaux qui ont une perméabilité relative comprise entre 10 et 10000, comme des aciers, qui ont une perméabilité relative voisine de 100 pour des arbres de balanciers par exemple, ou voisine de 4000 pour les aciers utilisés couramment dans les circuits électriques, ou encore d'autres alliages dont la perméabilité relative atteint des valeurs de 8000 à 10000.
  • On appellera matériaux « magnétiques », par exemple dans le cas de masses polaires, des matériaux aptes à être aimantés de façon à présenter un champ rémanent compris entre 0,1 et 1,5 Tesla, comme par exemple le « Neodymium Iron Boron » d'une densité d'énergie magnétique Em voisine de 512 kJ/m3 et donnant un champ rémanent de 0,5 à 1.3 Tesla. Un niveau de champ rémanent inférieur, vers la partie inférieure de la fourchette peut être utilisé en cas de combinaison, dans un couple d'aimantation, d'un tel matériau magnétique avec un composant antagoniste perméable magnétiquement de perméabilité élevée, plus proche de 10000, dans la fourchette de 100 à 10000.
  • On appellera matériaux « ferromagnétiques » des matériaux dont les caractéristiques sont : champ de saturation Bs > 0 à la température T = 23°C, champ coercitif Hc > 0 à la température T = 23°C, perméabilité magnétique maximale µR > 2 à la température T = 23°C, température de Curie Tc > 60°C.
    Plus particulièrement, on qualifiera de « faiblement ferromagnétiques » ceux dont les caractéristiques sont : champ de saturation Bs < 0,5 T à la température T = 23°C, champ coercitif Hc < 1'000 kA/m à la température T = 23°C, perméabilité magnétique maximale µR < 10 à la température T = 23°C, température de Curie Tc > 60°C.
  • La possibilité d'utiliser des matériaux ferromagnétiques ayant des caractéristiques spécifiques permet de satisfaire simultanément la demande de tenue mécanique, résistance magnétique, et fabricabilité des composants.
  • Plus particulièrement, on qualifiera de « fortement ferromagnétiques » ceux dont les caractéristiques sont : champ de saturation Bs > 1 T à la température T = 23°C, champ coercitif Hc > 3'000 kA/m à la température T = 23°C, perméabilité magnétique maximale µR > 50 à la température T = 23°C, température de Curie Tc > 60°C
  • On appellera matériaux « paramagnétiques » des matériaux de perméabilité magnétique relative comprise entre 1.0001 et 100, par exemple pour des entretoises interposées entre un matériau magnétique et un composant antagoniste perméable magnétiquement, ou encore entre deux matériaux magnétiques, par exemple une entretoise entre un composant et une masse polaire. Des matériaux faiblement paramagnétiques, ayant perméabilité magnétique comprise entre 1.01 et 2, sont utilisables pour la mise en oeuvre de l'invention. Des matériaux comme le CoCr20Ni16 Mo7, connu notamment sous le nom de « Phynox ®» ou le nickel-phosphore NiP (soit avec concentration de phosphore 12% mais durci, soit avec concentration de phosphore inférieure à 12%) sont faiblement paramagnétiques, donc utilisables pour la mise en oeuvre de l'invention.
  • L'utilisation de matières amagnétiques (perméabilité magnétique inférieure à 1.01), est très limitante, parce que ces matériaux sont soit difficilement usinables, soit mécaniquement inadaptés aux fonctions demandées (et donc demandent un revêtement ou une procédure de durcissement les rendant ferromagnétiques), ce qui explique pourquoi la première montre résistante à 15'000 Gauss a été présentée seulement en 2013. Par exemple, des matériaux amagnétiques sont : aluminium, or, laiton ou similaire.
  • On appellera matériaux «diamagnétiques » des matériaux de perméabilité magnétique relative inférieure à 1 (susceptibilité magnétique négative, inférieure ou égale à -10-5), tels que graphite ou graphène.
  • On appellera enfin matériaux «magnétiques doux», pour ne pas dire amagnétiques, notamment pour des blindages, des matériaux ayant une perméabilité élevée mais une haute saturation, car on ne veut pas qu'ils soient aimantés de manière permanente: ils doivent conduire le mieux possible le champ, de manière à réduire le champ à leur extérieur. De tels composants peuvent alors protéger aussi un système magnétique des champs externes. Ces matériaux sont choisis de préférence de perméabilité magnétique relative comprise entre 50 et 200, et avec un champ de saturation supérieur à 500 A/m.
  • Des matériaux qualifiés d'«amagnétiques », ont quant à eux une perméabilité magnétique relative très légèrement supérieure à 1, et inférieure à 1.0001, comme typiquement le silicium, le diamant, le palladium et similaires. Ces matériaux peuvent en général être obtenus par des technologies MEMS ou par le procédé « LIGA ».
  • Pour revenir à la notion de direction d'aimantation préférentielle DA, nous croyons utile de préciser que cette direction est due à la construction d'un mécanisme, et n'a rien à voir avec les champs auquel est soumis ce mécanisme. Il ne faut pas confondre une direction d'aimantation imposée d'un composant, par exemple d'un rotor de moteur (qui est un aimant permanent), avec une direction d'aimantation préférentielle d'une pièce ferromagnétique: un aimant permanent peut avoir une direction d'aimantation complètement différente de la direction d'aimantation préférentielle (les deux pourraient même être orthogonales, comme pour des aimants permanents en forme de disque aimantés axialement). Pour poursuivre sur l'exemple du moteur électrique, un composant peut ne pas avoir de direction d'aimantation préférentielle, comme le stator qui a une géométrie quasiment symétrique.
  • Dans une réalisation préférée et décrite ci-après en détail et illustrée par les figures, ce mobile 10 est un balancier, faisant partie d'un ensemble balancier-spiral usuel en horlogerie. L'homme du métier saura extrapoler l'invention à d'autres mobiles horlogers pour lesquels il souhaite se soustraire à l'influence d'un champ magnétique résiduel.
  • La géométrie d'un arbre 1 de balancier 10 usuel, relativement standard dans l'industrie horlogère, n'est pas optimisée pour limiter son aimantation sous un champ externe. En fait, la partie médiane 6 de l'arbre 1, ayant un plus grand rayon RMAX, est fortement aimantée par un champ magnétique orthogonal ou oblique par rapport à la direction de l'axe de pivotement D. A cause de cette aimantation, en présence d'un champ environnemental (champ externe ou créé par les composants magnétisés du mouvement ou de la montre), l'arbre 1 est soumis à un couple magnétique important.
  • De préférence, cet arbre est un composant ferromagnétique, notamment en acier, et est dans un état initial désaimanté (et ne pourra dans aucun cas être utilisé comme aimant permanent). En effet, l'invention participe à la suppression des perturbations magnétiques du mouvement horloger, et l'invention permet de réduire ou supprimer toute aimantation accidentelle éventuelle au niveau de l'arbre.
  • Le balancier 10 fait partie d'un mécanisme d'échappement 20, dans un mouvement 30 d'une montre 40.
  • L'invention se propose de modifier la géométrie de l'arbre 1 de balancier, en modifiant le rapport de forme de la partie dite saillante 11, qui est la partie de plus grand encombrement radial de cet arbre de balancier, en lui donnant, en projection sur un plan perpendiculaire à l'axe de pivotement D de l'arbre 1 du balancier 10, un rapport de forme très différent de 1, de préférence supérieur ou égal à 2.
  • L'idée est de réduire une des deux dimensions x ou y (en projection dans un plan perpendiculaire à l'axe de pivotement D), la manière la plus simple est de limiter localement l'arbre 1 par deux surfaces 14, 15, sensiblement parallèles à l'axe D, lesquelles surfaces 14 et 15 sont de préférence deux plans parallèles à l'axe D ; en effet, si les surfaces, notamment les plans, ne sont pas parallèles, il reste alors une partie plus large qui peut s'aimanter davantage que le reste. Ces deux surfaces 14 et 15 sont de préférence très proches l'une de l'autre, pour réduire l'aimantation dans cette direction, et pour bien définir une seule direction privilégiée d'aimantation dans le plan xy.
  • De préférence, et tel que visible sur les figures, ces deux surfaces 14 et 15 sont symétriques par rapport à l'axe de pivotement D de l'arbre 1.
  • Les parties saillantes sont orientées avec leurs axes principaux parallèles entre eux.
  • La projection de cette partie saillante 11 selon un plan perpendiculaire à l'axe de pivotement D du balancier 10, a un profil 12, qui s'inscrit dans un rectangle R symétrique par rapport à deux axes orthogonaux, dont un axe principal DP selon lequel s'étend la plus grande dimension de cette partie saillante 11. Le rapport de forme est le rapport entre les deux dimensions du rectangle, longueur LR et largeur LA.
  • De ce fait, après transformation, l'arbre 1 de balancier n'a plus de symétrie de révolution.
  • Selon l'invention, en position de repos du balancier, cet axe principal DP, selon lequel s'étend la plus grande dimension de cette partie saillante 11 se trouve en position sensiblement orthogonale par rapport à la direction d'aimantation préférentielle DA de l'environnement du mouvement. Par «sensiblement orthogonal» on entend un angle compris entre 80° et 100°; de façon particulière, l'angle est de 90°. Cette direction préférentielle DA est généralement déterminée par des ponts, des barrettes, des vis, ou similaires; elle dépend directement de la construction et généralement elle est assez évidente, par l'examen du facteur de forme des composants en acier près de l'axe; dans des situations ambiguës, il suffit de réaliser une simulation par éléments finis ou par charges équivalentes pour la déterminer facilement.
  • Cette position dite « de repos » du balancier correspond à celle qu'il occupe quand le spiral est au repos : c'est la position dans laquelle le mouvement est le moins souvent, mais, comme expliqué dans la suite de l'exposé, c'est la position moyenne et, pour les champs externes très intenses, c'est la position qui définit l'aimantation résultante.
  • Dans une réalisation particulière, le plateau du balancier a sa plus grande dimension perpendiculaire à la ligne d'échappement, ce qui permet de maximiser les effets de surface face aux effets de volume, de manière à réduire au minimum l'aimantation dans la direction du champ et, partant, les effets « boussole » qui créent un couple perturbateur.
  • La combinaison de la fabrication de l'arbre 1 selon un tel profil 12, avec l'orientation sensiblement orthogonale de son axe principal DP par rapport à la direction d'aimantation préférentielle DA, est appelée « géométrie magnétiquement optimisée ».
  • Plusieurs variantes sont illustrées par les figures.
    • La figure 1 montre un arbre 1 de balancier avec une géométrie magnétiquement optimisée réaliste. Les parties les plus larges, qui sont utilisées comme support, ont un rapport de forme important, la dimension la plus grande étant orientée avec son axe principal DP dans la direction sensiblement orthogonale à la direction d'aimantation préférentielle DA de l'environnement du mouvement. Cet arbre 1 est dessiné sur une base classique d'arbre de balancier, avec des portées tournées de pivots, de supports: d'appui de virole, de serge, d'assiette, de double plateau, ou autres. Sur cet exemple, la partie de plus grand diamètre 11 sert d'appui à une face d'une serge 50, non représentée sur la figure, l'arbre 1 comportant une portée 13 de centrage de cette serge; le profil 12 est ici réalisé par usinage, notamment par fraisage ou tournage, ou similaire, de deux surfaces antagonistes 14 et 15, tel que visible aussi sur la figure 6, ces surfaces sont des surfaces planes dans une exécution simplifiée et préférée. Cette variante permet de transformer à peu de frais des arbres de balanciers existants pour les adapter à l'invention, les autres composants du balancier, ou du mécanisme dans lequel il est intégré, ne nécessitant aucune modification géométrique.
    • La figure 2 montre un arbre 1 de balancier avec une géométrie magnétiquement optimisée schématisée. Les parties les plus larges, qui sont utilisées comme support, ont un rapport de forme important, la dimension la plus grande étant orientée avec son axe principal DP dans la direction sensiblement orthogonale à la direction d'aimantation préférentielle DA de l'environnement du mouvement. Si certaines portées, notamment les pivots, restent de révolution, la partie saillante 11 est ici de forme prismatique, avec les surfaces antagonistes 14 et 15, et des surfaces de bout 16 et 17 sur les petits côtés du rectangle enveloppe du profil 12, qui sont toutes planes, dans une réalisation particulière. Pour d'autres fonctions d'appui de l'arbre 1 de balancier, d'autres parties 11A, 11B, avec un rapport de forme supérieur à 1 sont ménagées parallèlement à la partie saillante principale 11, et ont toutes leur axe principal DP dans la direction sensiblement orthogonale à la direction d'aimantation préférentielle DA. Le fraisage en bout des faces 16A, 16B, 17A, 17B, conjugué avec le fraisage des prolongements des plans 14 et 15 au niveau de ces parties 11A, 11B, offre l'avantage de permettre la fuite des champs magnétiques, et de réduire davantage l'aimantation résiduelle.
    • La figure 3 illustre une géométrie optimisée alternative, dérivée de celle de la figure 2. Dans ce cas, les parties de support les plus longues, de la partie saillante principale 11, mais aussi des autres parties 11A, 11B, sont découpées et comportent des découpes 18, notamment sous forme de fentes, pour induire une auto-démagnétisation partielle en absence du champ externe. Ces découpes 18 s'étendent selon une direction parallèle à l'axe principal DP. Comme précédemment, les parties les plus longues, utilisées comme support, ont un rapport de forme important, la dimension la plus grande étant orientée avec son axe principal DP dans la direction sensiblement orthogonale à la direction d'aimantation préférentielle DA de l'environnement du mouvement. De préférence, la profondeur des découpes 18 est supérieure ou égale à la moitié de la longueur de la partie 11 ou 11A considérée dépassant le rayon moyen de la partie cylindrique de l'arbre 1.
  • Là encore, les parties saillantes et les découpes sont symétriques par rapport à l'axe de pivotement D de l'arbre 1.
  • Même si l'exécution délimitée par des surfaces 14 et 15 qui sont des plans parallèles est très favorable, en termes de résultat comme de coût de production, il faut remarquer que, dès qu'on a un rapport de forme supérieur à 2, selon l'invention, une direction d'aimantation préférentielle dans le plan xy est établie, ce que confirment les simulations par éléments finis.
  • De façon préférée, pour éviter la création de balourds, l'arbre 1 selon l'invention est symétrique par rapport à un plan passant par l'axe de pivotement D et parallèle à la direction de l'axe principal DP.
  • Les surfaces de révolution 19, notamment les pivots et le corps cylindrique de l'arbre du balancier peuvent être identiques aux pivots et au corps cylindrique d'un arbre de balancier traditionnel : les performances mécaniques du composant sont donc inaltérées par rapport aux arbres de balancier existants.
  • Les arbres présentés sur les figures possèdent une direction préférentielle d'aimantation parallèle à l'axe principal DP et choisie de telle manière à être sensiblement orthogonale à la direction d'aimantation préférentielle DA de l'environnement du mouvement (quand le balancier spiral est au repos).
    • Cas d'un arbre de balancier traditionnel :
  • En ce qui concerne l'effet résiduel, pour un arbre de balancier traditionnel, deux régimes d'aimantation sont possibles, suite à l'exposition à un champ magnétique intense, notamment sous l'influence d'un champ externe statique puissant (> 5 000 kA/m), capable de saturer l'acier au carbone (20 AP) dont est généralement fabriqué l'arbre de balancier, et orienté orthogonalement à l'axe de pivotement de cet arbre (on néglige le cas où le champ est parallèle à l'axe, parce que ce cas ne produit pas de défauts importants à la chronométrie):
    • premier cas : le mouvement du balancier 10 s'arrête sous le champ externe, et le mouvement 30 est stoppé. Puisque le mouvement s'arrête proche de sa position de repos (généralement à moins de 20°, parce que l'arbre a une symétrie cylindrique et le spiral est amagnétique), le champ rémanent dans l'arbre du balancier est orienté comme le champ externe « vu » depuis la position de repos.
    • deuxième cas : le mouvement ne s'arrête pas, donc l'aimantation de l'arbre a lieu dynamiquement: à chaque oscillation, la direction du champ externe « vu » par l'arbre se modifie, le champ dans la matière subit plusieurs cycles d'hystérèse avec la formation progressive (à chaque cycle) d'un champ rémanent (le champ externe est intense, donc il aimante fortement l'arbre, mais, quand l'orientation de l'arbre change, le même champ externe réduit et réoriente partiellement le champ rémanent créé). A cause de la formation progressive et cyclique d'une aimantation permanente, le champ rémanent finalement formé (au bout de quelques oscillations complètes, c'est-à-dire après 0,5 s à 1 s, selon la fréquence) dans l'arbre sera orienté comme si l'arbre était immobile dans sa position moyenne, c'est-à-dire dans sa position de repos (exactement comme si l'arbre s'était arrêté sous le champ).
  • Indépendamment de l'arrêt sous champ du mouvement, le champ rémanent sera orienté préférablement comme le champ externe tandis que le champ rémanent créé dans l'environnement du mouvement sera orienté selon l'orientation des composants ferromagnétiques fixes (barrettes, vis, ponts), selon la direction d'aimantation préférentielle DA.
  • Après l'élimination du champ externe, un couple magnétique résiduel agit sur l'arbre de balancier comme sur une aiguille de boussole. Le défaut de marche dépend de la symétrie du couple magnétique par rapport à la position de repos du balancier (angle d'oscillation = 0): si le couple est une fonction impaire de l'angle, le défaut de marche est maximum, si le couple est une fonction paire de l'angle, le défaut de marche est nul (mais ce dernier résultat est très improbable pour un arbre traditionnel).
    • Cas d'un arbres de balancier selon l'invention:
  • L'effet résiduel pour un arbre 1 optimisé géométriquement selon l'invention est différent de celui constaté pour un arbre traditionnel.
  • Les arbres 1 représentés en figure 1 et en figure 2 présentent un rapport de forme d'environ 2. Pour des arbres ayant un rapport de forme de 2 ou supérieur à 2, les régimes d'aimantation possibles sont :
    • premier cas : le mouvement s'arrête sous le champ externe. La présence d'une direction d'aimantation préférentielle affaiblit l'aimantation dans la direction orthogonale.
    • deuxième cas : le mouvement ne s'arrête pas, donc l'aimantation de l'arbre a lieu dynamiquement: à chaque oscillation, la direction du champ externe « vu » par l'arbre se modifie, le champ dans la matière subit plusieurs cycles d'hystérèse avec la formation progressive (à chaque cycle) d'un champ rémanent.
  • En raison de la présence d'une direction d'aimantation préférentielle, l'aimantation est:
    • orientée selon cette direction, si le champ externe est orienté selon une direction quelconque sauf la direction exactement orthogonale ;
    • orientée dans la direction orthogonale mais très faible, si le champ externe est orienté dans la direction orthogonale à l'axe principal DP de l'arbre.
  • Puisque l'axe principal DP de l'arbre 1 est sensiblement orthogonal à la direction préférentielle d'aimantation DA de l'environnement, pour presque toutes les orientations possibles du champ externe (sauf l'orientation selon la direction préférentielle d'aimantation DA de l'environnement) le couple magnétique résiduel résultant sur l'arbre1 est une fonction paire de l'angle d'oscillation, ce qui rend presque nul le défaut de marche résiduel.
  • Si le champ est orienté exactement selon la direction préférentielle d'aimantation de l'environnement DA, l'arbre est aimanté dans la même direction, donc orthogonalement à l'axe principal DP, mais dans ce cas son aimantation est faible, inférieure à 0,2 T, comme le montre la figure 4 qui illustre la répartition du champ rémanent, après aimantation à 0,2 T selon la direction orthogonale a l'axe principal DP, d'un arbre 1 de balancier optimisé en acier 20 AP. Le couple magnétique est, dans ce cas, une fonction impaire de l'angle d'oscillation, mais il est entre 10 et 100 fois (en dépendance de la géométrie) plus faible que le couple agissant sur un arbre traditionnel, tel que visible sur la figure 5, qui illustre, sous forme d'un graphe, la comparaison des couples magnétiques exercés sur un arbre de balancier traditionnel selon le graphe GT représenté en trait interrompu, et sur un arbre 1 optimisé selon l'invention selon le graphe GO est représenté en trait continu. En abscisse figure l'angle en degrés, et en ordonnée le couple exercé sur le balancier, en mN.mm . Le défaut de marche résiduel est alors réduit d'un facteur entre 3 et 10.
  • La figure 8 illustre l'influence de la valeur de l'angle entre la direction préférentielle d'aimantation du mouvement et celle de l'axe principal de l'arbre de balancier : il est très clair que pour un angle de 90°, l'écart de marche est très faible, de l'ordre de la seconde par jour, quelle que soit l'amplitude.
  • Indépendamment de la direction du champ externe, l'optimisation géométrique de l'arbre permet donc de réduire considérablement le défaut de marche résiduel.
  • De préférence, la matière de l'arbre 1 est magnétiquement homogène dans la réalisation simple illustrée par les figures. Cette exécution particulière n'exclut nullement des réalisations où l'arbre 1 est magnétiquement inhomogène.
  • Dans une variante particulière, l'arbre 1 est monobloc et réalisé en une ou plusieurs parties alignées. Cet arbre monobloc 1 est magnétiquement inhomogène et a des propriétés magnétiques intrinsèques, qui sont la perméabilité et le champ de saturation et le champ coercitif et la température de Curie et la courbe d'hystérèse dépendante, qui sont non-uniformes dans son volume. Plus particulièrement, cet arbre 1 est magnétiquement inhomogène, avec une variation des propriétés magnétiques intrinsèques de cet arbre monobloc 1, soit selon la direction axiale de l'axe de pivotement D de cet arbre monobloc 1, soit de façon radiale par rapport à l'axe de pivotement D, soit à la fois selon la direction axiale de l'axe de pivotement D dudit arbre monobloc 1 et de façon radiale avec une symétrie de révolution par rapport à cet axe de pivotement D.
  • L'invention apporte des avantages conséquents :
    • champ d'arrêt sous-champ augmenté pour les montres avec spiral, corps d'ancre et roue d'échappement amagnétique ;
    • effet résiduel réduit pour les montres avec spiral, corps d'ancre et roue d'échappement amagnétique ;
    • performances mécaniques identiques aux montres de l'état actuel de la technique.
  • L'invention permet, ainsi, de modifier la géométrie de l'arbre du balancier (et non pas du balancier tout entier), parce que l'arbre est en général le seul composant magnétique, qu'il est difficile de le remplacer par un matériau amagnétique. Et c'est bien l'influence de l'arbre lui-même qu'il faut réduire, ce but est atteint par l'invention.
  • Il n'est pas nécessaire d'adapter la géométrie des composants se montant sur l'arbre de balancier, car les surfaces de support sont maintenues, même si elles sont localement modifiées par la mise en oeuvre de l'invention, par rapport à un balancier traditionnel.
  • En somme, même si on peut naturellement envisager, autour du concept inventif de l'invention, différentes constructions très spécifiques selon le cas d'espèce, et surtout pour simplifier la fabrication et la fixation des composants, l'important est d'appliquer ce concept de base: il faut définir une direction préférentielle d'aimantation de l'arbre de balancier, adaptée à la direction d'aimantation préférentielle de l'environnement. La manière la plus simple est d'avoir une géométrie prismatique plutôt que cylindrique (avec un facteur de forme de 2 ou plus).
  • L'invention permet d'obtenir un oscillateur avec une excellente régularité de marche, car très peu sensible aux perturbations magnétiques externes, au contraire de tentatives de l'art antérieur (comme par exemple un oscillateur constitué par l'interaction d'un arbre magnétisé de manière permanente avec un stator, mais dont la fréquence dépend fortement de la magnétisation de l'axe, et donc ressent fortement toute perturbation magnétiques externe, et ne peut être utilisé pour un mouvement horloger précis).
  • Pour arriver à ce résultat, il a fallu étudier le mécanisme d'aimantation d'un composant ferromagnétique en mouvement, un problème qui n'a jamais été attaqué en horlogerie et qui a été étudié dans le domaine des machines rotatives lourdes seulement à partir des années 2000.
  • On comprend qu'il existe une grande différence entre d'une part un composant magnétiquement passif, comme l'arbre 1 de l'invention, (ferromagnétique, non aimanté et, en principe, mauvais aimant permanent), et d'autre part un composant magnétiquement actif comme un aimant permanent (réalisé avec une matière ferromagnétique spécifique, avec un point de Curie et un champ coercitif très élevés, et aimanté volontairement selon une direction spécifique avant d'être intégré dans la construction, en utilisant des champs d'aimantation extrêmement élevés, de l'ordre de 3 T à 6 T. L'homme du métier ne peut donc pas transférer des résultats connus pour un aimant permanent à des composants ferromagnétiques non aimantés, dont le comportement est complètement différent et qui constituent des systèmes beaucoup plus complexes parce que leur réponse magnétique dépend fortement de leur géométrie, des effets de surface et de l'environnement dans le mouvement.
  • L'homme du métier peut consulter à ce sujet différents articles :
    • composants ferromagnétiques non aimantés, dont le comportement est complètement différent et qui constituent des systèmes beaucoup plus complexes parce que leur réponse magnétique dépend fortement de leur géométrie, des effets de surface et de l'environnement dans le mouvement.
  • L'homme du métier peut consulter à ce sujet différents articles :

Claims (12)

  1. Arbre (1) de mobile (10) d'horlogerie destiné à pivoter autour d'un axe de pivotement (D) et comportant au moins une partie saillante (11, 11A) dont une partie saillante principale (11) définit le plus grand rayon (RMAX) dudit arbre (1) autour dudit axe de pivotement (D), où au moins ladite partie saillante principale (11) est délimitée, de part et d'autre dudit axe de pivotement (D), par deux surfaces (14 ; 15) symétriques par rapport audit axe de pivotement (D) et qui définissent, en projection sur un plan perpendiculaire audit axe de pivotement (D), un profil (12) inscrit dans un rectangle (R) dont le rapport de la longueur (LR) à la largeur (LA) définit un rapport de forme qui est supérieur ou égal à 2, la direction de ladite longueur (LR) définissant un axe principal (DP), caractérisé en ce que au moins une dite partie saillante (11, 11A), de profil rectangulaire délimité sur deux côtés antagonistes par lesdites deux surfaces (14 ; 15), que comporte ledit arbre (1), comporte, pour induire une auto-démagnétisation partielle en absence de champ externe, au moins une fente (18) centrée sur ledit axe de pivotement (D) et s'étendant selon ledit axe principal (DP) et de profondeur supérieure ou égale à la moitié de la longueur de ladite partie saillante (11 ; 11A) comportant ladite fente (8) considérée dépassant le rayon moyen de la partie cylindrique dudit arbre (1), et caractérisé en ce que ledit arbre (1) est monobloc.
  2. Arbre (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit arbre (1) comporte au moins une partie saillante secondaire (11A) ayant, en projection sur un plan perpendiculaire audit axe de pivotement (D), un profil rectangulaire délimité sur deux côtés antagonistes par lesdites deux surfaces (14 ; 15).
  3. Arbre (1) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que lesdites deux surfaces (14 ; 15) sont planes et parallèles audit axe de pivotement (D).
  4. Arbre (1) selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit arbre (1) est réalisé en acier.
  5. Arbre (1) selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit arbre (1) est monobloc et réalisé en une ou plusieurs parties (2) alignées, en ce que ledit arbre monobloc (1) est magnétiquement inhomogène et a des propriétés magnétiques intrinsèques qui sont non-uniformes dans son volume.
  6. Arbre (1) selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit arbre (1) est magnétiquement inhomogène, avec une variation des propriétés magnétiques intrinsèques dudit arbre monobloc (1), soit selon la direction axiale de l'axe de pivotement (D) dudit arbre monobloc (1), soit de façon radiale par rapport audit axe de pivotement (D), soit à la fois selon la direction axiale de l'axe de pivotement (D) dudit arbre monobloc (1) et de façon radiale avec une symétrie de révolution par rapport audit axe de pivotement (D).
  7. Mouvement d'horlogerie (30) comportant un mécanisme d'horlogerie (20) lequel comporte un mobile (10) agencé pour osciller autour d'une position de repos définie par un plan de repos passant par un axe de pivotement (D), et ledit mobile (10) coopérant avec des moyens de rappel élastique agencés pour rappeler ledit mobile (10) vers une position de repos, ledit mobile (10) comportant un arbre (1) destiné à pivoter autour dudit axe de pivotement (D) et comportant au moins une partie saillante principale (11) définissant le plus grand rayon (RMAX) dudit arbre (1) autour dudit axe de pivotement (D), caractérisé en ce que ledit mobile (10) est un balancier d'horlogerie, et caractérisé en ce que au moins ladite partie saillante (11) est délimitée, de part et d'autre dudit axe de pivotement (D), par deux surfaces (14 ; 15) symétriques par rapport audit axe de pivotement (D) et qui définissent, en projection sur un plan perpendiculaire audit axe de pivotement (D), un profil (12) inscrit dans un rectangle (R) dont le rapport de la longueur (LR) à la largeur (LA) définit un rapport de forme qui est supérieur ou égal à 2, la direction de ladite longueur (LR) définissant un axe principal (DP), et caractérisé en ce que ledit arbre (1) est en acier, et en ce que ledit axe principal (DP) dudit arbre (1), dans le plan orthogonal audit arbre, occupe une position angulaire déterminée par rapport audit plan de repos dans ladite position de repos dudit mobile (10), ledit mouvement d'horlogerie (30) ayant, au voisinage dudit mobile (10), une direction d'aimantation préférentielle (DA) qui est sensiblement orthogonale audit axe principal (DP) dudit arbre (1) dans ladite position de repos.
  8. Mouvement d'horlogerie (30) selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit arbre (1) est un arbre (1) selon l'une des revendications 1 à 6.
  9. Mouvement d'horlogerie (30) selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que ledit mobile (10) est rappelé vers ladite position de repos par des moyens de rappel élastique que comporte ledit mécanisme d'horlogerie (20).
  10. Mouvement d'horlogerie (30) selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit arbre (1) est en acier, présente un champ de saturation élevé de valeur (Bs) supérieure à 1 T, une perméabilité magnétique maximale (µR) supérieure à 50, et un champ coercitif (Hc) supérieur à 3 kA/m.
  11. Mouvement d'horlogerie (30) selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que ledit mécanisme d'horlogerie (20) est un mécanisme d'échappement, et en ce que ledit mobile (10) est un balancier ramené vers ladite position de repos par au moins un ressort-spiral constituant lesdits moyens de rappel élastique, et en ce que ledit arbre (1) est un arbre de balancier.
  12. Montre (40) comportant au moins un mouvement d'horlogerie (30) selon l'une des revendications 7 à 11.
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